JP2001116399A - 冷凍サイクル - Google Patents

冷凍サイクル

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JP2001116399A
JP2001116399A JP29352399A JP29352399A JP2001116399A JP 2001116399 A JP2001116399 A JP 2001116399A JP 29352399 A JP29352399 A JP 29352399A JP 29352399 A JP29352399 A JP 29352399A JP 2001116399 A JP2001116399 A JP 2001116399A
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pressure
refrigerant
low
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evaporator
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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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Zexel Valeo Climate Control Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 二酸化炭素（ＣＯ2 ）等の臨界点の低い冷媒
を用いた冷凍サイクルにおいて、低負荷時に膨張装置が
閉じて冷媒が流れなくなる不都合を回避し、もって間欠
的に生じ得るサイクル変動を起こりにくくして安定した
冷房能力を得る。 【解決手段】 冷凍サイクルの膨張装置５に、高圧側通
路部１２と低圧側通路部１３との間の連通状態を放熱器
側の冷媒条件に応じて制御する減圧調節弁１０と、蒸発
器下流側での冷媒温度が所定温度以上となった場合に高
圧側通路部１２から低圧側通路部１３へ冷媒を逃がすリ
リーフ弁１１とを設ける。減圧調節弁１０が閉塞すると
蒸発器の過熱度が上昇するので、リリーフ弁１１が開い
て高圧側通路部１２から低圧側通路部１３への冷媒の流
れが確保される。

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、冷媒として臨界
点の低い冷媒、例えば、二酸化炭素（ＣＯ2 ）等のよう
に超臨界域で使用可能な冷媒を用いた冷凍サイクルに関
する。
【０００２】
【従来の技術】二酸化炭素（ＣＯ2 ）を冷媒とする冷凍
サイクルとして、特開平９−２６４６２２号公報に開示
される構成が知られている。これは、圧力制御弁によっ
て放熱器の出口側圧力を制御するもので、圧力制御弁
は、冷媒流路内に形成され、前記冷媒流路を上流側空間
と下流側空間とに仕切る隔壁部と、この隔壁部に形成さ
れ、前記上流側空間と前記下流側空間とを連通させる弁
口と、前記上流側空間内に密閉空間を形成し、前記密閉
空間内外の圧力差に応じて変位する変位部材と、前記弁
口を開閉する弁体部とを備え、前記変位部材は、前記上
流側空間内圧力が前記密閉空間内圧力より所定量大きく
なったときに変位し、前記弁体部は前記変位部材が変位
した時に前記弁口を開くように構成したものである。
【０００３】このような圧力制御弁によれば、放熱器の
出口側圧力が増大した場合には、密閉空間の内部に封入
された封入ガスの圧力との差圧によって変位部材が変位
し、弁体部を弁口の開方向へ移動させるので出口側圧力
が低下し、また、放熱器の出口側の冷媒温度が高い場合
には、前記密閉空間内の冷媒が膨張することにより前記
変位部材が変位し、弁体部を弁口の閉方向へ移動させる
ので、放熱器の出口側圧力が上昇し、圧縮機の仕事を増
加させることなく、放熱器の出口側圧力を増加させるこ
とができる。このため、冷凍サイクルの成績係数の悪化
を抑制しつつ冷却能力を確保することができるようにな
っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ＣＯ2 のような臨界点の低い冷媒を用いた冷凍サイクル
において、圧縮機を容量可変型にすると共に高圧ライン
の圧力が臨界圧よりも低い亜臨界領域となる低負荷時で
運転される場合には、コンプレッサの吐出量や放熱器及
び凝縮器の負荷が一定（環境条件が一定）である定常運
