JP2007178011A

JP2007178011A - 冷凍サイクル

Info

Publication number: JP2007178011A
Application number: JP2005373995A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Wada; 賢一和田
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2007-07-12

Abstract

【課題】サイクル構造の複雑化を防止しつつ、車室内への冷媒流動音の伝播に伴う騒音を低減でき、しかもサイクル全体のコストアップを防止できる冷凍サイクルを提供する。
【解決手段】冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機からの冷媒を凝縮する凝縮器と、該凝縮器からの冷媒を減圧する減圧手段と、該減圧手段で減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器を通過した冷媒を前記圧縮機へと循環させる冷凍サイクルにおいて、前記減圧手段を、前記凝縮器に流入する冷媒の過熱度を検知し、検知した過熱度に応じて前記凝縮器から流出する冷媒の減圧度を制御する温度式膨張弁から構成したことを特徴とする冷凍サイクル。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクルに関し、とくに車両用空調装置の冷凍サイクルに好適な冷凍サイクルに関する。

従来から、車両用空調装置等に利用される冷凍サイクルの基本構成は、図１０、図１１に示すように蒸発器の出口部の冷媒の過熱度を制御するタイプと（たとえば、特許文献１）、図１２、図１３に示すように凝縮器の出口部の冷媒の過冷却度を制御するタイプと（たとえば、特許文献２）に大別される。図１０、図１１に示すレシーバーサイクルにおいては、温度式膨張弁１００により、蒸発器１０１の出口部の冷媒の過熱度を所定の範囲（通常、５〜２０ｄｅｇ）に制御する。また、図１２、図１３に示すアキユームレータサイクルでは、固定絞り手段１０２が用いられ凝縮器１０３の出口部の冷媒の過冷却度は、固定絞り手段１０２の流量特性、サイクルの高圧圧力、冷媒流量により、成り行きで通常０〜２０ｄｅｇの範囲に納められる。また、固定絞りにおいても、吐出ガス冷媒の一部を分岐させ、気液分離器内に溜まる冷媒量を調整することで、蒸発器の出口部の冷媒の過熱度を制御する手段も開示されている（特許文献３）。

しかし、特許文献１のようなレシーバサイクルにおける温度式膨張弁１００は、蒸発器１０１の出口部の冷媒過熱度を検知するものであるから、蒸発器１０１の出口部の近傍、換言すれば車室内側に温度式膨張弁１００を設置する必要がある。その結果、温度式膨張弁１００の絞り通路部で発生する冷媒流動音が車室内に騒音として伝播するおそれがある。また、特許文献１のレシーバサイクルにおいては、図１０に示す冷房運転時と、図１１に示す暖房運転時においては、冷媒は異なる流路を形成する。つまり、図１０に示す冷房運転時においては、圧縮機１０４から流出した冷媒は、凝縮器１０３および温度式膨張弁１００を経由して蒸発器１０１に流入するが、図１１に示す暖房運転時においては、圧縮機１０４から流出した冷媒は、切替弁１０５によって、凝縮器１０３および温度式膨張弁１００をバイパスし、直接蒸発器１０１に流入する。このため、蒸発器１０１への配管１０６を接続する必要が生じるため配管の接続構造、ひいては冷凍サイクル全体が複雑化するおそれがある。なお、図１０ないし図１３において、１０７はアキュームレータを示している。

また、特許文献２のようなアキュームレータサイクルでは、減圧手段として用いられる固定絞り手段１０２は、必ずしも蒸発器１０１の出口部の近傍に配設する必要はないため上記のような騒音の発生を大幅に低減できるが、車両用空調装置の冷凍サイクルにおいては、圧縮機１０４は車両のエンジンによって駆動されるので、エンジン回転数の変動に伴い圧縮機の回転数も大幅に変動する。このため、減圧手段を固定絞り手段１０２とした場合には、圧縮機１０４の大幅な回転数の変動に対応して冷媒流量調整作用が十分対応できず、凝縮器１０３の出口部の冷媒過冷却度が大幅に変動するおそれがある。また、特許文献３のような提案においても、通常の固定絞り手段を使用する場合に比べて冷媒流量調整幅は拡大されるが、冷媒流量変動に対する圧力調整作用は温度式膨張弁に比べて劣る。また、凝縮器については、特許文献４、特許文献５、特許文献６に示されるように、付随する高圧側気液分離器の内部構造および、凝縮器ヘッダーパイプとの冷媒流路の連通構造が複雑化しコストアップを招くおそれがある。また、特許文献４のような構造においては、外部からは検知し難い凝縮器の内部において冷媒リークの可能性が増大するおそれがある。

