JP5209412B2 - Vapor compression refrigeration cycle - Google Patents
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本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルに関し、とくに、自然系冷媒である二酸化炭素を用いた冷凍サイクルを有する車両用空調装置に好適な蒸気圧縮式冷凍サイクルに関する。 The present invention relates to a vapor compression refrigeration cycle, and particularly to a vapor compression refrigeration cycle suitable for a vehicle air conditioner having a refrigeration cycle using carbon dioxide, which is a natural refrigerant.
車両用空調装置における蒸気圧縮式冷凍サイクルについて、その冷媒として自然系冷媒である二酸化炭素を用いている場合においては、外部からの制御信号によって膨張装置の弁開度を制御することで、冷媒の高圧側ラインの圧力を調節するものが知られている(例えば、特許文献1)。 In the case of a vapor compression refrigeration cycle in a vehicle air conditioner, when carbon dioxide, which is a natural refrigerant, is used as the refrigerant, the valve opening of the expansion device is controlled by an external control signal. One that adjusts the pressure of the high-pressure side line is known (for example, Patent Document 1).
このような冷凍サイクルにおいては、冷凍サイクルの高圧側冷媒温度などを参照することにより冷凍サイクルの成績係数(COP:Coefficient of Performance)が最適となる高圧側圧力を演算し、高圧側圧力が最適となるように膨張装置の弁開度などを制御するようにしている。 In such a refrigeration cycle, the high pressure side pressure at which the coefficient of performance (COP) of the refrigeration cycle is optimal is calculated by referring to the high pressure side refrigerant temperature of the refrigeration cycle, and the high pressure side pressure is optimal. Thus, the valve opening degree of the expansion device is controlled.
また、ガスクーラ出口冷媒の圧力、温度に応じてオリフィスの通路断面積を可変できるようにして冷凍サイクルを効率よく運転するようにしたものも提案されている。これは、ガスクーラ出口側における冷媒の圧力および温度は、ガスクーラ出口側における冷媒の温度と成績係数が最大となる圧力とから求めた最適制御線上に沿って制御されるようになり、二酸化炭素使用した冷凍サイクルの効率よい運転を可能にしている。
前述のようにガスクーラ出口冷媒の温度を参照することにより演算される最適な高圧側圧力となるように、電気制御式膨張機構を制御する方法や、圧力、温度に応じてオリフィスの通路断面積が可変する機械式の膨張機構などが提案されている。前者は、ガスクーラ出口冷媒温度および圧力を検知し、その検知量に応じて電気式の膨張弁を制御するものであるため、装置が複雑で大型化、制御方法が複雑になり、コストも上昇するとされている。後者は、ガスクーラ出口冷媒温度、圧力に応じてそのオリフィスの通路断面積を可変させるものであり、ガスクーラ出口冷媒温度を感知するため、冷凍サイクルの配管接続が複雑化し、締結部の増加も懸念され、コストも上昇すると考えられる。一般的に二酸化炭素を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルは、高圧側冷媒と低圧側冷媒を熱交換する内部熱交換器を備えている。そのため、ガスクーラから流出した冷媒を前記内部熱交換器に流通させた後、膨張機構へと流入させる構成となっている。その結果、ガスクーラ出口冷媒を検知した後、再度内部熱交換器を流通させてから膨張機構へと流入する構成となることから、前述の機械式の膨張機構では、適用する上で長所に比べて欠点が大きいと考えられる。 As described above, the method of controlling the electrically controlled expansion mechanism so as to obtain the optimum high-pressure side pressure calculated by referring to the temperature of the refrigerant at the gas cooler outlet, and the passage cross-sectional area of the orifice depends on the pressure and temperature. A variable mechanical expansion mechanism has been proposed. The former detects the refrigerant temperature and pressure at the gas cooler outlet, and controls the electric expansion valve according to the detected amount, so that the device becomes complicated and large, the control method becomes complicated, and the cost increases. Has been. The latter makes the passage cross-sectional area of the orifice variable according to the gas cooler outlet refrigerant temperature and pressure, and because the gas cooler outlet refrigerant temperature is sensed, the piping connection of the refrigeration cycle becomes complicated, and there is a concern that the number of fastening parts will increase. Costs are also expected to rise. In general, a vapor compression refrigeration cycle using carbon dioxide includes an internal heat exchanger for exchanging heat between a high-pressure side refrigerant and a low-pressure side refrigerant. For this reason, the refrigerant that has flowed out of the gas cooler is circulated through the internal heat exchanger and then flows into the expansion mechanism. As a result, after detecting the refrigerant at the outlet of the gas cooler, the internal heat exchanger is circulated again and then flows into the expansion mechanism. Therefore, in the mechanical expansion mechanism described above, compared to the advantages in terms of application It is thought that there are major drawbacks.
