JP2931669B2 - 高サイドに可変容積要素を有する超臨界蒸気圧縮回路装置 - Google Patents

高サイドに可変容積要素を有する超臨界蒸気圧縮回路装置

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の利用分野 この発明は、超臨界域にわたる閉回路において作用す
る冷媒を使用した、冷凍装置、空調ユニットやヒートポ
ンプのような蒸気圧縮回路装置に関し、特に、これらの
装置の高サイド圧力を変更可能に制御するための装置と
方法に関するものである。
発明の背景 この発明は、欧州特許出願第89910211.5号の主題であ
る、超臨界蒸気圧縮回路装置に関するものである。
標準的な臨界点以下の蒸気圧縮技術は、完全に個々の
冷媒の臨界値以下の操作圧力と操作温度とを必要とする
ものである。しかしながら、超臨界蒸気圧縮回路は回路
の高サイドで臨界圧を超えるものである。この発明の最
も重要な目的は、環境的に受け入れられない冷媒に代る
冷媒の使用を可能にする装置と方法を提供することであ
り、この発明の背景は標準的な蒸気圧縮技術からの発展
という観点において最もよく説明される。
単一段階の蒸気圧縮回路の基本的な構成は、コンプレ
ッサと、コンデンサと、絞り弁あるいは膨張弁、それに
蒸発器とからなっている。これらの基本的な構成要素に
は液体−吸い込み熱交換器が付け加えられることができ
る。
基本的な臨界圧以下の回路は次のように操作される。
絞り弁において、その圧力が減少した時、液体冷媒は部
分的に蒸発し、冷却される。蒸発器に入った、液体と蒸
気の混合冷媒は冷却されるべき流体から熱を吸収し、冷
媒は沸騰して完全に蒸発する。そして、低圧の蒸気はコ
ンプレッサに引き込まれ、その圧力は過熱された蒸気が
利用されている冷却媒体によって凝縮する所まで上昇さ
せられる。そして、圧縮された蒸気はコンデンサに流
れ、その熱が空気、水や他の冷却用流体に伝達されるの
で、そこで蒸気は冷却されて液化する。
ここで、“超臨界回路”なる言葉は、部分的に冷媒の
臨界圧以下で操作され、部分的に冷媒の臨界圧以上で操
作される冷凍回路を意味している。超臨界領域において
は、そこにはもはや如何なる飽和状態もないので、圧力
は殆んど温度から独立している。したがって、圧力は設
定変更のできるものとして自由に選ぶことができる。コ
ンプレッサ出口の下流で、冷媒は冷却用媒体を有する熱
交換器によってほぼ一定の圧力に冷却される。冷却は徐
々に単一相の冷媒の密度を増加させる。
高サイドにおける容積の変化および／または一時的な
冷媒の供給はそこの圧力に影響を与え、その圧力は一時
的な供給と容積との間の関係によって決定されるもので
ある。
これに反し、臨界圧以下の装置では、冷媒の臨界点以
下で操作され、したがって、コンデンサにおいては、飽
和液体と蒸気の２相状態で操作される。高サイドの容積
の変化が、平衝飽和圧力に直接的に影響することはな
い。
超臨界蒸気圧縮回路において、高サイド圧力は、冷凍
能力を制御したり、冷凍効率を最適化するために調節さ
れ、この調節は冷媒供給および／または装置の高サイド
の全内部容積を調節することによってなすことができ
る。
国際出願WO−Ａ−90/07638号公報には、超臨界高サイ
ド圧力を制御するための一つの選択、すなわち、回路の
高サイドにおける一時的な冷媒供給の変動が開示されて
いるが、この発明は、圧力変動でなく容積変動に基づく
超臨界圧力の制御に関するものである。
なお、ドイツ特許第898751号によれば、冷凍能力を維
持し、コンプレッサの不作動時における低サイド温度の
変動を一様とするために、高圧の液体アキュムレータを
適用することが知られている。この開示は、この発明の
超臨界高サイド圧力の制御に対して、異なる目的と機構
とを有し、臨界点以下の高サイド圧力において操作する
装置に関するものである。
発明が解決しようとする課題 この発明の目的は、装置の高サイドにおける圧力を制
御するために、超臨界蒸気圧縮装置の高サイドにおける
容積を変更するための装置と方法を提供することであ
る。
この発明の他の目的は、冷媒漏洩の影響を補償するた
めの装置と方法を提供することである。
この発明のさらに他の目的は、超臨界蒸気圧縮装置の
高サイド容積を変更するために、例えば、自動車の従来
の流体圧装置に操作的に接続できる可変容積要素を提供
することである。
この発明のさらなる目的は、超臨界蒸気圧縮装置にお
ける高サイド圧力最適化や冷凍能力制御のためのいかな
る制御装置にも一体化できる可変容積要素を提供するこ
