(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サイクル装置において、
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放熱器出口の圧力制御を行う高圧制御弁と、前記放熱器の出口側の冷媒の圧力と蒸発器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前記高圧制御弁と並列に設けられた逃し弁とを備え、
前記高圧制御弁は、ハウジング内通路と該ハウジング内通路を通じて前記放熱器と前記蒸発器とを連通する圧力制御用弁ポートとを有する弁ハウジングと、前記ハウジング内通路内に配置され前記放熱器より前記蒸発器へ向かう冷媒の圧力および温度に感応する密封型のベローズ装置と、該密封型のベローズ装置により駆動され前記圧力制御用弁ポートの連通度を制御する圧力制御用弁体とを有し、
前記密封型のベローズ装置は、ベローズ本体により形成されて圧縮コイルばねが内蔵されるとともに超臨界状態の炭酸ガスが封入されるベローズ室を有し、前記冷媒が前記放熱器側から流入して前記蒸発器側へ向けて流れる前記ハウジング内通路内に、前記ベローズ本体の全体がその伸縮動作方向の一端から他端に向けて一方向に流れる前記冷媒に直接曝されるように配置され、前記冷媒の温度に感応して発生する前記ベローズ室内の圧力と前記圧縮コイルばねのばね力による圧力との合計に対する前記放熱器の出口側の冷媒圧力の平衡関係により前記圧力制御用弁体を駆動するように動作することを特徴とする超臨界蒸気圧縮サイクル装置。
【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た、高圧制御弁に逃し弁の付いた圧力制御弁であって、
前記高圧制御弁の圧力制御用弁ポートと前記逃がし弁の逃し用弁ポートとを並列の関係で有する弁ハウジングと、前記弁ハウジング内に設けられて圧力および温度に感応する密封型のベローズ装置と前記密封型のベローズ装置により駆動され、前記圧力制御用弁ポートの開閉と開度設定を行う圧力制御用弁体と、前記逃し用弁ポートを開閉する逃し用弁体と、前記逃し用弁体を閉弁方向に付勢する逃し圧設定ばねとを備え、
前記密封型のベローズ装置は、ベローズ本体により形成されて圧縮コイルばねが内蔵されるとともに超臨界状態の炭酸ガスが封入されるベローズ室を有し、前記冷媒が前記放熱器側から流入して前記蒸発器側へ向けて流れる前記ハウジング内通路内に、前記ベローズ本体の全体がその伸縮動作方向の一端から他端に向けて一方向に流れる前記冷媒に直接曝されるように配置され、前記冷媒の温度に感応して発生する前記ベローズ室内の圧力と前記圧縮コイルばねのばね力による圧力との合計に対する前記放熱器の出口側の冷媒圧力の平衡関係により前記圧力制御用弁体を駆動するように動作することを特徴とする逃し弁付き圧力制御弁。
【請求項３】
前記高圧制御弁と前記逃し弁が前記放熱器又は前記蒸発器の本体部に設けられた弁受入孔内に装填されることを特徴とする請求項２に記載の圧力制御弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は超臨界蒸気圧縮サイクル装置および逃し弁付き圧力制御弁に関するものである。
【従来の技術】
近年では、オゾン層破壊を防ぐために、冷媒としてフロンに代えて炭酸ガス（ＣＯ2 ）を使用する研究が行われている。炭酸ガス冷媒を使用する冷凍サイクル装置では、フロン冷媒によるものとは異なって、臨界温度が低く、超臨界域で運転されるため、このような冷凍サイクルは超臨界蒸気圧縮サイクルと云われ、高圧側で凝縮現象が行われず、その状況により成績係数（動作係数）が左右されると共に、フロン冷媒によるものに比して圧力変動が生じ易いと云う特性を有している。
【０００２】
