JP6435684B2 - 配管 - Google Patents

Description

本発明は、振動源から伝わる振動を抑制する配管に関する。

従来、給排水用の配管、ガス管およびエア搬送で用いる配管など、内部に流体が流れる配管は、配管の内部を流体が流れるときに、流体の流れに伴って騒音が発生する場合がある。曲げ部がある配管において、騒音の原因の一つは、流体の脈動が曲げ部の壁面に衝突して配管が振動することにある。そこで特許文献１に記載の配管には、曲げ部に制振構造を設けて、振動を抑制している。

特開２００１−２１４９９６号公報

前述の特許文献１に記載の配管では、制振構造を設けるので、部品点数が多くなり、曲げ部が大型化し、配管の重量が大きくなる。これによって搭載性が悪化するという問題がある。

そこで、本発明は前述の問題点を鑑みてなされたものであり、簡単な構成で曲げ部の振動を抑制することができる配管を提供することを目的とする。

本発明は前述の目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。

本発明は、少なくとも１つの曲げ部（５１）を含み、曲げ部（５１）は、拡大部（３２，７０）から振動源（３１）の脈動の半波長の整数倍だけ離れた位置に配置されることを特徴とする配管である。

このような本発明に従えば、配管には曲げ部が設けられている。そして曲げ部は、拡大部から振動源の脈動の半波長の整数倍だけ離れた位置に配置される。配管から拡大部に流れ込む部分は、脈動が小さい領域、すなわち脈動の節となる。脈動の節から脈動の半波長の整数倍だけ離れた位置も、脈動の節となる。このような脈動の節の部分に曲げ部を設ければ、振動の小さい領域であるので、曲げ部の壁面に衝突する脈動が小さくなり、曲げ部における配管の振動の発生を抑制することができる。したがって曲げ部をどの位置に設けるかによって、配管の振動を抑制することができる。このように適切な位置に曲げ部を設けるという簡単な構成によって、曲げ部における配管の振動を抑制することができる。

なお、前述の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一例である。

車両用空調装置１０を簡略化して示す図である。 曲げ部５１を拡大して示す図である。 冷凍サイクル３５の一部を簡略化して示す図である。 配管５０の計測位置を示す図である。 計測位置と脈動分布の測定結果を示すグラフである。 第１配管５０１を示す平面図である。 第２配管５０２を示す平面図である。 第１配管５０１および第２配管５０２の配管作用荷重を示すグラフである。 第２実施形態の冷凍サイクル３５２の一部を簡略化して示す図である。 第３実施形態の冷凍サイクル３５３の一部を簡略化して示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を、複数の形態について説明する。各実施形態で先行する実施形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付すか、または先行の参照符号に一文字追加し、重複する説明を略する場合がある。また各実施形態にて構成の一部を説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している実施形態と同様とする。各実施形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に関して、図１〜図８を用いて説明する。車両用空調装置１０は、走行用に水冷エンジン１１を搭載する自動車などの車両において、車室内を空調する空調ユニットをエアコンＥＣＵによって制御するように構成されたいわゆるオートエアコンシステムである。車両用空調装置１０における室内空調ユニットは、車室内最前部のインストルメントパネルの内側に配置されて、その外殻を形成する空調ケース２１内に室内用ブロワ２２、蒸発器２３、ヒータコア２４等を収容している。

空調ケース２１は、車室内に送風される送風空気の空気通路を内部に形成しており、たとえばポリプロピレン等の樹脂にて成形されている。空調ケース２１内の送風空気流れ最上流側には、内気（車室内空気）と外気（車室外空気）とを切り替え導入する内外気切替箱２５が配置されている。

内外気切替箱２５には、空調ケース２１内に内気を導入させる内気導入口２６および外気を導入させる外気導入口２７が形成されている。さらに、内外気切替箱２５の内部には、内気導入口２６および外気導入口２７の開口面積を連続的に調整して、内気の風量と外気の風量との風量割合を変化させる内外気切替ドア２８が配置されている。

内外気切替ドア２８は、空調ケース２１内に導入される内気の風量と外気の風量との風量割合を変化させる吸込口モードを切り替える風量割合変更手段を構成する。内外気切替ドア２８は、内外気切替ドア２８用の電動アクチュエータによって駆動され、この電動アクチュエータは、エアコンＥＣＵから出力される制御信号によって、その作動が制御される。

