(57)【要約】【課題】内部熱交換器を使用した冷凍サイクルにて冷凍負荷が高いときに、圧縮機から吐出された冷媒の温度が高くなり過ぎないように制御する膨張弁にする。【解決手段】膨張弁５から蒸発器へ送り出される冷媒の圧力Ｐｘと蒸発器から戻ってきた冷媒の圧力Ｐｅとの差圧を感知してセット値調整用のスプリング１９の荷重を可変する感圧アクチュエータ１３を備え、冷凍負荷が非常に高く、多量の冷媒が循環しているとき、蒸発器の前後差圧が所定値より高くなるのを感知し、スプリング１９の荷重を小さくしてセット値を上げるようにする。膨張弁５が湿り分を多く含む冷媒を蒸発器へ送り込むことで、蒸発器を出る冷媒の温度を低下させ、内部熱交換器で熱交換されて圧縮機に吸入される冷媒の過熱度を抑えるようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸発器の出口における冷媒の温度および圧力を感知して前記蒸発器に送り出す冷媒の流量を制御する膨張弁において、
前記蒸発器に送り出す冷媒の圧力と前記蒸発器から戻ってきた冷媒の圧力との差圧に応じてセット値を変更する感圧アクチュエータを備えていることを特徴とする膨張弁。
【請求項２】
前記感圧アクチュエータは、前記差圧が所定値を超えて大きくなると、セット値調整用のスプリングの荷重を小さくして前記セット値を大きくする方向に変更するものであることを特徴とする請求項１記載の膨張弁。
【請求項３】
前記感圧アクチュエータは、出口ポート側の圧力を開弁方向に受け、前記蒸発器から戻ってきた冷媒の圧力を閉弁方向に受けて前記差圧が前記所定値を超えて大きくなると前記スプリングの荷重を小さくする方向に変位するダイヤフラムと、前記差圧が前記所定値になるまでは前記ダイヤフラムを所定の変位位置に保持するよう付勢する付勢手段とを有し、一端が弁体に対してその閉弁方向に付勢している前記スプリングの他端を前記ダイヤフラムが受けていることを特徴とする請求項２記載の膨張弁。
【請求項４】
前記感圧アクチュエータは、出口ポート側の圧力を開弁方向に受け、前記蒸発器から戻ってきた冷媒の圧力を閉弁方向に受けて前記差圧が前記所定値を超えて大きくなると前記スプリングの荷重を小さくする方向に変位するピストンと、前記差圧が前記所定値になるまでは前記ピストンを所定の変位位置に保持するよう付勢する付勢手段とを有し、一端が弁体に対してその閉弁方向に付勢している前記スプリングの他端を前記ピストンが受けていることを特徴とする請求項２記載の膨張弁。
【請求項５】
前記感圧アクチュエータは、弁ケース内に摺動自在に配置され、出口ポート側の圧力を前記スプリングから離れる方向に受け、前記蒸発器から戻ってきた冷媒の圧力を前記スプリングに向かう方向に受けて前記差圧が前記所定値を超えて大きくなると前記スプリングの荷重を小さくする方向に摺動するボディと、前記差圧が前記所定値になるまでは前記ボディを所定の位置に保持するよう付勢する付勢手段とを有し、一端が弁体に対してその閉弁方向に付勢している前記スプリングの他端を前記弁ケースに固定したばね受け部材が受けていることを特徴とする請求項２記載の膨張弁。
【請求項６】
レシーバから送り出された高温・高圧の冷媒と圧縮機の入口へ戻される低温・低圧の冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器と前記蒸発器との間に配置されたケース内に収容され、前記ケース内にて、パワーエレメントが前記蒸発器から導入された冷媒の温度および圧力を感知し、入口ポートが前記内部熱交換器から高温・高圧の冷媒を受ける配管と接続され、出口ポートが前記蒸発器の冷媒入口と接続されている温度式膨張弁であることを特徴とする請求項２記載の膨張弁。
【請求項７】
前記感圧アクチュエータは、前記差圧が所定値を超えて大きくなると、弁座が移動して前記セット値を大きくする方向に変更するものであることを特徴とする請求項１記載の膨張弁。
【請求項８】
前記感圧アクチュエータは、前記弁座を保持していて、出口ポート側の圧力を弁体から離れる方向に受け、前記蒸発器から戻ってきた冷媒の圧力を前記弁体に近づく方向に受けて前記差圧が前記所定値を超えて大きくなると前記弁体から離れる方向に変位する感圧ピストンと、前記差圧が前記所定値になるまでは前記感圧ピストンを所定の変位位置に保持するよう付勢する付勢手段とを有していることを特徴とする請求項７記載の膨張弁。
【請求項９】
弁部は、パワーエレメントが前記蒸発器の出口における冷媒の温度および圧力を感知することによるダイヤフラムの変位を弁座の下流側に配置された弁体に伝達するシャフトを備え、前記シャフトは、弁孔を貫通して延びていて前記弁体に固定された小径部と前記弁孔の内径と同じ外径を有していて導入された高圧を閉弁方向に受圧する大径部とが一体に形成され、導入された高圧をキャンセルするようにしたことを特徴とする請求項１記載の膨張弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は膨張弁に関し、特に車両用空調装置の冷凍サイクルにて蒸発器を出た冷媒の温度および圧力に応じてその蒸発器に送り出す冷媒の流量を制御する膨張弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用空調装置においては、地球温暖化に係る環境問題から、冷凍サイクルの使用冷媒を代替フロン（ＨＦＣ−１３４ａ）から自然冷媒（二酸化炭素）に切り換えることが提案されている。冷媒に二酸化炭素を使用した冷凍サイクルにおいても、システムの基本的な構成は同じであるが、一般には、システムの効率を上げるために、内部熱交換器が使用されている（たとえば、特許文献１参照。）。
【０００３】
