(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧側にある外部熱交換器（１４）と低圧側にある内部熱交換器（２１）の間に配置され、弁ハウジング（３３）を有し、入口圧力が高圧側の流入口（３４）に存在し、出口圧力が弁閉鎖部材（３９）を有する低圧側の流出口（３７）に存在し、前記弁閉鎖部材（３９）は、通路口（３６）の弁座（４１）から離れて開弁方向に移動させられ、冷媒の貫流を可能にするように前記流入口と前記流出口（３７）との間に配置され、少なくとも部分的に調整される範囲にわたる前記弁閉鎖部材（３９）の開閉運動を有し、この開閉運動は、前記流入口（３４）の入口圧力と前記流出口（３７）の出口圧力との間の差圧のレベルの関数として制御される膨張弁（１６）を備える空気調和装置を制御する方法であって、
前記弁閉鎖部材（３９）の開閉運動のために調整される範囲に対して、内部熱交換器（２１）の冷媒能力とコンプレッサ（１２）の仕事率の比として定義される成績係数を決定し、
臨界未満領域および超臨界領域両方における成績係数の最適条件を、前記コンプレッサ（１２）の最低動力に対する最大冷凍能力によって決定し、
高圧側と低圧側の間のそれぞれの差圧と、前記弁閉鎖部材の上流側の温度と、質量流量とに基づいて決定される前記弁閉鎖部材（３９）の開弁特性曲線を、前記成績係数の最適条件より取得する
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記弁閉鎖部材（３９）と前記弁座（４１）との間の開放断面は、差圧に応じて連続的に変化することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記弁閉鎖部材（３９）は、圧力補償の際、前記弁座（４１）内に保持されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記通路口（３６）の開弁の瞬間は、前記弁閉鎖部材（３９）の開弁方向とは逆に作用する復元装置（５１）によって設定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
取り付け装置（４９）が、前記弁閉鎖部材（３９）に作用し、前記復元装置（５１）を受容し、開弁の瞬間を設定するために前記閉鎖部材（３９）の保持部（４７）に沿って移動させられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
流入口（３４）と流出口（３７）を含む弁ハウジング（３３）と、前記流入口（３４）と前記流出口（３７）との間に配置されている通路口（３６）の弁座（４１）を閉鎖する弁閉鎖部材（３９）と、前記弁閉鎖部材（３９）の閉弁方向に作用する復元装置（５１）とを有し、前記弁閉鎖部材（３９）は、前記流入口（３３）の入口圧力と前記流出口（３７）の出口圧力との間の差圧に起因する開弁力によって、前記復元装置（５１）の力と逆の開弁方向に移動可能であり、超臨界領域に必要な冷媒の最小質量流量および臨界未満領域に必要な冷媒の最大質量流量に基づいて決定される開弁特性曲線を備えることを特徴とする膨張弁。
【請求項７】
前記弁閉鎖部材（３９）の前記開弁方向は、冷媒流れの方向にもたらされることを特徴とする請求項６記載の膨張弁。
【請求項８】
前記弁閉鎖部材（３９）は、前記弁座（４１）に対して出口圧力側に設けられ入口圧力側の前記通路口（３６）を通って延びる閉鎖部本体（４２）を有することを特徴とする請求項６記載の膨張弁。
【請求項９】
前記弁閉鎖部材（３９）は、円筒形閉鎖面、閉鎖面としての凸状又は凹状の湾曲側面、又は少なくとも２つの異なる傾斜を有する段付き形状の円筒形閉鎖面を有する閉鎖部本体（４２）を有することを特徴とする請求項６記載の膨張弁。
【請求項１０】
前記閉鎖部本体（４２）は、前記閉鎖部本体（４２）の外面よりも大きな開口寸法を有するノズル装置（３８）のノズル口（５８）によって囲まれていることを特徴とする請求項６記載の膨張弁。
【請求項１１】
前記弁閉鎖部材（３９）は、案内部（４４）によって、前記弁座（４１）が反対側に配置されているノズル装置（３８）内に案内されることを特徴とする請求項１０記載の膨張弁。