内外気切替箱２５の空気流れ下流側には、内外気切替箱２５を介して吸入した空気を車室内へ向けて送風する室内用ブロワ２２が配置されている。この室内用ブロワ２２は、遠心多翼ファンを電動モータにて駆動する電動送風機であり、エアコンＥＣＵから出力される制御電圧によって回転数が制御される。

室内用ブロワ２２の空気流れ下流側には、蒸発器２３が配置されている。蒸発器２３は、その内部を流通する冷媒と送風空気とを熱交換させて送風空気を冷却する冷却用熱交換器である。蒸発器２３は、圧縮機３１、凝縮器３２、アキュムレータ３３、膨張弁３４等とともに、冷凍サイクル３５を構成している。

圧縮機３１は、エンジンルーム内に配置され、冷凍サイクル３５において冷媒を吸入し、圧縮して吐出するものである。圧縮機３１は、車両のエンジンルーム内に搭載されたエンジン１１の出力軸によるベルト駆動されて、冷媒を吸入して、圧縮して吐出する。

凝縮器３２は、エンジンルーム内に配置されて、内部を流通する冷媒と、室外ファンから送風された車室外空気（外気）とを熱交換させることにより、圧縮された冷媒を凝縮液化させるものである。室外ファンは、エアコンＥＣＵから出力される制御電圧によって稼働率、すなわち、回転数（送風空気量）が制御される電動式送風機である。

アキュムレータ３３は、凝縮液化された冷媒を気液分離して余剰液冷媒を蓄えるとともに、液冷媒のみを下流に流す。膨張弁３４は、液冷媒を減圧膨張させる減圧手段である。蒸発器２３は、冷媒と送風空気との熱交換により、減圧膨張された冷媒を蒸発気化させる。

冷房サイクル運転時の冷媒の流れについて説明する。冷房サイクルは、圧縮機３１、凝縮器３２、膨張弁３４、蒸発器２３、アキュムレータ３３の順に流れて、再び、圧縮機３１に戻る。このように冷媒が流れる配管によって、冷凍サイクル３５の構成要素が環状に接続することによって形成されている。圧縮機３１は、冷媒を吸入して吐出する。凝縮器３２は、圧縮機３１から吐出された冷媒が流入し、流入する冷媒が空気と熱交換して放熱する。凝縮器３２を流出した冷媒は、膨張弁３４によって減圧されて冷却される。蒸発器２３には、膨張弁３４で減圧された冷媒が流入し、蒸発して送風空気を冷却する。その後、蒸発器２３を通過した冷媒をアキュムレータ３３に流入させ、アキュムレータ３３で蒸発器２３の出口冷媒の気液を分離し、アキュムレータ３３内のガス冷媒を圧縮機３１に吸入させる。

空調ケース２１内において、蒸発器２３の空気流れ下流側には、蒸発器２３を通過した後の空気を流す温風通路４１および冷風通路４２といった空気通路、並びに、温風通路４１および冷風通路４２から流出した空気を混合させる混合空間４３が形成されている。

温風通路４１には、蒸発器２３を通過後の空気を加熱するための加熱手段としてのヒータコア２４が、送風空気流れ方向に向かって配置されている。ヒータコア２４は、車両走行用駆動力を出力するエンジン１１の冷却水と蒸発器２３を通過後の空気とを熱交換させて、蒸発器２３を通過後の空気を加熱する加熱用熱交換器である。ヒータコア２４とエンジン１１との間に冷却水の流路が設けられて、ヒータコア２４とエンジン１１との間を冷却水が循環する冷却水回路４４が構成されている。そして、この冷却水回路４４には、冷却水を循環させるためのウォータポンプ（図示せず）が設置されている。ウォータポンプは、エアコンＥＣＵから出力される制御電圧によって回転数（冷却水循環量）が制御される電動式の水ポンプである。

冷風通路４２は、蒸発器２３を通過後の空気を、ヒータコア２４を通過させることなく、混合空間４３に導くための空気通路である。したがって、混合空間４３にて混合された送風空気の温度は、温風通路４１を通過する空気および冷風通路４２を通過する空気の風量割合によって変化する。

