JPH1163687A - エアコンサイクル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 過冷却度の制御によって冷却能力を大きく変
えることができ、冷却負荷の幅広い変動に対して対応す
ることができるエアコンサイクルを提供する。経時的に
サイクル内の冷媒が減少するような場合にも対処する。 【解決手段】 圧縮機２、凝縮器３、膨張弁４、蒸発器
５を配管接続して主経路６を構成し、この主経路６に膨
張弁４をバイパスするバイパス経路７を設ける。バイパ
ス経路７に冷媒を蓄積する受液タンク８と、受益タンク
８の出入口において通路を開閉する電磁弁９，１０を設
け、この電磁弁９，１０を制御することにより過冷却度
を制御する。必要冷却能力が大きい場合には、受液タン
ク８内の冷媒を主経路６に放出して過冷却度を大きく
し、必要冷却能力が小さい場合に主経路６の冷媒を受液
タンク８に回収して過冷却度を小さくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、車両等に用いら
れるエアコンサイクル、特に過冷却度（サブクール：Ｓ
Ｃ）を制御するようにしたエアコンサイクルに関する。

【０００２】

【従来の技術】冷却サイクルは、冷却負荷の変動により
サイクル内で必要とする冷媒の需給が調節される必要が
あり、従来においては、「新編・自動車工学便覧・第７
編」（社団法人自動車技術会、昭和５８年５月３１日発
行）の第１２３頁等において示されるように、冷媒を昇
圧する圧縮機、この昇圧された冷媒を液化する凝縮器、
液化された冷媒を減圧する膨張弁、及びこの減圧された
冷媒を気化する蒸発器を有し、凝縮器と膨張弁との間に
液冷媒を蓄積して冷媒の需給の調整を図るレシーバタン
クを設けた構成が広く用いられている。

【０００３】このようなサイクルでは、意図的に過冷却
度（ＳＣ）を調節することができず、通常においては、
冷媒の飽和温度と実際の冷媒温度とが等しくなるＳＣ＝
０℃若しくはその近傍において運転するのが一般的であ
り、冷却能力はサイクルの構成により一義的に決定さ
れ、必要とする冷却能力に応じてＳＣを変更することが
できないものであった。

【０００４】これに対して、過冷却度（ＳＣ）の増大は
冷却能力を大きくすることができることから、特開平５
−２２３３５８号公報においては、成績係数（ＣＯＰ）
が最大となるように過冷却度（ＳＣ）を制御する構成が
考えられている。これは、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸
発器を順に接続したサイクルにおいて、過熱度が維持さ
れる範囲で膨張弁の開度を制御してサイクルを流れる冷
媒量を調節し、冷房負荷が大きい場合には膨張弁の開度
を絞って凝縮器に溜まる液相冷媒量、即ち、過冷却度を
大きくするようにしたものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来構成においては、膨張弁の開度調節によっての
み過冷却度を調節しようとするものであり、冷媒量を調
節するといってもサイクル内にもともと充填された冷媒
量の範囲で凝縮器内の液相冷媒量が変化されるにすぎな
い。したがって、サイクル全体としての冷媒量に変化は
なく、冷房能力を過冷却度によって変化させるといって
も大きな変化を得にくいものであった。また、経時的に
冷媒がサイクルから抜けて少なくなり、それに気づかず
に運転を継続すれば、ガス不足を招き、過冷却度の制御
ができなくなることも懸念される。

