JP2022173565A - アキュムレータ及び冷凍サイクル - Google Patents

Abstract

【課題】気液分離の効率向上が可能なアキュムレータ及び冷凍サイクルを提供する。【解決手段】冷媒を気液分離する内部空間を有した容器と、容器の貫通孔を通じて容器を上下方向に貫通するとともに気体冷媒を取り込む吸込口を内部空間の上部に有した直管部と、容器の外部に配置されて直管部の下端部から上方に向かって折り返すように形成された曲管部と、を有するＵ字管と、容器の内部に冷媒を噴射する噴射口を備えた入口管と、を備え、容器は、上下方向に延びる管状をなし、貫通孔は、容器の上端部と下端部とに形成され、直管部は、上端部の貫通孔及び下端部の貫通孔の周囲にそれぞれ固定され、Ｕ字管は、曲管部の下流側の最上部と、直管部の最上部とを連通させる均圧管を有している。【選択図】図２

Description

この発明は、アキュムレータ及び冷凍サイクルに関する。

冷凍装置は、コンプレッサに液冷媒が供給されないように、アキュムレータによって冷媒の気液分離を行っている場合が多い。
特許文献１には、冷凍装置のアキュムレータが記載されている。この特許文献１では、複数台のコンプレッサに対して一台のアキュムレータが設けられている。この特許文献１に記載のアキュムレータは、複数台のコンプレッサにそれぞれ接続されるＵ字管を備えている。これら複数のＵ字管は、一つの容器内に収容されている。この特許文献１のアキュムレータは、容器の上部に接続された入口管から冷媒が導入される。この入口管から導入された冷媒のうち、液冷媒は、その自重により下方に移動して容器の下部に溜まる。その一方で、気体冷媒は、容器内の上部に配置されたＵ字管の吸込口からＵ字管内の流路を介してアキュムレータから排出される。

特許第４４４２３８４号公報

特許文献１に記載のアキュムレータのように、容器の上部に接続された入口管から冷媒が導入される場合、入口管から流入した気液混合状態の冷媒が容器の内壁面や、Ｕ字管を支持するブラケットに衝突することがある。このように冷媒が内壁面やブラケット等に衝突すると、その跳ね返り等により液冷媒が飛散してＵ字管の吸込口からＵ字管の内部に入ってしまい、そのままアキュムレータから液冷媒が排出されてしまう場合がある。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、気液分離の効率向上が可能なアキュムレータ及び冷凍サイクルを提供するものである。

上記の課題を解決するために以下の構成を採用する。
この発明の一態様に係るアキュムレータは、冷媒を気液分離する内部空間を有した容器と、前記容器の貫通孔を通じて前記容器を上下方向に貫通するとともに、気体冷媒を取り込む吸込口を前記内部空間の上部に有した直管部と、前記容器の外部に配置されて前記直管部の下端部から上方に向かって折り返すように形成された曲管部と、を有するＵ字管と、前記容器の内部に冷媒を噴射する噴射口を備えた入口管と、を備え、前記容器は、上下方向に延びる管状をなし、前記貫通孔は、前記容器の上端部と下端部とに形成され、前記直管部は、前記上端部の前記貫通孔及び前記下端部の前記貫通孔の周囲にそれぞれ固定され、前記Ｕ字管は、前記曲管部の下流側の最上部と、前記直管部の最上部とを連通させる均圧管を有している。

この発明の一態様に係る冷凍サイクルは、冷媒が流れる循環ラインと、冷媒を気液分離する上記アキュムレータと、コンプレッサと、第一熱交換器と、第二熱交換器と、膨張弁と、を備えている。コンプレッサは、前記アキュムレータによって分離された気体冷媒を圧縮する。第一熱交換器は、前記循環ライン中に配置され、前記循環ラインを流れる前記冷媒と第一媒体とを熱交換させて、前記冷媒を相変化させる。第二熱交換器は、前記循環ライン中に配置され、前記循環ラインを流れる前記冷媒と第二媒体とを熱交換させて、前記冷媒を相変化させる。前記第一熱交換器と前記第二熱交換器との間の循環ラインのうち、前記コンプレッサが配置されていない前記循環ラインに配置されている。

上記アキュムレータ及び冷凍サイクルによれば、気液分離の効率を向上させることができる。

この発明の実施形態における冷凍サイクルの概略構成を示す構成図である。 この発明の実施形態におけるアキュムレータの概略構成を示す斜視図である。 この発明の実施形態におけるアキュムレータ上部の縦断面図である。 この発明の実施形態におけるアキュムレータの入口管付近の水平断面図である。

