JP2006242403A

JP2006242403A - 冷媒サイクル装置

Info

Publication number: JP2006242403A
Application number: JP2005054658A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Kurosawa; 美暁黒澤
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2006-09-14

Abstract

【課題】利用側熱交換器の容量を確保すると共に、被空調空間を円滑に除湿暖房することができる冷媒サイクル装置を提供する。
【解決手段】室内ガスクーラ２及びエバポレータ９（第１及び第２の利用側熱交換器）を出た冷媒と室外熱交換器５（熱源側熱交換器）を出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器３を備えると共に、コンプレッサ１から吐出された冷媒を室内ガスクーラ２に流して放熱させ、放熱した冷媒を減圧した後、室外熱交換器５に流して吸熱させ、コンプレッサ１に戻す暖房モードと、コンプレッサ１から吐出された冷媒を室外熱交換器５に流して放熱させ、放熱した冷媒を減圧した後、エバポレータ９に流して吸熱させ、コンプレッサ１に戻す冷房モードとを実行可能であり、この冷房モードにおける内部熱交換器３での冷媒の熱交換量を、暖房モードにおける熱交換量よりも大きくした。
【選択図】図３

Description

本発明は、被空調空間と熱交換可能に配置された利用側熱交換器にて冷媒を放熱若しくは吸熱させて、被空調空間の空調を行う冷媒サイクル装置に関するものである。

従来、この種冷媒サイクル装置、例えば、自動車の車室内の空調及び除湿を行うカーエアコンは、図１１に示すようにコンプレッサ２０４と、被空調空間である車室内と熱交換可能に設置された利用側熱交換器２０１と、室外に設置された熱源側熱交換器２０３と、流量調整弁２１１、２１２、２１３等から冷媒回路が構成される。

前記利用側熱交換器２０１は、図１２に示すように一方に車室内の足下Ｆｏ、正面Ｆａ、フロントガラス等のガラス面Ｄｅの３方向に指向する吹出口２００Ａが形成され（図１１では図示せず）、車室内と熱交換可能に設けられた収納室２００内に設置される。この収納室２００の利用側熱交換器２０１を挟んで吹出口２００Ａと反対側には車室内の空気を利用側熱交換器２０１に送風し、当該利用側熱交換器２０１にて冷媒と熱交換した空気を吹出口２００Ａから車室内に送風するための送風機２１０が設置されている。

当該利用側熱交換器２０１は、コンプレッサ２０４で圧縮された冷媒を放熱させるための室内ガスクーラ２０２と、流量調整弁２１２にて減圧された冷媒を吸熱させるためのエバポレータ２０９とから構成され、室内ガスクーラ２０２が収納室２００内の吹出口２００Ａ側、エバポレータ２０９が送風機２１０側に配置される。また、収納室２００の室内ガスクーラ２０２の背面（エバポレータ２０９側）には可動式の仕切部材２０５が設置され、当該仕切部材２０５は、収納室２００内上下方向の略中心に設けられた軸２１１を中心として、半転可能とされている。

そして、図１２で示すように仕切部材２０５が室内ガスクーラ２０２の背面に位置する場合、当該仕切部材２０５にて、室内ガスクーラ２０２に送風機２１０からの送風が遮断されるため、室内ガスクーラ２０２にて冷媒は殆ど放熱しない。また、図１２に破線で示すように仕切部材２０５が室内ガスクーラ２０２の上側に位置する場合、仕切部材２０５にて室内ガスクーラ２０２への送風が遮断されないので、室内ガスクーラ２０２にて冷媒と送風機２１０から送風される空気とが熱交換する。そして、冷媒の放熱により加熱された空気が吹出口２００Ａから車室内に送風される。

ここで、図１１及び図１２に示す従来のカーエアコンの動作を説明する。先ず、車室内を暖房する暖房モードについて説明する。この場合、仕切部材２０５を図１１に破線で示すように室内ガスクーラ２０２の上側に位置させると共に、流量調整弁２１１にて減圧が行われるように、当該流量調整弁２１１を絞る。更に、流量調整弁２１２を全閉すると共に、流量調整弁２１３を全開として、エバポレータ２０９への冷媒流通を阻止する。

先ず、コンプレッサ２０４にて圧縮された冷媒が室内ガスクーラ２０２に流入し、周囲の空気と熱交換して放熱する。このとき、室内ガスクーラ２０２にて冷媒と熱交換して加熱された空気は送風機２１０により吹出口２００Ａを介して車室内に送風される。これにより、車室内が暖房される。

一方、室内ガスクーラ２０２にて放熱した冷媒は、流量調整弁２１１で減圧された後、熱源側熱交換器２０３に入り、そこで吸熱して、蒸発した後、流量調整弁２１３を経てコンプレッサ２０４に吸い込まれるサイクルを繰り返す。

次に、室内を冷房する冷房モードについて説明する。この場合、仕切部材２０５を図１２に示すように室内ガスクーラ２０２の背面側に位置させる。また、流量調整弁２１１を全開とし、流量調整弁２１２を減圧可能に絞ると共に、流量調整弁２１３を全閉とする。そして、コンプレッサ２０４にて圧縮された冷媒は室内ガスクーラ２０２に流入する。ここで、当該冷房モードでは、仕切部材２０５が室内ガスクーラ２０２の背面に位置して、送風機２１０からの送風が遮断されるため、室内ガスクーラ２０２にて冷媒は殆ど放熱すること無く、熱源側熱交換器２０３に流入する。

