JP4776438B2

JP4776438B2 - 冷凍サイクル

Info

Publication number: JP4776438B2
Application number: JP2006146324A
Authority: JP
Inventors: 謙一鈴木; 政人坪井; 雄一松元
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Holdings Corp
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2026-05-26
Also published as: JP2007315687A; EP1860390A3; EP1860390A2

Description

本発明は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルに関し、とくに、自然系冷媒である炭酸ガスを用いる場合に、中でも車両用空調装置における冷凍サイクルとして好適な蒸気圧縮式冷凍サイクルに関する。

車両用空調装置としての蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒として、自然系冷媒である炭酸ガスを用いている場合においては、外部からの制御信号によって膨張装置の弁開度を制御することで、冷媒の高圧側ラインの圧力を調節する構成が知られている（例えば、特許文献１）。このような冷凍サイクルにおいては、冷凍サイクルの高圧側冷媒温度などを参照することにより冷凍サイクルの成績係数が最適となる高圧側圧力を演算し、高圧側圧力が最適となるように膨張装置の弁開度などを制御するようになっている。

上述のように、高圧側冷媒の温度を参照することにより演算される最適な高圧側圧力となるように電気式の膨張手段などを制御する一方で、蒸発器出口空気温度を調節するために、外部制御式の可変容量圧縮機の容量が制御されており、一般的に熱負荷等の情報から圧縮機の容量制御のための信号が演算される。

しかしながら、上述の構成による冷凍サイクルでは、冷凍サイクルとしての成績係数は向上するが、圧縮機の動力をあまり低減することはできない。具体的には、外気温度、あるいは、放熱器の出口冷媒温度が冷媒の臨界温度より大幅に高い場合には、前述の高圧側圧力を最適に制御しても、システムの冷凍能力が低下し、また、圧縮機の消費動力は通常負荷（外気温度、あるいは、放熱器の出口冷媒温度が冷媒の臨界温度近辺である場合）に比べ大幅に増加してしまい、システムの成績係数が低下してしまうことがあると考えられる。このような問題に対処するべく、ガスインジェクションサイクル（圧縮機の圧縮工程の途中に気液分離器により分離された気相状態の冷媒を導くようにしたサイクル）が、特許文献２や特許文献３に開示されている。
特開平７−２９４０３３号公報特開平１１−６３６９４号公報特開平１０−２８８４１１号公報

一般的なガスインジェクションサイクルの冷凍サイクルの構成としては、２つの膨張手段の間に気液分離器を設けるシステムとなる。また、炭酸ガスを利用した冷凍サイクルでは、蒸発器出口冷媒の過熱度を制御することが困難であり、さらに、システムに対する負荷変動に対応するべく、蒸発器出口冷媒を気液分離器により気液分離し、気相冷媒のみを圧縮機吸入側へと流出させる必要がある。また、気液分離器にて分離した気相冷媒を流出する過程では、通常、冷媒中の潤滑油を圧縮機へ戻すためにオイル戻しが必要となるが、気液分離器内では完全に気液二相に分離されているわけではないので、多少湿り蒸気が混入されることが考えられる。このようなことからも、圧縮機への吸入冷媒に過熱度をつける必要がある。さらに、２つの膨張手段と気液分離器等の締結部の増加による冷媒漏洩等も懸念される。

