(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
凝縮器出口側の冷媒圧力を有効受圧面に開弁方向に受け、閉弁ばねのばね力を有効受圧面に閉弁方向に受ける弁体が、前記冷媒圧力による開弁力と前記閉弁ばねによる閉弁力との平衡関係により動作し、前記凝縮器出口側の冷媒状態を制御する冷凍サイクル用制御弁において、
前記弁体により開閉される弁ポートを介して連通する下流側弁室及び上流側弁室と、
前記閉弁ばねが、閉弁状態においても前記上流側弁室内において冷媒流れ中に曝されるように前記下流側弁室に向かう低流量の冷媒流れを前記上流側弁室内に確保するためのブリードオリフィス通路とが備えられ、
温度に対して正特性を有する感温材料により構成された前記閉弁ばねが、前記凝縮器出口側の冷媒温度を感知し、該凝縮器出口側の冷媒温度の上昇に応じてばね荷重を増加することを特徴とする冷凍サイクル用制御弁。
【請求項２】
前記閉弁ばねが、温度に対するばね特性が互いに異なる複数個の形状記憶合金製のばねの組合せにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル用制御弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、冷凍サイクル用制御弁に関し、特に、蒸気圧縮式冷凍サイクル装置の凝縮器（放熱器）出口側の冷媒状態を制御する過冷却度制御弁、圧力・温度制御弁として好適な冷凍サイクル用制御弁に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
二酸化炭素（ＣＯ2 ）等を冷媒として使用する蒸気圧縮式冷凍サイクル装置の凝縮器出口側の冷媒状態を制御する制御弁して、特開平１０−９７１９号公報に示されているような減圧弁や、特開平９−２６４６２２号公報に示されているような圧力制御弁（過冷却度制御弁）が知られている。
【０００３】
特開平１０−９７１９号公報に示されている減圧弁は、凝縮器（放熱器）出口側の冷媒圧力と蒸発器入口側の冷媒圧力との圧力差ΔＰが所定値になるように、蒸発器の冷媒圧力に応じて弁開度を制御し、蒸発器の熱負荷に応じて凝縮器出口側の冷媒圧力を制御するようになっている。
【０００４】
特開平９−２６４６２２号公報に示されている圧力制御弁は、冷媒温度０℃での飽和液密度から冷媒の臨界点温度での飽和液密度に至る密度で冷媒を封入されたダイヤフラム室の内圧と、凝縮器（放熱器）出口側の冷媒圧力との平衡関係に応じて動作し、凝縮器出口側の冷媒圧力と冷媒温度の制御によって凝縮域では過冷却度を制御し、超臨界域を含めた最適制御を行うようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１０−９７１９号公報に示されている減圧弁では、圧力差ΔＰを与える閉弁ばねのばね特性が凝縮器出口側の冷媒温度の如何に拘わらず一定であるため、凝縮器出口側冷媒温度の過冷却度を、ＣＯ2 等の冷媒の飽和温度−圧力特性に応じて広域に亙り最適制御することはできず、冷凍サイクルの効率性を無視したものになる。
【０００６】
特開平９−２６４６２２号公報に示されている圧力制御弁では、０℃〜臨界点間でしか液封入とならないため、目標とする特性を得ることが難しく、仮に臨界点付近で液封入状態を得たとしても、ダイヤフラム室の容積変化を考えると最適制御を行うことは難しい。また、ベローズ、ダイヤフラム等による超高圧仕様の密封感圧素子が必要であり、充分な耐久性を得るためには、生産性が悪く、高価なものになる。
【０００７】
