(57)【要約】【課題】蒸気圧縮式冷凍サイクルの部品点数を低減することが可能で、サイクル全体のコスト低減や小型化、軽量化を図ることが可能な冷凍サイクルを提供することにある。【解決手段】蒸発器、圧縮機と、該圧縮機から吐出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機と、該膨張機から流出した冷媒と蒸発器から流入した冷媒とを液相冷媒と気相冷媒に分離するとともに、液相冷媒を蒸発器側に流出させ、かつ、気相冷媒を圧縮機側に流出させる気液分離器とを有する冷凍サイクルであって、気液分離器と蒸発器の間に、気液分離器から流出した液相冷媒を蒸発器側へ圧送するポンプ手段を設けるとともに、気液分離器と少なくとも上記ポンプ手段とを一体に構成したことを特徴とする冷凍サイクル。【選択図】図１
2007303709.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を蒸発させる蒸発器と、冷媒を圧縮し吐出する圧縮機と、該圧縮機から吐出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機と、該膨張機から流出した冷媒と蒸発器から流入した冷媒とを液相冷媒と気相冷媒に分離するとともに、液相冷媒を蒸発器側に流出させ、かつ、気相冷媒を前記圧縮機側に流出させる気液分離器と、を有する冷凍サイクルであって、前記気液分離器と前記蒸発器の間に、気液分離器から流出した液相冷媒を蒸発器側へ圧送するポンプ手段を設けるとともに、前記気液分離器と少なくとも前記ポンプ手段とを一体に構成したことを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項２】
さらに前記膨張機も前記気液分離器と一体に構成されており、該膨張機と前記ポンプ手段が同軸で連結されている、請求項１に記載の冷凍サイクル。
【請求項３】
前記ポンプ手段が軸流ポンプからなる、請求項１または２に記載の冷凍サイクル。
【請求項４】
前記放熱器と前記気液分離器の間に、冷媒の一部を前記膨張機をバイパスさせて流すバイパス通路が設けられており、該バイパス通路も前記気液分離器と一体に構成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍サイクル。
【請求項５】
前記バイパス通路には、冷凍サイクルの状態に関する物理量に基づいて該バイパス通路の冷媒流量を調節するバイパス流量調節手段が設けられている、請求項４に記載の冷凍サイクル。
【請求項６】
前記放熱器と前記膨張機の間の冷媒通路に異物が通過することを防止するためのフィルタが設けられており、該フィルタも前記気液分離器と一体に構成されている、請求項１〜５のいずれかに記載の冷凍サイクル。
【請求項７】
前記放熱器から流出した高圧冷媒と圧縮機へ流入する低圧冷媒とを熱交換する冷媒熱交換器が設けられている、請求項１〜６のいずれかに記載の冷凍サイクル。
【請求項８】
前記冷媒が二酸化炭素からなる、請求項１〜７のいずれかに記載の冷凍サイクル。
【請求項９】
車両用空調装置の冷凍サイクルとして用いられるものからなる、請求項１〜８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、蒸気圧縮式の冷凍サイクルに関し、とくに、自然系冷媒等の超臨界域でも使用される冷媒を用いたサイクルに適用して好適な冷凍サイクルに関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気圧縮式の冷凍サイクルは、圧縮した冷媒を放熱器にて冷却するとともにその圧縮した冷媒を減圧し、低圧となった冷媒を蒸発器にて蒸発させることにより冷凍能力を得るものが一般的である（例えば、特許文献１）。
【０００３】
上記のような蒸気圧縮式の冷凍サイクルにおいては、従来のフロン系冷媒を使用した冷凍サイクルと比べ、超臨界域を含む冷凍サイクル、例えば、二酸化炭素等の自然系冷媒を使用する冷凍サイクルでは、高圧側圧力を冷媒の臨界圧力以上まで上昇させる必要があり、圧縮機の必要動力が大きくなるため、冷凍サイクルの効率が低いという問題がある。
【０００４】
また、従来のフロン系冷媒を使用した冷凍サイクルでは、冷媒の蒸発器の性能を効率良く発揮させるために蒸発器出口冷媒の過熱度を５〜10degに制御するのが望ましいとされている。従って、蒸発器出口手前で冷媒の乾き度が１となるように蒸発器内の冷媒量を調節していた。ところが、二酸化炭素を冷媒とした冷凍サイクルのように超臨界域を含む冷凍サイクルの場合、冷媒物性の違いから従来どおりに蒸発器内の冷媒の乾き度を大きくすると、蒸発器の熱伝達率が大きく減少し、冷却性能が悪くなり、冷凍サイクルの効率も悪化する。そのような中で超臨界域を含む冷凍サイクルおよびその構成部品の研究が盛んに行われており、蒸発器に関する特性はもとより、乾き度と熱伝達率との関係も把握されつつある。