図1に、ガスクーラ出口冷媒温度に関して、冷媒圧力と冷凍サイクルの成績係数(COP)との関係を示す。図1より、ガスクーラ出口冷媒温度が臨界温度(約31℃)以下では、高圧側冷媒圧力の値が低いほど成績係数が向上する。また、臨界温度以上では、成績係数が最大となるある高圧側冷媒圧力(図1中の点線上の箇所)が存在し、ガスクーラ出口冷媒温度の上昇に伴って、成績係数が極大となる高圧側圧力がより上昇することがわかる。また、ガスクーラ出口冷媒温度が、ある所定温度(約40℃)を超えると、高圧側圧力の変化による成績係数の優劣が小さくなることが確認できる。これらのことから、ガスクーラ出口冷媒温度が30℃〜40℃程度の範囲で、高圧側冷媒圧力(圧力制御範囲として約8〜10MPa)を積極的に制御することが重要であると考えられる。 FIG. 1 shows the relationship between the refrigerant pressure and the coefficient of performance (COP) of the refrigeration cycle with respect to the gas cooler outlet refrigerant temperature. From FIG. 1, when the gas cooler outlet refrigerant temperature is equal to or lower than the critical temperature (about 31 ° C.), the coefficient of performance improves as the value of the high-pressure side refrigerant pressure decreases. In addition, there is a certain high-pressure refrigerant pressure (location on the dotted line in FIG. 1) at which the coefficient of performance is maximum above the critical temperature, and the coefficient of performance is maximized as the gas cooler outlet refrigerant temperature rises. It can be seen that the pressure rises more. In addition, when the gas cooler outlet refrigerant temperature exceeds a certain predetermined temperature (about 40 ° C.), it can be confirmed that the superiority or inferiority of the coefficient of performance due to the change in the high-pressure side pressure becomes small. From these things, it is thought that it is important to positively control the high-pressure side refrigerant pressure (the pressure control range is about 8 to 10 MPa) when the gas cooler outlet refrigerant temperature is in the range of about 30 ° C to 40 ° C.
しかしながら、上述の温度範囲では、成績係数が極大になる高圧側冷媒圧力に制御することができれば成績係数は向上するものの、最適な高圧側冷媒圧力より低い圧力で制御した場合には、成績係数の低下が著しいことがわかる。このことから、上記ガスクーラ出口冷媒温度により高圧側冷媒圧力を制御する方法においては、その効果が期待できるのはある特定の温度帯(30℃〜40℃程度の範囲)で、かつ、そのときの高圧側制御圧力は最適圧力以上(例えば、図1に示すAの領域)で制御する必要があると考えられる。 However, in the above temperature range, although the coefficient of performance improves if it can be controlled to the high-pressure side refrigerant pressure at which the coefficient of performance is maximized, when the control is performed at a pressure lower than the optimum high-pressure side refrigerant pressure, the coefficient of performance of It can be seen that the decrease is significant. Therefore, in the method of controlling the high-pressure side refrigerant pressure by the gas cooler outlet refrigerant temperature, the effect can be expected in a specific temperature range (a range of about 30 ° C. to 40 ° C.) and at that time It is considered that the high-pressure side control pressure needs to be controlled above the optimum pressure (for example, the region A shown in FIG. 1).
また、前述のような膨張機構では、全体的に高圧側圧力を最適高圧に制御することを目的とした膨張機構および制御方法であるため、その装置(冷凍サイクル)の複雑さ、制御の困難さ、コスト高、等のそれぞれの課題が大きい。そのため、ガスクーラ出口冷媒温度を検知して、高圧側冷媒圧力を制御することによる成績係数の向上効果と、冷凍サイクルの配管構成の簡便さ及び制御の簡便さ等とのトレードオフが存在すると考えられる。そのため、冷凍サイクルの配管構成を簡便とし、成績係数向上を狙える膨張機構の開発が望まれている。 Further, since the expansion mechanism as described above is an expansion mechanism and a control method for the purpose of controlling the high-pressure side pressure to the optimum high pressure as a whole, the complexity of the apparatus (refrigeration cycle) and the difficulty of control are limited. There are major issues such as high costs. Therefore, it is considered that there is a trade-off between the effect of improving the coefficient of performance by detecting the refrigerant temperature at the gas cooler outlet and controlling the refrigerant pressure on the high pressure side, the simplicity of the piping configuration of the refrigeration cycle, the simplicity of control, etc. . Therefore, it is desired to develop an expansion mechanism that simplifies the piping configuration of the refrigeration cycle and aims to improve the coefficient of performance.
