(57)【要約】【課題】油分離器の油溜りの巻き上げを抑制することにより、油分離効率を向上させ、圧縮機の潤滑不良、凝縮器や蒸発器における伝熱効率の悪化などの問題を解消すること。【解決手段】油と混合した冷媒から油を分離する油分離器１２が、密閉容器１２ａと、密閉容器１２ａ内に冷媒を導く流入管１２ｃと、流入管１２ｃを介して流入する冷媒の流れを分岐し、流出口Ｏ１および流出口Ｏ２から冷媒を密閉容器１２ａ内に流出させ、密閉容器１２ａ内で旋回流を生じさせる分岐管１２ｄと、分岐管１２ｄから流出した密閉容器１２ａ内の冷媒を密閉容器１２ａ外に流出させる流出管１２ｂと、を備え、分岐管１２ｄの側面にある孔部には流入管１２ｃの一端が接続され、流入管１２ｃから流出した冷媒は、分岐管１２ｄ内の衝突面Ｓに衝突し、分岐管１２ｄの管軸Ａ２に沿って伸びる衝突面Ｓ上の線分Ｌの方向は、流入管１２ｃの管軸Ａ１方向に対して傾斜している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
油と混合した冷媒から該油を分離する油分離器であって、
密閉容器と、
前記密閉容器内に前記冷媒を導く流入管と、
前記流入管を介して流入する冷媒の流れを分岐し、第１の流出口および第２の流出口から冷媒を前記密閉容器内に流出させ、前記密閉容器内で旋回流を生じさせる分岐管と、
前記分岐管から流出した前記密閉容器内の冷媒を該密閉容器外に流出させる流出管と、を備え、
前記分岐管の側面にある孔部に前記流入管の一端が接続され、前記流入管から流出した冷媒は前記分岐管内の衝突面に衝突し、前記分岐管の管軸に沿って伸びる前記衝突面上の線分の方向は、前記流入管の管軸方向に対して傾斜している油分離器。
【請求項２】
前記分岐管は、ストレート管であり、前記冷媒の流れを互いに反対の方向に分岐する、請求項１に記載の油分離器。
【請求項３】
前記第２の流出口は、前記分岐管において、前記流入管の管軸方向と前記衝突面上の線分の方向とが鋭角をなす側にあり、前記第２の流出口は、前記冷媒を水平面よりも下向きに流出させ、前記流出管の流入口は、前記第２の流出口の下部に設けられる請求項１または２に記載の油分離器。
【請求項４】
前記第２の流出口は、前記分岐管において、前記流入管の管軸方向と前記衝突面上の線分の方向とが鋭角をなす側にあり、前記第２の流出口は、前記冷媒を水平面よりも上向きに流出させ、前記流出管の流入口は、前記第２の流出口の上部に設けられる請求項１または２に記載の油分離器。
【請求項５】
前記第１の流出口から冷媒が流出する空間と、前記第２の流出口から冷媒が流出する空間とを仕切る仕切部をさらに備え、該仕切部は鉛直方向に伸びており、前記密閉容器の上部と下部で、前記仕切部の両側の空間が連通している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の油分離器。
【請求項６】
前記第２の流出口と、前記流出管の流入口との間に、前記油を捕捉し、前記冷媒を通過させる油捕捉部を備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の油分離器。
【請求項７】
前記密閉容器の底部に、前記冷媒から分離された油を前記密閉容器外に排出する排出管をさらに備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の油分離器。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の油分離器を備える冷凍サイクル装置の室外ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油と混合した冷媒から油を分離する油分離器、および、その油分離器を備える冷凍サイクル装置の室外ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
冷凍装置や空調装置では、圧縮機用の潤滑油が冷媒ガスとともに圧縮機から少しずつ吐出される。その結果、潤滑油が不足すると、圧縮機の潤滑不良が生じることになる。また、潤滑油が冷媒とともに凝縮器や蒸発器にまで到達すると、そこでの伝熱が妨げられる。
【０００３】
このような問題を防止するため、潤滑油と混合した冷媒ガスから潤滑油を分離し、その潤滑油を圧縮機に返油する油分離器が従来用いられている。例えば、特許文献１には、油分離効率を高くすることを目的とする油分離器が開示されている。
【０００４】
図１４は、特許文献１に開示された従来の油分離器の構成を示す図である。この油分離器は、シェル１、流入管２、排出管３、流出管４を備える。シェル１は、円筒部分と、円筒部分の上下にあるテーパー部分とからなる。潤滑油と混合した冷媒ガスは、流入管２から流入し、シェル１の内周面に衝突しながら、シェル１内を旋回下降する。
【０００５】
