(57)【要約】【課題】オイルセパレータと気液分離器を一体化することでスペース、重量上の問題を解決しながら、さらに冷凍能力を向上させることが可能な蒸気圧縮式冷凍サイクルを提供する。【解決手段】圧縮機と、該圧縮機によって高温高圧となった冷媒を放熱させる放熱器と、放熱器によって放熱した高圧冷媒を減圧する１段目減圧機構と、１段目減圧機構により減圧した冷媒をオイル分離するオイルセパレータ及び気液分離する気液分離器と、気液分離器により分離された液冷媒を更に減圧する２段目減圧機構と、２段目減圧機構により低温低圧となった冷媒を蒸発させる蒸発器とを有し、それらを順次冷媒流路にて環状に接続した冷凍サイクルであって、オイルセパレータと気液分離器が一体化されており、該オイルセパレータ一体型気液分離器から分離した気冷媒とオイルを圧縮機へ流入させる蒸気圧縮式冷凍サイクル。【選択図】図３
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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、該圧縮機によって高温高圧となった冷媒を放熱させる放熱器と、放熱器によって放熱した高圧冷媒を減圧する１段目減圧機構と、１段目減圧機構により減圧した冷媒をオイル分離するオイルセパレータ及び気液分離する気液分離器と、前記気液分離器により分離された液冷媒を更に減圧する２段目減圧機構と、２段目減圧機構により低温低圧となった冷媒を蒸発させる蒸発器とを有し、それらを順次冷媒流路にて環状に接続した冷凍サイクルであって、前記オイルセパレータと前記気液分離器が一体化されており、該オイルセパレータ一体型気液分離器から分離した気冷媒とオイルを前記圧縮機へ流入させる流路を備えていることを特徴とする蒸気圧縮式冷凍サイクル。
【請求項２】
前記オイルセパレータ一体型気液分離器により分離された液冷媒と、蒸発器から流出する冷媒を熱交換する冷媒熱交換手段を有することを特徴とする、請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル。
【請求項３】
前記冷媒熱交換手段は、オイルセパレータ一体型気液分離器本体の液冷媒貯留位置に合わせて、蒸発器からの配管を密着させることで熱交換を行うことを特徴とする、請求項２に記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル。
【請求項４】
前記冷媒熱交換手段は、オイルセパレータ一体型気液分離器から流出する液冷媒と蒸発器から流出する冷媒を、それぞれ、二重管構造の配管内の内側外側の冷媒流路を対向流として通過させることにより熱交換を行うことを特徴とする、請求項２に記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル。
【請求項５】
前記オイルセパレータ一体型気液分離器によるオイルセパレート手段は、遠心分離または／及び衝突分離させることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル。
【請求項６】
前記１段目減圧機構は、該１段目減圧機構の出口側の冷媒圧力を臨界圧力以下となるように制御することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル。
【請求項７】
前記１段目減圧機構または／及び２段目減圧機構は、冷媒の温度または／及び圧力の値に応じて膨張度が変化する機械式膨張弁であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル。
【請求項８】
前記１段目減圧機構または／及び２段目減圧機構は、冷媒の温度または／及び圧力の値に応じて、電気信号により弁開度が変更される電子膨張弁であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル。
【請求項９】
冷媒として二酸化炭素が用いられることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル。
【請求項１０】
車両用空調装置の冷凍サイクルとして用いられることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルに関し、とくに、二酸化炭素冷媒を使用した空調装置において、冷凍能力及び成績係数を向上させることが可能な蒸気圧縮式冷凍サイクルに関する。
【背景技術】
【０００２】
温暖化防止、オゾン層保護などの地球環境問題から冷凍空調装置の冷媒として利用されているフロン系冷媒の使用が規制され始めようとしており、自然系冷媒が注目されている。特にヨーロッパでは、脱フロン化対策として二酸化炭素冷媒が提案されている。二酸化炭素冷媒は、無毒、不燃性であるが冷媒としての理論エネルギー効率が低いため、高効率化には課題が多い。効率を改善する方法の一つとして、オイルセパレータを用いて圧縮機以外へのコンポーネントへオイルを循環させない手段が提案されている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２０００−２７４８９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、蒸気圧縮式冷凍サイクル中にオイルセパレータや気液分離器をそれぞれ個別に設けると、スペース上の問題が生じる。また、二酸化炭素冷媒は、その物理的性質から高圧側が臨界圧を越える超臨界状態となるため、その圧力に耐えうる材質、構造の検討が必要であり、おのずと機器の材料の厚みが増し、更には重量が増加する傾向にある。さらに、オイルが蒸発器へ流入すると熱伝達率が減少し熱交換効率が低下する。
