JP2007225152A

JP2007225152A - 空調装置

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Publication number: JP2007225152A
Application number: JP2006044421A
Authority: JP
Inventors: Shin Nishida; 伸西田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2007-09-06
Also published as: DE602006002589D1; EP1820678A1; EP1820678B1

Abstract

【課題】部品コストの低減および冷凍サイクル効率の向上が図れる空調装置を実現する。
【解決手段】超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用され、圧縮機１００から吐出された高圧冷媒を冷却する放熱器２００を備える空調装置において、放熱器２００は、外部から取り入れられた空気を冷媒流出側近傍の空気側通路に重点的に導くための誘導部材７００の風下側に配置される。これにより、部品コストの低減および冷凍サイクル効率の向上が図れる。
【選択図】図２

Description

本発明は、高圧側の圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルを用いた空調装置に関するものであり、特に高圧冷媒を冷却する放熱器に関する。

一般的なフロン系の冷媒を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルの放熱用熱交換器においては凝縮現象が起こることで凝縮中の冷媒温度は一定である。一方、炭酸ガスを用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいては、高温環境下において高圧側の圧力が超臨界となるため冷媒が超臨界流体となる。

このため放熱器の流入口から流出口に向かって冷媒が空気へ放熱するとともに徐々に温度が低下することになる。つまり、この種の放熱器は冷却用空気温度を低下させることで冷凍サイクル効率の向上が図れる。

従来、この種の空調装置として、例えば、特許文献１に示されるものが知られている。この特許文献１では、放熱器に向かうように外部から取り入れた空気を導くための誘導部材を放熱器の風上側に備えている。

この誘導部材は、放熱器全体の空気側通路を囲うようにその放熱器の周囲に延びた枠形で形成し、かつ放熱器の空気流れにおける上流に向けて開いた形状を有している。さらに、エンジンルーム内で温められた空気が放熱器周辺を通って空気側通路に流れ込むことを邪魔するように下流側が放熱器と一体的に配設されている。

そして、外部から取り入れた空気が誘導部材を介して放熱器に向けて導かれ、内部に流通する冷媒の放熱を促進するようにしている。これにより、エンジンで温められた空気が放熱器周辺を通って流れ込むことを邪魔するとともに、エンジンルームに導入された外気を放熱器側に誘導することで冷却用空気温度を低下させるようにしている。
特開２００１−２０１１９３号公報

しかしながら、上記特許文献１の構成によれば、一般的に車両に搭載する放熱器は車両側に防振部材を介して取り付けられていることで誘導部材が放熱器と一緒に振動している。つまり、誘導部材には、振動による剛性および車両側と干渉しない複雑な形状が要求されることで部品コストが高い問題がある。

また、上記特許文献１では、車両が停車中に車両後方から風が吹いているときは、エンジンルームで温められた高温の空気が車両前方から回り込んで誘導部材により導かれることもある。特に、最も冷媒温度が低くなる冷媒流出部近傍の空気側通路に流れる冷却用空気が外気よりも高い温度となって誘導されることもある。これにより、冷凍サイクル効率を低下させる問題がある。

そこで、本発明の目的は、部品コストの低減および冷凍サイクル効率の向上が図れる空調装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項５に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、高圧側の圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用され、圧縮機（１００）から吐出された高圧冷媒を冷却する放熱器（２００）を備える空調装置において、
放熱器（２００）は、外部から取り入れられた空気を放熱器（２００）の空気側通路に対して冷媒流出側近傍の空気側通路に重点的に導く誘導部材（７００）の風下側に配置されることを特徴としている。

この発明によれば、放熱器（２００）の冷媒流出側近傍の空気側通路を重点的に冷却することができることで冷凍サイクル効率の向上が図れる。なお、冷媒流出側近傍以外の空気側通路では、まだ，冷媒温度が高い状態であるため、冷却用空気と冷媒との温度差が確保されていることで熱交換特性を低下させる要因とはならない。

