(57)【要約】【課題】  構造が簡単で、特別な耐圧構造を必要としない膨張装置を提供する。【解決手段】  内部熱交換器を有する冷凍サイクルで使用される膨張装置３において、内部熱交換器を出てコンプレッサに入る冷媒の温度を感知してその温度が高くなるに従って弁体２５を開弁方向に作用させる形状記憶合金ばね３１と、絞り膨張された冷媒の温度を感知してその温度が高くなるに従って弁体２５を閉弁方向に作用させる形状記憶合金ばね３５とを備え、それらの温度差により弁体２５を制御するようにした。弁特性は、バイアス用のスプリング３２，３６にてある程度自由に調整することができる。【選択図】  図３
2007046808.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスクーラから出た冷媒とコンプレッサに入る冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器を有する冷凍サイクルの中で前記内部熱交換器を出てエバポレータへ供給される冷媒の流量を制御する弁部を備えた膨張装置において、
前記内部熱交換器を出て前記コンプレッサに入る冷媒の温度に応じて前記弁部を開弁方向に付勢する荷重が変化する第１の感温アクチュエータと、
前記弁部の低圧側に配置され、前記弁部にて絞り膨張された冷媒の温度に応じて前記弁部を閉弁方向に付勢する荷重が変化する第２の感温アクチュエータと、
を備えていることを特徴とする膨張装置。
【請求項２】
前記第１の感温アクチュエータおよび前記第２の感温アクチュエータは、それぞれ所定の温度範囲にて荷重が変化する二方向性の形状記憶効果を持った形状記憶合金ばね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３】
前記第１の感温アクチュエータおよび前記第２の感温アクチュエータの少なくとも一方に設けられて、前記第１の感温アクチュエータおよび前記第２の感温アクチュエータの荷重特性を調節するバイアス用のスプリングを備え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】
前記弁部は、前記内部熱交換器を出た高圧冷媒を導入する入口と絞り膨張された低圧冷媒を前記エバポレータへ導出する出口との間にてボディの中心に軸線方向に形成された弁孔と、前記弁孔の下流側にて前記弁孔を開閉するよう軸線方向に進退自在に配置され前記第２の感温アクチュエータにより閉弁方向に付勢状態にされている弁体と、前記弁体から前記弁孔を貫通して軸線方向に延出され前記第１の感温アクチュエータの開弁方向の荷重を前記弁体へ伝達するシャフト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５】
前記シャフトの外径を前記弁孔の内径よりも小さくして前記高圧冷媒の圧力により開弁する差圧の設定荷重を、記第１の感温アクチュエータが感知した温度と前記第２の感温アクチュエータが感知した温度との温度差によって制御するようにしたことを特徴とする請求項４記載の膨張装置。
【請求項６】
前記シャフトの外径を前記弁孔の内径と等しくして前記高圧冷媒の圧力をキャンセルし、前記弁体の弁リフトを、前記第１の感温アクチュエータが感知した温度と前記第２の感温アクチュエータが感知した温度との温度差によって制御するようにしたことを特徴とする請求項４記載の膨張装置。
【請求項７】
前記弁部は、前記内部熱交換器を出た高圧冷媒を導入する入口と絞り膨張された低圧冷媒を前記エバポレータへ導出する出口との間にてボディの中心に軸線方向に形成された弁孔と、前記弁孔の上流側にて前記弁孔を開閉するよう軸線方向に進退自在に配置され前記弁体から前記弁孔を貫通して軸線方向に延出された第１シャフトを介して前記第２の感温アクチュエータにより閉弁方向に付勢状態にされている弁体と、前記弁体から軸線方向に延出され前記弁孔の内径と等しい外径を有していて前記第１の感温アクチュエータの開弁方向の荷重を前記弁体へ伝達する第２シャフト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８】
ガスクーラから出た冷媒とコンプレッサに入る冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器を有する冷凍サイクルの中で前記内部熱交換器を出てエバポレータへ供給される冷媒の流量を制御する膨張装置において、
