JP2010255906A

JP2010255906A - 冷凍サイクル

Info

Publication number: JP2010255906A
Application number: JP2009105394A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Iino; 祐介飯野; Masayuki Hokari; 政幸帆苅
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2010-11-11

Abstract

【課題】新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用する場合のさらなる冷凍サイクルの性能向上の可能性を探索し、従来の冷媒Ｒ１３４ａを用いた冷凍サイクルと同等以上の高い冷凍能力をもって運転可能な冷凍サイクルを提供する。
【解決手段】圧縮機と、凝縮部と過冷却部とを有するサブクールコンデンサと、減圧・膨張手段と、蒸発器とを備えた冷凍サイクルにおいて、冷媒としてＲ１２３４ｙｆを使用するとともに、サブクールコンデンサの出口側冷媒と前記蒸発器の出口側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器を設け、さらにサブクールコンデンサの過冷却部の占有率を最適化した冷凍サイクル。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクルに関し、とくに、新しい冷媒を用いる場合に高い冷凍能力をもって運転することが可能な冷凍サイクルに関する。

例えば車両用空調装置に用いられる蒸気圧縮式冷凍サイクルには、現状、代表的な冷媒としてＲ１３４ａが使用されている。この冷凍サイクルの一般的な基本構成としては、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮した冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮した冷媒を減圧・膨張させる減圧・膨張手段と、減圧・膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とを備え、蒸発器からの冷媒を圧縮機に吸入させる構成が知られているが、冷凍サイクル全体の効率、とくに成績係数（ＣＯＰ）を向上するために、各種の工夫が知られている。例えば、上記通常の凝縮器に代えて、圧縮した冷媒を凝縮する凝縮部と凝縮された冷媒を過冷却する過冷却部とを備えた熱交換器であるサブクールコンデンサを使用することが知られている。また、それとは別に、凝縮器出口側の冷媒と蒸発器出口側の冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器を設ける構成が知られている。

上記の如く、現状の代表的な冷媒としてＲ１３４ａを挙げることができるが、地球温暖化係数（ＧＷＰ）等のさらなる改善を目指して、新冷媒の研究、開発が行われている（例えば、非特許文献１）。このような改善を目指した新冷媒として、最近、Ｒ１２３４ｙｆが公表され、例えば、車両用空調装置等に用いられる冷凍サイクルへの適用についても、試験、研究を行うことが可能な状況となってきた。

ところが、現状の冷媒Ｒ１３４ａを使用することを前提に設計された現行の冷凍サイクルに、単にそのまま新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを適用した場合、現行の冷媒Ｒ１３４ａを用いた冷凍サイクルに比べ、冷凍能力、成績係数（ＣＯＰ）ともに低くなる可能性が高い。

そのため、例えば特許文献１には、上述した性能向上のための工夫の一つであるサブクールコンデンサを使用した冷凍サイクルに新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを適用して試験し、現行の冷媒Ｒ１３４ａに代えて新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用する場合にサブクールコンデンサとしてどのような仕様が必要なのかを記述している。より具体的には、サブクールコンデンサにおける熱交換チューブ総本数に対し、過冷却部のチューブ本数の割合として１５〜３５％が良いと記載されている。しかし、この特許文献１には、上述した性能向上のためのもう一つの工夫である内部熱交換器の設置については触れられてはおらず、その効果、さらにはサブクールコンデンサの最適仕様との関係は不明である。

特開２００８−２８１３２６号公報

冷凍２００８年３月号第８３巻第９６５号

そこで本発明の課題は、上記のような新冷媒Ｒ１２３４ｙｆの出現に着目し、この新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用する場合のさらなる冷凍サイクルの性能向上の可能性を探索し、従来の冷媒Ｒ１３４ａを用いた冷凍サイクルと同等以上の高い冷凍能力をもって運転可能な冷凍サイクルを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮した冷媒を凝縮する凝縮部と凝縮された冷媒を過冷却する過冷却部とを有するサブクールコンデンサと、該サブクールコンデンサからの冷媒を減圧・膨張させる減圧・膨張手段と、減圧・膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器とを備え、蒸発器からの冷媒を圧縮機に吸入させる冷凍サイクルにおいて、冷媒としてＲ１２３４ｙｆを使用するとともに、前記サブクールコンデンサの出口側冷媒と前記蒸発器の出口側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器を設けたことを特徴とするものからなる。

