JP2010018203A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吐出温度保護制御時に吐出側冷媒温度を速やかかつ確実に低下させることが可能な冷凍サイクル装置を提供すること。
【解決手段】空調制御装置２０は、温度センサ１５０が検出する冷媒温度が上限温度ＴＤ１以上となったときには、制御バルブ１１０に入力される電流をオン状態からオフ状態として可変容量型の圧縮機１００の冷媒吐出を停止し、温度センサ１５０が検出する冷媒温度が下限温度ＴＤ２以下となったときには、制御バルブ１１０に入力される電流をオフ状態からオン状態として圧縮機１００の冷媒吐出を再開する。
【選択図】図１

Description

本発明は、可変容量型の圧縮機を備える冷凍サイクル装置に関する。

従来から、入力される電流値の増大に応じて吐出容量が増大するように圧縮機構を制御する制御バルブを有する可変容量型の圧縮機を備える冷凍サイクル装置がある。そして、圧縮機から吐出される冷媒温度や冷媒圧力等を監視し、吐出冷媒温度が所定上限温度に到達した状態となった場合には、制御バルブへ入力する電流値を低減させて吐出容量を減少させ、圧縮機や他の冷凍サイクル構成部品を熱損傷から保護する吐出温度保護制御を行うものが知られている（例えば、下記特許文献１参照。）。
特開２００３−２０４８号公報

しかしながら、上記従来技術の冷凍サイクル装置では、制御バルブへ入力する電流値を低減させて吐出容量を減少させる吐出温度保護制御を行っても、圧縮機効率が悪化するために思いの外吐出冷媒温度が低下し難いという問題がある。その結果、吐出容量を低減した状態が長引きやすく、冷媒循環流量の低下により冷凍能力が減少するという不具合を発生する。

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、吐出温度保護制御時に吐出側冷媒温度を速やかかつ確実に低下させることが可能な冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
単位回転数当たりの吐出容量を変更可能として、冷媒を圧縮して吐出する可変容量型の圧縮機（１００）と、
圧縮機（１００）から吐出された冷媒を冷却する放熱器（２００）と、
放熱器（２００）で冷却された冷媒を減圧する減圧手段（３００）と、
減圧手段（３００）で減圧された冷媒を蒸発する蒸発器（４００）と、
圧縮機（１００）から吐出され放熱器（２００）で冷却される前の冷媒の温度を検出する温度検出手段（１５０）と、
入力される電流の値が増大するに応じて圧縮機（１００）の吐出容量が増大するように圧縮機（１００）を制御する吐出容量制御手段（１１０）と、
温度検出手段（１５０）が検出する温度に応じて吐出容量制御手段（１１０）に入力される電流を制御する電流制御手段（２０）と、を備える冷凍サイクル装置において、
電流制御手段（２０）は、
温度検出手段（１５０）が検出する温度が第１所定温度（ＴＤ１）以上となったときには、吐出容量制御手段（１１０）に入力される電流をオン状態からオフ状態とし、
温度検出手段（１５０）が検出する温度が第１所定温度（ＴＤ１）より低い第２所定温度（ＴＤ２）以下となったときには、吐出容量制御手段（１１０）に入力される電流をオフ状態からオン状態とすることを特徴としている。

これによると、圧縮機（１００）から吐出される冷媒温度が第１所定温度（ＴＤ１）にまで上昇した場合には、電流制御手段（２０）は吐出容量制御手段（１１０）に入力する電流を減少させるのではなく完全にオフして圧縮機（１００）からの冷媒吐出を停止する。また、圧縮機（１００）の吐出側の冷媒温度が第１所定温度（ＴＤ１）より低い第２所定温度（ＴＤ２）にまで下降した場合には、電流制御手段（２０）は吐出容量制御手段（１１０）に入力する電流をオンして圧縮機（１００）からの冷媒吐出を再開する。

したがって、圧縮機（１００）からの吐出冷媒温度が第１所定温度（ＴＤ１）にまで上昇した場合には、圧縮機（１００）からの冷媒吐出を中止してサイクル中の冷媒循環を停止し、高圧側の冷媒温度を速やかに低下させて第２所定温度（ＴＤ２）に到達させ圧縮機（１００）の冷媒吐出運転を再開することができる。このように、吐出温度保護制御時に吐出冷媒温度を速やかかつ確実に低下させることができる。

また、請求項２に記載の発明では、冷凍サイクル中の冷媒は、二酸化炭素であることを特徴としている。

二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルは、一般的に圧縮機（１００）からの吐出冷媒温度が高温になり易い。したがって、本発明により、吐出温度保護制御時に吐出冷媒温度を速やかかつ確実に低下させることができることは極めて好ましい。

