JP2017150731A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】低負荷運転時であっても、適切な冷却能力を発揮可能な冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】冷凍サイクル装置10に、温度式膨張弁13の絞り通路30aの上流側の冷媒を、温度式膨張弁13を迂回させて絞り通路30aの下流側へ導くバイパス通路15、および圧縮機11の吸入側の吸入側冷媒圧力PSがが、基準圧力KPS以下となった際に、バイパス通路15を開く圧力弁16を設ける。これにより、低負荷運転時に、絞り通路30aが閉塞してまっても、バイパス通路15を介して、冷媒を蒸発器14へ供給することができる。さらに、蒸発器14から流出して冷媒を圧縮機11へ供給することができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、温度式膨張弁を備える冷凍サイクル装置に関する。
従来、特許文献1に、空調装置に適用される冷凍サイクル装置であって、冷媒を減圧させる減圧装置として温度式膨張弁を備えるものが開示されている。さらに、特許文献1の冷凍サイクル装置は、暖房モードの冷媒回路と冷房モードの冷媒回路とを切替可能に構成されている。
また、特許文献1の温度式膨張弁は、冷房モード時には、蒸発器出口側冷媒の温度および圧力に応じて絞り弁を変位させることで、蒸発器出口側冷媒の過熱度が予め定めた基準加熱度に近づくように絞り開度を変化させる。
さらに、特許文献1の温度式膨張弁の内部には、絞り弁を収容する弁室内の圧力を蒸発器の入口側へ逃がす機械的機構で構成された逃がし弁が配置されている。これにより、特許文献1の温度式膨張弁では、暖房モード時に弁室内の冷媒圧力が異常上昇してしまうことを抑制している。
特開平11−173705号公報
ところで、空調装置に適用される冷凍サイクル装置では、低外気温時であっても空調対象空間へ送風される送風空気を除湿するために、送風空気を冷却することがある。このような運転条件では、空調熱負荷が低い低負荷運転となるので、サイクルを循環する冷媒流量も減少する。従って、低負荷運転時には、温度式膨張弁の絞り開度も縮小しやすい。
さらに、低外気温時には、外気によって温度式膨張弁自体が冷却されてしまうので、温度式膨張弁が蒸発器出口側冷媒の温度を実際よりも低い値に誤検知して、絞り開度を必要以上に減少させてしまうことがある。その結果、低外気温時の低負荷運転では、蒸発器へ供給される冷媒流量が不足して、送風空気を適切に冷却することができなくなってしまうおそれがある。
これに対して、低外気温時の低負荷運転では、圧縮機の冷媒吐出能力を増加させることによって、蒸発器へ供給される冷媒流量を増加させる手段が考えられる。しかし、圧縮機の冷媒吐出能力を増加させると、蒸発器における冷媒蒸発圧力(冷媒蒸発温度)が低下するので、温度式膨張弁がさらに絞り開度を減少させてしまい、最終的に温度式膨張弁の絞り通路が閉塞してしまう。
その結果、温度式膨張弁を備える冷凍サイクル装置では、低外気温時等に低負荷運転を行うと、適切な冷却能力を発揮できなくなってしまうだけでなく、圧縮機が冷媒を吸入できなくなり、圧縮機の耐久寿命に悪影響を及ぼしてしまうおそれもある。
本発明は、上記点に鑑み、低負荷運転時にも適切な冷却能力を発揮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に記載の発明は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機(11)と、圧縮機から吐出された高圧冷媒を放熱させる放熱器(12)と、放熱器から流出した冷媒を減圧させる減圧装置(13)と、減圧装置にて減圧された低圧冷媒を蒸発させて、冷却対象流体を冷却する蒸発器(14)と、減圧装置にて冷媒を減圧させる絞り通路(30a)の上流側の冷媒を、絞り通路を迂回させて絞り通路の下流側へ導くバイパス通路(15、30c)と、バイパス通路を開閉する開閉弁(16)と、を備え、
減圧装置は、蒸発器の出口側冷媒の温度に応じて、出口側冷媒の過熱度(SH)が予め定めた基準過熱度(KSH)に近づくように絞り通路の絞り開度を変化させる温度式膨張弁であり、
開閉弁は、バイパス通路を開閉する弁体部(16b)、および弁体部に対してバイパス通路を開く側に付勢する荷重をかける弾性部材(16c)を有し、圧縮機の吸入側の吸入側冷媒圧力(PS)が、予め定めた基準圧力(KPS)以下となった際に、バイパス通路を開く圧力弁で構成されており、
さらに、基準圧力(KPS)は、サイクルの通常運転時に吸入側冷媒圧力(PS)に想定される最低圧力よりも低い値に設定されている冷凍サイクル装置である。
これによれば、吸入側冷媒圧力(PS)が、基準圧力(KPS)以下となった際に、開閉弁(16)がバイパス通路(15、30c)を開く。このため、低負荷運転時に温度式膨張弁の絞り通路(30a)が閉塞してしまっても、開閉弁(16)がバイパス通路(15、30c)を開くことができる。
従って、低負荷運転時であっても、バイパス通路(15、30c)を介して蒸発器(14)へ冷媒を供給することができ、低負荷運転時に蒸発器(14)へ供給される冷媒流量が不足してしまうことを抑制することができる。すなわち、請求項1に記載の発明によれば、低外気温時のような低負荷運転時にも、適切な冷却能力を発揮可能な冷凍サイクル装置(10)を提供することができる。
