JP4346538B2

JP4346538B2 - 冷凍サイクル及びアキュムレータ

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Publication number: JP4346538B2
Application number: JP2004315159A
Authority: JP
Inventors: 久寿広田
Original assignee: TGK Co Ltd
Current assignee: TGK Co Ltd
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2024-10-29
Also published as: JP2006125744A

Description

本発明は空調装置に適用される冷凍サイクル、及びその冷凍サイクルを構成するアキュムレータに関する。

従来、自動車用空調装置の冷凍サイクルの冷媒にはフロンが使用されてきたが、オゾン層破壊の問題があるため、近年では、フロンに代わる冷媒として例えば二酸化炭素（ＣＯ₂）等を用いた冷凍サイクルが開発されている（例えば特許文献１参照）。この二酸化炭素等を使った冷凍サイクルは、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となるため、「超臨界冷凍サイクル」と呼ばれている。

図６は、このような従来の超臨界冷凍サイクルのシステム構成図である。
この超臨界冷凍サイクルは、冷媒を超臨界域まで昇圧する圧縮機１０１と、昇圧された冷媒を冷却するガスクーラ１０２と、ガスクーラ１０２から送られた冷媒を減圧する膨張装置１０３と、減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器１０４と、余剰の冷媒を溜めておくアキュムレータ１０５（低圧受液器）と、ガスクーラ１０２にて冷却された冷媒を、アキュムレータ１０５から圧縮機１０１に送られる冷媒によってさらに冷却する内部熱交換器１０６とを備えている。

ここで、アキュムレータ１０５は、蒸発器１０４から流れ出る冷媒を気体と液体に分離し、圧縮機１０１へ向けて主にガス冷媒を送出するものであるが、溜まった液冷媒の中には、圧縮機１０１から高圧冷媒とともに吐出されて超臨界冷凍サイクルを循環した圧縮機用の潤滑オイルが含まれる。すなわち、この潤滑オイルは液冷媒に溶けるため、アキュムレータ１０５からガス冷媒のみを圧縮機１０１に戻すとすると、圧縮機１０１の潤滑オイルが不足し、圧縮機１０１が焼き付いて破損してしまうことがある。これを防止するために、アキュムレータ１０５には例えば少量の液冷媒を流出させる小孔が設けられている。

以上の構成において、圧縮機１０１の出口から流れ出た冷媒は、ガスクーラ１０２で冷却された後、内部熱交換器１０６を通過し、膨張装置１０３で減圧されて蒸発器１０４に導入される。この蒸発器１０４を通過することにより蒸発した冷媒は、アキュムレータ１０５に導入される。このとき、蒸発器１０４に導入された全ての冷媒が蒸発するわけではないため、蒸発器１０４を通過した冷媒は、アキュムレータ１０５の内部で一旦液冷媒とガス冷媒に分離される。アキュムレータ１０５は、その出口側配管から圧縮機１０１へ向けて主にガス冷媒を送出するが、上記冷媒配管の底の部分には上述した小孔が設けられており、この冷媒配管の流路断面の大きさに対する小孔の大きさの比率により、液冷媒の流出量が決まる。アキュムレータ１０５から送出された冷媒は、内部熱交換器１０６でガスクーラ１０２から送出された冷媒と熱交換をして圧縮機１０１に導入される。
特開２００１−２０１２１３号公報

上述のような超臨界冷凍サイクルにおいては、アキュムレータ１０５の冷媒配管の流路断面の大きさに対する小孔の大きさの比率により、ガス冷媒に混合される液冷媒の比率が決まる。それにより、内部熱交換器１０６での熱交換量が決まり、圧縮機１０１に導入される冷媒の乾き度と温度も決まる。したがって、圧縮機１０１に導入される冷媒の乾き度及び温度と、内部熱交換器１０６での熱交換量との関係がほぼ一対応で決まってしまい、冷凍サイクルの特性を制御する際の自由度が小さいといった問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、圧縮機の焼き付きを防止するとともに、冷凍サイクルの特性を制御する上での自由度を向上させることを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、空調装置を構成する冷凍サイクルにおいて、潤滑オイルが含まれた冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒を冷却する外部熱交換器と、前記外部熱交換器から送出された冷媒を減圧する膨張装置と、前記膨張装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から送出された冷媒を気液分離して溜めておくアキュムレータと、前記アキュムレータから前記圧縮機に送られる冷媒と、前記外部熱交換器から前記膨張装置に送られる冷媒との熱交換を行う内部熱交換器と、前記アキュムレータの液相部の液冷媒を所定量導出し、前記アキュムレータの気相部から前記内部熱交換器の入口に向けて送出されるガス冷媒に混合させる液冷媒混合手段と、前記アキュムレータの液相部の液冷媒の一部を、前記内部熱交換器の入口側を経由せずに出口側に直接導くことが可能な液冷媒バイパス手段と、を備えたことを特徴とする冷凍サイクルが提供される。

