JP2004011957A

JP2004011957A - 超臨界冷媒サイクル装置

Info

Publication number: JP2004011957A
Application number: JP2002163293A
Authority: JP
Inventors: Shigenori Doi; 土井　重紀; Toshiyuki Ebara; 江原　俊行; Yoshiaki Kurosawa; 黒澤　美暁; Mitsuhiko Ishino; 石野　光彦; Eiju Fukuda; 福田　栄寿; Yoshihiko Kobayashi; 小林　好彦; Aritomo Yoshida; 吉田　有智
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-06-04
Filing date: 2002-06-04
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】高圧側が超臨界圧力で運転される冷媒サイクル装置において、エバポレータにおける熱交換能力を向上させる。
【解決手段】コンプレッサ１０、ガスクーラ１５４、膨張弁１５６及びエバポレータ１５７を順次環状に接続し、高圧側が超臨界圧力で運転される冷媒サイクル装置において、エバポレータ１５７の出口側の冷媒温度及び冷媒圧力に基づいて膨張弁１５６の弁開度を調整し、当該エバポレータ１５７の出口側の過熱度を制御する。膨張弁１５６により、エバポレータ１５７の出口側の過熱度を大きくとる。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンプレッサ、ガスクーラ、絞り手段及びエバポレータを順次環状に接続して構成され、高圧側が超臨界圧力で運転される冷媒サイクル装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より例えば自動車の車室内を空調するカーエアコンは、ロータリコンプレッサ（コンプレッサ）、ガスクーラ、中間熱交換器、絞り手段（膨張弁等）及びエバポレータ等を順次環状に配管接続して冷媒サイクル（冷媒回路）が構成されている。そして、ロータリコンプレッサの回転圧縮要素の吸込ポートから冷媒ガスがシリンダの低圧室側に吸入され、ローラとベーンの動作により圧縮が行われて高温高圧の冷媒ガスとなり、高圧室側より吐出ポート、吐出消音室を経てガスクーラに流入して放熱し、中間熱交換器にて低圧側冷媒と熱交換した後、絞り手段で絞られてエバポレータに供給される。そこで冷媒が蒸発し、そのときに周囲から吸熱することにより冷却作用を発揮して車室内を空調するものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、近年では地球環境問題に対処するため、この種のカーエアコン等の冷媒サイクルにおいても、従来のフロンを用いずに例えば特公平７−１８６０２号公報に示されるような自然冷媒であるＣＯ_２（二酸化炭素）を冷媒として用い、高圧側を超臨界圧力として運転することが試みられているが、従来ではエバポレータの後にレシーバータンクを配設し、このレシーバータンクに液冷媒を貯溜することを前提としていたため、エバポレータ出口側の冷媒過熱度はとられていない。
【０００４】
即ち、絞り手段（膨張弁）の開度は開き気味とされるため、エバポレータでの冷媒蒸発温度が高くなり、空気との熱交換が十分に行われなくなる。これにより、所要の冷房能力（冷凍能力）を得るためにはより多くの冷媒循環量が必要となり、コンプレッサでの消費電力も増大してしまう問題があった。
【０００５】
本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、高圧側が超臨界圧力で運転される冷媒サイクル装置において、エバポレータにおける熱交換能力を向上させることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明では冷媒サイクル装置のエバポレータ出口側の冷媒温度と冷媒圧力に基づいて絞り手段の開度を調整し、当該エバポレータ出口側の過熱度を制御するので、例えば請求項２の如く絞り手段により、エバポレータ出口側の過熱度を大きくとることにより、エバポレータにおける冷媒のエンタルピー差が大きくなり、エバポレータでの熱交換能力を最大限引き出せるようになる。
