(57)【要約】【課題】  高圧の密閉空間を有することなく、導入された冷媒の圧力および温度に応じて絞り通路断面積を可変できる、低コストの膨張装置を提供する。【解決手段】  膨張装置の前後の差圧に応じて開度を制御する差圧弁２と、その差圧弁の開度をさらに冷媒の温度によって制御する感温部３とを備えている。差圧弁２は、弁体６よりも大きな外径を有するとともに弁体６と一体に形成されたピストン８を有し、このピストン８が圧力通路１２を介して入口圧力が導入される調圧室１１を構成して、冷媒の入口圧力が高くなると開弁方向に作用するようにしている。感温部３は、軸線方向に伸縮自在なベローズ１４に体積膨張係数の大きいワックス１６を封入し、冷媒の入口温度が高くなると差圧弁２を閉弁方向に作用させるようにしている。【選択図】  図１
2006266660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍サイクルを循環する冷媒を絞り膨張させる膨張装置において、
前記冷媒が導入される上流側の圧力と膨張された前記冷媒が導出される下流側の圧力との差圧が大きくなるに従って開弁方向に作用する差圧弁と、
前記差圧弁の開閉方向に伸縮可能な密閉容器に体積膨張係数の大きな固体または液体材料が封入され、前記上流側の前記冷媒の温度が大きくなるに従って前記差圧弁を閉弁方向に作用させる感温部と、
を備えていることを特徴とする膨張装置。
【請求項２】
前記密閉容器は、一端が閉じているベローズと、前記ベローズの他端の開口部を気密に封止する封止部材とを有していることを特徴とする請求項１記載の膨張装置。
【請求項３】
前記密閉容器は、カップ状部材と、前記カップ状部材の開口部を気密に封止するダイヤフラムとを有していることを特徴とする請求項１記載の膨張装置。
【請求項４】
前記密閉容器内に封入される材料は、ワックスであることを特徴とする請求項１記載の膨張装置。
【請求項５】
前記差圧弁は、弁孔の前記上流側にて前記弁孔に挿脱自在に配置された弁体と、前記弁孔の前記下流側にて前記弁体よりも外径が大きくかつ前記弁体と一体に形成されたピストンと、前記弁体および前記ピストンに形成された圧力通路を介して前記弁孔の前記上流側に連通されていて導入された前記冷媒の圧力を前記ピストンに対して開弁方向に作用させる調圧室とを有していることを特徴とする請求項１記載の膨張装置。
【請求項６】
前記差圧弁の前記弁体は、スプール形状を有し、全閉時には、前記弁孔との間のクリアランスに相当する通路断面積を持った絞り通路を成していることを特徴とする請求項５記載の膨張装置。
【請求項７】
前記感温部は、前記差圧弁のボディに関して固定された位置関係を有し、前記差圧弁の開閉方向の伸縮をスプリングを介して前記弁体に伝達するようにしたことを特徴とする請求項５記載の膨張装置。
【請求項８】
前記感温部は、前記差圧弁のボディに関して固定された位置関係を有し、前記差圧弁は、前記感温部が感温した温度の変化による軸線方向の変位に応じて軸線方向の位置が変化する可動弁座と、前記可動弁座に対しその軸線方向に進退自在に、かつ、前記可動弁座に着座する方向に付勢された状態で前記ボディに保持された筒状弁体とを有していることを特徴とする請求項１記載の膨張装置。
【請求項９】
前記筒状弁体の急激な開閉方向の変動を抑えるダンパ手段を備えていることを特徴とする請求項８記載の膨張装置。
【請求項１０】
前記感温部は、前記差圧弁のボディに関して固定された位置関係を有し、前記差圧弁は、前記感温部が感温した温度の変化による軸線方向の変位に応じて軸線方向の位置が変化するよう前記ボディに進退自在に保持されていて中に前記上流側の前記冷媒が導入されるようにした筒状可動弁座と、前記筒状可動弁座に対しその軸線方向下流側にて進退自在に、かつ、前記筒状可動弁座に着座する方向に付勢された状態で配置された弁体とを有していることを特徴とする請求項１記載の膨張装置。
【請求項１１】
前記弁体は、前記筒状可動弁座の対向端面の外周縁部に着座するよう前記筒状可動弁座と対向する端面が皿状に凹んでいることを特徴とする請求項１０記載の膨張装置。
【請求項１２】
前記弁体の急激な開閉方向の変動を抑えるダンパ手段を備えていることを特徴とする請求項１０記載の膨張装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車輌用エアコンの冷凍サイクルに用いられる膨張装置に関し、特に二酸化炭素（ＣＯ2）を冷媒とする冷凍サイクルに適用してこれを効率よく運転することができる膨張装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車輌用エアコンの冷凍サイクルには、コンデンサで凝縮された冷媒の気液分離を行うレシーバと分離された液冷媒を膨張させる温度式膨張弁とを用いた冷凍サイクルの他に、コンデンサで凝縮された冷媒を絞り膨張させるオリフィスチューブとエバポレータで蒸発された冷媒の気液分離を行うアキュムレータとを用いた冷凍サイクルが知られている。オリフィスチューブは、細径チューブから構成されているので、構造が簡単で製造コストが低く、レイアウトの自由度も高いというメリットを有している。しかしながら、オリフィスチューブを用いた冷凍サイクルは、温度式膨張弁と違い、細径チューブのみによって冷媒を絞り膨張させているため冷媒流量の制御機能がなく、あらゆる状況にて冷凍サイクルを効率よく運転することができない。
【０００３】
これに対し、特に冷媒にＣＯ2を使用した冷凍サイクルに適用し、ガスクーラ出口側における冷媒の圧力および温度に応じて冷媒が絞られるオリフィスの絞り通路断面積を可変できるようにして冷凍サイクルを効率よく運転することができるようにした膨張装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照。）。
【０００４】
