JP7115069B2

JP7115069B2 - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP7115069B2
Application number: JP2018123436A
Authority: JP
Inventors: 紘明河野; 伸西田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2038-06-28
Also published as: JP2020003147A; WO2020004221A1

Description

この明細書における開示は、冷凍サイクル装置に関する。

冷凍サイクルに用いられる冷媒には、環境負荷や冷却能力といった冷媒の特性が良好であることが求められている。良好な特性の冷媒を得る目的で、単一冷媒を用いる代わりに、異なる種類の冷媒を混合した混合冷媒を用いるものが知られている。ただし、高沸点冷媒と低沸点冷媒とを混合して得られた混合冷媒においては、蒸発器で沸点の低い冷媒から蒸発し、沸点の高い冷媒が後から蒸発する非共沸の混合冷媒となる場合がある。このため、非共沸混合冷媒を用いた蒸発器においては、蒸発器の冷媒流路における入口側と出口側との間で冷媒の蒸発温度が変化することで、蒸発器の温度分布に大きな偏りが生じてしまうことがあった。

この温度分布の偏りを低減するために、特許文献１では、非共沸混合冷媒用の熱交換器において、熱交換器の配管の中間部に流路断面積が減少する狭窄部を設けている。これにより、狭窄部がなければ出口側に向かって上昇する冷媒温度が、狭窄部によって略均一または出口側に向かって低下するようにして、温度分布の偏りを低減している。

特開平７－１９６２７号公報

従来技術の構成では、熱交換器の配管に狭窄部を設けることで、非共沸混合冷媒用の熱交換器で生じる温度分布の偏りを低減している。この場合、膨張弁やキャピラリチューブといった狭窄部を用いて、熱交換器を流れる冷媒の圧力を適切に調整する必要があった。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、冷凍サイクル装置にはさらなる改良が求められている。

開示される１つの目的は、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルにおいて、蒸発器全体における温度分布の偏りを低減した冷凍サイクル装置を提供することにある。

ここに開示された冷凍サイクル装置は、圧縮機（２）と、凝縮器（３）と、減圧装置（４）と、蒸発器（３０）と、内部熱交換器（５０、２５０、４５０）とを備え、非共沸混合冷媒を循環させて冷却を行う冷凍サイクル装置（１）であって、蒸発器は、内部を流れる非共沸混合冷媒と外部を流れる外部流体とを熱交換する上流熱交換部（３５）と、非共沸混合冷媒の流れにおいて上流熱交換部よりも下流に設けられ、内部を流れる非共沸混合冷媒と外部を流れる外部流体とを熱交換する下流熱交換部（４５）とを有している熱交換部（１３５）を備え、内部熱交換器は、減圧装置を流出してから上流熱交換部に流入するまでの間を流れている非共沸混合冷媒と、上流熱交換部を流出してから下流熱交換部に流入するまでの間を流れている非共沸混合冷媒とを熱交換する熱交換器であって、上流熱交換部を有する上流蒸発器（３１）と下流熱交換部を有する下流蒸発器（４１）とにまたがるように蒸発器の上部に位置している。

開示された冷凍サイクル装置によると、減圧装置を流出してから上流熱交換部に流入するまでの間を流れている非共沸混合冷媒と、上流熱交換部を流出してから下流熱交換部に流入するまでの間を流れている非共沸混合冷媒とを熱交換する内部熱交換器を備えている。このため、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクル装置において、上流熱交換部を流れたことで温度が上昇した冷媒と上流熱交換部に流入する前の冷媒とを内部熱交換器を用いて熱交換させることができる。その後、内部熱交換器での熱交換によって温度の低下した冷媒を下流熱交換部に流入させることで、内部熱交換器を備えない場合に比べて下流熱交換部における温度を下げて、上流熱交換部の温度と下流熱交換部の温度とを近づけることができる。したがって、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルにおいて、蒸発器全体における温度分布の偏りを低減した冷凍サイクル装置を提供できる。

この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。

冷凍サイクル装置を示す構成図である。蒸発器を示す斜視図である。蒸発器における冷媒の流れを示す構成図である。第２実施形態の蒸発器を示す斜視図である。図４のＶ－Ｖ線における内部熱交換器の断面において冷媒の流れを示す構成図である。第３実施形態の蒸発器を示す斜視図である。第３実施形態の蒸発器における冷媒の流れを示す分解図である。第４実施形態の内部熱交換器を示す斜視図である。第４実施形態の内部熱交換器における冷媒の流れを示す分解図である。

図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび／または構造的に対応する部分および／または関連付けられる部分には同一の参照符号、または百以上の位が異なる参照符号が付される場合がある。対応する部分および／または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。

第１実施形態
冷凍サイクル装置１は、冷媒を用いて冷熱や温熱を作り出す装置である。冷凍サイクル装置１は、例えば車両に搭載されて車室内の冷房や暖房を行う車両用空調システムの一部として使用される。ただし、冷凍サイクル装置１は、車両用空調システム以外にも、家庭用の空調装置やサーバの冷却装置などの装置に対して広く適用可能である。

図１において、冷凍サイクル装置１は、圧縮機２と凝縮器３と減圧装置４と蒸発器３０と内部熱交換器５０とを備えている。冷凍サイクル装置１は、各部品を接続して非共沸混合冷媒が循環する流路を提供する冷媒流路２０を備えている。

