(57)【要約】【課題】気液分離性能を向上させた気液分離器を提供する。【解決手段】  気液分離器１Ａは、気液二相流体がガスと液とに分離される内部空間を有し分離された液により内部空間の下方に液溜まりが形成される密閉容器２と、内部空間を気液二相流体が噴射される流入空間と流入空間の下方の分離空間とに、それらが密閉容器の内周面に沿って連通するように仕切る仕切部材５と、流入空間内で気液二相流体を上向きに噴射する二相管３１と、分離空間及び液溜まりを密閉容器の内周面に面する外周領域とその内側の中心領域とに隔てる透過性の整流部材６Ａと、中心領域内において仕切部材に向かって開口するガス出口管４と、液溜まり内で中心領域に開口する液出口管３２と、を備える。整流部材６Ａにより、気泡が液出口管から排出され、あるいは、液滴がガス出口管から排出されることを低減し、気液分離器の気液分離性能向上を図ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気液二相流体がガスと液とに分離される内部空間を有し、分離された液により前記内部空間の下方に液溜まりが形成される密閉容器と、
前記内部空間を、気液二相流体が噴射される流入空間と前記流入空間の下方の分離空間とに、それらが前記密閉容器の内周面に沿って連通するように仕切る仕切部材と、
前記流入空間内で気液二相流体を上向きに噴射する二相管と、
前記仕切部材の周縁部と前記密閉容器の底とを結ぶように延びて、前記分離空間及び前記液溜まりを前記密閉容器の内周面に面する外周領域とその内側の中心領域とに隔てる透過性の整流部材と、
前記中心領域内において前記仕切部材に向かって開口するガス出口管と、
前記液溜まり内で前記中心領域に開口する液出口管と、を備えた気液分離器。
【請求項２】
前記仕切部材及び前記整流部材を鉛直方向に水平面に投影したとき、前記整流部材の投影体が、前記仕切部材の投影体と外接し、あるいは、前記整流部材の投影体の少なくとも一部が、前記仕切部材の投影体と重なっている、請求項１に記載の気液分離器。
【請求項３】
前記整流部材は、前記仕切部材の周縁部及び前記密閉容器の底部と接している、請求項１又は請求項２に記載の気液分離器。
【請求項４】
前記ガス出口管は、密閉容器の底を貫通して鉛直方向に伸びる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の気液分離器。
【請求項５】
前記整流部材はメッシュ部材である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の気液分離器。
【請求項６】
前記整流部材がハニカム構造を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の気液分離器。
【請求項７】
前記整流部材は、らせん状に連続して延びるスリットを有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の気液分離器。
【請求項８】
前記整流部材は、上端から下端に向かう方向に延びるスリットを有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の気液分離器。
【請求項９】
棒材が反対方向に繰り返し折り曲げられて前記スリットが形成されている、請求項８に記載の気液分離器。
【請求項１０】
前記二相管は一対設けられており、前記一対の二相管のそれぞれには前記液溜まりに浸る部分に液出口穴が設けられており、前記液出口穴が前記液出口管の開口を構成し、前記一対の二相管のそれぞれの前記液出口穴よりも下側の部分が前記液出口管を兼ねる、請求項１〜９のいずれか１項に記載の気液分離器。
【請求項１１】
冷媒を圧縮する圧縮機、室内の空気と冷媒との間で熱交換を行う室内熱交換器、冷媒を膨張させる第１膨張機構及び第２膨張機構、ならびに室外の空気と冷媒との間で熱交換を行う室外熱交換器を含むとともに、請求項１０に記載の気液分離器であって、前記一対の二相管が前記第１膨張機構及び前記第２膨張機構にそれぞれ接続された気液分離器を含むヒートポンプ回路と、
前記圧縮機に冷媒の圧縮中に冷媒が注入されるように前記気液分離器の前記ガス出口管と前記圧縮機とを接続するインジェクション管と、
前記ヒートポンプ回路に流れる冷媒の流れの方向を、暖房運転時に前記圧縮機から吐出された冷媒が前記室内熱交換器に導かれる第１方向に切り換え、冷房運転時に前記圧縮機から吐出された冷媒が前記室外熱交換器に導かれる第２方向に切り換える切り換え手段と、を備えた、冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気液分離器及びこの気液分離器を用いた冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、旋回流による遠心力を利用して気液二相流体を液とガスに分離する気液分離器が知られている。このような気液分離器は、大きな遠心力を得るためにある程度の大きさが必要である。これに対し、近年では表面張力を利用した気液分離器が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、図１２に示すような気液分離器１００が開示されている。この気液分離器１００では、密閉容器１１０の内部へ気液二相流体を流入させる入口管１５１が密閉容器１１０に接続されている。また、密閉容器１１０の側部に密閉容器１１０内で分離された液を密閉容器１１０の外部へ流出させる液出口管１５２が接続されている。また、密閉容器１１０内で分離されたガスを密閉容器１１０の外部へ流出させるガス出口管１５３が、密閉容器１１０の底を貫通して延びている。
【０００４】
