(57)【要約】【課題】蒸発器出口冷媒と熱交換を行う熱交換器を内蔵するタンクによりサイクル内充填冷媒量を調整して、蒸発器出口冷媒の過熱度を制御する冷凍サイクル装置において、蒸発器出口冷媒の過熱度を所定値に制御できるようにする。【解決手段】蒸発器４の出口側配管５にタンク６を配置し、タンク６の内部に、蒸発器４の出口冷媒とタンク６の内部冷媒との熱交換を行う熱交換器７を配置し、更に、タンク６の内部を連通管８により蒸発器４の入口部に連通させる。タンク６内部と蒸発器４の出口部との圧力差に相当する温度だけ、タンク６の内部の冷媒飽和温度が蒸発器４の出口冷媒の飽和温度よりも高くなる。この結果、蒸発器４の出口冷媒が上記飽和温度差に相当する過熱度を持つようになる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮し吐出する圧縮機（１）と、
前記圧縮機（１）から吐出された冷媒を放熱させる高圧側放熱器（２）と、
前記高圧側放熱器（２）の出口冷媒を減圧する減圧装置（３、３ａ、３ｂ）と、
前記減圧装置（３、３ａ、３ｂ）で減圧された低圧冷媒を蒸発させる蒸発器（４）とを備え、
前記蒸発器（４）を通過した冷媒を前記圧縮機（１）に吸入させる冷凍サイクル装置において、
前記蒸発器（４）の出口部よりも圧力の高い部位に連通するタンク（６）を備え、
前記タンク（６）の内部に、前記蒸発器（４）の出口冷媒と前記タンク（６）の内部冷媒との熱交換を行う熱交換器（７）を配置したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記タンク（６）の内部を前記蒸発器（４）の入口部に連通させ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】
前記タンク（６）の内部を前記蒸発器（４）の冷媒流路の中間部に連通させ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４】
前記タンク（６）の内部を前記減圧装置（３、３ａ、３ｂ）の上流側に連通させ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５】
前記減圧装置を直列接続された２つの減圧装置（３ａ、３ｂ）により構成し、
前記タンク（６）の内部を前記２つの減圧装置（３ａ、３ｂ）の中間部に連通させ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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸発器出口冷媒と熱交換を行う熱交換器を内蔵するタンクによりサイクル内充填冷媒量を調整して、蒸発器出口冷媒の過熱度を制御する冷凍サイクル装置に関するもので、例えば、車両用空調装置に用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来の冷凍サイクル装置においては、凝縮器出口側に凝縮器出口冷媒の気液を分離して液冷媒を溜めるレシーバ（受液器）を配置し、このレシーバ内の液冷媒を膨張弁により減圧膨張するとともに、この膨張弁の開度を蒸発器出口冷媒の過熱度に応じて制御し、これにより、サイクル内の循環冷媒流量を制御して過熱度を所定範囲に制御する方式が代表的である。
【０００３】
この方式では、膨張弁を、蒸発器出口冷媒の過熱度に応動して弁開度が自動調整される弁機構とする必要があるので、膨張弁を複雑で精密な構成とする必要が生じ、コスト高となる。
【０００４】
そこで、蒸発器出口側に蒸発器出口冷媒の気液を分離して液冷媒を溜めるアキュムレータを配置し、このアキュムレータで分離されたガス冷媒（飽和ガス）を圧縮機に吸入させる方式が知られている。この方式によると、アキュムレータで分離されたガス冷媒を常に圧縮機に吸入させることができる。そのため、減圧手段として、キャピラリチューブやオリフィスのような単純な固定絞りを使用できる。
【０００５】
しかし、アキュムレータは、高圧冷媒に比較して比容積が格段と大きい低圧冷媒の気液を分離して液冷媒を溜める必要があるので、タンク容積を大きくする必要がある。そのため、車両エンジンルーム内のような狭隘なスペース内に冷凍サイクル機器を搭載する際に、アキュムレータの搭載性がレシーバより大幅に悪化する。
