(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と放熱器と蒸発器とを炭酸ガス等による冷媒が順に循環し、超臨界域で運転される超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置の前記放熱器より前記蒸発器へ至る冷媒通路の途中に設けられ、前記放熱器の出口側の冷媒の温度に感応して前記放熱器と前記蒸発器との間の冷媒通路の連通度を制御して放熱器出口側の圧力制御を行う高圧制御弁であって、
冷媒封入の密閉室を画定し、前記放熱器の出口側の冷媒の温度を及ぼされ、封入冷媒に伝わる熱に応じた封入冷媒の密度による圧力により伸縮するベローズ装置と、
前記放熱器の出口側の冷媒の温度を及ぼされ、温度に応じて前記ベローズ装置の初期ベローズ長を変化させて前記封入冷媒の密度を変化させる密度補正感温部材と、
前記ベローズ装置に接続され、前記ベローズ装置の伸縮により開閉駆動されて弁ポートと共働して前記放熱器と前記蒸発器との間の冷媒通路の連通度を制御する弁体とを有し、
前記ベローズ装置は、一端を固定側部材に接続されて固定端とされ、他端を自由端とされて当該自由端に前記弁体を保持し、前記固定側部材と前記固定端との間に感温材料製の密度補正感温部材が設けられ、前記密度補正感温部材によって前記固定端の前記固定側部材に対する接続位置が変更される
ことを特徴とする超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置用高圧制御弁。
【請求項２】
圧縮機と放熱器と蒸発器とを炭酸ガス等による冷媒が順に循環し、超臨界域で運転される超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置の前記放熱器より前記蒸発器へ至る冷媒通路の途中に設けられ、前記放熱器の出口側の冷媒の温度に感応して前記放熱器と前記蒸発器との間の冷媒通路の連通度を制御して放熱器出口側の圧力制御を行う高圧制御弁であって、
冷媒封入の密閉室を画定し、前記放熱器の出口側の冷媒の温度を及ぼされ、封入冷媒に伝わる熱に応じた封入冷媒の密度による圧力により伸縮するベローズ装置と、
前記放熱器の出口側の冷媒の温度を及ぼされ、温度に応じて前記ベローズ装置の初期ベローズ長を変化させて前記封入冷媒の密度を変化させる密度補正感温部材と、
前記ベローズ装置に接続され、前記ベローズ装置の伸縮により開閉駆動されて弁ポートと共働して前記放熱器と前記蒸発器との間の冷媒通路の連通度を制御する弁体とを有し、  前記ベローズ装置は、一端を固定側部材に接続されて固定端とされ、他端を自由端とされ、中間部に弁保持部材を接続され、前記弁保持部材に前記弁体が取り付けられ、前記自由端と前記弁保持部材との間に感温材料製の密度補正感温部材が設けられ、前記密度補正感温部材によって前記自由端の位置が変更される
ことを特徴とする超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置用高圧制御弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、炭酸ガス等による冷媒を用いて超臨界域で運転される超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置において使用される高圧制御弁に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭酸ガス（ＣＯ2 ）等の冷媒を超臨界域で使用する超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置では、放熱器（ガスクーラ）の出口側の冷媒の圧力と温度とが最適制御線に沿うように制御されるよう、特開平９−２６４６２２号公報に示されているように、放熱器出口側の冷媒温度による冷媒封入のダイヤフラム室あるいはベローズ内の密閉室の内圧（封入冷媒の体積変化）変化により動作する高圧制御弁（圧力制御弁）を放熱器より蒸発器へ至る冷媒通路の途中に設け、この高圧制御弁による放熱器−蒸発器間の冷媒通路の連通度を制御し、放熱器の出口側の冷媒の圧力制御を行うものが知られている。
【０００３】
