JP4172006B2 - 冷凍サイクル - Google Patents

Description

技術分野
この発明は、圧縮機によって圧縮される冷媒が臨界点以上になる冷凍サイクルにおいて、該冷凍サイクルに用いられる各部品を、高圧圧力が異常に高くなった場合に、この高圧圧力から保護する構造を有する冷凍サイクルに関する。
背景技術
特公平７−１８６０２号公報に開示される超臨界蒸気圧縮サイクルは、圧縮機、冷却装置、絞り手段及び蒸発器から少なくとも構成されるもので、使用される超臨界冷媒としては、例えば、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）、ディボラン（Ｂ_２Ｈ_６）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）等が用いられるもので、その中でも特に二酸化炭素（ＣＯ_２）が主に用いられている。
この超臨界蒸気圧縮サイクルは、フロン冷凍サイクルに代わるノンフロン冷凍サイクルの一つであり、特に二酸化炭素を用いた冷凍サイクルは、フロン冷凍サイクルの代替として有望である。
しかしながら、二酸化炭素の臨界点は、約３１．１℃と低いため、特に夏場においては外気温度が臨界点を越える場合がある。また、冷凍サイクル運転中においても、冷凍サイクルの高圧ライン（圧縮機から絞り手段までの間）は、当然超臨界領域となり、この臨界点を越える超臨界領域においては、圧力は密度と温度によって決定されるので、温度が高い場合には２０ＭＰａを超える場合がある。
このように、上記冷凍サイクルでは、フロンの場合に比べ作動圧力が非常に高いため、すべての部品を超高耐圧仕様にする必要があるが、耐圧を向上させると、これに伴って製品の重量やコストが上昇してしまうという問題点が生じる。つまり、軽量化のためには、材料としてアルミ材を用いることが適しているが、特に熱交換器などの場合、熱交換能力と強度との兼ね合い等から、耐圧能力を考えると使用圧力は、現在のところ２０ＭＰａが限界であるといえる。
そのため、高圧圧力が所定の圧力を超えた場合に、大気中に冷媒を放出する安全機構を設けることも考えられるが、大気中に放出した場合、冷媒の補充が必要となるという不具合を生じる。
以上のことから、この発明は、高圧圧力の異常に対して冷媒を大気に放出することなく高圧圧力を低下させることができると共に、低圧圧力が異常である場合に初めて冷媒を大気に放出するようにした冷凍サイクルを提供することにある。
発明の開示
よって、この発明は、気相冷媒を超臨界圧力に圧縮する圧縮機、該圧縮機によって圧縮された気相冷媒を冷却する放熱器、冷却された気相冷媒の圧力を液相冷媒存在領域まで低下させる絞り手段、及び絞り手段によって生じた液相冷媒を蒸発させる蒸発器から少なくとも構成され、前記圧縮機から前記絞り手段までの高圧ラインと、前記絞り手段から前記圧縮機までの低圧ラインとを有する冷凍サイクルにおいて、前記高圧ラインの圧力が第１の圧力に到達した場合に、前記高圧ラインと前記低圧ラインを連通させる第１の安全手段と、前記低圧ラインに設けられ、低圧ラインの圧力が第２の圧力に到達した場合に、低圧ラインを大気に開放する第２の安全手段とを設けたことにある。
したがって、この発明によれば、高圧ラインと低圧ラインの間に第１の安全手段を設け、冷凍サイクルに異常が生じて、高圧圧力が第１の圧力以上となった場合に、第１の弁が開として高圧ラインの高圧冷媒を低圧側にリークするようにしたことから、高圧ラインの圧力上昇を低圧ラインで許容して低下させるようにしたので、冷媒を放出することなく高圧圧力の上昇を防止できる。またこの高圧ラインからの高圧圧力の流入による低圧ラインの異常な圧力上昇、もしくは冷凍サイクルの異常によって、低圧ラインの圧力が第２の圧力以上となった場合、低圧ラインの各部品の安全を維持できなくなるので、第２の安全手段によって初めて冷媒を大気に放出するようにする。これによって、冷凍サイクルの冷媒の放出を最低限として不要な冷媒の放出を防止できるものである。
また、前記冷凍サイクルは、さらに、前記放熱器と前記絞り手段との間の配される第１の熱交換器と、前記蒸発器と前記圧縮機との間に配される第２の熱交換器とを有し、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器の間で熱交換を行う内部熱交換器を有し、前記第１の安全手段は、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間に設けられると共に、前記第２の安全手段は、前記第２の熱交換器と大気との間に設けられることにある。
さらに、前記第２の安全手段は、前記圧縮機内に設けられ、前記圧縮機の吸入側の圧力が第２の圧力となった時に、前記圧縮機の吸入側を大気に開放するようにしても良いものであり、また、前記第１の安全手段は、前記圧縮機内の設けられ、前記圧縮機の吐出側の圧力が第１の圧力以上となった時に、前記圧縮機の吐出側と吸入側とを連通するようにしてもよいものである。