その際、潤滑油は、シェル１の内周面に付着して冷媒ガスから分離され（サイクロン効果）、重力の作用によってシェル１の下部方向に流れ落ち、シェル１の下部に油溜りを形成する。そして、この潤滑油は、シェル１の下部に設けられた排出管３から排出され、圧縮機に返油される。一方、潤滑油が分離された冷媒ガスは、流出管４から流出し、凝縮器または蒸発器に送られる。
【０００６】
流出管４の端部４ａは、流入管２の中心から下方にＬ１の距離、シェル１の下開口部１ａから上方にＬ２の距離に配置される。ここで、距離Ｌ１、または、距離Ｌ２は、流入管２の内径の５倍以上とされる。このように、この油分離器では、距離Ｌ１、または、距離Ｌ２を十分長くすることにより、潤滑油と冷媒ガスの分離を促すこととしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−６１９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した特許文献１の従来技術では、冷媒ガスは、シェル１内において、潤滑油が分離された後もそのまま旋回下降する。そのため、冷媒ガスは、シェル１の下部に形成された油溜りの油面に衝突し、その衝撃力により油溜りを巻き上げるという課題がある。
【０００９】
油溜りが巻き上げられると、流出管４から潤滑油が流出してしまうので、潤滑油不足による圧縮機の潤滑不良、凝縮器や蒸発器における伝熱効率の悪化などの問題を引き起こすことになる。
【００１０】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、油分離器の油溜りの巻き上げを抑制することにより、油分離効率を向上させ、圧縮機の潤滑不良、凝縮器や蒸発器における伝熱効率の悪化などの問題を解消することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る油分離器は、油と混合した冷媒から油を分離する油分離器であって、密閉容器と、密閉容器内に冷媒を導く流入管と、流入管を介して流入する冷媒の流れを分岐し、第１の流出口および第２の流出口から冷媒を密閉容器内に流出させ、密閉容器内で旋回流を生じさせる分岐管と、分岐管から流出した密閉容器内の冷媒を密閉容器外に流出させる流出管と、を備え、分岐管の側面にある孔部に流入管の一端が接続され、流入管から流出した冷媒は分岐管内の衝突面に衝突し、分岐管の管軸に沿って伸びる衝突面上の線分の方向は、流入管の管軸方向に対して傾斜している、という構成を採る。
【００１２】
また、本発明に係る冷凍サイクル装置の室外ユニットは、上記油分離器を備える、という構成を採る。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、分岐管を用いて冷媒の流れを分岐させ、冷媒が油分離器の油溜りに衝突する際の衝撃力を緩和することにより、油溜りの巻き上げを抑制することができる。その結果、油分離効率が向上し、圧縮機の潤滑不良、凝縮器や蒸発器における伝熱効率の悪化などの問題を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の一例を示す図
【図２】本発明の実施の形態１に係る油分離器の構成の一例を示す斜視図
【図３】図２に示した油分離器の断面図
【図４】冷媒ガス流の速度ベクトル分布の一例を示す図
【図５】油滴の流跡線の一例を示す図
【図６】油分離器の別のモデルを示す断面図
【図７】冷媒ガス流の速度ベクトル分布の他の一例を示す図
【図８】分岐管の管軸方向を水平方向に対して傾けた油分離器の構成の一例を示す図
【図９】分岐管が曲がり管である場合の油分離器の構成の一例を示す図
【図１０】本発明の実施の形態２に係る油分離器の構成の一例を示す断面図
【図１１】図１０に示した油分離器の断面図
【図１２】本発明の実施の形態３に係る油分離器の構成の一例を示す断面図
【図１３】図１２に示した油分離器の断面図
【図１４】特許文献１に開示された従来の油分離器の構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１０の一例を示す図である。冷凍サイクル装置１０は、圧縮機１１、油分離器１２、四方弁１３、室内熱交換器１４ａ、１４ｂ、室内膨張弁１５、室外膨張弁１６、室外熱交換器１７、アキュムレータ１８、第１開閉弁１９、返油管２０、第２開閉弁２１、キャピラリ２２を備える。これらの各要素は、冷媒回路２３を構成する。そして、この冷媒回路２３には、作動流体として、ハイドロフルオロカーボンや炭化水素等の冷媒が充填されている。
【００１７】
圧縮機１１は、後に説明するアキュムレータ１８から流出した低温低圧の冷媒ガスを圧縮し、高温高圧の冷媒ガスに変換する。油分離器１２は、圧縮機１１から吐出された冷媒ガス中に含まれる潤滑油を分離する。
【００１８】
四方弁１３は、冷凍サイクル装置１０が暖房に用いられる場合（以下、「暖房時」という。）、油分離器１２から流出する冷媒ガスが、室内熱交換器１４ａ、１４ｂに流れ、かつ、室外熱交換器１７から流出する冷媒ガスが、アキュムレータ１８に流れるように、弁の開閉を切り替える。
