JP2006162246A - 冷凍システム及び改善された遷臨界蒸気圧縮サイクル - Google Patents

Abstract

【課題】特に二酸化炭素冷媒を用いた空調システムにおいて、システムの効率及び性能を改善すると共に、高い過熱状態及び高いコンプレッサ出口温度を有する必要性を回避する。
【解決手段】コンプレッサ、ガス冷却器、膨張バルブ、熱交換器まはた蒸発器の順に接続した蒸気圧縮サイクルにおいて、膨張バルブの入口で冷媒温度を低下させるための熱電気手段を設ける。熱電気装置は、ガス冷却器の出口に設けることもでき、ガス冷却器内に組み込むこともできる。
【選択図】図１ｃ

Description

本発明は、空気調和器のための冷凍システムに係り、改善された遷臨界蒸気圧縮サイクル、特に冷凍システム及び冷媒として二酸化炭素を使用するサイクルに関する。

二酸化炭素冷媒は、空気調和のための自動車産業で使用するための代替冷媒、並びに、他の用途では、そのような冷媒の低い毒性に起因して代替冷媒と考えられている。しかし、二酸化炭素に基づいたシステムは、そのようなシステムが、高い圧力及び高いコンプレッサ流出温度へと導く遷臨界モードで作働するという事実からくる多数の挑戦すべき題目を有している。他の挑戦事項は、低い臨界温度であり、臨界点付近の等温線の形状である。従って、ガス冷却器の性能は、周囲空気温度により制限される。

そのような二酸化炭素システムの性能を改善するため、ガス冷却器からの出口で追加の冷却機能を持つことが重要となる。これは、通常、内部熱交換器を通して従来技術で達成されている。蒸発器から出た低温冷媒は、ガス冷却器から出る冷媒を更に冷却するために使用される。この方法は、冷却能力を改善するという目標を達成するが、コンプレッサ内へと流れる冷媒の過熱量を劇的に増大させ、これによって、コンプレッサ吸引入口で冷媒密度がより低くなり、コンプレッサ出口温度がより高くなる結果となる。これは、コンプレッサの寿命を短くしかねず、ガス冷却器が特殊な耐熱性材料から作られるべきことを要求する。

本発明の目的は、システムの効率及び性能を改善すると共に、高い過熱状態及び高いコンプレッサ出口温度を有する必要性を回避することである。

本発明によれば、空気調和器のための冷凍システムが提供され、該冷凍システムは、冷媒を圧縮するためのコンプレッサと、該冷媒を冷却するため該コンプレッサの下流に配置されたガス冷却器と、該冷媒の圧力を減少させるため該ガス冷却器の下流に配置された膨張バルブと、該冷媒を蒸発させるため膨張バルブの下流に配置された熱交換器又は蒸発器と、を備え、膨張バルブの入口で冷媒の温度を低下させるための熱電気手段を設けたことを特徴とする。

好ましくは、上記冷媒は、二酸化炭素である。

一実施例では、熱電気手段は、ガス冷却器の出口に設けられ又は該出口に隣接して設けられている。代替の実施例では、熱電気手段は、ガス冷却器の出口で冷媒を冷却するためガス冷却器内に組み込まれている。

本発明の更なる態様によれば、二酸化炭素の冷媒のための遷臨界蒸気圧縮サイクルが提供される。該サイクルは、冷媒の温度、圧力及びエンタルピーを超臨界領域へと増大させるため、過熱された冷媒を圧縮し、該冷媒を略一定圧力でガス冷却器内で冷却し、該冷媒を膨張バルブを通して臨界値より下の温度及び圧力の状態へと膨張させ、蒸発器／熱交換器内で該冷媒を蒸発させ、これにより該冷媒は冷却されるべき空間から熱を吸収する、各工程を備え、前記サイクルは、ガス冷却器から出た冷媒を更に冷却するため熱電気手段を使用する工程を更に備え、これによって膨張バルブの入口で冷媒の温度を低下させることを特徴とする。

