WO2004109198A1

WO2004109198A1 - 冷凍サイクル

Info

Publication number: WO2004109198A1
Application number: PCT/JP2004/002329
Authority: WO
Inventors: Syunji Komatsu; Kiyokazu Yamamoto
Original assignee: Sanden Corporation
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2004-12-16
Also published as: EP1630491A1; JP2004360936A; CN1751212A; US20050274140A1; US20060288732A1

Abstract

　冷媒にＨＦＣ−１５２ａを使用した冷凍サイクルで、過熱度（ＳＨ）のハンチングが発生せずに安定して運転できるようにすることを目的とする。冷媒の充填量を増やして、膨張装置の入口における冷媒を、圧力変動があっても、過冷却度（ＳＣ）が０になることなく、少なくとも５度は確保された状態にする。これにより、蒸発器の出口における冷媒の過熱度（ＳＨ）の変動が抑えられ、システムが安定する。この状態で、圧縮機の効率を上げるには、膨張装置のセット値を下げることで過熱度（ＳＨ）を上げることができる。

Description

明細書冷凍サイクル技術分野

本発明は冷凍サイクルに関し、特に冷媒に H F C— 1 5 2 aを使用した冷凍サィクルに関する。背景技術

たとえば自動車用空調システムの冷凍サイクルは、エンジンを駆動源とした圧縮機と、この圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮された冷媒を気液分離する受液器と、分離された液冷媒を絞り膨張させる膨張装置と、膨張された冷媒を蒸発させて圧縮機に戻す蒸発器とによって構成されている。

このような冷凍サイクルでは、圧縮機の効率を良くするために、蒸発器の出口における冷媒状態が所定の過熱度を有するように制御することが一般に行われている。また、過熱度制御を行う冷凍サイクルにて、膨張装置の入口における冷媒は、過冷却度が出ていない状態に制御されるが、効率を改善するため、受液器から出た冷媒をさらに冷却して過冷却度が出るように制御することも知られている (たとえば、特開平 6— 2 9 7 0号公報（段落番号〔0 0 0 6〕〜〔0 0 0 7〕，図 4 ) 参照。）。

従来の冷凍システムでは、冷媒として H F C— 1 3 4 aなる代替フロンが一般に使用されている。

図 8は H F C— 1 3 4 a冷媒を用いた冷凍サイクルの特性を示す図である。この図において、冷媒に H F C— 1 3 4 aを用いたときの時間変化に対する過冷却度 S C、過熱度 S Hおよび流量 G f の変化を示している。この図に示されるように、冷媒が H F C— 1 3 4 aの場合には、過冷却度 S Cが 1度程度の小さい値でも過熱度 S Hおよび流量 G fは、それらの変動幅が小さく、したがってシステムは、そのハンチングが小さく、ほぼ安定していることが分かる。

しかし、冷凍サイクルの冷媒として H F C— 1 3 4 aを用いると、地球温暖化の影響が大きいため、 HFC— 134 aに代わる冷媒が検討されている。そのひとつの冷媒として、地球温暖化への影響が H F C— 134 aの約 10分の 1である HFC—152 aなる冷媒が検討されている。

図 9は HFC— 152 a冷媒を用いた冷凍サイクルの特性を示す図である。この図では、冷媒に HFC— 152 aを用い、冷媒の充填量を 500 g、膨張装置として膨張弁を用いたときのそのセット値が 0. 177 MP aの場合を示している。この場合、過熱度 SHが約 2度、過冷却度 S Cが約 1度で安定していて、過熱度 S Hが小さい領域では、ハンチングが小さい傾向を示していることが分かる。ところが、過熱度 SHが 2度程度と小さい場合には、圧縮機の効率が悪いので、過熱度 SHは 10度程度まで出ているのがよい。

しかしながら、冷媒に HFC— 152 aを用いた場合、過熱度 SHを出すために膨張弁のセット値を下げていくと、図 9に示したように、過熱度 SHが大きくなる反面、その変動幅も大きくなつてハンチングが発生し、システムが安定しなくなるという問題点があつた。発明の開示

