(57)【要約】【課題】  圧縮機の吐出冷媒温度の上昇を防止する構成を構築するあたり、内部熱交換器の圧損の増加を防ぎ、また、必要となるコンポーネントの小型化、軽量化、低コスト化を図ることが可能な冷凍サイクルを提供する。【解決手段】  冷媒を昇圧する圧縮機２と、圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器３と、放熱器３により冷却された冷媒を減圧する膨張装置４と、膨張装置４で減圧された冷媒を蒸発する蒸発器５と、蒸発器５を経た冷媒を気液分離すると共に冷媒中のオイルを分離するアキュムレータ６と、アキュムレータ６から圧縮機２へ導かれる低圧冷媒と放熱器３から膨張装置４へ導かれる高圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器７とを具備する冷凍サイクル１において、アキュムレータ６内の液冷媒又はオイルを内部熱交換器７を迂回させて該内部熱交換器７と圧縮機２との間に回収可能とする回収通路１０と、この回収通路１０を介して回収される量を調節する調整弁１１とを設ける。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を昇圧する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、前記放熱器により冷却された冷媒を減圧する膨張装置と、前記膨張装置で減圧された冷媒を蒸発する蒸発器と、前記蒸発器を経た冷媒を気液分離すると共に冷媒中のオイルを分離するアキュムレータと、前記アキュムレータから前記圧縮機へ導かれる低圧冷媒と前記放熱器から前記膨張装置へ導かれる高圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器とを有する冷凍サイクルにおいて、
前記アキュムレータ内の液冷媒又はオイルを前記内部熱交換器を迂回させて該内部熱交換器と圧縮機との間に回収可能とする回収通路と、
この回収通路を介して回収される前記液冷媒又はオイルの量を調節可能とする調整弁とを設けたことを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項２】
前記圧縮機の吐出冷媒温度を検知する吐出冷媒温度センサと、
前記吐出冷媒温度センサによって検出された吐出冷媒温度に応じて前記調整弁を制御する制御手段とを具備す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】
外気温、サイクル内の圧力、室内温度等に基づき、サイクル負荷が高く吐出温度が高くなると予測される場合に前記調整弁を制御する制御手段を具備す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４】
前記アキュムレータに前記内部熱交換器と前記調整弁とを内蔵させたことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
【請求項５】
前記冷凍サイクルは、二酸化炭素を冷媒とする超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルである請求項７記載の冷凍サイクル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、二酸化炭素（ＣＯ2 ) などの超臨界流体が冷媒として用いられる冷凍サイクルに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の冷凍サイクルにおいては、圧縮機から吐出する冷媒の温度が高負荷時において非常に高くなるので、冷凍サイクルを構成する各部材の耐久性を著しく損なう恐れがある。特に、ゴム材や樹脂材にあっては、耐久性を確保できる許容温度が他の部材に比べて低いことから、高負荷時になると、吐出冷媒温度がこの許容温度を上回り、破損するなどの恐れが生じる。
【０００３】
また、二酸化炭素などを冷媒とする超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいては、冷房能力を増大させる目的や圧縮機による液圧縮を防止する目的で放熱器を経た高圧冷媒と圧縮機へ吸入される低圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器が設けられる。
【０００４】
このため、従来においては、特許文献１に示されるように、アキュムレータで分離された液冷媒やオイルを内部熱交換器の入口側に回収し、圧縮機の吸入冷媒の過熱度が過昇するのを抑えるようにしたものや、特許文献２及び３に示されるように、アキュムレータ内のガス冷媒を内部熱交換器の出口側と圧縮機の吸入側との間に回収するもの等が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−２２８２８２号公報