冷凍サイクル装置１においては、冷媒として非共沸混合冷媒を用いる。非共沸混合冷媒とは、異なる沸点を有する冷媒同士を混合したものであって、熱交換によって各冷媒の気液比率が変化して組成が変化する冷媒である。非共沸混合冷媒は、この組成変化によって沸点が変化する。非共沸混合冷媒においては、沸点の低い冷媒から先に蒸発することで、非共沸混合冷媒の組成が変化し、蒸発過程で冷媒全体としての沸点が徐々に上昇することとなる。したがって、非共沸混合冷媒を用いた場合、冷媒が蒸発する熱交換器の入口側において最も沸点が低く、出口側において最も沸点が高くなる。よって、適正に冷媒が蒸発している熱交換器においては、熱交換器の入口側の温度が最も低く、出口側に向かって徐々に温度が上昇するように温度勾配が生じることとなりやすい。

圧縮機２は、気体の冷媒を圧縮して高温高圧の状態にする装置である。凝縮器３は、圧縮機２で圧縮された気体の冷媒を液体に凝縮する装置である。凝縮器３は、冷媒を凝縮させる過程で冷媒の熱を周囲に放熱して凝縮器３の周囲を加熱する熱交換器として機能する。減圧装置４は、冷媒の圧力を低下させて液体から気体に蒸発させやすくする装置である。減圧装置４としては、開度を調整することで冷媒を膨張させる膨張弁や、冷媒流路２０に比べて内径の小さな管であるキャピラリチューブなどを用いることができる。蒸発器３０は、減圧装置４で減圧された液体の冷媒を気体に蒸発させる装置である。蒸発器３０は、冷媒を蒸発させる過程で周囲の外部流体から熱を奪って蒸発器３０の周囲を冷却する熱交換器である。ここで、外部流体は例えば空気である。内部熱交換器５０は、冷凍サイクル装置１を流れる冷媒同士を熱交換させる装置である。

図２において、蒸発器３０は、上流蒸発器３１と下流蒸発器４１との２つの熱交換器を並べて構成されている。上流蒸発器３１と下流蒸発器４１とは、ともに冷媒が流れる複数の配管を平行に備えたマルチフロータイプの熱交換器である。上流蒸発器３１は、圧縮機２から送られた冷媒の流れにおいて、下流蒸発器４１よりも上流に位置している。

上流蒸発器３１は、上タンク部３２と下タンク部３３とを備えている。上タンク部３２と下タンク部３３とは対向している。上タンク部３２の内部は、第１上タンク部３２ａと第２上タンク部３２ｂとの２つの独立した領域に仕切られている。

上タンク部３２と下タンク部３３との間には、上流コア部３５が設けられている。上流コア部３５は、内部に複数の経路が形成された複数の扁平管と、扁平管同士の間に設けられた波形のコルゲートフィンとを備えている。上流コア部３５は、第１コア部３５ａと第２コア部３５ｂとの２つの領域に分割されている。第１コア部３５ａは、第１上タンク部３２ａと下タンク部３３との間に設けられている。第２コア部３５ｂは、第２上タンク部３２ｂと下タンク部３３との間に設けられている。上流コア部３５は、蒸発器３０の上流熱交換部を提供する。

下流蒸発器４１は、上タンク部４２と下タンク部４３とを備えている。上タンク部４２と下タンク部４３とは対向している。上タンク部４２の内部は、第１上タンク部４２ａと第２上タンク部４２ｂとの２つの独立した領域に仕切られている。第２上タンク部４２ｂには下流出口管４９が接続されており、蒸発器３０から冷媒を流出させる出口として機能する。

上タンク部４２と下タンク部４３との間には、下流コア部４５が設けられている。下流コア部４５は、内部に複数の経路が形成された複数の扁平管と、扁平管同士の間に設けられた波形のコルゲートフィンとを備えている。下流コア部４５は、第１コア部４５ａと第２コア部４５ｂとの２つの領域に分割されている。第１コア部４５ａは、第１上タンク部４２ａと下タンク部４３との間に設けられている。第２コア部４５ｂは、第２上タンク部４２ｂと下タンク部４３との間に設けられている。下流コア部４５は、蒸発器３０の下流熱交換部を提供する。

内部熱交換器５０は、内管５１と内管５１の外側に設けられた外管５５とを備えた二重管式の熱交換器である。内部熱交換器５０は、内管５１と上流蒸発器３１の第１上タンク部３２ａとを連通している上流入口管５２を備えている。内部熱交換器５０は、外管５５と上流蒸発器３１の第２上タンク部３２ｂとを連通している上流出口管５３を備えている。内部熱交換器５０は、外管５５と下流蒸発器４１の第１上タンク部４２ａとを連通している下流入口管５６を備えている。内部熱交換器５０は、上流蒸発器３１の上タンク部３２と下流蒸発器４１の上タンク部４２とにまたがるように蒸発器３０の上部に位置している。言い換えると、内部熱交換器５０は、蒸発器３０から着脱不可能に一体に設けられている。