上述のような超臨界蒸気圧縮サイクル装置では、特開平９−２６４６２２号公報に示されているように、冷媒封入のダイヤフラム室の内圧と放熱器出口側の冷媒圧力との平衡関係により動作する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、圧力制御弁によって放熱器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するものや、特開平１０−９７１９号公報に示されているように、蒸発器の入口側の冷媒の圧力との差圧が所定値になるように、蒸発器の入口側の冷媒の圧力に感応する減圧弁を放熱器より蒸発器へ至る冷媒通路の途中に設けたものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特開平９−２６４６２２号公報に示されているように、冷媒封入のダイヤフラム室の内圧と放熱器出口側の冷媒圧力との平衡関係により動作する圧力制御弁によって最適制御するものでは、高圧側の制御はできるが、この制御は、冷房負荷の大きさに関係なく放熱器出口側の冷媒圧力で決定されるため、冷房負荷が少ない場合に高駆動力が必要であることに対応できない。また、車載用空気調和装置においては、高外気温時に空気調和装置が停止していると、ダイヤフラム室内圧が高くなり、この状態で始動されても、外気温度相当圧力以上にならないと、開弁せず、空気調和装置を運転できず、高圧側の耐圧を超える虞れがある。
【０００４】
特開平１０−９７１９号公報に示されているように、蒸発器の入口側の冷媒の圧力との差圧が所定値になるように、蒸発器の入口側の冷媒の圧力に感応する減圧弁を放熱器より蒸発器へ至る冷媒通路の途中に設けたものでは、上述したように不具合は発生しないが、放熱器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は制御されず、このため、成績係数が低い運転となり、冷凍サイクル装置の経済性が低くなることを避けられない。
【０００５】
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、通常時は最適制御線に沿う運転を行い、冷房負荷が少ない場合に高駆動力が必要であることや、高外気温によってダイヤフラム室内圧が高くなっていることに対応でき、高圧側の安全性を図りつつ効率のよい運転を行うことができる超臨界蒸気圧縮サイクル装置および逃し弁付き圧力制御弁を提供することを目的としている。
【０００６】
【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超臨界蒸気圧縮サイクル装置は、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サイクル装置において、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放熱器出口の圧力制御を行う高圧制御弁と、前記放熱器の出口側の冷媒の圧力と蒸発器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前記高圧制御弁と並列に設けられた逃し弁とを備え、前記高圧制御弁は、ハウジング内通路と該ハウジング内通路を通じて前記放熱器と前記蒸発器とを連通する圧力制御用弁ポートとを有する弁ハウジングと、前記ハウジング内通路内に配置され前記放熱器より前記蒸発器へ向かう冷媒の圧力および温度に感応する密封型のベローズ装置と、該密封型のベローズ装置により駆動され前記圧力制御用弁ポートの連通度を制御する圧力制御用弁体とを有し、前記密封型のベローズ装置は、ベローズ本体により形成されて圧縮コイルばねが内蔵されるとともに超臨界状態の炭酸ガスが封入されるベローズ室を有し、前記冷媒が前記放熱器側から流入して前記蒸発器側へ向けて流れる前記ハウジング内通路内に、前記ベローズ本体の全体がその伸縮動作方向の一端から他端に向けて一方向に流れる前記冷媒に直接曝されるように配置され、前記冷媒の温度に感応して発生する前記ベローズ室内の圧力と前記圧縮コイルばねのばね力による圧力との合計に対する前記放熱器の出口側の冷媒圧力の平衡関係により前記圧力制御用弁体を駆動するように動作することを特徴とする超臨界蒸気圧縮サイクル装置である。
