JP2008111660A - 車両用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の冷却能力を維持しつつ、コンプレッサから漏出するオイルを適切に還流して所望の動作を確保する。
【解決手段】コンプレッサ１から吐出させた冷媒を、車外側熱交換器４、第１冷媒減圧手段５、及び、車内側熱交換器６を介してコンプレッサ１に戻して循環させる際、冷媒が使用条件によって超臨界と亜臨界状態で流動する冷凍サイクル１００を備える。コンプレッサ１から吐出された超臨界状態の冷媒を気相状態に維持して、エンジン冷却水との間で熱交換させる水−冷媒熱交換器２と、水−冷媒熱交換器２から流出する気相状態の冷媒から液相状態のオイルを分離するオイル分離手段１６と、オイル分離手段１５で分離したオイルを減圧して前記コンプレッサ１に戻すオイル減圧手段２０ａとを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用空調装置に関するものである。

従来、車両用空調装置として、冷凍サイクルで二酸化炭素を循環させるようにしたものがある。このような空調装置では、サイクル効率を高めるため、冷媒を超臨界状態で循環させると共に、車外側熱交換器の出口側にオイル分離器を設けるようにしている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２０００−２７４８４４号公報 特開２０００−２７４８９０号公報

しかしながら、前記車両用空調装置では、外気温度が低い場合（例えば、１０℃前後）、車外側熱交換器での放熱量が大きくなり、冷媒が亜臨界状態となって車外側熱交換器の出口側で液相となる。このため、オイル分離器を設けているにも拘わらず、オイルの分離を行うことができず、所望のサイクル効率で運転することが困難となる。そして、コンプレッサ内でオイルが不足し、異常停止する等の不具合が発生する恐れがある。逆に、オイル分離器でオイルを分離できるように、冷媒を超臨界状態に維持しようとすれば、車内側熱交換器での冷却能力を抑制しなければならず、車室内を十分に冷却することが不可能となる。

そこで、本発明は、所望の冷却能力を維持しつつ、コンプレッサから漏出するオイルを適切に還流して所望の動作を確保することのできる車両用空調装置を提供することを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、
コンプレッサから吐出させた冷媒を、車外側熱交換器、第１冷媒減圧手段、及び、車内側熱交換器を介してコンプレッサに戻して循環させる際、高圧側の冷媒が使用条件によって超臨界と亜臨界状態で流動する冷凍サイクルを備えた車両用空調装置において、
前記コンプレッサから吐出された冷媒を超臨界又は気相状態に維持して、エンジン冷却水との間で熱交換させる水−冷媒熱交換器と、
該水−冷媒熱交換器から流出する気相状態の冷媒から液相状態のオイルを分離するオイル分離手段と、
該オイル分離手段で分離したオイルを減圧して前記コンプレッサに戻すオイル減圧手段と、
を備えたものである。

この構成により、コンプレッサから吐出された高温の冷媒は、水−冷媒熱交換器を通過することによりエンジン冷却水に放熱され、気体の状態を維持したままオイル分離器へと流入する。このため、オイル分離器では、オイルと冷媒とがほぼ２相に分かれた状態となり、適切に分離される。つまり、車外側熱交換器で冷却する場合のように、外気温度の影響を受けて冷却過剰となることがなく、オイル及び冷媒が分離の困難な液相となる心配もない。したがって、車外側熱交換器での熱交換を十分に行うことができ、車内側熱交換器の冷却能力を十分に発揮させることが可能となる。

前記オイル分離手段から流出する冷媒を、冷房時にはそのまま、暖房時には減圧して前記車外側熱交換器に流入させる第２冷媒減圧手段と、
暖房時、前記車外側熱交換器から流出する冷媒を、前記第１冷媒減圧手段及び前記車内側熱交換器をバイパスさせて前記コンプレッサに還流可能とするバイパス手段と、
前記車外側熱交換器から流出する冷媒と、前記車内側熱交換器から流出する冷媒との間で熱交換させる内部熱交換器と、
をさらに備えるのが好ましい。

