JP4897284B2 - Refrigeration cycle - Google Patents
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Description
本発明は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルに関し、とくに、自然系冷媒等の超臨界域でも使用される冷媒を用いたサイクルに適用して好適な冷凍サイクルに関する。 The present invention relates to a vapor compression refrigeration cycle, and particularly to a refrigeration cycle suitable for application to a cycle using a refrigerant that is also used in a supercritical region such as a natural refrigerant.
蒸気圧縮式の冷凍サイクルは、圧縮した冷媒を放熱器にて冷却するとともにその圧縮した冷媒を減圧し、低圧となった冷媒を蒸発器にて蒸発させることにより冷凍能力を得るものが一般的である(例えば、特許文献1)。 In the vapor compression refrigeration cycle, the compressed refrigerant is generally cooled by a radiator, the compressed refrigerant is decompressed, and the refrigerant at a low pressure is evaporated by an evaporator to obtain a refrigeration capacity. There is (for example, Patent Document 1).
上記のような蒸気圧縮式の冷凍サイクルにおいては、従来のフロン系冷媒を使用した冷凍サイクルと比べ、二酸化炭素等の自然系冷媒を使用する冷凍サイクルでは、高圧側圧力を冷媒の臨界圧力以上まで上昇させる必要があり、圧縮機の必要動力が大きくなるため、冷凍サイクルの効率が低いという問題がある。 In the above-described vapor compression refrigeration cycle, compared with the conventional refrigeration cycle using a chlorofluorocarbon refrigerant, in the refrigeration cycle using a natural system refrigerant such as carbon dioxide, the high-pressure side pressure is set to be higher than the critical pressure of the refrigerant. There is a problem that the efficiency of the refrigeration cycle is low because the required power of the compressor becomes large.
また、従来のフロン系冷媒を使用した冷凍サイクルでは、蒸発器の性能を効率良く発揮させるために蒸発器出口冷媒の過熱度を5〜10degに制御するのが望ましいとされている。従って、蒸発器出口手前で冷媒の乾き度が1となるように蒸発器内の冷媒量を調節していた。ところが、二酸化炭素を冷媒とした冷凍サイクルの場合、冷媒物性の違いから従来どおりに蒸発器内の冷媒の乾き度を大きくすると、蒸発器の熱伝達率が大きく減少し、冷却性能の効率が悪くなり、冷凍サイクルの効率も悪化する。そのような中で二酸化炭素を冷媒とした冷凍サイクルおよびその構成部品の研究が盛んに行われており、蒸発器に関する特性、モリエル線図はもとより、乾き度と熱伝達率との関係も把握されつつある。 In a refrigeration cycle using a conventional chlorofluorocarbon refrigerant, it is desirable to control the degree of superheat of the evaporator outlet refrigerant to 5 to 10 deg in order to efficiently exhibit the performance of the evaporator. Therefore, the amount of refrigerant in the evaporator is adjusted so that the dryness of the refrigerant becomes 1 before the outlet of the evaporator. However, in the case of a refrigeration cycle using carbon dioxide as a refrigerant, if the dryness of the refrigerant in the evaporator is increased as usual due to the difference in refrigerant physical properties, the heat transfer coefficient of the evaporator is greatly reduced and the efficiency of the cooling performance is poor. Thus, the efficiency of the refrigeration cycle is also deteriorated. Under such circumstances, research on the refrigeration cycle using carbon dioxide as a refrigerant and its components has been actively conducted, and the relationship between dryness and heat transfer coefficient has been grasped as well as the characteristics of the evaporator and the Mollier diagram. It's getting on.
