JP3984779B2 - 冷凍サイクル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷凍サイクルに関し、特に自動車用空調装置で通常は冷房用熱交換器として用いられる内部熱交換器を暖房用熱交換器として用いるようにした冷凍サイクルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用空調装置は、車室内に、低温冷媒により冷風を作る内部熱交換器（エバポレータ）と、エンジンの冷却水から温風を作るヒータコアとを有し、冷風と温風とを適宜混合して車室内を快適な空気温度になるよう制御している。
【０００３】
ところが、近年、エンジンの燃焼効率の向上に伴い、エンジンの冷却水の水温が低くなっているため、冷却水を暖房用の熱源として利用した場合に、冬期では十分な暖房温度を得ることが難しくなってきている。そこで、フロンガスなどを使って冷房と一緒に暖房もできるようなシステムのニーズが増えている。このようなシステムは、たとえば特開平１１−３４４２６３号公報にバイパス管路付冷凍サイクルとして提案されている。
【０００４】
図４は従来のバイパス管路付冷凍サイクルの一例を示す構成図である。
このバイパス管路付冷凍サイクルによれば、コンプレッサ１と、車室外に設けられた外部熱交換器２と、膨張弁３と、車室内に設けられた内部熱交換器４と、アキュムレータ５とによって通常の冷凍サイクルを構成し、この通常の冷凍サイクルに加えて、コンプレッサ１から送り出された高圧冷媒ガスを外部熱交換器２をバイパスさせて内部熱交換器４に直接送り込ませるためのバイパス管路６が併設されている。
【０００５】
また、このバイパス管路付冷凍サイクルは、コンプレッサ１から送り出される高圧冷媒を外部熱交換器２またはバイパス管路６のいずれかに向かわせるよう管路の切り換えを行う開閉弁７，８と、外部熱交換器２と膨張弁３との間に設けられた逆止弁９と、バイパス管路６に流れる高圧冷媒に対して膨張弁として作用する減圧用の定差圧弁１０と、内部熱交換器４とアキュムレータ５との間に設けられた膨張弁１１、熱交換器１２、開閉弁１３とを備えている。熱交換器１２は、膨張弁１１にて断熱膨張された低温冷媒にたとえばエンジン冷却水の熱を与えてアキュムレータ５に戻すためのものである。
【０００６】
このように構成されたバイパス管路付冷凍サイクルにおいて、冷房時には、開閉弁７を開け、開閉弁８を閉じるように制御してコンプレッサ１から送り出された高圧冷媒をすべて外部熱交換器２に向かわせるようにし、内部熱交換器４の下流側に設けられた開閉弁１３を開けて、内部熱交換器４から出た冷媒を直接アキュムレータ５に行くようにしている。これにより、車室内に設けられている内部熱交換器４が本来のエバポレータとして作用し、そこでの周囲の空気と冷媒との熱交換によって冷房が行われる。
【０００７】
暖房時には、開閉弁７，１３を閉じ、開閉弁８を開けるように制御してコンプレッサ１から送り出された高圧冷媒をバイパス管路６に向かわせ、内部熱交換器４から出た冷媒を膨張弁１１および熱交換器１２を通してアキュムレータ５に行くようにしている。これにより、コンプレッサ１から送り出された高圧冷媒は、外部熱交換器２へは行かずにすべてバイパス管路６内を流れ、定差圧弁１０を通ることによって低圧設計の内部熱交換器４に合った圧力に減圧され、そして内部熱交換器４を通過する際に、コンプレッサ１において与えられた顕熱を冷媒から奪う熱交換が行われて暖房が行われる。したがって、内部熱交換器４は、ここでは暖房のための放熱器として作用する。内部熱交換器４にて熱交換された冷媒は、膨張弁１１にて膨張して減圧され、熱交換器１２にて加熱されてアキュムレータ５に戻される。
【０００８】
ここで、冬場の寒い時期に暖房運転をする場合を考える。冷凍サイクルの中で外気に曝されている部分が外部熱交換器２であり、極寒時における駐車ではこの外部熱交換器２が外気によって最も良く冷やされる。冷媒は、冷凍サイクルの中で最も低い温度のところに集まる習性を持っており、したがって、長時間の駐車では、開閉弁７および逆止弁９の微小リークにより、冷媒は最も温度の低い外部熱交換器２に集まる傾向がある。
【０００９】