さらにまた、気相冷媒を超臨界圧力に圧縮する圧縮機、該圧縮機によって圧縮された気相冷媒を冷却する放熱器、放熱器の下流側に配され、冷却された冷媒からオイルを分離するオイル分離手段、該オイル分離手段によってオイル分離された気相冷媒の圧力を液相冷媒存在領域まで低下させる第１の絞り手段、第１の絞り手段によって気液混合状態となった冷媒を気相成分と液相成分に分離する気液分離手段、気液分離手段によって分離された液相冷媒の圧力をさらに低下させる第２の絞り手段、及び第２の絞り手段によって圧力が下げられた液相冷媒を蒸発させる蒸発器から少なくとも構成され、前記圧縮機から前記第１の絞り手段までの高圧ラインと、前記第１の絞り手段から第２の絞り手段までの中間圧ライン、及び第２の絞り手段から前記圧縮機までの低圧ラインとを有する冷凍サイクルにおいて、前記第１の安全手段は、前記オイル分離手段と前記気液分離手段との間に配され、第１の圧力で高圧ラインと中間圧ラインを連通し、前記第２の安全手段は、前記気液分離手段と大気の間に配され、第２の圧力よりも高い第３の圧力で中間ラインと大気とを連通することにある。
これによって、高圧圧力が第１の圧力以上となった場合には、第１の安全手段によって、オイル分離手段と気液分離手段とを連通し、高圧ラインの圧力を中間ラインに放出することができるので、高圧圧力の上昇を防止することができ、さらに、第２の安全手段が、第３の圧力以上となった場合に、中間ラインと大気とを連通するようにして、定圧圧力の上昇を防止するようにしたものである。
また、前記絞り手段は膨張弁であり、前記第１の安全手段は、前記膨張弁の弁の上流側と下流側と連通するようにしてもよいものである。
さらに、前記第１の圧力は、アルミ材の耐圧上冷凍サイクルの標準高圧圧力１２ＭＰａから２０ＭＰａまでの間の圧力であることが望ましく、また第２の圧力は、前記高圧圧力が低圧側にバイパスした場合に上昇する圧力レベルにおいて蒸発器の耐圧安全を維持できる圧力範囲を設定することが望ましく、例えば８ＭＰａから１５ＭＰａの範囲内とすることが望ましい。
また、前記第１の安全手段は、第１の圧力にてベローズ若しくはダイヤフラムを使用して高圧側の絶対圧によって作動する弁であることが望ましく、また前記第２の安全手段は、第２の圧力にて破裂する破裂板を有する破裂板機構であることが望ましい。特に破裂板機構を設けることによって、所定圧に達するまでの間の低圧圧力の漏れを完全に防止することができる。
また、前記第１の安全手段及び第２の安全手段は、所定の位置の圧力を検出するセンサからの信号によって、また前記センサからの信号を入力処理するコントロールユニットからの制御信号によって動作する電磁弁であっても良いものである。この場合、構成が複雑となるものの、きめの細かい制御が可能となるものである。
さらに、前記第２の安全手段は、低圧圧力がスプリングによって設定された圧力（実質的には、スプリング及び低圧圧力と大気圧との差圧）以上となった場合に、低圧ラインを大気に開放するリリーフ弁であっても良いものである。この場合、低圧圧力が所定以下に下がった場合には、復帰可能である。
発明を実施するための最良の形態
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。
第１図は、本願発明の第１の実施の形態に係る冷凍サイクル１を示したものである。この冷凍サイクル１は、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）を使用するもので、冷媒を超臨界領域まで圧縮する圧縮機（コンプレッサ）２と、このコンプレッサ２によって圧縮された冷媒を冷却する放熱器（ガスクーラ）３と、該ガスクーラ３によって冷却された冷媒から潤滑油を分離するオイル分離器４と、冷媒の圧力を気液混合領域まで低下させる膨張弁５と、この膨張弁５の圧力降下によって生じた液相冷媒成分を蒸発させる蒸発器（エバポレータ）６と、エバポレータ６から流出する冷媒を気液分離して気相成分のみをコンプレッサ２に戻すアキュムレータ７とによって構成され、冷媒を介して、エバポレータ６で吸収した熱をガスクーラ３で放出するものである。尚、コンプレッサ２内部の圧縮機構の吐出側から膨張弁５の入口部までを高圧ライン８とし、膨張弁５の出口部から前記コンプレッサ２内部の圧縮機構の吸入側までを低圧ライン９とする。また、前記オイル分離器４で分離されたオイルは、オイル戻しライン２０を介してコンプレッサ２に戻されるもので、弁１２によって戻り量が制御される。
この冷凍サイクル１において、二酸化炭素の臨界点が約３１．１℃であることから、夏場においては外気温度が臨界点を越える場合には冷凍サイクルの高圧ライン８は超臨界領域にあり、また冷凍サイクルの稼働中においても冷凍サイクルの高圧ライン８は当然臨界点を超える超臨界領域にある。この臨界点を超える超臨界領域では、圧力は冷媒の密度と温度によって決定され、温度が高い場合には高圧ライン８の圧力が２０ＭＰａを超えることがある。