密閉容器１１０内には、当該密閉容器１１０の内部を流入空間１１１と分離空間１１３とに仕切るとともに、それらの間に密閉容器１１０の内周面に沿った環状の極小空間１１２を形成する仕切り板１２０が配設されている。すなわち、入口管１５１から流入空間１１１へ流入した気液二相流体は極小空間１１２を通じて分離空間１１３に流れ込むようになっており、極小空間１１２から拡大空間１１３にかけては流路断面積が急拡大する。
【０００５】
さらに、仕切り板１２０の下方には、密閉容器１１０の内周に沿う筒状の分離部材１３０が仕切り板１２０に接するように配置されている。この分離部材１３０は、径方向内側に開口する複数の縦溝を有している。このように、流路面積が急拡大する部分に溝があることにより、表面張力を利用した気液分離が可能となっている。すなわち、溝内に流入した気液二相流体中の液は表面張力により溝内に留められ、ガスのみが溝から流出する。分離部材１３０によって分離された液は、密閉容器１１０の下部に溜って液溜まりを形成し、液出口管１５２を通じて外部に排出される。一方、分離されたガスは、密閉容器１１０の中心に集められ、ガス出口管１５３を通じて外部へ排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００７／０５５３８６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、気液分離器については上記の構成を採用したとしても、さらに気液分離性能を向上させる余地がある。そこで、本発明の目的は気液分離器の気液分離性能を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示は、気液二相流体がガスと液とに分離される内部空間を有し、分離された液により前記内部空間の下方に液溜まりが形成される密閉容器と、前記内部空間を、気液二相流体が噴射される流入空間と前記流入空間の下方の分離空間とに、それらが前記密閉容器の内周面に沿って連通するように仕切る仕切部材と、前記流入空間内で気液二相流体を上向きに噴射する二相管と、前記仕切部材の周縁部と前記密閉容器の底とを結ぶように延びて、前記分離空間及び前記液溜まりを前記密閉容器の内周面に面する外周領域とその内側の中心領域とに隔てる透過性の整流部材と、前記中心領域内において前記仕切部材に向かって開口するガス出口管と、前記液溜まり内で前記中心領域に開口する液出口管と、を備えた気液分離器を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
上記の気液分離器によれば、整流部材により、液滴がガス出口管を介して密閉容器の外部へ排出されること、あるいは、気泡が液出口管を介して密閉容器の外部へ排出されることが抑制される。また、整流部材により、液溜まりの液面の乱れを整えることができる。これにより、気液分離性能を向上させた気液分離器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態に係る気液分離器の断面図
【図２】一実施形態に係る仕切部材及び整流部材の投影図
【図３】一実施形態に係る整流部材の斜視図
【図４】整流部材の作用を説明する図
【図５】比較例に係る気液分離器の断面図
【図６】他の実施形態に係る気液分離器の断面図
【図７】他の実施形態の気液分離器を用いた冷凍サイクル装置の回路図
【図８】変形例に係る整流部材の斜視図
【図９】変形例に係る整流部材の斜視図
【図１０】変形例に係る整流部材の斜視図
【図１１】（ａ）変形例に係る整流部材の作用を説明する図、（ｂ）一実施形態に係る整流部材の作用を説明する図
【図１２】従来の気液分離器の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
上述の特許文献１の気液分離器１００において、流入空間１１１に流入した気液二相流が仕切り板１２０と衝突して形成された液膜が、分離部材１３０に流入する際に崩壊し、液滴が発生するおそれがある。気液分離器１００のガス出口管１５３の開口は、分離部材１３０に気液二相流が流入する部分と近接しているので、発生した液滴がガス出口管１５３を通じて気液分離器１００の外部へ排出されるおそれがある。
【００１２】
また、分離された液が液溜まりに流入する際に液溜まりの液面が乱れて発生した液滴が、ガス出口管１５３を流れて気液分離器１００の外部へ排出されるおそれがある。さらに、分離された液が液溜まりに流入する際に液溜まりの液面が乱れて液溜まり中に発生した気泡が液出口管１５２を流れて気液分離器１００の外部へ排出されるおそれがある。
【００１３】
本発明の発明者らは、分離空間及び液溜まりを密閉容器の内周面に面する外周領域とその内側の中心領域とに隔てる透過性の整流部材を設けることで、液滴がガス出口管を介して密閉容器外部へ排出されること、あるいは、気泡が液出口管を介して排出されることを抑制できることを見出した。本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。
（本開示の態様の説明）
【００１４】
本開示の第１態様は、気液二相流体がガスと液とに分離される内部空間を有し、分離された液により前記内部空間の下方に液溜まりが形成される密閉容器と、前記内部空間を、気液二相流体が噴射される流入空間と前記流入空間の下方の分離空間とに、それらが前記密閉容器の内周面に沿って連通するように仕切る仕切部材と、前記流入空間内で気液二相流体を上向きに噴射する二相管と、前記仕切部材の周縁部と前記密閉容器の底とを結ぶように延びて、前記分離空間及び前記液溜まりを前記密閉容器の内周面に面する外周領域とその内側の中心領域とに隔てる透過性の整流部材と、前記中心領域内において前記仕切部材に向かって開口するガス出口管と、前記液溜まり内で前記中心領域に開口する液出口管と、を備えた気液分離器を提供する。
【００１５】
本開示の第２態様は、第１態様に加え、前記仕切部材及び前記整流部材を鉛直方向に水平面に投影したとき、前記整流部材の投影体が、前記仕切部材の投影体と外接し、あるいは、前記整流部材の投影体の少なくとも一部が、前記仕切部材の投影体と重なっている、気液分離器を提供する。
