JP5014367B2

JP5014367B2 - 気液分離器とそれを搭載した冷凍サイクル装置

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Publication number: JP5014367B2
Application number: JP2009056621A
Authority: JP
Inventors: 泰城村上; 浩招牧野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2029-03-10
Also published as: JP2010210145A

Description

この発明は、気液分離器とそれを搭載した空気調和機等の冷凍サイクル装置に関する。

圧縮機、四方弁、室外熱交換器、第１の膨張弁、気液分離器、第２の膨張弁、室内熱交換器を順次配管によって接続した冷凍サイクルにおいて、気液分離器で分離した冷媒蒸気を圧縮機の吸入配管に戻す発明が公知である（例えば、特許文献１参照）。
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。

特開２００８−７５８９４号公報（図１、図２等）

上記特許文献１に示す気液分離器においては、冷房運転時において、気液二相状態の冷媒が第１容器に流入した場合、第１容器で波立ちや泡立ちが発生するため、たとえ第２容器を備えたとしても、第１容器で飛散した液滴が、冷媒蒸気とともにガス出口管から流出するため、気液分離効率が低下するという問題があった。
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。

この発明の気液分離器は、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。

この発明により、高い気液分離効率を有する小型の気液分離器を得ることができる。また、この発明の冷凍サイクル装置により、成績係数を向上することができる。

本発明の実施の形態１による気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置の構成図である。図１に示す気液分離器の構造と冷房運転時における状態を示す図である。図１に示す気液分離器の構造と暖房運転時における状態を示す図である。図１の冷凍サイクル装置の冷房運転時における冷凍サイクルの圧力とエンタルピの変化を示す図である。気液分離器を搭載していない従来の冷凍サイクル装置の構成図である。図１の冷凍サイクル装置の暖房運転時における冷凍サイクルの圧力とエンタルピの変化を示す図である。本発明の実施の形態１による気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置の第１変形例を示す構成図である。本発明の実施の形態１による気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置の第２変形例を示す構成図である。本発明の実施の形態１による気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置の第３変形例を示す構成図である。本発明の実施の形態１による気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置の第４変形例を示す構成図である。本発明の実施の形態１による気液分離器を搭載した冷凍サイクル装置の第５変形例を示す構成図である。本発明の実施の形態１による気液分離器の変形例を示す図である。本発明の実施の形態１による気液分離器の変形例を示す図である。本発明の実施の形態２による気液分離器を示す図である。本発明の実施の形態２による気液分離器の変形例を示す図である。本発明の実施の形態３による気液分離器を示す図である。本発明の実施の形態３による気液分離器の変形例を示す図である。本発明の実施の形態４による気液分離器を示す図である。本発明の実施の形態４による気液分離器の上部２分岐材を示す図である。本発明の実施の形態４による気液分離器の下部接続材を示す図である。本発明の実施の形態４による気液分離器の変形例を示す図である。本発明の実施の形態５による気液分離器を示す図である。本発明の実施の形態６による気液分離器を示す図である。本発明の実施の形態７による気液分離器を示す図である。本発明の実施の形態１から７による気液分離器の変形例を示す図である。

実施の形態１．
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。

またここでは、第１熱交換器３と気液分離器５の間を接続する配管を第１冷媒配管３５、第２熱交換器７と気液分離器５を接続する配管を第２冷媒配管３６、インジェクションポート１０と気液分離器５を接続する配管をバイパス配管９と称する。

図２及び図３に気液分離器５の構造を示す。気液分離器５は、第１の流路としての第１縦配管１１、第２の流路としての第２縦配管１２、上部連結部としての上部配管１３、上部連結部としての下部配管１４で、ループ状配管３０に形成されている。このループ状配管３０の最上点と最下点を高さ方向にＨ１：Ｈ２の比に内分する位置に、第１縦配管１１と直交するように第１流出入流路としての第１流出入配管１５が設けられ、第２縦配管１２と直交するように第２流出入流路としての第２流出入配管１７が設けられている。そして、第１流出入配管１５と対面する第１縦配管１１の側面に、突出した流路形状をもつ第１突出部１８が形成されるともに、第２流出入配管１７と対面する第２縦配管１２の側面に、突出した流路形状をもつ第２突出部３３が形成されている。
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。

