JP2007064602A

JP2007064602A - 冷凍システム

Info

Publication number: JP2007064602A
Application number: JP2005254859A
Authority: JP
Inventors: Shunji Komatsu; 俊二小松
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2007-03-15

Abstract

【課題】ＣＯ_２冷媒を用いた圧縮機の耐久性向上を図ることができる冷凍システムを提供する。
【解決手段】潤滑油を含むＣＯ_２冷媒が循環する冷凍回路(6)の循環経路には、冷媒の流れ方向でみて少なくとも圧縮機(20)、ガスクーラ(22)、膨張弁(24)、及び蒸発器(26)が順次介挿され、圧縮機とガスクーラとの間、及び蒸発器と圧縮機との間には、圧縮機の起動停止時における圧縮機からガスクーラ、及び蒸発器へのＣＯ_２冷媒の移動をそれぞれ防止する冷媒流出防止手段(28,30)を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍システムに関し、より詳しくは、ＣＯ_２冷媒を使用した冷凍システムに関する。

冷凍システムには冷凍回路中の機器として圧縮機が備えられ、冷媒を圧縮して循環経路への冷媒の流動を生成している。この冷媒には通常、潤滑油が含まれており、この潤滑油は圧縮機内の摺動面や軸受等の潤滑のみならず、摺動面のシールとしての機能を有する。
ここで、圧縮機が冷凍回路中の他の機器に比して温まり難く冷め易いとの特性を有する点を鑑み、圧縮機の起動停止時に圧縮機内への冷媒の流入を防止する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この流入した冷媒は圧縮機内で液冷媒となり、この液冷媒の滞留は圧縮機内の潤滑油を希釈したり、上記摺動面や軸受等を洗い、圧縮機の起動時には潤滑不良による圧縮機内の焼き付きを招くからである。
特開平０８−２６１１４９号公報

ところで、近年、地球環境への配慮から、地球温暖化係数の小さな値を有する冷媒を用いた冷凍システムの開発が進められている。この種の冷媒の一例としては自然系のＣＯ_２（炭酸）ガスがある。
このＣＯ_２冷媒はその作動領域が超臨界状態に達することがある。具体的には、超臨界状態は高圧側の循環経路内の圧力と外気温度の双方が臨界点を超えた場合に生じる。

そして、この超臨界状態では通常溶けない物質が溶けるとの性質があり、圧縮機内の潤滑油もＣＯ_２冷媒中に拡散され易くなる。特に、圧縮機の起動停止時においては、冷媒の流動が生成されていないために冷凍回路全体が超臨界状態になり、外気温度の僅かな変化によって圧縮機内の圧力が他の機器内の圧力よりも高くなるので、上記ＣＯ_２冷媒が圧縮機外に向けて流出するとの懸念がある。このようにＣＯ_２冷媒を用いる場合には、圧縮機の起動停止時に圧縮機外への潤滑油の移動を防止しなければ、その後の圧縮機の起動時には潤滑不良による圧縮機内の焼き付きが生ずるとの問題がある。しかし、上記従来の技術では、ＣＯ_２冷媒を用いた場合の如く圧縮機内の圧力が高くなる場合に、圧縮機内に潤滑油を確保する点については格別の配慮がなされていない。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、ＣＯ_２冷媒を用いた圧縮機の耐久性向上を図ることができる冷凍システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、請求項１記載の冷凍システムは、潤滑油を含むＣＯ_２冷媒が循環経路内を循環する冷凍回路であって、循環経路には、冷媒の流れ方向でみて少なくとも圧縮機、ガスクーラ、膨張弁、及び蒸発器が順次介挿され、圧縮機とガスクーラとの間、及び蒸発器と圧縮機との間には、圧縮機の起動停止時における圧縮機からガスクーラ、及び蒸発器へのＣＯ_２冷媒の移動をそれぞれ防止する冷媒流出防止手段を具備することを特徴としている。

また、請求項２記載の発明では、ガスクーラを介して圧縮機と膨張弁との間の循環経路内におけるＣＯ_２冷媒の超臨界状態を検出する超臨界状態検出手段と、循環経路内におけるＣＯ_２冷媒が超臨界状態に至り得る場合にのみ、冷媒流出防止手段を作動させるコントローラとを更に具備することを特徴としている。