また、請求項３に記載の発明では、圧縮機（１００）は、冷媒を臨界圧以上に圧縮して吐出することを特徴としている。

圧縮機（１００）が冷媒を臨界圧以上に圧縮する冷凍サイクル、所謂超臨界冷凍サイクルでは、比較的高圧側圧力が高く圧縮機（１００）からの吐出冷媒温度が高温になり易い。したがって、本発明により、吐出温度保護制御時に吐出冷媒温度を速やかかつ確実に低下させることができることは極めて好ましい。

また、請求項４に記載の発明では、放熱器（２００）で冷却され減圧手段（３００）で減圧される前の冷媒と蒸発器（４００）で蒸発され圧縮機（１００）に吸入される前の冷媒とを熱交換する内部熱交換器（６００）を備えることを特徴としている。

これによると、内部熱交換器（６００）による熱交換で圧縮機（１００）に吸入される冷媒温度が上昇し、圧縮機（１００）からの吐出冷媒温度が高温になり易い。したがって、本発明により、吐出温度保護制御時に吐出冷媒温度を速やかかつ確実に低下させることができることは極めて好ましい。

また、請求項５に記載の発明では、減圧手段（３００）は、放熱器（２００）で冷却された放熱器出口の冷媒の温度に基づいて放熱器出口の冷媒圧力状態を制御することを特徴としている。

すなわち、減圧手段（３００）は、高圧側の冷媒圧力を制御する高圧制御弁でもある。このような高圧制御弁を備える冷凍サイクルでは、圧縮機（１００）の吐出容量を低減しても吐出冷媒温度は極めて低下し難い。したがって、本発明により、吐出温度保護制御時に吐出冷媒温度を速やかかつ確実に低下させることができることは極めて好ましい。

また、請求項６に記載の発明では、電流制御手段（２０）は、圧縮機（１００）の吐出側の冷媒温度が第２所定温度（ＴＤ２）以下となり、吐出容量制御手段（１１０）に入力される電流をオフ状態からオン状態とするときには、漸次増大するように電流の値を制御することを特徴としている。

これによると、圧縮機（１００）からの冷媒吐出を再開して冷凍サイクル中の冷媒循環を開始する際に、冷媒循環流量を抑制した状態から開始して冷媒循環流量を徐々に増量することができる。したがって、蒸発器（４００）における吸熱量を徐々に増加できるので、蒸発器（４００）におけるフロストを防止することができる。

また、請求項７に記載の発明のように、蒸発器（４００）内の冷媒の蒸発温度もしくはその関連物理量を検出する物理量検出手段（４１０）を備え、電流制御手段（２０）は、吐出容量制御手段（１１０）に入力される電流をオフ状態からオン状態とする際には、圧縮機（１００）を起動可能な最低電流値以上の値の起動電流（Ｉ０）を吐出容量制御手段（１１０）に入力した後に、物理量検出手段（４１０）が検出する冷媒蒸発温度もしくはその関連物理量に基づいて吐出容量制御手段（１１０）に入力される電流の値を制御する状態に切り替えることが好ましい。これによれば、吐出容量制御手段（１１０）に入力される電流をオフ状態からオン状態とする際の電流の値を漸次増大させることができ、蒸発器（４００）におけるフロストを防止することができる。

また、請求項８に記載の発明のように、吐出容量制御手段（１１０）が、圧縮機（１００）から吐出され減圧手段（３００）で減圧される前の冷媒の圧力である高圧側圧力を導入して圧縮機（１００）の吐出容量を変更するものである場合には、電流制御手段（２０）は、起動電流（Ｉ０）の値を高圧側圧力およびその関連物理量の少なくとも１つをパラメータとして決定することが好ましい。これによれば、起動電流（Ｉ０）を吐出容量制御手段（１１０）に入力した後に物理量検出手段（４１０）が検出する冷媒蒸発温度もしくはその関連物理量に基づいて吐出容量制御手段（１１０）に入力される電流の値を制御する状態に切り替えることで、吐出容量制御手段（１１０）に入力される電流をオフ状態からオン状態とする際の電流の値を漸次増大させることができる。

なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明を適用した実施の形態を図に基づいて説明する。

図１は、本発明を適用した一実施形態における冷凍サイクル装置の概略構成を示す模式図である。本実施形態では、冷凍サイクル装置を車両用空調装置に採用した例を示している。

