JP4243211B2

JP4243211B2 - 冷凍システム

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Publication number: JP4243211B2
Application number: JP2004111693A
Authority: JP
Inventors: 徳巳津川
Original assignee: TGK Co Ltd
Current assignee: TGK Co Ltd
Priority date: 2004-04-06
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2024-04-06
Also published as: US7165421B2; EP1584506A1; US20050217313A1; EP1584506B1; JP2005291679A; DE602005001879D1; DE602005001879T2

Description

本発明は冷凍システムに関し、特に人体に有害なガスを冷媒に使用した自動車用空調装置に用いられる冷凍システムに関する。

自動車用空調装置に用いられる冷凍システムは、一般に、冷凍サイクルを循環する冷媒を圧縮するコンプレッサと、圧縮された冷媒を凝縮するコンデンサと、冷凍サイクルを循環する冷媒を一時的に溜めながら凝縮された冷媒を気液に分離するレシーバ／ドライヤと、気液分離された液冷媒を絞り膨張させる膨張装置と、膨張された冷媒を蒸発させてコンプレッサに戻すエバポレータとを備えている（たとえば、特許文献１参照。）。

自動車用空調装置の冷凍サイクルでは、冷媒として代替フロンガス（ＨＦＣ−１３４ａ）が用いられていたが、地球温暖化の観点から地球温暖化係数の小さい冷媒が求められるようになってきた。このような冷媒として、たとえば二酸化炭素、ＨＦＣ−１５２ａ、ブタン、プロパンなどが検討されている。
特開２００２−１４７８９８号公報（段落番号〔００１１〕，図１）

しかしながら、自動車用空調装置に冷媒としてたとえば二酸化炭素を使用すると、車室内に通じる空間に設置されているエバポレータまたは車室内配管がたとえば破裂したり径時変化により亀裂が生じたりして冷媒漏れが起きた場合に、乗員が酸欠で窒息するおそれがあり、ＨＦＣ−１５２ａなどの可燃性の冷媒の場合は、引火による火災が発生して乗員に重大な悪影響を及ぼす可能性があるという問題点がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、車室内の側に配置されたエバポレータおよびその配管が破損したとしても冷凍サイクル内の冷媒が車室内に大量に漏れ出ることのないようにした冷凍システムを提供することを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、車室内に通じる空間にエバポレータを配置して構成される冷凍システムにおいて、前記エバポレータの入口に通じる第１の冷媒通路を開閉する電気作動の開閉部と、前記エバポレータからの冷媒を通過させる第２の冷媒通路内に設けられて運転終了時にコンプレッサにより吸引されていた冷媒が運転停止時に前記エバポレータへ逆流するのを防止する逆流防止部とを有し、前記第２の冷媒通路における冷媒の温度および圧力に応じて前記第１の冷媒通路を流れる冷媒の流量を制御する膨張装置と、前記コンプレッサの吸入側配管に設置されて電気作動により前記吸入配管内の冷媒を大気に放出させ、電気作動による大気開放後は非通電状態でも大気開放状態を自己保持するものである大気開放装置と、を備えていることを特徴とする冷凍システムが提供される。

このような冷凍システムによれば、エバポレータが破損して冷媒が車室内に漏れ出た場合、あるいはエバポレータが破損する可能性がある場合に、膨張装置の開閉部を閉止しエバポレータを高圧の第１の冷媒通路から隔離し、かつ、大気開放装置を作動させてコンプレッサの吸入側配管を大気開放し、エバポレータを含む低圧配管内の冷媒を車室外に捨てるようにした。これにより、エバポレータが破損することによって冷凍サイクル内のすべての冷媒が車室内に放出されることがなくなるため、乗員の安全性を確保することができる。

本発明の冷凍システムは、膨張装置の開閉部ノーマルクローズタイプの電磁弁にしたので、車輌がエバポレータを破損する可能性に陥った場合にバッテリからの電源供給が断たれる場合があるが、そのような場合でも、確実にエバポレータを高圧配管から隔離することができる。また、大気開放装置は、電気作動による大気開放後の非通電状態でも大気開放状態を自己保持できるものにしたので、電源供給が断たれた場合でも、確実に低圧配管内の冷媒を大気に放出することができる。