このように冷媒が外部熱交換器２に集まった状態でエンジンを始動し、暖房運転をしようとすると、外部熱交換器２をバイパスする暖房のサイクル内には冷媒がほとんどない状態が発生することになるため、十分な暖房性能を得ることができなくなる。
【００１０】
そこで、暖房運転する場合には、それに先立って冷房運転が行われる。すなわち、コンプレッサ１から外部熱交換器２に高温高圧のガスを供給して加熱し、中に貯っていた冷媒が凝縮できないようにする。この冷房運転をしばらく続けると、外部熱交換器２に貯っていた冷媒は、冷凍サイクル内を循環するようになり、アキュムレータ５まで戻って貯ってくるようになる。その時点で、開閉弁７，８，１３を切り換え、暖房運転モードにすると、暖房のサイクル内にある冷媒によって暖房運転することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のバイパス管路付冷凍サイクルでは、寒いときに暖房をしようとする際に、直接暖房運転モードにするのではなく、一旦冷房運転モードにしなければならないという問題点があった。また、モード切り換えのための制御デバイスが多く必要であることから、システムのコストが高くなるという問題点があった。
【００１２】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、暖房のサイクル内に冷媒が少ない状態での暖房運転でも、暖房性能を得ることができ、コストの低い冷凍サイクルを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記問題を解決するために、コンプレッサ、外部熱交換器、第１定差圧弁および第１オリフィス、内部熱交換器、およびアキュムレータをこの順に管路で接続してなる冷凍サイクルにおいて、冷房運転時に前記コンプレッサと前記外部熱交換器とを接続するとともに前記内部熱交換器と前記アキュムレータとを接続し、暖房運転時には前記コンプレッサと前記内部熱交換器とを接続するとともに前記外部熱交換器と前記アキュムレータとを接続する四方弁と、前記第１オリフィスと前記内部熱交換器との接続部と前記アキュムレータとの間の管路に設けられて暖房運転時に前記内部熱交換器で熱交換された冷媒の断熱膨張および加熱を行う第２定差圧弁、第２オリフィスおよび水熱交換器と、前記四方弁の暖房運転時における切り換え位置にて接続される前記外部熱交換器と前記アキュムレータとの間の管路に前記外部熱交換器から前記アキュムレータへの方向にのみ冷媒を流すことができる逆止弁と、を備えていることを特徴とする冷凍サイクルが提供される。
【００１４】
このような冷凍サイクルによれば、暖房運転時には、四方弁が外部熱交換器とアキュムレータとを接続するよう冷媒の管路を切り換えるので、外部熱交換器が暖房のサイクルから外れるにも拘らず、コンプレッサの吸い込み側に設けられたアキュムレータと接続状態にある。このため、極寒時に冷媒が外部熱交換器に集まって暖房のサイクル内に少ない状態にあっても、暖房運転を継続していくうちに外部熱交換器に貯っていた冷媒がアキュムレータへ吸い出されていくようになる。このように、冷媒がアキュムレータに回収されることにより、暖房性能が得られるようになる。また、冷房運転モードと暖房運転モードとで冷媒の管路の切り換えを１つの四方弁で行うようにしたことにより、必要な制御デバイスが少なくて済み、コストを下げることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係る冷凍サイクルの構成図である。
【００１６】
本発明による冷凍サイクルは、コンプレッサ１と、このコンプレッサ１の出力をポートＡに受ける四方弁２０と、この四方弁２０のポートＢに接続された外部熱交換器２と、この外部熱交換器２の下流側管路に配置された定差圧弁２１およびオリフィス２２と、四方弁２０のポートＣに接続された内部熱交換器４と、この内部熱交換器４の下流側およびオリフィス２２の下流側の管路に接続された定差圧弁２３およびオリフィス２４と、四方弁２０のポートＤに接続された逆止弁２５と、オリフィス２４および逆止弁２５の下流側の管路に接続された水熱交換器２６と、この水熱交換器２６とコンプレッサ１との間に配置されたアキュムレータ５とを備えている。水熱交換器２６は、自動車内の余熱であるエンジンの冷却水を熱源として供給するよう構成され、その冷却水の供給配管には流量を制御する電磁弁２７が設けられている。また、内部熱交換器４の冷媒入口側の管路には圧力スイッチ２８が設けられ、その出力は、コンプレッサ１に接続されていて、たとえば内部熱交換器４の冷媒入口側の圧力が所定の圧力を越えた場合に、電磁クラッチを切るなどしてコンプレッサ１を停止するようにしている。
