JP4897284B2

JP4897284B2 - 冷凍サイクル

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Publication number: JP4897284B2
Application number: JP2005358659A
Authority: JP
Inventors: 政人坪井; 謙一鈴木; 雄一松元
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2025-12-13
Also published as: EP1798498A3; US20070130989A1; EP1798498A2; JP2007163005A

Description

本発明は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルに関し、とくに、自然系冷媒等の超臨界域でも使用される冷媒を用いたサイクルに適用して好適な冷凍サイクルに関する。

蒸気圧縮式の冷凍サイクルは、圧縮した冷媒を放熱器にて冷却するとともにその圧縮した冷媒を減圧し、低圧となった冷媒を蒸発器にて蒸発させることにより冷凍能力を得るものが一般的である（例えば、特許文献１）。

上記のような蒸気圧縮式の冷凍サイクルにおいては、従来のフロン系冷媒を使用した冷凍サイクルと比べ、二酸化炭素等の自然系冷媒を使用する冷凍サイクルでは、高圧側圧力を冷媒の臨界圧力以上まで上昇させる必要があり、圧縮機の必要動力が大きくなるため、冷凍サイクルの効率が低いという問題がある。

また、従来のフロン系冷媒を使用した冷凍サイクルでは、蒸発器の性能を効率良く発揮させるために蒸発器出口冷媒の過熱度を５〜10degに制御するのが望ましいとされている。従って、蒸発器出口手前で冷媒の乾き度が１となるように蒸発器内の冷媒量を調節していた。ところが、二酸化炭素を冷媒とした冷凍サイクルの場合、冷媒物性の違いから従来どおりに蒸発器内の冷媒の乾き度を大きくすると、蒸発器の熱伝達率が大きく減少し、冷却性能の効率が悪くなり、冷凍サイクルの効率も悪化する。そのような中で二酸化炭素を冷媒とした冷凍サイクルおよびその構成部品の研究が盛んに行われており、蒸発器に関する特性、モリエル線図はもとより、乾き度と熱伝達率との関係も把握されつつある。

従来の冷凍サイクル１０１は、例えば図１０に示すように構成されており、冷媒を圧縮する圧縮機１０２と、圧縮機１０２から流出した冷媒を冷却する放熱器１０３と、放熱器１０３から流出した高圧冷媒とアキュームレータ１０４（気液分離器を兼ねたもの）から流出した低圧冷媒の熱交換を行うとともに、高圧冷媒と熱交換された低圧冷媒を前記圧縮機１０２に供給する内部熱交換器１０５と、内部熱交換器１０５から流出した高圧冷媒を減圧する減圧器１０６と、減圧器１０６から流出した低圧冷媒を蒸発させる蒸発器１０７と、蒸発器１０７から流出した液相冷媒および気相冷媒の二相冷媒を蓄えると共に、気相冷媒を前記内部熱交換器１０５に供給するアキュームレータ１０４を備えたものである。このような冷凍サイクル１０１では、エンタルピと圧力との関係を表すモリエル線図は、例えば図１１に示すようになる。
特開平１１−１９３９６７号公報

本発明の課題は、上記のような従来技術に鑑み、（１）蒸発器の性能がより効率良く発揮されるような冷凍サイクルを提供することにあり、望ましくは、（２）冷媒を減圧する際に発生する膨張エネルギーを回生しながら冷凍サイクルの運転に利用し、実質的に冷凍サイクルの消費動力を低減することが可能な、効率の高い冷凍サイクルを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、冷媒を蒸発させる蒸発器と、冷媒を圧縮し吐出する圧縮機と、該圧縮機から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、該放熱器により冷却された冷媒を減圧膨張させる膨張機と、該膨張機から流出した冷媒と蒸発器から流入した冷媒とを、液相冷媒と気相冷媒に分離するとともに、液相冷媒を蒸発器側に流出させ、かつ、気相冷媒を前記圧縮機側に流出させる気液分離器と、を有し、高圧側が臨界圧力以上となる冷凍サイクルであって、
前記気液分離器と蒸発器の間に、気液分離器から流出した液相冷媒を蒸発器側へ圧送するポンプ手段を設け、該ポンプ手段の駆動源を前記膨張機にて膨張する冷媒の膨張エネルギーとし、
前記放熱器と気液分離器の間に、冷媒の一部を前記膨張機をバイパスさせて流すバイパス通路を設け、該バイパス通路に、冷凍サイクルの状態に関する情報に基づいて該バイパス通路の冷媒流量を調節する冷媒流量調節手段を設け、
前記気液分離器内の圧力が冷媒の臨界圧力以下となるように前記冷媒流量調節手段を制御する冷媒流量制御手段を備えたことを特徴とする冷凍サイクルを提供する。