すなわち、前述の特許文献１と同様に、新冷媒Ｒ１２３４ｙｆをサブクールコンデンサを備えた冷凍サイクルに適用するものであるが、さらなる性能向上を目指して、内部熱交換器を設けたものである。換言すれば、従来の冷媒Ｒ１３４ａを使用する場合の冷凍サイクルの一般的な基本構成に対し、新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用するに際し、サブクールコンデンサと内部熱交換器を組み合わせて適用したものである。その結果、後述の試験結果に示すように、特許文献１に記載されているようにサブクールコンデンサのみを適用した場合に比べ、サブクールコンデンサと内部熱交換器を組み合わせて適用した場合には、さらなる冷凍サイクル性能向上を達成できることが判明した。そして、このサブクールコンデンサと内部熱交換器を組み合わせて適用する場合には、サブクールコンデンサの最適な仕様の範囲が、特許文献１に記載されている範囲とは異なる範囲になることも判明した。したがって、本発明で明らかになったサブクールコンデンサの最適な仕様の範囲の適用と、内部熱交換器の設置とにより、新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用する場合に、冷凍サイクルの大幅な性能向上が現実に達成可能となる。

上記サブクールコンデンサの最適な仕様の範囲として、具体的には、サブクールコンデンサにおける上記凝縮部および上記過冷却部に対する（つまり、サブクールコンデンサ全体に対する）上記過冷却部の面積割合であるサブクール占有率が３〜１２％の範囲内にあることが挙げられる。この最適な範囲は、前述の特許文献１に記載されている最適範囲１５〜３５％とは明確に異なっている。上記サブクール占有率としては、上記凝縮部および上記過冷却部に実質的に同じサイズの熱交換チューブを用いる場合には、サブクールコンデンサのチューブ総本数に対する過冷却部のチューブ本数の割合で表すことが可能である。

上記内部熱交換器としては、例えば二重管式の熱交換器を用いることができる。ただし、これに限定されず、他の型式の内部熱交換器も使用可能であり、内部熱交換器設置により、冷凍サイクル全体の性能向上が実現できればよい。

このような本発明に係る冷凍サイクルは、基本的には新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用しようとするあらゆる冷凍サイクルに適用可能であるが、とくに効率の良い運転が長期間にわたって安定して求められる車両用空調装置に用いられる冷凍サイクルに好適である。

また、本発明に係る冷凍サイクルにおいては、上記サブクール占有率の範囲は、後述のように、例えば、車両用空調装置における車両のアイドル条件および中速条件に対応する条件での試験により求めることが可能である。

本発明に係る冷凍サイクルによれば、使用冷媒を新冷媒Ｒ１２３４ｙｆに変更する場合に、サブクールコンデンサと内部熱交換器を組み合わせて適用したので、単にサブクールコンデンサのみを適用する場合に比べ、冷凍サイクルの性能を一層向上することができ、この組み合わせ適用状態にてとくにサブクールコンデンサの仕様を最適化することにより、従来の冷媒Ｒ１３４ａを使用した場合と同等以上の高い冷凍能力を確実に実現でき、併せて新冷媒Ｒ１２３４ｙｆ自体が有する優れた地球温暖化係数（ＧＷＰ）等の改善特性を発揮させることができる。

