(57)【要約】【課題】第１の目的は、鉛直方向にコンパクトな車両用空気調和機を提供することである。第２の目的は、車両用空気調和機の熱交換効率を改善することである。【解決手段】圧縮機と第１熱交換器と絞り装置と第２熱交換器と、を備え、これらが冷媒配管７を介して環状に接続され冷媒サイクルを構成する冷媒回路を備えた車両用空気調和機１００において、冷媒回路の高圧部で超臨界状態となる冷媒を用い、第１熱交換器２ａは、複数の平板フィンが平行に配置された放熱部材９と、放熱部材９に貫通して設けられ、被熱伝達媒体の流れ方向である列方向に複数列設けられると共に、列方向に直交する方向である段方向に複数設けられた伝熱管８と、を備え、伝熱管８は、段方向の本数が列方向の本数より少なくなるようにし、且つ、第１熱交換器は、伝熱管８内を流れる冷媒と前記被熱伝達媒体の流れ方向が対向するように設置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と第１熱交換器と絞り装置と第２熱交換器と、を備え、これらが冷媒配管を介して環状に接続され冷凍サイクルを構成する冷媒回路を備えた車両用空気調和機において、
前記冷媒回路の高圧部で超臨界状態となる冷媒を用い、
前記第１熱交換器は、
複数の平板フィンが平行に配置された放熱部材と、
前記平板フィンに貫通して設けられ、被熱伝達媒体の流れ方向である列方向に複数列設けられると共に、前記列方向に直交する方向である段方向に複数設けられた伝熱管と、を備え、
前記伝熱管は、前記段方向の本数が前記列方向の本数より少なくなるようにし、且つ、前記第１熱交換器は、前記伝熱管内を流れる前記冷媒と前記被熱伝達媒体の流れ方向が対向するように設置される
ことを特徴とする車両用空気調和機。
【請求項２】
車両幅方向の中央部に設けられた排気ファンと２組の前記冷媒回路と、を備え、
２組の前記冷媒回路の前記第１熱交換器は、
車幅方向に前記排気ファンを介して併設され、車両側面側から前記被熱伝達媒体を吸い込む
ことを特徴とする請求項１に記載の車両用空気調和機。
【請求項３】
前記第２熱交換器を蒸発器として機能させるとき、
前記第２熱交換器の表面に生成される結露水を、
前記第１熱交換器と前記絞り装置の間を接続する前記冷媒配管の表面に供給可能にしている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用空気調和機。
【請求項４】
前記第２熱交換器を蒸発器として機能させるとき、
前記第２熱交換器の表面に生成される結露水を、
前記第１熱交換器の車両幅方向の長さを１と定義したとき、前記第１熱交換器の内、前記排気ファン側の端部から車両側面に向かう方向で０．６〜０．８の範囲に供給可能にしている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両用空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道等の車両に搭載される車両用空気調和機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、第１熱交換器と、圧縮機と、第２熱交換器と、膨張弁と、を順次に配管で環状に接続した冷媒回路を備えている車両用空気調和機が提案されている。その中に、独立した冷媒回路を併設する形態が存在する。そのようなものとして、車両の外部に、第１熱交換器に向けて風を送り込む放出ファンが、車幅方向の略中央に配置され、排気ファンに対して車両の車幅方向の両脇に二つの第１熱交換器がそれぞれ配置され、また、第２熱交換器に向けて風を送り込む吸気ファンが、車幅方向の略中央に配置され、吸気ファンに対して車両の車幅方向の両脇に２つの第２熱交換器がそれぞれ配置されるという形態が提案されている（例えば、特許文献１）。  
【０００３】
また、高圧状態で相変化を伴わない二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置の熱交換器が各種提案されている。その中に、熱交換器の伝熱性能を向上させるために、放熱器出口側の冷媒温度を下げるような改良を施して、蒸気圧縮式冷凍装置の熱効率を向上させるものがある。この熱交換器は、複数列から構成される熱交換器で、各列の熱交換器を連通させる冷媒パスの数が、熱交換器の冷媒の入口側から出口側に向かうほど少なくなるようにし、また熱交換器の冷媒パスの出口側及び入口側の数を変えることにより、冷媒の温度レベルに伴う冷媒密度の増大に応じて、熱交換器内を流動する冷媒を熱交換に適した流速に保つようにすることで熱交換効率を良好にできるというものである（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１１６９８１号公報（第１図）