【０００４】
そこで本発明の課題は、上記のような問題点を踏まえて、オイルセパレータと気液分離器を一体化することでスペース、重量上の問題を解決しながら、さらに冷凍能力を向上させることが可能な蒸気圧縮式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】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機によって高温高圧となった冷媒を放熱させる放熱器と、放熱器によって放熱した高圧冷媒を減圧する１段目減圧機構と、１段目減圧機構により減圧した冷媒をオイル分離するオイルセパレータ及び気液分離する気液分離器と、前記気液分離器により分離された液冷媒を更に減圧する２段目減圧機構と、２段目減圧機構により低温低圧となった冷媒を蒸発させる蒸発器とを有し、それらを順次冷媒流路にて環状に接続した冷凍サイクルであって、前記オイルセパレータと前記気液分離器が一体化されており、該オイルセパレータ一体型気液分離器から分離した気冷媒とオイルを前記圧縮機へ流入させる流路を備えていることを特徴とするものからなる。
【０００６】
この本発明に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいては、上記オイルセパレータ一体型気液分離器により分離された液冷媒と、蒸発器から流出する冷媒を熱交換する冷媒熱交換手段を有することが好ましい。
【０００７】
また、上記冷媒熱交換手段は、オイルセパレータ一体型気液分離器本体の液冷媒貯留位置に合わせて、蒸発器からの配管を密着させることで熱交換を行う構成とすることができる。
【０００８】
また、上記冷媒熱交換手段は、オイルセパレータ一体型気液分離器から流出する液冷媒と蒸発器から流出する冷媒を、それぞれ、二重管構造の配管内の内側外側の冷媒流路を対向流として通過させることにより熱交換を行う構成とすることもできる。
【０００９】
また、上記オイルセパレータ一体型気液分離器によるオイルセパレート手段は、遠心分離または／及び衝突分離させる構成とすることができる。
【００１０】
また、上記１段目減圧機構は、該１段目減圧機構の出口側の冷媒圧力を臨界圧力以下となるように制御することが好ましい。
【００１１】
また、上記１段目減圧機構または／及び２段目減圧機構は、冷媒の温度または／及び圧力の値に応じて膨張度が変化する機械式膨張弁から構成することができる。
【００１２】
また、上記１段目減圧機構または／及び２段目減圧機構は、冷媒の温度または／及び圧力の値に応じて、電気信号により弁開度が変更される電子膨張弁から構成することもできる。
【００１３】
本発明に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルは、とくに、冷媒として二酸化炭素が用いられる冷凍サイクルに好適なものである。
【００１４】
また、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルは、とくに、車両用空調装置の冷凍サイクルとして用いられて好適なものである。
【００１５】
近年、代替冷媒化と省エネルギーが冷凍空調システムの重要課題となっているが、とくに二酸化炭素を冷媒とした蒸気圧縮式冷凍サイクルでは、サイクル内を循環する潤滑油（オイル）は熱交換器での熱伝達率低下や配管での圧力損失を増加させるので、空調装置の性能に大きく影響する。その他、吐出冷媒温度が高く、膨張機構前冷媒温度が下げにくく、蒸発器における乾き度が高くなって、熱伝達率が低くなる傾向にある。そこで本発明は、熱交換器（とくに蒸発器）へのオイル流入を低減し、かつ、熱伝達率を高くすることで冷凍能力を向上させることを目的としたものである。熱交換器へのオイル流入量の低減は、オイルセパレータを用いて冷媒とオイルを分離し、オイルを圧縮機へ戻すことで達成し、熱伝達率を高くすることは、気液分離器を用いて気液冷媒を分離し、液冷媒のみを蒸発器へ流入させることで達成する。そして、これら２つの機器を一体化することで、スペース、重量上の問題の解消もはかることができるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１６】
このように、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルによれば、オイルセパレータと気液分離器が一体化されているので、それぞれを別体で接続するよりも部品点数、組付／組立工数の低減ができ、搭載性を向上させることができ、スペース、重量上の問題の解消をはかることができる。また、オイルセパレータにより分離されたオイルを圧縮機に戻して蒸発器へのオイル流入量を低減でき、蒸発器における蒸発時の熱伝達率を向上できる。更に、配管や熱交換器内での圧力損失を低減できる。
【００１７】
