JP2006118799A

JP2006118799A - 冷凍サイクル

Info

Publication number: JP2006118799A
Application number: JP2004306920A
Authority: JP
Inventors: Makoto Ikegami; 真池上; Hirotsugu Takeuchi; 裕嗣武内; Haruyuki Nishijima; 春幸西嶋; Yasushi Yamanaka; 康司山中
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2006-05-11

Abstract

【課題】発明は、減圧手段による凝縮冷媒の膨張エネルギが小さい冷凍サイクル条件においても、冷凍能力を低させることなく高いシステム性能を維持できる冷凍サイクルを提供することを課題とする。
【解決手段】本発明の冷凍サイクル１は、圧縮機１０、凝縮器２０、減圧手段３０、及び蒸発器４０を順次接続してなる冷凍サイクルにおいて、減圧手段３０の下流側に気液分離器５０を設け、この気液分離器５０の液冷媒側５０ｂを液冷媒回路Ｒ２を介して蒸発器４０の入口側に接続し、気液分離器５０のガス冷媒側５０ａをガス冷媒回路Ｒ１を介して蒸発器４０の出口側に接続するとともに、蒸発器４０の入口側における冷媒圧力よりも出口側における冷媒圧力を低くする差圧手段（３２）を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は冷凍サイクルに関する。詳しくは凝縮後の冷媒の減圧過程における膨張エネルギが小さい場合の冷凍サイクルに関する。

従来より蒸気圧縮式冷凍サイクルで適用されてきた代表的なシステムとして、図５に示す冷凍サイクル１００が知られている。この冷凍サイクル１００は、減圧手段として膨張弁１３０を備えた膨張弁サイクルであり、この膨張弁サイクルでは凝縮された冷媒の膨張過程において発生するエネルギが渦として損失してしまうので、減圧膨張過程の変化は等エンタルピ変化となり（図５の点Ｂ→点Ｃ）、蒸発器１４０に流入する冷媒の乾き度が大きく蒸発器１４０に流入する液冷媒量が減少する。このため、蒸発器１４０の冷凍能力が低下し、冷凍サイクルのシステム効率が低下するという問題があった。このような膨張過程での問題点を解決するために、図６に示すように、流体ポンプであるエジェクタ２３０を用いたエジェクタサイクル２００が提案されている。（特許文献１参照）。

このエジェクタサイクル２００は、減圧手段として膨張弁の代わりにエジェクタ２３０と気液分離器２５０とを構成し、エジェクタ２３０の構成部品であるノズル２３２により減圧膨張過程のエネルギを冷媒の運動エネルギに変換し、蒸発器２４０の出口の冷媒を吸引しつつ混合部２３４及びディフューザ部２３６にて混合、減速することで冷媒の圧力エネルギに再変換するものである。この時、気液分離器２５０で分離されたガス冷媒が圧縮機２１０に流入することから、蒸発器２４０出口からディフューザ２３６出口までの昇圧分が圧縮機２１０の入口圧力の上昇に寄与する。この効果により、圧縮機２１０が行う圧縮仕事が低減でき、その消費動力を低減することができる。また、気液分離器２５０で分離された液冷媒のみが蒸発器２４０に流入するため、蒸発器２４０の圧損低減による冷凍能力の向上効果と、圧縮機２１０での圧縮比低減による圧縮機２１０単体の効率の向上との相乗効果で冷凍サイクル２００のシステム性能を大幅に向上できる。

ところが、このエジェクタサイクル２００は、エジェクタ２３０で回収可能なエネルギ量が低下するような負荷条件、あるいは冷媒物性の場合には、エジェクタ２３０のポンプ機能が低下して蒸発器２４０に流入する液冷媒の吸引流量が低下し、この結果、蒸発器２４０の冷凍能力が低下してシステム性能を向上する効果が得られないという問題がある。極端な場合には、吸引流量不足、あるいは、コンプレッサオイルの滞留による冷凍能力の低下を引き起こすこともある。

