JP2009063230A - 冷凍サイクル装置および車両用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の蒸発器が直列に接続された冷凍サイクル装置において、下流側に配置される蒸発器の冷え遅れを抑制する。
【解決手段】圧力制御弁１４にて減圧膨張された冷媒を蒸発させる上流側蒸発器１５と、上流側蒸発器１５から流出した冷媒を蒸発させる下流側蒸発器１６を直列に接続し、さらに、上流側蒸発器１５を迂回させて、上流側蒸発器１５入口側から上流側蒸発器１５出口側へ冷媒を導くバイパス通路１８を設け、サイクルの起動時に待機時間Ｔ１だけ、バイパス通路１８を開閉する開閉弁１９を強制的に開弁させる。これにより、サイクルの起動時に圧力制御弁１４にて減圧膨張された液相冷媒を下流側蒸発器１６へ直接流入させることができ、下流側蒸発器１６の冷え遅れを抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の蒸発器を備える冷凍サイクル装置およびこの冷凍サイクル装置を適用した車両用空調装置に関する。

従来、車両用空調装置に適用された、複数の蒸発器を備える冷凍サイクル装置が知られている。例えば、特許文献１の冷凍サイクル装置では、第１、２蒸発器を並列的に接続して、第１蒸発器を車室内の前席側空間の空調に用い、第２蒸発器を車室内の後席側空間の空調に用いている。

この特許文献１の冷凍サイクル装置では、第１、２蒸発器に流入する冷媒を減圧膨張させる減圧手段が、それぞれの蒸発器の上流側に独立して設けられており、これらの減圧手段の絞り開度を変化させることによって、それぞれの蒸発器において異なる温度帯で冷媒を蒸発させている。
特開２００７−１６３０７４号公報

ところで、特許文献１の冷凍サイクル装置では、第１、２蒸発器を並列的に接続し、さらに、第１、２蒸発器に対して独立した減圧手段を設けているので、冷凍サイクル装置のサイクル構成が複雑となる。さらに、特許文献１のように、第１、２蒸発器をそれぞれ車室内の前席側空間および後席側空間の空調に用いる場合、第１、２蒸発器において大きく異なる温度帯で冷媒を蒸発させる必要性も少ない。

そこで、本発明者らは、サイクル構成を簡素化するとともに、それぞれの蒸発器において略同等の温度帯で冷媒を蒸発させることができる、図５に示す冷凍サイクル装置（以下、検討例という。）について検討を行った。

この検討例では、図５に示すように、１つの減圧手段の下流側に上流側蒸発器１５および下流側蒸発器１６を直列に接続するサイクル構成になっているので、特許文献１の冷凍サイクル装置に対して、サイクル構成を簡素化できる。さらに、上流側蒸発器１５および下流側蒸発器１６において略同等の温度帯で冷媒を蒸発させることができる。なお、図５では、後述する実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付している。

しかしながら、この検討例を実際に作動させると、下流側蒸発器１６の冷却対象空間の温度低下開始タイミングが、サイクルの起動タイミングに対して大きく遅れるという、いわゆる冷え遅れの問題が生じることがあった。そこで、本発明者らが、その原因について調査したところ、冷凍サイクル装置の起動時に上流側蒸発器１５や上流側蒸発器１５に接続される冷媒配管の温度が高温化していることが原因であると判った。

その理由は、起動時に上流側蒸発器１５等の温度が高温化していると、起動直後に上流側蒸発器１５等を通過する液相冷媒が、上流側蒸発器１５等自体の有する熱量によって蒸発してしまうからである。そして、上流側蒸発器１５等自体が冷却されるまで、下流側蒸発器１６へ十分な液相冷媒を供給できなくなり、下流側蒸発器１６にて冷凍能力を発揮できなってしまう。

さらに、このような下流側蒸発器１６の冷え遅れの問題は、例えば、下流側蒸発器１６のみに冷凍能力を発揮させるシングルモードの運転条件（具体的には、上流側蒸発器１５用の送風機１５ａを停止させ、下流側蒸発器１６用の送風機１６ａのみを作動させる運転条件）での起動時に、下流側蒸発器１６の冷却対象空間を即効冷房できないという問題を引き起こす。

上記点に鑑み、本発明は、複数の蒸発器が直列に接続された冷凍サイクル装置において、下流側に配置される蒸発器の冷え遅れを抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（１１）と、圧縮機（１１）から吐出された冷媒を放熱させる放熱器（１２）と、放熱器（１２）にて放熱した冷媒を減圧膨張させる減圧手段（１４）と、減圧手段（１４）にて減圧膨張された冷媒を蒸発させる上流側蒸発器（１５）と、上流側蒸発器（１５）から流出した冷媒を蒸発させて、圧縮機（１１）吸入側へ流出させる下流側蒸発器（１６）と、上流側蒸発器（１５）を迂回させて、上流側蒸発器（１５）入口側から上流側蒸発器（１５）出口側へ冷媒を導くバイパス通路（１８）と、バイパス通路（１８）を開閉する開閉弁（１９）とを備える冷凍サイクル装置を第１の特徴とする。

