JPH11304269A

JPH11304269A - 冷凍サイクル

Info

Publication number: JPH11304269A
Application number: JP10113836A
Authority: JP
Inventors: Yukikatsu Ozaki; 幸克尾崎; Shin Nishida; 伸西田
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 1998-04-23
Filing date: 1998-04-23
Publication date: 1999-11-05

Abstract

(57)【要約】【課題】低圧側膨張弁６に流入する冷媒でのフラッシ
ュ蒸気に起因するハンチング現象を、熱交換器等の追加
なしで、簡潔な構成でもって良好に抑制する。【解決手段】膨張過程を高圧側膨張弁４と低圧側膨張
弁６により、２段階に分けて行うとともに、高圧側膨張
手段４と低圧側膨張手段６との間に気液分離器５を設け
る２段圧縮冷凍サイクルにおいて、低圧側膨張弁６を、
気液分離器５側の中間圧力と蒸発器７側の低圧圧力との
差をほぼ一定とする定差圧弁により構成する。定差圧弁
では弁前後の差圧を制御する構成のため、流入冷媒の密
度が変化しても弁前後の圧力差は変化しない。その結
果、流入する冷媒にフラッシュ蒸気が混入してもサイク
ルバランスが変わらないため、ハンチングを防止でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は自動車用の空調装置
や家庭用の空調装置として好適な２段圧縮冷凍サイクル
に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧縮機、放熱器、膨張弁（膨張手段）、
蒸発器からなる蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、成績
係数（ＣＯＰ）を向上させる従来技術として、図１５、
１６に示す２段圧縮２段膨張冷凍サイクルや図１７、１
８に示すエコノマイザサイクルが用いられている。

【０００３】前者の２段圧縮２段膨張冷凍サイクルは低
段（低圧側）と高段（高圧側）の２台の圧縮機１０１、
１０２を配し、高段圧縮機１０２を出た冷媒は放熱器
（凝縮器）２で放熱して凝縮し、高圧側膨張弁４により
中間圧まで減圧されて、気液分離器５に送られる。気液
分離器５ではその内部の中間圧冷媒と低段側（低圧側）
圧縮機１０１の吐出ガスとを混合する。このとき、気液
分離器５内の一部の液冷媒が蒸発して吐出ガスを飽和温
度まで冷却する。

【０００４】気液分離器５では冷媒が飽和蒸気と飽和液
に分かれ、飽和液は低圧側膨張弁６により中間圧から蒸
発圧力（低圧）まで減圧されて、蒸発器７に送られる。
また、飽和蒸気は高段側圧縮機１０２に吸収され高圧ま
で圧縮される。この２段圧縮２段膨張冷凍サイクルは図
１６のモリエル線図に示すような冷媒の状態変化が生
じ、蒸発器７でのエンタルピ差を大きくとることができ
るので、１段圧縮サイクルに比べＣＯＰを大きくするこ
とができる。

【０００５】一方、後者のエコノマイザサイクルは図１
７に示すように放熱器２、蒸発器７、高圧側および低圧
側膨張弁４、６の配置は２段圧縮２段膨張サイクルと同
じであるが、低段側圧縮機１０１の吐出口１０１ａと高
段側圧縮機１０２の吸入口１０２ａを配管１２３により
連通させるとともに、配管１２３の途中部位１２４に気
液分離器５からの連通配管１２を接続し、低段側圧縮機
１０１からの吐出冷媒ガスと気液分離器５からの飽和蒸
気との混合気を高段側圧縮機１０２に吸入して圧縮する
構成となっている。これにより、２段圧縮２段膨張サイ
クルと同様に、ＣＯＰを１段圧縮サイクルに比べて大き
くすることができる。

【０００６】以上の２段圧縮２段膨張サイクルとエコノ
マイザサイクルを包含するものを、本明細書では、２段
圧縮冷凍サイクルと称する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の２段
圧縮冷凍サイクルにおいては、気液分離器５で飽和した
液冷媒を低圧側膨張弁６により中間圧から蒸発圧力（低
圧）まで減圧させるのであるが、次の原因により飽和液
冷媒中にフラッシュ蒸気が生じることがあり、このフラ
ッシュ蒸気が低圧側膨張弁６の絞り通路に断続的に不安
定に流入し、ガスと液とではその流通抵抗が大幅に変化
するので、膨張弁（サイクル）のハンチング等の不具合
を引き起こす。

【０００８】第１の原因としては、気液分離器５から低
圧側膨張弁６までの配管１２５が長いとき、あるいは、
冷媒流量の大きなときに、気液分離器５から低圧側膨張
弁６に至る間の冷媒配管１２５の圧力損失により冷媒圧
力が低下して、飽和液冷媒中にフラッシュ蒸気が生じ
る。また、第２の原因としては、外気温度の高い冷房運
転時や、自動車用空調装置のようにエンジンルーム内が
高温となり、サイクルの配管も高温雰囲気に晒される場
合は、飽和液の温度より配管１２５周囲の雰囲気温度が
高くなるので、飽和液が周囲より吸熱してフラッシュ蒸
気が生じる。

