JPH05180538A - 冷凍装置の水分除去装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 潤滑油による水分除去装置の機能低下を抑制
する。 【構成】 ボックス型膨張弁２の冷媒通路１８に、分離
パイプ５２が配設される。分岐通路３７等よりなるバイ
パス通路は前記分離パイプ５２によって形成される間隙
に連通する。バイパス通路の途中には冷媒を冷却する冷
却シリンダ３３が配置され、その下流には冷媒中に含ま
れている水分を捕集するフィルタ４３が配置される。そ
して、分離パイプ５２と冷媒通路１８との間の間隙で潤
滑油が除去され、その潤滑油が除去されたガス冷媒が冷
却シリンダ３３側に導入される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、空調装置等に用いら
れる冷凍装置において、冷媒中の水分を除去するための
水分除去装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、カーエアコンでは振動吸収等の
ためゴムホースを多用せざるを得ず、これらゴムホース
を通して冷媒中に水分が入りやすい。そして、冷媒中に
水分が混入すると、金属部分の腐食や冷却性能の低下を
引き起こす。

【０００３】そこで、例えば特開昭５９−１５７４６２
号公報では、冷凍回路の主冷媒循環通路にバイパス通路
を接続して、そのバイパス通路において液体窒素を用い
たコールドトラップにより冷媒を冷却して、冷媒中の水
分を氷結させて水分を除去するようにしている。

【０００４】また、本出願人は特願平３−８２６７５号
出願において、膨張弁の部分、又はエポレータのフロス
トを防止するための蒸発圧力調整弁の部分にバイパス通
路を設け、断熱膨張による冷媒温度の低下を利用して、
バイパス通路内で水分を分離除去する技術を提案してい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、冷凍回路内
には冷媒とともに潤滑油が循環しているが、その潤滑油
のために、水分除去機能が低下するするおそれがある。

【０００６】例えば、前記特願平３−８２６７５号にお
いては、断熱膨張で温度低下した冷媒を円筒内に通し、
バイパスされた冷媒をその円筒の外周面上の螺旋通路内
に通して冷却させる例と、バイパスされた冷媒を断熱膨
張させて温度降下させる例とが開示されている。これら
の場合、前者の例においては、潤滑油の膜が螺旋通路の
内面に付着して冷却能力の低下をきたす。また、後者の
例においては、分離された水分を捕集するフィルタがバ
イパス通路を横切って配置されているために、バイパス
流に潤滑油が多量に含まれていると、その潤滑油に捕集
水分が溶解して、水分が再び冷媒中に含まれてしまう。

【０００７】この発明は上記問題点に着目してなされた
ものであり、その目的とするところは、潤滑油による水
分除去装置の機能低下を抑制して、常に良好な水分除去
機能を発揮する水分除去装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
めに、第１の発明においては、エバポレータ、膨張弁、
コンプレッサ、コンデンサ及びレシーバを含む冷凍回路
の冷媒主循環通路の一部に冷媒バイパス通路を接続する
とともに、同バイパス通路に除湿手段を設け、冷媒主循
環通路内を流れる冷媒の一部が冷媒バイパス通路内に導
入され、除湿手段により冷媒中の水分が分離除去され
て、水分除去後の冷媒が冷媒主循環通路に戻るように構
成した冷凍装置において、前記冷媒主循環通路から冷媒
バイパス通路が分岐する部分または冷媒バイパス通路内
には冷媒中の潤滑油を分離除去する潤滑油除去手段を設
けたことを特徴とする。

【０００９】又、第２の発明においては、潤滑油除去手
段は、冷媒主循環通路から冷媒バイパス通路が分岐する
部分に設けられ、冷媒主循環通路内における冷媒流速よ
りも低い流速の分流を生じさせるように構成されてい
る。

【００１０】

【作用】従って、第１の発明によれば、冷媒の分流がバ
イパス通路内で冷却されて、水分が分離除去されるが、
その冷媒は冷却前において潤滑油除去作用を受ける。こ
のため、水分除去が効率良く行われる。

