JP2006313050A - 超臨界冷凍サイクルおよび車両用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コンプレッサ１００の吐出側からガスクーラ６の入口までの間の吐出側圧力を検出して膨張弁４０Ｂの開度を調整する場合でも、減圧装置４０Ｂを適正な開度に制御して、クールダウン時間を短縮する。
【解決手段】 エバポレータ９直後の空気温度から推定される低圧側圧力より吐出側圧力が最小となる膨張弁４０Ｂの開度を算出してその開度を最大開度とし（Ｓ１４）、以降膨張弁４０Ｂの開度を最大開度以下の範囲で制御する。
これによれば、エバポレータ９直後の空気温度が高く、コンプレッサ１００起動時に低圧側圧力が臨界圧力を越える圧力となる場合でも、吐出側圧力が最小となる膨張弁４０Ｂの開度を超えることがないため、吐出側圧力を検出して膨張弁４０Ｂの開度を制御しても、過度に膨張弁４０Ｂが開いて低圧側の圧力がなかなか下がらず、吹き出し温度の低下が遅れるといった問題を無くすことができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上にまでなる蒸気圧縮式の超臨界冷凍サイクルに関するものである。

超臨界冷凍サイクルでは、ガスクーラ後の冷媒温度に対して冷凍サイクルのＣＯＰ（成績係数）が最大となる高圧側圧力となるように膨張弁の開度を制御する方式が下記の特許文献１で提案されている。
特許第２９３１６６８号公報

冷房運転と暖房運転とを切り換える車両用空調装置に用いる超臨界冷凍サイクルなどでは、冷房時・暖房時ともに同一のセンサで高圧側圧力を検出することができるようコンプレッサの吐出側配管などに圧力センサを設けることが望ましい。しかしながら、次のような問題点がある。

車両を炎天下に放置した場合、車室内の空気は６０℃以上にも達するため、コンプレッサの起動直後は、高圧側・低圧側とも臨界圧力以上で作動する。低圧側が超臨界状態の場合、コンプレッサは通常の作動状態よりも高密度の冷媒を吸入するため、サイクルの冷媒循環量が著しく多くなる。これにより減圧装置の上流に有るガスクーラでの圧力損失も、通常より著しく大きくなってしまう。

図９は、膨張弁（減圧装置）開度に対する各部の圧力変化を表したグラフであり、炎天下放置後の運転状態（実線）と、通常時の低圧側圧力が低い運転状態（破線）とを比較したものである。通常時の運転状態では、低圧側圧力が臨界圧力（本例はＣＯ_２冷媒であり、約７．３ＭＰａ）より充分に低いため、減圧装置の開度を大きくすると冷媒流量は徐々に増加する。このため、ガスクーラの圧損（吐出圧力−ガスクーラ出口圧力）が膨張弁で減圧される圧力よりも充分に小さく、膨張弁開度を大きくすると、膨張弁での減圧量（ガスクーラ出口圧力−吸入圧力）の減少とともに吐出圧力も単調に低下して行く。

これに対して低圧側圧力が臨界圧力を越えるような場合は冷媒流量が著しく多くなるため、ガスクーラでの圧損が膨張弁で減圧される圧力値と大差ないくらいの圧力にまで上昇してしまう。このため、膨張弁の開度を大きくして膨張弁での減圧量を減らしても、冷媒流量の急増によってガスクーラで圧損が増加する量が、膨張弁の減圧量の低減分を上回ってしまう。その結果、膨張弁の開度を大きくすると、途中から逆に吐出圧力がかえって上昇してしまう現象が発生する（図９中の吐出圧力の実線参照）。

通常、膨張弁制御は高圧側圧力が目標圧力より高い場合は開度を大きく、目標圧力より低い場合は開度を小さくして目標圧力と一致するように制御しているため、膨張弁開度を大きくしても吐出圧力が上昇する現象が発生すると、膨張弁開度が全開状態に固定され、かえって吐出圧力が上昇してしまうという問題がある。この結果、膨張弁開度が全開状態で固定されることで、適正に膨張弁開度を調整した場合よりもクールダウン時の低圧側圧力の低下が遅くなり、吹き出し温度の低下が遅れるという問題がある。

図１０は、従来の制御における車室内温度６０℃から冷房起動後の温度と圧力の変化をとったグラフである。本例ではコンプレッサの起動１０秒後に吐出圧力が目標高圧（本例では１３．５ＭＰａ）を超えたため、膨張弁は全開まで開いているが、冷媒流量が急増するためガスクーラ出口圧力が低く、ガスクーラでの圧力損失が非常に大きくなっていることが分かる。

これにより膨張弁が全開状態でも吐出圧力が低下せず、目標高圧以上となっているため膨張弁も全開のままの状態が続いている。このように膨張弁の開度が過度に大きいため低圧圧力も高く、１分後の吹き出し温度が３１℃、エバポレータ後の空気温度で２４．６℃までしか低下していない。

本発明は、上記従来の問題に鑑みて成されたものであり、その目的は、コンプレッサの吐出側からガスクーラの入口までの間の吐出側圧力を検出して減圧装置の開度を調整する場合でも、減圧装置を適正な開度に制御して、クールダウン時間を短縮することのできる超臨界冷凍サイクルおよび車両用空調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、請求項１ないし請求項１８に記載の技術的手段を採用する。すなわち、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にまでなる蒸気圧縮式の超臨界冷凍サイクルにおいて、
冷媒圧縮機（１００）の吐出側から冷媒放熱器（６）の入口までの間の吐出側圧力を検出して、この検出圧力を目標圧力とするように減圧装置（４０Ｂ、５０）の開度を調整する吐出側圧力制御手段と、
起動初期に、減圧装置（４０Ｂ，５０）の開度を、制限値に調整した後、吐出側圧力制御手段による調整を許容する制限手段とを備えることを特徴としている。

