JP2008281254A - 冷凍サイクル装置、および車両用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍サイクル装置において第２蒸発器９の冷媒流れの圧力損失を低減することが可能にする。
【解決手段】冷凍サイクル装置においてコンプレッサ１の吐出側には放熱器２が設けられており、放熱器２の出口側には、内部熱交換器３の高圧側冷媒流路３ａが設けられている。内部熱交換器３の高圧側冷媒流路３ａの出口側には、減圧弁４が設けられており、減圧弁４は、放熱器２の出口側と内部熱交換器３の高圧側冷媒流路３ａの入口側との間に設けられた感温部４ａを有し、この感温部４ａの内部で放熱器２の出口側の高圧冷媒の温度に対応した圧力を発生するようにしている。第２蒸発器（上流側蒸発器）９のパス数は、第１蒸発器（下流側蒸発器）８のパス数に比べて小さくなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の蒸発器を備える冷凍サイクル装置、および車両用空調装置に関する。

従来、この種の冷凍サイクル装置では、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機からの冷媒を冷却する放熱器と、放熱器から流出した冷媒を減圧する減圧弁とを備え、この減圧弁で減圧された冷媒を蒸発させる第１、第２の蒸発器を直列に接続し、第１の蒸発器をバイパスして第２の蒸発器側に冷媒を流すバイパス流路を設け、第１の蒸発器およびバイパス流路へ供給される冷媒の分配量を調節する三方弁とを有するものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、この種の冷凍サイクル装置に用いられる熱交換器として特許文献２に開示されるものが知られている。
特開２００５−１０６３１８号公報 特開２０００−８１１５７号公報

上述の冷凍サイクル装置では、三方弁によりバイパス流路の冷媒入口を閉鎖した場合には、第１、第２の蒸発器にはそれぞれ同一量の冷媒が流れる。このため、第１、第２の蒸発器のうち上流側の第１の蒸発器には、冷凍能力を発揮する上で必要以上の冷媒が流れてしまう。このため、圧力損失が高くなり、冷凍能力の低下を招く。

本発明は、上記点に鑑み、複数の蒸発器を備える冷凍サイクル装置において、上流側の蒸発器の圧力損失による冷凍能力の低下を抑制することを可能にすることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、冷媒を圧縮する圧縮機（１）と、
前記圧縮機から吐出される冷媒を冷却する冷却器（２）と、
前記冷却器により冷却された冷媒を減圧する減圧器（４）と、
前記圧縮機の吐出冷媒流れに対して直列に配設され、前記減圧器により減圧された冷媒が外部流体より吸熱して蒸発する複数の蒸発器（８、９）とを備え、
前記複数の蒸発器は、前記冷媒が流れて前記冷媒を外部流体からの吸熱により蒸発させる複数本のチューブと、前記複数本のチューブに冷媒を分流する第１のタンクと、前記複数本のチューブから冷媒を集合させる第２のタンクとから構成される冷凍サイクル装置であって、
前記複数の蒸発器のうち上流側蒸発器（９）における前記第１、第２のタンク及び前記複数本のチューブから決まるパス数が、下流側蒸発器（８）における前記第１、第２のタンク及び前記複数本のチューブから決まるパス数よりも小さく設定されていることを特徴とする。

「パス数」とは、蒸発器を構成するパスの個数であり、パスとは、冷媒が流れる複数本のチューブと、複数本のチューブに冷媒を分流する第１のタンクと、複数本のチューブから冷媒を集合させる第２のタンクとから構成されて独立した熱交換空間を構成するものである。

本発明によれば、上流側蒸発器を構成するパス数が下流側蒸発器を構成するパス数よりも小さく設定されているので、上流側蒸発器に冷媒が流れる際の圧力損失を減少し得る。このため、上流側の蒸発器の圧力損失による冷凍能力の低下を抑制することを可能にできる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載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）
図１は本発明の第１実施形態を示す車両空調用冷凍サイクルの構成図であって、この冷凍サイクルは、冷媒として高圧圧力が臨界圧力以上（超臨界状態）となるＣＯ２（二酸化炭素）を用いている。従って、この冷凍サイクルは超臨界冷凍サイクルを構成する。

