JP2007205651A - 冷凍システム及び車両用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷房能力の低下を防ぐことができる冷凍システムを提供する。
【解決手段】ＣＯ_２冷媒が循環経路内を循環する冷凍システム(2)であって、循環経路には、冷媒の流れ方向でみて圧縮機(18)、ガスクーラ(20)、膨張装置(22)及び蒸発器(24)が順次介挿されており、膨張装置は、冷媒を絞り作用によって膨張させるエキパン部(30)と、冷媒から圧縮機用のオイルを分離するオイルセパレータ部(40)と、分離されたオイルを圧縮機に圧送するオイルポンプ部(50)とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍システムに関し、より詳しくは、ＣＯ_２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。

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ＣＯ_２（炭酸）ガスがある。
しかし、このＣＯ_２冷媒は高圧側が超臨界領域になってサイクルの効率が悪いため、ガスクーラと膨張弁との間には内部熱交換器が設けられており、ガスクーラの出口側の冷媒と蒸発器の出口側の冷媒とによる内部熱交換が行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２２５５４９号公報

ところで、この種の圧縮機は冷媒を圧縮するが、この冷媒には、通常、潤滑油（オイル）が含まれている。このオイルは圧縮機内の摺動面や軸受等の潤滑のみならず、摺動面のシールとしての機能を有する。しかしながら、このオイルによる循環経路内の循環は冷凍システムの冷房能力を低下させる要因となる。
つまり、このオイルは、高圧側にてＣＯ_２冷媒に非常に良く溶解する一方、低圧側では殆ど溶解しない。詳しくは、この低圧側における溶解しないオイルは、液体として例えば蒸発器内部の管壁に張り付き、オイル独自の層を形成するのである。そして、仮に蒸発器でのオイル循環率（O.C.R.）が０．３％以上になると、熱伝達が極端に悪化するという問題がある。このように、上記従来の技術では、冷房能力の低下の点については依然として課題が残されている。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、冷房能力の低下を防ぐことができる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。

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、ＣＯ_２冷媒が循環経路内を循環する冷凍システムであって、循環経路には、冷媒の流れ方向でみて圧縮機、ガスクーラ、膨張装置及び蒸発器が順次介挿されており、膨張装置は、冷媒を絞り作用によって膨張させるエキパン部と、冷媒から圧縮機用のオイルを分離するオイルセパレータ部と、分離されたオイルを圧縮機に圧送するオイルポンプ部とを具備することを特徴としている。

また、請求項２記載の発明では、オイルセパレータ部は、回転軸の回転に伴って冷媒を上方に向けて移動させる一方、オイルを側方に向けて移動させる分離板を備えることを特徴としている。
更に、請求項３記載の発明では、エキパン部は、回転軸により駆動される可動及び固定の各スクロールを有するスクロールユニットを備えることを特徴としている。

更にまた、請求項４記載の発明では、オイルポンプ部は、回転軸により駆動される内側及び外側の各ロータを有するトロコイドユニットを備えることを特徴としている。
また、請求項５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。

従って、請求項１記載の本発明の冷凍システムによれば、ＣＯ_２冷媒がオイルを含み、このオイルは圧縮機から流出し、ガスクーラにて冷却されて膨張装置に達する。そして、当該膨張装置は、冷媒の膨張機能の他、冷媒からのオイル分離機能と、圧縮機へのオイル圧送機能とを備えている。すなわち、この膨張装置内の冷媒は、エキパン部の絞り作用による膨張を受けるとともに、オイルセパレータ部にてオイルが分離される。そして、このオイルはオイルポンプ部から圧縮機に常に戻される。よって、蒸発器へのオイルの流入が回避される結果、熱交換機能が確保され、ＣＯ_２冷媒を用いた冷凍システムの冷房能力の低下が回避される。

また、オイルセパレータ部を、圧縮機の出口側ではなく、膨張装置に設ければ、ガスクーラで冷却されたオイルはそのオイル粘度が高くなり、冷媒からの分離が容易になる。この結果、効率の良いオイル分離が達成される。
また、請求項２記載の発明によれば、ガスクーラからの高圧の冷媒は膨張装置のエキパン部にて膨張された後、オイルセパレータ部に達する。このオイルセパレータ部では、分離板が回転軸の回転に伴って回転すると、冷媒を上方に向けて移動させると同時にオイルを側方に向けて移動させる。この回転軸の撹拌による冷媒とオイルとの分離により、蒸発器に向けて流れる冷媒の比エンタルピが減少するので、冷凍システムの冷房能力の向上に寄与する。

