(57)【要約】      （修正有）【課題】蒸発器で発生する低温の凝縮水を有効利用することにより、冷凍成績係数の向上を安価にかつ確実にしかも効率よく実現可能な冷凍サイクルを提供する。【解決手段】圧縮機２と、放熱器３と、膨張器４と、蒸発器５と、蒸発器５から流出され圧縮機２へと送られる低圧側冷媒と放熱器３から膨張器４へと送られる高圧側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器７を備えた冷凍サイクルにおいて、蒸発器５で発生する凝縮水を、内部熱交換器７から膨張器４までの高圧側冷媒の配管に冷却媒体として接触させる高圧側冷媒冷却手段１２を設けたことを特徴とする冷凍サイクル。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機により圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、該放熱器により冷却された冷媒を減圧膨張させる膨張器と、該膨張器により減圧膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器から流出され前記圧縮機へと送られる低圧側冷媒と前記放熱器から前記膨張器へと送られる高圧側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器を備えた冷凍サイクルにおいて、前記蒸発器で発生する凝縮水を、前記内部熱交換器から前記膨張器までの高圧側冷媒の配管に冷却媒体として接触させる高圧側冷媒冷却手段を設けたことを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項２】
前記冷媒が超臨界領域での作動域を有するものからなる、請求項１に記載の冷凍サイクル。
【請求項３】
前記冷媒が二酸化炭素からなる、請求項２に記載の冷凍サイクル。
【請求項４】
前記高圧側冷媒冷却手段が、前記蒸発器で発生する凝縮水を排出するドレンホースを、前記内部熱交換器から前記膨張器までの高圧側冷媒の配管に、内部を凝縮水が流下可能な形態で被せた手段からなる、請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍サイクル。
【請求項５】
前記高圧側冷媒冷却手段が、前記蒸発器で発生する凝縮水を一旦貯留するチャンバを有し、該チャンバ内に前記内部熱交換器から前記膨張器までの高圧側冷媒の配管を通した手段からなる、請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍サイクル。
【請求項６】
前記チャンバの底部に、冷媒の臨界温度を検知可能で、該冷媒の臨界温度を検知したときに開いてチャンバ内に貯留されていた凝縮水を排出可能な臨界温度検知開閉弁が設けられている、請求項５に記載の冷凍サイクル。
【請求項７】
前記チャンバの底部に、チャンバ内に所定重量以上の凝縮水が貯留されたときに開いてチャンバ内の凝縮水を排出可能な凝縮水重量検知開閉弁が設けられている、請求項５または６に記載の冷凍サイクル。
【請求項８】
車両用空調装置に用いられる、請求項１〜７のいずれかに記載の冷凍サイクル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用空調装置等に好適な冷凍サイクルに関し、とくに、冷媒の超臨界作動域を有する場合に好適な冷凍サイクルに関する。
【背景技術】
【０００２】
冷凍サイクルにおいては、例えば車両用空調装置に用いられる冷凍サイクルにおいては、環境問題への配慮の側面から、従来のフロン系に代わる冷媒が求められつつあり、代替冷媒として、超臨界作動域を有する冷媒、とくに二酸化炭素冷媒が提案されている（例えば、特許文献１）。二酸化炭素冷媒は無毒、不燃性であるが、臨界温度が低く（約31℃）、二酸化炭素冷媒を使用したサイクルでは、高圧側圧力が超臨界状態（約7.4MPa以上）になる遷臨界サイクル（超臨界冷凍サイクル）となる。このような冷凍サイクルでは、一般的に、フロンを使用したものと比較して冷凍成績係数（ＣＯＰ：Coefficient of Performance）が悪いため、これを向上させることが求められている。
【０００３】
