(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
前記コンプレッサで圧縮された超臨界圧力の冷媒を冷却するガスクーラと、
前記ガスクーラから流出する冷媒の状態を検出する第１のセンサと、
前記第１のセンサからの検出信号に基づいて、前記ガスクーラで冷却した冷媒が臨界圧力以下に減圧されるように、第一絞り部の絞り量を制御する第一の制御手段と、
前記第一絞り部で臨界圧力以下に減圧した冷媒と前記コンプレッサに吸入される冷媒とを熱交換してさせる内部熱交換器と、
前記コンプレッサに吸い込まれる冷媒の状態を検出する第２のセンサと、
前記第２のセンサからの検出信号に基づいて、前記内部熱交換器で過冷却した冷媒を減圧する第二絞り部の絞り量を制御する第二の制御手段と、
前記第二絞り部で減圧した冷媒を蒸発させた後、前記内部熱交換器を介してコンプレッサに戻すエバポレータと、を備えたことを特徴とする車両用空調装置。
【請求項２】
臨界圧力以下で作動する前記第二絞り部をエバポレータの近傍に配設したことを特徴とする請求項１に記載の車両用空調装置。
【請求項３】
前記第１のセンサで検出する冷媒状態は、冷媒圧力、又は、冷媒温度及び冷媒圧力であることを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用空調装置。
【請求項４】
前記第２のセンサで検出する冷媒状態は、冷媒温度及び冷媒圧力、又は、スーパーヒート量であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の車両用空調装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用空調装置、特に、冷媒に二酸化炭素を用いる蒸気圧縮タイプに適した車両用空調装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、冷媒に二酸化炭素を用いる蒸気圧縮式のサイクル装置が公知である（例えば、特表平３─５０３２０６号公報参照）。このサイクル装置では、コンプレッサから吐出された冷媒（二酸化炭素）をガスクーラ、絞り弁およびエバポレータを介して循環させている。ガスクーラの下流側配管とエバポレータの下流側配管との間には内部熱交換器が設けられている。そして、この内部熱交換器により、ガスクーラでの放熱を補完し、エバポレータに於ける吸熱効率を向上させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記サイクル装置では、二酸化炭素を用いているため、一般的な冷媒であるＨＦＣ─１３４ａに比べると約１０倍の作動圧力が必要となる。このため、各構成部品を耐圧強度の高い大型で高価なものとしなければならない。
【０００４】
また、サイクルでの成績係数を最大とするために、高圧側に設けた絞り弁の開度を調整している。このため、ガスクーラの熱負荷が高いときや、二酸化炭素の循環量が少ないときに、エバポレータでの冷房能力が不足する。そして、二酸化炭素を完全にガス化しきれないと、コンプレッサに液相冷媒が流入し、液圧縮により破損する恐れがある。液圧縮防止のため、コンプレッサの吸入側流路にアキュムレータを設けると、その内部に、冷媒と共に流動するコンプレッサの潤滑オイルが滞留し、コンプレッサの潤滑性を低下させて破損に至らしめることがある。また、アキュムレータを設けることで、装置の大型化、コストの増加がもたらされる。
【０００５】
さらに、高圧側の冷媒は超臨界域にあるガス状態で絞り弁を通過するので、絞り弁で大きな通過音が発生し、乗員に不快感を与える。この場合、絞り弁を車室外に設けただけでは、絞り弁とエバポレータとの間の配管流路が長くなり、冷媒の熱損失や圧力損失が発生し、冷房性能の低下を招く。また、配管の周囲に断熱材を配設すると、作業工程が増えると共にコストアップを招来する。
【０００６】
そこで、本発明は、小型かつ安価に製作でき、特に冷媒に二酸化炭素等を用いる場合に適した車両用空調装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、
車両用空調装置を、
前記コンプレッサで圧縮された超臨界圧力の冷媒を冷却するガスクーラと、
前記ガスクーラから流出する冷媒の状態を検出する第１のセンサと、
前記第１のセンサからの検出信号に基づいて、前記ガスクーラで冷却した冷媒が臨界圧力以下に減圧されるように、第一絞り部の絞り量を制御する第一の制御手段と、
前記第一絞り部で臨界圧力以下に減圧した冷媒と前記コンプレッサに吸入される冷媒とを熱交換してさせる内部熱交換器と、
前記コンプレッサに吸い込まれる冷媒の状態を検出する第２のセンサと、
前記第２のセンサからの検出信号に基づいて、前記内部熱交換器で過冷却した冷媒を減圧する第二絞り部の絞り量を制御する第二の制御手段と、
前記第二絞り部で減圧した冷媒を蒸発させた後、前記内部熱交換器を介してコンプレッサに戻すエバポレータと、を備えた構成としたものである。
