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JP2000046420A - 冷凍サイクル - Google Patents

冷凍サイクル

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Publication number
JP2000046420A
JP2000046420A JP10217451A JP21745198A JP2000046420A JP 2000046420 A JP2000046420 A JP 2000046420A JP 10217451 A JP10217451 A JP 10217451A JP 21745198 A JP21745198 A JP 21745198A JP 2000046420 A JP2000046420 A JP 2000046420A
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JP
Japan
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gas
liquid
expansion
phase refrigerant
refrigeration cycle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP10217451A
Other languages
English (en)
Inventor
Shunichi Furuya
俊一 古屋
Hiroshi Kanai
宏 金井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bosch Corp
Original Assignee
Zexel Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zexel Corp filed Critical Zexel Corp
Priority to JP10217451A priority Critical patent/JP2000046420A/ja
Priority to US09/349,942 priority patent/US6250099B1/en
Priority to EP99113217A priority patent/EP0976991B1/en
Priority to DE69908716T priority patent/DE69908716T2/de
Publication of JP2000046420A publication Critical patent/JP2000046420A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 二酸化炭素を冷媒として使用すると共に、冷
凍サイクルの効率を向上させ、さらに環境若しくは動作
状態の変化に敏感に追従できる冷凍サイクルを提供す
る。 【解決手段】 第１及び第２の膨張手段を設けると共
に、第１及び第２の膨張弁の間に気液分離手段を設ける
ようにしたので、コンプレッサによって圧縮され放熱器
によって冷却された高圧の気相冷媒を、第１の膨張手段
によって気液二層域の中間圧力まで減圧し、気液混合体
となった冷媒を気液分離手段で気相冷媒と液相冷媒に分
離し、さらに第２の膨張手段によって該液相冷媒のみを
膨張させることができ、また、前記気相冷媒は、中間圧
力のままコンプレッサの吸入側に吸引されるので、不必
要な気相冷媒の圧縮動力を抑制することができるので、
サイクルの効率を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】この発明は、冷媒として、二
酸化炭素を用いた遷臨界冷凍サイクルに関する。
【０００２】
【従来の技術】冷媒として、二酸化炭素（ＣＯ2 ）を使
用した冷凍サイクルは、例えば、特公平７−１８６０２
号公報に開示されるもので、コンプレッサと、放熱器
と、向流型熱交換器と、膨張手段と、蒸発器と、アキュ
ムレータ等によって構成される。
【０００３】この構成において、冷媒は、コンプレッサ
