JP5634597B2 - 気液分離器及びこの気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置 - Google Patents

気液分離器及びこの気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置 Download PDF

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Description

本発明は、気液二相状態の流体(例えば冷媒)を気相流体及び液相流体に分離する気液分離器及びそれを搭載した冷凍サイクル装置に関する。
従来の気液分離器として、圧縮機、四方弁、室外熱交換器、ブリッジ回路、膨張弁、気液分離器及び室内熱交換器を順次配管によって接続した冷凍サイクルにおいて、分離したガス冷媒を圧縮機の吸入配管に戻すものがある(例えば、特許文献1参照)。
この特許文献1に記載された気液分離器では、冷房運転及び暖房運転それぞれの場合において、冷凍サイクルを流れる冷媒の方向を切り替えるために四方弁が使用され、冷房運転及び暖房運転において冷媒が流れる方向が変わっても、気液分離器に流れる冷媒の方向を冷房運転及び暖房運転の双方で一定とするためにブリッジ回路が使用されている。また、特許文献1に記載された気液分離器は、流入配管が接続された第1容器と、液冷媒の流出配管が下部に、ガス冷媒の流出配管が上部に接続された第2容器とを備えている。そして、第1容器の上部及び第2容器の上部には、ガス冷媒を通過させるための配管が設けられ、そして、第1容器の下部及び第2容器の下部には、液冷媒を通過させるための配管が設けられている。これによって、気液二相冷媒が流入する第1容器で、液冷媒の液面が波立ったり、又は泡立ったりしても、第2容器内においては液冷媒の液面の波立ち及び泡立ちが抑制されるようにして、液冷媒がガス冷媒と共に流出するのを防止しようとしている。
特開2008−75894号公報(図3−4等)
しかしながら、特許文献1に記載された気液分離器においては、第1容器において、流入した気液二相状態の冷媒速度を低下させて気液分離するか、又は、泡立った状態の気液二相の冷媒から気泡状態の冷媒蒸気を浮上させて気液分離するため、流入配管の径に比べて第1容器の直径をかなり大きくする必要があり、気液分離器が大型化するという問題点があった。
本発明は、上記のような課題に対応したものであり、高い気液分離効率を有しつつ小型化された気液分離器及びこの気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
本発明に係る気液分離器は、第1配管と、第2配管と、第3配管と、前記第1配管の上部、前記第2配管の上部、及び前記第3配管の上部を接続する上部配管と、前記第1配管の下部と前記第2配管の下部とを接続する第1下部配管と、前記第2配管の下部と前記第3配管の下部とを接続し、前記第1下部配管よりも下方に位置する第2下部配管と、気液二相状態の流体を前記第1配管内に流入させる流体流入配管と、前記上部配管に接続され、気相流体を流出させる気相流体流出配管と、前記第2下部配管に接続され、液相流体を流出させる液相流体流出配管と、を備え、前記第1配管、前記第2配管、前記上部配管及び前記第1下部配管によって第1ループ状配管が形成され、前記第2配管、前記第3配管、前記上部配管及び前記第1下部配管よりも下方に位置する前記第2下部配管によって第2ループ状配管が形成され、前記流体流入配管は、気液二相状態の流体を流出する流出部が形成された側の端部(以下、流出側端部と称する)が前記第1配管内に挿入され、前記流出部は、前記第1配管内に流出した気液二相状態の流体が前記第1配管の内壁に衝突するように形成されているものである。
また、本発明に係る冷凍サイクル装置は、本発明に係る気液分離器を搭載したものであり、前記流体として冷媒を用いたものである。
本発明に係る気液分離器においては、高い気液分離効率によって気液二相状態の冷媒を分離することができ、しかも、容器を持たない配管のみで構成できる。したがって、本発明によれば、製造コストを大幅に低減することができ、さらに、小型化及び薄型化を実現することができる気液分離器及びこの気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置を提供することができる。
本発明の実施の形態1に係る気液分離器5を搭載した冷凍サイクル装置の構成図である。 本発明の実施の形態1に係る気液分離器5の構造図である。 本発明の実施の形態1に係る気液分離器5を搭載した冷凍サイクル装置、及び、気液分離器を搭載していない冷凍サイクル装置におけるエンタルピーと圧力との関係を示すモリエル線図である。 気液分離器を搭載しない冷凍サイクル装置の構成図の例である。 本発明の実施の形態1に係る気液分離器5を搭載した冷凍サイクル装置の別の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態1に係る気液分離器5を搭載した冷凍サイクル装置のさらに別の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態1に係る気液分離器5を搭載した冷凍サイクル装置のさらに別の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態1に係る気液分離器5の別の一例を示す構造図である。 本発明の実施の形態2に係る気液分離器5の構造図である。 本発明の実施の形態3に係る気液分離器5の構造図である。 本発明の実施の形態3に係る気液分離器5の別の一例を示す構造図である。 本発明の実施の形態4に係る気液分離器5の構造図である。 本発明の実施の形態4に係る気液分離器5の別の一例を示す構造図である。 本発明の実施の形態5に係る気液分離器5の構造図である。 本発明の実施の形態5に係る気液分離器5の別の一例を示す構造図である。 本発明の実施の形態5に係る気液分離器5のさらに別の一例を示す構造図である。 本発明の実施の形態6に係る気液分離器5の構造図である。 本発明の実施の形態7に係る気液分離器5の構造図である。 本発明の実施の形態8に係る気液分離器5の構造図である。 本発明の実施の形態9に係る気液分離器5の構造図である。 本発明の実施の形態9に係る気液分離器5の別の一例を示す構造図である。
実施の形態1.
(冷凍サイクル装置の全体構成)
図1は、本発明の実施の形態1に係る気液分離器5を搭載した冷凍サイクル装置の構成図である。
本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置は、少なくとも、圧縮機1、四方弁2、熱源側の第1熱交換器3、膨張弁4、気液分離器5、利用側の第2熱交換器6を備えており、圧縮機1、四方弁2、第1熱交換器3、膨張弁4、気液分離器5、第2熱交換器6、四方弁2、そして、圧縮機1の順で冷媒配管によって接続され、冷凍サイクル回路(冷媒回路)の主回路を構成している。また、気液分離器5において後述する気体冷媒流出配管16から、第2熱交換器6と四方弁2とを接続する冷媒配管に接続するバイパス回路10が構成されている。このバイパス回路10には、電磁弁7、逆止弁8及びキャピラリーチューブ9が備えられている。なお、図1においては、気体冷媒流出配管16から、電磁弁7、逆止弁8、そしてキャピラリーチューブ9の順で接続されているが、この接続順序に限定されるものではなく、いずれの順序でもよい。後述する冷凍サイクル装置の暖房動作においてバイパス回路10に冷媒が流通しないようにするのみなら電磁弁7を用いずに逆止弁8のみを用いても良い。この場合、電磁弁7は冷房動作において気液分離器5を動作させる必要が無いときに閉とする。電磁弁7と逆止弁8は冷暖房動作において気液分離器を動作させるか否かの状況に応じてそれぞれ設置すればよい。なお後述するように気体冷媒流出配管16から気液分離器5の外部へ流出した気体冷媒20dは圧縮機1の吸入側に戻ればよいので図5に示すようにバイパス回路10が圧縮機1と四方弁2の間に接続されても良い。
圧縮機1は、吸入した気体冷媒を圧縮し、高温高圧の気体冷媒を吐出する。
四方弁2は、圧縮機1から吐出された気体冷媒の流路を切り替える機能を有する。本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置が冷房運転を実施する場合、四方弁2は、圧縮機1から吐出された気体冷媒が第1熱交換器3に流入するように流路を切り替える。一方、暖房運転を実施する場合、四方弁2は、圧縮機1から吐出された気体冷媒が第2熱交換器6に流入するように流路を切り替える。
第1熱交換器3は、外気等と内部を流通する冷媒との熱交換を実施し、外気等を送り込むためのファンをその近傍に備えている。本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置が冷房運転を実施する場合、第1熱交換器3は、圧縮機1から吐出された高温高圧の気体冷媒と、ファンによって送られてくる外気等との熱交換を実施し、その気体冷媒を凝縮させる。一方、暖房運転を実施する場合、第1熱交換器3は、膨張弁4から送られてくる低温低圧冷媒と、ファンによって送られてくる外気等との熱交換を実施し、その低圧冷媒を蒸発させる。
膨張弁4は、流入してきた液冷媒を膨張させて減圧し、低温低圧の気液二相冷媒として流出する。