この特許文献１の膨張装置によれば、ガスクーラから導入された冷媒の圧力および温度を検出するよう変位部材（ダイヤフラム）によって仕切られた密閉空間を弁孔の上流側に備え、変位部材の変位で弁孔を上流側から開閉するようにした弁構造を有し、密閉空間には、冷媒の温度が０℃での飽和液密度から冷媒の臨界点での飽和液密度までの範囲の密度で冷媒が封入されている。これにより、導入された冷媒の圧力がその冷媒の温度に対応した密閉空間の圧力よりも低いときは、弁孔は閉じていて、導入された冷媒の圧力が密閉空間の圧力よりも所定圧力だけ高くなると、弁孔は開き始め、導入された冷媒の圧力と密閉空間の圧力との差圧が所定圧力より大きくなると、その差圧に応じた開度になる。この結果、ガスクーラ出口側における冷媒の圧力および温度は、ガスクーラ出口側における冷媒の温度と成績係数が最大となる圧力とから求めた最適制御線上に沿って制御されるようになり、ＣＯ2を使用した冷凍サイクルの効率よい運転を可能にしている。
【０００５】
また、冷媒がＣＯ2の場合、密閉空間に冷媒が上記の範囲の液密度で封入されているので、膨張装置が常温の大気に放置されると、密閉空間の冷媒の圧力は、非常に高くなって、大気との差圧がたとえば７〜８ＭＰａにもなってしまう。このため、部品の状態にあるときには、その大きな差圧によって密閉空間を構成する変位部材が変形もしくは破損してしまうことがある。これに対し、変位部材が変形もしくは破損し難い構造にした膨張装置も提案されている（たとえば、特許文献２参照。）。
【０００６】
この特許文献２の膨張装置では、変位部材としてベローズを使用しているが、このベローズが構造上、外側からの圧力に対して耐久性があるという特性を活かし、ベローズとこれを外側から囲うように配置されたハウジングとで密閉空間を構成し、その密閉空間に冷媒を封入するようにしている。ベローズの内側には、ベローズの変位を弁体に伝達するシャフト部分が挿入されているので、大気圧の環境下で密閉空間に高圧の冷媒を充填しても、ベローズのコルゲート部分が大気圧との差圧により内側に変形しようとしてもシャフトが邪魔をして変形できないようにしている。
【特許文献１】特開平９−２６４６２２号公報（図４）
【特許文献２】特開平１１−６３７４０号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の膨張装置においては、導入された冷媒の圧力および温度を感知して開度を可変にするために変位部材で閉止された密閉空間を備え、その密閉空間には、冷媒を非常に高い圧力で充填する構成にしているので、常温・常圧の環境下で放置される際に破裂の危険性があり、高度の品質管理が要求されることから、コストが高くなるという問題点があった。
【０００８】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、高圧の密閉空間を有することなく、導入された冷媒の圧力および温度に応じて断面積を可変にすることができる絞り通路を備えた、低コストの膨張装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では上記問題を解決するために、冷凍サイクルを循環する冷媒を絞り膨張させる膨張装置において、前記冷媒が導入される上流側の圧力と膨張された前記冷媒が導出される下流側の圧力との差圧が大きくなるに従って開弁方向に作用する差圧弁と、前記差圧弁の開閉方向に伸縮可能な密閉容器に体積膨張係数の大きな固体または液体材料が封入され、前記上流側の前記冷媒の温度が大きくなるに従って前記差圧弁を閉弁方向に作用させる感温部と、を備えていることを特徴とする膨張装置が提供される。
【００１０】
このような膨張装置によれば、差圧弁が導入された冷媒の圧力を感知し、感温部が導入された冷媒の温度に感知するようにし、特に、感温部については、差圧弁の開閉方向に伸縮可能な密閉容器に体積膨張係数の大きな固体または液体材料を封入する構成にした。これにより、高圧ガスを入れた密閉空間を持たないため、膨張装置が常温・常圧の環境下に放置されたとしても破裂の危険性がなく、差圧弁および感温部が簡単な構成でできているため、コストが高くなることもない。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の膨張装置は、高圧ガスを封入した気密空間を持つことなく、導入された冷媒の圧力に対しては差圧弁により開度を制御し、温度に対しては感温部内の体積膨張係数の大きな固体または液体材料が差圧弁の開度をさらに制御するように構成したので、製造、保管、運搬、冷凍サイクルへの取り付けなどにおける取り扱い時の安全性を高くすることができるという利点がある。
【００１２】
また、本発明の膨張装置は、差圧弁が冷媒の圧力を感知し、感温部が冷媒の温度を感知して絞り通路の断面積を可変するようにしたので、冷媒の圧力および温度に同時に感度を持たせるために高圧ガスを封入した気密空間を持つ従来の膨張装置に類似した制御を行うことができ、冷凍サイクルの効率よい運転を可能にしている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、ＣＯ2を使用した冷凍サイクル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は第１の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図、図２は感温部の温度特性を示す図である。
【００１４】
この第１の実施の形態に係る膨張装置は、冷凍サイクルのガスクーラとエバポレータとの間に配管された冷媒循環用のパイプ１内に配置される。この膨張装置は、これの前後の差圧に応じて開度を制御する差圧弁２と、その差圧弁の開度をさらに冷媒の入口温度によって制御する感温部３とを備えている。なお、パイプ１の図の上部がガスクーラから冷媒が流入してくる上流側であり、図の下部がエバポレータへ冷媒が流出していく下流側になっている。
【００１５】