以下、本発明の実施の形態を自動車用空調装置に適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の冷凍システムの基本構成を示すブロック図である。

冷凍システムは、冷媒を圧縮するコンプレッサ１と、圧縮された冷媒を凝縮するコンデンサ２と、冷凍サイクルを循環する冷媒を一時的に溜めながら凝縮された冷媒を気液に分離するレシーバ／ドライヤ３と、気液分離された液冷媒を絞り膨張させる膨張装置４と、膨張された冷媒を蒸発させてコンプレッサに戻すエバポレータ５と、コンプレッサ１の吸入側の配管に設置された大気開放装置６とを備えている。膨張装置４は、エバポレータ５の入口側の配管を開閉する電磁弁７と、液冷媒を絞り膨張させる膨張弁８と、エバポレータ５の出口側の配管に配置された逆止弁９とを有し、電磁弁７は非通電時に開いていて通電時に閉じる電気作動の開閉部を構成し、逆止弁９はコンプレッサ１からエバポレータ５へ冷媒が逆流するのを防止する逆流防止部を構成している。大気開放装置６は、電気作動による動作後は、大気開放状態を自己保持するものである。ここで、コンプレッサ１、コンデンサ２、レシーバ／ドライヤ３および大気開放装置６は、自動車のエンジンルーム内に配置され、エバポレータ５は車室内に通じる空間に配置されている。膨張装置４は、たとえば車室とエンジンルームとを隔てる隔壁に設置される。

このような構成の冷凍システムにおいて、自動車用空調装置を運転するとき、まず、膨張装置４の電磁弁７が全開にされる。これにより、冷凍サイクル内に電磁弁７および逆止弁９が入っていない通常の構成の冷凍システムとして動作することになる。したがって、コンプレッサ１で圧縮された冷媒は、コンデンサ２で凝縮されてレシーバ／ドライヤ３に入り、レシーバ／ドライヤ３で気液分離される。気液分離された液冷媒は、電磁弁７を通過して膨張弁８に入り、ここで絞り膨張されてエバポレータ５に入る。そして、エバポレータ５で蒸発された冷媒は、逆止弁９を通過してコンプレッサ１に戻される。このとき、エバポレータ５では、冷媒が車室内の空気と熱交換して蒸発するときに、車室内の空気から蒸発潜熱を奪って車室内の空気を冷却する。

次に、自動車用空調装置の運転を終了したときには、まず、電磁弁７を閉じてレシーバ／ドライヤ３と膨張弁８との間の冷媒通路を遮断する。これにより、コンプレッサ１によって圧送されてきた冷媒は、膨張弁８、さらにはエバポレータ５に入れなくなる。コンプレッサ１が停止して冷媒の吸引力がなくなり、エバポレータ５に送風しているブロアが停止してエバポレータ５での冷媒の蒸発がなくなると、エバポレータ５内がコンプレッサ１の吸入側よりも圧力が低くなるが、そのときは、逆止弁９が閉じてコンプレッサ１の吸入側の配管にある冷媒がエバポレータ５内へ逆流するのを防止する。これにより、車室内側にあるエバポレータ５は、エンジンルーム内の冷凍サイクルから隔離することができ、エバポレータ５やこれに接続されている配管が経年変化による亀裂や破裂などにより破損してしまうようなことがあったとしても、冷凍サイクル内のすべての冷媒が車室内に大量に漏れ出てしまうことがなくなる。

