JP2006170457A - 空気調和装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 特に外気温が低い状態において起動された際に、できるだけ短時間で温度が高くかつ粘度が低い潤滑油を圧縮機に戻すことができて、圧縮機の信頼性を向上させることができる空気調和装置およびその制御方法を提供すること。
【解決手段】 冷媒を圧縮する圧縮機３と、前記圧縮機３から吐出された冷媒中から潤滑油を取り除く油分離器１０と、前記油分離器１０により分離された潤滑油を前記圧縮機３に戻す油戻り管１３と、冷房時には放熱器として、暖房時には蒸発器として動作する室外熱交換器５と、冷房時には蒸発器として、暖房時には放熱器として動作する室内熱交換器７と、高圧冷媒を絞り減圧させて低圧冷媒とする膨張弁９と、前記膨張弁９の開度を制御する制御部とを備えた空気調和装置１であって、暖房運転開始時、前記制御部により前記膨張弁９が閉じ方向に制御されることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、特に超臨界冷媒（例えば、ＣＯ_２）が冷媒として使用される超臨界サイクルを有する空気調和装置およびその制御方法に関するものである。

超臨界サイクルを有する空気調和装置としては、超臨界冷媒を臨界圧力以上に圧縮して吐出する圧縮機と、圧縮機から吐出された臨界圧力以上の冷媒から潤滑油を取り除く油分離器と、この油分離器により取り除かれた潤滑油を圧縮機または圧縮機の吸入配管に戻す戻り管と、膨張手段（例えば、電子膨張弁）とを具備するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−０５５４８８号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載されている空気調和装置において、圧縮機運転中に膨張手段が全閉状態（あるいは冷媒が流通しない程度に閉じた状態）とされることはない。そのため、特に外気温が低い状態（例えば、氷点下以下の状態）で暖房運転が開始された場合、その初期段階（起動時）において膨張手段を通過した冷たい冷媒が圧縮機に戻され、この圧縮機に戻された温度の低い冷媒により、油分離器から戻された高温の潤滑油が冷やされてしまい、その結果、粘度の高い潤滑油が圧縮機に戻されることとなり、圧縮機を十分に潤滑できないおそれがあり、圧縮機の信頼性を低下させているといった問題点があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、特に外気温が低い状態において起動された際に、できるだけ短時間で温度が高くかつ粘度が低い潤滑油を圧縮機に戻すことができて、圧縮機の信頼性を向上させることができる空気調和装置を提供することを目的としている。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明による空気調和装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒中から潤滑油を取り除く油分離器と、前記油分離器により分離された潤滑油を前記圧縮機に戻す油戻り管と、冷房時には放熱器として、暖房時には蒸発器として動作する室外熱交換器と、冷房時には蒸発器として、暖房時には放熱器として動作する室内熱交換器と、高圧冷媒を絞り減圧させて低圧冷媒とする膨張弁と、前記膨張弁の開度を制御する制御部とを備えた空気調和装置であって、暖房運転開始時、前記制御部により前記膨張弁が閉じ方向に制御されることを特徴とする。

本発明による空気調和装置の制御方法は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒中から潤滑油を取り除く油分離器と、前記油分離器により分離された潤滑油を前記圧縮機に戻す油戻り管と、冷房時には放熱器として、暖房時には蒸発器として動作する室外熱交換器と、冷房時には蒸発器として、暖房時には放熱器として動作する室内熱交換器と、高圧冷媒を絞り減圧させて低圧冷媒とする膨張弁とを備えた空気調和装置の制御方法であって、暖房運転開始時、前記膨張弁を閉じ方向に制御することを特徴とする。

