| 【発明の名称】 |
冷凍サイクルの制御方法及びこの方法を用いた冷凍サイクル |
| 【発明者】 |
【氏名】鈴木 伸彦
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| 【要約】 |
【課題】炭酸ガスを冷媒とする冷凍サイクルにおいて、亜臨界条件で操作を行う場合に、過冷却度制御を行うことによって効率良く運転することができる冷凍サイクルの制御方法及びこの方法を用いた冷凍サイクルを提供する。
【解決手段】高圧側冷媒圧力が臨界点近傍である場合に過冷却度を約１５℃とし、高圧側冷媒圧力が臨界点近傍から低くなるに従って、過冷却度を漸減させる。このような制御方法を実現する冷凍サイクルとしては、圧縮機と、昇圧された冷媒を冷却する放熱器と、冷媒を減圧する膨張弁と、冷媒を蒸発する蒸発器と、膨張弁の上流側の冷媒温度と圧力を検出する検出手段とを有し、膨張弁上流側の冷媒圧力が臨界点近傍である場合に過冷却度を約１５℃とし、膨張弁上流側の冷媒圧力が臨界点近傍から低くなるに従って過冷却度を制御線αに沿って漸減させるよう膨張弁開度を制御するものが考えられる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 冷媒として炭酸ガスを用いる冷凍サイクルにおいて、亜臨界領域において操作する場合に、高圧側冷媒圧力が臨界点近傍であれば過冷却度を約１５℃とし、前記高圧側冷媒圧力が前記臨界点近傍から低くなるに従って過冷却度を漸減させるようにしたことを特徴とする冷凍サイクルの制御方法。
【請求項２】 冷媒として炭酸ガスを用い、冷媒を昇圧する圧縮機と、昇圧した冷媒を冷却する放熱器と、この放熱器により冷却した冷媒を減圧する圧力調節手段と、この圧力調節手段で減圧された冷媒を蒸発する蒸発器と、前記圧力調節手段の上流側の冷媒圧力及び冷媒温度を検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて前記冷媒圧力が臨界点近傍である場合に、前記圧力調節手段の流入側での過冷却度を約１５℃となるよう前記圧力調節手段の減圧量を制御し、前記冷媒圧力が前記臨界点近傍から低くなるに従って前記圧力調節手段の流入側での過冷却度を漸減させるよう前記圧力調節手段の減圧量を制御する制御手段とを有することを特徴とする冷凍サイクル。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、冷媒として炭酸ガス（ＣＯ2 ) を用いた冷凍サイクルの制御方法、及び、これを用いた冷凍サイクルに関し、過冷却度制御を行うようにしたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】ＣＯ2 を冷媒として用いた冷凍サイクルとして、特表平６−５１０１１１号公報や特開平９−２６４６２２号公報などが知られている。前者は、コンプレッサ、気体クーラ、絞り弁、レシーバを有して構成された超臨界蒸気圧縮冷凍サイクルにおいて、気体クーラ出口の冷媒温度を検出し、この検出された冷媒温度に基づいて最大ＣＯＰが得られるように絞り弁を調節するようにしたものである。また、後者は、超臨界域で作動する冷凍サイクルにおいて、効率良く運転できるように同公報の図１で示される最適制御線ηmax に沿って放熱器の出口側温度と出口側圧力とを制御するようにしたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の技術は冷凍サイクルを常に超臨界条件で操作することを予定しており、効率の面で必ずしも優れているとは言えない。即ち、例えば外気温が低い場合には、高圧圧力を臨界圧（７．３８ＭＰａ）以下とした亜臨界条件で用いる方が効率面では有利であり、また、気体クーラの冷却空気温度が下がれば亜臨界運転とならざるを得ない。
