JPH109719A - 冷凍サイクル用減圧装置 - Google Patents
冷凍サイクル用減圧装置Info
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Abstract
出口側圧力を制御する減圧装置を提供する。 【解決手段】 減圧装置3の弁体35は、流入口32側
の空間32aと流出口33側の空間33aとの圧力差
が、所定の圧力差ΔP(冷媒をCO2 とした場合、5.
5〜7MPa)となるように蒸発器4内の圧力に応じて
弁口34の開度を制御する。これにより、蒸発器4の熱
負荷が上昇したときは、放熱器2の出口側圧力を上昇
し、一方、蒸発器4の熱負荷が低下したときは、放熱器
2の出口側圧力を低下する。
Description
イクルの放熱器出口側圧力を制御する圧力制御弁に関す
るもので、二酸化炭素(CO2 )等の超臨界域で冷媒を
使用する蒸気圧縮式冷凍サイクルに用いて好適である。
れる冷媒の脱フロン対策の1つとして、例えば特公平7
−18602号公報に記載のように二酸化炭素(C
O2 )を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクル(以下、CO
2 サイクルと略す。)が提案されている。
は、フロンを使用した従来の蒸気圧縮式冷凍サイクルの
作動と同じである。すなわち、図6(CO2 モリエル線
図)のA−B−C−D−Aで示されるように、圧縮機で
気相状態のCO2 を圧縮し(A−B)、この高温高圧の
気相状態のCO2 を放熱器(ガスクーラ)にて冷却する
(B−C)。そして、減圧器により減圧して(C−
D)、気液2相状態となったCO2 を蒸発させて(D−
A)、蒸発潜熱を空気等の外部流体から奪って外部流体
を冷却する。なお、CO2 は、圧力が飽和液圧力(線分
CDと飽和液線SLとの交点の圧力)を下まわるときか
ら、気液2相状態に相変化する。
来のフロンの臨界温度(例えば、R12では112℃)
と比べて低いので、夏場等では放熱器側でのCO2 温度
がCO2 の臨界点温度より高くなってしまう。つまり、
放熱器出口側においてもCO 2 は凝縮しない(線分BC
が飽和液線と交差しない)。また、放熱器出口側(C
点)の状態は、圧縮機の吐出圧力と放熱器出口側でのC
O2 温度とによって決定され、放熱器出口側でのCO2
温度は、放熱器の放熱能力と外気温度とによって決定す
る。そして、外気温度は制御することができないので、
放熱器出口側でのCO2 温度は、実質的に制御すること
ができない。
は、圧縮機の吐出圧力(放熱器出口側圧力)を制御する
ことによって制御可能となる。つまり、夏場等の外気温
度が高い場合に、十分な冷却能力(エンタルピ差)を確
保するためには、図1のE−F−G−H−Eで示される
ように、放熱器出口側圧力を高くする必要がある。
側圧力を制御するために、上記公報では、必要とする冷
凍能力に応じて減圧器の開度を手動操作にて制御する旨
の記載がある。しかし、この手段では、放熱器出口側圧
力を制御することにより冷凍能力を制御することが可能
であるか否を確認試験する程度であれば問題がないが、
実際の使用状況においては、必要とする冷凍能力は時事
刻々と変化するので、手動操作にて減圧器の開度を制御
するといった手段では、十分な冷凍能力を発揮するCO
2 サイクルを提供することができない。
能力に応じて放熱器出口側圧力を制御する減圧装置を提
供することを目的とする。
成するために、以下の技術的手段を用いる。請求項1〜
4に記載の発明では、放熱器(2)から流出した冷媒を
減圧する冷凍サイクル用減圧装置(3)の弁体(35)
は、流入口(32)側の空間(32a)と流出口(3
3)側の空間(33a)との圧力差が、所定の圧力差
(ΔP)となるように蒸発器(4)内の圧力に応じて弁
口(34)の開度を制御する。
(4)の熱負荷が上昇したときは、弁口(34)の開度
