WO2018186129A1 - 気液分離器、および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

通路断面積が一定の冷媒通路を形成する本体部（１４０）に、冷媒通路を流通する冷媒の流れ方向を転向させる湾曲部としての螺旋状部（１４１）を形成し、この螺旋状部（１４１）に、冷媒通路内で分離された液相冷媒を流出させる単一の液相冷媒出口（１４ｂ）を設け、本体部（１４０）の冷媒通路の冷媒流れ最下流部に、分離された気相冷媒を流出させる気相冷媒出口（１４ｃ）を設ける。さらに、液相冷媒出口（１４ｂ）の開口面積を冷媒通路の通路断面積よりも小さく設定するとともに、液相冷媒出口（１４ｂ）を螺旋状部（１４１）の中心線の接線方向に液相冷媒を流出させるように開口させる。

Description

気液分離器、および冷凍サイクル装置 関連出願の相互参照

　本出願は、当該開示内容が参照によって本出願に組み込まれた、２０１７年４月５日に出願された日本特許出願２０１７－０７５３０３号を基にしている。

　本開示は、冷媒の気液を分離する気液分離器、およびこれを備える冷凍サイクル装置に関する。

　従来、特許文献１に、エジェクタを備える蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置であるエジェクタ式冷凍サイクルに適用された気液分離器が開示されている。この特許文献１の気液分離器は、エジェクタ式冷凍サイクルにおいて、エジェクタから流出した冷媒の気液を分離し、分離された液相冷媒を蒸発器の入口側へ流出させ、分離された気相冷媒を圧縮機の吸入側へ流出させている。

　さらに、特許文献１では、気液分離器を螺旋状に湾曲させた二重管で形成することによって、気液分離器全体としての小型化を図ろうとしている。

特開２００７－３２２００１号公報

　ところで、エジェクタ式冷凍サイクルでは、エジェクタの昇圧作用によって圧縮機へ吸入される吸入冷媒の圧力を上昇させることができる。これにより、エジェクタ式冷凍サイクルでは、圧縮機の消費動力を低減させて、サイクルの成績係数（ＣＯＰ）を向上させることができる。

　従って、特許文献１のエジェクタ式冷凍サイクルにおいて、エジェクタの昇圧作用によるＣＯＰ向上効果を充分に得るためには、エジェクタの出口側と圧縮機の吸入側との間に配置される気液分離器を流通する冷媒に生じる圧力損失を充分に低減させることが有効である。ところが、特許文献１には、気液分離器を流通する冷媒に生じる圧力損失を充分に低減させる手段について開示されていない。

　ここで、気液分離器を流通する冷媒に生じる圧力損失を低減させる手段としては、冷媒通路の通路断面積を充分に拡大しておく手段や、冷媒の流れ方向を不必要に転向させない手段等が考えられる。

　しかしながら、これらの手段を採用すると、気液分離器が大型化しやすく、気液分離器を他のサイクル構成機器に取り付けにくくなってしまう。つまり、これらの手段を採用して、圧力損失を低減させようとすると、気液分離器を冷凍サイクル装置に適用できなくなってしまうおそれがある。

　本開示は、上記点に鑑み、冷媒に生じる圧力損失を充分に低減可能な気液分離器を提供することを目的とする。

　また、本開示は、冷媒に生じる圧力損失を充分に低減可能な気液分離器を備える冷凍サイクル装置を提供することを別の目的とする。

　本開示の気液分離器は、冷凍サイクル装置に適用可能で、冷媒の気液を分離可能である。

本開示の一つの特徴例による気液分離器は、通路断面積が一定の冷媒通路を形成する本体部を備える。本体部は、冷媒通路を流通する冷媒の流れ方向を転向させる湾曲部を有し、湾曲部には、分離された液相冷媒を流出させる単一の液相冷媒出口が設けられており、液相冷媒出口は、湾曲部の中心線の接線方向に液相冷媒を流出させるように開口しており、液相冷媒出口の開口面積は、本体部の通路断面積よりも小さく形成されておる。本体部のうち、冷媒通路の冷媒流れ最下流部には、分離された気相冷媒を流出させる気相冷媒出口が設けられており、気相冷媒出口は、湾曲部の中心線の接線方向に気相冷媒を流出させるように開口している。

　これによれば、気相冷媒出口が、湾曲部の中心線の接線方向に液相冷媒を流出させるように開口しているので、本体部から気相冷媒を滑らかに流出させることができる。従って、本体部から気相冷媒を流出させる際に生じる圧力損失を低減させることができる。

　同様に、単一の液相冷媒出口が、湾曲部の中心線の接線方向に液相冷媒を流出させるように開口しているので、本体部から液相冷媒を滑らかに流出させることができる。従って、本体部から液相冷媒を流出させる際に生じる圧力損失を低減させることができる。

　このように本体部から液相冷媒を滑らかに流出させることで、分離された液相冷媒が本体部の冷媒通路内に滞留してしまうことを抑制することができる。従って、本体部の冷媒通路のうち気相冷媒が流通する領域の通路断面積を縮小させてしまうことを抑制することができる。