内部熱交換器は、圧縮機によって圧縮された高温高圧の冷媒を冷却するガスクーラから膨張弁に至る経路を流れる冷媒と、アキュムレータから圧縮機に至る経路を流れる冷媒との間で熱交換を行うように構成されている。これによって、ガスクーラを出た冷媒が内部熱交換器によってさらに冷却されることで膨張弁および蒸発器の入口の冷媒のエンタルピを低下させ、また、アキュムレータから吸い出された冷媒が内部熱交換器によってさらに過熱されることで圧縮機の入口の冷媒のエンタルピを上昇させるので、システムの効率、すなわち、成績係数および冷凍能力を向上させることができる。
【０００４】
これに対して、冷媒にＨＦＣ−１３４ａまたはこれと同等もしくは類似の特性を有するガスを使用した冷凍サイクルにおいても、内部熱交換器を取り入れたシステムが考えられており、システムの効率が改善されるものと期待されている。
【特許文献１】特開２００１−１０８３０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、冷媒にＨＦＣ−１３４ａを使用した冷凍サイクルにおいては、膨張弁として温度式膨張弁が一般に使用されている。この温度式膨張弁は、蒸発器の出口における冷媒が所定の過熱度を有するように制御している。このため、凝縮器から膨張弁に至る経路を流れる冷媒と、蒸発器から圧縮機に至る経路を流れる冷媒との間で熱交換を行うように内部熱交換器を設けた冷凍サイクルでは、蒸発器の出口で既に所定の過熱度を有する冷媒に対して内部熱交換器でさらに過熱してから圧縮機へ送られることになる。したがって、特に、冷凍サイクルが冷凍負荷の高い状態で運転されているときには、圧縮機で圧縮された冷媒の温度が高くなり過ぎる傾向があり、圧縮機の潤滑オイルが高温度で劣化してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、内部熱交換器を使用した冷凍サイクルにて冷凍負荷が高いときに圧縮機で圧縮された冷媒の温度が高くなり過ぎないようにすることができる膨張弁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】
【０００７】
本発明では上記問題を解決するために、蒸発器の出口における冷媒の温度および圧力を感知して前記蒸発器に送り出す冷媒の流量を制御する膨張弁において、前記蒸発器に送り出す冷媒の圧力と前記蒸発器から戻ってきた冷媒の圧力との差圧に応じてセット値を変更する感圧アクチュエータを備えていることを特徴とする膨張弁が提供される。
【０００８】
このような膨張弁によれば、冷凍負荷が非常に高く、多量の冷媒が循環していて、蒸発器の前後差圧が所定値より高くなると、感圧アクチュエータがそれを感知して、セット値を上げるように変更し、湿り分を多く含む冷媒を蒸発器へ送り込むようにする。これにより、蒸発器を出る冷媒は、完全に蒸発しないで湿り分を含んだ状態で内部熱交換器に渡され、内部熱交換器では完全に蒸発され、さらに適度に過熱されて圧縮機に吸引される。圧縮機に吸入される冷媒は、蒸発器ではなく内部熱交換器で過熱されるようにしたことで、高温になり過ぎることがなく、圧縮機から吐出される冷媒についても、高温になり過ぎることを防止することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の膨張弁は、外気温が高くて冷凍負荷が非常に高いときのように、冷媒流量が多く流れているとき、感圧アクチュエータが蒸発器の前後差圧を感知して、セット値を上げるように変更する構成にしたので、蒸発器に液分の多い冷媒が送り込まれて蒸発器を出る冷媒の温度が下がり、結果として、圧縮機から吐出される冷媒の温度を下げることができることから、冷媒とともに冷凍サイクル内を循環している圧縮機の潤滑オイルの熱劣化を防止することができるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は自動車用空調装置の冷凍サイクルを示すシステム図である。
この自動車用空調装置の冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機１と、圧縮された冷媒を外気との熱交換により凝縮させる凝縮器２と、凝縮された冷媒を気液に分離するとともに冷凍サイクル内の余剰冷媒を蓄えておくレシーバ３と、内部熱交換器４と、気液分離された液冷媒を絞り膨張させる温度式の膨張弁５と、膨張された冷媒を車室内の空気との熱交換により蒸発させる蒸発器６とを備えている。膨張弁５は、ケース７に収容されていて、その中で、冷媒入口が内部熱交換器４の高圧通路４ａの出口配管に接続され、冷媒出口が蒸発器６の入口配管に接続されている。ケース７では、蒸発器６の出口配管と内部熱交換器４の低圧通路４ｂの入口配管とがそれぞれ中に開口している。
【００１１】
内部熱交換器４は、膨張弁５へ高温・高圧の冷媒を流す高圧通路４ａと圧縮機１へ低温・低圧の冷媒を流す低圧通路４ｂとを有し、高圧通路４ａを流れる高温・高圧の冷媒と低圧通路４ｂを流れる低温・低圧の冷媒との間で熱交換を行う。これにより、高圧通路４ａの冷媒は、低圧通路４ｂの冷媒によって過冷却され、低圧通路４ｂの冷媒は、高圧通路４ａの冷媒によって過熱されることになるため、冷凍サイクルの効率を向上させることができる。
【００１２】
ここで、本発明による膨張弁５は、蒸発器６の冷媒入口と冷媒出口との差圧を感知して過熱度設定値であるセット値を可変するよう動作するもので、蒸発器６を流れる冷媒の流量が多くなって蒸発器６での圧力損失が大きくなるとセット値を上げるよう変更するものである。したがって、冷凍負荷が高くなることによって冷凍サイクルを循環する冷媒の流量が増加し、蒸発器６の圧力損失が所定値を超えると、膨張弁５は、セット値を上げるように変更する。これにより、膨張弁５は、より開弁し易い状態になるので、絞り膨張する冷媒の流量を増加させ、湿り分の多い冷媒を蒸発器６へ供給することになる。この結果、蒸発器６では、供給された冷媒が完全に蒸発し切れずに、湿り冷媒を含んだ状態のまま出て来るようになり、それが、内部熱交換器４を通って圧縮機１へ流れることになる。その内部熱交換器４では、湿り冷媒を含んだ状態の冷媒を完全に蒸発させ、さらに、適度な過熱度を持つように熱交換されるので、圧縮機１へ戻される冷媒の温度が高くなり過ぎることがなくなり、もちろん、圧縮された冷媒も高温になり過ぎてしまうことがなくなることから、圧縮機１の潤滑オイルの熱劣化が防止される。