【０００７】
これにより、エバポレータの外形寸法の削減や冷媒循環量を減少させながら、所要の冷凍能力を維持できるようになり、コンプレッサでの消費電力も低減させることができるようになる。
【０００８】
請求項３の発明では、上記に加えてガスクーラを出た冷媒とエバポレータを出た冷媒とを熱交換させるための中間熱交換器と、コンプレッサに吸い込まれる冷媒を一旦貯溜するレシーバータンクとを備え、エバポレータから出て中間熱交換器を経た冷媒をレシーバータンクに流入させるようにしているので、エバポレータから出た温度の低い冷媒を、レシーバータンクを介さずに中間熱交換器に流入させ、ガスクーラから出た冷媒をより一層効果的に冷却することができるようになる。これにより、冷凍能力の更なる改善を図ることができるようになる。
【０００９】
請求項４の発明では上記各発明に加えてＣＯ_２冷媒を使用するので、環境問題の解決にも寄与できるようになる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明の冷媒サイクル装置に使用するコンプレッサの実施例として、第１及び第２の回転圧縮要素を備えた内部中間圧型多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサ１０の縦断側面図である。
【００１１】
即ち、１０はＣＯ_２（二酸化炭素）を冷媒として使用する内部中間圧型多段圧縮式ロータリコンプレッサで、このコンプレッサ１０は鋼板からなる円筒状の密閉容器１２と、この密閉容器１２の内部空間の上側に配置収納された電動要素１４及びこの電動要素１４の下側に配置され、電動要素１４の回転軸１６により駆動される第１の回転圧縮要素３２（１段目）及び第２の回転圧縮要素３４（２段目）から成る回転圧縮機構部１８にて構成されている。
【００１２】
密閉容器１２は底部をオイル溜めとし、電動要素１４と回転圧縮機構部１８を収納する容器本体１２Ａと、この容器本体１２Ａの上部開口を閉塞する略椀状のエンドキャップ（蓋体）１２Ｂとで構成され、且つ、このエンドキャップ１２Ｂの上面中心には円形の取付孔１２Ｄが形成されており、この取付孔１２Ｄには電動要素１４に電力を供給するためのターミナル（配線を省略）２０が取り付けられている。
【００１３】
電動要素１４は、密閉容器１２の上部空間の内周面に沿って環状に取り付けられたステータ２２と、このステータ２２の内側に若干の間隔を設けて挿入設置されたロータ２４とからなる。このロータ２４は中心を通り鉛直方向に延びる回転軸１６に固定されている。
【００１４】
ステータ２２は、ドーナッツ状の電磁鋼板を積層した積層体２６と、この積層体２６の歯部に直巻き（集中巻き）方式により巻装されたステータコイル２８を有している。また、ロータ２４はステータ２２と同様に電磁鋼板の積層体３０で形成され、この積層体３０内に永久磁石ＭＧを挿入して形成されている。
【００１５】
前記第１の回転圧縮要素３２と第２の回転圧縮要素３４との間には中間仕切板３６が狭持されている。即ち、第１の回転圧縮要素３２と第２の回転圧縮要素３４は、中間仕切板３６と、この中間仕切板３６の上下に配置された上シリンダ３８、下シリンダ４０と、この上下シリンダ３８、４０内を１８０度の位相差を有して回転軸１６に設けた上下偏心部４２、４４にて偏心回転する上下ローラ４６、４８と、この上下ローラ４６、４８に当接して上下シリンダ３８、４０内をそれぞれ低圧室側と高圧室側に区画するベーン５０、５２と、上シリンダ３８の上側の開口面及び下シリンダ４０の下側の開口面を閉塞して回転軸１６の軸受けを兼用する支持部材としての上部支持部材５４及び下部支持部材５６にて構成されている。
【００１６】
一方、上部支持部材５４及び下部支持部材５６には、図示しない吸込ポートにて上下シリンダ３８、４０の内部とそれぞれ連通する吸込通路６０（上側の吸込通路は図示せず）と、一部を凹陥させ、この凹陥部を上カバー６６、下カバー６８にて閉塞することにより形成される吐出消音室６２、６４とが設けられている。
