WO2013076971A1

WO2013076971A1 - 気液分離器および冷凍サイクル装置

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Publication number: WO2013076971A1
Application number: PCT/JP2012/007454
Authority: WO
Inventors: 文順咲間; 岡市　敦雄; 拓也奥村; 鈴木　大輔; 長谷川　寛
Original assignee: パナソニック株式会社
Priority date: 2011-11-22
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2013-05-30
Also published as: JP2015034637A

Abstract

　本開示の気液分離器（１Ａ）は、気液二相流体を開口（３１ｉ）から上向きに噴射する二相管（３１）と、二相管（３１）の開口（３１ｉ）よりも低い位置に開口（４ｅ）を有するガス出口管（４）と、液溜まり（１３）に開口する液出口管（３２）とを備えている。さらに、気液分離器（１Ａ）は、二相管（３１）から噴射される気液二相流体が衝突する水平な第１衝突壁（６１）と、第１衝突壁（６１）の周縁部から下方に延びており、第１衝突壁（６１）に沿って流れる気液二相流体が衝突し得る筒状の第２衝突壁（６２）と、第１衝突壁（６１）と対向してガス出口管（４）の開口（４ｅ）をカバーするカバー（５）とを備えている。

Description

気液分離器および冷凍サイクル装置

　本発明は、気液分離器およびこの気液分離器を用いた冷凍サイクル装置に関する。

　従来から、液とガスの密度差ならびに重力を利用して気液二相流体を液とガスに分離する気液分離器（分離された液およびガスの双方を取り出すもの）またはアキュムレータ（分離されたガスのみを取り出すもの）が知られている。このような気液分離器またはアキュムレータは内部構造を簡略化できるので、コストを抑えられるメリットがある。

　例えば、特許文献１には、図７に示すようなアキュムレータ１００が開示されている。このアキュムレータ１００では、密閉容器１１０の内部空間が仕切板１１４によって上下に仕切られており、仕切板１１４の下方で流入管１１１が開口し、仕切板１１４の上方で流出管１１２が開口している。

　気液二相流体は流入管１１１から密閉容器１１０の内部へ上向きに流入する。流入した気液二相流体は、重力作用によってガスと液に分離される。分離されたガスは、仕切板１１４に設けられたポート１１５を通って仕切板１１４の上方の空間へ導かれた後に、流出管１１２を通って密閉容器１１０の外部へと排出される。一方、分離された液は、密閉容器１１０の底部に保持されて液溜まり１１３を形成する。

特開昭５８－９９６７７号公報

　本発明は、小型化でき、かつ、良好な気液分離性能を有する気液分離器、およびこの気液分離器を用いた冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

　前記課題を解決するために、本開示の気液分離器は、気液二相流体を開口から上向きに噴射する二相管と、前記二相管から噴射される気液二相流体が衝突する水平な第１衝突壁と、前記第１衝突壁の周縁部から下方に延びており、前記第１衝突壁に沿って流れる気液二相流体が衝突し得る筒状の第２衝突壁と、前記第２衝突壁の下方で、前記第２衝突壁で囲まれる空間と連続する空間を囲う胴部と、前記胴部の下方で、分離された液を保持して液溜まりを形成する底部と、前記液溜まりに開口する液出口管と、分離されたガスを排出するための、前記液溜まりよりも高い位置であって前記二相管の開口よりも低い位置に開口を有するガス出口管と、前記第１衝突壁と対向して前記ガス出口管の開口をカバーするカバーと、を備えた、ことを特徴とする。

　上記の構成によれば、小型化でき、かつ、良好な気液分離性能を有する気液分離器を提供することができる。

本開示の第１実施形態に係る気液分離器の縦断面図第１衝突壁および第２衝突壁が設けられていない気液分離器内の流動メカニズムを説明する図本開示の第２実施形態に係る気液分離器の縦断面図図３に示す気液分離器を用いた冷凍サイクル装置の構成図本開示の第３実施形態に係る気液分離器の縦断面図本開示の第４実施形態に係る気液分離器の縦断面図従来のアキュムレータの縦断面図従来のアキュムレータを利用して構築した気液分離器の縦断面図

　重力を利用した気液分離器またはアキュムレータでは、気液二相流体の慣性力（速度による）の影響を小さくすることが小型化に必要な条件となる。例えば、図７に示すアキュムレータ１００においては、密閉容器１１０内に流入する気液二相流体を仕切板１１４に衝突させ、これにより気液二相流体の速度を低下させて慣性力の影響を抑制することが考えられる。さらに、このように構成したアキュムレータを利用して気液分離器を構築することも考えられる。しかしながら、従来の技術を利用しただけでは良好な気液分離性能を有する気液分離器を得ることができない。

　本開示の第１態様は、
　気液二相流体を開口から上向きに噴射する二相管と、
　前記二相管から噴射される気液二相流体が衝突する水平な第１衝突壁と、
　前記第１衝突壁の周縁部から下方に延びており、前記第１衝突壁に沿って流れる気液二相流体が衝突し得る筒状の第２衝突壁と、
　前記第２衝突壁の下方で、前記第２衝突壁で囲まれる空間と連続する空間を囲う胴部と、
　前記胴部の下方で、分離された液を保持して液溜まりを形成する底部と、
　前記液溜まりに開口する液出口管と、
　分離されたガスを排出するための、前記液溜まりよりも高い位置であって前記二相管の開口よりも低い位置に開口を有するガス出口管と、
　前記第１衝突壁と対向して前記ガス出口管の開口をカバーするカバーと、
を備えた、気液分離器を提供する。