上流蒸発器３１の上流コア部３５と下流蒸発器４１の下流コア部４５とは、蒸発器３０のコア部１３５を提供している。蒸発器３０は、コア部１３５において空気と冷媒とを熱交換する。ただし、上流蒸発器３１の上流コア部３５の方が下流蒸発器４１の下流コア部４５よりも矢印Ｆ１方向に示す空気の流れの風下に位置している。したがって、蒸発器３０において、空気は、下流コア部４５で冷却された後、上流コア部３５でさらに冷却されることとなる。コア部１３５は、蒸発器３０の熱交換部を提供する。空気は、蒸発器３０の外部を流れる外部流体を提供する。ただし、外部流体は気体の空気に限られず液体の水などを用いてもよい。

蒸発器３０を構成する上流蒸発器３１と内部熱交換器５０と下流蒸発器４１との３つの部分毎に蒸発器３０における冷媒の流れを以下に示す。図３において、実線で示す矢印は、上流蒸発器３１を流出するまでの冷媒の流れを示している。二点鎖線で示す矢印は、上流蒸発器３１を流出してからの冷媒の流れを示している。減圧装置４で減圧され温度の低下した冷媒は、内管５１を通過して上流入口管５２から上流蒸発器３１に流入する。この時、冷媒は、内管５１を通過する過程で、外管５５を流れる冷媒と熱交換を行う。

上流蒸発器３１における冷媒の流れを以下に説明する。冷媒は、第１上タンク部３２ａに流入した後、第１上タンク部３２ａの内部を広がって第１コア部３５ａを上から下に流れる。その後、冷媒は第１コア部３５ａと連通している下タンク部３３に流入し、下タンク部３３の内部を広がる。冷媒は、下タンク部３３から流出して第２コア部３５ｂを下から上に流れ、第２上タンク部３２ｂに流入する。第２上タンク部３２ｂに流入した冷媒は、上流出口管５３を通過して上流蒸発器３１の外部へと流出する。

上流蒸発器３１において、冷媒は、第１コア部３５ａと第２コア部３５ｂとを流れる過程で外部の空気と熱交換を行う。これにより、非共沸混合冷媒をなす冷媒のうち、沸点の低い冷媒が沸点の高い冷媒に比べてより積極的に蒸発する。この蒸発によって冷媒の組成が変化して、第２コア部３５ｂを流出した後の冷媒は、第１コア部３５ａに流入する前の冷媒に比べて沸点が上昇している。

内部熱交換器５０における冷媒の流れを以下に説明する。上流蒸発器３１を流出した冷媒は、上流出口管５３から外管５５の内部に流入する。冷媒は、外管５５を流れることで内管５１の外面と接触した状態で移動する。外管５５を流れる過程で内管５１を流れる冷媒と冷媒同士で熱交換を行い、下流入口管５６を通過して内部熱交換器５０の外部へと流出する。

内部熱交換器５０において、冷媒は、気液二相の状態で流れる。内管５１を流れる冷媒は、液相の割合が大きな気液二相状態であり、外管５５を流れる冷媒は、気相の割合が大きな気液二相状態である。内部熱交換器５０において、内管５１を流れる冷媒と外管５５を流れる冷媒とが熱交換を行う。すなわち、内管５１を流れる温度の低い冷媒は、外管５５を流れる温度の高い冷媒によって加熱されて温度が上昇する。一方、外管５５を流れる温度の高い冷媒は、内管５１を流れる温度の低い冷媒によって冷却されて温度が低下する。これにより、上流蒸発器３１に流入する冷媒と下流蒸発器４１に流入する冷媒との温度が略等しい温度となる。言い換えると、内部熱交換器５０を用いた熱交換により、冷媒の温度勾配が解消される。ここで、内部熱交換器５０によって上流蒸発器３１に流入する冷媒と下流蒸発器４１に流入する冷媒との温度差が低下すればよく、冷媒の温度勾配を完全には解消しなくてもよい。

下流蒸発器４１における冷媒の流れを以下に説明する。冷媒は、第１上タンク部４２ａに流入した後、第１上タンク部４２ａの内部を広がって第１コア部４５ａを上から下に流れる。その後、冷媒は第１コア部４５ａと連通している下タンク部４３に流入し、下タンク部４３の内部を広がる。冷媒は、下タンク部４３から流出して第２コア部４５ｂを下から上に流れ、第２上タンク部４２ｂに流入する。第２上タンク部４２ｂに流入した冷媒は、下流出口管４９を通過して下流蒸発器４１の外部へと流出する。

下流蒸発器４１において、冷媒は、第１コア部４５ａと第２コア部４５ｂとを流れる過程で外部の空気と熱交換を行う。これにより、非共沸混合冷媒をなす冷媒のうち、割合の少ない沸点の低い冷媒だけではなく、上流蒸発器３１であまり蒸発しなかった沸点の高い冷媒も積極的に蒸発する。ここで、上流蒸発器３１と同様に、入口から出口に向かう過程で、冷媒全体における沸点の高い冷媒が液相で存在する比率は上昇することとなる。

上述したように蒸発器３０において、上流蒸発器３１に流入する冷媒と下流蒸発器４１に流入する冷媒とを内部熱交換器５０を用いて熱交換させている。ここで、内部熱交換器５０を用いた場合には、非共沸混合冷媒の特性によって発生した温度勾配を冷媒同士の熱交換により解消し、下流蒸発器４１に流入する冷媒の温度が上流蒸発器３１に流入する冷媒の温度と略等しい温度となる。一方、内部熱交換器５０を用いない場合には、非共沸混合冷媒の特性によって発生した温度勾配が解消されず、下流蒸発器４１に流入する冷媒の温度が上流蒸発器３１に流入する冷媒の温度に比べて高い温度となる。したがって、内部熱交換器５０を用いることで上流蒸発器３１と下流蒸発器４１との温度分布を同程度にすることができ、内部熱交換器５０を用いない場合に比べて蒸発器３０全体で生じる温度分布の偏りを低減することができる。