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、過熱度 SHのハンチングが発生せずに安定して運転できる冷凍サイクルを提供することを目的とする。本発明では上記問題を解決するために、圧縮機、凝縮器、膨張装置、蒸発器を備え、循環する冷媒に HFC—152 aを使用した冷凍サイクルにおいて、前記膨張装置の入口における前記冷媒は必ず所定の過冷却度が確保された状態にすることにより前記蒸発器の出口における前記冷媒の過熱度の変動を抑えて安定させるようにしたことを特徴とする冷凍サイクルが提供される。

このような冷媒に HFC— 152 aを使用した冷凍サイクルによれば、過冷却度を確保するようにしたことで、過熱度の変動が抑えられ、システムを安定させることができる。

本発明の上記および他の目的、特徴および利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。図面の簡単な説明

図 1は、 HFC— 152 a冷媒を用いた冷凍サイクルの特性を示す図である。図 2は、 HFC— 152 a冷媒の流量特性を示す図である。

図 3は、モリエル線図の一部を示す図である。

図 4は、過熱度の改善方法を示す図である。

図 5は、受液器を使つた冷凍サイクルを示すシステム図である。

図 6は、過冷却凝縮器を使った冷凍サイクルを示すシステム図である。

図 7は、アキュムレータを使つた冷凍サイクルを示すシステム図である。図 8は、 HFC— 134 a冷媒を用いた冷凍サイクルの特性を示す図である。図 9は、 HFC— 152 a冷媒を用いた冷凍サイクルの特性を示す図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態を自動車用空調システムの冷凍サイクルに適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。

図 1は HFC— 152 a冷媒を用いた冷凍サイクルの特性を示す図、図 2は H FC- 152 a冷媒の流量特性を示す図、図 3はモリエル線図の一部を示す図である。

まず、図 1においては、冷媒に HFC— 152 aを用い、膨張装置としてセット値が 0. 186MP aの膨張弁を用いたときの過冷却度 S C、過熱度 SHおよび流量 G fの時間変化を示している。

冷媒の充填量が 500 gとしたとき、過熱度 SHは 3度以上出ているが、そのときの変動幅は大きく、ハンチングしていることが分かる。そこで、過冷却度 S Cを出すため、冷媒の充填量を 600 g、 650 gと増やしていくと、過冷却度 SCが 1〜 2度程度しか出ていない領域では、過熱度 SHが大きく変動し、不安定な状態にあるが、過冷却度 SCが 5度以上出ていると、過熱度 SHの変動が小さく、安定することが分かった。' したがって、冷媒に HFC— 152 aを用いた冷凍サイクルでは、膨張弁の入口における冷媒は過冷却状態にあることが絶対条件であり、過冷却度 SCが少なくとも 5度確保されていれば、過熱度 SHのハンチングがなく、システムは安定することになる。この傾向は、 HFC— 152 aが HFC— 134 aに比較して気化しやすい性質を有していることによるものと思われる。図 2に示した流量特性には、膨張弁の弁開度に対する冷媒流量の変化を示しているが、過冷却度 S Cが 5度から 0まで小さくなつても、冷媒流量の変化はあまり見られない。しかし、冷媒が少しでも乾き度を有するようになると、膨張弁に入る冷媒には、気泡が混じるようになるため、冷媒が流れにくくなり、流量は急激に低下する。

