WO2019130393A1

WO2019130393A1 - 分離器および冷凍サイクル装置

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Publication number: WO2019130393A1
Application number: PCT/JP2017/046443
Authority: WO
Inventors: 松田　弘文; 宗希石山; 裕輔島津
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2017-12-25
Filing date: 2017-12-25
Publication date: 2019-07-04
Also published as: US11428449B2; JP7002566B2; JPWO2019130393A1; EP3734197A1; US20210172661A1; EP3734197A4; CN111512101A; CN111512101B

Abstract

油の分離効率が向上された分離器および当該分離器を備える冷凍サイクル装置が得られる。分離器は、流入管部（１）と、油貯留部（４）と、返油管部（３）と、流出管部（２）とを備える。流入管部（１）は冷媒を旋回させるように冷媒の流通方向を規定する旋回部（５）を含む。油貯留部（４）は、流入管部（１）に接続される。返油管部（３）は、油貯留部（４）の鉛直方向下側に接続される。流出管部（２）は、旋回部（５）に面する開口端部（６）を含む。流出管部（２）は、旋回部（５）に面する領域から油貯留部（４）の外部にまで延びる。開口端部（６）は、旋回部（５）から吐出される冷媒が直接流入することが可能に構成されている。

Description

分離器および冷凍サイクル装置

　本発明は、冷媒と油を分離する分離器および当該分離器を備えた冷凍サイクル装置に関する。

　従来から、冷凍サイクル装置において冷媒から油を分離する分離器が知られている。当該分離器については、冷凍サイクル装置における圧縮機の信頼性確保、および冷凍サイクル性能向上のため分離効率の向上が求められている。さらに、近年、分離器について小型化が求められている。小型分離器としては、油を含有する気体冷媒を供給する流入管の内壁に形成された螺旋状の溝、当該流入管の内部に配置されたねじり板または旋回羽根などの旋回部により冷媒と油を分離する方式が知られている（たとえば、特開昭５８－１６８８６４号公報参照）。このような旋回部を利用した分離器は、油を含有する気体冷媒が旋回するように分離器の径方向から当該分離器内部へ気体冷媒を供給し、遠心力により油を分離器の内周壁面へ補足する方式と比べて、旋回部と油貯留部とを分離することで分離器の小型化を図ることができる。

　特開昭５８－１６８８６４号公報に開示された分離器は、内壁に螺旋状の溝が形成された流入管、当該流入管に接続された油貯留部、油貯留部の内部に端部が位置し、気体冷媒を流出させるための流出管、油貯留部に溜まった油を圧縮機へ移送する返油管を主に備えている。流入管に流入した気体冷媒は、螺旋状の溝に沿って流入管内を旋回するように流れる。このとき、気体冷媒中の油の粒子が溝の表面に付着する。溝の表面に付着した油は気体冷媒の流れに押し流されて油貯留部に流入する。一方、油の粒子が除去された気体冷媒は、流入管から油貯留部の内部を介して流出管から外部へ排出される。

特開昭５８－１６８８６４号公報

　上述した分離器では、油貯留部の内壁を流れる油に、流入管から油貯留部に流入した気体冷媒が吹き付けられることで、当該油が気体冷媒中に再飛散する場合がある。このような再飛散した油が気体冷媒とともに流出管から外部へ排出されると、分離器における油の分離効率が低下する。

　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、油の分離効率が向上された分離器および当該分離器を備える冷凍サイクル装置を提供することである。

　本開示に従った分離器は、油を含有する冷媒から油を分離する分離器であって、流入管部と、油貯留部と、返油管部と、流出管部とを備える。流入管部には冷媒が流入される。流入管部は冷媒を旋回させるように冷媒の流通方向を規定する旋回部を含む。油貯留部は、流入管部に接続される。返油管部は、油貯留部の鉛直方向下側に接続される。流出管部は、旋回部に面する開口端部を含む。流出管部は、旋回部に面する領域から油貯留部の外部にまで延びる。開口端部は、旋回部から吐出される冷媒が直接流入することが可能に構成されている。

　上記によれば、旋回部から吐出される冷媒が流出管部の開口端部へ直接流入するので、旋回部から吐出された冷媒が油貯留部に貯留されている油に吹き付けられることに起因する当該油の冷媒中への飛散を抑制できる。このため、流出管部から外部に排出される冷媒における油の含有率が高くなって分離器における油の分離効率が低下する、といった問題の発生を抑制できる。この結果、油の分離効率が向上された分離器および当該分離器を備える冷凍サイクル装置を提供できる。

本発明の実施の形態１に係る分離器の構成例を示す断面模式図である。図１に示した分離器の部分断面模式図である。図１に示した分離器の構成を説明するための模式図である。図１に示した分離器の構成を説明するための模式図である。図１に示した分離器の構成を説明するための模式図である。本発明の実施の形態２に係る分離器の構成例を示す断面模式図である。図６に示した分離器の構成例を示す模式図である。本発明の実施の形態３に係る分離器の構成例を示す模式図である。図８の領域ＩＸにおける分離器の構成を説明するための模式図である。図８の領域Ｘにおける部分断面模式図である。図８の線分ＸＩ－ＸＩにおける断面模式図である。本発明の実施の形態４に係る分離器の構成例を示す模式図である。図１２の領域ＸＩＩＩにおける部分断面模式図である。本発明の実施の形態５に係る冷凍サイクル装置の構成例を示す模式図である。

