JP7130838B2 - 気液分離装置および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、気液分離装置および冷凍サイクル装置に関するものである。

従来、一般的な空気調和装置、冷凍装置等の駆動源として使用される圧縮機では、圧縮された高圧冷媒ガスとともに圧縮機内部を潤滑する油が圧縮機外へ排出される。この結果、油切れにより圧縮機の摺動部に焼付きが生じることがある。そこで、圧縮機から吐出された油含有冷媒から油を分離して圧縮機へ返油するために、油分離器が用いられる。この油分離器では、気体状の冷媒と液体状の油とが分離される。つまり、気体と液体とが混在する気液二相流が気体と液体とに分離される。

気液二相流を気体と液体とに分離する気液分離装置は、油分離器に限らず、様々な装置に用いられている。たとえば、実開平６－３４７２１号公報（特許文献１）には、空気流に含まれた塗料ミストを空気流から分離して回収する回収装置が記載されている。この回収装置では、筒状の空洞体の内部で左右に延びる軸を中心に堰板によって螺旋状に空気流路が構成されている。空洞体の入り口から空洞体内に流れ込んだ塗料ミストを含む空気流は、螺旋状の空気流路を通過する際に、空気流と塗料ミストとに分離される。空気流はフィルターを通過して空洞体の出口から排出され、塗料ミストは空洞体のドレン口から排出される。

実開平６－３４７２１号公報

上記公報に記載された回収装置では、水平に延びる軸を中心に堰板によって螺旋状に空気流路が構成されているため、空気流から分離された塗料ミストが空洞体内において下から上に巻き上げられる。したがって、分離された塗料ミストが再び空気流に巻き込まれるため、分離効率が低下する。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は気体と液体との分離効率を向上させることができる気液分離装置を提供することである。

本発明の気液分離装置は、気液二相流体を気体と液体とに分離するものである。気液分離装置は、容器と、流入管と、液体排出管と、気体排出管と、旋回羽根とを備えている。容器は、上下に延びる中心軸に沿って延在し、かつ中心軸を取り囲む内壁面を有する。流入管は、容器内に気液二相流体を流入させる流入口を有する。液体排出管は、気液二相流体から分離された液体を容器から排出する液体排出口を有する。気体排出管は、気液二相流体から分離された気体を容器から排出する気体排出口を有する。旋回羽根は、容器内に配置されている。流入管の流入口は、旋回羽根の上方に配置されている。液体排出管の液体排出口は、旋回羽根の下方に配置されている。気体排出管の気体排出口は、旋回羽根の下方であり、かつ液体排出口よりも上方に配置されている。旋回羽根は、軸および複数の螺旋状板を含んでいる。軸は中心軸に沿う方向から見て旋回羽根の中心に対して偏心する。複数の螺旋状板は、軸に沿って螺旋状に延在する。複数の螺旋状板の各々は、軸から容器の内壁面に向けて延在している。軸の下端は、中心軸に沿う方向から見て気体排出口からずれるように配置されている。

本発明の気液分離器は、旋回羽根の軸に沿って螺旋状に延在する複数の螺旋状板により気液二相流体に旋回流が発生する。この旋回流の旋回力により、気液二相流体から液体が分離されるとともに、分離された液体の巻き上げが抑制される。これにより、気体と液体との分離効率を向上させることができる。さらに、旋回羽根の軸の下端は、容器の中心軸に沿う方向から見て気体排出口からずれるように配置されているため、軸に留まった液体が気体排出口に入ることが抑制される。これにより、気体と液体との分離効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る気液分離装置を備えた冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１に係る気液分離装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る気液分離装置の旋回羽根が容器内に配置された構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る気液分離装置の旋回羽根を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る気液分離装置の旋回羽根の軸および複数の螺旋状板を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る気液分離装置の旋回羽根の軸および複数の螺旋状板を示す上面図である。 本発明の実施の形態１に係る気液分離装置の旋回羽根の概念図である。 本発明の実施の形態１に係る気液分離装置内での気体と液体とが分離される様子を説明するための断面図である。 比較例の気液分離装置を示す断面図である。 比較例の気液分離装置の容器の流路を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る気液分離装置の容器の流路を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る気液分離装置の変形例１の旋回羽根が容器内に配置された構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る気液分離装置の変形例１の旋回羽根を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る気液分離装置の変形例１の旋回羽根の軸および複数の螺旋状板を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る気液分離装置の変形例１の旋回羽根の軸および複数の螺旋状板を示す上面図である。 本発明の実施の形態１に係る気液分離装置の変形例２を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る気液分離装置の旋回羽根が容器内に配置された構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る気液分離装置の旋回羽根を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る気液分離装置の変形例の旋回羽根が容器内に配置された構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る気液分離装置の変形例の旋回羽根を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下においては、同一または相当する部材および部位に同一の符号を付し、重複する説明は繰り返さない。

実施の形態１．
まず、図１を参照して、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の冷媒回路図である。本実施の形態における冷凍サイクル装置１００は、たとえば空気調和装置などである。また、気液分離装置１０の一例として油分離器について説明する。