気液分離器5は、流入してきた気液二相冷媒を液冷媒及び気体冷媒に分離する。この気液分離器5の構成及び動作の詳細については、後述する。
第2熱交換器6は、室内空気等と内部を流通する冷媒との熱交換を実施し、室内空気等を送り込むためのファンをその近傍に備えている。本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置が冷房運転を実施する場合、第2熱交換器6は、気液分離器5によって気液二相冷媒から分離された低温低圧の液冷媒と、ファンによって送られてくる室内空気等との熱交換を実施し、その低温低圧の液冷媒を蒸発させる。一方、暖房運転を実施する場合、第2熱交換器6は、圧縮機1から吐出された高温高圧の気体冷媒と、ファンによって送られてくる外気等との熱交換を実施し、その気体冷媒を凝縮させる。
電磁弁7は、本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置によって冷房運転が実施される場合、開状態とし、気液分離器5によって気液二相冷媒から分離された気体冷媒をバイパス回路10に流通させる。また、電磁弁7は、本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置によって暖房運転が実施される場合、閉状態とし、冷媒がバイパス回路10に流通しないようにする。
逆止弁8は、バイパス回路10において冷媒を一方向のみに流通させるものであり、具体的には、気液分離器5から圧縮機1への方向に冷媒を流通させる。
キャピラリーチューブ9は、銅製等の毛細管であり、バイパス回路10に流通させる気体冷媒の流量を調整する。
なお、流量を調整する手段として膨張弁を用いてもよい。
なお、膨張弁4は、本発明における「膨張手段」に相当する。
(気液分離器5の構成)
図2は、本発明の実施の形態1に係る気液分離器5の構造図である。
図2で示されるように、本実施の形態1に係る気液分離器5は、略垂直方向に配置された第1の冷媒流路としての第1縦配管11、同様に略垂直方向に配置された第2の冷媒流路としての第2縦配管12、第1縦配管11の上端部と第2縦配管12の上端部とを接続する連結部としての上部配管13、及び、第1縦配管11の下端部と第2縦配管12の下端部を接続する連結部としての下部配管14を備えている。そして、上記の第1縦配管11、第2縦配管12、上部配管13及び下部配管14によってループ状配管30が形成されている。
また、本実施の形態1に係る気液分離器5は、上部配管13(より詳しくは、第2縦配管12と上部配管13との合流部)に接続された気体冷媒流出配管16、及び下部配管14(より詳しくは、第2縦配管12と下部配管14との合流部)に接続された液冷媒流出配管17を備えている。気体冷媒流出配管16は上部配管13から上方に延設されており、液冷媒流出配管17は下部配管14から下方に延設されている。
また、本実施の形態1に係る気液分離器5は、第1縦配管11に一方の端部(以下、流出側端部15aと称する)が挿入された冷媒流入配管15を備えている。この冷媒流入配管15の流出側端部15aには、冷媒流入配管15に流入した気液二相冷媒を流出する流出部50が形成されている。本実施の形態1に係る冷媒流入配管15においては、流出側端部15aの先端部の開口を、そのまま流出部50として用いている。そして、本実施の形態1に係る冷媒流入配管15は、流出側端部15aが第1縦配管11の内壁を向くように曲げ加工されている。
上部配管13は、後述するように、第1縦配管11内を上昇する気体冷媒20aを、第2縦配管12内を上昇する気体冷媒20cと合流させる冷媒配管である。また、上部配管13は、第1縦配管11の上端部と、その第1縦配管11の上端部より上方に位置する第2縦配管12の上端部との間に、ループ状配管30の外側に向かって円弧状となるように形成されている。
下部配管14は、後述するように、第1縦配管11内を下降する液冷媒21bを、第2縦配管12及び液冷媒流出配管17へ送り込む冷媒配管である。また、下部配管14は、第1縦配管11の下端部と、その第1縦配管11の下端部より下方に位置する第2縦配管12の下端部との間に、ループ状配管30の外側に向かって円弧状となるように形成されている。
冷媒流入配管15の流出側端部15aの先端は、ループ状配管30の最上点と最下点との間において、垂直方向にH1:H2の比となる位置に挿入されている。ここで、距離H1は、気液二相冷媒の気液分離において十分な高さであればよく、H1:H2の比は限定されるものではないが、例えば、2:1〜3:1程度に設定すればよい。
なお、第1縦配管11及び第2縦配管12は、それぞれ本発明における「第1配管」及び「第2配管」に相当する。また、冷媒流入配管15、気体冷媒流出配管16及び液冷媒流出配管17は、それぞれ本発明における「流体流入配管」、「気相流体流出配管」及び「液相流体流出配管」に相当する。
(冷凍サイクル装置の冷房動作及び気液分離器5の気液分離動作)
図3は、本発明の実施の形態1に係る気液分離器5を搭載した冷凍サイクル装置、及び、気液分離器を搭載していない冷凍サイクル装置におけるエンタルピーと圧力との関係を示すモリエル線図であり、図4は、気液分離器を搭載しない冷凍サイクル装置の構成図の例である。図3において、実線は気液分離器5を搭載した冷凍サイクル装置、そして、破線は気液分離器を搭載していない図4で示される冷凍サイクル装置のエンタルピーと圧力との関係を示している。また、図3において点A〜点Fで示す冷媒状態は、本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置(図1)において点A〜点Fで示す位置の冷媒状態に対応している。さらに、図3において点A〜点C及び点D’で示す冷媒状態は、図4で示される冷凍サイクル装置において点A〜点C及び点D’で示す位置の冷媒状態に対応している。なお、ここでは、冷凍サイクル装置として空気調和機を例とし、熱源側の第1熱交換器3が室外熱交換器、そして、利用側の第2熱交換器6が室内熱交換器として機能するものとする。
まず、図4で示される気液分離器を搭載していない冷凍サイクル装置が冷房運転を実施する場合の動作について、図3及び図4を参照しながら説明する。
図4で示される気液分離器を搭載していない冷凍サイクル装置において、まず、圧縮機1によって圧縮され吐出された高温高圧の気体冷媒は、四方弁2を経由して、第1熱交換器3へ流入する(点A)。この第1熱交換器3へ流入した気体冷媒は、外気と熱交換が実施されて凝縮し、液冷媒となって、第1熱交換器3から流出する。第1熱交換器3から流出した液冷媒(点B)は、膨張弁4へ流れ込み、この膨張弁4によって膨張及び減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となる。この気液二相冷媒(点C)は、第2熱交換器6へ流入し、室内空気と熱交換が実施されて蒸発し、低温低圧の気体冷媒となって第2熱交換器6から流出する。この第2熱交換器6から流出した気体冷媒(点D’)は、四方弁2を経由して圧縮機1に流入し、再び圧縮される。
以上のように、図4で示される気液分離器を搭載していない冷凍サイクル装置においては、膨張弁4を通過した後の気液二相冷媒(点C)が、第2熱交換器6へ流入するため、冷媒が第2熱交換器6を通過する際の圧力損失が大きくなる(図3において(PC−PD’)に相当する)。
次に、図1で示される本実施の形態1に係る気液分離器5を搭載した冷凍サイクル装置が冷房運転を実施する場合の動作について、図1〜図3を参照しながら説明する。
まず、本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置は、電磁弁7を開状態にして、バイパス回路10に冷媒が流通するようにする。圧縮機1によって圧縮され吐出された高温高圧の気体冷媒は、四方弁2を経由して、第1熱交換器3へ流入する(点A)。第1熱交換器3へ流入した気体冷媒は、外気と熱交換が実施されて凝縮し、液冷媒となって、第1熱交換器3から流出する。第1熱交換器3から流出した液冷媒(点B)は、膨張弁4へ流れ込み、この膨張弁4によって膨張及び減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となる。この気液二相冷媒(点C)は、気液分離器5へ流入する。
ここで、気液分離器5による気液二相冷媒の気液分離動作について詳述する。上記のように気液二相冷媒(点C)は、図2における気液二相冷媒19として、気液分離器5における冷媒流入配管15から流入する。この冷媒流入配管15から流入した気液二相冷媒19は、第1縦配管11の内壁に向くように曲げられた流出側端部15aの先端から流出して、第1縦配管11の壁面に衝突する。この衝突によって、気液二相冷媒19は、慣性の大きい液冷媒21aが第1縦配管11に付着することによって気液分離される。このとき、第1縦配管11は容器ではなく、断面積の小さい冷媒配管であるので、衝突による泡立ちがほとんど発生することがない。
なお、冷媒流入配管15の流出側端部15aは、第1縦配管11の内壁に対して直交するように曲げられているが、これに限定されるものではない。ただし、第1縦配管11に対して直交するように冷媒流入配管15の流出側端部15aを曲げることによって、気液二相冷媒19が第1縦配管11の内壁に衝突する際の衝突エネルギーが大きくなり、気液二相冷媒19の気液分離効率が向上する。
また、第1縦配管11を内面溝付管にしてもよい。こうすることで、溝の表面張力によって、衝突により発生する泡立ちが抑制される効果がある。
