(57)【要約】【課題】  分離空間内での冷媒の速度エネルギー損失を低減できる気液分離器の提供を目的とする。【解決手段】  分離空間１８に流入する２相冷媒ＩＮを内壁１８ａで分離空間１８内を旋回させ、この旋回流れＳに向かうように液流出口１９ａを配置して、分離空間１８下部で旋回流れＳに沿って旋回する液相冷媒を流出する。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流入口（１７ａ）から気液二相状態の流体が流入し、液相流体と気相流体に分離する分離空間（１８）と、
前記分離空間（１８）から前記気相流体が流出するガス流出口（２０ａ）と、
前記分離空間（１８）から前記液相流体が流出する液流出口（１９ａ）とを備え、
前記気液二相状態の流体は、前記分離空間（１８）内で旋回するようになっており、
前記液流出口（１９ａ）は前記分離空間（１８）の下部、かつ、前記流体の旋回流れ（Ｓ）に向かって開口するように配置されていることを特徴とする気液分離器。
【請求項２】
請求項１に記載の気液分離器を用いたエジェクタサイクルであって、
前記気相流体を吸入圧縮する圧縮機（１１）と、
前記圧縮機（１１）から吐出した気相流体の熱を放熱する放熱器（１２）と、
前記液相流体を蒸発させることにより吸熱作用を発揮する蒸発器（１６）と、
前記放熱器（１２）から流出した高圧の前記気相流体を減圧膨張する減圧手段であるとともに、高速度の作動流体の巻き込み作用によって前記蒸発器（１６）にて蒸発した流体を吸引輸送する運動量輸送式ポンプであるエジェクタ（１３）とを備え、
前記エジェクタ（１３）から流出した流体が前記流入口（１７ａ）に流入するようになっていることを特徴とするエジェクタサイクル。
【請求項３】
前記流体は、液相の密度を気相の密度で除した密度比が大きい流体であることを特徴とする請求項２に記載のエジェクタサイクル。
【請求項４】
前記密度比が大きい流体は、冷媒であるＲ４０４Ａ、ＨＣ、Ｒ１３４ａ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃのいずれか１つであることを特徴とする請求項３に記載のエジェクタサイクル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気液２相状態の流体を気相流体と液相流体に分離する気液分離器に関するもので、エジェクタサイクル用の気液分離器に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来、気液２相状態の冷媒を気相冷媒と液相冷媒に分離するとともに、余剰冷媒を内部に蓄えている一般的な構造の気液分離器が特許文献１（以下従来例１と称す）および特許文献２（以下従来例２と称す）にて知られている。図７の従来例１および図８の従来例２の気液分離器５０、５２では、液相冷媒が流出する液流出口１９ａが、分離空間１８の最下部に配置されており、気液分離器５０、５２の設置状態における上方向に向かって開口している。なお、５１は圧縮機に供給されるオイルの流出管路５１である。
【０００３】
これにより、液冷媒が溜まる分離空間１８の最下部から液冷媒を流出させることができる。
【特許文献１】特開２００２−３４９９７８号公報
【特許文献２】特開２００３−２０２１６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来例１および従来例２では、液冷媒は分離空間１８内で一度速度エネルギーが略０の状態となった後に、冷媒の自重（位置エネルギー）と液流出口１９ａの下流の冷媒輸送手段（例えばエジェクタなど）の吸引エネルギーとにより流出する。このため、流出速度が低くなってしまい、最悪の場合には冷媒が液流出口１９ａの下流で滞留してしまう。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、気液分離器から流出する冷媒の流出速度の低下、言い換えると気液分離器内での冷媒の速度エネルギーの損失を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、気液分離器において、気液二相状態の流体が流入する流入口（１７ａ）と、気液二相状態の流体が、液相流体と気相流体に分離する分離空間（１８）と、分離空間（１８）から気相流体が流出するガス流出口（２０ａ）と、分離空間（１８）から液相流体が流出する液流出口（１９ａ）とを備え、
気液二相状態の流体は分離空間（１８）内で旋回するようになっており、液流出口（１９ａ）は分離空間（１８）の下部、かつ、流体の旋回流れ（Ｓ）に向かって開口するように配置されていることを特徴としている。
【０００７】
