(57)【要約】【課題】炭酸ガスを冷媒とする冷凍サイクルにおいて、圧縮機の冷媒入口温度に応じて液冷媒の戻し量を適正に制御する。【解決手段】温度センサ１９で圧縮機１１の冷媒入口温度Ｔｓを検出し、コントローラ２０が冷媒入口温度Ｔｓに基づいてバイパス制御弁１８に対し所定の流量調整信号を出力して、アキュームレータ１６から液冷媒戻り流路１７を経て内部熱交換器１３に戻される液冷媒の流量を制御するようにした。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、冷媒を圧縮する圧縮機（１１）と、この圧縮機で圧縮された冷媒と外気との間で熱交換する放熱器（１２）と、この放熱器を通過した冷媒を減圧する減圧手段（１４）と、この減圧手段で減圧された冷媒と供給空気との間で熱交換する蒸発器（１５）と、前記放熱器を通過した冷媒と前記蒸発器を通過した冷媒との間で熱交換する内部熱交換器（１３）と、前記蒸発器を通過した冷媒を気液分離して気相状態の冷媒を前記内部熱交換器に送り出し、液相状態の冷媒（以下、液冷媒）を一時的に貯留する気液分離器（１６）とを備えた冷凍サイクルにおいて、
前記圧縮機の冷媒入口温度を検出する冷媒入口温度検出手段（１９）と、
外部から与えられた流量調整信号に応じて前記気液分離器から前記内部熱交換器への液冷媒の戻り流量を調整する流量調整手段（１８）と、
前記冷媒入口温度検出手段で検出された冷媒入口温度に基づいて前記流量調整手段に対し所定の流量調整信号を出力して、前記気液分離器から前記内部熱交換器に戻される液冷媒の流量を制御する制御手段（２０）と、
を備えることを特徴とする冷凍サイクル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、炭酸ガスなどを冷媒とする冷凍サイクルに関し、詳しくは、アキュームレータに溜まった液冷媒を利用して圧縮機の冷媒出口温度を適正に制御するようにした冷凍サイクルに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば車両用空調装置の冷凍サイクルには、温暖化係数が低い冷媒で炭酸ガスなどの気液臨界温度・圧力以上で利用される冷媒が用いられており、冷媒が外部に漏れた場合にも環境への影響を少なくする対策が採られている。
【０００３】
このような炭酸ガスを冷媒とする冷凍サイクルにおいて、空冷の放熱器を採用した場合、臨界圧力以上の作動温度になり、且つ放熱器からの冷媒を外気温度から断熱膨張させると、蒸発器の入口側冷媒の乾き度が大きくなる（液冷媒が少なくなる）ため、蒸発器での熱交換効率が下がるという難点がある。そこで、放熱器の出口側冷媒と蒸発器の出口側冷媒との間で熱交換させる内部熱交換器を設け、断熱膨張時の温度を下げるようにしている。これによれば、蒸発器の入口冷媒の乾き度を小さくすることができるため、蒸発器の効率を向上させることができる。
【０００４】
しかしながら、このような内部熱交換器を設けると蒸発器の出口側における冷媒が過熱されるため、圧縮機の入口側では冷媒の比体積が大きくなり、圧縮機の体積効率が低下するという問題点があった。これを解決するため、アキュームレータの貯留室内の導出管に冷媒戻し穴を設け、この冷媒戻し穴から液冷媒を圧縮機の入口側に戻すことにより、圧縮機から吐出される冷媒の温度を抑えるようにした冷凍サイクル装置が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−９０６５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特開２００３−９０６５１号公報に提案された従来例では、外気温度に応じて液冷媒の液面レベルが上下することにより冷媒戻し穴から液冷媒が戻されるため、外気温度がアキュームレータ内の液冷媒まで伝達するのにタイムラグが生じ、適切な量の液冷媒を戻すことが難しかった。
【０００６】
この発明の目的は、圧縮機の冷媒入口温度に応じて液冷媒の戻し量を適正に制御することにより、圧縮機の吐出口から吐出される冷媒の温度を適切に制御することができる冷凍サイクルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係わる冷凍サイクルは、少なくとも、冷媒を圧縮する圧縮機と、この圧縮機で圧縮された冷媒と外気との間で熱交換する放熱器と、この放熱器を通過した冷媒を減圧する減圧手段と、この減圧手段で減圧された冷媒と供給空気との間で熱交換する蒸発器と、前記放熱器を通過した冷媒と前記蒸発器を通過した冷媒との間で熱交換する内部熱交換器と、前記蒸発器を通過した冷媒を気液分離して気相状態の冷媒を前記内部熱交換器に送り出し、液相状態の冷媒（以下、液冷媒）を一時的に貯留する気液分離器とを備えた冷凍サイクルにおいて、前記圧縮機の冷媒入口温度を検出する冷媒入口温度検出手段と、外部から与えられた流量調整信号に応じて前記気液分離器から前記内部熱交換器への液冷媒の戻り流量を調整する流量調整手段と、前記冷媒入口温度検出手段で検出された冷媒入口温度に基づいて前記流量調整手段に対し所定の流量調整信号を出力して、前記気液分離器から前記内部熱交換器に戻される液冷媒の流量を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
