JP2004360936A

JP2004360936A - 冷凍サイクル

Info

Publication number: JP2004360936A
Application number: JP2003156609A
Authority: JP
Inventors: Shunji Komatsu; 俊二小松; Seiichi Yamamoto; 清一山本
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2004-12-24
Also published as: US20060288732A1; US20050274140A1; EP1630491A1; CN1751212A; WO2004109198A1

Abstract

【課題】冷媒にＨＦＣ−１５２ａを使用した冷凍サイクルで、過熱度ＳＨのハンチングが発生せずに安定して運転できるようにすること。
【解決手段】冷媒の充填量を増やして、膨張装置の入口における冷媒を、圧力変動があっても、過冷却度ＳＣが０になることなく、少なくとも５度は確保された状態にする。これにより、蒸発器の出口における冷媒の過熱度ＳＨの変動が抑えられ、システムが安定する。この状態で、圧縮機の効率を上げるには、膨張装置のセット値を下げることで過熱度ＳＨを上げることができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷凍サイクルに関し、特に冷媒にＨＦＣ−１５２ａを使用した冷凍サイクルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば自動車用空調システムの冷凍サイクルは、エンジンを駆動源とした圧縮機と、この圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮された冷媒を気液分離する受液器と、分離された液冷媒を絞り膨張させる膨張装置と、膨張された冷媒を蒸発させて圧縮機に戻す蒸発器とによって構成されている。
【０００３】
このような冷凍サイクルでは、圧縮機の効率を良くするために、蒸発器の出口における冷媒状態が所定の過熱度を有するように制御することが一般に行われている。また、過熱度制御を行う冷凍サイクルにて、膨張装置の入口における冷媒は、過冷却度が出ていない状態に制御されるが、効率を改善するため、受液器から出た冷媒をさらに冷却して過冷却度が出るように制御することも知られている（たとえば、特許文献１参照。）。
【０００４】
従来の冷凍システムでは、冷媒としてＨＦＣ−１３４ａなる代替フロンが一般に使用されている。
図８はＨＦＣ−１３４ａ冷媒を用いた冷凍サイクルの特性を示す図である。
【０００５】
この図において、冷媒にＨＦＣ−１３４ａを用いたときの時間変化に対する過冷却度ＳＣ、過熱度ＳＨおよび流量Ｇｆの変化を示している。この図に示されるように、冷媒がＨＦＣ−１３４ａの場合には、過冷却度ＳＣが１度程度の小さい値でも過熱度ＳＨおよび流量Ｇｆは、それらの変動幅が小さく、したがってシステムは、そのハンチングが小さく、ほぼ安定していることが分かる。
【０００６】
しかし、冷凍サイクルの冷媒としてＨＦＣ−１３４ａを用いると、地球温暖化の影響が大きいため、ＨＦＣ−１３４ａに代わる冷媒が検討されている。そのひとつの冷媒として、地球温暖化への影響がＨＦＣ−１３４ａの約１０分の１であるＨＦＣ−１５２ａなる冷媒が検討されている。
【０００７】
図９はＨＦＣ−１５２ａ冷媒を用いた冷凍サイクルの特性を示す図である。
この図では、冷媒にＨＦＣ−１５２ａを用い、冷媒の充填量を５００ｇ、膨張装置として膨張弁を用いたときのそのセット値が０．１７７ＭＰａの場合を示している。この場合、過熱度ＳＨが約２度、過冷却度ＳＣが約１度で安定していて、過熱度ＳＨが小さい領域では、ハンチングが小さい傾向を示していることが分かる。ところが、過熱度ＳＨが２度程度と小さい場合には、圧縮機の効率が悪いので、過熱度ＳＨは１０度程度まで出ているのがよい。
【０００８】