【０００７】
また、上述の目的を達成するために、請求項２に記載の発明による圧力制御弁は、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た逃し弁付き圧力制御弁であって、高圧制御弁の圧力制御用弁ポートと逃がし弁の逃し用弁ポートとを並列の関係で有する弁ハウジングと、前記弁ハウジング内に設けられて圧力および温度に感応する密封型のベローズ装置と前記密封型のベローズ装置により駆動され、前記圧力制御用弁ポートの開閉と開度設定を行う圧力制御用弁体と、前記逃し用弁ポートを開閉する逃し用弁体と、前記逃し用弁体を閉弁方向に付勢する逃し圧設定ばねとを備え、前記密封型のベローズ装置は、ベローズ本体により形成されて圧縮コイルばねが内蔵されるとともに超臨界状態の炭酸ガスが封入されるベローズ室を有し、前記冷媒が前記放熱器側から流入して前記蒸発器側へ向けて流れる前記ハウジング内通路内に、前記ベローズ本体の全体がその伸縮動作方向の一端から他端に向けて一方向に流れる前記冷媒に直接曝されるように配置され、前記冷媒の温度に感応して発生する前記ベローズ室内の圧力と前記圧縮コイルばねのばね力による圧力との合計に対する前記放熱器の出口側の冷媒圧力の平衡関係により前記圧力制御用弁体を駆動するように動作することを特徴とする逃し弁付き圧力制御弁である。
【０００８】
また、上述の目的を達成するために、請求項３に記載の発明による逃し弁付き圧力制御弁は、前記高圧制御弁と前記逃し弁が前記放熱器又は前記蒸発器の本体部に設けられた弁受入孔内に装填されることを特徴とする請求項２に記載の圧力制御弁である。
【００１２】
請求項１に記載の発明による超臨界蒸気圧縮サイクル装置では、ベローズ装置がベローズ本体により形成されて圧縮コイルばねが内蔵されるとともに超臨界状態の炭酸ガスが封入されるベローズ室を有し、前記冷媒が前記放熱器側から流入して前記蒸発器側へ向けて流れるハウジング内通路内に、前記ベローズ本体の全体がその伸縮動作方向の一端から他端に向けて一方向に流れる前記冷媒に直接曝されるように配置され、放熱器の出口側の冷媒の圧力および温度に感応した該密封型ベローズ装置により高圧制御弁の圧力制御弁体が駆動されて圧力制御弁用弁ポートの開閉と開度設定を行い、放熱器と蒸発器との連通度を制御して放熱器出口側の圧力を制御し、この制御によって通常時には最適制御線に沿う運転が行われる。また、放熱器の出口側の冷媒の圧力と蒸発器の入口側の冷媒の圧力との差圧が所定値以上になると、逃し弁が開弁することにより、高圧制御弁が閉弁していても、圧力・温度感応室であるハウジング内通路内に放熱器より蒸発器へ向かう冷媒流体の流れが生じ、密封型ベローズ装置のベローズ本体の全体がその伸縮動作方向の一端から他端に向けて一方向に流れる前記冷媒の流れ中に曝され、正規の温度に感応するようになって冷房負荷が少ない場合にも省動力化が図れる超臨界蒸気圧縮サイクル装置の運転を保証する。
【００１３】