　さらに、液相冷媒出口の開口面積が、本体部の通路断面積よりも小さく形成されているので、分離された液相冷媒が液相冷媒出口から流出する際に、気相冷媒とともに流出してしまうことを抑制することができる。従って、実質的に、冷媒通路のうち気相冷媒が流通する領域の通路断面積が液相冷媒出口側に拡大されてしまうことを抑制することができる。

　これに加えて、本体部の冷媒通路の通路断面積が一定に形成されているので、本体部のうち気相冷媒が流通する領域の通路断面積が急激に変化してしまうことを抑制することができる。

　そのために、気相冷媒を気相冷媒出口から滑らかに流出させることができるだけでなく、本体部の冷媒通路のうち気相冷媒が流通する領域の通路断面積の急拡大あるいは急縮小を抑制することができる。従って、冷媒に生じる圧力損失を充分に低減可能な気液分離器を提供することができる。

　ここで、湾曲部の中心線は、湾曲部の通路断面の重心点を結んだ線等で定義することができ、湾曲部を流通する冷媒の主流の流れ方向に相当する。

　本開示の別の特徴例による気液分離器は、通路断面積が一定の冷媒通路を形成する本体部を備える。本体部は、上流側円筒部、上流側円筒部の冷媒通路を流通する冷媒の流れ方向を転向させる湾曲部と、湾曲部からの冷媒が流れる下流側円筒部を備える。上流側円筒部は、水平方向に延びており、下流側円筒部は、湾曲部対して上方向に延びる。湾曲部には、分離された液相冷媒を流出させる単一の液相冷媒出口が設けられており、液相冷媒出口は、湾曲部において上流側円筒部の中心軸の延長線上に開口しており、気相冷媒出口は、下流側円筒部の上方において気相冷媒を流出させるように開口している。そのために、気液分離器において、冷媒に生じる圧力損失を充分に低減できる。

　例えば、本開示の冷凍サイクル装置は、冷媒を吸入して圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出された冷媒を放熱させる放熱器と、放熱器から流出した冷媒を減圧させるノズル部から噴射された噴射冷媒の吸引作用によって冷媒吸引口から冷媒を吸引し、噴射冷媒と冷媒吸引口から吸引された吸引冷媒との混合冷媒を昇圧させるエジェクタと、エジェクタから流出した冷媒の気液を分離し、分離された気相冷媒を圧縮機の吸入側へ流出させる気液分離器と、気液分離器にて分離された液相冷媒を蒸発させて、冷媒吸引口側へ流出させる蒸発器と、を備えてよい。

　この場合にも、本開示のいずれの特徴例の気液分離器を冷凍サイクル装置に適用することで、冷媒が気液分離器を流通する際に生じる圧力損失を充分に低減することができる。よって、冷媒に生じる圧力損失を充分に低減可能な気液分離器を備える冷凍サイクル装置を提供することができる。

　さらに、エジェクタの出口側と圧縮機の吸入側との間に配置される気液分離器における冷媒の圧力損失を低減することは、エジェクタの昇圧作用によるサイクルのＣＯＰ向上効果を充分に得ることができるという点で極めて有効である。

　ここで、液相冷媒出口は、液相冷媒のみを流出させる冷媒出口に限定されるものではなく、主に液相冷媒を流出させるために比較的乾き度の低い気液二相冷媒を流出させる冷媒出口となっていてもよい。

　また、気相冷媒出口は、気相冷媒のみを流出させる冷媒出口に限定されるものではなく、主に気相冷媒を流出させるために比較的乾き度の高い気液二相冷媒を流出させる冷媒出口となっていてもよい。

第１実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルの全体構成図である。 第１実施形態の気液分離器の外観斜視図である。 第２実施形態の気液分離器の一部断面図である。 第１実施形態の変形例の気液分離器の外観斜視図である。

　（第１実施形態）
　図１、図２を用いて、本開示の第１実施形態を説明する。本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル１０は、車両用空調装置に適用されており、空調対象空間である車室内へ送風される送風空気を冷却する機能を果たす。従って、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル１０の冷却対象流体は、送風空気である。

　エジェクタ式冷凍サイクル１０では、冷媒としてＨＦＣ系冷媒（例えば、Ｒ１３４ａ）を採用しており、サイクルの高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超えない亜臨界冷凍サイクルを構成している。さらに、冷媒には圧縮機１１を潤滑するための冷凍機油が混入されており、冷凍機油の一部は冷媒とともにサイクルを循環している。

　図１の全体構成図に示すエジェクタ式冷凍サイクル１０において、圧縮機１１は、冷媒を吸入し、圧縮して吐出するものである。より具体的には、本実施形態の圧縮機１１は、１つのハウジング内に固定容量型の圧縮機構、および圧縮機構を駆動する電動モータを収容して構成された電動圧縮機である。

　この圧縮機構としては、スクロール型圧縮機構、ベーン型圧縮機構等の各種圧縮機構を採用することができる。また、電動モータは、後述する空調制御装置２０から出力される制御信号によって、回転数（すなわち、冷媒吐出能力）が制御されるもので、交流モータ、直流モータのいずれの形式のものを採用してもよい。

