JPH09264622A - 圧力制御弁と蒸気圧縮式冷凍サイクル - Google Patents
圧力制御弁と蒸気圧縮式冷凍サイクルInfo
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- JPH09264622A JPH09264622A JP8033962A JP3396296A JPH09264622A JP H09264622 A JPH09264622 A JP H09264622A JP 8033962 A JP8033962 A JP 8033962A JP 3396296 A JP3396296 A JP 3396296A JP H09264622 A JPH09264622 A JP H09264622A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 超臨界域で作動する蒸気圧縮式冷凍サイクル
が効率良く運転するように、放熱器出口側温度と放熱器
出口側圧力とを制御する圧力制御手段を提供する。 【解決手段】 密閉空間１２内には冷媒が、弁口１７が
閉じた状態の密閉空間１２内体積に対して、冷媒の温度
が０℃での飽和液密度から冷媒の臨界点での飽和液密度
に至る範囲の密度で封入されている。これにより、放熱
器２の出口側圧力と放熱器２の出口側温度とは、ほぼ最
適制御線ηmax 上に沿って制御される。したがって、超
臨界域においてもＣＯ2 サイクルを効率良く運転させる
ことができる。
が効率良く運転するように、放熱器出口側温度と放熱器
出口側圧力とを制御する圧力制御手段を提供する。 【解決手段】 密閉空間１２内には冷媒が、弁口１７が
閉じた状態の密閉空間１２内体積に対して、冷媒の温度
が０℃での飽和液密度から冷媒の臨界点での飽和液密度
に至る範囲の密度で封入されている。これにより、放熱
器２の出口側圧力と放熱器２の出口側温度とは、ほぼ最
適制御線ηmax 上に沿って制御される。したがって、超
臨界域においてもＣＯ2 サイクルを効率良く運転させる
ことができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、蒸気圧縮式冷凍サ
イクルの放熱器出口側圧力を制御する圧力制御弁に関す
るもので、二酸化炭素（ＣＯ2 ）等の超臨界域で冷媒を
使用する蒸気圧縮式冷凍サイクルに用いて好適である。
イクルの放熱器出口側圧力を制御する圧力制御弁に関す
るもので、二酸化炭素（ＣＯ2 ）等の超臨界域で冷媒を
使用する蒸気圧縮式冷凍サイクルに用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】近年、蒸気圧縮式冷凍サイクルに使用さ
れる冷媒の脱フロン対策の１つとして、例えば特公平７
−１８６０２号公報に記載のように二酸化炭素（Ｃ
Ｏ2 ）を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクル（以下、ＣＯ
2 サイクルと略す。）が提案されている。
れる冷媒の脱フロン対策の１つとして、例えば特公平７
−１８６０２号公報に記載のように二酸化炭素（Ｃ
Ｏ2 ）を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクル（以下、ＣＯ
2 サイクルと略す。）が提案されている。
【０００３】このＣＯ2 サイクルの作動は、原理的に
は、フロンを使用した従来の蒸気圧縮式冷凍サイクルの
作動と同じである。すなわち、図１（ＣＯ2 モリエル線
図）のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ａで示されるように、圧縮機で
気相状態のＣＯ2 を圧縮し（Ａ−Ｂ）、この高温高圧の
気相状態のＣＯ2 を放熱器（ガスクーラ）にて冷却する
（Ｂ−Ｃ）。そして、減圧器により減圧して（Ｃ−
Ｄ）、気液２相状態となったＣＯ2 を蒸発させて（Ｄ−
Ａ）、蒸発潜熱を空気等の外部流体から奪って外部流体
を冷却する。なお、ＣＯ2 は、圧力が飽和液圧力（線分
ＣＤと飽和液線ＳＬとの交点の圧力）を下まわるときか
ら、気相状態から気液２相状態に相変化する。
は、フロンを使用した従来の蒸気圧縮式冷凍サイクルの
作動と同じである。すなわち、図１（ＣＯ2 モリエル線
図）のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ａで示されるように、圧縮機で
気相状態のＣＯ2 を圧縮し（Ａ−Ｂ）、この高温高圧の
気相状態のＣＯ2 を放熱器（ガスクーラ）にて冷却する
（Ｂ−Ｃ）。そして、減圧器により減圧して（Ｃ−
Ｄ）、気液２相状態となったＣＯ2 を蒸発させて（Ｄ−
Ａ）、蒸発潜熱を空気等の外部流体から奪って外部流体
を冷却する。なお、ＣＯ2 は、圧力が飽和液圧力（線分
ＣＤと飽和液線ＳＬとの交点の圧力）を下まわるときか
ら、気相状態から気液２相状態に相変化する。
【０００４】しかし、ＣＯ2 の臨界温度は約３１℃と従
来のフロンの臨界温度（例えば、Ｒ１２では１１２℃）
と比べて低いので、夏場等では放熱器側でのＣＯ2 温度
がＣＯ2 の臨界点温度より高くなってしまう。つまり、
放熱器出口側においてもＣＯ 2 は凝縮しない（線分ＢＣ
が飽和液線と交差しない）。また、放熱器出口側（Ｃ
点）の状態は、圧縮機の吐出圧力と放熱器出口側でのＣ
Ｏ2 温度とによって決定され、放熱器出口側でのＣＯ2
温度は、放熱器の放熱能力と外気温度とによって決定す
る。そして、外気温度は制御することができないので、
放熱器出口側でのＣＯ2 温度は、実質的に制御すること
ができない。
来のフロンの臨界温度（例えば、Ｒ１２では１１２℃）
と比べて低いので、夏場等では放熱器側でのＣＯ2 温度
がＣＯ2 の臨界点温度より高くなってしまう。つまり、
放熱器出口側においてもＣＯ 2 は凝縮しない（線分ＢＣ
が飽和液線と交差しない）。また、放熱器出口側（Ｃ
点）の状態は、圧縮機の吐出圧力と放熱器出口側でのＣ
Ｏ2 温度とによって決定され、放熱器出口側でのＣＯ2
温度は、放熱器の放熱能力と外気温度とによって決定す
る。そして、外気温度は制御することができないので、
放熱器出口側でのＣＯ2 温度は、実質的に制御すること
ができない。
【０００５】したがって、放熱器出口側（Ｃ点）の状態
は、圧縮機の吐出圧力（放熱器出口側圧力）を制御する
ことによって制御可能となる。つまり、夏場等の外気温
度が高い場合に、十分な冷却能力（エンタルピ差）を確
保するためには、図１のＥ−Ｆ−Ｇ−Ｈ−Ｅで示される
ように、放熱器出口側圧力を高くする必要がある。
は、圧縮機の吐出圧力（放熱器出口側圧力）を制御する
ことによって制御可能となる。つまり、夏場等の外気温
度が高い場合に、十分な冷却能力（エンタルピ差）を確
保するためには、図１のＥ−Ｆ−Ｇ−Ｈ−Ｅで示される
ように、放熱器出口側圧力を高くする必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、放熱器出口側
圧力を高くするには、前述のように圧縮機の吐出圧力を
高くしなければならないので、圧縮機の圧縮仕事（圧縮
過程のエンタルピ変化量ΔＬ）が増加する。したがっ
て、蒸発過程（Ｄ−Ａ）のエンタルピ変化量Δｉの増加
量より圧縮過程（Ａ−Ｂ）のエンタルピ変化量ΔＬの増
加量が大きい場合には、ＣＯ2 サイクルの成績係数（Ｃ
ＯＰ＝Δｉ／ΔＬ）が悪化する。
圧力を高くするには、前述のように圧縮機の吐出圧力を
高くしなければならないので、圧縮機の圧縮仕事（圧縮
過程のエンタルピ変化量ΔＬ）が増加する。したがっ
て、蒸発過程（Ｄ−Ａ）のエンタルピ変化量Δｉの増加
量より圧縮過程（Ａ−Ｂ）のエンタルピ変化量ΔＬの増
加量が大きい場合には、ＣＯ2 サイクルの成績係数（Ｃ
ＯＰ＝Δｉ／ΔＬ）が悪化する。