とである。
この発明のさらなる他の目的は、超臨界蒸気圧縮装置
が操作されていない間には圧力を減ずることのできる装
置を提供し、それによって、低サイドは低い圧力公差で
設計することができるので、重量と材料の節約を可能と
することである。
この発明のなおさらなる目的は、環境的に受け入れ難
い冷媒の使用を免除して、車の空調のための装置と方法
を提供することである。
この発明のこれらの目的および他の目的は、請求の範
囲の請求項１〜９に記載の装置や操作方法を提供するこ
とによって達成される。
図面の簡単な説明 この発明思想の種々の装置の具体例は図１〜４に例示
されている。
図１は、圧力容器の斜線部分を占める装置外の媒体の
圧力変化に応答して移動可能な内部の柔軟な膜を含む圧
力容器を有する、超臨界蒸気圧縮装置の概略図である。
図２は、可変容積要素の代替のピストンを含む第２具
体例の概略図である。
図３は、油圧によって取り巻かれている柔軟なホース
である可変容積要素の第３具体例の概略図である。
図４の4a,4b図は、回路装置に取り付けられた、ある
いは、回路装置に組み込まれたベローズである可変容積
要素の他の（第４）具体例の概略図である。
好適な具体例の説明 図１は、この発明の装置が組み込まれ、この発明の方
法によって操作される超臨界蒸気圧縮装置の基本的な構
成要素を示している。装置の冷媒の流れにしたがって、
コンプレッサ１はガスクーラすなわち熱交換器２に通じ
ている。この発明の可変容積要素５は、回路の高サイド
に、特に、コンプレッサ１の出口と、従来型の絞り弁
３、例えば図示されるような自動調温弁の入口の間で接
続されている。冷媒の流れは、さらに蒸発器４に向か
い、そしてコンプレッサ１の入口に戻るものである。
可変容積要素５はコンプレッサ１と絞り弁３との間に
配置されるべきであるが、図１に概略的に表されている
位置に正確に位置付けられる必要はない。図１に示され
る好適な具体例において、可変容積要素５は従来の圧力
容器の構造を有している。
可変容積要素５は、内部の柔軟な膜６すなわち従来構
造の隔壁を有している。この膜６は、可変容積要素５の
内側を、相対的な容積が膜６の位置によって決定される
不連通の２つの室7,8に分けるように、その可変容積要
素５の内側表面に移動可能に接触または接している。
この発明の好適な具体例において、隔壁すなわち膜６
は、室７および室８の相対的な容積を連続的に変化させ
るように、可変容積要素５の内側内を連続的に移動可能
である。なお、この発明の発明思想は、膜６の非連続的
な移動をも含むけれども、膜６の位置の段階のない連続
的な調節は、段階的な調節よりもより柔軟で効率的な制
御を可能にする。
室８は、油圧装置（図示されていない）に接続されて
いる弁９と連通している。弁９はどのような流体でも、
好ましくは圧力油であるが、室８内で制御することがで
きる。どうしても必要というわけではないが、圧力油ま
たは油圧装置が、柔軟な膜６の移動を強制するために使
用されるのが好都合である。膜６に接続された機械的手
段または可変容積要素５に接続される加圧手段、例え
ば、加圧ガスが満たされている室８またはスプリングに
より作動する圧力さえも、膜６すなわち隔壁の移動に対
する手段としてこの発明の思想内にある。
弁９が室８に入る圧力油の制御された量を許容すると
き、圧力油は、室７の容積を減少させる（調節する）よ
うに、柔軟な膜６を押圧し、それを弁９から離れる方向
に押す。
室７は超臨界蒸気圧縮装置の回路の高サイドに連通し
ている。圧力油が室８内に入り、それによって室７の容
積が減少するので、室７内の冷媒は、室７の容積の減少
に比例して室７から出される。
この室７からの冷媒の排除は蒸気圧縮装置の高サイド
の圧力を増加させる。圧力油が室８から弁９を通って排
出されるとき、室８内の油の圧力は低下し、もはや、上
述のように、弁９から離れるように膜６を押圧すること
はできない。膜６が弁９により近付く方向に内側の内周
を移動するとき、冷媒は回路から室７内に流れ込む。そ
して、室７の容積は増加し、一方、室８の容積は減少す
る。これによって、回路の高サイドの圧力は減少させら
れる。
図2,3および５は、可変容積要素５の代替の具体例を
示している。可変容積要素５に対する上述の詳細な説明
と図１に示されるようなその機能とは、変形具体例とい
うことで適当に変更されている、図２〜４に示される各
具体例にも適合するものである。
図２は、頭部13を有するシリンダ10の形の可変容積要
素５を示している。ピストンロッド12は、その一端が制