　第１態様によれば、気液二相流体の第１衝突壁への衝突または第１衝突壁および第２衝突壁への二度の衝突により、気液二相流体の速度を低下させて慣性力の影響を抑制することができる。これにより、気液分離器を小型化することができる。しかも、気液二相流体中の液は外周側を流れる液層を形成し、気液二相流体中のガスは中心側を流れてガス出口管に流入するために、気液分離性能も良好である。

　本開示の第２態様は、第１態様に加えて、前記カバーは、前記ガス出口管の開口を包み込む形状を有している、気液分離器を提供する。第２態様によれば、ガス出口管の開口をより確実にカバーすることができる。

　本開示の第３態様は、第１態様または第２態様に加えて、前記第１衝突壁および前記第２衝突壁は一体となっており、前記第１衝突壁の上方から前記第２衝突壁の周囲を通って前記胴部につながる天井部をさらに備え、前記天井部、前記胴部および前記底部が密閉容器を構成している、気液分離器を提供する。第３態様によれば、天井部、胴部および底部によって密閉容器を構成することができる。

　本開示の第４態様は、第１態様または第２態様に加えて、前記第２衝突壁および前記胴部のそれぞれは連続するチューブの一部であり、前記チューブの上端部には径方向外向きに拡大された拡大部が設けられ、前記第１衝突壁は、前記拡大部内に嵌め込まれ、前記拡大部の根元の段差部に支持されている、気液分離器を提供する。第４態様によれば、第１衝突壁を単純な平板形状とすることができる。

　本開示の第５態様は、第４態様に加えて、前記第１衝突壁の上方から前記拡大部につながる天井部をさらに備え、前記天井部、前記チューブおよび前記底部が密閉容器を構成している、気液分離器を提供する。第５態様によれば、密閉容器を安価に製造することができる。

　本開示の第６態様は、第１態様または第２態様に加えて、前記第２衝突壁で囲まれる空間を上方から閉塞するとともに前記第２衝突壁の周囲を通って前記胴部につながる天井部をさらに備え、前記天井部、前記胴部および前記底部が密閉容器を構成しており、前記第１衝突壁は前記天井部の一部である、気液分離器を提供する。第６態様によれば、気液分離器を安価に製造することができる。

　本開示の第７態様は、第１～６態様のいずれか１つの態様に加えて、前記二相管は一対設けられており、前記一対の二相管のそれぞれには前記液溜まりに浸る部分に横穴が設けられており、この横穴が前記液出口管の開口を構成し、前記一対の二相管のそれぞれの前記横穴よりも下側の部分が前記液出口管を兼ねる、気液分離器を提供する。第７態様によれば、気液二相流体の入口と液の出口とが相互に切り替え可能なリバーシブルな気液分離器を実現できる。また、アクチュエータなどによって流路を切り替える必要がないので、逆止弁を用いた従来のリバーシブルの気液分離器と比べて、低コスト化を図ることができる。

　本開示の第８態様は、
　冷媒を圧縮する圧縮機、室内の空気と冷媒との間で熱交換を行う室内熱交換器、冷媒を膨張させる第１膨張機構および第２膨張機構、ならびに室外の空気と冷媒との間で熱交換を行う室外熱交換器を含むとともに、第７態様の気液分離器であって前記一対の二相管が前記第１膨張機構および前記第２膨張機構にそれぞれ接続された気液分離器を含むヒートポンプ回路と、
　前記圧縮機に冷媒の圧縮中に冷媒が注入されるように前記気液分離器の前記ガス出口管と前記圧縮機とを接続するインジェクション管と、
　前記ヒートポンプ回路に流れる冷媒の流れの方向を、暖房運転時に前記圧縮機から吐出された冷媒が前記室内熱交換器に導かれる第１方向に切り換え、冷房運転時に前記圧縮機から吐出された冷媒が前記室外熱交換器に導かれる第２方向に切り換える切換手段と、
を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。

　第８態様によれば、気液分離器への冷媒の流入方向を一定にするための四方弁を追加する必要がなく、膨張行程の途中で気液分離器からガス冷媒を圧縮行程の途中に注入するインジェクションサイクルを実現することができる。

　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態によって限定されるものではない。

　（第１実施形態）
　＜構成＞
　図１に、本発明の第１実施形態に係る気液分離器１Ａを示す。この気液分離器１Ａは、鉛直方向に延びる密閉容器２と、密閉容器２を貫通する３本の配管である二相管３１、液出口管３２およびガス出口管４とを備えている。本実施形態では、ガス出口管４が密閉容器２の中心軸上に配置されており、二相管３１および液出口管３２はガス出口管４を挟んで１８０度反対に位置している。

　密閉容器２は、下向きに開口する半球状の天井部２１、円筒状の胴部２２、および上向きに開口する半球状の底部２３で構成されている。底部２３は、密閉容器２の内部で分離された液を保持して液溜まり１３を形成する。なお、天井部２１および底部２３は必ずしも半球状である必要はない。

　胴部２２の上端部および下端部には、径方向外向きに拡大された拡大部２２ａ，２２ｂが設けられている。天井部２１の周縁部は胴部２２の上側の拡大部２２ａ内に嵌め込まれており、底部２３の周縁部は胴部２２の下側の拡大部２２ｂ内に嵌め込まれている。