従来の冷凍サイクル101は、例えば図10に示すように構成されており、冷媒を圧縮する圧縮機102と、圧縮機102から流出した冷媒を冷却する放熱器103と、放熱器103から流出した高圧冷媒とアキュームレータ104(気液分離器を兼ねたもの)から流出した低圧冷媒の熱交換を行うとともに、高圧冷媒と熱交換された低圧冷媒を前記圧縮機102に供給する内部熱交換器105と、内部熱交換器105から流出した高圧冷媒を減圧する減圧器106と、減圧器106から流出した低圧冷媒を蒸発させる蒸発器107と、蒸発器107から流出した液相冷媒および気相冷媒の二相冷媒を蓄えると共に、気相冷媒を前記内部熱交換器105に供給するアキュームレータ104を備えたものである。このような冷凍サイクル101では、エンタルピと圧力との関係を表すモリエル線図は、例えば図11に示すようになる。
本発明の課題は、上記のような従来技術に鑑み、(1)蒸発器の性能がより効率良く発揮されるような冷凍サイクルを提供することにあり、望ましくは、(2)冷媒を減圧する際に発生する膨張エネルギーを回生しながら冷凍サイクルの運転に利用し、実質的に冷凍サイクルの消費動力を低減することが可能な、効率の高い冷凍サイクルを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a refrigeration cycle in which the performance of an evaporator is more efficiently exhibited in view of the above-described conventional technology, and preferably (2) decompress the refrigerant. An object of the present invention is to provide a highly efficient refrigeration cycle in which expansion energy generated at the time is regenerated and used for the operation of the refrigeration cycle, and the power consumption of the refrigeration cycle can be substantially reduced.
上記課題を解決するために、本発明は、冷媒を蒸発させる蒸発器と、冷媒を圧縮し吐出する圧縮機と、該圧縮機から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、該放熱器により冷却された冷媒を減圧膨張させる膨張機と、該膨張機から流出した冷媒と蒸発器から流入した冷媒とを、液相冷媒と気相冷媒に分離するとともに、液相冷媒を蒸発器側に流出させ、かつ、気相冷媒を前記圧縮機側に流出させる気液分離器と、を有し、高圧側が臨界圧力以上となる冷凍サイクルであって、
前記気液分離器と蒸発器の間に、気液分離器から流出した液相冷媒を蒸発器側へ圧送するポンプ手段を設け、該ポンプ手段の駆動源を前記膨張機にて膨張する冷媒の膨張エネルギーとし、
前記放熱器と気液分離器の間に、冷媒の一部を前記膨張機をバイパスさせて流すバイパス通路を設け、該バイパス通路に、冷凍サイクルの状態に関する情報に基づいて該バイパス通路の冷媒流量を調節する冷媒流量調節手段を設け、
前記気液分離器内の圧力が冷媒の臨界圧力以下となるように前記冷媒流量調節手段を制御する冷媒流量制御手段を備えたことを特徴とする冷凍サイクルを提供する。
In order to solve the above problems, the present invention provides an evaporator for evaporating a refrigerant, a compressor for compressing and discharging the refrigerant, a radiator for cooling the refrigerant discharged from the compressor, and cooling by the radiator. The expander for decompressing the expanded refrigerant, the refrigerant flowing out from the expander and the refrigerant flowing in from the evaporator are separated into a liquid phase refrigerant and a gas phase refrigerant, and the liquid phase refrigerant is discharged to the evaporator side. and having a gas-liquid separator to flow out the vapor-phase refrigerant to the compressor side, and a refrigeration cycle high pressure side is that Do a critical pressure or more,
A pump means is provided between the gas-liquid separator and the evaporator to pump the liquid-phase refrigerant flowing out from the gas-liquid separator to the evaporator side, and the drive source of the pump means is a refrigerant that is expanded by the expander. Expansion energy ,
A bypass passage is provided between the radiator and the gas-liquid separator to allow a part of the refrigerant to flow by bypassing the expander, and the refrigerant flow rate in the bypass passage is determined based on information on the state of the refrigeration cycle. A refrigerant flow rate adjusting means for adjusting
Provided is a refrigeration cycle comprising refrigerant flow rate control means for controlling the refrigerant flow rate adjustment means so that the pressure in the gas-liquid separator is equal to or lower than the critical pressure of the refrigerant .