【０００７】そこで、例えば放熱器出口側でのＣＯ2 温
度を４０℃として、放熱器出口側でのＣＯ2 圧力と成績
係数と関係を図１を用いて試算すれば、図２の実線に示
すように、圧力Ｐ1 （約１０ＭＰａ）において成績係数
が最大となる。同様に、放熱器出口側でのＣＯ2 温度を
３５℃とした場合には、図２の破線で示すように、圧力
Ｐ2 （約８．０ＭＰａ）において成績係数が最大とな
る。
度を４０℃として、放熱器出口側でのＣＯ2 圧力と成績
係数と関係を図１を用いて試算すれば、図２の実線に示
すように、圧力Ｐ1 （約１０ＭＰａ）において成績係数
が最大となる。同様に、放熱器出口側でのＣＯ2 温度を
３５℃とした場合には、図２の破線で示すように、圧力
Ｐ2 （約８．０ＭＰａ）において成績係数が最大とな
る。
【０００８】以上のようにして、放熱器出口側のＣＯ2
温度と成績係数が最大となる圧力とを算出し、この結果
を図１上に描けば、図１の太い実線ηmax （以下、最適
制御線と呼ぶ。）に示すようになる。したがって、上記
ＣＯ2 サイクルを効率良く運転するには、放熱器出口側
圧力と放熱器出口側のＣＯ2 温度とを、最適制御線η
max で示されるように制御する圧力制御手段が必要であ
る。
温度と成績係数が最大となる圧力とを算出し、この結果
を図１上に描けば、図１の太い実線ηmax （以下、最適
制御線と呼ぶ。）に示すようになる。したがって、上記
ＣＯ2 サイクルを効率良く運転するには、放熱器出口側
圧力と放熱器出口側のＣＯ2 温度とを、最適制御線η
max で示されるように制御する圧力制御手段が必要であ
る。
【０００９】なお、図１および後述する図５のモリエル
線図は、ＡＭＥＲＩＣＡＮ ＳＯＣＩＥＴＹ ＯＦ Ｈ
ＥＡＴＩＮＧ，ＲＥＦＲＩＧＥＲＴＩＮＧ ＡＮＤ Ａ
ＩＲ−ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＩＮＧ ＥＮＧＩＮＥＥＲＳ
より出版されたＦａｎｄａｍｅｎｌｓ Ｈｎｄｏｂｏｏ
ｋからの抜粋である。本発明は、上記点に鑑み、超臨界
域で作動する蒸気圧縮式冷凍サイクルが効率良く運転す
るように、放熱器出口側温度と放熱器出口側圧力とを制
御する圧力制御手段を提供することを目的とする。
線図は、ＡＭＥＲＩＣＡＮ ＳＯＣＩＥＴＹ ＯＦ Ｈ
ＥＡＴＩＮＧ，ＲＥＦＲＩＧＥＲＴＩＮＧ ＡＮＤ Ａ
ＩＲ−ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＩＮＧ ＥＮＧＩＮＥＥＲＳ
より出版されたＦａｎｄａｍｅｎｌｓ Ｈｎｄｏｂｏｏ
ｋからの抜粋である。本発明は、上記点に鑑み、超臨界
域で作動する蒸気圧縮式冷凍サイクルが効率良く運転す
るように、放熱器出口側温度と放熱器出口側圧力とを制
御する圧力制御手段を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、以下の技術的手段を用いる。請求項１〜
３に記載の発明では、密閉空間（１２）を形成する変位
部材（１１）は、上流側空間（１４）内圧力が密閉空間
（１２）内圧力より所定量大きくなったときに変位し、
弁体部（１９）は、前記変位部材（１１）が変位したと
きに前記弁口（１７）を開くように構成されている。そ
して、密閉空間（１２）内には冷媒が、弁口（１７）が
閉じた状態の密閉空間（１２）内体積に対して、冷媒の
温度が０℃での飽和液密度から冷媒の臨界点での飽和液
密度に至る範囲の密度で封入されていることを特徴とす
る。
成するために、以下の技術的手段を用いる。請求項１〜
３に記載の発明では、密閉空間（１２）を形成する変位
部材（１１）は、上流側空間（１４）内圧力が密閉空間
（１２）内圧力より所定量大きくなったときに変位し、
弁体部（１９）は、前記変位部材（１１）が変位したと
きに前記弁口（１７）を開くように構成されている。そ
して、密閉空間（１２）内には冷媒が、弁口（１７）が
閉じた状態の密閉空間（１２）内体積に対して、冷媒の
温度が０℃での飽和液密度から冷媒の臨界点での飽和液
密度に至る範囲の密度で封入されていることを特徴とす
る。
【００１１】これにより、密閉空間（１２）内の冷媒圧
力と冷媒温度との特性が、後述するように最適制御線η
max にほぼ一致する。したがって、圧力制御弁（３）
は、放熱器（２）の出口側圧力を、ほぼ最適制御線η
max 上に沿った圧力まで上昇させた後、弁口（１７）を
開く。つまり、放熱器（２）の出口側圧力と放熱器
（２）の出口側温度とは、ほぼ最適制御線ηmax 上に沿
って制御される。
力と冷媒温度との特性が、後述するように最適制御線η
max にほぼ一致する。したがって、圧力制御弁（３）
は、放熱器（２）の出口側圧力を、ほぼ最適制御線η
max 上に沿った圧力まで上昇させた後、弁口（１７）を
開く。つまり、放熱器（２）の出口側圧力と放熱器
（２）の出口側温度とは、ほぼ最適制御線ηmax 上に沿
って制御される。
【００１２】したがって、超臨界域においても蒸気圧縮
式サイクルを効率良く運転させることができる。請求項
２に記載の発明では、冷媒は二酸化炭素であって、密閉
空間内の密度は、４５０ｋｇ／ｍ3 〜９５０ｋｇ／ｍ3
であることを特徴とする。請求項３に記載の発明では、
圧力制御弁を放熱器（２）と蒸発器（４）との間に配置
したことを特徴とする。
式サイクルを効率良く運転させることができる。請求項
２に記載の発明では、冷媒は二酸化炭素であって、密閉
空間内の密度は、４５０ｋｇ／ｍ3 〜９５０ｋｇ／ｍ3
であることを特徴とする。請求項３に記載の発明では、
圧力制御弁を放熱器（２）と蒸発器（４）との間に配置
したことを特徴とする。
【００１３】請求項４〜８に記載に記載の発明では、圧
力制御弁（３０）は、高圧側圧力検出手段（３２）によ
って検出された高圧側冷媒圧力が、温度検出手段（３
１）によって検出された高圧側冷媒温度に基づいて選定
された目標圧力となるように制御されることを特徴とす
る。これにより、放熱器（２）の出口側圧力と放熱器
（２）の出口側温度とは、後述するように、最適制御線
ηmax 上に沿うように制御されるので、超臨界域および
臨界圧力以下においても蒸気圧縮式サイクルを効率良く
運転させることができる。
力制御弁（３０）は、高圧側圧力検出手段（３２）によ
って検出された高圧側冷媒圧力が、温度検出手段（３
１）によって検出された高圧側冷媒温度に基づいて選定
された目標圧力となるように制御されることを特徴とす
る。これにより、放熱器（２）の出口側圧力と放熱器
（２）の出口側温度とは、後述するように、最適制御線
ηmax 上に沿うように制御されるので、超臨界域および
臨界圧力以下においても蒸気圧縮式サイクルを効率良く
運転させることができる。
【００１４】請求項５に記載の発明では、圧力制御弁
（３０）の開閉状態が全閉状態から全開状態まで連続的
に変化することを特徴とする。請求項６に記載の発明で
は、圧力制御弁（３０）は、温度検出手段（３１）によ
って検出された高圧側冷媒温度および低圧側圧力検出手
段（３２ａ）によって検出された低圧側冷媒圧力に基づ
いて選定された目標圧力となるようにを制御されること
を特徴とする。
（３０）の開閉状態が全閉状態から全開状態まで連続的
に変化することを特徴とする。請求項６に記載の発明で
は、圧力制御弁（３０）は、温度検出手段（３１）によ
って検出された高圧側冷媒温度および低圧側圧力検出手
段（３２ａ）によって検出された低圧側冷媒圧力に基づ
いて選定された目標圧力となるようにを制御されること
を特徴とする。
【００１５】これにより、後述するように、低圧側冷媒
圧力が大きく変動した場合でも蒸気圧縮式サイクルを効
率良く運転させることができる。請求項７に記載の発明
では、圧力制御弁（３、３０）の入口側での過冷却度が
１℃〜１０℃となるように、前記圧力制御弁（３、３