このような冷凍サイクルにおいては、アキュムレータの液相部の液冷媒の一部が、気相部から導出されたガス冷媒に混合されて混合冷媒となって内部熱交換器に供給される一方、液冷媒の他の一部が実質的に内部熱交換器を迂回して圧縮機に供給される。このとき内部熱交換器を迂回した側の液冷媒は、内部熱交換器を経由した混合冷媒と合流して圧縮機に導入される。このとき、内部熱交換器を迂回する側の液冷媒は熱交換されないため、その液冷媒の流量を大きくするほど、圧縮機に導入される冷媒の温度は低くなる。すなわち、内部熱交換器における熱交換量とは独立して、液冷媒の供給量、ひいては圧縮機の入口の冷媒温度を調整することができる。また、液冷媒が供給されるため、圧縮機に必要量の潤滑オイルを戻すことができる。

また、本発明では、潤滑オイルが含まれた冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒を冷却する外部熱交換器と、前記外部熱交換器から送出された冷媒を減圧する膨張装置と、前記膨張装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から送出された冷媒を気液分離して溜めておくアキュムレータと、前記アキュムレータから前記圧縮機に送られる冷媒と、前記外部熱交換器から前記膨張装置に送られる冷媒との熱交換を行う内部熱交換器と、を備えた冷凍サイクルに適用される前記アキュムレータであって、前記蒸発器から送出された冷媒を収容するタンクと、前記タンク内に収容された本体を有し、前記本体の一端が前記タンク内の気相部に開口するとともに、前記本体の他端が前記タンクを貫通して前記内部熱交換器の入口側につながり、さらに前記本体に前記タンク内の液相部に連通する所定の大きさの弁孔が形成された内部配管と、前記タンクに接続された三方電磁弁と、を備え、前記三方電磁弁は、前記タンクに一体形成されたボディと、前記ボディの内部に形成され、当該アキュムレータの出口側に接続されたバイパス管に連通するバイパス通路と、前記弁孔に接離して前記弁孔を開閉する第１弁部と、前記バイパス通路に接離して前記バイパス通路を開閉する第２弁部と、前記第１弁部を動作させて前記液相部の液冷媒が前記弁孔を介して前記内部配管内へ流出する流量を制御するとともに、前記第２弁部を動作させて前記液相部の液冷媒が前記バイパス通路を介して前記バイパス管内へ流出する流量を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とするアキュムレータが提供される。

このようなアキュムレータによれば、三方電磁弁の第１弁部側及び第２弁部側の弁開度を制御することにより、上述した冷凍サイクルを具体的に実現することができる。

本発明の冷凍サイクルによれば、アキュムレータの液相部の液冷媒の一部を、内部熱交換器の入口側を経由せずに出口側に直接導くことが可能であるため、内部熱交換器における熱交換量とは独立して圧縮機の入口の冷媒温度を調整することができ、冷凍サイクルの特性を制御する上での自由度を向上させることができる。

また、液冷媒の一部を内部熱交換器を迂回させて供給することで、圧縮機に必要量の潤滑オイルを確実に戻すことができる。
この冷凍サイクルは、例えば本発明のアキュムレータを採用することで具体的に実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
本実施の形態は、本発明の冷凍サイクルを自動車用空調装置に適用したものであり、二酸化炭素を冷媒として用いる超臨界冷凍サイクルとして構成されている。図１は、本実施の形態に係る冷凍サイクルを表すシステム構成図である。

本実施の形態の冷凍サイクルは、自動車のエンジンによって回転駆動され、冷媒を超臨界域まで圧縮する圧縮機１と、圧縮機１から吐出された冷媒を冷却するガスクーラ２（外部熱交換器）と、ガスクーラ２から送出された冷媒を減圧する膨張装置３と、膨張装置３を通過して減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器４と、蒸発器４から送出された冷媒を気液分離して溜めておくアキュムレータ５と、アキュムレータ５から圧縮機１に送られる冷媒と、ガスクーラ２から膨張装置３に送られる冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器６と、冷凍サイクルの動作状態に応じてアキュムレータ５の後述する制御弁を制御する演算制御部７（制御手段）とを備えている。