【０００８】
この構成により、コンプレッサから吐出された圧縮冷媒は、ガスクーラで冷却された後、第一絞り部で減圧されて気液２相状態となる。これにより、内部熱交換器に流入する冷媒圧力を抑えることが可能となる。また、内部熱交換器で冷却され、液相状態で第二絞り部を通過するため、騒音を発生させることがない。そして、第二絞り部で減圧されて気液２相状態となった後、エバポレータに流入し、周囲の空気から吸熱する。その後、エバポレータから流出し、内部熱交換器を通過することにより気相状態となってコンプレッサに戻る。これにより、コンプレッサでの液圧縮が防止される。
【００１１】
そして、前記第二絞り部をエバポレータの近傍に配設すると、冷媒を熱損失や圧力損失を起こすことなくエバポレータに供給することが可能となる。
前記第１のセンサで検出する冷媒状態は、冷媒圧力、又は、冷媒温度及び冷媒圧力であればよい。
前記第２のセンサで検出する冷媒状態は、冷媒温度及び冷媒圧力、又は、スーパーヒート量であればよい。
【００１２】
以上の構成により、冷媒に二酸化炭素を利用しても、適切な流動状態を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る車両用空調装置の概略図である。この車両用空調装置は、コンプレッサ１から吐出させた冷媒を、ガスクーラ２、第一絞り部３、内部熱交換器４、第二絞り部５、エバポレータ６、および内部熱交換器４を介してコンプレッサ１に戻して循環させるようになっている。ガスクーラ２と第一絞り部３を接続する第一配管７の途中には、第一圧力センサ８と第一温度センサ９が設けられている。内部熱交換器４とコンプレッサ１を接続する第二配管１０の途中には第二圧力センサ１１と第二温度センサ１２が設けられている。各センサ８，９，１１，１２での検出信号は制御装置１３に入力され、制御装置１３は、これらの信号に基づいて、後述するように第一絞り部３および第二絞り部５の開度を調整する。
【００１５】
前記コンプレッサ１は、冷媒である二酸化炭素を、臨界圧力を超える圧力に圧縮して高温状態で吐出する。
【００１６】
前記ガスクーラ２およびエバポレータ６は、波型に形成したフィンと扁平チューブとを交互に積層し、２つのヘッダ間に一体化した従来周知の構造である。冷媒は、ヘッダと扁平チューブの内部を蛇行しながら流動し、フィンを介して外部を通過する空気と熱交換される。
【００１７】
前記第一絞り部３および第二絞り部５は、図２に示すように、直交する流路に形成された弁口１４を、ステッピングモータ１５の駆動により弁体１６を上下動させることにより開度を調整する構成である。但し、冷媒流量を調整可能な構成であれば、従来周知の他のいかなる構成であっても採用可能である。
【００１８】
前記内部熱交換器４は、図３に示すように、ガスクーラ２からの高圧冷媒が通過する内管１７と、その周囲にエバポレータ６からの低圧冷媒が通過する外側流路１９を形成する外管１８とからなる二重管構造である。そして、冷媒は、両流路を通過する際に熱交換される。
【００１９】
前記エバポレータ６と第二絞り部５は車室内側に配設され、他は車室外側（エンジンルーム）に配設されている。
【００２０】
次に、前記車両用空調装置の動作を説明する。
【００２１】
図４のモリエル線図に示すように、コンプレッサ１を駆動すると、冷媒は、臨界圧力を超える圧力とされ、高温状態となる（Ａ）。そして、ガスクーラ２に流入し、そこで冷却される。このとき、冷媒圧力は、臨界圧力を超える値に維持されたままとなる（Ｂ）。
【００２２】
続いて、第一絞り部３を通過し、臨界圧力以下に減圧されて気液２相状態となる（Ｃ）。この場合、制御装置１３による第一絞り部３の開度の調整は次のようにして行う。
【００２３】
すなわち、図５のフローチャートに示すように、まず、第一温度センサ９で検出されるガスクーラ２を通過した後の冷媒温度を読み込む（ステップＳ１）。そして、この検出温度に基づき、図６のグラフに従って第一絞り部３の入口側の目標圧力を決定する（ステップＳ２）。また、第一圧力センサ８で検出されるガスクーラ２を通過した後の冷媒圧力を読み込み（ステップＳ３）、前記目標圧力と比較する（ステップＳ４）。検出圧力が目標圧力未満であれば、第一絞り部３の開度を小さくする（ステップＳ５）。これにより、内部熱交換器４に流入する冷媒量の不足を防止し、その後の適切な流動状態を得ることが可能となる。一方、検出圧力が目標圧力以上であれば、逆に第一絞り部３の開度を大きくする（ステップＳ６）。これにより、冷媒圧力を臨界圧力以下とすることができる。なお、第一絞り部３の開度は、目標圧力に上限値と下限値を設け、上限値（例えば、目標圧力+１ＭＰａ）を超えれば小さくし、下限値（例えば、目標圧力−１ＭＰａ）よりも小さくなれば大きくする。
【００２４】
