JP2005226972A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 気液２相冷媒の乾き度が小さくなるように冷凍サイクルを構成させることで蒸発器の性能向上が図れる冷凍装置を実現する。
【解決手段】 圧縮機１１、凝縮器１２、膨張弁１４および蒸発器１５を環状に管路で接続させてなる冷凍サイクルを備える冷凍装置において、膨張弁１４と蒸発器１５との間に、膨張弁１４で減圧された気液２相冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離手段１６が設けられ、蒸発器１５は、気液分離手段１６で分離された液相冷媒を流入するように構成されるとともに、圧縮機１１は、気液分離手段１６で分離された気相冷媒を凝縮器１２により凝縮された高圧冷媒とで熱交換させた後に吸入するように構成される。これにより、蒸発器の性能向上が図れる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷凍サイクルからなり冷媒の蒸発により空気を冷却する冷凍装置に関するものであり、特に、冷凍装置における蒸発器の性能向上に関する。

従来、蒸発器の性能を向上するための冷凍装置として、例えば、特許文献１に記載される装置が知られている。この種の冷凍装置では、冷媒を圧縮する圧縮機と、高温高圧のガス冷媒を凝縮する凝縮器と、この凝縮器で凝縮された液冷媒を減圧する減圧手段と、この減圧手段で減圧された気液２相冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離する気液分離手段と、気液分離手段で分離された液相冷媒を流入する蒸発器と、この蒸発器で蒸発した気相冷媒に気液分離手段で分離された気相冷媒とを合流させて圧縮機の吸入側に吸入させる蒸発器出口側通路とを備えている。

これにより、蒸発器には気液分離手段で分離された液相冷媒のみが流入されることで、減圧手段で減圧された気液２相冷媒を直接蒸発器に流入させる一般的な冷凍装置よりも、蒸発器に流入する気相冷媒が僅少となり、蒸発器における冷媒分配の均一化を向上することができ、蒸発器の性能向上を図っている（例えば、特許文献１を参照。）。

また、上記構成の他に、気液分離手段で分離された液相冷媒を再度減圧する補助減圧手段を設け、この補助減圧手段で再度減圧された冷媒を蒸発器に流入させるように構成された冷凍装置がある（例えば、特許文献２を参照。）。
特開２０００−２８３６０７号公報 特開平７−３３２８０６号公報

しかしながら、上記特許公報１および特許公報２によれば、気液分離手段で分離された低温の気相冷媒が蒸発器を迂回して圧縮機に吸入されるので、稀に気液分離手段で分離しきれなかった液相冷媒が吸入されることがある。また、蒸発器の冷却性能は、減圧手段で減圧された気液２相冷媒の乾き度Ｘに基づいて求めることができる。

具体的には、冷媒の状態変化を表すモリエル線図を用いることで蒸発器の冷却性能を求めることができる。図７は冷凍サイクルにおける圧力とエンタルピとの関係を示す特性図であり、圧縮機で圧縮された高温、高圧の気相冷媒がＡ点で、凝縮器で凝縮されて減圧手段の入口側における高温、高圧の液相冷媒がＢ点で、減圧手段により減圧された低温、低圧の気液２相冷媒がＣ点で、蒸発器で蒸発され、圧縮機の吸入側における低温、低圧の気相冷媒がＤ点である。

そして、Ｃ点における気液２相冷媒の乾き度はＸ１であるため、例えば、蒸発器の冷却性能は、Ｑ２＝（１−Ｘ１）・Ｇ・（Ｈ１−Ｈ４）で求めることができる。なお、この乾き度は冷房負荷が大であると大きくなり負荷が小さくなると小さくなる。つまり、乾き度Ｘを小さくすることで、蒸発器に流入する液相冷媒を多くすることにより蒸発器の性能向上を図ることができる。なお、特許文献２によれば、減圧手段により減圧された気液２相冷媒を再度減圧する補助減圧手段を設けることでも乾き度Ｘを小さくできる。これにより、蒸発器の性能向上が図れるが冷凍サイクルの構成が複雑となり部品コストが大である。

そこで、本発明の目的は、上記点を鑑みたものであり、気液２相冷媒の乾き度が小さくなるように冷凍サイクルを構成させることで蒸発器の性能向上が図れる冷凍装置を提供することにある。