圧縮機１の内部には、潤滑用のオイル（潤滑オイル）が循環しているが、この潤滑オイルの一部は、冷媒の吐出時に高圧冷媒とともに押し出されて冷凍サイクルを循環する。
膨張装置３は、流路断面が固定されたオリフィス（絞り流路）として構成されている。

アキュムレータ５には、その液相部に混入した潤滑オイルを圧縮機１側に戻すための機構が設けられている。すなわち、液相部の液冷媒の一部が気相部から導出されたガス冷媒に混合されて混合冷媒となって内部熱交換器６に導入される一方、液相部の液冷媒の他の一部はガス冷媒とは混合されずに内部熱交換器６を迂回させるバイパス管８を通って送出される。この内部熱交換器６を経由した混合冷媒とバイパス管８を経由した液冷媒は、内部熱交換器６の出口側で合流して圧縮機１に導入される。このとき、混合冷媒及び液冷媒のそれぞれに含まれる潤滑オイルが圧縮機１に戻される。

内部熱交換器６においては、ガスクーラ２から蒸発器４に向かって流れる冷媒が、アキュムレータ５から圧縮機１に向かって流れる冷媒によって冷却される一方、アキュムレータ５から圧縮機１に向かって流れる冷媒が、ガスクーラ２から蒸発器４に向かって流れる冷媒によって加熱される。

次に、アキュムレータの構成について詳細に説明する。図２は、アキュムレータ周辺の構成を表す断面図である。
図２に示すように、アキュムレータ５は、蒸発器４から送出された冷媒を収容するタンク１０と、タンク１０内に収容されて気液分離されたガス冷媒を圧縮機１へ導くＵ字管２０（内部配管）と、タンク１０内の液冷媒の一部をＵ字管２０へ流出させる際の液冷媒の流量を制御する制御弁３０とから構成されている。

タンク１０は、その上部に蒸発器４につながる図示しない配管が接続される入口ポート１１が外部に延出して設けられており、その上端面には、Ｕ字管２０の一端を貫通させる穴１２が形成されている。また、タンク１０の下端部中央には開口部１３が設けられており、制御弁３０がそのボディ３１を嵌合させて固定されている。このタンク１０は、その内部上下に、それぞれガス冷媒が溜められた気相部１４と、液冷媒が溜められた液相部１５とを有している。さらに、タンク１０の上端壁から下方に所定長さ垂下するように、邪魔板１６が設けられている。

Ｕ字管２０は、Ｕ字状に湾曲した本体２１を有し、その本体２１の一端部２２がタンク１０内上部の気相部１４に開口するとともに、本体２１の他端部２３がタンク１０上部の穴１２を貫通して内部熱交換器６の入口側につながっている。この一端部２２の開口端は、邪魔板１６により囲まれており、入口ポート１１から流入した気液混合状態の冷媒を直接吸引することがないようになっている。また、本体２１の下端中央部には、タンク１０内の液相部１５に連通する連通孔２４が形成されている。

制御弁３０は、三方電磁弁として構成されており、タンク１０に一体形成されたボディ３１と、ボディ３１の内部に配置された弁体３２と、弁体３２を駆動制御するソレノイド３３とを備えている。

ボディ３１は、その上端部に縮径部３４を有し、下端部に半径方向外向きに延出するフランジ部３５を有する段付筒形状をなし、その縮径部３４がタンク１０の開口部１３に圧入されて固定されている。この縮径部３４と開口部１３との間には、シール用のＯリング５１が介装されており、タンク１０内の液冷媒が外部に流出するのを防止している。

また、縮径部３４の先端面からは、弁体３２と同軸状に筒状の冷媒通路形成部３６が突出して設けられている。この冷媒通路形成部３６は、Ｕ字管２０の連通孔２４に内嵌されており、弁体３２が着脱可能な第１弁座３７が一体に形成されている。そして、この第１弁座３７を規定するとともにＵ字管２０の本体２１内部に連通する部分が弁孔を構成している。また、冷媒通路形成部３６の側部には、内部をタンク１０の液相部１５と連通させる連通孔３８が形成されており、弁体３２及び第１弁座３７からなる弁機構が開弁しているときには、液相部１５の液冷媒の一部が連通孔３８を介してＵ字管２０の本体２１内部に流出できるようになっている。

また、ボディ３１の上記第１弁座３７に対向する部分が内方に延出しており、その先端部にて弁体３２が着脱可能な第２弁座３９が一体に形成されている。すなわち、弁体３２は、その上下が円錐形状となっており、その各傾斜面にて第１弁部及び第２弁部がそれぞれ形成されている。一方の弁部がその対応する弁座に着座しているときには、他方の弁部がその対応する弁孔を開放するように構成されている。

