JP3845186B2 - 自動車用冷房装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍サイクル中に冷媒膨脹用のオリフィス部を有する自動車用冷房装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用冷房装置の中には、温度式膨脹弁の代わりに弁開度の調整機能のないオリフィス部を用いて冷凍サイクルを構成し、冷媒の絞り膨脹を行うようにしたものがある。この種の自動車用冷房装置の冷凍サイクル１は、図４に示すように、図示しない走行用のエンジンによってベルト等を介して駆動されるコンプレッサ２と、このコンプレッサ２によって圧縮され高温高圧となった冷媒を走行風等により冷却し凝縮液化させるコンデンサ３と、コンデンサ３からの冷媒を絞り膨脹させるオリフィス部４と、冷媒を蒸発させて車室内に吹き出す空気を冷却するエバポレータ５と、余剰冷媒の貯溜と気液の分離を行いガス冷媒のみをコンプレッサ２に戻すアキュムレータ６とから構成されている。
【０００３】
固定オリフィスシステムは冷媒膨脹用に絞り度（開度ともいう）が固定の固定オリフィス（たとえば、細径チューブからできているオリフィスチューブをオリフィス部４としたもの）を採用したシステムであり、通常、最大冷房時を基準に設計されている。すなわち、エバポレータ５内の冷媒圧力を最大冷房時に必要とする程度の低い圧力に維持しうる絞り度となるようにオリフィスチューブの内径を設計するとともに、最大冷房時に必要とする冷媒流量をエバポレータ５内に流すようにしている。かかるシステムは、構造が簡単で製造コストが抑えられるというメリットがあるため、欧米の一部のカーエアコンで用いられている。
【０００４】
ところが、固定オリフィスシステムは、一般に、通常走行時（中高速走行時）を設計基準とし、この基準時で最大冷房状態となる冷媒流量が得られるようにオリフィスチューブの内径を設定してあるため、性能面において低負荷時、高速走行時などの冷房能力は十分に備えるが、元来冷媒流量調節機能がないため、高負荷時、アイドリング時などの冷房能力が不足するという欠点がある。かかる欠点は、交通渋滞などがない環境では実際上それほど問題とはならないが、交通渋滞などが頻繁に起こる環境では重大な問題となる。
【０００５】
そこで、アイドリング時の冷力不足を補い、高速走行からアイドリングまでの車速の全範囲に対応して冷房能力を維持するため、入口と出口の圧力差を感知して冷媒流量を二段階に制御する冷媒膨脹システム（ダブルオリフィスシステム）が考案されている。このダブルオリフィスシステムの作動原理は、径違いのオリフィスを環境条件によって使い分けることで冷媒流量の調整を行うというものである。これにより、温度式膨脹弁を用いたシステムに代わる安価なシステムを提供することができる。
【０００６】
このようなダブルオリフィスシステムとして、たとえば、図５に示すようなものが提案されている（実開平２−７３５６９号公報）。
【０００７】
このオリフィス部４ａは、コンデンサ３と連通する入口ポート１１とエバポレータ５と連通する出口ポート１２とが形成されたケーシング１０を有し、このケーシング１０内部の入口ポート１１側には弁収容室１３が形成されている。この弁収容室１３には第１オリフィスチューブ１７を取り付けた弁体１４が進退自在に嵌挿されている。この弁体１４はスプリング１５によって高圧側に常時バネ付勢されている。弁体１４とケーシング１０内周壁に設けた弁口１８との間には、弁体１４の進退移動によって開閉される冷媒流通路であるスロート部１９が形成されている。また、弁収容室１３と低圧側回路を仕切る隔壁部２０には、両ポート１１、１２を連通し第１オリフィスチューブ１７よりも大きい径を持った第２オリフィスチューブ２１が貫通固定されている。