【００１３】
図２は第１の実施の形態に係る膨張弁を示す断面図、図３は膨張弁の弁体の詳細を示す図２のａ−ａ矢視拡大断面図、図４は感温室の温度−圧力特性を示す図、図５は冷凍負荷の違いによる動作説明のためのモリエル線図である。なお、図中、矢印は冷媒の流れ方向を示している。
【００１４】
この膨張弁５は、高温・高圧の液冷媒を絞り膨張させて低温・低圧の冷媒にする弁部１１と、蒸発器６を出た冷媒の温度および圧力を感知して弁部１１における冷媒の流量を制御するパワーエレメント１２と、蒸発器６の冷媒入口と冷媒出口との差圧を感知してセット値を変更する感圧アクチュエータ１３とを備えている。
【００１５】
弁部１１は、ボディ１４の側部にレシーバ３から高温・高圧の液冷媒が導入される入口ポート１５を有し、その反対側の側部には、膨張された冷媒を蒸発器６へ送り出す出口ポート１６を有している。ボディ１４の中には、入口ポート１５と出口ポート１６とが内部で連通する通路が形成され、その通路の途中に弁座１７が形成されている。
【００１６】
この弁座１７の下流側には、弁座１７に対して接離自在な弁体１８が配置されている。弁体１８は、セット値調整のためのスプリング１９により閉弁方向に付勢された状態で配置されている。弁体１８は、また、シャフト２０に固定されている。このシャフト２０は、弁体１８の開閉方向にボディ１４によって進退自在に支持された大径部２０ａと、弁座１７の弁孔を介して延びている小径部２０ｂとを有し、その小径部２０ｂには弁体１８が固定されている。シャフト２０の大径部２０ａは、弁孔の内径と同じ外径を有しており、弁体１８がその開弁方向に入口ポート１５に導入された高圧を受圧するのに対し、閉弁方向に同じ高圧を受圧して高圧をキャンセルするようにしている。また、シャフト２０の大径部２０ａには溝が周設され、その溝にはＯリング２１が嵌め込まれていて、入口ポート１５に導入された高圧の冷媒がボディ１４とシャフト２０の大径部２０ａとの間のクリアランスを介してパワーエレメント１２内に漏れるのを防止している。シャフト２０の小径部２０ｂに固定されている弁体１８は、これを弁座１７に対して接離自在にガイドするガイド１８ａが一体に形成されている。このガイド１８ａは、弁座１７に着座する部分より中心側の部分から弁孔を介して延びていて、図３に詳細に示したように、弁孔の内壁を摺動する３つの突出部を有し、突出部の間の空間は、高圧の冷媒が通過する通路を構成している。
【００１７】
ボディ１４の図の上部に螺着されているパワーエレメント１２は、ダイヤフラム２２を挟んでその両側にアッパーハウジング２３およびロアハウジング２４が配置され、これらの外周縁部を互いに溶着することによって構成されている。ダイヤフラム２２とアッパーハウジング２３とによって囲まれた部屋には、冷凍サイクルの冷媒に類似した特性のガスを主体としたガスが封入され、感温室を構成している。ロアハウジング２４は、その中央開口部がボディ１４に螺着され、少なくとも１つの連通孔２５が穿設されている。ロアハウジング２４の中には、ダイヤフラム２２の変位をシャフト２０へ伝達するディスク２６が配置されている。
【００１８】
ここで、パワーエレメント１２の感温室における温度−圧力特性について図４を参照して説明する。この図において、横軸は感温室温度、縦軸は感温室圧力を表しており、細い実線Ｒは、冷凍サイクルに用いられている冷媒ガスの飽和特性を示し、細い一点鎖線Ａ０は、感温室に充填されたガスの飽和特性であって、従来の膨張弁の開弁特性を示している。図４に示す太い実線Ａは、この膨張弁５の開弁特性を示しており、蒸発器６の入口と出口との差圧により開弁特性が移動するようになっている。
【００１９】
ボディ１４の図の下部には、感圧アクチュエータ１３が螺着されている。この感圧アクチュエータ１３は、ダイヤフラム２７を挟んでその両側にアッパーハウジング２８およびロアハウジング２９が配置され、これらの外周縁部を固定部材３０で互いに挟持させることによって構成されている。ダイヤフラム２７の両面には、センターディスク３１，３２が配置され、これらの中央部を貫通して配置されたばね受け部材３３によって固定されている。センターディスク３１，３２は、それらの外周縁部がダイヤフラム２７から離れる側に起立されていて、ダイヤフラム２７が所定量変位したときに、アッパーハウジング２８またはロアハウジング２９に当接するようにして、ダイヤフラム２７の変位を規制している。弁部１１と反対側のセンターディスク３２は、スプリング３４からなる付勢手段によって閉弁方向に付勢されている。そのスプリング３４は、ばね受け部材３５によって受けられ、ばね受け部材３５のロアハウジング２９への螺入量にてばね荷重が調整されている。弁体１８を閉弁方向に付勢しているスプリング１９のばね荷重は、アッパーハウジング２８をボディ１４に螺着するときのねじ込み量にて調整されている。なお、アッパーハウジング２８とボディ１４との螺着部分は、Ｏリング３６によってシールされている。
【００２０】
以上の構成の膨張弁５において、感圧アクチュエータ１３は、センターディスク３１がアッパーハウジング２８の内壁に当接するようにスプリング３４によってダイヤフラム２７が閉弁方向に付勢され、膨張弁５の冷媒出口の圧力が蒸発器６の冷媒出口の圧力より所定値だけ大きくなるとダイヤフラム２７が開弁方向に変位するようスプリング３４の荷重が調整されている。セット値は、感圧アクチュエータ１３によって調整されている。
【００２１】
