JP2002106994A

JP2002106994A - 冷凍サイクル

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Publication number: JP2002106994A
Application number: JP2000303396A
Authority: JP
Inventors: Tokumi Tsugawa; 徳巳津川
Original assignee: TGK Co Ltd
Current assignee: TGK Co Ltd
Priority date: 2000-10-03
Filing date: 2000-10-03
Publication date: 2002-04-10
Anticipated expiration: 2020-10-03
Also published as: JP3984779B2

Abstract

(57)【要約】【課題】暖房のサイクル内に冷媒が少ない状態での暖
房運転でも、暖房性能を得ることができ、コストの低い
冷凍サイクルを提供することを目的とする。【解決手段】暖房運転時に四方弁２０の切り換えによ
り、コンプレッサ１、四方弁２０、内部熱交換器４、定
差圧弁２３およびオリフィス２４、水熱交換器２６およ
びアキュムレータ５を冷媒が流れる構成にした。これに
より、暖房運転時には、外部熱交換器２がコンプレッサ
１の吸い込み側のアキュムレータ５の管路に接続された
構成になるため、極寒時に冷媒が外部熱交換器２に集ま
って暖房のサイクル内に少ない状態にあっても、外部熱
交換器２に貯っていた冷媒はアキュムレータ５へ吸い出
されて回収されるようになり、暖房性能が得られるよう
になる。また、制御デバイスは四方弁２０が１個である
ため、コストを下げることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は冷凍サイクルに関
し、特に自動車用空調装置で通常は冷房用熱交換器とし
て用いられる内部熱交換器を暖房用熱交換器として用い
るようにした冷凍サイクルに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車用空調装置は、車室内に、低温冷
媒により冷風を作る内部熱交換器（エバポレータ）と、
エンジンの冷却水から温風を作るヒータコアとを有し、
冷風と温風とを適宜混合して車室内を快適な空気温度に
なるよう制御している。

【０００３】ところが、近年、エンジンの燃焼効率の向
上に伴い、エンジンの冷却水の水温が低くなっているた
め、冷却水を暖房用の熱源として利用した場合に、冬期
では十分な暖房温度を得ることが難しくなってきてい
る。そこで、フロンガスなどを使って冷房と一緒に暖房
もできるようなシステムのニーズが増えている。このよ
うなシステムは、たとえば特開平１１−３４４２６３号
公報にバイパス管路付冷凍サイクルとして提案されてい
る。

【０００４】図４は従来のバイパス管路付冷凍サイクル
の一例を示す構成図である。このバイパス管路付冷凍サ
イクルによれば、コンプレッサ１と、車室外に設けられ
た外部熱交換器２と、膨張弁３と、車室内に設けられた
内部熱交換器４と、アキュムレータ５とによって通常の
冷凍サイクルを構成し、この通常の冷凍サイクルに加え
て、コンプレッサ１から送り出された高圧冷媒ガスを外
部熱交換器２をバイパスさせて内部熱交換器４に直接送
り込ませるためのバイパス管路６が併設されている。

【０００５】また、このバイパス管路付冷凍サイクル
は、コンプレッサ１から送り出される高圧冷媒を外部熱
交換器２またはバイパス管路６のいずれかに向かわせる
よう管路の切り換えを行う開閉弁７，８と、外部熱交換
器２と膨張弁３との間に設けられた逆止弁９と、バイパ
ス管路６に流れる高圧冷媒に対して膨張弁として作用す
る減圧用の定差圧弁１０と、内部熱交換器４とアキュム
レータ５との間に設けられた膨張弁１１、熱交換器１
２、開閉弁１３とを備えている。熱交換器１２は、膨張
弁１１にて断熱膨張された低温冷媒にたとえばエンジン
冷却水の熱を与えてアキュムレータ５に戻すためのもの
である。

