JP6482415B2 - アキュームレータ - Google Patents

Description

本発明は、カーエアコン、ルームエアコン、冷凍機等のヒートポンプ式冷凍サイクル（以下、ヒートポンプシステムと称する）に使用されるアキュームレータ（気液分離器）に関する。

一般に、カーエアコン等を構成するヒートポンプシステム２００は、図６に例示される如くに、圧縮機２１０、室外熱交換器２２０、室内熱交換器２３０、膨張弁２６０、四方切換弁２４０等に加えて、アキュームレータ２５０を備えている。

かかるシステム２００においては、冷房運転と暖房運転の切り換え（流路切換）を四方切換弁２４０で行うようにされ、冷房運転時には、図６（Ａ）に示される如くのサイクルで冷媒が循環され、このときは室外熱交換器２２０が凝縮器として働くとともに、室内熱交換器２３０が蒸発器として働く。一方、暖房運転時には、図６（Ｂ）に示される如くのサイクルで冷媒が循環され、このときは室外熱交換器２２０が蒸発器として働くとともに、室内熱交換器２３０が凝縮器として働く。どちらの運転時にも、アキュームレータ２５０には、蒸発器（室内熱交換器２３０又は室外熱交換器２２０）から低温低圧の気液混成状態の冷媒が四方切換弁２４０を介して導入される。

アキュームレータ２５０は、例えば、流入口及び流出口が設けられた蓋部材によりその上面開口が気密的に閉塞された有底円筒状のタンク、このタンクの内径より小径の笠状あるいは逆立薄鉢状の気液分離体、一端側が流出口に連結され、他端側開口が気液分離体の下面近くに位置せしめられた例えばＵ字状の流出管等を有し、アキュームレータ２５０に導入された冷媒は、前記気液分離体に衝突して放射状に拡散されて液相冷媒と気相冷媒とに分離され、液相冷媒はタンク内周面を伝うように流下してタンク下部に溜まるとともに、気相冷媒はＵ字状流出管を介して圧縮機２１０の吸入側に吸入される。

また、このようなシステム２００において使用される冷媒には、圧縮機２１０の摺動部分の潤滑等に供されるオイル（冷凍機油）が混入されており、該オイルも気相冷媒と共に圧縮機２１０の吸入側に吸入されて循環せしめられる（特許文献１を参照）。

一方、システム（圧縮機）の運転停止時には、オイルを含む液相冷媒がアキュームレータのタンクの下部に溜まるが、オイルとして冷媒と相溶性が無くかつ冷媒より比重が小さいものが使用されている場合には、液相冷媒とオイルとの比重及び粘性の相違により、二層に分離、すなわち、上側にオイル層、下側に液相冷媒層が形成される。

このような二層分離状態において、システム（圧縮機）を起動すると、タンク内の圧力が急速に低下するため、液相冷媒が突発的に激しく沸騰（以下、突沸と称する）して大きな衝撃音が発生するという問題が生じていた。

かかる突沸現象及びそれに伴う衝撃音の発生原因としては、圧縮機の起動時にタンク内（圧縮機吸入側）の圧力が低下しても、ある時点までは、オイル層が冷媒層の蓋となっているため（オイル層には突沸現象は生じない）、前記突沸現象の発生は抑えられるが、オイル層より上側（の気相冷媒）とそれより下側（の液相冷媒）との圧力差が所定圧以上となったとき、液相冷媒が一気に爆発的に沸騰するために発生すると推察される（圧縮機での突沸現象についての説明が記載されている特許文献１も参照されたい）。

また、圧縮機の停止時においてオイルと液相冷媒が上記のように二層分離状態とならない場合、つまり、圧縮機の停止時においてもオイルと液相冷媒が混合状態のままである場合、あるいは、オイルとして冷媒と相溶性が無くかつ冷媒より比重が大きいものが使用されて、上側に液相冷媒層、下側にオイル層が形成される場合でも、冷媒やオイルの種類・性状等の条件次第では、液相冷媒が一気に爆発的に沸騰する前記突沸現象及びそれに伴う衝撃音が発生することがある。

このような突沸現象及びそれに伴う衝撃音の発生を抑えるための方策として、前記特許文献１には、レシプロエンジンを駆動源とする圧縮機に回転制御機能を有するモータを搭載し、圧縮機の起動時に定格周波数より低い回転数で運転することが提案されている。

