JP2006322660A

JP2006322660A - Ｃ０２超臨界サイクル

Info

Publication number: JP2006322660A
Application number: JP2005145690A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Tamura; 正昭田村
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2005-05-18
Filing date: 2005-05-18
Publication date: 2006-11-30

Abstract

【課題】高温のまま潤滑油がコンプレッサに戻ることなく、潤滑油を冷却してコンプレッサに戻し、該コンプレッサを冷却することで摺動部品の耐久性の向上を実現可能とするＣ０_２超臨界サイクルを提供する。
【解決手段】Ｃ０_２（二酸化炭素）を冷媒とするＣ０_２超臨界サイクルにおいて、コンプレッサ１に接続されたガスクーラー２の出口側に、冷媒と潤滑油を分離する油分離器であるセパレーター３を設置し、このセパレーター３で分離された潤滑油を、ラジエータ４内に配置したオイルクーラ５に導入させた後、該オイルクーラ５で冷却させた潤滑油を、前記コンプレッサ１の吸入側に戻すように構成した。セパレーター３で分離された潤滑油は、ラジエータ４による冷却水とオイルクーラ５によるＡＴＦ油で確実に冷却されてコンプレッサ１へと戻される。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｃ０_２超臨界サイクルに関し、詳細には、コンプレッサを冷却するための技術に関する。

近年、自動車の空気調和装置においては環境問題の観点から、冷媒としてそれまで使用されていたフロン系の冷媒に替わり、Ｃ０_２（二酸化炭素）を冷媒とする冷凍サイクルが検討されている。

Ｃ０_２を冷媒とするＣ０_２サイクルにおいては、Ｃ０_２の臨界温度を超えた超臨界域で作動し冷媒を冷却するため、作動圧力が現行冷媒（例えば、ＨＦＣ１３４ａなどのフロン系冷媒）に比較して、およそ７〜１０程度高くなる。

そのため、Ｃ０_２超臨界サイクルでは、コンプレッサを構成する部位の一つである軸封装置への負担が大きくなるという問題が生じる。また、Ｃ０_２超臨界サイクルでは、例えば３０００ｒｐｍ程度の低回転では問題を生じることはないが、６０００ｒｐｍを超えるような高速回転では、コンプレッサの機内圧力が高圧になって摺動部を構成する材料に極度の摩耗や変形が発生し、冷媒ガス漏れが発生することが考えられる。また、Ｃ０_２を冷媒に使用すると、高回転になればなるほど潤滑油の効果が消失し、摺動発熱の増加や摩耗の増加が著しくなり、前記問題がより一層助長される。

この問題を解決するために、例えば、放熱器の冷媒出口側に油分離器を設け、その油分離器で分離した潤滑油を減圧器で減圧させた後、減圧によって冷却した潤滑油を圧縮機の吸入側に戻すようにした技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、この他、圧縮機の出口側に油分離器を設け、該油分離器で分離した潤滑油を放熱器で冷却し、その冷却した潤滑油を圧縮機の吸入側に戻すようにした技術も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−２７４８９０号公報（第４頁および第５頁、第１図）特開平６−３３７１７１号公報（第２頁および第３頁、第１図）

しかしながら、特許文献１に記載の減圧器を使用した減圧式、または、特許文献２に記載の放熱器を使用した空冷式では、何れも冷却効果が不十分であり、圧縮機の軸封装置やベアリングなどの耐久性向上を図ることが困難である。

現状のＣ０_２超臨界サイクルの軸封装置においては、高温高圧のためおよそ半分以下の時間で限界となっている。その原因は、潤滑油の油温が高温であることに加え、摺動発熱により摺動面温度が２００℃を超えることにある。

そこで、本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、高温のまま潤滑油がコンプレッサに戻ることなく、潤滑油を確実に冷却してコンプレッサに戻し、該コンプレッサを冷却することで摺動部品の耐久性の向上を実現可能とするＣ０_２超臨界サイクルを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、Ｃ０_２（二酸化炭素）を冷媒とするＣ０_２超臨界サイクルにおいて、コンプレッサに接続されたガスクーラーの出口側に、冷媒と潤滑油を分離する油分離器を設置し、この油分離器で分離した潤滑油を、ラジエータ内に配置したオイルクーラに導入させた後、該オイルクーラで冷却させた潤滑油を、前記コンプレッサの吸入側に戻すように構成したことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載のＣ０_２超臨界サイクルであって、前記オイルクーラで冷却された潤滑油の一部を、前記コンプレッサの軸封装置に設けられる軸シール室に供給することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のＣ０_２超臨界サイクルであって、前記オイルクーラの油通路の内側に前記ラジエータの冷却水通路を配置し、さらにその冷却水通路の内側に、前記油分離器から分離された潤滑油を前記コンプレッサへと送る潤滑油通路を配置したことを特徴とする。

