JP6733870B2 - 冷凍サイクルおよびレシーバータンク - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクルに関し、特に、自動車の車載空調装置（以下、カーエアコン）に好適な冷凍サイクルおよびレシーバタンクに関するものである。

冷凍サイクルは、通常、コンプレッサー、コンデンサ、膨脹弁およびエバポレーターを中空管で連結して構成される。
冷凍サイクル中に水分が含まれていると膨脹弁の細孔で凍結して冷媒の流れを阻害したり、冷凍装置の機能部品を腐蝕させるおそれがあるため、特に、カーエアコンに用いる場合には、コンデンサと膨脹弁との間にレシーバタンクを配置し、レシーバタンク内に乾燥剤を封入して、レシーバタンク内を通過する冷媒に含まれた水分を除去する技術が広く採用されている（例えば、特許文献１）。

レシーバータンクは、コンデンサで液化した冷媒を、冷房負荷に応じてエバポレーターに供給できるよう一時的に蓄える機能、および、冷媒中のガスと液を分離する気液分離機能を有する。また、通常、レシーバータンクの内部には、冷凍サイクル内のゴミを取り除くストレーナーと、冷凍サイクル内の水分を取り除く乾燥剤が封入されている。

レシーバータンク内に封入された乾燥剤によって除去できる水分量は、乾燥剤の封入量に比例するため、レシーバータンク内には、少なくとも車両の耐用年数に亘って水分除去能力が維持できる量の乾燥剤が封入されることが望ましい。

一方、車体の限られた空間を有効利用するといった観点や、車載設備の軽量化を図るといった観点からは、よりコンパクトな冷凍サイクルへの需要がある。
しかし、上記した従来技術において、冷凍サイクル中への水分混入を回避するためには、乾燥剤の封入量を削減することは困難であり、乾燥剤の容積が嵩むため、よりコンパクトな冷凍サイクルへの需要に十分に応えられないという問題があった。最近では、単位体積当たりの吸水量を高めた材料が開発されているが、さらに高性能化が求められている。

特開２００２−９０００６号公報

本発明の目的は、上記の問題を解決し、従来同様の水分除去能力を維持しつつ、よりコンパクトな冷凍サイクルを実現する技術を提供することである。

本発明では、上記の課題を解決するための手段として、コンプレッサー、コンデンサ、レシーバータンク、膨脹弁およびエバポレーターを中空管で連結して形成した冷媒流路の少なくとも何れかに、パウダー状乾燥剤が分散された吸湿性樹脂を配置する構成を採用した。

前記吸湿性樹脂は、レシーバータンク内に配置することが好ましく、前記吸湿性樹脂で、レシーバータンクの構成部品を形成することがより好ましい。

具体的にはタンク内に冷媒を導入する冷媒導入管と、タンクから冷媒を導出する冷媒導出管の少なくとも何れを前記吸湿性樹脂で形成することができる。その他、タンク内で冷媒中の水分を除去するドライヤーユニットを構成する多孔部材を、前記吸湿性樹脂で形成することができる。

前記パウダー状乾燥剤は、パウダー状ゼオライトであることが好ましく、前記吸湿性樹脂は、パウダー状ゼオライトとエンジニアリング・プラスチックを含有することが好ましい。

前記エンジニアリング・プラスチックは、軟化点が７０℃以上であることが好ましく、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、超高分子量ポリエチレン、シンジオタクチックポリスチレンの少なくとも何れかであることがより好ましい。

従来の冷凍サイクルでは、冷凍サイクル中に混入した水分を、専ら、レシーバタンク内に封入した乾燥剤によって除去していたが、上記構成からなる本発明によれば、冷凍サイクル中に混入した水分を、レシーバータンク内に封入した乾燥剤のほか、冷凍サイクルの冷媒流路に配置された吸湿性樹脂中に分散された乾燥剤よっても除去することができる。

