| 【発明の名称】 |
超臨界冷凍サイクル |
| 【発明者】 |
【氏名】山口 素弘
【氏名】西田 伸
【氏名】黒田 泰孝
【氏名】山中 康司
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| 【要約】 |
【課題】超臨界冷凍サイクルの再起動時において、サイクルが破綻してしまうことを防止する。
【解決手段】封入冷媒質量Ｙが、圧縮機１００から圧力制御弁３００に至る冷媒通路の通路体積Ｘと、仕様最低外気温度（例えば１０℃相当）における冷媒飽和液密度ρとの積より大きくとなるように選定する。これにより、仮に、高圧側全体に冷媒が満たされた状態においても低圧側に冷媒が存在し得るので、圧縮機１００の停止後、圧縮機１００が再起動したときであっても、低圧側に存在する冷媒が圧縮機１００に吸入圧縮されて高圧側に吐出されることとなる。したがって、圧縮機１００の稼働とともに高圧側の圧力を圧力制御弁３００が開弁する圧力まで確実に上昇させることができるので、サイクル内に冷媒を確実に循環させることができ、サイクルが破綻することを防止できる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 冷媒を圧縮する圧縮機（１００）と、前記圧縮機（１００）から吐出した冷媒を冷却するとともに、内部の圧力が冷媒の臨界圧力を超える放熱器（２００）と、前記放熱器（２００）から流出する冷媒を減圧するとともに、前記放熱器（２００）出口側の冷媒温度に基づいて前記放熱器（２００）出口側の冷媒圧力を制御する圧力制御弁（３００）と、前記圧力制御弁（３００）にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器（４００）と、前記放熱器（２００）から流出する冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を前記圧縮機（１００）の吸入側に流出するとともに、余剰冷媒を蓄えるアキュムレータ（５００）とを備え、前記圧縮機（１００）から前記圧力制御弁（２００）に至る冷媒通路の通路体積をＸとし、封入冷媒質量をＹとしたときに、通路体積と封入冷媒質量とは、Ｙ＞０．８５Ｘ＋５で示す関係を有することを特徴とする超臨界冷凍サイクル。
【請求項２】 前記冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項１に記載の超臨界冷凍サイクル。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、放熱器内の圧力（高圧側の圧力）が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルに関するもので、二酸化炭素を冷媒とする超臨界冷凍サイクルに適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】例えば二酸化炭素を冷媒とする超臨界冷凍サイクルは、特表平３−５０３２６号公報に記載されるように、高圧側の圧力を制御することにより冷凍能力（ヒートポンプ運転時にあっては暖房能力）を制御するものである。
【０００３】また、超臨界冷凍サイクル（以下、サイクルと略す。）において、冷凍能力（ヒートポンプ運転時にあっては暖房能力）を増大させるには、放熱器出口側に設けられたバルブの開度を縮小させて放熱器出口側の冷媒圧力を冷媒の臨界圧力以上にまで上昇させる必要がある。
【０００４】この必要性に対して、「次回のサイクル起動時に備えてサイクルの停止時においてはバルブを閉じて高圧側の圧力（放熱器出口側の冷媒圧力）が低下することを防止することができる超臨界冷凍サイクル用の圧力制御弁」を出願人は既に出願をしている（特願平１０−１６８７０１等）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、サイクル停止時にバルブが閉じられていると言えども、サイクル（圧縮機）の停止とともに高圧側の圧力が次第に低下していくので、起動時においては、図５に示すように、高圧側の圧力が所定圧力に到達するまでの間は、バルブを閉じた状態で圧縮機が稼働することとなる。
【０００６】一方、サイクル（圧縮機）が稼働しているときには、高圧側の冷媒は飽和液密度以上の高い密度を有しているため、冷凍サイクル中に存在する冷媒の多くは、高圧側に存在することとなる。
