(57)【要約】【課題】固定容量型圧縮機を備えると共に二酸化炭素などの超臨界流体を冷媒として用いる冷凍サイクルであっても、その起動時において冷凍サイクルの高圧側圧力の異常上昇を抑制する。【解決手段】冷凍サイクル１は、圧縮機２、放熱装置３、膨張装置４、蒸発器５、アキュムレータ６が順次直列に接合してなる主経路７とは別となる副次経路９を有する。この副次経路９は、その上流側端が膨張装置４よりも上流側で主経路７の高圧側７Ａと接続し且つその下流側端は蒸発器５とアキュムレータ６との間にて主経路７の低圧側７Ｂと接続したものとする。そして、この副次経路９上にリリーフ弁１０を位置させる。これによりリリーフ弁１０を通過する冷媒は、膨張装置４の減圧調整弁８のみならず蒸発器５もバイパスすることとなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒に二酸化炭素を使用する冷凍サイクルであって、
冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された冷媒を冷却する放熱装置と、前記放熱装置で冷却された冷媒を減圧する減圧調整弁を備えた膨張装置と、前記膨張装置から流出する冷媒を蒸発させる蒸発器と、所定条件下で高圧側と低圧側とを連通させるリリーフ弁とを有して構成され、
前記リリーフ弁は、前記圧縮機、前記放熱装置、前記膨張装置、前記蒸発器を直列的に接合して成る冷媒の主経路とは別となる副次経路上に位置し、この副次経路は、その上流側端が前記膨張装置よりも上流側で前記主経路と接続し、且つその下流側端は前記蒸発器よりも下流側で前記主経路と接続していることを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項２】
冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された冷媒を冷却する放熱装置と、前記放熱装置で冷却された冷媒を減圧する減圧調整弁を備えた膨張装置と、前記膨張装置から流出する冷媒を蒸発させる蒸発器と、この蒸発器から流出した冷媒を気液分離するアキュムレータと、所定条件下で高圧側と低圧側とを連通させるリリーフ弁とを有して構成され、
前記リリーフ弁は、前記圧縮機、前記放熱装置、前記膨張装置、前記蒸発器及び前記アキュムレータを直列的に接合して成る冷媒の主経路とは別となる副次経路上に位置し、この副次経路は、その上流側端が前記膨張装置よりも上流側で前記主経路と接続し、且つその下流側端は前記蒸発器と前記アキュムレータとの間にて前記主経路と接続していることを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項３】
前記膨張装置は、前記減圧調整弁と前記リリーフ弁とが一体化していることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍サイクル。
【請求項４】
前記膨張装置は、ハウジング内に、冷媒が前記主経路の高圧側から流入する流入通路と、冷媒が前記主経路の前記蒸発器よりも上流側に流出する流出通路と、これらの通路が開口する高圧空間と、前記流出通路の開口部を開閉する減圧調整弁と、一方端が前記副次経路の上流側部位と接続し、他方が前記副次的経路の下流側部位と接続する連通路と、この連通路と高圧空間とを連通する連通孔を開閉するリリーフ弁とを有することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の冷凍サイクル。
【請求項５】
前記膨張装置は、ハウジング内に、冷媒が前記主経路の高圧側から流入する流入通路と、冷媒が前記主経路の前記蒸発器よりも上流側に流出する流出通路と、これらの通路が開口する高圧空間と、一方端が前記副次経路の上流側部位と接続し、他方が前記副次的経路の下流側部位と接続する連通路と、第一次弁で前記流出通路の開口部を開閉すると共に第二次弁で前記連通路と高圧空間とを連通する連通孔を開閉する減圧調整、リリーフ兼用弁とを有することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の冷凍サイクル。
