JP2004028485A

JP2004028485A - Ｃｏ２冷媒サイクル装置

Info

Publication number: JP2004028485A
Application number: JP2002187478A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Ebara; 江原　俊行; Hiroyuki Matsumori; 松森　裕之; Takashi Sato; 佐藤　孝; Masaru Matsuura; 松浦　大; Takayasu Saito; 斎藤　隆泰
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【課題】ＣＯ２を冷媒として使用する冷媒サイクル装置において、コンプレッサにおける圧縮効率を向上させることを目的とする。
【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、ＣＯ２を冷媒として使用する冷媒サイクル装置において、膨張弁１５６の開度を調整してコンプレッサ１０に吸い込まれる冷媒の過熱度を１０ケルビンより大きくする。また、前記ガスクーラ１５４を出た冷媒と前記エバポレータ１５７を出た冷媒とを熱交換させるための中間熱交換器１６０を備え、前記エバポレータ１５７出口側の冷媒温度及び／又は前記中間熱交換器１６０出口の低圧側冷媒温度に基づいて前記絞り手段の開度を調整する。
【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、ＣＯ２を冷媒として使用す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接続配管して冷媒サイクル（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に内蔵される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、高圧室側から吐出ポート、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。
【０００３】
そして、エバポレータで蒸発した冷媒はレシバータンクで気液が分離され、ガス冷媒が中間熱交換器に流入して高圧側冷媒により加熱作用を受けた後、ロータリコンプレッサの回転圧縮要素のシリンダ低圧室側に吸い込まれるサイクルを繰り返すものである。
【０００４】
この場合、ロータリコンプレッサのシリンダの低圧室側に吸い込まれる冷媒は、従来では１０Ｋ（ケルビン）以下程度の過熱度となるように絞り手段の開度が調整されていた。
【０００５】
一方、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、自然冷媒であるＣＯ２（二酸化炭素）を冷媒として用いることが試みられている。
【０００６】
このＣＯ２冷媒を用いたものとしては、例えば特公平７−１８６０２号公報に示される如く、蒸気圧縮サイクル（冷媒サイクル）の高サイド（高圧側）が超臨界圧力で運転され、圧縮機、冷却装置（ガスクーラ）、絞り手段及び蒸発器（エバポレータ）を直列連結して閉回路が構成される超臨界蒸気圧縮サイクルの運転において、この閉回路に配置された緩衝用冷媒レシーバ（レシーバータンク）の液体残量を変更することによって、閉回路の高サイド内の冷媒充填量を変動させてその高サイドの圧力を調整し、蒸気圧縮サイクルの所定の冷媒能力をもたらすことを特徴とする超臨界蒸気圧縮サイクルの運転方法が開示されている。
【０００７】
更にまた、特許第２９３１６６８号公報には、回路を構成するように直列に接続されたコンプレッサと、ガスクーラ、内部熱交換器、膨張手段（絞り手段）、蒸発器（エバポレータ）及び低圧冷媒レシーバ（レシーバタンク）とからなり、高サイド（高圧側）が超臨界圧力で操作される超臨界蒸気圧縮回路における高サイド圧力調整方法において、回路の実際の操作状態の少なくとも一つを検出し、所定の能力要求において装置のエネルギー消費を最小とするために、予定の設定値に従って超臨界高サイド圧力を調整する段階からなる高サイド圧力調整方法が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなＣＯ２冷媒を用いて従来の如くロータリコンプレッサに吸い込まれる冷媒の過熱度を１０Ｋ以下で制御した場合、シリンダに入る冷媒温度が比較的低いため、シリンダに吸い込まれる冷媒とシリンダ壁との温度差が大きく、吸気中にシリンダ壁からの熱移動が多くなり、吸気ガスが過熱されて圧縮効率が低下してしまう問題が発生する。
【０００９】
また、前述した超臨界蒸気圧縮サイクルは、高サイドの圧力を調整するため、コンプレッサと蒸発器との間に緩衝用冷媒レシーバ（低圧冷媒レシーバ）を設け、この緩衝用冷媒レシーバに液冷媒を溜め、所望の能力要求に応じて冷媒を流したり、溜めたりするものである。従って、上述した従来の構造であると、液冷媒のままコンプレッサに流入してしまい、コンプレッサの液圧縮を行って破損してしまう恐れがある。
【００１０】
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、ＣＯ２を冷媒として使用する冷媒サイクル装置において、コンプレッサにおける冷媒の圧縮効率を向上させると共にコンプレッサの液圧縮による破損を防止することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明では絞り手段の開度を調整してコンプレッサに吸い込まれる冷媒の過熱度を大きくとるので、例えばコンプレッサに吸い込まれる冷媒の過熱度を１０ケルビンより大きくすることにより、コンプレッサの吸込冷媒の温度を上げることができるようになり、コンプレッサに吸い込まれる冷媒を乾燥することができるようになる。
【００１２】
請求項３の発明では、上記に加えてエバポレータ出口側の冷媒温度及び／又は中間熱交換器出口の低圧側冷媒温度に基づいて絞り手段の開度を調整するので、コンプレッサに吸い込まれる冷媒の過熱度制御をより的確に行うことができるようになる。
【００１３】
請求項４の発明では、上記に加えて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効果的に冷却することができるようになる。
【００１４】
【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。この冷媒サイクル装置は高圧側が超臨界圧力で運転されるＣＯ２冷媒サイクル装置であり、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３２、３４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。
【００１５】
