JP2611351B2 - 冷凍サイクル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、カーエアコンやルームエアコンなどの冷房
装置あるいは冷凍装置に使用される冷凍サイクルに関す
る。

［従来の技術］ 従来より、冷凍サイクルに使用される熱交換器の性能
を向上させるため、二重管構造の気液分離器を備えた熱
交換器が考案されている。

この気液分離器は、熱交換器の熱交換途中で冷媒の流
れが環状流となることから、この環状流部分を二重管構
造として内側の通路を流れるガス冷媒と外側の通路を流
れる液冷媒とを分離するものである。

従って、気液分離器を冷媒凝縮器に備えた場合には、
冷媒凝縮器の熱交換途中で凝縮液化した液冷媒を気液分
離器によって抽出し、冷媒凝縮器内を凝縮前のガス冷媒
のみとすることにより冷媒凝縮器の熱交換効率を向上さ
せることができる。

なお、気液分離器により抽出された液冷媒は、冷媒凝
縮器で凝縮液化された液冷媒とともにレシーバに導かれ
る。

また、気液分離器を冷媒蒸発器に備えた場合には、冷
媒蒸発器の熱交換途中で蒸発したガス冷媒を気液分離器
によって抽出し、冷媒蒸発器内を蒸発前の液冷媒のみと
することにより冷媒蒸発器の熱交換効率を向上させるこ
とができる。

なお、気液分離器により抽出されたガス冷媒は、冷媒
蒸発器で蒸発されたガス冷媒とともに冷媒圧縮機に吸引
される。

このように、熱交換器の熱交換途中に気液分離器を備
えることにより熱交換器の性能を向上させることができ
る。この結果、熱交換器の小型化、あるいは同じ大きさ
であれば熱交換器の能力を増大させることができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかるに、上述のような気液分離器では、気液分離器
の構造上ガス冷媒と液冷媒とを完全に分離するのは困難
である。このため、冷媒凝縮器側では気液分離器により
抽出された液冷媒に過熱ガスが混在してレシーバに導か
れ、レシーバ内の液冷媒を再蒸発させてしまう。

また、冷媒蒸発器側では気液分離器より抽出されたガ
ス冷媒に液冷媒が混在して冷媒圧縮機に吸引され、冷媒
圧縮機が液圧縮により破損する可能性があると同時に、
サイクル効率が低下する課題を有していた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目
的は、気液分離器により抽出した液冷媒およびガス冷媒
を完全に液化およびガス化してサイクル効率を向上させ
た冷凍サイクルを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手
段を採用する。

吸入したガス冷媒を圧縮して吐出する冷媒圧縮機と、
前記冷媒圧縮機より吐出された高圧の冷媒を凝縮液化さ
せる冷媒凝縮器と、前記冷媒凝縮器より供給された冷媒
を断熱膨張する減圧装置と、前記減圧装置によって断熱
膨張された冷媒を蒸発させる冷媒蒸発器と、前記冷媒凝
縮器の熱交換途中に設けられ、凝縮前のガス冷媒と凝縮
後の液冷媒とを分離して、その分離した液冷媒を抽出し
て前記減圧装置に供給し、分離したガス冷媒を前記冷媒
凝縮器の下流側部位へ流入させる第１気液分離器と、前
記冷媒蒸発器の熱交換途中に設けられ、蒸発前の液冷媒
と蒸発後のガス冷媒と分離して、その分離したガス冷媒
を抽出して前記冷媒圧縮機に供給し、分離した液冷媒を
前記冷媒蒸発器の下流側部位へ流入させる第２気液分離
器と、前記第１気液分離器により抽出されて前記減圧装
置に導かれる液冷媒と前記第２気液分離器により抽出さ
れて前記冷媒圧縮機に導かれるガス冷媒とを熱交換させ
る冷媒熱交換器とを具備することを特徴とする。

［作用］ 第１気液分離器によって分離された液冷媒は第１気液
分離器から減圧装置に供給され、分離されたガス冷媒は
第１気液分離器から冷媒凝縮器の下流側部位へ流入す
る。一方、第２気液分離器によって分離されたガス冷媒
は第２気液分離器から冷媒圧縮機に供給され、分離され
た液冷媒は第２気液分離器から冷媒蒸発器の下流側部位
へ流入する。

