KR20030095240A - 초임계 냉매 사이클 장치 - Google Patents

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KR20030095240A
KR20030095240A KR10-2003-0035461A KR20030035461A KR20030095240A KR 20030095240 A KR20030095240 A KR 20030095240A KR 20030035461 A KR20030035461 A KR 20030035461A KR 20030095240 A KR20030095240 A KR 20030095240A
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도시유끼 에바라
요시아끼 구로사와
미쯔히꼬 이시노
에이지 후꾸다
요시히꼬 고바야시
아리또모 요시다
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Abstract

본 발명의 과제는 고압측이 초임계 압력으로 운전되는 냉매 사이클 장치에 있어서, 증발기에 있어서의 열교환 능력을 향상시키는 데 있다.
압축기(10), 가스 쿨러(154), 팽창 밸브(156) 및 증발기(157)를 차례로 환형으로 접속하고, 고압측이 초임계 압력으로 운전되는 냉매 사이클 장치에 있어서 증발기(157)의 출구측 냉매 온도 및 냉매 압력에 의거하여 팽창 밸브(156)의 밸브 개방도를 조정하여 상기 증발기(157)의 출구측 과열도를 제어한다. 팽창 밸브(156)에 의해 증발기(157)의 출구측 과열도를 크게 취한다.

Description

초임계 냉매 사이클 장치{Supercritical Refrigerant Cycle Device}
본 발명은 압축기, 가스 쿨러, 조임 수단 및 증발기를 차례로 환형으로 접속하여 구성되고, 고압측이 초임계 압력으로 운전되는 냉매 사이클 장치에 관한 것이다.
종래부터 예를 들어 자동차의 차 실내를 공조하는 카 에어컨은 회전 압축기(압축기), 가스 쿨러, 중간 열교환기, 조임 수단(팽창 밸브 등) 및 증발기 등을 차례로 환형으로 배관 접속하여 냉매 사이클(냉매 회로)이 구성되어 있다. 그리고, 회전 압축기의 회전 압축 요소의 흡입 포트로부터 냉매 가스가 실린더의 저압실측에 흡입되어, 롤러와 베인의 동작에 의해 압축이 행해져 고온 고압의 냉매 가스가 되고, 고압실측으로부터 토출 포트, 토출 소음실을 경유하여 가스 쿨러로 유입하여 방열하고, 중간 열교환기에서 저압측 냉매와 열교환한 후, 조임 수단에 의해 조여져 증발기에 공급된다. 그곳에서 냉매가 증발하고, 그 때에 주위로부터 흡열함으로써 냉각 작용을 발휘하여 차 실내를 공조하는 것이었다.
여기서, 최근에는 지구 환경 문제에 대처하기 위해, 이러한 종류의 카 에어컨 등의 냉매 사이클에 있어서도 종래의 프레온을 이용하지 않고 예를 들어 일본 특허 공고 평7-18602호 공보에 개시된 바와 같은 자연 냉매인 CO2(이산화탄소)를 냉매로서 이용하여 고압측을 초임계 압력으로서 운전하는 것이 시도되고 있지만, 종래에서는 증발기의 후방에 리시버 탱크를 배치하고, 이 리시버 탱크에 액냉매를 저류하는 것을 전제로 하고 있었기 때문에, 증발기 출구측의 냉매 과열도는 취해지고 있지 않다.
즉, 조임 수단(팽창 밸브)의 개방도는 개방하는 경향으로 되어 있으므로, 증발기에서의 냉매 증발 온도가 높아져, 공기와의 열교환을 충분히 행할 수 없게 된다. 이에 의해, 소요의 냉방 능력(냉동 능력)을 얻기 위해서는 보다 많은 냉매 순환량이 필요해지고, 압축기에서의 소비 전력도 증대해 버리는 문제가 있었다.
또한, 조임 수단(팽창 밸브)의 개방도는 리시버 탱크 내에 저류하는 냉매의 액량에 의해 저장되어 있으므로, 예를 들어 열부하가 높은 경우에 조임 수단의 개방도가 조이는 경향으로 되어 있으면, 증발기 내에서 냉매는 가스/액체의 이상(二相) 혼합체로부터 대략 완전히 가스의 상태가 된다. 그로 인해, 중간 열교환기로 유입한 저압측의 냉매는 고압측의 냉매를 충분히 냉각할 수 없다. 그 결과, 조임수단 입구에서의 냉매의 온도가 높아지고, 냉방 능력이 저하되므로, 소요의 냉방 능력을 얻기 위해서는 보다 많은 냉매 순환량이 필요해지고, 압축기의 소비 전력이 증가해 버린다.
이와 같이, 리시버 탱크 내의 냉매의 액량을 조정함으로써 냉방 능력의 제어를 행한 경우, 증발기의 냉동 능력을 항상 최적의 상태로 유지하는 것이 곤란하고, 그 결과 증발기에 있어서의 냉방 능력이 저하하게 된다는 문제가 있었다.