このため、本発明によれば、レシーバータンク内における乾燥剤の封入量を従来よりも低減しながら、従来同様の水分除去能力を維持することができる。
このように、本発明によれば、レシーバータンク内における乾燥剤の封入量を従来よりも低減しても、従来同様の水分除去能力を維持することができるため、レシーバータンクの小型化が可能となり、従来よりコンパクトな冷凍サイクルを実現することができる。
もしくは、乾燥剤の封入量を従来同様とした場合には、吸湿性樹脂の併用で、その冷凍サイクルにおいて吸湿可能な水分量を増やすことができ、水分除去能力の向上を図ることができる。

本発明の冷凍サイクルの概略説明図である 本発明の実施の形態１の冷凍サイクルを構成するレシーバータンクの断面図である。 本発明の実施の形態２の冷凍サイクルを構成するレシーバータンクの断面図である。

本発明は、図１に示すように、コンプレッサー１、コンデンサ２、レシーバータンク３、膨脹弁４およびエバポレーター５を、金属製の中空管６で連結して形成した冷媒流路と、該冷媒流路内を循環する冷媒７からなる冷凍サイクルにおいて、冷媒と接触する冷媒流路の少なくとも何れかに、パウダー状乾燥剤が分散された吸湿性樹脂を配置したものである。以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態２において実施の形態１と同じ構成を成すものには同じ符号を付して説明し、詳細な説明を省略する場合がある。

（実施の形態１）
図２は、本発明の実施の形態１の冷凍サイクルを構成するレシーバータンク３の断面図である。

図２に示すように、このレシーバータンク３は、有底円筒状の金属製のタンク８内にドライヤーユニット９を備えている。
このドライヤーユニット９の上下には、空間１０、１１が設けられている。タンク８の底部からは冷媒導入管１２が立ち上がり、ドライヤーユニットの中心部を貫通して上部の空間１０内に突出するように配設されている。冷媒導入管１２の頂端には、冷媒出口１３が形成され、この冷媒出口１３からは、気液混合状態の冷媒が、上部の空間１０内に向けて放出される。
放出された冷媒は、ドライヤーユニット９を構成する上部多孔板１４及びストレーナ１５を経て、乾燥剤１６が充填された乾燥剤充填層に入り、ここで冷媒の水分が除去される。
乾燥剤充填層を透過した冷媒は、ストレーナ１７及び下部多孔板１８を経て下部の空間１１に入り、ここで気液分離が行われる。下部の空間１１内で気液分離した液冷媒は、液溜まり１９に溜まり、その底部に開口した冷媒導出孔２０から導出される。

乾燥剤充填層には、成型された乾燥剤１６を充填することが好ましく、ペレット状やビーズ状の成形体（粉末状の乾燥剤を圧縮成形したもの）が使用できる。車載用の乾燥剤の性能としては、車の振動に伴い、剤自身の摩擦により粉化しないものが好ましく、その観点から形状は、ペレット状よりもビーズ状の成形体が好ましい。充填されている乾燥剤１６の粒径は、０．５〜４．８ｍｍ程度（４〜３５メッシュ程度）のものを使用することができる。
乾燥剤１６としては、冷媒に含まれた僅かな水分を吸着除去する材料である必要があり、シリカゲルやアルミナは適さず、ゼオライトが好適である。

乾燥剤１６に冷媒（例えば、代替フロン）が吸着されると発熱が生じるため、乾燥剤１６は、０．２８ｎｍ（２．８Å）の分子径を有する水分子は吸着され、冷媒は吸着されない細孔径を有するものであることが好ましい。
車載用冷媒で使用されるフッ素系ガスの場合、フッ素系ガス分子は、ゼオライトの細孔径５Å以上で取り込まれやすくなるため、冷媒を取り込まない細孔径のゼオライト、すなわち細孔径が３〜４Åのゼオライトが好ましい。具体的には、有効細孔径３Åの３Ａ型ゼオライトもしくは有効細孔径４Åの４Ａ型ゼオライトが好適である。本明細書において、有効細孔径は、定容量式ガス吸着法により測定される細孔径であり、定容量式ガス吸着法に使用する吸着ガスとしては、Ｎ_２、ＣＯ_２、ＣＨ_４、Ｈ_２等が挙げられる。