このような空気調和装置およびその制御方法によれば、例えば、外気温が低い状態（例えば、氷点下以下の状態）で暖房運転が開始された場合の初期段階（起動時）において、高圧側冷媒回路から低圧側冷媒回路への冷媒流動を抑制することとなる。
すなわち、圧縮機から吐出された潤滑油を含む冷媒は、油分離器により冷媒と潤滑油とに分離され、潤滑油が取り除かれた冷媒は冷媒サイクルの下流側へ、潤滑油は油戻り管を介して圧縮機の吸入側に戻されて再び圧縮機３内に吸入されるようになっている。冷媒サイクルの下流側へ導かれた冷媒は、膨張弁での流過が抑制され、圧縮機への流入冷媒量が規制されるようになっている。
これにより、圧縮機の吸入側には潤滑油のみが戻されることとなって、潤滑油が圧縮機→油分離器→油戻り管→圧縮機を循環するようになり、温度が高くかつ粘度の低い潤滑油が圧縮機に戻されることとなるので、圧縮機を十分に潤滑することができるとともに、圧縮機の信頼性を向上させることができる。

本発明による空気調和装置およびその制御方法によれば、特に外気温が低い状態において起動された際に、できるだけ短時間で温度が高くかつ粘度が低い潤滑油を圧縮機に戻すことができて、圧縮機の信頼性を向上させることができるという効果を奏する。

以下、本発明による空気調和装置を車両用空気調和装置に適用した一具体例について、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態による車両用空気調和装置１は、冷媒を圧縮する圧縮機３と、車室外熱交換器（室外熱交換器）５と、車室内熱交換器（室内熱交換器）７と、膨張弁（以下、「電子膨張弁」という。）９とを主たる要素として構成されたものである。

圧縮機３は、冷媒である二酸化炭素（ＣＯ_２）を圧縮し、例えばスクロール型コンプレッサが用いられる。圧縮機３の吐出側には、吐出ガス温度センサ４が設けられている。圧縮機３によって圧縮された冷媒は、油分離器１０を通り、第１三方弁１２へと導かれる。
車室外熱交換器５は、外気と熱交換し、冷房時には放熱器として、暖房時には蒸発器として動作するものである。

車室内熱交換器７は、ＨＶＡＣ（Heating, Ventilating and Air-Conditioning）ユニット１１内に設けられ、冷房時には蒸発器として、暖房時には放熱器として動作するものである。
また、車室内熱交換器７の近傍であって、暖房時には冷媒入口側となる冷媒配管すなわち第１三方弁１２と車室内熱交換器７とを連結する冷媒配管には、温度センサ２２が設けられている。

電子膨張弁９は、車室内熱交換器７の近傍の冷媒配管に設けられ、冷房時には車室内熱交換器７の上流側に位置した状態で高圧冷媒を絞り減圧させて低圧冷媒とするものであり、暖房時には車室内熱交換器７の下流側に位置した状態で全開とされる。

油分離器１０は、圧縮機３から吐出された臨界圧力以上の冷媒中から潤滑油を取り除くものである。潤滑油が取り除かれた冷媒は、冷媒配管を介して第１三方弁１２へと導かれるとともに、潤滑油は、油戻り管１３を介して圧縮機３の吸入側に接続された冷媒配管に戻されるようになっている。
図２に示すように、油戻り管１３は、第１の油戻り管１３ａと、第２の油戻り管１３ｂとを具備するものである。第１の油戻り管１３ａは、その一端が油分離器１０に接続されているとともに、その他端が、内部熱交換器２０と圧縮機３とを連結する冷媒配管で、かつ圧縮機３の近傍に位置する冷媒配管に接続部Ｊａを介して接続された配管であり、その途中にはオイル弁１３ｃとキャピラリが設けられている。
一方、第２の油戻り配管１３ｂは、その一端が油分離器１０とオイル弁１３ｃとの間に位置する第１の油戻り管１３に接続部Ｊｂを介して接続されているとともに、その他端が、接続部Ｊａと圧縮機３との間に位置する冷媒配管に接続部Ｊｃを介して接続されているものであり、第１の油戻り管１３ａと同様キャピラリが設けられている。なお、後述する第２の油戻り管１３ｂを開状態とした場合に必要とされる油戻し量に応じて、それぞれの油戻り管のキャピラリの絞りが設定される。

第１三方弁１２は、冷媒の流れを切り換えるものであり、冷房時には車室外熱交換器５側に、暖房時には車室内熱交換器７側に切り換える。なお、図１では、冷房時の冷媒流れを点線で、暖房時の冷媒流れを実線で示している。

