JP2004101053A - 空調装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】冷房能力不足及び除湿能力不足を解消する。
【解決手段】車両環境の変化により窓ガラスに曇りが発生したとき、乗員が窓ガラスに空調風を吹き出すデフォグモードが選定されたとき、及びエバ後センサ７３の検出温度が上昇して蒸発器３０の冷凍能力が低下したときのうち少なくとも１つの状況が発生したときに、ノズル４１の絞り開度を大きくして蒸発器３０の冷凍能力を増大させた後、圧縮機１０の吐出容量を増大させる。これにより、窓ガラスの曇りを早期に除去することができるとともに、必要な冷凍能力を早期に得ることができる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機のうちエジェクタサイクルに関するものであり、車両用空調装置に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
エジェクタサイクルは、周知のごとく、エジェクタにて、高圧の冷媒を減圧膨張させながら膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機の吸入圧を上昇させるとともに、エジェクタのポンプ作用により低圧側の冷媒を循環させるものである。
【０００３】
なお、「エジェクタのポンプ作用」とは、例えばＪＩＳ　Ｚ　８１２６　番号２．１．２．３等に記載されているように、高速で噴出する作動流体の巻き込み作用によって流体輸送を行う運動量輸送式ポンプを意味する。
【０００４】
ところで、エジェクタのポンプ能力は、ノズルでの絞り開度によって大きく変化するが、このノズルの絞り開度が固定値であると、十分なポンプ能力を発揮させることができず、十分な量の冷媒を蒸発器に循環させることができ無い可能性が高いので、冷房能力不足が発生するおそれがある。
【０００５】
また、車両用空調装置において冷房能力不足を招くと、除湿能力が低下するため、窓ガラスが曇ってしまうおそれが高くなる。
【０００６】
本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規な空調装置を提供し、第２には、冷房能力不足を解消することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、冷媒を吸入圧縮するとともに、単位時間当たりに吐出される冷媒流量を可変制御することができる圧縮機（１０）と、圧縮機（１０）にて圧縮された高圧の冷媒を放冷する放熱器（２０）と、低圧の冷媒と室内に吹き出す空気とを熱交換し、冷媒を蒸発させることにより室内に吹き出す空気を冷却する蒸発器（３０）と、高圧の冷媒をノズル（４１）にて減圧膨脹させて高速の冷媒流を生成し、この冷媒流にて低圧側の冷媒を循環させるとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機（１０）の吸入圧を上昇させるエジェクタ（４０）と、エジェクタ（４０）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を圧縮機（１０）の吸引側に供給し、液相冷媒を蒸発器（３１、３２）側に供給する気液分離手段（５０）と有し、圧縮機（１０）から吐出される吐出冷媒流量が最大流量未満のときに冷房能力を増大させる際には、エジェクタ（４０）のノズル（４１）の絞り開度を大きくすることを特徴とする。
【０００８】
これにより、従来と異なる新規な空調装置を得ることができるとともに、冷房能力不足を解消することができ得る。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、吐出冷媒流量が最大流量未満のときに冷房能力を増大させる際には、エジェクタ（４０）のノズル（４１）の絞り開度を大きくすると同時に吐出冷媒流量を増大させることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、吐出冷媒流量が最大流量未満のときに冷房能力を増大させる際には、エジェクタ（４０）のノズル（４１）の絞り開度を大きくした後、吐出冷媒流量を増大させることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、吐出冷媒流量が最大流量未満のときに冷房能力を増大させる際には、吐出冷媒流量を増大させた後、エジェクタ（４０