特開２００１−２４８９２３号公報

上記した如くに、圧縮機の起動時における回転数を下げることにより、タンク内の圧力低下が緩やかになり、オイル層より下側の液相冷媒が徐々に抜け出し、オイル層より上側（の気相冷媒）とそれより下側（の液相冷媒）との圧力差が抑えられるので、前記した突沸現象及びそれに伴う衝撃音の発生が抑えられる。しかし、上記従来の提案技術では、実際に冷房運転や暖房運転を行うために、圧縮機の起動後に所定時間が経過したらその回転数を定格周波数（回転数）に戻す必要があり、圧縮機（及びそれを備えたヒートポンプシステム）の運転制御が煩雑になるという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、圧縮機の周波数を下げることを要さずに、突沸現象及びそれに伴う衝撃音の発生を確実に抑えることのできるアキュームレータを提供することにある。

前記の目的を達成すべく、本発明に係るアキュームレータは、蒸発器に繋がる流入口及び圧縮機吸入側に繋がる流出口が設けられたタンクと、前記流出口内に移動可能に配在された弁体及び電気的駆動力により前記弁体を前記流出口内で移動させるための駆動部を有する電気的駆動弁とを備え、前記駆動部による前記弁体の移動に伴って前記流出口の流路面積が調整されるようにされていることを特徴としている。

好ましい態様では、前記流出口は、下部小径部と上部大径部とからなる段付きの縦穴と前記上部大径部に連なる横穴とから構成される。

前記弁体は、好ましくは、前記縦穴に移動可能に内挿される。

好ましい態様では、前記弁体の外径は、前記下部小径部より大径かつ前記上部大径部より小径に設定される。

別の好ましい態様では、前記駆動部は、前記タンクの上面側に設けられる。

他の好ましい態様では、前記電気的駆動弁の駆動状態を制御するコントローラを備え、前記コントローラは、前記圧縮機の起動時に前記流出口の流路面積が全開時の流路面積より小さくなるように前記電気的駆動弁の前記弁体の移動もしくは位置を制御する。

前記電気的駆動弁は、好ましくは、電動弁又は電磁弁で構成される。

本発明に係るアキュームレータでは、電気的駆動弁の駆動部による弁体の移動に伴って圧縮機吸入側に繋がる流出口の流路面積が調整されるようにされているので、圧縮機の起動時に当該圧縮機の周波数を下げることを要さずに、タンク内の圧力低下を緩やかにでき、例えばオイル層より上側（の気相冷媒）とそれより下側（の液相冷媒）との圧力差を抑えることができ、そのため、圧縮機の周波数を下げることを要さずに、圧縮機の起動時における突沸現象及びそれに伴う衝撃音の発生を抑えることができる。

本発明に係るアキュームレータの一実施形態（圧縮機起動時の状態）を示す縦断面図。 図１に示すアキュームレータの圧縮機通常運転時の状態を示す縦断面図。 図１のＶ−Ｖ矢視線に従う拡大断面図。 図１に示すアキュームレータにおける流出口の流路面積の変化の説明に供される要部拡大斜視図。 本発明に係るアキュームレータの他例を示す要部拡大縦断面図。 ヒートポンプシステムの一例を示し、（Ａ）は冷房運転時の冷媒流れ（サイクル）を示す概略構成図、（Ｂ）は暖房運転時の冷媒流れ（サイクル）を示す概略構成図。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。

図１及び図２は、本発明に係るアキュームレータの一実施形態を示す縦断面図であり、それぞれ圧縮機起動時の状態及び圧縮機通常運転時の状態を示す図である。

図示実施形態のアキュームレータ１は、前述した図６に示される如くの、例えば電気自動車用カーエアコンを構成するヒートポンプシステム２００におけるアキュームレータ２５０として用いられるもので、ステンレスあるいはアルミ合金等の金属製の有底円筒状のタンク１０を有し、このタンク１０の上面開口は、同じ金属製の蓋部材１２により気密的に閉塞されている。なお、本実施形態のアキュームレータ１は、例えば、図示のように縦置き、つまり、蓋部材１２を上（天）側、タンク１０の底部を下（地）側にして設置される。

また、本実施形態のアキュームレータ１が採用されたヒートポンプシステムにおいては、システム（圧縮機）の運転停止時には、オイルを含む液相冷媒がタンク１０内に溜まるが、液相冷媒とオイルとの比重及び粘性の相違により、二層に分離（すなわち、オイルとして冷媒と相溶性が無くかつ冷媒より比重が小さいものが使用されている場合には、上側にオイル層、下側に液相冷媒層が形成され、オイルとして冷媒と相溶性が無くかつ冷媒より比重が大きいものが使用されている場合には、上側に液相冷媒層、下側にオイル層が形成）されるようになっている。

