(57)【要約】【課題】  外部制御が可能な可変容量圧縮機を備えた冷凍サイクルにおいて、冷房負荷が小さいときに、潤滑オイルを確保しながら冷房効率を悪化させないようにする。【解決手段】  膨張弁のパワーエレメントに冷凍サイクルに使用される冷媒（ＨＦＣ−１３４ａ）と同じガスを封入し、そのガスを不活性ガスにて昇圧して飽和圧力特性Ｅ１にし、低負荷時における実際的な温度制御範囲である０℃〜１０℃の範囲にて、可変容量圧縮機へ潤滑オイルを循環させるのに必要な最小の所定流量を常に流すことができるようにした。これにより、低負荷運転では、常に必要最小限の潤滑オイルを循環させることができるので、冷房効率を悪化させたり、潤滑オイルが枯渇したりするようなことがなくなる。【選択図】  図２
2007010289.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部制御の可変容量圧縮機と、ガスを封入したパワーエレメントが蒸発器の出口における冷媒の温度および圧力を感知して前記蒸発器に供給する冷媒の流量を制御する温度式の膨張弁とを備えた冷凍サイクルにおいて、
前記膨張弁は、使用冷媒の０℃と１０℃とに相当する蒸発器出口圧力の２点を結ぶ直線の傾きをＡとし、０℃と１０℃とに相当する弁部の開き始めの圧力点を結ぶ直線の傾きをＢとしたとき、前記Ｂの傾きがＡ（１＋０．２）≧Ｂ≧Ａ（１−０．２）の範囲にある特性を有し、かつ、蒸発器出口温度が０℃〜１０℃の領域にて蒸発器出口の冷媒の過熱度が０℃になったときの弁開面積が前記可変容量圧縮機へ潤滑オイルを循環させるのに必要な最小の所定流量を流すことができる値に設定されていることを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項２】
前記膨張弁は、前記パワーエレメントに使用冷媒と同じガスが封入され、前記ガスが前記所定流量を流すことができる値になるよう不活性ガスにて昇圧されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
【請求項３】
前記膨張弁は、前記蒸発器出口温度が０℃〜１０℃の範囲にて前記使用冷媒とほぼ同じ特性であって、前記Ａ（１＋０．２）≧Ｂ≧Ａ（１−０．２）の範囲内の傾きの特性を有するガスが前記パワーエレメントに封入されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
【請求項４】
前記膨張弁は、前記蒸発器出口温度が０℃〜１０℃の範囲にて前記使用冷媒とほぼ同じ特性であって、前記Ａ（１＋０．２）≧Ｂ≧Ａ（１−０．２）の範囲内の傾きの特性に調整するガスと活性炭とが前記パワーエレメントに封入されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
【請求項５】
前記膨張弁は、ノーマルチャージ方式の膨張弁の弁部に並列に、前記可変容量圧縮機へ潤滑オイルを循環させるのに必要な最小の所定流量を流すことができる開口面積を持ったオリフィスを設けたものであることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
【請求項６】
前記膨張弁は、ノーマルチャージ方式の膨張弁の弁部の弁体が、前記可変容量圧縮機へ潤滑オイルを循環させるのに必要な最小の所定流量を流すことができる弁開面積のリフト位置までしか閉じないようにしたことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
【請求項７】
ガスを封入したパワーエレメントが蒸発器の出口における冷媒の温度および圧力を感知して前記蒸発器に供給する冷媒の流量を制御する温度式の膨張弁において、
