JP4661696B2 - 超臨界冷凍サイクル - Google Patents

Description

本発明は、高圧側の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に関するもので、車両用として好適なものである。

従来、特許文献１には、この種の超臨界冷凍サイクルにおいて、減圧手段をなす圧力制御弁の開度を、高圧側の冷媒圧力が目標高圧圧力となるように制御するとともに、この圧力制御弁と並列に逃がし弁を接続し、高圧側の冷媒圧力が所定値以上に上昇すると逃がし弁が開弁して高圧側の冷媒圧力の過度な上昇を防ぐことが記載されている。

また、特許文献２には、超臨界冷凍サイクルにおいて可変容量型圧縮機を用いて、サイクルの能力制御（冷媒流量制御）を行うことが記載されている。

ところで、超臨界冷凍サイクルに用いられる冷媒としては、ＣＯ₂が代表的であり、このＣＯ₂冷媒はフロン系の冷媒（Ｒ１３４ａ等）によるオゾン層破壊という不具合を解消できるが、その一方、ＣＯ₂冷媒を用いた超臨界冷凍サイクルでは、フロン系冷媒を用いた通常の冷凍サイクルに比較して冷媒の物性の違いにより理論効率が低い。

そこで、効率向上のために内部熱交換器を設け、低圧側の圧縮機吸入冷媒と高圧側の放熱器出口冷媒との間で熱交換を行って、蒸発器の出入口間の冷媒エンタルピ差を増加させることが知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開平１１−２４８２７２号公報 特開平８−１１０１０４号公報 特開２００３−７４９９６号公報

しかし、超臨界冷凍サイクルに内部熱交換器を設けると、圧縮機吸入冷媒が放熱器出口冷媒により加熱され、過熱度を持つため、圧縮機吐出冷媒の温度が過度に上昇するという問題が生じる。

特許文献１〜３のいずれにも、この吐出冷媒温度の異常上昇を抑制するための対策が記載されていないが、特許文献２のように、可変容量型圧縮機を用いる超臨界冷凍サイクルでは、吐出冷媒温度が圧縮機限界温度を超えると、この温度上昇を判定して可変容量型圧縮機の容量を強制的に減少させ、それにより、高圧側圧力を低下して吐出冷媒温度を低下させることが考えられる。

しかし、ＣＯ2冷媒を用いた超臨界冷凍サイクルでは高圧側圧力がフロン系冷媒を用いた通常の冷凍サイクルに比較して８倍程度に大幅に上昇するので、圧縮機として厚肉部材を使用した高耐圧構造にする必要があり、そのため、圧縮機の体格の大型化、重量増加が不可避である。

これに加え、可変容量型圧縮機を用いると、容量可変機構の追加によって圧縮機体格がより一層大型化し、また、重量も増加する。この結果、軽自動車や小型車のように、搭載スペースの制約が大きい車両では、圧縮機の搭載性確保が困難となる。

本発明は、上記点に鑑み、可変容量型圧縮機を使用せずに、圧縮機吐出冷媒温度の異常上昇および高圧側圧力の異常上昇を適切に抑制できる超臨界冷凍サイクル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、高圧側の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において、圧縮機を吐出容量が一定の固定容量型圧縮機（１）で構成し、
減圧手段を、高圧冷媒を減圧膨張させる絞り通路（４３）と、絞り通路（４３）の開度を調整する弁体（４４）と、電磁吸引力を発生して弁体（４４）の位置を直線的に変位させる電磁コイル（４４）とを有するリニアソレノイド型電気式膨張弁（４）で構成し、
絞り通路（４３）上流側の高圧冷媒と絞り通路（４３）下流側の低圧冷媒との差圧に応じた力が弁体（４４）に対して開弁方向の力として作用するようになっており、
更に、圧縮機（１）の吐出冷媒温度を検出する温度検出手段（１１）と、
温度検出手段（１１）の検出信号が入力され、リニアソレノイド型電気式膨張弁（４）を制御する制御手段（１０）とを備え、
制御手段（１０）は、吐出冷媒温度が所定の高温以上に上昇するとリニアソレノイド型電気式膨張弁（４）をその開度が増加するように制御することを特徴としている。

これによると、温度検出手段（１１）により検出される圧縮機吐出冷媒温度に基づいて電気式膨張弁（４）の開度を制御することによって圧縮機（１）の吐出冷媒温度の異常上昇を回避できる。
しかも、請求項１に記載の発明によると、リニアソレノイド型電気式膨張弁（４）自身に後述の図１に示す機械式圧力応動弁（９ａ）の役割を兼務させることができる。

