(57)【要約】【課題】  冷房能力の低下を防ぎ、信頼性の向上を図ることができる冷凍システム及び車両用空調装置を提供する。【解決手段】  ＣＯ2冷媒が循環経路(11,12,13,14,15)内を循環する冷凍システム(2)であって、循環経路には、冷媒の流れ方向でみて圧縮機(18)、ガスクーラ(20)、膨張弁(24)及び蒸発器(26)が順次介挿されており、ガスクーラと膨張弁との間に配設され、冷媒から圧縮機用のオイルを分離するオイルセパレータ(22)と、オイルセパレータと圧縮機とを循環経路とは別に接続し、分離されたオイルをオイルセパレータから圧縮機に戻すオイル返戻通路(16,17)とを具備する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＯ2冷媒が循環経路内を循環する冷凍システムであって、
前記循環経路には、前記冷媒の流れ方向でみて圧縮機、ガスクーラ、膨張弁及び蒸発器が順次介挿されており、
前記ガスクーラと前記膨張弁との間に配設され、前記冷媒から前記圧縮機用のオイルを分離するオイルセパレータと、
該オイルセパレータと前記圧縮機とを前記循環経路とは別に接続し、前記分離されたオイルを前記オイルセパレータから前記圧縮機に戻すオイル返戻通路と
を具備することを特徴とする冷凍システム。
【請求項２】
前記オイル返戻通路、或いは前記圧縮機には、前記オイルセパレータ内における前記冷媒の圧力が所定圧力を超えた場合に開放され、該冷媒を前記圧縮機の内部に向けて排出する内部リリーフ弁を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項３】
前記オイルセパレータは、アキュムレータとしての機能をも兼ね備えた装置であることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の冷凍システムを備えたことを特徴とする車両用空調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍システムに関し、より詳しくは、ＣＯ2冷媒を使用した冷凍システム及びこの冷凍システムを採用した車両用空調装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境への配慮から、地球温暖化係数の小さな値を有する冷媒を用いた冷凍システムの開発が進められている。この種の冷媒の一例としては自然系のＣＯ2（炭酸）ガスがある。
しかし、このＣＯ2冷媒はその蒸発圧力が比較的高く、それ故、冷媒の循環経路から洩れ易くなる。また、その経路の各機器のうち圧縮機の損傷も問題となる。このため、この圧縮機の損傷を回避させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−３５４０２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、この種の圧縮機は冷媒を圧縮するが、この冷媒には、通常、冷凍機油（オイル）が含まれている。このオイルは圧縮機内の摺動面や軸受等の潤滑のみならず、摺動面のシールとしての機能を有する。しかしながら、このオイルによる循環経路内の循環は冷凍システムの冷房能力を低下させる要因となる。
より具体的には、仮に蒸発器でのオイル循環率（O.C.R.）が０．５％を超えると、熱交換量が極端に減少するという問題がある。つまり、上記従来の技術では、冷房能力の低下の点については依然として課題が残されている。
【０００４】
また、ＣＯ2冷媒を用いた冷凍システムでは、凝縮が行われない点にも留意しなければならない。すなわち、ＣＯ2冷媒は他の冷媒よりも高圧状態のままで循環経路内を循環し得るので、システムの信頼性確保のための措置が必要になる。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、冷房能力の低下を防ぎ、信頼性の向上を図ることができる冷凍システム及び車両用空調装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するべく、請求項１記載の冷凍システムは、ＣＯ2冷媒が循環経路内を循環する冷凍システムであって、循環経路には、冷媒の流れ方向でみて圧縮機、ガスクーラ、膨張弁及び蒸発器が順次介挿されており、ガスクーラと膨張弁との間に配設され、冷媒から圧縮機用のオイルを分離するオイルセパレータと、オイルセパレータと圧縮機とを循環経路とは別に接続し、分離されたオイルをオイルセパレータから圧縮機に戻すオイル返戻通路とを具備することを特徴としている。
