JP5713312B2

JP5713312B2 - 冷凍サイクル装置

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Publication number: JP5713312B2
Application number: JP2010242164A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　博; 博佐藤
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: WO2012056887A1; JP2012093048A

Description

本発明は、車両用空調装置の蒸気圧縮式冷凍サイクル等に用いられる、内部熱交換器を有する冷凍サイクル装置に関する。

二酸化炭素等の冷媒を用いて冷暖房運転を行うヒートポンプサイクルにおいて、特許文献１に記載されるような内部熱交換器を有するものが知られている。このようなサイクル装置においては、高温・高圧の液相冷媒と低温・低圧の気相冷媒との間で熱交換を行うことによって、蒸発器入口冷媒の比エンタルピを減少させ、冷凍効果を増加させることでサイクルの効率および能力の向上が図られている。従来の内部熱交換器を有する冷凍サイクル装置の概略フロー図を、図７に示す。

特許第４２３９２５６号公報

従来のサイクル装置に使用される内部熱交換器においては、熱交換量を増やし過ぎると、圧縮機の吸入過熱度が異常に高くなり、圧縮機および吐出ホースの耐久性に悪影響を及ぼす恐れがあった。このような悪影響を回避するために、内部熱交換器を運転するにあたっては、圧縮機の吸入過熱度を所定範囲内に抑えることができる程度に熱交換量の上限を設定する必要があった。

そこで本発明の課題は、高い運転効率および運転能力を保持しつつ、内部熱交換器の熱交換量を従来よりも高めることができる冷凍サイクル装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る第１の冷凍サイクル装置は、冷凍サイクル内を循環する冷媒が管内を蒸発器出口から圧縮機入口へと流れる内管と、前記冷媒が管内を凝縮器出口から蒸発器入口へと流れる外管とからなる二重管式内部熱交換器を有し、前記外管の管内を流れる前記冷媒の一部を該外管の蒸発器入口側から前記内管の蒸発器出口側に流入させるバイパス孔が前記内管の管壁面上に形成され、前記バイパス孔に、該バイパス孔内へと流入する冷媒の圧力を減少させる膨張作用が付与されていることを特徴とするものからなる。

このような本発明の冷凍サイクル装置においては、凝縮器を通過した後の高温高圧の液相冷媒を、当該液相冷媒の一部を分岐してバイパス孔を通過させた低温低圧の２相冷媒および蒸発器を通過した後の低温低圧の気相冷媒との間で熱交換させることによって、膨張機構の入口における過冷却度を高めることができる。このような本発明の冷凍サイクルによれば、蒸発器を通過する冷媒の流量を低く抑えることにより、蒸発器における冷媒の圧力損失を抑制し、冷凍能力およびサイクル効率を増加させることが可能となる。さらに、本発明の冷凍サイクルによれば、蒸発器入口における冷媒の乾き度を低く抑えることも可能であり、これによって冷凍効率およびサイクル効率のさらなる改善が図られる。

バイパス孔に膨張作用を適切に付与するためには、バイパス孔の開口面積を適正範囲に設定する必要がある。バイパス孔の開口面積は基本的にバイパス孔の孔径によって決まるが、一定の孔径を有するバイパス孔を内管の管壁面上に複数形成することによって、バイパス孔の総開口面積を簡便に設定することが可能である。

また、本発明に係る第２の冷凍サイクル装置は、冷凍サイクル内を循環する冷媒が管内を蒸発器出口から圧縮機入口へと流れる内管と、前記冷媒が管内を凝縮器出口から蒸発器入口へと流れる外管とからなる二重管式内部熱交換器を有し、前記外管の管内を流れる前記冷媒の一部を該外管の蒸発器入口側から前記内管の蒸発器出口側に流入させるバイパス孔が前記内管の管壁面上に形成され、前記外管の管壁内周面上であって前記バイパス孔よりも上流側に管内の流路断面積を絞る絞り機構が設けられ、該絞り機構に前記外管の管内を流れる前記冷媒の圧力を減少させる膨張作用が付与されていることを特徴とするものからなる。本発明における絞り機構は、例えば外管の管壁内周面に設けられるオリフィス板として構成することができる。当該オリフィス板の寸法を適切に設計することにより、冷媒の圧力を所望の圧力まで減少させることが可能となる。このような絞り機構が設けられる場合には、冷媒に対する膨張作用は主として絞り機構に付与されるので、バイパス孔は主として流量調整作用を果たすこととなる。

