JP2012154529A - 冷凍サイクル装置、および膨張弁 - Google Patents

Abstract

【課題】振動、騒音を低減することができる冷凍サイクル装置、および膨張弁を得る。
【解決手段】冷媒を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１によって圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器３と、凝縮器３によって凝縮された冷媒を膨張する膨張弁４と、膨張弁４によって膨張された冷媒を蒸発する蒸発器５と、凝縮器３と膨張弁４とを連結する冷媒配管２内に設けられ、膨張弁４に流入する冷媒の流れに乱れを発生させる乱れ発生部材９とを備えた。
【選択図】図２

Description

この発明は、冷凍サイクル装置、および膨張弁に関する。

従来の技術においては、例えば、「気相、液相がそれぞれの状態すなわち、スラグ流のような気泡魂が突発的に膨張弁に流入すると、膨張弁の絞り部とオリフィス部で急激に圧力が変動するため、膨張弁前後で冷媒音及び、配管振動が発生する」という課題に対し、「多孔体の部材を膨張弁前後に設置することで、スラグ流のような気泡魂であった冷媒を多孔体を通過させることで、気相、液相がそれぞれ微小な気泡に細分化し、これを完全に混じり合った流動様式に移行することができる。その結果、膨張弁のオリフィス部での圧力脈動を連続的にすることができ発生する冷媒音及び、配管振動を低減することができる。」ものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、例えば、「冷媒が不規則な気液二相状態となって流れる場合や脈動が大きい場合でも、効果的に圧力脈動の伝達を抑制し、冷媒流動音を低減する」ことを目的とし、「気液二相状態冷媒の均質化効果および発生騒音の伝達低減効果を併せ持つ構成とした」ものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、例えば、「膨張弁の前後の配管内の流路断面の全体を覆うようにハニカムパイプや多孔体を設けることで、流体内に含まれる気泡を細分化し、気相と液相を均質化して騒音を低減」する構造に対し、「冷凍サイクル内の異物つまりに対する耐力がある膨張弁を得る」ことを目的として、「弁室の近傍の前記接続配管内に、前記接続配管内を流れる流体の一部が通過可能な流路を残して設けられた多孔質透過材と、を備え、前記接続配管の断面における前記流路の径を前記多孔質透過材の平均気孔径よりも大きな前記流路とした」ものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開平７−１４６０３２号公報（段落［０００３］、［００１４］） 特開平１１−３２５６５５号公報（段落［０００８］、［０００９］） 特開２００６−２７５４５２号公報（段落［０００６］〜［０００８］）

従来の技術では、凝縮器からの気液二相状態の冷媒が間欠的に膨張弁に流入することにより、膨張弁内部を衝撃加振することで発生する振動や騒音を低減するため、膨張弁の前後に、多孔質透過材などを設置して気液の流れを整流して均質化し、弁への衝突圧力変動を低減する構造としている。

しかしながら、膨張弁に流入する冷媒のほとんどが液相状態で、この液相状態の冷媒の冷媒循環量が少ない場合、冷媒の流れがじょう乱の少ない層流状態となり、膨張弁のニードルの後流で周期性を持ったきれいな渦が発生する。
このような渦が発生すると、渦からニードルが力を受け自励振動が発生し、膨張弁から冷媒配管や筐体に振動が伝わって騒音が発生する、という問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、振動、騒音を低減することができる冷凍サイクル装置、および膨張弁を得るものである。

この発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器によって凝縮された冷媒を膨張する膨張弁と、前記膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発する蒸発器と、前記凝縮器と前記膨張弁とを連結する冷媒配管内に設けられ、前記膨張弁に流入する冷媒の流れに乱れを発生させる乱れ発生部材とを備えたものである。