熱源側熱交換器２０３に入った冷媒は周囲の空気と熱交換して放熱した後、流量調整弁２１２で減圧され、エバポレータ２０９にて吸熱して、蒸発する。このとき、冷媒と熱交換して冷却された空気は送風機２１０により吹出口２００Ａを介して車室内に送風される。これにより、車室内が冷却される。他方、エバポレータ２０９にて吸熱して、蒸発した冷媒はコンプレッサ２０４に吸い込まれるサイクルを繰り返す（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１９４４３号公報

ここで、近年では地球環境問題に対処するため、この種のカーエアコン等の冷媒サイクルにおいても、従来のフロンを用いずに自然冷媒であるＣＯ₂（二酸化炭素）を冷媒として用い、高圧側を超臨界圧力として運転することが試みられている。二酸化炭素冷媒を用いて高圧側を超臨界圧力とした場合、室内暖房能力は室内ガスクーラ出口温度に影響される。暖房時は室内温度が低いときは、この出口温度も低下し能力向上が期待できるが、冷房時は熱源側熱交換器であるガスクーラは室外の高温外気と熱交換しなければならない。このため、出口温度を下げることができず、冷房能力を出すことが困難であった。

上記問題を解決するため、冷媒回路上に、放熱して、減圧される前の高圧側冷媒と吸熱して、コンプレッサに吸い込まれる前の低圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を設ける試みがなされている。係る内部熱交換器により、冷房モードにおいて、室内ガスクーラにて放熱した冷媒を低圧側の冷媒と熱交換させて、更に放熱させることができるようになり、熱源側熱交換器であるガスクーラの温度を下げることが可能となり、所望の冷房能力を得ることができるようになった。

しかしながら、従来の内部熱交換器では、暖房モードと冷房モードの両モードとも冷媒は同じ経路を通過するため、内部熱交換器における冷媒の熱交換量を冷房モードに最適なものとした場合には、暖房モードでは、内部熱交換器における熱交換で、低圧側の冷媒がより高温となって、コンプレッサにて圧縮された冷媒の吐出温度が異常上昇する問題が生じていた。これにより、コンプレッサ内のオイルが劣化したり、コンプレッサや周辺機器に悪影響を及ぼす不都合が生じていた。また、冷媒回路の高圧側に配置される機器の材料も係る高温に対応したものを選択しなければならず、材料の選択にも支障をきたす恐れがあった。

本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、暖房モード及び冷房モードにおける内部熱交換器の熱交換量を最適とすることができる冷媒サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明の冷媒サイクル装置は、被空調空間と熱交換可能に配置された利用側熱交換器と、被空調空間外に配置された熱源側熱交換器と、冷媒を圧縮して吐出するコンプレッサとを備え、冷媒として二酸化炭素を用いると共に、高圧側が超臨界圧力と成り得るものであって、利用側熱交換器を出た冷媒と熱源側熱交換器を出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備えると共に、コンプレッサから吐出された冷媒を利用側熱交換器に流して放熱させ、この利用側熱交換器にて放熱した冷媒を減圧した後、熱源側熱交換器に流して吸熱させ、コンプレッサに戻す暖房モードと、コンプレッサから吐出された冷媒を熱源側熱交換器に流して放熱させ、この熱源側熱交換器にて放熱した冷媒を減圧した後、利用側熱交換器に流して吸熱させ、コンプレッサに戻す冷房モードとを実行可能であり、この冷房モードにおける内部熱交換器での冷媒の熱交換量を、暖房モードにおける熱交換量よりも大きくしたものである。

請求項２の発明は、上記発明において内部熱交換器は、相互に熱交換可能とされ、且つ、それぞれの間の熱交換能力が異なる少なくとも３つの冷媒流路を一体に備え、利用側熱交換器を出た冷媒と熱源側熱交換器を出た冷媒のうちの少なくとも一方を、暖房モードと冷房モードにおいて異なる冷媒流路に流すことにより、それらの間の熱交換量を変更するものである。

本発明の冷媒サイクル装置によれば、冷媒として二酸化炭素を用いて、高圧側を超臨界圧力とすることで、暖房モードでは、利用側熱交換器において、二酸化炭素冷媒は凝縮することなく、超臨界状態を維持したまま放熱するため、周囲の空気をより高温に加熱することができるようになる。

また、利用側熱交換器を出た冷媒と熱源側熱交換器を出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備えることで、冷房モードでは、熱源側熱交換器出口温度を下げることができるようになる。

特に、冷房モードにおける前記内部熱交換器での冷媒の熱交換量を、前記暖房モードにおける熱交換量よりも大きくすることで、冷房モードにおいて冷媒をより効果的に過冷却して、利用側熱交換器における冷房能力を向上させながら、暖房モードにおけるコンプレッサの吐出冷媒温度の上昇を抑えることができるようになる。

更に、請求項２の如く、内部熱交換器は、相互に熱交換可能とされ、且つ、それぞれの間の熱交換能力が異なる少なくとも３つの冷媒流路を一体に備え、利用側熱交換器を出た冷媒と熱源側熱交換器を出た冷媒のうちの少なくとも一方を、暖房モードと冷房モードにおいて異なる冷媒流路に流すことにより、それらの間の熱交換量を変更することで、内部熱交換器の設置スペースを最小限に抑えることが可能となる。これにより、冷媒サイクル装置のコンパクト化を図ることができるようになる。

次に、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明の冷媒サイクル装置の一実施例として、当該冷媒サイクル装置を車室内を空調するカーエアコンに適応した場合の冷媒回路図である。実施例のカーエアコンは少なくともエンジン駆動自動車又はハイブリッド自動車等に適用可能である。

