JP4348610B2

JP4348610B2 - 冷凍サイクル

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Publication number: JP4348610B2
Application number: JP2003337035A
Authority: JP
Inventors: 健次飯島
Original assignee: Valeo Thermal Systems Japan Corp
Current assignee: Valeo Thermal Systems Japan Corp
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2023-09-29
Also published as: JP2005106318A; EP1519123A2; EP1519123A3

Description

この発明は、二酸化炭素（ＣＯ2 ) などの超臨界流体が冷媒として用いられる冷凍サイクルに関し、特に、ツインエアコンに利用される冷凍サイクルに関する。

二酸化炭素を冷媒に用いた冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出した冷媒を冷却する放熱器と、放熱器から流出した冷媒を減圧する膨張装置と、膨張装置から流出した冷媒を蒸発気化させる蒸発器とを有して構成されるが、このような冷凍サイクルにおいては、膨張装置によって前記放熱器出口側の圧力（高圧圧力）を前記放熱器出口側の冷媒温度に基づいて決定される所定圧力に制御する所謂高圧制御が行われる。

このため、このような構成を２つの蒸発器を備えたツインエアコンに適用し、それぞれの蒸発器の上流側に高圧制御用の膨張装置を設ける構成とした場合には、それぞれの膨張装置が高圧圧力を制御しようとするので、相互に干渉し合って適切に動作しないことが予想される。

このような不都合を避けるには、一方の蒸発器の制御と他方の蒸発器の制御とを異なる方式にすることが有効であり、従来においては、一方の蒸発器の制御に上述した高圧制御用の膨張装置を用い、他方の蒸発器の制御に過熱度制御用の膨張装置を用いたものが考えられている。即ち、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出した冷媒を冷却する放熱器と、放熱器から流出した冷媒を減圧する第１減圧器及び第２減圧器と、第１減圧器から流出した冷媒を蒸発させる第１蒸発器と、第２減圧器から流出した冷媒を蒸発させる第２蒸発器とを設け、第１減圧器により、放熱器出口側圧力を放熱器出口側冷媒温度に基づいて決定される所定圧力に制御し、第２減圧器により、第２蒸発器出口側の冷媒過熱度を所定値とするように制御するものが考えられている（特許文献１）。
特開２０００−３５２５０号公報

しかしながら、上述した構成においては、それぞれの蒸発器に対応して膨張装置（第１減圧器、第２減圧器）が設けられているが、膨張装置それ自体は、比較的高価なものであるので、蒸発器毎に膨張弁が設けられると製造コストが高くなる。また、蒸発器毎に膨張弁を設けるニーズがあるにしても、上述した構成においては、それぞれの蒸発器に対して制御方式の異なる膨張装置（第１減圧器、第２減圧器）が設けられているので、部品の共通化を図ることができず、製造コストの増大を招くと共にシステムのチューニング作業が複雑になる。

そこで、この発明においては、膨張弁同士の干渉がないツインエアコン用の冷凍サイクルを構築するにあたり、それぞれの蒸発器に異なる制御方式の膨張装置を設けることに起因する上述した不都合を解消し、製造コストを抑えると共にシステムのチューニング作業を不要又は簡易にすることが可能な冷凍サイクルを提供することを課題としている。

上記課題を達成するために、この発明に係る冷凍サイクルは、冷媒を臨界圧力を超える圧力まで昇圧可能とする圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、前記放熱器出口側の圧力を前記放熱器出口側の冷媒温度に基づき決定される所定圧力に制御するためのものであって単体で用いられる膨張装置と、前記膨張装置で減圧された冷媒を蒸発させる第１及び第２の蒸発器と、前記第１及び第２の蒸発器へ供給される冷媒の分配量を当該第１及び第２の蒸発器の双方に対し常に分配するようにしながら調節する流量調整手段とを有して構成されることを特徴としている（請求項１）。

したがって、このような構成によれば、第１及び第２の蒸発器には、共通の膨張装置で減圧されて流量調整手段によって分配された冷媒が供給されるので、膨張装置を１つにした上で、負荷に応じて流量調整手段により分配量を調節することが可能となる。このため、蒸発器毎に膨張装置を設けることなくツインエアコンに対応することが可能となる。