気液二相冷媒19から分離した液冷媒21aは、重力を受けて、液冷媒21bとして第1縦配管11及び下部配管14を下方に向かって進む。その後、液冷媒21bは、第1縦配管11の下部、下部配管14、及び第2縦配管12の下部において溜まり、液冷媒流出配管17から気液分離器5の外部へ流出する。
また、気液二相冷媒19から分離した気体冷媒20aは、液冷媒21bが第1縦配管11の下部に溜まることによって第1縦配管11を上方に向かって進み、上部配管13を経由し、さらに、第2縦配管12を上昇してきた後述する気体冷媒20cと合流し、気体冷媒20dとなって気体冷媒流出配管16から気液分離器5の外部へ流出する。
また、気液分離された液冷媒21aが、液冷媒21bとして重力落下する際、同様に分離された気体冷媒20aの一部である気体冷媒20bを巻き込む場合がある。このとき、巻き込まれた気体冷媒20bは、下部配管14を経由して第2縦配管12へ流入し、この第2縦配管12内で浮力を受けて、第2縦配管12内の液冷媒21bの液面から分離して、気体冷媒20cとして第2縦配管12を上方に向かって進み、上部配管13を流れてきた気体冷媒20aと合流し、気体冷媒20dとなって気体冷媒流出配管16から気液分離器5の外部へ流出する。
また、気体冷媒20aが第1縦配管11を上昇する際、衝突によって生じた液冷媒21aの一部である液冷媒21cをこの気体冷媒20aが引っ張り上げるため、この液冷媒21cが第1縦配管11を上昇するようになる。液冷媒21cは液滴状であったり、管内壁に沿った液膜状であったりする。しかし、冷媒流入配管15の流出側端部15aの先端からループ状配管30の最上点までの距離H1を大きくとることによって、液膜状の液冷媒21cは、重力落下するので、気体冷媒流出配管16から気体冷媒20dと共に気液分離器5から流出することはない。
また、液冷媒21cが上部配管13に到達した場合であっても、液冷媒21cの密度が、上部配管13を流通する気体冷媒20aよりも大きいため、液冷媒21cは、上部配管13の底を流れるようになり、第2縦配管12へ到達したとき、液冷媒21dとして第2縦配管12を重力落下し、液冷媒流出配管17から流出する。このとき、液冷媒21dは、第2縦配管12を上昇する気体冷媒20cに逆らって落下する必要があるが、第2縦配管12を上昇する気体冷媒20cと、第1縦配管11を上昇する気体冷媒20aとを比較すると、第1縦配管11を上昇する気体冷媒20aの方が、その冷媒量が大きく、そして流速も速く、かつ、第2縦配管12を上昇する気体冷媒20cの速度は十分遅いため、液冷媒21dは、第2縦配管12を重力落下する。一方、液滴状の液冷媒21cは気体冷媒20aに同伴されて第2縦配管12へ到達した場合では、液滴は第2縦配管12の内壁に付着して液冷媒21dとして第2縦配管12内を重力によって落下し、液冷媒流出配管17から流出する。
本実施の形態1に係る気液分離器5は、冷凍サイクル装置の中で、以上のように作用し、高い気液分離効率で気液二相冷媒を気体冷媒と液冷媒とに分離することができる。
そして、液冷媒流出配管17から気液分離器5の外部へ流出した液冷媒21b(点E)は、第2熱交換器6へ流入する。第2熱交換器6へ流入した液冷媒は、室内空気と熱交換が実施されて蒸発し、気体冷媒となって、第2熱交換器6から流出する。一方、気体冷媒流出配管16から気液分離器5の外部へ流出した気体冷媒20d(点F)は、バイパス回路10における電磁弁7、逆止弁8及びキャピラリーチューブ9を経由した後、第2熱交換器6を通過した気体冷媒と合流し(点D)、四方弁2を経由して、圧縮機1へ流入し、再び圧縮される。なお後述するように気体冷媒流出配管16から気液分離器5の外部へ流出した気体冷媒20dは圧縮機1の吸入側に戻ればよいので図5に示すようにバイパス回路10が圧縮機1と四方弁2の間に接続されても良い。
以上のように、図1で示される本実施の形態1に係る気液分離器5を搭載した冷凍サイクル装置においては、第2熱交換器6に液冷媒のみを通過させるため、第2熱交換器6を通過する際の圧力損失を低下させることができる(図3において(PC−PD)に相当する)ため、圧縮機1の吸入圧力が、圧力PD’から圧力PDに上昇し、圧縮機1が吸入圧力から吐出圧力まで圧縮するのに必要な仕事量を減少させることができる。これによって、第2熱交換器6の蒸発能力と圧縮機1の入力との比で示される成績係数を向上することができる。
(冷凍サイクル装置の暖房動作)
次に、図1で示される本実施の形態1に係る気液分離器5を搭載した冷凍サイクル装置が暖房運転を実施する場合の動作について説明する。
まず、本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置は、電磁弁7を閉状態にして、バイパス回路10に冷媒が流通しないようにする。圧縮機1によって圧縮され吐出された高温高圧の気体冷媒は、四方弁2を経由して、第2熱交換器6へ流入する。第2熱交換器6へ流入した気体冷媒は、室内空気と熱交換が実施されて凝縮し、液冷媒となって、第2熱交換器6から流出する。第2熱交換器6から流出した液冷媒は、液冷媒流出配管17から気液分離器5へ流入する。気液分離器5へ流入した液冷媒は、液体状態のまま、冷媒流入配管15から流出する。気液分離器5を流出した液冷媒は、膨張弁4へ流れ込み、この膨張弁4によって膨張及び減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となる。この気液二相冷媒は、第1熱交換器3へ流入する。第1熱交換器3へ流入した気液二相冷媒は、外気と熱交換が実施されて蒸発し、気体冷媒となって、第1熱交換器3から流出する。第1熱交換器3を流出した気体冷媒は、四方弁2を経由して、圧縮機1へ流入し、再び圧縮される。
また、図4で示される気液分離器を搭載していない冷凍サイクル装置が暖房運転を実施する場合は、気液分離器5の通過がない点を除いて、図1で示される本実施の形態1に係る気液分離器5を搭載した冷凍サイクル装置の動作と同様である。
(実施の形態1の効果)
以上のように、本実施の形態1に係る気液分離器5は、冷凍サイクル装置の運転時に、高い気液分離効率によって気液二相状態の冷媒を分離することができ、しかも、この気液分離器5は容器を持たない冷媒配管のみから構成されているため、製造コストを大幅に低減することができ、気液分離器5内に封入する冷媒量を削減でき、さらに、気液分離器5の小型化及び薄型化を実現することができる。また、これによって、気液分離器5を搭載した冷凍サイクル装置全体を小型化することができる。
また、本実施の形態1の気液分離器5を搭載した冷凍サイクル装置においては、冷房運転が実施される場合、第2熱交換器6に液冷媒のみを通過させるため、第2熱交換器6を通過する際の圧力損失を低下させることができる。このため、圧縮機1における圧縮時の必要な仕事量を減少させることができ、第2熱交換器6の蒸発能力と圧縮機1の入力との比で示される成績係数を向上することができる。
また、本実施の形態1の気液分離器5を搭載した冷凍サイクル装置においては、暖房運転が実施される場合、気液分離器5が大きな容器を持たない冷媒配管によって構成されているため、気液分離器5に溜まる液冷媒を大幅に削減することができ、その分、コストも削減することができる。特に、地球温暖化係数の大きな冷媒を用いる場合、冷媒量を大幅に削減できるので、上記の効果は大きい。また、炭化水素冷媒など可燃性のある冷媒の使用量も大幅に削減できる。ちなみに、前述した特許文献1の図4で示される気液分離器を、本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置(図1)に搭載して暖房運転を実施する場合、容器全体に液冷媒が溜まることになるため、冷媒が大量に必要となるとともに、コストが大幅に増加する。
また、特許文献1の図4で示される気液分離器では、同文献の図3で示されるブリッジ回路を設けて、冷房運転と暖房運転とで運転が切り替わった場合であっても、気液分離器に流れ込む冷媒の流入方向を同一にする必要があり、ブリッジ回路の追加に伴うコストアップ及び装置全体の大型化を伴う。それに対し、本実施の形態1に係る気液分離器5を搭載した冷凍サイクル装置は、ブリッジ回路を必要とせず、冷凍サイクル装置の構成の簡素化、低コスト化及び冷媒量の削減を実現することができる。ただし、特許文献1の図3で示されるものと同様に、本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置おいても、図5で示されるようにブリッジ回路を設けても勿論よい。つまり、本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置おいても、冷房運転及び暖房運転のいずれにおいても、冷媒流入配管15を介して気液分離器5に流入するようにしてもよい。
図5は、本発明の実施の形態1に係る気液分離器5を搭載した冷凍サイクル装置の別の一例を示す構成図である。
