JP2001116403A

JP2001116403A - 冷凍サイクル

Info

Publication number: JP2001116403A
Application number: JP29771899A
Authority: JP
Inventors: 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
Original assignee: Zexel Valeo Climate Control Corp
Current assignee: Valeo Thermal Systems Japan Corp
Priority date: 1999-10-20
Filing date: 1999-10-20
Publication date: 2001-04-27

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、膨張装置の閉塞状態が
長期にわたる不都合を回避し、もって間欠的に生じ得る
低負荷時での大きな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】冷凍サイクルの非電気式の膨張装置５
に、放熱器側の冷媒条件に応じて弁体１７の動きを制御
するベローズ１９とは別に、弁体１７を開弁方向へ付勢
するスプリング２０を設ける。膨張装置５の制御線を低
負荷域において飽和曲線に近接させることで膨張装置の
開閉動作を頻繁に行わせる。開弁力の調節として、ベロ
ーズとは別に、弁体を閉弁方向へ付勢する第１のスプリ
ングと、弁体を開弁方向へ付勢する第２のスプリングと
を設けてもよい。

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】この現象をモリエール線図によって見る
と、臨界圧よりも高圧圧力が低くなる亜臨界領域では、
膨張装置の最適制御線が図４のＩで示す破線のように設
定されているため、図５（ａ）に示されるように、膨張
装置が閉塞して高圧圧力が徐々に高まってくると制御線
上のα点に達して膨張装置が開き、一気に冷媒が高圧ラ
インから低圧ラインへ流れて高圧圧力が低下し、β点に
至る。その後、飽和曲線の近傍を移行してしばらくは高
圧圧力があまり上昇せずにγ点に達し、徐々に高圧圧力
が高まってα点に至ると考えられ、このα→β→γ→α
の一連の繰り返しによって上述の現象が生じていると考
えられる。

【００１０】このような間欠的なサイクル変動は、数分
に１回の割合で生じることが確認されていることから、
被空調空間へ吹き出される吹出空気温度も数分毎に大き
く変動してしまい、快適な空調を阻害してしまう結果と
なる。このため、膨張装置の閉塞状態が長く続くことに
よる上述の現象をできるだけ緩和させる手段が必要不可
欠となる。

【００１１】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、膨張装置の閉塞状態が長期に亘って生じる不
都合を回避し、もって間欠的に生じ得る低負荷時での大
きなサイクル変動を起こりにくくし、安定した冷房能力
を得て快適な空調を維持す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。

【００１２】

【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変化さ
せる弁体と、前記放熱器側の冷媒条件に応じて前記弁体
の動きを制御する感受要素と、前記弁体を開弁方向へ付
勢するスプリングとを具備することを特徴としている
（請求項１）。

【００１３】したがって、膨張装置の開弁力は、感受要
素によって弁体を閉弁方向へ付勢する初期圧縮力からス
プリングによって弁体を開弁方向へ付勢するばね力を引
いたものとなるので、高圧圧力が従来ほど高まらなくて
も膨張装置が開いて高圧ラインから低圧ラインへ冷媒が
流れることとなる。即ち、図４に示されるように、制御
線をIIで示す実線のように低負荷域でより飽和曲線に近
接させることができるので、図５（ｂ）に示されるよう
に、α→β→γ→αの一連の膨張装置の動作を小さくす
ることで膨張装置の開閉動作を頻繁に行わせることがで
きる。このため、高圧圧力がさほど大きくならないうち
に膨張装置を開弁させることができるので、サイクル変
動は生じるものの従来よりも小さくすることができ、膨
張装置が長時間閉塞して吹出空気温度が体感に影響する
ほど大きく変動する前に膨張装置を再び開いて冷媒を蒸
発器へ送ることが可能となり、大きなサイクル変動、即
ち、大きな吹出空気温度の変動を避けることができる。

【００１４】ここで、開弁力の調節としては、感受要素
と弁体を開弁方向へ付勢するスプリングとによって調節
する手法に限らず、感受要素と、弁体を閉弁方向へ付勢
する第１のスプリングと、弁体を開弁方向へ付勢する第
２のスプリングとによって調節するものであっても良い
（請求項２）。