請求項２に記載の発明では、放熱器（２００）は、冷媒の流れ方向が略水平方向に流れるように形成し、かつ冷媒流出側近傍の空気側通路が放熱器（２００）の空気側通路に対して下方側に形成されており、誘導部材（７００）は、複数に分けられたガイド部材（７０１〜７０５）で、放熱器（２００）の下方側の空気側通路を重点的に囲うように配置されることを特徴としている。

この発明によれば、複数のガイド部材（７０１〜７０５）で放熱器（２００）全体を囲うよりも冷媒流出側近傍の空気側通路を重点的に囲うことで、誘導部材（７００）を簡素な形状で、かつ小型にすることができる。これにより、部品コストの低減が図れる。

請求項３に記載の発明では、複数のガイド部材（７０１〜７０５）には、冷媒流入側近傍の空気側通路と冷媒流出側近傍の空気側通路とを仕切る仕切り部材（７０１）が配置されていることを特徴としている。

この発明によれば、複数のガイド部材（７０１〜７０５）で放熱器（２００）全体の空気側通路を囲うための誘導部材（７００）が配設された車両の場合において、仕切り部材（７０１）を設けることで冷媒流出側近傍の空気側通路を重点的に囲うことができる。

請求項４に記載の発明では、複数のガイド部材（７０２〜７０５）のそれぞれは、回り込み空気が冷媒流出側近傍の空気側通路に向けて流れ込むことを抑制するように形成していることを特徴としている。

この発明によれば、放熱器（２００）周辺の温度の高い空気が流れ込むこともなく複数のガイド部材（７０２〜７０５）によって導かれた温度の低い冷却用空気が冷媒流出側近傍の空気側通路に流れるので冷凍サイクル効率の向上が図れる。

請求項５に記載の発明では、放熱器（２００）を車両に搭載されたラジエータ（６００）の空気流れ上流側に配置する車両用の空調装置であって、誘導部材（７００）は、複数のガイド部材（７０１〜７０５）が車体側に配置されていることを特徴としている。

この発明によれば、車両用の空調装置では、車両が停車中に車両後方から風が吹いているときに、エンジンルーム内で温められた空気が車両前方から回り込んでくるが、放熱器（２００）全体を囲う従来の誘導部材（７００）よりも一部を重点的に囲う本発明の方が冷媒流出側近傍の空気側通路に流れる冷却用空気の温度上昇を軽減できる。

また、ガイド部材（７０１〜７０５）が車体側に配置されていることで、放熱器（２００）側の防振部材が簡素にできる。これにより、部品コストが上昇することはない。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態における空調装置を図１および図２に基づいて説明する。本実施形態は本発明に係わる超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルの放熱器２００を車両用空調装置に適用したものであって、図１は超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルの車両搭載形態を示す模式図、図２（ａ）は放熱器２００および誘導部材７００の全体構成を示す模式図、図２（ｂ）は（ａ）に示すＡ矢視図である。

本実施形態の空調装置は、図１に示すように、圧縮機１００、放熱器２００、減圧手段３００、冷媒蒸発器４００、およびアキュームレータ５００を順に冷媒回路で接続している。その冷媒回路は、冷媒として、二酸化炭素（ＣＯ_２）が封入された超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルからなっている。

圧縮機１００は低温低圧の気相冷媒を吸い込んで高温高圧の超臨界状態に冷媒を圧縮する。走行用エンジン（図示せず）を駆動源として、プーリー、Ｖベルト（図示せず）からなる動力伝達手段よりクラッチ（図示せず）を介して駆動されるようにしている。

放熱器２００は、圧縮機１００で圧縮された高温高圧の冷媒と空気とを熱交換させて冷媒を冷却するガスクーラであり、図示しないラジエータファンで車室外の空気を取り入れて放熱器２００を通過させることで内部を流れる高圧冷媒を冷却する。内部の圧力は冷媒の臨界圧力を超える超臨界圧力である。なお、放熱器２００の詳細は後述する。

