(57)【要約】【課題】二酸化炭素を冷媒として用い、水冷媒熱交換器を備えた冷凍サイクル装置において、内部熱交換器を用いた高効率的な運転を行える構成をとると、構成部品点数が増加する。【解決手段】二酸化炭素を冷媒として用い、少なくとも圧縮機、第一熱交換器、第三熱交換器の高圧側冷媒流路、減圧器、第二熱交換器、第三熱交換器の低圧側冷媒流路とを順に接続して冷凍サイクル回路と、少なくとも第三熱交換器の水側流路と温水ヒータコアとを接続した温水回路を構成した冷凍サイクル装置において、第三熱交換器は、第一熱交換器と減圧器の間を流れる冷媒と第二熱交換器と圧縮機の間を流れる冷媒とを熱交換、かつ／又は、圧縮機と減圧器の間を流れる冷媒と温水回路を流れる流体とを熱交換させる。【選択図】        図１
2004189069.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素を冷媒として用い、少なくとも圧縮機、第一熱交換器、第三熱交換器の高圧側冷媒流路、減圧器、第二熱交換器、第三熱交換器の低圧側冷媒流路とを順に接続した冷凍サイクル回路と、少なくとも第三熱交換器の水側流路と温水ヒータコアとを接続した温水回路とを備え、前記高圧側冷媒流路には、前記第一熱交換器と前記減圧器の間を流れる冷媒を流し、前記低圧側冷媒流路には、前記第二熱交換器と前記圧縮機の間を流れる冷媒を流す冷凍サイクル装置において、前記高圧側冷媒流路を流れる冷媒を、前記低圧側冷媒流路を流れる冷媒、及び／又は前記温水回路を流れる流体と熱交換させるように前記第三熱交換器を構成したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記高圧側冷媒流路を流れる冷媒と前記低圧側冷媒流路を流れる冷媒とを熱交換させる第一モード運転と、前記高圧側冷媒流路を流れる冷媒と前記温水回路を流れる流体とを熱交換させる第二モード運転を有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記圧縮機から吐出した冷媒を前記第一熱交換器に流入させるか、あるいは、前記第一熱交換器をバイパスさせるかを切り替える流れ方向切替弁をさらに備え、前記第一モード運転では、前記圧縮機から吐出した冷媒を前記第一熱交換器に流入させ、前記第二モード運転では、前記第一熱交換器をバイパスさせるように流れ方向切替弁を制御することを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記第一モード運転では、前記水側流路を流れる流体の温度が、前記高圧側冷媒流路を流れる冷媒の温度より低い場合には、前記水側流路に前記流体を流入させるように制御することを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記第一モード運転では、前記水側流路に流入する前記流体の流量を停止あるいは低減するように制御することを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記第二熱交換器から流出した冷媒が前記低圧側冷媒流路をバイパスして前記圧縮機に流入するバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられた電磁弁とを備え、前記第二モード運転では、前記低圧側冷媒流路をバイパスさせるように前記電磁弁を制御することを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記第三熱交換器が前記バイパス流路及び前記電磁弁を備えていることを特徴とする請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
温水ヒータコアを有する温水回路に接続される水側流路と、圧縮機、第一熱交換器、減圧器、及び第二熱交換器を有する冷凍サイクル回路の高圧側冷媒流路に接続される高圧側冷媒流路と、前記冷凍サイクル回路の低圧側冷媒流路に接続される低圧側冷媒流路とを備えたことを特徴とする熱交換器。
【請求項９】
前記高圧側冷媒流路を流れる冷媒を、前記低圧側冷媒流路を流れる冷媒、及び／又は前記温水回路を流れる流体と熱交換させるように構成したことを特徴とする請求項８に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記低圧側冷媒流路をバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路の冷媒流れを制御する電磁弁を備えていることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器。
【請求項１１】
二酸化炭素を冷媒として用いることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電気自動車等の車両用空気調和装置として利用できる、二酸化炭素を冷媒として用いる冷凍サイクル装置、及びこの冷凍サイクル装置に適した熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境保護の観点から電気自動車が提供されているが、そのバッテリ能力の不足から、走行用補助エンジン、もしくは、発電用エンジンを備えたハイブリット形の電気自動車が提案されている。さらに、電気化学反応により発電を行う燃料電池を採り入れた電気自動車も提案されつつある。