本発明に係る冷凍サイクルの基本構造の一例を示す機器系統図である。内部熱交換器無しの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と成績係数（ＣＯＰ）との関係図である。Ｎｏ．１内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と成績係数（ＣＯＰ）との関係図である。Ｎｏ．２内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と成績係数（ＣＯＰ）との関係図である。冷媒を切り替えた場合および内部熱交換器の有無の場合の冷房性能の比較特性図である。冷媒を切り替えた場合および内部熱交換器の有無の場合の消費動力の比較特性図である。冷媒を切り替えた場合および内部熱交換器の有無の場合の成績係数（ＣＯＰ）の比較特性図である。Ｎｏ．１内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と蒸発器空気側能力との関係図である。Ｎｏ．１内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と消費動力との関係図である。Ｎｏ．１内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と成績係数（ＣＯＰ）との関係図である。Ｎｏ．２内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と蒸発器空気側能力との関係図である。Ｎｏ．２内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と消費動力との関係図である。Ｎｏ．２内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と成績係数（ＣＯＰ）との関係図である。「ＪＪＩｄｌｅ」条件におけるＮｏ．１内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と蒸発器空気側能力との関係図である。「ＪＪＩｄｌｅ」条件におけるＮｏ．１内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と消費動力との関係図である。「ＪＪＩｄｌｅ」条件におけるＮｏ．１内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と成績係数（ＣＯＰ）との関係図である。「ＪＪＩｄｌｅ」条件におけるＮｏ．２内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と蒸発器空気側能力との関係図である。「ＪＪＩｄｌｅ」条件におけるＮｏ．２内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と消費動力との関係図である。「ＪＪＩｄｌｅ」条件におけるＮｏ．２内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と成績係数（ＣＯＰ）との関係図である。「ＪＪ中速」条件におけるＮｏ．１内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と蒸発器空気側能力との関係図である。「ＪＪ中速」条件におけるＮｏ．１内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と消費動力との関係図である。「ＪＪ中速」条件におけるＮｏ．１内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と成績係数（ＣＯＰ）との関係図である。「ＪＪ中速」条件におけるＮｏ．２内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と蒸発器空気側能力との関係図である。「ＪＪ中速」条件におけるＮｏ．２内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と消費動力との関係図である。「ＪＪ中速」条件におけるＮｏ．２内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と成績係数（ＣＯＰ）との関係図である。「ＳＤ中速」条件におけるＮｏ．１内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と蒸発器空気側能力との関係図である。「ＳＤ中速」条件におけるＮｏ．１内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と消費動力との関係図である。「ＳＤ中速」条件におけるＮｏ．１内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と成績係数（ＣＯＰ）との関係図である。「ＳＤ中速」条件におけるＮｏ．２内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と蒸発器空気側能力との関係図である。「ＳＤ中速」条件におけるＮｏ．２内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と消費動力との関係図である。「ＳＤ中速」条件におけるＮｏ．２内部熱交換器付きの場合のサブクール占有率（ＳＣ占有率）と成績係数（ＣＯＰ）との関係図である。

以下に、本発明について、望ましい実施の形態とともに図面を参照しながら説明する。本発明に係る冷凍サイクルの基本構造は、例えば図１に示すように構成される。図１において、１は冷凍サイクル全体を示しており、冷凍サイクル１は、冷媒を圧縮する圧縮機２と、圧縮した冷媒を凝縮する凝縮部３と凝縮された冷媒を過冷却する過冷却部４とを有するサブクールコンデンサ５と、凝縮部３で凝縮された冷媒を過冷却部４に送るに際し、冷媒の液化を促進するレシーバ６と（このレシーバ６はサブクールコンデンサ５と一体型に構成されていてもよい。）、サブクールコンデンサ５からの冷媒を減圧・膨張させる減圧・膨張手段としての膨張弁７と、膨張弁７で減圧・膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器８とを備えており、かつ、サブクールコンデンサ５の出口側冷媒と蒸発器８の出口側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器９が設けられている。蒸発器８からの冷媒は、内部熱交換器９を経由した後、圧縮機２に吸入され、再び圧縮される。内部熱交換器９の型式はとくに限定されず、例えば一般的なアルミニウム製の二重管式の内部熱交換器が用いられる。このような冷凍サイクル１において、冷媒として新冷媒であるＲ１２３４ｙｆが使用される。

このような基本構成を有する本発明に係る冷凍サイクル１において、仕様をどのようにすれば冷凍サイクル１全体の性能向上を実現できるかについて、とくにサブクールコンデンサ５のサブクール占有率と関連させて、最適仕様の範囲を試験に基づいて検討した。

試験条件は以下の通りである。サブクールコンデンサ５には熱交換チューブ総本数３６本のものを使用し、次の３種類の熱交換器を用いた。
（１）凝縮部３６本／過冷却部０本（サブクール占有率：０％、したがって、基本的にサブクールコンデンサではなく、従来一般の凝縮器）
（２）凝縮部３４本／過冷却部２本（サブクール占有率：５．６％）
（３）凝縮部３０本／過冷却部６本（サブクール占有率：１６．７％）

