JP4352867B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、放熱器出口側の冷媒温度に基づいて、放熱器出口側の冷媒圧力を制御すると共に、二酸化炭素（ＣＯ_２）を冷媒として高圧側圧力が臨界圧力を超える領域で使用されるものに適用して好適な冷凍サイクル装置に関するものである。

従来の冷凍サイクル装置として、特許文献１に示されるものが知られている。即ち、この冷凍サイクル装置は、冷媒として例えば二酸化炭素（ＣＯ_２）が用いられ、圧縮機の高圧側圧力が臨界圧力を超える領域で使用される車両用の超臨界冷凍サイクル装置としており、圧縮機から吐出される冷媒を冷却する放熱器の出口側の冷媒温度を検出する温度検出手段が設けられている。そして、温度検出手段によって検出された冷媒温度から放熱器出口側の冷媒圧力が推定されるようにしており、冷凍サイクル装置の作動中において、冷媒温度が所定温度を超えた時に、圧縮機が停止されるようにしている。

これにより、例えばフロン系の冷媒を用いた冷凍サイクル装置おける圧力検出手段（高圧側圧力センサ）を不要として、製造原価上昇を抑制しつつ、冷凍サイクル装置内の各機器を保護（高圧側圧力に対する保護）できるようにしている。
特開平１１−１２５４７１号公報

しかしながら、上記従来技術は、車両の通常走行時において、冷凍サイクル装置（圧縮機）を作動させている場合に、冷媒温度に応じて圧縮機の作動を停止するものであり、圧縮機の起動時の段階から高圧側圧力に対して各機器を保護しようとする思想は無い。

即ち、例えば走行後でエンジンルーム内の温度が高い状態で、風の無い場所に車両が停止されると、エンジンルーム内の高温の空気によって放熱器が加熱される場合がある。

この状態でエンジンを始動し、同時に冷凍サイクル装置（圧縮機）も起動させると、放熱器の温度が高いために、冷媒は放熱器で充分に冷却されずに、比容積が大きいまま圧力制御弁（減圧手段）に流入する。すると、比容積の大きくなった冷媒は、通常の弁開度では充分に圧力制御弁を流通できなくなるので、その分、放熱器側に圧力が跳ね返り、高圧側圧力が急上昇して一気に異常高圧に到達してしまうと言う問題があった。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、起動時の段階から冷媒温度に伴う高圧側圧力による影響を判断して、各機器の保護を確実に行うことのできる冷凍サイクル装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、車両のエンジンルームに配置されるものであって、
吸入した冷媒を圧縮する圧縮機（１）と、
圧縮機（１）で圧縮された冷媒の熱を外部空気に放熱して冷却する放熱器（２）と、
放熱器（２）の放熱を促進させる送風機（２ａ）と、
放熱器（２）により冷却された冷媒を減圧すると共に、放熱器（２）出口側の冷媒圧力を放熱器（２）出口側の冷媒温度に基づいて制御する圧力制御手段（３）と、
放熱器（２）の出口付近に取付けられて冷媒温度を検出する温度検出手段（６）と、
圧縮機（１）を制御する制御装置（８）とを有する冷凍サイクル装置において、
圧縮機（１）によって圧縮される冷媒の圧力は、臨界圧力を超えるように設定されており、
制御装置（８）は、エンジンが始動された時、圧縮機（１）を起動させる際に、温度検出手段（６）によって検出される冷媒温度が予め定めた所定温度より高い時に、圧縮機（１）自身の起動を禁止し、その間に送風機（２ａ）を作動させることを特徴としている。

これにより、起動時の段階から冷媒温度に基づいて圧縮機（１）の作動を制御することで、冷凍サイクル内の高圧側圧力が一気に異常高圧に到達してしまうのを防止することができ、各機器の保護を確実に行うことができる。
また、圧縮機（１）によって圧縮される冷媒の圧力は、臨界圧力を超えるように設定されていることより、作動圧力（高圧側圧力）が高い分、各機器の圧力に対する保護を行う上で有用なものとなる。
また、送風機（２ａ）を作動させることによって、放熱器（２）内の冷媒を早急に冷却でき、冷媒圧力を低下させることができるので、短時間で通常の圧縮機（１）の起動に移行することができる。

請求項２に記載の発明では、圧力制御手段（３）により減圧された冷媒を蒸発させて空調用空気を冷却する蒸発器（４）を有し、圧力制御手段（３）は、放熱器（２）から流出する冷媒を減圧膨張させて、蒸発器（４）で蒸発された気相冷媒を吸引すると共に、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機（１）の吸入圧を上昇させるエジェクタ（３ａ）であることを特徴としている。