これによると、気液二相状態の流体が分離空間（１８）内で旋回するため、分離空間（１８）の下部に溜まる液相流体も一緒に旋回する。そして、液流出口（１９ａ）が流体の旋回流れ（Ｓ）に向かって開口するように配置されているため、液相流体を速度エネルギーの損失無く液流出口（１９ａ）から流出させることができる。したがって、液流出口（１９ａ）から流出する液相流体の流出速度の低下、つまり気液分離器内での流体の速度エネルギーの損失を低減することができる。これにより、流体が液流出口（１９ａ）の下流で滞留してしまうことを防止できる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の気液分離器を用いたエジェクタサイクルであって、
気相流体を吸入圧縮する圧縮機（１１）と、圧縮機（１１）から吐出した気相流体の熱を放熱する放熱器（１２）と、液相流体を蒸発させることにより吸熱作用を発揮する蒸発器（１６）と、放熱器（１２）から流出した高圧の気相流体を減圧膨張する減圧手段であるとともに、高速度の作動流体の巻き込み作用によって蒸発器（１６）にて蒸発した流体を吸引輸送する運動量輸送式ポンプであるエジェクタ（１３）とを備え、
エジェクタ（１３）から流出した流体が流入口（１７ａ）に流入するようになっていることを特徴としている。
【０００９】
これによると、エジェクタ（１３）から流出する流体、つまり気液二相流体は分離空間（１８）に流入し、分離空間（１８）で液相流体と気相流体に分離する。そして、流入時に持っている速度エネルギーの損失が少ない状態で、液流体を液流出口（１９ａ）から蒸発器（１６）に流入させることができる。このため、蒸発器（１６）に流入する液流体の速度が高くなり、蒸発器（１６）内で流体が滞留することを防止できる。さらに、蒸発器（１６）に流入できる流体の量が増えるため、蒸発器（１６）がより大きな吸熱作用を発揮でき、エジェクタサイクルの冷凍効率を向上できる。
【００１０】
ところで、従来例１および従来例２の気液分離器をエジェクタサイクルに適用した場合には、気液分離器内で一度略０となった液相流体の速度エネルギーを圧縮機（１１）による流体の圧縮吸引等により、再び上昇させなければならない。しかし、請求項２のエジェクタサイクルでは請求項１に記載の気液分離器を使用しているため、気液分離器内での流体の速度エネルギーの損失が少ない。つまり、圧縮機（１１）による流体の圧縮吸引動作を少なくできるため、エジェクタサイクル全体としてのエネルギー効率を高くすることができる。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明のように、請求項２に記載のエジェクタサイクルにおいて、流体に密度比が大きいものを使用してもよい。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明のように、請求項３に記載のエジェクタサイクルにおいて、密度比が大きい流体として冷媒であるＲ４０４Ａ、ＨＣ、Ｒ１３４ａ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃのいずれか１つを使用してもよい。
【００１３】
なお、上記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ものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る気液分離器を、エジェクタを使用した車両用空調装置のエジェクタ（冷凍）サイクルに適用したものであり、図１は本実施形態の模式図である。図１中、１１は冷媒を吸入圧縮する圧縮機１１である。この圧縮機１１で高圧状態となった冷媒は放熱器１２に流入する。放熱器１２では冷媒が室外空気へ放熱する、言い換えると冷媒が室外空気により冷却される。
【００１５】
冷却された冷媒は、エジェクタ１３に流入する。エジェクタ１３は、冷凍サイクルにおいて冷媒減圧手段および冷媒循環手段としての機能を有している。エジェクタ１３に流入した冷媒は、エジェクタ１３内部のノズル部で圧力エネルギーが速度エネルギーに変換される。そして、ノズルから高速で噴出する作動流体の巻き込み作用によって後述する蒸発器１６にて蒸発した気相冷媒を吸引する。さらに、冷媒の通路面積が拡大していくディフューザ部で冷媒の膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換し、エジェクタ１３の冷媒流れ下流の圧縮機１１の吸入圧を上昇させている。
【００１６】
エジェクタ１３から流出した冷媒は、冷媒流入管路１７を流れて気液分離器１４に流入する。この時、エジェクタ１３から流出する冷媒は、エジェクタ１３の減圧作用により気液２相状態となっている。気液分離器１４では、流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄えており、分離された気相冷媒は圧縮機１１に吸引されて再び圧縮され、一方、分離された液相冷媒は蒸発器１６側に吸引される。この気液分離器１４については後述する。