図１に示されるように、本実施の形態における冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１と、四方弁２と、室外熱交換器３と、流量調整弁４と、室内熱交換器５と、気液分離装置（油分離器）１０とを主に備えている。圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、流量調整弁４、室内熱交換器５および気液分離装置１０は配管によって繋がっている。このようにして冷凍サイクル装置１００の冷媒回路が構成されている。室外機ユニット１００ａ内に、圧縮機１と、四方弁２と、室外熱交換器３と、流量調整弁４と、気液分離装置１０とが配置されている。室内機ユニット１００ｂ内に、室内熱交換器５が配置されている。室外機ユニット１００ａと、室内機ユニット１００ｂとは延長配管６ａ，６ｂで接続されている。

圧縮機１は、吸入した冷媒を圧縮して吐出するように構成されている。圧縮機１は、室外熱交換器３または室内熱交換器５に流入する冷媒を圧縮するように構成されている。圧縮機１は、圧縮容量が一定の一定速圧縮機であってもよく、また圧縮容量が可変のインバーター圧縮機であってもよい。このインバーター圧縮機は、回転数を可変に制御可能に構成されている。

四方弁２は、冷媒の流れを切り替えるように構成されている。具体的には、四方弁２は、暖房運転時と冷房運転時とによって、室外熱交換器３または室内熱交換器５への冷媒の流れを切り替えるように構成されている。

室外熱交換器３は、四方弁２と、流量調整弁４とに接続されている。室外熱交換器３は、冷房運転時、圧縮機１により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器となる。また、室外熱交換器３は、暖房運転時、流量調整弁４により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器となる。室外熱交換器３は冷媒と空気との熱交換を行うためのものである。室外熱交換器３は、たとえば冷媒が内側を流れるパイプ（伝熱管）と、パイプの外側に取り付けられたフィンとを備えている。

流量調整弁４は、室外熱交換器３と、室内熱交換器５とに接続されている。流量調整弁４は、冷房運転時、室外熱交換器３により凝縮された冷媒を減圧する絞り装置となる。また、流量調整弁４は、暖房運転時、室内熱交換器５により凝縮された冷媒を減圧する絞り装置となる。流量調整弁４は、たとえば、キャピラリーチューブ、電子膨張弁等である。

室内熱交換器５は、四方弁２と、流量調整弁４とに接続されている。室内熱交換器５は、冷房運転時、流量調整弁４により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器となる。また、室内熱交換器５は、暖房運転時、圧縮機１により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器となる。室内熱交換器５は冷媒と空気との熱交換を行うためのものである。室内熱交換器５、たとえば冷媒が内側を流れるパイプ（伝熱管）と、パイプの外側に取り付けられたフィンとを備えている。

気液分離装置１０は、圧縮機１の吐出管の下流側に接続されている。気液分離装置１０は、気液二相流体を気体と液体とに分離するように構成されている。本実施の形態では、気液分離装置１０としての油分離器は、圧縮機１から吐出された油含有冷媒から油を分離するように構成されている。また、気液分離装置１０としての油分離器は、油含有冷媒から分離された油を圧縮機１に返すように、圧縮機１の吸入管の上流側に接続されている。

続いて、図２～図７を参照して、本実施の形態に係る気液分離装置１０の構成について詳しく説明する。

図２は、本実施の形態に係る気液分離装置１０の構成を概略的に示す断面図である。図２に示されるように、本実施の形態に係る気液分離装置１０は、容器１１と、流入管１２と、液体排出管１３と、気体排出管１４と、旋回羽根１５とを有している。本実施の形態に係る気液分離装置１０では、旋回下降流による分離方式が用いられている。また、本実施の形態に係る気液分離装置１０は、流入部１０ａと、分離部１０ｂと、助走区間１０ｃ１と、遷移部１０ｃ２と、集液部（集油部）１０ｄとを有している。

流入部１０ａは、気液分離装置１０に気液二相流体が流入する部分である。流入部１０ａは、流入管１２によって構成されている。分離部１０ｂは、気液二相流体を気体と液体とに分離する部分である。分離部１０ｂは、容器１１の上部および旋回羽根１５により構成されている。助走区間１０ｃ１は、気体排出管１４と旋回羽根１５との間の区間である。助走区間１０ｃ１は、遷移部１０ｃ２に設けられている。遷移部１０ｃ２は、分離され気体が気体排出管１４から排出される部分である。遷移部１０ｃ２は、容器１１の中央部および気体排出管１４の上部により構成されている。集液部（集油部）１０ｄは、分離された液体を集める部分である。集液部（集油部）１０ｄは、容器１１の下部および気体排出管１４の中央部により構成されている。集液部（集油部）１０ｄに液体排出管１３が接続されている。

容器１１は、上下に延びる中心軸ＣＬに沿って延在している。容器１１の中心軸ＣＬは、上下方向に延びている。容器１１は、内部空間を有している。容器１１は、中心軸ＣＬを取り囲む内壁面ＩＳを有する。容器１１の内壁面ＩＳは、中心軸ＣＬに直交する断面が円形状となるように構成されている。容器１１は、分離部１０ｂと遷移部１０ｃ２との径（内径および外径）が等しくなるように構成されており、遷移部１０ｃ２よりも集液部（集油部）１０ｄの径が大きくなるように構成されている。