また、エバポレータ５が破損してエバポレータ５から実際に冷媒が漏れ出た場合、あるいは、車輌がエバポレータ５を破損してしまうような状況下に置かれて冷媒が車室内に漏れ出てしまう可能性が発生した場合には、大気開放装置６を作動させ、自動車用空調装置が運転中であれば、同時に電磁弁７への通電を止める。これにより、電磁弁７が閉弁してエバポレータ５へ向かう高圧配管の冷媒の流れを止めるとともに、大気開放装置６がコンプレッサ１の吸入側の低圧配管を大気開放して冷凍サイクル内の冷媒を大気に放出する。したがって、エバポレータ５が破損もしくは破損の可能性がある状況に陥ったとしても、そのエバポレータ５から高圧の冷媒が車室内に流れ込むことがなく、低圧側の配管内の冷媒についてもエバポレータ５から車室内に流れ込むことがないので、車室内の乗員が酸欠で窒息したり引火により火災が発生したりするおそれがない。

図２は膨張装置の構成例を示す中央縦断面図である。なお、この図２において、低圧の冷媒通路を遮断する電磁閉止機能の状態と、開度が制御される通常の膨張弁として機能する状態とを同時に示すために、弁体およびソレノイドの可動部については、図の中心より右側が非通電時の閉弁状態を示し、左側は通電時に膨張弁として機能しているときの状態を示している。

膨張装置４は、電気作動の開閉部を構成する電磁弁７、逆流防止部を構成する逆止弁９および膨張弁８の弁部を収容する本体ブロック１１と、エバポレータ５から戻ってきた冷媒の温度および圧力を感知するパワーエレメント１２と、電磁弁７の電磁閉止機能または膨張弁機能の切り換えを行うソレノイド１３とを備えている。

本体ブロック１１の側部には、コンデンサ２から高温・高圧の冷媒を受けるポート１４と、この膨張装置４にて断熱膨張された低温・低圧の冷媒をエバポレータ５へ供給するポート１５と、エバポレータ５から戻ってきた冷媒を受けるポート１６と、このポート１６で受けた冷媒をコンプレッサ１へ送るポート１７とが設けられている。

ポート１４からポート１５へ連通する冷媒通路（第１の冷媒通路）には、弁座１８が本体ブロック１１と一体に形成されている。この本体ブロック１１の中心軸線方向には、弁座１８をなす弁孔を貫通するシャフト１９、弁孔の径と同じ直径を有する弁体ガイド２０およびソレノイド１３の駆動シャフトを構成するシャフト２１が同軸上に配置されている。シャフト１９の上端は、パワーエレメント１２のダイヤフラム２２の下面に配置されたセンターディスク２３に当接している。

弁座１８の上流側には、シャフト１９および弁体ガイド２０をガイドとして弁座１８に対し接離自在に兼用弁体２４が配置されている。これにより、弁座１８と兼用弁体２４との間の隙間が高圧の冷媒を絞る可変オリフィスを構成し、冷媒は、この可変オリフィスを通過するときに絞り膨張される。

兼用弁体２４は、可動鉄芯として働くソレノイド１３の第１の鉄芯２５に保持されている。この第１の鉄芯２５は、下端部がソレノイド１３の鉄芯ケース２６に形成された軸受部２７によって支持されているシャフト２１をガイドとして軸線方向に進退自在に配置されている。第１の鉄芯２５の下方には、シャフト２１に固着されて固定鉄芯として働く第２の鉄芯２８が配置され、スプリング２９によって図の上方に付勢されている。このスプリング２９により、シャフト１９は、常にパワーエレメントに当接するように付勢されている。また、第１の鉄芯２５と第２の鉄芯２８との間には、スプリング３０が配置されている。このスプリング３０は、非通電時に、第１の鉄芯２５を第２の鉄芯２８から離れる方向に付勢し、これによって、第１の鉄芯２５に保持された兼用弁体２４を弁座１８に常に着座させて全閉状態を維持できるようにしている。鉄芯ケース２６の外側には、電磁コイル３１が配置され、これを通電することにより第１の鉄芯２５と第２の鉄芯２８とを吸着させ、この結果、兼用弁体２４とシャフト１９とが電磁的に結合されてパワーエレメント１２のダイヤフラム２２の変位を兼用弁体２４に伝達させるようにしている。

