JP2010032157A - Refrigeration cycle device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷凍サイクル装置に関するものである。 The present invention relates to a refrigeration cycle apparatus.
特許文献1ないし特許文献4に記載されるように、地球温暖化係数GWPに着目した新冷媒が提案されている。これら新冷媒は、低GWPという利点を有する。しかし、既存冷媒と同程度の冷凍能力と、既存冷媒との代替容易性が求められている。
As described in
一方、特許文献5に記載の冷凍サイクル装置が知られている。この冷凍サイクル装置では、凝縮器と膨張弁との間の高圧冷媒と、蒸発器と圧縮機との間の低圧冷媒とを熱交換する内部熱交換器を備えている。さらに、この冷凍サイクル装置では、ノーマルチャージ膨張弁を用い、蒸発器出口における冷媒の状態を、乾き度0.9から過熱度5°Cの範囲に制御している。かかる数値範囲は、液側に偏った制御を提供する。
特許文献5に記載の発明によると、内部熱交換器を備えていても、圧縮機の吸入温度を低く抑えることが可能である。この結果、圧縮機内部で冷媒温度が上昇しても、圧縮機の吐出温度を低く抑えることができる。このため、圧縮機周辺のゴム部品、樹脂部品、電子部品などを高温にさらすことを回避でき、部品の耐久性の低下を抑えることができる。その反面、蒸発器の出口に気液二相状態の冷媒が流出することがあり、膨張弁の開度がハンチング現象を起こすという問題点があった。このように、既に市場に広く出回っている冷媒を採用した冷凍サイクル装置では、冷凍能力向上が試みられている。しかし、冷凍能力向上に伴い、新たな課題が顕在化するという問題点があった。
According to the invention described in
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、冷凍能力と耐久性との両方が総合的に改善された冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and an object thereof is to provide a refrigeration cycle apparatus in which both the refrigeration capacity and the durability are comprehensively improved.
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置の冷凍能力を十分に引き出しながら、冷媒温度の過剰な上昇を抑えた冷凍サイクル装置を提供することを他の目的とする。 In view of the above-described problems of the prior art, the present invention provides a refrigeration cycle apparatus that suppresses an excessive increase in the refrigerant temperature while sufficiently drawing out the refrigeration capacity of the refrigeration cycle apparatus including an internal heat exchanger. The purpose.
本発明は、新冷媒の利点を得ながら、既存冷媒と大差ない冷凍能力を得ることができ、しかも耐久性を損なうことがない冷凍サイクル装置を提供することをさらに他の目的とする。 Another object of the present invention is to provide a refrigeration cycle apparatus that can obtain the refrigeration capacity that is not significantly different from existing refrigerants while obtaining the advantages of the new refrigerant, and that does not impair the durability.
本発明は上記目的を達成するために、下記の技術的手段を採用する。 In order to achieve the above object, the present invention employs the following technical means.
請求項1に記載の発明では、圧縮機(110、210)、凝縮器(120)、膨張弁(131、231、331)、および蒸発器(141)を備えた冷凍サイクル装置において、凝縮器(120)と膨張弁(131、231、331)との間の高圧冷媒と、蒸発器(141)と圧縮機(110、210)との間の低圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器(160)と、冷凍サイクル内を循環する循環冷媒であって、ph図上における等エントロピ線(EL0)の傾斜が冷媒R134aの等エントロピ線(ELC)に対して大きく、ph図上における二相域のエンタルピ幅(ED0)が冷媒R134aのエンタルピ幅(EDC)に対して狭い循環冷媒(R0)とを備えることを特徴とする。この発明によると、内部熱交換器を備えることによって循環冷媒(R0)の冷凍能力を十分に引き出す。一方で、循環冷媒(R0)の特性を利用して、冷凍サイクル装置の部品の耐久性を損なわない程度に冷媒温度を低く抑えることができる。この結果、循環冷媒の選択肢を広げることができ、例えば、広く流通している冷媒R134aにはない特性をもった循環冷媒を利用することができる。 According to the first aspect of the present invention, in the refrigeration cycle apparatus including the compressor (110, 210), the condenser (120), the expansion valve (131, 231, 331), and the evaporator (141), the condenser ( 120) and an internal heat exchanger (160) for exchanging heat between the high-pressure refrigerant between the expansion valves (131, 231, 331) and the low-pressure refrigerant between the evaporator (141) and the compressors (110, 210). ) And the circulating refrigerant circulating in the refrigeration cycle, the slope of the isentropic curve (EL0) on the ph diagram is larger than the isentropic curve (ELC) of the refrigerant R134a, and the two-phase region on the ph diagram The enthalpy width (ED0) includes a circulating refrigerant (R0) narrower than the enthalpy width (EDC) of the refrigerant R134a. According to the present invention, the refrigeration capacity of the circulating refrigerant (R0) is sufficiently extracted by providing the internal heat exchanger. On the other hand, using the characteristics of the circulating refrigerant (R0), the refrigerant temperature can be kept low to such an extent that the durability of the components of the refrigeration cycle apparatus is not impaired. As a result, the options for the circulating refrigerant can be expanded, and for example, a circulating refrigerant having characteristics not found in the widely circulating refrigerant R134a can be used.