【０００６】
また、請求項２記載の発明では、オイル返戻通路、或いは圧縮機には、オイルセパレータ内における冷媒の圧力が所定圧力を超えた場合に開放され、冷媒を圧縮機の内部に向けて排出する内部リリーフ弁を更に具備することを特徴としている。
更に、請求項３記載の発明では、オイルセパレータは、アキュムレータとしての機能をも兼ね備えた装置であることを特徴としている。
【０００７】
更にまた、請求項４記載の車両用空調装置は、上述の冷凍システムを備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
従って、請求項１記載の本発明の冷凍システムによれば、ＣＯ2冷媒がオイルを含み、このオイルは圧縮機から流出し、ガスクーラにて冷却されてオイルセパレータに達する。このオイルセパレータでは冷媒からオイルが分離され、このオイルは循環経路とは別個のオイル返戻通路を介して圧縮機に常に戻される。よって、蒸発器へのオイルの流入が回避され、より具体的には、蒸発器でのオイル循環率が０．５％を超えなくなる。この結果、熱交換量の極端な減少が防止され、ＣＯ2冷媒を用いた冷凍システムの冷房能力の低下が回避される。
【０００９】
また、オイルセパレータを、圧縮機の出口側ではなく、ガスクーラの出口側に設ければ、ガスクーラで冷却されたオイルはそのオイル粘度が高くなり、冷媒からの分離が容易になる。この結果、効率の良いオイル分離が達成される。
また、請求項２記載の発明によれば、オイルはオイル返戻通路を介して常に圧縮機側に戻される一方、このオイルは、冷媒の圧力が所定圧力に到達した場合には、冷媒とともに圧縮機側に戻される。よって、サイクルでの凝縮がなく、高圧状態になるＣＯ2冷媒を用いても、循環経路では圧力の異常な上昇が抑えられる。
【００１０】
また、内部リリーフ弁を用いることにより、ＣＯ2冷媒が大気中に放出されないので、冷凍システムの安全性が確保される。
更に、請求項３記載の発明によれば、上記オイルセパレータが、オイル分離装置としての機能の他、アキュムレータとしての機能をも備えている。そして、オイルセパレータを圧縮機の出口側に設けた場合に比して、冷媒はより密度の大きな状態で一時的に貯留されるので、仮に冷媒の減少があったとしても、システムバランスの崩れも生じない。よって、冷凍システムの信頼性が向上する。
【００１１】
更にまた、請求項４記載の車両用空調装置によれば、車両のエンジン回転速度が急激に上昇しても、ＣＯ2冷媒の異常な圧力の上昇が回避されるので、圧縮機では作動停止に至り難くなる。この結果、冷凍システムの信頼性が向上する。また、車両用空調装置に自然系冷媒であるＣＯ2冷媒を用いれば、環境負荷の低減に大きく貢献する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図１は、車両用空調装置を構成する一実施例の冷凍システム２の概略を示し、この冷凍システム２は車室４内を所望の設定温度にて冷房する。
冷凍システム２は、自然系冷媒であるＣＯ2冷媒（以下、単に冷媒と称す）を循環させる冷凍回路６を有し、この冷凍回路６はエンジン１０を備えたエンジンルーム８から車室４に亘って設置されている。
【００１３】
詳しくは、冷凍回路６は上記冷媒の循環経路１１〜１５を有し、これら循環経路１１〜１５はその大部分が車両のエンジンルーム８内に配置されているが、その一部は車両の車室４内にも延びている。循環経路１１〜１５には、上流側からコンプレッサ（圧縮機）１８、ガスクーラ２０、オイルセパレータ２２、膨張弁２４及びエバポレータ（蒸発器）２６が順次介挿されている。そして、これら圧縮機１８、ガスクーラ２０、オイルセパレータ２２及び膨張弁２４はエンジンルーム８内に配置され、蒸発器２６は車室４内に配置されている。
【００１４】
なお、図１中、参照符号１１，１２，１３，１４は上記循環経路の往路部分を形成し、参照符号１５は上記循環経路の復路部分を形成している。
圧縮機１８はエンジン１０の駆動力によって作動され、ガス状態の冷媒を吸い込んで圧縮し、高温高圧ガス状態にして循環流路１１に吐出する。つまり、圧縮機１８は、冷媒を圧縮しながら冷媒の流動を生成させる。
【００１５】