図２は図１の冷凍サイクル装置の冷房運転時における冷媒の流れ方向、図３は暖房運転時における冷媒の流れ方向も示しており、実線矢印が冷媒液２１の流れを、点線矢印が冷媒蒸気２０の流れを示す。

次に、図１の冷凍サイクル装置が冷房運転する場合の動作について説明する。図１において、冷房運転時に冷媒が流れる方向は黒矢印で示される。また、図４は、図１の冷凍サイクル装置の冷房運転時における圧力Ｐ−エンタルピｈの線図を示しており、図４中のアルファベットＡ〜Ｋが、図１中に示すアルファベットの各点に対応する。
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。

図２に示すように、第１流出入配管１５を介して第１縦配管１１に流入した気液二相状態の冷媒１９は、第１縦配管１１を横切って、第１突出部１８に進入して衝突する。このとき、流入した気液二相状態のうち、密度の大きな冷媒液２１ａは、慣性力を強く受けて第１突出部１８に溜まるようになり、反対に密度の小さな冷媒蒸気２０ａは第１突出部１８に入り込むことなく、冷媒液２１ａと分離されるようになる。これにより、第１流出入配管１５を介して第１縦配管１１に流入した気液二相状態の冷媒は、第１突出部１８で効果的に気液分離され、第１突出部１８における冷媒液の波立ちや泡立ちが抑制される。
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。

冷媒液２１ｂが第１縦配管１１の下部に溜まることで、第１突出部１８で分離された冷媒蒸気２０ａが第１縦配管１１の下部を通過しようとするときの流動抵抗が大きくなるため、冷媒蒸気２０ａは第１縦配管１１の上部へ向かい、上部配管１３を通って、蒸気流出配管１６から流出するようになる。なお、冷媒蒸気２０ａが第１縦配管１１を上昇する際、冷媒蒸気２０ａが冷媒液２１ａの一部である冷媒液２１ｃを引っ張り上げるため、冷媒液２１ｃが第１縦配管を上昇するようになる。このとき、第１流出入配管１５の中心からループ状配管３０の最上点に至るまでの距離Ｈ１を大きくとることにより、冷媒液２１ｃを重力落下させて、冷媒液２１ｃが蒸気流出配管１６から冷媒蒸気２０ａとともに流出しないようにしている。また、冷媒液２１ｃが上部配管１３に到達した場合であっても、冷媒液２１ｃの密度が大きいため、冷媒液２１ｃは上部配管１３の底を通過するようになり、冷媒液２１ｄとなって第２縦配管１２を介して重力落下し、第２流出入配管１７から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。

気液分離器５で気液分離された後、第２流出入配管１７から第２冷媒配管３６を通過した冷媒液１５（Ｇ点）は、第２減圧器６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２熱交換器７に至る（Ｈ点）。その後、低温低圧の気液二相状態の冷媒は、第２熱交換器７によって蒸発されて冷媒蒸気となり（Ｄ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。

図５に、気液分離器を搭載しない従来の冷凍サイクル装置の構成を示す。図５中、冷房運転時に冷媒が流れる方向は黒矢印で示され、アルファベットA'〜D'は、図４中のアルファベットに対応する。図５の冷凍サイクル装置では、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（A'点）。第１熱交換器３によって凝縮された液冷媒は（B'点）、第１減圧器４にて低圧まで減圧されて、蒸発器となる第２熱交換器７に至る（C'点）。第２熱交換器７によって蒸発された低温低圧の冷媒蒸気は（D'点）、四方弁２を介して圧縮機１に戻り、圧縮機１によって吐出圧力まで圧縮され、再び同じ動作を繰り返す。

図４に示すように、気液分離器５を用いた２段圧縮サイクルでは、圧縮機１の出入口におけるエンタルピ差(ｈ４−ｈ３）が、気液分離器５を用いない通常の冷凍サイクル装置における圧縮機１の出入口のエンタルピ差(ｈ５−ｈ３）に比べて小さくなるため、圧縮機１の入力を小さくすることができる。また、これにより、圧縮機１の入力を含む電気入力と、冷房能力の比で表される冷房の成績係数を大きくすることができる。さらに、気液分離器５を用いた２段圧縮サイクルでは、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。