即ち、１０はＣＯ２（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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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ＣＯ２（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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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１５９の出力や、中間熱交換器１６０出口の低圧側の冷媒温度を検出する温度センサ１７２、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。
【００２９】
以上の構成で次にＣＯ２冷媒サイクル装置の動作を説明する。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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、膨張弁１５６に至る。
【００３３】
冷媒は膨張弁１５６における圧力低下により、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。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。
【００３４】
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。
【００３５】
更に、制御装置１７１は温度センサ１５９が検出するエバポレータ１５７の出口側の冷媒温度及び温度センサ１７２が検出する中間熱交換器１６０出口の低圧側冷媒温度に基づき、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の出口側の冷媒の過熱度及び／又は中間熱交換器１６０出口の低圧側の冷媒の過熱度が１０Ｋより大きくなるように、膨張弁１５６の弁開度を絞り気味とする。但し、過熱度は１５Ｋ以上とすることが望ましい。
【００３６】
これにより、エバポレータ１５７内で冷媒がガス／液体の二相混合体からほぼ完全にガス状態となり、更に、中間熱交換器１６０において高圧側の冷媒に加熱されることにより、冷媒温度がより一層上がりやすくなる。
【００３７】
ここで、中間熱交換器１６０出口の低圧側の冷媒温度は、コンプレッサ１０の入口側の冷媒温度と略同じであるため、温度センサ１７２により検知される中間熱交換器１６０出口の低圧側の冷媒温度によりコンプレッサ入口側の冷媒温度がわかる。
【００３８】
図３にコンプレッサ１０の入口側に吸い込まれる冷媒の過熱度と、この場合のコンプレッサの圧縮効率を示す。この図からも明らかなように、コンプレッサ１０の入口側の冷媒の過熱度が高い程、コンプレッサ１０の圧縮効率が向上することがわかる。
【００３９】
これにより、伝熱効率の良いＣＯ２冷媒を用いた冷媒サイクルにおいて、吸込冷媒の温度がシリンダ４０の高圧室側の冷媒の圧縮を阻害することを防止若しくは抑制することができるようになるので、第１及び第２の回転圧縮要素３２、３４において冷媒の圧縮を効率的に行うことができるようになり、冷媒の圧縮効率を向上させることが出来るようになる。
【００４０】
また、前述する如く過熱度を大きくとることで、コンプレッサ１０に吸い込まれる冷媒ガスを乾燥させることができるようになる。これにより、コンプレッサ１０に冷媒やオイルが液体の状態で吸い込まれるという不都合を回避することができるようになり、コンプレッサ１０の液圧縮を防止することができるため、コンプレッサ１０の信頼性の向上を図ることができるようになる。
【００４１】
更に、エバポレータ１５７から出て中間熱交換器１６０を経た冷媒をレシーバータンク１５８に流入させるようにしているので、エバポレータ１５７から出た温度の低い冷媒を、レシーバータンク１５８を介さずに中間熱交換器１６０に流入させ、ガスクーラ１５４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、エバポレータでの冷房能力の向上を図りながら、中間熱交換器１６０における低圧側の冷媒温度を上げることが出来るようになる。
【００４２】
【発明の効果】
以上詳述した如く、本発明によれば絞り手段の開度を調整してコンプレッサに吸い込まれる冷媒の過熱度を大きくとるので、例えばコンプレッサに吸い込まれる冷媒の過熱度を１０ケルビンより大きくすることにより、コンプレッサの吸込冷媒の温度を上げることができるようになり、コンプレッサに吸い込まれる冷媒を乾燥させることができるようになる。
【００４３】
これにより、吸込まれる冷媒が過熱されて圧縮効率が低下する不都合を抑制若しくは解消し、高効率の運転を実現することができるようになる。また、コンプレッサの液圧縮を防止することができるようになる。
【００４４】
請求項３の発明では、上記に加えてエバポレータ出口側の冷媒温度及び／又は中間熱交換器出口の低圧側冷媒温度に基づいて絞り手段の開度を調整するので、コンプレッサに吸い込まれる冷媒の過熱度制御をより的確に行うことができるようになる。
【００４５】
請求項４の発明では、上記に加えて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効果的に冷却することができるようになる。
【００４６】
これにより、エバポレータでの冷房能力の向上を図りながら、中間熱交換器における低圧側の冷媒温度を上げることができるようになる。
【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】
コンプレッサ入口側に吸い込まれる冷媒の過熱度とコンプレッサの圧縮効率の
関係を示す図である。
【符号の説明】
１０　多段圧縮式ロータリーコンプレッサ
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
１５９、１７２　温度センサ
１６０　中間熱交換器
１６１　車室内温度センサ
１６２　日射センサ
１６３　外気温センサ
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、ＣＯ２を冷媒として使用する冷媒サイクル装置であって、
前記絞り手段の開度を調整して前記コンプレッサに吸い込まれる冷媒の過熱度を大きくとることを特徴とするＣＯ２冷媒サイクル装置。
前記コンプレッサに吸い込まれる冷媒の過熱度を１０ケルビンより大きくすることを特徴とする請求項１のＣＯ２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を備え、前記エバポレータ出口側の冷媒温度及び／又は前記中間熱交換器出口の低圧側冷媒温度に基づいて前記絞り手段の開度を調整することを特徴とする請求項１又は請求項２のＣＯ２冷媒サイクル装置。
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３のＣＯ２冷媒サイクル装置。