本発明の課題は、ガスインジェクションサイクル構成を備えた蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、とくに冷媒として自然系冷媒である炭酸ガスを用いた場合について、冷凍能力を良好に維持しつつ、ガスインジェクションサイクルとすることで、圧縮機の効率を向上させるとともに圧縮に要する消費動力の低減をはかり、冷凍サイクル全体としての効率を向上させる一方、とくに、気液分離手段と膨張手段を一体化することで締結部の低減をはかり、サイクル全体の構造を簡素化、低コスト化するとともに、冷媒漏洩等の懸念を解消することにある。また、圧縮機にインジェクションされる冷媒と圧縮機へ吸入される冷媒とを熱交換させる新規な構成を導入することで、インジェクションされる冷媒を冷却し、一層の高効率化をはかることを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る冷凍サイクルは、冷媒を圧縮し吐出する圧縮機と、該圧縮機により圧縮された高温高圧の冷媒を冷却する放熱器と、該放熱器により冷却された冷媒を減圧する第一減圧手段と、該第一減圧手段により減圧された冷媒を気液分離する第一気液分離手段と、該第一気液分離手段により分離された液相状態の冷媒を減圧する第二減圧手段と、該第二減圧手段により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器により蒸発された冷媒を気液分離する第二気液分離手段とを有し、該第二気液分離手段により分離された気相状態の冷媒を前記圧縮機の吸入側へと流出させて前記圧縮機により圧縮させるとともに、前記第一気液分離手段により分離された気相状態の冷媒を前記圧縮機の圧縮工程の途中へ導く、超臨界域で作動可能な蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、前記第一気液分離手段、前記第二気液分離手段、前記第一減圧手段、前記第二減圧手段がすべて一体に組み付けられ、前記第一気液分離手段と前記第二気液分離手段が一体の容器として形成されるとともに、前記第一減圧手段は前記放熱器から前記第一気液分離手段内への流入口に至るまでの冷媒流路に組み付けられ、前記第一気液分離手段から前記第二減圧手段に至る冷媒の流通経路は、前記第二気液分離手段内の冷媒貯留空間を通過することを特徴とするものからなる。すなわち、減圧手段と気液分離手段との一体化により、締結部の低減をはかり、サイクル全体の構造を簡素化、低コスト化するとともに、冷媒漏洩等の懸念を除去する。また、基本的に、冷凍サイクルをガスインジェクションサイクルとすることで、圧縮機の効率を向上させるとともに圧縮に要する消費動力の低減をはかり、冷凍サイクル全体としての効率を向上させる。

また、本発明に係る冷凍サイクルには、前記第一気液分離手段から流出し前記圧縮機へと至る気相状態の冷媒と、前記第二気液分離手段から流出し前記圧縮機へと至る気相状態の冷媒とを熱交換する熱交換手段が設けられていてもよい。圧縮機にインジェクションされる冷媒と圧縮機へ吸入される冷媒とを熱交換させることで、インジェクションされる冷媒を冷却し、インジェクションの効果を増大させて冷凍サイクル全体としての効率を向上させることができる。

本発明に係る冷凍サイクルにおいては、上記第一気液分離手段、上記第二気液分離手段、上記第一減圧手段、上記第二減圧手段がすべて一体に組み付けられている構成を採用している。これにより、一層、締結部の低減をはかり、サイクル全体の構造を簡素化、低コスト化するとともに、冷媒漏洩等の懸念を除去することができる。

さらに前述の一体化された構成においては、例えば後述の図６にも示すように、上記第一気液分離手段と上記第二気液分離手段が一体の容器として形成されるとともに、上記第一減圧手段は上記放熱器から上記第一気液分離手段内への流入口に至るまでの冷媒流路に組み付けられ、上記第一気液分離手段から上記第二減圧手段に至る冷媒の流通経路は、上記第二気液分離手段内の冷媒貯留空間を通過する構成を採用している。なお、この第一気液分離手段から上記第二減圧手段に至る冷媒の流通経路は、上記第二気液分離手段内の冷媒貯留空間を通過し、かつ、上記第二気液分離手段内にて分離され貯留される液相状態の冷媒に接触するように形成されている構成とすることもできる。

このような本発明に係る冷凍サイクルは、超臨界域を含む冷凍サイクルに、とくに冷媒が二酸化炭素からなる場合に好適なものである。また、本発明に係る冷凍サイクルは、とくに車両用空調装置の冷凍サイクルとして用いられる場合に好適なものである。

本発明に係る冷凍サイクルによれば、ガスインジェクションサイクルとすることで、圧縮機の効率を向上させ、圧縮に要する消費動力の低減をはかりつつ、減圧手段と気液分離手段との一体化により、締結部の低減をはかり、サイクル全体の構造を簡素化、低コスト化するとともに、冷媒漏洩等の懸念を除去することができる。また、圧縮機にインジェクションされる冷媒と圧縮機へ吸入される冷媒とを熱交換させることで、インジェクションされる冷媒を冷却し、インジェクションの効果を増大させて冷凍サイクル全体としての効率を向上させることができる。

