(57)【要約】【課題】高負荷時での冷媒能力を確保するために内部熱交換器と膨張機とを併用した冷凍サイクルを採用する場合において、比較的熱負荷が低い条件においても良好な冷房効率が得られ、負荷が変動しても冷房効率を最適に維持す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、この圧縮機２で昇圧された冷媒を放熱する放熱器３と、この放熱器３よりも冷媒下流側に配され、冷媒を減圧膨張させて動力を取り出す膨張機４と、この膨張機４で減圧膨張された冷媒を蒸発する蒸発器５と、放熱器３から膨張機４へ導かれる高圧冷媒と蒸発器５から圧縮機２へ導かれる低圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器８とを具備し、内部熱交換器８による高圧冷媒と低圧冷媒との熱交換量を調節可能とする。【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、この圧縮機で昇圧された冷媒を冷却する放熱器と、この放熱器よりも冷媒下流側に配され、冷媒を減圧膨張させて動力を取り出す膨張機と、この膨張機で減圧膨張された冷媒を蒸発する蒸発器と、前記放熱器から前記膨張機へ導かれる高圧冷媒と前記蒸発器から前記圧縮機へ導かれる低圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器とを具備する冷凍サイクルにおいて、
前記内部熱交換器による前記高圧冷媒と前記低圧冷媒との熱交換量を調節可能にしたことを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項２】
前記膨張機を流れる冷媒流量を調節可能にし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３】
前記蒸発器と前記圧縮機との間に前記冷媒を昇圧する補助圧縮機を設け、前記補助圧縮機を前記膨張機で取り出された動力にて駆動させ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】
前記膨張機で取り出された動力を前記圧縮機の動力に利用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５】
前記放熱器から前記膨張機へ至る高圧経路、及び、前記蒸発器から前記圧縮機へ至る低圧経路の少なくとも一方に前記内部熱交換器をバイパスするバイパス通路と、このバイパス通路を流れる冷媒流量を調節するバイパス弁とを設け、前記バイパス弁を制御して前記内部熱交換器による熱交換量を調節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６】
前記膨張機をバイパスするバイパス通路と、このバイパス通路を流れる冷媒流量を調節する減圧弁とを設け、前記減圧弁を制御して前記膨張機を流れる冷媒流量を調節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】
冷媒として二酸化炭素が用いられることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両等に用いられる冷凍サイクルに関する。
【背景技術】
【０００２】
冷媒を昇圧する圧縮機、この昇圧された冷媒を冷却する放熱器、冷却された冷媒を減圧する膨張弁、及びこの減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器を含む冷凍サイクルは、周知のサイクル構成であるが、このような構成においては、膨張弁で冷媒が減圧膨張する際のエネルギーを回収することなく無駄に捨てていたので、サイクルとしては効率が悪いという欠点がある。
【０００３】
そこで、従来においては、冷媒を昇圧する圧縮機と、この圧縮機で昇圧された冷媒を冷却する放熱器と、この放熱器よりも冷媒下流側に配されて冷却された冷媒を減圧膨張させることで動力を取り出す膨張機と、この膨張機の冷媒下流側に配されて冷媒を蒸発させる蒸発器とを有し、膨張機によって冷媒を減圧膨張させてエネルギーを回収し、この回収したエネルギーを冷媒の圧縮に利用する方法が考えられている（特許文献１，２参照）。