蓋部材１２は、蒸発器（室内熱交換器２３０又は室外熱交換器２２０）に繋がる流入口１５が設けられた左半部１２Ａと、圧縮機２１０の吸入側に繋がる流出口１６が設けられた右半部１２Ｂとから構成される。前記右半部１２Ｂには、上下方向にそれぞれ上方凸部１１と下方凸部１３とが突設されており、該右半部１２Ｂの内部に、タンク１０内に連なる下部小径部１６ａと該下部小径部１６ａより大径の上部大径部１６ｂとからなる段付き（段差部１７）の縦穴１６Ａと、該縦穴１６Ａ（の上部大径部１６ｂ）の上部に連なる横穴１６Ｂとからなるクランク状の流出口１６が形成されている。ここでは、前記横穴１６Ｂは、上部大径部１６ｂと同径に形成されている。前記流出口１６における横穴１６Ｂは、圧縮機２１０の吸入側に繋がる。

前記流出口１６の下部（下部小径部１６ａ）には、流出管３０の一端側（上端部）がかしめや圧入等により連結されている。

前記流出管３０は、その上端部が流出口１６の下部にかしめや圧入等により連結されて垂下された金属製のインナーパイプ３１と、該インナーパイプ３１の上部を露出するように該インナーパイプ３１の外周に配在された合成樹脂製の有底のアウターパイプ３２とからなる二重管構造とされ、アウターパイプ３２の下端部は、オイルストレーナ４０のケース４２における内周段差付き上部４２ａに圧入等により内嵌固定されている。インナーパイプ３１の下端は、アウターパイプ３２の底部３２ｂより多少上側に位置せしめられ、アウターパイプ３２の上端は蓋部材１２（の下方凸部１３）より多少下側に位置せしめられている。アウターパイプ３２の底部３２ｂの中央には、オイル戻し孔３５が形成されている。オイル戻し孔３５の孔径は例えば１ｍｍ前後に設定されている。

前記オイルストレーナ４０は、タンク１０の底部に圧接気味に載せ置かれて固定されており、図３を併せて参照すればよくわかるように、合成樹脂製の有底円筒状のケース４２と該ケース４２にインサート成形により一体化された円筒状の網目部材からなるフィルタ４５とからなっている。ケース４２は、前記アウターパイプ３２の下端部が内嵌固定された内周段差付き上部４２ａと、底板部４２ｃと、この底板部４２ｃの外周に等角度間隔で立設された４本の柱状部４２ｂと、この柱状部４２ｂの上端部と下端部とを含む、所定の肉厚及び帯幅を有する円環帯状の埋込部４２ｄ、４２ｄと、を有している。この上下の埋込部４２ｄ、４２ｄに、フィルタ４５の上下の端部がインサート成形時に一体化されて封止され、また、フィルタ４５における柱状部４２ｂ部分もインサート成形時に当該柱状部４２ｂに一体化されて封止されている。言い換えれば、４本の柱状部４２ｂと上下の埋込部４２ｄ、４２ｄとにより側面視矩形の４つの窓４４が画成され、この各窓４４部分にフィルタ４５が張られていることになる。なお、４本の柱状部４２ｂには型抜き用の勾配が付けられているが、４本の柱状部４２ｂと上下の埋込部４２ｄ、４２ｄの半径方向の幅は略等しくされている。

アウターパイプ３２から露出したインナーパイプ３１の上部には、インナーパイプ３１とアウターパイプ３２の上端部とで形成された円環状の上端開口を覆うように、タンク１０の内径より小径の笠状あるいは逆立薄鉢状の気液分離体２０が外嵌されている。

前記気液分離体２０は、流入口１５に対向するとともに前記インナーパイプ３１が挿通される挿通穴２２が形成された円板状の天井部２１と、該天井部２１の外周から下方に延びる円筒状の側壁部２３とを有する。前記挿通穴２２にインナーパイプ３１が挿通された状態で、前記天井部２１が、蓋部材１２の下方凸部１３（の底面）とインナーパイプ３１の上部外周に形成された環状突起３１ａとにより挟持されることで、前記気液分離体２０は前記タンク１０内に位置決めされて固定されている。

一方、蓋部材１２（の右半部１２Ｂ）には、前記流出口１６における冷媒流量を制御する（言い換えれば、流路面積を調整する）ための電動弁（電気的駆動弁）５０が載置されて締結等により固定されている。