　上側の拡大部２２ａ内には、保持部材７も嵌め込まれている。保持部材７は、胴部２２の中間部分よりも小さな直径のリング部７１と、リング部７１から放射状に延びる複数の棒とで構成された環状の部材であり、上側の拡大部２２ａの根元の段差部に支持されている。

　二相管３１は、気液二相流体を開口３１ｉから上向きに噴射する。二相管３１は、底部２３を貫通して保持部材７を大きく超える位置まで鉛直方向に延びている。二相管３１は、例えば、液溜まり１３中で略９０度折れ曲がっていてもよいが、実質的にストレートであることが好ましい。ここで、「実質的にストレート」とは、途中で折れ曲がっていてもその折れ曲がり角度が１０度以下であることをいう。

　天井部２１で囲われる空間内には、二相管３１から噴射される気液二相流体が衝突するように水平な第１衝突壁６１が配置されている。第１衝突壁６１の周縁部は、天井部２１の内壁面に概接触している。第１衝突壁６１は、必ずしも完全に水平である必要はなく、二相管３１の先端部分とほぼ垂直となる程度に実質的に水平であればよく、例えば僅かに傾斜または湾曲していてもよい。二相管３１の開口３１ｉから第１衝突壁６１までの距離は、特に限定されるものではなく、任意に設定可能である。

　第１衝突壁６１の周縁部からは、筒状の第２衝突壁６２が下方に延びており、第２衝突壁６２は保持部材７まで垂れ下がっている。すなわち、第２衝突壁６２は保持部材７で支持されている。第２衝突壁６２には、第１衝突壁６１に沿って流れる気液二相流体が衝突し得る。第２衝突壁６２は、第１衝突壁６１に沿って流れる気液二相流体が衝突し得るように、第１衝突壁６１の周縁部から下方に延びていればよい。例えば、第２衝突壁６２は、第１衝突壁６１の周縁部から鉛直下方に延びる鉛直線に対して１０度以内の角度で外側に傾斜していてもよい。また、第２衝突壁６２は、第１衝突壁６１の周縁部から鉛直下方に延びる鉛直線に対して４５度以内の角度で内側に傾斜していてもよい。第２衝突壁６２は、第１衝突壁６１とほぼ垂直であることが望ましく、例えば、下方に向かって僅かに広がるようなテーパ状であってもよい。

　本実施形態では、第１衝突壁６１および第２衝突壁６２が一体となって下向きに開口するカップを構成している。このようなカップは、深絞り加工などの塑性加工で作製することもできるし、第１衝突壁６１に第２衝突壁６２をロウ付けなどで接合することによって作製することもできる。

　第２衝突壁６２の下方では、第２衝突壁６２で囲まれる空間と連続する分離空間１２が胴部２２により囲われている。天井部２１は、第１衝突壁６１の上方から第２衝突壁６２の周囲を通って胴部２２につながっている。

　ガス出口管４は、気液の密度差（慣性力差、重力差）および後述する液層Ｌの表面張力により分離されたガスを密閉容器２の外部に排出するためのものである。本実施形態では、ガス出口管４が密閉容器２の底部２３を貫通して保持部材７よりも僅かに上方の位置まで鉛直方向に延びている。ガス出口管４の開口４ｅは、液溜まり１３よりも高い位置であって二相管３１の開口３１ｉよりも低い位置で上向きに開口している。なお、ガス出口管４は、必ずしもストレートである必要はない。例えば、ガス出口管４は、胴部２２を貫通し、分離空間１２内で略９０度上方へと曲がっていてもよい。

　本実施形態では、第２衝突壁６２で囲われる空間内に、第１衝突壁６１と対向してガス出口管４の開口４ｅをカバーするカバー５が配置されている。カバー５は、ガス出口管４の開口を包み込む形状を有している。換言すれば、ガス出口管４１の開口４ｅはカバー５で囲まれる空間内に位置している。カバー５は、例えば、椀状（ボウル状）又はドーム状など、下方に向かって開口する開口を有する形状を有している。ガス出口管４１の開口４ｅは、カバー５の開口の開口端よりも上方に位置している。ただし、カバー５の形状は、必ずしもガス出口管４の開口を包み込む形状である必要はなく、例えばフラットな板状であってもよい。

　カバー５は、第１衝突壁６１との間に二相管３１が開口する流入空間１１を形成するとともに、第２衝突壁６２との間に流入空間１１と分離空間１２を連通する連通路を形成する。カバー５の形状は、例えば軸対称である。具体的に、カバー５は、ガス出口管４の開口４ｅと第１衝突壁６１の間に位置する対向壁５１と、この対向壁５１の周縁から垂れ下がる周壁５２を有している。周壁５２の下端部は、保持部材７のリング部７１に接合されている。カバー５は保持部材７と一体に成型されてもよいし、それらが別々に成型された後に接合されてもよい。

　対向壁５１は、フラットであってもよいし、ドーム状や円錐状であってもよい。周壁５２は、ストレートな筒状であってもよいが、下向きに拡径するテーパ状であることが好ましい。さらに、周壁５２をテーパ状とする場合には、周壁５２の下端部を第２衝突壁６２に近接させて、流入空間１１と分離空間１２を連通する連通路の出口を極小にすることが好ましい。

　液出口管３２は、分離された液を密閉容器２の外部に排出するためのものであり、底部２３を貫通して液溜まり１３に開口している。

　＜気液分離メカニズム＞
　（１）衝突壁の効果
　以下では、第１衝突壁６１および第２衝突壁６２を設けた場合の気液分離性能向上メカニズムについて説明する。説明のため、図１に、実線および破線矢印を用いて流体動作を示す。また、比較のため、図２を参照して、第１衝突壁６１および第２衝突壁６２が設けられていない気液分離器１０について説明する。図１および図２において、実線矢印は気液二相噴流もしくは液流を示し、破線矢印はガス流を示す。

