JP2006290042A - 車両用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二酸化炭素などの冷媒を用いた車両用空調装置において、運転停止時における冷媒圧力の上昇を抑える。
【解決手段】冷凍サイクル１０に電磁弁１８を介してタンク１７を接続し、運転停止後は電磁弁１８を開いて冷媒の一部をタンク１７に蓄積することで冷媒圧力の上昇を抑え、運転開始後は蓄積した冷媒を配管２１に戻した後、電磁弁１８を閉じて、運転中は遮断状態を維持するようにした。
【選択図】 図１

Description

この発明は、二酸化炭素などの冷媒を用いた車両用空調装置に関し、詳しくはエンジンなどの熱源を持たない電気自動車や燃料電池車、あるいはハイブリッド車など（以下、電気自動車等）に適した車両用空調装置に関する。

従来、車両用空調装置の冷凍サイクルには、おもにフロン冷媒が用いられてきたが、これらが大気中に放出されると地球温暖化といった環境問題が懸念される。このため、脱フロン対策として、二酸化炭素、エチレン、エタン酸化窒素など（以下、二酸化炭素を代表例とする）を使用した冷凍サイクルが提案されている。

このような二酸化炭素を用いた冷凍サイクルは、原理的にはフロンを使用した従来の冷凍サイクルと同じであるが、二酸化炭素の臨界温度は約３１℃と従来のフロンの臨界温度（Ｒ−１３４ａでは１０１℃）に比べて著しく低いので、外気温が上昇すると圧力も上昇する。

ここで、外気温とシステムの冷媒圧力との関係を、二酸化炭素冷媒を使用した冷凍サイクルのＰ−ｈ線図である図３を用いて説明する。図３に示すように、冷媒の圧力は外気温が高くなるにつれて等比容積線に沿って上昇するため、運転停止時にソーク温度（≒外気温）が高いほど圧力も上昇することになる。しかも、外気温が例えば４５℃であっても、ソーク時にエンジンルームや車室内の温度はさらに高くなる（６０℃〜）ため、冷媒圧力の上昇は顕著なものとなる。そこで、従来は運転停止時における冷媒圧力の上昇に耐えられるように、とくに低圧側部品の耐圧向上が必要となり、重量増やコスト高の原因となっていた。

このようなシステムの圧力変動を少なくするための従来技術として、システム内に冷媒の貯蔵手段を設けて、運転中は高圧部および低圧部に連結される弁を開閉して、冷媒の圧力を調整するようにしたものが知られている（特許文献１参照）。
特公平７−１８６０２号公報

しかしながら、上記特公平７−１８６０２号公報に示されたものは、運転中における冷媒の圧力を最適化するものであるため、運転を停止したときには、同様の理由から圧力が上昇してしまい、上記課題を解決するには至っていない。

この発明の目的は、運転停止時における冷媒圧力の上昇を抑えることができる車両用空調装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係わる発明は、冷凍サイクルとして少なくとも、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒と外気との間で熱交換させる放熱器と、この放熱器で熱交換した冷媒を減圧する減圧手段と、この減圧手段で減圧した冷媒と供給空気との間で熱交換させる蒸発器と、前記放熱器で熱交換した冷媒と前記蒸発器を経て前記圧縮機に戻る冷媒との間で熱交換する内部熱交換器とが配管とともに直列に結合され、前記内部熱交換器を通過した冷媒を前記圧縮機へ戻して循環させる車両用空調装置であって、冷凍サイクルを循環する冷媒の一部を蓄積するためのタンクと、前記タンクと配管との間を連通／遮断する開閉弁と、冷凍サイクルの運転中は前記開閉弁により前記タンクと配管との間を遮断し、運転を停止したときは前記開閉弁により前記タンクと配管との間を連通させる制御手段とを備えることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１において、前記開閉弁は前記制御手段から送られる開閉信号により前記タンクと配管との間を連通／遮断する電磁弁であることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２において、前記電磁弁は前記制御手段から開閉信号が入力しないときは前記タンクと配管との間を連通させるノーマルオープン型であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記制御手段は冷凍サイクルの運転開始後に前記タンクに蓄積した冷媒が冷凍サイクルに戻り、前記タンクの圧力が所定圧まで下がった時点で前記タンクと配管との間を遮断して、冷凍サイクルの運転中は遮断状態を維持することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記制御手段が冷凍サイクルの運転開始から所定時間が経過した後に前記タンクと配管との間を遮断するようにしたことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記圧縮機の入口圧力を検出する圧力検出手段を備え、前記制御手段は冷凍サイクルの運転開始後、前記圧力検出手段で検出された圧縮機の入口圧力が所定値に達した時点で前記タンクと配管との間を遮断することを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１ないし６のいずれか一項において、前記タンクは、前記圧縮機の冷媒入口近傍において前記開閉弁を介して配管に接続されていることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項１ないし７のいずれかにおいて、前記タンクは前記配管との接続部において、前記配管よりも重力方向の高い位置に設置されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、冷凍サイクルの運転が停止したときに、タンクと配管との間を連通させて冷媒の一部をタンク内に蓄積することができるため、低圧側の経路における冷媒圧力の上昇を抑えることができる。したがって、運転停止時の冷媒圧力の上昇に耐えられるように、低圧側部品の耐圧を向上させる必要がなく、重量増やコスト高を回避することができる。また、部品の耐圧が同じであれば耐圧信頼性を向上することができるので、より熱地での使用が可能となる。さらには、低圧バーストディスクを備えたシステムにおいては、極力その作動を防止することができる。