【００１９】
一方、冷凍サイクル装置１０が冷房に用いられる場合（以下、「冷房時」という。）、四方弁１３は、油分離器１２から流出する冷媒ガスが、室外熱交換器１７に流れ、かつ、室内熱交換器１４ａ、１４ｂから流出する冷媒ガスが、アキュムレータ１８に流れるように、弁の開閉を切り替える。
【００２０】
室内熱交換器１４ａ、１４ｂは、冷凍サイクル装置１０の室内ユニットに備えられる熱交換器である。室内熱交換器１４ａ、１４ｂは、例えば、フィンアンドチューブ形の構造を有する。暖房時、室内熱交換器１４ａ、１４ｂに流入した高温の冷媒ガスは、室内の空気に熱を奪われて凝縮し、冷媒ガスは液化する。冷房時、室内熱交換器１４ａ、１４ｂに流入した低温の冷媒液は、室内の空気から熱を奪って蒸発し、冷媒液は気化する。
【００２１】
室内膨張弁１５は、冷房時に、室外熱交換器１７から流出した冷媒液を減圧し、室内熱交換器１４ａ、１４ｂにおいて冷媒液が蒸発しやすくする。室外膨張弁１６は、暖房時に、室内熱交換器１４ａ、１４ｂから流出した冷媒液を減圧し、室外熱交換器１７において冷媒液が蒸発しやすくする。
【００２２】
室外熱交換器１７は、冷凍サイクル装置１０の室外ユニットに備えられる熱交換器である。室外熱交換器１７は、例えば、フィンアンドチューブ形の構造を有する。暖房時、室外熱交換器１７に流入した低温の冷媒液は、外気の熱を奪って蒸発する。その結果生じる冷媒ガスは、飽和温度で、若しくは、さらに加熱された状態でアキュムレータ１８に吐出される。
【００２３】
冷房時、室外熱交換器１７に流入した高温の冷媒ガスは、外気に熱を放出し、冷媒ガスは液化する。その結果生じる冷媒液は、室外膨張弁１６、室内膨張弁１５を介して、室内熱交換器１４ａ、１４ｂに吐出される。
【００２４】
アキュムレータ１８は、冷媒ガス中に含まれる冷媒液や油などを分離して、圧縮機１１の液圧縮を防止する。第１開閉弁１９は、アキュムレータ１８の底部に溜まった液体を抜くための開閉弁である。
【００２５】
返油管２０は、油分離器１２で分離された潤滑油を圧縮機１１に返油するために用いられる。第２開閉弁２１は、油分離器１２の底部に溜まった潤滑油を抜くための開閉弁である。キャピラリ２２は、圧縮機１１に潤滑油を返油する場合に、潤滑油の流量を調節する。
【００２６】
なお、冷凍サイクル装置１０が、給湯や温水暖房に用いられる場合、暖房時のサイクルと同じサイクルが繰り返される。ただし、室内熱交換器１４ａ、１４ｂは、例えば、冷媒と水との間で熱交換を行う二重管式熱交換器等に置き換えられる。
【００２７】
つぎに、本発明の実施の形態１に係る油分離器１２の構成について説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係る油分離器１２の構成の一例を示す斜視図である。
【００２８】
図２に示すように、油分離器１２は、密閉容器１２ａ、流出管１２ｂ、流入管１２ｃ、分岐管１２ｄ、排出管１２ｅを備える。なお、図２では、油分離器１２の内部がみえるように、密閉容器１２ａの手前側の壁面の記載を省略している。
【００２９】
密閉容器１２ａは、円筒状の胴部の上下に、半球状の蓋を溶接して密閉した容器である。なお、ここでは蓋を胴部に溶接することとしたが、溶接をすることなく、蓋を胴部と一体的に形成することとしてもよい。
【００３０】
流出管１２ｂは、潤滑油が分離された冷媒ガスを密閉容器１２ａ外に流出させる管である。流出管１２ｂの入口は、後に説明する分岐管１２の流出口Ｏ２よりも下側に設けられる。流入管１２ｃは、密閉容器１２ａの側面を貫通して設けられ、油と混合した冷媒ガスを密閉容器１２ａ内に導く管である。
【００３１】
本実施の形態では、流入管１２ｃは、その管軸Ａ１が水平となるように密閉容器１２に設けられる。さらに、分岐管１２ｄの側面にある孔部には、密閉容器１２ａ内で、流入管１２ｃの先端が接続される。ここで、図２の例では、分岐管１２ｄもまた、その管軸Ａ２が水平となるよう流入管１２ｃの先端に接続される。
【００３２】
分岐管１２ｄは、流入管１２ｃを介して流入する冷媒ガスの流れを分岐し、流出口Ｏ１、Ｏ２から冷媒ガスを流出させる。そして、分岐管１２ｄは、密閉容器１２ａの内壁に、冷媒ガスを略水平方向から衝突させることにより、密閉容器１２ａ内で冷媒ガスの旋回流を生じさせる。
【００３３】
また、流入管１２ｃから流出した冷媒ガスは、分岐管１２ｄ内の衝突面Ｓに衝突する。そして、分岐管１２ｄの管軸Ａ２に沿って伸びる衝突面Ｓ上の線分Ｌの方向は、流入管１２ｃの管軸方向Ａ１に対して傾斜している。この構成については、図３にも拡大して示されている。
【００３４】
分岐管１２ｄを流入管１２ｃにこのようにして接続すると、多量の潤滑油と混合している冷媒ガスが分岐管１２ｄの流出口Ｏ１から流出し、潤滑油がほぼ分離された冷媒ガスが、分岐管１２ｄの流出口Ｏ２から流出するようになる。この理由については、後に詳しく説明する。
【００３５】
