JP5758579B2 - 気液分離器 - Google Patents

Description

本発明は、カーエアコンシステムの冷凍サイクルに関し、より詳しくは、この冷凍サイクルにおいて用いられる、シリンダ型またはアキュムレータ型の気液分離器に関する。また、本発明は、このような気液分離器を含む冷凍サイクルにも関する。

自動車には、通常、車室の室温を制御するためのカーエアコンシステムが搭載されている。このようなカーエアコンシステムは、空気流を、車室内に送られる前に冷却する冷凍サイクルを有している。この冷凍サイクルは、亜臨界流体（ＨＦ０１２３４ＹＦ；特に粘度ＩＳＯ１００またはＩＳＯ２００のコンプレッサ用ＰＡＧ(ポリアルキレングリコール(PolyAlkylene Glycol))オイル(潤滑剤)が混合されたもの）が流通する複数の構成要素を備えている。粘度がＩＳＯ１００の潤滑剤とは、ＩＳＯ規格に則って測定された４０℃における動的粘度が１００mm²/s(またはcSt)の潤滑剤をいう。亜臨界流体と潤滑剤の混合物は、冷凍サイクルを循環する冷媒として用いられる。

冷凍サイクルの構成要素は、コンプレッサ、コンデンサ、(減圧)膨張弁、エバポレータ、および気液分離器（アキュムレータ型またはシリンダ）である。冷媒に含まれる潤滑剤は、主にコンプレッサ内部の部品の動きを円滑にする役割を果たす。

冷媒は、コンプレッサからコンデンサへ移動し、ついで気液分離器（例えばシリンダ型）を通過して、膨張器へ向かう。その後、エバポレータを流通し、最後に気液分離器（例えばアキュムレータ型）を経て、コンプレッサへ戻る。

コンプレッサは、ガス状態で進入した冷媒を圧縮して、高温高圧にする。コンデンサは、圧縮された冷媒の熱を、周囲の環境に放散しつつ、冷媒を比較的一定の圧力の下に冷却・液化することができる。膨張弁は、コンデンサから流入する液化した高温高圧の冷媒を減圧する。

エバポレータは、この間隙を通過する空気流から熱を奪い去って、冷媒を、比較的一定の圧力の下に、液体から気体へ状態変化させる。気化した冷媒は、ついで、コンプレッサに吸引される。

気液分離器は、冷凍サイクルの使用条件に適合するよう、冷媒の循環圧力を確保する機能を担っている。また、上記アキュムレータ型気液分離器は、エバポレータから流入する冷媒を、気相のものと液相のものに分離する役割も果たす。

アキュムレータ型気液分離器は、冷媒の貯留域となる所定の空間を区画するハウジングを備えている。このハウジング内においては、液状の冷媒は、重力によって貯留される。

コンプレッサの性能低下を防ぐため、冷媒には、オイルリターン率と呼ばれる所定割合の油分（潤滑剤）を含有させなければならない。容積固定型コンプレッサまたは往復圧縮型コンプレッサに要求されるオイルリターン率は、５％程度である。

しかし、ＨＦ０１２３４ＹＦ亜臨界流体と、粘度がＩＳＯ１００または２００の潤滑剤とからなる混合冷媒中における潤滑剤の含有割合は、冷媒の温度によって変動する。コンデンサの出口温度が４０℃という高温に達した場合には、コンプレッサに要求されるオイルリターン率を下回る程度にまで、潤滑剤の含有割合が低下する。換言すれば、コンプレッサの円滑な作動に必要な油分が供給されないため、コンプレッサの寿命が縮まり、最悪の場合、直ちに誤作動につながるおそれがある。

上記の問題を解決するため、フッ化化合物を含む冷媒（例えばＲ１３４ａ）を使用することが提案されている。しかし、Ｒ１３４ａ冷媒は、ＨＦ０１２３４ＹＦ亜臨界流体と異なり、温室効果ガスとされている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、カーエアコンの冷凍サイクルにおいて、熱効率の低下を招くことなく、混合冷媒中の潤滑剤の含有割合低下という問題を簡単な手段で解決しうる気液分離器を提供することを目的としている。

本発明は、上記課題を解決するために、空調機の冷凍サイクルを循環する冷媒の気液分離器であって、気液分離エリアを有し、かつ導入チューブおよび放出チューブが接続されている気液分離器において、気液分離エリアに冷媒の乱流を生じさせる乱流発生手段を有しており、かつ気液分離エリアと液体チャンバの境界に、液状の冷媒を透過する冷媒透過壁を備えており、乱流発生手段と冷媒透過壁との間に、冷媒の乱流層が生じるようになっていることを特徴とする気液分離器を提供するものである。本発明の一実施態様では、乱流発生手段は、冷媒の乱流層より上に位置しており、冷媒透過壁は、冷媒の乱流層より下に位置している。