【０００４】同公報のＦｉｇ．２によれば、亜臨界域にかけて特性線が示されているため、気体クーラ出口の冷媒温度を下げることができれば亜臨界条件においても冷凍サイクルの運転を考えることができるが、臨界圧以下の運転点を同図から読み取れば、気体クーラ出口の冷媒温度はほぼ飽和温度と一致したものとなっており、過冷却度（ＳＣ：サブクール）はほぼ０℃になっている。
【０００５】さらに、前者の技術によれば、気体クーラ出口の冷媒温度に基づいて絞り弁を制御するため、電子制御される絞り弁ならばともかく、熱伝達を利用したメカ式の絞り弁にあっては、自動車用として用いる場合に気体クーラと絞り弁とは位置的にかなり離れて配置されるので、例えば、感温筒のキャピラリーチューブが非常に長くなり、気体クーラ出口の冷媒温度に見合った制御を精度よく行うことは事実上不可能に近い。
【０００６】また、後者の技術にあっては、ＣＯＰを高く維持してＣＯ2 サイクルを良好に運転するには、過冷却度を１℃〜１０℃程度とすることが望ましいことが記載されており、同公報の図１の最適制御線ηmax の線図を参照しつつ解釈すると、亜臨界条件で冷凍サイクルを操作する場合には、圧力に関係なく過冷却度を１℃〜１０℃の範囲で一定にすることを考えている。
【０００７】フロン等を冷媒として用いた従来の冷凍サイクルにあっては、そもそも臨界圧よりもかなり低い亜臨界条件で操作されるので、過冷却度を変化させても圧力一定の条件下でエンタルピーは大きく変化しないことから、過冷却度は０℃〜５℃と小さい範囲で用いれば事足りたが、ＣＯ2 を冷媒として用いる冷凍サイクルの場合には、そもそも超臨界条件での操作が普通であるものを亜臨界条件にわたって操作しようとするものであるから、高圧側での冷媒圧力が臨界点近傍である場合には膨張弁入口の冷媒エンタルピーは冷媒温度の変化によって大きく変化し、また、高圧側での冷媒圧力が臨界点での圧力から徐々に低くなるにつれて冷媒温度の変化に対する膨張弁流入側の冷媒エンタルピーの変化は小さくなってくる点を考慮すべきである。
【０００８】このため、ＣＯ2 サイクルを亜臨界条件で操作する場合には、従来技術のように、過冷却度を約０℃となるように制御したり、所定温度で一定になるように制御する上述の手法によっては、必ずしも最適効率が得られるとは言えないものと考えられる。
【０００９】そこで、この発明においては、ＣＯ2 冷媒を用いた冷凍サイクルで、亜臨界条件で操作を行う場合に、過冷却度制御を行うことによって効率良く運転することができる冷凍サイクルの制御方法及びこの方法を用いた冷凍サイクルを提供することを課題としている。また、感温筒等を利用した電気制御によらない膨張弁を用いた場合においても制御精度の低下を防ぐことができる冷凍サイクルを提供することを課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明者は鋭意研究を重ねた結果、炭酸ガス冷媒を用いた冷凍サイクルにおいて、亜臨界条件で操作する場合には、従来の制御点では充分な効率を得ることができず、過冷却度を制御することによって効率のよいサイクル運転が可能であることを見出し、本願発明を完成するに至った。
【００１１】即ち、冷媒として炭酸ガスを用いる冷凍サイクルにおいて、亜臨界領域において操作する場合に、高圧側冷媒圧力が臨界点近傍であれば過冷却度を約１５℃とし、前記高圧側冷媒圧力が前記臨界点近傍から低くなるに従って過冷却度を漸減させるようにした制御方法を特徴としている（請求項１）。
【００１２】そして、このような制御方法を実現する冷凍サイクルとしては、冷媒として炭酸ガスを用い、冷媒を昇圧する圧縮機と、昇圧した冷媒を冷却する放熱器と、この放熱器により冷却した冷媒を減圧する圧力調節手段と、この圧力調節手段で減圧された冷媒を蒸発する蒸発器と、前記圧力調節手段の上流側の冷媒圧力及び冷媒温度を検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて前記冷媒圧力が臨界点近傍である場合に、前記圧力調節手段の流入側での過冷却度を約１５℃となるよう前記圧力調節手段の減圧量を制御し、前記冷媒圧力が前記臨界点近傍から低くなるに従って前記圧力調節手段の流入側での過冷却度を漸減させるよう前記圧力調節手段の減圧量を制御する制御手段とを有する構成が考えられる（請求項２）。