しかも、低負荷運転時に温度式膨張弁(13)の絞り通路(30a)が閉塞してしまっても、バイパス通路(15、30c)および蒸発器(14)を通過した冷媒を、圧縮機(11)に吸入させることができるので、圧縮機(11)の耐久寿命に悪影響を及ぼしてしまうこともない。
また、開閉弁(16)として、弁体部(16b)、および弾性部材(16c)を有する機械的機構で構成された圧力弁を採用しているので、複雑な制御処理等を必要とすることなく、極めて簡素な構成で低負荷運転時にも冷凍サイクル装置(10)に適切な冷凍能力を発揮させることができる。
なお、本請求項における「サイクルの通常運転時に吸入側冷媒圧力(PS)に想定される最低圧力」とは、通常運転時における吸入側冷媒圧力(PS)の変動範囲のうち最も低い圧力を意味する。
例えば、一般的な、空調装置に適用される冷凍サイクル装置(10)では、蒸発器14の着霜を抑制するために、蒸発器(14)における冷媒蒸発温度が0℃より高い値になるようにしている。従って、空調装置に適用される冷凍サイクル装置(10)では、基準圧力(KPS)が、蒸発器(14)における冷媒蒸発温度が0℃となっている際の冷媒の飽和圧力よりも低い値に設定されていてもよい。
また、本請求項における「絞り通路(30a)の上流側」とは、減圧装置(13)の内部における上流側に限定されるものではなく、減圧装置(13)の外部における上流側も含まれる意味である。同様に、「絞り通路(30a)の下流側」についても、減圧装置(13)の内部における下流側に限定されるものではなく、減圧装置(13)の外部における下流側も含まれる意味である。
また、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
第1実施形態の冷凍サイクル装置の全体構成図である。 第1実施形態の圧力弁の模式的な拡大断面図である。 第1実施形態の冷凍サイクル装置における冷媒の状態の変化を示すモリエル線図である。 第2実施形態の温度式膨張弁の断面図である。
(第1実施形態)
図1〜図3を用いて、本発明の第1実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置10を、車両用空調装置に適用している。冷凍サイクル装置10は、車両用空調装置において、空調対象空間である車室内へ送風される送風空気を冷却する機能を果たす。従って、本実施形態の冷却対象流体は送風空気である。
また、本実施形態の冷凍サイクル装置10では、冷媒としてHFO系冷媒(具体的には、R1234yf)を採用しており、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超えない亜臨界冷凍サイクルを構成している。この冷媒には、圧縮機11を潤滑するための冷凍機油が混入されており、冷凍機油の一部は冷媒とともにサイクルを循環している。
なお、図1に示す冷凍サイクル装置10の全体構成図では、説明の明確化のため、各構成機器を接続する冷媒配管の太さを適宜変更している。従って、図1に図示された冷媒配管の太さは、実際の冷媒配管の太さを示すものではない。
冷凍サイクル装置10の構成機器のうち、圧縮機11は、冷媒を吸入して高圧冷媒となるまで圧縮して吐出するものである。圧縮機11は、車両走行用の駆動力を出力するエンジン(内燃機関)とともにエンジンルーム内に配置されている。さらに、圧縮機11は、プーリ、ベルト等を介してエンジンから出力される回転駆動力によって駆動されるエンジン駆動式の圧縮機である。
より具体的には、本実施形態では、圧縮機11として、吐出容量を変化させることによって冷媒吐出能力を調整可能に構成された斜板式の可変容量型圧縮機を採用している。この圧縮機11では、吐出容量を変化させるための図示しない吐出容量制御弁を有している。吐出容量制御弁は、後述する空調制御装置40から出力される制御電流によって、その作動が制御される。
圧縮機11の吐出口には、放熱器12の冷媒入口側が接続されている。放熱器12は、圧縮機11から吐出された高圧冷媒と冷却ファン12aによって送風される車室外空気(外気)を熱交換させることによって、高圧冷媒を放熱させて凝縮させる凝縮用熱交換器である。放熱器12は、エンジンルーム内の車両前方側に配置されている。
冷却ファン12aは、空調制御装置40から出力される制御電圧によって回転数(送風空気量)が制御される電動式送風機である。
放熱器12の冷媒出口側には、レシーバ12bの入口側が接続されている。レシーバ12bは、放熱器12から流出した冷媒の気液を分離する機能を果たす。さらに、レシーバ12bは、分離した液相冷媒を下流側に流出させるとともに、サイクル内の余剰冷媒を蓄える受液器である。
レシーバ12bの出口には、温度式膨張弁13の絞り通路30aの入口側が接続されている。温度式膨張弁13は、放熱器12から流出した冷媒を減圧させる減圧装置である。温度式膨張弁13は、車室外であるエンジンルーム内に配置されている。さらに、温度式膨張弁13はボデー30、絞り弁31、エレメント部32等が一体化された、いわゆるボックス型膨張弁として構成されている。