また、上記ポンプ手段と蒸発器の間には、該ポンプ手段により圧送された冷媒を減圧する減圧器を設けることもできる。この減圧器は、前述の第1の形態における第2減圧器に対応するものである。 Further, a decompressor for decompressing the refrigerant pumped by the pump means may be provided between the pump means and the evaporator. This decompressor corresponds to the second decompressor in the first embodiment described above.
この場合、上記減圧器は、冷凍サイクルの状態に関する情報に基づいて減圧度合が決定される減圧量調節手段を有する構成とすることもできる。 In this case, the decompressor may be configured to include a decompression amount adjusting unit that determines the degree of decompression based on information on the state of the refrigeration cycle.
この減圧量調節手段は、冷凍サイクルの状態に関する情報に基づいて減圧度合が決定される機構を有することが好ましい。 The decompression amount adjusting means preferably has a mechanism for determining the degree of decompression based on information relating to the state of the refrigeration cycle.
上記膨張機としては、羽根車を有するもの、例えば、エンジンに用いられている排気ガスタービン過給機と同様な、タービン羽根車を有するものから構成することが可能である。 The expander can be configured from an impeller, for example, a turbine impeller similar to an exhaust gas turbine supercharger used in an engine.
このような本発明に係る冷凍サイクルは、とくに冷媒が自然系冷媒である二酸化炭素からなる場合に好適なものである。また、本発明に係る冷凍サイクルは、とくに車両用空調装置の冷凍サイクルとして用いられる場合に好適なものである。 Such a refrigeration cycle according to the present invention is particularly suitable when the refrigerant is carbon dioxide, which is a natural refrigerant. The refrigeration cycle according to the present invention is particularly suitable when used as a refrigeration cycle for a vehicle air conditioner.
本発明に係る冷凍サイクルによれば、ポンプ手段を設けて、蒸発器に意図的に効率よく液相冷媒を供給するようにしたので、とくに、超臨界域で作動させる冷媒を使用した冷凍サイクルの効率向上を図ることができる。また、この液相冷媒の供給に、系内における冷媒の膨張エネルギーを利用するようにしたので、冷凍サイクルの消費動力を低減することが可能になり、さらに効率の高い冷凍サイクルを実現することが可能になる。 According to the refrigeration cycle according to the present invention, the pump means is provided so that the liquid phase refrigerant is intentionally efficiently supplied to the evaporator. Therefore, in particular, in the refrigeration cycle using the refrigerant that operates in the supercritical region. Efficiency can be improved. Further, the supply of the liquid-phase refrigerant. Thus utilizing expansion energy of the refrigerant in the system, it is possible to reduce the power consumption of the refrigerating cycle, to further achieve a high refrigerating cycle efficiency It becomes possible.
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、とくに自然系冷媒である二酸化炭素を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルについて、詳細に説明する。 Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with respect to a vapor compression refrigeration cycle using carbon dioxide, which is a natural refrigerant.