【０００６】そこで、この発明においては、上述した不
都合を解消するためになされたものであり、過冷却度の
制御によって冷却能力を大きく変えることができ、冷却
負荷の幅広い変動に対して対応することができるエアコ
ンサイクルを提供することを課題としている。また、経
時的にサイクル内の冷媒が減少するような場合にも対処
することができるエアコンサイクルを提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、この発明にかかるエアコンサイクルは、冷媒を昇圧
する圧縮機と、この圧縮機で昇圧された冷媒を凝縮液化
する凝縮器と、この凝縮器よりも冷媒下流側に配されて
前記液化された冷媒を減圧する減圧手段と、この減圧手
段で減圧された冷媒を蒸発気化する蒸発器とを含むよう
に順次配管接続して主経路を構成し、前記主経路に前記
膨張弁をバイパスするバイパス経路を設け、このバイパ
ス経路に、冷媒を蓄積する受液タンクと、この受益タン
クの冷媒上流側及び冷媒下流側において通路断面を調節
する制御弁とを設け、前記制御弁を制御することにより
過冷却度を制御するようにしたことを特徴としている
（請求項１）。

【０００８】したがって、このような構成によれば、圧
縮機で昇圧された冷媒は、凝縮器で凝縮液化されて飽和
温度以下に過冷却され、しかる後に減圧手段によって減
圧されて蒸発器に送られ、この蒸発器で蒸発気化した後
に圧縮機によって再び昇圧される。そして、主経路内を
流通する冷媒量は、制御弁を制御することによって受液
タンク内の冷媒を主経路に放出したり、主経路から回収
することによって調節され、これにより過冷却度が調節
されて冷却能力が制御される。

【０００９】このように、過冷却度が受液タンク内の冷
媒の流出入によって調節されるので、膨張弁による制御
によらなくとも過冷却度の制御が可能となり、また、過
冷却度を膨張弁で調節できる範囲を超えて巾広く調節す
ることが可能となる。

【００１０】過冷却度の調節は、必要冷却能力が大とな
った場合に前記受液タンク内の冷媒を前記主経路に放出
し、必要冷却能力が小となった場合に前記主経路の冷媒
を前記受液タンク内に回収するよう制御弁を制御すれば
よく（請求項２）、最も簡易且つ実用的な制御構成とし
ては、必要冷却能力が大となった場合に受液タンクの冷
媒下流側の制御弁のみを開いて過冷却度を大きくし、必
要冷却能力が小となった場合に受液タンクの冷媒上流側
の制御弁のみを開いて過冷却度を小さくするとよい。

【００１１】上述の必要冷却能力が小さい場合の過冷却
度（ＳＣ）は、サイクルからのガス抜けが生じてもガス
不足を生じないようにＳＣ＝０℃より少し高めに設定し
ておくことが好ましく、また、必要冷却能力が大きい場
合の過冷却度（ＳＣ）は、ＳＣが増加しても冷却能力が
増加しなくなる領域に入ると、圧縮機の必要動力のみが
増加することとなるので、冷却能力が増加し得る範囲で
過冷却度を設定することが望ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の態様とし
てエアコンサイクルを車室の冷房負荷に応じて制御する
例を図面に基づいて説明する。図１において、エアコン
サイクル１は、冷媒を圧縮する圧縮機２、この圧縮機２
で圧縮された冷媒を凝縮液化する凝縮器３、凝縮器３の
冷媒下流側に配された膨張弁４、膨張弁４で減圧された
冷媒を蒸発気化する蒸発器５をこの順で直列に配管接続
して構成された主経路６を備えている。

【００１３】このような主経路６において、圧縮機２に
よって圧縮された冷媒は、高温高圧のガス状冷媒として
凝縮器３に入り、ここを通過する空気に放熱して液化す
る。そして、この液状冷媒は、膨張弁４に送られてここ
で一気に減圧膨張されて低温低圧の湿り蒸気となり、蒸
発器５においてここを通過する空気と熱交換して所定の
過熱度を有するガス状冷媒となり、圧縮機２へ戻されて
再び圧縮される。

【００１４】エアコンサイクル１は、上述した主経路６
に対して、凝縮器３と膨張弁４との間に一端を接続し、
他端を膨張弁４と蒸発器５との間に接続するバイパス経
路７が設けられている。膨張弁４をバイパスするこのバ
イパス経路７には、冷媒を蓄積する受液タンク８と、こ
の受液タンク８よりも高圧側（冷媒上流側）において通
路を開閉する第１の電磁弁９と低圧側（冷媒下流側）に
おいて通路を開閉する第２の電磁弁１０とが設けられて
いる。