　第１衝突壁６１は、二相管３１の開口３１ｉから流入空間１１方向へと上向きに噴射される気液二相流体を減速、拡散させながら、径方向外向きに導く。二相管３１の開口３１ｉから噴出される気液二相流体について、気相と液層の速度が同じであるとすると、第１衝突壁６１に衝突する際の慣性力をつかさどる運動量流束（密度×流速の２乗、本式に面積をかけると運動量となる）は、（液相の運動量流束）＞（気相の運動量流束）、すなわち、慣性力は、（液相の慣性力）＞（気相の慣性力）となり、第１衝突壁６１の下面近傍の流れは液となる。

　それゆえ、第１衝突壁６１へ気液二相流体が衝突すると、気液二相流体は、第１衝突壁６１の下面に沿う液層Ｌを形成する液流Ｆ１とその下側を流れるガス流Ｆ２の二層流Ｆへと変換される（図１中のｉ１領域）。この際、液流Ｆ１およびガス流Ｆ２は、衝突によって運動量が減少する（慣性力が減少する）が、第１衝突壁６１との衝突時に充分な運動量がある場合には、第１衝突壁６１に沿って放射状に流動し、更に、第２衝突壁６２へも衝突する。その結果、さらに運動量が減少し、流れが下向きへと偏向される（図１中のｉ２領域）。その結果、液溜まり１３への流入時には、液流Ｆ１は充分に減速された状態で液溜まり１３の液面である気液界面１３ａへと流下する（図１中の実線矢印で示した流路：Ｌ１→Ｌ２）ので、気液界面１３ａは不安定な状態にならず、気液分離が良好な状態で行われる。

　ガス流Ｆ２についても、気液界面１３ａを乱すことができるほどの運動量は既に有していないので、気液界面１３ａを乱すことはせずに、もしくは、乱した場合でも液溜まり１３の性能を損なうことなく、分離空間１２にて上部へターン（図１中の流路Ｇ１→Ｇ２）して、その後、ガス出口管４の開口４ｅ（図１中の破線矢印で示した流路Ｇ３）へと達する。ガス出口管４の開口４ｅへ達するまでに、ガス流Ｆ２に含まれる液滴は、液層Ｌの表面や気液界面１３ａでの液の凝集力（表面張力）によってキャッチされるか、自重により液溜まり１３へと落下する。これらの作用によって、気液分離が達成される。

　図２に示すように、第１衝突壁６１および第２衝突壁６２が設けられていない場合、二相管３１の開口３１ｉから流入空間１１へと噴出される気液二相流体は、噴出後、密閉容器２を構成する天井部２１の内壁面へと衝突する。先に説明したのと同様に、衝突時には、気相と液相の慣性力差によって、天井部２１の内壁面上に液流Ｆ１が形成され、その内側にガス流Ｆ２が形成される。その後、液流Ｆ１およびガス流Ｆ２は、天井部２１および胴部２２の内壁面に沿って下方へと流動し、その際の慣性力差（遠心力差）ならびに液層（図２では図示を省略）の表面での液の凝集力（表面張力）による気液分離プロセスが進みながら、液溜まり１３へと達する。

　天井部２１の内壁面へ二相管３１から噴出した気液二相流体が衝突する際には、図１の第１衝突壁６１が設置されている場合と同様に、衝突に伴う運動量の減少が生じる。しかしながら、図２に示すように二相管３１からの気液二相噴流が衝突する部分が曲面を描いている場合（もしくは、気液二相噴流とこれが衝突する部分のなす角が直角でない場合）では、図１に示すような二相管３１からの気液二相噴流と第１衝突壁６１とのなす角が直角である場合よりも、運動量の減少が抑えられる。その結果、天井部２１での衝突後の二層流Ｆの速度は、第１衝突壁６１が存在する場合よりも速くなる。さらに、図１に示すように、第１衝突壁６１に対して垂直な（あるいは鋭角をなす）第２衝突壁６２がある場合だと、再度、衝突による運動量の減少が生じ、二層流Ｆは更に減速する。これに対し、図２に示すように、天井部２１の内壁面が連続的に曲面を描いている場合には、二層流Ｆの再減速が生じることなく二層流Ｆが液溜まり１３へ流入する結果を招く（図２中のＬ１→Ｌ２）。

　この結果、二層流Ｆは速度（運動量）を保ったままの状態で密閉容器２下部の液溜まり１３へと流入する。その場合、気液界面１３ａはもはや安定とは呼べない状態となり、液溜まり１３内の液が撹拌されたような状態を呈する（図２中のＬ２、Ｇ１）。気液界面１３ａが不安定な状態となることと、ガス流Ｆ２そのものの減速もままならない状態となることで、ガス流Ｆ２も液溜まり１３の深部まで侵入し（図２中のＧ１）、その後、液を同伴しつつ、ガス出口管４の開口部４ｅへと達してしまう（図２中のＧ２～Ｇ３）。これにより、気液分離性能の低下を招くことになる。

　このように、第１衝突壁６１と第２衝突壁６２を設け、衝突に伴う運動量の減少をうまく活用することで、液溜まり１３に侵入する前に二層流Ｆを充分に減速でき、気液界面１３ａを安定に保つことができる。その結果、気液分離性能を向上することが可能となる。