これにより、流出口Ｏ１から流出する冷媒ガスの流れを弱めることができる。また、流出口Ｏ２から流出する冷媒ガスは、潤滑油がほぼ分離されているので、冷媒ガスを少ない旋回回数で早期に流出管１２ｂから密閉容器１２ａ外に排出することができる。これにより、冷媒ガスが、密閉容器１２ａの底部にある油溜りに衝突する際の衝撃が緩和され、油溜りの巻き上げが抑制される。
【００３６】
なお、衝突面Ｓ上の線分Ｌの方向と、流入管１２ｃの管軸Ａ１方向との間のなす角度が９０度である場合、流出口Ｏ１から流出する冷媒ガスの流量と、流出口Ｏ２から流出する冷媒ガスの流量の比は、１対１となる。上記角度を調整することにより、流出口Ｏ１、Ｏ２から流出する冷媒ガスの流量比を調整することができる。
【００３７】
また、図２の例では、前述したように、分岐管１２ｄは、その管軸Ａ２が水平となるよう設けられる。これにより、密閉容器１２ａ内で、効率良く旋回流を発生させることができ、潤滑油の分離を促すことができる。
【００３８】
排出管１２ｅは、密閉容器１２ａの底部を貫通して設けられ、密閉容器１２ａの底部に生じる油溜りから、潤滑油を密閉容器１２ａ外に排出する。排出された潤滑油は、圧縮機１１へと返油される。これにより、分離された潤滑油のみを選択的に圧縮機１１に戻すことができるので、圧縮機１１の性能、および、信頼性を確保することができる。
【００３９】
なお、図２には、油分離器１２の各部の寸法が示されている。この寸法は、後に説明する数値流体解析（ＣＦＤ；Computational Fluid Dynamics）で用いられる油分離器１２のモデルの寸法である。
【００４０】
このモデルでは、密閉容器１２ａの内径φを６７．２ｍｍ、流出管１２ｂ、流入管１２ｃ、および、分岐管１２ｄの内径φを１０．７ｍｍとしている。また、密閉容器１２ａの高さを５１２．４ｍｍとし、密閉容器１２ａの上端から、長さが１８６ｍｍである流入管１２ｃの下端までの距離を１４１ｍｍとしている。さらに、流入管１２ｃの設置位置を、密閉容器１２ａの上端から７７．２ｍｍの位置としている。
【００４１】
図３は、図２に示した油分離器１２の断面図である。図３からわかるように、流入管１２ｃから流出する冷媒ガスは、流入管１２ｃの管軸Ａ１方向にある分岐管１２ｄ内の衝突面Ｓに衝突する。そして、分岐管１２ｄの管軸Ａ２方向に沿う衝突面Ｓ上の線分Ｌの方向は、流入管１２ｃの管軸Ａ１方向に対して傾斜している。図３の例では、その傾斜角αは３０度である。
【００４２】
なお、図３にも、油分離器１２の各部の寸法が示されている。この寸法も、図２と同様に、後に説明する数値流体解析で用いられる油分離器１２のモデルの寸法である。
【００４３】
すなわち、このモデルでは、流入管１２ｃの管軸Ａ１と、流出管１２ｂの中心との間の距離を１３．７ｍｍとしている。また、流入管１２ｃの管軸Ａ１と、分岐管１２ｄの管軸Ａ２との交点をＰとした場合に、交点Ｐと、流出管１２ｂの中心との間の距離を１９．４ｍｍとしている。
【００４４】
さらに、分岐管１２ｄの長さを４０ｍｍとするとともに、流出口Ｏ１、Ｏ２の密閉容器１２ａの内壁からの距離を、ともに７．９ｍｍとしている。また、前述したように、分岐管１２ｄ内の衝突面Ｓ上の線分Ｌの方向は、流入管１２ｃの管軸Ａ１方向に対して３０度の角度で傾斜するものとしている。
【００４５】
上述のように流入管１２ｃと分岐管１２ｄとを接続すると、潤滑油がほぼ分離された冷媒ガスが分岐管１２ｄの流出口Ｏ２から流れるようになる。つぎに、この現象について、詳しく説明する。
【００４６】
潤滑油が混合した冷媒ガスが、流入管１２ｃから分岐管１２ｄの流出口Ｏ２側へと流入する際の圧力損失勾配は、潤滑油が混合した冷媒ガスが、流入管１２ｃから分岐管１２ｄの流出口Ｏ１側へと流入する際の圧力損失勾配よりも大きくなる。ここで「圧力損失勾配」とは、圧力損失に基づく圧力勾配を意味する。
【００４７】
一般論として、気相の流体と液相の流体とを含む気液二相流が、互いに異なる大きさの圧力損失勾配を有する二つの方向に分岐する場合、圧力損失勾配の大きい側へと気相の流体が流入しやすいといえる。
【００４８】
これは、同一の流路および同一の流量を前提とすると、気相の流体の圧力損失は、液相の流体の圧力損失よりも大きいからである。二方向への分岐において、圧力損失勾配が異なる場合、各方向の圧力損失バランスを保つため、圧力損失勾配が大きい側に気相の流体が多く流れ、圧力損失勾配が小さい側に液相の流体が多く流入することになる。
【００４９】
このような現象に関して、浅野らは、互いに異なる分岐角度を有する複数のＹ字分岐管を用いて、空気−水気液二相流の分流実験を行い、その結果を報告している（Ｙ字分岐管による気液二相流の相分離特性に関する研究（第１報）、日本機械学会論文集（Ｂ編）、６７巻、６５４号、３５０−３５５頁）。
【００５０】