また、温度勾配を考慮して蒸発器３０の着霜を防止しようとすると、蒸発器３０での冷却性能が低下してしまう。蒸発器３０に着霜が引き起こされない最も低い冷媒の温度を０℃と仮定した場合に、蒸発器３０において最も温度の低下しやすい入口側の冷媒温度を０℃とした状態が蒸発器３０において最も冷却性能が高い状態である。ここで、全体での冷媒の温度勾配が５℃の蒸発器３０においては、出口側の冷媒温度が５℃となるため、蒸発器３０の温度を平均すると２．５℃となる。一方、全体での冷媒の温度勾配が１０℃の蒸発器３０においては、出口側の冷媒温度が１０℃となるため、蒸発器３０の温度を平均すると５℃となる。よって、蒸発器３０全体での温度勾配が小さいほど、蒸発器３０での平均温度を低下させて、蒸発器３０の冷却性能を高めることができる。すなわち、内部熱交換器５０を用いて蒸発器３０全体での温度勾配を小さくすることで、蒸発器３０での着霜を防止するとともに蒸発器３０の冷却性能を高めることができる。

上述した実施形態によると、非共沸混合冷媒同士を熱交換する内部熱交換器５０を備えている。内部熱交換器５０は、減圧装置４を流出してから上流蒸発器３１の上流コア部３５に流入するまでの間を流れている冷媒と、上流蒸発器３１の上流コア部３５を流出してから下流蒸発器４１の下流コア部４５に流入するまでの間を流れている冷媒とを熱交換する。言い換えると、コア部１３５を流れている途中で冷媒を抜き出して、コア部１３５に流入する前の冷媒と熱交換させてから再びコア部１３５に戻している。このため、蒸発器３０の一部を流れたことで温度が上昇した冷媒を蒸発器３０に流れる前の低い温度の冷媒で冷却し、冷却されて温度の低下した冷媒を再び蒸発器３０に戻して蒸発させることができる。したがって、上流蒸発器３１と下流蒸発器４１との２つの熱交換器を備える蒸発器３０において、非共沸混合冷媒の温度勾配による蒸発器３０の温度分布の偏りを低減することができる。

また、蒸発器３０の全体での冷媒の温度勾配を低減できるため、蒸発器３０の着霜を防止した状態で、高い冷却性能を発揮させやすい。言い換えると、冷媒として非共沸混合冷媒を用いることのデメリットを低減して、非共沸混合冷媒を含めた様々な冷媒の中から用途に応じて最適な冷媒を選択して冷凍サイクル装置１に使用することができる。

内部熱交換器５０は、蒸発器３０と一体に設けられている。このため、蒸発器３０と内部熱交換器５０とを連通して冷媒が流れる配管を短くすることができる。したがって、冷凍サイクル装置１を小型化しやすい。

内部熱交換器５０は、上流蒸発器３１の上タンク部３２及び下流蒸発器４１の上タンク部４２に設けられている。このため、蒸発器３０における冷媒の入口及び出口と内部熱交換器５０とを隣接させることができる。したがって、蒸発器３０と内部熱交換器５０とを連通して冷媒が流れる配管を短くして冷凍サイクル装置１を小型化しやすい。

また、空気が通過するコア部１３５を避けた位置である上流蒸発器３１の上タンク部３２及び下流蒸発器４１の上タンク部４２に内部熱交換器５０が設けられている。このため、内部熱交換器５０が蒸発器３０において空気が流れる際の圧力損失を悪化させることがない。

内部熱交換器５０は、内管５１と外管５５とを備えた二重管である。このため、内管５１を流れる冷媒が、内部熱交換器５０の周囲の空気と熱交換することで温められてしまうことを抑制できる。したがって、内部熱交換器５０の周囲の空気の温度が高い場合であっても、蒸発器３０に対して低温の冷媒を供給しやすい。ただし、外管５５に上流蒸発器３１に流入する前の液相の比率が大きな冷媒を流し、内管５１に上流蒸発器３１を流出した後の気相の比率が大きな冷媒を流すようにしてもよい。

上流熱交換部である上流コア部３５は、下流熱交換部である下流コア部４５よりも空気の流れの下流である風下に位置している。言い換えると、減圧装置４によって減圧された最も温度の低い冷媒が流入する上流蒸発器３１の上流コア部３５は、下流蒸発器４１の下流コア部４５よりも空気の流れの風下に位置している。このため、蒸発器３０で熱交換される空気は、下流蒸発器４１の下流コア部４５で熱交換を行った後、より温度の低下しやすい上流蒸発器３１の上流コア部３５で熱交換を行う。したがって、風上に配置した温度の低い熱交換器で冷却された空気を、風下に配置した温度の高い熱交換器で加熱してしまうといった事態を防ぎやすい。言い換えると、風上から風下に向かって、下流蒸発器４１、上流蒸発器３１の順に空気の温度を段階的に下げるように冷却することができる。