この乱流発生手段は、冷媒の成分である亜臨界流体と潤滑剤を、機械的に混合させ、両者が層状に分離するのを防ぐためのものである。したがって、この手段は、冷凍サイクル内の冷媒の循環によって付勢されるミキサの役割を果たす。

本発明の気液分離器の内部は、流入チャンバと気液分離エリアに分かれ、上記乱流発生手段は、冷媒を前記流入チャンバから気液分離エリアへ導くマニホールドの形をとっているのが好ましい。このマニホールドは、冷媒をジェット流にして噴出させる細管の形状であるのが好ましい。

マニホールドは、導入チューブに直接接続され、かつ円弧状に曲がったチューブからなり、このマニホールドの自由端は、気液分離エリア内に貯留されている冷媒と対向するようになっているのが好ましい。マニホールドが、このような構成となっていれば、冷媒のジェット流を気液分離エリアに向かわせて、気液分離エリアに貯留されている冷媒の液面を打ち付けるようにすることができる。

マニホールドは、導入チューブとは別体であり、流入チャンバと気液分離エリアとを、流体漏れのないように仕切るプレートによって支持するのが好ましい。ここで、「別体」とは、マニホールドと導入チューブとが、一体形成されたものでないことを意味する。

前記マニホールドと導入チューブは、互いに同軸的に接続されており、前記導入チューブは、前記気液分離エリアから仕切板によって分け隔てられた放出チャンバを通過して延びているのが好ましい。

前記マニホールドは、前記仕切板を通過して、前記気液分離エリアまで延びているのが好ましい。また、マニホールドの口径は、４〜８mmであるのが好ましい。

前記放出チューブは、前記液体チャンバと連通しているのが好ましい。この結果、ガス状の冷媒は、放出チャンバに留まる一方、液体チャンバにおいて、液状の冷媒のうち少量は、放出チューブに入り込む。

本発明に係る気液分離器の上記冷媒透過壁は、格子状またはフィルタ状であるのが好ましい。

本発明は、前記いずれかの気液分離器を備え、かつ亜臨界流体と潤滑剤が混合された冷媒が循環するようになっている空調機の冷凍サイクルをも提供するものである。ここで、亜臨界流体は、ＨＦ０１２３４ＹＦであり、潤滑剤（油分）は、粘度がＩＳＯ１００または２００のポリアルキレングリコールであるのが好ましい。また、ＰＯＥ（ポリオールエステル）等の他の潤滑剤、または鉱油も用いることができる。より詳しくいうと、コンプレッサが電動式の場合には、ＰＯＥ潤滑剤が好ましい。

本発明により、亜臨界流体と潤滑剤の混和性を、既知のコンプレッサのリターン率を超えるレベルに維持することができる。

また、特に自動車用の冷凍サイクルの冷媒として、カーボン・フットプリントの小さな亜臨界流体を使用できる可能性が生まれる。

さらに、本発明の気液分離器は、低コストで、かつ熱効率の低下を招くこともない。

冷媒中における潤滑剤の含有割合の温度変化を示すグラフである。 カーエアコン用冷凍サイクルの一の構成を示す模式図である。 カーエアコン用冷凍サイクルの他の構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る気液分離器の模式的縦断面図である。 同気液分離器における冷媒の流れを示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る気液分離器における冷媒の流れを示す模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る気液分離器における冷媒の流れを示す模式図である。

上記以外の本発明の特徴、詳細な内容および技術的効果は、添付の図面を参照して行う以下の説明から明らかになると思う。なお、図面に表された実施形態は、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

図１は、公知の冷凍サイクルにおける技術的な課題を示す。ｘ軸は、冷媒中の潤滑剤の含有割合を０〜５０％の範囲で示し、ｙ軸は、気液分離器の入口における冷媒の温度を示す。曲線は、亜臨界流体（ＨＦ０１２３４ＹＦ）と粘度ＩＳＯ１００のＰＡＧ潤滑剤とからなる混合冷媒中の潤滑剤の含有割合が、冷媒温度の変化に伴ってどのように変化するかを表している。