【００１３】ここで、高圧側冷媒圧力が臨界点近傍である場合の過冷却度は、シミュレーションの結果得られた値であり、実際のところ計算結果と現実の値とでは誤差が生じることから、ここでいう約１５℃とは、１０℃〜２０℃の範囲を予定している。また、高圧側冷媒圧力が臨界点近傍から低くなるに従って、過冷却度を漸減させるようにするとは、臨界点近傍の高圧側冷媒圧力（７．３８ＭＰａ）で過冷却度を約１５℃とし、高圧側冷媒圧力が３．５ＭＰａで過冷却度がおよそ１℃となるように例えば線形的な変化をもって漸減させるものが考えられる。
【００１４】したがって、このような構成とすることにより、臨界点近傍での膨張弁入口の冷媒エンタルピーは冷媒温度の変化によって大きく変化することから、過冷却度を大きくすることによって冷凍効果を大きくすることができ、高圧側冷媒圧力が臨界圧から徐々に低くなると、冷媒温度の変化に対する冷媒エンタルピーの変化は徐々に小さくなるので、過冷却度を徐々に小さくしても必要とする冷凍効果を確保することができる。このため、通常において超臨界条件で操作される炭酸ガスサイクルを亜臨界条件で操作する場合には、上述のように過冷却度制御することでサイクル効率の向上を一層図ることが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の態様を図面に基づいて説明する。図１において、冷凍サイクル１は、冷媒を圧縮する圧縮機２、冷媒を冷却する放熱器３、高圧側ラインの冷媒と低圧側ラインの冷媒とを熱交換する内部熱交換器４、冷媒を減圧する膨張弁５、冷媒を蒸発気化する蒸発器６、蒸発器６から流出した冷媒を気液分離するアキュムレータ７を有して構成されている。このサイクルは、圧縮機２の吐出側を放熱器３を介して内部熱交換器４の高圧通路４ａに接続し、この高圧通路４ａの流出側を膨張弁５に接続し、圧縮機２から膨張弁５の高圧側に至る経路によって高圧側ライン８を構成している。また、膨張弁５の低圧側は、蒸発器６に接続され、この蒸発器６の流出側は、アキュムレータ７を介して内部熱交換器４の低圧通路４ｂに接続されている。そして、低圧通路４ｂの流出側を圧縮機２の吸入側に接続し、膨張弁５の流出側から圧縮機２の吸入側に至る経路によって低圧側ライン９を構成している。
【００１６】この冷凍サイクル１は、冷媒としてＣＯ2 が用いられており、圧縮機２によって圧縮された冷媒は、放熱器３によって冷却し、その後、内部熱交換器４において低圧側ライン９の低温冷媒と熱交換して更に冷やされて膨張弁５に送られる。そして、この膨張弁５において減圧されて低温低圧の湿り蒸気となり、蒸発器６においてここを通過する空気と熱交換してガス状となり、しかる後に内部熱交換器４において高圧側ライン８の高温冷媒と熱交換して加熱され、圧縮機２に戻される。ここで、膨張弁５は、膨張弁入口側の冷媒温度を検出する冷媒温度センサ１０からの信号と膨張弁入口側の冷媒圧力を検出する圧力センサ１２からの信号とをコントロールユニット１１に入力し、このコントロールユニット１１に予め与えられたプログラムに従って開度を制御する電気制御式が採用されている。
【００１７】上述した冷凍サイクル１を、高圧圧力が臨界圧（７．３８ＭＰa ）以下となる亜臨界条件で用いられる場合を考えると、この場合には、図２に示されるようになり、最適効率を得るための制御線αで示される過冷却度となるように膨張弁５の開度が制御される。