【００１５】また、凝縮器３の出口側近傍の高圧側配管
１１には、冷媒圧力を検出する圧力センサ１２と凝縮器
３から流出する冷媒の実際の温度を検出する温度センサ
１３とが設けられ、また、蒸発器５の通風出口近傍に
は、蒸発器５を通過した空気温度( エバ吹出温度）を検
出する空気温度センサ１４が設けられており、これら各
センサからの信号は、コントロールユニット（Ｃ／Ｕ）
１５に入力されるようになっている。

【００１６】コントロールユニット１５は、図示しない
中央演算処理装置（ＣＰＵ）、読出専用メモリ（ＲＯ
Ｍ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、入出力ポー
ト（Ｉ／Ｏ）、駆動回路等より成り、ＲＯＭに与えられ
た所定のプログラムにしたがって各種センサからの入力
信号を随時処理し、異常状態に応じて、或いは、必要冷
房能力に応じて第１及び第２の制御弁９、１０を開閉制
御するようになっている。

【００１７】以下において、コントロールユニット１５
によるエアコンサイクル１の制御動作例を説明すると、
コントロールユニット１５はサイクルの稼動に伴って図
２に示されるような制御ルーチンを実行し、ステップ５
０において圧力センサ１２、温度センサ１３、空気温度
センサ１４からの信号を入力してＲＡＭに格納し、次の
ステップ５２において、圧力センサ１２から入力された
サンプリングデータに基づき、凝縮器出口側の高圧配管
内の冷媒圧力（Ｐ）が異常に上昇した状態となっていな
いか否かを判定する。

【００１８】ここでの判定処理は、何らかの原因で予定
された範囲以上に高圧側の圧力が異常上昇した場合に、
従来の高圧カットオフスイッチと同様な機能を持たせる
ようにしたものであり、判定基準として用いられる圧力
は、後述する過冷却度の上限に対応する圧力よりも大き
な所定圧力（Ｐ１）が設定される。

【００１９】よって、高圧配管内の冷媒圧力が所定値
（Ｐ１）より大きくなったことが判定された場合には、
異常な高圧状態を回避する必要からステップ５４へ進
み、第１の電磁弁９を開、第２の電磁弁１０を閉として
受液タンク８の高圧配管側のみを開放し、高圧配管内の
高圧冷媒を受液タンク８へ導き、高圧圧力を正常範囲に
戻す。

【００２０】これに対し、高圧配管内の冷媒圧力が異常
領域にないと判定された場合には、圧力センサ１２から
の信号と温度センサ１３からの信号に基づいて過冷却度
を演算する（ステップ５６）。具体的には、圧力センサ
１２によって検出された冷媒圧力から飽和温度（Ｔｓ）
を演算し、温度センサ１３によって検出された実際の冷
媒温度（Ｔｈ）との差（Ｔｓ−Ｔｈ）を算出することに
よって求める。

【００２１】凝縮器３での液相冷媒が多くなるほど実際
の冷媒温度（Ｔｈ）が低下することから、過冷却度を大
きくするには、主経路内の冷媒量を増やして凝縮器３で
の液相冷媒を多くしてやればよく、逆に、過冷却度を小
さくするには、主経路内の冷媒量を減らして凝縮器３で
の液相冷媒を少なくしてやればよい。

【００２２】冷房能力は過冷却度の変更によって変更さ
れることから、冷房能力を可変制御するには、主経路内
の冷媒量を増減させればよく、この構成例においては、
過冷却度が０．５〜１５．０℃の範囲内で変更されるよ
うに主経路内の冷媒量が制御される。ここで、過冷却度
の上限を１５．０℃としているのは、冷房能力がこの過
冷却度近辺を境にして頭打ちとなり、図４に示されるよ
うに、過冷却度をそれ以上大きくしても高圧圧力の上昇
に伴う圧縮機の必要動力だけが増大してしまうことか
ら、消費動力に見合った冷房能力が得られないことによ
る。

