JP3474972B2 - 自動車用空調装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、自動車用空調装置
に関し、特に前席用蒸発器および後席用蒸発器への冷媒
の流れをそれぞれ独立して制御できるようにした電動弁
を用いた自動車用空調装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】車内を複数の領域に分けて空調したり車
載冷蔵庫を有するような従来のカーエアコン用冷凍サイ
クルは、図６に示すように、冷媒圧縮機１と、冷媒凝縮
器２と、受液器３と、電磁弁４１と、膨張弁４２と、冷
媒蒸発器５と、レシーバタンク６とから構成され、各装
置の間を管路９で接続して冷媒循環路を形成している。
膨脹弁４２は、冷媒蒸発器５の出口側に設けたセンサ８
１が検出した出口側温度によってその開度が制御され、
冷媒蒸発器５に流入する冷媒の流量が制御される。冷媒
蒸発器５は、前席用の系統を構成する前席用冷媒蒸発器
５ａと、後席用の系統を構成する後席用冷媒蒸発器５ｂ
と、冷蔵庫用の系統を構成する冷蔵庫用冷媒蒸発器５ｃ
が配設されている。各冷媒蒸発器５の冷媒入口側には、
電磁弁４１ａ，４１ｂ，４１ｃと膨脹弁４２ａ，４２
ｂ，４２ｃが図示したようにそれぞれ直列に挿入されて
各系統を構成している。 【０００３】このような、カーエアコン用冷凍サイクル
では、例えば後席に乗員がいない場合は、後席用冷媒蒸
発器５ｂの冷媒入口側に配設した電磁弁４１ｂを閉じ
て、冷房出力の無駄をなくし、冷房出力の効率向上を計
っている。 【０００４】このようなカーエアコン用冷凍サイクルで
は、いずれかの系統を使用して冷房運転中に、他の系統
の冷媒蒸発器５の入口側電磁弁４１を開弁として冷房を
開始するとき、この電磁弁４１を急に開弁すると、電磁
弁入口側の高圧液冷媒が膨張弁４２を経て冷媒蒸発器５
の低圧ガス冷媒に急激に放出され、流体（冷媒）の脈動
と異常な圧力変化による振動騒音（空砲を撃ったような
騒音）が配管部に発生し、車室の静粛性を損うという問
題があった。 【０００５】さらに、複数の系統を使用して冷房運転中
にいずれかの系統の冷房運転を停止するとき、その系統
の電磁弁４１を急に閉じると、凝縮器２から受液器３及
び膨張弁４２を経て冷媒蒸発器５に向う冷媒の流れが急
にせき止められるので、冷媒の脈動（水撃作用：ウオー
タハンマ現象）による振動騒音が配管部に発生し、車室
の静粛性を損うという問題があった。 【０００６】この騒音の発生は、自動車のような閉鎖さ
れた狭い空間においては極めて大きな不快因子となり、
できるかぎり減少させることが必要となる。このとき、
自動車用空調機では、冷媒の配管を車室内近傍に設けざ
るを得ないことから配管における騒音の発生自体を抑え
ることが特に必要となる。これに対処するために、配管
に防音処理を施すことが考えられるが、費用の観点およ
び重量増加等の観点から問題がある。 【０００７】これらの騒音発生の問題は、従来のカーエ
アコン用冷凍サイクルに開閉弁として用いられる電磁弁
の動作特性に依存して、生じるものであった。すなわ
ち、この電磁弁は、電磁コイルに電源を通電するとプラ
ンジャが開弁方向に瞬時に移動して開弁し、電源を切る
とプランジャが閉弁方向に瞬時に移動して閉弁する構造
であることから、電磁弁の開閉によって冷媒の急激な流
れ込みや遮断が生じることによって発生するものであっ
た。 【０００８】また電磁弁は、その動作中常に電圧を印加
しておく必要があり、動作状態では常にエネルギーを消
費するものであった。したがって、自動車用空調機のよ
うに、エネルギーの消費を極力抑える必要がある場合に
は、電磁弁の使用は問題があった。さらに、電磁弁を使
用する場合には冷媒の流量を制御するための膨脹弁を併
用する必要があるので、部品点数および重量が重くな
り、自動車用空調機に採用するには問題があった。 【０００９】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、カーエアコ
ン用冷凍サイクルにおける上記従来の問題を解消するた
めになされたもので、冷媒蒸発器５の冷媒入口側に設け
た開閉弁４１をゆるやかに開閉する構造のものとするこ
とによって、開閉弁の開閉動作時の冷媒の流量の変化を
ゆるやかなものにして、開弁時の流体の脈動による振動
