JP2006097972A - アキュムレータ冷凍サイクル - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発器を複数備えたアキュムレータ冷凍サイクルにおいては、放熱器の高圧制御が安定せず、冷凍サイクルのハンチングが生じたり、ＣＯＰの低下を招いていた。
【解決手段】アキュムレータ冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機１１と、圧縮機から吐出される冷媒を冷却する放熱器１４と、放熱器から流出される冷媒を減圧する１つの減圧器１７と、減圧器から流出される冷媒を蒸発させる第１蒸発器２１と、減圧器から流出される冷媒の流量を調整する１つの流量調整弁３１と、第１蒸発器と並列に配置され各流量調整弁から流出される冷媒を蒸発させる１つの第２蒸発器３４と、第１蒸発器及び第２蒸発器から流出される冷媒を受け気液分離するアキュムレータ２４と、から成る。放熱器の温度又はその出口の冷媒の温度に基づき減圧器の絞り量を制御し、第２蒸発器の温度、その出口の空気の温度又はその出口の冷媒の過熱度に基づき流量調整弁の絞り量を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アキュムレータ冷凍サイクルに関し、特に２つ以上の蒸発器を含みながら放熱器の高圧制御が改良されたものに関する。

近年、ワゴン車やワンボックスカーなどでは、フロントエアコンの他にリアエアコンが設けられる場合が多く、その場合冷凍サイクルは２つの蒸発器を含むことになる。

例えば、従来のアキュムレータ冷凍サイクル（特許文献１参照）では、図６に示すように、圧縮機２００の下流側にある放熱器（室外機）２０２の下流側に第１減圧弁２０５を介してフロントエアコン用第１蒸発器２０８を配置し、第１蒸発器２０８の下流側にアキュムレータ２１０を配置している。また、第１蒸発器２０８と並列にリアエアコン用第２蒸発器２１２を配置し、その入口側に第２減圧器２１５を配置し、出口側をアキュムレータ２１０に接続している。

冷凍サイクルを効率よく作動させるためには、熱交換器（放熱器２０２）出口の温度に対して最も効率が良くなるように高圧を制御することが重要である。これを考慮して、放熱器２０２の出口の冷媒の温度を感温センサ２０３で検知し、その検知結果に基づき第１減圧弁２０５の絞り量を制御し、放熱器２０２内の高圧を制御している。また、第２蒸発器２１２の出口の冷媒の過熱度を感温センサ２１３で検知し、検知結果に基づき第２減圧弁２１５の絞り量を制御し、第２蒸発器２１２内の冷媒の過熱度を制御している。
特開２０００−３５２５０号公報

従来のアキュムレータ冷凍サイクルは、異なる場所に配置した感温センサ２０３及び２１３での検知温度に基づき、第１減圧弁２０５と第２減圧弁２１５とを別個独立に作動させている。その結果、放熱器２０２内の高圧が変動し、しかもその変動が繰り返される。詳述すると、図７のフローチャートにおいて、送風機の風量の増加などにより第２蒸発器２１２の負荷が増加すると（Ｓ１）、第２蒸発器２１２内の冷媒の過熱度が増加し冷媒が不足するので、センサ２１３での検知結果に基づき第２減圧弁２１５が開き放熱器２０２の圧力が低下する（Ｓ２）。すると、放熱器２０２の高圧を維持するため（上昇させるべく）、感温センサ２０３での検知結果に基づき第１減圧弁２０５が絞られる（Ｓ３）。

その結果、放熱器２０２から第２蒸発器２１５に冷媒が流れすぎ、感温センサ２１３での検知結果に基づき、その過熱度が減少する（Ｓ４）。すると、冷媒を減らすべく第２減圧弁２１５が絞られるので放熱器２０２の高圧が上昇し（Ｓ５）、放熱器２０２の高圧を維持するため（下降させるべく）、第１減圧弁２０５が開く（Ｓ６）。第２蒸発器２１５内の冷媒流量が減り、過熱度が増加する（Ｓ７）ので上記Ｓ２に戻り、上記サイクルが繰り返されることになる。

このように、リアエアコン用第２減圧器２１５の絞り量の大小に応じて、放熱器２０２の高圧が低下し（Ｓ２）又は上昇し（Ｓ５）、これを補償すべくフロントエアコン用第１減圧器２０５が絞り量が調整される。つまり、放熱器２０２の高圧が第２減圧器２１５の絞り量の影響を受ける。その結果、放熱器２０２での高圧制御が不安定になり、冷凍サイクルにハンチング（定期的な圧力変動）が生じ、それに伴い、ＣＯＰ（成績係数）が低下することになる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、蒸発器を２つ又はそれ以上備えたアキュムレータ冷凍サイクルにおいて、放熱器の高圧制御を安定化させ、それによって冷凍サイクルのハンチングを防止すると共に、ＣＯＰの低下を解消することを目的とする。