冷凍サイクルで使用される冷媒の０℃と１０℃とに相当する蒸発器出口圧力の２点を結ぶ直線の傾きをＡとし、０℃と１０℃とに相当する弁部の開き始めの圧力点を結ぶ直線の傾きをＢとしたとき、前記Ｂの傾きがＡ（１＋０．２）≧Ｂ≧Ａ（１−０．２）の範囲にある特性を有し、かつ、蒸発器出口温度が０℃〜１０℃の領域にて蒸発器出口の冷媒の過熱度が０℃になったときの弁開面積が可変容量圧縮機へ潤滑オイルを循環させるのに必要な最小の所定流量を流すことができる値に設定されていることを特徴とする膨張弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷凍サイクルに関し、特に車両用空調装置に適用され、冷房効率の悪化を招くことなく低負荷領域においても可変容量圧縮機に必要な潤滑オイルを確保することができる冷凍サイクルに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用空調装置に適用される冷凍サイクルは、一般に圧縮機、凝縮器、受液器、膨張弁および蒸発器によって構成されている。圧縮機は、車両のエンジンを駆動源としており、このため、エンジンの回転数に関係なく、冷房負荷に相当する流量の冷媒を安定して吐出することができる可変容量圧縮機が用いられている。
【０００３】
可変容量圧縮機は、可変容量圧縮機用制御弁を備え、その可変容量圧縮機用制御弁がたとえば吸入圧力Ｐｓを感知してその吸入圧力Ｐｓが一定に保たれるように冷媒の吐出容量を可変することで、回転数に依存しない安定した流量の冷媒を吐出することができる。さらに、その可変容量圧縮機用制御弁が外部信号によって制御することができる電子式の場合には、吸入圧力Ｐｓを外部信号によってある制御範囲内で自由に設定することが可能になっている。
【０００４】
可変容量圧縮機は、車両のエンジンによって回転駆動され、これによって冷媒を吸入圧縮するピストンが往復運動する機構を有しているので、その機構を円滑に動作させるための潤滑オイルが内部に対流させるようにしている。この潤滑オイルは、可変容量圧縮機の運転時には、圧縮された冷媒と一緒に外部へ流出するが、流出した潤滑オイルは冷凍サイクルを一巡する冷媒とともに戻ってくるので、可変容量圧縮機から潤滑オイルがなくなることはない。
【０００５】
冷房負荷が高いときには、循環する冷媒の流量も多いので、冷媒に溶け込んで可変容量圧縮に戻る潤滑オイルの量も多い。しかし、冷房負荷が低いとき、たとえば蒸発器を通過する空気の風量が少なく、蒸発器の入口空気のエンタルピと出口空気のエンタルピとの差が小さい場合、可変容量圧縮は、かなりの小容量運転をしているので、冷媒の循環流量も少ない。したがって、可変容量圧縮機がこのような低負荷状態で長く運転し続けると、可変容量圧縮機は、その中の潤滑オイルが枯渇し、摺動部が焼き付を起こして動かなくなってしまう危険がある。
【０００６】
そこで、従来の冷凍サイクルにおいては、一般に、クロスチャージ方式の温度式膨張弁を使用して、低負荷運転時においても潤滑オイルを含んだ液冷媒を可変容量圧縮機へ戻すことができるようにしている。
【０００７】
図９はクロスチャージ方式の温度−圧力特性を示す図、図１０はクロスチャージ方式の膨張弁の過熱度−弁開面積特性を示す図である。
クロスチャージ方式の膨張弁では、蒸発器出口における冷媒の温度および圧力を感知するパワーエレメント内に、冷凍サイクル使用の冷媒とは異なるガスが封入される。すなわち、図９には、使用冷媒として代表的なＨＦＣ−１３４ａの飽和圧力曲線を示しており、これよりも勾配の緩い特性を有するガスをパワーエレメントに封入することで、クロスチャージ方式の膨張弁になる。
【０００８】