上記構成によれば、圧縮機の冷媒入口温度に応じて気液分離器から内部熱交換器への液冷媒の戻し量を制御するようにしたので、液冷媒の戻し量を適正に制御することができる。これによって、液冷媒の戻し量が多く必要な時に、液冷媒の戻し量を多くし、圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度を低減させることができる。また、液冷媒の戻しが不要な時に、液冷媒の戻しを行わないようにするので、圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度を上昇させることができる。したがって、圧縮機から吐出される冷媒の温度を適正に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明に係わる冷凍サイクルの実施例を添付の図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、実施例１に係わる冷凍サイクルの回路図であり、とくに炭酸ガスを冷媒とする冷凍サイクルの一例を示すものである。
【００１１】
本実施例の冷凍サイクル１０は、冷媒を圧縮する圧縮機１１と、この圧縮機１１で圧縮された冷媒を外気により冷却する放熱器１２と、この放熱器１２で冷却された冷媒を減圧する膨張弁（減圧手段）１４と、この膨張弁１４で減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器１５と、放熱器１２で冷却された冷媒と圧縮機１１へ戻る低圧の冷媒との間で熱交換する内部熱交換器１３と、蒸発器１５を通過した冷媒を気液分離して気相状態の冷媒のみを圧縮機１１へ送るアキュームレータ（気液分離器）１６とを備え、蒸発器１５を通過した冷媒を圧縮機１１へ戻し、圧縮機１１により運動エネルギー（圧力）を与えた冷媒をサイクル内に循環させるように構成したものである。
【００１２】
また、本実施例の冷凍サイクル１０では、アキュームレータ１６に貯留された液冷媒の一部を内部熱交換器１３の入口側に戻すための構成として、液冷媒戻り流路１７と、バイパス制御弁１８と、温度センサ１９と、コントローラ２０とを備えている。以下、各部について説明する。
【００１３】
圧縮機１１は、図示しないモータまたはエンジンからの駆動力を得て気相状態の炭酸ガスを圧縮して、高温高圧の冷媒として吐出している。
【００１４】
放熱器１２は、圧縮機１１から吐出された高温高圧の冷媒の熱を外気に放熱させることにより、冷媒の温度を外気温近くまで冷却する。この放熱器１２には、例えば電動ファン等が駆動されることにより外気が吹き付けられる。そして、この放熱器１２内を通る高温高圧の冷媒と、吹き付けられる外気との間で熱交換を行わせることで、高温高圧の冷媒を中温まで冷却している。
【００１５】
内部熱交換器１３は、放熱器１２で冷却された冷媒と後述する蒸発器１５で蒸発した低温低圧の冷媒との間で熱交換させて、放熱器１２から膨張弁１４へ送られる冷媒をさらに冷却している。
【００１６】
膨張弁１４は、内部熱交換器１３で冷却された中温高圧の冷媒を減圧（膨張）させて低温低圧のガス状冷媒として蒸発器１５に送り出している。
【００１７】
蒸発器１５は、膨張弁１４で減圧された低温低圧の冷媒とブロアファンから供給される空調風との間で熱交換させる熱交換器である。膨張弁１４で低温低圧となった冷媒は、蒸発器１５を通過する際に空調ダクト内を流れる空調風の熱を奪って気化（蒸発）する。そして、蒸発器１５内の冷媒に吸熱された空調風は冷却、除湿されて冷房風となり車室内等に供給される。
【００１８】
アキュームレータ１６は、蒸発器１５から吐出された冷媒を気液分離して、気相状態の冷媒（以下、ガス冷媒）を内部熱交換器１３へ送り出し、液相状態の冷媒（以下、液冷媒）を一時的に貯留している。ここで、本実施例におけるアキュームレータ１６の構成を図２により説明する。
【００１９】