また、上記ポンプ手段と蒸発器の間には、該ポンプ手段により圧送された冷媒を減圧する減圧器を設けることもできる。この減圧器は、前述の第１の形態における第２減圧器に対応するものである。

この場合、上記減圧器は、冷凍サイクルの状態に関する情報に基づいて減圧度合が決定される減圧量調節手段を有する構成とすることもできる。

この減圧量調節手段は、冷凍サイクルの状態に関する情報に基づいて減圧度合が決定される機構を有することが好ましい。

上記膨張機としては、羽根車を有するもの、例えば、エンジンに用いられている排気ガスタービン過給機と同様な、タービン羽根車を有するものから構成することが可能である。

このような本発明に係る冷凍サイクルは、とくに冷媒が自然系冷媒である二酸化炭素からなる場合に好適なものである。また、本発明に係る冷凍サイクルは、とくに車両用空調装置の冷凍サイクルとして用いられる場合に好適なものである。

本発明に係る冷凍サイクルによれば、ポンプ手段を設けて、蒸発器に意図的に効率よく液相冷媒を供給するようにしたので、とくに、超臨界域で作動させる冷媒を使用した冷凍サイクルの効率向上を図ることができる。また、この液相冷媒の供給に、系内における冷媒の膨張エネルギーを利用するようにしたので、冷凍サイクルの消費動力を低減することが可能になり、さらに効率の高い冷凍サイクルを実現することが可能になる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、とくに自然系冷媒である二酸化炭素を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルについて、詳細に説明する。

＜参考例１＞
図１は、本発明の参考例１に係る冷凍サイクルを示しており、図１に示す冷凍サイクル１は、冷媒を圧縮し吐出する圧縮機２と、圧縮機２から吐出された冷媒を冷却する放熱器３と、放熱器３により冷却された冷媒を減圧する第１減圧器４と、第１減圧器４から流出した冷媒と蒸発器７から流入した冷媒とを、液相冷媒と気相冷媒に分離するとともに、液相冷媒を蒸発器７側に流出させ、かつ、気相冷媒を圧縮機２側に流出させる気液分離器５と、気液分離器５から流出した液相冷媒を蒸発させて気相冷媒とする蒸発器７とを有し、気液分離器５と蒸発器７の間にあって気液分離器５から分離流出された液相冷媒を蒸発器７側に向けて圧送するポンプ手段６を有するものである。なお、気液分離器５から蒸発器７側に向けて流出する冷媒は、液相冷媒と気相冷媒の混合冷媒である二相冷媒となることもあるが、気液分離器５により気液分離されているため、二相冷媒となる場合にも流出冷媒の大半が液相冷媒であり、該液相冷媒がポンプ手段６により蒸発器７側に向けて圧送される。圧縮機１とポンプ手段６とは互いに異なる駆動源によって駆動され、冷媒圧送能力をそれぞれ独立して制御可能な圧縮機能力制御手段をも有するものである。

この冷凍サイクル１においては、第１減圧器４は減圧度合を調節できる第１減圧量調節手段を備えたものからなり、第１減圧量調節手段は、冷凍サイクル１の状態に関する情報に基づいて減圧度合が決定される機構を有するものからなる。この第１減圧器４における第１減圧量調節手段の機構とは、第１減圧器４の前後冷媒圧力の差に基づいて自律して動作するものでもよいし、外部からの電気または圧力信号により動作するものでもよい。

更に、この冷凍サイクル１は、気液分離器５内の圧力が冷媒の臨界圧力以下となるように前記第１減圧量調節手段を制御する第１減圧器制御手段を備えたものである。この第１減圧器制御手段とは、第１減圧器４の制御を電気信号にて行うもので、気液分離器５内の圧力が冷媒の臨界圧力以下となるように、かつ、冷凍サイクル１の効率がより良い状態になるよう減圧度合を調節するものである。

図２は図１に示した参考例１の冷凍サイクルにおける圧力−エンタルピー線図（モリエル線図）であり、図１の各機器における働きを図１に示した符号を付すことにより対応させてある。放熱器３から流出する冷媒を減圧して低圧の冷媒とし、これを気液分離器５により気相冷媒と液相冷媒に分離し、液相冷媒のみをポンプ手段６を用いて意図的に効率よく蒸発器７に送ることで、蒸発器７内の冷媒を、図３に示した乾き度と熱伝達率との関係図における、乾き度が小さく、かつ、熱伝達率が高い状態とすることができる。これにより、前述した従来の問題点である、冷却性能の効率悪化、ひいては冷凍サイクル効率の悪化を回避できるようになる。

