JP2001108315A - 冷凍サイクル - Google Patents

冷凍サイクル

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JP2001108315A
JP2001108315A JP28512499A JP28512499A JP2001108315A JP 2001108315 A JP2001108315 A JP 2001108315A JP 28512499 A JP28512499 A JP 28512499A JP 28512499 A JP28512499 A JP 28512499A JP 2001108315 A JP2001108315 A JP 2001108315A
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Nobuhiko Suzuki
伸彦 鈴木
Shunichi Furuya
俊一 古屋
Yuji Kawamura
祐司 河村
Shunji Muta
俊二 牟田
Kenji Iijima
健次 飯島
Sakae Hayashi
栄 林
Hiroshi Kanai
宏 金井
Akihiko Takano
明彦 高野
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Valeo Thermal Systems Japan Corp
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Zexel Valeo Climate Control Corp
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    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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    • F25B49/02Arrangement or mounting of control or safety devices for compression type machines, plants or systems
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    • F25B40/00Subcoolers, desuperheaters or superheaters

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低負荷時において、高圧サイドの大部分を液
封し、高圧圧力に対する応答性を良好にする。 【解決手段】 蒸発器の容積を、高圧ラインの容積より
も大きく設定したので、低負荷時に、高圧ラインの冷媒
が液化して高圧圧力が低下し、前記膨張手段の弁開度が
ゼロとなって蒸発器への冷媒の供給が停止した場合に
も、前記蒸発器内に残された液相冷媒が全て気化する前
に高圧ラインの大部分を液相冷媒で満たすことができる
ので、コンプレッサ吐出圧力によって高圧圧力を上昇さ
せることができ、膨張手段の高圧圧力に対する応答性を
向上させることができるものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】この発明は、冷媒として、例
えば二酸化炭素が用いられ、高負荷時には超臨界領域ま
で冷媒が圧縮される冷凍サイクルに関する。
【0002】
【従来の技術】特公平7−18602号公報に開示され
る冷凍サイクルは、蒸気圧縮サイクルの高圧サイドにお
いて超臨界圧力で運転される一体的閉回路を形成するよ
うに、直列に連結されたコンプレッサ、冷却装置、絞り
手段、蒸発器及びアキュムレータを備えた超臨界蒸気圧
縮サイクルを開示する。
【0003】この冷凍サイクルにおいて、前記コンプレ
ッサに吸入された気相冷媒は超臨界領域まで圧縮されて
吐出され、前記冷却装置にて冷却されるが、通常、冷媒
は従来のフロン冷凍サイクルと異なり凝縮されず気相状
態のまま絞り手段に送られる。そして、この絞り手段に
よって圧力を気液混合領域まで下げて液相成分を生じさ
せ、気液2相状態となった冷媒は、蒸発器を通過する空
気の熱を吸収して蒸発し、更にアキュムレータで液相成