　（２）流路構成の効果
　以下では、流路構成の適切化を行った場合の気液分離性能向上メカニズムについて説明する。本実施形態の気液分離器１の流体動作を示した図１を用いるとともに、比較のため、従来技術を流用した場合の気液分離器２００の流体動作を示した図８を用いて説明する。図１および図８において、実線矢印は気液二相噴流もしくは液流を示し、破線矢印はガス流を示す。

　本実施形態の気液分離器１Ａでは、先に説明した通り、第１衝突壁６１および第２衝突壁６２での衝突作用によって、運動量（慣性力）の大きな液流Ｆ１は、第１衝突壁６１および第２衝突壁６２の壁面側へ、慣性力の小さなガス流Ｆ２は、密閉容器２の中心側へとそれぞれ偏る。衝突を２度繰り返すことで、十分に慣性力が弱められた二層流Ｆは、重力による影響が顕著となる。そのため、比重の重い液流Ｆ１は、密閉容器２の最下部に形成される液溜まり１３へと導かれるので、液出口管３２の開口３２ｅは液溜まり部１３の最下部に配置することが望ましい。一方、比重の軽いガス流Ｆ２の出口となるガス出口管４の開口４ｅは、液溜まり部１３よりは上部に配置した方が望ましいことがわかる。ここで、ガス流Ｆ２が液流Ｆ１もしくは気液二相噴流と交差する状態を避けるためには、図１に示すように、ガス出口管４の開口４ｅを、流入空間１１とカバー５の下部であり、かつ、液溜まり１３（液出口管３２の開口３２ｅ）より上部に定めればよいことがわかる。

　次に、従来技術を流用した場合の流路構成について考える。従来のアキュムレータを利用して気液分離器を構築するには、図８に示すように液溜まり１１３に開口する液出口管１１７を設ける。図８に示す気液分離器２００では、流入管１１１から流入する気液二相流体の慣性力（速度）が大きい場合、密閉容器１１０内に流入した気液二相流体が仕切板１１４に位置Ｎ１で衝突する。この際、慣性力が大きい液は、液溜まり１１３方向へ落下することなく、仕切板１１４に沿って放射状に流れる液層を形成する（図８中の実線矢印Ｆ１）。一方、慣性力が小さいガスは、液層の厚さ分だけ仕切板１１４から離れた位置を流動する（図８中の破線矢印Ｆ２）。

　第１の衝突部であるＮ１においては、本実施形態と同様に、衝突壁の役割を果たす仕切板１１４にて、衝突時の慣性力差によって、仕切板１１４の下面に沿う液流Ｆ１およびその下方のガス流Ｆ２の二層流が形成される。その後、ガスは仕切板１１４の上方の空間内に位置するガス管１１２の開口へと向かい、液は密閉容器１１０下部の液溜まり１１３へと向かうことになる。この際、ガスは仕切板１１４に設けられたポート１１５を通った後にガス管１１２の開口へと向かうので、仕切板１１４の下面に沿って流れる液流Ｆ１と交差せざるを得なくなる（図８中のＮ２領域）。その結果、図８中のＮ３、Ｎ４領域に示したように、液流、ガス流が互いを同伴する様相となり、気液分離性能が低下する。

　これに対し、本実施形態の気液分離器１Ａでは、第１衝突壁６１および第２衝突壁６２を設けるとともに、ガス出口管４の開口４ｅおよび液出口管３２の開口３２ｅを適切な位置に配置しているので、気液二相流体中のガスは液層と交差することなくその内側を流れてガス出口管４に流入する。その結果、気液二相流体の衝突によって生じた気液分離状態を良好に保ったまま、液およびガスを密閉容器２外へと導くことが可能となる。

　気液分離器１Ａは、例えば冷凍サイクル装置に用いられる。冷凍サイクル装置の始動時もしくは低循環流量時などには、第１衝突壁６１への気液二相流体の衝突が生じないことがある。この場合、二相管３１の開口３１ｉから噴出する気液二相流体の運動量は既に小さな状態であるので、慣性力差による気液分離は行われず、液とガスの密度差（自重作用）によって、気液分離が行われることになる。密閉容器２に流入する時点で運動量は既に十分に小さな状態であるので、液溜まり１３の液面である気液界面１３ａを乱す状態も生じない。

　＜変形例＞
　前記実施形態では、第１衝突壁６１および第２衝突壁６２が密閉容器２の内部に配置されていた。しかし、第１衝突壁６１および第２衝突壁６２は天井部２１の役割を兼ねてもよい。この場合、第１衝突壁６１の直径を胴部２２の上側の拡大部２２ａの内径とほぼ等しくし、第２衝突壁６２の下端部を拡大部２２ａ内に嵌め込んで外周側からロウ付けしてもよい。

　上記の構成の場合、カバー５を二相管３１に固定すれば、保持部材７を省略することが可能である。

　（第２実施形態）
　図３に、本発明の第２実施形態に係る気液分離器１Ｂを示す。なお、本実施形態では、第１実施形態と同一構成部分には同一符号を付して、その説明を省略することがある。この点は、後述する第３および第４実施形態でも同様である。

　本実施形態の気液分離器１Ｂは、気液二相流体の入口と液の出口とが相互に切り替え可能なリバーシブルのものである。具体的に、本実施形態では、一対の二相管３１が、密閉容器２の中心軸上に配置されたガス出口管４を挟んで１８０度反対の位置に設けられている。