本発明は、ＣＯ_２冷媒を用いた圧縮機の起動停止時には冷凍回路全体が超臨界状態になり、潤滑油に不可解な動きが生ずることに着目したものである。
そして、請求項１記載の本発明の冷凍システムによれば、潤滑油を含むＣＯ_２冷媒を循環させる冷凍回路の循環経路において、圧縮機の前後には冷媒流出防止手段がそれぞれ設けられており、圧縮機の起動停止時における圧縮機の前後に位置する冷凍回路中の機器へのＣＯ_２冷媒の移動を防止している。これにより、圧縮機の起動停止時には圧縮機外への潤滑油の移動が防止され、潤滑油は圧縮機内に確保されるので、その後の圧縮機の起動時にはこの潤滑油によって圧縮機内の潤滑等が行われる。この結果、圧縮機の焼き付きが回避可能となり、圧縮機の耐久性が向上する。

また、請求項２記載の発明によれば、冷媒流出防止手段は高圧側の循環経路内のＣＯ_２冷媒が臨界点に達し得る場合にのみ作動する。よって、圧縮機外への潤滑油の移動が防止されるし、省力化が図られて冷凍回路の信頼性向上に寄与する。

以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図１は、車両用空調装置を構成している冷凍システム２の概略を示し、この冷凍システム２は車室４内を所望の設定温度にて冷房する。冷凍システム２は、自然系冷媒であるＣＯ_２冷媒（以下、単に冷媒と称す）を循環させる冷凍回路６を有し、この冷凍回路６はエンジン１０を備えたエンジンルーム８から車室４に亘って設置されている。

詳しくは、冷凍回路６は上記冷媒の循環経路１２，１４，１６，１８を有し、これら循環経路１２，１４，１６，１８はその大部分がエンジンルーム８内に配置されているが、その一部は車室４内にも延びている。循環経路１２，１４，１６，１８には、上流側からコンプレッサ（圧縮機）２０、ガスクーラ２２、膨張弁２４、及びエバポレータ（蒸発器）２６が順次介挿されている。そして、これら圧縮機２０、ガスクーラ２２、膨張弁２４はエンジンルーム８内に配置され、蒸発器２６は車室４内に配置されている。

なお、図中、参照符号１２，１４，１６は上記循環経路の往路部分を形成し、参照符号１８は上記循環経路の復路部分を形成している。
この圧縮機２０はエンジン１０の駆動力によって作動され、ガス状態の冷媒を吸い込んで圧縮し、高温高圧ガス状態にして循環経路１２に吐出する。つまり、圧縮機２０は冷媒を圧縮しながら冷媒の流動を生成させる。なお、冷媒は潤滑油を含み、この潤滑油は圧縮機２０内の軸受や種々の摺動面を潤滑する他、摺動面のシールする機能をも発揮する。

そして、ガスクーラ２２は図示しない送風ファン及び車両前方からの風を受けて、その内部を流れる冷媒を空冷する。更に、ガスクーラ２２からの高圧状態の冷媒は膨張弁２４を通じて蒸発器２６に供給され、蒸発器２６内にて低温低圧のガス状態となる。また、蒸発器２６の下流側は循環経路１８を介して圧縮機２０に接続されており、低温低圧ガス状態の冷媒が圧縮機２０に吸入される。

ここで、本実施形態では、冷媒の超臨界状態を考慮した構成が設けられている。具体的には、ＣＯ_２は圧力が約７０ｂａｒ（約７ＭＰａ）であって温度が約３１℃のときに、気体と液体とが共存する限界の圧力・温度（臨界点）とされ、この臨界点を超えると超臨界状態になる。そして、冷凍回路６においては、高圧側の循環経路１２，１４内の圧力と外気温度とが臨界点を超えた場合には潤滑油が溶け込み易い状態、換言すれば、潤滑油が冷媒内に拡散し易い状態となる。また、上記超臨界状態は圧縮機２０の起動停止時には冷凍回路６全体に波及し、この場合には、外気温度の僅かな変化によってガスクーラ２２内や蒸発器２６内の圧力が圧縮機２０内の圧力よりも低くなるのである。

そこで、本実施形態では、圧縮機２０の起動停止時における圧縮機２０からガスクーラ２２、及び蒸発器２６への冷媒の移動をそれぞれ防止している。より詳しくは、圧縮機２０とガスクーラ２２との間の循環経路１２には前側電磁弁（冷媒流出防止手段）２８が配設され、更に、蒸発器２６と圧縮機２０との間の循環経路１８にも後側電磁弁（冷媒流出防止手段）３０が配設されている。そして、これら前側電磁弁２８及び後側電磁弁３０はＥＣＵ（コントローラ）３４からの駆動信号によって開閉される。

