JP2007085586A - 冷凍システム - Google Patents

Abstract

【課題】 使用環境の変化に応じて柔軟に対応可能な冷凍システムを提供する。
【解決手段】 少なくともＣＯ_２とＨＣとの混合冷媒が循環経路内を循環する冷凍回路(6)であって、循環経路には、冷媒の流れ方向でみて圧縮機(22)、凝縮器(24)、膨張弁(26)、及び蒸発器(28)が順次介挿され、圧縮機と凝縮器との間若しくは凝縮器と膨張弁との間、及び蒸発器と圧縮機との間にそれぞれ接続され、圧縮機若しくは凝縮器からの混合冷媒の組成を変更して圧縮機に戻す冷媒組成変更装置(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、少なくともＣＯ_２とＨＣとの混合冷媒を使用した冷凍システムに関する。

近年、地球環境への配慮から、地球温暖化係数（ＧＷＰ）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（二酸化炭素）やＨＣ（炭化水素）があり、環境負荷の低減に大きく貢献する。
しかし、前者のＣＯ_２は不燃性である一方、蒸発圧力が高く、外気温度が高くなると成績係数（ＣＯＰ）が悪化する。これに対し、後者のＨＣはＣＯＰが優れている一方、可燃性であってその使用充填量には制限が設けられている。このため、これらＣＯ_２とＨＣとを混合させてトレードオフの関係の解決を図る技術が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
特開２００４−１９８０６３号公報 特開２００５−１５６３３号公報

ところで、冷凍システムの使用環境は非常に広範囲に及ぶものである。例えば同一のシステムにおいても、そのシステムの安全性が求められる使用環境と、サイクルの効率が求められる使用環境とが存在し得るのである。
しかしながら、上記従来の技術では混合冷媒の組成について単に示されているだけであり、使用環境の変化に柔軟に対応可能な冷凍システムの構築の点については格別の配慮がなされておらず、これでは混合冷媒への移行の妨げになることが懸念される。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、使用環境の変化に応じて柔軟に対応可能な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、少なくともＣＯ_２とＨＣとの混合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圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器が順次介挿され、圧縮機と凝縮器との間若しくは凝縮器と膨張弁との間、及び蒸発器と圧縮機との間にそれぞれ接続され、圧縮機若しくは凝縮器からの混合冷媒の組成を変更して圧縮機に戻す冷媒組成変更装置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、冷媒組成変更装置は、混合冷媒の各組成を取り出す蒸留部と、蒸留部に接続され、各組成をそれぞれ貯留する貯留部と、各貯留部に接続され、コントローラからの信号に応じて所望の混合冷媒が生成される混合部とを更に具備することを特徴としている。
更に、請求項３記載の発明では、コントローラは、外気温度及び冷凍回路の負荷に基づいて混合冷媒の組成を決定していることを特徴としている。

従って、請求項１記載の本発明の冷凍システムによれば、冷凍回路内には冷媒組成変更装置が備えられており、少なくともＣＯ_２とＨＣとの混合冷媒の組成を任意に変更して圧縮機に戻している。よって、使用環境の変化に応じて柔軟に対応可能な冷凍システムが構築される。換言すれば、冷凍システムの使用環境の変化を鑑みて混合冷媒の組成が変更されることにより、システムの安全性とサイクルの効率とのうち優先すべき要求に迅速に応ずることが可能になる。この結果、現行冷媒から混合冷媒への移行促進に寄与する。

また、請求項２記載の発明によれば、圧縮機から凝縮器に向かう混合冷媒或いは凝縮器から膨張弁に向かう混合冷媒は蒸留部にて組成毎に適宜留出され、貯留部にて貯留される。そして、混合部では、コントローラからの信号に応じて組成を変更させた混合冷媒が生成される。従って、要求に合致した組成の混合冷媒が循環経路内を循環可能となる。
更に、請求項３記載の発明によれば、最適な組成を有する混合冷媒が得られ、高圧側の循環経路内の圧力を抑え、且つ、ＣＯＰの最良化が図られる。

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する冷凍システム２の概略が示されており、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。本実施形態の冷凍システム２は、ＣＯ_２（ＧＷＰ＝１）とＨＣの一例としてイソブタン（ＧＷＰ＝３）との混合冷媒（以下、単に混合冷媒と称す）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、この冷凍回路６は混合冷媒の循環経路１１〜１４を有しており、これら循環経路１１〜１４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１１〜１４には、上流側からコンプレッサ（圧縮機）２２、コンデンサ（凝縮器）２４、膨張弁２６、及びエバポレータ（蒸発器）２８が順次介挿されている。そして、これら圧縮機２２、凝縮器２４及び膨張弁２６はエンジンルーム８内に配置され、蒸発器２８は車室４内に配置されている。なお、図中、参照符号１１〜１３は上記循環経路の往路部分を形成し、参照符号１４は上記循環経路の復路部分を形成している。