ところで、暖房時に、電気自動車が備える上記エンジンの排熱や、又は燃料電池等の車載機器からの排熱を利用する車両用空気調和装置として、例えば、特許文献１などに開示された技術がある。この従来技術の車両用空気調和装置の構成について、図６を参照して説明する。
図６に示す車両用空気調和装置は、圧縮機１、水側流路２ａと冷媒側流路２ｂが熱交換するように構成された水冷媒熱交換器２、第一減圧器３、室外熱交換器４、第二減圧器５、室内熱交換器６などを配管接続した冷凍サイクルと、水冷媒熱交換器２、温水ヒータコア７、エンジンや燃料電池などの発熱体を冷却する冷却部（図示せず）、循環ポンプ（図示せず）などを配管接続した温水サイクルから構成される。そしてブロワーファン（図示せず）により、例えば、自動車の車室内に吹き出される空気を、ダクト８に納められた室内熱交換器６や温水ヒータコア７に通過させて、冷房や暖房除湿を行うものである。なお、図中において、実線の矢印は冷媒の流れ方向を、白抜きの矢印は空気の流れ方向をそれぞれ示している。
図６に示す冷凍サイクル装置の動作について説明する。まず、冷房モード時には、第一減圧器３は全開にし、減圧器としての作用を行わせず、第二減圧器５で減圧器としての作用を行わせる。すなわち圧縮機１で圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、水冷媒熱交換器２の冷媒側流路２ｂ、室外熱交換器４を通過する際に、冷却水や空気に放熱し冷却される。その後冷媒は、第二減圧器５により減圧されて、低温低圧の気液二相状態となる。室内熱交換器６では、冷媒はブロワーファン（図示せず）によりダクト８内に送り込まれた空気から吸熱し、気液二相又はガス状態となり、一方、送り込まれた空気は冷却される。さらに、気液二相又はガス状態となった冷媒は、再び圧縮機１に吸入される。このようなサイクルを繰り返すことにより、冷却された空気は、ダクト８より車室内の吹出口（図示せず）より吹き出されて、車室内を冷房する。このとき、車室内に吹き出す空気の温度調整は、ミックスダンパ９の開度調整により行うことができる。また、ミックスダンパ９を全閉にして、全空気を温水ヒータコア７側に通さずバイパスさせて、圧縮機１の回転数を制御することでも、車室内へ吹き出す空気の温度調節が可能であり、こちらの方が冷凍サイクル装置の効率は良い。
次に、暖房除湿モード時には、第二減圧器５は全開にし、減圧器としての作用を行わせず、第一減圧器３で減圧器としての作用を行わせる。すなわち圧縮機１で圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、水冷媒熱交換器２の冷媒側流路２ｂを通過する際に、水側流路２ａを流れる冷却水に放熱し冷却される。一方、水冷媒熱交換器２の水側流路２ａを流れる冷却水は加熱されて温水になる。その後冷媒は、第一減圧器３により減圧されて、低温低圧の気液二相状態となる。さらに、室外熱交換器４では外気により、及び、室内熱交換器６ではブロワーファン（図示せず）によりダクト８内に送り込まれた空気から吸熱し、気液二相又はガス状態となる。このとき、送り込まれた空気は室内熱交換器６にて冷却される。そして、気液二相又はガス状態となった冷媒は、再び圧縮機１に吸入される。このようなサイクルを繰り返すことにより、冷却された空気は、ダクト８より車室内の吹出口（図示せず）より吹き出されて、車室内を除湿する。一方、水冷媒熱交換器２で冷媒により加熱された冷却水は、温水ヒータコア７で、ブロワーファン（図示せず）によりダクト８内に送り込まれた空気を加熱する。加熱された空気は、ダクト８より車室内の吹出口（図示せず）より吹き出されて、車室内を暖房する。このとき、車室内に吹き出す空気の温度調整は、ミックスダンパ９の開度調整により行うことができる。また、ミックスダンパ９を全開にして、全空気を温水ヒータコア７側に通して、圧縮機１の回転数を制御することでも、車室内へ吹き出す空気の温度調節が可能であり、こちらの方が冷凍サイクル装置の効率は良い。
従来、このように運転される冷凍サイクル装置内に封入される冷媒としては、フッ素原子を含有する炭化水素類（フロン類）が用いられていた。しかし、フロン類は、オゾン層を破壊する性質を有していたり、地球温暖化に影響を与えたりと、必ずしも満足な冷媒とはいえない。そこでフロン類の代わりに、オゾン破壊係数がゼロであり、かつ地球温暖化係数もフロン類に比べれば格段に小さい、二酸化炭素の冷媒（以下、ＣＯ２冷媒）を用いる冷凍サイクルが検討されつつある。
しかしながら、ＣＯ２冷媒は、臨界温度が３１．０６℃と低く、通常の冷凍サイクルの高圧側（圧縮機出口から放熱器を経由して減圧器の入口まで）では、ＣＯ２冷媒の凝縮が生じない超臨界サイクルとなりうること、また、従来の冷媒に比べてＣＯ２冷媒は、物質の持つ理論効率が低く、冷凍サイクルの効率（ＣＯＰ）が低下するといった課題を有することから、内部熱交換器を備えて冷凍サイクルの効率を向上させる方法があり、例えば特許文献２に示されている超臨界蒸気圧縮サイクル装置がある。