【請求項１２】
前記流入口（３４）を前記通路口（３６）に連結する少なくとも１つの横穴（５６）は、前記案内部（４４）と前記ノズル装置（３８）内の前記弁座（４１）との間に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の膨張弁。
【請求項１３】
前記弁閉鎖部材（３９）に作用し、前記ノズル装置（３８）に対して前記復元装置（５１）を固定する取り付け装置（４９）は、前記弁閉鎖部材（３９）の案内される部分（４６）の外側に設けられることを特徴とする請求項６記載の膨張弁。
【請求項１４】
前記取り付け装置（４９）は、前記閉鎖部材（３９）の保持部（４７）に沿って移動できるように配置されることを特徴とする請求項６記載の膨張弁。
【請求項１５】
前記弁閉鎖部材（３９）は、前記流入口（３４）又は前記流出口（３７）の内壁と係合する制動タブ（６２）を有するスリーブ（６１）を有することを特徴とする請求項６記載の膨張弁。
【請求項１６】
前記スリーブ（６１）は、前記取り付け装置（４９）に設けられることを特徴とする請求項１５に記載の膨張弁。
【請求項１７】
前記復元装置（５１）は、ばね要素、特に圧縮応力を受けて位置され得るばねとして設計されることを特徴とする請求項６記載の膨張弁。
【請求項１８】
前記弁閉鎖部材（３９）の少なくとも前記閉鎖部本体（４２）又は前記弁座（４１）は、突部又はくぼみ（６４）を有し、その結果として前記通路口（３６）の断面流れが、前記弁座（４１）の方に配置されている前記弁閉鎖部材（３９）の閉鎖位置における基本的な開口として開通されることを特徴とする請求項６記載の膨張弁。
【請求項１９】
前記復元装置（５１）の閉弁力又は前記弁閉鎖部材（３９）の開弁特性曲線は、超臨界領域に必要な冷媒の最小質量流量及び臨界未満領域に必要な冷媒の最大質量流量に基づいて決定されることを特徴とする請求項６に記載の膨張弁。
【請求項２０】
前記復元装置（５１）は、前記弁閉鎖部材（３９）と同軸に又はそれに隣接して配置されることを特徴とする請求項６記載の膨張弁。
【請求項２１】
前記弁ハウジング（３３）の前記流入口（３４）及び前記流出口（３７）は、供給配管（１７）及び排出配管（１８）に直接的に連結されることができることを特徴とする請求項６記載の膨張弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膨張弁とその制御方法に関し、より詳細には、冷媒としてＣＯ2で動作され、流入口と流出口を有し、さらに冷媒が貫流できるように流入口と流出口との間に配置された貫流口の弁座から離れて移動する弁部材を有する弁ハウジングを有する、車両用空気調和装置の形における膨張弁とその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素（ＣＯ2）は、将来の自動車の空気調和装置の冷却サイクルに好ましい冷媒である。この物質は、不燃性のため万一の事故の際に非常に安全であり、さらに環境汚染を考慮しなくて済むからである。また、Ｒ１３４ａ冷却サイクルと異なり、ＣＯ2冷却サイクルは超臨界領域でも動作する。
【０００３】
ＣＯ2を使用する空気調和装置の冷却サイクルで使用される膨張弁は、ドイツ特許公開第１００１２７１４号で既知である。この膨張弁は、圧力膨張のために、高圧側から低圧側に冷媒を移動させるための一定の断面を有する絞り開口部を有する。この断面は、貫流のために常に開いている。冷却サイクルにおいて、高圧側で過圧が形成されると、絞り開口部と平行に連結されているバイパス弁が開けられ、それによって最適高圧力を上回る過圧が低減される。バイパス弁は、高圧側において所定閾値を上回るときのみ開けられる。
【０００４】
この構成は、機能的に信頼できる膨張弁構造を提供するが、特定の空気調和装置の適用範囲全体にわたって最高の成績係数を達成するために、閾値とオリフィス径両方の設定をその空気調和装置に合わせる必要がある。
【０００５】
