JP2010032159A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低温領域から高温領域にわたって安定運転を実現する。
【解決手段】冷凍サイクル装置１０は、複数の成分冷媒が混合された混合冷媒を循環させる。膨張弁４０は、パワーエレメント４２を備える。パワーエレメント４２に封入された封入冷媒は、複数の成分冷媒のうち、ひとつの成分冷媒を含んでいる。その成分冷媒の飽和蒸気圧曲線ＳＶ１は、混合冷媒の飽和蒸気圧曲線ＳＶ０の傾きより大きい。この結果、封入冷媒も混合冷媒より大きい傾きを示す。この特性は、低温領域では膨張弁の開度が過大になることを回避し、高温領域では負荷に適合した開度が提供されることを可能とする。この結果、低温領域から高温領域にわたって安定した運転を提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関するものである。

従来、特許文献１に記載の冷凍サイクル装置が知られている。冷凍サイクル装置は、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とを備え、これらを環状に接続して構成されている。さらに冷凍サイクル装置は、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させる内部熱交換器を備えている。冷凍サイクル装置を循環する循環冷媒は、単一冷媒、または混合冷媒である。膨張弁として感温式膨張弁が広く使用されている。

特許文献２は、混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置と感温式膨張弁を開示している。さらに、特許文献２は、循環冷媒と同一の冷媒、または循環冷媒と類似の圧力−温度特性を示す冷媒を膨張弁の感温部に封入することも開示している。この感温部に封入された冷媒は封入冷媒と呼ばれる。

一方、感温式膨張弁として種々の形態が知られている。例えば、特許文献２は、冷凍サイクル装置を構成する配管と接続するためのジョイント部を備えたジョイント型膨張弁を開示している。特許文献３は、高圧通路と低圧通路とを形成したハウジングを備えるボックス型膨張弁を開示している。特許文献４は、感温部と弁部とをユニット化したカセット構造を開示している。さらに、特許文献２は、膨張弁と蒸発器との間の圧力を導入する内均式膨張弁を開示している。特許文献４は、蒸発器と圧縮機との間の圧力を導入する外均式膨張弁を開示している。
特開２００７−７１４６１号公報 特開平２−２０３１７５号公報 特許第４０３９０６９号 実公平７−４０１３９号公報

従来の感温式膨張弁は、蒸発器の出口における冷媒状態を制御する。例えば、感温式膨張弁は、蒸発器の出口における循環冷媒の過熱度を所定の値に制御する。

ところが、循環冷媒に混合冷媒を使用する場合、低温領域または高温領域において循環冷媒の飽和蒸気圧力曲線と、封入冷媒の飽和蒸気圧力曲線に依存する開弁特性との圧力差が望ましくない減少または増加を示すことがあった。このような挙動は、封入冷媒と循環冷媒とが異なる場合に顕著にあらわれる。このため、低温領域または高温領域において所期の制御特性が得られないという問題点があった。

例えば、循環冷媒の飽和蒸気圧力曲線と開弁特性との圧力差が、低温になるほど大きくなる場合、過大な圧力差が得られるため、膨張弁が必要以上に開く。膨張弁が過大開度となると液戻り現象を生じる。この結果、過熱度制御が破綻し、冷凍能力が減少するという問題点があった。

一方で、高温領域では、熱的な負荷が大きいため循環冷媒の流量を多くすることが望ましい。ところが、循環冷媒の飽和蒸気圧力曲線と開弁特性との圧力差が、高温になるほど減少する場合、圧力差が過小となる。この結果、膨張弁に必要な開度が得られないという問題点があった。

本発明は、上記の問題点に鑑み、改良された冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明は、循環冷媒として混合冷媒を用いた冷凍サイクル装置において、低温領域または高温領域においても安定して運転できる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明は、循環冷媒として混合冷媒を用いた冷凍サイクル装置において、低温領域から高温領域にわたって安定して運転できる冷凍サイクル装置を提供することを他の目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。請求項１に記載の発明では、圧縮機（２０）、凝縮器（３０）、膨張弁（４０）、および蒸発器（５０）を備え、複数の成分冷媒が混合された混合冷媒を循環させる冷凍サイクル装置において、膨張弁(４０)は、開度が変化することにより蒸発器（５０）に供給する冷媒量を調節する弁部(４１)と、内部に封入された封入冷媒の圧力に応じて弁部（４１）の開度を調節するパワーエレメント（４２）とを備え、封入冷媒が示す飽和蒸気圧曲線（ＳＶ１）の傾きは、混合冷媒が示す飽和蒸気圧曲線（ＳＶ０）の傾きより大きいという技術的手段を採用する。この発明によると、膨張弁の開度を負荷に応じた開度とすることができる。低温領域において、封入冷媒が示す飽和蒸気圧曲線（ＳＶ１）の傾きが、混合冷媒が示す飽和蒸気圧曲線（ＳＶ０）の傾きより大きい場合、弁開度が過大になることが回避される。高温領域において、封入冷媒が示す飽和蒸気圧曲線（ＳＶ１）の傾きが、混合冷媒が示す飽和蒸気圧曲線（ＳＶ０）の傾きより大きい場合、弁開度が過小になることが回避される。