ここで、自動車用空調装置が停止しているとき、膨張弁５のパワーエレメント１２の感温室に封入されたガスは凝縮されて圧力が低くなっているので、図２に示したように、ダイヤフラム２２は感温室側へ変位しており、その変位は、ディスク２６、シャフト２０を介して弁体１８に伝達され、弁体１８はスプリング１９により弁座１７に着座して、膨張弁５は全閉状態にある。
【００２２】
ここで、自動車用空調装置が起動すると、蒸発器６の冷媒出口であるケース７の内部の冷媒が圧縮機１によって吸引されるので、蒸発器６の冷媒出口の圧力Ｐｅが低下し、これがパワーエレメント１２により感知されて、そのダイヤフラム２２が弁部１１の側へ変位し、シャフト２０を介して弁体１８をリフトさせるようになる。一方、圧縮機１によって圧縮された冷媒は凝縮器２にて凝縮され、レシーバ３にて気液分離された液冷媒が内部熱交換器４の高圧通路４ａを通じて膨張弁５の入口ポート１５に供給される。
【００２３】
入口ポート１５に供給された高温・高圧の液冷媒は、膨張弁５を通過するときに絞り膨張され、低温・低圧の気液混合冷媒となって出口ポート１６を出る。その冷媒は、蒸発器６に送り込まれ、内部で蒸発されて、冷媒出口から出て来る。ここで、蒸発器６に送り込まれる冷媒の圧力は、圧力Ｐｘとし、蒸発器６から戻ってケース７内に入る冷媒の圧力は、圧力Ｐｅとする。ケース７内の冷媒は、内部熱交換器４および低圧配管を介して圧縮機１に戻る。
【００２４】
パワーエレメント１２のダイヤフラム２２とロアハウジング２４とによって囲まれた空間は、連通孔２５を介してケース７の内部と連通しているので、蒸発器６から戻ってきた冷媒がケース７を通過するとき、その冷媒が導入されてその温度がパワーエレメント１２によって感知される。自動車用空調装置の起動初期の段階では、車室内の高温の空気との熱交換により、蒸発器６から戻ってくる冷媒の温度は高くなっており、パワーエレメント１２はその温度を感知し、感温室の圧力も高くなっている。これにより、ダイヤフラム２２は、弁体１８の側へ大きく変位し、その変位はシャフト２０を介して弁体１８に伝達され、膨張弁５は全開状態になる。
【００２５】
やがて、蒸発器６から戻ってくる冷媒の温度が低下してくると、感温室の圧力が低くなるので、それに応じてダイヤフラム２２が弁体１８から離れる側へ変位していき、膨張弁５は、閉弁方向に動作してこれを通過する冷媒の流量を制御するようになる。このとき、膨張弁５は、蒸発器６を出た冷媒の温度を感知して、その冷媒が所定の過熱度を保持するように蒸発器６に供給する冷媒の流量を制御することになる。これによって、圧縮機１には、常に過熱状態の冷媒が戻ることになるので、圧縮機１は、効率の良い運転をすることができる。
【００２６】
以上の動作は、冷凍負荷がそれほど高くなく、蒸発器６を冷媒が通過する流量も少ない場合であり、このとき、蒸発器６での圧力損失も少ないので、蒸発器６の入口と出口との差圧、つまり、圧力Ｐｘと圧力Ｐｅとの差圧（Ｐｘ−Ｐｅ）もそれほど大きくなることはないことから、感圧アクチュエータ１３は、図２に示したように、スプリング３４によってセンターディスク３１がアッパーハウジング２８の内壁に当接した位置を保持している。この状態は、従来の膨張弁と変わらないので、この膨張弁５は、普通の温度式の膨張弁として動作していることになる。
【００２７】
一方、外気温度が非常に高いときのように冷凍負荷が高い状態で自動車用空調装置を起動するような場合、膨張弁５は継続して大流量の冷媒を流すことになる。このとき、蒸発器６を冷媒が通過するときの圧力損失が大きくなるので、膨張弁５の出口の圧力Ｐｘと蒸発器６の出口の圧力Ｐｅとの差圧（Ｐｘ−Ｐｅ）が大きくなる。感圧アクチュエータ１３がその差圧を感知するとダイヤフラム２２が開弁方向に変位していき、スプリング３４の付勢力に抗してセンターディスク３２がロアハウジング２９の内壁に当接するようになる。これに伴いばね受け部材３３も開弁方向に移動するので、スプリング１９の荷重が小さくなり、セット値が上がって、弁部１１はより開き易い状態に設定されたことになる。この結果、図４に示す温度−圧力特性において、膨張弁５のセット値が上がったことによって、開弁特性が点ａから点ｂに遷移することになる。開弁特性の点ｂでは、感温室内の圧力が冷媒の圧力Ｐｅよりも高くなるので、ダイヤフラム２２がシャフト２０を押し下げることになり、膨張弁５は、開いたままの状態になって、液分を多く含んだ冷媒を蒸発器６へ供給することになる。したがって、蒸発器６からは、冷媒が完全に蒸発することなく出て来るようになり、その湿り分を含む冷媒は、内部熱交換器４にて熱交換することにより、蒸発され、さらに適度に過熱されて圧縮機１に吸入される。このようにして、圧縮機１に吸入される冷媒は、適度な過熱度を有するように制御されるので、圧縮機１で圧縮された冷媒の温度が高くなり過ぎることもなくなり、冷媒とともに冷凍サイクル内を循環している圧縮機１の潤滑オイルの熱劣化がなくなる。
【００２８】
ここで、冷凍負荷が高いときに膨張弁５が開弁特性を変更することによって圧縮機１から吐出された冷媒の温度が高くなり過ぎないようになることについて、図５のモリエル線図を参照して説明する。
【００２９】
冷凍負荷がそれほど高くないときの冷凍サイクルは、図５にて細い実線Ｃ１で示したような挙動を示す。すなわち、蒸発器６を出た冷媒は、内部熱交換器４にて熱交換されて圧縮機１に吸入されるが、そのときの過熱度ＳＨ１はそれほど高くないので、圧縮機１から吐出された冷媒の温度も低い。
【００３０】
これに対し、冷凍負荷が非常に高いとき、従来の膨張弁では、図５にて一点鎖線Ｃ２で示したように、蒸発器６を出た段階で冷媒は過熱度を有しており、圧縮機１に吸入されるときには、内部熱交換器４でさらに過熱されているので、その過熱度ＳＨ２は非常に大きくなっている。このため、圧縮機１から吐出された冷媒の温度も高くなっている。
【００３１】
