JP2007163086A - 冷凍サイクル - Google Patents

Abstract

【課題】二酸化炭素を含む非共沸性混合冷媒を使用しつつ、熱交換を効率良く行うことができる冷凍サイクルを提供する。
【解決手段】本発明は、圧縮機１、冷媒冷却器２、減圧手段４および蒸発器５を備えた冷凍サイクルを対象とする。冷媒として、二酸化炭素からなる主冷媒成分に、それよりも沸点が高い副冷媒成分を含む非共沸性混合冷媒が用いられる。冷媒冷却器２と減圧手段４との間に、冷媒冷却器２によって冷却された冷媒から、主冷媒成分を多く含む冷媒成分を抽出する冷媒抽出手段７と、冷媒抽出手段７によって抽出された抽出冷媒成分を冷却する中間熱交換器３と、が設けられる。中間熱交換器３によって冷却された抽出冷媒が減圧手段４に送り込まれるよう構成される。
【選択図】図１

Description

この発明は、冷媒として二酸化炭素を含む非共沸性混合冷媒が用いられる冷凍サイクルおよびその関連技術に関する。

図４は冷凍サイクルの基本構成を示す回路図である。同図に示すようにこの冷凍サイクルは、圧縮機（ＣＰ）、凝縮器（ＣＤ）、膨張弁（ＥＸ）および蒸発器（ＥＶ）を基本的な構成として備えている。そして圧縮機（ＣＰ）によって圧縮された冷媒が、凝縮器（ＣＤ）によって凝縮されるとともに、その凝縮冷媒が膨張弁（ＥＸ）によって減圧膨張されてから蒸発器（ＥＶ）によって蒸発させて、圧縮機（ＣＰ）に戻るように構成されている。

このような冷凍サイクルに用いられる冷媒としては従来、ＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）やＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）などのフロン系のものが広く使用されているが、フロン系冷媒は、オゾン破壊物質、地球温暖化物質であることから、大気中への放出が厳しく制限されており、フロン系冷媒の代替物質の開発、いわゆる脱フロン化の技術開発が進められている。

脱フロン化の空調技術としては特許文献１に示すように、自然界に存在する二酸化炭素（ＣＯ₂ ）を冷媒として用いる冷凍サイクルが注目を集めている。
特開２００１−９９５２２号

しかしながら、二酸化炭素の単独成分からなる冷媒を用いた冷凍サイクルにおいては、冷媒系内が、フロン系冷媒に比べて非常に高圧になるため、耐圧性を確保することが困難となる。そこで本発明者らは、日々研究を重ねた結果、自然界に存在する二酸化炭素を主体とした非共沸性混合冷媒を使用することによって、所望の効果を期待できることを見出した。

ところが、二酸化炭素を主体とした非共沸性混合冷媒を採用した冷凍サイクルでは、非共沸性であることから、蒸発過程および凝縮（冷却）過程において冷媒温度が変化する温度すべり現象を引き起こしてしまう。つまり二酸化炭素単独冷媒などの共沸性冷媒の場合には、蒸発過程において、冷媒温度は冷媒入口部から冷媒出口部にかけてほぼ一定であるのに対し、非共沸性混合冷媒の場合には、蒸発過程において冷媒入口部から冷媒出口部にかけて冷媒温度が上昇し、出入口間で十数度〜数十度の温度差が生じることとなる。

たとえば図３の蒸発過程における冷媒温度のグラフに示すように、二酸化炭素単独の冷媒を用いた場合、蒸発過程（蒸発器内）において蒸発開始時点（冷媒乾き度「０」の時点）から蒸発終了時点（冷媒乾き度「１」の時点）までの間、冷媒温度がほぼ一定であるのに対し、二酸化炭素とジメチルエーテル（ＤＭＥ）の割合が９０：１０である非共沸性混合冷媒を用いた場合、蒸発開始時点から蒸発終了時点までの間に冷媒温度が次第に上昇し、出入口間で冷媒にかなりの温度差が生じているのが判る。