ドイツ特許公開第１０２１９６６７号は電子制御の膨張弁を開示している。その膨張弁は、さらなる絞り部がある、弁部材の移動のための電気的に作動可能な装置を有する。その絞り部の通路断面は、第１の絞り部の通路断面に結合されるかたちで調整され、第１の絞り部と直列に配置されることができる。電磁弁によって少なくともそのうちの１つが作動させられる少なくとも２つの絞り部のこの直列接続は、個々の絞り部における差圧が、絞り部が１つだけある場合よりも低くなることを意味する。これによって制御精度が向上する。具体的に、それによって、夏と冬との間に発生する差圧の差異に対応することが可能になる。
【０００６】
しかし、この解決策には、複雑な構造を必要とする、という欠点がある。電磁弁の作動には、圧力センサ、温度センサ又は制御回路にソフトウェアを有する制御ボックスの使用が必要であり、それによって膨張弁の生産と組み立てが高くついてしまう。
【特許文献１】ドイツ特許公開第１００１２７１４号
【特許文献２】ドイツ特許公開第１０２１９６６７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明は、生産と組み立てに費用がかからず、冷却サイクル動作に対して簡単な作動を可能にし、膨張弁の上流側において可能な限り最適高圧力が確立される、膨張弁とその制御方法を提案するという目的に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、入口圧力が高圧側の流入口に存在し、出口圧力が低圧側の流出口に存在する弁ハウジングと、通路口の弁座から離れて開弁方向に移動させられ、冷媒の貫流を可能にするように前記流入口と前記流出口との間に配置されている弁閉鎖部材とを有する膨張弁、特に、冷媒としてＣＯ2で動作する車両用空気調和装置の膨張弁を制御する方法であって、少なくとも部分的に調整される範囲にわたる前記弁閉鎖部材の開閉運動の一部分が、前記流入口の入口圧力と前記流出口の出口圧力との間の差圧のレベルに応じて制御されることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、冷却サイクルの高圧側にある流入口の入口圧力と低圧側にある流出口の出口圧力との間の差圧を使用して弁部材の開閉運動を制御する。この場合、弁部材を開閉するために冷却サイクル内に実際存在する圧力状態が使用され、それによって膨張弁を通る質量流量が制御される。
【００１０】
雰囲気温度がより低いたとえば秋と冬の場合、膨張弁の入口における高圧力は５０〜７０ｂａｒである。一方夏の間、高い雰囲気温度は１００〜１２０ｂａｒの高圧力を必要とする。低圧圧力は、冬と夏において、３５〜４５ｂａｒのままである。差圧による弁閉鎖部材の精確な制御により、結果的に、冷媒の質量流量が膨張弁の入口における絶対圧に関わらずエネルギ的にみて最適なやり方で計量され供給されるようになる。
【００１１】
本発明の有利な一構造によれば、弁閉鎖部材と弁座との間の開放断面が差圧に応じて連続的に変えられる。差圧の変化によって、質量流量を直接的に制御すように弁の開放断面の変化が直接的に影響を受ける。これによって、膨張弁全体にわたる圧力降下又は設定される最適高圧力が実際の状態に基づく所望のやり方で達成されることが可能になる。
【００１２】
本方法の他の有利な一構造によれば、通し穴の開弁の瞬間が、弁閉鎖部材の開弁方向と逆に働く復元装置によって設定される。これによって、弁閉鎖部材がそれを超えて開けられる差圧範囲をさらに設定するために、微調整が可能になる。
【００１３】
本発明によれば、最適高圧力における冷却サイクルの動作に必要な弁を通る質量流量が、流入口の入口圧力、流出口の出口圧力、弁閉鎖部材の上流側の温度から決定され、その情報から所望の弁開放断面が導出される膨張弁によって本発明の目的が達成される。弁開放断面を決定するためにこれらのパラメータを使用することによって、所望の質量流量が差圧に応じて膨張弁を通って流される。差圧により弁閉鎖部材の開閉運動が決定されるからである。これによって、超臨界領域すなわち約２７℃より高い雰囲気温度に対して、最適高圧力が達成され維持されることが可能になる。臨界未満領域において、より低い凝縮圧力は、エネルギ的にみて最適動作に近い外部熱交換器においてより小さな弁開放断面が設定されることを意味する。