JP2006329540A - 冷凍サイクルの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷凍サイクルの低圧側圧力の上昇を有効に規制することが可能な冷凍サイクルの制御装置を提供する。
【解決手段】 冷凍サイクル１の低圧経路９の圧力が所定の駆動設定圧以上に達した場合に圧縮機２を駆動させて低圧側圧力を高圧側へシフトさせる。冷凍サイクル１の低圧経路９の圧力が前記所定の駆動設定圧以上に達した場合にコンデンサファン１２を同時に駆動させてもよい。
【選択図】 図１

Description

この発明は、冷凍サイクルの低圧経路の圧力上昇を抑制する制御を備えた冷凍サイクルの制御装置に関し、作動流体として超臨界流体、例えば、二酸化炭素（ＣＯ2 ）を用いた冷凍サイクルに適した装置に関する。

二酸化炭素を作動流体とする冷凍サイクルにおいては、サイクル内部の圧力が非常に高くなるので、圧力を所定圧以下に制限する制御やリリーフバルブ等のデバイスを用いることにより各コンポーネントの設計圧力を無理のない値に設定している。

特に、高圧側圧力については、圧縮機の容量制御や圧縮機の作動を停止させることにより圧力上昇を抑えることが可能となるため、圧縮機制御による圧力上昇規制が可能である。また、圧力の異常上昇時に圧力を大気に開放させたり、低圧経路へ逃がすリリーフ手段を設けることで、圧縮機制御による圧力上昇規制とリリーフ手段による圧力上昇規制との２段階の安全制御が可能であり十分な安全性が確保されている（特許文献１参照）。
再表００／０２０８０８号公報

ところが、このような冷凍サイクルにおいては、稼動が停止すると、高圧側圧力と低圧側圧力とが平衡するため、低圧側圧力が稼動時の圧力よりも上昇してくる。

通常、冷凍サイクルの低圧経路に設けられる蒸発器は、ファイヤウォールでエンジンルームと隔てられた車室側に配されるので、低圧側圧力が高くなると、蒸発器の破裂により乗員に対する安全性が危惧される。特に、二酸化炭素を作動流体とする冷凍サイクルにあっては、低圧側圧力といっても数十kg/cm²（数ＭＰａ）と非常に高い圧力であるため、蒸発器などの破壊による被害は大きくなることが予想される。このため、冷凍サイクルの低圧側においても、十分な安全設計が要求されている。

しかも、低圧側圧力は、蒸発器に作用する熱負荷など、受動的な環境に左右されるため、真夏の炎天下でエアコンを停止させた場合などのように過酷な条件においては、低圧側圧力の上昇は大きくなり、さらに、この場合にエンジンが作動していると、エンジン排熱も作用してさらに低圧側圧力が上昇することが予想される。

したがって、冷凍サイクルの低圧側においても十分な安全設計を行なう必要から、最も厳しい条件下（真夏の炎天下においてエンジンを作動させた状態でエアコンを停止させる場合など）に併せてシステム設計をしようとすると、蒸発器や配管などの耐圧性を高めるために構成部品を肉厚にする等の必要があり、冷凍サイクルシステムの重量やコストの増加を招き、また大型化を招く不都合が生じる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、上述した不都合を回避するために、冷凍サイクルの低圧側圧力の上昇を有効に規制することが可能な冷凍サイクルの制御装置を提供することを主たる課題としている。

上記課題を達成するために、この発明に係る冷凍サイクルの制御装置は、作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された作動流体を放熱する放熱器と、前記放熱器で放熱された作動流体を減圧膨張する膨張装置と、前記膨張装置によって減圧膨張された作動流体を蒸発気化する蒸発器とを少なくとも有し、前記圧縮機から前記放熱器を介して前記膨張装置至る経路により高圧経路が形成され、前記膨張装置から前記蒸発器を介して前記圧縮機へ至る経路により低圧経路が形成されている冷凍サイクルと、前記冷凍サイクルの前記低圧経路の圧力を検出する低圧圧力検出手段と、前記冷凍サイクルの稼動停止時に前記低圧圧力検出手段によって検出された圧力が所定の駆動設定圧以上に達した場合に前記圧縮機を駆動させる圧縮機駆動制御手段とを有することを特徴としている（請求項１）。

