JP4147793B2 - エジェクタサイクル用の気液分離器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、エジェクタサイクル用の気液分離器に関するものである。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
エジェクタサイクルとは、周知のごとく、エジェクタにて冷媒を減圧膨張させて蒸発器にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機の吸入圧を上昇させる冷凍サイクルである。
【0003】
つまり、エジェクタサイクルでは、圧縮機→放熱器→エジェクタ→気液分離器→圧縮機の順に循環する冷媒流れと、気液分離器→蒸発器→エジェクタ→気液分離器の順に循環する冷媒流れとが存在し、気液分離器は、エジェクタから流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を圧縮機の吸引側に供給し、液相冷媒を蒸発器側に供給する。
【0004】
このとき、圧縮機にて液圧縮が発生することを防止するためには、理想的には気相冷媒、つまり飽和ガスのみを気液分離器から圧縮機に供給することが望ましい。なお、圧縮機にて液圧縮が発生すると、吐出温度及び吐出圧力が過度に上昇して圧縮機の寿命低下を招くとともに、圧縮機の消費動力が増大してしまう。
【0005】
一方、液相冷媒と共に多くの冷凍機油が蒸発器内に流れ込んでしまうと、冷凍機油が蒸発器内面に付着するようにして、多量の冷凍機油が蒸発器に滞留してしまうおそれがある。
【0006】
そして、冷凍機油が蒸発器内面に付着すると、液相冷媒と蒸発器との間の熱伝達率が低下して液相冷媒の蒸発を阻害し、蒸発器の熱交換効率の低下を招くとともに、実質的な冷媒通路断面積が縮小して蒸発器内を流れる冷媒流量の減少、及びこれに呼応して蒸発器での吸熱能力の低下を招く。
【0007】
さらに、蒸発器で冷凍機油が滞留するため、圧縮機にて冷凍機油不足、つまり潤滑不足が発生するおそれもある。
【0008】
本発明は、上記点に鑑み、気相冷媒、液相冷媒及び冷凍機油を分離することができる、従来と異なる新規な構造を有する気液気液分離器を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明では、圧縮機(10)にて圧縮された高圧の冷媒を放冷する放熱器(20)と、低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器(30)、放熱器(20)から流出した冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル、及びノズルから噴射する冷媒と蒸発器(30)から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部とを有するエジェクタ(40)とを備えるエジェクタサイクルに適用され、エジェクタ(40)から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を圧縮機(10)の吸引側に供給し、液相冷媒を蒸発器(30)側に供給する気液分離器であって、エジェクタ(40)から流出した冷媒が流入する流入部(52)、気相冷媒を流出させる気相冷媒流出部(53)、液相冷媒を流出させる液相冷媒流出部(54)、及び冷凍機油を流出させるオイル戻し部(55)が設けられたタンク本体(51)を有し、タンク本体(51)の上部側にて、主に気相成分と液相成分とを遠心分離し、一方、タンク本体(51)の下部側にて、主に液相冷媒と冷凍機油とを比重分離するように構成され、液相冷媒流出部(54)及びオイル戻し部(55)の上方側には、液相冷媒流出部(54)及びオイル戻し部(55)を覆うように流入抑止部材(56)が設けられており、流入抑止部材(56)には、タンク本体(51)内を旋回するように流れる冷媒を減速させる減速手段(56a)が設けられていることを特徴とする。
【0010】
これにより、気相冷媒、液相冷媒及び冷凍機油を分離することができる、従来と異なる新規な構造を有する気液気液分離器を得ることができる。
また、液相冷媒流出部(54)及びオイル戻し部(55)の上方側に、液相冷媒流出部(54)及びオイル戻し部(55)を覆うように流入抑止部材(56)を設けることで、タンク本体(51)内に流入した冷媒が、直接的に、液相冷媒流出部(54)及びオイル戻し部(55)側に流入することを抑制でき、気液分離器内に溜まった液相冷媒の液面をより一層安定させることができるので、液相冷媒と冷凍機油とを確実に比重分離することができる。
