JP6767099B2 - 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９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９（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９（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、上端側が流出口に連結されたインナーパイプと該インナーパイプの外周に配在された有底のアウターパイプとからなる二重管構造とされた流出管等を有する。アキュームレータ２５０に導入された冷媒（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）が混入されている冷媒）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（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、気相冷媒はアウターパイプの上端開口からその内部を下降した後、その底部で折り返され、インナーパイプの下端側開口からその内部を上昇して流出口に導かれる。このとき、アウターパイプの底部に設けられたオイル戻し孔を通じて、タンク下部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から圧縮機２１０の吸入側に吸入されて循環せしめられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−０７７６０６号公報

ところで、オイルを含む液相冷媒は粘性が高いため、流出管（アウターパイプ）の周囲では上方に吸い上げられて液面が高くなることが本発明者等によって確認されている。また、例えば電気自動車用カーエアコン等として使用される場合には、車両走行時の振動等により液相冷媒の液面が波打って高くなるとともに、システム（圧縮機）起動時に、液相冷媒が突発的に激しく沸騰（突沸ともいう）して液相冷媒の液面が一時的に高くなる場合もある。そのため、上記従来の構造においては、気液分離体により分離されてタンク内に貯留された液相冷媒が、気相冷媒とともにアウターパイプの上端開口からその内部に直接流れ込んで圧縮機の吸入側に吸入されてしまう（この現象を、液バックと称する）可能性があった。

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、液バックを確実に防止す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、流入口及び流出口が設けられたタンクと、一端側が前記流出口に連結され、他端側が前記タンク内において上向きに開口された流出管とを有するアキュームレータであって、前記流出管に外嵌された、前記流入口に対向する天井部を有し、かつ、前記流出管における他端側開口を覆う笠状あるいは逆立薄鉢状の気液分離体と、該気液分離体の笠状あるいは逆立薄鉢状の形状により形成される内側空間内に設けられ、前記流出管における前記他端側開口の周りから横方向もしくは横方向から下側に傾いた方向に延びる液バック防止板と、を備え、前記液バック防止板が該液バック防止板の中心から偏心した位置において前記流出管に外嵌されることにより、前記流出管における前記他端側開口は、前記液バック防止板の外周の一部分に近接して設けられており、前記液バック防止板は、前記気液分離体の笠状あるいは逆立薄鉢状の形状により形成される下部開口を実質的に覆うとともに、該液バック防止板の外周の前記一部分において前記気液分離体に当接し且つ該液バック防止板の外周から僅かに内側において前記一部分に通気孔を有しておらず、該液バック防止板の外周の前記一部分を避けた部位において前記気液分離体から離間することにより、又は該液バック防止板の外周から僅かに内側において前記一部分を避けた部位に通気孔を有することにより、気相冷媒の流路を確保していることを特徴としている。

前記液バック防止板は、好ましくは、前記流出管に固定される。

好ましい態様では、前記液バック防止板の外周が全周に亘って前記気液分離体に当接している、又は、前記液バック防止板の外周の一部が前記気液分離体から離間している。

別の好ましい態様では、前記液バック防止板は、前記流出管と別体に形成される。

前記液バック防止板は、好ましくは、前記気液分離体に固定される。

好ましい態様では、前記液バック防止板の外周が全周に亘って前記気液分離体に当接している、又は、前記液バック防止板の外周の一部が前記気液分離体から離間している。

別の好ましい態様では、前記液バック防止板は、前記気液分離体と別体に形成される。

前記流出管は、好ましくは、前記流出口に連結されて前記タンク内に垂設されたインナーパイプと、該インナーパイプの外周に配在されたアウターパイプとからなる二重管構造とされ、前記液バック防止板は、前記アウターパイプの上端部に設けられる。

本発明に係るアキュームレータでは、流出管における上向きの他端側開口の周りに、横方向もしくは横方向から下側に傾いた方向に延びる液バック防止板が設けられているので、流出管の周囲で吸い上げられた液相冷媒（オイルを含む）が流出管の他端側開口からその内部に直接流れ込んでしまうこと（液バック）を確実に防止することができる。