請求項２に記載の発明による超臨界蒸気圧縮サイクル装置で使われる圧力制御弁は、ベローズ装置がベローズ本体により形成されて圧縮コイルばねが内蔵されるとともに超臨界状態の炭酸ガスが封入されるベローズ室を有し、前記冷媒が前記放熱器側から流入して前記蒸発器側へ向けて流れるハウジング内通路内に、前記ベローズ本体の全体がその伸縮動作方向の一端から他端に向けて一方向に流れる前記冷媒に直接曝されるように配置され、放熱器の出口側の冷媒の圧力および温度に感応した該密封型ベローズ装置により高圧制御弁の圧力制御弁体が駆動されて圧力制御弁用弁ポートの開閉と開度設定を行い、放熱器と蒸発器との連通度を制御して放熱器出口側の圧力を制御し、この制御によって通常時には最適制御線に沿う運転が行われる。また、放熱器の出口側の冷媒の圧力と蒸発器の入口側の冷媒の圧力との差圧が所定値以上になると、逃し弁が開弁することにより、圧力制御弁用弁ポートをバイパス形態で連通状態にして、高圧制御弁が閉弁していても、圧力・温度感応室である前記ハウジング内通路内に放熱器より蒸発器へ向かう冷媒の流れが生じ、密封型ベローズ装置のベローズ本体の全体がその伸縮動作方向の一端から他端に向けて一方向に流れる前記冷媒の流れ中に曝され、正規の温度に速やかに感応するようになるコンパクトな複合弁が得られる。
【００１４】
請求項３に記載の発明による逃し弁付き圧力制御弁では、前記高圧制御弁と前記逃し弁が前記放熱器又は前記蒸発器の本体部に設けられた弁受入孔内に装填される。
【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】
図１はこの発明による超臨界蒸気圧縮サイクル装置の一つの実施の形態を示している。この超臨界蒸気圧縮サイクルは、圧縮機１と、放熱器（ガスクーラ）２と、蒸発器３が冷媒通路（配管）４、５、６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。
【００２０】
放熱器２より蒸発器３へ至る冷媒通路５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７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８とが互いに並列に設けられている。
【００２１】
高圧制御弁７と逃し弁８とは、図２に示されているような、逃し弁付き圧力制御弁１０により、一つの複合弁として構成することができる。つぎに、この逃し弁付き圧力制御弁１０について説明する。逃し弁付き圧力制御弁１０は放熱器２あるいは蒸発器３の本体ホディ１１に形成された弁受入孔１２内に装填されている。逃し弁付き圧力制御弁１０の弁ハウジング１３には、弁ハウジング１３にねじ止めされたエンド部材１４により画定されて放熱器２の出口側に連通する入口ポート１５、入口ポート１５と直接連通しているハウジング内通路１６と、弁ハウジング１３にねじ止めされたばねリテーナ部材１７により画定されて蒸発器３の入口側と連通する出口ポート１８と、出口ポート１８と直接連通している逃し弁室１９と、ハウジング内通路１６と逃し弁室１９とを連通する圧力制御用弁ポート２０と、ハウジング内通路１６の下流側に連通している延長通路２１と逃し弁室１９とを連通する逃し用弁ポート２２とを有し、圧力制御用弁ポート２０と逃し用弁ポート２２とは、入口ポート１５と出口ポート１８との間に互いに並列の関係になっている。
【００２２】
ハウジング内通路１６内には圧力・温度感応手段として、超臨界状態の炭酸ガスが封入された密閉型のベローズ装置２３が配置されている。ベローズ装置２３は、上端部材２４を一体に有するベローズ本体２５と、ベローズ本体２５の下端を閉じるべくベローズ本体２５の下端に溶接された下端部材２６と、下端部材２６に形成された注入孔２７を閉じてベローズ内部を密閉するシール用ボール２８と、上端を上端部材２４に固定された内部ストッパ部材２９と、内部ストッパ部材２９の上側フランジ部３０と下端部材２６との間に設けられた圧縮コイルばね３１により構成されている。
【００２３】