また、流入抑止部材(56)に、タンク本体(51)内を旋回するように流れる冷媒を減速させる減速手段(56a)を設けることで、タンク断面積が小さい部位からタンク断面積が大きい部位に流入した冷媒の旋回速度を確実に低下させることができるので、気液分離器内に溜まった液相冷媒の液面をより一層安定させることができる、液相冷媒と冷凍機油とを確実に比重分離することができる。
【0011】
請求項2に記載の発明では、タンク本体(51)のうち液相冷媒流出部(54)が設けられた部位におけるタンク断面積(S1)は、タンク本体(51)のうち流入部(52)が設けられた部位におけるタンク断面積(S2)に比べて大きいことを特徴とする。
【0012】
これにより、タンク断面積が小さい部位からタンク断面積が大きい部位に流入した冷媒は、その旋回速度を低下させるので、気液分離器内に溜まった液相冷媒の液面を安定させることができる。
【0013】
したがって、液相冷媒と冷凍機油とを確実に比重分離することができるので、、液相冷媒を蒸発器(30)に安定的に供給することができ、封入冷媒量を低減することができる。延いては、エジェクタサイクルの製造原価低減を図ることができる。
【0015】
これにより、気液分離器内に溜まった液相冷媒の液面をより一層安定させることができるので、液相冷媒と冷凍機油とを確実に比重分離することができる。
【0018】
なお、液相冷媒の密度が冷凍機油の密度より小さい場合には、請求項3に記載の発明のごとく、液相冷媒流出部(54)をオイル戻し部(55)より上方側に位置させることが望ましい。
【0019】
因みに、液相冷媒の密度より小さい密度を有する冷凍機油を採用した場合には、オイル戻し部(55)を液相冷媒流出部(54)より上方側に位置させることが望ましい。
【0020】
請求項4に記載の発明では、圧縮機(10)にて圧縮された高圧の冷媒を放冷する放熱器(20)と、低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器(30)と、放熱器(20)から流出した冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル、及びノズルから噴射する冷媒と蒸発器(30)から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部とを有するエジェクタ(40)と、エジェクタ(40)から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を圧縮機(10)の吸引側に供給し、液相冷媒を蒸発器(30)側に供給する請求項1ないし3のいずれか1つに記載の気液分離器(50)とを備え、高圧の冷媒は、冷媒の臨界圧力以上まで加圧されることを特徴とする。
【0021】
これにより、エジェクタサイクルを効率よく稼動させることができる。
【0022】
なお、請求項5に記載の発明のごとく、冷媒は、二酸化炭素としてもよい。
【0023】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【0024】
【発明の実施の形態】
本実施形態は、本発明に係るエジェクタサイクルを空調装置に適用したものであって、図1は本実施形態に係るエジェクタサイクルの模式図である。
【0025】
圧縮機10は冷媒を吸入圧縮するものであり、凝縮器20は圧縮機10から吐出した冷媒と室外空気とを熱交換して冷媒が吸熱した熱を放冷する高圧側熱交換器である。因みに、本実施形態では、冷媒としてフロン(R404)を用いているが、冷媒として二酸化炭素を用いてもよいことは言うまでもない。
【0026】
なお、冷媒としてフロンを用いた場合には、凝縮器20にて冷媒が凝縮するが、冷媒として、二酸化炭素を用いた場合には、高圧側冷媒圧力は冷媒の臨界圧力以上となり、かつ、凝縮器20内で冷媒が凝縮することなく、冷媒入口側から冷媒出口側に向かうほど冷媒温度が低下するような温度分布を有するので、凝縮器20は放熱器として機能する。
【0027】
蒸発器30は室内に吹き出す空気と液相冷媒とを熱交換させて液相冷媒を蒸発させることにより冷媒を蒸発させて空気から吸熱する低圧側熱交換器であり、エジェクタ40は、冷媒を減圧膨張させるノズル、並びに蒸発器30にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機10の吸入圧を上昇させる混合部及びディフューザからなる昇圧部を有して構成された減圧手段とポンプ手段とを兼ねるものである。
【0028】