次に、この発明の実施形態におけるアキュムレータ及び冷凍サイクルを図面に基づき説明する。
図１は、この発明の実施形態における冷凍サイクルの概略構成を示す構成図である。
図１に示すように、この実施形態の冷凍サイクル１００は、循環ライン１０と、アキュムレータ５と、コンプレッサ６０と、第一熱交換器１と、第二熱交換器２と、膨張弁３と、四方切替弁４と、を備えている。この実施形態の冷凍サイクル１００は、例えば、陸上輸送用の冷凍ユニット（陸上レフユニットともいう）に使用することができる。以下の説明では、通常時は、第一熱交換器１が凝縮器として機能し、第二熱交換器２が蒸発器として機能する場合について説明するが、四方切替弁４によって第一熱交換器１の機能と第二熱交換器の機能とを切り替えても良い。

循環ライン１０は、冷媒Ｒが循環する流路を形成する。この循環ライン１０によって、アキュムレータ５と、コンプレッサ６０と、第一熱交換器１と、膨張弁３と、第二熱交換器２と、四方切替弁４と、が接続されている。

アキュムレータ５は、冷媒Ｒを一時的に溜めておき、液相の冷媒Ｒ（以下、単に液冷媒ＲＬと称する）と気相の冷媒Ｒ（以下、単に気体冷媒ＲＧと称する）とを分離する機能を有する。このアキュムレータ５は、冷媒入口５ａから流入した気液混合状態の冷媒Ｒを気液分離して、冷媒出口５ｂから気体冷媒ＲＧを吐出する。

コンプレッサ６０は、アキュムレータ５の冷媒出口５ｂから吐出された気体冷媒ＲＧを圧縮する。コンプレッサ６０は、吸入口６５から流入した気体冷媒ＲＧを圧縮して吐出口６６から吐出する。このコンプレッサ６０で圧縮された気体冷媒ＲＧは、四方切替弁４の第一ポート４ａ及び第二ポート４ｂを介して第一熱交換器１に供給される。

第一熱交換器１は、圧縮した気体冷媒ＲＧと第一媒体Ｍ１とを熱交換させて、気体冷媒ＲＧを相変化させる。より具体的には、第一熱交換器１は、通常時、凝縮器として機能するため、コンプレッサ６０によって圧縮された気体冷媒ＲＧと外気とを熱交換する。第一熱交換器１は、第一冷媒口１ａから流入した気体冷媒ＲＧから熱を奪って凝縮させて、凝縮した液冷媒ＲＬを第二冷媒口１ｂから吐出する。

膨張弁３は、液冷媒ＲＬを断熱膨張させる。より具体的には、膨張弁３は、第一熱交換器１の第二冷媒口１ｂから吐出された液冷媒ＲＬを断熱膨張させて第二熱交換器２に送り込む。

第二熱交換器２は、断熱膨張させた液冷媒ＲＬ（冷媒Ｒ）と第二媒体Ｍ２とを熱交換させて、液冷媒ＲＬを相変化させる。より具体的には、第二熱交換器２は、通常時、蒸発器として機能するため、膨張弁３によって断熱膨張された液冷媒ＲＬと、室内等の冷却対象になる空気とを熱交換する。第二熱交換器２は、第一冷媒口２ａから流入した液冷媒ＲＬを加熱して蒸発させて、蒸発した気体冷媒ＲＧと、未蒸発の液冷媒ＲＬとの気液混合状態の冷媒Ｒを第二冷媒口２ｂから吐出する。第二熱交換器２から吐出された冷媒Ｒは、四方切替弁４の第四ポート４ｄ及び第三ポート４ｃを介してアキュムレータ５に供給される。

四方切替弁４は、四つのポートとして、第一ポート４ａと第二ポート４ｂと第三ポート４ｃと第四ポート４ｄを有している。四方切替弁４は、各ポート間の連通状態を選択的に変えることが可能となっている。具体的には、この実施形態の四方切替弁４は、第一接続形態と第二接続形態との何れかを選択可能となっている。第一接続形態は、第一ポート４ａと第二ポート４ｂとを連通させ、且つ、第三ポート４ｃと第四ポート４ｄとを連通させる。第二接続形態は、第二ポート４ｂと第三ポート４ｃとを連通させ、且つ第四ポート４ｄと第一ポート４ａとを連通させる。つまり、四方切替弁４によれば、第一接続形態と第二接続形態とを切り替えることで、循環ライン１０に流れる冷媒Ｒの向きを逆向きにすることが可能であり、その結果、第一熱交換器１の機能と、第二熱交換器２の機能と、を入れ替えることができる。

