JPH06347109A - 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サブ
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、
およびそれらを連結する冷媒配管５によって閉回路が構
成されている。容器６は凝縮器２と膨張弁３を連結する
高圧配管５ａと第１オリフィス７を介して連通してお
り、同時に膨張弁３と蒸発器４を連結する低圧配管５ｂ
と第２オリフィス８を介して連通している。第１オリフ
ィス７および第２オリフィス８を介して冷媒が容器６に
流入、流出することによって容器６内の冷媒の貯留量が
変化し、冷凍サイクル中に封入される冷媒量を調節して
いる。以上のようにして、冷媒封入量を調節することに
よって、凝縮器２の出口部において最高の成績係数ＣＯ
Ｐとなる最適サブ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】一般に、冷凍サイクルは凝縮器出口にお
いてスーパークールをとることにより冷凍能力が向上す
る。しかし、あまりスーパークールを大きくとりすぎる
と、高圧側冷媒の圧力が上昇して圧縮機の必要動力も増
加し、結果的に圧縮に必要な仕事の熱当量が増加するた
めに成績係数ＣＯＰは減少してしまう。

【０００３】すなわち、冷凍サイクルが最適な冷凍能力
を発揮するためには、冷凍サイクルを成績係数ＣＯＰが
最大となる最適なスーパークールをとるように運用させ
る必要がある。このような観点に基づいて、特開昭５５
−１３４２５３号公報の冷凍装置が提案されている。こ
の冷凍装置では、レシーバが排除され、レシーバと同等
の容積を有する所定の長さの径大部が凝縮器内に設けら
れた。そして、径大部内での液相または気相の占める割
合を調節することにより、適度なスーパークールをと
り、ひいては常に冷凍能力が有効に発揮できる状態で冷
凍装置を運転させるようにしていた。

【０００４】また、特開平３−９５３６８号公報におい
て提案された凝縮器では、凝縮器に主凝縮器部、気液分
離部および補凝縮器部が設けられ、気液分離部の前後に
位置する主凝縮器部内および補凝縮器部内において冷媒
の冷却および凝縮が行われていた。さらに、補凝縮器部
には冷媒状態を目視にて観察するサイトグラスが設けら
れていた。そして、冷媒充填量を調節することにより、
気液分離部内で適度なスーパークールを得られるように
工夫されていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記した従
来の冷凍装置では、凝縮器関係の構成が複雑であるばか
りか、冷凍サイクル内に封入される冷媒の量によっての
み、スーパークールを調節していたため、冷凍サイクル
の運転状況、すなわち冷房負荷に追従させたスーパーク
ールを調節することはできなかった。

【０００６】本発明は、上記問題点に着目してなされた
ものであり、その目的とするところは、構成を簡単にす
るとともに、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冷凍サイク
ルの制御装置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、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気液２相冷媒を蒸発
する蒸発器と、前記圧縮機、凝縮器、膨張手段および蒸
発器を連結し閉回路を形成する冷媒配管と、前記凝縮器
と前記膨張手段を連結する冷媒配管と第１の流路絞り部
を介して連通しており、かつ前記膨張手段と前記蒸発器
を連結する冷媒配管と第２の流路絞り部を介して連通し
ている容器とを備えているという技術手段を採用する。

【０００８】

【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り、凝縮器と膨張手段の
間の冷媒配管を流れる。また、凝縮器と膨張手段を連結
する冷媒配管と、膨張手段と蒸発器を連結する冷媒配管
の双方に連通している容器が設けられており、凝縮器を
出た液冷媒に一部は、この容器内にも流れ込み一定量貯
留される。このとき、前記容器に貯留された冷媒は見か
け上冷凍サイクル中を流れていないのと同様である。

【０００９】冷房負荷が上がり、前記冷媒配管を流れる
冷媒の流量が増加すると高圧側の冷媒配管の熱貫流率が
上昇し、それにともなって容器内に貯留されている冷媒
の蒸発がさかんになり、容器内の圧力が上昇する。その
結果、低圧側の冷媒配管内と容器内の圧力差が、高圧側
の冷媒配管内と容器内の圧力差よりも大きくなり、容器
から流出する冷媒量が増加し、冷凍サイクル中を循環す
る冷媒量が増加する。この循環する冷媒量によって凝縮
器出口のサブクールを多くとることができる。

【００１０】したがって、上記のように配された容器内
の冷媒量が変化することによって、凝縮器出口のサブク
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を向上させるサブクール
をとることができる。

【００１１】

【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。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、それらを連結して閉回路を形成する冷
媒配管５、および容器６を備えている。