高速走行時などコンデンサを通過する走行風が多くコンデンサでの冷媒冷却凝縮量が多いときや、冷房の負荷の少ないときのように高圧側回路と低圧側回路の圧力差が所定値以下であるとき、弁体１４はスロート部１９を開き、入口ポート１１に圧送されてきた冷媒はスロート部１９および第２オリフィスチューブ２１を通って絞り膨脹され、出口ポート１２に噴出される。一方、渋滞時のアイドリング時などコンデンサを通過する走行風が少なくコンデンサでの冷媒凝縮量が少ないときや、冷房の負荷の多いときのように前記圧力差が所定値以上であるときには、弁体１４はスロート部１９を閉じ、入口ポート１１に圧送されてきた冷媒は第１オリフィスチューブ１７を通って絞り膨脹される。これにより、エバポレータ５内の冷媒の圧力が十分に低下され、冷媒の蒸発温度が低下するので、アイドリング時の冷力不足が解消される。なお、同図中、１６はケーシング１０内周壁の複数箇所に設けられたストッパである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のダブルオリフィスシステム（オリフィス部４ａ）の構造にあっては、第１オリフィスチューブ１７は単に弁体１４の中心軸に下流側に延伸して接続されているだけであり、下流側に位置するその先端部（冷媒出口側）１７ａは支持のないいわばフリーの状態となっているので、冷媒通過時に第１オリフィスチューブ１７の先端部１７ａが振れて冷媒の流れが安定しなくなるおそれがある。
【０００９】
また、上記のように、高速走行時などにはスロート部１９は開いており、入口ポート１１に圧送されてきた冷媒の大部分はスロート部１９を通過して弁収容室１３に噴出されて第１段目の絞り膨脹が行われ、さらに、第２オリフィスチューブ２１を通過して出力ポート１２側に向かって噴出されて第２段目の絞り膨脹が行われ、一方、アイドリング時などにはスロート部１９は閉じており、入口ポート１１に圧送されてきた冷媒は第１オリフィスチューブ１７のみを通過して絞り膨脹が行われることになっているが、実際には後者の場合においても、冷媒がスロート部１９で絞られ圧力降下を起こす可能性がある。よって、いずれの場合においても、冷媒がスロート部１９で圧力降下を起こす可能性があるため、圧力差による流量制御が難しくなり、言わば狙った制御ができないおそれがある。
【００１０】
本発明は、従来のダブルオリフィスシステムにおける上記課題に着目してなされたものであり、簡単な構造で温度式膨脹弁と同等の性能を持つ冷媒流量調整機能を持ったオリフィス部を有する自動車用冷房装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、冷凍サイクルの高圧側回路から低圧側回路に向かって循環しエバポレータに流入する冷媒を絞り膨脹させるオリフィス部を設けてなる自動車用冷房装置において、前記オリフィス部は、開口面積が入口側から出口側に向かって連続的に減少する溝が形成された第１部材を有し、該第１部材にばね付勢された第２部材を前記溝に沿う貫通穴に摺動自在に嵌挿して、前記溝の一部として前記第１部材と前記第２部材との間に形成される隙間を冷媒の絞り膨脹を行うオリフィスとして機能させてなることを特徴とする。
【００１２】
本発明の構成によると、溝の一部として第１部材と第２部材との間に形成される隙間がオリフィスとして機能する。溝は開口面積が入口側から出口側に向かって連続的に減少しているため、自動車の走行状態などによって決まる高圧側回路と低圧側回路との圧力差によって第２部材が進退移動することにより、前記隙間（オリフィス）の長さと径が変化して、オリフィスの絞り度が連続的に変わることになる。
【００１３】
すなわち、通常走行時などにおいては高圧側回路の圧力が低く、高圧側回路と低圧側回路との圧力差が小さいので、第２部材は後退位置にある。このとき、前記隙間（オリフィス）の絞り度は最小となっている。この状態で、当該オリフィス部の入口に圧送されてきた冷媒は、オリフィスとしての前記隙間（溝の一部）を通過して絞り膨脹が行われ、当該オリフィス部の出口に噴出される。