図２は、この発明の実施形態におけるアキュムレータの概略構成を示す斜視図である。 図２に示すように、アキュムレータ５は、容器２１と、Ｕ字管２２と、入口管２４と、を備えている。容器２１は、蒸発器として機能する第一熱交換器１又は第二熱交換器２から供給される冷媒Ｒを気液分離する内部空間Ｓ１を有している。この実施形態で例示する容器２１は、円筒状に形成された胴部２１Ａと、胴部２１Ａの両端部を塞ぐ二つの鏡板部２１Ｂとを備えている。この容器２１は、胴部２１Ａの軸線Ｏ１が上下方向（より具体的には、鉛直方向）に延びる姿勢で、例えば、コンプレッサ６０に隣接して配置されている。なお、この実施形態では、鏡板部２１Ｂが球面を有する場合を例示しているが、鏡板部２１Ｂの形状は、この形状に限られない。

Ｕ字管２２は、気液分離された冷媒Ｒのうち、気体冷媒ＲＧを排出するための流路を形成している。Ｕ字管２２は、直管部２６と曲管部２７とを備えている。
直管部２６は、内部空間Ｓ１の内部で上下方向に延びる断面円形の管状（言い換えれば、円管状）に形成されている。直管部２６は、内部空間Ｓ１の気体冷媒ＲＧを取り込む吸込口２８を上部に有している。この実施形態における吸込口２８は、上下方向に長い楕円状に形成されている。

曲管部２７は、直管部２６の下端部から上方に向かって折り返すようにＵ字状に形成されている。曲管部２７は、容器２１の外部に配置され、直管部２６が、容器２１を上下に貫通している。直管部２６の上部と下部とは、それぞれ容器２１に支持されている。具体的には、直管部２６上部と下部とは、それぞれ容器２１の貫通孔の周囲にろう付け等による溶接部Ｍを介して固定されている。直管部２６は、その中心軸が容器２１の軸線Ｏ１と重なるように配置されている。なお、直管部２６の上端は閉塞されている。

図３は、この発明の実施形態におけるアキュムレータ上部の縦断面図である。図４は、この発明の実施形態におけるアキュムレータの入口管付近の水平断面図である。
図３、図４に示すように、入口管２４は、容器２１の内部に冷媒Ｒを噴射する噴射口３３を有している。この噴射口３３は、吸込口２８よりも下方に配置されている。言い換えれば、吸込口２８は、噴射口３３よりも上方に配置されている。この実施形態における入口管２４は、円管状に形成されている。この実施形態における噴射口３３は、胴部２１Ａの径方向で容器２１の内壁面２１ｉと同じ位置（言い換えれば、面一）に配置されている。

図４に示すように、上下方向（言い換えれば、軸線Ｏ１の延びる方向）から見て噴射口３３の中心から冷媒Ｒを噴射する方向に延びる直線を第一仮想直線ＩＬ１とする。さらに、噴射口３３の中心と直管部２６の中心（言い換えれば、軸線Ｏ１）とを通る直線を第二仮想直線ＩＬ２とする。すると、この入口管２４における第一仮想直線ＩＬ１は、第二仮想直線ＩＬ２に対して傾斜している。なお、第一仮想直線ＩＬ１は、図４の断面視で、噴射口３３の位置における容器２１の接線の傾斜角度に近づくほど、噴射口３３から噴射される冷媒Ｒを円滑に旋回させることが可能となる。

この実施形態では、第一仮想直線ＩＬ１が、直管部２６の外周面２６ｏに接触しない位置を通っている場合を例示している。このように入口管２４を配置することで、噴射口３３から噴射された冷媒Ｒは、直管部２６の外周面２６ｏと容器２１の内壁面２１ｉとの間に形成された筒状の内部空間Ｓ１を、直管部２６周りに旋回する旋回流となる。なお、噴射口３３の直径は、旋回流に必要な流速が得られる程度の大きさを有していればよい。上述した実施形態では、入口管２４の直径と噴射口３３の直径とを同一にする場合を例示しているが、噴射口３３の直径は、入口管２４の直径よりも小さくても良い。

吸込口２８は、軸線Ｏ１方向から見て、第二仮想直線ＩＬ２を挟んで第一仮想直線ＩＬ１とは反対側に配置されている。この実施形態における吸込口２８は、軸線Ｏ１方向からみて、第一仮想直線ＩＬ１と容器２１の内壁面２１ｉとの交点Ｐ１と、軸線Ｏ１とを通る第三仮想直線ＩＬ３上に配置されている。

