JP4348571B2

JP4348571B2 - 冷凍サイクル

Info

Publication number: JP4348571B2
Application number: JP00866199A
Authority: JP
Inventors: 伸彦鈴木
Original assignee: Valeo Thermal Systems Japan Corp
Current assignee: Valeo Thermal Systems Japan Corp
Priority date: 1999-01-18
Filing date: 1999-01-18
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2019-01-18
Also published as: JP2000205671A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、冷媒として超臨界冷媒、例えば、二酸化炭素（ＣＯ₂) を用いた冷凍サイクルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
フロン冷凍サイクルに代わるノンフロン冷凍サイクルとして、特公平７−１８６０２号公報に示される冷凍サイクルが知られている。この冷凍サイクルは、圧縮機、冷却装置、絞り手段、及び蒸発器から少なくとも構成されるもので、冷媒として、エチレン（Ｃ₂Ｈ₄）、ディボラン（Ｂ₂Ｈ₆）、エタン（Ｃ₂Ｈ₆）、酸化窒素（Ｎ₂Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）等が用いられ、その中でも、特に二酸化炭素（ＣＯ₂）が主に用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、二酸化炭素（ＣＯ₂）を用いた上記冷凍サイクルは、臨界点が約３１．１℃と低いため、エンジンルーム内の温度が６０℃以上に達する夏場や炎天下などのような高負荷時においては、冷凍サイクルが停止していても、サイクル内の冷媒は臨界点を超えた超臨界状態にある。
【０００４】
このような状態で圧縮機を始動させると、サイクル内の冷媒が臨界状態にあるため、高圧圧力は圧縮機の始動と同時に応答良く反応して急激に上昇する。これに対して、膨張弁入口の冷媒温度は、圧縮機が始動して冷媒が循環し始めても、圧力ほど素早い反応はなく、急激に低下することはない。しかも、温度センサや膨張弁感温部は、それ自体の熱容量を有しているので、冷媒温度の低下はさらに遅れることになる。
【０００５】
このため、圧縮機の始動時においては、膨張弁は閉塞状態に保たれ、高圧圧力を膨張弁を介して逃がすことができなくなり、サイクル上でバーストが生じやすくなる（破裂板が安全装置としてついているものは、この破裂板のバーストが生じ、高圧カットスイッチがあるものは、このスイッチの作動によりサイクルの運転が停止する）不都合がある。
【０００６】
このような不都合を防ぐために、本出願人は、高圧ラインが所定圧以上に達した場合に、高圧ラインと低圧ラインとを連通するリリーフ弁を設け、高圧圧力が所定圧以上にならないようにする構成を検討している。
【０００７】
ところが、リリーフ弁を設けるにしても、膨張弁の手前で高圧ラインと低圧ラインとを連通可能にすると、高圧ラインが所定圧以上になれば、冷媒は膨張弁に至る前にリリーフ弁を介して低圧ラインへバイパスするため、膨張弁に冷えた冷媒を十分供給できなくなり、膨張弁の閉弁状態が解除されない不都合がある。
【０００８】
そこで、この発明においては、超臨界流体を冷媒とする冷凍サイクルにおいて、高負荷停止状態から圧縮機を始動した際に生じる圧力の異常上昇を防止することを主たる課題としている。また、始動時に膨張装置の冷却を促し、圧縮機の始動後に膨張装置の閉塞状態を解除し、サイクルの的確な起動を確保することをも課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、この発明にかかる冷凍サイクルは、冷媒を超臨界域まで昇圧する圧縮機と、超臨界域に達した冷媒を冷却する放熱器と、流入側の冷媒温度と冷媒圧力とによって開度を調節し、前記放熱器により冷却された後に冷媒を減圧する膨張装置と、この膨張装置で減圧された冷媒を蒸発する蒸発器と、前記蒸発器から流出する冷媒と前記超臨界域の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器とを備え、前記圧縮機の冷媒吐出量を変更可能とし、前記冷凍サイクルの駆動要請の有無を判定する駆動要請判定手段と、前記駆動要請判定手段により前記冷凍サイクルの駆動要請が有ると判定された場合に前記圧縮器の始動時であるかその後の安定状態であるかを判定する始動時判定手段と、前記始動時判定手段により前記圧縮機の始動時であると判定された場合に前記圧縮機の冷媒吐出量を著しく小さくするか最小にする手段とを具備することを特徴としている。
