JP2004245479A - 超臨界冷媒を用いた冷凍サイクルの着霜検出方法およびその方法を利用した除霜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吸熱器が着霜するとコンプレッサの吐出冷媒温度が上昇し、かつ、吐出圧力が下がるという特異な現象に着目して、簡単かつ正確に着霜現象を検出するようにした冷凍サイクルの着霜検出方法およびその方法を利用した除霜方法を提供する。
【解決手段】超臨界流体を用いた冷媒をコンプレッサ２で加圧して放熱器３によって室外空気と熱交換した後、膨張弁１３によって断熱膨張して吸熱器４で蒸発させるとともに、膨張弁１３の絞り弁を放熱器３出口の冷媒温度の上昇に伴って絞り方向に制御する冷凍サイクル１であって、それぞれ同時に検出するコンプレッサ２の吐出冷媒温度の上昇率と、コンプレッサ２の吐出圧力の低下率と、を用いて吸熱器４の着霜状態を推定するようにしたので、吸熱器４に着霜した場合に発生する特有の現象を利用したことにより着霜を簡単かつ正確に検知する。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超臨界冷媒を用いて暖・冷房を行う冷凍サイクルの着霜検出方法およびその方法を利用した除霜方法。
【０００２】
【従来の技術】
近年の車両用空調装置では、気液臨界温度・圧力以上に保持された超臨界流体である炭酸ガスを冷媒とした冷凍サイクルを用いて暖・冷房を行い、環境への影響を少なくする対策が採られるようになっている。
【０００３】
冷凍サイクルは、一般的に超臨界冷媒を加圧するコンプレッサと、加圧した冷媒と外気とを熱交換する放熱器（凝縮器）と、放熱器で冷却した冷媒を断熱膨張させる膨張弁と、断熱膨張した冷媒を蒸発させる吸熱器（蒸発器）とを備え、特に炭酸ガスを冷媒とした場合に放熱器下流側の高圧冷媒と吸熱器下流側の低圧冷媒との間で熱交換する内部熱交換器を設けて構成される。
【０００４】
ところで、このような冷凍サイクルでは、吸熱器は膨張弁で断熱膨張した低温冷媒が導入される関係上、吸熱器と熱交換する外気温度や外気湿度等によって吸熱器に着霜する場合があり、この着霜によって吸熱機能の低下が来される。
【０００５】
従って、吸熱器が着霜した場合には、冷凍サイクルを除霜モードで運転して吸熱器を除霜することにより吸熱機能の回復が図られるが、この場合、吸熱器に着霜した状態を検出する必要がある。
【０００６】
着霜状態の検出方法としては、冷凍サイクルの低圧圧力（蒸発圧力）を読み込み、この低圧圧力が予め決定された設定圧力よりも低下しているかどうかで判定するようになっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−１９７９３７号公報（第２２頁、第４４，４５図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる従来の冷凍サイクルの着霜検出方法では、単に冷凍サイクルの低圧圧力のみから着霜を検出するため、着霜の正確な着霜判断に乏しいものとなる。
【０００９】
また、着霜現象は外気中に含まれる水分量（湿度）に大きく起因しており、湿度検出を合わせて着霜現象を検出する装置を構築しようとすると、湿度を正確に検出するためのセンサーが高価となるため、この湿度検出方式を採用することは望めない。
【００１０】
