JP2007198712A - 冷凍システム - Google Patents

Abstract

【課題】圧力制御弁を速やかに作動させて高圧経路内の圧力の異常上昇を防止することができる冷凍システムを提供する。
【解決手段】ガスクーラ出口に連通する高圧経路(12)と蒸発器入口に連通する低圧経路(13)との間に配設され、弁室(42)内にて弁部材(44,46)を有する弁本体部(40)、ＣＯ_２冷媒を封入した密閉空間部(50)、高圧経路内の圧力が密閉空間部内の圧力よりも大きい場合に弁部材が作動して高圧経路と低圧経路とを連通させる弁孔(58)を具備する圧力制御弁(22)と、圧力制御弁をバイパスして高圧経路と低圧経路とを連通させて高圧経路の圧力の異常上昇を防止する手段(60)とを具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＣＯ_２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。
ここで、このＣＯ_２冷媒はその蒸発圧力が高く、フロン冷媒に比して冷凍サイクルの成績係数（ＣＯＰ）が悪いため、このＣＯＰの改善が各種実施されている。例えば、ガスクーラと膨張弁との間に内部熱交換器を設け、ガスクーラの出口側の冷媒と蒸発器の出口側の冷媒とによる熱交換を実施する、又は、ガスクーラの出口側経路と蒸発器の入口側経路との間に圧力制御弁を設け、ガスクーラの出口側経路内の圧力が圧力制御弁の密閉空間部内の圧力よりも大きい場合にガスクーラの出口側経路と蒸発器の入口側経路との連通を実施する（例えば、特許文献１参照）。

より詳しくは、後者の圧力制御弁は、高圧を制御しながら膨張させる膨張弁であり、上記密閉空間部を区画するダイヤフラムにて冷媒の温度及び圧力を感知しながら冷媒量を制御している。
特開平９−２６４６２２号公報

ところで、上述した圧力制御弁は、冷媒の密度と等温線の変曲点とが相関関係にあることに着目しており、ガスクーラの出口側経路を流れる高圧側冷媒の等密度線に沿ってガスクーラの出口側の状態を制御するものである。
ここで、当該制御は原理的には正しいのであるが、例えば、圧縮機の起動時に圧力制御弁が速やかに開弁しないとの問題がある。この場合の冷媒の温度が未だ低く、ダイヤフラムが反応し難いからである。これでは、高圧側冷媒の圧力が異常に上昇し、冷凍システムの信頼性低下を招くことになる。

また、ＣＯ_２冷媒を用いた場合にはハンチングが生じ易い点にも留意しなければならない。ガスクーラの出口側経路と蒸発器の入口側経路との圧力差がフロン系冷媒に比して約１０倍程度も大きく、圧力制御弁は、大きな圧力差を有する間を制御しなければならないからである。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、圧力制御弁を速やかに作動させて高圧経路内の圧力の異常上昇を防止す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べく、請求項１記載の冷凍システムは、ＣＯ_２冷媒が循環経路内を循環する冷凍システムであって、循環経路には、冷媒の流れ方向でみて少なくとも圧縮機、ガスクーラ及び蒸発器が介挿されており、ガスクーラ出口に連通する高圧経路と蒸発器入口に連通する低圧経路との間に配設され、弁室内にて弁部材を有する弁本体部と、冷媒を封入した密閉空間部と、高圧経路内の圧力が密閉空間部内の圧力よりも大きい場合に弁部材が作動して高圧経路と低圧経路とを連通させる弁孔とを備えた圧力制御弁と、圧力制御弁をバイパスして高圧経路と低圧経路とを連通させて高圧経路の圧力の異常上昇を防止する手段と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、高圧経路の圧力の異常上昇を防止する手段は、低圧経路の周壁に設けられた細孔であること、更に、請求項３記載の発明では、弁部材に穿設されたスリットであること、更にまた、請求項４記載の発明では、開閉機構を備えたバイパス経路であることをそれぞれ特徴としている。
また、請求項５記載の発明では、低圧経路には、絞り機構が配設され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、圧力制御弁は、高圧経路内の圧力が密閉空間部内の圧力よりも大きい場合に高圧経路と低圧経路とを連通させる弁孔を備えているが、高圧経路の圧力の異常上昇を防止する手段が、この弁孔とは別個独立に圧力制御弁をバイパスして高圧経路と低圧経路とを連通している。よって、密閉空間部内の感度を補い、特に、圧縮機の起動時にも圧力制御弁が速やかに作動して高圧経路と低圧経路との連通が確保される。この結果、高圧経路内の圧力の異常上昇が防止され、冷凍サイクルの信頼性向上に寄与する。

また、請求項２から４記載の発明によれば、簡易な構成で高圧経路内の圧力の異常上昇が防止される。
更に、請求項５記載の発明によれば、圧力制御弁の下流側に絞り機構を設けると、高圧経路と低圧経路との圧力差がより一層緩和され、ハンチングが防止されて圧力制御弁の制御性が良好になる。