本実施形態では、蒸発器２３の空気流れ下流側であって、温風通路４１及び冷風通路４２の入口側には、温風通路４１及び冷風通路４２へ流入させる冷風の風量割合を連続的に変化させるエアミックスドア４５を配置している。したがって、エアミックスドア４５は、混合空間４３内の空気温度を調整する温度調整手段を構成する。エアミックスドア４５は、エアミックスドア４５用の電動アクチュエータによって駆動され、この電動アクチュエータは、エアコンＥＣＵから出力される制御信号によって、その作動が制御される。

さらに、空調ケース２１の送風空気流れ最下流部には、混合空間４３から空調対象空間である車室内へ温度調整された送風空気を吹き出す吹出口が配置されている。この吹出口としては、車室内の乗員の上半身に向けて空調風を吹き出すフェイス吹出口、乗員の足元に向けて空調風を吹き出すフット吹出口、および車両前面窓ガラス内側面に向けて空調風を吹き出すデフロスタ吹出口が設けられている。また各吹出口の空気流れ上流側には、各吹出口の開口面積を調整するドアが配置されている。

エアコンＥＣＵは、制御手段であって、走行用エンジン１１の始動および停止を司るイグニッションスイッチが入れられた時に、車両に搭載された車載電源であるバッテリー（図示せず）から直流電源が供給される。そしてエアコンＥＣＵは、電力が供給されると演算処理や制御処理を開始するように構成されている。エアコンＥＣＵには、他のＥＣＵから出力される通信信号、車室内前面に設けられたコントロールパネル上の各スイッチからのスイッチ信号、および各センサからのセンサ信号が入力される。

エアコンＥＣＵの内部には、図示は省略するが、演算処理や制御処理を行うＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリ、およびＩ／Ｏポート（入力／出力回路）などの機能を含んで構成される周知のマイクロコンピュータが設けられている。各種センサからのセンサ信号がＩ／ＯポートまたはＡ／Ｄ変換回路によってＡ／Ｄ変換された後に、マイクロコンピュータに入力される。エアコンＥＣＵには、運転席の周囲の空気温度（内気温）Ｔｒを検出する内気温検出手段としての内気温センサ、および車室外温度（外気温）を検出する外気温検出手段としての外気温センサが接続されている。またエアコンＥＣＵには、エバポレータを通過した直後の空気温度（エバ後温度ＴＥ）を検出するエバ後温度検出手段としてのエバ後温度センサ、車室内に差し込む日射量を検出する日射センサが接続されている。さらにエアコンＥＣＵには、エアミックスドア４５の実際の位置を検出するポテンションメータ、およびエンジン冷却水温度を検出する冷却水温センサが接続されている。

次に、冷凍サイクル３５を構成する配管５０に関して説明する。配管５０の内部は、冷媒が流れる。配管５０には、前述のように圧縮機３１、凝縮器３２、膨張弁３４、蒸発器２３、アキュムレータ３３が接続されている。冷凍サイクル３５を車両に搭載する際には、設置スペースを考慮して、配管５０には曲げ部５１が設けられる。換言すると、配管５０をエンジンルームへの搭載するとき、エアコン以外の製品を回避しながら圧縮機３１などを接続するため配管５０には少なくとも１つの曲げ部５１が必要になる。そして圧縮機３１は振動源であって、圧縮機３１が吐出された冷媒は脈動している。

配管５０内を流れる流体には、次式（１）のように、圧縮機３１の回転数Ｎ（ｒｐｍ）に同期した周波数ｆ（Ｈｚ）の脈動が発生する。
ｆ＝Ｎ／６０ …（１）

そして図２に示すように、脈動が配管５０の曲げ部５１の壁面に当たると配管５０に荷重が作用し、配管５０が振動する。

脈動の波長λ（ｍ）は、周波数ｆ（Ｈｚ）、脈動の音速ｃ（ｍ／ｓｅｃ）によって次式（２）で表される。
λ＝ｃ／ｆ …（２）

ここで音速ｃと、冷媒温度Ｔと冷媒圧力Ｐとの関係は、式（３）および式（４）にって表される。

Κ：冷媒の比熱比、Ｒ：冷媒の気体定数、Ｍ：冷媒の平均分子量、ρ：冷媒の密度である。したがって音速ｃは、冷媒の特性によって算出できるので波長λも求めることができる。