そこで、本発明はかかる従来の課題に鑑みて、吸熱器が着霜するとコンプレッサの吐出冷媒温度が上昇し、かつ、吐出圧力が下がるという特異な現象に着目して、簡単かつ正確に着霜現象を検出するようにした冷凍サイクルの着霜検出方法およびその方法を利用した除霜方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために本発明は、冷媒として超臨界流体を用い、この超臨界冷媒を加圧するコンプレッサと、加圧した冷媒と外気とを熱交換する放熱器と、放熱器で冷却した冷媒を断熱膨張させる膨張弁と、断熱膨張した冷媒を蒸発させる吸熱器とを備え、膨張弁の絞り弁を放熱器出口の冷媒温度の上昇に伴って絞り方向に制御する冷凍サイクルであって、それぞれ同時に検出するコンプレッサの吐出冷媒温度の上昇率と、コンプレッサの吐出圧力の低下率と、を用いて吸熱器の着霜状態を推定することを特徴としている。
【００１２】
【発明の効果】
かかる構成になる本発明によれば、コンプレッサの吐出冷媒温度の上昇率と、コンプレッサの吐出圧力の低下率と、を同時に検出して吸熱器の着霜状態を推定するが、これら吐出冷媒温度の所定値を越える上昇と吐出圧力の所定値以下への低下は、吸熱器に着霜した場合に放熱器出口の冷媒温度の上昇に伴って膨張弁が絞り方向に制御されることにより発生する特有の現象であり、その特有の現象を利用することにより吸熱器の着霜を簡単かつ正確に検知することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。
【００１４】
図１〜図５は本発明にかかる超臨界冷媒を用いた冷凍サイクルの着霜検出方法およびその方法を利用した除霜方法を示し、図１は冷凍サイクルの冷房モードでの運転状態を示す模式図、図２は冷凍サイクルの暖房モードでの運転状態を示す模式図、図３は冷凍サイクルの除湿モードでの運転状態を示す模式図、図４は冷凍サイクルの除霜モードでの運転状態を示す模式図、図５は除霜モードを実行するフローチャートを示す説明図である。
【００１５】
本実施形態の冷凍サイクルは車両用空調装置に適用した場合を示し、かつ、冷媒として超臨界流体の炭酸ガス（ＣＯ_２）を用いてあり、図１〜図４に示すように冷凍サイクル１は、冷媒を加圧するコンプレッサ２と、加圧した冷媒と外気とを熱交換する副放熱器として機能するサブガスクーラ３および放熱器としての外部熱交換器４と、これらサブガスクーラ３および外部熱交換器４で冷却した冷媒を断熱膨張させる第１膨張弁５と、断熱膨張した冷媒を蒸発させる吸熱器としてのエバポレータ６と、外部熱交換器４下流側の高圧冷媒とエバポレータ６下流側の低圧冷媒との間で熱交換する内部熱交換器７と、を備えている。
【００１６】
前記サブガスクーラ３は、空調ダクト８内に収納してコンプレッサ２の加圧冷媒を通路Ｐ１を介して導入し、この加圧冷媒の発生熱を暖房熱源として空調ダクト８内の空調風と熱交換するとともに、切換ドア９によって空調風がサブガスクーラ３を通過する加温通路８ａと、サブガスクーラ３を迂回するバイパス通路８ｂとを切換えるようになっている。
【００１７】
前記外部熱交換器４は、前記サブガスクーラ３を通過した冷媒を通路Ｐ２を介して導入するとともに、図外のエンジンルーム前方に配置して図外のラジエータファンによる外気風と熱交換するようになっている。
【００１８】
前記第１膨張弁５は、外部熱交換器４を通過した冷媒を通路Ｐ３を介して導入するとともに、図外の絞り弁による可変絞り機能を備えて絞り量の制御が可能となっており、外部熱交換器４の出口温度の上昇に伴って絞り弁を絞る方向に制御するようになっているが、この出口温度が通常の制御範囲を超えて上昇した場合（後述の着霜状態）には、強制的に絞り弁を開ける方向に制御するようになっている。