　圧縮機１１の吐出口には、放熱器１２の冷媒入口側が接続されている。放熱器１２は、圧縮機１１から吐出された高圧冷媒と冷却ファン１２ａにより送風される車室外空気（外気）を熱交換させて、高圧冷媒を放熱させて冷却する放熱用熱交換器である。冷却ファン１２ａは、空調制御装置２０から出力される制御電圧によって回転数（送風空気量）が制御される電動式送風機である。

　放熱器１２の冷媒出口には、エジェクタ１３のノズル部１３ａの入口側が接続されている。エジェクタ１３は、放熱器１２から流出した冷媒を減圧させて噴射するノズル部１３ａを有し、冷媒減圧装置としての機能を果たす。さらに、エジェクタ１３は、ノズル部１３ａの冷媒噴射口から噴射された噴射冷媒の吸引作用によって、外部から冷媒を吸引して循環させる冷媒循環装置としての機能を果たす。

　これに加えて、エジェクタ１３は、ノズル部１３ａから噴射された噴射冷媒と冷媒吸引口１３ｃから吸引された吸引冷媒との混合冷媒の運動エネルギを圧力エネルギに変換し、混合冷媒を昇圧させるエネルギ変換装置としての機能を果たす。

　より具体的には、エジェクタ１３は、ノズル部１３ａ、およびボデー部１３ｂを有している。ノズル部１３ａは、冷媒の流れ方向に向かって徐々に先細る略円筒状の金属（本実施形態では、ステンレス合金）等で形成されている。ノズル部１３ａは、内部に形成された冷媒通路にて冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるものである。

　ノズル部１３ａの内部に形成された冷媒通路には、通路断面積を最も縮小させる喉部、および喉部から冷媒を噴射する冷媒噴射口へ向かうに伴って通路断面積が徐々に拡大する末広部が形成されている。つまり、本実施形態のノズル部１３ａは、ラバールノズルとして構成されている。

　さらに、本実施形態では、ノズル部１３ａとして、サイクルの通常運転時に冷媒噴射口から噴射される噴射冷媒の流速が音速以上となるように設定されたものが採用されている。もちろん、ノズル部１３ａを先細ノズルで構成してもよい。

　ボデー部１３ｂは、略円筒状の金属（本実施形態では、アルミニウム）で形成されている。ボデー部１３ｂは、内部にノズル部１３ａを支持固定する固定部材として機能するとともに、エジェクタ１３の外殻を形成するものである。より具体的には、ノズル部１３ａは、ボデー部１３ｂの長手方向一端側の内部に収容されるように圧入にて固定されている。ボデー部１３ｂは、樹脂にて形成されていてもよい。

　ボデー部１３ｂの外周面のうち、ノズル部１３ａの外周側に対応する部位には、その内外を貫通してノズル部１３ａの冷媒噴射口と連通するように設けられた冷媒吸引口１３ｃが形成されている。冷媒吸引口１３ｃは、ノズル部１３ａから噴射される噴射冷媒の吸引作用によって、後述する蒸発器１５から流出した冷媒をエジェクタ１３の内部へ吸引する貫通穴である。

　ボデー部１３ｂの内部には、冷媒吸引口１３ｃから吸引された吸引冷媒をノズル部１３ａの冷媒噴射口側へ導く吸引通路、および、吸引冷媒と噴射冷媒とを混合させて昇圧させる昇圧部としてのディフューザ部１３ｄが形成されている。

　吸引通路は、ノズル部１３ａの先細り形状の先端部周辺の外周側とボデー部１３ｂの内周側との間の空間に形成されており、吸引通路の冷媒通路面積は、冷媒流れ方向に向かって徐々に縮小している。これにより、吸引通路を流通する吸引冷媒の流速を徐々に増加させて、ディフューザ部１３ｄにて吸引冷媒と噴射冷媒が混合する際のエネルギ損失（すなわち、混合損失）を減少させている。

　ディフューザ部１３ｄは、吸引通路の出口に連続するように配置された円錐台状の冷媒通路である。ディフューザ部１３ｄでは、通路断面積が冷媒流れ下流側に向かって徐々に拡大する。ディフューザ部１３ｄは、このような通路形状によって、混合冷媒の運動エネルギを圧力エネルギに変換する。

　より具体的には、本実施形態のディフューザ部１３ｄを形成するボデー部１３ｂの内周壁面の断面形状は、複数の曲線を組み合わせて形成されている。そして、ディフューザ部１３ｄの冷媒通路断面積の広がり度合が冷媒流れ方向に向かって徐々に大きくなった後に再び小さくなっていることで、冷媒を等エントロピ的に昇圧させることができる。

　また、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル１０では、通常運転時にディフューザ部１３ｄから流出する冷媒が気液二相冷媒となる。より具体的には、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル１０では、通常運転時にディフューザ部１３ｄから流出する冷媒の乾き度が、０．４以上、かつ、０．８以下となるように冷媒が充填されている。

