(57)【要約】【課題】暖房要求に速やかに対応することができるＣＯ２冷媒を用いた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冷媒が循環経路内を循環する冷凍システム(2)であって、暖房時の循環経路には、冷媒の流れ方向でみて圧縮機(18)、内部熱交換器(22)、蒸発器(26)及び膨張弁(42)が順次介挿されており、蒸発器及び膨張弁をバイパスして内部熱交換器の下流側と圧縮機内とを接続するリターン経路(36)を備え、リターン経路内の冷媒が減圧されて圧縮機から内部熱交換器に向かう内部熱交換器内の冷媒を冷却している。【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、
暖房時の前記循環経路には、前記冷媒の流れ方向でみて圧縮機、内部熱交換器、蒸発器及び膨張弁が順次介挿されており、
前記蒸発器及び前記膨張弁をバイパスして前記内部熱交換器の下流側と前記圧縮機内とを接続するリターン経路を備え、該リターン経路内の冷媒が減圧されて前記圧縮機から前記内部熱交換器に向かう該内部熱交換器内の冷媒を冷却していることを特徴とする冷凍システム。
【請求項２】
冷房時の前記循環経路には、前記冷媒の流れ方向でみて前記圧縮機、ガスクーラ、膨張弁及び前記蒸発器が順次介挿されており、
前記暖房時の前記循環経路のうち、前記圧縮機と前記内部熱交換器とを接続する経路は、前記ガスクーラをバイパスしてい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、ＣＯ２冷媒を用いた冷凍システムの冷房時には、圧縮機から吐出される冷媒が一方の室内熱交換器を経て四方弁に至り、室外熱交換器、膨張弁及び他方の室内熱交換器を経て再び四方弁に至って圧縮機に戻る。これに対し、暖房時には、圧縮機から吐出される冷媒は、一方の室内熱交換器を経て四方弁に至り、他方の室内熱交換器、膨張弁及び室外熱交換器を経て再び四方弁に至って圧縮機に戻る技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−２１８８５８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、上記冷凍システムを採用した車両用空調装置では、エンジンの排熱、つまり、ラジエータの冷却水によって熱源を得ている。
しかしながら、近年のエンジン効率の上昇を鑑みると、この冷却水を熱源として利用できるのか否かについての懸念がある。冷却水の温度上昇が緩やかになるように抑えられているからである。このように、上記従来の技術では暖房要求に速やかに対応する点については依然として課題が残されている。
【０００４】
また、上記従来の技術では、冷房用のサイクルと暖房用のサイクルとの各流れ方向が四方弁を介して逆転されている点にも留意しなければならない。流れ方向を逆転させると、冷凍システムの簡素化が図り難いとの問題がある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、暖房要求に速やかに対応することができるＣＯ２冷媒を用いた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、暖房時の循環経路には、冷媒の流れ方向でみて圧縮機、内部熱交換器、蒸発器及び膨張弁が順次介挿されており、蒸発器及び膨張弁をバイパスして内部熱交換器の下流側と圧縮機内とを接続するリターン経路を備え、リターン経路内の冷媒が減圧されて圧縮機から内部熱交換器に向かう内部熱交換器内の冷媒を冷却し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、冷房時の前記循環経路には、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、暖房時の循環経路のうち、圧縮機と内部熱交換器とを接続する経路は、ガスクーラをバイパスしてい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冷媒を用いた冷凍システムでは圧縮機から吐出される冷媒温度が高いことに着目したものである。
そして、請求項１記載の本発明の冷凍システムによれば、蒸発器の上流側には自冷式の内部熱交換器が配置され、この内部熱交換器が加熱能力を調整している。換言すれば、圧縮機、当該内部熱交換器、蒸発器、膨張弁及びリターン経路によって暖房用のサイクルが形成されている。従って、ＣＯ２冷媒を用いた冷凍システムにおける暖房が従来に比して速やかに実施される。
【０００８】
また、リターン経路内の冷媒は内部熱交換器内の冷媒の冷却に用いられ、このリターン経路を介して圧縮機に戻されることから、圧縮機から吐出される冷媒量の変更が可能となり、加熱能力の調整に寄与する。
また、請求項２記載の発明によれば、ＣＯ２冷媒を用いた冷凍システムにおいて、圧縮機の吐出側がガスクーラ側と内部熱交換器側との２つに分岐され、冷房用のサイクルと暖房用のサイクルとが同じ流れ方向に向けて形成されている。よって、冷凍システムの簡素化が達成可能となる。
【０００９】