これによれば、サイクルの起動時に、上流側蒸発器（１５）自体の温度が上昇している場合であっても、開閉弁（１９）を開弁させることで、減圧手段（１４）にて減圧膨張された液相冷媒を、下流側蒸発器（１６）へ直接供給することができる。その結果、下流側蒸発器（１６）の冷え遅れを抑制できる。

さらに、例えば、下流側蒸発器１６のみに冷凍能力を発揮させるシングルモードの起動時に開閉弁（１９）を開弁させることで、下流側蒸発器（１６）の冷却対象空間の即効冷房が可能となる。

また、上記第１の特徴の冷凍サイクル装置において、さらに、開閉弁（１９）の作動を制御する開閉弁制御手段（２０ａ）を備え、開閉弁制御手段（２０ａ）は、サイクルの起動時から予め定めた待機時間（Ｔ１）を経過するまで、開閉弁（１９）を開弁させるようになっていてもよい。

これによれば、開閉弁制御手段（２０ａ）が、サイクルの起動時から待機時間（Ｔ１）を経過するまで、開閉弁（１９）を開弁させるので、確実に、下流側蒸発器（１６）の冷え遅れを抑制できる。

ところで、上述の第１の特徴の冷凍サイクルでは、バイパス通路（１８）および開閉弁（１９）を設けるという、簡素な構成によって、下流側蒸発器（１６）の冷え遅れの抑制を実現しているので、開閉弁（１９）を開弁させた時であっても、上流側蒸発器（１５）に僅かな流量の冷媒を供給できる。

そこで、上述の第１の特徴の冷凍サイクル装置において、さらに、上流側蒸発器（１５）に向けて空気を送風する上流側送風機（１５ａ）と、上流側送風機（１５ａ）の作動を制御する上流側送風機制御手段（２０ｂ）とを備え、上流側送風機制御手段（２０ｂ）は、待機時間（Ｔ１）を経過するまで、上流側送風機（１５ａ）を停止させるようになっていてもよい。

これによれば、上流側送風機制御手段（２０ｂ）が、サイクルの起動時から待機時間（Ｔ１）を経過するまで、上流側送風機（１５ａ）を停止させるので、上流側蒸発器（１５）に供給された冷媒によって、上流側蒸発器（１５）自体の熱量を効果的に吸熱させることができる。

その結果、待機時間（Ｔ１）中に上流側蒸発器（１５）自体の温度を低下させておくことができるので、待機時間（Ｔ１）経過後に開閉弁（１９）を閉弁させた際に、上流側蒸発器（１５）の冷却対象空間の温度についても速やかに低下させることができる。

ところで、この種の冷凍サイクル装置では、一般的に圧縮機（１１）潤滑用のオイルを冷媒に混入させて、冷媒とともにサイクル内を循環させている。そのため、冷媒流量が少なくなると、サイクル内にオイルが滞留して、圧縮機（１１）の潤滑不良を引き起こす。このような潤滑不良は、圧縮機（１１）の耐久寿命に悪影響を及ぼす。

従って、上述の如く、開閉弁（１９）を開弁させた際に、上流側蒸発器（１５）に僅かな流量の冷媒が供給されると、この上流側蒸発器（１５）内にオイルが滞留して、圧縮機（１１）の潤滑不良を招くおそれがある。

そこで、上述の第１の特徴の冷凍サイクル装置において、開閉弁制御手段（２０ａ）は、下流側蒸発器（１６）のみで冷凍能力を発揮させる運転モード時に、開閉弁（１９）を間欠的に開閉させるようになっていてもよい。

これによれば、下流側蒸発器（１６）のみで冷凍能力を発揮させる運転モードであっても、間欠的に、上流側蒸発器（１５）にサイクル内を循環する全冷媒流量を通過させることができる。従って、上流側蒸発器（１５）内にオイルが滞留してしまうことを防止できる。

また、上述の第１の特徴の冷凍サイクル装置において、開閉弁は、電源を供給されたときに閉弁するノーマルオープン型の電磁弁（１９）であってもよい。これによれば、電磁弁（１９）への通電不良などが生じても、起動時に確実に開閉弁が開弁しているので、確実に下流側蒸発器（１６）の冷え遅れを抑制できる。