【０００６】このように構成されたバイパス管路付冷凍
サイクルにおいて、冷房時には、開閉弁７を開け、開閉
弁８を閉じるように制御してコンプレッサ１から送り出
された高圧冷媒をすべて外部熱交換器２に向かわせるよ
うにし、内部熱交換器４の下流側に設けられた開閉弁１
３を開けて、内部熱交換器４から出た冷媒を直接アキュ
ムレータ５に行くようにしている。これにより、車室内
に設けられている内部熱交換器４が本来のエバポレータ
として作用し、そこでの周囲の空気と冷媒との熱交換に
よって冷房が行われる。

【０００７】暖房時には、開閉弁７，１３を閉じ、開閉
弁８を開けるように制御してコンプレッサ１から送り出
された高圧冷媒をバイパス管路６に向かわせ、内部熱交
換器４から出た冷媒を膨張弁１１および熱交換器１２を
通してアキュムレータ５に行くようにしている。これに
より、コンプレッサ１から送り出された高圧冷媒は、外
部熱交換器２へは行かずにすべてバイパス管路６内を流
れ、定差圧弁１０を通ることによって低圧設計の内部熱
交換器４に合った圧力に減圧され、そして内部熱交換器
４を通過する際に、コンプレッサ１において与えられた
顕熱を冷媒から奪う熱交換が行われて暖房が行われる。
したがって、内部熱交換器４は、ここでは暖房のための
放熱器として作用する。内部熱交換器４にて熱交換され
た冷媒は、膨張弁１１にて膨張して減圧され、熱交換器
１２にて加熱されてアキュムレータ５に戻される。

【０００８】ここで、冬場の寒い時期に暖房運転をする
場合を考える。冷凍サイクルの中で外気に曝されている
部分が外部熱交換器２であり、極寒時における駐車では
この外部熱交換器２が外気によって最も良く冷やされ
る。冷媒は、冷凍サイクルの中で最も低い温度のところ
に集まる習性を持っており、したがって、長時間の駐車
では、開閉弁７および逆止弁９の微小リークにより、冷
媒は最も温度の低い外部熱交換器２に集まる傾向があ
る。

【０００９】このように冷媒が外部熱交換器２に集まっ
た状態でエンジンを始動し、暖房運転をしようとする
と、外部熱交換器２をバイパスする暖房のサイクル内に
は冷媒がほとんどない状態が発生することになるため、
十分な暖房性能を得ることができなくなる。

【００１０】そこで、暖房運転する場合には、それに先
立って冷房運転が行われる。すなわち、コンプレッサ１
から外部熱交換器２に高温高圧のガスを供給して加熱
し、中に貯っていた冷媒が凝縮できないようにする。こ
の冷房運転をしばらく続けると、外部熱交換器２に貯っ
ていた冷媒は、冷凍サイクル内を循環するようになり、
アキュムレータ５まで戻って貯ってくるようになる。そ
の時点で、開閉弁７，８，１３を切り換え、暖房運転モ
ードにすると、暖房のサイクル内にある冷媒によって暖
房運転することができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
バイパス管路付冷凍サイクルでは、寒いときに暖房をし
ようとする際に、直接暖房運転モードにするのではな
く、一旦冷房運転モードにしなければならないという問
題点があった。また、モード切り換えのための制御デバ
イスが多く必要であることから、システムのコストが高
くなるという問題点があった。

【００１２】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、暖房のサイクル内に冷媒が少ない状態での暖
房運転でも、暖房性能を得ることができ、コストの低い
冷凍サイクルを提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明では上記問題を解
決するために、コンプレッサ、外部熱交換器、第１定差
圧弁および第１オリフィス、内部熱交換器、およびアキ
ュムレータをこの順に管路で接続してなる冷凍サイクル
において、冷房運転時に前記コンプレッサと前記外部熱
交換器とを接続するとともに前記内部熱交換器と前記ア
キュムレータとを接続し、暖房運転時には前記コンプレ
ッサと前記内部熱交換器とを接続するとともに前記外部
熱交換器と前記アキュムレータとを接続する四方弁と、
前記第１オリフィスと前記内部熱交換器との接続部と前
記アキュムレータとの間の管路に設けられて暖房運転時
に前記内部熱交換器で熱交換された冷媒の断熱膨張およ
び加熱を行う第２定差圧弁、第２オリフィスおよび水熱
交換器と、前記四方弁の暖房運転時における切り換え位
置にて接続される前記外部熱交換器と前記アキュムレー
タとの間の管路に前記外部熱交換器から前記アキュムレ
ータへの方向にのみ冷媒を流すことができる逆止弁と、
を備えていることを特徴とする冷凍サイクルが提供され
る。