図４は、上記参考例１に係る冷凍サイクルの変形例を示したものであり、図１に示した冷凍サイクル１において、さらに、ポンプ手段６と蒸発機７の間に、ポンプ手段６により圧送された冷媒を減圧する第２減圧器８を設けたものである。この第２減圧器８は減圧度合を調節できる第２減圧量調節手段を備えたものからなり、第２減圧量調節手段は、冷凍サイクル１の状態に関する情報に基づいて減圧度合が決定される機構を有するものからなる。この第２減圧器８における第２減圧量調節手段の機構とは、第２減圧器８の前後冷媒圧力の差に基づいて自律して動作するものでもよいし、外部からの電気または圧力信号により動作するものでもよい。

図５は図４に示した参考例１の変形例に係る冷凍サイクルにおける圧力−エンタルピー線図（モリエル線図）であり、図４の各機器における働きを図４に示した符号を付すことにより対応させてある。放熱器３から流出する冷媒を減圧して低圧の冷媒とし、これを気液分離器５により気相冷媒と液相冷媒に分離し、液相冷媒をポンプ手段６を用いて圧送するとともに圧送される液相冷媒を蒸発器７に到達する前にさらに第２減圧器８により減圧するようにしている。その結果、蒸発器７には、ポンプ手段６を用いて、気液分離器５からの気相冷媒が第２減圧器８により減圧された状態で、意図的に効率よく送られることになり、前述した従来の問題点である、冷却性能の効率悪化、ひいては冷凍サイクル効率の悪化を、一層効果的に回避できるようになる。

＜参考例２＞
図６は、本発明の参考例２に係る冷凍サイクルを示しており、図６に示す冷凍サイクル１は、冷媒を圧縮し吐出する圧縮機２と、圧縮機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により冷却された冷媒を減圧膨張させる膨張機９と、該膨張機９から流出した冷媒と蒸発器７から流入した冷媒とを、液相冷媒と気相冷媒に分離するとともに、液相冷媒を蒸発器７側に流出させ、かつ、気相冷媒を圧縮機２側に流出させる気液分離器５と、気液分離器５から流出した液相冷媒を蒸発させて気相冷媒とする蒸発器７とを有し、気液分離器５と蒸発器７の間に、気液分離器５から流出した液相冷媒を蒸発器７側に向けて圧送するポンプ手段１０を有するものである。このポンプ手段１０は、その駆動源を膨張機９にて膨張する冷媒の膨張エネルギーとしている。本参考例では、ポンプ手段１０は膨張機９に直結され、冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機９の回転を、実質的にそのままポンプ手段１０に伝達するようになっている。また、本参考例では、ポンプ手段１０と蒸発器７の間に、該ポンプ手段１０により圧送された冷媒を減圧する減圧器１１が設けられているが、この減圧器１１が無くても本参考例の冷凍サイクル１は成立する。この減圧器１１は、図４に示した参考の形態における第２減圧器８に相当するものである。

この参考例２に係る冷凍サイクルの、前述の参考例１との違いは、気液分離器５から流出する液相冷媒の圧送を冷媒の膨張エネルギーの回生により行う点である。これによりポンプ手段１０の駆動動力を冷凍サイクル外から供給する必要がなくなるため、参考例１の冷凍サイクル効率を更に改善できるものである。

図７は、上記参考例２に係る冷凍サイクルの変形例としての実施例を示したものであり、図６に示した冷凍サイクル１において、さらに、放熱器３と気液分離器５の間に、膨張機９を備えた通路に対して冷媒の一部をバイパスさせるバイパス通路１２が設けられ、このバイパス通路１２に、冷凍サイクル１の状態に関する情報に基づいて該バイパス通路１２の冷媒流量を調節する冷媒流量調節手段１３を備えたものである。

この冷媒流量調節手段１３は、気液分離器５内の圧力が冷媒の臨界圧力以下となるように、かつ、冷凍サイクル１の効率がより良い状態になるように前記冷媒流量調節手段１３を制御する冷媒流量制御手段を有するものである。

加えて、減圧器１１は、冷凍サイクル１の状態に関する情報に基づいて減圧度合が決定される減圧量調節手段を備えており、該減圧量調節手段は、冷凍サイクル１の状態に関する情報に基づいて減圧度合が決定される機構を有するものからなる。この減圧器１１における減圧量調節手段の機構とは、減圧器１１の前後冷媒圧力の差に基づいて自律して動作するものでもよいし、外部からの電気または圧力信号により動作するものでもよい。

