(57)【要約】【課題】  ドレンの氷結を防止しながら膨張タービンの膨張比を上げ、冷凍能力を向上させることができる空気サイクル空調システムを提供する。【解決手段】  大気中の空気Ａを膨張させる膨張タービン２０と、膨張タービン２０からの低温空気Ａ１を圧縮して排出する圧縮機２１と、低温空気Ａ１と空調用空気Ａ２との間で熱交換する熱交換器２２と、圧縮機２１からの排気ＥＡの一部ＥＡ１を膨張タービン２０に供給する排気供給通路１６とを備えている。【選択図】      図１
2006078092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気中の空気を膨張させる膨張タービンと、
前記膨張タービンからの低温空気を圧縮して排出する圧縮機と、
前記低温空気と空調用空気との間で熱交換する熱交換器と、
前記圧縮機からの排気の一部を前記膨張タービンに供給する排気供給通路と、
を備えた空気サイクル空調システム。
【請求項２】
請求項１において、さらに、前記熱交換器で空調用空気から生じるドレンの少なくとも一部を前記膨張タービンに供給するドレン供給通路を備えた空気サイクル空調システム。
【請求項３】
請求項１または２において、さらに、前記空調用空気が導入される空調室から排出される換気用空気の少なくとも一部を前記膨張タービンに供給する換気供給通路を備えた空気サイクル空調システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空調システムに関し、詳しくは車両の客室のような室内を冷房するのに適した空気サイクル空調システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、車両の客室のような室内を冷房する空調システムを構成する冷凍機には、温暖化防止のため、従来のフロンの代わりに炭化水素や空気が作動流体（冷媒）として使われている。特に、空気は大気中から容易に取り込めることから、この種空調システムでは、この空気を作動流体とした冷凍機が多用されている。例えば、タービンと、タービンからの低温空気を圧縮して排出する圧縮機と、熱交換器とからなる冷凍機を備えた空気サイクル空調システムにおいて、室内からの換気を熱交換器で低温空気と熱交換して室内の空調を行い、冷凍能力を向上させるために熱交換器に水を噴霧するものがある（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】米国特許４０１５４３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、前記特許文献１に係る空気サイクル空調システムによれば、作動流体となる低温空気を大気中の空気から得ているので、この空気に含まれる湿分に起因してタービン出口でドレンが発生する。冷凍能力向上のためにタービンでの膨張比を上げると、タービン出口での温度が低下するので、外気の温度が低めになると、前記ドレンは、氷結してタービンの羽根の間やタービン出口の配管内に目詰まりを発生させる。空調システムの動作中に前記したような現象が起こると、冷凍機の冷凍能力の低下や氷結の除去などのメンテナンスを強いられて効率が悪くなり、また冷凍機の成績係数（ＣＯＰ）が劣り、冷凍機の円滑運転、ひいては空調システムの順調な動作が期待できない。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、冷凍機の冷凍能力および成績係数を向上させ、しかもドレンの氷結をなくして冷凍機の円滑運転が可能な空気サイクル空調システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明に係る空気サイクル空調システムは、大気中の空気を膨張させる膨張タービンと、前記膨張タービンからの低温空気を圧縮して排出する圧縮機と、前記低温空気と空調用空気との間で熱交換する熱交換器と、前記圧縮機からの排気の一部を前記膨張タービンに供給する排気供給通路とを備えている。
【０００６】
この構成によれば、大気中の空気の温度に比べて高温となっている圧縮機からの排気の一部を膨張タービンに戻して供給するため、この排気の混入によって、タービンに流入する空気の温度が高くなる。このため、膨張タービンの膨張比を上げて冷凍能力の向上を図っても、膨張タービンの出口での空気を０℃以下（氷結温度以下）にならないよう調整でき、したがって、膨張タービン内やタービン出口でドレンが氷結して目詰まりを起こすのを防止できる。他方、排気が混入される分だけタービンの流量が増大して冷凍能力（熱交換器の冷却能力）が向上する。また、ドレンの氷結がないため、氷結除去のようなメンテナンスが不要で運転効率が向上する。
【０００７】
本発明の好ましい実施形態では、さらに、前記熱交換器で空調用空気から生じるドレンの少なくとも一部を前記膨張タービンに供給するドレン供給通路を備えている。
【０００８】
