JP4348572B2

JP4348572B2 - 冷凍サイクル

Info

Publication number: JP4348572B2
Application number: JP01781399A
Authority: JP
Inventors: 伸彦鈴木
Original assignee: Valeo Thermal Systems Japan Corp
Current assignee: Valeo Thermal Systems Japan Corp
Priority date: 1999-01-27
Filing date: 1999-01-27
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2019-01-27
Also published as: JP2000213819A

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】
ＣＯ₂を冷媒とする冷凍サイクルにおいては、圧縮機の仕事量に対する蒸発器の冷房能力の比（以下、ＣＯＰ又は成績係数という）を最大にする膨張弁流入側の冷媒温度Ｔと冷媒圧力Ｐとの間に、一定の関係があることが指摘されている。
【０００３】
この関係は、古くは、井口・ケーソン作図法（「冷凍及び冷凍機械」、第６６〜６８頁参照、長野悌介著、昭和１２年１０月１９日発行）において、また、昨今においては、特開平９−２６４６２２号公報に開示されているところであり、後者の公報によれば、冷媒を超臨界域まで昇圧する圧縮機と、この超臨界域に達した高圧冷媒を冷却する放熱器と、この放熱器で冷却された後に冷媒を減圧する膨張弁と、この膨張弁で減圧された冷媒を蒸発する蒸発器とを備えた冷凍サイクルにおいて、膨張弁開度を制御することで膨張装置入口側の冷媒温度と冷媒圧力との関係を同公報の図１又は図５のηmax 線上に設定すれば、冷凍サイクルを効率よく運転できることが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述で示される冷媒温度と冷媒圧力との関係は、膨張弁の制御のみでサイクル効率の向上を図ろうとしたものであり、しかも、圧縮機の吐出容量が一定である冷凍サイクルにのみ当てはまる。
【０００５】
また、ＣＯ₂等の超臨界冷媒を用いた冷凍サイクルにおいては、ＣＯＰの一層の向上が望まれており、蒸発器から流出する冷媒と高圧ラインの超臨界域の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を設けてＣＯＰの向上を図ることは、特公平７−１８６０２号公報などにおいて公知の構成であり、このような内部熱交換器を備えた冷凍サイクルにあっては、内部熱交換器によって冷媒がさらに冷却されて膨張弁に至ることから、ＣＯＰを最大とする膨張弁流入側の冷媒温度は一層低くなる。
【０００６】
さらに、本発明者の研究によれば、内部熱交換器を有する冷凍サイクルにおいて、自由に吐出量を調節できる圧縮機を用いると、最適制御点を決定するパラメータに圧縮機の吐出容量を追加することができ、単に膨張弁開度の制御のみで最適制御点を得ようとしていた従来構成からは予想もできない制御点のずれが生じてしまうことが判明している。つまり、内部熱交換器と吐出容量を可変できる圧縮機とを備えた冷凍サイクルにおいては、従来用いられてきた冷媒温度と冷媒圧力との関係を満たすように冷凍サイクルをバランスさせても、良好なＣＯＰを得ることができないものとなる。
【０００７】
そこで、この発明においては、超臨界流体を冷媒とし、内部熱交換器と吐出量を変更可能とする圧縮機とを備えた冷凍サイクルにおいて、良好なサイクル効率を得ることができるようにすることを課題としている。
【０００８】
【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、この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、前記圧縮機の吐出量を変更可能とし、前記圧縮器の吐出量を含む運転条件を調節して、前記膨張装置の流入側での冷媒温度と冷媒圧力とを、前記内部熱交換器を有しないと共に前記圧縮機の吐出容量が固定されている冷凍サイクル、及び、前記内部熱交換器を有するが前記圧縮機の吐出容量が固定されている冷凍サイクルに比べて、前記冷媒温度が同じであれば前記冷媒圧力を高く設定し、且つ、前記冷媒圧力が同じであれば前記冷媒温度を低く設定するようにしたことを特徴としている（請求項１）。
【０００９】
より具体的には、膨張装置の流入側での冷媒温度をＴ［℃］、膨張装置の流入側での冷媒圧力をＰ［ＭＰａ］とした場合に、ＴとＰとを、Ｔ≦２．４１Ｐ＋４．８６、Ｔ≧２．５２Ｐ−７．４１で囲まれる範囲に設定するとよい（請求項２）。
【００１０】
ここで、内部熱交換器は、蒸発器から流出される冷媒と熱交換する冷媒が圧縮機から膨張装置に至る高圧ライン上にあればよく、例えば、放熱器と膨張装置との間の冷媒と熱交換させるようにしてもよい。また、冷媒としては、炭酸ガス（ＣＯ₂）冷媒を用い、冷媒吐出量を変更可能とする圧縮機としては、容量可変機構を備えた可変容量圧縮機や電磁クラッチの通電をデューティー比制御する圧縮機、更には回転数制御が可能な電動モータ駆動式圧縮機などを用いるとよい。