差圧弁２は、ボディ４を有し、その上部中央部に軸線方向に弁孔５が設けられ、その弁孔５内には、スプール形状の弁体６が軸線方向に進退自在に配置されている。弁体６の外径が小さくなり始めの部分が弁孔５内に位置しているとき、冷媒が通過する絞り通路は、最小の絞り通路断面積になっている。弁孔５の下流側は、ボディ４に形成された出口ポート７に連通している。弁体６は、これと同軸上に延びるピストン８と一体に形成されており、そのピストン８は、弁体６よりも大きな外径を有し、ボディ４に形成されたシリンダ９に軸線方向に摺動自在に配置されている。シリンダ９の図の下方端部は、蓋１０によって閉止されていて、調圧室１１を構成している。弁体６およびピストン８は、これらを軸線方向に貫通した圧力通路１２が形成されており、その圧力通路１２を介して調圧室１１が差圧弁２の上流側と連通するようになっていて、冷媒の入口圧力が調圧室１１に導入されるようになっている。また、調圧室１１内には、ピストン８を上流側に付勢するスプリング１３が配置されている。
【００１６】
弁体６の上端部には、感温部３が設けられている。この感温部３は、軸線方向に伸縮自在なベローズ１４と、このベローズ１４の開口部を封止する封止部材１５と、これらによって気密に構成された密閉容器内に封入されたワックス１６とによって構成されている。ワックス１６は、図２に示したように、温度上昇とともに体積が膨張する性質を有している。すなわち、ワックス１６は、温度が低くて固体状態のとき、または、温度が高くて液体状態のときには、温度に対する体積膨張係数が小さく、中間の温度で固体から液体に変わる固溶体状態のときには、温度に対する体積膨張係数が大きいという特性を有している。したがって、この感温部３は、体積膨張係数が大きい固溶体状態の範囲の温度を感知して差圧弁２を制御するアクチュエータを構成している。なお、感温部３が感知する温度範囲は、ワックス１６の調合によって決められる。
【００１７】
感温部３は、また、封止部材１５によって弁体６の上端部と嵌合されており、スプリング１７によって差圧弁２の閉じる方向に付勢されている。そのスプリング１７は、その上端部が感温部３を覆うように差圧弁２のボディ４の上端部に取り付けられたカップ状部材１８によって当接され、スプリング１７のセット荷重は、そのカップ状部材１８の開口端部にボディ４が圧入される圧入量によって調整されている。カップ状部材１８は、その一部が開口された開口部を有し、その開口部には、フィルタ１９が設けられている。なお、封止部材１５は、弁体６との嵌合部に切欠きが設けられていて、感温部３が収容されている空間と、弁体６およびピストン８に形成された圧力通路１２とが連通するようにしている。
【００１８】
以上の構成の膨張装置において、ガスクーラを出た高温・高圧のガス冷媒は、パイプ１を通って図の上部から流入してくる。その冷媒は、フィルタ１９を通ってカップ状部材１８の中に入り、差圧弁２の弁孔５と弁体６との間の絞り通路を通って、出口ポート７から出ていくようにしてこの膨張装置内を流れる。その絞り通路を通るときに、ガス冷媒は、断熱膨張して低温・低圧の気液２相状態の冷媒となり、それがエバポレータに供給される。エバポレータでは、その気液２相状態の冷媒は、車室内の空気から吸熱して蒸発され、車室内の空気から蒸発潜熱を奪うことにより車室内の空気が冷却される。
【００１９】
次に、導入される冷媒の圧力および温度が変化したときの膨張装置の動作について説明する。
図３は第１の実施の形態に係る膨張装置の冷媒圧力が高くなったときの動作状態を示す中央縦断面図、図４は第１の実施の形態に係る膨張装置の冷媒温度が低くなったときの動作状態を示す中央縦断面図、図５は第１の実施の形態に係る膨張装置の前後の差圧と温度と絞り通路断面積の関係を示す図である。
【００２０】
まず、この膨張装置は、図５に示したように、膨張装置の前後の差圧が小さい領域では、絞り通路断面積は、弁孔５と弁体６との間のクリアランスによって決定される一定の断面積を有し、差圧がある値を越えると、差圧弁２は開き始めて、絞り通路断面積は比例的に増加し、かつ、その差圧弁２の開き始めは、冷媒の温度が高くなるほど差圧が高くなる方向に移動していくという特性を有している。また、ワックス１６は、図２に示したように、固体状態または液体状態のときには、温度上昇に対する体積膨張係数が小さく、固溶体状態のときには体積膨張係数が非常に大きくなっているので、この図５では、ワックス１６が固体状態または液体状態のときには、温度勾配の間隔は狭く、固溶体状態のときは、温度勾配の間隔は広く表されている。この特性から、図１に示した膨張装置の閉弁状態は、膨張装置に導入されている冷媒の温度がたとえば６０℃とした場合に、絞り通路の前後の差圧がたとえば８ＭＰａ以下であった場合を示している。このとき、弁体６は閉弁方向に入口圧力を受け、ピストン８は圧力通路１２を介して調圧室１１に導入された入口圧力を開弁方向に受けているが、ピストン８の外径が弁体６の外径よりも大きく設定されていることから、それらの受圧面積の違いによって弁体６には常に開弁方向の力が働いている。そのため、弁体６は、入口圧力によって開弁方向に働く力と、閉弁方向に働くスプリング１７の荷重と、調圧室１１に介挿されて開弁方向に働くスプリング１３の荷重とがバランスした位置にて停止している。
【００２１】
その後、図１に示した状態から、冷媒の入口温度は変わらずに、膨張装置の入口圧力が高くなっていった場合には、弁体６とピストン８の受圧面積の違いによる開弁方向の力が強くなり、感温部３を介して弁体６を閉弁方向に付勢しているスプリング１７の付勢力に抗して弁体６は開弁方向に移動していく。冷媒の入口圧力が高くなって、絞り通路の前後の差圧が８ＭＰａに達すると差圧弁２は開き始め、８ＭＰａを越えると差圧に比例して絞り通路断面積が大きくなって、膨張装置は、図３に示した状態になる。このとき、感温部３は、冷媒の入口温度が変化しないので、ワックス１６の体積は変化せず、したがって、軸線方向に伸縮することはない。
【００２２】
また、図１に示した状態から、導入されている冷媒の入口圧力は変わらずに、冷媒の入口温度が低くなっていった場合には、ワックスの体積が収縮することによって、感温部３は軸線方向に短くなる。このとき、冷媒の入口圧力は変化しないので、弁体６とピストン８の受圧面積の違いによる開弁方向の力およびスプリング１７の閉弁方向に働く付勢力も変化はなく、したがって、感温部３が軸線方向に短くなった分、弁体６は開弁方向に移動するので、絞り通路断面積が大きくなって、膨張装置は、図４に示した状態になる。