この発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたもので、ベローズ、ダイヤフラム等の密封感圧素子を必要とすることがなく、システム効率より試算される最適制御線（凝縮域〜超臨界域）に近似した制御特性を有し、凝縮器出口側冷媒の過冷却度を広域に亙って最適制御し、また超臨界域にも対応できる冷凍サイクル用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に記載の発明による冷凍サイクル用制御弁は、凝縮器出口側の冷媒圧力を有効受圧面に開弁方向に受け、閉弁ばねのばね力を有効受圧面に閉弁方向に受ける弁体が、前記冷媒圧力による開弁力と前記閉弁ばねによる閉弁力との平衡関係により動作し、前記凝縮器出口側の冷媒状態を制御する冷凍サイクル用制御弁において、前記弁体により開閉される弁ポートを介して連通する下流側弁室及び上流側弁室と、前記閉弁ばねが、閉弁状態においても前記上流側弁室内において冷媒流れ中に曝されるように前記下流側弁室に向かう低流量の冷媒流れを前記上流側弁室内に確保するためのブリードオリフィス通路とが備えられ、温度に対して正特性を有する感温材料により構成された前記閉弁ばねが、前記凝縮器出口側の冷媒温度を感知し、該凝縮器出口側の冷媒温度の上昇に応じてばね荷重を増加するものである。
【００１１】
請求項２に記載の発明による冷凍サイクル用制御弁は、前記閉弁ばねが、温度に対するばね特性が互いに異なる複数個の形状記憶合金製のばねの組合せにより構成されているものである。
【００１３】
請求項１に記載の発明による冷凍サイクル用制御弁では、閉弁状態において も低流量の冷媒流れが確保され、閉弁状態においても閉弁ばねが冷媒流れ中に 曝され、閉弁ばねが凝縮器出口側の冷媒温度に安定して感応する。凝縮器出口  側の冷媒温度の上昇に応じて閉弁ばねのばね荷重が増加するから、制御弁特性  が凝縮器出口側の冷媒圧力と冷媒温度とにより決まり、制御弁特性を冷媒の飽  和温度−圧力特性に近似したものに設定でき、凝縮器出口側冷媒温度の広域（  広凝縮域）に 亙って過冷却度を最適制御することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明による冷凍サイクル用制御弁では、各ばねの形状記憶合金製の温度−荷重負荷特性に基づいて、凝縮器出口側の冷媒温度の上昇に応じて 閉弁ばねのばね荷重が増加するから、制御弁特性が凝縮器出口側の冷媒圧力と冷媒温度とにより決まり、複数の形状記憶合金の温度−荷重負荷特性の組合わせ選 定によって制御弁特性が冷媒の飽和温度−圧力特性に近似したものになり、凝縮域での過冷却度制御に止まらず、超臨界域も含めた広域に亙って凝縮器出口側冷 媒の圧力、温度（冷媒状態）を最適制御することができる。
【００１８】
【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。
【００１９】
（実施の形態１）
図１はこの発明による冷凍サイクル用制御弁を組み込まれた実施の形態１を示している。適用される冷凍サイクル装置は、たとえば、ＣＯ2 を冷媒として使用する蒸気圧縮式冷凍サイクル装置であり、通常の冷凍サイクル装置と同様に、圧縮機１、凝縮器２、レシーバ３、蒸発器４、アキュームレータ５と、これらを循環式に接続する冷媒通路６、７、８、９により構成されている。
【００２０】
この発明による冷凍サイクル用制御弁１０はレシーバ３と蒸発器４とを接続する冷媒通路７の途中に配置されている。
【００２１】
冷凍サイクル用制御弁１０は、入口ポート１１、上流側弁室１２、弁ポート１３、下流側弁室１４、出口ポート１５とを有する弁ハウジング１６を有しており、上流側弁室１２に入口ポート１１よりも凝縮器２の出口側の冷媒圧力Ｐｃを及ぼされ、下流側弁室１４に出口ポート１５より蒸発器４の入口側の冷媒圧力Ｐｅを及ぼされる。