【００１１】
したがって、圧縮機で昇圧されて超臨界状態となる高温高圧の冷媒は、放熱器によって冷却されると共に、内部熱交換によって蒸発器から流出される冷媒によってさらに冷却され、しかる後に膨張装置によって減圧されて低温低圧の湿り蒸気となり、蒸発器で蒸発気化すると共に、内部熱交換によって高圧ラインの冷媒によって加熱された後に圧縮機へ送られ、再び昇圧される。圧縮器の吐出量を含む運転条件を調節して上述した範囲で膨張装置流入側の冷媒温度と冷媒圧力とを設定すれば、内部熱交換器を備え、且つ、吐出容量を自由に可変できる圧縮機を備えた冷凍サイクルにおいても、良好なサイクル効率を得ることができる。
【００１２】
【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、高圧側ラインの冷媒と低圧側ラインの冷媒とを熱交換する内部熱交換器４、冷媒を減圧する膨張弁５、冷媒を蒸発気化する蒸発器６、蒸発器６から流出し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の流出側を膨張弁５に接続し、圧縮機２から膨張弁５の高圧側に至る経路によって高圧側ライン８を構成している。また、膨張弁５の低圧側は、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７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、膨張弁５の流出側から圧縮機２の吸入側に至る経路によって低圧側ライン９を構成している。
【００１３】
この冷凍サイクル１は、冷媒としてＣＯ₂が用いられており、圧縮機２によって圧縮された冷媒は、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において低圧側ライン９の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弁５に送られる。そして、この膨張弁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において高圧側ライン８の高温冷媒と熱交換して加熱され、圧縮機２に戻される。
【００１４】
上述した冷凍サイクル１は、通常稼動時において、膨張弁５の流入側での冷媒温度Ｔ［℃］と冷媒圧力Ｐ［ＭＰａ］とが、図３の砂状で示される領域、即ち、Ｔ≦２．４１Ｐ＋４．８６（Ｃ線）とＴ≧２．５２Ｐ−７．４１（Ｄ線）とで囲まれた範囲となるように設定される。この領域は、ＣＯＰを最大又はこれに近い状態を得て良好なサイクル効率を得るための範囲であり、次のようなシュミレーションと知見とによって見出されたものである。
【００１５】
先ず、各種運転条件のもとで、最大ＣＯＰが得られる膨張弁流入側の冷媒圧力と冷媒温度とをシュミレーションによって見い出す。この方法を図２に示すフローチャートに基づいて説明すると、まずステップ５０において、冷凍サイクル１の運転条件をシュミレーターに入力する。この運転条件は、圧縮機２であれば、回転数又は吐出量、効率（体積効率、機械効率、断熱圧縮効率）などであり、放熱器３や蒸発器６であれば、熱交換効率、容積、ここを通過する空気の温度や湿度、風速などであり、内部熱交換器４であれば、熱交換効率である。
【００１６】
そして、次のステップ５２で、上記運転条件下で冷凍サイクル１がバランスする制御点を演算する。このバランスする制御点の算出は、（）高圧側ライン８の冷媒圧力初期値を、例えば１４ＭＰａとし、圧縮機吸入冷媒温度を、例えば、蒸発温度＋１５℃などと仮決めする。その後、（）冷凍サイクル１の各コンポーネントの能力は予め決まっていることから、これを拘束条件として前記仮決めした値を再計算する。そして、（）仮決め値と再計算値との間に所定範囲以上の差がある場合には、この再計算値を新たな仮決め値としてさらに（）の計算を行い、上記差が所定範囲内となるまでこれを繰り返す。
【００１７】
このようなバランス計算が必要となるのは、膨張弁５入口の冷媒温度、又は、放熱器３出口の冷媒温度を一定にして最適高圧圧力を演算する従来の手法によれば、実際には、高圧圧力を下げて同一冷房能力を得ようとすると、冷媒循環量が多くなり、その結果、膨張弁入口の冷媒温度、又は、放熱器出口の冷媒温度が高くなり、実際のサイクル特性と異なってしまうので、できるだけ実サイクルに合った特性を得るためである。
【００１８】
そこで、上述のようにして冷凍サイクル１がバランスする高圧圧力や、圧縮機入口の冷媒温度などを得、その後、ステップ５４において、その時点での成績係数（ＣＯＰ）を演算する。そして、バランスした時点でのＣＯＰが得られた後は、高圧圧力、圧縮機入口の冷媒温度、ＣＯＰ、放熱器出口の冷媒温度などが圧縮機２の吐出量の変化によって変化することから、ステップ５６において、圧縮機２の吐出量をパラメータとして変化させ、ＣＯＰが最大となる膨張弁入口の冷媒圧力Ｐと冷媒温度Ｔとを見出す。
【００１９】
以上の演算を条件をいろいろ変えて行い、それぞれの最大ＣＯＰとなる膨張弁入口の冷媒圧力と冷媒温度とをプロットした結果が図３の「×」及び「○」である。また、それぞれのシュミレーションによって得られた最大ＣＯＰは、圧力又は膨張弁開度が多少変動しても大きく変化しないことから、最大ＣＯＰが得られる各条件での膨張弁流入側の冷媒温度Ｔ［℃］と冷媒圧力Ｐ［ＭＰａ］の分布範囲を上述のような範囲に画定すれば、最大ＣＯＰ若しくはこれに近い運転状態が得られることとなり、本冷凍サイクルにとって望ましいものとなる。