３０℃においては、潤滑剤の含有割合は１０％である。この値は、容積固定型コンプレッサに通常要求されるオイルリターン率５％を上回っている。したがって、冷媒は、コンプレッサの性能低下を防ぐのに十分な量の油分を伴って循環している。しかし、冷媒の温度が高温になると（３５℃を超えると）、冷媒の循環は滞る。ここで、冷媒の温度が高温になるとは、高温の空気流がコンデンサに舞い戻るために、コンデンサの周囲の温度が上昇していることを意味する。その結果、潤滑剤の含有量は、上記のオイルリターン率５％を下回り、コンプレッサ内部の部品は円滑に作動しなくなって、性能の低下を招く。

図２は、本発明に係る気液分離器１を含む第１の様相に係る冷凍サイクルの模式図である。この冷凍サイクルは、容積固定型で、かつ内部制御式または外部制御式のコンプレッサ２を含んでいる。コンプレッサ２は、ガス状態の冷媒を圧縮して、その温度を上昇させる。また、コンプレッサ２は、導管を介して、コンデンサ３（外気流との熱交換によって冷媒を冷却する役割を担う）と連通している。コンデンサ３の出口は、導管を介して、アキュムレータ１の入口と通じている。図２に示す気液分離器は、シリンダ型であり、脱水モジュールを備えているときには、特に脱水シリンダと呼ばれている。

気液分離器１の出口は、膨張弁４と通じている。膨張弁４における弁箱の内径は、冷媒を減圧して温度を低下させうるように調整されているのが好ましい。膨張弁４は、エバポレータ５と接続されている。エバポレータ５は、冷媒が、車室内に流入する空気流から熱を奪って、これを冷却させるようになっている。冷凍サイクルは、冷媒が、エバポレータ５から、導管を介して、コンプレッサ２の入口に戻ることによって完結する。

図３は、図２に示す冷凍サイクルと構成が異なるもう１つの冷凍サイクルを示す。異なる箇所は次の通りである。アキュムレータ型の気液分離器１は、エバポレータ５の出口側で、かつコンプレッサ２の入口側に設けられている。膨張弁４は、サーモスタット式で、その開閉は、エバポレータ５に向かう冷媒の温度により自動的に制御される。

図４は、本発明の第１の実施形態に係る気液分離器１を示す。この気液分離器１は、円筒形の側壁６、円形の頂壁７および底壁８を有している。側壁６、頂壁７および底壁８によって区画された内側領域は、流入チャンバ９、気液分離エリア１０、および液体エリア１１からなっている。

流入チャンバ９は、内側領域の上部に位置し、シリンダ型の気液分離器１には、コンデンサ３から、液体状の冷媒が流入する。プレート１２は、内側領域を、流入チャンバ９と気液分離エリア１０に仕切っている。プレート１２の端面は、側壁６の内面に密接している。したがって、冷媒が、プレート１２の縁部を介して流入チャンバ９から気液分離エリア１０へ進入することによって、乱流が発生することはない。

プレート１２には、気液分離エリア１０に、冷媒の乱流を発生させるための乱流発生手段１６が設けられている。乱流は、冷媒が、マニホールド１３を介して、流入チャンバ９から気液分離エリア１０へ移動することにより発生する。ここで、「マニホールド」１３とは、プレート１２の開口、および冷媒の流路となる小パイプ１４を包含する概念である。また、これらの構成要素は、「乱流発生手段１６」を構成する。気液分離エリア１０において、プレート１２の上方には、側壁６の軸方向長さの１／１０未満の長さの空隙が存在する。この空隙は、潤滑剤と亜臨界流体を混合して乱流を発生させるのに貢献する。

図４に示すように、小パイプ１４は、内径が４〜８mmの中空の円筒である。内径がこの範囲内にあると、気液分離エリアにおける潤滑剤と亜臨界流体の混合効率がよい。小パイプ１４は、プレート１２に形成された開口から外れることのないよう、プレート１２に溶接するのが好ましい。

液体エリア１１は、気液分離器１の底部（気液分離エリア１０の下方）に位置する。すなわち、液体エリア１１は、側壁６の一部、底壁８および冷媒透過壁１５によって区画されている。冷媒は、冷媒透過壁１５を通過した後、液体エリア１１を経て、気液分離器１から流出する。気液分離エリア１０においては、乱流発生手段１６の効果により、冷媒の乱流が発生するが、冷媒は、この乱流状態で液体エリア１１へ送られることはない。

図４と図５に示す実施形態においては、冷媒透過壁１５は、格子状で、側壁６の内面に固着されている。他方、図６と図７に示す実施形態においては、冷媒透過壁１５は、フィルタ状である。