【特許文献２】特開平１１−１９３９６７号公報
【特許文献３】特開平１１−２０１５６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の構成にあっては、エバポレータで吸熱された冷媒にアキュムレータ内の冷えた液冷媒やオイルが混合されるので、圧縮機の吸入冷媒温度を低下させ、引いては圧縮機の吐出冷媒温度を低下させることが可能となるが、液冷媒やオイルは内部熱交換器を通過することになるので、内部熱交換器での圧力損失が増加するという不都合がある。
【０００６】
また、特許文献２及び３の構成にあっては、アキュムレータ内のガス冷媒を内部熱交換器を迂回させて供給し、内部熱交換器から流出したガス冷媒と混合させるようにしているので、ガス冷媒を効果的に回収するためには、迂回通路の配管径や回収量を調節する調整弁を大きくしなければならず、小型化、軽量化、及び低コスト化の要請に反するものであった。
【０００７】
そこで、この発明においては、圧縮機の吐出冷媒温度の上昇を防止する構成において、内部熱交換器の圧損の増加を防ぎ、また、かかる構成を構築する上で必要となるコンポーネントの小型化、軽量化、低コスト化を図ることが可能な冷凍サイクルを提供することを主たる課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を達成するために、この発明に係る冷凍サイクルは、冷媒を昇圧する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、前記放熱器により冷却された冷媒を減圧する膨張装置と、前記膨張装置で減圧された冷媒を蒸発する蒸発器と、前記蒸発器を経た冷媒を気液分離すると共に冷媒中のオイルを分離するアキュムレータと、前記アキュムレータから前記圧縮機へ導かれる低圧冷媒と前記放熱器から前記膨張装置へ導かれる高圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器とを有する冷凍サイクルにおいて、前記アキュムレータ内の液冷媒又はオイルを前記内部熱交換器を迂回させて該内部熱交換器と圧縮機との間に回収可能とする回収通路と、この回収通路を介して回収される前記液冷媒又はオイルの量を調節可能とする調整弁とを設けたことを特徴としている（請求項１）。
【０００９】
したがって、アキュムレータ内で分離された液冷媒又はオイルを内部熱交換器と圧縮機との間に回収して内部熱交換器を通過したガス冷媒と混合させるようにしたので、圧縮機に吸入される冷媒温度を下げることが可能となり、引いては圧縮機の吐出冷媒温度を低下させることが可能となる。また、アキュムレータ内で分離された液冷媒又はオイルを内部熱交換器をバイパスさせて内部熱交換器と圧縮機との間に回収するようにしたので、内部熱交換器での圧損を避けることが可能となり、また、回収通路を介して液冷媒やオイルが回収されるので、回収通路の配管径をガス冷媒を通過させる場合よりも小さくすることが可能となり、小型、軽量化を図ることが可能となる。
【００１０】
上述した構成は、圧縮機の吐出冷媒温度を検知する吐出冷媒温度センサと、吐出冷媒温度センサによって検出された吐出冷媒温度に応じて調整弁を制御する制御手段とを設けて具体化してもよく（請求項２）、外気温、サイクル内の圧力、室内温度等に基づき、サイクル負荷が高く吐出温度が高くなると予測される場合に調整弁を制御する制御手段を設けて具体化してもよい（請求項３）。さらに、冷凍サイクルの軽量、小型化、低コストを実現するために、アキュムレータ内部に内部熱交換器と調整弁とを内蔵させるようにしてもよい（請求項４）。
尚、このような上述したサイクル構成は、圧縮機の吐出冷媒温度が高負荷時において非常に高くなる二酸化炭素を冷媒とする超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルに適している（請求項５）。
【発明の効果】
【００１１】
以上述べたように、この発明によれば、アキュムレータから圧縮機へ導かれる低圧冷媒と放熱器から膨張装置へ導かれる高圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備えた冷凍サイクルにおいて、アキュムレータ内の液冷媒又はオイルを回収通路を介して内部熱交換器を迂回させ、内部熱交換器と圧縮機との間に回収可能とし、この回収通路を介して回収される液冷媒又はオイルの量を調整弁によって調節するようにしたので、圧縮機の吸入冷媒温度を下げることが可能となり、引いては吐出冷媒温度を下げることが可能となる。