前記内部熱交換器を出て前記コンプレッサに入る冷媒の温度と前記内部熱交換器を出て前記エバポレータに入る冷媒の温度との温度差に基づいて前記内部熱交換器を出て前記エバポレータへ供給される冷媒の流量を制御するようにしたことを特徴とする膨張装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は膨張装置に関し、特に車輌用エアコンシステムの冷凍サイクルに用いられる膨張装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車輌用エアコンシステムでは、その冷凍サイクルで使用される冷媒として一般に代替フロンのＨＦＣ−１３４ａが用いられている。しかし、地球環境の問題から、二酸化炭素などのノンフロン冷媒を使用した冷凍サイクルが提案されている。
【０００３】
二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルにおいても、基本的にＨＦＣ−１３４ａを使用した冷凍サイクルと動作原理は同じである。すなわち、気相状態の冷媒をコンプレッサにて圧縮して高温高圧の冷媒にし、その高温高圧の冷媒をガスクーラにて冷却し、冷却された冷媒を膨張装置にて絞り膨張させることで低温低圧の冷媒にし、その低温低圧の冷媒をエバポレータにて蒸発させるという動作をする。膨張装置が冷却された冷媒を膨張させる過程で、冷媒は気液二相状態になり、それがエバポレータで蒸発するときに、車室内の空気から蒸発潜熱を奪うことで、冷房が行われる。
【０００４】
なお、二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルでは、ガスクーラ出口の冷媒とコンプレッサ入口の冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器を設けて、エバポレータ出口の冷媒のエンタルピを低下させ、これによって冷凍能力を向上させることが一般に行われている。また、二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルで使用される膨張装置としては、電子的な制御を行わない機械式のものが知られている（たとえば、特許文献１参照。）。
【０００５】
この特許文献１に記載の膨張装置は、ガスクーラから内部熱交換器に導入される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容器を、内部熱交換器からの冷媒を絞り膨張させてエバポレータに導出するよう形成された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制御する弁構造を有している。密閉容器には、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、この膨張装置は、ガスクーラ出口の冷媒の絶対温度と絶対圧力とを感知してエバポレータへ供給される冷媒の流量を制御するよう動作している。
【特許文献１】特開平９−２６４６２２号公報（段落番号〔００２０〕〜〔００２２〕、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示されているような膨張装置は、密閉容器のダイヤフラムがガスクーラ出口の冷媒の温度および圧力を感知して、内部熱交換器を出た冷媒を絞り膨張させる弁のリフトを制御するよう構成されているので、構造が複雑であり、コストが高くなるという問題点があった。
【０００７】
また、ダイヤフラムで仕切られている密閉容器は、高圧の冷媒が封入されていて、常温でも、内圧が１０ＭＰａにもなることがあり、膨張装置を部品として取り扱っているときにダイヤフラムが異常変形しないような特別な耐圧構造にする必要があ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、構造が簡単で、特別な耐圧構造を必要としない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、ガスクーラから出た冷媒とコンプレッサに入る冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器を有する冷凍サイクルの中で前記内部熱交換器を出てエバポレータへ供給される冷媒の流量を制御する弁部を備えた膨張装置において、前記内部熱交換器を出て前記コンプレッサに入る冷媒の温度に応じて前記弁部を開弁方向に付勢する荷重が変化する第１の感温アクチュエータと、前記弁部の低圧側に配置され、前記弁部にて絞り膨張された冷媒の温度に応じて前記弁部を閉弁方向に付勢する荷重が変化する第２の感温アクチュエータと、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、第１の感温アクチュエータがコンプレッサ入口の冷媒温度を感知し、第２の感温アクチュエータがエバポレータ入口の冷媒温度を感知し、これらの温度差で弁部を制御するようにしている。