JP4787070B2

JP4787070B2 - 冷凍サイクル

Info

Publication number: JP4787070B2
Application number: JP2006149628A
Authority: JP
Inventors: 雄一松元; 政人坪井; 謙一鈴木
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Holdings Corp
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2026-05-30
Also published as: EP1862749A3; EP1862749A2; JP2007322009A

Description

本発明は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルに関し、とくに、自然系冷媒である二酸化炭素冷媒を使用した場合に、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。

環境問題配慮の側面から車両用空調装置においても代替冷媒として二酸化炭素冷媒が提案されている。二酸化炭素冷媒は無毒・不燃性であるが、臨界温度が低く（約３１℃）、サイクルの高圧側圧力が超臨界状態（約７．４ＭＰａ以上）になる遷臨界サイクル（超臨界冷凍サイクル）となる。一般的に、フロンを使用したものと比較して冷凍成績係数（C.O.P.）が悪いため、これを向上させることが求められている。また、超臨界状態では潤滑油は冷媒と相溶し循環する。そのような状況において特に蒸発器へ潤滑油が流入すると、潤滑油によって熱伝達が阻害され蒸発器能力が低下する。

図７は、冷媒として二酸化炭素を使用する場合の従来の空調装置における冷凍サイクルの回路構成図である（例えば、特許文献１）。冷凍サイクル１００において、１０１は冷媒を圧縮する圧縮機、１０２は圧縮機１０１にて圧縮された冷媒を放熱する放熱器（ガスクーラ）を示している。１０４は放熱器１０２からの高圧冷媒を減圧する第一減圧機で、冷媒を減圧した後、蒸発器１０５により減圧した冷媒を蒸発させる。１０６は冷媒を気液分離し液相冷媒を貯留するアキュムレータであり、蒸発器１０５から流出した気液混合冷媒を気液分離した後、気相冷媒を圧縮機１０１の吸入側へと送る。この圧縮機１０１の吸入側へ送られる冷媒は、実際には完全に気相とはなっていないので、過熱度を付与して圧縮機１０１に吸入される気相冷媒が湿らないようにするために、放熱器１０２出口側冷媒（高圧側冷媒）とアキュムレータ１０６出口側冷媒（低圧側冷媒）を熱交換させる内部熱交換器１０３が設けられている。さらに、圧縮機の効率を高め、サイクル全体の消費動力を低減するために、放熱器出口側冷媒を減圧し、減圧した冷媒を気液分離し、分離した気相冷媒を圧縮機の圧縮過程の途中に導くようにした、いわゆるガスインジェクションサイクルとした構成も知られている（例えば、特許文献２）
特開平１１−１９３９６７号公報特開平１１−６３６９４号公報

しかしながら、蒸気圧縮式冷凍サイクル中に内部熱交換器や油分離器をそれぞれ個別に設けると、配設機器の数が多くなり、スペース上の問題がある。上述のように二酸化炭素はその物理的性質から高圧側が臨界圧を越える超臨界状態となるため、その圧力に耐えうる材質、構造の検討が必要であり、おのずと機器の材料の厚みが増し、更には重量が増加する傾向にある。そのため、内部熱交換器や油分離器を使用するサイクルは、新たな機器を追加することになるため、車両搭載性が悪い。

また、圧縮機の吸入側へ送られる冷媒に過熱度を付与して圧縮機に吸入される気相冷媒が湿らないようにするために、内部熱交換器で高圧側冷媒と低圧側冷媒との間で熱交換させる場合に、この過熱度を最適に制御することは困難である。低圧側冷媒が温められすぎると、圧縮機の保護と効率向上の面からは必ずしも好ましくない。

本発明の課題は、上記のような問題点に着目し、油分離器により分離された少量の冷媒を含む油を利用し、従来のガスインジェクションサイクルと同等の機能を発揮可能に構成するとともに、この少量の冷媒を含む油との熱交換を介して高圧側冷媒の温度を適度に低減し、それによって高圧側冷媒と低圧側冷媒との熱交換の際に低圧側冷媒が温められすぎないようにして、圧縮機の保護と効率向上の最適なバランスをとることが可能な冷凍サイクルを提供することにある。