請求項２の発明によれば、タンクと配管との間の連通／遮断を電磁弁で制御するようにしたので、タンクと配管との間の冷媒の流れを安全且つ確実に制御することができ、自動制御にも対応させることができる。

請求項３の発明によれば、制御手段から開閉信号が入力しないときはタンクと配管との間を連通させる電磁弁とすることにより、停止時の電力消費を抑えることができる。また、制御手段から開閉信号が入力しないときはタンクと配管との間を遮断させる電磁弁では、停止時に制御手段から開閉信号が供給されないと弁が開かず冷媒圧力が上昇するおそれがあるが、本発明の電磁弁では開閉信号が供給されなくても弁が開くため、停止時に冷媒圧力が上昇する不具合を防止することができる。

請求項４の発明によれば、運転中はタンク内を低圧に保持できるため、運転停止後に開閉弁を開いてタンクと配管との間を連通させたときに、圧力上昇した冷媒をタンクに導入しやすくなる。またタンクを接続したことによる冷凍サイクルへの影響を防止することができる。

請求項５の発明によれば、冷凍サイクルの運転開始から所定時間が経過した後にタンクと配管との間を遮断するようにしたので、圧力センサが不要となり、簡単な回路構成で安全且つ確実に動作させることができる。

請求項６の発明によれば、運転開始後に圧力検出手段で検出した圧縮機の入口圧力が所定値に達した時点でタンクと配管との間を遮断するようにしたので、外部からタイマー信号を入力する必要がなく、また正確な圧力判定を行うことができるため、より安全且つ確実に動作させることができる。

請求項７の発明によれば、タンクを圧縮機の冷媒入口近傍に接続するようにしたので、冷凍サイクル内で最も低圧となる部分でタンク内に冷媒を取り込むことができ、圧力低下の効果を最大限に活かすことができる。

請求項１８の発明によれば、タンクは配管との接続部において、配管よりも重力方向の高い位置に設置するようにしたので、タンク内部にオイルや液冷媒が溜まるのを極力防止することができ、圧縮機に供給されるオイルや、冷媒の封入量などが低下する不具合を回避することができる。

以下、本発明に係わる車両用空調装置の一実施例として、二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルで運転される車両用空調装置について説明する。

図１は、本実施例に係わる車両用空調装置１００のシステム構成図である。本実施例の車両用空調装置１００は、冷媒となる二酸化炭素ガスを循環させて冷媒と空気との間で熱交換する冷凍サイクル１０を備えている。

この冷凍サイクル１０は、冷媒を圧縮するコンプレッサ１１と、冷媒と外気との間で熱交換させるガスクーラ１２と、このガスクーラ１２で熱交換した冷媒を減圧する膨張弁１４と、この膨張弁１４で減圧した冷媒と供給空気との間で熱交換させるエバポレータ１５と、冷媒を気液分離するアキュームレータ１６と、ガスクーラ１２で熱交換した冷媒とエバポレータ１５を経てコンプレッサ１１に戻る冷媒との間で熱交換する内部熱交換器１３と、冷媒の一部を蓄積するタンク１７と、このタンク１７の開閉を制御する電磁弁１８とが配管２１とともに直列に結合され、コンプレッサ１１で運動エネルギーが与えられた冷媒が上記各部を通過しながら再びコンプレッサ１１へ戻って循環するように構成されている。