このため、高圧ライン８上の各部品（ガスクーラ３、オイル分離器４、その他配管、接続部分等）の耐圧を向上させる必要があるが、高圧ライン８の部品内、特に、ガスクーラ３は軽量化のためにアルミ材で形成することが適当であり、その強度と熱交換能力との兼ね合いから耐圧の能力を考えると使用圧力の上限は、２０ＭＰａ程度となるものである。
この結果、冷凍サイクルの標準高圧圧力１２ＭＰａ近傍での使用には何ら問題が生じないが、上述した状態で高圧圧力が２０ＭＰａを超えた場合には、特にガスクーラ３の耐圧が問題となることから、本願発明では、第１の安全手段として高圧ライン８と低圧ライン９との間を連通する第１の弁１０を設け、高圧ライン８の圧力が所定の圧力（１２ＭＰａ〜２０ＭＰａの範囲内の圧力）以上となった場合に、高圧ライン８の高圧冷媒を低圧ライン９側に流すようにして高圧圧力が所定圧力以上とならないようにすると共に、冷媒を冷凍サイクル内から放出しないので冷媒量を保持することができるものである。
具体的には、突発的な要因によって一時的に高圧圧力が上昇した場合であって、第１の弁の短い時間の開放で高圧圧力の異常が解消された時、また低圧ライン９に流れ込んだ高圧冷媒の量が低圧ライン９の許容範囲内であり、低圧ラインの圧力上昇が許容範囲内にとどまっている場合には、冷媒を大気に放出する必要がないので、低圧ライン９にて高圧圧力の上昇を抑制するようにしたものである。
しかしながら、低圧ライン９での圧力上昇が許容範囲を超えた場合、若しくは冷凍サイクル１の停止時に外気温度の上昇等の要因によって冷凍サイクル１内の冷媒圧力が全体的に上昇した場合、冷凍サイクル１内で圧力の上昇を吸収する部分がないことから、第２の安全手段として低圧ライン９の圧力が所定の圧力以上となった場合に低圧ライン９と大気とを連通する第２の弁１１を設け、この第２の弁１１が開くことによって低圧ライン９が大気に開放され、低圧ライン９の圧力が所定の圧力より低くなるまで冷媒が放出されるものである。これによって、冷凍サイクル１は、二重の安全機構を有するようになるものである。
尚、上記第１及び第２の弁としては、リリーフ弁、ベローズ若しくはダイヤフラムを用いた弁、電磁弁等が考えられる。
以下、他の実施の形態について説明するが、前述した第１の実施の形態と同一の箇所及び同一の作用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。先ず、第２図で示される冷凍サイクル１Ａは、前記オイル分離器４の下流側と前記膨張弁５との間を連結する第１の熱交換器３１及び前記アキュムレータ７の下流側と前記コンプレッサ２の間を連通する第２の熱交換器３２からなる内部熱交換器３０を設けたもので、第１の熱交換器３１を流れる高温の冷媒と第２の熱交換器３２を流れる低温の冷媒との間で熱交換を行うようにしたものである。
この実施の形態において、第１の弁１０Ａは、高圧ライン８にある第１の熱交換器３１と、低圧ライン９にある第２の熱交換器３２との間に設けられ、第２の弁１１Ａは、低圧ライン９にある第２の熱交換器３２の入口部３０８又は出口部と大気との間に設けられ、上記第１の実施の形態と同様の効果を奏するものである。
第３図で示すものは、第１の安全手段及び第２の安全手段とを一体に設けた内部熱交換器３０を示したものであり、第１の安全手段としては、ベローズ式の弁が用いられ、第２の安全手段としては、破裂板機構が用いられるものである。
第３図において、第３の実施の形態に係る内部熱交換器３０は、一対のブロック３０１，３０２と、このブロック３０１及び３０２を連通する一対の同心のパイプ（外部パイプ、内部パイプ）３０３，３０４とを有する。
外部パイプ３０３は、前記ブロック３０１に形成された高圧Ｐｄの冷媒が流入する高圧側入口通路部３０７と、前記ブロック３０２に形成された冷媒が流出する高圧側出口通路部３０９との間を連通するもので、その内部には下記する内部パイプ３０４が貫通する。尚、この外部パイプ３０３は第１の熱交換器３１を構成する。
内部パイプ３０４は、前記ブロック３０２に形成された低圧Ｐｓの冷媒が流入する低圧側入口通路部３０８と、前記ブロック３０１に形成された冷媒が流出する低圧側出口通路部３１０との間を連通するもので、第２の熱交換器３２を構成するものである。
この内部熱交換器３０には、第１の安全手段としてベローズ式弁１０Ｂが設けられ、さらに第２の安全手段として、前述した弁に代えて所定の圧力で破裂する破裂板機構１１Ｂが設けられる。
前記ベローズ式弁１０Ｂは、前記ブロック３０２に装着される弁ハウジング１０１を有し、この弁ハウジング１０１には、この弁ハウジング１０１内に画成された高圧空間１０６が画成され、内部にベローズ１０２が設けられる。また、前記高圧空間１０６は、弁ハウジング１０１に形成された高圧側連通孔１０７及びブロック３０２に形成された高圧導引通路１２０を介して高圧側出口通路部３０９と連通すると共に、弁ハウジング１０１に形成された低圧側連通孔１０８、ブロック３０２に形成された低圧側連通路１２１及び低圧導引通路１２２を介して低圧側入り口通路部３０８と連通している。また、前記低圧側連通孔１０８の高圧空間１０６側には弁座１０４が形成され、弁体１０５が弁座１０４に着座して前記低圧側連通孔１０８を閉鎖している。