【００２３】
勿論、膨張装置は、冷媒の入口圧力が低くなるか、冷媒の入口温度が高くなる方向に変化すると、絞り通路は断面積が小さくなる方向に変化することになる。
図６は第２の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。なお、この図６において、図１に示した構成要素と同じ構成要素については、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００２４】
この第２の実施の形態に係る膨張装置は、第１の実施の形態に係る膨張装置と比較して、軸線方向の長さを短くしている。すなわち、第１の実施の形態に係る膨張装置では、弁体６と感温部３とスプリング１７とを直列に配置しているため、どうしても軸線方向の長さが長くなってしまう。これに対し、この第２の実施の形態に係る膨張装置では、感温部３にカップ状のばね受部２０を介してスプリング１７の付勢力を感温部３へ伝達するようにしている。カップ状のばね受部２０は、開口端に半径方向外向きに延出されたフランジ部を有し、そのフランジ部にスプリング１７の一端を受けるようにして、感温部３とスプリング１７とが直列に作用しながら配置上は並列となるようにすることで、膨張装置の軸線方向の長さを短くし、小型化している。この構造は、スプリング１７によって感温部３が付勢されている位置が弁体６に近くなっているため、軸線に対して直角方向に掛かる外力に強くなり、感温部３の図の上端が振れてしまうことがなく、感温部３が安定して配置されることになる。
【００２５】
図７は第３の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。なお、この図７において、図１に示した構成要素と同じまたは同等の機能を有する構成要素については、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００２６】
この第３の実施の形態に係る膨張装置は、第１および第２の実施の形態に係る膨張装置と比較して、感温部３の構成を変更した点およびスプリング調整の自由度を高くした点で異なっている。すなわち、この膨張装置の感温部３は、カップ状部材２１の中にベローズ１４が配置されていて、それらの開口端で封止され、そのカップ状部材２１とベローズ１４との間にワックス１６が封入されている。この膨張装置では、カップ状部材２１の底部が外側の筒状ハウジング２２の上流側開口部に固定されたホルダ２３に嵌合され、感温部３と弁体６との間にスプリング１７が介挿されている。スプリング１７は、ベローズ１４の底部に当接配置されたディスク２４と、図の下端面が弁体６に当接されたばね受部材２５との間に配置されている。ホルダ２３は、冷媒を導入するための入口ポート２６が設けられ、ばね受部材２５は、弁体６との当接する部分に切欠きが設けられて、感温部３の収容されている空間が弁体６およびピストン８に形成された圧力通路１２を介して調圧室１１に連通するようにしている。
【００２７】
この膨張装置は、さらに、筒状ハウジング２２に形成された段部とばね受部材２５との間にバイアススプリング２７が介挿されている。このバイアススプリング２７は、感温部３とスプリング１７との直列構成に並列に配置された格好になっている。このように、温度によって変化しないバイアススプリング２７を温度によって変化するスプリング１７に並設したことにより、これらのばね定数を組み合わせ設定することによって、温度による圧力変化の調整を可能にしている。なお、スプリング１７およびバイアススプリング２７のセット荷重は、筒状ハウジング２２の図の下方開口端部にボディ４が圧入される圧入量によって調整される。
【００２８】
図８は第４の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。なお、この図８において、図１に示した構成要素と同じまたは同等の機能を有する構成要素については、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００２９】
この第４の実施の形態に係る膨張装置は、第１ないし第３の実施の形態に係る膨張装置と比較して、感温部３の構成を変更した点で異なっている。すなわち、この膨張装置の感温部３は、カップ状部材２８と、このカップ状部材２８の開口フランジ部に固着されたダイヤフラム２９と、これらによって気密に構成された密閉容器内に封入されたワックス１６とによって構成されている。ダイヤフラム２９の中央部には、弁体６に嵌合された変位伝達部材３０の上面が当接されている。そして、カップ状部材２８の開口フランジ部と、この感温部３を覆うように配置されたカップ状部材１８との間には、感温部３を閉弁方向に付勢するスプリング１７が配置されている。
【００３０】
以上の構成の膨張装置においては、冷媒の入口圧力の変化に対する差圧弁２の動作は、第１ないし第３の実施の形態に係る膨張装置と同じである。冷媒の入口温度の変化に対しては、感温部３のワックス１６が膨張または収縮して、ダイヤフラム２９の中央部が軸線方向に変位し、これが変位伝達部材３０を介して弁体６に伝達され、差圧弁２の開度を制御する。たとえば冷媒の温度が高くなれば、カップ状部材２８のワックス１６が膨張して軸線方向に変位可能なダイヤフラム２９の側に膨出してくるので、それに伴いダイヤフラム２９が閉弁方向に変位するようになり、逆に、温度が低くなれば、開弁方向に変位するようになる。
【００３１】
図９は第５の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。なお、この図９において、図８に示した構成要素と同じまたは同等の機能を有する構成要素については、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３２】