【００１７】
四方弁２０は、冷房運転モードでは、ポートＡとポートＢ、ポートＣとポートＤとをそれぞれ接続し、暖房運転モードでは、ポートＡとポートＣ、ポートＢとポートＤとをそれぞれ接続するよう冷媒流路を切り換える。
【００１８】
冷房運転モードでは、四方弁２０は図示の実線で示した通路位置になるよう切り換えられ、また、電磁弁２７は水熱交換器２６が機能しないよう閉じられている。コンプレッサ１によって出力された高温高圧の冷媒は、四方弁２０を介して外部熱交換器２に送られ、ここで外気と熱交換されて凝縮される。凝縮された冷媒は、定差圧弁２１およびオリフィス２２を通って減圧された低温の冷媒になる。その後、その冷媒は、内部熱交換器４に送られ、ここで車室内の空気と熱交換されて蒸発される。内部熱交換器４で熱交換された気液混合の冷媒は、四方弁２０、逆止弁２５を通り、水熱交換器２６を単に通過してアキュムレータ５に送られ、ここで気液分離される。そして、アキュムレータ５で分離された冷媒ガスがコンプレッサ１に供給されることになる。
【００１９】
ここで、内部熱交換器４の冷媒入口側の管路の圧力が高くなった場合には、定差圧弁２３が開き、冷媒の一部をオリフィス２４で減圧した後、アキュムレータ５に流すようにする。これにより高圧に耐えるように設計されていない内部熱交換器４を高圧破壊から防ぐことができる。
【００２０】
暖房運転モードでは、四方弁２０は図示の破線で示した通路位置になるよう切り換えられ、また、電磁弁２７は水熱交換器２６にエンジンの冷却水が供給されるよう開いている。コンプレッサ１によって出力された高温高圧の冷媒は、四方弁２０を介して内部熱交換器４に送られ、ここで車室内の空気と熱交換されて凝縮される。凝縮された冷媒は、定差圧弁２３およびオリフィス２４を通って減圧された低温の冷媒になり、水熱交換器２６で加熱されて、アキュムレータ５に送られ、ここで気液分離され、分離された冷媒ガスがコンプレッサ１に供給されることになる。なお、外部熱交換器２の管路に配置された定差圧弁２１は、このとき逆止弁として機能し、内部熱交換器４を出た冷媒が外部熱交換器２の側へ流れることはない。
【００２１】
ここで、内部熱交換器４の冷媒入口側の管路の圧力が高くなった場合には、圧力スイッチ２８が働いてコンプレッサ１を停止するように制御している。
また、外部熱交換器２は、四方弁２０および逆止弁２５を介して水熱交換器２６の上流側の管路に接続され、かつ逆止弁２５は四方弁２０から水熱交換器２６の方へ流れる向きに設けられている。この水熱交換器２６は、アキュムレータ５を介してコンプレッサ１の吸引側に接続されているため、冬場の駐車中に冷媒が外部熱交換器２に集まっていた場合、その外部熱交換器２内の冷媒には、コンプレッサ１によって常に吸引作用が働いている。したがって、外部熱交換器２に貯っていた冷媒は、外部熱交換器２から吸い出され、暖房のサイクル内に回収されることになるため、暖房運転を継続しているうちに十分な暖房性能を得ることができるようになる。
【００２２】
図２は本発明の第２の実施の形態に係る冷凍サイクルの構成図である。この図２において、図１に示した構成要素と同じ要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００２３】
第２の実施の形態では、外部熱交換器２から冷媒を吸い出すときに作用する逆止弁２５の管路に、外部熱交換器２からの冷媒の回収量を制御する電磁弁２９を設けてある。また、アキュムレータ５内には、アキュムレータ５に貯る液冷媒の量を検知する液面センサ３０が設けられている。
【００２４】
この液面センサ３０の出力は、電磁弁２９の制御に使用される。たとえば、アキュムレータ５内の液冷媒の量が所定の量に達したことを液面センサ３０が検知したときに、これ以上の冷媒の回収が不要であるような場合、電磁弁２９を閉じるように制御して、外部熱交換器２からの冷媒の回収を止めるようにすることができる。このように、電磁弁２９を操作することで外部熱交換器２から戻す冷媒の量を調節することができ、その調節は、アキュムレータ５の中に設置した液面センサ３０による冷媒量の検出に基づいて自動化することができる。