前記弁体１０５は、前記ベローズ１０２の端部に連結され、ベローズ１０４の周囲に配されるスプリング１０３によって、弁座側に付勢される。
前記ベローズ１０２の内部は、真空、大気圧、若しくは所定の圧力のガスが封入されるもので、前記高圧空間１０６内の高圧圧力が所定の圧力以上となった場合にのみベローズ１０２が収縮し、前記弁体１０５が弁座１０４から離れて高圧ラインの冷媒が低圧ラインにリークするものである。つまり、前記ベローズ１０２によって高圧ラインの絶対圧力によって前記弁体１０５を作動させることができるものである。
また、前記破裂板機構１１Ｂは、前記低圧導引通路１２２の先端に装着されるもので、所定の圧力（第２の圧力）で破裂する破裂板１１２と、この破裂板１１２を挟持する保持部１１１と、前記破裂板１１２を前記保持部１１１に固定する固定部１１３とによって構成され、前記低圧導引通路１２２と連通する吐出孔１１４を閉鎖する破裂板１１２が所定の圧力で破裂し、大気と前記吐出孔１１４とが連通するようになっているものである。これによって、低圧圧力が所定の圧力となった場合に、低圧ラインの冷媒が大気に放出されるので、各機器の安全を確保できるものである。
第４図で示す第４の実施の形態に係る冷凍サイクル１Ｂは、オイル分離器４の下流側に、第１の絞り手段としてのオリフィスチューブ５Ａを設け、さらにその下流に気液分離器７Ａを設けたことを特徴とするものである。これによって、オリフィスチューブ５Ａで、高圧の冷媒（気相冷媒）を気液混合領域内の中間圧まで低下させ、この気液混合状態となった冷媒を気液分離器７Ａにおいて気相冷媒と液相冷媒に分離するようにしたものである。そして、気液分離器７Ａで分離された気相冷媒は、気相冷媒戻しライン４１を介してコンプレッサ２の吸入側に戻され、液相冷媒は、膨張弁５にて低圧まで低下される。このため、膨張弁５では、液相冷媒のみの圧力を低下することができ、さらにエバポレータ６で液相冷媒のみを蒸発させることができるために、吸熱効果を増大させることができるものである。そして、この実施の形態においては、上述した冷凍サイクル１Ｂにおいても、第１の実施の形態と同様の第１の弁１０Ｃと第２の弁１１Ｃとを設けることによって、同様の効果を奏することができるものである。
第５図に示す第５の実施の形態に係る冷凍サイクル１Ｃは、第４図に示される第４の実施の形態に係る冷凍サイクル１Ｃの第２の弁をコンプレッサ２Ａに内蔵する構成としたものである。尚、この実施の形態における第１の弁１０Ｄは、上述した第１の弁と同様のものである。
この実施の形態において、第２の弁１１Ｄを内蔵したコンプレッサ２Ａの例を第６図に示す。このコンプレッサ２Ａは、フロントブロック２００、ミドルブロック２０１、プレート２０２、及びリアブロック２０３とによって構成されたハウジングを有し、中央を貫通して配されて駆動軸２０４を有する。この駆動軸２０４には、回転斜板３０５が固着され、回転斜板３０５の傾斜した面板２０５Ａには、各々球形ベアリング２０５Ｂを介してピストン２０６が装着される。このピストン２０６は、ミドルブロック２０１に形成された圧縮空間２０７に摺動自在に配され、前記回転斜板３０５の回転に伴って前記圧縮空間２０７内を往復動するものである。
前記リアブロック２０３には、冷媒吸入孔２０９が設けられ、さらにこの冷媒吸入孔２０９と連通する冷媒吸入空間２０８が環状に形成される。また、前記プレート２０２には、前記圧縮空間２０７と対応する位置に吸入孔２１０が形成され、吸入弁２１４が設けられる。さらに、プレート２０２には、吐出孔２１１が形成され、吐出弁２１５が弁押さえ部材２１６を介してボルト２１７によってミドルブロック２０１に固定される。このとき、前記プレート２０２も位置決めされて固定される。前記吐出孔２１１は、吐出空間２１２と連通し、さらに、冷媒吐出孔２１３と連通するものである。尚、このコンプレッサ２Ａにおいて２２６は、前記オイル分離器４からのオイルが戻されるオイル戻し孔であり、駆動軸２０４のシール部２２７へオイルを供給して、シール部２２７のシールを行うと共に、駆動軸２０４の所定の箇所を保持するベアリングを潤滑するものである。
このコンプレッサ２Ａに装着される第２の弁１１Ｄは、第７図で示すように、前記冷媒吸入空間２０８と連通する低圧排出通路２１８，２１９に装着される弁ハウジング２２３と、この弁ハウジング２２３に形成され、前記低圧排出通路２１９と連通する開口部２２０と、この開口部２２０を閉鎖するボール弁２２１と、このボール弁２２１を前記開口部２２０側に押圧するスプリング２２２と、前記弁ハウジング２２３を固定する固定プレート２２４と、固定プレート２２４に形成された開放孔２２５とによって構成される。これによって、低圧圧力がスプリング２２２で決定される圧力以上となった場合に、ボール弁２２１が開口部２２０を開放することで、冷媒吸入空間２０８の冷媒が、低圧圧力が前記スプリング２２２で決定される圧力以下となるまで大気中に放出されるものである。