このような膨張弁では、蒸発器出口の温度が低い低負荷時では、パワーエレメント内の圧力が使用冷媒の飽和圧力曲線より高くなるため、蒸発器出口の冷媒は、完全に蒸発していない液を含んだ状態になる。この液を含んだ冷媒の流量は、蒸発器出口圧力Ｐｅ（≒可変容量圧縮機の吸入圧力Ｐｓ）が低いほど増加する傾向を有している。この冷媒流量の増加は、可変容量圧縮機の吸入室に多量の液冷媒が戻ることになり、冷房効率の悪化を招くことになる。逆に、可変容量圧縮機の吸入圧力Ｐｓが高いほど、冷媒流量は、低下する傾向にあり、潤滑オイルの不足を招くことになる。
【０００９】
また、外部制御の可変容量圧縮機は、低負荷時には、蒸発器出口の温度が０℃〜１０℃の範囲になるよう制御したいが、そのときの蒸発器出口圧力ＰｅはＨＦＣ−１３４ａの場合、約０．２ＭＰａ〜０．３２ＭＰａであるので、その範囲にて吸入圧力Ｐｓの値を可変することになる。図１０にクロスチャージ方式の膨張弁の過熱度−弁開面積特性を示してあるが、可変容量圧縮機を、蒸発器内の温度が０℃に相当する吸入圧力Ｐｓ（蒸発器出口圧力Ｐｅ）＝０．２ＭＰａに設定した場合と、１０℃に相当する０．３２ＭＰａに設定した場合とでは、過熱度が０℃のときの弁開面積が大きく変化している。つまり、吸入圧力Ｐｓ（蒸発器出口圧力Ｐｅ）を０．２ＭＰａに設定した場合には、過熱度が０℃のときの弁開面積が大きくなり過ぎて過剰な液冷媒が可変容量圧縮機に戻ってしまうので、可変容量圧縮機は、非常に効率の悪い運転をすることになる。一方、吸入圧力Ｐｓ（蒸発器出口圧力Ｐｅ）を０．３２ＭＰａに設定した場合には、過熱度が０℃のときの弁開面積が小さくなって冷媒流量が少なくなり過ぎてしまうので、可変容量圧縮機には、必要な循環オイルが供給されなくなってしまう。
【００１０】
これに対し、冷房効率の問題と潤滑オイルの問題とを同時に解消したシステムが知られている（たとえば、特許文献１参照。）。このシステムによれば、可変容量圧縮機として冷媒の吐出流量を外部信号によって設定される一定流量に制御できる圧縮機と、ノーマルチャージ方式の膨張弁とを備えている。冷媒流量を一定に制御することができる圧縮機にしたことにより、低負荷時においても圧縮機に必要な最低限の冷媒流量を確実に流すように制御することができ、ノーマルチャージ方式の膨張弁としたことにより、低負荷時においても蒸発器出口の冷媒を常に所定の過熱度に維持することができるので、高い冷房効率の維持を可能にしている。
【特許文献１】特開２００１−１３３０５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記特許文献１のものは、可変容量圧縮機が吐出される冷媒流量を一定に制御することができる流量制御方式にして初めて冷房効率の問題と潤滑オイルの問題とを同時に解消することができるもので、吸入圧力を一定に制御する可変容量圧縮機を採用した冷凍サイクルには適用することはできない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、外部制御が可能な可変容量圧縮機を備えた冷凍サイクルにおいて、冷房負荷が小さいときに、蒸発器出口温度が０℃〜１０℃となるよう吸入圧力を変化させても、過熱度が０℃のときの冷媒流量が可変容量圧縮機にとって最低限必要な流量の冷媒を流すようにして、潤滑オイルを確保しながら冷房効率を悪化させないようにした冷凍サイクルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明では上記問題を解決するために、外部制御の可変容量圧縮機と、ガスを封入したパワーエレメントが蒸発器の出口における冷媒の温度および圧力を感知して前記蒸発器に供給する冷媒の流量を制御する温度式の膨張弁とを備えた冷凍サイクルにおいて、前記膨張弁は、使用冷媒の０℃と１０℃とに相当する蒸発器出口圧力の２点を結ぶ直線の傾きをＡとし、０℃と１０℃とに相当する弁部の開き始めの圧力点を結ぶ直線の傾きをＢとしたとき、前記Ｂの傾きがＡ（１＋０．