また、流出管に外嵌された笠状あるいは逆立薄鉢状の気液分離体の内側に液バック防止板が配在されることにより、気液分離体に衝突して放射状に拡散され、タンク内周面を伝うように流下した液相冷媒（オイルを含む）が、液バック防止板の上面側を通って他端側開口からその内部に直接流れ込んでしまうことを確実に防止することができる。

本発明に係るアキュームレータの第１実施形態を示す縦断面図。 図１のＵ−Ｕ矢視線に従う拡大断面図。 図１のＶ−Ｖ矢視線に従う拡大断面図。 第１実施形態のアキュームレータの他例を示す図であり、（Ａ）は要部拡大縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＵ−Ｕ矢視線に従う拡大断面図。 第１実施形態のアキュームレータの更なる他例を示す図であり、（Ａ）は要部拡大縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＵ−Ｕ矢視線に従う拡大断面図。 第１実施形態のアキュームレータの更なる他例を示す図であり、（Ａ）は要部拡大縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＵ−Ｕ矢視線に従う拡大断面図。 第１実施形態のアキュームレータの更なる他例を示す図であり、（Ａ）は要部拡大縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＵ−Ｕ矢視線に従う拡大断面図。 本発明に係るアキュームレータの第２実施形態を示す図であり、（Ａ）は要部拡大縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＵ−Ｕ矢視線に従う拡大断面図。 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。

［第１実施形態］
図１は、本発明に係るアキュームレータの第１実施形態を示す縦断面図であり、図２は、図１のＵ−Ｕ矢視線に従う拡大断面図である。

図示第１実施形態のアキュームレータ１は、前述した図９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、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）されるようになっている。

蓋部材１２には、流入口１５と段付きの流出口１６とが並設されており、流出口１６の段付き下部に流出管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の段付き下部にかしめや圧入等により連結されて前記タンク１０内に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金属あるいは合成樹脂製等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る。インナーパイプ３１の下部は、アウターパイプ３２の下部内周面に押出し成形、溶接、溶着、接着等により一体に形成された複数（図示例では、等角度間隔に設けられた４個）のリブ３３の内側に嵌入されて支持されており、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の中央に設けられた下方に延びる延出部３４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上向きかつ円環状の上端開口（流出管３０における他端側開口）３６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に形成された下方凸部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。また、ここでは、前記側壁部２３は、アウターパイプ３２の上端部より下方まで延びている。

また、本実施形態では、前記上端開口３６の周り、具体的には、前記アウターパイプ３２の上端部に、円板状の液バック防止板５０が外嵌されてかしめ等により固定されている。この液バック防止板５０は、気液分離体２０（の側壁部２３）の内径より小径に形成されており、アウターパイプ３２の上端部の外周から横方向に延びるとともに、その外周は前記側壁部２３から離間している。すなわち、液バック防止板５０とその外側に配置された気液分離体２０の側壁部２３との間には、（全周に亘って）圧力損失をあまり受けない程度の所定の隙間Ｇが設けられている。

次に、上記した如くの構成を有する第１実施形態のアキュームレータ１の動作を説明する。

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９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、液バック防止板５０と気液分離体２０（の側壁部２３）との間の隙間Ｇを通って気液分離体２０の内側に進入し、アウターパイプ３２の上端開口３６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。

かかる構成を有する本実施形態のアキュームレータ１では、流出管３０における上向きの上端開口３６の周り、具体的には、前記アウターパイプ３２の上端部に、横方向に延びる円板状の液バック防止板５０が設けられているので、流出管３０（のアウターパイプ３２）の周囲で吸い上げられた液相冷媒（オイルを含む）が流出管３０の上端開口３６からその内部に直接流れ込んでしまうこと（液バック）を確実に防止することができる。

また、流出管３０に外嵌された笠状あるいは逆立薄鉢状の気液分離体２０の内側に液バック防止板５０が配在されることにより、気液分離体２０に衝突して放射状に拡散され、タンク１０内周面を伝うように流下した液相冷媒（オイルを含む）が、液バック防止板５０の上面側を通って上端開口３６からその内部に直接流れ込んでしまうことを確実に防止することができる。