その一つの手法として、冷凍サイクル内に配置した内部熱交換器を用いて放熱器出口側の高圧側冷媒と蒸発器出口側の低圧側冷媒との間で熱交換する方法が知られている。これにより、高圧側冷媒温度を低減することができ、蒸発器入口側のエンタルピーを低減し、蒸発器における入口側と出口側との間のエンタルピー差を増大させることで、冷凍成績係数の向上を実現している。
【特許文献１】特公平７−１８６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、上記のような冷媒の超臨界作動域を有する冷凍サイクルにおいては、高負荷時に高圧側冷媒が超臨界状態となるため気液二層流にならず（凝縮せず）、蒸発器の上流側に配置される膨張器入口側のエンタルピーが外気温度に支配されてしまう。その結果、特定の温度（圧力）においては、特定の圧力（温度）点で冷凍成績係数の最大値を示す特性となるが、このような冷凍成績係数の最大値を狙うには、とくに、膨張器、さらには蒸発器へと導かれる冷媒を外気温度よりも低温の冷却媒体で冷却することが必要になる。しかし、特別な冷却媒体を準備し使用するのでは、冷凍サイクルの構造が複雑になるとともに、サイクル全体のコストが増加する。
【０００５】
そこで本発明の課題は、冷凍サイクル内の蒸発器で発生する低温の凝縮水を有効利用することにより、冷凍成績係数の向上を安価にかつ確実にしかも効率よく実現可能な冷凍サイクルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機により圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、該放熱器により冷却された冷媒を減圧膨張させる膨張器と、該膨張器により減圧膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器から流出され前記圧縮機へと送られる低圧側冷媒と前記放熱器から前記膨張器へと送られる高圧側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器を備えた冷凍サイクルにおいて、前記蒸発器で発生する凝縮水を、前記内部熱交換器から前記膨張器までの高圧側冷媒の配管に冷却媒体として接触させる高圧側冷媒冷却手段を設けたことを特徴とするものからなる。
【０００７】
このような本発明に係る冷凍サイクルにおいては、冷凍サイクル内の蒸発器で発生する低温の凝縮水が冷媒を冷却するための冷却媒体として有効に利用され、とくに内部熱交換器から膨張器までの高圧側冷媒の配管に（膨張器直前の高圧側冷媒配管に）その低温の凝縮水が接触されることで、配管内を流れる高圧側冷媒が確実に効率よく冷却される。また、特別な冷却媒体ではなく冷凍サイクル内で発生した凝縮水が冷却媒体として使用されるので、冷凍サイクルの構造を大幅に複雑化することなく、安価に実施可能となる。高圧側冷媒は、膨張器前で外気温度よりもはるかに低温の蒸発器で発生した凝縮水によって冷却されるので、実質的に外気温度に左右されることなく所望の冷却が可能になる。そして、冷却された冷媒が、膨張器での減圧膨張後に蒸発器へと流入されるので、蒸発器入口側の冷媒温度が安定して低温化され、蒸発器入口側のエンタルピーが低減され、蒸発器における入口側と出口側との間のエンタルピー差が増大されて、冷凍サイクルの冷凍成績係数が向上される。
【０００８】
この本発明に係る冷凍サイクルは、とくに使用冷媒が超臨界領域での作動域を有するものからなる場合に有効であり、とくに冷媒が二酸化炭素からなる場合に有効なものである。ただし、二酸化炭素以外の、超臨界領域での作動域を有する冷媒を使用する場合にも有効であることは言うまでもない。
【０００９】
上記高圧側冷媒冷却手段としては、種々の具体的な構成を採り得る。たとえば、蒸発器で発生する凝縮水を排出するドレンホースを、内部熱交換器から膨張器までの高圧側冷媒の配管に、内部を凝縮水が流下可能な形態で被せた高圧側冷媒冷却手段に構成することが可能である。また、蒸発器で発生する凝縮水を一旦貯留するチャンバを有し、該チャンバ内に内部熱交換器から膨張器までの高圧側冷媒の配管を通した高圧側冷媒冷却手段に構成することも可能である。
【００１０】
後者の構成の高圧側冷媒冷却手段の場合には、チャンバの底部に、冷媒の臨界温度を検知可能で、該冷媒の臨界温度を検知したときに開いてチャンバ内に貯留されていた凝縮水を排出可能な臨界温度検知開閉弁が設けられている構成とすることができる。このような構成では、貯留される凝縮水の温度が冷媒の臨界温度まで上昇すると、チャンバ外に排出され、その分新たな低温の凝縮水がチャンバ内に導入されるので、チャンバ内に貯留される凝縮水の温度は常時冷媒の臨界温度よりも低い温度とされ、確実に効率のよい冷媒の冷却が行われることになる。
