JP2006084102A

JP2006084102A - 冷凍システム及び車両用空調装置

Info

Publication number: JP2006084102A
Application number: JP2004268617A
Authority: JP
Inventors: Shunji Komatsu; 俊二小松
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2024-09-15
Also published as: JP4354372B2

Abstract

【課題】現有の構成で冷房能力の低下を防ぐことができる冷凍システム及び車両用空調装置を提供する。
【解決手段】ＣＯ₂冷媒が循環経路(11,12,13,14,15)内を循環する冷凍システム(2)であって、循環経路には、冷媒の流れ方向でみて圧縮機(18)、ガスクーラ(20)、膨張弁(24)及び蒸発器(26)が順次介挿されており、ガスクーラと膨張弁との間に配設され、冷媒から圧縮機用のオイルを分離するオイルセパレータ(22) を具備し、オイルセパレータは、蒸発器でのオイル循環率を所定値以下に抑えるべく、オイルを循環経路内に間欠に循環させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍システムに関し、より詳しくは、ＣＯ₂冷媒を使用した冷凍システム及びこの冷凍システムを採用した車両用空調装置に関する。

近年、地球環境への配慮から、地球温暖化係数の小さな値を有する冷媒を用いた冷凍システムの開発が進められている。この種の冷媒の一例としては自然系のＣＯ₂（炭酸）ガスがある。
しかし、このＣＯ₂冷媒はその蒸発圧力が比較的高く、それ故、冷媒の循環経路から洩れ易くなる。また、その経路の各機器のうち圧縮機の耐久性も懸念される。このため、この圧縮機の耐久性を向上させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２２５５４９号公報

ところで、この種の圧縮機は冷媒を圧縮するが、この冷媒には、通常、冷凍機油（オイル）が含まれている。このオイルは圧縮機内の摺動面や軸受等の潤滑のみならず、摺動面のシールとしての機能を有する。しかしながら、このオイルによる循環経路内の循環は冷凍システムの冷房能力を低下させる要因となる。
より具体的には、仮に蒸発器でのオイル循環率（O.C.R.）が０．５％を上回ると、熱交換量が極端に減少するという問題がある。つまり、上記従来の技術では、冷房能力の低下の点については格別な配慮がなされていない。

この場合に、オイルセパレータと圧縮機とを直接に繋ぐための新たな通路や機器を別途追加することも考えられるが、システムのコスト面を鑑みれば、現有の構成にて蒸発器での熱交換量を保証することが望ましい。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、現有の構成で冷房能力の低下を防ぐことができる冷凍システム及び車両用空調装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、請求項１記載の冷凍システムは、ＣＯ₂冷媒が循環経路内を循環する冷凍システムであって、循環経路には、冷媒の流れ方向でみて圧縮機、ガスクーラ、膨張弁及び蒸発器が順次介挿されており、ガスクーラと膨張弁との間に配設され、冷媒から圧縮機用のオイルを分離するオイルセパレータを具備し、オイルセパレータは、蒸発器でのオイル循環率を所定値以下に抑えるべく、オイルを循環経路内に間欠に循環させることを特徴としている。

また、請求項２記載の発明では、オイルセパレータは、オイルを貯留する本体と、本体内に配設され、循環経路に接続される細孔を備えた吸い上げ管とから構成され、オイルの貯留量が細孔の配設位置以下の場合には、冷媒のみを循環経路内に循環させ、一方、オイルの貯留量が細孔の配設位置を超えた場合には、オイル及び冷媒を循環経路内に循環させることを特徴としている。

更に、請求項３記載の発明では、オイルセパレータは、アキュムレータとしての機能をも兼ね備えた装置であることを特徴としている。
更にまた、請求項４記載の車両用空調装置は、上述の冷凍システムを備えたことを特徴としている。

従って、請求項１記載の本発明の冷凍システムによれば、ＣＯ₂冷媒がオイルを含み、このオイルは圧縮機から流出し、ガスクーラにて冷却されてオイルセパレータに達する。このオイルセパレータでは冷媒からオイルが分離されるが、このオイルは間欠的に循環経路を循環する。つまり、蒸発器でのオイル循環率を所定値（例えば０．５％）以下に抑えつつ、循環経路内にオイルを循環させる。この結果、蒸発器での熱交換量が保証され、ＣＯ₂冷媒を用いた冷凍システムの冷房能力の低下が回避される。