これにより、内部熱交換器を出てエバポレータへ供給される冷媒の流量を制御することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の膨張装置は、弁部と、２つの感温アクチュエータとによって構成されているので、非常に構造をシンプルかつ小型にすることができ、さらに、冷媒の温度に対応した圧力を直接検知するようなダイヤフラムで仕切られていて高圧の冷媒が封入されているような密閉容器を備えていないので、特別な耐圧構造にする必要がなく、また、そのような高価な感温・感圧部材が不要なことから、構造をシンプルにすることができ、コストを大幅に低減することができるという利点がある。また、弁特性は、バイアス用のスプリングを組み合わせたり、ばね受け部材の圧入量を変えたりすることによりある程度自由に調整することができ、２つの感温アクチュエータがそれぞれ感じる荷重も、求める弁特性に応じて均等であったり変更したりしてよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を、冷媒に二酸化炭素を使用した車輌用エアコンシステムの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を適用した冷凍サイクルを示すシステム図、図２は第１の実施の形態に係る膨張装置の内部熱交換器への取り付け例を示す中央縦断面図、図３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である。
【００１３】
冷凍サイクルは、冷媒を圧縮するコンプレッサ１と、圧縮された冷媒を冷却するガスクーラ２と、冷却された冷媒を絞り膨張させる膨張装置３と、膨張された冷媒を蒸発させるエバポレータ４と、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１へ送るアキュムレータ５と、ガスクーラ２から膨張装置３へ流れる冷媒とアキュムレータ５からコンプレッサ１へ流れる冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器６とを備えている。
【００１４】
膨張装置３は、図２に示したように、内部熱交換器６に取り付けられている。内部熱交換器６は、そのボディ１１に、ガスクーラ２から高温高圧の冷媒が導入される図示しない冷媒入口を有し、その冷媒入口は、内部熱交換器６の中を通って高圧冷媒通路１２に連通している。内部熱交換器６は、また、そのボディ１１に、アキュムレータ５から低温低圧の冷媒が導入される図示しない冷媒入口を有し、その冷媒入口は、内部熱交換器６の中を通って高圧冷媒通路１２と平行に形成された低圧冷媒通路１３に連通し、この低圧冷媒通路１３はコンプレッサ１の吸入側に接続される。
【００１５】
高圧冷媒通路１２の終端部には、膨張装置３を取り付ける取付孔１４が形成されている。この取付孔１４は、ボディ１１の外側から高圧冷媒通路１２を介して低圧冷媒通路１３まで貫通形成されており、そこに膨張装置３が装着されている。取付孔１４に膨張装置３が装着された状態で、その取付孔１４の開口端には、エバポレータ４に通じる配管１５がボディ１１に取り付けられている。この配管１５は、内径が膨張装置３の外径よりも若干小さく形成されており、取付孔１４から抜け出てしまわないようにしている。
【００１６】
内部熱交換器６に設けられた膨張装置３は、図３に示したように、ボディ２１を有し、そのボディ２１は、その中央側部に高圧冷媒通路１２の冷媒を導入する冷媒導入溝２２が周設されており、その冷媒導入溝２２には、ボディ２１の中央に向かって延びる冷媒入口２３が設けられている。ボディ２１は、また、その下部中央部に弁孔２４が軸線方向に設けられ、その弁孔２４の上流側は、冷媒入口２３に連通されている。
【００１７】
弁孔２４の下流側には、これを開閉する弁体２５が軸線方向に進退自在に配置され、この膨張装置３の弁部を構成している。この弁体２５は、弁孔２４を貫通して軸線方向に延出されたシャフト２６が一体に形成されている。シャフト２６は、弁孔２４の内径よりも小さい外径を有し、冷媒入口２３に高圧の冷媒が導入されたときに弁体２５が受ける開弁方向の力をシャフトが受ける閉弁方向の力よりも大きくするようにしている。このシャフト２６の周りには、パッキン２７が設けられており、高圧の冷媒が低圧冷媒通路１３の中に位置しているシャフト２６の先端側に漏れないようにしている。パッキン２７は、ボディ２１に圧入されたプラグ２８によって押さえられており、高圧の冷媒によって低圧冷媒通路１３の側へ押し出されないようにされている。