　以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。また、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。さらに、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、これらの記載に限定されるものではない。

　実施の形態１．
　＜分離器の構成＞
　図１は、本発明の実施の形態１に係る分離器の構成例を示す断面模式図である。図２は、図１に示した分離器の部分断面模式図である。図３～図５は、図１に示した分離器の構成を説明するための模式図である。図１～図５に示した分離器は、油を含有する冷媒から油を分離する分離器である。当該分離器は、流入管部１と、油貯留部４と、返油管部３と、流出管部２とを主に備える。

　流入管部１には上方の開口部から矢印１１で示すように冷媒が流入される。流入管部１は旋回部５を含む。旋回部５は、冷媒を旋回させるように冷媒の流通方向を規定する。図１に示した旋回部５は、複数の旋回羽根５ａが中心軸を中心にねじれるように配置されている。旋回部５に設置される旋回羽根５ａの枚数は１枚以上複数枚であればよく、たとえば６枚である。流入管部１は円筒状の本体部と、当該本体部の内部に設置された旋回部５を含む。

　油貯留部４は、流入管部１の下部に接続される。油貯留部４は、図２に示すようにテーパー部４ａと本体部４ｂとを含む。テーパー部４ａは流入管部１と接続される。テーパー部４ａは、流入管部１から離れるにつれて幅が徐々に広くなる。本体部４ｂはテーパー部に接続される。本体部４ｂは筒状の形状であり、たとえば円筒形状である。

　返油管部３は、油貯留部４の鉛直方向下側に接続される。返油管部３は筒状の形状である。図１に示した分離器では、返油管部３は油貯留部４の本体部４ｂと繋がって一体となっている。

　流出管部２は、旋回部５に面する開口端部６を含む。流出管部２は、旋回部５に面する領域から油貯留部４を介して当該油貯留部４の外部にまで延びる。開口端部６は、旋回部５から吐出される冷媒が直接流入することが可能に構成されている。具体的には、流出管部２の開口端部６は旋回部５の冷媒突出部である下部７に隣接して配置されている。旋回部５の下部７と開口端部６との間の距離Ｌ１はごく小さい値に設定される。当該距離Ｌ１の決定方法については後述する。

　また、図１に示した分離器では、開口端部６は流入管部１と油貯留部４との接続部８より流入管部１側に位置する。つまり、旋回部５の下部７から接続部８までの距離を距離Ｌ３とすれば、流出管部２は接続部８から流入管部１側へ（Ｌ３－Ｌ１）だけ突出するように配置されている。また、流出管部２の側壁と流入管部１の内壁との間の距離Ｌ２は、たとえば５ｍｍ以下、より好ましくは３ｍｍ以下、さらに好ましくは２ｍｍ以下に設定される。

　異なる観点から言えば、分離器は、流入管部１、流出管部２、返油管部３、および油貯留部４により主に構成される。流入管部１には冷媒流進行方向へ向かって冷媒流が流れることで旋回流を発生させる旋回部５が内挿されている。流入管部１の下方に位置する端部は油貯留部４と接続される。流出管部２は流入管部１の旋回部５と対向する位置から油貯留部４内部を通って油貯留部４端部へと接続されている。返油管部３は油貯留部４の下部に接続されている。流出管部２の端部である開口端部６は、旋回部５の下部７と、流入管部と油貯留部４との接続部８と、の間に位置する。

　旋回部５の下部７と開口端部６との間の距離Ｌ１は、以下のような数値範囲とすることができる。

　上記数式（１）では、上記距離Ｌ１をｘとする。また、図４に示すように旋回羽根５ａの開口端部に面する端部５ｂでの延在方向５ｃと流入管部１の延在方向１ａとのなす角度をβとする。なお、角度βは旋回羽根５ａの端部５ｂにおける回転角度に相当する。また、流入管部１の幅をｄとする。以下、上述した数値範囲の導出方法を説明する。

　まず、旋回部５における回転角度αを、旋回部５における上流側から見て、図３および図４に示すように、旋回羽根５ａの上流側の端部と下流側の端部とのなす角度と定義する。

　次に、旋回羽根５ａにおける角度βは、以下のようにして求める。図５に示す２つの三角形の共通する辺をｙとする。この場合、微小角度δαとδβとの関係は、以下の数式（２）で表される。

　ここで、図５は図４の領域Ｖで示した領域において検討した微小角度δαとδβとの関係を示す模式図である。図５に示した上側の三角形においては、角度δαがきわめて小さいものとして近似している。また、図５の下側の三角形は直角三角形として検討している。

　上記数式（２）の両辺を積分すると、下記のようにβを数式で規定できる。

　次に、図４に示すように旋回部５の端部５ｂにおける角度βを考える。当該角度βは、端部５ｂにおける旋回羽根５ａの延在方向（接線方向）５ｃと鉛直方向である流入管部１の延在方向１ａとのなす角度に対応する。当該角度βとなる角を含む三角形を考える。旋回部５から開口端部６までの距離Ｌ１に相当する距離をｘとし、上記三角形の１辺を流入管部１の内周の幅の半分（内周半径）とすると、以下の数式（６）が成り立つ。