【００１４】このような冷凍サイクルによれば、暖房運
転時には、四方弁が外部熱交換器とアキュムレータとを
接続するよう冷媒の管路を切り換えるので、外部熱交換
器が暖房のサイクルから外れるにも拘らず、コンプレッ
サの吸い込み側に設けられたアキュムレータと接続状態
にある。このため、極寒時に冷媒が外部熱交換器に集ま
って暖房のサイクル内に少ない状態にあっても、暖房運
転を継続していくうちに外部熱交換器に貯っていた冷媒
がアキュムレータへ吸い出されていくようになる。この
ように、冷媒がアキュムレータに回収されることによ
り、暖房性能が得られるようになる。また、冷房運転モ
ードと暖房運転モードとで冷媒の管路の切り換えを１つ
の四方弁で行うようにしたことにより、必要な制御デバ
イスが少なくて済み、コストを下げることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施
の形態に係る冷凍サイクルの構成図である。

【００１６】本発明による冷凍サイクルは、コンプレッ
サ１と、このコンプレッサ１の出力をポートＡに受ける
四方弁２０と、この四方弁２０のポートＢに接続された
外部熱交換器２と、この外部熱交換器２の下流側管路に
配置された定差圧弁２１およびオリフィス２２と、四方
弁２０のポートＣに接続された内部熱交換器４と、この
内部熱交換器４の下流側およびオリフィス２２の下流側
の管路に接続された定差圧弁２３およびオリフィス２４
と、四方弁２０のポートＤに接続された逆止弁２５と、
オリフィス２４および逆止弁２５の下流側の管路に接続
された水熱交換器２６と、この水熱交換器２６とコンプ
レッサ１との間に配置されたアキュムレータ５とを備え
ている。水熱交換器２６は、自動車内の余熱であるエン
ジンの冷却水を熱源として供給するよう構成され、その
冷却水の供給配管には流量を制御する電磁弁２７が設け
られている。また、内部熱交換器４の冷媒入口側の管路
には圧力スイッチ２８が設けられ、その出力は、コンプ
レッサ１に接続されていて、たとえば内部熱交換器４の
冷媒入口側の圧力が所定の圧力を越えた場合に、電磁ク
ラッチを切るなどしてコンプレッサ１を停止するように
している。

【００１７】四方弁２０は、冷房運転モードでは、ポー
トＡとポートＢ、ポートＣとポートＤとをそれぞれ接続
し、暖房運転モードでは、ポートＡとポートＣ、ポート
ＢとポートＤとをそれぞれ接続するよう冷媒流路を切り
換える。

【００１８】冷房運転モードでは、四方弁２０は図示の
実線で示した通路位置になるよう切り換えられ、また、
電磁弁２７は水熱交換器２６が機能しないよう閉じられ
ている。コンプレッサ１によって出力された高温高圧の
冷媒は、四方弁２０を介して外部熱交換器２に送られ、
ここで外気と熱交換されて凝縮される。凝縮された冷媒
は、定差圧弁２１およびオリフィス２２を通って減圧さ
れた低温の冷媒になる。その後、その冷媒は、内部熱交
換器４に送られ、ここで車室内の空気と熱交換されて蒸
発される。内部熱交換器４で熱交換された気液混合の冷
媒は、四方弁２０、逆止弁２５を通り、水熱交換器２６
を単に通過してアキュムレータ５に送られ、ここで気液
分離される。そして、アキュムレータ５で分離された冷
媒ガスがコンプレッサ１に供給されることになる。

