(57)【要約】【課題】  冷凍能力を低下させることなく、成績係数を向上させることができる冷凍サイクルを提供する。【解決手段】  本発明の冷凍サイクルによれば、アキュムレータ５に一体形成された制御弁３０によってＵ字管２０でガス冷媒に混合する液冷媒の流量を調整することができ、潤滑オイルの必要量を確保した状態でアキュムレータ５から送出される冷媒の乾き度を高くすることができる。その結果、圧縮機に導入される冷媒の過熱度を大きくすることができ、冷凍サイクルの成績係数を向上させることができる。その際、圧縮機の吐出冷媒の圧力を低下させなくてもよいため、冷凍能力を低下させないでこれを実現することができる。【選択図】  図２
2005337592.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
潤滑オイルが含まれた冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出された冷媒を冷却する外部熱交換器と、
前記外部熱交換器から送出された冷媒を減圧する膨張装置と、
前記膨張装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器から送出された冷媒を気液分離して溜めておくアキュムレータと、
前記アキュムレータから前記圧縮機に送られる冷媒と、前記外部熱交換器から前記膨張装置に送られる冷媒との熱交換を行う内部熱交換器と、
を備えた冷凍サイクルにおいて、
前記アキュムレータは、
前記蒸発器から送出された冷媒を収容するタンクと、
前記タンク内に収容された本体を有し、前記本体の一端が前記タンク内の気相部に開口するとともに、前記本体の他端が前記タンクを貫通して前記内部熱交換器側につながり、さらに前記本体に前記タンク内の液相部に連通する所定の大きさの弁孔が形成された内部配管と、
前記タンクに一体形成されたボディと、前記ボディの内部に前記弁孔に対して接離可能に配置されて、前記弁孔を開閉する弁部を形成する弁体と、前記弁体を前記弁部の閉弁方向又は開弁方向に駆動して、前記液相部の液冷媒が前記弁孔を介して前記内部配管内へ流出する流量を制御する制御手段とを有する制御弁と、
を備えたことを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項２】
前記膨張装置にて減圧される前の冷媒圧力が、前記冷媒の臨界圧力以上となることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
【請求項３】
前記制御手段は、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度が、前記潤滑オイルが劣化しない温度範囲の上限温度近傍となる予め設定した流量の液冷媒を前記内部配管に送出できるように、前記弁体を駆動制御することを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル。
【請求項４】
前記膨張装置は、流路断面が固定された絞り流路からなることを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル。
【請求項５】
前記弁体を前記弁部の閉弁方向又は開弁方向に駆動するソレノイドを備え、
前記制御手段は、前記ソレノイドへの通電をオン・オフして前記弁部を開閉させることにより、前記内部配管内へ流出する流量を制御することを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル。
【請求項６】
前記弁体を前記弁部の閉弁方向又は開弁方向に駆動するソレノイドを備え、
前記制御手段は、前記ソレノイドに電流を供給することにより、前記弁部がその電流値に比例した開度となるように制御することを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル。
【請求項７】
前記内部配管に、前記弁部の閉弁時においても前記圧縮機の焼き付きを防止できる予め設定した最低流量の液冷媒を供給するための冷媒通路が形成されていることを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル。
【請求項８】
潤滑オイルが含まれた冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出された冷媒を冷却する外部熱交換器と、
