JP2007093086A - 冷凍システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＯ_２とＨＣとの混合冷媒に含まれる潤滑油を蒸発器に流入させることなく、圧縮機に供給させる冷凍システムを提供する。
【解決手段】凝縮器(32)からの混合冷媒を更に冷却する減圧手段(34)と、減圧手段からの混合冷媒をＣＯ_２成分と潤滑油を含むＨＣ成分とに分離し、ＣＯ_２成分の出口及びＨＣ成分の出口をそれぞれ有する気液分離ユニット(36)と、気液分離ユニットのＣＯ_２成分の出口と圧縮機(30)との間を膨張弁(40)及び蒸発器(42)を介して接続する第１冷媒流路(18)と、気液分離ユニットのＨＣ成分の出口と圧縮機との間を接続する第２冷媒流路(26)と、第１及び第２冷媒流路に介挿されてＣＯ_２及びＨＣ成分をそれぞれ導く内部流路(19,27)を有し、第２冷媒流路からのＨＣ成分を膨脹させて第１冷媒流路からのＣＯ_２成分を再冷却する熱交換ユニット(38)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、少なくともＣＯ_２とＨＣとの混合冷媒を使用した冷凍システムに関する。

近年、地球環境への配慮から、地球温暖化係数（ＧＷＰ）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（二酸化炭素）やＨＣ（炭化水素）があり、環境負荷の低減に大きく貢献する。
しかし、前者のＣＯ_２は不燃性である一方、蒸発圧力が高く、外気温度が高くなると成績係数（ＣＯＰ）が悪化する。これに対し、後者のＨＣはＣＯＰが優れている一方、可燃性であってその使用充填量には制限が設けられている。このため、これらＣＯ_２とＨＣとを混合させてトレードオフの関係の解決を図る技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１６８９７号公報

ところで、冷凍システムの冷媒には通常、潤滑油が含まれており、潤滑油は回路中の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。一方、この潤滑油が回路中の蒸発器内に流入する場合には冷房能力を低下させる要因になる。例えば、ＣＯ_２冷媒を用いた場合には、蒸発器内のオイル循環率（ＯＣＲ）が０．２〜０．３％になると、伝熱性能が悪化するのである。

つまり、上記従来の技術では、気液分離ユニット内にてＨＣとＣＯ_２とを分離させる点については開示されているが、潤滑油を蒸発器に流入させずに圧縮機に導く点については格別の配慮がなされていない。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、ＣＯ_２とＨＣとの混合冷媒に含まれる潤滑油を蒸発器に流入させることなく、圧縮機に供給させる冷凍システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、請求項１記載の冷凍システムは、少なくともＣＯ_２とＨＣとの混合冷媒が潤滑油を含み、循環経路内を循環する冷凍回路であって、循環経路には、混合冷媒の流れ方向でみて少なくとも圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器が順次介挿されており、凝縮器からの混合冷媒を更に冷却する減圧手段と、減圧手段からの混合冷媒を気相成分と潤滑油を含む液相成分とに分離し、気相成分の出口及び液相成分の出口をそれぞれ有する気液分離ユニットと、気液分離ユニットの気相成分の出口と圧縮機との間を膨張弁及び蒸発器を介して接続する第１冷媒流路と、気液分離ユニットの液相成分の出口と圧縮機との間を接続する第２冷媒流路と、第１及び第２冷媒流路に介挿されて気相及び液相成分をそれぞれ導く内部流路を有し、第２冷媒流路からの液相成分を膨脹させて第１冷媒流路からの気相成分を再冷却する熱交換ユニット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、第１冷媒流路には、蒸発器と圧縮機との間にて気相成分を減圧する他の減圧手段を更に具備する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、凝縮器と気液分離ユニットとの間には減圧手段が備えられ、この減圧手段では、潤滑油を含んだ混合冷媒を更に冷却しているので、当該潤滑油は気液分離ユニット内にて液相のＨＣとともにＣＯ_２から分離される。そして、この潤滑油は、第１冷媒流路に導入されずに、第２冷媒流路を介して圧縮機に供給される。よって、圧縮機内の潤滑が確保されるし、蒸発器内への潤滑油の流入防止も図られる。

また、気液分離ユニットにて分離されたＣＯ_２は、熱交換ユニットにて凝縮器や減圧手段で冷却されたＨＣによって更に冷却され、蒸発器に供給される。従って、ＣＯ_２冷媒のみを用いた場合に比してＣＯＰの向上が図られる。
また、請求項２記載の発明によれば、圧縮機には、他の減圧手段を介して低圧の混合冷媒が供給されることから、混合冷媒に蒸発圧力の高いＣＯ_２冷媒を用いても、圧縮機の作動が高効率に維持される。

