JP2002333241A - 膨張装置付きアキュムレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 膨張装置の冷却の促進を図って起動時におけ
る弁閉止を回避することができ、リリーフ弁を削除する
ことができる膨張装置付きアキュムレータを提供する。 【解決手段】 冷凍サイクルの高圧ラインの冷媒温度に
応じて弁開度が調節される圧力制御弁１４を有する膨張
装置５と冷凍サイクルの膨張装置５から圧縮機に至る低
圧ライン上に設けられるアキュムレータ７とを一体化し
て構成する。膨張装置５とアキュムレータ７とが一体化
されたボディー部１０に、高圧ラインに通じる圧力制御
弁１４の上流側に位置する入口通路と低圧ラインに通じ
る圧力制御弁１４の下流側に位置する出口通路を設ける
と共に、低圧ラインの冷媒をアキュムレータ７の内部に
導入する導入通路２０とアキュムレータ内の気相冷媒を
圧縮器側へ導出する導出通路２１を設ける。

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、二酸化炭素（Ｃ
Ｏ₂ ) などのように冷媒を超臨界域で使用する超臨界冷
凍サイクルに適した膨張装置付きアキュムレータに関す
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号公報に示さ
れるように、ベローズ等の変位部材を用いた圧力制御弁
の密閉空間に二酸化炭素などの作動ガスを封入し、放熱
器の出口側の冷媒温度に対して成績係数を最大とする最
適制御特性が得られるように高圧圧力を制御するように
した構成が開示されている。

【０００３】このような圧力制御弁によれば、放熱器の
出口側の冷媒温度が低い場合には、密閉空間内の冷媒の
収縮により変位部材が変位して弁口を開ける方向に弁体
が移動するので、放熱器の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、密閉空間内
の冷媒の膨張により変位部材が変位して弁口を閉める方
向に弁体が移動するので、放熱器の出口側圧力が上昇
し、圧縮機の圧縮仕事を増加させることなく、放熱器の
出口側圧力を増減させることができるので、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る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな超臨界域で冷媒を使用する冷凍サイクルにおいて
は、高負荷起動時において、圧力制御弁の封入された作
動ガスの温度が非常に高くなってしまうため、最適制御
特性を得ようとすると、図４で示されるように、高圧制
御目標値が高くなって弁体が開かなくなると共に、始動
時の高圧圧力が設計許容圧力（高圧カット設定値）を超
えて高圧カットスイッチが作動し冷凍サイクルが停止し
てしまう等の不都合が生じる。このような不都合を回避
するために、圧力制御弁と並列に高圧圧力が設定許容圧
力よりも低い所定の圧力以上になった場合に開弁するリ
リーフ弁を設け、起動初期において圧力制御弁の周囲に
冷媒を積極的に流すことで圧力制御弁の冷却を促進し、
起動時の開弁を確保するようにした構成も考えられてい
るが、このような構成においては、リリーフ弁を設ける
ことが不可欠の要件になるため、構造が複雑になること
が懸念されている。

【０００５】また、二酸化炭素（ＣＯ₂ ）を冷媒とする
冷凍サイクルにおいては、低圧ラインにアキュムレータ
が設けられ、さらに、成績係数の向上を図るために、放
熱器下流側の高圧ラインの冷媒と圧縮機の上流側の低圧
ラインの冷媒とを熱交換させるようにした内部熱交換器
を設ける場合が多いが、蒸発器の出入口コネクタや内部
熱交換器の蒸発器側の出入口コネクタは、近接している
にも拘わらず、膨張装置やアキュムレータが別個独立に
配置されていることから、膨張装置に接続する配管とア
キュムレータに接続する配管とを別々に引き回して接続
する必要があり、配管の接続工程が煩雑になると共に、
接続作業の効率が悪くなるという不都合もある。

【０００６】そこで、この発明においては、膨張装置の
起動初期における弁閉止の不具合を回避するには、何ら
かの形で膨張装置を冷却する必要があることに鑑み、膨
張装置の冷却の促進を図って起動時における弁閉止を回
避又は速やかな解除を行うことができ、また、超臨界冷
凍サイクルで必要であったリリーフ弁を削除することが
可能となる膨張装置付きアキュムレータを提供すること
を主たる課題としている。また、蒸発器の出入口コネク
タや内部熱交換器の蒸発器側の出入口コネクタが近接し
ていることに鑑み、膨張装置付きアキュムレータを用い
て、配管の接続工程の簡素化を図り、作業効率を向上さ
せることをも課題としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、この発明に係る膨張装置付きアキュムレータは、冷
凍サイクルの高圧ラインの冷媒温度に応じて弁開度が調
節される制御弁を有する膨張装置と前記冷凍サイクルの
前記膨張装置から圧縮機に至る低圧ライン上に設けられ
るアキュムレータとを一体化して構成し、前記膨張装置
と前記アキュムレータとが一体化されたボディー部に、
前記高圧ラインに通じる前記制御弁の上流側に位置する
入口通路と前記低圧ラインに通じる前記制御弁の下流側
に位置する出口通路とを設けると共に、前記低圧ライン
の冷媒を前記アキュムレータの内部に導入する導入通路
と前記アキュムレータ内の気相冷媒を前記圧縮器側へ導
出する導出通路とを設けるようにしたことを特徴として
いる（請求項１）。