【００１６】
上記態様によれば、整流部材が仕切部材に近接して配置されているので、整流部材により液とガスの流れが乱れることを抑制できる。
【００１７】
本開示の第３態様によれば、第１態様又は第２態様に加え、前記整流部材は、前記仕切部材の周縁部及び前記密閉容器の底部と接している、気液分離器を提供する。
【００１８】
上記態様によれば、液滴がガス出口管を介して密閉容器外部へ排出されること、あるいは、気泡が液出口管を介して密閉容器外部へ排出されることをより確実に抑制できる。
【００１９】
本開示の第４態様によれば、第１〜第３態様にいずれか１つの態様に加え、前記ガス出口管は、鉛直方向に伸びる、気液分離器を提供する。
【００２０】
上記態様によれば、ガス出口管が密閉容器の側面と交差しないので、密閉容器の側面と交差したガス出口管によって液とガスの流れが乱れるのを抑制できる。
【００２１】
本開示の第５態様によれば、第１〜第４態様のいずれか１つの態様に加え、前記整流部材はメッシュ部材である、気液分離器を提供する。
【００２２】
上記態様によれば、整流部材は多数の開口を有するので、外周領域から中心領域に液を容易に導くことができる。
【００２３】
本開示の第６態様によれば、第１〜第４態様のいずれか１つの態様に加え、前記整流部材がハニカム構造を有する、気液分離器を提供する。
【００２４】
上記態様によれば、整流部材は多数の開口を有するので、外周領域から中心領域に液を容易に導くことができる。
【００２５】
本開示の第７態様によれば、第１〜第４態様のいずれか１つの態様に加え、前記整流部材は、らせん状に連続して延びるスリットを有する、気液分離器を提供する。
【００２６】
上記態様によれば、整流部材は、らせん状に連続して伸びるスリットを介して外周領域から中心領域に液を容易に導くことができる。
【００２７】
本開示の第８態様によれば、第１〜第４態様のいずれか１つの態様に加え、上端から下端に向かう方向に延びるスリットを有する、気液分離器を提供する。
【００２８】
上記態様によれば、液滴又は気泡の上下方向の動きが妨げられにくく、気液分離器の気液分離性能が向上し得る。
【００２９】
本開示の第９態様によれば、第８態様に加え、棒材が反対方向に繰り返し折り曲げられて前記スリットが形成されている、気液分離器を提供する。
【００３０】
上記態様によれば、簡易な構成で、第８態様と同様の効果を奏する。
【００３１】
本開示の第１０態様によれば、第１〜第９態様のいずれか１つの態様に加え、前記二相管は一対設けられており、前記一対の二相管のそれぞれには前記液溜まりに浸る部分に液出口穴が設けられており、前記液出口穴が前記液出口管の開口を構成し、前記一対の二相管のそれぞれの前記液出口穴よりも下側の部分が前記液出口管を兼ねる、気液分離器を提供する。
【００３２】
上記態様によれば、一対の二相管のうち一方が気液二相流体の流入管として機能するときは、他方が液出口管として機能する。一対の二相管の機能は、どちらに気液二相流体を供給するか選択するだけで、流体の性状によって自然に入れ替わる。これにより、リバーシブルな気液分離器を実現することができる。
【００３３】
本開示の第１１態様によれば、冷媒を圧縮する圧縮機、室内の空気と冷媒との間で熱交換を行う室内熱交換器、冷媒を膨張させる第１膨張機構及び第２膨張機構、ならびに室外の空気と冷媒との間で熱交換を行う室外熱交換器を含むとともに、第１０態様の気液分離器であって、前記一対の二相管が前記第１膨張機構及び前記第２膨張機構にそれぞれ接続された気液分離器を含むヒートポンプ回路と、前記圧縮機に冷媒の圧縮中に冷媒が注入されるように前記気液分離器の前記ガス出口管と前記圧縮機とを接続するインジェクション管と、前記ヒートポンプ回路に流れる冷媒の流れの方向を、暖房運転時に前記圧縮機から吐出された冷媒が前記室内熱交換器に導かれる第１方向に切り換え、冷房運転時に前記圧縮機から吐出された冷媒が前記室外熱交換器に導かれる第２方向に切り換える切り換え手段と、を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。
【００３４】
上記態様によれば、第１０態様の気液分離器を用いて、膨張行程の途中で気液分離器からガス冷媒を圧縮行程の途中に注入するインジェクションサイクルを実現できる。これにより、冷凍サイクル装置の高効率化を実現することができる。また、これにより、暖房能力の向上を図ることができる。
【００３５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、以下の実施形態によって限定されるものではない。
【００３６】
＜第１実施形態＞
図１に、本実施形態に係る気液分離器１Ａを示す。気液分離器１Ａは、鉛直方向（ｚ方向）に伸びる密閉容器２と、密閉容器２の外部から内部に伸びる３本の配管である、二相管３１、液出口管３２及びガス出口管４と、二相管３１によって密閉容器２の内部に保持された仕切部材５と、仕切部材５の周縁部から密閉容器２の底まで延びる整流部材６Ａとを備えている。
【００３７】
本実施形態では、ガス出口管４が密閉容器２の中心軸上に配置されている。二相管３１及び液出口管３２は、ガス出口管４を挟んで互いに１８０°反対に位置している。
【００３８】
密閉容器２は、下向きに開口する半球状の上覆い部２１、円筒状の筒状部２２及び上向きに開口する底面がフラットな下覆い部２３を含み、これらにより内部空間が形成されている。なお、上覆い部２１は必ずしも半球状である必要はなく、板状の天井部からから側壁が垂れ下がるようなバケツ状であってもよい。また、下覆い部２３は必ずしも底面がフラットである必要はなく、上覆い部２１と同様の半球状であってもよい。
【００３９】