図１において、２０は本実施例の自動車の冷媒サイクル装置で、この冷媒サイクル装置２０は、第１の利用側熱交換器としての室内ガスクーラ２及び第２の利用側熱交換器としてのエバポレータ９と、熱源側熱交換器としての室外熱交換器５、冷媒を圧縮して吐出するコンプレッサ１等を備えている。即ち、当該冷媒サイクル装置２０は、コンプレッサ１、室内ガスクーラ２、減圧手段としての第１の膨張弁４及び第２の膨張弁８、エバポレータ９及及び室外熱交換器５等を配管接続することにより冷媒回路が構成されている。上記室内ガスクーラ２及びエバポレータ９は、被空調空間としての車室内と熱交換可能に配置され、室外熱交換器５は、人が乗車しない車室外（被空調空間外）に配置されている。

本実施例のコンプレッサ１は、密閉容器内に第１及び第２の回転圧縮要素を備えた多段圧縮式ロータリコンプレッサで、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ₂）を使用している。従って、当該冷媒サイクル装置２０の冷媒回路の高圧側は超臨界圧力と成り得る。

そして、コンプレッサ１の吐出側の配管２２は、三方弁４０に接続される。この三方弁４０から出た一方の配管２３は、室内ガスクーラ２に接続される。この室内ガスクーラ２は、コンプレッサ１から出た高温高圧の冷媒ガスと車室内の空気とを熱交換して車室内の暖房を行うためのものである。室内ガスクーラ２の出口には配管２４の一端が接続され、当該配管２４は途中で分岐し、分岐した一方の配管２６は第２の膨張弁８に至る。

一方、配管２４から分岐した他方の配管２５は後述する内部熱交換器３の冷媒配管７０の一端７０Ａに接続される。そして、冷媒配管７０の他端７０Ｂには配管２７が接続される。配管２７は第１の膨張弁４に接続され、第１の膨張弁４を出た配管２８は配管２９の途中部に接続される。

配管２９の一端は室外熱交換器５の一端に接続され、他端は内部熱交換器３の冷媒配管７１の内側に形成された冷媒流路７２の他端７２Ｂに接続される。室外熱交換器５の他端には配管３０の一端が接続され、この配管３０は、電磁弁４２を通過して他端はレシーバタンク５０に接続される。レシーバタンク５０を出た配管３１は内部熱交換器３の冷媒配管７１の前記冷媒流路７２の外周に形成された冷媒流路７３の一端７３Ａに接続される。また、冷媒流路７３の他端７３Ｂから出た配管３２はコンプレッサ１の入口に接続される。

一方、三方弁４０から出た他方の配管３３は、前記配管３０の途中部に接続される。また、前記内部熱交換器３の冷媒流路７２の一端７２Ａから出た配管は逆止弁４１を通過した後、前記配管２５の途中部に接続される。尚、逆止弁４１は、冷媒を内部熱交換器３側から配管２５側へ流通させ、配管２５側から内部熱交換器３側に冷媒が流通するのを阻止する。

他方、前記配管２４から分岐した一方の配管２６は、第２の膨張弁８を経てエバポレータ９に接続される。エバポレータ９から出た配管３４は、後述する定圧弁１０を経て前記配管３０の途中部に接続される。

また、室内ガスクーラ２とエバポレータ９とは図２に示すように一方に車室内の足下Ｆｏ、正面Ｆａ、フロントガラス等のガラス面Ｄｅの三方向に指向する吹出口１２０Ａが形成され、車室内と熱交換可能な収納室１２０に並設される。そして、室内ガスクーラ２が収納室１２０内の吹出口１２０Ａ側に、エバポレータ９が吹出口１２０Ａとは反対側には配置される。また、収納室１２０の室内ガスクーラ２及びエバポレータ９を挟んで吹出口１２０Ａとは反対側には送風機６０が設置され、当該送風機６０は、車室内の空気を吸い込んで、これら室内ガスクーラ２とエバポレータ９に送風し、当該室内ガスクーラ２及びエバポレータ９と熱交換した空気を車室内に循環させて車室内の空調を行う。

また、前記室外熱交換器５の近傍には図示しない室外送風機が設けられている。当該室外熱交換器５は、後述する暖房モード及び除湿暖房モードでは、室外熱交換器５にて冷媒を吸熱させて、外部から汲み上げると共に、冷房モードではエバポレータ９で吸熱した車室内の熱を室外熱交換器５に搬送して外部に放出するためのものである。

前述した定圧弁１０は、エバポレータ９における冷媒の蒸発温度を所定値以上、例えば、０℃以上に維持するためのものであり、本実施例の定圧弁１０は、当該定圧弁１０を通過させることで冷媒の圧力が３．５ＭＰａとなる。これにより、本実施例のカーエアコンではエバポレータ９での冷媒の蒸発温度を０℃以上に維持することができ、エバポレータ９の凍結を防止することができるようになる。更に、エバポレータ９での冷媒の蒸発温度を０℃以上に維持することで、除湿暖房モードにおいて、室内ガスクーラ２による暖房に必要以上の悪影響を及ぼすことなく円滑な除湿暖房を実現することが可能となる。

尚、前記第１及び第２の膨張弁４、８は全閉及び絞り調整可能な電磁弁であり、後述するコントローラ８０にて開度が制御されている。また、図中９０は、コンプレッサ１の出口の冷媒温度を検出するための温度センサ、９１はエバポレータ９における冷媒の蒸発温度を検出するための温度センサ、９２は室外熱交換器５における冷媒温度を検出するための温度センサ、９３は配管２５を通過する冷媒温度を検出するための温度センサである。これらは、コントローラ８０に接続されている。