によって圧縮されて、高圧の気相冷媒となり、放熱器で
放熱してエンタルピが下げられる。この時、高圧の気相
冷媒が臨界温度以上の状態（超臨界域）にあることか
ら、放熱器では凝縮して液相とならない点がフロンによ
る冷凍サイクルと異なる点で、膨張弁によって気液混合
域まで圧力が減じられて初めて冷媒に液相成分が生じ
る。この冷媒の液相成分が蒸発器を通過する媒体の熱に
よって蒸発して気相となり、コンプレッサに吸引され
る。
【０００４】以上のような冷凍サイクルにおいて、向流
側熱交換器は、コンプレッサに吸入される低温の気相冷
媒と、前記放熱器を通過した後の高圧の気相冷媒との間
で熱交換を行い、低圧の気相冷媒を加熱すると同時に高
圧の気相冷媒の温度を低下させて上記冷凍サイクルの効
率を向上させるようにしたものである。
【０００５】
【発明が解決しようする課題】しかしながら、向流側熱
交換器を用いたサイクルは、サイクル全体の効率を上げ
るのには有効であるが、その環境若しくは動作状態によ
って最適な熱交換容量が存在することがわかっており、
その状態が変化するとその最適な熱交換容量も変化する
ことがわかっている。このため、様々な条件下で効率を
上げるには、その最適な熱交換容量も変化させる必要が
あり、また、コンプレッサ入口の冷媒過熱度が大きくな
りすぎて吐出温度が高くなるという問題を生じる。
【０００６】特に、車両用空調装置に上記冷凍サイクル
を使用する場合、放熱器に入る空気温度が常に変化し
（外気温度の変化、アイドリング時若しくは高速走行時
等）、また、コンプレッサの駆動力を走行用エンジンか
らとっているために、走行状態に合わせてコンプレッサ
の回転状態も変化するという不具合がある。
【０００７】このため、この発明は、二酸化炭素を冷媒
として使用すると共に、冷凍サイクルの効率を向上さ
せ、さらに環境若しくは動作状態の変化に敏感に追従で
きる冷凍サイクルを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】よって、この発明は、気
相冷媒を超臨界域まで圧縮するコンプレッサと、該コン
プレッサから吐出された超臨界域の気相冷媒から熱を放
熱する放熱器と、該放熱器を通過した超臨界域の気相冷
媒の圧力を気液二層域まで低下させる膨張手段と、膨張
手段によって低下された冷媒の液相分を蒸発させる蒸発
器から少なくとも構成される冷凍サイクルにおいて、前
記膨張手段は、第１の膨張手段と第２の膨張手段によっ
て構成されると共に、該第１の膨張手段と該第２の膨張
手段の間には、前記第１の膨張手段によって気液二層域
まで低下された冷媒を、前記コンプレッサに戻される気
相冷媒と前記第２の膨張手段に送られる液相冷媒とに分
離する気液分離手段が設けられ、且つ 前記第２の膨張
手段の上流側には、冷媒からオイルを分離して前記コン
プレッサに戻すオイル分離手段が設けられることにあ
る。
【０００９】したがって、この発明によれば、第１及び
第２の膨張手段を設けると共に、第１及び第２の膨張弁
の間に気液分離手段を設けるようにしたので、コンプレ
ッサによって圧縮され放熱器によって冷却された高圧の
気相冷媒を、第１の膨張手段によって気液二層域の中間
圧力まで減圧し、気液混合体となった冷媒を気液分離手
段で気相冷媒と液相冷媒に分離し、さらに第２の膨張手
段によって該液相冷媒のみを膨張させることができ、ま
た、前記気相冷媒は、中間圧力のままコンプレッサの吸
入側に吸引されるので、不必要な気相冷媒の圧縮動力を
抑制することができるので、サイクルの効率を向上させ
ることができるものである。
【００１０】また、第２の膨張手段の上流側にオイル分
離手段を設けるようにしたので、第２の膨張手段及び蒸
発器に至る液相冷媒からオイル成分を分離することがで
きるので、蒸発器の冷媒通路にオイルが付着することに
起因する熱交換能力の低下を防止できる。さらに、分離
された低温のオイルを、直接コンプレッサの駆動部分に
戻すことができるので、コンプレッサの効率を向上させ
ることができる。
【００１１】また、この発明において、前記第１の膨張
手段と前記第２の膨張手段の間に、オイル分離手段と気
液分離手段を一体化した三層分離器を設けてもよいもの