上記、目的を達成するために、請求項１ないし請求項６に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、圧縮機（１１）、凝縮器（１２）、減圧手段（１４）および蒸発器（１５）を環状に管路で接続させてなる冷凍サイクルを備える冷凍装置において、
減圧手段（１４）と蒸発器（１５）との間に、減圧手段（１４）で減圧された気液２相冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離手段（１６）が設けられ、蒸発器（１５）は、気液分離手段（１６）で分離された液相冷媒を流入するように構成されるとともに、圧縮機（１１）は、気液分離手段（１６）で分離された気相冷媒を凝縮器（１２）により凝縮された高圧冷媒とで熱交換させた後に吸入するように構成されることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、凝縮器（１２）で凝縮された高温、高圧の液相冷媒が気液分離手段（１６）で分離された気相冷媒により冷却されることで、減圧手段（１４）で減圧された気液２相冷媒の乾き度Ｘが小さくなる。これにより、蒸発器（１５）に流入する液相冷媒の量が増加することで蒸発器（１５）の性能向上が図れる。さらに、圧縮機（１１）に吸入される気相冷媒の吸入温度が特許文献１および２より加熱されるため、液相冷媒が圧縮機（１１）に吸入されることがない。言い換えると気液分離手段（１６）の気液分離性能が向上する。

請求項２に記載の発明では、気液分離手段（１６）は、内部に分離された気相冷媒と凝縮器（１２）により凝縮された高圧冷媒とで熱交換する熱交換器（１７）が設けられることを特徴としている。請求項２に記載の発明によれば、熱交換器（１７）を気液分離手段（１６）と一体に構成できるため冷凍サイクルを複雑にすることもなく簡素化できるとともに、部品点数が増加することはない。

請求項３に記載の発明では、気液分離手段（１６）で分離された気相冷媒を圧縮機（１１）に導くための気相冷媒流出管路（１８ａ）と、凝縮器（１２）により凝縮された高圧冷媒を減圧手段（１４）に導くための液相冷媒流出管路（１９）とが設けられ、気相冷媒流出管路（１８ａ）および液相冷媒流出管路（１９）は、互いに管路の一部が気相冷媒と高圧冷媒とで熱交換するように構成されることを特徴としている。請求項３に記載の発明によれば、上述した請求項２と同じように、冷凍サイクルを複雑にすることもなく簡素化できるとともに、部品点数が増加することはない。

請求項４に記載の発明では、気液分離手段（１６）は、上部に気相冷媒、下部に液相冷媒が溜まるように形成された容器であることを特徴としている。請求項４に記載の発明によれば、気相冷媒と液相冷媒とは比重が異なることで分離させることが容易である。従って、特許文献２よりも簡素な構成で形成することが可能である。

請求項５に記載の発明では、気液分離手段（１６）と圧縮機（１１）との間には、少なくとも二つ以上の複数の蒸発器（１５）が設けられ、気液分離手段（１６）は、それぞれの蒸発器（１５）に分離した液相冷媒を流入するように複数の液相冷媒流入管路（１８ｂ）で接続されることを特徴としている。請求項５に記載の発明によれば、例えば、車両用空調装置に構成されるフロントエアコン、リヤーエアコンのように、二つの蒸発器から構成される冷凍装置において、一つの減圧手段（１４）により二つの蒸発器（１５）に減圧された冷媒を流入させることができる。

請求項６に記載の発明では、圧縮機（１１）は車両用エンジンによって駆動されるとともに、減圧手段（１４）がエンジンルーム内に設置され、蒸発器（１５）が車室内に設置されて車室内を空調する空調機として使用されることを特徴としている。請求項６に記載の発明によれば、冷媒通過音が発生する減圧手段（１４）が車室外に設置されることにより、減圧手段（１４）から発生する冷媒通過音による騒音が緩和されるとともに防音処置が不要とすることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態における冷凍装置を図１ないし図３に基づいて説明する。図１は本発明の冷凍装置を車両用空調装置に適用した一例であり、冷凍装置の全体構成を示す模式図である。また、図２（ａ）は気液分離手段１６の全体構成を示す模式図であり、図２（ｂ）は熱交換器１７の構成を示す部分外観図である。