一方、本発明の膨張弁５は、冷凍負荷が非常に高いとき、蒸発器６の前後の差圧により開弁特性を変更して液分の多い冷媒を蒸発器６に送り込むようにしたことで、図５にて太い実線Ｃ３で示したように、蒸発器６の出口における冷媒の状態は、完全に蒸発されずに飽和液線と飽和蒸気線との間の飽和領域に入っている。このため、蒸発器６を出た冷媒は、内部熱交換器４にて同じように熱交換されても、それによる熱エネルギは湿り分の蒸発と適度な過熱とに使用されるので、圧縮機１の入口の冷媒は、過熱度ＳＨ２よりも小さな過熱度ＳＨ３にしかならず、必然的に、圧縮機１から吐出された冷媒の温度も低くなる。このように、本発明の膨張弁５は、冷凍負荷が非常に高いとき、過熱度を小さくできるので、吐出温度が高くなるのを防止することができる。
【００３２】
図６は第２の実施の形態に係る膨張弁を示す断面図である。なお、図６において、図２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。
【００３３】
この第２の実施の形態に係る膨張弁５ａは、第１の実施の形態に係る膨張弁５と比較して、出口ポート１６の向きと感圧アクチュエータ１３の構成とを変更している。すなわち、ボディ１４は、絞り膨張された冷媒が弁体１８の開閉方向に流出するように、図の下方へ筒状に延出されており、その中に、感圧アクチュエータを構成する部材が配置されている。その筒状に延出されたボディ１４の中には、外周にＶパッキン４１を設けた中空のピストン４２が弁体１８の開閉方向に進退自在に配置され、そのピストン４２の中空部には筒状のばね受け部材３３が圧入により固定されている。このばね受け部材３３は、セット値調整用のスプリング１９を受けており、そのスプリング１９の荷重は、ピストン４２をボディ１４の段差部１４ａに当接した状態でピストン４２へ圧入する位置を変更することによって調整される。
【００３４】
ボディ１４の図の下方の開口端には、筒状の３つの部材が筒状のばね受け部材３３を囲うように配置されている。まず、筒状部材４３がボディ１４の開口端にかしめ加工によって固定され、その筒状部材４３にはばね受け部材３５が圧入され、そのばね受け部材３５の開口端には、出口ポート１６を構成する筒状部材４４がかしめ加工により固定されている。ピストン４２とばね受け部材３５との間には、スプリング３４が配置されており、その荷重は、ばね受け部材３５を筒状部材４３へ圧入する位置によって調整される。ばね受け部材３５の内側には、Ｖパッキン４５が配置されて、ばね受け部材３３の外周との間の隙間をシールするようにしている。
【００３５】
また、ボディ１４およびこれによって固定されている筒状部材４３には連通孔４６が穿設されており、スプリング３４が収容されている空間とパワーエレメント１２が蒸発器６の出口における冷媒の圧力Ｐｅを感知している空間とを連通するようにしている。そして、先端の筒状部材４４には、蒸発器６の入口との連結部にてシールを行うＯリング４７が周設されている。
【００３６】
以上の構成の膨張弁５ａでは、ピストン４２が受圧する面積は、ボディ１４のＶパッキン４１が摺接している部分の内径を直径とする面積Ａから、ばね受け部材３３のＶパッキン４５が摺接している部分の外径を直径とする面積Ｂを差し引いた値になる。このような受圧面積（Ａ−Ｂ）に対して、蒸発器６に導入される圧力Ｐｘと蒸発器６から導出された圧力Ｐｅとの差圧（Ｐｘ−Ｐｅ）がかかるようになっており、第１の実施の形態に係る膨張弁５の感圧アクチュエータ１３と同じ機能を構成している。
【００３７】
したがって、冷媒が流れることによって生じる蒸発器６の圧力損失が小さいときは、スプリング３４によってピストン４２がボディ１４の段差部１４ａに当接されていて、ばね受け部材３３は動かないので、この膨張弁５ａは通常の膨張弁として機能する。冷凍負荷が非常に高いときのように、冷媒の流量が多くて差圧（Ｐｘ−Ｐｅ）が所定値を超えると、ピストン４２は、スプリング３４の付勢力に抗して図の下方の開弁方向に移動していく。これにより、ばね受け部材３３も開弁方向に移動するので、スプリング１９の荷重が小さくなり、セット値が上がる方向に変化されるので、膨張弁５ａから導出される冷媒は、より多くの液分を含んだ状態で蒸発器６へ送り込まれることになる。したがって、蒸発器６からは、冷媒が完全に蒸発していない湿り分を含む冷媒が出て来るようになり、そのような冷媒は、内部熱交換器４にて熱交換することにより、完全に蒸発された後、適度に過熱されて圧縮機１に吸入されるようになる。このため、圧縮機１に吸入される冷媒は、温度が高くなり過ぎることがなく、圧縮機１で圧縮された冷媒も温度が高くなり過ぎることはないので、冷媒とともに冷凍サイクル内を循環している圧縮機１の潤滑オイルの熱劣化を防止することができる。
【００３８】
図７は第２の実施の形態に係る膨張弁の適用例を示す断面図、図８は図７のｂ−ｂ矢視断面図、図９は内部熱交換器の連結部材を示す端面図、図１０は管継手を示す端面図である。
【００３９】
蒸発器６は、その一端面に、冷媒を導入する冷媒入口５１および冷媒を導出する冷媒出口５２を有している。冷媒入口５１には、入口配管５３が接合され、冷媒入口５１および冷媒出口５２を囲うように筒状の連結部５４が蒸発器６の端面に接合されている。好ましくは、これら入口配管５３および連結部５４は、蒸発器６を炉中ろう付け加工によって形成するときに一緒に蒸発器６に溶接されて、蒸発器６と一体に形成されている。
【００４０】
その連結部５４には、一端を閉じた筒状のケース７がＯリング５５を介して気密に接合されており、そのケース７の中に膨張弁５ａが収容されている。膨張弁５ａは、その出口ポート１６が蒸発器６の入口配管５３に接続され、入口ポート１５が内部熱交換器４に取り付けられた接続用配管５６に接続されている。
【００４１】
内部熱交換器４は、高圧通路４ａの内側に低圧通路４ｂが同心配置された二重管で構成されている。二重管の一端は、連結部材５７によって末端処理され、他端は管継手５８によって末端処理されている。
【００４２】