【００１１】また、第２の発明においては、潤滑油を多
量に含む高質量の冷媒は冷媒主循環通路内を高速で流れ
るが、潤滑油が少量しか含まれない低質量の冷媒は分流
されてバイパス通路内に至る。

【００１２】

【第１実施例】以下、この発明をカーエアコンに具体化
した第１実施例を図１〜図７の図面に従って説明する。
この第１実施例はこの発明を膨張弁において具体化した
ものである。

【００１３】図１は第１実施例のカーエアコンの概略構
成を示す図である。カーエアコンはエバポレータ１、ボ
ックス型膨張弁２（図２参照）、可変容量コンプレッサ
３、コンデンサ４及びレシーバ５を備えている。そし
て、これらを巡る冷凍回路により冷媒主循環通路が構成
されている。前記ボックス型膨張弁２の本体ブロック６
の一側（図の左側）には弁室７が形成され、その弁室７
は第１冷媒通路８と連通している。又、本体ブロック６
の図示上部には円形凹部９が穿設され、その底面からは
第２冷媒通路１０が延びている。この第２冷媒通路１０
は膨張オリフィス１１によって前記弁室７と連通してい
る。膨張オリフィス１１には弁座１２が形成されてい
る。

【００１４】弁体１４は弁座１２に対向して配置され、
弁受１３により固定支持されている。バネ受１５と弁受
１３との間には圧縮コイルバネ１７が介装され、弁体１
４は圧縮コイルバネ１７によって膨張オリフィス１１を
閉塞する方向へ付勢されている。

【００１５】又、前記本体ブロック６の他側部（図１の
右側部）には第３冷媒通路１８が図示上下に配設されて
いる。第３冷媒通路１８の近傍にはネジ孔１９が形成さ
れ、そのネジ孔１９はプランジャ孔２０にて第３冷媒通
路１８と連通している。プランジャ孔２０と対応してプ
ランジャ孔２１が形成され、プランジャ孔２１と第２冷
媒通路１０とはロッド孔２２によって連通されている。

【００１６】開度調整部材２３は内側ハウジング２４、
外側ハウジング２６及びプランジャ（感温棒）２７を備
えている。プランジャ２７の棒状部２８は第３冷媒通路
１８内に露出している。作動ロッド（弁棒）２９は、そ
の一端が前記プランジャ２７に当接し、中間部が前記第
２冷媒通路１０内に露出し、他端が前記膨張オリフィス
１１内において前記弁体１４に当接している。両ハウジ
ング２４，２６内においてダイヤフラム２５の外側が感
熱室３０に、内側が冷媒室３１となっている。又、外側
ハウジング２６にはパイプ３２が接続され、このパイプ
３２を介して感熱室３０内には不活性ガスが予め封入さ
れている。

【００１７】又、この冷凍回路には冷媒として、Ｒ１３
４ａ（テトラフルオロエタン）あるいはＲ２２（クロロ
ジフルオロメタン）が封入されている。これらの冷媒
は、図６に示すように、液相の飽和水分濃度よりも気相
の飽和水分濃度の方が低い冷媒である。

【００１８】そして、このように構成したボックス型膨
張弁２は、次のように作用する。前記可変容量コンプレ
ッサ３から吐出された高圧縮冷媒はコンデンサ４にて凝
縮された後、レシーバ５、第１冷媒通路８を経て弁室７
内に導入される。この冷媒は弁室７内から膨張オリフィ
ス１１を通過し、このとき断熱膨張して気液二相冷媒と
なり第２冷媒通路１０に至る。その後、冷媒は第２冷媒
通路１０を通りエバポレータ１内に導入されて、気化し
てガス冷媒となる。このとき、ガス冷媒にてエバポレー
タ１が冷却されて車室内の冷房に供される。さらに、エ
バポレータ１から排出されたガス冷媒は第３冷媒通路１
８を経て再び前記コンプレッサ３に戻る。