【０００６】
そこで、本発明者らは、蒸発器出口冷媒の過熱度を制御する方式として、図６に示す別方式を検討した。この図６に示す方式のものでは、蒸発器４の出口配管５にタンク６を配置し、タンク６内の下部の液冷媒領域に、蒸発器４の出口冷媒とタンク６内の液冷媒とを熱交換させる熱交換器７を配置している。そして、タンク６の底面部に連通管８’の一端部を接続し、この連通管８’の他端部を蒸発器４の出口配管５に接続している。これにより、タンク６内部が連通管８’を介して蒸発器４の出口部に連通する。
【０００７】
この方式では、タンク６内から液冷媒を連通管８’を介して蒸発器４の出口部に供給し、これにより、サイクル内充填冷媒量を調整することで、蒸発器出口冷媒の過熱度をほぼ０に制御する。ここで、サイクル内充填冷媒量とは、圧縮機１→凝縮器２→減圧装置３→蒸発器４→圧縮機１からなる閉回路内に充填され、圧縮機１の作動によってこの閉回路内を循環する冷媒量のことを言うのであって、タンク６内および連通管８’内の冷媒量は含まない。
【０００８】
図６の検討例における過熱度制御作用をより具体的に説明すると、蒸発器４の冷房負荷が上昇して、蒸発器出口冷媒の過熱度が上昇すると、蒸発器出口冷媒の熱が熱交換器７にてタンク６内の液冷媒に伝えられ、液冷媒が蒸発する。
【０００９】
これにより、タンク６内の圧力が上昇してタンク６内の液冷媒が連通管８’を介して蒸発器４の出口部に供給される。その結果、サイクル内の充填冷媒量が実質上増加した状態となり、これにより、蒸発器出口冷媒の過熱度が低下してほぼ０に戻すことができる。
【００１０】
しかし、逆に、冷房負荷が急激に低下した場合、例えば、車両用空調装置において外気導入モードから内気導入モードに切り替わって、蒸発器吸い込み空気温度が急激に低下した場合等には、蒸発器４内で液冷媒が蒸発を完了できないので、液冷媒が蒸発器出口配管５を流れる。従って、蒸発器出口冷媒が過熱度：ほぼ０の状態から気液２相状態に移行する。
【００１１】
一方、タンク６内の圧力変化は熱交換器７での冷媒間の熱交換に基づく緩慢な変化であるので、上記の冷媒状態の急変化に追従できない。このため、冷房負荷の急低下の際に、蒸発器出口側からタンク６内への冷媒流入も緩慢となるので、蒸発器出口側の液冷媒の多くが圧縮機１に吸入されることになる。この結果、圧縮機１への液冷媒戻りが多量に発生して圧縮機１の耐久寿命に悪影響を及ぼす。
【００１２】
特に、車両用空調装置では、圧縮機１の回転数や、蒸発器吸い込み空気の温度、風量等が車両環境条件の変化により頻繁に急変するので、上記した圧縮機１への液冷媒戻りの問題が顕著となる。
【００１３】
本発明は上記点に鑑みて、蒸発器出口冷媒と熱交換を行う熱交換器を内蔵するタンクによりサイクル内充填冷媒量を調整して、蒸発器出口冷媒の過熱度を制御する冷凍サイクル装置において、蒸発器出口冷媒の過熱度を所定の目標値に制御できるようにすることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、冷媒を圧縮し吐出する圧縮機（１）と、圧縮機（１）から吐出された冷媒を放熱させる高圧側放熱器（２）と、高圧側放熱器（２）の出口冷媒を減圧する減圧装置（３、３ａ、３ｂ）と、減圧装置（３、３ａ、３ｂ）で減圧された低圧冷媒を蒸発させる蒸発器（４）とを備え、蒸発器（４）を通過した冷媒を圧縮機（１）に吸入させる冷凍サイクル装置において、蒸発器（４）の出口部よりも圧力の高い部位に連通するタンク（６）を備え、このタンク（６）の内部に、蒸発器（４）の出口冷媒とタンク（６）の内部冷媒との熱交換を行う熱交換器（７）を配置したことを特徴とする。
【００１５】
これによると、タンク（６）内部の圧力と蒸発器（４）の出口部との圧力差に相当する温度だけ、タンク（６）の内部の冷媒飽和温度が蒸発器（４）の出口冷媒の飽和温度よりも高くなる。
【００１６】
この結果、蒸発器（４）の出口冷媒が上記飽和温度差に相当する過熱度を持つことによりタンク（６）内部の冷媒と熱的にバランスすることになる。換言すると、この熱的バランスが維持されるようにタンク（６）内部とサイクル内の連通部位との間で冷媒が入出することにより、蒸発器（４）の出口冷媒が上記飽和温度差に相当する過熱度を持つことになる。