＜第１実施形態のアキュームレータ１の変形形態＞
上記第１実施形態では、液バック防止板５０が流出管３０と別体に形成されているが、図４に示される如くに、液バック防止板５０Ａを流出管３０（のアウターパイプ３２）と一体に形成してもよい。これにより、当該アキュームレータ１Ａの部品点数を削減することができる。ここで、液バック防止板５０Ａと流出管３０のアウターパイプ３２とは、合成樹脂製、金属製等とすることができる。

また、上記第１実施形態では、液バック防止板５０が流出管３０（のアウターパイプ３２）の外周から横方向に延びる円板状を有しているが、図５に示される如くに、液バック防止板５０Ｂを横方向から下側に傾いた方向に延びる逆円錐状に形成してもよい。これにより、液バック防止板５０Ｂに液相冷媒が付着した場合でも、その液相冷媒をタンク１０内に溜まった液相冷媒に円滑に戻すことができる。

また、上記第１実施形態では、液バック防止板５０の外周部分が全周に亘って気液分離体２０（の側壁部２３）から離間しているが、図６及び図７に示される如くに、液バック防止板５０Ｃ、５０Ｄの外周部分を気液分離体２０（の側壁部２３）に当接させてもよい。この場合、気相冷媒の流路を確保する（言い換えれば、流入口１５と上端開口３６とを連通する）ために、図６に示される如くに、液バック防止板５０Ｃの外周部分の一部（図示例では、液バック防止板５０Ｃの外周に沿うようにスリット状に設けられた４つの長扇型状部）を切り欠いて（言い換えれば、液バック防止板５０Ｃの外周部分の一部を気液分離体２０から離間させて）通気孔５１Ｃを形成してもよい。また、図７に示される如くに、液バック防止板５０Ｄの外周部分より僅かに内側の部分（図示例では、液バック防止板５０Ｄの外周に沿うようにスリット状に設けられた４つの長扇型状部）を切り欠いて（すなわち、液バック防止板５０Ｄの外周部分を全周に亘って気液分離体２０に当接させたままで）通気孔５１Ｄを形成してもよい。これにより、液バック防止板５０Ｃ、５０Ｄの外周部分を部分的に或いは全体的に気液分離体２０で支持することができ、例えば当該液バック防止板５０Ｃ、５０Ｄの振動を抑えて耐久性を高めることができる。

［第２実施形態］
図８は、本発明に係るアキュームレータの第２実施形態を示す図であり、図８（Ａ）は要部拡大縦断面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のＵ−Ｕ矢視線に従う拡大断面図である。

図示第２実施形態のアキュームレータ２は、第１実施形態のアキュームレータ１に対し、液バック防止板の固定構成のみが異なり、他の部分はほぼ同一構成である。すなわち、第１実施形態のアキュームレータ１では、液バック防止板５０が流出管３０（のアウターパイプ３２）に支持固定されていたが、本第２実施形態のアキュームレータ２では、液バック防止板６０が気液分離体２０に支持固定されている。

詳細には、本実施形態における液バック防止板６０は、気液分離体２０（の側壁部２３）の内径とほぼ同径に形成されており、該液バック防止板６０の外周が合成樹脂製あるいは金属製等の気液分離体２０（の側壁部２３）の下端にかしめ等により固定されている。そして、液バック防止板６０に形成された嵌挿穴６２に、流出管３０のアウターパイプ３２の上端部が内嵌されている。なお、この場合、嵌挿穴６２とアウターパイプ３２との間に、液相冷媒の通過を防止するシール材を介装してもよい。

また、液バック防止板６０の外周より僅かに内側の部分には、気相冷媒を通す（言い換えれば、流入口１５と上端開口３６とを連通する）ための複数の通気孔（図示例では、液バック防止板６０の外周に沿うように形成された平面視長扇型状の４つの通気孔）６１が穿設されている。