密閉容器２内に設けられた仕切部材５は、上覆い部２１との間に流入空間１１を形成するとともに、筒状部２２との間に連通路１５を形成している。換言すれば、仕切部材５は、密閉容器２の内部空間を、流入空間１１と分離空間１２とが密閉容器２の内周面に沿って連通するように仕切っている。
【００４０】
仕切部材５は、天井部５１及び天井部５１の周縁部から垂れ下がる側壁部５２を有し、下向きに開口する容器状の形状である。天井部５１は、円盤状であり、フラットな仕切部材５の上面を構成している。側壁部５２は、筒状部２２の内周面と対向する仕切部材５の外周面を構成している。
【００４１】
仕切部材５の上面は、必ずしもフラットである必要はなく、仕切部材５の外周面と連続するようなドーム状の曲面であってもよいし、円錐面であってもよい。仕切部材５の形状は、必ずしも軸対称である必要はないし、必ずしも容器状である必要はない。仕切部材５は、例えば、天井部５１から垂れ下がる側壁部５２を有さない、単なる板状の部材であってもよい。図１において、側壁部５２は、ｚ軸（鉛直方向）に沿って延びる下向きに開口した筒状であるが、必ずしもこの形状である必要はなく、下向きに径が拡大するテーパ状であってもよい。
【００４２】
二相管３１は、気液二相流体を密閉容器２の内部空間に導くものであり、先端が流入空間１１に開口するように密閉容器２の底及び仕切部材５を貫通して延びている。換言すれば、二相管３１の開口３１ｉは、仕切部材５の上方の流入空間１１に位置している。二相管は途中で折れ曲がっていてもよいが、実質的にストレートであることが望ましい。ここで、「実質的にストレート」とは、途中で折れ曲がっていてもその折れ曲がり角度が１０度以下であることをいう。本実施形態では、二相管３１は鉛直方向に延びている。
【００４３】
ガス出口管４は、密閉容器２の内部空間に流入した気液二相流体から分離されたガスを密閉容器２の外部へ流出させるものである。ガス出口管４は先端が仕切部材５の下方で仕切部材５に向かって開口するように、密閉容器２の底を貫通して鉛直方向に延びている。また、ガス出口管４の開口４ｅは、仕切部材５の側壁部５２で囲まれる空間に位置している。なお、ガス出口管４は必ずしもストレートである必要はない。
【００４４】
本実施形態において、仕切部材５は、二相管３１によって保持されている。二相管３１への固定方法は、二相管３１を拡管して仕切部材５を固定する方法であってもよいし、ロウ付けにより二相管３１に固定する方法であってもよい。また、仕切部材５は、必ずしも二相管３１に保持される必要はない。例えば、天井部５１の周縁部から密閉容器２の内周面に向かって複数のリブが放射状に伸びた保持部材（不図示）を筒状部２２の上部側拡管部２２ａで支持して、仕切部材５を密閉容器２内に配置してもよい。この場合、仕切部材５を構成する天井部５１、側壁部５２及び保持部材は互いに一体的に成形されていてもよい。また、天井部５１と側壁部５２との一体成形物の下部に保持部材が配置されるように、天井部５１と側壁部５２との一体成形物と保持部材が別々に構成されていてもよい。
【００４５】
仕切部材５の下方には、仕切部材５の周縁部から密閉容器２の底までを結ぶように延びる整流部材６Ａが配置されている。整流部材６Ａは、図３に示すように、円筒状のメッシュ部材であり、一端が仕切部材５の側壁部５２の内周面に嵌め込まれている。整流部材６Ａの他端は、密閉容器２の底と接している。換言すると、整流部材６Ａは、仕切部材５と密閉容器の底とで保持されている。
【００４６】
液出口管３２は、密閉容器２の内部空間に流入した気液二相流体から分離された液を密閉容器２の外部へ流出させるものである。液出口管３２は、密閉容器２の底で整流部材６Ａが取り囲む空間に向かって開口している。
【００４７】
次に、図１を参照しつつ、密閉容器２の内部空間での気液分離メカニズムについて説明する。なお、図１において気液二相流体、液及びガスの流れを矢印で示している。
【００４８】
気液二相流体が二相管３１を通じて密閉容器２の流入空間１１に導かれる。流入空間１１は、上覆い部２１によって上方から覆われているため、流入空間１１へ流入した気液二相流体は周囲に拡散する。このとき、気液二相流体は、上覆い部２１に衝突してもよいし（図中のｉ１）、上覆い部２１に衝突しなくてもよい。その後、気液二相流体は、徐々に下向きに向きを変えながら二層流Ｆへと変化する。すなわち、密閉容器２の上覆い部２１によって気液二相流体の向きが１８０°反転させられるため、その時の遠心力差（慣性力差）によってガスと液とをある程度分離することができる。ここで、二層流Ｆは液層Ｆ１とガスリッチ層Ｆ２とを含んでいる。
【００４９】
上覆い部２１によって形成された二層流Ｆは連通路１５を通過し、筒状部２２の内周面に沿って流下する（図１のＬ１）。このとき、ガスリッチ層Ｆ２の流下速度は液層Ｆ１の流下速度よりも速いため、ガスリッチ層Ｆ２は液層Ｆ１の表面上を擦るように流れる。そのため、液層Ｆ１の表面張力によってガスリッチ層Ｆ２から液の大半が取り除かれ、二層流Ｆが液とガスとに分離される。
【００５０】
分離されたガスは、分離空間１２内で上昇し（図１中のＧ１〜Ｇ２）、仕切部材５で囲まれる空間で下向きに向きを変える（図１中のＧ３）。このとき、ガス中にわずかに混入するミスト状の液が遠心力や重力で取り除かれる。その後ガスは、ガス出口管４から密閉容器２の外部へ排出される。
【００５１】
分離された液は、筒状部２２の内周面をそのまま流下し（図１中のＬ２）、液溜まり１３を形成する。液溜まり１３の液は、液出口管３２の開口３２ｅへ流入し、密閉容器２の外部へ排出される（図１中のＬ３）。
【００５２】
次に、整流部材６Ａを詳細に説明する。整流部材６Ａは、仕切部材５の周縁部と密閉容器２の底とを結ぶように延びている。整流部材６Ａは、仕切部材５の下方の分離空間１２及び液溜まり１３を、整流部材６Ａの外周面と密閉容器２の内周面との間に形成される外周領域１３Ｆと、その内側の整流部材６Ａが取り囲む空間である中心領域１３Ｅとに隔てている。