第１気液分離器から減圧装置に導かれる液冷媒と第２
気液分離器から冷媒圧縮機に導かれるガス冷媒は冷媒熱
交換器で熱交換される。ここで、第１気液分離器によっ
て抽出された液冷媒には液化されていない過熱ガスが含
まれ、第２気液分離器によって抽出されたガス冷媒には
未蒸発の液冷媒が含まれており、且つ第１気液分離器に
よって抽出された液冷媒の方が第２気液分離器によって
抽出されたガス冷媒より温度が高い。このため、第１気
液分離器により抽出された液冷媒と第２気液分離器によ
り抽出されたガス冷媒とが冷媒熱交換器で熱交換される
ことにより、液冷媒に含まれる過熱ガスは凝縮して液化
され、ガス冷媒に含まれる未蒸発の液冷媒は蒸発してガ
ス化される。

これにより、第１気液分離器によって冷媒凝縮器より
抽出された過熱ガスを含む液冷媒は完全に液化されて減
圧装置に供給され、第２気液分離器によって冷媒蒸発器
より抽出された未蒸発の液冷媒を含むガス冷媒は完全に
ガス化されて冷媒圧縮機に吸引される。

一方、第１気液分離器で分離されたガス冷媒は、第１
気液分離器より下流側の冷媒凝縮器内を流れて凝縮液化
された後、減圧装置に供給され、第２気液分離器で分離
された液冷媒は、第２気液分離器より下流側の冷媒蒸発
器内を流れて蒸発した後、冷媒圧縮機に吸引される。

［発明の効果］ 本発明によれば、第１気液分離器で抽出した過熱ガス
を含む液冷媒と、第２気液分離器で抽出した未蒸発の液
冷媒を含むガス冷媒とを冷媒熱交換器で熱交換させるこ
とにより、過熱ガスを含む液冷媒を完全に液化できると
ともに、未蒸発の液冷媒を含むガス冷媒を完全にガス化
できる。これにより、過熱ガスがレシーバ内に流入する
のを防止して、レシーバ内の液冷媒を再蒸発させるのを
防ぐことができるとともに、液冷媒が冷媒圧縮機に吸引
されるのを防止して、液圧縮による冷媒圧縮機の破損を
防止できる。

また、第１気液分離器によって冷媒凝縮器より抽出し
た液冷媒、及び第２気液分離器によって冷媒蒸発器より
抽出したガス冷媒を完全に液化及びガス化できることに
より、冷凍サイクルの効率低下を防ぐことができる。

［実施例］ 次に、車両用空気調和装置に適用した本発明の冷凍サ
イクルを図面に示す一実施例に基づき説明する。

第１図は冷凍サイクルの冷媒回路図を示す。

本実施例の冷凍サイクル１は、冷媒圧縮機２、冷媒凝
縮器３、レシーバ４、本発明の減圧装置である膨張弁
５、および冷媒蒸発器６の各機能部品と、冷媒凝縮器３
の熱交換途中より液冷媒を抽出する第１気液分離器７お
よび冷媒蒸発器６の熱交換途中よりガス冷媒を抽出する
第２気液分離器８と、冷媒凝縮器３から抽出した液冷媒
と冷媒蒸発器６から抽出したガス冷媒とを熱交換させる
冷媒熱交換器９とから構成され、それぞれ冷媒配管10に
より接続されている。