なお、特許文献３に係る提案においては、可変絞り手段の採用も提案されているが、その構造は温度式膨張弁に類似の構造が採用されているため、温度式膨張弁を廃止したコストメリットが失われ、冷凍サイクル全体で見た場合、構造の複雑化、とくに凝縮器への冷媒の入出部の構造が複雑化しコストアップを招くおそれがある。
特開平５−２２３３５７号公報特開２００２−７９８２１号公報特開２００２−３２３２７４号公報特開２０００−７４５２７号公報特開２００３−１３０４９７号公報特開２００３−１７０７３４号公報

そこで本発明の課題は、サイクル構造の複雑化を防止しつつ、車室内への冷媒流動音の伝播に伴う騒音を低減でき、しかもサイクル全体のコストアップを防止できる冷凍サイクルを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機からの冷媒を凝縮する凝縮器と、該凝縮器からの冷媒を減圧する減圧手段と、該減圧手段で減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器を通過した冷媒を前記圧縮機へと循環させる冷凍サイクルにおいて、前記減圧手段を、前記凝縮器に流入する冷媒の過熱度を検知し、検知した過熱度に応じて前記凝縮器から流出する冷媒の減圧度を制御する温度式膨張弁から構成したことを特徴とするものからなる。本発明は、圧縮機による圧縮工程が等エントロピー変化であることに着目しなされたものである。すなわち、圧縮機による圧縮工程は等エントロピー変化であるから、圧縮機からの吐出冷媒の冷媒過熱度（≒凝縮器の入口部の冷媒過熱度）と圧縮機の吸入冷媒の冷媒過熱度（≒蒸発器の出口部の冷媒過熱度）が比例関係になる。したがって、凝縮器の入口部の冷媒温度を検知し、蒸発器の出口部の減圧度を制御すれば、蒸発器の出口部の冷媒過熱度を所定の範囲に納めることが可能になる。そして、このような構成においては、温度式膨張弁を、凝縮器への冷媒の入口部と冷媒の出口部の双方に接続することができる。つまり換言すれば、凝縮器の入出口部に温度式膨張弁を配置することが可能になる。なお、本願発明者は、このことを実験的に証明すべく、ＡないしＦの６種類の冷凍サイクルにおける、凝縮器の入口部の冷媒過熱度と蒸発器の出口部の冷媒過熱度との関係について調べた結果を、図９にまとめた。図９から分かるように、凝縮器の入口部の冷媒過熱度と蒸発器の出口部の冷媒過熱度とは比例関係にある。

したがって、凝縮器の出口部の減圧度を制御すれば、蒸発器の出口部の冷媒過熱度を所定の範囲（５〜２０ｄｅｇ）に制御することができる。また、減圧手段としての温度式膨張弁は、蒸発器から離れて凝縮器の入出口部に配置できるので、車室内への冷媒流動音の伝播を抑制でき、騒音を大幅に抑制できる。また、本発明は、従来のレシーバサイクルの基本構成が採用されるので、構造の複雑化、とくに凝縮器への冷媒の入出部の構造の複雑化を防止できる。

上記凝縮器の入出口部には、凝縮器に流入する冷媒流路と凝縮器をバイパスする冷媒流路を切り替える切替弁が設けられることが好ましい。このような切替弁を設ければ、蒸発器を放熱器として機能させるホットガスサイクル運転も可能になる。また、本発明においては、減圧手段としての温度式膨張弁は、凝縮器の入出口部に配置できるので、減圧手段と切替弁は一体的に構成することも可能である。