請求項２に記載の発明では、封入冷媒は、複数の成分冷媒のうち、飽和蒸気圧曲線の傾きが混合冷媒の飽和蒸気圧曲線（ＳＶ０）の傾きより大きいひとつの成分冷媒を含むという技術的手段を採用する。この発明によると、混合冷媒に含まれる成分冷媒を用いて膨張弁の制御特性を規定できる。

請求項３に記載の発明では、封入冷媒は、複数の成分冷媒のうち、飽和蒸気圧曲線の傾きが最も大きいひとつの成分冷媒を含むという技術的手段を採用する。

請求項４に記載の発明では、封入冷媒は、複数の成分冷媒のうち、飽和蒸気圧曲線の傾きが最も小さい成分冷媒を除くひとつまたは複数の成分冷媒を含むという技術的手段を採用する。

請求項５に記載の発明では、封入冷媒は、ひとつだけの成分冷媒を含むという技術的手段を採用する。この発明によると、簡単な工程によって、冷媒を膨張弁に封入できるという利点が得られる。

請求項6に記載の発明によると、封入冷媒が示す飽和蒸気圧曲線（ＳＶ１）の傾きは、低温領域から高温領域にわたって、混合冷媒が示す飽和蒸気圧曲線（ＳＶ０）の傾きより大きいという技術的手段を採用する。この発明によると、低温領域では膨張弁の開度が過大になることを回避し、高温領域では負荷に適合した開度が提供される。この結果、低温領域から高温領域にわたって安定運転が可能となる。

請求項７に記載の発明によると、封入冷媒が示す飽和蒸気圧曲線（ＳＶ１）と、混合冷媒が示す飽和蒸気圧曲線（ＳＶ０）との飽和蒸気圧の差（ＳＤ）は、蒸発温度が上がるに従って徐々に増加するという技術的手段を採用する。

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。

（第１実施形態）
以下、本発明を冷凍機の冷凍サイクル装置１０に適用した第１実施形態を説明する。図１において、冷凍サイクル装置１０は、圧縮機２０、凝縮器３０、膨張弁４０、蒸発器５０を備える。これらの部品は、複数の配管によって順次接続されて閉回路を形成している。凝縮器３０と膨張弁４０との間の高圧冷媒と、蒸発器５０と圧縮機２０との間の低圧冷媒とを熱交換する内部熱交換器６０が設けられている。

冷凍サイクル装置１０は、冷凍機として使用される。圧縮機２０は、循環冷媒を高温高圧に圧縮する。圧縮機２０は、内燃機関により駆動されるか、あるいは電動機によって駆動される。圧縮機２０は、固定容量型または可変容量型とすることができる。凝縮器３０は高圧側熱交換器である。凝縮器３０は、圧縮機１１０の吐出側に接続され、外気との熱交換によって冷媒を凝縮液化する。膨張弁４０は、減圧器である。膨張弁４０は、凝縮器３０から流出した液相冷媒を等エンタルピ的に減圧し、膨張させる。膨張弁４０は、蒸発器５０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。膨張弁４０は、上記冷媒状態を温度によって感知する感温式膨張弁である。蒸発器５０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５０は、冷媒が内部で蒸発することにより、冷却対象である冷凍庫内の空気を冷却する。

図１を参照して膨張弁４０を説明する。膨張弁４０は、外均式と呼ばれる構造を有している。膨張弁４０は、蒸発器５０に供給される冷媒量を調節する弁部４１と、弁部４１の開度を調節するパワーエレメント４２とを有する。弁部４１は、弁座、弁体、および閉弁バネによって構成されうる。感温部としてのパワーエレメント４２は、蒸発器５０の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４１の操作量を発生する制御手段と、操作量に応じて弁部４１の開度を調節する駆動手段とを実現する流体圧力式の装置である。

