JP2008089268A

JP2008089268A - 車両用冷房装置

Info

Publication number: JP2008089268A
Application number: JP2006272749A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Tomaru; 敬一外丸
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2006-10-04
Filing date: 2006-10-04
Publication date: 2008-04-17

Abstract

【課題】モリエル線図上、圧縮機による圧縮行程と、膨張開始点から蒸発器入口側の低圧状態に至る行程を、ともに左側にシフトさせ、成績係数を大幅に改善可能にするとともに、圧縮機の消費動力を低減可能な車両用冷房装置を提供する。
【解決手段】二酸化炭素を冷媒とし、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、放熱器により冷却された冷媒を減圧膨張させる膨張機構と、膨張機構で減圧膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器から圧縮機に送られる冷媒と放熱器から膨張機構に送られる冷媒との間で熱交換を行わせる内部熱交換器とを備えた車両用冷房装置において、内部熱交換器と圧縮機との間にアキュムレータを設けたことを特徴とする車両用冷房装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用冷房装置に関し、とくに二酸化炭素を冷媒とした車両用冷房装置の改良に関する。

車両用冷房装置における冷凍サイクルとして、例えば図３に示すように、圧縮機１０１で圧縮した冷媒を放熱器（ガスクーラ）１０２にて冷却し、冷却された冷媒を膨張機構１０３（例えば、膨張弁）で減圧膨張させ、減圧膨張され低圧となった冷媒を蒸発器１０４にて蒸発させ、蒸発された冷媒をアキュムレータ１０５を通して圧縮機１０１に送り、再び冷媒を圧縮する冷凍サイクルが知られている（例えば、特許文献１）。図３における１０６は、放熱器１０２用の冷却ファン、１０７は、空調装置のエア回路に設けられるブロワを示している。

このような冷凍サイクルにおいて、従来のフロン系冷媒に代えて二酸化炭素を冷媒として使用すると夏場（例、３０℃以上）には高圧側圧力が臨界圧力以上となり、圧縮機１０１の消費動力が大きくなって、冷凍サイクルの成績係数（ＣＯＰ）が悪化するという問題が生じる。

この問題の対策として、図４に示すように、内部熱交換器１０８を設けて、放熱器１０２から流出した高圧冷媒とアキュムレータ１０５から流出した低圧冷媒との間で熱交換させることにより性能向上を図る方法が一般的に採用されている。
特開平１１−１９３９６７号公報

上記の方法によれば、図５のモリエル線図に示すように、内部熱交換器１０８が設けられていない図３に示した冷凍サイクルの特性（１）に比べ、内部熱交換器１０８が設けられた図４に示した冷凍サイクルの特性（２）のように変更され、一見特性が改善されたように見受けられる。

しかしながら、蒸発器１０４の出口にアキュムレータ１０５が設けられているので、内部熱交換器１０８を経た圧縮機入口側での冷媒の過熱度が大きくなり、圧縮機の吐出ガス温度が高くなるため、図５のモリエル線図上、等エントロピー線の傾斜のより緩い特性に沿って圧縮行程を踏むこととなり、相対的に圧縮機の消費動力が増大して、成績係数（ＣＯＰ）の改善に大きな期待が持てないばかりか、圧縮機自体の寿命や信頼性の低下を引き起こすおそれがある。

また、モリエル線図上、放熱器１０２出口温度は特性（１）に比べて低下されてはいるものの、なお比較的高い放熱器１０２出口温度の点から膨張が開始されることになるが、この点では等温度線は比較的緩やかなカーブを呈しておりこのカーブをトレースするように膨張が開始されるため、高圧側圧力に変動が生じると、膨張開始点におけるエンタルピーが大きく変動する。このエンタルピーの変動が大きいため、最適な成績係数（ＣＯＰ）を追求するための制御には、緻密性、つまり高精度の細かい制御が要求されることとなっていた。