コンプレッサ（圧縮機）１は図示しない車両走行用エンジンから電磁クラッチ（図示せず）を介して駆動力を得て冷媒を吸入圧縮するものである。なお、コンプレッサ１としては、吸入容量を可変可能に構成されている可変容量型コンプレッサが用いられている。

コンプレッサ１の吐出側には室外器をなす放熱器２が設けられている。この放熱器２は、コンプレッサ１から吐出された高温高圧の超臨界状態にある吐出冷媒と外気（室外空気）との間で熱交換して冷媒を冷却する。放熱器２には図示しない電動式の冷却ファンによって外気が送風される。

放熱器２の出口側には、内部熱交換器３の高圧側冷媒流路３ａが設けられている。ここで、内部熱交換器３は、高圧側冷媒流路３ａの高温の高圧冷媒と低圧側冷媒流路３ｂの低温の低圧冷媒との間で熱交換を行うものである。

この熱交換によって、後述の蒸発器８、９に流入する冷媒のエンタルピを減少させて、蒸発器８、９の冷媒入口・出口間における冷媒のエンタルピ差（冷凍能力）を増大させる。このように内部熱交換器３を設置すると、蒸発器８、９の冷媒入口・出口間の冷媒のエンタルピ差（冷凍能力）を増大でき、サイクル運転効率（ＣＯＰ）を向上できる。

内部熱交換器３の高圧側冷媒流路３ａの出口側には、高圧圧力を制御する圧力制御弁としての役割を果たす減圧弁４が設けられている。この減圧弁４はサイクルの高圧圧力が目標高圧となるように開度が制御手段としての機械的機構にて調整される。

この減圧弁４は、放熱器２の出口側と内部熱交換器３の高圧側冷媒流路３ａの入口側との間に設けられた感温部４ａを有し、この感温部４ａの内部で放熱器２の出口側の高圧冷媒の温度に対応した圧力を発生するようにしている。

ここで、感温部４ａの内部内圧と、高圧圧力（具体的には内部熱交換器３の高圧側冷媒流路３ａの出口側冷媒圧力）とのバランスで減圧弁４の絞り開度（弁体開度）を調整することにより、高圧圧力を放熱器２の出口側の高圧冷媒温度により決まる目標高圧に調整する。このような高圧制御機能を持つ減圧弁４としては特開２０００−８１１５７号公報等に開示のものを用いることができる。

減圧弁４の出口側には、第１、第２蒸発器９、８が設けられており、第１、第２蒸発器９、８は、コンプレッサ１の吐出冷媒流れに対して直列に接続されている。第１蒸発器９は冷媒上流側に配置され、また第２蒸発器８は冷媒下流側に配置されている。

ここで、第１蒸発器９は、車両用空調装置の後席側室内空調ユニットの空気通路を形成する空調ケーシング内に配置されている。第１蒸発器９には、電動送風機からの送風空気が吹き付けられ、第１蒸発器９は、電動送風機からの送風空気を冷媒の蒸発により冷却する冷却手段を構成する。

第２蒸発器８は、車両用空調装置の前席側室内空調ユニットの空気通路を形成する空調ケーシング内に配置されている。第２蒸発器８には、電動送風機からの送風空気が吹き付けられ、第２蒸発器８は、電動送風機からの送風空気を冷媒の蒸発により冷却する冷却手段を構成する。