車室外熱交換器５と電子膨張弁９との間の冷媒配管には、内部熱交換器２０が設けられている。この内部熱交換器２０は、高圧側の冷媒と圧縮機３の吸入側の低圧冷媒とを熱交換させるものであり、冷房時に車室外熱交換器５を通過した高圧冷媒に過冷却を与えて車室内熱交換器７入口の冷媒の乾き度を下げるために用いられる。

車室内熱交換器７およびヒータコア１６が設けられたＨＶＡＣユニット１１は、車室内に供給される空気（外気または車室内空気）の温度調節を行うものであり、上流側（図において左方）から、ブロア２４、車室内熱交換器７およびヒータコア１６が順次設けられている。ヒータコア１６の上流側には、エアミックスダンパ２６が設けられている。このエアミックスダンパ２６の開度を調節することにより、車室内熱交換器７を通過した冷風がヒータコア１６を流れる流量を調節する。

圧縮機３の吸入側で、内部熱交換器２０よりも上流側には、アキュムレータ２８が設けられている。アキュムレータ２８は、冷媒内に含まれる湿分を回収するものである。
アキュムレータ２８と車室内熱交換器７との間には、第２三方弁３０が設けられている。第２三方弁３０は、冷房時に、車室内熱交換器７と内部熱交換器２０とを、暖房時に、アキュムレータ２８と車室外熱交換器５とを連結する。

圧縮機３の回転周波数、三方弁１２，３０の切り換え、電子膨張弁９およびオイル弁１３ｃの開度調整等は、温度センサ４，２２の測定値等に基づいて、図示しない制御部によって行われる。
ここで、電子膨張弁９およびオイル弁１３ｃの開度調整について、図３を用いてさらに詳しく説明する。
先ず、制御部によって、現在の運転状態が暖房か冷房かを判断し（Ｓ０）、暖房の場合は、運転開始時に油分離器１０から圧縮機３に十分な潤滑油を戻すためにオイル弁１３ｃの開度を強制的に開き方向にする（Ｓ１）。
そして、潤滑油温度センサ（図示せず）によるオイル温度が暖房用閾値Ｔ１よりも低く、運転タイマ（図示せず）による圧縮機起動時からの運転経過時間がTime１よりも短く、吐出圧力センサ（図示せず）によるコンプ吐出圧力がＰ１よりも低く、かつ外気温度センサ（図示せず）による外気温度がＴ２よりも低いと制御部が判断した場合（Ｓ２）は、電子膨張弁９を完全に閉じる（あるいは冷媒が流通しない程度に閉じる）（Ｓ３）。
一方、潤滑油温度センサ（図示せず）によるオイル温度が暖房用閾値Ｔ１以上、運転タイマ（図示せず）による圧縮機起動時からの運転経過時間がTime１以上、吐出圧力センサ（図示せず）によるコンプ吐出圧力がＰ１以上、外気温度センサ（図示せず）による外気温度がＴ２以上、のうち、いずれかの条件が満たされたと制御部が判断した場合（Ｓ２）は、通常の電子膨張弁９の制御を行う（Ｓ４）。
なお、制御部が電子膨張弁９を閉状態にするよう判断した後は、既知のプログラムシーケンスにより、この通常電子膨張弁制御への移行判断が所定時間毎に繰り返し実行されることになる。

制御部によって冷房と判断され（Ｓ０）、圧縮機吐出温度センサ（図示せず）によるコンプ吐出温度が冷房用閾値Ｔ３よりも高い場合は（Ｓ５）、オイル弁１３ｃの開度を強制的に閉じる方向にする（Ｓ６）。
一方、圧縮機吐出温度センサ（図示せず）によるコンプ吐出温度が冷房用閾値Ｔ３以下の場合（Ｓ５）は、オイル弁１３ｃの開度を強制的に開き方向にする（Ｓ７）。

