JP2005262958A

JP2005262958A - 車両用空調装置

Info

Publication number: JP2005262958A
Application number: JP2004076423A
Authority: JP
Inventors: Torahide Takahashi; 寅秀高橋; Toshihiro Maruyama; 智弘丸山; Kojiro Nakamura; 康次郎中村
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2024-03-17
Also published as: JP4263646B2

Abstract

【課題】アイドリングから高速走行までの全域にわたってハンチングせず、効率の良い運転を行うことができると共に製造コストが安価な車両用空調装置を提供する。
【解決手段】冷媒を圧縮するコンプレッサ２と、このコンプレッサから吐出された冷媒を冷却する放熱器３と、この放熱器で冷却された冷媒を減圧する減圧手段４と、この減圧手段で減圧した冷媒を蒸発させるエバポレータ５とを含む超臨界で運転される冷凍サイクル１を備えた車両用空調装置であって、減圧手段は、並列接続された複数の固定絞り６、７、・・・と、これら固定絞りの一つ又は複数を選択的に開通させる固定絞り選定手段８と、負荷の状況に応じて固定絞り選定手段を制御する制御手段１２とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は車両用空調装置に関し、より詳しくは、炭酸ガスを冷媒とした冷凍サイクルにダブルオリフィスを用いた車両用空調装置に関するものである。

従来、炭酸ガスを冷媒とした冷凍サイクルの膨張弁には、電子制御膨張弁が使用されていた。電子制御膨張弁は、冷媒流量をきめ細かく制御できるものの、構造が複雑でコスト高であるという難点があった。

そこで、特許文献１には、安価なオリフィスを用いた冷凍サイクルが提案されている。この従来例では、並列接続された複数のオリフィス及び圧力応動弁を用いることで、サイクル運転条件に対応した冷媒流量調整機能を確保しようとしている。
特開２００３−４３１３号公報

しかしながら、上記従来技術では、圧力応動弁にスプリングを用いており、このスプリングのバネ定数が適切に設定されていないと、負荷の状況に応じてオリフィスが適切に開閉されないため、ハンチングを引き起こす恐れがある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、アイドリングから高速走行までの全域にわたってハンチングせず、効率の良い運転を行うことができると共に製造コストが安価な車両用空調装置を提供することにある。

本発明の車両用空調装置は、冷媒を圧縮するコンプレッサ２と、このコンプレッサ２から吐出された冷媒を冷却する放熱器３と、この放熱器３で冷却された冷媒を減圧する減圧手段４と、この減圧手段４で減圧した冷媒を蒸発させるエバポレータ９とを含む超臨界で運転される冷凍サイクル１を備えた車両用空調装置であって、減圧手段１４は、並列接続された複数の固定絞り６、７、・・・と、これら固定絞り６、７、・・・の一つ又は複数を選択的に開通させる固定絞り選定手段８と、負荷の状況に応じて固定絞り選定手段８を制御する制御手段１２とを有することを特徴としている。

本発明は、並列接続された複数の固定絞り６、７、・・・を、固定絞り選定手段８が、負荷の状況に応じて一つ又は複数開通させるようにしたことで、アイドリングから高速走行までの全域にわたってハンチングせず、効率の良い空調運転を行うことができる。また、固定絞り選定手段８は、全ての固定絞りに対して設ける必要が無いので、製造コストが安価である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態の車両用空調装置の冷凍サイクル１の概略構成図である。

この冷凍サイクル１は、コンプレッサ２、放熱器３、減圧手段４、エバポレータ５がこの順に配管結合されたもので、冷媒がこれらの間を実線で示す矢印の方向に循環する。

コンプレッサ２は、車室外に配設され、吸入した低圧のガス状の炭酸ガス冷媒を圧縮して高圧のガス状冷媒として吐出する。

放熱器３は車室外に配設され、コンプレッサ２から吐出された高温高圧のガス状の炭酸ガス冷媒の熱を車室外の空気に放熱させるものである。

減圧手段４は、放熱器３で冷却された冷媒を減圧させるもので、並列接続された二つの固定絞り６、７を有し、一方の固定絞り７を電磁弁８（固定絞り選定手段）で開閉することで放熱器３の出口側の冷媒圧力を制御できるようになっている。