請求項2に記載の発明では、ph図上の飽和温度0°Cにおける循環冷媒(R0)の二相域のエンタルピ幅(ED0)は、冷媒R134aの二相域のエンタルピ幅(EDC)に対して−15%以下であり、内部熱交換器(160)は、ph図上における凝縮過程または蒸発過程のエンタルピ幅を、ph図上の飽和温度0°Cにおける循環冷媒(R0)の二相域のエンタルピ幅(ED0)に対して5%以上増加(EH)させるよう設定されていることを特徴とする。この発明によると、内部熱交換器を備えることによって冷凍能力を十分に引き出すことができる。
In the second aspect of the present invention, the enthalpy width (ED0) of the two-phase region of the circulating refrigerant (R0) at the
請求項3に記載の発明では、ph図上の飽和温度0°Cにおける循環冷媒(R0)の二相域のエンタルピ幅(ED0)は、冷媒R134aの二相域のエンタルピ幅(EDC)に対して−25%以上−15%以下の範囲内にあり、内部熱交換器(160)は、ph図上における凝縮過程または蒸発過程のエンタルピ幅を、ph図上の飽和温度0°Cにおける循環冷媒(R0)の二相域のエンタルピ幅(ED0)に対して5%以上10%以下の範囲内で増加(EH)させるよう設定されていることを特徴とする。この発明によると、内部熱交換器を備えることによって冷凍能力を十分に引き出すことができる。
In the invention according to
請求項4に記載の発明では、飽和温度0°Cと飽和ガス線との交点を通る循環冷媒(R0)の等エントロピ線(EL0)は、0.044以上0.054以下の範囲内の傾きを有することを特徴とする。この発明によると、内部熱交換器を備えていても、圧縮機(110、210)の内部における冷媒温度の過度の上昇を抑えることができる。
In the invention according to
請求項5に記載の発明によると、循環冷媒(R0)は、少なくともひとつの低GWP冷媒を含む混合冷媒であることを特徴とする。この発明によると、循環冷媒R0の低GWPという利点を得ながら、冷凍能力と耐久性との両方を改善することができる。
According to the invention described in
請求項6に記載の発明では、膨張弁(131、231)は、蒸発器(141)の出口の冷媒の過熱度(SH)を0°C以上6°C以下の範囲内の目標値に制御するよう設定されたノーマルチャージ特性(EV1、EV3)を有することを特徴とする。この発明によると、内部熱交換器(160)による冷凍能力の向上効果を確実に得ることができる。
In the invention according to
請求項7に記載の発明では、圧縮機(210)は、電動モータ(212)と、冷媒の熱を受けるように搭載された制御回路(213)とを備えることを特徴とする。この発明によると、制御回路(213)に含まれる電子回路部品の耐久性を損なうことが抑制される。
The invention according to
請求項8に記載の発明では、膨張弁(331)は、常用運転領域の範囲内において、蒸発器(141)の出口の冷媒の過熱度(SH)を0°C以上6°C以下の範囲内に制御するよう設定されたクロスチャージ特性(EV4)を有することを特徴とする。この発明によると、クロスチャージ特性(EV4)が有する利点を得ながら、内部熱交換器(160)による冷凍能力の向上効果を確実に得ることができる。
In the invention according to
請求項9に記載の発明では、常用運転領域は、蒸発器(141)の出口の冷媒の圧力(P)が0.2MPaG以上0.3MPaG以下の範囲に相当し、クロスチャージ特性(EV4)は、蒸発器(141)の出口の冷媒の圧力(P)が0.3MPaGにあるときに、蒸発器(141)の出口の冷媒の過熱度(SH)を0°Cに制御するよう設定されていることを特徴とする。この発明によると、冷房装置への適用に適した冷凍サイクル装置が提供される。 In the invention according to claim 9, the normal operation range corresponds to a range in which the refrigerant pressure (P) at the outlet of the evaporator (141) is 0.2 MPaG or more and 0.3 MPaG or less, and the cross charge characteristic (EV4) is When the pressure (P) of the refrigerant at the outlet of the evaporator (141) is 0.3 MPaG, the superheat degree (SH) of the refrigerant at the outlet of the evaporator (141) is set to be controlled to 0 ° C. It is characterized by being. According to the present invention, a refrigeration cycle apparatus suitable for application to a cooling apparatus is provided.
請求項10に記載の発明では、冷凍サイクル装置(100A、200A、300A)は、車両空調装置に用いられ、内部熱交換器(160)は二重管であることを特徴とする。この発明によると、配管を兼ねる二重管によって内部熱交換器が提供される。
The invention according to
なお、特許請求の範囲および上記各手段に記載の括弧内の符号は、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。 In addition, the code | symbol in the parenthesis as described in a claim and said each means is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
(第1実施形態)
以下、本発明を車両用の空調装置100の冷房用の冷凍サイクル装置100Aに適用した第1実施形態を説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment in which the present invention is applied to a cooling
図1および図2において、車両はダッシュパネル3によって、走行用のエンジン10が搭載されるエンジンルーム1と、乗員用の車室2とに区画されている。冷凍サイクル装置100Aは、エンジンルーム1から車室2にまたがって配置されている。空調装置100の室内ユニット100Bは、車室2のインストルメントパネル内に配置されている。
1 and 2, the vehicle is partitioned by a
室内ユニット100Bは、空調ケース101を有する。空調ケース101内には、送風機102、蒸発器141、ヒータコア103等が配設されている。送風機102は、車両の外気あるいは内気を空調空気として選択的に取り込んで、その空調空気を蒸発器141、ヒータコア103に送風する。蒸発器141は、冷凍サイクル装置100Aの循環冷媒を蒸発させて空調空気を冷却する冷房用の熱交換器である。ヒータコア103は、エンジン10の温水を加熱源として空調空気を加熱する暖房用の熱交換器である。