この構成によれば、熱交換器で空調用空気から生じるドレンの少なくとも一部が膨張タービンに供給される作動流体である大気中の空気に加えられることで、比熱が大きく、露点が上げられる結果、冷凍能力を増大させることができる。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態では、さらに、前記空調用空気が導入される空調室から排出される換気用空気の少なくとも一部を前記膨張タービンに供給する換気供給通路を備えている。
【００１０】
この構成によれば、空調室から排出される低温の換気用空気は大気中の空気（外気）よりも温度が低いので、この換気用空気の少なくとも一部が、大気中の空気に加えられることによって、換気用空気の有効利用によりタービン入口温度を下げて質量流量を増し、冷凍機の冷凍能力および成績係数を上げることができる。特に、夏場のように気温が高く、膨張タービンへの空気の質量流量が減少し、冷凍機の冷凍能力が低下する場合であっても、前記換気用空気の膨張タービンへの供給により、タービン流量の減少を抑制でき、冷凍能力を高く維持できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の空気サイクル空調システムによれば、膨張タービンの膨張比を上げて冷凍能力を向上させることができる。また、ドレンの氷結を抑制できるので、氷結除去のようなメンテナンスが不要で運転効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る空気サイクル空調システムの系統図である。同図に示す空気サイクル空調システムにおいて、冷凍機Ｒは、作動流体となる大気中の空気Ａを膨張させる膨張タービン２０と、この膨張タービン２０からの低温空気Ａ１を圧縮して排出する圧縮機２１と、前記低温空気Ａ１と空調用空気Ａ２との間で熱交換する熱交換器２２とを有している。前記膨張タービン２０と圧縮機２１は、電動機のような共通の駆動機２４の同一回転軸２５に連結されて駆動される。
【００１３】
前記冷凍機Ｒを構成する膨張タービン２０には入口通路１１および吸気通路１５を介して大気中の空気Ａが供給される。前記膨張タービン２０で膨張されて低温となった低温空気Ａ１は作動流体として冷媒導入通路１２を通って熱交換器２２に導入されたのち、冷媒導出通路１３を通って圧縮機２１に導入され、圧縮されたのち、排気ＥＡとして圧縮機２１から排出通路１４を通って外部（大気中）に放出されるようになっている。
【００１４】
一方、前記作動流体となる大気中の空気Ａとは別ルートで大気中から空調用空気Ａ２が入口１を経て第１送風ファンＦ１によって導入通路２に導入される。この空調用空気Ａ２は入口３から前記熱交換器２２に導入され、前記低温空気Ａ１との熱交換によって低温となったのち、出口４から低温の空調用空気Ａ３として空調導入通路５に取り出され、通路５を経て入口７から車両の客室のような室内２３に導入される。熱交換器２２で空調用空気Ａ３から生じたドレンＤＲの一部または全部が、ドレン通路６から吸入通路１１に導入されている。
【００１５】
室内２３の空調を行った低温空調用空気Ａ３は、一部が出口８から第２送風ファンＦ２によって吸引され、換気通路９を通って換気用空気ＶＡとして外部に放出され、他の一部ＶＡ１は、出口８から第３送風ファンＦ３によって吸引され、還流通路１０を経て導入通路２内の空調用空気Ａ２に混入されるようになっている。
【００１６】
さらに、前記排出通路１４からの排気ＥＡの一部ＥＡ１は排気供給通路１６を通って入口通路１１に供給され、空気Ａに混入されて吸気通路１５から膨張タービン２０に導入されるようになっている。
【００１７】
次に、上記構成の動作について、数値例を挙げて説明する。数値の単位はＰ（圧力）がkPa 、Ｔ（温度）が℃、Ｇ（質量流量）がkg/sである。外気温は若干低めの３３℃、相対湿度は５０％であり、その大気中の空気（外気）Ａ（101.3P, 33.0T, 0.662G ）が吸入通路１１に吸入され、排出通路１６からの排気の一部ＥＡ１(101.3P, 113.3T, 0.074G)と、ドレン通路６からのドレンＤＲ(101.3P, 13.2T, 0.003G) とが混入されて、吸気(101.3P, 31.3T, 0.739G) となり、膨張タービン２０に吸い込まれる。ここで膨張して低温空気Ａ１となり、冷媒導入通路１２(43.9P, 1.0T, 0.739G) から熱交換器２２に導入される。
一方、導入通路２に導入された空調用空気Ａ２(107.3P, 40.0T, 0.241G) には、室内２３から排出される換気用空気の一部ＶＡ１(103.8P,29.0T,O.973G) が還流通路１０を通って合流されたのち、入口３(103.8P, 31.2T, 1.214G) から熱交換器２２に導入される。この熱交換器２２で前記低温空気Ａ１と空調用空気Ａ２との間で熱交換が行われ、空調用空気Ａ２が出口４(101.3P,13.2T,1.214G) から低温空調用空気Ａ３として空調導入通路５に入る。
【００１８】