この請求項１に記載の発明によれば、起動初期に減圧装置の開度を強制的に制限でき、その開度が冷凍サイクルの状態に対して過剰に開かれることによる不具合を抑えることができる。特に、高温状態からの起動時に減圧装置の開度が過大となりクールダウンが阻害されることが抑制される。

また、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、制限手段は、高温状態からの起動初期に、減圧装置（４０Ｂ，５０）の開度を、制限値に調整した後、吐出側圧力制御手段による調整を許容することを特徴としている。この請求項２に記載の発明によれば、高温状態からの起動時にのみ制限を可能とすることができる。

また、請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の超臨界冷凍サイクルにおいて、制限手段は、制限値を、起動後の制限期間に小さく、その後の吐出側圧力制御手段による調整を許容するときに大きく設定することを特徴としている。この請求項３に記載の発明によれば、制限値を継続的に与えながら、サイクルの起動初期の制限期間にのみ、実質的にて、制限を可能とすることができる。

また、請求項４に記載の発明では、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の超臨界冷凍サイクルにおいて、さらに、制限手段による制限の前に、起動直後に減圧装置（４０Ｂ，５０）の開度を無制限として冷媒圧縮機（１００）を運転する無制限運転手段を備えることを特徴としている。この請求項４に記載の発明によれば、起動直後に無制限にサイクルを運転することができる。

また、請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の超臨界冷凍サイクルにおいて、制限手段は、減圧装置（４０Ｂ，５０）の開度を、無制限のときの開度から、徐々に制限値に向けて変化させることを特徴としている。この請求項５に記載の発明によれば、無制限状態から制限状態への変化を滑らかにできる。

また、請求項６に記載の発明では、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の超臨界冷凍サイクルにおいて、制限手段は、超臨界冷凍サイクルの状態を検出する検出手段と、この検出状態に応じて吐出側圧力が低くなる減圧装置（４０Ｂ，５０）の開度を制限値として設定する制限値設定手段とを備えることを特徴としている。この請求項６に記載の発明によれば、制限値を超臨界冷凍サイクルの状態に応じて吐出側圧力が低くなるように設定することができる。

また、請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の超臨界冷凍サイクルにおいて、制限値設定手段は、高圧側圧力を最小となる減圧装置（４０Ｂ，５０）の開度を制限値として設定することを特徴としている。この請求項７に記載の発明によれば、高圧側圧力を最小とするように制限値が設定される。

また、請求項８に記載の発明では、請求項６または請求項７のいずれか１項に記載の超臨界冷凍サイクルにおいて、検出手段は、低圧側圧力を示す状態を検出することを特徴としている。この請求項８に記載の発明によれば、低圧側圧力を示す状態を検出することで、クールダウンが阻害される程度に応じて制限値を設定できる。

低圧側圧力を示す状態としては、低圧側圧力を直接的にあるいは間接的に示す超臨界冷凍サイクルの状態を採用することができる。例えは、請求項９に記載の発明では、請求項８に記載の超臨界冷凍サイクルにおいて、検出手段は、低圧側圧力を冷媒蒸発器（９）直後の空気温度より推定することを特徴としている。また、請求項１０に記載の発明では、請求項８に記載の超臨界冷凍サイクルにおいて、検出手段は、低圧側圧力を外気温度より推定することを特徴としている。

また、請求項１１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にまでなるとともに、冷媒圧縮機（１００）の吐出側から冷媒放熱器（６）の入口までの間の吐出側圧力を検出して減圧装置（４０Ｂ、５０）の開度を調整する蒸気圧縮式の超臨界冷凍サイクルにおいて、
低圧側冷媒圧力より吐出側圧力が最小となる減圧装置（４０Ｂ、５０）の開度を算出してその開度を最大開度とし（Ｓ１４）、以降減圧装置（４０Ｂ、５０）の開度を最大開度以下の範囲で制御することを特徴としている。

この請求項１１に記載の発明によれば、冷媒蒸発器（９）直後の空気温度が高く、冷媒圧縮機（１００）起動時に低圧側圧力が臨界圧力を越える圧力となる場合でも、吐出側圧力が最小となる減圧装置（４０Ｂ、５０）の開度を超えることがないため、吐出側圧力を検出して減圧装置（４０Ｂ、５０）の開度を制御しても、過度に減圧装置（４０Ｂ、５０）が開いて低圧側の圧力がなかなか下がらず、吹き出し温度の低下が遅れるといった問題を無くすことができる。

低圧側圧力を示す状態としては、低圧側圧力を直接的にあるいは間接的に示す超臨界冷凍サイクルの状態を採用することができる。例えは、請求項１２に記載の発明では、請求項１１に記載の超臨界冷凍サイクルにおいて、低圧側圧力を冷媒蒸発器（９）直後の空気温度より推定することを特徴とする。また、請求項１３に記載の発明では、請求項１１に記載の超臨界冷凍サイクルにおいて、低圧側圧力を外気温度より推定することを特徴としている。

また、請求項１４に記載の発明では、請求項１１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の超臨界冷凍サイクルにおいて、最大開度の算出は、冷媒圧縮機（１００）起動後で減圧装置（４０Ｂ、５０）を全開として所定時間経過した後に行うことを特徴としている。これは、起動直後には温度や圧力が急激に変化して不安定であるため、やや安定するまでの初期時間（実際には１０秒程度）をとったものである。この請求項１４に記載の発明によれば、温度や圧力が安定してくるので算出する最大開度の精度を良くすることができる。