これによって、冷凍能力すなわち蒸発器側の熱量とコンプレッサの仕事率の間の比によって定義される成績係数ＣＯＰの増大がもたらされる。この成績係数は、臨界未満領域及び超臨界領域両方において最適条件を有し、この最適条件は、主に、外部熱交換器の下流側の冷媒温度、又は雰囲気温度すなわち外部熱交換器の入口における気温によって決まる。したがって、エネルギ的にみて最適な動作モードは、最低駆動力に対して最大冷凍能力が発生する場合達成される。臨界未満領域で最適ＣＯＰを達成するために、膨張弁は、外部熱交換器で低いレベルの過冷却が起きる程度まで閉じられなければならない。弁開口部がより大きく設定される場合、ＣＯＰはさらに悪化する。というのも冷媒の質量流量したがってコンプレッサの駆動力が上がる、又は有効な蒸発のエンタルピーが低下するからである。膨張弁が過度に閉じられる、すなわち開放断面が過度に低減される場合、高圧力は、より低い質量流量によって上昇され、コンプレッサの駆動力も上昇される。しかし、この場合、たとえば図４ｂに示されているように、ＣＯＰのより急激な悪化が見られる。
【００１４】
超臨界領域は、全く逆の特徴によって特徴付けられる。弁断面の低減は、定義された高圧力について到達される最適ＣＯＰから始まり、それによって直接的に高圧力の増大及びＣＯＰの低下が引き起こされる。別の方向において、弁断面の寸法の増大によって、高圧力及びＣＯＰの低下が引き起こされる。しかし、ＣＯＰの悪化は、後者の方が著しく顕著である。
【００１５】
さらに、流入口の入口圧力と流出口の出口圧力との間の差圧に起因する開弁力により弁閉鎖部材が復元装置とは逆の開弁方向に動かされる、本発明による膨張弁によって本発明の目的が達成される。この膨張弁は、差圧に起因する開弁力によって制御され、それによって任意の電気の助力の必要なしに膨張弁を通る質量流量を実際の周囲条件に合わせることが可能になる。
【００１６】
本発明の有利な一構造によれば、弁閉鎖部材の開弁方向は、冷媒流れの方向になるようにされている。これによって、有利な流れ特性が作り出され、それにより絞り部又は通路口を通って流れる間の質量流量の損失が低減される。
【００１７】
本発明の好ましい一構造によれば、弁閉鎖部材は、弁座に対して出口圧力側に設けられ入口圧力側の通路口を通って延びる閉鎖部本体を有する。これによって、結果的に弁閉鎖部材がより簡単な構成にされ、弁座に対する相対運動によって開放断面が連続的に変えられることが可能になる。
【００１８】
弁閉鎖部材が円錐形閉鎖面を備える閉鎖部本体を有することが好ましい。これによって、弁閉鎖部材の開弁運動の間、開放断面の寸法を連続的に増大させることが可能になる。さらに、代替として、円錐形閉鎖面を凸状又は凹状に湾曲された側面として設計することもできる。これによって、圧力膨張についての質量流量が高圧側の動作点に応じて制御され、それによってその質量流量についての開放断面の非直線的な変化が作動移動に応じてもたらされることが可能になる。閉鎖部本体と弁座の外部幾何形状は、最適高圧力動作を得るために開弁運動に応じて設定されるそれぞれの動作圧力における質量流量の所望量に合わせられる。
【００１９】
本発明の他の有利な一構造は、弁閉鎖部材の閉鎖部本体が、出口圧力側の閉鎖部本体の外面よりも大きな開口寸法を有するノズル装置のノズル口によって囲まれていることである。この結果、自由な流出及び通路口を通る流れになる。同時に、弁閉鎖部材は、弁座によってノズル装置内に閉じ込められたままにされる。あるいは、弁閉鎖部材を、入口圧力側又は出口圧力側に限って配置することもできる。その場合、復元装置は、圧力補償の間又は事前決定可能な低い差圧の場合通路口を閉じておくために、それに対応する方法で配置される。
【００２０】
本発明の有利な一実施態様では、弁部材は、ノズル装置内の案内部によって案内され、弁座とは反対側に位置決めされている。ノズル装置のこの構造により、膨張弁は、少ない数の構成要素で構築されることが可能になる。有利には、このノズル装置を、加圧、圧締め又はねじ留めなどによってハウジングに取り付けることができる。