このような構成においては、特に冷媒として二酸化炭素を利用する場合に冷房効率の改善効果が大きい。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−６３７０７号公報
【特許文献２】特開２００２−２２２９８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、上述した膨張機を用いた冷凍サイクルにあっては、放熱器から膨張機へ導かれる高圧冷媒と蒸発器から圧縮機へ導かれる低圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を併用しないと、高負荷時においては、内部熱交換器のみを用いた冷凍サイクルに比べて冷房能力が劣ること、及び、膨張機と内部熱交換器とを単に併用しただけでは、熱負荷が比較的低い条件においては、冷房効率が低下することが研究の結果明らかとなった。
【０００６】
即ち、熱負荷が高い場合の冷房能力（Ｑ）と冷房効率（ＣＯＰ）を見ると、図４に示されるように、内部熱交換器と膨張機とを併用した冷凍サイクル（以下、併用サイクルという）においては、内部熱交換器のみを用いた冷凍サイクル（以下、内部熱交換器サイクルという）または膨張機のみを用いた冷凍サイクル（以下、膨張機サイクルという）に比べて冷房能力（Ｑ）も冷房効率（ＣＯＰ）も共に改善されるが、熱負荷が比較的低い場合には、図５に示されるように、併用サイクルの効率が膨張機サイクルの効率よりも劣ってしまう不都合がある。
【０００７】
また、熱負荷が高い場合には、いずれのサイクルも高圧側圧力を高くするほど冷房能力が増加するため、安全上の上限値を超えない範囲で必要冷房能力に応じた高圧側設定圧力を設定しても良いが、熱負荷が比較的低い場合には、冷房効率を最大とする最適な高圧側圧力が存在することから（図５参照）、そのような高圧側圧力となるように（図６に示されるような特性線が得られるように）冷凍サイクルを稼動させることが好ましい。
【０００８】
本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、高負荷時での冷房能力を確保するために内部熱交換器と膨張機とを併用した冷凍サイクルを採用する場合において、比較的熱負荷が低い条件においても良好な冷房効率が得られ、負荷が変動しても冷房効率を最適に制御す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】
【０００９】
上記課題を達成するために、この発明にかかる冷凍サイクルは、冷媒を昇圧する圧縮機と、この圧縮機で昇圧された冷媒を冷却する放熱器と、この放熱器よりも冷媒下流側に配され、冷媒を減圧膨張させて動力を取り出す膨張機と、この膨張機で減圧膨張された冷媒を蒸発する蒸発器と、前記放熱器から前記膨張機へ導かれる高圧冷媒と前記蒸発器から前記圧縮機へ導かれる低圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器とを具備し、前記内部熱交換器による前記高圧冷媒と前記低圧冷媒との熱交換量を調節可能にしたことを特徴としている（請求項１）。
【００１０】
前述した如く、高負荷以外の条件では、膨張機サイクルの効率が併用サイクルの効率よりも良くなる。このような条件下では、むしろ内部熱交換器による熱交換能力を落とす方が冷房効率がよくなるといえる。このため、内部熱交換器による高圧冷媒と低圧冷媒との熱交換量を調節することで、冷房効率を膨張サイクルの冷房効率に近づくように改善させることが可能となり、高負荷時での良好な冷房能力を確保しつつ、高負荷時以外の条件でも良好な冷房効率を得ることが可能となる。
【００１１】
また、上述の構成においては、膨張機を流れる冷媒量を調節可能にしてもよい（請求項２）。このような構成においては、膨張機で取り出される動力を冷媒の昇圧に利用する場合において、膨張機で取り出される動力を調節することで高圧側圧力を調節することが可能となるので、サイクルの冷房効率を最適値に調節することが可能となる。