また、請求項１５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にまでなるとともに、冷媒圧縮機（１００）の吐出側から冷媒放熱器（６）の入口までの間の吐出側圧力を検出して減圧装置（４０Ｂ、５０）の開度を調整する蒸気圧縮式の超臨界冷凍サイクルにおいて、
冷媒放熱器（６）の出口から冷媒蒸発器（９）の入口までの間に、減圧装置（４０Ｂ、５０）以外に冷媒流量を制限する冷媒流量絞り部（５５）を設けたことを特徴としている。

この請求項１５に記載の発明によれば、冷媒流量が過大となって吐出側圧力が上昇することを防止することができる。また、本請求項の発明は全くの機械的な対応であるため制御は従来のままで良く、対応が容易である。

また、請求項１６に記載の発明では、請求項１５に記載の超臨界冷凍サイクルにおいて、冷媒流量絞り部（５５）を、膨張弁（４０）の冷媒入口側、もしくは冷媒出口側に一体に構成したことを特徴としている。この請求項１６に記載の発明によれば、構成および対応が容易である。

また、請求項１７に記載の発明では、請求項１５に記載の超臨界冷凍サイクルにおいて、冷媒流量絞り部（５５）を、エジェクタ（５０）の冷媒入口側、もしくは冷媒出口側に一体に構成したことを特徴としている。この請求項１７に記載の発明によれば、構成および対応が容易である。

また、請求項１８に記載の発明では、請求項１ないし請求項１７のいずれか１項に記載の超臨界冷凍サイクルを車両用空調装置に適用したことを特徴としている。この請求項１８に記載の発明によれば、炎天下の駐車などで車室内温度（冷媒蒸発器（９）直後の空気温度）の高い状態から冷房を開始するうえで、クールダウン時間を短縮することができる。ちなみに、上記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一例である。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について添付した図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る車両用空調装置１の模式図であり、図２は、図１の車両用空調装置１に適用される減圧装置としての膨張弁４０を用いた超臨界冷凍サイクルの模式図である。また図３は、車両用空調装置１の制御系の模式図である。車両用空調装置１は、車両の車室内を空調する。

空気通路を成す空調ケーシング２の空気上流側部位には、車室内空気を吸入するための内気吸入口３と車室外空気を吸入するための外気吸入口４とが形成されるとともに、これらの吸入口３・４の開口割合を調節する内外気調節手段としての吸入口切換ドア５が設けられている。

この吸入口切換ドア５の下流側部位には、空気中の塵埃を取り除く図示しないフィルタおよび遠心多翼ファンによるブロワ７が配設されており、このブロワ７によって両吸入口３・４から吸入された空気が、後述する各吹出口１４・１５・１７に向けて送風されている。

そして、ブロワ７の空気下流側には、空気冷却手段を成すエバポレータ（冷媒蒸発器）９が配設されており、ブロワ７によって送風された空気は全てこのエバポレータ９を通過する。なお、エバポレータ９は、ブロワ７で送風される空気と熱交換して冷媒を蒸発させることにより冷凍能力（冷房能力）を発揮するとともに、高圧側の冷媒圧力が冷媒（本実施形態では、二酸化炭素）の臨界圧力以上となる蒸気圧縮式の超臨界冷凍サイクル（以下、冷凍サイクルと略す。）の低圧側の熱交換器である。

また、エバポレータ９の空気下流側には、空気加熱手段を成す車室内ガスクーラ１０が配設されている。この車室内ガスクーラ１０は、後述するコンプレッサ（冷媒圧縮機）１００で圧縮されて高温・高圧となった冷媒を、ブロワ７で送風される空気と熱交換して放熱することによって暖房能力を発揮するものであり、冷凍サイクルの高圧側の熱交換器である。なお、冷凍サイクルについては後述する。

そして、空調ケーシング２の最下流側部位には、車室内乗員の上半身に向けて空調空気を吹き出すためのフェイス吹出口１４と、車室内乗員の足元に向けて空調空気を吹き出すためのフット吹出口１５と、フロントガラス１６の内面に向かって空調空気を吹き出すためのデフロスタ吹出口１７とが形成されている。

そして、上記各吹出口１４・１５・１７の空気上流側部位には、各吹出口１４・１５・１７の開口度合いを調節して吹出モードを切り換える吹出モード切換ドア１８〜２０が配設されている。なお、これらの吹出モード切換ドア１８〜２０と先の吸入口切換ドア５とは、サーボモータなどの図示しない駆動手段Ｍ１・Ｍ２により開閉制御され、駆動手段Ｍ１・Ｍ２、ブロワ７のモータＭ３は、図３に示すように、電子制御装置（以下、ＥＣＵと略す。）２１によって制御されている。

次に、図２の超臨界冷凍サイクルについて説明する。超臨界冷凍サイクルは、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上にまでなる蒸気圧縮式の超臨界冷凍サイクルである。１００は、図示しない走行用エンジンから駆動力を得て冷媒を吸入圧縮するコンプレッサ（冷媒圧縮機）であり、このコンプレッサ１００は、プーリ１０１を介して駆動力を得ている。なお、プーリ１０１は、駆動力を断続可能に伝達するクラッチ手段としての電磁クラッチであっても良い。

なお、コンプレッサ１００は、走行用エンジンから駆動力を得て稼動しているため回転数、すなわち吐出する冷媒流量を制御するのが難しいため、制御装置としてのＥＣＵ２１からの信号によって圧縮容量を可変できる周知の外部可変式の可変容量型コンプレッサを用いており、１１０は容量可変用の制御バルブである。