本願の発明者は、上記従来例の不具合は２つの蒸発器に対応して２つの減圧器を設けたことに起因するとの知見を得て、放熱器の高圧の変動の原因となり易い減圧器を１つにした。その上で、第１蒸発器はこの減圧器から直接冷媒を流入させ、第２蒸発器はこの減圧器から流量制御弁を介して冷媒を流入させることを着想して、本発明を完成した。

（１）本願の第１発明によるアキュムレータ冷凍サイクルは、請求項１に記載したように、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出される冷媒を冷却する放熱器と、放熱器から流出される冷媒を減圧する１つの減圧器と、減圧器から流出される冷媒を蒸発させる第１蒸発器と、減圧器から流出される冷媒の流量を調整する１つ又は複数の流量調整弁と、第１蒸発器と並列に配置され各流量調整弁から流出される冷媒を蒸発させる１つ又は複数の第２蒸発器と、少なくとも第１蒸発器から流出される冷媒を受け気液分離するアキュムレータと、から成る。

このアキュムレータ冷凍サイクルにおいて、放熱器の温度又はその出口の冷媒の温度に基づき減圧器の絞り量を制御し、第２蒸発器の温度、その出口の空気の温度又はその出口の冷媒の過熱度に基づき流量調整弁の絞り量を制御する。

（２）第２発明によるアキュムレータ冷凍サイクルは、請求項６に記載したように、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出される冷媒を冷却する放熱器と、放熱器から流出される冷媒を減圧する１つの減圧器と、減圧器から流出される冷媒を２以上の方向に分ける流量調整機能付きの切換え弁と、切換え弁から第１方向に流出される冷媒を蒸発させる第１蒸発器と、第１蒸発器と並列に配置され切換え弁から第２方向に流出される冷媒を蒸発させる１つ又は複数の第２蒸発器と、少なくとも第１蒸発器から流出される冷媒を受け気液分離するアキュムレータと、から成る。

このアキュムレータ冷凍サイクルにおいて、放熱器の温度又はその出口の冷媒の過熱度に基づき減圧器の絞り量を制御し、第２蒸発器の温度、その出口の空気の温度又はその出口の冷媒の過熱度に基づき流量調整弁の絞り量を制御する。

（１）第１発明にかかるアキュムレータ冷凍サイクルによれば、放熱器の高圧制御が安定する。即ち、第２蒸発器の上流側に配置した流量調整弁は第２蒸発器に流入する冷媒の流量を調整するのみで、冷媒の圧力は殆ど減圧しない。よって、流量調整弁、第２蒸発器、放熱器及び減圧器が配設された冷媒流通路内の圧力は変化せず、放熱器の高圧が変化しないので、減圧器の絞り量も変化しないからである。

請求項２のアキュムレータ冷凍サイクルによれば、蒸発器の出口（吹出）空気の温度を検出するために蒸発器の後に搭載されているサーミスタを、冷媒の過熱度の検知に流用することができるので、新たにセンサを増設することが不要となる。請求項３のアキュムレータ冷凍サイクルによれば、第２蒸発器の後の冷媒をアキュムレータの下流側に合流させているので、第１蒸発器の冷媒能力が増大する。請求項４のアキュムレータ冷凍サイクルによれば、放熱器の出口と第１蒸発器及び第２蒸発器の出口との間で熱交換する内部熱交換機を配置したので、冷房効率が向上する。

（２）第２発明のアキュムレータ冷凍サイクルによれば、第１発明の効果に加えて、流量調整弁から第１蒸発器に流入する冷媒の流量、及び第２蒸発器に流入する冷媒の流量を調整でき、それぞれの蒸発器に必要とされる冷媒を供給できる効果が得られる。

（イ）全体
本発明のアキュムレータ冷凍サイクルは、圧縮機、放熱器、１つの減圧器、１つの第１蒸発器、１つ又は複数の流量調整弁、１つ又は複数の第２蒸発器、及び１つのアキュムレータから成る。冷媒は（炭酸ガス）とできるが、これに限定されない。