前記外部熱交換器から送出された冷媒を減圧する膨張装置と、
前記膨張装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器から送出された冷媒を気液分離して溜めておくアキュムレータと、
前記アキュムレータから前記圧縮機に送られる冷媒と、前記外部熱交換器から前記膨張装置に送られる冷媒との熱交換を行う内部熱交換器と、
前記アキュムレータ内の液冷媒の一部を流出させて、ガス冷媒に混合して前記内部熱交換器側に送出する冷媒送出手段と、
前記冷媒送出手段により前記ガス冷媒に混合する前記液冷媒の流出量を制御し、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度が、前記潤滑オイルが劣化しない温度範囲の上限温度近傍となる予め設定した流量の液冷媒を流出させる液冷媒流出制御手段と、
を備えたことを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項９】
前記膨張装置にて減圧される前の冷媒圧力が、前記冷媒の臨界圧力以上となることを特徴とする請求項８記載の冷凍サイクル。
【請求項１０】
潤滑オイルが含まれた冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒を冷却する外部熱交換器と、前記外部熱交換器から送出された冷媒を減圧する膨張装置と、前記膨張装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から送出された冷媒を気液分離して溜めておくアキュムレータと、前記アキュムレータから前記圧縮機に送られる冷媒と前記外部熱交換器から前記膨張装置に送られる冷媒との熱交換を行う内部熱交換器と、を備えた冷凍サイクルに適用される前記アキュムレータであって、
前記蒸発器から送出された冷媒を収容するタンクと、
前記タンク内に収容された本体を有し、前記本体の一端が前記タンク内の気相部に開口するとともに、前記本体の他端が前記タンクを貫通して前記内部熱交換器側につながり、さらに前記本体に前記タンク内の液相部に連通する所定の大きさの弁孔が形成された内部配管と、
前記タンクに一体形成されたボディと、前記ボディの内部に前記弁孔に対して接離可能に配置されて、前記弁孔を開閉する弁部を形成する弁体と、前記弁体を前記弁部の閉弁方向又は開弁方向に駆動して、前記タンク内の液冷媒の前記内部配管内への流出量を調整する駆動手段とを有する制御弁と、
を備えたことを特徴とするアキュムレータ。
【請求項１１】
前記駆動手段は、前記圧縮機から吐出される高圧冷媒の温度が、前記潤滑オイルが劣化しない温度範囲の上限温度近傍となる予め設定した流量の液冷媒を前記内部配管に送出できるように、前記弁体を駆動することを特徴とする請求項１０記載のアキュムレータ。
【請求項１２】
前記駆動手段は、前記弁体を前記弁部の閉弁方向又は開弁方向に駆動するソレノイドからなり、前記ソレノイドに供給される電流量に応じて前記弁部の開度を調整することを特徴とする請求項１１記載のアキュムレータ。
【請求項１３】
前記内部配管に、前記弁部の閉弁時においても前記圧縮機の焼き付きを防止できる予め設定した最低流量の液冷媒を供給するための冷媒通路が形成されていることを特徴とする請求項１１記載のアキュムレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷凍サイクルに関し、特に高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる冷凍サイクル（以下「超臨界冷凍サイクル」という）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車用空調装置の冷凍サイクルの冷媒にはフロンが使用されてきたが、オゾン層破壊の問題があるため、近年では、フロンに代わる冷媒として例えば二酸化炭素（ＣＯ2）等を用いた冷凍サイクルが開発されている（例えば特許文献１参照）。この二酸化炭素等を使った冷凍サイクルは、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となるため、「超臨界冷凍サイクル」と呼ばれている。
【０００３】
図４は、このような従来の超臨界冷凍サイクルのシステム構成図である。