超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置において、上述したような高圧制御弁が設けられると、放熱器の出口側の冷媒温度に対応して放熱器の出口側の冷媒圧力が制御され、冷凍サイクルの成績係数（ＣＯＰ）が大きくなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の高圧制御弁では、ベローズ装置の温度に対する動作特性が一定である。これに対し、最近の実験、研究では、最大ＣＯＰを得るためには、ベローズ装置の温度に対する動作特性が一定でなく、ベローズ装置の動作特性が温度（放熱器の出口側の冷媒温度）に応じて変化することが好ましいことが分かってきている。
【０００５】
たとえば、（２０℃、６．５ＭＰａ）、（４０℃、１１．５ＭＰａ）で、高圧制御弁が作動する冷凍サクイルが最もＣＯＰが大きいと、図６に示されている蒸気圧線図では、（２０℃、６．５ＭＰａ）での二酸化炭素の密度は８００ｋｇ／ｍ3、（４０℃、１１．５ＭＰａ）での二酸化炭素の密度は７００ｋｇ／ｍ3となり、温度に対してベローズ装置の封入冷媒の密度が変化することが要求される。
【０００６】
また、放熱器の出口側の冷媒温度に応じて高圧制御弁の弁開圧が変化することも、ＣＯＰを高めるために効力がある。
【０００７】
この発明は、上述の如き事情に鑑みてなされたものであり、最大ＣＯＰで超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置を稼働させる高圧制御弁を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１の発明による超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置用高圧制御弁は、圧縮機と放熱器と蒸発器とを炭酸ガス等による冷媒が順に循環し、超臨界域で運転される超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置の前記放熱器より前記蒸発器へ至る冷媒通路の途中に設けられ、前記放熱器の出口側の冷媒の温度に感応して前記放熱器と前記蒸発器との間の冷媒通路の連通度を制御して放熱器出口側の圧力制御を行う高圧制御弁であって、冷媒封入の密閉室を画定し、前記放熱器の出口側の冷媒の温度を及ぼされ、封入冷媒に伝わる熱に応じた封入冷媒の密度による圧力により伸縮するベローズ装置と、前記放熱器の出口側の冷媒の温度を及ぼされ、温度に応じて前記ベローズ装置の初期ベローズ長を変化させて前記封入冷媒の密度を変化させる密度補正感温部材と、前記ベローズ装置に接続され、前記ベローズ装置の伸縮により開閉駆動されて弁ポートと共働して前記放熱器と前記蒸発器との間の冷媒通路の連通度を制御する弁体とを有し、前記ベローズ装置は、一端を固定側部材に接続されて固定端とされ、他端を自由端とされて当該自由端に前記弁体を保持し、前記固定側部材と前記固定端との間に感温材料製の密度補正感温部材が設けられ、前記密度補正感温部材によって前記固定端の前記固定側部材に対する接続位置が変更されるものである。
【０００９】
また、上述の目的を達成するために、請求項２の発明による超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置用高圧制御弁は、圧縮機と放熱器と蒸発器とを炭酸ガス等による冷媒が順に循環し、超臨界域で運転される超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置の前記放熱器より前記蒸発器へ至る冷媒通路の途中に設けられ、前記放熱器の出口側の冷媒の温度に感応して前記放熱器と前記蒸発器との間の冷媒通路の連通度を制御して放熱器出口側の圧力制御を行う高圧制御弁であって、冷媒封入の密閉室を画定し、前記放熱器の出口側の冷媒の温度を及ぼされ、封入冷媒に伝わる熱に応じた封入冷媒の密度による圧力により伸縮するベローズ装置と、前記放熱器の出口側の冷媒の温度を及ぼされ、温度に応じて前記ベローズ装置の初期ベローズ長を変化させて前記封入冷媒の密度を変化させる密度補正感温部材と、前記ベローズ装置に接続され、前記ベローズ装置の伸縮により開閉駆動されて弁ポートと共働して前記放熱器と前記蒸発器との間の冷媒通路の連通度を制御する弁体とを有し、前記ベローズ装置は、一端を固定側部材に接続されて固定端とされ、他端を自由端とされ、中間部に弁保持部材を接続され、前記弁保持部材に前記弁体が取り付けられ、前記自由端と前記弁保持部材との間に感温材料製の密度補正感温部材が設けられ、前記密度補正感温部材によって前記自由端の位置が変更されるものである。