【００１８】即ち、膨張弁５の入口側での冷媒圧力が臨界圧近傍である場合には、膨張弁５の入口側での過冷却度を１０〜２０℃、好ましくは約１５℃とし、高圧側冷媒圧力が前記臨界圧近傍よりも低くなるにつれて過冷却度を漸減させるようにしているもので、この構成例では、膨張弁５の入口側での冷媒圧力が約３．５ＭＰa （蒸発器６に流入する冷媒温度がおよそ０℃となる圧力に相当）で過冷却度を約１℃とするように線形的に変化させている。
【００１９】このような制御線αは、ＣＯ2 を用いた冷凍サイクルを亜臨界領域で作動させる上で、ＣＯＰを最大又はこれに近い状態を得て良好なサイクル効率を得るための範囲として本発明者が次のような知見とシュミレーションとによって見出したものである。
【００２０】ＣＯ2 を用いた冷凍サイクルの場合、超臨界領域で操作するのが普通であるが、亜臨界領域で操作しようとする場合には、臨界圧近傍においては、前述した如く膨張弁入口の冷媒エンタルピーは冷媒温度の変化によって大きく変化するので、過冷却度を僅かに変化させても冷凍効果を大きく変化させることができ、最適効率を得るために過冷却度の大きさを適切に制御することに意味がある。これに対して、高圧側での冷媒圧力が臨界圧から徐々に低くなると、冷媒温度の変化に対する膨張弁入口の冷媒エンタルピーの変化割合は小さくなるので、過冷却度を僅かに変化させても冷凍効果を大きく変化させることができなくなってくる。このため、高圧側での冷媒圧力が低くなる領域においては、過冷却度制御をすることにさほど大きな意味がなくなることから、過冷却度自体は従来と同程度にすることで事足りる。このことから、冷媒として炭酸ガスを用いる冷凍サイクルにおいては、高圧側冷媒圧力が臨界点近傍である場合に過冷却度を大きくし、高圧側冷媒圧力が臨界点近傍から低くなるに従って過冷却度を漸減させるようにすればよいとの知見が見出されるに至った。
【００２１】ところで、高圧側冷媒圧力が臨界点近傍である場合に過冷却度をどの程度大きくすればよいのかを見極めるために、本発明者は、上述の知見に基づいて鋭意研究を重ねた結果、臨界点近傍での過冷却度を約１５℃とすればよいことを見出すに至った。
【００２２】臨界点近傍での過冷却度を約１５℃としたのは、図３で示されるように、所定の条件下において、亜臨界域で上述の冷凍サイクルを操作した場合に、良好な効率が得られる膨張弁流入側の目標冷媒圧力と冷媒温度とをシミュレーションによってプロットし、これらを最小２乗法などの公知の手法によって近似線見出し、この近似線αと炭酸ガスの飽和線とを比較した結果である。そして、この近似線によれば、高圧側冷媒圧力が臨界圧近傍から低くなるに従って過冷却度が徐々に小さくなり、高圧側冷媒圧力がおよそ３．５ＭＰａとなるときに過冷却度が約１℃になることが確認されている。
【００２３】しかしながら、シミュレーションによる計算結果と現実の冷凍サイクルで要求される最適過冷却度との間には、当然ながら差がでてくるし、現実の冷凍サイクルにおいてもばらつきがあることから、シミュレーションによって得られた過冷却度を±５℃とすれば、亜臨界域でのばらつきも、また、超臨界域で各種条件を異ならせて冷凍サイクルを操作した場合のシミュレーション結果のばらつきもほぼ網羅されることが本発明者によって見出されている（制御線β、γ）。したがって、臨界点近傍での過冷却度を約１５℃にするとは、この部分での過冷却度を１０℃〜２０℃の範囲にすることを意味しており、この範囲に臨界点近傍での過冷却度が設定された状態から高圧側冷媒圧力が低くなるにつれて過冷却度を徐々に小さくするサイクル制御が望ましいことを見出すに至った。
【００２４】図４において、コントロールユニット１１による亜臨界域でのサイクル制御例がフロチャートとして示され、以下、これに基づいて上記冷凍サイクルの過冷却度制御を説明すると、コントロールユニット１１は、膨張弁入口側の冷媒温度を検出する冷媒温度センサ１０からの信号と（ステップ５０）、圧力センサ１２からの信号とを入力する（ステップ５２）。コントロールユニット１１には、制御線αのマップデータ又は演算式が予め記憶されており、ステップ５１及び５２で入力された冷媒温度と冷媒圧力に基づいて膨張弁入口側での過冷却度が制御線α上にくるような値を算出し（ステップ５４）、この算出結果に基づいて膨張弁５の開度を電気的に制御ようにしている（ステップ５６）。