このようなエジェクタ２３０で回収可能なエネルギ量が低下するような負荷条件としては、外気温度が低い、車室内温度が高い、圧縮機の回転数が低い、あるいは圧縮機の容量が小さい、等を例示することができる。また、冷却対象の容量が小さかったり、冷媒の蒸発温度が低い場合にも回収エネルギ量は低下する。さらに、減圧域における等エントロピ線と等エンタルピ線の傾きの差が小さい冷媒、例えば、Ｒ４０４ＡやＲ６００Ａ（イソブタン）などではその膨張エネルギを回収しにくい。
特許第３２２２６３号

本発明は上記のような問題を解消するためになされたもので、減圧手段による凝縮冷媒の膨張エネルギが小さい冷凍サイクル条件においても、冷凍能力を低させることなく高いシステム性能を維持できる冷凍サイクルを提供することを課題とする。

本発明の冷凍サイクルは、圧縮機、凝縮器、減圧手段、及び蒸発器を順次接続してなる冷凍サイクルにおいて、減圧手段の下流側に気液分離器を設け、この気液分離器の液冷媒側を液冷媒回路を介して蒸発器の入口側に接続し、気液分離器のガス冷媒側をガス冷媒回路を介して蒸発器の出口側に接続するとともに、蒸発器の入口側における冷媒圧力よりも出口側における冷媒圧力を低くする差圧手段を備えることを特徴とする。

本発明の冷凍サイクルは、上記のように蒸発器の入口側における冷媒圧力よりも出口側における冷媒圧力を低くする差圧手段を備えることにより、減圧手段における膨張エネルギが小さい場合であっても、蒸発器に液冷媒を安定して供給することができ、蒸発器の冷凍能力の向上効果を確保できるとともに、冷凍サイクルシステム全体の成績係数を向上することができる。

以上の構成からなる本発明の冷凍サイクルにおいて、差圧手段はガス冷媒回路に介挿する減圧装置であることが望ましい。ガス冷媒回路中にガス冷媒を減圧する減圧装置を介挿することにより、蒸発器の入口側と出口側との間に差圧を生じさせることができる。従って、蒸発器に液冷媒を安定して供給することができ、蒸発器の冷凍能力の向上効果を確保できるとともに、冷凍サイクルシステム全体の成績係数を向上することができる。

また、本発明の冷凍サイクルにおいて、差圧手段は液冷媒回路に介挿する加圧装置であることが望ましい。液冷媒回路中に液冷媒を加圧する加圧装置を介挿することにより、蒸発器の入口側と出口側との間に差圧を生じさせることができる。従って、蒸発器に液冷媒を安定して供給することができ、蒸発器の冷凍能力の向上効果を確保できるとともに、冷凍サイクルシステム全体の成績係数を向上することができる。

上述の構成からなる本発明の冷凍サイクルは、複数の蒸発器を有することができる。複数の蒸発器を有することで、一の冷凍サイクルで、複数箇所の冷却（空調）を行うことができる。ここで、複数の蒸発器は直列又は並列に配置することが望ましい。複数の蒸発器を直列に配置することで複数の蒸発器を同時に運転することができる。また、複数の蒸発器を並列に配置することで、後部座席用独立空調（以後、デュアルエアコンという。）を搭載する車両等の場合には、複数の蒸発器を同時に運転したり、必要に応じて切替運転することができるので好適である。

本発明の好適な実施の形態について図を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態を示す冷媒回路図である。図１（ａ）において、冷凍サイクル１は、図示しないエンジン又はモータなどの駆動源から駆動力を得て冷媒を吸入圧縮する圧縮機１０と、圧縮機１０で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器２０と、凝縮器２０で凝縮された冷媒を減圧膨張する減圧手段３０と、減圧された冷媒を気液に分離する気液分離器５０と、この気液分離器５０の液冷媒側５０ｂから液冷媒回路Ｒ２を介して液冷媒を流入させこの流入した液冷媒を蒸発する蒸発器４０と、気液分離器５０のガス冷媒側５０ａと蒸発器４０の出口側とを接続するガス冷媒回路Ｒ１中に介挿される減圧装置３２とからなり、蒸発器４０の出口側は圧縮機１０の吸入側に吸入回路Ｒ３を介して接続されている。つまり、気液分離器５０で分離された気相冷媒は、気液分離器５０からガス冷媒回路Ｒ１と減圧装置３２を介して圧縮機１０の吸入側に流入する。