　上記数式（６）から求められる距離ｘは、旋回部５の中央部から角度βで吐出された冷媒が流入管部１の内壁に到達する位置と旋回部５との間の距離に相当する。このように、距離Ｌ１を上記数式（１）で示される数値範囲とすることで、旋回部５の中央部から吐出される気体冷媒が流入管部１の内壁に到達する前に、当該気体冷媒を流出管部２の開口端部６へ取り込むことができる。

　＜分離器の動作＞
　図１に示すように、流入管部１の上部から矢印１１で示すように油を含んだ気体冷媒が流入管部１へ流入する。その後、旋回部５へ当該気体冷媒が流入する。旋回部５において、油を含んだ気体冷媒が旋回羽根５ａおよび流入管部１の内壁と衝突することで油が捕捉される。気体冷媒は、旋回羽根５ａにより案内されて旋回流となり、旋回羽根５ａの表面に捕捉された油を流入管部１の内壁側へ移送する。また、これらの補足された油は気体冷媒の流れにより油貯留部４の壁面へ誘導される。そして、油貯留部４の内壁上に油膜１２が形成される。当該油膜１２は矢印１３に示すように返油管部３へ流れる。一方、旋回部５において油が分離された気体冷媒は、矢印１５に示すように旋回部５から流出管部２の開口端部６を介して外部へ排出される。

　＜作用効果＞
　上述した分離器は、流入管部１と、油貯留部４と、返油管部３と、流出管部２とを備える。流入管部１には冷媒が流入される。流入管部１は冷媒を旋回させるように冷媒の流通方向を規定する旋回部５を含む。油貯留部４は、流入管部１に接続される。返油管部３は、油貯留部４の鉛直方向下側に接続される。流出管部２は、旋回部５に面する開口端部６を含む。流出管部２は、旋回部５に面する領域から油貯留部４の外部にまで延びる。開口端部６は、旋回部５から吐出される冷媒が直接流入することが可能に構成されている。

　このようにすれば、旋回部５から吐出される冷媒が流出管部２の開口端部６へ直接流入するので、旋回部５から吐出された冷媒が油貯留部４に貯留されている油に吹き付けられることに起因する当該油の冷媒中への飛散を抑制できる。このため、流出管部２から外部に排出される冷媒における油の含有率が高くなって分離器における油の分離効率が低下する、といった問題の発生を抑制できる。

　また、異なる観点から言えば、旋回羽根５ａを通過したことにより外管としての流入管部１の内壁に形成された油膜は、油貯留部４の壁面側へ移動する。さらに、油は油貯留部４の壁面に沿って返油管部３へ流出する。一方、油が分離された気体冷媒は油貯留部４内にある内管としての流出管部２を通り分離器の外部へ流出する。流出管部２の開口端部６の位置が旋回部５の端部としての下部７に近づくことにより、流入管部１および油貯留部４の壁面上に形成された油膜が冷媒流にさらされる距離が短くなる。このため、油の再飛散の可能性を低減できる。この結果、油の分離効率が向上された分離器を提供できる。

　上記分離器において、旋回部５は、流入管部１の延在方向に対して螺旋状に傾斜した旋回羽根５ａを含む。旋回羽根５ａの開口端部６に面する端部５ｂでの延在方向５ｃと流入管部１の延在方向１ａとのなす角度をβとし、流入管部１の幅としての内径をｄとした場合に、開口端部６と旋回部５との間の距離Ｌ１は、ｄ／（２ｔａｎβ）という式で表される値未満である。

　この場合、旋回部５の中央部から吐出される気体冷媒が流入管部１の内壁に到達する位置よりも旋回部５側に開口端部６を配置することになる。したがって、旋回部５から吐出された気体冷媒が流入管部１の内壁に到達する前に、当該気体冷媒を流出管部２の開口端部６へ取り込むことができる。したがって、気体冷媒が流入管部１の内壁上の油膜に吹き付けられて、当該油膜から油が飛散するといった問題の発生を抑制できる。

　上記分離器において、開口端部６は流入管部１と油貯留部４との接続部８より流入管部１側に位置する。この場合、流出管部２において気体冷媒を取り込む位置である開口端部６を流入管部１側に配置するので、油貯留部４で内壁から飛散した油が当該開口端部６に流入する可能性を低減できる。

　上記分離器において、油貯留部４は、テーパー部４ａと本体部４ｂとを含む。テーパー部４ａは流入管部１と接続され、流入管部１から離れるにつれて幅が徐々に広くなる。本体部４ｂは、テーパー部４ａと接続され、円筒形状の形状を有する。この場合、テーパー部４ａにより当該油貯留部４の内径が拡大するため、油貯留部４の内壁と流出管部２の開口端部６との間の距離を大きくすることができる。このため、油貯留部４で内壁から飛散した油が当該開口端部６に流入する可能性を低減できる。

