JP2007191125A - 車両用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二酸化炭素などを冷媒とする車両用空調装置において、少量の凝縮水により放熱器の熱交換率を向上させる。
【解決手段】供給空気が蒸発器１５を通過する際に発生する凝縮水を貯留する貯留タンク２１と、この凝縮水を放熱器１２の熱交換領域の後半部分に供給する凝縮水供給パイプ２３とを備え、蒸発器１５で発生した凝縮水により熱交換率の低い放熱器１２の熱交換領域の後半部分を冷却するようにした。
【選択図】 図１

Description

この発明は、二酸化炭素などを冷媒とする車両用空調装置に関し、詳しくは蒸発器で発生する凝縮水を利用して放熱器の熱交換率を向上させた車両用空調装置に関する。

従来より、車両用空調装置の冷凍サイクルでは、冷却性能を向上させるための対策として、凝縮器での熱交換率を改善する試みがなされている。

例えば、蒸発器（エバポレータ）から出た凝縮水をタンクに貯留し、この凝縮水を凝縮器（コンデンサ）に噴霧することにより凝縮器を冷却するようにした冷却装置が提案されている（特許文献１参照）。また、このような凝縮水を利用して凝縮器を冷却する技術に関して、冷凍サイクル内の圧力と車室内温度を検出し、この圧力と車室内温度に基づいて凝縮水の水量を制御するようにした空気調和機が提案されている（特許文献２参照）。
特開昭６３−１８４０７９号公報 特開平７−４０７３２号公報

近年の車両用空調装置の冷凍サイクルでは、温暖化係数の低い二酸化炭素などの気液臨界温度・圧力以上で使用される自然冷媒が用いられており、冷媒が外部に漏れた場合にも環境への影響を少なくする対策が採られている。

このような二酸化炭素を冷媒とした冷凍サイクルでは、冷媒の圧力が超臨界圧になるため、冷媒の冷却手段としては従来の凝縮熱を利用したものではなく、高温の二酸化炭素ガスをそのまま冷却することで放熱させる放熱器（ガスクーラ）が使用される。この放熱器と現行冷媒（ＨＦＣ１３４ａなど）で使用される凝縮器との違いは、凝縮器は臨界点温度以下で凝縮潜熱を利用するので、希ガス混合状態の二相領域が大部分を占めており、一定温度で放熱する範囲が広いことにある。したがって、上記特許文献に示された従来技術のように凝縮水を利用して凝縮器を冷却する場合、凝縮水を全面に均一に噴霧しないと、凝縮水を噴霧したところと噴霧しないところでは放熱効率が異なってしまう。しかし、蒸発器で発生する凝縮水は水量が少ないため、熱交換率の向上を図ることは困難であった。

この発明の目的は、少量の凝縮水により放熱器の熱交換率を向上させることができる車両用空調装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係わる車両用空調装置は、二酸化炭素を冷媒として圧縮する圧縮機と、この圧縮機で圧縮された冷媒と外気との間で熱交換する放熱器と、この放熱器を通過した冷媒を減圧する減圧手段と、この減圧手段で減圧された冷媒と車室内供給空気との間で熱交換する蒸発器と、前記蒸発器を通過した冷媒を気液分離する気液分離器とを環状に配管接続してなり、車室内供給空気が前記蒸発器を通過する際に発生する凝縮水を貯留し、当該凝縮水を前記放熱器の熱交換領域の後半部分に集中して供給する凝縮水供給手段を備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、蒸発器で発生した凝縮水を放熱器の熱交換領域の後半部分に供給するようにしたので、冷却空気としての外気により冷却されて外気温度との温度差が少なくなって熱交換率の低くなった後半部分を、少量の凝縮水で効率良く冷却することができる。したがって、冷媒を冷却空気外気温より低く冷やすことができるようになり、放熱器における熱交換率を向上させることができる。