このように、ガスクーラ２を通過した後の冷媒温度および冷媒圧力に基づいて第一絞り部３の開度を調整するようにしたので、その後の冷媒の流動に支障を来すことのない冷媒圧力を臨界圧力以下に抑えることができる。したがって、内部熱交換器（ここでは、内管１７）に耐圧構造を採用する必要がなくなる。この結果、内部熱交換器４を小型で安価に製作することが可能となる。特に、内管１７を薄くすることにより、各流路の冷媒間での熱交換効率を高めることができる。
【００２５】
内部熱交換器４では、冷媒は、内管１７を通過し、外側流路１９を通過する冷媒に放熱することにより、冷却されて液相状態となる（Ｄ）。
【００２６】
そして、エバポレータ６に流入する前に、第二絞り部５を通過することにより、再び減圧されて気液２相状態となる（Ｅ）。この場合、第二絞り部５の開度は次のようにして調整する。
【００２７】
すなわち、図７のフローチャートに示すように、まず、第二温度センサ１２で検出される内部熱交換器４を通過した後の冷媒温度を読み込む（ステップＳ１１）。また、第二圧力センサ１１で検出される内部熱交換器４を通過した後の冷媒圧力を読み込む（ステップＳ１２）。そして、読み込んだ冷媒圧力から得られる冷媒の飽和温度に基づいて、コンプレッサ１に吸入される冷媒のスーパーヒート（過熱度）を算出する（ステップＳ１３）。
【００２８】
【数１】
ＳＨ＝Ｔｓ−Ｔ0
Ｔ0＝ｆ（Ｐｓ）
ＳＨ：スーパーヒート（過熱度）
Ｔｓ：コンプレッサ吸入冷媒温度
Ｐｓ：コンプレッサ吸入冷媒圧力
Ｔ0：冷媒飽和温度
【００２９】
算出されたスーパーヒート（過熱度）が５（℃）以下であれば、第二絞り部５の開度を小さくし（ステップＳ１４）、１５（℃）を超えていれば、大きくする（ステップＳ１５）。
【００３０】
冷媒は、ガスクーラ２のみならず、内部熱交換器４を通過することにより十分に冷却されて液相状態となっているので、第二絞り部５を通過する際、大きな音を発生させることがない。したがって、第二絞り部５をエバポレータ６の近傍、すなわち車室内側に配設しても、乗員が不快音を耳にすることがない。そして、エバポレータ６内には、熱損失や圧力損失の少ない車室内空気との熱交換に適した冷媒が流入することになる。
【００３１】
その後、冷媒は、エバポレータ６で車室内の空気から吸熱して液相を蒸発させる（Ｆ）。そして、内部熱交換器４の外側流路１９を通過する。このとき、前述のように、第二温度センサ１２および第二圧力センサ１１での検出値に基づいて第二絞り部５の開度が調整されているので、残る液相を全て蒸発させて５〜１５（℃）のスーパーヒート状態でコンプレッサ１に吸入させることができる（Ｇ）。したがって、コンプレッサ１に冷媒が液相で流入することがなくなり、液圧縮による損傷を確実に防止できる。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る車両用空調装置によれば、ガスクーラで冷却した冷媒を第一絞り部により減圧した状態で内部熱交換器に流入させるようにしたので、内部熱交換器の内圧の上昇を抑えることができる。したがって、内部熱交換器に耐圧構造を採用する必要がなくなり、安価に形成可能となる。
【００３３】
また、入口側の冷媒の温度および圧力に基づいて第一絞り部の開度を調整するようにしたので、エバポレータの冷房能力を最大限に発揮させることが可能となる。
【００３４】
さらに、コンプレッサに吸入する冷媒の温度および圧力に基づいて第二絞り部の開度を調整するようにしたので、コンプレッサの損傷を的確に防止することが可能となる。
【００３５】
そして、第一絞り部、第二絞り部および内部熱交換器により、第二絞り部をエバポレータの近傍に配設しても、配管流路を長くすることなく、騒音の発生を防止可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本実施形態に係る車両用空調装置の概略図である。
【図２】  図１の第一および第二絞り部を示す断面図である。
【図３】  図１の内部熱交換器を示す断面図である。
【図４】  図１の各構成部品に於ける冷媒のエンタルピと圧力の関係を示すグラフである。
【図５】  第一絞り部の開度制御を示すフローチャートである。
【図６】  冷媒温度と目標圧力の関係を示すグラフである。
【図７】  第二絞り部の開度制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…コンプレッサ
２…ガスクーラ
３…第一絞り部
４…内部熱交換器
５…第二絞り部
６…エバポレータ
８…第一圧力センサ
９…第一温度センサ
１１…第二圧力センサ
１２…第二温度センサ
１３…制御装置
１７…内管
１８…外管
１９…外側流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0004323619.tif 000006
【図６】
0004323619.tif 000007
【図７】
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