【００５３】
図２（ａ）は、整流部材６Ａ及び仕切部材５を鉛直方向に水平面に投影した図である。図２（ａ）に示すように、整流部材６Ａは、整流部材６Ａの投影体の全体が仕切部材５の投影体と重なるように、配置されている。これに限らず、整流部材６Ａは、整流部材６Ａの投影体の少なくとも一部が、仕切部材の５の投影体と重なるように、配置されてもよい。また、整流部材６Ａは、図２（ｂ）に示すように整流部材６Ａの投影体が仕切部材５の投影体に外接するように配置されてもよい。さらに、整流部材６Ａは、整流部材６Ａの投影体が仕切部材５の投影体から離間して仕切部材５の投影体を取り囲むように配置されていてもよい。ただし、分離空間１２の外周領域１３Ｆが、液及びガスが流れる領域であることを考慮すると、整流部材６Ａによってこれらの流れが乱されないことが望ましい。この観点から、整流部材６Ａは、仕切部材５と近接していることが望ましい。そのためには、仕切部材５及び前記整流部材６Ａを鉛直方向に水平面に投影したとき、整流部材６Ａの投影体が、仕切部材５の投影体と外接していることが望ましい。あるいは、整流部材６Ａの投影体の少なくとも一部が、仕切部材５の投影体と重なっていることが望ましい。
【００５４】
本実施形態では、図１に示す通り、整流部材６Ａは、一端が仕切部材５の側壁部５２の内周面に嵌め込まれ、他端が密閉容器２の底と接している。すなわち、整流部材６Ａは、分離空間１２及び液溜まり１３を、外周領域１３Ｆ及び中心領域１３Ｅに全面的に隔てるように構成されている。しかし、このことは必須ではない。整流部材６Ａは、気液界面１３Ｉ（液溜まり１３の液面）を上下に跨いで、分離空間１２及び液溜まり１３を外周領域１３Ｆ及び中心領域１３Ｅに隔てる構成であってもよい。例えば、整流部材６Ａが浮き（フロート）を有し、整流部材６Ａの上端及び下端が、それぞれ仕切部材５及び密閉容器２の底に接しておらず、かつ、気液界面１３Ｉを跨ぐ構造としてもよい。また、整流部材６Ａは、上端が仕切部材５の側壁５２から垂れ下がるように取り付けられ、下端が液溜まり１３中に浸されつつ、密閉容器２の底と接しないように構成されていてもよい。さらに、整流部材６Ａは、密閉容器２の底から上方に延びるように取り付けられ、上端が気液界面１３Ｉよりも上方の分離空間１２に位置しつつ、仕切部材５と接しないように構成されていてもよい。しかし、気液界面１３Ｉは運転条件によって経時的に変化することや、低コストの実現、さらには、後述する整流効果を用いて液滴又は気泡の気液分離性能を高めることを考慮すると、本実施形態のように分離空間１２と液溜まり１３を外周領域１３Ｆと中心領域１３Ｅとに全面的に隔てることが望ましい。
【００５５】
整流部材６Ａの作用について図１、図４及び図５を参照しつつ説明する。
【００５６】
まず、二層流Ｆの流下速度が非常に速い状態で、分離空間１２及び液溜まり１３へ二層流Ｆが流入する場合を考える。図５は、整流部材６Ａを備えない気液分離器２００について、二層流Ｆの流下速度が非常に速い状態での気液分離器２００の内部の様子を示している。なお、気液分離器２００は整流部材６Ａを備えない点以外は第１実施形態と同様であるので、気液分離器２００の各部には第１実施形態と同じ符号を付している。
【００５７】
図５に示すように、二層流Ｆと液溜まり１３の気液界面１３Ｉとが衝突することで、気液界面１３Ｉが乱れる。その結果、液溜まり１３の中には気泡が進入し（図５のＬ２領域のＧｐ１）、そのまま液出口管３２の開口３２ｅから気液分離器２００の外部へ気泡、すなわち、ガスが排出されるおそれがある。一方、気液界面１３Ｉはガス出口管４に沿って上昇し（図５のＧ２、Ｇ３近傍）、そのままガス出口管４の開口４ｅから液が気液分離器２００の外部へ排出されてしまうおそれがある。
【００５８】
このように気液界面１３Ｉが乱れたとき、気液分離器１Ａが整流部材６Ａを有していると、液及びガスの流れは図１に示すような状態となる。すなわち、整流部材６Ａは、それ自体が障害物（消波部材）となることで、二層流Ｆが気液界面１３Ｉと衝突した際に発生する気液界面の乱れを、外周領域１３Ｆ内に留め、消波する。さらに、整流部材６Ａは、ガス及び液体が透過可能な透過性のメッシュ部材であるので、整流部材６Ａは、液溜まり１３内の液出口管３２の開口３２ｅへ液を導き、分離空間１２の上方に設けられたガス出口管４の開口４ｅへガスを導くことができる。その結果、気液分離器が整流部材を有することで気液分離器の気液分離性能を向上させることができる。また、整流部材６Ａは多数の空隙（本実施形態においては、メッシュ部材の空隙）を有している。従って、二層流Ｆと気液界面１３Ｉの衝突によって乱れたガス及び液の流れを整流する。その結果、整流部材６Ａの上方ではガス流の中の液滴の量が低減された状態で、外周領域１３Ｆから中心領域１３Ｅへガスを導くことができる。また、整流部材６Ａの下方では液流の中の気泡の量が低減された状態で、外周領域１３Ｆから中心領域１３Ｅへ液を導くことができる。
【００５９】
例えば、密閉容器２の底から気液界面１３Ｉまで延びる空隙がない円筒を整流部材として用いると、円筒自体が障害物となって消波の作用は発揮することはできる。しかし、液の流れを外周領域１３Ｆから中心領域１３Ｅへ速やかに導くことが困難であるので、外周領域１３Ｆの気液界面１３Ｉが上昇して気液分離器１Ａが機能しないおそれがある。従って、整流部材としては、本実施形態の整流部材６Ａであるメッシュ部材のように、多数の空隙を有する部材を用いることが望ましい。なお、整流部材６Ａの空隙は、ガス又は液の流れを速やかに外周領域１３Ｆから中心領域１３Ｅへ導きつつ、整流効果を発揮できる形状が望ましい。例えば、整流部材６Ａは、メッシュ部材のように多数の空隙が密閉容器２の中心軸方向へ延びている構成であることが望ましい。換言すると、整流部材６Ａは、ガス出口管４へ向かうガスの流動及び液出口管３１へ向かう液の流動に逆らわない方向に延びて、外周領域１３Ｆと中心領域１３Ｅとを連通させる穴を有することが望ましい。