また、オイルセパレータを、圧縮機の出口側ではなく、ガスクーラの出口側に設ければ、ガスクーラで冷却されたオイルはそのオイル粘度が高くなり、冷媒からの分離が容易になる。この結果、効率の良いオイル分離が達成される。
また、請求項２記載の発明によれば、オイルを間欠的に循環経路内に循環させることが可能となり、蒸発器でのオイル循環率が０．５％を超えることを確実に防止する。よって、熱交換量の極端な減少が確実に回避される。

更に、請求項３記載の発明によれば、上記オイルセパレータが、オイル分離装置としての機能の他、アキュムレータとしての機能をも備えている。そして、オイルセパレータを圧縮機の出口側に設けた場合に比して、冷媒はより密度の大きな状態で一時的に貯留されるので、仮に冷媒の減少があったとしても、システムバランスの崩れも生じない。よって、冷凍システムの信頼性が向上する。

更にまた、請求項４記載の車両用空調装置によれば、オイルセパレータと圧縮機とを繋ぐための新たな通路や機器を別途追加することなく、現有の圧縮機が持つエネルギーを利用する構成にて蒸発器での熱交換量が保証可能となり、冷凍システムの低廉化が図られる。また、車両用空調装置に自然系冷媒であるＣＯ₂冷媒を用いれば、環境負荷の低減に大きく貢献する。

以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図１は、車両用空調装置を構成する一実施例の冷凍システム２の概略を示し、この冷凍システム２は車室４内を所望の設定温度にて冷房する。
冷凍システム２は、自然系冷媒であるＣＯ₂冷媒（以下、単に冷媒と称す）を循環させる冷凍回路６を有し、この冷凍回路６はエンジン１０を備えたエンジンルーム８から車室４に亘って設置されている。

詳しくは、冷凍回路６は上記冷媒の循環経路１１〜１５を有し、これら循環経路１１〜１５はその大部分が車両のエンジンルーム８内に配置されているが、その一部は車両の車室４内にも延びている。循環経路１１〜１５には、上流側からコンプレッサ（圧縮機）１８、ガスクーラ２０、オイルセパレータ２２、膨張弁２４及びエバポレータ（蒸発器）２６が順次介挿されている。そして、これら圧縮機１８、ガスクーラ２０、オイルセパレータ２２及び膨張弁２４はエンジンルーム８内に配置され、蒸発器２６は車室４内に配置されている。

なお、図１中、参照符号１１，１２，１３，１４は上記循環経路の往路部分を形成し、参照符号１５は上記循環経路の復路部分を形成している。
圧縮機１８はエンジン１０の駆動力によって作動され、ガス状態の冷媒を吸い込んで圧縮し、高温高圧ガス状態にして循環流路１１に吐出する。つまり、圧縮機１８は、冷媒を圧縮しながら冷媒の流動を生成させる。

そして、ガスクーラ２０は図示しない送風ファン及び車両前方からの風を受けて、その内部を流れる冷媒を空冷する。更に、ガスクーラ２０からの高圧状態の冷媒は、膨張弁２４を通じて蒸発器２６に供給され、蒸発器２６内にて比較的低温低圧のガス状態となる。この蒸発器２６の下流側は、循環流路１５を介して圧縮機１８に接続されており、低温低圧ガス状態の冷媒は圧縮機１８に吸引される。

本実施形態のオイルセパレータ２２は、ガスクーラ２０と膨張弁２４との間、すなわち、循環経路１２と循環経路１３との間に配設されており、冷媒から圧縮機用のオイルを分離する。この冷媒から分離されたオイルはオイルセパレータ２２から循環経路１３〜１５を介して圧縮機１８に戻される。より詳しくは、このオイルセパレータ２２は、オイルを圧縮機１８側に向けて直接に返戻させるのではなく、オイルを循環経路１３〜１５内に間欠的に循環させている。つまり、オイルセパレータ２２で冷媒から分離されたオイルは、蒸発器２６でのオイル循環率（O.C.R.）を０．５％以下に抑えるために、オイルセパレータ２２内に貯留される場合とオイルセパレータ２２から送出される場合とに分けられ、この送出される場合にのみ、循環経路１３、膨張弁２４及び循環経路１４を通って蒸発器２６に至り、循環経路１５を介して圧縮機１８に戻されている。なお、蒸発器２６でのオイル循環率とは、蒸発器２６でのオイル量と、オイル量及び冷媒量の合計量との比で示される。