【請求項６】
前記圧縮機は、固定容量式の圧縮機であることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍サイクル。
【請求項７】
前記蒸発器から流出した冷媒を気液分離するアキュムレータを有し、前記副次経路の下流側端は、このアキュムレータよりも上流側で前記主経路と接続していることを特徴とする請求項１に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では、冷凍サイクルの停止時において当該冷凍サイクル内の高圧側圧力と低圧側圧力とが平衡になるが、夏場等の外気温が相対的に高い環境下で放置された状態にあると、冷凍サイクルが設置されている周囲（例えばエンジンルーム内）の温度は、当該冷媒の臨界温度（３１℃）に比しても非常に高くなっているので、平衡圧力値が１０ＭＰａ近くまで上昇してしまう。このため、この状態からエアコンスイッチをＯＮにして冷凍サイクルを起動させると高圧側圧力が容易に冷凍サイクルの設計許容圧力値近くまで上昇することとなる。また、超臨界流体が冷媒として用いられる冷凍サイクルの高圧側では超臨界状態でも冷媒が液化することがなく、冷媒の密度が上がらないので、通常の亜臨界の冷凍サイクルに比べ高圧側圧力が上昇し易いことも、冷凍サイクルの高圧側圧力が容易に上昇する要因となる。
【０００３】
このような不具合を解消するために冷凍サイクルを構成する圧縮機として可変容量型圧縮機を用いることにより冷媒流量を制御する方法（例えば、特許文献１を参照。）や、冷凍サイクル上において膨張装置と並行にリリーフ装置を配置し、高圧側圧力がある規定値（例えば１５ＭＰａ）を超えた場合に開弁して冷凍サイクルの高圧側と低圧側とを連通させることで、異常高圧に対処する方法（例えば、特許文献２を参照。）は、既に本願出願人等によって提案されている。
【０００４】
一方、本願出願人は、固定容量型圧縮機を備えた冷凍サイクルに対して二酸化炭素（ＣＯ2)などの超臨界流体を冷媒として用いる構成についても既に提案している（例えば、特許文献３を参照。）。
【特許文献１】特開２００３−２８５２２号公報
【特許文献２】特開２０００−２０５６７１号公報
【特許文献３】特開平１１−６３６９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
もっとも、上記特許文献３のように、単に固定容量型圧縮機を用いた場合には、当然ながら可変容量型圧縮機のような冷媒流量を可変制御する方法を採ることができないので、冷凍サイクルの高圧側圧力が上昇し、安全装置により圧縮機のクラッチの断続が繰り返し継続的に行なわれるという不具合が生ずる虞れがある。
【０００６】
また、リリーフ弁を膨張弁（減圧調整弁）とのみ並行に設ける構造では、膨張弁とリリーフ弁との双方を開弁する場合には、膨張弁を通過した冷媒も、リリーフ弁を通過した冷媒も、蒸発器で加熱されることとなるので、冷凍サイクル全体の熱量をなかなか低下させることができない。更にまた、冷凍サイクルの高圧側から開放された冷媒が気液体混合状態のまま圧縮機に吸い込まれることがあり、逆に圧縮機の吸い込み冷媒流量が増大してしまうため冷凍サイクルの高圧側圧力を効果的に下げることができない。その結果として、冷凍サイクルの高圧側圧力の上昇を招き、圧縮機のクラッチの断続が繰り返し継続的に行われるという不具合が生ずる。
【０００７】
そこで、本発明は、固定容量型圧縮機を備えると共に二酸化炭素などの超臨界流体を冷媒として用いる冷凍サイクルであっても、その起動時において冷凍サイクルの高圧側圧力の異常上昇を抑制可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る冷凍サイクルは、冷媒に二酸化炭素を使用する冷凍サイクルであって、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された冷媒を冷却する放熱装置と、前記放熱装置で冷却された冷媒を減圧する減圧調整弁を備えた膨張装置と、前記膨張装置から流出する冷媒を蒸発させる蒸発器と、所定条件下で高圧側と低圧側とを連通させるリリーフ弁とを有して構成され、前記リリーフ弁は、前記圧縮機、前記放熱装置、前記膨張装置、前記蒸発器を直列的に接合して成る冷媒の主経路とは別となる副次経路上に位置し、この副次経路は、その上流側端が前記膨張装置よりも上流側で前記主経路と接続し、且つその下流側端は前記蒸発器よりも下流側で前記主経路と接続していることを特徴としている（請求項１）。