JP4600212B2 - 超臨界冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の蒸発器を備え、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装置に関する。

従来、この種の冷凍サイクル装置としては、冷媒を圧縮する圧縮機と、この圧縮機から吐出した冷媒を冷却する放熱器と、この放熱器から流出した冷媒を減圧する第１減圧器および第２減圧器と、第１減圧器から流出した冷媒を蒸発させる第１蒸発器と、第２減圧器から流出した冷媒を蒸発させる第２蒸発器と、放熱器から流出した冷媒が第２減圧器に流入することを制御する電磁弁と、を有し、第１蒸発器によって車室内前方側に送風する空気を冷却し、第２蒸発器によって車室内後方側に送風する空気を冷却するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、製造コストを抑えるための方策として、冷媒圧力を減圧する膨張弁の個数を減少して減圧後の冷媒を各蒸発器に分配させるシステムが提供されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−３５２５０号公報 特開２００５−１０６３１８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の冷凍サイクル装置は、圧縮機の起動時や回転数上昇時などの過渡時において冷媒の低圧圧力が低下する場合には、第２減圧器として温度式膨張弁を用いているため、機械式の膨張弁を使用した場合の起動時の挙動例（図１１参照）のように、低圧圧力の低下が直ちに第２減圧器を開弁させるように作用する。さらに、蒸発器出口の温度低下は伝熱による遅れがあるため、一時的に第２減圧器の弁開度が過剰に大きくなり、各蒸発器について、適正に冷媒流量が配分されず、冷媒流量の不足した蒸発器の吹出し空気温度が上昇するという問題点があった。

また、第２減圧器として、電気式膨張弁を用いた場合には、低圧圧力の影響は受けないため、上記過渡時など、低圧圧力が低下する場合にも弁開度が過度に大きくなることはない。しかしながら、スーパーヒート量を検出するには蒸発器出口の冷媒温度を検出する必要があるが、応答性を過度に早くすると電気式膨張弁の作動が不安定になり、ハンチングが発生する等の問題が発生する。このため、温度検出に対する応答性は安定性を確保するため、ある程度は遅くしておく必要があり、熱負荷や圧縮機の回転数が急変した場合に、一時的に過度の冷媒が流れてしまい、第１蒸発器のスーパーヒート量が増加して吹出し空気温度が上昇してしまうことがある。

また、特許文献２に記載の冷凍サイクル装置においては、膨張弁で高圧冷媒を減圧した後、冷媒を配管によって各蒸発器まで送る必要がある。例えば、自動車用のエアコンの場合には、一つは、前席側のダッシュボード内のフロント側の蒸発器に送れば良いが、もう一つは、後席側のリア側の蒸発器まで長い配管を介して低圧低温の冷媒を送る必要があり、この長い配管の途中での熱ロスや、配管の結露防止のため、配管を断熱材で覆って断熱する必要があるという問題があった。

そこで、本発明の目的は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、複数の蒸発器のそれぞれを流れる冷媒を適切に制御して吹出し空気温度の上昇を低減することができるとともに、簡単な流路構成で構築できる超臨界冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、以下に記載の技術的手段を採用する。請求項１に記載の発明は、冷凍サイクル内における高圧圧力が冷媒の臨界圧以上になる蒸気圧縮式の超臨界冷凍サイクル装置であって、冷媒を吸入して圧縮する圧縮機（１）と、圧縮機（１）から吐出された高圧冷媒の放熱を行う放熱器（２）と、放熱器（２）を流出した高圧冷媒が分配された後、流入する複数の減圧器（５、１２）と、複数の減圧器のうち、第１減圧器（５）により減圧された冷媒を蒸発させる第１蒸発器（６）と、第２減圧器（１２）により減圧された冷媒を蒸発させる第２蒸発器（９）と、を備え、第２蒸発器（９）から流出した冷媒を第１蒸発器（６）に流入させるように構成し、分配された後の高圧冷媒は第１減圧器、第２減圧器でそれぞれ減圧され、第２蒸発器（９）から流出した冷媒の全部は、分配後に第１蒸発器（６）に流入する前に減圧された冷媒と混合してから第１蒸発器（６）に流入し、第２減圧器は、第２蒸発器（９）出口の冷媒のスーパーヒート量を制御する機械式のスーパーヒート制御弁（１２）であることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、高圧冷媒を分配した後、減圧し、第２蒸発器（９）から流出した冷媒の全部を第１蒸発器（６）に流入させるように構成したことにより、簡単な冷媒流路の構成によって、各蒸発器を流れる冷媒の制御を適切に行うことができる。特に、各蒸発器における吹出し空気温度の差を低減して安定した空調風を提供できる超臨界冷凍サイクル装置が得られる。さらに、第２減圧器は、第２蒸発器（９）出口の冷媒のスーパーヒート量を制御する機械式のスーパーヒート制御弁（１２）であることにより、起動や加速時など、一時的に低圧圧力が低下することによりスーパーヒート制御弁の開度が過大となって第２蒸発器に流れる冷媒が過剰となった場合も、第２蒸発器（９）から流出した冷媒の全部が第１蒸発器（６）に流入するので、第１蒸発器の冷媒流量が不足することはなく、蒸発器を通過する吹出し空気温度が上昇するという不具合が発生しないことになる。