このように蒸発過程において温度勾配を有する非共沸性混合冷媒を、上記図４に示す冷凍サイクルにそのまま適用した場合、蒸発器（ＥＶ）において冷媒入口部から冷媒出口部にかけて冷媒温度が次第に上昇するため、蒸発器コアの温度分布に偏りが生じて、熱交換能力に部分的なばらつきが発生し、蒸発器全域において効率良く熱交換することができないという問題が発生するおそれがある。

この発明は、上記の実情に鑑みてなされたもので、二酸化炭素を含む非共沸性混合冷媒を使用しつつ、熱交換を効率良く行うことができる冷凍サイクルおよびその関連技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の構成を要旨としている。

［１］ 圧縮機によって圧縮された冷媒が、冷媒冷却器によって冷却されるとともに、その冷却冷媒が減圧手段によって減圧されてから蒸発器によって蒸発されて、戻り冷媒として前記圧縮機に戻されるようにした冷凍サイクルであって、
冷媒として、二酸化炭素からなる主冷媒成分に、それよりも沸点が高い副冷媒成分を含む非共沸性混合冷媒が用いられる一方、
前記冷媒冷却器と前記減圧手段との間に、前記冷媒冷却器によって冷却された冷媒から、主冷媒成分を多く含む冷媒成分を抽出する冷媒抽出手段と、前記冷媒抽出手段によって抽出された抽出冷媒成分を冷却する中間熱交換器と、が設けられ、
前記中間熱交換器によって冷却された抽出冷媒成分が前記減圧手段に送り込まれるよう構成されたことを特徴とする冷凍サイクル。

［２］ 前記冷媒抽出手段は、冷媒成分を加熱して蒸発分離する成分分離蒸発装置をもって構成される前項１に記載の冷凍サイクル。

［３］ 前記冷媒抽出手段によって抽出されなかった非抽出冷媒成分が、戻り冷媒に合流され、前記圧縮機に戻るよう構成される前項１または２に記載の冷凍サイクル。

［４］ 前記冷媒抽出手段は、冷媒成分を気液分離して、気相冷媒成分を抽出冷媒成分として抽出する気液分離器をもって構成される前項１に記載の冷凍サイクル。

［５］ 前記気液分離器によって分離された非抽出冷媒成分としての液相冷媒成分が、気化器によって加熱気化されて、戻り冷媒に合流され、前記圧縮機に戻るよう構成される前項４に記載の冷凍サイクル。

［６］ 前記中間熱交換器は、抽出冷媒成分と戻り冷媒との間で熱交換されるよう構成される前項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル。

［７］ 前記冷媒冷却器は、ガスクーラーをもって構成される前項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル。

［８］ 副冷媒成分として、炭化水素系冷媒が用いられる前項１〜７のいずれか１項に記載の冷凍サイクル。

［９］ 副冷媒成分として、ジメチルエーテルが用いられる前項１〜８のいずれか１項に記載の冷凍サイクル。

［１０］ 前項１〜９のいずれかに記載された冷凍サイクルを備えたことを特徴とする自動車用エアコン。

［１１］ 前項３または５に記載された冷凍サイクルを備えた自動車用エアコンであって、
冷凍サイクルを構成する冷媒回路のうち、非抽出冷媒成分が循環する冷媒回路部分がエンジンルーム内に配置されることを特徴とする自動車用エアコン。

［１２］ 前項２に記載された冷凍サイクルを備えた自動車用エアコンであって、
前記成分分離蒸発装置の熱源として、動力発生機関から発生する廃熱が用いられることを特徴とする自動車用エアコン。

［１３］ 前項５に記載された冷凍サイクルを備えた自動車用エアコンであって、
前記気化器の熱源として、動力発生機関から発生する廃熱が用いられることを特徴とする自動車用エアコン。

［１４］ 圧縮機によって圧縮された冷媒を、冷媒冷却器によって冷却するとともに、その冷却冷媒を減圧手段によって減圧してから蒸発器によって蒸発させて、戻り冷媒として前記圧縮機に戻すようにした冷凍方法であって、
冷媒として、二酸化炭素からなる主冷媒成分に、それよりも沸点が高い副冷媒成分を含む非共沸性混合冷媒を用いる一方、
前記冷媒冷却器によって冷却された冷媒から、主冷媒成分を多く含む冷媒成分を抽出してから、その抽出冷媒成分を冷却して、前記減圧手段に送り込むようにしたことを特徴とする冷凍方法。