請求項４の発明は、少なくとも請求項１から請求項３の何れか一つに記載のＣ０_２超臨界サイクルであって、前記オイルクーラを、前記ラジエータの下端に一体的に設けたことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、ガスクーラーの出口側に設置した油分離器で分離した潤滑油をラジエータ内に配置したオイルクーラに導入させているので、高温となった潤滑油をオイルクーラにて確実に冷却することができる。そしてさらに、本発明によれば、冷却された潤滑油はコンプレッサの吸入側に戻されるので、かかる冷却された潤滑油によってコンプレッサが冷却され、当該コンプレッサ内の内圧の低下により、摺動部並びに軸回りの温度を低下させることができる。その結果、本発明によれば、コンプレッサを冷却することができると共に、コンプレッサを構成する摺動部品の耐久性を大幅に向上させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、オイルクーラで冷却された潤滑油の一部をコンプレッサの軸封装置に設けられる軸シール室に供給させているので、冷却された潤滑油によって軸封装置の負担が軽減されると共に、摩耗の抑制と摺動面温度の低減を実現できる。

請求項３に記載の発明によれば、オイルクーラの油通路の内側にラジエータの冷却水通路を配置し、さらにその冷却水通路の内側に油分離器から分離された潤滑油をコンプレッサへと送る潤滑油通路を配置したので、潤滑油通路を通る潤滑油は、これらオイルクーラとラジエータの両方で冷却され、より一層冷却されることになる。

請求項４に記載の発明によれば、オイルクーラを、ラジエータの下端に一体的に設けたので、新たなオイルクーラを設置するスペースを必要としない。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本実施の形態のＣ０_２超臨界サイクルを示す概略構成図、図２は本実施の形態のＣ０_２超臨界サイクルにおけるオイルクーラ部分の要部拡大縦断面図、図３は本実施の形態のＣ０_２超臨界サイクルにおけるオイルクーラ部分の要部拡大横断面図である。

本実施の形態のＣ０_２超臨界サイクルは、図１に示すように、Ｃ０_２（二酸化炭素）を冷媒とする超臨界サイクルであり、Ｃ０_２冷媒を吸入圧縮するコンプレッサ（圧縮機）１と、このコンプレッサ１から吐出されるＣ０_２冷媒を放熱させるガスクーラー２と、ガスクーラー２から流出したＣ０_２冷媒から潤滑油を分離する油分離器であるセパレーター３と、このセパレーター３で分離した潤滑油を冷却するラジエータ４及びオイルクーラ５と、セパレーター３で分離したＣ０_２冷媒を膨張させる膨張弁６と、この膨張弁６で膨張させたＣ０_２冷媒を蒸発させる蒸発器であるエバポレーター７と、Ｃ０_２冷媒を液相冷媒と気相冷媒に分離して気相冷媒をコンプレッサ１に供給させる気液分離手段であるアキュームレーター８から構成される。

本実施の形態のＣ０_２超臨界サイクルでは、吸入したＣ０_２冷媒をコンプレッサ１で圧縮し、その圧縮したＣ０_２冷媒をガスクーラー２へ吐出させ、ガスクーラー２にて圧縮されたＣ０_２冷媒を放熱する。

セパレーター３は、ガスクーラー２の出口側に設けられ、当該ガスクーラー２から流出したＣ０_２冷媒に含まれる潤滑油を分離する。分離された潤滑油は、ラジエータ４の下端に一体的に設けられたオイルクーラ５に供給される。一方、潤滑油から分離されたＣ０_２冷媒は、膨張弁６に供給される。

膨張弁６に供給されたＣ０_２冷媒は、この膨張弁６で膨張された後、エバポレーター７に送られる。エバポレーター７では、膨張したＣ０_２冷媒を蒸発させた後、その蒸発した気相冷媒をアキュームレーター８を介してコンプレッサ１の吸入側に向けて供給する。アキュームレーター８は、超臨界サイクル中の余剰冷媒を蓄えると共に、Ｃ０_２冷媒を液相冷媒と気相冷媒に分離する。

オイルクーラ５は、図２及び図３に示すように、ラジエータ４の下端に一体的に設けられている。オイルクーラ５の油通路（ＡＴＦ油通路）９の内側には、ラジエータ４の下端部を流れる冷却水通路１０が配置され、さらにその冷却水通路１０の内側に、前記セパレーター３から分離された潤滑油をコンプレッサ１へと送る潤滑油通路１１が配置されている。換言すると、セパレーター３から分離された潤滑油をコンプレッサ１へと送る潤滑油通路１１の外側には、ラジエータ４の冷却水通路１０が配置されると共に、さらにその外側にオイルクーラ５のＡＴＦ油通路９が配置されて、いわゆる三重管構造となっている。

セパレーター３から分離された潤滑油は、ラジエータ４とオイルクーラ５の両方で冷却された後、コンプレッサ１へ供給される。これらラジエータ４とオイルクーラ５で冷却された潤滑油は、アキュームレーター８から供給される気相冷媒と共にコンプレッサ１に送り込まれる。また、冷却された潤滑油の一部は、コンプレッサ１の軸封装置１２に設けられた軸シール室（図示は省略する）に供給される。