前述したコントローラ８０は、カーエアコンの制御を司る制御装置であり、前記定圧弁１０、三方弁４０、電磁弁４２、第１及び第２の膨張弁４、８、送風機６０、室外熱交換器５近傍に設けられた図示しない室外送風機及びコンプレッサ１の運転を制御している。コントローラ８０の入力側には、上述する温度センサ９０、９１、９２及び９３、車室内の温度を検出するための図示しない車室内温度センサ、車室内の湿度を検出する車室内湿度センサ等が接続される。また、出力側には、上記定圧弁１０、三方弁４０、電磁弁４２、第１及び第２の膨張弁４、８、送風機６０、室外送風機及びコンプレッサ１が接続される。

そして、コントローラ８０は、温度センサ９０、９１、９２、９３及び車室内温度センサが検出する車室内温度と設定温度に基づいてコンプレッサ１の周波数を制御し、車室内の温度制御を行うと共に、圧力センサ９３ａが検出する高圧圧力と温度センサ９３に基づいて、第２の膨張弁８の開度を制御している。

即ち、暖房モードでは、コントローラ８０は、温度センサ９３により設定された運転圧力で運転を行うため、膨張弁４を制御して、所定の圧力を実現する。この状態で、車室内温度センサにて検出される車室内温度が設定温度より下がると、コンプレッサ１の周波数を上昇する。また、設定温度より車室内温度が上がると、コントローラ８０は、コンプレッサ１の周波数を下げる。

一方、冷房モードにおいて、温度センサ９１にて検出されるエバポレータ９にて冷媒が蒸発する温度が所定温度となるようにコンプレッサ１の周波数を制御すると共に、車室内温度センサにて検出される車室内温度が設定温度より上がると、コントローラ８０は、コンプレッサ１の周波数を上昇し、設定温度より下がると、コンプレッサ１の周波数を下げる。

また、除湿暖房モードでは、各温度センサ９０、９１、９２、９３にて検出される冷媒温度によるコンプレッサ１の周波数制御に加えて、車室内湿度センサが検出する車室内の湿度が設定湿度より上昇すると、コントローラ８０は、第２の膨張弁８の開度を増大させる。これにより、エバポレータ９に冷媒が多く流れるため、車室内の空気から水分をより凝結させて、取り除くことができる。また、設定湿度より車室内湿度が低下すると、コントローラ８０は第２の膨張弁８は開度を縮小して、エバポレータ９に流れる冷媒量を減少させる。

ここで、前述した内部熱交換器３は、室内と熱交換可能に設置された利用側熱交換器としての室内ガスクーラ２又はエバポレータ９を出た冷媒と室外に設置された熱源側熱交換器としての室外熱交換器５を出た冷媒とを熱交換させるためのものであり、後述する冷房モードにおける当該内部熱交換器３での冷媒の熱交換量を、暖房モードにおける熱交換量より大きくしている。即ち、内部熱交換器３は相互に熱交換可能とされ、且つ、それぞれの間の熱交換能力が異なる少なくとも３つの冷媒流路を一体に備えて、利用側熱交換器（室内ガスクーラ２又はエバポレータ９）を出た冷媒と熱源側熱交換器（室外熱交換器５）を出た冷媒のうちの少なくとも一方を暖房モードと冷房モードにおいて異なる冷媒流路に流すことにより、それらの間の熱交換量を変更する構造とされている。

本実施例の内部熱交換器３は、図３に示すように冷媒流路７２とその外周に形成された冷媒流路７３とから成る二重管構造の冷媒配管７１と、当該冷媒配管７１に当接して（線接触して）設けられ、内部に冷媒流路が形成された冷媒配管７０とから構成されている。

そして、冷媒配管７０の一端７０Ａには前記配管２５が接続され、他端７０Ｂには配管２７が接続される。また、冷媒配管７１の内側の冷媒流路７２の一端７２Ａは、前記逆止弁４１に至る配管に接続され、他端７２Ｂは配管２９の他端が接続される。更に、冷媒配管７１の冷媒流路７２の外周に形成された冷媒流路７３の一端７３Ａには前記配管３０が接続され、他端７３Ｂはコンプレッサ１に至る配管３２が接続される。

以上の構成で次にカーエアコンの動作を説明する。尚、最初に自動車の車室内の暖房を行う暖房モードの例を図４、図７を参照して説明する。図４は暖房モードにおける冷媒の流れを示す図、図７はこの場合のモリエル線図をそれぞれ示している。図４の実線は冷媒の流れる配管を示し、破線は冷媒の流れない配管を示す。また、矢印は冷媒の流れを示す。暖房モードにおいて、コントローラ８０は冷媒回路に設けられた前記電磁弁４２を開き、第２の膨張弁８を全閉すると共に、第１の膨張弁４を絞って、第１の膨張弁４を通過する冷媒が所定の圧力に減圧されるように制御する。また、前記三方弁４０を切り換えて冷媒が配管２２から配管２３に流れるように制御する。

コンプレッサ１が駆動されると、コンプレッサ１にて圧縮された冷媒が配管２２に吐出される。このとき、冷媒は適切な超臨界圧力まで圧縮される（図７の実線のＢの状態）。配管２２に吐出された冷媒は、前記三方弁４０を経て配管２３から室内ガスクーラ２に流入する。そこで、冷媒は周囲の空気と熱交換して放熱する（図７実線のＣの状態）。そして、冷媒から熱をもらって加熱された空気は、前記送風機６０により吹出口１２０Ａ側に送風され、車室内に吐出されて、車室内の暖房が行われる。また、当該室内ガスクーラ２において、二酸化炭素冷媒は凝縮することなく、超臨界状態を維持したまま放熱するため、熱交換能力が非常に高く、周囲の空気をより高温に加熱することができる。