また本発明の課題は、冷凍サイクルにおける放熱器、油分離器、減圧機、内部熱交換器等を一体化可能に構成することで、冷凍能力を向上させつつ、スペース、重量の問題を解決することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機により圧縮された冷媒を放熱する放熱器と、該放熱器により放熱された冷媒を、冷媒と少量の冷媒を含む油とに分離する油分離器と、該油分離器により分離された冷媒を減圧する第一減圧機と、該第一減圧機により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離し気相冷媒のみを前記圧縮機の吸入側へ送るアキュムレータを備えた蒸気圧縮式の冷凍サイクルにおいて、前記油分離器により分離された少量の冷媒を含む油を減圧する第二減圧機と、少なくとも前記油分離器により分離された冷媒と前記第二減圧機により減圧された少量の冷媒を含む油との間で熱交換を行う第一内部熱交換器と、前記油分離器により分離され前記第一内部熱交換器にて熱交換が行われた冷媒と前記圧縮機の吸入側へ送られる冷媒との間で熱交換を行う第二内部熱交換器とを設け、前記第二減圧機により減圧された少量の冷媒を含む油が、前記第一内部熱交換器を通過後、前記圧縮機の圧縮過程の途中にインジェクションされるようにしたことを特徴とするものからなる。

すなわち、油分離器により分離された少量の冷媒を含む油を利用し、これを第二減圧機で減圧した後、油分離器により分離された冷媒との間で熱交換を行わせ、しかる後に圧縮機の圧縮過程の途中にインジェクションすることにより、従来のガスインジェクションサイクルと同等の機能を発揮させ、圧縮機の効率向上、サイクルの消費動力の低減が可能になる。そして、油分離器により分離された冷媒（つまり、高圧側冷媒）と第二減圧機により減圧された少量の冷媒を含む油（中圧）との間の熱交換により、高圧側冷媒の温度を適度に低減し、この高圧側冷媒と圧縮機へと吸入される低圧側冷媒との間で熱交換を行う際に、低圧側冷媒の温度が高くなりすぎないようにして（過熱度が高くなりすぎないようにして）、かつ、湿らないようにして圧縮機に導入しようとする冷媒の温度を、圧縮機保護や効率向上の面から、最適な温度に制御することが可能になる。

このような本発明に係る冷凍サイクルにおいては、上記油分離器により分離され上記第一内部熱交換器にて熱交換が行われた冷媒と上記圧縮機の吸入側へ送られる冷媒との間で熱交換を行う第二内部熱交換器を有する。この第二内部熱交換器は、従来の内部熱交換器（例えば、図７に示した内部熱交換器１０３）と同等のものであり、圧縮機の吸入側へ送られる冷媒が湿らないように過熱度を付与するものである。

そして本発明においては、上記第一内部熱交換器と上記第二内部熱交換器を一体に構成することが可能である。また本発明においてはとくに、後述の実施例に示すように、上記放熱器に、上記油分離器と、上記第二減圧機と、上記第一内部熱交換器と、上記第二内部熱交換器を一体に構成することができる。このような一体構成により、実質的に機器の数を低減しつつ冷凍能力を向上させ、車載等の場合のスペース、重量の問題を解決することができる。

なお、本発明に係る冷凍サイクルにおいては、上記第一減圧機および第二減圧機は冷凍サイクル中の冷媒圧力および／または冷媒温度によって開度を変更できる減圧機からなることが好ましい。これにより、一層最適な制御が可能となる。

また、このような本発明に係る冷凍サイクルは、超臨界域を含む蒸気圧縮式冷凍サイクルに、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、油分離器により分離された少量の冷媒を含む油を減圧して有効に利用することで、従来のガスインジェクションサイクルと同等の機能を発揮可能になるととともに、この少量の冷媒を含む油との熱交換を介して高圧側冷媒（油分離器により分離された冷媒）の温度を適度に低減し、それによって高圧側冷媒と低圧側冷媒との熱交換の際に低圧側冷媒が温められすぎないようにして、圧縮機の保護と効率向上の最適なバランスをとることが可能になる。つまり、圧縮機に吸入される低圧側冷媒を最適な過熱度とすることが可能になる。

また、第一内部熱交換器と第二内部熱交換器の一体化、さらには放熱器に、油分離器、第二減圧機、第一内部熱交換器および第二内部熱交換器を一体化するようにすれば、冷凍能力を向上させつつ、重量の問題を解決することが可能になり、さらに、機器および接続部の低減が可能となって冷媒漏洩の防止や搭載性の向上が期待できる。

