JP2018179331A - 気液分離器、および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液相となっている際の比重が冷凍機油の比重よりも大きい冷媒の気液を分離する際に、液相冷媒から冷凍機油を適切に分離可能な気液分離器を提供する。【解決手段】通路断面積が一定の冷媒通路を形成する管状部材で形成された本体部１４０と、本体部１４０の一部を収容するケース部１４５とを備え、本体部１４０の下方側の端部に気相冷媒出口１４ｃを形成し、本体部１４０の螺旋状部１４１に複数の連通穴１４１ａを形成し、ケース部１４５に連通穴１４１ａから流出した液相冷媒を貯える貯液空間１４５ａおよび貯液空間１４５ａに貯えられた液相冷媒を流出させる液相冷媒出口１４ｂを形成する。さらに、冷媒流れ上流側に配置される連通穴１４１ａの合計開口面積を、冷媒流れ下流側に配置される連通穴１４１ａの合計開口面積よりも大きく設定することで、貯液空間１４５ａへ気相冷媒および冷凍機油が流出してしまうことを抑制する。【選択図】図２

Description

本発明は、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の気液分離器は、エジェクタから流出した冷媒の気液を分離する冷媒気液分離部に加えて油分離部を有している。油分離部は、冷媒気液分離部にて分離された液相冷媒から圧縮機を潤滑するための冷凍機油を分離する部位である。また、特許文献１では、冷媒気液分離部および油分離部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。

より具体的には、二重管のうち冷媒気液分離部を形成する部位では、内側管の螺旋の中心軸外周側に、内側管の内外を連通させる複数の連通穴を形成している。そして、遠心力の作用によって内側管を流通する冷媒の気液を分離し、分離された液相冷媒を冷凍機油とともに複数の連通穴を介して、内側管と外側管との間の空間によって形成される油分離部側へ流出させている。

また、二重管のうち油分離部を形成する部位では、重力の作用によって液相冷媒から冷凍機油を分離している。そして、外側管に設けられた液相冷媒出口から液相冷媒を蒸発器の入口側へ流出させている。さらに、冷媒気液分離部にて分離された気相冷媒については、油分離部にて分離された冷凍機油とともに、内側管の冷媒流れ最下流側に設けられた気相冷媒出口から圧縮機の吸入側へ流出させている。

特開２００７−３２２００１号公報

ところで、特許文献１のエジェクタ式冷凍サイクルでは、冷媒として、液相となっている際の比重が冷凍機油の比重よりも小さい二酸化炭素（ＣＯ₂）を採用している。このため、特許文献１の油分離部では、内側管と外側管との間の空間の下方側に冷凍機油を貯めている。そして、油分離部を形成する内側管の最下方部に、冷凍機油を気相冷媒側へ戻すオイル戻し穴を形成している。

このため、特許文献１の気液分離器を、液相となっている際の比重が冷凍機油の比重よりも大きい冷媒を循環させる冷凍サイクル装置に適用すると、油分離部で分離された冷凍機油を圧縮機の吸入側へ戻すことができなくなってしまい、圧縮機の耐久寿命に悪影響を与えてしまうおそれがある。

本発明は、上記点に鑑み、液相となっている際の比重が冷凍機油の比重よりも大きい冷媒の気液を分離する際に、液相冷媒から冷凍機油を適切に分離可能な気液分離器を提供することを目的とする。

また、本発明は、液相となっている際の比重が冷凍機油の比重よりも大きい冷媒の気液を分離する際に、液相冷媒から冷凍機油を適切に分離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。

本発明は、上記目的を達成するために案出されたもので、請求項１に記載の発明は、液相となっている際の比重が冷凍機油の比重よりも大きい冷媒を循環させる冷凍サイクル装置（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）と、本体部の少なくとも一部を収容するケース部（１４５）と、を備え、
本体部は、螺旋状に湾曲した螺旋状部（１４１）を有する管状部材で形成されて、遠心力の作用によって冷媒通路を流通する冷媒の気液を分離するものであり、本体部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、本体部の螺旋の中心軸外周側には、本体部の内外を連通させる複数の連通穴（１４１ａ）が形成されており、ケース部の内部には、連通穴から流出した液相冷媒を貯える貯液空間（１４５ａ）が形成されており、ケース部には、貯液空間に貯えられた液相冷媒を流出させる液相冷媒出口（１４ｂ）が設けられており、
本体部のうち連通穴が形成された範囲の中間部よりも冷媒流れ上流側に開口する連通穴の合計開口面積が、中間部よりも冷媒流れ下流側に開口する連通穴の合計開口面積よりも大きくなっている気液分離器である。