連結部材５７は、これをケース７側から見た端面として図９に示したように、断面Ｕ字形状の通路５７ａが貫通形成され、内部熱交換器４の低圧導入路を構成している。連結部材５７の中央には、接続用配管５６が嵌合される筒状部５７ｂが形成されている。この筒状部５７ｂの中央開口部は、図７および図８の断面図に見られるように、奥行き方向のほぼ中央まで延びており、さらにそこから、側面に貫通するように形成されて、内部熱交換器４の高圧導出路を構成している。連結部材５７の高圧導出路よりも奥側の端面は、筒状に形成されており、これと二重管の内側の低圧通路４ｂとが継合され、接合されている。二重管の外側の高圧通路４ａにおいても、連結部材５７の高圧導出路が開口する位置よりも先端側にて接合されている。なお、この連結部材５７は、断面Ｕ字形状の通路５７ａが貫通形成された引き抜き材を適当な長さに切断し、それを穴あけおよび切削加工することによって形成することができる。
【００４３】
管継手５８は、内部熱交換器４の側の端面に、高圧通路４ａが嵌合する第１の接続穴５８ａと、この第１の接続穴５８ａの中に同心配置されて低圧通路４ｂが嵌合する第２の接続穴５８ｂとを有している。第１の接続穴５８ａに嵌合された高圧通路４ａは、第１の接続穴５８ａの外周部分を内側にかしめて高圧通路４ａの先端近傍に形成されたリブと全周係合させることによって管継手５８に固定されている。
【００４４】
管継手５８は、また、図１０に示したように、エンジンルーム側の端面に、第１の接続穴５８ａと連通する第３の接続穴５８ｃと、第２の接続穴５８ｂと連通する第４の接続穴５８ｄとが並設されている。さらに、第３の接続穴５８ｃおよび第４の接続穴５８ｄに隣接してねじ穴５８ｅ，５８ｆが形成されている。このねじ穴５８ｅは、レシーバ３から延びる高圧配管をエンジンルーム側から第３の接続穴５８ｃに嵌合した後、その高圧配管の先端近傍に設けられた固定板を螺着するためのものであり、ねじ穴５８ｆは、圧縮機１の冷媒入口に向かう低圧配管をエンジンルーム側から第４の接続穴５８ｄに嵌合した後、その低圧配管の先端近傍に設けられた固定板を螺着するためのものである。
【００４５】
なお、内部熱交換器４は、円筒状のケース７の側面に接続しなければならないので、ケース７の側面の開口部には、筒状の連結部５９が接合されており、その連結部５９に連結部材５７によって閉止された低圧通路４ｂの端部が挿入されることによって接続されている。その接続部分のシールは、Ｏリング６０によって行われている。
【００４６】
以上のようにしてケース７に収容された膨張弁５ａと内部熱交換器４の高圧通路４ａとの接続状態およびケース７と内部熱交換器４の低圧通路４ｂとの接続状態は、クランプ装置６１によって維持されている。このクランプ装置６１は、ケース７の側面の半分を覆うように形成された第１繋止部材６１ａと、筒状の連結部５９を含むケース７の側面の残り半分を覆うように形成された第２繋止部材６１ｂと、これら第１繋止部材６１ａおよび第２繋止部材６１ｂを結合する固定ピン６１ｃとを有している。第１繋止部材６１ａおよび第２繋止部材６１ｂは、連結部５４とケース７との嵌合部を外側から全周に亘って被せる拘止部を有して、連結部５４とケース７との嵌合方向の動きを拘束するようにしている。第２繋止部材６１ｂは、その拘止部の他に、内部熱交換器４の低圧通路４ｂの先端近傍に形成されたリブに係止される係止部を有しており、第１繋止部材６１ａおよび第２繋止部材６１ｂを固定ピン６１ｃで結合したときに、低圧通路４ｂのリブが係止されて連結部５９から抜け出ないようにしている。
【００４７】
なお、内部熱交換器４については、二重管で構成し、その外側を高圧通路４ａにしたことで、内部熱交換器４の外側は高温の冷媒が流れることから常に高温になっている。このため、車室とエンジンルームとの間で管継手５８が取り付けられる隔壁と蒸発器６との間の配管に結露が発生することはないので、結露対策を不要にすることができる。
【００４８】
図１１は第３の実施の形態に係る膨張弁を示す断面図、図１２は第３の実施の形態に係る膨張弁の適用例を示す断面図である。なお、図１１および図１２において、図６および図７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。
【００４９】
上記の第１および第２の実施の形態に係る膨張弁５，５ａでは、蒸発器６の前後の差圧に応じてセット値調整用のスプリング１９の荷重を変化させる方法として、そのスプリング１９を受けているばね受け部材３３を蒸発器６の前後の差圧に従って弁体１８の開閉方向に移動させるようにした。これに対し、この第３の実施の形態に係る膨張弁５ｂでは、ばね受け部材３３を固定し、弁部１１およびパワーエレメント１２の側を蒸発器６の前後の差圧に応じて弁体１８の開閉方向に移動させている点で異なる。
【００５０】
この膨張弁５ｂは、弁部１１およびパワーエレメント１２を弁ケース７１内に弁体１８の開閉方向に進退自在に収納している。弁ケース７１の中には、弁部１１およびパワーエレメント１２の一体物の図の下方への移動を規制する段差部７１ａを有し、弁ケース７１の頂部には、その一体物の上限位置を規定する筒状のストッパ７２が圧入により固定されている。そのストッパ７２の中空部には、ばね受け部材３５が螺着され、そのばね受け部材３５とパワーエレメント１２との間にスプリング３４が配置されている。セット値調整用のスプリング１９は、弁ケース７１の中に螺着されたばね受け部材３３によって受けられている。
【００５１】
ボディ１４は、高圧の冷媒が導入される位置に高圧導入溝７３が周設されており、この高圧導入溝７３を挟んで軸線方向の両側にもシール用溝７４，７５が周設され、それぞれのシール用溝７４，７５にはＶパッキン７６，７７が設置されている。
【００５２】
以上の構成の膨張弁５ｂでは、ボディ１４の下流側の端面に蒸発器６に導入される圧力Ｐｘを受圧し、パワーエレメント１２が螺着されている側の端面には蒸発器６から導出された圧力Ｐｅを受圧していて、それらの差圧（Ｐｘ−Ｐｅ）が大きくなると、ボディ１４がセット値調整用のスプリング１９の荷重を小さくする方向に変化させるよう移動するので、第１の実施の形態に係る膨張弁５の感圧アクチュエータ１３と同じ機能を有していることになる。