なお、図２に示すように、この実施形態におけるＵ字管２２は、曲管部２７の下流側の最上部と直管部２６の最上部とを連通させる均圧管３５を有している。この均圧管３５は、Ｕ字管２２よりも小径に形成されている。この均圧管３５によって、冷凍サイクル１００を停止した後も、容器２１の内部空間Ｓ１とＵ字管２２の出口との間に圧力差が生じないようになっている。
また、この実施形態における直管部２６は、容器２１内の最下部に油戻し孔３６を有している。この油戻し孔３６は、Ｕ字管２２内に、容器２１の下部に貯留された潤滑油を含む液冷媒ＲＬを導入可能となっている。

この実施形態では、直管部２６が容器２１を上下方向に貫通している。そのため、直管部２６の上部と下部とが容器２１によって支持される。そのため、Ｕ字管２２を全て容器内に配置する場合に必要となるブラケットを省略できる。
そのため、Ｕ字管を支持するブラケットに冷媒Ｒが衝突して飛散することで、液冷媒ＲＬが吸込口２８に入り込むことを抑制できる。

この実施形態では、更に、軸線Ｏ１方向から見て第一仮想直線ＩＬ１が、第二仮想直線ＩＬ２に対して傾斜している。そのため、噴射口３３から噴射された冷媒Ｒが、直管部２６周りに旋回する。この旋回による遠心力及び、気体冷媒ＲＧと液冷媒ＲＬとの密度差によって、液冷媒ＲＬが気体冷媒ＲＧよりも外側を旋回して容器２１の内壁面２１ｉに付着し、重力により容器２１の内壁面２１ｉを伝って下方へ流れ落ちる。

この実施形態では、曲管部２７が容器２１の外部に配置され、直管部２６のみが容器２１の内部に配置される。そのため、冷媒Ｒの旋回する旋回中心が上下方向に延びる直線状になる。そのため、曲管部２７が容器２１の内部に配置されている場合と比較して、ブラケットや曲管部２７によって冷媒Ｒの旋回が阻害されることを抑制できる。
したがって、気液分離の効率向上を図ることができる。

この実施形態では、更に、容器２１の胴部２１Ａが断面円形に形成されるとともに、直管部２６も円管状に形成されている。これら胴部２１Ａの内壁面２１ｉと直管部２６の外周面２６ｏとは、軸線Ｏ１を中心とした同心円上に配置される。そのため、旋回流の流れる直管部２６周りの流路は、周方向で一定の流路幅となる。さらに、胴部２１Ａが断面円形に形成され、直管部２６が円管状に形成されているため、流路中に角部等が形成されない。
したがって、冷媒Ｒを円滑に旋回させることが可能となり、気液分離の効率をより一層向上できる。

この実施形態では、更に、吸込口２８は、第二仮想直線ＩＬ２を挟んで第一仮想直線ＩＬ１とは反対側に配置されている。そのため、冷媒Ｒは、吸込口２８の近傍で容器２１や直管部２６に衝突しない。冷媒Ｒが容器２１の内壁面２１ｉと衝突する場合には、冷媒Ｒの衝突する面と吸込口２８とが対向して配置されない。そのため、噴射口３３から噴射された冷媒Ｒが容器２１の内壁面２１ｉや直管部２６の外周面２６ｏに衝突して飛散したとしても、液冷媒ＲＬが吸込口２８から直管部２６の内部に直接的に入り込むことを抑制できる。

この実施形態では、更に、吸込口２８が、軸線Ｏ１方向で噴射口３３よりも上方に配置されている。そのため、噴射口３３から噴射された冷媒Ｒが容器２１の内壁面２１ｉや直管部２６の外周面２６ｏに衝突して飛散したとしても重力により直ぐに下方へ向かうので、冷媒Ｒの衝突位置よりも上方に配置された吸込口２８から直管部の内部に液冷媒が入り込むことを抑制できる。

この実施形態の冷凍サイクル１００は、上述した構成のアキュムレータ５を備えている。そのため、アキュムレータ５による冷媒Ｒの気液分離の効率向上が可能となる。したがって、アキュムレータ５を大型化することなくコンプレッサ６０に液冷媒ＲＬが供給されることを抑制し、冷凍サイクル１００の信頼性を向上できる。

（その他の変形例）
この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、吸込口２８が楕円に形成されている場合について説明した。しかし、吸込口２８の形状は楕円に限られず、例えば、円形、長円形、矩形等、他の形状としても良い。

