JP2004034864A - 空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の走行時や減速時と、加速時、アイドル時又はアイドルストップ時とで冷凍サイクルの状態を変化させることで、空調使用時の車両の実用燃費を向上させることができる空調装置を提供する。
【解決手段】空調装置は、圧縮機１０、凝縮器２０、第１、第２膨脹弁３１，３２、内部に熱交換器５１をもつ蓄冷器５０及び蒸発器４０とで構成され、第１膨脹弁で減圧され蓄冷器に溜まった気液２層の冷媒を、蓄冷器から第２膨脹弁を経て熱交換器を通る冷媒で冷却して蓄冷する。加速時やアイドル時では、この蓄冷冷媒の利用と２つの膨脹弁の制御とにより、圧縮機を低熱負荷サイクルで運転させ、空調使用時の車両の実用燃費の低減を図ることができる。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改良した冷凍サイクルを利用した空調装置に関し、特に車両用に好適な空調装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、冷凍サイクルは、圧縮機、凝縮器、膨脹弁（又はキャピラリーチューブ）及び蒸発器の４つから成る。この冷凍サイクルをモリエル線図（ｐ−ｉ線図）に表わすと図１（ｂ）のようになる。即ち、蒸発器４０で蒸発を完了した過熱蒸気の冷媒ガスは、圧縮機１０に吸い込まれて圧縮され、Ａ−Ｂの状態で示されるように実質的にモリエル線図上で等エントロピ線上で変化する。この圧縮された過熱蒸気は、次いで凝縮器２０で圧力一定のもとで凝縮し過冷却液となる。これがモリエル線図上でＢ−Ｃの状態である定圧変化で示される。次いでこの過冷却液は膨脹弁３０でエンタルピ一定のもとで絞り膨脹され飽和液となる。これがモリエル線図上でＣ−Ｇの状態である定エンタルピ変化で示される。最後に飽和液は蒸発器４０で圧力一定のもとで蒸発し過熱蒸気となる。これがモリエル線図上でＧ−Ａの状態である定圧変化で示される。
【０００３】
従来より、車両用空調装置においても上記した冷凍サイクルを使用している。そのため、走行時やアイドル時、加減速時、アイドルストップ時などの車両の特殊状態によって、圧縮機の運転状態を変えたり、熱交換器の風量を調整したりする制御によってこれらに対応していた。例えば、特開平６−２４９５２４号公報に示された車両用空調装置においては、空調用絞り及び蒸発器に対して並列に蓄冷器を介装することによって、エンジンが停止した停車時には、この蓄冷器を利用した放冷作用によって、車室内を冷房するものである。
【０００４】
しかしながら、これらの従来技術は上記した冷凍サイクルをそのまま用いるものであり、冷凍サイクルそのものの状態変化を利用した制御は行われていなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的は、車両の定常走行時や減速時と、車両の加速時、アイドル時又はアイドルストップ時とで、冷凍サイクルそのものの状態を変化させることで、空調装置使用時の車両の実用燃費を向上させた空調装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載の空調装置を提供する。
請求項１に記載の空調装置は、凝縮器から出た高圧の冷媒を減圧する第１膨脹弁と、この減圧された気液２相の冷媒を溜め、内部に熱交換器を有した蓄冷器と、蓄冷器から出た冷媒をさらに減圧する第２膨脹弁とを備えていて、減圧された冷媒が蓄冷器内部の熱交換器を通った後に蒸発器で蒸発されるように構成したものである。これにより、第１膨脹弁及び第２膨脹弁の開度に応じて、冷凍サイクルをモリエル線図上で移動させることができ、車両の走行状態に合わせて、圧縮機の駆動力の低減を図ることができ、実用燃費の向上が可能である。