次に、図１の冷凍サイクル装置が暖房運転する場合の動作について説明する。図１において、暖房運転時に冷媒が流れる方向は白矢印で示される。また、図６は、暖房運転時における圧力Ｐ−エンタルピｈの線図を示しており、図６中のアルファベットＡ〜Ｋが図１中に示すアルファベットの各点に対応する。
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。

図３に示すように、気液分離器５が蒸気流出管１６の中心軸を中心に線対称な形状となっていることから、気液分離器５に流入した気液二相状態の冷媒１９は、冷房運転と同様にして、高い気液分離効率で分離され、冷媒蒸気は蒸気流出管１６を通って、冷媒液は第１流出入配管１５を通って、気液分離器５から流出するようになる。
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。

図５に示した、気液分離器を搭載しない冷凍サイクル装置においても、暖房運転時に冷媒が流れる方向は白矢印で示されており、図５中のアルファベットA'〜D'が、図６中のアルファベットA'〜D'に対応する。図５の冷凍サイクルでは、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）。第２熱交換器７によって凝縮された液冷媒は（C'点）、第１減圧器４にて低圧まで減圧されて、蒸発器となる第１熱交換器３に至る（B'点）。第１熱交換器３によって蒸発された低温低圧の冷媒蒸気は（A'点）、四方弁２を介して圧縮機１に戻り、圧縮機１によって吐出圧力まで圧縮され、再び同じ動作を繰り返す。

図６に示すように、気液分離器５を用いた２段圧縮サイクルでは、圧縮機１の出入口におけるエンタルピ差(ｈ４−ｈ３）が、気液分離器５を用いない通常の冷凍サイクル装置における圧縮機１の出入口のエンタルピ差(ｈ５−ｈ３）に比べて小さくなるため、圧縮機１の入力を小さくすることができる。これにより、圧縮機１の入力を含む電気入力と、暖房能力の比で表される暖房の成績係数を大きくすることができる。さらに、気液分離器５を用いた２段圧縮サイクルでは、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。

以上のように、気液分離器５は、冷房運転時と暖房運転時で、冷凍サイクル回路を流れる冷媒の方向が変わった場合であっても、高い気液分離効率を実現することができる。
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。

ここでは、冷房運転時と暖房運転時で冷媒の流れ方向が異なる場合に、実施の形態１に示す気液分離器５を使用する例を示したが、冷房運転時のみの場合や、暖房運転時のみの場合に適用することもできる。すなわち、気液分離器５を第１流出入配管１５または第２流出入配管１７のいずれか一方のみから気液二相状態の冷媒が流入するような冷凍サイクル装置に用いた場合にも、高い気液分離効率を有し、冷房または暖房の成績係数を向上させることができる。

なお、気液分離器５を搭載する冷凍サイクルは、２段圧縮サイクルである必要はなく、１段の圧縮サイクルに搭載してもよい。例えば、図７に、１段の圧縮サイクルに気液分離器５を搭載して冷房運転を行う場合の冷凍サイクル装置の構成図を示す。このとき、１段の圧縮サイクルでは、図１の２段圧縮サイクルのようなインジェクションポート１０を圧縮機１に備えないため、圧縮機１の吸入側にバイパス配管９を接続する。また、中間圧力を設定する必要がないため、第２減圧器６が不要となる。この場合、気液分離器５で分離された冷媒液２１のみが第２熱交換器７に流れるようになる。このため、気液二相状態の冷媒が第２熱交換器７を流れる図５に示す冷凍サイクル装置に比べて、第２熱交換器７を通過する冷媒の圧力損失が低減される。これにより、圧縮機１の吸入圧力が上昇し、圧縮機１の入力が低下するため、冷房の成績係数を増加できる。