【００２２】
下流側弁室１４には弁ポート１３を開閉するボール弁体１７が配置されている。ボール弁体１７の有効受圧面は、凝縮器２の出口側の冷媒圧力Ｐｃを開弁方向に受けると共に、蒸発器４の入口側の冷媒圧力Ｐｅを閉弁方向に受け、この圧力差（Ｐｃ＞Ｐｅ）がボール弁体１７に有効開弁圧として作用する。
【００２３】
なお、蒸発器４の入口側の冷媒圧力Ｐｅは一般的に安定した圧力値を示し、しかも凝縮器２の出口側の冷媒圧力Ｐｃに対して影響度が小さいから、制御弁の作動要因は凝縮器２の出口側の冷媒圧力Ｐｃが主体になり、蒸発器４の入口側の冷媒圧力Ｐｅを無視することが可能である。
【００２４】
ボール弁体１７には、弁ポート１３を貫通して上流側弁室１２に延在する弁棒１８の下端がスポット溶接等により固着されている。弁棒１８の上端側は、弁ハウジング１６にかしめ結合されたキャップ部材１９の案内凹部２０に摺動可能に係合し、ボール弁体１７を開閉させるための弁棒１８の上下方向移動を案内する。
【００２５】
下流側弁室１４には、弁ハウジング１６にねじ止めされたハウジング側ばねリテーナ２１とボール弁体１７に係合している弁体側ばねリテーナ２２とが設けられており、これらハウジング側ばねリテーナ２１と弁体側ばねリテーナ２２との間に通常の圧縮コイルばねによる設定ばね２３が設けられていて、設定ばね２３は弁体側ばねリテーナ２２を介してボール弁体１７を軽く閉弁方向へ付勢している。
【００２６】
上流側弁室１２には、弁ハウジング１６に係止されたハウジング側ばねリテーナ２４が設けられており、このハウジング側ばねリテーナ２４と、弁棒１８に形成された段差部１８ａとの間には、温度に対して正特性を有する断面略パンタグラフ形のバイメタルを複数個の重ねてなるベローズ状の感温閉弁ばね２５が設けらていて、感温閉弁ばね２５は弁棒１８を介してボール弁体１７を閉弁方向へ付勢している。
【００２７】
感温閉弁ばね２５は、上流側弁室１２内において冷媒流れ中に曝され、凝縮器２の出口側の冷媒温度Ｔｃを直接感知し、感温閉弁ばね２５を構成するバイメタルが温度に対して正特性を有していることから、凝縮器２の出口側の冷媒温度Ｔｃの上昇に応じてばね荷重を増加する。感温閉弁ばね２５を構成するバイメタルの温度−荷重負荷特性は、感温閉弁ばね２５のばね特性が、装置冷媒の飽和温度−圧力特性あるいは要求特性、たとえばＣＯ2 冷媒の超臨界域における最適制御特性に近似した２次曲線的なものになるように設計、選定する。
【００２８】
また、弁ハウジング１６には、弁ポート１３とは別に、上流側弁室１２と下流側弁室１４とを連通接続する小口径のブリードオリフィス通路２６が貫通形成されている。
【００２９】
上述の構成による冷凍サイクル用制御弁１０は、ボール弁体１７が有効受圧面に受ける凝縮器２の出口側の冷媒圧力Ｐｃと蒸発器４の入口側の冷媒圧力Ｐｅとの差圧により得られる有効開弁圧による開弁力と、設定ばね２３と感温閉弁ばね２５のばね荷重による閉弁力との平衡関係により動作し、ボール弁体１７によって弁ポート１３の開度を制御して凝縮器２の出口側の冷媒状態を制御する。
【００３０】
感温閉弁ばね２５を構成するバイメタルの温度−荷重負荷特性が、図２に示されているように、ＣＯ2 冷媒の飽和温度−圧力特性に近似した２次曲線的なものに設計、選定されていることにより、冷凍サイクル用制御弁１０の制御弁特性は、図３に示されているように、ＣＯ2 冷媒の飽和温度−圧力特性に近似したものになり、臨界点以下の凝縮域では、その広域に亙って過冷却度が制御され、ＣＯ2 冷媒の超臨界域においても最適制御特性が得られる。
【００３１】
