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【発明の名称】 超臨界蒸気圧縮サイクル
【発明者】 【氏名】水上 春信

【要約】 【課題】放熱器での冷却効率が向上する上に、高サイド圧力の調整に応じて必要な循環冷媒量を自動的に調整できる超臨界蒸気圧縮サイクルを提供する。

【解決手段】この超臨界蒸気圧縮サイクルは、高サイドにおいては超臨界圧力で運転される閉回路を形成するように、配管6により直列連結された圧縮機1、ガスクーラー2(放熱器)、絞り抵抗4aおよびエバポレータ4(蒸発器)を備えた超臨界蒸気圧縮サイクルにおいて、ガスクーラー2と絞り抵抗4aとの間の配管6に設けられて、ガスクーラー2出口側の冷媒温度に応じて超臨界蒸気圧縮サイクルの成績係数が最大となるようにガスクーラー2の出口側圧力を目標値に制御する圧力制御弁3と、エバポレータ4出口側の配管6を貫通させられ、かつ液体冷媒5aを貯留する液溜容器5と、液溜容器5の下部と、圧力制御弁3および絞り抵抗4a間の配管6とを連通するための連通管5bと、を備えている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】 蒸気圧縮サイクルの高サイドにおいては超臨界圧力で運転される閉回路を形成するように、配管により直列連結された圧縮機、放熱器、絞り手段および蒸発器を備えた超臨界蒸気圧縮サイクルにおいて、前記放熱器と前記絞り手段との間に設けられて、前記放熱器出口側の冷媒温度に応じて前記放熱器出口側の圧力を目標圧力に制御するための圧力制御弁と、液体冷媒を貯留し、かつ前記蒸発器出口側の前記配管を貫通させられた液溜容器と、前記液溜容器の下部と、前記圧力制御弁および前記絞り手段間の前記配管とを連通するための連通管と、を備えていることを特徴とする超臨界蒸気圧縮サイクル。
【請求項2】 前記放熱器を通過した液体冷媒と前記蒸発器を通過した気体冷媒との間で熱交換させるためのインタークーラーを備え、前記圧力制御弁は前記インタークーラーの出口側配管に設けられている請求項1記載の超臨界蒸気圧縮サイクル。
【請求項3】 使用される冷媒が二酸化炭素である請求項1または請求項2記載の超臨界蒸気圧縮サイクル。
【発明の詳細な説明】【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、閉回路において、高サイドにおいては超臨界条件下で作動される冷媒(特にCO2)を利用する空調ユニット、冷凍機、およびヒートポンプのような蒸気圧縮サイクルに関し、特に、サイクルの能力を自動的に制御する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】超臨界蒸気圧縮サイクルにおいて、循環冷媒を調整することにより高サイド圧力を制御する技術が提案されている(例えば特公平7−18602号公報参照)。この超臨界蒸気圧縮サイクルは、図6に示すように、放熱器110に直列連結された圧縮機100と、向流型熱交換器120と、絞り弁130とを備えている。絞り弁130と圧縮機100の流入口190の中間に、蒸発器140と、液体分離器(レシーバ)160と、向流型熱交換器120の低圧側とが、連通可能に連結されている。レシーバ160は蒸発器流出口150に連結され、またレシーバ160のガス相流入口は向流型熱交換器120に連結されている。レシーバ160からの液相ライン(破線参照)が、向流型熱交換器120の前で点170とその後の点180との間の任意の位置において、吸引ラインに連結される。前記絞り弁130は、レシーバ160の液体残量を変更して前記高サイド圧力を調整する。図7の従来例はレシーバの代わりに、入口側および出口側に弁230,240をそれぞれ有する中間液溜器250を絞り弁130と並列に接続したものである。