さらに、ボディ３１にはバイパス管８が一体に形成されており、そのバイパス管８の先端が内部熱交換器６の出口側につながっている。このボディ３１には、弁座３９が規定する弁孔を含むバイパス通路４０が形成されており、このバイパス通路４０がバイパス管８の内部冷媒通路と連通している。これにより、弁体３２と弁座３９との隙間から導入された液冷媒は、このバイパス通路４０及びバイパス管８を通って内部熱交換器６の出口側に直接導出され、内部熱交換器６を経由した混合冷媒と合流する。そして、さらに所定の配管６０を通って圧縮機１に供給される。

ソレノイド３３は、弁体３２に一体的に形成されたプランジャ４１と、プランジャ４１の下方に同軸状に配置されたコア４２と、外部からの供給電流によりプランジャ４１及びコア４２を含む磁気回路を生成する電磁コイル４３と、この電磁コイル４３を覆うように配置され、ソレノイド３３のケースを構成する円筒状のヨーク４４とを備えている。

ヨーク４４は、その一端部がボディ３１のフランジ部３５に対して覆い被さるように加締められて固定されている。電磁コイル４３は、円筒状のボビン４５に巻回されており、そのボビン４５の下半部にコア４２が配設されている。コア４２は、その下端部がボビン４５の下端部に圧入されている。

また、ボビン４５とボディ３１との間には、中央に円孔を有する円板状の金属製のプレート４６が配設され、ボビン４５及びプレート４６の内側には、ボディ３１の下端部からコア４２の上半部にかけて延びる非磁性体からなるスリーブ４７が取り付けられている。このスリーブ４７とボディ３１との間には、シール用のＯリング５２が介装されており、タンク１０内の液冷媒が外部に流出するのを防止している。

これらソレノイド３３の各内部構成部品は、ヨーク４４の他端部が内径方向に加締められることによりヨーク４４の内部に収容された状態で固定されている。
プランジャ４１は、スリーブ４７の内径よりやや小さな外径を有する円柱状の本体を備え、その下端部中央に所定深さの円形の収容溝が凹設されており、この収容溝には、プランジャ４１とコア４２との間に介装されてプランジャ４１をコア４２と離間する方向に付勢する圧縮コイルスプリング４８が収容されている。プランジャ４１の上端面からは、長尺状の弁体３２が上方に向かって延出しており、プランジャ４１の下端部は、下方に向かって外方に傾斜するテーパ状に形成されている。

コア４２は、円柱状の本体を有し、その上端部がプランジャ４１のテーパ部と相補形状となっており、その先端面に圧縮コイルスプリング４８の端部が支持されている。
以上の構成において、プランジャ４１，コア４２，ヨーク４４，プレート４６等によって電磁コイル４３を取り囲むソレノイド３３の磁気回路が構成されている。そして、上記演算制御部７によって電磁コイル４３への通電制御が行われる。

すなわち、電磁コイル４３が非通電であり、ソレノイド３３が駆動していないときには、圧縮コイルスプリング４８の付勢力により弁体３２が第１弁座３７に着座する一方、第２弁座３９からはリフトされている。このため、第２弁部側の弁開度が最大となり、液相部１５内の液冷媒は、その弁開度に応じた流量がバイパス通路４０及びバイパス管８を介して内部熱交換器６の出口側に導出される。そして、内部熱交換器６を経由したガス冷媒と合流してアキュムレータ５の外部へ送出される。

一方、電磁コイル４３に通電されて、ソレノイド３３が駆動したときには、プランジャ４１がコア４２側に吸引され、弁体３２が第１弁座３７からリフトして第１弁部側が開弁状態となる。この第１弁部側の弁開度は、電磁コイル４３に供給された電流値にほぼ比例する。このため、液相部１５内の液冷媒は、第２弁部側の弁孔を介して電流値に比例した流量がＵ字管２０の内部に流出する。この液冷媒は、Ｕ字管２０内を流れるガス冷媒と混合されて混合冷媒となり、アキュムレータ５を経由して熱交換に使用され、その後、バイパス管８から導出された液冷媒と合流してアキュムレータ５の外部へ送出される。なお、第２弁部側から導出される液冷媒の流量は、電磁コイル４３に供給する電流値にほぼ比例して小さくなるが、この電流値を大きくすることにより、第２弁部側を閉弁状態とすることもできる。

なお、図示の内部熱交換器６には、ガスクーラ２と膨張装置３とを接続する配管７０が、その中央を気密に貫通するように配置されている。この内部熱交換器６の配管７０を包囲する領域により、アキュムレータ５から導出された混合冷媒を通過させる冷媒通路が構成されており、この配管７０の内外で熱交換が行われる。

