JP4096796B2

JP4096796B2 - 冷凍サイクル装置

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Publication number: JP4096796B2
Application number: JP2003117372A
Authority: JP
Inventors: 琴培崔; 雅之竹内; 義貴戸松
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-04-22
Filing date: 2003-04-22
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2023-04-22
Also published as: JP2004324936A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒の膨張動力を利用して冷媒の昇圧を行うエジェクタを用いた冷凍サイクル（エジェクタサイクル）装置、およびエジェクタを用いた冷凍サイクル装置用の絞り弁に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図１０に示すように、冷媒圧縮機１・冷媒放熱器２・エジェクタ３および気液分離器４を冷媒配管により環状に連結すると共に、気液分離器４で分離された液相冷媒を固定絞り５０等の減圧装置と冷媒蒸発器６とを設置したバイパス配管を経てエジェクタ３の吸引部３２に吸引させるようにした冷凍サイクル（エジェクタサイクル）装置が提案されている(例えば、特許文献１参照)。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−３７５７７号公報（第２−４頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術において、冷媒蒸発器の上流に設けられる絞りは、負荷により最適な絞り度合いが異なる。例えば、図１１は、実験による高負荷時と低負荷時での冷媒蒸発器（エバポレータ）前絞り径に対するＣＯＰ（成績係数）の関係を示すグラフである。図１１のグラフが示すように、高負荷時は絞り径３ｍｍ程度が最適値であるのに対し、低負荷時は最適値が０．６ｍｍ程度となり、負荷により最適なエバ前絞り径が異なっていることが分かる。そしてこれが、最適値から外れるほど性能低下の割合が大きくなるという問題になる。
【０００５】
これに対し、冷媒蒸発器上流の絞りを可変させる方法として、冷媒蒸発器出口冷媒のスーパーヒート（過熱度＝冷媒蒸発器出口冷媒温度−冷媒蒸発器入口冷媒温度）を感知して絞り径を可変させるスーパーヒート制御弁があるが、機械式としても感温部のガス封入が必要となる等で構造が複雑なり、コストも高くなってしまうという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記従来の問題に鑑みて成されたものであり、その目的は、簡素な構造の絞り弁で、冷媒蒸発器上流の絞りを可変させて性能の低下を防ぐと共に、簡素な構造の絞り弁でコストを抑えることのできる冷凍サイクル装置および絞り弁５を提供することにある。
【０００７】
【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、下記の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、絞り弁（５）は、冷媒蒸発器（６）前後の差圧が小さい低負荷時に冷媒流路（Ｒ）の流量を少なくし、冷媒蒸発器（６）前後の差圧が大きい高負荷時に冷媒流路（Ｒ）の流量を多くすることを特徴とする。図３は、冷媒蒸発器（６）を通過する冷媒流量と冷媒蒸発器（６）での圧損（前後差圧）との関係を示すグラフである。本発明は、冷媒蒸発器（６）の負荷が高くて冷媒流量が多い時には冷媒蒸発器（６）での圧損が大きくなるという特性に着目してこれを利用したものである。
【０００８】
更に、冷媒蒸発器（６）側の冷媒流量が空気側の必要能力に対して不足し、冷媒蒸発器（６）出口のスーパーヒートが大きくなった場合も、冷媒蒸発器（６）内のガス冷媒割合が高くなるため、冷媒流量が同じでも、スーパーヒートが無い（すなわち冷媒流量が足りている）状態に比べて圧損が大きくなる（一般に、気体の方が液体よりも圧力損失が大きい）。そのため、冷媒蒸発器（６）側冷媒流量不足時にも圧損大により絞りが開いて冷媒流量を増やすことができる。