図１に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機１００、放熱器２００、圧力制御弁３００、蒸発器４００、アキュムレータ５００、および内部熱交換器６００を冷媒配管で接続して構成している。

圧縮機１００は、図示しない走行用エンジンから駆動力を得て冷媒を吸入して圧縮吐出するものである。本実施形態では、冷媒に二酸化炭素を採用し、圧縮機１００は、二酸化炭素冷媒を臨界圧以上にまで圧縮して吐出するようになっている。なお、圧縮機１００の構造は、後述する。放熱器２００は、圧縮機１００から吐出した高温高圧の冷媒と車室外空気との間で熱交換して冷媒を冷却させる熱交換器である。

圧縮機１００の冷媒吐出側と放熱器２００の冷媒流入側とを繋ぐ冷媒配管には、圧縮機１００から吐出される冷媒温度を検出するための温度センサ１５０が設けられている。温度センサ１５０は、所謂吐出温センサであり、本実施形態において、圧縮機１００から吐出され放熱器２００で冷却される前の冷媒の温度を検出する温度検出手段に相当する。温度センサ１５０は、検出した冷媒温度情報を後述する空調制御装置２０に出力するようになっている。

圧力制御弁３００は放熱器２００から流出した冷媒を減圧するとともに、放熱器２００出口側の冷媒温度に基づいて高圧側圧力（圧縮機１００の吐出圧）を制御する高圧制御弁である。すなわち、圧力制御弁３００は、放熱器２００で冷却された冷媒の温度に基づいて放熱器出口の冷媒圧力状態を制御する高圧制御弁である。また、換言すれば、圧力制御弁３００は、放熱器２００で冷却され圧力制御弁３００で減圧される前の冷媒の温度に基づいて冷媒の減圧状態を制御するものであると言える。圧力制御弁３００は、本実施形態における減圧手段である。

蒸発器４００は、空調風を流通する通風ダクト１０内に配置されて、圧力制御弁３００で減圧膨張された冷媒と通風ダクト１０内を流通する空気との間で熱交換を行って冷媒を蒸発させる熱交換器であり、蒸発器４００を通過する外部流体である空気を冷却するようになっている。

通風ダクト１０内には、蒸発器４００の空気流れ下流側に、蒸発器４００を通過した直後の空気温度を検出するための温度センサ４１０が設けられている。温度センサ４１０は、所謂エバポレータ後センサであり、本実施形態において、蒸発器４００内の冷媒蒸発温度の関連物理量である蒸発器４００下流側空気温度を検出する物理量検出手段に相当する。

アキュムレータ５００は蒸発器４００から流出した冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離して気相冷媒を圧縮機１００の吸入側に流出するとともに、冷凍サイクル内の余剰冷媒を蓄える気液分離手段である。

内部熱交換器６００は、アキュムレータ５００から流出する冷媒と高圧側冷媒（本実施形態では、放熱器２００から流出した冷媒）とを熱交換し、蒸発器４００に流入する冷媒のエンタルピを低下させて蒸発器４００の冷媒入口側と出口側における冷媒のエンタルピ差（冷凍能力Ｑ）を増大させるとともに、圧縮機１００に液冷媒が吸入されることを防止するものである。

次に、圧縮機１００の構造について説明する。図２は、圧縮機１００の概略構造を示す一部断面図である。

図２に示すように、圧縮機１００は、可変容量式の斜板型圧縮機であり、回転するシャフト１０２に対して傾いた斜板１０３をシャフト１０２と一体的に回転させることによりシュー１０４を介して斜板１０３に連結された複数本（本実施形態では、６本）のピストン１０５を往復運動させて作動室Ｖｃの体積を拡大縮小させて冷媒を吸入圧縮するものである。

そして、圧縮機１００の吐出容量を変化させる場合には、斜板１０３が収納された斜板室（制御圧室）１０６内の圧力を変化させて斜板１０３の傾斜角度を変化させてピストン１０５のストローク（行程）を変化させる。なお、斜板室１０６は、オリフィス等の固定絞りを有する通路手段を介して圧縮機の吸入側と連通している。

符号１０７を付した構成は、各作動室Ｖｃから吐出された冷媒を集合回収するとともに、脈動を平滑化する第１吐出室であり、符号１０８を付した構成は、第１吐出室１０７内の冷媒を吐出口１０９に導く第２吐出室である。両吐出室１０７、１０８は所定の穴径を有する連通路（図示せず。）を介して連通している。このため、冷媒が連通路を流通する際に圧力損失が発生し、第２吐出室１０８内の圧力は第１圧力室１０７内の圧力より低くなるようになっている。