そして、ガスクーラ２０は図示しない送風ファン及び車両前方からの風を受けて、その内部を流れる冷媒を空冷する。更に、ガスクーラ２０からの高圧状態の冷媒は、膨張弁２４を通じて蒸発器２６に供給され、蒸発器２６内にて比較的低温低圧のガス状態となる。この蒸発器２６の下流側は、循環流路１５を介して圧縮機１８に接続されており、上記低温低圧ガス状態の冷媒は圧縮機１８に吸引される。
【００１６】
本実施形態のオイルセパレータ２２は、ガスクーラ２０と膨張弁２４との間、すなわち、循環経路１２と循環経路１３との間に配設されており、冷媒から圧縮機用のオイルを分離する。この冷媒から分離されたオイルはオイルセパレータ２２から圧縮機１８に戻される。より詳しくは、オイルセパレータ２２と圧縮機１８とは、循環経路１３，１４とは別個のオイル返戻通路１６，１７で接続され、オイルはオイル返戻通路１６，１７及び循環経路１５を介して圧縮機１８に戻されている。
【００１７】
また、本実施形態においては、これらオイルセパレータ２２と圧縮機１８との間には内部リリーフ弁２８が配設されている。つまり、オイル返戻通路１６はその入口側がオイルセパレータ２２に接続され、その出口側が内部リリーフ弁２８に接続されている。一方、オイル返戻通路１７はその入口側が内部リリーフ弁２８に接続され、その出口側が循環経路１５に接続されている。
【００１８】
上記オイルセパレータ２２の詳細は図２に示されている。
このオイルセパレータ２２は有底円筒状の本体３０を備え、この本体３０は円筒部３２及びこの円筒部３２の下方に位置する縮径部３４から構成される。また、同図（ａ）の如く、循環経路１２は円筒部３２の上方部分にてこの円筒部３２の接線方向に接続されている。これに対し、同図（ｂ）の如く、オイル返戻通路１６は縮径部３４の下端３６に接続されている。更に、本体３０の略中央部分には冷媒導出管３８が略垂直方向にて上方に向けて延設され、循環経路１３に接続されている。
【００１９】
そして、このオイルセパレータ２２は、ガスクーラ２０に連なる循環経路１２から流入された冷媒からオイルを分離し、これら冷媒及びオイルを分けた状態にて本体３０内に一時的に貯留させる。換言すれば、本実施形態のオイルセパレータ２２はアキュムレータとしての機能をも兼ね備えている。次いで、冷媒は冷媒導出管３８から循環経路１３に流出させる一方、オイルはオイル返戻通路１６から圧縮機１８に回収される。
【００２０】
また、上記内部リリーフ弁２８の詳細は図３に示されている。
この内部リリーフ弁２８は、環状の弁本体４０を備え、この弁本体４０の一端にはオイル返戻通路１６との接続孔４２が設けられ、他端にはオイル返戻通路１７との接続孔４４が設けられている。また、本体内部５６には弁部材４６及びストッパ部材５２が配設され、弁部材４６の一端は弁座６０に着脱可能に当接され、その他端側にはロッド４８が備えられている。このロッド４８はスプリング５８に囲繞され、このスプリング５８は弁部材４６とストッパ部材５２との間にて閉弁方向に付勢配置されている。
【００２１】
更に、弁部材４６には接続孔４２と本体内部５６とを常時連通する連通細孔５０が形成され、ストッパ部材５２には本体内部５６と接続孔４４とを常時連通する連通孔５４が形成されている。これにより、オイルセパレータ２２内のオイルは、これら連通細孔５０及び連通孔５４を介して圧縮機１８に向けて常時返戻される。
上述した冷凍システム２によれば、圧縮機１８の作動に伴い、蒸発器２６から冷媒を圧縮する。つまり、この圧縮機１８の断熱圧縮作用により、比エンタルピ及び圧力がそれぞれ増加して図４の点Ａから点Ｂまで変化する。そして、循環経路１１を介して高温高圧ガス状態の冷媒をガスクーラ２０に供給する。
【００２２】
この冷媒はガスクーラ２０内で冷却される。つまり、ガスクーラ２０の冷却作用により、比エンタルピが減少して図４の点Ｂから点Ｃまで等圧変化する。そして、循環経路１２を介してオイルセパレータ２２に供給する。
循環経路１２からオイルセパレータ２２に流入した冷媒は、本体３０内にて冷媒導出管３８の外周側を旋回しながら下降する。この過程にて、冷媒中のオイルは遠心分離の原理に基づいて冷媒から分離され、円筒部３２の内周面に付着する。冷媒はオイルセパレータ２２内に一時的に貯留された後、冷媒導出管３８を通じて循環経路１３に向けて送出される。
【００２３】
この後、高圧ガス状態の冷媒が循環経路１３を介して膨張弁２４に供給される。そして、膨張弁２４の絞り作用による膨張を受け、その比エンタルピを一定に維持しながら圧力が減少して図４の点Ｃから点Ｄまで変化し、循環経路１４を介して蒸発器２６内に噴出される。