この第５の実施の形態に係る膨張装置は、第４の実施の形態に係る膨張装置と比較して、感温部３の構成を変更した点で異なっている。すなわち、この膨張装置の感温部３は、底に孔の開いたカップ状部材２８を用い、その最終的な封止をボール３１によって行うようにしている。具体的には、たとえば大気中にてカップ状部材２８の開口フランジ部にダイヤフラム２９をレーザー溶接などにより固着し、孔の開いた底を上にして大きな容器に入れ、真空引きする。次に、その孔を介してカップ状部材２８の中に加熱して液体になったワックス１６を流し込む。そして、底の孔にこれを塞ぐようにボール３１を置き、たとえば抵抗溶接により、ボール３１をカップ状部材２８に固着してカップ状部材２８を気密状態にする。このようにして、ワックス１６が密閉容器のカップ状部材２８内に封入される。
【００３３】
以上の構成の膨張装置においては、冷媒の入口圧力の変化に対する差圧弁２の動作は、第１ないし第４の実施の形態に係る膨張装置と同じであり、導入された冷媒の入口温度の変化に対し感温部３のワックス１６が膨張または収縮してダイヤフラム２９の中央部が軸線方向に変位し、これが変位伝達部材３０を介して弁体６に伝達され、差圧弁２の開度を制御する。
【００３４】
図１０は第６の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。なお、この図１０において、図９に示した構成要素と同じまたは同等の機能を有する構成要素については、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３５】
この第６の実施の形態に係る膨張装置は、図９に示した第５の実施の形態に係る膨張装置と比較して、感温部３とスプリング１７とを逆に配置した点で異なっている。すなわち、この膨張装置では、感温部３のカップ状部材２８を、図の下方の開口端部にボディ４が圧入されているカップ状部材１８の底に開けられた孔に嵌合し、ダイヤフラム２９と弁体６との間にスプリング１７を配置している。これにより、図７に示した第３の実施の形態に係る膨張装置のように、ボディ４に関して固定された位置関係にある感温部３に対して弁体６を閉弁方向に付勢するような構成にしている。
【００３６】
以上の構成の膨張装置において、差圧弁２は、冷媒の入口圧力と出口圧力との差圧が大きくなると開弁方向に動作し、導入された冷媒の入口温度が高くなると閉弁方向に動作するので、第１ないし第５の実施の形態に係る膨張装置と同じ動作をする。
【００３７】
図１１は第７の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。なお、この図１１において、図１０に示した構成要素と同じまたは同等の機能を有する構成要素については、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３８】
この第７の実施の形態に係る膨張装置は、図１０に示した第６の実施の形態に係る膨張装置と比較して、差圧弁２の構成を変更した点で異なっている。すなわち、差圧弁２は、冷媒の入口温度によって軸線方向の位置が変化する可動弁座３２と、その可動弁座３２に対して冷媒の入口圧力と出口圧力との差圧によって弁リフトが変化する筒状弁体３３とによって構成されている。
【００３９】
感温部３は、カップ状部材２８とダイヤフラム２９とを固着しているフランジ部がボディ４の上部開口端にかしめ加工により固定されており、ダイヤフラム２９の下面には可動弁座３２がばね力の強いスプリング３４によって押し付けられている。これにより、可動弁座３２は、導入された冷媒の入口温度によって軸線方向に変位するダイヤフラム２９と連動して軸線方向に変位する弁座を構成している。筒状弁体３３は、ボディ４によってその軸線方向に進退自在に保持され、スプリング３５によって可動弁座３２に着座する方向に付勢されている。筒状弁体３３は、可動弁座３２に対向する端面に高圧の入口圧力が可動弁座３２から離れる方向、すなわち開弁方向にかかり、可動弁座３２とは反対側の端面には低圧の出口圧力が閉弁方向にかかるようになっているため、差圧弁２は、筒状弁体３３の両端面にかかる入口圧力と出口圧力との差圧とスプリング３５の付勢力とにより開閉することになる。
【００４０】
以上の構成の膨張装置において、冷媒の入口圧力と出口圧力との差圧が小さく、筒状弁体３３が可動弁座３２に着座して差圧弁２が閉弁状態にあるときには、筒状弁体３３とこれを保持しているボディ４との間のクリアランスによって最少流量が決められ、図の上方から導入された冷媒は、そのクリアランスで絞られ、スプリング３５が配置されている下流空間に出るときに断熱膨張して図の下方へ出て行く。このとき、感温部３は、冷媒の入口温度に応じて軸線方向に伸縮し、可動弁座３２は、閉弁状態のまま軸線方向に変位する。
【００４１】
冷媒の入口圧力と出口圧力との差圧がスプリング３５の付勢力より大きくなると、差圧弁２は開弁する。このときの差圧弁２の開弁位置は、感温部３が感知する冷媒の入口温度に応じて変化する。つまり、可動弁座３２は、入口温度が低いとき、図の上方に位置し、入口温度が高いときは、図の下方に位置している。したがって、温度が高くなるとともに可動弁座３２が図の下方へ移動し、筒状弁体３３を介してスプリング３５を縮める方向に作用するため、スプリング３５はそのばね力が強くなるよう作用する。これにより、差圧弁２の開弁位置が差圧の大きい側へ移るので、差圧弁２は、より開きにくくなる側へ変化することになる。
【００４２】
図１２は第８の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。なお、この図１２において、図１１に示した構成要素と同じまたは同等の機能を有する構成要素については、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４３】