【００２１】
有利には、質量流量は、案内部と弁座の間の横穴を介してノズル装置に供給される。これら横穴は、好ましくは、直接的に弁座における通路口に開口し、それによって開位置における通路口を通る冷媒の妨害されない供給と通過が可能になる。
【００２２】
弁閉鎖部材がノズル装置を通る案内される部分の外側に保持部を有し、そこにはノズル装置に対して復元装置を固定する取り付け装置が設けられている。これによって、ノズル装置を、弁閉鎖部材とともにハウジングに挿置される単一の部分として設計することが可能になる。同時に、この取り付け装置によって、ばねであることが有利な復元装置のプレストレス力を設定することにより開弁の瞬間を細かく設定することが可能になる。
【００２３】
取り付け装置は、有利には、保持部上に移動可能に配置される。これは、ねじによって又は滑り案内及び圧締接続などによって行われることができる。
【００２４】
さらに、弁閉鎖部材が、流入口又は流出口の内壁と係合する制動タブを有するスリーブを有することが有利である。これら制動タブは、弁閉鎖部材が振動しないようにし、差圧に起因する作動運動を少なくとも若干遅らせ、それによってより穏やかに質量流量が達成されるようになる。
【００２５】
好ましい一実施態様によれば、復元装置は、ばね要素、特に圧縮応力を受けて位置され得るばね要素として設計される。このばね要素は、有利には、弁閉鎖部材に対して同軸的に配置される。あるいは、有利な一実施態様として、自己保持閉鎖位置を得るために、復元装置を弁閉鎖部材に隣接して配置する又は弁閉鎖部材とは反対側に位置決めすることも可能である。
【００２６】
本発明の他の好ましい一実施態様によれば、復元装置の閉弁力又は弁閉鎖部材の開弁特性曲線は、存在する差圧に応じて冷媒の最低限必要な質量流量に従って決定される。これによって、所望量の質量流量が通過するように、開弁の瞬間の精確な設定が可能になる。
【００２７】
復元装置の閉弁力又は弁閉鎖部材の開弁特性曲線は、存在する差圧によって冷媒の一次関数又は曲線関数に従って決定されることが望ましい。これによって、膨張弁の精確な設定が可能になる。同時に、これによって、差圧に応じて、閉鎖部本体及び／又は弁座の幾何形状に影響を与える通路口の開放断面を決定することが可能になる。
【００２８】
本発明の別の有利な一構成によれば、ノズル装置及びそれを収容する弁閉鎖部材の独特な構造によってコンパクトな設計が可能になる。これによって、ハウジングが簡単な幾何形状の構造にされ、膨張弁への供給配管及びそこからの排出配管がハウジングに直接連結され得るようになる。これによって、連結箇所の数が低減され、それが簡単にされる。
【００２９】
本発明によれば、膨張弁は、ノズル、閉鎖部本体、復元装置を備えるアセンブリとして設計することもできる。このアセンブリは、たとえば、蒸発器又は他の場所に取り付けられる連結部内に一体化されることができる。これによって、さらに別の連結箇所をなくすことができる。一例として、ノズルは、外面に、たとえばねじ込み式接続などの取り外し可能固定要素を有することができ、それによって簡単な組み立て及び簡単な方法での弁の交換が可能になる。
【００３０】
本発明、ならびにその別の有利な実施形態及び改良点は、図に示されている実施例に基づいて、以下により詳細に記載され説明されている。説明及び図面において知ることができる特徴は、それ自体別々に又は本発明による任意の所望の組み合わせで使用されることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１には、冷媒としてＣＯ2で動作されることが好ましい冷却サイクル１１が示されている。コンプレッサ１２は、圧縮冷媒を高圧側にある外部熱交換器１４に供給する。外部熱交換器１４は、雰囲気と接触し、外部に熱を放散する。外部熱交換器の下流側には、供給配管１７を介して膨張弁１６に冷媒を供給する内部熱交換器１５が連結されている。高圧側である膨張弁１６の上流側の入口圧力は、たとえば、夏は１２０ｂａｒ、冬は最大８０ｂａｒになる。冷媒は、膨張弁１６を通って流れ低圧側に到達する。出口側において、膨張弁１６は、３５〜４５ｂａｒの圧力をもたらす。圧力膨張によって冷却された冷媒は、排出配管１８を通り内部熱交換器２１に入り、周囲から熱を取り込み、その結果としてたとえば車内が冷却される。熱交換器２１の下流側には、コレクション・マニホルド２２が連結されている。蒸気状の冷媒は、内部熱交換器１５を通って流れ、コンプレッサ１２に到達する。