図３は、斜板室（制御圧室）１０６内の圧力を制御する制御バルブ（吐出容量制御手段）１１０の構成を示す断面図である。この制御バルブ１１０は、圧縮機１００内に形成された第１吐出室１０７と第２吐出室１０８との差圧が所定の圧力差（以下、この圧力差を制御目標圧力差）Δｐとなるように稼働する第１制御部１２０と、第１制御部１２０の作動を規制して制御目標圧力差Δｐを制御する第２制御部１３０とからなるものである。

まず、第１制御部１２０について説明する。符号１２１を付した構成は第１吐出室１０７内の圧力が導かれる第１制御室であり、符号１２２を付した構成は第２吐出室１０８内の圧力が導かれる第２制御室である。そして、両制御室１２１、１２２は、摺動可能な仕切り部材１２３により仕切られており、第１制御室１２１内には、第１制御室１２１の体積を拡大する向きに仕切り部材１２３を押圧する力（弾性力）を発揮するコイルスプリング（弾性手段）１２４が配設されている。

このため、仕切り部材１２３に形成されたプッシュロッド１２５には、両制御室１２１、１２２の圧力差による力及びコイルスプリング１２４の弾性力が作用しており、これらの力が、弁体１３１を開弁方向に作動する開弁力として働く。開弁力の向きは、第１制御室１２１内の圧力が第２制御室１２２より大きいことから、第１制御室１２１の体積が増大する向き（紙面左向き）である。なお、プッシュロッド１２５の移動量は微少であるので、コイルスプリング１２４が仕切り部材１２３（プッシュロッド）１２５に及ぼす力は略一定値と見なすことができる。

一方、第２制御部１３０は、開弁力に対向する閉弁力を弁体１３１に作用させるもので、弁体１３１は圧縮機１００の吐出圧（第２吐出室１０８の圧力）を斜板室１０６に導く制御圧通路１４０の連通状態を制御するものである。

第２制御部１３０において、符号１３２を付した構成は、励磁コイル１３３により誘起された磁界によって発生した電磁吸引力により可動するプランジャ（可動鉄心）であり、符号１３４を付した構成は、プランジャ１３２と引き合うストッパ（固定鉄心）である。また、符号１３５を付した構成は、電磁吸引力と対向する力を発生するコイルスプリング（弾性手段）である。なお、プランジャ１３２の移動量は微少であるので、コイルスプリング１３５がプランジャ１３２に及ぼす力は略一定値と見なすことができる。

そして、プランジャ１３２と弁体１３１とは一体化されており、励磁コイル１３３に通電する電流値を制御することにより、電流値に略比例した閉弁力（電磁吸引力）を得ることができる。なお、励磁コイル１３３に通電する電流値（制御電流の値）は空調制御装置２０により制御される。

したがって、空調制御装置２０が制御電流値を大きくして閉弁力を増大させると、弁体１３１を紙面右側に移動して制御圧通路１４０を絞るので、斜板室１０６内の圧力が低下して圧縮機１００の吐出容量が増大する。逆に、空調制御装置２０が制御電流値を小さくして閉弁力を減少させると、弁体１３１を紙面左側に移動して制御圧通路１４０を開くので、斜板室１０６内の圧力が上昇して圧縮機１００の吐出容量が減少する。

一方、エンジンの回転数が上昇して圧縮機１００の回転数が上昇すると、これに連動して圧縮機１００から吐出される吐出冷媒流量が上昇するが、吐出冷媒流量が増大すると、第１、２制御室１２１、１２２間の圧力差が大きくなるので、開弁力が大きくなり、プッシュロッド１２５及び弁体１３１が紙面左側に移動して制御圧通路１４０が開き、圧縮機１００の吐出容量が減少していく。

逆に、エンジンの回転数が低下して圧縮機１００の回転数が低下すると、これに連動して圧縮機１００から吐出される吐出冷媒流量が低下するが、吐出冷媒流量が低下すると、第１、２制御室１２１、１２２間の圧力差が小さくなるので、開弁力が小さくなり、プッシュロッド１２５及び弁体１３１が紙面右側に移動して制御圧通路１４０が絞られ、圧縮機１００の吐出容量が増加していく。

このとき、プッシュロッド１２５及び弁体１３１は閉弁力と開弁力とが釣り合う位置まで移動するが、コイルスプリング１２４、１３５による力は一定値であるので、プッシュロッド１２５及び弁体１３１は閉弁力と開弁力とが釣り合う位置まで移動するとは、第１、２制御室１２１、１２２間の圧力差が閉弁力（電磁吸引力）によって一義的に決まる所定圧力差、つまり制御目標圧力差Δｐとなるまで圧縮機１００の吐出容量が機械的に変化することである。