請求項２に記載の発明は、冷凍サイクル内における高圧圧力が冷媒の臨界圧以上になる蒸気圧縮式の超臨界冷凍サイクル装置であって、冷媒を吸入して圧縮する圧縮機（１）と、圧縮機（１）から吐出された高圧冷媒の放熱を行う放熱器（２）と、放熱器（２）を流出した高圧冷媒が分配された後、流入する複数の減圧器（５、１２）と、複数の減圧器のうち、第１減圧器（５）により減圧された冷媒を蒸発させる第１蒸発器（６）と、第２減圧器（１２）により減圧された冷媒を蒸発させる第２蒸発器（９）と、を備え、第２蒸発器（９）から流出した冷媒を第１蒸発器（６）に流入させるように構成し、分配された後の高圧冷媒は第１減圧器、前記第２減圧器でそれぞれ減圧され、第２蒸発器（９）から流出した冷媒の全部は、分配後に第１蒸発器（６）に流入する前に減圧された冷媒と混合してから第１蒸発器（６）に流入し、第２減圧器は、絞り機構の前後の圧力によりその開口面積が可変する差圧弁であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、上記の請求項１と同様の効果に加え、蒸発器の出口冷媒の過熱度制御に伴う高圧圧力制御のハンチングといった不具合を発生せず、冷凍サイクルの運転効率を向上させることができる。

請求項３に記載の発明は、冷凍サイクル内における高圧圧力が冷媒の臨界圧以上になる蒸気圧縮式の超臨界冷凍サイクル装置であって、冷媒を吸入して圧縮する圧縮機（１）と、圧縮機（１）から吐出された高圧冷媒の放熱を行う放熱器（２）と、放熱器（２）を流出した高圧冷媒が分配された後、流入する複数の減圧器（５、１２）と、複数の減圧器のうち、第１減圧器（５）により減圧された冷媒を蒸発させる第１蒸発器（６）と、第２減圧器（１２）により減圧された冷媒を蒸発させる第２蒸発器（９）と、を備え、第２蒸発器（９）から流出した冷媒を第１蒸発器（６）に流入させるように構成し、分配された後の高圧冷媒は第１減圧器、第２減圧器でそれぞれ減圧され、第２蒸発器（９）から流出した冷媒の全部は、分配後に第１蒸発器（６）に流入する前に減圧された冷媒と混合してから前記第１蒸発器（６）に流入し、第２減圧器は、電気式膨張弁（１９）であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、上記の請求項１と同様の効果に加え、第２減圧器は、電気式膨張弁（１９）としたことにより、開閉式の電磁弁を用いないで、電気式膨張弁のみで第２蒸発器（９）に流入する冷媒のＯＮ、ＯＦＦを行うことができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の超臨界冷凍サイクル装置において、電気式膨張弁（１９）の開度は、第２蒸発器（９）の前後における冷媒の温度情報に基づいて制御されることを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、応答性の高い冷媒流動制御を行うことができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の超臨界冷凍サイクル装置において、第１減圧器（５）は、冷凍サイクルの成績係数が最大となる高圧圧力に制御する高圧圧力制御弁（５）であることを特徴とする。請求項５に記載の発明によれば、冷凍サイクルの運転効率を向上させることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態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）
以下に第１実施形態について、図１を用いて説明する。本実施形態に係る超臨界冷凍サイクル装置は、複数個の蒸発器を備えた蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置であり、その一例として自動車などに用いられるデュアルタイプの車両用空調装置を例に挙げて説明する。また、冷媒として二酸化炭素を用いた超臨界冷凍サイクルを説明する。

本実施形態の冷凍サイクル装置１０は、冷媒を吸入して圧送する圧縮機１と、圧縮機１から吐出された高圧冷媒の放熱を行う高圧側熱交換器に相当する放熱器２と、この放熱器２を流出した高圧冷媒が分配された後、流入する複数の減圧器である第１減圧器および第２減圧器と、を備え、第１減圧器に相当する高圧圧力制御弁５により減圧された冷媒が流入して蒸発することになる第１蒸発器６と、第２減圧器に相当する機械式のスーパーヒート制御弁１２により減圧された冷媒が流入して蒸発することになる第２蒸発器９と、を備えている。さらに、冷凍サイクル装置１０は、高圧側冷媒と低圧側冷媒との間で熱交換をさせる内部熱交換器４と、第２蒸発器９の上流側で、スーパーヒート制御弁１２と直列接続されて、第２蒸発器９へ冷媒の流入制御する電磁弁８と、を備えている。

そして、第２蒸発器９から流出した冷媒が第１蒸発器６に流入するように配置された冷媒流路１３が第２蒸発器９の出口側と第１蒸発器６の入口側とを結び、第１蒸発器６から流出した冷媒は、冷凍サイクル中の余剰冷媒を蓄えるアキュムレータ３４によって液相冷媒と気相冷媒とに分離され、気相冷媒は、低圧側冷媒として内部熱交換器４で高圧側冷媒と熱交換され、圧縮機１の吸入口に流入する。

圧縮機１は、可変容量型であり、ＥＣＵ８０によりその吐出容量が電気的に制御されて冷房能力の制御を行う構成である。圧縮機１の回転数の情報はＥＣＵ８０に送られる。また、圧縮機１にはＥＣＵ８０から送られるクラッチ制御出力信号によりクラッチ制御を行う構成としてもよい。

放熱器２においては、圧縮機１より吐出された高圧・高温冷媒と、ファンによる送風空気や車両の走行などによる送風空気との間で熱交換が行われ、放熱器２内で冷媒の圧力は臨界圧力を超えることになる。放熱器２はクーリングファン３により冷却され、このクーリングファン３は電動式で構成される。また、クーリングファン３はエンジン直結式のカップリングファンや油圧駆動モータで駆動するファンで構成されてもよい。なお、クーリングファン３は、ラジエータ冷却ファンと共用する形式でもよいし、放熱器２専用のファンとしてもよい。また、クーリングファン３は、放熱器２と一体化して取り付けられる構成としてもよいし、車両側部品に固定される構成としてもよい。