流入管１２は、図１に示される圧縮機１の吐出側に接続されている。流入管１２は、容器１１の上端に接続されている。流入管１２は、容器１１の中心軸ＣＬと同軸上に配置されている。流入管１２は、容器１１の天井部を貫通している。流入管１２は、容器１１内に気液二相流体を流入させるように構成されている。流入管１２は、容器１１内に気液二相流体を流入させる流入口１２ａを有している。本実施の形態では、流入管１２は、容器１１内に油含有冷媒を流入させるように構成されている。流入管１２の流入口１２ａは旋回羽根１５の上方に配置されている。

液体排出管１３は、図１に示される油戻し管２０に接続されている。液体排出管１３は、容器１１の下端に接続されている。液体排出管１３は容器１１の中心軸ＣＬと異なる位置に配置されている。液体排出管１３は、容器１１の底部を貫通している。液体排出管１３は、気液二相流体から分離された液体を容器１１から排出するように構成されている。液体排出管１３は、気液二相流体から分離された液体を容器１１から排出する液体排出口１３ａを有している。本実施の形態では、液体排出管１３は、油含有冷媒から分離された油を容器１１から排出するように構成されている。液体排出管１３の液体排出口１３ａは旋回羽根１５の下方に配置されている。

気体排出管１４は、図１に示される四方弁２に接続されている。気体排出管１４は、容器１１の下側に接続されている。気体排出管１４は、容器１１の中心軸ＣＬと同軸上に配置されている。気体排出管１４は、容器１１の底部を貫通している。気体排出管１４は、気液二相流体から分離された気体を容器１１から排出する気体排出口１４ａを有している。本実施の形態では、気体排出管１４は、油含有冷媒から油が分離された冷媒を容器１１から排出するように構成されている。気体排出口１４ａは、中心軸ＣＬに重なるように配置されている。

気体排出管１４の気体排出口１４ａは、旋回羽根１５の下方であり、かつ液体排出口１３ａよりも上方に配置されている。つまり、気体排出管１４の気体排出口１４ａは、上下方向において旋回羽根１５と液体排出口１３ａとの間に配置されている。気体排出口１４ａは、容器１１内に配置された気体排出管１４の先端に設けられている。気体排出口１４ａは、旋回羽根１５の真下に配置されている。気体排出口１４ａは、上下方向において旋回羽根１５との間に助走区間１０ｃ１をあけて配置されている。気体排出管１４は、容器１１の内径よりも小さい外径を有している。

旋回羽根１５は、気液二相流体を旋回させながら上方から下方へ流すように構成されている。旋回羽根１５は、旋回流を発生させるように構成されている。旋回羽根１５は、旋回流の旋回力によって気液二相流体から分離された液体を内壁面ＩＳに沿って周回させながら上方から下方へ流すように構成されている。旋回羽根１５は、容器１１内に配置されている。旋回羽根１５は、容器１１内部の上側に配置されている。旋回羽根１５は、流入管１２の流入口１２ａの真下に配置されている。

図３は、旋回羽根１５が容器１１内に配置された構成を概略的に示す斜視図である。なお、説明の便宜のため、図３では、容器１１の旋回羽根１５よりも上側および下側の部分は記載されていない。

図２および図３に示されるように、旋回羽根１５は、軸１５ａと、複数の螺旋状板１５ｂとを有している。軸１５ａは、複数の螺旋状板１５ｂが軸１５ａを介して交差するように構成されている。軸１５ａの下端は、中心軸ＣＬに沿う方向から見て気体排出口１４ａからずれるように配置されている。つまり、軸１５ａの下端は、中心軸ＣＬに沿う方向から見て気体排出口１４ａと重ならないように配置されている。

図４は、旋回羽根１５の構成を概略的に示す斜視図である。図３および図４に示されるように、複数の螺旋状板１５ｂの各々は、軸１５ａに接続されている。複数の螺旋状板１５ｂは、互いに交差するように軸１５ａに接続されている。複数の螺旋状板１５ｂの各々は、気液二相流体に対し旋回力を発生させるように構成されている。複数の螺旋状板１５ｂの各々は、軸１５ａに沿って螺旋状に延在している。複数の螺旋状板１５ｂの各々は、軸１５ａから容器１１の内壁面ＩＳに向けて延在している。複数の螺旋状板１５ｂの各々は、中心軸ＣＬに沿う方向から見て直線状に構成されている。本実施の形態では、旋回羽根１５は、６枚の螺旋状板１５ｂを有している。なお、旋回羽根１５の螺旋状板１５ｂの枚数は、６枚に限定されない。

図５は、旋回羽根１５の軸１５ａおよび複数の螺旋状板１５ｂの構成を概略的に示す斜視図である。図６は、旋回羽根１５の軸１５ａおよび複数の螺旋状板１５ｂの構成を概略的に示す上面図である。図５および図６では、軸１５ａおよび複数の螺旋状板１５ｂの後ろに隠れて見えない部分が破線で示されている。

図５および図６に示されるように、軸１５ａは、中心軸ＣＬに沿う方向から見て旋回羽根１５の中心ＣＰに対して偏心するように構成されている。旋回羽根１５の中心ＣＰは、上方から下方に向けて旋回羽根１５を見たときに旋回羽根１５の図心に位置している。本実施の形態では、旋回羽根１５の中心ＣＰは、容器１１の中心軸ＣＬに位置している。軸１５ａは、中心軸ＣＬに沿って螺旋状に延在するように構成されている。