一方、室内ガスクーラ２にて放熱した冷媒は、室内ガスクーラ２から出て配管２４に入る。ここで、前述の如く第２の膨張弁８は完全に閉じられているため、配管２４を流れる冷媒は配管２６からエバポレータ９に流れることなく、全て配管２５に流れ、一端７０Ａから冷媒配管７０に入り、内部熱交換器３内を通過する。内部熱交換器３において、前記室内ガスクーラ２にて放熱し、減圧される前の当該高圧側の冷媒は、この冷媒配管７０と交熱的に設けられた冷媒配管７２の冷媒流路７３を流れる室外熱交換器５を出た低圧側の冷媒と熱交換して、更に放熱する（図７実線のＤの状態）。

内部熱交換器３にて放熱し、冷媒配管７０の他端７０Ｂから出た冷媒は、第１の膨張弁４に至る。冷媒は第１の膨張弁４における圧力低下で、気体／液体の二相混合体とされ（図７実線のＥの状態）、この状態で室外熱交換器５に流入する。そこで冷媒は周囲の空気から吸熱して蒸発する（図７実線のＦの状態）。その後、冷媒は配管３０に入り、電磁弁４２を介してレシーバタンク５０に至る。そこで、冷媒は気液が分離され、ガス冷媒のみが配管３１を経て、一端７３Ａから冷媒配管７２の冷媒流路７３に入り、内部熱交換器３を通過する。内部熱交換器３において、当該冷媒ガスは上述した室内ガスクーラ２にて放熱し、減圧される前の冷媒と熱交換して加熱される（図７実線のＡの状態）。これにより、当該内部熱交換器３にてコンプレッサ１に吸い込まれる冷媒の過熱度をとることができ、コンプレッサ１に液冷媒が吸い込まれる液バックの発生を確実に回避することができる。そして、内部熱交換器３から出た冷媒は配管３２を介してコンプレッサ１内に吸い込まれるサイクルを繰り返す。

次に、車室内の冷房を行う冷房モードの例を図５、図８を参照して説明する。図５は冷房モードにおける冷媒の流れを示す図、図８はこの場合のモリエル線図をそれぞれ示している。図５の実線は冷媒の流れる配管を示し、破線は冷媒の流れない配管を示す。また、矢印は冷媒の流れを示す。冷房モードにおいて、コントローラ８０は冷媒回路に設けられた前記電磁弁４２を閉じると共に、前記三方弁４０を切り換えて配管２２からの冷媒が配管３３に流れるように制御する。また、第２の膨張弁８を絞って、高圧圧力が所定の圧力を維持するように制御すると共に、第１の膨張弁４を全閉とする。

コンプレッサ１が駆動されると、コンプレッサ１にて圧縮された冷媒が配管２２に吐出される。このとき、冷媒は適切な超臨界圧力まで圧縮される（図８のＢの状態）。配管２２に吐出された冷媒は、三方弁４０を経て配管３３から室外熱交換器５に流入する。そこで、冷媒は周囲の空気と熱交換して放熱する（図８のＣの状態）。当該室外熱交換器５において、二酸化炭素冷媒は凝縮することなく、超臨界状態を維持したまま放熱する。

室外熱交換器５にて放熱した冷媒は、室外熱交換器５から出て配管２９を経て、他端７２Ｂから冷媒配管７１の冷媒流路７２に入り、内部熱交換器３を通過する。内部熱交換器３において、前記室外熱交換器５にて放熱し、減圧される前の高圧側の冷媒は、当該冷媒流路７２の外周に形成された冷媒流路７３を流れるエバポレータ９にて吸熱して、レシーバータンク５０から出た低圧側の冷媒と熱交換して、更に放熱する（図８のＤの状態）。

冷媒流路７２の一端７２Ａから出た冷媒は、逆止弁４１、配管２５、配管２６を経由して、第２の膨張弁８に至る。冷媒は第２の膨張弁８における圧力低下で、気体／液体の二相混合体とされ（図８のＥの状態）、この状態でエバポレータ９に流入する。そこで、冷媒は周囲の空気から吸熱して蒸発する（図８のＦの状態）。このとき、冷媒の吸熱により熱を奪われ、冷却された空気は、送風機６０により吹出口１２０Ａ側に送風され、車室内に吐出されて、車室内の冷房が行われる。ここで、上述の如く室外熱交換器５にて放熱した冷媒を内部熱交換器３にて更に放熱させることで、エバポレータ９に流入する冷媒温度を図８のＤに示すように、より低温とし、冷媒の熱交換能力を一層向上することが可能となる。更に、内部熱交換器３において、室外熱交換器５にて放熱した高圧側の冷媒と、当該冷媒と熱交換するエバポレータ９にて蒸発した低圧側の冷媒とを対交流となるように流すことで、冷媒の熱交換能力をより一層向上することができる。

従って、エバポレータ９にて周囲の空気をより低温とすることが可能となるので、当該エバポレータ９における冷却能力の向上を図ることができる。

更に、内部熱交換器３では、前記暖房モードと当該冷房モードにおいて、高圧側の冷媒がそれぞれ異なる経路を流れる。即ち、暖房モードと冷房モードでは、両モードとも低圧側の冷媒は冷媒配管７１内の冷媒流路７２の外周に形成された冷媒流路７３を通過させるものとしているが、高圧側の冷媒は暖房モードでは冷媒配管７１に交熱的に設けられた冷媒配管７０を通過させ、冷房モードでは冷媒配管７１の冷媒流路７３の内周に形成された冷媒流路７２を通過させるものとしている。即ち、低圧側の冷媒が流れる冷媒流路７３とより交熱的に配置された冷媒流路７２を流れる冷媒の方が、冷媒配管７０内の冷媒流路を流れる冷媒より熱交換量が大きくなる。