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冷凍システム２の概略が示されており、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。本実施形態の冷凍システム２は、ＣＯ_２（ＧＷＰ＝１）とＨＣの一例としてプロパン（ＧＷＰ＝３）との混合冷媒（以下、単に混合冷媒と称す）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。

詳しくは、この冷凍回路６は冷媒の循環経路を有しており、これら循環経路はその大部分がエンジンルーム８内に配置されているが、その一部は車室４内にも延びている。図中、参照符号１２，１４，１６，１８，２０は上記循環経路の往路部分を形成し、参照符号２２，２４は上記循環経路の復路部分を形成している。
当該循環経路には、上流側からコンプレッサ（圧縮機）３０、コンデンサ（凝縮器）３２、減圧弁（減圧手段）３４、気液分離器（気液分離ユニット）３６、内部熱交換器（熱交換ユニット）３８、膨張弁４０、エバポレータ（蒸発器）４２及び絞り弁（他の減圧手段）４４が順次介挿されている。そして、これら圧縮機３０、凝縮器３２、減圧弁３４、気液分離器３６、内部熱交換器３８、膨張弁４０及び絞り弁４４はエンジンルーム８内に配置され、蒸発器４２は車室４内に配置されている。

この圧縮機３０はエンジン１０の駆動力によって作動され、循環経路２４からの混合冷媒を吸い込んで圧縮しながら混合冷媒の流動を生成し、循環経路１２に吐出する。なお、混合冷媒は潤滑油を含み、この潤滑油は圧縮機３０内の軸受や種々の摺動面を潤滑する他、摺動面のシールする機能をも発揮する。
次に、凝縮器３２で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混合冷媒を冷却し、循環経路１４に供給する。この凝縮器３２では混合冷媒のうち、特にプロパンが凝縮される。続いて、減圧弁３４では凝縮器３２からの混合冷媒を更に冷却する。この減圧弁３４では混合冷媒のうち、特にＣＯ_２を冷却し、循環経路１６に供給する。

そして、気液分離器３６では凝縮器３２及び減圧弁３４からの混合冷媒の気液を分離する。詳しくは、気液分離器３６の下流側には、分岐された２つの流路、すなわち、主循環流路（第１冷媒流路）１８及び副循環流路（第２冷媒流路）２６がそれぞれ形成されている。主循環流路１８は、気液分離器３６の天井壁から延び、分離された気相成分であるＣＯ_２を流動させる。一方、副循環流路２６は気液分離器３６の底壁から延び、分離された液相成分であるプロパンや、上記凝縮器３２や減圧弁３４にて冷却された潤滑油を流動させる。潤滑油は冷却によって重くなるし、また、プロパンに対する溶解度が増すからである。

また、主循環流路１８及び副循環流路２６は内部熱交換器３８に達している。この内部熱交換器３８は、主循環流路１８から気相のＣＯ_２成分が供給される内部流路１９と、膨張弁４６を介して副循環流路２６から液相のＨＣ成分や潤滑油が供給される内部流路２７とを有しており、これら内部流路１９，２７を流れる各成分間にて熱交換が行われる。より具体的には、内部熱交換器３８は、膨張弁４６にて低温低圧にされた副循環流路２６から液相のプロパン成分や潤滑油の気化熱によって、主循環流路１８から気相のＣＯ_２成分を冷却している。

主循環流路１８の下流側に介挿された膨張弁４０では蒸発器４２に向かうＣＯ_２成分の流れを調整し、蒸発器４２では熱交換が行われる。また、この蒸発器４２の下流側は循環経路２２を介して絞り弁４４に接続され、蒸発器４２からのＣＯ_２成分を減圧し、その後、循環経路２４を介して圧縮機３０に接続されている。一方、副循環流路２８の下流側には逆止弁４８が介挿されており、通路２８を介して循環経路２４に接続され、プロパン成分や潤滑油を圧縮機３０に供給している。

上述した冷凍システム２によれば、圧縮機３０の起動に伴い、蒸発器４２からの冷媒を圧縮する。つまり、この圧縮機３０の断熱圧縮作用によって比エンタルピ及び圧力がそれぞれ増加し、図２の点Ａから点Ｂまで変化する。そして、循環経路１２を介して高温高圧の潤滑油を含む混合冷媒を凝縮器３２に供給する。
この混合冷媒は凝縮器３２内で冷却され、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。次いで、減圧弁３４にて更に冷却された混合冷媒は、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同図の点Ｃから点Ｄまで変化し、気液分離器３６に流入する。気液分離器３６では混合冷媒の気液を分離し、気相のＣＯ_２成分を主循環流路１８に向けて流出させるとともに、液相のプロパン成分及び潤滑油を副循環流路２６に向けて流出させる。