【００６０】
次に、図４を参照しつつ、整流部材６Ａによる気液分離メカニズムについて説明する。具体的には、整流部材６Ａに衝突、あるいは整流部材６Ａを通過した、気泡及び液滴に作用する力について説明する。
【００６１】
液溜まり１３中の外周領域１３Ｆにある気泡Ｇｐ１が、液層Ｆ１が引き起こした液流によって液溜まり１３中を中心領域１３Ｅへ向かって流され、整流部材６Ａに衝突した液滴Ｇｐ２に作用する力を考える。図４に示す通り、気泡Ｇｐ２に作用する力の流動方向のベクトルは、整流部材６Ａとの衝突に伴う損失などによって、極めて小さく、もしくは、ほぼゼロとなる。一方、気液密度差によって生じる浮力は整流部材６Ａとの衝突の影響を大きく受けない。その結果、気泡Ｇｐ２は、分離空間１２へ向かって浮上する。
【００６２】
気泡Ｇｐ１が、液層Ｆ１が引き起こした液流によって液溜まり１３中を外周領域１３Ｆから中心領域１３Ｅへ向かって流され、整流部材６Ａを通過した液滴Ｇｐ３に作用する力を考える。整流部材６Ａを通過する際に、液流は整流部材６Ａの流出抵抗によって、流速が減少する。その結果、気泡Ｇｐ３に作用する合力は、図４に示す通り気液界面１３Ｉ方向となり、気泡Ｇｐ３は分離空間１２へ向かって上昇しやすくなる。
【００６３】
次に、分離空間１２内に液滴が流動している場合の分離効果を説明する。分離空間１２の外周領域１３Ｆに存在する液滴Ｌｐ１が、ガス出口管４の開口４ｅに向かうガスの流れによって運ばれ、整流部材６Ａに衝突した液滴Ｌｐ２に作用する力を考える。図４に示す通り、液滴Ｌｐ２に作用する力のガス流動方向のベクトルは整流部材６Ａとの衝突による損失によって、極めて小さく、あるいは、ほぼゼロとなり、液滴Ｌｐ２に作用する力は重力が支配的になる。その結果、液滴Ｌｐ２は気液界面１３Ｉへ向かって落下する。
【００６４】
液滴Ｌｐ１が、ガス出口管４の開口４ｅへ向かうガス流によって運ばれ、整流部材６Ａを通過した液滴Ｌｐ３に作用する力を考える。気泡を運ぶ液流と同様に、整流部材６Ａを通過する際、ガス流は整流部材６Ａの流出抵抗によって、流動速度が減少する。その結果、液滴Ｌｐ３に作用する合力は、図４に示す通り、気液界面１３Ｉ方向となり、液滴Ｌｐ３が液溜まり１３へ落下しやすくなる。
【００６５】
以上の説明において、気泡同士あるいは液滴同士の凝集作用、及び、気泡又は液滴が整流部材６Ａに衝突して生じる凝集作用を無視している。しかし、この凝集作用は気液分離器の気液分離性能の向上に寄与しうる。凝集作用によって気泡あるいは液滴の径が大きくなると、気泡に作用する浮力（体積に比例）、液滴に作用する重力（体積に比例）及び抗力（投影面積に比例）が増す。その結果、気泡が液流に同伴しにくくなり、あるいは、液滴がガス流に同伴しにくくなる。
【００６６】
以上説明したとおり、整流部材６Ａは、気液界面の消波作用に加えて、液溜まり１３内に進入した気泡が分離空間１２へ、分離空間１２を漂うガス内を漂う液滴が液溜まり１３側へ容易に導かれるように作用する。換言すれば、整流部材６Ａは、液滴がガス出口管４を介して密閉容器２の外部へ排出されること、あるいは、気泡が液出口管３２を介して密閉容器２の外部へ排出されることを抑制している。
【００６７】
気泡及び液滴は、二層流Ｆの動作によっては液流の流動場、ガス流の流動場全体を流動する可能性がある。つまり、二層流Ｆの流下速度が大きい場合、液層Ｆ１は図１に示したように、密閉容器２の底近傍まで、気液界面１３Ｉを押し下げる可能性がある。その結果、気泡が密閉容器の底まで達する可能性や、液滴がガス出口管の開口４ｅの高さまで達する可能性がある。これらの点を考慮すると、分離空間１２及び液溜まり１３を全面的に外周領域１３Ｆと中心領域１３Ｅに隔てるように、整流部材６Ａは、上端が仕切部材５の周縁部に接し、下端が密閉容器２の底に接していることが望ましい。
＜第２実施形態＞
【００６８】
次に、図６を参照しつつ第２実施形態の気液分離器１Ｂについて説明する。なお、第２実施形態の気液分離器１Ｂの第１実施形態の気液分離器１Ａと共通する部分については同じ符号を用いている。
【００６９】
気液分離器１Ｂは、二相管３１及び液出口管３２に替わり、一対の二相管である第１配管３１Ａ及び第２配管３１Ｂが用いられている点で気液分離器１Ａと異なる。第１実施形態おいては、二相管３１のみが仕切部材５を貫通していたが、第２実施形態においては、第１配管３１Ａと第２配管３１Ｂの二本の配管が、仕切部材５を貫通している。ガス出口管４の構成は、第１実施形態と同じである。
【００７０】
第１配管３１Ａと第２配管３１Ｂの構成は、第１実施形態の二相管３１の構成に準ずる。すなわち、第１配管３１Ａ及び第２配管３１Ｂは先端が流入空間１１に開口するように密閉容器２の底及び仕切部材５の天井部５１を貫通して延びている。第１配管３１Ａ及び第２配管３１Ｂは、例えば液溜まり１３中で略９０°折れ曲がっていてもよいが、実質的にはストレートであることが望ましい。本実施形態では、第１配管３１Ａ及び第２配管３１Ｂは、鉛直方向に延びている。
【００７１】
第１配管３１Ａ及び第２配管３１Ｂには、液溜まり１３に浸る部分に液出口穴３１ｅが設けられている。そして、第１配管３１Ａ及び第２配管３１Ｂは、どちらか一方が気液二相流体を密閉容器２の外部から流入空間１１へ流入させるときでも、他方の液出口穴３１ｅよりも上方に液面が形成されて液出口穴３１ｅから密閉容器２の外部へ液溜まり１３の液を流出させるように構成されている。具体的には、液溜まり１３の液面１３Ｉが降下した場合でもその液面よりも下方に液出口穴３１ｅが位置するように、液出口穴３１ｅが密閉容器２の底に近い位置に設けられている。
【００７２】