かかる構成とされた第２実施形態のアキュームレータ２においても、第１実施形態のものと同様に、流出管３０における上向きの上端開口３６の周り、具体的には、前記アウターパイプ３２の上端部に、横方向に延びる円板状の液バック防止板６０が設けられているので、流出管３０（のアウターパイプ３２）の周囲で吸い上げられた液相冷媒（オイルを含む）が流出管３０の上端開口３６からその内部に直接流れ込んでしまうこと（液バック）を確実に防止することができる。

なお、図示は省略するが、本第２実施形態においても、上記第１実施形態において図４〜図７に基づき説明したのと同様の変更を加えることができることは当然である。すなわち、例えば液バック防止板と気液分離体２０とを合成樹脂製あるいは金属製とし、液バック防止板を気液分離体２０と（別体ではなく）一体に形成してもよいし、液バック防止板を横方向から下側に傾いた方向に延びる逆円錐状に形成してもよい。また、液バック防止板の外周部分を全周に亘って気液分離体２０（の側壁部２３）に当接させるのではなく、液バック防止板の外周部分の一部を部分的に気液分離体２０に当接させ、その外周部分の一部を気液分離体２０から離間させてもよい。なお、その場合には、液バック防止板の外周部分の一部と気液分離体２０（の側壁部２３）との間の隙間を介して気相冷媒を通す（言い換えれば、流入口１５と上端開口３３とを連通する）ことができるので、前記した液バック防止板６０の外周近傍に設けられた通気孔６１を省略してもよい。

また、上記第１及び第２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（第１実施形態）
２ アキュームレータ（第２実施形態）
１０ タンク
１２ 蓋部材
１５ 流入口
１６ 流出口
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 液バック防止板（第１実施形態）
６０ 液バック防止板（第２実施形態）

Claims (8)

1. 流入口及び流出口が設けられたタンクと、一端側が前記流出口に連結され、他端側が前記タンク内において上向きに開口された流出管とを有するアキュームレータであって、
   前記流出管に外嵌された、前記流入口に対向する天井部を有し、かつ、前記流出管における他端側開口を覆う笠状あるいは逆立薄鉢状の気液分離体と、
   該気液分離体の笠状あるいは逆立薄鉢状の形状により形成される内側空間内に設けられ、前記流出管における前記他端側開口の周りから横方向もしくは横方向から下側に傾いた方向に延びる液バック防止板と、を備え、
   前記液バック防止板が該液バック防止板の中心から偏心した位置において前記流出管に外嵌されることにより、前記流出管における前記他端側開口は、前記液バック防止板の外周の一部分に近接して設けられており、
   前記液バック防止板は、前記気液分離体の笠状あるいは逆立薄鉢状の形状により形成される下部開口を実質的に覆うとともに、該液バック防止板の外周の前記一部分において前記気液分離体に当接し且つ該液バック防止板の外周から僅かに内側において前記一部分に通気孔を有しておらず、該液バック防止板の外周の前記一部分を避けた部位において前記気液分離体から離間することにより、又は該液バック防止板の外周から僅かに内側において前記一部分を避けた部位に通気孔を有することにより、気相冷媒の流路を確保していることを特徴とするアキュームレータ。
2. 前記液バック防止板は、前記流出管に固定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. 前記液バック防止板の外周が全周に亘って前記気液分離体に当接している、又は、前記液バック防止板の外周の一部が前記気液分離体から離間し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. 前記液バック防止板は、前記流出管と別体に形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のアキュームレータ。
5. 前記液バック防止板は、前記気液分離体に固定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。
6. 前記液バック防止板の外周が全周に亘って前記気液分離体に当接している、又は、前記液バック防止板の外周の一部が前記気液分離体から離間していることを特徴とする請求項５に記載のアキュームレータ。
7. 前記液バック防止板は、前記気液分離体と別体に形成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載のアキュームレータ。
8. 前記流出管は、前記流出口に連結されて前記タンク内に垂設されたインナーパイプと、該インナーパイプの外周に配在されたアウターパイプとからなる二重管構造とされ、
   前記液バック防止板は、前記アウターパイプの上端部に設けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のアキュームレータ。

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