The
ヒータコア103近傍には、エアミックスドア104が設けられている。エアミックスドア104は、蒸発器141によって冷却された空調空気と、ヒータコア103によって加熱された空調空気との混合比率を調節する。エアミックスドア104により吹き出し温度が調節され、車室内の温度が、設定温度に調節される。
An
冷凍サイクル装置100Aは、圧縮機110、凝縮器120、膨張弁131、蒸発器141を備える。これらの部品は、複数の配管150によって順次接続されて閉回路を形成している。圧縮機110の吸入側と吐出側とには、ゴム層および樹脂層を含むホースが使用されている。凝縮器120と膨張弁131との間の高圧冷媒と、蒸発器141と圧縮機110との間の低圧冷媒とを熱交換する内部熱交換器160が設けられている。
The
圧縮機110は、循環冷媒を高温高圧に圧縮する。圧縮機110は、エンジン10の駆動力によって駆動される。圧縮機110の駆動軸には電磁クラッチ付のプーリ111が固定されている。エンジン10の駆動力がクランクプーリ11、駆動ベルト12を介してプーリ111に伝達される。プーリ111には、圧縮機駆動軸とプーリ111との間を断続する電磁クラッチが設けられている。圧縮機110は、可変容量型の圧縮機である。
The
圧縮機110の容量は、制御装置105によって制御される。制御装置105は、負荷に応じて予め設定された目標圧力を記憶している。制御装置105は、例えば、蒸発器141の蒸発圧力が目標圧力に一致するように、容量を制御する。例えば、制御装置105は、蒸発圧力を0.2MPa以上、0.3MPa以下の範囲内に維持するように容量を制御する。この実施形態では、蒸発器141の表面温度を温度センサ106によって検出する。制御装置105は、温度センサ106の検出温度を目標温度に維持するように容量を制御する。さらに、制御装置105は、長時間にわたる低容量運転の継続を回避するために、低負荷領域においては断続運転を行う。制御装置105は、中負荷領域および高負荷領域において圧縮機110の容量を連続的に調節する可変容量制御手段と、低負荷領域においてオイル戻りを維持できる容量状態と停止状態との間で断続運転する断続制御手段とを備えている。断続運転は、電磁クラッチを断続することによって、または容量を大小に変化させることによって実現される。この結果、低負荷状態におけるオイル戻りが確保される。
The capacity of the
凝縮器120は高圧側熱交換器である。凝縮器120は、圧縮機110の吐出側に接続されている。凝縮器120は、外気との熱交換によって冷媒を凝縮液化する。膨張弁131は、減圧器であって、絞り、弁、エジェクタなどによって提供され得る。膨張弁131は、凝縮器120から流出した液相冷媒を減圧膨脹させて、等エンタルピ的に減圧する。膨張弁131は、蒸発器141の近傍に設けられている。膨張弁131は、蒸発器141の出口における冷媒状態が、所定の状態となるように絞り開度を制御する感温式膨脹弁である。蒸発器141は低圧側熱交換器であって、冷却器あるいは吸熱器とも呼ばれる。蒸発器141の冷媒出口は、配管150と二重管160とを介して圧縮機110の吸入側に接続されている。
The
二重管160は、外管161内に内管162を配置した内部熱交換器である。二重管160は、配管を兼ねている。二重管160は、エンジンルーム1内の前後方向に沿って長く敷設されている。二重管160は、敷設のために、複数個所で曲げられている。内管162内に低圧冷媒が流れる。外管161と内管162との間に高圧冷媒が流れる。二重管160は、300mmから800mm程度の長さを有する。二重管160の少なくとも内管162の壁面は所要の熱交換量を上記長さにおいて実現するために、熱交換を促進する形状としての螺旋溝形状が設けられている。二重管160は、配管としても機能する。このため、車両の狭いエンジンルーム1内に敷設することができる。しかも、二重管160は、エンジンルーム1内の高温空気による悪影響を低減するために有効である。
The
図3を参照して膨張弁131を説明する。膨張弁131は、ブロック状のハウジングを有しており、ボックス型と呼ばれる。膨張弁131は、蒸発器141に供給される冷媒量を調節する弁部131aと、弁部131aの開度を調節する感温部131bとを有する。弁部131aは、弁座、弁体、および閉弁バネによって構成されうる。感温部131bは、蒸発器141出口の冷媒状態を感知する手段と、冷媒状態を目標状態に一致させるように弁部131aの操作量を発生する制御手段と、操作量に応じて弁部131aの開度を調節する駆動手段とを有する。この実施形態では、感温部131bは、流体圧力式のパワーエレメントである。パワーエレメントは、感圧部材としてのダイヤフラムを備える。ダイヤフラムは、第1室と第2室とを区画している。ダイヤフラムには、弁体を駆動する弁棒が連結されている。ダイヤフラムは、第1室と第2室との差圧によって変位し、弁部131aの開度を調節する。蒸発器141における循環冷媒の蒸発圧力が第1室に導入される。第2室には、媒体が封入されている。媒体には、二相状態の封入冷媒と、調節用の補助ガスとが含まれる。封入冷媒は、循環冷媒の飽和蒸気圧曲線より傾きが大きい飽和蒸気圧曲線をもつ。第2室の媒体には、蒸発器141の出口の冷媒の温度が伝達される。この結果、封入冷媒は、蒸発器141の出口の冷媒温度を感知する。封入冷媒は、第2室の圧力を蒸発器141の出口における冷媒温度に依存して変化させる。よって、ダイヤフラムは、蒸発器141の蒸発圧力と蒸発器141の出口における循環冷媒の温度に応じた圧力との差圧に応じて変位する。
The
冷凍サイクル装置100A内を循環する循環冷媒R0は、混合冷媒である。循環冷媒R0には、GWPが低い成分冷媒が少なくともひとつ含まれている。循環冷媒R0は、既に知られている複数の冷媒を混合することによって作り出すことができる。広く市場に流通している代表的な冷媒であるR134aを基準冷媒として、循環冷媒R0の特性が特定される。
The circulating refrigerant R0 circulating in the
図4を参照して循環冷媒R0の特性を説明する。図4は、ph図またはモリエル線図と呼ばれる。図4の横軸はエンタルピHを示し、縦軸は圧力Pを示す。図4には、循環冷媒R0の飽和特性ML0が実線により図示されている。基準冷媒R134aの飽和特性MLCは、破線によって図示されている。 The characteristics of the circulating refrigerant R0 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is called a ph diagram or a Mollier diagram. The horizontal axis in FIG. 4 indicates enthalpy H, and the vertical axis indicates pressure P. In FIG. 4, the saturation characteristic ML0 of the circulating refrigerant R0 is shown by a solid line. The saturation characteristic MLC of the reference refrigerant R134a is illustrated by a broken line.