【０００８】したがって、一体化されたボディー部に入
口通路と出口通路のほかに、低圧ラインに設けられるア
キュムレータの導入通路と導出通路とが形成されるの
で、冷凍サイクルが高温環境下で放置され、起動し始め
る場合には、圧縮機によりアキュムレータ内の低温冷媒
が導出通路を介して吸引され、この際、導出通路を流れ
る冷媒と入口通路側の冷媒とがボディー部を介して熱交
換されるので、制御弁の上流側の高圧冷媒を冷却するこ
とができるようになり、もって起動初期に高圧ラインの
冷媒流動が少ない場合でも膨張装置の弁閉止状態を回避
又は速やかに解除することができるようになる。よっ
て、冷凍サイクルの起動時に膨張装置の閉弁状態が維持
されて高圧が異常に上昇することを避けることができる
ようになる。

【０００９】また、ボディー部に形成される入口通路と
導出通路とを該ボディー部の同一端面に開口し、また、
出口通路と導入通路とは該ボディー部の他の同一端面に
開口するようにするとよい（請求項２）。このような構
成とすれば、近接した内部熱交換器の蒸発器側の出入口
コネクタから配管を分離せずに引き回して一回の接続工
程でボディー部の入口通路と導出通路とに同時に接続さ
せることができるようになり、また、近接した蒸発器の
出入口コネクタからも、配管を分離せずに引き回して一
回の接続工程でボディー部の出口通路と導入通路とに同
時に接続させることができるようになる。

【００１０】ここで、前記ボディー部は、高圧通路と低
圧通路とが形成されたボディー部材と、導入通路と導出
通路とが形成された他のボディー部材とを一体に結合し
て構成するようにしても（請求項３）、高圧通路及び低
圧通路と、導入通路及び導出通路とを共通のボディー部
材に形成して構成するようにしてもよい（請求項４）。
特に、ボディー部を別部材を一体に結合して構成する場
合には、接合部分に伝熱性を良くするためのグリースを
塗布したり、他の部材を介在させるようにしてもよい。

【００１１】尚、上述した膨張装置付きアキュムレータ
は、高圧ラインの圧力が冷媒の臨界圧力を超える状態と
なり得る超臨界冷凍サイクルに適したものである（請求
項５）。

【００１２】

【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、冷媒を減圧膨張する圧力制御弁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。この冷凍サイクルにおいては、圧縮機２の吐出側が
放熱器３を介して内部熱交換器４の高圧通路４ａに接続
され、この高圧通路４ａの流出側が圧力制御弁５に接続
されており、圧縮機２の吐出側から圧力制御弁５に至る
までの経路によって高圧ライン８が形成されている。ま
た、圧力制御弁５の流出側が蒸発器６及びアキュムレー
タ７を介して内部熱交換器４の低圧通路４ｂに接続さ
れ、低圧通路４ｂの流出側が圧縮機２の吸入側に接続さ
れており、この圧力制御弁５の流出側から圧縮機２に至
るまでの経路によって低圧ライン９が形成されている。

【００１３】この冷凍サイクル１においては、冷媒とし
て二酸化炭素（ＣＯ₂ ）が用いられており、圧縮機２で
昇圧された冷媒は、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され、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圧力制御
弁５へ送られる。そして、この圧力制御弁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
後にアキュムレータ７で液相冷媒を分離した後に内部熱
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へ戻されるようになっている。

【００１４】前記膨張装置５は、図２にも示されるよう
に、アキュムレータ７の上部に一体化されているもの
で、この膨張装置５とアキュムレータ７とを一体化した
ボディー部１０に内部熱交換器４や蒸発器６に通じる配
管が接続されている。