ここで、冷媒は、二酸化炭素（ＣＯ2)などの超臨界流体である。前記圧縮機は、主として、固定容量式の圧縮機である（請求項６）。これは、下記の冷媒、圧縮機についても同様である。そして、この発明に係る冷凍サイクルは、前記蒸発器から流出した冷媒を気液分離するアキュムレータを有し、前記副次経路の下流側端は、このアキュムレータよりも上流側で前記主経路と接続するようにしても良い（請求項７）。
【０００９】
また、この発明に係る冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された冷媒を冷却する放熱装置と、前記放熱装置で冷却された冷媒を減圧する減圧調整弁を備えた膨張装置と、前記膨張装置から流出する冷媒を蒸発させる蒸発器と、この蒸発器から流出した冷媒を気液分離するアキュムレータと、所定条件下で高圧側と低圧側とを連通させるリリーフ弁とを有して構成され、前記リリーフ弁は、前記圧縮機、前記放熱装置、前記膨張装置、前記蒸発器及び前記アキュムレータを直列的に接合して成る冷媒の主経路とは別となる副次経路上に位置し、この副次経路は、その上流側端が前記膨張装置よりも上流側で前記主経路と接続し、且つその下流側端は前記蒸発器と前記アキュムレータとの間にて前記主経路と接続していることを特徴としている（請求項２）。
【００１０】
そして、前記膨張装置は、前記減圧調整弁と前記リリーフ弁とが一体化していることを特徴としている（請求項３）。具体例には、前記膨張装置は、ハウジング内に、冷媒が前記主経路の高圧側から流入する流入通路と、冷媒が前記主経路の前記蒸発器よりも上流側に流出する流出通路と、これらの通路が開口する高圧空間と、前記流出通路の開口部を開閉する減圧調整弁と、一方端が前記副次経路の上流側部位と接続し、他方が前記副次的経路の下流側部位と接続する連通路と、この連通路と高圧空間とを連通する連通孔を開閉するリリーフ弁とを有することを特徴としている（請求項４）。この減圧調整弁は、例えば、冷凍サイクルの高圧側と低圧側との圧力差、高圧側冷媒温度等で弁開度を制御する。リリーフ弁は、高圧感圧素子等が用いられ、高圧側圧力が所定値以上の高圧となることにより開くものである。
【００１１】
また、前記膨張装置は、ハウジング内に、冷媒が前記主経路の高圧側から流入する流入通路と、冷媒が前記主経路の前記蒸発器よりも上流側に流出する流出通路と、これらの通路が開口する高圧空間と、一方端が前記副次経路の上流側部位と接続し、他方が前記副次的経路の下流側部位と接続する連通路と、第一次弁で前記流出通路の開口部を開閉すると共に第二次弁で前記連通路と高圧空間とを連通する連通孔を開閉する減圧調整、リリーフ兼用弁とを有することを特徴としている（請求項５）。減圧調整、リリーフ兼用弁は、高圧感圧素子等が用いられ、高圧側圧力が所定値以上の高圧となることにより第一次弁体に併せて第二次弁体も開くものである。
【発明の効果】
【００１２】
よって、請求項１に記載の発明によれば、冷凍サイクルの起動時に当該冷凍サイクルの高圧側圧力が上昇すると減圧調整弁とリリーフ弁とが開き、このリリーフ弁で膨張した冷媒は蒸発器で加熱されることなく冷凍サイクルの低圧側に開放される。これにより、冷凍サイクル全体の熱量を迅速に低下させることができ、それに伴い冷凍サイクルの高圧側の圧力の上昇が抑制される。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明によれば、このリリーフ弁を通過した気液混合状態の冷媒のうち液状冷媒はアキュムレータ内に溜まり、減圧された気状冷媒のみが圧縮機に戻されるので、冷凍サイクルでの余剰の冷媒がアキュムレータに貯蔵され冷凍サイクルの低圧側圧力が低下する。そして、冷凍サイクルの低圧側圧力が下がることにより圧縮機の吸込み冷媒密度も下がるので、冷凍サイクル内の循環する冷媒流量が減少する。しかるに、この冷媒の循環冷媒流量の低減により冷凍サイクルの高圧側圧力の上昇が抑制される。尚、冷凍サイクルの高圧側圧力が低下するとリリーフ弁が閉じて減圧調整弁のみを冷媒が通過する通常運転に移行する。