【００１９】第３冷媒通路１８内を通過するガス冷媒の
熱はプランジャ２７を介して前記ダイヤフラム２５に伝
達され、さらに、ダイヤフラム２５から感熱室３０内の
不活性ガスに伝達される。そして、その不活性ガスが膨
張・収縮されて、そのガス圧がダイヤフラム２５の外側
面に作用する。従って、弁座１２に対する弁体１４の位
置、すなわち膨張オリフィス１１の開度は、圧縮コイル
バネ１７の付勢力及び冷媒室３１内の冷媒圧と、感熱室
３０内のガス圧とが釣り合った位置に保たれる。そし
て、この膨張オリフィス１１の開度に応じてエバポレー
タ１に供給される冷媒量が調整される。

【００２０】さらに、このボックス型膨張弁２には、冷
凍回路の冷媒中の水分を除去するための水分除去装置が
設けられている。以下に、水分除去装置を説明する。図
１，３に示すように、第２冷媒通路１０の円形凹部９に
は冷却シリンダ３３が嵌入され、ジョイント３４にて固
定されている。このジョイント３４の外周部にはＯリン
グ３５が配置されて、気密が保たれている。冷却シリン
ダ３３の外周面には螺旋溝３６が形成され、この溝３６
と円形凹部９の内壁との間に形成された空間をガス冷媒
が通過できるようになっている。又、前記螺旋溝３６の
一端と第３冷媒通路１８との間には第３冷媒通路１８か
ら分岐する分岐通路３７が形成されている。この分岐通
路３７はプランジャ２７の上流側に位置している。

【００２１】さらに、図３〜５に示すように、本体ブロ
ック６の図示前側面には円筒部３８が一体に突設され、
この円筒部３８内が水分排出通路３９となっている。水
分排出通路３９の奥部に形成された凹部４０と前記螺旋
溝３６とは連結通路４１によって連通されている。凹部
４０内にはスペーサ４２を介して円板状をなす水分捕集
用のフィルタ４３が配置されている。このフィルタ４３
はガラスウールよりなる。さらに、フィルタ４３の外側
において円筒部３８内には、多数の孔４４を有する押え
板４５が固定配置されている。又、円筒部３８内の水分
排出通路３９は接続通路４６を介して第３冷媒通路１８
と連通している。円筒部３８内の前部にはパッキン４７
と、ポリイミド樹脂より成る水分透過膜４８と、多数の
孔５０を有する押え板４９とが重ねられた状態で固定配
置されている。そして、この第１実施例においては、分
岐通路３７から螺旋溝３６、連結通路４１、水分排出通
出路３９及び接続通路４６等により冷媒バイパス通路が
構成されている。

【００２２】又、前記第３冷媒通路１８の上流側開口部
には円形凹部５１が形成されている。潤滑油除去手段を
構成する分離パイプ５２は円形凹部５１に嵌入固定さ
れ、外周部に配設されたＯリング５３によって気密が保
たれている。分離パイプ５２にはプランジャ２７の方向
に延びる突出部５４が形成され、その外周面と第３冷媒
通路１８の内周面との間には間隙が形成されている。す
なわち、第３冷媒通路１８のプランジャ２７よりも上流
側は、分離パイプ５２の内部からプランジャ２７の下流
側に延びる冷媒主流通領域と、前記間隙よりなる冷媒サ
ブ流通領域とに区画される。そして、冷媒サブ流通領域
は前記分岐通路３７と連結している。

【００２３】次に、このように構成された水分除去装置
の作用について説明する。本冷凍回路内を循環する冷媒
は、液相の飽和水分濃度よりも気相の飽和水分濃度の方
が低い性質を有し、冷媒中の水分濃度が高くなると、蒸
発する際、それまでは液冷媒中に溶解していた水分が分
離され、ガス冷媒中をミスト状の水が浮遊する。又、冷
媒には冷凍機の潤滑のために不可欠なオイルが混入され
ており、この潤滑油は冷凍回路内を冷媒とともに循環す
る。

