JP2009156543A5 - - Google Patents

Description

冷凍システム

本発明は、非共沸混合冷媒を用いた冷凍システムに関する。

近年、例えば定置型空調機器の分野において、非共沸混合冷媒を用いた冷凍システムが開発されている。
このような冷凍システムでは、非共沸混合冷媒は、気液二相領域内において一定圧力の状態であっても冷媒の乾き度によって飽和温度が変化する特性を有しており、この非共沸混合冷媒に特有の現象は一般に温度すべりと呼ばれている。

しかしながら、このような温度すべりが生じると、凝縮機や蒸発器等の熱交換器において、冷媒の流れとともに冷媒と熱源媒体との温度差が小さくなり、熱交換器の性能が低下するという問題がある。
そこで、かかる問題を解消すべく、定置型空調機器の分野では、例えば冷媒の流れと熱源媒体の流れとを対向流とすることで熱交換器の性能の向上を図るようにしている（特許文献１参照）。
特開平７−２０８８２２号公報

ところで、最近では、上記定置型空調機器の分野のみならず、車両用空調機器の分野においても非共沸混合冷媒を用いることが検討されている。
しかしながら、車両用空調機器の分野においては、設置スペースや構造上の制約が大きく、上記特許文献１に開示の如く冷媒の流れと熱源媒体の流れとを対向流にする手法の採用は困難である場合が多く、現実的ではない。

このようなことから、例えば凝縮器出口側の高温冷媒と蒸発器出口側の低温冷媒との間で熱交換可能に内部熱交換器を設け、当該内部熱交換器の作用により蒸発器における冷媒のエンタルピー差を確保する構成の冷凍システムが提案されている。
ところが、このような内部熱交換器を用いた冷凍システムでは、圧縮機の冷媒吸入温度が上昇してしまい、吐出温度の上昇や体積効率の悪化等が生じ、成績係数（ＣＯＰ）ひいては冷凍能力の改善には繋がらないという問題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、非共沸混合冷媒を用いた冷凍システムにおいて、成績係数（ＣＯＰ）ひいては冷凍能力の改善を図った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の冷凍システムは、冷媒を吸入し圧縮する圧縮機と、該圧縮した冷媒を放熱し冷却させる放熱器と、該冷却された冷媒を減圧する減圧機と、該減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器とを備えた冷凍システムにおいて、冷媒として非共沸混合冷媒を使用し、前記蒸発器出口側の冷媒の状態を気液二相領域内とすることを特徴とする。

また、請求項２の冷凍システムでは、請求項１において、前記凝縮器出口側の冷媒と前記蒸発器出口側の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備えることを特徴とする。
また、請求項３の冷凍システムでは、請求項１または２において、前記蒸発器出口側の冷媒温度を検出する蒸発器出口温度検出手段と、前記減圧機の開口面積を制御する減圧機制御手段とを有し、前記減圧機制御手段は、前記蒸発器出口温度検出手段からの冷媒温度情報に応じて前記減圧機の開口面積を制御し、前記蒸発器出口側の冷媒の状態を気液二相領域内に保つことを特徴とする。

また、請求項４の冷凍システムでは、請求項２において、前記蒸発器出口側で且つ前記内部熱交換器出口側の冷媒温度を検出する内部熱交換器出口温度検出手段と、前記減圧機の開口面積を制御する減圧機制御手段とを有し、前記減圧機制御手段は、前記内部熱交換器出口温度検出手段からの冷媒温度情報に応じて前記減圧機の開口面積を制御し、前記内部熱交換器出口側の冷媒の過熱度を所定範囲内に抑えることを特徴とする。

また、請求項５の冷凍システムでは、請求項１乃至４のいずれかにおいて、車両用空調装置に用いることを特徴とする。

請求項１の冷凍システムによれば、冷媒として非共沸混合冷媒を使用した場合において、蒸発器出口側の冷媒の状態を気液二相領域内とするようにしているので、非共沸混合冷媒では、上記の如く、気液二相領域内において一定圧力の状態であっても冷媒の乾き度によって飽和温度が変化する温度すべりなる現象が起こるのであるが、このような温度すべり（温度勾配）が生じても、蒸発器出口側の冷媒の状態を気液二相領域内とすることで冷媒と熱源媒体との温度差を極力小さくしないようにできるとともに、冷媒の過熱（スーパーヒート）を抑えて圧縮機の冷媒吸入温度の上昇を防止することができる。