［実施形態１］
図１は実施形態１に係わる車両用空調装置の全体構成図である。ここでは、二酸化炭素ガスを冷媒とする冷凍サイクルの構成例を示している。

本実施形態の車両用空調装置１は、冷媒を圧縮する圧縮機１１と、この圧縮機１１で昇圧された高温の冷媒を外気により冷却する放熱器１２と、この放熱器１２で冷却された冷媒を減圧する膨張弁（減圧手段）１４と、この膨張弁１４で減圧された冷媒を通過する空気により熱を奪い蒸発させる蒸発器１５と、放熱器１２で冷却された冷媒と圧縮機１１へ戻る低圧の冷媒との間で熱交換する内部熱交換器１３と、蒸発器１５を通過した冷媒を気液分離して気相状態の冷媒のみを圧縮機１１へ送るアキュームレータ（気液分離器）１６とを備え、蒸発器１５を通過した冷媒を圧縮機１１へ戻し、圧縮機１１により運動エネルギー（圧力）を与えた冷媒をサイクル内に循環させるように構成されている。

圧縮機１１は、図示しないモータまたはエンジンからの駆動力を得て気相状態の二酸化炭素ガスを圧縮し、高温高圧となった冷媒を吐出している。

放熱器１２は、圧縮機１１から吐出された高温高圧の冷媒の熱を外気に放熱させることにより、冷媒の温度を外気温近くまで冷却する。この放熱器１２には、例えば電動ファン等が駆動されることにより外気が吹き付けられる。そして、この放熱器１２内を通る高温高圧の冷媒と、吹き付けられる外気との間で熱交換を行わせることで、高温高圧の冷媒を中温まで冷却している。

内部熱交換器１３は、放熱器１２で冷却された冷媒と、後述の蒸発器１５で蒸発した低温低圧の冷媒との間で熱交換させて、放熱器１２から膨張弁１４へ送られる冷媒をさらに冷却している。

膨張弁１４は、内部熱交換器１３で冷却された中温高圧の冷媒を膨張（減圧）させて低温低圧のガス状冷媒として蒸発器１５へ送り出している。

蒸発器１５は、膨張弁１４で減圧された低温低圧の冷媒とブロアファン（図示せず）からの供給空気との間で熱交換させる熱交換器である。膨張弁１４で低温低圧となった冷媒は、蒸発器１５を通過する際に供給空気の熱を奪って気化（蒸発）する。そして、蒸発器１５内の冷媒に吸熱された供給空気は冷却、除湿されて空調風となり、車室内等に送風される。

アキュームレータ（気液分離器）１６は、蒸発器１５から吐出された冷媒を気液分離して、気相状態の冷媒（ガス冷媒）を内部熱交換器１３へ送り出し、液相状態の冷媒（液冷媒）を一時的に貯留している。

また、本実施形態では、凝縮水供給部（凝縮水供給手段）１０として、蒸発器１５で発生した凝縮水を貯留する貯留タンク２１と、この貯留タンク２１に貯留された凝縮水を放熱器１２の下半分のみに供給する凝縮水供給パイプ２３とを備えている。

貯留タンク２１は、蒸発器１５の下部に設けられ、供給空気が蒸発器１５を通過する際に発生する凝縮水を貯留する。そして、貯留タンク２１には、放熱器１２の前面に設けられた凝縮水供給パイプ２３と連通する配管２２が接続されている。なお、貯留タンク２１と凝縮水供給パイプ２３との間には高低差があるものとする。すなわち、貯留タンク２１は凝縮水供給パイプ２３よりも高所にあり、貯留タンク２１に貯留された凝縮水は配管２２を流通して凝縮水供給パイプ２３に自然落下するように構成されている。

図２は凝縮水供給部１０の構成図であり、放熱器１２の正面図に相当する。また、図３（ａ）〜（ｃ）は熱交換器コアと凝縮水供給パイプの構成例を示す側面図である。熱交換器の冷媒流れは上部から入り、熱交換器ヘッダ間を複数回ターンして下部へと流れる。

