JPH07502335A - 高サイドに可変容積要素を有する超臨界蒸気圧縮回路装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 高サイドに可変容積要素を有する超臨界蒸気圧縮回路装置発明の利用分野 この発明は、超臨界域にわたる閉回路において作用する冷媒を使用した、冷凍装 置、空調ユニットやヒートポンプのような蒸気圧ｍ回路装置に関し、特に、これ らの装置の高サイド圧力３変更可能に制御するための装置と方法に関するもので ある。

発明の背景 この発明は、欧州特許出願第８９９１０２１１．５号の主題である、超臨界蒸気 圧縮回路装置に関するものである。

標準的な臨界点以下の蒸気圧縮技術は、完全に個々の冷媒の臨界値以下の操作圧 力と操作温度とを必要とするものである。しかしながら、超臨界蒸気圧縮回路は 回路の高サイドで臨界圧を超えるものである。この発明の最も重要な目的は、環 境的に受け入れられない冷媒に代る冷媒の使用を可能にする装置と方法を提供す ることであり、この発明の背景は標準的な蒸気圧縮技術からの発展という観点に おいて最もよく説明される。

単一段階の蒸気圧縮回路の基本的な構成は、コンプレッサと、コンデンサと、絞 り弁あるいは膨張弁、それに蒸発器とからなっている。これらの基本的な構成要 素には液体−吸い込み熱交換器が付は加えられることができる。

基本的な臨界圧以下の回路は次のように操作される。絞り弁において、その圧力 が減少した時、液体冷媒は部分的に蒸発し、冷却される。蒸発器に入った、液体 と蒸気の混合冷媒は冷却されるべき流体から熱を吸収し、冷媒は沸騰して完全に 蒸発する。そして、低圧の蒸気はコンプレッサに引き込まれ、その圧力は過熱さ れた蒸気が利用されている冷却媒体によって凝縮する所まで上昇させられる。

そして、圧縮された蒸気はコンデンサに流れ、その熱が空気、水や他の冷却用流 体に伝達されるので、そこで蒸気は冷却されて液化する。

ここで、“超臨界回路”なる言葉は、部分的に冷媒の臨界圧以下で操作され、部 分的に冷媒の臨界圧以上で操作される冷凍回路を意味している。超臨界領域にお いては、そこにはもはや如何なる飽和状態もないので、圧力は殆んど温度から独 立している。したがって、圧力は設定変更のできるものとして自由に選ぶことが できる。コンプレッサ出口の下流で、冷媒は冷却用媒体を有する熱交換器によっ てほぼ一定の圧力に冷却される。冷却は徐々に単−相の冷媒の密度を増加させる 。

高サイドにおける容積の変化および／または一時的な冷媒の供給はそこの圧力に 影響を与え、その圧力は一時的な供給と容積との間の関係によって決定されるも のである。

これに反し、臨界圧以下の装置では、冷媒の臨界点以下で操作され、したがって 、コンデンサにおいては、飽和液体と蒸気の２相状態で繰作される。高サイドの 容積の変化が、平衡飽和圧力に直接的に影響することはない。

超臨界蒸気圧縮回路において、高サイド圧力は、冷凍能力を制御したり、冷凍効 率を最適化するために調節され、この調節は冷媒供給および／または装置の高サ イドの全内部容積を調節することによってなすことができる。

発明が解決しようとする課題 この発明の目的は、装置の高サイドにおける圧力を制御するために、超臨界蒸気 圧縮装置の高サイドにおける容積を変更するための装置と方法を提供することで ある。

この発明の他の目的は、冷媒漏洩の影響を補償するための装置と方法を提供する ことである。

この発明のさらに池の目的は、超臨界蒸気圧縮装置の高サイド容積を変更するた めに、例えば、自動車の従来の流体圧装置に操作的に接続できる可変容積要素を 提供することである。

この発明のさらなる目的は、超臨界蒸気圧縮装置における高サイド圧力最適化や 冷凍能力制御のためのいかなる制御装置にも一体化できる可変容積要素を提供す ることである。