つまり、請求項１に記載の発明によれば、リニアソレノイド型電気式膨張弁（４）は絞り通路（４３）上流側の高圧冷媒と絞り通路（４３）下流側の低圧冷媒との差圧に応じた力が弁体（４４）に対して開弁方向の力として作用するようになっているから、高圧側冷媒圧力が上昇すると、上記差圧に応じた力が増大して弁体（４４）を開弁方向に変位させることができる。ここで、弁体（４４）の開弁方向への変位は、高圧側冷媒圧力の上昇に直接応答して迅速に行われるから、高圧側冷媒圧力の上昇に伴って絞り通路（４３）の開度を迅速に増加して高圧側冷媒圧力の異常上昇を回避できる。

従って、請求項１に記載の発明によると、後述の図１に示す機械式圧力応動弁（９ａ）およびバイパス通路（９）を必要とせずに、超臨界冷凍サイクルの圧縮機として固定容量型圧縮機（１）を用いても、サイクル保護制御を適切に実行できる。そして、固定容量型圧縮機（１）の使用により圧縮機体格の小型化、重量低減を図ることができ、圧縮機（１）の車両等への搭載性確保が容易となる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の超臨界冷凍サイクルにおいて、弁体（４４）は具体的には絞り通路（４３）の下流側に配置され、絞り通路（４３）を通過する冷媒流れの動圧が、前記差圧に応じた力として弁体（４４）に作用するようになっている。

また、請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の超臨界冷凍サイクルにおいて、リニアソレノイド型電気式膨張弁（４）は、具体的には電磁コイル（４４）の電磁吸引力が増加することにより弁体（４４）が閉弁方向に変位するようになっている。

これによると、電磁コイル（４４）の通電回路の断線故障発生時等には、電磁コイル（４４）の電磁吸引力消滅により弁体（４４）が開弁方向に変位するので、電気式膨張弁（４）の開弁状態を確保できる。よって、断線故障発生時等にも電気式膨張弁（４）の閉弁による異常高圧発生等の不具合を回避できる。

請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の超臨界冷凍サイクルにおいて、制御手段（１０）は、具体的には、吐出冷媒温度が所定の高温に上昇したとき、吐出冷媒温度が一定温度低下するまで、電気式膨張弁（４）の開度を微小開度ずつ増加するようにしている。

このような膨張弁開度を微小開度ずつ増加する制御によって、吐出冷媒温度が大きく変動するハンチング現象を回避できる。

また、請求項５に記載の発明では、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の超臨界冷凍サイクルにおいて、制御手段（１０）は、具体的には、吐出冷媒温度が所定の高温まで上昇していない通常運転時には、実際の高圧側冷媒圧力が放熱器（２）の出口冷媒温度に基づいて決定される目標高圧圧力となるように電気式膨張弁（４）の開度を制御する。

なお、上記各手段および特許請求の範囲の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）
図１は第１実施形態を示す車両空調用冷凍サイクルの構成図であって、この冷凍サイクルは、冷媒として高圧圧力が臨界圧力以上（超臨界状態）となるＣＯ₂を用いている。従って、この冷凍サイクルは超臨界冷凍サイクルを構成する。

圧縮機１は図示しない車両走行用エンジンからベルト、プーリを介して駆動力を得て冷媒を吸入圧縮するものである。この圧縮機１への駆動力の伝達は、クラッチ手段をなす電磁クラッチ１ａによって断続される。

ここで、圧縮機１は冷媒の吐出容量（幾何学的な容積）が常に一定となっている固定容量型圧縮機である。従って、圧縮機１の冷媒吐出能力（サイクル内冷媒循環流量）は電磁クラッチ１ａの断続によって圧縮機断続作動の稼働率を調整することにより調整される。

圧縮機１の吐出側には放熱器２が設けられている。この放熱器２は、圧縮機１から吐出された高温高圧の超臨界状態にある吐出冷媒と外気（室外空気）との間で熱交換して冷媒を冷却させる。放熱器２には電動式の冷却ファン２ａによって外気が送風される。

放熱器２の出口側には内部熱交換器３の高圧側流路３ａが設けられ、この高圧側流路３ａの出口側に減圧手段をなす電気式膨張弁４が設けられている。この電気式膨張弁４は、サイクル通常運転時にはサイクル高圧側圧力が目標高圧圧力となるように電気的に開度が制御される圧力制御弁としての役割を果たす。また、電気式膨張弁４は後述するように圧縮機１の吐出冷媒温度の異常上昇時には吐出冷媒温度抑制のための制御弁としての役割を果たす。