【００３２】
図１に示されている冷却サイクルは、図２によるモリエ線図のかたちで示される。この線図には、ｘ軸にエンタルピーｈ、ｙ軸に冷媒の圧力がプロットされている。曲線２４は、冷媒の気相と液相の間の境界領領域を示す。方向付けのために、一例として、３１℃に対応する等温線の特性曲線２６が示されている。特性曲線２４と２６の交点は、臨界点２７であり、たとえばＣＯ2冷媒の場合、温度３１℃、圧力７３．８ｂａｒに対応する。実線２９は、空気調和装置が超臨界プロセスで動作するときのＣＯ2冷媒の状態を示している。Ａ〜Ｄそれぞれの点は、図１のＡ〜Ｄの点での状態に対応する。破線で示されている特性曲線３１は、図１による冷媒サイクルの、臨界未満サイクル・プロセスの間の状態を示している。
【００３３】
図３は、本発明による膨張弁１６の概略的な断面図である。弁ハウジング３３内には、通路口３６を介して流出口３７と連結している流入口３４がある。流入口３４内には、ノズル装置３８が設けられている。このノズル装置は、所定の位置に加圧、接着又はねじ留めされることによって、又はねじ込み式接続又は圧締接続などの他の補助手段によって固定される。通路口３６内において、ノズル装置３８は弁閉鎖部材３９を収容している。弁閉鎖部材３９の閉鎖部本体４２は、通路口３６に対して出口圧力側に配置されている。入口圧力側すなわち高圧側において、弁閉鎖部材３９は、案内部４４によって案内される保持部４７によって接合されている部分４６を有する。復元装置５１は、取り付け装置４９とノズル装置３８との間に配置されている。取り付け装置４９は、ショルダを有する円板様要素５０を備え、その要素５０上には、圧縮ばねとして設計されることが好ましい復元装置５１が支持されている。円板様要素５０は、固定円板５２によって保持部４７に対して固定されている。円板様要素５０を、設定されるプレストレス力に応じて保持部４７に沿って移動させることができる。
【００３４】
ノズル装置３８は横穴５６を有する。横穴５６は、弁座４１と案内部４４との間において通路口３６と連通している。通穴５６と弁座４１との間の融合領域において、冷媒が通路口３６に到達するように、弁閉鎖部材３９は案内される部分４６に比べて細くされた設計になっている。
【００３５】
弁閉鎖部材３９は円錐形閉鎖部本体４２を有する。円錐形閉鎖部本体４２は弁座４１とともに環様閉鎖部を形成している。ノズル装置３８は、円錐形閉鎖部本体４２に対して広げられているノズル口５８を有する。
【００３６】
図３に示されている弁閉鎖部材３９の実施形態によって、弁座４１に対する閉鎖部本体４２の自己心位置合わせが可能になる。さらに、シンプルかつコンパクトな構造も可能になる。
【００３７】
弁閉鎖部材３９の変位移動に応じた閉鎖部本体４２と弁座４１との間の開放断面の設計に関して、以下で述べる方法が取り入れられ、それによって、高圧側と低圧側の間の差圧に基づく弁閉鎖部材３９の制御が可能になる。
【００３８】
はじめに、一般的な雰囲気温度について、達成できる最適冷凍能力を定義する。一般的な雰囲気温度と所望の冷凍能力は、たとえば、図２に示されている冷却サイクル・プロセスに基づいたシミュレーションによって決定することができる。サイクル・プロセス制御は高圧力制御の原理に基づいて機能するので、設定される最適高圧力は雰囲気温度に由来する。Ｂ点とＣ点の間すなわち内部熱交換器２１の入口と出口との間の有効なエンタルピー差（Δｈ）は、図２で示されている結果を示すサイクル線図及び／又はシミュレーションから決定することができる。必要な質量流量は、ｍ＝Ｑ0／Δｈ（質量流量＝冷凍能力／エンタルピー差）の式から直接決定する。所望の質量流量ｍに必要な開放断面は、Ａ点による膨張弁１６の上流側の圧力、Ｂ点による膨張弁１６の下流側の圧力、膨張弁１６の上流側の温度などによって、熱力学的状態関数から決定することができる。したがって、この開放断面を通路口及び／又は弁座４１と閉鎖部本体４２の寸法に転じることができる。具体的に、閉鎖部本体４２の幾何形状は、それらの値に応じて設定する。それと同時に、少なくとも圧力補償の間、復元装置５１が弁を閉じるように、弁閉鎖部材３９の開弁力を決定する。