このような要望に対し、未だ出願未公開の段階にあるが、先に本出願人により、冷媒圧力に応じて膨張機構通過前後の差圧を制御することのできる膨張機構等が提案されており、また、膨張機構通過後の冷媒温度により、膨張機構通過前後の差圧制御の特性を変更することができる膨張機構等についても提案されている(特願2007−115368号)。具体的には冷媒圧力に応じて膨張機構通過前後の差圧を制御する膨張機構において、蒸気圧縮式冷凍サイクルの成績係数向上を狙えるような最小の冷媒通路径、差圧制御特性を設定することで、冷凍サイクルとしては、簡便な上、成績係数の向上も達成することができる膨張機構が得られた。 In response to such a request, the application is still unpublished, but the applicant has previously proposed an expansion mechanism that can control the differential pressure before and after passing through the expansion mechanism according to the refrigerant pressure. In addition, an expansion mechanism that can change the characteristics of differential pressure control before and after passing through the expansion mechanism is also proposed according to the refrigerant temperature after passing through the expansion mechanism (Japanese Patent Application No. 2007-115368). Specifically, in the expansion mechanism that controls the differential pressure before and after passage through the expansion mechanism according to the refrigerant pressure, the minimum refrigerant passage diameter and differential pressure control characteristics that can improve the coefficient of performance of the vapor compression refrigeration cycle should be set Thus, an expansion mechanism capable of achieving an improvement in the coefficient of performance as well as a simple refrigeration cycle was obtained.
しかしながら、上記のような膨張機構をさまざまな条件にて検討していたところ、下記のような問題点が残されていることが明らかになった。すなわち、この膨張機構を用いた冷凍サイクルにおいて熱負荷が小さい条件では、蒸発器の出口空気温度の温度分布にばらつきが大きくなることがわかった。これは、膨張機構を通過して蒸発器へ流入した冷媒が不足したため、蒸発器内部に適切に冷媒が流れることができず、蒸発器の出口空気温度の温度分布にばらつきが生じていると考えられる。つまり、冷媒が不足した状態となってしまったと考えられる。また、本発明者らにより、冷媒が不足したこのような状態は、膨張機構の冷媒通路の最小径を大きくすることで解消されることは確認されている。しかしながら、前述の通り蒸気圧縮式冷凍サイクルの成績係数向上を狙って膨張機構の冷媒流路の最小径を決定していることから、冷媒流路の最小径を拡大することは成績係数の低下につながってしまう。また、上述の通り、成績係数の向上を狙った上記膨張機構の仕様では、低負荷条件では冷媒が(通過冷媒量が)不足した状態になってしまう。さらに、低圧が下がることで低負荷での冷凍サイクルの起動が困難になることも想定されるため、蒸気圧縮式冷凍サイクルとしての機能を損なうことも懸念される。 However, when the above expansion mechanism was examined under various conditions, it became clear that the following problems remained. In other words, it has been found that the variation in the temperature distribution of the outlet air temperature of the evaporator increases under the condition that the heat load is small in the refrigeration cycle using this expansion mechanism. This is because the refrigerant flowing through the expansion mechanism and flowing into the evaporator is insufficient, so that the refrigerant cannot properly flow inside the evaporator, and the temperature distribution of the outlet air temperature of the evaporator is uneven. It is done. That is, it is considered that the refrigerant has become insufficient. Further, it has been confirmed by the present inventors that such a state where the refrigerant is insufficient is solved by increasing the minimum diameter of the refrigerant passage of the expansion mechanism. However, as described above, since the minimum diameter of the refrigerant flow path of the expansion mechanism is determined with the aim of improving the coefficient of performance of the vapor compression refrigeration cycle, increasing the minimum diameter of the refrigerant flow path reduces the coefficient of performance. It will be connected. In addition, as described above, in the specification of the expansion mechanism that aims to improve the coefficient of performance, the refrigerant (passing refrigerant amount) becomes insufficient under low load conditions. Furthermore, since it is assumed that it is difficult to start the refrigeration cycle at a low load due to a decrease in low pressure, there is a concern that the function as the vapor compression refrigeration cycle may be impaired.
そこで本発明の課題は、冷媒の圧力に応じて膨張機構通過前後の差圧を最適に制御することができるようにするとともに、負荷状態を膨張機構を通過する冷媒の温度により検知し、その冷媒の温度に応じて、膨張機構通過前後の差圧制御状態を変更可能とし、負荷状態に応じた最適な制御、とくに低負荷での冷媒不足や起動困難性の問題を解消可能な蒸気圧縮式冷凍サイクルを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to make it possible to optimally control the differential pressure before and after passing through the expansion mechanism in accordance with the pressure of the refrigerant, and to detect the load state based on the temperature of the refrigerant passing through the expansion mechanism. Vapor compression type refrigeration that can change the differential pressure control state before and after passing through the expansion mechanism according to the temperature of the compressor, and that can optimally control the load state, especially the problem of refrigerant shortage and start-up difficulty at low loads To provide a cycle.