この発明のさらなる他の目的は、超臨界蒸気圧縮装置が操作されていない間には 圧力を減することのできる装置を提供し、それによって、低サイドは低い圧力公 差で設計することができるので、重量と材料の節約を可能とすることである。

この発明のなおさらなる目的は、環境的に受け入れ難い冷媒の使用を免除して、 車の空調のための装置と方法を提供することである。

この発明のこれらの目的および他の目的は、請求の範囲の請求項１〜９に記載の 装置や操作方法を提供することによって達成される。

図面の簡単な説明 この発明思想の種々の装置の具体例は図１〜４に例示されている。

図１は、圧力容器の斜線部分を占める装置外の媒体の圧力変化に応答して移動可 能な内部の柔軟な膜を含む圧力容器を有する、超臨界蒸気圧縮装置の概略図であ る。

図２は、可変容積要素の代替のピストンを含む第２具体例の概略図である。

２１３は、油圧によって取り巻かれている柔軟なホースである可変容積要素の第 ３具体例の概略図である。

図４の４ａ、４ｂ図は、回路装置に取り付けられた、あるいは、回路装置に組み 込まれたベローズである可変容積要素の他のく第４）具体例の概略図である。

好適な具体例の説明 図１は、この発明の装置が組み込まれ、この発明の方法によって操作される超臨 界蒸気圧縮装置の基本的な構成要素を示している。装置の冷媒の流れにしたがっ て、コンプレッサ１はガスクーラすなわち熱交換器２に通じている。この発明の 可変容積要素５は、回路の高サイドに、特に、コンプレッサ１の出口と、従来型 の絞り弁３、例えば図示されるような自動調温弁の入口の間で接続されている、 冷媒の流れは、さらに蒸発器４に向がい、そしてコンプレッサ１の入口に戻るも のである。

可変容積要素５はコンプレッサ１と絞り弁３との間に配置されるべきであるが、 図１に概略的に表されている位置に正確に位置付けられる必要はない。図１に示 される好適な具体例において、可変容積要素５は従来の圧力容器の構造を有して いる。

可変容積要素５は、内部の柔軟な膜６すなわち従来構造の隔壁を有している。

この膜６は、可変容積要素５の内側を、相対的な容積が膜６の位置によって決定 される不連通の２つの室７．８に分けるように、その可変容積要素５の内側表面 に移動可能に接触または接している。

この発明の好適な具体例において、隔壁すなわち膜６は、室７および室８の相対 的な容積を連続的に変化させるように、可変容積要素５の内側内を連続的に移動 可能である。なお、この発明の発明思想は、膜６の非連続的な移動をも含むけれ ども、膜６の位置の段階のない連続的な調節は、段階的な調節よりもより柔軟で 効率的な制御を可能にする。

室８は、油圧袋！（図示されていない）に接続されている弁９と連通している。

弁９はどのような流体でも、好ましくは圧力油であるが、室８内で制御すること ができる。どうしても必要というわけではないが、圧力油または油圧装置が、柔 軟な膜６の移動を強制するために使用されるのが好都合である。膜６に接続され たｔａｔｉ的手段上手段可変容積要素５に接続される加圧手段、例えば、加圧ガ スが満たされている室８またはスプリングにより作動する圧力さえも、膜６すな わち隔壁の移動に対する手段としてこの発明の思想内にある。

弁９が室８に入る圧力油の制御された量を許容するとき、圧力油は、室７の容積 を減少させる（調節する）ように、柔軟な膜６を押圧し、それを弁９がら離れる 方向に押す。

室７は超臨界蒸気圧縮装置の回路の高サイドに連通している。圧力油が室８内に 入り、それによって室７の容積が減少するので、室７内の冷媒は、室７の容積の 減少に比例して室７から出される。

この室７からの冷媒の排除は蒸気圧縮装置の高サイドの圧力を増加させる。圧力 油が室８から弁９を通って排出されるとき、室８内の油の圧力は低下し、もはや 、上述のように、弁９から離れるように膜６を押圧することはできない、膜６が 弁９により近付く方向に内側の内周を移動するとき、冷媒は回路から室７内に流 れ込む、そして、室７の容積は増加し、一方、室８の容積は減少する。これによ って、回路の高サイドの圧力は減少させられる。