減圧手段３００は、放熱器２００で冷却された冷媒を流入して減圧するとともに、成績係数ＣＯＰが最大となるように放熱器２００で冷却された流出側の冷媒温度を制御する圧力制御弁である。例えば、特開平９−２６４６２２号公報に記載されたものを用いている（詳細の説明は省略する）。

冷媒蒸発器４００は、減圧手段３００で減圧された気相２相冷媒と室内ファン（図示せず）で送風される室内空気とを熱交換させて気相２相冷媒を蒸発させる蒸発器である。なお、冷媒蒸発器４００は、室内ファン（図示せず）とともに車室内前方のインストルメントパネル内に配置される空調ケース（図示せず）内に収容されている。

アキュームレータ５００は、冷媒蒸発器４００で蒸発された冷媒を流入して、気相冷媒と液相冷媒とに分離させる容器であり、気相冷媒と液相冷媒との比重により容器の下方に液相部、容器の上方に気相部が形成されるように構成している。そして、アキュームレータ５００で気液分離された冷媒のうち、気相部に貯められた気相冷媒が圧縮機１００に吸入される。

次に、放熱器２００および誘導部材７００について図２に基づいて説明する。放熱器２００は、図２（ｂ）に示すように、車両前方に搭載されるラジエータ６００の空気流れ上流側に配置され、ラジエータ６００の空気流れ下流側に配置された冷却用ファン（図示せず）で車両前方から外気を取り入れて高圧冷媒および走行用エンジンで発生する熱を冷却するように構成している。

本実施形態の放熱器２００は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、熱交換コア部２１０の左右端にはそれぞれヘッダー２２０を設け、そのヘッダー２２０間を複数本からなる冷媒チューブ２１０ａで接続するように構成するとともに、冷媒流れが左方側のヘッダー２２０から略水平方向に右方側のヘッダー２２０に流してＵターンさせて左方側のヘッダー２２０に流れるように形成する。

そして、冷媒チューブ２１０ａと、その間に配設された波状のコルゲートフィン２１０ｂとにより冷媒チューブ２１０ａ内を流れる高圧冷媒を冷却する熱交換コア部２１０を形成している。

また、図中に示す２３０は圧縮機１００の吐出側に通ずる冷媒流入部であって、左方側のヘッダー２２０の上方側に設けられ、図中に示す２４０は減圧手段に通ずる冷媒流出部であって、左方側のヘッダー２２０の下方側に設けられている。なお、左方側のヘッダー２２０内には、上方側と下方側とを区画する図示しない区画板が略中間部に設けられている。

これにより、圧縮機１００で圧縮された冷媒は、冷媒流入部２３０から左方側のヘッダー２２０の上方に流入し、左方側のヘッダー２２０から右方側のヘッダー２２０に向けて冷媒チューブ２１０ａ内を流れる。

そして、左方側のヘッダー２２０の上方に流入した冷媒は、左方側のヘッダー２２０内を下方に向けて流れ、右方側のヘッダー２２０から左方側のヘッダー２２０に向けて冷媒チューブ２１０ａ内を流れて冷媒流出部２４０から流出するように流れる。

つまり、冷媒流入部２３０から流入した冷媒の流れは、図中に示す矢印のように、空気側通路の上方側から空気側通路の下方側にＵターンするように流れる。このときに、車両前方から取り入れた空気と熱交換して冷媒チューブ２１０ａ内を流れる冷媒が冷却される。

ところで、二酸化炭素（ＣＯ_２）を冷媒とする冷凍サイクルでは、高圧側の圧力が臨界圧力以上となる運転状態において、冷媒温度は放熱とともに低下し、冷媒流出部２４０、およびその近傍の空気側通路では空気温度に近い温度まで冷却される。

