JP2008133996A - 車両用冷房装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の消費動力を低減し、蒸発器の能力を向上することにより、車両用冷房装置の冷凍サイクルの成績係数を大幅に向する。
【解決手段】少なくとも、オイルを含む二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機からの冷媒を放熱させる放熱器と、放熱器からの冷媒を減圧膨張させる膨張機構と、膨張機構からの冷媒を蒸発させ圧縮機へと送る蒸発器とを備え、膨張機構を第１膨張機構と第２膨張機構を備えた二段階膨張機構に構成するとともに、第１膨張機構と第２膨張機構との間に、オイルと二酸化炭素冷媒を分離可能な受液器を設け、該受液器で分離されたオイルを取り出し圧縮機内の中間圧領域に送給するオイル送給手段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８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８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（例えば、Ｒ１３４ａ）に代えて二酸化炭素を冷媒として使用すると、高負荷時には、例えば３０℃以上の夏場には、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９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１０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８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９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、成績係数（ＣＯＰ）の十分な向上が難しく、かつ、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、圧縮機の吐出ガス温度が高くなるため、図１０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、この面からも、成績係数（ＣＯＰ）の改善に大きな期待が持てない。

そこで本発明の課題は、上記のような従来技術の限界に鑑み、モリエル線図上、等エントロピー線の傾斜の緩い長い圧縮行程を踏まないようにすることにより、圧縮機の消費動力を低減すること、および、放熱器出口温度に依存して膨張機構入口のエンタルピーが決定してしまうが、蒸発器入口温度のエンタルピーを極力小さくすることにより、蒸発器の能力を高めることを目標とし、望ましくはこれらを併せて、成績係数を大幅に向上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、少なくとも、オイルを含む二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機からの冷媒を放熱させる放熱器と、放熱器からの冷媒を減圧膨張させる膨張機構と、膨張機構からの冷媒を蒸発させ圧縮機へと送る蒸発器とを備えた車両用冷房装置において、前記放熱器と前記蒸発器との間に、オイルと二酸化炭素冷媒を分離可能な受液器を設けるとともに、該受液器で分離されたオイルを取り出し前記圧縮機内の中間圧領域に送給するオイル送給手段を設けたことを特徴とするものからなる。受液器で冷媒より分離されたオイルを取り出して圧縮機の中間圧領域に注入することにより、圧縮機内において中間圧力まで昇圧させた冷媒ガスを例えば乾き度１程度まで冷却することが可能になり、これにより、モリエル線図上、より傾斜のきつい等エントロピー線に沿って圧縮行程を踏ませることができるようになるため、圧縮機の消費動力が大幅に低減される。したがって、サイクルの成績係数も大幅に向上される。

また、本発明に係る車両用冷房装置は、少なくとも、オイルを含む二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機からの冷媒を放熱させる放熱器と、放熱器からの冷媒を減圧膨張させる膨張機構と、膨張機構からの冷媒を蒸発させ圧縮機へと送る蒸発器とを備えた車両用冷房装置において、前記膨張機構を第１膨張機構と第２膨張機構を備えた二段階膨張機構に構成したことを特徴とするものからなる。第１膨張機構で減圧膨張された冷媒を、第２膨張機構でさらに減圧膨張させる二段階の膨張行程を踏むことにより、モリエル線図上、蒸発器入口温度のエンタルピーを大幅に下げることが可能になり、蒸発器の能力が大幅に高められる。これによっても、サイクルの成績係数も大幅に向上される。