【特許文献１】
特開平６−２９７０号公報（段落番号〔０００６〕〜〔０００７〕，図４）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、冷媒にＨＦＣ−１５２ａを用いた場合、過熱度ＳＨを出すために膨張弁のセット値を下げていくと、図９に示したように、過熱度ＳＨが大きくなる反面、その変動幅も大きくなってハンチングが発生し、システムが安定しななくなるという問題点があった。
【００１０】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、過熱度ＳＨのハンチングが発生せずに安定して運転できる冷凍サイクルを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記問題を解決するために、圧縮機、凝縮器、膨張装置、蒸発器を備え、循環する冷媒にＨＦＣ−１５２ａを使用した冷凍サイクルにおいて、前記膨張装置の入口における前記冷媒は必ず所定の過冷却度が確保された状態にすることにより前記蒸発器の出口における前記冷媒の過熱度の変動を抑えて安定させるようにしたことを特徴とする冷凍サイクルが提供される。
【００１２】
このような冷媒にＨＦＣ−１５２ａを使用した冷凍サイクルによれば、過冷却度を確保するようにしたことで、過熱度の変動が抑えられ、システムを安定させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を自動車用空調システムの冷凍サイクルに適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１はＨＦＣ−１５２ａ冷媒を用いた冷凍サイクルの特性を示す図、図２はＨＦＣ−１５２ａ冷媒の流量特性を示す図、図３はモリエル線図の一部を示す図である。
【００１５】
まず、図１においては、冷媒にＨＦＣ−１５２ａを用い、膨張装置としてセット値が０．１８６ＭＰａの膨張弁を用いたときの過冷却度ＳＣ、過熱度ＳＨおよび流量Ｇｆの時間変化を示している。
【００１６】
冷媒の充填量が５００ｇとしたとき、過熱度ＳＨは３度以上出ているが、そのときの変動幅は大きく、ハンチングしていることが分かる。そこで、過冷却度ＳＣを出すため、冷媒の充填量を６００ｇ、６５０ｇと増やしていくと、過冷却度ＳＣが１〜２度程度しか出ていない領域では、過熱度ＳＨが大きく変動し、不安定な状態にあるが、過冷却度ＳＣが５度以上出ていると、過熱度ＳＨの変動が小さく、安定することが分かった。したがって、冷媒にＨＦＣ−１５２ａを用いた冷凍サイクルでは、膨張弁の入口における冷媒は過冷却状態にあることが絶対条件であり、過冷却度ＳＣが少なくとも５度確保されていれば、過熱度ＳＨのハンチングがなく、システムは安定することになる。
【００１７】
この傾向は、ＨＦＣ−１５２ａがＨＦＣ−１３４ａに比較して気化しやすい性質を有していることによるものと思われる。図２に示した流量特性には、膨張弁の弁開度に対する冷媒流量の変化を示しているが、過冷却度ＳＣが５度から０まで小さくなっても、冷媒流量の変化はあまり見られない。しかし、冷媒が少しでも乾き度を有するようになると、膨張弁に入る冷媒には、気泡が混じるようになるため、冷媒が流れにくくなり、流量は急激に低下する。
【００１８】
また、過冷却度ＳＣは、図１に示されるように、５度以上出ていることが好ましい。この理由を、図３を用いて説明する。図３において、破線は従来のＨＦＣ−１３４ａの飽和液線を示し、実線はＨＦＣ−１５２ａの飽和液線を示している。このように、ＨＦＣ−１３４ａとＨＦＣ−１５２ａとでは、飽和液線の傾きに差があり、ＨＦＣ−１５２ａの方が小さな傾きを有している。そのため、ＨＦＣ−１３４ａおよびＨＦＣ−１５２ａが同じ５度の過冷却度ＳＣを有する状態にあっても、ＨＦＣ−１５２ａの方が小さな圧力変化で気液相に入ってしまうことになる。図示の例では、ＨＦＣ−１３４ａが約０．１８ＭＰａの圧力変化がないと気液相に入らないが、ＨＦＣ−１５２ａの場合は、約０．