転時であっても、冷凍サイクルが間欠的に大きな変動を
起こしてしまう現象が確認されている。
【０００５】このような現象が生じる原因としてはいろ
いろ推定されているが、主たる原因としては、次のよう
に考えられている。即ち、ダイヤフラム式の膨張装置で
あっても、ベローズ式の膨張装置であっても、膨張装置
流入側の冷媒温度に応じて膨張装置に封入されているガ
スが膨張又は収縮して弁体の位置が変位し、また、膨張
装置流入側の冷媒圧力に応じても弁体の位置が変位する
ことから、冷媒温度と冷媒圧力との関係が最適な制御特
性となるように封入ガスを封入することで、流入側の冷
媒温度や冷媒圧力に応じて膨張装置の開度が目標となる
開度となるように調節されている。
【０００６】ところが、低負荷時において容量可変型の
圧縮機を用いる場合には、吐出量がもともと少なくなっ
ており、高圧ラインの圧力が比較的低くなっていること
から膨張装置は閉じようとする方向へ動作する。特に、
このような低負荷時において、ある冷媒温度Ｔに対して
最適な冷媒圧力Ｐが得られる位置で膨張装置の開度が安
定している場合に、何らかの原因で冷媒温度がＴよりも
相対的に高くなると、低負荷時ではそもそも開度が小さ
くなっていることから膨張装置が閉じてしまう。
【０００７】すると、膨張装置を介して低圧ラインへ供
給される冷媒がなくなってしまう。容量可変型の圧縮機
は、低圧圧力に応じて吐出量が制御されるようになって
おり、低圧圧力が低ければ吐出量を少なくし、低圧圧力
が高ければ吐出量を多くする制御が行われることから、
低圧ラインへ供給される冷媒が少なくなると、圧縮機の
吐出量も少なくなってしまう。圧縮機の吐出量が少なく
なると、亜臨界域でサイクルが動作する低負荷時におい
ては、放熱器の凝縮作用によって冷媒の比容積を減らす
作用が冷媒を供給して容積を増やそうとする動作に比べ
て勝ってしまうことから、高圧側の冷媒圧力はしばらく
上昇せず、このため膨張装置の閉じた状態が持続されて
しまうこととなる。
【０００８】圧縮機は、このような状態でも少しずつ冷
媒を高圧側へ吐出し続けることから、しばらくすると、
放熱器での凝縮が進行するにつれて放熱器で実際に放熱
作用を行う面積が徐々に少なくなってくるため、放熱器
の凝縮作用によって冷媒の比容積を減らす作用よりも圧
縮機から吐出される冷媒により容積を増やそうとする動
作が勝り、次第に高圧圧力が上昇してくる。すると、開
弁に必要な高圧圧力に達すると、膨張装置が開いて高圧
側の冷媒が低圧側へ一気に流れるようになり、いままで
冷媒の流れが殆ど停滞していたサイクルに急激な冷媒の
流れが生じる。そして、このような一連の動作を以後繰
り返すことにより、間欠的にサイクルが大きく変動して
しまうものと考えられている。
【０００９】そこで、この発明においては、二酸化炭素
（ＣＯ2 ）等の臨界点の低い冷媒を用いた冷凍サイクル
において、膨張装置の閉じた場合に冷媒が流れなくなる
不都合を回避し、もって間欠的に生じ得る低負荷時での
サイクル変動を起こりにくくして安定した冷房能力を得
ることができる冷凍サイクルを提供することを課題とし
ている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、この発明に係る冷凍サイクルは、冷媒を圧縮して運
転条件により高圧ラインを超臨界状態とする圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮された冷媒を冷却する放熱器
と、前記放熱器で冷却された冷媒を減圧する膨張装置
と、前記膨張装置によって減圧され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、前記膨張装置
は、放熱器側と連通する高圧側通路部と、蒸発器側と連
通する低圧側通路部と、前記高圧側通路部と前記低圧側
通路部との間の連通状態を放熱器側の冷媒条件に応じて
制御する減圧調節機構と、前記蒸発器下流側での冷媒温
度が所定温度以上となった場合に前記高圧側通路部から
前記低圧側通路部へ冷媒を逃がすリリーフ機構とを具備
することを特徴としている（請求項１）。
【００１１】したがって、低負荷時において減圧調節機
構が高圧側通路部と低圧側通路部との間を閉塞する状態
になれば、蒸発器への冷媒供給がなくなることから、次
第にエバポレータ下流側での冷媒温度、即ち、過熱度が
高まってくる。そして、蒸発器下流側での冷媒温度が所
定温度以上になるとリリーフ機構によって高圧側通路部