【特許文献２】特開２０００−３０４３８０号公報（第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
車両用空気調和機の熱交換器内に設けられている伝熱管の鉛直上方向である段方向の本数は、段方向に直交する方向である列方向の本数より多くなるように設置されているため、上記車両用空気調和機に二酸化炭素のような高圧側で超臨界状態となる冷媒を用いる場合においては冷媒配管の肉厚化が必要となり、上記車両用空気調和機の鉛直方向のコンパクト性を損ねてしまうおそれがあった。
また、従来の車両用空気調和機は、上記伝熱管内を流れる上記冷媒の流れ方向と上記伝熱管の外部を流れる被熱伝達媒体の流れ方向が、対向するように設置されていないことにより、熱交換効率が悪くなってしまうおそれがあった。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は、コンパクトな車両用空気調和機を提供することである。第２の目的は、車両用空気調和機の熱交換効率を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る車両用空気調和機は、圧縮機と第１熱交換器と絞り装置と第２熱交換器と、を備え、これらが冷媒配管を介して環状に接続され冷凍サイクルを構成する冷媒回路を備えた車両用空気調和機において、前記冷媒回路の高圧部で超臨界状態となる冷媒を用い、前記第１熱交換器は、複数の平板フィンが平行に配置された放熱部材と、前記平板フィンに貫通して設けられ、被熱伝達媒体の流れ方向である列方向に複数列設けられると共に、前記列方向に直交する方向である段方向に複数設けられた伝熱管と、を備え、前記伝熱管は、前記段方向の本数が前記列方向の本数より少なくなるようにし、且つ、前記第１熱交換器は、前記伝熱管内を流れる前記冷媒と前記被熱伝達媒体の流れ方向が対向するように設置される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る車両用空気調和機は、コンパクト性に優れ、且つ、熱交換効率を改善することが可能となっている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態における車両用空気調和機の概略図である。
【図２】図１で示した車両用空気調和機の点線Ａ−Ａにおける断面図である。
【図３】本発明の実施の形態における車両用空気調和機内に設けられている伝熱管と放熱部材の斜視図である。
【図４】図３で示した伝熱管を流れる冷媒の方向と、被熱伝達媒体（空気）の流れる方向を説明した図である。
【図５】図２で示した断面図において、熱交換器（放熱器）に散水する場所を表す図である。
【図６】本発明の実施の形態における、熱交換器（放熱器）の冷媒温度変化を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態における車両用空気調和機１００の概略図である。図１に示すように、本実施の形態における車両用空気調和機１００は、少なくとも冷媒回路１００ａと、冷媒回路１００ｂと、排気ファン５と、吸気ファン６から構成されており、それらが一つの筐体に収納されて車室外に設置される。
【００１１】
冷媒回路１００ａは、圧縮機１ａと、第１熱交換器２ａと、絞り装置３ａと、第２熱交換器４ａと、が冷媒配管を介して環状に接続され冷凍サイクルを構成している。
また、冷媒回路１００ｂは、圧縮機１ｂと、第１熱交換器２ｂと、絞り装置３ｂと、第２熱交換器４ｂと、が冷媒配管を介して環状に接続され冷凍サイクルを構成している。
【００１２】
第１熱交換器２ａは、車幅方向の右の脇に設置され、第１熱交換器２ｂは、左の端部に設置される（左右が逆でもよい）。
第１熱交換器２ａは、２本の冷媒配管７と連結しており、その内の一方の冷媒配管７は、圧縮機１ａと連結し、もう一方は絞り装置３ａと連結している。
同様に、第１熱交換器２ｂは、２本の冷媒配管７と連結しており、その内の一方の冷媒配管７は、圧縮機１ｂと連結し、もう一方は絞り装置３ｂと連結している。
【００１３】
第２熱交換器４ａは、図１に示すように、車幅方向の右の脇に設置され、第１熱交換器４ｂは、左の端部に設置される（左右が逆でもよい）。また、第２熱交換器４ａは、第１熱交換器２ａに対して車両の長手方向の前方または後方に設置される。同様に、第２熱交換器４ｂは、第２熱交換器１ｂに対して、車両の長手方向の前方または後方に設置される。