また、過冷却度 SCは、図 1に示されるように、 5度以上出ていることが好ましい。この理由を、図 3を用いて説明する。図 3において、破線は従来の HFC - 134 aの飽和液線を示し、実線は HFC— 152 aの飽和液線を示している。このように、 HFC— 134 aと HFC— 152 aとでは、飽和液線の傾きに差があり、 HFC— 152 aの方が小さな傾きを有している。そのため、 HFC— 134 aおよび HFC— 152 aが同じ 5度の過冷却度 S Cを有する状態にあつても、 HFC— 152 aの方が小さな圧力変化で気液相に入ってしまうことになる。図示の例では、 HFC— 134 &が約0. 18 MP aの圧力変化がないと気液相に入らないが、 HFC— 152 aの場合は、約 0. 13MP aの圧力変化で気液相に入ってしまう。したがって、膨張弁に入る冷媒は、 5度以上の過冷却状態を確保する必要があり、これによつて冷媒が多少の圧力変動を受けても、容易に気液相に入ってしまうことはない。このことから、冷媒に11?。一 152 &を用いた冷凍サイクルにおいて、過冷却度 S Cが出ていない状態では、小さな圧力変動によって気液相に入りやすく、気液相に入ってしまうと、冷媒流量が急激に落ち込むことになるため、冷媒に HFC— 134 aを用いた場合に比べて過冷却度 SCを十分に出しておく必要がある。これが、冷媒に HFC— 152 aを用いた冷凍サイクルでは、膨張弁の入口の冷媒を常に過冷却状態にしておかなければならない理由であり、しかも、圧力変動に対して安定動作させるには、 5度以上の過冷却度 S Cが出ていることが必要である。

以上のように、 HFC_ 152 aの冷媒を使った冷凍サイクルでは、必ず 5度以上の過冷却度 S Cが出ていることが必要であり、そうすることによつて過熱度 SHの変動が抑えられ、システムが安定することになる。しかし、図 1に示したような条件下では、過熱度 SHは、ハンチングすることなく安定しているが、 2 度程度しか出ていない。圧縮機の効率を良くするには、 10度程度出ているのが好ましい。

図 4は過熱度の改善方法を示す図である。

過熱度 SHは、図 4に示したように、膨張弁のセット値を下げていくことによつて改善される。図示の例では、冷媒の充填量を 650 gとし、膨張弁のセット値を 0. 186MP aから 0. 167MP a、 0. 147 MP aと小さくすることで、過熱度 SHが上がっていることが分かる。しかも、過熱度 SHが上がっても、ハンチングすることなく安定していることが分かる。

これは、膨張弁のセット値を下げることにより、膨張弁を通過する冷媒流量が少なくなつて、蒸発器の能力が相対的に上がるためであり、蒸発器が冷媒を完全に蒸発させた後もさらに加熱することで、蒸発器出口の冷媒は十分な過熱状態にすることができる。もちろん、膨張弁に入る冷媒流量が少なくなることで、凝縮器の能力も相対的に上がり、過熱度 SHが上がるにつれて過冷却度 S Cも上がつている。

次に、冷媒に HFC— 152 aを使用し、過冷却度 S Cを 5度以上持たせて安定させるようにした冷凍サイクルについて説明する。

図 5は受液器を使った冷凍サイクルを示すシステム図である。

この冷凍サイクルは、圧縮機 1と、凝縮器 2と、受液器 3と、温度式膨張弁 4 と、蒸発器 5とを HFC— 152 aの冷媒が循環するように構成されている。圧縮機 1は、エンジンを駆動源とし、冷媒を圧縮する。圧縮機 1によって圧縮された高温 ·高圧の冷媒は、凝縮器 2にて凝縮され、高温 ·高圧の液冷媒になる。この液冷媒は、受液器 3にて気液に分離され、分離された液冷媒が温度式膨張弁 4 にて絞り膨張され、低温，低圧の霧状の冷媒になる。温度式膨張弁 4を出た冷媒は、蒸発器 5にて蒸発され気化される。気化された冷媒は、温度式膨張弁 4の冷媒温度および圧力を感知する部分を通って圧縮機 1に戻される。このとき、温度式膨張弁 4は、蒸発器 5の出口の冷媒温度おょぴ圧力を感知して蒸発器 5の出口の冷媒が所定の過熱度 S Hを持つように蒸発器 5に送り出す冷媒の流量を制御する。