【００１７】
従って、冷房熱負荷が急激に低下する場合においても、蒸発器出口冷媒の過熱度が減少するだけで、圧縮機１への多量の液冷媒戻りを防止できる。そのため、圧縮機１の耐久寿命確保の観点から極めて有利である。
【００１８】
請求項２に記載の発明では、請求項１において、タンク（６）の内部を蒸発器（４）の入口部に連通させることを特徴とする。
【００１９】
これにより、蒸発器（４）の冷媒流路の圧力損失分だけ、タンク（６）内部の圧力を蒸発器（４）の出口部よりも高くすることができる。そのため、蒸発器（４）の出口冷媒の状態を、蒸発器（４）の冷媒流路の圧力損失分に相当する過熱度を持つように制御できる。
【００２０】
請求項３に記載の発明では、請求項１において、タンク（６）の内部を蒸発器（４）の冷媒流路の中間部に連通させることを特徴とする。
【００２１】
これにより、蒸発器（４）の冷媒流路の中間部と蒸発器（４）の出口部との間の圧力損失分だけ、タンク（６）内部の圧力を蒸発器（４）の出口部よりも高くすることができる。そのため、蒸発器（４）の出口冷媒の状態を、蒸発器（４）の冷媒流路の中間部以降の圧力損失分に相当する過熱度を持つように制御できる。
【００２２】
請求項４に記載の発明のように、請求項１において、タンク（６）の内部を減圧装置（３、３ａ、３ｂ）の上流側に連通させるようにしてもよい。
【００２３】
高低圧力差が小さい状態で運転される冷凍サイクル装置においては、請求項４のように、タンク（６）の内部を減圧装置（３、３ａ、３ｂ）の上流側（高圧側）に連通させても、蒸発器（４）の出口冷媒を適度な過熱度範囲に制御することができる。
【００２４】
請求項５に記載の発明のように、請求項１において、減圧装置を直列接続された２つの減圧装置（３ａ、３ｂ）により構成し、タンク（６）の内部を２つの減圧装置（３ａ、３ｂ）の中間部に連通させてもよい。
【００２５】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態を示すものであり、本発明を車両空調用冷凍サイクル装置に適用した場合を示している。圧縮機１は車両エンジン（図示せず）により回転駆動されて冷媒を圧縮し、吐出する。圧縮機１から吐出された高圧のガス冷媒は凝縮器２に流入し、ここで、外気と熱交換して冷却され、凝縮される。
【００２７】
ここで、凝縮器２は、高圧ガス冷媒の放熱を行う高圧側放熱器であり、車両走行による走行風を受けて冷却される部位、具体的には車両エンジンルーム内の最前部等に配置され、走行風および凝縮器用冷却ファン（図示せず）の送風空気により冷却される。
【００２８】
減圧装置３は凝縮器２を通過した冷媒を低圧の気液２相状態に減圧するためのものであり、本例ではキャピラリーチューブやオリフィス等の固定絞りで構成してある。
【００２９】
蒸発器４は減圧装置３を通過した低圧冷媒を空調用送風機（図示せず）の送風空気から吸熱して蒸発させるものである。蒸発器４は空調室内ユニット（図示せず）のケース内に配置され、蒸発器４で冷却された冷風は周知のごとく図示しないヒータコア部で温度調整された後に車室内へ吹き出す。蒸発器４の出口配管５は圧縮機１の吸入側に接続され、蒸発器４で蒸発したガス冷媒が圧縮機１に吸入される。
【００３０】
更に、蒸発器４の出口配管５には蒸発器４の出口冷媒の過熱度制御を行うためのタンク６が配置されている。このタンク６はアルミニュウム等の金属により縦長の円筒形状に成形されている。そして、タンク６内の下部に溜まる液冷媒領域に、蒸発器４の出口冷媒とタンク６内の液冷媒とを熱交換させる熱交換器７を配置している。
【００３１】
ここで、熱交換器７は、蒸発器４の出口配管５と一体に構成され蒸発器４の出口冷媒が通過する冷媒管７ａと、この冷媒管７ａの外周上に形成され伝熱面積を拡大するフィン７ｂとを備えている。このフィン７ｂは、図１の例では、冷媒管７ａの外周上に円板状に形成された複数枚のプレートフィンにより構成されている。
【００３２】
タンク６のうち、下部の液冷媒領域、より具体的には、タンク６の底面部に連通管８の一端部を接続し、この連通管８の他端部を蒸発器４の入口配管９に接続している。これにより、タンク６内部が連通管８を介して蒸発器４の入口部に連通する。