０）の開度を調節することを特徴とする。
圧力が大きく変動した場合でも蒸気圧縮式サイクルを効
率良く運転させることができる。請求項７に記載の発明
では、圧力制御弁（３、３０）の入口側での過冷却度が
１℃〜１０℃となるように、前記圧力制御弁（３、３
０）の開度を調節することを特徴とする。
【００１６】請求項８に記載の発明では、液相冷媒と気
相冷媒とを分離して冷媒を蓄えるタンク手段（５）を、
蒸発器（４）の出口側と圧縮機（１）の吸入側との間に
有することを特徴とする。
相冷媒とを分離して冷媒を蓄えるタンク手段（５）を、
蒸発器（４）の出口側と圧縮機（１）の吸入側との間に
有することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施の形
態について説明する。 （第１実施形態）図３は本実施形態に係る圧力制御弁を
用いたＣＯ2 サイクルを車両用空調装置に適用したもの
であり、１は気相状態のＣＯ2 を圧縮する圧縮機であ
る。２は圧縮機１で圧縮されたＣＯ2 を外気等との間で
熱交換して冷却する放熱器（ガスクーラ）であり、３は
放熱器２出口側でのＣＯ2 温度に応じて放熱器２出口側
圧力を制御する圧力制御弁である。なお、圧力制御弁３
は、放熱器２出口側圧力を制御するとともに減圧器を兼
ねており、ＣＯ2 は、この圧力制御弁３にて減圧されて
低温低圧の気液２相状態のＣＯ2 となる。
態について説明する。 （第１実施形態）図３は本実施形態に係る圧力制御弁を
用いたＣＯ2 サイクルを車両用空調装置に適用したもの
であり、１は気相状態のＣＯ2 を圧縮する圧縮機であ
る。２は圧縮機１で圧縮されたＣＯ2 を外気等との間で
熱交換して冷却する放熱器（ガスクーラ）であり、３は
放熱器２出口側でのＣＯ2 温度に応じて放熱器２出口側
圧力を制御する圧力制御弁である。なお、圧力制御弁３
は、放熱器２出口側圧力を制御するとともに減圧器を兼
ねており、ＣＯ2 は、この圧力制御弁３にて減圧されて
低温低圧の気液２相状態のＣＯ2 となる。
【００１８】４は、車室内の空気冷却手段をなす蒸発器
（吸熱器）で、気液２相状態のＣＯ 2 は蒸発器４内で気
化（蒸発）する際に、車室内空気から蒸発潜熱を奪って
車室内空気を冷却する。５は、気相状態のＣＯ2 と液相
状態のＣＯ2 とを分離するとともに、気相状態のＣＯ2
を一時的に蓄えるアキュームレータ（タンク手段）であ
る。
（吸熱器）で、気液２相状態のＣＯ 2 は蒸発器４内で気
化（蒸発）する際に、車室内空気から蒸発潜熱を奪って
車室内空気を冷却する。５は、気相状態のＣＯ2 と液相
状態のＣＯ2 とを分離するとともに、気相状態のＣＯ2
を一時的に蓄えるアキュームレータ（タンク手段）であ
る。
【００１９】そして、圧縮機１、放熱器２、圧力制御弁
３、蒸発器４およびアキュームレータ５は、それぞれ配
管６によって接続されて閉回路を形成している。なお、
圧縮器１は、図示されていない駆動源（エンジン、モー
タ等）から駆動力を得て駆動し、放熱器２は、放熱器２
内ＣＯ2 と外気との温度差をできるだけ大きくするため
に車両前方に配置されている。
３、蒸発器４およびアキュームレータ５は、それぞれ配
管６によって接続されて閉回路を形成している。なお、
圧縮器１は、図示されていない駆動源（エンジン、モー
タ等）から駆動力を得て駆動し、放熱器２は、放熱器２
内ＣＯ2 と外気との温度差をできるだけ大きくするため
に車両前方に配置されている。
【００２０】次に、圧力制御弁３の詳細構造について述
べる。圧力制御弁３は、図３、４に示すように、配管６
によって形成されるＣＯ2 流路７内のうち放熱器２と蒸
発器３との間に配置されている。この圧力制御弁３の構
成部品のうち、図４に示すように、球面状の弁カバー１
０とダイヤフラム１１とにより密閉空間１２が形成され
ており、この密閉空間１２内には、ＣＯ2 が弁口１７が
閉じた状態の密閉空間１２内体積に対して、約６００ｋ
ｇ／ｍ3 の密度で封入されている。
べる。圧力制御弁３は、図３、４に示すように、配管６
によって形成されるＣＯ2 流路７内のうち放熱器２と蒸
発器３との間に配置されている。この圧力制御弁３の構
成部品のうち、図４に示すように、球面状の弁カバー１
０とダイヤフラム１１とにより密閉空間１２が形成され
ており、この密閉空間１２内には、ＣＯ2 が弁口１７が
閉じた状態の密閉空間１２内体積に対して、約６００ｋ
ｇ／ｍ3 の密度で封入されている。
【００２１】１３は弁ハウジングで、この弁ハウジング
１３は、ＣＯ2 流路７内のうち放熱器２側の空間１４と
蒸発器３側の空間１５とを仕切る隔壁部１６を形成して
いる。この隔壁部１６には弁口１７が開口しており、こ
の弁口１７と連通するように連通路１８が形成され、弁
口１７および連通路１８を介して両空間１４、１５が連
通するように構成されている。
１３は、ＣＯ2 流路７内のうち放熱器２側の空間１４と
蒸発器３側の空間１５とを仕切る隔壁部１６を形成して
いる。この隔壁部１６には弁口１７が開口しており、こ
の弁口１７と連通するように連通路１８が形成され、弁
口１７および連通路１８を介して両空間１４、１５が連
通するように構成されている。
【００２２】１９は弁口１７を開閉する弁体部で、この
弁体部１８は、ダイヤフラム１１の変位に機械的に連動
して可動するようにようにダイヤフラム１１に連結して
いる。なお、弁体部１９の弁部２０は、コイルスプリン
グ２１および密閉空間１２内圧力と空間１４との差圧に
よって弁口１７に押し付けられている。そして、２２は
コイルスプリング２１の初期荷重を調整するスペーサ
で、このスペーサ２２によってコイルスプリング２１が
調整され、弁部２０には所定の初期荷重が作用してい
る。因みに、本実施形態では、コイルスプリング２１の
初期荷重は、ダイヤフラム１１での圧力換算で約１ＭＰ
ａである。
弁体部１８は、ダイヤフラム１１の変位に機械的に連動
して可動するようにようにダイヤフラム１１に連結して
いる。なお、弁体部１９の弁部２０は、コイルスプリン
グ２１および密閉空間１２内圧力と空間１４との差圧に
よって弁口１７に押し付けられている。そして、２２は
コイルスプリング２１の初期荷重を調整するスペーサ
で、このスペーサ２２によってコイルスプリング２１が
調整され、弁部２０には所定の初期荷重が作用してい
る。因みに、本実施形態では、コイルスプリング２１の
初期荷重は、ダイヤフラム１１での圧力換算で約１ＭＰ
ａである。
【００２３】以下、作動について述べる。先ず、圧力制
御弁３の作動を説明する。密閉空間１２内には、約６０
０ｋｇ／ｍ3 でＣＯ2 が封入されているので、密閉空間
１２内圧と温度とは、図１、５に示される６００ｋｇ／
ｍ3 の等密度線に沿って変化する。したがって、例えば
密閉空間１２内温度が２０℃の場合には、その内圧は約
５．８ＭＰａである。また、弁体部１９には、密閉空間
１２内圧とコイルスプリング２１の初期荷重とが同時に
作用しているので、その作用圧力は約６．８ＭＰａであ
る。
御弁３の作動を説明する。密閉空間１２内には、約６０
０ｋｇ／ｍ3 でＣＯ2 が封入されているので、密閉空間
１２内圧と温度とは、図１、５に示される６００ｋｇ／
ｍ3 の等密度線に沿って変化する。したがって、例えば
密閉空間１２内温度が２０℃の場合には、その内圧は約
５．８ＭＰａである。また、弁体部１９には、密閉空間
１２内圧とコイルスプリング２１の初期荷重とが同時に
作用しているので、その作用圧力は約６．８ＭＰａであ
る。
【００２４】したがって、放熱器側の空間１４の圧力が
６．８ＭＰａ以下の場合には、弁口１７は弁部２０によ
って閉止され、また、放熱器側の空間１４の圧力が６．
８ＭＰａを越えると、弁口１７は開弁する。同様に、例
えば密閉空間１２内温度が４０℃の場合には、密閉空間
１２内圧は図５より約９．７ＭＰａであり、弁体部１９
