JP5014367B2 - 気液分離器とそれを搭載した冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
特許文献1の図2に記載された気液分離器は、第1配管が接続された第1容器と、第2配管が接続された第2容器を備えており、第1容器の上部と第2容器の上部には、冷媒蒸気を連通させるための配管が設けられ、第1容器の下部と第2容器の下部には、冷媒液を連通させるための配管が設けられ、冷媒蒸気を連通させるための配管の中央に冷媒蒸気を流出させるためのガス出口管が設けられている。ここで、気液二相状態の冷媒は、冷房運転時には第1配管より、暖房運転時には第2配管より、気液分離器に流入する。これにより、冷房運転時においては、第1配管を通過した気液二相の冷媒が流入する第1容器で、冷媒液の液面が波立ったり、泡立ったりしても、第2容器内では冷媒液の液面の波立ちおよび泡立ちが抑制されるようにして、冷媒液を第2配管から、冷媒蒸気をガス出口管から流出させるようにしている。また、暖房運転時においては、第2配管を通過した気液二相の冷媒が流入する第2容器で、冷媒液の液面が波立ったり、泡立ったりしても、第1容器内では冷媒液の液面の波立ちおよび泡立ちが抑制されるようにして、冷媒液を第1配管から、冷媒蒸気をガス出口管から流出させるようにしている。
また、第1容器および第2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各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があった。
この発明は上記課題に対応したものであり、高い気液分離効率を有する小型の気液分離器を提供すること、またそのような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。
前記第1の流路の途中に流体が流入又は流出する第1流出入流路が接続され、前記第2の流路の途中に流体が流出又は流入する第2流出入流路が接続され、前記ループ状の流路の上部に気相流体の流出流路が接続されており、
前記第1の流路における前記第1流出入流路との接続開口部と対向する側面、または前記第2の流路における前記第2流出入流路との接続開口部と対向する側面の少なくともいずれか一方に、内側から外側に突出した形状の流路の突出部が設けられている。
図1は、本発明の実施の形態1に係る気液分離器を用いたインジェクション可能な冷凍サイクル装置の構成を示したものである。冷凍サイクル装置の主冷凍サイクル回路(主冷媒回路)は、インジェクション可能な圧縮機1、流れる冷媒の方向を変更し冷房運転と暖房運転を切り替える四方弁2、熱源側の第1熱交換器3、第1減圧器としての電動膨張弁4、気液分離器5、第2減圧器としての電動膨張弁6、及び利用側の第2熱交換器7が順次配管によって接続されて構成される。また、インジェクション回路が、気液分離器5から流量調整弁8を介して、圧縮機1のインジェクションポート10に接続されている。
また、ループ状配管30の最上点に位置する上部配管13の中間に、気相流体の流出流路としての蒸気流出配管16が設けられている。
図1の冷凍サイクル回路において、第1流出入配管15は第1冷媒配管35に、第2流出入配管17は第2冷媒配管36に、蒸気流出配管16はバイパス配管9に接続されている。
なお、突出部は、気液二相冷媒が流入する流出入配管が設けられている縦配管に形成されていればよく、したがって、必ずしも第1突出部18と第2突出部33の両方を備えている必要はない。
また、H1:H2の比は特に限定されるものではないが、例えば2:1〜3:1程度とすることができる。
圧縮機1によって圧縮された高温高圧の冷媒蒸気は四方弁2を介して、凝縮器となる第1熱交換器3に至る(E点)。高温高圧の冷媒蒸気は、第1熱交換器3によって凝縮されて冷媒液となり(B点)、第1減圧器4にて圧縮機1の吸入圧力と吐出圧力の間の中間圧に減圧されて(F点)気液二相状態の冷媒となって、第1冷媒配管35から第1流出入配管15を通って気液分離器5内に入る。
その後、冷媒液21aは重力を受けて、冷媒液21bとなり、第1縦配管11の下部から下部配管14、第2縦配管12の下部、第2突出部33にかけて溜まり、第2流出入配管17を介して流出するようになる。
また、第1突出部18で分離された冷媒液21aが重力落下する際、冷媒蒸気20aの一部である冷媒蒸気20bを巻き込む場合もあるが、巻き込まれた冷媒蒸気20bは浮力を受けて下部配管14を通過し、第2縦配管12を介して蒸気流出管16から流出するようになる。