この発明は、膨張弁に流入する冷媒の流れに乱れを発生させるので、振動、騒音を低減することができる。

本発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置の要部を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による乱れ発生部材の斜視図である。 本発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置の騒音と、乱れ発生部材がない冷凍サイクル装置の騒音とを比較したグラフである。 本発明の実施の形態１による乱れ発生部材の斜視図である。 本発明の実施の形態２による冷凍サイクル装置の要部を示す断面図である。 本発明の実施の形態２による乱れ発生部材の斜視図である。 本発明の実施の形態２による乱れ発生部材を軸中心線上から見た正面図である。 本発明の実施の形態２による乱れ発生部材の斜視図である。 本発明の実施の形態３による冷凍サイクル装置の要部を示す断面図である。 従来の冷凍サイクル装置の要部を示す断面図である。

実施の形態１．
［構成］
図１は本発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置の構成を示す図である。
図１に示すように、冷凍サイクル装置は、圧縮機１、凝縮器３、膨張弁４、および蒸発器５を備えている。
圧縮機１は冷媒を圧縮する。
凝縮器３は、圧縮機１と冷媒配管２ａにより接続され、圧縮機１によって圧縮された冷媒を凝縮する。
膨張弁４は、凝縮器３と冷媒配管２ｂにより接続され、凝縮器３によって凝縮された冷媒を膨張する。
蒸発器５は、膨張弁４と冷媒配管２ｃにより接続され、膨張弁４によって膨張された冷媒を蒸発する。

さらに、凝縮器３と膨張弁４とを連結する冷媒配管２ｂ内には、膨張弁４に流入する冷媒の流れに乱れを発生させる乱れ発生部材９が設けられている。詳細は後述する。

このような構成において、圧縮機１を起動すると、低圧のガス冷媒は、圧縮機１に吸入されて圧縮されて高圧のガス冷媒となる。高圧のガス冷媒は、凝縮器３で凝縮されて高圧の液冷媒となる。そして、この高圧の液冷媒は、膨張弁４によって減圧されて、低温低圧の気液二相冷媒となり、蒸発器５で蒸発されて低圧のガス冷媒となる。この低圧のガス冷媒は、再び圧縮機１に吸入される。
この冷凍サイクル装置を空気調和機に適用することで、凝縮器３での発熱を利用して暖房を行う。また、蒸発器５の吸熱を利用して冷房を行う。
なお、四方弁を設けて冷媒の循環方向を変えることにより、冷房・暖房運転の切り替えを行うようにしても良い。

図２は本発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置の要部を示す断面図である。
図３は本発明の実施の形態１による乱れ発生部材の斜視図である。
図に示すように、膨張弁４は、弁室１６と、弁室１６に設けた弁孔８と、弁孔８に対して進退自在に設けられ、弁孔８の絞り量を調節するニードル６と、ニードル６の側面側の弁室１６に形成された接続口１０とを備えている。そして、接続口１０には冷媒配管２ｂが接続され、弁孔８には冷媒配管２ｃが接続される。

また、ニードル６の上部には、ニードル６と連結されたロータ７ａと、ステータ７ｂとにより構成されるモータ７（ステッピングモータ）を備えている。
このモータ７が回転することによりニードル６が上下し（上下機構は図示せず）、膨張弁４の弁孔８の開度を制御する。
これにより冷媒の流量を調節すると共に、弁孔８を冷媒が通過する際に膨張して、減圧する作用がある。

膨張弁４の接続口１０の上流側の冷媒配管２ｂ内には、乱れ発生部材９を設置している。
この乱れ発生部材９は、筒状の部材に切り欠き１１を形成し、切り欠き１１を中心側（冷媒の主流側）に折り曲げて構成している。
この乱れ発生部材９は、例えば、切断した冷媒配管２ｂの間に挟んでろう付けし冷媒が漏れないように固定する。
なお、乱れ発生部材９の取り付け方法はこれに限るものではない。例えば、乱れ発生部材９を冷媒配管２ｂに挿入して固定しても良い。また、接続口１０と冷媒配管２ｂとの接合部に乱れ発生部材９を配置しても良い。