第１蒸発器６は、高圧圧力制御弁５で低圧状態となった液冷媒を外気から吸熱して蒸発させる熱交換器である。図４に示すＥＣＵ８０が制御するブロワ７の送風によって第１蒸発器６の伝熱部を通過した空気は、熱を奪われて冷却されるとともに除湿されて、冷房風として車室内前方側から前部座席の乗員に向けて送風される。

高圧圧力制御弁５は、放熱器２の出口側冷媒温度を感温筒部で検出し、冷凍サイクルのＣＯＰ（成績係数）が最大となる高圧圧力に制御するものである。また、高圧圧力制御弁５は、前述の機械式の他に、ＥＣＵ８０によって電気的に制御される電気式膨張弁を採用してもよい。

スーパーヒート制御弁１２は、第２蒸発器９の出口側冷媒温度と第２蒸発器９内の冷媒圧力を検出して第２蒸発器９出口のスーパーヒート量を制御する膨張弁である。スーパーヒート制御弁１２は、冷凍サイクル内において高圧圧力制御弁５と並列に配置される関係にある。スーパーヒート制御弁１２は、第２蒸発器９の風上側に配置されたブロワ１１による送風が当たる位置に配設している。この配置により、スーパーヒート制御弁１２の本体は、ダイヤフラム部の封入ガスが減圧した低温冷媒の影響を受けず、感温部の温度を正確に検出することができる。また、スーパーヒート制御弁１２としては、内蔵した作動棒を介して感温する内蔵タイプの他、ダイヤフラム上に封入された冷媒がキャピラリにより感温筒まで連通することより、感温筒で温度を感温する感温筒式を採用してもよい。

第２蒸発器９は、スーパーヒート制御弁１２で低圧状態となった液冷媒を外気から吸熱して蒸発させる熱交換器である。ＥＣＵ８０が制御するブロワ１１によって第２蒸発器９の伝熱部を通過した空気は、熱を奪われ冷却されるとともに除湿されて、冷房風として車室内後方側から後部座席の乗員などに向けて送風される。

電磁弁８は、放熱器２側から流れてきた冷媒が第２蒸発器９に流入することを阻止する場合と、許容する場合とを切り替え自在とする電磁弁で構成され、ＥＣＵ８０によって制御されるものである。電磁弁８は、第２蒸発器９による冷房作動、例えば、車室内後方の冷房を「入・切」する機能を有し、使用者がエアコン操作部２１を操作することによるスイッチ操作が、リアエアコンＯＮ時には電磁弁８が開弁して第２蒸発器９に冷媒を流し、リアエアコンＯＦＦ時には電磁弁８を閉弁して第２蒸発器９への冷媒を遮断する。

なお、本実施形態の冷凍サイクル装置１０は、２個の蒸発器を備える構成としているが、３個以上の蒸発器を備える装置にも適用できるものである。例えば、３個の蒸発器を備える装置の場合には、そのうちの１個の蒸発器に流れる冷媒流量を制御する高圧圧力制御弁と、残りの２個の蒸発器に流れる冷媒流量を制御するスーパーヒート制御弁とを備える構成とすればよい。

次に、冷凍サイクル装置１０の運転における冷凍サイクル内の冷媒状態を説明する。まず、定常時の運転状態において、第１蒸発器６と第２蒸発器９のそれぞれを流れる冷媒の流量配分は、以下のように調整されることになる。スーパーヒート制御弁１２は、第２蒸発器９の出口のスーパーヒート量を設定された値になるように第２蒸発器９の冷媒流量を制御し、このスーパーヒート量が制御された冷媒が冷媒流路１３を介して第１蒸発器６に高圧圧力制御弁５で低圧状態となった液冷媒と混合して流入する。そして、第１蒸発器６からは、車室内に送風される空気と熱交換を行って液冷媒が蒸発した飽和ガス冷媒と第２蒸発器９から流入したスーパーヒートガス冷媒と液冷媒が混合して熱交換した飽和ガス冷媒がアキュムレータ３４に送られる。アキュムレータ３４内では、飽和ガスのみがアキュムレータ３４から内部熱交換器４を経て圧縮機１に吸入される。これにより、流入する液冷媒が蒸発するエンタルピ量は、第２蒸発器９から流入したスーパーヒートガスが飽和ガスに冷却されるエンタルピ量と第１蒸発器６が車室内に送風される空気と熱交換したエンタルピ量との合計と、等しくなるようにバランスすることで低圧圧力が一定の状態に保たれることになる。

冷凍サイクル装置１０においては、第２蒸発器９を流出した冷媒を再度、第１蒸発器６に流入させる構成としているため、起動や加速時など、一時的に低圧圧力が低下することによりスーパーヒート制御弁１２の開度が過大となって第２蒸発器９に流れる冷媒が過剰となった場合も、第１蒸発器６の冷媒流量が不足することはなく、蒸発器を通過する吹出し空気温度が上昇するという不具合が発生しないことになる。