冷媒圧縮機２は、電磁クラッチ11を介して車両の走行
用エンジン12によって駆動され、吸入したガス冷媒を高
温・高圧に圧縮して吐出する。

冷媒凝縮器３は、冷媒圧縮機２から吐出された冷媒を
空気と熱交換させて凝縮液化させる。

レシーバ４は、冷媒凝縮器３より導かれた冷媒を一時
蓄えるとともに、負荷に応じて膨張弁５に吐出する。

膨張弁５は、レシーバ４から供給された冷媒を断熱膨
張して冷媒蒸発器６に吐出する。

冷媒蒸発器６は、供給された液冷媒を空気と熱交換さ
せて蒸発させるとともに空気を冷却する。蒸発したガス
冷媒は冷媒圧縮機２に吸引される。

第１気液分離器７は、冷媒凝縮器３の熱交換途中の冷
媒通路13に介設されており、凝縮液化された液冷媒と凝
縮前のガス冷媒とを分離して液冷媒を抽出するものであ
る。

第２気液分離器８は、冷媒蒸発器６の熱交換途中の冷
媒通路14に介設されており、蒸発したガス冷媒と未蒸発
の液冷媒とを分離してガス冷媒を抽出するものである。

第１気液分離器７は、第２図に示すように大径の外周
チューブ15と小径の内周チューブ16とから構成されて二
重管構造を呈し、外周チューブ15の一端15aが内周チュ
ーブ16の外周部にかしめられている。

この第１気液分離器７は、冷媒の入口となる外周チュ
ーブ15の他端15bが冷媒凝縮器３の上流側冷媒通路13aの
下端に接続され、分離したガス冷媒の抽出出口となる内
周チューブ16の一端16aが冷媒凝縮器３の下流側冷媒通
路13b（本発明の冷媒凝縮器の下流側部位）の上端に接
続されている。なお、内周チューブ16の他端16bは、外
周チューブ15内の中央で冷媒の流れ方向に向かって開口
している。

また、外周チューブ15の一端側には、分離した液冷媒
を抽出するための抽出出口15cが設けられ、冷媒配管10a
を介してレシーバ４に接続されている。

一方、第３図に示す第２気液分離器８は、第１気液分
離器７と同様に大径の外周チューブ17と小径の内周チュ
ーブ18とから構成されて二重管構造を呈し、外周チュー
ブ17の一端17aが内周チューブ18の外周部にかしめられ
ている。

この第２気液分離器８は、冷媒の入口となる外周チュ
ーブ17の他端17bが冷媒蒸発器６の上流側冷媒通路14aの
下端に接続され、分離したガス冷媒の抽出出口となる内
周チューブ18の一端18aが冷媒配管10bを介して冷媒圧縮
機２に接続されている。なお、内周チューブ18の他端18
bは、外周チューブ17内の中央で冷媒の流れ方向に向か
って開口している。

また、外周チューブ17の一端側には、分離した液冷媒
を抽出するための抽出出口17cが設けられ、冷媒蒸発器
６の下流側冷媒通路14b（本発明の冷媒蒸発器の下流側
部位）の上端に接続されている。

上述の第１気液分離器７および第２気液分離器８は、
冷媒通路13および14を流れる気液二相の冷媒が環状流と
なる所（冷媒通路13および14の上流と下流とのほぼ中央
位置）に設けられている。

従って、第１気液分離器７に導かれた冷媒は、外周チ
ューブ15内の外周寄りを液冷媒が流れて、中央部をガス
冷媒が流れるため、外周チューブ15の一端側に設けた抽
出出口15cより液冷媒が抽出され、内周チューブ16を通
ってガス冷媒が抽出される。抽出出口15cより抽出され
た液冷媒は、抽出出口15cに接続される冷媒配管10aを通
ってレシーバ４に供給され、内周チューブ16を通って抽
出されたガス冷媒は、内周チューブ16に接続される冷媒
凝縮器３の下流側冷媒通路13bに流入する。

また、第２気液分離器８に導かれた冷媒は、外周チュ
ーブ17内の外周寄りを液冷媒が流れて、中央部をガス冷
媒が流れるため、外周チューブ17の一端側に設けた抽出
出口17cより液冷媒が抽出され、内周チューブ18を通っ
てガス冷媒が抽出される。内周チューブ18を通って抽出
されたガス冷媒は、内周チューブ18に接続される冷媒配
管10bを通って冷媒圧縮機２に吸引され、抽出出口17cよ
り抽出された液冷媒は、抽出出口17cに接続される冷媒
蒸発器６の下流側冷媒通路14bに流入する。

冷媒熱交換器９は、第１気液分離器７により抽出され
てレシーバ４に導かれる液冷媒と第２気液分離器８によ
り抽出されて冷媒圧縮機２に導かれるガス冷媒とを熱交
換させるもので、例えば、第１図に示すように冷媒配管
10aの外周を冷媒配管10bが螺旋状に旋回して構成されて
いる。