騒音の発生や閉弁時のウオータハンマ現象による振動騒
音発生を防ぐようにした自動車用空調装置を提供するこ
とを目的とする。 【００１０】さらに、本発明は、開閉弁の消費エネルギ
ーを減少させるとともに、小型で軽量な開閉弁とし、装
置全体の小型化および軽量化を図り、自動車の動力性能
および燃費向上に寄与することを目的とする。 【００１１】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、複数の冷媒蒸発器を有し、圧縮機によっ
て圧縮された冷媒を各冷媒蒸発器に供給する冷凍サイク
ルを有する自動車用空調装置において、前記各冷媒蒸発
器への冷媒用管路に設けた冷媒の流量を制御する開閉弁
と、該開閉弁の開閉速度を制御する制御手段とを具備
し、前記開閉弁を不完全閉止電動弁とした。 【００１２】 【００１３】 【００１４】 【作用】上記電動弁は、自動車用空調機冷凍サイクルの
冷媒蒸発器の温度にもとづいたパルス信号によってその
開閉動作をゆるやかに制御することができるので、冷媒
蒸発器への冷媒の流入または遮断を緩慢に増減させ、上
記冷媒蒸発器への冷媒の流量の制御を正確にかつゆるや
かに行うことができ、冷媒の急激な変化を抑えて、異常
振動騒音の発生やウオータハンマ現象による異常音の発
生を防止することができる。 【００１５】 【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
例を説明する。図１は、本発明に係る自動車用空調装置
の冷凍サイクルの概念図である。図において、図６と同
一符号は同一または均等部分を示している。この発明の
自動車用空調装置の冷凍サイクルは、前席用の蒸発器系
統と後席用の蒸発器系統の二つの蒸発器系統を有する例
を用いて説明する。 【００１６】自動車用空調機の冷凍サイクルは、圧縮機
１と、凝縮器２と、受液器３と、電動弁４と、冷媒蒸発
器５と、レシーバタンク６と、前記蒸発器５の入口側の
冷媒温度を検出する例えば感温抵抗素子からなる第１の
温度検出器７と、前記蒸発器５の出口側の冷媒温度を検
出する例えば感温抵抗素子からなる第２の温度検出器８
とから構成され、各装置は、冷媒を流す管路９によって
接続され冷媒循環路を形成している。さらに、この自動
車用空調機は、制御装置１０によって、電動弁の開閉が
制御される。制御装置１０は、演算部１１と、入力回路
１２と、出力回路１３とからなるマイクロコンピュータ
で構成することができる。入力回路１２には、第１の温
度検出器７および第２の温度検出器８の出力が入力さ
れ、出力回路１３からは、電動弁４の駆動信号が出力さ
れる。制御装置１０は、蒸発器５の入口温度と出口温度
から蒸発器５へ供給する冷媒の流量を計算し、それに対
応した電動弁の駆動量を演算する。 【００１７】このような自動車用空調機の冷凍サイクル
に用いる電動弁１０としては、図２に示されるようなス
テッピングモータによって駆動される一般的な電動弁４
が用いられている。ステッピングモータによって駆動さ
れる電動弁４は、配管９１と配管９２の間に設けたオリ
フィス４４と、ステッピングモータ４９によって回転さ
れるニードル４３とから構成される。ニードル４３は、
送りネジ４５を介してステッピングモータ４９のロータ
４６に結合されている。ロータ４６は、冷凍サイクル側
と外部とを分離するキャン４７の外側に設けたステータ
（駆動巻線）４８に通電することによって駆動回転され
る。ステッピングモータ４９を駆動してニードル４３を
軸方向に上下させてオリフィス４４とニードル４３との
間の隙間を変化させることによって、オリフィスを流れ
る冷媒の流量を調節する。 【００１８】このようなステッピングモータの駆動は、
次のようにして行われる。すなわち、図３は、ステッピ
ングモータ４９のロータ４６と駆動巻線４８の配置関係
を示す概念図であり。図４は、駆動巻線４８に印加され
る電圧のタイミングを示すチャートである。図３に示す
ステッピングモータは、４個の駆動巻線Ｗ₁〜Ｗ₄を有し
ており、駆動巻線Ｗ₁，Ｗ₂は同一の極性であり、駆動巻
線Ｗ₃，Ｗ₄は他の同一極性とされている。このステッピ
ングモータを２相駆動する場合の駆動パルスのタイミン
グを図４を用いて説明する。各駆動巻線Ｗ₁〜Ｗ₄には、
それぞれ駆動用パルスＰ₁〜Ｐ₄が弁の開放方向または閉