また、上述の第１の特徴の冷凍サイクル装置において、冷媒として二酸化炭素を採用してもよい。冷媒として二酸化炭素を採用する冷凍サイクル装置では、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超える超臨界冷凍サイクルを構成するので、通常のフロン系冷媒を採用する場合に対して、低圧側冷媒圧力も高くなる。

従って、低圧側冷媒密度も高くなり、上流側蒸発器（１５）および下流側蒸発器（１６）を直列に接続する回路構成であっても、低圧側における冷媒の圧力損失を低減できる。その結果、下流側蒸発器（１６）に液相冷媒が流入しやすくなり、より一層、冷え遅れを抑制できる。

また、本発明では、上述の第１の特徴の冷凍サイクル装置（１０）が適用された車両用空調装置であって、上流側蒸発器（１５）は、車室内の後席側空間の空調に用いられ、下流側蒸発器（１６）は、車室内の前席側空間の空調に用いられる車両用空調装置を第２の特徴とする。これによれば、下流側蒸発器（１６）が車室内の前席側空間の空調に用いられるので、運転者が乗車する冷房頻度の高い前席側空間の冷え遅れを抑制できる。

さらに、上流側蒸発器（１５）が車室内の後席側空間の空調に用いられるので、例えば、上流側蒸発器（１５）と下流側蒸発器（１６）とを接続する冷媒配管が長くなる。つまり、上述した下流側蒸発器（１６）の冷え遅れが生じやすい構成となるため、第１の特徴の冷凍サイクル装置（１０）の冷え遅れ抑制効果を極めて有効に得ることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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ものである。

図１〜４により、本発明の一実施形態を説明する。本実施形態は、本発明の冷凍サイクル装置１０を、車両用空調装置に適用したものである。図１は、本実施形態の冷凍サイクル装置１０の全体構成図である。

この冷凍サイクル装置１０では、冷媒として二酸化炭素を採用しており、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上（超臨界状態）となる超臨界冷凍サイクルを構成している。さらに、冷媒には、圧縮機１１を潤滑するためのオイルが混入されており、このオイルは冷媒とともにサイクル内を循環する。

圧縮機１１は、冷凍サイクル装置１０において、冷媒を吸入し、臨界圧力以上となるまで圧縮して吐出するもので、プーリおよびベルトを介して車両走行用エンジン（図示せず）から駆動力が伝達されて回転駆動される。本実施形態では、圧縮機１１として、後述する空調制御装置２０から出力される制御信号によって吐出容量を連続的に変更可能に構成された周知の斜板式可変容量型圧縮機を採用している。

斜板式可変容量型圧縮機では、吐出容量を変更することによって冷媒吐出能力を変更することができる。なお、吐出容量とは冷媒の吸入圧縮を行う作動空間の幾何学的な容積、すなわちピストンストロークの上死点と下死点との間のシリンダ容積である。

より具体的には、斜板式可変容量型圧縮機は、その内部に形成されて中間圧力を導入させる斜板室（図示せず）、斜板室へ導入させる中間圧力を調整する電磁式容量制御弁１１ａ、および、斜板室の圧力に応じて傾斜角度を変位させる斜板（図示せず）等を有して構成される。

そして、空調制御装置２０から出力される制御信号（制御電流）によって、電磁式容量制御弁１１ａの弁開度（中間圧力）を変化させると、斜板室の圧力が変化して、斜板の傾斜角度が変化する。さらに、この斜板の傾斜角度の変化に伴って、ピストンストローク（吐出容量）が変化する。例えば、斜板室の圧力を減少させると、斜板の傾斜角度が増加して、ピストンストローク（吐出容量）を増加させることができる。

もちろん、圧縮機１１として、固定容量型圧縮機を採用して、電磁クラッチの断続により圧縮機の稼働率を変化させることによって、冷媒吐出能力を変更してもよい。また、圧縮機１１として電動圧縮機を採用して、電動モータの回転数を変化させることによって、冷媒吐出能力を変更してもよい。

圧縮機１１の吐出側には、放熱器１２の入口側が接続されている。放熱器１２は、圧縮機１１から吐出された高温高圧冷媒と冷却ファン１２ａにより送風される外気（車室外空気）とを熱交換させて、高圧冷媒を放熱させる放熱用熱交換器である。冷却ファン１２ａは、空調制御装置２０から出力される制御電圧によって回転数（送風空気量）が制御される電動式送風機である。

なお、前述の如く、本実施形態の冷凍サイクル装置１０では、超臨界冷凍サイクルを構成しているので、冷媒は放熱器１２にて凝縮することなく超臨界状態のまま放熱する。

放熱器１２の出口側には、内部熱交換器１３の高圧側冷媒流路１３ａが接続されている。内部熱交換器１３は、高圧側冷媒流路１３ａを通過する放熱器１２出口側冷媒と低圧側冷媒流路１３ｂを通過する圧縮機１１吸入側冷媒とを熱交換させて、高圧側冷媒流路１３ａを通過する冷媒を冷却するものである。