２）≧Ｂ≧Ａ（１−０．２）の範囲にある特性を有し、かつ、蒸発器出口温度が０℃〜１０℃の領域にて蒸発器出口の冷媒の過熱度が０℃になったときの弁開面積が前記可変容量圧縮機へ潤滑オイルを循環させるのに必要な最小の所定流量を流すことができる値に設定され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、低負荷時における実際的な温度制御範囲である０℃〜１０℃の範囲にて、０℃と１０℃とに相当する弁部の開き始めの圧力点間の傾きＢを冷凍サイクルで使用される冷媒の飽和圧力曲線の傾きＡに近似させ、蒸発器出口の冷媒の過熱度が０℃になっても可変容量圧縮機へ潤滑オイルを循環させるのに必要な最小の所定流量を流すための弁開面積を確保した膨張弁にしたことで、可変容量圧縮機の吸入圧力および蒸発器の出口圧力が低下した場合においても、可変容量圧縮機の効率悪化につながる過剰な液冷媒を吸入室へ戻さないようにすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の冷凍サイクルは、低負荷時における膨張弁の特性を、使用冷媒に類似したガスをパワーエレメントに封入し、かつ、蒸発器出口の冷媒の過熱度が０℃になったときに可変容量圧縮機へ潤滑オイルを循環させるのに必要な最小の所定流量を常に流すようにしたので、冷媒流量が過剰になることによる冷房効率の悪化や冷媒流量が不足することによる潤滑オイルの枯渇を防止できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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は冷凍サイクルの構成を示すシステム図である。
冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する可変容量圧縮機１と、圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器２と、凝縮された気液混合冷媒を受けて液冷媒だけを送り出す受液器３と、液冷媒を断熱膨張させる膨張弁４と、膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器５とを備えている。ここでは、冷媒として、たとえばＨＦＣ−１３４ａを用いたシステムとする。
【００１７】
可変容量圧縮機１は、電子式の可変容量圧縮機用制御弁を有していて、外部から供給される制御信号によって制御されるもので、ここでは、たとえば吸入室の吸入圧力Ｐｓを所定の値に制御することができる方式とする。
【００１８】
膨張弁４は、受液器３から供給された液冷媒を膨張させて蒸発器５へ送り出す弁部４ａと、蒸発器５の出口における冷媒の温度および圧力を感知して弁部４ａにおける冷媒流量を制御するパワーエレメント４ｂとを備えた温度式膨張弁である。
【００１９】
図２は第１の実施の形態に係る冷凍サイクルの膨張弁の温度−圧力特性を示す図、図３は第１の実施の形態に係る冷凍サイクルの膨張弁の過熱度−弁開面積特性を示す図である。
【００２０】
第１の実施の形態に係る冷凍サイクルでは、膨張弁４の温度−圧力特性を図２に示すように変更している。すなわち、この膨張弁４の飽和圧力特性Ｅ１は、低負荷時における蒸発器出口温度が０℃〜１０℃の領域において、冷凍サイクルに使用されるＨＦＣ−１３４ａの飽和圧力曲線に対して蒸発器出口圧力Ｐｅが常に若干高くなるようにしている。この飽和圧力特性Ｅ１は、パワーエレメント４ｂに冷凍サイクルに使用される冷媒と同じガスを封入し、さらに不活性ガスで昇圧することによって実現している。この点で、この膨張弁４は、ノーマルチャージ方式のもので過熱度が出るよう制御している膨張弁とは異なっている。
【００２１】