【０００９】
このように、冷媒蒸発器（６）前後の差圧を用いて絞り度合いを可変することにより、負荷に応じた最適な絞りに可変することができ、性能の低下を防ぐことができる。
【００１０】
このように、低負荷時、つまり冷媒蒸発器（６）の流量が小さく差圧が小さい時には絞り弁（５）の通過量を少なくし、逆に高負荷時、つまり冷媒蒸発器（６）の流量が多く差圧が大きい時には絞り弁（５）の通過量を多くすることにより、性能低下を防ぐことができる。
【００１１】
請求項２記載の発明では、絞り弁（５）は、冷媒流路（Ｒ）の一部を成し、気液分離器（４）から冷媒蒸発器（６）へと通じる蒸発器前流路部（５３）と、冷媒蒸発器（６）からエジェクタ（３）へと通じる蒸発器後流路部（５６）と、両流路部（５３、５６）を隔てると共に両流路部（５３、５６）の圧力差に応じて変位する変位部材（５８）と、その変位部材（５８）と連動して蒸発器前流路部（５３）の可変絞り部（５３ａ）を開閉する弁体（５９）とを備えることを特徴とする。
【００１２】
このように、両流路部（５３、５６）をダイヤフラム等の変位部材（５８）で隔てることにより、両流路部（５３、５６）の差圧で変位部材（５８）が容易に変位するため、その変位部材（５８）で弁体（５９）を動かして蒸発器前流路部（５３）の可変絞り部（５３ａ）を開閉するという簡素な構造にて絞り弁（５）での可変絞りを可能としている。これにより、コストを抑えることができる。
【００１３】
請求項３記載の発明では、絞り弁（５）は、蒸発器前流路部（５３）として弁体（５９）で開閉される可変絞り部（５３ａ）をバイパスして気液分離器（４）から冷媒蒸発器（６）へと通じる固定絞り部（５３ｂ）を備えることを特徴とする。これにより、可変絞り部（５３ａ）が全閉しても、最低限の冷媒流量が固定絞り部（５３ｂ）で確保されることとなる。
【００１４】
請求項４記載の発明では、絞り弁（５）は、弁体（５９）の開弁圧力を調整する開弁圧力調整手段（６１、６２）を有することを特徴とする。これは、具体的にはキャップ（６１）と変位部材（５８）との間にばね（６２）を設け、キャップ（６１）の締め込み量によりバネ力を変えて開弁圧力を調節できる構造としたものであり、締め込み量を増すことにより、変位部材（５８）上部に掛かるばね力が増して開弁圧力が高くなる。
【００１５】
これにより、変位部材（５８）を変えることなく開弁圧力を変えることができることから、例えば車両空調の冷凍サイクルに用いる場合、車型の異なるシステム（例えば大型車両と小型車両）でも同一絞り弁（５）で対応することができる。また、製造時の部品公差が大きくても、キャップ（６１）の締め込み量により開弁圧力を微調整できることから、製造公差を緩く設定することができ、部品および製造コストを抑えることができる。
【００１６】
請求項５記載の発明では、絞り弁（５）は、弁体（５９）の位置を調整する弁体位置調整手段（６１）を有することを特徴とする。これは、具体的には変位部材（５８）と弁体（５９）をキャップ（６１）側に取り付けている。これにより、キャップ（６１）の締め込み量により弁体（５９）の上下位置が調整できる構造としたものである。これにより、製造時の部品公差が大きくても、弁体（５９）の位置を微調整できることから、製造公差を緩く設定することができ、部品および製造コストを抑えることができる。
請求項６記載の発明では、冷媒を低圧から高圧に圧縮する冷媒圧縮機（１）と、高温高圧冷媒から放熱するための冷媒放熱器（２）と、冷媒が膨張するエネルギを利用して低圧冷媒の循環、昇圧を行うエジェクタ（３）と、絞り弁（５）と、低温低圧冷媒で熱交換流体を冷却するための冷媒蒸発器（６）とを備え、冷媒放熱器（２）からの冷媒は、エジェクタ（３）のノズルに流入し、絞り弁（５）と冷媒蒸発器（６）とを通過する冷媒流路（Ｒ）の冷媒は、エジェクタ（３）の吸引部に吸引される冷凍サイクル装置において、
絞り弁（５）での絞り度合いを、冷媒蒸発器（６）前後の差圧を用いて可変させ、冷媒蒸発器（６）前後の差圧が小さい低負荷時に冷媒流路（Ｒ）の流量を少なくし、冷媒蒸発器（６）前後の差圧が大きい高負荷時に冷媒流路（Ｒ）の流量を多くすることを特徴としている。
ちなみに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