この超臨界冷凍サイクルは、冷媒を超臨界域まで昇圧する圧縮機１０１と、昇圧された冷媒を冷却するガスクーラ１０２と、ガスクーラ１０２から送られた冷媒を減圧する膨張装置１０３と、減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器１０４と、余剰の冷媒を溜めておくアキュムレータ１０５（低圧受液器）と、ガスクーラ１０２にて冷却された冷媒を、アキュムレータ１０５から圧縮機１０１に送られる冷媒によってさらに冷却する内部熱交換器１０６とを備えている。
【０００４】
ここで、アキュムレータ１０５は、蒸発器１０４から流れ出る冷媒を気体と液体に分離し、圧縮機１０１へ向けて主にガス冷媒を送出するものであるが、溜まった液冷媒の中には、圧縮機１０１から高圧冷媒とともに吐出されて超臨界冷凍サイクルを循環した圧縮機用の潤滑オイルが含まれる。すなわち、この潤滑オイルは液冷媒に溶けるため、アキュムレータ１０５からガス冷媒のみを圧縮機１０１に戻すとすると、圧縮機１０１の潤滑オイルが不足し、圧縮機１０１が焼き付いて破損してしまうことがある。これを防止するために、アキュムレータ１０５には例えば少量の液冷媒を流出させる小孔が設けられている。
【０００５】
以上の構成において、圧縮機１０１の出口から流れ出た冷媒は、ガスクーラ１０２で冷却された後、内部熱交換器１０６を通過し、膨張装置１０３で減圧されて蒸発器１０４に導入される。この蒸発器１０４を通過することにより蒸発した冷媒は、アキュムレータ１０５に導入される。このとき、蒸発器１０４に導入された全ての冷媒が蒸発するわけではないため、蒸発器１０４を通過した冷媒は、アキュムレータ１０５の内部で一旦液冷媒とガス冷媒に分離される。アキュムレータ１０５は、その出口側配管から圧縮機１０１へ向けて主にガス冷媒を送出するが、上記冷媒配管の底の部分には上述した小孔が設けられており、この冷媒配管の流路断面の大きさに対する小孔の大きさの比率により、液冷媒の流出量が決まる。アキュムレータ１０５から送出された冷媒は、内部熱交換器１０６でガスクーラ１０２から送出された冷媒と熱交換をして圧縮機１０１に導入される。
【特許文献１】特開２００１−２０１２１３号公報（段落〔０００２〕，〔００１８〕〜〔００２７〕等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のような超臨界冷凍サイクルにおいては、アキュムレータ１０５の冷媒配管の流路断面の大きさに対する小孔の大きさの比率により、アキュムレータ１０５から送出される冷媒の乾き度が決まり、小孔が大きくなると液分が増えることになる。通常、内部熱交換器１０６によって熱交換がなされるため、圧縮機１０１の入口は過熱蒸気の状態になる。
【０００７】
ところで、二酸化炭素を用いた上記超臨界冷凍サイクルでは、フロンを用いた冷凍サイクルとは異なり、高圧側で冷媒が凝縮しないため、ガスクーラ１０２において効率よく冷媒を冷却するためには、これを冷却する空気などとの温度差を大きくしたほうがよい。つまり、ガスクーラ１０２に流入する冷媒の温度を極力高くしたほうがよい。これについては、圧縮機１０１の入口の冷媒の過熱度を大きくすることにより、圧縮機１０１の出口の温度を高くすることができる。
【０００８】
この場合、冷媒の温度が高くなりすぎると、圧縮機１０１の潤滑オイルが高温のために劣化してしまうといった問題が生じる。そこで、従来は、可変容量圧縮機用制御弁などを用いて圧縮機１０１の吐出圧力が高くなりすぎないように制御し、圧縮機１０１の出口温度が高くなりすぎないようにしていた。
【０００９】
しかしながら、圧縮機１０１の吐出圧力を低下させると、これに伴って圧縮機１０１の吸引力が低下するため、その吸入圧力が高くなる。その結果、蒸発器１０４を通過する冷媒の蒸発温度が高くなり、冷凍能力が低下するといった別の問題が発生する。なお、このような問題は、超臨界冷凍サイクルにおいて特に顕著にみられるが、フロン等を用いた通常の冷凍サイクルにおいても発生し得る。