上流コア部３５を流出した冷媒の冷却を上流コア部３５に流入する前の冷媒との冷媒同士の熱交換によって行っている。このため、上流コア部３５を流出した冷媒が上流コア部３５に流入する前の冷媒よりも低温となることがない。したがって、減圧装置を用いて上流コア部３５を流出した冷媒の温度を低下させる場合に比べて、下流コア部４５への着霜を防止しやすい。

外管５５を内管５１に沿うようにらせん状に設けてもよい。これによると、外管５５における冷媒の流れを内管５１の周囲全体と略均一に熱交換させることができる。このため、外管５５の特定の部分に偏って冷媒が流れることで、内部熱交換器５０での熱交換効率が低下してしまうことを低減できる。

上流蒸発器３１と下流蒸発器４１との冷却能力を異ならせてもよい。例えば、蒸発器３０全体の冷却能力のうち、３分の２を上流蒸発器３１で賄い、残りの３分の１を下流蒸発器４１で賄うなどしてもよい。これによると、上流蒸発器３１と下流蒸発器４１のサイズを自由に設定することができる。また、上流蒸発器３１をマルチフロータイプの熱交換器とし、下流蒸発器４１をフィンチューブタイプの熱交換器とするなどして、異なる種類の熱交換器を用いて冷却能力を調整してもよい。

内管５１や外管５５の内側に内部フィンを設けて内管５１を通過する冷媒と外管５５を通過する冷媒との熱交換を促進させるようにしてもよい。また、内部熱交換器５０を内管５１と外管５５とからなる二重管で構成する代わりに、管の内部を上下に仕切るなどして上流蒸発器３１に流れ込む冷媒の経路と下流蒸発器４１に流れ込む冷媒の経路とを形成してもよい。

第２実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、内部熱交換器２５０が二重管ではなく、冷媒が流れる経路が交互に配置される構造である。

図４において、内部熱交換器２５０は、上流管２５１と下流管２５５とを備えた熱交換器である。上流管２５１は、上流蒸発器３１に流入する前の冷媒が流れる配管である。下流管２５５は、上流蒸発器３１を流出した後であって下流蒸発器４１に流入する前の冷媒が流れる配管である。内部熱交換器２５０は、上流蒸発器３１の上タンク部３２と下流蒸発器４１の上タンク部４２とにまたがるように蒸発器３０の上部に位置している。言い換えると、内部熱交換器２５０は、蒸発器３０から着脱不可能に一体に設けられている。

内部熱交換器２５０は、上流管２５１と上流蒸発器３１の第１上タンク部３２ａとを連通している上流入口管２５２を備えている。上流蒸発器３１の第２上タンク部３２ｂと内部熱交換器２５０の下流管２５５とは連通管２５３を用いて連通されている。

内部熱交換器２５０における冷媒の流れを以下に説明する。図５は、内部熱交換器２５０の水平方向の断面を上から下向きに見た場合の構成を示している。図５において、実線で示す矢印は、上流蒸発器３１を流出するまでの冷媒の流れを示している。二点鎖線で示す矢印は、上流蒸発器３１を流出してからの冷媒の流れを示している。内部熱交換器２５０は、下流管２５５と下流蒸発器４１の第１上タンク部３２ａとを連通している下流入口管２５６を備えている。上流管２５１と下流管２５５とは、互いに接触した状態で蛇行して設けられている。

減圧装置４で減圧され温度の低下した冷媒は、上流管２５１の内部を流れ、上流入口管２５２から上流蒸発器３１に流入する。上流蒸発器３１に流入した冷媒は、空気と熱交換して蒸発する。この蒸発により非共沸混合冷媒の組成が変化することで冷媒の温度が上昇する。上流蒸発器３１を流出した冷媒は、上流管２５１を流れる冷媒に比べて温度が上昇した状態で連通管２５３を通過して下流管２５５に流入して、下流管２５５の内部を流れ、下流入口管２５６から下流蒸発器４１に流入する。

減圧装置４で減圧され温度の低下した冷媒と、上流蒸発器３１を流れて温度の上昇した冷媒とは、内部熱交換器２５０を流れる過程で熱交換される。すなわち、上流管２５１を流れる温度の低い冷媒と下流管２５５を流れる温度の高い冷媒とが熱交換されて、２つの冷媒の温度が略等しい温度となった状態で上流入口管２５２または下流入口管２５６からそれぞれのコア部１３５に流入する。したがって、上流コア部３５を流れる冷媒と下流コア部４５を流れる冷媒とが略等しい温度となる。

上述した実施形態によると、内部熱交換器２５０は、上流管２５１と下流管２５５とを複数箇所で接触させて構成されている。このため、上流管２５１を流れる冷媒と下流管２５５を流れる冷媒とが熱交換しやすい。したがって、内部熱交換器２５０を用いた冷媒間の熱交換によって、冷媒同士の温度差を解消して、蒸発器３０の温度勾配を解消しやすい。

第３実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、内部熱交換器３５０がプレート型の熱交換器であって、サイドプレート３３６、３４６に設けられている。

図６において、蒸発器３３０は、上流蒸発器３３１と下流蒸発器３４１との２つの熱交換器から構成されている。上流蒸発器３３１と下流蒸発器３４１とは、ともに冷媒が流れる複数の配管を平行に備えたマルチフロータイプの熱交換器である。上流蒸発器３３１は、圧縮機２から送られた冷媒の流れにおいて、下流蒸発器３４１よりも上流に位置している。