このように、気液分離器5を用いることで、高い気液分離効率で気液二相状態の冷媒を分離することができる。
一方、蒸気流出管16からバイパス配管9を通過した冷媒蒸気20d(K点)は、流量調整弁8で流量を調整されて、インジェクションポート10から、中間圧において圧縮機1にインジェクションされ、I点の冷媒蒸気と混合する(J点)。さらに、混合した中間圧の冷媒蒸気は圧縮機1により吐出圧力まで圧縮され、再び同じ動作を繰り返す。
暖房運転では、四方弁2が切り替えられ、圧縮機1によって圧縮された高温高圧の冷媒蒸気は四方弁2を介して、凝縮器となる第2熱交換器7に至る(D点)。高温高圧の冷媒蒸気は、第2熱交換器7によって凝縮されて液冷媒となり(H点)、第2減圧器6にて圧縮機1の吸入圧力と吐出圧力の間の中間圧に減圧されて(G点)、気液二相状態の冷媒となって、第2冷媒配管36から第2流出入配管17を通って気液分離器5内に入る。
第1流出入配管15から第1冷媒配管35を通過した冷媒液15(F点)は、第1減圧器4にて中間圧から低圧まで減圧されて、低温低圧の気液二相状態の冷媒となって、蒸発器となる第1熱交換器3に至る(B点)。その後、低温低圧の気液二相状態の冷媒は、第1熱交換器3によって蒸発されて冷媒蒸気となり(E点)、四方弁2を介して圧縮機1に戻り、圧縮機1によって中間圧力まで圧縮される(I点)。
一方、蒸気流出管16からバイパス配管9を通過した冷媒蒸気20d(K点)は、流量調整弁8で流量を調整されて、インジェクションポート10から、中間圧において圧縮機1にインジェクションされ、I点の冷媒蒸気と混合する(J点)。さらに、混合した中間圧の冷媒蒸気は圧縮機1により吐出圧力まで圧縮され、再び同じ動作を繰り返す。
また、気液分離器5は、容器をもたない配管で構成されているため、コストが大幅に低減されるとともに、小型化、薄型化を実現することができる。これにより、気液分離器5を搭載した冷凍サイクル装置全体をコンパクト化することもできる。さらに、気液分離器5は容器をもたない配管で構成されているため、気液分離器5を搭載したことによる冷媒量の増加も抑制することができる。
また、気液分離器5を搭載した2段圧縮サイクルは、通常の冷凍サイクルに比べて、冷房運転時と暖房運転時の両方で、圧縮機入力を小さくできる。また、冷房と暖房の成績係数を大きくすることができる。さらに、冷房運転時と暖房運転時の両方で、通常の冷凍サイクルに比べて圧縮機1の吐出温度を小さくすることができるため、圧縮機1の高信頼性、高寿命化を実現することができる。
また、ループ状配管30の最上点に位置する上部配管13の中間に、蒸気流出配管16を設けたが、蒸気流出配管16は、ループ状配管30の上部に接続されていればよい。
同様に、第2突出部33の流路形状や構造は任意であるが、その断面積を第2流出入配管17の断面積と同等以上に設定することで、第2流出入配管17を通過して第2縦配管12の側面から吹出した気液二相状態の冷媒19は、第2突出部33で一端衝突して気液分離されるようになるため、気液分離器5の気液分離効率が向上する。
同様に、第2突出部33の流路突出長さを、第2流出入配管17を通過する流体の進行方向と直交する第2突出部33の流路断面の直径以上に設定するのが好ましい。これにより、第2突出部33に冷媒液21aを保持し易くなり、第2流出入配管17から流入する気液二相状態の冷媒15の衝突による衝撃が干渉され、第2突出部33での気液分離が向上し、気液分離器5の気液分離効率が向上する。
なお、各突出部18,33の流路断面形状が円でない場合、(1)式による等価直径を用いて直径dとすることができる。
d=4×A/l (1)
ここで、Aは各突出部18,33の流路断面積であり、lは各突出部18,33の流路断面の周長を示す。
なお、毛管力を有する構造32としては、多孔質体やメッシュを追加してもよいし、突出部18に内面溝つき管を採用することで毛管力構造32の機能を持たせるようにしてもよい。内面溝つき管を採用する場合は、毛管力を有する構造32として追加構造が必要なくなるため、部品点数を削減することができる。
また、可燃性のある炭化水素や、テトラフルオロプロペンを本実施の形態1で使用しても、冷凍サイクル回路に充填する冷媒量を抑えることができるため、冷媒漏洩時における燃焼を抑制することができる。