１０は車室内暖房に使用する前述の車室内ガスクーラ、６はコンプレッサ１００から吐出される高温・高圧の冷媒と送風ファン１１で送風される外気との間で熱交換して冷媒を冷却する車室外ガスクーラ（冷媒放熱器）、９は車室内冷房に使用する前述のエバポレータであり、６０はエバポレータ９から流出した冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離して気相冷媒をコンプレッサ１００の吸入側に流出するとともに、冷凍サイクル内の余剰冷媒を液相冷媒で蓄える気液分離手段としてのアキュムレータである。エバポレータ９は冷媒蒸発器である。

なお、車室内ガスクーラ１０と車室外ガスクーラ６との間には、暖房運転時に冷媒を減圧する減圧装置としての暖房用膨張弁４０Ａが設けられているとともに、冷房運転時に車室内ガスクーラ１０と暖房用膨張弁４０Ａとをバイパスさせるバイパス流路１２が設けられており、バイパス流路１２は電磁弁８Ａで開閉されるようになっている。

また、車室外ガスクーラ６とエバポレータ９との間には、冷房運転時に冷媒を減圧する減圧装置としての冷房用膨張弁４０Ｂが設けられているとともに、暖房運転時に冷房用膨張弁４０Ｂとエバポレータ９とをバイパスさせるバイパス流路１３が設けられており、バイパス流路１３は電磁弁８Ｂで開閉されるようになっている。なお、両膨張弁４０Ａ・４０Ｂは、ＥＣＵ２１からの信号によって弁開度を可変できる周知の電気式膨張弁で構成している。

超臨界冷凍サイクルに配されるセンサ群として、２６はエバポレータ９直後の空気温度を検出する冷却温度センサ、２７は高圧側圧力を検出するための圧力センサであり、本実施例では暖房運転時・冷房運転時ともに高圧側圧力を検出できるようコンプレッサ１００の吐出配管部に取付けている。２８は車室外ガスクーラ６の出口冷媒温度を検出するための冷媒温度センサ、２９は車室内ガスクーラ１０直後の空気温度を検出する加熱温度センサ、３０は車室内ガスクーラ１０の出口冷媒温度を検出するための冷媒温度センサである。

ＥＣＵ２１には、乗員が希望する車温度を乗員が設定入力する温度設定手段２２の設定温度Ｔｓｅｔ、車室内空気の温度を検出する内気温度センサ（内気温度検出手段）２３の検出温度Ｔｉｎ、車室外空気の温度を検出する外気温度センサ（外気温度検出手段）２４の検出温度Ｔｏｕｔ、車室内に降り注がれる日射量を検出する日射量センサ２５の検出値、エバポレータ９を通過した直後の空気温度を検出する冷却温度センサ（温度検出手段）２６の検出温度Ｔｅ、および車室内ガスクーラ１０を通過した直後の空気温度を検出する加熱温度センサ２９からの温度などの空調センサ信号が入力されている。

他に、高圧側圧力を検出する圧力センサ２７からの圧力値、車室外ガスクーラ６の出口冷媒温度を検出する冷媒温度センサ２８からの温度、車室内ガスクーラ１０の出口冷媒温度を検出する冷媒温度センサ３０からの温度などの冷凍サイクルセンサ信号が入力されている。また、出力としては、先に述べたモータＭ１〜Ｍ３の他に、車室外ガスクーラ６への送風ファン１１のモータＭ４、電磁弁８Ａ・８Ｂ、膨張弁４０Ａ・４０Ｂ、コンプレッサ１００の制御バルブ１１０などへ制御出力を出している。

次に、上記構成による作動の概要を説明する。本実施形態の車両用空調装置は、図２の冷凍サイクルにおいて冷房運転および暖房運転を行う。まず冷房運転は、ＥＣＵ２１により電磁弁８Ａを開、電磁弁８Ｂを閉の状態（図２の実線側流路）とした後、コンプレッサ１００により高温・高圧に圧縮された冷媒を、電磁弁８Ａを通して直接車室外ガスクーラ６に流して外気との熱交換を行い、冷媒を冷却する。

冷却された冷媒を膨張弁４０Ｂで減圧することにより低圧・低温の冷媒とし、エバポレータ９でブロワ７により送風される空気と熱交換させて車室内を冷房する。エバポレータで蒸発した冷媒は、アキュムレータ６０で気相冷媒と液相冷媒とを分離し、気相冷媒のみがコンプレッサ１００に吸引される。

より具体的には、冷却温度センサ２６により、エバポレータ９の出口空気温度を検出し、目標空気温度と一致するようにコンプレッサ１００の吐出容量を調整する。但し、高圧側圧力が目標制御圧力を超えて上場する場合は、吹き出し温度制御に優先してコンプレッサ容量を減少させて異常高圧を防止するようになっている。

つまり、高圧側圧力が許容圧力を越える場合はコンプレッサ１００の吐出容量を減少させる制御となっている。また、車室外ガスクーラ６出口の冷媒温度センサ２８の検出値により、冷凍サイクルのＣＯＰが最大となる目標高圧を算出し、圧力センサ２７の検出値が目標高圧と一致するように膨張弁４０Ｂの開度を調整するようになっている。

本実施形態で冷房運転での起動時の制御を、図４のフローチャートにて説明する。図４は、本発明の第１実施形態における車両用空調装置１の制御フローを示すフローチャートである。まず、ステップＳ１１では、冷房運転が選択されているので電磁弁８Ａを開、電磁弁８Ｂを閉の状態に駆動する。次にステップＳ１２では、膨張弁４０Ｂを全開位置に駆動し、その後にコンプレッサ１００を起動する。そしてステップＳ１３では、膨張弁４０Ｂの全開を所定時間保持して冷凍サイクルの安定を待つ。