【００１９】ここで、内部熱交換器４の冷媒入口側の管
路の圧力が高くなった場合には、定差圧弁２３が開き、
冷媒の一部をオリフィス２４で減圧した後、アキュムレ
ータ５に流すようにする。これにより高圧に耐えるよう
に設計されていない内部熱交換器４を高圧破壊から防ぐ
ことができる。

【００２０】暖房運転モードでは、四方弁２０は図示の
破線で示した通路位置になるよう切り換えられ、また、
電磁弁２７は水熱交換器２６にエンジンの冷却水が供給
されるよう開いている。コンプレッサ１によって出力さ
れた高温高圧の冷媒は、四方弁２０を介して内部熱交換
器４に送られ、ここで車室内の空気と熱交換されて凝縮
される。凝縮された冷媒は、定差圧弁２３およびオリフ
ィス２４を通って減圧された低温の冷媒になり、水熱交
換器２６で加熱されて、アキュムレータ５に送られ、こ
こで気液分離され、分離された冷媒ガスがコンプレッサ
１に供給されることになる。なお、外部熱交換器２の管
路に配置された定差圧弁２１は、このとき逆止弁として
機能し、内部熱交換器４を出た冷媒が外部熱交換器２の
側へ流れることはない。

【００２１】ここで、内部熱交換器４の冷媒入口側の管
路の圧力が高くなった場合には、圧力スイッチ２８が働
いてコンプレッサ１を停止するように制御している。ま
た、外部熱交換器２は、四方弁２０および逆止弁２５を
介して水熱交換器２６の上流側の管路に接続され、かつ
逆止弁２５は四方弁２０から水熱交換器２６の方へ流れ
る向きに設けられている。この水熱交換器２６は、アキ
ュムレータ５を介してコンプレッサ１の吸引側に接続さ
れているため、冬場の駐車中に冷媒が外部熱交換器２に
集まっていた場合、その外部熱交換器２内の冷媒には、
コンプレッサ１によって常に吸引作用が働いている。し
たがって、外部熱交換器２に貯っていた冷媒は、外部熱
交換器２から吸い出され、暖房のサイクル内に回収され
ることになるため、暖房運転を継続しているうちに十分
な暖房性能を得ることができるようになる。

【００２２】図２は本発明の第２の実施の形態に係る冷
凍サイクルの構成図である。この図２において、図１に
示した構成要素と同じ要素については同じ符号を付して
その詳細な説明は省略する。

【００２３】第２の実施の形態では、外部熱交換器２か
ら冷媒を吸い出すときに作用する逆止弁２５の管路に、
外部熱交換器２からの冷媒の回収量を制御する電磁弁２
９を設けてある。また、アキュムレータ５内には、アキ
ュムレータ５に貯る液冷媒の量を検知する液面センサ３
０が設けられている。

【００２４】この液面センサ３０の出力は、電磁弁２９
の制御に使用される。たとえば、アキュムレータ５内の
液冷媒の量が所定の量に達したことを液面センサ３０が
検知したときに、これ以上の冷媒の回収が不要であるよ
うな場合、電磁弁２９を閉じるように制御して、外部熱
交換器２からの冷媒の回収を止めるようにすることがで
きる。このように、電磁弁２９を操作することで外部熱
交換器２から戻す冷媒の量を調節することができ、その
調節は、アキュムレータ５の中に設置した液面センサ３
０による冷媒量の検出に基づいて自動化することができ
る。

【００２５】また、この第２の実施の形態では、水熱交
換器をアキュムレータ５に取り付けて一体にした構成例
を示している。これにより、サイクル内に水熱交換器の
取り付けが不要になるとともに、アキュムレータ５内の
水熱交換器から冷媒に与えられる熱をも暖房に利用する
ことができるようになる。