ここで、最大冷房効率が得られる高圧側圧力は熱負荷との関係で決定されることから、膨張機で回収できる動力、即ち、膨張機を流れる冷媒流量を熱負荷に応じて調節することで意図した高圧圧力に調節することが好ましい。
【００１２】
尚、膨張機で取り出された動力を利用する方法としては、蒸発器と前記圧縮機との間に冷媒を昇圧する補助圧縮機を設け、この補助圧縮機を膨張機で取り出された動力にて駆動させ、圧縮機に送られる冷媒を補助圧縮機で予圧するようにしても（請求項３）、膨張機で取り出された動力を圧縮機の動力に直接利用するようにしてもよい（請求項４）。
【００１３】
さらに、内部熱交換器による高圧冷媒と低圧冷媒との熱交換量を調節する構成としては、放熱器から膨張機へ至る高圧経路、及び、蒸発器から圧縮機へ至る低圧経路の少なくとも一方に内部熱交換器をバイパスするバイパス通路と、このバイパス通路を流れる冷媒流量を調節するバイパス弁とを設け、バイパス弁によってバイパス通路を流れる冷媒流量を調節することで内部熱交換器による熱交換量を調節するようにしてもよい（請求項５）。また、膨張機を流れる冷媒量を調節する構成としては、膨張機をバイパスするバイパス通路と、このバイパス通路を流れる冷媒流量を調節する減圧弁とを設け、減圧弁によってバイパス通路を流れる冷媒流量を調節することで膨張機を流れる冷媒量を調節によるようにしてもよい（請求項６）。
【００１４】
以上の構成は、特に冷媒としては、二酸化炭素などの超臨界流体を用いた場合に効果的である（請求項７）。
【発明の効果】
【００１５】
以上述べたように、本発明によれば、膨張機と内部熱交換器とを併用する冷凍サイクルにおいて、内部熱交換器による高圧冷媒と低圧冷媒との熱交換量を調節可能としたので、高負荷時での冷房能力を確保できると共に、比較的熱負荷が低い条件でも良好な冷房効率が得られ、負荷変動に拘わらず効率を最適に維持することが可能となる。
また、膨張機を流れる冷媒流量を調節可能にすることで冷凍サイクルの高圧側圧力を調節し、冷房効率を最適値に調節することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本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。
【００１７】
図１において、車両に搭載される本発明に係る冷凍サイクル１の構成例が示され、この冷凍サイクル１は、冷媒として超臨界流体を代表する二酸化炭素が用いられ、冷媒を圧縮する圧縮機２と、この圧縮機２で圧縮された冷媒を冷却する放熱器３と、放熱器３の冷媒下流側に配された膨張機４と、膨張機４で減圧された冷媒を蒸発する蒸発器５と、蒸発器５の冷媒下流側に配された補助圧縮機６と、蒸発器５と補助圧縮機６との間に配されたアキュムレータ７と、放熱器３から膨張機４へ導かれる高圧冷媒と蒸発器５から圧縮機２へ導かれる低圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器８とを配管接続して構成されている。
【００１８】
圧縮機２は、エンジン又はモータを駆動源として駆動するようになっており、膨張機４と補助圧縮機６とは、それぞれの内部に図示しない羽根車が収納され、これら羽根車を同一の軸１０に固装して同時に回転できるようにしている。
【００１９】
さらに、この冷凍サイクル１においては、放熱器３から膨張機４へ至る高圧経路１１、及び、蒸発器５から圧縮機２へ至る低圧経路１２の少なくとも一方、この例では、補助圧縮機６から圧縮機２へ至る低圧経路１２に、内部熱交換器８をバイパスするバイパス通路１３とこのバイパス通路１３を流れる冷媒流量を調節するバイパス弁１４とが設けられ、内部熱交換器８での熱交換量をバイパス弁１４の開度を制御することによって調節するようにしている。
【００２０】
また、膨張機４をバイパスするバイパス通路１５と、このバイパス通路１５を流れる冷媒流量を調節する減圧弁１６とが設けられ、減圧弁１６の開度を制御することにより膨張機４を流れる冷媒流量、即ち、膨張機４で取り出すことができる動力を調節するようにしている。