電気式膨張弁４は、具体的には例えば、ステッピングモータからなる電気アクチュエータ機構と、この電気アクチュエータ機構により駆動される弁機構とにより構成され、弁機構の開度は電気アクチュエータ機構の作動角により微小量ずつ微細に調整できるようになっている。

電気式膨張弁４の出口側には蒸発器５が設けられている。この蒸発器５は車両用空調装置の室内空調ユニット部の空気通路をなすケース６内に配置され、このケース６内の空気を冷却する冷却手段を構成する。蒸発器５の空気流れ上流側には電動式の送風機７が配置され、図示しない内外気切替箱を通して導入される内気または外気がケース６内に送風され、蒸発器５により冷却される。

なお、ケース６内には、蒸発器５の空気流れ下流側に空気を加熱する加熱手段をなすヒータコア（図示せず）が配置され、このヒータコアの加熱度合いにより温度調整された空調風がケース６の空気流れ下流側端部の吹出口（図示せず）から車室内へ吹き出すようになっている。

蒸発器５の出口側にはアキュムレータ８が設けられている。このアキュムレータ８は、蒸発器５の出口冷媒の液冷媒（飽和液相冷媒）とガス冷媒（飽和気相冷媒）とを分離してサイクル内の余剰冷媒を蓄える気液分離手段であって、ここで分離されたガス冷媒を圧縮機１の吸入側に向けて導出する。

アキュムレータ８の出口側には内部熱交換器３の低圧側流路３ｂが設けられている。従って、アキュムレータ８の出口配管はこの低圧側流路３ｂを介して圧縮機１の吸入側に接続される。

内部熱交換器３はアキュムレータ８から流出する冷媒（圧縮機吸入冷媒）と放熱器２の出口側高圧冷媒とを熱交換し、蒸発器５に流入する冷媒のエンタルピを低下させて蒸発器５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）を増大させるとともに、圧縮機１に液冷媒が吸入されることを防止するものである。

電気式膨張弁４にはバイパス通路９が並列接続されており、このバイパス通路９は高圧側冷媒通路と低圧側冷媒通路とを直接連痛するものである。ここで、高圧側冷媒通路は圧縮機１の吐出側から電気式膨張弁４の入口側に至る通路である。また、低圧側冷媒通路は電気式膨張弁４の出口側から圧縮機１の吸入側に至る通路である。

バイパス通路９には機械式圧力応動弁９ａが配置され、この機械式圧力応動弁９ａによりバイパス通路９が開閉される。

機械式圧力応動弁９ａは、通常時は閉弁状態を維持する常閉式の弁機構（リリーフ弁）であって、電気式膨張弁４の入口側圧力、すなわち、高圧側冷媒圧力がサイクル保護のために設定した所定値以上に異常上昇すると、機械式圧力応動弁９ａが開弁して高圧側冷媒圧力の上昇を抑制するようになっている。従って、機械式圧力応動弁９ａの開弁時の通路面積は電気式膨張弁４の通路面積よりも十分大きくしてある。

機械式圧力応動弁９ａは高圧側冷媒圧力に応動する純機械的圧力応動機構を持つ開閉弁である。具体的には、高圧側冷媒圧力に応動して変位するダイヤフラム等の圧力応動部材と、この圧力応動部材に対して高圧側冷媒圧力と逆方向のばね荷重を加えるコイルばね等のばね手段と、圧力応動部材に連結され圧力応動部材の変位に応じて変位する弁機構とを用いて、機械式圧力応動弁９ａを構成できる。

次に、第1実施形態における電気制御部の概要を説明する。空調用制御装置１０は、マイクロコンピュータおよびその周辺回路等から構成される制御手段であって、予め設定されたプログラムに従って所定の演算処理を行って、空調機器の作動を制御する。

具体的には、空調用制御装置１０の出力側に、圧縮機１の電磁クラッチ１ａ、放熱器２の冷却ファン２ａ、電気式膨張弁４、電動送風機７等の空調機器が接続され、これらの空調機器の作動を制御する。

空調用制御装置１０の入力側には圧縮機１の吐出冷媒温度センサ１１、放熱器２の出口側の冷媒温度センサ１２、放熱器２の出口側の冷媒圧力センサ１３、蒸発器５の吹出空気温度センサ１４等が接続される。

なお、空調用制御装置１０には周知の外気温度センサ、内気温度センサ、日射センサ等を包含するセンサ群１５からも検出信号が入力される。これらの各種センサ１１〜１５によって本実施形態の各種検出手段が構成される。また、空調用制御装置１０には車室内の計器盤（インパネ）付近に配置される空調操作パネル１６の操作部材から種々な空調操作信号が入力される。