更に、請求項３記載の発明によれば、ガスクーラからの高圧の冷媒はスクロールユニット内に導入される。その内部の容積の増加によって膨張可能となる。また、エキパン部は、オイルセパレータ部を駆動させる回転軸と同一の回転軸によって駆動されるので、膨張装置の構成の簡略化が可能になる。
更にまた、請求項４記載の発明によれば、ガスクーラからの高圧の冷媒は、膨張装置のオイルセパレータ部にてオイルが冷媒から分離された後、オイルポンプ部に達する。このオイルポンプ部では、内側ロータと外側ロータとの隙間の容積が減少され、オイルが圧縮機に向けて圧送可能となる。また、オイルポンプ部もまた、オイルセパレータ部を駆動させる回転軸と同一の回転軸によって駆動されるので、膨張装置の構成の簡略化が可能になる。

また、請求項５記載の車両用空調装置によれば、自然系冷媒であるＣＯ_２冷媒を用いていることから、環境負荷の低減に大きく貢献する。

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２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房する。
冷凍システム２は、自然系冷媒であるＣＯ_２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。

冷凍回路６は上記冷媒の循環経路１１〜１４を有し、これら循環経路１１〜１４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１１〜１４には、上流側からコンプレッサ（圧縮機）１８、ガスクーラ２０、膨張装置２２及びエバポレータ（蒸発器）２４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、膨張装置２２はエンジンルーム８内に配置され、蒸発器２４は車室４内に配置されている。なお、図１中、参照符号１１，１２，１３は上記循環経路の往路部分を形成し、参照符号１４は上記循環経路の復路部分を形成している。

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高圧側の循環経路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。
そして、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、高圧側の循環経路１２を介して膨張装置２２に導入され、低圧側の循環経路１３を介して蒸発器２４に供給され、蒸発器２４内にて低温低圧のガス状態となる。この蒸発器２４の下流側は、低圧側の循環経路１４を介して圧縮機１８に接続されており、上記低温低圧ガス状態の冷媒は圧縮機１８に吸引される。

ここで、本実施形態の膨張装置２２は、ガスクーラ２０と蒸発器２４との間、すなわち、高圧側の循環経路１２と低圧側の循環経路１３との間に配設されており、冷媒の膨張機能に加え、冷媒から圧縮機用のオイルを分離するオイル分離機能と、この冷媒から分離されたオイルを圧縮機１８に吐出するオイル圧送機能とを備えている。
より詳しくは、図２に示されるように、膨張装置２２は、上方からエキパン部３０、オイルセパレータ部４０及びオイルポンプ部５０の順に配置されており、これらエキパン部３０からオイルポンプ部５０に至る回転軸２８が配設されている。

まず、エキパン部３０は筒状のケース３１を備えており、図３（ａ）に示される如く、ケース３１内にはスクロールユニット３２が収容されている。このスクロールユニット３２は固定スクロール３３及び可動スクロール３６から構成されており、これら各スクロール３３，３６はそれぞれ渦巻きラップを備えている。また、固定スクロール３３の基板３４の中央位置には循環経路１２に接続される導入口３５が基板３４を貫通して形成され、上記渦巻きラップの協働によって形成される圧力室３７が対峙されている。この圧力室３７は、固定スクロール３３に対する可動スクロール３６の旋回運動に伴い、渦巻きラップの中心側から径方向外周側に向けて移動し、その際、圧力室３７の容積が増加される。

この可動スクロール３６の旋回運動を達成するため、可動スクロール３６の背面側は図示しない偏心ブッシュに回転自在に支持されており、この偏心ブッシュは回転軸２８に連結されている。なお、可動スクロール３６の背面側にはカウンタウエイトや自転阻止機構が配設される。また、このケース３１には導出口３８がその周壁を貫通して形成されており、冷媒及びオイルの送出通路３９に接続している。

次に、オイルセパレータ部４０はエキパン部３０の下方に位置し、長筒状のハウジング４１を備えている。ハウジング４１の下端面には、送出通路３９に接続される導入口４２が形成され、ハウジング４１の上端部分には循環経路１３に接続される冷媒導出口４４が形成されている。また、ハウジング４１の周壁の上端側にはオイル導出口４５が形成され、このオイル導出口４５はオイル連通路４６に接続している。

ハウジング４１内には、回転軸２８が回転自在に配置されており、この回転軸２８の外周縁には複数の分離板４３が配設されている。具体的には、分離板４３は上方に向けて縮径された陣笠状に形成され、径方向に半割りされた形状をなしている。また、各分離板４３は回転軸２８の軸線方向に沿って互い違いに配置され、各板の上側に冷媒及びオイルを載置可能に構成されている。