）のノズル（４１）の絞り開度を大きくすることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項５に記載の発明では、圧縮機（１０）は、シャフトが１回転する際に吐出される冷媒流量を可変制御することにより吐出冷媒流量を可変させるものであり、さらに、吐出冷媒流量を増大させるときには、シャフトが１回転する際に吐出される冷媒流量を大きくし、一方、吐出冷媒流量を減少させるときには、シャフトが１回転する際に吐出される冷媒流量を小さくすることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項６に記載の発明では、高圧側冷媒の圧力が放熱器（２０）の出口側冷媒温度によって決定される目標圧力となるように、エジェクタ（４０）のノズル（４１）の絞り開度を制御することを特徴とするものである。
【００１４】
請求項７に記載の発明では、高圧側冷媒の圧力を冷媒の臨界圧力以上まで上昇させる場合がある得ることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項８に記載の発明では、冷媒として二酸化炭素が用いられていることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項９に記載の発明では、請求項１ないし８のいずれか１つに記載の空調装置を備える車両用空調装置であって、窓ガラスに空調風を吹き出すデフォグモードとなったときには、デフォグモード以前に比べて冷房能力を増大させることを特徴とする。
【００１７】
これにより、除湿能力不足を解消することができる。
【００１８】
請求項１０に記載の発明では、請求項１ないし８のいずれか１つに記載の空調装置を備える車両用空調装置であって、室内に吹き出す空気が流れる空調ケーシング（８０）に吸い込まれる空気の湿度を検出する湿度センサ（７４）を設け、湿度センサ（７４）の検出湿度が所定値以上となったときには、湿度センサ（７４）の検出湿度が所定値未満のときに比べて冷房能力を増大させることを特徴とする。
【００１９】
これにより、冷房能力不足を解消しつつ、除湿能力不足を解消することができ得る。
【００２０】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、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。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は本発明に係る空調装置を車両用空調装置に適用したものであり、図１は車両用空調装置、つまりエジェクタサイクルの模式図である。
【００２２】
圧縮機１０は走行用エンジンから動力を得て冷媒を吸入圧縮する周知の可変容量型の圧縮機であり、放熱器２０は圧縮機１０から吐出した冷媒と室外空気とを熱交換して冷媒を冷却する高圧側熱交換器である。
【００２３】
なお、本実施形態では、冷媒を二酸化炭素とするとともに、夏場等の外気温度が高い冷房負荷が大きいときには、高圧側冷媒の圧力、つまり圧縮機１０の吐出圧を冷媒の臨界圧力以上まで上昇させている。
【００２４】
また、蒸発器３０は、空調ケーシング８０内に収納されて室内に吹き出す空気と液相冷媒とを熱交換させて液相冷媒を蒸発させることにより冷媒を蒸発させて室内に吹き出す空気を冷却する低圧側熱交換器であり、エジェクタ４０は冷媒を減圧膨張させて蒸発器３０にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機１０の吸入圧を上昇させるものである。
【００２５】
ここで、エジェクタ４０は、図２に示すように、流入する高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル４１、ノズル４１から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器３０にて蒸発した気相冷媒を吸引しながら、ノズル４１から噴射する冷媒流とを混合する混合部４２、ノズル４１から噴射する冷媒と蒸発器３０から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ４３、ノズル４１の絞り開度を変化させるニードル弁４５及びニードル弁４５をその長手方向に変位させるステップモータ等のアクチュエータ４６等からなるものである。
【００２６】