この第８の実施の形態に係る膨張装置は、図１１に示した第７の実施の形態に係る膨張装置と比較して、差圧弁２の筒状弁体３３にダンパ機構を設け、導入される冷媒の急激な圧力変動に対し敏感に反応して冷凍サイクルがハンチングしてしまうことがないようにしている点で異なる。
【００４４】
可動弁座３２には、導入された冷媒を直接、筒状弁体３３の下流側の空間である筒状弁体３３の中に流すことができるよう最少流量調整用のオリフィス３６が設けられている。筒状弁体３３は、これを保持しているボディ４の保持部分内にて溝３７が周設されており、その溝３７は、連通孔３８によって筒状弁体３３の内部空間に連通している。したがって、可動弁座３２のオリフィス３６は、筒状弁体３３とこれを保持しているボディ４との間のクリアランスとともに、差圧弁２が閉弁状態にあるときに流すことができる冷媒の最少流量を決めている。
【００４５】
筒状弁体３３は、差圧弁２の下流側のボディ４に形成されたシリンダ３９の中に軸線方向に摺動自在に配置された環状のピストン４０が固定され、このピストン４０を介してスプリング３５により閉弁方向に付勢されている。ピストン４０は、シリンダ３９の中にダンパ室４１を画成し、そのダンパ室４１は、ピストン４０とボディ４との間のクリアランスを介して、および筒状弁体３３とボディ４との間のクリアランスおよび連通孔３８を介して筒状弁体３３の下流側の空間へ連通している。冷媒がクリアランスによる絞られた通路を介してダンパ室４１を出入りすることになるので、それがピストン４０の軸線方向の動きに対する抵抗となり、筒状弁体３３のダンパ機構を構成している。なお、筒状弁体３３に設けた溝３７および連通孔３８は、筒状弁体３３とボディ４との間のクリアランスを介して高圧の冷媒がダンパ室４１へ流入することのないように、クリアランスの途中で低圧の下流側へ流してしまうためのものである。
【００４６】
以上の構成の膨張装置において、通常の動作は、図１１に示した第７の実施の形態に係る膨張装置の動作と同じである。ここで、導入される冷媒の入口圧力が急激に変動した場合、それに応じて差圧弁２は、急激に開閉しようとするが、筒状弁体３３がダンパ機構によって急激な開閉動作に追従した動きをすることができない。これにより、冷媒の急激な圧力変動を受けたときに、これに敏感に反応することによって冷凍サイクルがハンチングしてしまうことがない。
【００４７】
図１３は第９の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。なお、この図１３において、図１２に示した構成要素と同じまたは同等の機能を有する構成要素については、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４８】
この第９の実施の形態に係る膨張装置は、図１２に示した第８の実施の形態に係る膨張装置と比較して、差圧弁２の筒状弁体３３に設けたダンパ機構の構成を変更した点で異なる。すなわち、この第９の実施の形態に係る膨張装置では、筒状弁体３３に固定されたピストン４０とシリンダ３９に固定された閉止部４６とによってダンパ室４１を構成し、その閉止部４６にはオリフィス４７が形成されている。ダンパ室４１の中には、ピストン４０を介して筒状弁体３３を閉弁方向に付勢しているスプリング３５が配置され、その荷重を閉止部４６がシリンダ３９内へ圧入される圧入量によって調整するようにしている。ピストン４０より図の上部の空間は、筒状弁体３３に設けられた連通孔３８により筒状弁体３３の下流側の空間へ連通していて常に低圧になっている。
【００４９】
以上の構成の膨張装置において、通常の動作は、図１２に示した第８の実施の形態に係る膨張装置の動作と同じである。また、導入される冷媒の入口圧力が急激に変動した場合においても、ダンパ機構が筒状弁体３３の急激な開閉動作を抑制するので、差圧弁２が冷媒の急激な圧力変動に対して鈍感になっており、敏感に反応することによる冷凍サイクルのハンチングを防止することができる。
【００５０】
図１４は第１０の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。なお、この図１４において、図１１に示した構成要素と同じまたは同等の機能を有する構成要素については、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００５１】
この第１０の実施の形態に係る膨張装置は、図１１に示した第７の実施の形態に係る膨張装置と比較して、感温部３が冷媒の入口温度の変化によって差圧弁２の弁座位置を可変する部分の構造を変更した点で異なる。すなわち、第７の実施の形態に係る膨張装置では、可動弁座３２が筒状弁体３３の内径に相当する面積に低圧を受圧しているため、この可動弁座３２には、入口圧力との差圧によって差圧弁２を閉弁する側に大きな力が作用しており、これをばね力の強いスプリング３４で受けるようにしている。これに対し、この第１０の実施の形態に係る膨張装置では、感温部３によって可動する弁座が高圧の入口圧力の影響をほとんど受けないようにして、スプリング３４をばね力の小さいものにしている。
【００５２】
差圧弁２は、ボディ４によって軸線方向に進退自在に保持された筒状可動弁座４２と、その下流側に配置された弁体４３とを備えている。筒状可動弁座４２は、図の上端が変位伝達部材３０に嵌合され、その変位伝達部材３０の側に連通孔４４が設けられ、スプリング３４によって感温部３の方向へ付勢されている。弁体４３は、下流側のボディ４に形成されたシリンダ３９の中に半径方向外向きに突設された複数のガイド４５によって芯決めされ、かつ軸線方向に摺動自在に配置されていて、スプリング３５により筒状可動弁座４２に着座する方向に付勢されている。
【００５３】
弁体４３は、筒状可動弁座４２と対向する端面が内側に皿状に凹んでいて、その凹みの傾斜部分が筒状可動弁座４２の対向端面の外周縁部に着座するようにしている。これにより、高圧の冷媒は、連通孔４４を介して筒状可動弁座４２の中まで来るようになる。そのとき、筒状可動弁座４２には、その断面の肉厚に相当するドーナツ状の面積が図の下向きに高圧がかかる受圧面積になっていて、弁体４３が着座する外周縁部を除いた図の下端面のほとんど全部に図の上向きに高圧がかかる受圧面積になっているため、図の下向きにかかる力は上向きにかかる力によってキャンセルされることになる。したがって、筒状可動弁座４２は、高圧の影響を受けない可動弁座を構成している。