これにより、後述する上流側蒸発器１５および下流側蒸発器１６における入口側冷媒と出口側冷媒とのエンタルピ差（冷凍能力）を増大することができる。

なお、内部熱交換器１３の具体的構成としては、高圧側冷媒流路１３ａと低圧側冷媒流路１３ｂとを形成する冷媒配管同士をろう付け接合して熱交換させる構成や、高圧側冷媒流路１３ａを形成する内側管の外側に低圧側冷媒流路１３ｂを配置する２重管方式の熱交換器構成等を採用できる。

内部熱交換器１３の高圧側冷媒流路１３ａの出口側には、圧力制御弁１４が接続されている。圧力制御弁１４は、本実施形態の減圧手段であり、内部熱交換器１３から流出した高圧冷媒を減圧膨張させるとともに、高圧側冷媒圧力が目標高圧となるように、弁開度（絞り開度）が機械的機構にて調整されるようになっている。

具体的には、圧力制御弁１４は、放熱器１２出口側と内部熱交換器１３の高圧側冷媒流路１３ａ入口側との間に設けられた感温部１４ａを有し、この感温部１４ａの内部に放熱器１２出口側の高圧冷媒の温度に対応した圧力を発生させ、感温部１４ａの内圧と内部熱交換器１３の高圧側冷媒流路１３ａの出口側冷媒圧力とのバランスで圧力制御弁１４の弁開度を調整するようになっている。

これにより、高圧側冷媒圧力を放熱器１２の出口側の高圧側冷媒温度により決まる目標高圧に調整して、サイクルの成績係数（ＣＯＰ）を最大値に近づけるようにしている。なお、このような高圧制御機能を持つ圧力制御弁１４は、特開２０００−８１１５７号公報等にて公知である。

圧力制御弁１４の出口側には、上流側蒸発器１５の入口側が接続されている。上流側蒸発器１５は、圧力制御弁１４にて減圧膨張された低圧冷媒と送風ファン１５ａから送風された送風空気とを熱交換させて、低圧冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱用熱交換器である。

さらに、上流側蒸発器１５の出口側には、下流側蒸発器１６の入口側が接続されている。つまり、上流側蒸発器１５および下流側蒸発器１６は直列に接続されている。下流側蒸発器１６は、上流側蒸発器１５から流出した低圧冷媒と送風ファン１６ａから送風された送風空気とを熱交換させて、低圧冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱用熱交換器である。

上流側蒸発器１５および下流側蒸発器１６の基本的構成は同様で、いずれも周知のフィンアンドチューブ構造の熱交換器にて構成されている。さらに、上流側蒸発器１５および下流側蒸発器１６は、車両用空調装置の室内空調ユニットにおいて車室内送風空気の空気通路を形成するケース内に配置されている。

そして、上流側蒸発器１５にて冷却された送風空気は、エンジン冷却水を熱源とするヒータコア等の加熱手段により再加熱されることによって温度調整されて、車室内の後席側空間へ吹き出される。一方、下流側蒸発器１６にて冷却された送風空気も同様に温度調整されて、車室内の前席側空間へ吹き出される。

従って、上流側蒸発器１５の冷却対象空間は、車室内の後席側空間であり、下流側蒸発器１６の冷却対象空間は、車室内の前席側空間となる。なお、送風ファン１５ａ、１６ａは、いずれも空調制御装置２０から出力される制御電圧によって回転数（送風空気量）が制御される電動式送風機である。

下流側蒸発器１６の冷媒出口側には、アキュムレータ１７が接続されている。アキュムレータ１７は、下流側蒸発器１６から流出した冷媒を液相冷媒と気相冷媒に分離するとともに、サイクル内の余剰冷媒を蓄える気液分離器である。また、アキュムレータ１７の気相冷媒出口は、前述の内部熱交換器１３の低圧側冷媒流路１３ｂ入口側に接続され、低圧側冷媒流路１３ｂ出口側は、圧縮機１１の冷媒吸入側に接続されている。

さらに、本実施形態では、上流側蒸発器１５を迂回させて、上流側蒸発器１５入口側から上流側蒸発器１５出口側へ冷媒を導くバイパス通路１８が設けられている。このバイパス通路１８としては、バイパス通路１８に冷媒を通過させた際の圧力損失が、上流側蒸発器１５に冷媒を通過させた際の圧力損失に対して、十分に小さい冷媒配管を採用している。