従って、冷房モードにおいて、室外熱交換器５にて放熱した後の高圧側冷媒を、当該内部熱交換器３においてより放熱させることが可能となる。また、前記暖房モードでは、内部熱交換器３において、室内ガスクーラ２にて放熱した後の高圧側冷媒の放熱量を抑えることが可能となる。

ここで、暖房モードと冷房モードの両モードにおいて、低圧側冷媒と高圧側冷媒の両方とも同じ経路に流した場合、例えば、両モードとも低圧側冷媒を冷媒配管７１の冷媒流路７３に流し、高圧側冷媒を冷媒配管７１の内周に形成された冷媒流路７２に流した場合について説明する。この場合、冷房モードでは、本実施例の図８の如く内部熱交換器３における熱交換量が大きくなるため、上述のエバポレータ９での冷媒の蒸発温度をより低くでき、冷却能力を向上することが可能となる。しかしながら、暖房モードでは、内部熱交換器３における熱交換で、図７に破線で示す如く低圧側の冷媒がより高温となって、コンプレッサ１にて圧縮された冷媒の吐出温度が異常上昇して、＋１７０℃付近にまで達してしまう。これにより、コンプレッサ１内のオイルが劣化したり、周辺機器に悪影響を及ぼす不都合が生じる。また、冷媒回路の高圧側に配置される機器の材料も係る高温に対応したものを選択しなければならず、材料の選択にも支障をきたす恐れがあった。

他方、両モードとも低圧側冷媒を冷媒配管７１の冷媒流路７３に流し、高圧側冷媒を当該冷媒配管７１に交熱的に設けられ、上記冷媒流路７２より熱交換量が小さい冷媒配管７０に流した場合には、暖房モードでは図７に実線で示すように高圧側の異常上昇を回避して、高圧側冷媒を所定の高温（例えば、＋１２０℃）にすることができる。しかしながら、冷房モードにおいては、内部熱交換器３における熱交換量が小さくなることで、第２の膨張弁８前の温度が上昇するため、エバポレータ９入口のエンタルピー値を充分に下げることができず、冷却能力が低下する問題が生じる。

しかしながら、上述の如く冷房モードと暖房モードにおいて、異なる冷媒流路に高圧側の冷媒を流して、冷房モードにおける内部熱交換器３での熱交換量を暖房モードにおける熱交換量より大きくすることで、冷房モードにおいて室外熱交換器５から出た冷媒をより効果的に過冷却して、エバポレータ９における冷房能力を向上させながら、暖房モードにおけるコンプレッサ１の吐出冷媒温度の上昇を抑えることができるようになる。

また、内部熱交換器３を、二重管構造の冷媒配管７１と当該冷媒配管７１と交熱的に設けた冷媒配管７０にて構成することで、それぞれの間の熱交換能力が異なる３つの冷媒通路を一体に備えることができるようになる。これにより、内部熱交換器３の設置スペースを最小限に抑えながら、冷媒サイクル装置２０の性能の向上を図ることができるようになる。

一方、エバポレータ９にて蒸発した冷媒は、配管３４に入り、定圧弁１０を通過して、３．５ＭＰａの定圧となった後、配管３０からレシーバタンク５０に流入する。そこで冷媒は気液が分離される。そして、レシーバータンク５０にて分離されたガス冷媒のみが配管３１を経て、一端７３Ａから冷媒配管７１の冷媒流路７３に入り、内部熱交換器３を通過する。内部熱交換器３において、冷媒ガスは上述した室外熱交換器５にて放熱し、減圧される前の冷媒と熱交換して加熱される（図８のＡの状態）。これにより、低圧冷媒の過熱度をとることができる。そして、内部熱交換器３から出た冷媒は配管３２を介してコンプレッサ１に吸い込まれるサイクルを繰り返す。

次に、冬季等の車室内暖房時におけるガラスの曇りを解消するための除湿暖房モードの例を図６、図９を参照して説明する。図６は除湿暖房モードにおける冷媒の流れを示す図、図９はこの場合のモリエル線図をそれぞれ示している。図６の実線は冷媒の流れる配管を示し、破線は冷媒の流れない配管を示す。また、矢印は冷媒の流れを示す。除湿暖房モードにおいて、コントローラ８０は電磁弁４２を開くと共に、三方弁４０を切り換えて冷媒が配管２２から配管２３に流れるように制御する。また、第１及び第２の膨張弁４、８を絞って、各膨張弁４、８を通過する冷媒が所定の圧力に減圧されるように制御する。

コンプレッサ１が駆動されると、コンプレッサ１にて圧縮された冷媒が配管２２に吐出される。このとき、冷媒は適切な超臨界圧力まで圧縮される（図９のＢの状態）。配管２２に吐出された冷媒は、前記三方弁４０を経て配管２３から室内ガスクーラ２に流入する。そこで、冷媒は周囲の空気と熱交換して放熱する（図９のＣの状態）。そして、冷媒から熱をもらって加熱された空気は、前記送風機６０により吹出口１２０Ａ側に送風され、車室内に吐出されて、車室内の暖房が行われる。また、当該室内ガスクーラ２において、二酸化炭素冷媒は凝縮することなく、超臨界状態を維持したまま放熱するため、熱交換能力が非常に高く、周囲の空気をより高温に加熱することができる。

一方、室内ガスクーラ２にて放熱した冷媒は、室内ガスクーラ２から出て配管２４に入る。ここで、配管２４を流れる冷媒は分流され、一方の冷媒が配管２６を経て第２の膨張弁８に至る。この冷媒は第２の膨張弁８における圧力低下で、気体／液体の二相混合体とされ（図９のＥの状態）、この状態でエバポレータ９に流入する。そこで、冷媒は周囲の空気から吸熱して蒸発する（図９のＦの状態）。このとき、エバポレータ９では車室内の空気中の水分を露点以下とし、凝結除去することができる。これにより、車室内の空気中から水分が取り除かれて除湿される。除湿された空気は、送風機６０により室内ガスクーラ２に送風され、前述の如く、室内ガスクーラ２を流れる冷媒と熱交換して加熱された後、吹出口１２０Ａから車室内に吐出される。これにより、車室内の空気を暖房しながら、除湿して、ガラスの曇りを解消することができるようになる。