これにより、低負荷時において、可変容量圧縮機１がその吸入圧力Ｐｓを０℃〜１０℃に対応する０．２ＭＰａ〜０．３２ＭＰａに設定するよう制御しても、膨張弁４は、パワーエレメント４ｂが弁部４ａを開弁方向に作用する圧力の方が常に大きいので、弁部４ａは閉じることはできず、可変容量圧縮機１にとって潤滑オイルの循環に必要な所定の流量を流すことができるようになる。
【００２２】
このときの膨張弁４の過熱度−弁開面積特性は、図３に示したように、可変容量圧縮機１の吸入圧力Ｐｓが０．２ＭＰａおよび０．３２ＭＰａに設定されることによって設定される蒸発器出口圧力Ｐｅが０．２ＭＰａの場合と０．３２ＭＰａの場合とで同じ特性になっており、したがって、過熱度が０℃のときの弁開面積も、蒸発器出口圧力Ｐｅが変わっても変化しない。過熱度が０℃のときのこの弁開面積は、可変容量圧縮機１に必要な量の潤滑オイルを確保することができる冷媒流量に対応し、たとえば、約２０Ｋｇ／時（質量流量）程度流すことができる。
【００２３】
図４は第２の実施の形態に係る冷凍サイクルの膨張弁の温度−圧力特性を示す図、図５は第２の実施の形態に係る冷凍サイクルの膨張弁の過熱度−弁開面積特性を示す図である。
【００２４】
第２の実施の形態に係る冷凍サイクルでは、膨張弁４の温度−圧力特性を図４に示すように変更している。すなわち、この膨張弁４では、冷凍サイクルに使用されるＨＦＣ−１３４ａと類似の特性を示すガスをパワーエレメント４ｂに封入することにより、飽和圧力特性Ｅ２にしている。これにより、低負荷時において、蒸発器出口圧力Ｐｅが０．２ＭＰａ〜０．３２ＭＰａの間で変化しても、図５に示すように、過熱度が０℃のときの弁開面積の変化を少なくすることができる。
【００２５】
図６は第３の実施の形態に係る冷凍サイクルの膨張弁の温度−圧力特性を示す図、図７は第３の実施の形態に係る冷凍サイクルの膨張弁の過熱度−弁開面積特性を示す図である。
【００２６】
第３の実施の形態に係る冷凍サイクルでは、膨張弁４の温度−圧力特性を図６に示すように変更している。すなわち、この膨張弁４では、パワーエレメント４ｂに使用冷媒とほぼ同じ特性を有するガスとそのガスを熱によって吸着・放出する材料、ここでは活性炭とを封入して、飽和圧力特性Ｅ３にしている。この飽和圧力特性Ｅ３は、ガスの種類と活性炭の量とを適当に選択することで作り出すことができる。ここで、蒸発器出口温度が０℃と１０℃のときに着目すると、飽和圧力特性Ｅ３とＨＦＣ−１３４ａの飽和圧力曲線との間隔を第１の実施の形態に係る冷凍サイクルの膨張弁と同じに設定してある。このため、蒸発器出口圧力Ｐｅが０．２ＭＰａ〜０．３２ＭＰａの間で変化しても、図７に示すように、過熱度が０℃のときの弁開面積の変化はない。ただし、蒸発器出口温度が５℃のときは、飽和圧力特性Ｅ３とＨＦＣ−１３４ａの飽和圧力曲線との間隔が大きくなるので、過熱度が０℃のときの弁開面積が大きくなって流れる冷媒流量も多少多くなっている。
【００２７】
ここで、第２および第３の実施の形態に係る冷凍サイクルの膨張弁の飽和圧力特性Ｅ２，Ｅ３の設定方法について説明する。図６において、冷凍サイクルに使用されるＨＦＣ−１３４ａの０℃と１０℃とに相当する蒸発器出口圧力Ｐｅの２点ａ，ｂを結ぶ直線の傾きをＡとし、０℃と１０℃とに相当する膨張弁４の弁部４ａの開き始めの圧力点ｃ，ｄを結ぶ直線の傾きをＢとしたとき、Ａ（１＋０．２）≧Ｂ≧Ａ（１−０．２）の範囲とする。これは、飽和圧力特性の傾きＢが冷凍サイクルに使用されている冷媒の傾きＡの±２０％の範囲内であれば良いことを表しており、その範囲を外れると経験的に０℃および１０℃における冷媒流量に過不足が生じてしまうことに起因している。ちなみに、ＨＦＣ−１３４ａの０℃と１０℃とにおける飽和圧力の傾きは１．２４２であり、そのときに許容される膨張弁の飽和圧力特性の傾きの下限は、１．２４２×０．８＝０．９９３６であることから、飽和圧力特性の傾きが０．７といわれている従来のクロスチャージ方式の膨張弁は、上記の範囲から大幅に外れていることになる。さらに、この膨張弁は、蒸発器出口温度が０℃〜１０℃の領域にて蒸発器出口の冷媒の過熱度が０℃になったときの弁開面積が可変容量圧縮機へ潤滑オイルを循環させるのに必要な最小の所定流量（たとえば、約２０Ｋｇ／時）を流すことができる値に設定される。