図１に戻り、本実施の形態では、圧縮機１の吐出口に設置した図示しない温度センサにより検出した温度Ｔｄに基づいて、演算制御部７により制御弁３０の各弁部の弁開度を制御し、圧縮機１から吐出される冷媒の温度が、潤滑オイルが劣化しない温度範囲の上限温度（本実施の形態では１５０℃）近傍となるようにしている。

以上に説明したように、本実施の形態の冷凍サイクルによれば、アキュムレータ５の液相部１５の液冷媒の一部が、気相部１４から導出されたガス冷媒に混合されて混合冷媒となって内部熱交換器６に供給される一方、液冷媒の他の一部が実質的に内部熱交換器６を迂回して圧縮機１に供給される。このとき内部熱交換器６を迂回した側の液冷媒は、内部熱交換器６を経由した混合冷媒と合流して圧縮機１に導入される。このため、内部熱交換器６における熱交換量とは独立して、液冷媒の供給量、ひいては圧縮機１の入口の冷媒温度を調整することができ、冷凍サイクルの特性を制御する上での自由度を向上させることができる。また、液冷媒を確実に供給できるため、圧縮機１に必要量の潤滑オイルを確実に戻すことができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る冷凍サイクルは、アキュムレータ周辺の構成が異なる以外は第１の実施の形態の構成と同様であるため、第１の実施の形態の構成とほぼ同様の構成部分については同一の符号を付す等して適宜その説明を省略する。図３は、本実施の形態に係る冷凍サイクルを表すシステム構成図である。

本実施の形態の冷凍サイクルにおいては、アキュムレータ２０５の液相部の液冷媒の一部がオリフィス２３１を介して導出され、気相部から導出されたガス冷媒に混合されて混合冷媒となって内部熱交換器６に導入される。一方、液相部の液冷媒の他の一部は、このガス冷媒とは混合されずに内部熱交換器６を迂回させるバイパス管８を通って送出される。このバイパスされる液冷媒の流量は、バイパス管８に接続される後述する制御弁２３０の弁開度を制御することにより調整される。内部熱交換器６を経由した混合冷媒とバイパス管８を経由した液冷媒は、内部熱交換器６の出口側で合流して圧縮機１に導入される。このとき、混合冷媒及び液冷媒のそれぞれに含まれる潤滑オイルが圧縮機１に戻される。

次に、アキュムレータの構成について詳細に説明する。図４は、アキュムレータ周辺の構成を表す断面図である。
アキュムレータ２０５において、Ｕ字管２２０（内部配管）の本体２２１の下端中央部には円孔２２４が形成され、リング部材２３６が嵌入されている。このリング部材２３６の内部通路がオリフィス２３１を構成している。

タンク１０の下端部中央には開口部１３が設けられており、制御弁２３０がそのボディ３１を嵌合させて固定されている。
制御弁２３０は、電磁弁として構成されており、ボディ３１の内部に配置された弁体２３２と、弁体２３２を駆動制御するソレノイド３３とを備えている。

ボディ３１のリング部材２３６に対向する部分は内方に延出しており、その先端部にて弁体２３２が着脱可能な弁座３９が一体に形成されている。すなわち、弁体２３２は、その下部が円錐形状となっており、その傾斜面にて弁部が形成されているが、その上部は弁部を構成していない。この弁体２３２は、ソレノイド３３のプランジャ４１から上方に突設された軸部の先端部に嵌合されている。

そして、電磁コイル４３の通電状態によらず、液相部１５の液冷媒の一部がオリフィス２３１を介してＵ字管２２０に導出され、ガス冷媒と混合されて混合冷媒となって送出される。この混合冷媒は、内部熱交換器６を経由する際に熱交換に使用される。

また、電磁コイル４３が非通電であり、ソレノイド３３が駆動していないときには、圧縮コイルスプリング４８の付勢力により弁体２３２が弁座３９からリフトされる。このため、弁開度が最大となり、液相部１５内の液冷媒は、その弁開度に応じた流量がバイパス通路４０及びバイパス管８を介して内部熱交換器６の出口側に導出される。そして、内部熱交換器６を経由した混合冷媒と合流してアキュムレータ５の外部へ送出される。