【００１４】
請求項１の発明による超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置用高圧制御弁によれば、ベローズ装置が放熱器の出口側の冷媒の温度を及ぼされて封入冷媒に伝わる熱に応じた封入冷媒の密度による圧力により伸縮し、このベローズ装置の伸縮によって弁体が開閉駆動され、放熱器と蒸発器との間の冷媒通路の連通度を制御され、その上で、自由端と前記弁保持部材との間に設けられた密度補正感温部材によってベローズ装置の固定端の固定側部材に対する接続位置が放熱器の出口側の冷媒の温度に応じて変更され、この接続位置の変更によってベローズ装置の初期ベローズ長が変化し、封入冷媒の密度が変化する。
【００１６】
請求項２の発明による超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置用高圧制御弁によれば、ベローズ装置が放熱器の出口側の冷媒の温度を及ぼされて封入冷媒に伝わる熱に応じた封入冷媒の密度による圧力により伸縮し、このベローズ装置の伸縮によって弁体が開閉駆動され、放熱器と蒸発器との間の冷媒通路の連通度を制御され、その上で、自由端と前記弁保持部材との間に設けられた密度補正感温部材によってベローズ装置の自由端の位置が変更され、この自由端の位置変更によってベローズ装置の初期ベローズ長が変化し、封入冷媒の密度が変化する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１はこの発明による高圧制御弁が適用される超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置用の一つの実施の形態を示している。
【００２１】
この冷凍サイクル装置は、圧縮機１と、放熱器（ガスクーラ）２と、蒸発器３と、アキュムレータ４とを有し、これらが冷媒配管５、６、７により閉ループ状に連通接続され、この閉ループを炭酸ガス等による冷媒が循環する。
【００２２】
放熱器２より蒸発器３へ至る冷媒通路６の途中には、放熱器２の出口側の冷媒の圧力および温度に感応して放熱器２と蒸発器３との連通・遮断および連通度を定量的に制御して放熱器出口側の圧力制御を行う高圧制御弁８と、放熱器２の出口側の冷媒の圧力と蒸発器３の入口側の冷媒の圧力との差圧が所定値以上の場合に開弁する逃し弁９とが互いに並列に設けられている。
【００２３】
つぎに、本発明による高圧制御弁８の実施の形態１を図２，図３を参照して説明する。高圧制御弁８は弁ハウジング１０を有している。弁ハウジング１０は、放熱器２の出口側の冷媒配管を接続される入口ポート（高圧側ポート）１１と、蒸発器３の入口側の冷媒配管を接続される出口ポート１２と、連通孔１３によって入口ポート１１に連通する弁室１４と、弁室１４の底部に開口して弁室１４を内部通路１５を介して出口ポート１２に連通接続する弁ポート１６とを形成されている。
【００２４】
弁室１４には、弁ポート１６を開閉する弁体１７と、ベローズ装置１８とが設けられている。ベローズ装置１８は、固定端となる上端側に上部エンド部材１９を一体接続されたベローズ本体２０と、上部エンド部材１９に連結されベローズ内部にガスを封入するための封入ガス管２１および内部導管２２を有するフランジ状の上部部材２３と、ベローズ本体２０の自由端となる下端を閉じるべくベローズ本体２０の下端に溶接された下部エンド部材２４および下部エンド部材２４に固定連結された弁保持部材２５と、内部ばね２６とにより構成されており、弁保持部材２５の下底部に弁体１７が取り付けられている。なお、下部エンド部材２４にはこれを貫通する連通孔２７が形成されている。
【００２５】
ベローズ装置１８は密閉室１８Ａを画定しており、密閉室１８Ａには、封入ガス管２１、内部導管２２によって、冷媒と同じ二酸化炭素ガスが封入されている。
【００２６】
弁ハウジング１０には調整ねじ部材２８がねじ係合しており、調整ねじ部材２８と上部部材２３との間には密度補正感温部材をなす皿ばね形状の上部バイメタル２９が挟まれており、上部部材２３と弁室１４の段差部３０との間には密度補正感温部材をなす皿ばね形状の下部バイメタル３１が挟まれている。これにより上部部材２３は、上下に、上部バイメタル２９、下部バイメタル３１を挟まれた形態で、固定側部材である弁ハウジング１０に固定されている。
【００２７】
