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

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１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１又は請求項２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３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３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３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６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７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８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９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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