分が完全に除去されて前記コンプレッサに吸入されるも
のである。
【0004】また、上述した冷凍サイクルにおいて、高
圧圧力による絞り手段の開度の調整は、絞り手段に流入
側の冷媒温度に対して最適な成績係数を得ることができ
る高圧圧力を基準とし、この圧力に前記高圧圧力を一致
させるように絞り手段を制御することが、特開平9−2
64622号公報から公知となっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような二酸化炭素を使用した従来の冷凍サイクルにお
いて、例えば外気温度が低く負荷が低下した場合、冷凍
サイクルの高圧圧力が臨界圧以下となるので、放熱用熱
交換器(ガスクーラ)内で冷媒が凝縮する現象が発生す
る。この高圧サイドでの液化による冷媒の比容積の減少
は、コンプレッサ吐出による圧力上昇を相殺してしまう
ことから高圧圧力が減少し、絞り手段の開度変化に対す
る高圧の反応が鈍くなるという不具合が生じる。
【0006】この場合、高圧サイドの大部分を液封する
ことができるならば、例えコンプレッサの吐出量が低く
なっても、絞り手段の開度変化に対する高圧の応答性は
良くなることが想定される。このため、この発明は、低
負荷時において、高圧サイドの大部分を液封し、高圧圧
力に対する応答性を良好にした冷凍サイクルを提供する
ことにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】したがって、この発明
は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機によって圧縮さ
れた冷媒の温度を低下させる放熱用熱交換器と、該放熱
用熱交換器によって冷却された冷媒を膨張させ、その圧
力を低下させる膨張手段と、該膨張手段によって圧力が
低下した冷媒を蒸発させる蒸発器とによって少なくとも
構成され、前記圧縮機の吐出側から前記膨張手段の流入
側までの高圧ラインと、前記膨張手段の流出側から前記
圧縮機の吸入側までの低圧ラインとからなる冷凍サイク
ルにおいて、前記蒸発器の容積は、前記高圧ラインの容
積よりも大きいことにある。
【0008】これによって、この発明によれば、蒸発器
の容積を、高圧ラインの容積よりも大きく設定したの
で、低負荷時に、高圧ラインの冷媒が液化して高圧圧力
が低下し、前記膨張手段の弁開度がゼロとなって蒸発器
への冷媒の供給が停止した場合にも、前記蒸発器内に残
された液相冷媒が全て気化する前に高圧ラインの大部分
を液相冷媒で満たすことができるので、コンプレッサ吐
出圧力によって高圧圧力を上昇させることができ、膨張
手段の高圧圧力に対する応答性を向上させることができ
るものである。
【0009】また、前記冷凍サイクルは、さらに、前記
高圧ラインの前記放熱用熱交換器の下流側の冷媒と、前
記低圧ラインの前記蒸発器の下流側の冷媒との間で熱交
換する内部熱交換器を具備することが望ましい。さら
に、前記冷媒は、二酸化炭素であることが望ましい。
【0010】また、前記蒸発器の容積は、前記高圧ライ
ンの容積の1.3倍から1.5倍であることが望まし
い。
【0011】さらに、蒸発器の容積は、膨張手段の出口
側から蒸発器の出口側までとすることが望ましい。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて説明する。
【0013】図1に示す冷凍サイクル1は、冷媒として
二酸化炭素を用いるもので、圧縮機(コンプレッサ)
2、放熱用熱交換器 (ガスクーラ)3、膨張装置4、蒸
発器(エバポレータ)5及びアキュムレータ6とを少な
くとも具備し、前記コンプレッサ2の吐出口7から前記
膨張装置4の流入口8までの高圧ライン11と、前記膨
張装置4の流出口9から前記コンプレッサ2の吸入口1
0までの低圧ライン12とを有する。
【0014】以上の構成により、コンプレッサ2で吸引
された気相冷媒は、通常の運転時には超臨界領域まで圧
縮され(図3のモリエル線図のd−a)、超臨界域まで
圧縮された気相冷媒は、放熱用熱交換器3において通過
する空気に放熱して冷却される(a−b)。そして、前
記放熱用熱交換器3で冷却された気相冷媒は、膨張装置
4を通過して気液2相領域まで圧力が低下され(b−
c)、エバポレータ5にて通過する空気の熱を奪って蒸
発し、アキュムレータ6にて気液分離されてコンプレッ
サ2に吸引され(c−d)、前記エバポレータ5で吸引