次に、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。図１は、本発明の一実施形態における冷凍サイクル装置の構成図である。１は冷媒を低圧から高圧に圧縮するコンプレッサ（冷媒圧縮機）、２は高温高圧冷媒から放熱するためのガスクーラ（冷媒放熱器）、３は冷媒が膨張するエネルギを利用して低圧冷媒の循環・昇圧を行うエジェクタ、４はエジェクタ３から出た気液二相冷媒を気相と液相に分離し、気相をコンプレッサ１へ、液相をエバポレータ（冷媒蒸発器）６側に送るアキュームレータ（気液分離器）である。
【００１８】
また、５は後述する本発明の絞り弁、６は低温低圧冷媒で熱交換流体を冷却するためのエバポレータである。ガスクーラ２からの冷媒はエジェクタ３のノズル３１に流入し、絞り弁５とエバポレータ６とを通過する冷媒流路Ｒの冷媒は、エジェクタ３の吸引部３２に吸引される。ガスクーラ２及びエバポレータ６にはそれぞれに送風する図示しないファンが設けられている。また、本実施例では、冷媒に二酸化炭素（ＣＯ_２）を用いている。
【００１９】
次に、図２は本発明の第１実施形態における絞り弁５の断面構造図である。絞り弁５の本体５１には、アキュームレータ４から第１冷媒入口５２へ入り、第１冷媒出口５４からエバポレータ６へと流れる第１冷媒流路５３と、エバポレータ６から第２冷媒入口５５へ入り、第２冷媒出口５７からエジェクタ３へと流れる第２冷媒流路５６とが設けられており、この２つの冷媒流路５３・５６は、ダイヤフラム（変位部材）５８により隔てられている。
【００２０】
第１冷媒流路５３の途中には、可変ポート（可変絞り部）５３ａとブリードポート（固定絞り部）５３ｂとが設けられており、ブリードポート５３ｂの径は低負荷時に最適となるよう設計されている。ダイヤフラム５８には弁体５９が取り付けられており、ダイヤフラム５８の上下変位により弁体５９が上下方向へと可動して可変ポート５３ａを開閉するようになっている。尚、６１は、本体５１にダイヤフラム５８＆弁体５９を組み込んだ開口を密閉するキャップである。
【００２１】
そして、図２にてダイヤフラム５８の下側（弁体５９側）には、圧力導入ポート６０を通じてエバポレータ６の入口側冷媒圧力Ｐｅ＿ｉｎが掛かり、ダイヤフラム５８上側にはエバポレータ６の出口側冷媒圧力Ｐｅ＿ｏｕｔがそれぞれ掛かっており、ダイヤフラム５８の受圧面積をＳ、ダイヤフラム５８のばね力をＦｓとすると、Ｐｅ＿ｏｕｔ・Ｓ＋Ｆｓ＝Ｐｅ＿ｉｎ・Ｓとなるように、弁体５９の位置が釣り合う。
【００２２】
図４は、本発明の絞り弁５における作動特性の一例を示すグラフである。図に示すように、エバポレータ６の前後圧力の差圧とダイヤフラム５８のばね力により、ある一定差圧（設定開弁差圧）以下では閉弁し、設定開弁差圧を超えると開弁するような設計となっている。そして、閉弁時には低負荷で最適となる開口面積、全開時には高負荷で最適な開口面積となるように設計している。
【００２３】
図５の（ａ）はエバポレータ前後の差圧が小さい時の絞り弁５の断面図であり、可変ポート５３ａは閉じてブリードポート５３ｂだけで流通している。また、図５の（ｂ）はエバポレータ前後の差圧が大きい時の絞り弁５の断面図であり、ダイヤフラム５８が変位して可変ポート５３ａが開き、ブリードポート５３ｂとの両方で流通している。
【００２４】
次に、本実施形態での特徴について述べる。まず、絞り弁５での絞り度合いを、エバポレータ６前後の差圧を用いて可変させている。これは、エバポレータ６の負荷が高くて冷媒流量が多い時にはエバポレータ６での圧損が大きくなるという特性に着目してこれを利用したものである。
【００２５】
更に、エバポレータ６側の冷媒流量が空気側の必要能力に対して不足し、エバポレータ６出口のスーパーヒートが大きくなった場合も、エバポレータ６内のガス冷媒割合が高くなるため、冷媒流量が同じでも、スーパーヒートが無い（すなわち冷媒流量が足りている）状態に比べて圧損が大きくなる（一般に、気体の方が液体よりも圧力損失が大きい）。そのため、エバポレータ６側冷媒流量不足時にも圧損大により絞りが開いて冷媒流量を増やすことができる。このように、エバポレータ６前後の差圧を用いて絞り度合いを可変することにより、負荷に応じた最適な絞りに可変することができ、性能の低下を防ぐことができる。
【００２６】
また、絞り弁５は、エバポレータ６前後の差圧が小さい時に冷媒流路Ｒの流量を少なくし、エバポレータ６前後の差圧が大きい時に冷媒流路Ｒの流量を多くしている。このように、低負荷時、つまりエバポレータ６の流量が小さく差圧が小さい時には絞り弁５の通過量を少なくし、逆に高負荷時、つまりエバポレータ６の流量が多く差圧が大きい時には絞り弁５の通過量を多くすることにより、性能低下を防ぐことができる。
【００２７】