この従来技術について、図７及び図８を用いて説明する。図７に示す超臨界蒸気圧縮サイクル装置は、圧縮機１、室外熱交換器（放熱器）４、減圧器５、室内熱交換器（蒸発器）６、及び、低圧側流路１０ａと高圧側流路１０ｂが熱交換するように構成された内部熱交換器１０から構成されている。そして、内部熱交換器１０の低圧側流路１０ａは、室内熱交換器６出口から圧縮機１入口の間の冷媒が流れるように構成されており、高圧側流路１０ｂは、室外熱交換器４出口から減圧器１１入口の間の冷媒が流れるように構成されている。
このような冷凍サイクル装置の超臨界蒸気圧縮サイクルにおける状態変化は、図８に示すモリエル線図において、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ａで示される。すなわち、図７と図８を用いて説明すると、Ａ点で示される冷媒が、圧縮機１で圧縮されて、Ｂ点で示される超臨界の高温高圧状態となり、室外熱交換器４でＣ点まで冷却される。室外熱交換器４から流出した冷媒は、内部熱交換器１０の高圧側流路１０ｂに流入してさらにＤ点まで冷却される。すなわちモリエル線図においては、Ｃ−Ｄ間のエンタルピが変化する。そして、減圧器１１によって減圧されて、Ｅ点で示される低温低圧の気液二相状態となり、その後、室内熱交換器６で気化されてＦ点に至る。室内熱交換器６を流出した冷媒は、さらに内部熱交換器１０の低圧側流路１０ａでＡ点まで加熱されて、再び圧縮機１で圧縮される。このように、内部熱交換器１０において、室外熱交換器４から流出して減圧器１１に流入する減圧前の冷媒と、室内熱交換器６から流出して圧縮機１に流入する圧縮前の冷媒とが熱交換される。
このような内部熱交換器１０を備えた冷凍サイクル装置を、内部熱交換器１０を備えていない冷凍サイクル装置と比べると、冷凍能力は、Ｅ−Ｅ’間（すなわちＣ−Ｄ間に相当）のエンタルピ差分だけ増大する。一方、圧縮機１の入力（Ａ−Ｂ間のエンタルピ差、又はＦ−Ｂ’間のエンタルピ差）は、内部熱交換器１０の有無によって大きく変化しないか、又は、ＣＯＰが最大となる高圧側圧力が低下し差圧が小さくなるので減少するかである。従って、冷凍能力を圧縮機入力で除した値であるＣＯＰを向上させることができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−１９７９３７号公報
【特許文献２】
特許第２１３２３２９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図６に示したような、第一減圧器３及び第二減圧器５のいずれか一方を減圧器として用いて、冷房モードと暖房除湿モードを切り替え運転する冷凍サイクル装置を、そのままの構成で、オゾン破壊せず、地球温暖化への影響も小さいＣＯ２冷媒を用いて超臨界蒸気圧縮サイクルとし、かつ内部熱交換器を利用する冷凍サイクル装置に置き換えるならば、図９に示すような冷凍サイクル装置が提案できる。
図９に示す冷凍サイクル装置は、図６の冷凍サイクル装置に内部熱交換器１０を設けて、冷房モード時に、室外熱交換器４から流出して減圧器１１に流入する減圧前の冷媒と、室内熱交換器６から流出して圧縮機１に流入する圧縮前の冷媒とが熱交換するように構成している。しかしながら、このような構成では、冷凍サイクル装置を構成する部品点数が増加し、冷凍サイクル装置製造時の組み付けの手間や取り付けスペースが増加し、高コスト化するといった課題が生じる。
【０００５】
そこで、本発明は、ＣＯ２冷媒を使用する冷凍サイクル装置において、その構成部品点数を削減して低コスト化を図ることのできる冷凍サイクル装置、及びこの冷凍サイクル装置に適した熱交換器を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明の冷凍サイクル装置は、二酸化炭素を冷媒として用い、少なくとも圧縮機、第一熱交換器、第三熱交換器の高圧側冷媒流路、減圧器、第二熱交換器、第三熱交換器の低圧側冷媒流路とを順に接続した冷凍サイクル回路と、少なくとも第三熱交換器の水側流路と温水ヒータコアとを接続した温水回路とを備え、前記高圧側冷媒流路には、前記第一熱交換器と前記減圧器の間を流れる冷媒を流し、前記低圧側冷媒流路には、前記第二熱交換器と前記圧縮機の間を流れる冷媒を流す冷凍サイクル装置において、前記高圧側冷媒流路を流れる冷媒を、前記低圧側冷媒流路を流れる冷媒、及び／又は前記温水回路を流れる流体と熱交換させるように前記第三熱交換器を構成したことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記高圧側冷媒流路を流れる冷媒と前記低圧側冷媒流路を流れる冷媒とを熱交換させる第一モード運転と、前記高圧側冷媒流路を流れる冷媒と前記温水回路を流れる流体とを熱交換させる第二モード運転を有することを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項２に記載の冷凍サイクル装置において、前記圧縮機から吐出した冷媒を前記第一熱交換器に流入させるか、あるいは、前記第一熱交換器をバイパスさせるかを切り替える流れ方向切替弁をさらに備え、前記第一モード運転では、前記圧縮機から吐出した冷媒を前記第一熱交換器に流入させ、前記第二モード運転では、前記第一熱交換器をバイパスさせるように流れ方向切替弁を制御することを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項２に記載の冷凍サイクル装置において、前記第一モード運転では、前記水側流路を流れる流体の