具体的には、前記第１の蒸発器と第２の蒸発器とは前記膨張装置の下流側で直列に接続され、前記流量調整手段は、上流側に配された蒸発器に供給される冷媒量と、下流側に配された蒸発器に供給される冷媒量とを調節するようにしても（請求項２）、第１の蒸発器と第２の蒸発器とを膨張装置の下流側で並列に接続し、流量調整手段によって、それぞれの蒸発器へ供給される冷媒量を調節するようにしてもよい（請求項４）。

特に、前者の構成にあっては、前記流量調整手段は、前記第１の蒸発器と前記第２の蒸発器のうち上流側に配された蒸発器の過熱度が一定となるように分配量を制御してもよく（請求項３）、また、後者の構成においては、前記流量調整手段は、一方の蒸発器の過熱度が一定となるように分配量を制御してもよい（請求項５）。

さらに、前記流量調整手段は、前記第１の蒸発器へ供給される流量と前記第２の蒸発器へ供給される流量とを同時に調節する三方弁によって構成されても（請求項６）、一方の蒸発器へ供給される流量を調節することで他方の蒸発器への供給量を調節する二方弁によって構成されてもよい（請求項７）。ここで、三方弁は、連続的に分配量を調節するものであっても、単純に流れ方向を切り換えるものであってもよい。また、二方弁においても、開度を連続的に調節するものであっても、通路を単純に開閉するものであってもよい。

尚、このような上述した冷凍サイクルは、圧縮機によって臨界圧力以上に昇圧される二酸化炭素などを冷媒とする超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルに適している（請求項８）。

以上述べたように、この発明によれば、冷凍サイクルを、冷媒を自身の臨界圧力を超える圧力まで昇圧可能とする圧縮機と、圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、放熱器出口側の圧力を放熱器出口側の冷媒温度に基づき決定される所定圧力に制御する単体の膨張装置と、前記膨張装置で減圧された冷媒を蒸発させる第１及び第２の蒸発器と、かかる第１及び第２の蒸発器の双方に対し常に分配するようにしながらそれぞれの蒸発器へ供給される冷媒の分配量を調節する流量調整手段とを有して構成するようにした。これに伴い、第１の蒸発器の冷房能力が一定になるように流量調整手段の開度が調節されるため、第２の蒸発器の能力に合わせた流量調整を行うことが可能となるので、蒸発器毎に膨張装置を設ける必要がなく、１つの膨張装置で減圧された冷媒を各蒸発器の負荷に応じて分配することが可能となり、１つの膨張装置でツインエアコンに対応することが可能となる。よって、蒸発器毎に比較的高価な膨張装置を複数設ける必要がなくなり、代わりに比較的安価な流量調整手段である流量調整弁を用いるので、製造コストを削減することが可能となる。

以下、この発明の最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。

図１において、冷凍サイクル１は、冷媒を昇圧する圧縮機２と、圧縮機２で圧縮された冷媒を冷却する放熱器３と、放熱器３により冷却された冷媒を減圧する膨張装置４と、膨張装置４で減圧された冷媒を蒸発気化する第１及び第２の蒸発器５，６と、それぞれの蒸発器に分配する冷媒流量を調節する流量調整弁７と、それぞれの蒸発器５，６から流出した冷媒を気液分離するアキュムレータ８とを有して構成されている。

具体的には、圧縮機２の吐出側が放熱器３を介して膨張装置４に接続され、この膨張装置４の下流側で流量調整弁７を介して第１の蒸発器５と第２の蒸発器６とが直列に接続されている。流量調整弁７は、三方弁によって構成され、膨張装置４から流出した冷媒を流入する流入ポートαと、流入された冷媒を流出する第１流出ポートβ及び第２流出ポートγとを備え、第１流出ポートβから流出する冷媒と第２流出ポートγから流出する冷媒との割合を連続的に可変できるようになっている。流量調整弁７の第１流出ポートβは、第１の蒸発器５の流入側に接続され、第２流出ポートγは、第２の蒸発器６の流入側に接続されている。そして、第２の蒸発器６の流出側は、アキュムレータ８を介して圧縮機２の吸入側に接続されている。

ここで、膨張装置４は、放熱器出口側の圧力を放熱器出口側の冷媒温度に基づいて決定される所定圧力（最大ＣＯＰが得られる圧力）となるよう放熱器３から流出した冷媒を減圧する高圧制御弁であり、例えば、特開２０００−３５２５０号公報などに示されるそれ自体公知のものである。この膨張装置４は、検出温度が高くなるほど開度を小さくして放熱器３の出口側の圧力を上昇させ、検出温度が低くなるほど開度を大きくして放熱器３の出口側の圧力を低下させるもので、弁開度が電気的に制御されるものであっても、機械的に制御されるものであってもよい。