［乱れ発生部材９がない冷凍サイクル装置の説明］
ここで、本実施の形態における作用を説明する前に、乱れ発生部材９がない従来の冷凍サイクル装置での問題点について説明する。
図１１は従来の冷凍サイクル装置の要部を示す断面図である。
なお、図１１において、本実施の形態と同様の構成には同一の符号を付する。
図１１に示すように、従来の冷凍サイクル装置は、乱れ発生部材９を設けていない冷媒配管２ｂから膨張弁４へ冷媒が流入し、膨張弁４により減圧された後、冷媒配管２ｃに流出する。
このような従来の冷凍サイクル装置において、凝縮器３では冷媒が凝縮することにより気相冷媒に液相冷媒が混じった気液二相状態に変化するが、運転条件によりほとんどが液相になることがある。
さらに、この液相冷媒が冷媒循環量の少ない状態で膨張弁４に流入すると、膨張弁４のニードル６の後流１０１で周期性を持ったきれいな渦１００が発生する。
この渦１００からニードル６が力を受け自励振動が発生し、膨張弁４から冷媒配管２や筐体（図示せず）に伝わって振動や騒音が発生する、という問題点があった。

次に、このような渦１００の発生を抑制して、振動、騒音の発生を低減する、本実施の形態における冷凍サイクル装置の作用について説明する。

［作用］
再び図２において、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、凝縮器３からの冷媒が乱れ発生部材９を設けた冷媒配管２ｂから膨張弁４へ流入し、膨張弁４により減圧された後、冷媒配管２ｃに流出する。
このような構成によれば、液相状態の冷媒が冷媒循環量の少ない状態で流入しても、乱れ発生部材９で乱れが発生し、乱流状態となる。
この乱流状態の冷媒が膨張弁４に流入すると、ニードル６の後流１０１でも非定常な流れとなり、周期性を持った渦の発生を抑制できる。これにより、ニードル６が自励振動することを抑制することができ、振動や大きな騒音の発生を低減することが可能となる。

また、一般には、冷媒配管の流れ方向から見た突起の投影面積を減らせば、配管内での圧力損失を低減できる。
本実施の形態においては、乱れ発生部材９の切り欠き１１を、中心側（冷媒の主流側）に折り曲げる角度を調整することで、乱れ発生部材９を挿入したことによる圧力損失も調整が可能となる。
許容できる振動、騒音まで切り欠き１１の曲げ角度を調整し、圧力損失の増大を最小限にできる。

［効果］
図４は本発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置の騒音と、乱れ発生部材がない冷凍サイクル装置の騒音とを比較したグラフである。
図４のグラフは、乱れ発生部材９の設置有無の状態で比較した膨張弁４から３００ｍｍ離れた位置での騒音の周波数特性である。なお、乱れ発生部材９は、切り欠き１１を冷媒の主流側に折り曲げた形状（図３）であり、膨張弁４の接続口１０から冷媒配管２ｂの直径の約７倍の長さの上流位置に配置した。
また、図４においては、横軸が騒音の周波数（Ｈｚ）、縦軸が騒音レベル（ｄＢＡ）を表しており、太線で表したデータは乱れ発生部材９がある場合で、細線で表したデータは乱れ発生部材９がない場合である。

図４に示すように、乱れ発生部材９がない場合は、９０００Ｈｚ前後の周波数帯域で騒音が大きく発生しているが、乱れ発生部材９を設置した場合には、９０００Ｈｚ前後の周波数帯域の騒音が大きく低減している。また、乱れ発生部材９を設置した場合には、聴感でも発生が認められなかった。

なお、図４の測定例では、乱れ発生部材９を、膨張弁４の接続口１０から冷媒配管２の直径の約７倍の長さの上流位置に設置したが、本発明はこれに限るものではない。膨張弁４の接続口１０の近くに乱れ発生部材９を設置しても、渦１００の発生の抑制に効果があることは言うまでもない。