【００１２】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。

【００１３】本発明の容器６は図１および図２に示すよ
うに、凝縮器２と膨張弁３を連結する高圧配管５ａと、
膨張弁３と蒸発器４を連結する低圧配管５ｂの双方が、
その内部を上下方向に通過するように設置された円柱形
状の容器である。したがって膨張弁３はこの容器６の上
方に位置することになる。容器６の内部と高圧配管５ａ
は第１の流路絞り部を構成する第１オリフィス７を介し
て連通しており、高圧配管５ａを流れる液冷媒の一部が
第１オリフィス７を通って容器６の内部に入ることにな
る。この第１オリフィス７の開口面積は膨張弁３の絞り
部の開口面積より十分小さい。同様にして、容器６の内
部と低圧配管５ｂは第２の流路絞り部を構成する第２オ
リフィス８を介して連通しており、この第２オリフォス
８の開口面積は膨張弁３の絞り部の開口面積よりは十分
小さいが、前記第１オリフィス７の開口面積よりわずか
に大きなものとなっている。

【００１４】ここで、冷房負荷とサブクールの関係につ
いて説明する。図４に、サブクールと冷凍サイクルの成
績係数ＣＯＰの増加率（サブクール＝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、最好成績係数となるサブ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
る最適なサブ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サブクール曲線を示
す。この最適サブクール曲線は、冷房負荷に対して成績
係数ＣＯＰが最大となるときのサブクールを設定してい
る。したがって、この図の最適サブ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。

【００１５】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、冷凍サイクルの冷媒として例えばＨ
ＦＣ１３４ａを使用している。凝縮器２にて凝縮された
液冷媒は高圧配管５ａを流れ、その一部は高圧配管５ａ
内と容器６内の圧力差によって、第１オリフィス７を介
して容器６に流入し貯留される。この容器６に貯留され
た液冷媒は見かけ上冷凍サイクル中を循環していないの
と同様である。

【００１６】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、容器６内には一定の液面が存在し、飽
和液冷媒と飽和ガス冷媒に分離されている。容器６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
の循環冷媒量は容器６内の液面高さｈによって定まり、
液面高さｈは、単位時間に高圧配管５ａより第１オリフ
ィス７を介して容器６内に流入する冷媒量Ｇ_A と容器６
より第２オリフィス８を介して低圧配管５ｂへ流出する
冷媒量Ｇ_B とによって決定される。

【００１７】定常状態においては、サイクル中の循環冷
媒量は一定なので流入冷媒量Ｇ_A と流出冷媒量Ｇ_B は等
しく次式が成り立つ。

【００１８】

【数１】Ｇ_A ＝Ｇ_B また、第１オリフィスの開口部の径ｄ_A および第２オリ
フィスの開口部の径ｄ _B は、膨張弁３の開口部の径をｄ
_exp とすると、定常状態のエネルギ式より以下の関係を
満足するものとしている。

【００１９】

【数２】 ｄ_A ／ｄ_B ＝（σ_2g・ΔＰ_A ／σ_1l・ΔＰ_B ）^1/4

【００２０】

【数３】ｄ_A ＜ｄ_B ≪ｄ_exp ここで、σ_1lは高圧配管５ａ内の液冷媒密度、σ_2gは容
器６内のガス冷媒密度、ΔＰ_A は第１オリフィス７の前
後差圧、ΔＰ_B は第２オリフィス８の前後差圧である。

【００２１】また、高圧配管５ａの高温により容器６内
で蒸発する冷媒量をＷ_g 、低圧配管５ｂの低温により容
器６内で凝縮する冷媒量をＷ_l とすると、定常状態では
容器６内の液面高さｈは一定であるので、以下の関係が
ある。

【００２２】

【数４】Ｗ_g ＝Ｗ_l 定常状態においては、以上の４つの式を満足するよう
に、それぞれの量がつりあうことによって、容器６内に
はある一定量の液冷媒が貯留されている。例えば、低圧
圧力２kgｆ／cm² Ｇ、高圧圧力が１２kgｆ／cm² Ｇのと
き、前記容器６内の液冷媒の液面高さｈ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居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、理論上サブクール＝８℃をとる。すなわち、容
器６内の液面高さｈによって冷凍サイクル内に封入され
る冷媒量を制御することによって、凝縮器２出口の冷媒
状態が最適サブクールをとるエ点に制御できることにな
る。

【００２３】ここで、蒸気のＧ_A 、Ｇ_B 、Ｗ_g 、Ｗ
_l は、高圧配管５ａの熱貫流率をＫ_H ，低圧配管５ｂの
熱貫流率をＫ_L 、容器６内における高圧配管５ａの配管
内外温度差をΔＴ_H 、低圧配管５ｂの配管内外温度差を
ΔＴ_L とすると、以下の関係がある。

【００２４】

【数５】Ｇ_A ∝（ΔＰ_A ）^1/2

【００２５】

【数６】Ｇ_B ∝（ΔＰ_B ）^1/2

【００２６】

【数７】Ｗ_g ∝Ｋ_H ・Ｔ_H

【００２７】

【数８】Ｗ_l ∝Ｋ_L ・Ｔ_L 次に、外気の温度および湿度が上昇し、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、高圧側の圧力および温度
も上昇する。また、圧縮機１の回転数も増加し、冷媒配
管５内を流れる冷媒の流量が増加する。図７に示すよう
に冷媒流量が増加すると高圧配管５ａの熱貫流率Ｋ_H が
大きく上昇する。一方，低圧配管５ｂの熱貫流率Ｋ_L も
上昇するが、Ｋ_H に比べるとわずかなものであり、冷媒
流量による変化はほとんどないといえる。