【００２０】
つまり、内部熱交換器４を有せず、しかも、吐出容量が一定の固定容量型圧縮機を有する従来の冷凍サイクルでは、最適制御線が図３の破線Ａで示されるようになり、また、内部熱交換器４は有するが、圧縮機２が固定容量型である場合には、最適制御線が同図の破線Ｂで示されるようになる。これに対して、内部熱交換器４を備え、且つ、容量を任意に可変できる圧縮機２を用いて良好な制御線を前述のように見出すと、Ａ又はＢの制御線を有する冷凍サイクルに比べて、膨張弁の流入側での冷媒温度Ｔと冷媒圧力Ｐとを、冷媒温度が同じであれば冷媒圧力を高くし、且つ、冷媒圧力が同じであれば冷媒温度を低く設定することが有用となる。
【００２１】
これは、吐出容量を任意に可変できる圧縮機２を有する本冷凍サイクル１を従来の固定容量型圧縮機を有する従来サイクルと比較すると、図４及び図５に示されるように、本冷凍サイクル１では、従来サイクルよりも吐出容量を小さくした状態で、或いは、膨張弁５をより絞った状態で、同一冷房能力を得るＣＯＰを高負荷時を除いて良くすることができ、この場合、本冷凍サイクルの冷媒流量をより少なくでき、その結果、放熱器３出口や膨張弁５入口の冷媒温度を下げることができ、高圧側ライン８に対して冷媒温度をより下げることが可能になるためである。
【００２２】
尚、膨張弁５の流入側での冷媒温度Ｔと冷媒圧力Ｐとを、図３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、外部からの制御信号によって開度が制御できる膨張弁５であれば、膨張弁５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、均圧式の膨張弁であれば、冷媒圧力と均圧する封入ガスの封入量を調節したり、バイメタルを利用した膨張弁であれば、前記範囲内に流入側の冷媒温度と冷媒圧力とが調節されるような特性を有する金属材料を用いると良い。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、内部熱交換器を有し、且つ、吐出容量を調節できるようにした圧縮機を備えた冷凍サイクルにおいて、膨張装置の流入側での冷媒温度Ｔ［℃］と冷媒圧力Ｐ［ＭＰａ］とを、内部熱交換器を有しない冷凍サイクル、及び、圧縮機の吐出容量が固定されている冷凍サイクルに比べて、冷媒温度が同じであれば冷媒圧力を高くし、冷媒圧力が同じであれば冷媒温度を低く設定するようにし、好ましくは、Ｔ≦２．４１Ｐ＋４．８６、且つ、Ｔ≧２．５２Ｐ−７．４１の範囲でＴとＰとを設定するようにしたので、各種運転条件の下で良好なサイクル効率を得ることが可能となる。また、外気温度などの熱負荷が低い場合には、高圧側は超臨界とはならず従来サイクルと同様に気液二相となることがあるが、その場合にも本発明の設定値であれば、膨張弁入口で適度な過冷却が得られ、良好なサイクル効率を得られることが確認されている。
【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、最大ＣＯＰを得る膨張弁入口側の冷媒温度と冷媒圧力との演算処理を説明するフローチャートである。
【図３】図３は、膨張弁入口側の冷媒圧力と冷媒温度との関係を示す特性線図である。
【図４】図４は、膨張弁開度（又は圧縮機の吐出量）とＣＯＰ及び冷房能力Ｑの関係を示す特性線図であり、破線は固定容量型圧縮機を用いた従来の冷凍サイクルを、実線は吐出容量を変更できる圧縮機を用いた本冷凍サイクルをそれぞれ示す。
【図５】図５は、固定容量型圧縮機を用いた従来の冷凍サイクルと、吐出容量を変更できる圧縮機を用いた本冷凍サイクルとのモリエール線図を示す。
【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
４ａ高圧通路
４ｂ低圧通路
５膨張弁
６蒸発器
７アキュムレータ
８高圧側ライン
９低圧側ライン

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、この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、前記圧縮機の吐出量を変更可能とし、前記圧縮器の吐出量を含む運転条件を調節して、前記膨張装置の流入側での冷媒温度と冷媒圧力とを、前記内部熱交換器を有しないと共に前記圧縮機の吐出容量が固定されている冷凍サイクル、及び、前記内部熱交換器を有するが前記圧縮機の吐出容量が固定されている冷凍サイクルに比べて、前記冷媒温度が同じであれば前記冷媒圧力を高く設定し、且つ、前記冷媒圧力が同じであれば前記冷媒温度を低く設定するようにしたことを特徴とする冷凍サイクル。
前記膨張装置の流入側での冷媒温度をＴ［℃］、前記膨張装置の流入側での冷媒圧力をＰ［ＭＰａ］とした場合に、ＴとＰとが、Ｔ≦２．４１Ｐ＋４．８６Ｔ≧２．５２Ｐ−７．４１の両関係を満たす範囲に設定されることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。