このように低温となった空調用空気Ａ３は入口７（101.3P, 16.3T, 1.211G)から室内２３に供給される。室内２３における負荷（２０．０ｋＷ）によって前記空調用空気Ａ３は加温され、室内２３の出口８(101.3P, 26.1T, 1.213G) を経て、一部は換気ＶＡとして換気通路９(101.3P, 26.1T, 0.240G) を通って外部に排出される。他の一部ＶＡ１は前述のとおり還流通路１０を経て導入通路２に供給される。室内２３の熱要素としては、前記負荷（２０．０ｋＷ）に加えて、乗客から出る汗（＝水分、１．７４ｇ／ｓ）も考慮されており、蒸発した汗が還流通路１０および導入通路２を経て熱交換器２２でドレン水となり、その際に放出する潜熱が熱交換器２２の負荷となる。
他方、冷媒導入通路１２(43.9P, 1.0T, 0.739G) から熱交換器２２に導入された低温空気Ａ１は、熱交換後、冷媒導出通路１３(41.4P, 13.0T, 0.739G)を経て圧縮機２１で圧縮され、常圧に戻した後、排気ＥＡとして排出通路１４(101.3P, 113.3T, 0.739G)を経て大部分が大気に排出され、一部ＥＡ１が、前述のとおり、排気供給通路１６(101.3P, 113.3T, 0.074G)を通って入口通路１１内の空気Ａに混入される。前記駆動機２４として使用されている電動機の負荷は３６．８ｋＷ、熱交換機２２の冷凍能力は２９．５ｋＷ、成績係数（ＣＯＰ）は０．８０１である。
【００１９】
このように、排気ＥＡの一部ＦＡ１が、排気供給通路１６介して膨張タービン２０に供給されるので、外気温が低めであっても、吸気通路１５内の作動流体の温度が高くなって、膨張タービン２０の出口側、つまり冷媒導入通路１２における作動流体の温度が氷点下になるのを防止でき、これによって、この作動流体から発生するドレンが氷結するのを防止できる。その結果、膨張タービン２０の膨張比を上げて冷凍能力を向上させることができる。しかも、排気の一部ＶＥ１を膨張タービン２０側に戻す排気供給通路１６を追加するだけで済むから、空調システムの設備コストの上昇を抑制できる。また、熱交換器２２で空調用空気から生じたドレンＤＲの一部がドレン通路６を経て膨張タービン２０の作動流体に導入されているから、作動流体の比熱が大きくなり、かつ露点が上昇するので、冷凍能力（熱交換器２２の冷却能力）をさらに向上させることができる。
【００２０】
図２は本発明の第２実施形態に係る空気サイクル空調システムの系統図である。この第２実施形態は、気温が高い夏場を想定したもので、外気温は若干高めの４０℃で、相対湿度３４％である。この第２実施形態では、特に、第1 実施形態における換気用通路９からの換気用空気ＶＡの少なくとも一部（この例では全部）ＶＡ２を吸入通路１１に戻して空気Ａに合流させる換気供給通路１７を追加し、この通路１７と排気供給通路１６に、それぞれ第１、第２開閉弁３１，３２を設け、これら開閉弁３１，３２をコントローラ３３により選択的に開閉するようにしている。すなわち、運転中は、外部からの指令３５を受けて、第２開閉弁３２を閉止し、外気よりも温度の低い空調室２１から排出される換気用空気ＶＡの一部ＶＡ２が大気中の空気Ａに加えられることで、膨張タービン２０の入口温度を下げて質量流量を増し、冷凍能力および成績係数（ＣＯＰ）を上げることができる。外気温を除く他の条件が第１実施形態と同一である場合、前記駆動機２４として使用されている電動機の負荷は３９．２ｋＷ、熱交換機２２の冷凍能力は３０．９ｋＷ、成績係数（ＣＯＰ）は０．７８８である。
【００２１】
霜取り運転時には、第１開閉弁３１を閉止し、第２開閉弁３２を開放して、外気よりも高温の排気ＥＡの一部ＥＡ１を空気Ａに加えることで、膨張タービン２０の入口温度を上げ、膨張タービン２０からの低温空気Ａ１の温度を上昇させて、霜取りを行う。
図２の第２実施形態において、２つの開閉弁３１，３２を省き、排気供給通路１６からの高温の排気ＥＡ１と、換気供給通路１７からの低温の換気ＶＡ２の両方を吸入通路１１に供給してもよく、その場合、高温の排気ＥＡ１の流量と、低温の換気ＶＡ２の流量を適切に設定しておくことにより、膨張タービン２０に入る作動流体の流量を増大させ、かつ温度上昇を抑制して、冷凍能力を向上させることができる。
【００２２】
さらに、第１および第２実施形態において、ドレン供給通路６を省くこともできる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態の空気サイクル空調システムを示す系統図である。
【図２】本発明の第２実施形態の空気サイクル空調システムを示す系統図である。
【符号の説明】
【００２４】
６  ドレン供給通路
２０  膨張タービン
２１  圧縮機
２２  熱交換器
２３  室内（客室）
１６  排気供給通路
１７  換気供給通路
Ａ  空気
Ａ１  低温空気
Ａ２  空調用空気
Ｒ  冷凍機
ＥＡ  排気
ＶＡ  換気用空気
【図１】
2006078092.tif 000003
【図２】
2006078092.tif 000004