【００３３】
なお、蒸発器４の温度は周知のように圧縮機１の能力制御、具体的には、圧縮機１の作動の断続制御、圧縮機１の吐出容量制御等により所定温度以上に制御され、これにより、蒸発器４のフロスト（着霜）を防止するようになっている。
【００３４】
次に、上記構成において第１実施形態の作用を説明する。圧縮機１が車両エンジンにより駆動されると、圧縮機１の吐出ガス冷媒はまず、凝縮器２にて冷却空気（外気）中に放熱して凝縮する。この凝縮後の冷媒は次に、減圧装置３にて減圧され、低圧状態となる。次に、この低圧冷媒は蒸発器４にて空調用送風機（図示せず）の送風空気から吸熱して蒸発する。この蒸発後のガス冷媒は蒸発器出口配管５および熱交換器７の冷媒管７ａを通過して圧縮機１に吸入され、再度、圧縮される。
【００３５】
次に、タンク６、熱交換器７および連通管８の組み合わせ構成に基づく蒸発器出口冷媒の過熱度制御作用を具体的に説明する。この過熱度制御の基本作用は図６の検討例と同様であり、蒸発器出口冷媒の過熱度が過大になると、タンク６内の熱交換器７にて蒸発器出口冷媒からタンク６内の液冷媒が吸熱して液冷媒が蒸発する。これにより、タンク６内の圧力が上昇してタンク６内の液冷媒が連通管８を介して蒸発器４の入口部に押し出されるので、サイクル内の充填冷媒量が実質上増加する。
【００３６】
その結果、圧縮機１により凝縮器２側へ吐出される冷媒量が増加して、凝縮器２出口冷媒の過冷却度およびサイクルの高圧圧力が増加し、減圧装置３、具体的には固定絞りが流し得る冷媒流量が増加する。これにより、蒸発器出口冷媒の過大な過熱度を引き下げることができる。
【００３７】
逆に、蒸発器出口冷媒の過熱度が低下すると、タンク６内の液冷媒の蒸発量が減少して、タンク６内の圧力が低下する。これにより、蒸発器４の入口部の冷媒が連通管８を介してタンク６内に流入し、タンク６内に蓄えられる。そのため、サイクル内の充填冷媒量が実質上減少して、上記と逆のサイクル挙動が起こって、蒸発器出口冷媒の過熱度低下を抑える。
【００３８】
ところで、本実施形態においては、タンク６内部を連通管８により蒸発器４の入口部に連通しているため、蒸発器出口冷媒の過熱度を蒸発器４内の冷媒流路の圧力損失ΔＰ分に対応した所定値となるように制御できる。このことを具体的に説明すると、タンク６内部を連通管８により蒸発器４の入口部に連通しているため、タンク６内部の圧力は蒸発器４の入口部の圧力と同一となる。このことは、タンク６内部の圧力が蒸発器４内の冷媒流路の圧力損失ΔＰ分だけ、蒸発器４の出口部の圧力より高い圧力となる。換言すると、本実施形態におけるタンク６内部の圧力は図６の検討例に比較して上記圧力損失ΔＰ分だけ高い圧力となる。
【００３９】
ここで、タンク６内部の冷媒は飽和液と飽和ガスが共存する飽和状態にあるので、タンク６内部の冷媒温度は、蒸発器４の入口部の圧力に対応した飽和温度となる。この飽和温度は、蒸発器出口冷媒の飽和温度に対して上記圧力損失ΔＰ分に相当する所定値だけ高い温度となる。
【００４０】
従って、蒸発器出口冷媒によってタンク６内部の液冷媒を加熱して蒸発させるためには、蒸発器出口冷媒が、その飽和温度よりも上記圧力損失ΔＰ分に相当する所定値以上高い温度に上昇すること、すなわち、過熱度を持つことが必要となる。このことは、蒸発器出口冷媒が所定の過熱度を持つように、蒸発器出口冷媒とタンク６内部の冷媒との間の熱的バランスが行われることを意味している。
【００４１】
ところで、上記圧力損失ΔＰ分に相当する蒸発器出口冷媒の過熱度はサイクル内封入冷媒の物性により決まる値であり、冷媒としてＨＦＣ１３４ａを用いる場合には、図２の実線Ａに示すように圧力損失ΔＰ分に対応して過熱度ＳＨを一義的に決めることができる。
【００４２】
このように、蒸発器出口冷媒に蒸発器４の圧力損失ΔＰ分に相当する過熱度を持つように蒸発器出口冷媒の状態を制御できるため、冷房熱負荷が急激に低下する場合に、サイクル内の充填冷媒量を減少させることが追従できなくも、蒸発器出口冷媒の過熱度が減少するだけであり、圧縮機１への多量の液冷媒戻りを防止できる。従って、圧縮機１の耐久寿命確保の観点から極めて有利である。
【００４３】