具体的には、温度設定スイッチによる車室内の設定温度信号、エアコンスイッチによる圧縮機作動指令信号、風量切替スイッチによる電動送風機７の風量切替信号、吹出モード切替スイッチによる室内空調ユニット部の吹出モード切替信号、内外気切替スイッチによる内外気切替箱の内外気導入モード切替信号等の空調操作信号が空調操作パネル１６から入力される。

また、空調用制御装置１０はエンジン制御装置１７と電気接続され、エンジン制御装置１７との間で電気信号の通信を行うようになっている。エンジン制御装置１７から空調用制御装置１０に対して、エンジン回転数、エンジン水温、車速等の車両側の検出信号が入力される。

次に、上記構成において第1実施形態の作動を説明する。最初に、冷凍サイクルの基本的作動を説明する。空調操作パネル１６のエアコンスイッチが投入されると、電磁クラッチ１ａが空調用制御装置１０により通電され接続状態になる。これにより、車両エンジンの駆動力が電磁クラッチ１ａを介して圧縮機１に伝達され、圧縮機１が駆動される。

圧縮機１により圧縮された高温高圧の冷媒は、臨界圧力よりも圧力が高い超臨界状態にて放熱器２内に流入する。ここで、高温高圧の超臨界状態の冷媒は冷却ファン２ａによって送風される外気と熱交換して外気中に放熱し、エンタルピを減少する。

そして、放熱器２の出口冷媒は、内部熱交換器３の高圧側流路３ａを通過して膨張弁４へ向かう。ここで、放熱器２の出口冷媒は、内部熱交換器３の高圧側流路３ａを通過する際に低圧側流路３ｂの低温低圧冷媒と熱交換して低圧冷媒側に放熱する。

内部熱交換器３の高圧側流路３ａを通過して更に放熱した冷媒は次に、膨張弁４の絞り通路にて減圧され、低温低圧の気液２相状態となる。この低温低圧の気液２相冷媒は次に蒸発器５に流入し、ここで、電動送風機７の送風空気から吸熱して蒸発する。これにより、電動送風機７の送風空気を蒸発器５で冷却することができ、冷風を車室内へ吹き出すことができる。

蒸発器５を通過した低圧冷媒は次にアキュムレータ８内に流入し、この低圧冷媒の液冷媒とガス冷媒とが分離され、液冷媒はアキュムレータ８内の底部側に貯留される。これに対し、ガス冷媒はアキュムレータ８内の上部側に集まって、アキュムレータ８上部の出口から圧縮機１の吸入側に向けて導出される。

アキュムレータ８出口の低圧ガス冷媒（圧縮機吸入冷媒）は、内部熱交換器３の低圧側流路３ｂにて放熱器２の出口冷媒から吸熱するので、放熱器２の出口冷媒が冷却され、そのエンタルピが減少する。内部熱交換器３にて吸熱した過熱ガス冷媒が圧縮機１に吸入され、再度、圧縮される。

次に、冷凍サイクル各部の冷媒状態の検出信号に基づく冷凍サイクル自動制御を図２により説明する。図２は空調用制御装置１０により実行される制御ルーチンのフローチャートであり、この制御ルーチンは、冷凍サイクル（圧縮機１）の起動によってスタートする。

まず、温度センサ１１により検出される圧縮機吐出冷媒温度Ｔｄが予め設定された所定の高温Ｔｏ以上であるか判定する（Ｓ１０）。この所定の高温とは、圧縮機１の耐熱温度、圧縮機１吐出側配管のゴムホースの耐熱温度等を考慮して設定された限界温度であって、例えば、１５０℃である。

通常運転時には圧縮機吐出冷媒温度Ｔｄが所定の高温Ｔｏ未満の温度になっている。そのため、通常運転時にはステップＳ１０の判定がＮＯとなり、電気式膨張弁４の開度制御による高圧圧力Ｐｄの制御を行う（Ｓ２０）。

この高圧圧力Ｐｄの制御は、具体的には、放熱器２出口側の冷媒温度センサ１２により検出される放熱器出口側冷媒温度ＴｆによりサイクルＣＯＰ（成績係数）が最大となる目標高圧圧力Ｐｏを算出し、放熱器２出口側の冷媒圧力センサ１３により検出される実際の高圧側圧力Ｐｄが目標高圧圧力Ｐｏとなるように電気式膨張弁４の開度を制御する。

つまり、実際の高圧側圧力Ｐｄが目標高圧圧力Ｐｏより高いときは電気式膨張弁４の開度を増加し、逆に、実際の高圧側圧力Ｐｄが目標高圧圧力Ｐｏより低いときは電気式膨張弁４の開度を減少させる。