このような圧縮機駆動制御手段は、エンジンが稼動している場合に限定して行なうようにしても、圧縮機の駆動源がモータである場合には、エンジンの稼動の有無に関係なく行なうようにしてもよい。

したがって、低圧側圧力が所定の駆動設定圧以上になった場合に圧縮機を駆動させるので、上昇した低圧側圧力を高圧側へシフトさせることが可能となり、低圧側圧力の上昇を規制することが可能となる。

また、このような圧縮機が駆動する場合、即ち、冷凍サイクルの稼動停止時に前記低圧圧力検出手段によって検出された圧力が所定の駆動設定圧以上に達した場合に前記放熱器を冷却する冷却ファンを駆動させる冷却ファン駆動制御手段を更に設けるようにしてもよい（請求項２）。

このような構成においては、放熱器の放熱作用を高めることで高圧側圧力を低め、引いては低圧側圧力の低下を促進することが可能となる。

以上の構成においては、圧縮機駆動制御手段によって圧縮機が駆動した場合に、低圧圧力検出手段によって検出された圧力が所定の停止設定圧力より低くなった場合に前記圧縮機を停止させる圧縮機停止手段をさらに設けるとよい（請求項３）。

また、上述した圧縮機制御による低圧側圧力の上昇規制に加え、前記低圧経路の圧力が前記作動設定圧より高い所定のリリーフ設定圧以上に達すると低圧側圧力を開放する圧力リリーフ手段を設け、この圧力リリーフ手段による低圧側圧力の上昇規制を更に設けることで、２段階の圧力上昇規制を図るようにしてもよい（請求項４）。

尚、上述の構成は、高圧仕様の冷凍サイクル、即ち、作動流体として、二酸化炭素（ＣＯ2 ）などの超臨界流体を用いた場合に特に有用である（請求項５）。

以上述べたように、この発明によれば、冷凍サイクルの稼動停止時に低圧側圧力が所定の駆動設定圧以上に達した場合に圧縮機を駆動させるようにしたので、低圧側圧力を高圧側経路へシフトさせることができ、これにより低圧側圧力の上昇を規制することができ、最も厳しい条件に合わせて低圧側の耐圧設計を行なう必要がなくなる。このため、蒸発器や配管などの耐圧性を高めるために構成部品を極度に肉厚にするなどの必要がなくなり、冷凍サイクルの重量やコストの増加を抑えることができ、また、冷凍サイクルの大型化を招く不都合もなくなる。

以下、この発明の最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。

図１において、冷凍サイクル１は、冷媒を圧縮する圧縮機２、冷媒を冷却する放熱器３、高圧経路と低圧経路との冷媒を熱交換する内部熱交換器４、冷媒を減圧する膨張装置５、冷媒を蒸発気化する蒸発器６、蒸発器６から流出された冷媒を気液分離するアキュムレータ７を有して構成されている。この冷凍サイクル１では、圧縮機２の吐出側を放熱器３を介して内部熱交換器４の高圧通路部４ａに接続し、この高圧通路部４ａの流出側を膨張装置５に接続し、圧縮機２の吐出側から膨張装置５に至る経路を高圧経路８としている。また、膨張装置５の流出側は、蒸発器６に接続され、この蒸発器６の流出側は、アキュムレータ７を介して内部熱交換器４の低圧通路部４ｂに接続されている。そして、低圧通路部４ｂの流出側を圧縮機２の吸入側に接続し、膨張装置５の流出側から圧縮機２に至る経路を低圧経路９としている。

この冷凍サイクル１においては、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ2 ）が用いられており、圧縮機２で昇圧された冷媒は、高温高圧の超臨界状態の冷媒として放熱器３に入り、ここで放熱して冷却される。その後、内部熱交換器４において蒸発器６から流出する低温冷媒と熱交換して更に冷やされ、液化されることなく膨張装置５へ送られる。そして、この膨張装置５において減圧されて低温低圧の湿り蒸気となり、蒸発器６においてここを通過する空気と熱交換してガス状となり、しかる後にアキュムレータ７で液相冷媒を分離した後に内部熱交換器４において高圧経路８の高温冷媒と熱交換して加熱され、圧縮機２に戻されるようになっている。