この冷凍サイクルでは、冷媒を過充填することで、温度式膨張弁 4の入口における過冷却度 S Cを確保している。また、過冷却度 S Cは、凝縮器 2に設けられるファンを増やすなどして、凝縮器 2の冷却能力を上げることによつても確保することができる。さらに、受液器 3と温度式膨張弁 4とを一体化したり、受液器 3と温度式膨張弁 4との間の配管を太く、かつ短くするなどして、受液器 3から温度式膨張弁 4までの配管の圧力損失を小さくすれば、なお効果的である。図 6は過冷却凝縮器を使つた冷凍サイクルを示すシステム図である。

この冷凍サイクルは、圧縮機 1と、過冷却凝縮器 6と、温度式膨張弁 4と、蒸発器 5とを H F C— 1 5 2 aの冷媒が循環するように構成されている。過冷却凝縮器 6は、受液器の機能が付いた凝縮器であって、圧縮機 1から送り込まれた冷媒が冷やされて完全に液化し、液化した冷媒がさらに冷やされて温度式膨張弁 4 に送り出すものである。したがって、この過冷却凝縮器 6から出た冷媒は、既に所定の過冷却度 S Cを有しているので、この過冷却凝縮器 6により確実に過冷却度 S Cを確保することができる。

図 7はアキュムレータを使った冷凍サイクルを示すシステム図である。

この冷凍サイクルは、圧縮機 1と、凝縮器 2と、オリフィスチューブ 7と、蒸発器 5と、アキュムレータ 8とを H F C— 1 5 2 aの冷媒が循環するように構成されている。この冷凍サイクルにおいても、冷媒を過充填することにより、蒸発器 5の出口における冷媒の過熱度 S Hのハンチングを抑えることができる。なお、本発明は、 H F C— 1 3 4 aよりも飽和液線の傾きが小さい冷媒である H F C— 1 5 2 aを使用した冷凍サイクルにおいて、小さな圧力変化で容易に気液相の領域に入らないようにするために膨張装置の入口における冷媒を常に過冷却状態にしておかなければならないので、飽和液線の傾きが H F C— 1 5 2 aと同じような傾向を有する他の冷媒を使用した冷凍サイクルにももちろん適用することが可能であり、それによつて、冷媒の過熱度 S Hの変動が抑えられてシステムを安定させることができる。

以上説明したように、本発明では、膨張装置の入口における冷煤が、常に過冷却状態にあるようにした。過冷却度 S Cは、圧力変動があっても 0になることがないよう少なくとも 5度は確保された状態にした。これにより、従来の冷媒を使用した冷凍サイクルでは、過冷却度 S Cが出ていても出ていなくても過熱度 S H のハンチングはないのでシステムは安定しているが、冷媒に H F C— 1 5 2 aを使用した冷凍サイクルでは、過冷却度 S Cが出ていない状態では、過熱度 S Hのハンチングが起きやすいため、常に過冷却度 S Cが出るようにすることで、過熱度 S Hのハンチングが抑えられ、システムを安定化することができる。

上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。

Claims

請求の範囲

1 . 圧縮機、凝縮器、膨張装置、蒸発器を備え、循環する冷媒に H F C— 1 5 2 aを使用した冷凍サイクルにおいて、

前記膨張装置の入口における前記冷媒は必ず所定の過冷却度が確保された状態にすることにより前記蒸発器の出口における前記冷媒の過熱度の変動を抑えて安定させるようにしたことを特徴とする冷凍サイクル。

2 . 前記過冷却度は、少なくとも 5度は確保されていることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の冷凍サイクル。

3 . 前記冷媒の充填量を調整して前記過冷却度を確保するようにしたことを特徵とする請求の範囲第 1項記載の冷凍サイクル。

. 前記凝縮器を過冷却凝縮器にすることにより前記過冷却度を確保するようにしたことを特徴とする請求の範囲第 1項または第 2項記載の冷凍サイクル。

5 . 前記膨張装置を温度式膨張弁とし、前記温度式膨張弁のセット値を調整して前記過熱度を出すようにしたことを特徴とする請求の範囲第 1項または第 2項記載の冷凍サイクル。