【００１４】
一方、アイドリング時などにおいては高圧側回路の圧力が上昇し、高圧側回路と低圧側回路との圧力差が増大するため、第２部材はばねの弾撥力に抗して徐々に低圧側に向かって前進し、これに伴い前記隙間（オリフィス）の絞り度は徐々に大きくなって最大に達する。この状態で、当該オリフィス部の入口に圧送されてきた冷媒は、オリフィスとしての前記隙間（溝の一部）を通過して絞り膨脹が行われ、当該オリフィス部の出口に噴出される。
【００１５】
請求項２記載の発明は、上記請求項１記載の発明において、前記第２部材は断面が円形以外の形状をしていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の構成によると、第２部材の断面が円形以外の形状をしているため、第２部材は軸心方向にのみ移動可能で、軸心回りの回転や振動は抑制されることになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を使って本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
図１は本発明の一実施の形態に係る自動車用冷房装置に使用されるオリフィス部の構成部品を示す分解斜視図である。また、図２は同オリフィス部の縦断面模式図であり、同図（Ａ）は通常走行時における状態を示し、同図（Ｂ）はアイドリング時における状態を示している。
【００１９】
このオリフィス部４ｂは、図４に示す冷凍サイクル１において冷媒を断熱膨脹させて低温低圧の霧状冷媒にする機能を有し、エバポレータ５に案内する冷媒の流量および圧力を入口と出口の圧力差を感知して無段階に制御する装置であって、冷媒配管に取り付け固定される第１部材３０と、この第１部材３０内に軸心方向に摺動（スライド）自在に嵌挿される第２部材４０と、スプリング（弾性体）５０と、このスプリング５０のばね付勢を規制するスプリングストッパ６０と、第１部材３０の外周部の冷媒の流れをシールするＯリング７０と、第２部材４０の脱落を防止するためのキャップ（蓋）部材８０とで構成されている。なお、このオリフィス部４ｂは、たとえば、Ｏリング７０を第１部材３０に取り付けた状態で所定の適当な冷媒配管の内部に圧入して使用される。
【００２０】
第１部材３０には、半円柱形状の第２部材４０が嵌挿される、開口断面が半円形の貫通穴３１と、半径が入口側から出口側に向かって直線的に減少した、開口断面が半円形のオリフィス溝３２とが形成されている。貫通穴３１の半円の中心とオリフィス溝３２の半円の中心とは共通の軸心上に設けられている。ここで、入口側とは、当該オリフィス部４ｂの冷媒入口側であって高圧側回路の一部をなすコンデンサ３と接続され、出口側とは、当該オリフィス部４ｂの冷媒出口側であって低圧側回路の一部をなすエバポレータ５と接続されている。
【００２１】
第２部材４０は、上記のように断面が半円形の半円柱形状をしており、第１部材３０の貫通穴３１に軸心方向に摺動自在に嵌挿されている。このように、第２部材４０の断面形状を円形以外の形状（ここでは、半円形）とすることで、第２部材４０は、軸心方向にのみ移動可能となり、軸心回りの回転や振動が抑制されるので、作動の安定性が得られることになる。
【００２２】
第２部材４０は、第１部材３０の貫通穴３１の入口側（高圧側）端部に摺動自在に嵌挿され、第１部材３０の貫通穴３１の出口側（低圧側）端部にはスプリングストッパ６０が圧入により嵌挿、固定されている。スプリングストッパ６０には、たとえば、図示しないスリットが設けられ、このスリットを通って冷媒が通過する。スプリング５０は、第２部材４０とスプリングストッパ６０との間に介装されている。なお、第２部材４０が後退限位置にあるとき（図２（Ａ）参照）スプリング５０の弾撥力によって第２部材４０が後退限位置からさらに高圧側に移動するのを阻止するため、適当な機構、例えば、開口部８１を有するキャップ部材８０が取り付けられている。