図２に示すように、放熱器１２は、内部を流通する冷媒と冷却風との間で熱交換を行う熱交換器コア１２１と、この熱交換器コア１２１の両端部に接合された入口ヘッダタンク１２２、および出口ヘッダタンク１２３とから構成されている。

熱交換器コア１２１は、内部に冷媒の流通となるチューブ穴が複数形成された多穴管構造のチューブ１２４と、波形に成形された冷却用のフィン１２５とを交互に積層した構造となっている。この熱交換器コア１２１の両端部は入口ヘッダタンク１２２および出口ヘッダタンク１２３と接合され、これらヘッダタンクの内部に形成された冷媒の流通路と、各チューブ１２４のチューブ穴とが互いに連通して冷媒が流通するように構成されている。

凝縮水供給パイプ２３には、長手方向に沿って複数の凝縮水穴２４が一列に形成されている。そして、これらの凝縮水穴２４が熱交換器コア１２１側に向き、且つ熱交換器コア１２１の下半分の熱交換領域に凝縮水が供給されるように熱交換器コア１２１のほぼ中間位置に水平に配置されている。ただし、凝縮水穴２４は一列でなく、複数列に形成されていてもよい。

この凝縮水供給パイプ２３は、図３（ａ）に示すように、凝縮水穴２４が熱交換器コア１２１と接するように取り付けられ、凝縮水穴２４から滴下された凝縮水が熱交換器コア１２１のチューブ１２４やフィン１２５を伝わり、熱交換器コア１２１の下半分のみの熱交換領域に広がりながら下方に移動するように構成されている。また、凝縮水供給パイプ２３の一端は貯留タンク２１とつながる配管２２に接続され、他端は封止板（図示せず）により封止されている。

本実施形態の構成によれば、蒸発器１５で発生した凝縮水は貯留タンク２１に貯留され、その一部は配管２２を流れて放熱器１２の前面に設けられた凝縮水供給パイプ２３へ導かれる。そして、この凝縮水は凝縮水供給パイプ２３に形成された凝縮水穴２４から放熱器１２の熱交換器コア１２１へ滴下される。この凝縮水は、チューブ１２４やフィン１２５を伝わりながら熱交換器コア１２１の下半分となる、熱交換領域の後半部分全面に広がりながら下方に移動していき、この熱交換領域を流れる冷媒から吸熱し蒸発させて冷却する。冷媒が下から上に流れる場合は凝縮水供給パイプ２３の位置は熱交換器上部に設定することで冷媒の流れの熱交換領域後半において、冷媒の冷却を行うようにする。

本実施形態のような二酸化炭素ガスを用いた冷凍サイクルで使用される放熱器１２では、入口側と出口側では二酸化炭素ガスを冷却する熱交換率が異なり、出口側になるほど外気（冷却風）と冷媒との温度差が小さくなるために熱交換率が低下するという特徴がある。これに対して本実施形態では、蒸発器１５で発生した凝縮水を熱交換器コア１２１の下半分の冷媒流れにおける熱交換領域後半部分にのみ供給するようにしたので、熱交換率の低い領域を少量の凝縮水で効率良く冷却することができる。これによって、冷媒を外気温より低く冷やすことができるようになり、放熱器１２における熱交換率を向上させることができる。

なお、貯留タンク２１に貯留される凝縮水としては、室温安定時で乗員一人が発生する水分１００ｇ／ｈに、車室内に漏れ込んでくる湿度分を加算すると、およそ１５０ｇ／ｈ程度が発生すると考えられる（ただし、車室内の乗車人数など条件により異なる）。これだけの水を使って放熱器１２の下半分の熱交換領域を冷却すると、放熱器１２では０．１ｋｗ／ｈ以上の放熱能力を向上させることが可能となる。これにより、内部熱交換器１３を小さくすることが可能となり、また圧縮機１１の体積効率が上がることによりシステム性能の向上を図ることができる。