上記課題を解決するために、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルは、冷媒の超臨界作動領域を有する蒸気圧縮式の冷凍サイクル中に、該冷凍サイクル中を循環する冷媒を膨張機構により断熱膨張することができ、膨張機構の入口側冷媒圧力と出口側冷媒圧力との差圧に応じて膨張機構を通過する冷媒の量を調節することのできる差圧式膨張手段を備えており、該差圧式膨張手段は、前記差圧が予め設定された開弁開始圧以上になったとき開弁を開始し、前記差圧の増加に伴い開弁量を増大していく差圧弁を備えており、該差圧弁は、該差圧弁を貫通して延び、膨張機構に流入した冷媒が常時差圧弁を通過して断熱膨張することのできる冷媒連通路を備えており、前記差圧弁の閉弁位置は該差圧弁の先端部が膨張機構の躯体の係止部に係止されることによって決められるとともに、該膨張機構の躯体の前記係止部以外の差圧弁の先端部部位には冷媒が常時流通可能な弁先端部流路が形成されており、該弁先端部流路は、膨張機構に流入されてくる冷媒の温度に応じて変位可能な可動体を備えた温度補正手段により、該流入されてくる冷媒の温度に応じて流路断面積が可変されるように構成されていることを特徴とするものからなる。 In order to solve the above-described problems, a vapor compression refrigeration cycle according to the present invention includes an expansion mechanism that adiabatically expands a refrigerant circulating in the refrigeration cycle during a vapor compression refrigeration cycle having a supercritical operating region of the refrigerant. Differential pressure type expansion means capable of adjusting the amount of refrigerant passing through the expansion mechanism in accordance with the differential pressure between the inlet side refrigerant pressure and the outlet side refrigerant pressure of the expansion mechanism. The expansion means includes a differential pressure valve that starts valve opening when the differential pressure becomes equal to or higher than a preset valve opening start pressure, and increases the valve opening amount as the differential pressure increases. The differential pressure valve includes a refrigerant communication path that extends through the differential pressure valve and allows the refrigerant that has flowed into the expansion mechanism to constantly pass through the differential pressure valve and adiabatically expand, and the closed position of the differential pressure valve is The tip of the differential pressure valve is locked to the locking part of the expansion mechanism housing. In addition, a valve tip portion flow passage through which refrigerant can always flow is formed at the tip portion of the differential pressure valve other than the locking portion of the casing of the expansion mechanism. Is configured so that the flow path cross-sectional area can be varied according to the temperature of the refrigerant flowing in by the temperature correction means including a movable body that can be displaced according to the temperature of the refrigerant flowing into the expansion mechanism. It consists of what is characterized by being.
このような本発明に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいては、差圧式膨張手段によって、膨張機構を通過する冷媒の量が調節されるが、この冷媒量は、膨張機構の入口側冷媒圧力と出口側冷媒圧力との差圧(膨張機構通過前後差圧)が予め設定された開弁開始圧以上になったとき開弁を開始し、前記差圧の増加に伴い開弁量を増大していく差圧弁の動作と、膨張機構に流入されてくる冷媒の温度に応じて変位可能な温度補正手段の可動体の動作とによって制御される。すなわち、差圧弁部位を冷媒が通過するための冷媒流路断面積は、差圧弁中に形成された冷媒が常時差圧弁を通過する冷媒連通路(固定オリフィス)の流路断面積と、差圧弁の閉弁位置(差圧弁の先端部が膨張機構の躯体の係止部に係止される位置)からの開弁量に応じた流路断面積と、前記係止部以外の差圧弁の先端部部位に形成された冷媒が常時流通可能な弁先端部流路の流路断面積とによって決められるが、このうち、差圧弁の開弁量に応じた流路断面積は、冷媒の膨張機構通過前後差圧が開弁開始圧以上になったときの該差圧の増加に伴って増大されていき、弁先端部流路の流路断面積は、冷媒の温度に応じた可動体の変位によって可変される。換言すれば、膨張機構通過前後差圧に応じて差圧弁の開弁量が適切に可変制御され、さらに、その差圧弁の開弁量に応じた流路断面積が、冷媒の温度に応じた可動体の変位によってより最適な流路断面積に温度補正制御されることになる。したがって、膨張機構通過前後の差圧の適切な制御とともに、その時の負荷を冷媒温度で検知して負荷に応じた補正、とくに低負荷時の冷媒流量増大が可能になり、冷凍サイクルの効率的な運転と低負荷時における確実な起動の確保が可能になる。 In such a vapor compression refrigeration cycle according to the present invention, the amount of refrigerant passing through the expansion mechanism is adjusted by the differential pressure expansion means. The refrigerant amount is determined by the inlet side refrigerant pressure and the outlet side of the expansion mechanism. When the differential pressure from the refrigerant pressure (differential pressure before and after passing through the expansion mechanism) is equal to or higher than a preset valve opening start pressure, valve opening is started, and the valve opening amount is increased as the differential pressure increases. It is controlled by the operation of the pressure valve and the operation of the movable body of the temperature correction means that can be displaced according to the temperature of the refrigerant flowing into the expansion mechanism. That is, the refrigerant flow path cross-sectional area for allowing the refrigerant to pass through the differential pressure valve portion is equal to the flow path cross-sectional area of the refrigerant communication path (fixed orifice) through which the refrigerant formed in the differential pressure valve always passes through the differential pressure valve. The valve cross-sectional area according to the valve opening amount from the valve closing position (the position where the tip of the differential pressure valve is locked to the locking portion of the housing of the expansion mechanism), and the tip of the differential pressure valve other than the locking portion The flow path cross-sectional area corresponding to the valve opening amount of the differential pressure valve is determined by the refrigerant expansion mechanism. When the differential pressure before and after passage becomes equal to or higher than the valve opening start pressure, the differential pressure increases as the differential pressure increases. It is variable by. In other words, the valve opening amount of the differential pressure valve is appropriately variably controlled according to the differential pressure before and after passing through the expansion mechanism, and the flow path cross-sectional area corresponding to the valve opening amount of the differential pressure valve is in accordance with the temperature of the refrigerant. Temperature correction control is performed to a more optimal flow path cross-sectional area by the displacement of the movable body. Therefore, along with appropriate control of the differential pressure before and after passing through the expansion mechanism, it is possible to detect the load at that time based on the refrigerant temperature and to make corrections according to the load, in particular, to increase the refrigerant flow rate at low loads. It is possible to ensure reliable start-up during operation and low load.