気液分離器50はエジェクタ40から流出した冷媒が流入するとともに、その流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液分離手段であり、気液分離器50の気相冷媒流出口は圧縮機10の吸引側に接続され、液相冷媒流出口は蒸発器30側の流入側に接続される。
【0029】
次に、気液分離器50の構造を述べる。
【0030】
図2は気液分離器50の模式図であり、タンク本体51は、エジェクタ40から流出した冷媒が流入する流入部をなす流入口52、気相冷媒を流出させる気相冷媒流出部をなす気相冷媒流出口53、液相冷媒を流出させる液相冷媒流出部をなす液相冷媒流出口54、及び冷凍機油を流出させるオイル戻し部をなすオイル戻し穴55が設けられ冷媒容器である。
【0031】
そして、液相冷媒流出口54及びオイル戻し穴55は流入口52より下方側に設けられ、気相冷媒流出口53は液相冷媒流出口54及びオイル戻し穴55より上方側に設けられ、液相冷媒流出口54はオイル戻し穴55より上方側に設けられている。
【0032】
なお、流入口52は、図3に示すように、小径部51bに流入した冷媒が小径部51b内で旋回するように小径部51bの円周内壁の接線方向に向けて開口している。
【0033】
また、タンク本体51のうち液相冷媒流出口54及びオイル戻し穴55が設けられた大径部51aのタンク断面積S1は、図2に示すように、タンク本体51のうち流入口52が設けられた小径部51bのタンク断面積S2に比べて大きくなっている。
【0034】
そして、液相冷媒流出口54及びオイル戻し穴55より上方側には、図2に示すように、タンク本体51内に流入した冷媒が、直接的に、液相冷媒流出口54及びオイル戻し穴55側に流入することを抑制する流入抑止部材としての遮蔽版56が設けられており、この遮蔽版56の上面側には、図4に示すように、タンク本体51内を旋回するように流れる冷媒を減速させる減速手段としての減速ブレード56aが一体形成されている。
【0035】
なお、タンク本体51は、加工性に優れた材質であり、本実施形態では、アルミニウム合金を採用している。
【0036】
次に、本実施形態に係る気液分離器50の作用効果述べる。
【0037】
流入口52からタンク本体51内に流入した冷媒は、タンク本体51の上部側、つまり小径部51bにて主に気相成分と液相成分とが遠心分離され、タンク本体51の下部側、つまり大径部51aにて主に液相冷媒と冷凍機油とを比重分離される。
【0038】
ここで、遠心分離とは、冷凍機油を含む冷媒を旋回させて、液相成分(液相冷媒及び冷凍機油)に作用する遠心力と気相成分(気相冷媒)に作用する遠心力との相違を利用して分離することであり、比重分離とは、液相冷媒に作用する重力と冷凍機油に作用する重力との相違を利用して分離することを言う。
【0039】
そして、気相成分に比べて密度が大きい液相成分は、気相成分に比べて大きな旋回速度でタンク本体51の内周壁に沿って下方側に螺旋状に流れ、気相成分は気相冷媒流出口53から圧縮機10側に流出する。
【0040】
このとき、大径部51aにおけるタンク断面積S1が小径部51bにおけるタンク断面積S2に比べて大きくなっているので、小径部51bから大径部51aに流入した冷媒は、その旋回速度を低下させる。
【0041】
したがって、気液分離器50内に溜まった液相冷媒の液面を安定させることができるので、液相冷媒と冷凍機油とを確実に比重分離することができる。延いては、液相冷媒を蒸発器30に安定的に供給することができるので、封入冷媒量を低減することができるので、エジェクタサイクルの製造原価低減を図ることができる。
【0042】
また、遮蔽版56にてタンク本体51内に流入した冷媒が、直接的に、液相冷媒流出口54及びオイル戻し穴55側に流入することが確実に抑制されるので、気液分離器50内に溜まった液相冷媒の液面をより一層安定させることができ、液相冷媒と冷凍機油とを確実に比重分離することができる。
【0043】
さらに、遮蔽版56に減速ブレード56aが設けられているので、小径部51bから大径部51aに流入した冷媒の旋回速度を確実に低下させることができるので、気液分離器50内に溜まった液相冷媒の液面をより一層安定させることができ、液相冷媒と冷凍機油とを確実に比重分離することができる。
【0044】
(その他の実施形態)
上述の実施形態では、空調装置に本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、給湯器や冷蔵庫等にも適用することができる。
【0045】
また、遮蔽版56、特に減速ブレード56aの形状は、図4に示された形状に限定されるものではなく、冷媒速度を減速させることができる形状であればよい。