본 발명은, 이러한 종래의 기술적 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 고압측이 초임계 압력으로 운전되는 냉매 사이클 장치에 있어서, 증발기에 있어서의 열교환 능력을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
도1은 본 발명의 냉매 사이클을 구성하는 다단 압축식 회전 압축기의 종단면도.
도2는 본 발명의 실시예의 카 에어컨의 냉매 사이클을 도시한 도면.
도3은 도2의 냉매 사이클의 p-h선도.
도4는 증발기 출구의 과열도와 냉방 능력의 관계를 나타낸 도면.
도5는 도2의 냉매 사이클의 고부하시에 있어서의 p-h선도.
도6은 도2의 냉매 사이클의 저부하시에 있어서의 p-h선도.
도7은 본 발명에 있어서의 과열도 제어의 열부하 조건과 과열도의 관계를 도시한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 다단 압축식 회전 압축기
32 : 제1 회전 압축 요소
34 : 제2 회전 압축 요소
92, 94 : 냉매 도입관
96 : 냉매 토출관
154 : 가스 쿨러
156 : 팽창 밸브
157 : 증발기
158 : 리시버 탱크
159A : 온도 센서
159B : 압력 센서
160 : 중간 열교환기
171 : 제어 장치
즉, 본 발명에서는 냉매 사이클 장치의 증발기 출구측의 냉매 온도와 냉매 압력에 의거하여 조임 수단의 개방도를 조정하고, 상기 증발기 출구측의 과열도를 제어하므로, 예를 들어 청구항 2와 같이 조임 수단에 의해 증발기 출구측의 과열도를 크게 취함으로써 증발기에 있어서의 냉매의 엔탈피차가 커지고, 증발기에서의 열교환 능력을 최대한 이끌어 낼 수 있게 된다.
이에 의해, 증발기의 외형 치수의 삭감이나 냉매 순환량을 감소시키면서, 소요의 냉동 능력을 유지할 수 있게 되고, 압축기에서의 소비 전력도 저감시킬 수 있게 된다.
청구항 3의 발명에서는, 상기에다가 가스 쿨러를 나온 냉매와 증발기를 나온 냉매를 열교환시키기 위한 중간 열교환기와, 압축기에 흡입되는 냉매를 일단 저류하는 리시버 탱크를 구비하고, 증발기로부터 나와 중간 열교환기를 거친 냉매를 리시버 탱크로 유입시키도록 하고 있으므로, 증발기로부터 나온 온도가 낮은 냉매를 리시버 탱크를 거치지 않고 중간 열교환기로 유입시켜, 가스 쿨러로부터 나온 냉매를 보다 한층 효과적으로 냉각할 수 있게 된다. 이에 의해, 냉동 능력의 개선을 한층 더 도모할 수 있게 된다.
청구항 4의 발명에서는 상기 각 발명에다가 CO2냉매를 사용하므로, 환경 문제의 해결에도 기여할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서는 열부하 조건에 의거하여 조임 수단의 개방도를 조정하고, 증발기 출구측의 과열도를 제어하므로, 예를 들어 청구항 6와 같이 열부하가 높은 경우는 증발기 출구측의 과열도를 작게 하고, 열부하가 낮은 경우에는 크게 취함으로써, 증발기에 있어서의 냉매의 엔탈피차가 커지고, 증발기에서의 냉방 능력을 최대한 이끌어 낼 수 있게 된다.
이에 의해, 열부하 조건이 변화해도 증발기의 냉동 능력을 항상 최적의 상태로 유지할 수 있게 된다.
특히, 열부하가 높은 경우에 있어서, 냉매 순환량을 증가시키지 않고 냉동 능력을 증대시킬 수 있게 되므로, 압축기의 성적 계수의 향상을 도모할 수 있게 된다.
청구항 7의 발명에서는, 상기에다가 압축기에 흡입되는 냉매를 일단 저류하는 리시버 탱크를 구비하고, 증발기로부터 나와 중간 열교환기를 경유한 냉매를 리시버 탱크로 유입시키도록 하고 있으므로, 증발기로부터 나온 온도가 낮은 냉매를 리시버 탱크를 거치지 않고 중간 열교환기로 유입시켜, 가스 쿨러로부터 나온 냉매를 보다 한층 효과적으로 냉각할 수 있게 된다. 이에 의해, 증발기의 냉방 능력의 개선을 한층 더 도모할 수 있게 된다.
청구항 8의 발명에서는 상기 각 발명에다가 CO2냉매를 사용하므로, 환경 문제의 해결에도 기여할 수 있게 된다.