これによれば、液相冷媒の比重が冷凍機油の比重よりも大きいので、螺旋状部（１４１）の冷媒通路を流通する冷媒では、遠心力の作用によって螺旋の中心軸外周側に液相冷媒が分布しやすい。従って、本体部（１４０）にて分離された液相冷媒を、冷凍機油および気相冷媒に優先させて連通穴（１４１ａ）から貯液空間（１４５ａ）へ流出させることができる。

この際、中間部よりも冷媒流れ上流側に開口する連通穴（１４１ａ）の合計開口面積が、中間部よりも冷媒流れ下流側に開口する連通穴（１４１ａ）の合計開口面積よりも大きくなっているので、連通穴（１４１ａ）を介して気相冷媒および冷凍機油が貯液空間（１４５ａ）へ流出してしまうことを効果的に抑制することができる。

より詳細には、本体部（１４０）の連通穴（１４１ａ）が形成された範囲の冷媒通路のうち中間部よりも上流側では、比較的乾き度の低い冷媒が流通する。このため、螺旋の中心軸外周側に分布する液相冷媒の量も多くなる。

従って、中間部よりも冷媒流れ上流側に開口する連通穴（１４１ａ）の合計開口面積を比較的大きく設定しても、連通穴（１４１ａ）から気相冷媒および冷凍機油を流出させてしまうことなく、液相冷媒を流出させることができる。

さらに、本体部（１４０）の連通穴（１４１ａ）が形成された範囲の冷媒通路のうち中間部よりも下流側では、上流側の連通穴（１４１ａ）から液相冷媒が流出していくので、比較的乾き度の高い冷媒が流通する。このため、螺旋の中心軸外周側に分布する液相冷媒の量も少なくなる。

従って、中間部よりも冷媒流れ下流側に開口する連通穴（１４１ａ）の合計開口面積を比較的小さく設定しておくことで、連通穴（１４１ａ）から気相冷媒や冷凍機油を流出させてしまうことを抑制することができる。

その結果、貯液空間（１４５ａ）に貯えられた液相冷媒を液相冷媒出口（１４ｂ）から流出させることができる。さらに、貯液空間（１４５ａ）側へ流出しなかった気相冷媒および冷凍機油を気相冷媒出口（１４ｃ）から流出させることができる。

すなわち、請求項１に記載の発明によれば、液相となっている際の比重が冷凍機油の比重よりも大きい冷媒の気液を分離する際に、液相冷媒から冷凍機油を適切に分離可能な気液分離器を提供することができる。

また、請求項７に記載の発明は、冷凍機油が混入された冷媒を吸入して圧縮する圧縮機（１１）と、圧縮機から吐出された冷媒を放熱させる放熱器（１２）と、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、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（１３）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（１４）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（１５）と、を備え、
冷媒として、液相となっている際の比重が冷凍機油の比重よりも大きいものが採用されており、
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）、および本体部の少なくとも一部を収容するケース部（１４５）を有し、本体部は、螺旋状に湾曲した螺旋状部（１４１）を有する管状部材で形成されて、遠心力の作用によって冷媒通路を流通する冷媒の気液を分離するものであり、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、本体部の螺旋の中心軸外周側には、本体部の内外を連通させる複数の連通穴（１４１ａ）が形成されており、ケース部の内部には、連通穴から流出した液相冷媒を貯える貯液空間（１４５ａ）が形成されており、ケース部には、貯液空間に貯えられた液相冷媒を流出させる液相冷媒出口（１４ｂ）が設けられており、本体部のうち連通穴が設けられた範囲の中間部よりも冷媒流れ上流側に開口する連通穴の合計開口面積が、中間部よりも冷媒流れ下流側に開口する連通穴の合計開口面積よりも大きくなっている冷凍サイクル装置である。

これによれば、請求項１に記載の発明と同様に、気液分離器（１４）にて、冷媒の気液を分離する際に液相冷媒から冷凍機油を適切に分離することができる。

すなわち、請求項７に記載の発明によれば、液相となっている際の比重が冷凍機油の比重よりも大きい冷媒の気液を分離する際に、液相冷媒から冷凍機油を適切に分離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。そして、分離された冷凍機油を気相冷媒とともに圧縮機（１１）の吸入側へ戻すことで、圧縮機（１１）の保護を図ることができる。