【０００７】このため、サイクルの停止後、バルブを閉じたままサイクル（圧縮機）を再起動すると、低圧側に残存する冷媒が少ないため、圧縮機の吐出冷媒量が少なく、高圧側の圧力が上昇し難い。一方、バルブは、高圧側の冷媒圧力が所定圧力以上となるまでは、全閉状態を維持し続けるので、低圧側に冷媒が供給されず、高圧側の圧力が更に上昇し難くなる。
【０００８】つまり、サイクル起動時において低圧側に残存する冷媒量が少ないと、冷媒がサイクル内を循環しなくなる可能性が高いので、蒸発器に冷媒が供給されず、サイクルが破綻してしまう。
【０００９】本発明は、上記点に鑑み、サイクルの再起動時において、サイクルが破綻してしまうことを防止することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達成するために、請求項１、２に記載の発明では、圧縮機（１００）から圧力制御弁（２００）に至る冷媒通路の通路体積Ｘと封入冷媒質量Ｙとは、Ｙ＞０．８５Ｘ＋５で示す関係を有することを特徴とする。
【００１１】これにより、仮に、高圧側（圧縮機（１００）から圧力制御弁（３００）に至る冷媒通路）全体に冷媒が満たされた状態においても、低圧側（圧力制御弁（３００）から圧縮機（１００）に至る冷媒通路内）に冷媒を残存させることが可能となるので、圧縮機（１００）の停止後、圧縮機（１００）が再起動したときであっても、低圧側に存在する冷媒が圧縮機（１００）に吸入圧縮されて高圧側に吐出され得る。
【００１２】したがって、圧縮機（１００）の稼働とともに高圧側の圧力を圧力制御弁（３００）が開弁する圧力まで確実に上昇させることができるので、サイクル内に冷媒を確実に循環させることができ、サイクルが破綻することを防止できる。
【００１３】因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１４】
【発明の実施の形態】本実施形態は、本発明に係る超臨界冷凍サイクルを車両用のＣＯ2 サイクルに適用したものであり、図１はＣＯ2 サイクルの模式図である。
【００１５】図１中、１００は冷媒（ＣＯ2 ）を吸入圧縮する圧縮機であり、この圧縮機１００は、電磁クラッチ１１０を介して車両走行用エンジン（図示せず）から駆動力を得て稼動する。２００は圧縮機１００から吐出した冷媒を大気と熱交換して冷却するとともに、内部の圧力が冷媒の臨界圧力を超える放熱器でり、３００は放熱器２００から流出する冷媒を減圧するとともに、放熱器２００出口側の冷媒温度に基づいて放熱器２００出口側の圧力を制御する圧力制御弁である。なお、圧力制御弁３００の詳細についていは、後述する。
【００１６】４００は圧力制御弁３００にて減圧された冷媒を蒸発させて空気を冷却する蒸発器であり、５００はＣＯ2 サイクル内の余剰冷媒を貯えるとともに、蒸発器４００から流出する冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を圧縮機１００側に流出させるアキュームレータ（気液分離手段）である。
【００１７】なお、６００は蒸発器４００にて冷却された空気の温度を検出する温度センサ（温度検出手段）であり、電子制御装置（ＥＣＵ）７００は、温度センサ７００の検出温度に基づいて電磁クラッチ１１０のＯＮ−ＯＦＦを制御している。
【００１８】具体的には、検出温度が３℃以下となったときには、電磁クラッチ１１０をＯＦＦとして圧縮機１００を停止させ、検出温度が４℃以上となったときには、電磁クラッチ１１０をＯＮとして圧縮機１００を稼動させる。
【００１９】また、本実施形態では、ＣＯ2 サイクル内封入する封入冷媒質量Ｙが、圧縮機１００から圧力制御弁３００に至る冷媒通路の通路体積Ｘと、仕様最低外気温度（本実施形態では、約１０℃）における冷媒飽和液密度ρとの積より大きくとなるように選定されており、具体的には、圧縮機１００から圧力制御弁３００に至る冷媒通路の通路体積Ｘと封入冷媒質量Ｙとが、下記数式１で示す関係を有するように選定している。
【００２０】
【数１】Ｙ＞０．８５Ｘ＋５因みに、図２は、数式１をグラフ化したものであり、封入冷媒質量Ｙは、図２のＡ領域に属している。
【００２１】次に、圧力制御弁３００について述べる。