さらに、減圧手段としての温度式膨張弁を凝縮器の入出口部に設ける構成においては、複数の蒸発器を有する冷凍サイクルであっても、各蒸発器に対応して温度式膨張弁を設ける必要はなく、一つの温度式膨張弁を設け、凝縮器の出口部の減圧度を制御すれば、各蒸発器の出口部の冷媒過熱度を所定の範囲に制御することができる。

また、特許文献１のレシーバサイクル（図１０、図１１）のように、冷房運転時と暖房運転時とで異なる冷媒の流路を形成する別の配管を設置する必要がなくなるので、配管接続構造、ひいては冷凍サイクル全体を簡素化することができる。

蒸発器から圧縮機へと至る流路の途中には、液相冷媒を貯留するアキュームレータを設けることが好ましい。このような構成においては、アキュームレータ内において液相冷媒と気相冷媒が分離されるので、圧縮機内に気相冷媒のみを効率よく流入させることができる。

本発明に係る冷凍サイクルは、広範な産業分野に適用できるが、とくに車両用空調装置の冷凍サイクルに好適である。

上記のような本発明に係る冷凍サイクルによれば、凝縮器の入出口部に減圧手段を配設できるので、サイクル構造の複雑化を防止しつつ、車室内への冷媒流動音の伝播に伴う騒音を低減でき、しかもサイクル全体のコストアップを防止できる

以下に、本発明に係る冷凍サイクルの望ましい実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施態様に係る冷凍サイクルを示している。図１において、１は冷凍サイクルを示している。本実施態様においては、冷凍サイクル１は車両用空調装置の冷凍サイクルに構成されている。冷凍サイクル１は、凝縮器２、蒸発器３、圧縮機４を有している。凝縮器２は、図２に示すように、一対のヘッダーパイプ５、６と、該ヘッダーパイプ５、６を互いに連通する複数のチューブ７と、各チューブ７の間に設けられたフィン８とを有している。

ヘッダーパイプ５には、減圧手段としての温度式膨張弁９が設けられている。温度式膨張弁９は、図３に示すように、パワーエレメント１０、弁棒１１、ばね１２、弁体１３等から構成されている。また、温度式膨張弁９には凝縮器２への冷媒の入口通路１４ａと凝縮器２からの冷媒の出口通路１４ｂが形成されている。パワーエレメント１０内にはガスが封入されており、凝縮器２の入口部の冷媒温度によりパワーエレメント１０内のガスが膨張、収縮するようになっている。また、弁棒１１の先端は弁体１３に当接されている。弁体１３はばね１２により凝縮器２からの冷媒の出口通路１４ｂを閉塞するように図３の上方に付勢されている。そして、凝縮器２内へ流入する冷媒の温度が上昇または圧力が降下した場合には、パワーエレメント１０内のガスが膨張し弁棒１１を図３の下方に押し下げる。これにより、ばね１２により出口通路１４ｂを閉塞するように付勢される弁体１３が、図３の下方に押し下げられ出口通路１４が解放され凝縮器２からの冷媒の流出量が調整されるようになっている。また、パワーエレメント１０内のガスは凝縮器２内へ流入する冷媒温度、圧力に応じて膨張、収縮されるので出口通路１４ｂの開度は自在に調整されるようになっている。また、図３に示すようにパワーエレメント１０のケーシング１５は、断面略円弧状に形成されており、ケーシング１５の耐圧強度が向上されるようになっている。

本実施態様のような冷凍サイクル１においては、圧縮機４による圧縮工程が等エントロピー変化であるから、圧縮機４からの吐出冷媒の過熱度（≒凝縮器２の入口部の冷媒過熱度）と圧縮機４の吸入冷媒の過熱度（≒蒸発器３の出口部の冷媒過熱度）が比例関係になる。したがって、凝縮器２の入出口部に温度式膨張弁９を設け、凝縮器２に流入する冷媒温度を検知し凝縮器２の出口部の減圧度を制御すれば、蒸発器３の出口部の冷媒過熱度を所定の範囲に納めることが可能になる。つまり、蒸発器の近傍に温度式膨張弁９を設置することなく、蒸発器３の出口部の冷媒過熱度を所定の範囲（５〜２０ｄｅｇ）に制御することができる。また、温度式膨張弁９は、蒸発器３から離れて凝縮器２の入出口部に設けられるので、車室内への冷媒流動音の伝播を抑制でき、騒音を大幅に抑制できる。また、本発明は、従来のレシーバサイクルの基本構成が採用されるので、構造の複雑化、とくに凝縮器２への冷媒の入出部の構造の複雑化を防止できる。