これにより、エジェクタ（３ａ）においては、滑らかに縮小するノズル部を有する分、温度上昇に伴って比容積の大きくなった冷媒による影響（高圧側圧力が急上昇する）を受けやすいので、本発明を用いて好適である。

請求項３に記載の発明では、温度検出手段（６）は、放熱器（２）出口側の冷媒配管に設けられた冷媒温度センサ（６）であることを特徴としており、容易に冷媒温度を検出することができる。

また、請求項４に記載の発明のように、温度検出手段（６）は、放熱器（２）近傍の外部空気の温度を検出する空気温度センサとしても良く、上記請求項３に記載の発明と同様に、容易に冷媒温度を検出できると共に、通常、冷凍サイクル装置に設定される外気温度検出用の温度センサと兼用することも可能であり、兼用する場合は安価な対応が可能となる。

そして、請求項５に記載の発明のように、請求項１〜請求項４に記載の発明において、冷媒としてＣＯ２を用いることができる。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、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ものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図４に示す。図１は、二酸化炭素（ＣＯ_２）を冷媒とする車両用の冷凍サイクル装置１００を示す模式図であり、１は吸入した冷媒を高温高圧に圧縮する圧縮機であり、２は圧縮機１から吐出された冷媒の熱を外部空気に放熱して、この冷媒を冷却する放熱器（ガスクーラ）である。尚、圧縮機１は、電磁クラッチ１ａを介して車両走行用エンジンから駆動力を得て駆動される。また、放熱器２には電動モータによって回転駆動すると共に、放熱器２での放熱を促進させる冷却ファン（本発明における送風機に対応）２ａが設けられており、後述する制御装置８によってその作動が制御される。

３は放熱器２から流出した高圧（最大１５ＭＰａ）の冷媒を減圧すると共に、放熱器２出口側の冷媒圧力を制御する圧力制御弁（本発明における圧力制御手段に対応）であり、この圧力制御弁３の弁開度は、放熱器２出口側の冷媒温度に応じて後述する制御装置８によって調節される。

また、４は圧力制御弁３にて減圧されて気液２相状態となった冷媒の液相成分を蒸発させて車室内に吹出す空調用空気を冷却する蒸発器である。車室内に吹出す空調用空気は、電動モータによって回転駆動するブロワ４ａによって発生されるようにしており、このブロワ４ａは、後述する制御装置８によってその作動が制御される。更に、蒸発器４の空調用空気流れ後方には、冷却された空調用空気の温度を検出する空気温度センサ４ｂが設けられており、検出された温度信号（以下、蒸発器後方温度と呼ぶ）は、後述する制御装置８に出力される。

５は蒸発器４から流出される冷媒のうち、気相状態の冷媒と液相状態の冷媒とを分離すると共に、気相状態の冷媒を一時的に蓄えるアキュムレータである。上記の圧縮機１、放熱器２、圧力制御弁３、蒸発器４およびアキュムレータ５は、それぞれ冷媒配管によって順次接続されて閉回路を形成している。

そして、放熱器２の冷媒出口側には、放熱器２出口側の冷媒温度を検出し、検出された温度信号（冷媒温度）を後述する制御装置８に出力するサーミスタ式の出口温度センサ（本発明の温度検出手段に対応）６が設けられている。また、圧縮機１の吐出側には、圧縮機１によって圧縮された冷媒圧力を検出し、検出された圧力信号（吐出圧力）を後述する制御装置８に出力する圧力センサ７が設けられている。

制御装置８は、圧力センサ７によって得られた吐出圧力に対して、圧力センサ７から放熱器２の出口側に至るまでの圧力損失分を差し引いて放熱器２出口側の冷媒圧力を算出する。そして、上記空気温度センサ４ｂ、出口温度センサ６からの検出信号および圧力センサ７からの検出信号、算出値に基づいて、圧縮機１（電磁クラッチ１ａ）、冷却ファン２ａ、圧力制御弁３およびブロワ４ａの作動を制御する。

次に、冷凍サイクル装置１００の作動について説明する。まず、ＣＯ_２を冷媒とするこの冷凍サイクルの通常作動は、原理的には通常冷凍サイクルの作動と同じである。即ち、圧縮機１で気相状態の冷媒を圧縮し、この高温高圧の超臨界状態の冷媒を放熱器２にて冷却する。そして、圧力制御弁３により減圧して、気液２相状態となった冷媒を蒸発器４により蒸発させて、車室内に吹出す空調用空気から蒸発潜熱を奪って冷却する。更に、蒸発器４から流出される冷媒を、アキュムレータ５によって気液２相に分離し、気相状態の冷媒を圧縮機１に吸引させる。