図２に拡大して示すように、エバポレータ５の入口に連通接続された配管９の途中から分岐路１９が分岐しており、この分岐路１９はエバポレータ５の入口手前で配管９に合流している。配管９には固定絞り６、分岐路１９には固定絞り７が設けられている。

固定絞り６は常に開通状態であり、そのオリフィスの径は、アイドリング状態に必要な冷媒圧力に対応した大きさとなっている。電磁弁８は、分岐路１９を開閉することにより、固定絞り７のオリフィスが分岐路１９に連通した開通状態と連通しない非開通状態とを選択的に切り換える。なお、電磁弁を備えた固定絞りは複数個設けるようにしてもよい。

エバポレータ５は、車室内空気流路内を流れる空気の熱を減圧手段４で減圧された低温低圧の霧状の冷媒に吸熱させるものである。すなわち、減圧されて低温低圧の霧状となってエバポレータ５に供給された冷媒は、エバポレータ５を通過する際に、車室内空気流路内を流れる空気の熱を奪って気化する。

エバポレータ５で冷却された空気は、エアミックスドア（図示せず）により、加熱用熱交換器（図示せず）を通る流路と、この加熱用熱交換器を迂回する流路とに適宜の比率で分配され、二つの流路を流れた空気はエアミックスチャンバ（図示せず）で混合され、吹出口（図示せず）から車室内に向けて吹き出す。

１０は内部熱交換器で、コンプレッサ２で圧縮され、放熱器３で冷却された高圧中温冷媒とエバポレータ８で蒸発した低圧低温冷媒との間で熱交換を行わせる。

この内部熱交換器１０とエバポレータ５の間にはアキュムレータ１１が設けられている。このアキュムレータ１１は、エバポレータ５を通過した炭酸ガス冷媒を液状の冷媒とガス状の冷媒とに分離し、ガス状の冷媒のみをコンプレッサ２へ送ると共に液状の冷媒を一時的に貯留する。

１２はマイクロコンピュータから成る制御手段で、後述する各種検知器の検出値、あるいは操作パネル（図示せず）の入力情報等に基づいて、コンプレッサ２、電磁弁８、及びその他の機器を制御する。

すなわち、図３に示す如く、高圧側の冷媒圧力を検知する圧力検知器１３（圧力検知手段）、エンジン回転数検知器１４（エンジン回転数検知手段）、車両の速度を検知する速度検知器１５、車両の加速度を検知する加速度検知器１６の値を制御手段１２の比較手段・判定手段１７が図５のフローチャートの手順に従って処理し、出力手段１８が電磁弁８やコンプレッサ２を制御する。

なお、加速度検知器１６を設ける代わりに、図４に示すように、制御手段１２に演算手段１７を設けて加速度を演算するようにしてもよい。

次に、本実施形態の制御手順を図５に基づいて説明する。

図示しないエアコンスイッチをＯＮにすると、制御手段１２は、エンジン回転数検知器１４の値を読み込む（ステップＳ１００）。

次いで、このエンジン回転数がアイドル時のエンジン回転数より大きいか否かを判定し（ステップＳ２００）、ＹＥＳの場合（走行状態）には、電磁弁８を開く（ステップＳ３００）。これにより、冷媒は二つの固定絞り６、７を通ってエバポレータ５に供給されることになる。

ステップＳ２００でＮＯの場合（アイドリング状態）には、電磁弁８を閉じる（ステップＳ４００）。これにより、冷媒は固定絞り６のみを通ってエバポレータに供給されることになる。

通常、車両の走行モードは、アイドリング、一般走行、高速走行の三つに分けることができる。よって、オリフィス開度は、そのそれぞれに応じて三種類設定すればよいことになるが、実際には、アイドリングと一般走行が走行状態の殆どを占め（日本の場合９割以上）、二種類のオリフィス開度を設定することで、概ね走行状態全体をカバーすることができる。

炭酸ガス冷媒を用いた冷凍サイクルでは、一般走行時に使用するオリフィスの断面積はアイドリング時よりも大きい。冷房能力は、エバポレータの入口、出口の冷媒１ｋｇあたりのエンタルピ差（冷凍効果）×冷媒流量によって表される。アイドリング時には冷媒流量が少ないため、冷房能力を走行時同等に近づけるためには、冷媒圧力を高くする（冷凍効果を高める）必要がある（図６参照）。そのため、アイドリング時には、アイドリング用に調整した固定絞り６のみを開通させることで、冷媒の通路断面積を小さくして冷媒圧力を高め、冷房性能を補う。