次に、圧縮機１の作動の断続制御による蒸発器温度の制御を行う（Ｓ３０）。この蒸発器温度の制御は、具体的には、車室内へ吹き出す空気の目標温度ＴＡＯ、外気温度Ｔａｍ等により蒸発器吹出空気の目標温度ＴＥＯを算出し、温度センサ１４により検出される実際の蒸発器吹出温度Ｔｅが蒸発器目標温度ＴＥＯとなるように圧縮機１の作動を断続制御する。

つまり、蒸発器吹出温度Ｔｅが蒸発器目標温度ＴＥＯより高いときは、圧縮機１を作動させ、逆に、蒸発器吹出温度Ｔｅが蒸発器目標温度ＴＥＯより低いときは圧縮機１を停止する。このように、圧縮機１の作動を断続制御することにより、圧縮機１の稼働率が制御され、これにより、蒸発器５への循環冷媒流量が調整される。その結果、蒸発器５の冷却能力が調整されて、蒸発器吹出温度Ｔｅを蒸発器目標温度ＴＥＯに制御できる。なお、蒸発器目標温度ＴＥＯの最低温度は蒸発器５のフロスト防止のために０℃より若干高めの温度（３℃付近）に決定される。

一方、圧縮機吐出冷媒温度Ｔｄが所定の高温Ｔｏ以上になると、ステップＳ１０の判定がＹＥＳとなり、電気式膨張弁４の開度を所定量増加する（Ｓ４０）。具体的には、電気式膨張弁４の開度を、ステップＳ４０の判定前の開度よりも所定量増加する。本実施形態では、電気式膨張弁４の弁機構のストロークを０．０１ｍｍ増加して弁機構開度を所定量増加させる。ここで、電気式膨張弁４の弁機構の全ストロークが２．０ｍｍであるから、０．０１ｍｍのストローク増加は１／２００の開度増加に相当する。

次に、圧縮機１の断続制御による蒸発器温度の制御を行う（Ｓ５０）。この蒸発器温度の制御は前述のステップＳ３０と同じでよいから、具体的説明を省略する。

次に、膨張弁開度を増加した後の経過時間ｔが所定時間ｔｏ以上になったか判定し（Ｓ６０）、経過時間ｔが所定時間ｔｏ未満である間は待機し、経過時間ｔが所定時間ｔｏ以上になると、ステップＳ７０に進む。このステップＳ７０では、圧縮機吐出冷媒温度Ｔｄが、所定の高温Ｔｏから所定温度αを減じた値（Ｔｏ−α）以下に低下したか判定する。

なお、所定時間ｔｏは膨張弁開度を増加した後に 圧縮機吐出冷媒温度Ｔｄが実際に低下するに必要な時間である。また、所定温度αは１〜３℃程度の温度であって、電気式膨張弁４の開閉作動のハンチングを防ぐためのものである。

ステップＳ７０の判定がＮＯであると、ステップＳ４０に戻り、電気式膨張弁４の開度を所定量増加する。従って、圧縮機吐出冷媒温度Ｔｄが（Ｔｏ−α）以下の温度に低下するまで、電気式膨張弁４の開度を所定量ずつ増加していく。そして、圧縮機吐出冷媒温度Ｔｄが（Ｔｏ−α）以下の温度に低下すると、ステップＳ１０に戻り、ステップＳ１０の判定がＹＥＳとなるので、ステップＳ２０、Ｓ３０による通常運転時の制御を再び行う。

以上のように、電気式膨張弁４の開度制御を行うことにより圧縮機吐出冷媒温度Ｔｄを所定の高温Ｔｏ以下に制御できるから、圧縮機１として固定容量型圧縮機を用いることができる。固定容量型圧縮機１は、可変容量型圧縮機に比較して容量可変機構を持たないから、体格を小型軽量化でき、車両への搭載スペースを縮小できる。

また、サイクル高圧側の冷媒圧力が予め設定した所定圧力以上に上昇すると、機械式圧力応動弁９ａはこの高圧側の冷媒圧力の上昇に速やかに応動して開弁する。これにより、電気式膨張弁４の入口側通路（高圧側冷媒通路）と電気式膨張弁４の出口側通路（低圧側冷媒通路）との間がバイパス通路９によって直接連通する。

ここで、機械式圧力応動弁９ａの開弁時の通路面積は電気式膨張弁４側の通路面積よりも十分大きいので、機械式圧力応動弁９ａの開弁によって高圧側の冷媒圧力が低下する。これにより、高圧側の冷媒圧力が予め設定した所定圧力以上に上昇した異常状態を解消できる。