また、減圧弁４の出口側には、第１蒸発器９をバイパスして冷媒を第２蒸発器８の冷媒入口側に流すバイパス通路９ａが設けられている。すなわち、バイパス通路９ａは、第１蒸発器９をバイパスして冷媒を第１蒸発器９の冷媒入口側から第１蒸発器９の冷媒出口側に流す冷媒通路である。バイパス通路９ａの冷媒入口および第１蒸発器９の冷媒入口のそれぞれの上流側には、三方弁７が設けられており、三方弁７は、バイパス通路９ａおよび第１蒸発器９の一方の冷媒入口側を開放し、かつ他方の冷媒入口側を閉鎖する。なお、第１、第２蒸発器８、９の構造について後述する。

また、第２蒸発器８の出口側にはアキュムレータ６が設けられている。このアキュムレータ６は、第２蒸発器８の出口冷媒の液冷媒とガス冷媒とを分流してサイクル内の余剰冷媒を蓄える気液分流手段であって、アキュムレータ６の出口側は内部熱交換器３の低圧側冷媒流路３ｂの入口側に接続される。そして、内部熱交換器３の低圧側冷媒流路３ｂの出口側はコンプレッサ１の吸入側に接続されている。エアコンＥＣＵ（電子制御装置）１０は、タイマ、メモリ、マイクロコンピュータなどから構成され、コンプレッサ１、切替弁７を制御する。

次に、第１、第２蒸発器８、９の構造について説明する。この実施形態では、第１蒸発器８と第２蒸発器９とは、同じ寸法を有している。それらの外形の寸法は同じである。それらに用いられているチューブの寸法は、すべて同じである。さらに、それらに用いられているタンク部の寸法は同じである。但し、第１蒸発器８と第２蒸発器９とは、それらのパス数だけが異なっている。ひとつのパスは、複数のチューブと、それらの両端に配置された２つのタンク部とから構成される。かかる構成は、優れた性能の冷凍サイクル装置を経済的に提供することを可能とする。

（第１蒸発器８）
第１蒸発器（下流側蒸発器）８には、図２に示すように、複数本のチューブ２０が空気流れ方向Ｘに対する直交方向（以下、積層方向Ｂという）に複数本並べられており、複数本のチューブ２１がチューブ２０の積層方向Ｂと同一方向に並べられている。空気流れ方向Ｘとは、電動送風機による空気流れの方向のことである。

複数本のチューブ２２が複数本のチューブ２１に対して空気流れ方向Ｘの上流側に配置されており、複数本のチューブ２２がチューブ２０に対して並列に並べられている。

複数本のチューブ２３が複数本のチューブ２０に対して空気流れ方向Ｘの上流側に配置されており、複数本のチューブ２３がチューブ２１に対して並列に並べられている。

複数本のチューブ２０、２１の長手方向上側端部には、筒状に形成されるタンク部３０が接合されており、タンク部３０はチューブ２０側とチューブ２１側とが仕切壁３０ａで分離されて、分流タンク室３０ｂと集合タンク室３０ｃを構成している。

分流タンク室３０ｂには、第２蒸発器８或いはバイパス通路９ａから流入する冷媒が流入する冷媒入口３０ｄが設けられており、分流タンク室３０ｂは、冷媒入口３０ｄを介して流入した冷媒を複数本のチューブ２０のそれぞれに分流する。これにより、複数本のチューブ２０にはそれぞれ矢印ａの如く冷媒が流れることになる。

複数本のチューブ２０、２１の長手方向下側端部には、筒状に形成されるタンク部３１が接合されており、このタンク部３１では、複数本のチューブ２０のそれぞれから流出する冷媒が集合させると、この集合される冷媒が矢印ｂの如く流れ、この冷媒を複数本のチューブ２１のそれぞれに分流する。これにより、複数本のチューブ２１にはそれぞれ矢印ｃの如く冷媒が流れることになる。

一方、タンク部３０の集合タンク室３０ｃには、複数本のチューブ２１から流出した冷媒が集合され、この集合される冷媒が連通穴３００を通して矢印ｄの如くタンク部３２の分流タンク室３２ｂに流れる。