実施の形態１では、レシーバータンクの構成部品のうち、冷媒導入管１２と上部多孔板１４と下部多孔板１８を、吸湿性樹脂で形成している。

吸湿性樹脂は、冷媒に含まれた水分を吸着するパウダー状乾燥剤を樹脂中に分散させた合成樹脂である。本明細書において、「パウダー状」とは、粒径０．１〜６０μｍ程度の粉末状を意味する。パウダー状乾燥剤の平均粒径（ｄ５０）は、樹脂との混合の観点から、より好ましくは１〜１０μｍ、更に好ましくは２〜５μｍである。

パウダー状乾燥剤は、ゼオライトであることが好ましい。

上記乾燥剤１６と同様に、パウダー状乾燥剤に冷媒（例えば、代替フロン）が吸着されると発熱が生じるため、パウダー状乾燥剤は、０．２８ｎｍ（２．８Å）の分子径を有する水分子は吸着され、冷媒は吸着されない有効細孔径を有するものであることが好ましく、冷媒を取り込まない細孔径のゼオライト、すなわち細孔径が３〜４Åのゼオライトが好ましい。具体的には、有効細孔径３Åの３Ａ型ゼオライトもしくは有効細孔径４Åの４Ａ型ゼオライトが好適である。但し、使用する冷媒の種類によって、ゼオライトに冷媒が吸着しないように、ゼオライトの有効細孔径の大きさに注意し、選択する必要がある。

カーエアコンの冷凍サイクルでは、冷媒が６０℃程度の高温に晒される事もあるため、パウダー状乾燥剤を分散させる樹脂としては、軟化点が７０℃以上のエンジニアリング・プラスチックが好ましく、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、超高分子量ポリエチレンやシンジオタクチックポリスチレンなどが使用でき、ポリカーボネートが好適である。

吸湿性樹脂には、パウダー状乾燥剤を樹脂中に均一に分散させる目的で、分散剤を配合することができる。このような分散剤としては、一般に、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸マグネシウム、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸アルミニウム、ステアリン酸カルシウム、１２−ヒドロキシステアリン酸カルシウム等の金属石ケンや、エチレンビスステアリルアマイド、低分子量ポリエチレンワックス、流動パラフィン、パラフィン合成ワックス、ポリプロピレンワックス、シリコーンオイル等を挙げることができる。これらの分散剤は、一般に、樹脂成分１００ｇ当り０．５〜５ｇ、特に１〜３ｇ使用される。その他、吸湿性や成形性等を損なわない限りの量で、それ自体公知の各種配合剤、例えば滑剤、帯電防止剤、酸化防止剤等を適宜配合することもできる。

吸湿性樹脂からなる冷媒導入管１２と上部多孔板１４と下部多孔板１８は、上記のパウダー状乾燥剤と樹脂を混練してマスターバッチとした後、パウダー状乾燥剤含有マスターバッチをそのまま、あるいは、樹脂と混合して各形状（管状、あるいは、多孔板状）の成形体を作成する。当該マスターバッチは、パウダー状乾燥剤を好ましくは１０〜７０質量％、より好ましくは２０〜７０質量％、さらに好ましくは２５〜７０質量％の割合で含有するものである。
成形体中におけるパウダー状乾燥剤の含有量は、好ましくは１０〜７０質量％、より好ましくは２０〜７０質量％、さらに好ましくは３０〜７０質量％である。
パウダー状乾燥剤の含有量が少なすぎると所望の吸水性能が発現しない恐れがあるが、上記範囲とすることにより、所望の吸水性能を確実に発現させることができる。
一方、パウダー状乾燥剤の含有量が多すぎるとパウダー状乾燥剤が成形体の表面に存在する確率が高まり、パウダー状乾燥剤が冷媒中に落下する可能性が高まる他、各成形体としての物性が低下する恐れがあるが、上記範囲とすることにより、これらのリスクを確実に回避することができる。