【０００７】
請求項２の空調装置は、第１膨脹弁後の気液２層の冷媒を圧縮機に戻すラインを追加したものであり、請求項３の空調装置は、蓄冷器からの冷媒を減圧する第３膨脹弁を更に備え、第３膨脹弁で減圧した冷媒を蒸発器後の冷媒と合流するようにして戻したものであり、両者共、蓄冷した分に応じ、膨脹弁の開度を制御することで低負荷のサイクルにすることができ、同様圧縮機の動力を低減できる。
【０００８】
請求項４の空調装置は、第１膨脹弁を凝縮器のサブクールを一定に保つように制御される膨脹弁としたものであり、これにより、第２膨脹弁だけを電気式などの制御弁にすればよく、低コスト化を図れる。
請求項５の空調装置は、第２膨脹弁を蒸発器のスーパーヒートを一定に保つように制御される膨脹弁としたものであり、これにより、第１膨脹弁だけを電気式などの制御弁にすればよく、低コスト化を図れる。
【０００９】
請求項６の空調装置は、車両の走行時には、蓄冷器で冷媒に蓄冷し、アイドル時に蓄冷した冷媒を用いるように第１及び第２膨脹弁を制御して熱負荷を変化させ、圧縮機の動力を低減するようにしたものであり、これにより、車両の実用燃費の向上が図れる。
請求項７の空調装置は、アイドルストップする車両の走行時には、蓄冷器で冷媒に蓄冷し、アイドルストップ時に蓄冷した冷媒を用いるように第１及び第２膨脹弁を制御して熱負荷を変化させ、圧縮機の動力を低減するようにしたものであり、これにより、アイドルストップする車両においても実用燃費の向上が図れる。
【００１０】
請求項８の空調装置は、車両の定常走行時と減速時には、蓄冷器で蓄冷し、アイドル時と加速時に蓄冷した冷媒を用いるように第１及び第２膨脹弁を制御して熱負荷を変化させ、圧縮機の動力を低減するようにしたものであり、また請求項９の空調装置は、アイドルストップする車両の定常走行時と減速時には、蓄冷器で蓄冷し、アイドルストップ時と加速時に蓄冷した冷媒を用いるように第１及び第２膨脹弁を制御して熱負荷を変化させ、圧縮機の動力を低減するようにしたものである。これにより、アイドルストップする車両及びアイドルストップしない車両のいずれの車両においても、その実用燃費の向上が図れる。
【００１１】
請求項１０の空調装置は、圧縮機として可変容量圧縮機を用い、圧縮機が動力を低減させて運転する際は、動力低減分だけ圧縮機の容量を低下させて運転するようにしたものであり、これにより、圧縮機を小容量で駆動することができ、車両の実用燃費が一層改善される。
請求項１１の空調装置は、圧縮機としてモータ駆動の圧縮機を用い、圧縮機が動力を低減させて運転する際は、動力低減分だけモータ投入電力を低下させて運転するようにしたものであり、これにより、同じく車両の実用燃費が一層改善される。
【００１２】
請求項１２の空調装置は、圧縮機として可変容量圧縮機を用い、圧縮機が動力を低減させて運転する際は、動力低減分だけ圧縮機の容量を低下させて運転するのに加え、車両の定常走行時及び減速時に圧縮機の容量を増大させて運転するようにしたものであり、請求項１３の空調装置は、圧縮機としてモータ駆動の圧縮機を用い、圧縮機が動力を低減させて運転する際は、動力低減分だけモータ投入電力を低下させて運転するのに加え、車両の定常走行時及び減速時にモータ投入電力を増大させて運転するようにしたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態の空調装置について説明する。図１（ａ）は、本発明の第１実施形態の空調装置の冷凍サイクルをモリエル線図上で表した図である。符号１０は、エンジンでもモータでも駆動できる圧縮機であり、低圧、低温の冷媒蒸気を蒸発器側から吸入し、これを圧縮して高圧、高温の蒸気にして吐出する。圧縮機１０における冷媒の圧縮は、周囲との熱の出入はないものとして考え、モリエル線図上でＡ−Ｂの状態で示されるように等エントロピ線上で示される。