である。これによって、冷凍サイクルを簡略化すること
ができる。
【００１２】さらに、この発明において、前記オイル分
離手段は、第１の膨張手段の上流側に設けられることが
望ましい。これによって、オイルが分離された純正な冷
媒のみを第１の膨張手段で減圧することができるので、
冷媒を確実に気液混合域まで減圧できる。
【００１３】さらにまた、この発明においては、前記放
熱器と前記第２の膨張手段との間に、前記オイル分離手
段と、前記気液分離手段と、前記オイル分離手段と前記
気液分離手段との間を連通する第１の膨張手段を一体化
した三層分離器を設けたことにある。これによって、冷
凍サイクルを簡略化できる。
【００１４】また、この発明において、前記オイル分離
手段は、放熱器の上流側に設けられることが望ましい。
冷媒として使用される二酸化炭素は、第１の膨張手段に
至るまでは、気相の冷媒であることからオイルの溶解性
が悪いため、放熱器の通路壁にオイルが付着し、熱交換
能力の低下の原因ともなるので、放熱器に至る前に分離
することが望ましい。
【００１５】さらに、この発明において、前記第１の膨
張手段はオリフィスチューブであり、前記第２の膨張手
段は、過熱度を一定にするように制御される自動膨張弁
であることが望ましく、また前記第１の膨張手段は過熱
度を一定にするように制御される自動膨張弁であり、前
記第２の膨張手段はオリフィスチューブとしても良いも
のである。さらにまた、前記第１の膨張手段は、外部信
号によって制御される電気制御式膨張弁であり、前記第
２の膨張手段は、過熱度を一定にするように制御される
自動膨張弁であっても良く、また、前記第１及び第２の
膨張手段は共に、外部信号によって制御される電気制御
式膨張弁であっても良いものである。
【００１６】これによって、蒸発器の出口側の過熱度が
一定となるように、冷凍サイクルを制御できるので、環
境若しくは動作状態等の外部要因による急激な負荷変動
にも追従できるものである。また、第１の膨張手段によ
る中間圧制御も実行することができるので、冷凍サイク
ルきめの細かい制御が可能となるものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて図面により説明する。
【００１８】図１に示す本願発明の第１の実施の形態に
係る冷凍サイクル１は、冷媒として二酸化炭素を使用す
ると共に、図示しない走行エンジンとプーリ２１を介し
て連動されるコンプレッサ２と、該コンプレッサ２から
吐出された冷媒を冷却する放熱器３と、該放熱器３の下
流側に配されたオイル分離器４と、該オイル分離器４の
下流側に配された第１の膨張手段としてのオリフィスチ
ューブ５と、該オリフィスチューブ５の下流側に接続さ
れた気液分離器６と、該気液分離器６によって分離され
た液相冷媒が供給される第２の膨張手段としての自動膨
張弁７と、該自動膨張弁７の下流側に配される蒸発器
（エバポレータ）８とによって構成されるものである。
【００１９】この第１の実施の形態に係る冷凍サイクル
１において、コンプレッサ２に吸引された低圧（Ｐｓ）
の気相冷媒は、先ずコンプレッサ３によって冷媒の超臨
界領域である圧力Ｐｄまで圧縮される（図９で示すモリ
エル線図ａ−ｂ）。そして、高圧Ｐｄの気相冷媒は、次
なる放熱器３において、この放熱器を通過する空気に放
熱して冷却される（ｂ−ｃ）。この放熱器３において冷
却された気相冷媒は、オイル分離器４に送られ、冷媒に
溶解若しくは冷媒によって搬送されたオイルが分離され
る。分離されたオイルは、オイル戻し配管１０を介して
コンプレッサ２の駆動部分、具体的にはシャフトとケー
スの間のシール部若しくはクランク室に戻されるもの
で、この実施の形態においては、このオイル戻し配管１
０を開閉する弁１１が設けられている。
【００２０】前記オイル分離器４によってオイル分離さ
れた気相の冷媒は、第１の膨張手段としてのオリフィス
チューブ５によって中間圧（Ｐｍ）まで圧力が減じられ
る（ｃ−ｄ）。この中間圧（Ｐｍ）は冷媒の気液混合域
内にある所定の圧力であり、気液分離器６に送出される
冷媒は、気相と液相が混合した状態となる。そして、こ
の気液分離器６では、気相液相混合体である冷媒は、気
相冷媒と液相冷媒に分離されるもので、分離された気相