上流蒸発器３３１は、上タンク部３２と下タンク部３３とを備えている。上タンク部３２と下タンク部３３とは対向しており、上タンク部３２と下タンク部３３との間には、上流コア部３５が設けられている。上流コア部３５は、内部に複数の経路が形成された複数の扁平管と、その扁平管同士の間に設けられた波形のコルゲートフィンとを備えている。上流コア部３５は、蒸発器３３０の上流熱交換部を提供する。上流コア部３５の最外方には、補強のためのサイドプレート３３６が設けられている。サイドプレート３３６は、上タンク部３２と下タンク部３３とにまたがって設けられている。

下流蒸発器３４１は、上タンク部４２と下タンク部４３とを備えている。上タンク部４２と下タンク部４３とは対向しており、上タンク部４２と下タンク部４３との間には、下流コア部４５が設けられている。下流コア部４５は、内部に複数の経路が形成された複数の扁平管と、その扁平管同士の間に設けられた波形のコルゲートフィンとを備えている。下タンク部４３には、下流出口管３４９が接続されている。下流出口管３４９は、蒸発器３３０から冷媒を流出させる出口として機能する。下流コア部４５は、蒸発器３３０の下流熱交換部を提供する。下流コア部４５の最外方には、補強のためのサイドプレート３４６が設けられている。サイドプレート３４６は、上タンク部４２と下タンク部４３とにまたがって設けられている。

内部熱交換器３５０は、上流プレート３５１と下流プレート３５５とを備えている。上流プレート３５１と下流プレート３５５とは、内部に空洞が形成されており、内部に流れ込んだ冷媒が空洞部分の全体に広がって流れるように冷媒経路を構成している。内部熱交換器３５０は、上流プレート３５１と下流プレート３５５とを互いに熱交換可能に接触させた状態で重ねたプレート式の熱交換器である。内部熱交換器３５０は、上流プレート３５１と上流蒸発器３３１の上タンク部３２とを連通している上流入口管３５２を備えている。内部熱交換器３５０は、下流プレート３５５と上流蒸発器３３１の下タンク部３３とを連通している上流出口管３５３を備えている。内部熱交換器３５０は、下流プレート３５５と下流蒸発器３４１の上タンク部４２とを連通している下流入口管３５６を備えている。内部熱交換器３５０は、蒸発器３３０から着脱不可能に一体に設けられている。

蒸発器３３０を構成する上流蒸発器３３１と内部熱交換器３５０と下流蒸発器３４１とにおける冷媒の流れを以下に示す。図７において、実線で示す矢印は、上流蒸発器３３１を流出するまでの冷媒の流れを示している。二点鎖線で示す矢印は、上流蒸発器３３１を流出してからの冷媒の流れを示している。減圧装置４で減圧され温度の低下した冷媒は、上流プレート３５１を通過して上流入口管３５２から上流蒸発器３３１に流入する。この時、冷媒は、上流プレート３５１を通過する過程で、下流プレート３５５を流れる冷媒と熱交換を行う。

上流蒸発器３３１に流入した冷媒は、上タンク部３２の内部を広がって上流コア部３５を上から下に流れる。その後、冷媒は上流コア部３５と連通している下タンク部３３に流入し、下タンク部３３の内部を広がる。下タンク部３３に流入した冷媒は、上流出口管５３を通過して上流蒸発器３３１の外部へと流出する。

上流蒸発器３３１において、冷媒は、上流コア部３５を流れる過程で外部の空気と熱交換を行う。これにより、非共沸混合冷媒をなす冷媒のうち、沸点の低い冷媒が沸点の高い冷媒に比べてより積極的に蒸発する。よって、上流コア部３５を流出した後の冷媒は、上流コア部３５に流入する前の冷媒に比べて沸点が上昇している。

内部熱交換器３５０における冷媒の流れを以下に説明する。上流蒸発器３３１を流出した冷媒は、上流出口管３５３から下流プレート３５５の内部に流入する。冷媒は、下流プレート３５５を流れることで上流プレート３５１の外面と接触した状態で移動する。下流プレート３５５を流れる過程で上流プレート３５１を流れる冷媒と冷媒同士で熱交換を行い、下流入口管３５６を通過して内部熱交換器３５０の外部へと流出する。

内部熱交換器３５０において、冷媒は、気液二相の状態で流れる。上流プレート３５１を流れる冷媒は、液相の割合が大きな気液二相状態であり、下流プレート３５５を流れる冷媒は、気相の割合が大きな気液二相状態である。内部熱交換器３５０において、上流プレート３５１を流れる冷媒と下流プレート３５５を流れる冷媒とが熱交換を行う。すなわち、上流プレート３５１を流れる温度の低い冷媒は、下流プレート３５５を流れる温度の高い冷媒によって加熱されて温度が上昇する。一方、下流プレート３５５を流れる温度の高い冷媒は、上流プレート３５１を流れる温度の低い冷媒によって冷却されて温度が低下する。これにより、上流蒸発器３３１に流入する冷媒と下流蒸発器３４１に流入する冷媒との温度が略等しい温度となる。言い換えると、内部熱交換器３５０を用いた熱交換により、冷媒の温度勾配が低減される。

下流蒸発器４１に流入した冷媒は、上タンク部４２に流入した後、上タンク部４２の内部を広がって下流コア部４５を上から下に流れる。その後、冷媒は下流コア部４５と連通している下タンク部４３に流入し、下タンク部４３の内部を広がり、下流出口管３４９を通過して下流蒸発器３４１の外部へと流出する。