【０００９】そこで、上記したフラッシュ蒸気の発生抑
制のために、気液分離器５から低圧側膨張弁６までの配
管１２５の長さを短くすることが考えられるが、このよ
うにすると、低圧側膨張弁６から蒸発器７までの配管１
２６の長さが長くなり、その結果、配管１２６内の低温
冷媒と、配管１２６周りの雰囲気との間の熱交換量（冷
媒への吸熱量）が増加して、冷房能力を低下したり、配
管１２６表面に結露が生じ、その液滴で周囲の金属を腐
食する等の不具合が生じる。

【００１０】また、上記したフラッシュ蒸気の発生抑制
のため、本出願人の出願に係る特開平８−１２１８８９
号公報では、気液分離器５から低圧側膨張弁６までの配
管１２５に、配管内の冷媒を冷却する熱交換器を設ける
ことが提案されているが、この従来技術によると、この
熱交換器の追加分だけ、空調装置の設置スペースが増大
する。特に、車両用空調装置では、設置スペース上の制
約が強いので、上記熱交換器の追加は車両への搭載性を
悪化させる。

【００１１】また、上記熱交換器のための配管取り回し
が必要となり、配管が複雑になるので、一層、車両への
搭載性が悪化するとともに、空調装置の組付性が悪化す
る。本発明は上述した諸問題に鑑みてなされたもので、
低圧側膨張手段に流入する冷媒でのフラッシュ蒸気に起
因するハンチング現象を、熱交換器等の追加なしで、簡
潔な構成でもって良好に抑制できる冷凍サイクルを提供
することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１〜８記載の発明では、膨張過程を高圧側膨
張手段（４）と低圧側膨張手段（６）により、２段階に
分けて行うとともに、高圧側膨張手段（４）と低圧側膨
張手段（６）との間に気液分離器（５）を設ける２段圧
縮冷凍サイクルにおいて、低圧側膨張手段（６）を、気
液分離器（５）側の中間圧力と蒸発器（７）側の低圧圧
力との差をほぼ一定とする定差圧弁により構成したこと
を特徴としている。

【００１３】これによると、定差圧弁では弁前後の差圧
を制御する構成のため、流入冷媒の密度が変化しても弁
前後の圧力差は変化しない。その結果、流入する冷媒に
フラッシュ蒸気が混入してもサイクルバランスが変わら
ないため、サイクルのハンチングという不安定現象を生
じることはない。しかも、従来技術のように、気液分離
器（５）から低圧側膨張手段（６）に流入する冷媒を冷
却する熱交換器を特別に設ける必要がないので、装置全
体の体格の小型化、配管の簡素化を図ることができ、車
両等の設置スペース上の制約が強い用途においても、冷
凍サイクルの搭載性および組付性を良好に維持できる。

【００１４】そして、請求項２記載の発明では、気液分
離器（５）からガス冷媒を圧縮機（１、１０１、１０
２）の低段側圧縮部（１ｂ、１０１）と高段側圧縮部
（１ｃ、１０２）との間に導く配管（１２）に弁手段
（１３、１９）を設け、圧縮機（１、１０１、１０２）
吐出側の高圧圧力と蒸発器（７）側の低圧圧力とに応じ
て弁手段（１３、１９）により配管（１２）の流路を開
閉することを特徴としている。

【００１５】これによると、高圧圧力と低圧圧力とに応
じて弁手段（１３、１９）を適切に開閉することによ
り、サイクル運転条件が広範に変化する環境下において
も、気液分離器（５）から圧縮機への液冷媒戻りや圧縮
機から気液分離器（５）への冷媒流れの逆流といった不
具合を防止して、サイクルの正常な作動状態を維持でき
る。

【００１６】請求項２記載の発明による弁手段は、請求
項３記載のように、高圧圧力と低圧圧力とに応じて電気
的に開閉制御される弁（１３）で構成できる。また、請
求項４記載のように、弁手段を、高圧圧力と低圧圧力と
に応じて機械的に変位する弁体（１９１）を有する弁
（１９）で構成してもよい。また、請求項３記載による
弁（１３）は、より具体的には、請求項５記載のように
高圧圧力を検出する圧力センサ（１５）および低圧圧力
を検出する圧力センサ（１６）の検出信号が入力される
制御装置（１４）の出力により電気的に開閉制御すれば
よい。

【００１７】請求項６記載のように、低圧圧力を検出す
る圧力センサ（１６）の代わりに、低圧側冷媒の飽和温
度を検出する温度センサまたは蒸発器（７）から吹き出
す空気の温度を検出する温度センサ（１７）を用いても
よい。また、請求項７記載のように、高圧圧力を検出す
る圧力センサ（１５）の代わりに、放熱器（２）を冷却
する空気温度を検知する温度センサ（１８）を用いても
よい。