【００１１】
また、上記チャンバの底部に、チャンバ内に所定重量以上の凝縮水が貯留されたときに開いてチャンバ内の凝縮水を排出可能な凝縮水重量検知開閉弁が設けられている構成とすることもできる。このような構成では、チャンバ内には常時所定量の凝縮水が安定して貯留されるとともに、貯留されていた凝縮水が続いて導入されてくる熱交換前の低温の凝縮水に順次入れ代わることになるので、貯留凝縮水は低温状態に保たれ、高圧側冷媒との効率のよい熱交換が継続されることになる。
【００１２】
これら具体的な高圧側冷媒冷却手段の構成においては、凝縮水が接触される高圧側冷媒配管にローフィンチューブなどを使用すれば、凝縮水との熱交換効率がより高められ、さらに効率よく冷凍成績係数を向上させることが可能になる。
【００１３】
本発明に係る冷凍サイクルは、とくに冷凍成績係数の向上の要求が高い車両用空調装置に用いられる冷凍サイクルとして好適なものである。
【発明の効果】
【００１４】
このように、本発明に係る冷凍サイクルによれば、冷凍サイクル内の蒸発器で発生する低温の凝縮水を冷却媒体として有効に利用した高圧側冷媒冷却手段により、膨張器直前の高圧側冷媒を確実に冷却できるようにしたので、簡単な構成でありながら蒸発器入口側の冷媒を低温化して蒸発器における入口側と出口側との間のエンタルピー差を増大させ、冷凍サイクルの冷凍成績係数を確実に効率よくしかも安価に向上することが可能になる。とくに二酸化炭素を代表とする超臨界領域での作動域を有する冷媒を使用する冷凍サイクルの冷凍成績係数を効果的に向上することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る冷凍サイクルの回路構成を示しており、例えば車両用空調装置に用いられる二酸化炭素冷媒を使用した冷凍サイクルの回路構成の一例を示している。図１に示す冷凍サイクル１は、冷媒を圧縮する圧縮機２と、該圧縮機２により圧縮された冷媒を冷却する放熱器３（ガスクーラ）と、該放熱器３により冷却された冷媒を減圧膨張させる膨張器４（例えば、膨張弁）と、該膨張器４により減圧膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器５と、該蒸発器５から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離し分離された気相冷媒を内部熱交換器７の低圧側通路へ流出させるアキュームレータ６と、蒸発器５から流出されアキュームレータ６を通して圧縮機２へと送られる低圧側冷媒と上記放熱器３から膨張器４へと送られる高圧側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器７を備えている。これら機器が、順次、配管を介して接続されており、図１における矢印が冷媒の流れ方向を示している。
【００１６】
このような冷凍サイクル１においては、蒸発器５内における冷媒の蒸発により、周囲から熱が奪われるので、蒸発器５の外表面には低温の凝縮水が発生し、その凝縮水が蒸発器５の表面積当たりある量以上になると、蒸発器５の外表面を伝って流下することになる。一般に、この凝縮水は、受けトレイ８等によって集められ、そのドレン口９からドレンホース１０等を介して系外に排出されている。
【００１７】
本発明においては、この低温の凝縮水が冷却媒体として有効に利用され、該凝縮水が内部熱交換器７から膨張器４までの高圧側冷媒の配管１１に接触される高圧側冷媒冷却手段１２が構成される。
【００１８】
高圧側冷媒冷却手段１２は、具体的には、例えば図２や図３に示すように構成される。ただし、具体的な構造はこれらの実施例に限定されるものではない。図２に示す実施例では、蒸発器５で発生した凝縮水を排出するドレン口９に接続されたドレンホース１０が、膨張器４の手前の高圧側冷媒配管１１に、内部を凝縮水が流下可能な形態で被せられている。本実施例では、らせん状に延設された高圧側冷媒配管１１に沿うようにドレンホース１０が被せられ、ドレンホース１０内に導入された凝縮水が高圧側冷媒配管１１と接触することにより配管１１内を流れる冷媒と熱交換されて冷媒が冷却され、熱交換後の凝縮水１３は系外に排出される。ドレンホース１０内を通過された後の配管１１ａは膨張器４へと接続されている。