【００１７】
尚、吐出消音室６４と密閉容器１２内とは、上下シリンダ３８、４０や中間仕切板３６を貫通する連通路にて連通されており、連通路の上端には中間吐出管１２１が立設され、この中間吐出管１２１から第１の回転圧縮要素３２で圧縮された中間圧の冷媒が密閉容器１２内に吐出される。
【００１８】
また、第２の回転圧縮要素３４の上シリンダ３８内部と連通する吐出消音室６２の上面開口部を閉塞する上部カバー６６は、密閉容器１２内を吐出消音室６２と電動要素１４側とに仕切る。
【００１９】
そして、冷媒としては地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒である前述したＣＯ_２（二酸化炭素）を使用し、潤滑油としてのオイルは、例えば鉱物油（ミネラルオイル）、アルキルベンゼン油、エーテル油、エステル油、ＰＡＧ（ポリアルキルグリコール）等該存のオイルが使用される。
【００２０】
密閉容器１２の容器本体１２Ａの側面には、上部支持部材５４と下部支持部材５６の吸込通路６０（上側は図示せず）、吐出消音室６２、上部カバー６６の上側（電動要素１４の下端に略対応する位置）に対応する位置に、スリーブ１４１、１４２、１４３及び１４４がそれぞれ溶接固定されている。そして、スリーブ１４１内には上シリンダ３８に冷媒ガスを導入するための冷媒導入管９２の一端が挿入接続され、この冷媒導入管９２の一端は上シリンダ３８の図示しない吸込通路と連通する。この冷媒導入管９２は密閉容器１２の上側を通過してスリーブ１４４に至り、他端はスリーブ１４４内に挿入接続されて密閉容器１２内に連通する。
【００２１】
また、スリーブ１４２内には下シリンダ４０に冷媒ガスを導入するための冷媒導入管９４の一端が挿入接続され、この冷媒導入管９４の一端は下シリンダ４０の吸込通路６０と連通する。この冷媒導入管９４の他端は後述するレシーバータンク１５８の下側に接続されている。また、スリーブ１４３内には冷媒吐出管９６が挿入接続され、この冷媒導入管９６の一端は吐出消音室６２と連通する。
【００２２】
前記レシーバータンク１５８はコンプレッサ１０に吸い込まれる冷媒の気液分離を行うタンクであり、密閉容器１２の容器本体１２Ａの上部側面に溶接固定されたブラケット１４７に取り付けられている。
【００２３】
次に、図２は本発明を自動車の車室内を冷房するカーエアコン（空気調和機）に適用した場合の冷媒サイクルを示しており、上述したコンプレッサ１０は図２に示すカーエアコンの冷媒サイクルの一部を構成する。即ち、コンプレッサ１０の冷媒吐出管９６はガスクーラ１５４の入口に接続される。このガスクーラ１５４を出た配管は中間熱交換器１６０を経て絞り手段としての電子式膨張弁１５６に至る。
【００２４】
膨張弁１５６の出口はエバポレータ１５７の入口に接続され、エバポレータ１５７の出口は中間熱交換器１６０を経て前記レシーバータンク１５８に至る。そして、レシーバータンク１５８の出口は冷媒導入管９４に接続される。１７１は前記コンプレッサ１０の電動要素１４の回転数や膨張弁１５６の弁開度を制御（調整）する制御装置であり、エバポレータ１５７の出口側の冷媒温度を検出する温度センサ１５９Ａの出力や、エバポレータ１５７の出口側の冷媒圧力を検出する圧力センサ１５９Ｂ、図示しない自動車の車室内温度を検出する車室内温度センサ１６１、車室内に差し込む日差しの日射量を検出する日射センサ１６２及び外気温を検出する外気温センサ１６３の出力も入力される。
【００２５】
以上の構成で次に図３のｐ−ｈ線図（モリエル線図）を参照しながら動作を説明する。制御装置１７１によりターミナル２０及び図示されない配線を介してコンプレッサ１０の電動要素１４のステータコイル２８に通電されると、電動要素１４が起動してロータ２４が回転する。この回転により回転軸１６と一体に設けた上下偏心部４２、４４に嵌合された上下ローラ４６、４８が上下シリンダ３８、４０内を偏心回転する。
【００２６】