さらに、本発明に係る車両用冷房装置は、上記の構成を組み合わせたもの、すなわち、少なくとも、オイルを含む二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機からの冷媒を放熱させる放熱器と、放熱器からの冷媒を減圧膨張させる膨張機構と、膨張機構からの冷媒を蒸発させ圧縮機へと送る蒸発器とを備えた車両用冷房装置において、前記膨張機構を第１膨張機構と第２膨張機構を備えた二段階膨張機構に構成するとともに、前記第１膨張機構と第２膨張機構との間に、オイルと二酸化炭素冷媒を分離可能な受液器を設け、該受液器で分離されたオイルを取り出し前記圧縮機内の中間圧領域に送給するオイル送給手段を設けたことを特徴とするものからなる。すなわち、放熱器から出た冷媒を第１膨張機構で一次膨張させて受液器に流入させ、この受液器から冷媒より分離されたオイルを取り出して圧縮機の中間圧領域に注入することにより、上述の如く圧縮機内において中間圧力まで昇圧させた冷媒ガスを冷却し、モリエル線図上、より傾斜のきつい等エントロピー線に沿って圧縮行程を踏ませることができるようになるため、圧縮機の消費動力が大幅に低減される。そして、第１膨張機構で一次膨張され、受液器から流出した冷媒を第２膨張機構で二次膨張させて蒸発器に流入させることにより、上述の如く、蒸発器入口温度のエンタルピーの大幅に下げることが可能になり、蒸発器の能力も高められる。したがって、サイクルの成績係数が、より大幅に向上されることになる。

このような本発明に係る車両用冷房装置においては、従来装置同様、放熱器からの冷媒と蒸発器からの冷媒との間で熱交換を行わせる内部熱交換器を設けることもできる。内部熱交換器の機能としては、前述した従来装置における機能と同様であるが、上記本発明に係る構成により、単に内部熱交換器を設けるだけの場合に生じ得る従来技術における問題が解消されているため、内部熱交換器による好ましい機能のみを有効に利用できるようになる。また、従来装置同様、蒸発器と圧縮機との間にアキュムレータを備えた構成を採用することもでき、この場合にも、アキュムレータによる圧縮機入口側の過熱度を下げるという好ましい機能のみを有効に利用できるようになる。

また、とくに限定されないが、上記オイル送給手段としては、例えばキャピラリチューブから構成できる。

また、上記第１膨張機構としても、所望の減圧機能を発揮できるものであればとくに限定されず、オリフィスチューブやキャピラリチューブから構成できる。また、これら固定絞りに対し、第１膨張機構として可変絞りを用いることもできる。例えば好ましい形態として、第１膨張機構が、圧縮機の吐出圧力変化に追従して圧縮機の中間圧力を常にＰｍ＝（Ｐｄ×Ｐｓ）^1/2に制御可能な可変オリフィスを挙げることができる。
ここで、Ｐｍは中間圧力、Ｐｄは吐出圧力、Ｐｓは吸入圧力である。

また、上記第２膨張機構としては、とくに温度自動式膨張弁からなることが好ましい。これにより、温度に応じて最適な減圧膨張度合を自動で制御することが可能になる。ただし、その他にも、第２膨張機構を、ブロックバルブ、オリフィスチューブやキャピラリチューブから構成することも可能である。

上記受液器としては、各種形態を採り得るが、極力、オイルと二酸化炭素冷媒との分離効率の高いものが好ましい。例えば、上記受液器が、容器内に導入されてきたオイル含有二酸化炭素冷媒から、オイルと二酸化炭素冷媒の比重差を利用して容器内下部にオイルを溜め、溜められたオイルを上記オイル送給手段へと導出可能な受液器からなる構成とすることができる。この場合、容器内へのオイル含有二酸化炭素冷媒の導入管がらせん状に延設されている構成とすることもでき、これにより遠心力を利用して、より効率よくオイルと二酸化炭素冷媒を分離できるようになる。

また、分離されたオイルを効率よく上記オイル送給手段へと導出させるためには、容器の下部側に効果的にオイルが溜められるとともに、冷媒ガスと混ざることなく分離され溜められたオイルのみが効率よくオイル送給手段へと導出されることが好ましい。したがって、上記容器の横断面積が下部側にいくほど縮小されている構成、あるいは、容器が、その下部側において絞られており、その絞り部の下部側にオイル溜めが形成された構成などを採用することが好ましい。