<参考例1>
図1は、本発明の参考例1に係る冷凍サイクルを示しており、図1に示す冷凍サイクル1は、冷媒を圧縮し吐出する圧縮機2と、圧縮機2から吐出された冷媒を冷却する放熱器3と、放熱器3により冷却された冷媒を減圧する第1減圧器4と、第1減圧器4から流出した冷媒と蒸発器7から流入した冷媒とを、液相冷媒と気相冷媒に分離するとともに、液相冷媒を蒸発器7側に流出させ、かつ、気相冷媒を圧縮機2側に流出させる気液分離器5と、気液分離器5から流出した液相冷媒を蒸発させて気相冷媒とする蒸発器7とを有し、気液分離器5と蒸発器7の間にあって気液分離器5から分離流出された液相冷媒を蒸発器7側に向けて圧送するポンプ手段6を有するものである。なお、気液分離器5から蒸発器7側に向けて流出する冷媒は、液相冷媒と気相冷媒の混合冷媒である二相冷媒となることもあるが、気液分離器5により気液分離されているため、二相冷媒となる場合にも流出冷媒の大半が液相冷媒であり、該液相冷媒がポンプ手段6により蒸発器7側に向けて圧送される。圧縮機1とポンプ手段6とは互いに異なる駆動源によって駆動され、冷媒圧送能力をそれぞれ独立して制御可能な圧縮機能力制御手段をも有するものである。
< Reference Example 1>
FIG. 1 shows a refrigeration cycle according to Reference Example 1 of the present invention. The
この冷凍サイクル1においては、第1減圧器4は減圧度合を調節できる第1減圧量調節手段を備えたものからなり、第1減圧量調節手段は、冷凍サイクル1の状態に関する情報に基づいて減圧度合が決定される機構を有するものからなる。この第1減圧器4における第1減圧量調節手段の機構とは、第1減圧器4の前後冷媒圧力の差に基づいて自律して動作するものでもよいし、外部からの電気または圧力信号により動作するものでもよい。
In the
更に、この冷凍サイクル1は、気液分離器5内の圧力が冷媒の臨界圧力以下となるように前記第1減圧量調節手段を制御する第1減圧器制御手段を備えたものである。この第1減圧器制御手段とは、第1減圧器4の制御を電気信号にて行うもので、気液分離器5内の圧力が冷媒の臨界圧力以下となるように、かつ、冷凍サイクル1の効率がより良い状態になるよう減圧度合を調節するものである。
Further, the
図2は図1に示した参考例1の冷凍サイクルにおける圧力−エンタルピー線図(モリエル線図)であり、図1の各機器における働きを図1に示した符号を付すことにより対応させてある。放熱器3から流出する冷媒を減圧して低圧の冷媒とし、これを気液分離器5により気相冷媒と液相冷媒に分離し、液相冷媒のみをポンプ手段6を用いて意図的に効率よく蒸発器7に送ることで、蒸発器7内の冷媒を、図3に示した乾き度と熱伝達率との関係図における、乾き度が小さく、かつ、熱伝達率が高い状態とすることができる。これにより、前述した従来の問題点である、冷却性能の効率悪化、ひいては冷凍サイクル効率の悪化を回避できるようになる。
FIG. 2 is a pressure-enthalpy diagram (Mollier diagram) in the refrigeration cycle of Reference Example 1 shown in FIG. 1, and the operation of each device in FIG. 1 is made to correspond by attaching the reference numerals shown in FIG. . The refrigerant flowing out of the
図4は、上記参考例1に係る冷凍サイクルの変形例を示したものであり、図1に示した冷凍サイクル1において、さらに、ポンプ手段6と蒸発機7の間に、ポンプ手段6により圧送された冷媒を減圧する第2減圧器8を設けたものである。この第2減圧器8は減圧度合を調節できる第2減圧量調節手段を備えたものからなり、第2減圧量調節手段は、冷凍サイクル1の状態に関する情報に基づいて減圧度合が決定される機構を有するものからなる。この第2減圧器8における第2減圧量調節手段の機構とは、第2減圧器8の前後冷媒圧力の差に基づいて自律して動作するものでもよいし、外部からの電気または圧力信号により動作するものでもよい。
FIG. 4 shows a modification of the refrigeration cycle according to the reference example 1. In the
図5は図4に示した参考例1の変形例に係る冷凍サイクルにおける圧力−エンタルピー線図(モリエル線図)であり、図4の各機器における働きを図4に示した符号を付すことにより対応させてある。放熱器3から流出する冷媒を減圧して低圧の冷媒とし、これを気液分離器5により気相冷媒と液相冷媒に分離し、液相冷媒をポンプ手段6を用いて圧送するとともに圧送される液相冷媒を蒸発器7に到達する前にさらに第2減圧器8により減圧するようにしている。その結果、蒸発器7には、ポンプ手段6を用いて、気液分離器5からの気相冷媒が第2減圧器8により減圧された状態で、意図的に効率よく送られることになり、前述した従来の問題点である、冷却性能の効率悪化、ひいては冷凍サイクル効率の悪化を、一層効果的に回避できるようになる。
FIG. 5 is a pressure-enthalpy diagram (Mollier diagram) in a refrigeration cycle according to a modification of Reference Example 1 shown in FIG. 4, and the operation of each device in FIG. 4 is denoted by the reference numerals shown in FIG. It corresponds. The refrigerant flowing out of the