前記電動弁５０は、基本構成は従来知られた構成であるが、主に、蓋部材１２の右半部１２Ｂの上面側に配設されたステータ等からなる駆動部５３と、右半部１２Ｂの上部に設けられた嵌挿穴１４に上下方向に摺動自在に挿通され、その下端が流出口１６（の縦穴１６Ａ）まで延びる弁軸５２と、該弁軸５２の下端に連結固定された短円柱状の弁体５１とを備える。ここでは、前記短円柱状の弁体５１の外径は、縦穴１６Ａにおける下部小径部１６ａより大径かつ上部大径部１６ｂより小径に設定されるとともに、上部大径部１６ｂの開口面積Ｓ２から弁体５１の平面視での面積を差し引いた面積Ｓ３が、下部小径部１６ａの開口面積Ｓ１より小さくなるように、各部の寸法が設定されている（図４参照）。これにより、駆動部５３により生成される電気的駆動力を利用して、前記弁体５１が、流出口１６を構成する縦穴１６Ａの上部大径部１６ｂ内に上下方向で移動可能に配在（内挿）される。

また、前記電動弁５０には、例えば圧縮機２１０の運転状態（回転数）等に応じて、該電動弁５０の駆動状態、具体的には、流出口１６内での弁体５１の移動もしくは位置を制御すべく、マイクロコンピュータを内蔵するコントローラ５５が付設されている。

前記コントローラ５５は、圧縮機２１０の起動時には、図１に示される如くに、弁体５１を上部大径部１６ｂにおける下端近傍に位置せしめ、圧縮機２１０の通常運転時、具体的には、起動後にシステム上で突沸が発生しないと考えられる時間が経過した時には、図２に示される如くに、弁体５１を上部大径部１６ｂにおける横穴１６Ｂの高さに位置せしめるようになっている。

次に、上記の如くの構成を有する本実施形態のアキュームレータ１の動作並びに作用効果を説明する。

前述したように、圧縮機２１０の停止時には、オイルを含む液相冷媒がタンク１０の下部に溜まるが、液相冷媒とオイルとの比重及び粘性の相違により、二層に分離された状態（図示例では、上側にオイル層、下側に液相冷媒層が形成された状態）となっている。

この二層分離状態において、圧縮機２１０を起動すると、タンク１０上部に滞留する気相冷媒が流出管３０及び流出口１６を介して圧縮機２１０の吸入側に吸入され、タンク１０内の上部空間の圧力が下がり始めるとともに、圧縮機２１０から吐出された冷媒が前述した図６に示される如くのサイクルで循環せしめられる。

この場合、蒸発器（室内熱交換器２３０又は室外熱交換器２２０）から冷媒が流入口１５を介してタンク１０内に導入され、気液分離体２０に衝突して放射状に拡散されて液相冷媒（オイルを含む）と気相冷媒とに分離され、液相冷媒は、タンク１０内周面を伝うように流下してタンク１０内に溜まる。一方、気相冷媒は、気液分離体２０の内側を通り、アウターパイプ３２の上端開口からその内部を下降した後、その底部３２ｂで折り返され、インナーパイプ３１の下端側開口からその内部を上昇して流出口１６に導かれる。このとき、アウターパイプ３２の底部３２ｂに設けられたオイル戻し孔３５を通じて、タンク１０内に溜まったオイルが吸引され、ここでオイル成分を含んだ気相冷媒となって前記流出口１６から圧縮機２１０の吸入側に吸入されて循環せしめられる。なお、オイルストレーナ４０のフィルタ４５を通る際に、オイルに混じっているスラッジ等の異物が取り除かれる。

ここで、本実施形態では、前述した如くに、圧縮機２１０の起動時において、コントローラ５５から送られてくる制御信号により、弁体５１が上部大径部１６ｂにおける下端近傍、言い換えれば、流出口１６の縦穴１６Ａにおける下部小径部１６ａと上部大径部１６ｂとで形成される段差部１７付近まで下降されており、流出口１６の流路面積が全開時の流路面積（ここでは、下部小径部１６ａの開口面積Ｓ１に相当）より小さくされている。すなわち、図４を参照すればよく理解されるように、圧縮機２１０の起動時における流出口１６の流路面積は、上部大径部１６ｂの内周面と弁体５１の外周面とで画成される径方向で所定の幅を有する円環状の面積（上部大径部１６ｂの開口面積Ｓ２から弁体５１の平面視での面積を差し引いた面積Ｓ３であって、下部小径部１６ａの開口面積Ｓ１より小さい面積）とされている。

このように、本実施形態のアキュームレータ１では、圧縮機２１０の起動時に、流出口１６の流路面積が全開時（圧縮機２１０の通常運転時）の流路面積より小さくされ、圧縮機２１０の吸引力が抑えられるので、タンク１０内の圧力低下を緩やかにでき、オイル層より上側（の気相冷媒）とそれより下側（の液相冷媒）との圧力差を抑えることができ、そのため、圧縮機２１０の周波数を下げることを要さずに、アキュームレータ１側で圧縮機２１０の起動時における突沸現象及びそれに伴う衝撃音の発生を抑えることができる。