なお、このような圧力損失の調整は、バイパス通路１８の配管径（通路面積）の調整、あるいは、バイパス通路１８の全長を調整することで容易に実現できる。

また、バイパス通路１８には、バイパス通路１８を開閉する開閉弁１９が配置されている。この開閉弁１９は、空調制御装置２０から出力される制御電圧によって開閉制御される電磁弁であり、電源が供給される通電時には閉弁状態となり、非通電時には開弁状態となる、いわゆるノーマルオープン型の電磁弁である。

さらに、開閉弁１９は、開弁時の弁口径（冷媒通路面積）が、バイパス通路１８の通路面積と同等以上に確保されており、冷媒が開閉弁１９を通過する際の圧力損失を不必要に増加させないように調整されている。

従って、開閉弁１９が開弁した状態（非通電状態）では、圧力制御弁１４から流出した冷媒のうち、殆どの冷媒がバイパス通路１８を通過して下流側蒸発器１６側へ導かれ、圧力制御弁１４から流出した冷媒のうち、僅かな流量の冷媒が上流側蒸発器１６へ供給される。より具体的には、本実施形態では、圧力制御弁１４から流出した冷媒のうち、９０％〜９５％の冷媒がバイパス通路１８を通過するようになっている。

次に、本実施形態の電気制御部の概要を説明する。空調制御装置２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成される。空調制御装置２０は、そのＲＯＭ内に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い、上述した各種電気式アクチュエータの作動を制御する。

なお、空調制御装置２０は、各種電気式アクチュエータを制御する制御手段が一体に構成されたものであるが、本実施形態では、特に、空調制御装置２０のうち開閉弁１９の作動を制御するハードウェアおよびソフトウェアの構成を開閉弁制御手段２０ａとする。

また、上流側蒸発器１５の送風ファン１５ａの作動を制御する構成を上流側送風機制御手段２０ｂ、下流側蒸発器１６の送風ファン１６ａの作動を制御する構成を下流側送風機制御手段２０ｃとする。もちろん、上記各制御手段２０ａ〜２０ｃを別々の制御装置によって構成してもよい。

空調制御装置２０の入力側には、各種の空調用センサ群および車室内に配置された操作パネル３０が接続されており、空調用センサ群の検出信号および操作パネル３０に設けられた各種操作スイッチの操作信号等が入力される。

空調用センサ群としては、外気温Ｔａｍ、内気温Ｔｒ、車室内に入射する日射量Ｔｓ等の車両環境状態を検出する各センサの他に、下流側蒸発器１６の熱交換フィンの温度を検出する下流側蒸発温度センサ２１等が設けられている。なお、この下流側蒸発温度センサ２１は、下流側蒸発器１６における実際の冷媒蒸発温度Ｔｅを検出するために設けられたものである。

操作パネル３０の操作スイッチとしては、具体的に、車両用空調装置の作動指令信号を出力する空調作動スイッチ３１、前席側空間の空調のみを行うシングルモードと前席側空間および後席側空間の双方の空調を行うデュアルモードとを選択する運転モード選択スイッチ３２、前席側空間の目標温度Ｔｓｅｔを設定する温度設定スイッチ３３等が設けられる。

また、空調制御装置２０の出力側には、圧縮機１１の電磁式容量制御弁１１ａ、冷却ファン１２ａおよび送風ファン１５ａ、１６ａの電動モータ、開閉弁１９等の電気式アクチュエータが接続され、これらの機器の作動が空調制御装置２０の出力信号により制御される。

次に、上述の構成における本実施形態の作動を図２〜４に基づいて説明する。図２〜４は、空調制御装置２０が実行する制御処理を示すフローチャートである。まず、図示しない車両始動スイッチ（イグニッションスイッチ）の投入状態において、空調作動スイッチ３１が投入（ＯＮ）されると図２の制御フローがスタートする。

ステップＳ１ではフラグ、タイマ等の初期化がなされ、次のステップＳ２で車両環境状態の信号、すなわち空調用センサ群により検出された検出信号、および、操作パネル３０の操作信号を読込む。次に、ステップＳ３にて、車室内吹出空気の目標吹出温度ＴＡＯを算出する。

このＴＡＯは空調熱負荷変動および温度設定スイッチ３３により設定された設定温度Ｔｓｅｔに基づいて、下記数式Ｆ１により算出される。
ＴＡＯ＝Ｋｓｅｔ×Ｔｓｅｔ−Ｋｒ×Ｔｒ−Ｋａｍ×Ｔａｍ−Ｋｓ×Ｔｓ＋Ｃ…（Ｆ１）
なお、上記数式Ｆ１において、Ｔａｍは外気温、Ｔｒは内気温、Ｔｓは車室内に入射する日射量、Ｋｓｅｔ、Ｋｒ、Ｋａｍ、Ｋｓは制御ゲイン、Ｃは補正用の定数である。