また、スーパーヒート制御弁１２は、高圧冷媒を減圧する膨張弁として機能するため、第２蒸発器９の近くにスーパーヒート制御弁１２を配置すれば、第２蒸発器９の上流側の低圧配管を短くする構成することができるので、配管の途中での熱ロスが低減できるとともに、高圧配管部分が長く、低温の低圧配管が短い冷凍サイクルであるため、熱ロスや、配管の結露を防ぐための断熱材の使用量を少なくすることができる。例えば、車両の後部座席側に蒸発器を配置した場合には、その蒸発器に至るまでの長い配管に断熱材などを取り付ける必要があるが、本実施形態の冷凍サイクル装置１０においては、この断熱材を不要とすることができる。

また、電磁弁８の上流側も高圧配管となるので、第２蒸発器９の作動ＯＦＦ時でも配管内に高圧冷媒が存在するため、第２蒸発器９の作動をＯＮ、ＯＦＦすることによる冷媒量の変動も小さくなる。また、特許文献２に記載の従来の冷凍サイクル装置の構成では、第２蒸発器９への冷媒が電磁弁等により遮断されたときは第２蒸発器に至る配管内には液冷媒が存在しないのに対して、電磁弁が開弁されているときは配管内には気相冷媒と液相冷媒が流れるため、電磁弁の開弁時と閉弁時とで配管内の流量が大きく変化し、閉弁時の余剰冷媒を蓄えるためにアキュムレータが大型になってしまう。しかし、本実施形態の冷凍サイクル装置１０では、このような大型のアキュムレータの構成を必要としない。

また、第１蒸発器６、第２蒸発器９ともに、それぞれに高圧冷媒を減圧する膨張弁に接続されているので、他方の流路の圧力損失にかかわらず、膨張弁の開度調整により任意の流量配分にて冷媒を流すことができ、第１蒸発器６、第２蒸発器９のそれぞれの圧力損失値が調整されるため、余分な追加部品や、分配流量を調整するための複雑なバルブが不要となる。

また、第１蒸発器と第２蒸発器とを直列接続してそれぞれの蒸発器に減圧後の冷媒を分配するような冷凍サイクルの構成においては、それぞれの蒸発器に至る流路の開口面積を調整する必要があるため、構造が複雑な切替弁などを必要としたり、いずれかの蒸発器に多く流量を流すために、流路抵抗を付加するなどの構成が必要となったりする。しかし、本実施形態の冷凍サイクル装置１０では、このような複雑な構成を必要としないで、冷媒流量の制御を適切に行うことができる。

このように本実施形態の冷凍サイクル装置によれば、圧縮機１と、圧縮機１から吐出された高圧冷媒の放熱を行う放熱器２と、放熱器２を流出した高圧冷媒が分配された後、流入する複数の減圧器と、複数の減圧器のうち、高圧圧力制御弁５により減圧された冷媒を蒸発させる第１蒸発器６と、スーパーヒート制御弁１２により減圧された冷媒を蒸発させる第２蒸発器９と、を備え、第２蒸発器９から流出した冷媒を、第１蒸発器６に流入させるように構成した。この構成を採用した場合には、簡単な冷媒流路の構成によって、各蒸発器を流れる冷媒の制御を適切に行うことができる。特に、各蒸発器における吹出し空気温度の差を低減して安定した空調風を提供できる冷凍サイクル装置が得られる。また、複数の減圧器のうちの一つを高圧圧力制御弁５としたことにより、冷凍サイクルの運転効率を向上させることができる。

また、第２蒸発器９から流出した冷媒は、第１蒸発器６に流入するように構成されるとともに、第２蒸発器９出口の冷媒のスーパーヒート量を制御する機械式のスーパーヒート制御弁１２を設けた構成とする。この構成を採用した場合には、スーパーヒート量の制御のための制御回路などを不要として、サイクルの構成を簡素化することができる。

（第２実施形態）
本実施形態を図２を用いて説明する。この実施形態では、第１実施形態の冷凍サイクル装置１０に対して、第２減圧器として絞り手段であり、例えばオリフィスなどの固定絞り装置１４を採用した点が相違する冷凍サイクル装置２０を説明する。また、絞り手段は、絞り機構の前後の圧力によりその開口面積が可変する差圧弁で構成してもよい。

絞り手段は、第１実施形態のスーパーヒート制御弁１２に対して冷媒流量の調整範囲が狭いが、第２蒸発器９が第１蒸発器６よりサイズが小さいような場合は第２蒸発器９の必要冷媒流量も小さいため、低コストである絞り手段を用いることができる。特に、第２蒸発器９作動のＯＮ、ＯＦＦに電磁弁を用いる場合は、絞り手段を電磁弁と一体とすることが可能なため、ジョイント部の削減も可能となる。

また、第２蒸発器９の熱負荷が小さく、出口より液冷媒が流出する状態となっても、第１蒸発器６を通過して液冷媒が蒸発するため、第１蒸発器６の吹出し空気温度が上昇するといった不具合が発生しない。

なお、図２に示す構成および冷媒の流れは、図１と同符号の構成要素については同一であり、その説明は第１実施形態に委ね、ここでは省略する。

このように本実施形態の冷凍サイクル装置によれば、第２蒸発器９から流出した冷媒は、第１蒸発器６に流入するように構成するとともに、第２減圧器は、固定絞り装置１４、または絞り機構の前後の圧力によりその開口面積が可変する差圧弁とした構成とする。この構成を採用した場合は、蒸発器の出口冷媒の過熱度制御に伴う高圧圧力制御のハンチングといった不具合を発生せず、冷凍サイクルの運転効率を向上させることができる。