この冷媒熱交換器９は、本実施例の第１気液分離器７
および第２気液分離器８では完全に液冷媒とガス冷媒と
を分離することができないため、冷媒凝縮器３より抽出
された液冷媒と冷媒蒸発器６より抽出されたガス冷媒と
を熱交換させ、冷媒凝縮器３より抽出した過熱ガスを含
む液冷媒を完全に液化するとともに、冷媒蒸発器６より
抽出した未蒸発の液冷媒を含むガス冷媒を完全にガス化
するものである。

次に、上記冷凍サイクル１の作動を説明する。

電磁クラッチ11の通電によりエンジン12の動力を受け
て冷媒圧縮機２が駆動される。

冷媒圧縮機２は、吸入したガス冷媒を高温・高圧に圧
縮して吐出し、冷媒凝縮器３に供給する。

冷媒凝縮器３では、供給されたガス冷媒が冷媒通路13
を流れる際に車室外の空気と熱交換されて凝縮液化す
る。

このとき、液化されながら冷媒通路13を流れる気液二
相の冷媒が第１気液分離器７まで達した際に、冷媒の流
れが環状流であることから、冷媒通路13の外周寄りを流
れる液冷媒が第１気液分離器７の外周チューブ15に設け
た抽出出口15cより冷媒配管10aを通って抽出され、冷媒
熱交換器９で冷媒蒸発器６より抽出されたガス冷媒と熱
交換された後、レシーバ４に導かれる。

一方、冷媒通路13の中央部を流れるガス冷媒は、第１
気液分離器７の内周チューブ16を流れて内周チューブ16
の一端16aより冷媒凝縮器３の下流側冷媒通路13bに供給
される。

これにより、第１気液分離器７より下流では、液冷媒
が取り除かれてガス冷媒のみとなるため、冷媒凝縮器３
の下流側での熱交換効率が向上する。

冷媒凝縮器３で凝縮液化された冷媒は、レシーバ４に
導かれた後、負荷に応じて膨張弁５に供給される。

膨張弁５に供給された冷媒は、断熱膨張されて冷媒蒸
発器６に吐出される。

冷媒蒸発器６では、冷媒通路14を流れる液冷媒が車室
内へ吹き出される空気から潜熱を奪って蒸発し、ガス冷
媒となって冷媒圧縮機２に吸引される。

このとき、ガス化されながら冷媒通路14を流れる気液
二相の冷媒が第２気液分離器８まで達した際に、冷媒の
流れが環状流であることから、冷媒通路14の外周寄りを
流れる霧状冷媒が第２気液分離器８の外周チューブ17に
設けた抽出出口17cより冷媒蒸発器６の下流側冷媒通路1
4bに供給される。

一方、冷媒通路14の中央部を流れるガス冷媒は、第２
気液分離器８の内周チューブ18を流れて内周チューブ18
の一端18aより冷媒配管10bを通って抽出され、冷媒熱交
換器９で冷媒凝縮器３より抽出された液冷媒と熱交換さ
れた後、冷媒圧縮機２に吸引される。

これにより、第２気液分離器８より下流では、ガス冷
媒が取り除かれて霧状冷媒のみとなるため、冷媒蒸発器
６の下流側での熱交換効率が向上する。

また、上記冷凍サイクル１の作動において、冷媒熱交
換器９で冷媒凝縮器３より抽出した液冷媒と冷媒蒸発器
６より抽出したガス冷媒とを熱交換させることにより、
液冷媒に含まれる過熱ガスは凝縮して液化され、ガス冷
媒に含まれる未蒸発の液冷媒は蒸発してガス化される。

この結果、第１気液分離器７によって冷媒凝縮器３よ
り抽出された過熱ガスを含む液冷媒は完全に液化されて
レシーバ４に導かれ、第２気液分離器８によって冷媒蒸
発器６より抽出された未蒸発の液冷媒を含むガス冷媒は
完全にガス化されて冷媒圧縮機２に導かれる。

