JPH06300367A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構成で、冷房負荷に応じて最適なスー
パークールをとって冷凍サイクルの冷凍能力を向上させ
る。 【構成】 圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３、蒸発器４、
および気液分離器５によって閉回路が構成されている。
気液分離器５の底部からは気液分離器５にて分離された
液冷媒が液冷媒通路７を通って、蒸発器４入口に導入さ
れる。一方気液分離器５の上部からはガス冷媒がガス冷
媒通路８を通って、蒸発器４出口にバイパスされる。ガ
ス冷媒通路８に設けられた可変絞り６によって、ガス冷
媒の流量を制御し、気液分離器５内のガス冷媒の体積、
ひいては気液分離器５内の液面高さを制御する。以上の
ようにして、冷凍サイクル中に封入される冷媒量を調節
して、凝縮器２の出口部において最高の成績係数ＣＯＰ
となる最適スーパークールをとることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は冷凍サイクル装置に関す
るものであり、例えば自動車用空調装置に用いて好適で
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、特開平３−１７４７８号公報に開
示されているように、レシーバを持たない冷凍サイクル
装置において、凝縮器出口のスーパークールを変化させ
るものに、気体状態にあるガス冷媒と液体状態にある液
冷媒を分離する気液分離器を備えた冷凍サイクル装置が
ある。この装置は膨張手段と蒸発器の間に気液分離器を
設置し、この気液分離器にて分離された液冷媒を蒸発器
へ送り、ガス冷媒を蒸発器出口付近にバイパスする構造
となっている。

【０００３】液冷媒、ガス冷媒のそれぞれの通路には固
定絞りが設けられており、またそれぞれの通路は所定の
通路抵抗比をとるように構成されている。これにより、
例えば冷房負荷が増大すれば、ガス冷媒の液冷媒に対す
る割合が大きくなり、膨張弁出口の冷媒乾き度が増大す
る。そしてこのように冷媒乾き度が大きくなることによ
り凝縮器出口のスーパークールが大きくなって、冷房負
荷の増大と凝縮器出口の液冷媒量がバランスし、高負荷
時において適当なスーパークールをとることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、凝縮器
出口のスーパークールは冷房負荷に応じて変動するもの
の、冷凍サイクルの成績係数が最高となる最適スーパー
クールをとることはできない。つまり、高負荷時には蒸
発器での冷媒の蒸発温度が上昇して盛んに蒸発するので
低圧圧力が上昇する。そして、それに伴い凝縮器にはよ
り多くのガス冷媒が送り込まれ、高圧圧力も上昇する。
このように高負荷時は、膨張手段下流の乾き度が増加
し、ガス冷媒の重量比が大きくなる。ガス冷媒の重量比
が大きくなりガス冷媒の流量が増えると、ガス冷媒用通
路の固定絞り部においてガス冷媒を流しきれなくなり、
気液分離器内のガス圧力が上昇する。その結果、このガ
ス圧力により気液分離器内の液冷媒が押し出されてしま
い、冷凍サイクル内に封入される液冷媒の量が過大とな
り、凝縮器出口のスーパークールをとりすぎるという不
具合が生じる。そして凝縮器出口でのスーパークールが
過大となると、高圧圧力が増大し冷凍サイクルの成績係
数が低下することになる。

【０００５】本発明は上記問題点に鑑み、冷房負荷の変
動に応じて最適なスーパークールをとることのできる冷
凍サイクル装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【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、冷媒の圧縮吐出を行う圧縮機と、前記圧縮
機より吐出された冷媒の凝縮を行う凝縮器と、前記凝縮
器により凝縮された液冷媒を減圧膨張する膨張手段と、
前記膨張手段により減圧された冷媒を蒸発する蒸発器と
を備えた冷凍サイクル装置であって、前記膨張手段と前
記蒸発器の間に設けられ、前記膨張手段により減圧され
た冷媒を液冷媒とガス冷媒に分離する気液分離器と、前
記気液分離器にて分離した液冷媒を、前記蒸発器の入口
へ導く第１の配管と、前記気液分離器にて分離したガス
冷媒を、前記蒸発器と前記圧縮機の間に導く第２の配管
と、前記第２の配管に設けられ、前記ガス冷媒の流量
を、冷房負荷が上がると前記ガス冷媒の流量を増加させ
るように調節する可変絞りとを備えているという技術手
段を採用する。