一方、エバポレータ９にて蒸発した冷媒は、配管３４入り、定圧弁１０を通過した後、配管３０に入る。

他方、配管２４にて分流された他方の冷媒は、配管２５から冷媒配管７０に入り、内部熱交換器３内を通過する。内部熱交換器３において、室内ガスクーラ２にて放熱し、減圧される前の当該高圧側の冷媒は、冷媒配管７０と交熱的に設けられた冷媒配管７１の冷媒流路７３を流れる低圧側の冷媒と熱交換して、更に放熱する（図９のＤの状態）。

内部熱交換器３にて放熱し、冷媒配管７０の他端７０Ｂから出た冷媒は、第１の膨張弁４に至る。冷媒は第１の膨張弁４における圧力低下で、気体／液体の二相混合体とされ（図９のＥ’の状態）、この状態で室外熱交換器５に流入する。そこで、冷媒は周囲の空気から吸熱して蒸発する。その後、冷媒は配管３０に入り、電磁弁４２を経て、当該配管３０の途中部に接続された配管３４からの冷媒と合流する（図９のＧの状態）。

合流した冷媒は、レシーバータンク５０に流入し、そこで気液が分離され、ガス冷媒のみが配管３１を経て、一端７３Ａから冷媒配管７１の冷媒流路７３に入り、内部熱交換器３を通過する。内部熱交換器３において、当該冷媒ガスは上述した室内ガスクーラ２にて放熱し、減圧される前の高圧側冷媒と熱交換して加熱される（図９のＡの状態）。これにより、コンプレッサ１に吸い込まれる冷媒の過熱度をとることができるようになり、液バックの発生を確実に回避することができるようになる。その後、冷媒は配管３２を介して、コンプレッサ１に吸い込まれるサイクルを繰り返す。

以上の如く、暖房モードでは、エバポレータ９に冷媒を流すことなく、室外熱交換器５にて蒸発させることができ、冷房モードでは、室内ガスクーラ２に冷媒を流すことなく、室外熱交換器５にて放熱させることができるようになる。これにより、従来のように仕切部材にて送風機６０から送風される空気の向きを切り換えることなく、冷房及び暖房の両運転を行うことができるようになる。

即ち、従来では図１２に示すように、収納室２００に可動式の仕切部材２０５を設けて、車室内を暖房するときは、仕切部材２０５を図１２の破線で示すように室内ガスクーラ２０２の上側に位置させると共に、エバポレータ２０９への冷媒流通を阻止していた。これにより、車室内と熱交換可能に設けられた収納室２００内の空気は室内ガスクーラ２０２にて冷媒と熱交換して加熱され、係る加熱空気を送風機２１０にて車室内に送風するだけで、車室内を暖房することができる。

しかしながら、車室内を冷房する場合にも、冷媒は当該室内ガスクーラ２０２を通過するため、仕切部材２０５を図１２に実線で示すように室内ガスクーラ２０２の背面側に位置させて、室内ガスクーラ２０２への送風機２１０による送風を遮断しなければならなかった。従って、仕切部材２０５を設置するためのスペースを確保しなければならず、特に、本実施例のように冷媒サイクル装置をカーエアコンに用いる場合、冷媒サイクル装置は自動車の限られたスペースに設置しなければならないので、その分、利用側熱交換器２０１の容量を小さくしなければならなかった。

これにより、空調能力の低下を招いていた。特に、高圧側圧力が超臨界圧力となる二酸化炭素を冷媒として用いた場合、冷媒はガス状態を維持したまま放熱するため、室内ガスクーラ２０２において温度効果が発生し、この温度効果を十分に配慮した対向流型の熱交換器を設置することが効率向上につながる特性を有するが、係る容量の縮小により、二酸化炭素冷媒の特性を充分に発揮させることができなかった。

そこで、本発明の如く暖房モードでは、エバポレータ９に冷媒を流すことなく、室外熱交換器５にて蒸発させて、冷房モードでは、室内ガスクーラ２に冷媒を流すことなく、室外熱交換器５にて放熱させることで、仕切部材２０５を設けることなく車室内の冷暖房を行うことができるようになる。従って、その分、利用側熱交換器である室内ガスクーラ２及びエバポレータ９の容量を拡大でき、空調能力の向上を図ることができるようになる。特に、室内ガスクーラ２の放熱面積を拡大することで、室内ガスクーラ２における二酸化炭素冷媒の特性を充分に発揮させることが可能となり、暖房能力の向上を図ることができるようになる。

加えて、除湿暖房モードにおいて、室内ガスクーラ２にて放熱した冷媒を分流し、一方を第２の膨張弁８にて減圧してエバポレータ９に流して吸熱させ、他方を第１の膨張弁４にて減圧して室外熱交換器５に流して吸熱させることで、室内ガスクーラ２に搬送する熱量を室外熱交換器５にて外部から汲み上げながら、エバポレータ９では車室内の空気中の水分を露点以下として、凝結除去することができる。

更に、定圧弁１０にてエバポレータ９にて蒸発した後の冷媒を所定の定圧（３．５ＭＰａ）とすることで、外気温度が氷点下以下の場合、室外熱交換器５が３．５ＭＰａ以下で蒸発した場合においても、冷媒の蒸発温度を所定値以上に維持することができるようになる。即ち、定圧弁１０を設けずに、エバポレータ９にて蒸発した後の冷媒の圧力をなりいきとした場合、低圧側の圧力が低下して、冷媒回路を流れる冷媒が全体的に低圧へと移行して、エバポレータ９において冷媒が凍結してしまう恐れがある。