複数の螺旋状板１５ｂの各々の外周端は、容器１１の内壁面ＩＳに接している。したがて、中心軸ＣＬに沿って上方から下方に向けて旋回羽根１５を見たときに、複数の螺旋状板１５ｂの外周端と容器１１の内壁面ＩＳとの間に隙間がない。

複数の螺旋状板１５ｂの各々は、３６０度を複数の螺旋状板１５ｂの枚数で除した角度以上でねじれるように構成されている。つまり、中心軸ＣＬに沿って上方から下方に向けて旋回羽根１５を見たときに、複数の螺旋状板１５ｂの各々は、３６０度を複数の螺旋状板１５ｂの枚数で除した角度以上にねじれるように構成されている。中心軸ＣＬに沿って上方から下方に向けて旋回羽根１５を見たときに、旋回羽根１５は一端部から他端部が見えないように構成されている。

本実施の形態では、軸１５ａは、中心軸ＣＬを中心として１８０度の回転角度で螺旋状にねじれるように構成されている。複数の螺旋状板１５ｂの各々は、中心軸ＣＬを中心として１８０度の回転角度で螺旋状にねじれるように構成されている。

中心軸ＣＬに沿う方向から見て、互いに隣り合う螺旋状板１５ｂ同士の軸１５ａを介して向かい合う角度は鋭角となる。中心軸ＣＬに沿う方向から見て、複数の螺旋状板１５ｂは、旋回羽根１５の中心ＣＰを通って一直線上に並ぶ２つの螺旋状板１５ｂを対称軸として、線対称に配置されている。

容器１１は、第１流路Ｆ１、第２流路Ｆ２、第３流路Ｆ３、第４流路Ｆ４、第５流路Ｆ５および第６流路Ｆ６を有している。第１流路Ｆ１、第２流路Ｆ２、第３流路Ｆ３、第４流路Ｆ４、第５流路Ｆ５および第６流路Ｆ６は、複数の螺旋状板１５ｂの各々によって区切られている。第１流路Ｆ１、第２流路Ｆ２、第３流路Ｆ３、第４流路Ｆ４、第５流路Ｆ５および第６流路Ｆ６は、旋回羽根１５の軸１５ａを中心として反時計回りに順に並んで配置されている。各流路は、旋回羽根１５の中心ＣＰを通って一直線上に並ぶ２つの螺旋状板１５ｂを対称軸として線対称に配置されている。つまり、第１流路Ｆ１と第６流路Ｆ６とが線対称に配置されており、第２流路Ｆ２と第５流路Ｆ５とが線対称に配置されており、第３流路Ｆ３と第４流路Ｆ４とが線対称に配置されている。

第１流路Ｆ１は、第２流路Ｆ２よりも大きな流路面積を有している。第２流路Ｆ２は、第３流路Ｆ３よりも大きな流路面積を有している。第６流路Ｆ６は、第５流路Ｆ５よりも大きな流路面積を有している。第５流路Ｆ５は、第４流路Ｆ４よりも大きな流路面積を有している。第１流路Ｆ１は、第６流路Ｆ６と同じ流路面積を有している。第２流路Ｆ２は、第５流路Ｆ５と同じ流路面積を有している。第３流路Ｆ３は、第４流路Ｆ４と同じ流路面積を有している。この流路面積は、中心軸ＣＬに沿う方向から見たときの各流路の面積であり、中心軸ＣＬに直交する断面における各流路の面積である。

図７は、本実施の形態に係る旋回羽根１５の概念図である。図５に示されるように、旋回羽根１５は、断面形状１０１が螺旋状の軌跡１０２を通過したときに断面形状１０１と軌跡１０２とによって描かれた形状で構成されている。断面形状１０１の内部の主交差部１０３は、軌跡１０２の中心に対して偏心している。主交差部１０３は、断面形状１０１において軸１５ａと複数の螺旋状板１５ｂとが交差する部分である。軌跡１０２の中心は、図７中ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の中心である。このｘ軸は旋回羽根１５の前後方向に対応し、このｙ軸は旋回羽根１５の左右方向に対応し、このｚ軸は旋回羽根１５の上下方向に対応する。

図５および図７に示されるように、旋回羽根１５の中心軸ＣＬに直交する断面形状１０１は、いずれの断面における断面形状１０１も中心軸ＣＬを中心に回転したときに相似となる。つまり、旋回羽根１５の中心軸ＣＬに直交する断面形状１０１は、いずれの断面においても、相似形状となる。

次に、再び図１を参照して、本実施の形態における冷凍サイクル装置１００の動作について説明する。図中実線矢印により冷房運転時の冷媒流れが示され、図中破線矢印により暖房運転時の冷媒流れが示されている。

本実施の形態の冷凍サイクル装置１００は、冷房運転と暖房運転とを選択的に行うことが可能である。冷房運転においては、圧縮機１、気液分離装置（油分離器）１０、四方弁２、室外熱交換器３、流量調整弁４、室内熱交換器５の順に冷媒が冷媒回路を循環する。冷房運転においては、室外熱交換器３は凝縮器として機能し、室内熱交換器５は蒸発器として機能する。暖房運転においては、圧縮機１、気液分離装置１０、四方弁２、室内熱交換器５、流量調整弁４、室外熱交換器３の順に冷媒が冷媒回路を循環する。暖房運転においては、室内熱交換器５は凝縮器として機能し、室外熱交換器３は蒸発器として機能する。