【００１４】
特に請求項３乃至５に記載の発明によれば、膨張装置に減圧調整弁とリリーフ弁とを一体化することにより膨張弁とリリーフ弁とを別個の機器とする場合よりも弁体の機構等が集約されて小型化、製造コストの低廉化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、この発明の実施形態を図面により説明する。
【００１６】
図１において、この発明に係る冷凍サイクル１の一例が示されている。この冷凍サイクル１は、例えば、二酸化炭素（ＣＯ2)等の超臨界流体を冷媒に用いた超臨界冷凍サイクルであり、冷媒を自身の臨界圧力を越える圧力まで昇圧する圧縮機２と、この圧縮機２で圧縮された冷媒を冷却する例えばガスクーラ等の放熱装置３と、この放熱装置３により冷却された冷媒を減圧する減圧調整弁８を有する膨張装置４と、この減圧調整弁８により減圧された冷媒を蒸発気化する例えばエバポレータ等の蒸発器５と、この蒸発器５から流出した冷媒を気液分離するアキュムレータ６とを有して構成されている。尚、冷凍サイクル１は、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装置３から膨張装置４の減圧調整弁８へ導かれる高圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器（図示しない）を更に有して構成されていても良い。
【００１７】
すなわち、この冷凍サイクル１は、圧縮機２の吐出側が放熱器３を介して膨張装置４と配管接続され、且つ、膨張装置４の流出側が蒸発器５を介して圧縮機２の吸入側とが接続されて成る主経路７を有している。従って、この主経路７は、圧縮機２の吐出側から放熱装置３を介して膨張装置４に至る高圧側７Ａ（図１の矢印にて示す）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を介して圧縮機２に至る低圧側７Ｂ（図１の白抜き矢印にて示す）が構成されている。
【００１８】
また、冷凍サイクル１は、主経路７とは別に副次経路９を有している。この副次経路９は、その上流側端が膨張装置４よりも上流側で主経路７と接続し、且つその下流側端は蒸発器５とアキュムレータ６との間にて主経路７と接続しているもので、この副次経路９上にリリーフ弁１０が位置している。すなわち、このリリーフ弁１０は、膨張装置４の減圧調整弁８と並行に位置していると共に、リリーフ弁１０が開放されることで、主経路７の高圧側７Ａから副次経路９に入った冷媒は、減圧調整弁８及び蒸発器５をバイパスして主経路７のうちアキュムレータ６よりも上流側となる主経路７の低圧側７Ｂに送られる。
【００１９】
このように、冷媒が蒸発器５をバイパスすることにより、リリーフ弁１０で膨張された冷媒は蒸発器５で加熱されることなく主経路７の低圧側７Ｂに開放されるので、冷凍サイクル１全体の熱量を迅速に低下させることができ、それに伴い、主経路７の高圧側７Ａの圧力の上昇が抑制される。
【００２０】
また、冷凍サイクル１の起動時に当該冷凍サイクル１の主経路７のうち高圧側７Ａの圧力が上昇すると減圧調整弁８とリリーフ弁１０との双方が開くことで、リリーフ弁１０で膨張した気液混合状態の冷媒のうち液状冷媒はアキュムレータ６内に溜まり、減圧された気状冷媒のみが圧縮機２に戻されるので、冷凍サイクル１の主経路７のうち低圧側７Ｂの圧力が低下する。そして、主経路７の低圧側７Ｂの圧力が下がることにより圧縮機２の吸込み冷媒密度も下がるので、冷凍サイクル１内の循環する冷媒流量が減少する。しかるに、この冷媒の循環冷媒流量の低減により主経路７の高圧側７Ａにおける圧力の上昇が抑制される。