下流蒸発器３４１において、冷媒は、下流コア部４５を流れる過程で外部の空気と熱交換を行う。これにより、非共沸混合冷媒をなす冷媒のうち、割合の少ない沸点の低い冷媒だけではなく、上流蒸発器３３１であまり蒸発しなかった沸点の高い冷媒も積極的に蒸発する。

上述したように蒸発器３３０において、上流蒸発器３３１に流入する冷媒と下流蒸発器３４１に流入する冷媒とを内部熱交換器３５０を用いて熱交換させている。したがって、上流蒸発器３３１と下流蒸発器３４１との温度分布を同程度にすることができ、内部熱交換器３５０を用いない場合に比べて蒸発器３３０全体で生じる温度分布の偏りを低減することができる。

上述した実施形態によると、内部熱交換器３５０は、上流蒸発器３３１のサイドプレート３３６及び下流蒸発器３４１のサイドプレート３４６に設けられている。このため、内部熱交換器３５０がサイドプレート３３６、３４６によって補強される。したがって、内部熱交換器３５０が変形するなどして適切に冷媒同士を熱交換できなくなってしまうことを防止しやすい。

また、空気が通過する上流コア部３５と下流コア部４５とを避けた位置であるサイドプレート３３６、３４６に内部熱交換器３５０が設けられている。このため、内部熱交換器３５０が蒸発器３３０において空気が流れる際の圧力損失を悪化させることがない。

内部熱交換器３５０は、蒸発器３３０において、上タンク部３２、４２と下タンク部３３、４３とを接続するように設けられている。このため、内部熱交換器３５０が蒸発器３３０におけるサイドプレート３３６、３４６の機能を担うことができる。したがって、両側に設けられているサイドプレート３３６、３４６の内、片側のサイドプレート３３６、３４６を内部熱交換器３５０と同一の部品とすることができる。

第４実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、内部熱交換器４５０が積層型の熱交換器であって、蓄冷材４５９と一体に構成されている。

図８において、内部熱交換器４５０は、上流プレート４５１と下流プレート４５５と蓄冷材４５９とを備えている。上流プレート４５１と下流プレート４５５とは、内部に空洞が形成されており、内部に流れ込んだ冷媒が全体に広がって流れるように冷媒経路を構成している。上流プレート４５１は、第１上流プレート４５１ａと第２上流プレート４５１ｂとの２つの部品から構成されている。第１上流プレート４５１ａと第２上流プレート４５１ｂとは、配管で連通されている。下流プレート４５５は、第１下流プレート４５５ａと第２下流プレート４５５ｂとの２つの部品から構成されている。第１下流プレート４５５ａと第２下流プレート４５５ｂとは、配管で連通されている。

第１上流プレート４５１ａは、上流蒸発器３１と接続して上流蒸発器３１の冷媒入口として機能する上流入口管４５２を備えている。第１下流プレート４５５ａは、上流蒸発器３１と接続して上流蒸発器３１の冷媒出口として機能する上流出口管４５３を備えている。第２下流プレート４５５ｂは、下流蒸発器４１と接続して下流蒸発器４１の冷媒入口として機能する下流入口管４５６を備えている。

内部熱交換器４５０は、上流プレート４５１と下流プレート４５５とが交互に積層されており、上流プレート４５１と下流プレート４５５との間に蓄冷材４５９が１枚ずつ挟まれた状態である。より詳細には、内部熱交換器４５０の一方の面から反対側の面までは、第１上流プレート４５１ａ、蓄冷材４５９、第１下流プレート４５５ａ、蓄冷材４５９、第２上流プレート４５１ｂ、蓄冷材４５９、第２下流プレート４５５ｂの順に各部品が並んでいる。

ただし、積層型の内部熱交換器４５０をなす各部品の並び順は、上述の構成に限られない。例えば蓄冷材４５９を最外方に配置して積層してもよい。あるいは、蓄冷材４５９を上流プレート４５１と下流プレート４５５との間に挟むのではなく、積層された上流プレート４５１と下流プレート４５５とを外側から覆うように蓄冷材４５９を巻き付けて内部熱交換器４５０を構成してもよい。

内部熱交換器４５０における冷媒の流れを以下に示す。図９において、実線で示す矢印は、上流蒸発器３１を流出するまでの冷媒の流れを示している。二点鎖線で示す矢印は、上流蒸発器３１を流出してからの冷媒の流れを示している。減圧装置４で減圧され温度の低下した冷媒は、第１上流プレート４５１ａに流入して内部に広がり、配管を通って第２上流プレート４５１ｂに流れ込む。第２上流プレート４５１ｂの内部に流入した冷媒は、第２上流プレート４５１ｂの内部を広がった後、上流入口管４５２を通過して上流蒸発器３１に向かって流れることで内部熱交換器４５０から流出する。

上流蒸発器３１を流れた冷媒は、上流出口管４５３を通過して第１下流プレート４５５ａに流入して内部に広がり、配管を通って第２下流プレート４５５ｂに流れ込む。第２下流プレート４５５ｂの内部に流入した冷媒は、第２下流プレート４５５ｂの内部を広がった後、下流入口管４５６を通過して下流蒸発器４１に向かって流れることで内部熱交換器４５０から流出する。