このように、本発明に係る車両用冷房装置によれば、受液器で冷媒より分離されたオイルを取り出して圧縮機の中間圧領域に注入することにより、中間圧力まで昇圧させた冷媒ガスを冷却して、モリエル線図上、より傾斜のきつい等エントロピー線に沿って圧縮行程を踏ませることができるようになり、圧縮機の消費動力を大幅に低減でき、また、第１膨張機構で減圧膨張された冷媒を第２膨張機構でさらに減圧膨張させる二段階の膨張行程とすることにより、モリエル線図上、蒸発器入口温度のエンタルピーを大幅に下げることが可能になり、蒸発器の能力を大幅に高めることができるようになり、これら両構成を共に採用すれば、圧縮機の消費動力の低減と蒸発器の能力向上を共に達成することができる。その結果、サイクルの成績係数を大幅に向上することが可能になる。

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、オイルを含む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に送られる冷媒を気液分離可能なアキュムレータ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、本実施態様では、膨張機構４が第１膨張機構９と第２膨張機構１０からなる二段階膨張機構に構成されている。第１膨張機構９はオリフィスチューブから構成されており、第２膨張機構１０は温度自動式膨張から構成されている。そして、本実施態様では、第１膨張機構９と第２膨張機構１０との間に、オイルと二酸化炭素冷媒を分離可能な受液器１１が設けられているとともに、該受液器１１で分離されたオイルを取り出し圧縮機２内の中間圧領域に送給するオイル送給手段としてのキャピラリチューブが設けられている。なお前述したように、膨張機構としては、上記構成の他にも、第１膨張機構９としてキャピラリチューブから構成することもでき、さらには、圧縮機２の吐出圧力変化に追従して圧縮機２の中間圧力Ｐｍを常にＰｍ＝（吐出圧力Ｐｄ×吸入圧力Ｐｓ）^1/2に制御可能な可変オリフィスから構成することもできる。また、第２膨張機構１０として、上記構成の他にも、ブロックバルブやオリフィスチューブ、キャピラリチューブなどから構成することもできる。

図２は、本発明の別の実施態様に係る車両用冷房装置の冷凍サイクル２１を示している。図１に示した冷凍サイクル１に比べ、本実施態様では、蒸発器５（アキュムレータ６）からの冷媒と放熱器３からの冷媒との間で熱交換を行わせる内部熱交換器２２が設けられている。その他の構成は図１に示した構成に準じるので、図１に付したのと同じ符号を付すことにより説明を省略する。

図１、図２に示した冷凍サイクル１、２１における受液器１１としては、より具体的には、例えば図３〜図６に示すように構成することができる。図３に示す受液器３１においては、容器３２の冷媒入口３３から容器３２内にオイル含有二酸化炭素冷媒（気、液冷媒とオイルの混合ガス）が導入され、容器３２内下部に、分離された液冷媒３４とオイル３５が溜められる。そして、容器３２内下部では、図示の如く、液冷媒３４がオイル３５との比重差を利用して下部側にオイル３５が溜められ、溜められたオイル３５がオイル送給手段としてのキャピラリチューブ１２を介して導出され、導出されたオイル３５が上述の圧縮機２内の中間圧領域に送給される。オイル３５と分離された二酸化炭素冷媒は、冷媒出口３６を通して第２膨張機構１０に送られ、第２膨張機構１０でさらに減圧膨張された後、蒸発器５に送られる。

また、図４に示す受液器４１においては、冷媒入口３３からのオイル含有二酸化炭素冷媒が、らせん状に延設された冷媒導入管４２を通して容器３２内に導入される。らせん状の冷媒導入管４２により遠心力を作用させることが可能になり、より効率よくオイルと二酸化炭素冷媒を分離できるようになる。その他の構成は図３に示した構成に準じる。