【００１７】
蒸発器１６は、液相冷媒が室内に吹き出す空気と熱交換して蒸発することにより冷房能力を発揮するものである。なお、気液分離器１４と蒸発器１６との間に配置される第１減圧器１５は、気液分離器１４から蒸発器１６側に吸引される液相冷媒を減圧する絞り（減圧）手段であり、この第１減圧器１５により蒸発器１６内の圧力（蒸発圧力）を確実に低下させている。
【００１８】
なお、本実施形態では液相密度を気相密度で除した密度比が大きい流体であるＲ４０４Ａを冷媒として使用している。Ｒ４０４Ａの気相密度は約４２ｋｇ／ｍ３、液相密度は約１１３４ｋｇ／ｍ３である。
【００１９】
次に、図２の側面図および図３の平面図を使用して、気液分離器１４の詳細について説明すると、気液分離器１４は略円筒形状の分離空間１８を有している。この分離空間１８には、エジェクタ１３から流出した気液２相状態の冷媒が流入（図中矢印ＩＮ）する流入管路１７の流入口１７ａが配置されている。流入口１７ａは分離空間１８の上下方向長さの中間よりもやや上側、かつ平面視（図３）において、分離空間１８に流入する２相冷媒流れが分離空間１８の外周接線方向となるように開口している。なお、図中の矢印上下は、気液分離器１４の設置状態における上下方向を示す。
【００２０】
分離空間１８に流入した２相冷媒流れＩＮは、分離空間１８を形成する内壁１８ａにより分離空間１８内を旋回する流れＳとなる。２相冷媒のうち、特に液相冷媒は密度が高いため旋回しながら重力により図中下方向へ落ちていき（図２中矢印Ｓ参照）、分離空間１８の下側に溜まる。一方、気相冷媒は密度が低いため分離空間１８の上側に溜まる。
【００２１】
分離空間１８の最下部には分離した液相冷媒が流出する液流出管路１９が配置されており、この液流出管路１９は後述する旋回流れＳに向かう液流出口１９ａを有している。別の言い方をすると、平面視（図３）における旋回流れＳの接線方向と液流出口１９ａから液流出管路１９を通って流出する液冷媒流れＬｏｕｔの方向が一致するようになっている。なお、液流出口１９ａは分離空間１８から流出する液冷媒流れＬｏｕｔが分離空間１８の外周接線方向となるように配置されている。
【００２２】
一方、分離した気相冷媒は、ガス流出管路２０から流出する。このガス流出管路２０のガス流出口２０ａは分離空間１８内の流入口１７ａよりも上方に位置している。これにより、分離空間１８に流入する２相流中の液相冷媒を流出させずに分離空間１８の上側に溜まっているガス冷媒のみを流出させることができる。
【００２３】
次に、第１実施形態による作用効果を列挙すると、（１）液流出口１９ａが旋回流れＳに向かって開口しているため、液相冷媒を速度エネルギーの損失無く液流出口１９ａから流出させることができる。
【００２４】
より詳細に述べると、分離空間１８に流入した２相冷媒は内壁１８ａに沿った旋回流れとなり、分離空間１８の下部に溜まる液相冷媒も内壁１８ａに沿って旋回する。そして、液流出口１９ａが平面視（図３）における旋回流れＳの接線方向と液流出口１９ａから流出する液冷媒流れＬｏｕｔの方向が一致するように開口しているため、液相冷媒は速度エネルギーの損失無く液流出口１９ａから流出する。
【００２５】
これにより、気液分離器１４に流入する冷媒の運動エネルギの損失を低減できる。つまり液流出管路１９の下流に配置されている蒸発器１６へ流入する液冷媒の速度を高くすることができる。これにより、蒸発器１６内への冷媒流入量を増やすことができ、蒸発器１６における熱交換効率を高くでき、冷凍能力の向上が図れる。本発明者らの評価によると、冷媒としてＲ４０４Ａを使用した冷凍機において本実施形態の構造により、６０％の冷凍能力向上効果が確認されている。
【００２６】
さらに、蒸発器１６へ流入する液冷媒の速度が高くなると、蒸発器１６内の冷媒速度も高くなるため、蒸発器１６内の冷媒および冷媒に含まれているオイルの滞留を低減することができる。本発明者らの評価によると、冷媒としてＲ４０４Ａを使用した冷凍機において、同一冷凍能力時の必要冷媒量を３０％低減できることが確認されている。
【００２７】
ところで、従来例１（図７）および従来例２（図８）の気液分離器５０、５２をエジェクタサイクルに適用した場合には、気液分離器５０、５２内で一度略０となった液冷媒の速度エネルギーを圧縮機１１による冷媒の圧縮吸引で再び上昇させなければならない。しかし、本実施形態では気液分離器１４内での冷媒の速度エネルギーの損失が少ない、つまり、圧縮機１１による冷媒の圧縮吸引動作を少なくできるため、エジェクタサイクル全体としてのエネルギー効率を高くすることができる。
【００２８】