第８図及び第９図は、第２の安全手段として、前記リリーフ弁に代えて破裂板機構１１Ｅを設けた第６の実施の形態を示したものである。この第６の実施の形態において、低圧の冷媒吸入空間２０８と連通する低圧排出通路２１８及び２１９の先端には、破裂板機構１１Ｅが設けられる。この破裂板機構１１Ｅは、前記低圧排出通路２１９と連通する吐出孔１１４と、この吐出孔１１４を閉鎖する破裂板１１２と、この破裂板１１２を保持する保持部１１１と、前記破裂板１１２を保持部１１１に固定する固定部１１３によって構成される。これによって、冷媒吸入空間２０８の低圧圧力が所定値以上となった場合に、破裂板１１２が破裂するので、冷媒吸入空間２０８は低圧排出通路２１９を介して大気と連通するものである。
第１０図は、第７の実施の形態に係る冷凍サイクルで、第１の安全手段及び第２の安全手段をコンプレッサ２Ｃに一体に設けた状態を示したものである。この第１の安全手段としてのベローズ式弁１０Ｆは、リアブロック２０３内に形成された高圧排出通路２３０と低圧排出通路２１８の間に設けられるもので、弁ハウジング１０１と、この弁ハウジング１０１内に画成された高圧空間１０６を有している。この高圧空間１０６内にはベローズ１０２が配され、このベローズ１０２には弁体１０５が設けられる。この弁体１０５は、前記低圧排出通路１０８と連通する低圧側連通孔１０８の内側端部に形成された弁座１０４に着座して前記低圧側連通孔１０８を閉鎖し、前記高圧排出通路２３０と連通する高圧空間１０６と低圧排出通路２１８とを遮断する。そして、高圧空間１０６の圧力が所定以上となった場合に、前記ベローズ１０２が前記スプリングの付勢力に抗して収縮するので、前記弁体１０５が弁座１０４から離れ、前記高圧排出通路２３０と低圧排出通路２１８が連通して高圧圧力が低圧側にリークして、高圧圧力が上昇を防止することができるものである。
また、第２の安全手段としての破裂板機構１１Ｆは、前記低圧排出通路２１８の一端に設けられる。この破裂板機構１１Ｆは、前述して破裂板機構１１Ｅと同様のものである。
これによって、上述したそれぞれの実施の形態と同様の効果を奏することができるものである。
第１１図で示す第８の実施の形態に係る冷凍サイクル１Ｇは、ガスクーラ３と膨張弁５の間に、三層分離器４０を設けたことにある。
この三層分離器４０は、オイル分離部５０と、気液分離部６０とを第１の絞り手段としてのオリフィス５Ｂを介して一体に形成したものである。これによって、放熱器３によって冷却された冷媒は、オイル分離部５０に流入してオイルが分離される。この分離されたオイルはオイル戻しライン２１を介してコンプレッサ２に戻される。また、オイル分離された冷媒は第１の絞り手段としてのオリフィス５Ｂを介して気液分離部６０内に吐出され、気液混合領域まで圧力が低下される。ここで、液相冷媒と気相冷媒に分離され、気相冷媒は気相冷媒戻しライン４２を介してコンプレッサ２の吸入側に戻される。また、液相冷媒は、第２の防諜手段としての膨張弁５によってさらに圧力が下げられてエバポレータ６に至り蒸発し、コンプレッサ２の戻るものである。
この第８の実施の形態では、第１の安全手段としての第１の弁１０Ｇは、前記オイル分離部５０と気液分離部６０との間に設けられるもので、高圧圧力が所定値以上となった場合に、高圧冷媒を中間圧となる気液分離部６０にリークし、高圧圧力の上昇を防止するようになっている。
また第２の安全手段としての第２の弁１１Ｇは、前記気液分離部６０と大気の間に設けられる。この場合、第２の弁１１Ｇは、高圧と低圧の中間に位置する圧力を大気に開放することとなるものの、中間圧の冷媒を放出することによって、低圧圧力の上昇を防止することができるため、上述した実施の形態と同様の効果を奏することができるものである。
第１２図で示す第９の実施の形態に係る三層分離器４０は、ケース４３内に、オイル分離部５０と、気液分離部６０とを一体に形成したもので、オイル分離部５０と気液分離部６０とは、絞り手段としてのオリフィス５Ｂを介して連通されるものである。
オイル分離部５０は、ガスクーラ３と連通される冷媒入口部５１と、この冷媒入口部５１と連通するオイル分離空間５２と、分離されたオイルがたまるオイル溜５４とによって構成されると共に、オリフィス５Ｂの入口側には、オイル分離フィルタ５３を有するもので、このオイル分離フィルタ５３の周囲には、オイルをオイル溜５４に効率よく滴下させるためのオイルガイド５６が設けられている。さらに、前記オイル溜５４は、前記オイル戻しライン２１と連通するオイル出口部５５と連通する。尚、冷媒と共に流入したオイルは、遠心分離、衝突、自重又はフィルタによって分離されるものである。