また、本実施態様においては、従来のレシーバサイクル（図１０、図１１）のように冷房運転時と暖房運転時において、異なる冷媒の流路を形成する別の配管を設置する必要がなくなるので、配管接続構造、ひいては冷凍サイクル全体を簡素化することができる。

図４は、本発明の第２実施態様に係る冷凍サイクル１６を示している。なお、上記第１実施態様と同一の部材には同一の番号を付しその説明を省略する。本実施態様においても凝縮器２の入出口部には温度式膨張弁９が設けられている。また、本実施態様においては、蒸発器１７、蒸発器１８が並列に配設されており、凝縮器２から蒸発器へ至る流路１９には分岐部２０が設けられている。そして、凝縮器２から流出した冷媒は双方の蒸発器１７、１８に冷媒が流入されるようになっている。また、蒸発器１７、１８から流出した冷媒は一つの流路２１に集められ圧縮機４内へ流入するようになっている。

本実施態様においても、減圧手段としての温度膨張弁９が凝縮器２の入出口部に設けられているので、上記第１実施態様の作用に準じ室内への冷媒流動音の伝播に伴う騒音を低減でき、しかもサイクル全体の構造を簡素化することができる。

図５ないし図８は、本発明の第３実施態様に係る冷凍サイクル２２を示している。なお、上記第１実施態様と同一の部材には同一の番号を付しその説明を省略する。本実施態様においては、凝縮器２の入出口部には減圧手段としての温度式膨張弁２３と切替弁２４が設けられている。温度式膨張弁２３と切替弁２４は、図７、図８に示すように一体に構成されている。温度式膨張弁２３は図３に示した温度式膨張弁９と略同様に構成されており、パワーエレメント１０内のガスが凝縮器２内へ流入する冷媒の温度および圧力に応じて膨張、収縮され、出口通路１４ｂの開度が自在に調整されるようになっている。切替弁２４には、入口通路１４ａに連通する冷媒の入口通路２５と、出口通路１４ｂが連通される冷媒の出口通路２６が形成されている。また、切替弁２４内には、入口通路２５と出口通路２６を連通する空間部２７が形成されている。空間部２７内には弁体２８が設けられている。弁体２８は、空間部２７内を上下方向（図７、図８の上下方向）に移動可能に構成されている。また、弁体２８には断面略コ字状の通路２９が設けられている。また、弁体２８の略中央には穴３０が設けられている。

そして、冷凍サイクル２２が冷房運転（図５）される場合には、弁体２８は図７に示す位置に存在する。この場合においては、入口通路２５から温度式膨張弁２３の入口通路１４ａへ至る通路が開放される。また、弁体２８の穴３０は出口通路１４ｂと出口通路２６に一致する位置に存在する。このため、凝縮器２から流出する冷媒は温度式膨張弁２３の出口通路１４ｂ、穴３０、出口通路２６を介して蒸発器３側へ送られる。なお、この場合、弁体２８により入口通路２５から空間部２７を介して出口部２６へ至る冷媒の流れは完全に遮断される。

一方、冷凍サイクル２２が暖房運転（図６）される場合には、弁体２８は図８に示す位置に存在する。この場合においては、切替弁２４の入口通路２５と温度式膨張弁２３の入口通路１４ａ、および切替弁２４の出口通路２６と温度式膨張弁２３の出口通路１４ｂは弁体２８により完全に閉塞される。また、弁体２８に形成された通路２９の一端は入口通路２５に合致し、通路２９の他端は出口通路２６に合致する。したがって、入口通路２５から流入した冷媒は弁体２８の通路２９を介して出口通路２６に流入し蒸発器３へと送られるので、蒸発器２を放熱器として機能させるホットガスサイクル運転を行なうことができる。