タンク部３２は、複数本のチューブ２２、２３の長手方向上側端部に接合されており、タンク部３２はチューブ２２側とチューブ２３側とが仕切壁３２ａで分離されて、分流タンク室３２ｂと集合タンク室３２ｃを構成している。

分流タンク室３２ｂは、冷媒を複数本のチューブ２２のそれぞれに分流する。これにより、複数本のチューブ２２にはそれぞれ矢印ｅの如く冷媒が流れることになる。

複数本のチューブ２２、２３の長手方向下側端部には、筒状に形成されるタンク部３３が接合されており、このタンク部３３では、複数本のチューブ２２のそれぞれから流出する冷媒が集合させると、この集合される冷媒が矢印ｆの如く流れ、この冷媒を複数本のチューブ２３のそれぞれに分流する。これにより、複数本のチューブ２３にはそれぞれ矢印ｇの如く冷媒が流れることになる。

一方、タンク部３２の集合タンク室３２ｃには、複数本のチューブ２３から流出した冷媒が集合され、この集合される冷媒が矢印ｈの如く冷媒出口３２ｄを排出する。

ここで、チューブ２０〜２３のそれぞれに冷媒が流れる際に、この冷媒が電動送風機からの送風空気との間で熱交換して蒸発する。チューブ２０〜２３のそれぞれの外表面には熱交換を促進するコルゲートフィン１９が接合されている。

また、チューブ２０〜２３およびコルゲートフィン１９は熱交換器コアを構成している。

このように構成される第１蒸発器８は４つのパスから構成されている。すなわちパス数が４となっている。ここで、パスとは、冷媒が流れる複数本のチューブと、複数本のチューブに冷媒を分流する第１のタンクと、複数本のチューブから冷媒を集合させる第２のタンクとから構成されて、独立した熱交換空間を構成するものである。

具体的には、１つめのパスは、複数本のチューブ２０、タンク部３０の分流室３０ｂ、およびタンク部３１（具体的にはチューブ２０側の部分）から構成されており、２つめのパスは、複数本のチューブ２１、タンク部３１、およびタンク部３０の集合タンク３０ｃから構成されている。

３つめのパスは、複数本のチューブ２２、タンク部３２の分流室３２ｂ、およびタンク部３３（具体的にはチューブ２２側の部分）から構成されており、４つめのパスは、複数本のチューブ２３、タンク部３３（具体的にはチューブ２３側の部分）、およびタンク部３２の集合タンク３２ｃから構成されている。

（第２蒸発器９）
第２蒸発器（上流側蒸発器）９には、図３に示すように、複数本のチューブ３０が空気流れ方向Ｘに対する直交方向（積層方向Ｂ）に複数本並べられている。空気流れ方向Ｘとは、電動送風機による空気流れの方向のことである。複数本のチューブ３１が複数本のチューブ３０に対して空気流れ方向Ｘの上流側に配置されている。

複数本のチューブ３０の長手方向上側端部には、筒状に形成されるタンク部４０が接合されており、タンク部４０には、減圧弁４から流れ出る冷媒が流入する冷媒入口４１が設けられている。

タンク部４０は、冷媒入口４０ａを介して流入した冷媒を複数本のチューブ３０のそれぞれに分流する。これにより、複数本のチューブ３０にはそれぞれ矢印ｊの如く冷媒が流れることになる。

複数本のチューブ２０、２１の長手方向下側端部には、筒状に形成されるタンク部４１が接合されており、このタンク部４１では、複数本のチューブ２０のそれぞれから流出する冷媒が集合させる。

タンク部４１には、複数本のチューブ３１の長手方向下端部が接合されており、タンク部４１は、複数本のチューブ３１のそれぞれに冷媒を分流する。これにより、複数本のチューブ３１には冷媒が矢印ｍの如く流れる。

複数本のチューブ３１の長手方向上側端部には、筒状に形成されるタンク部４２が接合されており、このタンク部４２では、複数本のチューブ２０のそれぞれから流出する冷媒を集合させて、この冷媒は冷媒出口４２ａから第１蒸発器８側に排出される。