そして、ノズル４１の絞り開度を大きくする場合には、ニードル弁４５を混合部４２から離す向き（紙面左側に）変位させ、ノズル４１の絞り開度を小さくする場合にはニードル弁４５を混合部４２から近づける向き（紙面右側に）変位させる。
【００２７】
なお、本実施形態では、ノズル４１から噴出する冷媒の速度を音速以上まで加速するために、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部を有するラバールノズル（流体工学（東京大学出版会）参照）を採用している。
【００２８】
また、図１中、気液分離器５０はエジェクタ４０から流出した冷媒が流入するとともに、その流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液分離手段であり、気液分離器５０の気相冷媒流出口は圧縮機１０の吸引側に接続され、液相冷媒流出口は蒸発器３０側の流入側に接続される。絞り６０は気液分離器５０から流出した液相冷媒を減圧する減圧手段である。
【００２９】
温度センサ７１は放熱器２０の冷媒出口側における冷媒温度を検出する冷媒温度検出手段であり、圧力センサ７２は圧縮機１０の冷媒吐出側に設けられて高圧側冷媒の圧力を検出する冷媒圧力検出手段であり、エバ後センサ７３は蒸発器３０を通過した直後の空気温度を検出することにより蒸発器３０で発生する冷凍能力を検出するセンサである。
【００３０】
電子制御装置（ＥＣＵ）７０は、両センサ７１、７０の検出値、内気温度センサや外気温度センサ等の空調センサの検出値、及び乗員が設定する希望室内温度等に基づいて予め設定されたプログラムに従ってノズル４１の絞り開度、つまりアクチュエータ４６及び圧縮機１０の吐出容量を制御する。
【００３１】
なお、吐出容量とは、シャフトが１回転する際に吐出される理論冷媒流量であり、斜板型圧縮機のごとく、ピストン型の圧縮機では、ボア径とストロークとで決定される幾何学的な吐出流量となる。
【００３２】
次に、エジェクタサイクルの概略作動を述べる。
【００３３】
圧縮機１０から吐出した冷媒を放熱器２０側に循環させる。これにより、放熱器２０にて冷却された冷媒は、エジェクタ４０のノズル４１にて等エントロピ的に減圧膨張して、音速以上の速度で混合部４２内に流入する。
【００３４】
そして、混合部４２に流入した高速冷媒の巻き込み作用に伴うポンプ作用により、蒸発器３０内で蒸発した冷媒が混合部４２内に吸引されるため、低圧側の冷媒が気液分離器５０→絞り６０→蒸発器３０→エジェクタ４０（昇圧部）→気液分離器５０の順に循環する。
【００３５】
一方、蒸発器３０から吸引された冷媒（吸引流）とノズル４１から吹き出す冷媒（駆動流）とは、混合部４２にて混合しながらディフューザ４３にてその動圧が静圧に変換されて気液分離器５０に戻る。
【００３６】
このとき、混合部４２においては、駆動流の運動量と吸引流の運動量との和が保存されるように駆動流と吸引流とが混合するので、混合部４２においても冷媒の圧力が（静圧）が上昇する。
【００３７】
一方、ディフューザ４３においては、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の速度エネルギ（動圧）を圧力エネルギ（静圧）に変換するので、エジェクタ４０においては、混合部４２及びディフューザ４３の両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、混合部４２とディフューザ４３とを総称して昇圧部と呼ぶ。
【００３８】
つまり、理想的なエジェクタ４０においては、混合部４２で駆動流の運動量と吸引流の運動量との和が保存されるように冷媒圧力が増大し、ディフューザ４３でエネルギーが保存されるように冷媒圧力が増大する。
【００３９】
次に、本実施形態の特徴的な制御及びその効果を述べる。
【００４０】
秋から春及び梅雨等の大きな冷房能力を必要としない季節では、吐出容量を最大吐出容量未満として圧縮機１０を運転している。
【００４１】
また、ノズル４１の絞り開度は、高圧側冷媒圧力、つまり圧力センサ７２の検出圧力が、放熱器２０の冷媒出口側における冷媒温度、つまり温度センサ７１の検出温度に基づいて決定される目標高圧圧力となるように制御される。なお、この目標高圧圧力は、検出された冷媒温度に対して理論上、最も成績係数が大きくなる値である。
【００４２】