ステップＳ１３では、膨脹弁４０Ｂの開度は無制限の状態とされる。この状態では、膨張弁４０Ｂの開度を全開状態とすることに代えて、後述する吐出側圧力に応じた開度としても良い。超臨界冷凍サイクルが高温状態から起動される場合、吐出側圧力に応じて与えられる圧力は、全開か、ほぼ全開の開度とされる。このステップＳ１３により、無制限運転手段が提供される。ステップＳ１３により、図５に図示される起動直後の一定期間の全開状態が得られる。

そしてステップＳ１４では、エバポレータ９直後の冷却温度センサ２６の検出値から推定される低圧側冷媒圧力と、コンプレッサ１００の回転数とから冷媒流量を求め、その時に吐出圧力が最小となる膨張弁４０Ｂの最大開度を算出する。この最大開度は、膨脹弁４０Ｂの開度として許容される最大の開度であって、制限開度とも呼ばれる。

ステップＳ１５では、膨脹弁４０Ｂの開度が徐々に絞られる。膨脹弁４０Ｂの開度は、ステップＳ１３によって全開とされていたから、ステップＳ１４により算出された最大開度、すなわち制限開度に向かって徐々に小さくされてゆく。このとき、制限期間が始まっている。膨脹弁４０Ｂの開度は、吐出側圧力に応じて与えられるであろう全開よりも小さい制限値に制限される。膨脹弁４０Ｂの開度は、予め設定された速さで徐々に絞られてゆく。このゆっくりとした縮小制御は、制限期間の一部として実行される。

ステップＳ１６では、膨脹弁４０Ｂの実際の開度が最大開度に到達したか否かが判定される。膨脹弁４０Ｂの開度が最大開度以上の間は、ステップＳ１３・Ｓ１４を繰り返す。膨脹弁４０Ｂの開度が最大開度を下回るとＮＯに分岐し、ステップＳ１７へ進む。ステップＳ１４からＳ１６までの制御により制限手段の一部が提供される。

ステップＳ１４からＳ１６により、図５に図示される膨脹弁開度のゆっくりとした上昇が実現される。図５の最上段には、最大開度が示されている。起動直後は、ステップＳ１３の機能によって、開度は、実線で示されるように全開状態に維持されている。ステップＳ１３が終了すると、開度は、所定量ステップ状に減少され、さらにステップＳ１５の提供する機能によって徐々に減少される。

一方で、ステップＳ１４で演算される最大開度は、後述する図９に示される吐出側圧力が最小となる開度がサイクルの運転につれて徐々に移動することに伴って徐々に上昇する。具体的には、サイクルの運転がすすむにつれて、サイクルの状態が高温起動直後の状態から通常起動直後の状態に変化してゆく。この状態の変化が、低圧側圧力の変化として現れ、ステップＳ１４での演算に影響を与えて、最大開度を変化させる。徐々に上昇する最大開度と、ステップＳ１５の作用によって徐々に低下する膨脹弁の開度とが交差すると、ステップＳ１７へ進むこととなる。

ステップＳ１７では、車室外ガスクーラ６出口の冷媒温度センサ２８の検出値により、冷凍サイクルのＣＯＰが最大となる目標高圧を算出する。いわゆる最適高圧制御（Ｐｄ制御）である。そしてステップＳ１８では、圧力センサ２７の検出値と算出した目標高圧とから膨張弁４０Ｂの目標開度を算出する。

ステップＳ１９では、算出した目標開度が先に算出した最大開度よりも小さいか否かの判定を行う。ステップＳ１９での判定結果がＹＥＳで、算出した目標開度が最大開度よりも小さい場合はステップＳ２０へと進み、膨張弁４０Ｂの開度を算出した目標開度へと徐々に変更する。

また、ステップＳ１９での判定結果がＮＯで、算出した目標開度が最大開度と同等以上の場合はステップＳ２１へと進み、膨張弁４０Ｂの開度を最大開度へと徐々に変更する。起動後は、最大開度が徐々に上昇しているので、目標開度が最大開度を超えることがある。例えば、炎天下に車両を長時間放置した後などの高温起動時である。しかし、このステップＳ１９が制限手段として機能するため、膨脹弁４０Ｂの開度が吐出側圧力に応じた開度になることを阻止する。

したがって、高温起動時には、ステップＳ１９によって、さらに所定の期間の間は制限期間が継続される。やがて、最大開度が十分に上昇すると、ステップＳ１７で与えられる目標開度は最大開度以下を維持するようになる。この結果、ステップＳ１５によるゆっくりとした開度を絞る制御と、最大開度による上限制限制御とによる開度制限は終了し、高圧側の吐出側圧力に応じたフィードバック制御による開度調整へと移行する。

この結果、起動初期に、減圧装置４０Ｂの開度を制限値に調整し、その制限期間の経過後に、吐出側圧力に応じた制御による調整が許容される。ステップＳ２２では、ステップＳ１４と同様にして最大開度を算出する。その後、ステップＳ１７に戻り、以降はステップＳ１７以下のステップを繰り返して吐出圧力を目標圧力に一致させるものである。

図５は、図４の制御における車室内温度６０℃から冷房起動後の温度と圧力の変化をとったグラフである。吐出圧力はコンブレッサ１１０出口の冷媒圧力、ガスクーラ出口圧力は車室外ガスクーラ６出口の冷媒圧力を示し、エバポレータ後温度（６点）はエバポレータ９直後の空気温度を、平均吹き出し温度は各吹出し口の平均空気温度を示している。また、膨張弁４０Ｂの開度は、電気式膨張弁の駆動信号を示しており、図５の下側が全開（１００％）、上方向に開度が減少して０％点で閉弁となることを示している。

本実施形態では、起動時は電磁弁８Ａ・８Ｂを冷房モードに駆動した後、膨張弁４０Ｂを全開状態（１００％）に保持して、コンプレッサ１００を起動し、膨張弁開度を全開にて１０秒間保持した後、算出した最大開度まで（本実施例では約５０％）まで徐々に駆動している。