【００１０】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、冷凍能力を低下させることなく、成績係数を向上させることができる冷凍サイクルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明では上記問題を解決するために、潤滑オイルが含まれた冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒を冷却する外部熱交換器と、前記外部熱交換器から送出された冷媒を減圧する膨張装置と、前記膨張装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から送出された冷媒を気液分離して溜めておくアキュムレータと、前記アキュムレータから前記圧縮機に送られる冷媒と、前記外部熱交換器から前記膨張装置に送られる冷媒との熱交換を行う内部熱交換器と、を備えた冷凍サイクルにおいて、前記アキュムレータは、前記蒸発器から送出された冷媒を収容するタンクと、前記タンク内に収容された本体を有し、前記本体の一端が前記タンク内の気相部に開口するとともに、前記本体の他端が前記タンクを貫通して前記内部熱交換器側につながり、さらに前記本体に前記タンク内の液相部に連通する所定の大きさの弁孔が形成された内部配管と、前記タンクに一体形成されたボディと、前記ボディの内部に前記弁孔に対して接離可能に配置されて、前記弁孔を開閉する弁部を形成する弁体と、前記弁体を前記弁部の閉弁方向又は開弁方向に駆動して、前記液相部の液冷媒が前記弁孔を介して前記内部配管内へ流出する流量を制御する制御手段とを有する制御弁と、を備えたことを特徴とする冷凍サイクルが提供される。
【００１２】
このような冷凍サイクルにおいては、蒸発器からアキュムレータに導入された冷媒は、タンク内で気液分離され、その気相部の冷媒（ガス冷媒）が内部配管を通って圧縮機側に導出される。その際、液相部の液冷媒の一部が弁孔を介して内部配管に送出されて気相部の冷媒と混同されて導出される。このため、液冷媒に含まれる潤滑オイルの少なくとも一部を圧縮機へ戻すことができる。
【００１３】
また、アキュムレータのタンクに制御弁が一体形成されており、その制御弁により弁部の開度を制御することができるため、内部配管でガス冷媒に混同される液冷媒の割合を調整することができ、圧縮機側へ適切な量の潤滑オイルを送出することができる。このとき、弁孔から流出させる液冷媒の流量を潤滑オイルの必要量を確保した状態で少なくすることにより、アキュムレータから送出される冷媒の乾き度を高くすることができ、内部熱交換器を通過して圧縮機に導入される冷媒の過熱度を大きくすることができる。
【００１４】
すなわち、制御手段が、圧縮機から吐出される冷媒の温度が、潤滑オイルが劣化しない温度範囲の上限温度近傍となり、かつ、圧縮機の焼き付きを防止できる予め設定した流量の液冷媒を内部配管に送出できるように、弁体を駆動制御するように構成すれば、冷凍サイクルの成績係数を最大限に向上させることができる。また、この成績係数の向上は、上記のようにアキュムレータから送出される冷媒の乾き度を高くすることにより実現でき、圧縮機の吐出冷媒の圧力を低下させなくてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の冷凍サイクルによれば、アキュムレータに一体形成された制御弁によって内部配管でガス冷媒に混合する液冷媒の流量を調整することができ、潤滑オイルの必要量を確保した状態でアキュムレータから送出される冷媒の乾き度を高くすることができる。その結果、圧縮機に導入される冷媒の過熱度を大きくすることができ、冷凍サイクルの成績係数を向上させることができる。その際、圧縮機の吐出冷媒の圧力を低下させなくてもよいため、冷凍能力を低下させないでこれを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
本実施の形態は、本発明の冷凍サイクルを自動車用空調装置に適用したものであり、二酸化炭素を冷媒として用いる超臨界冷凍サイクルとして構成されている。図１は、本実施の形態に係る冷凍サイクルを表すシステム構成図である。
【００１７】
本実施の形態の冷凍サイクルは、自動車のエンジンによって回転駆動され、冷媒を超臨界域まで圧縮する圧縮機１と、圧縮機１から吐出された冷媒を冷却するガスクーラ２（外部熱交換器）と、ガスクーラ２から送出された冷媒を減圧する膨張装置３と、膨張装置３を通過して減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器４と、蒸発器４から送出された冷媒を気液分離して溜めておくアキュムレータ５と、アキュムレータ５から圧縮機１に送られる冷媒と、ガスクーラ２から膨張装置３に送られる冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器６と、冷凍サイクルの動作状態に応じてアキュムレータ５の後述する制御弁（冷媒送出手段））を制御する演算制御部７（制御手段、液冷媒流出制御手段）とを備えている。