【００１８】
シャフト２６の先端近傍にはばね受け部材２９が嵌合され、ボディ２１の図の上部に形成された筒状体の開口端には、ばね受け部材３０が圧入されている。これらばね受け部材２９，３０の間には、コイル状の形状記憶合金ばね３１とバイアス用のスプリング３２とが並列に介挿されている。形状記憶合金ばね３１は、温度サイクルに対して可逆的に変化する二方向性の形状記憶効果を有し、変態点より低い温度では、ばね荷重が小さく、変態点より高い温度になると、ばね荷重が温度変化に比例して大きくなる特性を有している。したがって、形状記憶合金ばね３１は、内部熱交換器６を出てコンプレッサ１に入る冷媒の温度に応じて弁体２５を開弁方向に付勢する荷重が変化する感温アクチュエータとして機能している。また、バイアス用のスプリング３２は、形状記憶合金ばね３１のばね特性を調整し、さらには、この膨張装置３の弁特性を調整するためのものであり、微調整はばね受け部材３０をボディ２１の上部開口端に圧入する圧入量で行うことができる。なお、筒状体の開口端に圧入されたばね受け部材３０は、その中央に通気孔３３が貫通形成されている。
【００１９】
ボディ２１は、また、その図の下部に筒状体が一体に形成されていて、その筒状体の開口端には、ばね受け部材３４が圧入されている。そのばね受け部材３４と弁体２５との間には、コイル状の形状記憶合金ばね３５が介挿され、弁体２５と弁孔２４の周囲部分との間には、コイル状のバイアス用のスプリング３６が介挿されている。形状記憶合金ばね３５は、弁部にて絞り膨張された冷媒の温度に応じて弁体２５を閉弁方向に付勢する荷重が変化する感温アクチュエータとして機能している。また、バイアス用のスプリング３６は、形状記憶合金ばね３５のばね特性、さらには、この膨張装置３の弁特性を調整するためのものであり、ばね受け部材３４をボディ２１の下部開口端に圧入する圧入量で微調整することができる。
【００２０】
なお、ボディ２１の冷媒導入溝２２を挟んだ両側には、シール用のＯリング３７，３８が周設されている。Ｏリング３７は、膨張装置３を内部熱交換器６の取付孔１４に装着したときに、高圧冷媒通路１２と低圧冷媒通路１３との間をシールし、Ｏリング３８は、高圧冷媒通路１２と配管１５との間をシールする。
【００２１】
以上の構成の膨張装置３において、内部熱交換器６からコンプレッサ１へ吸入される冷媒の温度が形状記憶合金ばね３５の変態点以上の所定の温度範囲内にあるとき、形状記憶合金ばね３１は、マルテンサイト相からオーステナイト相（母相）に相変態していて、冷媒の温度変化に対してばね荷重の変化が大きくなり、ほぼ比例的に変化する。同様に、膨張装置３の低圧側の冷媒の温度を感知する形状記憶合金ばね３５においても、弁部によって絞り膨張された冷媒の温度が形状記憶合金ばね３５の変態点以上の所定の温度範囲内にあるとき、冷媒の温度変化に対してばね荷重がほぼ比例的に変化する。したがって、この膨張装置３では、弁体２５およびシャフト２６のシール部分での有効径の違いから高圧冷媒の圧力により開弁する差圧の設定荷重は、形状記憶合金ばね３１が感知した温度と形状記憶合金ばね３５が感知した温度との温度差によって制御されることになる。なお、形状記憶合金ばね３１，３５は、それらの所定の温度範囲を超えた高い温度になると、それらのばね荷重の増加率が急激に低下して飽和状態になり、それ以上温度が上昇してもばね荷重は増加しなくなる。また、形状記憶合金ばね３１，３５は、二方向性の形状記憶効果を有しているので、冷媒の温度が低下してそれらの変態点を下回ると相変態してばね荷重の小さい状態になる。
【００２２】
図４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４において、図３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。
【００２３】
第２の実施の形態に係る膨張装置３ａは、第１の実施の形態に係る膨張装置３と比較して、弁孔２４の内径とシャフト２６の外径とを等しくした点で異なる。したがって、この膨張装置３ａでは、弁体２５およびシャフト２６のパッキン２７によるシール部分での有効径が等しくなるため、冷媒入口２３に導入される高圧冷媒の圧力は、開弁方向および閉弁方向に等しくかかってほぼキャンセルされている。このため、膨張装置３ａは、車輌用エアコンシステムの起動後、冷媒入口２３に高圧冷媒が導入されても弁部が閉じたまま開かないので、弁孔２４と並列にオリフィス３９を設けて、冷媒が冷凍サイクルを循環できるようにしている。
【００２４】