　また実施の形態１で構成される分離器にて、流出管端部位置を示す距離、すなわち旋回部５から開口端部６までの距離をｘとしたとき、当該距離ｘを旋回部５から以下の手順で求める距離ｘ_２までの範囲としてもよい。つまり、上記距離ｘが、０＜ｘ＜ｘ_２という条件を満足するようにしてもよい。以下、距離ｘ_２の導出手順を説明する。

　ここで、旋回羽根５ａを通過した冷媒流は旋回流となっている。当該冷媒流は、旋回羽根５ａを通過した後も、旋回流としてトルクを有し流れるとともに、少しずつ減衰していく。冷媒流におけるトルクの軸方向での減衰について、当該冷媒流の周方向運動量式は下記の数式（７）で表される。

　ここでτθ_Ｒ、τθ_ｉはそれぞれ壁面上および液膜表面での周方向のせん断力である。また、Ｔは旋回流のトルクである。Ｒは管半径であり、Ｒｉは液滴を含む気相コア部の半径である。

　τθ_ｉは気液界面の摩擦係数Ｃ_ｆｉにより数式（８）で決定される。ここで、ρ_ｇは気相密度であり、Ｕ_ｇＲｉは気相コア部半径方向への気相速度であり、Ｕ_ｆＲｉは気相コア部半径方向への液膜速度であり、θ_Ｒは管半径を軸とした周方向の角度であり、θ_Ｒｉは液滴を含む気相コア部の半径を軸とした周方向の角度である。また、ｆ_１は速度分布計による値である。また、Ｕ_ｇｘはＸ軸方向での気相の速度であり、Ｕ_ｇｘの上部にバー（－）が付記されているのは平均速度を意味している。ただしＵ_ｇＲｉはＵ_ｆＲｉより十分大きく、ＲはＲｉとほぼ等しいとする。

　また管状噴霧流の気流部のトルクＴは数式（９）のように表すことができる。

　ここでＨ_３は実験結果と合わせるための補正係数である。数式(７)に数式(８)および数式(９)を代入すると数式（１０）が得られる。

　上記数式（１０）において、Ｄは管の直径であり、流入管部１の幅としての内径ｄと同一である。上記数式（１０）における中括弧の中の値は、旋回角および速度分布による値であるｆ_１ ^２（Ｒ_ｉ）およびＨ_３の軸方向の変化に伴って変わる値である。しかし当該値は実験により１以上１．３以下程度となることが知られている。したがって、当該中括弧の中の値を一定値ｋとして近似した。その結果、数式（１１）が得られる。

　数式(１１)を、ｘ＝０のときＴ＝Ｔ_０という初期条件で積分すると数式(１２)となる。なお、Ｔ_０は旋回羽根出口での旋回流のトルクを示す。

　数式（１２）におけるＴ（ｘ_２）は位置ｘ_２での旋回流のトルクを示す。気液界面の摩擦係数Ｃ_ｆｉはＷａｌｌｉｓらにより数式(１３)で表されることが知られている。

　なお、上記数式（１３）においてｈは液膜の平均厚さを示す。以上の数式(１２)および数式（１３)から、管の長手方向に沿う二相流のトルクの値を求めることができる。以上の式に見られるように、旋回羽根を出た旋回流は距離ｘ_２の関数とし指数的に減少していく。この知見に基づき、流出管端部位置を示す距離ｘを、旋回羽根出口からのトルク減衰率から決定する。すなわち、数式(１４)となる。

　なお、数式（１４）において、Ｔ／Ｔ_０は、開口端部６に面する旋回羽根５ａの端部からの距離ｘ_２におけるトルクの減衰率を意味し、ｘ_２（Ｔ／Ｔ_０）は開口端部６に面する旋回羽根５ａの端部からの距離ｘ_２を上記トルクの減衰率の関数として表現したものである。すなわち、上記数式（１４）に示す距離ｘの上限となる距離ｘ_２は、トルクの減衰率Ｔ／Ｔ_０に基づき上記数式（１２）および数式（１３）を満足するように決定される。図１に示すように、流入管部１の上部から矢印１１で示すように油を含んだ気体冷媒が流入管部１へ流入する。その後、旋回部５へ当該気体冷媒が流入する。旋回部５において、油を含んだ気体冷媒が旋回羽根５ａおよび流入管部１の内壁と衝突することで油が当該旋回羽根５ａの表面などに捕捉される。気体冷媒は、旋回羽根５ａにより案内されて旋回流となる。旋回流により、旋回羽根５ａの表面に捕捉された油が流入管部１の内壁側へ移送される。また、これらの補足された油は気体冷媒の流れにより油貯留部４の壁面へ誘導される。そして、油貯留部４の内壁上に油膜１２が形成される。当該油膜１２は矢印１３に示すように返油管部３へ流れる。一方、旋回部５において油が分離された気体冷媒は、矢印１５に示すように旋回部５から流出管部２の開口端部６を介して外部へ排出される。

　上記数式（１４）に示したように、冷媒の流出管端部位置をトルク減衰率で決定することで、旋回羽根５ａで生じたトルクを最大限に利用できる。この結果、冷媒流に含まれている分離できていない油によって流入管部１の内面上に油膜を形成することによって、冷媒流から油が分離される。流出管端部位置である開口端部６が下方に下がってくると再飛散の影響も現れてくるため、流出管端部位置である開口端部６の位置はたとえば油分離効率が最大となるトルク減衰率位置に基づき決定する。