続いて、オイルポンプ部５０は、オイルセパレータ部４０の上方、より具体的には、エキパン部３０とオイルセパレータ部４０との間に位置し、筒状のケース５１を備えており、図３（ｂ）に示される如く、ケース５１内にはトロコイドユニット５２が収容されている。このトロコイドユニット５２は内側ロータ５３及び外側ロータ５４から構成され、これら各ロータ５３，５４は回転軸２８の回転に伴って回転する。また、内側ロータ５３と外側ロータ５４との間には隙間５６が形成されている。この隙間５６の容積は外側ロータ５４に対する内側ロータ５３の位置によって異なり、ケース５１の周壁には、隙間５６の容積が大きくなり始める位置に吸入口５５が、この容積が一旦大きくなった後に小さくなる位置に吐出口５７がそれぞれ形成されている。

この隙間５６の容積を可変にするため、各ロータ５３，５４の中心は互いに偏心されており、内側ロータ５３の内周側は回転軸２８に嵌合され、内側ロータ５３は回転軸２８と一体に回転可能に構成されている。また、内側ロータ５３の外周側には外側ロータ５４に歯合される歯が備えられている。一方、外側ロータ５４の内周側にも歯が備えられているが、この歯は内側ロータ５３の歯数よりも１枚多く構成されている。そして、外側ロータ５４の外周側はケース５１に遊嵌されており、内側ロータ５３が回転軸２８の回転に伴って回転すると、外側ロータ５４も内側ロータ５３の回転方向と同方向に回転する。

上述した吸入口５５はオイル連通路４６に接続し、吐出口５７はオイル吐出通路１５に接続している。このオイル吐出通路１５では、蒸発器２４をバイパスして膨張装置２２と圧縮機１８とを接続しており、オイルセパレータ部４０にて分離されたオイルをオイルポンプ部５０から圧縮機１８に向けて戻されている。
上述した冷凍システム２によれば、圧縮機１８の作動に伴い、蒸発器２４から冷媒を圧縮する。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４の点Ａから点Ｂまで変化する。そして、循環経路１１を介してオイルを含んだ高温高圧ガス状態の冷媒をガスクーラ２０に供給する。

続いて、この冷媒はガスクーラ２０内で冷却される。つまり、ガスクーラ２０の冷却作用により、比エンタルピが減少して同図の点Ｂから点Ｃまで等圧変化する。そして、循環経路１２を介して膨張装置２２に供給される。なお、この点Ｂから点Ｃに変化する高圧側の状態では、オイルは冷媒に非常に良く溶解している。
次いで、循環経路１２からの冷媒はエキパン部３０の絞り作用による膨張を受ける。つまり、回転軸２８はケース３１内の導入口３５側と導出口３８側との圧力差によって回転し、圧力室３７内で膨張した冷媒は、送出通路３９を介してオイルセパレータ部４０にその下方から導入される。この膨張による低圧側の状態では、オイルは冷媒に殆ど溶解していないことから、冷媒からオイルを効率良く分離可能となる。

具体的には、オイルセパレータ部４０の分離板４３上に載置されたオイルを含む冷媒は、回転軸２８の回転に伴い、比重の小さな冷媒をハウジング４１の上方に向けて移動させる一方、比重の大きなオイルを遠心力によりハウジング４１の周壁に向けて移動させる。このオイルセパレータ部４０内の撹拌による気液分離によって冷媒とオイルとを分離することにより、蒸発器２４に向かう比エンタルピが減少し、エンタルピ差が拡大される。すなわち、冷媒導出口４４近傍の冷媒は、その比エンタルピを減少させつつ、圧力が減少して同図の点Ｃから点Ｄまで変化する。

そして、この冷媒は循環経路１３を介して蒸発器２４内に噴出され、冷媒の気化熱により蒸発器２４の周囲の空気が冷却される。次いで、冷気が車室４内に送り込まれることにより、車室４内の冷房が行われる。この後、蒸発器２４内の冷媒は循環経路１４を介して圧縮機１８に戻り、圧縮機１８により再度圧縮され、循環経路１１〜１４を上述した如く循環する。

これに対し、冷媒から分離されたオイルは、オイル導出口４５からオイル連通路４６を介してオイルポンプ部５０に導入される。吸入口５５に到達したオイルは、回転軸２８の回転に伴ってロータ５３，５４が隙間５６の容積を大きくさせる配置にて隙間５６内に吸入され、次に隙間５６の容積が小さくなったロータ５３，５４の配置にて圧縮されて吐出口５７に向けて吐出される。そして、このオイルはオイル吐出通路１５及び循環経路１４を介して圧縮機１８に向けて常時返戻される。