【０００７】

【作用効果】上記構成によれば、圧縮機によって冷媒は
圧縮され、高温、高圧のガス状冷媒となって凝縮器に送
られる。このガス状の冷媒は、凝縮器にて外気との熱交
換によって凝縮され液冷媒となる。そして、膨張手段に
よって急激に減圧膨張されることによって、高圧の液冷
媒は低温、低圧の気液２相冷媒となって、気液分離器へ
導入される。この気液分離器にて分離された液冷媒は、
第１の配管を介して蒸発器の入口へ導入される。一方、
ガス冷媒は第２の配管を介して蒸発器の出口へバイパス
される。この第２の配管には可変絞りが設置されてい
る。冷房負荷が上がり、第２の配管を流れるガス冷媒の
温度および圧力が上昇すると、この可変絞りの開度が大
きくなり、第２の配管を流れる冷媒の流量を増加させ
る。こうして第２の配管を流れるガス冷媒の流量を増加
させることにより、気液分離器内のガス冷媒の圧力上昇
が調節される。気液分離器内のガス冷媒は気液分離器内
の液冷媒を押し下げ、冷凍サイクル中を循環する冷媒量
を増加させる。この循環する冷媒量によって凝縮器出口
の冷媒のスーパークールを多くとることができる。

【０００８】したがって、上記のように気液分離器から
蒸発器の出口へガス冷媒をバイパスする第２の配管の途
中に配設される可変絞りによって、凝縮器出口の冷媒の
スーパークールを制御することができるので、冷房負荷
に応じて、冷凍サイクルの成績係数ＣＯＰを向上させる
スーパークールをとることができる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明を自動車用空調装置の冷凍サイ
クルに適用した実施例について説明する。

【００１０】図１は、本発明の第１実施例の冷凍サイク
ルの構成図である。冷凍サイクルは圧縮機１、凝縮器
２、膨張手段を構成する膨張弁３、蒸発器４、および気
液分離器５を備えている。

【００１１】圧縮機１は、図示しない自動車用エンジン
の駆動力をうけて冷媒を断熱圧縮し吐出する。凝縮器２
は圧縮機１にて断熱圧縮された高温高圧のガス状冷媒を
外気との熱交換により凝縮し液冷媒とする。膨張弁３は
この液冷媒を断熱膨張して低温低圧の気液２相冷媒とす
る。このとき膨張弁３は蒸発器４出口部に位置する感熱
筒３ａにより、蒸発器４出口部のガス冷媒が常に一定の
スーパーヒートを持つように冷媒流量を制御している。
蒸発器４は室内へ送られる空気との熱交換によってこの
気液２相冷媒を気化させる。

【００１２】本発明の気液分離器５は図１に示すよう
に、膨張弁３と蒸発器４の間の低温低圧域に配設されて
おり、膨張弁３にて断熱膨張された気液２相冷媒をガス
冷媒と液冷媒に分離する有底円筒形状の気液分離板９が
底面を上にして備えられている。この気液分離器５の底
部には分離された液冷媒用の冷媒出口１２が設けられて
おり、液冷媒は第１の配管を構成する液冷媒通路７を通
って蒸発器４の入口へ送出される。さらに、気液分離器
５の上部にはガス冷媒用の冷媒出口１３が設けられてお
り、ガス冷媒は第２の配管を構成するガス冷媒通路８を
通って、蒸発器４の出口へバイパスされる。

【００１３】ガス冷媒通路８には、図２に示すような可
変絞り６が設置されている。この可変絞り６は、ガス冷
媒通路６の開度を調節する円錐台形状の弁体１０、前記
ガス冷媒通路６を閉鎖する方向に弁体１０を付勢する、
ある所定のバネ定数のバネ１１、このバネ１１を支持す
るバネ支持座１４、および前記弁体１０が閉弁位置にあ
るとき弁体１０と当接する弁座１５を備えている。