ベローズ装置２３は、図２に示すごとく、ベローズ本体により形成されて圧縮コイルばねが内蔵されるベローズ室３７を有し、このベローズ室３７の内部には超臨界状態の炭酸ガスが運転を最適化する密度で封入されている。このベローズ装置２３は、図２に示されるように前記冷媒が前記放熱器側から流入して前記蒸発器側へ向けて流れるハウジング内通路内に、前記ベローズ本体全体がその伸縮動作方向の一端から他端に向けて一方向に流れる前記冷媒に直接曝されるように配置され、放熱器２の出口側の冷媒温度に感応し発生するベローズ室３７内の圧力と、バイアスばねとして作用する圧縮コイルばね３１のばね力による圧力との合計に対する、放熱器２の出口側の冷媒圧力の平衡関係により伸縮動作する。
【００２４】
ベローズ装置２３の上端部分には弁保持部材３２が固定されており、弁保持部材３２にボール弁体による圧力制御用弁体３３が固定されている。圧力制御用弁体３３は、ベローズ装置２３によって駆動され、圧力制御弁用弁ポート２０の開閉と開度設定を行う。
【００２５】
逃し弁室１９には逃し用弁ポート２２を開閉するボール弁体による逃し弁体３４が設けられている。また、逃し弁室１９には、逃し弁体３４に係合しているばねリテーナ部材３５と弁ハウジング１３にねじ止めされたばねリテーナ部材１７との間には逃し用弁体３４を閉弁方向に付勢する圧縮コイルばねによる逃し圧設定ばね３６が設けられている。逃し弁体３４の設定圧力は、炭酸ガス冷媒の場合には、９ＭＰａ程度に設定すればよい。
【００２６】
延長通路２１はハウジング内通路１６の下流側に連通しているから、ハウジング内通路１６は逃し用弁ポート２２より上流側にあり、逃し弁体３４が開弁すれば、圧力制御用弁体３３が閉弁していても、ベローズ本体２５の外側に位置するハウジング内通路１６に流体（冷媒）の流れが生じ、ベローズ装置２３が放熱器２より蒸発器３へ向かう冷媒の流れ中に曝されるようになる。
【００２７】
つぎに、上述の逃し弁付き圧力制御弁１０の動作について説明する。
通常時は、逃し弁体３４は逃し圧設定ばね３６のばね力より逃し用弁ポート２２を閉じており、ベローズ装置２３が放熱器２の出口側の冷媒の圧力および温度に感応して動作することで、圧力制御用弁体３３が高圧制御弁として動作し、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との連通度を制御する。これにより、放熱器２の出口側の圧力が制御され、この制御によって、通常時には最適制御線に沿う運転が行われ、高い成績係数による運転が行われる。
【００２８】
高圧側圧力が高い条件で冷房負荷が小さく、蒸発器３側の圧力が低いと、逃し圧設定ばね３６のばね力に抗して逃し用弁ポート２２が開弁し、圧力制御弁用弁ポート２０をバイパスして放熱器２と蒸発器３との連通度が増大する。これにより、冷房負荷が少ない場合でも省動力化が図れる。
【００２９】
また、始動時において、圧力制御弁用弁ポート２０が閉じられている状態で、放熱器２と蒸発器３との差圧、換言すれば、圧縮機１の吐出圧力と吸入圧力との差が所定値以上になると、逃し圧設定ばね３６のばね力に抗して逃し用弁ポート２２が開弁し、圧力制御弁用弁ポート２０をバイパスして放熱器２と蒸発器３とが連通し、ハウジング内通路１６内を冷媒が流れるようになる。これにより、ベローズ装置２３が放熱器２の出口側の正規の温度を検知し、これに応じて放熱器２と蒸発器３との連通度が設定されるから、高外気温によってベローズ装置２３の内圧が高くなっていても、速やかに正規の運転が行われるようになる。
【００３０】
また、圧縮機１の回転数が高騰し、放熱器２側の圧力が急激に上昇した場合も、逃し圧設定ばね３６のばね力に抗して逃し用弁ポート２２が開弁し、放熱器２と蒸発器３とが連通するから、安全弁としての作用も得られる。
【００３１】