以上のように、本発明によれば、ＣＯ_２冷媒がオイルを含み、このオイルは圧縮機１８から流出し、ガスクーラ２０にて冷却されて膨張装置２２に達する。そして、膨張装置２２は、冷媒の膨張機能の他、冷媒からのオイル分離機能と、圧縮機１８へのオイル圧送機能とを備えている。すなわち、この膨張装置２２内の冷媒は、エキパン部３０の絞り作用による膨張を受けるとともに、オイルセパレータ部４０にてオイルが分離される。そして、このオイルはオイルポンプ部４０から循環経路１３とは別個のオイル吐出通路１５を介して圧縮機１８に常に戻される。よって、蒸発器２４へのオイルの流入が回避される結果、蒸発器２４内のオイル循環率が小さくなって熱交換機能が確保され、ＣＯ_２冷媒を用いた冷凍システムの冷房能力の低下が回避される。

また、オイルセパレータ部４０を、圧縮機１８の出口側ではなく、膨張装置２２に設ければ、ガスクーラ２０で冷却されたオイルはそのオイル粘度が高くなり、冷媒からの分離が容易になる。この結果、効率の良いオイル分離が達成される。
更に、エキパン部３０では、ガスクーラ２０からの高圧の冷媒が、基板３４の中央に位置する圧力室３７に導入される。この後、圧力室３７では各スクロール３３，３６の渦巻きラップに沿って基板３４の外周側に向けて移動し、その際、圧力室３７の容積の増加によって膨張可能となる。

また、ガスクーラ２０からの高圧の冷媒はエキパン部３０にて膨張された後、オイルセパレータ部４０に達する。このオイルセパレータ部４０では、分離板４３が回転軸２８の回転に伴って回転すると、比重の小さなＣＯ_２冷媒を上方に向けて移動させると同時に比重の大きなオイルを側方に向けて移動させる。この回転軸２８の撹拌による冷媒とオイルとの分離により、蒸発器２４に向けて流れる冷媒の比エンタルピが減少するので、冷凍システムの冷房能力の向上に寄与する。

更にまた、オイルセパレータ部４０にて分離されたオイルはオイルポンプ部５０に達する。このオイルポンプ部５０では、内側ロータ５３と外側ロータ５４との隙間５６の容積が減少され、オイルが圧縮機１８に向けて圧送可能となる。
しかも、オイルセパレータ部４０及びオイルポンプ部５０は、エキパン部３０内にて冷媒が膨張する際の差圧によって稼動され、また、上述したエキパン部３０、オイルセパレータ部４０及びオイルポンプ部５０は、同一の回転軸２８によって駆動されるので、膨張装置２２の構成が簡略化され、膨張装置の信頼性向上に寄与する。

また、車両用空調装置に自然系冷媒であるＣＯ_２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、本発明のエキパン部はスクロール型に限定されるものではなく、また、オイルポンプ部もまたトロコイド型に必ずしも限定されるものではない。

更に、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、ＣＯ_２冷媒を用いた冷凍・空調サイクル全般に適用可能である。

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１の冷凍システムにおける膨張装置の概略構成図である。 （ａ）は図２のａ−ａ線矢視断面図によるエキパン部、（ｂ）は同図のｂ−ｂ線矢視断面図によるオイルポンプ部を説明する図である。 図１の冷凍システムにおけるＣＯ_２冷媒の概略的なモリエール線図である。

符号の説明

２ 冷凍システム
６ 冷凍回路
１１，１２，１３，１４ 循環経路
１８ 圧縮機
２０ ガスクーラ
２２ 膨張装置
２４ 蒸発器
２８ 回転軸
３０ エキパン部
３２ スクロールユニット
３３ 固定スクロール
３６ 可動スクロール
４０ オイルセパレータ部
４３ 分離板
５０ オイルポンプ部
５２ トロコイドユニット
５３ 内側ロータ
５４ 外側ロータ

Claims (5)

1. ＣＯ_２冷媒が循環経路内を循環する冷凍システムであって、
   前記循環経路には、前記冷媒の流れ方向でみて圧縮機、ガスクーラ、膨張装置及び蒸発器が順次介挿されており、
   前記膨張装置は、前記冷媒を絞り作用によって膨張させるエキパン部と、該冷媒から前記圧縮機用のオイルを分離するオイルセパレータ部と、該分離されたオイルを前記圧縮機に圧送するオイルポンプ部と
   を具備することを特徴とする冷凍システム。
2. 前記オイルセパレータ部は、回転軸の回転に伴って前記冷媒を上方に向けて移動させる一方、前記オイルを側方に向けて移動させる分離板を備えることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
3. 前記エキパン部は、前記回転軸により駆動される可動及び固定の各スクロールを有するスクロールユニットを備えることを特徴とする請求項２に記載の冷凍システム。
4. 前記オイルポンプ部は、前記回転軸により駆動される内側及び外側の各ロータを有するトロコイドユニットを備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の冷凍システム。
5. 請求項１から４のいずれか一項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。

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