図４と図５に示す実施形態においては、プレート１２の上方、すなわち流入チャンバ９内に、フィルタ１７が設けられている。液状の冷媒は、フィルタ１７を透過する。

気液分離器１は、外部から流入チャンバ９内に冷媒を導入する手段として、導入チューブ１８を備えている。導入チューブ１８は、側壁１６を貫通して、当初は冷媒透過壁１５の上方を、これと平行に延び、途中で９０°上方へ折れ曲がっている。導入チューブ１８は、プレート１２とフィルタ１７を貫通して、流入チャンバ９内のフィルタ１７よりも上方の空間に至る。このため、冷媒は、フィルタ１７を上方から下方に向かって透過し、乱流発生手段１６を経由して、気液分離エリア１０に至る。

気液分離器１は、冷媒放出手段としての放出チューブ１９を備えている。放出チューブ１９は、液体チャンバ１１から、側壁６を貫通して、気液分離器１の外部へ延出し、冷凍サイクルと通じている。

図５は、気液分離器１内における冷媒の流れを示す。冷媒は、導入チューブ１８を介して、気液分離器１内に至り、液体状態で流入チャンバ９に注入される。冷媒（亜臨界流体と潤滑剤の混合物）は、フィルタ１７を透過し、一旦プレート１２の上方に滞留する。ついで、冷媒は、乱流発生手段１６を通過して、気液分離エリア１０に至る。この結果、気液分離エリア１０は、液状の冷媒（符号２０で示す）で充たされる。乱流発生手段１６を設けないと、亜臨界流体と潤滑剤は、２つの層を形成して分離する（潤滑剤層は、亜臨界流体層の上に形成される）。

乱流発生手段１６、なかでも小パイプ１４は、矢印２１で示すジェット流を形成するよう、冷媒の流速と圧力を増大させる。この結果、気液分離エリア１０内で、矢印２２で示すような亜臨界流体と潤滑剤の循環が生じ、泡２３が発生して、冷媒は連続的な攪拌状態となるため、亜臨界流体と潤滑剤が層状に分離するのは回避され、両者の混合は進展する。

冷媒透過壁１５は、攪拌状態の冷媒の下降を食い止め、泡２３が液体チャンバ１１に進入するのを阻止して、液状の冷媒だけが放出チューブ１９を経て膨張弁４へ送られるようにする。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る気液分離器１を示す。これもシリンダ式であるが、図４および図５に示したものよりも、構造が簡単である。実際、図６に示す気液分離器１には、プレート１２、ならびに気液分離エリア１０および液体チャンバ１１を仕切る格子は存在しない。冷媒透過壁の役割を果たすのは、フィルタ１７である。この実施形態においては、気液分離エリア１０と液体チャンバ１１の境界にフィルタ１７を設置することにより、構成を容易にしつつ、乱流と泡が液体チャンバ１１に進入するのを防いでいる。

導入チューブ１８の終端部分は、乱流発生手段１６となっている。すなわち、導入チューブの端部２４には、半円状または円弧状に曲がったマニホールド１３が連通している。マニホールド１３は、冷媒の流れを気液分離エリア１０に向け、冷媒の攪拌と乱流発生機能を担う。すなわち、マニホールド１３の自由端２５は、気液分離エリア１０と対向しており、冷媒は、気液分離エリアに貯留されている冷媒の液面を打ち付けるように落下して、亜臨界流体と潤滑剤の分離を阻止しうるようになっている。

ついで、冷媒は、フィルタ１７を透過して、液体チャンバ１１に至り、最終的に放出チューブ１９を介して、気液分離器１から流出する。

図７は、カーエアコンの冷凍サイクルにおいて、エバポレータの出口とコンプレッサの入口との間に設置されるアキュムレータ型気液分離器１を示す。気液分離器１の内部は、上から、放出チャンバ２６、気液分離エリア１０、および液体チャンバ１１の順に仕切られている。

放出チャンバ２６と気液分離器１０は、導入チューブ１８が差し込まれた仕切板２７によって仕切られている。導入チューブ１８は、気液分離器１の頂壁７を貫通して放出チャンバ２６内に引き入れられ、さらに、仕切板２７に溶接または鑞接されている。

導入チューブ１８の端部には、同軸的にマニホールド１３が連通している。マニホールド１３は、冷媒のジェット流（気液混合状態または気相状態）を形成して、この下方に貯留されている液相の冷媒に打ち付け、乱流を生じさせる。その結果、亜臨界流体と潤滑剤は十分に混合される。ただし、亜臨界流体と潤滑剤の混合は、フィルタ１７を透過して液体チャンバ１１に進入する過程で終了し、冷媒は安定な状態となる。