【００１５】このような構成によれば、膨張装置の開弁
力は、感受要素によって弁体を閉弁方向へ付勢する初期
圧縮力と第１のスプリングによって弁体を閉弁方向へ付
勢するばね力との和から、第２のスプリングによって弁
体を開弁方向へ付勢するばね力を引いたものとなるの
で、膨張装置の開弁力は第１及び第２のスプリングのバ
ネ力を変更することによって調節することができ、開弁
力の調節範囲をより広くすることが可能となる。

【００１６】

【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。

【００１７】前記膨張装置５は、非電気式のもので、図
２にも示されるように、ハウジング１０内に内部熱交換
器４の高圧通路４ａに通じる（放熱器側に通じる）高圧
側通路部１１と蒸発器６に通じる低圧側通路部１２とが
仕切壁１３によって画成されており、この仕切壁１３に
高圧側通路部１１から低圧側通路部１２にかけて連通路
１４が形成されている

【００１８】高圧側通路部１１には、減圧調節弁１５が
収納されており、この減圧調節弁１５は、連通路１４の
高圧空間１１に開口する開口周縁部に形成された弁座１
６に着座する弁体１７と、この弁体１７に当接されて弁
体を保持する弁体受け１８と、この弁体受け１８に接合
されて弁体１７及び弁体受け１８と一体をなして動くベ
ローズ１９とを有している。また、低圧側通路部１２か
ら連通路１４を通過するようにハウジング１０の内面と
弁体１７との間にスプリング２０が弾装され、このスプ
リング２０により、弁体１７を開弁方向へ常時付勢する
ようにしている。

【００１９】上記構成において、減圧調節弁１５の開弁
力は、ベローズ１９の内部に封入するガス量やガスの種
類を変更することによって調整されると共にスプリング
２０のバネ力によっても調節されるようになっており、
ベローズ１９によって弁体１７を閉弁方向へ付勢する初
期圧縮力からスプリング２０によって弁体１７を開弁方
向へ付勢するばね力を引いたものとなる。したがって、
スプリング２０のバネ力を調節することにより、膨張装
置５の制御線を、図４の実線（IIで示す細線）で示され
るように、高負荷域（超臨界域）では従来と同様の特性
を有するが、低負荷域（亜臨界域）では、従来よりも飽
和曲線に近接した特性とすることができる。

【００２０】即ち、低負荷域において制御線を飽和曲線
に近接させたことから、図５（ｂ）に示されるように、
高圧圧力が従来の図５（ａ）に比べて、さほど高くなら
なくても膨張装置５が開いて高圧ライン８から低圧ライ
ン９へ冷媒が流れることになるので、α→β→γ→αの
膨張装置５の動作サイクルを小さくすることができ、膨
張装置５の開閉動作を従来よりも頻繁に行わせることが
できる。このため、高圧圧力がさほど大きくならないう
ちに開弁することになることから、サイクル変動を従来
よりも小さくすることができ、膨張装置５が長時間閉塞
して吹出空気温度が体感に影響するほど大きく変動する
前に膨張装置５が再び開いて冷媒を蒸発器６へ送ること
が可能となり、吹出空気温度の大きな変動を避けること
ができる。よって、臨界圧の前後で冷媒流量の連続制御
が可能となり、安定した空調制御を実現することができ
る。

【００２１】また、上述の構成によれば、スプリング２
０のバネ力を調節することで、サブクールを零にする飽
和制御から所望のサブクークを得るサブクール制御に至
るまで開弁設定値を可変させることができるので、膨張
装置５の開弁設定を幅広く調節することが可能となる。

【００２２】図３に膨張装置５の他の構成例が示され、
この膨張装置５が図２の膨張装置と異なる点は、ベロー
ズ１９内にハウジング１０の内面と弁体受け１８との間
に弾装されて弁体１７を閉弁方向へ常時付勢する第１の
スプリング２１と、低圧側通路部１２から連通路１４を
通過するようにハウジング１０の内面と弁体１７との間
に弾装されて弁体１７を開弁方向へ常時付勢する第２の
スプリング２２とを備えている点にある。その他の構成
は、図２の構成と同様であるので、同一箇所に同一番号
を付して説明を省略する。