【００１５】この例においてボディー部１０は、膨張装
置５を構成する直方体形状のボディー部材１０ａと、こ
れとは別部材で構成されたアキュムレータ７の出入口部
を構成する直方体形状のボディー部材１０ｂとをボルト
などによって締結して一体的に構成されているもので、
それぞれのボディー部材１０ａ，１０ｂは、アルミニウ
ム合金などの伝熱性のいい部材によって構成され、必要
に応じてグリースなどの熱伝達を促進する部材を間に介
在させて組み付けられている。

【００１６】膨張装置５を構成するボディー部材１０ａ
には、内部熱交換器４の高圧通路４ａに通じる（高圧ラ
イン８に通じる）入口通路１１と蒸発器６に通じる（低
圧ライン９に通じる）出口通路１２と、入口通路１１に
続いて形成された高圧空間１３とが設けられ、高圧空間
１３には、減圧制御弁１４が収納されている。

【００１７】高圧空間１３と出口通路１２とは、ボディ
ー部材１０ａに形成された弁口１５によって連通され、
減圧制御弁１４は、弁口１５の高圧空間１３に開口する
開口部分に形成された弁座１６に着座する弁体１７と、
この弁体１７が一体に接合され、他端がボディー部材１
０ａに取り付けられたベローズ１８とから構成されてお
り、ベローズ１８内には、炭酸ガス（ＣＯ₂ ）などの作
動ガスが封入されている。

【００１８】この減圧制御弁１４の開弁圧や弁体１７の
動きは、ベローズ内部に封入する作動ガスの種類や封入
量を変更することによって調整され、この減圧制御弁１
４は、ベローズ周囲の冷媒温度に応動するようになって
おり、膨張装置５に流入する冷媒温度に対して成績係数
（ＣＯＰ）が最大となるような図４に示されるような最
適制御特性が得られるように弁開度が調節され、高圧圧
力が制御されるようになっている。

【００１９】また、アキュムレータ７の出入口部を構成
するボディー部材１０ｂには、蒸発器６から流出した冷
媒をアキュムレータ７の内部へ導入する導入通路２０と
アキュムレータ７内の気相冷媒を内部熱交換器４を介し
て圧縮機２へ導出する導出通路２１とが形成されてい
る。これら導出通路２１と導入通路２０とは、それぞれ
入口通路１１と出口通路１２とに近接して形成されてい
るもので、この例においては、導出通路２１が入口通路
１１と略平行となるようにボディー部材１０ｂの上端に
形成され、導入通路２０が出口通路１２と略平行となる
ように同じくボディー部材１０ｂの上端に形成されてい
る。また、導入通路２１のアキュムレータ内に臨む部分
には、アキュムレータ内部に突出する導入管２２が嵌合
され、導出通路のアキュムレータ内に臨む部分には、ア
キュムレータ内部の気相領域に開口する導出管２３が嵌
合されている。

【００２０】そして、それぞれのボディー部材１０ａ，
１０ｂを結合して構成されるボディー部１０の一方の側
端面３０ａには、入口通路１１と導出通路２１とが所定
の間隔を置いて開口され、内部熱交換器４の蒸発器側の
出入口部に接続される２つの配管２４，２５（内部熱交
換器４の高圧通路４ａに接続される配管２４と低圧通路
４ｂに接続される配管２５）を連結プレート２６によっ
て所定の間隔に保持した状態でボディー部１０の側方か
ら対応する各通路の開口部分に挿入し（内部熱交換器４
の高圧通路４ａに接続される配管２４を膨張装置５の入
口通路１１に挿入し、内部熱交換器４の低圧通路４ｂに
接続される配管２５を導出通路２１に挿入し）、連結プ
レート２６をボディー部１０にネジ止めすることで両配
管２４，２５をボディー部１０に組み付けるようにして
いる。

【００２１】また、ボディー部１０の前記入口通路１１
及び導出通路２１が開口する側端面３０ａと反対側の側
端面３０ｂには、出口通路１２と導入通路２０とが所定
の間隔を置いて開口され、蒸発器６の出入口部に接続さ
れる２つの配管２７，２８（蒸発器６の流入側に接続さ
れる配管２７と流出側に接続される配管２８）を連結プ
レート２９で所定の間隔に保持した状態でボディー部１
０の他方の側方から対応する各通路の開口部分に挿入し
（蒸発器６の流入側に接続される配管２７を膨張装置５
の低圧通路１２に挿入し、蒸発器６の流出側に接続され
る配管２８を導入通路２０に挿入し）、連結プレート２
９をボディー部１０にネジ止めすることで両配管２７，
２８をボディー部１０に組み付けるようにしている。