【００２５】
また、この第２の実施の形態では、水熱交換器をアキュムレータ５に取り付けて一体にした構成例を示している。これにより、サイクル内に水熱交換器の取り付けが不要になるとともに、アキュムレータ５内の水熱交換器から冷媒に与えられる熱をも暖房に利用することができるようになる。
【００２６】
なお、外部熱交換器２からの冷媒の回収量を制御する手段として、電磁弁２９を設ける代わりに四方弁２０の機能を使って実現することもできる。すなわち、四方弁２０が以下の５つの切り換えモードを有している場合に、モードの切り換えで冷媒の回収量を調節することができる。
（１）第１の切り換えモード：Ａ→Ｂ，Ｃ→Ｄ
（２）第２の切り換えモード：Ａ→Ｂ
（３）第３の切り換えモード：Ａ→Ｂ，Ｃ
（４）第４の切り換えモード：Ａ→Ｃ
（５）第５の切り換えモード：Ａ→Ｃ，Ｂ→Ｄ
ここで、各モードの右側に示した記号は、連通状態にあるポート名を示し、矢印は冷媒の流れ方向を示している。
【００２７】
この切り換えモードにおいて、第１の切り換えモードは、冷房運転時のもので、冷媒はポートＡからポートＢに流れ、ポートＣからポートＤに流れる。第５の切り換えモードは、暖房運転時のもので、ポートＡからポートＣに流れ、ポートＢからポートＤに流れる。この第１の切り換えモードと第５の切り換えモードとの間に、冷媒がポートＡからポートＢにのみ流れる第２の切り換えモードと、冷媒がポートＡからポートＢおよびポートＣに流れる第３の切り換えモードと、冷媒がポートＡからポートＣにのみ流れる第４の切り換えモードとがある。
【００２８】
これらの切り換えモードの中で、第４の切り換えモードおよび第５の切り換えモードに注目してみると、ポートＢとポートＤとの間の連通状態がオン・オフしていることがわかる。四方弁２０のこの機能を利用して、外部熱交換器２からの冷媒の回収量を制御することができるのである。
【００２９】
図３は本発明の第３の実施の形態に係る冷凍サイクルの構成図である。この図３において、図１に示した構成要素と同じ要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３０】
この第３の実施の形態は、内部熱交換器４の圧力上昇対策として、第１および第２の実施の形態では、圧力スイッチ２８を用いて内部熱交換器４の圧力が上昇した場合に、コンプレッサ１を停止させるようにしたのに対し、定差圧弁２３およびオリフィス２４と並列にレギュレータ３１を設け電気制御によらない構成にしている。レギュレータ３１は、上流側の圧力をピストンまたはダイヤフラムで受圧し、圧力が高くなった場合には、ピストンまたはダイヤフラムが弁を開けて圧力を下げるようにすることで、圧力が所定の圧力以上にならないようにするものである。
【００３１】
暖房運転モードでは、内部熱交換器４から出た冷媒を定差圧弁２３でせき止めているような形になっているので、内部熱交換器４の出口側管路の圧力が高くなった場合には、レギュレータ３１が冷媒のせき止めを開放し、内部熱交換器４の出口側管路の圧力を下げるよう作用する。これにより、圧力が上昇することによる内部熱交換器４の破壊を未然に防止することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、冷媒流路の切り換えに四方弁を用い、暖房運転モードではコンプレッサの吸い込み側に外部熱交換器が接続されるような構成にした。これにより、暖房運転モードに入る前に、冷媒が外部熱交換器に貯っていて暖房のサイクル内に冷媒が少なくなっていたとしても、外部熱交換器内の冷媒がコンプレッサに引かれて暖房のサイクル内に回収されるため、暖房性能を得ることができる。また、冷媒流路を切り換える制御デバイスを従来の３つの開閉弁から１つの四方弁にすることができ、コストを下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る冷凍サイクルの構成図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る冷凍サイクルの構成図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る冷凍サイクルの構成図である。