【００１８】さらに、請求項８記載の発明のように、気
液分離器（５）に低圧側膨張手段（６）を一体化すれ
ば、サイクルを組むときの配管が容易となり、しかも、
気液分離器（５）のハウジング（５１）と低圧側膨張手
段（６）のハウジング（６１）とを一体成形することが
可能となる。そのため、部品点数を削減して、製造コス
トを低減することができる。

【００１９】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すもの
である。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。（第１実施形態）図１は第１実施形態による冷凍サイク
ル構成を示すもので、１は２段式の圧縮機で、吸入口１
ａとこの吸入口１ａからのガス冷媒を圧縮する低段側圧
縮部１ｂと、この低段側圧縮部１ｂで圧縮されたガス冷
媒をさらに圧縮する高段側圧縮部１ｃと、この高段側圧
縮部１ｃからの圧縮冷媒ガスを吐出する吐出口１ｄとを
備えている。

【００２１】そして、低段側圧縮部１ａと高段側圧縮部
１ｂとの間に、インジェクションポート１ｅ、およびこ
のインジェクションポート１ｅからのガス冷媒と低段側
圧縮部１ｂで圧縮されたガス冷媒とを混合する中間圧室
１ｆが設けられている。このような２段式の圧縮機１と
しては具体的には次のようなものを使用できる。例え
ば、特開平７−１１０１６７号公報に記載のローリング
ピストン型圧縮機のように１台の圧縮機に２つの作動室
を設けたものや、特開平４−３２１７８６号公報記載の
スクロール型圧縮機のように固定スクロールに２つのイ
ンジェクションポートを設け、圧縮行程中の作動室に冷
媒をインジェクションするものや、特開平９−１５１８
４７号公報記載の斜板型圧縮機のように低段側の圧縮室
で中間圧まで圧縮し、高段側の圧縮室でさらに中間圧か
ら高圧まで圧縮する構成のものを用いることができる。

【００２２】２は高温高圧のガス冷媒を冷却し凝縮する
ための放熱器（凝縮器）で、熱交換を促進するため送風
用のファン３が設けてある。４は高圧側膨張弁（高圧側
膨張手段）で、放熱器２で凝縮した冷媒を高圧から中間
圧まで減圧する。５は気液分離器で、中間圧に減圧され
た気液混合の冷媒から気体を分離するものである。この
気液分離器５の具体的構成は図２（ａ）、（ｂ）に示す
通りで、円筒状に形成された本体ケース５１を有してお
り、この本体ケース５１の内周面５２に対して冷媒入口
５３が接線方向に開口している。従って、放熱器２で凝
縮した冷媒は冷媒入口５３から本体ケース５１の内部へ
円周方向の速度成分をもって流入する。この際、気相冷
媒と液相冷媒の間には密度差があるため、密度の大きい
液相冷媒は遠心力により本体ケース５１の内周面５２方
向に移動し、これに対し、密度の小さい気相冷媒は、遠
心力の影響が小さいので、本体ケース５１内部の中心軸
付近に集まる。

【００２３】そして、本体ケース５１の中心軸上の上方
部位には気相冷媒を取り出すためのガス取り出しパイプ
５４が設けてある。本体ケース５１のうち、ガス取り出
しパイプ５４を設けた面と反対側の面（すなわち、下方
側の面）には流出口５５が設けてあり、ここから気液混
合冷媒が流出する。５６は円板状のバッフルプレート
で、その外周部に設けた複数の突起部５６ａにより本体
ケース５１の内周面５２との間に所定間隔を維持して、
本体ケース５１の内周面５２に沿って環状の冷媒流路５
７を形成している。これにより、本体ケース５１の内周
面５２近傍に集まった液冷媒を重力により下方側へ移動
させ、環状の冷媒流路５７を通して流出口５５へ向かわ
せることができる。そのため、中心軸付近からパイプ５
４へ向かって流出する気相冷媒の流れに内周面５２近傍
の液冷媒が巻き込まれるのをバッフルプレート５６によ
り抑制することができる。

【００２４】６は低圧側膨張弁（低圧側膨張手段）で、
気液分離器５の流出口５５から流れてくる液冷媒を減圧
膨張させるものである。低圧側膨張弁６は、中間圧と低
圧の差圧を一定に制御する定差圧弁（後述の図３参照）
にて構成してある。７は蒸発器で、低圧側膨張弁６にて
低圧まで減圧された低温の気液２相冷媒と、空調空気
（被冷却流体）との間で熱交換（吸熱）を行って、冷媒
を蒸発させる。８は蒸発器７を収容している空調ケース
で、吸入口９から吸入された空調空気（内気または外
気）を遠心式ファン１０により蒸発器７に送風する。