から低圧側通路部へ冷媒がリリーフするので、高圧側通
路部から低圧側通路部への冷媒の流れが確保されて蒸発
器へ冷媒を供給することが可能となる。この結果、低圧
ラインの極端な圧力低下や圧縮器の吐出量の極端な低下
を抑えることができる。
【００１２】ここで、膨張装置の減圧調節機構とリリー
フ機構とは、それぞれ別体に構成されるものであっても
よいが、車両へのレイアウトの簡便さを考慮すると、一
体に形成されてブロック化されることが好ましい（請求
項２）。また、リリーフ機構は、蒸発器下流側での冷媒
温度を感知して高圧側通路部と低圧側通路部との連通状
態を制御するダイヤフラム式のものであっても、ベロー
ズ式のものであってもよい（請求項３，４）。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の態様を図
面に基づいて説明する。図１において、冷凍サイクル１
は、冷媒を圧縮する圧縮機２、冷媒を冷却する放熱器
３、高圧ラインと低圧ラインとの冷媒を熱交換する内部
熱交換器４、冷媒を減圧する膨張装置５、冷媒を蒸発気
化する蒸発器６、蒸発器６から流出された冷媒を気液分
離するアキュムレータ７を有して構成されている。この
サイクルでは、圧縮機２の吐出側（Ｄ）を放熱器３を介
して内部熱交換器４の高圧通路４ａに接続し、この高圧
通路４ａの流出側を膨張装置５に接続し、圧縮機２の吐
出側から膨張装置５に至る経路を高圧ライン８としてい
る。また、膨張装置５の流出側は、蒸発器６に接続さ
れ、この蒸発器６の流出側は、アキュムレータ７を介し
て内部熱交換器４の低圧通路４ｂに接続されている。そ
して、低圧通路４ｂの流出側を圧縮機２の吸入側（Ｓ）
に接続し、膨張装置５の流出側から圧縮機２に至る経路
を低圧ライン９としている。
【００１４】膨張装置５は、減圧調節機構を構成する減
圧調節弁１０とリリーフ機構を構成するリリーフ弁１１
とが並列的に接続されて構成されているもので、減圧調
節弁１０は、高圧ライン８の冷媒温度と冷媒圧力とに感
応し、これら冷媒温度と冷媒圧力とに応じて高圧ライン
８と低圧ライン９との連通状態を調節するようになって
おり、リリーフ弁１１は、蒸発器６の下流側での冷媒の
過熱度を検知し、この過熱度が所定値以上となった場合
に開弁するようになっている。
【００１５】図２に膨張装置５の具体的な構成例が示さ
れており、この膨張装置５は、減圧調節機構を構成する
減圧調節弁１０とリリーフ機構を構成するリリーフ弁１
１とをブロック型に一体形成したもので、高圧ライン８
の配管が接続されて放熱器側と連通する高圧側通路部１
２と、蒸発器６の入口側に通じる配管が接続されて蒸発
器側と連通する低圧側通路部１３と、高圧側通路部１２
と低圧側通路部１３とを連通する第１の連通路１４と、
一端が蒸発器６の出口側に通じる配管に接続され、他端
がアキュムレータ７に通じる配管に接続される低圧冷媒
通路部１５とがハウジング１６に形成されている。ま
た、このハウジング１６には、高圧側通路部１２と低圧
側通路部１３との間に設けられると共に蓋体１７にて閉
塞されている中継空間１８と、高圧側通路部１２と中継
空間１８とを連通する第２の連通路１９と、低圧側通路
部１３と中継空間１８とを連通する第３の連通路２０と
が形成されている。
【００１６】高圧側通路部１２には、減圧調節弁１０を
収納する収納空間２１が形成されており、この減圧調節
弁１０は、第１の連通路１４の高圧側通路部１２に開口
する開口部分周縁に形成された弁座２２に着座する弁体
２３と、この弁体２３に接合して一体をなして動くベロ
ーズ２４とから成り、このベローズ２４内には炭酸ガス
などの流体が封入されている。この減圧調節弁１０は、
高圧側通路部１２の冷媒圧力やベローズ周囲の冷媒温度
に応動するようになっており、減圧調節弁１０の開弁圧
や弁体の動きは、ベローズ内部に封入する流体の種類や
量を異ならせることによって所定の特性が得られるよう
に設定されている。
【００１７】中継空間１８には、リリーフ弁１１の弁体
２５が低圧冷媒通路部１５および低圧側通路部１３をよ
ぎるように摺動自在に設けられて第３の連通路２０を通
って挿入され、この弁体２５の先端に設けられた弁頭部
２６が収納されている。第３の連通路２０の中継空間１
８に臨む開口部分周縁には、弁頭部２６が着座する弁座
２７が形成されており、また、中継空間１８には、弁頭
部２６に当接する弁体受け部２８が収納され、この弁体
受け部２８と蓋体１７との間に弾装されたスプリング２
９によって弁頭部２６を常時弁座２７へ向かう方向へ付