また、流量調整弁７は、上流側に配された第１の蒸発器５の過熱度が一定となるように分配量を制御するもので、電気的に制御されるものであっても、機械的に制御されるものであってもよい。

よって、このような構成においては、放熱器３から流出した冷媒が、膨張装置４によって減圧されて流量調節弁７に入り、第１の蒸発器５に対してはこの蒸発器の過熱度が一定となるように供給される。このため、第１の蒸発器５に供給された冷媒は、この第１の蒸発器５を通過する空気と熱交換して蒸発気化し、第２の蒸発器６へ送られることになる。そして、流量調整弁７から第２の蒸発器６へ分配された冷媒は、前記第１の蒸発器５を通過した冷媒と共に第２の蒸発器６に供給され、ここで第２の蒸発器６を通過する空気と熱交換して蒸発気化し、アキュムレータ８へ送られることとなる。このため、上述の構成においては、第１及び第２の蒸発器５，６の全体の熱負荷に応じて膨張装置４の開度が調節され、特に流量調整弁７にあっては、第１の蒸発器５の冷房能力が一定になるように開度が調節されることになるので、第１の蒸発器５の能力に合わせた流量調整を行うことが可能となり、１つの膨張装置４でツインエアコンに対応することが可能となる。よって、比較的安価な流量調整弁７を用いることで高価な膨張装置の数を削減することができ、ツインエアコン用の冷凍サイクルを安価に製造することが可能となる。

上述した構成においては、第１の蒸発器５と第２の蒸発器６とを直列に接続した上で流量調整弁７を三方弁で構成した場合を示したが、図２に示されるように、膨張装置４から流出した冷媒の分岐点Ａと第１の蒸発器５の流入口との間に流量調整弁９を設け、ここを通過する流量を調節することで第１の蒸発器５の流入量を調節すると共に第２の蒸発器６の流入量を調節するようにしてもよい。このような構成においても、第１及び第２の蒸発器５，６の全体の熱負荷にあわせて膨張装置４の開度が調節され、第１の蒸発器５にあっては、自身の冷房能力が一定となるように開度が調節されるので、１つの膨張装置４でツインエアコンに対応することが可能となり、安価に冷凍サイクルを製造することが可能となる。

また、上述の構成においては、流量調整弁７として分配量を連続的に調整可能な三方弁を用いるようにしたが、図３（ａ）に示されるように、流れ方向をいずれかに切り替える三方弁１１、又は図３（ｂ）に示されるように、開閉動作のみを行う二方弁１２を用いて構成するようにしてもよい。

さらに、上述の構成においては、第１及び第２の蒸発器５，６を膨張装置４の下流側で直列に接続した構成を示したが、図４（ａ）に示されるように、第１及び第２の蒸発器５，６を膨張装置４の下流側で並列に接続し、膨張装置４から流出された冷媒の分岐部分に三方弁によって構成される流量調整弁７を配置するようにしてもよい。このような構成においても、流量調整弁７は、一方の蒸発器（例えば、第１の蒸発器５）の過熱度が一定となるように分配量を電気的に制御するものであっても、機械的に制御するものであってもよい。

このような構成においては、放熱器３から流出した冷媒が、膨張装置４によって放熱器出口側の冷媒圧力を放熱器出口側の冷媒温度に基づいて決定される所定圧力とするように減圧され、この膨張装置４を通過したのちに流量調節弁７に入り、一方の蒸発器５に対してはこの蒸発器５の過熱度が一定となるように供給される。このため、第１の蒸発器５に供給された冷媒は、この第１の蒸発器５を通過した冷媒と熱交換して蒸発気化し、アキュムレータ８へ送られることになる。また、第１の蒸発器５へ送られなかった残りの冷媒は、流量調整弁７から第２の蒸発器６へ導かれ、ここで第２の蒸発器６を通過した空気と熱交換して蒸発気化し、アキュムレータ８へ送られることとなる。このため、上述の構成においては、第１及び第２の蒸発器５，６の全体の熱負荷に応じて膨張装置４の開度が調節され、特に流量調整弁７にあっては、第１の蒸発器５の冷房能力が一定になるように開度が調節されることになるので、第１の蒸発器５の能力に合わせた流量調整を行うことが可能となり、１つの膨張装置４でツインエアコンに対応させることが可能となる。よって、比較的安価な流量調整弁を用いることで高価な膨張装置の数を削減できるので、ツインエアコン用の冷凍サイクルを安価に製造することが可能となる。