に作用する作用力は約１０．７ＭＰａである。したがっ
て、放熱器側の空間１４の圧力が１０．７ＭＰａ以下の
場合には、弁口１７は弁部２０によって閉止され、ま
た、放熱器側の空間１４の圧力が１０．７ＭＰａを越え
ると、弁口１７は開弁する。
６．８ＭＰａ以下の場合には、弁口１７は弁部２０によ
って閉止され、また、放熱器側の空間１４の圧力が６．
８ＭＰａを越えると、弁口１７は開弁する。同様に、例
えば密閉空間１２内温度が４０℃の場合には、密閉空間
１２内圧は図５より約９．７ＭＰａであり、弁体部１９
に作用する作用力は約１０．７ＭＰａである。したがっ
て、放熱器側の空間１４の圧力が１０．７ＭＰａ以下の
場合には、弁口１７は弁部２０によって閉止され、ま
た、放熱器側の空間１４の圧力が１０．７ＭＰａを越え
ると、弁口１７は開弁する。
【００２５】次に、ＣＯ2 サイクルの作動を説明する。
ここで、例えば放熱器２の出口側温度が４０℃、かつ、
放熱器２出口圧力が１０．７ＭＰａ以下のときは、前述
のように、圧力制御弁３は閉じているので、圧縮機１
は、アキュームレータ５内に蓄えられたＣＯ2 を吸引し
て放熱器２へ向けて吐出する。これにより、放熱器２の
出口側圧力が上昇していく（ｂ’−ｃ’→ｂ”−
ｃ”）。
ここで、例えば放熱器２の出口側温度が４０℃、かつ、
放熱器２出口圧力が１０．７ＭＰａ以下のときは、前述
のように、圧力制御弁３は閉じているので、圧縮機１
は、アキュームレータ５内に蓄えられたＣＯ2 を吸引し
て放熱器２へ向けて吐出する。これにより、放熱器２の
出口側圧力が上昇していく（ｂ’−ｃ’→ｂ”−
ｃ”）。
【００２６】そして遂に、放熱器２の出口側圧力が１
０．７ＭＰａを越える（Ｂ−Ｃ）と圧力制御弁３が開弁
するので、ＣＯ2 は減圧しながら気相状態から気液２相
状態に相変化して（Ｃ−Ｄ）蒸発器４内に流れ込む。そ
して、蒸発器４内で蒸発して（Ｄ−Ａ）空気を冷却した
後、再びアキュームレータ５に還流する。このとき、放
熱器２の出口側圧力が再び低下するので、圧力制御弁３
は再び閉じる。
０．７ＭＰａを越える（Ｂ−Ｃ）と圧力制御弁３が開弁
するので、ＣＯ2 は減圧しながら気相状態から気液２相
状態に相変化して（Ｃ−Ｄ）蒸発器４内に流れ込む。そ
して、蒸発器４内で蒸発して（Ｄ−Ａ）空気を冷却した
後、再びアキュームレータ５に還流する。このとき、放
熱器２の出口側圧力が再び低下するので、圧力制御弁３
は再び閉じる。
【００２７】すなわち、このＣＯ2 サイクルは、圧力制
御弁３を閉じるにより、放熱器２の出口側圧力を所定の
圧力まで昇圧させた後、ＣＯ2 を減圧、蒸発させて空気
を冷却するものである。なお、放熱器２の出口側温度が
２０℃の場合も、前述の作動と同様に、圧力制御弁３
は、放熱器２の出口側圧力を約６．８ＭＰａまで昇圧さ
せた後、開弁する。
御弁３を閉じるにより、放熱器２の出口側圧力を所定の
圧力まで昇圧させた後、ＣＯ2 を減圧、蒸発させて空気
を冷却するものである。なお、放熱器２の出口側温度が
２０℃の場合も、前述の作動と同様に、圧力制御弁３
は、放熱器２の出口側圧力を約６．８ＭＰａまで昇圧さ
せた後、開弁する。
【００２８】次に本実施形態の特徴を述べる。上述のよ
うに、本実施形態に係る圧力制御弁３は、放熱器２の出
口側圧力を所定の圧力まで昇圧させた後、開弁するもの
であり、その制御特性は、圧力制御弁３の密閉空間１２
の圧力特性に大きく依存する。ところで、図１、５から
明らかなように、超臨界域での６００ｋｇ／ｍ3 の等密
度線は、「発明が解決しようとする課題」の欄で述べた
最適制御線ηmax にほぼ一致する。したがって、本実施
形態に係る圧力制御弁３は、放熱器２の出口側圧力を、
ほぼ最適制御線ηmax に沿った圧力まで上昇させるの
で、超臨界域においてもＣＯ2 サイクルを効率良く運転
させることができる。
うに、本実施形態に係る圧力制御弁３は、放熱器２の出
口側圧力を所定の圧力まで昇圧させた後、開弁するもの
であり、その制御特性は、圧力制御弁３の密閉空間１２
の圧力特性に大きく依存する。ところで、図１、５から
明らかなように、超臨界域での６００ｋｇ／ｍ3 の等密
度線は、「発明が解決しようとする課題」の欄で述べた
最適制御線ηmax にほぼ一致する。したがって、本実施
形態に係る圧力制御弁３は、放熱器２の出口側圧力を、
ほぼ最適制御線ηmax に沿った圧力まで上昇させるの
で、超臨界域においてもＣＯ2 サイクルを効率良く運転
させることができる。
【００２９】また、臨界圧力以下では、６００ｋｇ／ｍ
3 の等密度線は、最適制御線ηmaxからのズレが大きく
なるが、凝縮域なので密閉空間１２の内圧は、飽和液線
ＳＬに沿って変化する。そして、コイルスプリング２１
によって弁体部１９に初期荷重が与えられているので、
約１０℃の過冷却度（サブクール）を有する状態に制御
される。したがって、臨界圧力以下であっても、ＣＯ2
サイクルを効率良く運転させることができる。
3 の等密度線は、最適制御線ηmaxからのズレが大きく
なるが、凝縮域なので密閉空間１２の内圧は、飽和液線
ＳＬに沿って変化する。そして、コイルスプリング２１
によって弁体部１９に初期荷重が与えられているので、
約１０℃の過冷却度（サブクール）を有する状態に制御
される。したがって、臨界圧力以下であっても、ＣＯ2
サイクルを効率良く運転させることができる。
【００３０】なお、実用的には、ＣＯ2 温度が０℃での
飽和液密度からＣＯ2 の臨界点での飽和液密度までの範
囲で、密閉空間１２内に封入することが望ましい。具体
的にＣＯ2 では、４５０ｋｇ／ｍ3 〜９５０ｋｇ／ｍ3
であり（図５の一点鎖線Ｄ1とＤ2 の間の範囲）、密閉
空間１２内体積と封入質量との関係は、図６の斜線に示
す範囲である。
飽和液密度からＣＯ2 の臨界点での飽和液密度までの範
囲で、密閉空間１２内に封入することが望ましい。具体
的にＣＯ2 では、４５０ｋｇ／ｍ3 〜９５０ｋｇ／ｍ3
であり（図５の一点鎖線Ｄ1とＤ2 の間の範囲）、密閉
空間１２内体積と封入質量との関係は、図６の斜線に示
す範囲である。
【００３１】ところで、上述の作動および特徴の説明か
らも明らかなように、圧力制御弁３の密閉空間１２内温
度は、放熱器２出口側温度（空間１４の温度）に対して
時間差無しに連動して変化することが望ましい。したが
って、弁カバー１０および弁ハウジング等はできるだけ
熱伝導量を大きくするために熱伝導率の大きく、かつ厚
みの薄いものが望ましい。因みに、本実施形態では、弁
カバー１０および弁ハウジングは真鍮製であり、ダイヤ
フラム１１、弁体部１９、コイルスプリング２１および
スペーサ２２はステンレス製である。
らも明らかなように、圧力制御弁３の密閉空間１２内温
度は、放熱器２出口側温度（空間１４の温度）に対して
時間差無しに連動して変化することが望ましい。したが
って、弁カバー１０および弁ハウジング等はできるだけ
熱伝導量を大きくするために熱伝導率の大きく、かつ厚
みの薄いものが望ましい。因みに、本実施形態では、弁
カバー１０および弁ハウジングは真鍮製であり、ダイヤ
フラム１１、弁体部１９、コイルスプリング２１および
スペーサ２２はステンレス製である。
【００３２】なお、空間１４内のＣＯ2 と弁カバー１０
との熱伝達率を向上させるために、フィンや凹凸等を設
けてもよい。 （第２実施形態）上述の実施形態では、弁カバー１０お
よびダイヤフラム１１によって密閉空間を形成したが、
本実施形態では、図７に示すように、蛇腹状のベローズ
２３によって形成される内部空間内にＣＯ2 を所定密度
で封入したものである。なお、ベローズ２３も熱伝導率
の大きい真鍮である。
との熱伝達率を向上させるために、フィンや凹凸等を設
けてもよい。 （第２実施形態）上述の実施形態では、弁カバー１０お
よびダイヤフラム１１によって密閉空間を形成したが、