図5に示す冷凍サイクル装置には、4つの逆止弁(第1逆止弁31a、第2逆止弁31b、第3逆止弁31c、第4逆止弁31d)で構成されたブリッジ回路31を備えている。より詳しくは、第1逆止弁31aは、気液分離器5の液冷媒流出配管17と第1熱交換器3との間に設置されるものであり、冷媒が第1熱交換器3から液冷媒流出配管17への方向に流れないようにするものである。第2逆止弁31bは、気液分離器5の液冷媒流出配管17と第2熱交換器6との間に設置されるものであり、冷媒が第2熱交換器6から液冷媒流出配管17への方向に流れないようにするものである。第3逆止弁31cは、第1熱交換器3と膨張弁4との間に設置されるものであり、冷媒が膨張弁4から第1熱交換器3への方向に流れないようにするものである。第4逆止弁31dは、第2熱交換器6と膨張弁4との間に設置され、冷媒が膨張弁4から第2熱交換器6への方向に流れないようにするものである。また、図5に示す冷凍サイクル装置においては、冷房運転及び暖房運転の双方においてバイパス回路10が圧縮機1の吸入側に接続されるように、バイパス回路10は、一方の端部を気液分離器5の気体冷媒流出配管16に接続し、他方の端部を四方弁2と圧縮機1の吸入側との間の冷媒配管に接続する。
このようにブリッジ回路31を備えた本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置においては、冷凍サイクル装置が冷房運転を実施している場合、冷媒が蒸発器として動作する第2熱交換器6を通過する際の圧力損失を低下させることができ、第2熱交換器6の蒸発能力と圧縮機1の入力との比で示される成績係数を向上することができる。一方、冷凍サイクル装置が暖房運転を実施している場合、蒸発器として動作する第1熱交換器3を冷媒が通過する際の圧力損失を低下させることができ、第1熱交換器3の蒸発能力と圧縮機1の入力との比で示される成績係数を向上することができる。
また、図2で示される気液分離器5の各冷媒配管をいくつか適宜まとめて一体に形成すると、製造コスト及び製造効率を向上させることができる。例えば、上部配管13、第1縦配管11及び下部配管14を一体の冷媒配管で形成し、そして、気体冷媒流出配管16、第2縦配管12及び液冷媒流出配管17を一体の冷媒配管で形成して両者の冷媒配管を接合することによってループ状配管30を形成し、さらに、第1縦配管11に冷媒流入配管15を挿入接合するものとする。このようにすることで、部品点数を削減すると共に、接合箇所を削減することができ、製造コスト及び製造効率を向上させることができる。
また、本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置を循環する冷媒として、特に限定するものではないが、R410A、R32又はR161等のフロン系冷媒の他、自然冷媒である二酸化炭素又は炭化水素等を利用することができる。この他、地球温暖化係数が低い冷媒であるテトラフルオロプロペンを成分とする冷媒として用いてもよい。特に、本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置は、充填する冷媒量を削減することができるため、可燃性を有する炭化水素、又は、テトラフルオロプロペンを成分とする冷媒として使用しても、冷媒漏洩時の漏洩量を抑制することができる。
なお、図6で示されるように、内部熱交換器60を用いる回路に気液分離器5を用いてもよい。図6において、冷房運転の場合、第1熱交換器3で凝縮した冷媒の一部を内部熱交換器用バイパス回路62に分岐する。内部熱交換器用膨張弁61で膨張及び減圧された低温冷媒は、内部熱交換器60で膨張弁4に流れ込む冷媒と熱交換が実施される。これによって、膨張弁4に流れ込む冷媒は過冷却され、膨張弁4で膨張及び減圧された冷媒の乾き度はより小さくなる。乾き度が小さくなるので、気液分離器5に流入する気液二相冷媒の流速はより遅くなり、第1縦配管11内での泡立ちがより抑制されて、気液分離効率が大きくなる効果がある。また、流速が遅くなるので、流速を一定とする場合では気液分離器5の配管径をより小さくでき、低コスト化効果がある。また、気液分離効率が大きくなるので、第2熱交換器6に流入する気液二相冷媒の乾き度が小さくなり、乾き度が0に近くなってほぼ液単相流となる。一般的に、熱交換器を構成する伝熱管は複数の流路に並列分岐されているので、単相流になると第2熱交換器6を構成する各伝熱管への冷媒分配が良好になり、図6では蒸発器となる第2熱交換器6の性能向上が図れる。なお図6では内部熱交換器60に入る前の冷媒の一部を分岐して内部熱交換器用膨張弁61に供給しているが、内部熱交換器60を通過した後の冷媒の一部を分岐して内部熱交換器用膨張弁61に供給しても良い。後者では内部熱交換器を流れる分岐前の冷媒と分岐後の冷媒が対向流となる。
また、図7で示されるように内部熱交換器60を用いた回路に、気液分離器5を用いてもよい。図7において、暖房運転の場合、第2熱交換器6で凝縮した冷媒の一部を内部熱交換器用バイパス回路62に分岐する。内部熱交換器用膨張弁61で膨張及び減圧された低温冷媒は、内部熱交換器60で膨張弁4に流れ込む冷媒と熱交換が実施される。これによって、膨張弁4に流れ込む冷媒は過冷却され、膨張弁4で膨張及び減圧された冷媒の乾き度はより小さくなる。乾き度が小さくなるので、気液分離器5に流入する気液二相冷媒の流速は、より遅くなり第1縦配管11内での泡立ちが、より抑制されて気液分離効率が大きくなる効果がある。また、流速が遅くなるので流速を一定とする場合では気液分離器5の配管径を、より小さくできるので低コスト化効果がある。また、気液分離効率が大きくなるので、第1熱交換器3に流入する気液二相冷媒の乾き度が小さくなり、乾き度が0に近くなってほぼ液単相流となる。前述のように、単相流になると第1熱交換器3を構成する各伝熱管への冷媒分配が良好になり、図7では蒸発器となる第1熱交換器3の性能向上が図れる。なお図7では内部熱交換器60に入る前の冷媒の一部を分岐して内部熱交換器用膨張弁61に供給しているが、内部熱交換器60を通過した後の冷媒の一部を分岐して内部熱交換器用膨張弁61に供給しても良い。後者では内部熱交換器を流れる分岐前の冷媒と分岐後の冷媒が対向流となる。
なお、図1で示される冷凍サイクル装置のように、冷房運転時にのみ、気液分離器5によって膨張弁4から流出した気液二相冷媒を気液分離するものとしているが、これに限定されるものではなく、膨張弁4及び気液分離器5の接続順序を逆とし、かつ、バイパス回路10を第1熱交換器3と四方弁2とを接続する冷媒配管に接続するものとし、暖房運転時に、気液分離器5によって膨張弁4から流出した気液二相冷媒を気液分離するものとしてもよい。この場合においても、上記の同様の効果を得ることができる。また、この場合、バイパス回路10を四方弁2と圧縮機1の吸入側との間に接続すれば、冷房運転時のみに気液二相冷媒を気液分離する場合と、暖房運転時のみに気液二相冷媒を気液分離する場合とにおいて、上記のようにバイパス回路10の接続先を切り替える必要はない。
また、気液分離器5から圧縮機1の吸入側を接続するバイパス回路10において、電磁弁7、逆止弁8及びキャピラリーチューブ9を備える構成としたが、これに限定されるものではなく、これらに代えて流量調整弁を備える構成としてもよい。
また、本実施の形態1では、上部配管13と第1縦配管11の合流部から冷媒流入配管15を第1縦配管11内に挿入しているが、冷媒流入配管15の挿入位置や挿入方向は任意である。例えば、下部配管14と第1縦配管11の合流部から冷媒流入配管15を第1縦配管11内に挿入してもよいし、第1縦配管11の側面部から冷媒流入配管15を第1縦配管11内に挿入してもよい。
また、上部配管13は、第1縦配管11の上端部と、その第1縦配管11の上端部より上方に位置する第2縦配管12の上端部との間に、ループ状配管30の外側に向かって円弧状となるように形成されるものとしたが、これに限定されるものではない。また、下部配管14は、第1縦配管11の下端部と、その第1縦配管11の下端部より下方に位置する第2縦配管12の下端部との間に、ループ状配管30の外側に向かって円弧状となるように形成されるとしたが、これに限定されるものではない。例えば、図8に示すように、円弧形状ではなく、上部配管13と第1縦配管11の合流部が直角形状となるように上部配管13を形成するものとしてもよい。直角形状であれば第1縦配管11内への冷媒流入配管15の挿入接合がしやすくなり低コスト化が図れる。同様に、下部配管14と第1縦配管11の合流部から冷媒流入配管15を第1縦配管11内に挿入する場合、下部配管14と第1縦配管11の合流部が直角形状となるように下部配管14を形成するものとしてもよい。第1縦配管11内への冷媒流入配管15の挿入接合がしやすくなり低コスト化が図れる。
また、図2で示されるように、第1縦配管11及び第2縦配管12を含め、気液分離器5が略垂直方向となるように配置されるものとしているが、これに限定されるものではなく、ループ状配管30によって形成される平面が、垂直方向から水平方向にならない程度に、水平面から所定の角度をもって配置されるものとしてもよい。このような配置によっても、上記と同様の効果を得ることができ、また、冷凍サイクル装置内において気液分離器5の配置の自由度を向上させることができる。
また、気液分離器5の各流路の断面積は、特に限定されるものではない。ただし、同一径の冷媒配管によって気液分離器5が構成される場合、冷媒配管の種類を統一化できるため、部品管理がしやすくなる。
また、本実施の形態1に係る冷凍サイクル装置として空気調和機を例に説明したが、これに限定されるものではなく、ヒートポンプ式給湯装置、又は冷蔵庫等、その他の冷凍サイクル装置に適用するものとしてもよい。さらに、本実施の形態1に係る気液分離器5は、冷凍サイクル装置に搭載するものとしたが、これに限定されるものではなく、冷媒ではなくその他の流体の気液分離に適用するものとしてもよい。
実施の形態2.