を小さくし、一方、蒸発器(4)の熱負荷が低下したと
きは、弁口(34)の開度を大きくするようにされる。
このため、蒸発器(4)の熱負荷が上昇したときは、放
熱器(2)の出口側圧力が上昇し、一方、蒸発器(4)
の熱負荷が低下したときは、放熱器(2)の出口側圧力
が低下する。したがって、放熱器(4)内の圧力が冷媒
の臨界圧力を越える蒸気圧縮式冷凍サイクルの放熱器
(2)出口側圧力を制御することができる。
とは、厳密な意味での蒸発器(4)内の圧力を示す意味
ではなく、モリエル線図上に示される蒸気圧縮式冷凍サ
イクル線図のうち、蒸発器(4)内の圧力を示す部分全
体を示す。つまり、「蒸発器(4)内の圧力」とは、冷
凍サイクル用減圧装置(3)の出口側から圧縮機の吸入
口側までの間の圧力を示す。
は、流出口(33)側の空間に配置されるとともに、弾
性力を発生する弾性部材(36)によって流入口(3
2)側の空間に向けて押圧されていることを特徴とす
る。これにより、後述するように、冷凍サイクル用減圧
装置(3)にて減圧される圧力、すなわち圧力差(Δ
P)は、弾性部材(36)の弾性力を調整することによ
って調整することができる。したがって、圧力センサや
比例制御電磁弁等を用いて弁口(34)の開度を調節す
る電気的制御手段に比べて、冷凍サイクル用減圧装置3
の構造が簡単になり、減圧装置3の製造原価上昇を防止
することができる。
酸化炭素を使用し、かつ、所定の圧力差(ΔP)は、
5.5〜7MPaであることを特徴とする。請求項4に
記載の発明では、請求項1ないし3のいずれか1つに記
載の減圧装置(3)を有する蒸気圧縮式冷凍サイクルで
あることを特徴とする。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。
態について説明する。 (第1実施形態)図1は本実施形態に係る冷凍サイクル
用減圧装置(以下、減圧装置と略す。)3を用いたCO
2 サイクルを車両用空調装置に適用したものであり、1
は、図示されていないエンジンから駆動力を得て気相状
態のCO2 を圧縮する圧縮機である。2は圧縮機1で圧
縮されたCO2 を外気等との間で熱交換して冷却する放
熱器(ガスクーラ)であり、3は放熱器2から流出した
高圧(約12MPa)のCO2 を減圧する減圧装置であ
る。
もに、後述するように放熱器2の出口側圧力を制御する
機能も兼ねており、この減圧装置3にて減圧されたCO
2 は、気液2相状態となって後述する蒸発器4に流入す
る。4は、車室内に吹き出す空気の冷却手段をなす蒸発
器(吸熱器)で、気液2相状態のCO2 は蒸発器4内で
気化(蒸発)する際に、車室内空気から蒸発潜熱を奪っ
て車室内空気を冷却する。5は、気相状態のCO2 と液
相状態のCO2 とを分離するとともに、液相状態のCO
2 を一時的に蓄えるアキュームレータである。なお、
6、7は、放熱器2および蒸発器4の熱交換を促進する
クーリングファンである。
3、蒸発器4およびアキュームレータ5は、それぞれ配
管によって接続されて閉回路を形成している。なお、放
熱器2は、放熱器2内CO2 と外気との温度差をできる
だけ大きくするために車両前方に配置されている。次
に、減圧装置3について詳述する(図2参照)。
および蒸発器4に連通する流出口33が形成されたステ
ンレスや真鍮等の金属製のハウジングであり、このハウ
ジング31内には、流入口32側の空間32aと流出口
33側の空間33aとを連通させる弁口34が形成され
ている。また、空間33a内には、弁口34の開度を調
節する弁体35が配設されており、この弁体35は、金
属製のコイルバネ(弾性部材)36によって流入口32
側の空間32aに向けて押圧されている。
のうち流出口33が形成されている部位(蓋部)31a
と、流入口32が形成されている部位(底部)31b
と、円筒状の本体部31cとの3つの部位から構成され
ており、底部31bと本体部31cは一体形成され、蓋