１３ＭＰａの圧力変化で気液相に入ってしまう。したがって、膨張弁に入る冷媒は、５度以上の過冷却状態を確保する必要があり、これによって冷媒が多少の圧力変動を受けても、容易に気液相に入ってしまうことはない。このことから、冷媒にＨＦＣ−１５２ａを用いた冷凍サイクルにおいて、過冷却度ＳＣが出ていない状態では、小さな圧力変動によって気液相に入りやすく、気液相に入ってしまうと、冷媒流量が急激に落ち込むことになるため、冷媒にＨＦＣ−１３４ａを用いた場合に比べて過冷却度ＳＣ十分に出しておく必要がある。これが、冷媒にＨＦＣ−１５２ａを用いた冷凍サイクルでは、膨張弁の入口の冷媒を常に過冷却状態にしておかなければならない理由であり、しかも、圧力変動に対して安定動作させるには、５度以上の過熱度ＳＣが出ていることが必要である。
【００１９】
以上のように、ＨＦＣ−１５２ａの冷媒を使った冷凍サイクルでは、必ず５度以上の過冷却度ＳＣが出ていることが必要であり、そうすることによって過熱度ＳＨの変動が抑えられ、システムが安定することになる。しかし、図１に示したような条件下では、過熱度ＳＨは、ハンチングすることなく安定しているが、２度程度しか出ていない。圧縮機の効率を良くするには、１０度程度出ているのが好ましい。
【００２０】
図４は過熱度の改善方法を示す図である。
過熱度ＳＨは、図４に示したように、膨張弁のセット値を下げていくことによって改善される。図示の例では、冷媒の充填量を６５０ｇとし、膨張弁のセット値を０．１８６ＭＰａから０．１６７ＭＰａ、０．１４７ＭＰａと小さくすることで、過熱度ＳＨが上がっていることが分かる。しかも、過熱度ＳＨが上がっても、ハンチングすることなく安定していることが分かる。
【００２１】
これは、膨張弁のセット値を下げることにより、膨張弁を通過する冷媒流量が少なくなって、蒸発器の能力が相対的に上がるためであり、蒸発器が冷媒を完全に蒸発した後もさらに加熱することで、蒸発器出口の冷媒は十分な過熱状態にすることができる。もちろん、膨張弁に入る冷媒流量が少なくなることで、凝縮器の能力も相対的に上がり、過熱度ＳＨが上がるにつれて過冷却度ＳＣも上がっている。
【００２２】
次に、冷媒にＨＦＣ−１５２ａを使用し、過冷却度ＳＣを５度以上持たせて安定させるようにした冷凍サイクルについて説明する。
図５は受液器を使った冷凍サイクルを示すシステム図である。
【００２３】
この冷凍サイクルは、圧縮機１と、凝縮器２と、受液器３と、温度式膨張弁４と、蒸発器５とをＨＦＣ−１５２ａの冷媒が循環するように構成されている。圧縮機１は、エンジンを駆動源とし、冷媒を圧縮する。圧縮機１によって圧縮された高温・高圧の冷媒は、凝縮器２にて凝縮され、高温・高圧の液冷媒になる。この液冷媒は、受液器３にて気液に分離され、分離された液冷媒が温度式膨張弁４にて絞り膨張され、低温・低圧の霧状の冷媒になる。温度式膨張弁４を出た冷媒は、蒸発器５にて蒸発され気化される。気化された冷媒は、温度式膨張弁４の冷媒温度および圧力を感知する部分を通って圧縮機１に戻される。このとき、温度式膨張弁４は、蒸発器５の出口の冷媒温度および圧力を感知して蒸発器５の出口の冷媒が所定の過熱度ＳＨを持つように蒸発器５に送り出す冷媒の流量を制御する。
【００２４】
この冷凍サイクルでは、冷媒を過充填することで、温度式膨張弁４の入口における過冷却度ＳＣを確保している。また、過冷却度ＳＣは、凝縮器２に設けられるファンを増やすなどして、凝縮器２の冷却能力を上げることによっても確保することができる。さらに、受液器３と温度式膨張弁４とを一体化したり、受液器３と温度式膨張弁４との間の配管を太く、かつ短くするなどして、受液器３から温度式膨張弁４までの配管の圧力損失を小さくすれば、なお効果的である。
【００２５】
図６は過冷却凝縮器を使った冷凍サイクルを示すシステム図である。