【００１９】
このような構成においては、単にドレンホース１０を所定長だけ高圧側冷媒配管１１に接触するように被せるだけで、好ましい高圧側冷媒冷却手段を構成することが可能になり、極めて簡単にかつ安価に本発明で目標とする構成が達成され、冷凍サイクルの冷凍成績係数が効果的に向上される。
【００２０】
図３に示す実施例では、蒸発器５で発生しドレン口９、ドレンホース１０を介して導入されてきた凝縮水を一旦貯留するチャンバ２１（ドレンチャンバ）が設けられ、そのチャンバ２１内に高圧側冷媒配管１１が通されている。チャンバ２１通過後の配管１１ａは膨張器４へと接続されている。このような構成においても、チャンバ２１内に貯留された低温の凝縮水と高圧側冷媒配管１１が接触され、配管１１内を流れる冷媒と熱交換されて冷媒が冷却され、冷凍サイクルの冷凍成績係数が効果的に向上される。
【００２１】
この構成においては、配管１１内を流れる冷媒との熱交換により、チャンバ２１内に貯留されていた凝縮水の温度が徐々に上昇するので、高圧側冷媒との有効な熱交換を行うためには、とくに超臨界領域にある高圧側冷媒との有効な熱交換を行うためには、配管１１と接する凝縮水の温度は冷媒の臨界温度以下でなければならない。したがって、チャンバ２１の底部に、冷媒の臨界温度（二酸化炭素の場合は約３１℃）を検知可能で、冷媒の臨界温度を検知したときには開いてチャンバ２１内に貯留されていた凝縮水を排出可能な臨界温度検知開閉弁２２が設けられている。臨界温度検知開閉弁２２としては、例えば冷媒の臨界温度で開弁するバイメタル弁を使用できる。このような臨界温度検知開閉弁２２を設けておけば、その開閉作動により、チャンバ２１内に貯留されていた凝縮水の温度が冷媒の臨界温度にまで上昇すると開いて貯留されていた凝縮水の少なくとも一部が排出され、代わりに、より低温の新たな凝縮水がチャンバ２１内に導入、貯留されるので、チャンバ２１内に貯留される凝縮水の温度は常に冷媒の臨界温度よりも低い温度に保たれることになり、目標とする熱交換が常時有効に行われて、冷凍サイクルの冷凍成績係数が効果的に向上される。
【００２２】
また、チャンバ２１の底部に、チャンバ２１内に所定重量以上の凝縮水が貯留されたときに開いてチャンバ２１内の凝縮水を排出可能な凝縮水重量検知開閉弁２３を設けることもできる。このような構成では、チャンバ２１内には常時目標とする所定量の凝縮水が安定して貯留されることになり、順次チャンバ２１内から排出される凝縮水と入れ代わりに順次新たな低温の凝縮水が導入されてくる構成となる。チャンバ２１内に貯留される凝縮水が、熱交換前の低温の凝縮水に順次入れ代わることにより、貯留凝縮水は低温状態に保たれ、高圧側冷媒との効率のよい熱交換が継続されて、冷凍サイクルの冷凍成績係数が効果的に向上される。凝縮水重量検知開閉弁２３としては、例えば、所定レベルの水圧が加わったときに開くリード弁を使用できる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明に係る冷凍サイクルの構造は、とくに二酸化炭素冷媒を使用した冷凍サイクルに好適なものであり、中でも車両用空調装置の冷凍サイクルに好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施態様に係る冷凍サイクルの回路構成図である。
【図２】図１の冷凍サイクルにおける高圧側冷媒冷却手段の一例を示す概略側面図である。
【図３】図１の冷凍サイクルにおける高圧側冷媒冷却手段の別の例を示す概略縦断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  冷凍サイクル
２  圧縮機
３  放熱器
４  膨張器
５  蒸発器
６  アキュームレータ
７  内部熱交換器
８  受けトレイ
９  ドレン口
１０  ドレンホース
１１  高圧側冷媒配管
１１ａ  膨張器へと接続される配管
１２  高圧側冷媒冷却手段
１３  熱交換後の凝縮水
２１  チャンバ
２２  臨界温度検知開閉弁
２３  凝縮水重量検知開閉弁
【図１】
2008298307.tif 000003
【図２】
2008298307.tif 000004
【図３】
2008298307.tif 000005