【００２１】
ところで、この実施形態では、減圧調整弁８とリリーフ弁１０とは、図２に示されるように、膨張装置４に併存的に一体化されている。すなわち、膨張装置４は、ハウジング１２内に、主経路７の高圧側７Ａと接続されて、冷媒がこの主経路７の高圧側７Ａから流入する高圧側となる流入通路１３、主経路７の低圧側７Ｂと接続されて、冷媒を主経路７の蒸発器５よりも上流側に流出させる低圧側となる流出通路１４、これらの通路１３、１４のハウジング１２外部とは反対側端が開口する高圧空間１５とが画成されている。また、膨張装置４は、一方端が副次経路９の上流側部位９Ａと接続し、他方が副次的経路９の下流側部位９Ｂと接続する連通路１６が画成され、この連通路１６はその側方にて高圧空間１５と通孔１７を介して連通している。
【００２２】
そして、高圧空間１５内に減圧調整弁８及びリリーフ弁１０が配置されている。このうち、減圧調整弁８は、この実施形態では非電気式のもので、流出通路１４の高圧空間側開口に例えばテーパ状に形成された弁座に着座可能な形状な弁体２０と、この弁体２０と一体をなすロッド２１と、ガス等が封入され、ロッド２１に接合してこれらロッド２１、弁体２０と一体をなして動くベローズ２２とで構成されている。但し、減圧調整弁８は、図示しないが、駆動コイルに供給される励磁電流を制御して弁体の位置を調節することで流入通路１３と流出通路１４との間の連通状態を制御する電気式のものであっても良い。
【００２３】
リリーフ弁１０は、通孔１７の高圧空間側開口に例えばテーパ状に形成された弁座に着座可能な形状な弁体２４と、この弁体２４と一体をなすロッド２５と、ガス等が封入され、ロッド２５に接合してこれらロッド２５、弁体２４と一体をなして動くベローズ２６とで構成されている。
【００２４】
また、膨張装置４は、図３に示されるように、減圧調整、リリーフ兼用弁２９を採用することで、減圧調整弁とリリーフ弁とを構造的に一体化させたものとしても良い。この膨張装置４の構造について、図３に基づいて以下に説明する。この膨張装置４は、ハウジング１２内に、流入通路１３、流出通路１４、これらの通路１３、１４のハウジング１２外部とは反対側端が開口する高圧空間１５とが画成されている点、及び、連通路１６が画成され、この連通路１６はその側方にて高圧空間１５と通孔１７を介して連通している点については先述の図２に示す膨張装置４と同様である。尚、これらの流出入通路１３、１４、高圧空間１５、連通路１６、並びに連通孔１７の説明は、先の実施形態と同様の符号を付すことで省略した。
【００２５】
これに対し、減圧調整、リリーフ兼用弁２９は、この実施形態では非電気式のもので、流出通路１４の高圧空間側開口に例えばテーパ状に形成された弁座に着座可能な形状な第一次弁体３０と、この第一次弁体３０の先端部から軸方向に延出して連通孔１７に挿通可能な第二次弁体３１と、これら弁体３０、３１と一体をなすロッド３２と、ガス等が封入され、ロッド３２に接合してこれらロッド３２、弁体３０、３１と一体をなして動くベローズ３３とで構成されている。
【００２６】
以上のような膨張装置４を採択することにより、膨張弁とリリーフ弁とを別個の機器とする場合よりも弁体の機構等が集約されて小型化、製造コストの低廉化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、この発明の冷凍サイクルを示す模式図である。
【図２】図２は、この発明の冷凍サイクルに用いられる膨張装置の一例である。
【図３】図３は、同上の膨張装置の他の例である。
【符号の説明】
【００２８】
１  冷凍サイクル
２  圧縮機
３  放熱装置
４  膨張装置
５  蒸発器
６  アキュムレータ
７  主経路
７Ａ  主経路の高圧側
８  減圧調整弁
９  副次経路
１０  リリーフ弁
１２  ハウジング
１３  流入通路
１４  流出通路
１５  高圧室
２９  減圧調整、リリーフ兼用弁
【図１】
2007278606.tif 000003
【図２】
2007278606.tif 000004
【図３】
2007278606.tif 000005