次に、具体的な例を用いて本実施の形態（実施の形態１）による効果を説明する。
パウダー状乾燥剤には３Ａタイプのモレキュラーシーブ（ユニオン昭和株式会社製）を用い、パウダー状乾燥剤を分散させる樹脂にはポリカーボネート樹脂を用いて、吸湿性樹脂からなる冷媒導入管１２と上部多孔板１４と下部多孔板１８を作成した。

ポリカーボネート樹脂１に対するパウダー状モレキュラーシーブの比率は３０質量％となるよう配合したマスターバッチを調製し、このマスターバッチを希釈せずそのまま加工し、吸湿性樹脂からなる冷媒導入管１２と上部多孔板１４と下部多孔板１８を作成した。乾燥剤１６としては、ビーズ状のものを使用した。
３Ａタイプのモレキュラーシーブの吸水量は、最大２０％であるので、例えば、吸湿性樹脂からなる冷媒導入管１２と上部多孔板１４と下部多孔板１８の合計重量が５０ｇの場合、吸湿性樹脂として、１５ｇのパウダー状モレキュラーシーブを含有することになり、約３ｇの水分を吸着除去することができる。このため、乾燥剤１６の封入量を、水分３ｇを吸水することができる量分、削減しても従来と同等の水分除去能力を維持することができる。あるいは、乾燥剤１６の封入量を従来同様とした場合には、吸湿性樹脂が吸水する水分量が追加されるため、レシーバータンク自身の水分除去能力を向上させることができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２の冷凍サイクルを構成するレシーバータンクの断面図である。レシーバータンクが、有底円筒状の金属製のタンク８内にドライヤーユニット９を備える構造や、使用する乾燥剤１６および吸湿性樹脂の構成は、実施の形態１と同様である。

実施の形態１では、図２に示したように、金属製のタンク８内の空間を、上部多孔板１４と下部多孔板１８とで、上下に３分割し、その中央の空間にビーズ状の乾燥剤１６を充填して乾燥剤充填層を構成したものをドライヤーユニット９として使用したが、実施の形態２では、図３に示すように、複数の微細穴（φ １〜１．５mm程度）をあけた多孔部材で形成された容器２１の内部空間に２〜４ｍｍのビーズ状の乾燥剤１６を充填して乾燥剤充填層を構成したものをドライヤユニット９として使用している。

実施の形態２では、レシーバータンクの構成部品のうち、前記の多孔部材で形成された容器と冷媒導入管１２を吸湿性樹脂で形成している。

次に、具体的な例を用いて本実施の形態による効果を説明する。パウダー状乾燥剤には、ゼオライトとして合成ゼオライトである３Ａタイプのモレキュラーシーブ（ユニオン昭和株式会社製）を用い、パウダー状乾燥剤を分散させる樹脂にはポリカーボネート樹脂を用いて、吸湿性樹脂からなる容器２１と冷媒導入管１２を作成する。容器２１と冷媒導入管１２は、一体型であってもそれぞれ独立していてもよい。

ポリカーボネート樹脂１に対するパウダー状モレキュラーシーブの比率を３０質量％とし、３０質量％となるよう配合したマスターバッチを調製し、このマスターバッチを希釈せずそのまま加工し、吸湿性樹脂からなる容器２１と冷媒導入管１２を作成した。
３Ａタイプのモレキュラーシーブの吸水量は、最大２０％であるので、例えば、吸湿性樹脂からなる容器２１と冷媒導入管１２の合計重量が５０ｇの場合、吸湿性樹脂として、１５ｇのパウダー状モレキュラーシーブを含有することになり、約３ｇの水分を吸着除去することができる。このため、乾燥剤１６の封入量を、水分３ｇを吸水することができる量分、削減しても従来と同等の水分除去能力を維持することができる。あるいは、ビーズ状モレキュラーシーブの封入量を従来同様とした場合には、水分除去能力を向上させることができる。