また、図８に、１段の圧縮サイクルに気液分離器５を搭載して暖房運転を行う場合の冷凍サイクル装置の構成図を示す。図７と同様に、１段の圧縮サイクルでは、図１の２段圧縮サイクルのようなインジェクションポート１０を圧縮機１に備えないため、圧縮機１の吸入側に、バイパス配管９を接続する。また、中間圧力を設定する必要がないため、第１減圧器４が不要となる。この場合、気液分離器５で分離された冷媒液２１のみが第１熱交換器３に流れるようになる。このため、気液二相状態の冷媒が第１熱交換器３を流れる通常のサイクルに比べて、第１熱交換器３を通過する冷媒の圧力損失が低減される。これにより、圧縮機１の吸入圧力が上昇し、圧縮機１の入力が低下するため、暖房の成績係数を増加できる。

図９に、１段の圧縮サイクルに気液分離器５を搭載して、冷房運転と暖房運転を行う場合の冷凍サイクル装置の構成図を示す。冷房運転では第２減圧器６における圧損を小さくし、暖房運転では第１減圧器４における圧損を小さくすることで、図７と図８の両方の回路を実現することができる。これにより、冷房運転と暖房運転で、圧縮機１の吸入圧力が上昇し、圧縮機１の入力が低下するため、冷房と暖房の成績係数を増加できる。

図１０に、１段の圧縮サイクルに気液分離器５及びブリッジ回路３１を搭載して、冷房運転と暖房運転を行う場合の冷凍サイクル装置の構成図を示す。ここでは、第２減圧器６は不要となる。この場合、ブリッジ回路３１により、冷房運転時と暖房運転時ともに、第１流出入配管１５を通って気液二相状態の冷媒が気液分離器５に流入し、分離された冷媒液が第２流出入配管１７を通って流出するようになる。このため、冷房運転と暖房運転で、圧縮機１の吸入圧力が上昇し、圧縮機１の入力が低下するため、冷房と暖房の成績係数を増加できる。

なお、圧縮機１としては、インジェクションポート１０を設けたレシプロ、ロータリ、スクロール等の各圧縮機が利用できる。また、図１１に示すように、２段圧縮機１１６を用いて、２段圧縮サイクルを構成し、低段側の圧縮機１１７から高段側の圧縮機１１８へつながる中間冷媒回路１１９の途中にインジェクションポート１０を設け、気液分離器５で分離された冷媒蒸気２０ｄをインジェクションするようにしてもよい。この場合、インジェクションポート１０の穴径を大きくすることが可能となり、適正なインジェクション量を調整することができるため、気液分離器５による２段圧縮サイクルにおいて、冷房および暖房の成績係数をさらに向上することができる。

また、第１縦配管１１、上部配管１３、第２縦配管１２、下部配管１４を一体の配管で形成し、第１縦配管１１に第１流出入配管１５と第１突出部１８を形成し、第２縦配管１２に第２流出入配管１７と第２突出部３３を形成し、上部配管１３に蒸気流出配管１６を形成するようにしてもよい。この場合、部品点数を減少できるとともに、接合箇所を削減することができ、製造コストを削減するとともに、製造効率を向上できる。

また、本実施の形態１では、上部配管１３と下部配管１４に曲げを持たせるように構成したが、図１２に示すように、それらを水平に配置してもかまわない。
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。

また、第１突出部１８の流路形状や構造は任意であるが、その流路断面積を第１流出入配管１５の断面積と同等以上に設定することが好ましい。これにより、第１流出入配管１５を通過して第１縦配管１１の側面から吹出した気液二相状態の冷媒１９は、第１突出部１８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。

また、第１突出部１８の流路突出長さを、第１流出入配管１５を通過する流体の進行方向と直交する第２突出部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１突出部１８に冷媒液２１ａを保持し易くなり、第１流出入配管１５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１突出部１８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。
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。

また、図１３に示すように、第１突出部１８および第２突出部３３に、毛管力を有する構造３２を設けることで、冷媒液の保持力を高めてもよい。これにより、第１突出部１８または第２突出部３３における冷媒液２１ａの保持力が向上し、第１流出入配管１５または第２流出入配管１７から流入した気液二相状態の冷媒１９が第１突出部１８または第２突出部３３に衝突する際の衝撃力をより緩和することができる。したがって、冷媒液の乱れが抑制されて、気液分離効率をさらに向上することができる。
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、冷凍サイクルに使用する冷媒としては、Ｒ４１０Ａ等のフロン系冷媒の他に、自然冷媒である二酸化炭素や炭化水素等を用いてもよい。また、地球温暖化係数（ＧＷＰ：温室効果ガスである物質に対して地球の温暖化をもたらす程度を、二酸化炭素に係る当該程度に対する比を示す数値として国際的に認められた知見に基づき定められた係数）が低い冷媒であるテトラフルオロプロペンを用いてもよい。