また、図５に示す受液器５１においては、容器５２の下部５３が、下部側にいくほど容器５２の横断面積が縮小されるように形成されている。このように構成すれば、分離されるオイル３５が少量であっても、効率よく最下部に貯留することができ、そこからオイル３５が効率よくキャピラリチューブ１２へと導出されるようになる。その他の構成は図３に示した構成に準じる。

さらに、図６に示す受液器６１においては、容器６２が、下部側において絞り部６３で絞られており、その絞り部６３の下部側にオイル溜め６４が形成されている。このように構成すれば、分離されるオイル３５をより確実に貯留できるようになり、そこからオイル３５のみが効率よくキャピラリチューブ１２へと導出されるようになる。その他の構成は図３に示した構成に準じる。

このように構成された各実施態様に係る冷凍サイクル１、２１においては、放熱器３から出た冷媒が第１膨張機構９で一次膨張されて受液器１１に流入され、この受液器１１から冷媒より重いオイルがその下部より取り出されて圧縮機２の中間圧力領域に注入され、中間圧力まで昇圧されたガスが、例えば乾き度１程度まで冷却される。これにより、図７にモリエル線図を示すように、中間圧力点で冷却されることにより、圧縮行程では、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄの順にサイクルが進み、従来の特性（１）に比べ、特性（３）のように、等エントロピー線のより傾斜のきつい圧縮行程を踏ませられるため、圧縮機２の消費動力が例えば１３％程度低減できる。

また、受液器１１から流出した液冷媒が第２膨張機構１０で二次膨張されて蒸発器５に流入されることにより、図７のモリエル線図に示すように、膨張行程では、Ｅ→Ｆ→Ｇ→Ｈの順に二段階に減圧膨張されることになり、蒸発器５の入口におけるエンタルピーが低下されて蒸発器５におけるエンタルピー差が例えば５５ｋＪ／ｋｇ程度増加され、該エンタルピー差として例えば４６％程度向上させることが可能になる。

上記を合計すれば、冷凍サイクルの成績係数を、従来の２．６７程度から、４．３８程度まで６４％も向上させることが可能になる。

仮に、オイルと同時に液冷媒が全体の１０％程度インジェクション側へ流出したとしても、下記の如く５５％程度の向上になる。以下に計算例を示す。
低圧側圧縮機動力＝２０kJ/kgｘ９０％＝１８kJ/kg
高圧側圧縮機動力＝２０kJ/kg
計３８ｋJ/ｋｇ
蒸発器側能力＝１７５ｋJ/kgｘ９０％＝１５７．５ｋJ/kg
成績係数＝１５７．５ｋJ/kg÷３８kJ/kg＝４．１４
改善度＝４．１４／２．６７＝１．５５（５５％向上）

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。 本発明の別の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、図２の冷凍サイクルにおける受液器の一構造例を示す縦断面図である。 図１、図２の冷凍サイクルにおける受液器の別の構造例を示す縦断面図である。 図１、図２の冷凍サイクルにおける受液器のさらに別の構造例を示す縦断面図である。 図１、図２の冷凍サイクルにおける受液器のさらに別の構造例を示す縦断面図である。 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モリエル線図である。 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８、図９の冷凍サイクルのモリエル線図である。

符号の説明

１、２１ 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 アキュムレータ
７ 冷却ファン
８ ブロワ
９ 第１膨張機構
１０ 第２膨張機構
１１ 受液器
１２ オイル送給手段としてのキャピラリチューブ
２２ 内部熱交換器
３１、４１、５１、６１ 受液器
３２、５２、６２ 容器
３３ 冷媒入口
３４ 液冷媒
３５ オイル
３６ 冷媒出口
４２ 冷媒導入管
５３ 容器の下部
６３ 絞り部
６４ オイル溜め

Claims (17)