また、前記気液分離部６０は、気液分離空間６１と、気液分離空間６１の下方に設けられた気液分離フィルタ６２と、気相冷媒を吐出する気相冷媒出口部６３と、滴下した液相冷媒が溜まる液相冷媒溜６４と、液相冷媒出口部６５とによって構成されるものである。尚、気相冷媒と液相冷媒は、遠心分離、衝突、自重又はフィルタによって分離されるものである。
さらに、この第９の実施の形態では、第１の安全手段としての第１の弁１０Ｈは、前記オイル分離空間５２と気液分離空間６１との間に位置する壁を貫通して設けられ、第２の安全手段として破裂板機構１１Ｈは前記気液分離空間６１と大気との間を画成する壁を貫通して設けられる。尚、この実施の形態において、第１の弁１０Ｈ及び破裂板機構１１Ｈは、共に上述したものと同様の構成で形成されると共に、同様の効果を奏するものであるので、その説明を省略する。
第１３図では、前記三層分離器４０の別の構成（４０Ａ）を示したもので、ケース４３Ａの下方にオイル分離部５０Ａが配され、その上方に気液分離部６０Ａが配されるものである。
前記オイル分離部５０Ａは、ガスクーラ３と連通される冷媒入口部５１Ａと、この冷媒入口部５１Ａと連通するオイル分離空間５２Ａと、分離されたオイルがたまるオイル溜５４Ａとによって構成されると共に、オリフィス５Ｃの入口側には、オイル分離フィルタ５３Ａを有するものである。また、前記オイル溜５４Ａは、前記オイル戻しライン２１と連通するオイル出口部５５Ａと連通する。尚、冷媒と共に流入したオイルは、遠心分離、衝突、自重又はフィルタによって分離されるものである。
また、前記気液分離部６０Ａは、気液分離空間６１Ａと、気液分離空間６１Ａ内に設けられた気液分離フィルタ６２Ａと、気相冷媒を吐出する気相冷媒出口部６３Ａと、滴下した液相冷媒が溜まる液相冷媒溜６４Ａと、液相冷媒出口部６５Ａとによって構成されるものである。尚、気相冷媒と液相冷媒は、遠心分離、衝突、自重又はフィルタによって分離されるものである。
さらに、この実施の形態では、第１の安全手段としての弁１０Ｉは、前記オイル分離空間５２Ａと気液分離空間６１Ａとの間に位置する壁を貫通して設けられ、第２の安全手段としての破裂板機構１１Ｉは前記気液分離空間６１Ａと大気との間を画成する壁を貫通して設けられる。尚、この実施の形態において、第１の弁１０Ｉ及び破裂板機構１１Ｉは、共に上述したものと同様の構成で形成されると共に、同様の効果を奏するものであるので、その説明を省略する。
第１４図に示す三層分離器４０Ｂは、ケース４３Ｂ内に、オイル分離部５０Ｂと、気液分離部６０Ｂとを一体に形成したもので、オイル分離部５０Ｂと気液分離部６０Ｂとは、絞り手段としてのオリフィス５Ｄを介して連通されるものである。
オイル分離部５０Ｂは、ガスクーラ３と連通される冷媒入口部５１Ｂと、この冷媒入口部５１Ｂと連通するオイル分離空間５２Ｂと、分離されたオイルがたまるオイル溜５４Ｂとによって構成されると共に、オリフィス５Ｄの入口側には、オイル分離フィルタ５３Ｂを有するものである。また、前記オイル溜５４Ｂは、前記オイル戻しライン２１と連通するオイル出口配管５５Ｂと連通するもので、このオイル出口配管５５Ｂは、下記する液相冷媒溜６４Ｂ内を通過するようになっている。これによって、オイルを液相冷媒によって冷却することができるので、コンプレッサ２を冷却することができると共に冷媒の吐出温度を低くすることができるものである。尚、冷媒と共に流入したオイルは、遠心分離、衝突、自重又はフィルタによって分離されるものである。
また、前記気液分離部６０Ｂは、気液分離空間６１Ｂと、気液分離空間６１Ｂの下方に設けられた気液分離フィルタ６２Ｂと、気相冷媒を吐出する気相冷媒出口部６３Ｂと、滴下した液相冷媒が溜まる液相冷媒溜６４Ｂと、液相冷媒出口部６５Ｂとによって構成されるものである。尚、気相冷媒と液相冷媒は、遠心分離、衝突、自重又はフィルタによって分離されるものである。
さらに、この実施の形態では、第１の安全手段としての弁１０Ｊは、前記オイル分離空間５２Ｂと気液分離空間６１Ｂとの間に位置する壁を貫通して設けられ、第２の安全手段としての破裂板機構１１Ｊは前記気液分離空間６１Ｂと大気との間を画成する壁を貫通して設けられる。尚、この実施の形態において、弁１０Ｊ及び破裂板機構１１Ｊは、共に上述したものと同様の構成で形成されると共に、同様の効果を奏するものであるので、その説明を省略する。
第１５図に示す第１２の実施の形態は、第１の弁１０Ｋを膨張弁５Ａに取り付けるようにしたものである。
この膨張弁５Ａについて説明すると、前記ガスクーラ３と接続される配管９２及びエバポレータ６と接続される配管９１とが装着されるブロック７１は、弁座８４まで連続する高圧通路８５と、この弁座８４の下流側に形成されると共に、前記高圧通路８５に対して垂直に形成される低圧通路８６を有し、高圧通路８５は前記配管９２と、低圧通路８６は配管９１と接続されるものである。