本実施の形態2に係る気液分離器5について、実施の形態1に係る気液分離器5の構成及び動作と相違する点を中心に説明する。なお、本実施の形態2に係る冷凍サイクル装置の構成は、図1で示される実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の構成と同様である。
(気液分離器5の構成)
図9は、本発明の実施の形態2に係る気液分離器5の構成図である。
図9で示されるように、本実施の形態2に係る気液分離器5は、略垂直方向に配置された第1の冷媒流路としての第1縦配管11、同様に略垂直方向に配置された第2の冷媒流路としての第2縦配管12、第1縦配管11の上端部と第2縦配管12の上端部とを接続する連結部としての上部配管13、及び、第1縦配管11の下端部と第2縦配管12の下端部を接続する連結部としての下部配管14を備えている。上記の第1縦配管11、第2縦配管12、上部配管13及び下部配管14によってループ状配管30が形成されている。
また、気液分離器5は、第1縦配管11内への冷媒流入路として、第1縦配管11に流出側端部15aが挿入された冷媒流入配管15を備えている。この冷媒流入配管15の流出側端部15aには、冷媒流入配管15に流入した気液二相冷媒を流出する流出部50が形成されている。本実施の形態2に係る冷媒流入配管15においては、流出側端部15aの先端部の開口を、そのまま流出部50として用いている。そして、本実施の形態2に係る冷媒流入配管15は、流出側端部15aが第1縦配管11の内壁を向くように曲げ加工されている。
上部配管13は、後述するように、第1縦配管11内を上昇する気体冷媒20aを、第2縦配管12内を上昇する気体冷媒20cと合流させる冷媒配管である。また、上部配管13は、第1縦配管11の上端部と、その第1縦配管11の上端部より上方に位置する第2縦配管12の上端部との間に、ループ状配管30の外側に向かって円弧状となるように形成されている。
下部配管14は、後述するように、第1縦配管11内を下降する液冷媒21bを、第2縦配管12の下端部へ送り込む冷媒配管である。また、下部配管14は、第1縦配管11の下端部と、その第1縦配管11の下端部より下方に位置する第2縦配管12の下端部との間に、ループ状配管30の外側に向かって円弧状となるように形成されている。
冷媒流入配管15の流出側端部15aの先端は、ループ状配管30の最上点と最下点との間において、垂直方向にH1:H2の比となる位置に挿入されている。また、距離H1は、気液二相冷媒の気液分離において十分な高さであればよく、H1:H2の比は限定されるものではないが、例えば、2:1〜3:1程度に設定すればよい。
なお、下部配管14及びループ状配管30は、それぞれ本発明における「第1下部配管」及び「第1ループ状配管」に相当する。
本実施の形態2に係る気液分離器5は、さらに、略垂直方向に配置された第3の冷媒流路としての第3縦配管120、第2縦配管12の上端部と第3縦配管120の上端部を接続する連結部としての上部配管130、及び、第2縦配管12の下端部と第3縦配管120の下端部とを接続する連結部としての下部配管140を備えている。さらに、気液分離器5は、上部配管130(より詳しくは、第3縦配管120と上部配管130との合流部)に接続された気体冷媒流出配管160、及び下部配管140(より詳しくは、第3縦配管120と下部配管140との合流部)に接続された液冷媒流出配管170を備えている。気体冷媒流出配管160は上部配管130から上方に延設されており、液冷媒流出配管170は下部配管140から下方に延設されている。上記の第2縦配管12、第3縦配管120、上部配管130及び下部配管140によってループ状配管300が形成されている。
上部配管130は、後述するように、第1縦配管11内及び上部配管13内を上昇する気体冷媒20a、及び、第2縦配管12内を上昇する気体冷媒20cを、第3縦配管120内を上昇する気体冷媒20fと合流させる冷媒配管である。
下部配管140は、後述するように、第2縦配管12内を下降する液冷媒21eを、第3縦配管120及び液冷媒流出配管170へ送り込む冷媒配管である。また、下部配管140は、第2縦配管12の下端部と、その第2縦配管12の下端部より下方に位置する第3縦配管120の下端部との間に、ループ状配管300の外側に向かって円弧状となるように形成されている。
また、前述した下部配管14は、ループ状配管300の最上点と最下点との間において、垂直方向にH1’:H2’の比となる位置に、第2縦配管12と直交するように接続されている。また、距離H1’は、液冷媒21b及びそれに巻き込まれた気体冷媒20bの気液分離において十分な高さであればよく、H1’:H2’の比は限定されるものではないが、例えば、2:1〜4:1程度に設定すればよい。
なお、第3縦配管120、下部配管140及びループ状配管300は、それぞれ本発明における「第3配管」、「第2下部配管」及び「第2ループ状配管」に相当する。
(気液分離器5の気液分離動作)
以下、図9で示される本実施の形態2に係る気液分離器5を搭載した冷凍サイクル装置が運転を実施する場合において、膨張弁4によって膨張及び減圧された低温低圧の気液二相冷媒が、気液分離器5によって気液分離される動作について説明する。
膨張弁4を流出した気液二相冷媒は、図9における気液二相冷媒19として、気液分離器5における冷媒流入配管15から流入する。この冷媒流入配管15から流入した気液二相冷媒19は、第1縦配管11の内壁に衝突する。この衝突によって、気液二相冷媒19は、慣性の大きい液冷媒21aが第1縦配管11に付着することによって気液分離される。このとき、第1縦配管11は容器ではなく、断面積の小さい冷媒配管であるので、衝突による泡立ちがほとんど発生することがない。
なお、冷媒流入配管15の流出側端部15aは、第1縦配管11の内壁に対して直交するように曲げられているが、これに限定されるものではない。ただし、第1縦配管11に対して直交するように冷媒流入配管15の流出側端部15aを曲げることによって、気液二相冷媒19が第1縦配管11の内壁に衝突する際の衝突エネルギーが大きくなり、気液二相冷媒19の気液分離効率が向上する。
気液二相冷媒19から分離した液冷媒21aは、重力を受けて、液冷媒21bとして第1縦配管11及び下部配管14を下方に向かって進み、第2縦配管12へ流入する。
また、気液二相冷媒19から分離した気体冷媒20aは、液冷媒21bが第1縦配管11の下部に溜まることによって第1縦配管11を上方に向かって進み、上部配管13を経由し、第2縦配管12を上昇してきた後述する気体冷媒20cと第2縦配管12の上端部で合流し、さらに、第3縦配管120を上昇してきた後述する気体冷媒20fと第3縦配管120の上端部で合流し、気体冷媒20dとなって気体冷媒流出配管160から気液分離器5の外部へ流出する。
また、気液分離された液冷媒21aが、液冷媒21bとして重力落下する際、同様に分離された気体冷媒20aの一部である気体冷媒20bを巻き込む場合がある。このとき、巻き込まれた気体冷媒20bは、液冷媒21bと共に、第2縦配管12へ流入する。
また、気体冷媒20bを巻き込んだ液冷媒21bは、第2縦配管12を横切って、第2縦配管12の壁面に衝突する。この衝突によって、液冷媒21bに巻き込まれた気体冷媒20bの大部分は、第2縦配管12内で浮力を受けて上昇し、液冷媒21bは、重力を受けて、液冷媒21eとして第2縦配管12及び下部配管140を下方に向かって進む。その後、液冷媒21eは、第2縦配管12の下部、下部配管140、及び第3縦配管120の下部において溜まり、液冷媒流出配管170から気液分離器5の外部へ流出する。