また、内部熱交換器での圧損の増加を避けることができると共に回収通路の配管径をガス冷媒を通過させる場合よりも小さく設定することが可能となるので、調整弁の小型化が図れ、冷凍サイクルの軽量化、小型化、低コスト化を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、この発明の最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１において、冷凍サイクル１は、冷媒を昇圧する圧縮機２と、圧縮機２で圧縮された冷媒を冷却する放熱器３と、放熱器３により冷却された冷媒を減圧する膨張装置４と、膨張装置４で減圧された冷媒を蒸発気化する蒸発器５と、蒸発器５を経た冷媒を気液分離すると共に冷媒中に混在しているオイル（潤滑油）を分離するアキュムレータ６と、アキュムレータ６から圧縮機２へ導かれる低圧冷媒と放熱器３から膨張装置４へ導かれる高圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器７とを有して構成されている。
【００１４】
即ち、冷凍サイクル１は、圧縮機２の吐出側が放熱器３を介して内部熱交換器７の高圧流路７ａに接続され、この高圧流路７ａの流出側が膨張装置４に接続されている。また、膨張装置４の流出側が蒸発器５を介してアキュムレータ６の流入口に接続され、アキュムレータ６の流出口が内部熱交換器７の低圧流路７ｂを介して圧縮機２の吸入側に接続されている。したがって、圧縮機２の吐出側から放熱器３及び高圧流路７ａを介して膨張装置４に至る経路により高圧ライン８が構成され、膨張装置４の流出側から蒸発器５、アキュムレータ６、及び低圧流路７ｂを介して圧縮機２に至る経路により低圧ライン９が構成されている。
【００１５】
上述した冷凍サイクル１は、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ2 ）が用いられており、圧縮機２で昇圧された冷媒は、高温高圧の超臨界圧の冷媒として放熱器３に入り、ここで放熱して冷却される。その後、内部熱交換器７の高圧流路７ａに入り、アキュムレータ６から流出する低温のガス冷媒と熱交換して更に冷却され、液化されることなく膨張装置４へ送られる。そして、この膨張装置４において減圧されて低温低圧の湿り蒸気となり、蒸発器５においてここを通過する空気と熱交換して蒸発気化し、気液が混合する二相冷媒としてアキュムレータ６に流入される。
【００１６】
アキュムレータ６に流入された冷媒は、ここで気液が分離されると共に冷媒中に混在しているオイルが分離され、分離された液冷媒とオイルはアキュムレータ内に残留し、ガス冷媒は内部熱交換器７の低圧流路７ｂに送られ、ここで放熱器３から流出する高温冷媒と熱交換してさらに吸熱し、完全にガス化された状態で圧縮機２へ戻される。
【００１７】
ところで、本構成においては、図２にも示されるように、上述した冷凍サイクル１に対して、一端がアキュムレータ６の底部に開口し、他端が内部熱交換器７の低圧流路７ｂと圧縮機２の吸入側との間に接続された回収通路１０が設けられ、この回収通路１０の開度を電磁弁からなる調整弁１１によって調節するようにしている。
【００１８】
１２は、圧縮機２の吐出冷媒温度Ｔｄを検出する吐出冷媒温度センサであり、この吐出冷媒温度センサ１２から出力される温度信号は、コントロールユニット１３に入力される。このコントロールユニット１３は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読出専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、入出力ポート等を備えると共に調整弁１１を駆動制御する駆動回路を有して構成され、所定の間隔で実行される図３で示す制御ルーチンによって調整弁１１を制御するようにしている。即ち、所定の間隔で吐出冷媒温度Ｔｄを入力し（ステップ５０）、入力された吐出冷媒温度Ｔｄが規定温度以上であるか否かを判定し（ステップ５２）、規定温度以上であると判定された場合には、吐出冷媒温度Ｔｄが大きいほど調整弁１１の開度が大きくなるよう（回収通路１０を介して回収されるオイル又は液冷媒の量が多くなるよう）吐出冷媒温度Ｔｄに応じて調整弁１１の開度を調整している（ステップ５４）。
【００１９】
したがって、アキュムレータ６内で分離されたオイル２０ａは、図２に示されるように、液冷媒２０ｂよりも比重が大きいことから液冷媒２０ｂよりも下方に溜まるので、調整弁１１によって回収通路１０が開状態になると、液冷媒に先駆けて回収通路１０を介して内部熱交換器７と圧縮機２との間に回収される。また、アキュムレータ６内のオイル２０ａが回収された後は、液冷媒２０ｂが回収通路１０を介して内部熱交換器７と圧縮機２との間に回収され、内部熱交換器７を通過したガス冷媒と混合されて圧縮機２へ回収されることとなる。このため、内部熱交換器７を通過した低圧ガス冷媒は、高温の高圧ガス冷媒と熱交換するので温度が高められるが、アキュムレータ６内の冷却されたオイル２０ａ又は液冷媒２０ｂと混合することで再び冷却されることになり、圧縮機２の吸入温度を低下させることが可能となる。