【００１９】
前記エバポレータ６は、前記第１膨張弁５の下流側の低圧通路Ｐ４に設けられ、第１膨張弁５で断熱膨張した冷媒を導入するとともに、空調ダクト８内の前記サブガスクーラ３の上流側に収納し、この空調ダクト８とこれを通過する空調風との間で熱交換することにより冷房熱源となっている。
【００２０】
前記内部熱交換器７は、外部熱交換器４下流側の高温状態にある高圧冷媒と、エバポレータ６を通過した冷温化した低圧冷媒とで熱交換することにより、第１膨張弁５に流入する冷媒を低温化するとともに、コンプレッサ２に吸入される冷媒を温めることができる。
【００２１】
前記低圧通路Ｐ４には、エバポレータ６と内部熱交換器７との間にアキュムレータ１０を設け、このアキュムレータ１０によってエバポレータ６を通過した冷媒を気液分離し、気相冷媒のみを内部熱交換７に通過させてコンプレッサ２に吸入させるようになっている。
【００２２】
前記サブガスクーラ３と外部熱交換器４とを繋ぐ通路Ｐ２には三方弁１１を設け、この三方弁１１の切換えにより、外部熱交換器４を通路Ｐ２に連通する経路（第１切換位置）と、外部熱交換器４をエバポレータ６の下流側でアキュムレータ１０の上流側に連通するリターン通路Ｐ５に連通する経路（第２切換位置）と、に切換えるようになっている。
【００２３】
また、前記通路Ｐ２の三方弁１１よりも上流側と前記通路Ｐ３とを、電磁弁１２を設けた第１バイパス通路Ｐ６を介して連通するとともに、内部熱交換器７よりも下流側で第１膨張弁５よりも上流側と外部熱交換器４の出口側とを、第２膨張弁１３を設けた第２バイパス通路Ｐ７を介して連通してある。
【００２４】
前記通路Ｐ３には、外部熱交換器４と第１バイパス通路Ｐ６の連通部との間に、外部熱交換器４から内部熱交換器７方向への冷媒通過を許容する第１逆止弁１４を設けるとともに、前記第２バイパス通路Ｐ７の第２膨張弁１３よりも下流側に、大分熱交換器４方向への冷媒通過を許容する第２逆止弁１５を設け、かつ、リターン通路Ｐ５には外部熱交換器４からコンプレッサ２への戻り方向の冷媒通過を許容する第３逆止弁１６を設けてある。
【００２５】
そして、このように構成した冷凍サイクル１は、図１〜図３に示すように冷房モード、暖房モード、除湿モードで運転するようになっており、更には、エバポレータ６に着霜した場合には、図４に示すように除霜モードで運転するようになっている。尚、図１〜図４の模式図では、冷媒が流通する経路を実線で示し、冷媒が供給されない経路を破線で示してある。
【００２６】
＜冷房モード＞
冷凍サイクル１の冷房モードでの運転は、図１に示すように三方弁１１を第１切換位置に切換えるとともに、電磁弁１２を遮断状態に設定した状態で、コンプレッサ２の加圧冷媒を、サブガスクーラ３→（三方弁１１）→外部熱交換器４→内部熱交換器７→第１膨張弁５→エバポレータ６→アキュムレータ１０→内部熱交換器７の順に通過させた後、コンプレッサ２に吸引にさせるという循環経路を構成する。
【００２７】
そして、空調ダクト８内では、サブガスクーラ３の空調風の流入側を切換ドア９によって遮断し、エバポレータ６を通過した冷房風のみがバイパス通路８ａを通過して図外の車室内に吹き出すようになっている。
【００２８】
＜暖房モード＞
冷凍サイクル１の暖房モードでの運転は、図２に示すように第１膨張弁５を遮断するとともに、三方弁１１を第２切換位置に切換え、かつ、電磁弁１２を連通状態に設定した状態で、コンプレッサ２の加圧冷媒を、サブガスクーラ３→（電磁弁１２）→内部熱交換器７→第２膨張弁１３→外部熱交換器４→（三方弁１１）→アキュムレータ１０→内部熱交換器７の順に通過させた後、コンプレッサ２に吸引させるという循環経路を構成する。