冷媒はコンプレッサ２の吸入側に気相冷媒戻し配管１２
を介して直接戻される。これによって、エバポレータ８
での吸熱作用にあまり影響しない気相冷媒をエバポレー
タ８を迂回させて直接的に吸入側に戻すので、エバポレ
ータ８での熱交換効率を向上させることができると共
に、余分な気相冷媒の圧縮動力がなくなるので、サイク
ルの効率を向上させることができるものである。
【００２１】そして、前記気液分離器６によって分離さ
れた液相冷媒は、第２の膨張手段として自動膨張弁７に
送られ、さらに圧力が低圧圧力（Ｐｓ）まで減じられる
（ｄ−ｅ）。前記自動膨張弁７は、特に温度作動式膨張
弁と呼ばれるもので、前記蒸発器８の吐出側の配管上に
密着される感温筒９を有するもので、感温筒内に封入さ
れた冷媒が、蒸発器８の出口側温度の変動によって膨張
若しくは収縮することによって自動膨張弁７の開度が調
節され、蒸発器８内を通過する冷媒量及び低圧（Ｐｓ）
が、蒸発器８の出口側温度（過熱度）（ｆ−ａ）を一定
にするように変化するものである。これによって、外部
要因による急激な負荷変動にも追従できるものである。
【００２２】前記自動膨張弁７によって膨張された液相
冷媒は、エバポレータ８において、通過する空気から吸
熱して蒸発し、気相冷媒となってコンプレッサ２に吸入
されるものである（ｅ−ａ）。以上により、エバポレー
タ８で吸熱した熱を放熱器３で放熱する冷凍サイクルが
完成するものである。
【００２３】以下、この発明の他の実施の形態について
説明するが、同様の箇所若しくは同様の効果を奏する箇
所には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２４】図２に示す第２の実施の形態に係る冷凍サ
イクル１Ａは、オイル分離器４を放熱器３の上流側に設
けたことを特徴とするものである。これによって、放熱
器３を通過する気相冷媒からオイル成分を除去すること
ができるので、放熱器３での冷媒の熱交換能力を向上さ
せることができるものである。
【００２５】図３に示す第３の実施の形態に係る冷凍サ
イクル１Ｂは、第１の膨張手段を、エバポレータ８の出
口側温度を検出する感温筒９を有する自動膨張弁５Ａと
し、第２の膨張手段を固定絞りとしてのオリフィスチュ
ーブ７Ａとしたものである。これによって、エバポレー
タ８の出口側温度によって第１の膨張手段としての自動
膨張弁５Ａが調整されるので中間圧（Ｐｍ）を調整する
ことができるものである。
【００２６】第４に示す第４の実施の形態に係る冷凍サ
イクル１Ｃは、第１の膨張手段として、コントロールユ
ニット（Ｃ／Ｕ）１４によって制御可能な電気式膨張弁
５Ｂ（例えば、電磁式膨張弁、アクチュエータ駆動式の
膨張弁等）を配設したことものである。この第４の実施
の形態では、中間圧（Ｐｍ）を検出するために、気液分
離器６内の温度検出する温度センサ若しくは中間圧を直
接検出するための圧力センサ等のセンサ１３が気液分離
器６に設けられ、このセンサ１３によって検出された信
号がコントロールユニット（Ｃ／Ｕ）１４に入力され、
所定のプログラムに従って演算処理されて、適切な中間
圧（Ｐｍ）が得られるように前記膨張弁５Ｂを駆動する
ようになっているものである。この実施の形態の場合、
前述した実施の形態と比べて費用が向上するが、さらに
きめの細かい制御を実施することができる。
【００２７】図５で示す第５の実施の形態に係る冷凍サ
イクル１Ｄは、気液分離器６の中間圧（Ｐｍ）を検出す
るためのセンサ１３Ａ（前述してセンサ１３と同じ）及
びエバポレータ８の出口側温度を検出するセンサ９Ａと
を有し、これらのセンサ９Ａ, １３Ａからの信号はコン
トロールユニット（Ｃ／Ｕ）１４Ａに入力されて演算処
理され、第１の膨張手段としての電気式膨張弁５Ｂと第
２の膨張手段としての電気式膨張弁７Ｂに制御信号とし
て出力される。これによって、適切な中間圧（Ｐｍ）及
び低圧（Ｐｓ）を得ることができるものである。
【００２８】図６で示す第６の実施の形態に係る冷凍サ
イクル１Ｅは、第１の膨張手段としてのオリフィスチュ
ーブ５と、第２の膨張手段としての自動膨張弁７の間
に、オイル分離器４Ａと気液分離器６Ａを一体に備えた
三層分離器７０を設けたものである。この実施の形態に