ちなみに、図５に示したモリエル線図に関して、図３に示した冷凍サイクルの特性（１）では、圧縮機の吐出ガス温度Ｔｄが１１５℃、成績係数ＣＯＰが２．００であり、図４に示した冷凍サイクルの特性（２）では、圧縮機の吐出ガス温度Ｔｄが１６０℃、成績係数ＣＯＰが２．０５となり、図４のように内部熱交換器１０８を設けても、期待したほど成績係数（ＣＯＰ）は改善されていない。

そこで本発明の課題は、図４に示した冷凍サイクルでは期待したほど成績係数（ＣＯＰ）が改善されないことに着目し、モリエル線図上、圧縮機による圧縮行程と、膨張開始点から蒸発器入口側の低圧状態に至る行程を、ともに左側にシフトさせ、成績係数（ＣＯＰ）を大幅に改善可能にするとともに、圧縮機の消費動力を低減可能な車両用冷房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冷房装置は、二酸化炭素を冷媒とし、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、放熱器により冷却された冷媒を減圧膨張させる膨張機構と、膨張機構で減圧膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器から前記圧縮機に送られる冷媒と前記放熱器から前記膨張機構に送られる冷媒との間で熱交換を行わせる内部熱交換器とを備えた車両用冷房装置において、前記内部熱交換器と前記圧縮機との間にアキュムレータを設けたことを特徴とするものからなる。

この本発明に係る車両用冷房装置においては、とくに、通常、車両用冷房装置では常に運転が過渡期なサイクルとなるため冷媒不足防止対策として、冷房用に機能していない余剰冷媒が多量にあることに着目し、余剰冷媒の蒸発潜熱により放熱器出口冷媒温度をさらに下げ、モリエル線図上、左側へサイクルをシフトすることを目的として、圧縮機吸入直前にアキュムレータを設けてある。また、圧縮機吸入直前にアキュムレータを設けているため、圧縮開始点は、モリエル線図上の過熱度の無い点（過熱度０℃の点、いわゆる乾き度１の点）を含むラインをトレースすることとなる。このライン部では、等エントロピー線が、より急峻に立ち上がる特性を呈し、そのラインに沿って圧縮がなされるため、圧縮開始点と圧縮終了点におけるエンタルピーの差が小さくなり、その分圧縮機の消費動力が低減される。また、モリエル線図上、左側へサイクルをシフトすることにより、圧縮機の吐出ガス温度も低下される。

また、モリエル線図上、左側へサイクルをシフトすることにより、膨張開始点から蒸発器入口側の低圧状態に至る膨張行程も、より急峻に立ち上がる特性を呈する等温度線部分で行われることになるので、高圧側圧力に変動が生じても、膨張開始点におけるエンタルピーの変動は小さく抑えられることになり、成績係数（ＣＯＰ）の変動も小さく抑えられることになる。その結果、最適な成績係数（ＣＯＰ）を追求するための制御においても、緻密性が要求されず、簡単な制御で高い成績係数を達成できることになる。これらの結果、実質的に、成績係数（ＣＯＰ）が大幅に改善されることになる。

このように、本発明に係る車両用冷房装置によれば、モリエル線図上、圧縮機による圧縮行程と、膨張開始点から蒸発器入口側の低圧状態に至る行程を、ともに左側にシフトさせることができ、冷凍サイクルの成績係数（ＣＯＰ）を大幅に改善できるとともに、圧縮機の消費動力をも低減できる。

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冷房装置の冷凍サイクルを示している。図１に示した車両用冷房装置の冷凍サイクル１は、二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機２と、圧縮機２で圧縮した冷媒を冷却する放熱器（ガスクーラ）３と、放熱器３で冷却された冷媒を減圧膨張させる膨張機構４（例えば、膨張弁）と、膨張機構４で減圧膨張され低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器５と、蒸発器５から圧縮機２に送られる冷媒と放熱器３から膨張機構４に送られる冷媒との間で熱交換を行わせる内部熱交換器６とを備えている。放熱器３には冷却ファン７が付設されており、冷房装置のエア回路に設けられるブロワ８により蒸発器５に冷房用空気が送られるようになっている。この冷凍サイクル１において、内部熱交換器６と圧縮機２との間に、換言すれば、圧縮機２の吸入直前に、アキュムレータ９が設けられている。