前記弁座８４に対して移動して、前記高圧通路８５と低圧通路８６の連通状態（絞り面積）を変化させる弁体８３は、スプリング８２によって弁座８４側に付勢されている。また、この弁体８３は、ロッド８０及び連結片７９を介してダイヤフラム７６に連結されており、このダイヤフラム７６の上下によって前記絞り面積を変化させるようになっている。
前記ダイヤフラム７６の下側に形成された圧力空間７７は、前記配管９２内部と連通して高圧冷媒が供給されるようになっており、高圧圧力が高い場合には、ダイヤフラム７６を押し上げて弁体８３を上方に移動させて、高圧圧力を低下させるように前記絞り面積を増大させるものである。また、ダイヤフラム７６の上側に形成された圧力空間７３は、前記配管９２に装着された感温筒７５内部と連通しており、その内部には前記冷媒と同一の冷媒が封入されているものである。これによって、配管９２の温度が上昇した場合には、感温筒７５内部の冷媒温度が上昇して膨張するため、圧力空間７３の圧力が上昇し、前記弁体８３を下降させて前記絞り面積を減少させて、圧力降下を大きくし、冷媒の温度低下を十分に行うようにするものである。尚、７２は、前記圧力空間７３，７７を画成するケースであり、前記ダイヤフラム７６の周縁を挟持固定するものである。
この実施の形態において、第１の弁１０Ｋは、弁体８３及び弁座８４からなる弁機構をバイパスするように前記膨張弁５Ａのブロック７１に一体に設けられるものである。これによって、上述してものと同様の効果を奏することができるものである。
第１６図に示す第１３の実施の形態は、上述した実施の形態に係る第１の安全手段としての弁を簡単な構造のリリーフ弁１０Ｌとし、さらに第２の安全手段として破裂板機構ではなく、復帰可能なリリーフ弁１１Ｌとしたものである。この構造を、内部熱交換器３０に第１及び第２の安全手段を設けた実施の形態において説明すると、前記ブロック３０２には、前記高圧側出口通路部３０９と連通する高圧側弁通路３１１が形成され、この高圧側弁通路３１１は、スプリング３１３によってこの高圧側弁通路３１１の開口端に押圧されるボール弁３１２によって閉鎖されているものである。尚、３１４は、スプリング押さえ部材であり、その中央には所定の大きさの連通孔３１５が形成され、低圧側弁通路３２０を介して低圧側入口通路３２０と連通するものである。
これによって、高圧ライン８の圧力、言い換えると高圧側出口通路３０９の圧力が所定の圧力（１２ＭＰａ〜２０ＭＰａの間の値に設定される）以上となり、この高圧ライン８の圧力と低圧ライン９の圧力差が前記スプリング３１３の押圧力よりも大きくなった場合、ボール弁３１２が前記高圧側弁通路３１１を開くので、前記高圧側弁通路３１１と低圧側弁通路３２０とが連通し、高圧ライン８と低圧ライン９の圧力差が設定された前記スプリング３１３の押圧力よりも小さくなるまで高圧ライン８の冷媒が低圧ライン９に流入するものである。また、前記低圧側弁通路３２０の一端は、スプリング３１７で押圧されたボール弁３０８によって閉鎖される。このスプリング３１７の押圧力は、８ＭＰａ〜１５ＭＰａの間の値に設定される。また、３１８はスプリング押さえ部材であり、その中央には連通孔３１９が形成され、前記低圧圧力と大気圧との差圧が前記設定値よりも大きくなった場合に、前記低圧側弁通路３２０が大気と連通するので、低圧圧力が所定の値に戻るまで、冷媒が放出されることとなる。以上のことから、上述した実施の形態と同様の効果作用を奏するものである。
産業上の利用可能性
以上説明したように、この発明によれば、高圧圧力が所定の圧力以上となった場合に、高圧ラインと低圧ラインを接続する弁を開放して、高圧冷媒を低圧側に流して高圧圧力の上昇を低圧側で許容するようにしたので、高圧圧力の上昇を冷媒を保持した状態で抑制でき、冷凍サイクルの各部品を異常高圧から保護できると共に冷媒量を維持できるため、冷凍サイクルの安定した稼働が得られるものである。
また、低圧圧力が所定圧力以上となった場合のみ冷媒を大気に開放するようにしたので、必要最低限の冷媒の放出のみで冷凍サイクルの各部品の安全性を確保できるものである。
以上のことから、各部品の高圧耐圧を異常に向上させる必要がなくなるので、部品コストを低下させることができるものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の第１の実施の形態に係る冷凍サイクルの略構成図であり、第２図は、本発明の第２の実施の形態に係る冷凍サイクルの略構成図であり、第３図は、第３の実施の形態の内部熱交換器の構成を示した断面図であり、第４図は、第４の実施の形態に係る冷凍サイクルの略構成図であり、第５図は、第５の実施の形態に係る冷凍サイクルの略構成図であり、第６図は第５の実施の形態に係るコンプレッサの断面図であり、第７図は、第５の実施の形態に係るコンプレッサの部分拡大断面図であり、第８図は、第６の実施の形態に係る冷凍サイクルの略構成図であり、第９図は第６の実施の形態に係るコンプレッサの断面図であり第１０図は、第７の実施の形態に係るコンプレッサの部分拡大断面図であり、第１１図は、第８の実施の形態に係る冷凍サイクルの略構成図であり、第１２図は、第９の実施の形態に係る三層分離器の略構成断面図であり、第１３図は、第１０の実施の形態に係る三層分離器の構成を示した略構成断面図であり、第１４図は、第１１の実施の形態に係る三層分離器の構成を示した略構成断面図であり、第１５図は、第１２の実施の形態に係る膨張弁の略構成断面図であり、第１６図は、第１３の実施の形態に係る内部熱交換器の構成を示した略構成断面図である。