また、気体冷媒20bを巻き込んだ液冷媒21bから分離した気体冷媒20bの大部分は、前述のように、第2縦配管12内で浮力を受けて、第2縦配管12内の液冷媒21bの液面から分離して、気体冷媒20cとして第2縦配管12を上方に向かって進み、上部配管13を流れてきた気体冷媒20aと合流し、さらに、第3縦配管120を上昇してきた後述する気体冷媒20fと第3縦配管120の上端部で合流し、気体冷媒20dとなって気体冷媒流出配管160から気液分離器5の外部へ流出する。さらに、液冷媒21bにおける気体冷媒20bの一部は、気体冷媒20eとして液冷媒21eに巻き込まれ、この巻き込まれた気体冷媒20eは、下部配管140を経由して第3縦配管120へ流入し、この第3縦配管120内で浮力を受けて、第3縦配管120内の液冷媒21eの液面から分離して、気体冷媒20fとして第3縦配管120を上方に向かって進み、上部配管130を流れてきた気体冷媒20aと気体冷媒20cとが合流した冷媒に更に合流し、気体冷媒20dとなって気体冷媒流出配管160から気液分離器5の外部へ流出する。
また、気体冷媒20aが第1縦配管11を上昇する際、衝突によって生じた液冷媒21aの一部である液冷媒21cをこの気体冷媒20aが引っ張り上げるため、この液冷媒21cが第1縦配管11を上昇するようになる。液冷媒21cは液滴状であったり、管内壁に沿った液膜状であったりする。しかし、冷媒流入配管15の端部からループ状配管30の最上点までの距離H1を大きくとることによって、液膜状の液冷媒21cは、重力落下するので、気体冷媒流出配管160から気体冷媒20dと共に気液分離器5から流出することはない。
また、液冷媒21cが上部配管13に到達した場合であっても、液冷媒21cの密度が、上部配管13を流通する気体冷媒20aよりも大きいため、液冷媒21cは、上部配管13の底を流れるようになり、第2縦配管12へ到達したとき、液冷媒21dとして第2縦配管12を重力落下し、液冷媒21eの一部となって液冷媒流出配管170から流出する。このとき、液冷媒21dは、第2縦配管12を上昇する気体冷媒20cに逆らって落下する必要があるが、第2縦配管12を上昇する気体冷媒20cと、第1縦配管11を上昇する気体冷媒20aとを比較すると、第1縦配管11を上昇する気体冷媒20aの方が、その冷媒量が大きく、そして流速も速く、かつ、第2縦配管12を上昇する気体冷媒20cの速度は十分遅いため、液冷媒21dは、第2縦配管12を重力落下する。
また、液冷媒21cが上部配管13に到達し、さらに、第2縦配管12を重力落下せず、上部配管130に到達した場合であっても、液冷媒21cの密度が、上部配管130を流通する気体冷媒20a及び気体冷媒20cよりも大きいため、液冷媒21cは、上部配管130の底を流れるようになり、第3縦配管120へ到達したとき、液冷媒21fとして第3縦配管120を重力落下し、液冷媒21eの一部となって液冷媒流出配管170から流出する。このとき、液冷媒21fは、第3縦配管120を上昇する気体冷媒20fに逆らって落下する必要があるが、第3縦配管120を上昇する気体冷媒20fと、上部配管130を流通する気体冷媒20a及び気体冷媒20cが合流した冷媒とを比較すると、上部配管130を流通する気体冷媒20a及び気体冷媒20cが合流した冷媒の方が、その冷媒量が大きく、そして流速も速く、かつ、第3縦配管120を上昇する気体冷媒20fの速度は十分遅いため、液冷媒21fは、第3縦配管120を重力落下する。一方、液滴状の液冷媒21cは気体冷媒20aおよび気体冷媒20cに同伴されて第3縦配管120へ到達した場合では、液滴は第3縦配管120の内壁に付着して液冷媒21fとして第3縦配管120内を重力によって落下し、液冷媒流出配管170から流出する。
本実施の形態2に係る気液分離器5は、冷凍サイクル装置の中で、以上のように作用し、衝突部を多段にすることによって、実施の形態1に係る気液分離器5よりもさらに高い気液分離効率で気液二相冷媒を気体冷媒と液冷媒とに分離することができる。
(実施の形態2の効果)
以上のように、本実施の形態2に係る気液分離器5は、冷凍サイクル装置の運転時に、実施の形態1に係る気液分離器5よりもさらに高い気液分離効率によって気液二相状態の冷媒を分離することができ、しかも、この気液分離器5は容器を持たない冷媒配管のみから構成されているため、製造コストを大幅に低減することができ、封入する冷媒量を削減でき、さらに、気液分離器5の小型化及び薄型化を実現することができる。また、これによって、気液分離器5を搭載した冷凍サイクル装置全体を小型化することができる。
その他、本実施の形態2に係る気液分離器5、及びそれを搭載した冷凍サイクル装置においても、実施の形態1に係る気液分離器5、及びそれを搭載した冷凍サイクル装置と同様の効果を得ることができる。
実施の形態3.
本実施の形態3に係る気液分離器5について、実施の形態1に係る気液分離器5の構成及び動作と相違する点を中心に説明する。なお、本実施の形態3に係る冷凍サイクル装置の構成は、図1で示される実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の構成と同様である。
(気液分離器5の構成)
図10は、本発明の実施の形態3に係る気液分離器5の構造図である。
図10で示されるように、本実施の形態に係る気液分離器5は、図2で示される実施の形態1に係る気液分離器5における冷媒流入配管15の流出側端部15aを斜めに切断したものである。そして、斜めに切断したこの先端部の開口を、そのまま流出部50として用いている。これによって、流出側端部15aに曲げ加工を施さなくても、気液二相冷媒19を第1縦配管11の内壁に衝突させることができる。
(実施の形態3の効果)
以上の構成にすることで、冷媒流入配管15の流出側端部15aを曲げ加工することがないので低コスト化が図れる。
なお、冷媒流入配管15の流出側端部15aを斜めに切断したものは、図11に示すように、図9で示される実施の形態2における冷媒流入配管15に適用されるものとしてよい。この場合も上記と同様の効果を得ることができる。
実施の形態4.
本実施の形態4に係る気液分離器5について、実施の形態1に係る気液分離器5の構成及び動作と相違する点を中心に説明する。なお、本実施の形態4に係る冷凍サイクル装置の構成は、図1で示される実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の構成と同様である。
(気液分離器5の構成)
図12は、本発明の実施の形態4に係る気液分離器5の構造図である。
図12で示されるように、本実施の形態4に係る気液分離器5は、図2で示される実施の形態1に係る冷媒流入配管15の流出側端部15a先端の開口を封止し、流出部50として流出側端部15aの側面部に、第1縦配管11の内壁に向くように複数の貫通孔51を設けたものである。これによって、流出側端部15aに曲げ加工を施さなくても、気液二相冷媒19を第1縦配管11の壁面に衝突させることができる。
(実施の形態4の効果)
以上の構成にすることで、第1縦配管11の内壁に衝突する気液二相冷媒19の流速を下げることができ、衝突による泡立ちを抑制することができる。これによって、さらに高い気液分離効率で気液二相冷媒を気体冷媒と液冷媒とに分離することができる。なお、実験による気液分離効率の評価結果から、貫通孔51から噴出される気液二相冷媒19のガスの見かけ速度が2.0m/sec以下、好ましくは1.6m/sec以下になるように貫通孔51の直径及び個数を設定することで、気液分離効率がより向上することがわかった。
なお、冷媒流入配管15の流出側端部15a先端の開口を封止し、流出側端部15aの側面部に複数の横穴を設けたものは、図13に示すように図9で示される実施の形態2における冷媒流入配管15に適用されるものとしてよい。この場合でも、上記と同様の効果を得ることができる。
実施の形態5.