【００１４】
圧縮機１０より吐出された高圧、高温の冷媒蒸気は、水又は空気によって冷却される凝縮器２０に入り、熱を水又は空気中に放出しながら高温高圧の蒸気（過熱蒸気）→飽和蒸気→湿り蒸気（凝縮）→高圧、高温の飽和液と状態を変化して凝縮される。この凝縮器２０内における冷媒の凝縮は、圧力一定のもとで行われる変化であり、モリエル線図上でＢ−Ｃの状態で示されるように水平線で示される。
【００１５】
凝縮器２０で凝縮された冷媒は、第１膨脹弁３１で絞り膨脹が行われ、第１膨脹弁３１前の圧力に対し、低温低圧の気液２層になる。この第１膨脹弁３１での冷媒の変化をモリエル線上で示すとＣ−Ｄの状態の等エンタルピ線、即ち垂直線で示される。第１膨脹弁３１を出た気液２層の冷媒は、蓄冷器５０に送り込まれる。
【００１６】
蓄冷器５０は、図２に示されるように、その内部に熱交換器５１を有しており、第１膨脹弁３１より送り込まれた気液２層の冷媒は、蓄冷器５０内でガス冷媒と液冷媒として分離される。蓄冷器５０内では、冷媒は圧力一定のもとで変化するので、モリエル線図上でＤ−Ｅの状態で示されるように水平線で示される。
【００１７】
蓄冷器５０で分離された液冷媒は、第２膨脹弁３２を通すことで減圧され低温の冷媒とされる。この第２膨脹弁３２での冷媒の変化をモリエル線図上で示すとＥ−Ｆの状態で示されるように等エンタルピ線、即ち垂直線で示される。第２膨脹弁３２を出た低温の冷媒は、蓄冷器５０内の熱交換器５１を通り、蓄冷器内部のガス冷媒と熱交換して、これを液冷媒にして蓄冷させる。
【００１８】
熱交換器５１を出た冷媒は、蒸発器４０に送り込まれる。蒸発器４０に入った低圧、低温の冷媒は、図示しないファンにより送り込まれる空気から熱を奪いながら蒸発し、液から蒸気に変わり、飽和蒸気又は過熱蒸気となって圧縮機１０に送り込まれる。ファンによって送り込まれた空気は、熱を奪われ冷気となって車室内に送られ、車室内を冷房する。この熱交換器５１内及び蒸発器４０内の冷媒の変化は、定圧変化であり、モリエル線図上でＦ−Ａの状態で示されるように水平線で示される。
このようにして、冷媒は空調装置内を循環し冷凍サイクルを形成している。このとき、モリエル線図上で示されるＣ（Ｄ）点とＥ（Ｆ）点のエンタルピ差が蓄冷熱量である。
【００１９】
次に、図３を用いて本発明の第１実施形態の作用効果について説明する。同図において、細線が図１で説明した冷凍サイクル（蓄冷サイクル）であり、アイドルストップする車両が走行しているときは、この細線で示したサイクルで蓄冷を行う。太線はこの車両のアイドルストップ時のサイクル線である。この太線で示すように、アイドルストップ時には第１膨脹弁３１を開くことで、Ｊ点が蓄冷量と第１膨脹弁３１、第２膨脹弁３２の開度に応じ熱バランスする点までモリエル線図上を移動し、高圧が低下したサイクル（低熱負荷サイクル）に変化する。ここで、圧縮機１０の動力は通常走行時はＡ点とＢ点のエンタルピ差で表されるが、アイドルストップ時はＨ点からＩ点のエンタルピ差になり、Ｂ点とＩ点のエンタルピ差分だけ圧縮機１０の動力が低減できる。従って、圧縮機１０がモータ駆動するのであれば投入電力を低減させることができるし、可変容量型の圧縮機であれば小容量で駆動することができるので、車両の実用燃費が向上できる。
【００２０】
なお、図１（ｂ）に示す従来のアイドルストップ車両対応の空調装置においても、アイドルストップ時は定常走行時に対し、圧縮機１０の容量制御し小容量で駆動したり、モータへの投入電力を低減させたりして、圧縮機１０の駆動力低減を図り、実用燃費の向上を図っていた。しかしながら、従来の空調装置では、サイクルそのものの状態変化を利用したものではない。