鎖方向に応じた所定の順序で印加される。永久磁石から
なるロータ４６は、供給パルス数に応じた回転角度だけ
所定方向に回転する。すなわち、始動時の時間ｔ₀で
は、まず巻線Ｗ₁に電圧が印加され、時間ｔ₁では、巻線
Ｗ₁，Ｗ₂に電圧が印加される。次いで時間ｔ₂では巻線
Ｗ₂，Ｗ₃に、時間ｔ₃では巻線Ｗ₃，Ｗ₄に、時間ｔ₄では
巻線Ｗ₄，Ｗ₁に電圧が印加される。さらに、時間ｔ₅で
は巻線Ｗ₁，Ｗ₂に、すなわち時間ｔ₁と同様に電圧が印
加される。以下、順に駆動巻線に電圧を印加することに
よってロータ４６は、所定の角度で回転を続ける。この
電圧印加順序を変更することによってロータの回転方向
を変更することができ、電動弁の開方向と閉方向を制御
することができる。 【００１９】上記ロータ４８の回転は、送りネジ４５を
介してニードル４３の上下方向の運動となり、ニードル
弁４３とオリフィス４４との間の隙間が回転角度に比例
して変化する。この結果、冷媒の流量は、パルス数つま
り弁開度に応じて図５に示す流量特性図のように制御さ
れる。この流量特性図において、横軸は、パルス数つま
り弁開度を示し、縦軸は、冷媒流量（ｌ／min)を示して
いる。図中、領域Ａは、弁開度に比例して流量が変化す
る通常の電動弁の動作を行うよう制御されるリニヤ制御
部であり、また領域Ｂは、弁を全開にした冷媒の一方向
流れの制御領域である。このように変節点のある特性
は、ニードル４３の先端を図２に示すような形状とする
ことによって得ることができる。 【００２０】以下、このような構成の電動弁を備えた、
自動車用空調機の冷凍サイクルの動作について説明す
る。まず、前席系統の冷房運転を行なっているときの状
態を説明する。このとき前席系統の電動弁４ａは開とさ
れ冷媒蒸発器５ａに冷媒が流れ、前席側の冷房が行なわ
れている。冷房の温度制御は、制御装置１０で、第１の
温度検出機７ａからの入力された冷媒蒸発器５ａの冷媒
入口側温度と、第２の温度検出器８ａから入力された冷
媒蒸発器５ａの冷媒出口側温度と、その他室温や設定温
度などの複数のパラメータに基づいて演算された弁開度
に関するデータ（この場合、回転方向およびパルス数）
が、電動弁４ａの駆動ステッピングモータに出力されて
行なわれる。すなわち、冷媒の流量を多くするときに
は、弁開度をより大きくする順序のパルスを発生し、冷
媒の流量を減少するときには、弁開度をより小さくする
順序のパルスを発生する。 【００２１】この状態で、後席系統の冷房運転を開始す
るときには、まず、後席系統の電動弁４ｂを開くことが
必要となる。このとき電動弁４ｂを急速に開くと、電磁
弁の場合と同様に冷媒の脈動と異常な圧力変化による振
動騒音が発生してしまうので、パルスモータの駆動速度
を落し、冷媒の流量の増加割合をゆるやかなものとする
ことが必要となる。ステッピングモータのようなパルス
モータにあっては、印加するパルス速度（周波数）を制
御することによって、任意の回転速度に制御することが
可能であるから、本発明にあっては、演算部１０が、空
調運転開始指令があったときもしくは新たな系統の空調
運転の開始指令があったときには、電動弁駆動用ステッ
ピングモータの駆動パルスの周波数を下げて出力するこ
とによってステッピングモータの回転速度を下げ、弁の
開速度をゆるやかにして、振動騒音の発生を阻止する。
以下、二つの系統は、それぞれの系に対して通常の周波
数のパルス発生を行なって運転できる。 【００２２】次いで、前席系統と後席系統の２系統の冷
房運転が行なわれているときに、一つの系統の運転を停
止する場合の動作について説明する。空調運転の停止の
指令を受けた制御装置１０は、運転開始時と同様に、電
動弁駆動用ステッピングモータの駆動パルスの周波数を
下げて出力することによってステッピングモータの回転
速度を下げ、弁の閉速度をゆるやかにして、振動騒音の
発生を阻止する。以下、残りの系統は、通常の周波数の
パルス発生を行なって運転される。 【００２３】以上の制御は、制御装置１０の演算部１１
に格納されているプログラムによって実行されている。
したがって、電動弁４は、予め定められたプログラムに
従って開閉制御され、冷媒は、図５に示すＡの領域で変
化するので、高圧の冷媒が急激に冷媒蒸発器に流入した
り、流れている冷媒が急激に遮断されることがなくな
る。 【００２４】図７は、本発明に用いる電動弁の他の実施