した熱を、前記放熱用熱交換器3にて放出する冷凍サイ
クル1が構成される。
【0015】この冷凍サイクル1において、前記膨張装
置4は、図示しない膨張弁と、高圧圧力等を検知して前
記膨張弁を開閉させる膨張弁作動機構とを備えたもの
で、例えば膨張装置4の流入口8の高圧圧力Pexpin 及
び冷媒温度Texpin を検出して、膨張装置4の流入口の
冷媒状態が図3に示す最適制御線ηmax 上の点と一致す
るように膨張弁の絞り状態を制御するものである。尚、
前記最適制御線ηmax は、膨張装置4に流入する冷媒温
度Texpin に対して成績係数が最大となる膨張装置4に
流入する冷媒圧力Pexpin を求めた特性線である。
【0016】したがって、高圧圧力Pexpin が冷媒温度
Texpin から最適特性線ηmax に基づいて求められる目
標高圧圧力Paim よりも低くなった場合、前記膨張装置
4が膨張弁を閉じて高圧圧力Pexpin を目標高圧圧力P
aim まで上昇させる。また、高圧圧力Pexpin が目標高
圧圧力Paim よりも高くなった場合には、前記膨張装置
4が膨張弁を開いて高圧圧力Pexpin を目標高圧圧力P
aim まで下降させる。
【0017】また、冷媒温度Texpin が高くなると目標
高圧圧力Paim が高くなることから、前記膨張装置4は
膨張弁を閉じる方向に動作させ高圧圧力Pexpin を目標
高圧圧力Paim まで上昇させる。また、冷媒温度Texpi
n が低くなると目標高圧圧力Paim が低くなることか
ら、前記膨張装置4は膨張弁を開く方向に動作させ高圧
圧力Pexpin を目標高圧圧力Paim まで下降させる。
【0018】以上の冷凍サイクル1において、外気温度
が臨界温度(約31℃)よりも低い低負荷時の場合、コ
ンプレッサ2によって圧縮された冷媒は臨界圧力(略
7.34MPa)以下となり(d’−a’)、放熱用熱
交換器3において放熱した場合、上述した場合と異な
り、冷媒は凝縮して液化する(a’−b’)。そして、
膨張装置4を通過して気液2相領域まで圧力が低下され
(b’−c’)、エバポレータ5にて通過する空気から
吸熱して蒸発し(c’−d’)、アキュムレータ6にて
気液分離が行われた後、コンプレッサ2に吸引されるも
のである。
【0019】しかしながら、上述した冷凍サイクル1に
おいて、放熱用熱交換器3において冷媒が液化した場
合、高圧ライン11内での冷媒の比容積が低減し、コン
プレッサ2の吐出圧力を相殺するため、高圧圧力が充分
に上昇しない事態が発生する。これによって、膨張装置
4によって膨張弁が閉じ、エバポレータ5への冷媒の供
給が停止されるので、エバポレータ4内で蒸発した冷媒
のみがコンプレッサ4に吸引されて高圧側に吐出される
こととなる。
【0020】この時、高圧ライン11の容積が、エバポ
レータ4の容積よりも大きい場合には、エバポレータで
蒸発した気相冷媒を全て高圧ライン11に供給した場合
にも、高圧ライン11をすべて液封することができない
ので、膨張装置4は適切に高圧圧力を検知することが不
可能となり、冷凍サイクル1の制御が混乱するという不
具合が生じる。このため、本願発明は、エバポレータ4
の容積、さらに詳細に言えば、膨張装置4の出口側9か
らエバポレータ4の吐出側13までの容積を、高圧ライ
ン11の容積より大きくするものである。さらに具体的
には、エバポレータ4の容積は高圧ライン11の容積の
1.3倍から1.5倍とした。
【0021】これによって、冷媒の液化による比容積の
低減に起因する高圧圧力低下によって、膨張装置4が膨
張弁を閉じた場合でも、エバポレータ4の容積が高圧ラ
イン11の容積よりも大きいので、エバポレータ4内に
残った液冷媒が蒸発して高圧ライン11に供給されるこ
とにより、エバポレータ4内の液冷媒が全て蒸発する前
に高圧ライン11を液封できるので、液封後はコンプレ
ッサの吐出圧力によって高圧圧力が上昇するので、膨張
装置4は膨張弁を開としエバポレータ4に気液2相領域
まで圧力が低下した冷媒を供給することができるもので
ある。したがって、低負荷時には、従来のフロンと同様
の冷凍サイクルを構成することができるものである。
【0022】尚、図2示した冷凍サイクル1’は、高圧
ライン11に配され高圧の冷媒が流れる高圧部21と、
低圧ライン12に配され低圧の冷媒が流れる低圧部22
からなる内部熱交換器20を設けたものである。これに