上記本発明に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいては、上記差圧弁の閉弁時において、上記流入されてくる冷媒の温度が予め定めた所定値以上の場合、上記弁先端部流路の流路断面積が予め定めた所定の流路断面積に保たれるように構成されていることが好ましい。つまり、差圧弁の閉弁時においては、弁先端部流路の流路断面積はそのときの可動体の位置によって決められることになるが、冷媒の温度が予め定めた所定値以上の場合には、可動体の位置が所定の定位置になるように設定され、それによって弁先端部流路の流路断面積が予め定めた所定の流路断面積に保たれるように構成されていることが好ましい。このような構成とすることにより、冷媒の温度が予め定めた所定値よりも低くなると、可動体を所定の定位置から変位させて弁先端部流路の流路断面積を拡大し、それによって低負荷時の冷媒流量を増大させることが可能になる。可動体を所定の定位置に位置決めするためには、例えば、可動体を膨張機構の躯体の適切な部位に係止させるようにすればよい。 In the vapor compression refrigeration cycle according to the present invention, when the differential pressure valve is closed, if the temperature of the inflowing refrigerant is equal to or higher than a predetermined value, the valve tip portion flow path is disconnected. It is preferable that the area is maintained at a predetermined flow path cross-sectional area. That is, when the differential pressure valve is closed, the flow passage cross-sectional area of the valve tip portion flow passage is determined by the position of the movable body at that time, but when the refrigerant temperature is equal to or higher than a predetermined value. Is configured such that the position of the movable body is set to a predetermined fixed position, whereby the flow path cross-sectional area of the valve tip portion flow path is maintained at a predetermined flow path cross-sectional area determined in advance. It is preferable. By adopting such a configuration, when the temperature of the refrigerant is lower than a predetermined value, the movable body is displaced from a predetermined fixed position, and the flow path cross-sectional area of the valve tip portion flow path is expanded, thereby It becomes possible to increase the refrigerant flow rate at the time of low load. In order to position the movable body at a predetermined fixed position, for example, the movable body may be locked to an appropriate part of the housing of the expansion mechanism.
したがって、上記温度補正手段の可動体は、上記流入されてくる冷媒の温度が低くなるに従い、上記弁先端部流路の流路断面積が大きくなるように変位されることが好ましい。これは、とくに低負荷時の冷凍サイクルの効率的な運転と、低負荷時における確実な起動の両方を確保するためである。 Therefore, it is preferable that the movable body of the temperature correcting means is displaced so that the flow passage cross-sectional area of the valve tip portion flow passage becomes larger as the temperature of the refrigerant flowing in becomes lower. This is to ensure both efficient operation of the refrigeration cycle particularly at low loads and reliable start-up at low loads.
上記弁先端部流路の、上記流入されてくる冷媒の温度が予め定めた上記所定値よりも低くなったときの流路断面積が、流路相当直径にて0.5mm以上0.8mm以下の範囲内に設定されていることが好ましい。ただし、この範囲はある実験系における結果から適切な範囲として導かれたものであるので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの仕様によっては、この範囲に拘束されない。 The flow path cross-sectional area of the valve tip flow path when the temperature of the inflowing refrigerant is lower than the predetermined value set in advance is 0.5 mm or more and 0.8 mm or less in the flow path equivalent diameter. It is preferable to set within the range. However, since this range is derived as an appropriate range from the results in a certain experimental system, it is not restricted to this range depending on the specifications of the vapor compression refrigeration cycle.