本実施態様においても、減圧手段としての温度膨張弁２３が凝縮器２の入出口部に設けられているので、上記第１実施態様の作用に準じ室内への冷媒流動音の伝播に伴う騒音を低減でき、しかもサイクル全体の構造を簡素化することができる。また、本実施態様においては温度式膨張弁２３と切替弁２４が一体に構成されているので、部品点数を低減でき、コストダウンをより促進することができる。

また、本実施態様においては、蒸発器３から圧縮機４へと至る流路には、液相冷媒を貯留するアキュームレータ３１が設けられているので、該アキュームレータ３１内において液相冷媒と気相冷媒を分離できる。したがって、圧縮機４に気相冷媒のみを効率的に送ることができ、圧縮機４の圧縮効率を向上できる。

本発明に係る冷凍サイクルは、広範な産業分野に適用できるが、とくに車両用空調装置の冷凍サイクルとして好適である。

本発明の第１実施態様に係る冷凍サイクルの概略構成図である。図１の冷凍サイクルの凝縮器の正面図である。図１の冷凍サイクルの温度式膨張弁の断面図である。本発明の第２実施態様に係る冷凍サイクルの概略構成図である。本発明の第３実施態様に係る冷凍サイクルが冷房運転される際の冷媒の流路を示す冷媒流路図である。本発明の第３実施態様に係る冷凍サイクルが暖房運転される際の冷媒の流路を示す冷媒流路図である。本発明の第３実施態様に係る冷凍サイクルが冷房運転される際の切替弁内の冷媒の流路を示す冷媒流路図である。本発明の第３実施態様に係る冷凍サイクルが暖房運転される際の切替弁内の冷媒の流路を示す冷媒流路図である。複数の冷凍サイクルにおける凝縮器の入口部の冷媒過熱度と蒸発器の出口部の冷媒過熱度の関係を示す関係図である。特許文献１の冷凍サイクルが冷房運転される際の冷媒の流路を示す冷媒流路図である。特許文献１の冷凍サイクルが暖房運転される際の冷媒の流路を示す冷媒流路図である。特許文献２の冷凍サイクルが冷房運転される際の冷媒の流路を示す冷媒流路図である。特許文献２の冷凍サイクルが暖房運転される際の冷媒の流路を示す冷媒流路図である。

符号の説明

１、１６、２２冷凍サイクル
２凝縮器
３、１７、１８蒸発器
４圧縮機
５、６ヘッダーパイプ
７チューブ
８フィン
９、２３温度式膨張弁
１０パワーエレメント
１１弁棒
１２ばね
１３弁体
１４ａ凝縮器への冷媒の入口通路
１４ｂ凝縮器からの冷媒の出口通路
１５ケーシング
１９、２１流路
２０分岐部
２４切替弁
２５切替弁の冷媒の入口通路
２６切替弁の冷媒の出口通路
２７空間部
２８弁体
２９通路
３０穴
３１アキュームレータ

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機からの冷媒を凝縮する凝縮器と、該凝縮器からの冷媒を減圧する減圧手段と、該減圧手段で減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器を通過した冷媒を前記圧縮機へと循環させる冷凍サイクルにおいて、前記減圧手段を、前記凝縮器に流入する冷媒の過熱度を検知し、検知した過熱度に応じて前記凝縮器から流出する冷媒の減圧度を制御する温度式膨張弁から構成したことを特徴とする冷凍サイクル。
前記温度式膨張弁が、前記凝縮器への冷媒の入口部と冷媒の出口部の双方に接続されている、請求項１の冷凍サイクル。
前記凝縮器の入出口部に、凝縮器に流入する冷媒と凝縮器をバイパスする冷媒流路を切替える切替弁が設けられている、請求項１または２の冷凍サイクル。
前記温度式膨張弁と切替弁とが一体に構成されている、請求項３の冷凍サイクル。
前記温度式膨張弁に複数の蒸発器が並列に接続されている、請求項１ないし４のいずれかに記載の冷凍サイクル。
前記蒸発器から圧縮機へと至る回路の途中にアキュームレータが設けられている、請求項１ないし５のいずれかに記載の冷凍サイクル。
前記冷凍サイクルが車両用空調装置の冷凍サイクルである、請求項１ないし６のいずれかに記載の冷凍サイクル。