【００２３】また、過冷却度の下限を０．５℃としてい
るのは、過冷却度を０℃にしておくと、ガス不足となっ
ている場合もあるので、ガス不足でないと確実に認識で
きる状態を形成するためである。即ち、モリエール線図
上では、凝縮器出口のエンタルピーが飽和液線を含めて
それより右側にあれば過冷却度は０℃となるため、ＳＣ
＝０℃を境にしてサイクル内のガス量を評価したので
は、正確に評価できないからである。したがって、この
ような観点から過冷却度の上限及び下限が設定されてい
るので、これらの値は対象となるサイクルに応じて適宜
上下させてもよい。

【００２４】本構成例の場合には、ステップ５８及び６
０において、過冷却度が０．５〜１５．０℃の範囲内で
あるか否かを判定しており、過冷却度が１５℃以上であ
る場合には、第１の電磁弁９を開、第２の電磁弁１０を
閉として受液タンク８の高圧配管側のみを開放し、高圧
配管内の高圧冷媒を受液タンク８へ導き、高圧圧力を低
下させＳＣ＝１５℃よりも小さくなるようにする（ステ
ップ５８，５４）。また、過冷却度が０．５℃以下の場
合には、第１の電磁弁９を閉、第２の電磁弁１０を開と
して受液タンク８の低圧配管側のみを開放し、受液タン
ク８内の冷媒を低圧配管へ導き、過冷却度を増加させて
０．５℃よりも大きくなるようにする（ステップ６０，
６２）。

【００２５】そして、過冷却度が０．５〜１５．０℃の
範囲内であれば、冷房能力を過冷却度を制御することに
よって有効に可変できることから、ステップ６４へ進
み、エバ吹出温度と目標エバ吹出温度との差に応じて冷
房負荷を判定し、この温度差が所定値（例えば、α＝１
０℃）より小さくなって冷房負荷が小さくなり、通常の
冷房モードでの運転を行えば足りる状態であるのか、あ
るいは、温度差が所定値α以上となって冷房負荷が大き
くなり、蒸発器５の冷房能力を大きくして急速冷房モー
ドの必要があるのか否かを判定する。なお、蒸発器５の
目標エバ吹出温度は、車室内温度や設定温度等に基づい
て別の演算ルーチンにより逐次求められる。

【００２６】ステップ６４において、急速冷房モードの
必要があると判定された場合には、第１の電磁弁９を
閉、第２の電磁弁１０を開として受液タンク８の低圧配
管側のみを開放し、受液タンク８内の冷媒を主経路６へ
放出し、急速冷房モード時の過冷却度（ＳＣ１）を１５
℃以下の大きな値に設定する（ステップ６４，６２）。

【００２７】これに対して、ステップ６４において、通
常冷房モードの運転で足りると判定された場合には、過
冷却度が１．０よりも小さくなるまで主経路６の冷媒を
回収する。即ち、ステップ６６においてＳＣ＜１．０℃
が判定され、急速冷房モードから通常冷房モードに移行
してもＳＣ≧１．０℃であれば、ステップ５４へ進み、
第１の電磁弁９を開、第２の電磁弁１０を閉として受液
タンク８の高圧配管側のみを開放し、高圧配管内の高圧
冷媒を受液タンク８へ導き、過冷却度を低下させる。そ
して、過冷却度が１．０℃よりも小さくなった場合に
は、ステップ６８へ進み、第１及び第２のいずれの電磁
弁９、１０も閉とし、受液タンク８と主経路６との冷媒
の授受を停止し、通常冷房モード時の過冷却度（ＳＣ
１）を０．５〜１．０℃の範囲に設定する。