これにより、冷媒導入管９４及び下部支持部材５６に形成された吸込通路６０を経由して図示しない吸込ポートからシリンダ４０の低圧室側に吸入された低圧（図３で実線で示すＡの状態）の冷媒は、ローラ４８とベーン５２の動作により圧縮されて中間圧となり下シリンダ４０の高圧室側より図示しない連通路を経て中間吐出管１２１から密閉容器１２内に吐出される。これによって、密閉容器１２内は中間圧となる。
【００２７】
そして、密閉容器１２内の中間圧の冷媒ガスは、スリ−ブ１４４から出て冷媒導入管９２及び上部支持部材５４に形成された図示しない吸込通路を経由して図示しない吸込ポートから上シリンダ３８の低圧室側に吸入される。吸入された中間圧の冷媒ガスは、ローラ４６とベーン５０の動作により２段目の圧縮が行われて高圧高温の冷媒ガスとなり、高圧室側から図示しない吐出ポートを通り上部支持部材５４に形成された吐出消音室６２を経て冷媒吐出管９６より外部に吐出される。このとき、冷媒は適切な超臨界圧力まで圧縮されている（図３で実線で示すＢの状態）。
【００２８】
冷媒吐出管９６から吐出された冷媒ガスはガスクーラ１５４に流入し、そこで空冷若しくは水冷方式により放熱された後、中間熱交換器１６０を通過する。冷媒はそこで低圧側の冷媒により更に冷却された後（図３のＣの状態）、膨張弁１５６に至る。
【００２９】
冷媒は膨張弁１５６における圧力低下により、図３に実線で示すＤのようにガス／液体の二相混合体とされ、その状態でエバポレータ１５７内に流入する。そこで冷媒が蒸発し、そのときに車室内に循環される空気から吸熱することにより冷却作用を発揮して車内を冷房した後、流出する（図３のＡの状態）。そして、中間熱交換器１６０を通過し、そこで高圧側の冷媒により加熱作用を受けた後、レシーバータンク１５８に至る。レシーバータンク１５８では気液が分離され、ガス冷媒のみが冷媒導入管９４からコンプレッサ１０の第１の回転圧縮要素３２内に吸い込まれるサイクルを繰り返す。
【００３０】
制御装置１７１は、車室内温度センサ１６１、日射センサ１６２及び外気温センサ１６３の各出力に基づいてコンプレッサ１０の電動要素１４の回転数を制御することにより、冷媒サイクルの冷房能力（冷凍能力）を調整して車室内を設定温度に維持する制御を行う。
【００３１】
更に、制御装置１７１は温度センサ１５９Ａと圧力センサ１５９Ｂが検出するエバポレータ１５７の出口側の冷媒温度と冷媒圧力に基づき、膨張弁１５６の弁開度を調整する。このとき、制御装置１７１はエバポレータ１５７の出口側の過熱度（図３で実線で示すＡの状態）が５ｄｅｇ程度の大きい値となるように、弁開度を絞り気味とする。
【００３２】
ここで、膨張弁１５６の弁開度を開き気味として図３に破線で示すＡ’のようにエバポレータ１５７の過熱度をとらない場合、エバポレータ１５７内における冷媒の蒸発温度が高くなるため、空気との熱交換が十分に行われなくなり、冷房能力が低下する。
【００３３】
この状態を図３で説明する。即ち、過熱度をとらない場合コンプレッサ１０の吐出冷媒は図３に破線で示すＢ’の状態となり、膨張弁１５６を出てエバポレータ１５７に流入する冷媒は図３に破線で示すＤ’の状態となる。そして、この場合の冷媒サイクルの冷房能力Ｑｅ’はＱｅ’＝Δｉｅ’×Ｇｒ’となる（Δｉｅ’はＡ’とＤ’のエンタルピー差であり、Ｇｒ’は冷媒流量である）。
【００３４】
一方、上述の如く過熱度をとった場合の冷房能力ＱｅはＱｅ＝Δｉｅ×Ｇｒとなる（ΔｉｅはＡとＤのエンタルピー差であり、Ｇｒは冷媒流量である）。そして、この図からも明らかなように、実線で示すΔｉｅは破線で示すΔｉｅ’よりも大きくなるため、冷房能力Ｑｅも、過熱度をとらない場合のＱｅ’より大きくなることが分かる（Ｑｅ＞Ｑｅ’）。
【００３５】
逆に、一定の冷房能力とする場合には、冷媒流量ＧｒをＧｒ’より少なくすることができるようになることが分かる（Ｇｒ＜Ｇｒ’）。また、このことはエバポレータ１５７の外径寸法の縮小も可能となることを意味している。
【００３６】
また、膨張弁１５６の弁開度を調整してエバポレータ１５７の出口側の過熱度を変化させた場合の冷房能力の変化を図４に示す。この図からも明らかな如く、冷媒サイクルの冷房能力は過熱度５ｄｅｇ付近でピークとなる山型を示す。