【０００５】
従来の冷凍サイクル１０１は、例えば図５に示すように構成されており、冷媒を圧縮する圧縮機１０２と、圧縮機１０２から流出した冷媒を冷却する放熱器１０３と、放熱器１０３から流出した高圧冷媒とアキュームレータ１０４（気液分離器を兼ねたもの）から流出した低圧冷媒の熱交換を行うとともに、高圧冷媒と熱交換された低圧冷媒を前記圧縮機１０２に供給する内部熱交換器１０５と、内部熱交換器１０５から流出した高圧冷媒を減圧する減圧器１０６と、減圧器１０６から流出した低圧冷媒を蒸発させる蒸発器１０７と、蒸発器１０７から流出した液相冷媒および気相冷媒の二相冷媒を蓄えると共に、気相冷媒を前記内部熱交換器１０５に供給するアキュームレータ１０４を備えたものが知られている。
【特許文献１】特開平１１−１９３９６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような従来技術に対し、先に本出願人により、高圧冷媒を減圧する際に発生する膨張エネルギーを回生しながら冷凍サイクルの運転に利用し、実質的に冷凍サイクルの消費動力を低減することが可能な、成績係数の高い冷凍サイクルが提案されている（特願２００５−３５８６５９）。この先の提案に係る冷凍サイクルは、より具体的には、冷媒を蒸発させる蒸発器と、冷媒を圧縮し吐出する圧縮機と、該圧縮機から吐出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する第１減圧器と、該第１減圧器から流出した冷媒と蒸発器から流入した冷媒とを、液相冷媒と気相冷媒に分離するとともに、液相冷媒を蒸発器側に流出させ、かつ、気相冷媒を前記圧縮機側に流出させる気液分離器と、を有する冷凍サイクルであって、前記気液分離器と蒸発器の間に、気液分離器から流出した液相冷媒を蒸発器側へ圧送するポンプ手段を設けたことを特徴とするものからなる。
【０００７】
ところが、この先の提案に係る冷凍サイクルでは、冷凍サイクルを構成する膨張機−ポンプ手段なる新たな部品の追加、およびその部品を冷凍サイクル内に繋ぐための冷媒配管やシール部品等の配管部品や、それらの部品を接続する作業を必要とするため、冷凍サイクルのコスト低減や小型化、軽量化を図るのが難しいという問題が残されている。
【０００８】
そこで本発明の課題は、上記点を鑑み、冷凍サイクルの基本構成としては上記先の提案に係る冷凍サイクルと同様の構成としてその構成による利点を活かしつつ、部品点数を低減することが可能で、サイクル全体のコスト低減や小型化、軽量化を図ることが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】
【０００９】
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、冷媒を蒸発させる蒸発器と、冷媒を圧縮し吐出する圧縮機と、該圧縮機から吐出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機と、該膨張機から流出した冷媒と蒸発器から流入した冷媒とを液相冷媒と気相冷媒に分離するとともに、液相冷媒を蒸発器側に流出させ、かつ、気相冷媒を前記圧縮機側に流出させる気液分離器と、を有する冷凍サイクルであって、前記気液分離器と前記蒸発器の間に、気液分離器から流出した液相冷媒を蒸発器側へ圧送するポンプ手段を設けるとともに、前記気液分離器と少なくとも前記ポンプ手段とを一体に構成したことを特徴とするものからなる。気液分離器と少なくともポンプ手段が一体に構成されることにより、この部分における配管が省略可能になるとともに、この部分のコスト低減や小型化、軽量化が可能になる。
【００１０】
この冷凍サイクルにおいては、さらに上記膨張機も上記気液分離器と一体に構成されており、該膨張機と上記ポンプ手段が同軸で連結されている構成とすることが可能である。この一体化構成により、さらに冷凍サイクルの部品点数の低減、コスト低減、小型化、軽量化が可能になる。また、膨張機とポンプ手段の同軸連結構成により、該ポンプ手段の駆動エネルギーとして膨張機にて膨張する冷媒の膨張エネルギーを利用することが可能になり、冷凍サイクルの消費動力を低減することが可能になって、さらに効率の高い冷凍サイクルを実現することが可能になる。
【００１１】
上記ポンプ手段としては、軸流ポンプを用いることができる。軸流ポンプを用いることにより、後述の実施形態に示すように、ポンプ手段と気液分離器を一体化する際に、容易によりコンパクトな構成が可能になる。
【００１２】