この冷凍サイクルは、圧縮機１と、過冷却凝縮器６と、温度式膨張弁４と、蒸発器５とをＨＦＣ−１５２ａの冷媒が循環するように構成されている。過冷却凝縮器６は、受液器の機能が付いた凝縮器であって、圧縮機１から送り込まれた冷媒が冷やされて完全に液化し、液化した冷媒がさらに冷やされて温度式膨張弁４に送り出すものである。したがって、この過冷却凝縮器６から出た冷媒は、既に所定の過冷却度ＳＣを有しているので、この過冷却凝縮器６により確実に過冷却度ＳＣを確保することができる。
【００２６】
図７はアキュムレータを使った冷凍サイクルを示すシステム図である。
この冷凍サイクルは、圧縮機１と、凝縮器２と、オリフィスチューブ７と、蒸発器５と、アキュムレータ８とをＨＦＣ−１５２ａの冷媒が循環するように構成されている。この冷凍サイクルにおいても、冷媒を過充填することにより、蒸発器５の出口における冷媒の過熱度ＳＨのハンチングを抑えることができる。
【００２７】
なお、本発明は、ＨＦＣ−１３４ａよりも飽和液線の傾きが小さい冷媒であるＨＦＣ−１５２ａを使用した冷凍サイクルにおいて、小さな圧力変化で容易に気液相の領域に入らないようにするために膨張装置の入口における冷媒を常に過冷却状態にしておかなければならないので、飽和液線の傾きがＨＦＣ−１５２ａと同じような傾向を有する他の冷媒を使用した冷凍サイクルにももちろん適用することが可能であり、それによって、冷媒の過熱度ＳＨの変動が抑えられてシステムを安定させることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、膨張装置の入口における冷媒が、常に過冷却状態にあるようにした。過冷却度ＳＣは、圧力変動があっても０になることがないよう少なくとも５度は確保された状態にした。これにより、従来の冷媒を使用した冷凍サイクルでは、過冷却度ＳＣが出ていても出ていなくても過熱度ＳＨのハンチングはないのでシステムは安定しているが、冷媒にＨＦＣ−１５２ａを使用した冷凍サイクルでは、過冷却度ＳＣが出ていない状態では、過熱度ＳＨのハンチングが起きやすいため、常に過冷却度ＳＣが出るようにすることで、過熱度ＳＨのハンチングが抑えられ、システムを安定化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＨＦＣ−１５２ａ冷媒を用いた冷凍サイクルの特性を示す図である。
【図２】ＨＦＣ−１５２ａ冷媒の流量特性を示す図である。
【図３】モリエル線図の一部を示す図である。
【図４】過熱度の改善方法を示す図である。
【図５】受液器を使った冷凍サイクルを示すシステム図である。
【図６】過冷却凝縮器を使った冷凍サイクルを示すシステム図である。
【図７】アキュムレータを使った冷凍サイクルを示すシステム図である。
【図８】ＨＦＣ−１３４ａ冷媒を用いた冷凍サイクルの特性を示す図である。
【図９】ＨＦＣ−１５２ａ冷媒を用いた冷凍サイクルの特性を示す図である。
【符号の説明】
１圧縮機
２凝縮器
３受液器
４温度式膨張弁
５蒸発器
６過冷却凝縮器
７オリフィスチューブ
８アキュムレータ

Claims

圧縮機、凝縮器、膨張装置、蒸発器を備え、循環する冷媒にＨＦＣ−１５２ａを使用した冷凍サイクルにおいて、
前記膨張装置の入口における前記冷媒は必ず所定の過冷却度が確保された状態にすることにより前記蒸発器の出口における前記冷媒の過熱度の変動を抑えて安定させるようにしたことを特徴とする冷凍サイクル。
前記過冷却度は、少なくとも５度は確保されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
前記冷媒の充填量を調整して前記過冷却度を確保するようにしたことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
前記凝縮器を過冷却凝縮器にすることにより前記過冷却度を確保するようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の冷凍サイクル。
前記膨張装置を温度式膨張弁とし、前記温度式膨張弁のセット値を調整して前記過熱度を出すようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の冷凍サイクル。