この圧縮機２２はエンジン１０の駆動力によって作動され、混合冷媒を吸い込んで圧縮しながら混合冷媒の流動を生成し、循環経路１１に吐出する。次に、凝縮器２４で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混合冷媒を冷却し、循環経路１２に供給する。そして、膨張弁２６では蒸発器２８に向かう混合冷媒の流れを調整し、蒸発器２８では熱交換が行われる。また、この蒸発器２８の下流側は循環経路１４を介して圧縮機２２に接続されている。

ここで、本実施形態の冷凍システム２には冷媒組成変更装置３０が備えられており、圧縮機２２からの混合冷媒の組成を自在に変更して圧縮機２２に戻している。
より詳しくは、冷媒組成変更装置３０は蒸留塔（蒸留部）３６を備えている。当該蒸留塔３６は循環経路１１から分岐した混合冷媒用の配管１５に接続され、この分岐部分に三方弁３２が配設されている。また、この蒸留塔３６の塔頂側にはＣＯ_２用の配管１６の一端側が接続されており、この配管１６の他端側にはＣＯ_２側タンク（貯留部）３８が接続されている。一方、蒸留塔３６の底側にはイソブタン用の配管１７の一端側が接続され、配管１７の他端側にはＨＣ側タンク（貯留部）４０が接続されている。

上記ＣＯ_２側タンク３８はＣＯ_２用の配管１８を介して混合タンク（混合部）４６に接続されており、配管１８には流路を開閉可能なＣＯ_２側電磁弁４２が配設されている。更に、ＨＣ側タンク４０は、ＨＣ側電磁弁４４を備えたイソブタン用の配管１９を介して混合タンク４６に接続され、ＨＣ側電磁弁４４は配管１９の流路を開閉可能に構成されている。そして、この混合タンク４６には混合冷媒用の配管２０の一端側が接続されており、配管２０の他端側には三方弁３４を介して循環経路１４に接続されている。

上述した三方弁３２、３４やＣＯ_２側電磁弁４２及びＨＣ側電磁弁４４は、車室４内のＥＣＵ（コントローラ）４８に電気的に接続されており、ＥＣＵ４８からの信号に応じて流路の切り換えや流路の開閉が行われる。また、このＥＣＵ４８には混合冷媒の組成を決定するマップが備えられている。つまり、外気温度や冷凍回路６の負荷がＥＣＵ４８に入力されると、当該マップに基づいて外気温度や冷凍回路６の負荷に応じた混合冷媒の組成が決定され、ＣＯ_２側電磁弁４２及びＨＣ側電磁弁４４を開閉させて所望の混合冷媒を混合タンク４６にて生成させる。

上述した冷凍システム２によれば、圧縮機２２の作動に伴い、圧縮機２２は蒸発器２８からの乾き蒸気の混合冷媒を圧縮し、循環経路１１を介して高温高圧ガス状態の混合冷媒を凝縮器２４に供給する。この高温高圧ガス状態の混合冷媒は凝縮器２４内で冷却され、循環経路１２を介して高圧液体状態の混合冷媒が膨張弁２６に供給される。そして、この高圧液体状態の混合冷媒は膨張弁２６内で絞り膨張され、循環経路１３を介して湿り蒸気、つまり、低温低圧の気液混合状態の混合冷媒として蒸発器２８内に噴出される。

この気液混合状態からなる２相の混合冷媒は蒸発器２８内にて気化され、この際の気化熱により蒸発器２８の周囲の空気が冷却される。そして、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。なお、蒸発器２８内における低温低圧ガス状態の混合冷媒は循環経路１４を介して圧縮機２２に戻り、この後、圧縮機２２により再度圧縮され、循環経路１１〜１４を上述した如く循環する。

ところで、当該冷凍システム２において、外気温度の上昇や冷凍回路６の負荷の増加が検出された場合にはイソブタンの分率を増加させる。仮に現在のＣＯ_２の分率のままでは、ＣＯＰの向上が期待できないし、超臨界領域に達し易くなるからである。
具体的には、ＥＣＵ４８が三方弁３２の流路を切り換えて循環経路１１内の混合冷媒を蒸留塔３６に導入させる。この蒸留塔３６では、沸点の低いＣＯ_２（約−７８℃（昇華））が蒸留塔３６の塔頂から取り出されてＣＯ_２側タンク３８に貯えられる。一方、沸点の高いイソブタン（約−１１．７℃）は蒸留塔３６の底から取り出されてＨＣ側タンク４０に貯えられる。

続いて、ＥＣＵ４８はＣＯ_２側電磁弁４２及びＨＣ側電磁弁４４に駆動信号を出力し、外気温度の上昇や冷凍回路６の負荷の増加という現在の使用環境に合致した混合冷媒を生成する。
詳しくは、図２に示されるように、サイクルの効率に対する要求がシステムの安全性に対する要求に比して優勢である使用環境の場合には、ＣＯ_２側電磁弁４２を閉弁傾向に作動させて混合タンク４６に向かうＣＯ_２の分率を下げる。同時に、ＨＣ側電磁弁４４を開弁傾向に作動させて混合タンク４６に向かうイソブタンの分率を上げる。この結果、混合タンク４６ではイソブタンの分率を増加させた混合冷媒が生成される。この混合冷媒は、ＥＣＵ４８による三方弁３４の流路の切り換えによって循環経路１４内に導入され、圧縮機２２に戻されて圧縮される。このイソブタンの分率を増加させた混合冷媒は、ＣＯＰが高くなるし、また、臨界圧力は低くなるものの（図４）、臨界温度が高くなる（図３）。つまり、外気温度が上昇しても超臨界領域に達し難くなる。