上記膨張機９は、例えば図８に示すように、エンジンに用いられている排気ガスタービン過給機と同様なタービン羽根車形状を有するもので、冷媒の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換して取り出し、その機械エネルギーをポンプ手段１０に入力することで、ポンプ手段１０の駆動動力を冷凍サイクル外から供給する必要がなくなるため、参考例１の冷凍サイクル効率を更に改善できるものである。つまり、膨張機９から得られる駆動エネルギーを電気エネルギーまたは機械エネルギーとして回生し、ポンプ手段１０の駆動源として使用するものである。電気エネルギーとして使用する場合は蓄電器に貯えてから、それをポンプ手段１０の駆動モータに入力してもよい。機械エネルギーとして使用する場合は膨張機９とポンプ手段１０の駆動軸を連結し、膨張機９から得られる駆動エネルギーをポンプ手段１０に直接伝達してもよい。

図６に示した参考例２、図７に示した実施例に係る冷凍サイクルにおける圧力−エンタルピー線図（モリエル線図）を図９に例示する。図９のモリエル線図に示されるように、放熱器３から流出する冷媒を膨張機９または膨張機９および冷媒流量調節手段１３にて減圧して低圧の冷媒とし、これを気液分離器５により気相冷媒と液相冷媒に分離し、液相冷媒のみ蒸発器７にポンプ手段１０を用いて意図的に効率よく送ることで、蒸発器７内の冷媒を乾き度が小さく、かつ、熱伝達率が高い状態とすることができる。これにより、前述した従来の問題点である、冷却性能の効率悪化、ひいては冷凍サイクル効率の悪化を効率よく回避できるようになる。

本発明は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルに適用でき、とくに、自然系冷媒である二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍サイクルに好適なものである。

本発明の参考例１に係る冷凍サイクルの概略構成図である。図１の冷凍サイクルのモリエル線図である。蒸発器における乾き度と熱伝達率との関係図である。本発明の参考例１の変形例に係る冷凍サイクルの概略構成図である。図４の冷凍サイクルのモリエル線図である。本発明の参考例２に係る冷凍サイクルの概略構成図である。本発明の参考例２の変形例としての実施例に係る冷凍サイクルの概略構成図である。膨張機の具体例を示す羽根車とそのハウジングの断面図である。図６および図７の冷凍サイクルのモリエル線図である。従来の冷凍サイクルの概略構成図である。図１０の冷凍サイクルのモリエル線図である。

符号の説明

１冷凍サイクル
２圧縮機
３放熱器
４第１減圧器
５気液分離器
６ポンプ手段
７蒸発器
８第２減圧器
９膨張機
１０ポンプ手段
１１減圧器
１２バイパス通路
１３流量調節手段

Claims

冷媒を蒸発させる蒸発器と、冷媒を圧縮し吐出する圧縮機と、該圧縮機から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、該放熱器により冷却された冷媒を減圧膨張させる膨張機と、該膨張機から流出した冷媒と蒸発器から流入した冷媒とを、液相冷媒と気相冷媒に分離するとともに、液相冷媒を蒸発器側に流出させ、かつ、気相冷媒を前記圧縮機側に流出させる気液分離器と、を有し、高圧側が臨界圧力以上となる冷凍サイクルであって、
前記気液分離器と蒸発器の間に、気液分離器から流出した液相冷媒を蒸発器側へ圧送するポンプ手段を設け、該ポンプ手段の駆動源を前記膨張機にて膨張する冷媒の膨張エネルギーとし、
前記放熱器と気液分離器の間に、冷媒の一部を前記膨張機をバイパスさせて流すバイパス通路を設け、該バイパス通路に、冷凍サイクルの状態に関する情報に基づいて該バイパス通路の冷媒流量を調節する冷媒流量調節手段を設け、
前記気液分離器内の圧力が冷媒の臨界圧力以下となるように前記冷媒流量調節手段を制御する冷媒流量制御手段を備えたことを特徴とする冷凍サイクル。
前記ポンプ手段と蒸発器の間に、該ポンプ手段により圧送された冷媒を減圧する減圧器を設けたことを特徴とする、請求項１に記載冷凍サイクル。
前記減圧器が減圧度合を調節できる減圧量調節手段を有することを特徴とする、請求項２に記載冷凍サイクル。
前記減圧量調節手段は、冷凍サイクルの状態に関する情報に基づいて減圧度合が決定される機構を有することを特徴とする、請求項３に記載の冷凍サイクル。
前記膨張機が羽根車を有するものからなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の冷凍サイクル。
前記冷媒が二酸化炭素からなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の冷凍サイクル。
車両用空調装置の冷凍サイクルとして用いられることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の冷凍サイクル。