(57)【要約】【課題】  アキュムレータを可能な限り小さくし、且つ、十分な熱交換を達成す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(11,12,13,14,15,16,17)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、ガスクーラからの冷媒を一時的に貯留するアキュムレータ(22)を具備し、アキュムレータは、ガスクーラからの冷媒の流れと蒸発器からの冷媒の流れとを対向流によって熱交換させる機能をも備える。【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、前記ガスクーラからの冷媒を一時的に貯留するアキュムレータを具備し、
該アキュムレータは、前記ガスクーラからの冷媒の流れと前記蒸発器からの冷媒の流れとを対向流によって熱交換させる機能をも備えていることを特徴とする冷凍システム。
【請求項２】
前記アキュムレータは、前記ガスクーラからの冷媒が導入される本体と、該本体内に配設され、前記ガスクーラから前記膨張弁に向かう冷媒の流れを一時的に止める貯留部とを有し、前記蒸発器の出口側と前記圧縮機の入口側とを接続する循環経路を前記本体内に蛇行させて配設し、前記対向流を形成させ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】
請求項１又は２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。
ここで、このＣＯ2冷媒はその蒸発圧力等が比較的高く、サイクルの効率が悪いため、ガスクーラと膨張弁との間には内部熱交換器が設けられており、ガスクーラの出口側の冷媒とアキュムレータの出口側の冷媒とによる内部熱交換が行われている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、ガスクーラからの冷媒は、内部熱交換器を経て膨張弁、蒸発器に達してアキュムレータに至り、再び内部熱交換器を経て圧縮機に導入されている。
【特許文献１】特開２００２−２２５５４９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、ＣＯ2サイクルでは、蒸発器の出口側における冷媒のガス密度は非常に小さいのである。
しかしながら、上記従来の技術では、アキュムレータが蒸発器と内部熱交換器との間に設けられ、アキュムレータは蒸発器の出口側からの冷媒を貯留している。つまり、上述の熱交換を十分に行うためにはアキュムレータにより多くの冷媒を溜める必要があり、これではアキュムレータが大型になるとの問題がある。
【０００４】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、アキュムレータを可能な限り小さくし、且つ、十分な熱交換を達成す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、ガスクーラからの冷媒を一時的に貯留するアキュムレータを具備し、アキュムレータは、ガスクーラからの冷媒の流れと蒸発器からの冷媒の流れとを対向流によって熱交換させる機能をも備えてい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、アキュムレータは、ガスクーラからの冷媒が導入される本体と、本体内に配設され、ガスクーラから膨張弁に向かう冷媒の流れを一時的に止める貯留部とを有し、蒸発器の出口側と圧縮機の入口側とを接続する循環経路を本体内に蛇行させて配設し、対向流を形成させることを特徴としている。
更に、請求項３記載の発明では、車両用空調装置が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】
【０００７】
本発明は、ＣＯ2サイクルでは、ガスクーラの出口側における冷媒のガス密度が蒸発器の出口側における冷媒のガス密度よりも非常に大きいことを鑑みたものである。
そして、請求項１記載の本発明の冷凍システムによれば、アキュムレータがガスクーラの出口側に配設され、蒸発器の出口側からの冷媒ではなく、ガスクーラの出口側からの冷媒を貯留している。換言すれば、本発明のアキュムレータは従来に比して非常に大きな密度の冷媒を貯留できることから、アキュムレータの容量が可能な限り小さくなる。この結果、冷凍システムのスペースが少なくて済む。
【０００８】
また、当該アキュムレータは内部熱交換器の機能を兼ね備えている。つまり、ガスクーラからの冷媒は、従来の如く、内部熱交換器を経て膨張弁、蒸発器に達してアキュムレータに至り、内部熱交換器を経て圧縮機に導入されるのではなく、アキュムレータを経て膨張弁、蒸発器に達し、アキュムレータを経て圧縮機に導入される。そして、このアキュムレータ内では、貯留されたガスクーラの出口側の冷媒と蒸発器の出口側の冷媒との対向流で十分な熱交換が達成可能となる。よって、成績係数（ＣＯＰ）の点でも優れ、サイクルの効率向上が図られる。