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。
参考例１
図１は、車両用空調用に、自然系冷媒である炭酸ガスを用いた冷凍サイクル装置の機械的な構成部分全体を示しており、送風機１０を備えた通風路１１に対して冷凍サイクル１が設けられている。まず、この冷凍サイクル１の作動について説明する。圧縮機２により圧縮された冷媒は、放熱器３へと導かれ、放熱器用送風機４等を用いて外部の流体（例えば、空気）と熱交換される。放熱器３により冷却され放熱器３から流出した冷媒は第一減圧手段としての第一膨張装置５として設けられたオリフィスにより減圧される。減圧された冷媒は、第一気液分離手段と第二気液分離手段とが一体化された気液分離器モジュール７内の第一の気液分離器室（第一気液分離手段）により、液相冷媒と気相冷媒とに分離される。分離された液相冷媒は、第二減圧手段としての第二膨張装置６として設けられたオリフィスにより減圧され、減圧された冷媒は蒸発器８へと導かれ、外部の流体（例えば、通風路１１内の空気）と熱交換される。蒸発器８から流出した冷媒は、気液分離器モジュール７内の第二の気液分離器室（第二気液分離手段）により、液相冷媒と気相冷媒とに分離される。分離された液相冷媒は気液分離器モジュール７内に貯留され、気相冷媒は気液分離器モジュール７から排出され、圧縮機２へと流入され圧縮される。さらに、気液分離器モジュール７内の第一の気液分離器室から流出した気相冷媒が、気液分離器モジュール７内の第二の気液分離器室から流出した気相冷媒によって熱交換器９にて冷却され、圧縮機２へと（圧縮機２の圧縮工程の途中へと）インジェクションされるものである。この冷凍サイクル１の圧縮機２は、固定容量圧縮機または容量可変圧縮機とされ、その駆動源は、車両のエンジンであっても、エンジン以外の駆動源であってもよい。

図２は、参考例１としての気液分離器モジュール７の詳細な構成を示している。気液分離器モジュール７としての冷媒貯留容器100は、その内部において、第一気液分離手段としての第一気液分離器室101と、第二気液分離手段としての第二気液分離器室105とに分けられている。どちらの気液分離器室においても、気相、液相冷媒を分離する機能を有するものである。放熱器３からの冷媒は、高圧冷媒流入口112より流入し、第一膨張装置102により減圧され、中圧冷媒流入口103より第一気液分離器室101内へと流入し、中圧の気相、液相冷媒に分離される。第一気液分離器室101により分離された中圧気相冷媒が、中圧冷媒流路104を通り中圧冷媒流出口114から流出する。さらに、分離された中圧液相冷媒117は、第二膨張装置106により減圧され、第二気液分離器室105内の冷媒貯留空間を通過し貯留された液相冷媒118に接するように設けられた冷媒配管107を流通した後、低圧冷媒流出口116より蒸発器８へと流出する。なお、第二減圧手段としての第二膨張装置106は、第一気液分離器室101からの冷媒流出口120から蒸発器８に至る冷媒の流通経路に設けられればよいが、本参考例では冷媒流出口120直後に設けられている。蒸発器８から流出した気液二相冷媒は、低圧冷媒流入口113より、第一気液分離器室101を貫通して延びる冷媒配管108を流通し、第二気液分離器室105内へと流入し、低圧の気相、液相冷媒に分離される。分離された低圧液相冷媒118が第二気液分離器室105内下部に貯留され、流入した冷媒内の冷凍サイクルの潤滑油としてのオイルが第二気液分離器室105の底部にオイル119として溜まり、低圧気相冷媒は、冷媒排出管109より圧縮機２の吸入側へと排出されるものである。冷媒排出管109の下部に配置されるオイル戻し孔111から第二気液分離器室105底部に溜まるオイル119が吸入され、低圧気相冷媒とともに冷媒排出管109から低圧冷媒流出口115を通して圧縮機２へと送出される。また、ディフューザ110は、低圧冷媒流入口113を通り冷媒流入配管108より流入した気液二相冷媒が、冷媒排出管109へ直接流入するのを防止するものである。ここで、オイルと液相冷媒とは、図示するように完全には分離することはなく、実際には、オイル内に液相冷媒も多少含まれていると考えられる。