ボデー30は、温度式膨張弁13の外殻を形成するとともに、内部に絞り通路30a、流出冷媒通路30bなどを形成する金属製の柱状部材である。
絞り通路30aは、レシーバ12bから流出した高圧冷媒を減圧して、後述する蒸発器14の冷媒入口側へ流出させる冷媒通路である。ボデー30の絞り通路30aの上流側には、絞り弁31を収容する弁室が形成されている。絞り弁31は、絞り通路30aの通路断面積(すなわち、絞り開度)を変化させる球状弁である。この絞り弁31は、絞り用コイルバネ34から絞り開度を縮小させる側に付勢する荷重を受けている。
流出冷媒通路30bは、蒸発器14の冷媒流出口から流出した冷媒を流通させる冷媒通路である。エレメント部32は、流出冷媒通路30bを流通する冷媒の温度および圧力に応じて絞り弁31を変位させるものである。つまり、エレメント部32は、蒸発器14出口側冷媒の温度に応じて絞り弁31を変位させる駆動機構である。
より詳細には、エレメント部32は、薄板金属製のダイヤフラムを有している。エレメント部32に内部空間は、このダイヤフラムによって封入空間および導入空間の2つの空間に仕切られている。さらに、エレメント部32は、図1に示すように、導入空間側が流出冷媒通路30bと連通するようにボデー30の外側に取り付けられている。
従って、導入空間は、流出冷媒通路30bを流通する冷媒を導入させる空間となる。一方、封入空間には、サイクルを循環する冷媒(本実施形態では、R1234yf)を主成分とする感温媒体が封入されている。この感温媒体の圧力は、流出冷媒通路30bを流通する冷媒の温度に応じて変化する。
このため、ダイヤフラムは、感温空間内の感温媒体圧力と導入空間内の冷媒圧力との圧力差に応じて変形する圧力応動部材としての機能を果たす。そして、このダイヤフラムの変形は、ボデー30の内部に配置された作動棒33を介して絞り弁31に伝達される。これにより、絞り弁31が絞り通路30aの絞り開度を変化させる。
より具体的には、流出冷媒通路30bを流通する蒸発器14出口側冷媒の過熱度SHが上昇すると、感温空間内の感温媒体圧力から導入空間内の冷媒圧力を減算した圧力差が増加する。このため、ダイヤフラムが導入空間側へ変形して、絞り弁31が絞り通路30aの絞り開度を増加させる。
一方、流出冷媒通路30bを流通する蒸発器14出口側冷媒の過熱度SHが低下すると、感温空間内の感温媒体圧力から導入空間内の冷媒圧力を減算した圧力差が減少する。このため、ダイヤフラムが封入空間側へ変形して、絞り弁31が絞り通路30aの絞り開度を減少させる。
これにより、本実施形態のエレメント部32では、流出冷媒通路30bを流通する蒸発器14出口側冷媒の温度および圧力に応じて、蒸発器14出口側冷媒の過熱度SHが予め定めた基準過熱度KSH(本実施形態では、3℃)に近づくように、絞り通路30aの絞り開度を変化させることができる。さらに、絞り用コイルバネ34の荷重を調整することで、狙いの基準加熱度KSHを調整することもできる。
温度式膨張弁13の絞り通路30aの出口には、蒸発器14の冷媒入口側が接続されている。蒸発器14は、温度式膨張弁13にて減圧された低圧冷媒と送風ファン14aから車室内へ送風される送風空気とを熱交換させることによって、低圧冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱用熱交換器である。送風ファン14aは、空調制御装置40から出力される制御電圧によって回転数(送風空気量)が制御される電動式送風機である。
また、本実施形態の車両用空調装置では、蒸発器14の送風空気流れ下流側に、蒸発器14にて冷却された送風空気を再加熱する加熱装置を有している。これにより、本実施形態の車両用空調装置では、冷却された送風空気を所望の温度に上昇させて車室内に送風することができる。このような加熱装置としては、車両走行用の駆動力を出力するエンジンの冷却水を熱源として送風空気を加熱するヒータコアを採用することができる。
蒸発器14の冷媒出口側には、温度式膨張弁13の流出冷媒通路30bの入口側が接続されている。さらに、温度式膨張弁13の流出冷媒通路30bの出口には、圧縮機11の吸入口側が接続されている。
さらに、本実施形態の冷凍サイクル装置10は、バイパス通路15を備えている。バイパス通路15は、温度式膨張弁13の絞り通路30aの上流側の冷媒を、絞り通路30aを迂回させて、絞り通路30aの下流側へ導く冷媒配管である。本実施形態のバイパス通路15は、温度式膨張弁13の外部で絞り通路30aの入口側と出口側とを接続するように配置されている。
バイパス通路15の最上流側には、バイパス通路15を開閉する圧力弁16が配置されている。圧力弁16は、流出冷媒通路30bから流出した冷媒、すなわち圧縮機11の吸入側の冷媒圧力(吸入側冷媒圧力)PSが、予め定めた基準圧力KPS以下となった際に、バイパス通路15を開く開閉弁である。
圧力弁16の詳細構成は、図2を用いて説明する。圧力弁16は、筐体部16a、弁体部16b、およびコイルバネ16cを有している。筐体部16aは、円柱状あるいは角柱状の金属部材で形成されている。筐体部16aの内部には、弁体部16bを収容する収容空間16dが形成されている。