【００１０】
したがって、圧縮機の始動時に高圧圧力が上昇することになるが、冷凍サイクルの駆動要請があると判定された場合に、圧縮機の始動時であると判定された場合には、安定状態になるまで圧縮機の冷媒吐出量が著しく小さくなるか最小となるので、始動時の圧力が破壊圧力以上になるのを抑えることが可能となる。
ここで、前記始動時判定手段は、圧縮機が始動してから所定時間内である場合を始動時とする構成や、膨張装置の流入口側の冷媒圧力が所定圧力以上となっている場合を始動時とする構成などが考えられる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の態様を図面に基づいて説明する。図１において、冷凍サイクル１は、冷媒を圧縮する圧縮機２、冷媒を冷却する放熱器３、高圧ラインと低圧ラインとの冷媒を熱交換する内部熱交換器４、冷媒を減圧する膨張装置５、冷媒を蒸発気化する蒸発器６、蒸発器から流出された冷媒を気液分離するアキュムレータ７を有して構成されている。このサイクルでは、圧縮機２の吐出側を放熱器３を介して内部熱交換器４の高圧通路４ａに接続し、この高圧通路４ａの流出側を膨張装置５に接続し、圧縮機２の吐出側から膨張装置５に至る経路を高圧ライン８としている。また、膨張装置５の流出側は、蒸発器６に接続され、この蒸発器６の流出側は、アキュムレータを介して内部熱交換器４の低圧通路４ｂに接続されている。そして、低圧通路４ｂの流出側を圧縮機２の吸入側に接続し、膨張装置５の流出側から圧縮機２に至る経路を低圧ライン９としている。
【００１２】
この冷凍サイクル１においては、冷媒としてＣＯ₂が、圧縮機２として吐出容量を調節できるものが用いられており、圧縮機２で圧縮された冷媒は、高温高圧の超臨界状態の冷媒として放熱器３に入り、ここで放熱して冷却する。その後、内部熱交換器４において蒸発器から流出する低温冷媒と熱交換して更に冷やされ、液化されることなく膨張装置５へ送られる。そして、この膨張装置５において減圧されて低温低圧の湿り蒸気となり、蒸発器６においてここを通過する空気と熱交換してガス状となり、しかる後に内部熱交換器４において高圧ライン８の高温冷媒と熱交換して加熱され、圧縮機２へ戻される。
【００１３】
上述した冷凍サイクル１は、通常の稼動状態において、膨張装置５の流入側での冷媒温度Ｔ［℃］と、膨張装置５の流入側での冷媒圧力Ｐ［ＭＰａ］とが、図２の砂状で示された領域となるように設定されている。この領域は、いろいろな運転条件下において良好なＣＯＰが得られるような膨張装置流入側の冷媒温度と冷媒圧力との範囲をシュミレーションによって決定したもので、より具体的には、Ｔ＝２．４１Ｐ＋４．８６（Ｃ線で示す）とＴ＝２．５２Ｐ−７．４１（Ｄ線で示す）とで囲まれた範囲である。この範囲でサイクルが運転されれば、冷房能力を優先する能力制御となる。
【００１４】
尚、図中、Ａ線は、内部熱交換器４を有せず、圧縮機の吐出容量が一定であるサイクルの好ましい制御線を、Ｂ線は、内部熱交換器４は有するが、圧縮機の吐出容量が調節されずに一定であるサイクルの好ましい制御線をそれぞれ示している。また、×印は、既存の効率のコンポーネントを用いた冷凍サイクルで、条件をいろいろ異ならせて最大成績係数が得られる箇所をプロットしたものであり、○印は、効率を良くしたコンポーネントを用いた冷凍サイクルで、条件をいろいろ異ならせて最大成績係数が得られる箇所をプロットしたものであり、これら両方の分布を網羅する範囲が上記砂状の領域となっている。
【００１５】
膨張装置５の流入側での冷媒温度と冷媒圧力とを、このような範囲に設定する手段としては、圧縮機２の吐出容量を調節することによる他に、外部からの制御信号によって開度制御する電気式膨張装置を用いる場合であれば、膨張装置の流入側での冷媒温度と冷媒圧力とを領域内の目標値となるように弁開度を調節することによって、また、均圧式の膨張装置であれば、封入ガスの封入量などを調節することによって、バイメタルを利用した膨張装置であれば、その材質を選択する等によって調整すると良い。
【００１６】