この時、制御装置８は、空気温度センサ４ｂによって得られる実際の蒸発器後方温度が予め定めた蒸発器所定温度を超えた時に圧縮機１（電磁クラッチ１ａ）をＯＮさせ、また、蒸発器後方温度が蒸発器所定温度以下となった時には圧縮機１（電磁クラッチ１ａ）をＯＦＦさせて蒸発器４のフロストを防止する。

また、制御装置８は、放熱器２出口側の冷媒温度に対して冷凍サイクルの成績係数ＣＯＰ（蒸発過程のエンタルピ変化量Δｉ／圧縮過程のエンタルピ変化量ΔＬ）が最大となるように、圧力制御弁３の弁開度を調節して放熱器２出口側の冷媒圧力（上述したように圧力センサ７によって得られる吐出圧力から算出した圧力）を制御する。

即ち、図２に示すように、この冷凍サイクルにおいては、放熱器２出口側の冷媒温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３・・・）をパラメータとした時に、成績係数ＣＯＰが最大となる放熱器２出口側の冷媒圧力が存在し、図３に示すように、放熱器２出口側の冷媒温度に対して成績係数ＣＯＰが最大と成る放熱器２出口側の冷媒圧力の関係が得られる。制御装置８には、この図３に示す制御特性が予め記憶されており、制御装置８は、出口温度センサ６によって得られた放熱器２出口側の冷媒温度（例えばＴ１）に対して、目標冷媒圧力（Ｐ１）を設定する。そして、冷凍サイクル作動時における放熱器２出口側の冷媒圧力が目標冷媒圧力（Ｐ１）となるように圧力制御弁３の弁開度を調節する訳である。

また、制御装置８は、圧縮機１の作動中において、圧力センサ７によって得られる吐出圧力が、予め定めた許容圧力を超えた時には、圧縮機１を停止させ、各機器の保護を図るようにしている。ここでは、冷凍サイクル中で最も圧力の高い部位で圧力を検出するようにしているので、作動圧力の高いＣＯ_２サイクルの安全性を高めている。

そして、本発明では、冷凍サイクル（圧縮機１）を起動させる際の制御に特徴を持たせており、以下その詳細について、図４に示すフローチャートを用いて説明する。

まず、起動時のＡ／ＣスイッチがＯＮされたことを確認すると（ステップＳ１００）、冷却ファン２ａを作動させる（ステップＳ１１０）。続いて出口温度センサ６によって放熱器２出口側の冷媒温度を検出し（ステップＳ１２０）、検出された冷媒温度が予め定めた所定温度より高いか否かを判定する（ステップＳ１３０）。ここで、所定温度というのは冷媒温度条件によって圧縮機１を起動させた後に、短時間（例えば、５〜１０秒）で高圧側圧力が許容上限圧力に到達してしまう場合の温度としている。そして、ステップＳ１３０でＹＥＳと判定すると、上記のステップＳ１２０に戻り、ステップＳ１２０、ステップＳ１３０を繰り返す。

しかし、ステップＳ１３０でＮＯと判定すると、圧縮機１を起動させる（電磁クラッチ１ａをＯＮさせる）。即ち、本発明では、冷媒温度が所定温度より高い間は、圧縮機１の作動を禁止させる訳である。そして、ステップＳ１５０に進んで、上記で説明したような通常制御に移行する。

これにより、起動時の段階から放熱器２出口側の冷媒温度に基づいて圧縮機１の作動を制御することで、冷凍サイクル内が異常高圧に到達する頻度を低減して、各機器の保護を確実に行うことができる。即ち、高圧側圧力が一気に異常高圧に到達してしまうのを防止することができる訳である。

また、Ａ／ＣスイッチがＯＮされて、圧縮機１が停止されている間も冷却ファン２ａを作動させるようにしているので、放熱器２内の冷媒を早急に冷却して、冷媒圧力を低下させることができ、短時間で通常の圧縮機１の起動に移行することができる。

ここでは、冷媒としてＣＯ_２を用いて臨界圧力を超える領域で使用する冷凍サイクル装置１００としているので、作動圧力（高圧側圧力）が高い分、各機器の圧力に対する保護を行う上で本発明が有用なものとなる。

尚、図４に示すフローチャートにおいて、放熱器２出口側の冷媒温度が所定温度より高い間は、圧縮機１の冷媒吐出量を冷房能力を満たす必要吐出量に対して低吐出量側に落として起動させるようにしても良い。

また、圧力センサ７は、放熱器２出口側に設けるようにしても良く、これにより、放熱器２出口側の冷媒圧力を直接的に検出できる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図５に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、圧力制御手段として圧力制御弁３に代えてエジェクタ３ａを用いて、エジェクタ３ａとアキュムレータ５の間を冷媒配管で繋ぎ、蒸発器４とアキュムレータ５の間に減圧弁５ａを設けた、いわゆるエジェクタサイクルに本発明を適用したものとしている。