本実施形態では、図７に示すように、蛇腹状のベローズ
２３によって形成される内部空間内にＣＯ2 を所定密度
で封入したものである。なお、ベローズ２３も熱伝導率
の大きい真鍮である。
【００３３】（第３実施形態）上述の実施形態では、放
熱器２出口側圧力を機械的に制御したが、本実施形態は
電気的に制御したものである。具体的には、図８に示す
ように、弁口の開閉を行う電気式膨張弁２５と、放熱器
２出口側温度（空間１４の温度）を監視して、電気式膨
張弁２５に制御信号を発するセンサ部２４とからなる。
なお、センサ部２４は電気式膨張弁２５より放熱器２側
に配置することが望ましい。
熱器２出口側圧力を機械的に制御したが、本実施形態は
電気的に制御したものである。具体的には、図８に示す
ように、弁口の開閉を行う電気式膨張弁２５と、放熱器
２出口側温度（空間１４の温度）を監視して、電気式膨
張弁２５に制御信号を発するセンサ部２４とからなる。
なお、センサ部２４は電気式膨張弁２５より放熱器２側
に配置することが望ましい。
【００３４】そして、センサ部２４は、図９に示すよう
に、所定密度のＣＯ2 が封入されたベローズ２３によっ
て、電気接点２６の開閉を行うものである。因みに、電
気接点２６が閉じた状態では電気式膨張弁２５は閉じる
方向へ制御され、電気接点２６が開いた状態では電気式
膨張弁２５は開く方向へ制御される。また、電気接点２
６からの制御信号は、図示されていない制御アンプで増
幅されて電気式膨張弁２５を駆動する。
に、所定密度のＣＯ2 が封入されたベローズ２３によっ
て、電気接点２６の開閉を行うものである。因みに、電
気接点２６が閉じた状態では電気式膨張弁２５は閉じる
方向へ制御され、電気接点２６が開いた状態では電気式
膨張弁２５は開く方向へ制御される。また、電気接点２
６からの制御信号は、図示されていない制御アンプで増
幅されて電気式膨張弁２５を駆動する。
【００３５】ところで、上述の実施形態では、コイルス
プリング２１を用いて初期荷重を与えていたが、ダイヤ
フラム１１またはベローズ２３自身の弾性力を利用して
も良い。また、コイルスプリング２１に替えて、密閉空
間１２内に冷媒とともに不凝縮ガス封入しても本発明を
実施することができる。
プリング２１を用いて初期荷重を与えていたが、ダイヤ
フラム１１またはベローズ２３自身の弾性力を利用して
も良い。また、コイルスプリング２１に替えて、密閉空
間１２内に冷媒とともに不凝縮ガス封入しても本発明を
実施することができる。
【００３６】さらに、圧力制御弁と放熱器とを一体化し
てもよい。 （第４実施形態）本実施形態は、放熱器２出口側の冷媒
圧力と放熱器２出口側の冷媒温度との両者をセンサ等の
電気的手段によって検出し、それらの検出値を用いて放
熱器２出口側圧力を制御するものである。
てもよい。 （第４実施形態）本実施形態は、放熱器２出口側の冷媒
圧力と放熱器２出口側の冷媒温度との両者をセンサ等の
電気的手段によって検出し、それらの検出値を用いて放
熱器２出口側圧力を制御するものである。
【００３７】図１０は、本実施形態に係るＣＯ2 サイク
ルの全体模式図を示しており、圧力制御弁として電気式
圧力制御弁３０を用いている。この電気式圧力制御弁３
０は、図１１に示すように、電気式圧力制御弁３０内の
ステップモータ３０１を回転させることによって針状の
弁体３０２をその長手方向に進退させることにより、弁
口３０３の開度を全閉状態から全開状態まで連続的に調
節するものである。
ルの全体模式図を示しており、圧力制御弁として電気式
圧力制御弁３０を用いている。この電気式圧力制御弁３
０は、図１１に示すように、電気式圧力制御弁３０内の
ステップモータ３０１を回転させることによって針状の
弁体３０２をその長手方向に進退させることにより、弁
口３０３の開度を全閉状態から全開状態まで連続的に調
節するものである。
【００３８】また、放熱器２の出口側には、図１０に示
すように、放熱器２の出口側の冷媒温度を検出する温度
センサ３１と、放熱器２の出口側の冷媒圧力を検出する
圧力センサ３２とが設けられている。そして、温度セン
サ３１および圧力センサ３２からの出力信号は圧力制御
装置３３に入力しており、この圧力制御装置３３は、後
述するように、温度センサ３１の検出値に基づいて電気
式圧力制御弁３０の開度を調節している。そして、圧力
制御装置３３は図示されていないＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯ
Ｍ等によって構成されており、ＲＯＭには予め最適制御
線ηmax で示される温度と圧力との関係を記憶してい
る。
すように、放熱器２の出口側の冷媒温度を検出する温度
センサ３１と、放熱器２の出口側の冷媒圧力を検出する
圧力センサ３２とが設けられている。そして、温度セン
サ３１および圧力センサ３２からの出力信号は圧力制御
装置３３に入力しており、この圧力制御装置３３は、後
述するように、温度センサ３１の検出値に基づいて電気
式圧力制御弁３０の開度を調節している。そして、圧力
制御装置３３は図示されていないＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯ
Ｍ等によって構成されており、ＲＯＭには予め最適制御
線ηmax で示される温度と圧力との関係を記憶してい
る。
【００３９】ところで、厳密には、最適制御線ηmax は
放熱器２の出口側の冷媒温度と冷媒圧力とのみで決定さ
れるものでなく、蒸発器側の圧力の変動によっても大き
く変動する。しかし、冷房運転のみ行う単純なＣＯ2 サ
イクルでは、蒸発器側の圧力変動を無視するこができる
ので、以下の第６実施形態を除いて蒸発器側の圧力を一
定として最適制御線ηmax を算出した。
放熱器２の出口側の冷媒温度と冷媒圧力とのみで決定さ
れるものでなく、蒸発器側の圧力の変動によっても大き
く変動する。しかし、冷房運転のみ行う単純なＣＯ2 サ
イクルでは、蒸発器側の圧力変動を無視するこができる
ので、以下の第６実施形態を除いて蒸発器側の圧力を一
定として最適制御線ηmax を算出した。
【００４０】また、発明者等の種々の試験検討によれ
ば、高い成績係数を維持してＣＯ2 サイクルを良好に運
転するには、圧力制御弁３および電気式圧力制御弁３０
の入口側での過冷却度（サブクール）を１℃〜１０℃程
度とすることが望ましいとの結果を得ており、図１２は
蒸発器側の圧力を約３．５ＭＰａ（蒸発器温度０℃相
当）とし、過冷却度が約３℃となるようにした場合の最
適制御線ηmax を直行座標系に描いたものである。
ば、高い成績係数を維持してＣＯ2 サイクルを良好に運
転するには、圧力制御弁３および電気式圧力制御弁３０
の入口側での過冷却度（サブクール）を１℃〜１０℃程
度とすることが望ましいとの結果を得ており、図１２は
蒸発器側の圧力を約３．５ＭＰａ（蒸発器温度０℃相
当）とし、過冷却度が約３℃となるようにした場合の最
適制御線ηmax を直行座標系に描いたものである。
【００４１】また、本実施形態では、圧縮機１は図示さ
れていない電動モータによって駆動されており、電動モ
ータの回転数は制御装置３４によって制御されている。
そして、この制御装置３４は、蒸発器４の空気下流側に
配置された温度センサ３４ａと、室内空気の温度を検出
する室内温度センサ３５と、室外空気の温度を検出する
室外温度センサ３６と、人員が希望する室内温度を設定
入力する温度設定手段３７とに基づいて電動モータを制
御している。
れていない電動モータによって駆動されており、電動モ
ータの回転数は制御装置３４によって制御されている。
そして、この制御装置３４は、蒸発器４の空気下流側に
配置された温度センサ３４ａと、室内空気の温度を検出
する室内温度センサ３５と、室外空気の温度を検出する