飽和特性ML0の飽和液線は、飽和特性MLCの飽和液線とほぼ同じである。飽和特性ML0の臨界圧は、飽和特性MLCの臨界圧より低い。飽和特性ML0の飽和ガス線は、飽和特性MLCの飽和ガス線より、低エンタルピ側に位置している。同じ圧力における飽和液線と飽和ガス線との間の二相域のエンタルピ幅で対比した場合、飽和特性ML0のエンタルピ幅は、飽和特性MLCのエンタルピ幅より明らかに狭い。飽和温度0°Cに相当する圧力においては、飽和特性ML0のエンタルピ幅ED0は、飽和特性MLCのエンタルピ幅EDCの約80%である。よって、循環冷媒R0のエンタルピ幅は、基準冷媒R134aのエンタルピ幅に対して−20%である。このため、循環冷媒R0を内部熱交換器を備えない冷凍サイクル装置に採用した場合、蒸発過程において十分な冷凍能力を得ることができない。 The saturated liquid line of the saturation characteristic ML0 is almost the same as the saturated liquid line of the saturation characteristic MLC. The critical pressure of saturation characteristic ML0 is lower than the critical pressure of saturation characteristic MLC. The saturated gas line with the saturation characteristic ML0 is located on the lower enthalpy side than the saturated gas line with the saturation characteristic MLC. When compared with the enthalpy width of the two-phase region between the saturated liquid line and the saturated gas line at the same pressure, the enthalpy width of the saturation characteristic ML0 is clearly narrower than the enthalpy width of the saturation characteristic MLC. At a pressure corresponding to a saturation temperature of 0 ° C., the enthalpy width ED0 of the saturation characteristic ML0 is about 80% of the enthalpy width EDC of the saturation characteristic MLC. Therefore, the enthalpy width of the circulating refrigerant R0 is −20% with respect to the enthalpy width of the reference refrigerant R134a. For this reason, when circulating refrigerant | coolant R0 is employ | adopted as the refrigeration cycle apparatus which is not equipped with an internal heat exchanger, sufficient refrigerating capacity cannot be obtained in an evaporation process.
図4には、飽和温度0°Cと飽和ガス線との交点を通る等エントロピ線が図示されている。循環冷媒R0の等エントロピ線EL0が一点鎖線で図示され、基準冷媒R134aの等エントロピ線ELCが二点鎖線で図示されている。等エントロピ線EL0は、等エントロピ線ELCに比べて、冷凍サイクル装置としての実用的圧力範囲内において大きい傾きを示す。等エントロピ線EL0は、0.3MPaと2.0MPaとの間で、0.049の傾きを有している。傾きは、P/H=MPa/(kJ/kg)である。等エントロピ線ELCは、0.3MPaと2.0MPaとの間で、0.040の傾きを有している。圧縮機110は、ほぼ等エントロピ線に沿って冷媒を加圧するから、同じ圧縮機を用いた場合、循環冷媒R0のほうが基準冷媒R134aより高い圧縮機効率を示す。このため、循環冷媒R0では、圧縮過程における冷媒の温度上昇が少なく、圧縮機110からの吐出温度も低く抑えられる。
FIG. 4 shows an isentropic line passing through the intersection of the
冷凍サイクル装置100Aは、例えば、図4に図示されるサイクルCYを描く。サイクルCYの上では、内部熱交換器160によって凝縮過程がエンタルピ幅EH分だけ延伸される。同様に、内部熱交換器160によって蒸発過程がエンタルピ幅EL分だけ延伸される。したがって、蒸発器141において冷却作用に貢献するエンタルピ幅は、エンタルピ幅EH分だけ増加する。サイクルCYの凝縮過程におけるエンタルピ幅の増加量EHは、循環冷媒R0の二相域のエンタルピ幅ED0の約6%に相当する。内部熱交換器160の熱交換能力は、上記増加量EHを与えるように設定されている。言い換えると、二重管160は、高負荷アイドル運転状態下にあるサイクルCYの蒸発過程のエタンルピ幅を約8%増加させるよう設定されている。二重管160は、低圧冷媒の温度を5.0°C以上15.0°C以下の範囲内で上昇させる熱交換性能を有することができる。
The
図5を参照して膨張弁131の開弁特性を説明する。図5はpt図と呼ばれる。図5では、横軸が温度Tを示し、縦軸が圧力Pを示している。循環冷媒R0の飽和蒸気圧曲線SV0は実線で示されている。基準冷媒R134aの飽和蒸気圧曲線SVCは破線で示されている。膨張弁131の制御特性EV1は一点鎖線で示されている。比較例としての制御特性EV2は二点鎖線で示されている。図示された制御特性EV1は、ノーマルチャージと呼ばれる特性である。ノーマルチャージ特性は、感温部に封入された封入冷媒が循環冷媒R0と同一または類似の飽和蒸気圧曲線をもつことによって与えられる。制御特性EV1は、pt図上において循環冷媒R0の飽和蒸気圧曲線SV0をほぼ平行移動させた曲線である。制御特性EV1は、冷凍サイクル装置100Aの運転領域のほぼ全域で、蒸発器141の出口の冷媒に約5°Cの過熱度を与える。図5には、膨張弁131の感温部の温度がほぼ0°Cのときの蒸発圧力において、5°Cの過熱度が与えられることが図示されている。
The valve opening characteristics of the
図6を参照して冷房能力Qと過熱度SHとの関係を説明する。冷房能力は冷凍能力に相当する。図6の横軸は過熱度SHを示し、縦軸は冷房能力Qを示す。内部熱交換器160を備えるこの実施形態では、循環冷媒R0は、能力曲線CP0の冷房能力を発揮する。一方、内部熱交換器160を備えない場合、循環冷媒R0は、能力曲線CPCの冷房能力を発揮する。能力曲線CP0は、能力曲線CPCより高い。このような冷房能力の差は、以下の2つの原因により生じると考えられる。第1の原因は、過熱度SHが0°C以上の範囲において、内部熱交換器160内における低圧ガス側の熱交換効率が向上することである。第2の原因は、過熱度SHが0°C以上の範囲において、蒸発器141のエンタルピ基準温度効率が向上することである。この現象は、蒸発器141における能力Qeaが、Qea=φ・Gea・(ia−ir)で表されることから理解される。なお、φは効率、Geaは風量、iaは入口側空気エンタルピ、irは冷媒温度に相当する飽和空気エンタルピである。