【００２９】
そして、空調ダクト８内では、切換ドア９によってバイパス通路８ｂを開度調節し、空調風がサブガスクーラ３の加温通路８ａと絞られたバイパス通路８ｂとを通過して、温度調節した暖房風として図外の車室内に吹き出すようになっている。この場合、エバポレータ６は機能していない。
【００３０】
＜除湿モード＞
冷凍サイクル１の除湿モードでの運転は、図３に示すように第１膨張弁５を開通するとともに、電磁弁１２を連通状態に設定した状態で、コンプレッサ２の加圧冷媒を、サブガスクーラ３→（電磁弁１２）→内部熱交換器７→第１膨張弁５→エバポレータ６→アキュムレータ１０→内部熱交換器７の順に通過させた後、コンプレッサ２に吸引させるという循環経路を構成する。
【００３１】
そして、空調ダクト８内では、切換ドア９によってバイパス通路８ｂを開度調節し、エバポレータ６を通過した冷房風がサブガスクーラ３の加温通路８ａを通過して冷暖混合風（温度調和風）とし、この冷暖混合風が図外の車室内に吹き出すようになっている。
【００３２】
＜除霜モード＞
冷凍サイクル１の除霜モードでの運転は、外部熱交換器４に着霜した場合に、この着霜状態を検出して除霜する際に実行され、図４に示すように三方弁１１を第１切換位置に切換えるとともに、電磁弁１２を遮断状態に設定した状態で、コンプレッサ２の加圧冷媒を、サブガスクーラ３→（三方弁１１）→外部熱交換器４→内部熱交換器７→第１膨張弁５→エバポレータ６→アキュムレータ１０→内部熱交換器７の順に通過させた後、コンプレッサ２に吸引にさせるという循環経路を構成する。
【００３３】
つまり、この除霜モードでの冷媒循環経路は冷房モードと同じであり、空調ダクト８内の切換ドア９の切換位置が異なっており、この切換ドア９は除湿モードと同様にバイパス通路８ｂを遮断し、エバポレータ６を通過した冷房風がサブガスクーラ３の加温通路８ａを通過して冷暖混合風（温度調和風）とし、この温度調和風が図外の車室内に吹き出すようになっている。勿論、この場合にあっても切換ドア９でバイパス通路８ｂの開度調節することができる。
【００３４】
従って、本実施形態では除霜モードを自動運転するためには外部熱交換器４の着霜を自動検出する必要があり、この着霜検出方法としては、それぞれ同時に検出したコンプレッサ２の吐出冷媒温度（Ｔｄ）の上昇率と、コンプレッサ２の吐出圧力（Ｐｄ）の低下率と、を用いて着霜状態を推定するようになっており、これら吐出冷媒温度（Ｔｄ）の上昇率と吐出圧力（Ｐｄ）の低下率とが所定値を越えた場合に除湿モードでの運転を実行するようになっている。
【００３５】
即ち、本実施形態の冷凍サイクル１を実際に運転するにあたって、外部熱交換器４に着霜すると、以下の▲１▼〜▲６▼に述べる現象を経て除霜することになる。
【００３６】
▲１▼外部熱交換器４を通過する低圧冷媒の吸熱量が減少するため、冷凍サイクル１内の冷媒循環流量が低下する。
【００３７】
▲２▼これにより内部熱交換器７による低圧側の吸熱性能が低下するため、コンプレッサ２に吸引される冷媒加熱度が上昇し、これに伴ってコンプレッサ２の吐出冷媒温度（Ｔｄ）が上昇する。
【００３８】
▲３▼これにより、サブガスクーラ３の出口冷媒温度が上昇するため、第２膨張弁１３の絞り弁を圧力が上昇する方向、つまり、絞り方向に制御することになる。
【００３９】