【００２５】１１はアキュムレータで、余剰冷媒を蓄え
ておくとともに、蒸発器７から流出した冷媒の気液を分
離して、ガス冷媒を圧縮機１へ吸入させることにより、
液冷媒が圧縮機１に吸入されることを防いでいる。１２
は気液分離器５のガス取り出しパイプ５４からのガス冷
媒を圧縮機１のインジェクションポート１ｅに導くイン
ジェクション用配管である。

【００２６】次に、本発明の特徴とする低圧側膨張弁６
の構成と作動を詳細に説明する。図３は低圧側膨張弁６
を構成する定差圧弁の具体的構成を例示するもので、６
１はステンレスや黄銅等の金属で形成された円筒状のハ
ウジングであり、その軸方向の一端側に気液分離器５の
流出口５５に連通する流入口６２が開口している。ま
た、ハウジング６１の軸方向の他端側には、蒸発器７の
入口側に連通する流出口６３が形成されている。

【００２７】そして、このハウジング６１内には流入口
６２側の空間６２ａと流出口６３側の空間６３ａとを連
通させる弁口６４が形成されている。また、空間６３ａ
内には、弁口３４の開度を調整する弁体６５が配設され
ており、この弁体６５は金属製のコイルバネ（弾性部
材）６６によって弁口６４側に向けて押圧されている。
なお、ハウジング６１は、流出口６３が形成されている
蓋部６１ａと、流入口６２が形成されている底部６１ｂ
と、円筒状の本体部６１ｃとの３つの部位から構成され
ており、底部６１ｂと本体部６１ｃは一体成形され、蓋
部６１ａは、弁体６５およびコイルバネ６６を本体部６
１ｃ内に収納した後、溶接やネジのような締結手段等に
よって本体部６１ｃの端面に結合されている。

【００２８】また、６７は弁体６５に一体成形された円
筒状のガイドスカートで、ハウジング６１内で弁体６５
の移動を案内（ガイド）するものである。このガイドス
カート６７の円筒外面側６７ａが本体部６１ｃの内壁６
１ｄに接触することにより、弁体６５の移動が案内され
ている。さらに、ガイドスカート６７のうち弁体６５の
近傍には、冷媒流路をなす複数個の穴６７ｂが円周方向
に形成されている。

【００２９】次に、低圧側膨張弁６を構成する定差圧弁
の動作を説明すると、図３から明らかなように、弁体６
５のうち、流入口６２側には、気液分離器５の出口側圧
力（中間圧）による作用力Ｆ１が作用するので、この作
用力Ｆ１によって弁体６５は流出口６３側に押圧され
る。一方、流出口６３側には、蒸発器７の入口側圧力お
よびコイルバネ６６の弾性力による作用力Ｆ２が作用す
るので、この作用力Ｆ２で弁体６５は流入口６２側に押
圧される。

【００３０】従って、作用力Ｆ２が作用力Ｆ１より大き
い場合には、弁体６５は、弁口６４の開度が小さくなる
ように移動し、逆に、作用力Ｆ１が作用力Ｆ２より大き
い場合には、弁体６５は、弁口３４の開度が大きくなる
ように移動する（図３の（ｂ）参照）。従って、弁体６
５は作用力Ｆ１と作用力Ｆ２とが均衡する位置（また
は、弁口６４に接触する位置）で停止するので、弁口６
４の開度は、コイルバネ６６が弁体に及ぼす弾性力によ
って決定される。すなわち、両空間６２ａ、６３ａ間の
圧力差ΔＰは、コイルバネ６６が弁体６５に及ぼす弾性
力に対応する。

【００３１】そして、弁体６５の移動量（リフト量）は
わずかなので、コイルバネ６６が弁体６５に及ぼす弾性
力は弁体６５の移動によりほとんど変化しない。その結
果、両空間６２ａ、６３ａ間の圧力差ΔＰは、ほぼ一定
に維持できる。なお、本実施形態における弁口６４の開
度とは、弁口６４と弁体６５との距離ｔのことである。

【００３２】次に、図４は低圧側膨張弁６を構成する定
差圧弁の流量と差圧ΔＰの関係を示す。この特性は流入
する冷媒の比体積にほとんど影響を受けないため、流入
冷媒のフラッシュ蒸気量によらず、ΔＰは一定に保たれ
る。そのため、流入冷媒にフラッシュ蒸気が発生して
も、サイクルにハンチングを生じることはない。なお、
低圧側膨張弁６として、このような定差圧弁を用いる
と、蒸発器７から圧縮機１に吸入される冷媒の過熱度を
制御できないため、圧縮機１への冷媒液戻りが発生し、
効率の低下や圧縮機１の信頼性低下を招くことがある。
そこで、圧縮機１の吸入側にアキュムレータ１１を設け
て液冷媒を分離し、圧縮機１への液戻りを防いでいる。