その後、吐出圧力を目標圧力（本実施例では１３．５ＭＰａ）と一致するように膨張弁開度を調整するという制御を行った結果、低圧側圧力および吹き出し温度が速やかに低下し、１分後の吹き出し温度が２４℃、エバポレータ後の空気温度で１６．８℃まで冷却することができている。

次に、暖房運転での作動は、ＥＣＵ２１により電磁弁８Ａを閉、電磁弁８Ｂを開の状態（図２の破線側流路）とした後、コンプレッサ１００により高温・高圧に圧縮された冷媒を車室内ガスクーラ１０に流し、ブロワ７により送風される空気と熱交換して車室内に送風される空気を加熱して暖房を行う。

車室内ガスクーラ１０で熱交換した冷媒は、膨張弁４０Ａで減圧して低圧・低温の冷媒とし、車室外ガスクーラ６で送風ファン１１により送風される外気と熱交換して冷媒を蒸発させる。蒸発した冷媒はバイパス流路１３の電磁弁８Ｂを通り、アキュムレータ６０で気相冷媒と液相冷媒とを分離して気相冷媒のみがコンプレッサ１００に吸引される。

ＥＣＵ２１は、加熱温度センサ２９により、車室内ガスクーラ１０の出口空気温度を検出し、目標温度と一致するようにコンプレッサ１００の吐出容量を調整するとともに、車室内ガスクーラ１０の出口冷媒温度を冷媒温度センサ３０で検出して冷凍サイクルのＣＯＰが最大となる目標高圧を算出、圧力センサ２７の検出値が目標高圧と一致するように膨張弁４０Ａの開度を調整する。但し、高圧側圧力が目標制御圧力を超えて上場する場合は、吹き出し温度制御に優先してコンプレッサ容量を減少させて異常高圧を防止するのは冷房運転時と同様である。

次に、本実施形態での特徴と、その作用効果について述べる。まず、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上にまでなる蒸気圧縮式の超臨界冷凍サイクルにおいて、コンプレッサ１００の吐出側から車室外ガスクーラ６の入口までの間の吐出側圧力を検出して、この検出圧力を目標圧力とするように膨張弁４０Ｂの開度を調整する吐出側圧力制御手段と、起動初期に、膨張弁４０Ｂの開度を、制限値に調整した後、吐出側圧力制御手段による調整を許容する制限手段とを備えている。

これによれば、起動初期に膨張弁４０Ｂの開度を強制的に制限でき、その開度が冷凍サイクルの状態に対して過剰に開かれることによる不具合を抑えることができる。特に、高温状態からの起動時に膨張弁４０Ｂの開度が過大となりクールダウンが阻害されることが抑制される。

また、制限手段は、高温状態からの起動初期に、膨張弁４０Ｂの開度を、制限値に調整した後、吐出側圧力制御手段による調整を許容するようにしている。これによれば、高温状態からの起動時にのみ制限を可能とすることができる。

また、制限手段は、制限値を、起動後の制限期間に小さく、その後の吐出側圧力制御手段による調整を許容するときに大きく設定するようにしている。これによれば、制限値を継続的に与えながら、サイクルの起動初期の制限期間にのみ、実質的にて、制限を可能とすることができる。

また、さらに、制限手段による制限の前に、起動直後に膨張弁４０Ｂの開度を無制限としてコンプレッサ１００を運転する無制限運転手段を備えている。これによれば、起動直後に無制限にサイクルを運転することができる。また、制限手段は、膨張弁４０Ｂの開度を、無制限のときの開度から、徐々に制限値に向けて変化させるようにしている。これによれば、無制限状態から制限状態への変化を滑らかにできる。

また、制限手段は、超臨界冷凍サイクルの状態を検出する検出手段と、この検出状態に応じて吐出側圧力が低くなる膨張弁４０Ｂの開度を制限値として設定する制限値設定手段とを備えている。これによれば、制限値を超臨界冷凍サイクルの状態に応じて吐出側圧力が低くなるように設定することができる。

また、制限値設定手段は、高圧側圧力を最小となる膨張弁４０Ｂの開度を制限値として設定するようにしている。これによれば、高圧側圧力を最小とするように制限値が設定される。また、検出手段は、低圧側圧力を示す状態を検出するようにしている。これによれば、低圧側圧力を示す状態を検出することで、クールダウンが阻害される程度に応じて制限値を設定できる。

低圧側圧力を示す状態としては、低圧側圧力を直接的にあるいは間接的に示す超臨界冷凍サイクルの状態を採用することができる。例えは、検出手段は、低圧側圧力をエバポレータ９直後の空気温度より推定するようにしている。また、検出手段は、低圧側圧力を外気温度より推定するようにしている。

また、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上にまでなるとともに、コンプレッサ１００の吐出側から車室外ガスクーラ６の入口までの間の吐出側圧力を検出して膨張弁４０Ｂの開度を調整する蒸気圧縮式の超臨界冷凍サイクルにおいて、
エバポレータ９直後の空気温度より吐出側圧力が最小となる膨張弁４０Ｂの開度を算出してその開度を最大開度とし（Ｓ１４）、以降膨張弁４０Ｂの開度を最大開度以下の範囲で制御するようにしている。これによれば、エバポレータ９直後の空気温度が高く、コンプレッサ１００起動時に低圧側圧力が臨界圧力を越える圧力となる場合でも、吐出側圧力が最小となる膨張弁４０Ｂの開度を超えることがないため、吐出側圧力を検出して膨張弁４０Ｂの開度を制御しても、過度に膨張弁４０Ｂが開いて低圧側の圧力がなかなか下がらず、吹き出し温度の低下が遅れるといった問題を無くすことができる。