また上記において、上記温度補正手段の可動体は、上記流入されてくる冷媒の温度が低くなるに従い、前記弁先端部流路の流路断面積が前記差圧弁の冷媒連通路の流路断面積よりも大きくなるように変位されることが好ましい。差圧弁の冷媒連通路(固定オリフィス)の流路断面積よりも大きくなるように変位されることより、低負荷時においてより確実に冷凍サイクルを起動させることができる。 Further, in the above, the movable body of the temperature correction means is configured such that the flow passage cross-sectional area of the valve tip portion flow passage becomes the flow passage cross-sectional area of the refrigerant communication passage of the differential pressure valve as the temperature of the refrigerant flowing in decreases. It is preferable to be displaced so as to be larger than that. The refrigeration cycle can be started more reliably at low loads by being displaced so as to be larger than the flow path cross-sectional area of the refrigerant communication passage (fixed orifice) of the differential pressure valve.
本発明に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルは、とくに車両用空調装置の冷凍サイクルとして用いて好適なものであり、中でも、使用される冷媒が自然系冷媒である二酸化炭素からなる場合に好適なものである。 The vapor compression refrigeration cycle according to the present invention is particularly suitable for use as a refrigeration cycle for a vehicle air conditioner, and is particularly suitable when the refrigerant used is made of carbon dioxide, which is a natural refrigerant. is there.
本発明に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルによれば、とくに蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒として自然系冷媒である二酸化炭素を用いた車両用空調装置において、冷媒の圧力に応じて膨張機構通過前後の差圧を適切に制御することができるようになるとともに、その制御状態を冷媒の温度に応じて最適に補正することができるようになり、差圧式膨張手段の最適な設計が可能となって、冷凍サイクルの効率的な運転と起動の安定性を確保することができる。 According to the vapor compression refrigeration cycle according to the present invention, in particular, in a vehicle air conditioner that uses carbon dioxide, which is a natural refrigerant, as a refrigerant in the vapor compression refrigeration cycle, the difference between before and after passing through the expansion mechanism according to the refrigerant pressure. The pressure can be appropriately controlled, and the control state can be optimally corrected according to the temperature of the refrigerant, so that the optimum design of the differential pressure type expansion means can be realized. Efficient operation and start-up stability of the cycle can be ensured.
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図2は、車両用空調装置に、本発明の一実施態様に係る、自然系冷媒である二酸化炭素を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルを組み込んだ場合の機械的な構成部分全体を示しており、通風回路と冷凍回路(冷凍サイクル)が設けられている。冷凍サイクルには、駆動源としての車両のエンジン1(但し、電動モータ等、他の駆動源も可能である)により、プーリ2、3を介したベルト12の駆動によって駆動される固定容量式または容量可変式圧縮機4と、圧縮機4から吐出される高圧冷媒の圧力を検出する高圧側圧力検出手段5と、圧縮機4からの高圧冷媒と外部空気との熱交換により冷媒を冷却する放熱器6(ガスクーラ)と、放熱器冷却ファン7と、放熱器6から流出した高圧冷媒と気液分離器11(アキュームレータ)から流出した低圧冷媒との間で熱交換する内部熱交換器8と、放熱器6から内部熱交換器8を通して送られてくる冷媒を断熱膨張させる膨張機構9を備えており、本発明では、この膨張機構9が、膨張機構の入口側冷媒圧力と出口側冷媒圧力との差圧に応じて膨張機構を通過する冷媒の量を調節することのできる差圧式膨張手段を備えている。膨張機構9からの冷媒は蒸発器10に送られて空調風を冷却し、蒸発器10から流出した冷媒は、気液分離器11で気液分離され、液冷媒が貯留されるとともに気冷媒が流出され、流出された気冷媒は内部熱交換器8を通して圧縮機4に送られ、再び圧縮される。