上述した構成においては、流量調整弁７を三方弁で構成した場合を示したが、図４（ｂ）に示されるように、膨張装置４から流出した冷媒の分岐点Ａと一方の蒸発器（上述の例においては、第１の蒸発器）との間に二方弁によって構成された流量調整弁９を配置し、ここを通過する流量を調節することで第１の蒸発器５の流入量を調節すると共に第２の蒸発器６の流入量を調節するようにしてもよい。

尚、図４（ａ）の構成においては、流量調整弁７として分配流量を連続的に調節する三方弁を用いたが、代わりに単純に流れ方向を切り換える三方弁を用いるようにしてもよく、また、図４（ｂ）の構成においては、開閉動作のみを行う二方弁を用いるようにしてもよい。

以上の構成においては、第１及び第２の蒸発器５，６に対して流量調整弁７，９などによって分配量を調節することで膨張装置４を１つだけにした場合であるが、それぞれの蒸発器５，６に対応して膨張装置を個別に設けたい要請がある場合には、図５に示されるような構成としてもよい。

図５において、冷凍サイクル１は、冷媒を自身の臨界圧力を超える圧力まで昇圧する圧縮機２と、圧縮機２で圧縮された冷媒を冷却する放熱器３と、放熱器３により冷却された冷媒を減圧する第１及び第２の膨張装置２０，２１と、第１の膨張装置２０で減圧された冷媒を蒸発気化する第１の蒸発器５と、第２の膨張装置２１で減圧された冷媒を蒸発気化する第２の蒸発器６と、それぞれの蒸発器５，６から流出した冷媒を気液分離するアキュムレータ８と、アキュムレータ８から圧縮機２へ導かれる低圧冷媒と放熱器３から各膨張装置２０，２１へ導かれる高圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器２２とを有して構成されている。

即ち、冷凍サイクル１は、圧縮機２の吐出側が放熱器３を介して内部熱交換器２２の高圧流路２２ａに接続され、この高圧流路２２ａの流出側が分岐して第１の膨張装置２０と第２の膨張装置２１に接続されている。また、第１の膨張装置２０の流出側は第１の蒸発器５を介して、また、第２の膨張装置２１の流出側は第２の蒸発器６を介してそれぞれアキュムレータ８の流入口に接続され、アキュムレータ８の流出口は内部熱交換器２２の低圧流路２２ｂを介して圧縮機２の吸入側に接続されている。したがって、圧縮機２の吐出側から放熱器３及び高圧流路２２ａを介して膨張装置２０，２１に至る経路により高圧ライン２３が構成され、膨張装置２０，２１の流出側から蒸発器５，６、アキュムレータ８、及び低圧流路２２ｂを介して圧縮機２に至る経路により低圧ライン２４が構成されている。そして、この構成において、第１の膨張装置２０と第２の膨張装置２１は、コントロールユニット２５によって電気的に弁開度が制御されるようになっている。

ここでコントロールユニット２５は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読出専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、入出力ポート等を備えて構成されたそれ自体公知のもので、各種センサからの信号が入力され、メモリに与えられた所定のプログラムにしたがってそれぞれの膨張装置２０，２１の弁開度を制御するようにしている。

図６において、コントロールユニット２５による各膨張装置の制御動作例がフローチャートとして示されており、以下、このフローチャートに基づいて制御動作例を説明すると、コントロールユニット２５は、空調装置を起動した後に、初期設定などの一連の初期処理を経てこの制御ルーチンに入り、第１の蒸発器５の熱負荷を計算するために必要なパラメータ（Ａパラメータ）と、第２の蒸発器６の熱負荷を計算するために必要なパラメータ（Ｂパラメータ）を入力する（ステップ５０）。例えば、第１の蒸発器５の熱負荷を計算するために必要なパラメータとしては、空調ユニットの送風機の回転速度（送風量）、第１の蒸発器の入口側空気温度、室内温度、外気温度などが用いられ、第２の蒸発器６の熱負荷を計算するために必要なパラメータとしては、第２の蒸発器６の過熱度、第２の蒸発器６の出口冷媒温度、低圧ラインの圧力、第２の蒸発器６を通過した空気温度などが用いられる。