【００１４】この可変絞り６はガス冷媒の動圧により、
バネ１１が縮む方向に力を受け、弁体１０がガス冷媒通
路６を開くしくみとなっている。冷房負荷が上がり、ガ
ス冷媒の流量が増加すると、ガス冷媒の動圧が増加し可
変絞り６の開度は大となる。一方、冷房負荷が下がり、
ガス冷媒の流量が減少すると、ガス冷媒の動圧が減少し
可変絞り６の開度は小となる。このようにして可変絞り
６の開度は、前記バネ１１により、気液分離器５内の液
冷媒の液面高さｈが適正となるように、ガス冷媒の流量
を調節するよう構成されている。すなわち、冷凍サイク
ル中の循環冷媒封入量を制御し、凝縮器２の出口にて冷
房負荷に応じた最適なスーパークールをとるように構成
されている。

【００１５】ここで、冷房負荷とスーパークールとの関
係について説明する。図４に、スーパークールと冷凍サ
イクルの成績係数ＣＯＰの増加率（スーパークール＝０
℃での成績係数ＣＯＰを「１」としたときのＣＯＰの増
分）との関係を示す。この図からわかるように、冷房負
荷が高くなるほど、最高成績係数となるスーパークール
が大きくなり、さらに、各負荷においてそれぞれ成績係
数ＣＯＰが最大となる最適なスーパークールが存在して
いる。また、図５には、図４をもとにして作成された最
適スーパークール曲線を示す。この最適スーパークール
曲線は、冷房負荷に対して成績係数ＣＯＰが最大となる
ときのスーパークールを設定している。したがって、こ
の図の最適スーパークール曲線に合致するように冷媒の
流量を制御すれば、常に最大の成績係数ＣＯＰを得るこ
とができ、ひいては最良の冷凍能力を発揮することがで
きる。

【００１６】次に、本実施例の冷凍サイクル装置の作動
について図３のモリエル線図にそって説明する。なお本
実施例においては、例えば冷媒としてＨＦＣ１３４ａを
使用している。

【００１７】膨張弁３で断熱膨張された気液２相冷媒
は、気液分離器５内の気液分離板９にて、その重量の差
により液冷媒とガス冷媒とに分離される。つまり、重量
の大きい液冷媒は下方に、重量の小さいガス冷媒は上方
に分離され、気液分離器５内に気液界面を存在させてい
る。気液分離器５内で気液分離された液冷媒は底部の冷
媒出口１２より流出し液冷媒通路７を通って蒸発器４の
入口へ導入される。一方、ガス冷媒は上部の冷媒出口１
３より流出しガス冷媒通路８を通って、蒸発器４の出口
へバイパスされる。

【００１８】ある負荷条件において、冷凍サイクルが安
定しているとき、気液分離器５内には一定の液面が存在
する。気液分離器５内に存在する液冷媒は冷凍サイクル
中を見かけ上循環していない液冷媒である。図６に示す
ように、冷凍サイクル中の循環冷媒量は気液分離器５内
の液面高さｈによって定まり、液面高さｈは気液分離器
５内のガス冷媒圧力により決定される。気液分離器５内
のガス冷媒の圧力は、ガス冷媒通路８に設けられた可変
絞り６の開度によって調節される。したがって、可変絞
り６の開度によって冷凍サイクル中の循環冷媒量を制御
でき、さらには、凝縮器２出口において、最適なスーパ
ークールをとることができる。

【００１９】例えば、低圧圧力が２kgｆ／cm² Ｇ、高圧
圧力が１２kgｆ／cm² Ｇのとき、前記可変絞り６によっ
て蒸発器４入口の冷媒が図３のア点における状態となる
ように制御される。また、膨張弁３によって蒸発器４出
口の冷媒状態はイ点に制御され、過熱蒸気状態にあるガ
ス冷媒は圧縮機１によって高温高圧のガス冷媒となって
ウ点に制御される。また、膨張弁３での冷媒変化が等エ
ンタルピ変化であることから、凝縮器２出口の冷媒状態
はエ点となり、理論上スーパークール＝８℃をとる。す
なわち、可変絞り６によって冷凍装置内に封入される冷
媒量を制御することによって、凝縮器２出口の冷媒状態
が最適スーパークールをとるエ点に制御できることにな
る。