【００２２】上述した構成において、膨張装置５は、図
４に示す制御特性が得られるように弁開度が調節される
ので、高負荷起動時のように、膨張装置５の高圧空間内
の冷媒温度が非常に高くなっている状態においては、弁
体１７が弁口１５を閉塞する閉弁状態が形成され、高圧
空間１３の冷媒が流れない状態が形成されようとする。
しかしながら、圧縮機２が起動すると、アキュムレータ
７内の低圧低温の気相冷媒が導出通路２１を介して圧縮
機２に吸引されるので、アキュムレータ内の冷媒が導出
通路２１を通過する際にボディー部１０を介して入口通
路１１又は高圧空間１３内の冷媒との間で熱交換が行わ
れ、次第に高圧空間内の冷媒が冷やされることとなる。
このため、ベローズ１８内に封入された作動ガスも徐々
に冷却されていき、次第に弁体１７が弁座１６から離れ
て開弁し、高圧冷媒が低圧ライン９へ流出されることと
なり、閉弁状態を回避又は速やかに解除することができ
るようになる。

【００２３】そして、一旦、圧力制御弁１４が開いて高
圧冷媒が流れ始めると、放熱器３や内部熱交換器４で冷
却された冷媒が入口通路１１を介してベローズ周囲の高
圧空間１３を流れることとなるので、膨張装置５は通常
の正常動作へ移行し、図４で示す最適制御特性が得られ
るように弁開度が調節されることとなる。

【００２４】よって、冷凍サイクル１の起動時に膨張装
置５の冷却の促進を図って起動時における弁閉止を回避
又は速やかに解除することができるので、起動初期の高
圧圧力の異常上昇を回避するために必要であったリリー
フ弁を削除することができるようになる。

【００２５】また、上述の構成においては、ボディー部
１０に形成される入口通路１１と導出通路２１との開口
端面が同一端面に形成され、また、出口通路１２と導入
通路２０との開口端面が他の同一端面に形成されている
ので、近接した内部熱交換器４の蒸発器側の出入口コネ
クタに接続される配管２４，２５を、分離して引き回す
ことなくボディー部１０の入口通路１１と導出通路２１
に対して一回の接続工程でまとめて接続することができ
るようになり、また、近接した蒸発器６の出入口コネク
タに接続される配管２７，２８においても、それぞれを
分離して引き回すことなく、ボディー部１０の出口通路
１２と導入通路２０に対して一回の接続工程でまとめて
接続することができるようになる。このため、配管の接
続工程の簡素化を図ることが可能となり、作業効率を向
上させることができるようになる。

【００２６】さらに、上述の構成においては、ボディー
部１０を、入口通路１１と出口通路１２とが形成された
ボディー部材１０ａと、導入通路２０と導出通路２１と
が形成された他のボディー部材１０ｂとを一体に結合し
て構成するようにしたので、一方のボディー部材から他
方のボディー部材へ移動する熱伝導量をボディー部材間
に介在する物質を調節することなどによって最適となる
ようにコントロールすることが可能となる。

【００２７】図３において、上述した膨張装置付きアキ
ュムレータの変形例が示され、この例においては、ボデ
ィー部１０が、入口通路１１及び出口通路１２と、導入
通路２０及び導出通路２１とを共通のボディー部材１０
ｃに近接して形成されている点で前記構成例と異なって
いる。他の構成においては、前記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。

【００２８】このような構成においては、前記構成例と
同様の作用効果を得ることができるほか、前記ボディー
部材間の熱伝導の低下を考慮する必要がなくなり、ま
た、全体としての部品点数の削減を図ることができるこ
とから、コスト面で有利なものとなる。

【００２９】尚、上述の構成においては、特に、圧力制
御弁１４としてベローズ１８を用いた場合を示したが、
ダイヤフラムなどの感温部材を用いるようにしてもよ
い。また、上述の構成においては、圧力制御弁１４の周
囲の冷媒温度を低下させる手段として、ボディー部１０
の入口通路１１と出口通路１２に近接して導入通路２０
や導出通路２１を設ける構成を示したが、入口通路１１
や高圧空間１３、導出通路２１の内側にフィンを設ける
ようにするなど、熱交換を促進する手段をさらに追加す
るようにしてもよい。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように、冷凍サイクルの高圧
ラインの冷媒温度に応じて弁開度が調節される制御弁を
有する膨張装置と冷凍サイクルの膨張装置から圧縮機に
至る低圧ライン上に設けられるアキュムレータとを一体
化して構成し、膨張装置とアキュムレータとの一体化し
たボディー部に、制御弁より上流側に位置する高圧ライ
ンに通じる入口通路と制御弁より下流側に位置する低圧
ラインに通じる出口通路とを設けると共に、低圧ライン
の冷媒をアキュムレータの内部に導入する導入通路とア
キュムレータ内の気相冷媒を圧縮器側へ導出する導出通
路とを設けるようにしたので、冷凍サイクルの起動時に
おいては、圧縮機によりアキュムレータ内の低温冷媒が
導出通路を介して吸引され、この際、導出通路を流れる
冷媒と入口通路側の冷媒とがボディー部を介して熱交換
されるので、起動時において膨張装置を冷却することが
できるようになり、起動初期に高圧ラインの冷媒流動が
少ない場合でも膨張装置の弁閉止を回避又は速やかに解
除することができるようになる。よって、起動時に膨張
装置が閉弁して高圧圧力が異常上昇することを避けるこ
とができるようになるので、起動初期の異常高圧を回避
するために必要であったリリーフ弁を削除することがで
きるようになる。