【００２６】なお、外部熱交換器２からの冷媒の回収量
を制御する手段として、電磁弁２９を設ける代わりに四
方弁２０の機能を使って実現することもできる。すなわ
ち、四方弁２０が以下の５つの切り換えモードを有して
いる場合に、モードの切り換えで冷媒の回収量を調節す
ることができる。（１）第１の切り換えモード：Ａ→Ｂ，Ｃ→Ｄ（２）第２の切り換えモード：Ａ→Ｂ（３）第３の切り換えモード：Ａ→Ｂ，Ｃ（４）第４の切り換えモード：Ａ→Ｃ（５）第５の切り換えモード：Ａ→Ｃ，Ｂ→Ｄここで、各モードの右側に示した記号は、連通状態にあ
るポート名を示し、矢印は冷媒の流れ方向を示してい
る。

【００２７】この切り換えモードにおいて、第１の切り
換えモードは、冷房運転時のもので、冷媒はポートＡか
らポートＢに流れ、ポートＣからポートＤに流れる。第
５の切り換えモードは、暖房運転時のもので、ポートＡ
からポートＣに流れ、ポートＢからポートＤに流れる。
この第１の切り換えモードと第５の切り換えモードとの
間に、冷媒がポートＡからポートＢにのみ流れる第２の
切り換えモードと、冷媒がポートＡからポートＢおよび
ポートＣに流れる第３の切り換えモードと、冷媒がポー
トＡからポートＣにのみ流れる第４の切り換えモードと
がある。

【００２８】これらの切り換えモードの中で、第４の切
り換えモードおよび第５の切り換えモードに注目してみ
ると、ポートＢとポートＤとの間の連通状態がオン・オ
フしていることがわかる。四方弁２０のこの機能を利用
して、外部熱交換器２からの冷媒の回収量を制御するこ
とができるのである。

【００２９】図３は本発明の第３の実施の形態に係る冷
凍サイクルの構成図である。この図３において、図１に
示した構成要素と同じ要素については同じ符号を付して
その詳細な説明は省略する。

【００３０】この第３の実施の形態は、内部熱交換器４
の圧力上昇対策として、第１および第２の実施の形態で
は、圧力スイッチ２８を用いて内部熱交換器４の圧力が
上昇した場合に、コンプレッサ１を停止させるようにし
たのに対し、定差圧弁２３およびオリフィス２４と並列
にレギュレータ３１を設け電気制御によらない構成にし
ている。レギュレータ３１は、上流側の圧力をピストン
またはダイヤフラムで受圧し、圧力が高くなった場合に
は、ピストンまたはダイヤフラムが弁を開けて圧力を下
げるようにすることで、圧力が所定の圧力以上にならな
いようにするものである。

【００３１】暖房運転モードでは、内部熱交換器４から
出た冷媒を定差圧弁２３でせき止めているような形にな
っているので、内部熱交換器４の出口側管路の圧力が高
くなった場合には、レギュレータ３１が冷媒のせき止め
を開放し、内部熱交換器４の出口側管路の圧力を下げる
よう作用する。これにより、圧力が上昇することによる
内部熱交換器４の破壊を未然に防止することができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、冷媒
流路の切り換えに四方弁を用い、暖房運転モードではコ
ンプレッサの吸い込み側に外部熱交換器が接続されるよ
うな構成にした。これにより、暖房運転モードに入る前
に、冷媒が外部熱交換器に貯っていて暖房のサイクル内
に冷媒が少なくなっていたとしても、外部熱交換器内の
冷媒がコンプレッサに引かれて暖房のサイクル内に回収
されるため、暖房性能を得ることができる。また、冷媒
流路を切り換える制御デバイスを従来の３つの開閉弁か
ら１つの四方弁にすることができ、コストを下げること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る冷凍サイクル
の構成図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態に係る冷凍サイクル
の構成図である。