【００２０】次に、蒸発器４において冷房負荷が増大し
て、高負荷時となった場合について説明する。高負荷と
なると蒸発器４での冷媒の蒸発温度が上昇して、低圧圧
力が上昇し、また高圧圧力も上昇する。中負荷時に比べ
て高負荷時は、低圧圧力と高圧圧力の差が大きくなるの
で、膨張弁３における減圧幅が大きくなり、膨張弁３出
口の乾き度も上昇する。そのため負荷が上がる前と比
べ、ガス冷媒の流量が増加し、気液分離器５内のガス冷
媒の圧力も上昇する。圧力が上昇した気液分離器５内の
ガス冷媒は液面を押し下げ、冷凍サイクル中を循環する
冷媒量が増加する。この結果、過充填サイクルとなり凝
縮器２出口のスーパークールを多くとることになる。こ
のとき、従来の固定絞りを設けた気液分離器では、気液
分離器５内のガス冷媒圧力が上昇し続けて、液冷媒を押
し流し過ぎてしまい、スーパークールをとりすぎサイク
ル全体の成績係数ＣＯＰを低下させてしまうという問題
があった。しかし、本発明では冷房負荷が上がるにつれ
て、ガス冷媒の流量を増加させ、気液分離器５内のガス
冷媒の圧力を調節する可変絞りを備えているので、冷房
負荷に応じた最適なスーパークールをとるよう気液分離
器５内の液面高さを制御することができる。

【００２１】例えば、冷房負荷が上昇し、２kgｆ／cm²
Ｇであった低圧圧力が３kgｆ／cm²Ｇとなり、１２kgｆ
／cm² Ｇであった高圧圧力が２０kgｆ／cm² Ｇとなった
ときは、ガス冷媒通路８を流れるガス冷媒の動圧が増加
し、可変絞り６のバネ１１を縮める方向に力を作用さ
せ、その結果、弁体１０がガス冷媒通路８を開く方向に
移動して、可変絞り６の開度が大きくなり、蒸発器４入
口の冷媒が図３のカ点の状態となるように気液分離器５
内の液面高さｈを制御する。その結果、凝縮器２出口の
冷媒状態は図３においてケ点となり、最適スーパークー
ル＝１４℃をとってバランスする。このようにして、冷
房負荷が上がったときに、最適スーパークールをとるよ
うに制御することができる。

【００２２】一方、蒸発器４における冷房負荷が減少し
て、低負荷時となった場合について説明する。低負荷時
では蒸発器４での冷媒の蒸発温度が下降して、低圧圧力
が下降し、また高圧圧力も下降する。中負荷時に比べて
低負荷時は、低圧圧力と高圧圧力の差が小さくなるの
で、膨張弁３における減圧幅が小さくなり、膨張弁３出
口の冷媒の乾き度も減少する。そのため負荷が下がる前
と比べ、ガス冷媒の流量は減少し、気液分離器５内のガ
ス冷媒の圧力も減少する。ガス冷媒の圧力が減少した気
液分離器５内では、液冷媒の液面が上昇し冷凍サイクル
中を循環する冷媒量が減少するため、凝縮器２出口にお
いてスーパークールを小さくとることになる。このと
き、従来の気液分離器では、気液分離器内のガス冷媒の
圧力が減少し続けて、液面が上昇しつづけてしまい、つ
いには前記ガス冷媒通路８を通って液冷媒が蒸発器４出
口に導かれてしまうという問題があった。しかし、本発
明では、冷房負荷が下がるにつれて、開度を小さくし、
ガス冷媒通路８を流れるガス冷媒の流量を減少させ、気
液分離器５内の圧力を調節する可変絞り６を備えている
ので、上記の問題を解決し、冷房負荷に応じた最適なス
ーパークールをとるよう気液分離器５内の液面高さを制
御することができる。

【００２３】例えば、低圧圧力が２kgｆ／cm² Ｇで、高
圧圧力が８kgｆ／cm² Ｇのような低負荷時においては、
ガス冷媒通路８を流れるガス冷媒の動圧が減少し、その
結果、可変絞り６の開度が小さくなり、蒸発器４入口の
冷媒が図３のコ点となるように気液分離器５内の液面高
さｈを制御する。その結果、凝縮器２出口の冷媒状態は
図６においてス点となり、最適スーパークール＝３℃を
とってバランスする。以上のように、冷房負荷が小さく
なったときにおいても、最適なスーパークールをとるよ
うに制御することができる。