図２は、アキュームレータ１６の内部構成を示す断面図である。アキュームレータ１６の内部には貯留槽２６が形成され、その上部には蒸発器１５から吐出された冷媒を取り込む入口配管２１が設置されている。また貯留槽２６の内部にはガス冷媒のみを流通させる略Ｕ字形の出口配管２２が設置されている。この出口配管２２の一端はガス冷媒が吸入されるように貯留槽２６の上部に開口し、他端は内部熱交換器１３への配管につながっている。また、出口配管２２の略Ｕ字形における曲がり部分には、液冷媒２３とともに内部に滞留している潤滑用のオイルを圧縮機１１に戻すためのオイルブリード穴２４が形成されている。
【００２０】
上記構成によれば、蒸発器１５から吐出された気液二相の冷媒は入口配管２１からアキュームレータ１６の貯留槽２６に流れ込み、ここで気液分離されてガス冷媒は出口配管２２の一端から吸入されて内部熱交換器１３に戻される。一方、液冷媒２３は貯留槽２６の下部に貯留されることになる。
【００２１】
また、本実施例の冷凍サイクル１０には、アキュームレータ１６に貯留された液冷媒２３の一部を内部熱交換器１３に戻すための液冷媒戻り流路１７が設けられている。この液冷媒戻り流路１７の一端は図２に示すように、アキュームレータ１６の貯留槽２６の下部に接続され、他端は図１に示すように、内部熱交換器１３の低圧側の入口配管に接続されている。
【００２２】
この液冷媒戻り流路１７の途中には、バイパス制御弁（流量調整手段）１８が接続されている。バイパス制御弁１８は、コントローラ２０から送られてくる弁開閉信号（流量調整信号）に応じて内部の弁を開閉することにより、液冷媒戻り流路１７を流れる液冷媒の戻り量を調整している。
【００２３】
図５は、液冷媒戻り流路１７を流れる液冷媒を、アキュームレータ１６から内部熱交換器１３に至る配管２７の途中に戻すための構成例を示している。図５に示すように、配管２７の途中に絞り部２８を設けている。絞り部２８の部分では冷媒の流速が上がるため、液冷媒の戻り口における圧力が下がりアキュームレータ１６との間に差圧を発生させることができるので、配管２７に液冷媒を取り込むことができる。
【００２４】
なお、絞り部２８を設ける位置は内部熱交換器１３の入口配管に限定されるものではなく、内部熱交換器１３の中間、あるいは出口配管であってもよい。
【００２５】
温度センサ（冷媒入口温度検出手段）１９は、圧縮機１１の入口側配管に接続され、圧縮機１１の冷媒入口温度Ｔｓを検出してコントローラ２０に出力している。
【００２６】
コントローラ２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含むマイクロコンピュータにより構成され、温度センサ１９から定期的（または継続的）に送られてくる冷媒入口温度Ｔｓを取り込むとともに、制御プログラムに基づいて演算処理を実行して、バイパス制御弁１８に対し開または閉の弁開閉信号を出力している。
【００２７】
次に、アキュームレータ１６から内部熱交換器１３の入口側に適正量の液冷媒を戻すための制御について説明する。図３は、コントローラ２０により液冷媒の戻し量を制御するための処理手順を示すフローチャートである。
【００２８】
まずコントローラ２０は、温度センサ１９が検出した冷媒入口温度Ｔｓを取り込み（ステップＳ１０１）、あらかじめ外気温により設定される閾値ｔｓ１より大きいかどうかを判断する（ステップＳ１０２）。ここで、冷媒入口温度Ｔｓが閾値ｔｓ１よりも大きい場合は、バイパス制御弁１８を開状態とする弁開閉信号を送る（ステップＳ１０３）。この弁開閉信号を受けてバイパス制御弁１８が弁を開くと、アキュームレータ１６に貯留された液冷媒の一部が液冷媒戻り流路１７に流れ込み、内部熱交換器１３の入口配管に戻される。
【００２９】
一方、冷媒入口温度Ｔｓが閾値ｔｓ１よりも大きくない場合には、閾値ｔｓ１−ａが冷媒入口温度Ｔｓよりも大きいかどうかを判断する（ステップＳ１０４）。ここで、“ａ”は内部熱交換器１３の入口側に戻した液冷媒が圧縮機１１に液冷媒として戻らないように飽和温度以下とならないようにするための設定値である。したがって、検出された冷媒入口温度Ｔｓが閾値ｔｓ１−ａより小さいときには、飽和温度以下となり液冷媒の蒸発が止まって液状態のまま圧縮機１１へ戻ってしまうため、バイパス制御弁１８を閉状態とする弁開閉信号を送る（ステップＳ１０５）。この弁開閉信号を受けてバイパス制御弁１８が弁を閉じると、アキュームレータ１６に貯留された液冷媒の液冷媒戻り流路１７への流れ込みが遮断される。また、ステップＳ１０４において、冷媒入口温度Ｔｓが閾値ｔｓ１−ａよりも大きいときには、バイパス制御弁１８に弁開閉信号を送らず、再びステップＳ１０１に戻って処理を継続する。
【００３０】