次のステップＳ４では、開閉弁１９を除く各種電気式アクチュエータへ出力する制御信号を決定する。具体的には、圧縮機１１の電磁式容量制御弁１１ａへ出力する制御信号（制御電流）については、下流側蒸発器１６における冷媒蒸発温度Ｔｅと目標吹出温度ＴＡＯに応じて決定される目標冷媒蒸発温度ＴＥＯとの偏差に基づいて決定する。

また、冷却ファン１２ａ、送風ファン１５ａ、１６ａの電動モータへ出力する制御信号（制御電圧）については、目標吹出温度ＴＡＯに基づいて、予め空調制御装置２０に記憶された制御マップを参照して、ＴＡＯに応じて適切な送風量となるように決定する。

なお、本実施形態では、運転モード選択スイッチ３２にて選択された運転モードがシングルモードである場合は、上流側蒸発器１５の送風ファン１５ａが停止状態、つまり送風ファン１５ａの送風空気量が０となるように制御信号が決定される。

次のステップＳ５では、運転モード選択スイッチ３２にて選択された運転モードが、デュアルモードであるかシングルモードであるかが判定される。ステップＳ５にて、デュアルモードが選択されていると判定された場合は、ステップＳ６へ進み、デュアルモード制御が実行される。一方、ステップＳ５にて、シングルモードが選択されていると判定された場合は、ステップＳ７へ進み、シングルモード制御が実行される。

ステップＳ６で実行されるデュアルモード制御の詳細については、図３のフローチャートにより説明する。まず、ステップＳ６１では、開閉弁１９へ出力する制御信号を閉弁状態（通電状態）として、ステップＳ６２にて、タイマＴｍ１を加算して、ステップＳ６３へ進む。

ステップＳ６３では、タイマＴｍが予め定めた待機時間Ｔ１以上になっているか否かが判定され、Ｔｍ１がＴ１以上になっている場合は、開閉弁１９へ出力する制御信号を閉弁状態に維持してステップＳ８へ進む。一方、ステップＳ６３で、Ｔｍ１がＴ１以上になっていない場合は、ステップＳ６４へ進み、開閉弁１９へ出力する制御信号を開弁状態に変更する。

さらに、ステップＳ６５へ進み、上流側蒸発器１５の送風ファン１５ａが停止状態、つまり送風空気量が０となるように制御信号を変更して、ステップＳ８へ進む。従って、ステップＳ６３で、Ｔｍ１がＴ１以上になっていない場合は、強制的に開閉弁１９を開弁させ、さらに、送風ファン１５ａの作動を停止させる制御状態とする。

つまり、本実施形態の開閉弁制御手段２０ａは、運転モードとしてデュアルモードが選択されている場合であっても、サイクルの起動時から予め定めた待機時間Ｔ１を経過するまでは、開閉弁１９を開弁させ、さらに、送風ファン１５ａの作動を停止させる制御状態とする。

ここで、待機時間Ｔ１について説明する。前述の如く、冷凍サイクル装置１０では、開閉弁１９が開弁している場合であっても、上流側蒸発器１５に僅かな流量の液相冷媒を供給できる。従って、サイクルの起動時に上流側蒸発器１５自体の温度が高温化している場合であっても、上流側蒸発器１５に供給される液相冷媒を蒸発させることで、上流側蒸発器１５自体の温度を低下させることができる。

そこで、本実施形態では、上流側蒸発器１５の温度が、その設置環境に想定される最高温度となっている場合であっても、開閉弁１９の開弁時に上流側蒸発器１５に供給される冷媒流量で、上流側蒸発器１５自体を十分に冷却できる時間を待機時間Ｔ１として設定している。

次に、ステップＳ７で実行されるシングルモード制御の詳細については、図４のフローチャートにより説明する。まず、ステップＳ７１では、開閉弁１９へ出力する制御信号を開弁状態（非通電状態）として、ステップＳ７２にて、タイマＴｍ２を加算して、ステップＳ７３へ進む。

ステップＳ７３では、タイマＴｍ２が予め定めた時間Ｔ２以上になっているか否かが判定され、Ｔｍ２がＴ２以上になっていない場合は、開閉弁１９へ出力する制御信号を開弁状態に維持して、ステップＳ８へ進む。一方、ステップＳ７３で、Ｔｍ２がＴ２以上になっている場合は、ステップＳ７４へ進み、開閉弁１９へ出力する制御信号を閉弁状態に変更して、ステップＳ７５へ進む。