さらに、蒸発器（１５）から流出した冷媒をエジェクタ（１３）に吸引させるサイクル構成の冷凍サイクル装置（１０）では、低負荷運転時等にエジェクタ（１３）の吸引能力が低下しやすい。従って、この種の冷凍サイクル装置（１０）において、気液分離器（１４）にて液相冷媒から冷凍機油を適切に分離できることは、蒸発器（１５）内に冷凍機油が滞留してしまうことを抑制できるという点で極めて有効である。

ここで、請求項に記載された本体部（１４０）のうち連通穴（１４１ａ）が設けられた範囲としては、本体部（１４０）のうち、冷媒流れ最上流側に配置された連通穴（１４１ａ）から冷媒流れ最下流側に配置された連通穴（１４１ａ）へ至る範囲と定義してもよい。

また、請求項に記載された液相冷媒出口（１４ｂ）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も含まれる。

また、請求項に記載された気相冷媒出口（１４ｃ）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も含まれる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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。

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１実施形態の気液分離器の本体部を示す外観斜視図である。 第２実施形態の気液分離器の本体部を示す外観斜視図である。 第３実施形態の気液分離器の本体部を示す外観斜視図である。

（第１実施形態）
図１〜図３を用いて、本発明の第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（具体的には、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。

この冷凍機油としては、液相冷媒に相溶性を有するＰＡＧオイル（ポリアルキレングリコールオイル）が採用されている。従って、本実施形態では、冷媒として液相となっている際の比重が冷凍機油の比重よりも大きいものが採用されている。

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、図３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、図２に示すように、本体部１４０およびケース部１４５を有している。

本体部１４０は、図３に示すように、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、螺旋状に湾曲した螺旋状部１４１、円筒状に形成された下流側円筒部１４３に大別される。

螺旋状部１４１は、内部に形成された冷媒通路を流通する冷媒に遠心力を作用させることによって、冷媒の気液を分離する機能を果たす部位である。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。さらに、螺旋状部１４１の螺旋の中心軸外周側には、螺旋状部１４１の内外を連通させる複数（本実施形態では、８個）の連通穴１４１ａが形成されている。

連通穴１４１ａは、螺旋状部１４１内で分離された液相冷媒を螺旋状部１４１の外部（具体的には、後述する貯液空間１４５ａ）へ流出させるための液戻し穴である。それぞれの連通穴１４１ａは、円形状に形成されている。それぞれの連通穴１４１ａの中心は、螺旋の中心軸方向から見たときに、螺旋の中心軸周りに等角度間隔で配置されている。

さらに、本実施形態では、隣り合う連通穴１４１ａのうち冷媒流れ下流側に配置された連通穴１４１ａの開口面積が、冷媒流れ上流側に配置された連通穴１４１ａの開口面積以下に設定されている。これにより、螺旋状部１４１のうち連通穴１４１ａが形成された範囲の中間部よりも冷媒流れ上流側に開口する連通穴１４１ａの合計開口面積が、中間部よりも冷媒流れ下流側に開口する連通穴の合計開口面積よりも大きくなっている。

ここで、本体部１４０のうち複数の連通穴１４１ａが形成された範囲とは、螺旋状部１４１のうち冷媒流れ最上流側に配置された連通穴１４１ａから冷媒流れ最下流側に配置された連通穴１４１ａへ至る範囲と定義することができる。さらに、中間部とは、当該範囲における冷媒流れ方向の中間部である。

さらに、図３からも理解されるように、複数の連通穴１４１ａは、螺旋状部１４１の４巻き目（すなわち、冷媒流れ最下流側の１巻き）に形成されている。このため、全ての連通穴１４１ａは、上流側円筒部１４２に設けられた冷媒入口１４ａよりも、下流側円筒部１４３に設けられた気相冷媒出口１４ｃの近くに配置されている。

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。

次に、ケース部１４５は、図２に示すように、本体部１４０の少なくとも一部を収容する金属製（本実施形態では、アルミニウム製）の容器構造のものである。ケース部１４５の内部には、本体部１４０の一部を収容するとともに、螺旋状部１４１に形成された複数の連通穴１４１ａから流出した液相冷媒を貯える貯液空間１４５ａが形成されている。