そして、車両環境の変化により窓ガラスに曇りが発生したとき、乗員が窓ガラスに空調風を吹き出すデフォグモードが選定されたとき、及びエバ後センサ７３の検出温度が上昇して蒸発器３０の冷凍能力が低下したときのうち少なくとも１つの状況が発生したときに、ノズル４１の絞り開度を大きくして蒸発器３０の冷凍能力を増大させた後、圧縮機１０の吐出容量を増大させる。
【００４３】
これにより、窓ガラスの曇りを早期に除去することができるとともに、必要な冷凍能力を早期に得ることができる。
【００４４】
なお、ノズル４１の絞り開度を大きくすると、高圧側冷媒圧力が目標高圧圧力より低下してしまうものの、ノズル４１の絞り開度を大きくした後、吐出容量を増大させるので、低下した高圧側圧力を早期に復帰させることができるので、成績係数が大きく低下することはない（図３参照）。
【００４５】
そして、本実施形態では、ノズル４１の絞り開度を大きくして蒸発器３０の冷凍能力を増大させた後、圧縮機１０の吐出容量を増大させることで高圧側圧力を早期に復帰させ、その後再び、放熱器２０の冷媒出口側における冷媒温度に基づいて決定される目標高圧圧力となるようにノズル４１の絞り開度を制御する。
【００４６】
ところで、エジェクタサイクルでは、エジェクタ４０で発生するポンプ作用により蒸発器３０に冷媒を循環させているので、圧縮機１０の吐出容量を増大させるよりもノズル４１の絞り開度を大きくした方が、早期に蒸発器３０内を循環する冷媒量を増大させることができる。
【００４７】
したがって、本実施形態では、ノズル４１の絞り開度を大きくした後、吐出容量を増大させて圧縮機１０から単位時間当たりに吐出される冷媒流量を増大させている。
【００４８】
（第２実施形態）
本実施形態は、車両環境の変化により窓ガラスに曇りが発生したとき、乗員が窓ガラスに空調風を吹き出すデフォグモードが選定されたとき、及びエバ後センサ７３の検出温度が上昇して蒸発器３０の冷凍能力が低下したときのうち少なくとも１つの状況が発生したときに、吐出容量を増大させて圧縮機１０から単位時間当たりに吐出される冷媒流量を増大させた後、ノズル４１の絞り開度を大きくするものである。
【００４９】
（第３実施形態）
本実施形態は、車両環境の変化により窓ガラスに曇りが発生したとき、乗員が窓ガラスに空調風を吹き出すデフォグモードが選定されたとき、及びエバ後センサ７３の検出温度が上昇して蒸発器３０の冷凍能力が低下したときのうち少なくとも１つの状況が発生したときに、ノズル４１の絞り開度を大きくすると同時に吐出容量を増大させて圧縮機１０から単位時間当たりに吐出される冷媒流量を増大させるものである。
【００５０】
（第４実施形態）
第１〜３実施形態では、可変容量型の圧縮機１０において吐出容量を制御することにより圧縮機１０から単位時間当たりに吐出される冷媒流量を制御したが、本実施形態は、圧縮機１０を電動モータ等の専用駆動源にて駆動するとともに、圧縮機１０の回転数を制御することにより圧縮機１０から単位時間当たりに吐出される冷媒流量を制御するものである。
【００５１】
なお、圧縮機１０から単位時間当たりに吐出される冷媒流量を増大させる際には、圧縮機１０の回転数を増大させ、圧縮機１０から単位時間当たりに吐出される冷媒流量を減少させる際には、圧縮機１０の回転数を低下させる。
【００５２】
（第５実施形態）
本実施形態は、図４に示すように、空調ケーシング８０に吸い込まれる空気の湿度を検出する湿度センサ７４を設け、湿度センサ７４の検出湿度が所定値以上となったときに、窓ガラスに曇りが発生する可能性が高いものと見なして、湿度センサ７４の検出湿度が所定値未満のときに比べて冷房能力を増大させるものである。
【００５３】
なお、冷房能力を増大させる手段は、第２〜４実施形態のいずれかと同じである。
【００５４】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いたがが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばフロンや炭化水素、ＨＦＥ、又はＨＦＣ等を冷媒として採用してもよい。
【００５５】
また、上述の実施形態では、夏場等の空調負荷が大きいときには、高圧側冷媒圧力を臨界圧力以上としたが、本発明はこれに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る空調装置の模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係るエジェクタの模式図である。