なお、兼用弁体２４は、弁座１８と着座する部分に可撓性のリング状の弁シート３２が設けられて、ソレノイド１３が非通電時にスプリング３０の付勢力によって全閉状態となるときには、弁シート３２が兼用弁体２４と弁座１８との間をシールし、高圧の冷媒の流れをほぼ完全に止めることができるようにしている。また、兼用弁体２４と第１の鉄芯２５との間に形成された空間にＶパッキン３３を配置して、全閉時に、第１の鉄芯２５とシャフト２１との間の隙間を介して弁体ガイド２０に導入される高圧の冷媒が兼用弁体２４と弁体ガイド２０との間および兼用弁体２４とシャフト１９との間の隙間を通って弁部の下流側に流れる内部漏れを防ぐようにしている。

そして、エバポレータ５から戻ってきた冷媒を受けるポート１６とコンプレッサ１へ冷媒を戻すポート１７との間の低圧の冷媒通路には、逆止弁３４が配置されている。この逆止弁３４は、図示の例では、パワーエレメント１２に冷媒の温度および圧力を感知させるために設けられたダイヤフラム２２の下側の部屋に連通している中央の冷媒通路（第２の冷媒通路）に配置され、図示はしないが、ポート１６の冷媒通路の内壁によって開閉方向にガイドされる脚部と一体に形成され、かつ、ばね力の弱いスプリングによって閉弁方向に付勢されている。逆止弁３４は、着座する部分に可撓性のリング状の弁シート３５が設けられて、エバポレータ５内の圧力がコンプレッサ１の吸入側の圧力以下になったとき閉弁して、エバポレータ５をコンプレッサ１から隔離することができる。

以上の構成の膨張装置４において、空調装置が停止しているとき、ソレノイド１３は非通電状態にある。このため、第１の鉄芯２５は、スプリング３０によって第２の鉄芯２８から離れる方向に付勢されるため、第１の鉄芯２５に保持された兼用弁体２４は弁座１８に着座されている。

次に、空調装置が運転中は、ソレノイド１３は通電状態にされる。これにより、第１の鉄芯２５および第２の鉄芯２８は、互いに吸引されて吸着されるため、兼用弁体２４は、間接的にダイヤフラム２２の変位を伝達するシャフト１９に固定されることになる。このとき、兼用弁体２４は、第１の鉄芯２５が第２の鉄芯２８の方へ移動するため、弁座１８から離れ、レシーバ／ドライヤ３からポート１４に供給された高温・高圧の冷媒は、兼用弁体２４と弁座１８との間の隙間を通ってポート１５に流れる。このとき、高温・高圧の冷媒は、絞り膨張されて低温・低圧の冷媒となり、ポート１５からエバポレータ５に供給される。

エバポレータ５では、膨張装置４から供給された冷媒を車室内の空気と熱交換を行うことにより蒸発させ、蒸発した冷媒を膨張装置４に戻す。膨張装置４では、エバポレータ５から戻ってきた冷媒をポート１６で受け、中央の冷媒通路を通ってポート１７からコンプレッサ１に戻される。このとき、膨張装置４は、エバポレータ５から出た冷媒の温度および圧力をパワーエレメント１２が感知し、冷媒の温度および圧力に応じたダイヤフラム２２の変位をシャフト１９、弁体ガイド２０、シャフト２１、第１および第２の鉄芯２５，２８を介して兼用弁体２４に伝達し、冷媒流量を制御する。

図３は大気開放装置の構成例を示す中央縦断面図である。
この大気開放装置６は、コンプレッサ１の吸入側の低圧配管に接続するための継手を構成するボディ３６を有し、そのボディ３６は、中央の軸線方向に貫通形成された冷媒入口通路３７を有している。このボディ３６の図の上側の面には、金属薄膜３８が冷媒入口通路３７を遮るように配置されている。この金属薄膜３８は、冷媒入口通路３７の外側の点３９を通る同心円上に沿ってたとえばレーザ溶接によりボディ３６に溶着することによって全周が気密にシールされている。