上部バイメタル２９、下部バイメタル３１は、各々上側に低膨張材２９ａ、３１ａを、下側に高膨張材２９ｂ、３１ｂを張り合わせれられており、弁室１４に導入される放熱器２の出口側の冷媒の温度に感応し、低温時には図２に示されているような形状をなして上部部材２３を下側箇所に位置させ、これに対し、高温時には図３に示されているような形状に変形して上部部材２３を上側箇所に位置させる。これは、ベローズ装置１８の固定端の固定側部材（弁ハウジング１０）に対する接続位置が変更されることを意味する。
【００２８】
ベローズ装置１８は、放熱器２の出口側の冷媒の温度を及ぼされ、封入冷媒に伝わる熱に応じた封入冷媒の密度による圧力により伸縮し、弁体１７を上下に開閉駆動する。
【００２９】
これにより、弁体１７は、放熱器２の出口側の冷媒の温度に応じて弁ポート１６の開度、換言すれば、放熱器２と蒸発器３との間の冷媒通路の連通度を制御し、放熱器出口側の圧力制御を行う。
【００３０】
放熱器２の出口側の冷媒の温度が低い場合には、上部バイメタル２９、下部バイメタル３１が図２に示されているような形状をなして上部部材２３を下側箇所に位置させるが、放熱器２の出口側の冷媒の温度が高くなると、上部バイメタル２９、下部バイメタル３１が図３に示されているような形状に変形して上部部材２３を上側箇所に位置させる。これにより、ベローズ装置１８が上方へ伸長し、すなわち、ベローズ装置１８の初期ベローズ長が長くなり、それに応じてベローズ装置１８の内容積が増加し、ベローズ装置１８の封入冷媒の密度が低下する。
【００３１】
上述のように高温時には、ベローズ装置１８の封入冷媒の密度が低下するため、（２０℃、６．５ＭＰａ）での二酸化炭素の密度は８００ｋｇ／ｍ3 、（４０℃、１１．５ＭＰａ）での二酸化炭素の密度は７００ｋｇ／ｍ3 というように、密度を変えることができ、図８にて破線により示されているような圧力・温度特性が得られ、冷凍サクイルのＣＯＰを最大値に設定できる。
【００３２】
また、高温時には、ベローズ内圧の温度による上昇割合が低温時に比して小さくなり、高温時の内圧上昇を抑えることで、ベローズ装置１８の耐熱性が向上する。
【００３３】
図４，図５はこの発明による高圧制御弁の他の実施の形態を示している。なお、図４，図５において、図２、図３に対応する部分は、図２、図３に付した符号と同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００３４】
この実施の形態では、固定端となる上部部材２３は調整ねじ部材２８によって弁ハウジング１０に対する位置を調整可能に決められている。ベローズ装置１８の下端は自由端とされ、ベローズ装置１８の中間部に接続部材３２によってカップ状の弁保持部材３３の上側が固定接続されている。弁保持部材３３は、ベローズ装置１８の自由端側を取り囲んでおり、下底部に弁体１７を保持している。
【００３５】
ベローズ装置１８の下部エンド部材２４には密度補正感温部材をなすバイメタル３４が取り付けられている。バイメタル３４は下部エンド部材２４と弁保持部材３３の底部との間に挟まれた形態で存在している。バイメタル３４は、下側に低膨張材３４ａを、上側に高膨張材３４ｂを張り合わせれられており、弁室１４に導入される放熱器２の出口側の冷媒の温度に感応し、低温時には図４に示されているような形状をなして下部エンド部材２４を上側箇所に位置させ、これに対し、高温時には図５に示されているような形状に変形して下部エンド部材２４を下側箇所に位置させる。これは、ベローズ装置１８の自由端の位置が変更されることを意味する。
【００３６】
この実施の形態でも、ベローズ装置１８は、放熱器２の出口側の冷媒の温度を及ぼされ、封入冷媒に伝わる熱に応じた封入冷媒の密度による圧力により伸縮し、弁体１７を上下に開閉駆動する。これにより、弁体１７は、放熱器２の出口側の冷媒の温度に応じて弁ポート１６の開度、換言すれば、放熱器２と蒸発器３との間の冷媒通路の連通度を制御し、放熱器出口側の圧力制御を行う。
【００３７】
放熱器２の出口側の冷媒の温度が低い場合には、バイメタル３４が図４に示されているような形状をなして下部エンド部材２４を上側箇所に位置させるが、放熱器２の出口側の冷媒の温度が高くなると、バイメタル３４が図５に示されているような形状に変形して下部エンド部材２４を下側箇所に位置させる。これにより、ベローズ装置１８が下方へ伸長し、すなわち、ベローズ装置１８の初期ベローズ長が長くなり、それに応じてベローズ装置１８の内容積が増加し、ベローズ装置１８の封入冷媒の密度が低下する。