この構成により、冷房時には車内側熱交換器による冷却を中止することができる。また、第２冷媒減圧手段で冷媒を減圧して車外側熱交換器での吸熱を可能とすることにより、水−冷媒熱交換器でエンジン冷却水への放熱量を増大させることができる。しかも、冷房時のみならず、暖房時にも、オイル分離手段によるオイルを分離することが可能となる。また、より一層サイクル効率を高めることが可能となる。

前記オイル分離手段は、前記水−冷媒熱交換器に一体的に設けると、コンパクトで安価な構成とすることが可能となる点で好ましい。

前記水−冷媒熱交換器に流入させるエンジン冷却水の流量を、その水温に基づいて調整する流量調整手段を備えると、水−冷媒熱交換器による冷媒の冷却を最も適した条件で行わせることが可能となる点で好ましい。

前記冷媒には二酸化炭素を使用することが可能である。

本発明によれば、コンプレッサと車外側熱交換器の間に水−冷媒熱交換器を設けるようにしたので、冷媒とオイルとを確実に気相の２つに分離した状態で冷却することができ、オイル分離手段によるオイルの分離を容易に行わせることが可能である。また、オイル分離手段により分離したオイルは、減圧手段により減圧して気化した状態でコンプレッサに還流可能であるので、コンプレッサが異常停止する等の不具合を発生させることもない。

以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。

図１は、本実施形態に係る車両用空調装置の冷凍サイクル１００を示す概略図である。この冷凍サイクル１００では、コンプレッサ１から吐出された冷媒が、水−冷媒熱交換器２、第２冷媒減圧手段である絞り弁３、車外側熱交換器４、第１冷媒減圧手段である第１膨張弁５、及び、車内側熱交換器６を介してコンプレッサ１に戻って循環する。車外側熱交換器４から流出して車内側熱交換器６に向かって流動する冷媒と、車内側熱交換器６から流出してコンプレッサ１へと還流する冷媒とは内部熱交換器７によって熱交換されている。なお、ここでは、冷媒には二酸化炭素が使用されている。

コンプレッサ１は、エンジン８の駆動力が図示しないクラッチを介して伝達され、所定回転数で駆動することにより、冷媒を高温・高圧状態として吐出する。

水−冷媒熱交換器２は、図２乃至図４に示すように、第１ヘッダ９と第２ヘッダ１０、及び、第３ヘッダ１１と第４ヘッダ１２の間を、扁平状の第１チューブ１３、及び、第２チューブ１４でそれぞれ接続し、両チューブ１３，１４を互いに面接触させたものである。第１ヘッダ９には、コンプレッサ１から吐出された高温・高圧の冷媒が流入する。この高温・高圧の冷媒は、第１チューブ１３を介して第２ヘッダ１０へと流入する。第３ヘッダ１１にはエンジン冷却水が流入し、第２チューブ１４を介して第４ヘッダ１２へと流動する。エンジン冷却水の水量は、流量調整弁３０によって調整されている。流量調整弁３０は、エンジン冷却水の温度を検出する温度センサ（図示せず）での検出温度に基づいて開度を調整される。

第２ヘッダ１０は、図２に示すように、第１遮蔽板１５によって長手方向に２分割され、第１チューブ１３が接続される冷媒室１６と、オイル分離室１７とが形成されている。第１遮蔽板１５には、長手方向に沿って２列で複数の貫通孔１５ａが形成されている。貫通孔１５ａは、第１チューブ１３から冷媒室１６に流入した冷媒が直接冷媒室へと流出しないように、その流動方向に対して平行に変位した両側に位置している。これにより、冷媒が一旦第１遮蔽板１５に衝突し、冷媒からのオイルの分離が適切に行われる。

また、第２ヘッダ１０の下部には、図４に示すように、第２遮蔽板１８が設けられ、オイル回収室１９が形成されている。第２遮蔽板１８には、前記オイル分離室１７に連通する複数の連通孔１８ａが形成され、冷媒から分離されたオイルが回収されるようになっている。オイル回収室１９に回収されたオイルは、オイル回収管２０を介してコンプレッサ２へと還流される。オイル回収管２０内にはオイル減圧手段である絞り部２０ａ（オリフィス）が形成され、通過するオイルが減圧されるようになっている。