つまり、放熱器２００全体の空気側通路に対して冷媒流出部２４０近傍の空気側通路では、冷えた冷媒と冷たい空気とで熱交換することで放熱器２００の熱交換効率が向上し、結果として冷凍サイクル効率の向上が図れる。

そこで、放熱器２００全体の空気側通路のうち、冷媒流出部２４０近傍の空気側通路である空気側通路の下方側を誘導部材７００で重点的に囲うように構成している。この誘導部材７００は、車両前方の導風口（図示せず）から取り入れた空気を空気側通路の下方側に重点的に導くように、略矩形状の筒状となるように複数のガイド部材７０１〜７０４で形成している。

複数のガイド部材７０１〜７０４は、それぞれの一端が車両のカウルまたはラジエータ６００の保持金具などの車体側９００に支持されるように形成し、それらの他端側が空気側通路の下方側の一辺を囲むように形成している。より具体的には、空気側通路の下方側の四方を囲うように、略水平方向かつ前後方向に拡がって配置される上下のガイド部材７０１、７０２と、略上下方向かつ前後方向に拡がって配置される左右のガイド部材７０３、７０４とに分けられている。

ガイド部材７０１、７０２は、冷媒流出側近傍の空気通路の上下に位置しており、略水平方向かつ前後方向に沿って拡がる板状部材である。ガイド部材７０３、７０４は、冷媒流出側近傍の空気通路の左右に位置しており、略上下方向かつ前後方向に沿って拡がる板状部材である。

上方に配置されるガイド部材７０１は、放熱器２００の前面（空気流れ上流側）において、冷媒流入部２３０近傍の空気側通路（上方領域）と冷媒流出部２４０近傍の空気側通路（下方領域）とを仕切る仕切り部材であるとともに、放熱器２００前面の上方領域から放熱器２００前面の下方領域への空気の回り込みを抑制する回り込み抑制部材でもある。ここでは、風下側全体が上方領域と下方領域とを仕切る部位に設けられている。

下方に配置されるガイド部材７０２は、放熱器２００の周囲から放熱器２００の前面側への空気の回り込みを抑制する回り込み抑制部材である。このガイド部材７０２は、その他端側が放熱器２００の冷媒流出部２４０近傍の空気側通路近傍に少なくとも配置される。

さらに、ガイド部材７０２は、放熱器２００の上方から放熱器２００の前面への空気の回り込みよりも、放熱器２００の下方から放熱器２００の前面への空気の回り込みをより確実に、かつより少量に抑えるための部材である。ここでは、風下側が放熱器２００の下方端のほぼ全幅に渡って設けられている。

左右に配置されるガイド部材７０３、７０４は、放熱器２００の側部上方から放熱器２００の前面への空気の回り込みよりも、放熱器２００の側部下方から放熱器２００の前面への空気の回り込みをより確実に、かつより少量に抑えるための部材である。このガイド部材７０３、７０４は放熱器２００の側部のうち、その高さ方向に対して下方側に設けられている。ガイド部材７０３、７０４のうち、一方のガイド部材７０３は、冷媒流出部２４０近傍に少なくとも配置される。

上述した他に、上方に配置されるガイド部材７０１は、放熱器２００の前面上における望ましくない空気の回り込みを抑制する部材であり、また、ガイド部材７０２、７０３、７０４は、放熱器２００の周囲のうち、放熱器２００の冷媒流れ下流領域の周囲から放熱器２００の前面への空気の回り込み量を、放熱器２００の冷媒流れ上流領域の周囲から放熱器２００の前面への空気の回り込み量よりも少量に抑える部材である。

そして、複数のガイド部材７０１〜７０４それぞれは、それらの風下側に最適な隙間を介して放熱器２００の風上側に配置されている。つまり、それらの風下側が放熱器２００の振動によって振れる変位量に応じた最適な隙間を形成するように配置されている。