　ディフューザ部１３ｄの出口には、気液分離器１４の冷媒入口１４ａ側が接続されている。気液分離器１４は、ディフューザ部１３ｄから流出した冷媒の気液を分離して、分離された液相冷媒を後述する蒸発器１５の冷媒入口側へ流出させ、分離された気相冷媒を圧縮機１１の吸入側へ流出させるものである。

　気液分離器１４の詳細構成については、図２を用いて説明する。なお、図２等における上下の各矢印は、気液分離器１４を車両に搭載した状態における上下の各方向を示している。

　気液分離器１４は、通路断面積が一定の冷媒通路を形成する金属製（本実施形態では、アルミニウム製）の管状部材で形成された本体部１４０を有している。本体部１４０の通路断面は、円形状である。本体部１４０は、円筒状に形成された上流側円筒部１４２、螺旋状に曲げられた螺旋状部１４１、円筒状に形成された下流側円筒部１４３、および中間円筒部１４４に大別される。

　螺旋状部１４１は、内部を流通する冷媒の流れ方向を転向させる湾曲部である。本実施形態では、充分な気液分離性能を確保するために螺旋状部１４１の巻き数を４巻きとしている。また、気液分離器１４は、螺旋状部１４１の螺旋の中心軸が鉛直方向となるように配置されている。

　上流側円筒部１４２は、螺旋状部１４１の上方側に配置されており、ディフューザ部１３ｄから流出した冷媒を流入させる冷媒入口１４ａを形成している。換言すると、気液分離器１４では、本体部１４０の冷媒流れ最上流部に、気液分離対象となる冷媒を流入させる冷媒入口１４ａが設けられている。

　さらに、上流側円筒部１４２の中心線は、螺旋状部１４１の冷媒通路の中心線の接線方向に延びている。このため、冷媒入口１４ａは、ディフューザ部１３ｄから流出した冷媒を螺旋状部１４１の冷媒通路の中心線の接線方向に流入させるように開口している。ここで、螺旋状部１４１の冷媒通路の中心線は、螺旋状部１４１の通路断面の重心点を結んだ線等で定義することができ、螺旋状に描かれる。

　下流側円筒部１４３は、螺旋状部１４１の下方側に配置されており、圧縮機１１の吸入側へ気相冷媒を流出させる気相冷媒出口１４ｃを形成している。換言すると、気液分離器１４では、本体部１４０の冷媒流れ最下流部に、本体部１４０の内部で分離された気相冷媒を流出させる気相冷媒出口１４ｃが設けられている。

　さらに、下流側円筒部１４３の中心線は、螺旋状部１４１の冷媒通路の中心線の接線方向に延びている。このため、気相冷媒出口１４ｃは、分離された気相冷媒を螺旋状部１４１の冷媒通路の中心線の接線方向に流出させるように開口している。

　また、螺旋状部１４１には、本体部１４０の内部で分離された液相冷媒を流出させる単一の液相冷媒出口１４ｂが形成された中間円筒部１４４が接続されている。より具体的には、中間円筒部１４４は、螺旋状部１４１の入口側から３．７５巻程度進行した位置（換言すると、入口側から約１３５０°進行した位置）に接続されている。

　このため、中間円筒部１４４は、液相冷媒出口１４ｂが冷媒入口１４ａよりも気相冷媒出口１４ｃの近くに位置付けられるように接続されている。さらに、中間円筒部１４４の中心線は、螺旋状部１４１の冷媒通路の中心線の接線方向に延びている。このため、液相冷媒出口１４ｂは、分離された液相冷媒を、螺旋状部１４１の冷媒通路の中心線の接線方向に流出させるように開口している。

　液相冷媒出口１４ｂの開口面積は、本体部１４０の通路断面積よりも小さく形成されている。つまり、液相冷媒出口１４ｂの開口面積は、冷媒入口１４ａの開口面積、および気相冷媒出口１４ｃの開口面積よりも小さく形成されている。より具体的には、液相冷媒出口１４ｂの開口面積は、蒸発器１５の冷媒入口の開口面積と同等の値に設定されている。

　気液分離器１４の液相冷媒出口１４ｂには、図１に示すように、蒸発器１５の冷媒入口側が接続されている。

　蒸発器１５は、内部へ流入した低圧冷媒と送風機１５ａから車室内へ向けて送風される送風空気とを熱交換させることによって、低圧冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱用熱交換器である。送風機１５ａは、空調制御装置２０から出力される制御電圧によって回転数（送風空気量）が制御される電動式送風機である。蒸発器１５の冷媒出口には、エジェクタ１３の冷媒吸引口１３ｃ側が接続されている。

　次に、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル１０の電気制御部について説明する。図示しない空調制御装置２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成され、そのＲＯＭ内に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い、出力側に接続された各種制御対象機器１１、１２ａ、１５ａ等の作動を制御する。

　また、空調制御装置２０には、車室内温度を検出する内気温センサ、外気温を検出する外気温センサ、車室内の日射量を検出する日射センサ、蒸発器１５から吹き出される吹出空気温度（蒸発器温度）を検出する蒸発器温度センサ等のセンサ群が接続され、これらの空調用センサ群の検出信号が入力される。