また、本発明に係る冷凍サイクルにおいては、上記放熱器と上記気液分離器の間に、冷媒の一部を上記膨張機をバイパスさせて流すバイパス通路が設けられており、該バイパス通路も上記気液分離器と一体に構成されている構成とすることができる。このような構成においては、膨張機前の冷媒圧力が異常に高くなった場合等に、バイパス通路へ冷媒を流す（逃す）ことで、冷媒圧力の異常な上昇を回避することが可能になる。そして、バイパス通路も気液分離器と一体に構成することにより、効率の高い冷凍サイクルを実現しつつ、冷凍サイクル全体としての部品（特に配管）点数の低減、コスト低減、小型化、軽量化が可能になる。このバイパス通路には、冷凍サイクルの状態に関する物理量に基づいて該バイパス通路の冷媒流量を調節するバイパス流量調節手段が設けられている構成を採用することもできる。
【００１３】
また、本発明に係る冷凍サイクルにおいては、上記放熱器と上記膨張機の間の冷媒通路に異物が通過することを防止するためのフィルタを設けることができ、このフィルタも上記気液分離器と一体に構成することができる。この一体化構成により、フィルタの機能を活かしつつ、冷凍サイクル全体としての部品（特に配管）点数の低減、コスト低減、小型化、軽量化が可能になる。
【００１４】
また、本発明に係る冷凍サイクルにおいては、従来技術における内部熱交換器設置と同様に、上記放熱器から流出した高圧冷媒と圧縮機へ流入する低圧冷媒とを熱交換する冷媒熱交換器が設けられている構成としてもよい。このような構成により、サイクル内における熱エネルギーをより有効に利用することが可能になる。
【００１５】
このような本発明に係る冷凍サイクルは、超臨界域を含む冷凍サイクルに、とくに冷媒が自然系冷媒である二酸化炭素からなる場合に好適なものである。また、本発明に係る冷凍サイクルは、とくに車両用空調装置の冷凍サイクルとして用いられる場合に好適なものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る冷凍サイクルによれば、ポンプ手段を、好ましくはその他の機器や部品まで含めて、気液分離器と一体に構成することにより、つまり、一体のモジュール化構成とすることにより、超臨界域で作動させる冷媒を使用した冷凍サイクルの部品点数を低減することが可能になる。このモジュール化を介して、冷凍サイクル全体としてのコスト低減、小型化、軽量化を図ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、とくに自然系冷媒である二酸化炭素を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルについて、詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施例１に係る冷凍サイクルを示しており、図１に示す冷凍サイクル１は、冷媒を圧縮し吐出する圧縮機２と、圧縮機２から吐出された冷媒を冷却する放熱器３と、放熱器３により冷却された冷媒を減圧膨張させる膨張機４と、膨張機４から流出した冷媒と蒸発器６から流入した冷媒とを、液相冷媒と気相冷媒に分離するとともに、液相冷媒を蒸発器６側に流出させ、かつ、気相冷媒を圧縮機２側に流出させる気液分離器５と、気液分離器５から流出した液相冷媒を蒸発させて気相冷媒とする蒸発器６とを有し、気液分離器５と蒸発器６の間にあって気液分離器５から分離流出された液相冷媒を蒸発器６側に向けて圧送するポンプ手段７を有しており、気液分離器５と少なくともポンプ手段７とは、一体にされた一体化モジュール８（気液分離器一体化モジュールと言うこともある。）として構成されている。
【００１９】
本実施例では、膨張機４も気液分離器５と一体に構成されており（気液分離器一体化モジュール８内に組み込まれており）、膨張機４とポンプ手段７とは同じ軸９で連結されて、膨張機４で回生された冷媒の膨張エネルギーをポンプ手段７の駆動エネルギーとして利用できるようになっている。また本実施例では、放熱器３と気液分離器５の間に、冷媒の一部を膨張機４をバイパスさせて流すバイパス通路１０が設けられており、該バイパス通路１０部分も気液分離器５と一体に構成され、上記気液分離器一体化モジュール８内に組み込まれている。このバイパス通路１０には、冷凍サイクル１の状態に関する物理量に基づいて該バイパス通路１０の冷媒流量を調節するバイパス流量調節手段としてのバイパスバルブ１１が設けられている。なお、ポンプ手段７と蒸発器６の間には、蒸発器６に流入する冷媒をより低圧の蒸発により適した冷媒とするために、減圧器１２を設けておいてもよい。なお、減圧器１２は、冷凍サイクル１の状態に関する情報に基づいて減圧度合が決定される機構を有するものとすることができる。この場合、該機構は、前後の冷媒圧力差に基づいて自律して動作するものでもよいし、外部からの電気信号または圧力信号により動作するものでもよい。
【００２０】
上記気液分離器一体化モジュール８の構成を、図２、図３を参照して、より詳しく説明する。