また、バイパス配管9には、流量調整弁8を設けるようにしたが、流量調整弁8の代わりにキャピラリチューブなどの固定絞りを用いてもよい。
また、第1減圧器4および第2減圧装置6に電動膨張弁を用いたが、電動膨張弁ではなくキャピラリチューブなどの固定絞りを用いてもよい。
実施の形態2に示す気液分離器5は、図14のように、第1突出部18と第2突出部33とを一体の配管で構成し、第1突出部18と第2突出部33とを仕切る仕切り部材37を設けたものである。ここで、仕切り部材37は、たとえば円柱で形成し、それを第1突出部18と第2突出部33を形成する一体の配管に挿入し、配管をかしめて固定してもよい。この場合、ロウ付けが不要となるため、製造コストを低減することができる。
この構成によれば、第1突出部18と第2突出部33とが一体の配管で構成され、仕切り部材37で第1突出部18と第2突出部33が形成されるため、第1突出部18と第2突出部33の形成が容易となる。
また、第1突出部18と第2突出部33が一体の配管で構成されることで、ループ状配管30の補強材としての役割を果たすこともできるため、気液分離器5の強度を増すことも可能となる。
なお、仕切り部材を固定する方法として、配管をかしめる方式を示したが、配管に仕切り部材をロウ付けしてもかまわない。
実施の形態3に示す気液分離器5は、図16に示すように、第1流出入配管15を第2縦配管12と合流せずに交差(立体交差)するように配置し、また、第2流出入配管17を第1縦配管11と合流せずに交差(立体交差)するように配置したものである。この場合も実施の形態1と同様の効果を有する。
これにより、気液分離器5を冷凍サイクル回路に設置するときにスペース上の制約を受けるような場合でも、第1流出入配管15および第2流出入配管17の直線部Lを長くすることが可能となる。したがって、第1流出入配管15および第2流出入配管17を通過する気液二相状態の冷媒19の助走区間を延長することができ、流れ状態を安定化させて気液二相状態の乱れを減少させ、第1突出部18および第2突出部33での乱れをさらに抑制して、さらに気液分離効率を向上することができる。
さらに、図17のように、第1流出入配管15および第2流出入配管17に曲げを設けると、気液分離器5の横幅寸法Wをより小さくすることができ、気液分離器5のコンパクト化を図ることができる。なお、第1流出入配管15および第2流出入配管17に曲げを設ける方向は、鉛直方向または水平方向等、その方向は任意である。
実施の形態4に示す気液分離器5は、図18に示すように、上部配管13を1つの流路を2つの流路に分岐する上部2分岐材22で形成し、下部配管14を2つの流路を接続する下部接続材23で形成したものである。ここで、第1流出入配管15と第1突出部18は、第2縦配管12と干渉しないよう、第1縦配管11の中心軸と第2縦配管12の中心軸を含む平面に対して垂直となるように形成されている。同様に、第2流出入配管17と第2突出部33は、第1縦配管11と干渉しないよう、第1縦配管11の中心軸と第2縦配管12の中心軸を含む平面に対して垂直となるように形成されている。このとき、A−A断面で示すように、第1流出入配管15に流入する冷媒19の方向と、第2流出入配管17から流出する冷媒液の方向が同一方向となるように配置している。この場合も実施の形態1と同様の効果を有する。
また、気液分離器5の横幅寸法Wをさらに小さくすることができ、気液分離器5の大幅なコンパクト化を実現することができる。
また、第1流出入配管15と、第2流出入配管17の取り出し方向を逆にしたことにより、第1流出入配管15および第2流出入配管17の曲げ方向の自由度が広がり、気液分離器5を冷凍サイクル回路に設置し易くなる。
なお、図21に示すように、第1流出入配管15に流入する冷媒19の方向と、第2流出入配管17から流出する冷媒液の方向が逆方向となるように構成してもよい。この場合、第1流出入配管15と、第2流出入配管17の取り出し方向が同一となるため、同一方向から気液分離器5を冷凍サイクルに設置する場合の取り付けが容易となる。
実施の形態5に示す気液分離器5は、図22に示すように、上部配管13を1つの流路を3つの流路に分岐する上部多分岐材24で形成し、下部配管14を3つの流路を接続する下部多接続材25で形成する。そして、上部多分岐材24と下部多接続材25の3箇所の穴に、第1流出入配管15と第1突出部18とを有する第1縦配管11と、第2流出入配管17と第2突出部33とを有する第2縦配管12と、第3の流路としての第3縦配管38とを挿入してロウ付けし、上部多分岐材24の残りの穴に、蒸気流出配管16を挿入してロウ付けしたものである。このとき、A−A断面で示すように、第1流出入配管15に流入する冷媒19の方向と、第2流出入配管17から流出する冷媒液の方向が逆方向となるように配置している。