なお、膨張弁４から大きく離れた上流位置に設置すると、乱れが収束し膨張弁４の接続口１０では乱れが減り、ニードル６の後流１０１から周期的な渦１００が発生する。このため、膨張弁４に流入する冷媒の流れに乱れを発生させるように、乱れ発生部材９を設置する必要がある。

以上のように本実施の形態においては、凝縮器３と膨張弁４とを連結する冷媒配管２内に設けられ、膨張弁４に流入する冷媒の流れに乱れを発生させる乱れ発生部材９を備えている。
このため、液相冷媒が冷媒循環量の少ない状態でも、流れに乱れが発生し、膨張弁４の内部で振動の原因となる周期性を持った渦１００の発生を抑制することができる。
よって、振動、騒音を低減することができる。

また本実施の形態においては、膨張弁４は、弁室１６と、弁室１６に設けた弁孔８と、弁孔８に対して進退自在に設けられ、弁孔８の絞り量を調節するニードル６と、ニードル６の側面側の弁室１６に形成された接続口１０とを備える。そして、乱れ発生部材９は、接続口１０に接続された冷媒配管２内に配置され、冷媒配管２から弁室１６に流入し、ニードル６の側面へ衝突する流体の流れに、乱れを発生させる。
このため、液相冷媒が冷媒循環量の少ない状態でも、流れに乱れが発生し、膨張弁４の内部のニードル６の後流で、振動の原因となる周期性を持った渦１００の発生を抑制することができる。
よって、渦１００からニードル６が力を受け自励振動が発生することを抑制することができ、膨張弁４から冷媒配管２や筐体に振動が伝わって騒音が発生することを低減することができる。

また本実施の形態においては、乱れ発生部材９は、筒状の部材に切り欠き１１を形成し、この切り欠き１１を折り曲げて構成した。
このため、液相状態の冷媒が冷媒循環量の少ない状態で流入しても、乱れ発生部材９で乱れが発生し、乱流状態とすることができる。
よって、膨張弁４の内部で振動の原因となる周期性を持った渦１００の発生を抑制することができる。したがって、振動、騒音を低減することができる。

なお、本実施の形態では、乱れ発生部材９は、筒状の部材に切り欠き１１を形成し、切り欠き１１を中心側に折り曲げて構成したが、本発明はこれに限るものではなく、膨張弁４に流入する冷媒の流れに乱れを発生させるものであればよい。
例えば、図５に示すように、筒状の部材に切り込み１７を形成し、この切り込み１７を中心側（冷媒の主流側）に折り曲げて、乱れ発生部材９を構成しても良い。
このような構成においても同様の効果を得ることができる。

なお、上記図３、図５の例では、筒状の部材に切り欠き１１、切り込み１７を形成したが、本発明はこれに限るものではない。
例えば、板状の部材に切り欠き１１を形成し、この切り欠き１１を折り曲げて、乱れ発生部材９を構成しても良い。また、板状の部材に切り込み１７を形成し、この切り込み１７を折り曲げて、乱れ発生部材９を構成しても良い。
このような構成においても同様の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態では、膨張弁４の接続口１０に冷媒配管２ｂを接続した場合を説明したが、接続口１０に接続配管を備えた膨張弁４を用いる場合には、接続配管に乱れ発生部材９を配置し、この接続配管と冷媒配管２ｂとを接続するようにしても良い。
このような構成においても同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
図６は本発明の実施の形態２による冷凍サイクル装置の要部を示す断面図である。
図７は本発明の実施の形態２による乱れ発生部材の斜視図である。
図８は本発明の実施の形態２による乱れ発生部材を軸中心線上から見た正面図である。
なお、図６〜図８において、実施の形態１と同様の構成には同一の符号を付する。

図６〜図８に示すように、本実施の形態における乱れ発生部材９は、筒状の部材に、中心側（冷媒の主流側）に突出した半球状の凸部１２を形成して構成している。
この乱れ発生部材９は、上記実施の形態１と同様に、膨張弁４の接続口１０の上流側の冷媒配管２内に設置している。