パワーエレメント４２は、感圧部材としてのダイヤフラム４３を備える。ダイヤフラム４３は、第１室４４と第２室４５とを区画している。ダイヤフラム４３には、弁体を駆動する弁棒４６が連結されている。ダイヤフラム４３は、第１室４４と第２室４５との差圧によって変位し、弁部４１の開度を調節する。第１室４４は、管４７を通じて感温筒４８と連通し、密閉空間を形成している。第１室４４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。感温筒４８は、蒸発器５０の出口近傍の配管に接触して設けられている。この結果、第１室４４の媒体には、蒸発器５０の出口の冷媒の温度が伝達される。封入冷媒は、蒸発器５０の出口の冷媒温度を感知する。封入冷媒は、第１室４４の圧力を蒸発器５０の出口における冷媒温度に依存して変化させる。第２室４５は、管４９によって蒸発器５０の出口付近の通路と連通される。この結果、蒸発器５０における循環冷媒の蒸発圧力が第２室４５に導入される。この膨張弁４０によると、ダイヤフラム４３は、蒸発器５０の蒸発圧力と、蒸発器５０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。

循環冷媒は、互いに飽和蒸気圧曲線が異なる複数の成分冷媒が混合された混合冷媒である。循環冷媒は、３種以上の成分冷媒を含むことができる。混合冷媒は、第１成分冷媒と、第２成分冷媒と、第３成分冷媒とを含んでいる。これら成分冷媒の沸点は、第１成分冷媒＞第２成分冷媒＞第３成分冷媒である。封入冷媒は、ひとつの成分冷媒だけを含んでいる。ひとつの成分冷媒だけを封入冷媒とする構成は、パワーエレメント４２への封入工程を簡単にすることを可能とする。

図２ないし図４は、横軸が温度Ｔを示し、縦軸が圧力Ｐを示す温度−圧力グラフである。図２には、混合冷媒の飽和蒸気圧曲線ＳＶ０と、各成分冷媒の飽和蒸気圧曲線ＳＶ１、ＳＶ２、ＳＶ３が図示されている。図示のように、第１成分冷媒の飽和蒸気圧が最も高い。第３成分冷媒の飽和蒸気圧が最も低い。混合冷媒の飽和蒸気圧曲線ＳＶ０は、比較的飽和蒸気圧が低い２つの成分冷媒の飽和蒸気圧曲線の間を通っている。具体的には第２成分冷媒の飽和蒸気圧曲線ＳＶ２と、第３成分冷媒の飽和蒸気圧曲線ＳＶ３との間を通っている。

第１成分冷媒の飽和蒸気圧曲線ＳＶ１が最も大きい傾きを示す。第３成分冷媒の飽和蒸気圧曲線ＳＶ３が最も小さい傾きを示す。封入冷媒である第１成分冷媒が示す飽和蒸気圧曲線ＳＶ１の傾きは、低温領域から高温領域にわたって、混合冷媒が示す飽和蒸気圧曲線ＳＶ０の傾きより大きい。さらに、第２成分冷媒が示す飽和蒸気圧曲線ＳＶ２の傾きは、低温領域から高温領域にわたって、混合冷媒が示す飽和蒸気圧曲線ＳＶ０の傾きより大きい。第３成分冷媒の飽和蒸気圧曲線ＳＶ３は、低温領域から高温領域にわたって混合冷媒の飽和蒸気圧曲線ＳＶ０より小さい傾きを有している。

第１成分冷媒が示す飽和蒸気圧曲線ＳＶ１と、混合冷媒が示す飽和蒸気圧曲線ＳＶ０との飽和蒸気圧の差ＳＤは、蒸発温度が上がるに従って徐々に増加する。この結果、高負荷温度における圧力差ＳＤ２は、低負荷温度における圧力差ＳＤ１より大きい。この実施形態では、−１０°Ｃを高負荷温度とし、−４０°Ｃを低負荷温度としている。

図２には、比較例としての比較冷媒の飽和蒸気圧曲線ＳＶＣが図示されている。比較冷媒は、混合冷媒の成分ではない。比較冷媒を封入冷媒とした場合には、飽和蒸気圧曲線ＳＶＣの傾きが、混合冷媒の飽和蒸気圧曲線ＳＶ０より小さい。