このうち、図３に示される膨張装置５が用いられる場合を説明すると、この膨張装置５は、ハウジング１０に内部熱交換器４の高圧通路４ａに通じる流入通路１１と蒸発器６に通じる流出通路１２と、これら通路が開口する高圧空間１３とが設けられ、高圧空間１３に減圧調節弁１４とリリーフ弁１５とが収納されている。流出通路１２は、二股に分かれて高圧空間１３に開口しており、それぞれの開口部が減圧調節弁１４及びリリーフ弁１５の弁体１６，１７を着座する弁座１８，１９となっている。
【００１７】
減圧調節弁１４は、弁体１６と、この弁体１６のロッド２０に接合されたベローズ２１とから成り、このベローズ内に収納されたスプリング２２によりベローズ２１を伸張する方向、即ち、弁体１６を弁座１８へ着座する方向へ付勢している。この減圧調節弁１４の開弁圧や弁体１６の動きは、ハウジング１０に気密よく螺合する調節栓２３によってスプリング圧を調節することによって、又は、ベローズ内部に封入する気体量を調節することによって調整され、減圧調節弁１４は、高圧空間１３の圧力やベローズ周囲の冷媒温度に応動するようになっており、前記図２で示す領域の制御特性が得られるようになっている。
【００１８】
リリーフ弁１５は、同じく、弁体１７と、この弁体１７のロッド２４に接合されたベローズ２５とから成り、このベローズ２５の内部は、ベローズ２５と一体をなしてハウジング１０に気密よく螺合する調節栓２６の通孔２７を介して大気に開放され、大気圧に設定されている。また、調節栓２６の螺合量を調節することによってリリーフ弁１５の開弁圧が調節されており、高圧空間内の圧力が減圧調節弁１４の制御圧を上回る所定の設定圧以上となった場合にベローズ２５が収縮し、リリーフ弁１５が開成されるようになっている。
【００１９】
このリリーフ弁１５は、減圧調節弁１４よりも高圧通路１１から離れた位置にあり、換言すれば、減圧調節弁１４は、流入された冷媒がリリーフ弁１５に至る経路上に配されており、リリーフ弁１５が開成すると、冷媒は減圧調節弁１４のベローズ周囲を通って流れる構成となっている。
【００２０】
上記構成において、高負荷時においては、冷凍サイクル１が停止していても、サイクル内の冷媒は超臨界状態にあり、圧縮機２が回転し始めると、高圧ライン８の圧力は上昇し、この圧力波は、高圧ライン全体に波及して、即座に膨張装置５の高圧空間１３にも至る。減圧調節弁１４は、高負荷時であることから閉弁状態にあるが、リリーフ弁１５は、高圧空間１３の圧力が所定圧以上となれば開弁することから、このリリーフ弁１５を介して高圧圧力が一気に低圧ライン９へ逃げ、バーストに至るような圧力上昇を避けることができる。
【００２１】
また、このような圧力のリリーフ時においては、放熱器３や内部熱交換器４で冷却された冷媒が減圧調節弁１４のベローズ周囲を通過するので、ベローズ２１の冷却を促進して減圧調節弁１４を開成させることができ、高圧圧力が所定圧より低くなってリリーフ弁１５が閉じた後には、減圧調節弁１４による減圧調整が行われて、図２の砂状領域で示されるような冷媒圧力と冷媒温度でバランスする能力制御がなされる。
【００２２】
つまり、上記構成によれば、始動時においては、能力制御に優先して圧力の異常上昇を避ける圧力制御がなされ、その後は、良好な冷房能力を得る能力制御へスムーズに移行させることができる。
【００２３】
図４に、膨張装置５の他の構成例が示され、この膨張装置５においては、ハウジング１０に内部熱交換器４の高圧通路４ａに通じる流入通路１１と蒸発器６に通じる流出通路１２と、これら通路が開口する高圧空間１３とが形成され、この高圧空間１３に減圧調節弁１４とリリーフ弁１５とが収納されている点で前記構成例と同様である。異なる点は、流出通路１２が二股に分かれずに高圧空間１３に開口し、この開口部をリリーフ弁１５の弁体３０が着座する弁座３１としており、減圧調節弁１４は、リリーフ弁１５の内部に設けられている点にある。
【００２４】
高圧空間１３は、ハウジング内に保持されたダイヤフラム３２によって大気圧又は真空に設定された低圧空間３３と画成されている。リリーフ弁１５は、高圧空間１３に配された中空の弁体３０を有し、この弁体３０はダイヤフラム３２に固定され、低圧空間３３に設けられたバネ受け３４との間に弾装されるスプリング３５によって弁体３０を弁座３１に所定圧をもって付勢するようにしている。したがって、リリーフ弁１５は、高圧圧力が所定圧以上になれば開弁するようになっている。
【００２５】