ここで、凝縮器２０の下流側に構成する減圧手段としては特に制約はなく、オリフィスなどの固定絞り、電気駆動式膨張弁や温度式膨張弁などの可変絞り、あるいは配管径縮小や配管曲げ等のような圧損をつけるシステム構成や、機能品の上下方向のレイアウトなどいかなる減圧手段を用いてもよい。

また、凝縮器２０の出口側における冷媒の状態が気液二相域の場合には、凝縮器２０の下流の減圧手段３０を省略して冷媒が気液分離器５０に直接流入する構成としてもよい。

さらに、気液分離器５０の構造に関しても特に制約はなく、衝突分離式、旋回分離式など周知のものを使用することができる。

減圧装置３２についても特に制約はなく、前記の減圧手段３０と同様に、例えばオリフィスなどの固定絞り、電気駆動式膨張弁や温度式膨張弁などの可変絞り、あるいは配管径縮小や配管曲げ等のような圧損をつけるシステム構成や、機能品の上下方向のレイアウトなどを挙げることができる。

次に、上記の第１の実施形態について、その作動を説明する。圧縮機１０から吐出された高温・高圧の冷媒は、凝縮器２０で液化した後、減圧装置３０で断熱膨張し、気液二相状態の中間圧力状態で気液分離器５０へ流入する。気液分離器５０では、液冷媒とガス冷媒とが分離され、エンタルピの小さい液冷媒のみが蒸発器４０へ流れる。蒸発器４０で蒸発したガス冷媒は、吸入回路Ｒ３を介して圧縮機１０の吸入側へ吸入される。また、気液分離器５０のガス冷媒は、ガス冷媒回路Ｒ１に介挿されている減圧装置３２で減圧された後、蒸発器４０の出口側で吸入回路Ｒ３に合流して圧縮機１０に吸入される。

つまり、減圧手段３０における冷媒の膨張エネルギが小さい本システムでは、気液分離器５０のガス冷媒が減圧装置３２で減圧されることで蒸発器４０の入口側（液冷媒回路Ｒ２側）と出口側とで冷媒に差圧が生じるので、液冷媒を安定的に蒸発器４０へ流入させることができる。従って、本実施の形態によれば、減圧手段３０による凝縮冷媒の膨張エネルギが小さい冷凍サイクル条件においても、蒸発器４０の冷凍能力の向上効果を確保できるとともに、冷凍サイクルシステム全体の成績係数を向上することができる。

次に、本実施形態の冷凍サイクル１について、図１（ｂ）に示すモリエル線図で説明する。

圧縮機１０で圧縮された冷媒（図の点Ａ）は、凝縮器２０で凝縮液化され（図の点Ａ→点Ｂ）、減圧手段３０で断熱膨張する（図の点Ｂ→点Ｃ）。減圧手段３０より気液分離器５０に入った冷媒は、気液に分離されて液冷媒（図の点Ｄ）のみが、蒸発器４０に流入して周囲より熱を奪って蒸発（図の点Ｄ→点Ｅ）するので、冷凍能力の高い冷却が行われる。

一方、気液分離器５０で分離されたガス冷媒（図の点Ｅ）は、減圧装置３２で減圧され（図の点Ｅ→点Ｆ）、吸入回路Ｒ３で蒸発器で蒸発したガス冷媒と合流する。合流した冷媒（図の点Ｆ）は、吸入回路Ｒ３を通って圧縮機１０の吸入側へ導かれる。ここで、ＥＦは蒸発器の入口側と出口側の差圧ΔＰである。