また、本実施形態においては、高圧側の循環経路１２，１４のうち、圧縮機２０とガスクーラ２２との間の循環経路１２の適宜位置には、この循環経路１２内の圧力や外気温度を検出するセンサ（超臨界状態検出手段）３２が配設されており、冷媒の状態がＥＣＵ３４に入力可能に構成されている。
上述した冷凍システム２によれば、圧縮機２０の起動に伴い、蒸発器２６からの冷媒を圧縮する。つまり、この圧縮機２０の断熱圧縮作用によって比エンタルピ及び圧力がそれぞれ増加し、循環経路１２内の圧力や外気温度が図２の臨界点Ｃを超える場合には、同図の点ａから点ｂまで変化する。そして、循環経路１２を介して高温高圧ガス状態の冷媒をガスクーラ２２に供給する。

この冷媒はガスクーラ２２内で冷却され、比エンタルピが減少して同図の点ｂから点ｃまで等圧変化する。そして、高圧ガス状態の冷媒が循環経路１４を介して膨張弁２４に供給され、膨張弁２４の絞り作用による膨張を受け、その比エンタルピを一定に維持しながら圧力が減少して同図の点ｃから点ｄまで変化し、循環経路１６を介して蒸発器２６内に噴出させる。次いで、冷媒の気化熱により蒸発器２６の周囲の空気が冷却され、冷気が車室４内に送り込まれ、車室４内の冷房が行われる。蒸発器２６からの冷媒は、循環経路１８を介して圧縮機２０に戻り、この後、圧縮機２０により再度圧縮され、循環経路１２，１４，１６，１８を上述した如く循環する。

なお、循環経路１２内の圧力や外気温度が図２の臨界点Ｃを超えない場合には、圧縮機２０によって同図の点ａから点ｅまで変化し、次いで、ガスクーラ２２では同図の点ｅから点ｆまで等圧変化する。そして、膨張弁２４によって同図の点ｆから点ｇまで変化し、蒸発器２６内に達する。車室４内の冷房が行われた後に圧縮機２０に戻ることになる。
これに対し、圧縮機２０の起動停止時には、センサ３２の検出値に応じてＥＣＵ３４から前側電磁弁２８及び後側電磁弁３０に対して駆動信号が出力される。すなわち、本実施形態においては、圧縮機２０の起動停止時における循環経路１２内の圧力及び外気温度のいずれもが図２の臨界点Ｃを超えた場合（例えば約７０ｂａｒ以上、且つ、約３１℃以上）には、ＥＣＵ３４は前側電磁弁２８及び後側電磁弁３０を閉弁させる。この場合には冷媒が超臨界状態にあり、如何なる動粘度値を有する潤滑油であっても冷媒に拡散することが懸念されるからである。

また、圧縮機２０の起動停止時における外気温度が図２の臨界点Ｃを超えている場合（例えば約３１℃以上）であって、循環経路１２内の圧力が図２の臨界点Ｃ近傍の場合（例えば約６０ｂａｒ以上）にも、ＥＣＵ３４は前側電磁弁２８及び後側電磁弁３０を閉弁させる。この場合には冷媒がいずれ超臨界状態に至るものと擬制でき、外気温度の僅かな変化によってガスクーラ２２内や蒸発器２６内の圧力が圧縮機２０内の圧力よりも低くなり、冷凍回路６の導通によって潤滑油が圧縮機２０からガスクーラ２２や蒸発器２６に向けて移動し得るからである。

なお、仮に、外気温度が約３１℃以上であったとしても、循環経路１２内の圧力が約６０ｂａｒに達しそうにない場合には、潤滑油が冷媒に拡散し難いと考えられるので、ＥＣＵ３４は前側電磁弁２８及び後側電磁弁３０を閉弁させない。
以上のように、本実施形態では、ＣＯ_２冷媒を用いた圧縮機２０の起動停止時には冷凍回路６全体が超臨界状態になり、潤滑油に不可解な動きが生ずることに着目したものである。