御機構（図示されていない）に接続され、その他端が、
シリンダ10に密接に嵌合し、制御機構の位置に応答して
前後あるいは上下に移動可能なピストン11を有してい
る。室14は、シリンダ10の内側で、シリンダの頭部13と
このシリンダの頭部13と向き合うピストンの表面である
ピストン頂面との間の距離によって特定されている。
室14は、蒸気圧縮装置の回路の高サイドと、室14の容
積が冷媒によって満たされるように連通している。
図示された具体例の可変容積要素５は、コンプレッサ
１と絞り弁３との間で主回路から枝分かれした位置にあ
る。回路の横側や一方側にあるこれらの具体例の位置
は、具体例の形状や機能の面から見て操作上好都合であ
る。このように配置されているので、これらの図示の具
体例は、主回路の管の容積を直接的に変更することな
く、容積を制御するという可能性を提供するものであ
る。しかしながら、コンプレッサ１と絞り弁３との間の
主回路に、図１および図２の具体例を直接的に位置づけ
ることも、この発明の思想の中にある。
図３に示された具体例は、可変容積要素がこの発明思
想にしたがって主回路のほぼ横側の位置に配置されても
よく、主回路に直接的に位置付けられてもよいという可
能性を示している。図３には、可変容積要素５が、主回
路の部分に接続あるいは連通し、圧力油や他の加圧され
た流体を有する密封された室16に囲まれた柔軟なホース
15の形状で示されている。密封された室16はホース15と
主回路の間の連通を抑止しないし、ホース15の内側の室
17と連通することもない。室16は、好適には、柔軟でな
い方がよい。その位置において、ホース15は、弁18を通
る圧力油からの圧力によって、容積を変更するように収
縮したり膨張したりすることができる。考えると、この
具体例は潤骨油のトラッピングを避けるための最も良い
方法を提供するものである。
図4aや図4bに概略が示されている、例えばベローズの
ような他の可変容積要素も適用することができる。この
可変容積要素５は、機械的制御機構や移動手段あるいは
外部媒体からの圧力変更（図示されていない）を受ける
場合に、内部容積（室17）を変更できるベローズとして
示されており、これらのベローズは主回路から分岐して
取り付けられる（図4a）か、主回路と一体の一部として
直列に位置付けられる（図4b）。
この発明の思想は、また、コンプレッサ１から下流
へ、熱交換器２を経て、絞り弁３にまで継続的に冷媒を
運ぶ超臨界蒸気圧縮回路内の高サイド容積を変更するた
めの方法としても表現される。この方法は、コンプレッ
サ１と絞り弁３との間において回路に可変容積要素５を
接続すること、この可変容積要素５内には室7,14,17を
配設し、これらの室を回路と連通させること、可変容積
要素５内には、移動可能な隔壁6,11,15を嵌め込み、そ
の可変容積要素５内の室7,14,17の少なくとも一側を特
定することと、隔壁6,11,15が室7,14,17の第１容積を特
定する第１位置と第１容積より大きい第２容積を特定す
る第２位置の間を移動できることと、それらが連通状態
あるいは隔壁6,11,15と係合状態にあるように移動手段
9,12,18を接続することと、そして、移動手段9,12,18を
操作することによって、隔壁6,11,15を第１および第２
位置の間で移動させることとからなっている。
可変容積要素５の内部容積を制御することによって、
超臨界蒸気圧縮装置の高サイド圧力は制御される。この
制御は、可変容積要素５の冷媒を押し出すように作用す
る、隔壁6,11,15の機械的移動の変更や、回路以外の加
圧流体の量の変更（すなわち、流体はいつもの蒸気圧縮
を保証しない）によってもたらされる。もし、車に搭載
される場合には、車の流体圧機構が弁装置を経て接続さ
れることができる。この容積調節機構は、高サイド圧力
の最適化、冷凍能力の制御、そして能力の向上のための
いかなる制御方法にも一体に組み入れることができる。
停止期間や不作動時の圧力減少の可能性に対し、この発
明思想は特に有利である。例えば、車のエアコンディシ
ョナーに接続されたならば、この発明の可変容積要素
（具体例として示されるように種々の形状がある）は、
エアコンディショナーが切られている場合、容積を増大
して圧力を減少させることができる。このことは、エン
ジンルームの高い温度が不活動のエアコンディショナー
に伝達され、それによってその圧力が増加するので、望
ましいことである。この発明の可変容積要素を使用する
ことによって、エアコンディショナーの低サイドは低圧
公差で設計することができ、材料、資本や装置の重量を