また、複数のガイド部材７０１〜７０４は、耐熱性の有する樹脂材料で形成しても良いし、アルミ、鉄などの金属材料の板材で形成しても良い。これにより、誘導部材７００を簡素な形状で形成することができる。なお、これらの複数のガイド部材７０１〜７０４は、放熱器２００が搭載される車両の構造に応じて車体の一構成部品によって提供されても良い。

以上の構成による誘導部材７００によれば、複数のガイド部材７０１〜７０４で囲われた部位、すなわち、熱交換コア部２１０の冷媒流出側近傍は、放熱器２００周辺の温度の高い空気が流れ込むことなく誘導部材７００で導かれた温度の低い空気を流すことができる。

一方、複数のガイド部材７０１〜７０４で囲われなかった部位は、まだ、冷媒温度が放熱器２００周辺の空気温度に対して温度差を確保することができるため熱交換特性を低下させる要因とはならない。

ところで、この種の誘導部材７００を放熱器２００の風上側に配設したときと誘導部材７００を設けないときとの温度特性を比較すると、誘導部材７００を配設したときの方が冷媒流出側近傍の冷媒温度が約５℃低下させることができる。因みに、冷媒流出部２４０で約５℃低下させることで冷凍サイクル効率を約１５％向上させることができる。

なお、以上の実施形態では、冷媒流入部２３０、冷媒流出部２４０および冷媒流出側近傍を左方側に形成したが、これに限らず、冷媒流入部２３０、冷媒流出部２４０および冷媒流出側近傍を右方側に形成しても良い。

以上の第１実施形態による空調装置によれば、放熱器２００は、外部から取り入れられた空気を放熱器２００の空気側通路に対して冷媒流出側近傍の空気側通路に重点的に導く誘導部材７００の風下側に配置される。

これによれば、放熱器２００の冷媒流出側近傍の空気側通路を重点的に冷却することができることで冷凍サイクル効率の向上が図れる。なお、冷媒流出側近傍以外の空気側通路では、まだ，冷媒温度が高い状態であるため、冷却用空気と冷媒との温度差が確保されていることで熱交換特性を低下させる要因とはならない。

また、誘導部材７００は、複数に分けられたガイド部材７０１〜７０４で、放熱器２００の冷媒流出側近傍の空気側通路を重点的に囲うように配置されることにより、複数のガイド部材７０１〜７０４で放熱器２００全体を囲うよりも冷媒流出側近傍の空気側通路を重点的に囲うことで、ガイド部材７０１〜７０４を簡素な形状で、かつ小型にすることができる。これにより、部品コストの低減が図れる。

また、複数のガイド部材７０２〜７０４のそれぞれは、それら外部から放熱器２００の前面側へ回り込んで放熱器２００を流れようとする回り込み空気が冷媒流出側近傍の空気側通路に向けて流れ込むことを抑制するように形成されている。

これにより、放熱器２００周辺の温度の高い空気が流れ込むことをもなく複数のガイド部材７０２〜７０４によって導かれた温度の低い冷却用空気が冷媒流出側近傍の空気側通路に流れるので冷凍サイクル効率の向上が図れる。

また、複数のガイド部材７０１〜７０４が車体側に配置されていることにより、車両用の空調装置では、車両が停車中に車両後方から風が吹いているときに、エンジンルーム内で温められた空気が車両前方から回り込んでくるが、放熱器２００全体を囲う従来の誘導部材７００よりも一部を重点的に囲う方が冷媒流出側近傍の空気側通路に流れる冷却用空気の温度上昇を軽減できる。

また、ガイド部材７０１〜７０４が車体側に配置されていることで、放熱器２００側の防振部材が簡素にできる。これにより、部品コストが上昇することはない。

（第２実施形態）
本第実施形態では、車両側に熱交換器２００全体の空気側通路を囲うための誘導部材７００が配設されておれば、図３に示すように、冷媒流入部２３０近傍の空気側通路（上方領域）と冷媒流出部２４０近傍の空気側通路（下方領域）とを仕切る仕切り部材７０１を配設している。