室外温度センサ３６と、人員が希望する室内温度を設定
入力する温度設定手段３７とに基づいて電動モータを制
御している。
【００４２】また、３８は放熱器２の熱交換を促進する
ファンで、３９は車室内に向けて空気を送風する送風機
である。この送風機３９の送風量（ファンの回転数）
は、制御装置３４を介して人員の希望する室内温度また
は風量に基づいて制御されている。次に、図１３に示す
フローチャートに基づいて本実施形態の特徴部分である
電気式圧力制御弁３０の作動を述べる。
ファンで、３９は車室内に向けて空気を送風する送風機
である。この送風機３９の送風量（ファンの回転数）
は、制御装置３４を介して人員の希望する室内温度また
は風量に基づいて制御されている。次に、図１３に示す
フローチャートに基づいて本実施形態の特徴部分である
電気式圧力制御弁３０の作動を述べる。
【００４３】図示されていない始動スイッチによりＣＯ
2 サイクルが起動すると、温度センサ３１からの検出値
（高圧側冷媒温度）が取り込まれ（ステップ１００）、
その取り込んだ冷媒温度に対応する圧力が、予めＲＯＭ
に記憶されている温度と圧力との関係から選定され、そ
の選定さた圧力（以下、目標圧力制御弁入口圧力と呼
ぶ。）はＲＡＭ等のメモリで記憶される（ステップ１１
０）。
2 サイクルが起動すると、温度センサ３１からの検出値
（高圧側冷媒温度）が取り込まれ（ステップ１００）、
その取り込んだ冷媒温度に対応する圧力が、予めＲＯＭ
に記憶されている温度と圧力との関係から選定され、そ
の選定さた圧力（以下、目標圧力制御弁入口圧力と呼
ぶ。）はＲＡＭ等のメモリで記憶される（ステップ１１
０）。
【００４４】次に、圧力センサ３２からの検出値（高圧
側冷媒圧力）が取り込まれ（ステップ１２０）、目標圧
力制御弁入口圧力とステップ１２０で取り込んだ圧力
（以下、圧力制御弁入口圧力と呼ぶ。）とが比較される
（ステップ１３０）。そして、目標圧力制御弁入口圧力
が圧力制御弁入口圧力を上回った場合には、電気式圧力
制御弁３０の開度を小さくし（ステップ１４０）、目標
圧力制御弁入口圧力が圧力制御弁入口圧力以下の場合に
は、電気式圧力制御弁３０の開度を大きくする（ステッ
プ１５０）。そして、ステップ１００に戻り、以後ステ
ップ１００から１５０まで繰り返す。
側冷媒圧力）が取り込まれ（ステップ１２０）、目標圧
力制御弁入口圧力とステップ１２０で取り込んだ圧力
（以下、圧力制御弁入口圧力と呼ぶ。）とが比較される
（ステップ１３０）。そして、目標圧力制御弁入口圧力
が圧力制御弁入口圧力を上回った場合には、電気式圧力
制御弁３０の開度を小さくし（ステップ１４０）、目標
圧力制御弁入口圧力が圧力制御弁入口圧力以下の場合に
は、電気式圧力制御弁３０の開度を大きくする（ステッ
プ１５０）。そして、ステップ１００に戻り、以後ステ
ップ１００から１５０まで繰り返す。
【００４５】これにより、放熱器２の出口側での冷媒温
度と冷媒圧力との関係が、最適制御線ηmax で示される
温度と圧力との関係となるように制御されるので、上述
の実施形態と同様に超臨界域および臨界圧力以下の両領
域において、効率良くＣＯ2サイクルを運転さすること
ができる。 （第５実施形態）本実施形態は、図１４に示すように、
圧力センサ３２を圧縮機１の吐出口近傍に配置したもの
である。
度と冷媒圧力との関係が、最適制御線ηmax で示される
温度と圧力との関係となるように制御されるので、上述
の実施形態と同様に超臨界域および臨界圧力以下の両領
域において、効率良くＣＯ2サイクルを運転さすること
ができる。 （第５実施形態）本実施形態は、図１４に示すように、
圧力センサ３２を圧縮機１の吐出口近傍に配置したもの
である。
【００４６】これにより、ＣＯ2 サイクル内で最も圧力
の高い部位での圧力を検出することができるので、ＣＯ
2 サイクル内圧力の異常上昇を素早く検出することがで
きる。したがって、作動圧力の高いＣＯ2 サイクルの安
全性を高めることができる。なお、本実施形態では、圧
縮機１の吐出口近傍に圧力センサ３２を配置しているの
で、圧力制御弁入口圧力の検出にあたっては、圧力セン
サ３２での検出圧力から圧縮機１から放熱器２の出口側
に至るまでの圧力損失分を差し引く必要がある。
の高い部位での圧力を検出することができるので、ＣＯ
2 サイクル内圧力の異常上昇を素早く検出することがで
きる。したがって、作動圧力の高いＣＯ2 サイクルの安
全性を高めることができる。なお、本実施形態では、圧
縮機１の吐出口近傍に圧力センサ３２を配置しているの
で、圧力制御弁入口圧力の検出にあたっては、圧力セン
サ３２での検出圧力から圧縮機１から放熱器２の出口側
に至るまでの圧力損失分を差し引く必要がある。
【００４７】（第６実施形態）本実施形態は、冷暖房切
り替え可能なヒートポンプサイクルにＣＯ2 サイクルを
適用したものである。４０は室外熱交換器で、４１は室
内熱交換器で、４２は冷媒の流れ方向を切り替える四方
弁機構である。そして、四方弁機構４３を図１５の実線
で示すように切り替えることにより、冷媒は実線矢印で
示すようにＣＯ2 サイクル内を循環して冷房運転状態と
なり、また、四方弁機構４３を図１５の破線で示すよう
に切り替えることにより、冷媒は破線矢印で示すように
ＣＯ2 サイクル内を循環して暖房運転状態となる。
り替え可能なヒートポンプサイクルにＣＯ2 サイクルを
適用したものである。４０は室外熱交換器で、４１は室
内熱交換器で、４２は冷媒の流れ方向を切り替える四方
弁機構である。そして、四方弁機構４３を図１５の実線
で示すように切り替えることにより、冷媒は実線矢印で
示すようにＣＯ2 サイクル内を循環して冷房運転状態と
なり、また、四方弁機構４３を図１５の破線で示すよう
に切り替えることにより、冷媒は破線矢印で示すように
ＣＯ2 サイクル内を循環して暖房運転状態となる。
【００４８】つまり、冷房運転状態では、室外熱交換器
４０が放熱器として作動し、室内熱交換器４１が蒸発器
として作動する。また、暖房運転状態では、室内熱交換
器４１が放熱器として作動し、室外熱交換器４０が蒸発
器として作動する。ところで、ＣＯ2 サイクルの成績係
数が最大となるように放熱器出口側の冷媒圧力を決定す
るにあたって冷暖房切り替え可能なヒートポンプサイク
ルでは、単なる蒸気圧縮式冷凍サイクルに比べて蒸発器
側の圧力変動が大きいため、上述の実施形態のように放
熱器出口側の冷媒温度のみから決定することができな
い。
４０が放熱器として作動し、室内熱交換器４１が蒸発器
として作動する。また、暖房運転状態では、室内熱交換
器４１が放熱器として作動し、室外熱交換器４０が蒸発
器として作動する。ところで、ＣＯ2 サイクルの成績係
数が最大となるように放熱器出口側の冷媒圧力を決定す
るにあたって冷暖房切り替え可能なヒートポンプサイク
ルでは、単なる蒸気圧縮式冷凍サイクルに比べて蒸発器
側の圧力変動が大きいため、上述の実施形態のように放
熱器出口側の冷媒温度のみから決定することができな
い。
【００４９】そこで、本実施形態では、電気式圧力制御
弁３０を挟んで両側に圧力センサおよび温度センサを配
置し、両圧力センサ３２、３２ａおよび温度センサ３
１、３１ａから出力信号を圧力制御装置３３に入力させ
て電気式圧力制御弁３０の開度を制御している。つま
り、冷房運転時は圧力センサ３２ａおよび温度センサ３
１に基づいて、予めＲＯＭに記憶された蒸発器側圧力を
パラメータとする温度と圧力との関係（図１６参照）よ
り目標圧力制御弁入口圧力を選定し、圧力センサ３２か
らの圧力制御弁入口圧力と目標圧力制御弁入口圧力とを
比較しながら電気式圧力制御弁３０の開度を制御する。
また、暖房運転時は圧力センサ３２および温度センサ３
１ａに基づいて、予めＲＯＭに記憶された蒸発器側圧力
をパラメータとする温度と圧力との関係（図１６参照）