【００２４】尚、ガス冷媒中に溶解する水分量は図７に
示すように分圧、温度に依存し、圧力が高いほど、又、
温度が高くなるほど溶解できる水分量は増加する。この
ため、上述したようにエバポレータ１内に発生したミス
ト状の水の一部はエバポレータ１の出口ではガス冷媒が
過熱度をもつため、ガス冷媒に溶解する傾向にある。こ
の過熱度をもつ分だけ余計に水分を溶解したガス冷媒が
エバポレータ１から排出される。

【００２５】そして、エアコンが作動し冷凍回路中を冷
媒が循環すると、冷媒とともに循環流通する潤滑油はガ
ス冷媒よりも密度が大きく、質量が高いため、その潤滑
油はガス冷媒とともに第３冷媒通路１８に配置された分
離パイプ５２の突出部５４内を高速で直進する。これに
対し、ガス冷媒の潤滑油をほとんど含まない低質量の部
分は、慣性が低いために突出部５４と第３冷媒通路１８
の内壁との間の間隙内に近い流速で分流されて、分岐通
路３７内に至る。以上のように、潤滑油の含有量が少な
いガス冷媒が分流され、結果として冷媒の一部から潤滑
油が分離除去されたことになる。さらに、分岐通路３７
内のガス冷媒は冷却シリンダ３３の螺旋溝３６を通過す
る。このとき、冷却シリンダ３３内には膨張オリフィス
１１にて断熱膨張した低温の気液２相冷媒が通過してい
るので、過熱度を有する外周側のガス冷媒は冷却シリン
ダ３３内を通る飽和液（過熱度；０℃）による熱伝導に
より冷却され、冷媒中から水が遊離して分離される。そ
して、このとき、螺旋溝３６を通過するガス冷媒は潤滑
油を除去しているので、螺旋溝３６の内周面に潤滑油の
膜が形成されることはほとんどなく、常に良好な冷却効
率を得て、水分分離を確実に行うことができる。

【００２６】冷却シリンダ３３で冷却されたガス冷媒は
連結通路４１を経由してフィルタ４３を通過する際に、
前記したエバポレータ１内で発生した遊離水、及び冷却
シリンダ３３で発生した遊離水がフィルタ４３によって
捕集される。遊離水が捕集されたガス冷媒は押え板４５
の孔４４を通り、接続通路４６を経てプランジャ２７よ
りも下流側の第３冷媒通路１８に戻される。フィルタ４
３で捕集された遊離水は、エアコンの停止（冷凍装置が
停止）後、押え板４５の孔４４を通って水分透過膜４８
から大気中に放出される。

【００２７】尚、第３冷媒通路１８と分離パイプ５２と
の関係は以下の通りである。図１に示すように、突出部
５４の管外径ｄ₁ （ｃｍ），第３冷媒通路１８の内径ｄ
₂ （ｃｍ），主流の流量Ｇ（ｋｇ／ｈ），バイパス流量
Ｇ_by（ｇ／ｈ），バイパス部の流速Ｖ₂ （ｃｍ／ｓｅ
ｃ），ガス冷媒の密度ρ（ｇ／ｃｍ³ ）とすると、Ｖ₂
は次式で表される。

【００２８】 Ｖ₂ ＝Ｇ_by／｛９００ρπ（ｄ₂ ² −ｄ₁ ² ）｝ ｄ₂ →大とするとＶ₂ →小となるため、潤滑油の分離性
能は良くなるが、反面ｄ₂ →大とすると径がｄ₂ →ｄ₁
に縮少するときの圧力損失と、ｄ₁ →ｄ₂ に拡大すると
きの圧力損失がともに大きくなり、主流量Ｇが低下する
悪影響がある。そのためｄ₂ は圧力損失の悪影響が顕著
にならない範囲で大きくする必要がある。

【００２９】以上のように、第１実施例においては、分
離パイプ５２という簡単な部材を膨張弁２の本体ブロッ
ク６に配置するだけで、潤滑油の混入による除湿機能の
低下という問題点を解消することができる。