部31aは、弁体35およびコイルバネ36をハウジン
グ31内に収納した後、溶接やねじ結合等の結合手段に
よってハウジング31に結合されている。
35の移動を案内(ガイド)するガイドスカートであ
り、このガイドスカート37の円筒外側面37aがハウ
ジング31の内壁31dに接触することにより、弁体3
5の移動が案内されている。さらに、ガイドスカート3
7のうち弁体35の近傍には、CO2 の流路をなす複数
個の穴37bが形成されている。
ら明らかなように、弁体35のうち流入口32側には、
放熱器2の出口側圧力による作用力F1 が作用するの
で、弁体35は流出口33側に押圧される。一方、流出
口33側には、蒸発器2の入口側圧力およびコイルバネ
36の弾性力による作用力F2 が作用するので、弁体3
5は流入口32側に押圧される。
い場合には、弁体35は、弁口34の開度が小さくなる
ように移動し、作用力F1 が作用力F2 より大きい場合
には、弁体35は、弁口34の開度が大きくなるように
移動する(図2の(b)参照)。したがって、弁体35
は、作用力F1 と作用力F2 とが均衡する位置(また
は、弁口34に接触する位置)で停止するので、弁口3
4の開度は、コイルバネ36が弁体35に及ぼす弾性力
によって決定する。すなわち、両空間32a、33a間
の圧力差ΔPは、コイルバネ36が弁体35に及ぼす弾
性力に対応する。
僅かなので、コイルバネ36が弁体35に及ぼす弾性力
の変化は、ほぼ無視することができるため、両空間32
a、33a間の圧力差ΔPは、ほぼ一定となる。なお、
本実施形態では、弁口34の開度とは、弁口34と弁体
35との距離tを示している。
作動を説明する。図3は、本実施形態に係るCO2 サイ
クルの作動を示すモリエル線図であり、図3中、一点鎖
線の線図Aは冷凍能力(熱負荷)が小さい場合を示し、
実線の線図Bは熱負荷が大きい場合を示している。例え
ば、夏場などの室内気温が高い場合には、蒸発器4が冷
却する空気の温度も高くなるので、蒸発器4内の温度が
上昇するとともに、蒸発器4内の圧力、すなわちCO2
の蒸発圧力が上昇する。
のように、弁口34の開度が小さくなるので、放熱器2
の出口側圧力が上昇する(線図Bの状態)。したがっ
て、図3に示すように、蒸発器4の出口と入口との比エ
ンタルピ差が大きくなる(h1>h2 )ので、冷凍能力
が増大する。一方逆に、春や秋等の室内気温が低い場合
には、蒸発器4が冷却する空気の温度も低くなるので、
蒸発器4内の温度が低下するとともに、蒸発器4内の圧
力、すなわちCO2 の蒸発圧力が低下する。
のように、弁口34の開度が大きくなるので、放熱器2
の出口側圧力が低下する(線図Aの状態)。したがっ
て、図3に示すように、蒸発器4の出口と入口との比エ
ンタルピ差が小さくなるので、冷凍能力が低下する。次
に、圧力差ΔPについて述べる。
なると、蒸発器4に霜が発生して蒸発器4の冷凍能力の
低下を招くので、蒸発器4内の温度は、氷点より高くす
ることが望ましい。しかし、いたずらに蒸発器4内の温
度を上昇させると、車室内に吹き出す空気を十分に冷却
することができないという問題が発生する。そこで、発
明者等は、種々の試験検討を行ったところ、蒸発器4内
の温度で最大約17℃、蒸発器4内の圧力(CO2 の蒸
発圧力)換算で約3.5〜5.5MPa(以下、低圧サ
イド圧力と呼ぶ。)が妥当であるとの結論を得た。そし
て、次に、上記低圧サイド圧力に基づいて放熱器2の出
口側圧力(以下、高圧サイド圧力と呼ぶ。)を決定すべ
く発明者等は、以下のような検討を試みた。
力を一定(3.5MPa)として、高圧サイド圧力に対
するCO2 サイクルの成績係数(COP)を算出した結
果である。そして、この結果からも明らかなように、高
圧サイド圧力が9MPa以下および12.5MPa以上
では、COPが極端に悪化するので、高圧サイド圧力は
9〜12.5MPaに保つこと望ましい。つまり、圧力
差ΔPは、5.5〜7MPaとすることが望ましい。