より目標圧力制御弁入口圧力を選定し、圧力センサ３２
ａからの圧力制御弁入口圧力と目標圧力制御弁入口圧力
とを比較しながら電気式圧力制御弁３０の開度を制御す
る。
弁３０を挟んで両側に圧力センサおよび温度センサを配
置し、両圧力センサ３２、３２ａおよび温度センサ３
１、３１ａから出力信号を圧力制御装置３３に入力させ
て電気式圧力制御弁３０の開度を制御している。つま
り、冷房運転時は圧力センサ３２ａおよび温度センサ３
１に基づいて、予めＲＯＭに記憶された蒸発器側圧力を
パラメータとする温度と圧力との関係（図１６参照）よ
り目標圧力制御弁入口圧力を選定し、圧力センサ３２か
らの圧力制御弁入口圧力と目標圧力制御弁入口圧力とを
比較しながら電気式圧力制御弁３０の開度を制御する。
また、暖房運転時は圧力センサ３２および温度センサ３
１ａに基づいて、予めＲＯＭに記憶された蒸発器側圧力
をパラメータとする温度と圧力との関係（図１６参照）
より目標圧力制御弁入口圧力を選定し、圧力センサ３２
ａからの圧力制御弁入口圧力と目標圧力制御弁入口圧力
とを比較しながら電気式圧力制御弁３０の開度を制御す
る。
【００５０】因みに、図１６は蒸発器側の圧力が約２．
０ＭＰａ（蒸発器温度−２０℃相当）の場合と３．５Ｍ
Ｐａ（蒸発器温度０℃相当）の場合との２つの場合を示
しており、これら蒸発器側圧力のパラメータとしての変
動範囲は、ＣＯ2 サイクルの設計仕様等の諸条件に応じ
て適宜決定さられるべきものである。 （第７実施形態）第４〜６実施形態では、圧力制御装置
３３と制御装置３４とを分散させて分散制御方式を採用
したが、圧力制御装置３３と制御装置３４とを一体化し
て集中制御方式としてもよい。
０ＭＰａ（蒸発器温度−２０℃相当）の場合と３．５Ｍ
Ｐａ（蒸発器温度０℃相当）の場合との２つの場合を示
しており、これら蒸発器側圧力のパラメータとしての変
動範囲は、ＣＯ2 サイクルの設計仕様等の諸条件に応じ
て適宜決定さられるべきものである。 （第７実施形態）第４〜６実施形態では、圧力制御装置
３３と制御装置３４とを分散させて分散制御方式を採用
したが、圧力制御装置３３と制御装置３４とを一体化し
て集中制御方式としてもよい。
【００５１】例えば、第５実施形態に示されたＣＯ2 サ
イクルを例に上記集中制御方式を採用すれば、図１７に
示すように、温度センサ３１および圧力センサ３２のか
らの出力信号を制御装置３４に入力させ、制御装置３４
から電気式圧力制御弁３０へ向けて電気式圧力制御弁３
０の制御信号を出力するものである。次に、図１８のフ
ローチャートを用いて本実施形態の作動を述べる。
イクルを例に上記集中制御方式を採用すれば、図１７に
示すように、温度センサ３１および圧力センサ３２のか
らの出力信号を制御装置３４に入力させ、制御装置３４
から電気式圧力制御弁３０へ向けて電気式圧力制御弁３
０の制御信号を出力するものである。次に、図１８のフ
ローチャートを用いて本実施形態の作動を述べる。
【００５２】先ず、図示されていないＣＯ2 サイクルの
始動スイッチが入力され、冷房運転開始の支持がされる
と、室内温度センサ３５、室外温度センサ３６および温
度設定手段３７からの出力信号に基づいて室内に吹き出
す空気の温度の目標値である目標吹出温度を演算し、記
憶する（ステップ２００）。次に、電気式圧力制御弁３
０の開度を所定の初期値に設定し（ステップ２１０）、
送風機３９を始動して室内に向けて送風するとともに
（ステップ２２０）、圧縮機１を起動する（ステップ２
３０）。
始動スイッチが入力され、冷房運転開始の支持がされる
と、室内温度センサ３５、室外温度センサ３６および温
度設定手段３７からの出力信号に基づいて室内に吹き出
す空気の温度の目標値である目標吹出温度を演算し、記
憶する（ステップ２００）。次に、電気式圧力制御弁３
０の開度を所定の初期値に設定し（ステップ２１０）、
送風機３９を始動して室内に向けて送風するとともに
（ステップ２２０）、圧縮機１を起動する（ステップ２
３０）。
【００５３】次に、蒸発器４の空気下流側に配置された
温度センサ３４ａにより、実際の吹出空気温度を検出し
一時的に記憶する（ステップ２４０）。そして、ステッ
プ２４０で記憶した吹出空気温度と目標吹出温度とを比
較し（ステップ２５０）、目標吹出温度の方が吹出空気
温度より小さい場合は、圧縮機１の回転数を増加させて
冷凍能力の増大を図り（ステップ２６０）、一方、目標
吹出温度が吹出空気温度以上の場合は、圧縮機１の回転
数を減少させて冷凍能力の減少を図る（ステップ２７
０）。
温度センサ３４ａにより、実際の吹出空気温度を検出し
一時的に記憶する（ステップ２４０）。そして、ステッ
プ２４０で記憶した吹出空気温度と目標吹出温度とを比
較し（ステップ２５０）、目標吹出温度の方が吹出空気
温度より小さい場合は、圧縮機１の回転数を増加させて
冷凍能力の増大を図り（ステップ２６０）、一方、目標
吹出温度が吹出空気温度以上の場合は、圧縮機１の回転
数を減少させて冷凍能力の減少を図る（ステップ２７
０）。
【００５４】そして、温度センサ３１より圧力制御弁入
口温度を検出し（ステップ２８０）、この検出に基づい
て目標圧力制御弁入口圧力を選定して記憶する（ステッ
プ２９０）。次に、圧力センサ３２より圧力制御弁入口
圧力を検出し（ステップ３００）、目標圧力制御弁入口
圧力と圧力制御弁入口圧力とを比較する（ステップ３１
０）。
口温度を検出し（ステップ２８０）、この検出に基づい
て目標圧力制御弁入口圧力を選定して記憶する（ステッ
プ２９０）。次に、圧力センサ３２より圧力制御弁入口
圧力を検出し（ステップ３００）、目標圧力制御弁入口
圧力と圧力制御弁入口圧力とを比較する（ステップ３１
０）。
【００５５】次に、目標圧力制御弁入口圧力が圧力制御
弁入口圧力を上回った場合には、電気式圧力制御弁３０
の開度を小さくし（ステップ３２０）、目標圧力制御弁
入口圧力が圧力制御弁入口圧力以下の場合には、電気式
圧力制御弁３０の開度を大きくする（ステップ３３
０）。以後、ステップ２４０に戻り、以後ステップ２４
０から３３０まで繰り返す。
弁入口圧力を上回った場合には、電気式圧力制御弁３０
の開度を小さくし（ステップ３２０）、目標圧力制御弁
入口圧力が圧力制御弁入口圧力以下の場合には、電気式
圧力制御弁３０の開度を大きくする（ステップ３３
０）。以後、ステップ２４０に戻り、以後ステップ２４
０から３３０まで繰り返す。
【００５６】ところで、本発明に係る圧力制御弁は、Ｃ
Ｏ2 を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクルに使用が限定さ
れるものではなく、例えば、エチレン、エタン、酸化窒
素等の超臨界域で使用する冷媒を用いた蒸気圧縮式冷凍
サイクルにも適用することができる。また、アキューム
レータ５を廃止しても、前述の蒸気圧縮式冷凍サイクル
を実施することができる。この場合、蒸発器４内に残存
する冷媒が吸引されて、アキュームレータ５を有するＣ
Ｏ2 サイクルと同様な作動を得ることができる。
Ｏ2 を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクルに使用が限定さ
れるものではなく、例えば、エチレン、エタン、酸化窒
素等の超臨界域で使用する冷媒を用いた蒸気圧縮式冷凍
サイクルにも適用することができる。また、アキューム
レータ５を廃止しても、前述の蒸気圧縮式冷凍サイクル
を実施することができる。この場合、蒸発器４内に残存
する冷媒が吸引されて、アキュームレータ５を有するＣ
Ｏ2 サイクルと同様な作動を得ることができる。
【図１】ＣＯ2 のモリエル線図である。
【図２】成績係数（ＣＯＰ）と放熱器出口側圧力との関
係を示すグラフである。
係を示すグラフである。
【図３】蒸気圧縮式冷凍サイクルを示す模式図である。