【００３１】また、ボディー部に形成される入口通路と
導出通路とを該ボディー部の同一の端面に開口し、出口
通路と導入通路とを該ボディー部の同一の端面に開口す
るようにすれば、近接した内部熱交換器の蒸発器側の出
入口コネクタから配管を分離せずに引き回して一回の接
続工程でボディー部の入口通路と導出通路とに接続させ
ることができるようになり、また、近接した蒸発器の出
入口コネクタからも配管を分離せずに引き回して一回の
接続工程でボディー部の出口通路と導入通路とに接続さ
せることができるようになるので、配管の接続工程の簡
素化を図り、作業効率を向上を図ることが可能となる。

【００３２】さらに、ボディー部を、入口通路と出口通
路とが形成されたボディー部材と、導入通路と導出通路
とが形成された他のボディー部材とを一体に結合して構
成するようにすれば、熱伝導量を最適値にコントロール
しやすいものとなり、また、ボディー部を、入口通路及
び出口通路と導入通路及び導出通路とを共通のボディー
部材に形成して構成するようにすれば、コストの低減を
図ることが可能となる。

【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全体構成
例を示す図である。

【図２】図２（ａ）は、膨張装置とアキュムレータとを
一体化した部分の構成例を示す拡大断面図であり、図２
（ｂ）は、図２（ａ）のＩ−Ｉ線で切断した膨張装置の
断面図である。

【図３】図３は、膨張装置とアキュムレータとを一体化
した部分の他の構成例を示す拡大断面図である。

【図４】図４は、制御弁によって制御される高圧ライン
の冷媒温度と高圧圧力との関係を示す特性線図である。

【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 ７ アキュムレータ ８ 高圧ライン ９ 低圧ライン １０ ボディー部 １０ａ，１０ｂ，１０ｃ ボディー部材 １１ 入口通路 １２ 出口通路 １４ 圧力制御弁 ２０ 導入通路 ２１ 導出通路 ３０ａ，３０ｂ 側端面

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷凍サイクルの高圧ラインの冷媒温度に
   応じて弁開度が調節される制御弁を有する膨張装置と前
   記冷凍サイクルの前記膨張装置から圧縮機に至る低圧ラ
   イン上に設けられるアキュムレータとを一体化して構成
   し、前記膨張装置と前記アキュムレータとが一体化され
   たボディー部に、前記高圧ラインに通じる前記制御弁の
   上流側に位置する入口通路と前記低圧ラインに通じる前
   記制御弁の下流側に位置する出口通路とを設けると共
   に、前記低圧ラインの冷媒を前記アキュムレータの内部
   に導入する導入通路と前記アキュムレータ内の気相冷媒
   を前記圧縮器側へ導出する導出通路とを設けるようにし
   たことを特徴とする膨張装置付きアキュムレータ。
2. 【請求項２】 前記ボディー部に形成される前記入口通
   路と前記導出通路とは該ボディー部の同一端面に開口さ
   れており、また、前記出口通路と前記導入通路とは該ボ
   ディー部の他の同一端面に開口されていることを特徴と
   する請求項１記載の膨張装置付きアキュムレータ。
3. 【請求項３】 前記ボディー部は、前記入口通路と前記
   出口通路とが形成されたボディー部材と、前記導入通路
   と前記導出通路とが形成された他のボディー部材とを一
   体に結合して構成されることを特徴とする請求項１記載
   の膨張装置付きアキュムレータ。
4. 【請求項４】 前記ボディー部は、前記入口通路及び前
   記出口通路と、前記導入通路及び前記導出通路とを共通
   のボディー部材に形成して構成されていることを特徴と
   する請求項１記載の膨張装置付きアキュムレータ。
5. 【請求項５】 前記冷凍サイクルは、超臨界冷凍サイク
   ルである請求項１記載の膨張装置付きアキュムレータ。