【図４】従来のバイパス管路付冷凍サイクルの一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１ コンプレッサ
２ 外部熱交換器
３ 膨張弁
４ 内部熱交換器
５ アキュムレータ
６ バイパス管路
７，８ 開閉弁
９ 逆止弁
１０ 定差圧弁
１１ 膨張弁
１２ 熱交換器
１３ 開閉弁
２０ 四方弁
２１ 定差圧弁
２２ オリフィス
２３ 定差圧弁
２４ オリフィス
２５ 逆止弁
２６ 水熱交換器
２７ 電磁弁
２８ 圧力スイッチ
２９ 電磁弁
３０ 液面センサ
３１ レギュレータ

Claims (10)

1. コンプレッサ、外部熱交換器、第１定差圧弁および第１オリフィス、内部熱交換器、およびアキュムレータをこの順に管路で接続してなる冷凍サイクルにおいて、
   冷房運転時に前記コンプレッサと前記外部熱交換器とを接続するとともに前記内部熱交換器と前記アキュムレータとを接続し、暖房運転時には前記コンプレッサと前記内部熱交換器とを接続するとともに前記外部熱交換器と前記アキュムレータとを接続する四方弁と、
   前記第１オリフィスと前記内部熱交換器との接続部と前記アキュムレータとの間の管路に設けられて暖房運転時に前記内部熱交換器で熱交換された冷媒の断熱膨張および加熱を行う第２定差圧弁、第２オリフィスおよび水熱交換器と、
   前記四方弁の暖房運転時における切り換え位置にて接続される前記外部熱交換器と前記アキュムレータとの間の管路に前記外部熱交換器から前記アキュムレータへの方向にのみ冷媒を流すことができる逆止弁と、
   を備えていることを特徴とする冷凍サイクル。
2. 前記水熱交換器は、エンジンの冷却水を熱源として前記第２オリフィスにて断熱膨張された冷媒と熱交換するよう構成され、この断熱膨張された冷媒との熱交換を暖房運転時のみ行うよう流量を制御する弁を備えていることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
3. 前記水熱交換器は、前記アキュムレータと一体に構成したことを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル。
4. 暖房運転時に前記内部熱交換器の圧力上昇を抑制する圧力抑制手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
5. 前記圧力抑制手段は、前記四方弁と前記内部熱交換器との間の管路に設けられて管路内の冷媒の圧力が所定の圧力を越えると前記コンプレッサを停止させるようにした圧力スイッチであることを特徴とする請求項４記載の冷凍サイクル。
6. 前記圧力抑制手段は、前記第２定差圧弁および第２オリフィスをバイパスするように設けられて前記第１オリフィスと前記内部熱交換器との接続部の圧力を検知し、圧力が所定圧力以上になると弁を開けて圧力を下げるように圧力調整を行うレギュレータであることを特徴とする請求項４記載の冷凍サイクル。
7. 暖房運転時に前記外部熱交換器の中にある冷媒を前記アキュムレータに回収する量を調節する回収量調節手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
8. 前記回収量調節手段は、前記逆止弁が設けられている管路に設けられた電磁弁であることを特徴とする請求項７記載の冷凍サイクル。
9. 前記回収量調節手段は、前記四方弁の前記外部熱交換器が接続されたポートと前記逆止弁を設けた管路が接続されたポートとの間において、暖房運転時と冷房運転時との間で遷移する前記ポート間の連通状態の切り換え機能を利用したことを特徴とする請求項７記載の冷凍サイクル。
10. 前記アキュムレータの中に設けられて前記アキュムレータ内の冷媒の液量が所定量以上になると前記アキュムレータに回収する冷媒の量を抑制するよう前記回収量調節手段を制御する液面センサを備えていることを特徴とする請求項８または９記載の冷凍サイクル。

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