【０００９】
また、請求項２記載の発明によれば、蒸発器の出口側と圧縮機の入口側とを接続する循環経路が本体内にて蛇行して配設されているので、アキュムレータの全長の短縮化を図りつつ、ガスクーラからの冷媒と蒸発器からの冷媒とを対向させた熱交換が確実に実現される。従って、冷凍システムのスペースがより一層少なくて済むし、更なる効率向上が図られる。
【００１０】
更に、請求項３記載の発明によれば、車両用空調装置の小型化が図られ、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】
【００１１】
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。
【００１２】
詳しくは、冷凍回路６は上記冷媒の循環経路１１〜１７を有し、これら循環経路１１〜１７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１１〜１７には、上流側からコンプレッサ（圧縮機）１８、ガスクーラ２０、アキュムレータ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、アキュムレータ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。
【００１３】
なお、図中、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１５，１６，１７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経路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。
【００１４】
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、循環経路１５〜１７を介して圧縮機１８に接続されており、比較的低温低圧ガス状態の冷媒が圧縮機１８に吸引される。
【００１５】
本実施形態のアキュムレータ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、ガスクーラ２０からの冷媒を一時的に貯留する。また、このアキュムレータ２２は、内部熱交換器としての機能、換言すれば、ガスクーラ２０からの冷媒の流れと蒸発器２６からの冷媒の流れとを対向流によって熱交換を行う機能をも兼ね備えている。
【００１６】
アキュムレータ２２の詳細は図２に示されている。
このアキュムレータ２２は円筒状の本体２８を備え、この本体２８の上端には循環経路１２が接続され、ガスクーラ２０からの冷媒が本体２８内に導入される。また、本体２８の下端には循環経路１３が接続され、本体２８内に貯留された冷媒が膨張弁２４に向けて送出される。更に、本体２８内には複数個の貯留部３４，３４・・・が設けられており、各貯留部３４ではガスクーラ２０から膨張弁２４に向かう冷媒の流れが一時的に止められている。
【００１７】
より詳しくは、本体２８内は円盤状の多孔板３０，３０・・・によって区画されている。この多孔板３０は、ガスクーラ２０から膨張弁２４に向かう冷媒の流れに対して略垂直方向に配設されており、本体２８の上端と多孔板３０との間、各多孔板３０の間、多孔板３０と本体２８の下端との間がそれぞれ貯留部３４として形成されている。また、各多孔板３０には複数個の細孔３２が設けられており、貯留部３４内の冷媒は、細孔３２を通じて膨張弁２４に向けて移動する。
【００１８】
一方、本体２８の側面の下端近傍には、蒸発器２６からの循環経路１５が接続されている。この循環経路１５は本体２８内にて循環経路１６に接続され、更に、本体２８の側面の上端近傍にて圧縮機１８に向かう循環経路１７に接続されている。この本体２８内の循環経路１６は、水平管部と垂直管部とが連続して構成されており、本体２８の上方に向けて蛇行して延びている。
【００１９】
そして、これら水平管部及び垂直管部内における低温の冷媒の流れと、貯留部３４内にてガスクーラ２０から膨張弁２４に向かう冷媒の流れとが向かい合って対向流をなし、熱交換が行われる。
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からの冷媒を圧縮する。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３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。
【００２０】
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３の点Ｂから点Ｃまで等圧変化する。そして、循環経路１２を介してアキュムレータ２２に供給される。