上記構成の車両用空気調和装置１は、次のように動作する。
冷房時（図１の点線参照）には、圧縮機３によって圧縮された冷媒は、油分離器１０により冷媒中の潤滑油が取り除かれた後、第１三方弁１２を通り車室外熱交換器５へと流される。圧縮後の冷媒は、冷媒として二酸化炭素が用いられているので、超臨界状態となっている。
車室外熱交換器５では、外気との間で熱交換し、高圧冷媒は冷却される。すなわち、車室外熱交換器５は放熱器として動作する。
車室外熱交換器５で放熱された高圧冷媒は、内部熱交換器２０へと導かれる。内部熱交換器２０では、圧縮機３吸入側の低圧冷媒と熱交換が行われ、高圧冷媒に過冷却がつけられる。
内部熱交換器２０を通過した高圧冷媒は、電子膨張弁９で絞られて減圧させられる。電子膨張弁９によって減圧された冷媒は低圧冷媒となり、車室内熱交換器７へと導かれる。
車室内熱交換器７では、ブロワ２４から導かれる空気（外気または車室内空気）と低圧冷媒との間で熱交換が行われ、低圧冷媒が蒸発する。すなわち、車室内熱交換器７は蒸発器として動作する。液冷媒の蒸発潜熱によって熱量を奪われて空気は冷却され、下流のヒータコア１６へと導かれる。
車室内熱交換器７で蒸発した冷媒は低圧ガス冷媒となり、第２三方弁３０を通りアキュムレータ２８へと導かれる。低圧ガス冷媒は、アキュムレータ２８で湿分が取り除かれた後に、内部熱交換器２０で高圧冷媒から熱を奪い、圧縮機３の吸入側へと導かれる。

ＨＶＡＣユニット１１では、ブロワ２４から導入される空気（外気または車室内空気）が車室内熱交換器７によって冷却された後、エンジン冷却水が導入されるヒータコア１６によって暖められ、車室内へと導かれる。ヒータコア１６には、圧縮機３からの吐出ガスを冷却した冷却水が導かれるようになっており、吐出ガスから奪った熱量をヒータコア１６で有効に回収できるようになっている。ヒータコア１６によって空気に与えられる加熱量は、エアミックスダンパ２６によって調整される。

暖房時（図１の実線参照）には、圧縮機３によって圧縮された冷媒は、油分離器１０により冷媒中の潤滑油が取り除かれた後、第１三方弁１２を通り、車室外熱交換器５へと導かれる。圧縮後の冷媒は、冷媒として二酸化炭素が用いられているので、超臨界状態となっている。
車室内熱交換器７では、ブロワ２４から導入される空気と高圧冷媒との間で熱交換が行われ、空気が暖められる。すなわち、車室内熱交換器７は放熱器として動作する。
車室内熱交換器７で放熱した高圧冷媒は、電子膨張弁９で絞られて減圧させられた後、低圧冷媒となり、内部熱交換器２０を通って車室外熱交換器５へと導かれる。車室外熱交換器５では、外気と熱交換を行い、低圧冷媒が蒸発させられる。すなわち、車室外熱交換器５は蒸発器として動作する。
車室外熱交換器５で気化した低圧ガス冷媒は、第２三方弁３０を通りアキュムレータ２８で湿分が除去された後、内部熱交換器２０において高圧冷媒から熱を奪い、圧縮機３の吸入側へと導かれる。

ＨＶＡＣユニット１１では、ブロワ２４から導入される空気（外気または車室内空気）が車室内熱交換器７によって暖められた後、エンジン冷却水が導入されるヒータコア１６によってさらに暖められ、車室内へと導かれる。ヒータコア１６には、圧縮機３からの吐出ガスを冷却した冷却水が導かれるようになっており、吐出ガスから奪った熱量をヒータコア１６で有効に回収できるようになっている。ヒータコア１６によって空気に与えられる加熱量は、エアミックスダンパ２６によって調整される。