【0046】
また、上述の実施形態では、段付き状にタンク本体51内の断面積が変化するものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、下方側に向かうほど、タンク断面積Sが増大するような円錐フラスコ状のタンク本体51を採用してもよい。
【0047】
また、冷媒は、二酸化炭素及びフロンに限定されるものではなく、炭化水素系の冷媒や窒素等の自然冷媒又は混合冷媒であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るエジェクタサイクルの模式図である。
【図2】本発明の実施形態に係る気液分離器の模式図である。
【図3】本発明の実施形態に係る気液分離器の上面図である。
【図4】本発明の実施形態に係る遮蔽版の二面図である。
【符号の説明】
50…気液分離器、51…タンク本体、52…流入口、53…気相冷媒流出口53、54…液相冷媒流出口、55…オイル戻し穴、56…遮蔽版。
Claims (5)
- 圧縮機(10)にて圧縮された高圧の冷媒を放冷する放熱器(20)と、
低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器(30)、
前記放熱器(20)から流出した冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル、及び前記ノズルから噴射する冷媒と前記蒸発器(30)から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部とを有するエジェクタ(40)とを備えるエジェクタサイクルに適用され、
前記エジェクタ(40)から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を前記圧縮機(10)の吸引側に供給し、液相冷媒を前記蒸発器(30)側に供給する気液分離器であって、
前記エジェクタ(40)から流出した冷媒が流入する流入部(52)、気相冷媒を流出させる気相冷媒流出部(53)、液相冷媒を流出させる液相冷媒流出部(54)、及び冷凍機油を流出させるオイル戻し部(55)が設けられたタンク本体(51)を有し、
前記タンク本体(51)の上部側にて、主に気相成分と液相成分とを遠心分離し、一方、前記タンク本体(51)の下部側にて、主に液相冷媒と冷凍機油とを比重分離するように構成され、
前記液相冷媒流出部(54)及び前記オイル戻し部(55)の上方側には、前記液相冷媒流出部(54)及び前記オイル戻し部(55)を覆うように流入抑止部材(56)が設けられており、
前記流入抑止部材(56)には、前記タンク本体(51)内を旋回するように流れる冷媒を減速させる減速手段(56a)が設けられていることを特徴とするエジェクタサイクル用の気液分離器。 - 前記タンク本体(51)のうち前記液相冷媒流出部(54)が設けられた部位におけるタンク断面積(S1)は、前記タンク本体(51)のうち前記流入部(52)が設けられた部位におけるタンク断面積(S2)に比べて大きいことを特徴とする請求項1に記載のエジェクタサイクル用の気液分離器。
- 前記液相冷媒流出部(54)は、前記オイル戻し部(55)より上方側に位置していることを特徴とする請求項1または2に記載のエジェクタサイクル用の気液分離器。
- 圧縮機(10)にて圧縮された高圧の冷媒を放冷する放熱器(20)と、
低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器(30)と、
前記放熱器(20)から流出した冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル、及び前記ノズルから噴射する冷媒と前記蒸発器(30)から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部とを有するエジェクタ(40)と、
前記エジェクタ(40)から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を前記圧縮機(10)の吸引側に供給し、液相冷媒を前記蒸発器(30)側に供給する請求項1ないし3のいずれか1つに記載の気液分離器(50)とを備え、
前記高圧の冷媒は、冷媒の臨界圧力以上まで加圧されることを特徴とするエジェクタサイクル。 - 前記冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項4に記載のエジェクタサイクル。
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