更に、請求項３記載の発明によれば、乗員の暖房要求に速やかに対応でき、空調装置の信頼性向上が図られるし、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】
【００１０】
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暖房する。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。
【００１１】
冷凍回路６は上記冷媒の循環経路１１〜１５を有し、これら循環経路１１〜１５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。詳しくは、循環経路１１〜１５には、上流側からコンプレッサ（圧縮機）１８、ガスクーラ２０、内部熱交換器２２、冷房時減圧弁（膨張弁）２４、エバポレータ（蒸発器）２６及び暖房時の第１減圧弁（膨張弁）４２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、内部熱交換器２２、冷房時減圧弁２４及び第１減圧弁４２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。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は上記循環経路の復路部分を形成している。
【００１２】
ここで、本実施形態の冷凍システム２には、冷房用のサイクルと暖房用のサイクルとがいずれも同じ流れ方向に向けて形成されている。
具体的には、前者の冷房用のサイクルは、圧縮機１８、ガスクーラ２０、冷房時減圧弁２４及び蒸発器２６によって構成されており、この冷房時減圧弁２４は、冷房時には小さな開度に調整されて冷媒の減圧を実施するのに対し、暖房時には全開に調整される。また、循環経路１１のガスクーラ２０の入口側には冷房時の第１開閉弁３４が配設され、循環経路１５の圧縮機１８の入口側にも冷房時の第２開閉弁４０が配設されている。これら開閉弁３４、４０は、冷房時には全開に調整されるのに対し、暖房時には全閉に調整される。上述した冷房時減圧弁２４や開閉弁３４、４０の開度は車室４内に配置されたコントローラ（ＥＣＵ）５０からの信号によって調整されている。
【００１３】
そして、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。
また、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、冷房時減圧弁２４を通じて蒸発器２６に供給され、蒸発器２６内にて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を介して圧縮機１８に接続されており、低温低圧ガス状態の冷媒が圧縮機１８に吸引される。
【００１４】
一方、後者の暖房用のサイクルは、圧縮機１８、内部熱交換器２２、蒸発器２６及び暖房時の第１減圧弁４２によって構成されており、この第１減圧弁４２は小さな開度に常時固定されている。
より具体的には、循環経路１１の圧縮機１８の出口側は分岐され、この循環経路１１と循環経路１２とはバイパス経路（経路）３０を介して接続されており、このバイパス経路３０がガスクーラ２０をバイパスして圧縮機１８と内部熱交換器２２とを接続している。また、バイパス経路３０には暖房時の開閉弁３２が配設され、この開閉弁３２は、ＥＣＵ５０からの信号によって暖房時には全開に調整されるのに対し、冷房時には全閉に調整される。
【００１５】
上述した内部熱交換器２２は、暖房時のみ機能し、自冷式の内部熱交換器として構成されている。すなわち、この内部熱交換器２２は循環経路１２と循環経路１３との間に配設されており、循環経路１３の内部熱交換器２２の出口側は分岐され、リターン経路３６に接続されている。
より詳しくは、このリターン経路３６には、暖房時の第２減圧弁３８が配設され、この第２減圧弁３８は、ＥＣＵ５０からの信号によって暖房時には小さな開度に調整されて冷媒の減圧を実施するのに対し、冷房時には全閉に調整される。そして、暖房時に減圧された冷媒は内部熱交換器２２内に戻り、圧縮機１８から内部熱交換器２２に向かう冷媒の流れに対向してこの循環経路１２からの冷媒を冷却している。また、リターン経路３６は、蒸発器２６及び暖房時の第１減圧弁４２をバイパスして内部熱交換器２２と圧縮機１８とを接続し、内部熱交換器２２にて冷却に用いられたリターン経路３６内の冷媒は、圧縮機１８の中間圧力室に達する。
【００１６】
また、暖房時の第１減圧弁４２は、冷房時の第２開閉弁４０をバイパスして蒸発器２６の出口側と圧縮機１８の入口側とを接続している。これにより、内部熱交換器２２からの高圧状態の冷媒は蒸発器２６に供給され、蒸発器２６内にて比較的高温高圧のガス状態となり、循環経路１５の暖房時の第１減圧弁４２を通じて圧縮機１８に供給され、低温低圧ガス状態の冷媒が圧縮機１８に吸引される。
【００１７】
上述した冷凍システム２によれば、冷房時には圧縮機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２の一点鎖線で示される如く点Ａから点Ｄ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。