勢するようにしている。
【００１８】弁体２５の低圧冷媒通路部１５をよぎる部
分は、この低圧冷媒通路部１５を流れる冷媒の温度を感
知する感温部３０となっており、この感温部３０は、低
圧冷媒通路部１５に連通孔３１を介して連通している連
通空間３２に挿入されている。連通空間３２は密閉空間
３３を画成するダイヤフラム３４に臨んでおり、弁体２
５の感温部３０はこのダイヤフラム３４に連結されてい
る。したがって、ダイヤフラム３４には低圧冷媒通路部
１５を流れる冷媒の圧力が作用すると共に、低圧冷媒通
路部１５を流れる冷媒の温度が弁体２５の感温部３０を
介して密閉空間３３内の封入流体に伝達され、低圧冷媒
通路部１５の冷媒圧と密閉空間３３に封入された流体の
圧力との差圧、及び、弁頭部２６に付勢されているスプ
リング２９のバネ力とが釣り合った位置に弁体２５が移
動することとなり、これによって第３の連通路２０の開
度が調節されるようになっている。即ち、低圧冷媒通路
部１５を流れる冷媒温度が高くなると、密閉空間内の封
入流体が暖められて膨張することとなるので、弁体２５
は第３の連通路２０を開く方向へ変位し、また、低圧冷
媒通路部１５の圧力が低下すると、密閉空間３３の内圧
が相対的に大きくなるので、この場合にも弁体２５は第
３の連通路２０を開く方向へ変位するようになる。
【００１９】上述の冷凍サイクル１においては、冷媒と
してＣＯ2 が用いられており、圧縮機２で圧縮された冷
媒は、高温高圧の超臨界状態の冷媒として放熱器３に入
り、ここで放熱して冷却する。その後、内部熱交換器４
において蒸発器６から流出する低温冷媒と熱交換して更
に冷やされ、液化されることなく膨張装置５へ送られ
る。そして、この膨張装置５において減圧されて低温低
圧の湿り蒸気となり、蒸発器６においてここを通過する
空気と熱交換してガス状となり、しかる後に内部熱交換
器４において高圧ライン８の高温冷媒と熱交換して加熱
され、圧縮機２へ戻される。
【００２０】このような構成において、低負荷時には、
前述したごとく減圧調節弁１０が閉塞しようとするが、
減圧調節弁１０が閉塞してしまうと、高圧ライン８から
低圧ライン９への冷媒供給がなくなるため、蒸発器６に
おいては、熱負荷に対して必要となる冷媒流量が確保さ
れなくなり、蒸発器下流側の過熱度が徐々に増加してく
る。また、低圧ライン９の冷媒は圧縮機２により吸引さ
れるものの高圧ライン８から供給されなくなるので、低
圧ライン８の圧力も低下してくる。すると、低圧冷媒通
路部１５を流れる冷媒の温度が高くなると共に、低圧冷
媒通路部１５の圧力が低下してくることから、膨張装置
５の弁体２５は第３の連通路２０を開弁する方向へ変位
し、リリーフ弁１１が開弁して高圧側通路部１２から第
２の連通路１９、中継空間１８、第３の連通路２０を経
て低圧側通路部１３へ冷媒が流れる。即ち、減圧調節弁
１０をバイパスして冷媒が流れる。よって、減圧調節弁
１０が閉塞状態にあっても、蒸発器６へ冷媒を供給する
ことができるようになり、圧縮機２として低圧ライン９
の圧力によって容量が制御される容量可変型を用い、且
つ、このサイクルを高圧圧力が臨界圧以下となる低負荷
域で運転するような場合においても、低圧圧力の著しい
低下や圧縮機２の吐出量の著しい減少を抑えることがで
き、冷凍サイクル１が間欠的に大きな変動を起こす現象
を抑えて低負荷時においても冷房能力を安定させること
ができるようになる。
【００２１】このように、リリーフ弁１１は蒸発器下流
側の過熱度に応じて開度が調節されることから、従来の
感温式膨張弁と同様の動作を有するものであるが、冷房
能力を調節するために用いられているものではなく、減
圧調節弁１０の閉塞状態を回避するために用いられるも
のであることから、第３の連通路２０を開放するために
必要な過熱度の設定値は従来の感温式膨張弁の設定値と
自ずから異るものであり、発明者らの研究によれば、リ
リーフ弁１１を開弁させるための過熱度としては、２℃
〜８℃に設定されることが好ましいとの知見を得てい
る。
【００２２】尚、上述の構成例では、リリーフ機構とし
てダイヤフラム式の調節弁を用いたが、蒸発器下流側で
の冷媒温度を感知して高圧側通路部１２と低圧側通路部
１３との連通状態を制御するベローズ式の調節弁を用い
るようにしてもよく、また、高圧圧力を調節する減圧調
節機構にあっても、上述の例ではベローズ式の調節弁を
用いた例を示したが、ダイヤフラム式の調節弁を用いる
ようにしてもよい。いずれの場合においても、上述した