第２熱交換器４ｂは、２本の冷媒配管７と連結しており、その内の一方の冷媒配管７は、圧縮機１ａと連結し、もう一方は絞り装置３ａと連結している。
同様に、第１熱交換器２ｂは、２本の冷媒配管７と連結しており、その内の一方の冷媒配管７は、圧縮機１ｂと連結し、もう一方は絞り装置３ｂと連結している。  
【００１４】
圧縮機１ａは、図１に示すように、２本の冷媒配管７と連結しており、そのうち一方の冷媒配管７は第１熱交換器２ａと連結し、もう一方の冷媒配管７は第２熱交換器４ａと連結している。
同様に、圧縮機１ｂは、図１に示すとおり、２本の冷媒配管７と連結しており、そのうち一方の冷媒配管７は第１熱交換器２ｂと連結し、もう一方の冷媒配管７は第２熱交換器４ｂと連結している。
【００１５】
絞り装置３ａは、図１に示すように、２本の冷媒配管７と連結しており、その内の一方の冷媒配管７は第１熱交換器２ａと連結し、もう一方の冷媒配管７は第２熱交換器４ａと連結している。
同様に、絞り装置３ｂは２本の冷媒配管と連結しており、その内の一方の冷媒配管７は第１熱交換器２ａと連結し、もう一方の冷媒配管７は第２熱交換器４ｂと連結している。
【００１６】
以上のように、冷媒回路１００ａと冷媒回路１００ｂは、それぞれ独立した環状構成を形成している。
【００１７】
排気ファン５は、第１熱交換機１ａと第１熱交換機１ｂの間（車幅方向の中央部）に設けられている。
【００１８】
吸気ファン６は、第２熱交換器４ｂと第２熱交換器４ｂの間（車幅方向の中央部）で、且つ、排気ファン５の車両の長手方向前方または後方に設置されている。
【００１９】
本実施の形態において、冷媒回路１００ａまたは冷媒回路１００ｂの内部を循環する冷媒としては、例えば高圧側（冷媒回路１００ａまたは冷媒回路１００ｂ内部のいずれか位置で冷媒が高圧となる部分）において臨界圧力（約７．３ＭＰａ）以上の超臨界状態となる二酸化炭素を用いる。
【００２０】
図２は、図１で示した車両用空気調和機の点線Ａ−Ａにおける断面図である。図２に基づいて、第１熱交換器２ａと第１熱交換器２ｂについて説明する。図２に示すように、第１熱交換器２ａと第１熱交換器２ｂは、排気ファン５の両側に設けられている。排気ファン５によって吸い込まれ、排気される空気の流れは、矢印ＡＲ１と矢印ＡＲ２で表される。空気は、車両側面部分から取り入れて、排気ファン５に向かって放出される。その後、排気ファン５に吸い寄せられた空気は、排気ファン５の上部に排出される。
【００２１】
図３は、本発明の実施の形態における車両用空気調和機内に設けられている伝熱管と放熱部材の斜視図である。図３に示すように、本実施の形態における第１熱交換器２ａ及び第１熱交換器２ｂは、複数の平板状の放熱部材９（プレートフィン）に挿通した伝熱管８で構成されている。図３においては、放熱部材９の形状は円板形状をしているが、それに限定されるものではない。
【００２２】
図３に示すように、本実施の形態において、第１熱交換器２ａ及び第１熱交換器２ｂ内に設けられている伝熱管８は、被熱伝達媒体（空気）の流れ方向である列方向ＡＸ２に複数列設けられると共に、列方向ＡＸ２に直交する方向である段方向ＡＸ１に複数設けられている。そして、第１熱交換器２ａ及び第１熱交換器２ｂは、段方向ＡＸ２の本数が列方向ＡＸ１の本数より少なくなるように車両に設置される。
【００２３】
これにより、例えば鉄道車両のように、鉛直方向に電線があるために高さ制限があるような場合に有効である。このようにして、第１熱交換器２ａ及び第１熱交換器２ｂは、鉛直方向にコンパクトになり、従来の筐体サイズのままでも車両に容易に設置することが可能となっている。  
【００２４】
以下に、本実施の形態における車両用空気調和機１００の熱交換効率を改善する方法について説明する。
図４は、図３で示した伝熱管を流れる冷媒の方向と、被熱伝達媒体（空気）の流れる方向を説明した図である。第１熱交換器２ａ及び第１熱交換器は１ｂは、矢印ＦＬ１で示した伝熱管８内を流れる冷媒の方向と、矢印ＦＬ２で示した被熱伝達媒体（空気）の流れる方向と対向するように車両に設置される。これによって、対向流効果を得ることが可能となり、冷媒と被熱伝達媒体（空気）の熱伝達効率が改善される。これにより、より効率的な車両用空気調和機とすることができる。
【００２５】
次に、熱交換効率の改善について説明する。なお、以下の説明では、第２熱交換器４ａと第２熱交換器４ｂを蒸発器として機能させているものとする。