温度が、前記高圧側冷媒流路を流れる冷媒の温度より高い場合には、前記水側流路に流入する前記流体の流量を停止あるいは低減するように制御することを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項２に記載の冷凍サイクル装置において、前記第一モード運転では、前記水側流路に流入する前記流体の流量を停止あるいは低減するように制御することを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項２に記載の冷凍サイクル装置において、前記第二熱交換器から流出した冷媒が前記低圧側冷媒流路をバイパスして前記圧縮機に流入するバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられた電磁弁とを備え、前記第二モード運転では、前記低圧側冷媒流路をバイパスさせるように前記電磁弁を制御することを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項６に記載の冷凍サイクル装置において、前記第三熱交換器が前記バイパス流路及び前記電磁弁を備えていることを特徴とする。
請求項８記載の本発明の熱交換器は、温水ヒータコアを有する温水回路に接続される水側流路と、圧縮機、第一熱交換器、減圧器、及び第二熱交換器を有する冷凍サイクル回路の高圧側冷媒流路に接続される高圧側冷媒流路と、前記冷凍サイクル回路の低圧側冷媒流路に接続される低圧側冷媒流路とを備えたことを特徴とする。
請求項９記載の本発明は、請求項８に記載の熱交換器において、前記高圧側冷媒流路を流れる冷媒を、前記低圧側冷媒流路を流れる冷媒、及び／又は前記温水回路を流れる流体と熱交換させるように構成したことを特徴とする。
請求項１０記載の本発明は、請求項８に記載の熱交換器において、前記低圧側冷媒流路をバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路の冷媒流れを制御する電磁弁を備えていることを特徴とする。
請求項１１記載の本発明は、請求項８に記載の熱交換器において、二酸化炭素を冷媒として用いることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明による第１の実施の形態による冷凍サイクル装置は、高圧側冷媒流路を流れる冷媒を、低圧側冷媒流路を流れる冷媒、及び／又は温水回路を流れる流体と熱交換させるように第三熱交換器を構成したものである。本実施の形態によれば、２つ別々に備える必要があった内部熱交換器と水冷媒熱交換器を１つにできるために、高効率な運転が可能な冷凍サイクル装置であっても、構成部品点数を削減して低コスト化を図ることができる。
また、本発明による第２の実施の形態は、第１の実施の形態による冷凍サイクル装置において、高圧側冷媒流路を流れる冷媒と低圧側冷媒流路を流れる冷媒とを熱交換させる第一モード運転と、高圧側冷媒流路を流れる冷媒と温水回路を流れる流体とを熱交換させる第二モード運転を有するものである。本実施の形態によれば、２つのモード運転を有することで、高温冷媒を低温冷媒又は低温流体と熱交換させることができる。
また、本発明による第３の実施の形態は、第２の実施の形態による冷凍サイクル装置において、流れ方向切替弁によって、第一モード運転では、圧縮機から吐出した冷媒を第一熱交換器に流入させ、第二モード運転では、第一熱交換器をバイパスさせるものである。本実施の形態によれば、流れ方向切替弁を制御することによって第一熱交換器での無用な放熱を抑制し、水側回路を流れる流体に対して充分に熱を伝達することができる。
また、本発明による第４の実施の形態は、第２の実施の形態による冷凍サイクル装置において、第一モード運転では、水側流路を流れる流体の温度が、高圧側冷媒流路を流れる冷媒の温度より低い場合には、水側流路に流体を流入させるように制御するものである。本実施の形態によれば、水側流路を流れる流体への放熱を有効に利用して冷凍サイクルのＣＯＰを高めることができる。
また、本発明による第５の実施の形態は、第２の実施の形態による冷凍サイクル装置において、第一モード運転では、水側流路に流入する流体の流量を停止あるいは低減するように制御するものである。本実施の形態によれば、水側流路を流れる流体からの無用な授熱を抑制して冷凍サイクルのＣＯＰを高めることができる。
また、本発明による第６の実施の形態は、第２の実施の形態による冷凍サイクル装置において、第二モード運転では、低圧側冷媒流路をバイパスさせるように電磁弁を制御するものである。本実施の形態によれば、第二モード運転では高圧側冷媒流路を流れる冷媒と低圧側冷媒流路を流れる冷媒との間での熱交換を行わせないことで、水側流路を流れる流体に対して十分に熱を伝達することができる。
また、本発明による第７の実施の形態は、第６の実施の形態による冷凍サイクル装置において、第三熱交換器がバイパス流路及び電磁弁を備えたものである。本実施の形態によれば、バイパス流路や電磁弁を第三熱交換器が備えるために、構成部品点数を削減して低コスト化を図ることができる。