ここで、圧縮機２は、吐出容量を可変させるための容量制御弁２ａを有し、この容量制御弁２ａに供給される制御量を調節することで吐出容量を変更することができる外制式の可変容量圧縮機が用いられている。また、圧縮機２は、エンジン１０によってベルト駆動されるようになっており、エンジン１０からの動力が電磁クラッチ１１によって断続されるようになっている。尚、放熱器３の近傍には、これと対峙して放熱器３に送風するコンデンサファン１２が設けられている。そして、容量制御弁２ａへ供給される制御量や電磁クラッチ１１のオンオフ、コンデンサファン１２のオンオフは、コントロールユニット１５によって制御されるようになっている。

尚１６は、低圧経路９に設けられた圧力リリーフバルブであり、後述する安全許容圧αより高い限界圧γを超えた場合に作動し、低圧側圧力を大気へ逃がす機能を有している。

コントロールユニット１５は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、読出専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、入出力ポート（Ｉ／Ｏ）等を備えると共に、コンデンサファン１２のオンオフ、電磁クラッチ１１のオンオフや容量制御弁２ａへ供給される制御量を制御する回路を有して構成され、冷凍サイクル１の低圧経路９の冷媒圧力Ｐｓを検出する低圧圧力センサ１７、空調制御パネル１８などに設けられた圧縮機２の始動を指令するＡ／Ｃスイッチ１９などからの各種信号、エンジン１０をオンオフするイグニッションスイッチ２０からの信号が入力され、ＲＯＭに与えられた所定のプログラムにしたがって各種センサやスイッチからの信号を処理し、圧縮機２のオンオフや容量制御、コンデンサファン１２のオンオフ制御等を行うようになっている。

図２において、コントロールユニット１５による制御動作例がフローチャートとして示され、以下、このフローチャートに基づいて制御動作例を説明すると、コントロールユニット１５は、バッテリーなどの電源により動作するもので、イグニッションスイッチ２０が投入されているか、また、Ａ／Ｃスイッチ１９が投入されて冷凍サイクル１を稼動した状態にあるか否かをモニタリングしている（ステップ５０，５２）。

ステップ５０において、イグニッションスイッチ１９がオフになってエンジン１０が停止している場合（ＯＦＦの場合）には、圧縮機２はエンジン１０によってベルト駆動されることがないため、この場合には、圧縮機２を動かし得ないので、このフローチャートの処理は行なわない。

また、ステップ５０において、イグニッションスイッチ２０が投入されてエンジン１０が稼動している場合（ＯＮの場合）でも、Ａ／Ｃスイッチ１９が投入されて冷凍サイクル１が稼動している場合には、圧縮機２が既に駆動した状態にあるので、低圧側圧力は高圧経路８へシフトして低くなっているので、この場合にも圧力上昇を規制する本フローチャートの処理は行なわない。

これに対して、ステップ５０において、イグニッションスイッチ２０がオンであり（エンジンが稼動しており）、Ａ／Ｃスイッチ１９がオフとなって圧縮機２が停止して冷凍サイクル１の冷媒循環が停止したときには、高低圧差が無くなるように高圧側圧力と低圧側圧力とが平衡するため、低圧側圧力が高くなり、しかもエンジン１０の稼動によりエンジン排熱の影響を受けて低圧側圧力が一層高まりやすくなる。このため、このような場合には、低圧圧力センサ１７からの検出信号を入力し（ステップ５４）、低圧側圧力Ｐｓが安全許容圧α以上となったか否かを判定し（ステップ５６）、安全許容圧αより低い場合には、圧縮機２の停止状態を維持し、安全許容圧α以上になったと判定された場合には、電磁クラッチ１１をオンにして圧縮機２を最少吐出容量で駆動させ（ステップ５８）、またコンデンサファン１２を駆動させる。