第２熱交換器４ａ（または第２熱交換器４ｂ）を通過する空気中に含まれる水分が凝縮して生成される結露水（ドレン水）は、第１熱交換器２ａと絞り装置３ａ（または第１熱交換器２ｂと絞り装置３ｂ）を連結している冷媒配管７（図１の点線ＰＡ３で表される）に直接散水することで、車両用空気調和機１００の熱交換効率を改善することができる。これにより、第１熱交換器２ａから絞り装置に向かう冷媒の温度は更に下がる。こうして、第２熱交換器４ａ（または第２熱交換器４ｂ）内に流れている冷媒と、外部から取り込まれる空気との温度差が大きくなり（エンタルピー差が大きくなる）、車両用空気調和機１００の熱交換効率を改善することが可能となる（冷却性能が向上する）。    
【００２６】
図５は、図２で示した断面図において、第１熱交換器２ａ及び第１熱交換器２ｂ（放熱器）のそれぞれに散水する箇所（散水箇所ＰＡ１、散水箇所ＰＡ２）を表す図である。本実施の形態において、第２熱交換器４ａ（または第２熱交換器４ｂ）を通過する空気中に含まれる水分が凝縮して生成される結露水（ドレン水）は、第２熱交換器４ａ（または、第２熱交換器４ｂ）の車両幅方向の長さを１と定義したとき、前記第２熱交換器の内、吸気ファン側の端部から車両側面に向かう方向で０．６〜０．８の範囲に供給可能としている。これにより、図６で後述するように、熱交換効率を改善することができる。
【００２７】
図６は、本発明の実施の形態における、熱交換器（放熱器）の冷媒温度変化を表す図である。図６は、第１熱交換器２ａ（または第１熱交換器２ｂ）の車両幅方向の長さを１と定義したとき、前記第１熱交換器の内、吸気ファン側の端部から車両側面に向かう方向で０．６〜０．８の範囲では冷媒の比熱が大きく、温度変化が小さくなっている。この部分に低温となっている結露水を供給し、冷却を促進することで冷媒温度を低下させる。これにより、冷媒と被熱伝達媒体の温度差はより大きくなる。従って、より大きな対向流効果を得ることができ、熱交換効率を改善することが可能となる。
【００２８】
本実施の形態において、結露水は、第１熱交換器２ａ（または第１熱交換器２ｂ）全体に供給できることが望ましい。しかし、車両用空気調和機１００は結露水量を確保しづらいことがある。そこで、上記の水供給方法によって最も効果的である箇所（冷媒の比熱が高い箇所）へ集中的に水を供給することとし、少量の結露水であっても効率的に冷媒温度を低下させることを可能としている。  
【００２９】
以上に述べたように、本実施の形態において、矢印ＡＸ１方向より矢印ＡＸ２方向により多くの伝熱管８が並ぶように熱交換器を配置することで、鉛直方向がコンパクト化された車両用空気調和機１００とすることが可能となる。また、伝熱管８を流れる冷媒と被熱伝達媒体とを対向流とすることで、熱交換効率を改善することができる。また、第２熱交換器４ａ及び第２熱交換器４ｂを蒸発器として機能させるとき、第２熱交換器４ａ及び第２熱交換器４ｂで生成される結露水を、第１熱交換器２ａ（または第１熱交換器２ｂ）と絞り装置３ａ（または絞り装置３ｂ）のいずれかの位置に供給すること、または、第１熱交換器２ａ及び第１熱交換器２ｂの所定の位置に供給することで、車両用空気調和機１００の熱交換効率を改善することが可能となっている。
【００３０】
なお、上記の車両用空気調和機１００の説明は、冷房運転をするものとして説明した（第２熱交換器４ａと第２熱交換器４ｂが、蒸発器として機能したとき）。
しかし、車両用空気調和機１００は、四方弁によって冷媒配管７の流れを切り替えることによって、第２熱交換器４ａ及び第２熱交換器４ｂを放熱器として機能させて、暖房運転を行うことが可能となることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００３１】
１ａ  圧縮機、１ｂ  圧縮機、２ａ  第１熱交換器、２ｂ  第１熱交換器、３ａ  絞り装置、３ｂ  絞り装置、４ａ  第２熱交換器、４ｂ  第２熱交換器  ５  排気ファン、６  吸気ファン、７  冷媒配管、８  伝熱管、９  放熱部材、Ａ−Ａ  点線、ＡＲ１  矢印、ＡＲ２  矢印、ＰＡ１  散水箇所、ＰＡ２  散水箇所、ＰＡ３  点線、ＡＸ１  矢印、ＡＸ２  矢印、ＦＬ１  矢印、ＦＬ２  矢印。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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