(57)【要約】【課題】ＣＯ２冷媒を用いても、簡単な構成で圧縮機からのＣＯ２冷媒の吐出温度上昇を防止して、且つ良好な冷房能力を有する車両用空調装置を提供する。【解決手段】ＣＯ２冷媒が循環する循環流路(8)に冷媒の流れ方向でみて圧縮機(10)、ガスクーラ(12)、膨張弁(16)及び蒸発器(18)が順次介挿された車両用空調装置(6)であって、ガスクーラから膨張弁を経由して蒸発器まで延び、循環流路の一部を構成する第１流路(8a)と、第１流路に介挿され、蒸発器で生じたドレン水が滴下される熱交換器(14)とを具備し、熱交換器では、第１流路を流れる冷媒とドレン水とが熱交換されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＯ２冷媒が循環する循環流路に前記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た車両用空調装置であって、
前記ガスクーラから前記膨張弁を経由して前記蒸発器まで延び、前記循環流路の一部を構成する第１流路と、
前記第１流路に介挿され、前記蒸発器で生じたドレン水が滴下される熱交換器と
を具備し、
前記熱交換器では、前記第１流路を流れる冷媒と前記ドレン水とが熱交換されていることを特徴とする車両用空調装置。
【請求項２】
前記蒸発器から前記圧縮機に帰還するまで延び、前記循環流路の一部を構成する第２流路と、
前記第２流路から分岐し、前記熱交換器において前記第２流路を流れる冷媒の冷凍能力を利用して前記第１流路を流れる冷媒を冷却し、前記圧縮機に帰還する第３流路と
を具備したことを特徴とする請求項１記載の車両用空調装置。
【請求項３】
前記第１流路は、前記熱交換器内にて複数分割された第１のチューブを有し、
前記第１のチューブは、前記熱交換器内にて前記第３流路を囲繞して配設されていることを特徴とする請求項２記載の車両用空調装置。
【請求項４】
前記分岐点には、前記蒸発器から前記熱交換器を介して前記圧縮機に帰還する流れと、前記蒸発器から前記圧縮機に直接帰還する流れとを切り換える流路切換手段が配設されていることを特徴とする請求項２記載の車両用空調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用空調装置に係り、詳しくは、特にＣＯ２を冷媒に用いる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、その地球温暖化係数が小さい冷媒を用いた車両用空調装置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。ＣＯ２ガスを冷媒に用いた場合、圧縮機で圧縮された冷媒はガスクーラにて冷却されるが、フロン系の冷媒が凝縮器で凝縮される場合に比べ、ガスクーラでのＣＯ２冷媒のエンタルピ変化量は小さくなり、蒸発器での冷媒の吸熱量が小さくなって、車両用空調装置の冷房能力が低下してしまう。そこで、ガスクーラで冷却された冷媒を内部熱交換器で過冷却する車両用空調装置がある（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００２−２２５５４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した内部熱交換器でのＣＯ２冷媒の過冷却は、ガスクーラを出たＣＯ２冷媒が蒸発器を出たＣＯ２冷媒で冷却されるというＣＯ２冷媒同士の熱交換だけで行われる。つまり、蒸発器を出たＣＯ２冷媒は増大したエンタルピ変化量の分だけ温度上昇し、圧縮機に吸入されるＣＯ２冷媒の吸入温度が上昇する。この結果、圧縮機から吐出されるＣＯ２冷媒の吐出温度が上昇するので、圧縮機への熱的負荷が大きくなり、圧縮機の耐久性が低下するという問題がある。
【０００４】
ここで、圧縮機保護の観点から、ＣＯ２冷媒の吐出温度が所定の温度を超える場合には、その運転を停止するインターロック回路が組み込まれた圧縮機が存在するが、圧縮機の停止は冷房の停止を招き、乗員の快適性が損なわれるとの問題が生ずる。