内部熱交換器９としては、内部熱交換器無しの場合も試験し、内部熱交換器９を設ける場合には、以下の２種類の二重管式内部熱交換器にて試験した。
Ｎｏ．１内部熱交換器：
概略寸法：全長３７ｃｍ
高圧側（外管側）伝熱面積：０．０５１ｍ²
低圧側（内管側）伝熱面積：０．０１７ｍ²
Ｎｏ．２内部熱交換器：
概略寸法：全長６７ｃｍ
高圧側（外管側）伝熱面積：０．０８５ｍ²
低圧側（内管側）伝熱面積：０．０３４ｍ²

冷凍サイクルの試験条件としては、以下の車両用空調装置の試験のための４種類の条件を採用した。ここでは、圧縮機が車両のエンジンにより駆動されることを想定している。各条件の詳細を下記表１に示す。
（１）日本自動車工業会（ＪＡＭＡ）と自動車部品工業会（ＪＡＰＩＡ）により規定された車両のアイドル状態での条件（以下、ＪＪＩｄｌｅと略称する。）
（２）サンデン株式会社で規定した車両のアイドル状態での条件（以下、ＳＤＩｄｌｅと略称する。）
（３）日本自動車工業会（ＪＡＭＡ）と自動車部品工業会（ＪＡＰＩＡ）により規定された車両の中速状態での条件（以下、ＪＪ中速と略称する。）
（４）サンデン株式会社で規定した車両の中速状態での条件（以下、ＳＤ中速と略称する。）

成績係数（ＣＯＰ）に関する総括的な試験結果を、図２〜図４に示す。なお、図において、サブクールコンデンサ付き冷凍サイクルを「ＳＣサイクル」、サブクール占有率を「ＳＣ占有率」と略称してあり、以下の図においても同様の略称を使用してある。図２は内部熱交換器無しの条件でのＳＣ占有率とＣＯＰとの関係を示しており、図３はＮｏ．１内部熱交換器付きの条件でのＳＣ占有率とＣＯＰとの関係を示しており、図４はＮｏ．２内部熱交換器付きの条件でのＳＣ占有率とＣＯＰとの関係を示している。

図５〜図７に、サブクールコンデンサ付き（内部熱交換器無し）の場合の従来冷媒Ｒ１３４ａを使用したときの試験結果（「１３４ａ」と表示）と新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用したときの試験結果（「１２３４ｙｆ」と表示）、および、サブクールコンデンサ付きでかつ内部熱交換器を設けた場合の新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用したときの試験結果（「１２３４ｙｆ＆ＩＨＸ」と表示）を、前述の試験条件ＪＪＩｄｌｅ、ＳＤＩｄｌｅ、ＳＤ中速、ＪＪ中速において、冷房性能（図２）、消費動力（主として圧縮機の消費動力）（図３）、成績係数（ＣＯＰ）について評価した結果として示す。

これらの試験のさらなる詳細は後述するが、これらの試験結果から、以下のことが分かる。
すなわち、サブクールコンデンサ付き（内部熱交換器無し）で従来冷媒Ｒ１３４ａを使用した場合の試験結果（「１３４ａ」で表示された試験結果）に比べ、サブクールコンデンサ付き（内部熱交換器無し）で新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用した場合の試験結果（「１２３４ｙｆ」で表示された試験結果）においては、以下のことが言える。
・冷房性能は９３〜９８％で、最大で７％低下した。
・消費動力は９６〜１００％で、実質的に悪化はしない。
・成績係数（ＣＯＰ）は９３〜１０４％で、最大で４％低下した。

また、サブクールコンデンサ付き（内部熱交換器無し）で従来冷媒Ｒ１３４ａを使用した場合の試験結果（「１３４ａ」で表示された試験結果）に比べ、サブクールコンデンサ付きで内部熱交換器有りのサイクルで新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用した場合の試験結果（「１２３４ｙｆ＆ＩＨＸ」で表示された試験結果）においては、以下のことが言える。
・冷房性能は９７〜１１２％で、最大で１２％向上した。
・消費動力は９０〜９７％で、最大で１０％低下した。
・成績係数（ＣＯＰ）は１０５〜１１５％で、最大で１５％向上した。