【００１８】
圧縮機１の内部には、潤滑用のオイル（潤滑オイル）が循環しているが、この潤滑オイルの一部は、冷媒の吐出時に高圧冷媒とともに押し出されて冷凍サイクルを循環する。
膨張装置３は、流路断面が固定されたオリフィス（絞り流路）として構成されている。
【００１９】
アキュムレータ５には、その液相部に混入した潤滑オイルを圧縮機１側に戻すための機構が設けられている。
内部熱交換器６においては、ガスクーラ２から蒸発器４に向かって流れる冷媒が、アキュムレータ５から圧縮機１に向かって流れる冷媒によって冷却される一方、アキュムレータ５から圧縮機１に向かって流れる冷媒が、ガスクーラ２から蒸発器４に向かって流れる冷媒によって加熱される。その結果、この冷凍サイクルの冷凍能力を向上させることができる。
【００２０】
次に、アキュムレータ５の構成について詳細に説明する。図２は、アキュムレータ５の構成を表す断面図である。
図２に示すように、アキュムレータ５は、蒸発器４から送出された冷媒を収容するタンク１０と、タンク１０内に収容されて気液分離されたガス冷媒を圧縮機１へ導くＵ字管２０（内部配管）と、タンク１０内の液冷媒の一部をＵ字管２０へ流出させる際の液冷媒の流量を制御する制御弁３０とから構成されている。
【００２１】
タンク１０は、その上部に蒸発器４につながる図示しない配管が接続される入口ポート１１が外部に延出して設けられており、その上端面には、Ｕ字管２０の一端を貫通させる穴１２が形成されている。また、タンク１０の下端部中央には開口部１３が設けられており、制御弁３０がそのボディ３１を嵌合させて固定されている。このタンク１０は、その内部上下に、それぞれガス冷媒が溜められた気相部１４と、液冷媒が溜められた液相部１５とを有している。さらに、タンク１０の上端壁から下方に所定長さ垂下するように、邪魔板１６が設けられている。
【００２２】
Ｕ字管２０は、Ｕ字状に湾曲した本体２１を有し、その本体２１の一端部２２がタンク１０内上部の気相部１４に開口するとともに、本体２１の他端部２３がタンク１０上部の穴１２を貫通して内部熱交換器６側につながっている。この一端部２２の開口端は、邪魔板１６により囲まれており、入口ポート１１から流入した気液混合状態の冷媒を直接吸引することがないようになっている。また、本体２１の下端中央部には、タンク１０内の液相部１５に連通する連通孔２４が形成されている。さらに、本体２１の連通孔２４の近傍には、タンク１０の液相部１５とＵ字管２０の内部を連通させて、連通孔２４が閉じられていても圧縮機１の焼き付きを防止できる最低流量の液冷媒を流出させるための冷媒通路２５が形成されている。なお、この最低流量については、冷凍サイクルにおける冷媒の流量特性等から予め適切な値が設定される。
【００２３】
制御弁３０は、タンク１０に一体形成されたボディ３１と、ボディ３１の内部に配置された弁体３２と、弁体３２を駆動制御するソレノイド３３とを備えている。
ボディ３１は、その上端部に縮径部３４を有し、下端部に半径方向外向きに延出するフランジ部３５を有する段付筒形状をなし、その縮径部３４がタンク１０の開口部１３に圧入されて固定されている。この縮径部３４と開口部１３との間には、シール用のＯリング５１が介装されており、タンク１０内の液冷媒が外部に流出するのを防止している。また、縮径部３４の先端面からは、弁体３２と同軸状に筒状の冷媒通路形成部３６が突出して設けられている。この冷媒通路形成部３６は、Ｕ字管２０の連通孔２４に内嵌されており、弁体３２が着脱可能な弁座３７が一体に形成されている。そして、この弁座３７を規定するとともにＵ字管２０の本体２１内部に連通する部分が弁孔を構成している。また、冷媒通路形成部３６の側部には、内部をタンク１０の液相部１５と連通させる連通孔３８が形成されており、弁体３２及び弁座３７からなる弁部が開弁しているときには、液相部１５の液冷媒の一部が連通孔３８を介してＵ字管２０の本体２１内部に流出できるようになっている。
【００２４】
ソレノイド３３は、弁体３２に一体的に形成されたプランジャ４１と、プランジャ４１の下方に同軸状に配置されたコア４２と、外部からの供給電流によりプランジャ４１及びコア４２を含む磁気回路を生成する電磁コイル４３と、この電磁コイル４３を覆うように配置され、ソレノイド３３のケースを構成する円筒状のヨーク４４とを備えている。