構成例と同様の作用効果を得ることが可能となる。
【００２３】さらに、上述の構成例では、車両への搭載
性を考慮した最適な実施態様として減圧調節弁とリリー
フ弁とをブロック型として一体に形成した例を示した
が、必要に応じてそれぞれの機構を別体の構成部品とし
て形成し、図１に示されるように並列的に接続するよう
にしてもよいことは言うまでもない。
【００２４】
【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
冷凍サイクルの膨張装置に減圧調節機構の他に、蒸発器
下流側での冷媒温度が所定温度以上となった場合に高圧
側通路部から低圧側通路部へ冷媒を逃がすリリーフ機構
を設けたので、低負荷時に減圧調節機構が閉塞状態とな
った場合には、蒸発器下流側の過熱度の上昇に伴ってリ
リーフ機構により高圧側通路部から低圧側通路部へ冷媒
がリリーフするようになるので、低圧ラインの極端な圧
力低下や圧縮器の吐出量の極端な低下を抑えることがで
き、間欠的に生じ得る低負荷時でのサイクル変動を起こ
りにくくし、もって低負荷時においても冷房能力を安定
させることが可能になる。
【００２５】また、膨張装置の減圧調節機構とリリーフ
機構とを一体に形成する構成とすれば、車両への搭載に
際してレイアウトが複雑になることを避けることがで
き、また、リリーフ機構として、蒸発器下流側での冷媒
温度を感知して高圧側通路部と低圧側通路部との連通状
態を制御するダイヤフラム式、又は、ベローズ式のもの
を用いれば、従来用いられた膨張弁の開弁設定条件を変
えるだけで利用することも可能になるので、大きな設計
変更が不要になる等のメリットもある。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る冷凍サイクルの構成例を
示す図である。
【図２】図２は、図１に係る冷凍サイクルの膨張装置の
具体的構成例を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１ 冷凍サイクル ２ 圧縮機 ３ 放熱器 ５ 膨張装置 ６ 蒸発器 ８ 低圧ライン ９ 高圧ライン １０ 減圧調節弁 １１ リリーフ弁 １２ 高圧側通路部 １３ 低圧側通路部 １４ 第１の連通路 １５ 低圧冷媒通路部 １８ 中継空間 １９ 第２の連通路 ２０ 第３の連通路 ３４ ダイヤフラム
───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｆターム(参考） 3H052 AA01 BA35 CA12 CD09 EA11 EA16 3H106 DA03 DC04 DC17 EE48 GC29 HH06 KK23

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 冷媒を圧縮して運転条件により高圧ライ
    ンを超臨界状態とする圧縮機と、前記圧縮機によって圧
    縮された冷媒を冷却する放熱器と、前記放熱器で冷却さ
    れた冷媒を減圧する膨張装置と、前記膨張装置によって
    減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器とによって少なくと
    も構成される冷凍サイクルにおいて、 前記膨張装置は、 放熱器側と連通する高圧側通路部と、 蒸発器側と連通する低圧側通路部と、 前記高圧側通路部と前記低圧側通路部との間の連通状態
    を放熱器側の冷媒条件に応じて制御する減圧調節機構
    と、 前記蒸発器下流側での冷媒温度が所定温度以上となった
    場合に前記高圧通路部から前記低圧側通路部へ冷媒を逃
    がすリリーフ機構とを具備することを特徴とする冷凍サ
    イクル。
  2. 【請求項２】 前記膨張装置の前記減圧調節機構と前記
    リリーフ機構とは、一体に形成されている請求項１記載
    の冷凍サイクル。
  3. 【請求項３】 前記リリーフ機構は、前記蒸発器下流側
    での冷媒温度を感知して前記高圧側通路部と前記低圧側
    通路部との連通状態を制御するダイヤフラム式のもので
    ある請求項１記載の冷凍サイクル。
  4. 【請求項４】 前記リリーフ機構は、前記蒸発器下流側
    での冷媒温度を感知して前記高圧側通路部と前記低圧側
    通路部との連通状態を制御するベローズ式のものである
    請求項１記載の冷凍サイクル。
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