【0003】ところで、近年、蒸気圧縮式冷凍サイクルに使用される冷媒のフロン対策の1つとして、二酸化炭素(CO2)を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクル(以下、CO2サイクルと略す)が提案されている。このCO2サイクルの作動は、フロンを使用した従来の蒸気圧縮式冷凍サイクルの作動と原理的には同じである。すなわち、図3(CO2モリエル線図)のA−B−C−D−Aで示されるように、圧縮機で気相状態のCO2を圧縮し(A−B)、この高温圧縮の気相状態のCO2を放熱器(ガスクーラー)にて冷却する(B−C)。そして、減圧器により減圧して(C−D)、気液2相状態となったCO2を蒸発させて(D−A)、蒸発潜熱を空気等の外部流体から奪って外部流体を冷却する。
【0004】CO2の臨界温度は約31℃と従来のフロンの臨界点温度と比べて低いので、夏場等では、放熱器側でのCO2温度がCO2の臨界点温度よりも高くなってしまう。つまり、放熱器出口側においてCO2は凝縮しない(線分BCが飽和液線SLと交差しない)。また、放熱器出口側(C点)の状態は、圧縮機の吐出圧力と放熱器出口側でのCO2温度によって決定され、放熱器出口側でのCO2温度は、放熱器の放熱能力と外気温度(これは制御不可能)とによって決定するので、放熱器出口での温度は、実質的には制御することができない。したがって、放熱器出口側(C点)の状態は、圧縮機の吐出圧力(放熱器出口側圧力)を制御することによって制御可能となる。つまり、夏場等の外気温度が高い場合には、十分な冷却能力(エンタルピ差)を確保するためには、図4のE−F−G−H−Eで示されるように、放熱器出口側圧力を高くする必要がある。
【0005】しかし、放熱器出口側圧力を高くするには、前述のように圧縮機の吐出圧力を高くしなければならないので、圧縮機の圧縮仕事(圧縮過程のエンタルピ変化量ΔL)が増加する。したがって、蒸発過程(D−A)のエンタンピ変化量ΔIの増加量より圧縮過程(A−B)のエンタルピ変化量ΔLの増加量が大きい場合には、CO2サイクルの成績係数(COP=ΔI/ΔL)が悪化する。そこで、例えば放熱器出口側でのCO2 温度を40℃として、放熱器出口側でのCO2 圧力と成績係数の関係を図3を用いて試算すれば、図5の実線に示すように、圧力P1(約10MPa)において成績係数が最大となる。同様に、放熱器出口側でのCO2 温度を30℃とした場合には、図5の破線で示すように、圧力P2(約8.0MPa)において成績係数が最大となる。
【0006】以上のようにして、放熱器出口側のCO2温度と成績係数が最大となる圧力を算出し、この結果を図4に描けば、図4の太い実線ηmax(以下、最適制御線)に示すようになる。したがって、上記CO2サイクルを効率よく運転するには、放熱器出口側圧力と放熱器出口側のCO2温度とを、最適制御線ηmaxで示されるように制御する必要がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した超臨界蒸気圧縮サイクル(図6、図7)は、放熱器出口における冷媒温度に対応して放熱器出口側圧力(高サイド圧力)を制御するものではないので、放熱器での冷却効率は充分に高いとは言えず、冷却効率向上の改善余地がある。また、高サイド圧力の調整に応じて循環冷媒量を調節する必要(高サイド圧力が大きいほど循環冷媒量は多く必要)があるが、このためにその都度手動により絞り弁の開度を調節しなければならず、手間がかかる上に、熟練を要するという問題点がある。
【0008】本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、放熱器での冷却効率が向上する上に、高サイド圧力の調整に応じて必要な循環冷媒量を自動的に調整できる超臨界蒸気圧縮サイクルを提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するための本発明は、蒸気圧縮サイクルの高サイドにおいては超臨界圧力で運転される閉回路を形成するように、配管により直列連結された圧縮機、放熱器、絞り手段および蒸発器を備えた超臨界蒸気圧縮サイクルにおいて、前記放熱器と前記絞り手段との間に設けられて、前記放熱器出口側の冷媒温度に応じて前記放熱器出口側の圧力を目標圧力に制御するための圧力制御弁と、液体冷媒を貯留し、かつ前記蒸発器出口側の前記配管を貫通させられた液溜容器と、前記液溜容器の下部と、前記圧力制御弁および前記絞り手段間の前記配管とを連通するための連通管と、を備えていることを特徴とするものである。