（２）分離空間１８の最下部、かつ分離空間１８から流出する液冷媒流れＬｏｕｔが分離空間１８の外周接線方向となるように液流出口１９ａが配置されているため、液流出口１９ａから気相冷媒が流出することを軽減することができる。
【００２９】
ところで、近年では環境に対する影響等の問題から冷媒の使用量を必要最低限ギリギリまで少なくしている。したがって、気液分離器１４に蓄えられる冷媒は当然に少なくなる。図４は本実施形態における液冷媒Ｌの量が少ない状態を示したもので、図２のＡ視図である。
【００３０】
流入口１７ａから分離空間１８に流入した２相冷媒流れは、分離空間１８をなす内壁１８ａにより、分離空間１８内を矢印Ｓのように旋回する。この時、分離空間１８下部に溜まる液相冷媒Ｌも旋回するため、液面は遠心力により内壁１８ａに近づくに従って高くなる。逆に旋回流れＳの中心付近では液面は低くなる。本実施形態の液流出口１９ａは、最も液面が高くなる内壁１８ａ近傍、つまり分離空間１８から流出する液冷媒流れＬｏｕｔが分離空間１８の外周接線の方向とほぼ同一となる位置に配置されている。そのため、高い液面により、液冷媒の量が少なくなっても液流出口１９ａから気相冷媒が流出することを軽減することができる。
【００３１】
なお、内壁近傍１８ａと旋回流れＳ中心付近との液面高さの差は、液相の密度を気相の密度で除した密度比が大きい流体ほど大きくなる。したがって、密度比が大きい流体ほど少ない冷媒量であっても液流出口１９ａから気相冷媒が流出することを軽減できる。
【００３２】
（３）平面視（図３）において、分離空間１８に流入する２相冷媒流れＩＮが分離空間１８の外周接線方向となるように流入口１７ａが開口しているため、より大きな旋回流れＳを作ることができ、気液分離器１４内でのエネルギー損失を低減することができる。
【００３３】
（第２実施形態）
第１実施形態では、ガス流出管路２０を分離空間１８の下部から分離空間１８外に取り出し配置したが、本実施形態はガス流管路２０を分離空間１８の側面から分離空間１８外に取り出し配置している（図５参照）。ガス流出口２０ａは流入口１７ａよりも上側に開口していれば良好に気相冷媒の吸引を行えるため、本実施携帯のようにガス流出管路２０を分離空間１８の側面から取り出しても気液分離器１４の分離性能に影響はない。
【００３４】
これにより、ガス流出管路２０の配置の設計自由度を高くすることができる。
【００３５】
なお、本実施形態においても第１実施形態の（１）〜（３）の作用効果を発揮することができる。
【００３６】
（第３実施形態）
第１、第２実施形態では、流入口１７ａを平面視において、分離空間１８に流入する２相冷媒流れＩＮが分離空間１８の外周接線方向となるように開口したが、本実施形態のように分離空間１８の平面視における中心に向けて配置してもよい（図６参照）。
【００３７】
これによっても、分離空間１８の内壁１８ａにより旋回流れＳが発生する。したがって、第１実施形態の（１）、（２）の作用効果を発揮することができる。
【００３８】
（他の実施形態）
上述の第１〜第３実施形態では、冷媒がＲ４０４Ａの例を示したが冷媒は、ＨＣ、Ｒ１３４ａ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃなど種々に変更可能である。また、本発明の気液分離器は冷媒に限らず２相状態の流体に適用可能である。
【００３９】
上述の第１〜第３実施形態では、車両用空調装置のエジェクタサイクルに本発明の気液分離器を適用した例を示したが、本発明は車両用空調装置に限らず、冷媒にＣＯ２を使用した給湯用ヒートポンプサイクル等他の用途に使用されるエジェクタサイクルであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の気液分離器を車両用空調装置に適用した第１実施形態のエジェクタサイクルを示す模式図である。
【図２】第１実施形態に係る気液分離器の側面図である。
【図３】第１実施形態に係る気液分離器の平面図である。
【図４】図２の気液分離器のＡ視図である。
【図５】第２実施形態に係る気液分離器の側面図である。
【図６】第３実施形態に係る気液分離器の平面図である。
【図７】特許文献１に係る気液分離器の側面図である。
【図８】特許文献２に係る気液分離器の側面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１１…圧縮機、１２…放熱器、１３…エジェクタ、１６…蒸発器、１７ａ…流入口、
１８…分離空間、１９ａ…液流出口、２０ａ…ガス流出口。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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