図１ａは、二酸化炭素のための典型的な遷臨界蒸気圧縮サイクルを示す。二酸化炭素の蒸気は、状態１でコンプレッサに入る。該コンプレッサは、車両の空気調和システムの場合には車両エンジンからのパワーを使用して、状態２で超臨界領域内に置かれるまで蒸気を圧縮し、これによって、該蒸気の圧力、温度及びエンタルピーが増大される。次に、該二酸化炭素の冷媒は、ガス冷却器に入り、通常、水又は空気で冷却される。該ガス冷却器の機能は、低圧で冷媒を冷却するため、流体から冷却液（例えば、空気又は水）へと熱を転移させることである。冷却された冷媒は、状態３となってガス冷却器から出て行く。冷媒は、液体及び蒸気の混合領域内で状態４に到達するため、膨張バルブを通して、エンタルピーが略一定の膨張プロセスを経験する。最終的には、冷媒は、蒸発器／熱交換器内で蒸発され、これにより、冷媒は、状態１で再びコンプレッサに入るまで、冷却されるべき空間、例えば車両空気調和システム内の車両乗員室から熱を吸収し、当該サイクルを繰り返す。当該サイクルの冷却効果は、状態４及び状態１の間のラインにより表される。

図１ａから理解することができるように、冷却効果は、状態３を左に更に移行するようにガス冷却器内の冷媒の温度／エンタルピーを更に減少することによって増大させることができる。

図１ｂは、蒸発器／熱交換器の出口からの冷媒を使用してガス冷却器の出口で超臨界領域にある冷媒を更に冷却するように内部熱交換器を使用した二酸化炭素冷媒のための典型的な蒸気圧縮サイクルを示している。内部熱交換器は、状態３ａ及び状態３の間で冷媒を冷却する。この熱は、コンプレッサの下流側で状態４ａ及び状態１の間に冷媒に転移される。

内部熱交換器によりガス冷却器の出口で冷媒から除去された熱は、増大した冷却効果を提供するが、そのような熱は蒸発器／熱交換器の出口で冷媒に転移されるので、これは、冷媒の温度を上昇させ、コンプレッサの吸引入口でその密度を減少させ、状態２でコンプレッサの出口で冷媒の温度を更に上昇させる。これは、コンプレッサの耐久性、潤滑特性、及び、ガス冷却器の材料選択に関して影響を及ぼす。サイクル性能特徴の分析によって、システムが最適なサイクル効率で作動するところの作動状態が示される。この状態から離れると、本システムの効率が劣化する。

図１ｃは、本発明に係る蒸気圧縮サイクルを示しており、熱電気装置は、状態３ａから状態３までガス冷却器から出る冷媒を過冷却するため使用され、かくして、内部熱交換器の使用を通して既知のシステムで発生するコンプレッサの吸引入口における冷媒の温度の有害な上昇無しに、状態４及び状態１の間の蒸発器／熱交換器の冷却効果を増大させる。

熱電気冷却装置は、ペルチェ効果による電気エネルギーの使用を通して熱を除去するため半導体材料を利用する。これは電流が２つのコンダクターを通過するとき加熱又は冷却効果が存在することを示す理論に基づいている。２つの異なる材料の自由端部に適用された電圧は、温度差を形成する。この温度差を用いて、ペルチェ冷却は、一方の端部から他方の端部まで熱を転移させる。典型的な熱電気冷却器は、２つの異なるコンダクターとして機能するｐ型及びｎ型半導体から構成される。電流が１対又は複数対の要素を通過するとき、その接合部（低温側）で温度が低下し、その結果、環境からの熱の吸収を生じさせる。電子が高エネルギー状態から低エネルギー状態へと移動するとき、熱は電子輸送により冷却器を通して輸送され、反対側（高温側）で解放される。

自動空気調和システムでは、熱電気装置のための電力を、例えば交流電源及びバッテリー又は燃料電池システム等の車両の電気システムにより提供することができる。

本発明の第１の実施例は、図２ａに示されており、図２ａでは、熱電気装置は、ガス冷却器内に組み込まれ、該ガス冷却器の出口で冷媒を過冷却する。熱交換器の詳細な構成が、単に情報を与えるためだけに示されているが、他の形状及び設計概念も考えられる。

本発明の第２の実施例が図２ｂに示されており、該図２ｂでは、冷媒はガス冷却器の下流側に別個の熱電気過冷却器を通過する。

制御装置は、所望の冷却効果又はシステム性能を達成するように要求される冷却のレベルを提供するため熱電気装置の作動を制御し、かくして、空気調和システムのための簡単で効果的な制御構成を提供する工程を備えるようにすることができる。