この分流実験で、浅野らは、分岐角θ（図３における傾斜角αに相当）＝３０〜９０度の範囲内で、θを小さくすればするほど相分離性能が向上することを確認している。この結果は、Ｙ字分岐管の分岐角θが小さければ小さいほど、慣性力の大きい液相は直進しやすいことと整合している。また、圧力損失勾配が大きい側に気相の流体が多く流れ、圧力損失勾配が小さい側に液相の流体が多く流入する傾向を示している。
【００５１】
さらに、液相の潤滑油には、気相の冷媒ガスに作用する慣性力よりも大きい慣性力が作用するので、潤滑油は、分岐管１２ｄの流出口Ｏ２よりも流出口Ｏ１からの方が流出しやすいといえる。
【００５２】
このように、分岐管１２ｄを用いれば、分岐管１２ｄの流出口Ｏ１から潤滑油を多く流出させることができ、流出口Ｏ２からは潤滑油の分離が進んだ冷媒ガスを流出させることができる。
【００５３】
図４は、冷媒ガス流の速度ベクトル分布の一例を示す図である。この分布は、図２、図３に寸法が示された油分離器１２のモデルを用いて、数値流体解析により算出したものである。
【００５４】
なお、図１に示したような冷凍サイクル装置１０において、１６馬力相当の運転を行う場合、実機試験の結果から、油分離器１２に流入する冷媒ガスの圧力は、３．０ＭＰａ、温度は摂氏８８．５度、流量は３．１×１０−３ｍ３／ｓ程度になると考えられる。そのため、このような条件を、流入管１２ｃの入口における解析条件として与えることとした。また、流出管１２ｂの流出口における解析条件として、０ＭＰａを設定した。
【００５５】
さらに、冷媒としてＲ４１０Ａを採用することとし、Ｒ４１０Ａの物性値を数値流体解析で用いることとした。具体的には、密度として９０．６ｋｇ／ｍ３、定圧比熱として１．２３２ｋＪ／ｋｇＫ、粘性係数として１７．０μｋｇ／ｍ−ｓという値を用いることとした。
【００５６】
また、潤滑油としてＰＶＥ（Polyvinyl Ether）オイルを採用することとし、ＰＶＥオイルの物性値を数値流体解析で用いることとした。具体的には、密度として９３６．９ｋｇ／ｍ３という値を用いることとした。また、潤滑油の吐出量は９．２×１０−４ｋｇ／ｓとした。
【００５７】
図４から、冷媒ガスは、分岐管１２ｄの流出口Ｏ１からだけでなく、流出口Ｏ２からも流出することがわかる。解析結果によれば、流出口Ｏ１から流出する冷媒ガスの流量は約２．８×１０−３ｍ３／ｓであり、流出口Ｏ２から流出する冷媒ガスの流量は約０．３×１０−３ｍ３／ｓとなった。すなわち、流出口Ｏ１から流出する冷媒ガスの流量と、流出口Ｏ２から流出する冷媒ガスの流量の比は９：１となる。
【００５８】
また、図４の例では、流入管１２ｃの存在により、流出口Ｏ１から流出した冷媒ガスの旋回流と、流出口Ｏ２から流出した冷媒ガスの旋回流とが衝突せず、旋回流間の干渉が抑制されている。そのため、冷媒ガスからの遠心力による潤滑油の分離が円滑に行われる。
【００５９】
さらに、冷媒ガス中に油滴の状態で混合している潤滑油が、分岐管１２ｄの流出口Ｏ１と流出口Ｏ２からどのような比率で流出するかをＤＰＭ（Discrete Phase Model）解析で確認した。
【００６０】
直径が１０μｍを超える油滴は、慣性力の影響が大きいため、流出口Ｏ２からはほとんど流出せず、流出口Ｏ１から流出する。そのため、ＤＰＭ解析では、流入管１２ｂから冷媒ガスと混合して運ばれる直径５μｍの油滴の軌跡を追跡した。この程度の大きさの油滴は、慣性力の影響が弱く、冷媒ガスの流れに沿って流れるものと考えられる。
【００６１】
図５は、油滴の流跡線の一例を示す図である。ＤＰＭ解析の結果、流出口Ｏ１から流出する油滴の個数と、流出口Ｏ２から流出する油滴の個数とを計測したところ、個数の比は９：１となった。
【００６２】
このように、直径５μｍの油滴であっても、ほとんどは流出口Ｏ１から流出し、流出口Ｏ２からはほとんど流出しないことがわかる。この結果は、実験により観測される結果とほぼ一致する。そのため、流出口Ｏ２から流出する冷媒ガスに旋回流を生じさせることにより、冷媒ガスから油滴を容易に除去できる。
【００６３】
図６は、油分離器１２の別のモデルを示す断面図である。図３に示したモデルとの違いは、傾斜角αが４５度である点である。また、このモデルでは、流出管１２ｂは、密閉容器１２ａ内で屈曲している。
【００６４】
すなわち、このモデルでは、密閉容器１２ａ内の流出管１２ｂの入口部は、図３のモデルと同様に密閉容器１２ａの中心部にあるものの、密閉容器１２ａから流出管１２ｂが出る出口部１２ｂｏｕｔは、図３に示したモデルと異なり、密閉容器１２ａの中心からずれた位置にある。図６の断面図には参考のため、出口部１２ｂｏｕｔの位置が示されている。
【００６５】
具体的には、このモデルでは、流入管１２ｃの管軸Ａ１と、流出管１２ｂの入口部の中心との間の距離を９．７ｍｍとしている。流入管１２ｃの管軸Ａ１と分岐管１２ｄの管軸Ａ２との交点をＰとした場合の交点Ｐと流出管１２ｂの入口部の中心との間の距離、分岐管１２ｄの長さ、および、流出口Ｏ１、Ｏ２の密閉容器１２ａの内壁からの距離は、図３の場合と同じである。
【００６６】