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、自然系冷媒である二酸化炭素を用いた、本発明の一実施態様に係る冷凍サイクルの回路構成図を示している。図１の構成において、１０は冷凍サイクル全体を示している。１は冷媒を圧縮する圧縮機で、２は圧縮機１にて圧縮された冷媒を放熱する放熱器（ガスクーラ）である。超臨界状態では潤滑油は冷媒と相溶し循環する。そのような状況において特に蒸発器へ潤滑油が流入すると、潤滑油に熱伝達が阻害され蒸発器能力が低下する。そこで、冷媒中に含まれる油を冷媒と分離する油分離器３を設ける。５は油分離器３によって分離された少量の冷媒を含む油を減圧する第二減圧機であり、減圧した少量の冷媒を含む油を内部熱交換器４に流通し、圧縮機１の圧縮工程の途中に入れることで、ガスインジェクションサイクルを構築している。圧縮途中の冷媒がインジェクションされた油によって冷却されるので、吐出冷媒の温度が高くならず、圧縮機の効率低下も少ない。一方、油分離器３で分離した冷媒（高温高圧の冷媒）は、内部熱交換器４を流通して、第一減圧機６にて減圧される。第一減圧機６にて減圧された冷媒は、蒸発器（エバポレータ）７にて外部の熱交換媒体（例えば、空調装置の空気通路内に送られる空気）によって蒸発される。８は、蒸発器７から流出した冷媒を気液分離し液相冷媒を貯留するアキュームレータであり、分離された気相冷媒（低圧冷媒であり、実際には、若干の液相冷媒との混相冷媒であることが多い。）が内部熱交換器４へ流出され、内部熱交換器４における熱交換により適度な過熱度が付与された後、圧縮機１の吸入側へと送られる。図１における矢印は、冷媒および少量の冷媒を含む油の流れを示している。

本実施態様においては、上記内部熱交換器４は、本発明における第一内部熱交換器４１（油分離器３により分離された冷媒と第二減圧機５により減圧された少量の冷媒を含む油との間で熱交換を行う熱交換器）と第二内部熱交換器４２（油分離器３により分離された冷媒と圧縮機１の吸入側へ送られる冷媒との間で熱交換を行う熱交換器）とを一体化した構造に構成されている。つまり、油分離器３により分離した冷媒と、第二減圧機５後の少量の冷媒を含む油と、圧縮機吸入側冷媒とを熱交換する、一体型の内部熱交換器４として設けられている。第二減圧機５通過後の少量の冷媒を含む油は、内部熱交換器４を通過後、圧縮機１の圧縮過程の途中にインジェクションされる。ここで、冷凍サイクル１０中の冷媒としては高圧側が超臨界圧力以上となるような、例えば水や炭化水素を用いてもよい。また、冷凍サイクル１０は特に車両用空調装置として用いてもよい。

図２は、図１の回路構成図による一運転状況をモリエル線図上に示したものである。２１は二酸化炭素冷媒の飽和気液曲線である。２２は臨界温度を通る等温度線を示している。２３は臨界圧力を通る等圧力線である。第二減圧機５後の少量の冷媒を含む油が内部熱交換器４を通過後、圧縮機１の圧縮過程の途中にインジェクションされることにより、二段階に圧縮したようなガスインジェクションサイクルが構築されている。

図３は、図１の回路構成図において、各コンポーネントを一体化した場合の構成として示した回路構成図である。図１との違いは、放熱器２（ガスクーラ）と油分離器３と第二減圧機５と内部熱交換器４（第一内部熱交換器４１と第二内部熱交換器４２の一体化構成）をすべて一体化したガスクーラモジュール３１としたことにある。各コンポーネントを一体化することで、車両搭載性を向上させており、かつ、接続部を低減して冷媒の漏洩のおそれを除去している。放熱器２の一方のタンク内に、油分離器３の構成部材として、デミスタ３２（繊維状の金属線を編んだ細かい網）を設け、油を分離するものである。その後、デミスタ３２の下部に設置した第二減圧機５によりデミスタ３２の底部へと分離された少量の冷媒を含む油を減圧し、放熱器２の下部に設けられた内部熱交換器４の第一内部熱交換器４１部分へ流通させる。一方、放熱器２を流通する冷媒は、クロスフローとして流通し、放熱器２の下部に設けられた内部熱交換器４へ流通させる。この時、第二減圧機５にて減圧された少量の冷媒を含む油とは、内部熱交換器４の第一内部熱交換器４１内にて対向流にて流通させる。さらに、アキュムレータ８から流出した気相冷媒を内部熱交換器４の第二内部熱交換器４２部分へ流通させる。アキュムレータ８より流出した気相冷媒（低圧側冷媒）は、放熱器３出口冷媒（つまり、油分離器３で分離後の高圧側冷媒）と、内部熱交換器４の第二内部熱交換器４２部分内にて、対向流にて熱交換される。つまり、第二減圧機５にて減圧された少量の冷媒を含む油とアキュムレータ８出口冷媒は並行流となる。高圧側冷媒と低圧側冷媒を対向流とすることで熱交換効率を向上できる。