本実施形態の冷凍装置は、図１に示すように、圧縮機１１、凝縮器１２、受液器１３、減圧手段である膨張弁１４、気液分離手段１６および蒸発器１５を環状に管路で接続させてなる冷凍サイクルを備えている。そのうちの圧縮機１１は、車両用エンジン（図示せず）を駆動源として、プーリーおよびＶベルトからなる動力伝達手段よりクラッチ（図示せず）を介して駆動される。そして、蒸発器１５より吸入した気相冷媒を高温高圧の気相冷媒に圧縮する。

凝縮器１２は圧縮機１１により圧縮された高温冷媒を凝縮用送風機１２ａにより大気と熱交換して凝縮する熱交換器である。そして、凝縮器１２により凝縮された高温の液相冷媒は、受液器１３（レシーバ）に流出される。この受液器１３は冷媒の気液を分離して液相冷媒を貯える容器である。そして、受液器１３（レシーバ）より流出される高温の液相冷媒は、気液分離手段１６で気液分離された低温の気相冷媒と熱交換した後に膨張弁１４に流入する。

つまり、受液器１３と膨張弁１４との間は、液相冷媒流出管路１９で接続され、その管路１９の途中に、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、熱交換器１７が形成されている。熱交換器１７はスパイラル状のチューブ１９ａと、そのチューブ１９ａの外側にフィン部１７ａが形成されたもので、この熱交換器１７が気液分離手段１６の内部に設けられている。

気液分離手段１６は膨張弁１４で減圧された気液２相冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離させる容器であり、液相冷媒と気相冷媒との比重により容器の下方に液相部１６ａ、容器の上方に気相部１６ｂが形成されるように構成している。また、気液分離手段１６の下端は、分離された液相冷媒を蒸発器１５に流出するための液相冷媒流出管路１８ｂに接続され、上方は分離された気相冷媒を蒸発器１５の下流側、つまり、圧縮機１２の吸入側に流出する気相冷媒流出管路１８ａに接続している。

これにより、受液器１３から流出される高温の液相冷媒は熱交換器１７で低温の気相冷媒と熱交換されて膨張弁１４に流入され、分離された気相冷媒は熱交換器１７で加熱されて圧縮機１２の吸入側に流出され、分離された液相冷媒は蒸発器１５に流入される。なお、膨張弁１４は熱交換器１７で熱交換された高温の液相冷媒を減圧する弁であり、温度式膨張弁で構成されており、この膨張弁１４で減圧された気液２相の冷媒は気液分離手段１６の入口部１６ｃに流入するように構成している。

蒸発器１５は気液分離手段１６で分離された液相冷媒のみを流入させて蒸発させる蒸発器であり、送風機１５ａにより車室内の空気を吸入し蒸発器１５を通過させることで冷媒の蒸発潜熱が吸熱され冷風となって車室内を空調する。なお、蒸発器１５および送風機１５ａは空調機である空調ユニット２０内に収容され、車両の室内に搭載されている。また、膨張弁１４および気液分離手段１６は車両のエンジンルーム内に搭載されている。そして、蒸発器１５により蒸発された気相冷媒は、上記気相冷媒流出管路１８ａから流出される気相冷媒と合流した後に圧縮機１１の吸入側に吸入される。

次に、以上の構成による冷凍装置の作動を図３に示すモリエル線図に基づいて説明する。まず、車両用エンジン（図示せず）が駆動しているときに、エアコンスイッチ（図示せず）を操作することで、車両用エンジン（図示せず）から電磁クラッチ（図示せず）を介して圧縮機１１に動力が伝達されて作動する。圧縮機１１で圧縮された高温、高圧の気相冷媒は、図３に示すＡ点であり過熱ガスの状態である。そして、凝縮器１２により凝縮され、熱交換器１７で熱交換されて膨張弁１４の入口側における高温、高圧の液相冷媒がＢ点で、膨張弁１４により減圧された低温、低圧の気液２相冷媒がＣ点で、気液分離手段１６で分離された液相冷媒がＥ点である。そして、この液相冷媒が蒸発器１５で蒸発され、気相冷媒流出管路１８ａから流出する気相冷媒との合流後、つまり、圧縮機の吸入側における低温、低圧の気相冷媒がＤ点である。