（第３実施形態）
本実施形態を図３および図４を用いて説明する。この実施形態では、第１実施形態の冷凍サイクル装置１０に対して、第２減圧器として電気式膨張弁１９を採用した点が相違する冷凍サイクル装置３０を説明する。冷凍サイクル装置３０は、第２蒸発器９の入口上流側に冷媒の温度を検出する冷媒温度センサ１７を備え、第２蒸発器９の出口下流側に冷媒の温度を検出する冷媒温度センサ１８を備え、第１蒸発器６、第２蒸発器９のそれぞれを通過した吹出し空気の温度を検出する吹出し空気温度センサ１５、１６を備えている。この吹出し空気温度センサ１５および１６は、空調ユニットケース（図示せず）内の蒸発器よりも車室内側に設けられ、第１蒸発器６、第２蒸発器９のそれぞれにより冷却された車室内への空調風の温度を検出し、その検出情報は、冷媒温度センサ１７および１８により検出された検出情報とともに、制御手段としてのＥＣＵ８０に送られる。

電気式膨張弁１９は、冷媒温度センサ１７、１８、吹出し空気温度センサ１５、１６が検出する情報に基づいてその開度を、全閉を含む任意の開度に制御することができるため、広い範囲の冷媒流量の制御と流路の閉鎖が可能であり、この電気式膨張弁１９を配することで、第１実施形態の電磁弁１２を不要とすることができる。

なお、図３に示す構成は、図１と同符号の構成要素については同一であり、その説明は第１実施形態に委ね、ここでは省略する。

次に、本実施形態の冷凍サイクル装置３０における電気式膨張弁１９を制御する実施形態を図５および図６を用いて説明する。図５および図６のそれぞれに示す制御方法は、制御手段であるＥＣＵ８０によって実行される。

図５に示すフロー図は、第２蒸発器９の前後における冷媒温度を検出して、その検出情報に基づいて電気式膨張弁１９の全閉を含む開度を制御して、第２蒸発器９の出口におけるスーパーヒート量を制御する処理手順を示している。

まず、この制御方法は、エアコンスイッチがＯＮ状態において開始する。次に、第２蒸発器９の作動スイッチの状態、つまりリアエアコンの作動スイッチの状態を検出する（ステップＳ１００）。そして、この検出により、第２蒸発器９（リアエアコン）の作動スイッチの状態を判定し（ステップＳ１１０）、ＯＮであったときには、冷媒温度センサ１７および１８により、第２蒸発器９よりも上流の冷媒温度Ｔ１７と、第２蒸発器９よりも下流の冷媒温度Ｔ１８とを検出する（ステップＳ１２０）。また、リアエアコンの作動スイッチがＯＦＦであったときは、ステップＳ１６０に飛び、電気式膨張弁１９を全閉に制御し、リアエアコンの作動スイッチがＯＮと判定されるまで処理を繰り返す。

ステップＳ１２０で検出したＴ１７およびＴ１８について、所定値Ｔ０を用いて、偏差計算：（Ｔ１８−Ｔ１７）−Ｔ０を算出する（ステップＳ１３０）。算出した偏差計算値をあらかじめ用意したテーブルと比較し、比較結果に応じて電気式膨張弁１９の目標開度を算出する（ステップＳ１４０）。そして、算出された目標開度になるように電気式膨張弁１９の開度を制御することにより（ステップＳ１５０）、第２蒸発器９へ流れる冷媒量が制御される。そして、再度ステップＳ１００に戻り、第２蒸発器９を流れる冷媒流量の制御を継続的に実行する。

次に説明する図６に示すフロー図は、第１蒸発器６を通過する吹出し空気の温度Ｔ１５と第２蒸発器９を通過する吹出し空気の温度Ｔ１６と検出して、その検出情報に基づいて電気式膨張弁１９の全閉を含む開度を制御する処理手順を示している。

まず、この制御方法も、エアコンスイッチがＯＮ状態において開始する。次に、第２蒸発器９の作動スイッチの状態、つまりリアエアコンの作動スイッチの状態を検出する（ステップＳ２００）。そして、この検出により、第２蒸発器９（リアエアコン）の作動スイッチの状態を判定し（ステップＳ２１０）、ＯＮであったときには、吹出し空気温度センサ１５および１６により、第１蒸発器６を通過する吹出し空気の温度Ｔ１５と、第２蒸発器９を通過する吹出し空気の温度Ｔ１６とを検出する（ステップＳ２２０）。また、リアエアコンの作動スイッチがＯＦＦであったときは、ステップＳ２６０に飛び、電気式膨張弁１９を全閉に制御し、リアエアコンの作動スイッチがＯＮと判定されるまで処理を繰り返す。

ステップＳ２２０で検出したＴ１５およびＴ１６について、所定値ＴＡを用いて、偏差計算：（Ｔ１６−Ｔ１５）−ＴＡを算出する（ステップＳ２３０）。算出した偏差計算値をあらかじめ用意したテーブルと比較し、比較結果に応じて電気式膨張弁１９の目標開度を算出する（ステップＳ２４０）。そして、算出された目標開度になるように電気式膨張弁１９の開度を制御することにより（ステップＳ２５０）、第２蒸発器９へ流れる冷媒量が制御される。そして、再度ステップＳ２００に戻り、第２蒸発器９を流れる冷媒流量の制御を継続的に実行する。

なお、前述した図５および図６のそれぞれに示した制御方法は、冷媒温度センサ１７および１８、または、吹出し空気温度センサ１５および１６を設けることにより、第１および第２実施形態の冷凍サイクル装置１０および２０や、後述する第４実施形態〜第７実施形態における冷凍サイクル装置４０、５０、６０、および７０においても実行することができる。