【0010】上記構成の本発明においては、先ず、前記放熱器出口側の冷媒温度が低下した場合には、この冷媒温度に応じて放熱器出口側の冷媒圧力を減少させる必要があるために、圧力制御弁の開度が大きくなることにより、圧力制御弁および絞り手段間の冷媒圧力が上昇する。これにより、圧力制御弁および絞り手段間の冷媒の一部は連通管を通って液溜容器内に流入し、結果的に、サイクルの冷媒循環量が自動的に減少する。一方、前記放熱器出口側の冷媒温度が増加した場合には、この冷媒温度に応じて放熱器出口側の冷媒圧力を増加させる必要があるために、圧力制御弁の開度が小さくなることにより、圧力制御弁および絞り手段間の冷媒圧力が減少する。これにより、液溜容器内の冷媒は、連通管を通って圧力制御弁および絞り手段間の配管に流入し、結果的に、サイクルの冷媒循環量が自動的に増加する。
【0011】また、蒸発器から流出する冷媒量が低下してサイクルの能力が不足しているときには、蒸発器から流出する冷媒は過熱状態となり、液溜容器内を通過する際にその中の液体冷媒を加熱し、この液体冷媒はその圧力が飽和圧力以上になると、連通管を通って圧力制御弁および絞り手段間の配管に流入することにより、サイクルの冷媒循環量が増加し、結果的に、サイクルの能力が増える。一方、蒸発器から流出する冷媒量が増大してサイクルの能力が過剰の場合には、蒸発器から流出する冷媒は、液溜容器内を通過する際にその中の液体冷媒を冷却し、この液体冷媒はその圧力が飽和圧力以下となると、圧力制御弁および絞り手段間の配管の冷媒の一部は連通管を通って液溜容器内に流入することにより、サイクルの冷媒循環量が減少し、結果的に、サイクルの能力が減少する。
【0012】請求項2記載の発明のように、前記放熱器を通過した液体冷媒と前記蒸発器を通過した気体冷媒との間で熱交換させるためのインタークーラーを備えていることにより、蒸気圧縮式冷凍サイクルの能力増大要件に対する応答速度を改善することができる。また、請求項3記載のように本発明を、使用される冷媒が二酸化炭素である超臨界蒸気圧縮サイクルに適用することが好ましい。
【0013】
【発明の実施の形態】次に、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図1は本発明の蒸気圧縮式冷凍サイクルの一実施形態の構成図、図2は図1に示した圧力制御弁の詳細を示す断面図である。
【0014】先ず、図1に示すように、本実施形態の圧力制御弁を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルは、例えば車両用空調装置に適用したCO2サイクルであり、1は気相状態のCO2を圧縮する圧縮機である。圧縮機1は図示しない駆動源(例えばエンジン等)から駆動力を得て駆動する。2は圧縮機1で圧縮されたCO2を外気等との間で熱交換して冷却するガスクーラー(放熱器)であり、3は後述するインタークーラー7出口側の配管に設けられた圧力制御弁である。この圧力制御弁3は、ガスクーラー2出口側において後述する感温筒11により検知されたCO2温度(冷媒温度)に応じてガスクーラー2出口側圧力(本例ではインタークーラー7出口側の高サイド圧力)を制御する。圧力制御弁3は、高サイド圧力を制御するとともに減圧器を兼ねており、その構造および動作については後で詳述する。CO2は、この圧力制御弁3により減圧されて低温低圧の気液2相状態のCO2となり、さらに絞り抵抗4a(絞り手段)により減圧される。