非共沸混合冷媒は、内部熱交換器４５０を流れる過程で互いに蓄冷材４５９を介して熱交換を行う。すなわち、上流プレート４５１を流れる温度の低い冷媒と蓄冷材４５９とが熱交換を行って、蓄冷材４５９が冷やされて温度が低下するとともに、冷媒の温度が上昇する。一方、下流プレート４５５を流れる温度の高い冷媒と蓄冷材４５９とが熱交換を行って、下流プレート４５５を流れる冷媒が冷やされて冷媒の温度が低下するとともに蓄冷材４５９の温度が上昇する。すなわち、共沸混合冷媒の組成の変化によって生じる温度勾配を低減できる。

冷媒と熱交換を行った蓄冷材４５９は、必ずしも温度が変化しなくてもよい。すなわち、冷媒との熱交換でやり取りした熱の変化を蓄冷材４５９の固体と液体との間での状態変化を用いて蓄えるような潜熱蓄冷材を用いてもよい。潜熱蓄冷材を用いることで顕熱と潜熱の両方の熱を蓄えることができるため、蓄冷材４５９を小型化しやすい。

上述した実施形態によると、内部熱交換器４５０は、上流プレート４５１と下流プレート４５５とを積層した積層型の熱交換器である。このため、内部熱交換器４５０をなすプレートの積層枚数を変化させることで、内部熱交換器４５０における熱交換効率を容易に調整することができる。

内部熱交換器４５０は、蓄冷材４５９を備えており、冷媒と蓄冷材４５９とが熱交換を行っている。このため、内部熱交換器４５０が蓄冷材４５９を用いて冷媒を適切な温度に維持させやすい。言い換えると、冷媒の温度が高すぎる場合には、冷媒が蓄冷材４５９によって冷却され、冷媒の温度が低すぎる場合には、冷媒が蓄冷材４５９によって加熱される。したがって、上流コア部３５に流入する冷媒の温度と、下流コア部４５に流入する冷媒の温度とを適切に管理して、蒸発器３０で所望の冷却性能を得やすい。

内部熱交換器４５０を蒸発器３０から離れた位置に配置してもよい。これによると、内部熱交換器４５０の位置を自由に設計できるため、設計の自由度を高くすることができる。冷凍サイクル装置１を車両に搭載する場合など、限られた空間内に冷凍サイクル装置１の各構成部品を配置する必要がある場合に特に有用である。

他の実施形態
内部熱交換器５０が上タンク部３２、４２と接続して蒸発器３０の上部に設けられた場合を例に説明を行ったが、下タンク部３３、４３と接続して蒸発器３０の下部に設けてもよい。

蒸発器３０が上流コア部３５を第１コア部３５ａと第２コア部３５ｂとに二分割された場合を例に説明を行ったが、三分割や四分割など分割する数を増やしてもよい。下流コア部４５についても、上流コア部３５と同様に分割数は２つに限られない。

この明細書における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品および／または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および／または要素が省略されたものを包含する。開示は、１つの実施形態と他の実施形態との間における部品および／または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。

１冷凍サイクル装置、２圧縮機、３凝縮器、４減圧装置、３０蒸発器、３１上流蒸発器、３２上タンク部、３５上流コア部（上流熱交換部）、４１下流蒸発器、４２上タンク部、４５下流コア部（下流熱交換部）、５０内部熱交換器、５１内管、５５外管、１３５コア部（熱交換部）、２５０内部熱交換器、２５１上流管、２５５下流管、３３０蒸発器、３３６サイドプレート、３４６サイドプレート、３５０内部熱交換器、３５１上流プレート、３５５下流プレート、４５０内部熱交換器、４５１上流プレート、４５１ａ第１上流プレート、４５１ｂ第２上流プレート、４５５下流プレート、４５５ａ第１下流プレート、４５５ｂ第２下流プレート、４５９蓄冷材

Claims

圧縮機（２）と、凝縮器（３）と、減圧装置（４）と、蒸発器（３０）と、内部熱交換器（５０、２５０、４５０）とを備え、非共沸混合冷媒を循環させて冷却を行う冷凍サイクル装置（１）であって、
前記蒸発器は、
内部を流れる非共沸混合冷媒と外部を流れる外部流体とを熱交換する上流熱交換部（３５）と、非共沸混合冷媒の流れにおいて前記上流熱交換部よりも下流に設けられ、内部を流れる非共沸混合冷媒と外部を流れる外部流体とを熱交換する下流熱交換部（４５）とを有している熱交換部（１３５）を備え、
前記内部熱交換器は、
前記減圧装置を流出してから前記上流熱交換部に流入するまでの間を流れている非共沸混合冷媒と、前記上流熱交換部を流出してから前記下流熱交換部に流入するまでの間を流れている非共沸混合冷媒とを熱交換する熱交換器であって、前記上流熱交換部を有する上流蒸発器（３１）と前記下流熱交換部を有する下流蒸発器（４１）とにまたがるように前記蒸発器の上部に位置している冷凍サイクル装置。
前記内部熱交換器（５０）は、内管（５１）と外管（５５）とを備えた二重管である請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
前記内部熱交換器（４５０）は、前記上流熱交換部を流出してから前記下流熱交換部に流入するまでの間を流れている非共沸混合冷媒を冷却する蓄冷材（４５９）を備えている請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
前記上流熱交換部は、前記下流熱交換部よりも外部流体の流れの下流に位置している請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。