図６に寸法が示された油分離器１２のモデルを用いて、図４と同様の数値流体解析を実行した結果をつぎに示す。図７は、冷媒ガス流の速度ベクトル分布の他の一例を示す図である。図７の数値解析における解析条件は、図４の場合と同様である。
【００６７】
図７においても、冷媒ガスは、分岐管１２ｄの流出口Ｏ１からだけでなく、流出口Ｏ２から流出することがわかる。解析結果によれば、流出口Ｏ１から流出する冷媒ガスの流量は約２．６×１０−３ｍ３／ｓであり、流出口Ｏ２から流出する冷媒ガスの流量は約０．５×１０−３ｍ３／ｓとなった。すなわち、流出口Ｏ１から流出する冷媒ガスの流量と、流出口Ｏ２から流出する冷媒ガスの流量の比は８：２となる。
【００６８】
また、図６のモデルでも、図５に示した場合と同様に、ＤＰＭ解析により直径５μｍの油滴の軌跡を追跡したところ、直径５μｍの油滴のほとんどは流出口Ｏ２から流出せず、流出口Ｏ１から流出することがわかった。
【００６９】
このように、本実施の形態によれば、分岐管１２ｄを用いて冷媒ガスの流れを分岐させ、流出口Ｏ１から流出する冷媒ガスの流れを弱めることができる。また、流出口Ｏ２から流出する冷媒ガスは、潤滑油がほぼ分離されているので、冷媒ガスを少ない旋回回数で早期に流出管１２ｂから密閉容器１２ａ外に排出することができる。
【００７０】
これにより、冷媒ガスが、密閉容器１２ａの底部にある油溜りに衝突する際の衝撃が緩和され、油溜りの巻き上げが抑制される。その結果、油分離効率が向上し、圧縮機の潤滑不良、凝縮器や蒸発器における伝熱効率の悪化などの問題が解消される。
【００７１】
なお、図４、図７では、図３、図６に示す傾斜角αがそれぞれ３０度、４５度の場合について説明したが、これらに限定されず、傾斜角αが鋭角、すなわち、０度より大きく９０度未満であれば上記のような効果を得ることができる。
【００７２】
また、上記実施の形態では、分岐管１２ｄの管軸Ａ２の方向を水平方向としたが、管軸Ａ２の方向を水平方向に対して傾けることとしてもよい。
【００７３】
図８は、分岐管１２ｄの管軸Ａ２の方向を水平方向に対して傾けた油分離器１２の構成の一例を示す図である。この場合、前述のように、分岐管１２ｄの流出口Ｏ１からは、潤滑油が多く混合した冷媒ガスが流出し、流出口Ｏ２からは潤滑油がほぼ分離された冷媒ガスが流出する。
【００７４】
そのため、この構成では、流出口Ｏ１を水平方向よりも上向きにし、流出口Ｏ１から冷媒ガスが水平よりも上方向に流出するようにしている。これにより、流出口Ｏ１から流出する冷媒ガスが、密閉容器１２ａ内で旋回する時間を長くすることができ、冷媒ガスから潤滑油を十分分離することができるようになる。
【００７５】
ここで、流出口Ｏ１から流出する冷媒ガスの流れは速いので、図８に示すように、この冷媒ガスの上昇流は密閉容器１２ａの内壁面付近に形成される。その際、流出口Ｏ１から流出した冷媒ガスは旋回し、潤滑油が密閉容器１２ａの内壁面に衝突、付着する。これにより、冷媒ガスから潤滑油が分離される。そして、分離された潤滑油は、重力の影響により徐々に密閉容器１２ａの下方に移動し、油溜りを形成する。
【００７６】
一方、旋回しながら密閉容器１２ａの上部まで達した冷媒ガスは、密閉容器１２ａの中央部分で下降流を形成する。そのため、流出口Ｏ１、Ｏ２から流出する冷媒ガスの流れとの干渉が少なく、冷媒ガスの旋回流に大きく影響を及ぼすことはない。
【００７７】
また、図８に示すように、密閉容器１２ａの上部から下降してきた冷媒ガスは、分岐管１２ｄの下部でも、旋回流を形成する。これにより、冷媒ガスと混合している潤滑油は、密閉容器１２ａの内壁面に衝突、付着して、冷媒ガスから分離される。その後、潤滑油が分離された冷媒ガスは、密閉容器１２ａの中央部分で上昇流を形成する。そして、この冷媒ガスは、流出管１２ｂから流出する。
【００７８】
分岐管１２ｄの流出口Ｏ２から流出する冷媒ガスについては、分岐管１２ｄの作用により、潤滑油の分離が進んでいる。そのため、この冷媒ガスは、わずかに混合している潤滑油を旋回により分離しながら、流出管１２ｂから早期に流出する。
【００７９】
このように、出口Ｏ１からの冷媒ガスの流出を、水平よりも上方向にすることにより、潤滑油が多く混合している冷媒ガスの旋回する回数を増やすことができ、油分離性能の向上を図ることができる。
【００８０】
また、図２〜図８では、分岐管１２ｄがストレート管であるとしていた。分岐管１２ｄをストレート管とすることにより、その形状を単純化できるので、量産時の品質誤差が小さくなり、所望の効果が安定して得られるという利点がある。しかし、分岐管１２ｄの形状は、これに限らず、例えば曲がり部を有する曲がり管であってもよい。
【００８１】
図９は、分岐管１２ｄが曲がり管である場合の油分離器１２の構成の一例を示す図である。図９に示すように、流入管１２ｃから流出した冷媒ガスは、分岐管１２ｄ内の衝突面Ｓに衝突する。そして、分岐管１２ｄの管軸Ａ２に沿って伸びる衝突面Ｓ上の線分Ｌの方向は、流入管１２ｃの管軸方向Ａ１に対して傾斜している。
【００８２】