本実施形態の冷凍装置は、膨張弁１４に流入する液相冷媒が気液分離手段１６で分離された低温の気相冷媒と熱交換された冷媒を減圧するため、減圧された気液２相冷媒の乾き度がＸ２となり、この乾き度Ｘ２に応じた液相冷媒が気液分離手段１６で分離されて蒸発器１５に流入する。従って、本実施形態の蒸発器１５の冷却性能は、Ｑ３＝（１−Ｘ２）・Ｇ・（Ｈ１−Ｈ４）で求めることができる（なお、Ｇは冷媒循環量であり、Ｈはエンタルピである。）。

なお、本実施形態における乾き度Ｘ２は、膨張弁１４に流入する液相冷媒が気液分離手段１６で分離された低温の気相冷媒と熱交換された冷媒であるため、図７に示す従来例における乾き度Ｘ１よりも小さくなっている。つまり、蒸発器１５に流入する液相冷媒の冷媒量が（Ｘ２−Ｘ１）の割合分だけ増加することになるので蒸発器１５の冷却性能が向上することになる。さらに、蒸発器１５には、液相冷媒のみが流入されるため蒸発器１５における冷媒分配の均一化が図れる。

以上の第１実施形態の冷凍装置によれば、膨張弁１４と蒸発器１５との間に、膨張弁１４で減圧された気液２相冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離手段１６が設けられ、蒸発器１５は気液分離手段１６で分離された液相冷媒を流入するように構成されるとともに、圧縮機１１は、気液分離手段１６で分離された気相冷媒を凝縮器１２により凝縮された高圧冷媒とで熱交換させた後に吸入するように構成されることにより、凝縮器１２で凝縮された高温、高圧の液相冷媒が気液分離手段１６で分離された気相冷媒により冷却されることで、膨張弁１４で減圧された気液２相冷媒の乾き度Ｘが小さくなる。

これにより、蒸発器１５に流入する液相冷媒の冷媒量が増加するため蒸発器１５の性能向上が図れる。さらに、圧縮機１１に吸入される気相冷媒の吸入温度が特許文献１および２より加熱されるため、液相冷媒が圧縮機１１に吸入されることがない。言い換えると気液分離手段１６の気液分離性能が向上する。

また、具体的に、気液分離手段１６を内部に分離された気相冷媒と凝縮器１２により凝縮された高圧冷媒とで熱交換する熱交換器１７が設けられることにより、熱交換器１７を気液分離手段１６と一体に構成できるため冷凍サイクルを複雑にすることもなく簡素化できるとともに、部品点数が増加することはない。

さらに、気液分離手段１６は、上部に気相部１６ｂ、下部に液相部１６ａが形成されるように構成したことにより、気相冷媒と液相冷媒とは比重が異なることで分離させることが容易である。従って、特許文献２よりも簡素な構成で形成することが可能である。

また、膨張弁１４がエンジンルーム内に設置され、蒸発器１５が車室内に設置されて車室内を空調する空調機として使用されることにより、冷媒通過音が発生する膨張弁１４が車室外に設置されることにより、膨張弁１４から発生する冷媒通過音による騒音が緩和されるとともに防音処置が不要とすることができる。

（第２実施形態）
以上の第１実施形態では、気液分離手段１６により分離された気相冷媒と凝縮器１２により凝縮された高圧冷媒とで熱交換する熱交換器１７を気液分離手段１６の内部に設けたが、これに限らず、気液分離手段１６の外部に熱交換器１７を設けても良い。具体的には、熱交換器１７を図４および図５に示すように、気液分離手段１６と圧縮機１２の吸入側との間に接続される気相冷媒流出管路１８ａの中途と、受液器１３と膨張弁１４との間に接続される液相冷媒流出管路１９の中途とが熱交換されるように形成したものである。

なお、本実施形態の熱交換器１７は、図５に示すように、気相冷媒流出管路１８ａのチューブと液相冷媒流出管路１９のチューブとが熱交換されるようにそれぞれの外径の一部が接合されるように形成したものである。これによれば、第１実施形態と同じように、膨張弁１４に流入する液相冷媒を冷却できるとともに、圧縮機１１に吸入される気相冷媒を加熱することができる。また、冷凍サイクルを複雑にすることもなく簡素化できるとともに、部品点数が増加することはない。