図３には、各成分冷媒にヘリウムなどの補助ガスなどを加えた後の媒体の蒸気圧を示す特性曲線が図示されている。図３における特性曲線は、冷凍機としての基準温度である−３０°Ｃの時に、循環冷媒が所定の状態に制御されるように、補助ガスなどによって調整されている。特性曲線ＳＶ１＋は、第１成分冷媒の調整後の特性を示している。特性曲線ＳＶ２＋は、第２成分冷媒の調整後の特性を示している。特性曲線ＳＶ３＋は、第３成分冷媒の調整後の特性を示している。特性曲線ＳＶＣ＋は、比較冷媒の調整後の特性を示している。補助ガスによる調整の後も、成分冷媒が有する飽和蒸気圧曲線の傾きが維持されている。

図４には、膨張弁４０の閉弁バネなどのバイアス力を考慮した開弁圧を示す特性曲線が図示されている。特性曲線ＳＶ１Ｄは、第１成分冷媒を含む媒体の開弁特性を示す。特性曲線ＳＶＣＤは、比較冷媒を含む媒体の開弁特性を示す。

特性曲線ＳＶＣＤは、特性曲線ＳＶ１Ｄに比べて、傾きが小さい。このため、特性曲線ＳＶＣＤは、基準温度よりも低い低温領域において、特性曲線ＳＶ１Ｄより高圧側を通る。しかも、この低温領域において、特性曲線ＳＶＣＤは、混合冷媒の飽和蒸気圧曲線ＳＶ０から圧力軸方向に離れてゆく。特性曲線ＳＶＣＤは、基準温度における圧力差ＰＤ０より大きい圧力差ＰＤ１を低温領域で発生する。この結果、低温領域において過大な圧力差を生じ、開度が過大になる。特性曲線ＳＶＣＤは、基準温度よりも高い高温領域において、特性曲線ＳＶ１Ｄより低圧側を通る。特性曲線ＳＶＣＤは、基準温度における圧力差ＰＤ０より小さい圧力差ＰＤ２を高温領域で発生する。この結果、特性曲線ＳＶＣＤを採用した場合には、高温領域においては開度が不足する。

一方、特性曲線ＳＶ１Ｄによると、低温領域から高温領域に向かって、圧力差が徐々に増加する。特性曲線ＳＶ１Ｄは、基準温度における圧力差ＰＤ０より小さい圧力差ＰＤ３を低温領域で発生する。特性曲線ＳＶ１Ｄは、基準温度における圧力差ＰＤ０より大きい圧力差ＰＤ４を高温領域で発生する。このため、膨張弁４０の開度は、低温領域から高温領域に向かって、徐々に増加する。

この実施形態では、混合冷媒として、Ｒ４０４Ａが使用されている。混合冷媒Ｒ４０４Ａには、第１成分冷媒としてＲ１２５が使用され、第２成分冷媒としてＲ１４３ａが使用され、第３成分冷媒としてＲ１３４ａが使用されている。封入冷媒は、第１成分冷媒であるＲ１２５である。比較冷媒としては、Ｒ２２が使用されている。

この冷凍サイクル装置１０が運転されると、膨張弁４０は、蒸発器５０の出口における冷媒状態を目標状態に一致させるように弁部４１の開度を調節する。冷凍機としての冷凍サイクル装置１０運転範囲は、蒸発温度が低温の領域から高温の領域にわたっている。冷凍機としての低負荷状態に相当する低負荷温度である−４０°Ｃ付近は、冷凍機としての蒸発温度の中でも極低温と呼びうる温度である。低負荷温度の近傍においては、冷媒流量が少なくなり、膨張弁４０の開度も小さくなる。一方、冷凍機としての高負荷状態に相当する高負荷温度である−１０°Ｃ付近においては、高い負荷に対応した大量の冷媒を流すことが許容される。

封入冷媒として選定された成分冷媒は、蒸発温度が低温領域にあるとき、特に極低温領域にあるときに、飽和蒸気圧曲線の傾きが、循環冷媒である混合冷媒の飽和蒸気圧曲線の傾きより大きい。この特徴は、低温領域、特に極低温領域において、膨張弁４０の開度が負荷に応じた開度を越える過大な開度になることを回避する。また、低温領域における大きい傾きは、温度変化に対して十分な圧力変化と開度変化とを与える。このため、低負荷温度の近傍においては、小さい開度範囲内でも、安定した制御を維持できる。この結果、低温領域、特に極低温領域においても、安定した過熱度制御が可能となる。