本実施の形態5に係る気液分離器5について、実施の形態1に係る気液分離器5の構成及び動作と相違する点を中心に説明する。なお、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置の構成は、図1で示される実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の構成と同様である。
(気液分離器5の構成)
図14は、本発明の実施の形態5に係る気液分離器5の構成図である。
図14で示されるように、本実施の形態5に係る気液分離器5は、図2で示される実施の形態1に係る気液分離器5において、冷媒流入配管15の流出側端部15a周辺の第1縦配管11の内径を大きくしたものである。これによって、第1縦配管11の内壁に衝突して付着した液冷媒21aが壁面を重力により下降する速度が遅くなり、第1縦配管11の下方に溜まった液冷媒21bの液面乱れが抑制され、気体冷媒20bを液冷媒21bに巻き込まれにくくすることができる。
また、第1縦配管11の内径を大きくしたので、第1縦配管11内を上昇する気体冷媒20aの上昇速度が遅くなり、気体冷媒20aに同伴される液滴状の液冷媒21cの量を抑制することができる。
なお、実施の形態1でも示したが、冷媒流入配管15の第1縦配管11への挿入位置や挿入方向は任意である。例えば、図15に示すように、冷媒流入配管15を第1縦配管11の側面部から挿入してもよい。こうすることで、円弧状の上部配管13に冷媒流入配管15を挿入するよりも加工がしやすくなり加工コストが低下する。さらに図16に示すように冷媒流入配管15を第1縦配管11の側面部に略垂直に挿入すれば、さらに加工がしやすくなり加工コストが低下する。
(実施の形態5の効果)
以上の構成とすることで、気体冷媒20bが液冷媒21bに巻き込まれにくくすることができる。これによって、さらに高い気液分離効率で気液二相冷媒を気体冷媒と液冷媒に分離することができる。また、気体冷媒20aに同伴される液滴状の液冷媒21cの量が抑制される。これによって、さらに高い気液分離効率で気液二相冷媒を気体冷媒と液冷媒に分離することができる。
なお、第1縦配管11の内径を大きくしたものは、図9で示される実施の形態2における第1縦配管11に適用されるものとしてよい。また、実施の形態3や実施の形態4で示した気液分離器5において第1縦配管11の内径を大きくしても勿論よい。これらの場合も上記と同様の効果を得ることができる。
実施の形態6.
本実施の形態6に係る気液分離器5について、実施の形態1に係る気液分離器5の構成及び動作と相違する点を中心に説明する。なお、本実施の形態6に係る冷凍サイクル装置の構成は、図1で示される実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の構成と同様である。
(気液分離器5の構成)
図17は、本発明の実施の形態6に係る気液分離器5の構造図である。
図17で示されるように、本実施の形態6に係る気液分離器5は、実施の形態1に係る気液分離器5(図2)における第1縦配管11の下方に、メッシュ40を備えたものである。このメッシュ40は、冷媒流入配管15の流出部50よりも下方に配置されている。
(実施の形態6の効果)
以上の構成によって、気体冷媒20bが液冷媒21bに巻き込まれにくくすることができる。これによって、さらに高い気液分離効率で気液二相冷媒を気体冷媒と液冷媒に分離することができる。
なお、第1縦配管11の下方にメッシュ40を備えたものは、図9で示される実施の形態2における第1縦配管11に適用されるものとしてよい。また、第1縦配管11の下方にメッシュ40を備えたものは、実施の形態3〜実施の形態5で示した気液分離器5に適用されるものとしても勿論よい。この場合も上記と同様の効果を得ることができる。
実施の形態7.
本実施の形態7に係る気液分離器5について、実施の形態1に係る気液分離器5の構成及び動作と相違する点を中心に説明する。なお、本実施の形態7に係る冷凍サイクル装置の構成は、図1で示される実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の構成と同様である。
(気液分離器5の構成)
図18は、本発明の実施の形態7に係る気液分離器5の構造図である。
図18で示されるように、本実施の形態7に係る気液分離器5は、実施の形態1に係る気液分離器5(図2)における第1縦配管11の上方にメッシュ40を備えたものである。このメッシュ40は、冷媒流入配管15の流出部50よりも上方に配置されている。
(実施の形態7の効果)
以上の構成によって、気体冷媒20aに同伴される液滴状の液冷媒21cの量が抑制される。これによって、さらに高い気液分離効率で気液二相冷媒を気体冷媒と液冷媒に分離することができる。
なお、第1縦配管11の上方にメッシュ40を備えたものは、図9で示される実施の形態2における第1縦配管11に適用されるものとしてよい。また、第1縦配管11の上方にメッシュ40を備えたものは、実施の形態3〜実施の形態6で示した気液分離器5に適用されるものとしても勿論よい。この場合も上記と同様の効果を得ることができる。
実施の形態8.
本実施の形態8に係る気液分離器5について、実施の形態1に係る気液分離器5の構成及び動作と相違する点を中心に説明する。なお、本実施の形態8に係る冷凍サイクル装置の構成は、図1で示される実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の構成と同様である。
(気液分離器5の構成)
図19は、本発明の実施の形態8に係る気液分離器5の構造図である。
図19で示されるように、本実施の形態に係る気液分離器5は、実施の形態1に係る気液分離器5(図2)における第1縦配管11の内壁にメッシュ40を備えたものである。
このメッシュ40は、少なくとも、冷媒流入配管15の流出部50から流出した気液二相冷媒19が衝突する範囲の第1縦配管11の内壁に設置されている。
(実施の形態8の効果)
以上の構成によって、気液二相冷媒19が第1縦配管11の内壁に衝突する時に飛散する液滴状の液冷媒21の量を抑制することができる。これによって、さらに高い気液分離効率で気液二相冷媒を気体冷媒と液冷媒に分離することができる。また第1縦配管11の内壁に衝突して付着した液冷媒21aが壁面を重力により下降する際に第1縦配管11下方に溜まった液冷媒21bの液面乱れが抑制され気体冷媒20bが液冷媒21bに巻き込まれにくくすることができる。これによって、さらに高い気液分離効率で気液二相冷媒を気体冷媒と液冷媒に分離することができる。
なお、第1縦配管11の内壁にメッシュ40を備えたものは、図9で示される実施の形態2における第1縦配管11に適用されるものとしてよい。また、第1縦配管11の内壁にメッシュ40を備えたものは、実施の形態3〜実施の形態7で示した気液分離器5に適用されるものとしても勿論よい。この場合も上記と同様の効果を得ることができる。
なお、メッシュの仕様は線径が約0.1mm、メッシュ#100(1インチの中に100本の線が配置されているもの)程度が好ましい。
実施の形態9.