したがって、空調制御装置２０が制御バルブ１１０に入力する制御電流値を制御することにより、エンジンの回転数によらず（圧縮機１００の回転数によらず）、圧縮機１００から実際に吐出される吐出冷媒流量を制御することができる。

以上説明したように、制御バルブ１１０は、入力される電流の値が増大するに応じて圧縮機１００の吐出容量が増大するように圧縮機１００を制御する吐出容量制御手段であり、空調制御装置２０は、本実施形態において吐出容量制御手段である制御バルブ１１０に入力される電流の値を制御する電流制御手段に相当する。

空調制御装置２０は、外気温度、内気温度、日射量、設定温度等に基づいて車室内への空調風の目標吹出温度ＴＡＯを算出し、算出した目標吹出温度ＴＡＯ等に基づいて空調風の温度制御、車室内への空調風の吹出モード制御、吹出風量制御等の制御を行うものである。

空調制御装置２０は、目標吹出温度ＴＡＯ等に基づく空調風の温度制御に伴い、温度センサ４１０が検出する蒸発器４００を通過した直後の空気温度、すなわちエバポレータ後温度ＴＥが、目標吹出温度ＴＡＯ等に基づいて定まる目標エバポレータ後温度ＴＥＯとなるように、圧縮機１００の制御バルブ１１０に制御電流を入力し、圧縮機１００の冷媒吐出容量を制御するようになっている。

そして、空調制御装置２０は、圧縮機１００から吐出される冷媒の温度が所定上限温度ＴＤ１に到達した状態となった場合には、圧縮機１００や冷媒ホース等の他の冷凍サイクル構成部品を熱損傷から保護するために吐出温度保護制御を行うようになっている。

次に、上記構成に基づき、空調制御装置２０が行う吐出温度保護制御の作動について説明する。図４は、空調制御装置２０の吐出温度保護制御の概略制御動作を示すフローチャートである。

図４に示すように、空調制御装置２０は、エバポレータ後温度制御を実行しつつ（ステップ８１０）、温度センサ１５０が検出する吐出冷媒温度が予め定めた上限温度ＴＤ１（第１所定温度に相当）以上となったか否かを監視している（ステップ８２０）。吐出冷媒温度が上限温度ＴＤ１未満である場合には、ステップ８１０へリターンしてエバポレータ後温度制御を継続する。

ここで、エバポレータ後温度制御とは、前述した、温度センサ４１０が検出するエバポレータ後温度ＴＥが、目標吹出温度ＴＡＯ等に基づいて定まる目標エバポレータ後温度ＴＥＯとなるように、圧縮機１００の制御バルブ１１０に制御電流を入力し、圧縮機１００の冷媒吐出容量制御を行うことである。なお、ステップ８１０におけるエバポレータ後温度制御は、ＰＩ制御により実行している。

ステップ８２０において、吐出冷媒温度が上限温度ＴＤ１以上であると判断した場合には、制御バルブ１１０に入力する制御電流をオフする（ステップ８３０）。これにより、圧縮機１００からの冷媒吐出が停止する（吐出容量が略０となる）。そして、この状態を継続しつつ、温度センサ１５０が検出する吐出冷媒温度が予め定めた下限温度ＴＤ２（第２所定温度に相当）以下となったか否かを監視する（ステップ８４０）。

ステップ８４０において、吐出冷媒温度が下限温度ＴＤ２以下であると判断した場合には、制御バルブ１１０に入力する制御電流をオンする（ステップ８５０）。これにより、圧縮機１００からの冷媒吐出が再開される。ステップ８５０を実行して冷媒吐出を再開したら、ステップ８１０へリターンする。

ここで、本実施形態の冷凍サイクル装置の場合には、ステップ８２０の冷媒温度の判断基準である上限温度ＴＤ１は、１４０℃〜１６５℃のいずれかに設定することが好ましく、ステップ８４０の冷媒温度の判断基準である下限温度ＴＤ２は、１２０℃〜１４５℃のいずれかに設定することが好ましい。

ステップ８５０では、外気温や吐出冷媒圧力等の少なくとも１つをパラメータとして決定した制御電流値Ｉ０を制御バルブ１１０に入力する。ここで、外気温や吐出冷媒圧力等の少なくとも１つをパラメータとして決定するとは、冷凍サイクルの高圧側圧力およびその関連物理量の少なくとも１つをパラメータとして決定することである。したがって、高圧側圧力である吐出冷媒圧力や、外気温度を含む高圧側圧力の関連物理量の少なくともいずれかをパラメータとして制御電流値Ｉ０を決定する。