【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サイクル装置によれば、高圧制御弁の密封型のベローズ装置は、ベローズ本体により形成されて圧縮コイルばねが内蔵されるとともに超臨界状態の炭酸ガスが封入されるベローズ室を有し、前記冷媒が前記放熱器側から流入して前記蒸発器側へ向けて流れるハウジング内通路内に、前記ベローズ本体の全体がその伸縮動作方向の一端から他端に向けて一方向に流れる前記冷媒に直接曝されるように配置され、前記冷媒の温度に感応して発生する前記ベローズ室内の圧力と前記圧縮コイルばねのばね力による圧力との合計に対する前記放熱器の出口側の冷媒圧力の平衡関係により前記圧力制御用弁体が駆動されて、圧力制御弁用弁ポートの開閉と開度設定を行い、放熱器と蒸発器との連通度を制御して放熱器出口側の圧力を制御し、この制御によって通常時には最適制御線に沿う運転が行われる。また、放熱器の出口側の冷媒の圧力と蒸発器の入口側の冷媒の圧力との差圧が所定値以上になると、逃し弁が開弁することにより、高圧側圧力が高い条件で冷房負荷が少ない場合に高駆動力が必要であることに対応した超臨界蒸気圧縮サイクル装置の運転を保証する。そして、逃し弁が開弁すれば、高圧制御弁が閉弁していても、圧力・温度感応室である前記ハウジング内通路内に放熱器より蒸発器へむけて冷媒の流れが生じ、密封型のベローズ装置のベローズ本体の全体がその伸縮動作方向の一端から他端に向けて一方向に流れる前記冷媒に直接曝され、密封型のベローズ装置が速やかに冷媒の正規の温度に感応するようになり、高外気温時の超臨界蒸気圧縮サイクル装置の速やかな始動が保証される。
【００３２】
請求項２に記載の発明による逃し弁付き圧力制御弁によれば、高圧制御弁の密封型のベローズ装置は、ベローズ本体により形成されて圧縮コイルばねが内蔵されるとともに超臨界状態の炭酸ガスが封入されるベローズ室を有し、前記冷媒が前記放熱器側から流入して前記蒸発器側へ向けて流れるハウジング内通路内に、前記ベローズ本体の全体がその伸縮動作方向の一端から他端に向けて一方向に流れる前記冷媒に直接曝されるように配置され、前記冷媒の温度に感応して発生する前記ベローズ室内の圧力と前記圧縮コイルばねのばね力による圧力との合計に対する前記放熱器の出口側の冷媒圧力の平衡関係により前記圧力制御用弁体が駆動されて圧力制御弁用弁ポートの開閉と開度設定を行い、放熱器と蒸発器との連通度を制御して放熱器出口側の圧力を制御し、この制御によって通常時には最適制御線に沿う運転が行われる。また、放熱器の出口側の冷媒の圧力と蒸発器の入口側の冷媒の圧力との差圧が所定値以上になると、逃し弁が開弁することにより、圧力制御弁用弁ポートをバイパス形態で連通状態にして、高圧制御弁が閉弁していても、圧力・温度感応室であるハウジング内通路内に前記放熱器より蒸発器へ向かって冷媒の流れが生じ、密封型ベローズ装置のベローズ本体の全体がその伸縮動作方向の一端から他端に向けて一方向に流れる前記冷媒の流れ中に曝され、冷媒の正規の温度に速やかに感応するようになるコンパクトな複合弁が得られる。
【００３３】
請求項３に記載の発明によるによれば逃し弁付き圧力制御弁が放熱器又は蒸発器の本体に設けられた弁受入孔内に収容されるので、小型化が図れ、配管の削減につながる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による超臨界蒸気圧縮サイクル装置の一つの実施の形態を示すブロック線図である。
【図２】この発明による逃し弁付き圧力制御弁の一つの実施の形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１  圧縮機
２  放熱器
３  蒸発器
７  高圧制御弁
８  逃し弁
１０  逃し弁付き圧力制御弁
１３  弁ハウジング
１５  入口ポート
１６  ハウジング内通路
１８  出口ポート
１９  逃し弁室
２０  圧力制御用弁ポート
２２  逃し用弁ポート
２３  ベローズ装置
３３  圧力制御用弁体
３４  逃し弁体
３６  逃し圧設定ばね
３７  ベローズ室
【図１】
0004047497.tif 000002
【図２】
0004047497.tif 000003