図２．３および５は、可変容積要素５の代替の具体例を示している。可変容積要 素５に対する上述の詳細な説明と図１に示されるようなその機能とは、変形具体 例ということで適当に変更されている、図２〜４に示される各具体例にも適合す るものである。

図２は、頭部１３を有するシリンダ１０の形の可変容積要素５を示している。

ピストンロッド１２は、その一端が制御機構（図示されていない）に接続され、 その他端が、シリンダ１０に密接に嵌合し、制御ａ！横の位置に応答して前後あ るいは上下に移動可能なピストン１１を有している。室】４は、シリンダ１０の 内側で、シリンダの頭部１３とこのシリンダの頭部１３と向き合うピストンの表 面であるピストン頂面との間の距離によって特定されている。

室１４は、蒸気圧縮装置の回路の高サイドと、室１４の容積が冷媒によって満た されるように連通している。

図示された具体例の可変容積要素５は、コンプレッサ１と絞り弁３との間で主回 路から技分かれした位置にある。回路の横側や一方側にあるこれらの具体例の位 置は、具体例の形状や機能の面から見て操ｆＩＥ上好都合である。このように配 置されているので、これらの図示の具体例は、主回路の管の容積を直接的に変更 することなく、容積を制御するという可能性を提供するものである。しかしなが ら、コンプレッサ１と絞り弁３との間の主回路に、図１および図２の具体例を直 接的に位置づけることら、この発明の思想の中にある。

図３に示された具体例は、可変容積要素がこの発明思想にしたがって主回路のほ ぼ横側の位置に配置されてもよく、主回路に直接的に位置付けられてもよいとい う可能性を示している。図３には、可変容積要素５が、主回路の部分に接続ある いは連通し、圧力油や他の加圧された流体を有する密封された室１６に囲まれた 柔軟なポース１５の形状で示されている。密封された室１６はホース１５と主回 路の間の連通を抑止しないし、ホース１５の内側の室１７と連通ずることもない 。室１６は、好適には、柔軟でない方がよい。その位置において、ホース１５は 、弁１８と通る圧力油からの圧力によって、容積を変更するように収縮したり膨 張したりすることができる。考えると、この具体例は潤滑油のトラッピングを避 けるための最も良い方法な提供するものである。

［］４ａやＩＩＺ４ｂに概略が示されている、例えばベローズのような他の可変 容積要素も適用することができる。この可変容積要素５は、機械的制御機構や移 動手段あるいは外部媒体からの圧力変更（図示されていない）を受ける場合に、 内部容積（室１７）を変更できるベローズとして示されており、これらのベロー ズは主回路から分岐して取り付けられる（図４ａ）か、主回路と一体の一部とし て直列に位置付けられる（図４ｂ）。

この発明の思想は、また、コンプレッサ１から下流へ、熱交換器２を経て、絞り 弁３にまで継続的に冷媒を運ぶ超臨界蒸気圧縮回路内の高サイド容積を変更する ための方法としても表現される。この方法は、コンプレッサ１と絞り弁３との間 において回路に可変容積要素５を接続すること、この可変容積要素５内には室７ ．１４．１７を配設し、これらの室を回路と連通させること、可変容積要素５内 には、移動可能な隔壁６，１１．１５を嵌め込み、その可変容積要素５内の室７ ．１４．１７の少なくとも一側を特定することと、隔壁６，１１．１５が室７． １４．１７の第１容積を特定する第１位置と第１容積より大きい第２容積を特定 する第２位置の間を移動できることと、それらが連通状態あるいは隔壁６．１１ ．１５と係合状態にあるように移動手段９，１２．１８を接続することと、そし て、移動手段９，１２．１８を操作することによって、隔壁６，１１．１５を第 １および第２位置の間で移動させることとからなっている。