貯液空間１４５ａは、円柱状の空間であり、貯液空間１４５ａの中心軸と螺旋状部１４１の螺旋の中心軸は、同軸上に配置されている。さらに、気液分離器１４は、貯液空間１４５ａの中心軸および螺旋状部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。

そして、本体部１４０の上流側円筒部１４２は、ケース部１４５の上方側の側面から突出して冷媒入口１４ａを開口させている。本体部１４０の下流側円筒部１４３は、ケース部１４５の下方側の側面から突出して気相冷媒出口１４ｃを開口させている。従って、気相冷媒出口１４ｃは、冷媒入口１４ａよりも下方側で開口している。

さらに、ケース部１４５の貯液空間１４５ａの底面であって、貯液空間１４５ａの最下方部を形成する部位には、液相冷媒出口１４ｂが形成されている。このため、液相冷媒出口１４ｂは、貯液空間１４５ａ内に貯えられた液相冷媒の液面よりも下方側で開口している。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。螺旋状部１４１で分離された液相冷媒は、連通穴１４１ａを介して、ケース部１４５の貯液空間１４５ａ内へ流入する。貯液空間１４５ａに貯えられた液相冷媒は、液相冷媒出口１４ｂから流出する。また、螺旋状部１４１で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。

さらに、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル１０では、液相となっている際の比重が冷凍機油の比重よりも大きい冷媒を採用している。従って、気液分離器１４の螺旋状部１４１の冷媒通路を流通する冷媒では、遠心力の作用によって螺旋の中心軸外周側に液相冷媒が分布しやすい。

これにより、螺旋状部１４１の冷媒通路内で分離された液相冷媒を、冷凍機油および気相冷媒に優先させて連通穴１４１ａから貯液空間１４５ａへ流出させることができる。このことは、液相冷媒と冷凍機油が互いに相溶性を有していても同様である。つまり、相溶性を有していても、遠心力の作用によって冷媒機油よりも液相冷媒の方が螺旋の中心軸外周側に分布しやすい。

この際、本実施形態の気液分離器１４では、中間部よりも冷媒流れ上流側に開口する連通穴１４１ａの合計開口面積が、中間部よりも冷媒流れ下流側に開口する連通穴の合計開口面積よりも大きくなっているので、連通穴１４１ａを介して気相冷媒や冷凍機油が流出してしまうことを効果的に抑制することができる。

より詳細には、本体部１４０の連通穴１４１ａが形成された範囲の冷媒通路のうち中間部よりも上流側では、比較的乾き度の低い冷媒が流通する。このため、螺旋の中心軸外周側に分布する液相冷媒の量も多くなる。従って、中間部よりも冷媒流れ上流側に開口する連通穴１４１ａの合計開口面積を比較的大きく設定しても、連通穴１４１ａから気相冷媒および冷凍機油を流出させてしまうことなく、液相冷媒を流出させることができる。

さらに、本体部１４０の連通穴１４１ａが形成された範囲の冷媒通路のうち中間部よりも下流側では、中間部よりも冷媒流れ上流側に配置された連通穴１４１ａから液相冷媒が流出していくので、比較的乾き度の高い冷媒が流通する。このため、螺旋の中心軸外周側に分布する液相冷媒の量も少なくなる。

従って、中間部よりも冷媒流れ下流側に開口する連通穴１４１ａの合計開口面積を比較的小さく設定しておくことで、連通穴１４１ａから気相冷媒や冷凍機油を流出させてしまうことを抑制することができる。その結果、貯液空間１４５ａに貯えられた液相冷媒を液相冷媒出口１４ｂから流出させることができる。さらに、貯液空間１４５ａ側へ流出しなかった気相冷媒および冷凍機油を気相冷媒出口１４ｃから流出させることができる。

すなわち、本実施形態の気液分離器１４によれば、液相となっている際の比重が冷凍機油の比重よりも大きい冷媒の気液を分離する際に、液相冷媒から冷凍機油を適切に分離することができる。さらに、適切に分離された冷凍機油を気相冷媒とともに圧縮機１１の吸入側へ戻すことができるので、圧縮機１１の保護を図ることができる。