このように本実施形態の冷凍サイクル装置によれば、第２蒸発器９から流出した冷媒は、第１蒸発器６に流入するように構成するとともに、第２減圧器として電気式膨張弁１９を採用する構成とする。この構成を採用した場合には、開閉式の電磁弁を用いないで、電気式膨張弁のみで第２蒸発器９に流入する冷媒のＯＮ、ＯＦＦを行うことができるとともに、広い範囲の冷媒流量の制御を実施できる。

また、電気式膨張弁１９の開度は、第２蒸発器９の前後における冷媒の温度情報に基づいて制御されることとする。この制御を採用した場合には、より応答性の高い冷媒流量の制御を行うことができる。

（第４実施形態）
本実施形態を図７を用いて説明する。この実施形態では、第１実施形態の冷凍サイクル装置１０に対して、第１減圧器として絞り手段であり、例えばオリフィスなどの固定絞り装置２２、または、絞り機構の前後の圧力によりその開口面積が可変する差圧弁を採用した点が相違する、冷凍サイクル装置４０を説明する。また、冷凍サイクル装置４０は、第２減圧器として、スーパーヒート制御弁１２を採用しているが、これを固定絞り装置、または電気式膨張弁で構成してもよい。なお、図７に示す構成および冷媒の流れは、図１と同符号の構成要素については同一であり、その説明は第１実施形態に委ね、ここでは省略する。

このように本実施形態の冷凍サイクル装置４０は、第１減圧器として絞り手段である固定絞り装置２２、または、絞り機構の前後の圧力によりその開口面積が可変する差圧弁を採用したことにより、特に、圧縮機１を外部可変容量式のものとした場合には、圧縮機の容量を変えることで、高圧圧力を制御できるため、流量制御範囲の狭い固定絞り装置でもシステムを構成することが可能となり、高圧圧力制御弁より構造が単純で低コストにシステムを構成することができる。

（第５実施形態）
本実施形態を図８を用いて説明する。本実施形態の冷凍サイクル装置５０は、冷媒を吸入して圧縮する圧縮機１と、圧縮機１から吐出された高圧冷媒の放熱を行う放熱器２と、放熱器２を流出した高圧冷媒が分配される複数の冷媒流路と、分配された高圧冷媒をそれぞれにおいて蒸発させる第１蒸発器６および第２蒸発器９と、流入してきた冷媒を気相冷媒と液相冷媒に分離して、気相冷媒が圧縮機１側に流れ出るアキュムレータ３４と、を備えている。そして、複数の冷媒流路は、分配された高圧冷媒が高圧圧力制御弁２３によって減圧されてアキュムレータ３４に流入するバイパス流路２８と、高圧冷媒が第１蒸発器６と第２蒸発器９のそれぞれに流入するように分配される第１分配流路２９および第２分配流路３１と、から少なくとも構成されている。さらに、第１蒸発器６出口の冷媒、および第２蒸発器９出口の冷媒のうち、少なくとも一方の冷媒のスーパーヒート量を制御するために、スーパーヒート制御弁２５、２７を備えている。さらに、第１分配流路２９において、第１蒸発器６よりも上流側には電磁弁２４が設けられ、第２分配流路３１において、第２蒸発器９よりも上流側には電磁弁２６が設けられている。

電磁弁２４は、放熱器２側から流れて第１分配流路２９へ分配された冷媒が第１蒸発器６に流入することを阻止する場合と、許容する場合とを切り替え自在とする電磁弁で構成され、ＥＣＵ８０によって制御されるものである。電磁弁２４は、第１蒸発器６による冷房作動、例えば、車室内後方の冷房を「入・切」する機能を有し、使用者がエアコン操作部２１を操作することによるスイッチ操作が、フロントエアコンのＯＮ時には電磁弁２４が開弁して第１蒸発器６に冷媒を流し、フロントエアコンのＯＦＦ時には電磁弁２４を閉弁して第１蒸発器６への冷媒を遮断する。

電磁弁２６も同様に、放熱器２側から流れて第１分配流路３１へ分配された冷媒が第２蒸発器９に流入することを阻止する場合と、許容する場合とを切り替え自在とする電磁弁で構成され、ＥＣＵ８０によって制御されるものである。電磁弁２６は、第２蒸発器９による冷房作動、例えば、車室内後方の冷房を「入・切」する機能を有し、使用者がエアコン操作部２１を操作することによるスイッチ操作が、リアエアコンのＯＮ時には電磁弁２６が開弁して第２蒸発器９に冷媒を流し、リアエアコンのＯＦＦ時には電磁弁２６を閉じて第２蒸発器９への冷媒を遮断する。

また、電磁弁２４および２６は、同様の挙動を示すものとする。つまり、それぞれの電磁弁のＯＮ、ＯＦＦのタイミング、つまり、冷媒の流れの有無は、同じタイミングで発生することとし、第１蒸発器６と第２蒸発器９を流れる冷媒の流量差が生じないように制御することも可能である。