図３は、参考例１における熱交換器９に適用可能な二重管構造の熱交換器の一例を示したものである。この熱交換器９として利用される二重管200は、内側の流通経路201に、第一気液分離器室101で分離された気相冷媒が通過し、外側の流通経路202には、第二気液分離器室105から流出する気相冷媒が通過するようになっており、両者の間で熱交換されて、第一気液分離器室101で分離され、圧縮機２へとインジェクションされる気相冷媒が冷却される。

図４は、参考例１としての冷凍サイクル作動状態を表すモリエル線図を示したものである。横軸がエンタルピ、縦軸が圧力を示している。

上記のような参考例１においては、第一気液分離手段、上記第二気液分離手段、上記第一減圧手段、上記第二減圧手段がすべて一体に組み付けられた構成の気液分離器モジュール７とされることにより、締結部の低減をはかり、サイクル全体の構造を簡素化、低コスト化するとともに、冷媒漏洩等の懸念を除去することができる。また、熱交換器９により、圧縮機２にインジェクションされる冷媒と圧縮機２へ吸入される冷媒とを熱交換させることで、圧縮機２へとインジェクションされる気相冷媒を冷却できるので、インジェクションの効果を増大させて冷凍サイクル全体としての効率を向上させることができる。

実施例２
図５に、実施例２に係る炭酸ガスを用いた冷凍サイクル装置の機械的な構成部分全体を示す。この実施例２に係る冷凍サイクルは、図１の冷凍サイクルと基本的な構成は同一である。但し、この実施例２に係る冷凍サイクルでは、気液分離器内の第二膨張装置６の組込み位置が異なっているものである。この作用としては、図６により説明される。

図６は、実施例２における気液分離器モジュール７の詳細な構成図である。気液分離器モジュール７は、冷媒貯留容器100として、その内部において、実施例１と同様に、第一気液分離器室101と、第二気液分離器室105とに分かれる。どちらの気液分離器室においても、気相、液相冷媒を分離する機能を有するものである。放熱器３からの冷媒は、高圧冷媒流入口112より流入し、第一膨張装置102により減圧され、中圧冷媒流入口103より第一気液分離器室101へと流入し、中圧の気相、液相冷媒に分離される。第一気液分離器室101により分離された中圧気相冷媒が中圧冷媒流路104を通り中圧冷媒流出口114から流出する。さらに、分離された中圧液相冷媒117は、冷媒配管107を流通し、第二膨張装置106により減圧され、低圧冷媒流出口116より蒸発器８へと流出する。その際に、冷媒配管107は、図示のように低圧液相冷媒118に一部接触しており、冷媒配管107内部に流れる冷媒の冷却が可能となる。また、冷媒配管107は、第二気液分離器室105内の気相冷媒とも熱交換することも可能であることから、この冷媒配管内を流れる冷媒は、第二気液分離器室105内の気相冷媒及び液相冷媒によって冷却され冷凍効果の増大をはかることができる。また、蒸発器８から流出した気液二相冷媒は冷媒流入口113より冷媒配管108を流通し、第二気液分離器室105へと流入し、低圧の気相、液相冷媒に分離され、分離された低圧液相冷媒118が第二気液分離器室105内下部に貯留され、流入した冷媒内の冷凍サイクルの潤滑油としてのオイルが第二気液分離器室105の底部にオイル119として溜まり、気相冷媒は、冷媒排出管109より圧縮機２へと排出されるものである。冷媒排出管109の下部に配置されるオイル戻し孔111から第二気液分離器室105底部に溜まるオイル119が吸入され、低圧気相冷媒とともに冷媒排出管109から圧縮機２へと送出される。また、ディフューザ110は、低圧冷媒流入口113を通り冷媒流入配管108より流入した気液二相冷媒が、冷媒排出管109へ直接流入するのを防止するものである。ここで、オイルと液相冷媒とは、図示するように完全には分離することはなく、実際には、オイル内に液相冷媒も多少含まれていると考えられる。また、この実施例２においては、冷媒配管107にフィンなどの熱交換を促進するものを設けてもよい。

図７は、実施例２としての冷凍サイクル作動状態を表すモリエル線図を示したものである。図４に示した実施例１におけるモリエル線図に比べ、図７に示すように、一部過冷却域が現れる。