（ロ）放熱器、減圧器
放熱器は圧縮機の下流側に配置され、圧縮機から流出される冷媒を冷却する。放熱器の下流側に１つの減圧器が配置され、放熱器から流出する冷媒を減圧、膨張させ、低温で低圧の気液２相の冷媒にする。放熱器の温度又は出口の冷媒の温度などに応じて高圧制御を行う。

（ハ）蒸発器
減圧器の下流側に少なくとも１つの蒸発器が配置される。入口から入った気液２相の冷媒が第１蒸発器の出口で蒸気に変化する。減圧器の下流側で第１冷媒流通路から分かれた第２冷媒流通路に次述する流量調整弁が配置され、更にその下流側に第２蒸発器が配置されている。

第１蒸発器は例えばフロントエアコン用であり夏期の走行時などは原則して作動し、個数は１つである。これに対して、第２蒸発器は例えばリアエアコン用であり、原則として後部座席に乗員がいるときに作動させ、いないときは非作動とできる。個数は１つ又は複数である。第２蒸発器の作動の有無によって放熱器に必要とされる冷却能力が変化する。

（ニ）流量調整弁
流量調整弁は減圧器で減圧された冷媒の第２蒸発器への流量を調整するもので、第２蒸発器と同じ個数だけ設けられる。第２蒸発器の出口の冷媒の過熱度等が高い場合はその弁を開き、低い場合は弁を絞る。但し、第２蒸発器に流入する冷媒の圧力は殆ど減圧させない。なお、第１蒸発器の温度と第２蒸発器の温度との温度差に応じて流量調整弁の絞り量を調整しても良い。

また、流量調整弁の代わりに、１つの入口ポートと、２つ以上の出口ポートとを備え、各出口ポートからの冷媒の流出量を調整可能な切換え弁を使用することもできる。

（ホ）アキュムレータ
第１蒸発器の下流側に、少なくとも第１蒸発器から流出する冷媒を気液分離するアキュムレータが配置されている。第２蒸発器から流出する冷媒もこのアキュムレータで気液分離することができる。ただし、第１蒸発器の出口のみをアキュムレータに接続し、第２蒸発器の出口はアキュムレータの下流側に接続することもできる。

（ヘ）内部熱交換器
冷房能力を上げるために、放熱器の出口側と第１蒸発器及び第２蒸発器の出口側とでの間で熱交換する内部熱交換器を設けることができる。放熱器を出た高温の冷媒を、第１蒸発器及び第２蒸発器を出た低温の冷媒で冷却するのである。この場合、第２蒸発器の出口は内部熱交換器と圧縮機との間に接続することができる。

以下、本発明の実施例を添付図面を参照しつつ説明する。

＜第１実施例＞
（構成）
図１に示すように第１冷媒流通路１０上に冷媒の流れ方向（左回り）において順に圧縮機１１、放熱器１４、第１減圧器１７、第１蒸発器２１及びアキュムレータ２４が配置されている。このうち圧縮機１１は冷媒を圧縮して吐出し、放熱器１４は圧縮機１１から吐出される冷媒を冷却する。減圧器１７は放熱器１４から流出される冷媒を減圧し、フロントエアコン用第１蒸発器２１は減圧器１７から流出される冷媒を蒸発させ、アキュムレータ２４は第１蒸発器２１から流出される冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離する。

第１冷媒流通路１０の減圧弁１７と第１蒸発器２１との間分岐点Ａから第２冷媒流通路３０が分岐し、第１蒸発器２１とアキュムレータ２４との間の合流点Ｂ１で第１冷媒通路１０に合流している。この第２冷媒流通路３０上に冷媒の流れ方向において順に流量調整弁３１及びリアエアコン用第２蒸発器３４が配置されている。これから分かるように、放熱器１４及び減圧器１７に対して第１蒸発器２１と、流量調整弁３１及び第２蒸発器３４とが並列に配置されている。

放熱器１４の出口に配置した感温センサ１５により出口の冷媒の温度が検知され、それに基づき減圧弁１７の絞り量を制御するようになっている。また、第２蒸発器３４の出口に配置した感温センサ３５により出口の冷媒の過熱度が検知され、それに基づき流量調整弁３１の絞り量を制御するようになっている。また、放熱器１４の出口側と第１蒸発器２１及び第２蒸発器３４の出口側との間で熱交換する内部熱交換器（ＩＨＥ）３７が配置されている。

（作用）
圧縮機１１による冷媒の圧縮、放熱器１４による冷媒の冷却、アキュムレータ２４による気液分離、及び内部熱交換器３７による内部熱交換は何れも公知であり、しかも本発明と直接関係ないので、詳しい説明は割愛する。以下、減圧器１７、第１蒸発器２１、流量調整弁３１及び第２蒸発器３４の作動を中心に説明する。