ここで、チューブ３０、３１のそれぞれに冷媒が流れる際に、この冷媒が電動送風機からの送風空気との間で熱交換して蒸発する。チューブ３０、３１のそれぞれの外表面には熱交換を促進するコルゲートフィン５０が接合されている。

このように構成される第１蒸発器８は２つのパスから構成されている。すなわちパス数が２となっている。

具体的には、１つめのパスは、複数本のチューブ３０、タンク部４０、およびタンク部４１（具体的にはチューブ３０側の部分）から構成されており、２つめのパスは、複数本のチューブ３１、タンク部４１（具体的にはチューブ３１側の部分）、およびタンク部４２から構成されている。

また、チューブ３０、３１およびコルゲートフィン５０は熱交換器コアを構成している。第２蒸発器（上流側蒸発器）９の熱交換器コアの体格は、第１蒸発器（下流側蒸発器）８の熱交換器コアの体格に比べて小さくなっている。

以上説明した本実施形態によれば、第２蒸発器（上流側蒸発器）９のパス数は、第１蒸発器（下流側蒸発器）８のパス数に比べて小さくなっている。このため、第２蒸発器９の冷媒流れの圧力損失を低減することが可能になる。

ここで、図４に示すように、コンプレッサ１の吐出冷媒流れに対して減圧弁４ａ、４ｂおよび第１、第２蒸発器９、８をそれぞれ並列に配設した冷凍サイクル装置の場合には、第１、第２蒸発器９、８の冷媒出口側の乾き度が大きい。このため、第１、第２蒸発器９、８の冷房負荷の変動に伴って、第１、第２蒸発器９、８の冷媒出口側付近で過熱度（スーパーヒート）を有する場合が多い。このため、第１、第２蒸発器９、８のから吹き出される冷風において、空気流れ方向に対する直交方向の温度勾配が生じ易い。

一般的に、蒸発器のパス数を多く設定すると温度勾配を小さくできる。そこで、第１、第２蒸発器９、８を並列配置した場合には第１、第２蒸発器９、８のパス数を多く設定して、未然に温度勾配を小さくすることが必要であった。

これに対して、本実施形態のように第１、第２蒸発器９、８を直列に接続した場合には、第２蒸発器８の冷媒出口側の乾き度が小さい。このため、第２蒸発器８の冷房負荷が変動しても第２蒸発器８の冷媒出口側付近で過熱度（スーパーヒート）を有することはない。このため、第２蒸発器８のパス数を減らしても温度勾配が生じ易くなることはない。
（他の実施形態）
上述の実施形態では、上流側の第２の蒸発器９のパス数が２であり、下流側の第１の蒸発器８のパス数４である例について説明したが、これに代えて、本実施形態では、上流側の第２の蒸発器９のパス数が下流側の第１の蒸発器８のパス数よりも小さいならば、上流側の第２の蒸発器９および下流側の第１の蒸発器８のそれぞれのパス数は、どのような値でもよい。

上述の実施形態の構成に加えて、上流側の第２蒸発器９のタンク４０、４１、４２の内部流路断面積は、下流側の第１蒸発器８のタンク３０、３１、３２、３３の内部流路断面積に比べて大きく設定されていてもよい。

ここで、内部流路断面積とはタンク部の軸線方向（チューブの積層方向）に対する直交方向の内部の断面面積のことである。これにより、上流側の第２蒸発器９のタンク４０、４１、４２に冷媒が流れる際の圧力損失を減少できるので、さらに、冷凍能力の低下を抑制できる。

上述の実施形態の構成に加えて、上流側の第２蒸発器９のチューブ３０、３１の内部流路断面積は、下流側の第１蒸発器８のチューブ２０、２１、２２、２３の内部流路断面積に比べて大きく設定されていてもよい。