これにより、冷媒として非共沸混合冷媒を用いた場合であっても、圧縮機の効率低下を防止でき、成績係数（ＣＯＰ）ひいては冷凍能力の改善を図ることができる。
請求項２の冷凍システムによれば、凝縮器出口側の冷媒と蒸発器出口側の冷媒とを内部熱交換器で熱交換させるようにした場合であっても、蒸発器出口側の冷媒の状態を気液二相領域内とすることで冷媒と熱源媒体との温度差を極力小さくしないようにできるとともに、冷媒の過熱（スーパーヒート）を抑えて圧縮機の冷媒吸入温度の上昇を防止でき、成績係数（ＣＯＰ）ひいては冷凍能力の改善を図ることができる。

請求項３の冷凍システムによれば、非共沸混合冷媒を使用した場合には温度すべり（温度勾配）を利用して気液二相領域内において蒸発器出口側の冷媒の温度変化を検出可能であることから、蒸発器出口温度検出手段で蒸発器出口側の冷媒温度を検出し、当該蒸発器出口温度検出手段からの冷媒温度情報に応じて減圧機の開口面積を制御することにより、蒸発器出口側の冷媒の状態を容易にして確実に気液二相領域内に保つことが可能である。

請求項４の冷凍システムによれば、内部熱交換器出口温度検出手段からの冷媒温度情報に応じて減圧機の開口面積を制御し、蒸発器出口側且つ内部熱交換器出口側の冷媒の過熱度を所定範囲内に抑えることにより、蒸発器を経た内部熱交換器出口側の冷媒の過熱度を適正なものにでき、冷媒の過熱（スーパーヒート）を抑えて圧縮機の冷媒吸入温度の上昇を確実に防止することができ、蒸発器出口側の冷媒の状態を気液二相領域内とするようにして冷媒と熱源媒体との温度差を極力小さくしないようにできる。

請求項５の冷凍システムによれば、車両用空調装置に非共沸混合冷媒を用いる場合であっても、設置スペースや構造上の制約なく、圧縮機の効率低下を防止でき、成績係数（ＣＯＰ）ひいては冷凍能力の改善を図ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
先ず、実施例１について説明する。
図１には、本発明の実施例１に係る冷凍システムの概略構成図が示されており、以下同図に基づき実施例１に係る冷凍システムの構成を説明する。
本発明に係る冷凍システムは、車両用空調装置の冷凍・空調サイクルに適用されるものであり、特に冷媒として非共沸混合冷媒（例えば、Ｒ４０７Ｃ等）を使用している。

同図に示すように、本発明の実施例１に係る冷凍システムは、車両に搭載され、冷媒を圧縮する圧縮機１０と、当該昇圧された冷媒を放熱し冷却する放熱器１２と、放熱器１２よりも下流側に位置し、放熱器１２で冷却された冷媒を減圧膨張する膨張弁（減圧機）１４と、膨張弁１４で減圧膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器１６とが順に配管接続されて構成されている。

そして、放熱器１２の出口側配管には、余剰の冷媒を貯留するレシーバ１３が設けられており、蒸発器１６の出口側配管には、蒸発器１６の出口側の冷媒の温度を検出する蒸発器出口温度センサ（蒸発器出口温度検出手段）１８が設けられている。
膨張弁１４は、弁体を開閉動作させ開口面積を可変させることで減圧度合を調節可能な制御機構を有しており、上記蒸発器出口温度センサ１８からの温度情報に基づいて弁体を開閉動作させて開口面積を制御機構により適宜制御可能に構成されている。

以下、このように構成された本発明の実施例１に係る冷凍システムの作用効果を説明する。
図２には、本発明の実施例１に係る冷凍システムのｐ−ｈ線図（モリエル線図）が示されており、以下同図を参照しながら説明する。
図２に示すように、非共沸混合冷媒を用いた冷凍システムでは、気液二相領域内において圧力が一定であっても、乾き度の増加に伴い冷媒温度が上昇する特性、即ち温度すべりと呼ばれる現象を示す特性を有している。

従って、単冷媒や共沸冷媒（例えば、Ｒ１３４ａ、Ｒ４１０Ａ等）を用いた冷凍システムの場合には、圧力損失を無視すれば気液二相領域においては放熱器１２や蒸発器１６等の熱交換器内の冷媒と熱源媒体との温度差は一定に保たれる一方、非共沸混合冷媒の場合には、冷媒の流れ方向に進むにつれ、蒸発器１６においては冷媒の温度が増加し、放熱器１２においては冷媒の温度が減少し、いずれの場合においても冷媒と熱源媒体との温度差が小さくなる傾向にある。