また、制御電流値Ｉ０を決定する際には、起動電流値Ｉ０を、圧縮機１００を起動可能な（吐出容量を与えることが可能な）最低電流値もしくは最低電流値よりも若干高い電流値とする。

このようにステップ８５０で制御電流を比較的小さい制御電流値Ｉ０でオンし、ステップ８１０のエバポレータ後温度制御に移行することで、制御バルブ１１０に入力される電流をオフ状態からオン状態とした際の電流の値を漸次増大させる（勾配をつけて制御電流を上昇させる）ことができる。

ステップ８３０を実行して制御電流をオフしているときには、エバポレータ後温度ＴＥは目標エバポレータ後温度ＴＥＯに対して非常に高くなる。この状態で直接ステップ８１０のエバポレータ後温度制御に移行すると、急峻な制御電流値増加により圧縮機１００の冷媒吐出量が急激に増大し、すなわち冷凍サイクルの冷媒循環量が急激に増大し、蒸発器４００においてフロストが発生してしまう。

そこで、制御電流を再度オンする際には、ステップ８５０により高圧側圧力およびその関連物理量の少なくとも１つをパラメータとして決定した制御電流値Ｉ０からステップ８１０に移行すれば、冷媒循環流量を抑制した状態から開始して冷媒循環流量を徐々に増量することができ、蒸発器４００における吸熱量を徐々に増加できるので、蒸発器４００におけるフロストを防止することができる。

上述の構成および作動によれば、空調制御装置２０は、図５に例示するように、温度センサ１５０が検出する冷媒温度が上限温度ＴＤ１以上となったときには、制御バルブ１１０に入力される電流をオン状態からオフ状態とし、温度センサ１５０が検出する冷媒温度が下限温度ＴＤ２以下となったときには、制御バルブ１１０に入力される電流をオフ状態からオン状態とする。

したがって、圧縮機１００から吐出される冷媒温度が予め設定した上限温度ＴＤ１にまで上昇した場合には、制御バルブ１１０に入力する制御電流を減少させるのではなく完全にオフして圧縮機１００からの冷媒吐出を停止する。また、圧縮機１００の吐出側の冷媒温度が下限温度ＴＤ２にまで下降した場合には、制御バルブ１１０に入力する電流をオンして圧縮機１００からの冷媒吐出を再開する。

このようにして、圧縮機１００からの吐出冷媒温度が上限温度ＴＤ１にまで上昇した場合には、圧縮機１００からの冷媒吐出を中止してサイクル中の冷媒循環を停止し、高圧側の冷媒温度を速やかに低下させて下限温度ＴＤ２に到達させ圧縮機１００の冷媒吐出運転を再開することができる。このように、吐出温度保護制御時に圧縮機吐出側冷媒温度を速やかかつ確実に低下させることができる。

図６に、本実施形態の冷凍サイクル装置で吐出温度保護制御を行った際の、冷凍サイクル中の冷媒の状態の変化例を圧力−エンタルピ線図上に示し、図７に、比較例として、制御バルブ１１０へ入力する電流値を低減させて吐出容量を減少させる吐出温度保護制御を行った際の、冷凍サイクル中の冷媒の状態の変化例を圧力−エンタルピ線図上に示す。

図７に示すように、吐出温度保護制御を行う際に、制御バルブ１１０へ入力する電流値を低減させて吐出容量を減少させると、冷凍サイクル中の冷媒は、最外周に細い実線で示した状態から内側の太い実線で示した状態に変化していく。このとき、理想状態であれば圧縮機１００で圧縮される冷媒は破線で示す状態変化をするが、実際には圧縮機効率が悪化するために太い実線のような状態変化をし、思いの外吐出冷媒温度が低下し難い。その結果、効率の悪い吐出容量を低減した状態の運転が長時間続き、冷媒循環流量の低下により冷房能力が減少するという不具合を発生する。

これに対し、本実施形態によれば、図６に示すように、制御バルブ１１０へ入力する電流をオフして冷媒吐出を停止すると、冷凍サイクル中の冷媒は、最外周に細い実線で示した状態から内側の太い実線で示した状態に変化していく。すなわち、冷凍サイクルの高圧側と低圧側とが速やかに均圧化するように変化し、高圧側の最高温度を示す圧縮機１００の吐出側と放熱器２００の流入側との間の冷媒も急激に温度低下する。