【００２３】
冷媒の絞り膨脹を行うオリフィスは、オリフィス溝３２の一部として第１部材３０と第２部材４０の間に形成される隙間３３によって構成される。この隙間３３は、第２部材４０がスライドすることで、軸心方向の長さａと先端位置の開口面積（オリフィス径ｂ）が変化して、オリフィスとしての絞り度が連続的に変化するようになっている。つまり、可変オリフィスが構成されることになる。
【００２４】
第２部材４０は、スプリングストッパ６０との間に介装されたスプリング５０によって高圧側、つまり冷媒の流れの上流側の方向に常時ばね付勢されており、この第２部材４０が進退移動することによってオリフィスとして機能する前記隙間３３（以下単に「オリフィス」という）の絞り度が一定の範囲で連続的に可変される。つまり、第２部材４０が後退限位置にあるとき、図２（Ａ）に示すように、スプリング５０は定常状態を保ち、第２部材４０は静止状態にあり、オリフィス３３の絞り度は最小（オリフィス径ｂ1 は最大）となっているが、この状態から第２部材４０が前進移動すると、スプリング５０が徐々に縮められ、オリフィス３３の絞り度も徐々に大きくなり、図２（Ｂ）に示すように、第２部材４０が前進限位置に達すると、オリフィス３３の絞り度は最大（オリフィス径ｂ2 は最小）となる。すなわち、第２部材４０が後退限位置から前進限位置に移動することで、オリフィス３３の絞り度は最小から最大まで（オリフィス径は最大から最小まで）直線的に変化するようになっている。
【００２５】
このように、オリフィス部４ｂは第１部材３０と第２部材４０を組み合わせた無段階可変構造をしており、第２部材４０は、入口と出口の圧力差とばね荷重とによって作動（可動）し、アイドリング時などの凝縮圧力上昇時には低圧側、つまり冷媒の流れ方向に前進移動して、オリフィス３３の絞り度を大きくするようになっている。
【００２６】
すなわち、第２部材４０によるオリフィス３３の切換えは、第２部材４０に作用する三つの力、つまり高圧側回路の圧力と、スプリング５０の弾撥力と、低圧側回路の圧力によって決まる貫通穴３１内の圧力とのバランスによってなされる。特に、本実施の形態では、高圧側回路の圧力（コンデンサ３における凝縮圧力）と低圧側回路の圧力（エバポレータ５における蒸発圧力）との圧力差が所定値以上になると、第２部材４０がスプリング５０の弾撥力に抗して前進移動を開始してオリフィス３３を可変するように、スプリング５０の弾撥力の値を設定してある。ここで、コンデンサ３における冷媒の凝縮圧力とは、コンプレッサ２の能力による循環冷媒流量とコンデンサ３での熱負荷とによって決まるものであり、エバポレータ５における冷媒の蒸発圧力とは、前記循環冷媒流量とエバポレータ５での熱負荷とによって決まるものである。
【００２７】
オリフィス３３の絞り度が最小および最大のときのオリフィス長ａ1 、ａ2 およびオリフィス径ｂ1 、ｂ2 の各値をどのように設定するかは、通常走行時（たとえば、中高速走行時）およびアイドリング時でそれぞれ最大冷房時に必要とされるエバポレータ５の冷媒圧力および循環冷媒流量が得られるように設定されている。たとえば、オリフィス３３の絞り度が最小のときのオリフィス径（最大値）はφ１.４５〜１.８mmに設定され、システムとしてのオイル戻りなどの信頼性をも含めて一般の固定オリフィスシステムと同等の性能を有する径とされている。
【００２８】
また、スプリング５０の弾撥係数や第２部材４０のスライド量も、要求性能に応じて適当に設定されている。
【００２９】
次に、作用を説明する前に、自動車用冷房装置１の作動原理を図３に示すモリエル線図に基づいて簡単に説明しておく。
【００３０】