一方、電磁コイル４３に通電されて、ソレノイド３３が駆動したときには、プランジャ４１がコア４２側に吸引され、弁体２３２と弁座３９との間隙が小さくなる。このときの弁開度は、電磁コイル４３に供給された電流値にほぼ比例して小さくなる。このため、液相部１５内の液冷媒は、弁座３９により規定される弁孔を介して電流値に応じた流量がバイパス通路４０に流出する。この液冷媒は、内部熱交換器６を経由した混合冷媒と合流して圧縮機１側へ送出される。なお、この電磁コイル４３に供給する電流値を大きくすることにより、弁体２３２を閉弁状態とすることもできる。

以上に説明したように、本実施の形態の冷凍サイクルによれば、アキュムレータ２０５の液冷媒の一部が内部熱交換器６を迂回して圧縮機１に供給されるため、内部熱交換器６における熱交換量とは独立して、圧縮機１の入口の冷媒温度を調整することができる。

また、内部熱交換器６へ向う液冷媒の流量を調整するオリフィス２３１と、内部熱交換器６を迂回する液冷媒の流量を調整する制御弁２３０が独立して機能するため、内部熱交換器６を経由する混合冷媒に含まれる液冷媒の流量と、内部熱交換器６を迂回する液冷媒の流量とを互いに独立して調整することができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る冷凍サイクルは、アキュムレータ周辺の構成と膨張装置の構成がやや異なる以外は第２の実施の形態の構成と同様であるため、第２の実施の形態の構成とほぼ同様の構成部分については同一の符号を付す等してその説明を省略する。図５は、本実施の形態に係る冷凍サイクルを表すシステム構成図である。

本実施の形態の冷凍サイクルにおいては、アキュムレータ３０５の液相部の液冷媒の一部が、気相部から導出されたガス冷媒に混合されて混合冷媒となって内部熱交換器６に導入される。この液冷媒の流量は、電磁弁３３１の弁開度を制御することにより調整される。一方、液相部の液冷媒の他の一部は、このガス冷媒とは混合されずに内部熱交換器６を迂回させるバイパス管８を通って送出される。このバイパスされる液冷媒の流量は、バイパス管８に接続される電磁弁３３２の弁開度を制御することにより調整される。内部熱交換器６を経由した混合冷媒とバイパス管８を経由した液冷媒は、内部熱交換器６の出口側で合流して圧縮機１に導入される。このとき、混合冷媒及び液冷媒のそれぞれに含まれる潤滑オイルが圧縮機１に戻される。

また、この冷凍サイクルでは、ガスクーラ２から送出された冷媒を減圧する膨張装置３０３が、内部に弁機構を有する膨張弁として構成されている。
以上に説明したように、本実施の形態の冷凍サイクルによれば、アキュムレータ３０５の液冷媒の一部が内部熱交換器６を迂回して圧縮機１に供給されるため、内部熱交換器６における熱交換量とは独立して、圧縮機１の入口の冷媒温度を調整することができる。

また、二つの電磁弁を用いたため、内部熱交換器６を経由する混合冷媒に含まれる液冷媒の流量と、内部熱交換器６を迂回する液冷媒の流量とを互いに独立して調整することができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はその特定の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の精神の範囲内での変化変形が可能であることはいうまでもない。

例えば、上記第１及び第２の実施の形態では、制御弁３０，２３０をソレノイド３３駆動の電磁弁として構成し、その弁開度が電磁コイル４３に供給される電流値に比例して可変制御される例を示したが、ソレノイド３３への通電をオン・オフして弁部を開閉させることにより、冷媒流量を制御するようにしてもよい。また、制御弁を、例えばステッピングモータにより弁部が開閉制御されるように構成してもよいし、ばね等を含む内部の機械的構成と冷媒圧力により弁体が駆動されるいわゆる機械式の制御弁として構成してもよい。

また、上記第１及び第２の実施の形態では、膨張装置３を流路断面が固定されたオリフィスとして構成した例を示したが、内部に弁機構を有する膨張弁として構成してもよい。この場合、制御弁３０，２３０を機械式の制御弁として安価に構成し、その弁部の前後差圧をこの膨張弁により微調整する方法をとることもできる。

また、上記実施の形態では、本発明の冷凍サイクルを、二酸化炭素を冷媒とし、膨張装置３にて減圧される前の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルとして構成した例を示したが、二酸化炭素以外の冷媒を用いて超臨界冷凍サイクルとしてもよい。また、超臨界冷凍サイクルではなく、フロン等を冷媒とし、膨張装置３にて減圧される前の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力よりも小さくなる冷凍サイクルとして構成することも可能である。

第１の実施の形態に係る冷凍サイクルを表すシステム構成図である。アキュムレータ周辺の構成を表す断面図である。第２の実施の形態に係る冷凍サイクルを表すシステム構成図である。アキュムレータ周辺の構成を表す断面図である。第３の実施の形態に係る冷凍サイクルを表すシステム構成図である。従来の超臨界冷凍サイクルのシステム構成図である。