収容空間16dは、温度式膨張弁13の絞り通路30aの上流側、流出冷媒通路30bの出口側(すなわち、圧縮機11の吸入側)、およびバイパス通路15(すなわち、温度式膨張弁13の絞り通路30aの下流側)に連通している。
このため、収容空間16d内に収容された弁体部16bは、温度式膨張弁13の絞り通路30aの上流側の冷媒圧力(上流側冷媒圧力)PH、流出冷媒通路30bの出口側の冷媒圧力(吸入側冷媒圧力)PS、およびバイパス通路15を介して絞り通路30aの下流側の冷媒圧力(下流側冷媒圧力)PLを受圧することになる。
ここで、下流側冷媒圧力PLと吸入側冷媒圧力PSとの圧力差は蒸発器14における圧力損失に相当する。従って、サイクルを循環する循環冷媒流量が減少する低負荷運転時等では、下流側冷媒圧力PLと吸入側冷媒圧力PSは略同等となる。
弁体部16aは、略円柱状に形成されており、外径の異なる3つの部位によって構成されている。弁体部16aの一端側の部位は、外径が最も小さく形成された最小径部16eである。最小径部16eは、収容空間16dと温度式膨張弁13の絞り通路30aの上流側との連通部を開閉する弁体としての機能を果たす。これにより、圧力弁16(具体的には、弁体部16a)は、バイパス通路15を開閉することができる。
また、最小径部16eは、上流側冷媒圧力PHを受圧する上流側受圧部としての機能を果たす。さらに、収容空間16dと温度式膨張弁13の絞り通路30aの上流側との連通部の通路断面積は比較的小さく形成されており、この連通部は冷媒を減圧させるオリフィスとして機能させることもできる。
弁体部16aの他端側の部位は、外径が最も大きく形成された円板状の最大径部16fである。最大径部16fは、流出冷媒通路30bから流出した冷媒が流通する冷媒通路の壁面の一部を形成している。このため、最大径部16fの冷媒通路側の面は、吸入側冷媒圧力PSを受圧する吸入側受圧部としての機能を果たす。
弁体部16aの中間部は、最小径部16eと最大径部16fとを接続する中間径部16gである。中間径部16gの外径は、最大径部16よりも小さく、最小径部16eよりも大きい。中間径部16gの外周面と収容空間16dの内周面との間には、シール部材としてのOリング16hが配置されている。従って、中間径部16gと筐体部16aとの隙間を介して、絞り通路30aの上流側の冷媒が流出冷媒通路30b側へ漏れることはない。
また、中間径部16gと最小径部16eとの接続部に円環状に形成される段差部は、収容空間16d内に配置されたコイルバネ16cの荷重を受けている。このため、この段差部は、下流側冷媒圧力PLを受圧する下流側受圧部としての機能を果たす。コイルバネ16cは、中間径部16g(すなわち、弁体部16a)に対してバイパス通路15を開く側に付勢する荷重をかける弾性部材である。
従って、弁体部16aがバイパス通路15を開く側に受ける荷重Foは、以下数式F1であらわすことができる。また、弁体部16aがバイパス通路15を閉じる側に受ける荷重Fcは、以下数式F2であらわすことができる。
Fo=k×x+PH×AH+PL×AL …(F1)
Fc=PS×AS …(F2)
なお、kは、コイルバネ16cのバネ定数であり、xは、コイルバネ16cの変位量である。また、AHは、最小径部16eが上流側冷媒圧力PHを受圧する部位(すなわち、上流側受圧部)の受圧面積であり、ALは、中間径部16gの段差部が下流側冷媒圧力PLを受圧する部位(すなわち、下流側受圧部)の受圧面積であり、ASは、最大径部16fが吸入側冷媒圧力PSを受圧する部位(すなわち、吸入側受圧部)の受圧面積である。
そして、Fo>Fcとなれば、圧力弁16(具体的には、弁体部16a)は、バイパス通路15を開き、Fo<Fcとなれば、圧力弁16(具体的には、弁体部16a)は、バイパス通路15を閉じる。さらに、本実施形態では、吸入側受圧部の受圧面積ASを、上流側受圧部の受圧面積AHおよび下流側受圧部の受圧面積ALに対して、充分に大きく設定している。
これにより、圧力弁16がバイパス通路15を開閉する際の支配的なパラメータを、バネ定数kおよび吸入側冷媒圧力PSとすることができる。そこで、本実施形態では、吸入側冷媒圧力PSが予め定めた基準圧力KPS以下となった際に、圧力弁16がバイパス通路15を開くように、コイルバネ16cのバネ定数kが設定されている。
さらに、本実施形態では、基準圧力KPSとして、冷凍サイクル装置10の通常運転時に吸入側冷媒圧力PSに想定される範囲の値のうち、最低圧力よりも低い値を採用している。具体的には、本実施形態では、基準圧力KPSとして、0.2MPaを採用している。
ここで、本実施形態のように、車両用空調装置に適用される冷凍サイクル装置10では、蒸発器14の着霜を抑制するために、蒸発器温度Teが0℃よりも高くなるように圧縮機11の冷媒吐出能力を調整している。従って、本実施形態では、基準圧力KPSを、蒸発器14における冷媒蒸発温度が0℃となっている際の冷媒の飽和圧力(約0.28MPa)より低い値である0.2MPaに設定している。
なお、図2では、吸入側冷媒圧力PSが基準圧力KPS以下となって、圧力弁16がバイパス通路15を開いた状態を図示している。