また、リリーフ弁１５の弁体３０には、内外を連通する多数の流入孔３６が側壁に形成されると共に、流出通路１２と整合した位置に流出孔３７が形成されている。減圧調節弁１４は、流出孔３７の周縁を便座３８としてここに着座する弁体３９と、この弁体のロッド４０に接合されたベローズ４１とから成り、このベローズ内に収納されたスプリング４２によりベローズ４１を伸張する方向、即ち、弁体３９を弁座３８へ着座する方向へ付勢している。この減圧調節弁１４の開弁圧や弁体の動きは、スプリング圧やベローズ内部に封入される気体量などを調節することによって調整され、減圧調節弁１４は、高圧空間１３の圧力やベローズ周囲の冷媒温度に応動するようになっており、前記図２で示す領域の制御特性が得られるようになっている。
【００２６】
そして、リリーフ弁１５の開弁圧は、減圧調節弁１４の制御圧よりも大きく、破壊圧よりも小さい所定の圧力に設定されており、減圧調節弁１４の通常作動時においては開弁せず、高圧圧力の異常上昇時にのみ開弁するようになっている。
【００２７】
このような構成においては、圧縮機２が回転し始めて高圧ライン８の圧力が上昇し、リリーフ弁１５の開弁圧を超えると、リリーフ弁１５は開弁し、このリリーフ弁１５を介して圧力が一気に低圧ライン９へ逃げる。このため、高負荷時において圧縮機が始動した場合においても、バーストするような急激な圧力上昇を避けることができる。
【００２８】
また、圧力のリリーフ時において、放熱器３や内部熱交換器４で冷却された冷媒は、リリーフ弁１４の周囲を流れるだけでなく、弁体３０に形成された流入孔３６を介して弁体内部にも供給されるので、ベローズ４１を冷やして減圧調節弁１４を開成させることができ、高圧圧力が所定圧より低くなってリリーフ弁１５が閉じた後には、減圧調節弁１４による減圧調整が行われて、図２の砂状領域で示されるような冷媒圧力と冷媒温度でバランスする能力制御がなされる。
【００２９】
つまり、上記構成によれば、始動時においては、能力制御に優先して圧力の異常上昇を避ける圧力制御がなされ、その後は、良好な冷房能力を得る能力制御へスムーズに移行させることができる。
【００３０】
以上の構成に加え、又は、以上の構成に代えて、圧縮機始動時の圧力の異常上昇を抑える構成として、圧縮機２の吐出容量制御を行うようにしてもよい。
【００３１】
即ち、冷凍サイクル１に用いられる圧縮機２に、吐出容量の調節機構を持たせ、この調節機構を外部からの制御信号によって制御するとよい。吐出容量の調節機構としては、電磁クラッチ４３のオンオフなどによって吐出容量をコントロールユニット４４でディーティー比制御する構成であってもよいが、可変容量圧縮機を用いて容量可変調節部４５への通電量をコントロールユニット４４によって制御し、吐出容量を調節するとよい。
【００３２】
コントロールユニット４４は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、読出専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、入出力ポート（Ｉ／Ｏ）等を備えると共に、電磁クラッチ４３のＯＮ／ＯＦＦや容量可変調節部４５を制御する駆動回路を有して構成され、膨張装置入口側の冷媒圧力を検出する冷媒圧力検出センサ４６、膨張装置入口側の冷媒温度検出する冷媒温度検出センサ４７、空調制御パネル４８などに設けられた圧縮機の始動を指令するＡ／Ｃスイッチ４９などからの信号が入力され、ＲＯＭに与えられた所定のプログラムにしたがって各種センサや空調制御パネルからの信号を処理し、圧縮機２の容量制御等を行うようになっている。
【００３３】
図５に、この圧縮機２の吐出容量を制御する具体的動作例がフローチャートとして示され、以下、これを説明すると、コントロールユニット４４は、Ａ／Ｃスイッチ４９を押して冷凍サイクル１の駆動要請があるか否かを判定し（ステップ５０）、Ａ／Ｃスイッチ４９が押されていない場合（ＮＯ）には、冷凍サイクル１を作動させずにこの制御ルーチンを終え、Ａ／Ｃスイッチ４９が押された場合（ＹＥＳ）には、圧縮機２の始動時であるか、始動後に冷凍サイクル１が安定状態となったかを判定する（ステップ５２）。この判定は、圧縮機２が始動してから所定時間内を始動時とするものであっても、冷媒圧力検出センサ４６によって検出された冷媒圧力がある圧力以上になっている期間を始動時とするものであってもよい。
【００３４】
圧縮機２の始動時には、ステップ５４へ進み、始動時に生じる高圧圧力の上昇が所定圧以上とならないように、圧縮機２の吐出容量を著しく小さくするか最小とする。これにより、高負荷時で圧縮機２が始動しても、高圧圧力の突発的な異常上昇を避けることができる。
【００３５】
サイクル内の冷媒圧が安定してきた段階では、ステップ５６へ進み、最適冷房能力を優先させる制御（能力制御）、即ち、図２の砂状領域を満たす冷媒圧力と冷媒温度を得るような圧縮機２の吐出容量制御がなされる。
