(57)【要約】【課題】低圧側の圧力が安定させることができ、高負荷起動時に、流すことのできる流量をあらかじめ増加させておくことができる膨張弁を提供する。【解決手段】感圧アクチュエータ３３を備え、貫通孔４４を介して導入される膨張弁３の低圧側の圧力をダイヤフラム３５で感知し、これが低圧側の圧力を所定の圧力に維持するように弁体２８のリフトを制御する。これにより、低圧側の圧力が安定するので、エバポレータを通過した空気の吹き出し温度を安定させることができる。また、形状記憶合金ばね４１は、高負荷起動時に弁体２８をリフトさせておくことができるので、起動と同時に大量の冷媒を流すことを可能にし、これにより、空気の吹き出し温度を低下させるのにかかる時間が短縮される。【選択図】図２
2009250590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒流量を制御する弁部を備えた膨張弁において、
膨張した低圧側の冷媒の圧力または温度を感知して感知した圧力または感知した温度に対応する圧力が所定の圧力に維持されるように前記弁部を制御するアクチュエータと、
低圧側の冷媒の温度を感知して前記弁部を開弁方向に付勢する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弁。
【請求項２】
前記弁部は、弁孔の下流側に配置されて高圧の冷媒を開弁方向に受ける弁体と、前記弁孔の上流側に配置されて高圧の冷媒を閉弁方向に受けるシャフトとを有し、前記弁体および前記シャフトは、受圧面積を概略等しくかつ一体に動作するように形成されている請求項１記載の膨張弁。
【請求項３】
前記弁部は、弁孔の下流側に配置されて高圧の冷媒を開弁方向に受ける弁体と、前記弁孔の上流側に配置されて高圧の冷媒を閉弁方向に受けるシャフトとを有し、前記弁体および前記シャフトは、一体に動作するように形成され、前記弁体の受圧面積を前記シャフトの受圧面積より大きくし、高圧になるに従って開弁し易いようにした請求項１記載の膨張弁。
【請求項４】
前記アクチュエータは、低圧側の冷媒の圧力低下を感知したときに前記弁部の開弁方向に変位する感圧部材と、前記感圧部材の変位を前記弁体に伝達するシャフトとを有している請求項１記載の膨張弁。
【請求項５】
前記感圧部材は、ダイヤフラムである請求項４記載の膨張弁。
【請求項６】
前記ダイヤフラムは、低圧側の冷媒の圧力を受ける面とは反対側の面にてスナッププレートにより支持されている請求項５記載の膨張弁。
【請求項７】
前記アクチュエータは、低圧側の冷媒の温度上昇を感知したときに前記弁部の弁体を閉弁方向に付勢するように荷重が変化する特性を持った感温部材である請求項１記載の膨張弁。
【請求項８】
前記感温部材は、形状記憶合金ばねである請求項７記載の膨張弁。
【請求項９】
膨張した低圧側の冷媒の圧力または温度を感知して感知した圧力または感知した温度に対応する圧力が所定の圧力に維持されるように冷媒流量を制御するアクチュエータと、低圧側の冷媒の温度を感知し、感知した温度が高くなるにつれて流すことのできる流量が増加するように設定する感温アクチュエータとを備えた膨張弁と、
第１の配管継手および中に前記膨張弁の全体を収容する取付穴が同軸上に形成され、その軸に直交する方向に第２の配管継手を形成している膨張弁取付ブロックと、
を備えていることを特徴とする膨張装置。
【請求項１０】
膨張した低圧側の冷媒の圧力または温度を感知して感知した圧力または感知した温度に対応する圧力が所定の圧力に維持されるように冷媒流量を制御するアクチュエータと、低圧側の冷媒の温度を感知し、感知した温度が高くなるにつれて流すことのできる流量が増加するように設定する感温アクチュエータとを備えた膨張弁と、
第１の配管継手および中に前記膨張弁の全体を収容する取付穴が同軸上に形成され、その軸に直交する方向に高圧配管が接続される第２の配管継手、膨張した冷媒を送り出すための低圧配管が接続される第３の配管継手およびエバポレータにて蒸発した冷媒を受け入れるための戻り低圧配管が接続される第４の配管継手が形成され、前記第４の配管継手と前記第１の配管継手とが連通する通路の圧力を感知するよう前記膨張弁の感圧アクチュエータが配置されている膨張弁取付ブロックと、
を備えていることを特徴とする膨張装置。
【請求項１１】
吐出圧力と吸入圧力との差を外部信号によって設定される所定の設定差圧に維持するように制御される可変容量コンプレッサと、この可変容量コンプレッサから吐出された冷媒を冷却するガスクーラと、冷却された冷媒を膨張させながら膨張した低圧側の冷媒の圧力または温度を感知して感知した圧力または感知した温度に対応する圧力が所定の圧力に維持されるように冷媒流量を制御するアクチュエータおよび低圧側の冷媒の温度が高くなるにつれて流すことのできる流量が増加するように設定する感温アクチュエータを有する膨張弁と、所定の圧力に維持された冷媒を蒸発させるエバポレータとを備えた冷凍サイクルの運転制御方法であって、
前記ガスクーラの出口温度および前記エバポレータを通過した空気の吹き出し温度を検出し、