そして、空調装置の冷凍・空調サイクルでは、気液二相領域から飽和蒸気線を超えて、即ち過熱度を持たせて過熱（スーパーヒート）させる場合が多いところ、このようにすると、冷媒と熱源媒体との温度差が小さくなる上記傾向がさらに顕著となり、圧縮機１０の冷媒吸入温度が上昇するという問題が生じる。
しかしながら、上記の如く、非共沸混合冷媒では、気液二相領域内において圧力が一定であっても温度すべりという現象が生じるため、この温度すべり（温度勾配）を利用して気液二相領域内において蒸発器１６の出口側の冷媒の温度変化を検出可能である。故に、蒸発器出口温度センサ１８で蒸発器１６の出口側の冷媒温度を検出し、その冷媒温度情報に応じて制御機構により膨張弁１４の開口面積を制御することにより、蒸発器１６の出口側の冷媒の状態、即ち冷媒の乾き度を容易にして確実に気液二相領域内に保つことが可能である（減圧機制御手段）。

このようなことから、蒸発器出口温度センサ１８からの温度情報に基づき膨張弁１４の弁体を開閉動作させて開口面積を操作し、図２に示す如く、蒸発器１６の出口側（図２中のＡ点）の冷媒の状態、即ち冷媒の乾き度が気液二相領域内に入るように制御を行う。
このように蒸発器１６の出口側の冷媒の状態を制御すると、上記のように過熱度を持たせる場合と比較して、蒸発器１６の内部の冷媒温度は同一圧力であれば全体的に低くなり、蒸発器１６内を流れる冷媒と熱源媒体との温度差は拡大し、当該温度差を極力小さくしないようにでき、また圧縮機１０の冷媒吸入温度も低く抑えられる。

これにより、蒸発器１６の熱交換効率の低下を防止でき、成績係数（ＣＯＰ）ひいては冷凍能力の向上を図ることができる。
なお、蒸発器１６の出口側の冷媒の状態が気液二相領域内にあることで圧縮機１０への液バックが生じる可能性があるが、車両用空調装置においては一般的に各コンポーネントを連結する配管はエンジンルーム内の高温に曝されるため、蒸発器１６の出口側で冷媒の状態が気液二相領域内にあっても、冷媒は蒸発器１６の出口から圧縮機１０の入口に至る過程において周囲空気との熱交換により加熱され、圧縮機１０の入口において過熱蒸気となる。この場合であっても、冷媒の過熱度は非常に小さいため、圧縮機１０の冷媒吸入温度ひいては冷媒吐出温度を十分に低減可能である。

次に、実施例２について説明する。
図３には、本発明の実施例２に係る冷凍システムの概略構成図が示されており、以下同図に基づき実施例２に係る冷凍システムの構成を説明する。
実施例２では、上記実施例１に対し内部熱交換器２０を有する点が異なっており、以下実施例１との共通部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

同図に示すように、本発明の実施例２に係る冷凍システムは、放熱器１２の出口側と膨張弁１４の入口側とを連通する配管及び蒸発器１６の出口側と圧縮機１０の入口側とを連通する配管とを接触させる内部熱交換器２０を備えて構成されている。これより、実施例２に係る冷凍システムでは、内部熱交換器２０により、放熱器１２の出口側の冷媒と蒸発器１６の出口側の冷媒との間で熱交換可能である。

以下、このように構成された本発明の実施例２に係る冷凍システムの作用効果を説明する。
図４には、本発明の実施例２に係る冷凍システムのｐ−ｈ線図（モリエル線図）が従来の内部熱交換器を用いた冷凍サイクル（破線）と比較して示されており、以下同図を参照しながら説明する。

同図に示すように、放熱器１２の出口側の冷媒と蒸発器１６の出口側の冷媒とを内部熱交換器２０により熱交換させることで、蒸発器１６の入口でのエンタルピーが低減される。
上述のように、非共沸混合冷媒では、気液二相領域内において同一圧力であっても、乾き度が低いほど冷媒の温度は低くなる。故に、このように蒸発器１６入口のエンタルピーを低減させることで、蒸発器１６における熱源媒体との温度差を拡大させ、蒸発器１６の熱交換効率を改善し、成績係数（ＣＯＰ）ひいては冷凍能力の向上を図ることができる。

そして、さらに、上記同様に蒸発器出口温度センサ１８からの温度情報に基づいて膨張弁１４の弁体を開閉動作させて開口面積を操作し、図４に示す如く、蒸発器１６の出口側（図４中のＢ点）の冷媒の状態、即ち冷媒の乾き度が気液二相領域内に入るように制御を行う。
これにより、実施例２の場合においても、上記同様の効果が奏され、蒸発器１６の熱交換効率の低下を防止し、成績係数（ＣＯＰ）ひいては冷凍能力のさらなる向上を図ることができる。