そして、次のステップ５２において、入力されたＡパラメータに基づき第１の蒸発器５の熱負荷を計算し、Ｂパラメータに基づき第２の蒸発器６の熱負荷を計算する。その後、ステップ５４において、演算されたそれぞれの熱負荷からそれぞれの膨張装置２０，２１の弁開度の比率を決定し、ステップ５６において、この弁開度の比率を維持したまま、放熱器出口側の圧力を放熱器出口側の冷媒温度に基づいて決定される所定圧力（最大ＣＯＰが得られる圧力）となるように制御する。

したがって、このような構成においては、それぞれの蒸発器５，６の上流側に別々の膨張装置２０，２１が設けられているが、それぞれの膨張装置２０，２１は独立に制御されず、それぞれの蒸発器５，６の熱負荷に応じた比率に固定され、この比率が維持された状態で放熱器出口側の圧力が制御されるので、互いの膨張装置の制御が干渉することがなくなる。よって、上述の構成においては、第１の膨張装置２０も第２の膨張装置２１も同じ制御方式のものが用いられているので、部品の共通化を図ることで製造コストの増大を避けることができると共に、システムのチューニング作業を不要又は簡易にすることが可能となる。

図１は、本発明に係るツインエアコン用の冷凍サイクルの全体構成例を示す図である。図２は、図１の膨張装置からアキュムレータの上流側に至るまでの構成の他の例を示す図である。図３（ａ）は、図１の流量調整弁に変えて三方弁を用いた例を示す図であり、図３（ｂ）は、図２の流量調整弁に変えて二方弁を用いた例を示す図である。図４は、膨張装置の下流で蒸発器を並列に接続した構成を示し、図４（ａ）は三方弁タイプの流量調整弁を用いた例を示し、図４（ｂ）は二方弁タイプの流量調整弁を用いた例を示す構成例である。図５は、ツインエアコン用の冷凍サイクルの他の構成例を示す図である。図６は、図５で示すコントロールユニットによる膨張装置の弁開度の制御動作例を示すフローチャートである。

１冷凍サイクル
２圧縮機
３放熱器
４膨張装置
５第１の蒸発器
６第２の蒸発器
７、９流量調整弁
２０第１の膨張装置
２１第２の膨張装置
２２内部熱交換器

Claims

冷媒を臨界圧力を超える圧力まで昇圧可能とする圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
前記放熱器出口側の圧力を前記放熱器出口側の冷媒温度に基づき決定される所定圧力に制御するためのものであって単体で用いられる膨張装置と、
前記膨張装置で減圧された冷媒を蒸発させる第１及び第２の蒸発器と、
前記第１及び第２の蒸発器へ供給される冷媒の分配量を当該第１及び第２の蒸発器の双方に対し常に分配するようにしながら調節する流量調整手段とを有して構成されることを特徴とする冷凍サイクル。
前記第１の蒸発器と第２の蒸発器とは前記膨張装置の下流側で直列に接続され、前記流量調整手段は、上流側に配された蒸発器に供給される冷媒量と、下流側に配された蒸発器に供給される冷媒量とを調節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。
前記流量調整手段は、前記第１の蒸発器と前記第２の蒸発器のうち上流側に配された蒸発器の過熱度が一定となるように分配量が制御されるものであることを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル。
前記第１の蒸発器と第２の蒸発器とは前記膨張装置の下流側で並列に接続され、流量調整手段は、それぞれの蒸発器へ供給される冷媒量を調節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。
前記流量調整手段は、一方の蒸発器の過熱度が一定となるように分配量が制御されるものであることを特徴とする請求項４記載の冷凍サイクル。
前記流量調整手段は、前記第１の蒸発器へ供給される流量と前記第２の蒸発器へ供給される流量とを同時に調節する三方弁によって構成されていることを特徴とする請求項２又は４記載の冷凍サイクル。
前記流量調整手段は、一方の蒸発器へ供給される流量を調節することで他方の蒸発器への供給量を調節する二方弁によって構成されていることを特徴とする請求項２又は４記載の冷凍サイクル。
前記冷凍サイクルは、二酸化炭素を冷媒とする超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルであることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。