一方、圧縮機起動後の通常運転時には、前述した如くに、コントローラ５５から送られてくる制御信号により、弁体５１が上部大径部１６ｂにおける横穴１６Ｂの高さまで上昇され、前記流出口１６が全開とされ（ここでは、流出口１６の流路面積は下部小径部１６ａの開口面積Ｓ１とされ）、これにより、圧縮機２１０の吸入側に吸入される冷媒の流量が確保される。

また、本実施形態のアキュームレータ１では、冷暖房の切り換え時においても、上述した突沸現象及びそれに伴う衝撃音が発生することが考えられるが、前記電動弁５０により流出口１６における弁体５１の移動もしくは位置を精緻に制御することにより、前記突沸現象及びそれに伴う衝撃音の発生を抑えられるとともに、タンク１０内に溜まった液相冷媒やオイルが流出管３０の上端開口からその内部に直接流れ込んで圧縮機２１０の吸入側に吸入されてしまうこと（この現象を、液バックと称する）を防止できるといった効果も見込まれる。

なお、流出口１６における冷媒流量を制御するための電気的駆動弁としては、前記電動弁５０に代えて、圧縮機２１０の起動時において流出口１６の流路面積が全開時の流路面積より小さくなる位置に弁体５１を位置せしめ、圧縮機２１０の通常運転時において流出口１６が全開となる位置に弁体５１を位置せしめる電磁弁等の流量制御弁を採用してもよいことは当然である。

また、上記実施形態では、弁体５１による冷媒流量制御を簡略化するために、下面（先端面）が平坦面からなる短円柱状の弁体５１を採用しているが、例えば、弁体５１の下面は、円錐面や円錐台面、曲面などから形成してもよい。その場合、例えば、図５に示される如くに、下部小径部１６ａと上部大径部１６ｂとの間の段差部１７（の上端部）と弁体５１の先端面との間で、流出口１６の流路面積（開度）を制御するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、インナーパイプとアウターパイプとからなる二重管構造とされた流出管を採用しているが、本発明は、一端側が流出口に連結され、他端側開口が気液分離体の下面近くに上向きで位置せしめられた例えばＵ字状等の流出管を備えたアキュームレータにも適用し得ることは言うまでも無い。

１ アキュームレータ
１０ タンク
１２ 蓋部材
１２Ａ 左半体
１２Ｂ 右半体
１４ 嵌挿穴
１５ 流入口
１６ 流出口
１６Ａ 縦穴
１６Ｂ 横穴
１６ａ 下部小径部
１６ｂ 上部大径部
１７ 段差部
２０ 気液分離体
２１ 天井部
２３ 側壁部
３０ 流出管
３１ インナーパイプ
３２ アウターパイプ
３５ オイル戻し孔
４０ オイルストレーナ
４２ ケース
４５ フィルタ
５０ 電動弁（電気的駆動弁）
５１ 弁体
５２ 弁軸
５３ 駆動部
５５ コントローラ

Claims (7)

1. 蒸発器に繋がる流入口及び圧縮機吸入側に繋がる流出口が設けられたタンクと、前記流出口内に移動可能に配在された弁体及び電気的駆動力により前記弁体を前記流出口内で移動させるための駆動部を有する電気的駆動弁とを備え、
   前記駆動部による前記弁体の移動に伴って前記流出口の流路面積が調整されるようにされていることを特徴とするアキュームレータ。
2. 前記流出口は、下部小径部と上部大径部とからなる段付きの縦穴と前記上部大径部に連なる横穴とから構成されていることを特徴とする請求項１に記載のアキュームレータ。
3. 前記弁体は、前記縦穴に移動可能に内挿されていることを特徴とする請求項２に記載のアキュームレータ。
4. 前記弁体の外径は、前記下部小径部より大径かつ前記上部大径部より小径に設定されていることを特徴とする請求項３に記載のアキュームレータ。
5. 前記駆動部は、前記タンクの上面側に設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のアキュームレータ。
6. 前記電気的駆動弁の駆動状態を制御するコントローラを備え、
   前記コントローラは、前記圧縮機の起動時に前記流出口の流路面積が全開時の流路面積より小さくなるように前記電気的駆動弁の前記弁体の移動もしくは位置を制御することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のアキュームレータ。
7. 前記電気的駆動弁は、電動弁又は電磁弁で構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のアキュームレータ。
   

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