　なお、距離ｘ_２の値の決定方法としては、任意の方法を採用できるが、たとえばトルクの減衰率（Ｔ／Ｔ_０）が指数関数的に減少していくことを利用して距離ｘ_２の値を決定してもよい。ここで、指数関数の減衰量の目安として、指数関数の引数が－１となるときの値である約３６．８％を用いる。なおこの目安となる数値はネイピア数の逆数である。この目安となる数値を用いて距離ｘ_２の値を決定してもよい。たとえば、旋回羽根５ａの端部からのトルクの減衰率が約３６．８％となる位置までの距離を距離ｘ_２の値とする。さらに他の条件に関して、たとえば流入管部１の幅としての内径ｄを、分離器を空気調和機に搭載する場合の現実的な値である１７．５ｍｍとする。この場合、上記距離ｘ_２の値は３７．５ｍｍとなる。つまり、距離ｘの数値範囲を０ｍｍ以上３７．５ｍｍとすることができる。当該条件を満たすように、流出管端部位置を決定することができる。

　実施の形態２．
　＜分離器の構成＞
　図６は、本発明の実施の形態２に係る分離器の構成例を示す断面模式図である。図７は、図６に示した分離器の構成例を示す模式図である。図６および図７に示した分離器は、基本的には図１および図２に示した分離器と同様の構成を備えるが、旋回部５の構成、および油貯留部４の構成が図１および図２に示した分離器と異なっている。

　図６および図７に示した分離器において、旋回部は、流入管部１の延在方向に対して螺旋状に延びる配管５１を含む。また、流入管部１は、螺旋状に延びる配管５１を囲むとともに、油貯留部４と接続された円筒状部５２を含む。油貯留部４は、流入管部１の円筒状部５２と実施的に同じ内径となっている。油貯留部４と流入管部１の円筒状部５２とは一体となっており、１つの配管により構成される。

　異なる観点から言えば、図６および図７に示した分離器は、直管形状の外管と、螺旋形状の第１内管である配管５１と、直管形状の第２内管である流出管部２とを備える。外管は油貯留部４と流入管部１の円筒状部とに対応する。

　螺旋状の配管５１の下部と流出管部２との間の距離Ｌ４は、図２に示した距離Ｌ１と同様の数値範囲となるように決定してもよい。具体的には、距離Ｌ４を上記数式（１）で示したｘの数値範囲に含まれる数値に設定してもよい。

　＜分離器の動作＞
　図６および図７に示した分離器においては、図６の矢印１１に示すように油を含んだ気体冷媒が直管状の外管へ流入すると、一方端部開口部５１ａから第１内管である螺旋状の配管５１内へ気体冷媒が流れる。このとき、当該配管５１内を気体冷媒が流れていく過程で、図７の矢印１１に示すように螺旋状に気体冷媒が流れることで気体冷媒中の油が遠心力を受ける。この結果、当該油は、流入管部１の半径方向に面する、配管５１の内壁の部分に沿って油膜１２を形成する。当該油膜１２は配管５１内部から他方端部開口部５１ｂを介して直管状の外管の内壁へ流れる。さらに、油膜１２は外管の油貯留部４の内壁を伝い、返油管部３へと流れる。一方、油が分離された気体冷媒は、矢印１５で示すように直管形状の第２内管である流出管部２を通り、外部へ排出される。このようにして、油と気体冷媒とが分離される。

　＜作用効果＞
　上記分離器において、旋回部５は、流入管部１の延在方向に対して螺旋状に延びる配管５１を含む。この場合、螺旋状の配管５１によって油を含む気体冷媒の流れを旋回流とすることができる。このため、当該気体冷媒中の油を配管５１の内壁に付着させることができ、当該気体冷媒から油を分離できる。

　上記分離器において、流入管部１は、上記螺旋状に延びる配管５１を囲むとともに、油貯留部４と接続された円筒状部５２を含む。円筒状部５２と油貯留部４とは一体の配管を構成している。この場合、流入管部１の円筒状部５２と油貯留部４とを一体の配管により構成するので、分離器の構成を簡略化できるとともにそのサイズを小型化できる。

　図６および図７に示した分離器では、螺旋状の配管５１内を気体冷媒が流れることによって気体冷媒が旋回力を得る。このため、気体冷媒中の油が配管５１の内壁、特に半径方向の外側に位置する内壁に付着し油膜を形成する。さらに、螺旋状の配管５１の他方端部開口部５１ｂから油膜が流出した後、油膜は外管の油貯留部４の内壁を伝って返油管部３へ流れる。一方、配管５１から排出された気体冷媒は流出管部２の内部を矢印１５に示すように流れる。このように、油貯留部４と流出管部２とが直管状の二重管構造になっていることにより、気体冷媒と油との流れる領域を空間的に隔てている。また、配管５１と流出管部２との間の距離Ｌ４も十分小さく設定されている。この結果、油膜に対して気体冷媒が吹き付けられる領域が小さくなり、油の再飛散の影響を小さくできる。この結果、油の分離効率が向上する。