【００５３】
圧力Ｐｘと圧力Ｐｅとの差圧（Ｐｘ−Ｐｅ）が小さいとき、ボディ１４は、スプリング３４により図の下方へ押し下げられて段差部７１ａに当接されている。この状態では、この膨張弁５ｂは通常の膨張弁として機能する。
【００５４】
一方、冷凍負荷が非常に高く、冷媒の流量が多くて差圧（Ｐｘ−Ｐｅ）が所定値を超えると、ボディ１４は、スプリング３４の付勢力に抗して段差部７１ａから離れていく。これにより、スプリング１９の荷重が小さくなり、セット値が上がる方向に変化されるので、膨張弁５ａから導出される冷媒は、より多くの液分を含んだ状態で蒸発器６へ送り込まれるようになる。したがって、蒸発器６からは湿り分を含む冷媒が出て来るようになり、その冷媒は、内部熱交換器４にて熱交換されることで完全に蒸発され、さらに、適度に過熱されて圧縮機１に吸入されるようになる。このため、圧縮機１に吸入される冷媒は、温度が高くなり過ぎることがなく、圧縮機１で圧縮された冷媒も温度が高くなり過ぎることはないので、冷媒とともに冷凍サイクル内を循環している圧縮機１の潤滑オイルの熱劣化を防止することができる。
【００５５】
図１３は第４の実施の形態に係る膨張弁を示す断面図、図１４は図１３のｃ−ｃ矢視断面図、図１５は第４の実施の形態に係る膨張弁の適用例を示す断面図、図１６は蒸発器出口圧力に対するリフト特性を示す図である。なお、図１３ないし図１５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。
【００５６】
蒸発器６の前後の差圧に応じてセット値を変化させる方法として、上記の第１ないし第３の実施の形態に係る膨張弁５，５ａ，５ｂでは、その弁体１８を閉弁方向に付勢していたスプリング１９の荷重を小さくする方向に変化させていた。これに対し、この第４の実施の形態に係る膨張弁５ｃでは、弁座１７の位置を蒸発器６の前後の差圧に応じて弁体１８の開閉方向にシフトさせるようにしている。
【００５７】
この膨張弁５ｃは、図１２に示すケース７および弁ケース７１を兼ねたようなボディ１４を有している。このボディ１４は、図の上端部には、パワーエレメント１２がかしめ加工により固定されることで閉止される開口部を有し、図の下端部は、蒸発器６の同心配置された二重管構成の入口配管５３および連結部５４が直接接続されるように出口ポート１６および低圧導入ポート８１が二重管構成になっており、側部には、高圧冷媒が導入される入口ポート１５および圧縮機１へ低圧冷媒を戻すための低圧導出ポート８２が同心配置されている。
【００５８】
ボディ１４の中央には、感圧ピストン８３が弁体１８の開閉方向に進退自在に収容されるシリンダと、感圧ピストン８３の図の下方への移動を規制する段差部１４ａとを有している。感圧ピストン８３は、パワーエレメント１２との間に配置されたスプリング８４によって段差部１４ａに当接するように付勢されている。感圧ピストン８３が収容されているシリンダの周囲には、図１４の横断面図に見られるように、断面扇形状の４つの低圧冷媒通路８５が並設され、下端部では、出口ポート１６の周囲に連通し、上端部では、パワーエレメント１２に隣接する空間に連通している。なお、図１３は、ボディ１４については図１４のｄ−ｄ矢視断面であり、感圧ピストン８３については図１４のｄ−ｄ’矢視断面で示している。
【００５９】
感圧ピストン８３は、入口ポート１５に対応する部分に高圧導入溝７３が周設され、さらに、図１４に示されるように、四方に冷媒導入孔が穿設されている。これにより、感圧ピストン８３のＶパッキン７６が周設されている下端部分とＶパッキン７７が周設されている部分との間は、４つの脚部８３ａによって連結された状態になっている。Ｖパッキン７６が周設されている感圧ピストン８３の下端部分には、かしめ加工によって、シャフトガイド８６およびリング状の弁座１７が内設されている。
【００６０】
弁体１８と一体のシャフトは、そのパワーエレメント１２の側の端部にカラー部材８７が配置されているこのカラー部材８７は、弁座１７の内径に略等しい外径を有し、入口ポート１５に導入された高圧をキャンセルする構成にしてある。
【００６１】
弁体１８が配置されている、出口ポート１６と同軸のシリンダには、弁体１８を閉弁方向に付勢するスプリング１９およびこのスプリング１９を受けているばね受け部材３３が配置されている。ばね受け部材３３は、そのシリンダ内に圧入されており、その圧入量によってスプリング１９のセット値が調整されている。
【００６２】
なお、この第４の実施の形態に係る膨張弁５ｃでは、パワーエレメント１２は、大気に露出された状態でボディ１４に装着されるため、ボディ１４との嵌合部をＯリング８８によってシールしている。
【００６３】
以上の構成の膨張弁５ｃは、図１５に示すように、ボディ１４の出口ポート１６は、蒸発器６の入口配管５３に嵌合され、ボディ１４の低圧導入ポート８１は、蒸発器６の連結部５４に嵌合されてかしめ加工により結合されている。同様に、ボディ１４の入口ポート１５は、内部熱交換器４の高圧通路４ａに嵌合され、ボディ１４の低圧導出ポート８２は、内部熱交換器４の低圧通路４ｂに嵌合されてかしめ加工により結合されている。
【００６４】
以上の構成の膨張弁５ｃでは、弁体１８の開閉方向に進退自在に配置されて弁座１７を保持している感圧ピストン８３は、弁体１８が配置されている側の端面に蒸発器６に導入される圧力Ｐｘを受圧し、スプリング８４が押圧している側の端面には蒸発器６から導出された圧力Ｐｅを受圧している。したがって、それらの差圧（Ｐｘ−Ｐｅ）が大きくなると、感圧ピストン８３がスプリング８４の付勢力に抗してパワーエレメント１２の方向に移動することによって弁座１７が弁体１８から離れる方向にシフトするので、膨張弁５ｃは、開弁しやすい状態になる。このため、感圧ピストン８３は、差圧（Ｐｘ−Ｐｅ）が大きくなると、弁体１８を閉弁方向に付勢しているスプリング１９の荷重を小さくして開弁しやすい状態にすることでセット値を大きくする方向に変更した第１の実施の形態に係る膨張弁５の感圧アクチュエータ１３と基本的に同じ機能を有していることになる。