【００３８】
この実施の形態でも、上述のように高温時には、ベローズ装置１８の封入冷媒の密度が低下するため、（２０℃、６．５ＭＰａ）での二酸化炭素の密度は８００ｋｇ／ｍ3 、（４０℃、１１．５ＭＰａ）での二酸化炭素の密度は７００ｋｇ／ｍ3 というように、密度を変えることができ、図８にて破線により示されているような圧力・温度特性が得られ、冷凍サクイルのＣＯＰを最大値に設定できる。
【００３９】
また、高温時には、ベローズ内圧の温度による上昇割合が低温時に比して小さくなり、高温時の内圧上昇を抑えることで、ベローズ装置１８の耐熱性が向上する。
【００４７】
【発明の効果】
以上の説明から理解される如く、請求項１に記載の発明による超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置用高圧制御弁によれば、ベローズ装置が放熱器の出口側の冷媒の温度を及ぼされて封入冷媒に伝わる熱に応じた封入冷媒の密度による圧力により伸縮し、このベローズ装置の伸縮によって弁体が開閉駆動され、放熱器と蒸発器との間の冷媒通路の連通度を制御され、その上で、固定側部材とベローズ装置の固定端との間に設けられた密度補正感温部材によって固定端の固定側部材に対する接続位置が放熱器の出口側の冷媒の温度に応じて変更され、この接続位置の変更によってベローズ装置の初期ベローズ長が変化し、封入冷媒の密度が変化するから、最大ＣＯＰで超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置が稼働するように、放熱器の出口側の冷媒圧力を制御でき、超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置を最大ＣＯＰで稼働できる。
【００４９】
また、請求項２の発明による超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置用高圧制御弁によれば、ベローズ装置が放熱器の出口側の冷媒の温度を及ぼされて封入冷媒に伝わる熱に応じた封入冷媒の密度による圧力により伸縮し、このベローズ装置の伸縮によって弁体が開閉駆動され、放熱器と蒸発器との間の冷媒通路の連通度を制御され、その上で、自由端と前記弁保持部材との間に設けられた密度補正感温部材によってベローズ装置の自由端の位置が変更され、この自由端の位置変更によってベローズ装置の初期ベローズ長が変化し、封入冷媒の密度が変化する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明による高圧制御弁が適用される超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置用の一つの実施の形態を示すブロック線図である。
【図２】  この発明による超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置用高圧制御弁の一つの実施の形態を示す低温時の断面図である。
【図３】  この発明による超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置用高圧制御弁の一つの実施の形態を示す高温時の断面図である。
【図４】  この発明による超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置用高圧制御弁の他の実施の形態を示す低温時の断面図である。
【図５】  この発明による超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル装置用高圧制御弁の他の実施の形態を示す高温時の断面図である。
【図６】  二酸化炭素の蒸気圧線図である。
【符号の説明】
１  圧縮機
２  放熱器
３  蒸発器
８  高圧制御弁
９  逃し弁
１０  弁ハウジング
１４  弁室
１６  弁ポート
１７  弁体
１８  ベローズ装置
２９  上部バイメタル
３１  下部バイメタル
３３  弁保持部材
３４  バイメタル
【図１】
0004445090.tif 000002
【図２】
0004445090.tif 000003
【図３】
0004445090.tif 000004
【図４】
0004445090.tif 000005
【図５】
0004445090.tif 000006
【図６】
0004445090.tif 000007