なお、冷媒圧力の変化は冷媒温度の変化のように熱の移動を伴わないから、冷媒温度の変化に比較して冷媒圧力は急激に変化する。そのため、冷媒圧力の異常上昇を確実に回避するためには、弁機構の即答性が非常に重要である。

高圧側の冷媒圧力の上昇を圧力センサにて電気的に検出して、弁機構の開弁動作を電気的に制御する場合には、圧力センサにおける応答遅れが問題となって、弁機構の即答性が悪化するが、本実施形態によると、機械式圧力応動弁９ａはダイヤフラム等の圧力応動部材により冷媒圧力の変化に直接応答して弁機構を開弁するので、弁機構の即答性が非常に良好であり、冷媒圧力の異常上昇を確実に回避できる。

（第２実施形態）
上述の第１実施形態では、電気式膨張弁４として、ステッピングモータ等の電気アクチュエータ機構により弁機構の開度を微小量ずつ微細に調整するタイプの電気式膨張弁を使用し、この電気式膨張弁４にバイパス通路９を並列接続し、このバイパス通路９に機械式圧力応動弁９ａを配置しているが、第２実施形態では、電気式膨張弁４として、図３に示すリニアソレノイド型電気式膨張弁を使用し、このリニアソレノイド型電気式膨張弁４自身に機械式圧力応動弁９ａと同等の機能を兼務させるようにしている。

これにより、図４に示すように第１実施形態のバイパス通路９および機械式圧力応動弁９ａを廃止している。

第２実施形態によるリニアソレノイド型電気式膨張弁４を図３により具体的に説明すると、４０は膨張弁４のハウジングであり、その全体形状は円筒状になっている。ハウジング４０のうち、円筒形状の軸方向の一端側（図４の上方側）の内部に冷媒通路が構成される。

具体的には、図４に示す内部熱交換器３の高圧側流路３ａの出口側に接続される高圧冷媒室４１と、減圧後の低圧冷媒を蒸発器５の入口側に向かって流出させる低圧冷媒室４２と、この両室４１、４２の間に位置する絞り通路４３がハウジング４０の軸方向一端側に形成されている。なお、４１ａは高圧冷媒室４１の入口孔で、４２ａは低圧冷媒室４２の出口孔である。

絞り通路４３は、両冷媒室４１、４２に比較して通路面積が大幅に小さい小径の円形孔からなり、高圧冷媒室４１の高圧冷媒を減圧膨張させる。

絞り通路４３の下流側、すなわち、低圧冷媒室４２側に絞り通路４３の開度を調整する弁体４４が対向配置されている。この弁体４４は、ハウジング４０の軸方向に細長く延びる円柱形状である。なお、図３は弁体４４が絞り通路４３から最も離れた位置（図３の最も下方側位置）に変位した最大開度位置（全開位置）の状態を示している。

ハウジング４０内部のうち、円筒形状の軸方向の他端側には電磁コイル４５が円筒状に配置されている。ハウジング４０のうち、電磁コイル４５の周囲に位置する符号４０ａの領域は磁気回路を構成する磁性体部分である。

弁体４４のうち、ハウジング４０の軸方向他端側には大径部４４ａが形成され、この大径部４４ａは磁性体で構成され、可動鉄心の役割を果たす。この大径部（磁性体部）４４ａの端面はハウジング４０の内周磁性体部４０ｂの端面に所定寸法の空隙４６を介して対向している。

電磁コイル４５に通電すると、ハウジング４０の内周磁性体部４０ｂの端面と弁体４４の大径部４４ａの端面との間に電磁吸引力が作用して、弁体４４が絞り通路４３に接近する側（図３の上方側）へ軸方向に変位するようになっている。これにより、弁体４４の上端部と絞り通路４３との間隙が変化して絞り通路４３の開度（通路面積）が変化するようになっている。

次に、第２実施形態の作動を説明する。第２実施形態によるリニアソレノイド型電気式膨張弁４では、ハウジング４０の内周磁性体部４０ｂの端面と弁体４４の大径部４４ａの端面との間の電磁吸引力が、弁体４４を絞り通路４３側（図３の上方側）へ変位させる閉弁方向の力として作用する。

これに対し、高圧冷媒室４１と低圧冷媒室４２との差圧に応じた力、すなわち、絞り通路４３を通過して低圧冷媒室４２内へ噴出する冷媒流れの動圧が、弁体４４を絞り通路４３から離れる側へ変位させる開弁方向の力として作用する。