【００５４】
以上の構成の膨張装置において、差圧弁２が冷媒の入口と出口との差圧により開閉動作し、感温部３が冷媒の入口温度に応じて差圧弁２の弁座位置を可変する構造は、第７および第８の実施の形態のものと同じである。ただ、筒状可動弁座４２が高圧をキャンセルする構造を有していることで、筒状可動弁座４２を感温部３のダイヤフラム２９へ押し付けているスプリング３４のばね力を小さくすることが可能になっている。
【００５５】
図１５は第１１の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。なお、この図１５において、図１４および図１３に示した構成要素と同じまたは同等の機能を有する構成要素については、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００５６】
この第１１の実施の形態に係る膨張装置は、図１４に示した第１０の実施の形態に係る膨張装置に図１３に示した第９の実施の形態に係る膨張装置が有するダンパ機構を有する点で異なっている。すなわち、この膨張装置は、下流側のボディ４に形成されたシリンダ３９の中に軸線方向に摺動自在に配置されたピストン４０と、シリンダ３９の図の下方の端部を閉止するように設けられた閉止部４６とを有し、これらの間にダンパ室４１を構成している。ピストン４０は、弁体４３と一体に形成され、閉止部４６との間に配置されたスプリング３５によって図の上方へ付勢されている。閉止部４６には、オリフィス４７が設けられていて、ピストン４０とシリンダ３９の内壁との間のクリアランスとともにダンパ機構の効きを調節している。
【００５７】
以上の構成の膨張装置は、筒状可動弁座４２が高圧をキャンセルする構造を有し、弁体４３には、急激な圧力変動に対して鈍感に反応するダンパ機構を有するようにしたので、筒状可動弁座４２を感温部３のダイヤフラム２９へ押し付けているスプリング３４をばね力の小さいものにすることができ、冷凍サイクルがハンチングすることもない。
【００５８】
ところで、以上の実施の形態に係る膨張装置は、冷凍サイクルのガスクーラとエバポレータとの間に配管された冷媒循環用のパイプ内に配置される場合を例に示したが、冷媒にＣＯ2を使用した冷凍サイクルでは、その効率を上げるために内部熱交換器を使用しているので、実際には、内部熱交換器とエバポレータとの間に配管された冷媒循環用のパイプに配置されることになる。これにより、膨張装置は、内部熱交換器の出口における冷媒の温度を感知して、高圧を制御していることになる。
【００５９】
また、このような膨張装置は、内部熱交換器の入口における冷媒の温度を感知して、高圧を制御することにより、さらに冷凍サイクルの効率を上げられることが知られている。以下では、そのような構成を有する冷凍サイクルへ本発明による膨張装置を適用した場合について説明する。
【００６０】
図１６は本発明による膨張装置を適用した冷凍サイクルのシステム図である。
冷凍サイクルは、冷媒を圧縮するコンプレッサ５１、圧縮された冷媒を冷却するガスクーラ５２、冷却された冷媒を絞り膨張させる膨張装置５３、膨張された冷媒を蒸発させるエバポレータ５４、冷凍サイクル中の余剰の冷媒を蓄えておくとともに蒸発された冷媒から気相の冷媒を分離してコンプレッサ５１へ送るアキュムレータ５５を備え、さらに、ガスクーラ５２から膨張装置５３へ流れる冷媒とアキュムレータ５５からコンプレッサ５１へ流れる冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器５６を備えている。
【００６１】
膨張装置５３は、内部熱交換器５６に取り付けられている。その際に、膨張装置５３の感温部は、ガスクーラ５２から内部熱交換器５６に導入した冷媒の温度を感知するように配置され、差圧弁は、内部熱交換器５６を通過した高圧の冷媒を絞り膨張させてエバポレータ５４へ導出させるように配置される。
【００６２】
図１７は本発明による膨張装置の内部熱交換器への第１の取り付け例を示す要部断面図、図１８は本発明による膨張装置の内部熱交換器への第２の取り付け例を示す要部断面図ある。なお、これらの取り付け例で使用した膨張装置としては、図１２で示した第８の実施の形態に係る膨張装置の構成を持ったものにしてある。
【００６３】
まず、図１７に示した第１の取り付け例において、内部熱交換器５６は、そのボディ５７に、ガスクーラ５２から高圧の冷媒が導入される冷媒入口通路５８を有している。この冷媒入口通路５８は、内部熱交換器５６の中を通って冷媒入口通路５８と平行に形成された戻り通路５９に連通している。この戻り通路５９の終端部には、膨張装置５３を取り付ける取付孔６０が形成されている。取付孔６０は、ボディ５７の外側から戻り通路５９を介して冷媒入口通路５８まで貫通形成されており、膨張装置５３は、その感温部が冷媒入口通路５８内に位置するように取付孔６０に装着されている。取付孔６０に膨張装置５３が装着された状態で、その取付孔６０の開口端には、膨張装置５３の差圧弁の出口を覆うように、エバポレータ５４に通じるパイプ６１がボディ５７に取り付けられている。
【００６４】
膨張装置５３は、取付孔６０に装着されたときには、差圧弁の上流側が戻り通路５９と連通するようになっており、差圧弁の高圧の上流側と低圧の下流側との間のボディ外周は、Ｏリングによるシールが行われ、冷媒入口通路５８と戻り通路５９との間のボディ外周にも、シール用のＯリングが設けられている。
【００６５】
以上のように取り付けられた膨張装置５３は、その感温部が冷媒入口通路５８内に位置しているので、ガスクーラ５２から導入された冷媒の温度を直接感知している。したがって、膨張装置５３は、その差圧弁が高圧の冷媒を差圧制御しながら、その冷媒の入口温度に応じて差圧弁の可動弁座を制御することになる。これにより、膨張装置５３は、冷媒の入口温度対して常に効率が最大となるように高圧を制御することができる。