なお、ＣＯ２冷媒同士の熱交換による吐出温度の上昇を防止すべく、ＣＯ２冷媒の過冷却を外部冷却装置や別系統の冷凍回路等で行う車両用空調装置も知られているが、新たな装置や冷凍回路を必要としてコスト高となるとともに、冷凍回路も複雑になるとの問題がある。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＣＯ２冷媒を用いても、簡単な構成で圧縮機からのＣＯ２冷媒の吐出温度上昇を防止して、且つ良好な冷房能力を有する車両用空調装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するべく、請求項１記載の可変容量圧縮機は、ＣＯ２冷媒が循環する循環流路に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た車両用空調装置であって、ガスクーラから膨張弁を経由して蒸発器まで延び、循環流路の一部を構成する第１流路と、第１流路に介挿され、蒸発器で生じたドレン水が滴下される熱交換器とを具備し、熱交換器では、第１流路を流れる冷媒とドレン水とが熱交換されていることを特徴としている。
【０００７】
また、請求項２記載の発明では、蒸発器から圧縮機に帰還するまで延び、循環流路の一部を構成する第２流路と、第２流路から分岐し、熱交換器において第２流路を流れる冷媒の冷凍能力を利用して第１流路を流れる冷媒を冷却し、圧縮機に帰還する第３流路とを具備したことを特徴としている。
更に、請求項３記載の発明では、第１流路は、熱交換器内にて複数分割された第１のチューブを有し、第１のチューブは、熱交換器内にて第３流路を囲繞して配設されていることを特徴としている。
【０００８】
更にまた、請求項４記載の発明では、分岐点には、蒸発器から熱交換器を介して圧縮機に帰還する流れと、蒸発器から圧縮機に直接帰還する流れとを切り換える流路切換手段が配設されていること特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
従って、請求項１記載の本発明の車両用空調装置によれば、第１流路を流れる冷媒が蒸発器のドレン水で冷却されるため、冷媒の温度上昇を伴うことなくガスクーラから出た冷媒を過冷却できる。よって、圧縮機からの冷媒吐出温度の過剰な上昇を防止しながら冷凍サイクルの冷房能力を向上できる。
また、請求項２記載の発明によれば、冷媒とドレン水との熱交換に加えて、冷媒間でも互いに熱交換させるため、ドレン水の供給が少ない場合でも冷房能力を確保でき、冷媒同士だけで熱交換を行う場合に比して、圧縮機からの冷媒吐出温度の上昇を抑制できる。
【００１０】
更に、請求項３記載の発明によれば、第１流路を流れる冷媒のドレン水による冷却が促進されるため、冷媒吐出温度の上昇が更に抑制され、冷房能力も更に向上する。
また、請求項４記載の発明によれば、ドレン水との熱交換のみか、あるいは、更に冷媒間でも互いに熱交換させるかが選択できるため、ドレン水量増減の影響を受けることなく、所望の冷房能力を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の第１実施例につき図面を参照して説明する。
図１は本実施例の車両１の前部を概略的に示し、この前部にエンジンルーム２が設けられ、エンジンルーム２内にはエンジン４が横置きに配置されている。
当該車両１は本実施例の車両用空調装置６を備えている。この空調装置６は、自然系冷媒であるＣＯ２冷媒（以下、単に冷媒と称す）を循環させる循環流路８を有し、この循環流路８には、冷媒の流れ方向でみて圧縮機１０、ガスクーラ１２、熱交換器１４、膨張弁１６、蒸発器１８が順次介挿されている。
【００１２】
図２は空調装置６の構成を概略的に示し、循環流路８は、ガスクーラ１２から熱交換器１４、膨張弁１６を順に介して蒸発器１８まで延びる第１流路８ａと、蒸発器１８から圧縮機１０に帰還するまで延びる第２流路８ｂとを含んで構成される。
蒸発器１８の近傍にはファン２０が設けられており、このファン２０を作動して蒸発器１８で冷却された空気を車室２２に送り込み、車室２２が冷房される。ファン２０からの空気が蒸発器１８にあたる際に、蒸発器１８には空気中の水分を凝縮したドレン水が生じるが、蒸発器１８には、このドレン水を回収するドレン回収器１８ａが備えられている。ドレン回収器１８ａは、蒸発器１８の下部に構成されており、蒸発器１８から重力によって垂れて落ちるドレン水を回収する。