このような本発明に係る第２の冷凍サイクル装置においては、凝縮器を通過した後の高温高圧の液相冷媒を、当該液相冷媒の一部を分岐してバイパス孔を通過させた低温低圧の２相冷媒および蒸発器を通過した後の低温低圧の気相冷媒との間で熱交換させることによって、凝縮器の後段における過冷却度を高めることができる。このような本発明の冷凍サイクルによれば、蒸発器を通過する冷媒の流量を低く抑えることにより、蒸発器における冷媒の圧力損失を抑制し、冷凍能力およびサイクル効率を増加させることが可能となる。さらに、本発明の冷凍サイクルによれば、蒸発器入口における冷媒の乾き度を低く抑えることも可能であり、これによって冷凍効率およびサイクル効率のさらなる改善が図られる。

本発明に係る第１および第２の冷凍サイクル装置において、系内の異物によってバイパス孔が閉塞されることを回避するために、バイパス孔を複数設けることが好ましい。さらにエンドミル等の治具にて外から内に向かって穿孔加工を行う際の便宜から、バイパス孔を、内管の管壁外周面から管壁内周面に向けて孔径が減少するように形成してもよい。

本発明に係る第１および第２の冷凍サイクル装置において、前記バイパス孔を介して前記外管の管内から前記内管の管内に流入する冷媒流量の割合が、前記外管の管内を流れる冷媒流量の５〜３５％に設定されていることが好ましい。このような流量割合で冷媒をバイパスさせることにより、冷凍サイクルのシステム性能を不安定にすることなく、膨張機構における過冷却度を高めることができる。

本発明に係る第１および第２の冷凍サイクル装置において、前記内管の管壁面上に差圧作動弁が設けられていることが好ましい。差圧作動弁の開弁圧は１．０ＭＰａ以上に設定されていることが好ましい。バイパス孔の前後における冷媒圧力のバランスが不安定になると、冷媒がバイパス孔を通して逆流して冷凍サイクルの性能を悪化させるおそれがある。そこで、このような差圧作動弁が設けられることにより、バイパス開始の圧力を所望の値に設定することができるとともに、内管の管内を流れる冷媒がバイパス孔を介して外管の管内に逆流する恐れが解消され安定した性能を発揮する冷凍サイクル装置が実現可能となる。

また、本発明に係る冷凍サイクル装置の変形例として、内管と外管内を流れる冷媒を入れ替えた態様も採用可能である。すなわち本発明に係る第３の冷凍サイクル装置は、冷凍サイクル内を循環する冷媒が管内を蒸発器出口から圧縮機入口へと流れる外管と、前記冷媒が管内を凝縮器出口から蒸発器入口へと流れる内管とからなる二重管式内部熱交換器を有し、前記内管の管内を流れる前記冷媒の一部を該内管の蒸発器入口側から前記外管の蒸発器出口側に流入させるバイパス孔が前記内管の管壁面上に形成され、前記バイパス孔に、該バイパス孔内へと流入する冷媒の圧力を減少させる膨張作用が付与されていることを特徴とするものからなる。

また、本発明に係る第４の冷凍サイクル装置は、冷凍サイクル内を循環する冷媒が管内を蒸発器出口から圧縮機入口へと流れる外管と、前記冷媒が管内を凝縮器出口から蒸発器入口へと流れる内管とからなる二重管式内部熱交換器を有し、前記内管の管内を流れる前記冷媒の一部を該内管の蒸発器入口側から前記外管の蒸発器出口側に流入させるバイパス孔が前記内管の管壁面上に形成され、前記外管の管壁内周面上であって前記バイパス孔よりも上流側に管内の流路断面積を絞る絞り機構が設けられ、該絞り機構に前記内管の管内を流れる前記冷媒の圧力を減少させる膨張作用が付与されていることを特徴とするものからなる。