第一減圧機６、第二減圧機５としては、圧力および／または温度によって開度が変更できる膨張機構を用いるのが好ましい。

また、放熱器２（ガスクーラ）と油分離器３と第二減圧機５と内部熱交換器４を一体化してガスクーラモジュール３１とすることによって、放熱器２（ガスクーラ）入口冷媒によって、ガスクーラモジュール３１全体に伝熱し、そこから内部熱交換器４における中圧側および低圧側に伝熱し、中圧側および低圧側冷媒の過熱度が上昇する。この場合、過熱度上昇により、圧縮機効率が減少してしまわないように、ガスクーラモジュール３１において、放熱器２（ガスクーラ）部分と内部熱交換器４部分の間に空隙を設ける等して放熱器２部分から内部熱交換器４部分への伝熱を妨げるようにするのが好ましい。あるいは、放熱器２部分と内部熱交換器４部分とを断熱材等で分離してもよい。

図４（（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ））は、図３で示したガスクーラモジュール３１を三角法にて示した外観形状図である。正面図は図３で説明した通りだが、上面図、側面図、下面図を追加してある。正面図において、ガスクーラモジュール３１下部の内部熱交換器４部分は車両前面風があたらなくてもよい組み付け状態とすることもできる。すなわち、放熱器２部分の面積を最大限とりつつ、それに内部熱交換器４を組み付けた設計としてもよい。

図５は、ガスクーラモジュール３１の内部熱交換器４の横断面形状（（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ））および出入口端末形状（（Ｅ）、（Ｆ））を例示している。図５（Ａ）に示す横断面形状５１は、３重管構造の内部熱交換器となっている。図５（Ｂ）に示す横断面形状５２は、配管の中を３つの部屋に均一に分けた構造とし、それぞれの部屋に、高圧冷媒、中圧冷媒、低圧冷媒を流通させるものである。図５（Ｃ）に示す横断面形状５３は、配管の中を３つの部屋に不均一に分けた構造とし、それぞれの部屋に、高圧冷媒、中圧冷媒、低圧冷媒を流通させるものである。図５（Ｄ）に示す横断面形状５４は、扁平管の積層構造とし、各扁平管内の流路にそれぞれ高圧冷媒、中圧冷媒、低圧冷媒を流通させるものである。図５（Ｅ）、（Ｆ）に示す出入口端末形状では、３重管横断面形状５１の構造の内部熱交換器を用いた時の、それぞれの冷媒の出入口を示したものである。５５は高圧側冷媒端末で、５６は低圧側冷媒端末、５７は中圧側冷媒端末を、それぞれ示している。高圧側冷媒は低圧側冷媒と熱交換するのは従来通りだが、最外面に中圧側冷媒を流通させる事によって、従来の２重管タイプの内部熱交換器と比べて、低圧側出口冷媒が温まりすぎることがなくなり、圧縮機吸入冷媒の過熱度を低減できる。

図６は、上記ガスクーラモジュール３１の断面をより詳細に示した図である。圧縮機１より流入した冷媒は放熱器２（ガスクーラ）部分のチューブ６１内を流通し、フィン６２を通して放熱している。チューブ６１を流通して第一タンク６３から第二タンク６４に到達した冷媒は、第二タンク６４内に設けられたデミスタ３２によって油が捕捉され、冷媒のみ再びチューブ６１を流通して第一タンク６３に入る。第一タンク６３に入った冷媒は、放熱器２から内部熱交換器４へと第一タンク６３内の通路を通って流通する。一方、第二タンク６４に設けられたデミスタ３２によって捕捉された油は第二減圧機５によって減圧され、第二タンク６４内の通路を通って内部熱交換器４へと流通する。同時に、アキュムレータ８から流出した冷媒が内部熱交換器４を流通して圧縮機１吸入側へ入る。この時、放熱器２出口側冷媒の高圧側冷媒と、第二減圧機５通過後の少量の冷媒を含む油（中圧側冷媒）とアキュムレータ８出口側冷媒の低圧側冷媒間で、内部熱交換器４（例えば、扁平管構造）にて熱交換される。