【0015】4は、車室内の空気冷却手段をなすエバポレータ(蒸発器)で、気液2相状態のCO2はエバポレータ4内で気化(蒸発)する際に、車室内空気から蒸発潜熱を奪って車室内空気を冷却する。5は液体冷媒5aを貯留する液溜容器であり、この液溜容器5にはエバポレータ4出口側の配管6が上下に貫通しており、液溜容器5内の液体冷媒5aと配管6内の液体冷媒とが熱交換される構成になっている。液溜容器5の配管6の貫通部は、液溜容器5内が密閉空間となるようにシール(不図示)されている。なお、この熱交換の効率を高めるために、本実施形態のようにエバポレータ4出口側の配管6を液溜容器5内の液体冷媒5aに貫通させることが好ましいが、これに限定されない。液溜容器5の底部は、連通管5bにより、圧力制御弁3および絞り抵抗4a間の配管6に連通している。インタークーラー7は、ガスクーラー2を通過した液体冷媒とエバポレータ4を通過した気体冷媒との間で熱交換を行う向流型熱交換器で、このインタークーラー7は蒸気圧縮式冷凍サイクルの能力増大要件に対する応答速度を改善するものであり、必ずしも設ける必要はない。インタークーラー7を設けない場合には、圧力制御弁3をガスクーラー2の出口近傍の配管に設けることが好ましい。そして、圧縮機1、ガスクーラー2、インタークーラー7、圧力制御弁3、絞り抵抗4aおよびエバポレータ4は、それぞれ配管6によって接続されて閉回路(CO2サイクル)を形成している。なお、符号8は圧縮機1から吐出された冷媒ガスより潤滑油を捕集するオイルセパレータであり、捕集された潤滑油は油戻し管9を通って圧縮機1内に戻される。
【0016】ここで、前記圧力制御弁3の一例について詳述する。図2に示すように、圧力制御弁3の弁本体12(弁ケーシング)は、配管6によって形成される冷媒通路7(本例ではCO2流路)内のうちインタークーラー7と絞り抵抗4a(それぞれ図1参照)との間に配置されている。また、弁本体12は、前記冷媒通路7を上流側空間7aと下流側空間7bとに仕切るように配置され、弁本体12の直交する両端部内には、前記冷媒通路7の上流側空間7aとの境界である第1の隔壁13、および下流側空間7bとの境界である第2の隔壁14が形成されており、これら第1の隔壁13および第2の隔壁14には第1の弁口13a(開口)および第2の弁口14a(開口)がそれぞれ形成されている。
【0017】前記弁本体12の内空間12aには、密閉空間17aを形成するためのベローズからなる伸縮容器17が設けられおり、この伸縮容器17は前記密閉空間17a内外の圧力差に応じて軸方向(図1では矢印A方向で示す上下方向)に伸縮変位する。この伸縮容器17の基端(図1では上端)は弁本体12内壁に固定されており、さらに、伸縮容器17の軸心中空部17bには、先端に弁16を有する弁棒16aが軸方向(矢印A方向)に移動自在に貫通している。この弁16は、伸縮容器17の先端に固定され、かつ第2の隔壁14の第2の弁口14aと対向している。前記弁棒16aは、伸縮容器17の伸縮に機械的に連動して可動するものであり、伸縮容器17の密閉空間17aの内外圧差がなく、伸縮容器17が無負荷状態のときには、前記弁16は第2の弁口14aを閉じている。
【0018】符号15は、弁本体12内に設けられて、第1の弁口13aを開閉するための逆止弁を示しており、この逆止弁15は上流側空間7a内圧力が弁本体12の内空間12a内圧力より所定量大きくなったときに第1の弁口13aを開く。逆止弁21は、図示しない付勢手段(例えばコイルばね)によって第1の弁口13aに押し付けられており、逆止弁15には常に所定の初期荷重が作用している。この初期荷重が前記所定量となっている。
【0019】前記伸縮容器17の密閉空間17aはキャピラリチューブ10(管部材)を介して感温筒11に連通している。この感温筒11は、ガスクーラー2出口近傍の配管6の大径部6aに収容され、配管6内の冷媒温度を検知して伸縮容器17に伝えるためのものである。なお、感温筒11の良好な熱応答性を考慮して、感温筒11を配管6内に設けたが、これに限らず、配管6の外面に密着して設けてもよい。連通管19(細管)は、弁本体12の内空間12aとキャピラリチューブ10の途中部とを連通するものであり、この連通管19には閉止弁18が設けられている。この閉止弁18が閉じているときには、弁本体12の内空間12aおよび伸縮容器17の密閉空間17aは遮断され独立した空間となる。本例の蒸気圧縮式冷凍サイクルは、冷媒と二酸化炭素を使用したCO2サイクルであり、弁本体12内、伸縮容器17内、感温筒11内および前記キャピラリチューブ10内には冷媒ガス(CO2ガス)が、前記弁16および前記逆止弁15がそれぞれ閉じた状態において、前記冷媒ガスの温度が0℃での飽和液密度から前記冷媒の臨界点での飽和液密度に至る所定範囲の密度でそれぞれ封入されている。