【００３３】また、アキュムレータ１１を設けるので、
余剰冷媒はアキュムレータ１１に貯えることができる。
そのため、従来、気液分離器５に設けていた液冷媒貯蔵
のためのタンク容積を廃止して、気液分離器５の大型化
を回避している。その結果、本実施形態では、気液分離
器５の流出口５５から流出する液冷媒には、あらかじめ
フラッシュ蒸気が混入することとなり、モリエル線図は
図５のようになる。すなわち、気液分離器５から流出す
る液冷媒の点は、従来、図５において飽和液線上の点Ｂ
であったのが、本実施形態ではフラッシュ蒸気の混合で
点Ａとなる。

【００３４】この点Ｂの飽和液から点Ａの気液２相冷媒
に移行することにより、冷房能力的には、若干量の低下
を招くが、低圧側膨張弁６として簡単な定差圧弁を用い
るだけで、熱交換器等を特別に追加することなく、サイ
クルのハンチング現象を防止できる。ところで、第１実
施形態の冷凍サイクルにおいて、サイクルの成立条件に
ついて説明する。圧縮機１としては、前述した通り、低
圧から中間圧まで低段側圧縮部１ｂで圧縮し、この中間
圧まで圧縮された冷媒を中間圧室１ｆで気液分離器５か
らのガス冷媒と混合し、さらにこの混合冷媒を高段側圧
縮部１ｃで高圧まで圧縮するタイプのものを設定する。

【００３５】いま、インジェクションポート１ｅからの
インジェクション冷媒の流量が０のときに、圧縮機１の
中間圧室１ｆの圧力は次の数式１で計算できる。

【００３６】

【数１】中間圧室内圧力Ｐｍ＝（低段側圧縮部吸入容積
Ｖ１／高段側圧縮部吸入容積Ｖ２）^k×低圧Ｐｓここで、ｋは冷媒の比熱比（定圧比熱と定容比熱との
比）である。気液分離器５内の圧力がＰｍ未満では冷媒
が圧縮機１から気液分離器５側へ逆流してしまうので、
気液分離器５内圧力はＰｍ以上とする必要がある。

【００３７】次に、サイクルの高圧・低圧を一定と仮定
し、気液分離器５内圧力（中間圧）を変化させた場合に
ついて考える。インジェクション冷媒流量（重量流量ｇ
ｉ）と、蒸発器７を通る冷媒流量（重量流量ｇ）の流量
比ｇｉ／ｇは圧縮機１の吸入容積と冷媒の吸入比体積か
ら次の数式２のように表すことができる。

【００３８】

【数２】ｇｉ／ｇ＝（高段側圧縮部吸入容積Ｖ２／低段
側圧縮部吸入容積Ｖ１）×（低段側吸入比体積ｖ１／高
段側吸入比体積ｖ２）−１これに対し、気液分離器５の熱収支よりｇｉ／ｇはモリ
エル線図（図５）からａ／ｂ（ａ：放熱器出口の冷媒の
エンタルピとＡ点のエンタルピの差、ｂ；飽和蒸気のエ
ンタルピと放熱器出口の冷媒のエンタルピの差）で計算
でき、圧縮機１で決まるｇｉ／ｇと気液分離器５から決
まるｇｉ／ｇとは等しくなる。

【００３９】中間圧が低い場合は、高段側吸入比体積ｖ
２が大きいため、ｇｉ／ｇは小さく、モリエル線図（図
５）の点Ａは乾き度の大きい方にある。これに反し、中
間圧が高くなると、高段側吸入比体積ｖ２が小さくなる
ため、ｇｉ／ｇは大きくなり、点Ａはやがて飽和液線上
になる。そして、中間圧がそれより大きくなると、気液
分離器５で発生するフラッシュ蒸気の量以上に圧縮機１
の高段側圧縮部１ｃが吸入してしまうため、気液分離器
５から液冷媒が圧縮機１に戻ることになり、サイクル効
率の低下や液圧縮による圧縮機信頼性の低下を招いてし
まう。

【００４０】以上の関係をまとめると図６に示すように
なり、高圧が高いほど、モリエル線図上の放熱器２出口
の点が右側にくるので、点Ａが飽和液線上にきたときの
ｇｉ／ｇが大きくなり、高い中間圧までサイクルが成立
する。サイクルの使用環境で決まる運転条件が図６の運
転可能な範囲にあれば、第１実施形態のようなサイクル
構成でよい。しかし、車両用の空調装置のように、夏期
の外気温の高い運転条件から厳冬期の極低温時まで運転
されるものでは、図６の運転可能な条件範囲を越えてサ
イクルが運転されてしまうことがある。

【００４１】（第２実施形態）そこで、第２実施形態で
は、図７に示すように、気液分離器５から圧縮機１のイ
ンジェクションポート１ｅに冷媒を送るインジェクショ
ン用配管１２の途中に電磁弁（弁手段）１３を設けて、
この電磁弁１３を開閉制御することにより、図６の運転
可能な条件範囲におけるサイクル運転を維持しようとす
るものである。