다음에, 도면에 의거하여 본 발명의 실시 형태를 상세하게 서술한다. 도1은 본 발명의 냉매 사이클 장치에 사용하는 압축기의 실시예로서, 제1 및 제2 회전 압축 요소를 구비한 내부 중간압형 다단(2단) 압축식 회전 압축기(10)의 종단측면도이다.
즉, 부호 1O은 CO2(이산화탄소)를 냉매로서 사용하는 내부 중간압형 다단 압축식 회전 압축기로, 이 압축기(10)는 강판으로 이루어지는 원통형 밀폐 용기(12)와, 이 밀폐 용기(12)의 내부 공간의 상측에 배치 수납된 전동 요소(14) 및 이 전동 요소(14)의 하측에 배치되고, 전동 요소(14)의 회전축(16)에 의해 구동되는 제1 회전 압축 요소(32)(1단째) 및 제2 회전 압축 요소(34)(2단째)로 이루어지는 회전 압축 기구부(18)로 구성되어 있다.
밀폐 용기(12)는 바닥부를 오일 저장소로 하고, 전동 요소(14)와 회전 압축 기구부(18)를 수납하는 용기 본체(12A)와, 이 용기 본체(12A)의 상부 개구를 폐색하는 대략 주발형의 엔드 캡(덮개 부재)(12B)으로 구성되고, 또한 이 엔드 캡(12B)의 상면 중심에는 원형의 부착 구멍(12D)이 형성되어 있고, 이 부착 구멍(12D)에는 전동 요소(14)에 전력을 공급하기 위한 터미널(배선을 생략)(20)이 부착되어 있다.
전동 요소(14)는 밀폐 용기(12)의 상부 공간의 내주면에 따라서 환형으로 부착된 고정자(22)와, 이 고정자(22)의 내측에 약간의 간격을 두고 삽입 설치된 회전자(24)로 이루어진다. 이 회전자(24)는 중심을 통해 수직 방향으로 연장되는 회전축(16)에 고정되어 있다.
고정자(22)는 도넛형의 전자 강판을 적층한 적층체(26)와, 이 적층체(26)의 이부에 직접 권취(집중 권취) 방식에 의해 권취 장착된 고정자 코일(28)을 갖고 있다. 또한, 회전자(24)는 고정자(22)와 마찬가지로 전자 강판의 적층체(30)로 형성되고, 이 적층체(30) 내에 영구 자석(MG)을 삽입하여 형성되어 있다.
상기 제1 회전 압축 요소(32)와 제2 회전 압축 요소(34) 사이에는 중간 구획판(36)이 협지되어 있다. 즉, 제1 회전 압축 요소(32)와 제2 회전 압축 요소(34)는 중간 구획판(36)과, 이 중간 구획판(36)의 상하에 배치된 상부 실린더(38), 하부 실린더(40)와, 이 상하 실린더(38, 40) 내를 180도의 위상차를 갖고 회전축(16)에 설치한 상하 편심부(42, 44)에서 편심 회전하는 상하 롤러(46, 48)와, 이 상하 롤러(46, 48)에 접촉하여 상하 실린더(38, 40) 내를 각각 저압실측과 고압실측으로 구획하는 베인(50, 52)과, 상부 실린더(38)의 상측 개구면 및 하부 실린더(40)의 하측 개구면을 폐색하여 회전축(16)의 베어링을 겸용하는 지지 부재로서의 상부 지지 부재(54) 및 하부 지지 부재(56)로 구성되어 있다.
한편, 상부 지지 부재(54) 및 하부 지지 부재(56)에는 도시하지 않은 흡입포트에 의해 상하 실린더(38, 40)의 내부와 각각 연통하는 흡입 통로(60)(상측의 흡입 통로는 도시하지 않음)와, 일부를 함몰시켜 이 오목부를 상부 커버(66), 하부 커버(68)로 폐색함으로써 형성되는 토출 소음실(62, 64)이 설치되어 있다.
또한, 토출 소음실(64)과 밀폐 용기(12) 내는 상하 실린더(38, 40)나 중간 구획판(36)을 관통하는 연통로로 연통되어 있고, 연통로의 상단부에는 중간 토출관(121)이 세워 설치되어, 이 중간 토출관(121)으로부터 제1 회전 압축 요소(32)로 압축된 중간압의 냉매가 밀폐 용기(12) 내로 토출된다.
또한, 제2 회전 압축 요소(34)의 상부 실린더(38) 내부와 연통하는 토출 소음실(62)의 상면 개구부를 폐색하는 상부 커버(66)는 밀폐 용기(12) 내를 토출 소음실(62)과 전동 요소(14)측으로 구획한다.
그리고, 냉매로서는 지구 환경에 적합하고, 가연성 및 독성 등을 고려하여 자연 냉매인 전술한 CO2(이산화탄소)를 사용하고, 윤활유로서의 오일은, 예를 들어 광물유(미네랄 오일), 알킬벤젠유, 에테르유, 에스테르유, PAG(폴리알킬글리콜) 등 기존의 오일이 사용된다.