この場合、第3縦配管38が追加されたことで、実施の形態1に示した効果に加えて、上部多分岐材24で分岐される際の断面積が増加するため、冷媒蒸気20aに引っ張られて上昇する冷媒液21cが、上部多分岐材24で気液分離され易くなる。さらに、第3縦配管38が追加されたことで、下部多接続材25で分岐される際の断面積が増加するため、冷媒液21bに巻き込まれた冷媒蒸気20bが、下部多接続材25で気液分離され易くなる。このように第3縦配管38を設けることにより、気液分離効率をさらに向上することができる。
なお、第1流出入配管15に流入する冷媒19の方向と、第2流出入配管17から流出する冷媒液の方向が同一方向となるように配置してもよい。
実施の形態6に示す気液分離器5は、図23に示すように、第1板部材26と第2板部材27に、実施の形態1の図2で示したような第1縦配管11、第2縦配管12、上部配管13、下部配管14、第1流出入配管15、第1突出部18、第2流出入配管17、第2突出部33、蒸気流出配管16に相当する流路を形成し、第1板部材26と第2板部材27に形成した各流路が対面するように、それらの板部材26,27を接合して積層することで、冷媒が通過する流路を形成したものである。
これにより、気液分離器5を構成する備品点数を少なくすることができる。また、炉中ロウ付け等により、第1板部材26と第2板部材27を一度に接合して気液分離器5を形成することが可能となるため、製造が容易となる。
ここで、第1板部材26と第2板部材27に各流路を形成する方法は、切削、鍛造、鋳造であってもよい。
また、第1板部材26または第2板部材27のどちらか一方に流路を形成するようにしてもよいし、第1板部材26と第2板部材27の2層ではなく、流路に相当する加工がされた複数の板部材を積層することで流路を形成するようにしてもよい。
なお、ここでは板部材で流路を形成することを実施の形態1の気液分離器5を例に示したが、実施の形態2から5に示す気液分離器5に適用しても、同様の効果が得られる。
実施の形態7に示す気液分離器5は、図24に示すように、板部材29の端面から板部材の平面方向に沿って、内部に穴あけ加工をおこなって流路を形成する。さらに、板部材29に不要な開口部にめくら部材28を設置して、実施の形態1の図12に示したような、第1縦配管11、第2縦配管12、上部配管13、下部配管14、第1流出入配管15、第1突出部18、第2流出入配管17、第2突出部33、蒸気流出配管16に相当する各流路を形成したものである。
ここでは、図中の白抜き矢印で示す位置から板部材29に穴あけ加工をおこなった後、めくら部材28を4箇所に設けることで、冷媒が通過する流路を形成している。
これにより、接合箇所が、めくら部材28の設置部分のみとなるため、気液分離器5の接合箇所が大幅に削減され、製造が容易となる。また、穴あけ加工のみとなるため、製造コストを低減することができる。
また、めくら部材28を取り付ける箇所にネジ山加工を行い、めくら部材28をねじ込み固定するようにしてもよい。この場合、気液分離器5の溶接やロウ付けが不要となり、製造が大幅に容易となるとともに、製造コストを低減することができる。
また、上記各実施の形態では、本発明の気液分離器を冷凍サイクル装置に用い、そこで使用される冷媒を気液分離する例を挙げて説明したが、本発明の気液分離器は、冷媒の他にも、各種流体の気液分離に適用することができる。
Claims (16)
- 第1の流路と第2の流路とを有し、
前記第1の流路の鉛直方向における上端部と前記第2の流路の鉛直方向における上端部とが上部連結部で接続され、前記第1の流路の鉛直方向における下端部と前記第2の流路の鉛直方向における下端部とが下部連結部で接続されて、前記第1の流路、前記第2の流路、前記上部連結部、及び前記下部連結部によりループ状の流路が形成されており、
前記第1の流路の途中に流体が流入又は流出する第1流出入流路が接続され、前記第2の流路の途中に流体が流出又は流入する第2流出入流路が接続され、前記ループ状の流路の上部に気相流体の流出流路が接続されており、