放出チューブ１９はＵ字形に曲がっており、放出チャンバ２６に位置する始点からは、ガス状の冷媒が進入する。放出チューブ１９は、仕切板２７、気液分離エリア１０およびフィルタ１７を貫通して、液体チャンバ１１にまで延びている。放出チューブ１９の液体チャンバ１１に位置する部分には、開口２８が形成されており、この開口２８を通じて、十分に混合された冷媒が、放出チューブ１９内に進入する。放出チューブ１９は、液体チャンバ１１内で１８０°湾曲し、今度は順に、フィルタ１７、気液分離エリア１０、仕切板２７、放出チャンバ２６、頂壁７を経て、冷凍サイクルに合流する。

図７は、気液分離エリア１０における泡の発生と冷媒の循環の様子、および液体チャンバ１１においては、このような泡の発生と冷媒の循環が見られないことも示している。

本発明の技術的範囲は、上記のような気液分離器を備え、かつＨＦ０１２３４ＹＦのような化合物と粘度が、ＩＳＯ１００または２００のＰＡＧ循環剤からなる冷媒が循環するエアコンの冷凍サイクルにも及ぶ。

１ 気液分離器
２ コンプレッサ
３ コンデンサ
４ 膨張弁
５ エバポレータ
６ 側壁
７ 頂壁
８ 底壁
９ 流入チャンバ
10 気液分離エリア
11 液体エリア
12 プレート
13 マニホールド
14 小パイプ
15 冷媒透過壁
16 乱流発生手段
17 フィルタ
18 導入チューブ
19 放出チューブ
23 泡
27 仕切板

Claims (13)

1. 少なくとも１つの導入チューブ（１８）、１つの放出チューブ（１９）、および冷媒の気液分離エリア（１０）を有する空調機の冷凍サイクルを循環する冷媒の気液分離器（１）であって、前記気液分離エリア（１０）に前記冷媒の乱流を生じさせる乱流発生手段（１６）を有しており、かつ前記気液分離エリア（１０）と液体チャンバ（１１）の境界に、液状の冷媒が透過しうる冷媒透過壁（１５）（１７）を備えており、前記乱流発生手段（１６）と前記冷媒透過壁（１５）（１７）との間に、前記冷媒の乱流層が生じるようになっていることを特徴とする気液分離器。
2. 前記乱流発生手段（１６）は、前記冷媒の乱流層より上に位置しており、前記冷媒透過壁（１５）（１７）は、前記冷媒の乱流層の下に位置していることを特徴とする請求項１に記載の気液分離器。
3. 前記乱流発生手段（１６）は、前記冷媒を流入チャンバ（９）から前記気液分離エリア（１０）へ導くマニホールド（１３）の形をとっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の気液分離器。
4. 前記マニホールド（１３）は、前記導入チューブ（１８）に直接接続され、かつ円弧状に曲がったチューブからなり、前記マニホールド（１３）の自由端（２５）は、前記気液分離エリア（１０）に対向していることを特徴とする請求項３に記載の気液分離器。
5. 前記マニホールド（１３）は、前記導入チューブ（１８）とは別体であり、かつ前記気液分離器（１）の内部体積を前記流入チャンバ（９）と前記気液分離エリア（１０）とに密閉して仕切るプレート（１２）によって支持されていることを特徴とする請求項３に記載の気液分離器。
6. 前記マニホールド（１３）と前記導入チューブ（１８）は、同軸であり、前記導入チューブ（１８）は、前記気液分離エリア（１０）から仕切板（２７）によって分けられた放出チャンバ（２６）を通過して延びていることを特徴とする請求項３に記載の気液分離器。
7. 前記マニホールド（１３）（１４）は、前記仕切板（２７）を通過して、前記気液分離エリア（１０）まで延びていることを特徴とする請求項６に記載の気液分離器。
8. 前記放出チューブ（１９）は、前記液体チャンバ（１１）と連通していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の気液分離器。
9. 前記冷媒透過壁（１５）は、格子状であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の気液分離器。
10. 前記冷媒透過壁（１５）は、フィルタ（１７）状であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の気液分離器。
11. 前記マニホールド（１３）（１４）の口径は、４〜８ｍｍであることを特徴とする請求項３〜１０のいずれか１項に記載の気液分離器。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の気液分離器を備え、亜臨界流体と潤滑剤が混合された冷媒が循環するようになっている空調機の冷凍サイクル。
13. 前記亜臨界流体は、ＨＦ０１２３４ＹＦであり、前記潤滑剤は、粘度がＩＳＯ１００または２００のポリアルキレングリコールであることを特徴とする請求項１２に記載の冷凍サイクル。

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