【００２８】
図８は第４の実施の形態に係る冷凍サイクルの膨張弁の過熱度−弁開面積特性を示す図である。
この第４の実施の形態に係る冷凍サイクルでは、膨張弁４として、ノーマルチャージ方式の膨張弁に可変容量圧縮機へ潤滑オイルを循環させるのに必要な最小の所定流量を流すことができるオリフィスを設けたものにしている。これにより、膨張弁４の過熱度−弁開面積特性は、可変容量圧縮機１の吸入圧力Ｐｓが０．２ＭＰａおよび０．３２ＭＰａに設定されることによって設定される蒸発器出口圧力Ｐｅが０．２ＭＰａの場合と０．３２ＭＰａの場合とで同じ特性になっている。過熱度が０℃の近傍においては、オリフィスによって可変容量圧縮機１に必要な量の潤滑オイルを確保することができる冷媒流量が流れることになる。
【００２９】
このオリフィスは、膨張弁４の弁部４ａに並列に所定の開口面積を持ったバイパス通路を設けるか、膨張弁４の弁体が着座する弁座の面にＶ溝を形成することによってバイパス通路を設けるか、あるいは、膨張弁４の弁体が所定の弁開面積となるリフト位置よりも弁座の方へ移動することができないようにストッパを設けることによって実現される。
【００３０】
以上の実施の形態では、可変容量圧縮機１が吸入圧力Ｐｓを制御することができる外部制御式の圧縮機の場合について説明したが、吐出流量を制御または吐出圧力と吸入圧力との差圧を制御することができる外部制御式の圧縮機においても同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】冷凍サイクルの構成を示すシステム図である。
【図２】第１の実施の形態に係る冷凍サイクルの膨張弁の温度−圧力特性を示す図である。
【図３】第１の実施の形態に係る冷凍サイクルの膨張弁の過熱度−弁開面積特性を示す図である。
【図４】第２の実施の形態に係る冷凍サイクルの膨張弁の温度−圧力特性を示す図である。
【図５】第２の実施の形態に係る冷凍サイクルの膨張弁の過熱度−弁開面積特性を示す図である。
【図６】第３の実施の形態に係る冷凍サイクルの膨張弁の温度−圧力特性を示す図である。
【図７】第３の実施の形態に係る冷凍サイクルの膨張弁の過熱度−弁開面積特性を示す図である。
【図８】第４の実施の形態に係る冷凍サイクルの膨張弁の過熱度−弁開面積特性を示す図である。
【図９】クロスチャージ方式の温度−圧力特性を示す図である。
【図１０】クロスチャージ方式の膨張弁の過熱度−弁開面積特性を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  可変容量圧縮機
２  凝縮器
３  受液器
４  膨張弁
４ａ  弁部
４ｂ  パワーエレメント
５  蒸発器
【図１】
2007010289.tif 000003
【図２】
2007010289.tif 000004
【図３】
2007010289.tif 000005
【図４】
2007010289.tif 000006
【図５】
2007010289.tif 000007
【図６】
2007010289.tif 000008
【図７】
2007010289.tif 000009
【図８】
2007010289.tif 000010
【図９】
2007010289.tif 000011
【図１０】
2007010289.tif 000012