オイルセパレータ２２の詳細は図２に示されている。
このオイルセパレータ２２は有底円筒状の本体３０を備え、この本体３０内には吸い上げ管３２が略垂直方向にて上方に向けて延設されている。また、同図（ａ）の如く、循環経路１２は円筒部３２の上方部分にてこの円筒部３２の接線方向に接続されている。これに対し、同図（ｂ）の如く、吸い上げ管３２には所定の適宜位置に細孔３４が備えられ、更に、この吸い上げ管３２にはその最下端部分にて開口する末端部３６が設けられている。また、吸い上げ管３２の最上端部分は循環経路１３に接続されている。

そして、このオイルセパレータ２２は、ガスクーラ２０に連なる循環経路１２から流入された冷媒からオイルを分離し、これら冷媒及びオイルを分けた状態にて本体３０内に一時的に貯留する。換言すれば、本実施形態のオイルセパレータ２２はアキュムレータとしての機能をも兼ね備えている。次いで、所定のタイミングにおいて、冷媒のみ、或いはオイル及び冷媒を吸い上げ管３２から循環経路１３に送出させる。

詳しくは、まず、図３（ａ）に示されるように、オイルセパレータ２２内のオイルの貯留量が細孔３４の配設位置に満たないレベルの場合には、粘度の小さなＣＯ₂冷媒のみが細孔３４を通って循環経路１３に送出される。これに対し、同図（ｂ）に示されるように、オイルの貯留量が細孔３４の配設位置を超えるレベルの場合には、粘度の大きなオイルが細孔３４を塞ぐ。これにより、オイルセパレータ２２内のオイルが吸い上げ管３２の末端部３６から上方に向けて一気に吸い上げられ、循環経路１３に送出される。また、このときの冷媒は、オイルによる細孔３４の閉塞が解かれるまでは、細孔３４ではなく、末端部３６からオイルに続いて循環経路１３に送出される。なお、このオイルによる細孔３４の閉塞が解かれると、再び冷媒のみが細孔３４を通って循環経路１３に送出され、本体３０ではオイルの貯留が再開される。

上述した冷凍システム２によれば、圧縮機１８の作動に伴い、蒸発器２６から冷媒を圧縮する。つまり、この圧縮機１８の断熱圧縮作用により、比エンタルピ及び圧力がそれぞれ増加して図４の点Ａから点Ｂまで変化する。そして、循環経路１１を介して高温高圧ガス状態の冷媒をガスクーラ２０に供給する。
この冷媒はガスクーラ２０内で冷却される。つまり、ガスクーラ２０の冷却作用により、比エンタルピが減少して図４の点Ｂから点Ｃまで等圧変化する。そして、循環経路１２を介してオイルセパレータ２２に供給する。

循環経路１２からオイルセパレータ２２に流入した冷媒は、本体３０内にて吸い上げ管３２の外周側を旋回しながら下降する。この過程にて、冷媒中のオイルは遠心分離の原理に基づいて冷媒から分離され、円筒状の本体３０の内周面に付着する。冷媒はオイルセパレータ２２内に一時的に貯留された後、吸い上げ管３２の細孔３４を通じて循環経路１３に向けて送出される。

この後、高圧ガス状態の冷媒が循環経路１３を介して膨張弁２４に供給される。そして、膨張弁２４の絞り作用による膨張を受け、その比エンタルピを一定に維持しながら圧力が減少して図４の点Ｃから点Ｄまで変化し、循環経路１４を介して蒸発器２６内に噴出させる。
次いで、冷媒の気化熱により蒸発器２６の周囲の空気が冷却される。そして、冷気が車室４内に送り込まれ、車室４内の冷房が行われる。なお、蒸発器２６内の冷媒は、循環経路１５を介して圧縮機１８に戻り、この後、圧縮機１８により再度圧縮され、循環経路１１〜１５を上述した如く循環する。

一方、オイルセパレータ２２では、冷媒から分離されたオイルが本体３０の内周面を伝って流下して貯えられる。そして、そのオイルの貯留量が細孔３４を超えたとき、このオイルは吸い上げ管３２の末端部３６を通じて循環経路１３に向けて送出され、循環経路１３、膨張弁２４、循環経路１４及び蒸発器２６、並びに循環経路１５を介して圧縮機１８に返戻される。

以上のように、本実施形態では、ＣＯ₂冷媒を用いた車両用空調装置において、現有の構成にて蒸発器２６でのオイル循環率の改善に着目したものである。
そして、本実施形態によれば、冷媒及びオイルは圧縮機１８から流出し、ガスクーラ２０にて冷却されてオイルセパレータ２２に達する。このオイルセパレータ２０では冷媒からオイルが分離され、このオイルは間欠的に循環経路１３〜１５を循環する。