さらに、冷房運転について詳しく説明する。圧縮機１が駆動することによって、圧縮機１から高温高圧のガス状態の冷媒が吐出される。この冷媒には圧縮機内部を潤滑する油が含有されている。つまり、この冷媒は油含有冷媒である。圧縮機１から吐出された高温高圧のガス状態の油含有冷媒は、気液分離装置１０に流れ込む。気液分離装置１０で油含有冷媒から油が分離される。気液分離装置１０で油が分離された冷媒は、四方弁２を介して室外熱交換器３に流れ込む。室外熱交換器３では、流れ込んだガス冷媒と、室外の空気との間で熱交換が行われる。これにより、高温高圧のガス冷媒は、凝縮して高圧の液冷媒になる。

室外熱交換器３から送り出された高圧の液冷媒は、流量調整弁４によって、低圧のガス冷媒と液冷媒との二相状態の冷媒になる。二相状態の冷媒は、室内熱交換器５に流れ込む。室内熱交換器５では、流れ込んだ二相状態の冷媒と、室内の空気との間で熱交換が行われる。これにより、二相状態の冷媒は、液冷媒が蒸発して低圧のガス冷媒になる。この熱交換によって、室内が冷やされる。室内熱交換器５から送り出された低圧のガス冷媒は、四方弁２を介して圧縮機１に流れ込み、圧縮されて高温高圧のガス冷媒となって、再び圧縮機１から吐出される。以下、このサイクルが繰り返される。

また、暖房運転について詳しく説明する。冷房運転と同様に圧縮機１が駆動することによって、圧縮機１から高温高圧のガス状態の油含有冷媒が吐出される。圧縮機１から吐出された高温高圧のガス状態の油含有冷媒は、気液分離装置１０に流れ込む。気液分離装置１０で油含有冷媒から油が分離される。気液分離装置１０で油が分離された冷媒は、四方弁２を経由して室内熱交換器５に流れ込む。室内熱交換器５では、流れ込んだ冷媒と、室内の空気との間で熱交換が行われる。これにより、高温高圧のガス冷媒は、凝縮して高圧の液冷媒になる。この熱交換によって、室内が暖められる。

室内熱交換器５から送り出された高圧の液冷媒は、流量調整弁４によって、低圧のガス冷媒と液冷媒との二相状態の冷媒になる。二相状態の冷媒は、室外熱交換器３に流れ込む。室外熱交換器３では、流れ込んだ二相状態の冷媒と、室外の空気との間で熱交換が行われる。これにより、二相状態の冷媒は、液冷媒が蒸発して低圧のガス冷媒になる。室外熱交換器３から送り出された低圧のガス冷媒は、四方弁２を介して圧縮機１に流れ込み、圧縮されて高温高圧のガス冷媒となって、再び圧縮機１から吐出される。以下、このサイクルが繰り返される。

続いて、図１および図８を参照して、本実施の形態に係る気液分離装置（油分離器）１０の動作について説明する。図８は、本実施の形態に係る気液分離装置１０内での気体（冷媒）と液体（油）とが分離される様子を説明するための断面図である。図８では、油含有冷媒の流れは白抜き矢印で示され、冷媒の流れは実線矢印で示され、油の流れは破線矢印で示されている。

図１に示されるように、冷凍サイクル装置１００の冷媒回路において、圧縮機１から吐出された油含有冷媒は、気液分離装置１０により冷媒と油とに分離される。油含有冷媒は、冷媒と、圧縮機１内に封入される油（冷凍機油）とを含んでいる。気液分離装置１０により油含有冷媒から分離された冷媒は、四方弁２へ排出される。他方、気液分離装置１０により油含有冷媒から分離された油は、油戻し管２０を通って圧縮機１の吸入側へ排出される。

図８に示されるように、気液分離装置１０内に流入管１２から高流量の油含有冷媒が流入すると、旋回羽根１５の複数の螺旋状板１５ｂによって発生した旋回流によって、油含有冷媒から油が分離される。油含有冷媒から分離された油は、容器１１の内壁面ＩＳへ衝突することで液膜となり、重力と旋回流とによって容器１１の内壁面ＩＳに沿って容器１１の底部へ流れる。このようにして、集油部１０ｄで油が集油される。集油された油は液体排出管１３から排出される。液体排出管１３から排出された油は、油戻し管２０を通って圧縮機１の吸入側に返される。他方、油が分離された冷媒は、気体排出管１４から排出される。気体排出管１４から排出された冷媒は四方弁２に流れ込む。

また、気液分離装置１０内に流入管１２から低流量の油含有冷媒が流入すると、旋回羽根１５を通過後、表面張力によって狭小部となる主交差部１０３（図７）の位置に油が集まる。その後、旋回流によって油の一部は内壁面ＩＳへ誘導され、油の他の一部は重量の影響により落下し、液体排出管１３から排出される。高流量の油含有冷媒が流入した場合と同様に、ガス冷媒は、気体排出管１４から排出される。