前記出口温度に対応する最適制御線上の圧力と前記吹き出し温度に対応する圧力とから目標差圧を算出し、
前記可変容量コンプレッサの前記設定差圧を前記目標差圧に設定する、
ステップを有することを特徴とする冷凍サイクルの運転制御方法。
【請求項１２】
容量が外部信号によって設定される所定の容量に制御される可変容量コンプレッサと、この可変容量コンプレッサから吐出された冷媒を冷却するガスクーラと、冷却された冷媒を膨張させながら膨張した低圧側の冷媒の圧力または温度を感知して感知した圧力または感知した温度に対応する圧力が所定の圧力に維持されるように冷媒流量を制御するアクチュエータおよび低圧側の冷媒の温度が高くなるにつれて流すことのできる流量が増加するように設定する感温アクチュエータを有する膨張弁と、所定の圧力に維持された冷媒を蒸発させるエバポレータとを備えた冷凍サイクルの運転制御方法であって、
前記可変容量コンプレッサの吐出圧力および前記ガスクーラの出口温度を検出し、
前記出口温度に対応する最適制御線上の最適圧力を算出し、
前記吐出圧力が前記最適圧力になるように前記可変容量コンプレッサの前記所定の容量を変更する、
ステップを有することを特徴とする冷凍サイクルの運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は膨張弁に関し、特に二酸化炭素のような自然冷媒を利用した車両用空調装置の冷凍サイクルに用いられる膨張弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用エアコンの冷凍サイクルには、エバポレータの出口側に冷媒の気液分離を行うアキュムレータを備えた構成のものが知られている。この冷凍サイクルで冷媒の膨張を行う装置としては、冷媒流量の制御機能を持たないオリフィスチューブのような固定オリフィスまたは制御機能を持った可変オリフィスが用いられている。この可変オリフィスの膨張弁（たとえば、特許文献１参照）では、弁体がスプリングによって閉弁方向に付勢された差圧弁の構造を有し、その差圧弁をバイパスするように固定オリフィスが形成されている。この固定オリフィスは、差圧弁が閉弁しているときに、コンプレッサの潤滑オイルを循環させるのに必要な最小流量の冷媒を流すためのものである。
【０００３】
このような可変オリフィスの膨張弁は、冷媒入口の圧力と冷媒出口の圧力との差圧が小さいときには、差圧弁は閉じていて、冷媒は、固定オリフィスを介して流れる。その差圧が所定の値を超えると、差圧弁は、スプリングの閉弁方向の付勢力に抗して開弁することになる。したがって、この膨張弁は、その前後の差圧が小さいときは、冷媒の流量を少なく制御し、差圧が大きくなるに従って、流量を多くするように制御する。
【０００４】
一方、冷凍サイクルにおいては、膨張弁の入口側の冷媒温度に対する圧力に関して、冷凍サイクルの成績係数が最大となるポイントが存在し、そのような圧力ポイントの変化をモリエル線図上にプロットした最適制御線というものが知られている。したがって、膨張弁の入口側の冷媒温度および圧力がその最適制御線に沿って変化するようにしてやることで、冷凍サイクルは、その成績係数が最大となる状態で運転することになり、コンプレッサを駆動する車両走行用エンジンの負荷を最も小さくすることが可能になる。
【０００５】
そのコンプレッサとしては、一般に、低圧側の吸入圧力を感知してその吸入圧力があらかじめ設定された値に維持されるように吐出容量を可変制御する吸入圧力制御式の可変容量コンプレッサが知られている。可変容量コンプレッサをその低圧側の吸入圧力が安定するように制御することは、可変容量コンプレッサの低圧側に配置されたエバポレータにおいて、ここで熱交換されて車室内に吹き出される空気の吹き出し温度が安定することになる。しかし、二酸化炭素のような作動圧力の非常に高い冷媒を使用した冷凍サイクルにおいては、感圧素子の耐圧、コストなどの面から吸入圧力制御式の可変容量コンプレッサ用容量制御弁の使用が困難になってきている。
【特許文献１】特開２００６−１８９２４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このため、冷凍サイクルの可変容量コンプレッサの側でその低圧側の圧力が安定するような制御方法を採用することが困難であるため、エバポレータを通過した空気の吹き出し温度が安定しないという問題点があった。
【０００７】
また、差圧弁を有する膨張弁は、その入口側の冷媒温度および圧力を最適制御線に沿うように動作させることができないので、冷凍サイクルをその成績係数が最大となる状態で運転することが難しいという問題点があった。
【０００８】
さらに、差圧弁を有する膨張弁は、差圧のない起動時には閉弁していて冷媒が流れにくい状態にあるので、冷房負荷が非常に高いときでも、それに応じた量の冷媒を流すことができないため、エバポレータを通過した空気の吹き出し温度の低下に時間がかかるという問題点があった。