【００１３】
熱交換器１４の上部近傍には、ドレン回収器１８ａの下側に向かってドレン流路２４が延びている。そして、ドレン流路２４の一端口から流出したドレン水は、熱交換器１４の外表面に滴下される。この際、熱交換器１４の上部外表面に滴下されたドレン水は、熱交換器１４から気化熱を奪って気化する。これにより、この気化熱の分だけ熱交換器１４が冷却されることとなる。熱交換器１４によるドレン水の気化を促進するために、好適には、熱交換器１４の外表面は保水性のある材質で形成され、ドレン水が好適に滞留する形状をなしている。また、熱交換器１４の上部近傍には、熱交換器１４全体にドレン水を滴下するための部材２６が配置されている。更に、この部材２６もまた保水性のある材質で形成され、ドレン水が好適に滞留する形状であることが好ましい。更にまた、熱交換器１４は蒸発器２０より下側に配置され、ドレン水を汲み上げるためのポンプ等を要することなく、重量によるドレン水の滴下のみで熱交換器１４にドレン水の供給が可能である。また、熱交換器１４をガスクーラ１２近傍に配されるラジエータ（図示しない）又は車両１下部の近傍に設置することにより、熱交換器１４の外表面に垂れたドレン水の気化が好適に促進される。
【００１４】
滴下されたドレン水は、熱交換器１４の外表面に沿って垂れながら徐々に気化していくが、熱交換器１４の下部外表面においても気化せずに残ったドレン水は、熱交換器１４の下部近傍に設けられた受け皿２８にて回収される。回収されたドレン水は受け皿２８に滞留して熱交換器１４からの放射熱により気化し、熱交換器１４を流れる冷媒の放熱が更に促進される。好ましくは、受け皿２８は傾斜とドレン排出孔とを有しており、圧縮機１０の運転が停止した後には、受け皿２８に残ったドレン水は好適に受け皿２８より排出される。これにより、ドレン水の排出を制御するための電磁弁や逆止弁、及びこれらを介挿する配管を要することなく、簡単な構成で受け皿２８、ひいては圧縮機１０の腐れが防止される。
【００１５】
以下、図３に示したモリエル線図を参照し、本実施例の空調装置６の動作について、従来の冷媒同士で熱交換を行う内部熱交換器を有する空調装置と比較して説明する。
従来の内部熱交換器を有する空調装置の冷凍サイクルは、本実施例を構成する要素の各符号を利用して説明すると、圧縮機１０の作動に伴い、第２流路８ｂからガス状態の冷媒（ａ）を吸い込んで圧縮し、高温高圧の超臨界状態の冷媒（ｂ）にして循環流路８の往路に吐出する。つまり、圧縮機１０は冷媒を圧縮しながら冷媒の流動を生成させる。
【００１６】
圧縮機１０からの冷媒（ｂ）は、ガスクーラ１２を通過する。この際、冷媒（ｂ）は、ガスクーラ１２を流れるときに、ガスクーラ１２がファンからの送風を受けることで空冷され、エンタルピｉが減少した状態の冷媒（ｃ）になる。冷媒（ｃ）は、本実施例の熱交換器１４に該当する内部熱交換器にて冷媒（ｃ）よりも低温の第２通路８ｂの冷媒との熱交換により冷却され、過冷却状態の冷媒（ｄ）になる。この後、冷媒（ｄ）は、膨張弁１６を流れるときに膨張し、圧力Ｐ及び温度が低下した状態の冷媒（ｅ）になる。この冷媒（ｅ）は、気相及び液相の冷媒を含む湿り状態にある。冷媒（ｅ）は、蒸発器１８内にて、冷媒（ｅ）に含まれる液相の冷媒が気化熱を吸収し、エンタルピｉが増加したガス状態の冷媒（ｆ）になる。この際、ファン２０により蒸発器１８から車室２２内に向かう風を起こせば、蒸発器１８を通過する際に気化熱を奪われた冷風が車室２２内に送風され、これにより車室２２の温度が調整される。蒸発器１８で気化したガス状態の冷媒（ｆ）は再び圧縮機１０に吸入され、次の冷凍サイクルに入る。そして、上述したｆ、ｇ、ｃ、ｄ、ｅの順にサイクルが繰り返される。ここで、図３から明らかなように、起動時の圧縮機１０に吸入された冷媒（ａ）に比して冷媒（ｆ）のエンタルピｉは大きくなっている。これは、冷媒（ｃ）から冷媒（ｄ）へ過冷却される際、冷媒（ｃ）が、第２通路８ｂを流れる冷媒、つまり（ｅ）から（ａ）に遷移する過程の冷媒に吸熱させるためである。よって、冷媒は当初の冷媒（ａ）より高温の冷媒（ｆ）となり、更に冷媒（ｆ）は圧縮機１２から吐出された後に、冷媒（ｇ）となる。即ち、蒸発器前後のエンタルピｉの差は大きくなるものの、圧縮機１２からの冷媒の吐出温度が上昇してしまう。これは、冷媒同士で熱交換がなされて生じる弊害である。