以上の構成から、この膨張装置３ａでは、形状記憶合金ばね３１が感知した内部熱交換器６の出口の冷媒温度と形状記憶合金ばね３５が感知した絞り膨張後の冷媒温度との温度差によって、弁体２５の弁リフトが制御されることになる。
【００２５】
図５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５において、図４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。
【００２６】
第３の実施の形態に係る膨張装置３ｂは、第１および第２の実施の形態に係る膨張装置３，３ａが弁体２５を弁孔２４の下流側に配置したのに対し、上流側に配置している点で異なる。このため、形状記憶合金ばね３１は、シャフト２６の先端に固定されたばね受け部材２９とプラグ２８との間にバイアス用のスプリング３２とともに介挿されて弁体２５を図の上方へ押し上げるように作用し、形状記憶合金ばね３５は、弁体２５から弁孔２４を貫通して軸線方向に延出されたシャフト４０に固定されたばね受け部材４１と弁孔２４の周囲部分との間に介挿されて弁体２５を図の下方へ押し下げるように作用している。バイアス用のスプリング３６は、シャフト４０に固定されたばね受け部材４１とばね受け部材３４との間に介挿されている。
【００２７】
この膨張装置３ｂにおいても、高圧を受けるシャフト２６は、パッキン２７にてシールされている部分の外径は、弁孔２４の内径と等しく形成されているので、冷媒入口２３に導入される高圧冷媒の圧力は、開弁方向および閉弁方向に等しくかかってほぼキャンセルされている。
【００２８】
以上の構成の膨張装置３ｂは、膨張装置３ａと同様に、形状記憶合金ばね３１が感知した内部熱交換器６の出口の冷媒温度と形状記憶合金ばね３５が感知した絞り膨張後の冷媒温度との温度差によって、弁体２５の弁リフトが制御されることになる。
【００２９】
図６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６において、図５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。
【００３０】
第４の実施の形態に係る膨張装置３ｃは、ボディ２１から露出していた形状記憶合金ばね３１およびスプリング３２を保護する構造にしている点で第３の実施の形態に係る膨張装置３ｂと異なっている。すなわち、この膨張装置３ｃは、ボディ２１の上部に一体に形成された筒状部に形状記憶合金ばね３１およびスプリング３２を覆うようにカバー４２が設けられている。これにより、この膨張装置３ｃを部品として取り扱うときに、形状記憶合金ばね３１およびスプリング３２がカバー４２によって保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１の実施の形態に係る膨張装置を適用した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装置の内部熱交換器への取り付け例を示す中央縦断面図である。
【図３】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４】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５】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６】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。
【符号の説明】
【００３２】
１  コンプレッサ
２  ガスクーラ
３，３ａ，３ｂ，３ｃ  膨張装置
４  エバポレータ
５  アキュムレータ
６  内部熱交換器
１１  ボディ
１２  高圧冷媒通路
１３  低圧冷媒通路
１４  取付孔
１５  配管
２１  ボディ
２２  冷媒導入溝
２３  冷媒入口
２４  弁孔
２５  弁体
２６  シャフト
２７  パッキン
２８  プラグ
２９，３０  ばね受け部材
３１  形状記憶合金ばね
３２  スプリング
３３  通気孔
３４  ばね受け部材
３５  形状記憶合金ばね
３６  スプリング
３７，３８  Ｏリング
３９  オリフィス
４０  シャフト
４１  ばね受け部材
４２  カバー
【図１】
2007046808.tif 000003
【図２】
2007046808.tif 000004
【図３】
2007046808.tif 000005
【図４】
2007046808.tif 000006
【図５】
2007046808.tif 000007
【図６】
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