【図４】第１実施形態に係る圧力制御弁の断面図であ
る。
る。
【図５】蒸気圧縮式冷凍サイクルの作動を説明するため
の説明図である。
の説明図である。
【図６】密閉空間内の体積と、この密閉空間内に封入さ
れるＣＯ2 の質量との関係を示すグラフである。
れるＣＯ2 の質量との関係を示すグラフである。
【図７】第２実施形態に係る圧力制御弁の断面図であ
る。
る。
【図８】第３実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルを
示す模式図である。
示す模式図である。
【図９】第３実施形態に係る圧力制御弁の断面図であ
る。
る。
【図１０】第４実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍サイクル
を示す模式図である。
を示す模式図である。
【図１１】電気式圧力制御弁の断面図である。
【図１２】目標圧力制御弁入口圧力と制御弁入口温度と
の関係を示すグラフである。
の関係を示すグラフである。
【図１３】第４実施形態の作動を示すフローチャートで
ある。
ある。
【図１４】第５実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍サイクル
を示す模式図である。
を示す模式図である。
【図１５】第６実施形態に係るヒートポンプサイクルを
示す模式図である。
示す模式図である。
【図１６】目標圧力制御弁入口圧力と制御弁入口温度と
の関係を示すグラフである。
の関係を示すグラフである。
【図１７】第７実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍サイクル
を示す模式図である。
を示す模式図である。
【図１８】第７実施形態の作動を示すフローチャートで
ある。
ある。
１…圧縮機、２…放熱器、３…圧力制御弁、４…蒸発
器、５…アキュームレータ（タンク手段）、６…配管、
７…ＣＯ2 流路、１０…弁カバー、１１…ダイヤフラム
（変位部材）、１２…密閉空間、１３…弁ハウジング、
１４、１５…空間、１６…隔壁部、１７…弁口、１８…
連通路、１９…弁体部、２０…弁部、２１…コイルスプ
リング、２２…スペーサ、２３…ベルローズ、２４…セ
ンサ部、２５…電気式膨張弁、２６…電気接点、３０…
電気式圧力制御弁、３１…温度センサ、３２…圧力セン
サ、３３…圧力制御装置。
器、５…アキュームレータ（タンク手段）、６…配管、
７…ＣＯ2 流路、１０…弁カバー、１１…ダイヤフラム
（変位部材）、１２…密閉空間、１３…弁ハウジング、
１４、１５…空間、１６…隔壁部、１７…弁口、１８…
連通路、１９…弁体部、２０…弁部、２１…コイルスプ
リング、２２…スペーサ、２３…ベルローズ、２４…セ
ンサ部、２５…電気式膨張弁、２６…電気接点、３０…
電気式圧力制御弁、３１…温度センサ、３２…圧力セン
サ、３３…圧力制御装置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 尾崎 幸克 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 坂上 祐一 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 鬼丸 貞久 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内
Claims (8)
- 【請求項１】 蒸気圧縮式冷凍サイクルの放熱器（２）
から蒸発器（４）まで至る冷媒流路（７）に配置され、
前記放熱器（２）出口側の冷媒温度に応じて前記放熱器
（２）出口側圧力を制御する圧力制御弁であって、 前記冷媒流路（７）内に形成され、前記冷媒流路（７）
を上流側空間（１４）と下流側空間（１５）とに仕切る
隔壁部（１６）と、 前記隔壁部（１６）に形成され、前記上流側空間（１
４）と下流側空間（１５）と連通させる弁口（１７）
と、 前記上流側空間（１４）内に密閉空間（１２）を形成
し、前記密閉空間（１２）内外の圧力差に応じて変位す
る変位部材（１１、２３）と、 前記弁口（１７）を開閉する弁体部（１９）とを備え、 前記変位部材（１１）は、前記上流側空間（１４）内圧
力が前記密閉空間（１２）内圧力より所定量大きくなっ
たときに変位し、 前記弁体部（１９）は、前記変位部材（１１）が変位し
たときに前記弁口（１７）を開くように構成されてお
り、 前記密閉空間（１２）内には前記冷媒が、前記弁口（１
７）が閉じた状態の前記密閉空間（１２）内体積に対し
て、前記冷媒の温度が０℃での飽和液密度から前記冷媒
の臨界点での飽和液密度に至る範囲の密度で封入されて
いることを特徴とする圧力制御弁。 - 【請求項２】 前記冷媒は二酸化炭素であり、 前記密閉空間内の密度は、４５０ｋｇ／ｍ3 〜９５０ｋ
ｇ／ｍ3 であることを特徴とする請求項１または２に記
載の圧力制御弁。 - 【請求項３】 冷媒を圧縮する圧縮機（１）と、 前記圧縮機（１）で圧縮された前記冷媒を冷却する放熱
器（２）と、 前記放熱器（２）の出口側圧力を制御するとともに、前
記冷媒を減圧する圧力制御弁（３）と、 前記圧力制御弁（３）で減圧された前記冷媒を蒸発させ
る蒸発器（４）とを有し、 前記圧力制御弁（３）は、請求項１または２に記載の圧
力制御弁であることを特徴とする蒸気圧縮式冷凍サイク
ル。 - 【請求項４】 冷媒を圧縮する圧縮機（１）と、 前記圧縮機（１）で圧縮された前記冷媒を冷却する放熱
器（２）と、 前記放熱器（２）の出口側圧力を制御するとともに、前
記冷媒を減圧する圧力制御弁（３０）と、 前記圧力制御弁（３０）で減圧された前記冷媒を蒸発さ
せる蒸発器（４）と、 前記圧力制御弁（３０）上流側の高圧側冷媒温度を検出
する温度検出手段（３１）と、 前記圧力制御弁（３０）上流側の高圧側冷媒圧力を検出
する高圧側圧力検出手段（３２）と、 前記圧力制御弁（３０）の開閉状態を制御する制御装置
（３３）とを有し、 前記制御装置（３３）により、前記高圧側圧力検出手段
（３２）によって検出された高圧側冷媒圧力が、前記温
度検出手段（３１）によって検出された高圧側冷媒温度
に基づいて選定された目標圧力となるように前記圧力制
御弁（３０）を制御することを特徴とする蒸気圧縮式冷
凍サイクル。 - 【請求項５】 前記圧力制御弁（３０）は、前記制御装
置（３３）により全閉状態から全開状態まで連続的に変
化することを特徴とする請求項４に記載の蒸気圧縮式冷
凍サイクル。 - 【請求項６】 前記圧力制御弁（３０）下流側の低圧側
冷媒圧力を検出する低圧側圧力検出手段（３２ａ）を有
し、 前記制御装置（３３）により、前記温度検出手段（３
１）によって検出された高圧側冷媒温度および前記低圧
側圧力検出手段（３２ａ）によって検出された低圧側冷
媒圧力に基づいて選定された目標圧力となるように前記
圧力制御弁（３０）を制御することを特徴とする請求項
４または５に記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル。 - 【請求項７】 前記圧力制御弁（３、３０）の入口側で
の過冷却度が１℃〜１０℃となるように、前記圧力制御
弁（３、３０）の開度を調節することを特徴とする請求
項３ないし６のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍サ
イクル。 - 【請求項８】 前記蒸発器（４）の出口側と前記圧縮機
（１）の吸入側との間に配置され、液相冷媒と気相冷媒
とを分離して冷媒を蓄えるタンク手段（５）を有するこ
とを特徴とする請求項３ないし７のいずれか１つに記載
の蒸気圧縮式冷凍サイクル。
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