<参考例2>
図6は、本発明の参考例2に係る冷凍サイクルを示しており、図6に示す冷凍サイクル1は、冷媒を圧縮し吐出する圧縮機2と、圧縮機2から吐出された冷媒を冷却する放熱器3と、該放熱器3により冷却された冷媒を減圧膨張させる膨張機9と、該膨張機9から流出した冷媒と蒸発器7から流入した冷媒とを、液相冷媒と気相冷媒に分離するとともに、液相冷媒を蒸発器7側に流出させ、かつ、気相冷媒を圧縮機2側に流出させる気液分離器5と、気液分離器5から流出した液相冷媒を蒸発させて気相冷媒とする蒸発器7とを有し、気液分離器5と蒸発器7の間に、気液分離器5から流出した液相冷媒を蒸発器7側に向けて圧送するポンプ手段10を有するものである。このポンプ手段10は、その駆動源を膨張機9にて膨張する冷媒の膨張エネルギーとしている。本参考例では、ポンプ手段10は膨張機9に直結され、冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機9の回転を、実質的にそのままポンプ手段10に伝達するようになっている。また、本参考例では、ポンプ手段10と蒸発器7の間に、該ポンプ手段10により圧送された冷媒を減圧する減圧器11が設けられているが、この減圧器11が無くても本参考例の冷凍サイクル1は成立する。この減圧器11は、図4に示した参考の形態における第2減圧器8に相当するものである。
< Reference Example 2>
6 shows a refrigeration cycle according to Reference Example 2 of the present invention. The
この参考例2に係る冷凍サイクルの、前述の参考例1との違いは、気液分離器5から流出する液相冷媒の圧送を冷媒の膨張エネルギーの回生により行う点である。これによりポンプ手段10の駆動動力を冷凍サイクル外から供給する必要がなくなるため、参考例1の冷凍サイクル効率を更に改善できるものである。
The difference between the refrigeration cycle according to the reference example 2 and the reference example 1 described above is that the liquid phase refrigerant flowing out from the gas-
図7は、上記参考例2に係る冷凍サイクルの変形例としての実施例を示したものであり、図6に示した冷凍サイクル1において、さらに、放熱器3と気液分離器5の間に、膨張機9を備えた通路に対して冷媒の一部をバイパスさせるバイパス通路12が設けられ、このバイパス通路12に、冷凍サイクル1の状態に関する情報に基づいて該バイパス通路12の冷媒流量を調節する冷媒流量調節手段13を備えたものである。
FIG. 7 shows an embodiment as a modified example of the refrigeration cycle according to the reference example 2, and in the
この冷媒流量調節手段13は、気液分離器5内の圧力が冷媒の臨界圧力以下となるように、かつ、冷凍サイクル1の効率がより良い状態になるように前記冷媒流量調節手段13を制御する冷媒流量制御手段を有するものである。
The refrigerant flow
加えて、減圧器11は、冷凍サイクル1の状態に関する情報に基づいて減圧度合が決定される減圧量調節手段を備えており、該減圧量調節手段は、冷凍サイクル1の状態に関する情報に基づいて減圧度合が決定される機構を有するものからなる。この減圧器11における減圧量調節手段の機構とは、減圧器11の前後冷媒圧力の差に基づいて自律して動作するものでもよいし、外部からの電気または圧力信号により動作するものでもよい。
In addition, the
上記膨張機9は、例えば図8に示すように、エンジンに用いられている排気ガスタービン過給機と同様なタービン羽根車形状を有するもので、冷媒の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換して取り出し、その機械エネルギーをポンプ手段10に入力することで、ポンプ手段10の駆動動力を冷凍サイクル外から供給する必要がなくなるため、参考例1の冷凍サイクル効率を更に改善できるものである。つまり、膨張機9から得られる駆動エネルギーを電気エネルギーまたは機械エネルギーとして回生し、ポンプ手段10の駆動源として使用するものである。電気エネルギーとして使用する場合は蓄電器に貯えてから、それをポンプ手段10の駆動モータに入力してもよい。機械エネルギーとして使用する場合は膨張機9とポンプ手段10の駆動軸を連結し、膨張機9から得られる駆動エネルギーをポンプ手段10に直接伝達してもよい。
For example, as shown in FIG. 8, the
図6に示した参考例2、図7に示した実施例に係る冷凍サイクルにおける圧力−エンタルピー線図(モリエル線図)を図9に例示する。図9のモリエル線図に示されるように、放熱器3から流出する冷媒を膨張機9または膨張機9および冷媒流量調節手段13にて減圧して低圧の冷媒とし、これを気液分離器5により気相冷媒と液相冷媒に分離し、液相冷媒のみ蒸発器7にポンプ手段10を用いて意図的に効率よく送ることで、蒸発器7内の冷媒を乾き度が小さく、かつ、熱伝達率が高い状態とすることができる。これにより、前述した従来の問題点である、冷却性能の効率悪化、ひいては冷凍サイクル効率の悪化を効率よく回避できるようになる。