このような本発明に係る第３および第４の冷凍サイクル装置においても、前述した第１および第２の冷凍サイクル装置と同様の付加的構成を追加することが可能である。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、蒸発器を通過する冷媒の流量を低く抑えることにより蒸発器における冷媒の圧力損失を抑制可能であるので、過冷却度の増加と相まって容易に冷凍能力を高めることが可能となる。すなわち、過冷却度増加によって冷凍能力の改善を図る際に、圧縮機の吸入過熱度を低く抑えることができ、圧縮機や圧縮機からの吐出ホース等の配管部材に与えられるダメージを極力小さく抑えることが可能となる。

本発明の一実施態様に係る冷凍サイクル装置の概略フロー図である。図１の冷凍サイクル装置において用いられる内部熱交換器を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は概略縦断面図である。図２の内部熱交換器を示し、（Ａ）はバイパス孔近傍を拡大した部分拡大図、（Ｂ）はバイパス孔が形成される位置を説明する概略縦断面図である。図２の内部熱交換器の変形例を示す概略縦断面図である。本発明の他の実施態様に係る冷凍サイクル装置の概略フロー図である。図５の冷凍サイクル装置において用いられる内部熱交換器を示す概略縦断面図である。従来の内部熱交換器を有する冷凍サイクル装置の概略フロー図である。

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冷凍サイクル装置１の概略フロー図である。系内には冷媒が循環しており、凝縮器２から流出した冷媒は、二重管式の内部熱交換器３の外管３ａを経由し、主として膨張弁８を通して蒸発器４に流入するが、一部の冷媒は内管３ｂの管壁面上に形成されたバイパス孔１６の膨張作用により膨張しながらバイパス孔１６内に流入することにより、蒸発器４をバイパスする。蒸発器４内で蒸発した冷媒は、蒸発器４から流出した後、バイパス孔１６内に流入したバイパス流れと合流して内部熱交換器３の内管３ｂを経由し、圧縮機５に流入する。圧縮機５内で圧縮された冷媒は、凝縮器２に流入して凝縮される。このような冷凍サイクル装置１において、蒸発器４の出口における過熱度が、内部熱交換器３の内管３ｂの出口における過熱度（圧縮機５の入口における過熱度）以下になるように、内部熱交換器３の長さ（熱交換量に影響する）およびバイパス孔１６の孔径（バイパス量に影響する）が設定されている。

図２は、図１の冷凍サイクル装置１において用いられる二重管式の内部熱交換器１３を示しており、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は概略縦断面図である。凝縮器２から外管１３ａに流入した冷媒は、流出管７を介して蒸発器４へと流入する主流れと、内管１３ｂの管壁面上に形成されたバイパス孔２６を介して内管１３ｂの内部流路に流入するバイパス流れとに分岐される。このバイパス流れを形成する冷媒は、内管１３ｂ内に蒸発器４から流入する冷媒と合流して、圧縮機５に向けて流出する。

図２において、外管１３ａ内を流れる冷媒は、内管１３ｂ内を流れる冷媒との間で、内管１３ｂの管壁面を介して熱交換を行う。バイパス孔２６は、通過する冷媒流れに所定範囲内の流動抵抗が生じるように形成されており、これによって高温・高圧冷媒を低温・低圧冷媒へと膨張させる膨張作用を有するとともに、膨張した低温・低圧冷媒の一部をバイパスさせて、蒸発器４を通過した後の低温・低圧冷媒に合流させる働きをする。このような構成にて冷媒をバイパスおよび合流させ、バイパスした冷媒の持つ蒸発潜熱を高圧冷媒の冷却に利用することによって、サイクル効率の向上が図られている。

図３は、図２の内部熱交換器を示しており、（Ａ）はバイパス孔２６近傍を拡大した部分拡大図、（Ｂ）はバイパス孔２６が形成される位置を説明する概略縦断面図である。バイパス孔２６は、図３（Ａ）に示すように、内管１３ｂの管壁外周面から管壁内周面に向けて孔径が減少するように形成されている。バイパス孔２６の孔径（図面下方の下流側開口径）は、孔を通過する冷媒の質量流量が外管１３ａの内部流路を流れる冷媒の質量流量の５〜３５％となるような孔径に設定されている。