封入冷媒として選定された成分冷媒は、蒸発温度が高温領域にあるとき、封入冷媒の飽和蒸気圧曲線が、混合冷媒の飽和蒸気圧曲線ＳＶ０に類似していることが望ましい。この特徴は、高負荷温度を含む高温領域において、高負荷に適合した比較的大きい弁開度を可能としつつ、負荷に応じた開度を越える過大な開度を回避する。この結果、高温領域においても、液バック現象を回避して安定した運転が可能となる。

（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。本発明は、循環冷媒としてＲ４０４Ａを採用する冷凍サイクル装置に限らず、種々の混合冷媒を循環冷媒として採用する冷凍サイクル装置に適用してもよい。本発明は、複数の冷媒を封入冷媒とする冷凍サイクル装置に適用されてもよい。また、飽和蒸気圧曲線の傾きが最も小さい成分冷媒を除く、ひとつまたは複数の成分冷媒を封入冷媒としてもよい。例えば、上記実施形態における第２成分冷媒Ｒ１４３ａを封入冷媒としてもよい。本発明は、ジョイント型、あるいはボックス型と呼ばれる膨張弁に適用できる。また、本発明は、内均式、あるいは外均式と呼ばれる膨張弁に適用できる。さらに、本発明はカセット構造を有する膨張弁にも適用できる。さらに、本発明は、エジェクタを備える冷凍サイクル装置に適用されてもよい。

本発明を適用した冷凍サイクル装置の一実施形態を示すブロック図である。 一実施形態における冷媒の飽和蒸気圧曲線を示す温度−圧力グラフである。 一実施形態における封入媒体の蒸気圧を示す温度−圧力グラフである。 一実施形態における開弁圧特性を示す温度−圧力グラフである。

符号の説明

１０…冷凍サイクル装置
２０…圧縮機
３０…凝縮器
４０…膨張弁
５０…蒸発器
６０…内部熱交換器
ＳＶ０…混合冷媒の飽和蒸気圧曲線
ＳＶ１…第１成分冷媒の飽和蒸気圧曲線
ＳＶ２…第２成分冷媒の飽和蒸気圧曲線
ＳＶ３…第３成分冷媒の飽和蒸気圧曲線
ＳＶＣ…比較冷媒の飽和蒸気圧曲線

Claims (7)

1. 圧縮機（２０）、凝縮器（３０）、膨張弁（４０）、および蒸発器（５０）を備え、複数の成分冷媒が混合された混合冷媒を循環させる冷凍サイクル装置において、
   前記膨張弁(４０)は、
   開度が変化することにより前記蒸発器（５０）に供給する冷媒量を調節する弁部(４１)と、
   内部に封入された封入冷媒の圧力に応じて前記弁部（４１）の開度を調節するパワーエレメント（４２）とを備え、
   前記封入冷媒が示す飽和蒸気圧曲線（ＳＶ１）の傾きは、前記混合冷媒が示す飽和蒸気圧曲線（ＳＶ０）の傾きより大きいことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記封入冷媒は、複数の前記成分冷媒のうち、飽和蒸気圧曲線の傾きが前記混合冷媒の飽和蒸気圧曲線（ＳＶ０）の傾きより大きいひとつの前記成分冷媒を含むことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記封入冷媒は、複数の前記成分冷媒のうち、飽和蒸気圧曲線の傾きが最も大きいひとつの前記成分冷媒を含むことを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記封入冷媒は、複数の前記成分冷媒のうち、飽和蒸気圧曲線の傾きが最も小さい前記成分冷媒を除くひとつまたは複数の前記成分冷媒を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記封入冷媒は、ひとつだけの前記成分冷媒を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記封入冷媒が示す飽和蒸気圧曲線（ＳＶ１）の傾きは、低温領域から高温領域にわたって、前記混合冷媒が示す飽和蒸気圧曲線（ＳＶ０）の傾きより大きいことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記封入冷媒が示す飽和蒸気圧曲線（ＳＶ１）と、前記混合冷媒が示す飽和蒸気圧曲線（ＳＶ０）との飽和蒸気圧の差（ＳＤ）は、蒸発温度が上がるに従って徐々に増加することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。

Images