The relationship between the cooling capacity Q and the superheat degree SH will be described with reference to FIG. The cooling capacity corresponds to the freezing capacity. The horizontal axis in FIG. 6 represents the superheat degree SH, and the vertical axis represents the cooling capacity Q. In this embodiment including the
図6から理解されるように、有意な冷房能力の向上量QDを得るためには、過熱度SHは7°C以下が望ましい。過熱度SHの上限は、6°Cまたは5°Cとすることができる。また圧縮機への安定的なオイル戻りを確保するためには、過熱度SHを7°C以下とすることが望ましい。安定的なオイル戻りとは、例えば、低負荷領域を含めた広い運転領域において圧縮機へのオイル戻りが1分以内に観測されることをいう。オイル戻りを確保する過熱度SHの上限は、6°Cまたは5°Cとすることができる。一方、過熱度SHの下限は、膨張弁131がハンチング現象なく安定した制御を実行するために、0°C以上とすることが望ましい。過熱度SHの下限は、0.5°Cまたは1°Cとすることができる。さらに、過熱度SHの下限は、制御の安定性に配慮して、冷却能力Qのピーク値が観測される1°Cよりも高くしてもよい。例えば、過熱度SHの下限は、2°Cまたは3°Cとすることができる。過熱度SHは、上述した下限温度以上上限温度以下の範囲内の温度に制御されることが望ましい。例えば、過熱度SHは、0°C以上6°C以下の範囲内とすることができる。さらに、安定した制御を提供するために、上記範囲内でも高温側の値を採用することが望ましい。
As can be understood from FIG. 6, in order to obtain a significant cooling capacity improvement amount QD, the superheat degree SH is desirably 7 ° C. or less. The upper limit of the degree of superheat SH can be 6 ° C or 5 ° C. Further, in order to ensure a stable oil return to the compressor, it is desirable that the degree of superheat SH be 7 ° C. or less. Stable oil return means that, for example, oil return to the compressor is observed within one minute in a wide operation region including a low load region. The upper limit of the degree of superheat SH that ensures oil return can be 6 ° C or 5 ° C. On the other hand, the lower limit of the superheat degree SH is preferably set to 0 ° C. or more so that the
次に、この実施形態の作動を説明する。乗員からの空調要求、例えば冷房要求があると、圧縮機110がエンジン10によって駆動され、冷凍サイクル装置100Aが運転をはじめる。この結果、蒸発器141の温度が低下する。一方、送風機102から送風される空気は、蒸発器141によって冷却され、温度調節されて車室内に供給される。
Next, the operation of this embodiment will be described. When there is an air conditioning request from an occupant, for example, a cooling request, the
冷凍サイクル装置100Aの運転中、蒸発器141の出口における冷媒状態は、膨張弁131によって制御される。膨張弁131は、蒸発器141の出口における冷媒の過熱度SHを約5°Cに維持する。この結果、内部熱交換器160による冷房能力の向上効果を得ることができる。しかも、過熱度SHを5°C程度の比較的大きい値に設定しているため、膨張弁131の開度がハンチング現象を起こすことが回避され、膨張弁131の制御状態が安定する。
During operation of the
蒸発器141を出た冷媒は、内部熱交換器160によってさらに過熱される。このため、圧縮機110の吸入温度は、比較的高い温度に到達する。この過熱された冷媒が、圧縮機110に吸入され、圧縮される。しかし、循環冷媒R0の等エントロピ線EL0の傾きは、基準冷媒R134aの等エントロピ線ELCの傾きより大きい。このため、圧縮機110内における冷媒温度の上昇は、冷媒R134aの場合より、循環冷媒R0の場合のほうが少ない。この結果、循環冷媒R0を使用した場合の吐出温度は、基準冷媒R134aを使用した場合に比べて、同等か、より低い値に抑えられる。つまり、圧縮機110の内部および下流において、冷媒の温度が過剰に上昇することが回避される。従って、圧縮機110の吸入部から吐出部までのゴム製あるいは樹脂製の部品、例えばOリング、ホース、電気部品などの耐久性を損なうことが回避される。
The refrigerant exiting the
冷凍サイクル装置100Aの運転中、循環冷媒R0の流量は、基準冷媒R134aを使用した冷凍サイクル装置と比べて、約20%多い。この冷媒流量の差は、循環冷媒R0の低圧蒸気密度が高いことに起因する。さらに、内部熱交換器160は、サイクルCYのエンタルピ幅を増加させる。この結果、この実施形態の冷凍サイクル装置100Aは、基準冷媒R134aを使用した場合と大差ない冷房能力を発揮する。
During the operation of the
図7を参照して、この実施形態の効果を説明する。図7は、冷房能力Qと、吐出温度TDとを示している。図7は、車両が停車し、エンジン10がアイドリングにある状態をIDLEとして示し、車両が安定的に走行している状態をDRIVEとして示している。冷房能力Qは、内部熱交換器がない冷凍サイクル装置に基準冷媒R134aを使用した場合を100としている。内部熱交換器がない冷凍サイクル装置に循環冷媒R0を使用した場合と、この実施形態のように内部熱交換器160をもつ冷凍サイクル装置に循環冷媒R0を使用した場合とが示されている。内部熱交換器がない冷凍サイクル装置に循環冷媒R0を使用した場合の冷房能力Qは、基準冷媒R134aを使用した場合より低い。しかし、内部熱交換器160を備えるこの実施形態においては、基準冷媒R134aをわずかに上回る冷房能力が得られている。加えて、循環冷媒R0は、基準冷媒R134aに比べて、吐出温度TDを10°C前後低下させる。このため、この実施形態では、内部熱交換器160を備えているにもかかわらず、基準冷媒R134aと同等か、より低い吐出温度TDが得られている。
The effect of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows the cooling capacity Q and the discharge temperature TD. FIG. 7 shows a state where the vehicle is stopped and the