節約することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−49842（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−74063（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−60466（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭53−7649（ＪＰ，Ｂ２) 特表 平３−503206（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F25B 1/00

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】回路に直列に接続された、コンプレッサ
    （１）と、熱交換器（２）と、膨張手段（３）と、そし
    て蒸発器（４）とからなり、超臨界高サイド圧力で操作
    される、蒸気圧縮循環装置における高サイド圧力の制御
    装置において、 前記コンプレッサと膨張手段の間で、冷媒が入るのを許
    容するように回路に接続され回路と連通状態にある室
    （7,14,17）を有する少なくとも１個の可変容積要素
    （５）と、 前記室の少なくとも一方側を特定する移動可能な隔壁手
    段であって、室内の冷媒の第１容積と第２容積とをそれ
    ぞれ特定する、第１位置と第２位置との間を移動可能な
    隔壁手段と、 前記隔壁手段を第１位置と第２位置との間で移動させる
    ための手段であって、それによって前記室内の冷媒容積
    を変更または制御するための前記回路外の手段とからな
    ることを特徴とする高サイド圧力の制御装置。
  2. 【請求項２】上記可変容積要素（５）には中空部が形成
    され、隔壁が、内側を分けて第１室（７）と第２室
    （８）とを形成するように、内面にその周囲で接触して
    移動可能な柔軟な膜（６）であって、前記第１室と第２
    室とが不連通で隔壁の位置によって決定される相対的な
    容積を有し、そして、前記第２室（８）には加圧手段が
    連絡していることを特徴とする請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】上記可変容積要素（５）が、中空部を形成
    するシリンダ（10）と、このシリンダ内に密接に嵌合
    し、その内側を移動可能で、隔壁手段（11）を形成する
    ピストン（12）とからなることを特徴とする請求項１記
    載の装置。
  4. 【請求項４】上記室（17）が移動可能な隔壁手段のみに
    よって完全に形成されていることを特徴とする請求項１
    記載の装置。
  5. 【請求項５】上記移動可能な隔壁手段が柔軟なホースで
    あることを特徴とする請求項４記載の装置。
  6. 【請求項６】上記移動可能な隔壁手段がベローズ装置で
    あることを特徴とする請求項４記載の装置。
  7. 【請求項７】上記移動手段が隔壁手段と連絡している流
    体圧力手段または空気圧力手段であることを特徴とする
    請求項2,3または４のいずれか１項に記載の装置。
  8. 【請求項８】上記隔壁が連続的に移動可能であることを
    特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の装
    置。
  9. 【請求項９】冷媒を継続して、コンプレッサから熱交換
    器を経て膨張手段に運ぶ流れ回路の高サイドで、超臨界
    圧力で操作する蒸気圧縮循環装置における高サイド圧力
    を変更して行う制御方法において、 超臨界高サイド圧力が、コンプレッサと膨張手段との間
    で流れ回路に接続された１個または数個の可変容積要素
    によって、流れ回路の高サイドの全内部容積が制御され
    た変化を受けて調節されるとともに、前記可変容積要素
    が流れ回路と連通する室を有することを特徴とする制御
    方法。
JP5511573A 1991-12-27 1992-12-22 高サイドに可変容積要素を有する超臨界蒸気圧縮回路装置 Expired - Fee Related JP2931669B2 (ja)

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