また、ブリードオリフィス通路２６が設けられていることにより、閉弁状態においても上流側弁室１２から下流側弁室１４への低流量の冷媒流れが確保され、閉弁状態においても感温閉弁ばね２５が冷媒流れ中に曝されるから、閉弁状態時を含めて感温閉弁ばね２５が凝縮器２の出口側の冷媒温度Ｔｃに安定して感応する。
【００３２】
これらのことにより、蒸気圧縮式冷凍サイクル装置等の冷凍サイクル装置が広域な凝縮域に亙って効率よく運転されることになる。
【００３３】
なお、設定ばね２３は、感温閉弁ばね２５のばね特性の安定化及び制御弁特性の調整を目的として設けているものであり、ボール弁体１７と弁棒１８とがスポット溶接された構造であれば、省略することもできる。
【００３４】
（実施の形態２）
図４はこの発明による冷凍サイクル用制御弁を組み込まれた実施の形態２を示している。なお、図４において、図１に対応する部分は、図１に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００３５】
この実施の形態２では、上流側弁室１２内に、弁棒１８に形成された段差部１８ａに係止されたはねリテーナ２８が設けられており、このはねリテーナ２８と弁ハウジング１６との間には、形状記憶合金（ＳＭＡ）製の圧縮コイルばねによる第１感温閉弁ばね２９と第２感温閉弁ばね３０とが二重ばね式に設けられている。
【００３６】
第１感温閉弁ばね２９を構成する形状記憶合金と第２感温閉弁ばね３０を構成する形状記憶合金は、ともに温度に対して正特性を有しているが、図５に示されているように、温度に対して異なるばね荷重特性を有している。
【００３７】
この実施の形態２では、第１感温閉弁ばね２９と第２感温閉弁ばね３０とを合成ばねとして考えた場合のばね特性が、装置冷媒の飽和温度−圧力特性あるいは要求特性に近似したものになるように、各感温閉弁ばね２９、３０の形状記憶合金の温度−荷重負荷特性を設計、選定すればよい。
【００３８】
図５に示されている例では、第１感温閉弁ばね２９は低〜中温域で正温度特性を示して３０℃程度で飽和し、第２感温閉弁ばね３０は３０℃程度以下の低〜中温域では実質的なばね作用をせず、３０℃程度以上の高温域で正温度特性を示し、この第１感温閉弁ばね２９と第２感温閉弁ばね３０とで折れ線状の合成ばね特性が得られる。
【００３９】
また、この実施の形態２では、設定ばね２３に代えて、キャップ部材１９に設けられている案内凹部２０に、ボール弁体１７を開弁方向に付勢する弱いバイアスばね３１が設けられている。バイアスばね３１は、実施の形態１における設定ばね２３と同様に、第１感温閉弁ばね２９および第２感温閉弁ばね３０のばね特性の安定化及び制御弁特性の調整を目的として設けているものであり、省略することもできる。
【００４０】
また、この実施の形態２でも、弁ハウジング１６には、弁ポート１３とは別に、上流側弁室１２と下流側弁室１４とを連通接続する小口径のブリードオリフィス通路２６が貫通形成されている。
【００４１】
上述の構成による冷凍サイクル用制御弁１０は、ボール弁体１７の有効受圧面に受ける凝縮器２の出口側の冷媒圧力Ｐｃと蒸発器４の入口側の冷媒圧力Ｐｅとの差圧により得られる有効開弁圧による開弁力およびバイアスばね３１のばね力による開弁力と、第１感温閉弁ばね２９と第２感温閉弁ばね３０の合成ばね荷重による閉弁力との平衡関係により動作し、ボール弁体１７によって弁ポート１３の開度を制御して凝縮器２の出口側の冷媒状態を制御する。
【００４２】