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一実施例の冷凍システム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。
このシステム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１１〜１４を有し、これら循環経路１１〜１４はその大部分が車両のエンジンルーム８内に配置されているが、その一部は車両の車室４内にも延びている。この循環経路１１〜１４には、上流側からコンプレッサ（圧縮機）１８、ガスクーラ２０、高圧制御弁（圧力制御弁）２２及びエバポレータ（蒸発器）２４が順次介挿されている。そして、これら圧縮機１８、ガスクーラ２０、高圧制御弁２２はエンジンルーム８内に配置され、蒸発器２４は車室４内に配置されている。

圧縮機１８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１１に吐出する。つまり、圧縮機１８は、冷媒を圧縮しながら冷媒の流動を生成させる。
そして、ガスクーラ２０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２０からの高圧状態の冷媒は、高圧制御弁２２を通じて蒸発器２４に供給され、蒸発器２４内にて低温低圧のガス状態となる。この蒸発器２４の下流側は、循環経路１４を介して圧縮機１８に接続されており、低温低圧ガス状態の冷媒が圧縮機１８に吸引される。

ここで、上述した高圧制御弁２２は、ガスクーラ２０の出口側に連通する循環経路（高圧経路）１２と蒸発器２４の入口側に連通する循環経路（低圧経路）１３との間に配設されている。
具体的には、図２に示されるように、高圧経路１２の端部が略Ｌ字状に屈曲され、この略Ｌ字状の開口部分が低圧経路１３の周壁に接合されている。この低圧経路１３の周壁に高圧制御弁２２が配設されている。

この高圧制御弁２２は、両端に開口を有して筒状に形成された弁本体部４０を備え、その内側の空間が弁室４２として形成されている。弁室４２内には弁本体部４０の軸線方向に沿って作動棒（弁部材）４４が配置され、この作動棒４４の下端には弁体（弁部材）４６が形成されている。また、弁本体部４０の下端側には、高圧経路１２と弁室４２内とを連通させる通路４３が形成されている。

一方、弁本体部４０の上端側には、薄肉に成形されたダイヤフラム（変位部材）５２を介してカバー４８が配置されており、カバー４８内にてダイヤフラム５２で区画された空間が密閉空間部５０として形成されている。この密閉空間部５０には冷媒が封入され、ダイヤフラム５２は弁本体部４０と密閉空間部５０との間に狭持され、その外周縁が溶接にて固定されている。また、ダイヤフラム５２の下端面の中央部分には作動棒４４が接合され、更に、弁体４６は、弁室４２内にて作動棒４４を囲繞して弁本体部４０に支持されたスプリング５４によって弁座５６に向けて押圧付勢されている。これらダイヤフラム５２、作動棒４４及び弁体４６は一体的に移動する。

この弁座５６は、低圧経路１３の周壁に穿設された弁孔５８に形成されており、この弁孔５８は、高圧経路１２内の圧力が密閉空間部５０内の圧力よりも大きい場合に開かれ、高圧経路１２と低圧経路１３とを連通させる。
更に、本実施形態では、高圧経路１２の圧力の異常上昇を防止する手段が、上記弁孔５８とは別個独立に配設されている。具体的には、高圧制御弁２２をバイパスして高圧経路１２と低圧経路１３とを連通させる細孔６０が、弁本体部４０の配設位置よりも外側の低圧経路１３の周壁に穿設されている。

上述した冷凍システム２によれば、ガスクーラ２０の出口側の圧力、つまり、高圧経路１２内の圧力が低い場合には、高圧制御弁２２の弁体４６がスプリング５４の付勢力によって弁座５６に押圧され、弁孔５８が閉じられる。これにより、圧縮機１８は蒸発器２４からの冷媒を吸入して圧縮する。つまり、この圧縮機１８の断熱圧縮作用により、循環経路１１を介して高温高圧ガス状態の冷媒をガスクーラ２０に向けて吐出する。この冷媒はガスクーラ２０内で冷却され、高圧経路１２を介して高圧制御弁２２に向けて供給される。

次いで、高圧経路１２内の圧力が密閉空間部５０内の圧力を超えた場合には、ダイヤフラム５２が密閉空間部５０内の容積を減少させる方向に移動する。このダイヤフラム５２の移動に伴い、作動弁４４及び弁体４６がスプリング５４の付勢力に抗して上方に向けて作動し、弁座５６から離間して弁孔５８が開かれる。これにより、高圧経路１２内の冷媒は、高圧制御弁２２の絞り作用による膨張を受けて減圧され、低圧経路１３を介して蒸発器２４内に噴出させる。そして、冷媒の気化熱により蒸発器２４の周囲の空気が冷却され、冷気が車室４内に送り込まれて車室４内の冷房が行われる。

続いて、高圧経路１２内の圧力が密閉空間部５０内の圧力よりも低くなった場合には、高圧制御弁２２が弁孔５８を閉じるので、蒸発器２４内の冷媒は循環経路１４を介して圧縮機１８に戻り、この後、圧縮機１８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。
ここで、圧縮機の起動時等の如く高圧経路１２内の冷媒の温度が低い場合には、高圧経路１２内の冷媒は、ダイヤフラム５２の移動によって弁孔５８を介して低圧経路１３に向かう前に、細孔６０を介して低圧経路１３に向かう。