本実施形態にかかる空気調和装置１によれば、暖房運転起動時において、オイル温度（潤滑油温度）がＴ１よりも低く、圧縮機起動時からの運転経過時間がTime１よりも短く、コンプ吐出圧力（圧縮機の吐出圧力）がＰ１よりも低く、かつ外気温度がＴ２よりも低い場合、すなわち、外気温が低い状態（例えば、氷点下以下の状態）で暖房運転が開始された場合の初期段階（起動時）において、電子膨張弁９が完全に閉じられる（あるいは冷媒が流通しない程度に閉じられる）ようになっている。
言い換えれば、圧縮機３から吐出された潤滑油を含む冷媒は、油分離器１０により冷媒と潤滑油とに分離され、潤滑油が取り除かれた冷媒は第１の三方弁１２の方へ、潤滑油は第１の油戻り管１３ａおよび第２の油戻り管１３ｂを介して圧縮機３の吸入側に戻されて再び圧縮機３内に吸入されるようになっている。第１の三方弁１２の方へ導かれた冷媒は、完全に閉じられた（あるいは冷媒が流通しない程度に閉じられた）電子膨張弁９により堰き止められて、冷媒が圧縮機３の吸入側に戻されないようになっている。
これにより、圧縮機３の吸入側には潤滑油のみが戻されることとなって、潤滑油が圧縮機３→油分離器１０→油戻り管１３→圧縮機３を循環するようになり、運転初期状態において低圧側配管内の冷媒中に溶け込んだ油を早期に圧縮機３に回収しつつ、停止時に冷やされた冷媒の圧縮機３への流入を制限することができ、結果として、温度が高くかつ粘度の低い潤滑油が圧縮機に戻されることとなるので、圧縮機を十分に潤滑することができるとともに、圧縮機の信頼性を向上させることができる。
なお、本実施形態においては本発明を実施する最良の形態として、電子膨張弁９の開度値を０とする、あるいは冷媒が流通しない程度に閉じることにより、確実に運転開始時の高圧側冷媒回路から低圧側冷媒回路へ冷媒流動を規制する構成を採用したが、これに限られるものではなく、電子膨張弁９の開度を最低状態にして微少量の冷媒のみの流過を許容するなど、要求される空調負荷に関わらず高圧側冷媒回路から低圧側冷媒回路への冷媒流動を抑え、初期運転時の圧縮機３への冷媒流入を規制できるように膨張弁開度を所定値まで下げる制御を行う構成を採用してもよい。

本発明による空気調和装置の一実施形態を示す概略構成図である。 図１の要部拡大図である。 図１に示す空気調和装置のオイル弁および電子膨張弁の制御の仕方を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１ 車両用空気調和装置（空気調和装置）
３ 圧縮機
５ 車室外熱交換器（室外熱交換器）
７ 車室内熱交換器（室内熱交換器）
９ 膨張弁
１０ 油分離器
１３ 油戻り管
１３ａ 第１の油戻り管
１３ｂ 第２の油戻り管

Claims (2)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機から吐出された冷媒中から潤滑油を取り除く油分離器と、
   前記油分離器により分離された潤滑油を前記圧縮機に戻す油戻り管と、
   冷房時には放熱器として、暖房時には蒸発器として動作する室外熱交換器と、
   冷房時には蒸発器として、暖房時には放熱器として動作する室内熱交換器と、
   高圧冷媒を絞り減圧させて低圧冷媒とする膨張弁と、
   前記膨張弁の開度を制御する制御部とを備えた空気調和装置であって、
   暖房運転開始時、前記制御部により前記膨張弁が閉じ方向に制御されることを特徴とする空気調和装置。
2. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機から吐出された冷媒中から潤滑油を取り除く油分離器と、
   前記油分離器により分離された潤滑油を前記圧縮機に戻す油戻り管と、
   冷房時には放熱器として、暖房時には蒸発器として動作する室外熱交換器と、
   冷房時には蒸発器として、暖房時には放熱器として動作する室内熱交換器と、
   高圧冷媒を絞り減圧させて低圧冷媒とする膨張弁とを備えた空気調和装置の制御方法であって、
   暖房運転開始時、前記膨張弁を閉じ方向に制御することを特徴とする空気調和装置の制御方法。

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