とく、蒸発器4の出口と入口とのエンタルピ差(冷凍能
力)を圧縮機1の圧縮仕事で除したものであり、圧縮機
1の効率は65%とした。ここで、例えば圧力差ΔPを
6.0MPaとし、低圧サイド圧力を3.5MPa(蒸
発器4内温度で約0℃)とした場合、高圧サイド圧力は
9.5MPaとなる。したがって、蒸発器4の出口と入
口との比エンタルピ差は約111kJ/kgとなり、圧
縮機1の吸入口でCO2 密度は約96.3kg/m3 と
なる(図6参照)。
力が5MPaまで上昇すると、高圧サイド圧力は11M
Pa(蒸発器4内温度で約13℃)まで上昇する。した
がって、蒸発器4の出口と入口との比エンタルピ差は約
121.5kJ/kgとなり、圧縮機1の吸入口でCO
2 密度は約151.5kg/m3 となる(図6参照)。
したがって、低圧サイド圧力が3.5MPaから5MP
aまで上昇することにより、蒸発器4の冷凍能力は、約
1.7倍となる。
ば、高圧サイド圧力と低圧サイド圧力との圧力差ΔPが
所定値となるように、弁口34の開度を調節するといっ
た簡便な手段で、CO2 サイクルを制御することができ
る。また、圧力差ΔPは、減圧装置3内のコイルバネ3
6によって設定制御することができるので、圧力センサ
や比例制御電磁弁等を用いて弁口34の開度を調節する
電気的制御手段に比べて、減圧装置3の構造が簡単にな
り、減圧装置3の製造原価上昇を防止することができ
る。
に作用するコイルバネ36の弾性力を調整可能としたも
のである。以下に、図5を用いて説明する。40は、コ
イルバネ36の一端側に配設されて、コイルバネ36の
弾性力を針状の弁体35に対して、圧力的に流出口33
側から作用させる第1押さえ板であり、41はコイルバ
ネ36の他端側に配置されて、コイルバネ36の弾性力
を調整する第2押さえ板である。この第2押さえ板41
には、雌ねじ部41aが形成されており、この雌ねじ部
41aには、第2押さえ板41をコイルバネ36の軸方
向に移動させる調整シャフト42に形成された雄ねじ部
42aがねじ結合している。
動して第2押さえ板41がコイルバネ36の軸方向に移
動するので、弁体35に作用する弾性力を調節すること
ができる。なお、43は第2押さえ板41が調整シャフ
ト42と共周りすることを防止するキーであり、44は
調整シャフト42とハウジング31との隙間を密閉する
シール部材をなすニトリルゴム製のOリングである。
通常の蒸気圧縮式冷凍サイクルに比べて、高圧サイド圧
力が大きい(約8倍)ので、可動部分にOリング等のシ
ール部材を配設する場合は、上述のように、減圧後であ
る流出口33側に配設することが望ましい。ところで、
上述の実施形態では、コイルバネ36を用いて機械的に
圧力差ΔPを制御していたが、圧力センサにて蒸発器4
内の圧力を検出し、この検出値に基づいて比例制御電磁
弁等のように弁開度を調節できる電気的アクチュエータ
を用いても本発明を実施することができる。
温線で示されるような関係を有しているので、上記圧力
センサに替えて温度センサを用いてもよい。なお、この
場合、圧力センサは、蒸発器4の出口側もしくは入口
側、または蒸発器4内のいずれの場所での圧力を検出し
てもよい。但し、蒸発器4内での圧力損失が大きい場合
に、蒸発器4の出口側で圧力を検出するときは、その圧
力損失分を補償する必要がある。同様に、温度センサを
用いる場合には、蒸発器4の入口側から出口側までの間
の温度変化を考慮する必要がある。
O2 サイクル内を循環するCO2 の圧力を直接作用させ
ていたが、細管等により蒸発器4内または蒸発器4の出
口側もしくは入口側の圧力を取り出し、ダイヤフラム等
を介して弁体35を作動させてもよい。また、本発明に
係る減圧装置3は、CO2 を使用した蒸気圧縮式冷凍サ
イクルに使用が限定されるものではなく、例えば、エチ
レン、エタン、酸化窒素等の超臨界域で使用する冷媒を