［１５］ 冷媒として、二酸化炭素からなる主冷媒成分に、それよりも沸点が高い副冷媒成分を含む非共沸性混合冷媒が用いられる一方、圧縮機によって圧縮された冷媒を、冷媒冷却器によって冷却して、中間熱交換器によってさらに冷却するとともに、その冷却冷媒を減圧手段によって減圧してから蒸発器によって蒸発させて、戻り冷媒として前記圧縮機に戻すようにした冷凍サイクルにおいて、前記冷媒冷却器によって冷却された冷媒から、所要の冷媒成分を抽出して、前記中間熱交換器に送り込むための冷凍サイクル用成分分離蒸発装置であって、
冷媒成分を加熱して蒸発分離することにより、主冷媒成分を多く含む冷媒成分を抽出するようにしたことを特徴とする冷凍サイクル用成分分離蒸発装置。

［１６］ 冷媒として、二酸化炭素からなる主冷媒成分に、それよりも沸点が高い副冷媒成分を含む非共沸性混合冷媒が用いられる一方、圧縮機によって圧縮された冷媒を、冷媒冷却器によって冷却して、中間熱交換器によってさらに冷却するとともに、その冷却冷媒を減圧手段によって減圧してから蒸発器によって蒸発させて、戻り冷媒として前記圧縮機に戻すようにした冷凍サイクルにおいて、前記冷媒冷却器によって冷却された冷媒から、所要の冷媒成分を抽出して、前記中間熱交換器に送り込むための冷凍サイクル用気液分離器であって、
冷媒成分を気液分離して、気相冷媒成分を抽出するようにした冷凍サイクル用気液分離器。

上記発明［１］における冷凍サイクルによれば、非共沸性混合冷媒のうち、低沸点の主冷媒成分（二酸化炭素）を多く含む冷媒成分を抽出し、その抽出冷媒成分のみを蒸発器によって蒸発させるようにしているため、蒸発器内で抽出冷媒成分は、二酸化炭素単独の冷媒と同様に、蒸発器入口から出口にかけての蒸発器全域において、冷媒温度がほとんど変化せずほぼ一定となる。このため蒸発器全域にわたって温度分布の偏りを防止でき、ほぼ均一な温度となるため、蒸発器全域において高い熱交換能力を得ることができ、効率良く熱交換することができる。

上記発明［２］における冷凍サイクルによれば、所望の冷媒成分を確実に抽出することができる。

上記発明［３］における冷凍サイクルによれば、冷媒をスムーズに循環させることができる。

上記発明［４］における冷凍サイクルによれば、所望の冷媒成分を確実に抽出することができる。

上記発明［５］における冷凍サイクルによれば、冷媒をスムーズに循環させることができる。

上記発明［６］における冷凍サイクルによれば、熱交換効率を一層向上させることができる。

上記発明［７］における冷凍サイクルによれば、混合冷媒中における副冷媒成分の混合割合を少なくすることができ、冷媒の蒸発過程などにおける温度勾配をより一層小さくすることができ、より一層熱交換効率を向上させることができる。

上記発明［８］［９］における冷凍サイクルによれば、上記の効果をより確実に得ることができる。

上記発明［１０］によれば、上記と同様の効果を奏する自動車用エアコンを提供することができる。

上記発明［１１］における自動車用エアコンによれば、副冷媒成分として可燃性冷媒を用いた場合、副冷媒成分が運転室内に循環するなどの不具合を確実に防止することができる。