循環経路１２からアキュムレータ２２に流入した冷媒は、本体２８内の貯留部３４に一時的に貯留され、循環経路１３に向けて送出される。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３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内に噴出させる。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。
【００２１】
蒸発器２６内の冷媒は、循環経路１５を介してアキュムレータ２２に供給され、このアキュムレータ２２では、貯留部３４内の冷媒と循環経路１６内の冷媒との間で熱交換される。具体的には、アキュムレータ２２の上端である入口側、つまり、ガスクーラ２０の出口側における冷媒の温度は図４の点Ｅであるが、アキュムレータ２２の下端である出口側、つまり、膨張弁２４の入口側では熱交換によって点Ｆにまで低下する。これに対し、アキュムレータ２２の側面の下端近傍である入口側、つまり、蒸発器２６の出口側における冷媒の温度は図４の点Ｇであるが、本実施形態のアキュムレータ２２を介することにより、アキュムレータ２２の側面の上端近傍である出口側、つまり、圧縮機１８の入口側における冷媒の温度は点Ｈにまで上昇する。
【００２２】
なお、アキュムレータ２２に配設された循環経路１６内の冷媒は、循環経路１７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１１〜１７を上述した如く循環する。
以上のように、本実施形態はＣＯ2冷媒を用いたサイクルでは、ガスクーラ２０の出口側における冷媒のガス密度が蒸発器２６の出口側における冷媒のガス密度よりも非常に大きいことに着目したものである。
【００２３】
より詳しくは、蒸発器２６の出口側、すなわち、図３の点Ａで示す位置のガス密度は約７０（ｋｇ／ｍ3）であるのに対し、ガスクーラ２０の出口側、すなわち、同図の点Ｃで示す位置のガス密度は約４００（ｋｇ／ｍ3）に達し、上記蒸発器２６の出口側のガス密度に比して約６倍も大きいのである。
そして、本実施形態のアキュムレータ２２は、ガスクーラ２０の出口側に配設され、蒸発器２６の出口側からの冷媒ではなく、ガスクーラ２０の出口側からの冷媒を貯留している。つまり、従来に比して約６倍も大きな密度の冷媒を貯留する。従って、本実施形態におけるアキュムレータ２２の容量は、蒸発器２６の出口側に設けた場合の容量の約１８％（７０／４００）で済む。この結果、車両用空調装置の小型化が図られる。
【００２４】
なお、このように、冷媒をガス密度の大きな状態で貯留可能となれば、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も回避可能となる。
また、上記アキュムレータ２２は内部熱交換器としての機能をも兼ね備え、このアキュムレータ２２内では、循環経路１６が本体２８内にて蛇行して配設されているので、アキュムレータ２２の全長が短縮されるし、更に、貯留されたガスクーラ２０からの冷媒と蒸発器２６からの冷媒とを対向流によって十分な熱交換が可能となる。よって、より一層の効率向上が図られる。
【００２５】
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、多孔板３０によって貯留部３４が区画されているが、必ずしもこの形態に限定されるものではなく、ガスクーラ２０から膨張弁２４に向かう冷媒の流れを一時的に止めるであれば良いものである。この場合にも上記と同様に、十分な熱交換を達成できる。
【００２６】
また、蒸発器２６からの冷媒が流れる循環経路１６についても、アキュムレータの全長を短くできるならば、例えば、本体２８内を上方に向けて螺旋状に延びる構成であっても良い。この場合にも上記と同様に、アキュムレータを可能な限り小さくできる。
更に、上記実施形態では車両用空調装置に具体化された例を示しているが、本発明の冷凍システムは、業務用空調装置、家庭用ヒートパイプ、給湯器、暖房器等の如く、ＣＯ2冷媒を用いた冷凍・空調サイクル全般に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【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のアキュムレータの断面構成図である。
【図３】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。
【図４】図１のアキュムレータによる熱交換図である。
【符号の説明】
【００２８】
２  冷凍システム
１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７  循環経路
１８  圧縮機
２０  ガスクーラ
２２  アキュムレータ
２４  膨張弁
２６  蒸発器
２８  本体
３４  貯留部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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