【００３７】
固定容量型開放コンプレッサは、ベルトを介してエンジンにより駆動される。従って、コンプレッサの回転数はエンジン回転数に依存するため、車速変化に応じて冷媒循環量は大きく変動することになる。このため、エバポレータ出口の過熱度を常に所定値にするのは困難であり、レシーバタンクにより変動分を吸収している。これに対し、可変容量型開放コンプレッサや固定容量でも電動モータで駆動されるコンプレッサでは冷媒循環量の変動が少ないため、過熱度を所定値に制御することは容易に行われる。即ち、本発明は冷媒循環量の変動が少ない冷媒システムにおいて、より効果が発揮できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳述した如く、本発明によればコンプレッサ、ガスクーラ、絞り手段及びエバポレータを順次環状に接続し、高圧側が超臨界圧力で運転される冷媒サイクル装置において、エバポレータ出口側の冷媒温度及び冷媒圧力に基づいて絞り手段の開度を調整し、当該エバポレータ出口側の過熱度を制御するので、請求項２の如く絞り手段により、エバポレータ出口側の過熱度を大きくとることにより、エバポレータにおける冷媒のエンタルピー差が大きくなり、エバポレータでの熱交換能力を最大限引き出せるようになる。
【００３９】
これにより、エバポレータの外形寸法の削減や冷媒循環量を減少させながら、所要の冷凍能力を維持できるようになり、コンプレッサでの消費電力も低減させることができるようになるものである。
【００４０】
また、請求項３の発明では、上記に加えてガスクーラを出た冷媒とエバポレータを出た冷媒とを熱交換させるための中間熱交換器と、コンプレッサに吸い込まれる冷媒を一旦貯溜するレシーバータンクとを備え、エバポレータから出て中間熱交換器を経た冷媒をレシーバータンクに流入させるようにしているので、エバポレータから出た温度の低い冷媒を、レシーバータンクを介さずに中間熱交換器に流入させ、ガスクーラから出た冷媒をより一層効果的に冷却することができるようになる。これにより、冷凍能力の更なる改善を図ることができるようになるものである。
【００４１】
更に、請求項４の発明では上記各発明に加えてＣＯ_２冷媒を使用するので、環境問題の解決にも寄与できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷媒サイクルを構成する多段圧縮式ロータリコンプレッサの縦断面図である。
【図２】本発明の実施例のカーエアコンの冷媒サイクルを示す図である。
【図３】図２の冷媒サイクルのｐ−ｈ線図である。
【図４】エバポレータ出口の過熱度と冷房能力の関係を示す図である。
【符号の説明】
１０　多段圧縮式ロータリコンプレッサ
３２　第１の回転圧縮要素
３４　第２の回転圧縮要素
９２、９４　冷媒導入管
９６　冷媒吐出管
１５４　ガスクーラ
１５６　膨張弁
１５７　エバポレータ
１５８　レシーバータンク
１５９Ａ　温度センサ
１５９Ｂ　圧力センサ
１６０　中間熱交換器
１７１　制御装置

Claims

コンプレッサ、ガスクーラ、絞り手段及びエバポレータを順次環状に接続し、高圧側が超臨界圧力で運転される冷媒サイクル装置であって、
前記エバポレータ出口側の冷媒温度及び冷媒圧力に基づいて前記絞り手段の開度を調整し、当該エバポレータ出口側の過熱度を制御することを特徴とする超臨界冷媒サイクル装置。
前記絞り手段により、前記エバポレータ出口側の過熱度を大きくとることを特徴とする請求項１の超臨界冷媒サイクル装置。
前記ガスクーラを出た冷媒と前記エバポレータを出た冷媒とを熱交換させるための中間熱交換器と、前記コンプレッサに吸い込まれる冷媒を一旦貯溜するレシーバータンクとを備え、前記エバポレータから出て前記中間熱交換器を経た冷媒を前記レシーバータンクに流入させることを特徴とする請求項１又は請求項２の超臨界冷媒サイクル装置。
ＣＯ_２冷媒を使用することを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３の超臨界冷媒サイクル装置。