밀폐 용기(12)의 용기 본체(12A)의 측면에는 상부 지지 부재(54)와 하부 지지 부재(56)의 흡입 통로(60)(상측은 도시하지 않음), 토출 소음실(62), 상부 커버(66)의 상측[전동 요소(14)의 하단부에 대략 대응하는 위치]에 대응하는 위치에, 슬리브(141, 142, 143 및 144)가 각각 용접 고정되어 있다. 그리고, 슬리브(141) 내에는 상부 실린더(38)에 냉매 가스를 도입하기 위한 냉매도입관(92)의 일단부가 삽입 접속되고, 이 냉매 도입관(92)의 일단부는 상부 실린더(38)의 도시하지 않은 흡입 통로와 연통한다. 이 냉매 도입관(92)은 밀폐 용기(12)의 상측을 통과하여 슬리브(144)에 이르고, 타단부는 슬리브(144) 내에 삽입 접속되어 밀폐 용기(12) 내에 연통한다.
또한, 슬리브(142) 내에는 하부 실린더(40)에 냉매 가스를 도입하기 위한 냉매 도입관(94)의 일단부가 삽입 접속되고, 이 냉매 도입관(94)의 일단부는 하부 실린더(40)의 흡입 통로(60)와 연통한다. 이 냉매 도입관(94)의 타단부는 후술하는 리시버 탱크(158)의 하측에 접속되어 있다. 또한, 슬리브(143) 내에는 냉매 토출관(96)이 삽입 접속되고, 이 냉매 도입관(96)의 일단부는 토출 소음실(62)과 연통한다.
상기 리시버 탱크(158)는 압축기(10)에 흡입되는 냉매의 기액 분리를 행하는 탱크이며, 밀폐 용기(12)의 용기 본체(12A)의 상부측면에 용접 고정된 브래킷(147)에 부착되어 있다.
다음에, 도2는 본 발명을 자동차의 차 실내를 냉방하는 카 에어컨(공기 조화기)에 적용한 경우의 냉매 사이클을 도시하고 있고, 상술한 압축기(10)는 도2에 도시한 카 에어컨의 냉매 사이클의 일부를 구성한다. 즉, 압축기(10)의 냉매 토출관(96)은 가스 쿨러(154)의 입구에 접속된다. 이 가스 쿨러(154)를 나온 배관은 중간 열교환기(160)를 경유하여 조임 수단으로서의 전자식 팽창 밸브(156)에 이른다.
팽창 밸브(156)의 출구는 증발기(157)의 입구에 접속되고, 증발기(157)의 출구는 중간 열교환기(160)를 경유하여 상기 리시버 탱크(158)에 이른다. 그리고, 리시버 탱크(158)의 출구는 냉매 도입관(94)에 접속된다. 부호 171은 상기 압축기(10)의 전동 요소(14)의 회전수나 팽창 밸브(156)의 밸브 개방도를 제어(조정)하는 제어 장치이며, 증발기(157)의 출구측 냉매 온도를 검출하는 온도 센서(159A)의 출력이나, 증발기(157)의 출구측 냉매 압력을 검출하는 압력 센서(159B), 도시하지 않은 자동차의 차 실내 온도를 검출하는 차 실내 온도 센서(161), 차 실내로 들어오는 햇볕의 일사량을 검출하는 일사 센서(162) 및 외기온을 검출하는 외기온 센서(163)의 출력도 입력된다.
이상의 구성으로 다음에 도3 및 도5의 p-h선도(몰리에르 선도)를 참조하면서 동작을 설명한다. 제어 장치(171)에 의해 터미널(20) 및 도시되지 않은 배선을 거쳐서 압축기(10)의 전동 요소(14)의 고정자 코일(28)에 통전되면, 전동 요소(14)가 기동하여 회전자(24)가 회전한다. 이 회전에 의해 회전축(16)과 일체로 설치한 상하 편심부(42, 44)에 끼워 맞추어진 상하 롤러(46, 48)가 상하 실린더(38, 40) 내를 편심 회전한다.
이에 의해, 냉매 도입관(94) 및 하부 지지 부재(56)에 형성된 흡입 통로(60)를 경유하여 도시하지 않은 흡입 포트로부터 실린더(40)의 저압실측에 흡입된 저압(도3 및 도5에서 실선으로 나타낸 A의 상태)의 냉매는 롤러(48)와 베인(52)의 동작에 의해 압축되어 중간압이 되어 하부 실린더(40)의 고압실측으로부터 도시하지 않은 연통로를 경유하여 중간 토출관(121)으로부터 밀폐 용기(12) 내로 토출된다. 이에 의해, 밀폐 용기(12) 내는 중간압이 된다.