【００３０】

【第２実施例】次に、この発明の第２実施例を図８及び
図９に基づいて説明する。この第２実施例においては、
分離パイプ５２に替えて、分岐通路３７を包囲するため
の包囲部６２を有する包囲部材６１が第３冷媒通路１８
に固定されたものである。包囲部６２と第３冷媒通路１
８の内周面との間には間隙が形成されるとともに、その
間隙のプランジャ２７側の端部は開放されている。

【００３１】従って、この第２実施例においても、前記
第１実施例と同様に間隙内には潤滑油の含有量の少ない
ガス冷媒の分流が生じ、その分流が分岐通路３７に至
る。

【００３２】

【第３実施例】次に、図１０に基づいて第３実施例を説
明する。この第３実施例では、可変容量コンプレッサ７
１，コンデンサ７２，レシーバ７３，膨張弁７４，エバ
ポレータ７５及び蒸発圧力調整弁７６が順に接続され、
冷凍回路が構成されている。蒸発圧力調整弁７６は、熱
負荷が小さい運転条件下でエバポレータ７５のフロスト
を防止するために設けられているものであって、エバポ
レータ７５からコンプレッサ７１への冷媒を連続的に絞
ることにより、エバポレータ７５での蒸発圧力を絶対圧
力２．９ｋｇｆ／ｃｍ² 以上に保つ働きをする。

【００３３】蒸発圧力調整弁７６とエバポレータ７５と
を結ぶ配管７７には、接続管７８が固定され、同接続管
７８は配管７７内と連通している。この接続管７８内に
はハウジング７９の連結管部８０がＯリング８１を介し
て螺入されている。ハウジング７９には図示上面が開口
し、断面積及び容積の大きな凹部８２が形成され、凹部
８２は底部に形成した貫通孔８３にて配管７７内と連通
している。又、凹部８２の側壁部には貫通孔８４が形成
されている。凹部８２内にはスペーサ８５が配置され、
その上にガラスウールよりなるフィルタ８６が配置さ
れ、さらにその上には筒状の押え管８７が配置されてい
る。凹部８２の開口部にはパッキン８８，ポリイミド樹
脂よりなる水分透過膜８９，多数の孔を有する押え板９
０が重ねられた状態で配置され、かしめにより固定され
ている。押え管８７には貫通孔９１が形成され、前記貫
通孔８４と連通している。又、ハウジング７９の側面に
は前記貫通孔８４と連通する接続管９２が設けられてい
る。

【００３４】一方、コンプレッサ７１と蒸発圧力調整弁
７６とを結ぶ配管９３には、接続管９４が固定され、同
接続管９４は配管９３と連通している。そして、接続管
９４と前記ハウジング７９に設けた接続管９２とがキャ
ピラリチューブ９５にて接続されている。つまり、キャ
ピラリチューブ９５の両端は、Ｏリング９６を介してナ
ット９７にて接続管９４，９２と連結されている。

【００３５】前記配管７７は前記連結管部８０の部分に
おいて２分割され、その一方の配管１００の端部が小径
に形成されて、連結管部８０の開口部と対応配置されて
いる。１０２はろう付け部を示す。

【００３６】次に、このように構成された水分除去装置
は以下のように作用する。蒸発圧力調整弁７６が作動し
ている通常時には、蒸発圧力調整弁７６の上流側は２．
９ｋｇｆ／ｃｍ² の気液二相冷媒が流れており、それ対
し蒸発圧力調整弁７６の下流側は調整弁７６の圧力損失
により２．９ｋｇｆ／ｃｍ² 未満になっている。この圧
力差により冷媒が貫通孔８３，押え管８７の貫通孔９
１，貫通孔８４，キャピラリチューブ９５を通り蒸発圧
力調整弁７６の下流側配管９３に戻される。このとき、
連結管部８０に流入した気液二相の冷媒はその出口で断
熱膨張して０℃以下の気相あるいは気液二相の冷媒にな
る。このガス化に伴い発生した水分は、回りの冷媒が０
℃以下のため氷結する。この氷がフィルタ８６で捕集さ
れる。水分透過膜８９（特定分室透過膜）は冷凍回路停
止時に冷媒を通過させずに水分のみを通過させて冷媒回
路駆動時に捕集したフィルタ８６の水分を大気中に放出
させる。