本実施の形態においても、乱れ発生部材９は、例えば、冷媒配管２ｂで挟んでろう付けし冷媒が漏れないように固定する。
なお、乱れ発生部材９の取り付け方法はこれに限るものではない。例えば、乱れ発生部材９を冷媒配管２ｂに挿入して固定しても良い。また、接続口１０と冷媒配管２との接合部に乱れ発生部材９を配置しても良い。

このような構成によれば、液相状態の冷媒が冷媒循環量の少ない状態で流入しても、乱れ発生部材９で乱れが発生し、乱流状態となる。
この乱流状態の冷媒が膨張弁４に流入すると、ニードル６の後流１０１でも非定常な流れとなり、周期性を持った渦の発生を抑制できる。これにより、ニードル６が自励振動することを抑制することができ、振動や大きな騒音の発生を低減することが可能となる。

また、一般には、冷媒配管の流れ方向から見た突起の投影面積を減らせば、配管内での圧力損失を低減できる。
本実施の形態においては、乱れ発生部材９の凸部１２の形状、高さ、数量を調整することで、乱れ発生部材９を挿入したことによる圧力損失も調整が可能となる。
許容できる振動、騒音まで、凸部１２の形状、高さ、数量を調整し、圧力損失の増大を最小限にできる。

以上のように本実施の形態においては、乱れ発生部材９は、筒状の部材に、凸部１２を形成して構成した。
このため、液相状態の冷媒が冷媒循環量の少ない状態で流入しても、乱れ発生部材９で乱れが発生し、乱流状態とすることができる。
よって、膨張弁４の内部で振動の原因となる周期性を持った渦１００の発生を抑制することができる。したがって、振動、騒音を低減することができる。

なお、上記の説明では、流れの主流側の凸部１２の形状を半球状としたが、本発明はこれに限るものではない。例えば、矩形や三角形状などの角張った突起でも良い。
このような構成においても同様の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態では、乱れ発生部材９は、筒状の部材に、中心側に突出した凸部１２を形成して構成したが、本発明はこれに限るものではない。
例えば、筒状または板状の部材に、凹部および凸部の少なくとも一方を形成して、乱れ発生部材９を構成しても良い。
また例えば、図９に示すように、筒状の部材に１または複数の穴１３を形成して、乱れ発生部材９を構成してもよい。
このような構成によっても、液相状態の冷媒を乱流状態とすることができ、同様の効果を得ることができる。

なお、上記図７〜図９の例では、筒状の部材に凸部１２、穴１３を形成したが、本発明はこれに限るものではない。
例えば、板状の部材に凸部１２や凹部を形成して、乱れ発生部材９を構成しても良い。また、板状の部材に穴１３を形成して、乱れ発生部材９を構成しても良い。
このような構成においても同様の効果を得ることができる。

なお、上記実施の形態１および２では、乱れ発生部材９を冷媒配管２とは別体として形成した場合を説明したが、本発明はこれに限るものではなく、乱れ発生部材９を冷媒配管２に一体形成しても良い。例えば、冷媒配管２ｂの内壁に凸部１２や凹部などを形成しても良い。また、冷媒配管２ｂ内に、流路を分割する隔壁等を設け、この隔壁に切り込み１７や穴１３を形成しても良い。
このような構成においても同様の効果を得ることができる。また、部品点数が削減でき、施工が容易となる。

実施の形態３．
図１０は本発明の実施の形態３による冷凍サイクル装置の要部を示す断面図である。
なお、図１０において、実施の形態１と同様の構成には同一の符号を付する。
図１０に示すように、本実施の形態における乱れ発生部材９は、膨張弁４の上流側の冷媒配管２ｂに形成した穴１５に一端を接続し、他端を閉じた枝配管１４により構成している。また、枝配管１４の先端１４ａは、先細形状に形成している。
すなわち、冷媒配管２ｂは、穴１５により枝配管１４で分岐されており、この枝配管１４の先端１４ａが平面とならない様に閉じている。