【００４２】図７において、１４は電磁弁１３を開閉制
御する制御装置で、例えば、マイクロコンピュータとそ
の周辺回路からなる。制御装置１４は、サイクル高圧側
の圧力を検出する圧力センサ１５およびサイクル低圧側
の圧力を検出する圧力センサ１６の検出信号が入力さ
れ、高圧側圧力と低圧側圧力とに応じて電磁弁１３を開
閉する。

【００４３】ここで、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ₂）
を用いたサイクルに適用した例について説明する。Ｃ
Ｏ₂サイクルでは、ＣＯ₂の臨界温度が約３１°Ｃであ
り、冷媒として通常用いられるフロンの臨界温度（例え
ば、Ｒ１２では１１２°Ｃ）より大幅に低いので、放熱
器２ではＣＯ₂が気相状態のまま冷却（放熱）されるだ
けで、凝縮はしない。

【００４４】圧縮機１として高段側圧縮部吸入容積Ｖ２
と低段側圧縮部吸入容積Ｖ１との容量比（Ｖ２／Ｖ１）
＝０．８６のものを試作して評価を行ったところ、運転
可能な範囲は図８に示すようになった。運転可能な範囲
は低圧によっても変わり、図８の例では、低圧として、
３．６ＭＰａ、４．１ＭＰａ、４．６ＭＰａの３つの場
合が示してある。

【００４５】定差圧弁からなる低段側膨張弁６により中
間圧と低圧の差圧を２．３ＭＰａに設定した場合の、各
低圧に対する中間圧を図中、Ｃ、Ｂ、Ａに示す。圧力セ
ンサ１５、１６により高圧、低圧を検出して、予め、制
御装置１４の記憶部（ＲＯＭ）に記憶させてあるマップ
と対応させ、ガスインジェクションの運転が可能な条件
であれば電磁弁１３を開き、ガスインジェクションの運
転が可能な条件でなければ電磁弁１３を閉じる構成とし
ている。

【００４６】具体的一例として、図８中Ａでは低圧が
４．６ＭＰａであり、高圧が９．８ＭＰａ以上で電磁弁
１３を開き、高圧がそれより小さい圧力では電磁弁１３
を閉じる。なお、低圧側では気液２相状態で、温度と圧
力が１対１に対応するので、低圧の圧力を検出する圧力
センサ１６に代わり低圧の冷媒温度を検出する温度セン
サを同一場所に配置しても良い。

【００４７】本第２実施形態によれば、高圧が高い運転
条件、すなわち、外気温が高く熱負荷の大きい場合に電
磁弁１３を開いて、ガスインジェクションにより冷房効
果を増大できるので、同一の圧縮機回転数に対して大き
な冷房能力が得られる。逆に、高圧が低い運転条件、す
なわち、外気温が低く熱負荷の小さい場合に電磁弁１３
を閉じるので、ガスインジェクションによる冷房効果の
増大がなくなる。

【００４８】従って、電磁弁１３の開閉によって冷房能
力を調整する機能を発揮することになる。それ故、車両
用空調装置のように、電磁クラッチの断続（ＯＮ／ＯＦ
Ｆ）制御により圧縮機１の運転を断続して、冷房能力の
調整をおこなっているものでは、電磁弁１３の開閉によ
って電磁クラッチの断続（ＯＮ／ＯＦＦ）回数を低減で
き、クラッチ断続に伴う吹出空気温度変動や断続時のシ
ョックを低減できるので、乗員の空調フィーリングを向
上できる。

【００４９】（第３実施形態）冷凍サイクルの低圧側の
気液２相状態の領域では、冷媒の温度と圧力が１対１で
対応し、さらに、低圧の冷媒温度と蒸発器７から吹き出
す空気の温度とも相関関係がある。そこで、第３実施形
態ではこの点に着目して、図９に示すように、低圧冷媒
の温度センサの代わりに、蒸発器７の吹出空気温度を検
出する温度センサ１７を用いるものである。

【００５０】車両用空調装置では、通常、この温度セン
サが電磁クラッチの断続（ＯＮ／ＯＦＦ）制御のために
用いられているので、新たに温度センサを取り付ける必
要なく、この既存の温度センサをそのまま利用して、電
磁弁１３の開閉制御を行うことができる。（第４実施形態）冷凍サイクルの高圧側圧力（高圧）
は、放熱器２の冷却能力で決まり、この冷却能力は放熱
器２を冷却する空気の温度でほぼ決まるので、空気の温
度から高圧を推定可能である。そこで、第４実施形態で
はこの点に着目して、図１０に示すように、第３実施形
態の高圧側の圧力センサ１５の代わりに、放熱器２を冷
却する空気の温度（外気温）を検出する温度センサ１８
を用いたものである。