用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルにも適用することができ
る。
も、蒸気圧縮式冷凍サイクルを実施することができる。
この場合、蒸発器4内に残存する冷媒が吸引されて、ア
キュームレータ5を有するCO2 サイクルと同様な作動
を得ることができる。
ある。
ためのモリエル線図である。
を示すグラフである。
である。
5…アキュームレータ、31…ハウジング、32…流入
口、33…流出口、34…弁口、35…弁体、36…コ
イルバネ(弾性部材)。
Claims (4)
- 【請求項1】 冷媒を冷却する放熱器(2)、および冷
媒を蒸発させる蒸発器(4)を有し、かつ、前記放熱器
(2)内の圧力が冷媒の臨界圧力を越える蒸気圧縮式冷
凍サイクルに適用され、 前記放熱器(2)から流出した冷媒を減圧するととも
に、減圧した冷媒を前記蒸発器(4)に向けて流出する
冷凍サイクル用減圧装置(3)であって、 前記放熱器(2)に連通する流入口(32)、および前
記蒸発器(4)に連通する流出口(33)が形成された
ハウジング(31)と、 前記ハウジング(31)内に形成され、前記流入口(3
2)側の空間(32a)と前記流出口(33)側の空間
(33a)とを連通させる弁口(34)と、 前記弁口(34)の開度を調節する弁体(35)とを備
え、 前記弁体(35)は、前記両空間(32a、33a)の
圧力差が、所定の圧力差(ΔP)となるように前記蒸発
器(4)内の圧力に応じて前記弁口(34)の開度を制
御することを特徴とする冷凍サイクル用減圧装置。 - 【請求項2】 前記弁体(35)は、前記流出口(3
3)側の空間に配置されるとともに、弾性力を発生する
弾性部材(36)によって前記流入口(32)側の空間
に向けて押圧されていることを特徴とする冷凍サイクル
用減圧装置 - 【請求項3】 前記冷媒は二酸化炭素であり、 前記所定の圧力差(ΔP)は、5.5〜7MPaである
ことを特徴とする請求項1または2に記載の冷凍サイク
ル用減圧装置。 - 【請求項4】 冷媒を圧縮する圧縮機(1)と、 前記圧縮機(1)で圧縮された前記冷媒を冷却する放熱
器(2)と、 前記冷媒を減圧する請求項1ないし3のいずれか1つに
記載の減圧装置(3)と、 前記減圧装置(3)にて減圧された前記冷媒を蒸発させ
る蒸発器(4)とを有することを特徴とする蒸気圧縮式
冷凍サイクル。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15727296A JP3528433B2 (ja) | 1996-06-18 | 1996-06-18 | 蒸気圧縮式冷凍サイクル |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15727296A JP3528433B2 (ja) | 1996-06-18 | 1996-06-18 | 蒸気圧縮式冷凍サイクル |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH109719A true JPH109719A (ja) | 1998-01-16 |
| JP3528433B2 JP3528433B2 (ja) | 2004-05-17 |
Family
ID=15646036
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15727296A Expired - Fee Related JP3528433B2 (ja) | 1996-06-18 | 1996-06-18 | 蒸気圧縮式冷凍サイクル |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| JP (1) | JP3528433B2 (ja) |
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