【００６５】
このセット値の変更を図１６に示すリフト特性で説明すると、ここに例示した曲線は、パワーエレメント１２が感温している冷媒の温度がたとえば０℃のときのリフト特性を示している。ここで、蒸発器６に導入される圧力Ｐｘと蒸発器６から導出された圧力Ｐｅとの差圧（Ｐｘ−Ｐｅ）が小さいとき、感圧ピストン８３は、図１３に示したように、スプリング８４の付勢力によって段差部１４ａに当接されていて動かないので、圧力Ｐｅの変化による弁体１８のストローク範囲は、Ｌ１であり、そのとき、開弁を開始するときの圧力Ｐｅがセット値Ｐｓｅｔ１になっている。差圧（Ｐｘ−Ｐｅ）が大きくなって感圧ピストン８３が図１５に示したようにスプリング８４の付勢力に抗して段差部１４ａから離れていくと、弁座１７は弁体１８から離れる方向に移動するため、弁体１８のストローク範囲がＬ２に増加することになり、開弁を開始するときの圧力Ｐｅは高くなって、セット値Ｐｓｅｔ２に移動する。
【００６６】
このようにして、この膨張弁５ｃは、冷凍負荷が非常に高く、冷媒の流量が多くて差圧（Ｐｘ−Ｐｅ）がスプリング８４の荷重によって定まる所定値を超えると、セット値が上がる方向に変化されるので、膨張弁５ｃから導出される冷媒は、より多くの液分を含んだ状態で蒸発器６へ送り込まれるようになる。したがって、蒸発器６からは湿り分を含む冷媒が出て来るようになり、その冷媒は、内部熱交換器４にて熱交換されることで完全に蒸発され、さらに、適度に過熱されて圧縮機１に吸入されるようになる。このため、圧縮機１に吸入される冷媒は、温度が高くなり過ぎることがなく、圧縮機１で圧縮された冷媒も温度が高くなり過ぎることはないので、冷媒とともに冷凍サイクル内を循環している圧縮機１の潤滑オイルの熱劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】自動車用空調装置の冷凍サイクルを示すシステム図である。
【図２】第１の実施の形態に係る膨張弁を示す断面図である。
【図３】膨張弁の弁体の詳細を示す図２のａ−ａ矢視拡大断面図である。
【図４】感温室の温度−圧力特性を示す図である。
【図５】冷凍負荷の違いによる動作説明のためのモリエル線図である。
【図６】第２の実施の形態に係る膨張弁を示す断面図である。
【図７】第２の実施の形態に係る膨張弁の適用例を示す断面図である。
【図８】図７のｂ−ｂ矢視断面図である。
【図９】内部熱交換器の連結部材を示す端面図である。
【図１０】管継手を示す端面図である。
【図１１】第３の実施の形態に係る膨張弁を示す断面図である。
【図１２】第３の実施の形態に係る膨張弁の適用例を示す断面図である。
【図１３】第４の実施の形態に係る膨張弁を示す断面図である。
【図１４】図１３のｃ−ｃ矢視断面図である。
【図１５】第４の実施の形態に係る膨張弁の適用例を示す断面図である。
【図１６】蒸発器出口圧力に対するリフト特性を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  圧縮機
２  凝縮器
３  レシーバ
４  内部熱交換器
４ａ  高圧通路
４ｂ  低圧通路
５，５ａ，５ｂ  膨張弁
６  蒸発器
７  ケース
１１  弁部
１２  パワーエレメント
１３  感圧アクチュエータ
１４  ボディ
１４ａ  段差部
１５  入口ポート
１６  出口ポート
１７  弁座
１８  弁体
１８ａ  ガイド
１９  スプリング
２０  シャフト
２０ａ  大径部
２０ｂ  小径部
２１  Ｏリング
２２  ダイヤフラム
２３  アッパーハウジング
２４  ロアハウジング
２５  連通孔
２６  ディスク
２７  ダイヤフラム
２８  アッパーハウジング
２９  ロアハウジング
３０  固定部材
３１，３２  センターディスク
３３  ばね受け部材
３４  スプリング
３５  ばね受け部材
３６  Ｏリング
４１  Ｖパッキン
４２  ピストン
４３，４４  筒状部材
４５  Ｖパッキン
４６  連通孔
４７  Ｏリング
５１  冷媒入口
５２  冷媒出口
５３  入口配管
５４  連結部
５５  Ｏリング
５６  接続用配管
５７  連結部材
５７ａ  断面Ｕ字形状の通路
５７ｂ  筒状部
５８  管継手
５８ａ  第１の接続穴
５８ｂ  第２の接続穴
５８ｃ  第３の接続穴
５８ｄ  第４の接続穴
５８ｅ，５８ｆ  ねじ穴
５９  連結部
６０  Ｏリング
６１  クランプ装置
６１ａ  第１繋止部材
６１ｂ  第２繋止部材
６１ｃ  固定ピン
７１  弁ケース
７１ａ  段差部
７２  ストッパ
７３  高圧導入溝
７４，７５  シール用溝
７６，７７  Ｖパッキン
８１  低圧導入ポート
８２  低圧導出ポート
８３  感圧ピストン
８３ａ  脚部
８４  スプリング
８５  低圧冷媒通路
８６  シャフトガイド
８７  カラー部材
８８  Ｏリング
【図１】
2008215797.tif 000003
【図２】
2008215797.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008215797.tif 000006
【図５】
2008215797.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2008215797.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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