凝縮器３２は、配管５０よりも流路断面積が大きく、配管５０から流れる冷媒が凝縮器３２にて拡散する。したがって凝縮器３２は、冷媒が流れる流路の断面積が拡大する拡大部となる。図３に示すように、配管５０の途中または前後の端に凝縮器３２のように流路の断面積が拡大すると、配管５０の後端では脈動が最小になる。これは断面積の拡大率が大きい場合は配管５０の後端が開放端に類似し、この開放端では、圧力が０になり、節になるからである。このように断面積が拡大する拡大位置から半波長（λ／２）の整数倍だけ離れた位置、すなわち脈動の節の位置において脈動が小さくなる。したがって脈動の節の位置に曲げ部５１を設ければ、曲げ部５１における作用荷重は理論上発生しない。

次に、本実施形態の実験結果に関して説明する。図４に示すように、配管５０の下流側に、断面積拡大部６０を設け、圧縮機３１と凝縮器３２に相当した容積部間を繋ぐ配管５０を用いて実験する。配管５０には４つの計測位置として、第１計測位置Ｐ１〜第４計測位置Ｐ４が図４に示されている。第１計測位置Ｐ１は、先端から１００ｍｍの位置であり、第２計測位置Ｐ２は２００ｍｍ、第３計測位置Ｐ３は４００ｍｍ、第４計測位置Ｐ４は６００ｍｍの位置である。各計測位置において、脈動分布が計測される。また配管５０に作用する荷重は、図４にＦにて示すように、第４計測位置Ｐ４と断面積拡大部６０との間で測定する。

図５では、圧縮機３１の回転数が６０００ｒｐｍと８０００ｒｐｍの時の脈動分布の測定結果を示している。脈動は、６０００ｒｐｍのときは第２計測位置（２００ｍｍ）で最小になる。また８０００ｒｐｍときは第３計測位置（４００ｍｍ）で最小になる。したがって式（１）および式（２）で示したように、圧縮機３１の回転数によって脈動分布が異なり、脈動の節の位置が異なることがわかる。

図５の結果に基づいて、図６および図７に示すような位置に曲げ部５１を設けた配管５０を用いて実験する。第１配管５０１は、圧縮機３１が６０００ｒｐｍにおける荷重低減を狙い、Ｌ１が２００ｍｍの位置に曲げ部５１を設けている。第２配管５０２は、圧縮機３１が８０００ｒｐｍにおける荷重低減を狙い、Ｌ２が４００ｍｍの位置に曲げ部５１を設けている。

図８に示すように、第１配管５０１では６０００ｒｐｍ、第２配管５０２では８０００ｒｐｍにおいて作用荷重が低減する。したがって脈動分布が小さい位置に曲げ部５１を設けることによって、振動を低減することができる。

以上説明したように本実施形態の配管５０には曲げ部５１が設けられている。そして曲げ部５１は、拡大部である凝縮器３２から振動源である圧縮機３１の脈動の半波長の整数倍だけ離れた位置に配置される。配管５０から凝縮器３２に流れ込む部分は、脈動が小さい領域、すなわち脈動の節となる。脈動の節から脈動の半波長の整数倍だけ離れた位置も、脈動の節となる。このような脈動の節の部分に曲げ部５１を設ければ、振動の小さい領域であるので、曲げ部５１の壁面に衝突する脈動が小さくなり、曲げ部５１における配管５０の振動の発生を抑制することができる。したがって曲げ部５１をどの位置に設けるかによって、配管５０の振動を抑制することができる。このように適切な位置に曲げ部５１を設けるという簡単な構成によって、曲げ部５１における配管５０の振動を抑制することができる。

また本実施形態では、配管５０は、冷凍サイクル３５を構成し、内部を流れる流体が冷媒である。そして振動源は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機３１である。圧縮機３１から吐出される冷媒は、圧縮機３１の回転数によって脈動分布が変化する。このような圧縮機３１の回転数に基づいて、曲げ部５１の位置を設定することによって、配管５０に発生する振動を抑制することができる。

さらに本実施形態では、曲げ部５１は圧縮機３１と凝縮器３２とを連結する配管５０に設けられる。圧縮機３１からの脈動が最もつわたりやすい配管５０の適切な位置に曲げ部５１を設けるので、振動抑制効果を大きくすることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に関して、図９を用いて説明する。本実施形態では、圧縮機３１と凝縮器３２との間に、拡張室７０が設けられている点に特徴を有する。