次いで、冷媒の気化熱により蒸発器２６の周囲の空気が冷却される。そして、冷気が車室４内に送り込まれ、車室４内の冷房が行われる。なお、蒸発器２６内の冷媒は、循環経路１５を介して圧縮機１８に戻り、この後、圧縮機１８により再度圧縮され、循環経路１１〜１５を上述した如く循環する。
【００２４】
一方、オイルセパレータ２２では、冷媒から分離されたオイルが円筒部３２の内周面を伝って流下し、縮径部３４に貯えられる。そして、このオイルは内部リリーフ弁２８を介して循環経路１５に常時返戻される。
ところで、オイルセパレータ２２において、冷媒の圧力が所定圧力以上に達した場合には、内部リリーフ弁２８ではオイル返戻通路１６を介して上記圧力を感知し、弁部材４６がスプリング４８の付勢力に抗して移動し、弁座６０との当接が解かれて開弁される。このときのオイルセパレータ２２内の冷媒は、オイル返戻通路１６，１７を介して圧縮機１８の内部に向けて送出される。
【００２５】
なお、再び上記所定圧力以下になると、弁部材４６がスプリング４８の付勢力によって戻されて閉弁させる。この場合には、上述の如くオイルのみが圧縮機１８の内部に向けて送出される。
以上のように、本実施形態では、ＣＯ2冷媒を用いた車両用空調装置において、蒸発器２６でのオイル循環率の改善と、高い蒸発圧力を有するＣＯ2冷媒の特性に対応させることに着目したものである。
【００２６】
そして、本実施形態によれば、冷媒及びオイルは圧縮機１８から流出し、ガスクーラ２０にて冷却されてオイルセパレータ２２に達する。このオイルセパレータ２０では冷媒からオイルが分離され、このオイルはオイル返戻通路１６，１７を介して圧縮機１８に常に戻される。よって、蒸発器２６へのオイルの流入が回避される。具体的には、蒸発器２６でのオイル循環率は０．５％を上回らない。この結果、熱交換量の極端な減少が防止され、ＣＯ2冷媒を用いた車両用空調装置の冷房能力の低下が回避される。
【００２７】
また、オイルセパレータ２２が、圧縮機１８の出口側（図４の点Ｂ）ではなく、ガスクーラ２０の出口側（図４の点Ｃ）に設けられていることから、ガスクーラ２０で冷却された分だけオイル粘度が高くなる。これにより、冷媒からのオイルの分離が容易になる。この結果、効率の良いオイル分離が達成される。
また、上記冷媒は、エンジン回転速度が急激に上昇し、オイルセパレータ２２内での冷媒の圧力が所定圧力に到達した場合には、オイルとともに圧縮機１８側に戻される。よって、サイクルでの凝縮がなく、高圧になる特性を有するＣＯ2冷媒を用いても、圧縮機１８では圧力の異常な上昇が抑えられる。より詳しくは、圧縮機１８では作動停止に至り難くなり、システムの信頼性が向上する。
【００２８】
更に、ＣＯ2を大気中に放出しない内部リリーフ弁２８が用いられるので、システムの安全性も確保される。
更にまた、オイルセパレータ２２が、オイル分離装置としての機能の他、アキュムレータとしての機能をも備えているので、冷媒はより密度の大きな状態で一時的に貯留される。つまり、万一、冷媒の減少があったとしても、システムバランスの崩れが回避可能となる。
【００２９】
また、車両用空調装置に自然系冷媒であるＣＯ2冷媒を用いれば、環境負荷の低減に大きく貢献する。
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では、内部リリーフ弁２８がオイル返戻通路１６、１７との間に設けられているが、必ずしもこの形態に限定されるものではなく、例えば、圧縮機１８に設けられていても良く、この場合にも上記と同様に、システムの信頼性向上に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施例に係る冷凍システムの概略構成図である。
【図２】図１のオイルセパレータの構成図である。
【図３】図１の内部リリーフ弁の断面図である。
【図４】図１の冷凍システムにおけるＣＯ2冷媒の概略的なモリエール線図である。
【符号の説明】
【００３１】
２  冷凍システム
１１，１２，１３，１４，１５  循環経路
１６，１７  オイル返戻通路
１８  圧縮機
２０  ガスクーラ
２２  オイルセパレータ
２４  膨張弁
２６  蒸発器
２８  内部リリーフ弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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