このように、本実施形態によれば、吐出温度保護制御時に圧縮機吐出側冷媒温度を速やかかつ確実に低下させることができ、比較的短時間で冷凍サイクル運転を再開できる。

また、本実施形態の冷凍サイクル装置は、冷媒を二酸化炭素とする超臨界冷凍サイクルであり、圧力制御弁３００が高圧制御弁であり、さらに、内部熱交換器６００を備えている。

二酸化炭素を冷媒とする超臨界冷凍サイクルは、比較的高圧側圧力が高く、圧縮機１００からの吐出冷媒温度が高温になり易い。また、内部熱交換器６００による熱交換で圧縮機１００に吸入される冷媒温度が上昇し、圧縮機１０からの吐出冷媒温度が高温になり易い。さらに、圧縮機１００の吐出容量を低減しても高圧側圧力が低下し難いので吐出冷媒温度は極めて低下し難い。したがって、本実施形態によれば、吐出温度保護制御時に吐出冷媒温度を速やかかつ確実に低下させることができ、極めて良好である。

また、本実施形態によれば、空調制御装置２０は、図５にも例示するように、制御バルブ１１０に入力される電流をオフ状態からオン状態とするときには、漸次増大するように電流の値を制御する。したがって、蒸発器４００における吸熱量を徐々に増加できるので、蒸発器４００におけるフロストを防止することができ、非常に良好である。

なお、本実施形態では、制御電流をオン、オフすると説明していたが、電流値の変化を例えばＰＷＭ制御におけるデューティ比の変化により行う場合には、制御電流オン状態においても電流はオンとオフとを繰り返していることになる。本実施形態の説明における制御電流のオフ状態とは、例えばＰＷＭ制御を行っている場合に０ではない所望電流値を形成するために電流がオンとオフとを繰り返している状態における電流オフの状態を含むものではない。例えば、ＰＷＭ制御では、電流のオンオフを繰り返して、あるいは電流オンを継続して電流値を０でない値としている状態がオン状態、電流オフを継続して電流値を０としている場合をオフ状態とする。

（他の実施形態）
上記一実施形態では、圧縮機１００は、斜板型の可変容量圧縮機であったが、可変容量タイプであれば圧縮機の容量可変機構はこれに限定されるものではない。また、圧縮機１００の吐出容量を制御する吐出容量制御手段は、制御バルブ１１０であったが、入力される制御電流値の増大に伴って圧縮機の吐出容量を増大させるものであればこれに限定されるものではない。また、制御バルブ１１０は圧縮機１００内に一体的に設けられていたが、吐出容量制御手段は圧縮機と別体であってもかまわない。

また、上記一実施形態では、圧縮機１００から吐出され放熱器２００で冷却される前の冷媒の温度を検出する温度検出手段である温度センサ１５０は、圧縮機１００とは別体であり圧縮機１００の冷媒吐出側と放熱器２００の冷媒流入側とを繋ぐ冷媒配管に設けられていたが、圧縮機１００と一体となっていても良い。これによれば、圧縮機出口の冷媒温度を正確に検知でき、温度検出手段を設置するスペースを節約できるので、搭載面で有利になる。

また、上記一実施形態では、冷凍サイクル装置は、二酸化炭素冷媒を用いた超臨界冷凍サイクルであり、減圧手段が高圧側の制御を行う圧力制御弁３００であり、内部熱交換器６００を備えていたが、本発明は、他の構成の冷凍サイクル装置に適用しても有効である。例えば、二酸化炭素以外の冷媒を用いた超臨界冷凍サイクル装置であってもよいし、二酸化炭素や他の冷媒を用いて臨界圧以下でサイクルを形成するものであってもよい。また、例えば、内部熱交換器を備えないもの、低圧側の圧力制御を行う減圧手段を採用したレシーバサイクルであっても、本発明を適用することができる。

また、上記一実施形態では、温度保護制御で冷媒温度を低下させるとき以外の通常運転（図４に示すステップ８１０による運転）時は、エバポレータ後温度に基づく制御を行うものであったが、これに限定されるものではなく、蒸発器の冷媒蒸発温度もしくはその関連物理量に基づいて制御を行うものであればよい。エバポレータ後温度は、冷媒蒸発温度の関連物理量に相当し、関連物理量として、例えば蒸発器のフィン温度を採用するものであってもよい。もちろん、冷媒蒸発温度を直接採用するものであってもかまわない。

また、上記一実施形態では、冷凍サイクル装置は、車両用空調装置に用いられていたが、これに限定されるものではなく、空調装置以外の車両用冷凍サイクル装置、あるいは定置式の冷凍サイクル装置であってもかまわない。ただし、車両用の冷凍サイクル装置では、振動等に対応するため、冷媒ホース等の熱損傷を受け易い部品を用いることが多いので、本発明を適用して特に有効である。