従って、過熱ガスがレシーバ４内に流入してレシーバ
４内に液冷媒を再蒸発させるのを防ぐことができるとと
もに、液冷媒が冷媒圧縮機２に吸引されて液圧縮による
冷媒圧縮機２の破損を防止することができる。

また、冷媒凝縮器３より抽出した液冷媒および冷媒蒸
発器６より抽出したガス冷媒を完全に液化およびガス化
することができるため、冷凍サイクル１の効率低下を防
ぐことができる。

第４図に本発明の第２実施例を示す。

本実施例では、本発明の冷凍サイクル１にアキューム
レータサイクルを採用したものである。

従って、本実施例の冷凍サイクル１は、第１実施例で
示した冷媒圧縮機２、冷媒凝縮器３、冷媒蒸発器６、第
１気液分離器７、第２気液分離器８、および冷媒熱交換
器９の他に、冷媒蒸発器６の上流に本発明の減圧装置で
あるキャピラリチューブ19が設けられるとともに、冷媒
圧縮機２の上流にアキュームレータ20が配設されてい
る。

第５図に本発明の第３実施例を示す。

本実施例では、冷媒熱交換器９を冷媒圧縮機２の上流
に配置し、第２気液分離器８により冷媒蒸発器６より抽
出した冷媒を、冷媒蒸発器６で蒸発したガス冷媒と合流
させた後に冷媒熱交換器９に導くものである。

（変形例） 本発明の冷凍サイクル１を車両用空気調和装置に適用
した場合を例示したが、家庭用、商業用、工業用空気調
和装置や、鉄道、船舶などの空気調和装置、冷蔵装置、
冷凍装置などに適用しても良い。

また、冷媒熱交換器９として、冷媒配管10aの外周を
冷媒配管10bが螺旋状に旋回して構成されたものを例示
したが、冷媒配管10bの外周を冷媒配管10aが螺旋状に旋
回して構成したものでも良く、あるいは大径の熱交換通
路の内部に小径の熱交換通路を配設して構成される二重
管構造の冷媒熱交換器でも良い。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の第１実施例を示すもの
で、第１図は本発明の冷凍サイクルの冷媒回路図、第２
図は第１気液分離器の断面図、第３図は第２気液分離器
の断面図であり、第４図は本発明の第２実施例を示す冷
凍サイクルの冷媒回路図、第５図は本発明の第３実施例
を示す冷凍サイクルの冷媒回路図である。 図中 １……冷凍サイクル、２……冷媒圧縮機 ３……冷媒凝縮器、５……膨張弁（減圧装置） ６……冷媒蒸発器、７……第１気液分離器 ８……第２気液分離器 13b……下流側冷媒通路（冷媒凝縮器の下流側部位） 14b……下流側冷媒通路（冷媒蒸発器の下流側部位） 19……キュピラリチューブ（減圧装置）

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）吸入したガス冷媒を圧縮して吐出す
   る冷媒圧縮機と、 （ｂ）前記冷媒圧縮機より吐出された高圧の冷媒を凝縮
   液化させる冷媒凝縮器と、 （ｃ）前記冷媒凝縮器より供給された冷媒を断熱膨張す
   る減圧装置と、 （ｄ）前記減圧装置によって断熱膨張された冷媒を蒸発
   させる冷媒蒸発器と、 （ｅ）前記冷媒凝縮器の熱交換途中に設けられ、凝縮前
   のガス冷媒と凝縮後の液冷媒と分離して、その分離した
   液冷媒を抽出して前記減圧装置に供給し、分離したガス
   冷媒を前記冷媒凝縮器の下流側部位へ流入させる第１気
   液分離器と、 （ｆ）前記冷媒蒸発器の熱交換途中に設けられ、蒸発前
   の液冷媒と蒸発後のガス冷媒とを分離して、その分離し
   たガス冷媒を抽出して前記冷媒圧縮機に供給し、分離し
   た液冷媒を前記冷媒蒸発器の下流側部位へ流入させる第
   ２気液分離器と、 （ｇ）前記第１気液分離器により抽出されて前記減圧装
   置に導かれる液冷媒と前記第２気液分離器により抽出さ
   れて前記冷媒圧縮機に導かれるガス冷媒とを熱交換させ
   る冷媒熱交換器と を具備する冷凍サイクル。