このような構成によれば、液相冷媒の冷媒が冷媒循環量の少ない状態で流入しても、膨張弁４の上流側の冷媒配管２にある穴１５で不安定な流れとなり、乱れが発生する。
この乱れが発生した冷媒が膨張弁４に流入すると、ニードル６の後流１０１でも非定常な流れとなり、周期性を持った渦の発生を抑制できる。これにより、ニードル６が自励振動することを抑制することができ、振動や大きな騒音の発生を低減することが可能となる。
また、先端１４ａを先細形状とし、平面とならない様に閉じた枝配管１４としたことで、枝配管１４内で定在波が立ちにくくなり、枝配管１４での共鳴による新たな音源の発生を抑制できる。

以上のように本実施の形態においては、乱れ発生部材９は、冷媒配管２に形成した穴１５に一端を接続し、他端を閉じた枝配管１４により構成した。
このため、液相状態の冷媒が冷媒循環量の少ない状態で流入しても、乱れ発生部材９で乱れが発生し、乱流状態とすることができる。
よって、膨張弁４の内部で振動の原因となる周期性を持った渦１００の発生を抑制することができる。したがって、振動、騒音を低減することができる。

なお、上記実施の形態１〜３では、冷凍サイクル装置において冷媒を膨張する膨張弁４について説明したが、本発明はこれに限るものではない。
例えば任意の流体の流量を調整する膨張弁４においても、膨張弁４の内部で振動の原因となる周期性を持った渦１００の発生を抑制することができ、振動、騒音を低減することができる。

１ 圧縮機、２ 冷媒配管、３ 凝縮器、４ 膨張弁、５ 蒸発器、６ ニードル、７ モータ、７ａ ロータ、７ｂ ステータ、８ 弁孔、９ 乱れ発生部材、１０ 接続口、１１ 切り欠き、１２ 凸部、１３ 穴、１４ 枝配管、１４ａ 先端、１５ 穴、１６ 弁室、１７ 切り込み、１００ 渦、１０１ 後流。

Claims (10)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
   前記凝縮器によって凝縮された冷媒を膨張する膨張弁と、
   前記膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発する蒸発器と、
   前記凝縮器と前記膨張弁とを連結する冷媒配管内に設けられ、前記膨張弁に流入する冷媒の流れに乱れを発生させる乱れ発生部材と
   を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記膨張弁は、
   弁室と、
   前記弁室に設けた弁孔と、
   前記弁孔に対して進退自在に設けられ、前記弁孔の絞り量を調節するニードルと、
   前記ニードルの側面側の前記弁室に形成された接続口と
   を備え、
   前記乱れ発生部材は、
   前記接続口に接続された前記冷媒配管内に配置され、
   前記冷媒配管から前記弁室に流入し、前記ニードルの側面へ衝突する流体の流れに、乱れを発生させる
   ことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記乱れ発生部材は、
   筒状または板状の部材に切り欠きを形成し、該切り欠きを折り曲げて構成した
   ことを特徴とする請求項１または２記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記乱れ発生部材は、
   筒状または板状の部材に切り込みを形成し、該切り込みを折り曲げて構成した
   ことを特徴とする請求項１または２記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記乱れ発生部材は、
   筒状または板状の部材に、凹部および凸部の少なくとも一方を形成して構成した
   ことを特徴とする請求項１または２記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記乱れ発生部材は、
   筒状または板状の部材に穴を形成して構成した
   ことを特徴とする請求項１または２記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記乱れ発生部材は、
   前記冷媒配管に形成した穴に一端を接続し、他端を閉じた枝配管により構成した
   ことを特徴とする請求項１または２記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記枝配管の他端側を先細形状に形成した
   ことを特徴とする請求項７記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記乱れ発生部材を前記冷媒配管に一体形成した
   ことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の冷凍サイクル装置。
10. 弁室に接続する接続配管と、
    前記接続配管内に配置され、前記弁室内に流入する流体の流れに乱れを発生させる乱れ発生部材と
    を備えたことを特徴とする膨張弁。

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