上記発明［１２］［１３］における自動車用エアコンによれば、熱エネルギーの有効利用を図ることができ、省エネルギー化に十分対処することができる。

上記発明［１４］によれば、上記と同様の効果を奏する冷凍方法を提供することができる。

上記発明［１５］によれば、上記と同様の効果を奏する冷凍サイクル用成分分離蒸発装置を提供することができる。

上記発明［１６］によれば、上記と同様の効果を奏する冷凍サイクル用気液分離器を提供することができる。

＜第１実施形態＞
図１はこの発明の第１実施形態である自動車用エアコンにおける冷凍サイクルの回路図である。同図に示すように、この冷凍サイクルにおいては、圧縮機（１）と、冷媒冷却器（高圧側熱交換器）としてのガスクーラー（２）と、冷媒抽出手段としての成分分離蒸発装置（７）と、中間熱交換器（３）と、減圧手段としての膨張弁（４）と、蒸発器（５）と、アキュムレーター（６）と、を基本的な構成要素として備えている。

冷凍サイクルを構成する上記の各機器（１）〜（７）は、配管などの冷媒経路によって接続されている。すなわち圧縮機（１）の冷媒出口（１ｂ）が、ガスクーラー（２）の冷媒入口（２ａ）に接続されるとともに、ガスクーラー（２）の冷媒出口（２ｂ）が、成分分離蒸発装置（７）の冷媒入口（７ａ）に接続される。さらに成分分離蒸発装置（７）の低沸点冷媒出口（７ｂ）が、中間熱交換器（３）の往き冷媒入口（３１ａ）に接続されるとともに、高沸点冷媒出口（７ｃ）が、後述する戻り冷媒経路に接続されて圧縮機（１）の冷媒入口（１ａ）に接続されている。さらに中間熱交換器（３）の往き冷媒出口（３１ｂ）は膨張弁（４）を介して、蒸発器（５）の冷媒入口（５ａ）に接続されるとともに、蒸発器（５）の冷媒出口（５ｂ）は、アキュムレータ（６）を介して、中間熱交換器（３）の戻り冷媒入口（３２ａ）に接続される。さらに中間熱交換器（３）の戻り冷媒出口（３２ｂ）は、圧縮機（１）の冷媒入口（１ａ）に接続される。なお中間熱交換器（３）と圧縮機（１）との間の冷媒経路に、上記成分分離蒸発装置（７）の低沸点冷媒出口（７ｂ）が接続されて、成分分離蒸発装置（７）の低沸点冷媒出口（７ｂ）から流出される冷媒が、中間熱交換器（３）の戻り冷媒出口（３２ｂ）から流出される冷媒に合流されて、その合流冷媒が圧縮機（１）に戻るよう構成されている。

本実施形態において、成分分離蒸発装置（７）は、冷媒成分における蒸発温度の相違に基づいて、混合冷媒から所望の冷媒成分を抽出するものである。すなわち成分分離蒸発装置（７）に導入された混合冷媒は、加熱される。そして加熱初期の段階では、混合冷媒のうち沸点の低い冷媒成分を多く含む冷媒が蒸発するため、この初期段階で蒸発した低沸点の冷媒成分を低沸点冷媒出口（７ｂ）から流出（抽出）させる。一方、加熱初期段階で抽出されたなかった残りの冷媒成分（非抽出冷媒成分）は、沸点の高い冷媒を多く含む冷媒であるため、この高沸点の冷媒成分を高沸点冷媒出口（７ｃ）から流出させるものである。

なお本実施形態において、成分分離蒸発装置（７）は、その加熱源としてエンジンなどの動力発生機関から発生する廃熱を利用している。このため熱エネルギーの有効利用を図ることができ、省エネルギー化に十分対処することができる。もっとも本発明においては、成分分離蒸発装置（７）の加熱源として、必ずしも廃熱を利用する必要はなく、外気の熱などを利用するようにしても良い。

以上のように構成された本実施形態の冷凍サイクルにおいては、冷媒として、二酸化炭素（ＣＯ₂ ）を主成分（主体）とする非共沸性混合冷媒が用いられる。たとえば主冷媒成分として９９〜６０重量％の二酸化炭素と、副冷媒成分として１〜４０重量％のジメチルエーテル（ＤＭＥ）とが混合された非共沸性混合冷媒が用いられる。