　さらに、空調制御装置２０の入力側には、図示しない操作パネルが接続され、この操作パネルに設けられた各種操作スイッチからの操作信号が空調制御装置２０へ入力される。操作パネルに設けられた各種操作スイッチとしては、空調を行うことを要求する空調作動スイッチ、車室内温度を設定する車室内温度設定スイッチ等が設けられている。

　なお、本実施形態の空調制御装置２０は、その出力側に接続された各種の制御対象機器の作動を制御する制御部が一体に構成されたものであるが、空調制御装置２０のうち、各制御対象機器の作動を制御する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）が各制御対象機器の制御部を構成している。例えば、圧縮機１１の作動を制御する構成が、吐出能力制御部を構成している。

　次に、上記構成における本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル１０の作動について説明する。操作パネルの空調作動スイッチが投入（ＯＮ）されると、空調制御装置２０が、圧縮機１１、冷却ファン１２ａ、送風機１５ａ等を作動させる。

　これにより、圧縮機１１が冷媒を吸入し、圧縮して吐出する。圧縮機１１から吐出された高温高圧冷媒は、放熱器１２へ流入する。放熱器１２へ流入した冷媒は、冷却ファン１２ａから送風された外気と熱交換し、冷却されて凝縮する。

　放熱器１２から流出した冷媒は、エジェクタ１３のノズル部１３ａへ流入して等エントロピ的に減圧されて噴射される。そして、噴射冷媒の吸引作用によって、蒸発器１５から流出した冷媒が、冷媒吸引口１３ｃから吸引される。

　ノズル部１３ａから噴射された噴射冷媒および冷媒吸引口１３ｃから吸引された吸引冷媒は、ディフューザ部１３ｄへ流入する。ディフューザ部１３ｄでは、冷媒通路面積の拡大により、冷媒の速度エネルギが圧力エネルギに変換される。これにより、噴射冷媒と吸引冷媒との混合冷媒の圧力が上昇する。ディフューザ部１３ｄにて昇圧された気液二相状態の冷媒は、気液分離器１４の冷媒入口１４ａへ流入する。

　気液分離器１４へ流入した気液二相状態の冷媒は、本体部１４０の螺旋状部１４１を流通する際に、遠心力の作用によって気液分離される。これにより、気相冷媒よりも比重の大きい液相冷媒が、螺旋状部１４１の螺旋の中心軸外周側に偏在する。そして、螺旋の中心軸外周側に偏在する液相冷媒を含む比較的乾き度の低い冷媒が、液相冷媒出口１４ｂから流出する。分離された気相冷媒は、気相冷媒出口１４ｃから流出する。

　液相冷媒出口１４ｂから流出した冷媒は、気液分離器１４から蒸発器１５へ至る冷媒流路を流通する際に圧力を低下させながら蒸発器１５へ流入する。蒸発器１５へ流入した冷媒は、送風機１５ａによって送風された送風空気から吸熱して蒸発する。これにより、送風空気が冷却される。蒸発器１５から流出した冷媒は、エジェクタ１３の冷媒吸引口１３ｃから吸引される。気相冷媒出口１４ｃから流出した気相冷媒は、圧縮機１１へ吸入され再び圧縮される。

　本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル１０は、以上の如く作動して、車室内へ送風される送風空気を冷却することができる。

　エジェクタ式冷凍サイクル１０では、エジェクタ１３のディフューザ部１３ｄにて昇圧された冷媒を圧縮機１１へ吸入させている。従って、エジェクタ式冷凍サイクル１０によれば、蒸発器における冷媒蒸発圧力と圧縮機吸入冷媒の圧力が略同等となる通常の冷凍サイクル装置よりも、圧縮機１１の消費動力を低減させて、サイクルの成績係数（ＣＯＰ）を向上させることができる。

　ここで、エジェクタ１３の昇圧作用によるＣＯＰ向上効果を充分に得るためには、エジェクタ１３のディフューザ部１３ｄの出口側と圧縮機１１の吸入側との間に配置される気液分離器１４にて冷媒に生じる圧力損失を充分に低減させる必要がある。より詳細には、ディフューザ部１３ｄから流出した気液二相冷媒と圧縮機１１へ吸入される気相冷媒が同等の圧力となるように、圧力損失が低減されていることが望ましい。

　そして、気液分離器１４にて冷媒に生じる圧力損失を低減させる構成としては、冷媒通路の通路断面積を拡大させる構成や、冷媒の流れ方向を不必要に転向させない構成等が考えられる。しかしながら、圧力損失の低減のために、これらの構成を採用すると、気液分離器１４が大型化しやすく、気液分離器１４を他のサイクル構成機器（すなわち、エジェクタ１３および圧縮機１１）に取り付けにくくなってしまう。

　これに対して、本発明者は、気液分離器１４の大型化を招くことなく、気液分離器１４内で冷媒に生じる圧力損失を低減させるための試験検討を行った。その結果、気液分離器１４内の冷媒通路のうち気相冷媒が流通する領域の通路断面積の急拡大あるいは急縮小を抑制することで、冷媒通路内での冷媒流れの剥離を抑制して、圧力損失を効果的に抑制できることを見出した。