より具体的には、図５に示されるように、オイルの貯留量が細孔３４のレベルに達しないときには、冷媒のみが循環経路１３に送出され、オイルはオイルセパレータ２２内に貯留される（オイル貯留期間Ｈ）。このときの蒸発器２６でのオイル循環率は非常に小さくなる。一方、オイルの貯留量が細孔３４のレベルを超えたときには、オイル及び冷媒が循環経路１３に送出される（オイル循環期間Ｒ）。従って、上述の如くの間欠送出タイプのオイルセパレータを用いることにより、蒸発器２６でのオイル循環率は、オイル循環期間Ｒの如くの短期間においては０．５％の閾値（図中、２点鎖線で示す）をかなり超えてしまうものの、オイル循環期間Ｒよりも長期間のオイル貯留期間Ｈでは、上述の如く、非常に小さくオイル循環率に維持されることから、オイルセパレータを用いない場合（図中、点線で示す）に比して、蒸発器２６での熱交換量が保証されることが分かる。この結果、ＣＯ₂冷媒を用いた車両用空調装置の冷房能力の低下が回避される。

また、オイルセパレータ２２が、圧縮機１８の出口側（図４の点Ｂ）ではなく、ガスクーラ２０の出口側（図４の点Ｃ）に設けられていることから、ガスクーラ２０で冷却された分だけオイル粘度が高くなる。これにより、冷媒からのオイルの分離が容易になる。この結果、効率の良いオイル分離が達成される。
更に、上記オイルセパレータ２２の構成により、オイルセパレータ２２と圧縮機１８とを繋ぐための新たな通路や機器を別途追加することなく、現有の圧縮機１８が持つエネルギーを利用するだけで蒸発器２６での熱交換量が保証可能となり、システムの低廉化が図られる。

更にまた、オイルセパレータ２２が、オイル分離装置としての機能の他、アキュムレータとしての機能をも備えているので、冷媒はより密度の大きな状態で一時的に貯留される。換言すれば、万一、冷媒の減少があったとしても、システムバランスの崩れが回避可能となる。
また、車両用空調装置に自然系冷媒であるＣＯ₂冷媒を用いれば、環境負荷の低減に大きく貢献する。

以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では、略垂直方向に延設された吸い上げ管３２が示されているが、必ずしもこの形態に限定されるものではない。例えば、この吸い上げ管３２の下側部分を湾曲させ、末端部３６を水平方向に向けて開口させても良く、この場合にも上記と同様に、現有の構成で冷房能力の低下を防ぐことができる。

本発明の一実施例に係る冷凍システムの概略構成図である。図１のオイルセパレータの構成図である。図２のオイルセパレータによる動作の説明図である。図１の冷凍システムにおけるＣＯ₂冷媒の概略的なモリエール線図である。図１の蒸発器でのオイル循環率の説明図である。

符号の説明

２冷凍システム
１１，１２，１３，１４，１５循環経路
１８圧縮機
２０ガスクーラ
２２オイルセパレータ
２４膨張弁
２６蒸発器
３０本体
３２吸い上げ管
３４細孔
３６末端部

Claims

ＣＯ₂冷媒が循環経路内を循環する冷凍システムであって、
前記循環経路には、前記冷媒の流れ方向でみて圧縮機、ガスクーラ、膨張弁及び蒸発器が順次介挿されており、
前記ガスクーラと前記膨張弁との間に配設され、前記冷媒から前記圧縮機用のオイルを分離するオイルセパレータを具備し、
該オイルセパレータは、前記蒸発器でのオイル循環率を所定値以下に抑えるべく、前記オイルを前記循環経路内に間欠に循環させることを特徴とする冷凍システム。
前記オイルセパレータは、前記オイルを貯留する本体と、該本体内に配設され、前記循環経路に接続される細孔を備えた吸い上げ管とから構成され、
前記オイルの貯留量が前記細孔の配設位置以下の場合には、前記冷媒のみを前記循環経路内に循環させ、一方、前記オイルの貯留量が前記細孔の配設位置を超えた場合には、前記オイル及び前記冷媒を前記循環経路内に循環させることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
前記オイルセパレータは、アキュムレータとしての機能をも兼ね備えた装置であることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍システム。
請求項１から３のいずれか一項に記載の冷凍システムを備えたことを特徴とする車両用空調装置。