このように冷凍サイクル13が構成されている。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 shows an entire mechanical component when a vapor compression refrigeration cycle using carbon dioxide, which is a natural refrigerant, is incorporated into a vehicle air conditioner according to an embodiment of the present invention. A ventilation circuit and a refrigeration circuit (refrigeration cycle) are provided. In the refrigeration cycle, a fixed capacity type driven by the driving of the
蒸発器10は、車室内へと空調風を送る通風ダクト14内に配置されている。通風ダクト14には、外気導入口15と内気導入口16から、内外気切替ダンパ17を介して空気が導入され、内外気切替ダンパ17は内外気切替ダンパアクチュエータ18によって作動が制御される。導入された空気はブロワファン19によって吸入され下流側の蒸発器10に向けて圧送される。蒸発器10の出口側には、蒸発器出口空気温度センサ20が設けられており、蒸発器10の下流側には、加熱器としてのヒータコア21が設けられている。このヒータコア21を通過する空気とバイパスする空気の割合がエアミックスダンパ22によって調節され、エアミックスダンパ22の開度はエアミックスダンパアクチュエータ23によって制御される。温調された空気は、各ダンパ24、25、26を介して各吹き出し口27、28、29から車室内に向けて吹き出される。
The
31は、空調制御装置を示しており、空調制御装置31には、外気温度センサ32からの外気温度信号、日射センサ33からの日射量信号、車室内温度センサ34からの車内温度信号、高圧側圧力検出手段5の高圧側冷媒圧力信号35、蒸発器出口空気温度センサ20からの蒸発器出口空気温度信号が、それぞれ入力される。空調制御装置31からは、圧縮機4の駆動を制御するクラッチコントローラ36へクラッチ制御信号37が、圧縮機4へ圧縮機容量制御信号38が、エアミックスダンパアクチュエータ23へエアミックスダンパ制御信号39が、内外気切替ダンパアクチュエータ18へ内外気切替ダンパ制御信号40が、それぞれ出力される。
図3に、差圧式膨張手段を備えた膨張機構41の基本形態(本発明の前提となる形態)の一例を示す(矢印は、冷媒の流れ方向を示している。以下の図においても同じである。)。但し、図3は機構の概念図を示したものであり、図示された構造に限定されるものではない。図3における差圧式の膨張機構41は、常時冷媒が流通する冷媒連通路としての固定オリフィス部42を有し、膨張機構冷媒流入口43における膨張機構41の入口側冷媒圧力と膨張機構冷媒流出口44における膨張機構41の出口側冷媒圧力との差圧に応じて膨張機構41を通過する冷媒の量を調節することでき、該差圧の増加に伴い開弁していく差圧弁45を備えており、差圧弁45は、ばね46によって閉弁方向に付勢されている。
3 shows an example of a basic form (form which is a premise of the present invention) of an
差圧式膨張機構41の上流側より流入した冷媒は、差圧弁45に設けられた冷媒連通路としての固定オリフィス部42を通過し、膨張機構冷媒流出口44から蒸発器10に送られる。固定オリフィス部42を持つ差圧弁45は、上流側からの冷媒により圧力を受けており、その圧力は、差圧弁45に連結されているばね46に対して、開弁方向の力として働く。また、ばね46は、上流側に向けての力、すなわち閉弁方向の力として働く。この2種類の力関係が、開弁方向の力より閉弁方向の力の方が強い場合には、固定オリフィス部42を持つ差圧弁45は開弁せず、冷媒流路断面積として固定オリフィス部42の流路断面積を持つ膨張機構となる。一方、開弁方向の力が閉弁方向の力より強い場合には、差圧弁45が開弁され、固定オリフィス部42の流路断面積に加えて、その差圧弁45と膨張機構41の躯体との隙間を加えた冷媒流路断面積を持つ膨張機構となる。このような作動原理により、固定オリフィス部42前後の差圧により冷媒流路断面積が変化し、その前後差圧、または、高圧側圧力を制御するようにしている。
The refrigerant that has flowed in from the upstream side of the differential pressure
上記のような基本形態に係る差圧式膨張機構41に対し、本発明では、以下のような温度補正手段としての温度補正機構が付加される。図4は、温度補正機構を付加した実施例1に係る差圧式膨張機構51を示しており、冷媒連通路としての固定オリフィス部42、膨張機構冷媒流入口43、膨張機構冷媒流出口44、差圧弁45、ばね46の構造は、図3に示したものと同等あるいは同一であるので、図3に付したのと同一の符号を付すことにより説明を省略する。この実施例1においては、差圧弁45の閉弁位置は該差圧弁45の先端部45aが膨張機構の躯体の係止部52に係止されることによって決められるようになっている。この膨張機構の躯体の係止部52以外の部位に対応する差圧弁45の先端部部位45bには冷媒が常時流通可能な弁先端部流路53が形成されており、該弁先端部流路53は、膨張機構51に流入されてくる冷媒の温度に応じて変位可能な可動体54を備えた温度補正手段により、該流入されてくる冷媒の温度に応じて流路断面積が可変されるように構成されている。この可動体54は、本実施例では、形状記憶合金からなるばね55によって付勢されている。形状記憶合金からなるばね55は、温度が(流入されてくる冷媒の温度が)予め定めた所定値よりも低くなると、ばね長が短くなる方向に縮み、それに伴って可動体54が図4の右方向に変位されるようになっている。可動体54は、本実施例では、変位前には、上記係止部52と該係止部52とは別の膨張機構の躯体の係止部56に係止されるので、差圧弁45の閉弁時においては、弁先端部流路53の流路断面積は予め定めた所定の流路断面積に保たれる。しかし、流入されてくる冷媒の温度が上記所定値よりも低くなるに従い、可動体54は図4の右方向に変位され、弁先端部流路53の流路断面積が、上記予め定めた所定の流路断面積から増大される。この弁先端部流路53の流路断面積の増大により、とくに低負荷時の冷媒流量増大が可能になり、前述の差圧弁45による冷凍サイクルの効率的な運転に加えて、低負荷時における確実な起動の確保が可能になる。なお、上記可動体54は、より具体的な形状として、例えば図5に示すように、環状体に対し舌部57が設けられた形状に形成できる。