ここで、安全許容圧αは、エンジン２からの熱影響がなく、高圧側圧力と低圧側圧力とが平衡する圧力よりも高い値に設定されており、安全性を確保できる許容値として予め設定されたものである。

これにより、真夏の炎天下でエンジン２を稼動させたまま冷凍サイクル１を停止させた場合などのように、極めて厳しい条件下においては、平衡圧が高くなり、低圧側圧力Ｐｓが安全許容圧αを超える状態が考えられるが、このようなまれな場合には、圧縮機２が稼動して低圧側圧力Ｐｓを高圧経路８へシフトさせると共に高圧経路８の冷媒がコンデンサファン１２からの送風によって冷却されるので、低圧側圧力Ｐｓは徐々に低下されることとなる。

その後、圧縮機２の稼動状態が続き、徐々に低圧側圧力Ｐｓが低くなり、ステップ６２において、所定の停止設定圧力βより低くなった場合には、電磁クラッチ１１をオフにして圧縮機２を停止させ（ステップ６４）、またコンデンサファン１２を停止させる。

尚、上述の制御が行なわれるにも拘わらず、低圧側圧力Ｐｓが安全許容圧αよりも高く設定された限界圧γ以上に達した場合には、圧力リリーフバルブ１６が作動して、低圧側圧力Ｐｓが大気に開放される（図３参照）。

したがって、上述の構成によれば、冷凍サイクル１の稼動停止時に低圧側圧力Ｐｓが安全許容圧α以上に達した場合に圧縮機２を稼動させ、低圧側圧力Ｐｓを高圧側へシフトさせるようにしたので、低圧側圧力Ｐｓの上昇を規制することができ、最も厳しい条件に合わせて低圧側の耐圧設計を行なう必要がなくなる。このため、蒸発器６やアキュムレータ７、配管などの耐圧性を高めるために構成部品を極度に肉厚に設計する必要がなくなり、冷凍サイクル１の重量やコストの増加を抑えることができ、また、冷凍サイクル１の大型化を招く不都合もなくなる。

図４に本発明に係る他の実施形態が示されている。
上述の構成例においては、圧縮機２がエンジン１０によってベルト駆動される構成であり、エンジン１０が停止している場合には、低圧側圧力Ｐｓを低下させることができない構成であったが、この構成例においては、圧縮機２を駆動軸２１に直結された駆動モータ２２から動力を受けて回転できるようにし、この駆動モータ２２への電力供給をコントロールユニット１１によって制御することで圧縮機２のオンオフや回転速度を制御するようにしている。尚、他の構成は、図１で示す構成と同様であるので、同一箇所に同一番号を付して説明を省略する。

図５において、このような構成を用いた場合のコントロールユニット１５による制御動作例がフローチャートとして示され、以下、このフローチャートに基づいて制御動作例を説明すると、コントロールユニット１５は、イグニッションスイッチ２０の投入の有無に拘わらず、Ａ／Ｃスイッチ１９が投入されて冷凍サイクル１を稼動した状態にあるか否かをモニタリングしている（ステップ７２）。

このステップ７２において、Ａ／Ｃスイッチ１９が投入されて冷凍サイクル１が稼動していると判定された場合には、圧縮機２が既に駆動した状態であるので、低圧側圧力Ｐｓは高圧経路８へシフトして低くなっているので、低圧側圧力Ｐｓの圧力上昇を規制する本フローチャートの処理は行なわない。

これに対して、ステップ７２において、Ａ／Ｃスイッチ１９がオフとなって圧縮機２が停止して冷凍サイクル１の冷媒循環が停止したときには、高低圧差が無くなるように高圧側圧力と低圧側圧力とが平衡するため低圧側圧力Ｐｓが高くなり、しかもエンジンが稼動していると、エンジン排熱の影響を受けて低圧側圧力が一層高まりやすくなる。このため、この場合には、低圧圧力センサ１７からの検出信号を入力して（ステップ７４）、低圧側圧力が前記安全許容圧α以上となったか否かを判定し（ステップ５６）、安全許容圧αより低い場合には、圧縮機２の停止状態を維持し、安全許容圧α以上であると判定された場合には、駆動モータ２２を駆動して圧縮機２を最少吐出容量で駆動させ（ステップ７８）、またコンデンサファン１２を駆動させる（ステップ８０）。