次に、本実施の形態の作用効果について比較例と対比して説明する。
図９および図１０を参照して、比較例の気液分離装置（油分離器）１０について説明する。図９は、比較例の気液分離装置１０の構成を概略的に示す断面図である。図９に示されるように、比較例の気液分離装置１０では、旋回羽根１５の構成が本実施の形態に係る旋回羽根１５と異なっている。比較例の旋回羽根１５の軸１５ａは、上下に直線状に延在している。比較例の旋回羽根１５の軸１５ａは、中心軸ＣＬ上に位置している。このため、比較例の旋回羽根１５では、旋回流によって分離された液体は、表面張力によって互いに隣り合う螺旋状板１５ｂの間で軸１５ａに留まる。この液体は、重力によって落下して気体排出口１４ａに入る。これにより、気体と液体との分離効率が低下する。

図１０は、比較例の気液分離装置１０の容器１１の流路を概略的に示す斜視図である。図１１は、本実施の形態に係る気液分離装置１０の流路を概略的に示す斜視図である。なお、説明の便宜のため、図１０および図１１では、容器１１の旋回羽根１５よりも上側および下側の部分は記載されていない。

図１０に示されるように、比較例の気液分離装置１０の容器１１では、第１流路Ｆ１～第６流路Ｆ６は、互いに同じ流路面積を有している。気液分離装置１０に流入する気液二相流体の流速が増減することにより圧力が脈動することがある。たとえば、圧縮機１の弁の開閉により圧力が脈動することがある。圧力が脈動する場合、比較例の気液分離装置１０の容器１１では、第１流路Ｆ１～第６流路Ｆ６の流路面積が均一であるため、圧力が脈動するタイミングに応じて、旋回流が強くなる流路が変化する。具体的には、時間の経過に伴って第１流路Ｆ１～第６流路Ｆ６の順に旋回流が強くなる流路が変化する。このため、液体の飛ぶ方向が不確定である。

これに対して、図１１に示されるように、本実施の形態に係る気液分離装置１０の容器１１では、流路面積は、第１流路Ｆ１、第２流路Ｆ２、第３流路Ｆ３の順に小さくなっている。また、流路面積は、第４流路Ｆ４、第５流路Ｆ５、第６流路Ｆ６の順に大きくなっている。このため、旋回流の主流が流路広大域に固定される。つまり、旋回流の主張が第１流路Ｆ１および第６流路Ｆ６に固定される。このため、液体の飛ぶ方向を確定できる。これにより、液体に対してより効率的に遠心力を付与することで気体と液体との分離効率を向上させることができる。

本実施の形態に係る気液分離装置１０によれば、旋回羽根１５の軸１５ａに沿って螺旋状に延在する複数の螺旋状板１５ｂにより気液二相流体に旋回流が発生する。この旋回流の旋回力により、気液二相流体から液体が分離されるとともに、分離された液体の巻き上げが抑制される。つまり、旋回流によって分離された液体は、容器１１の内壁面ＩＳに衝突後に液膜として流動することで再飛散が抑制される。また、分離された液体は中心軸ＣＬに沿って下方に流れ、旋回流は中心軸ＣＬを中心に旋回する。このため、分離された液体の下方から上方への巻き上げが抑制される。したがって、気体と液体との分離効率を向上させることができる。さらに、旋回羽根１５の軸１５ａの下端は、容器１１の中心軸ＣＬに沿う方向から見て気体排出口１４ａからずれるように配置されているため、軸１５ａに留まった液体が気体排出口１４ａに入ることが抑制される。つまり、液体の表面張力によって互いに隣り合う螺旋状板１５ｂの間で軸１５ａに留まった液体が、重力によって落下することにより気体排出口１４ａに入ることが抑制される。これにより、気体と液体との分離効率を向上させることができる。

また、旋回羽根１５の軸１５ａは、中心軸ＣＬに沿う方向から見て旋回羽根１５の中心ＣＰに対して偏心するように構成されている。このため、旋回羽根１５の中心軸ＣＬを中心とした周方向の大きさを維持しながら軸１５ａの下端を容器１１の中心軸ＣＬに沿う方向から見て気体排出口１４ａからずれるように配置することができる。

本実施の形態に係る気液分離装置１０では、流入管１２の流入口１２ａは旋回羽根１５の上方に配置されている。また、液体排出管１３の液体排出口１３ａは旋回羽根１５の下方に配置されている。さらに、気体排出管１４の気体排出口１４ａは旋回羽根１５の下方であり、かつ液体排出口１３ａよりも上方に配置されている。これにより、旋回下降流による分離方式を実現することが可能となる。

また、本実施の形態に係る気液分離装置１０では、気体排出管１４の気体排出口１４ａは旋回羽根１５の下方であり、かつ液体排出口１３ａよりも上方に配置されている。このため、旋回羽根１５で分離された液体が気体排出管１４に流入することを抑制することができる。