符号の説明

１圧縮機
２ガスクーラ
３，３０３膨張装置
４蒸発器
５，２０５，３０５アキュムレータ
６内部熱交換器
７演算制御部
８バイパス管
１０タンク
１４気相部
１５液相部
２０，２２０Ｕ字管
３０，２３０制御弁
３１ボディ
３２弁体
３３ソレノイド
３６冷媒通路形成部
３７弁座
３８連通孔
３９弁座
４０バイパス通路
４１プランジャ
４２コア
４３電磁コイル
７０配管
２３１オリフィス
２３２弁体
３３１，３３２電磁弁

Claims

空調装置を構成する冷凍サイクルにおいて、
潤滑オイルが含まれた冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出された冷媒を冷却する外部熱交換器と、
前記外部熱交換器から送出された冷媒を減圧する膨張装置と、
前記膨張装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器から送出された冷媒を気液分離して溜めておくアキュムレータと、
前記アキュムレータから前記圧縮機に送られる冷媒と、前記外部熱交換器から前記膨張装置に送られる冷媒との熱交換を行う内部熱交換器と、
前記アキュムレータの液相部の液冷媒を所定量導出し、前記アキュムレータの気相部から前記内部熱交換器の入口に向けて送出されるガス冷媒に混合させる液冷媒混合手段と、
前記アキュムレータの液相部の液冷媒の一部を、前記内部熱交換器の入口側を経由せずに出口側に直接導くことが可能な液冷媒バイパス手段と、
を備えたことを特徴とする冷凍サイクル。
前記液冷媒混合手段及び前記液冷媒バイパス手段は、それぞれ前記液相部から導出する液冷媒の流量を調整する制御弁又は絞り流路を備えたことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
前記液冷媒混合手段及び前記液冷媒バイパス手段は、前記アキュムレータと前記内部熱交換器とを接続する冷媒流路に設けられた前記制御弁としての三方電磁弁からなることを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル。
前記アキュムレータは、
前記蒸発器から送出された冷媒を収容するタンクと、
前記タンク内に収容された本体を有し、前記本体の一端が前記タンク内の前記気相部に開口するとともに、前記本体の他端が前記タンクを貫通して前記内部熱交換器の入口側につながり、さらに前記本体に前記タンク内の前記液相部に連通する所定の大きさの弁孔が形成された内部配管と、
を備え、
前記三方電磁弁は、
前記タンクに一体形成されたボディと、
前記ボディの内部に形成され、前記アキュムレータの出口側に接続されたバイパス管に連通するバイパス通路と、
前記弁孔に接離して前記弁孔を開閉する第１弁部と、
前記バイパス通路に接離して前記バイパス通路を開閉する第２弁部と、
前記第１弁部を動作させて前記液相部の液冷媒が前記弁孔を介して前記内部配管内へ流出する流量を制御するとともに、前記第２弁部を動作させて前記液相部の液冷媒が前記バイパス通路を介して前記バイパス管内へ流出する流量を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項３記載の冷凍サイクル。
前記第１弁部及び前記第２弁部は、それぞれ前記三方電磁弁を構成するプランジャに一体に設けられたことを特徴とする請求項４記載の冷凍サイクル。
前記三方電磁弁は、前記タンクの下端部に接続して設けられ、
前記内部熱交換器は、前記アキュムレータに並設され、前記タンクの上端部近傍に対向する位置に前記入口側が配置され、前記三方電磁弁にほぼ対向する位置に前記出口側が配置されたことを特徴とする請求項４記載の冷凍サイクル。
前記制御手段は、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度が、前記潤滑オイルが劣化しない温度範囲の上限温度近傍となる予め設定した流量の液冷媒を送出できるように、前記第１弁部及び前記第２弁部のそれぞれを動作制御することを特徴とする請求項４記載の冷凍サイクル。
前記アキュムレータは、
前記蒸発器から送出された冷媒を収容するタンクと、
前記タンク内に収容された本体を有し、前記本体の一端が前記タンク内の前記気相部に開口するとともに、前記本体の他端が前記タンクを貫通して前記内部熱交換器の入口側につながり、さらに前記本体に前記タンク内の前記液相部に連通する前記絞り流路としてのオリフィスが形成された内部配管と、
前記液冷媒バイパス手段を構成する前記制御弁としての電磁弁と、
を備え、
前記電磁弁は、
前記タンクに一体形成されたボディと、
前記ボディの内部に形成され、前記アキュムレータの出口側に接続されたバイパス管に連通するバイパス通路と、
前記バイパス通路に接離して前記バイパス通路を開閉する弁体と、
前記弁体を動作させて、前記液相部の液冷媒が前記バイパス通路を介して前記バイパス管内へ流出する流量を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル。
前記弁体は、前記電磁弁を構成するプランジャに一体に設けられたことを特徴とする請求項８記載の冷凍サイクル。