ここで、密閉容器２内では、流入空間１１と分離空間１２との間以外では圧力損失がないと仮定し、液出口穴３１ｅの位置から液溜まり１３の液面までの高さをＨ1[ｍ]、液出口穴３１ｅの位置から第１配管３１Ａの先端、又は、液出口穴３１ｅの位置から第２配管３１Ｂの先端までの高さをＨ2[ｍ]、液の密度をρ1[ｋｇ／ｍ3]、ガスの密度をρ2[ｋｇ／ｍ3]とする。
【００７３】
第１配管３１Ａを通じて気液二相流体が導入されるときは、第２配管３１Ｂの内部は液溜まり１３の液面高さ近傍まで液出口穴３１ｅから流入した液に満たされ、これにより第２配管３１Ｂ内に液面が形成される。逆に、第２配管３１Ｂを通じて気液二相流体が導入されるときには、第１配管３１Ａの内部は液溜まり１３の液面高さ近傍まで液出口穴３１ｅから流入した液に満たされ、これにより第１配管３１Ａ内に液面が形成される。
【００７４】
第１配管３１Ａを通じて気液二相流体が導入されるときには、液出口穴３１ｅ基準で第２配管３１Ｂ内の圧力をＰINとしたとき、第２配管３１Ｂの先端からガスが流入すると仮定すると、ＰINは流入空間１１の圧力Ｐ2を用いて、下記（式１）で表せる。ここで、ｇは重力加速度を表す。
ＰIN＝ρ2・ｇ・Ｈ2＋Ｐ2  ・・・（式１）
【００７５】
また、液出口穴３１ｅ基準で液溜まり１３内の圧力をＰOUTとしたとき、Ｐoutは分離空間１２の圧力Ｐ1を用いて、下記（式２）で表せる。
ＰOUT＝ρ1・ｇ・Ｈ1＋Ｐ1＋ρ2・ｇ・（Ｈ2−Ｈ1）  ・・・（式２）
【００７６】
また、流入空間１１と分離空間１２の間の圧力損失ΔＰの関係から、下記（式３）が成り立つ。
Ｐ1＝Ｐ2−ΔＰ  ・・・（式３）
【００７７】
これらの（式１）〜（式３）よりＰ1及びＰ2を消去すると、下記（式４）が成り立つ。
ＰOUT−ＰIN＝ｇ・Ｈ1・（ρ1−ρ2）−ΔＰ  ・・・（式４）
【００７８】
第２配管３１Ｂの先端からガスが流入せずに液出口穴３１ｅから液が流出して第２配管３１Ｂの内部で液面が形成されるには、ＰOUT＞ＰINである必要があるので、以下の（式５）が導かれる。なお、この（式５）は、第２配管３１Ｂを通じて気液二相流体が導入されるときでも同じである。
ｇ・Ｈ1・（ρ1−ρ2）−ΔＰ＞０  ・・・（式５）
【００７９】
従って、流入空間１１と分離空間１２との間の圧力損失ΔＰ、すなわち仕切部材５と密閉容器２の筒状部２２の内周面との間に形成される連通路１５及びその近傍で発生する圧力損失ΔＰが（式５）を満たすように、仕切部材５の形状及び液出口穴３１ｅの位置を設計すればよい。
【００８０】
なお、気液分離メカニズムについては第１実施形態と同様である。
【００８１】
本実施形態のように二相管３１、液出口管３１に替わり、第１配管３１Ａ及び第２配管３１Ｂを設置することで、第１配管３１Ａ及び第２配管３１Ｂの一方が気液二相流体のための二相管として機能するときには、他方が液出口管として機能する。そして、第１配管３１Ａと第２配管３１Ｂの機能は、どちらに気液二相流体を供給するか選択するだけで、液体の性状によって自然と入れ替わる。これにより、小型化に適したシンプルな構成でリバーシブルな気液分離器を実現することができる。さらには、密閉容器２の内部でアクチュエータなどによって流路を切り替える必要がないので、逆止弁などを用いた従来のリバーシブルな気液分離器と比べ、低コスト化を図ることが可能である。
【００８２】
また、第１配管３１Ａ及び第２配管３１Ｂが実質的にストレートであれば、液出口穴３１ｅを液溜まり１３の最深部付近に設けることが可能である。液面高さが変動した場合でも、液出口穴３１ｅの位置から液溜まり１３の液面までの高さＨ1を十分に確保することができる。これにより、気液分離器１Ｂの気液分離性能の安定性を向上させることができる。
【００８３】
次に、図７を参照して第２実施形態の気液分離器１Ｂを用いた冷凍サイクル装置９を説明する。
【００８４】
この冷凍サイクル装置９は、室内の暖房及び冷房を行う空調に用いられるものであり、冷媒を循環させるヒートポンプ回路９０と、冷媒をバイパスするインジェクション管９７とを備えている。
【００８５】
ヒートポンプ回路９０は、冷媒を圧縮する圧縮機９１、室内の空気と冷媒との間で熱交換を行う室内熱交換器９３、冷媒を膨張させる第１膨張機構９４及び第２膨張機構９５、ならびに室外の空気と冷媒との間で熱交換を行う室外熱交換器９６を含む。気液分離器１Ｂは、第１配管３１Ａが第２膨張機構９５に接続され、第２配管３１Ｂが第１膨張機構９４に接続されるように、ヒートポンプ回路９０に組み込まれている。
【００８６】
圧縮機９１は、低段作動室と高段作動室とが内部流路で接続された構成を有している。インジェクション管９７は、圧縮機９１に冷媒の圧縮中に冷媒が注入されるように気液分離器１Ｂのガス出口管４と圧縮機９１の内部流路とを接続している。
【００８７】
さらに、ヒートポンプ回路９０には切換手段として四方弁９２が設けられている。四方弁９２は、ヒートポンプ回路９０に流れる冷媒の方向を、暖房運転時に圧縮機９１から吐出された冷媒が室内熱交換器９３に導かれる第１方向に切り換え、冷房運転時に圧縮機９１から吐出された冷媒が室外熱交換器９６に導かれる第２方向に切り換える。すなわち、暖房運転では、冷媒が室外熱交換器９６で吸熱して室内熱交換器９３で放熱し、冷房運転では、冷媒が室内熱交換器９３で吸熱して室外熱交換器９６で放熱する。なお、本実施形態の切換手段は四方弁９２に限られるものではなく、例えばブリッジ回路などであってもよい。
【００８８】
図１２に示すような従来の気液分離器１００を暖房運転と冷房運転とで冷媒の流れの向きが逆転する冷凍サイクル装置９を用いる場合は、気液分離器１００への冷媒の流入方向を一定にするための四方弁をさらに追加する必要がある。これに対し、リバーシブルな気液分離器１Ｂを冷凍サイクル装置９に用いれば、そのような四方弁を追加する必要がなく、膨張行程の途中で気液分離器１Ｂからガス冷媒を圧縮行程の途中に注入するインジェクションサイクルを実現することができる。これにより、冷媒の蒸発潜熱を用いて低温側熱源と熱交換する冷房運転時の室内熱交換器９３又は暖房運転時の室外熱交換器９６の冷媒配管の圧力損失低減、あるいは、圧縮機９１の圧縮動力低減等による冷凍サイクル装置９の高効率化を実現することができる。しかも、圧縮行程の途中に注入される冷媒による冷却効果で、圧縮比の高くなる低外気温時の吐出温度を抑制することができる。これにより、圧縮機９１の回転数の上限を緩和することができるので、暖房能力の向上を図ることができる。