減圧器１７は感温センサ１５からの信号を受け、最も効率が良くなるように高圧を制御する。第２冷媒流通路３０は減圧弁１７の下流側で第１冷媒流通路１０から分岐しているので、減圧弁１７で減圧された冷媒が流量調整弁３１に流入する。流量調整弁３１は感温センサ３５からの信号を受けて作動し、第２蒸発器３４の負荷が増大したときはその内部の弁が開き、多量の冷媒を第２蒸発器３４に供給する。一方、負荷が小さいときは弁が絞られ、少量の冷媒しか供給しない。

（効果）
この実施例によれば、以下の効果が得られる。まず、第２蒸発器３４の負荷の大きさが変動しても、減圧器１７の絞り量は大きく変化せず、放熱器１４の高圧は大きく変化しない。その理由は、第２蒸発器３４が配置された第２冷媒流通路３０には減圧器が配置されていないからである。即ち、第２蒸発器３４の負荷の大きさの変動時は流量調整弁３１の弁の絞り量が変化し、第２冷媒流通路３０を流れる冷媒の量が変化するのみで、第２冷媒流通路３０の圧力は大きく変化しない。

また、第２冷媒流通路３０には減圧器は配置されていないが、負荷の大きさに応じて流量調整弁３１の絞り量が変わり、第２蒸発器３４での冷媒の蒸発量が変化するので必要な冷房能力が得られ、問題ない。

＜変形例＞
以下、上記実施例の各種変形例につき説明する。

（１）第１変形例
図２に示す第１変形例は、流量調整弁３１の絞り量を調整する基準が実施例とは異なる。即ち、第１蒸発器２１及び第２蒸発器３４の温度をサーミスタ５１及び５２で検知し、検知結果をＥＣＵ５５に出力している。ここで、例えば第２サーミスタ５２の設定温度を第１サーミスタ５１の設定温度０から３℃（ここでは２℃）高くしておく。ＥＣＵ５５はこの信号に基づき流量調整弁３１の絞り量を制御する。両方の検知温度の差が２℃以下の間は弁３１を絞っておき、２℃を超えたならばＥＣＵ５５からの指令により流量調整弁３１を開く。

第１変形例によれば、サーミスタ５１及び５２は蒸発器２１及び３４の着霜防止のために既設されている場合が多いので、実質的にコストが上昇しないという特有の効果が得られる。

（２）第２変形例
図３に示す第２変形例は、第１冷媒流通路１０と第２冷媒流通路３０との合流点Ｂ２の位置が第１実施例とは異なり、第２冷媒流通路３０はアキュムレータ１４の下流側で第１冷媒流通路１０に合流している。流量調整弁３１の絞り量は第２蒸発器３４の出口の冷媒の過熱度に基づき制御し、過熱度が０から５℃（例えば３℃）になったとき流量調整弁３１を開く。なお、第２蒸発器３４上に設けたサーミスタにより検知した温度に基づき流量調整弁３１の絞り量を制御してもよい。

第２変形例によれば、第２蒸発器３４の後の冷媒をアキュムレータ１４の下流に合流させるので、第１実施例と比べて第１蒸発器２１の冷房能力が向上するという特有の効果が得られる。

（３）第３変形例
図４に示す第３変形例では、第２冷媒流通路３０は内部熱交換器３７の下流側の合流点Ｂ３で第１冷媒流通路１０に合流している。流量調整弁３１の絞り量は第２蒸発器３４の出口の冷媒の過熱度に基づき制御し、過熱度が０から２０℃（例えば１０℃）になるようにその開度を調整する。なお、過熱度を第２変形例よりも大きくしたのは、第１蒸発器２１を出た冷媒が内部熱交換器１４内を通り、合流点Ｂ３では過熱度が１０から２０℃の冷媒になっているので、これに合わせるためである。また、第２蒸発器３４上に設けたサーミスタにより検知した温度に基づき流量調整弁３１の絞り量を制御してもよい。第３変形例によれば、基本的に上記第２変形例と同様の効果が得られる。

＜第２実施例＞
図５に示す第２実施例は、上記流量調整弁３１に変えて、分岐点Ａに流量調整機能付きの三方向切換弁１００が配置されている点が異なる。詳述すると、三方向切換弁１００の入口ポート１０２とは減圧器１７に、第１出口ポート１０４は第１蒸発器２１に、第２出力ポート１０６は第２蒸発器３４に、それぞれ接続されている。第２蒸発器３４の出口の冷媒の過熱度を検知し、その結果に基づき三方向切換弁１００を切り換えて流量調整している。