그리고, 밀폐 용기(12) 내의 중간압의 냉매 가스는 슬리브(144)로부터 나와 냉매 도입관(92) 및 상부 지지 부재(54)에 형성된 도시하지 않은 흡입 통로를 경유하여 도시하지 않은 흡입 포트로부터 상부 실린더(38)의 저압실측에 흡입된다. 흡입된 중간압의 냉매 가스는 롤러(46)와 베인(50)의 동작에 의해 2단째의 압축이 행해져 고압 고온의 냉매 가스가 되어, 고압실측으로부터 도시하지 않은 토출 포트를 통해 상부 지지 부재(54)에 형성된 토출 소음실(62)을 경유하여 냉매 토출관(96)으로부터 외부로 토출된다. 이 때, 냉매는 적절한 초임계 압력까지 압축되어 있다(도3 및 도5에서 실선으로 나타낸 B의 상태).
냉매 토출관(96)으로부터 토출된 냉매 가스는 가스 쿨러(154)에 유입하고, 그곳에서 공냉 혹은 수냉 방식에 의해 방열된 후, 중간 열교환기(160)를 통과한다. 냉매는 그곳에서 저압측의 냉매에 의해 더욱 냉각된 후(도3 및 도5의 C의 상태), 팽창 밸브(156)에 이른다.
냉매는 팽창 밸브(156)에 있어서의 압력 저하에 의해, 도3 및 도5에 실선으로 나타낸 D와 같이 가스/액체의 이상(二相) 혼합체가 되고, 그 상태에서 증발기(157) 내로 유입한다. 그곳에서 냉매가 증발하고, 그 때에 차 실내로 순환되는 공기로부터 흡열함으로써 냉각 작용을 발휘하여 차내를 냉방한 후, 유출한다(도3의 A 및 도5의 E의 상태). 그리고, 중간 열교환기(160)를 통과하여, 그곳에서 고압측의 냉매에 의해 가열 작용을 받은 후, 리시버 탱크(158)에 이른다. 리시버 탱크(158)에서는 기액이 분리되고, 가스냉매만이 냉매 도입관(94)으로부터 압축기(10)의 제1 회전 압축 요소(32) 내로 흡입되는(도5의 A의 상태) 사이클을 반복한다.
제어 장치(171)는 차 실내 온도 센서(161), 일사 센서(162) 및 외기온 센서(163)의 각 출력에 의거하여 압축기(10)의 전동 요소(14)의 회전수를 제어함으로써, 냉매 사이클의 냉방 능력(냉동 능력)을 조정하여 차 실내를 설정 온도로 유지하는 제어를 행한다.
또한, 제어 장치(171)는 온도 센서(159A)와 압력 센서(159B)가 검출하는 증발기(157)의 출구측 냉매 온도와 냉매 압력에 의거하여, 팽창 밸브(156)의 밸브 개방도를 조정한다. 이 때, 제어 장치(171)는 증발기(157)의 출구측 과열도(도3에서 실선으로 나타낸 A의 상태)가 5도 정도의 큰 값이 되도록 밸브 개방도를 조이는 것으로 한다.
여기서, 팽창 밸브(156)의 밸브 개방도를 개방하는 경향으로 하여 도3에 파선으로 나타낸 A'와 같이 증발기(157)의 과열도를 취하지 않는 경우, 증발기(157) 내에 있어서의 냉매의 증발 온도가 높아지므로, 공기와의 열교환을 충분히 행할 수 없게 되어, 냉방 능력이 저하된다.
이 상태를 도3에서 설명한다. 즉, 과열도를 취하지 않는 경우 압축기(10)의 토출 냉매는 도3에 파선으로 나타낸 B'의 상태가 되고, 팽창 밸브(156)를 나와 증발기(157)로 유입하는 냉매는 도3에 파선으로 나타낸 D'의 상태가 된다. 그리고, 이 경우의 냉매 사이클의 냉방 능력(Qe')은 Qe' = Δie' × Gr'이 된다(Δie'는 A'와 D'의 엔탈피차이며, Gr'는 냉매 유량임).
한편, 상술한 바와 같이 과열도를 취한 경우의 냉방 능력(Qe)은 Qe = Δie× Gr이 된다(Δie는 A와 D의 엔탈피차이며, Gr은 냉매 유량임). 그리고, 이 도면으로부터도 명백한 바와 같이, 실선으로 나타낸 Δie는 파선으로 나타낸 Δie'보다도 커지므로, 냉방 능력(Qe)도 과열도를 취하지 않는 경우의 Qe'보다 커지는 것을 알 수 있다( Qe ＞ Qe').
반대로, 일정한 냉방 능력으로 하는 경우에는 냉매 유량 Gr을 Gr'보다 적게 할 수 있게 되는 것을 알 수 있다(Gr ＜Gr'). 또한, 이것은 증발기(157)의 외경 치수의 축소도 가능해지는 것을 의미하고 있다.