　一対の二相管３１は、共にカバー５を貫通して流入空間１１に開口している。一対の二相管３１のそれぞれには液溜まり１３に浸る部分に横穴が設けられており、この横穴が液出口管３２の開口３２ｅを構成している。すなわち、一対の二相管３１のそれぞれの前記横穴よりも下側の部分が液出口管３２を兼ねている。そして、一方の二相管３１が気液二相流体の流入管として機能するときには、他方の二相管３１は液出口管３２として機能する。

　一対の二相管３１は、どちらが気液二相流体を密閉容器２の外部から流入空間１１へ流入させるときでも、他方が内部の開口３２ｅよりも上側に液面を形成しつつ液溜まり１３の液を開口３２ｅから密閉容器２の外部へ流出させるように構成されている。

　具体的には、開口３２ｅが、液溜まり１３の液面が降下した場合でもその液面よりも下方に位置するように、密閉容器１３の最下部に近い位置に設けられている。

　ここで、密閉容器２内では流入空間１１と分離空間１２の間以外では圧力損失がないと仮定し、開口３２ｅの位置から液溜まり１３の液面までの高さをＨ₁［ｍ］、開口３２ｅの位置から二相管３１の先端（開口３１ｉ）までの高さをＨ₂［ｍ］、液の密度をρ₁［ｋｇ／ｍ³］、ガスの密度をρ₂［ｋｇ／ｍ³］とする。

　図３において左側の二相管３１を通じて気液二相流体が導入されるときには、右側の二相管３１の内部は液溜まり１３の液面高さ近傍まで開口３２ｅから流入した液に満たされ、これにより右側の二相管３１内に液面が形成される。逆に、右側の二相管３１を通じて気液二相流体が導入されるときには、左側の二相管３１の内部は液溜まり１３の液面高さ近傍まで開口３２ｅから流入した液に満たされ、これにより左側の二相管３１内に液面が形成される。

　左側の二相管３１を通じて気液二相流体が導入されるときには、開口３２ｅ基準で右側の二相管３１内の圧力をＰ_INとしたとき、右側の二相管３１の先端からガスが流入すると仮定すると、Ｐ_INは流入空間１１の圧力Ｐ₂を用いて、
　　　Ｐ_IN＝ρ₂・ｇ・Ｈ₂＋Ｐ₂　・・・（式１）
と表せる。また、開口３２ｅ基準で液溜まり１３内の圧力をＰ_OUTとしたとき、Ｐ_OUTは分離空間１２の圧力Ｐ₁を用いて、
　　　Ｐ_OUT＝ρ₁・ｇ・Ｈ₁＋Ｐ₁＋ρ₂・ｇ・（Ｈ₂－Ｈ₁）　・・・（式２）
と表せる。また、流入空間１１と分離空間１２の間の圧力損失ΔＰの関係から、
　　　Ｐ₁＝Ｐ₂－ΔＰ　・・・（式３）
となる。これらの式１～３からＰ₁およびＰ₂を消去すると、
　　　Ｐ_OUT－Ｐ_IN＝ｇ・Ｈ₁・（ρ₁―ρ₂）－ΔＰ　・・・（式４）
となる。右側の二相管３１の先端からガスが流入せずに開口３２ｅから液が流出して右側の二相管３１内で液面が形成されるには、Ｐ_OUT＞Ｐ_INである必要があるので、以下の式５が導かれる。なお、この式５は、右側の二相管３１を通じて気液二相流体が導入されるときでも同じである。
　　　ｇ・Ｈ₁・（ρ₁―ρ₂）－ΔＰ＞０　・・・（式５）
従って、流入空間１１と分離空間１２の間の圧力損失ΔＰ、すなわちカバー５と第２衝突壁６２との間に形成される連通路およびその近傍で発生する圧力損失ΔＰが式５を満たすように、カバー５の形状および開口３２ｅの位置を設計すればよい。

　なお、気液分離プロセスについては第１実施形態と同様である。

　本実施形態のように一対の二相管３１を設置することで、一方の二相管３１が気液二相流体の流入管として機能するときには、他方の二相管３１が液出口管３２として機能する。そして、一対の二相管３１の機能は、どちらに気液二相流体を供給するかを選択するだけで、流体の性状によって自然と入れ替わる。これにより、小型化に適したシンプルな構成でリバーシブルを実現することができる。さらには、密閉容器２内でアクチュエータなどによって流路を切り替える必要がないので、逆止弁などを用いた従来のリバーシブルの気液分離器と比べ、低コスト化を図ることが可能である。

　また、一対の二相管３１が実質的にストレートであれば、液を流出させる開口３２ｅを液溜まり１３の最深部付近に設けることが可能であり、液面高さが変動した場合でも、開口３２ｅの位置から液溜まり１３の液面までの高さＨ₁を十分に確保することができる。これにより、気液分離器１Ｂの分離性能の安定性を向上させることができる。

　＜冷凍サイクル構成＞
　次に、図４を参照して、本実施形態の気液分離器１Ｂを用いた冷凍サイクル装置９を説明する。

　この冷凍サイクル装置９は、室内の暖房および冷房を行う空調に用いられるものであり、冷媒を循環させるヒートポンプ回路９０と、冷媒をバイパスするインジェクション管９７とを備えている。