前記第1の流路における前記第1流出入流路との接続開口部と対向する側面、または前記第2の流路における前記第2流出入流路との接続開口部と対向する側面の少なくともいずれか一方に、内側から外側に突出した形状の流路の突出部が設けられていることを特徴とする気液分離器。 - 前記突出部の流路断面積が、前記突出部と対向する側面に接続開口部を有する前記第1流出入流路または前記第2流出入流路の断面積以上であることを特徴とする請求項1に記載の気液分離器。
- 前記突出部の流路突出長さを、前記突出部の流路断面の直径以上としていることを特徴とする請求項1又は2のいずれか一項に記載の気液分離器。
- 前記突出部に毛管力を有する構造を備えたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の気液分離器。
- 前記上部連結部と前記下部連結部とを連結する、第3の流路を備えたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の気液分離器。
- 前記突出部は、前記第1の流路における前記第1流出入流路との接続開口部と対向する側面に設けられる第1突出部および前記第2の流路における前記第2流出入流路との接続開口部と対向する側面の両方に設けられる第2突出部を有し、前記第1突出部と前記第2突出部が一体の部材で形成されており、前記一体の部材が仕切られて前記第1突出部と前記第2突出部とに分けられていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の気液分離器。
- 前記第2の流路と前記第1流出入流路、もしくは、前記第1の流路と前記第2流出入流路の少なくとも1組の流路が、合流せずに交差していることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の気液分離器。
- 前記各流路を、配管を用いて形成したことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の気液分離器。
- 前記上部連結部は分岐部が隣接している分岐材により形成され、前記下部連結部は接続部が隣接している接続材により形成されていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の気液分離器。
- 前記第1の流路、前記第2の流路、前記上部連結部、前記下部連結部、前記第1流出入流路、第2流出入流路、前記気相流体の流出流路、及び前記突出部が、複数の板状の部材を積層して形成されていることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の気液分離器。
- 前記第1の流路、前記第2の流路、前記上部連結部、前記下部連結部、前記第1流出入流路、第2流出入流路、前記気相流体の流出流路、及び前記突出部が、板状の部材の平面に沿って穴あけ加工された内部穴により形成されていることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の気液分離器。
- 請求項1〜11のいずれか一項に記載の気液分離器が、冷凍サイクル回路に配置されていることを特徴とする冷凍サイクル装置。
- 前記冷凍サイクル回路が2段圧縮サイクルのものであることを特徴とする請求項12に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記冷凍サイクル回路を構成している圧縮機が2段圧縮機であり、低段側の圧縮機から高段側の圧縮機へつながる冷媒回路の途中に、前記気液分離器の前記流出流路から流出した気相流体をインジェクションすることを特徴とする請求項13に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記冷凍サイクル回路を流れる冷媒が、炭化水素また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12〜14のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記冷凍サイクル回路を流れる冷媒が、自然冷媒である二酸化炭素であることを特徴とする請求項請求項12〜14のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
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