なお、図２において、実線Ｂは、図６の検討例における蒸発器出口冷媒の過熱度ＳＨであり、図６の検討例では圧力損失ΔＰと関係なく、蒸発器出口冷媒の過熱度ＳＨが常にほぼ０の状態に維持される。そのため、冷房熱負荷の急低下時に前述したようにサイクル内の充填冷媒量低下の追従遅れが発生すると、圧縮機１への多量の液冷媒戻りが発生してしまう。
【００４４】
（第２実施形態）
第１実施形態では、タンク６内部を連通管８により蒸発器４の入口部に連通しているが、第２実施形態では図３に示すように、タンク６内部を連通管８により蒸発器４の冷媒流路の中間部に連通させている。
【００４５】
従って、第２実施形態によると、蒸発器４全体の冷媒流路の圧力損失よりも小さい圧力損失分だけタンク６内部の圧力が蒸発器出口部の圧力よりも高くなる。この結果、蒸発器４全体の冷媒流路の圧力損失により決まる過熱度よりも小さい過熱度を持つように、蒸発器出口冷媒の状態を制御できる。
【００４６】
つまり、蒸発器４全体の冷媒流路の圧力損失により決まる過熱度が必要以上に大きい場合には、第２実施形態を採用すると、適切な過熱度を設定できる。
【００４７】
（第３実施形態）
第１、第２実施形態では、タンク６内部を連通管８により蒸発器４の入口部または蒸発器４の冷媒流路の中間部に連通させているが、第３実施形態では図４に示すように、タンク６内部を連通管８により減圧装置３の上流側、すなわち、サイクル高圧側に連通させている。
【００４８】
従って、タンク６内部の圧力がサイクル高圧側の圧力となり、蒸発器出口冷媒の過熱度が過大となることが懸念されるが、定常的に冷房負荷（冷凍機負荷）が小さい用途の冷凍サイクル装置、例えば、室内に配置されるコールドショーケース用の冷凍サイクル装置では、高圧側圧力と低圧側圧力との圧力差が小さい状態で運転される。従って、このような用途の冷凍サイクル装置ではタンク６内部を連通管８により減圧装置３の上流側に連通させても蒸発器出口冷媒の過熱度を適正範囲に設定できる。
【００４９】
なお、定常的に冷房負荷（冷凍機負荷）が小さい用途の冷凍サイクル装置としては、例えば、建物内部に装備される冷凍ショーケースの冷凍サイクル装置等がある。
【００５０】
（第４実施形態）
図５は第４実施形態であり、減圧装置を直列接続された２つの減圧装置３ａ、３ｂにより構成される複合絞りとし、タンク６内部を連通管８により２つの減圧装置３ａ、３ｂの中間部に連通させている。
【００５１】
（他の実施形態）
なお、上記の各実施形態では、連通管８の一端部をタンク６の底部に接続して、タンク６内部の液冷媒を連通管８側へ押し出すようにしているが、タンク６の上部のガス冷媒域に連通管８の一端部を接続してもよい。
【００５２】
蒸発器出口冷媒の過熱度の上昇に応じてサイクル内の充填冷媒量を素早く増加させるには、上記の各実施形態のようにタンク６内部の液冷媒を連通管８側へ押し出すようにした方が好ましいが、連通管８の配置レイアウト上、連通管８の一端部をタンク６の底部に接続することが困難な場合もある。この場合はタンク６の上部のガス冷媒域に連通管８の一端部を接続することになる。
【００５３】
これにより、蒸発器出口冷媒の過熱度が上昇する際に、タンク６内部のガス冷媒を連通管８から蒸発器４の入口部等のサイクル内冷媒循環流路側へ供給することになる。従って、液冷媒を連通管８側へ押し出す場合に比較して、過熱度の上昇時におけるサイクル内の充填冷媒量増加の応答性が低下するものの、基本的には、各実施形態と同様の作用効果を発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す冷凍サイクル図である。
【図２】第１実施形態の作用効果の説明に供するグラフである。
【図３】第２実施形態を示す冷凍サイクル図である。
【図４】第３実施形態を示す冷凍サイクル図である。
【図５】第４実施形態を示す冷凍サイクル図である。
【図６】本発明者らの検討例を示す冷凍サイクル図である。
【符号の説明】
１…圧縮機、２…凝縮器（高圧側放熱器）、３…減圧装置、４…蒸発器、
５…出口側配管、６…タンク、７…熱交換器、８…連通管。
【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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