図３のバイパス孔２６は内管１３ｂの管壁面上に１つだけ形成されているが、孔の目詰まりを防止する観点からは複数形成されていることが好ましい。さらに、図３（Ｂ）に示すように、バイパス孔２６は内管１３ｂの上流側にのみ形成されるのがよい。具体的には、外管１３ａの出口側の端面９から内管１３ｂの下流側に向けて、外管１３ａの外径（Ｄ）の３倍の長さ（３Ｄ）の範囲内に形成されることが好ましい。このような位置にバイパス孔２６を形成することにより、内管１３ｂの管壁面上の有効な熱交換面積を十分に確保し、冷媒の熱交換を効率的に行うことができる。

図４は、図２の内部熱交換器１３の変形例２３を示す概略縦断面図である。内管２３ｂの管壁面上には台座１０が形成され、バイパス孔３６を介して冷媒が逆流することを防止する差圧作動弁１２が台座１０を介して設置されている。差圧作動弁１２は、弁本体、ディスク弁、コイルばねおよびばね受座から構成されている。差圧作動弁１２を開放させるのに必要な開弁圧は１．０ＭＰａ以上に設定されており、これによって熱負荷が十分に高められることで、バイパス孔３６を通した冷媒流れのバイパスによる装置性能の向上が図られている。差圧作動弁１２の流動抵抗は、バイパス孔３６を通過する冷媒の質量流量が外管２３ａの内部流路を流れる冷媒の質量流量の５〜３５％となるような流動抵抗に設定されている。

図５は、本発明の他の実施態様に係る冷凍サイクル装置１１の概略フロー図である。系内には冷媒が循環しており、凝縮器２から流出した冷媒は、二重管式の内部熱交換器３３の外管３３ａ内周面上に形成されたオリフィス１５の膨張作用により膨張して主として蒸発器４に流入するが、一部の冷媒は内管３３ｂの管壁面上に形成されたバイパス孔４６内に流入することにより蒸発器４をバイパスする。蒸発器４内で蒸発した冷媒は、蒸発器４から流出した後、バイパス孔４６内に流入した分岐流と合流して内部熱交換器３３の内管３３ｂを経由し、圧縮機５に流入する。圧縮機５内で圧縮された冷媒は、凝縮器２に流入して凝縮される。このような冷凍サイクル装置１において、蒸発器４の出口における過熱度が、内部熱交換器３３の内管３３ｂの出口における過熱度（圧縮機５の入口における過熱度）以下になるように、内部熱交換器３３の長さ（熱交換量に影響する）およびバイパス孔４６の孔径（バイパス量に影響する）が設定されている。

図６は、図５の冷凍サイクル装置１１において用いられる二重管式の内部熱交換器４３を示す概略縦断面図である。凝縮器２から流入管６を通して外管４３ａに流入した冷媒は、外管４３ａの内部流路の途中に形成されたオリフィス板２５ａからなるオリフィス２５を通過した後、流出管７を介して蒸発器４へと流入する主流れと、内管４３ｂの管壁面上に形成されたバイパス孔５６を介して内管４３ｂの内部流路に流入するバイパス流れとに分岐される。このバイパス流れを形成する冷媒は、内管４３ｂ内に蒸発器４から流入する冷媒と合流して、圧縮機５に向けて流出する。

図６において、外管４３ａ内を流れる冷媒は、内管４３ｂ内を流れる冷媒との間で、内管４３ｂの管壁面を介して熱交換を行う。オリフィス２５は、外管４３ａ内の流路断面積を絞るように形成されており、これによって高温・高圧冷媒を低温・低圧冷媒へと膨張させる膨張作用を有している。バイパス孔５６は、オリフィス２５により膨張した後の低温・低圧冷媒の一部をバイパスさせて、蒸発器４を通過した後の低温・低圧冷媒に合流させる働きをする。このような構成にて冷媒をバイパスおよび合流させ、バイパスした冷媒の持つ蒸発潜熱を高圧冷媒の冷却に利用することによって、サイクル効率の向上が図られている。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、車両用空調装置の蒸気圧縮式冷凍サイクル等に広く用いられる。