또한, 팽창 밸브(156)의 밸브 개방도를 조정하여 증발기(157)의 출구측 과열도를 변화시킨 경우의 냉방 능력의 변화를 도4에 나타낸다. 이 도면으로부터도 명백한 바와 같이, 냉매 사이클의 냉방 능력은 과열도 5도 부근에서 피크가 되는 산형을 나타낸다.
고정 용량형 개방 압축기는 벨트를 거쳐서 엔진에 의해 구동된다. 따라서, 압축기의 회전수는 엔진 회전수에 의존하므로, 차속 변화에 따라서 냉매 순환량은 크게 변동하게 된다. 이로 인해, 증발기 출구의 과열도를 항상 소정치로 하는 것은 곤란하며, 리시버 탱크에 의해 변동분을 흡수하고 있다. 이에 대해, 가변 용량형 개방 압축기나 고정 용량이라도 전동 모터로 구동되는 압축기에서는 냉매 순환량의 변동이 적으므로, 과열도를 소정치로 제어하는 것은 용이하게 행해진다. 즉, 본 발명은 냉매 순환량의 변동이 적은 냉매 시스템에 있어서, 보다 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 제어 장치(171)는 온도 센서(159A)와 압력 센서(159B)가 검출하는 증발기(157)의 출구측 냉매 온도와 압력에 의거하여, 팽창 밸브(156)의 개방도를 조정한다. 이 경우, 제어 장치(171)는 차 실내 온도 센서(161), 일사 센서(162) 및 외기온 센서(163)의 각 출력에 의거하여 열부하를 추정하고, 이 추정된 열부하와 온도 센서(159A) 및 압력 센서(159B)의 출력에 의거하여, 팽창 밸브(156)의 밸브 개방도를 조정한다. 예를 들어, 차 실내 온도 센서(161), 일사 센서(162) 및 외기온 센서(163)의 각 출력에 의해 열부하가 높다(고부하)고 추정된 경우에는 제어 장치(171)는 증발기(157)의 출구측 과열도(도5에서 실선으로 도시한 E의 상태)가 매우 작아지도록 팽창 밸브(156)의 밸브 개방도를 개방하는 경향이 있다.
여기서, 고부하시에 있어서 팽창 밸브(156)의 밸브 개방도를 조이는 경향으로 하고, 도5에 파선으로 나타낸 E'와 같이 증발기(156)의 과열도를 크게 취한 경우, 증발기(157) 내에서 냉매는 가스/액체의 이상 혼합 상태로부터 대략 완전히 가스의 상태가 된다. 따라서, 중간 열교환기(160)에 있어서는 대부분 저압측 냉매의 증발이 행해지지 않게 되어, 저압측의 냉매 온도도 상승해 버리므로, 고압측의 냉매를 충분히 냉각할 수 없다. 특히, 외기온이 높은 경우에는 저압측의 냉매 온도가 보다 한층 높아지기 쉬워지므로, 중간 열교환기(160)에 있어서의 고압측과 저압측에서의 온도차가 적어져 열교환을 충분히 행할 수 없게 된다.
한편, 과열도를 작게 한 경우, 증발기(157) 내에서 냉매는 가스/액체의 이상 혼합체 상태로부터 완전히 가스형으로는 되지 않는다. 그래서, 액체의 냉매는 중간 열교환기(160)에서 증발하고, 이 때 고압측의 냉매를 냉각한다. 그로 인해, 중간 열교환기(160)에 있어서 저압측의 냉매 온도가 상승하기 어려워져, 낮게 유지되어, 고압측의 냉매를 충분히 냉각할 수 있게 된다.
그 결과, 과열도를 작게 한 경우, 압축기에서 압축된 냉매의 토출 온도를 낮출 수 있게 된다(도5에서 실선으로 나타낸 B의 상태). 이에 의해, 팽창 밸브(156)의 입구에 있어서의 냉매의 온도가 낮아지고, 증발기(157)에서의 엔탈피차가 커진다.
이 상태를 도5을 이용하여 설명한다. 즉, 고부하시에 있어서 증발기(157)의 출구측 과열도를 크게 취하는 경우, 압축기(10)의 토출 냉매는 도5에 파선으로 나타낸 B'의 상태가 되고, 팽창 밸브(156)를 나와 증발기(157)로 유입하는 냉매는 도5에 파선으로 나타낸 D'의 상태가 된다. 그리고, 이 경우의 증발기(157) 냉방 능력(Qe')은 Qe' = Δie' × Gr'이 된다(Δie'는 E'와 D'의 엔탈피차이며, Gr'는 냉매 유량임).