以上のように、蒸発器４０の出口側の冷媒圧力が入口側の圧力よりもΔＰだけ低くなるので液冷媒を安定して蒸発器４０へ供給することができる。

（第２の実施形態）
図２（ａ）は、本発明の第２の実施形態を示す冷媒回路図である。なお、第１の実施形態と同様の部分には、同一の符号を付して説明を省略する。

前記の第１の実施形態では、気液分離器５０で分離されたガス冷媒をガス冷媒回路Ｒ１に介挿した減圧装置３２で減圧して蒸発器４０の入口側と出口側との間に差圧ΔＰを生じるように構成したが、第２の実施形態では、液冷媒を加圧して蒸発器４０の入口側と出口側との間に差圧ΔＰを得るように構成したものである。

すなわち、本実施形態の冷凍サイクル２は、圧縮機１０から吐出され、凝縮器２０、減圧手段３０を介して気液分離器５０に貯留された冷媒について、気液分離器５０のガス冷媒側５０ａをガス冷媒回路Ｒ２を介して蒸発器４０の出口側に接続する吸引回路Ｒ３に合流させ、液冷媒側５０ｂの液冷媒回路Ｒ２中に加圧手段６０を介挿して蒸発器４０の入口側に接続する構成となっている。ここで、加圧手段には特に限定はないが、液ポンプなどを好適に用いることができる。

次に、上記の第２の実施形態について、その作動を説明する。圧縮機１０から吐出された高温・高圧の冷媒は、凝縮器２０で液化した後、減圧装置３０で断熱膨張し、気液二相状態で気液分離器５０へ流入する。気液分離器５０では、液冷媒とガス冷媒とが分離され、エンタルピの小さい液冷媒のみが加圧手段で加圧されて蒸発器４０へ流入する。蒸発器４０で蒸発したガス冷媒は、吸入回路Ｒ３を介して圧縮機１０の吸入側へ吸入される。また、気液分離器５０のガス冷媒は、ガス冷媒回路Ｒ２を介して蒸発器４０の出口側で吸入回路Ｒ３に合流して圧縮機１０に吸入される。

つまり、本システムでは、気液分離器５０の液冷媒が加圧手段６０で加圧されることで蒸発器４０の入口側と出口側との冷媒圧力に差圧が生じるので、液冷媒を安定的に蒸発器４０へ流入させることができる。従って、本実施の形態によれば、減圧手段３０による凝縮冷媒の膨張エネルギが小さい冷凍サイクル条件においても、蒸発器４０の冷凍能力の向上効果を確保できるとともに、冷凍サイクルシステム全体の成績係数を向上することができる。

次に、本実施形態の冷凍サイクル２について、図２（ｂ）に示すモリエル線図で説明する。

圧縮機１０で圧縮された冷媒（図の点Ａ）は、凝縮器２０で凝縮液化され（図の点Ａ→点Ｂ）、減圧装置３０で断熱膨張する（図の点Ｂ→点Ｃ）。減圧装置３０より気液分離器５０に入った冷媒は、気液に分離されて液冷媒（図の点Ｄ）のみが加圧手段６０によって加圧されて（図の点Ｄ→点Ｈ）、蒸発器４０に流入して周囲より熱を奪って蒸発（図の点Ｈ→点Ｉ）するので、冷凍能力の高い冷却が行われる。

一方、気液分離器５０で分離されたガス冷媒は、ガス冷媒回路Ｒ１を介して吸入回路Ｒ３で蒸発器で蒸発したガス冷媒と合流する（図の点Ｉ）。合流した冷媒は、吸入回路Ｒ３を通って圧縮機１０の吸入側へ導かれる。ここで、ＤＨは蒸発器の入口側と出口側の差圧ΔＰである。

以上のように、蒸発器４０の入口側の冷媒圧力が出口側の圧力よりもΔＰだけ高くなる（言い換えると、出口側の冷媒圧力が入口側の圧力よりもΔＰだけ低くなる）ので液冷媒を安定して蒸発器４０へ供給することができる。