▲４▼この第２膨張弁１３の絞り量が大きくなることにより冷媒循環量が更に減少し、これに伴ってコンプレッサ２の冷媒吐出量が減少するため吐出圧力（Ｐｄ）が低下する。
【００４０】
▲５▼従って、冷凍サイクル１では前記▲１▼〜▲４▼の動作が繰り返されることになり、コンプレッサ２の吐出冷媒温度（Ｔｄ）は上昇を続ける一方、コンプレッサ２の吐出圧力（Ｐｄ）は低下を続けることになる。
【００４１】
▲６▼そして、コンプレッサ２の吐出冷媒温度（Ｔｄ）が予め設定した所定値、つまり、着霜時に現れる所定値を越え、かつ、これに伴ってコンプレッサ２の吐出圧力（Ｐｄ）が所定値以下となった場合に、サブガスクーラ３の出口温度の上昇に関わらず暖房モードから除霜モードへ切り換える。
【００４２】
かかる冷凍サイクル１による除霜制御の一例を図５のフローチャートに従って説明すると、先ず、ステップＳ１によって空調装置（Ａ／ＣＯＮ）をＯＮして、ステップＳ２によって図外のコントロールパネルでモード選択（例えば、乗員による任意設定値、外気温度、室内温度、日射等の読み込み）し、冷房時はステップＳ３によって冷房制御（冷房モード）するとともに、暖房時はステップＳ４によって、ＤＥＦ・ＳＷ（除湿スイッチ）、ワイパーＳＷ、外気温等を読み込んで除湿運転（除湿モード）を行うかどうかを判断し、ＹＥＳの場合はステップＳ５によって除湿モードでの運転を実行する。
【００４３】
ステップＳ４でＮＯと判断した場合は、ステップＳ６によって乗員設定値、外気温度、室内温度、日射等を読み込んで暖房モードでの運転を実行し、この暖房モードでの運転状態でステップＳ７は、コンプレッサ２の吐出圧力Ｐｄおよび吐出冷媒温度Ｔｄを読み込んで保護作動を実行するかどうかを判断し、ＮＯの場合はステップＳ６にリターンするとともに、ＹＥＳの場合はステップＳ８によって図外の空調ファンの作動状態が正常かどうかを判断する。
【００４４】
空調ファンが異常作動していると判断した場合はステップＳ９によって保護制御に移行するとともに、空調ファンが正常である場合はステップＳ１０によって、前記コンプレッサ２の吐出圧力Ｐｄと吐出冷媒温度Ｔｄとの関係を判断し、予め設定した正常な演算範囲内である場合はステップＳ９に進んで保護制御に移行するとともに、吐出圧力Ｐｄが所定値以下および吐出冷媒温度Ｔｄが所定値を越えた演算範囲外である場合はステップＳ１１に進んで、ステップＳ６で読み込んだ外気温度が設定値以内にあるかどうを判断する。
【００４５】
そして、外気温度が設定値以上である場合は、吐出圧力Ｐｄと吐出冷媒温度Ｔｄが異常である場合にも、これが外気温の異常性に起因することであるとしてステップＳ９によって保護制御に移行するとともに、外気温度が設定値以下である場合は、吐出圧力Ｐｄと吐出冷媒温度Ｔｄが真に異常であるとしてステップＳ１２に進み、冷凍サイクル１を除霜モードに切り換えてステップＳ１３によって除霜モードでの運転を実行する。
【００４６】
このとき、ステップＳ１３による除霜モード運転は、タイマーによって除霜に必要な時間を予め設定しておき、この設定時間だけ除霜モードが実行されることになり、この設定時間が経過することによりステップＳ４にリターンされる。
【００４７】
以上の構成により本実施形態の冷凍サイクル１の着霜検出方法にあっては、コンプレッサ２の吐出冷媒温度Ｔｄの上昇率と、コンプレッサ２の吐出圧力Ｐｄの低下率と、を同時に検出して外部熱交換器４の着霜状態を推定するようになっており、これら吐出冷媒温度Ｔｄの所定値を越える上昇と吐出圧力Ｐｄの所定値以下への低下は、外部熱交換器４に着霜した場合にサブガスクーラ３出口の冷媒温度の上昇に伴って第２膨張弁１３が絞り方向に制御されることにより発生する特有の現象であり、その特有の現象を利用することにより、外部熱交換器４の着霜を簡単かつ正確に検知することができる。