本発明においては、蓄冷サイクルから低熱負荷サイクルにサイクルの状態を変えることによって、Ｂ点とＩ点のエンタルピ差分、圧縮機１０の動力を低減でき、従来のアイドルストップ時よりも更に車両の実用燃費を向上できる。
【００２１】
また、アイドルストップしない車両においても、その走行時に蓄冷し、アイドル時に放冷することで、アイドルストップする車両と同様にアイドル時の圧縮機１０の駆動力を低減でき、実用燃費の向上が図れることは言うまでもない。
【００２２】
図４は、本発明の第２実施形態の空調装置の冷凍サイクルをモリエル線図上で表した図である。本実施形態では、アイドルストップする車両の定常走行時と減速時に蓄冷し、加速時とアイドルストップ時に放冷するようにしたものである。作動は、図３で説明したものと同じであるがその効果は、エネルギを回生するに等しい減速時の蓄冷とエンジン効率の悪い加速時の放冷とにより、前述した以上の動力の低減効果が得られる。
また、エンジン効率のよい定常走行時とエネルギの回生に等しい減速時に、圧縮機１０の能力を上昇させ蓄冷熱量を増大させても効果的である。この場合、圧縮機１０の能力を上昇させるとは、圧縮機１０が可変容量型の圧縮機ならばその容量を増大させることを、圧縮機１０がモータで駆動する圧縮機ならばモータ投入電力を増大させることを意味している。
なお、アイドルストップしない車両においても、アイドルストップ時をアイドル時に置き換えることで圧縮機１０の駆動力を低減できることは言うまでもない。
【００２３】
図５は、本発明の第３実施形態の空調装置の冷凍サイクルをモリエル線図上で表した図である。本実施形態では、凝縮器２０のサブクール（過冷却）を一定に保つように、第１膨脹弁３１として温度自動膨脹弁を使用している。この温度自動膨脹弁３１は感温筒３１ａを有しており、この感温筒３１ａを凝縮器２０の出口配管に固定することで、凝縮器２０の出口の冷媒温度に基づいて感温筒３１ａ内のガス圧が変化してこの膨脹弁３１の弁開度を変えることができる。他の構成については、先の実施形態と同様であるので説明を省略する。このように第１膨脹弁３１を温度自動膨脹弁とすることにより、第２膨脹弁３２だけを電気式などの制御弁にすればよいので低コスト化が図れる。この第３実施形態の作用については、先の実施形態と同様である。
【００２４】
図６は、本発明の第４実施形態の空調装置の冷凍サイクルをモリエル線図上で表した図である。本実施形態では、蒸発器４０のスーパーヒート（過熱度）を一定に保つように、第２膨脹弁３２として温度自動膨脹弁を使用している。この温度自動膨脹弁３２も感温筒３２ａを有しており、これを蒸発器４０の出口配管に固定することで、蒸発器４０出口の冷媒ガスの過熱度によって膨脹弁３２の弁開度が制御される。他の構成については、第１、第２実施形態と同様であるので説明を省略する。このように第２膨脹弁３２を温度自動膨脹弁とすることにより、第１膨脹弁３１だけを電気式などの制御弁にすればよいので低コスト化が図れる。この第４実施形態の作用については、先の実施形態と同様である。
【００２５】
図７は、本発明の第５実施形態の空調装置の冷凍サイクルをモリエル線図上で表した図である。本実施形態では、第１膨脹弁３１後の気液２層の冷媒を圧縮機１０に戻すライン６０を追加した２段圧縮サイクルを使用している。図７において、細線は蓄冷時のサイクル線（蓄冷サイクル）であり、太線が蓄冷した冷媒を放冷しサイクル状態を変化させた線（低熱負荷サイクル）である。これまでと同じく、第１膨脹弁３１で減圧した冷媒を内部に熱交換器５１をもつ蓄冷器５０に送り、ここから第２膨脹弁３２で減圧し低圧低温状態の冷媒を熱交換器５１に通すことで、蓄冷するようになっている。そのため蓄冷した蓄冷熱量に応じ、第１、第２膨脹弁３１，３２の開度を制御することで、太線で示すような低負荷のサイクルにすることができる。