　実施の形態３．
　＜分離器の構成＞
　図８は、本発明の実施の形態３に係る分離器の構成例を示す模式図である。図９は、図８の領域ＩＸにおける分離器の構成を説明するための模式図である。図１０は、図８の領域Ｘにおける部分断面模式図である。図１１は、図８の線分ＸＩ－ＸＩにおける断面模式図である。図８～図１１に示した分離器は、基本的には図６および図７に示した分離器と同様の構成を備えるが、流入管部１の一部である外周側の配管６１の構成、および流出管部２の構成が図６および図７に示した分離器と異なっている。

　図８～図１１に示した分離器では、流入管部１において冷媒が流入する入側開口部は螺旋状に延びる配管５１の一方端部開口部５１ａである。螺旋状に延びる配管５１では、外周側の壁部に貫通孔としてのスリット５１ｃが形成されている。スリット５１ｃは複数形成されている。なお、貫通孔の形状はスリットに限らず、四角形状、円形状、楕円形状など、他の任意の形状としてもよい。

　螺旋状に延びる配管５１における一方端部開口部５１ａと反対側の端部が、流出管部２の開口端部と接続部６４において接続されることにより、螺旋状に延びる配管５１と流出管部２とは一体となっている。つまり配管５１と流出管部２とは一本の配管６０により構成される。流入管部１において配管５１を囲む外周管と油貯留部４とは一体の配管６１であり、螺旋状に延びる配管５１および流出管部２の周囲を囲むとともに螺旋状に延びる配管５１に沿った螺旋状の形状を有する。内周側の配管６０と、当該配管６０を囲み流入管部１の外周管と油貯留部４とを構成する外周側の配管６１とは、同軸の二重管となっている。

　異なる観点から言えば、上記分離器において、螺旋状に延びる配管５１と流出管部２とは一体の内周側の配管６０を構成する。流入管部１の外周管と油貯留部４とは一体の外周側の配管６１を構成する。内周側の配管６０と外周側の配管６１とは同軸状に配置されている。外周側の配管６１と内周側の配管６０とは一方端部開口部５１ａ側において固定部６２を介して接続されてもよい。また、外周側の配管６１と内周側の配管６０とは一方端部開口部５１ａと反対側において固定部６３を介して接続されてもよい。

　＜分離器の動作＞
　図８に示した分離器では、図８の矢印１１に示すように一方端部開口部５１ａ（以下、入側開口部とも呼ぶ）から油を含んだ気体冷媒が配管６０内に流入すると、配管６０の螺旋状の部分を冷媒が流れる。この結果、図１１に示すように配管６０に沿って螺旋状に気体冷媒が流れることで、気体冷媒中の油が遠心力を受ける。遠心力を受けた油は、配管６０の内壁に付着する。付着した油は配管６０のスリット５１ｃを介して外側の配管６１の内壁上に到達し、図１０に示すように油膜１２を形成する。当該油膜１２は配管６１の内壁を伝い、配管６１の油貯留部４を構成する部分を介して返油管部３（図示せず）へ排出される。一方で、気体冷媒は配管６０の内部を流通し、流出管部２を介して外部へ排出される。

　＜作用効果＞
　上記分離器では、油を含有する気体冷媒が流入する螺旋状に延びる配管５１において、外周側の壁部に貫通孔としてのスリット５１ｃが形成されている。そのため、螺旋状に延びる配管５１内を流通する気体冷媒の流れが旋回流となることで、配管５１の内壁に付着した油が当該スリット５１ｃを介して外側の配管６１の内壁に到達する。このようにして、配管６０中を流れる気体冷媒から油を分離することができる。つまり、気体冷媒が流れる領域と油が流れる領域とが空間的に隔てられることによって、油膜への冷媒吹き付けの影響を低減できる。また、油膜から再飛散した油は、スリット５１ｃを介して配管６０内部に入らない限り、気体冷媒に再度含まれることは無い。このように、再飛散した油が気体冷媒に含まれる可能性を低減できる。従って油分離効率を向上させることができる。

　実施の形態４．
　＜分離器の構成＞
　図１２は、本発明の実施の形態４に係る分離器の構成例を示す模式図である。図１３は、図８の領域ＸＩＩＩにおける分離器の構成を説明するための模式図である。図１２および図１３に示した分離器は、基本的には図８～図１１に示した分離器と同様の構成を備えるが、流入管部１を構成する配管である円筒形状部分７１の構成が図８～図１１に示した分離器と異なっている。

　図１２および図１３に示した分離器では、流入管部１において冷媒が流入する入側開口部は螺旋状に延びる配管５１の一方端部開口部５１ａである。内周側の配管６０の一部である、螺旋状に延びる配管５１では、外周側の壁部に貫通孔としての複数のスリット５１ｃが形成される。螺旋状に延びる配管５１における一方端部開口部５１ａと反対側の端部が、流出管部２の開口端部と接続部６４において接続されることにより、螺旋状に延びる配管５１と流出管部２とは一体の配管６０となっている。流入管部１は、螺旋状に延びる配管５１において貫通孔としてのスリット５１ｃが形成された領域を囲むように配置された円筒形状部分７１を含む。円筒形状部分７１は油貯留部４と接続されている。円筒形状部分７１と油貯留部４とは一体の外周配管となっている。円筒形状部分７１の上部は、その幅が徐々に狭くなっているテーパー形状部である。円筒形状部分７１のテーパー形状部において最も幅が狭くなった上端は配管５１の表面に接続されている。