【００３６】
さらに、上述の圧縮機制御に加えて、又は、上述の圧縮機制御に代えて、膨張装置５の開度制御を行うようにしても良い。この制御を行うに際し、膨張装置５は、図３や図４で示される膨張装置ではなく、外部からの制御信号によって開度が調節されるそれ自体周知の電気式膨張弁が用いられ、前記コントロールユニット４４によって制御される。
【００３７】
図５に、この膨張装置５の具体的動作例がフローチャートとして示され、以下、これを説明すると、コントロールユニット４４は、前記ステップ５０及び５２と同様の制御が行われ、圧縮機２の始動時には、ステップ５８へ進み、始動時に生じる高圧圧力の上昇が所定圧以上とならないように膨張装置５の開度を大きくするか最大とする。これにより、高負荷時に圧縮機２が始動しても、高圧圧力は膨張装置５を介して低圧へ逃げ、高圧圧力の突発的な上昇を避けることができる。
【００３８】
そして、サイクル内の冷媒圧が安定してきた段階でステップ６０へ進み、以後、最適冷房能力を優先させる制御（能力制御）、即ち、図２の砂状領域を満たす冷媒圧力と冷媒温度を得るような膨張装置５の開度制御がなされる。
【００３９】
したがって、いずれの構成、又は、その組合せにおいても、高負荷停止時から圧縮機２を始動させた場合には、始動時に生じる圧力上昇を、リリーフ弁１５の開成、又は、圧縮機２の吐出容量の規制、又は膨張装置５の開度調節によって抑えてバースト圧に至らないようにすることができる。特に、膨張装置５にリリーフ弁１５を設けた上述の構成によれば、このリリーフ弁１５の開成中も循環冷媒によって減圧調節弁１４のベローズが冷却されるので、高圧圧力が安定してきた後に最適な冷房能力を得る能力制御へスムーズに移行させることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、圧縮機の冷媒吐出量を変更可能とし、圧縮機の始動時に吐出量制御を優先させて高圧圧力を所定圧以下に制御するようにしたので、冷凍サイクルの始動時における高圧圧力の異常上昇を避けることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明にかかる冷凍サイクルの構成例を示す図である。
【図２】図２は、図１で示す冷凍サイクルの最適制御領域を示す特性図である。
【図３】図３は、図１で示す冷凍サイクルに用いられる膨張装置を示す図である。
【図４】図４は、図１で示す冷凍サイクルに用いられる他の膨張装置を示す図である。
【図５】図５は、高負荷時に圧縮機を始動させる場合の吐出容量の制御動作例を示すフローチャートである。
【図６】図６は、高負荷時に圧縮機を始動させる場合の膨張装置の制御動作例を示すフローチャートである。
【００４１】
【符号の説明】
１冷凍サイクル
２圧縮機
３放熱器
４内部熱交換器
５膨張装置
６蒸発器
８高圧ライン
９低圧ライン
１４減圧調節弁
１５リリーフ弁
４３電磁クラッチ
４４コントロールユニット
４５容量可変調節部

Claims

冷媒を超臨界域まで昇圧する圧縮機と、超臨界域に達した冷媒を冷却する放熱器と、流入側の冷媒温度と冷媒圧力とによって開度を調節し、前記放熱器により冷却された後に冷媒を減圧する膨張装置と、この膨張装置で減圧された冷媒を蒸発する蒸発器と、前記蒸発器から流出する冷媒と前記超臨界域の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器とを備えた冷凍サイクルにおいて、
前記圧縮機の冷媒吐出量を変更可能とし、
前記冷凍サイクルの駆動要請の有無を判定する駆動要請判定手段と、
前記駆動要請判定手段により前記冷凍サイクルの駆動要請が有ると判定された場合に前記圧縮器の始動時であるのかその後の安定状態であるのかを判定する始動時判定手段と、
前記始動時判定手段により前記圧縮機の始動時であると判定された場合に前記圧縮機の冷媒吐出量を前記安定状態と判断されるまで著しく小さくするか最小にする手段と
を具備することを特徴とする冷凍サイクル。
前記始動時判定手段は、前記圧縮機が始動してから所定時間内である場合を始動時とするものであることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
前記始動時判定手段は、前記膨張装置の流入口側の冷媒圧力が所定圧力以上となっている場合を始動時とするものであることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。