次に、空調制御装置40は、CPU、ROMおよびRAM等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成される。この空調制御装置40は、そのROM内に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行う。そして、上述の各種電気式のアクチュエータ11、12a、14a等の作動を制御する。
空調制御装置40の入力側には、内気温センサ、外気温センサ、日射センサ、蒸発器温度センサ、吐出圧力センサ等の複数の空調制御用のセンサ群が接続され、これらのセンサ群の検出値が入力される。
より具体的には、内気温センサは、車室内温度(内気温)Trを検出する内気温検出部である。外気温センサは、外気温Tamを検出する外気温検出部である。日射センサは、車室内の日射量Asを検出する日射量検出部である。蒸発器温度センサ41は、蒸発器14の吹出空気温度(蒸発器温度)Teを検出する蒸発器温度検出部である。吐出圧力センサは、圧縮機11から吐出された吐出冷媒圧力Pdを検出する出口側圧力検出部である。
なお、本実施形態の蒸発器温度センサ41では、蒸発器14の一部の熱交換フィンの温度を検出しているが、蒸発器温度検出部はこれに限定されない。例えば、蒸発器温度検出部として、蒸発器14のその他の部位の温度を検出する温度検出部を採用してもよいし、蒸発器14を流通する冷媒の温度を検出する温度検出部を採用してもよい。
さらに、空調制御装置40の入力側には、車室内前部の計器盤付近に配置された図示しない操作パネルが接続され、この操作パネルに設けられた各種操作スイッチからの操作信号が空調制御装置40へ入力される。操作パネルに設けられた各種操作スイッチとしては、車室内空調を行うことを要求する空調作動スイッチ、車室内温度を設定する車室内温度設定スイッチ等が設けられている。
なお、本実施形態の空調制御装置40は、その出力側に接続された各種の制御対象機器の作動を制御する制御部が一体に構成されたものであるが、空調制御装置40のうち、各制御対象機器の作動を制御する構成(ハードウェアおよびソフトウェア)が各制御対象機器の制御部を構成している。
例えば、本実施形態では、圧縮機11の吐出容量制御弁の作動を制御することによって、圧縮機11の冷媒吐出能力を制御する構成が吐出能力制御部40aを構成している。また、空調制御装置40が実行する制御プログラムは、空調制御装置40が有する機能実現部を構成している。
次に、上記構成における本実施形態の冷凍サイクル装置10の作動を説明する。操作パネルの空調作動スイッチが投入(ON)されると、空調制御装置40がそのROM内に記憶されている制御プログラムを実行する。
この制御プログラムでは、上述した空調制御用のセンサ群の検出信号および各種操作スイッチの操作信号を読み込む。そして、読み込んだ検出信号および操作信号の値に基づいて、車室内へ吹き出す吹出空気の目標温度である目標吹出温度TAOを算出する。
さらに、制御プログラムでは、算出された目標吹出温度TAOおよび検出信号に基づいて、圧縮機11等の各種電気式のアクチュエータの制御状態を決定し、決定した制御状態が得られるように各種電気式のアクチュエータに制御信号を出力する。そして、車室内空調の停止が要求されるまで、再び、検出信号および操作信号の読込み→目標吹出温度TAOの算出→新たな制御状態の決定→制御信号の出力といったルーチンを繰り返す。
また、各種電気式のアクチュエータの制御状態の決定する際、圧縮機11の冷媒吐出能力(具体的には、圧縮機11の吐出容量制御弁へ出力される制御電流)については、以下のように決定される。まず、目標吹出温度TAOに基づいて、予め空調制御装置21の記憶回路に記憶された制御マップを参照して、蒸発器16における冷媒蒸発温度の目標値(または、蒸発器14自体の温度の目標値)である目標蒸発器温度TEOを決定する。
このため、制御プログラムのうち、目標蒸発器温度TEOを決定する制御ステップは、目標蒸発器温度決定部40bを構成している。より具体的には、この制御マップでは、蒸発器14の着霜を防止できる範囲(具体的には、1℃以上の範囲)で、目標吹出温度TAOの低下に伴って、目標蒸発器温度TEOが低下するように決定する。
そして、この目標蒸発器温度TEOと蒸発器温度センサによって検出された蒸発器温度Teとの偏差(Te−TEO)に基づいて、フィードバック制御手法を用いて蒸発器温度Teが目標蒸発器温度TEOに近づくように、圧縮機11の吐出容量制御弁に出力される制御電流が決定される。
この制御プログラムによって、圧縮機11が作動すると、外気温Tamが比較的高くなっている(例えば、外気温Tamが20℃より高くなっている)場合のような冷凍サイクル装置10の通常運転時には、吸入側冷媒圧力PSが基準圧力KPSよりも高くなる。従って、圧力弁16がバイパス通路15を閉じる。
従って、通常運転時の冷凍サイクル装置10では、図3のモリエル線図の実線で示すように、圧縮機11から吐出された冷媒(図3のa点)が放熱器12へ流入する。放熱器12へ流入した冷媒は、冷却ファン12aから送風された外気と熱交換し、放熱して凝縮する(図3のa点→b点)。放熱器12にて凝縮した冷媒は、レシーバ12bにて気液分離される。
レシーバ部12bにて分離された液相冷媒は、圧力弁16が閉じているので、バイパス通路15を流通することなく、温度式膨張弁13へ流入する。温度式膨張弁13へ流入した冷媒は、温度式膨張弁13の絞り通路30aにて減圧される(図3のb点→c点)。この際、絞り通路30aの絞り開度は、蒸発器14出口側冷媒(図3のd点)の過熱度SHが基準加熱度KSHに近づくように調整される。