従来のサイクロン式分離器は、気液二相流体を容器の内壁面に垂直に衝突させる。つまり、気液二相流体は上下方向に直交する水平方向に内壁面に衝突する。しかしながら、従来のサイクロン式分離器では、容器の内壁面と気体排出管との離間距離が短い場合、分離された液体が再飛散して気体とともに吸引されることで気体と液体との分離効率が低下する。そのため、従来のサイクロン式分離器では小型化は困難である。これに対して、本実施の形態に係る気液分離装置１０では、旋回下降流による分離方式が用いられている。そのため、流入管１２と気体排出管１４との離間距離を上下方向に確保することができる。したがって、本実施の形態に係る気液分離装置１０では、従来のサイクロン式分離器と比較して小型化することが容易となる。

本実施の形態に係る気液分離装置１０としての油分離器では、油の分離効率を向上させることにより、圧縮機１への返油効率を向上させることができる。このため、油切れにより圧縮機１の摺動部に焼付きが生じることを抑制することができる。また、室外熱交換器３および室内熱交換器５に圧縮機１から排出された油が滞留することを抑制することができる。したがって、冷凍サイクル装置１００の成績係数（ＣＯＰ：Coefficient Of Performance）の低下を抑制することができる。

本実施の形態に係る気液分離装置１０では、気体排出口１４ａは中心軸ＣＬに重なるように配置されている。このため、軸１５ａの下端を中心軸ＣＬに沿う方向から見て気体排出口１４ａからずれるように配置することが容易となる。

本実施の形態に係る気液分離装置１０では、複数の螺旋状板１５ｂの各々の外周端は、容器１１の内壁面ＩＳに接している。このため、気液二相流体は、複数の螺旋状板１５ｂの各々の外周端と容器１１の内壁面ＩＳとの間の隙間を流れない。これにより、気体と液体との分離効率を向上させることができる。

本実施の形態に係る気液分離装置１０では、第１流路Ｆ１は第２流路Ｆ２よりも大きな流路面積を有している。このため、旋回流の主流が流路広大域としての第１流路Ｆ１に固定される。これにより、液体に対してより効率的に遠心力を付与することで気体と液体との分離効率を向上させることができる。

次に、本実施の形態に係る気液分離装置１０の変形例について説明する。なお、本実施の形態に係る気液分離装置１０の変形例は、特に説明しない限り上記の本実施の形態に係る気液分離装置１０と同一の構成、動作および効果を有している。したがって、上記の本実施の形態に係る気液分離装置１０と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図１２～図１５を参照して、本実施の形態に係る気液分離装置１０の変形例１について説明する。図１２は、本実施の形態に係る気液分離装置１０の変形例１における旋回羽根１５が容器１１内に配置された構成を概略的に示す斜視図である。なお、説明の便宜のため、図１２では、容器１１の旋回羽根１５よりも上側および下側の部分は記載されていない。図１３は、本実施の形態に係る気液分離装置１０の変形例１における旋回羽根１５の構成を概略的に示す斜視図である。

図１４は、本実施の形態に係る気液分離装置１０の変形例１における旋回羽根１５の軸１５ａおよび複数の螺旋状板１５ｂの構成を概略的に示す斜視図である。図１５は、本実施の形態に係る気液分離装置１０の変形例１における旋回羽根１５の軸１５ａおよび複数の螺旋状板１５ｂの構成を概略的に示す上面図である。図１４および図１５では、軸１５ａおよび複数の螺旋状板１５ｂの後ろに隠れて見えない部分が破線で示されている。

図１２～図１５に示されるように、本実施の形態に係る気液分離装置１０の変形例１は、上記の本実施の形態に係る気液分離装置１０に比べて旋回羽根１５の構成が異なっている。本実施の形態に係る気液分離装置１０の変形例１では、軸１５ａは、中心軸ＣＬを中心として３６０度の回転角度で螺旋状にねじれるように構成されている。複数の螺旋状板１５ｂの各々は、中心軸ＣＬを中心として３６０度の回転角度で螺旋状にねじれるように構成されている。

続いて、図１６を参照して、本実施の形態に係る気液分離装置１０の変形例２について説明する。図１６は、本実施の形態に係る気液分離装置１０の変形例２の構成を概略的に示す断面図である。

図１６に示されるように、本実施の形態に係る気液分離装置１０の変形例２は、上記の本実施の形態に係る気液分離装置１０に比べて容器１１の構成が異なっている。本実施の形態に係る気液分離装置１０の変形例２では、容器１１は、中心軸ＣＬに沿って均一な径（内径および外径）を有している。

実施の形態２．
図１７および図１８を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。なお、本発明の実施の形態２は、特に説明しない限り、上記の本発明の実施の形態１と同一の構成、動作および効果を有している。したがって、上記の本発明の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図１７は、本実施の形態に係る旋回羽根１５が容器１１内に配置された構成を概略的に示す斜視図である。なお、説明の便宜のため、図１７では、容器１１の旋回羽根１５よりも上側および下側の部分は記載されていない。図１８は、本実施の形態に係る旋回羽根１５の構成を概略的に示す斜視図である。

図１７および図１８に示されるように、本実施の形態に係る旋回羽根１５では、複数の螺旋状板１５ｂの各々は、中心軸ＣＬに沿う方向から見て弧状に構成されている。旋回羽根１５の中心軸ＣＬに直交する断面形状は、いずれの断面においても相似形状となる。このため、複数の螺旋状板１５ｂの各々は、中心軸ＣＬに直交するいずれの断面においても弧状に構成されている。複数の螺旋状板１５ｂの各々は、軸１５ａを中心として反時計回りに中央が突き出すように湾曲している。