【００２８】以上の構成において、いまサイクルが第１
及び第２のいずれの電磁弁９，１０も閉となっており、
図３（ａ）に示されるように受液タンク８内に冷媒が溜
まっている初期状態にあるとし、夏期において車室を冷
房するためにいままで停止していたエアコンサイクルを
稼動する場合を想定すると、冷房初期においては、車室
内温度が非常に高く、冷房負荷が非常に大きい状態とな
っており、エバ吹出温度は目標エバ吹出温度よりも十分
に大きくなっている。よって、この場合には、運転初期
の過冷却度が０．５〜１５．０℃の適正範囲である限
り、ステップ６４において冷房負荷が大きいと判断さ
れ、ステップ６２へ進んで第１の電磁弁９を閉、第２の
電磁弁１０を開として受液タンク８内の冷媒を主経路６
に放出し、図３（ｂ）で示されるように凝縮器３内の液
相冷媒を増加させる。

【００２９】この状態においては、図４に示されるよう
に、過冷却度が点Ｉで示すＳＣ１まで高められ、冷房能
力は最大もしくはその近傍まで高められる。この状態
は、図５に示すモリエール線図からも明らかである。即
ち、Ａ点で示される圧縮機２で圧縮された冷媒は、凝縮
器３によって凝縮液化されてＢ点で示す液相となり、膨
張弁４で減圧してＣ点で示す低圧低温の湿り蒸気とな
り、蒸発器５で蒸発気化されてＤ点に至り、蒸発器５の
冷房能力は、Ｃ点とＤ点との間のエンタルピー差（Ｑ
１）に相当する能力に高められ、これにより、車室は急
速に冷房される。

【００３０】しばらくすると、車室内の温度が徐々に低
下して冷房負荷が小さくなり、エバ吹出温度と目標エバ
吹出温度との差が小さくなってくる。そして、この差が
所定値αより小さくなると、冷房モードが急速冷房モー
ドから通常冷房モードに移行し、第１の電磁弁９を開、
第２の電磁弁１０を閉として主経路６から受液タンク８
内に冷媒が回収され（ステップ５４）、図３（ｂ）に示
される状態から図３（ａ）に示される凝縮器の液相冷媒
を減らす状態へ移行する。そして、冷媒の回収が過冷却
度にして１．０℃よりも小さくなった時点で第１の電磁
弁９が閉じられ、以後、受液タンク８と主経路６との連
通が遮断され、過冷却度が図４の点IIで示すＳＣ２
（０．５℃＜ＳＣ２＜１．０℃）となり、この状態で通
常冷房運転が継続される。

【００３１】この点IIの様子は、図５のモリエール線図
からも明らかなように、主経路内の冷媒は、凝縮器３に
おいてＡ点からＢ’点で示す液相となり、膨張弁４で減
圧してＣ’点で示す低圧低温の湿り蒸気となり、しかる
後に蒸発器５で蒸発気化されてＤ点に至る。したがっ
て、冷房能力は、Ｃ’点とＤ点との間のエンタルピー差
に相当する冷房能力（Ｑ２）に低められ（Ｑ２＜Ｑ
１）、これにより、サイクルは、低負荷に見合う冷房能
力で運転が継続される。

【００３２】ところで、上記エアコンサイクルにあって
も、長期間の通常冷房運転、あるいは長期間の不使用に
よってサイクル内の冷媒が減少することも考えられる。
しかしながら、本サイクルでは、過冷却度が０．５℃よ
り大きく設定してあることから、冷媒が減少すれば、Ｓ
Ｃは０度に漸近することとなり、ＳＣ≦０．５℃と判定
されれば、ステップ６０、６２において第２の電磁弁１
０が開となり、主経路６に受液タンク８内の冷媒が放出
され、再び受液タンク８に冷媒が回収された後には、Ｓ
Ｃが０．５〜１．０℃の値となる。つまり、上記サイク
ルにおいては、サイクルから抜けた冷媒分を受液タンク
８内の冷媒で補充することが可能となる。

【００３３】このように主経路６に冷媒が補充される
と、補充した分だけ回収後の受液タンク内の冷媒量は減
少することとなるが、この減少を見越して、過冷却度を
点IIから点Ｉに変更することができる冷媒量Ｍ（ｇ）
と、抜け冷媒を補充するために必要な冷媒量Ｎ（ｇ）と
を予め受液タンク８に充填するようにしてもよい。