【図３】本発明の第３の実施の形態に係る冷凍サイクル
の構成図である。

【図４】従来のバイパス管路付冷凍サイクルの一例を示
す構成図である。

【符号の説明】

１コンプレッサ２外部熱交換器３膨張弁４内部熱交換器５アキュムレータ６バイパス管路７，８開閉弁９逆止弁１０定差圧弁１１膨張弁１２熱交換器１３開閉弁２０四方弁２１定差圧弁２２オリフィス２３定差圧弁２４オリフィス２５逆止弁２６水熱交換器２７電磁弁２８圧力スイッチ２９電磁弁３０液面センサ３１レギュレータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コンプレッサ、外部熱交換器、第１定差
圧弁および第１オリフィス、内部熱交換器、およびアキ
ュムレータをこの順に管路で接続してなる冷凍サイクル
において、冷房運転時に前記コンプレッサと前記外部熱交換器とを
接続するとともに前記内部熱交換器と前記アキュムレー
タとを接続し、暖房運転時には前記コンプレッサと前記
内部熱交換器とを接続するとともに前記外部熱交換器と
前記アキュムレータとを接続する四方弁と、前記第１オリフィスと前記内部熱交換器との接続部と前
記アキュムレータとの間の管路に設けられて暖房運転時
に前記内部熱交換器で熱交換された冷媒の断熱膨張およ
び加熱を行う第２定差圧弁、第２オリフィスおよび水熱
交換器と、前記四方弁の暖房運転時における切り換え位置にて接続
される前記外部熱交換器と前記アキュムレータとの間の
管路に前記外部熱交換器から前記アキュムレータへの方
向にのみ冷媒を流すことができる逆止弁と、を備えていることを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項２】前記水熱交換器は、エンジンの冷却水を
熱源として前記第２オリフィスにて断熱膨張された冷媒
と熱交換するよう構成され、この断熱膨張された冷媒と
の熱交換を暖房運転時のみ行うよう流量を制御する弁を
備えていることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイク
ル。
【請求項３】前記水熱交換器は、前記アキュムレータ
と一体に構成したことを特徴とする請求項２記載の冷凍
サイクル。
【請求項４】暖房運転時に前記内部熱交換器の圧力上
昇を抑制する圧力抑制手段を備えていることを特徴とす
る請求項１記載の冷凍サイクル。
【請求項５】前記圧力抑制手段は、前記四方弁と前記
内部熱交換器との間の管路に設けられて管路内の冷媒の
圧力が所定の圧力を越えると前記コンプレッサを停止さ
せるようにした圧力スイッチであることを特徴とする請
求項４記載の冷凍サイクル。
【請求項６】前記圧力抑制手段は、前記第２定差圧弁
および第２オリフィスをバイパスするように設けられて
前記第１オリフィスと前記内部熱交換器との接続部の圧
力を検知し、圧力が所定圧力以上になると弁を開けて圧
力を下げるように圧力調整を行うレギュレータであるこ
とを特徴とする請求項４記載の冷凍サイクル。
【請求項７】暖房運転時に前記外部熱交換器の中にあ
る冷媒を前記アキュムレータに回収する量を調節する回
収量調節手段を備えていることを特徴とする請求項１記
載の冷凍サイクル。
【請求項８】前記回収量調節手段は、前記逆止弁が設
けられている管路に設けられた電磁弁であることを特徴
とする請求項７記載の冷凍サイクル。
【請求項９】前記回収量調節手段は、前記四方弁の前
記外部熱交換器が接続されたポートと前記逆止弁を設け
た管路が接続されたポートとの間において、暖房運転時
と冷房運転時との間で遷移する前記ポート間の連通状態
の切り換え機能を利用したことを特徴とする請求項７記
載の冷凍サイクル。
【請求項１０】前記アキュムレータの中に設けられて
前記アキュムレータ内の冷媒の液量が所定量以上になる
と前記アキュムレータに回収する冷媒の量を抑制するよ
う前記回収量調節手段を制御する液面センサを備えてい
ることを特徴とする請求項８または９記載の冷凍サイク
ル。