また、本実施形態の気液分離器１４では、液相冷媒出口１４ｂがケース部１４５の貯液空間１４５ａの底面を形成する部位に開口しているので、貯液空間１４５ａ内の気相冷媒が、液相冷媒に巻き込まれて、液相冷媒とともに液相冷媒出口１４ｂから流出してしまう、いわゆる気相冷媒の噛み込みの発生を抑制することができる。

気相冷媒の噛み込みは、貯液空間１４５ａ内の圧力変動を招く原因となる。従って、気相冷媒の噛み込みの発生を抑制できることは、気液分離器１４の気液分離性能を安定化させることができる点で有効である。

また、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル１０のように、蒸発器１５から流出した冷媒をエジェクタ１３に吸引させるサイクル構成では、低負荷運転時等にエジェクタ１３の吸引能力が低下しやすい。このため、エジェクタ式冷凍サイクル１０では、気液分離器１４にて液相冷媒から冷凍機油を適切に分離できることは、蒸発器１５内に冷凍機油が滞留してしまうことを抑制できるという点で極めて有効である。

また、前述したエジェクタ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低減させることが望ましい。

これに対して、本実施形態の気液分離器１４では、上流側円筒部１４２の冷媒入口１４ａが、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。従って、ディフューザ部１３ｄから流出した冷媒を螺旋状部１４１へ滑らかに流入させることができ、冷媒を流入させる際に生じる圧力損失を低減させることができる。

さらに、気相冷媒出口１４ｃの気相冷媒出口１４ｃが、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。従って、螺旋状部１４１から冷媒を滑らかに流出させることができ、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圧力損失が生じてしまうことを抑制することができる。従って、本実施形態の気液分離器１４によれば、冷媒に生じる圧力損失を低減させて、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、螺旋状部１４１を有しているので、螺旋状部１４１のうち複数の連通穴１４１ａが形成さえた部位よりも上流側の巻き数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。

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、全ての連通穴１４１ａ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、連通穴１４１ａ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、複数の連通穴１４１ａの開口面積を変化させた例を説明したが、本実施形態では、図４に示すように、隣り合う前記連通穴同士の間隔を変化させることによって、中間部よりも冷媒流れ上流側に開口する連通穴１４１ａの合計開口面積を、中間部よりも冷媒流れ下流側に開口する連通穴の合計開口面積よりも大きくした例を説明する。

なお、図４は、第１実施形態で説明した図３に対応する図面であって、図４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。このことは、以下の図面でも同様である。

より具体的には、本実施形態では、複数の連通穴の１４１ａの開口面積を全て同一に設定している。また、複数の連通穴１４１ａの中心は、螺旋の中心軸方向から見たときに、螺旋の中心軸周りに等角度間隔に配置されていない。そして、隣り合う連通穴１４１ａ同士の間隔が、冷媒流れ下流側に配置されたものほど広くなっている。

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、液相となっている際の比重が冷凍機油の比重よりも大きい冷媒の気液を分離する際に、液相冷媒から冷凍機油を適切に分離することができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１実施形態の気液分離器１４に対して、図５に示すように、ガス戻し管１４６を追加した例を説明する。ガス戻し管１４６は、貯液空間１４５ａ内の気相冷媒を本体部１４０の冷媒通路内に戻すための管状部材である。ガス戻し管１４６は、本体部１４０と同種の金属で形成されている。

本実施形態のガス戻し管１４６は、本体部１４０の螺旋状部１４１の下流側（すなわち、下流側円筒部１４３）に接続されている。ガス戻し管１４６は、中心軸が鉛直方向に延びるように配置されている。このため、ガス戻し管１４６のガス入口１４６ａは、全ての連通穴１４１ａよりも上方側で開口している。

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、液相となっている際の比重が冷凍機油の比重よりも大きい冷媒の気液を分離する際に、液相冷媒から冷凍機油を適切に分離することができる。

さらに、本実施形態の気液分離器１４では、本体部１４０（具体的には、下流側円筒部１４３）にガス戻し管１４６が接続されているので、第１実施形態で説明した気相冷媒の噛み込みが生じてしまうことを効果的に抑制することができる。また、ガス入口１４６ａが連通穴１４１ａよりも上方側で開口しているので、連通穴１４１ａから流出した液相冷媒が再びガス戻し管１４６へ流入してしまうことを抑制することができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明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）複数の連通穴１４１ａの開口形状、数量、配置等は、上述の実施形態に開示されたものに限定されない。すなわち、中間部よりも冷媒流れ上流側に開口する連通穴１４１ａの合計開口面積を、中間部よりも冷媒流れ下流側に開口する連通穴１４１ａの合計開口面積よりも大きくすることができれば、複数の連通穴１４１ａの開口形状、数量、配置等は、適宜変更することができる。