また、本発明による第８の実施の形態による熱交換器は、温水ヒータコアを有する温水回路に接続される水側流路と、圧縮機、第一熱交換器、減圧器、及び第二熱交換器を有する冷凍サイクル回路の高圧側冷媒流路に接続される高圧側冷媒流路と、冷凍サイクル回路の低圧側冷媒流路に接続される低圧側冷媒流路とを備えたものである。本実施の形態によれば、２つ別々に備える必要があった内部熱交換器と水冷媒熱交換器を１つにできるために、高効率な運転が可能な冷凍サイクル装置であっても、構成部品点数を削減して低コスト化を図ることができる。
また、本発明による第９の実施の形態は、第８の実施の形態による熱交換器において、高圧側冷媒流路を流れる冷媒を、低圧側冷媒流路を流れる冷媒、及び／又は温水回路を流れる流体と熱交換させるように構成したものである。本実施の形態によれば、高温冷媒を低温冷媒及び／又は低温流体と熱交換させることができる。
また、本発明による第１０の実施の形態は、第８の実施の形態による熱交換器において、低圧側冷媒流路をバイパスするバイパス流路と、バイパス流路の冷媒流れを制御する電磁弁を備えたものである。本実施の形態によれば、バイパス流路や電磁弁を備えるために、構成部品点数を削減して低コスト化を図ることができる。
また、本発明による第１１の実施の形態は、第８の実施の形態による熱交換器において、二酸化炭素を冷媒として用いるものである。本実施の形態によれば、二酸化炭素を冷媒として用いることで、より高温の放熱を利用することができる。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明の一実施例について、図面に基づき説明する。
図１は、本発明による実施例の冷凍サイクル装置を示す図であり、図中において、実線及び破線の矢印は冷媒の流れ方向を、白抜きの矢印は空気の流れ方向を、それぞれ示している。本実施例の冷凍サイクル装置は、少なくとも、ＣＯ２冷媒が用いられている冷凍サイクル回路と、水などの流体が用いられている温水回路とを備えている。
冷凍サイクル回路は、少なくとも圧縮機１、流れ方向切替弁としての三方弁１２、第一熱交換器としての室外熱交換器４、第三熱交換器１１の高圧側冷媒流路１１ｂ、減圧器１３、第二熱交換器としての室内熱交換器６、第三熱交換器１１の低圧側冷媒流路１１ａを、順に配管で接続して冷媒流路を形成している。また、三方弁１２の冷媒入口側（以下、入口と略す）は、圧縮機１の冷媒出口側（以下、出口と略す）と配管で接続して冷媒流路を形成し、三方弁１２の出口の一端は、第一熱交換器４の入口と配管で接続して冷媒流路を形成し、三方弁１２出口の他端は、第三熱交換器１１の高圧側冷媒流路１１ｂ入口と配管で接続して冷媒流路を形成している。さらに、冷凍サイクル回路は、圧縮機１入口と室内熱交換器６出口を接続して低圧側冷媒流路１１ａをバイパスする低圧側冷媒流路バイパス回路１１ｄと、このバイパス回路１１ｄに設けられた電磁弁１１ｅとを備えている。
ここで、第三熱交換器１１の低圧側冷媒流路１１ａと高圧側冷媒流路１１ｂは、両流路を流れるＣＯ２冷媒同士を熱交換するように構成されており、低圧側冷媒流路１１ａには、室内熱交換器６出口から圧縮機１入口までの間の冷媒が流れるように配管接続されており、高圧側冷媒流路１１ｂは、室外熱交換器４出口から減圧器１０入口までの間の冷媒が流れるように配管接続されている。
一方、温水回路は、少なくとも第三熱交換器１１の水側流路１１ｃと、温水ヒータコア７とを配管で接続しており、さらに、エンジンや燃料電池などの発熱体を冷却する冷却部（図示せず）や循環ポンプ（図示せず）などを加えて構成される。ここで、第三熱交換器１１の高圧側冷媒流路１１ｂと水側流路１１ｃは、高圧側冷媒流路１１ｂを流れるＣＯ２冷媒と水側流路１１ｃを流れる冷却水とが熱交換するように構成されている。
【０００９】
図１に示す冷凍サイクル装置の運転方法について説明する。なお、本実施例による冷凍サイクル装置は、高圧側の冷媒圧力が臨界点を越える、超臨界蒸気圧縮サイクルで運転される。
まず、冷房モード（第一モード）で運転する時には、三方弁１２を図中に示す実線矢印方向に切り替え、低圧側冷媒流路バイパス回路１１ｄに設けた電磁弁１１ｅを閉となるように制御する。すなわち圧縮機１で圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、室外熱交換器４に流入する側に切り替えられた三方弁１２を経由して室外熱交換器４に流入する。そして、室外熱交換器４では、電動ファン（図示せず）で送風された空気、又は車両の走行時に発生する走行風に放熱して冷却される。その後、冷媒は第三熱交換器１１の高圧側冷媒流路１１ｂに流入し、低圧側流路１１ａを流れる低温冷媒と熱交換してさらに冷却される。さらに、高圧側冷媒流路１１ｂを流出した冷媒は、減圧器１３により減圧されて、低圧の気液二相状態となる。この冷媒は、室内熱交換器６でブロワーファン（図示せず）によりダクト８内に送り込まれた空気から吸熱して、気液二相又はガス状態となる。このとき空気は室内熱交換器６にて冷却される。その気液二相又はガス状態となった冷媒は、低圧側冷媒流路バイパス回路１１ｄに設けた電磁弁１１ｅを閉となるように制御しているため、第三熱交換器１１の低圧側冷媒流路１１ａに流入し、高圧側流路１１ｂを流れる冷媒を冷却した後、再び圧縮機１に吸入される。このようなサイクルを繰り返すことにより、室内熱交換器６における冷媒の吸熱により冷却された空気が、ダクト８から車室内の吹出口（図示せず）より吹き出されて、車室内を冷房するという冷房モード運転が行われる。
【００１０】