しかしながら、エバポレータ９にて蒸発した後の冷媒を定圧弁１０を通過させて、所定の定圧（３．５ＭＰａ）とすることで、エバポレータ９における蒸発温度を所定値、例えば、０℃以上に維持することができるようになる係る冷媒が凍結する不都合を未然に回避することができるようになる。

以上詳述した如く、本発明により効率的に暖房しながら除湿できる冷媒サイクル装置２０を提供することができ、冷媒サイクル装置２０全体の性能をより一層向上させることができるようになる。

尚、本実施例では内部熱交換器３として、二重管構造の冷媒配管７１と当該冷媒配管７１と交熱的に設けられた冷媒配管７０とから構成し、冷媒配管７１内の冷媒流路７２とその外周に設けられた冷媒流路７３と、冷媒配管７０内の冷媒流路の３つの流路を一体に備えた構造としたが、内部熱交換器は実施例の構造に限らず、相互に熱交換可能で、且つ、それぞれの間の熱交換能力が異なる少なくとも３つの冷媒流路を備えたものであれば、構わない。

即ち、図１０に示すように同じ放熱面積の２つのマイクロチューブ型熱交換器１７０、１７１と、これらより放熱面積が小さい（即ち、熱交換能力が小さい）マイクロチューブ型熱交換器１７２を相互に熱交換可能に設置し、例えば、低圧側の冷媒をマイクロチューブ型熱交換器１７１に形成された冷媒流路に流し、暖房モードでは、室内ガスクーラ２にて放熱した高圧側の冷媒をマイクロチューブ型熱交換器１７２に流して、前記マイクロチューブ型熱交換器１７１を流れる低圧側の冷媒と熱交換させると共に、冷房モードでは、室外熱交換器５にて放熱した高圧側の冷媒をマクロチューブ型熱交換器１７０に流して、前記マイクロチューブ型熱交換器１７１を流れる低圧側の冷媒と熱交換させるものとしても良い。

また、本実施例では、内部熱交換器３において暖房モードと冷房モードで、高圧側冷媒が流れる冷媒流路を変更するものとしたが、高圧側の流路を変更することなく、低圧側の流路を変更するものとしても構わない。また、高圧側と低圧側の両冷媒の流路を変更することで、冷房モードにおける内部熱交換器での冷媒の熱交換量を、暖房モードにおける熱交換量よりも大きくした場合にも本発明は有効である。

また、本実施例では、本発明の冷媒サイクル装置をカーエアコンに適応するものとしたが、これに限らず、室内を空調する空気調和機に適応するものとしても構わない。

本発明の冷媒サイクル装置の一実施例のカーエアコンの冷媒回路図である。図１のカーエアコンの内部熱交換器の斜視図である。図１のカーエアコンの利用側熱交換器の配置図である。図１のカーエアコンの暖房モードにおける冷媒の流れを示す図である。図１のカーエアコンの冷房モードにおける冷媒の流れを示す図である。図１のカーエアコンの除湿暖房モードにおける冷媒の流れを示す図である。図１のカーエアコンの暖房モードにおけるモリエル線図である。図１のカーエアコンの冷房モードにおけるモリエル線図である。図１のカーエアコンの除湿暖房モードにおけるモリエル線図である。他の実施例の内部熱交換器の斜視図である。従来のカーエアコンの冷媒回路図である。図１１のカーエアコンの利用側熱交換器の配置図である。

符号の説明

１コンプレッサ
２室内ガスクーラ
３内部熱交換器
４第１の膨張弁
５室外熱交換器
８第２の膨張弁
９エバポレータ
１０定圧弁
２０冷媒サイクル装置
４０四方弁
４１逆止弁
４２電磁弁
５０レシーバタンク
６０送風機
７０、７１冷媒配管
７２、７３冷媒流路
８０コントローラ
１２０収納室

Claims

被空調空間と熱交換可能に配置された利用側熱交換器と、前記被空調空間外に配置された熱源側熱交換器と、冷媒を圧縮して吐出するコンプレッサとを備え、冷媒として二酸化炭素を用いると共に、高圧側が超臨界圧力と成り得る冷媒サイクル装置において、
前記利用側熱交換器を出た冷媒と前記熱源側熱交換器を出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備えると共に、
前記コンプレッサから吐出された冷媒を前記利用側熱交換器に流して放熱させ、この利用側熱交換器にて放熱した冷媒を減圧した後、前記熱源側熱交換器に流して吸熱させ、前記コンプレッサに戻す暖房モードと、
前記コンプレッサから吐出された冷媒を前記熱源側熱交換器に流して放熱させ、この熱源側熱交換器にて放熱した冷媒を減圧した後、前記利用側熱交換器に流して吸熱させ、前記コンプレッサに戻す冷房モードとを実行可能であり、
該冷房モードにおける前記内部熱交換器での冷媒の熱交換量を、前記暖房モードにおける熱交換量よりも大きくしたことを特徴とする冷媒サイクル装置。
前記内部熱交換器は、相互に熱交換可能とされ、且つ、それぞれの間の熱交換能力が異なる少なくとも３つの冷媒流路を一体に備え、前記利用側熱交換器を出た冷媒と前記熱源側熱交換器を出た冷媒のうちの少なくとも一方を、前記暖房モードと冷房モードにおいて異なる前記冷媒流路に流すことにより、それらの間の熱交換量を変更することを特徴とする請求項１の冷媒サイクル装置。