Claims (11)

1. 気相冷媒を超臨界圧力に圧縮する圧縮機、該圧縮機によって圧縮された気相冷媒を冷却する放熱器、冷却された気相冷媒の圧力を液相冷媒存在領域まで低下させる絞り手段、及び絞り手段によって生じた液相冷媒を蒸発させる蒸発器から少なくとも構成され、前記圧縮機から前記絞り手段までの高圧ラインと、前記絞り手段から前記圧縮機までの低圧ラインとを有する冷凍サイクルにおいて、
   前記高圧ラインの圧力が第１の圧力に到達した場合に、前記高圧ラインと前記低圧ラインを連通させる第１の安全手段と、
   前記低圧ラインに設けられ、低圧ラインの圧力が第２の圧力に到達した場合に、低圧ラインを大気に開放する第２の安全手段とを設けたことを特徴とする冷凍サイクル。
2. 前記冷凍サイクルは、さらに、前記放熱器と前記絞り手段との間の配される第１の熱交換器と、前記蒸発器と前記圧縮機との間に配される第２の熱交換器とからなり、
   前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器の間で熱交換を行う内部熱交換器を有し、
   前記第１の安全手段は、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間に設けられると共に、
   前記第２の安全手段は、前記第２の熱交換器と大気との間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。
3. 前記第２の安全手段は、前記圧縮機内に設けられ、前記圧縮機の吸入側の圧力が所定値以上となった時に、前記圧縮機の吸入側を大気に開放することを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
4. 前記第１の安全手段は、前記圧縮機内に設けられ、前記圧縮機の吐出側の圧力が所定値以上となった時に、前記圧縮機の吐出側と吸入側とを連通することを特徴とする請求項３記載の冷凍サイクル。
5. 前記絞り手段は膨張弁であり、前記第１の安全手段は、前記膨張弁の弁の上流側と下流側と連通することを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
6. 気相冷媒を超臨界圧力に圧縮する圧縮機、該圧縮機によって圧縮された気相冷媒を冷却する放熱器、放熱器の下流側に配され、冷却された冷媒からオイルを分離するオイル分離手段、該オイル分離手段によってオイル分離された気相冷媒の圧力を液相冷媒存在領域まで低下させる第１の絞り手段、第１の絞り手段によって気液混合状態となった冷媒を気相成分と液相成分に分離する気液分離手段、気液分離手段によって分離された液相冷媒の圧力をさらに低下させる第２の絞り手段、及び第２の絞り手段によって圧力が下げられた液相冷媒を蒸発させる蒸発器から少なくとも構成され、前記圧縮機から前記第１の絞り手段までの高圧ラインと、前記第１の絞り手段から第２の絞り手段までの中間圧ライン、及び第２の絞り手段から前記圧縮機までの低圧ラインとを有する冷凍サイクルにおいて、
   前記第１の安全手段は、前記オイル分離手段と前記気液分離手段との間に配され、第１の圧力で高圧ラインと中間圧ラインを連通し、
   前記第２の安全手段は、前記気液分離手段と大気の間に配され、第２の圧力よりも高い第３の圧力で中間ラインと大気とを連通すること特徴とする冷凍サイクル。
7. 前記放熱器と前記第２の絞り手段との間に、前記オイル分離手段、第１の絞り手段及び気液分離手段を一体とした三層分離器を設けたことを特徴とする請求項６記載の冷凍サイクル。
8. 前記第１の安全手段は、第１の圧力で収縮するベローズを有するベローズ式の弁であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の冷凍サイクル。
9. 前記第１の安全手段は、前記第１の圧力で開くリリーフ弁であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の冷凍サイクル。
10. 前記第２の安全手段は、前記第２の圧力で破裂する破裂板であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の冷凍サイクル。
11. 前記第２の安全手段は、前記第２の圧力で開くリリーフ弁であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の冷凍サイクル。

Images