ここで、図９の例では、分岐管１２ｄの流出口Ｏ２は、密閉容器１２ａの円形断面において、流出口Ｏ１よりもより内周側に設けられている。このような構成とすることにより、流出口Ｏ１から流出し、潤滑油が多く混合している冷媒ガスの旋回流と、流出口Ｏ２から流出し、潤滑油がほぼ分離された冷媒ガスの旋回流との間の干渉を抑制することができる。
【００８３】
あるいは、単に、流入管１２ｃとの接続部から流出口Ｏ２までの長さを、その接続部から流出口Ｏ１までの長さよりも短くすることにより、両流出口Ｏ１、Ｏ２から流出する冷媒ガスの旋回流間の干渉を抑制することとしてもよい。
【００８４】
また、上記実施の形態では、分岐管１２ｄの内径が、分岐管１２ｄの管軸Ａ２の方向に沿って一定である場合について説明したが、管軸Ａ２の方向に沿ってその内径が変化することとしてもよい。例えば、分岐管１２ｄの内壁面がテーパー状であってもよい。
【００８５】
（実施の形態２）
上記実施の形態１では、流入管１２ｃを水平方向に設けることとしたが、流入管１２ｃを鉛直方向に設けることとしてもよい。本実施の形態では、流入管１２ｃを鉛直方向に設ける場合について説明する。
【００８６】
図１０は、本発明の実施の形態２に係る油分離器１２の構成の一例を示す断面図である。この油分離器１２は、密閉容器１２ａ、流出管１２ｂ、流入管１２ｃ、分岐管１２ｄ、排出管１２ｅ、油捕捉部１２ｆを備える。
【００８７】
後に説明する図１１にも示されているように、流出管１２ｂは密閉容器１２ａの上部中央に設けられる。図１０の断面図は、この中央を通る垂直な平面で密閉容器１２ａを切断した場合の図である。図１０には、流入管１２ｃが、流出管１２ｂの向こう側に設けられている状態が示されている。さらに流入管１２ｃ、および、分岐管１２ｄについては、その内部（内壁面）の形状も示されている。
【００８８】
図１０に示す密閉容器１２ａ、流出管１２ｂ、排出管１２ｅは、図２に示した密閉容器１２ａ、流出管１２ｂ、排出管１２ｅと同様のものである。また、流入管１２ｃは、図２の場合と異なり、鉛直方向に設けられる。
【００８９】
図１０の場合も、流入管１２ｃから流出した冷媒ガスは、分岐管１２ｄ内の衝突面Ｓに衝突する。そして、分岐管１２ｄの管軸Ａ２に沿って伸びる衝突面Ｓ上の線分Ｌの方向は、流入管１２ｃの管軸方向Ａ１に対して傾斜している。
【００９０】
このような分岐管１２ｄを用いることにより、多量の潤滑油と混合している冷媒ガスが分岐管１２ｄの流出口Ｏ１から流出し、潤滑油がほぼ分離された冷媒ガスが、分岐管１２ｄの流出口Ｏ２から流出するようになる。
【００９１】
これにより、流出口Ｏ１から流出する冷媒ガスの流れを弱めることができる。また、流出口Ｏ２から流出する冷媒ガスは、潤滑油がほぼ分離されているので、冷媒ガスを少ない旋回回数で早期に流出管１２ｂから密閉容器１２ａ外に排出することができる。これにより、冷媒ガスが、密閉容器１２ａの底部にある油溜りに衝突する際の衝撃が緩和され、油溜りの巻き上げが抑制される。
【００９２】
特に、図１０に一例を示す構成では、分岐管１２ｄの流出口Ｏ２を水平方向よりも上向きにし、流出口Ｏ２から冷媒ガスが水平よりも上方向に流出するようにしている。そして、流出管１２ｂの流入口は、分岐管１２ｄの流出口Ｏ２の上部に設けられている。これにより、潤滑油が分離された冷媒ガスが再度潤滑油と混合する前に、冷媒ガスを密閉容器１２ａ外に流出させることができる。
【００９３】
また、分岐管１２ｄの流出口Ｏ１では下方向に冷媒ガスが流出するのに対し、流出口Ｏ２では上方向に冷媒ガスが流出する。そのため、流出口Ｏ１から流出する冷媒ガスによる旋回流と、流出口Ｏ２から流出する冷媒ガスによる旋回流とが衝突し、旋回流の勢いが弱まることを防止できる。
【００９４】
図１０の説明に戻ると、油捕捉部１２ｆは、潤滑油と混合した冷媒ガスから、細粒径のミスト状の潤滑油などを捕捉し、潤滑油が分離された冷媒ガスを通過させる。油捕捉部１２ｆは、例えば、金属メッシュなどにより構成される。なお、ここでは、油捕捉部１２ｆは、流出管１２ｂの流入口から離れて設けられているが、流出管１２ｂの流入口に張り付けることとしてもよい。
【００９５】
これにより、分離しきれなかった潤滑油が冷媒ガスから分離されるので、潤滑油と混合した冷媒ガスが、流出管１２ｂからそのまま流出してしまうことを防止でき、油分離効率をさらに高めることができる。
【００９６】
図１１は、図１０に示した油分離器１２の断面図である。図１１に示されるように、流入管１２ｃ、および、分岐管１２ｄは、密閉容器１２ａの円形断面の中心からずれた位置に設けられる。
【００９７】
このような構成とすることにより、分岐管１２ｄの流出口Ｏ１、Ｏ２から流出した冷媒ガスの旋回流が発生し、冷媒ガスが密閉容器１２ａに衝突することにより、冷媒ガスと混合している潤滑油が冷媒ガスから分離される。
【００９８】
（実施の形態３）