このように、走行状態かアイドリング状態かのいずれであるかを判定し、これに基づいて、複数の固定絞り６、７を一つ又は両方開通させるようにしたことで、アイドリングから高速走行までの全域にわたってハンチングせず、効率の良い空調運転を行うことができる。

また、二つのオリフィスのいずれかを選択するのではなく、一つ又は両方を選択するようにしているため、電磁弁８は一つの固定絞りに対してのみ設ければよく、製造コストが安価である。

なお、図７に示すように、固定絞り７と電磁弁８を一体化すれば、省スペース化を図ることができると共に、冷媒漏れを防止して信頼性向上を図ることができる。

また、図８に示すように、固定絞り６、７を一体化し、アイドリング用でない方の固定絞り７のオリフィス７ａを電磁弁８で開閉するようにしてもよい。この場合も、省スペース化と冷媒漏れ防止を図ることができる。

さらに、図９に示すように、エバポレータ５における冷媒の出入口が設けられたブロック５ａを、固定絞り６、７及び電磁弁８と一体化することにより、より省スペース化を図ることができると共に部品点数を低減することができる。

なお、本実施形態では、固定絞り選定手段を電磁弁としているため、オリフィスの切り換えをすばやく行うことができ、切り換え時を除いては固定絞り選定手段が作動しないため、従来のようなサイクルハンチングを確実に防止することができるという利点がある。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。図１０は第２実施形態の制御手順を示すフローチャートである。なお、以下の各本実施形態においては、それ以前に説明した実施形態と同一の部分には同一符号を用いており、重複する説明は一部省略してある。

本実施形態では、アイドリング状態と走行状態とのいずれであるかの判定を車両の速度に基づいて行うようにしている。

すなわち、図示しないエアコンスイッチをＯＮにすると、制御手段１２は、速度検知器１５の値を読み込む（ステップＳ１１０）。

次いで、この速度がアイドル時の速度より大きいか否かを判定し（ステップＳ２１０）、ＹＥＳの場合（走行状態）には、電磁弁８を開く（ステップＳ３００）。ステップＳ２１０でＮＯの場合（アイドリング状態）には、電磁弁８を閉じる（ステップＳ４００）。本実施形態においても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

次に、本発明の第３実施形態を説明する。図１１は第３実施形態の制御手順を示すフローチャートである。

電磁弁で固定絞りのオリフィスを閉じた状態で、高圧側の冷媒圧力が過大になると、冷凍サイクルが破損する恐れが生じる。

そこで、本実施形態では、高圧側の冷媒圧力が所定値以上になったとき、電磁弁により閉じられたオリフィスを開いて安全性の向上を図るようにしている。

すなわち、図示しないエアコンスイッチをＯＮにすると、制御手段１２は、圧力検知器１３の値を読み込む（ステップＳ１０）。

次いで、この値が設定圧力未満であるか否かを判定し（ステップＳ２０）、ＹＥＳの場合には、エンジン回転数を読み込む（ステップＳ１００）。以後の処理は第１の実施形態と同様である。

なお、ステップＳ２０でＮＯの場合、すなわち高圧側の冷媒圧力が設定圧力以上の場合には、電磁弁８を開く（ステップＳ５００）。これにより冷媒圧力が低下するので、冷凍サイクルの破損を防止することができる。

なお、本実施形態においても、アイドリング状態と走行状態とのいずれであるかの判定は車両の速度に基づいて行うようにしてもよい。

すなわち、図１２に示すように、ステップＳ２０で高圧側冷媒圧力が設定圧力未満であると、速度検知器１５の値を読み込み（ステップＳ１１０）、この速度がアイドル時の速度より大きいか否かを判定し（ステップＳ２１０）、ＹＥＳの場合（走行状態）には、電磁弁８を開き（ステップＳ３００）、ＮＯの場合（アイドリング状態）には、電磁弁８を閉じる（ステップＳ４００）。