　そこで、本実施形態の気液分離器１４では、下流側円筒部１４３の気相冷媒出口１４ｃを、螺旋状部１４１の冷媒通路の中心線の接線方向に気相冷媒を流出させるように開口させている。これにより、螺旋状部１４１にて分離された気相冷媒を滑らかに流出させることができる。従って、本体部１４０から気相冷媒を流出させる際に生じる圧力損失を低減させることができる。

　また、気液分離器１４では、中間円筒部１４４に単一の液相冷媒出口１４ｂを設け、さらに、この液相冷媒出口１４ｂを、螺旋状部１４１の冷媒通路の中心線の接線方向に液相冷媒を流出させるように開口させている。これにより、螺旋状部１４１にて分離された液相冷媒を、冷媒の動圧を利用して滑らかに流出させることができる。従って、本体部１４０から液相冷媒を流出させる際に生じる圧力損失を低減させることができる。

　このように螺旋状部１４１から液相冷媒を滑らかに流出させることで、分離された液相冷媒が本体部１４０（具体的には、螺旋状部１４１）の冷媒通路内に滞留してしまうことを抑制することができる。従って、冷媒入口１４ａから液相冷媒出口１４ｂへ至る範囲で分離された液相冷媒が本体部１４０内に滞留して、本体部１４０内の冷媒通路のうち気相冷媒が流通する領域の通路断面積を縮小させてしまうことを抑制することができる。

　さらに、液相冷媒出口１４ｂの開口面積が、本体部１４０の通路断面積よりも小さく形成されているので、液相冷媒が液相冷媒出口１４ｂから流出する際に、気相冷媒とともに流出してしまうことを抑制することができる。従って、実質的に、冷媒通路のうち気相冷媒が流通する領域の通路断面積が液相冷媒出口１４ｂの下流側にまで拡大されてしまうことを抑制することができる。

　これに加えて、本体部１４０の通路断面積が一定に形成されているので、本体部１４０のうち気相冷媒が流通する領域の通路断面積が急激に変化してしまうことを効果的に抑制することができる。

　すなわち、本実施形態の気液分離器１４によれば、気相冷媒を気相冷媒出口１４ｃから滑らかに流出させることができるだけでなく、本体部１４０の冷媒通路のうち気相冷媒が流通する領域の通路断面積の急拡大あるいは急縮小を抑制することができる。従って、冷媒に生じる圧力損失を充分に低減することができる。延いては、エジェクタ式冷凍サイクル１０のＣＯＰ向上効果を充分に得ることができる。

　また、本実施形態の気液分離器１４では、上述の如く、冷媒に生じる圧力損失を低減させるために、単一の液相冷媒出口１４ｂを設けている。このため、液相冷媒出口１４ｂの下流側では、冷媒の気液を分離することができなくなってしまう。

　これに対して、本実施形態の本体部１４０は螺旋状部１４１を有しているので、螺旋状部１４１のうち液相冷媒出口１４ｂよりも上流側の部位の巻き数等を調整することによって、気液分離性能を調整することができる。従って、気液分離器１４全体としての気液分離性能を充分に確保することができる。

　ここで、本発明者の検討によれば、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル１０のように、ディフューザ部１３ｄの下流側に配置された気液分離器１４にて分離された液相冷媒を蒸発器１５へ流入させるサイクル構成では、負荷変動によらず蒸発器１５へ適切な流量の冷媒を供給するために、ディフューザ部１３ｄから流出する冷媒の乾き度を、０．４以上、かつ、０．８以下に設定しておくことが望ましい。より好ましくは、この乾き度を、０．５以上、かつ、０．７以下に設定しておくことが望ましい。

　従って、エジェクタ式冷凍サイクル１０に適用される気液分離器１４では、冷媒入口１４ａへ流入する冷媒の乾き度が０．４以上、かつ、０．８以下の範囲で充分な気液分離性能を発揮するように、気液分離性能を調整しておくことによって、エジェクタ式冷凍サイクル１０に充分な冷凍能力を発揮させることができる。

　また、本実施形態では、液相冷媒出口１４ｂを、冷媒入口１４ａよりも気相冷媒出口１４ｃの近くに配置しているので、液相冷媒出口１４ｂから気相冷媒出口１４ｃへ至る通路を流通する気相冷媒に生じる圧力損失をより一層抑制することができる。

　（第２実施形態）
　第１実施形態では、湾曲部として、冷媒の流れ方向を連続的に転向させる螺旋状の冷媒通路を形成する螺旋状部１４１を採用した気液分離器１４を説明したが、本実施形態の気液分離器１４では、図３に示すように、湾曲部として、冷媒の流れ方向を９０℃程度転向させる曲げ部１４５を採用している。

　なお、図３では、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付している。また、液相冷媒を網掛けハッチングによって液相冷媒の分布を模式的に示している。

　より具体的には、気液分離器１４の本体部１４０は、上流側円筒部１４２、曲げ部１４５、下流側円筒部１４３、および中間円筒部１４４に大別される。上流側円筒部１４２は、中心軸が略水平方向に延びるように配置されている。下流側円筒部１４３は、中心軸が略鉛直方向に延びるように配置されている。下流側円筒部１４３の気相冷媒出口１４ｃは、鉛直方向上方側の成分を含む方向に気相冷媒を流出させるように開口している。