なお、図８に示す構成は、図１と同符号の構成要素については同一であり、その説明は第１実施形態に委ね、ここでは省略する。

このように本実施形態の冷凍サイクル装置５０は、圧縮機１と、圧縮機１から吐出された高圧冷媒の放熱を行う放熱器２と、放熱器２を流出した高圧冷媒が分配される複数の冷媒流路と、分配された高圧冷媒をそれぞれにおいて蒸発させる第１蒸発器６および第２蒸発器９と、流入してきた冷媒を気相冷媒と液相冷媒に分離して、気相冷媒が圧縮機１側に流れ出るアキュムレータ３４と、を備え、複数の冷媒流路は、分配された高圧冷媒が減圧されてアキュムレータ３４に流入するバイパス流路２８と、高圧冷媒が第１蒸発器６と第２蒸発器９のそれぞれに流入するように分配される第１分配流路２９および第２分配流路３１と、を少なくとも構成するとともに、第１蒸発器６出口の冷媒、および第２蒸発器９出口の冷媒のうち、少なくとも一方の冷媒のスーパーヒート量を制御するスーパーヒート制御弁２５、２７を備えた構成とする。この構成を採用した場合には、簡単な冷媒流路の構成によって、各蒸発器を流れる冷媒の制御を適切に行うことができる。

また、バイパス流路２８に、冷凍サイクルの成績係数が最大となる高圧圧力に制御する高圧圧力制御弁２３を設ける構成とする。この構成を採用した場合には、冷凍サイクルの運転効率を向上させることができる。

また、冷凍サイクル装置５０は、各蒸発器出口のスーパーヒート量を制御するために、スーパーヒート制御弁を配置しているため、仮に、低圧圧力の変化によりスーパーヒート制御弁の開度が一時的に過大になったとしても、全ての蒸発器において同様に冷媒流量が増加する。このため第１蒸発器６の吹出し空気温度のみが上昇するといった不具合が発生しない。

また、高圧冷媒を分配しているため、冷凍サイクル装置１０、２０、３０、および４０と同様に、熱ロスが少なく、断熱処理を必要とする配管部が短く、蒸発器の作動のＯＮ、ＯＦＦ時の冷媒変動が少ない、といった効果を奏する。

さらに、冷凍サイクル装置５０は、高圧圧力制御弁２３がバイパス流路２８に接続されているため、冷凍サイクルの流れが閉止されることがない。これにより各蒸発器を任意の組合せでＯＮ、ＯＦＦすることができるという効果を奏する。

（第６実施形態）
本実施形態を図９を用いて説明する。この実施形態では、第５実施形態の冷凍サイクル装置５０に対して、バイパス流路２８の高圧圧力制御弁として絞り手段であり、例えばオリフィスなどの固定絞り装置３２、または、絞り機構の前後の圧力によりその開口面積が可変する差圧弁を採用した点が相違する、冷凍サイクル装置６０を説明する。なお、図９に示す構成および冷媒の流れは、図８および図１と同符号の構成要素については同一であり、その説明は第５実施形態および第１実施形態に委ね、ここでは省略する。

このように本実施形態の冷凍サイクル装置６０は、バイパス流路２８に、固定絞り装置３２、または絞り機構の前後の圧力によりその開口面積が可変する差圧弁を設ける構成とする。この構成を採用した場合には、蒸発器の出口冷媒の過熱度制御に伴う高圧圧力制御のハンチングといった不具合を発生せず、冷凍サイクルの運転効率を向上させることができる。

（第７実施形態）
本実施形態を図１０を用いて説明する。この実施形態では、第５実施形態の冷凍サイクル装置５０に対して、バイパス流路２８の高圧圧力制御弁として感温部を内蔵した高圧圧力制御弁３３を設けた点が相違する冷凍サイクル装置７０を説明する。なお、図１０に示す構成および冷媒の流れは、図８および図１と同符号の構成要素については同一であり、その説明は第５実施形態および第１実施形態に委ね、ここでは省略する。

高圧圧力制御弁３３は、放熱器２の出口温度を感温部で検出して高圧制御を行うが、放熱器２の出口温度と内部熱交換器４の出口温度と間には、ある程度の相関があるため、内部熱交換器４の出口温度を用いて高圧冷媒の制御を実施することができる。

また、内部熱交換器４の出口冷媒は、直接、高圧圧力制御弁３３に流入するため内部熱交換器４の出口冷媒温度で制御する場合には、感温部を高圧圧力制御弁３３内に設けることができ、感温部の取付け工数を削減することができる。

このように本実施形態の冷凍サイクル装置７０は、バイパス流路２８に、冷凍サイクルの成績係数が最大となる高圧圧力に制御するとともに感温部を内蔵した高圧圧力制御弁３３を設ける構成とする。この構成を採用した場合には、冷凍サイクルの運転効率を向上させることができる。

（その他の実施形態）
上述の実施形態においては、冷媒として二酸化炭素を用いた冷凍サイクルについて説明したが、二酸化炭素の他に、例えば、エチレン、エタン、酸化窒素などの超臨界域で使用される冷媒を用いてもよい。

また、上述の実施形態においては、第１蒸発器６によって車室内前方側に送風する空気を冷却し、第２蒸発器９によって車室内後方側に送風する空気を冷却する構成としたが、逆に、第２蒸発器９によって車室内前方側に送風する空気を冷却し、第１蒸発器６によって車室内後方側に送風する空気を冷却する構成としてもよい。