これにより、真夏の炎天下でエンジンを稼動させたままエアコンを停止させた場合などのように、極めて厳しい条件下においては、平衡圧が高くなり、低圧経路の安全許容圧αを超える状態が考えられるが、このような場合には、低圧側圧力Ｐｓが高圧経路８へシフトすると共に高圧経路８の冷媒がコンデンサファン１２からの送風によって冷却されるので、低圧側圧力Ｐｓは徐々に低下されることとなる。

その後、圧縮機２の稼動状態が続き、徐々に低圧側圧力が低くなり、ステップ８２において、所定の停止設定圧力βより低くなった場合には、駆動モータ２２を停止して圧縮機２を停止させ（ステップ８４）、またコンデンサファン１２を停止させる（ステップ８６）。

尚、上述の制御が行なわれるにも拘わらず、低圧側圧力が安全許容圧αよりも高く設定された限界圧γ以上に達した場合には、圧力リリーフバルブ１６が作動して、低圧側圧力Ｐｓが大気に開放される（図３参照）。

したがって、上述の構成によれば、冷凍サイクル１の稼動停止時に低圧側圧力が安全許容圧α以上に達した場合に圧縮機２を稼動させ、低圧側圧力Ｐｓを高圧側へシフトさせるようにしたので、低圧側圧力の上昇を規制することができ、最も厳しい条件に合わせて低圧側の耐圧設計を行なう必要がなくなる。このため、蒸発器６やアキュムレータ７、配管などの耐圧性を高めるために構成部品を極度に肉厚に設計する必要がなくなり、冷凍サイクル１の重量やコストの増加を抑えることができ、また、冷凍サイクルの大型化を招く不都合もなくなる。

図１は、本発明に係る冷凍サイクルの制御装置の構成例を示す図である。 図２は、図１のコントロールユニットによる制御動作例を示すフローチャートである。 図３は、低圧側圧力と安全許容圧α、限界圧γとの関係を示す線図である。 図４は、本発明に係る冷凍サイクルの制御装置の他の構成例を示す図である。 図５は、図４のコントロールユニットによる制御動作例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 圧縮機
３ 放熱器
５ 膨張装置
６ 蒸発器
８ 高圧経路
９ 低圧経路
１２ コンデンサファン
１６ 圧力リリーフバルブ

Claims (5)

1. 作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された作動流体を放熱する放熱器と、前記放熱器で放熱された作動流体を減圧膨張する膨張装置と、前記膨張装置によって減圧膨張された作動流体を蒸発気化する蒸発器とを少なくとも有し、前記圧縮機から前記放熱器を介して前記膨張装置至る経路により高圧経路が形成され、前記膨張装置から前記蒸発器を介して前記圧縮機へ至る経路により低圧経路が形成されている冷凍サイクルと、
   前記冷凍サイクルの前記低圧経路の圧力を検出する低圧圧力検出手段と、
   前記冷凍サイクルの稼動停止時に前記低圧圧力検出手段によって検出された圧力が所定の駆動設定圧以上に達した場合に前記圧縮機を駆動させる圧縮機駆動制御手段と
   を有することを特徴とする冷凍サイクルの制御装置。
2. 前記冷凍サイクルの稼動停止時に前記低圧圧力検出手段によって検出された圧力が所定の駆動設定圧以上に達した場合に前記放熱器を冷却する冷却ファンを駆動させる冷却ファン駆動制御手段を更に有することを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクルの制御装置。
3. 前記圧縮機駆動制御手段によって圧縮機が駆動した場合に、前記低圧圧力検出手段によって検出された圧力が所定の停止設定圧力より低くなった場合に前記圧縮機を停止させる圧縮機停止手段をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクルの制御装置。
4. 前記低圧経路の圧力が前記駆動設定圧よりも高い所定のリリーフ設定圧以上に達すると低圧側圧力を開放する圧力リリーフ手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクルの制御装置。
5. 前記作動流体は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクルの制御装置。

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