このように構成された冷凍サイクル１においては、まず、圧縮機２の吸入直前にアキュムレータ９を設けているため、圧縮開始点は、図２に示したモリエル線図（図５に示した従来特性（２）と、本実施態様における特性（３）とを比較して示してある。）上の、乾き度１上のライン（過熱度０℃）をトレースする。この時点で、過熱度のついたサイクル（２）に比べ、等エントロピー線のより急峻なラインに沿って圧縮がなされるため、圧縮機２で消費されるエンタルピー差が小さく抑えられ（圧縮機２の消費動力が小さく抑えられ）、かつ圧縮機２の吐出ガス温度を低く抑えられる。

次に、上記乾き度１の点から、等圧（等温）線上を左に内部熱交換器６での熱交感分のエンタルピーと蒸発器５での蒸発分のエンタルピーだけシフトした所が、蒸発器５の入口の点となる。この点が、内部熱交換器６を有さない従来サイクル（図３の冷凍サイクル）は勿論、内部熱交換器を有する従来サイクル（図４の冷凍サイクル）よりも更に左にシフトされており、この点が高圧側内部熱交換器６出口の点を決定しており、従来サイクルに比べ、とくに図４に示した従来の冷凍サイクル特性（２）に比べ、より等温度線の傾斜がきつい位置にシフトされていることが分かる。この傾斜は、高圧圧力の変動（モリエル線図上、上下方向の変動）に対し、エンタルピーの変動（左右方向の変動）が小さくなることを示し、高圧圧力の変動があっても成績係数（ＣＯＰ）の変動を小さく抑えることができる。

この結果、図２において、従来の冷凍サイクル特性（２）（成績係数ＣＯＰ：２．０５、圧縮機吐出ガス温度：１６０℃）に対し、本実施態様における冷凍サイクル特性（３）では、成績係数ＣＯＰ：２．８３、圧縮機吐出ガス温度：１１５℃と大幅に改善された。成績係数ＣＯＰの改善により、システムの性能が大幅に改良され、圧縮機吐出ガス温度の低減により、圧縮機２の消費動力が大幅に低減され、圧縮機２の寿命や信頼性が向上される。

本発明に係る車両用冷房装置は、二酸化炭素を冷媒としたあらゆるタイプの車両用冷房装置の性能改善に寄与できる。

本発明の一実施態様に係る車両用冷房装置の冷凍サイクルの機器系統図である。図１の冷凍サイクルのモリエル線図である（図４の冷凍サイクルと比較して示したもの）。従来の車両用冷房装置の内部熱交換器を持たない冷凍サイクルの機器系統図である。従来の車両用冷房装置の内部熱交換器を備えた冷凍サイクルの機器系統図である。図３、図４の冷凍サイクルのモリエル線図である。

符号の説明

１車両用冷房装置の冷凍サイクル
２圧縮機
３放熱器（ガスクーラ）
４膨張機構
５蒸発器
６内部熱交換器
７冷却ファン
８ブロワ
９アキュムレータ

Claims

二酸化炭素を冷媒とし、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、放熱器により冷却された冷媒を減圧膨張させる膨張機構と、膨張機構で減圧膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器から前記圧縮機に送られる冷媒と前記放熱器から前記膨張機構に送られる冷媒との間で熱交換を行わせる内部熱交換器とを備えた車両用冷房装置において、前記内部熱交換器と前記圧縮機との間にアキュムレータを設けたことを特徴とする車両用冷房装置。