上述したように本実施例によれば、外気温度によって決められる閾値ｔｓ１を設定し、圧縮機１１の冷媒入口温度Ｔｓに応じてアキュームレータ１６から内部熱交換器１３への液冷媒の戻し量を制御するようにしたので、外気温度の変化に追従して液冷媒の戻し量を適正に制御することができる。これによって、内部熱交換器１３に液冷媒を戻す場合は、圧縮機１１の入口側では冷媒の比体積が小さくなり、圧縮機１１の体積効率を向上させることができるため、冷凍システムにおける冷媒循環量が多くなり、放熱器１２での放熱量を維持することができる。
【００３１】
また、暖房時には液冷媒の戻し量を冷房時よりも多めにすることで圧縮機１１の機械効率を改善して暖房能力を向上させることができる。さらに、冷房時と暖房時における冷媒の比体積の差を小さくすることができるので、圧縮機１１の容量が大きくなるのを抑えることができる。
【００３２】
とくに本実施例では、バイパス制御弁１８をシステム外に設置することができるので、液冷媒の戻し量の制御を容易に行うことができる。
【００３３】
なお、本実施例では、アキュームレータ１６に貯留された液冷媒の一部を液冷媒戻り流路１７から内部熱交換器１３の入口配管に戻す例について示したが、液冷媒の戻し位置は本例に限定されるものではない。例えば、図１に符号Ａで示すように、内部熱交換器中間であってもよいし、同じく図１に符号Ｂで示すように、内部熱交換器の出口側であってもよい。
【実施例２】
【００３４】
図４は、実施例２に係わるアキュームレータの内部構成を示す断面図である。図４では、図２（実施例１）と同等部分を同一符号で示している。
【００３５】
本実施例のアキュームレータ１６Ａでは、オイルブリード穴２４の近傍に液冷媒用ブリード穴２５を形成し、この液冷媒用ブリード穴２５から液冷媒の一部を出口配管２２に戻すようにしている。このため、実施例１の液冷媒戻り流路１７、バイパス制御弁１８はシステム構成から除外されている。
【００３６】
また、液冷媒用ブリード穴２５には図示しない開閉機構が設けられている。この開閉機構は電気信号により外部から開閉を制御することができる電磁弁などで構成され、図１に示したコントローラ２０から開閉信号を与えることで制御される。なお、オイルブリード穴２４の直径を例えば１ｍｍとすると、液冷媒用ブリード穴２５の直径は２〜３ｍｍ程度となる。
【００３７】
本実施例においても図３の処理手順を適用することにより、コントローラ２０から液冷媒用ブリード穴２５の前記開閉機構に所定の電気信号を出力して、アキュームレータ１６Ａから内部熱交換器１３の入口側への液冷媒の戻し量を制御することができる。これによって、圧縮機１１の入口側では冷媒の比体積が小さくなり、圧縮機１１の体積効率を向上させることができるため、冷凍システムにおける冷媒循環量が多くなり、放熱器１２での放熱量を維持することができる。
【００３８】
また、暖房時には液冷媒の戻し量を冷房時よりも多めにすることで圧縮機１１の機械効率を改善して暖房能力を向上させることができる。さらに、冷房時と暖房時における冷媒の比体積の差を小さくすることができるので、圧縮機１１の容量が大きくなるのを抑えることができる。
【００３９】
とくに本実施例では、実施例１のような液冷媒戻り流路１７やバイパス制御弁１８が不要となるため、システム構成を簡素化することができる。
【００４０】
本実施例においては、アキュームレータ内部において出口配管２２を略Ｕ字形とすることにより、Ｕ字形の底の部分で流速が早くなるので液冷媒用ブリード穴２５からアキュームレータ１６に貯留された液冷媒を出口配管２２の流路内に取り込むことができる。これにより液冷媒を内部熱交換器１３の入口側に戻すようにしている。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施例１に係わる冷凍サイクルの回路図。
【図２】実施例１に係わるアキュームレータの内部構成を示す断面図。
【図３】コントローラにより液冷媒の戻し量を制御するための処理手順を示すフローチャート。
【図４】実施例２に係わるアキュームレータの内部構成を示す断面図。
【図５】絞り部の構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００４２】
１０…冷凍サイクル
１１…圧縮機
１２…放熱器
１３…内部熱交換器
１４…膨張弁
１５…蒸発器
１６、１６Ａ…アキュームレータ
１７…液冷媒戻り流路
１８…バイパス制御弁
１９…温度センサ
２０…コントローラ
２１…入口配管
２２…出口配管
２４…オイルブリード穴
２５…液冷媒用ブリード穴
２６…貯留槽
２８…絞り部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2007071453.tif 000006
【図５】
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