　ヒートポンプ回路９０は、冷媒を圧縮する圧縮機９１、室内の空気と冷媒との間で熱交換を行う室内熱交換器９３、冷媒を膨張させる第１膨張機構９４および第２膨張機構９５、ならびに室外の空気と冷媒との間で熱交換を行う室外熱交換器９６を含む。気液分離器１Ａは、一対の二相管３１が第１膨張機構９４および第２膨張機構９５にそれぞれ接続されるようにヒートポンプ回路９０に組み込まれている。

　圧縮機９１は、低段作動室と高段作動室とが内部流路で接続された構成を有している。インジェクション管９７は、圧縮機９１に冷媒の圧縮中に冷媒が注入されるように気液分離器１Ｂのガス出口管４と圧縮機９１の内部流路とを接続している。

　さらに、ヒートポンプ回路９０には、切換手段として四方弁９２が設けられている。四方弁９２は、ヒートポンプ回路９０に流れる冷媒の流れの方向を、暖房運転時に圧縮機９１から吐出された冷媒が室内熱交換器９３に導かれる第１方向に切り換え、冷房運転時に圧縮機９１から吐出された冷媒が室外熱交換器９６に導かれる第２方向に切り換える。すなわち、暖房運転では、冷媒が室外熱交換器９６で吸熱して室内熱交換器９３で放熱し、冷房運転では、冷媒が室内熱交換器９３で吸熱して室外熱交換器９６で放熱する。なお、本発明の切換手段は四方弁９２に限られるものではなく、例えばブリッジ回路などであってもよい。

　図８に示すような従来技術を流用した気液分離器２００を暖房運転と冷房運転とで冷媒の流れの向きが逆転する冷凍サイクル装置９に用いる場合は、気液分離器２００への冷媒の流入方向を一定にするための四方弁をさらに追加する必要がある。これに対し、リバーシブルな気液分離器１Ｂを冷凍サイクル装置９に用いれば、そのような四方弁を追加する必要がなく、膨張行程の途中で気液分離器１Ｂからガス冷媒を圧縮行程の途中に注入するインジェクションサイクルを実現することができる。これにより、冷媒の蒸発潜熱を用いて低温側熱源と熱交換する冷房運転時の室内熱交換器９３や暖房運転時の室外熱交換器９６の冷媒配管の圧力損失低減や、圧縮機９１の圧縮動力低減等による冷凍サイクル装置９の高効率化を実現することができる。しかも、圧縮行程の途中に注入される冷媒による冷却効果で、圧縮比の高くなる低外気温時の吐出温度を抑制することができる。これにより、圧縮機９１の回転数の上限を緩和することができるので、暖房能力の向上を図ることができる。

　（第３実施形態）
　図５に、本発明の第３実施形態に係る気液分離器１Ｃを示す。この気液分離器１Ｃも、第２実施形態の気液分離器１Ｂと同様に、一対の二相管３１によってリバーシブルに構成されている。そのため、気液分離メカニズムは、第２実施形態と同様である。

　本実施形態では、第２衝突壁６２が密閉容器２の一部となっている。具体的に、第２衝突壁６２および胴部２２のそれぞれは、連続するチューブ２４の一部である。チューブ２４は、天井部２１および底部２３と共に密閉容器２を構成する。

　チューブ２４の上端部には、径方向外向きに拡大された拡大部２４ａが設けられている。第１衝突壁６１は、拡大部２４ａの内径とほぼ等しい直径の円板であり、拡大部２４ａ内に嵌め込まれ、拡大部２４ａの根元の段差部に支持されている。このようにして、第１衝突壁６１の周縁部から、筒状の第２衝突壁６２が下方に延びている。天井部２１の周縁部も拡大部２４ａ内に嵌め込まれており、天井部２１が第１衝突壁６１の上方から拡大部２４ａにつながっている。なお、密閉容器２の内部において、第１衝突壁６１の上方の空間と第１衝突壁の下方の空間との間の圧力差が過大にならないように、第１衝突壁６１は、好ましくは、第１衝突壁６１の上方の空間と第１衝突壁６１の下方の空間が連通するように形成されている。これにより、第１衝突壁６１に求められる耐圧強度が低くなるので、気液分離器１Ｃを安価に製造できる。具体的には、第１衝突壁６１の直径および天井部２１と拡大部２４ａの根元の段差部との間のクリアランスを調整することによって、第１衝突壁６１の上方の空間と第１衝突壁６１の下方の空間を連通させることができる。この場合、第１衝突壁６１の直径が拡大部２４ａの内径よりもわずかに（例えば０．１ｍｍ）小さく、天井部２１と拡大部２４ａの根元の段差部との間のクリアランスが第１衝突壁６１の厚さよりもわずかに（例えば０．１ｍｍ）大きければよい。また、第１衝突壁６１に直径が１ｍｍ程度の貫通孔を設けることによって、第１衝突壁６１の上方の空間と第１衝突壁６１の下方の空間を連通させてもよい。

　カバー５は、一対の二相管３１に固定されている。固定方法としては、ロウ付けなどの溶着方法を用いてもよいし、一対の二相管３１をカバー５に設けた貫通穴に挿入した後に拡管する方法を用いてもよい。

　本実施形態の構成によれば、第１衝突壁６１を単純な平板形状とすることができるとともに、密閉容器２の一部で第２衝突壁６２を構成することができるので、密閉容器１Ｃを安価に製造することができる。

　さらに、第２衝突壁６２の衝突域ｉ２を過ぎた後の液層Ｌは、胴部２２の内壁面に沿って流下する（図５中のＦ２）。その結果、胴部２２の内壁面上でも液の表面張力による凝集作用を活用することができるので、気液分離性能の更なる向上が可能となる。