図中実線で示す冷凍サイクルは、自動車が通常に走行している場合を示しており、コンプレッサで断熱圧縮された高温高圧のガス冷媒（Ａ位置）は、コンデンサ３にて外部に熱を放出して中温高圧の液冷媒（Ｂ位置）となる。この液冷媒は、オリフィス部４ｂを通過して絞り膨張が行われて低温低圧の霧状冷媒（Ｃ位置）となる。この霧状冷媒は、エバポレータ５にて空気と熱交換して該空気を冷却し、過熱蒸気（Ｄ位置）となってコンプレッサ２に吸引される。このとき、エンジンによって駆動されるコンプレッサ２の回転数が高いため、冷媒の圧送・吸引量（つまり、循環冷媒流量）は多く、吸入圧は低くなる。また、コンデンサ３に当たる風の量が多いため、冷媒は十分に凝縮され、凝縮圧力も低くなる。
【００３１】
一方、図中破線ａ→ｂ→ｃ→ｄで示す冷凍サイクルは、エンジンがアイドリング状態にある場合を示している。このとき、エンジンによって駆動されるコンプレッサ２の回転数が低いため、冷媒の圧送・吸引量（つまり、循環冷媒流量）は少なく、吸入圧は高くなる。また、コンデンサ３に当たる風の量が少ないため、冷媒は十分に凝縮されず、凝縮圧力も高くなる。
【００３２】
したがって、アイドリング時において、高圧側回路と低圧側回路との圧力差ΔＰ2 は、通常走行時の圧力差ΔＰ1 と比べて一般的に大きくなっている。
【００３３】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００３４】
まず、通常走行時にあっては、高圧側回路の冷媒圧力が低く、オリフィス３３を通過する前後の冷媒の圧力差が小さい、つまり高圧側回路と低圧側回路との圧力差ΔＰ1 が所定値以下であるため、図１（Ａ）に示すように、スプリング５０は定常状態を保ち、第２部材４０は後退限位置に静止している。つまり、オリフィス３３通過後の貫通穴３１内の冷媒圧力とスプリング５０の弾撥力との合成力による高圧側方向への力の方が、高圧側回路の圧力によって第２部材４０に作用する低圧側方向への力よりも大きい状態となっている。このとき、オリフィス３３の絞り度は最小（オリフィス径ｂ1 は最大）となっている。
【００３５】
したがって、オリフィス部４ｂの入口に圧送されてきた冷媒は、絞り度が最小であるオリフィス３３（オリフィス溝３２の一部）を通過して絞り膨脹が行われた後、オリフィス溝３２の残りの部分、スプリング５０が収容されてる貫通穴３１の部分、およびスプリングストッパ６０のスリットを通って該オリフィス部４ｂの出口に噴出される。そして、出口に噴出した冷媒は、冷媒配管を通ってエバポレータ５に送られ、空気と熱交換を行って該空気を冷却する。
【００３６】
このように、通常走行時には、オリフィス３３の絞り度が最小（オリフィス径ｂ1 は最大）の状態で冷媒の絞り膨張が行われるので、エバポレータ５に達する冷媒の流量が多くなり、所定の冷房性能を発揮することができる。
【００３７】
一方、このような状態から減速したとえば渋滞などに会ってアイドリング状態になった場合には、上記の原理により、高圧側回路の圧力が上昇し、高圧側回路と低圧側回路との圧力差が増大するため、高圧側回路の圧力によって第２部材４０に作用する低圧側方向への力の方が、オリフィス３３通過後の貫通穴３１内の冷媒圧力とスプリング５０の弾撥力との合成力による高圧側方向への力よりも大きい状態となり、第２部材４０が低圧側の方向へ前進移動を始めて、スプリング５０が徐々に縮められ、オリフィス３３の絞り度も徐々に大きくなる。そして、図１（Ｂ）に示すように、第２部材４０が前進限位置に達すると、オリフィス３３の絞り度は最大（オリフィス径ｂ2 は最小）となる。
【００３８】
したがって、オリフィス部４ｂの入口に圧送されてきた冷媒は、絞り度が増大したオリフィス３３（オリフィス溝３２の一部）を通過して絞り膨脹が行われた後、オリフィス溝３２の残りの部分、スプリング５０が収容されてる貫通穴３１の部分、およびスプリングストッパ６０のスリットを通って該オリフィス部４ｂの出口に噴出される。そして、出口に噴出した冷媒は、冷媒配管を通ってエバポレータ５に送られ、空気と熱交換を行って該空気を冷却する。
【００３９】