ここで、コンプレッサ１１（出口）→ガスクーラ１２→内部熱交換器（高圧側）１３→膨張弁１４（入口）までが高圧側の経路となり、膨張弁１４（出口）→エバポレータ１５→アキュームレータ１６→内部熱交換器（低圧側）１３→コンプレッサ１１（入口）までが低圧側の経路となる。

また、冷凍サイクル１０には、電磁弁１８の動作を制御するコントロールユニット１９と、圧力センサ２０とが設けられている。以下、各部について説明する。

コンプレッサ（圧縮機）１１は、図示しないモータまたは車両駆動装置からの駆動力を得て気相状態の二酸化炭素ガスを圧縮、昇温して、高圧高温の冷媒として吐出している。

ガスクーラ（放熱器）１２は、コンプレッサ１１から吐出された高温高圧の冷媒と外気とを熱交換させて冷媒の熱を外気に放熱させている。このガスクーラ１２は、例えば電動ファンなどの送風装置が駆動されることにより外気が吹き付けられるようになっている。

内部熱交換器１３は、後述のアキュームレータ１６から出力された気相状態の戻り冷媒と、ガスクーラ１２を通過した高圧の冷媒との間で熱交換させてコンプレッサ１１に送り出している。

膨張弁（減圧手段）１４は、内部熱交換器４から送られてきた高圧の冷媒を減圧（膨張）させてエバポレータ１５へ送り出している。

エバポレータ１５は、図示しない空調ダクト内に設置され、膨張弁１４で減圧された低圧低温の冷媒と、図示しないブロアファンからの供給空気とを熱交換させて、供給空気を冷却、除湿している。

アキュームレータ１６は、エバポレータ１５から排出された冷媒を気液分離して、気相状態の冷媒のみを内部熱交換器１３へ送り出し、液相状態の冷媒を一時的に貯留している。

タンク１７は、コンプレッサ１１の冷媒入口側近傍に設置され、電磁弁１８を介して配管２１と接続されている。そして、電磁弁１８が開くと配管２１との間が連通し、閉じると配管２１との間が遮断するように構成されている。また、タンク１７は配管２１との接続部において、配管２１よりも重力方向の高い位置に設置されている。

電磁弁（開閉弁）１８は、コントロールユニット１９から送信される開閉信号により開閉が制御され、タンク１７と、このタンク１７が接続されている配管２１との間を連通／遮断している。この電磁弁１８としては、冷凍サイクルの停止中にコントロールユニット１９から開閉信号が入力しないときは、タンク１７と配管２１との間を連通させる、いわゆるノーマルオープン型の電磁弁が用いられている。

コントロールユニット（制御手段）１９は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどを含むマイクロコンピュータで構成され、図示しないメインコントローラから冷凍サイクルの運転開始／運転停止を知らせる作動信号や運転停止からの経過時間を知らせるタイマー信号などを受信するとともに、圧力センサ２０から圧力検出信号を取り込み、ＲＯＭに記憶された電磁弁１８の制御プログラムに基づいて演算処理を実行し、電磁弁１８に開閉信号を送信して弁の開閉や開速度などを制御している。ただし、コントロールユニット１９の動作はメインコントローラや、他のコントロールユニットで代行するようにしてもよい。

圧力センサ（圧力検出手段）２０は、コンプレッサ１１の入口圧力を検出し、この圧力値を圧力検出信号としてコントロールユニット１９へ出力している。

次に、上記のように構成された車両用空調装置１００の動作について説明する。

まず、冷凍サイクルの運転中はコントロールユニット１９により電磁弁１８が閉じられ、タンク１７と配管２１との間は遮断されている。したがって、冷凍サイクルの運転中は冷媒圧力の制御は行われないことになる。

一方、冷凍サイクルの運転が停止すると、コントロールユニット１９は電磁弁１８を開いて、タンク１７と配管２１との間を連通させる。冷凍サイクルの運転が停止したときには、ソーク温度が高いと冷媒圧力が上昇することになるが、本実施例では冷凍サイクル内を循環する冷媒の一部が電磁弁１８を通じてタンク１７内に流れ込み、一時的に蓄積されるため、低圧側の経路における冷媒圧力の上昇を抑えることができる。