そしてこの冷凍サイクルにおいて、圧縮機（１）によって圧縮された混合冷媒は、ガスクーラー（２）によって冷却されて、成分分離蒸発装置（７）に導入される。

成分分離蒸発装置（７）に導入された混合冷媒は、加熱されることにより、加熱初期の段階で、低沸点の主冷媒成分（二酸化炭素）を多く含む冷媒成分が蒸発し、この蒸発冷媒が、抽出冷媒成分として低沸点冷媒出口（７ｂ）から流出される。一方、初期段階で蒸発しなかった残りの冷媒成分、つまり高沸点の副冷媒成分（ジメチルエーテル）を多く含む冷媒成分は、非抽出冷媒成分として高沸点冷媒出口（７ｃ）から流出される。

なお本実施形態においては、ガスクーラー（２）と成分分離蒸発装置（７）との間に、膨張弁などの減圧手段を設けて、冷媒の液化を助勢するようにしても良い。

成分分離蒸発装置（７）によって抽出された抽出冷媒成分は、中間熱交換器（３）の往き冷媒回路に流入されて、そこで後述の戻り冷媒と熱交換されることによって冷却される。

こうして冷却された抽出冷媒成分は、膨張弁（４）により減圧膨張されて、霧状の液相状態となって、蒸発器（５）に流入される。蒸発器（５）に流入された抽出冷媒成分は、外気（空気）から熱を吸収して蒸発気化して、蒸発器（５）から流出される。

一方、蒸発器（５）を通る空気は、冷媒に熱を吸収されて冷却されて、運転室内に導入されて、室内が冷却される。

蒸発器（５）から流出された抽出冷媒成分（戻り冷媒）は、アキュムレータ（６）によって気相冷媒のみが抽出されて、中間熱交換器（３）の戻り冷媒回路に流入される。戻り冷媒回路に流入された戻り冷媒は、上記したように、成分分離蒸発器（７）によって抽出された低沸点冷媒成分との間で熱交換されることによって加熱（過加熱）される。

そして中間熱交換器（３）で加熱された戻り冷媒は、成分分離蒸発器（７）の高沸点冷媒出口（７ｃ）から流出される非抽出冷媒と合流して、その合流冷媒が圧縮機（１）に戻るものである。

以上のように、本実施形態の冷凍サイクルによれば、非共沸性混合冷媒のうち、低沸点の主冷媒成分（二酸化炭素）を多く含む冷媒成分を抽出し、その抽出冷媒成分のみを蒸発器（５）によって蒸発させるようにしているため、蒸発器（５）内で抽出冷媒成分は、二酸化炭素単独の冷媒と同様に、ほとんど温度変化せずに、蒸発器入口（５ａ）から出口（５ｂ）にかけての蒸発器全域において、冷媒温度がほぼ一定となる。このため蒸発器全域にわたって温度分布の偏りを防止でき、ほぼ均一な温度となるため、蒸発器全域において高い熱交換能力を得ることができ、効率良く熱交換することができる。

また本実施形態の冷凍サイクルによれば、中間熱交換器（３）によって、往き冷媒と戻り冷媒を熱交換して、往き冷媒を過冷却するとともに、戻り冷媒を過加熱するようにしているため、より一層効率良く熱交換することができる。

また本実施形態において、成分分離蒸発装置（７）の加熱源としてエンジンから発生する廃熱を利用しているため、熱エネルギーの有効利用を図ることができ、エネルギー効率をより一層向上させることができる。

なお本実施形態においては、冷媒回路のうち、副冷媒成分を多く含む非抽出冷媒成分が循環する回路部分、たとえば圧縮機（１）、ガスクーラー（２）、成分分離蒸発装置（７）などの副冷媒成分回路部分を、エンジンルーム内などの運転室の外部に配置するようにしている。このため、ジメチルエーテルなどの可燃性冷媒が運転室内に循環するなどの不具合を確実に防止することができる。

また本実施形態の冷凍サイクルにおいては、混合冷媒の副冷媒成分として、主冷媒成分（二酸化炭素）を十分に溶解し、主冷媒成分に比べて臨界温度がはるかに高いジメチルエーテルを用いるものであるため、高圧回路側での圧力を低減でき、サイクル効率を向上させることができる。