この仕切り部材７０１は、第１実施形態で述べた上方のガイド部材７０１と同じであって、放熱器２００の前面において、冷媒流入部２３０近傍の空気側通路と冷媒流出部２４０近傍の空気側通路とを仕切る仕切り部材である。また、放熱器２００前面の上方領域から放熱器２００前面の下方領域への空気の回り込みを抑制する回り込み抑制部材でもある。ここでは、風下側全体が上方領域と下方領域とを仕切る部位に設けられている。

また、図中に示す符号７０５は放熱器２００の上方端に配置されたガイド部材７０５である。このガイド部材７０５は、放熱器２００の周囲から放熱器２００の前面側への空気の回り込みを抑制する回り込み抑制部材である。ここでは、風下側が放熱器２００の上方端のほぼ全幅に渡って設けられている。

以上の構成によれば、放熱器２００全体の空気側通路を囲うための誘導部材７００が配設された車両の場合において、仕切り部材７０１を設けることで冷媒流出側近傍の空気側通路を重点的に囲うことができる。

（他の実施形態）
以上の実施形態では、誘導部材７００を上下左右の四つに分けてガイド部材７０１〜７０４で構成したが、これに限ることはなく、四つ以上の複数に分けて構成しても良い。また、誘導部材７００の形状を矩形状に形成したが、これに限らず、矩形状とは限定しない。

また、以上の実施形態では、二酸化炭素（ＣＯ_２）の冷媒を用いて、超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルに封入したが、二酸化炭素（ＣＯ_２）の他にエチレン、エタン、酸化窒素などを用いても良い。

また、以上の実施形態では、本発明を車両用空調装置に適用したが、車両用とは限らず、超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルからなる空調装置に適用される。

本発明の第１実施形態における超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルの車両搭載形態を示す模式図である。（ａ）は本発明の第１実施形態における放熱器２００および誘導部材７００の全体構成を示す模式図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ矢視図である。本発明の第２実施形態における放熱器２００および誘導部材７００の全体構成を示す模式図である。

符号の説明

１００…圧縮機
２００…放熱器
６００…ラジエータ
７００…誘導部材
７０１…ガイド部材（仕切り部材）
７０２…ガイド部材
７０３…ガイド部材
７０４…ガイド部材
７０５…ガイド部材

Claims

高圧側の圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用され、圧縮機（１００）から吐出された高圧冷媒を冷却する放熱器（２００）を備える空調装置において、
前記放熱器（２００）は、外部から取り入れられた空気を前記放熱器（２００）の空気側通路に対して冷媒流出側近傍の空気側通路に重点的に導く誘導部材（７００）の風下側に配置されることを特徴とする空調装置。
前記放熱器（２００）は、冷媒の流れ方向が略水平方向に流れるように形成し、かつ前記冷媒流出側近傍の空気側通路が前記放熱器（２００）の空気側通路に対して下方側に形成されており、
前記誘導部材（７００）は、複数に分けられたガイド部材（７０１〜７０５）で、前記放熱器（２００）の下方側の空気側通路を重点的に囲うように配置されることを特徴とする請求項１に記載の空調装置。
前記複数のガイド部材（７０１〜７０５）には、冷媒流入側近傍の空気側通路と前記冷媒流出側近傍の空気側通路とを仕切る仕切り部材（７０１）が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の空調装置。
前記複数のガイド部材（７０２〜７０５）のそれぞれは、回り込み空気が前記冷媒流出側近傍の空気側通路に向けて流れ込むことを抑制するように形成していることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の空調装置。
前記放熱器（２００）を車両に搭載されたラジエータ（６００）の空気流れ上流側に配置する車両用の空調装置であって、
前記誘導部材（７００）は、前記複数のガイド部材（７０１〜７０５）が車体側に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の空調装置。