ステップＳ７５では、タイマＴｍ２がＴ２と予め定めた時間Ｔ３の合計値以上になっているか否かが判定され、Ｔｍ２がＴ２＋Ｔ３以上になっていない場合は、開閉弁１９へ出力する制御信号を閉弁状態に維持してステップＳ８に進む。ステップＳ７５にて、タイマＴｍ２がＴ２＋Ｔ３以上になっている場合は、ステップＳ７６へ進み、タイマＴｍ２をリセットしてステップＳ８へ進む。

従って、シングルモードでは、予め定めた時間Ｔ２の間は開閉弁１９が開弁状態となり、その後、予め定めた時間Ｔ３の間は開閉弁１９が閉弁状態となるように制御状態が決定されることが繰り返される。つまり、本実施形態の開閉弁制御手段２０ａは、開閉弁１９を間欠的に開閉させている。

ステップＳ８では、上記ステップＳ４〜Ｓ７で決定された制御状態が得られるように、空調制御装置２０から各種電気式アクチュエータに対して制御信号が出力される。次のステップＳ９で制御周期τの間待機し、制御周期τの経過を判定するとステップＳ２に戻るようになっている。

本実施形態の冷凍サイクル装置１０では、上記の制御ルーチンで説明したように、開閉弁制御手段２０ａが、シングルモードのサイクル起動時には、開閉弁１９を開弁し、さらに、デュアルモードの起動時であっても、サイクルの起動時から待機時間Ｔ１を経過するまでは、開閉弁１９を開弁させる。

従って、いずれの運転モードの起動時でも、圧力制御弁１４にて減圧膨張された液相冷媒を下流側蒸発器１６へ直接供給することができる。その結果、上流側蒸発器１５自体の温度が上昇している場合であっても、下流側蒸発器１６の冷え遅れを確実に抑制できる。

さらに、デュアルモードの起動時に待機時間Ｔ１を経過するまでは、上流側送風機制御手段２０ｂが上流側送風機１５ａを停止させるので、上流側蒸発器１５に供給された液相冷媒によって、上流側蒸発器１５自体の熱量を効果的に吸熱させることができる。これにより、待機時間Ｔ１経過後に開閉弁１９を閉弁させた際に、上流側蒸発器１５の冷却対象空間の温度についても速やかに低下させることができる。

さらに、シングルモードの運転時に、開閉弁制御手段２０ａが、開閉弁１９を間欠的に開閉させるので、上流側蒸発器１５内にオイルが滞留してしまうことを防止できる。さらに、開閉弁１９とノーマルオープン型の電磁弁で構成しているので、電磁弁１９への通電不良などが生じても、起動時に確実に開閉弁が開弁しているので、確実に下流側蒸発器１６の冷え遅れを抑制できる。

さらに、本実施形態では、冷媒として二酸化炭素を採用し、超臨界冷凍サイクルを構成しているので、通常のフロン系冷媒を採用する場合に対して、低圧側冷媒圧力も高くなる。従って、低圧側冷媒密度も高くなるので、上流側蒸発器１５および下流側蒸発器１６を直列に接続する回路構成であっても、低圧側における冷媒の圧力損失を低減できる。

これにより、上流側蒸発器１５および下流側蒸発器１６に充分な冷媒流量を供給できるので、より一層、下流側蒸発器１６に液相冷媒が流入しやすくなり、より一層、冷え遅れを抑制できる。

また、本実施形態の車両用空調装置では、下流側蒸発器１６の冷却対象空間を車室内の前席側空間としているので、運転者が乗車する冷房頻度の高い側の冷却対象空間（前席側空間）の冷え遅れを抑制できる。

さらに、上流側蒸発器１５の冷却対象空間を車室内の後席側空間としているので、圧力制御弁１４と上流側蒸発器１５とを接続する冷媒配管、および、上流側蒸発器１５と下流側蒸発器１６とを接続する冷媒配管が長くなり、下流側蒸発器１６の冷え遅れも生じやすい。従って、本実施形態のように下流側蒸発器１６の冷え遅れを抑制できることは、車両用空調装置に適用して極めて有効である。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の実施形態では、下流側蒸発器１６における冷媒蒸発温度Ｔｅを検出する下流側蒸発温度検出手段として、下流側蒸発器１６の熱交換フィンの温度を検出する下流側蒸発温度センサ２１を採用しているが、下流側蒸発温度検出手段はこれに限定されない。

例えば、下流側蒸発器１６から吹き出された直後の吹出空気温度を検出する温度センサ、下流側蒸発器１６における冷媒温度を直接検出する温度センサ、あるいは、下流側蒸発器１６内の冷媒圧力を検出する圧力センサ等を下流側蒸発温度検出手段として用いてもよい。