したがって、運転停止時の冷媒圧力の上昇に耐えられるように、低圧側部品の耐圧を向上させる必要がなく、重量増やコスト高を回避することができる（請求項１の効果）。また、部品の耐圧が同じであれば耐圧信頼性を向上することができ、より熱地での使用が可能となる（請求項１の効果）。さらに、低圧バーストディスク（運転停止時に高圧になるとサイクル内の部品がバーストして冷媒を逃がす機構）を備えたシステムでは、極力その作動を防止することができる（請求項１の効果）。

また、冷凍サイクルの運転が開始されると、冷凍サイクル内の圧力が下がるために、タンク１７に蓄積されていた冷媒は開いている電磁弁１８を通じて配管２１へ流れ込み、冷凍サイクルを循環することになる。そして、運転が開始された後、コントロールユニット１９はタンク１７の圧力が所定圧力まで下がった時点で電磁弁１８を閉じて、タンク１７と配管２１との間を遮断する。この後、コントロールユニット１９は運転中はタンク１７と配管２１との間の遮断状態を維持するようにしている。

上記動作によれば、運転停止中はタンク１７を低圧に保持できるため、運転開始後に電磁弁１８を開いてタンク１７と配管２１との間を連通させたときに、圧力上昇した冷媒をタンク１７に導入しやすくなる。またタンク１７を接続したことによる冷凍サイクルへの影響を防止することができる（請求項４の効果）。

また、上記動作において、電磁弁１８を遮断する時期、すなわちタンク１７内の圧力が所定圧まで下がったとみなす時期は、冷凍サイクルの運転を開始してからの経過時間、あるいは圧力センサ２０で検出されたコンプレッサ１１の入口圧力に基づいて設定することができる。

図２は、一例として、運転開始からの経過時間（分）とコンプレッサの入口圧力Ｐｓ（ＭＰａ）との関係を示す特性図である。ここでは、運転開始から約３分でコンプレッサの入口圧力Ｐｓが半分以下まで低下しているため、運転開始から３分経過した時点でタンク１７内の圧力が所定圧まで下がったとみなして、タンク１７と配管２１との間を遮断する例を示している。すなわち、運転開始からの時間経過（例えば１分毎）を知らせるタイマー信号を図示しないメインコントローラからコントロールユニット１９に供給することにより、コントロールユニット１９ではこのタイマー信号で３分に達した時点で電磁弁１８を閉じて、タンク１７と配管２１との間を遮断する。このように、冷凍サイクルの運転開始から所定時間が経過した後に電磁弁１８を閉じて、タンク１７と配管２１との間を遮断するようにした場合は、圧力センサが不要となり、タイマー信号を利用した簡単な回路で安全且つ確実に電磁弁１８を動作させることができる（請求項５の効果）。

また、圧力センサ２０で検出したコンプレッサ１１の入口圧力Ｐｓに基づいてタンク１７と配管２１との間を遮断するようにしてもよい。すなわち、コントロールユニット１９で圧力センサ２０からの圧力検出信号を監視し、入口圧力Ｐｓが所定値（例えば３ＭＰｓ）に達した時点でタンク１７内の圧力が所定圧まで下がったとみなして電磁弁１８を閉じて、タンク１７と配管２１との間を遮断する。このように、運転開始後に圧力センサ２０で検出したコンプレッサ１１の入口圧力Ｐｓが所定値に達した時点で電磁弁１８を閉じて、タンク１７と配管２１との間を遮断するようにした場合は、外部からタイマー信号を入力する必要がなく、また正確な圧力判定を行うことができるため、より安全且つ確実に電磁弁１８を動作させることができる（請求項６の効果）。

また、本実施例のように、タンク１７と配管２１との間の連通／遮断を電磁弁１８で制御するようにした場合は、タンク１７と配管２１との間の冷媒の流れを安全且つ確実に制御することができるので、自動制御にも対応させることができる（請求項２の効果）。

なお、電磁弁１８を開く（または閉じる）際に弁の開速度（または閉速度）を適宜に設定することにより、弁を瞬間的に開閉したときに生じる作動音を低減することができる。

さらに、電磁弁１８は、コントロールユニット１９から開閉信号が入力しないときは、タンク１７と配管２１との間を連通させるノーマルオープン型の電磁弁であるため、停止時の電力消費を抑えることができる。また、ノーマルクローズ型の電磁弁では、停止時にコントロールユニット１９から開閉信号が供給されないと弁が開かず冷媒圧力が上昇するおそれがあるが、ノーマルオープン型では開閉信号が供給されなくても弁が開くため、停止時に冷媒圧力が上昇する不具合を防止することができる（請求項３の効果）。