【００１７】
一方、本実施例の空調装置６の冷凍サイクルでは、冷媒（ｃ）は、第２通路８ｂを流れる冷媒、つまり（ｅ）から（ａ）に遷移する過程の冷媒に吸熱させない。代わりに、蒸発器１８で発生したドレン水を熱交換器１４に滴下することにより、冷媒（ｃ）は、このドレン水の気化により気化熱を奪われた過冷却状態の冷媒（ｄ）になる。冷媒（ｄ）は、膨張弁１６を流れて膨張して冷媒（ｅ）となった後、冷媒（ｅ）は、蒸発器１８内にて液相の冷媒の気化熱が吸収される。冷媒（ｅ）は冷媒（ｃ）により加熱されていないため、起動時の圧縮機１０に吸入された状態と同じ冷媒（ａ）となる。冷媒（ａ）は、圧縮機１０吸い込まれて圧縮され、２巡目のサイクルでも１巡目のサイクルと同様の冷媒（ｂ）として吐出される。そして、上述したａ〜ｅの順にサイクルが繰り返される。
【００１８】
このように、上述した第１実施例の空調装置６では、圧縮機１０に吸入温度の上昇を伴うことなく冷媒の過冷却を行うことができるため、圧縮機１０からの冷媒の吐出温度の過剰な上昇を防止することができる。これにより、圧縮機１０の熱的負荷による耐久性低下が防止され、吐出温度の上昇に起因する圧縮機１０の停止が回避され、乗員の快適性を損なうこともない。また、従来の冷凍サイクルのエネルギ損失を利用しているため、同一冷凍サイクル内で実施可能であり、外部からの冷凍手段を用いることなく、従来の空調装置の構成を利用した簡単な構成で冷房能力を向上することができる。
【００１９】
また、図３に示されるように、特に夏季の外気温度が高い場合には、ガスクーラ１２が外気からの送風を受けても冷媒（ｈ）の状態までしかエンタルピｉが減少しないことがある。これでは、膨張弁１６を流れた後に、冷媒（ｅ）に比して圧力Ｐ及び温度が低下していない状態の冷媒（ｉ）にしかならない。しかし、本実施例では、このような場合でも、蒸発器１８のドレン水、即ち外気との熱交換を行わない冷媒を使用しているため、冷媒（ｈ）を効果的に冷媒（ｄ）の状態にすることができる。従って、外気温度の影響を受けることなく蒸発器１８前後のエンタルピｉの差が増大できるため、夏季においても冷房能力を向上させることができる。なお、冷媒で過冷却する従来の内部熱交換器では、夏季においては、冬季に比して冷凍能力のない冷媒で冷却するために、熱効率が悪く、且つ圧縮機１０の吐出温度が更に上昇し、悪循環を生じるものである。
【００２０】
次に、本発明の第２実施形態につき図面を参照して説明する。なお、第１実施例と重複する説明については省略する。
図４は本実施例の車両１の前部を概略的に示し、図５は本実施例の車両用空調装置３０の構成を概略的に示す。
図５に示されるように、本実施例の熱交換器３２は、第１実施例の熱交換器１４と同様の機能を備えていると同時に、第２流路８ｂから分岐し、圧縮機１０に帰還する第３流路８ｃが更に連通している。この熱交換器３２は、第２流路８ｂを流れる冷媒の冷凍能力を利用して第１流路８ａを流れる冷媒を冷却すべく熱交換させる。つまり、本実施例の空調装置３０は、従来の内部熱交換器の機能をも備えている。
【００２１】
第２流路８ｂから第３流路８ｃへ分岐する分岐点３４には、３方弁（流路切換手段）３６が介挿されており、第２流路８ｂからの冷媒が第３流路８ｃを経由するか否かを切替可能となっている。
ドレン回収装置２４には流量センサ３８が設置され、流量センサ３８の信号に基づいて、３方弁３６の切り換えが実施される。なお、第３流路８ｃが圧縮機１０に帰還する際の、第２流路８ｂとの結合点は、第２流路８ｂを流れる冷媒の流れ方向からみて下流側にあり、該結合点近傍のと３方弁３６の第３流路８ｃには、冷媒の逆流を防止する逆止弁４０が介挿されている。
【００２２】
また、熱交換器３２の断面図を示す図６を参照すると、熱交換器３２は、第１流路８ａを流れる冷媒は熱交換器３２の外側に配置されたチューブ（第１のチューブ）３２ａを流れ、第３流路８ｃを流れる冷媒は熱交換器３２の外側に配置されたチューブ３２ｃを流れる。チューブ３２ａ及び３２ｃの間には、これらを隔離する部材３２ａが介挿されている。好ましくは、部材３２ａは熱伝導性が高い材質で形成されている。また、チューブ３２ａは、より熱交換が促進されるように第１流路８ａからの冷媒の流れを例えば４本のチューブで分割されている。