上記実施の形態１、２では、分岐管１２ｄの流出口Ｏ１から冷媒が流出する空間と、流出口Ｏ２から冷媒が流出する空間とが連通していたが、これらの空間を仕切るようにしてもよい。本実施の形態では、上記両空間を仕切る仕切部を設ける場合について説明する。
【００９９】
図１２は、本発明の実施の形態３に係る油分離器１２の構成の一例を示す断面図である。この油分離器１２は、密閉容器１２ａ、流出管１２ｂ、流入管１２ｃ、分岐管１２ｄ、排出管１２ｅ、油捕捉部１２ｆ、仕切部１２ｇを備える。
【０１００】
後に図１３を用いて説明するが、流入管１２ｃ、および、分岐管１２ｄは、流出管１２ｂよりも奥側に設けられている。なお、図１２では、流入管１２ｃ、および、分岐管１２ｄについて、その内部（内壁面）の形状も示されている。
【０１０１】
図１２に示す密閉容器１２ａ、流出管１２ｂ、流入管１２ｃ、分岐管１２ｄ、排出管１２ｅ、油捕捉部１２ｆは、図１０に示した密閉容器１２ａ、流出管１２ｂ、流入管１２ｃ、分岐管１２ｄ、排出管１２ｅ、油捕捉部１２ｆと同様のものである。
【０１０２】
仕切部１２ｇは、分岐管１２ｄの流出口Ｏ１から冷媒が流出する空間と、流出口Ｏ２から冷媒が流出する空間とを仕切る板状の部材である。この仕切部１２ｇは、密閉容器１２ａの鉛直方向に伸びている。また、密閉容器１２ａの上部（仕切部１２ｇ上端と密閉容器１２ａの蓋部との間）と下部（仕切部１２ｇ下端と密閉容器１２ａの底部との間）で、仕切部１２ｇの両側の空間が連通している。
【０１０３】
前述のように、分岐管１２ｄの流出口Ｏ１からは潤滑油と混合した冷媒ガスが流出し、流出口Ｏ２からは潤滑油がほぼ分離された冷媒ガスが流出する。このような場合に仕切部１２ｇを設けることにより、分岐管１２ｄの流出口Ｏ１から流出する冷媒ガスと、流出口Ｏ２から流出する冷媒ガスとが混じり合うことが抑制される。その結果、流出口Ｏ２から流出する冷媒ガスは、再度潤滑油と混合することなく流出管１２ｂから流出するので、油分離効率を高めることができる。
【０１０４】
また、密閉容器１２ａの上部に隙間を設け、仕切部１２ｇの両側の空間を連通させることにより、分岐管１２ｄの流出口Ｏ２から流出した冷媒ガスを、流出管１２ｂから円滑に流出させることができる。さらに、密閉容器１２ａの下部に隙間を設け、仕切部１２ｇの両側の空間を連通させることにより、両空間で分離された油を１つの排出管１２ｅから円滑に流出させることができる。
【０１０５】
なお、図１２の例では、仕切部１２ｇの上下に隙間を空けることにより、空間を連通させることとしたが、密閉容器１２ａの上端から下端まで隙間なく設けられた仕切部１２ｇの上部および下部に連通孔を設け、空間を連通させることとしてもよい。
【０１０６】
図１３は、図１２に示した油分離器１２の断面図である。図１３に示されるように、流入管１２ｃ、および、分岐管１２ｄは、密閉容器１２ａの円形断面の中心からずれた位置に設けられる。
【０１０７】
このような構成とすることにより、分岐管１２ｄの流出口Ｏ１、Ｏ２から流出した冷媒ガスの旋回流が発生し、冷媒ガスが密閉容器１２ａに衝突することにより、冷媒ガスと混合している潤滑油が冷媒ガスから分離される。
【０１０８】
なお、図１２、図１３には、流入管１２ｃを鉛直方向に設けた場合について示したが、流入管１２ｃを水平方向に設ける場合にも同様に、仕切部１２ｇを設けることとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明にかかる油分離器は、空気調和機や給湯器、温水暖房装置などの機器に用いるのに好適である。
【符号の説明】
【０１１０】
１  シェル
１ａ  シェルの下開口部
２  流入管
３  排出管
４  流出管
４ａ  流出管の端部
１０  冷凍サイクル装置
１１  圧縮機
１２  油分離器
１２ａ  密閉容器
１２ｂ  流出管
１２ｃ  流入管
１２ｄ  分岐管
１２ｅ  排出管
１２ｆ  油捕捉部
１２ｇ  仕切部
１３  四方弁
１４ａ、１４ｂ  室内熱交換器
１５  室内膨張弁
１６  室外膨張弁
１７  室外熱交換器
１８  アキュムレータ
１９  第１開閉弁
２０  返油管
２１  第２開閉弁
２２  キャピラリ
２３  冷媒回路
【図１】
2014196855.tif 000003
【図２】
2014196855.tif 000004
【図３】
2014196855.tif 000005
【図４】
2014196855.tif 000006
【図５】
2014196855.tif 000007
【図６】
2014196855.tif 000008
【図７】
2014196855.tif 000009
【図８】
2014196855.tif 000010
【図９】
2014196855.tif 000011
【図１０】
2014196855.tif 000012
【図１１】
2014196855.tif 000013
【図１２】
2014196855.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
2014196855.tif 000016