次に、本発明の第４実施形態を説明する。図１３は第４実施形態の制御手順を示すフローチャートである。

アイドリング及び一般走行のためにオリフィス径を最適化すると、それよりも高速走行、高エンジン回転数のときには冷房能力が余剰となる。また、エンジン回転数が上昇すると冷媒圧力は上昇する。

そこで、本実施形態では、コンプレッサを可変容量コンプレッサとすると共に、エンジン回転数に基づいて電磁弁及びコンプレッサを制御し、省動力化を図ると共に冷媒圧力も低減するようにしている。

なお、可変容量コンプレッサとしては、例えば、ＥＣＶを備えた外部制御式のものを用いることができる。

ステップＳ１００からステップＳ４００までの処理は第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

ステップＳ３００の処理が終了すると、エンジン回転数が一般走行時のエンジン回転数より大きいか否かを判定し（ステップＳ６００）、ＹＥＳの場合（高速走行状態）には、コンプレッサ２の容量を低下させる（ステップＳ７００）。

なお、車両が、アイドリング状態、一般走行状態、及び高速走行状態のいずれであるかの判定は、車両の速度に基づいて行うようにしてもよく、図１４はその場合の制御手順の一例を示している。

ステップＳ１１０からステップＳ４１０までの処理は第２の実施形態と同様であるので説明を省略する。

ステップＳ３１０の処理が終了すると、車両の速度が一般走行時の速度より大きいか否かを判定し（ステップＳ６１０）、ＹＥＳの場合（高速走行状態）には、コンプレッサ２の容量を低下させる（ステップＳ７１０）。

このように、エンジン回転数又は速度が所定値以上の場合にコンプレッサ２をデストロークして容量を低減することにより、余剰冷力を減らして省動力化でき、かつ冷媒圧力を低減して冷凍サイクルの破損を防止することができる。

次に、本発明の第５実施形態を説明する。図１５は第５実施形態の制御手順を示すフローチャートである。

本実施形態では、高速走行状態に加えて加速状態においてもコンプレッサ２の容量を低減するようにしている。

ステップＳ３００の処理が終了すると、加速度検知器１６（図３参照）の値を読み込み（ステップＳ５２０）、加速中であるか否かを判定し（ステップＳ５４０）、ＹＥＳの場合（加速状態）には、コンプレッサ２の容量を低下させる（ステップＳ７００）。

ステップＳ５４０でＮＯの場合には、エンジン回転数が一般走行時のエンジン回転数より大きいか否かを判定し（ステップＳ６００）、ＹＥＳの場合（高速走行状態）には、コンプレッサ２の容量を低下させる（ステップＳ７００）。

このように、高速走行状態だけでなく、加速状態の場合についても、コンプレッサ２をデストロークして容量を低減することにより、さらに余剰冷力を減らして省動力化でき、かつ冷媒圧力を低減して冷凍サイクルの破損防止を図ることができる。

なお、車両が、アイドリング状態、一般走行状態、及び高速走行状態のいずれであるかの判定は、車両の速度に基づいて行うようにしてもよく、図１６はその場合の制御手順の一例を示している。

また、制御手段１２が電磁弁８による絞り量の切り換え及びコンプレッサ２の容量低減を行う際の基準であるエンジン回転数、速度、加速度等の設定値を負荷条件に応じて変更するようにしてもよい。

そのようにすると、例えば外気温の低い場合は、アイドリング及び走行時のいずれにおいても、高負荷時よりも早めにコンプレッサ２の容量を小さくすることができ、より効率の良い空調運転を行うことができる。なお、室内温度が低い場合についても同様である。

本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各実施形態に種々の改変を施すことができる。

本発明の第１実施形態の車両用空調装置の冷凍サイクルの概略構成図である。図２の要部拡大図である。実施形態の制御ブロック図である。実施形態の制御ブロック図である。第１実施形態の制御手順を示すフローチャートである。実施形態の冷媒の熱力学的変化を示す特性線図（モリエル線図）である。第１実施形態の変形例の要部拡大図である。第１実施形態の変形例の要部拡大図である。第１実施形態の変形例の要部拡大図である。第２実施形態の制御手順を示すフローチャートである。第３実施形態の制御手順を示すフローチャートである。第３実施形態の変形例の制御手順を示すフローチャートである。第４実施形態の制御手順を示すフローチャートである。第４実施形態の変形例の制御手順を示すフローチャートである。第５実施形態の制御手順を示すフローチャートである。第５実施形態の変形例の制御手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１冷凍サイクル
２コンプレッサ
３放熱器
４減圧手段
５エバポレータ
６固定絞り
７固定絞り
８電磁弁（オリフィス選定手段）
１２制御手段