このため、電磁コイル４５への電流量を増加すると、ハウジング４０の内周磁性体部４０ｂの端面と弁体４４の大径部４４ａの端面との間の電磁吸引力が増加して、弁体４４が絞り通路４３側（図３の上方側）へ変位し、絞り通路４３の開度（通路面積）を減少する。

逆に、電磁コイル４５への電流量を減少すると、ハウジング４０の内周磁性体部４０ｂの端面と弁体４４の大径部４４ａの端面との間の電磁吸引力が減少するので、弁体４４は前記動圧による開弁側の力によって絞り通路４３から離れる側（図３の下方側）へ変位し、絞り通路４３の開度（通路面積）を増加する。

なお、第２実施形態によるリニアソレノイド型電気式膨張弁４の具体的な弁開度制御は図２に示す第１実施形態と基本的には同じでよい。従って、第２実施形態による具体的な弁開度制御の説明は省略する。

ところで、電気式膨張弁４を第１実施形態のようにステッピングモータ等からなる電気アクチュエータ機構と、この電気アクチュエータ機構により駆動される弁機構とにより構成する場合には、弁機構の位置がステッピングモータ等からなる電気アクチュエータ機構により所定の制御位置に固定される。

そのため、電気アクチュエータ機構の制御信号を変更しない限り弁機構の位置は一定位置に固定されることになる。従って、第１実施形態によると、電気式膨張弁４自体に機械式圧力応動弁の役割を兼務させることはできない。

これに対し、第２実施形態によるリニアソレノイド型電気式膨張弁４においては、弁体４４の位置は電磁コイル４５への電流量により決まる電磁吸引力と弁体４４に作用する前記動圧による開弁方向の力とにより決定されるようになっている。

このため、弁体４４の位置が電磁コイル４５への電流量により決まる所定位置に制御されている状態において、高圧側冷媒圧力が何らかの原因で急激に上昇すると、この急激な冷媒圧力上昇によって前記動圧による開弁側の力を急上昇させる。これにより、弁体４４が絞り通路４３から離れる側（図３の下方側）へ迅速に変位して、弁開度を迅速に増加させる。

その結果、高圧側冷媒圧力の異常上昇をリニアソレノイド型電気式膨張弁４自身の弁開度増加により回避できる。したがって、第１実施形態の機械式圧力応動弁９ａと同等の機能をリニアソレノイド型電気式膨張弁４自身に兼務させることができる。

なお、上述の第２実施形態では、電磁コイル４５の電磁吸引力により弁体４４が絞り通路４３に接近する側（閉弁側）へ変位するようにしているので、電磁コイル４５の断線時等には、電磁吸引力が消滅して弁体４４が絞り通路４３から離れる側（開弁側）へ変位する。従って、電磁コイル４５の断線時等にも弁体４４の開弁状態を確保できる。そのため、弁体４４の開弁による高圧側冷媒圧力の異常上昇を未然に防止でき、安全である。

（他の実施形態）
なお、上述の第２実施形態では、弁体４４にバネ力を作用させない例を示しているが、ハウジング４０の内周磁性体部４０ｂの端面と弁体４４の大径部４４ａの端面との間の空隙４６にバネを配置し、このバネにより弁体４４に対して絞り通路４３から離れる側（開弁側）への力を作用させるようにしてもよい。

また、上述の第２実施形態では、電磁コイル４５の電磁吸引力により弁体４４が絞り通路４３に接近する側（閉弁側）へ変位するようにしているが、これとは逆に、電磁コイル４５の電磁吸引力により弁体４４が絞り通路４３から離れる側（開弁側）へ変位する構成としてもよい。但し、この場合は、弁体４４が絞り通路４３に接近する側（閉弁側）へ変位するバネ力を発生するバネが必須となる。

また、上述の第１実施形態では、機械式圧力応動弁９ａを電気式膨張弁４と並列接続されるバイパス通路９を設け、このバイパス通路９に機械式圧力応動弁９ａを設けているが、サイクルの高圧側冷媒通路と低圧側冷媒通路とを連通するバイパス通路であれば、どのバイパス通路に機械式圧力応動弁９ａを設けてもよい。

例えば、圧縮機１の吐出側と吸入側とを連通するバイパス通路に機械式圧力応動弁９ａを設けてもよい。この場合は、バイパス通路および機械式圧力応動弁９ａをともに圧縮機１に内蔵させてもよい。

また、電気式膨張弁４と並列接続されるバイパス通路９に機械式圧力応動弁９ａを設ける場合に、電気式膨張弁４とバイパス通路９と機械式圧力応動弁９ａとを一体構造物として構成してもよい。