また、絞り弁５は、冷媒流路Ｒの一部を成し、アキュームレータ４からエバポレータ６へと通じるエバポレータ前流路部５３と、エバポレータ６からエジェクタ３へと通じるエバポレータ後流路部５６と、両流路部５３・５６を隔てると共に両流路部５３・５６の圧力差に応じて変位するダイヤフラム５８と、そのダイヤフラム５８と連動してエバポレータ前流路部５３の可変ホート５３ａを開閉する弁体５９とを備えている。
【００２８】
このように、両流路部５３・５６をダイヤフラム５８で隔てることにより、両流路部５３・５６の差圧でダイヤフラム５８が容易に変位するため、そのダイヤフラム５８で弁体５９を動かしてエバポレータ前流路部５３の可変ポート５３ａを開閉するという簡素な構造にて絞り弁５での可変絞りを可能としている。これにより、コストを抑えることができる。
【００２９】
また、絞り弁５は、エバポレータ前流路部５３として弁体５９で開閉される可変ポート５３ａをバイパスしてアキュームレータ４からエバポレータ６へと通じるブリードポート５３ｂを備えている。これにより、可変ポート５３ａが前閉しても、最低限の冷媒流量がブリードポート５３ｂで確保されることとなる。
【００３０】
（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態における絞り弁５の断面構造図である。本実施形態の絞り弁５は、弁体５９の開弁圧力を調整する開弁圧力調整手段としてのキャップ６１とばね６２とを有している。具体的にはキャップ６１とダイヤフラム５８との間にばね６２を設け、キャップ６１の締め込み量によりバネ力を変えて開弁圧力を調節できる構造としたものであり、締め込み量を増すことにより、ダイヤフラム５８上部に掛かるばね力が増して開弁圧力が高くなる。
【００３１】
これにより、ダイヤフラム５８を変えることなく開弁圧力を変えることができることから、例えば車両空調の冷凍サイクルに用いる場合、車型の異なるシステム（例えば大型車両と小型車両）でも同一絞り弁５で対応することができる。また、製造時の部品公差が大きくても、キャップ６１の締め込み量により開弁圧力を微調整できることから、製造公差を緩く設定することができ、部品および製造コストを抑えることができる。
【００３２】
（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態における絞り弁５の断面構造図である。本実施形態の絞り弁５は、弁体５９の位置を調整する弁体位置調整手段としてのキャップ６１を有している。具体的にはダイヤフラム５８と弁体５９をキャップ６１側に取り付けている。こうしてキャップ６１の締め込み量により弁体５９の上下位置が調整できる構造としたものである。これにより、製造時の部品公差が大きくても、弁体５９の位置を微調整できることから、製造公差を緩く設定することができ、部品および製造コストを抑えることができる。
【００３３】
（第４実施形態）
図８は、本発明の第４実施形態における絞り弁５の断面構造図である。上述の実施形態では変位部材としてダイヤフラム５８を用いてきたが、本実施形態はベローズ６３を用いたものであり、本実施例は図２で示した第１実施形態の構成のダイヤフラム５８をベローズ６３としたものである。
【００３４】
（第５実施形態）
図９は、本発明の第５実施形態における絞り弁５の断面構造図である。上述の第４実施形態と同様に変位部材にベローズ６３を用いたものであり、本実施例は図７で示した第３実施形態の構成のダイヤフラム５８をベローズ６３としたものである。
【００３５】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では冷媒に二酸化炭素を用いた冷凍サイクル装置について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、フロン等冷媒を用いた冷凍サイクル装置に本発明の絞り弁５を適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における冷凍サイクル装置の構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態における絞り弁の断面構造図である。
【図３】エバポレータを通過する冷媒流量とエバポレータでの圧損（前後差圧）との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の絞り弁における作動特性の一例を示すグラフである。