【００２５】したがって、上述の構成によれば、亜臨界領域において、冷凍サイクルの効率に過冷却度の変化が大きな影響を及ぼす臨界点近傍においては、過冷却度を約１５度として最適効率を得るようにし、冷凍サイクルの効率に過冷却度の変化が徐々に影響しにくくなってくる低圧力領域にあっては高圧圧力が低下するほど過冷却度を小さくして従来の過冷却度へ徐々に近づけることで、炭酸ガスサイクルを亜臨界領域で操作した場合に効率面において従来よりも適したものとすることが可能となる。
【００２６】なお、上述の構成例では、電気膨張弁にて最適制御線αを得るようにしているが、膨張弁５は、上述で示したようにコントロールユニット１１によって電気的に制御される形式のものでなくても、膨張弁上流側の冷媒温度と圧力を検出する感温部材と感圧部材とによって膨張弁５を電気的でない手法によって動作する形式のものであっても良い。このような構成によれば、上述した作用効果が得られる他、膨張弁の近傍で冷媒温度と圧力が検出されるので、車体に冷凍サイクルをレイアウトする場合にあっても、キャピラリーチューブを引き回す必要がなくなり、制御精度の低下を防ぐことが可能となる。
【００２７】
【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、冷媒として炭酸ガスを用いる冷凍サイクルを亜臨界条件で操作する場合において、高圧側冷媒圧力が臨界点近傍である場合に過冷却度を約１５℃とし、高圧側冷媒圧力が臨界点近傍から低くなるに従って過冷却度を漸減させるように制御したので、良好なサイクル効率を得ることが可能となる。
【００２８】また、これを実現する冷凍サイクルとして、冷媒を昇圧する圧縮機と、冷媒を冷却する放熱器と、この放熱器により冷却された後に冷媒を減圧する圧力調節手段と、この圧力調節手段で減圧された冷媒を蒸発する蒸発器と、前記圧力調節手段の上流側の冷媒圧力及び冷媒温度を検出する検出手段とを有する構成にあっては、検出手段の検出結果に基づいて高圧側の冷媒圧力が臨界点近傍と判断された場合に、過冷却度を約１５℃とするように圧力調節手段の減圧量を制御し、高圧側の冷媒圧力が臨界点近傍から低くなるに従って過冷却度を漸減させるように圧力調節手段の減圧量を制御する構成とすれば、良好なサイクル効率を圧力調節手段を制御して過冷却度を調節することによって行うことができる。また、圧力調節手段の上流側において冷媒の温度等が検出手段によって検出されることから、感温筒等を利用した電気制御によらない膨張弁を用いた場合においても制御精度の低下を防ぐことができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３３３３
【氏名又は名称】株式会社ボッシュオートモーティブシステム
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| 【出願日】 |
平成１１年５月１１日（１９９９．５．１１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６９０７３
【弁理士】
【氏名又は名称】大貫 和保 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−３２０９１０（Ｐ２０００−３２０９１０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１１月２４日（２０００．１１．２４） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１３００１９ |
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