冷凍サイクル３５２の搭載上、圧縮機３１と凝縮器３２との間に設けたい曲げ部５１の位置と半波長の整数倍との位置が異なる場合、圧縮機３１と凝縮器３２との間に図９に示すように拡張室７０を設ける。マフラーなどの拡張室７０は、断面積が拡大する拡大部として機能する。拡張室７０の位置は、曲げ部５１を設けたい位置から半波長の整数倍下流側に設けられる。これによって曲げたい位置の脈動を小さくし、配管５０の振動を抑制することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に関して、図１０を用いて説明する。本実施形態では、圧縮機３１と凝縮器３２との間の配管５０の一部が縮小している点に特徴を有する。

図１０に示すように、配管５０の途中または前後の端に流路の断面積が縮小する縮小部８０が設けられる。本実施形態では、凝縮器３２との接続部分に縮小部８０が設けられている。図１０に示すように、流路の断面積が縮小すると、配管５０の後端では脈動が最大になる。これは断面積の拡大率が０に近い場合は配管５０の後端が閉端に類似し、この閉端では、圧力が最大になり、腹になるからである。このように断面積が縮小する縮小位置から１／４波長の奇数倍だけ離れた位置、すなわち脈動の節の位置において脈動が小さくなる。

これによって前述の第２実施形態と同様に、縮小部８０を適宜設けることによって、脈動の節の位置を調節することができる。これによって曲げたい位置の脈動を小さくし、配管５０の振動を抑制することができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。

上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。

前述の第１実施形態では、曲げ部５１は１カ所だけであったが、１カ所に限るものではなく、複数箇所であってもよい。また複数の曲げ部５１を設ける場合、全ての曲げ部５１を脈動の節の位置に設けることが好ましい。しかし設置条件の制約の関係上、全ての曲げ部５１を節の位置に設置できない場合であっても、少なくとも１つの曲げ部５１が節の位置に配置されていればよい。また曲げ部５１を設ける位置は、圧縮機３１と凝縮器３２との間の配管５０に限るものではなく、冷凍サイクル３５３を構成する配管５０のどの位置に設けてもよい。

前述の第１実施形態では、振動源は圧縮機３１であったが、振動源は圧縮機３１に限るものではない。たとえば振動源がエンジン１１の場合には、エンジン１１の冷却水回路４４の配管にエンジン１１からの振動を抑制するように曲げ部５１を設けてもよい。また配管５０は、循環する配管に限るものではない。

１０…車両用空調装置 ３１…圧縮機（振動源）
３２…凝縮器（拡大部） ３５…冷凍サイクル
５０…配管 ５１…曲げ部
６０…断面積拡大部 ７０…拡張室（拡大部）
８０…縮小部

Claims (4)

1. 振動源（３１）に接続され、内部を流体が流れる配管（５０）であって、
   断面積が拡大する拡大部（３２，７０）と、
   前記拡大部の上流側に位置する少なくとも１つの曲げ部（５１）と、を含み、
   前記曲げ部は、前記拡大部から前記振動源の脈動の半波長の整数倍だけ離れた位置に配置されることを特徴とする配管。
2. 振動源（３１）に接続され、内部を流体が流れる配管（５０）であって、
   断面積が縮小する縮小部（８０）と、
   前記縮小部の上流側に位置する少なくとも１つの曲げ部（５１）と、を含み、
   前記曲げ部は、前記縮小部から前記振動源の脈動の１／４波長の奇数倍だけ離れた位置に配置されることを特徴とする配管。
3. 前記配管は、冷凍サイクル（３５）を構成し、内部を流れる流体が冷媒であり、
   前記振動源は、前記冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（３１）であることを特徴とする請求項１または２に記載の配管。
4. 前記配管は、冷凍サイクル（３５）を構成し、内部を流れる流体が冷媒であり、
   前記振動源は、前記冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（３１）であり、
   前記配管は、前記圧縮機と、前記圧縮機から吐出された前記冷媒を凝縮する凝縮器（３２）とを接続し、
   前記拡大部は、前記凝縮器であることを特徴とする請求項１に記載の配管。

Images