また、本実施形態では、凝縮水供給パイプ２３に形成した凝縮水穴２４から放熱器１２の熱交換器コア１２１へ凝縮水を滴下するようにしたので、簡単な構造により熱交換器コア１２１の下半分の熱交換領域を冷却することができる。また、凝縮水供給パイプ２３の位置を変えることにより、凝縮水を供給する範囲を容易に変更することができる。

他の実施形態としては、図３（ｂ）に示すように、凝縮水供給パイプ２３の凝縮水穴２４に凝縮水供給管２５を取り付け、この凝縮水供給管２５の端部を熱交換器コア１２１と接するように構成してもよい。このような構成とすることにより、凝縮水をより確実に熱交換器コア１２１に滴下することができる。

さらに他の実施形態として、図３（ｃ）に示すように、凝縮水穴２４に、保水性を備えたスポンジ材や繊維などで構成された凝縮水吸引部材２６を取り付け、この凝縮水吸引部材２６の端部を熱交換器コア１２１と接するように構成してもよい。このような構成とすることにより、振動による熱交換器コア１２１と凝縮水供給管２５との干渉を防止することができる。また、管材のように目詰まりすることがないので、凝縮水をより安定して滴下することができる。

以上説明した図３（ａ）〜（ｃ）の構成は、以下に説明する実施形態にも適用可能である。

［実施形態２］
図４は実施形態２に係わる車両用空調装置２の全体構成図である。ここでは、実施形態１と同等部分を同一符号で示すものとする。

本実施形態に係わる車両用空調装置２の凝縮水供給部２０は、貯留タンク２１に貯留された凝縮水を汲み上げるポンプ２７と、このポンプ２７で汲み上げられた凝縮水を放熱器１２の下半分に噴霧するノズル２８とを備え、貯留タンク２１に貯留した凝縮水をポンプ２７で汲み上げて、放熱器１２の前面に設けられたノズル２３から熱交換器コア１２１の下半分となる熱交換領域に噴霧するようにしている。その他の構成は実施形態１と同じであるため説明を省略する。

本実施形態によれば、貯留タンク２１に貯留された凝縮水をポンプ２７で汲み上げてノズル２３へ供給するようにしているので、貯留タンク２１からの自然落下により凝縮水を取り出す方式に比べて、凝縮水をより確実に放熱器１２へ供給することができる。また、ノズル２３を貯留タンク２１よりも低いところに設置する必要がないため、エンジンルーム内でのレイアウト性も向上させることができる。

［実施形態３］
図５は実施形態３に係わる車両用空調装置の全体構成図である。ここでは、実施形態２と同等部分を同一符号で示すものとする。

本実施形態に係わる車両用空調装置３の凝縮水供給部３０は、実施形態２の構成に加えて、さらに、外気温を検出する外気温センサ３１と、この外気温センサ３１での検出結果に基づいてポンプ２７の出力を制御するコントローラ３２とを備えている。その他の構成は実施形態２と同じであるため説明を省略する。

コントローラ３２は、例えば、ＣＰＵ（中央演算ユニット）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）、およびＩ／Ｏ（入出力）インターフェースを備えたマイクロコンピュータにより構成され、外気温センサ３１で検出された外気温に基づいてポンプ２７の出力を制御している。ここで、コントローラ３２は、検出された外気温が所定の範囲内であればポンプ２７を通常出力で運転している。そして、外気温が前記範囲よりも高くなった場合は、ポンプ２７の高出力で運転して放熱器１２へ噴霧する凝縮水の量を増やし、外気温が前記範囲よりも低い場合は、ポンプ２７を低出力で運転して放熱器１２へ噴霧する凝縮水の量を減らすようにしている。

このように、本実施形態では、外気温センサ３１で検出された外気温に基づいてポンプ２７の出力を制御するようにしているため、負荷条件に応じてより効率良く放熱器１２を冷却することができる。