ここで、内部流路断面積とはチューブ内において冷媒流れ方向に対する直交方向の内部の断面面積のことである。これにより、上流側の第２蒸発器９の各チューブに冷媒が流れる際の圧力損失を減少できるので、さらに、冷凍能力の低下を抑制できる。

上述の実施形態では、三方弁７およびバイパス通路９ａを設けた例について説明したが、これに限らず、三方弁７およびバイパス通路９ａを外しても良い。

上述の実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いた例について説明したが、これに限らず、他の冷媒を用いても良い。

上述の実施形態では、下流側の第１の蒸発器８を前席用空調装置に用いて、上流側の第２蒸発器９を後席用空調装置に用いた例について説明したが、これに限らず、他の装置に適用しても良い。

上述の実施形態では、２つの蒸発器を用いて冷凍サイクル装置を構成した例について説明したが、これに限らず、３つ以上の蒸発器を用いても良い。

本発明の冷凍サイクル装置の一実施形態の構成を示す図である。 図１の第１蒸発器の構造を示す図である。 図１の第２蒸発器の構造を示す図である。 比較例である冷凍サイクル装置の構成を示す図である。

符号の説明

１…コンプレッサ、２…放熱器、３…内部熱交換器、
３ａ…高圧側冷媒流路、４…減圧弁、４ａ…感温部、
８、９…蒸発器。

Claims (9)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機（１）と、
   前記圧縮機から吐出される冷媒を冷却する冷却器（２）と、
   前記冷却器により冷却された冷媒を減圧する減圧器（４）と、
   前記圧縮機の吐出冷媒流れに対して直列に配設され、前記減圧器により減圧された冷媒が外部流体より吸熱して蒸発する複数の蒸発器（８、９）とを備え、
   前記複数の蒸発器は、前記冷媒が流れて前記冷媒を外部流体からの吸熱により蒸発させる複数本のチューブと、前記複数本のチューブに冷媒を分流する第１のタンクと、前記複数本のチューブから冷媒を集合させる第２のタンクとから構成される冷凍サイクル装置であって、
   前記複数の蒸発器のうち上流側蒸発器（９）における前記第１、第２のタンク及び前記複数本のチューブから決まるパス数が、下流側蒸発器（８）における前記第１、第２のタンク及び前記複数本のチューブから決まるパス数よりも小さく設定されていることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記上流側蒸発器のパス数が２であり、前記下流側蒸発器のパス数４であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記上流側蒸発器の前記第１、第２のタンクの内部流路断面積は、前記下流側蒸発器の前記第１、第２のタンクの内部流路断面積に比べて大きく設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記上流側蒸発器の前記チューブの内部流路断面積は、前記下流側蒸発器の前記チューブ第１、第２のタンクの内部流路断面積に比べて大きく設定されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記減圧器の冷媒出口側の冷媒を前記上流側蒸発器をバイパスして前記下流側蒸発器の冷媒入口側に流すバイパス通路（９ａ）を備えていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記上流側蒸発器および前記バイパス通路のそれぞれに対して冷媒流れ上流側に配置され、前記上流側蒸発器および前記バイパス通路のうち一方の冷媒入口を開放し、他方の冷媒入口を閉鎖する弁手段（７）を備えることを特徴とする請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記複数の蒸発器は、前記複数本のチューブの外表面に接合され、かつ前記冷媒と前記外部流体との間の熱交換を促進する熱交換フィンをそれぞれ備えており、
   前記熱交換フィンは、前記複数本のチューブとともに熱交換コアを構成するものであり、
   前記上流側蒸発器の熱交換コアは、前記下流側蒸発器の熱交換コアに比べて体格が小さくなっていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記冷媒は二酸化炭素であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の冷凍サイクル装置。
9. 請求項１ないし８に記載の冷凍サイクル装置を備えており、
   前記下流側蒸発器は、車室内前席側空間を空調する前席用空調装置を構成し、
   前記上流側蒸発器は、車室内後席側空間を空調する後席用空調装置を構成することを特徴とする車両用空調装置。

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