Reference Example shown in FIG. 6 2, pressure in the refrigeration cycle according to the embodiment shown in FIG. 7 - illustrates enthalpy diagram (the Mollier diagram) in Fig. As shown in the Mollier diagram of FIG. 9, the refrigerant flowing out of the
本発明は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルに適用でき、とくに、自然系冷媒である二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍サイクルに好適なものである。 The present invention can be applied to a vapor compression refrigeration cycle, and is particularly suitable for a refrigeration cycle using carbon dioxide, which is a natural refrigerant, as a refrigerant.
1 冷凍サイクル
2 圧縮機
3 放熱器
4 第1減圧器
5 気液分離器
6 ポンプ手段
7 蒸発器
8 第2減圧器
9 膨張機
10 ポンプ手段
11 減圧器
12 バイパス通路
13 流量調節手段
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記気液分離器と蒸発器の間に、気液分離器から流出した液相冷媒を蒸発器側へ圧送するポンプ手段を設け、該ポンプ手段の駆動源を前記膨張機にて膨張する冷媒の膨張エネルギーとし、
前記放熱器と気液分離器の間に、冷媒の一部を前記膨張機をバイパスさせて流すバイパス通路を設け、該バイパス通路に、冷凍サイクルの状態に関する情報に基づいて該バイパス通路の冷媒流量を調節する冷媒流量調節手段を設け、
前記気液分離器内の圧力が冷媒の臨界圧力以下となるように前記冷媒流量調節手段を制御する冷媒流量制御手段を備えたことを特徴とする冷凍サイクル。 An evaporator for evaporating the refrigerant, a compressor for compressing and discharging the refrigerant, a radiator for cooling the refrigerant discharged from the compressor, an expander for decompressing and expanding the refrigerant cooled by the radiator, The refrigerant flowing out of the expander and the refrigerant flowing in from the evaporator are separated into a liquid phase refrigerant and a gas phase refrigerant, the liquid phase refrigerant is made to flow out to the evaporator side, and the gas phase refrigerant is moved to the compressor side. a gas-liquid separator to flow out, and a refrigeration cycle high pressure side is that Do a critical pressure or more,
A pump means is provided between the gas-liquid separator and the evaporator to pump the liquid-phase refrigerant flowing out from the gas-liquid separator to the evaporator side, and the drive source of the pump means is a refrigerant that is expanded by the expander. Expansion energy ,
A bypass passage is provided between the radiator and the gas-liquid separator to allow a part of the refrigerant to flow by bypassing the expander, and the refrigerant flow rate in the bypass passage is determined based on information on the state of the refrigeration cycle. A refrigerant flow rate adjusting means for adjusting
A refrigeration cycle comprising refrigerant flow rate control means for controlling the refrigerant flow rate adjusting means so that the pressure in the gas-liquid separator is equal to or lower than the critical pressure of the refrigerant.
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