次に、図３は前述の第１の実施形態を、図４は前述の第２の実施形態をベースとした別の実施形態を示す冷媒回路図である。

前述の第１の実施形態及び第２の実施形態では、液冷媒を一の蒸発器４０で蒸発する構成としたが、図３及び図４の（ａ）〜（ｄ）の形態では、複数の蒸発器を備えることにより、複数箇所の冷却を可能としたものである。

（ａ）の冷凍サイクル１ａ及び２ａは、第１の蒸発器４２と第２の蒸発器４４とを直列に配置した冷凍サイクルであり、第１の蒸発器４２と第２の蒸発器４４とを連結する連結回路Ｒ４に第２の減圧装置３４を介挿してなるものである。第２の減圧装置３４を介挿することで、第１の蒸発器４２と第２の蒸発器４４とへの冷媒の流入と流出とを安定化することができる。なお、図３（ａ）に示す冷凍サイクル１ａでは、第１の減圧装置３２により発生する差圧ΔＰ１が第２の減圧装置３４で発生する差圧ΔＰ２よりも大きいくなるように、減圧装置３２又は３４を選択することが望ましい。また、図４（ａ）に示す冷凍サイクル２ａでは、減圧装置３４は第１の蒸発器４２で蒸発したガス冷媒を減圧するものであり、冷凍サイクル１ａと同様に第１の蒸発器４２と第２の蒸発器４４とへの冷媒の流入と流出とを安定化することができる。このような、構成の冷凍サイクル１ａ又は２ａは車両用冷蔵庫を有するワンボックスタイプの車両等の冷凍サイクルに適用して好適である。

（ｂ）の冷凍サイクル１ｂ及び２ｂは、気液分離器５０の下流側に流路切替弁７０を設け第１の蒸発器４２と第２の蒸発器４４とを並列に配置した冷凍サイクルである。ここで、第１の蒸発器４２の出口側と第２の蒸発器４４の出口側との間に第３の減圧装置３６を介挿してもよい。第３の減圧装置を介挿することで第１の蒸発器４２と第２の蒸発器４４の温度を後別に制御することが可能となる。このような、構成の冷凍サイクル１ｂ又は２ｂはデュアルエアコンを有する乗用車およびワンボックスタイプの車両等の冷凍サイクルに用いて好適である。

（ｃ）の冷凍サイクル１ｃ及び２ｃは、冷凍サイクル１ａまたは２ａにさらに第３の蒸発器４６を設けて３箇所の冷却を可能としたものである。第３の蒸発器４６は、凝縮器２０の出口側に減圧手段３０と並列に設けた減圧装置３８の下流側に配置され、減圧装置３８で減圧された気液二相冷媒を蒸発することで冷却能力を発揮する。第３の蒸発器４６で蒸発されたガス冷媒は前記の第１の蒸発器４２と第２の蒸発器４４とで蒸発されたガス冷媒と吸入回路Ｒ３で合流して圧縮機１０の吸入側に吸入される。このような、構成の冷凍サイクル１ｃ又は２ｃはデュアルエアコンを有する乗用車およびワンボックスタイプの車両等の冷凍サイクルに用いて好適である。

（ｄ）の冷凍サイクル１ｄ及び２ｄは、（ｃ）と同様に３箇所の冷却を可能としたものであり、冷凍サイクル１ｂまたは２ｂにさらに第３の蒸発器４６を設けたものである。冷媒の動作は上述の（ｃ）と同様であるので説明を省略する。このような、構成の冷凍サイクル１ｄ又は２ｄはデュアルエアコンを有する乗用車およびワンボックスタイプの車両等の冷凍サイクルに用いて好適である。