例えば、過熱度が所定値より大きくなったときは第２出口ポート１０６から第２蒸発器３４に多い冷媒を、第１出口ポート１０４から第１蒸発器３２に少ない冷媒を流す。これに対して、過熱度が所定値よりも小さいときは、第２出口ポート１０６から第２蒸発器３４に少なめの冷媒を、第１出口ポート１０４から第１蒸発器３２に多めの冷媒を流す。なお、第１蒸発器２１及び第２蒸発器３４の両方の過熱度に基づき三方向切換弁１００を切り換えても良い。

第２実施例によれば、第１蒸発器２１に流れる冷媒量及び第２蒸発器３４に流れる冷媒量の両方を調整できるので、より広い条件において制御が可能になるという特有の効果が得られる。

本発明の第１実施例を示すサイクル説明図である。 第１変形例を示すサイクル説明図である。 第２変形例を示すサイクル説明図である。 第３変形例を示すサイクル説明図である。 第２実施例を示すサイクル説明図である。 従来例を示すサイクル説明図である。 従来例の作動を示すフローチャートである。

符号の説明

１０：第１冷媒流通路 １１：圧縮機
１４：放熱器 １７：減圧器
２１：第１蒸発器 ２４：アキュムレータ
３０：第２冷媒流通路 ３１：流量調整弁
３４：第２蒸発器 ３７：内部熱交換器
１００：三方向切換え弁

Claims (7)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機（１１）と、該圧縮機から吐出される冷媒を冷却する放熱器（１４）と、該放熱器から流出される冷媒を減圧する１つの減圧器（１７）と、該減圧器から流出される冷媒を蒸発させる第１蒸発器（２１）と、前記減圧器から流出される冷媒の流量を調整する１つ又は複数の流量調整弁（３１）と、第１蒸発器と並列に配置され該各流量調整弁から流出される冷媒を蒸発させる１つ又は複数の第２蒸発器（３４）と、少なくとも第１蒸発器から流出される冷媒を受け気液分離するアキュムレータ（２４）と、から成り、
   前記放熱器の温度又はその出口の冷媒の温度に基づき前記減圧器の絞り量を制御し、前記第２蒸発器の温度又はその出口の冷媒の過熱度に基づき前記流量調整弁の絞り量を制御することを特徴とするアキュムレータ冷凍サイクル。
2. 前記流量調整弁の絞り量を、前記第１蒸発器及び前記第２蒸発器の温度、又は出口の空気の温度に基づき制御する請求項１に記載のアキュムレータ冷凍サイクル。
3. 前記第２蒸発器の出口は、前記アキュムレータと前記圧縮機との間に接続されている請求項２に記載のアキュムレータ冷凍サイクル。
4. 更に、放熱器の出口側と前記第１蒸発器及び第２蒸発器との出口との間で熱交換する内部熱交換機（３７）を含み、前記第２蒸発器の出口は前記内部熱交換機と前記圧縮機との間に接続されている請求項２又は３に記載のアキュムレータ冷凍サイクル。
5. 前記冷媒として二酸化炭素を用いる請求項１から４の何れか１つに記載のアキュムレータ冷凍サイクル。
6. 冷媒を圧縮する圧縮機（１１）と、該圧縮機から吐出される冷媒を冷却する放熱器（１４）と、該放熱器から流出される冷媒を減圧する１つの減圧器（１７）と、減圧器から流出される冷媒を２以上の方向に分ける流量調整機能付きの切換え弁（１００）と、該切換え弁から第１方向に流出される冷媒を蒸発させる第１蒸発器（２１）と、該第１蒸発器と並列に配置され前記切換え弁から第２方向に流出される冷媒を蒸発させる１つ又は複数の第２蒸発器（３４）と、少なくとも第１蒸発器から流出される冷媒を受け気液分離するアキュムレータ（２４）と、から成り、
   前記放熱器の温度又はその出口の冷媒の温度に基づき前記減圧器の絞り量を制御し、前記第２蒸発器の温度、その出口の空気の温度又はその出口の冷媒の過熱度に基づき前記流量調整弁の絞り量を制御することを特徴とするアキュムレータ冷凍サイクル。
7. 前記冷媒として二酸化炭素を用いる請求項６に記載のアキュムレータ冷凍サイクル。

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