蒸発器14へ流入した低圧冷媒は、送風ファン14aによって送風された送風空気から吸熱して蒸発する(図3のc点→d点)。これにより、送風空気が冷却される。さらに、冷却された送風空気は、必要に応じて蒸発器14の空気流れ下流側に配置された加熱装置(本実施形態では、ヒータコア)にて目標吹出温度TAOとなるまで再加熱されて、車室内へ吹き出される。
蒸発器14から流出した冷媒は、温度式膨張弁13の流出冷媒通路30bを通過して、圧縮機11に吸入され再び圧縮される(図3のd点→a点)。
以上の如く、通常運転時の冷凍サイクル装置10では、蒸発器14にて車室内へ送風される送風空気を冷却することができる。さらに、車両用空調装置は、目標吹出温度TAOに温度調整された送風空気を車室内へ吹き出すことができる。
ここで、本実施形態のように、車両用空調装置に適用される冷凍サイクル装置10では、低外気温時(例えば、外気温Tamが10℃以下)であっても、送風空気を冷却することがある。これは、車両用空調装置では、低外気温時であっても車室内の窓曇りを防止するために、送風空気を冷却して除湿する必要があるからである。
このような運転条件の冷凍サイクル装置10では、高い冷却能力が必要とされないので、空調熱負荷が低い低負荷運転となる。さらに、低負荷運転では、サイクルを循環する循環冷媒流量が減少する。従って、低負荷運転時には、温度式膨張弁13の絞り通路30aの絞り開度も縮小しやすい。
さらに、低外気温時には、外気によって温度式膨張弁13自体が冷却されてしまうので、封入空間内の感温媒体も外気によって冷却されてしまい、絞り通路30aの絞り開度を必要以上に縮小させてしまうことがある。その結果、低外気温時の低負荷運転では、蒸発器14へ供給される冷媒流量が不足して、送風空気を適切に冷却することができなくなってしまうおそれがある。
すなわち、送風空気を充分に除湿することができなくなってしまい、窓曇りを防止することができなくなってしまうおそれがある。
さらに、本実施形態の冷凍サイクル装置10のように、本実施形態の冷凍サイクル装置10のように、蒸発器温度Teが目標蒸発器温度TEOに近づくように、空調制御装置40が圧縮機11の冷媒吐出能力を制御する構成では、蒸発器14へ供給される冷媒流量が不足すると、空調制御装置40が圧縮機11の冷媒吐出能力を増加させる。
これに加えて、本実施形態のように、蒸発器温度センサ41が、蒸発器14の一部の熱交換フィンの温度を検出する構成では、蒸発器14に温度分布が生じていると、蒸発器温度センサ41の検出値が、蒸発器14の平均的な温度よりも低い温度になってしまうおそれもある。その結果、空調制御装置40が圧縮機11の冷媒吐出能力をさらに増加させてしまうこともある。
そして、圧縮機11の冷媒吐出能力を増加させてしまうと、蒸発器14における冷媒蒸発圧力(冷媒蒸発温度)が低下するので、流出冷媒通路30bを流通する冷媒の温度が低下する。このため、温度式膨張弁13がさらに絞り通路30aの絞り開度を減少させる。そして、最終的に温度式膨張弁13の絞り通路30aが閉塞してしまう。
すると、圧縮機11が冷媒を吸入できなくなり、図3のモリエル線図の破線で示すように、上流側冷媒圧力PHが異常上昇し、下流側冷媒圧力PLおよび吸入側冷媒圧力PSが異常低下してしまう。
つまり、本実施形態の冷凍サイクル装置10のように圧縮機11の冷媒吐出能力を制御する構成では、低外気温時等に低負荷運転を行うと、適切な冷却能力を発揮できなくなってしまうだけでなく、圧縮機11が冷媒を吸入できなくなり、圧縮機11の耐久寿命に悪影響を及ぼしてしまうおそれもある。
これに対して、本実施形態の冷凍サイクル装置10では、低外気温時等に低負荷運転を行った場合に、温度式膨張弁13の絞り通路30aが閉塞してしまったとしても、吸入側冷媒圧力PSが、基準圧力KPS以下となった際に、圧力弁16がバイパス通路15を開くことができる。
従って、低負荷運転時であっても、バイパス通路15を介して蒸発器14へ冷媒を供給することができ、低負荷運転時に蒸発器14へ供給される冷媒流量が不足してしまうことを抑制することができる。すなわち、本実施形態の冷凍サイクル装置10によれば、低外気温の低負荷運転時にも、適切な冷却能力を発揮することができる。さらに、車両用空調装置は、除湿された送風空気を車室内へ吹き出すことができ、窓ガラスの曇りを防止することができる。
これに加えて、低負荷運転時に温度式膨張弁13の絞り通路30aが閉塞してしまっても、バイパス通路15を通過した冷媒を、圧縮機11に吸入させることができるので、圧縮機の耐久寿命に悪影響を及ぼしてしまうこともない。
また、本実施形態の冷凍サイクル装置10では、バイパス通路15を開閉する開閉弁として、弁体部16aおよびコイルバネ16bを有する機械的機構で構成された圧力弁16を採用しているので、複雑な制御処理等を必要とすることなく、極めて簡素な構成で低負荷運転時にも冷凍サイクル装置10に適切な冷却能力を発揮させることができるとともに、圧縮機11の保護を図ることができる。