【００３９】
温度によって決まる高圧力制御を最適化するために、弁開放断面は成績係数に対して最大にされる。その設計に関して、図４ａ、４ｂ、５で言及する。
【００４０】
図５は、所与のシステムについて、雰囲気温度に対する冷凍能力Ｑ0、弁開放断面、冷媒の質量流量をプロットとした線図である。さらに、それぞれの雰囲気温度について、３つのパラメータ変数の最小値、最大値及び平均値が記録されている。最大値は、たとえば車両の冷却の間に達成され、最小値は、たとえば定常状態動作の間に達成される。２５〜３０℃の雰囲気温度より上において、ＣＯ2サイクルの最適高圧力は臨界値７３．８ｂａｒを上回る。
【００４１】
図４ａは、特性曲線を、外部熱交換器１４の下流側の冷媒温度について、高圧力と成績係数の関数としてプロットした線図である。それぞれの冷媒温度についての最適開放断面は、実線の最大Ｍにおいてもたらされる。断面が最適に設定されないすなわち大き過ぎる又は小さ過ぎる場合、成績係数が悪化する。最適な動作モードを達成するために、断面は、少なくともある程度、最大Ｍ又は範囲Ｏ内に設定する。しかし、範囲Ｏには、高圧力の増大に伴って最適ＣＯＰが低下することが示されている。設計条件において、この範囲は範囲Ｎより有利である。範囲Ｎは、弁開放断面が増大されるときの状態を示している。弁開放断面の増大によって、高圧力及びＣＯＰの低下が引き起こされ、したがってこの方向においてＣＯＰの悪化がより顕著でありその結果さらに好ましくない影響がある。全範囲の構成について、範囲ＯにおけるＣＯＰのより緩やかな低下はより良い結果をもたらす。
【００４２】
図４ｂには、臨界未満動作環境について、弁断面に対するパラメータである質量流量、成績係数ＣＯＰ、高圧力をプロットしてある。この場合、図４ａとは異なり、明らかに最適成績係数は高圧力に対応付けられないので、高圧力に基づくパラメータを示すことができない。この線図には、曲線の右側から始まる弁の閉鎖によって、所与の冷凍能力についての質量流量が連続的に低減されることが示されている。範囲Ｏにわたって、高圧力は一定のままであるが、成績係数ＣＯＰは連続的に増大する。これは、打ち勝つべき高圧側と低圧側の間の差圧が変わらない限り、コンプレッサ動作が循環冷媒流れと同じように動作することによって説明される。
【００４３】
図４ｂのＭ点において、ＣＯＰはその最大に達し、高圧力はこの弁断面において上昇し始める。したがって、この動作点がその空気調和装置システムについての最適点である。最適点の左側の範囲Ｎ内において、弁断面はさらに減少し、高圧力はさらに上昇する。存在する差圧によってコンプレッサが連続的に増加するので、ＣＯＰはかなり低下する。
【００４４】
弁断面の設計の規則は、存在する差圧に応じて及び／又は異なる雰囲気温度における予想冷凍能力について、図４ａ、４ｂから導出することができる。
【００４５】
設定すべき弁入口側と弁出口側との間の差圧は、超臨界動作モードよりも臨界未満動作モードの方が低い。臨界未満動作状態について、可能な限り高い成績係数を達成するために、図４ｂのＭ点が最大能力に近い予想冷凍能力を到達するようなかたちで弁断面を設定する。その結果、冷凍能力がより低いとき、選択される弁断面は若干大きめになる。この場合、ＣＯＰの低下は範囲Ｎよりも（範囲Ｏの方が）より小さい。
【００４６】
超臨界動作状態において、弁断面の低減は、高圧力のさらなる増大を意味する。図４ａで見ることができるように、ＣＯＰ特性曲線は、この方向において、範囲Ｎよりも低い低減率を有する傾向がある。超臨界動作状態についての弁設計は、それぞれの温度についてＭ点に代入される最適高圧力が設定されるより低い予想冷凍能力について又はそれ近くに設計する。冷凍能力の要求が高まるにつれ、高圧力は、（範囲Ｏにおいて）さらに上昇し、ＣＯＰの若干の低減が生じる。