前記制御手段は、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度が、前記潤滑オイルが劣化しない温度範囲の上限温度近傍となる予め設定した流量の液冷媒を送出できるように、前記弁体を動作制御することを特徴とする請求項８記載の冷凍サイクル。
前記膨張装置にて減圧される前の冷媒圧力が、前記冷媒の臨界圧力以上となることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
前記膨張装置は、流路断面が固定された絞り流路からなることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
潤滑オイルが含まれた冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒を冷却する外部熱交換器と、前記外部熱交換器から送出された冷媒を減圧する膨張装置と、前記膨張装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から送出された冷媒を気液分離して溜めておくアキュムレータと、前記アキュムレータから前記圧縮機に送られる冷媒と、前記外部熱交換器から前記膨張装置に送られる冷媒との熱交換を行う内部熱交換器と、を備えた冷凍サイクルに適用される前記アキュムレータであって、
前記蒸発器から送出された冷媒を収容するタンクと、
前記タンク内に収容された本体を有し、前記本体の一端が前記タンク内の気相部に開口するとともに、前記本体の他端が前記タンクを貫通して前記内部熱交換器の入口側につながり、さらに前記本体に前記タンク内の液相部に連通する所定の大きさの弁孔が形成された内部配管と、
前記タンクに接続された三方電磁弁と、
を備え、
前記三方電磁弁は、
前記タンクに一体形成されたボディと、
前記ボディの内部に形成され、当該アキュムレータの出口側に接続されたバイパス管に連通するバイパス通路と、
前記弁孔に接離して前記弁孔を開閉する第１弁部と、
前記バイパス通路に接離して前記バイパス通路を開閉する第２弁部と、
前記第１弁部を動作させて前記液相部の液冷媒が前記弁孔を介して前記内部配管内へ流出する流量を制御するとともに、前記第２弁部を動作させて前記液相部の液冷媒が前記バイパス通路を介して前記バイパス管内へ流出する流量を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とするアキュムレータ。
前記第１弁部及び前記第２弁部は、それぞれ前記三方電磁弁を構成するプランジャに一体に設けられたことを特徴とする請求項１３記載のアキュムレータ。
前記制御手段は、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度が、前記潤滑オイルが劣化しない温度範囲の上限温度近傍となる予め設定した流量の液冷媒を送出できるように、前記第１弁部及び前記第２弁部のそれぞれを動作制御することを特徴とする請求項１３記載のアキュムレータ。
潤滑オイルが含まれた冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒を冷却する外部熱交換器と、前記外部熱交換器から送出された冷媒を減圧する膨張装置と、前記膨張装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から送出された冷媒を気液分離して溜めておくアキュムレータと、前記アキュムレータから前記圧縮機に送られる冷媒と、前記外部熱交換器から前記膨張装置に送られる冷媒との熱交換を行う内部熱交換器と、を備えた冷凍サイクルに適用される前記アキュムレータであって、
前記蒸発器から送出された冷媒を収容するタンクと、
前記タンク内に収容された本体を有し、前記本体の一端が前記タンク内の気相部に開口するとともに、前記本体の他端が前記タンクを貫通して前記内部熱交換器の入口側につながり、さらに前記本体に前記タンク内の液相部に連通するオリフィスが形成された内部配管と、
前記タンクに接続された電磁弁と、
を備え、
前記電磁弁は、
前記タンクに一体形成されたボディと、
前記ボディの内部に形成され、前記アキュムレータの出口側に接続されたバイパス管に連通するバイパス通路と、
前記バイパス通路に接離して前記バイパス通路を開閉する弁体と、
前記弁体を動作させて、前記液相部の液冷媒が前記バイパス通路を介して前記バイパス管内へ流出する流量を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とするアキュムレータ。
前記弁体は、前記電磁弁を構成するプランジャに一体に設けられたことを特徴とする請求項１６記載のアキュムレータ。
前記制御手段は、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度が、前記潤滑オイルが劣化しない温度範囲の上限温度近傍となる予め設定した流量の液冷媒を送出できるように、前記弁体を動作制御することを特徴とする請求項１６記載のアキュムレータ。