なお、ガスクーラ内の冷媒流通方法としては、クロスフローまたはカウンターフローのいずれの形態としてもよい。

このように、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルによれば、油分離器３により分離した冷媒と油を用い、放熱器出口側冷媒と、減圧した少量の冷媒を含む油を一体化構造の内部熱交換器４にて熱交換することで、高圧側冷媒温度の低減をはかっている。さらに、低圧側冷媒を内部熱交換器４に流通させることで、低圧側冷媒を温め、圧縮機吸入冷媒が湿らないようにしている。この場合、低圧側冷媒を温めるのに、高圧側冷媒を用いるものの、中圧側冷媒と熱交換させているため、従来のように高圧側冷媒と低圧側冷媒のみの間で熱交換していた場合に比べ、低圧側冷媒温度の上昇を適度に低減でき、圧縮機に吸入される低圧側冷媒を圧縮機保護と共に効率を考慮した最適な過熱度とすることができる。

一方、減圧した少量の冷媒を含む油を内部熱交換器４に流通後、圧縮機１の圧縮工程の途中に導入することで、圧縮工程の効率を向上させている。

さらに、放熱器２、油分離器３、第二減圧機５、内部熱交換器４を一体化したことで、冷凍能力を向上させつつ、スペース、重量の問題を解決でき、更に機器及び接続部の低減が可能となり、冷媒漏洩や設置性の向上が期待できる。

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。

本発明の一実施態様に係る冷凍サイクルの回路構成図である。図１の冷凍サイクルにおけるモリエル線図である。放熱器と内部熱交換器を一体化したガスクーラモジュールの例を示す冷凍サイクルの回路構成図である。図３のガスクーラモジュールを三角法にて示した外観形状図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は上面図、（Ｃ）は側面図、（Ｄ）は下面図である。図３のガスクーラモジュールにおける内部熱交換器の断面形状の例を示した横断面図（（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ））および出入口端末形状の例を示した概略構成図（Ｅ）および縦断面図（Ｆ）である。図３のガスクーラモジュールのより詳細な構造を示す縦断面図である。従来の冷凍サイクルの回路構成図である。

符号の説明

1 圧縮機
2 放熱器
3 油分離器
4 内部熱交換器
5 第二減圧機
6 第一減圧機
7 蒸発器
8 アキュムレータ
１０冷凍サイクル
２１飽和気液曲線
２２等温度線
２３等圧力線
３１ガスクーラモジュール
３２デミスタ
４１第一内部熱交換器
４２第二内部熱交換器
５１３重管構造の断面形状
５２均一構造の断面形状
５３不均一構造の断面形状
５４扁平管構造の断面形状
５５高圧側冷媒端末
５６低圧側冷媒端末
５７中圧側冷媒端末
６１チューブ
６２フィン
６３第一タンク
６４第二タンク

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機により圧縮された冷媒を放熱する放熱器と、該放熱器により放熱された冷媒を、冷媒と少量の冷媒を含む油とに分離する油分離器と、該油分離器により分離された冷媒を減圧する第一減圧機と、該第一減圧機により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離し気相冷媒のみを前記圧縮機の吸入側へ送るアキュムレータを備えた蒸気圧縮式の冷凍サイクルにおいて、前記油分離器により分離された少量の冷媒を含む油を減圧する第二減圧機と、少なくとも前記油分離器により分離された冷媒と前記第二減圧機により減圧された少量の冷媒を含む油との間で熱交換を行う第一内部熱交換器と、前記油分離器により分離され前記第一内部熱交換器にて熱交換が行われた冷媒と前記圧縮機の吸入側へ送られる冷媒との間で熱交換を行う第二内部熱交換器とを設け、前記第二減圧機により減圧された少量の冷媒を含む油が、前記第一内部熱交換器を通過後、前記圧縮機の圧縮過程の途中にインジェクションされるようにしたことを特徴とする冷凍サイクル。
前記第一内部熱交換器と前記第二内部熱交換器が一体に構成されている、請求項１に記載の冷凍サイクル。
前記放熱器に、前記油分離器と、前記第二減圧機と、前記第一内部熱交換器と、前記第二内部熱交換器が一体に構成されている、請求項１または２に記載の冷凍サイクル。
前記第一減圧機および第二減圧機は冷凍サイクル中の冷媒圧力および／または冷媒温度によって開度を変更できる減圧機からなる、請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍サイクル。
冷凍サイクルに使用する冷媒が二酸化炭素である、請求項１〜４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られる、請求項１〜５のいずれかに記載の冷凍サイクル。