さらに本実施形態の冷凍サイクルにおいては、高圧側熱交換器をガスクーラー（２）によって構成するものであるため、超臨界状態となる二酸化炭素冷媒を支障なく冷却処理することができる。従って冷媒混合冷媒中における副冷媒成分の混合割合を少なくすることができ、冷媒の蒸発過程などにおける温度勾配をより一層小さくすることができ、より一層熱交換効率を向上させることができる。

＜第２実施形態＞
図２はこの発明の第２実施形態である自動車用エアコンにおける冷凍サイクルの回路図である。同図に示すようにこの冷凍サイクルにおいては、冷媒抽出手段として、気液分離器（８）が用いられている。すなわちガスクーラー（２）の冷媒出口（２ｂ）が気液分離器（８）の冷媒入口（８ａ）に接続される。さらに気液分離器（８）の気相冷媒出口（８ｂ）は、中間熱交換器（３）の往き冷媒入口（３１ａ）に接続されるとともに、液相冷媒出口（８ｃ）は気化器（９）を介して、中間熱交換器（３）と圧縮機（１）とを接続する戻り冷媒経路に接続される。

ここで本実施形態においては、気液分離器（８）の気液分離に基づいて、混合冷媒から所望の冷媒成分を抽出するものである。すなわち気液分離器（８）に導入された混合冷媒のうち、気相冷媒は、液相冷媒と比較して、沸点が低い冷媒成分（二酸化炭素）を多く含む冷媒であるため、この低沸点の冷媒成分を気相出口（８ｂ）から流出（抽出）させる。一方、液相冷媒は、気相冷媒と比較して、沸点が高い冷媒成分（ジメチルエーテル）を多く含む冷媒であるため、この高沸点の冷媒成分を液相出口（８ｃ）から流出させるものである。

さらに気液分離器（８）の液相出口（８ｃ）から流出された液相冷媒は、気化器（９）によって加熱気化されて、戻り冷媒に合流される。

なお本実施形態においては、気化器（９）の加熱源としてエンジンなどの動力発生機関から発生する廃熱を利用している。このため熱エネルギーの有効利用を図ることができ、省エネルギー化に十分対処することができる。もっとも本発明においては、気化器（９）の加熱源として、必ずしも廃熱を利用する必要はなく、外気の熱などを利用するようにしても良い。

本第２実施形態において、他の構成は上記第１実施形態と実質的に同様であるため、同一または相当部分に同一符号を付して、重複説明は省略する。

この冷凍サイクルにおいては、上記第１実施形態と同様、冷媒として、二酸化炭素（主冷媒成分）に、ジメチルエーテル（副冷媒成分）が混合された非共沸性混合冷媒が用いられる。

そしてこの冷凍サイクルにおいて、ガスクーラー（２）によって冷却された混合冷媒は、気液分離器（８）に導入されて、気液分離される。

気液分離された冷媒のうち、気相冷媒成分は、低沸点の主冷媒成分（二酸化炭素）を多く含む冷媒成分であり、抽出冷媒成分として気相出口（８ｂ）から流出される。一方、液相冷媒成分は、高沸点の副冷媒成分（ジメチルエーテル）を含む冷媒成分であり、非抽出冷媒成分として液相出口（８ｃ）から流出される。

なお本実施形態においては、ガスクーラー（２）と気液分離器（８）との間に、膨張弁などの減圧手段を設けて、冷媒の液化を助勢するようにしても良い。

気液分離器（８）によって抽出された抽出冷媒成分は、中間熱交換器（３）の往き冷媒回路に流入されて、そこで戻り冷媒と熱交換されることによって冷却される。

こうして冷却された抽出冷媒成分は、膨張弁（４）により減圧膨張されて、霧状の液相状態となって、蒸発器（５）に流入される。蒸発器（５）に流入された抽出冷媒成分は、外気（空気）から熱を吸収して蒸発気化して、蒸発器（５）から流出される。

蒸発器（５）から流出された抽出冷媒成分（戻り冷媒）は、アキュムレータ（６）によって気相冷媒のみが抽出されて、中間熱交換器（３）の戻り冷媒回路に流入される。戻り冷媒回路に流入された戻り冷媒は、気液分離器（８）によって抽出された低沸点冷媒成分との間で熱交換されることにより、自身は加熱されて、圧縮機（１）に戻る。