また、気液分離による効果としては、気液分離により液冷媒のみを蒸発器へ流入させることで蒸発潜熱（冷凍効果またはエンタルピ差）を拡大することができ、冷凍能力の向上が期待できる。換言すれば、冷却能力の小さい蒸気冷媒が含まれる気液混合冷媒が流入する場合に比べ、蒸発器のサイズを小さくできる可能性がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施態様に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルを示している。図１の構成において、１は圧縮機で、２は圧縮機１で圧縮された冷媒を放熱する放熱器（ガスクーラ）である。３は冷媒を膨張させる１段目減圧機構で、冷媒を減圧膨張させる。４は１段目減圧機構３で膨張した冷媒を気液に分離し、かつ冷媒と共に流通するオイルを分離するオイルセパレータ一体型気液分離器である。その名の通り、オイルセパレータと気液分離器を一体化したものである。５はオイルセパレータ一体型気液分離器４で分離され流出した液冷媒を更に膨張させる２段目減圧機構で、６は２段目減圧機構５で減圧膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器（エバポレータ）である。７はオイルセパレータ一体型気液分離器４で分離された気冷媒とオイルを圧縮機１へ流通させる圧縮機への流入配管である。
【００１９】
オイルセパレータ一体型気液分離器４では、１段目減圧機構３で減圧膨張した気液混合冷媒を気液分離し、かつ冷媒中のオイルを遠心分離または／及び衝突分離させる。その他、分離した気冷媒は圧縮機への流入配管７を通して圧縮機１へ戻る。また、同時にオイルも戻される。一方、液冷媒は、２段目減圧機構５へと流入する。
【００２０】
本発明の特徴とするところは、性能向上のためのコンポーネントであるオイルセパレータ、気液分離器を一体化したことである。また、継手部を減らし冷媒漏洩箇所を減少させるため、オイル戻し配管と気冷媒の圧縮機への流入配管を同一にしたことにある。
【００２１】
図２は、図１の構成における二酸化炭素冷媒のモリエル線図上に各コンポーネントの状態点を直線で結んだものである。11は二酸化炭素冷媒の飽和液線と飽和蒸気線を示したもので、両者をまとめて飽和曲線としている。12は二酸化炭素冷媒の臨界点を通る等温度線を示している。なお、図２における数字は、図１に示した各コンポーネントを表す数字であり、コンポーネントでの動作を示している。
【００２２】
図３は、本発明の第２実施態様に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルを示している。本実施態様は、図１の構成にオイルセパレータ一体型気液分離器４内の液冷媒、または／及びオイルセパレータ一体型気液分離器４から流出する冷媒と、蒸発器６から流出する冷媒を熱交換する冷媒熱交換手段としての熱交換配管８を設けたものである。
【００２３】
このような構成においては、２段目減圧機構５直前の冷媒温度を下げることで過冷却が可能となる。同時に圧縮機１の液圧縮防止のために過熱度をつけることができ、更なる冷凍能力の向上とサイクル運転の信頼性が期待できる。
【００２４】
図４は、図３の構成における二酸化炭素冷媒のモリエル線図上に各コンポーネントの状態点を直線で結んだものである。図２と同様に11は二酸化炭素冷媒の飽和液線と飽和蒸気線を示したもので、両者をまとめて飽和曲線としている。12は二酸化炭素冷媒の臨界点を通る等温度線を示している。図２との違いは、オイルセパレータ一体型気液分離器４内または／及びオイルセパレータ一体型気液分離器４から流出する冷媒と、蒸発器６から流出する冷媒を熱交換させたことによる熱交換効果が追記されていることである。詳述すると、２段目減圧機構５直前が液冷媒のため、飽和曲線上まで移動している。なお、図４におけるΔｈ２は過冷却度を示しており、Δｈ１は過熱度を示しており、上記冷媒熱交換手段による熱交換の効果は、ほぼΔｈ１≒Δｈ２として表すことができる。
【００２５】
図５は、本発明の特徴とするオイルセパレータ一体型気液分離器に関して、遠心分離方式の例について内部断面図を示したものである。図５で示した特徴とするところは冷媒とオイルの分離を遠心分離で行なっていることである。１段目減圧機構からの冷媒流路22から気液混合冷媒が流入し、圧縮機への気冷媒とオイル流路24を中心に円方向に回転する。その時の遠心力で冷媒とオイルが遠心分離する（遠心分離流31）。この時、冷媒圧力は臨界圧以下まで下げられているので、冷媒とオイルは相溶しない。オイル密度の方が冷媒より大きくなるので、オイルは一番下のオイル層29に溜まる。また、気液冷媒は密度の大きい液冷媒がオイル層29の上に液冷媒層28として溜まり、気冷媒はその他の空間中である気冷媒層27に少量の液冷媒と共に（気液混合状態にて）存在する。２段目減圧機構への冷媒流路23はオイル層29よりも高い位置にあり、液冷媒層28に存在する微量のオイルが液冷媒と一緒に流出しないように上部にはオイル流入防止板30を設置してある。気冷媒層27の気冷媒（気液混合冷媒）はデフューザー兼チューブサポート26を通って気冷媒中に存在する液滴を取り除く。気冷媒のみが圧縮機への気冷媒とオイル流路24に流入する。同時にオイル戻し孔25からオイルを吸って気冷媒とオイルが流出する構造となっている。以上が耐圧容器21に収められている。なお図５における矢印は冷媒の流れを示している。