また、第７実施形態で示した感温部を内蔵した高圧圧力制御弁３３による高圧制御は、上述する他の実施形態と組み合わせて実施することができるものである。

第１実施形態の冷凍サイクル装置の構成を示した模式図である。 第２実施形態の冷凍サイクル装置の構成を示した模式図である。 第３実施形態の冷凍サイクル装置の構成を示した模式図である。 第１、第２、第３、第４、第５、第６、および第７実施形態の冷凍サイクル装置の各構成部品と制御手段との関係を示したブロック図である。 第３実施形態における冷凍サイクル装置の作動を示したフロー図である（第１蒸発器の冷媒温度と第２蒸発器の冷媒温度の偏差を用いた判定）。 第３実施形態における冷凍サイクル装置の作動を示したフロー図である（第１蒸発器と第２蒸発器のそれぞれを通る吹出し空気温度の偏差を用いた判定）。 第４実施形態の冷凍サイクル装置の構成を示した模式図である。 第５実施形態の冷凍サイクル装置の構成を示した模式図である。 第６実施形態の冷凍サイクル装置の構成を示した模式図である。 第７実施形態の冷凍サイクル装置の構成を示した模式図である。 従来の冷凍サイクル装置におけるスーパーヒート制御弁をＳＨ＝５℃に設定したときの起動時挙動を示すグラフである。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 放熱器
５ 高圧圧力制御弁（第１減圧器）
６ 第１蒸発器
９ 第２蒸発器
１２ スーパーヒート制御弁（第２減圧器）
１４ 固定絞り装置（第２減圧器）
１９ 電気式膨張弁（第２減圧器）
２２ 固定絞り装置（第１減圧器）
２３、３３ 高圧圧力制御弁
２５、２７ スーパーヒート制御弁
２８ バイパス流路
２９ 第１分配流路
３１ 第２分配流路
３２ 固定絞り装置
３４ アキュムレータ

Claims (5)

1. 冷凍サイクル内における高圧圧力が冷媒の臨界圧以上になる蒸気圧縮式の超臨界冷凍サイクル装置であって、
   冷媒を吸入して圧縮する圧縮機（１）と、前記圧縮機（１）から吐出された高圧冷媒の放熱を行う放熱器（２）と、前記放熱器（２）を流出した高圧冷媒が分配された後、流入する複数の減圧器（５、１２）と、前記複数の減圧器のうち、第１減圧器（５）により減圧された冷媒を蒸発させる第１蒸発器（６）と、第２減圧器（１２）により減圧された冷媒を蒸発させる第２蒸発器（９）と、を備え、
   前記第２蒸発器（９）から流出した冷媒を前記第１蒸発器（６）に流入させるように構成し、
   前記分配された後の高圧冷媒は前記第１減圧器、前記第２減圧器でそれぞれ減圧され、
   前記第２蒸発器（９）から流出した冷媒の全部は、前記分配後に前記第１蒸発器（６）に流入する前に前記減圧された冷媒と混合してから前記第１蒸発器（６）に流入し、
   前記第２減圧器は、前記第２蒸発器（９）出口の冷媒のスーパーヒート量を制御する機械式のスーパーヒート制御弁（１２）であることを特徴とする超臨界冷凍サイクル装置。
2. 冷凍サイクル内における高圧圧力が冷媒の臨界圧以上になる蒸気圧縮式の超臨界冷凍サイクル装置であって、
   冷媒を吸入して圧縮する圧縮機（１）と、前記圧縮機（１）から吐出された高圧冷媒の放熱を行う放熱器（２）と、前記放熱器（２）を流出した高圧冷媒が分配された後、流入する複数の減圧器（５、１２）と、前記複数の減圧器のうち、第１減圧器（５）により減圧された冷媒を蒸発させる第１蒸発器（６）と、第２減圧器（１２）により減圧された冷媒を蒸発させる第２蒸発器（９）と、を備え、
   前記第２蒸発器（９）から流出した冷媒を前記第１蒸発器（６）に流入させるように構成し、
   前記分配された後の高圧冷媒は前記第１減圧器、前記第２減圧器でそれぞれ減圧され、
   前記第２蒸発器（９）から流出した冷媒の全部は、前記分配後に前記第１蒸発器（６）に流入する前に前記減圧された冷媒と混合してから前記第１蒸発器（６）に流入し、
   前記第２減圧器は、絞り機構の前後の圧力によりその開口面積が可変する差圧弁であることを特徴とする超臨界冷凍サイクル装置。
3. 冷凍サイクル内における高圧圧力が冷媒の臨界圧以上になる蒸気圧縮式の超臨界冷凍サイクル装置であって、
   冷媒を吸入して圧縮する圧縮機（１）と、前記圧縮機（１）から吐出された高圧冷媒の放熱を行う放熱器（２）と、前記放熱器（２）を流出した高圧冷媒が分配された後、流入する複数の減圧器（５、１２）と、前記複数の減圧器のうち、第１減圧器（５）により減圧された冷媒を蒸発させる第１蒸発器（６）と、第２減圧器（１２）により減圧された冷媒を蒸発させる第２蒸発器（９）と、を備え、
   前記第２蒸発器（９）から流出した冷媒を前記第１蒸発器（６）に流入させるように構成し、
   前記分配された後の高圧冷媒は前記第１減圧器、前記第２減圧器でそれぞれ減圧され、
   前記第２蒸発器（９）から流出した冷媒の全部は、前記分配後に前記第１蒸発器（６）に流入する前に前記減圧された冷媒と混合してから前記第１蒸発器（６）に流入し、
   前記第２減圧器は、電気式膨張弁（１９）であることを特徴とする超臨界冷凍サイクル装置。
4. 前記電気式膨張弁（１９）の開度は、前記第２蒸発器（９）の前後における冷媒の温度情報に基づいて制御されることを特徴とする請求項３に記載の超臨界冷凍サイクル装置。
5. 前記第１減圧器（５）は、冷凍サイクルの成績係数が最大となる高圧圧力に制御する高圧圧力制御弁（５）であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の超臨界冷凍サイクル装置。

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