In the present invention, a temperature correction mechanism as a temperature correction means as described below is added to the differential pressure
図6は、温度補正機構を付加した実施例2に係る差圧式膨張機構61を示しており、冷媒連通路としての固定オリフィス部42、膨張機構冷媒流入口43、膨張機構冷媒流出口44、差圧弁45、ばね46の構造は、図3に示したものと同等あるいは同一であるので、図3に付したのと同一の符号を付すことにより説明を省略する。この実施例2においても、差圧弁45の閉弁位置は該差圧弁45の先端部45aが膨張機構の躯体の係止部52に係止されることによって決められるようになっている。この膨張機構の躯体の係止部52以外の部位に対応する差圧弁45の先端部部位45bには冷媒が常時流通可能な弁先端部流路62が形成されており、該弁先端部流路62は、膨張機構61に流入されてくる冷媒の温度に応じて変位可能な可動体63を備えた温度補正手段により、該流入されてくる冷媒の温度に応じて流路断面積が可変されるように構成されている。この可動体63は、本実施例では、図7にも示すように、円筒体の長手方向中央部外周に、環状フランジ部64が設けられた形状に形成され、差圧弁45側先端部には、図5に示した形態と同様の舌部65が設けられている。環状フランジ部64の各側には、ばね66、67が配置されて可動体63は両ばね66、67のばね力のバランスした位置に決められる。本実施例においては、ばね66、67の少なくとも一方が形状記憶合金からなるばねに構成されており、流入されてくる冷媒の温度が予め定めた所定値よりも低くなると、形状記憶合金からなるばねの伸縮により可動体63が図6の右方向に変位されるようになっている。この可動体63の変位により、弁先端部流路62の流路断面積が、予め定めた所定の流路断面積から増大される。この弁先端部流路62の流路断面積の増大により、とくに低負荷時の冷媒流量増大が可能になり、前述の差圧弁45による冷凍サイクルの効率的な運転に加えて、低負荷時における確実な起動の確保が可能になる。
FIG. 6 shows a differential pressure
上記のように可動体54、63を有する温度補正機構を付加した実施例においては、可動体54、63をを持たない比較例(つまり、図3に示した差圧式膨張機構41に比べ、図8に示すような特性を発揮できる。図8における横軸は、固定オリフィス42の前後差圧を示しており、縦軸は、弁先端部流路の流路断面積の流路相当直径を示している。図示の如く、とくに差圧弁45が開弁する前の低負荷時において、冷媒温度に応じて弁先端部流路の流路断面積を適切に増大させ、冷媒を流れ易くして、冷凍サイクル起動に十分な冷媒流量を確保することができる。この弁先端部流路の流路断面積は、図示の如く、流路相当直径にて、0.5〜0.8mmの範囲内にあることが好ましい。
In the embodiment in which the temperature correction mechanism having the
本発明に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける差圧式膨張機構の構造は、あらゆる蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用可能であり、とくに二酸化炭素冷媒を用いた車両用空調装置の冷凍サイクルに好適なものである。 The structure of the differential pressure type expansion mechanism in the vapor compression refrigeration cycle according to the present invention can be applied to any vapor compression refrigeration cycle, and is particularly suitable for a refrigeration cycle of a vehicle air conditioner using a carbon dioxide refrigerant. .
1 エンジン
2、3 プーリ
4 圧縮機
5 高圧側圧力検出手段
6 放熱器(ガスクーラ)
7 放熱器冷却ファン
8 内部熱交換器
9 差圧式膨張機構
10 蒸発器
11 気液分離器(アキュームレータ)
12 ベルト
13 冷凍サイクル
14 通風ダクト
15 外気導入口
16 内気導入口
17 内外気切替ダンパ
18 内外気切替ダンパアクチュエータ
19 ブロワファン
20 蒸発器出口空気温度センサ
21 ヒータコア
22 エアミックスダンパ
23 エアミックスダンパアクチュエータ
24、25、26 ダンパ
27、28、29 吹き出し口
31 空調制御装置
32 外気温度センサ
33 日射センサ
34 車室内温度センサ
35 高圧側冷媒圧力信号
36 クラッチコントローラ
37 クラッチ制御信号
38 圧縮機容量制御信号
39 エアミックスダンパ制御信号
40 内外気切替ダンパ制御信号
41、51、61 差圧式膨張機構
42 冷媒連通路としての固定オリフィス部
43 膨張機構冷媒流入口
44 膨張機構冷媒流出口
45 差圧弁
45a、45b 差圧弁先端部
46 ばね
52、56 係止部
53、62 弁先端部流路
54、63 可動体
55、66、67 ばね(形状記憶合金ばね)
57、65 舌部
64 環状フランジ部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Engine 2, 3 Pulley 4 Compressor 5 High pressure side pressure detection means 6 Radiator (gas cooler)
7
12
57, 65
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