（２）上述の実施形態では、シングルモードの運転時に、予め定めた時間Ｔ２だけ開弁させた後、予め定めた時間Ｔ３だけ閉弁させることを繰り返すパターンで開閉弁１９を間欠的に開閉作動させているが、開閉弁１９の開閉作動パターンはこれに限定されない。例えば、Ｔ２だけ開弁させた後に、複数回開閉動作を行ってもよい。

さらに、上流側蒸発器１５に滞留したオイル量に関連する物理量を検出して、上流側蒸発器１５に滞留したオイル量が予め定めた値以上になったときに、開閉弁１９を閉弁させるようにしてもよい。上流側蒸発器１５に滞留したオイル量に関連する物理量としては、上流側蒸発器１５の圧力損失、通過冷媒流量等が採用できる。

（３）上述の実施形態では、本発明の冷凍サイクル装置１０を車両用に適用した例を説明しているが、本発明の適用はこれに限定されない。例えば、定置型の業務用冷凍サイクル装置に適用してもよい。その際、下流側蒸発器１６の冷却対象空間を、冷房頻度の高い側の冷却対象空間とすればよい。また、冷媒も二酸化炭素に限定されることなく、フロン系冷媒、ＨＣ系冷媒を採用してもよい。

（４）上述の実施形態では、放熱器１２を冷媒と外気とを熱交換させる室外側熱交換器とし、上流側蒸発器１５および下流側蒸発器１６を室内側熱交換器として車室内および庫内の冷却用に適用しているが、上流側蒸発器１５および下流側蒸発器１６を外気等の熱源から吸熱する室外側熱交換器として構成し、放熱器１２を空気あるいは水等の被加熱流体を加熱する室内側熱交換器として構成するヒートポンプサイクルに本発明を適用してもよい。

一実施形態の車両用冷凍サイクル装置の全体構成図である。 一実施形態の車両用冷凍サイクル装置の制御を示すフローチャートである。 一実施形態の車両用冷凍サイクル装置の制御の要部を示すフローチャートである。 一実施形態の車両用冷凍サイクル装置の制御の別の要部を示すフローチャートである。 検討例の冷凍サイクル装置の全体構成図である。

符号の説明

１１…圧縮機、１２…放熱器、１４…圧力制御弁、１５…上流側蒸発器、
１５ａ…上流側送風機、１６…下流側蒸発部、１８…バイパス通路、１９…開閉弁、
２０ａ…開閉弁制御手段、２０ｂ…上流側送風機制御手段。

Claims (7)

1. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（１１）と、
   前記圧縮機（１１）から吐出された冷媒を放熱させる放熱器（１２）と、
   前記放熱器（１２）にて放熱した冷媒を減圧膨張させる減圧手段（１４）と、
   前記減圧手段（１４）にて減圧膨張された冷媒を蒸発させる上流側蒸発器（１５）と、
   前記上流側蒸発器（１５）から流出した冷媒を蒸発させて、前記圧縮機（１１）吸入側へ流出させる下流側蒸発器（１６）と、
   前記上流側蒸発器（１５）を迂回させて、前記上流側蒸発器（１５）入口側から前記上流側蒸発器（１５）出口側へ冷媒を導くバイパス通路（１８）と、
   前記バイパス通路（１８）を開閉する開閉弁（１９）とを備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. さらに、前記開閉弁（１９）の作動を制御する開閉弁制御手段（２０ａ）を備え、
   前記開閉弁制御手段（２０ａ）は、サイクルの起動時から予め定めた待機時間（Ｔ１）を経過するまで、前記開閉弁（１９）を開弁させることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. さらに、前記上流側蒸発器（１５）に向けて空気を送風する上流側送風機（１５ａ）と、
   前記上流側送風機（１５ａ）の作動を制御する上流側送風機制御手段（２０ｂ）とを備え、
   前記上流側送風機制御手段（２０ｂ）は、前記待機時間（Ｔ１）を経過するまで、前記上流側送風機（１５ａ）を停止させることを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記開閉弁制御手段（２０ａ）は、前記下流側蒸発器（１６）のみに冷凍能力を発揮させる運転モード時に、前記開閉弁（１９）を間欠的に開閉させることを特徴とする請求項２または３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記開閉弁は、電源を供給されたときに閉弁するノーマルオープン型の電磁弁（１９）であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記冷媒として二酸化炭素が採用されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の冷凍サイクル装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか１つに記載の冷凍サイクル装置（１０）が適用された車両用空調装置であって、
   前記上流側蒸発器（１５）は、車室内の後席側空間の空調に用いられ、
   前記下流側蒸発器（１６）は、車室内の前席側空間の空調に用いられることを特徴とする車両用空調装置。

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