　その他の気液分離器１４およびエジェクタ式冷凍サイクル１０の構成および作動は第１実施形態と同様である。従って、本実施形態の気液分離器１４においても、冷媒に生じる圧力損失を充分に低減することができる。さらに、エジェクタ式冷凍サイクル１０のＣＯＰ向上効果を充分に得ることができる。

　また、本実施形態の気液分離器１４によれば、気相冷媒出口１４ｃが、鉛直方向上方側の成分を含む方向に気相冷媒を流出させるように開口しているので、重力の作用によって、分離された液相冷媒が気相冷媒出口１４ｃから流出してしまうことを抑制することができる。従って、気液分離性能を向上させることができる。

　（他の実施形態）
　本開示は上述の実施形態に限定されることなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

　（１）第１実施形態では、本体部１４０を管状部材で形成した例（すなわち、配管を折り曲げることによって形成した例）を説明したが、本体部１４０はこれに限定されない。例えば、図４に示すように、金属あるいは樹脂製のブロック部材に複数の冷媒通路を形成することによって、同様の冷媒通路を形成したものであってもよい。

　また、第１実施形態では、上流側円筒部１４２の中心線が、螺旋状部１４１の冷媒通路の中心線の接線方向に延びている例を説明したが、上流側円筒部１４２の中心線の方向と螺旋状部１４１の冷媒通路の中心線の接線方向は、完全に一致している必要はない。

　例えば、螺旋状部１４１の螺旋の中心軸方向から見たときに、上流側円筒部１４２の中心線が、螺旋状部１４１の冷媒通路の中心線の接線方向に延びていれば、同様の効果を得ることができる。このことは、下流側円筒部１４３の中心線、および中間円筒部１４４の中心線についても同様である。

　また、第１実施形態では、螺旋状部１４１の螺旋の中心軸が鉛直方向となるように気液分離器１４を配置した例を説明したが、螺旋状部１４１の螺旋の中心軸が水平方向となるように配置されていてもよい。

　また、第１実施形態では、液相冷媒出口１４ｂを冷媒入口１４ａよりも気相冷媒出口１４ｃの近くに配置した例を説明したが、液相冷媒出口１４ｂから気相冷媒出口１４ｃへ至る通路を流通する気相冷媒に生じる圧力損失を充分に抑制できる場合は、液相冷媒出口１４ｂを気相冷媒出口１４ｃよりも冷媒入口１４ａの近くに配置してもよい。

　また、第２実施形態では、中心軸が略水平方向に延びるように配置された上流側円筒部１４２、および中心軸が略鉛直方向に延びるように配置された下流側円筒部１４３を採用した例を説明したが、上流側円筒部１４２および下流側円筒部１４３の配置はこれに限定されない。

　つまり、気相冷媒出口１４ｃが、鉛直方向上方側の成分を含む方向に気相冷媒を流出させるように開口していれば、上流側円筒部１４２の中心軸および下流側円筒部１４３の中心軸は、垂直方向あるいは鉛直方向に対して傾斜していてもよい。さらに、液相冷媒出口１４ｂが、鉛直方向下方側の成分を含む方向に液相冷媒を流出させるように開口していてもよい。

　（２）エジェクタ式冷凍サイクル１０を構成する各構成機器は、上述の実施形態に開示されたものに限定されない。

　例えば、上述の実施形態では、圧縮機１１として、電動圧縮機を採用した例を説明したが、圧縮機１１として、プーリ、ベルト等を介して車両走行用エンジンから伝達される回転駆動力によって駆動されるエンジン駆動式の圧縮機を採用してもよい。さらに、エンジン駆動式の圧縮機としては、吐出容量の変化により冷媒吐出能力を調整可能な可変容量型圧縮機、あるいは電磁クラッチの断続により圧縮機の稼働率を変化させて冷媒吐出能力を調整可能な固定容量型圧縮機を採用することができる。

　また、上述の実施形態では、放熱器１２の詳細構成について言及していないが、放熱器１２として、凝縮させた冷媒を蓄えるレシーバ部（換言すると、受液器）を有するレシーバ一体型の凝縮器を採用してもよい。さらに、レシーバ部から流出した液相冷媒を過冷却する過冷却部を有して構成される、いわゆるサブクール型の凝縮器を採用してもよい。

　また、上述の実施形態に対して、エジェクタ１３のノズル部１３ａへ流入する冷媒流量を調整する流量調整機構を追加してもよい。このような流量調整機構としては、蒸発器１５出口側冷媒（すなわち、冷媒吸引口１３ｃから吸引される冷媒）の過熱度が、予め定めた基準過熱度に近づくように弁開度を変化させる温度式膨張弁等を採用することができる。

　また、上述の実施形態では、冷媒としてＲ１３４ａを採用した例を説明したが、冷媒はこれに限定されない。例えば、Ｒ１２３４ｙｆ、Ｒ６００ａ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ３２、Ｒ４０７Ｃ、等を採用してもよい。または、これらの冷媒のうち複数種を混合させた混合冷媒等を採用してもよい。さらに、冷媒として二酸化炭素を採用して、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルを構成してもよい。