第１感温閉弁ばね２９と第２感温閉弁ばね３０とによる合成ばね特性（温度−荷重負荷特性）が、図５に示されているように、ＣＯ2 冷媒の飽和温度−圧力特性に近似した折れ線的なものに設計、選定されていることにより、冷凍サイクル用制御弁１０の制御弁特性は、図６に示されているように、ＣＯ2 冷媒の飽和温度−圧力特性に近似したものになり、臨界点以下の凝縮域では、その広域に亙って過冷却度が制御され、ＣＯ2 冷媒の超臨界域においても最適制御特性が得られる。
【００４３】
また、この実施の形態２でも、ブリードオリフィス通路２６が設けられていることにより、閉弁状態においても上流側弁室１２から下流側弁室１４への低流量の冷媒流れが確保され、閉弁状態においても第１感温閉弁ばね２９、第２感温閉弁ばね３０が冷媒流れ中に曝されるから、閉弁状態時を含めて第１感温閉弁ばね２９、第２感温閉弁ばね３０が凝縮器２の出口側の冷媒温度Ｔｃに安定して感応する。
【００４４】
これらのことにより、蒸気圧縮式冷凍サイクル装置等の冷凍サイクル装置が広域に亙って効率よく運転されることになる。
【００４５】
形状記憶合金製の感温閉弁ばねは、装置冷媒の飽和温度−圧力特性あるいは要求特性に応じて１個であってもよく、また２個以上の複数個であってもよく、種々の特性を得ることができる。
【００４６】
（実施の形態３）
図７はこの発明による冷凍サイクル用制御弁の実施の形態３を示している。なお、図７において、図１に対応する部分は、図１に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００４７】
この実施の形態３は、実施の形態１の変形例であり、閉弁ばねが通常のばね鋼製の圧縮コイルばね３２とバイメタル製の感温ばね３３との組合せにより構成されている。
【００４８】
この実施の形態３でも、冷凍サイクル用制御弁１０は、ボール弁体１７の有効受圧面に受ける凝縮器２の出口側の冷媒圧力Ｐｃと蒸発器４の入口側の冷媒圧力Ｐｅとの差圧により得られる有効開弁圧による開弁力と、設定ばね２３と閉弁ばね（圧縮コイルばね３２＋感温ばね３３）のばね荷重による閉弁力との平衡関係により動作し、ボール弁体１７によって弁ポート１３の開度を制御して凝縮器２の出口側の冷媒状態を制御する。
【００４９】
この実施の形態３では、設定ばね２３と閉弁ばねとを合成ばねとして考えた場合のばね特性が、装置冷媒の飽和温度−圧力特性あるいは要求特性に近似したものになるように、感温ばね３３を構成するバイメタルの温度−荷重負荷特性を設計、選定すればよい。
【００５０】
これにより、冷凍サイクル用制御弁１０の制御弁特性は、装置冷媒の飽和温度−圧力特性に近似したものになり、臨界点以下の凝縮域では、その広域に亙って過冷却度が制御され、また装置冷媒の超臨界域においても最適制御特性が得られる。
【００５１】
したがって、この実施の形態でも、蒸気圧縮式冷凍サイクル装置等の冷凍サイクル装置が広域に亙って効率よく運転されることになる。
【００５２】
【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冷凍サイクル  用制御弁によれば、凝縮器出口側の冷媒圧力を有効受圧面に開弁方向に受け、  閉弁 ばねのばね力を有効受圧面に閉弁方向に受ける弁体の、前記冷媒圧力に  よる開弁力と前記閉弁ばねによる閉弁力との平衡関係により動作し、前記凝縮  器出口側の 冷媒状態を制御する冷凍サイクル用制御弁において、前記弁体に より開閉される弁ポートを介して連通する下流側弁室及び上流側弁室と、前記 閉弁ばねが、閉弁状態においても前記上流側弁室内において冷媒流れ中に曝さ れるように前記下流側弁室に向かう低流量の冷媒流れを前記上流側弁室内に確 保するためのブリードオリフィス通路とが備えられ、温度に対して正特性を有 する感温材料により構成された前記閉弁ばねが前記凝縮器出口側の 冷媒温度  を感知し、該凝縮器出口側の冷媒温度の上昇に応じてばね荷重を増加するもの  とした。