　なお、本実施形態の気液分離器１Ｃは、図４に示す冷凍サイクル装置９への搭載も可能である。

　＜変形例＞
　第１衝突壁６１に十分な強度を持たせた上で、第１衝突壁６１をチューブ２４にロウ付けなどの方法にて隙間なく接合することもできる。この構成であれば、天井部２１を省略することができ、省スペース化を実現できる。

　さらに、一方の二相管３１の横穴（開口３２ｅ）を塞ぎ、他方の二相管３１における液溜まり１３の最深部よりも上部を省略すれば、第１実施形態の気液分離器１Ａと同様の動作が可能である。

　（第４実施形態）
　図６に、本発明の第４実施形態に係る気液分離器１Ｄを示す。本実施形態では、第１衝突壁６１が天井部２１の一部となっている。具体的に、天井部２１における第１衝突壁６１の役割を果たす中央領域は、フラットであり、第２衝突壁６２で囲まれる空間を上方から閉塞している。

　第２衝突壁６２は、円管（リング状の物体）で構成されている。第２衝突壁６２の上端部は、天井部２１のフラットな部位と曲率を有する部位の境界にて、天井部２１に概接触している。このように、天井部２１のフラットな部位と曲率を有する部位の境界で第２衝突壁６２を天井部２１に概接触させることで、密閉容器２の中心軸と第２衝突壁６２の中心軸を一致させる位置合わせを簡単に行うことができる。第２衝突壁６２の下端部は、第１実施形態と同様に、保持部材７上に載置されている。

　本実施形態の構成によれば、第２衝突壁６２は単純な形状であり、一般的な管部材を用いることができ、さらに位置合わせも位置決めピンなどの部材が不要なので、気液分離器１Ｄを安価に製造することができる。

　＜変形例＞
　一方の二相管３１の横穴（開口３２ｅ）を塞ぎ、他方の二相管３１における液溜まり１３の最深部よりも上部を省略すれば、第１実施形態の気液分離器１Ａと同様の動作が可能である。

Claims

　気液二相流体を開口から上向きに噴射する二相管と、
　前記二相管から噴射される気液二相流体が衝突する水平な第１衝突壁と、
　前記第１衝突壁の周縁部から下方に延びており、前記第１衝突壁に沿って流れる気液二相流体が衝突し得る筒状の第２衝突壁と、
　前記第２衝突壁の下方で、前記第２衝突壁で囲まれる空間と連続する空間を囲う胴部と、
　前記胴部の下方で、分離された液を保持して液溜まりを形成する底部と、
　前記液溜まりに開口する液出口管と、
　分離されたガスを排出するための、前記液溜まりよりも高い位置であって前記二相管の開口よりも低い位置に開口を有するガス出口管と、
　前記第１衝突壁と対向して前記ガス出口管の開口をカバーするカバーと、
を備えた、気液分離器。
　前記カバーは、前記ガス出口管の開口を包み込む形状を有している、請求項１に記載の気液分離器。
　前記第１衝突壁および前記第２衝突壁は一体となっており、
　前記第１衝突壁の上方から前記第２衝突壁の周囲を通って前記胴部につながる天井部をさらに備え、前記天井部、前記胴部および前記底部が密閉容器を構成している、請求項１に記載の気液分離器。
　前記第２衝突壁および前記胴部のそれぞれは連続するチューブの一部であり、前記チューブの上端部には径方向外向きに拡大された拡大部が設けられ、前記第１衝突壁は、前記拡大部内に嵌め込まれ、前記拡大部の根元の段差部に支持されている、請求項１に記載の気液分離器。
　前記第１衝突壁の上方から前記拡大部につながる天井部をさらに備え、前記天井部、前記チューブおよび前記底部が密閉容器を構成している、請求項４に記載の気液分離器。
　前記第２衝突壁で囲まれる空間を上方から閉塞するとともに前記第２衝突壁の周囲を通って前記胴部につながる天井部をさらに備え、前記天井部、前記胴部および前記底部が密閉容器を構成しており、前記第１衝突壁は前記天井部の一部である、請求項１に記載の気液分離器。
　前記二相管は一対設けられており、前記一対の二相管のそれぞれには前記液溜まりに浸る部分に横穴が設けられており、この横穴が前記液出口管の開口を構成し、前記一対の二相管のそれぞれの前記横穴よりも下側の部分が前記液出口管を兼ねる、請求項１に記載の気液分離器。
　冷媒を圧縮する圧縮機、室内の空気と冷媒との間で熱交換を行う室内熱交換器、冷媒を膨張させる第１膨張機構および第２膨張機構、ならびに室外の空気と冷媒との間で熱交換を行う室外熱交換器を含むとともに、請求項７に記載の気液分離器であって前記一対の二相管が前記第１膨張機構および前記第２膨張機構にそれぞれ接続された気液分離器を含むヒートポンプ回路と、
　前記圧縮機に冷媒の圧縮中に冷媒が注入されるように前記気液分離器の前記ガス出口管と前記圧縮機とを接続するインジェクション管と、
　前記ヒートポンプ回路に流れる冷媒の流れの方向を、暖房運転時に前記圧縮機から吐出された冷媒が前記室内熱交換器に導かれる第１方向に切り換え、冷房運転時に前記圧縮機から吐出された冷媒が前記室外熱交換器に導かれる第２方向に切り換える切換手段と、
を備えた、冷凍サイクル装置。