以上の説明では、吸湿性樹脂で、レシーバータンク内の構成部品を形成した実施の形態を説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、冷媒が流れる冷媒流路の少なくとも一部に吸湿性樹脂を配置すればよい。例えば、金属管からなる中空管に吸湿性樹脂製の板材を内張りしたり、吸湿性樹脂をファイバー状にして使用する等の実施の形態も可能である。

従来の冷凍サイクルでは、冷凍サイクル中に混入した水分を、専ら、レシーバータンク内に封入した乾燥剤によって除去していたが、上記構成からなる本発明によれば、冷凍サイクル中に混入した水分を、レシーバータンク内に封入したビーズ状乾燥剤のほか、冷凍サイクルの冷媒流路に配置された吸湿性樹脂中に分散された乾燥剤よっても除去することができる。このため、本発明によれば、レシーバータンク内における乾燥剤の封入量を従来よりも低減しながら、従来同様の水分除去能力を維持することができる。
このような本発明は、よりコンパクトな冷凍サイクルが求められる分野の冷凍サイクルとして特に有用である。

１ コンプレッサー
２ コンデンサ
３ レシーバータンク
４ 膨脹弁
５ エバポレーター
６ 中空管
７ 冷媒
８ タンク
９ ドライヤーユニット
１０ 空間
１１ 空間
１２ 冷媒導入管
１３ 冷媒出口
１４ 上部多孔板
１５ ストレーナ
１６ ビーズ状乾燥剤
１７ ストレーナ
１８ 下部多孔板
１９ 液溜まり
２０ 冷媒導出孔
２１ 容器

Claims (10)

1. コンプレッサー、コンデンサー、レシーバータンク、膨脹弁およびエバポレーターを中空管で連結して形成した冷媒流路の少なくとも何れかに、パウダー状乾燥剤が分散された吸湿性樹脂を配置した冷凍サイクルであって、
   乾燥剤をレシーバータンク内に封入するとともに、前記吸湿性樹脂の少なくとも一部でレシーバータンクの構成部品の少なくとも一部を形成し、かつ、
   前記構成部品が、タンク内に冷媒を導入する冷媒導入管と、タンクから冷媒を導出する冷媒導出管の少なくとも何れか、あるいはタンク内で冷媒中の水分を除去するドライヤーユニットを構成する多孔部材である、
   水分除去能力を維持しつつ、レシーバータンクの小型化を可能とした、カーエアコン用冷凍サイクル。
2. 前記吸湿性樹脂をレシーバータンク内に配置した、請求項１記載の冷凍サイクル。
3. 前記パウダー状乾燥剤がパウダー状ゼオライトである、請求項１又は２に記載の冷凍サイクル。
4. 前記パウダー状ゼオライトの細孔径が３〜４Åである、請求項３記載の冷凍サイクル。
5. 前記吸湿性樹脂が、パウダー状ゼオライトとエンジニアリング・プラスチックを含有す る、請求項１〜４の何れかに記載の冷凍サイクル。
6. 前記エンジニアリング・プラスチックの軟化点が７０℃以上である、請求項５記載の冷 凍サイクル。
7. 前記エンジニアリング・プラスチックが、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネ ート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、超高分子量ポリエチ レンやシンジオタクチックポリスチレンの少なくとも何れかである、請求項５又は６記載の冷凍 サイクル。
8. 前記エンジニアリング・プラスチックがポリカーボネートである、請求項５〜７の何れかに記載の冷凍サイクル。
9. 前記吸湿性樹脂で形成されたレシーバータンクの構成部品中におけるパウダー状乾燥剤の含有量が１０〜７０質量％である、請求項１〜８の何れかに記載の冷凍サイクル。
10. 請求項１〜９の何れかに記載の冷凍サイクルを構成するレシーバータンク。