【００２５】
ヨーク４４は、その一端部がボディ３１のフランジ部３５に対して覆い被さるように加締められて固定されている。電磁コイル４３は、円筒状のボビン４５に巻回されており、そのボビン４５の下半部にコア４２が配設されている。コア４２は、その下端部がボビン４５の下端部に圧入されている。
【００２６】
また、ボビン４５とボディ３１との間には、中央に円孔を有する円板状の金属製のプレート４６が配設され、ボビン４５及びプレート４６の内側には、ボディ３１の下端部からコア４２の上半部にかけて延びる非磁性体からなるスリーブ４７が取り付けられている。このスリーブ４７とボディ３１との間には、シール用のＯリング５２が介装されており、タンク１０内の液冷媒が外部に流出するのを防止している。
【００２７】
これらソレノイド３３の各内部構成部品は、ヨーク４４の他端部が内径方向に加締められることによりヨーク４４の内部に収容された状態で固定されている。
プランジャ４１は、スリーブ４７の内径よりやや小さな外径を有する円柱状の本体を備え、その下端部中央に所定深さの円形の収容溝が凹設されており、この収容溝には、プランジャ４１とコア４２との間に介装されてプランジャ４１をコア４２と離間する方向に付勢する圧縮コイルスプリング４８が収容されている。プランジャ４１の上端面からは、長尺状の弁体３２が上方に向かって延出しており、プランジャ４１の下端部は、下方に向かって外方に傾斜するテーパ状に形成されている。
【００２８】
コア４２は、円柱状の本体を有し、その上端部がプランジャ４１のテーパ部と相補形状となっており、その先端面に圧縮コイルスプリング４８の端部が支持されている。
以上の構成において、プランジャ４１，コア４２，ヨーク４４，プレート４６等によって電磁コイル４３を取り囲むソレノイド３３の磁気回路が構成されている。そして、上記演算制御部７によって電磁コイル４３への通電制御が行われる。
【００２９】
すなわち、電磁コイル４３が非通電であり、ソレノイド３３が駆動していないときには、圧縮コイルスプリング４８の付勢力により弁体３２が弁座３７に着座しており、液相部１５内の液冷媒は、その予め設定された最低流量が冷媒通路２５を介してＵ字管２０の内部に流出してガス冷媒と混合され、アキュムレータ５の外部へ送出される。ここでの最低流量は、圧縮機１に必要とされる潤滑オイルの量に基づいて設定される。これにより、圧縮機１がアキュムレータ５によって分離されたガス冷媒を吸引するときには、潤滑オイルが圧縮機１に供給されることになり、潤滑オイルが枯渇することによる圧縮機１の焼き付きを防止することができる。
【００３０】
一方、電磁コイル４３に通電されて、ソレノイド３３が駆動したときには、プランジャ４１がコア４２側に吸引され、弁体３２が弁座３７からリフトして弁部が開弁状態となる。この弁部の開度は、電磁コイル４３に供給された電流値にほぼ比例する。このため、液相部１５内の液冷媒は、上述のように冷媒通路２５を介してＵ字管２０の内部に流出するとともに、弁部の弁孔を介して電流値に比例した流量が流出する。この両液冷媒は、Ｕ字管２０内を流れるガス冷媒と混合され、アキュムレータ５の外部へ送出される。
【００３１】
次に、以上の構成の冷凍サイクルの動作について説明する。図３は、この冷凍サイクルの動作を示すモリエル線図である。同図においては横軸がエンタルピを表し、縦軸が冷媒の圧力を表している。図中のＡ点〜Ｇ点は図１のＡ点〜Ｇ点の位置に対応しており、冷凍サイクルを循環する冷媒について、Ａ点が圧縮機１の吐出口の状態を表し、Ｂ点がガスクーラ２の出口の状態を、Ｃ点が膨張装置３の入口の状態を、Ｄ点が膨張装置３の出口の状態を、Ｅ点がアキュムレータ５の入口の状態を、Ｆ点がアキュムレータ５の出口の状態を、Ｇ点が圧縮機１の吸入口の状態を、それぞれ表している。また、同図において、本実施の冷凍サイクルの動作が実線で示され、その比較例として、従来の冷凍サイクルの動作例が点線で示されている。
【００３２】