また、最大開度の算出は、コンプレッサ１００起動後で膨張弁４０Ｂを全開として所定時間経過した後に行うようにしている。これは、起動直後には温度や圧力が急激に変化して不安定であるため、やや安定するまでの初期時間（実施例では１０秒）をとったものである。これによれば、温度や圧力が安定してくるので算出する最大開度の精度を良くすることができる。

また、このような超臨界冷凍サイクルを車両用空調装置に適用している。これによれば、炎天下の駐車などで車室内温度（エバポレータ９直後の空気温度）の高い状態から冷房を開始するうえで、クールダウン時間を短縮することができる。

（第２実施形態）
図６は、図１の車両用空調装置に適用されるエジェクタ５０を用いた超臨界冷凍サイクルの模式図である。上述した第１実施形態と異なるのは、減圧装置としてＥＣＵ２１でエジェクタ開度を調整できる周知の電気式エジェクタ５０で構成したものである。エジェクタ５０には、車室外ガスクーラ６から流入する冷媒を絞り込む通路面積の小さいノズル部５１と、ノズル部５１の冷媒噴出口と同一空間に配置され、エバポレータ９で蒸発した気相冷媒を吸引する吸引部（気相冷媒吸引部）５０ａが備えられている。

ノズル部５１内には、その噴出口の開度を制御するためのニードル弁５２が、噴出口と同軸上に配置されており、アクチュエータ５３により、その軸方向に移動可能なように配置されている。さらに、ノズル部５１の下流側には、吸引部５０ａから流入した冷媒とノズル部５１より噴出した冷媒を混合する混合部５ｂと、冷媒の通路面積を徐々に大きして冷媒を昇圧させるディフューザ部（昇圧部）５０ｃとが配置されている。

エジェクタ５０のディフューザ部５０ｃから流出した冷媒はアキュムレータ６０に流入し、気相冷媒と液相冷媒とが分離され、気相冷媒はコンプレッサ１００に吸引され、液相冷媒はエバポレータ９に供給される。このように、本発明の超臨界冷凍サイクルは、減圧装置に膨張弁を用いた膨張弁サイクルであっても、減圧装置にエジェクを用いたエジェクタサイクルであっても良い。

（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態における電気式膨張弁４０の構造を示す断面図である。本実施形態の電気式膨張弁４０は、略直方体の、例えばアルミニウム合金などからなる金属製のブロック本体４１と、同ブロック本体４１内の主弁体４２を、ソレノイドを用いた電磁力によって開閉する電磁ソレノイド４３とからなる。

ブロック本体４１には冷媒通路が形成され、この冷媒通路は、車室外ガスクーラ６の出口側に接続される流入ポート４４、エバポレータ９の入口側に接続される流出ポート４５、および流入ポート４４側と流出ポート４５側とを連通する連通孔部４６を有し、この連通孔部４６を電磁ソレノイド４３に駆動される弁体４２によって開度を調節しながら、冷媒の減圧膨張が成される。

そして、本実施形態での特徴として、まず、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上にまでなるとともに、コンプレッサ１００の吐出側から車室外ガスクーラ６の入口までの間の吐出側圧力を検出して膨張弁４０Ｂの開度を調整する蒸気圧縮式の超臨界冷凍サイクルにおいて、車室外ガスクーラ６の出口からエバポレータ９の入口までの間に、膨張弁４０Ｂ以外に冷媒流量を制限する冷媒流量絞り部５５を設け、膨張弁４０Ｂが全開になった場合でも冷媒流量が過大にならないように規制している。

これによれば、冷媒流量が過大となって吐出側圧力が上昇することを防止することができる。また、本実施形態は全くの機械的な対応であるため制御は従来のままで良く、対応が容易である。また、具体的な対応として、本実施形態では、膨張弁４０Ｂ出口側の流出ポート４５内にリング状の冷媒流量絞り部５５を組付けて開口面積を狭めることにより媒流流量を制限している。この、冷媒流量絞り部５５は、膨張弁４０の冷媒入口側、もしくは冷媒出口側のいずれかに一体に構成している。これによれば、構成および対応が容易である。

（第４実施形態）
図８は、本発明の第４実施形態における電気式エジェクタ５０の構造を示す断面図である。上述の各実施形態と異なる特徴として、上述の冷媒流量絞り部５５を、エジェクタ５０の冷媒入口側、もしくは冷媒出口側に一体に構成している。これによれば、構成および対応が容易である。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、最大開度を算出しているが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、簡易的な制御として予め設定した固定値を開度の上限値として用いる制御であっても良い。また、圧力センサ２７は車室内ガスクーラ１０の出口配管に取付けたものであっても良い。また、第１実施形態では、低圧側冷媒圧力を、エバポレータ９直後の空気温度より推定したが、外気温度センサ（外気温度検出手段）２４の検出値より推定しても良く、また、直接、低圧側冷媒流路に圧力センサを配置として低圧圧力を検出しても良い。

また、起動後の減圧装置の開度は、予め設定した制限値に制限されても良い。例えば、図５の最上段に破線で図示されるように、起動直後の所定時間の間は無制限に開度を調整し、その後の所定時間は開度を比較的低い開度に制限し、その後、再び無制限の開度調整を許容するように制限値を設定することができる。さらに、係る制限値による制御は、高温起動時にのみ有効とされるように構成していも良い。また、上述の実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばエチレン・エタン・酸化窒素などであっても良い。