このように、上記各実施例によれば、冷媒として自然系冷媒である炭酸ガスを用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルのにおいて、ガスインジェクションサイクルとすることで、圧縮機２の効率を向上させ、圧縮に要する消費動力の低減をはかることができる。また、気液分離器と膨張機構を一体化することで（一体化した気液分離器モジュール７とすることで）、締結部の低減が可能となり、構造の簡素化、コスト低減をはかることができるとともに、冷媒漏洩の懸念を除去することができる。また、圧縮機２にインジェクションされる冷媒と圧縮機２へ吸入される冷媒とを熱交換させることで、インジェクションされる冷媒を冷却させることができ、インジェクションの効果を向上させることができる。

本発明に係る冷凍サイクルは、超臨界域で作動可能なあらゆる蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用でき、とくに、自然系冷媒である炭酸ガスを用いた冷凍サイクル、中でも車両用空調装置における冷凍サイクルとして好適なものである。

本発明の参考例１に係る冷凍サイクルの概略構成図である。参考例１における気液分離器モジュールの縦断面図である。参考例１における熱交換手段としての熱交換器の一例を示す二重管式熱交換器斜視図である。参考例１におけるモリエル線図である。本発明の実施例２に係る冷凍サイクルの概略構成図である。実施例２における気液分離器モジュールの縦断面図である。実施例２におけるモリエル線図である。

符号の説明

１冷凍サイクル
２圧縮機
３放熱器
４放熱器用送風機
５第一減圧手段としての第一膨張装置
６第二減圧手段としての第二膨張装置
７気液分離器モジュール
８蒸発器
９熱交換手段としての熱交換器
10 送風機
11 通風路
100 冷媒貯留容器
101 第一気液分離手段としての第一気液分離器室
102 第一減圧手段としての第一膨張装置
103 中圧冷媒流入口
104 中圧冷媒流路
105 第二気液分離手段としての第二気液分離器室
106 第二減圧手段としての第二膨張装置
107 冷媒配管
108 冷媒配管
109 冷媒排出管
110 ディフューザ
111 オイル戻し孔
112 高圧冷媒流入口
113 低圧冷媒流入口
114 中圧冷媒流出口
115 低圧冷媒流出口
116 低圧冷媒流出口
117 中圧液相冷媒
118 低圧液相冷媒
119 オイル
120 冷媒流出口
200 熱交換器として利用される二重管
201 内側の流通経路
202 外側の流通経路

Claims

冷媒を圧縮し吐出する圧縮機と、該圧縮機により圧縮された高温高圧の冷媒を冷却する放熱器と、該放熱器により冷却された冷媒を減圧する第一減圧手段と、該第一減圧手段により減圧された冷媒を気液分離する第一気液分離手段と、該第一気液分離手段により分離された液相状態の冷媒を減圧する第二減圧手段と、該第二減圧手段により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器により蒸発された冷媒を気液分離する第二気液分離手段とを有し、該第二気液分離手段により分離された気相状態の冷媒を前記圧縮機の吸入側へと流出させて前記圧縮機により圧縮させるとともに、前記第一気液分離手段により分離された気相状態の冷媒を前記圧縮機の圧縮工程の途中へ導く、超臨界域で作動可能な蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、前記第一気液分離手段、前記第二気液分離手段、前記第一減圧手段、前記第二減圧手段がすべて一体に組み付けられ、前記第一気液分離手段と前記第二気液分離手段が一体の容器として形成されるとともに、前記第一減圧手段は前記放熱器から前記第一気液分離手段内への流入口に至るまでの冷媒流路に組み付けられ、前記第一気液分離手段から前記第二減圧手段に至る冷媒の流通経路は、前記第二気液分離手段内の冷媒貯留空間を通過することを特徴とする冷凍サイクル。
前記第一気液分離手段から流出し前記圧縮機へと至る気相状態の冷媒と、前記第二気液分離手段から流出し前記圧縮機へと至る気相状態の冷媒とを熱交換する熱交換手段を設けたことを特徴とする、請求項１に記載の冷凍サイクル。
前記第一気液分離手段から前記第二減圧手段に至る冷媒の流通経路は、前記第二気液分離手段内の冷媒貯留空間を通過し、かつ、前記第二気液分離手段内にて分離され貯留される液相状態の冷媒に接触するように形成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。
前記冷媒が二酸化炭素からなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍サイクル。
車両用空調装置の冷凍サイクルとして用いることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の冷凍サイクル。