現在の遷臨界の二酸化炭素冷媒サイクルは、システム効率及び冷却容量を改善するため、内部熱交換器で使用されており、その結果、過剰のコンプレッサ出口温度とコンプレッサ入口におけるより低い冷媒密度との観点で欠点を生じさせる。

本発明は、ガス冷却器から出た冷媒を冷却するため熱電気手段を使用することによって、より低いコンプレッサ出口温度、吸引ポイントにおいてより低い冷媒比体積をもたらし、より高い冷媒流量及びより良好な容積効率を生じさせる。更には、冷媒を熱電気的に冷却する工程の使用は、冷媒過冷却の度合いを、システムパラメータ、周囲条件、及び、冷媒要求に依存した所望の量に制御することを可能にする。本発明は、冷媒のより低い温度に起因して改善されたコンプレッサ耐久性と、より好ましい作動条件に起因して改善された内部のオイル品質と、を更に提供すると共に、ガス冷却器の材料及び強度の選択に対して高い圧力及び温度による影響を無くすことができる。本発明は、システム若しくは性能の必要性、ファン動作及び周囲条件に依存して、熱電気要素の使用を最適化する可能性を更に提供する。

図１ａは、内部熱交換器を使用すること無しに、冷媒として二酸化炭素を使用した、典型的な遷臨界蒸気圧縮サイクルの圧力−エンタルピーのグラフ図である。 図１ｂは、システム性能を改善するため内部熱交換器を備え、冷媒として二酸化炭素を使用した典型的な遷臨界蒸気圧縮サイクルの圧力−エンタルピーのグラフ図である。 図１ｃは、本発明に係る蒸気圧縮サイクルの圧力−エンタルピーのグラフ図である。 図２ａは、本発明の第１の実施例に係る、ガス冷却及び熱電気過冷却工程の概略図である。 図２ｂは、本発明の第２の実施例に係る、ガス冷却及び熱電気過冷却工程の概略図である。

Claims (6)

1. 冷媒を圧縮するためのコンプレッサと、
   前記冷媒を冷却するため前記コンプレッサの下流に配置されたガス冷却器と、
   前記冷媒の圧力を減少させるため前記ガス冷却器の下流に配置された膨張バルブと、
   前記冷媒を蒸発させるため前記膨張バルブの下流に配置された熱交換器又は蒸発器と、
   を備え、
   前記膨張バルブの入口で前記冷媒の温度を低下させるための熱電気手段を設けたことを特徴とする、空気調和器のための冷凍システム。
2. 前記冷媒は、二酸化炭素である、請求項１に記載の冷凍システム。
3. 前記熱電気手段は、前記ガス冷却器の出口に設けられ又は該出口に隣接して設けられている、上記請求項のうちいずれか１項に記載の冷凍システム。
4. 前記熱電気手段は、前記ガス冷却器の出口で前記冷媒を冷却するため前記ガス冷却器内に組み込まれている、請求項１又は２に記載の冷凍システム。
5. システム若しくは性能の必要度、ガス冷却器の性能、及び、周囲条件に応じて冷却効果を最適化するため、前記熱電気手段により提供された冷却の度合いを制御する制御手段が設けられている、上記請求項に記載の冷凍システム。
6. 二酸化炭素の冷媒のための遷臨界蒸気圧縮サイクルであって、
   前記冷媒の温度、圧力及びエンタルピーを超臨界領域へと増大させるため、過熱された冷媒を圧縮し、該冷媒をガス冷却器内で略一定圧力で冷却し、該冷媒を膨張バルブを通して臨界値より下の温度及び圧力の状態へと膨張させ、蒸発器／熱交換器内で前記冷媒を蒸発させ、これにより該冷媒は冷却されるべき空間から熱を吸収する、各工程を備え、
   前記サイクルは、前記ガス冷却器から出た前記冷媒を更に冷却するため熱電気手段を使用する工程を更に備え、これによって前記膨張バルブの入口で前記冷媒の温度を低下させることを特徴とする、遷臨界蒸気圧縮サイクル。

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