また、上述の実施形態では、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の中心線についても同様である。

（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。液相となっている際の比重が冷凍機油の比重よりも大きい冷媒であれば、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。

（３）上述の各実施形態では、本発明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。

（４）また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。例えば、第３実施形態で説明したガス戻し管１４６を、第２実施形態で説明した本体部１４０に接続してもよい。

さらに、本体部１４０のうち複数の連通穴１４１ａが形成された範囲の中間部よりも冷媒流れ上流側に開口する連通穴１４１ａの合計開口面積が、中間部よりも冷媒流れ下流側に開口する連通穴１４１ａの合計開口面積よりも大きくなっていれば、連通穴１４１ａの形状および数量は上述の実施形態に開示されたものに限定されない。

１０ エジェクタ式冷凍サイクル
１４ 気液分離器
１４０ 本体部
１４ａ 冷媒入口
１４ｂ 液相冷媒出口
１４ｃ 気相冷媒出口
１４１ 連通穴
１４５ ケース部
１４５ａ 貯液空間

Claims (7)

1. 液相となっている際の比重が冷凍機油の比重よりも大きい冷媒を循環させる冷凍サイクル装置（１０）に適用されて、前記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）と、
   前記本体部の少なくとも一部を収容するケース部（１４５）と、を備え、
   前記本体部は、螺旋状に湾曲した螺旋状部（１４１）を有する管状部材で形成されて、遠心力の作用によって前記冷媒通路を流通する前記冷媒の気液を分離するものであり、
   前記本体部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、
   前記本体部の螺旋の中心軸外周側には、前記本体部の内外を連通させる複数の連通穴（１４１ａ）が形成されており、
   前記ケース部の内部には、前記連通穴から流出した液相冷媒を貯える貯液空間（１４５ａ）が形成されており、
   前記ケース部には、前記貯液空間に貯えられた液相冷媒を流出させる液相冷媒出口（１４ｂ）が設けられており、
   前記本体部のうち前記複数の連通穴が形成された範囲の中間部よりも冷媒流れ上流側に開口する連通穴の合計開口面積が、前記中間部よりも冷媒流れ下流側に開口する連通穴の合計開口面積よりも大きくなっている気液分離器。
2. 隣り合う前記連通穴のうち冷媒流れ下流側に配置された連通穴の開口面積が、冷媒流れ上流側に配置された連通穴の開口面積よりも小さくなっている請求項１に記載の気液分離器。
3. 隣り合う前記連通穴同士の間隔が、冷媒流れ下流側に配置されたものほど広くなっている請求項１に記載の気液分離器。
4. 前記液相冷媒出口は、前記ケース部のうち前記貯液空間の底面を形成する部位に開口している請求項１ないし３のいずれか１つに記載の気液分離器。
5. 前記本体部には、前記貯液空間内の気相冷媒を流入させるガス戻し管（１６４）が接続されている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の気液分離器。
6. 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５のいずれか１つに記載の気液分離器。
7. 冷凍機油が混入された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、
   前記冷媒として、液相となっている際の比重が前記冷凍機油の比重よりも大きいものが採用されており、
   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）、および前記本体部の少なくとも一部を収容するケース部（１４５）を有し、
   前記本体部は、螺旋状に湾曲した螺旋状部（１４１）を有する管状部材で形成されて、遠心力の作用によって前記冷媒通路を流通する前記冷媒の気液を分離するものであり、
   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、
   前記本体部の螺旋の中心軸外周側には、前記本体部の内外を連通させる複数の連通穴（１４１ａ）が形成されており、
   前記ケース部の内部には、前記連通穴から流出した液相冷媒を貯える貯液空間（１４５ａ）が形成されており、
   前記ケース部には、前記貯液空間に貯えられた液相冷媒を流出させる液相冷媒出口（１４ｂ）が設けられており、
   前記本体部のうち前記複数の連通穴が形成された範囲の中間部よりも冷媒流れ上流側に開口する連通穴の合計開口面積が、前記中間部よりも冷媒流れ下流側に開口する連通穴の合計開口面積よりも大きくなっている冷凍サイクル装置。

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