【００２１】
上述の構成において、圧縮機２によって圧縮された冷媒は、高温高圧のガス状冷媒として放熱器３に入り、ここで放熱器３を通過する空気と熱交換して冷却される。この冷却された冷媒は、内部熱交換器８において低圧側冷媒とさらに熱交換して冷却され、しかる後に膨張機４に送られてここで一気に断熱膨張して低温低圧の湿り蒸気となり、その際に生じるエネルギーによって膨張機４の羽根車を回転させる。これにより、膨張機は、冷媒が断熱膨張する際のエネルギーを羽根車を回転させる動力として取り出す。この膨張機４を介して蒸発器５へ送られる冷媒は、蒸発器５を通過する空気と熱交換して吸熱し、ガス状冷媒としてアキュムレータ７を介して補助圧縮機６へ送られる。この補助圧縮機６の羽根車は膨張機４の羽根車と同軸上に配され、膨張機４によって得られた動力によって回転していることから、膨張機４で取り出された動力が補助圧縮機６において冷媒を予圧する仕事に変換され、冷媒は幾分昇圧した状態で内部熱交換器８へ送られる。そして、この内部熱交換器８で高圧側冷媒と熱交換してさらに吸熱し、完全なガス状冷媒として圧縮機２へ戻され、再び圧縮される。
【００２２】
このような冷凍サイクル１において、膨張機４をバイパスするバイパス通路１５を流れる冷媒流量を調節するための減圧弁１６、及び内部熱交換器８をバイパスするバイパス通路１３を流れる冷媒流量を調節するためのバイパス弁１４は、コントロールユニット２０からの制御信号に基づいて開度制御される。
【００２３】
このコントロールユニット２０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減圧弁１６やバイパス弁１４を駆動制御する駆動回路を有して構成され、高圧側圧力を検出する高圧圧力センサ２１、低圧側圧力を検出する低圧圧力センサ２２、放熱器出口冷媒温度を検出する放熱器出口温度センサ２３、外気温度を検出する外気温度センサ２４、圧縮機の吐出冷媒温度を検出する吐出温度センサ２５等からの信号が入力され、ＲＯＭやＲＡＭに与えられた所定のプログラムにしたがってこれら入力信号を処理し、減圧弁１６やバイパス弁１４の開度などが制御されるようになっている。
【００２４】
図２において、前記コントロールユニット２０による冷凍サイクル１の制御動作例がフローチャートとして示され、以下において、このフローチャートに基づいて説明する。
【００２５】
コントロールユニット２０は、所定の初期設定処理などを経た後に、この制御ルーチンを実行するもので、ステップ５０において、各種センサによって検出された外気温、高圧側圧力、低圧側圧力、放熱器出口冷媒温度、吐出冷媒温度などの検出信号を入力し、ステップ５２において、これら信号に基づき所要冷房能力を演算する。
【００２６】
その後、演算された所要冷房能力が最大値であるか否かを判定し、所要冷房能力が最大値であると判定された場合には、目標高圧側圧力Ｐｄを予め設定された最大値（例えば、１３ＭＰａ）に設定し、所要冷房能力が最大値でないと判定された場合には、熱負荷を代表する因子である、例えば、放熱器出口側温度に対して予め定められた図６に示されるような最大冷房効率が得られる目標高圧側圧力Ｐｄを演算する。
【００２７】
そして、ステップ５６又はステップ５８で演算された目標高圧側圧力Ｐｄとなるように減圧弁１６の目標開度が演算され（ステップ６０）、その目標開度が得られるように減圧弁１６の開度が制御される（ステップ６２）。
【００２８】
その後、前記入力信号に基づき熱負荷に応じた内部熱交換器の所要熱交換能力が演算され（ステップ６４）、その熱交換能力が得られるようなバイパス弁１４の目標開度が演算される（ステップ６６）。
【００２９】
この際、圧縮機２の吐出冷媒温度が許容温度（例えば、１５０℃）の範囲内であれば、前記目標開度となるようにバイパス弁１４の開度を制御し（ステップ７０）、吐出冷媒温度が許容冷媒温度を超えていると判定された場合には、ステップ６６で演算されたバイパス弁の目標開度を吐出冷媒温度が許容冷媒温度の範囲内となるように補正し（ステップ７２）、この補正された目標開度となるようにバイパス弁１４の開度を制御する（ステップ７０）。