【００６６】
また、図１８に示した第２の取り付け例によれば、内部熱交換器５６のボディ５７が熱伝導性の良い材料で作られているのを利用して、膨張装置５３には、隔壁６２を介して感温させるようにしている。すなわち、膨張装置５３の感温部が収容される部屋の隔壁６２を、冷媒入口通路５８内に突出するようにボディ５７と一体に、かつ、挿入された感温部が隔壁６２に密着するような寸法に形成している。これにより、冷媒入口通路５８を流れる冷媒の温度は、隔壁６２に伝熱され、さらに、この隔壁６２から膨張装置５３の感温部に伝熱されるようになる。この場合、膨張装置５３には、冷媒入口通路５８と戻り通路５９との間をシールするＯリングは不要である。
【００６７】
以上、本発明の好ましい実施の形態では、感温部３はワックス１６の温度による体積膨張係数の変化を利用して差圧弁２の開度を制御しているが、ワックス１６に代えて体積膨張係数の大きい液体、たとえばアルコールなどを用いて感温部３を構成しても良い。この場合、液体の温度変化に対する体積膨張係数の変化は、広い温度変化範囲に亘ってリニアであるため、図５に示した温度勾配の間隔は均等に表される。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】第１の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。
【図２】感温部の温度特性を示す図である。
【図３】第１の実施の形態に係る膨張装置の冷媒圧力が高くなったときの動作状態を示す中央縦断面図である。
【図４】第１の実施の形態に係る膨張装置の冷媒温度が低くなったときの動作状態を示す中央縦断面図である。
【図５】第１の実施の形態に係る膨張装置の前後の差圧と温度と絞り通路断面積の関係を示す図である。
【図６】第２の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。
【図７】第３の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。
【図８】第４の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。
【図９】第５の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。
【図１０】第６の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。
【図１１】第７の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。
【図１２】第８の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。
【図１３】第９の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。
【図１４】第１０の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。
【図１５】第１１の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。
【図１６】本発明による膨張装置を適用した冷凍サイクルのシステム図である。
【図１７】本発明による膨張装置の内部熱交換器への第１の取り付け例を示す要部断面図である。
【図１８】本発明による膨張装置の内部熱交換器への第２の取り付け例を示す要部断面図ある。
【符号の説明】
【００６９】
１  パイプ
２  差圧弁
３  感温部
４  ボディ
５  弁孔
６  弁体
７  出口ポート
８  ピストン
９  シリンダ
１０  蓋
１１  調圧室
１２  圧力通路
１３  スプリング
１４  ベローズ
１５  封止部材
１６  ワックス
１７  スプリング
１８  カップ状部材
１９  フィルタ
２０  ばね受部
２１  カップ状部材
２２  筒状ハウジング
２３  ホルダ
２４  ディスク
２５  ばね受部材
２６  入口ポート
２７  バイアススプリング
２８  カップ状部材
２９  ダイヤフラム
３０  変位伝達部材
３１  ボール
３２  可動弁座
３３  筒状弁体
３４，３５  スプリング
３６  オリフィス
３７  溝
３８  連通孔
３９  シリンダ
４０  ピストン
４１  ダンパ室
４２  筒状可動弁座
４３  弁体
４４  連通孔
４５  ガイド
４６  閉止部
４７  オリフィス
５１  コンプレッサ
５２  ガスクーラ
５３  膨張装置
５４  エバポレータ
５５  アキュムレータ
５６  内部熱交換器
５７  ボディ
５８  冷媒入口通路
５９  戻り通路
６０  取付孔
６１  パイプ
６２  隔壁
【図１】
2006266660.tif 000003
【図２】
2006266660.tif 000004
【図３】
2006266660.tif 000005
【図４】
2006266660.tif 000006
【図５】
2006266660.tif 000007
【図６】
2006266660.tif 000008
【図７】
2006266660.tif 000009
【図８】
2006266660.tif 000010
【図９】
2006266660.tif 000011
【図１０】
2006266660.tif 000012
【図１１】
2006266660.tif 000013
【図１２】
2006266660.tif 000014
【図１３】
2006266660.tif 000015
【図１４】
2006266660.tif 000016
【図１５】
2006266660.tif 000017
【図１６】
2006266660.tif 000018
【図１７】
2006266660.tif 000019
【図１８】
2006266660.tif 000020