JP2007198670A - 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)、膨張弁(22)及び蒸発器(26)が順次介挿されており、膨張弁と蒸発器との間に配設され、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(24)と、オイルセパレータと圧縮機とを蒸発器をバイパスして接続し、分離されたオイルをオイルセパレータから圧縮機に戻すオイル返戻通路(16)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、この高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（熱交換部）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、膨張弁及び蒸発器が順次介挿されており、膨張弁と蒸発器との間に配設され、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と、オイルセパレータと圧縮機とを蒸発器をバイパスして接続し、分離されたオイルをオイルセパレータから圧縮機に戻すオイル返戻通路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、オイルセパレータは、蒸発器の内部において蒸発器の熱交換部の上流側に設けられていることを特徴としている。
更に、請求項３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弁を介してオイルセパレータに達する。このオイルセパレータでは冷媒からオイルが分離され、このオイルは循環経路とは別個のオイル返戻通路を介して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。この結果、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、オイルセパレータを、圧縮機の出口側ではなく、膨張弁の出口側に設ければ、ガスクーラ及び膨張弁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、現有のシステムに蒸発器を交換するのみで済み、システムのコストの低廉化に寄与する。

更に、請求項３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１１〜１５を有し、これら循環経路１１〜１５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１１〜１５には、上流側からコンプレッサ（圧縮機）１８、ガスクーラ２０、膨張弁２２、オイルセパレータ２４及びエバポレータ（蒸発器）２６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、膨張弁２２及びオイルセパレータ２４はエンジンルーム８内に配置され、蒸発器２６は車室４内に配置されている。

なお、図１中、参照符号１１，１２，１３，１４は上記循環経路の往路部分を形成し、参照符号１５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、膨張弁２２を通じて蒸発器２６に供給され、蒸発器２６内にて比較的低温低圧のガス状態となる。この蒸発器２６の下流側は、循環経路１５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。

本実施形態のオイルセパレータ２４は、膨張弁２２と蒸発器２６との間、すなわち、循環経路１３と循環経路１４との間に配設されており、冷媒から圧縮機用のオイルを分離する。この冷媒から分離されたオイルはオイルセパレータ２４から圧縮機１８に戻される。より詳しくは、オイルセパレータ２４と圧縮機１８とは、循環経路１３，１４とは別個のオイル返戻通路１６で接続されており、オイルは、蒸発器２６をバイパスし、オイル返戻通路１６及び循環経路１５を介して圧縮機１８に戻されている。

なお、オイル返戻通路１６にリリーフ弁を設け、オイルセパレータ２４内の圧力が所定圧力以上に達した場合にオイル返戻通路１６を開き、分離されたオイルをオイル返戻通路１６及び循環経路１５から圧縮機１８の内部に向けて戻しても良い。
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２６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２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図２の点Ｂから点Ｃまで等圧変化する。そして、循環経路１２を介して膨張弁２２に供給される。
上述した図２の点Ｂから点Ｃに変化した状態では、図３に示されるように、３つの如何なる外気温度においても、高圧側（約１０〜１２ＭＰａ）に達するガスクーラ２０内のオイルの溶解度は高くなることが分かる。つまり、オイルは高圧側にて冷媒に非常に良く溶解しているのである。

次いで、循環経路１２からの冷媒は膨張弁２２の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図２の点Ｃから点Ｄまで変化し、冷媒は循環経路１３を介してオイルセパレータ２４に供給される。
ここで、オイルセパレータ２４内に流入した冷媒中のオイルは、例えば遠心分離の原理に基づいて冷媒から分離され、オイルセパレータ２４の内周面に付着する。そして、冷媒は循環経路１４を介して蒸発器２６内に噴出され、冷媒の気化熱により蒸発器２６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。一方、冷媒から分離されたオイルは、オイルセパレータ２４の内周面を伝って流下し、オイル返戻通路１６及び循環経路１５を介して圧縮機１８に常時返戻される。

また、蒸発器２６内の冷媒は、循環経路１５を介して圧縮機１８に戻り、比エンタルピが増加して図２の点Ｄから点Ａまで等圧変化する。そして、この後、圧縮機１８により再度圧縮され、循環経路１１〜１５を上述した如く循環する。
上述した図２の点Ｄから点Ａに変化した状態では、図３に示されるように、３つの如何なる外気温度においても、低圧側（約１〜２ＭＰａ）に達する蒸発器２６内におけるオイルの溶解度は低くなることが分かる。すなわち、オイルは低圧側では冷媒に殆ど溶解しないのであり、上記の如く配置されたオイルセパレータ２４では、冷媒からオイルを効率良く分離可能となる。

以上のように、本発明によれば、フロン系サイクルの如く圧縮機の出口側にオイルセパレータを設けるのではなく、膨張弁２２と蒸発器２６との間の低圧側にオイルセパレータ２４を設けている。換言すれば、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弁２２を介してオイルセパレータ２４に達する。このオイルセパレータ２４では冷媒からオイルが分離され、このオイルは循環経路１３、１４とは別個のオイル返戻通路１６を介して圧縮機１８に常に戻される。よって、蒸発器２６へのオイルの流入が回避される結果、蒸発器２６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２４を、圧縮機１８の出口側ではなく、膨張弁２２の出口側に設ければ、ガスクーラ２０及び膨張弁２２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、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、上記実施形態では、循環経路１３と循環経路１４との間にオイルセパレータ２４を設けているが、必ずしもこの形態に限定されるものではなく、オイルセパレータは、蒸発器の内部においてその熱交換部の上流側に設けられていても良い。具体的には、この熱交換部の上流側に対し、金網を配置するデミスト方式や、じゃま板を配置するバッファー方式を採用し、蒸発器での差圧よりも小さくして圧縮機に向けて戻せば良い。この場合にも上記と同様の効果の他、現有の冷凍システムに蒸発器を交換するのみで済み、システムのコストの低廉化に寄与するとの効果を奏する。

また、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ＣＯ_２冷媒の概略的なモリエール線図である。 潤滑油の溶解度を説明する図である。

符号の説明

２ 冷凍システム
１１，１２，１３，１４，１５ 循環経路
１６ オイル返戻通路
１８ 圧縮機
２０ ガスクーラ
２２ 膨張弁
２４ オイルセパレータ
２６ 蒸発器

Claims (3)

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、膨張弁及び蒸発器が順次介挿されており、
   前記膨張弁と前記蒸発器との間に配設され、前記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と、
   該オイルセパレータと前記圧縮機とを前記蒸発器をバイパスして接続し、前記分離されたオイルを前記オイルセパレータから前記圧縮機に戻すオイル返戻通路と
   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は、前記蒸発器の内部において該蒸発器の熱交換部の上流側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
3. 請求項１又は２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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