【００３０】
したがって、上述した制御によれば、減圧弁１６の開度を調節して膨張機４を流れる冷媒流量を調節することで高圧側圧力を最大冷房効率が得られるように制御でき、また、バイパス弁１４の開度を調節して内部熱交換器８による高圧側冷媒と低圧側冷媒との熱交換量を調節することで熱負荷に拘わらず良好な冷房効率を維持することが可能となる。
【００３１】
具体的には、熱負荷が高い場合には、高圧側圧力を高くすると共に、図４の特性から明らかなように、内部熱交換器８による高圧側冷媒と低圧側冷媒との熱交換を積極的に行うことが冷房能力や冷房効率を高める上で好ましいので、減圧弁１６の開度を最小にして膨張機４で取り出す動力（冷媒の昇圧に寄与する動力）を最大にすると共にバイパス弁１４の開度を最小にして内部熱交換器８での高圧側冷媒と低圧側冷媒との熱交換量を最大に設定する。
【００３２】
これに対して、比較的熱負荷が低い条件では、図５の特性から明らかなように、内部熱交換器８による高圧側冷媒と低圧側冷媒との熱交換は行わないほうがよく、しかも同じ冷房能力を得るためでも冷房効率が最大となる高圧側圧力を選択することが省動力の点から好ましいことから、冷房効率が最大となる高圧側圧力が得られるように減圧弁１６の開度を制御し、バイパス弁１４の開度を最大にして内部熱交換器８での高圧側冷媒と低圧側冷媒との熱交換量を最小にする。
【００３３】
したがって、内部熱交換器８と膨張機４とを併用した冷凍サイクルにおいて、上述の制御を行うことにより、高負荷時での十分な冷房能力を確保すると共に、比較的熱負荷が低い条件でも良好な冷房効率が得られ、負荷が変動しても効率を最適に維持することが可能となる。
【００３４】
尚、上述の構成においては、補助圧縮機６の上流側にアキュムレータ７が、また下流側に内部熱交換器８が配置されているが、アキュムレータ７を補助圧縮機６の下流側に配置しても、内部熱交換器８を補助圧縮機６の上流側に配置してもよい。さらに、上述においては、膨張機と補助圧縮機を羽根車タイプとして説明したが、これに限定されるものではない。また、高圧制御は膨張機の上流側に直列に開度調節できる弁を用いるようにしてもよい。
【００３５】
また、上述の構成においては、膨張機４で取り出した動力を利用する方法として、蒸発器５と圧縮機２との間に配された補助圧縮機６を駆動させ、冷媒を予圧するために利用したが、図３に示されるように、補助圧縮機を設けず、膨張機４と圧縮機２とを連結させ、膨張機４で取り出された動力を圧縮機２の動力の補助として利用するようにしてもよい。尚、他の構成及び制御動作例は前記構成例と同様であるので、同一箇所に同一符号を付して説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、本発明にかかる冷凍サイクルの構成例を示す図である。
【図２】図２は、コントロールユニットによる冷凍サイクルの制御動作例を示すフローチャートである。
【図３】図３は、本発明にかかる冷凍サイクルの他の構成例を示す図である。
【図４】図４は、熱負荷が高い場合の高圧側圧力の変化に対する冷房能力（Ｑ）と冷房効率（ＣＯＰ）との関係を示す特性線図である。
【図５】図５は、比較的熱負荷が低い場合の高圧側圧力の変化に対する冷房能力（Ｑ）と冷房効率（ＣＯＰ）との関係を示す特性線図である。
【図６】図６は、冷房効率を最大とする冷媒温度（放熱器出口冷媒温度）と高圧側圧力との関係を示す特性線図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  冷凍サイクル
２  圧縮機
３  放熱器
４  膨張機
５  蒸発器
６  補助圧縮機
８  内部熱交換器
１１  高圧経路
１２  低圧経路
１３，１５  バイパス通路
１４  バイパス弁
１６  減圧弁
【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】
2007155277.tif 000007
【図６】
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