【００２６】
図６は、図５に比べ、衝突分離方式の内部断面図を示したものである。図中の番号は図５と同じである。図６の方式の特徴とするところは、冷媒とオイルの分離を衝突分離で行なっていることである。１段目減圧機構からの冷媒流路22から気液混合冷媒が流入し、デフューザー兼チューブサポート26に衝突させることで冷媒とオイルを分離するものである（衝突分離流32）。なお、図５に示した方式にもデフューザー兼チューブサポート26が設けられており、これと衝突させることで冷媒とオイルが分離されることから、厳密には、図５の方式は、遠心分離方式を主体とし、それに衝突分離方式も兼ね備えたものと言うことができる。
【００２７】
図７は、図３に示した構成において、オイルセパレータ一体型気液分離器４内の冷媒と蒸発器６から流出する冷媒を熱交換するために、オイルセパレータ一体型気液分離器４の液冷媒貯留部に熱交換配管（扁平管）41を用いたものである。オイルセパレータ一体型気液分離器４の液冷媒層28付近に熱交換配管（扁平管）41を巻き付け熱交換させる。熱交換配管（扁平管）41の内部を並列扁平多孔管42としたことで熱交換効率の向上を図っている。このような構成を採用すれば、耐圧容器21への加工等は不要であり、比較的容易に実現可能である。
【００２８】
図８は、図３に示した構成において、オイルセパレータ一体型気液分離器４から２段目減圧機構へ流入する液冷媒と蒸発器６から流出する冷媒を熱交換するために、二重管構造の熱交換配管51を用いたものである。二重管構造の熱交換配管51では、オイルセパレータ一体型気液分離器４から２段目減圧機構へ流入する液冷媒と蒸発器６から流出する冷媒との間で効率よく熱交換させるために、両流れは対向流または並行流とされる。
【００２９】
このように、本発明においては、とくにオイルセパレータ一体型気液分離器あるいは冷媒熱交換手段は各種の構成を採り得る。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１実施態様に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルの回路である。
【図２】図１の回路における二酸化炭素冷媒のモリエル線図である。
【図３】本発明の第２実施態様に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルの回路である。
【図４】図３の回路における二酸化炭素冷媒のモリエル線図である。
【図５】本発明におけるオイルセパレータ一体型気液分離器の遠心分離方式の一例を示す図で、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は図（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う横断面図である。
【図６】本発明におけるオイルセパレータ一体型気液分離器の衝突分離方式の一例を示す図で、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は図（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う横断面図である。
【図７】本発明の第２実施態様に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける冷媒熱交換手段の一例を示す図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は熱交換配管の拡大断面図である。
【図８】本発明の第２実施態様に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける冷媒熱交換手段の別の一例を示す一部断面表示斜視図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  圧縮機
２  放熱器（ガスクーラ）
３  １段目減圧機構
４  オイルセパレータ一体型気液分離器
５  ２段目減圧機構
６  蒸発器
７  圧縮機への流入配管
８  熱交換配管
11  飽和曲線
12  等温度線
21  耐圧容器
22  １段目減圧機構の冷媒流路
23  ２段目減圧機構への冷媒流路
24  圧縮機への気冷媒とオイルの流路
25  オイル戻し孔
26  デフューザー兼チューブサポート
27  気冷媒層
28  液冷媒層
29  オイル層
30  オイル流入防止板
31  遠心分離流
32  衝突分離流
41  熱交換配管（扁平管）
42  並列扁平多孔管
51  二重管構造の熱交換配管
【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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【図７】
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【図８】
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