【0020】次に、圧力制御弁3の使用方法および動作について説明する。先ず、初期設定時には、閉止弁18を開いた状態で第1の弁口13aより弁本体12内にCO2 ガスを導入することにより、このCO2 ガスの一部は連通管19およびキャピラリチューブ10を通って、伸縮容器17の密閉空間17aおよび感温筒11内に導入され、導入が完了すると逆止弁15は自動的に閉じるとともに、閉止弁18を閉じることにより、弁本体12の内空間12aおよび伸縮容器17の密閉空間17aは、互いに遮断され内圧差のない独立した空間となる。これにより、収縮容器17の密閉空間17aの圧力は感温筒11の温度に対応した圧力となり、収縮容器17外は弁本体12に対応した圧力が維持され、大きな温度差が生じない限り、収縮容器17の内外の圧力差は大きくならないので、収縮容器17は過度に変形することがない上に、弾性復元力の低下や破損の恐れもない。なお、インタークーラー7出口側でのCO2 温度を40±1℃と仮定すると、成績係数が最大となるように、封入するCO2 ガスの圧力は10.5±0.5MPaとすることが好ましい。
【0021】初期設定終了時には、第1の弁口13aおよび第2の弁口14aは逆止弁15および弁16によりそれぞれ閉じている。圧縮機1を起動してCO2サイクルを運転すると、圧力制御弁3の上流側空間7aの圧力が弁本体12の内圧より大きくなると、逆止弁15が移動して第1の弁口13aは開き、これにより、CO2ガスが弁本体12内に流れ込む。弁本体12の内圧が収縮容器17に内圧よりも大きくなると、弁16が移動して第2の弁口14aは開き、CO2が配管6を循環する。このとき、前記封入したCO2ガスの熱伝導により、伸縮容器17内の温度は感温筒11内の温度と連動して、ガスクーラー2出口温度とほぼ等しくなる。したがって、伸縮容器17の内圧力は、循環するCO2の温度のバランス圧力となる。弁本体12の内圧が前記バランス圧力より大きい場合には第2の弁口14aは開状態となり、弁本体12の内圧が前記バランス圧力より小さい場合には第2の弁口14は閉状態となり、これにより、ガスクーラー2出口側温度に対応したバランス圧力はほぼ弁本体12の内圧となるように自動調整される。すなわち、ガスクーラー2出口側でのCO2温度に応じてインタークーラー7出口側圧力を制御する。
【0022】具体的には、例えばガスクーラー2出口側温度が40℃、かつ、ガスクーラー2の出口圧力が約10.7MPa以下のときには、高圧力制御弁3は閉じているので、圧縮機1は、インタークーラー7よりCO2を吸引して放熱器2へ向けて吐出する。これにより、放熱器2の出口側圧力が上昇していく(図5中のb’−c’→b”−c”参照)。そして、放熱器2の出口側圧力が約10.7MPaを越えると(B−C)、圧力制御弁3が開弁するので、CO2は減圧しながら気相状態から気液2相状態に相変化して(C−D)、蒸発器4内に流れ込む。そして、蒸発器4内で蒸発して(D−A)、空気を冷却した後、再びインタークーラー7に還流する。このとき、放熱器2の出口側圧力が再び低下するので、圧力制御弁3は再び閉じる。