第１チューブ１３は、図２及び図３に示すように、熱伝導性に優れた金属材料等で形成される板状材に所定間隔で複数の連通孔１３ａを形成したもので、押出や鋳造等により加工され、耐圧性に優れている。第２チューブ１４は、内部を所定間隔で設けた仕切部１４ａによって仕切られており、各仕切部１４ａは、冷媒の流れが蛇行するように上下それぞれの端部で切除されている。第１チューブ１３と第２チューブ１４とは、両端の各ヘッダ９，１２と１０，１１とへの接続部分を除いて面接触するように一体化されている。この面接触部分で冷媒からエンジン冷却水に放熱可能となっている。

車外側熱交換器４は車両前方部に配設され、通過する高温・高圧の冷媒と外気との間で熱交換し、冷媒を冷却する。

第１膨張弁５は通過する冷媒を気化しやすい状態に減圧する。

車内側熱交換器６は車内前方部に配設した空調ユニット２１内に設けられ、内部を通過する冷媒が気化することにより、空調ユニット２１を通過する空気を冷却・除湿する。空調ユニット２１には、車内側熱交換器６の下流側にエアミックスダンパ２２が設けられ、通過する冷風が分流されている。分流された一方の冷風は、内部をエンジン冷却水が流動するヒータコア２３で加熱され、残る他方の冷風と混合されて所望温度に温調された後、車内に送風される。

前記車内側熱交換器４と前記第１膨張弁５には、バイパス管２４によって開閉弁２５が並列接続されている。開閉弁２５は、冷房時及び除湿暖房時に全閉とされ、暖房時には全開とされる。

次に、前記構成の冷凍サイクルを備えた車両用空調装置の動作について説明する。

冷房運転では、絞り弁３を全開とし、開閉弁２５を全閉とする。そして、コンプレッサ１を駆動すると、冷媒は高温・高圧状態で吐出され、まず、水−冷媒熱交換器２の第１ヘッダ９に流入し、第１チューブ１３を介して第２ヘッダ１０へと流動する。冷媒は第１チューブ１３を流動する間、第２チューブ１４を流動するエンジン冷却水と熱交換され、冷却される。このとき、第２チューブ１４を流動するエンジン冷却水の水量は、流量調整弁３０により水温の違いに応じた値に調整する。すなわち、水−冷媒熱交換器２の熱交換能力が所望の値とされ、通過後の冷媒が凝縮しないようになっている。

第２ヘッダ１０に流入した冷媒は、冷媒室１６から第１遮蔽板１５の貫通孔１５ａを介してオイル分離室１７へと流入する。冷媒と、そこに混入するオイルとは、水−冷媒熱交換器２を通過することにより冷却されてはいるが、気化した状態を維持しているため、混ざり合わずに冷媒とオイルとに分離した状態となっている。このため、第１遮蔽板１５によって、比重の大きいオイルが、自重によって下方へと移動する。そして、このオイルは、第２遮蔽板１８の連通孔を介してオイル回収室１９に回収され、オイル回収管２０を介してコンプレッサ１へと還流される。オイルはオイル回収管２０を流動する際、絞り部２０ａによって減圧され、コンプレッサ１に流入する際には完全に気化した状態となる。

冷媒室１６に流入した冷媒は、車外側熱交換器４を流動し、外気と熱交換されて冷却される。車外側熱交換器４で冷却された冷媒は、内部熱交換器７を流動してさらに冷却された後、車内側熱交換器６に流入する。車内側熱交換器６では、冷媒は内部を流動することにより部分的に気化し、空調ユニット２１を通過する空気を冷却・除湿する。車内側熱交換器６から流出した冷媒は、内部熱交換器７を通過することにより車外側熱交換器４から車内側熱交換器６に向かう高温の冷媒から吸熱して完全に気化する。このため、アキュムレータ（気液分離器）は不要である。