ところで、図１に示す冷凍サイクル装置では、同一ダクト８内に冷たくなる室内熱交換器６と熱くなる温水ヒータコア７が配設されている。したがって、車室内に吹き出す空気の温度調整は、ミックスダンパ９の開度調整により行うことができる。しかし、冷房モード時には、ミックスダンパを全閉にして、温水ヒータコア７を全空気バイパスさせ、圧縮機１の回転数を制御することでも、車室内へ吹き出す空気の温度調節が可能であり、こちらの方が、効率が良い。また、冷房能力を最大に発揮させるためには、ミックスダンパ９を全閉にして、温水ヒータコア７を全空気バイパスさせたり、温水ヒータコア７からの放熱を極力小さくする、例えば、循環ポンプを止めて第三熱交換器１１の水側流路１１ｃの冷却水への放熱を抑制したり、温水ヒータコア７に流れる冷却水をバイパスさせる流路を設けてもよい。
【００１１】
上記のように冷房モード時には、ＣＯ２冷媒を用いた冷凍サイクルを有効に働かせるために、室外熱交換器４の出口から流出して減圧器１３の入口に流入する減圧前の冷媒と、室内熱交換器６の出口から流出して圧縮機１の入口に流入する圧縮前の冷媒とを熱交換させる。すなわち第三熱交換器１１の高圧側冷媒流路１１ｂで室外熱交換器４を出た冷媒をさらに冷却することで、室内熱交換器６の入口エンタルピを減少させ、室内熱交換器６でのエンタルピ差を拡大させること、また、ＣＯＰが最大となる高圧側圧力が低下するため、差圧が小さくなり入力を低減できることから、ＣＯＰを向上させることができる。したがって、ＣＯ２を冷媒として用いる冷凍サイクル装置の運転効率を向上させることができる。
なお、第三熱交換器１１の水側流路１１ｃを流れる冷却水が高圧側冷媒流路１１ｂを流れるＣＯ２冷媒より高温である場合には、高圧側冷媒流路１１ｂを流れる冷媒が低圧側冷媒流路１１ａを流れる冷媒により効率良く冷却されるように、水側流路１１ｃを流れる冷却水をバイパスさせ、水側流路１１ｃを流れる冷却水から高圧側冷媒流路１１ｂを流れる冷媒への熱伝達を抑制してもよい。逆に、第三熱交換器１１の水側流路１１ｃを流れる冷却水が高圧側冷媒流路を流れるＣＯ２冷媒より低温である場合には、高圧側冷媒流路１１ｂを流れる冷媒を効率良く冷却されるように、積極的に水側流路１１ｃに冷却水を流し、高圧側冷媒流路１１ｂを流れる冷媒から水側流路１１ｃを流れる冷却水への熱伝達を促進してもよい。
【００１２】
次に、暖房除湿モード（第二モード）で運転する時には、三方弁１２を図中に示す破線矢印方向に切り替え、低圧側冷媒流路バイパス回路１１ｄに設けた電磁弁１１ｅは開となるように制御する。すなわち圧縮機１で圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、室外熱交換器４をバイパスする側に切り替えられた三方弁１２を経由して第三熱交換器１１の高圧側冷媒流路１１ｂに流入する。第三熱交換器１１では高圧側冷媒流路１１ｂを通過する際に、冷媒は水側流路１１ｃを流れる冷却水に放熱し冷却される。このとき水側流路１１ｃを流れる冷却水は加熱される。その後冷媒は、減圧器１３により減圧されて、低温低圧の気液二相状態となる。この冷媒は、室内熱交換器６に流入し、室内熱交換器６では空気から吸熱して、気液二相又はガス状態となる。このとき空気は室内熱交換器６にて冷却される。さらに、気液二相又はガス状態となった冷媒の大部分は、低圧側冷媒流路バイパス回路１１ｄに設けた電磁弁１１ｅが開となるように制御されているため、圧力損失の大きい第三熱交換器１１の低圧側流路１１ａを流れずに、低圧側冷媒流路バイパス回路１１ｄを流れて、再び圧縮機１に吸入される。すなわち、暖房除湿モード時においては、第三熱交換器１１では、水側流路１１ｃを流れる冷却水を高圧側冷媒流路１１ｂを流れる冷媒で効率よく加熱するために、高圧側冷媒流路１１ｂと低圧側流路１１ａを流れる冷媒同士は熱交換させないようにしている。
このようなサイクルを繰り返すことにより、高圧側冷媒流路１１ｂにおける冷媒の放熱、すなわち、水側流路１１ｃにおいて加熱された冷却水が、温水ヒータコア７でブロワーファン（図示せず）によりダクト８内に送り込まれた空気を加熱し、加熱された空気が、ダクト８より車室内の吹出口より吹き出されて車室内を暖房する、即ち暖房モードで運転する。一方、室内熱交換器６では、ブロワーファン（図示せず）によりダクト８内に送り込まれて、室内熱交換器６で冷媒吸熱（蒸発）により冷却された空気が、ダクト８より車室内の吹出口（図示せず）より吹き出されて車室内を除湿、すなわち除湿モードで運転するという暖房除湿モード運転が行われる。
【００１３】
上記ＣＯ２冷媒を使用している冷凍サイクル回路においては、暖房除湿モード時の第三熱交換器１１の高圧側冷媒流路１１ｂ及び低圧側流路１１ａを流れる冷媒は熱交換していない。つまり、従来の技術の図８で説明した内部熱交換は行われない。しかし、ＣＯ２冷媒を用いた冷凍サイクルの特性として、以下の特性に着目すれば冷凍サイクル装置のＣＯＰに関してはほとんど影響しないのがわかる。すなわち、第１の特性として、暖房除湿モード時に内部熱交換させて、室内熱交換器６でのエンタルピ差を拡大させても、室内熱交換器６での除湿（冷房）能力は向上するものの、高圧側冷媒流路１１ｂの冷媒が水側冷媒流路１１ｃの冷却水を加熱する暖房能力はあまり向上しない。むしろ内部熱交換を作用させることは、室内熱交換器６でのエンタルピ差が拡大し室内熱交換器６での冷房能力を大きくすることにつながり、除湿は良いとしても暖房には好ましいこととは言えない。さらに第２の特性として、暖房除湿モード時には、高圧側冷媒流路１１ｂの冷媒が水側冷媒流路１１ｃの冷却水を加熱させるために、冷媒の温度を上げて冷却水との温度差を確保する必要がある。このため高圧側圧力を冷房モード時の圧力よりも高くすることになり、冷房モード時のように内部熱交換器を作用させ高圧側圧力を低下させて、ＣＯＰを向上させることのできる割合が小さい。すなわち暖房除湿モード時の冷凍サイクルのＣＯＰが向上する割合は冷房モードに比べて小さく、内部熱交換器を用いた高効率化は望みにくい。