本実施の形態に係る気液分離装置１０によれば、複数の螺旋状板１５ｂの各々は、中心軸ＣＬに沿う方向から見て弧状に構成されている。このため、複数の螺旋状板１５ｂの各々が中心軸ＣＬに沿う方向から見て直線状に構成されている場合に比べて、複数の螺旋状板１５ｂの表面積が増加する。これにより、旋回羽根１５の入口において、微細な液体（ミスト）を捕捉することができる。また、複数の螺旋状板１５ｂの表面積が増加するため、旋回羽根１５の出口において狭小部である主交差部１０３（図７）に集積した液体の微粒化を抑制することができる。これにより、液体の粒を大きくすることが可能となるため、旋回流によって液体を分離することが容易となる。したがって、気体と液体との分離効率を向上させることができる。

次に、図１９および図２０を参照して、本実施の形態に係る気液分離装置１０の変形例について説明する。なお、本実施の形態に係る気液分離装置１０の変形例は、特に説明しない限り上記の本実施の形態に係る気液分離装置１０と同一の構成、動作および効果を有している。したがって、上記の本実施の形態に係る気液分離装置１０と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図１９は、本実施の形態に係る旋回羽根１５が容器１１内に配置された構成を概略的に示す斜視図である。なお、説明の便宜のため、図１９では、容器１１の旋回羽根１５よりも上側および下側の部分は記載されていない。図２０は、本実施の形態に係る旋回羽根１５の構成を概略的に示す斜視図である。

図１９および図２０に示されるように、本実施の形態に係る気液分離装置１０の変形例は、上記の本実施の形態に係る気液分離装置１０に比べて旋回羽根１５の構成が異なっている。本実施の形態に係る気液分離装置１０の変形例では、軸１５ａは、中心軸ＣＬを中心として３６０度の回転角度で螺旋状にねじれるように構成されている。複数の螺旋状板１５ｂの各々は、中心軸ＣＬを中心として３６０度の回転角度で螺旋状にねじれるように構成されている。

上記の各実施の形態では、気液分離装置１０の一例として油分離器について説明したが、気液分離装置１０は油分離器に限定されず、たとえば水分離器であってもよい。

上記の各実施の形態に係る気液分離装置１０および冷凍サイクル装置１００は、適宜組み合わせられ得る。

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 圧縮機、２ 四方弁、３ 室外熱交換器、４ 流量調整弁、５ 室内熱交換器、１０ 気液分離装置、１１ 容器、１２ 流入管、１２ａ 流入口、１３ 液体排出管、１３ａ 液体排出口、１４ 気体排出管、１４ａ 気体排出口、１５ 旋回羽根、１５ａ 軸、１５ｂ 螺旋状板、２０ 油戻し管、１００ 冷凍サイクル装置、１００ａ 室外機ユニット、１００ｂ 室内機ユニット、１０１ 断面形状、１０２ 軌跡、１０３ 主交差部、ＣＬ 中心軸、ＣＰ 中心、Ｆ１ 第１流路、Ｆ２ 第２流路、ＩＳ 内壁面。

Claims (6)

1. 気液二相流体を気体と液体とに分離する気液分離装置であって、
   上下に延びる中心軸に沿って延在し、かつ前記中心軸を取り囲む内壁面を有する容器と、
   前記容器内に前記気液二相流体を流入させる流入口を有する流入管と、
   前記気液二相流体から分離された前記液体を前記容器から排出する液体排出口を有する液体排出管と、
   前記気液二相流体から分離された前記気体を前記容器から排出する気体排出口を有する気体排出管と、
   前記容器内に配置された旋回羽根とを備え、
   前記流入管の前記流入口は、前記旋回羽根の上方に配置されており、
   前記液体排出管の前記液体排出口は、前記旋回羽根の下方に配置されており、
   前記気体排出管の前記気体排出口は、前記旋回羽根の下方であり、かつ前記液体排出口よりも上方に配置されており、
   前記旋回羽根は、前記中心軸に沿う方向から見て前記旋回羽根の中心に対して偏心する軸および前記軸に沿って螺旋状に延在する複数の螺旋状板を含み、
   前記複数の螺旋状板の各々は、前記軸から前記容器の前記内壁面に向けて延在しており、
   前記軸の下端は、前記中心軸に沿う前記方向から見て前記気体排出口からずれるように配置されている、気液分離装置。
2. 前記気体排出口は、前記中心軸に重なるように配置されている、請求項１に記載の気液分離装置。
3. 前記複数の螺旋状板の各々の外周端は、前記容器の前記内壁面に接している、請求項１または２に記載の気液分離装置。
4. 前記容器は、前記複数の螺旋状板の各々によって区切られた第１流路と第２流路とを含み、
   前記第１流路は、前記第２流路よりも大きな流路面積を有している、請求項１～３のいずれか１項に記載の気液分離装置。
5. 前記複数の螺旋状板の各々は、前記中心軸に直交する断面において弧状に構成されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の気液分離装置。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の気液分離装置を備えた、冷凍サイクル装置。

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