また、タンク１７はコンプレッサ１１の冷媒入口近傍で配管２１と接続されているため、冷凍サイクル内で最も低圧となる部分でタンク１７内に冷媒を取り込むことができ、圧力低下の効果を最大限に活かすことができる（請求項７の効果）。

また、タンク１７は配管との接続部において、配管２１よりも重力方向の高い位置に設置されているため、タンク１７内部にオイルや液冷媒が溜まるのを極力防止することができる。これにより、コンプレッサ１１に供給されるオイルや、冷媒の封入量などが低下する不具合を回避することができる（請求項８の効果）。

実施例に係わる車両用空調装置のシステム構成図。 運転開始からの経過時間とコンプレッサの入口圧力との関係を示す特性図。 二酸化炭素冷媒を使用した冷凍サイクルのＰ−ｈ線図。

符号の説明

１０…冷凍サイクル
１１…コンプレッサ
１２…ガスクーラ
１３…内部熱交換器
１４…膨張弁
１５…エバポレータ
１６…アキュームレータ
１７…タンク
１８…電磁弁
１９…コントロールユニット
２０…圧力センサ
２１…配管
１００…車両用空調装置

Claims (8)

1. 冷凍サイクルとして少なくとも、冷媒を圧縮する圧縮機（１１）と、冷媒と外気との間で熱交換させる放熱器（１２）と、この放熱器（１２）で熱交換した冷媒を減圧する減圧手段（１４）と、この減圧手段（１４）で減圧した冷媒と供給空気との間で熱交換させる蒸発器（１５）と、前記放熱器（１２）で熱交換した冷媒と前記蒸発器（１５）を経て前記圧縮機（１１）に戻る冷媒との間で熱交換する内部熱交換器（１３）とが配管（２１）とともに直列に結合され、前記内部熱交換器（１３）を通過した冷媒を前記圧縮機（１１）へ戻して循環させる車両用空調装置であって、
   冷凍サイクルを循環する冷媒の一部を蓄積するためのタンク（１７）と、
   前記タンク（１７）と配管（２１）との間を連通／遮断する開閉弁（１８）と、
   冷凍サイクルの運転中は前記開閉弁（１８）により前記タンク（１７）と配管（２１）との間を遮断し、運転を停止したときは前記開閉弁（１８）により前記タンク（１７）と配管（２１）との間を連通させる制御手段（１９）と、
   を備えることを特徴とする車両用空調装置。
2. 前記開閉弁（１８）は、前記制御手段（１９）から送られる開閉信号により前記タンク（１７）と配管（２１）との間を連通／遮断する電磁弁（１８）であることを特徴とする請求項１に記載の車両用空調装置。
3. 前記電磁弁（１８）は、前記制御手段（１９）から開閉信号が入力しないときは前記タンク（１７）と配管（２１）との間を連通させるノーマルオープン型であることを特徴とする請求項２に記載の車両用空調装置。
4. 前記制御手段（１９）は、冷凍サイクルの運転開始後に前記タンク（１７）に蓄積した冷媒が冷凍サイクルに戻り、前記タンク（１７）の圧力が所定圧まで下がった時点で前記タンク（１７）と配管（２１）との間を遮断して、冷凍サイクルの運転中は遮断状態を維持することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の車両用空調装置。
5. 前記制御手段（１９）は、冷凍サイクルの運転開始から所定時間が経過した後に前記タンク（１７）と配管（２１）との間を遮断することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の車両用空調装置。
6. 前記圧縮機（１１）の入口圧力（Ｐｓ）を検出する圧力検出手段（２０）を備え、
   前記制御手段（１９）は、冷凍サイクルの運転開始後、前記圧力検出手段（２０）で検出された入口圧力（Ｐｓ）が所定値に達した時点で前記タンク（１７）と配管（２１）との間を遮断することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の車両用空調装置。
7. 前記タンク（１７）は、前記圧縮機（１１）の冷媒入口近傍において前記開閉弁（１８）を介して配管（２１）に接続されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の車両用空調装置。
8. 前記タンク（１７）は前記配管（２１）との接続部において、前記配管（２１）よりも重力方向の高い位置に設置されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の車両用空調装置。
   

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