　＜分離器の動作＞
　図１２および図１３に示した分離器では、図１２の矢印１１に示すように入側開口部５１ａから油を含んだ気体冷媒が配管６０内に流入すると、配管６０の螺旋状の部分を冷媒が流れる。この結果、配管６０に沿って螺旋状に気体冷媒が流れることで、気体冷媒中の油が遠心力を受ける。遠心力を受けた油は、配管６０の内壁に付着する。付着した油は配管６０のスリット５１ｃを介して外側の円筒形状部分７１の内壁上に到達し、図１３に示すように油膜１２を形成する。当該油膜１２は円筒形状部分７１の内壁を伝い、油貯留部４を介して返油管部３（図示せず）へ排出される。一方で、気体冷媒は配管６０の内部を流通し、流出管部２を介して外部へ排出される。

　＜作用効果＞
　上記の分離器によれば、螺旋状の配管５１内を気体冷媒が流れていくことによって、気体冷媒に含まれる油は外周側の配管である円筒形状部分７１の内壁に到達し、油膜を形成する。一方気体冷媒は内周側の配管６０内を流れ、流出管部２から外部へ排出される。このように、気体冷媒と油が流れる領域が空間的に隔てられることによって、実施の形態３における分離器と同様に、油膜への冷媒吹き付けの影響を低減できる。また、油膜から再飛散した油は、スリット５１ｃを介して配管６０内部に入らない限り、気体冷媒に再度含まれることは無い。このように、再飛散した油が気体冷媒に含まれる可能性を低減できる。従って油分離効率を向上させることができる。

　実施の形態５．
　＜空気調和装置の構成＞
　図１４は本発明の実施の形態５に係る冷凍サイクル装置としての空気調和装置の構成図を示している。以下、図１４を参照しながら、本実施形態の空気調和装置の構成を説明する。

　空気調和装置は、冷媒が循環する冷媒回路を備える。冷媒回路は、圧縮機１０１、第１熱交換器としての室外熱交換器１０３、膨張弁１０４、第２熱交換器としての室内熱交換器１０６、流路切替装置としての四方弁１０２、冷媒から油を分離するための分離器１０８を主に含む。冷媒は、たとえば冷房運転時に、実線の矢印１３１に示すように上記冷媒回路を、圧縮機１０１、分離器１０８、四方弁１０２、室外熱交換器１０３、膨張弁１０４、室内熱交換器１０６、四方弁１０２の順に流れる。また、たとえば暖房運転時には、冷媒は上記冷媒回路を、点線の矢印１３２に示すように圧縮機１０１、分離器１０８、四方弁１０２、室内熱交換器１０６、膨張弁１０４、室外熱交換器１０３、四方弁１０２の順に流れる。

　圧縮機１０１は、吸入部および吐出部を含む。四方弁１０２は、第１ポート１５１、第２ポート１５２、第３ポート１５３、および第４ポート１５４を含む。第１ポート１５１は、圧縮機１０１の吐出部と分離器１０８を介して接続される。第２ポート１５２は、室外熱交換器１０３と接続される。第３ポート１５３は、圧縮機１０１の吸入部と接続される。第４ポート１５４は、室内熱交換器１０６と配管１０２ａ、１０６ｂを介して接続されている。四方弁１０２において、第１ポート１５１は、第２ポート１５２と第４ポート１５４との間で接続状態が変更可能に構成されている。第３ポート１５３は、第２ポート１５２と第４ポート１５４との間で接続状態が変更可能に構成されている。

　配管１０１ａは圧縮機１０１の吐出部と分離器１０８とを接続する。配管１０８ａは分離器１０８と第１ポート１５１とを接続する。配管１０３ａは第２ポート１５２と室外熱交換器１０３とを接続する。配管１０２ｂ、１０１ｂは、第３ポート１５３と圧縮機１０１の吸入部とを接続する。室外熱交換器１０３は、配管１０３ｂを介して膨張弁１０４と接続される。膨張弁１０４は、配管１０６ａを介して室内熱交換器１０６と接続される。

　上述した分離器１０８は、上記実施の形態１～４のいずれかに係る分離器を用いる。上記実施の形態における分離器の返油管部３が配管１０８ｃに接続される。上記実施の形態における分離器の流入管部１が配管１０１ａに接続され、流出管部２が配管１０８ａに接続される。配管１０８ｃはバルブ１１８に接続される。バルブ１１８は配管１１８ａを介して配管１０１ｂの接続部１２５と接続されている。油分離器１０８は、圧縮機１０１から流入した冷媒から冷凍機油を分離する。

　空気調和装置は、室内熱交換器を少なくとも含む室内機２００と、圧縮機１０１および室外熱交換器１０３を少なくとも含む室外機１００とにより構成される。

　＜作用効果＞
　本開示に従った冷凍サイクル装置の一例である空気調和装置は、圧縮機１０１、流路切替装置の一例である四方弁１０２、第１熱交換器の一例である室外熱交換器１０３、膨張弁１０４、および第２熱交換器の一例である室内熱交換器１０６を含み、冷媒が循環する冷媒回路を備える。さらに、空気調和装置は、冷媒回路に設置された本発明の実施の形態に係る分離器１０８を備える。