したがって、内部熱交換器の機能と水冷媒熱交換器の機能を具備した第三熱交換器１１を上述のように構成することにより、従来の構成のように、２つ別々に備える必要があった内部熱交換器と水冷媒熱交換器を１つにできるために、高効率な運転が可能な冷凍サイクル装置であっても、構成部品点数を削減して低コスト化を図ることができる。
【００１４】
なお、本実施例では、暖房除湿モード時には、三方弁１２を用いて室外熱交換器４をバイパスさせる構成としているが、他の方法、例えば、バイパス回路と電磁弁の組み合わせなどで室外熱交換器４をバイパスさせてもよい。また、暖房除湿モード時には、室外熱交換器４をバイパスさせないようにしてもよい。その場合には、例えば、室外ファンを停止するなどして、室外熱交換器４を流れる空気量を低減し、室外熱交換器４での無用な放熱を抑制するようにしてもよい。
【００１５】
次に、第三熱交換器１１の実施例について説明する。図２は、本実施例の内部熱交換器の機能と水冷媒熱交換器の機能を具備した熱交換器（第三熱交換器１１）の概略構成図であり、図３はその側面図である。図２中の破線矢印、実線矢印、二重線矢印は、それぞれ、熱交換器の内部を流れる低圧冷媒、高圧冷媒、冷却水の流れを模式的に示したものである。
図２及び図３に示す熱交換器は、図１における、高圧側冷媒流路１１ｂを形成する部分と、低圧側冷媒流路１１ａを形成する部分と、水側流路１１ｃを形成する部分と、低圧側冷媒流路バイパス回路１１ｄと電磁弁１１ｅを形成する部分を備えている。
【００１６】
図１における高圧側冷媒流路１１ｂを形成する部分は、貫通された複数の貫通孔を有する伝熱管１２５と、その伝熱管１２５の長さ方向の両端に接続された一対のヘッダタンク１２１、１２２とから構成される。また図１における低圧側冷媒流路１１ａを形成する部分は、伝熱管１２５と熱交換するように設けられた貫通された複数の貫通孔を有する伝熱管１１５と、その伝熱管１１５の長さ方向の両端に接続された一対のヘッダタンク１１１、１１２とから構成される。また図１における水側流路１１ｃを形成する部分は、伝熱管１２５と熱交換するように設けられた水流路部１３５と、その水流路部１３５に接合された水入口管１３１、水出口管１３２とから構成される。また図１における低圧側冷媒流路バイパス回路１１ｄと電磁弁１１ｅを形成する部分は、バイパス配管２０１、及びそのバイパス配管２０１に接続された電磁弁２０２とから構成される。
【００１７】
まず、低圧側冷媒流路１１ａは以下のように構成されている。
伝熱管１１５は、図４に示すように、冷媒が流通する複数の貫通穴３０２を有するように、押し出し又は引き抜き加工により形成された扁平チューブ３０１から形成されている。なお、貫通穴３０２の断面形状は、応力集中を緩和するため、円形状や角が丸められた（Ｒを有する）矩形状であることが望ましいが、これにこだわるものではなく、流通する冷媒の伝熱を促進するための形状としてもよい。扁平チューブ３０１の両端は、互いに平行かつ所定の間隔をもって対向するようになるように設けられた一対のヘッダーパイプ１１１、１１２に接続されている。例えば、ヘッダーパイプ１１１には、図５に示すように、円柱状の内部空間２０５を形成する円筒状のタンク部２０３、及び、タンク部２０３の長手方向の両端を閉塞するキャップ部２０４から構成されており、タンク部２０３の円周方向に形成されたスリット（図示せず）に挿入された伝熱管１１５である扁平チューブ３０１の貫通穴３０２と内部空間２０５が連通するようになっている。すなわち、扁平チューブ３０１は、タンク部２０３の外側から内側に貫通してタンク部２０３に挿入された状態でキャップ部２０４とともに、ろう材によりタンク部２０３にろう付け接合されている。ちなみに、タンク部２０３は、押し出し又は引き抜き加工にて成形したものであり、キャップ部２０４は、削り出し加工、又はダイカスト法にて成形したものである。なお、内部空間２０５側に面したキャップ部２０４の内壁面形状は、応力集中を緩和するため、球面状やさら形状としてもよい。さらにヘッダーパイプ１１２には、図５に示すように、冷媒入口管１１３がろう付け接合され、冷媒流路を構成している。また、ヘッダーパイプ１１２と同様に、ヘッダーパイプ１１１には伝熱管１１５である扁平チューブ３０１と冷媒出口管１２４が接続されている。
高圧側冷媒流路１１ｂは、低圧側冷媒流路１１ａと同様に構成される。
【００１８】
さらに、水側流路１１ｃは以下のように構成されている。
水流路部１３５は銅、アルミ、ステンレス等の板材を、プレス加工、曲げ加工し、袋状に成形し、その周囲を溶接、ろう付け等により接合することで、内部に機密性のある水流路を形成する。また、水流路部１３５の両端には水入口管１３１、水出口管１３２が接合されている。
