JP2007178072A - 車両用空調装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】放熱器出口側冷媒温度を従来のように自冷媒で冷却するのではなく、新たな熱媒体を用いて放熱器出口側冷媒温度を低下させることで、高い外気温度でのアイドル運転時のおける冷凍能力を向上させるを可能にした車両用空調装置を提供する。
【解決手段】第一圧縮機と、第一圧縮機によって圧縮した冷媒を放熱させる第一放熱器と、第一放熱器によって放熱した冷媒を減圧させる第一減圧手段と、第一減圧手段により減圧した冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器を出た低圧冷媒を気冷媒と液冷媒に分離する気液分離器とを備えた第一冷凍サイクルを有し、該第一冷凍サイクルの第一放熱器出口側と第一減圧手段入口側の間に膨張機を設けるとともに、該膨張機にて断熱膨張する際の減圧膨張エネルギーを動力源とする第二圧縮機を備えた、カスケードサイクルとしての第二冷凍サイクルを設けたことを特徴とする車両用空調装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用空調装置に関し、特に二酸化炭素等の自然系冷媒を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクルを有する場合に好適な車両用空調装置に関する。
環境問題への配慮の側面から、車両用空調装置においても、代替冷媒として二酸化炭素等の自然系冷媒の使用が提案されている。二酸化炭素冷媒は無毒、不燃性であるが、圧縮機吐出冷媒温度が高く、理論エネルギー効率が低い。そこで、放熱器出口側冷媒と圧縮機吸入側冷媒を熱交換させる内部熱交換器を設け、高圧冷媒と低圧冷媒を熱交換させることで、放熱器出口側冷媒の比エンタルピを低減し、同時に高圧側圧力の上昇を抑制することを可能とし、冷凍サイクル効率を向上させる手段が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開平１１−１９３９６７号公報
しかしながら、二酸化炭素冷媒の臨界温度（約３２℃）よりも高い外気温度であることが多い夏場でかつアイドル運転中は、冷凍サイクルへ、特にガスクーラの熱負荷が高まり、圧縮機吸入側の冷媒温度（過熱度）が上昇する。すると、内部熱交換器での放熱能力が低くなり、放熱器出口側冷媒温度を下げにくくなってしまう。そのような状況のまま減圧機へ流通させ、蒸発器にて蒸発させても冷凍能力は著しく低くなってしまう。
そこで本発明の課題は、上記のような問題点に着目し、放熱器出口側冷媒と熱交換する第二冷凍サイクルを設け、放熱器出口側冷媒温度を従来のように自冷媒で冷却するのではなく、新たな熱媒体を用いて放熱器出口側冷媒温度を低下させることで、高い外気温度でのアイドル運転時における冷凍能力を向上させることを可能にした車両用空調装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明に係る車両用空調装置は、冷媒を圧縮する第一圧縮機と、第一圧縮機によって圧縮した冷媒を放熱させる第一放熱器と、第一放熱器によって放熱した冷媒を減圧させる第一減圧手段と、第一減圧手段により減圧した冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器を出た低圧冷媒を気冷媒と液冷媒に分離する気液分離器とを備え、それらを順次、冷媒流路にて環状に接続した第一冷凍サイクルを有し、該第一冷凍サイクルの第一放熱器出口側と第一減圧手段入口側の間に膨張機を設けるとともに、該膨張機にて断熱膨張する際の減圧膨張エネルギーを動力源とする第二圧縮機を備えた、カスケードサイクルとしての第二冷凍サイクルを設けたことを特徴とするものからなる。
この車両用空調装置においては、上記第二冷凍サイクルとしては、例えば、第一冷凍サイクルの膨張機による減圧膨張エネルギーを動力源とする第二圧縮機と、第二圧縮機によって圧縮した冷媒を放熱する第二放熱器と、第二放熱器によって放熱した冷媒を減圧させる第二減圧手段とを備えた冷凍サイクルであって、第一冷凍サイクルの膨張機から第一減圧手段に至る間の冷媒と、第二冷凍サイクルの第二減圧手段から第二圧縮機に至る間の冷媒とを熱交換する手段（熱交換器）を備えているものに構成することができる。
また、上記膨張機としては、羽根車を有するもの、例えば、排気ガスターボ過給機と同様にタービン羽根車を有する構造に構成できる。
また、上記第二放熱器は、第一放熱器と一体化されている構造に構成できる。一体化構成とすることにより、部品点数の増加を抑えることができ、車両への搭載性を向上できる。ただし、これらは別体に構成されてもよい。
上記第二冷凍サイクルに使用される冷媒としては、例えば、HFC系、HC系または自然系冷媒を使用可能である。また、本発明は、とくに、上記第一冷凍サイクルに使用される冷媒が二酸化炭素からなる場合に有効なものである。