　（３）上述の各実施形態では、本開示に係るエジェクタ式冷凍サイクル１０を車両用空調装置に適用したが、エジェクタ式冷凍サイクル１０の適用はこれに限定されない。例えば、据置型空調装置、冷温保存庫、その他の冷却加熱装置等に適用してもよい。
 

 

Claims (6)

1. 　冷凍サイクル装置（１０）に適用されて、冷媒の気液を分離する気液分離器であって、
   　通路断面積が一定の冷媒通路を形成する本体部（１４０）を備え、
   　前記本体部は、前記冷媒通路を流通する冷媒の流れ方向を転向させる湾曲部（１４１、１４５）を有し、
   　前記湾曲部には、分離された液相冷媒を流出させる単一の液相冷媒出口（１４ｂ）が設けられており、
   　前記液相冷媒出口は、前記湾曲部の中心線の接線方向に前記液相冷媒を流出させるように開口しており、
   　前記液相冷媒出口の開口面積は、前記本体部の通路断面積よりも小さく形成されており、
   　前記本体部のうち、前記冷媒通路の冷媒流れ最下流部には、分離された気相冷媒を流出させる気相冷媒出口（１４ｃ）が設けられており、
   　前記気相冷媒出口は、前記湾曲部の中心線の接線方向に前記気相冷媒を流出させるように開口している気液分離器。
2. 　前記湾曲部は、螺旋状に形成されている請求項１に記載の気液分離器。
3. 　前記気相冷媒出口は、鉛直方向上方側の成分を含む方向に前記気相冷媒を流出させるように開口している請求項１または２に記載の気液分離器。
4. 　前記冷媒通路に流入する冷媒は、乾き度が０．４以上、かつ、０．８以下の気液二相冷媒である請求項１ないし３のいずれか１つに記載の気液分離器。
5. 　冷凍サイクル装置（１０）に適用されて、冷媒の気液を分離する気液分離器であって、
   　通路断面積が一定の冷媒通路を形成する本体部（１４０）を備え、
   　前記本体部（１４０）は、上流側円筒部（１４２）、前記上流側円筒部（１４２）の冷媒通路を流通する冷媒の流れ方向を転向させる湾曲部（１４５）と、前記湾曲部（１４５）からの冷媒が流れる下流側円筒部（１４３）を備えており、
   前記上流側円筒部（１４２）は、水平方向に延びており、前記下流側円筒部（１４３）は、前記湾曲部（１４５）対して上方向に延びており、
   前記湾曲部（１４５）には、分離された液相冷媒を流出させる単一の液相冷媒出口（１４ｂ）が設けられており、
   　前記液相冷媒出口（１４ｂ）は、前記湾曲部（１４５）において前記上流側円筒部（１４２）の中心軸の延長線上に開口しており、
   気相冷媒出口（１４ｃ）は、前記下流側円筒部（１４３）の上方において気相冷媒を流出させるように開口している気液分離器。
6. 　冷媒を吸入して圧縮する圧縮機（１１）と、
   　前記圧縮機から吐出された冷媒を放熱させる放熱器（１２）と、
   　前記放熱器（１２）から流出した冷媒を減圧させるノズル部（１３ａ）から噴射された噴射冷媒の吸引作用によって冷媒吸引口（１３ｃ）から冷媒を吸引し、前記噴射冷媒と前記冷媒吸引口から吸引された吸引冷媒との混合冷媒を昇圧させるエジェクタ（１３）と、
   　前記エジェクタから流出した冷媒の気液を分離し、分離された気相冷媒を前記圧縮機の吸入側へ流出させる気液分離器（１４）と、
   　前記気液分離器にて分離された液相冷媒を蒸発させて、前記冷媒吸引口側へ流出させる蒸発器（１５）と、を備え、
   　前記気液分離器は、
   　　通路断面積が一定の冷媒通路を形成する本体部（１４０）を有し、
   　　前記冷媒通路の冷媒流れ最上流部には、前記エジェクタから流出した冷媒を流入させる冷媒入口（１４ａ）が設けられており、
   　　前記本体部は、前記冷媒通路を流通する冷媒の流れ方向を転向させる湾曲部（１４１、１４５）を有し、
   　　前記湾曲部には、分離された液相冷媒を流出させる単一の液相冷媒出口（１４ｂ）が設けられており、
   　　前記液相冷媒出口は、前記湾曲部の中心線の接線方向に前記液相冷媒を流出させるように開口しており、
   　　前記液相冷媒出口の開口面積は、前記本体部の通路断面積よりも小さく形成されており、
   　　前記本体部のうち、前記冷媒通路の冷媒流れ最下流部には、分離された気相冷媒を流出させる気相冷媒出口（１４ｃ）が設けられており、
   　　前記気相冷媒出口は、前記湾曲部の中心線の接線方向に前記気相冷媒を流出させるように開口しているものである冷凍サイクル装置。
   
    

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