気液分離器一体化モジュール８には、放熱器３からの冷媒２１を導入する導入ポート２２と、蒸発器６側に冷媒２３を圧送、流出させる流出ポート２４とが設けられており、気液分離器５には、蒸発器６からの冷媒２５を流入させる流入ポート２６と、気液分離器５で分離された気相冷媒２７を圧縮機２側に流出させる流出ポート２８が設けられている。気液分離器一体化モジュール８内には、本実施例では、上記導入ポート２２の下流側に放熱器３と膨張機４の間の冷媒通路に異物が通過することを防止するためのフィルタ２９が設けられている。フィルタ２９の下流側に膨張機４が設けられているが、膨張機４に至るまでに冷媒通路が分岐された前述のバイパス通路１０が形成されており、このバイパス通路１０内にバイパスバルブ１１が設けられている。このバイパスバルブ１１は、その前後の圧力差に応じて冷媒流量が変わる冷媒流量調節式バイパスバルブを構成している。高圧冷媒はその圧力が閾値を超えると、高圧側冷媒通路（バイパスバルブ１１の上流側）と低圧冷媒通路である気液分離器５の内部をバイパスバルブ１１によりショートカットする（または圧力調節される）。
【００２１】
バイパス通路１０をバイパスされない冷媒は膨張機４に送られ、膨張機４で膨張された冷媒は、バイパス通路１０からの冷媒と合流されて、気液分離器５の入口ポート３０から気液分離器５内へと導入される。導入された冷媒３１は、前述の蒸発器６からの導入冷媒２５と合流されて、気液分離器５内で気相冷媒３２と液相冷媒３３とに分離される。分離された気相冷媒３２は、Ｕ字状の内部配管３４を介して流出ポート２８から圧縮機２側に送られ、液相冷媒３３は、流出ポート３５からポンプ手段７部へと送られる。この流出冷媒３６が、ポンプ手段７により圧送され、前述の流出ポート２４を介して蒸発器６側へと送られる。本実施例では、ポンプ手段７は軸流ポンプからなり、前述の如く膨張機４と同軸９で連結されている。この連結軸９は、例えば、軸受４３により保持されており、さらにポンプ手段としての軸流ポンプ７の案内羽根によって保持されることも可能である。この軸流ポンプ７を内蔵する部分およびそれに連通する気液分離器５内部は、超臨界圧以下の低圧室になっている。また、分離された液相冷媒３３の気液分離器５内底部には、冷媒中に含まれていた冷凍機油３７が溜まるが、この冷凍機油３７は、内部配管３４の底部に設けられたオイル戻り穴３８を介して、圧縮機２側へと戻されて潤滑に供される。
【００２２】
このように構成された冷凍サイクル１においては、気液分離器５と少なくともポンプ手段７が一体に構成された気液分離器一体化モジュール８とされることにより、従来必要であったこの部分における少なくとも配管が省略でき、部品点数の低減が可能になるとともに、冷凍サイクル１全体としてのコスト低減や小型化、軽量化が可能になる。さらに、上記実施例のように、他の部位（フィルタ２９、バイパス通路１０、膨張機４の少なくともいずれかの部位）まで気液分離器一体化モジュール８内に組み込むことにより、より一層の部品点数の低減、コスト低減、小型化、軽量化が可能になる。
【００２３】
図４は、本発明の実施例２に係る冷凍サイクル４１を示している。この冷凍サイクル４１においては、実施例１と同様の構成を備えたサイクルに、さらに放熱器３から流出した高圧冷媒と圧縮機２へ流入する低圧冷媒とを熱交換する冷媒熱交換器４２が設けられている。このような構成とすれば、冷凍サイクル４１内における熱エネルギーがより有効に利用され、消費動力あるいはエネルギー的により効率の良い冷凍サイクルを実現することが可能になる。気液分離器一体化モジュール８による一体化構成によって得られる効果は、実施例１に準じる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルに適用でき、とくに、自然系冷媒である二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍サイクルに好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例１に係る冷凍サイクルの概略構成図である。
【図２】図１の冷凍サイクルにおける気液分離器一体化モジュール部の拡大縦断面図である。
【図３】図２の気液分離器一体化モジュール部の概略横断面図である。
【図４】本発明の実施例２に係る冷凍サイクルの概略構成図である。
【図５】従来の冷凍サイクルの概略構成図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  冷凍サイクル
２  圧縮機
３  放熱器
４  膨張機
５  気液分離器
６  蒸発器
７  ポンプ手段
８  気液分離器一体化モジュール
９  軸（連結軸）
１０  バイパス通路
１１  バイパスバルブ
１２  減圧器
２９  フィルタ
３２  気相冷媒
３３  液相冷媒
３４  内部配管
３７  冷凍機油
３８  オイル戻り穴
４１  冷凍サイクル
４２  冷媒熱交換器
４３  軸受
【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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