【００２４】したがって、上記に示したように本発明の
冷凍サイクル装置によって、冷房負荷の変化に応じて、
最高の成績係数ＣＯＰとなるような最適スーパークール
を凝縮器２出口においてとることができる。

【００２５】次に第２実施例として、上記の第１実施例
とは構造の異なる可変絞り２０を図７に示す。この可変
絞り２０は、円錐台形状の弁体２１、ある所定のバネ定
数をもったバネ２２、弁体２１が閉弁状態となったとき
弁体２１と当接する弁座２３、およびバネ２２を支持す
るバネ座２４により構成されている。作動の原理は第１
実施例の可変絞り６と同じで、ガス冷媒の動圧により弁
体２１が移動するしくみとなっており、冷房負荷が大き
いとき、ガス冷媒流量が増加し動圧が大となると、ある
所定のバネ定数をもつバネ２２が伸びて、弁体２１が移
動して開度が大きくなる。このときの開度は、冷房負荷
に応じて気液分離器５内の液面高さｈが最適、すなわ
ち、凝縮器２出口において最適スーパークールをとるよ
うに調節されている。

【００２６】図８に示す第３実施例では、第１実施例の
可変絞りとは作動原理の異なる可変絞り３０を示す。こ
こでは、その構造および作動原理を説明する。可変絞り
３０は弁体３１、弁棒３２、バネ３３、弁体３１が閉弁
状態となったときに弁体３１と当接する弁座３６、およ
びバネ３３を上方より支持するバネ座３７によって構成
され、細い管３５を介し感温筒３４とつながっている。
感温筒３４内には温度が高くなると圧力が上昇する冷媒
が封入されている。ここで、ある定常状態から負荷が増
大した場合を考える。冷房負荷が増大するとガス冷媒通
路８を流れるガス冷媒の温度は上昇する。その温度変化
は感温筒３４に伝わり、封入されている冷媒の圧力が上
昇する。その圧力は細い管３５を通じて弁棒３２へ伝え
られ、バネ３３の付勢力とつりあう位置まで弁棒を押し
下げる。このようにして弁体３１がガス冷媒通路８を開
くことになる。弁体３１の開度は感温筒内の封入冷媒の
圧力とバネにより制御されており、それにより、気液分
離器５内の液面高さｈを制御し、冷凍サイクル中の見か
け上の冷媒封入量を制御している。以上のようにして、
本第３実施例における可変絞りによっても最適スーパー
クールをとるように冷凍サイクルを制御することが可能
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の冷凍サイクル装置の概略を示す構成図
である。

【図２】気液分離器の周辺を示す構成図である。

【図３】本発明の冷凍サイクル装置の作動を説明するモ
リエル線図である。

【図４】スーパークールと成績係数増加率との関係を示
す図である。

【図５】冷房負荷とスーパークールとの関係を示す図で
ある。

【図６】冷房負荷と液面高さ、冷媒封入量、および最適
スーパークールとの関係を示す図である。

【図７】本発明の第２実施例の可変絞りを示す図であ
る。

【図８】本発明の第３実施例の可変絞りを示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ 凝縮器 ３ 膨張弁 ４ 蒸発器 ５ 気液分離器 ６ 可変絞り ７ 液冷媒通路 ８ ガス冷媒通路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒の圧縮吐出を行う圧縮機と、 前記圧縮機より吐出された冷媒の凝縮を行う凝縮器と、 前記凝縮器により凝縮された液冷媒を減圧膨張する膨張
   手段と、 前記膨張手段により減圧された冷媒を蒸発する蒸発器と
   を備えた冷凍サイクル装置であって、 前記膨張手段と前記蒸発器の間に設けられ、前記膨張手
   段により減圧された冷媒を液冷媒とガス冷媒に分離する
   気液分離器と、 前記気液分離器にて分離した液冷媒を、前記蒸発器の入
   口へ導く第１の配管と、 前記気液分離器にて分離したガス冷媒を、前記蒸発器の
   出口へ導く第２の配管と、 前記第２の配管に設けられ、前記ガス冷媒の流量を、冷
   房負荷が上がると前記ガス冷媒の流量を増加させるよう
   に調節する可変絞りとを備えていることを特徴とする冷
   凍サイクル装置。