【0023】すなわち、CO2サイクルは、圧力制御弁3を閉じることにより、放熱器2の出口側圧力を所定の圧力まで昇圧させた後、CO2を減圧、蒸発させて空気を冷却するものである。上述のように、本実施形態に係わる高圧力制御弁3は、放熱器2の出口側圧力を所定の圧力まで昇圧させた後、開弁するものであり、その制御特性は、高圧力制御弁3の密閉空間の圧力特性に大きく依存する。ところで、図3から明らかなように、超臨界域での600kg/cm3の等密度線は、上述した最適制御線ηmaxにほぼ一致する。したがって、本実施形態に係わる圧力制御弁3は 放熱器2の出口側圧力を、ほぼ最適制御線ηmaxに沿った圧力まで上昇させるので、超臨界域においてもCO2サイクルを効率よく運転させることができる。そして、超臨界圧力以下では、600kg/m3の等密度線は、最適制御線ηmaxからのずれが大きくなるが、凝縮域なので密閉空間の内圧は、飽和液線SLに沿って変化する。なお、実用的には、CO2温度が0℃での飽和液密度からCO2の臨界点での飽和液密度までの範囲で、密閉空間内に封入することが望ましい。
【0024】次に、本実施形態の特徴である循環冷媒量の自動調整について説明する。先ず、ガスクーラー2出口側の冷媒温度が低下した場合には、超臨界蒸気圧縮サイクルの成績係数が最大となるように高サイド圧力を減少させるために、上述のように圧力制御弁3の開度が大きくなることにより、圧力制御弁3および絞り抵抗4a間の冷媒圧力が上昇する。これにより、圧力制御弁3および絞り抵抗4a間の配管6中の冷媒の一部は連通管5bを通って液溜容器5内に流入し、結果的に、サイクルの冷媒循環量が自動的に減少する。一方、ガスクーラー2出口側の冷媒温度が増加した場合には、超臨界蒸気圧縮サイクルの成績係数が最大となるように高サイド圧力を増加させるるために、上述のように圧力制御弁3の開度が小さくなることにより、圧力制御弁3および絞り抵抗4a間の配管6中の冷媒圧力が減少する。これにより、液溜容器5内の冷媒は、連通管5bを通って圧力制御弁3および絞り抵抗4a間の配管6に流入し、結果的に、サイクルの冷媒循環量が自動的に増加する。
【0025】また、エバポレータ4から流出する冷媒量が低下してサイクルの能力が不足しているときには、エバポレータ4から流出する冷媒は過熱状態となり、液溜容器5内を通過する際にその中の液体冷媒を加熱し、この液体冷媒はその圧力が飽和圧力以上となると連通管5bを圧力制御弁3および絞り抵抗4a間の配管6に流入し、結果的にサイクルの冷媒循環量が増加して能力が増える。一方、エバポレータ4から流出する冷媒量が増大してサイクルの能力が過剰の場合には、エバポレータ4から流出する冷媒は、液溜容器5内を通過する際にその中の液体冷媒を冷却し、この冷媒はその圧力が飽和圧力以下となると、圧力制御弁3および絞り抵抗4a間の配管6の冷媒の一部は連通管15bを通って液溜容器5内に流入し、結果的にサイクルの冷媒循環量が減少して能力が減少する。
【0026】
【発明の効果】本発明は、以上説明したとおりに構成されているので、放熱器出口における冷媒温度に対応して放熱器出口側圧力(高サイド圧力)を目標値に制御するので、放熱器での冷却効率が向上する。また、高サイド圧力の調整に応じて循環冷媒量が自動的に調整され(高サイド圧が大きいほど循環冷媒量は多く必要)、従来のような手動で絞り弁の開度を調節するという手間を省ける。請求項2記載の発明のように、前記放熱器を通過した液体冷媒と前記蒸発器を通過した気体冷媒との間で熱交換させるためのインタークーラーを備えていることにより、蒸気圧縮式冷凍サイクルの能力増大要件に対する応答速度を改善することができる。また、請求項3記載のように本発明を、使用される冷媒が二酸化炭素である超臨界蒸気圧縮サイクルに適用することが好ましい。
【出願人】 【識別番号】000006208
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
【出願日】 平成11年6月8日(1999.6.8)
【代理人】 【識別番号】100112737
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 考晴 (外3名)
【公開番号】 特開2000−346472(P2000−346472A)
【公開日】 平成12年12月15日(2000.12.15)
【出願番号】 特願平11−161687