【００２０】
以上のメカニズムを図４のモリエル線図に基づき説明すると、回収通路１０を有しない従来の構成においては、モリエル線図において、Ａ１→Ｂ１→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ａ１と変化するが、本構成においては、回収通路１０を介して回収された低温のオイル２０ａ又は液冷媒２０ｂが内部熱交換器７を通過したガス冷媒と混合することになるので、内部熱交換器７によって一旦増加したエンタルピがＡ１からＡ２に低下することとなる。したがって、本冷凍サイクルにおいては、回収通路１０を介して回収されるオイル１０ａ又は液冷媒１０ｂの有無によって冷凍効果は殆ど変化しないが、圧縮機の吐出側のエンタルピはＢ１からＢ２に低下することになる。よって、上述した構成においては、圧縮機２の吸入冷媒温度を低下させ、引いては圧縮機２の吐出冷媒温度を低下させることが可能となる。
【００２１】
実際に、吐出冷媒温度Ｔｄが高くなる条件でアキュムレータ６からのオイルを内部熱交換器７をバイパスさせて内部熱交換器と圧縮機との間に回収し、吐出冷媒温度の変化をみると、図５に示されるように、オイル回収量が多いほど吐出冷媒温度を低くすることが可能であった。また、その時の冷房能力の変化は、図６に示されるように、オイル回収量に拘わらずほぼ同等に維持されることが確認された。
【００２２】
したがって、上述の構成においては、圧縮機の吐出冷媒温度Ｔｄの上昇によるコンポーネントの破損を防止することが可能となり、また、圧縮機２の吐出冷媒温度を低下させるために、アキュムレータ６内のオイル２０ａ又は液冷媒２０ｂを内部熱交換器７をバイパスさせて回収するようにしたので、内部熱交換器７にオイルや液冷媒が流れることによる圧損の増加を避けることが可能となる。さらに、回収通路１０を介して流れる流体がオイル又は液冷媒であるので、回収通路１０を構成する配管をガス冷媒を流す配管に比べて径を小さくすることが可能となり、また、回収通路１０に設けられる調整弁１１も小型にすることが可能となる。このため、コンポーネントの小型化、軽量化、低コスト化を図ることが可能となる。
【００２３】
尚、上述の構成においては、アキュムレータ６の下部に回収通路１０を接続してアキュムレータ６内のオイル２０ａ又は液冷媒２０ｂを回収するようにしたが、アキュムレータ６内のオイル又は液冷媒を回収する構成としては、上述した構成に限定されず、回収通路１０を構成する配管をアキュムレータ内に挿入し、この挿入された部分に、オイル回収用又は液冷媒回収用の調整弁を設けるようにしてもよい。
【００２４】
また、アキュムレータ６に内部熱交換器７を内蔵させ、オイル又は液冷媒の回収用通路と回収量を調節する調整弁とをアキュムレータの内部に設けるようにしてもよい。このような構成においては、アキュムレータ６の外部に新たな配管を増設する必要がないので、冷凍サイクル１の軽量化、小型化、低コスト化が実現しやすいものとなる。
【００２５】
さらに、上述の構成においては、吐出冷媒温度が所定値以上の場合に回収量を調節するようにしたが、外気温、サイクル内の圧力、室内温度等に基づき、サイクル負荷が高く吐出温度が高くなると予測される場合に前記調整弁を制御して回収量を調節するようにしてもよい。具体的には、室内温度や外気又は放熱器３の入口空気温度が所定温度以上となった場合に回収量を調節するようにしても、蒸発器５の出口空気温度又は低圧ラインの圧力が所定値以上となった場合に回収量を調節するようにしても、空調ユニットの送風量が所定風量以上となった場合に回収量を調節するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明に係る冷凍サイクルの全体構成例を示す図である。
【図２】図２は、図１のアキュムレータと内部熱交換器の付近を示す拡大図である。
【図３】図３は、図１のコントロールユニットによる制御動作例を示すフローチャートである。
【図４】図４は、本冷凍サイクルの作動メカニズムを説明するモリエル線図である。
【図５】図５は、アキュムレータからのオイル回収量と圧縮機の吐出冷媒温度との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、アキュムレータからのオイル回収量と冷凍能力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２７】
１  冷凍サイクル
２  圧縮機
３  放熱器
４  膨張装置
５  蒸発器
６  アキュムレータ
７  内部熱交換器
１０  回収通路
１１  調整弁
１２  吐出冷媒温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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