この実施形態では、ph図上における等エントロピ線の傾斜が基準冷媒R134aに対して大きく、しかもph図上における二相域のエンタルピ幅が基準冷媒R134aに対して狭い循環冷媒R0を採用し、冷凍サイクル装置には内部熱交換器160を備えている。このため、吐出温度が過剰に高温となることを回避しつつ、基準冷媒R134aと大差ない冷房能力を得ることができる。さらに、膨張弁131はノーマルチャージ特性を有するから、内部熱交換器160による冷房能力向上効果を全運転領域にわたって得ることができる。
In this embodiment, the circulation refrigerant R0 in which the slope of the isentropic line on the ph diagram is larger than that of the reference refrigerant R134a and the enthalpy width of the two-phase region on the ph diagram is narrower than that of the reference refrigerant R134a is adopted. The cycle device includes an
この実施形態によると、内部熱交換器を備えることによって冷凍能力を十分に引き出しながら、冷凍サイクル装置の部品の耐久性を損なわない程度に冷媒温度を低く抑えることができる。このため冷媒の選択肢を広げることができる。この実施形態では、低GWPの成分冷媒を含む循環冷媒R0の利点を得ることができる。この結果、循環冷媒R0の利点を生かしながら、冷凍能力と耐久性との両方を改善することができる。 According to this embodiment, the refrigerant temperature can be kept low to such an extent that the durability of the components of the refrigeration cycle apparatus is not impaired while sufficiently extracting the refrigeration capacity by providing the internal heat exchanger. For this reason, the choice of a refrigerant | coolant can be expanded. In this embodiment, the advantage of the circulating refrigerant R0 including the low GWP component refrigerant can be obtained. As a result, it is possible to improve both the refrigerating capacity and the durability while taking advantage of the circulating refrigerant R0.
(第2実施形態)
図8を参照して第2実施形態を説明する。図1と同じ構成部品には同じ符号を付し、相違点を説明する。冷凍サイクル装置200Aは、エンジンで駆動される圧縮機110に代えて、電動モータで駆動される圧縮機210を備える。圧縮機210は、圧縮機構211と、電動モータ212とを備える。圧縮機構211と、電動モータ212とは、一連のハウジングを形成するように一体化されている。圧縮機210は、電動モータ212側に冷媒の吸入口を有する。圧縮機210は、電動モータ212を駆動するための制御回路213を一体的に搭載している。
(Second Embodiment)
A second embodiment will be described with reference to FIG. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and differences will be described. The
制御回路213は、圧縮機210と熱的に結合されており、制御回路213は冷媒の熱を受ける。制御回路213は、インバータ回路を含む。制御回路213には、スイッチング素子、フォトカプラ、およびIC素子などの電子回路部品が含まれる。制御回路213には、その耐熱温度が相対的に低い電子回路部品が含まれている。例えば、フォトカプラの耐熱温度は100°C〜110°C程度である。このため、電子回路部品の温度を低く維持することが、圧縮機210の耐久性低下を回避するために有効である。
The
圧縮機210内には、電動モータ212内を通って圧縮機構211に到達する冷媒通路が形成されている。この冷媒通路は、電動モータ212と制御回路213との冷却手段を提供する。圧縮機210は、基準冷媒R134aにも使用できるよう各部が構成されている。このため、圧縮機210は、基準冷媒R134aを使用する冷凍サイクル装置と、循環冷媒R0を使用する冷凍サイクル装置とに使用可能である。
A refrigerant passage that reaches the
図9を参照して膨張弁231の制御特性EV3を説明する。膨張弁231は、蒸発器141の出口の冷媒の過熱度SHを2°Cに制御するよう設定されたノーマルチャージ特性EV3を有する。
A control characteristic EV3 of the
次に、この実施形態の作動を説明する。電動モータ212が駆動されると、循環冷媒R0が冷凍サイクル装置200A内を循環する。電動モータ212に流入した循環冷媒R0は、電動モータ212と制御回路213とを冷却する。冷凍サイクル装置200Aが運転されている間中、膨張弁231は、蒸発器141出口の冷媒の過熱度を2°Cに制御する。内部熱交換器160は、冷媒をさらに過熱する。しかし、蒸発器141の出口の冷媒の過熱度が2°Cとされているため、内部熱交換器160があっても、圧縮機210の吸入温度は、比較的低く抑えられる。特に、圧縮機210の吸入口における吸入温度が、制御回路213の電子回路部品の耐熱温度を越えることがないように、膨張弁231は蒸発器141出口の冷媒状態を制御する。例えば、吸入温度が、制御回路213に収容されたフォトカプラの耐熱温度である100°Cから110°Cを越えることがないように、膨張弁231が過熱度SHを制御する。
Next, the operation of this embodiment will be described. When the
この実施形態によると、基準冷媒R134aにも使用可能な圧縮機210を用いて、循環冷媒R0を使用する冷凍サイクル装置を提供することができる。しかも、内部熱交換器160を備えることによって冷凍能力を十分に引き出しながら、冷凍サイクル装置200Aの部品の耐久性を損なわない程度に冷媒温度を低く抑えることができる。この結果、循環冷媒R0の利点を生かしながら、冷凍能力と耐久性との両方を改善することができる。
According to this embodiment, it is possible to provide a refrigeration cycle apparatus that uses the circulating refrigerant R0 by using the
膨張弁231の制御特性は、過熱度SHを0°C以上6°C以下の範囲内の目標温度に一致させるように設定することができる。過熱度SHが6°Cを越えると、圧縮機210の電子回路部品の耐熱温度を越えることがある。高い冷凍能力と制御の安定性との両立を図るために、膨張弁231の制御特性における過熱度SHの下限は1°Cとしてもよい。さらに、過熱度SHの上限は、3°Cとされてもよい。上記膨張弁231の制御特性EV3は、過熱度SHを5°Cに制御するように設定されてもよい。
The control characteristic of the
(第3実施形態)