可変容積要素５の内部容積を制御することによって、超臨界蒸気圧縮装置の高サ イド圧力は制御される。この制御は、可変容積要素５の冷媒を押し出すように作 用する、隔壁６，１１．１５の機械的移動の変更や、回路以外の加圧流体の量の 変更（すなわち、流体はいつもの蒸気圧縮を保証しない）によってもたらされる 、もし、車に搭載される場きには、車の流体圧機構が弁装置を経て接続されるこ とができる。この容積調節機構は、高サイド圧力の最適化、冷凍能力の制御、そ して能力の向上のためのいかなる制御方法にも一体に組み入れることができる、 　停止期間や不作動時の圧力減少の可能性に対し、この発明思想は特に有利であ る０例えば、車のニアコンディショナーに接続されたならば、この発明の可変容 積要素（具体例として示されるように種々の形状がある）は、ニアコンディショ ナーが切られている場合、容積を増大して圧力を減少させることができる。この ことは、エンジンルームの高い温度が不活動のニアコンディショナーに伝達され 、それによってその圧力が増加するので、望ましいことである。この発明の可変 容積要素を使用することによって、ニアコンディショナーの低サイドは低圧公差 で設計することができ、材料、資本や装置の重量と節約することができる。

Ｆｉｇ、　１ Ｆｉｇ、　２　Ｆｉｇ、　３ Ｆｉｇ、　４　ａ　Ｆｉｇ、　４　ｂ 補正書の写しく翻訳文）提出書（特許法第１８４条の８）平成　６年　６月２７ 日

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．超臨界高サイド圧力で操作される回路に直列に接続された、コンプレッサ（ １）と、熱交換器（２）と、膨張手段（３）と、そして蒸発器（４）とからなる 蒸気圧縮循環装置における、高サイド圧力の制御装置において、前記コンプレッ サと膨張手段の間で、冷媒が入るのを許容するように回路に接続され回路と連通 状態にある室（７，１４，１７）を有する少なくとも１個の可変容積要素（５） と、 前記室の少なくとも一方側を特定する移動可能な隔壁手段であって、室内の冷媒 の第１容積と第２容積とをそれぞれ特定する、第１位置と第２位置との間を移動 可能な隔壁手段と、 前記隔壁手段を第１位置と第２位置との間で移動させるための移動手段であって 、それによって前記室内の冷媒容積を変更または制御する移動手段とからなると ころの高サイド圧力の制御装置。
2. ２．上記可変容積要素（５）には中空部が形成され、隔壁が、内側を分けて第１ 室（７）と第２室（８）とを形成するように、内面にその周囲で接触して移動可 能な柔軟な膜（６）であって、前記第１室と第２室とが不運通で隔壁の位置によ って決定される相対的な容積を有し、そして、前記第２室（８）には加圧手段が 連絡していることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. ３．上記可変容積要素（５）が、中空部を形成するシリンダ（１０）と、このシ リンダ内に密接に嵌合し、その内側を移動可能で、隔壁手段（１１）を形成する ピストン（８）とからなることを特徴とする請求項１記載の装置。
4. ４．上記室（１７）が移動可能な隔壁手段のみによって完全に形成されているこ とを特徴とする請求項１記載の装置。
5. ５．上記移動可能な隔壁手段が柔軟なホースであることを特徴とする請求項４記 載の装置。
6. ６．上記移動可能な隔壁手段がベローズ装置であることを特徴とする請求項４記 載の装置。
7. ７．上記移動手段が隔壁手段と連絡している流体圧力手段または空気圧力手段で あることを特徴とする請求項２，３または４のいずれか１項に記載の装置。
8. ８．上記隔壁が連続的に移動可能であることを特徴とする請求項１から７のいず れか１項に記載の装置。
9. ９．冷媒を継続して、コンプレッサから熱交換器を経て膨張手段に運ぶ流れ回路 の高サイドで、超臨界圧力で操作する蒸気圧縮循環装置における高サイド圧力を 変更して行う制御方法において、 超臨界高サイド圧力が、コンプレッサと膨張手段との間で流れ回路に接続された １個または数個の可変容積要素によって、流れ回路の高サイドの全内部容積が制 御された変化を受けて調節されるとともに、前記可変容積要素が流れ回路と連通 する室を有するところの制御方法。