以上のように、本発明によれば、高圧制御弁２２は、高圧経路１２内の圧力が密閉空間部５０内の圧力よりも大きい場合に高圧経路１２と低圧経路１３とを連通させる弁孔５８を備えているが、高圧経路の圧力の異常上昇を防止する手段、上記実施形態では細孔６０が、この弁孔５８とは別個独立に高圧制御弁２２をバイパスして高圧経路１２と低圧経路１３とを連通している。よって、ダイヤフラム５２の反応の鈍さを補い、特に、圧縮機の起動時にも高圧制御弁２２の作動弁４４及び弁体４６が速やかに作動して高圧経路１２と低圧経路１３との連通を確保する。この結果、高圧経路１２内の圧力の異常上昇が防止され、効率良く、且つ、安定した状態で使用可能となることから、冷凍サイクルの信頼性向上に寄与する。

また、細孔６０を穿設するとの簡易な構成で高圧経路１２内の圧力の異常上昇が防止可能となる。
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、細孔６０が低圧経路１３の周壁に穿設されているが、高圧経路１２の圧力の異常上昇を防止する手段としては、低圧経路１３の周壁或いは弁体４４自体に穿設されたスリットであっても良い。また、高圧制御弁２２をバイパスして高圧経路１２と低圧経路１３とを連通させるバイパス経路であっても良い。

具体的には、図３（図４）に示された冷凍システム２Ａ（２Ｂ）では、電磁弁（開閉機構）７２を備えたバイパス経路７０Ａ（７０Ｂ）が形成されており、高圧制御弁２２をバイパスして高圧経路１２と低圧経路１３とを連通している。そして、圧縮機の起動時等には電磁弁７２を開弁させることにより、上記と同様にダイヤフラム５２の反応の鈍さを補い、高圧制御弁２２が速やかに作動するとの効果を奏する。

また、高圧制御弁２２の下流側、つまり、低圧経路１３にはキャピラリー（絞り機構）７４が配設されている。よって、高圧経路１２と低圧経路１３との圧力差がより一層緩和され、ハンチングが防止されて高圧制御弁２２がより一層速やかに作動することから、高圧制御弁２２の制御性が良好になる。
更に、図３のバイパス経路７０Ａの他端はキャピラリー７４の上流側に接続されているのに対し、図４のバイパス経路７０Ｂの他端はキャピラリー７４の下流側に接続されている。これらの相違は、バイパス経路７０Ａでは、高圧制御弁２２が故障したとき、電磁弁７２がＯＮ（開）してもその下流にキャピラリー７４があるため、冷凍回路が成立する。また、バイパス経路７０Ｂでは、高圧制御弁２２が故障したとき、電磁弁７２のＯＮ／ＯＦＦ比によって高圧圧力を一定に保つとの効果を有する。

なお、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の圧力制御弁の断面図である。 他の実施例に係る冷凍システムの概略構成図である。 更に他の実施例に係る冷凍システムの概略構成図である。

符号の説明

２，２Ａ，２Ｂ 冷凍システム
１２ 高圧経路
１３ 低圧経路
１８ 圧縮機
２０ ガスクーラ
２２ 高圧制御弁（圧力制御弁）
２４ 蒸発器
４０ 弁本体部
４２ 弁室
４４ 作動棒（弁部材）
４６ 弁体（弁部材）
５０ 密閉空間部
５８ 弁孔
６０ 細孔（高圧経路の圧力の異常上昇を防止する手段）
７０Ａ，７０Ｂ バイパス経路（高圧経路の圧力の異常上昇を防止する手段）
７２ 電磁弁（開閉機構）
７４ キャピラリー（絞り機構）

Claims (5)

1. ＣＯ_２冷媒が循環経路内を循環する冷凍システムであって、
   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、ガスクーラ及び蒸発器が介挿されており、
   前記ガスクーラ出口に連通する高圧経路と前記蒸発器入口に連通する低圧経路との間に配設され、弁室内にて弁部材を有する弁本体部と、前記冷媒を封入した密閉空間部と、前記高圧経路内の圧力が前記密閉空間部内の圧力よりも大きい場合に前記弁部材が作動して前記高圧経路と前記低圧経路とを連通させる弁孔とを備えた圧力制御弁と、
   該圧力制御弁をバイパスして前記高圧経路と前記低圧経路とを連通させて前記高圧経路の圧力の異常上昇を防止する手段と
   を具備することを特徴とする冷凍システム。
2. 前記高圧経路の圧力の異常上昇を防止する手段は、前記低圧経路の周壁に設けられた細孔であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
3. 前記高圧経路の圧力の異常上昇を防止する手段は、前記弁部材に穿設されたスリットであることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
4. 前記高圧経路の圧力の異常上昇を防止する手段は、開閉機構を備えたバイパス経路であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
5. 前記低圧経路には、絞り機構が配設されていることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の冷凍システム。

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