さらに、圧力弁16として、吸入側冷媒圧力PS、下流側冷媒圧力PL、および上流側冷媒圧力PHの差圧で作動する差圧弁構造の弁を採用しつつも、吸入側受圧部の受圧面積ASを上流側受圧部の受圧面積AH等よりも大きくしているので、実質的に、吸入側冷媒圧力PSに応じて開閉する開閉弁を容易に実現することができる。
また、本実施形態の冷凍サイクル装置10では、基準圧力KPSとして、サイクルの通常運転時に吸入側冷媒圧力PSに想定される最低圧力よりも低い値を採用している。具体的には、基準圧力KPSとして、蒸発器14における冷媒蒸発温度が0℃となっている際の冷媒の飽和圧力より低い値を採用している。従って、サイクルの通常運転時には、圧力弁16がバイパス通路15を閉じる。その結果、サイクルの通常運転時には、既存の冷凍サイクル装置10に対して、各構成機器の仕様や制御態様を変更する必要がない。
また、本実施形態の温度式膨張弁13のように、エレメント部32がボデー30の外部に配置されている温度式膨張弁13では、封入空間内の感温媒体が外気によって冷却されやすい。このため、温度式膨張弁13では、蒸発器14出口側冷媒の温度を実際よりも低い値に誤検知しやすい。従って、本実施形態の冷凍サイクル装置10のように、低負荷運転時にバイパス通路15を介して冷媒を蒸発器14へ供給できることは有効である。
(第2実施形態)
本実施形態の温度式膨張弁13では、第1実施形態に対して、図4に示すように、ボデー30の内部に圧力弁16を収容している。
より具体的には、本実施形態の温度式膨張弁13のボデー30には、第1実施形態と同様の構成の弁体部16bおよびコイルバネ16cを収容する収容空間30dが形成されている。この収容空間30dは、ボデー30の内部で、絞り通路30aの上流側の冷媒通路、流出冷媒通路30b、および絞り通路30aの下流側の冷媒通路に連通している。
このため、本実施形態の弁体部16も、第1実施形態と同様に、温度式膨張弁13の絞り通路30aの上流側の上流側冷媒圧力PH、流出冷媒通路30bにおける吸入側冷媒圧力PS、およびバイパス通路30cを介して絞り通路30aの下流側の下流側冷媒圧力PLを受圧することになる。
また、本実施形態のバイパス通路30cは、ボデー30の内部に、収容空間30dと絞り通路30aの下流側の冷媒通路と連通させるように形成されている。さらに、本実施形態の冷凍サイクル装置10では、温度式膨張弁13の外部に配置されたバイパス通路15および圧力弁16が廃止されている。その他の冷凍サイクル装置10の構成および作動は第1実施形態と同様である。
従って、本実施形態の冷凍サイクル装置10においても第1実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態の温度式膨張弁13は、内部にバイパス通路30cと圧力弁16が配置されているので、既存の冷凍サイクル装置に対して容易に適用することができ、冷凍サイクル装置の大型化等を招くこともない。
(他の実施形態)
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。
(1)上述の実施形態では、基準圧力KPSとして、冷媒蒸発温度が0℃となっている際のR1234yfの飽和圧力から、0.2MPaを採用した例を説明したが、基準圧力KPSは、これに限定されない。冷媒の種類や本発明に係る冷凍サイクル装置が適用された装置の用途に応じて決定すればよい。
例えば、上述の実施形態と同様に、車両用空調装置に適用されて、冷媒として二酸化酸素を採用して超臨界冷凍サイクルを構成する冷凍サイクル装置では、蒸発器14における冷媒蒸発温度が0℃となっている際の冷媒の飽和圧力(約3.5MPa)より低い値として、3.0MPaを採用してもよい。
例えば、低外気温時でも庫内を冷却することのある冷凍冷蔵装置であって、庫内を−18℃程度に冷却する冷凍冷蔵装置に適用された冷凍サイクル装置では、準圧力KPSとして、蒸発器14における冷媒蒸発温度が−18℃となっている際の冷媒の飽和圧力より低い値を採用してもよい。また、別の用途に適用される冷凍サイクル装置では、基準圧力KPSとして、負圧(0.1013MPaより低い値)を採用してもよい。
(2)上述の第1実施形態では、バイパス通路15の最上流側に圧力弁16を配置した例を説明したが、圧力弁16の配置はこれに限定されない。
また、上述の実施形態の圧力弁16では、最小径部16eの先端部(面積AHの部位)を上流側受圧部とし、中間径部16gと最小径部16eとの段差部(面積ALの部位)を下流側受圧部とした例を説明したが、圧力弁16の構成はこれに限定されない。例えば、中間径部16gと最小径部16eとの段差部を上流側受圧部とし、最小径部16eの先端部を下流側受圧部としてもよい。
(3)冷凍サイクル装置10を構成する各構成機器は、上記の実施形態に開示されたものに限定されない。
例えば、上述の実施形態では、圧縮機11として、エンジン駆動式の可変容量型圧縮機を採用した例を説明したが、圧縮機11はこれに限定されない。圧縮機11として、電磁クラッチの断続により圧縮機の稼働率を変化させて冷媒吐出能力を調整する固定容量型圧縮機を採用してもよい。さらに、固定容量型圧縮機構と電動モータとを備え、電力を供給されることによって作動する電動圧縮機を採用してもよい。電動圧縮機では、電動モータの回転数を調整することによって、冷媒吐出能力を制御することができる。