この冷媒はガスクーラ２０内で冷却され、比エンタルピが減少して図２の点Ｄから点Ｅまで等圧変化し、循環経路１２、１３を介して冷房時減圧弁２４に供給される。そして、冷房時減圧弁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２の点Ｅから点Ｆ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。蒸発器２６内の冷媒は、循環経路１５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１１〜１５を上述した如く循環する。
【００１８】
一方、暖房時には、リターン経路３６からの冷媒と循環経路１５からの冷媒とを合わせた流量の冷媒が圧縮機１８で圧縮され、こ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より一層増加して図２の実線で示される如く点Ａから点Ｂまで変化する。そして、循環経路１１及びバイパス経路３０を介して高温高圧ガス状態の冷媒を内部熱交換器２２に供給する。
【００１９】
この冷媒は内部熱交換器２２内で冷却される。つまり、リターン経路３６との冷媒との間で熱交換され、比エンタルピが減少する。詳しくは、図３に示されるように、内部熱交換器２２の稼働割合が増加するに伴って暖房の加熱能力が減少することから、所望の加熱能力を得るべく暖房時の第２減圧弁３８の開度を調整して内部熱交換器２２を稼働させる。
【００２０】
次いで、内部熱交換器２２からの冷媒は蒸発器２６に供給され、暖気が車室４内に送り込まれて車室４内の暖房が行われると、比エンタルピが更に減少して図３の点Ｂから点Ｃまで等圧変化する。そして、循環経路１５を介して第１減圧弁４２に供給され、第１減圧弁４２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２の点Ｃから点Ａまで変化し、圧縮機１８により再度圧縮され、循環経路１１〜１５を上述した如く循環する。
【００２１】
以上のように、本発明は、ＣＯ２冷媒を用いた冷凍システム２では圧縮機１８から吐出される冷媒温度が高いことに着目したものである。
そして、本実施形態の冷凍システム２によれば、蒸発器２６の上流側には自冷式の内部熱交換器２２が配置され、この内部熱交換器２２が暖房の加熱能力を調整している。換言すれば、圧縮機１８、当該内部熱交換器２２、蒸発器２６、暖房時の第１減圧弁４２及び、暖房時の第２減圧弁３８を有するリターン経路３６によってホットガスサイクルが形成されている。従って、上述した一方や他方の室内熱交換器、室外熱交換器を設けることなく、しかも、ラジエータの冷却水によって熱源を得ることなく、モリエール線図では図２の点ＡＢＣの如く小さな三角形状のサイクルが形成され、ＣＯ２冷媒を用いた冷凍システムにおける暖房が従来に比して速やかに実施される。この結果、乗員の暖房要求に速やかに対応でき、空調装置の信頼性向上が図られる。
【００２２】
また、リターン経路３６内の冷媒は内部熱交換器２２内の冷媒の冷却に用いられ、このリターン経路３６を介して圧縮機１８に戻されることから、サイクル内に導入された冷媒量は同じであっても、上記モリエール線図では図２の点Ａから点Ｂの如く、圧縮機１８から吐出される冷媒量の増量が可能となり、加熱能力の調整に寄与する。なお、本実施形態のように、リターン経路３６を圧縮機１８の中間圧室に接続すると、サイクルの効率向上に寄与するが、リターン経路３６は圧縮機１８の入口側、つまり、循環経路１５に接続しても良い。
【００２３】
更に、図３に示されるように、内部熱交換器２２の稼動割合と加熱能力との関係に基づき、この内部熱交換器２２が上記サイクル内で加熱能力を最適値に調整しているので、過剰加熱が防止される。
更にまた、ＣＯ２冷媒を用いた冷凍システム２において、圧縮機１８の吐出側がガスクーラ２０側と内部熱交換器２２側との２つに分岐され、流れ方向を逆転させることなく、冷房用と暖房用の各サイクルとが同じ流れ方向に向けて形成されている。よって、四方弁が不要になり、冷凍システムの簡素化が達成可能となる。
【００２４】
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】
【００２５】
【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３】図１の内部熱交換器による加熱能力の調整を説明する図である。
【符号の説明】
【００２６】
２  冷凍システム
１１，１２，１３，１４，１５  循環経路
１８  圧縮機
２０  ガスクーラ
２２  内部熱交換器
２４  冷房時減圧弁（膨張弁）
２６  蒸発器
３０  バイパス経路（経路）
３６  リターン経路
３８  暖房時の第２減圧弁
４２  暖房時の第１減圧弁（膨張弁）
【図１】
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【図２】
2007191057.tif 000004
【図３】
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