おいては、三層分離器７０を特別に設ける必要がある
が、上述した実施の形態と同様の効果を維持しつつ冷凍
サイクルの構成を簡略化することができるものである。
【００２９】図７で示す第７の実施の形態に係る冷凍サ
イクル１Ｆは、オイル分離器４Ｂ、第１の膨張手段５Ｃ
及び気液分離器６Ｂとを一体化した三層分離器７１を設
けたものである。この三層分離器７１は、例えば図８に
示すもので、ケースハウジング７２内に、オイル分離器
４Ｂ及び気液分離器６Ｂが画成され、前記オイル分離器
４Ｂと前記気液分離器６Ｂは、第１の膨張手段としての
オリフィス５Ｃによって連通されているものである。
【００３０】オイル分離器４Ｂは、冷媒導入口７３と連
通するオイル分離空間４０を有し、このオイル分離空間
４０に導入された冷媒は、前記冷媒導入口７３と対峙す
る内壁部４１に衝突してオイル分離が行われ、またオイ
ル分離用フィルタ４２によってさらにオイル分離が行わ
れる。これによって、前記内壁部４１に衝突して分離さ
れたオイルは、内壁部４１に沿ってオイル溜まり４４に
滴下し、前記オイル分離用フィルタ４２によって分離さ
れたオイルは、オイルガイド４３を介して前記オイル溜
まり４４に滴下する。そして、オイル溜まり４４に溜ま
ったオイルは、オイル送出口７４と接続される前記オイ
ル戻し配管１０を介してコンプレッサ２に戻されるもの
である。
【００３１】また、前記オイル分離空間４０からオリフ
ィス５Ｃを介して気液分離器６Ｂの気液分離空間６０に
至る冷媒は、オリフィス５Ｃによって中間圧（Ｐｍ）ま
で減圧され、気相冷媒と液相冷媒の混合状態となり、オ
リフィス５Ｃから気液分離空間６０の内壁部６１に衝突
するように吐出され、液相冷媒は、気液分離空間６０の
下方への液溜まり６２に滴下する。これによって、気相
冷媒は、気相冷媒送出口７５と接続される気相冷媒戻し
配管１２を介してコンプレッサ２に戻され、液相冷媒は
液相冷媒送出口７６と接続される第２の膨張手段として
の自動膨張弁７に送出される。これによって、上述して
実施の形態の効果と同様の効果を奏すると共に、回路構
成を簡略化できるという効果を有する。
【００３２】また、上記第７の実施の形態において、気
液分離空間６０内に、気液分離用フィルタを設けて気液
分離を促進してもよく、またオリフィス５Ｃに代えて電
気式の膨張弁を装備するようにしても良いものである。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように、本願発明によれ
ば、第１の膨張手段によって気液混合域内の中間圧まで
圧力を減じ、そして気液分離した後に液相冷媒のみを第
２の膨張手段及び蒸発器に送出するようにしたので、蒸
発器での熱交換効率を向上させることができるので、超
臨界冷媒を使用した冷凍サイクルの冷凍効率を向上させ
ることできるものである。これによって、フロン代替え
冷媒として、例えば二酸化炭素などの超臨界冷媒を使用
したサイクルの熱交換効率を、簡易な構造で向上させる
ことができるので、自然に優しく、効率の良い冷凍サイ
クルを得ることができるものである。
【００３４】また、本願発明によれば、第１及び／若し
くは第２の膨張手段によって過熱度制御が可能となるの
で、環境及び／若しくは動作状態の変動に伴う冷却負荷
の変動に素早く対応できるため、車両用空調装置に用い
ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る冷凍サイクル
の概略構成図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る冷凍サイクル
の概略構成図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る冷凍サイクル
の概略構成図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る冷凍サイクル
の概略構成図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態に係る冷凍サイクル
の概略構成図である。
【図６】本発明の第６の実施の形態に係る冷凍サイクル
の概略構成図である。