【図５】（ａ）はエバポレータ前後の差圧が小さい時の絞り弁の断面図、（ｂ）はエバポレータ前後の差圧が大きい時の絞り弁の断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態における絞り弁の断面構造図である。
【図７】本発明の第３実施形態における絞り弁の断面構造図である。
【図８】本発明の第４実施形態における絞り弁の断面構造図である。
【図９】本発明の第５実施形態における絞り弁の断面構造図である。
【図１０】従来の冷凍サイクル装置の構成図である。
【図１１】実験による高負荷時と低負荷時でのエバポレータ前絞り径に対するＣＯＰ（成績係数）の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１コンプレッサ（冷媒圧縮機）
２ガスクーラ（冷媒放熱器）
３エジェクタ
４アキュームレータ（気液分離器）
５絞り弁
６エバポレータ（冷媒蒸発器）
３２吸引部
５３蒸発器前流路部
５３ａ可変絞り部
５３ｂ固定絞り部
５６蒸発器後流路部
５８ダイヤフラム（変位部材）
５９弁体
６１キャップ（開弁圧力調整手段、開弁位置調整手段）
６２ばね（開弁圧力調整手段）
６３ベローズ（変位部材）
Ｒ冷媒流路

Claims

冷媒圧縮機（１）、冷媒放熱器（２）、エジェクタ（３）及び気液分離器（４）を冷媒流路で環状に連結すると共に、前記気液分離器（４）の液相冷媒側と前記エジェクタ（３）の吸引部（３２）とを冷媒流路（Ｒ）で連結し、その冷媒流路の途中に絞り弁（５）、およびその後流に冷媒蒸発器（６）を備えた冷凍サイクル装置において、
前記絞り弁（５）は、前記冷媒蒸発器（６）前後の差圧が小さい低負荷時に前記冷媒流路（Ｒ）の流量を少なくし、前記冷媒蒸発器（６）前後の差圧が大きい高負荷時に前記冷媒流路（Ｒ）の流量を多くすることを特徴とする冷凍サイクル装置。
冷媒圧縮機（１）、冷媒放熱器（２）、エジェクタ（３）及び気液分離器（４）を冷媒流路で環状に連結すると共に、前記気液分離器（４）の液相冷媒側と前記エジェクタ（３）の吸引部（３２）とを冷媒流路（Ｒ）で連結し、その冷媒流路の途中に絞り弁（５）、およびその後流に冷媒蒸発器（６）を備えた冷凍サイクル装置において、
前記絞り弁（５）は、前記冷媒流路（Ｒ）の一部を成し、前記気液分離器（４）から前記冷媒蒸発器（６）へと通じる蒸発器前流路部（５３）と、前記冷媒蒸発器（６）から前記エジェクタ（３）へと通じる蒸発器後流路部（５６）と、前記両流路部（５３、５６）を隔てると共に前記両流路部（５３、５６）の圧力差に応じて変位する変位部材（５８）と、その変位部材（５８）と連動して前記蒸発器前流路部（５３）の可変絞り部（５３ａ）を開閉する弁体（５９）とを備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。
前記絞り弁（５）は、前記蒸発器前流路部（５３）として前記弁体（５９）で開閉される前記可変絞り部（５３ａ）をバイパスして前記気液分離器（４）から前記冷媒蒸発器（６）へと通じる固定絞り部（５３ｂ）を備えることを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
前記絞り弁（５）は、前記弁体（５９）の開弁圧力を調整する開弁圧力調整手段（６１、６２）を有することを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
前記絞り弁（５）は、前記弁体（５９）の位置を調整する弁体位置調整手段（６１）を有することを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
冷媒を低圧から高圧に圧縮する冷媒圧縮機（１）と、
高温高圧冷媒から放熱するための冷媒放熱器（２）と、
冷媒が膨張するエネルギを利用して低圧冷媒の循環、昇圧を行うエジェクタ（３）と、
絞り弁（５）と、
低温低圧冷媒で熱交換流体を冷却するための冷媒蒸発器（６）とを備え、
前記冷媒放熱器（２）からの冷媒は、前記エジェクタ（３）のノズルに流入し、前記絞り弁（５）と前記冷媒蒸発器（６）とを通過する冷媒流路（Ｒ）の冷媒は、前記エジェクタ（３）の吸引部に吸引される冷凍サイクル装置において、
前記絞り弁（５）での絞り度合いを、前記冷媒蒸発器（６）前後の差圧を用いて可変させ、前記冷媒蒸発器（６）前後の差圧が小さい低負荷時に前記冷媒流路（Ｒ）の流量を少なくし、前記冷媒蒸発器（６）前後の差圧が大きい高負荷時に前記冷媒流路（Ｒ）の流量を多くすることを特徴とする冷凍サイクル装置。