ボディ３６の図の上側には、薄膜破壊部を構成するソレノイドが配置されている。すなわち、金属薄膜３８の面に対し直角の方向に進退可能に突棒４０が配置されている。この突棒４０は、金属薄膜３８に対向する先端が尖った形状に形成されていて、ソレノイドの可動鉄芯４１に固定されており、その可動鉄芯４１は、スプリング４２によって固定鉄芯４３から離れる方向に付勢されている。固定鉄芯４３は、突棒４０およびスプリング４２が配置されるよう軸線方向に貫通した孔を有し、図の下端部には、半径方向外向きに突出して磁気回路を構成するフランジ部を一体に形成し、さらに冷媒を大気に逃がす横孔が設けられている。

可動鉄芯４１および固定鉄芯４３の外周には、コイル４４が配置されている。コイル４４のボビンは、可動鉄芯４１および固定鉄芯４３を収容する容器と冷媒を大気に放出する導管４５とがたとえば樹脂によって一体に成形されている。この導管４５は、必要に応じてホースが接続され、冷媒を適当な放出場所まで案内することができる。コイル４４の外側には、磁気回路を構成するためのヨーク４６が配置され、かしめ加工によってボディ３６に固定されている。

以上の構成の大気開放装置６は、その待機状態にあるとき、コイル４４に電流が流れていないため、可動鉄芯４１はスプリング４２によって固定鉄芯４３から離れる方向に付勢されており、突棒４０は、先端が金属薄膜３８から離れた待機位置に置かれている。

ここで、車室内に冷媒が漏れ出たか漏れ出る可能性があるときには、コイル４４にたとえばパルス電流が供給される。これにより、可動鉄芯４１はスプリング４２の付勢力に抗して固定鉄芯４３に吸引される。このとき、可動鉄芯４１に固定された突棒４０の鋭角に形成された先端が金属薄膜３８を突き破り、冷凍サイクル内の冷媒を導管４５を介して一気に大気に放出させる。

コイル４４へ供給されるパルス電流がなくなると、可動鉄芯４１は、スプリング４２の付勢力によって固定鉄芯４３から離されるとともに、破れた金属薄膜３８から噴出した冷媒によって突棒４０が押し戻されるので、その後、大気開放装置６は、大気開放状態に自己保持される。これにより、冷凍サイクル内の冷媒が車室内へ大量に漏れ出ることがなくなるため、漏れた冷媒による窒息事故、あるいは引火による発火事故を未然に防止することができる。

図４は本発明の冷凍システムを示すシステム図である。
この冷凍システムによれば、エバポレータ５の近傍に車室内の冷媒濃度を検出する冷媒センサ４７を配置している。この冷媒センサ４７の出力は、制御装置４８の入力に接続され、その制御装置４８の出力は、膨張装置４および大気開放装置６に接続されている。冷媒センサ４７は、使用冷媒が二酸化炭素の場合には、二酸化炭素を検出するセンサが用いられ、ＨＦＣ−１５２ａの場合には、ＨＦＣ−１５２ａを検出するセンサが用いられる。ただし、二酸化炭素を検出するセンサの場合、二酸化炭素の濃度を単純に検出するのではなく、短時間のうちに大量に放出される二酸化炭素の濃度の増加率を検出することによって乗員が呼吸することによる二酸化炭素の増加率と区別することができる。また、制御装置４８は、外部信号をも入力するように構成されている。この外部信号は、車輌がエバポレータ５に重大な損傷を与えるような事態に陥ったことを他の車載コンピュータが検出したときに出力される信号である。