図３に示すように、冷凍サイクルは、モリエル線図のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｇで示される線に沿って作動する。この冷凍サイクルの冷媒は、圧縮機１により昇圧されて高温・高圧となって吐出される（Ｇ→Ａ）。このとき吐出された気相状態の冷媒は、ガスクーラ２にて冷却され（Ａ→Ｂ）、さらに内部熱交換器６で熱交換されて冷却される（Ｂ→Ｃ）。このとき冷却された冷媒は、膨張装置３を通過することによって、断熱膨張されて低温・低圧の気液二相状態となり（Ｃ→Ｄ）、蒸発器４を通過する際に蒸発される（Ｄ→Ｅ）。この冷媒が蒸発するときに、車室内の空気から蒸発潜熱を奪って車室内の空気を冷却する。なお、二酸化炭素の場合は、ガスクーラ２による冷却の際に、圧力が飽和液線と交差しないため、ガスクーラ出口では冷媒は凝縮せずに気相のままであり、膨張装置による減圧の際に、圧力が飽和液線を下回るときから、気相状態から気液二相状態に相変化する。
【００３３】
そして、蒸発器４を通過した気液二相状態の冷媒は、アキュムレータ５で気液分離されて主にガス冷媒が送出されるが、液冷媒に含まれる潤滑オイルを圧縮機１側に戻すために、上述したように液冷媒の一部がガス冷媒に混合されて導出される（Ｅ→Ｆ）。このため、アキュムレータ５からは所定の乾き度を有する気液二相状態の冷媒が送出される。この冷媒は、さらに内部熱交換器６を通過することで熱交換されて加熱され、飽和蒸気線を越えて所定の過熱度になるように制御される（Ｆ→Ｇ）。そして、過熱度が制御された冷媒は、圧縮機１に入り、ここで再び昇圧されてＧ点からＡ点の状態に遷移する。
【００３４】
ここで、本実施の形態における冷凍サイクルの制御方法について、図３に基づいて説明する。
この冷凍サイクルでは、上述したように、制御弁３０によって弁部の開度を制御することにより、アキュムレータ５の乾き度を調整することができる。すなわち、この弁開度の制御により図３のモリエル線図に示されるＦ点の位置をＤ−Ｇ間で動かすことができるため、これを利用して冷凍サイクルの成績係数を向上させる。
【００３５】
なお、成績係数は、蒸発器４で吸熱するために圧縮機１でどれだけの仕事が要るかを示す効率であり、これを成績係数ＣＯＰとすると、圧縮機１のエンタルピ差（ｈＡ−ｈＧ）、蒸発器４のエンタルピ差（ｈＧ−ｈＤ）を用いて下記式（１）のように表される。
【００３６】
ＣＯＰ＝（ｈＧ−ｈＤ）／（ｈＡ−ｈＧ）  ・・・（１）
上記式（１）の分子が大きくなることによって成績係数が向上する。成績係数が向上することにより、所要の冷力を得るのにより少ない動力で済むため、自動車用空調装置に対するエンジンの負荷が小さくなり、省エネルギ運転が期待できる。
【００３７】
本実施の形態では、演算制御部７により制御弁３０の弁開度を制御して、Ｆ点の位置をエンタルピが大きくなる側（図の右側）に調整することにより、圧縮機１から吐出される冷媒の温度が、潤滑オイルが劣化しない温度範囲の上限温度（本実施の形態では１５０℃）近傍となるようにする。この調整は、図１に示した圧縮機１の吐出口の温度Ｔｄを検出することにより行う。すなわち、Ｆ点を右側に移動させてアキュムレータ５を通過した際の乾き度を大きくすることにより、圧縮機１の吸入口における過熱度を大きくし、Ｇ点を相対的に右側に（Ｇ’点からＧ点に）移動させる。このとき、圧縮機１では、冷媒圧力がほぼ等エントロピ線に沿って上昇するため、Ａ点も相対的に右側に（Ａ’点よりも右側のＡ点に）移動するが、圧縮機１のエンタルピ差（ｈＡ−ｈＧ）にはほとんど変化がない。
【００３８】
一方、内部熱交換器６での熱交換では外部からのエネルギーの出入りがないため、Ｆ−Ｇ間のエンタルピ差とＢ−Ｃ間のエンタルピ差とが等しくなるが、Ｃ’−Ｃ間の温度上昇がＡ’−Ａ間の温度上昇よりも小さくなるため、Ｃ点の右側への移動量がＡ点の右側への移動量よりも小さくなる。このため、Ｄ点の右側への移動量がＧ点の右側への移動量よりも小さくなり、蒸発器４のエンタルピ差（ｈＧ−ｈＤ）が相対的に大きくなる。
【００３９】
その結果、上記式（１）により、本実施の形態の冷凍サイクルは、モリエル線図のＡ’−Ｃ’−Ｄ’−Ｇ’で示される線に沿って作動する比較例の冷凍サイクルよりも成績係数が向上する。また、この成績係数の向上は、アキュムレータ５が送出する冷媒の乾き度、つまり図のＦ点の操作により実現されるため、圧縮機１の吐出冷媒の圧力（Ａ点）を低下させなくてもよいため、冷凍能力を低下させないでこれを実現することができる。
【００４０】