1. 少なくとも、オイルを含む二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機からの冷媒を放熱させる放熱器と、放熱器からの冷媒を減圧膨張させる膨張機構と、膨張機構からの冷媒を蒸発させ圧縮機へと送る蒸発器とを備えた車両用冷房装置において、前記放熱器と前記蒸発器との間に、オイルと二酸化炭素冷媒を分離可能な受液器を設けるとともに、該受液器で分離されたオイルを取り出し前記圧縮機内の中間圧領域に送給するオイル送給手段を設けたことを特徴とする車両用冷房装置。
2. 少なくとも、オイルを含む二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機からの冷媒を放熱させる放熱器と、放熱器からの冷媒を減圧膨張させる膨張機構と、膨張機構からの冷媒を蒸発させ圧縮機へと送る蒸発器とを備えた車両用冷房装置において、前記膨張機構を第１膨張機構と第２膨張機構を備えた二段階膨張機構に構成したことを特徴とする車両用冷房装置。
3. 少なくとも、オイルを含む二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機からの冷媒を放熱させる放熱器と、放熱器からの冷媒を減圧膨張させる膨張機構と、膨張機構からの冷媒を蒸発させ圧縮機へと送る蒸発器とを備えた車両用冷房装置において、前記膨張機構を第１膨張機構と第２膨張機構を備えた二段階膨張機構に構成するとともに、前記第１膨張機構と第２膨張機構との間に、オイルと二酸化炭素冷媒を分離可能な受液器を設け、該受液器で分離されたオイルを取り出し前記圧縮機内の中間圧領域に送給するオイル送給手段を設けたことを特徴とする車両用冷房装置。
4. 前記放熱器からの冷媒と前記蒸発器からの冷媒との間で熱交換を行わせる内部熱交換器を備えている、請求項１〜３のいずれかに記載の車両用冷房装置。
5. 前記蒸発器と前記圧縮機との間にアキュムレータを備えている、請求項１〜４のいずれかに記載の車両用冷房装置。
6. 前記オイル送給手段がキャピラリチューブからなる、請求項１、３〜５のいずれかに記載の車両用冷房装置。
7. 前記第１膨張機構がオリフィスチューブからなる、請求項２〜６のいずれかに記載の車両用冷房装置。
8. 前記第１膨張機構がキャピラリチューブからなる、請求項２〜６のいずれかに記載の車両用冷房装置。
9. 前記第１膨張機構が、前記圧縮機の吐出圧力変化に追従して前記圧縮機の中間圧力を常にＰｍ＝（Ｐｄ×Ｐｓ）^1/2に制御可能な可変オリフィスからなる、請求項２〜６のいずれかに記載の車両用冷房装置。
   ここで、Ｐｍは中間圧力、Ｐｄは吐出圧力、Ｐｓは吸入圧力である。
10. 前記第２膨張機構が温度自動式膨張弁からなる、請求項２〜９のいずれかに記載の車両用冷房装置。
11. 前記第２膨張機構がブロックバルブからなる、請求項２〜９のいずれかに記載の車両用冷房装置。
12. 前記第２膨張機構がオリフィスチューブからなる、請求項２〜９のいずれかに記載の車両用冷房装置。
13. 前記第２膨張機構がキャピラリチューブからなる、請求項２〜９のいずれかに記載の車両用冷房装置。
14. 前記受液器が、容器内に導入されてきたオイル含有二酸化炭素冷媒から、オイルと二酸化炭素冷媒の比重差を利用して容器内下部にオイルを溜め、溜められたオイルを前記オイル送給手段へと導出可能な受液器からなる、請求項１、３〜１３のいずれかに記載の車両用冷房装置。
15. 前記容器内へのオイル含有二酸化炭素冷媒の導入管がらせん状に延設されている、請求項１４に記載の車両用冷房装置。
16. 前記容器の横断面積が下部側にいくほど縮小されている、請求項１４または１５に記載の車両用冷房装置。
17. 前記容器が、その下部側において絞られており、その絞り部の下部側にオイル溜めが形成されたものからなる、請求項１４または１５に記載の車両用冷房装置。