【００８９】
＜第１変形例＞
図８に、第１変形例に係る気液分離器の整流部材６Ｂを示す。図８において、整流部材６Ｂの空隙はハニカム構造を有している。整流部材６Ｂを整流部材６Ａの替わりに用いることで、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００９０】
＜第２変形例＞
図９に、第２変形例に係る気液分離器の整流部材６Ｃを示す。図９に示す通り、整流部材６Ｃは連続したらせん状のスリットを有する部材である。整流部材６Ｃとしては、コイルばね、あるいは、棒材をらせん状に曲げ加工して作製したものを用いることができる。整流部材６Ｃを整流部材６Ａの替わりに用いることで、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、コイルばねである整流部材６Ｃは、コイルばねの弾性力を利用して仕切部材５に取り付けられ、仕切部材５及び密閉容器２の底での保持が容易である。第１実施形態に係る整流部材６Ａを用いる場合は、整流部材６Ａの空隙率（＝流動部面積／（流動部面積＋部材面積））を変更するためには、材料であるメッシュ部材を製作し直す必要がある。これに対し、コイルばねである整流部材６Ｃを用いる場合は、コイルばねの弾性力を利用することにより一定の範囲で任意に空隙率を調整することが可能である。そのため、さまざまな運転条件に特化した整流部材のカスタマイズが容易である。
【００９１】
＜第３変形例＞
図１０に、第３変形例に係る気液分離器の整流部材６Ｄを示す。整流部材６Ｄには、上端から下端に向かう方向に伸びるスリットが形成されている。具体的には、整流部材６Ｄは、棒材が一定間隔で反対方向（１８０°）に繰り返し折り曲げられて、上端から下端まで延びるスリットが棒材間に形成された構造体を、円筒状に丸めることによって構成されている。整流部材６Ｄを整流部材６Ａの替わりに用いることで、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。加えて、本変形例では以下に説明する効果を奏する。
【００９２】
図１１を参照して、本変形例が奏する効果を説明する。図１１（ｂ）に示す通り、第１実施形態の整流部材６Ａには、構造上、分離空間１２へ浮上する気泡又は液溜まり１３へ落下する液滴を妨げる横棒部材が存在する。図１１（ａ）に示すように、整流部材の空隙として、整流部材６Ｄのような鉛直方向に伸びるスリットを形成した場合、分離空間１２へ浮上する気泡又は液溜まり１３へ落下する液滴を妨げる横棒部材が存在しない。従って、気泡が分離空間１２へ浮上しやすくなり、あるいは、液滴が液溜まり１３へ落下しやすくなり、気液分離器の気液分離性能が向上する。
【００９３】
上端から下端に向かう方向に延びるスリットが形成されている整流部材を実現するには、必ずしも本変形例の形状でなくてもよい。例えば、円周に沿うように並べた複数の棒材の上端及び下端の少なくとも一方において、針金等の手段によって複数の棒材を編み込むことによって、円筒形状の整流部材を作製してもよい。また、整流部材をフィン型熱交換器などに用いるアルミ薄板で作製し、プレス加工により上端から下端に向かう方向に伸びるスリットを形成した後に、円筒形状に丸めて整流部材を作製してもよい。
【００９４】
＜その他の実施形態＞
第１実施形態におけるガス出口管４を、密閉容器２の側部を貫通して分離空間１２に開口するように変形してもよい。あるいは、ガス出口管４が密閉容器の側部を貫通し、密閉容器内部で上方に向かって折り曲げられていてもよい。ただし、これらの実施態様では、ガス出口管４が、密閉容器２の側面と交差し、外周領域１３Ｆを流下する二層流Ｆを乱してしまう。また、ガス出口管４が液層流Ｆ１と衝突して、液滴が発生してしまうおそれがある。この点を考慮すると、第１実施形態のように、ガス出口管４は密閉容器２の底を貫通し鉛直方向に延びる構成が望ましい。
【符号の説明】
【００９５】
１Ａ、１Ｂ      気液分離器
２              密閉容器
４              ガス出口管
４ｅ            開口（ガス出口管）
５              仕切部材
６Ａ〜６Ｄ      整流部材
１１            流入空間
１２            分離空間
１３Ｆ          外周領域
１３Ｅ          中心領域
１３Ｉ          気液界面
３１            二相管
３１Ａ、３１Ｂ  二相管
３１ｉ          開口（二相管）
３１ｅ          液出口穴
３２            液出口管
３２ｅ          開口（液出口管）
９              冷凍サイクル装置
９０            ヒートポンプ回路
９１            圧縮機
９２            四方弁
９３            室内熱交換器
９４            第１膨張機構
９５            第２膨張機構
９６            室外熱交換器
９７            インジェクション管
【図１】
2013245917.tif 000003
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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