一方、気液分離器（８）の液相出口（８ｃ）から流出された非抽出冷媒成分は、気化器（９）によって加熱気化された後、アキュムレータ（６）から流出される戻り冷媒と合流して、圧縮機（１）に戻るものである。

以上のように、本実施形態の冷凍サイクルにおいても、上記と同様に同様の効果を得ることができる。

すなわち本冷凍サイクルにおいては、低沸点の主冷媒成分を抽出し、その抽出冷媒成分のみを蒸発器（５）によって蒸発させるようにしているため、蒸発器（５）内で抽出冷媒成分は、ほとんど温度変化せずに、蒸発器全域において効率良く熱交換することができる。

さらに本実施形態の冷凍サイクルによれば、中間熱交換器（３）によって、往き冷媒と戻り冷媒を熱交換するものであるため、より一層効率良く熱交換することができる。

また本実施形態において、気化器（７）の加熱源としてエンジンから発生する廃熱を利用しているため、熱エネルギーの有効利用を図ることができる。

さらに本実施形態において、冷媒回路のうち、副冷媒成分を多く含む非抽出冷媒成分が循環する回路部分、たとえば圧縮機（１）、ガスクーラー（２）、気液分離器（８）、気化器（９）などの副冷媒成分回路部分を、エンジンルーム内などの運転室外部に配置することにより、ジメチルエーテルなどの可燃性冷媒が運転室内に循環するなどの不具合を確実に防止することができる。

なお上記実施形態においては、非共沸性混合冷媒の副冷媒成分としてジメチルエーテルを用いる場合を例に挙げて説明したが、それだけに限られず、本発明においては、副冷媒成分としてジメチルエーテル以外のものを用いることも可能である。たとえば副冷媒成分として、イソブタン、ブタン、プロパン、ペンタン、メタン、エタンなどの炭化水素系冷媒を用いることもできる。

さらに上記実施形態においては、本発明の冷凍サイクルを自動車用エアコンの冷凍システムに適用した場合を例に挙げて説明したが、それだけに限られず、本発明の冷凍システムは、ルームエアコンなどの他の冷凍システムに適用することも可能である。

この発明の熱交換器およびその関連技術は、例えば自動車用エアコンの冷凍システムに採用可能である。

この発明の第１実施形態である自動車用エアコンにおける冷凍サイクルの回路図である。 この発明の第２実施形態である自動車用エアコンにおける冷凍サイクルの回路図である。 蒸発過程における冷媒温度と乾き度との関係を示すグラフである。 冷凍サイクルの基本構成を示す冷媒回路図である。

符号の説明

１…圧縮機
２…ガスクーラー（冷媒冷却器）
３…中間熱交換器
４…膨張弁（減圧手段）
５…蒸発器
７…成分分離蒸発装置（冷媒抽出手段）
８…気液分離器（冷媒抽出手段）
９…気化器

Claims (16)