一方、暖房運転では、運転開始直後で、エンジン冷却水の温度が十分に上昇していなければ、絞り弁３の開度を調整し、開閉弁２５を全開とした状態で、コンプレッサ１の駆動を開始する。これにより、コンプレッサ１から吐出された冷媒は、前記同様、高温・高圧状態で、水−冷媒熱交換器２を流動し、エンジン冷却水と熱交換される。冷媒に含まれるオイルは前記同様コンプレッサ１に還流される。水−冷媒熱交換器２で冷却された冷媒は、絞り弁３で減圧され、車外側熱交換器４を通過する際、気化して外気から吸熱する。そして、車内側熱交換器６をバイパスし、コンプレッサ１に戻って循環する。このように、冷媒は、車外側熱交換器４で気化すると共に、車内側熱交換器６をバイパスすることにより、十分に温度が上昇する。したがって、水−冷媒熱交換器２でエンジン冷却水を急速に温度上昇させることができ、ヒータコア２３による車内暖房を暖房運転の開始直後から開始することが可能となる。その後、エンジン冷却水の温度が上昇し、水−冷媒熱交換器２によるエンジン冷却水の加熱が不要となれば、コンプレッサ１の駆動を停止する。

また、除湿暖房が必要となった場合には、前記冷房運転時と同様に、絞り弁３を全開とし、開閉弁２５を全閉とすればよい。これにより、前記同様、車内側熱交換器６により、空調ユニット２１内を通過する空気の除湿が可能となる。

本実施形態に係る車両用空調装置の冷凍サイクルを示す概略図である。 図１の水−冷媒熱交換器を示す斜視図である。 （ａ）は図２の平面図、（ｂ）は正面図である。 図２の第２ヘッダの縦断面図である。

符号の説明

１…コンプレッサ
２…水−冷媒熱交換器
３…絞り弁（第２冷媒減圧手段）
４…車外側熱交換器
５…第１膨張弁（第１冷媒減圧手段）
６…車内側熱交換器
７…内部熱交換器
８…エンジン
９…第１ヘッダ
１０…第２ヘッダ
１１…第３ヘッダ
１２…第４ヘッダ
１３…第１チューブ
１４…第２チューブ
１５…第１遮蔽板（オイル分離手段）
１６…冷媒室
１７…オイル分離室
１８…第２遮蔽板
１９…オイル回収室
２０…バイパス流路
２０ａ…絞り部（オイル減圧手段）
２３…ヒータコア
２４…バイパス管
２５…開閉弁
３０…流量調整弁（流量調整手段）
１００…冷凍サイクル

Claims (5)

1. コンプレッサから吐出させた冷媒を、車外側熱交換器、第１冷媒減圧手段、及び、車内側熱交換器を介してコンプレッサに戻して循環させる際、高圧側の冷媒が使用条件によって超臨界と亜臨界状態で流動する冷凍サイクルを備えた車両用空調装置において、
   前記コンプレッサから吐出された冷媒を超臨界又は気相状態に維持して、エンジン冷却水との間で熱交換させる水−冷媒熱交換器と、
   該水−冷媒熱交換器から流出する気相状態の冷媒から液相状態のオイルを分離するオイル分離手段と、
   該オイル分離手段で分離したオイルを減圧して前記コンプレッサに戻すオイル減圧手段と、
   を備えたことを特徴とする車両用空調装置。
2. 前記オイル分離手段から流出する冷媒を、冷房時にはそのまま、暖房時には減圧して前記車外側熱交換器に流入させる第２冷媒減圧手段と、
   暖房時、前記車外側熱交換器から流出する冷媒を、前記第１冷媒減圧手段及び前記車内側熱交換器をバイパスさせて前記コンプレッサに還流可能とするバイパス手段と、
   前記車外側熱交換器から流出する冷媒と、前記車内側熱交換器から流出する冷媒との間で熱交換させる内部熱交換器と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の車両用空調装置。
3. 前記オイル分離手段は、前記水−冷媒熱交換器に一体的に設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用空調装置。
4. 前記水−冷媒熱交換器に流入させるエンジン冷却水の流量を、その水温に基づいて調整する流量調整手段を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の車両用空調装置。
5. 前記冷媒には二酸化炭素を使用したことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の車両用空調装置。

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