本発明に係る車両用空調装置によれば、従来の内部熱交換器を備えた冷凍サイクルと比較して、高い外気温度でのアイドル運転時における第一冷凍サイクルの放熱器出口側冷媒温度を低減でき、蒸発器における冷凍能力を向上できるので、高い外気温度でかつアイドル運転中であっても、車両用空調装置としての冷却能力を高く維持することができる。同時に、第一圧縮機へ吸入される冷媒を暖めることがないので、圧縮機吸込み蒸気の比体積は小さく、体積効率が向上するため、圧縮機の動力を低減できる。また、第一冷凍サイクル中の圧縮機動力を膨張機にて第二冷凍サイクルの第二圧縮機用動力源として回収するので、第二冷凍サイクル中における冷媒を新たな動力源無しに駆動、循環させることができる。このような構成により、冷凍サイクル全体としての成績係数を向上することができる。
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る車両用空調装置の第一、第二冷凍サイクルの回路構成を示している。図１の構成において、１は車両室内を冷やす冷凍サイクルであり、本発明における第一冷凍サイクルを示している。この第一冷凍サイクル１中には、冷媒を圧縮する第一圧縮機１１と、第一圧縮機１１にて圧縮された冷媒を放熱する第一放熱器１２（ガスクーラ）が設けられている。冷媒流れ方向に、第一放熱器１２の下流側には、冷媒を減圧、膨張させる機能とその減圧過程における減圧膨張エネルギーを回収する（等エントロピー変化）膨張機１３が設けられている。冷凍サイクル１中の膨張機１３による断熱膨張は外部に仕事を行なって温度および圧力を下げる等エントロピー膨張である。因みに従来の膨張弁を使用した絞り膨張では外部に対して仕事が行なわれない等エンタルピー膨張となる。膨張機１３の下流側には、第二冷凍サイクル２にて蒸発器の役割を持ち、かつ第一冷凍サイクル１と第二冷凍サイクル２の冷媒間で熱交換させる手段としての熱交換器１４が設けられており、本実施態様では、熱交換器１４は後述のような二重管式熱交換器に構成されている。つまり、この第二冷凍サイクル２は、第一冷凍サイクル１との間で熱交換が行われるカスケードサイクルとして構成されている。１５は、第一冷凍サイクル１において、二重管式熱交換器１４から流出した冷媒を減圧させる減圧機を示している。第一減圧機１５で減圧された冷媒は、蒸発器１６（エバポレータ）にて蒸発される。１７は、蒸発器１６から流出した気液混合冷媒を気液分離し、気冷媒のみを第一圧縮機１１へ流入させる気液分離器を示している。一方、液冷媒は気液分離器１７内に貯留される。ここで、第一冷凍サイクル１の冷媒は例えば二酸化炭素冷媒とされ、第二冷凍サイクル２の冷媒は例えばHFC134aとされる。
本発明の特徴とするところは第一冷凍サイクル１の膨張機１３にて減圧膨張エネルギーを回収し、そのエネルギーを第二冷凍サイクル２の第二圧縮機２１の動力源としたことにある。第二冷凍サイクル２では、第二圧縮機２１にて冷媒を圧縮し、第二放熱器２２にて放熱する。この時、第二放熱器２２は、第一放熱器１２と一体化された構成としてもよい。第二放熱器２２にて放熱した冷媒を減圧させる第二減圧機２３を経て、第二冷凍サイクル２の蒸発器とも言える二重管式熱交換器１４にて冷媒を蒸発させる。ここで、第一冷凍サイクル１と第二冷凍サイクル２を熱交換させることで、第一冷凍サイクル１の第一放熱器１２の出口側冷媒温度を低下できる。また、第二冷凍サイクル２に使用する第二減圧機２３としては、コストを考慮し、オリフィス・チューブを用いてもよい。ただし、第二冷凍サイクルの負荷変動を考慮し、二重管式熱交換器１４にバッファ機能を持たせておくことが望ましい。
ここで、熱力学第一法則（エネルギー保存則）から第一冷凍サイクル１と第二冷凍サイクル２とを熱交換する二重管式熱交換器１４における交換熱量はほぼ同等である。また、第一冷凍サイクル１中の膨張機１３における断熱膨張（等エントロピー膨張）時の回収エネルギーも第二冷凍サイクル２の第二圧縮機２１に入力される動力とほぼ等しくなる。
図２は、膨張機１３およびそれに直結された第二圧縮機２１の具体的な構成例を示す概略断面図であり、排気ガスターボ過給機と同様にタービン羽根車を有する構造に構成した場合の一例を示している。図２において、４１は膨張機１３およびそれに直結された第二圧縮機２１内の羽根車を示しており、それらがシャフト４３で接続され、それぞれケーシング４２内に収められている。この図２は、第一冷凍サイクル１の第一放熱器１２から第一冷凍サイクル１の二重管式熱交換器１４へ流通する経路で第一冷凍サイクル１における減圧工程４４があり、第二冷凍サイクル２の二重管式熱交換器１４から第二冷凍サイクル２の第二放熱器２２へ流通する経路で第二冷凍サイクル２における圧縮工程４５があることを示している。上述の通り、第一冷凍サイクル１における減圧工程４４にて回収した減圧膨張エネルギーは第二冷凍サイクル２における圧縮工程４５に使用されているので、第二冷凍サイクル２の駆動、冷媒循環のための新たな駆動源は必要が無く、回収した動力分が入力されることになる。