主循環流路１８を流れる気相のＣＯ_２成分は、気液分離器３６から直接に内部熱交換器３８の内部流路１９に供給されるが、副循環流路２６を流れる液相のプロパン成分及び潤滑油は、膨張弁４６を通じて膨張し、低温低圧となって内部熱交換器３８の内部流路２７に供給される。つまり、ＣＯ_２成分は、内部流路１９を流れる間に内部流路２７を流れるプロパン成分及び潤滑油の気化熱により再冷却され、比エンタルピが減少して同図の点Ｄから点Ｅまで等圧変化する。

そして、高圧のＣＯ_２成分は膨張弁４０に供給されて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同図の点Ｅから点Ｆまで変化し、循環経路２０を介して蒸発器４２内に噴出させる。次いで、冷媒の気化熱により蒸発器４２の周囲の空気が冷却され、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４２からの冷媒は、絞り弁４４を通じて同図の点Ｇから点Ａまで減圧された後、圧縮機３０に戻る。

これに対し、副循環流路２６を流れる液相のプロパン成分及び潤滑油は、膨張弁４６を通じて膨張されており、同図の１点鎖線で示される如く、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同図の点Ｄから点ｅまで変化し、次いで、内部熱交換器３８、逆止弁４８を経て比エンタルピが増加して点ｅから点Ａまで等圧変化する。そして、絞り弁４４を経たＣＯ_２成分と混合されて圧縮機３０に戻り、この後、圧縮機３０により再度圧縮され、上記循環経路を上述した如く循環する。

以上のように、本実施形態によれば、凝縮器３２と気液分離器３６との間には減圧弁３４が備えられ、この減圧弁３４では、潤滑油を含んだ混合冷媒を更に冷却しているので、当該潤滑油は気液分離器３６内にて液相のプロパンとともにＣＯ_２から分離される。そして、この潤滑油は、第１冷媒流路１８に導入されずに、第２冷媒流路２６を介して圧縮機３０に供給される。よって、圧縮機３０内の潤滑が確保されて圧縮機の焼き付きが防止されるし、蒸発器４２内への潤滑油の流入防止も図られる。

また、気液分離器３６にて分離されたＣＯ_２は、内部熱交換器３８にて凝縮器３２や減圧弁３４で冷却されたＨＣによって更に冷却され、蒸発器４２に供給される。従って、ＣＯ_２冷媒のみを用いた場合に比してＣＯＰの向上が図られる。
更に、圧縮機３０には、絞り弁４４を介して低圧の混合冷媒が供給されることから、混合冷媒に蒸発圧力の高いＣＯ_２冷媒を用いても、圧縮機の作動が高効率に維持される。

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、本発明の混合冷媒はＣＯ_２とプロパンとの混合冷媒にのみ限定されるものでもなく、イソブタン等の他のＨＣ成分との混合冷媒であっても良い。また、本発明の冷凍システムは、車両用空調装置、業務用空調装置、家庭用ヒートパイプ、給湯器、及び暖房器等の如く種々の冷凍・空調サイクルに適用されるものである。

本発明の一実施例における冷凍回路の概略構成を示した図である。 図１の冷凍回路に使用された混合冷媒の概略的なモリエール線図である。

符号の説明

６ 冷凍回路
１８ 主循環流路（第１冷媒流路）
１９，２７ 内部流路
２６ 副循環流路（第２冷媒流路）
３０ 圧縮機
３２ 凝縮器
３４ 減圧弁（減圧手段）
３６ 気液分離器（気液分離ユニット）
３８ 内部熱交換器（熱交換ユニット）
４０ 膨張弁
４２ 蒸発器
４４ 絞り弁（他の減圧手段）

Claims (2)

1. 少なくともＣＯ_２とＨＣとの混合冷媒が潤滑油を含み、循環経路内を循環する冷凍回路であって、前記循環経路には、前記混合冷媒の流れ方向でみて少なくとも圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器が順次介挿されており、
   前記凝縮器からの前記混合冷媒を更に冷却する減圧手段と、
   該減圧手段からの前記混合冷媒を気相成分と前記潤滑油を含む液相成分とに分離し、前記気相成分の出口及び前記液相成分の出口をそれぞれ有する気液分離ユニットと、
   前記気液分離ユニットの前記気相成分の出口と前記圧縮機との間を前記膨張弁及び前記蒸発器を介して接続する第１冷媒流路と、
   前記気液分離ユニットの前記液相成分の出口と前記圧縮機との間を接続する第２冷媒流路と、
   前記第１及び第２冷媒流路に介挿されて前記気相及び液相成分をそれぞれ導く内部流路を有し、前記第２冷媒流路からの前記液相成分を膨脹させて前記第１冷媒流路からの前記気相成分を再冷却する熱交換ユニットと
   を具備することを特徴とする冷凍システム。
2. 前記第１冷媒流路には、前記蒸発器と前記圧縮機との間にて前記気相成分を減圧する他の減圧手段を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。

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