【００２６】
ここで、蓄冷時の圧縮機１０の動力は、図７に示すＡ点とＡ′点のエンタルピ差とＩ点とＩ′点のエンタルピ差にそれぞれの流量をかけた値となる。放冷時は、Ｈ点とＨ′点のエンタルピ差をＢ点とＢ′点のエンタルピ差に流量をかけた値となるが、高圧を蓄冷した分、低圧に制御できるので前述のサイクルと同様に圧縮機１０の動力を低減できる。
【００２７】
図８は、本発明の第６実施形態の空調装置の冷凍サイクルをモリエル線図上で表した図である。本実施形態では、第１膨脹弁３１後の気液２層の冷媒を蒸発器４０の後の冷媒に戻すライン７０を追加し、このライン７０に更に第３膨脹弁３３を設けている。従って、第１膨脹弁３１によって減圧された冷媒の一部は、第３膨脹弁３３によって更に減圧され、蒸発器４０後の冷媒に戻される。図８中の細線が蓄冷時のサイクル線（蓄冷サイクル）であり、太線が蓄冷した冷媒を放冷しサイクル状態を変化させた線（低熱負荷サイクル）である。
【００２８】
これまでと同じく、第１膨脹弁３１で減圧した冷媒を内部に熱交換器５１をもつ蓄冷器５０に送り、第２膨脹弁３２で減圧し低圧低温状態の冷媒を熱交換器５１を通すことで、蓄冷するようになっている。そのため、蓄冷した蓄冷熱量に応じ、第１、第２及び第３膨脹弁３１，３２，３３の開度を制御することで低負荷のサイクルにすることができる。ここで、蓄冷時の圧縮機１０の動力は、図８に示す点Ｂと点Ａ′のエンタルピ差で、また放冷時の圧縮機１０の動力は点Ｉと点Ｈ′のエンタルピ差で表わされ、高圧を蓄冷した分、低圧に制御できるので、前述までのサイクルと同様に圧縮機１０の動力を低減できる。
【００２９】
以上説明したように、本発明においては、第１、第２膨脹弁を有し、高段側の第１膨脹弁後に内部に熱交換器を持ち合わせた蓄冷器を配し、蓄冷器に溜まった気液２層の冷媒を、低段側の第２膨脹弁を出た冷媒で熱交換器を通して冷却し蓄冷するようにし、この蓄冷冷媒と第１、第２膨脹弁の制御によって圧縮機を低熱負荷サイクルで運転させるようにしており、これによって、車両での空調装置の使用時の実用燃費の低減を可能としたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態の空調装置の系統をモリエル線図上で表した図であり、（ｂ）は従来の空調装置の系統をモリエル線図上で表した図である。
【図２】本発明の空調装置に使用される蓄冷器の断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態の空調装置の作用を説明する図である。
【図４】本発明の第２実施形態の空調装置の系統及び作用をモリエル線図上で表した図である。
【図５】本発明の第３実施形態の空調装置の系統をモリエル線図上で表した図である。
【図６】本発明の第４実施形態の空調装置の系統をモリエル線図上で表した図である。
【図７】本発明の第５実施形態の空調装置の系統と作用をモリエル線図上で表した図である。
【図８】本発明の第６実施形態の空調装置の系統と作用をモリエル線図上で表した図である。
【符号の説明】
１０…圧縮機
２０…凝縮器
３１…第１膨脹弁
３２…第２膨脹弁
３３…第３膨脹弁
４０…蒸発器
５０…蓄冷器
５１…熱交換器
６０，７０…ライン

Claims (13)

1. 冷媒を吸入・圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機から吐出された冷媒を凝縮する凝縮器と、
   前記凝縮器から出た高圧の冷媒を減圧する第１膨脹弁と、
   前記第１膨脹弁で減圧された気液２相の冷媒を溜め、内部に熱交換器を有する蓄冷器と、
   前記蓄冷器から出た冷媒をさらに減圧する第２膨脹弁と、
   前記第２膨脹弁で減圧された冷媒と、前記蓄冷器の気液２相の冷媒とを熱交換させる前記熱交換器と、