【図３】ＣＯＰ（成績係数）と高圧圧力との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態に係る空調装置の模式図である。
【符号の説明】
１０…圧縮機、２０…放熱器、３０…蒸発器、４０…エジェクタ、
５０…気液分離器、６０…絞り、７０…電子制御装置。

Claims (10)

  1. 冷媒を吸入圧縮するとともに、単位時間当たりに吐出される冷媒流量を可変制御することができる圧縮機（１０）と、
    前記圧縮機（１０）にて圧縮された高圧の冷媒を放冷する放熱器（２０）と、
    低圧の冷媒と室内に吹き出す空気とを熱交換し、冷媒を蒸発させることにより室内に吹き出す空気を冷却する蒸発器（３０）と、
    高圧の冷媒をノズル（４１）にて減圧膨脹させて高速の冷媒流を生成し、この冷媒流にて低圧側の冷媒を循環させるとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して前記圧縮機（１０）の吸入圧を上昇させるエジェクタ（４０）と、
    前記エジェクタ（４０）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を前記圧縮機（１０）の吸引側に供給し、液相冷媒を前記蒸発器（３１、３２）側に供給する気液分離手段（５０）と有し、
    前記圧縮機（１０）から吐出される吐出冷媒流量が最大流量未満のときに冷房能力を増大させる際には、前記エジェクタ（４０）のノズル（４１）の絞り開度を大きくすることを特徴とする空調装置。
  2. 前記吐出冷媒流量が最大流量未満のときに冷房能力を増大させる際には、前記エジェクタ（４０）のノズル（４１）の絞り開度を大きくすると同時に前記吐出冷媒流量を増大させることを特徴とする請求項１に記載の空調装置。
  3. 前記吐出冷媒流量が最大流量未満のときに冷房能力を増大させる際には、前記エジェクタ（４０）のノズル（４１）の絞り開度を大きくした後、前記吐出冷媒流量を増大させることを特徴とする請求項１に記載の空調装置。
  4. 前記吐出冷媒流量が最大流量未満のときに冷房能力を増大させる際には、前記吐出冷媒流量を増大させた後、前記エジェクタ（４０）のノズル（４１）の絞り開度を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の空調装置。
  5. 前記圧縮機（１０）は、シャフトが１回転する際に吐出される冷媒流量を可変制御することにより前記吐出冷媒流量を可変させるものであり、
    さらに、前記吐出冷媒流量を増大させるときには、前記シャフトが１回転する際に吐出される冷媒流量を大きくし、一方、前記吐出冷媒流量を減少させるときには、前記シャフトが１回転する際に吐出される冷媒流量を小さくすることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載に空調装置。
  6. 高圧側冷媒の圧力が前記放熱器（２０）の出口側冷媒温度によって決定される目標圧力となるように、前記エジェクタ（４０）のノズル（４１）の絞り開度を制御することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の空調装置。
  7. 高圧側冷媒の圧力を冷媒の臨界圧力以上まで上昇させる場合がある得ることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の空調装置。
  8. 冷媒として二酸化炭素が用いられていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の空調装置。
  9. 請求項１ないし８のいずれか１つに記載の空調装置を備える車両用空調装置であって、
    窓ガラスに空調風を吹き出すデフォグモードとなったときには、デフォグモード以前に比べて冷房能力を増大させることを特徴とする車両用空調装置。
  10. 請求項１ないし８のいずれか１つに記載の空調装置を備える車両用空調装置であって、
    室内に吹き出す空気が流れる空調ケーシング（８０）に吸い込まれる空気の湿度を検出する湿度センサ（７４）を設け、
    前記湿度センサ（７４）の検出湿度が所定値以上となったときには、前記湿度センサ（７４）の検出湿度が所定値未満のときに比べて冷房能力を増大させることを特徴とする車両用空調装置。
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