【００４７】
したがって、臨界未満領域と超臨界領域について、上記で述べたように閉鎖部本体と弁座の幾何形状を設定する。さらに、復元装置の開弁力及び／又は閉弁力も考慮する。
【００４８】
開放断面の決定により、弁閉鎖部材３９の開弁瞬間、ならびに弁閉鎖部材３９の作動移動及び開弁移動が導かれ、したがって開放断面が差圧に応じて決定される。したがって、設計がコンパクトであり、使用の少なくとも部分的好ましくは全範囲にわたって最適高圧力で動作する膨張弁１６の構成と構造は、任意の追加の電子制御の必要なくして作り出されることができる。
【００４９】
図６には、図３で示されている膨張弁１６の一代替構造が示されている。この膨張弁１６の場合、取り付け装置４９は、冷媒がそこを通って流れることができるスリーブ６１を備え、そこには制動タブ６２が形成されている。これら制動タブ６２は、流入口３４の内壁に沿って摺動し、制動された又は少なくとも若干減速された弁閉鎖部材３９の開閉運動をもたらす。スリーブ６１とそれに配置されている制動タブ６２は、出口圧力側に配置され、閉鎖部本体４２に連結されてもよい。
【００５０】
図７は、弁閉鎖部材３９の一代替実施形態の拡大詳細図である。閉鎖部本体４２は、その閉鎖面として、弁閉鎖部材３９の長手方向中心軸の方に内側に湾曲されている側面を有する。これによって、弁座４１と入口圧力側においてそれに隣接する閉鎖面６３の幾何形状に応じて、雰囲気温度に適当に適合する開放断面が達成される。閉鎖部本体４２と弁座４１の幾何形状は、異なる傾斜を有する段付きの形で、円錐形表面として、及び外側に湾曲された表面などとして設計することもできる。
【００５１】
図８ａ、８ｂは、弁閉鎖部材３９の別の代替実施形態の拡大断面図である。閉鎖部本体４２には、少なくとも１つのくぼみ６４があり、その結果として、小さな質量流量の冷媒が常に通路口３６を通って流れるようになっている。したがって、弁閉鎖部材３９は、所定の差圧を上回った後にのみ開く。くぼみ６４は、たとえば、矩形の溝、半円形のくぼみ、又は弁座４１及び／又は閉鎖部本体４２における切欠きとして設計することができる。あるいは、閉鎖部本体４２を、戻り行程移動又は閉鎖移動が止め具によって制限されることによって弁座４１と接触せずしたがって若干開いた断面がもたらされるようにすることも可能である。
【００５２】
例示的な実施形態に関連して述べてきた特徴及び実施形態は、個々に本発明に関係しており、任意の所望の方法で互いに組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】冷却サイクル・プロセスを示す図である。
【図２】モリエ線図の形の図１による２つの冷却サイクル・プロセスを示す図である。
【図３】本発明による膨張弁を示す概略的な断面図である。
【図４】ａ：超臨界動作モードについて、外部熱交換器の下流側の冷媒温度による高圧力と成績係数の比を示す図である。  ｂ：臨界未満動作モードについて、成績係数、高圧力、冷媒の質量流量と弁開放断面との比を示す図である。
【図５】雰囲気温度に対して冷凍能力、冷媒の質量流量、弁開放断面をプロットした図である。
【図６】膨張弁の一代替実施形態を示す概略的な断面図である。
【図７】弁閉鎖部材の一代替実施形態を示す概略的な拡大部分図である。
【図８】弁閉鎖部材の別の一代替実施形態を示す概略的な拡大断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１６  膨張弁、１７  供給配管、１８  排出配管、２１  内部熱交換器、３３  弁ハウジング  、３４  流入口、３６  通路口、３７  流出口、３８  ノズル装置、３９  弁閉鎖部材、４１  弁座、４２  閉鎖部本体、４４  案内部、４６  案内される部分、４７  保持部、４９  取り付け装置、５０  円板様要素、５１  復元装置、５２  固定円板、５６  横穴、５８  ノズル口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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