本発明を適用した一実施形態における冷凍サイクル装置の概略構成を示す模式図である。 圧縮機１００の概略構造を示す断面図である。 制御バルブ１１０の概略構成を示す断面図である。 空調制御装置２０の吐出温度保護制御の概略制御動作を示すフローチャートである。 吐出温度保護制御が行われた際の冷媒温度と制御電流との関係を例示するグラフである。 一実施形態において吐出温度保護制御を行った際の、冷凍サイクル中の冷媒の状態の変化例を圧力−エンタルピ線図上に示した図である。 比較例において吐出温度保護制御を行った際の、冷凍サイクル中の冷媒の状態の変化例を圧力−エンタルピ線図上に示した図である。

符号の説明

２０ 空調制御装置（電流制御手段）
１００ 圧縮機
１１０ 制御バルブ（吐出容量制御手段）
１５０ 温度センサ（温度検出手段）
２００ 放熱器
３００ 圧力制御弁（減圧手段）
４００ 蒸発器
４１０ 温度センサ（物理量検出手段）
６００ 内部熱交換器

Claims (8)

1. 単位回転数当たりの吐出容量を変更可能として、冷媒を圧縮して吐出する可変容量型の圧縮機（１００）と、
   前記圧縮機（１００）から吐出された冷媒を冷却する放熱器（２００）と、
   前記放熱器（２００）で冷却された冷媒を減圧する減圧手段（３００）と、
   前記減圧手段（３００）で減圧された冷媒を蒸発する蒸発器（４００）と、
   前記圧縮機（１００）から吐出され前記放熱器（２００）で冷却される前の冷媒の温度を検出する温度検出手段（１５０）と、
   入力される電流の値が増大するに応じて前記吐出容量が増大するように前記圧縮機（１００）を制御する吐出容量制御手段（１１０）と、
   前記温度検出手段（１５０）が検出する温度に応じて前記吐出容量制御手段（１１０）に入力される電流を制御する電流制御手段（２０）と、を備える冷凍サイクル装置において、
   前記電流制御手段（２０）は、
   前記温度検出手段（１５０）が検出する温度が第１所定温度（ＴＤ１）以上となったときには、前記吐出容量制御手段（１１０）に入力される電流をオン状態からオフ状態とし、
   前記温度検出手段（１５０）が検出する温度が前記第１所定温度（ＴＤ１）より低い第２所定温度（ＴＤ２）以下となったときには、前記吐出容量制御手段（１１０）に入力される電流をオフ状態からオン状態とすることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記圧縮機（１００）は、前記冷媒を臨界圧以上に圧縮して吐出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記放熱器（２００）で冷却され前記減圧手段（３００）で減圧される前の冷媒と前記蒸発器（４００）で蒸発され前記圧縮機（１００）に吸入される前の冷媒とを熱交換する内部熱交換器（６００）を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記減圧手段（３００）は、前記放熱器（２００）で冷却された放熱器出口の冷媒の温度に基づいて放熱器出口の冷媒圧力状態を制御することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記電流制御手段（２０）は、前記吐出容量制御手段（１１０）に入力される電流をオフ状態からオン状態とするときには、漸次増大するように電流の値を制御することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記蒸発器（４００）内の冷媒の蒸発温度もしくはその関連物理量を検出する物理量検出手段（４１０）を備え、
   前記電流制御手段（２０）は、前記吐出容量制御手段（１１０）に入力される電流をオフ状態からオン状態とする際には、前記圧縮機（１００）を起動可能な最低電流値以上の値の起動電流（Ｉ０）を前記吐出容量制御手段（１１０）に入力した後に、前記物理量検出手段（４１０）が検出する前記蒸発温度もしくはその関連物理量に基づいて前記吐出容量制御手段（１１０）に入力される電流の値を制御する状態に切り替えることで、前記オフ状態からオン状態とする際の電流の値を漸次増大させることを特徴とする請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記吐出容量制御手段（１１０）は、前記圧縮機（１００）から吐出され前記減圧手段（３００）で減圧される前の冷媒の圧力である高圧側圧力を導入して前記吐出容量を変更するものであって、
   前記電流制御手段（２０）は、前記起動電流（Ｉ０）の値を前記高圧側圧力およびその関連物理量の少なくとも１つをパラメータとして決定することを特徴とする請求項７に記載の冷凍サイクル装置。

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