【００５３】
このため、閉弁状態においても低流量の冷媒流れが確保されるので、閉弁状態においても閉弁ばねが冷媒流れ中に曝されることとなり、閉弁ばねが凝縮器出口側の冷媒温度に安定して感応するようになって、安定して制御弁動作か得られる。また、凝縮器出口側の冷媒温度の上昇に応じて閉弁ばねのばね荷重が増加するから、制御弁特性が凝縮器出口側の冷媒圧力と冷媒温度とにより決まり、制御弁特性を冷媒の飽和温度−圧力特性に近似したものに設定でき、凝縮器出口側冷媒温度の広域（広凝縮域）に亙って過冷却度を最適制御することができ、蒸気圧縮式冷凍サイクル装置等の冷凍サイクル装置を広域に亙って効率よく運転することが可能になる。
【００５４】
また、ベローズ、ダイヤフラム等の密封式の感圧素子を使用しないため、耐圧性の高い冷凍サイクル装置用機器を提供することができ、しかも、構造が簡単かつ単純で、低コスト、高信頼性を得ることができる。
【００５９】
請求項２に記載の発明による冷凍サイクル用制御弁によれば、閉弁ばねが、温度に対するばね特性が互いに異なる複数個の形状記憶合金製のばねの組合せにより構成されているものとした。
【００６０】
このため、各ばねの形状記憶合金の温度−荷重負荷特性に基づいて、凝縮器出口側の冷媒温度の上昇に応じて閉弁ばねのばね荷重が増加するから、制御弁特性が凝縮器出口側の冷媒圧力と冷媒温度とにより決まり、複数の形状記憶合金の温度−荷重負荷特性の組合わせ選定によって制御弁特性を冷媒の飽和温度−圧力特性に近似したものに設定でき、凝縮器出口側冷媒温度の広域（広凝縮域）に亙って過冷却度を最適制御することができ、形状記憶合金の特性の自由度、組合せにより、一般の感温物性（飽和、圧縮性、等容性等）では得られにくい種々の制御弁特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による実施の形態１に係る冷凍サイクル用制御弁を組み込まれた冷凍サイクルを示す構成図である。
【図２】図１の冷凍サイクル用制御弁における閉弁ばねの温度−ばね荷重特性および制御弁特性を示すグラフである。
【図３】図１の冷凍サイクル用制御弁における制御弁特性と冷媒飽和特性を示すグラフである。
【図４】この発明による実施の形態２に係る冷凍サイクル用制御弁を組み込まれた冷凍サイクルを示す構成図である。
【図５】図４の冷凍サイクル用制御弁における閉弁ばねの温度−ばね荷重特性および制御弁の合成ばね特性を示すグラフである。
【図６】図４の冷凍サイクル用制御弁における制御弁特性と冷媒飽和特性を示すグラフである。
【図７】この発明による実施の形態３に係る冷凍サイクル用制御弁を示す断面図である。
【符号の説明】
１  圧縮機
２  凝縮器
３  レシーバ
４  蒸発器
５  アキュームレータ
１０  冷凍サイクル用制御弁
１１  入口ポート
１２  上流側弁室
１３  弁ポート
１４  下流側弁室
１５  出口ポート
１６  弁ハウジング
１７  ボール弁体
１８  弁棒
２３  設定ばね
２５  感温閉弁ばね
２６  ブリードオリフィス通路
２９  第１感温閉弁ばね
３０  第２感温閉弁ばね
３１  バイアスばね
３２  圧縮コイルばね
３３  感温ばね
【図１】
0003954743.tif 000002
【図２】
0003954743.tif 000003
【図３】
0003954743.tif 000004
【図４】
0003954743.tif 000005
【図５】
0003954743.tif 000006
【図６】
0003954743.tif 000007
【図７】
0003954743.tif 000008