これらの比較から、冷媒を従来冷媒Ｒ１３４ａから新冷媒Ｒ１２３４ｙｆに切り替えた場合の冷房性能の低下については、内部熱交換器を組み合わせて適用することで、対策の効果があることが明らかになった。また、この内部熱交換器を組み合わせて適用することは、圧縮機への吸入比体積の減少による消費動力の低減にも大きな効果を奏することが明らかになった。

以下に、より詳細な試験結果について説明する。
図８〜図１３に、前述のＮｏ．１とＮｏ．２の２種類の内部熱交換器と、サブクールコンデンサ（過冷却部のチューブ本数：０本、２本、６本）とをそれぞれ組み合わせて、３条件（ＪＪＩｄｌｅ、ＳＤ中速、ＪＪ中速）にて、新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用した場合の性能試験の結果を、サブクール占有率（ＳＣ占有率）との関係で示した。図８〜図１０はＮｏ．１内部熱交換器を使用した場合、図１１〜図１３はＮｏ．２内部熱交換器を使用した場合を示している。

そして、上記試験のさらに詳細な内容を、図１４〜図３１に示す。これらの試験においては、各条件ごとにグラフをフォーカスし、冷房性能、成績係数（ＣＯＰ）については、ともに最適値より−３％までを許容範囲と定め、サブクール占有率（ＳＣ占有率）の好適な（有効な）範囲を確認した。

図１４〜図１９は、「ＪＪＩｄｌｅ」の条件の場合の蒸発器空気側能力（冷房性能）と消費動力と成績係数（ＣＯＰ）についての試験結果を示している。これらの結果からは、冷房性能の有効範囲はＳＣ占有率が３〜１３％、ＣＯＰの有効範囲はＳＣ占有率が３〜１２％であった。

図２０〜図２５は、「ＪＪ中速」の条件の場合の蒸発器空気側能力（冷房性能）と消費動力と成績係数（ＣＯＰ）についての試験結果を示している。これらの結果からは、冷房性能の有効範囲はＳＣ占有率が３〜１６％、ＣＯＰの有効範囲はＳＣ占有率が２〜１２％であった。

図２６〜図３１は、「ＳＤ中速」の条件の場合の蒸発器空気側能力（冷房性能）と消費動力と成績係数（ＣＯＰ）についての試験結果を示している。これらの結果からは、冷房性能の有効範囲はＳＣ占有率が３〜１９％、ＣＯＰの有効範囲はＳＣ占有率が１〜１７％であった。

これら図１４〜図３１に示した試験結果から、全条件に当てはまるＳＣ占有率の有効範囲は３〜１２％となった。すなわち、サブクール占有率（ＳＣ占有率）が３〜１２％の範囲にあれば、冷房性能、ＣＯＰともに許容範囲に納めることができ、かつ、良好な消費動力低減効果が得られる。

本発明に係る冷凍サイクルは、新冷媒Ｒ１２３４ｙｆの使用を予定しているあらゆる冷凍サイクルに適用可能であり、とくに車両用空調装置に用いられる冷凍サイクルとして好適なものである。

１冷凍サイクル
２圧縮機
３凝縮部
４過冷却部
５サブクールコンデンサ
６レシーバ
７膨張弁
８蒸発器
９内部熱交換器

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮した冷媒を凝縮する凝縮部と凝縮された冷媒を過冷却する過冷却部とを有するサブクールコンデンサと、該サブクールコンデンサからの冷媒を減圧・膨張させる減圧・膨張手段と、減圧・膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器とを備え、蒸発器からの冷媒を圧縮機に吸入させる冷凍サイクルにおいて、冷媒としてＲ１２３４ｙｆを使用するとともに、前記サブクールコンデンサの出口側冷媒と前記蒸発器の出口側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器を設けたことを特徴とする冷凍サイクル。
前記サブクールコンデンサにおける前記凝縮部および前記過冷却部に対する前記過冷却部の面積割合であるサブクール占有率が３〜１２％の範囲内にある、請求項１に記載の冷凍サイクル。
前記内部熱交換器が二重管式の熱交換器からなる、請求項１または２に記載の冷凍サイクル。
車両用空調装置に用いられる、請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍サイクル。
前記サブクール占有率の範囲が、車両用空調装置における車両のアイドル条件および中速条件に対応する条件での試験により求められている、請求項２〜４のいずれかに記載の冷凍サイクル。