なお、一般に、高圧冷媒である二酸化炭素を用いる場合、圧縮比が大きく、圧縮時の漏れにともない体積効率が低下する。このため、２段圧縮機を備え、実施の形態１に示した気液分離器５を搭載した２段圧縮冷凍サイクルを用いることにより、低段側と高段側の各圧縮機における圧縮比を小さくする。これにより、体積効率を改善することが可能となるため、冷房運転および暖房運転の成績係数を大幅に向上することができる。
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．
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。

また、図１５に示すように、第１突出部１８と第２突出部３３とを一体の配管で構成し、仕切り部材３７を用いずに、該一体の配管に絞り部３４を設けて仕切り、第１突出部１８と第２突出部３３を形成してもよい。このとき、絞り部３４に若干の隙間が空いていても、第１突出部１８または第２突出部３３に溜まった冷媒液のみが隙間を介して移動するようになるため、高い気液分離効率を確保することができる。この場合、仕切り部材３７が不要となり、気液分離器５をさらに低コスト化することができる。
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．
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．
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。

上部２分岐材２２の例としては、図１９に示すように、型押し加工して、２分岐部分が隣接するように加工したようなものとすることができる。また、下部接続材２３の例としては、図２０に示すように、型押し加工して、２箇所の接続部分が隣接するように加工したものとすることができる。この場合、上部２分岐材２２および下部接続材２３の隣接した２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とを挿入してロウ付けし、上部２分岐材２２の残りの穴に、蒸気流出配管１６を挿入してロウ付けすることで、気液分離器５を形成することが可能である。これにより、気液分離器５の製造を大幅に簡略化することができるとともに、低コスト化を実現できる。
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．
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、ここでは、第３縦配管３８を１本追加する場合を説明したが、第３縦配管３８を複数本追加し、それに併せて、上部多分岐材２４および下部多接続材２５の接続穴数を増加させるようにしてもよい。この場合、上部多分岐材２４で分岐される際の断面積、および、下部多接続材２５で分岐される際の断面積がさらに増加するため、気液分離器５の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．
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．
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。

板部材２９に穴あけ加工を実施する位置や、めくら部材２８を設置する位置は任意であり、実施の形態１から７で示したような気液分離器５の流路が形成できればよい。なお、上部配管１３、下部配管１４等に曲げを有する場合は、それらを直線に置き換えることで、穴あけ加工を可能にすることができる。
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。

ところで、上記実施の形態１から７に示した気液分離器５において、各流路の断面積は任意である。たとえば、図２５に示すように、流路断面積を各流路で変更するようにしてもかまわない。ただし、同一径の配管で気液分離器５を形成した方が、配管の種類を統一化できるため、部品管理がし易くなる。
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。

１圧縮機、２四方弁、３第１熱交換器、４第１減圧器、５気液分離器、６第２減圧器、７第２熱交換器、８流量調整弁、９バイパス配管、１０インジェクションポート、１１第１縦配管（第１の流路）、１２第２縦配管（第２の流路）、１３上部配管（上部連結部）、１４下部配管（下部連結部）、１５第１流出入配管（第１流出入流路）、１６蒸気流出配管（気相流体の流出流路）、１７第２流出入配管（第２流出入流路）、１８第１突出部、１９気液二相冷媒、２０冷媒蒸気、２１冷媒液、２２上部２分岐材、２３下部接続材、２４上部多分岐材、２５下部多接続材、２６第１板部材、２７第２板部材、２８めくら部材、２９板部材、３０ループ状配管、３１ブリッジ回路、３２毛管力構造、３３第２突出部、３４絞り部、３５第１冷媒配管、３６第２冷媒配管、３７仕切り部材、３８第３縦配管（第３の流路）、１１６２段圧縮機、１１７低段側圧縮機、１１８高段側圧縮機、１１９中間冷媒回路。

Claims

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。