以上の構成により、エバポレータ５から実際に冷媒が漏れ出ていることを冷媒センサ４７が検出すると、制御装置４８は、その検出信号を受けて、膨張装置４および大気開放装置６を作動させる。すなわち、膨張装置４に対しては、空調装置が停止中の場合、制御装置４８はそのまま何もしないが、運転中の場合は、電磁弁７への電源を切ることにより高圧配管を閉止してエバポレータ５を高圧配管から隔離する。大気開放装置６に対しては、制御装置４８はパルス電流を供給してソレノイドを作動させ、金属薄膜３８を破壊して低圧配管の冷媒を車室外の大気に放出させる。もちろん、他の車載コンピュータから車輌異常の外部信号が入力されたときにも、同様に電磁弁７を閉止し、大気開放装置６を大気開放させる。

本発明の冷凍システムの基本構成を示すブロック図である。膨張装置の構成例を示す中央縦断面図である。大気開放装置の構成例を示す中央縦断面図である。本発明の冷凍システムを示すシステム図である。

符号の説明

１コンプレッサ
２コンデンサ
３レシーバ／ドライヤ
４膨張装置
５エバポレータ
６大気開放装置
７電磁弁
８膨張弁
９逆止弁
１１本体ブロック
１２パワーエレメント
１３ソレノイド
１４，１５，１６，１７ポート
１８弁座
１９シャフト
２０弁体ガイド
２１シャフト
２２ダイヤフラム
２３センターディスク
２４兼用弁体
２５第１の鉄芯
２６鉄芯ケース
２７軸受部
２８第２の鉄芯
２９，３０スプリング
３１電磁コイル
３２弁シート
３３Ｖパッキン
３４逆止弁
３５弁シート
３６ボディ
３７冷媒入口通路
３８金属薄膜
４０突棒
４１可動鉄芯
４２スプリング
４３固定鉄芯
４４コイル
４５導管
４６ヨーク
４７冷媒センサ
４８制御装置

Claims

車室内に通じる空間にエバポレータを配置して構成される冷凍システムにおいて、
前記エバポレータの入口に通じる第１の冷媒通路を開閉する電気作動の開閉部と、前記エバポレータからの冷媒を通過させる第２の冷媒通路内に設けられて運転終了時にコンプレッサにより吸引されていた冷媒が運転停止時に前記エバポレータへ逆流するのを防止する逆流防止部とを有し、前記第２の冷媒通路における冷媒の温度および圧力に応じて前記第１の冷媒通路を流れる冷媒の流量を制御する膨張装置と、
前記コンプレッサの吸入側配管に設置されて電気作動により前記吸入配管内の冷媒を大気に放出させ、電気作動による大気開放後は非通電状態でも大気開放状態を自己保持するものである大気開放装置と、
を備えていることを特徴とする冷凍システム。
前記膨張装置の前記開閉部は、運転終了時および運転停止時に前記第１の冷媒通路を遮断するノーマルクローズタイプの電磁弁であることを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。
前記膨張装置は、前記第２の冷媒通路における冷媒の温度および圧力を感知するパワーエレメントと、前記パワーエレメントの変位を伝達するシャフトと、前記シャフトにガイドされてその軸線方向に進退自在であって前記第１の冷媒通路を開閉するとともに前記パワーエレメントの変位に応じて前記第１の冷媒通路を流れる冷媒の流量を制御するようにした前記開閉部と共用の兼用弁体と、前記シャフトにガイドされてその軸線方向に前記兼用弁体と一体に進退自在な第１の鉄芯と、前記第１の鉄芯の前記パワーエレメントの側とは反対側にて前記シャフトに固定された第２の鉄芯と、前記第１の鉄芯と前記第２の鉄芯との間に配置されたスプリングとを有し、前記開閉部の非通電時は前記スプリングにより前記第１の鉄芯が前記第２の鉄芯から離れる方向に付勢されて前記兼用弁体が閉弁され、通電時は前記第１の鉄芯および前記第２の鉄芯が電磁的に結合されて前記パワーエレメントの変位による前記シャフトの動きを前記兼用弁体に伝達することを特徴とする請求項２記載の冷凍システム。
車室内の冷媒濃度を検出する冷媒センサと、少なくとも前記冷媒センサから出力された検出信号をもとに、前記膨張装置の開閉部と前記大気開放装置とを作動させる制御装置とをさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。