上述した実施形態では、直管部２６及び容器２１の胴部２１Ａの軸線Ｏに垂直な断面形状が何れも円形の場合について説明した。しかし、直管部２６及び胴部２１Ａの断面形状は円形に限られない。例えば、多角形状としても良い。

上述した実施形態では、直管部２６の中心軸が軸線Ｏ上に配置される場合について説明したが、この構成に限られない。

上述した実施形態では、噴射口３３は、胴部２１Ａの径方向で容器２１の内壁面２１ｉと同じ位置に配置されている場合を例示した。しかし、噴射口３３は、容器２１の内壁面２１ｉよりも径方向内側に突出するように配置されていても良い。

１…第一熱交換器 １ａ…第一冷媒口 １ｂ…第二冷媒口 ２…第二熱交換器 ２ａ…第一冷媒口 ２ｂ…第二冷媒口 ３…膨張弁 ４…四方切替弁 ４ａ…第一ポート ４ｂ…第二ポート ４ｃ…第三ポート ４ｄ…第四ポート ５…アキュムレータ ５ａ…冷媒入口 ５ｂ…冷媒出口 １０…循環ライン ２１…容器 ２１Ａ…胴部 ２１Ｂ…鏡板部 ２１ｉ…内壁面 ２２…Ｕ字管 ２４…入口管 ２６…直管部 ２６ｏ…外周面 ２７…曲管部 ２８…吸込口 ３３…噴射口 ３５…均圧管 ３６…油戻し孔 ６０…コンプレッサ ６５…吸入口 ６６…吐出口 １００…冷凍サイクル ＩＬ１…第一仮想直線 ＩＬ２…第二仮想直線 ＩＬ３…第三仮想直線

Claims (7)

1. 冷媒を気液分離する内部空間を有した容器と、
   前記容器の貫通孔を通じて前記容器を上下方向に貫通するとともに、気体冷媒を取り込む吸込口を前記内部空間の上部に有した直管部と、前記容器の外部に配置されて前記直管部の下端部から上方に向かって折り返すように形成された曲管部と、を有するＵ字管と、
   前記容器の内部に冷媒を噴射する噴射口を備えた入口管と、
   を備え、
   前記容器は、上下方向に延びる管状をなし、
   前記貫通孔は、前記容器の上端部と下端部とに形成され、
   前記直管部は、前記上端部の前記貫通孔及び前記下端部の前記貫通孔の周囲にそれぞれ固定され、
   前記Ｕ字管は、前記曲管部の下流側の最上部と、前記直管部の最上部とを連通させる均圧管を有しているアキュムレータ。
2. 前記直管部は、前記貫通孔の周囲に溶接部を介して固定されている
   請求項１に記載のアキュムレータ。
3. 前記容器は、
   円筒状をなす胴部と、
   前記胴部の両端部を塞ぐ二つの鏡板部と、を備え、
   前記貫通孔は、前記鏡板部に形成されている
   請求項１又は２に記載のアキュムレータ。
4. 前記容器は、
   上下方向に延びる軸線を有し、前記軸線を中心とした断面円形の内壁面を有した胴部を備え、
   前記直管部は、前記軸線を中心とした円管状に形成されている請求項１又は２に記載のアキュムレータ。
5. 前記吸込口は、
   上下方向から見て、前記噴射口の中心と前記直管部の中心とを通る第二仮想直線を挟んで前記噴射口から前記冷媒を噴射する方向に延びる第一仮想直線とは反対側に配置されている請求項１から４の何れか一項に記載のアキュムレータ。
6. 前記吸込口は、
   上下方向で前記噴射口よりも上方に配置されている請求項１から５の何れか一項に記載のアキュムレータ。
7. 冷媒が流れる循環ラインと、
   前記冷媒を気液分離する請求項１から６の何れか一項に記載のアキュムレータと、
   前記アキュムレータによって分離された気体冷媒を圧縮するコンプレッサと、
   前記循環ライン中に配置され、前記循環ラインを流れる前記冷媒と第一媒体とを熱交換させて、前記冷媒を相変化させる第一熱交換器と、
   前記循環ライン中に配置され、前記循環ラインを流れる前記冷媒と第二媒体とを熱交換させて、前記冷媒を相変化させる第二熱交換器と、
   前記第一熱交換器と前記第二熱交換器との間の前記循環ラインのうち、前記コンプレッサが配置されていない側の前記循環ラインに配置されている膨張弁と、
   を備える冷凍サイクル。

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