また、上述の実施形態では、放熱器12として、高圧冷媒を放熱させて凝縮させる凝縮用熱交換器を採用した例を説明したが、放熱器12はこれに限定されない。例えば、放熱器12とレシーバ12bとを一体化させたレシーバ一体型の凝縮器を採用してもよい。さらに、冷媒を凝縮させる凝縮部、凝縮部にて冷却された冷媒の気液を分離するレシーバ部、レシーバ部にて分離された液相冷媒を過冷却する過冷却部を有するサブクール型凝縮器を採用してもよい。
また、上述の実施形態では、冷媒としてR1234yfを採用した例を説明したが、冷媒はこれに限定されない。例えば、R134a、R600a、R410A、R404A、R32、R407C、等を採用することができる。または、これらの冷媒のうち複数種を混合させた混合冷媒等を採用してもよい。さらに、冷媒として二酸化炭素を採用して、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルを構成してもよい。
さらに、上述の実施形態で説明した冷凍サイクル装置10に、サイクルの高圧側冷媒と低圧側冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を追加してもよい。サイクルの高圧側冷媒としては、放熱器12の出口側から温度式膨張弁13の絞り通路30aの入口側へ至る冷媒流路を流通する冷媒を採用してもよい。また、サイクルの低圧側冷媒としては、温度式膨張弁13の流出冷媒通路30bの出口側から圧縮機11の吸入口側へ至る冷媒流路を流通する冷媒を採用することができる。
11 圧縮機
12 放熱器
13 温度式膨張弁(減圧装置)
14 蒸発器
15、30c バイパス通路
16 圧力弁(開閉弁)
16a 弁体部
16b コイルバネ(弾性部材)
30a 絞り通路

Claims (6)

  1. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機(11)と、
    前記圧縮機から吐出された高圧冷媒を放熱させる放熱器(12)と、
    前記放熱器から流出した冷媒を減圧させる減圧装置(13)と、
    前記減圧装置にて減圧された低圧冷媒を蒸発させて、冷却対象流体を冷却する蒸発器(14)と、
    前記減圧装置にて冷媒を減圧させる絞り通路(30a)の上流側の冷媒を、前記絞り通路を迂回させて前記絞り通路の下流側へ導くバイパス通路(15、30c)と、
    前記バイパス通路を開閉する開閉弁(16)と、を備え、
    前記減圧装置は、前記蒸発器の出口側冷媒の温度に応じて、前記出口側冷媒の過熱度(SH)が予め定めた基準過熱度(KSH)に近づくように前記絞り通路の絞り開度を変化させる温度式膨張弁であり、
    前記開閉弁は、前記バイパス通路を開閉する弁体部(16b)、および前記弁体部に対して前記バイパス通路を開く側に付勢する荷重をかける弾性部材(16c)を有し、前記圧縮機の吸入側の吸入側冷媒圧力(PS)が、予め定めた基準圧力(KPS)以下となった際に、前記バイパス通路を開く圧力弁であり、
    前記基準圧力(KPS)は、サイクルの通常運転時に前記吸入側冷媒圧力(PS)に想定される最低圧力よりも低い値に設定されている冷凍サイクル装置。
  2. 空調装置に適用される冷凍サイクル装置であって、
    前記基準圧力(KPS)は、前記蒸発器における冷媒蒸発温度が0℃となっている際の冷媒の飽和圧力よりも低い値に設定されている請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
  3. 前記温度式膨張弁は、前記絞り開度を変化させる絞り弁(31)を収容するボデー(30)を有し、
    前記バイパス通路(30c)は、前記ボデーに形成されており、
    前記圧力弁は、前記ボデーに収容されている請求項1または2に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 前記弁体は、前記絞り通路の上流側の上流側冷媒圧力(PH)を受圧する上流側受圧部(16e)、および前記吸入側冷媒圧力(PS)を受圧する吸入側受圧部(16f)を有し、
    前記吸入側受圧部の受圧面積(AS)は、前記上流側受圧部の受圧面積(AH)よりも大きい請求項1ないし3のいずれか1つに記載の冷凍サイクル装置。
  5. 前記温度式膨張弁は、前記絞り開度を変化させる絞り弁(31)を収容するボデー(30)、および前記蒸発器出口側冷媒の温度に応じて前記絞り弁を変位させる駆動機構(32)を有し、
    前記駆動機構は、前記ボデーの外側に取り付けられている請求項1ないし4のいずれか1つに記載の冷凍サイクル装置。
  6. 前記蒸発器の蒸発器温度(Te)を検出する蒸発器温度検出部(41)と、
    前記蒸発器の目標蒸発器温度(TEO)を決定する目標蒸発器温度決定部(40b)と、
    前記圧縮機の冷媒吐出能力を制御する吐出能力制御部(40a)と、を備え、
    前記吐出能力制御部は、前記蒸発器温度(Te)が前記目標蒸発器温度(TEO)に近づくように、前記冷媒吐出能力を制御するものである請求項1ないし5のいずれか1つに記載の冷凍サイクル装置。
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