本実施の形態9に係る気液分離器5について、実施の形態1に係る気液分離器5の構成及び動作と相違する点を中心に説明する。なお、本実施の形態9に係る冷凍サイクル装置の構成は、図1で示される実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の構成と同様である。
(気液分離器5の構成)
図20は、本発明の実施の形態9に係る気液分離器5の構造図である。
図20で示されるように、本実施の形態9に係る気液分離器5は、実施の形態1に係る気液分離器5(図2)における第2縦配管12に代えて、第1縦配管11よりも直径が小さい第2縦配管12aを備えたものである。下部配管14及び第2縦配管12aを冷媒が流れるにしたがってその中に含まれる気体冷媒の量は減少するので、直径の小さい第2縦配管12aにしても第2縦配管12aを流れる気体冷媒20cの流速は、第1縦配管11を流れる気体冷媒20aよりも遅くできる。
なお、第2縦配管12aは、本発明における「第2配管」に相当する。
(実施の形態9の効果)
以上の構成及び動作のように、第2縦配管12aの配管直径を小さくしても、第2縦配管12aの上部から重力落下する液冷媒21dは、第2縦配管12aを上昇する気体冷媒20cによって落下が妨げられることはない。また、これによって、第2縦配管12aの配管直径を小さくできるので、製造に関わる材料費を削減することができる。
なお、図21で示されるように、図9で示される実施の形態2に係る気液分離器5において、第2縦配管12及び第3縦配管120に代えて、第1縦配管11よりも直径が小さい第2縦配管12a、及び、その第2縦配管12aよりも直径が小さい第3縦配管120aを備えるものとしてもよい。また、実施の形態3〜実施の形態8に係る気液分離器5においても同様の構成としてもよい。これらの場合でも、上記と同様の効果を得ることができる。
1 圧縮機、2 四方弁、3 第1熱交換器、4 膨張弁、5 気液分離器、6 第2熱交換器、7 電磁弁、8 逆止弁、9 キャピラリーチューブ、10 バイパス回路、11 第1縦配管、12、12a 第2縦配管、13 上部配管、14 下部配管、15 冷媒流入配管、15a 流出側端部、16 気体冷媒流出配管、17 液冷媒流出配管、19 気液二相冷媒、20a〜20f 気体冷媒、21a〜21f 液冷媒、30 ループ状配管、31 ブリッジ回路、31a 第1逆止弁、31b 第2逆止弁、31c 第3逆止弁、31d 第4逆止弁、40 メッシュ、50 流出部、51 貫通孔、60 内部熱交換器、61 内部熱交換器用膨張弁、62 内部熱交換器用バイパス回路、120、120a 第3縦配管、130 上部配管、140 下部配管、160 気体冷媒流出配管、170 液冷媒流出配管、300 ループ状配管。

Claims (20)

  1. 第1配管と、
    第2配管と、
    第3配管と、
    前記第1配管の上部、前記第2配管の上部、及び前記第3配管の上部を接続する上部配管と、
    前記第1配管の下部と前記第2配管の下部とを接続する第1下部配管と、
    前記第2配管の下部と前記第3配管の下部とを接続し、前記第1下部配管よりも下方に位置する第2下部配管と、
    気液二相状態の流体を前記第1配管内に流入させる流体流入配管と、
    前記上部配管に接続され、気相流体を流出させる気相流体流出配管と、
    前記第2下部配管に接続され、液相流体を流出させる液相流体流出配管と、
    を備え、
    前記第1配管、前記第2配管、前記上部配管及び前記第1下部配管によって第1ループ状配管が形成され、
    前記第2配管、前記第3配管、前記上部配管及び前記第1下部配管よりも下方に位置する前記第2下部配管によって第2ループ状配管が形成され、
    前記流体流入配管は、気液二相状態の流体を流出する流出部が形成された側の端部(以下、流出側端部と称する)が前記第1配管内に挿入され、
    前記流出部は、前記第1配管内に流出した気液二相状態の流体が前記第1配管の内壁に衝突するように形成されている
    ことを特徴とする気液分離器。
  2. 前記第1ループ状配管の最上点と前記流体流入配管の前記流出側端部の先端との距離が、前記第1ループ状配管の最下点と前記流体流入配管の前記流出側端部の先端との距離よりも大きい
    ことを特徴とする請求項に記載の気液分離器。
  3. 前記第2配管の直径が、前記第1配管の直径よりも小さく、
    前記第3配管の直径が、前記第2配管の直径よりも小さい
    ことを特徴とする請求項又は請求項に記載の気液分離器。
  4. 前記流体流入配管の前記流出側端部の先端部開口が前記流出部となっており、
    前記流出側端部の先端部が、前記第1配管の内壁に対して略直交となるように曲げられている
    ことを特徴とする請求項1〜請求項のいずれか一項に記載の気液分離器。
  5. 前記流体流入配管の前記流出側端部の先端部が斜めに切断されており、斜めに切断された当該先端部の開口が前記流出部となっている
    ことを特徴とする請求項1〜請求項のいずれか一項に記載の気液分離器。
  6. 前記流出部は、前記流体流入配管の前記流出側端部の側面部に形成された複数の貫通孔である
    ことを特徴とする請求項1〜請求項のいずれか一項に記載の気液分離器。
  7. 前記流出部は、該流出部から流出した気液二相状態の冷媒が前記第1配管の内壁に略垂直に衝突するように形成されている
    ことを特徴とする請求項1〜請求項のいずれか一項に記載の気液分離器。
  8. 前記ループ状配管は、
    前記ループ状配管における前記上部配管が前記下部配管よりも上方に位置し、前記ループ状配管によって形成される平面が水平とならないように、水平面から所定の角度をもって配置されている
    ことを特徴とする請求項1〜請求項のいずれか一項に記載の気液分離器。
  9. 前記ループ状配管内に、前記流体流入配管の前記流出部より下方に設置されたメッシュを備えた
    ことを特徴とする請求項1〜請求項のいずれか一項に記載の気液分離器。
  10. 前記ループ状配管内に、前記流体流入配管の前記流出部より上方に設置されたメッシュを備えた
    ことを特徴とする請求項1〜請求項のいずれか一項に記載の気液分離器。
  11. 前記第1配管内には、前記流体流入配管の前記流出部から流出した気液二相状態の流体が衝突する範囲の内壁に設置されたメッシュを備えた
    ことを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載の気液分離器。
  12. 前記第1配管は、前記流体流入配管の前記流出側端部周辺の内径が大きく形成されている
    ことを特徴とする請求項1〜請求項11のいずれか一項に記載の気液分離器。
  13. 前記流体は、冷媒である
    ことを特徴とする請求項1〜請求項12のいずれか一項に記載の気液分離器。
  14. 前記冷媒は、自然冷媒、炭化水素又はテトラフルオロプロペンである
    ことを特徴とする請求項13に記載の気液分離器。
  15. 請求項13又は請求項14に記載の気液分離器を搭載した
    ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
  16. 圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器、膨張手段及び利用側熱交換器を備え、これらを冷媒配管によって接続した冷媒回路と、
    前記気液分離器の前記気相流体流出配管と、前記圧縮機の吸入側とを接続するバイパス回路と、
    を備え、
    前記膨張手段は、前記熱源側熱交換器に接続され、
    前記気液分離器の前記流体流入配管は、前記膨張手段に接続され、
    前記気液分離器の前記液相流体流出配管は、前記利用側熱交換器に接続された
    ことを特徴とする請求項15に記載の冷凍サイクル装置。
  17. 圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器、膨張手段及び利用側熱交換器を備え、これらを冷媒配管によって接続した冷媒回路と、
    前記気液分離器の前記気相流体流出配管と、前記圧縮機の吸入側とを接続するバイパス回路と、
    を備え、
    前記膨張手段は、前記利用側熱交換器に接続され、
    前記気液分離器の前記流体流入配管は、前記膨張手段に接続され、
    前記気液分離器の前記液相流体流出配管は、前記熱源側熱交換器に接続された
    ことを特徴とする請求項15に記載の冷凍サイクル装置。
  18. 圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器、膨張手段及び利用側熱交換器を備え、これらを冷媒配管によって接続した冷媒回路と、
    前記気液分離器の前記気相流体流出配管と、前記圧縮機の吸入側とを接続するバイパス回路と、
    4つの逆止弁から構成され、前記熱源側熱交換器、前記利用側熱交換器、前記膨張手段、及び前記気液分離器の前記液相流体流出配管にそれぞれ接続されたブリッジ回路と、
    を備え、
    前記気液分離器の前記流体流入配管は、前記膨張手段に接続された
    ことを特徴とする請求項15に記載の冷凍サイクル装置。
  19. 前記ブリッジ回路は、第1逆止弁、第2逆止弁、第3逆止弁及び第4逆止弁によって構成され、
    前記第1逆止弁は、前記気液分離器の前記液相流体流出配管と前記熱源側熱交換器との間に設置され、冷媒が前記熱源側熱交換器から前記液相流体流出配管への方向には流れないようにし、
    前記第2逆止弁は、前記気液分離器の前記液相流体流出配管と前記利用側熱交換器との間に設置され、冷媒が前記利用側熱交換器から前記液相流体流出配管への方向には流れないようにし、
    前記第3逆止弁は、前記熱源側熱交換器と前記膨張手段との間に設置され、冷媒が前記膨張手段から前記熱源側熱交換器への方向には流れないようにし、
    前記第4逆止弁は、前記利用側熱交換器と前記膨張手段との間に設置され、冷媒が前記膨張手段から前記利用側熱交換器への方向には流れないようにする
    ことを特徴とする請求項18に記載の冷凍サイクル装置。
  20. 前記バイパス回路は、電磁弁、冷媒が前記圧縮機の吸入側から前記気液分離器の前記気相流体流出配管への方向に流れないようにする逆止弁、及びキャピラリーチューブを備えている
    ことを特徴とする請求項16〜請求項19のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
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