因みに、エジェクタ３ａは、滑らかに縮小するノズルと混合部およびディフューザから成る昇圧部とが内部に設けられた周知のものである。即ち、エジェクタ３ａは、ノズルによって放熱器２から流出した高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させる。そして、ノズルから噴出する高い速度の冷媒流により蒸発器４にて蒸発した気相冷媒を吸引して、膨張冷媒と吸引冷媒とを混合部にて混合させながらディフューザにおいて速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して、冷媒の圧力を昇圧して圧縮機１に吸入させるものである。

このようなエジェクタサイクルに上記第１実施形態と同一の起動時制御（図４のフローチャート）を適用している。

これにより、エジェクタ３ａにおいては、滑らかに縮小するノズル部を有する分、温度上昇に伴って比容積の大きくなった冷媒による影響（高圧側圧力が急上昇する）を受けやすいので、本発明を用いて好適となる。

（その他の実施形態）
上記第１、第２実施形態では放熱器２出口側の冷媒温度を冷媒配管に設けた出口温度センサ６によって検出するようにしたが、これに限らず、放熱器２近傍の外部空気温度を検出する空気温度センサとしても良い。この時、外部空気温度と冷媒温度との関係から冷媒温度を推定するようにすれば良い。

これにより、上記第１、第２実施形態と同様に、容易に冷媒温度を検出できると共に、通常、冷凍サイクル装置に設定される外気温度検出用の温度センサと兼用することも可能であり、兼用する場合は安価な対応が可能となる。

また、圧力制御弁３は、制御装置８によってその弁開度が調節されるものとして説明したが、これに限らず、放熱器２出口側の冷媒温度に基づいて冷媒圧力を機械的に制御するものとしても良い。

また、本発明は、冷媒がＣＯ_２に限定されるものではなく、例えば、エチレン、エタン、酸化窒素等を冷媒とする超臨界サイクルにも適用することができる。更には、フロン系の冷媒を用いる通常の冷凍サイクルにも適用できる。

本発明の第１実施形態における冷凍サイクル装置を示す模式図である。 冷媒温度をパラメータとして冷媒圧力に対する成績係数の関係を示す特性図である。 成績係数が最大と成る時の冷媒温度に対する冷媒圧力の関係を示す特性図である。 起動時における作動制御を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態における冷凍サイクル装置を示す模式図である。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 放熱器
２ａ 冷却ファン（送風機）
３ 圧力制御弁（圧力制御手段）
３ａ エジェクタ
４ 蒸発器
６ 出口温度センサ（温度検出手段）
８ 制御装置
１００ 冷凍サイクル装置

Claims (5)

1. 車両のエンジンルームに配置されるものであって、
   吸入した冷媒を圧縮する圧縮機（１）と、
   前記圧縮機（１）で圧縮された前記冷媒の熱を外部空気に放熱して冷却する放熱器（２）と、
   前記放熱器（２）の放熱を促進させる送風機（２ａ）と、
   前記放熱器（２）により冷却された前記冷媒を減圧すると共に、前記放熱器（２）出口側の冷媒圧力を前記放熱器（２）出口側の冷媒温度に基づいて制御する圧力制御手段（３）と、
   前記放熱器（２）の出口付近に取付けられて前記冷媒温度を検出する温度検出手段（６）と、
   前記圧縮機（１）を制御する制御装置（８）とを有する冷凍サイクル装置において、
   前記圧縮機（１）によって圧縮される前記冷媒の圧力は、臨界圧力を超えるように設定されており、
   前記制御装置（８）は、エンジンが始動された時、前記圧縮機（１）を起動させる際に、前記温度検出手段（６）によって検出される前記冷媒温度が予め定めた所定温度より高い時に、前記圧縮機（１）自身の起動を禁止し、その間に前記送風機（２ａ）を作動させることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記圧力制御手段（３）により減圧された前記冷媒を蒸発させて空調用空気を冷却する蒸発器（４）を有し、
   前記圧力制御手段（３）は、前記放熱器（２）から流出する前記冷媒を減圧膨張させて、前記蒸発器（４）で蒸発された気相冷媒を吸引すると共に、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して前記圧縮機（１）の吸入圧を上昇させるエジェクタ（３ａ）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. 前記温度検出手段（６）は、前記放熱器（２）出口側の冷媒配管に設けられた冷媒温度センサ（６）であ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. 前記温度検出手段（６）は、前記放熱器（２）近傍の前記外部空気の温度を検出する空気温度センサとした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。
5. 前記冷媒は、ＣＯ２を用いたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。

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