図10を参照して第3実施形態を説明する。図1と同じ構成部品には同じ符号を付し、相違点を説明する。冷凍サイクル装置300Aは、膨張弁331を備える。図11を参照して膨張弁331の制御特性EV4を説明する。膨張弁331は、クロスチャージ特性を有する。クロスチャージ特性は、循環冷媒R0の飽和蒸気圧曲線と交差し、高温領域では過熱度を提供し、低温領域では液バック状態を提供する。この制御特性は、感温部に封入された封入冷媒が、循環冷媒R0の飽和蒸気圧曲線より傾斜が小さい飽和蒸気圧曲線をもつことによって与えられる。膨張弁331の制御特性EV4は、飽和圧力Pが約0.2MPaGのときに過熱度SHを0°Cに制御し、飽和圧力Pが約0.3MPaGのときに過熱度SHを6°Cに制御するよう設定されている。この制御特性によると、飽和温度Tが約0°Cより高い領域において過熱度SHが与えられる。一方、飽和温度Tが約0°Cより低い領域においては、過熱度SHが0°Cとされ、冷媒R0の液成分が多く観測される液バック状態が生じる。制御特性EV4は、冷凍サイクル装置300Aの用途が冷房用であることを考慮して、飽和温度T=0付近において飽和蒸気圧曲線SV0と交差するよう設定されている。クロスチャージ特性は、ノーマルチャージ特性と比べて、弁開度がハンチング現象を生じにくい。これは、クロスチャージ特性が、ノーマルチャージ特性に比べて、温度変化量に対する流量変化量が小さいことに起因している。
(Third embodiment)
A third embodiment will be described with reference to FIG. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and differences will be described. The
この実施形態では、高い冷房能力が要求される常用運転領域において、高い冷房能力が発揮される過熱度SHが実現されるように膨張弁331の制御特性EV4が設定されている。冷房用途では、蒸発器141での蒸発温度が0°C以上10°C以下の範囲内で、最も高い冷房性能が要求される。この蒸発温度は、飽和圧力Pにおいては、およそ0.2MPaG以上0.3MPaG以下の範囲内に相当する。すでに図6を参照して説明したように、過熱度SHを所定範囲内に制御することで、高い冷房能力が発揮される。そこで、この実施形態では、常用運転領域としての0.2MPaG以上0.3MPaG以下の範囲内において、過熱度SHが0°C以上6°C以下の範囲内に制御されるよう制御特性EV4を設定した。
In this embodiment, the control characteristic EV4 of the
この実施形態によると、内部熱交換器160を備えることによって冷凍能力を十分に引き出しながら、冷凍サイクル装置300Aの部品の耐久性を損なわない程度に冷媒温度を低く抑えることができる。この結果、循環冷媒R0の利点を生かしながら、冷凍能力と耐久性との両方を改善することができる。加えて、クロスチャージ特性を採用することで、膨張弁331のハンチング現象を抑制することができる。
According to this embodiment, by providing the
上記クロスチャージ特性EV4が与える過熱度SHの下限と上限とは、図6に基づいて設定することができ、例えば0°C以上5°C以下とされてもよい。 The lower limit and the upper limit of the degree of superheat SH given by the cross charge characteristic EV4 can be set based on FIG. 6, and may be set to 0 ° C. or more and 5 ° C. or less, for example.
(他の実施形態)
本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be modified or expanded as follows.
循環冷媒R0の等エントロピ線EL0は、0.044以上0.054以下の範囲内の傾きを有することができる。この範囲内の傾きをもつ冷媒を採用することにより、圧縮過程における冷媒温度の上昇を抑制して、内部熱交換器を備えた場合でも、吐出温度が部品の耐久性を損なうほどに高くなることを防止できる。 The isentropic line EL0 of the circulating refrigerant R0 can have a slope in the range of 0.044 or more and 0.054 or less. By adopting a refrigerant with an inclination within this range, the rise in the refrigerant temperature during the compression process is suppressed, and even when an internal heat exchanger is provided, the discharge temperature becomes high enough to impair the durability of the parts. Can be prevented.
循環冷媒R0のエンタルピ幅ED0は、基準冷媒R134aのエンタルピ幅EDCに比べて−25%以上−15%以下の範囲内とすることができる。この範囲内のエンタルピ幅ED0をもつ循環冷媒R0を採用することにより、内部熱交換器160によって冷凍能力を補い、基準冷媒R134aと大差ない冷凍能力を得ることができる。
The enthalpy width ED0 of the circulating refrigerant R0 can be within a range of −25% to −15% as compared to the enthalpy width EDC of the reference refrigerant R134a. By employing the circulating refrigerant R0 having the enthalpy width ED0 within this range, it is possible to supplement the refrigeration capacity by the
内部熱交換器160の熱交換能力は、内部熱交換器160による凝縮過程または蒸発過程のエンタルピ幅の増加量EHが、飽和温度0°Cにおける循環冷媒R0のエンタルピ幅ED0に対して5%以上10%以下の範囲内になるように設定されてもよい。
The heat exchange capacity of the
上述の実施形態は、エンジン駆動式の圧縮機にも、電動モータ駆動式の圧縮機にも適用することができる。電動モータ駆動式の圧縮機が採用される場合には、電子回路部品の耐熱温度に配慮して、膨張弁の制御特性は、過熱度SHを比較的低い値に制御するよう設定されることが望ましい。 The above-described embodiment can be applied to both an engine-driven compressor and an electric motor-driven compressor. When an electric motor driven compressor is employed, the control characteristics of the expansion valve may be set so as to control the superheat degree SH to a relatively low value in consideration of the heat resistant temperature of the electronic circuit components. desirable.