例の要部を示す図であり、電動弁の閉弁時でも冷媒の流
量が所定量確保できるように、閉弁状態時に閉止されな
い不閉止弁の構成を示す。図において、不閉止弁の閉弁
状態における弁体４３とオリフィス４４の関係を示す説
明図である。本実施例にあっては、オリフィス４４の内
径寸法Ｈ₁に比べて、弁体４３の外径寸法Ｄ₁を小さく形
成してある。したがって、弁体４３がオリフィス４４内
に挿入された閉弁状態にあっても、最小限の流路が形成
されており、少量の冷媒の流れが確保される。弁体４３
の先端部はテーパー部５１のテーパー角度を変更するこ
とによって、弁体のリフト量に比例して増加する流量変
化を選択することができる。 【００２５】本実施例の電動弁にあっては、図８に示す
特性を得ることができる。曲線Ｃ₁₂は、閉止状態の弁体
４３がオリフィス４４内をリフトＬ₂まで上昇する間の
変化を示し、この間、流量は所定流量Ｑ₁のまま変化せ
ず一定である。曲線Ｃ₁₀は、リフトがＬ₂以上となって
テーパー部５１が弁座５０から抜き出されていく間の弁
ホルダのリフトに対する流量の変化を示しており、弁体
４３の引出料に比例して流量は増加していく。 【００２６】このような不閉止弁の電動弁を用いること
によって、最も流量がしぼられたときにも最小限の流量
を確保することができるので、弁を閉じたときに配管内
の圧力が急激に変化することを減少させることができ、
閉弁時の配管のウォータハンマ現像による振動騒音をさ
らに少なくすることができる。 【００２７】なお、以上の説明では冷房時について述べ
たが、暖房時についても冷媒の流れる方向を逆向きにす
るだけであるから、冷媒の急激な変化を抑えることがで
きるのは勿論である。 【００２８】 【発明の効果】以上説明したとおり、本発明によれば、
複数の冷媒蒸発器を備えた自動車用空調装置の冷凍サイ
クルにおいて、冷媒蒸発器への冷媒の流入をゆるやかに
実現することができるとともに、冷媒蒸発器に流れてい
る冷媒の流れをゆるやかに遮断することができるので、
異常振動騒音を有効に防止できる。 【００２９】本発明によれば、配管に防音処理を施すこ
となく異常振動騒音の発生を防止することができ、極め
て限定された閉鎖された空間を冷房または暖房する自動
車用空調機にとって極めて有効である。 【００３０】さらに、本発明は、従来の電磁弁と膨脹弁
からなる開閉手段に変えて小型で開閉角度と開閉速度を
自由に制御できる電動弁を用いたので、開閉弁の消費エ
ネルギーを減少させるとともに、小型で軽量な開閉弁と
し、装置全体の小型化および軽量化を図り、自動車の動
力性能および燃費向上に寄与することができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明に係る自動車用空調機の冷凍サイクルの
構成を示す概念図。 【図２】本発明に用いられる電動弁の構成を示す縦断面
図。 【図３】本発明に用いられるステッピングモータの構成
の概念を示す概念図。 【図４】本発明に用いられるステッピングモータの駆動
パルスのタイミングを説明するチャート。 【図５】電動弁の開度と流量の関係を示す特性図。 【図６】従来の自動車用空調機の冷凍サイクルの構成を
示す概念図。 【図７】本発明の他の実施例に用いる電動弁の要部の構
成を示す説明図。 【図８】図７に示す電動弁の動作特性を説明する特性
図。 【符号の説明】 １ 圧縮機 ２ 凝縮器 ３ 受液器 ４ 電動弁 ５ 冷媒蒸発器 ６ レシーバタンク ７ 第１の温度検出器 ８ 第２の温度検出器 ９，９１，９２ 配管 １０ 制御装置 １１ 演算部 １２ 入力回路 １３ 出力回路 ４１ 電磁弁 ４２ 膨脹弁 ４３ ニードル（弁体） ４４ オリフィス ４５ ネジ部 ４６ ロータ ４７ キャン ４８ ステータ（駆動巻線） ４９ ステッピングモータ ５０ 弁座 ５１ テーパー部

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 複数の冷媒蒸発器を有し、圧縮機によっ
   て圧縮された冷媒を各冷媒蒸発器に供給する冷凍サイク
   ルを有する自動車用空調装置において、前記各冷媒蒸発
   器への冷媒用管路に設けた冷媒の流量を制御する開閉弁
   と、該開閉弁の開閉速度を制御する制御手段とを具備
   し、上記開閉弁が完全に閉止されない電動弁であること
   を特徴とする自動車用空調装置。