このようにして、アイドリング時には、オリフィス３３の絞り度が最大（オリフィス径ｂ2 は最小）の状態で冷媒の絞り膨脹が行われるので、エバポレータ５内の冷媒の圧力が低くなる。このように冷媒の蒸発圧力が低い状態の下では、冷媒の蒸発温度も低くなり、自動車用冷房装置の冷房性能は比較的高い値を示すことになるので、アイドリング時の循環冷媒流量の少なさが補われ、所望の冷房能力が維持されることになる。
【００４０】
したがって、オリフィス部を有する自動車用冷房装置においても、通常走行時のみならずアイドリング時にも所望の冷房能力を維持することが可能となる。
【００４１】
このように、本実施の形態によれば、従来のように通常の固定オリフィスと開閉機構を有するオリフィスとを組み合わせたシステムにより流量制御を行うのではなく、オリフィス３３の絞り度を最小から最大まで（オリフィス径を最大径から最小径まで）直線的に変化させる機能を有する無段階制御のシステムとしたので、きめ細かな流量制御が可能となる。
【００４２】
また、従来のようにオリフィス切換え用の開閉機構を持たないので、同機構によって発生する急激な圧力変化はなく、冷媒の流れが安定する。また、これにより、作動音、冷媒流動音も抑えられる。
【００４３】
さらに、上記したように、第２部材４０の断面形状を半円形にすることで、第２部材４０の振動や回転を抑制するという効果もある。
【００４４】
【発明の効果】
したがって、請求項１記載の発明によれば、圧力差とばね荷重とで第２部材をスライドさせてオリフィスの絞り度を負荷に応じて連続的に変化させる構造としたので、アイドリング時においてエバポレータ内の冷媒の圧力が低下し、この時の循環冷媒流量の少なさを補って、アイドリング時でも所望の冷房能力を維持することができる。このとき、オリフィスの切換えに開閉機構を持たないため、急激な圧力変化がなく、冷媒の流れが安定し、圧力差による所期の流量制御を容易に行うことができるとともに、作動音、冷媒流動音が抑えられる。
【００４５】
請求項２記載の発明によれば、上記請求項１記載の発明の効果に加え、第２部材の断面形状を円形以外の形状としたので、第２部材の回転や振動が防止され、第２部材の作動の安定性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態に係る自動車用冷房装置に使用されるオリフィス部の構成部品を示す分解斜視図である。
【図２】 同オリフィス部の縦断面模式図である。
【図３】 冷凍サイクルをモリエル線図上に表したグラフである。
【図４】 オリフィス部を有する自動車用冷房装置の冷凍サイクルの回路図である。
【図５】 従来のオリフィス部を示す縦断面図である。
【符号の説明】
４ｂ…オリフィス部
５…エバポレータ
３０…第１部材
３１…貫通穴
３２…オリフィス溝（溝）
３３…隙間またはオリフィス
４０…第２部材
５０…スプリング（ばね）
６０…スプリングストッパ
７０…Ｏリング
８０…キャップ部材

Claims (2)

1. 冷凍サイクルの高圧側回路から低圧側回路に向かって循環しエバポレータ（５）に流入する冷媒を絞り膨脹させるオリフィス部（４）を設けてなる自動車用冷房装置において、
   前記オリフィス部（４）は、開口面積が入口側から出口側に向かって連続的に減少する溝（３２）が形成された第１部材（３０）を有し、該第１部材（３０）にばね付勢された第２部材（４０）を前記溝（３２）に沿う貫通穴（３１）に摺動自在に嵌挿して、前記溝（３２）の一部として前記第１部材（３０）と前記第２部材（４０）との間に形成される隙間（３３）を冷媒の絞り膨脹を行うオリフィスとして機能させてなることを特徴とする自動車用冷房装置。
2. 前記第２部材（４０）は断面が円形以外の形状をしていることを特徴とする請求項１記載の自動車用冷房装置。

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