【図７】本発明の第７の実施の形態に係る冷凍サイクル
の概略構成図である。
【図８】第７の実施の形態に係る三層分離器の概略構成
図である。
【図９】冷媒として二酸化炭素を用いた場合のモリエル
線図である。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ 冷凍サイク
ル ２ コンプレッサ ３ 放熱器 ４，４Ａ，４Ｂ オイル分離器 ５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ 第１の膨張手段 ６，６Ａ, ６Ｂ 気液分離器 ７，７Ａ, ７Ｂ 第２の膨張手段 ８ エバポレータ ９ 感温筒 １０ オイル戻し配管 １１ 開閉弁 １２ 気相冷媒戻し配管 ７０，７１ 三層分離器

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 気相冷媒を超臨界域まで圧縮するコンプ
    レッサと、該コンプレッサから吐出された超臨界域の気
    相冷媒から熱を放熱する放熱器と、該放熱器を通過した
    超臨界域の気相冷媒の圧力を気液二層域まで低下させる
    膨張手段と、膨張手段によって低下された冷媒の液相分
    を蒸発させる蒸発器から少なくとも構成される冷凍サイ
    クルにおいて、 前記膨張手段は、第１の膨張手段と第２の膨張手段によ
    って構成されると共に、該第１の膨張手段と該第２の膨
    張手段の間には、前記第１の膨張手段によって気液二層
    域まで低下された冷媒を、前記コンプレッサに戻される
    気相冷媒と前記第２の膨張手段に送られる液相冷媒とに
    分離する気液分離手段が設けられ、且つ前記第２の膨張
    手段の上流側には、冷媒からオイルを分離して前記コン
    プレッサに戻すオイル分離手段が設けられることを特徴
    とする冷凍サイクル。
  2. 【請求項２】 前記第１の膨張手段と前記第２の膨張手
    段の間に、オイル分離手段と気液分離手段を一体化した
    三層分離器を設けたことを特徴とする請求項１記載の冷
    凍サイクル。
  3. 【請求項３】 前記オイル分離手段は、第１の膨張手段
    の上流側に設けられることを特徴とする請求項１記載の
    冷凍サイクル。
  4. 【請求項４】 前記放熱器と前記第２の膨張手段との間
    に、前記オイル分離手段と、前記気液分離手段と、前記
    オイル分離手段と前記気液分離手段との間を連通する第
    １の膨張手段を一体化した三層分離器を設けたことを特
    徴とする請求項３記載の冷凍サイクル。
  5. 【請求項５】 前記オイル分離手段は、放熱器の上流側
    に設けられることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイ
    クル。
  6. 【請求項６】 前記第１の膨張手段はオリフィスチュー
    ブであり、前記第２の膨張手段は、過熱度を一定にする
    ように制御される自動膨張弁であることを特徴とする請
    求項１〜５のいずれか一つに記載の冷凍サイクル。
  7. 【請求項７】 前記第１の膨張手段は過熱度を一定にす
    るように制御される自動膨張弁であり、前記第２の膨張
    手段はオリフィスチューブであることを特徴とする請求
    項１〜５のいずれか一つに記載の冷凍サイクル。
  8. 【請求項８】 前記第１の膨張手段は、外部信号によっ
    て制御される電気制御式膨張弁であり、前記第２の膨張
    手段は、過熱度を一定にするように制御される自動膨張
    弁であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つ
    に記載の冷凍サイクル。
  9. 【請求項９】 前記第１及び第２の膨張手段は共に、外
    部信号によって制御される電気制御式膨張弁であること
    特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の冷凍サ
    イクル。
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