【００３４】尚、上記構成においては、過冷却度を受液
タンク８の冷媒の放出、回収によって制御する構成であ
り、冷媒放出時には、図４の点Ｉで示す過冷却度を、冷
媒回収時には、点IIで示す過冷却度をそれぞれ得るよう
にしたものであるが、冷房負荷に応じて受液タンク８か
ら放出する量あるいは回収する量を微調整し、ＳＣ＝
０．５〜１５．０℃の範囲の任意の過冷却度を得るよう
第１及び第２の電磁弁９，１０を制御してもよい。ま
た、上記構成に、膨張弁４の絞り制御による過冷却度制
御を併用するようにしてもよい。

【００３５】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
膨張弁をバイパスするバイパス経路に受液タンクとその
出入口の通路断面を調節する制御弁とを設け、前記制御
弁の制御により主経路の冷媒量を調節し、受液タンク内
の冷媒を主経路に放出したり、主経路から冷媒を回収す
ることによって過冷却度を調節することができるので、
従来のように、サイクルの充填冷媒量が一定である条件
下で過冷却度制御を行う構成に比べて、制御範囲を大き
くすることが可能となる。これにより、膨張弁による過
冷却度制御では対処しきれない範囲の冷却負荷に対して
も適切な冷却能力を設定することができ、急速冷房を実
現することができる。

【００３６】また、主経路内の冷媒が経時的に減少する
ような場合にも受液タンクから主経路に冷媒を補充する
ことが可能となり、長期にわたって冷媒を補充せずに過
冷却度制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明にかかるエアコンサイクル例を
示す構成図である。

【図２】図２は、図１で示すエアコンサイクルの電磁弁
を制御する制御動作例を示すフローチャートである。

【図３】図３は、本発明にかかるエアコンサイクルの主
経路と受液タンクとの間で冷媒が移動する関係を示した
説明図であり、図３（ａ）は、エアコンサイクルの初期
状態ないしは主経路から冷媒を回収した状態を示す図で
あり、図３（ｂ）は、受液タンクから主経路に冷媒を放
出した状態を示す図である。

【図４】図４は、主経路内の冷媒量に対する消費動力、
冷房能力、高圧圧力、過冷却度の関係を示した特性線図
である。

【図５】図５は、受液タンクから主経路へ冷媒を放出し
た場合と、主経路から受液タンクに冷媒を回収した場合
の本サイクルにおけるモリエール線図を示す。

【符号の説明】

１ エアコンサイクル ２ 圧縮機 ３ 凝縮器 ４ 膨張弁 ５ 蒸発器 ６ 主経路 ７ バイパス経路 ８ 受液タンク ９ 第１の電磁弁 １０ 第２の電磁弁

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒を昇圧する圧縮機と、この圧縮機で
   昇圧された冷媒を凝縮液化する凝縮器と、この凝縮器よ
   りも冷媒下流側に配されて前記液化された冷媒を減圧す
   る減圧手段と、この減圧手段で減圧された冷媒を蒸発気
   化する蒸発器とを含むように順次配管接続して主経路を
   構成し、前記主経路に前記膨張弁をバイパスするバイパ
   ス経路を設け、 このバイパス経路に、冷媒を蓄積する受液タンクと、こ
   の受益タンクの冷媒上流側及び冷媒下流側において通路
   断面を調節する制御弁とを設け、 前記制御弁を制御することにより過冷却度を制御するよ
   うにしたことを特徴とするエアコンサイクル。
2. 【請求項２】 必要冷却能力が大となった場合に前記受
   液タンク内の冷媒を前記主経路に放出し、必要冷却能力
   が小となった場合に前記主経路の冷媒を前記受液タンク
   内に回収するよう前記制御弁を制御するようにしたこと
   を特徴とする請求項１記載のエアコンサイクル。