한편, 상술한 바와 같이 과열도를 작게 한 경우의 냉방 능력(Qe)은 Qe = Δie × Gr이 된다(Δie는 E와 D의 엔탈피차이며, Gr은 냉매 유량임). 그리고, 이 도면으로부터도 명백한 바와 같이, 실선으로 나타낸 Δie는 파선으로 나타낸 Δie'보다도 커지므로, 냉방 능력(Qe)도 과열도를 크게 취하는 경우의 Qe'보다 커지며, 증발기(157)에 있어서의 냉방 능력이 향상되는 것을 알 수 있다.
한편, 제어 장치(171)가 차 실내 온도 센서(161), 일사 센서(162) 및 외기온 센서(163)의 각 출력에 의거하여 열부하가 낮다(중부하, 저부하를 포함)고 추정한 경우, 제어 장치(171)는 증발기(157)의 출구측 과열도(도6에서 실선으로 나타낸 A의 상태)가 5도 정도의 큰 값이 되도록 밸브 개방도를 조이는 경향으로 한다.
여기서, 저부하시(중부하시 포함. 이하 동일)에 있어서 팽창 밸브(156)의 밸브 개방도를 개방하는 경향으로 하여 도6에 파선으로 나타낸 E'와 같이 증발기(157)의 과열도가 작은 경우, 증발기(157) 내에 있어서의 냉매의 온도가 높아지므로, 공기와의 열교환이 충분히 행해지지 않게 되어, 냉방 능력이 저하된다.
이상의 과열도 제어를 도7에 나타낸다. 즉, 차 실내 온도 센서(161), 일사 센서(162) 및 외기온 센서(163)의 각 출력에 의거하여 추정된 열부하가 저부하일 경우, 제어 장치(171)는 과열도가 커지도록 팽창 밸브(156)를 조이는 경향으로 하고, 한편, 고부하시에 있어서는 과열도가 작아지도록 팽창 밸브(156)를 개방하는 경향으로 하는 것이다.
이와 같이, 차 실내 온도 센서(161), 일사 센서(162) 및 외기온 센서(163)의 각 출력에 의거하여, 열부하가 높다고 추정된 경우는 증발기(157) 출구측의 과열도가 작아지도록, 열부하가 낮다고 추정된 경우에는 증발기(157) 출구측의 과열도가 커지도록 팽창 밸브(156)의 밸브 개방도를 제어함으로써, 증발기(157)에 있어서의 냉매의 엔탈피자가 커져, 증발기(157)에서의 냉방 능력을 최대한 끌어 낼 수 있게 된다.
이에 의해, 모든 열부하 조건에 있어서 증발기(157)의 냉방 능력을 최적의 상태로 유지할 수 있게 된다.
또한, 증발기(157)로부터 나와 중간 열교환기(160)를 경유한 냉매를 리시버 탱크(158)로 유입시키도록 하고 있으므로, 증발기(157)로부터 나온 온도가 낮은 냉매를 리스버 탱크(158)를 거치지 않고 중간 열교환기로 유입시켜, 가스 쿨러로부터나온 냉매를 보다 한층 효과적으로 냉각할 수 있게 된다. 이에 의해, 냉방 능력의 개선을 한층 더 도모할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예에서는 차 실내 온도 센서(161), 일사 센서(162) 및 외기온 센서(163)의 각 출력을 복합함으로써 열부하를 추정하는 것으로 하였지만, 이에 한장되지 않고, 차 실내 온도 센서, 일사 센서 또는 외기온 센서의 각각의 출력으로부터 열부하를 추정하는 것이라도 본 발명은 유효하다.
이상 상세하게 서술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 압축기, 가스 쿨러, 조임 수단 및 증발기를 차례로 환형으로 접속하고, 고압측이 초임계 압력으로 운전되는 냉매 사이클 장치에 있어서, 증발기 출구측의 냉매 온도 및 냉매 압력에 의거하여 조임 수단의 개방도를 조정하고, 상기 증발기 출구측의 과열도를 제어하므로, 청구항 2와 같이 조임 수단에 의해 증발기 출구측의 과열도를 크게 취함으로써, 증발기에 있어서의 냉매의 엔탈피가 커지고, 증발기에서의 열교환 능력을 최대한 끌어 낼 수 있게 된다.
이에 의해, 증발기의 외형 치수의 삭감이나 냉매 순환량을 감소시키면서, 소요의 냉동 능력을 유지할 수 있게 되어, 압축기에서의 소비 전력도 저감시킬 수 있게 되는 것이다.
또한, 청구항 3의 발명에서는, 상기에다가 가스 쿨러를 나온 냉매와 증발기를 나온 냉매를 열교환시키기 위한 중간 열교환기와, 압축기에 흡입되는 냉매를 일단 저류하는 리시버 탱크를 구비하고, 증발기로부터 나와 중간 열교환기를 경유한냉매를 리시버 탱크에 유입시키도록 하고 있으므로, 증발기로부터 나온 온도가 낮은 냉매를 리시버 탱크를 거치지 않고 중간 열교환기로 유입시키고, 가스 쿨러로부터 나온 냉매를 보다 한층 효과적으로 냉각할 수 있게 된다. 이에 의해, 냉동 능력의 개선을 한층 도모할 수 있게 되는 것이다.