これに対し、システムの安全性に対する要求がサイクルの効率に対する要求に比して優勢である使用環境に変化した場合には、ＣＯ_２側電磁弁４２を開弁傾向に作動させてＣＯ_２の分率を上げる。同時に、ＨＣ側電磁弁４４を閉弁傾向に作動させてイソブタンの分率を下げる。この結果、混合タンク４６ではＣＯ_２の分率を増加させた混合冷媒が生成され、圧縮機２２に戻される。このＣＯ_２の分率を増加させた混合冷媒は、ＣＯＰが低くなり、循環経路１１，１２における高圧側の圧力が高くなるものの（図２）、引火の懸念は速やかに解消される。

以上のように、本実施形態によれば、冷凍回路６内には冷媒組成変更装置３０が備えられ、ＣＯ_２とイソブタンとの混合冷媒の組成を任意に変更して圧縮機２２に戻しており、使用環境の変化に応じて柔軟に対応可能な冷凍システム２が構築されている。
すなわち、冷媒組成変更装置３０が冷凍システム２の使用環境の変化を鑑みて混合冷媒の組成を自在に変更させることにより、引火の懸念を解消したシステムの安全性と、ＣＯＰの向上を図ったサイクルの効率とのうち優先すべき要求に迅速に応ずることができる。この結果、システムの安全性向上やサイクルの効率向上を図ることができるとともに、ＨＦＣを使用しない混合冷媒への移行促進に寄与し、環境負荷の低減に非常に大きく貢献する。

また、圧縮機２２から凝縮器２４に向かう混合冷媒は蒸留塔３６にて組成毎に留出され、各貯留タンク３８，４０にて貯留される。そして、混合タンク４６では、ＥＣＵ４８からの信号に応じて各電磁弁４２，４４を開閉させて所望の混合冷媒が生成される。よって、要求に合致した組成の混合冷媒が得られ、循環経路１１〜１４を循環可能となる。
更に、ＥＣＵ４８では、外気温度と冷凍回路６の負荷とを考慮してＣＯ_２及びイソブタンの各分率を変更した混合冷媒を生成しているので、現在の最適な組成を有する混合冷媒が得られ、高圧側である循環経路１１，１２内の圧力を抑え、且つ、ＣＯＰの最良化が図られる。

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、上記実施形態では蒸留塔を用いているが、本発明の蒸留部にはフラッシュ蒸留装置を用いても良い。また、混合冷媒はＣＯ_２とイソブタンとの混合冷媒にのみ限定されるものでもなく、貯留タンクを増やすことによって他のＨＣ等の成分を加えても良い。

また、本発明の冷媒組成変更装置は、上述した圧縮機２２と凝縮器２４との間に代えて、凝縮器２４と膨張弁２６との間に接続され、凝縮器２４からの混合冷媒の組成を変更して圧縮機２２に戻しても良い。
更に、本発明の冷凍システムは、車両用空調装置、業務用空調装置、家庭用ヒートパイプ、給湯器、及び暖房器等の如く種々の冷凍・空調サイクルに適用されるものである。

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。 混合冷媒の組成と成績係数及び高圧側圧力とを説明する図である。 混合冷媒の組成と臨界温度とを説明する図である。 混合冷媒の組成と臨界圧力とを説明する図である。

符号の説明

２ 冷凍システム
６ 冷凍回路
１１，１２，１３，１４ 循環経路
２２ 圧縮機
２４ 凝縮器
２６ 膨張弁
２８ 蒸発器
３０ 冷媒組成変更装置
３６ 蒸留塔（蒸留部）
３８ ＣＯ_２側タンク（貯留部）
４０ ＨＣ側タンク（貯留部）
４２ ＣＯ_２側電磁弁
４４ ＨＣ側電磁弁
４６ 混合タンク（混合部）
４８ ＥＣＵ（コントローラ）

Claims (3)

1. 少なくともＣＯ_２とＨＣとの混合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圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器が順次介挿され、
   前記圧縮機と前記凝縮器との間若しくは前記凝縮器と前記膨張弁との間、及び前記蒸発器と前記圧縮機との間にそれぞれ接続され、前記圧縮機若しくは前記凝縮器からの前記混合冷媒の組成を変更して該圧縮機に戻す冷媒組成変更装置を具備する
   ことを特徴とする冷凍システム。
2. 前記冷媒組成変更装置は、前記混合冷媒の各組成を取り出す蒸留部と、該蒸留部に接続され、前記各組成をそれぞれ貯留する貯留部と、該各貯留部に接続され、コントローラからの信号に応じて所望の混合冷媒が生成される混合部とを更に具備する
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
3. 前記コントローラは、外気温度及び前記冷凍回路の負荷に基づいて前記混合冷媒の組成を決定していることを特徴とする請求項２に記載の冷凍システム。

Images