なお、本発明の冷凍サイクルは、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更してもよい。例えば、上記の実施形態は、各々単独の冷凍サイクルとして説明したが、第１の実施形態と第２の実施形態とを併用してもよい。また、第１の実施形態や第２の実施形態の冷媒回路を図５や図６に示す従来技術になる冷凍サイクルに電磁弁などを介して併設し、運転条件の変化に対応して切り替え制御することもできる。すなわち、通常運転時（膨張エネルギが所定値以上である運転条件下）には、エジェクタサイクル２００で運転し、圧縮機の回転が低下する低負荷時には、電磁弁などで例えば、第１の実施形態である冷凍サイクル１ａに切り替えて運転を継続する。このようなモード変更によって、常に一定値以上の成績係数（ＣＯＰ）を呈する冷凍システムとすることができる。

本発明の冷凍サイクルは、圧縮機の回転数が低い、あるいは冷媒流量が低い冷却容量が小さい場合などの低負荷時でも、蒸発器の冷却能力を低下することなく高いシステム性能を維持することができる。従って、負荷変動の大きい車両用空調システム、あるいは、膨張エネルギの少ないＲ４０４Ａ、Ｒ６００Ａなどの冷媒を用いた車載用冷凍機、定置型業務用冷蔵庫、定置型冷凍・冷蔵ショーケース、家庭用冷蔵庫などの冷凍システムに用いて好適である。

本発明の第１の実施形態を示す図で、（ａ）はその冷媒回路図であり、（ｂ）は（ａ）のモリエル線図である。本発明の第２の実施形態を示す図で、（ａ）はその冷媒回路図であり、（ｂ）は（ａ）のモリエル線図である。本発明の第１の実施形態に対して、複数の蒸発器を有するシステム構成の例を示したものである。（ａ）は直列に配置した二個の蒸発器を備える冷凍サイクル１ａ、（ｂ）は並列に配置した二個の蒸発器を備える冷凍サイクル１ｂ、（ｃ）は、冷凍サイクル１ａにさらに第３の蒸発器を配置した冷凍サイクル１ｃ、（ｄ）は、冷凍サイクル１ｂにさらに第３の蒸発器を配置した冷凍サイクル１ｄを示す冷媒回路図である。本発明の第２の実施形態に対して、複数の蒸発器を有するシステム構成の例を示したものである。（ａ）は直列に配置した二個の蒸発器を備える冷凍サイクル２ａ、（ｂ）は並列に配置した二個の蒸発器を備える冷凍サイクル２ｂ、（ｃ）は、冷凍サイクル２ａにさらに第３の蒸発器を配置した冷凍サイクル２ｃ、（ｄ）は、冷凍サイクル２ｂにさらに第３の蒸発器を配置した冷凍サイクル２ｄを示す冷媒回路図である。従来技術になる冷凍サイクル１００の冷媒回路と、対応するモリエル線図との一例を示す図である。従来技術になるエジェクタサイクル２００の冷媒回路と、対応するモリエル線図との一例を示す図である。

符号の説明

１０：圧縮機２０：凝縮器３０：減圧手段３２：減圧装置４０：蒸発器５０：気液分離器６０：加圧装置
Ｒ１：ガス冷媒回路Ｒ２：液冷媒回路Ｒ３：吸入回路

Claims

圧縮機、凝縮器、減圧手段、及び蒸発器を順次接続してなる冷凍サイクルにおいて、
前記減圧手段の下流側に気液分離器を設け、該気液分離器の液冷媒側を液冷媒回路を介して前記蒸発器の入口側に接続し、該気液分離器のガス冷媒側をガス冷媒回路を介して前記蒸発器の出口側に接続するとともに、該蒸発器の入口側における冷媒圧力よりも出口側における冷媒圧力を低くする差圧手段を備えることを特徴とする冷凍サイクル。
前記差圧手段は前記ガス冷媒回路に介挿する減圧装置である請求項１に記載の冷凍サイクル。
前記差圧手段は前記液冷媒回路に介挿する加圧装置である請求項１に記載の冷凍サイクル。
複数の蒸発器を有する請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍サイクル。
前記複数の蒸発器は直列に配置されている請求項４に記載の冷凍サイクル。
前記複数の蒸発器は並列に配置されている請求項４に記載の冷凍サイクル。