図３は、上記熱交換器１４として用いられる二重管式熱交換器の具体的な構成例を示している。本例に係る二重管式熱交換器５１では、第一冷凍サイクル１の膨張機１３から流出する冷媒と、第二冷凍サイクル２の第二減圧機２３から流出する冷媒とを対向流で熱交換するようになっている。このような二重管式熱交換器５１を使用することで、空気冷却用熱交換器にて熱交換させる場合よりも、熱交換に必要な管長を節減でき、特に形状、寸法等の制限のある車両への搭載時には有利である。また、対向流とすることで熱交換効率の向上も期待できる。ただし、熱交換器１４の構造は、本例の構造に限定されるものではない。
図４（Ａ）、（Ｂ）は、第一冷凍サイクル１の第一放熱器１２と第二冷凍サイクル２の第二放熱器２２を一体的に構成した一体化放熱器６１の構造の一例を示している。二酸化炭素冷媒は圧縮機吐出冷媒温度が高いので、この一体化放熱器６１では熱交換面積を増やす構造が採られている。例えば、パス数やターン数を増大させる手段が挙げられる。部品点数の削減、もしくは、特に、車両への搭載性を考慮すると、このような一体化構造が望ましい。
上記のように構成された車両用空調装置においては、高い外気温度でかつアイドル運転時であっても、第一冷凍サイクル１の第一放熱器１２の出口側冷媒温度を、熱交換器１４による第二冷凍サイクル２の冷媒との熱交換より低減できるので、蒸発器１６における冷凍能力を向上することができる。また、第一圧縮機１１へ吸入される冷媒を暖めることがないので、圧縮機吸込み蒸気の比体積を小さくして体積効率を向上させ、それによって圧縮機動力を低減できる。また、第一冷凍サイクル１の圧縮機動力を膨張機１３にて回収し、それを第二冷凍サイクル２の駆動源として利用しているので、第二冷凍サイクル２を新たな動力源無しに駆動できる。したがって、冷凍サイクル全体としての成績係数の向上をはかることもでき、極めて高い効率の冷凍サイクルを実現できる。
本発明に係る車両用空調装置は、特に二酸化炭素冷媒を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクルを有する車両用空調装置に好適なものである。
本発明の一実施態様に係る車両用空調装置における冷凍サイクルの回路構成図である。 図１の膨張機およびそれに直結された第二圧縮機の構成例を示す概略断面図である。 図１の熱交換器１４として用いられる二重管式熱交換器の具体的な構成例を示した概略斜視図である。 図４は第一放熱器と第二放熱器を一体的に構成した一体化放熱器の構造の一例を示しており、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。
符号の説明
１ 第一冷凍サイクル
２ 第二冷凍サイクル
１１ 第一圧縮機
１２ 第一放熱器（ガスクーラ）
１３ 膨張機
１４ 熱交換器
１５ 第一減圧機（第一減圧手段）
１６ 蒸発器
１７ 気液分離器
２１ 第二圧縮機
２２ 第二放熱器
２３ 第二減圧機（第二減圧手段）
４１ 羽根車
４２ ケーシング
４３ シャフト
４４ 減圧工程
４５ 圧縮工程
５１ 二重管式熱交換器
６１ 一体化放熱器

Claims (6)

  1. 冷媒を圧縮する第一圧縮機と、第一圧縮機によって圧縮した冷媒を放熱させる第一放熱器と、第一放熱器によって放熱した冷媒を減圧させる第一減圧手段と、第一減圧手段により減圧した冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器を出た低圧冷媒を気冷媒と液冷媒に分離する気液分離器とを備え、それらを順次、冷媒流路にて環状に接続した第一冷凍サイクルを有し、該第一冷凍サイクルの第一放熱器出口側と第一減圧手段入口側の間に膨張機を設けるとともに、該膨張機にて断熱膨張する際の減圧膨張エネルギーを動力源とする第二圧縮機を備えた、カスケードサイクルとしての第二冷凍サイクルを設けたことを特徴とする車両用空調装置。
  2. 前記第二冷凍サイクルは、前記第一冷凍サイクルの膨張機による減圧膨張エネルギーを動力源とする第二圧縮機と、第二圧縮機によって圧縮した冷媒を放熱する第二放熱器と、第二放熱器によって放熱した冷媒を減圧させる第二減圧手段とを備えた冷凍サイクルであって、前記第一冷凍サイクルの膨張機から第一減圧手段に至る間の冷媒と、前記第二冷凍サイクルの第二減圧手段から第二圧縮機に至る間の冷媒とを熱交換する手段を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の車両用空調装置。
  3. 前記膨張機が羽根車を有するものからなることを特徴とする、請求項１または２に記載の車両用空調装置。
  4. 前記第二放熱器が第一放熱器と一体化されていることを特徴とする、請求項２または３に記載の車両用空調装置。
  5. 前記第二冷凍サイクルに使用される冷媒がHFC系、HC系または自然系冷媒からなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の車両用空調装置。
  6. 前記第一冷凍サイクルに使用される冷媒が二酸化炭素からなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の車両用空調装置。
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