そして、潤滑油を含んだＣＯ_２冷媒を循環させる冷凍回路６において、圧縮機２０とガスクーラ２２との間、蒸発器２６と圧縮機２０との間には前側電磁弁２８及び後側電磁弁３０がそれぞれ設けられており、圧縮機２０の起動停止時における圧縮機２０の前後に位置する冷凍回路６中の機器、本実施形態では、圧縮機２０よりも低圧になり得るガスクーラ２２や蒸発器２６への冷媒の移動を防止している。これにより、圧縮機２０の起動停止時には圧縮機２０外への潤滑油の移動が防止され、潤滑油は圧縮機２０内に確保されるので、その後の圧縮機２０の起動時にはこの潤滑油によって圧縮機２０内の潤滑等が行われる。この結果、圧縮機２０の焼き付きが回避可能となり、圧縮機の耐久性が向上する。

また、前側電磁弁２８及び後側電磁弁３０は、冷媒が超臨界状態に至り得る場合として、循環経路１２内の圧力が約６０ｂａｒ以上、且つ、外気温度が約３１℃以上に達した場合にのみ作動する。これにより、圧縮機２０外への潤滑油の移動が防止されるし、前側電磁弁２８及び後側電磁弁３０を常に作動させる場合に比して省力化が図られて冷凍回路６の信頼性向上に寄与する。

以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記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種々の変更ができるものである。
例えば、センサ３２は、高圧側の循環経路内の状態を検出する限り、圧縮機２０とガスクーラ２２との間の循環経路１２に代えて、ガスクーラ２２と膨張弁２４との間の循環経路１４に配設されていても良い。また、ＥＣＵ３４は、センサ３２からの検出値に拘わらず、圧縮機２０の起動停止時には直ちに前側電磁弁２８及び後側電磁弁３０を閉弁させても良い。

また、上記実施形態では、圧縮機２０、ガスクーラ２２、膨張弁２４及び蒸発器２６を備えた冷凍回路６について示されているが、ＣＯ_２冷媒は蒸発圧力が高く、超臨界状態に達した場合には高圧ガスの温度を十分に下げなければ十分なエンタルピ差を確保できず、サイクルの効率が悪くなり得る点を鑑み、冷凍回路中の他の機器として内部熱交換器やアキュムレータを備えても良い。

つまり、この場合には、圧縮機とガスクーラとの間、及びアキュムレータと圧縮機との間には、圧縮機の起動停止時における圧縮機からガスクーラ、及びアキュムレータへの冷媒の移動をそれぞれ防止する冷媒流出防止手段が備えられることになり、上記と同様に圧縮機の焼き付きを回避する効果を奏する。
また、本発明においては、圧縮機は上述の如くエンジン１０で駆動されるものの他、電動モータで駆動されるものであっても良く、更に、上記実施形態では車両用空調装置に具体化された例を示しているが、本発明の冷凍システムは、業務用空調装置、家庭用ヒートパイプ、給湯器、暖房器等の如く、ＣＯ_２冷媒を用いた冷凍・空調サイクル全般に適用可能である。

本発明の一実施例に係る冷凍システムの概略構成図である。図１の冷凍システムにおけるＣＯ_２冷媒の概略的なモリエール線図である。

符号の説明

６冷凍回路
１２，１４，１６，１８循環経路
２０圧縮機
２２ガスクーラ
２４膨張弁
２６蒸発器
２８前側電磁弁（冷媒流出防止手段）
３０後側電磁弁（冷媒流出防止手段）
３２センサ（超臨界状態検出手段）
３４ＥＣＵ（コントローラ）

Claims

潤滑油を含むＣＯ_２冷媒が循環経路内を循環する冷凍回路であって、
前記循環経路には、前記冷媒の流れ方向でみて少なくとも圧縮機、ガスクーラ、膨張弁、及び蒸発器が順次介挿され、
前記圧縮機と前記ガスクーラとの間、及び前記蒸発器と前記圧縮機との間には、前記圧縮機の起動停止時における前記圧縮機から前記ガスクーラ、及び前記蒸発器への前記ＣＯ_２冷媒の移動をそれぞれ防止する冷媒流出防止手段を具備する
ことを特徴とする冷凍システム。
前記ガスクーラを介して前記圧縮機と前記膨張弁との間の循環経路内における前記ＣＯ_２冷媒の超臨界状態を検出する超臨界状態検出手段と、
該循環経路内における前記ＣＯ_２冷媒が超臨界状態に至り得る場合にのみ、前記冷媒流出防止手段を作動させるコントローラと
を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。