また、上述の第１実施形態ではＣＯ₂冷媒を用いて超臨界冷凍サイクルを構成しているが、冷媒としてＣＯ₂以外の例えばエチレン、エタン、酸化窒素等の冷媒を用いて超臨界冷凍サイクルを構成してもよい。この点は第２実施形態においても同様である。

また、上述の第１、第２実施形態では、放熱器２出口側に配置した冷媒圧力センサ１３により高圧側圧力を検出しているが、圧縮機１の吐出側から膨張弁４の入口側に至る高圧側通路では冷媒圧力が略一定となるので、放熱器２出口側に限定されることなく、この高圧側通路のどの場所に冷媒圧力センサ１３を配置してもよい。

また、上述の第１、第２実施形態では、冷房運転専用のサイクルに適用する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、暖房運転又は除湿運転が可能なヒートポンプサイクルに適用してもよいことはもちろんであり、更に、車両用以外の用途にも本発明は適用できる。

また、上述の第１実施形態では、機械式圧力応動弁９ａの開弁時の通路面積を電気式膨張弁４の通路面積よりも十分大きく設定したが、本発明はこれに限定されるものではなく、機械式圧力応動弁９ａが開弁することによって高圧側冷媒圧力の上昇を抑制できるのであれば、機械式圧力応動弁９ａの開弁時の通路面積を電気式膨張弁４の通路面積よりも大きく設定しなくてもよい。

本発明の第１実施形態による車両用冷凍サイクルの全体構成の概要図である。 本発明の第１実施形態による冷凍サイクルの作動制御を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態における電気式膨張弁の断面図である。 本発明の第２実施形態による車両用冷凍サイクルの全体構成の概要図である。

符号の説明

１…圧縮機、２…放熱器、３…内部熱交換器、４…電気式膨張弁（減圧手段）、
５…蒸発器、９…バイパス通路、９ａ…機械式圧力応動弁、１０…制御装置（制御手段）、１１…吐出冷媒温度センサ（温度検出手段）、４３…絞り通路、４４…弁体、
４５…電磁コイル。

Claims (5)

1. 冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１）と、
   前記圧縮機（１）の吐出冷媒を冷却する放熱器（２）と、
   前記放熱器（２）の出口側冷媒を減圧する減圧手段（４）と、
   前記減圧手段（４）により減圧された低圧冷媒を蒸発させる蒸発器（５）とを備え、
   前記蒸発器（５）を通過した冷媒が前記圧縮機（１）に吸入されるようになっており、
   更に、高圧側の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において、
   前記圧縮機を吐出容量が一定の固定容量型圧縮機（１）で構成し、
   前記減圧手段を、高圧冷媒を減圧膨張させる絞り通路（４３）と、前記絞り通路（４３）の開度を調整する弁体（４４）と、電磁吸引力を発生して前記弁体（４４）の位置を直線的に変位させる電磁コイル（４４）とを有するリニアソレノイド型電気式膨張弁（４）で構成し、
   前記絞り通路（４３）上流側の高圧冷媒と前記絞り通路（４３）下流側の低圧冷媒との差圧に応じた力が前記弁体（４４）に対して開弁方向の力として作用するようになっており、
   更に、前記圧縮機（１）の吐出冷媒温度を検出する温度検出手段（１１）と、
   前記温度検出手段（１１）の検出信号が入力され、前記リニアソレノイド型電気式膨張弁（４）を制御する制御手段（１０）とを備え、
   前記制御手段（１０）は、前記吐出冷媒温度が所定の高温以上に上昇すると前記リニアソレノイド型電気式膨張弁（４）をその開度が増加するように制御することを特徴とする超臨界冷凍サイクル。
2. 前記弁体（４４）は前記絞り通路（４３）の下流側に配置され、前記絞り通路（４３）を通過する冷媒流れの動圧が、前記差圧に応じた力として前記弁体（４４）に作用することを特徴とする請求項１に記載の超臨界冷凍サイクル。
3. 前記電磁コイル（４４）の電磁吸引力が増加することにより前記弁体（４４）が閉弁方向に変位するようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の超臨界冷凍サイクル。
4. 前記制御手段（１０）は、前記吐出冷媒温度が前記所定の高温に上昇したとき、前記吐出冷媒温度が一定温度低下するまで、前記電気式膨張弁（４）の開度を微小開度ずつ増加することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の超臨界冷凍サイクル。
5. 前記制御手段（１０）は、前記吐出冷媒温度が前記所定の高温まで上昇していない通常運転時に、実際の高圧側冷媒圧力が前記放熱器（２）の出口冷媒温度に基づいて決定される目標高圧圧力となるように前記電気式膨張弁（４）の開度を制御することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の超臨界冷凍サイクル。

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