以上に説明したように、本実施の形態の冷凍サイクルによれば、アキュムレータ５に一体形成された制御弁３０によってＵ字管２０でガス冷媒に混合する液冷媒の流量を調整することができ、潤滑オイルの必要量を確保した状態でアキュムレータ５から送出される冷媒の乾き度を高くすることができる。その結果、圧縮機１に導入される冷媒の過熱度を大きくすることができ、冷凍サイクルの成績係数を向上させることができる。その際、圧縮機１の吐出冷媒の圧力を低下させなくてもよいため、冷凍能力を低下させないでこれを実現することができる。
【００４１】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はその特定の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の精神の範囲内での変化変形が可能であることはいうまでもない。
【００４２】
例えば、上記実施の形態では、制御弁３０をソレノイド３３駆動の電磁弁として構成し、その弁部の開度が電磁コイル４３に供給される電流値に比例して可変制御される例を示したが、ソレノイド３３への通電をオン・オフして弁部を開閉させることにより、Ｕ字管２０内へ流出する流量を制御するようにしてもよい。また、制御弁を、例えばステッピングモータにより弁部が開閉制御されるように構成してもよいし、ばね等を含む内部の機械的構成と冷媒圧力により弁体が駆動されるいわゆる機械式の制御弁として構成してもよい。
【００４３】
また、上記実施の形態では、膨張装置３を流路断面が固定されたオリフィスとして構成した例を示したが、内部に弁機構を有する膨張弁として構成してもよい。この場合、制御弁３０を機械式の制御弁として安価に構成し、その弁部の前後差圧をこの膨張弁により微調整する方法をとることもできる。しかし、膨張装置３にて取り扱う冷媒の前後差圧は、現状では３０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ2となるのが一般的であるのに対し、制御弁３０にて取り扱う冷媒の前後差圧は、例えば水柱約１０ｃｍとして計算しても、約１／１０００ｋｇｆ／ｃｍ2となり、かなり小さい。このため、膨張装置３の電気的制御によって制御弁３０の開度を制御するよりも、制御弁３０自体を電気的に制御する方が容易であり、しかも、簡素な構造でこれを実現することができる。従って、上記実施の形態のように、膨張装置３を安価なオリフィスとして構成し、制御弁３０を電磁弁として構成すると、本発明の冷凍サイクルを極めて低コストに実現することができる。
【００４４】
また、上記実施の形態では、本発明の冷凍サイクルを、二酸化炭素を冷媒とし、膨張装置３にて減圧される前の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルとして構成した例を示したが、二酸化炭素以外の冷媒を用いて超臨界冷凍サイクルとしてもよい。また、超臨界冷凍サイクルではなく、フロン等を冷媒とし、膨張装置３にて減圧される前の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力よりも小さくなる冷凍サイクルとして構成することも可能である。しかし、この場合、図３に示したＡ−Ｃ間の温度変化がほとんどないため、アキュムレータ５の弁開度を制御することによる成績係数の向上の程度は、上記実施の形態に比べて小さくなるものと思われる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態に係る冷凍サイクルを表すシステム構成図である。
【図２】アキュムレータの構成を表す断面図である。
【図３】冷凍サイクルの動作を示すモリエル線図である。
【図４】従来の超臨界冷凍サイクルのシステム構成図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  圧縮機
２  ガスクーラ
３  膨張装置
４  蒸発器
５  アキュムレータ
６  内部熱交換器
７  演算制御部
１０  タンク
１１  入口ポート
１４  気相部
１５  液相部
１６  邪魔板
２０  Ｕ字管
２１  本体
２４  連通孔
２５  冷媒通路
３０  制御弁
３１  ボディ
３２  弁体
３３  ソレノイド
３６  冷媒通路形成部
３７  弁座
３８  連通孔
４１  プランジャ
４２  コア
４３  電磁コイル
【図１】
2005337592.tif 000003
【図２】
2005337592.tif 000004
【図３】
2005337592.tif 000005
【図４】
2005337592.tif 000006