또한, 청구항 4의 발명에서는 상기 각 발명에다가 CO2냉매를 사용하므로, 환경 문제의 해결에도 기여할 수 있게 된다.
아울러, 본 발명에 따르면 압축기, 가스 쿨러, 조임 수단 및 증발기를 차례로 환형으로 접속하고, 고압측이 초임계 압력으로 운전되는 냉매 사이클 장치에 있어서, 열부하 조건에 의거하여 조임 수단의 개방도를 조정하고, 증발기 출구측의 과열도를 제어하므로, 예를 들어 청구항 6와 같이 열부하가 높은 경우는 증발기 출구측의 과열도를 작게 하고, 열부하가 낮은 경우는 크게 취함으로써 증발기에 있어서의 냉매의 엔탈피차가 커지고, 증발기에서의 냉방 능력을 최대한 이끌어 낼 수 있게 된다.
이에 의해, 열부하 조건이 변화해도 증발기의 냉동 능력을 항상 최적의 상태로 유지할 수 있게 된다.
특히, 열부하가 높은 경우에 있어서, 냉매 순환량을 증가시키지 않고 냉동 능력을 증대시킬 수 있게 되므로, 압축기의 성적 계수의 향상을 도모할 수 있게 된다.
청구항 7의 발명에서는, 상기에다가 압축기에 흡입되는 냉매를 일단 저류하는 리시버 탱크를 구비하고, 증발기로부터 나와 중간 열교환기를 경유한 냉매를 리시버 탱크로 유입시키도록 하고 있으므로, 증발기로부터 나온 온도가 낮은 냉매를 리시버 탱크를 거치지 않고 중간 열교환기로 유입시키고, 가스 쿨러로부터 나온 냉매를 보다 한층 효과적으로 냉각할 수 있게 된다. 이에 의해, 증발기의 냉동 능력의 개선을 한층 도모할 수 있게 되는 것이다.
청구항 8의 발명에서는 상기 각 발명에다가 CO2냉매를 사용하므로, 환경 문제의 해결에도 기여할 수 있게 된다.

Claims (8)

  1. 압축기, 가스 쿨러, 조임 수단 및 증발기를 차례로 환형으로 접속하고, 고압측이 초임계 압력으로 운전되는 냉매 사이클 장치이며,
    상기 증발기 출구측의 냉매 온도 및 냉매 압력에 의거하여 상기 조임 수단의 개방도를 조정하고, 상기 증발기 출구측의 과열도를 제어하는 것을 특징으로 하는 초임계 냉매 사이클 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 조임 수단에 의해 상기 증발기 출구측의 과열도를 크게 취하는 것을 특징으로 하는 초임계 냉매 사이클 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가스 쿨러를 나온 냉매와 상기 증발기를 나온 냉매를 열교환시키기 위한 중간 열교환기와, 상기 압축기에 흡입되는 냉매를 일단 저류하는 리시버 탱크를 구비하고, 상기 증발기로부터 나와 상기 중간 열교환기를 경유한 냉매를 상기 리시버 탱크로 유입시키는 것을 특징으로 하는 초임계 냉매 사이클 장치.
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서, CO2냉매를 사용하는 것을 특징으로 하는 초임계 냉매 사이클 장치.
  5. 압축기, 가스 쿨러, 조임 수단 및 증발기를 차례로 환형으로 접속하고, 고압측이 초임계 압력으로 운전되는 냉매 사이클 장치이며,
    열부하 조건에 의거하여 상기 조임 수단의 개방도를 조정하여, 상기 증발기 출구측의 과열도를 제어하는 것을 특징으로 하는 초임계 냉매 사이클 장치.
  6. 제5항에 있어서, 열부하가 높은 경우는 상기 증발기 출구측의 과열도를 작게 하고, 열부하가 낮은 경우에는 크게 취하는 것을 특징으로 하는 초임계 냉매 사이클 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 가스 쿨러를 나온 냉매와 상기 증발기를 나온 냉매를 열교환시키기 위한 중간 열교환기와, 상기 압축기에 흡입되는 냉매를 일단 저류하는 리시버 탱크를 구비하고, 상기 증발기로부터 나와 상기 중간 열교환기를 경유한 냉매를 상기 리시버 탱크로 유입시키는 것을 특징으로 하는 초임계 냉매 사이클 장치.
  8. 제5항, 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서, CO2냉매를 사용하는 것을 특징으로 하는 초임계 냉매 사이클 장치.
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