1. 圧縮機によって圧縮された冷媒が、冷媒冷却器によって冷却されるとともに、その冷却冷媒が減圧手段によって減圧されてから蒸発器によって蒸発されて、戻り冷媒として前記圧縮機に戻されるようにした冷凍サイクルであって、
   冷媒として、二酸化炭素からなる主冷媒成分に、それよりも沸点が高い副冷媒成分を含む非共沸性混合冷媒が用いられる一方、
   前記冷媒冷却器と前記減圧手段との間に、前記冷媒冷却器によって冷却された冷媒から、主冷媒成分を多く含む冷媒成分を抽出する冷媒抽出手段と、前記冷媒抽出手段によって抽出された抽出冷媒成分を冷却する中間熱交換器と、が設けられ、
   前記中間熱交換器によって冷却された抽出冷媒成分が前記減圧手段に送り込まれるよう構成されたことを特徴とする冷凍サイクル。
2. 前記冷媒抽出手段は、冷媒成分を加熱して蒸発分離する成分分離蒸発装置をもって構成される請求項１に記載の冷凍サイクル。
3. 前記冷媒抽出手段によって抽出されなかった非抽出冷媒成分が、戻り冷媒に合流され、前記圧縮機に戻るよう構成される請求項１または２に記載の冷凍サイクル。
4. 前記冷媒抽出手段は、冷媒成分を気液分離して、気相冷媒成分を抽出冷媒成分として抽出する気液分離器をもって構成される請求項１に記載の冷凍サイクル。
5. 前記気液分離器によって分離された非抽出冷媒成分としての液相冷媒成分が、気化器によって加熱気化されて、戻り冷媒に合流され、前記圧縮機に戻るよう構成される請求項４に記載の冷凍サイクル。
6. 前記中間熱交換器は、抽出冷媒成分と戻り冷媒との間で熱交換されるよう構成される請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル。
7. 前記冷媒冷却器は、ガスクーラーをもって構成される請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル。
8. 副冷媒成分として、炭化水素系冷媒が用いられる請求項１〜７のいずれか１項に記載の冷凍サイクル。
9. 副冷媒成分として、ジメチルエーテルが用いられる請求項１〜８のいずれか１項に記載の冷凍サイクル。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載された冷凍サイクルを備えたことを特徴とする自動車用エアコン。
11. 請求項３または５に記載された冷凍サイクルを備えた自動車用エアコンであって、
    冷凍サイクルを構成する冷媒回路のうち、非抽出冷媒成分が循環する冷媒回路部分がエンジンルーム内に配置されることを特徴とする自動車用エアコン。
12. 請求項２に記載された冷凍サイクルを備えた自動車用エアコンであって、
    前記成分分離蒸発装置の熱源として、動力発生機関から発生する廃熱が用いられることを特徴とする自動車用エアコン。
13. 請求項５に記載された冷凍サイクルを備えた自動車用エアコンであって、
    前記気化器の熱源として、動力発生機関から発生する廃熱が用いられることを特徴とする自動車用エアコン。
14. 圧縮機によって圧縮された冷媒を、冷媒冷却器によって冷却するとともに、その冷却冷媒を減圧手段によって減圧してから蒸発器によって蒸発させて、戻り冷媒として前記圧縮機に戻すようにした冷凍方法であって、
    冷媒として、二酸化炭素からなる主冷媒成分に、それよりも沸点が高い副冷媒成分を含む非共沸性混合冷媒を用いる一方、
    前記冷媒冷却器によって冷却された冷媒から、主冷媒成分を多く含む冷媒成分を抽出してから、その抽出冷媒成分を冷却して、前記減圧手段に送り込むようにしたことを特徴とする冷凍方法。
15. 冷媒として、二酸化炭素からなる主冷媒成分に、それよりも沸点が高い副冷媒成分を含む非共沸性混合冷媒が用いられる一方、圧縮機によって圧縮された冷媒を、冷媒冷却器によって冷却して、中間熱交換器によってさらに冷却するとともに、その冷却冷媒を減圧手段によって減圧してから蒸発器によって蒸発させて、戻り冷媒として前記圧縮機に戻すようにした冷凍サイクルにおいて、前記冷媒冷却器によって冷却された冷媒から、所要の冷媒成分を抽出して、前記中間熱交換器に送り込むための冷凍サイクル用成分分離蒸発装置であって、
    冷媒成分を加熱して蒸発分離することにより、主冷媒成分を多く含む冷媒成分を抽出するようにしたことを特徴とする冷凍サイクル用成分分離蒸発装置。
16. 冷媒として、二酸化炭素からなる主冷媒成分に、それよりも沸点が高い副冷媒成分を含む非共沸性混合冷媒が用いられる一方、圧縮機によって圧縮された冷媒を、冷媒冷却器によって冷却して、中間熱交換器によってさらに冷却するとともに、その冷却冷媒を減圧手段によって減圧してから蒸発器によって蒸発させて、戻り冷媒として前記圧縮機に戻すようにした冷凍サイクルにおいて、前記冷媒冷却器によって冷却された冷媒から、所要の冷媒成分を抽出して、前記中間熱交換器に送り込むための冷凍サイクル用気液分離器であって、
    冷媒成分を気液分離して、気相冷媒成分を抽出するようにした冷凍サイクル用気液分離器。

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