　このようにすれば、冷凍機油の分離効率に優れた分離器を用いることで、効率の高い空気調和装置を実現できる。

　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１　流入管部、１ａ，５ｃ　延在方向、２　流出管部、３　返油管部、４　油貯留部、４ａ　テーパー部、４ｂ　本体部、５　旋回部、５ａ　旋回羽根、５ｂ　端部、６　開口端部、７　下部、８，６４，１２５　接続部、１１，１３，１５，１３１，１３２　矢印、１２　油膜、５１，６０，６１，１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂ，１０３ａ，１０３ｂ，１０６ａ，１０８ａ，１０８ｃ，１１８ａ　配管、５１ａ　一方端部開口部、５１ｂ　他方端部開口部、５１ｃ　スリット、５２　円筒状部、６２，６３　固定部、７１　円筒形状部分、１００　室外機、１０１　圧縮機、１０２　四方弁、１０３　室外熱交換器、１０４　膨張弁、１０６　室内熱交換器、１０８　油分離器、１１８　バルブ、１５１　第１ポート、１５２　第２ポート、１５３　第３ポート、１５４　第４ポート、２００　室内機。

Claims

　油を含有する冷媒から前記油を分離する分離器であって、
　前記冷媒が流入される流入管部を備え、前記流入管部は前記冷媒を旋回させるように前記冷媒の流通方向を規定する旋回部を含み、さらに、
　前記流入管部に接続された油貯留部と、
　前記油貯留部の鉛直方向下側に接続された返油管部と、
　前記旋回部に面する開口端部を含み、前記旋回部に面する領域から前記油貯留部の外部にまで延びる流出管部と、を備え、
　前記開口端部は、前記旋回部から吐出される前記冷媒が直接流入することが可能に構成されている、分離器。
　前記旋回部は、前記流入管部の延在方向に対して螺旋状に傾斜した旋回羽根を含み、
　前記旋回羽根の前記開口端部に面する端部での延在方向と前記流入管部の前記延在方向とのなす角度をβとし、前記流入管部の幅をｄとした場合に、前記開口端部と前記旋回部との間の距離は、ｄ／（２ｔａｎβ）という式で表される値未満である、請求項１に記載の分離器。
　前記旋回部は、前記流入管部の延在方向に対して螺旋状に傾斜した旋回羽根を含み、
　前記旋回羽根の前記開口端部に面する端部での前記冷媒のトルクをＴ_０、前記端部からの距離ｘ_２でのトルクをＴ、前記流入管部の幅をｄ、気液界面の摩擦係数をＣ_ｆｉ、定数をｋ、とした場合、前記開口端部と前記旋回部との間の距離ｘは距離ｘ_２未満であり、
　前記距離ｘ_２は、トルクの減衰率Ｔ／Ｔ_０に基づき下記の式（１）および式（２）を満足するように決定される、請求項１に記載の分離器。
　前記開口端部は前記流入管部と前記油貯留部との接続部より前記流入管部側に位置する、請求項１～３のいずれか１項に記載の分離器。
　前記油貯留部は、
　前記流入管部と接続され、前記流入管部から離れるにつれて幅が徐々に広くなるテーパー部と、
　前記テーパー部に接続された、円筒形状の本体部とを含む、請求項４に記載の分離器。
　前記旋回部は、前記流入管部の延在方向に対して螺旋状に延びる配管を含む、請求項１に記載の分離器。
　前記流入管部において前記冷媒が流入する入側開口部は前記螺旋状に延びる配管の一方端部開口部であり、
　前記螺旋状に延びる配管では、外周側の壁部に貫通孔が形成され、
　前記螺旋状に延びる配管における前記一方端部開口部と反対側の端部が、前記流出管部の前記開口端部と接続されることにより、前記螺旋状に延びる配管と前記流出管部とは一体となっており、
　前記流入管部と前記油貯留部とは一体の配管であり、前記螺旋状に延びる配管の周囲を囲むとともに前記螺旋状に延びる配管に沿った螺旋状の形状を有する、請求項６に記載の分離器。
　前記流入管部において前記冷媒が流入する入側開口部は前記螺旋状に延びる配管の一方端部開口部であり、
　前記螺旋状に延びる配管では、外周側の壁部に貫通孔が形成され、
　前記螺旋状に延びる配管における前記一方端部開口部と反対側の端部が、前記流出管部の前記開口端部と接続されることにより、前記螺旋状に延びる配管と前記流出管部とは一体となっており、
　前記流入管部は、前記螺旋状に延びる配管において前記貫通孔が形成された領域を囲むように配置された円筒形状部分を含む、請求項６に記載の分離器。
　圧縮機、流路切替装置、第１熱交換器、膨張弁、および第２熱交換器を含み、冷媒が循環する冷媒回路と、
　前記冷媒回路に設置された、請求項１～８のいずれか１項に記載の分離器とを備える、冷凍サイクル装置。