（第３実施形態）
本実施形態は、気液分離手段１６と圧縮機１１との間に、複数の蒸発器を配設させたものであり、具体的には、図６に示すように、気液分離手段１６と圧縮機１１との間に、二つの蒸発器１５を並列に設置したものであり、液相冷媒流出管路１８ｂを２方向に流入するように構成したものである。これによれば、例えば、車両用空調装置に構成されるフロントエアコン、リヤーエアコンのように、二つの蒸発器１５から構成される冷凍装置において、一つの膨張弁１４により二つの蒸発器１５に減圧された冷媒を流入させることができる。なお、本実施形態では二つの蒸発器１５設置したが、これに限定されることはなく二つ以上の複数個でも良い。

（他の実施形態）
以上の実施形態では、本発明を車両に搭載する車両用空調装置に適用させたが、これに限らず、車両以外の空調装置、冷却装置にも適用できる。また、圧縮機１１が車両用エンジンを駆動させてプーリーおよびＶベルトからなる動力伝達手段より駆動されるように構成したが、これに限らず、車両用の電源装置から電源を入力させて電動機を作動させる電動圧縮機であっても良い。

本発明の第１実施形態における冷凍装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第１実施形態における（ａ）は気液分離手段１６の全体構成を示す模式図、（ｂ）は熱交換器１７の概略構成を示す外観図である。 本発明の第１実施形態における冷凍装置の圧力とエンタルピとの関係を示すモリエル線図である。 本発明の第２実施形態における冷凍装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第２実施形態における熱交換器１７の構成を示す外観図である。 本発明の第３実施形態における冷凍装置の全体構成を示す模式図である。 従来技術における冷凍装置の圧力とエンタルピとの関係を示すモリエル線図である。

符号の説明

１１…圧縮機
１２…凝縮器
１４…膨張弁（減圧手段）
１５…蒸発器
１６…気液分離手段
１７…熱交換器
１５…膨張弁
１８ａ…気相冷媒流出管路
１９…液相冷媒流出管路

Claims (6)

1. 圧縮機（１１）、凝縮器（１２）、減圧手段（１４）および蒸発器（１５）を環状に管路で接続させてなる冷凍サイクルを備える冷凍装置において、
   前記減圧手段（１４）と前記蒸発器（１５）との間に、前記減圧手段（１４）で減圧された気液２相冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離手段（１６）が設けられ、
   前記蒸発器（１５）は、前記気液分離手段（１６）で分離された液相冷媒を流入するように構成されるとともに、
   前記圧縮機（１１）は、前記気液分離手段（１６）で分離された気相冷媒を前記凝縮器（１２）により凝縮された高圧冷媒とで熱交換させた後に吸入するように構成されることを特徴とする冷凍装置。
2. 前記気液分離手段（１６）は、内部に分離された気相冷媒と前記凝縮器（１２）により凝縮された高圧冷媒とで熱交換する熱交換器（１７）が設けられることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記気液分離手段（１６）で分離された気相冷媒を前記圧縮機（１１）に導くための気相冷媒流出管路（１８ａ）と、前記凝縮器（１２）により凝縮された高圧冷媒を前記減圧手段（１４）に導くための液相冷媒流出管路（１９）とが設けられ、前記気相冷媒流出管路（１８ａ）および前記液相冷媒流出管路（１９）は、互いに管路の一部が気相冷媒と高圧冷媒とで熱交換するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
4. 前記気液分離手段（１６）は、上部に気相冷媒、下部に液相冷媒が溜まるように形成された容器であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の冷凍装置。
5. 前記気液分離手段（１６）と前記圧縮機（１１）との間には、少なくとも二つ以上の複数の前記蒸発器（１５）が設けられ、前記気液分離手段（１６）は、それぞれの前記蒸発器（１５）に分離した液相冷媒を流入するように複数の液相冷媒流入管路（１８ｂ）で接続されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の冷凍装置。
6. 前記圧縮機（１１）は車両用エンジンによって駆動されるとともに、前記減圧手段（１４）がエンジンルーム内に設置され、前記蒸発器（１５）が車室内に設置されて車室内を空調する空調機として使用されることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の冷凍装置。

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