また、循環冷媒R0は、単一成分によって提供されてもよい。さらに、循環冷媒R0は、混合冷媒に含まれる成分、成分の比率などが異なる種々の混合冷媒によって実現することができる。また、循環冷媒R0に含まれる低GWP冷媒には種々の冷媒を用いることができる。 Further, the circulating refrigerant R0 may be provided by a single component. Furthermore, the circulating refrigerant R0 can be realized by various mixed refrigerants having different components, component ratios, and the like contained in the mixed refrigerant. Various refrigerants can be used as the low GWP refrigerant included in the circulation refrigerant R0.
本発明は、エジェクタを備える冷凍サイクル装置にも適用することができる。 The present invention can also be applied to a refrigeration cycle apparatus including an ejector.
100A 冷凍サイクル装置
110 圧縮機
120 凝縮器
131 膨張弁
141 蒸発器
160 内部熱交換器
R0 循環冷媒
EL0 等エントロピ線
ED0 二相域のエンタルピ幅
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記凝縮器(120)と前記膨張弁(131、231、331)との間の高圧冷媒と、前記蒸発器(141)と前記圧縮機(110、210)との間の低圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器(160)と、
前記冷凍サイクル内を循環する循環冷媒であって、ph図上における等エントロピ線(EL0)の傾斜が冷媒R134aの等エントロピ線(ELC)に対して大きく、ph図上における二相域のエンタルピ幅(ED0)が冷媒R134aのエンタルピ幅(EDC)に対して狭い循環冷媒(R0)とを備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。 In a refrigeration cycle apparatus including a compressor (110, 210), a condenser (120), an expansion valve (131, 231, 331), and an evaporator (141),
Heat exchange is performed between the high-pressure refrigerant between the condenser (120) and the expansion valves (131, 231, 331) and the low-pressure refrigerant between the evaporator (141) and the compressor (110, 210). An internal heat exchanger (160)
A circulating refrigerant circulating in the refrigeration cycle, the slope of the isentropic line (EL0) on the ph diagram is larger than the isentropic line (ELC) of the refrigerant R134a, and the enthalpy width of the two-phase region on the ph diagram (ED0) is provided with the circulating refrigerant (R0) narrower than the enthalpy width (EDC) of the refrigerant R134a.
前記内部熱交換器(160)は、ph図上における凝縮過程または蒸発過程のエンタルピ幅を、ph図上の飽和温度0°Cにおける前記循環冷媒(R0)の二相域のエンタルピ幅(ED0)に対して5%以上増加(EH)させるよう設定されていることを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル装置。 The enthalpy width (ED0) of the two-phase region of the circulating refrigerant (R0) at a saturation temperature of 0 ° C. on the ph diagram is −15% or less with respect to the enthalpy width (EDC) of the two-phase region of the refrigerant R134a,
The internal heat exchanger (160) has an enthalpy width of the condensation process or evaporation process on the ph diagram, and an enthalpy width (ED0) of the two-phase region of the circulating refrigerant (R0) at a saturation temperature of 0 ° C. on the ph diagram. The refrigeration cycle apparatus according to claim 1, wherein the refrigeration cycle apparatus is set to increase (EH) by 5% or more.
前記内部熱交換器(160)は、ph図上における凝縮過程または蒸発過程のエンタルピ幅を、ph図上の飽和温度0°Cにおける前記循環冷媒(R0)の二相域のエンタルピ幅(ED0)に対して5%以上10%以下の範囲内で増加(EH)させるよう設定されていることを特徴とする請求項2に記載の冷凍サイクル装置。 The enthalpy width (ED0) of the two-phase region of the circulating refrigerant (R0) at a saturation temperature of 0 ° C on the ph diagram is -25% or more and -15% with respect to the enthalpy width (EDC) of the two-phase region of the refrigerant R134a. Within the following range,
The internal heat exchanger (160) has an enthalpy width of the condensation process or evaporation process on the ph diagram, and an enthalpy width (ED0) of the two-phase region of the circulating refrigerant (R0) at a saturation temperature of 0 ° C. on the ph diagram. The refrigeration cycle apparatus according to claim 2, wherein the refrigeration cycle apparatus is set to increase (EH) within a range of 5% to 10%.
前記蒸発器(141)の出口の冷媒の過熱度(SH)を0°C以上6°C以下の範囲内の目標値に制御するよう設定されたノーマルチャージ特性(EV1、EV3)を有することを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。 The expansion valve (131, 231)
It has normal charge characteristics (EV1, EV3) set so as to control the superheat degree (SH) of the refrigerant at the outlet of the evaporator (141) to a target value within a range of 0 ° C to 6 ° C. The refrigeration cycle apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein
常用運転領域の範囲内において、前記蒸発器(141)の出口の冷媒の過熱度(SH)を0°C以上6°C以下の範囲内に制御するよう設定されたクロスチャージ特性(EV4)を有することを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。 The expansion valve (331)
A cross charge characteristic (EV4) set to control the superheat degree (SH) of the refrigerant at the outlet of the evaporator (141) within a range of 0 ° C. or more and 6 ° C. or less within the range of the normal operation region. The refrigeration cycle apparatus according to claim 1, wherein the refrigeration cycle apparatus is provided.
前記クロスチャージ特性(EV4)は、前記蒸発器(141)の出口の冷媒の圧力(P)が0.3MPaGにあるときに、前記蒸発器(141)の出口の冷媒の過熱度(SH)を0°Cに制御するよう設定されていることを特徴とする請求項8に記載の冷凍サイクル装置。 The normal operation region corresponds to a range in which the refrigerant pressure (P) at the outlet of the evaporator (141) is 0.2 MPaG or more and 0.3 MPaG or less,
The cross charge characteristic (EV4) indicates that the superheat degree (SH) of the refrigerant at the outlet of the evaporator (141) when the pressure (P) of the refrigerant at the outlet of the evaporator (141) is 0.3 MPaG. The refrigeration cycle apparatus according to claim 8, wherein the refrigeration cycle apparatus is set to control at 0 ° C.
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