１、１１、５１冷凍サイクル装置
２凝縮器
３、１３、２３、３３、４３、５３内部熱交換器
３ａ、１３ａ、２３ａ、３３ａ、４３ａ、５３ａ外管
３ｂ、１３ｂ、２３ｂ、３３ｂ、４３ｂ、５３ｂ内管
４蒸発器
５圧縮機
６流入管
７流出管
８膨張弁
９端面
１０台座
１２差圧作動弁
１５、２５オリフィス
１６、２６、３６、４６、５６バイパス孔
２５ａオリフィス板
Ｄ外管の外径

Claims

冷凍サイクル内を循環する冷媒が管内を蒸発器出口から圧縮機入口へと流れる内管と、前記冷媒が管内を凝縮器出口から蒸発器入口へと流れる外管とからなる二重管式内部熱交換器を有し、前記外管の管内を流れる前記冷媒の一部を該外管の蒸発器入口側から前記内管の蒸発器出口側に流入させるバイパス孔が前記内管の管壁面上に形成され、前記バイパス孔に、該バイパス孔内へと流入する冷媒の圧力を減少させる膨張作用が付与されていることを特徴とする冷凍サイクル装置。
冷凍サイクル内を循環する冷媒が管内を蒸発器出口から圧縮機入口へと流れる内管と、前記冷媒が管内を凝縮器出口から蒸発器入口へと流れる外管とからなる二重管式内部熱交換器を有し、前記外管の管内を流れる前記冷媒の一部を該外管の蒸発器入口側から前記内管の蒸発器出口側に流入させるバイパス孔が前記内管の管壁面上に形成され、前記外管の管壁内周面上であって前記バイパス孔よりも上流側に管内の流路断面積を絞る絞り機構が設けられ、該絞り機構に前記外管の管内を流れる前記冷媒の圧力を減少させる膨張作用が付与されていることを特徴とする冷凍サイクル装置。
前記バイパス孔は、前記内管の管壁外周面から管壁内周面に向けて孔径が減少するように形成されている、請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
前記バイパス孔を介して前記外管の管内から前記内管の管内に流入する冷媒流量の割合が、前記外管の管内を流れる冷媒流量の５〜３５％に設定されている、請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
前記バイパス孔が、前記内管の管壁面上に複数形成されている、請求項１〜４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
前記内管の管壁面上に差圧作動弁が設けられている、請求項１〜５のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
前記差圧作動弁の開弁圧が１．０ＭＰａ以上に設定されている、請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
冷凍サイクル内を循環する冷媒が管内を蒸発器出口から圧縮機入口へと流れる外管と、前記冷媒が管内を凝縮器出口から蒸発器入口へと流れる内管とからなる二重管式内部熱交換器を有し、前記内管の管内を流れる前記冷媒の一部を該内管の蒸発器入口側から前記外管の蒸発器出口側に流入させるバイパス孔が前記内管の管壁面上に形成され、前記バイパス孔に、該バイパス孔内へと流入する冷媒の圧力を減少させる膨張作用が付与されていることを特徴とする冷凍サイクル装置。
冷凍サイクル内を循環する冷媒が管内を蒸発器出口から圧縮機入口へと流れる外管と、前記冷媒が管内を凝縮器出口から蒸発器入口へと流れる内管とからなる二重管式内部熱交換器を有し、前記内管の管内を流れる前記冷媒の一部を該内管の蒸発器入口側から前記外管の蒸発器出口側に流入させるバイパス孔が前記内管の管壁面上に形成され、前記外管の管壁内周面上であって前記バイパス孔よりも上流側に管内の流路断面積を絞る絞り機構が設けられ、該絞り機構に前記内管の管内を流れる前記冷媒の圧力を減少させる膨張作用が付与されていることを特徴とする冷凍サイクル装置。