【００５１】車両用空調装置では、放熱器２を冷却する
空気の温度すなわち外気温度を検出する温度センサは、
車室内への目標吹出温度算出のために用いられているの
で、新たに外気温センサを取り付ける必要なく、この既
存の温度センサをそのまま利用して、電磁弁１３の開閉
制御を行うことができる。（第５実施形態）電磁弁１３は前述したごとくサイクル
の高圧と低圧に応じて開閉制御すればよいという点に着
目して、第５実施形態では、第２〜第４実施形態におけ
る電磁弁１３の代わりに、図１１に示すように高圧・低
圧の差圧に応じて開閉するスプール弁（弁手段）１９を
用いたことを特徴としている。

【００５２】スプール弁１９の具体的構成を図１２に示
す。１９１はスプール（弁体）で、円筒状ハウジング１
９２内を軸方向（上下方向）にスライド可能となってい
る。スプール１９１は、２つのピストン部１９１ａ、１
９１ｂと、この両者の間を連結する軸部１９１ｃとから
なる。１９３は気液分離器５からインジェクション用配
管１２を経てインジェクション冷媒（ガス冷媒）が流入
する流入口、１９４はインジェクション冷媒が流出する
流出口で、これらの流入口１９３と流出口１９４の流路
はスプール１９１が軸方向にスライドすることで開閉さ
れる構成となっている。

【００５３】スプール１９１の一端側のピストン部１９
１ａと円筒状ハウジング１９２の軸方向一端側の内壁と
の間の空間１９５（図１２（ａ）参照）には、ハウジン
グ１９２の連通穴１９２ａと配管１９６とにより圧縮機
１吐出側の高圧が導入され、高圧となっている。スプー
ル１９１の他端側のピストン部１９１ｂと円筒状ハウジ
ング１９２の軸方向他端側の内壁との間の空間１９７に
は、ハウジング１９２の連通穴１９２ｂと配管１９８と
により圧縮機１吸入側の低圧が導入され、低圧となって
いる。

【００５４】スプール１９１にはバネ１９９により低圧
側から高圧側の方向に押し付ける力が作用している。従
って、（高圧−低圧）×ピストン部１９１ａ、１９１ｂの受圧
面積＞バネ力の関係となったとき、スプール１９１は低圧側（下方
向）へ移動し、スプール弁１９は図１２（ａ）の開弁状
態となる。そのため、流入口１９３と流出口１９４が連
通し、気液分離器５から圧縮機１に冷媒がインジョクシ
ョンされる。

【００５５】逆に、上記の関係を満たさないとき（高低
圧差が所定値以内であるとき）は、バネ１９９のバネ力
によりスプール１９１が高圧側（上方向）へ移動し、ス
プール弁１９は図１２（ｂ）の閉弁状態となる。そのた
め、流入口１９３と流出口１９４との連通が遮断され、
気液分離器５から圧縮機１への冷媒のインジョクション
が停止される。

【００５６】ここで、冷媒として二酸化炭素を用いた場
合を考えると、低圧側膨張弁６の開弁差圧が２．３ＭＰ
ａ、スプール弁１９の開弁差圧が５．４ＭＰａとする
と、図１３に示すように、低圧が３．６ＭＰａの場
合、中間圧は５．９ＭＰａで、高圧が９．０ＭＰａ以上
でスプール弁１９が開弁する。低圧が４．１ＭＰａの
場合、中間圧は６．４ＭＰａで、高圧が９．５ＭＰａ以
上でスプール弁１９が開弁する。

【００５７】低圧が４．６ＭＰａの場合、中間圧は
６．９ＭＰａで、高圧が１０ＭＰａ以上でスプール弁１
９が開弁する。このように、高低圧差が所定値以上に増
加すると、スプール弁１９が開弁することにより、気液
分離器５からインジョクション用配管１２を経て液冷媒
が圧縮機１に戻ることを防止できる。

【００５８】（第６実施形態）第６実施形態では、図１
４に示すように、気液分離器５に低圧側膨張弁６を構成
する定差圧弁を一体化したものである。この一体化によ
り、サイクルを組むときの配管が容易となり、また、気
液分離器５のハウジング５１と低圧側膨張弁６のハウジ
ング６１が一体となるため、部品点数を削減して、製造
コストを低減することができる。

【００５９】（他の実施形態）なお、本発明は車両空調
用の冷凍サイクルに限定されることなく、住宅用等の他
の用途の冷凍サイクルにも適用できることはもちろんで
ある。また、上述の実施形態では２段式の圧縮機１とし
て、１つの圧縮機内に低段側圧縮部１ａと高段側圧縮部
１ｂとを設けるものについて説明したが、図１５あるい
は図１７のサイクルに示すように、独立した２つの圧縮
機１０１、１０２を用いて、２段式の圧縮機を構成して
もよいことはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示す冷凍サイクル図で
ある。

【図２】（ａ）は図１の気液分離器５の横断面図で、
（ｂ）のＡ−Ａ断面を示す。（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断
面図である。