また、低圧側冷媒流路バイパス回路１１ｄは、冷媒入口管１１４や冷媒出口管１１３と同様にヘッダーパイプ１１１、１１２の内部空間に連通するようにろう付け接合されたバイパス配管２０１により構成されている。なお、図１中の電磁弁１１ｅは図３中では電磁弁２０２にあたり、バイパス配管２０１の途中に設置されている。
【００１９】
上述のように構成された、伝熱管１１５、１２５、水流路部１３５は、伝熱管１２５を挟み込むように三層構造を形成し、溶接、ろう付け、圧着等により接合され、伝熱管１２５を流れる冷媒と水流路部１３５を流れる冷却水とが、また、伝熱管１１５を流れる冷媒と伝熱管１２５を流れる冷媒とが、それぞれ、ほぼ対向流となるように構成されている。なお、水流路部１３５内部の流体の流れは高圧側冷媒流路１１ｂの冷媒流れに対して、対向して流れる方が望ましいが、図２に示すように、蛇行しながら略対向流として流れるようにしてもよい。
【００２０】
このように第三熱交換器１１を構成することにより、従来、高圧側冷媒流路１１ｂと低圧側冷媒流路１１ａを主要構成要素としていた内部熱交換器と、高圧側冷媒流路１１ｂと水側流路１１ｃとを主要構成要素としていた水冷媒熱交換器の２つの熱交換器を、高圧側冷媒流路１１ｂを共用することで、内部熱交換器の機能と水冷媒熱交換器の機能を有した１つの熱交換器とすることで、高効率な運転が可能な冷凍サイクル装置であっても、構成部品点数を削減して低コスト化を図ることができる。
なお、伝熱管１１５と水流路部１３５とで行われる熱交換と、伝熱管１１５と伝熱管１２５で行われる熱交換とで必要な伝熱面積の異なる場合には、図２、３のように伝熱管１１５を伝熱管１２５より短くしたり、あるいは、水流路部１３５を伝熱管１２５より短くすることが、熱交換器の小型化の点では望ましい。
あるいは、本実施例では低圧側冷媒流路バイパス回路１１ｄと電磁弁１１ｅは、図３中のバイパス配管２０１と電磁弁２０２のように第三熱交換器１１と一体構成としたが、同様の機能を有する別の構成要素としてもよい。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、第三熱交換器の高圧側冷媒流路を内部熱交換器の高圧側流路と水熱交換器の冷媒側流路の両方の役割で使用することにより、２つ別々に備える必要があった内部熱交換器と水冷媒熱交換器を１つにできるために、高効率な運転が可能な冷凍サイクル装置であっても、構成部品点数を削減して低コスト化を図ることができる効果を有する。
さらに、本発明によれば、第三熱交換器の水側流路の流量を調節することにより、第三熱交換器での放熱を有効に利用して、さらに高効率な運転が可能となる効果を有する。
さらに、本発明によれば、第三熱交換器の低圧側冷媒流路をバイパスすることにより、第三熱交換器での無用な放熱を抑制して、さらに高効率な運転が可能となる効果を有する。
また、本発明によれば、バイパス流路や電磁弁を第三熱交換器に一体化することにより、２つ別々に備える必要があった内部熱交換器と水冷媒熱交換器、かつ、バイパス流路や電磁弁を１つにできるために、高効率な運転が可能な冷凍サイクル装置であっても、構成部品点数を削減して低コスト化を図ることができる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施例の冷凍サイクル装置を示す図
【図２】本発明による実施例の冷凍サイクル装置の熱交換器を示す図
【図３】本発明による実施例の冷凍サイクル装置の熱交換器を示す図
【図４】本発明による実施例の冷凍サイクル装置の熱交換器の構成要素を示す図
【図５】本発明による実施例の冷凍サイクル装置の熱交換器の構成要素を示す図
【図６】従来の車両用空気調和装置を示す図
【図７】従来の超臨界蒸気圧縮サイクル装置を示す図
【図８】図７に示す超臨界蒸気圧縮サイクル装置のモリエル線図を示す図
【図９】図６に示す車両用空気調和装置に内部熱交換器を設けた超臨界蒸気圧縮サイクル装置を示す図
【符号の説明】
１    圧縮機
２    水冷媒熱交換器
３    第一減圧器
４    第一熱交換器（室外熱交換器）
５    第二減圧器
６    第二熱交換器（室内熱交換器）
７    温水ヒータコア
８    ダクト
９    ミックスダンパ
１０    内部熱交換器
１１    第三熱交換器
１１ａ  低圧側流路（第三熱交換器の低圧側流路）
１１ｂ  高圧側流路（第三熱交換器の高圧側流路）
１１ｃ  水側流路（第三熱交換器の水側流路）
１１ｄ，２０１  低圧側流路バイパス回路（第三熱交換器の低圧側流路バイパス回路）
１１ｅ，２０２  電磁弁（第三熱交換器に備えられた電磁弁）
１２    流れ方向切替弁（三方弁）
１３    減圧器
１１１，１１２，１２１，１２２  ヘッダーパイプ
１１３，１２３  冷媒入口管
１１４，１２４  冷媒出口管
１１５，１２５  伝熱管
１３１  水入口管
１３２  水出口管
１３５  水流路部
２０３  タンク部
２０４  キャップ部
２０５  ヘッダーパイプの内部空間
３０１  扁平チューブ
３０２  貫通穴
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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