【００２８】したがって、Ｋ_H の値が大きくなるため、
上記の数式７、数式８よりＷ_g の値の上昇がＷ_l の上昇
に比べて大きくなり、次式のようになる。

【００２９】

【数９】Ｗ_g ＞Ｗ_l つまり、容器６内において液冷媒が蒸発する量のほう
が、ガス冷媒が凝縮する量よりも大きくなる。そのた
め、冷房負荷が上昇する前に比べて、容器６内の圧力が
上昇する。

【００３０】容器６内の圧力が上昇すると、高圧側の高
圧配管５ａと容器６内との圧力差ΔＰ_A は小さくなり、
逆に低圧側の低圧配管５ｂと容器６との圧力差ΔＰ_B は
大きくなる。したがって、上記の数式５、数式６によ
り、単位時間に第１オリフィス７を介して容器６内に流
入する冷媒の量Ｇ_A よりも第２オリフィス８を介して容
器６外へ流出する冷媒の量Ｇ_B が大きくなる。

【００３１】

【数１０】Ｇ_A ＜Ｇ_B そのため、容器６内に貯留されている冷媒量が減少し、
液面高さｈが下降するので、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出口のサブクールを大きくとることになる。な
お、容器６内の液面の低下は、容器６内の液冷媒が高圧
配管５ａに触れている蒸発面積の減少、および容器６内
のガス冷媒が低圧配管５ｂに触れている凝縮面積の増加
によりある値でバランスする。このようにして、冷房負
荷に応じて冷媒封入量を変化させることが可能となり、
冷房負荷に応じた最適サブクールをとることができる。

【００３２】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、冷媒配管７を流れる冷媒の流量が増加し、容器
６内において液冷媒の蒸発のほうがガス冷媒の凝縮より
もさかんになり、容器６内の圧力が上昇する。そして、
高圧配管５ａと容器６内の圧力差よりも低圧配管５ｂと
容器６内の圧力差のほうが大きくなり、容器６内の冷媒
量が減少するためサイクル中の冷媒封入量が増加する。
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、最適サブクール＝１４℃をとってバランスす
る。

【００３３】以上のようにして、冷房負荷が上がったと
きに、最適サブクールをとるように制御することができ
る。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、また高圧側の圧力および温度も下降する。そして、
圧縮機１の回転数も減少し、冷媒配管５を流れる冷媒流
量が減少する。低負荷時は上述した高負荷時とは全く逆
の状態となり、Ｗ_g 、Ｗ_l 、Ｇ_A 、Ｇ_B の関係は以下の
式のようになる。

【００３４】

【数１１】Ｗ_g ＜Ｗ_l

【００３５】

【数１２】Ｇ_A ＞Ｇ_B つまり、容器６内に貯留されている冷媒量が増加し、液
面高さｈが上昇するので、冷凍サイクル中を循環する冷
媒量が減少し、凝縮器２出口のサブクールを小さくとる
ことになる。

【００３６】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、
冷媒配管７を流れる冷媒の流量が減少し、容器６内にお
いてガス冷媒の凝縮のほうが液冷媒の蒸発よりもさかん
になり、容器６内の圧力が下降する。そして、高圧配管
５ａと容器６内の圧力差のほうが低圧配管５ｂと容器６
内の圧力差よりも大きくなり、容器６内の冷媒量が増加
するためサイクル中の冷媒封入量が減少する。その結
果、凝縮器２出口の冷媒状態は図３においてス点とな
り、最適サブクール＝３℃をとってバランスする。

【００３７】以上のようにして、冷房負荷が上がったと
きにも、最適サブクールをとるように制御することがで
きる。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となるような最適サブクールを凝縮器２
出口においてとることができる。

【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】本発明の実施例の容器を示す図である。

【図３】本発明の実施例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】サブクールと成績係数増加率との関係を示す図
である。

【図５】冷房負荷とサブクール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
サブクールとの関係を示す図である。

【図７】冷媒流量と冷媒配管の熱貫流率との関係を示す
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 冷媒配管 ６ 容器 ７ 第１オリフィス ８ 第２オリフィス

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気液２相冷媒を蒸発する
   蒸発器と、 前記圧縮機、凝縮器、膨張手段および蒸発器を連結し閉
   回路を形成する冷媒配管と、 前記凝縮器と前記膨張手段を連結する冷媒配管と第１の
   流路絞り部を介して連通しており、かつ前記膨張手段と
   前記蒸発器を連結する冷媒配管と第２の流路絞り部を介
   して連通している容器とを備えていることを特徴とする
   冷凍サイクル装置。