【００３７】そして、この第３実施例においても、潤滑
油を多量に含有するガス冷媒が配管１００の小径部内を
直進するとともに、潤滑油をほとんど含有市内ガス冷媒
が小径部と配管７７の内周部との間の間隙を介して連結
管部８０に導入される。

【００３８】

【第４実施例】次に、この発明の第４実施例を図１１に
基づいて説明する。この第４実施例においては、水分分
離のための冷却装置を有するバイパス通路１２０の入口
部に、ガス冷媒のバイパス流が蛇行するように複数の障
壁１２１を設けたものである。バイパス通路１２０に導
入された冷媒ガス流は、障壁１２１に当たり、それによ
ってそのガス流から潤滑油が分離される。分離された潤
滑油は障壁１２１に付着し、所定量以上になると冷媒主
循環通路１２２内に落下する。このようにして、複数の
障壁１２１を通過した冷媒ガス流は潤滑油をほとんど除
去される。

【００３９】尚、この発明は前記各実施例に限定される
ものではなく、例えばバイパス通路にコールドトラップ
を用いたタイプの水分除去装置にこの発明を具体化した
り、除湿手段として冷却装置を用いることなく、水分吸
着剤等を用いて除湿を行うように構成した装置にこの発
明を具体化したりする等、発明の趣旨から逸脱しない範
囲内において任意に変更可能である。

【００４０】

【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
冷媒中から潤滑油を除去して潤滑油が水分除去機構に侵
入するのを防止し、除湿機能の低下を抑制することがで
きて常に良好な水分除去を行い得るという優れた効果を
発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の水分除去装置を具体化した第１実施例
の冷凍装置の概略を示す図である。

【図２】ボックス型膨張弁とエバポレータを示す斜視図
である。

【図３】ボックス型膨張弁の内部構成を示す一部破断斜
視図である。

【図４】ボックス型膨張弁の一部を破断して示す平面図
である。

【図５】ボックス型膨張弁の平断面図である。

【図６】冷媒における温度と飽和水分濃度との関係を示
す図である。

【図７】冷媒における過熱度と飽和水分濃度との関係を
示す図である。

【図８】本発明の水分除去装置を具体化した第２実施例
の冷凍装置の概略を示す図である。

【図９】包囲部材を示す平面断面図である。

【図１０】本発明の水分除去装置を具体化した第３実施
例の冷凍装置の概略を示す図である。

【図１１】本発明の第４実施例を示す図である。

【符号の説明】

１…エバポレータ、２…ボックス型膨張弁、３…可変容
量コンプレッサ、４…コンデンサ、５…レシーバ、１８
…冷媒主循環通路としての第３冷媒通路、３３…除湿手
段としての冷却シリンダ、３７…バイパス通路としての
分岐通路、４１…バイパス通路としての連結通路、４３
…除湿手段としてのフィルタ、４６…バイパス通路とし
ての接続通路、５２…潤滑油除去手段としての分離パイ
プ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エバポレータ、膨張弁、コンプレッサ、
   コンデンサ及びレシーバを含む冷凍回路の冷媒主循環通
   路の一部に冷媒バイパス通路を接続するとともに、同バ
   イパス通路に除湿手段を設け、冷媒主循環通路内を流れ
   る冷媒の一部が冷媒バイパス通路内に導入され、除湿手
   段により冷媒中の水分が分離除去されて、水分除去後の
   冷媒が冷媒主循環通路に戻るように構成した冷凍装置に
   おいて、 前記冷媒主循環通路から冷媒バイパス通路が分岐する部
   分または冷媒バイパス通路内には冷媒中の潤滑油を分離
   除去する潤滑油除去手段を設けたことを特徴とする冷凍
   装置の水分除去装置。
2. 【請求項２】 潤滑油除去手段は、冷媒主循環通路から
   冷媒バイパス通路が分岐する部分に設けられ、冷媒主循
   環通路内における冷媒流速よりも低い流速の分流を生じ
   させる請求項１に記載の冷凍装置の水分除去装置。