【００２２】図３は圧力制御弁３００の断面図であり、３０１、３０２は冷媒通路を構成するとともに、制御弁本体３０３を収納するケーシングである。そして、制御弁本体３０３のうち、３０４は冷媒温度を感知する感温部であり、この感温部３０４は、薄膜状のダイヤフラム（圧力応動部材）３０５、およびダイヤフラム３０５と共に密閉空間３０６を形成するハウジング３０７から構成されている。
【００２３】そして、密閉空間３０６内には、冷媒（ＣＯ2 ）の温度が０℃での飽和液密度から冷媒の臨界点での飽和液密度に至る範囲の密度（本実施形態では約６２５ｋｇ／ｍ3 ）で封入されている。
【００２４】なお、３０７ａは感温部３０４（密閉空間３０６）に冷媒を封入する封入管であり、この封入管３０７ａは、ケーシング３０１、３０２内の冷媒温度に対して密閉空間３０６内の冷媒温度を時間差無く追従させるべく、銅などの熱伝導率の高い金属製である。
【００２５】３０９は圧力制御弁３００（制御弁本体３０３）の弁口３１０の開度を調節するニードル弁体（以下、弁体と略す。）であり、弁体３０９はダイヤフラム３０５に接合されている。このため、感温部３０４（密閉空間３０６内）の温度上昇（内圧上昇）すると、弁体３０９は、弁口３１０の開度を縮小させる向きに変位する。
【００２６】３１１は弁口３１０を閉じる向きの弾性力を弁体３０９に作用させるとともに、圧力制御弁３００の閉弁圧を調節するバネ（弾性体）であり、このバネ３１１の初期設定荷重は、調整ナット３１２を回すことにより調節される。そして、初期設定荷重（弁口３１０を閉じた状態での弾性力）は、冷媒が臨界圧力以下の凝縮域において、所定の過冷却度（本実施形態では約１０℃）を有するように設定されており、具体的には、初期設定荷重における、密閉空間３０６内での圧力換算で約１［ＭＰａ］である。
【００２７】したがって、圧力制御弁３００は、超臨界領域では、６２５ｋｇ／ｍ3 の等密度線に沿うように、放熱器２００出口側の冷媒温度に基づいて、放熱器２００出口側の冷媒圧力を制御し、凝縮域では、所定の過冷却度を有するように冷媒圧力が制御される（図４の太線ηmax 参照）。
【００２８】次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００２９】封入冷媒質量Ｙが、圧縮機１００から圧力制御弁３００に至る冷媒通路の通路体積Ｘと、仕様最低外気温度における冷媒飽和液密度ρとの積より大きくとなるように選定されているので、仮に、高圧側（圧縮機１００から圧力制御弁３００に至る冷媒通路）全体に冷媒が満たされた状態においても、低圧側（圧力制御弁３００から圧縮機１００に至る冷媒通路内）に冷媒が存在し得る。
【００３０】したがって、圧縮機１００（ＣＯ2 サイクル）の停止後、圧縮機１００（ＣＯ2 サイクル）が再起動したときであっても、低圧側に存在する冷媒が圧縮機１００に吸入圧縮されて高圧側に吐出されるので、圧縮機１００の稼働とともに高圧側の圧力を圧力制御弁３００が開弁する圧力まで確実に上昇させることができる。延いては、ＣＯ2 サイクル内に冷媒を確実に循環させることができるので、ＣＯ2 サイクルが破綻することを防止できる。
【００３１】ところで、上述の実施形態では、冷媒としてＣＯ2 を用いたが本発明に係る超臨界冷凍サイクルの冷媒はこれに限定されるものではなく、例えば、エチレン、エタン、酸化窒素等でもよい。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４２６０
【氏名又は名称】株式会社デンソー
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| 【出願日】 |
平成１１年５月２５日（１９９９．５．２５） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１０００２２
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 洋二 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−３３７７２１（Ｐ２０００−３３７７２１Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１２月８日（２０００．１２．８） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１４５３２４ |
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