本発明の実施形態に係る車両用空調装置１の模式図である。 図１の車両用空調装置１に適用される膨張弁４０を用いた超臨界冷凍サイクルの模式図である（第１実施形態）。 車両用空調装置１の制御系の模式図である。 本発明の第１実施形態における車両用空調装置１の制御フローを示すフローチャートである。 図４の制御における車室内温度６０℃から冷房起動後の温度と圧力の変化をとったグラフである。 図１の車両用空調装置１に適用されるエジェクタ５０を用いた超臨界冷凍サイクルの模式図である（第２実施形態）。 本発明の第３実施形態における電気式膨張弁４０の構造を示す断面図である。 本発明の第４実施形態における電気式エジェクタ５０の構造を示す断面図である。 膨張弁開度に対する各部の圧力変化を表したグラフである。 従来の制御における車室内温度６０℃から冷房起動後の温度と圧力の変化をとったグラフである。

符号の説明

６…車室外ガスクーラ（冷媒放熱器）
９…エバポレータ（冷媒蒸発器）
４０…膨張弁
４０Ｂ…冷房用膨張弁（減圧装置）
５０…冷房用エジェクタ（減圧装置、エジェクタ）
５５…冷媒流量絞り部
１００…可変容量型コンプレッサ（冷媒圧縮機）

Claims (18)

1. 高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上にまでなる蒸気圧縮式の超臨界冷凍サイクルにおいて、
   冷媒圧縮機（１００）の吐出側から冷媒放熱器（６）の入口までの間の吐出側圧力を検出して、この検出圧力を目標圧力とするように減圧装置（４０Ｂ、５０）の開度を調整する吐出側圧力制御手段と、
   起動初期に、前記減圧装置（４０Ｂ，５０）の開度を、制限値に調整した後、前記吐出側圧力制御手段による調整を許容する制限手段とを備えることを特徴とする超臨界冷凍サイクル。
2. 前記制限手段は、高温状態からの起動初期に、前記減圧装置（４０Ｂ，５０）の開度を、制限値に調整した後、前記吐出側圧力制御手段による調整を許容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. 前記制限手段は、前記制限値を、起動後の制限期間に小さく、その後の前記吐出側圧力制御手段による調整を許容するときに大きく設定することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の超臨界冷凍サイクル。
4. さらに、前記制限手段による制限の前に、起動直後に前記減圧装置（４０Ｂ，５０）の開度を無制限として前記冷媒圧縮機（１００）を運転する無制限運転手段を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の超臨界冷凍サイクル。
5. 前記制限手段は、前記減圧装置（４０Ｂ，５０）の開度を、前記無制限のときの開度から、徐々に前記制限値に向けて変化させることを特徴とすることを特徴とする請求項４に記載の超臨界冷凍サイクル。
6. 前記制限手段は、前記超臨界冷凍サイクルの状態を検出する検出手段と、この検出状態に応じて前記吐出側圧力が低くなる前記減圧装置（４０Ｂ，５０）の開度を前記制限値として設定する制限値設定手段とを備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の超臨界冷凍サイクル。
7. 前記制限値設定手段は、前記高圧側圧力を最小となる前記減圧装置（４０Ｂ，５０）の開度を前記制限値として設定することを特徴とする請求項６に記載の超臨界冷凍サイクル。
8. 前記検出手段は、低圧側圧力を示す状態を検出することを特徴とする請求項６または請求項７のいずれか１項に記載の超臨界冷凍サイクル。
9. 前記検出手段は、前記低圧側圧力を冷媒蒸発器（９）直後の空気温度より推定することを特徴とする請求項８に記載の超臨界冷凍サイクル。
10. 前記検出手段は、前記低圧側圧力を外気温度より推定することを特徴とする請求項８に記載の超臨界冷凍サイクル。
11. 高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上にまでなるとともに、冷媒圧縮機（１００）の吐出側から冷媒放熱器（６）の入口までの間の吐出側圧力を検出して減圧装置（４０Ｂ、５０）の開度を調整する蒸気圧縮式の超臨界冷凍サイクルにおいて、
    低圧側冷媒圧力より前記吐出側圧力が最小となる前記減圧装置（４０Ｂ、５０）の開度を算出してその開度を最大開度とし（Ｓ１４）、以降前記減圧装置（４０Ｂ、５０）の開度を前記最大開度以下の範囲で制御することを特徴とする超臨界冷凍サイクル。
12. 前記低圧側圧力を冷媒蒸発器（９）直後の空気温度より推定することを特徴とする請求項１１に記載の超臨界冷凍サイクル。
13. 前記低圧側圧力を外気温度より推定することを特徴とする請求項１１に記載の超臨界冷凍サイクル。
14. 前記最大開度の算出は、前記冷媒圧縮機（１００）起動後で前記減圧装置（４０Ｂ、５０）を全開として所定時間経過した後に行うことを特徴とする請求項１１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の超臨界冷凍サイクル。
15. 高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上にまでなるとともに、冷媒圧縮機（１００）の吐出側から冷媒放熱器（６）の入口までの間の吐出側圧力を検出して減圧装置（４０Ｂ、５０）の開度を調整する蒸気圧縮式の超臨界冷凍サイクルにおいて、
    前記冷媒放熱器（６）の出口から冷媒蒸発器（９）の入口までの間に、前記減圧装置（４０Ｂ、５０）以外に冷媒流量を制限する冷媒流量絞り部（５５）を設けたことを特徴とする超臨界冷凍サイクル。
16. 前記冷媒流量絞り部（５５）を、膨張弁（４０）の冷媒入口側、もしくは冷媒出口側に一体に構成したことを特徴とする請求項１５に記載の超臨界冷凍サイクル。
17. 前記冷媒流量絞り部（５５）を、エジェクタ（５０）の冷媒入口側、もしくは冷媒出口側に一体に構成したことを特徴とする請求項１５に記載の超臨界冷凍サイクル。
18. 請求項１ないし請求項１７のいずれか１項に記載の超臨界冷凍サイクルを適用したことを特徴とする車両用空調装置。

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