次に、実施例３について説明する。
図５には、本発明の実施例３に係る冷凍システムの概略構成図が示されており、以下同図に基づき実施例３に係る冷凍システムの構成を説明する。
実施例３では、上記実施例２に対し温度センサの位置が異なっており、以下実施例１、２との共通部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

同図に示すように、本発明の実施例３に係る冷凍システムは、上記実施例２と同様に放熱器１２の出口側と膨張弁１４の入口側とを連通する配管及び蒸発器１６の出口側と圧縮機１０の入口側とを連通する配管とを接触させる内部熱交換器２０を備えて構成されているが、蒸発器１６の出口側の冷媒の温度を検出する蒸発器出口温度センサ１８に代えて蒸発器１６の出口側で且つ内部熱交換器２０の出口側の冷媒の温度を検出する内部熱交換器出口温度センサ（内部熱交換器出口温度検出手段）１９を備えて構成されている。

以下、このように構成された本発明の実施例３に係る冷凍システムの作用効果を説明する。
実施例３においても、上記実施例２の場合と同様、内部熱交換器２０の作用により、蒸発器１６の入口でのエンタルピーが低減されることになり、これにより蒸発器１６の熱交換効率を改善し、成績係数（ＣＯＰ）ひいては冷凍能力の向上を図ることが可能である。

一方、実施例３では、蒸発器出口温度センサ１８からの温度情報に代えて内部熱交換器出口温度センサ１９からの温度情報に基づき膨張弁１４の弁体を開閉動作させて開口面積を操作し、上記図４に示す如く、蒸発器１６を経た低圧側の内部熱交換器２０の出口側（図４中のＣ点）の冷媒の過熱度が所定範囲（例えば、１０℃）内に収まるように制御を行う。

このようにすれば、低圧側の内部熱交換器２０の出口側の過熱度を適正に制御することができ、従来の内部熱交換器を用いた冷凍システムにおいて生じるような冷媒の過熱（スーパーヒート）を抑え、圧縮機入口の冷媒吸入温度の上昇を確実に防止することができる。
また、この場合、上記同様、低圧側の内部熱交換器２０の入口側、即ち蒸発器１６の出口側の冷媒を気液二相領域内に保つことが可能となり、冷媒と熱源媒体との温度差を極力小さくしないようにできる。

これにより、蒸発器１６の熱交換効率の低下を良好に防止し、成績係数（ＣＯＰ）ひいては冷凍能力のさらなる向上を図ることができる。
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に変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では、レシーバ１３を備えるようにしているが、必要に応じて省略するようにしてもよい。

本発明の実施例１に係る冷凍システムの概略構成図である。 本発明の実施例１に係る冷凍システムのｐ−ｈ線図である。 本発明の実施例２に係る冷凍システムの概略構成図である。 本発明の実施例２、３に係る冷凍システムのｐ−ｈ線図である。 本発明の実施例３に係る冷凍システムの概略構成図である。

１０ 圧縮機
１２ 放熱器
１４ 膨張弁（減圧機）
１６ 蒸発器
１８ 蒸発器出口温度センサ（蒸発器出口温度検出手段）
１９ 内部熱交換器出口温度センサ（内部熱交換器出口温度検出手段）
２０ 内部熱交換器

Claims (5)

1. 冷媒を吸入し圧縮する圧縮機と、該圧縮した冷媒を放熱し冷却させる放熱器と、該冷却された冷媒を減圧する減圧機と、該減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器とを備えた冷凍システムにおいて、
   冷媒として非共沸混合冷媒を使用し、
   前記蒸発器出口側の冷媒の状態を気液二相領域内とすることを特徴とする冷凍システム。
2. 前記凝縮器出口側の冷媒と前記蒸発器出口側の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備えることを特徴とする、請求項１に記載の冷凍システム。
3. 前記蒸発器出口側の冷媒温度を検出する蒸発器出口温度検出手段と、前記減圧機の開口面積を制御する減圧機制御手段とを有し、
   前記減圧機制御手段は、前記蒸発器出口温度検出手段からの冷媒温度情報に応じて前記減圧機の開口面積を制御し、前記蒸発器出口側の冷媒の状態を気液二相領域内に保つことを特徴とする、請求項１または２に記載の冷凍システム。
4. 前記蒸発器出口側で且つ前記内部熱交換器出口側の冷媒温度を検出する内部熱交換器出口温度検出手段と、前記減圧機の開口面積を制御する減圧機制御手段とを有し、
   前記減圧機制御手段は、前記内部熱交換器出口温度検出手段からの冷媒温度情報に応じて前記減圧機の開口面積を制御し、前記内部熱交換器出口側の冷媒の過熱度を所定範囲内に抑えることを特徴とする、請求項２に記載の冷凍システム。
5. 車両用空調装置に用いることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の冷凍システム。