よって、膨張装置4に至る冷媒と、コンプレッサ2に吸
引される冷媒との間で熱交換を行い、膨張装置4に至る
冷媒の温度を下降させ、且つコンプレッサ2に吸引され
る冷媒の過熱度を高めるものである。
【0023】以上の構成の冷凍サイクル1’において
も、上述した冷凍サイクル1と同様に、エバポレータ5
の容積、具体的には、膨張装置4の出口側9からエバポ
レータ5の出口側13までの容積は、第1の熱交換器2
1を有する高圧ライン11の容積よりも、1.3倍から
1.5倍と大きき形成されているものである。これによ
って、この冷凍サイクル1’においても、上述した実施
の形態と同様の効果を奏することができるものである。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、エバポレータの容積を、高圧ラインの容積よりも大
きくしたので、エバポレータ内に存在する液冷媒量を相
対的に多くすることができるので、エバポレータ内の液
冷媒が全て蒸発する前に高圧ラインの大部分を液封する
ことができるので、高圧の応答性を向上させることがで
き、低負荷時にも冷凍サイクルを安定して稼動できるも
のである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願発明の実施の形態に係る冷凍サイクルの概
略構成図である。
【図2】本願発明の他の実施の形態に係る冷凍サイクル
の概略構成図である。
【図3】本願発明の実施の形態に係る冷凍サイクルのモ
リエル線図である。
【符号の説明】
1,1’ 冷凍サイクル 2 コンプレッサ 3 放熱用熱交換器 4 膨張装置 5 エバポレータ 6 アキュムレータ 11 高圧ライン 12 低圧ライン 20 内部熱交換器
フロントページの続き (72)発明者 河村 祐司 埼玉県大里郡江南町大字千代字東原39番地 株式会社ゼクセル江南工場内 (72)発明者 牟田 俊二 埼玉県大里郡江南町大字千代字東原39番地 株式会社ゼクセル江南工場内 (72)発明者 飯島 健次 埼玉県大里郡江南町大字千代字東原39番地 株式会社ゼクセル江南工場内 (72)発明者 林 栄 埼玉県大里郡江南町大字千代字東原39番地 株式会社ゼクセル江南工場内 (72)発明者 金井 宏 埼玉県大里郡江南町大字千代字東原39番地 株式会社ゼクセル江南工場内 (72)発明者 高野 明彦 埼玉県大里郡江南町大字千代字東原39番地 株式会社ゼクセル江南工場内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機によ
    って圧縮された冷媒の温度を低下させる放熱用熱交換器
    と、該放熱用熱交換器によって冷却された冷媒を膨張さ
    せ、その圧力を低下させる膨張手段と、該膨張手段によ
    って圧力が低下した冷媒を蒸発させる蒸発器とによって
    少なくとも構成され、前記圧縮機の吐出側から前記膨張
    手段の流入側までの高圧ラインと、前記膨張手段の流出
    側から前記圧縮機の吸入側までの低圧ラインとからなる
    冷凍サイクルにおいて、 前記蒸発器の容積は、前記高圧ラインの容積よりも大き
    いことを特徴とする冷凍サイクル。
  2. 【請求項2】 前記冷凍サイクルは、さらに、前記高圧
    ラインの前記放熱用熱交換器の下流側の冷媒と、前記低
    圧ラインの前記蒸発器の下流側の冷媒との間で熱交換す
    る内部熱交換器を具備することを特徴とする請求項1記
    載の冷凍サイクル。
  3. 【請求項3】 前記冷媒は、二酸化炭素であることを特
    徴とする請求項1又は2記載の冷凍サイクル。
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NO890076D0 (no) * 1989-01-09 1989-01-09 Sinvent As Luftkondisjonering.
NO175830C (no) * 1992-12-11 1994-12-14 Sinvent As Kompresjonskjölesystem
JP3858297B2 (ja) * 1996-01-25 2006-12-13 株式会社デンソー 圧力制御弁と蒸気圧縮式冷凍サイクル

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