【００２３】このような構成においては、減圧調節弁１
５の開弁力が、ベローズ１９の内部に封入するガス量や
ガスの種類を変更することによって調整されると共に、
第１及び第２のスプリング２１，２２のバネ力を変更す
ることによっても調節されるようになっており、ベロー
ズ１９によって弁体１７を閉弁方向へ付勢する初期圧縮
力と第１のスプリング２１のバネ力との和から第２のス
プリング２２のばね力を引いたものとなる。したがっ
て、この例においても、第１及び第２のスプリング２
１，２２のバネ力を調節することにより、膨張装置５の
制御線を図４のIIで示す実線のように高負荷域（超臨界
域）では従来と同様にし、低負荷域（亜臨界域）では従
来よりも飽和曲線に近接した特性とすることができ、図
２の前記構成例と同様の作用効果を得ることができる。

【００２４】また、この構成例によれば、第１及び第２
のスプリング２１，２２のバネ力をいろいろ組合せるこ
とにより、膨張装置５の開弁設定値を前記構成例よりも
幅広く調節することが可能となる。

【００２５】尚、上述の構成例では、感受要素としてベ
ローズ１９を用いた方式の減圧調節弁の例を示したが、
感受要素としてダイヤフラムを用いた方式の減圧調節弁
を用いるようにしてもよい。このような構成において
も、上述した構成例と同様の作用効果を得ることができ
る。

【００２６】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
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、冷凍サイクルの膨張装置に感受要
素によって動きが制御される弁体に開弁方向へ付勢する
スプリングを設けたので、膨張装置の開弁力は感受要素
によって弁体を閉弁方向へ付勢する初期圧縮力からスプ
リングによって弁体を開弁方向へ付勢するばね力を引い
たものとなるので、スプリングによるバネ力を調節する
ことにより、サブクールを零から所望の値まで可変させ
ることができ、低負荷時においても膨張装置の閉塞状態
が長期にわたる不都合を回避し、膨張装置の開閉動作を
頻繁に行わせることで間欠的に生じ得る大きなサイクル
変動を低減することができ、もって、超臨界域から亜臨
界域にかけて連続的な冷媒流量の制御が可能となり、連
続的に安定した空調制御を行うことができると共に空調
の快適性を向上させることができる。

【００２７】また、開弁力の調節として、感受要素と、
弁体を閉弁方向へ付勢する第１のスプリングと、弁体を
開弁方向へ付勢する第２のスプリングとによって調節す
る構成とすれば、膨張装置の開弁力は、感受要素によっ
て弁体を閉弁方向へ付勢する初期圧縮力と第１のスプリ
ングによって弁体を閉弁方向へ付勢するばね力との和か
ら、第２のスプリングによって弁体を開弁方向へ付勢す
るばね力を引いたものとなるので、第１のスプリング及
び第２のスプリングのバネ力を調節することにより、上
述と同様の作用効果を得ることができると共に、膨張装
置の開弁力の調節範囲をより広くすることができるメリ
ットも有する。

【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、膨張装置の具体的構成例を示す拡大断
面図である。

【図３】図３は、膨張装置の他の具体的構成例を示す拡
大断面図である。

【図４】図４は、膨張装置の制御線をモリエール線図に
示した図である。

【図５】図５は、膨張装置の制御線とモリエール線図の
一部を抜粋した拡大図である。

【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１１高圧側通路部１２低圧側通路部１４連通路１７弁体１９ベローズ２０スプリング２１第１のスプリング２２第２のスプリング

───────────────────────────────────────────────────── 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

【特許請求の範囲】

【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
を変化させる弁体と、前記放熱器側の冷媒条件に応じて前記弁体の動きを制御
する感受要素と、前記弁体を開弁方向へ付勢するスプリングとを具備する
ことを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項２】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
を変化させる弁体と、前記放熱器側の冷媒条件に応じて前記弁体の動きを制御
する感受要素と、前記弁体を閉弁方向へ付勢する第１のスプリングと、前記弁体を開弁方向へ付勢する第２のスプリングとを具
備することを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項３】前記感受要素はベローズから構成されて
いる請求項１又は２記載の冷凍サイクル。