［実施形態４］
本実施形態では、蒸発器１５で発生した凝縮水により冷媒配管そのものを冷却することにより熱交換率を向上させるようにした例について説明する。

図６（ａ）に示す構成例は、冷媒配管４１Ａを二重管により構成し、内側の通路４２には冷媒、外側の通路４３には凝縮水が流通するようにしたものである。また、図６（ｂ）に示す冷媒配管４１Ｂは、冷媒が流れる配管４４の外側を断熱材４５で覆い、この断熱材４５の内部に凝縮水が流れる凝縮水通路４６を設けたものである。断熱材４５としては、例えば、スポンジのような発泡材料のほか、保水性や表面蒸発する性質を備えた材料を使用することができる。

このような配管構造の冷媒配管４１Ａ、４１Ｂは、圧縮機１１から放熱器１２に至る経路、あるいは放熱器１２から内部熱交換器１３へ至る経路の冷媒配管に適用される。本実施形態のように、凝縮水により冷媒配管を冷却するように構成した場合も、蒸発器１５で発生した凝縮水により冷媒を効率良く冷却できるという効果がある。本実施形態において、凝縮水は自然滴下により冷媒配管外側に供給するようにしてもよいし、ポンプにより汲み出して供給するようにしてもよい。

また、本実施形態のように冷媒配管を凝縮水で冷却すると、冷媒配管が熱源の近くを通る際に冷媒がリヒートされるのを防ぐことができる。

さらに、実施形態１〜３に示した凝縮水を放熱器１２の熱交換領域の後半部分に供給する構成と、本実施形態のように凝縮水で冷媒配管を冷却する構成とを組み合わせて実施することもできる。

以上、本発明の車両用空調装置に係わる実施形態を図面に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同等の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

例えば、実施形態では低圧冷媒と高圧冷媒を内部熱交換器で熱交換させる例について示したが、内部熱交換器を持たない冷凍システムにも適用することができる。さらには、内部熱交換器を使わないエジェクタシステムにも適用することができる。

また、放熱器１２は車両の前部のエンジンルームの前方に取り付けられるが、停車中は走行風が得られないため、一旦放熱器１２を通過した冷却風が車両の下部から前方に回って再度放熱器を通過することにより冷媒が加熱されるおそれがあるが、放熱器熱交換領域は下部に配置された場合、再加熱を防ぐことができる。

実施形態１に係わる車両用空調装置の全体構成図。 凝縮水供給部の構成図。 図３（ａ）〜（ｃ）は熱交換器コアと凝縮水供給パイプの構成例を示す側面図。 実施形態２に係わる車両用空調装置の全体構成図。 実施形態３に係わる車両用空調装置の全体構成図。 （ａ）は冷媒配管を二重管としたときの断面図。（ｂ）は冷媒は移管の外側を断熱材で覆ったときの断面図。

符号の説明

１０、２０、３０…凝縮水供給部
１１…圧縮機
１２…放熱器
１３…内部熱交換器
１４…膨張弁
１５…蒸発器
２１…貯留タンク
２２、２２３…配管
２２Ａ、２２Ｂ…冷媒配管
２３…ノズル
２３…凝縮水供給パイプ
２４…凝縮水穴
２５…凝縮水供給管
２６…凝縮水吸引部材
２７…ポンプ
２８…ノズル
３１…外気温センサ
３２…コントローラ
２２４…断熱材
２２５…凝縮水通路

Claims (1)

1. 二酸化炭素を冷媒として圧縮する圧縮機（１１）と、この圧縮機で圧縮された冷媒と外気との間で熱交換する放熱器（１２）と、この放熱器を通過した冷媒を減圧する減圧手段（１４）と、この減圧手段で減圧された冷媒と車室内供給空気との間で熱交換する蒸発器（１５）と、前記蒸発器を通過した冷媒を気液分離する気液分離器（１６）とを環状に配管接続してなる車両用空調装置において、
   車室内供給空気が前記蒸発器（１５）を通過する際に発生する凝縮水を貯留し、当該凝縮水を前記放熱器（１２）の熱交換領域の後半部分に供給する凝縮水供給手段（１０）を備えたことを特徴とする車両用空調装置。
   

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