   前記第２膨脹弁で減圧され、前記熱交換器で熱交換した後の冷媒を蒸発する蒸発器と、
   で構成されることを特徴とする空調装置。
2. 前記第１膨脹弁後の気液２層の冷媒を前記圧縮機に戻すラインを更に追加したことを特徴とする請求項１に記載の空調装置。
3. 前記蓄冷器からの冷媒を減圧する第３膨脹弁を更に具備し、前記第３膨脹弁からの冷媒と前記蒸発器後の冷媒とを合流させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の空調装置。
4. 前記第１膨脹弁が、前記凝縮器のサブクールを一定に保つように制御される膨脹弁であることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の空調装置。
5. 前記第２膨脹弁が、前記蒸発器のスーパーヒートを一定に保つように制御される膨脹弁であることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の空調装置。
6. 車両の走行時には、前記蓄冷器で冷媒に蓄冷し、アイドル時に蓄冷した冷媒を用いるように前記第１及び第２膨脹弁を制御して熱負荷を変化させ、前記圧縮機の動力を低減させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の空調装置。
7. アイドルストップする車両の走行時には、前記蓄冷器で冷媒に蓄冷し、アイドルストップ時に蓄冷した冷媒を用いるように前記第１及び第２膨脹弁を制御して熱負荷を変化させ、前記圧縮機の動力を低減させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の空調装置。
8. 車両の定常走行時と減速時には、前記蓄冷器で冷媒に蓄冷し、アイドル時と加速時に蓄冷した冷媒を用いるように前記第１及び第２膨脹弁を制御して熱負荷を変化させ、前記圧縮機の動力を低減させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の空調装置。
9. アイドルストップする車両の定常走行時と減速時には、前記蓄冷器で冷媒に蓄冷し、アイドルストップ時と加速時に蓄冷した冷媒を用いるように前記第１及び第２膨脹弁を制御して熱負荷を変化させ、前記圧縮機の動力を低減させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の空調装置。
10. 前記圧縮機が可変容量圧縮機であり、前記圧縮機が動力を低減させて運転する際は、動力低減分だけ前記圧縮機の容量を低下させて運転することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の空調装置。
11. 前記圧縮機がモータ駆動の圧縮機であり、前記圧縮機が動力を低減させて運転する際は、動力低減分だけモータ投入電力を低下させて運転することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の空調装置。
12. 前記圧縮機が可変容量圧縮機であり、前記圧縮機が動力を低減させて運転する際は、動力低減分だけ前記圧縮機の容量を低下させて運転するのに加え、車両の定常走行時及び低減時に前記圧縮機の容量を増大させて運転することを特徴とする請求項８又は９に記載の空調装置。
13. 前記圧縮機がモータ駆動の圧縮機であり、前記圧縮機が動力を低減させて運転する際は、動力低減分だけモータ投入電力を低下させて運転するのに加え、車両の定常走行時及び低減時にモータ投入電力を増大させて運転することを特徴とする請求項８又は９に記載の空調装置。

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