【００２３】
以下、図７に示したモリエル線図を参照し、本実施例の空調装置３２の動作について説明する。
第２流路８ｂからの冷媒（ａ）を吸い込んで圧縮し、超臨界状態の冷媒（ｂ）がガスクーラ１２を通過して冷媒（ｃ）になる。しかし、圧縮機１０の運転状態や外気の状態により、蒸発器１８から充分なドレン水を確保できないために、ドレン水により過冷却しても、例えば冷媒（ｊ）の状態までしかエンタルピｉが減少しないことがある。ここで、本実施例では、熱交換器３２に供給されるドレン水の流量を流量センサ３８で検出する。検出されたドレン水の流量が予め設定された設定値以下となり、熱交換器３２に供給されるドレン水の流量が不足していることが検知されると、第２流路８ｂからの冷媒が第３流路８ｃを経由するように３方弁３６を切り換える。これにより、熱交換器３２へのドレン水の供給が少ない場合には、第1流路８ａの冷媒は、ドレン水に加えて第２流路８ｂの冷媒でも冷却され、ドレン水の供給が充分な場合には、第1流路８ａの冷媒はドレン水のみで冷却されて、冷媒（ｄ）の状態になり、蒸発器１８前後のエンタルピｉの差が増大する。その後、検出されたドレン水の流量が予め設定された設定値を超え、熱交換器３２に供給されるドレン水の流量が充分であることが検知されると、第３流路８ｃを経由しないように３方弁３６を切り換える。
【００２４】
このように、上述した第２実施例の空調装置６では、外気温度によるドレン水量増減の影響を受けることなく、従来の内部熱交換器である冷媒同士だけで熱交換を行う場合に比して圧縮機１０からの冷媒の吐出温度の上昇を抑制しながら、所望の冷房能力を確保することができる。
また、内部熱交換器３２へのドレン水の供給は、３方弁３６の切換方向に拘らず、常に実施されるため、ドレン水の供給を冷媒冷却の補助的手段と捉えることができる。従って、熱交換器３２のサイズダウンが可能となるため、車両１の軽量化やエンジンルーム２のレイアウトの多様性が実現できる。
【００２５】
更に、熱交換器３２のチューブ３２ａがチューブ３２ｂより外側に配置されるため、チューブ３２ａつまり、第１流路８ａを流れる冷媒が、熱交換器３２に滴下されるドレン水によっても効果的に冷却される。よって、少ないドレン水量でもドレン水による冷却効果を最大限利用可能となり、圧縮機１０からの冷媒の吐出温度の上昇及び冷房能力向上に更に寄与する。
【００２６】
以上で本発明の第１、第２実施例についての説明を終えるが、本発明は上記実施例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、必要に応じてレシーバを配置したり、内部熱交換器１４、３２の配置を変更してもよく、空調装置の構成は限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施例に係る車両用空調装置を車両の側面からみた図である。
【図２】図１の車両用空調装置に適用された熱交換器の概略を示す図である。
【図３】図１の車両用空調装置の動作を説明するモリエル線図である。
【図４】本発明の第２実施例に係る車両用空調装置を車両の側面からみた図である。
【図５】図４の車両用空調装置に適用された熱交換器の概略を示す図である。
【図６】図５の熱交換器の断面図である。
【図７】図４の車両用空調装置の動作を説明するモリエル線図である。
【符号の説明】
【００２８】
６  車両用空調装置
８  循環流路
８ａ  第１流路
８ｂ  第２流路
８ｃ  第３流路
１０  圧縮機
１２  ガスクーラ
１４  熱交換器
１６  膨張弁
１８  蒸発器
３２  熱交換器
３２ａ  チューブ（第１のチューブ）
３４  分岐点
３６  ３方弁（流路切換手段）
【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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