Claims

冷媒を圧縮するコンプレッサ（２）と、このコンプレッサ（２）から吐出された冷媒を冷却する放熱器（３）と、この放熱器（３）で冷却された冷媒を減圧する減圧手段（４）と、この減圧手段（４）で減圧した冷媒を蒸発させるエバポレータ（５）とを含む超臨界で運転される冷凍サイクル（１）を備えた車両用空調装置であって、減圧手段（１４）は、並列接続された複数の固定絞り（６、７、・・・）と、これら固定絞り（６、７、・・・）の一つ又は複数を選択的に開通させる固定絞り選定手段（８）と、負荷の状況に応じて固定絞り選定手段（８）を制御する制御手段（１２）とを有することを特徴とする車両用空調装置。
制御手段（１２）は、車両がアイドリング状態と走行状態とのいずれであるかを判定し、その判定結果に基づいて固定絞り選定手段（１２）を制御することを特徴とする請求項１記載の車両用空調装置。
アイドリング状態に適した絞り量を有する固定絞り（６）を備えると共に、これと並列に設けられた固定絞り（７、・・・）を固定絞り選定手段（８）で開閉するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両用空調装置。
固定絞り選定手段（８）を設けた固定絞り（７、・・・）を開通状態にしたとき、複数の固定絞り（６、７、・・・）の絞り量が走行状態に適切な絞り量となるようにしたことを特徴とする請求項３記載の車両用空調装置。
アイドリング状態に適した絞り量を有する固定絞り（６）に対して並列に設けられた固定絞り（７、・・・）と固定絞り選定手段（８）とを一体化したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項記載の車両用空調装置。
複数の固定絞り（６、７、・・・）を一体化すると共に、アイドリング状態に適した絞り量を有する固定絞り（６）に対して並列に設けられた固定絞り（７、・・・）を固定絞り選定手段（８）で開閉するようにしたことを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか一項記載の車両用空調装置。
固定絞り選定手段（８）が電磁弁であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項記載の車両用空調装置。
制御手段（１２）は、車両がアイドリング状態と走行状態とのいずれであるかをエンジン回転数で判定することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項記載の車両用空調装置。
制御手段（１２）は、車両がアイドリング状態と走行状態とのいずれであるかを速度で判定することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項記載の車両用空調装置。
冷凍サイクル（１）の高圧側の冷媒圧力を検知する圧力検知手段（１３）を備え、前記冷媒圧力が所定値以上のとき、制御手段（１２）は、固定絞り選定手段（８）により閉じられている固定絞り（７、・・・）を開通状態にすることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項記載の車両用空調装置。
エンジン回転数を検知するエンジン回転数検知手段（１４）を備え、エンジン回転数が所定値以上のとき、制御手段（１２）は、固定絞り選定手段（８）により閉じられている固定絞り（７、・・・）を開通状態にすることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項記載の車両用空調装置。
コンプレッサ（２）が可変容量コンプレッサであることを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか一項記載の車両用空調装置。
アイドリング状態に適した絞り量を有する固定絞り（６）を備え、制御手段（１２）は、アイドリング状態、一般走行状態、及び高速走行状態のいずれであるかを判定し、アイドリング状態では、固定絞り（６）のみを開通状態にし、走行状態では、固定絞り（６）及び固定絞り（６）と並列に設けられた固定絞り（７、・・・）を開通状態にし、高速走行状態では、コンプレッサ（２）の容量を低減することを特徴とする請求項１２記載の車両用空調装置。
制御手段（１２）は、加速状態であるか否かを判定し、加速状態では、コンプレッサ（２）の容量を低減することを特徴とする請求項１２又は請求項１３記載の車両用空調装置。
制御手段（１２）は、オリフィス選定手段（８）による絞り量の切り換え及びコンプレッサ（２）の容量低減を行う基準を負荷条件に応じて変更することを特徴とする請求項１２〜請求項１４のいずれか一項記載の車両用空調装置。