【００４８】
また、本実施形態の着霜検出方法を実行するにあたって、コンプレッサ２の出口に温度センサーや圧力センサーを設置することになるが、これら温度センサーや圧力センサーは比較的安価であるため、新たに設置する場合若しくは特に既存センサーを利用する場合には装置のコストアップを抑えることができる。
【００４９】
更に、本実施形態の冷凍サイクル１の除霜方法では、前記着霜検出方法を利用してコンプレッサ２の吐出冷媒温度Ｔｄおよび吐出圧力Ｐｄを同時に検出し、この吐出冷媒温度Ｔｄが着霜時に現れる所定値を越え、かつ、この吐出冷媒温度Ｔｄの上昇に伴って吐出圧力Ｐｄが所定値以下になった場合に、暖房モードから除霜モードに切り替わる。
【００５０】
ところで、本発明の超臨界冷媒を用いた冷凍サイクルの着霜検出方法およびその方法を利用した除霜方法を、前記実施形態に例をとって説明したが、この実施形態に限ることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種他の実施形態を採ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における冷凍サイクルの冷房モードでの運転状態を示す模式図。
【図２】本発明の一実施形態における冷凍サイクルの暖房モードでの運転状態を示す模式図。
【図３】本発明の一実施形態における冷凍サイクルの除湿モードでの運転状態を示す模式図。
【図４】本発明の一実施形態における冷凍サイクルの除霜モードでの運転状態を示す模式図。
【図５】本発明の一実施形態における除霜モードを実行するフローチャートを示す説明図。
【符号の説明】
１ 冷凍サイクル
２ コンプレッサ
３ サブガスクーラ
４ 外部熱交換器（放熱器）
５ 第１膨張弁（膨張弁）
６ エバポレータ（吸熱器）
７ 内部熱交換器

Claims (2)

1. 冷媒として超臨界流体を用い、この超臨界冷媒を加圧するコンプレッサ（２）と、加圧した冷媒と外気とを熱交換する放熱器（４）と、放熱器（４）で冷却した冷媒を断熱膨張させる膨張弁（５）と、断熱膨張した冷媒を蒸発させる吸熱器（６）とを備え、膨張弁（５）の絞り弁を放熱器（４）出口の冷媒温度の上昇に伴って絞り方向に制御する冷凍サイクル（１）であって、
   それぞれ同時に検出するコンプレッサ（２）の吐出冷媒温度の上昇率と、コンプレッサ（２）の吐出圧力の低下率と、を用いて吸熱器（６）の着霜状態を推定することを特徴とする超臨界冷媒を用いた冷凍サイクルの着霜検出方法。
2. 冷媒として超臨界流体を用い、この超臨界冷媒を加圧するコンプレッサ（２）と、加圧した冷媒と外気とを熱交換する放熱器（４）と、放熱器（４）で冷却した冷媒を断熱膨張させる膨張弁（５）と、断熱膨張した冷媒を蒸発させる吸熱器（６）とを備え、膨張弁（５）の絞り弁を放熱器（４）出口の冷媒温度の上昇に伴って絞り方向に制御する冷凍サイクル（１）であって、
   コンプレッサ（２）の吐出冷媒温度および吐出圧力を同時に検出し、この吐出冷媒温度が着霜時に現れる所定値を越え、かつ、この吐出冷媒温度の上昇に伴って吐出圧力が所定値以下になった場合に、前記膨張弁（５）の絞り弁を開ける方向に制御することを特徴とする超臨界冷媒を用いた冷凍サイクルの除霜方法。

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