このように、本実施の形態によれば、ガスクーラー２の出口側に設置したセパレーター３で分離した潤滑油をラジエータ４内に配置したオイルクーラ５に導入させているので、高温となった潤滑油をオイルクーラ５で確実に冷却させることができ、高温のまま冷媒がコンプレッサ１に戻るのを防止できる。

また、本実施の形態によれば、冷却された潤滑油はコンプレッサ１の吸入側に戻されるので、かかる冷却された潤滑油によってコンプレッサ１が冷却され、当該コンプレッサ１内の内圧低下によって、軸封装置１２の摺動部並びに軸回りの温度を低下させることができる。その結果、本発明によれば、コンプレッサ１を冷却することができると共に、コンプレッサ１を構成する摺動部品の耐久性を大幅に向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、オイルクーラ５で冷却された潤滑油の一部をコンプレッサ１の軸封装置１２に設けられる軸シール室に供給させているので、冷却された潤滑油によって軸封装置１２やベアリングなどの負担が軽減されると共に、摺動部の摩耗の抑制と摺動面温度の低減を実現することができる。

これに対して、図６に示すように、セパレーター３とオイルクーラ５を設けなかったＣ０_２超臨界サイクルでは、高温になったままのＣ０_２冷媒がコンプレッサ１に戻ることになるため、軸封装置１２の耐久性が大幅に低下する。

また、本実施の形態によれば、オイルクーラ５のＡＴＦ油通路９の内側にラジエータ４の冷却水通路１０を配置し、さらにその冷却水通路１０の内側にセパレーター３から分離された潤滑油をコンプレッサ１へと送る潤滑油通路１１を配置したので、潤滑油通路１１を流れる潤滑油は、その外側を流れるラジエータ４の冷却水通路１０によって冷却されることになる。

また、本実施の形態によれば、オイルクーラ５を、ラジエータ４の下端に一体的に設けたので、新たなオイルクーラ５を設置するスペースを必要としない。

図４は本発明のＣ０_２超臨界サイクルを冷房サイクルに適用した例を示す概略構成図であり、図５は本発明のＣ０_２超臨界サイクルを暖房サイクルに適用した例を示す概略構成図である。

冷房サイクル時は、コンプレッサ１から出たＣ０_２冷媒をガスクーラー２で冷やす必要があるので、コンプレッサ１とガスクーラー２間に設けたバルブ１３を開いてＣ０_２冷媒をガスクーラー２に送る。一方、暖房サイクル時は、ガスクーラー２でＣ０_２冷媒を冷やす必要は無いので、バルブ１３を閉じてガスクーラー２を通さずにＣ０_２冷媒をセパレーター３へ直接送る。

以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、かかる実施の形態は、本発明の一実施の形態であり、これらの実施の形態に制限されることはない。

本実施の形態のＣ０_２超臨界サイクルを示す概略構成図である。本実施の形態のＣ０_２超臨界サイクルにおけるオイルクーラ部分の要部拡大縦断面図である。本実施の形態のＣ０_２超臨界サイクルにおけるオイルクーラ部分の要部拡大横断面図である。本発明のＣ０_２超臨界サイクルを冷房サイクルに適用した例を示す概略構成図である。本発明のＣ０_２超臨界サイクルを暖房サイクルに適用した例を示す概略構成図である。従来のＣ０_２超臨界サイクルを示す概略構成図である。

符号の説明

１…コンプレッサ（圧縮機）
２…ガスクーラー
３…セパレーター（油分離器）
４…ラジエータ
５…オイルクーラ
６…膨張弁
７…エバポレーター（蒸発器）
８…アキュームレーター（気液分離手段）
９…ＡＴＦ油通路（油通路）
１０…冷却水通路
１１…潤滑油通路
１２…軸封装置

Claims

Ｃ０_２（二酸化炭素）を冷媒とするＣ０_２超臨界サイクルにおいて、
コンプレッサに接続されたガスクーラーの出口側に、冷媒と潤滑油を分離する油分離器を設置し、この油分離器で分離した潤滑油を、ラジエータ内に配置したオイルクーラに導入させた後、該オイルクーラで冷却させた潤滑油を、前記コンプレッサの吸入側に戻すように構成した
ことを特徴とするＣ０_２超臨界サイクル。
請求項１記載のＣ０_２超臨界サイクルであって、
前記オイルクーラで冷却された潤滑油の一部を、前記コンプレッサの軸封装置に設けられる軸シール室に供給する
ことを特徴とするＣ０_２超臨界サイクル。
請求項１または請求項２に記載のＣ０_２超臨界サイクルであって、
前記オイルクーラの油通路の内側に前記ラジエータの冷却水通路を配置し、さらにその冷却水通路の内側に、前記油分離器から分離された潤滑油を前記コンプレッサへと送る潤滑油通路を配置した
ことを特徴とするＣ０_２超臨界サイクル。
少なくとも請求項１から請求項３の何れか一つに記載のＣ０_２超臨界サイクルであって、
前記オイルクーラを、前記ラジエータの下端に一体的に設けた
ことを特徴とするＣ０_２超臨界サイクル。