【図３】（ａ）は図１の低圧側膨張弁６を構成する定差
圧弁の閉弁状態の縦断面図、（ｂ）は同弁の開弁状態の
縦断面図である。

【図４】図３の低圧側膨張弁６を構成する定差圧弁の作
動特性図である。

【図５】図１の冷凍サイクルのモリエル線図である。

【図６】図１の冷凍サイクルの作動説明図である。

【図７】第２実施形態を示す冷凍サイクル図である。

【図８】第２実施形態の電磁弁１３の開閉作動説明図で
ある。

【図９】第３実施形態を示す冷凍サイクル図である。

【図１０】第４実施形態を示す冷凍サイクル図である。

【図１１】第５実施形態を示す冷凍サイクル図である。

【図１２】（ａ）は第５実施形態のスプール弁１９の開
弁状態の縦断面図で、（ｃ）のＢ−Ｂ断面を示す。
（ｂ）は同弁の閉弁状態の縦断面図、（ｃ）は（ａ）の
Ａ−Ａ断面図である。

【図１３】第５実施形態のスプール弁１９の開閉作動説
明図である。

【図１４】第６実施形態による気液分離器５と低圧側膨
張弁６との一体化構造を示す縦断面図である。

【図１５】従来の２段圧縮２段膨張冷凍サイクルのサイ
クル図である。

【図１６】図１５の冷凍サイクルのモリエル線図であ
る。

【図１７】従来のエコノマイザサイクルのサイクル図で
ある。

【図１８】図１７のエコノマイザサイクルのモリエル線
図である。

【符号の説明】

１、１０１、１０２…圧縮機、２…放熱器、４…高圧側
膨張弁、５…気液分離器、６…低圧側膨張弁、７…蒸発
器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧縮機（１、１０１、１０２）、放熱器
（２）、膨張手段（４、６）、蒸発器（７）からなる蒸
気圧縮式冷凍サイクルのうち、膨張過程を高圧側膨張手
段（４）と低圧側膨張手段（６）により、２段階に分け
て行うとともに、前記高圧側膨張手段（４）と前記低圧
側膨張手段（６）との間に気液分離器（５）を設け、前記圧縮機（１、１０１、１０２）に、蒸発器（７）出
口側の冷媒を吸入し圧縮する低段側圧縮部（１ｂ、１０
１）と、この低段側圧縮部（１ｂ、１０１）から吐出さ
れた冷媒および前記気液分離器（５）で分離されたガス
冷媒を圧縮する高段側圧縮部（１ｃ、１０２）とを備え
る２段圧縮冷凍サイクルであって、前記低圧側膨張手段（６）を、前記気液分離器（５）側
の中間圧力と前記蒸発器（７）側の低圧圧力との差をほ
ぼ一定とする定差圧弁により構成したことを特徴とする
冷凍サイクル。
【請求項２】前記気液分離器（５）からガス冷媒を前
記圧縮機（１、１０１、１０２）の低段側圧縮部（１
ｂ、１０１）と高段側圧縮部（１ｃ、１０２）との間に
導く配管（１２）の途中に弁手段（１３、１９）を設
け、前記圧縮機（１、１０１、１０２）吐出側の高圧圧力と
前記蒸発器（７）側の低圧圧力とに応じて前記弁手段
（１３、１９）により前記配管（１２）の流路を開閉す
ることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル。
【請求項３】前記弁手段は、前記高圧圧力と前記低圧
圧力とに応じて電気的に開閉制御される弁（１３）から
なることを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル。
【請求項４】前記弁手段は、前記高圧圧力と前記低圧
圧力とに応じて機械的に変位する弁体（１９１）を有す
る弁（１９）からなることを特徴とする請求項２に記載
の冷凍サイクル。
【請求項５】前記高圧圧力を検出する圧力センサ（１
５）および前記低圧圧力を検出する圧力センサ（１６）
と、前記両圧力センサ（１６）の検出信号が入力される制御
装置（１４）とを有し、前記弁（１３）は前記制御装置（１４）の出力により電
気的に開閉制御されることを特徴とする請求項３に記載
の冷凍サイクル。
【請求項６】前記低圧圧力を検出する圧力センサ（１
６）の代わりに、低圧側冷媒の飽和温度を検出する温度
センサまたは前記蒸発器（７）から吹き出す空気の温度
を検出する温度センサ（１７）を用いることを特徴とす
る請求項５に記載の冷凍サイクル。
【請求項７】前記高圧圧力を検出する圧力センサ（１
５）の代わりに、前記放熱器（２）を冷却する空気温度
を検知する温度センサ（１８）を用いることを特徴とす
る請求項５に記載の冷凍サイクル。
【請求項８】前記気液分離器（５）に前記低圧側膨張
手段（６）を一体化したことを特徴とする請求項１ない
し７のいずれか１つに記載の冷凍サイクル。