【０００９】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、可変容量コンプレッサの制御方法に関係なく低圧側の圧力が安定させることができ、冷凍サイクルをその成績係数が最大となる状態で運転させることを可能にし、かつ、高負荷起動時に、流すことのできる流量をあらかじめ増加させておくことができる膨張弁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】
【００１０】
本発明では上記問題点を解決するために、冷媒流量を制御する弁部を備えた膨張弁において、膨張した低圧側の冷媒の圧力または温度を感知して感知した圧力または感知した温度に対応する圧力が所定の圧力に維持されるように前記弁部を制御するアクチュエータと、低圧側の冷媒の温度を感知して前記弁部を開弁方向に付勢する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弁が提供される。
【００１１】
このような膨張弁によれば、アクチュエータを備えていて、低圧側の圧力を所定の圧力に維持するように制御するので、低圧側の圧力が安定し、エバポレータを通過した空気の吹き出し温度を安定させることができる。また、感温アクチュエータは、高負荷起動時に開弁しておくことができるので、起動と同時に大量の冷媒を流すことが可能になり、これにより、空気の吹き出し温度を低下させるのにかかる時間が短縮される。
【発明の効果】
【００１２】
上記構成の膨張弁は、低圧側の圧力を一定に制御するアクチュエータを備えていることにより、可変容量コンプレッサの側で低圧側の圧力を一定に制御するような制御方法を使用しなくても、低圧側の圧力が安定させることができ、また、感温アクチュエータを備えていることにより、高負荷起動時には弁部を開弁状態にしておくことができるので、エバポレータを通過した空気の吹き出し温度を短時間で低下させることができるという利点がある。
【００１３】
アクチュエータは、その感圧素子として弁体よりも受圧面積の大きなダイヤフラムを使用した場合は、弁部を駆動制御するパワーを非常に大きくすることができ、したがって、受圧面積の小さい弁体が高圧の圧力変動を受けたり、弁部に冷媒が高速に流れることにより弁体自身が勝手に動いてしまうというような流体力を受けたりすることがあっても、実質的にそれらの影響は受けなくなる。
【００１４】
また、上記の膨張弁は、低圧側の圧力を一定にするように制御する機能を有しているので、吸入圧力制御式以外の制御方法による可変容量コンプレッサと組み合わせたときに、膨張弁入口の冷媒の温度および圧力が効率のよいとされる最適制御線に沿って変化するように制御することが容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、二酸化炭素のような自然冷媒を利用した車両用空調装置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弁を適用した冷凍サイクルを示す図である。
【００１６】
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、冷却された冷媒を断熱膨張させる膨張弁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から膨張弁３へ流れる高温の冷媒とアキュムレータ５からコンプレッサ１へ流れる低温の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。図中、実線の矢印は、冷媒の流れ方向を表わしている。
【００１７】
膨張弁３は、冷媒流量を制御する弁部と、膨張した冷媒の圧力を感知してその圧力が所定の圧力に維持されるように弁部を制御するアクチュエータとを備え、これによって、低圧側の圧力が一定に制御される機能を有している。コンプレッサ１は、これを駆動する車両走行用エンジンの回転数に関係なく所定の圧縮容量が得られるように容量を可変することができる可変容量コンプレッサであり、その吐出容量を制御することができる容量制御弁７を備えている。この容量制御弁７は、吸入圧力制御式以外の制御方法によってコンプレッサ１を制御する容量制御部８に接続されている。
【００１８】
この容量制御部８は、コンプレッサ１の吐出圧力Ｐｄを感知する圧力センサ９、ガスクーラ２の出口温度Ｔｇを感知する温度センサ１０およびエバポレータ４によって熱交換された空気の吹き出し温度Ｔｅを感知する温度センサ１１が接続されている。容量制御部８は、圧力センサ９および温度センサ１０，１１からの信号を基にして、吐出圧力Ｐｄが異常高圧にならない範囲では、膨張弁３の入口側の冷媒温度および圧力がモリエル線図上の最適制御線に沿って変化するように制御する。容量制御部８による制御は、たとえば、コンプレッサ１の吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの差圧（Ｐｄ−Ｐｓ）が外部信号によって設定される所定の差圧に維持されるように制御する差圧制御、コンプレッサ１から吐出される冷媒の流量が外部信号によって設定される所定の流量に維持されるように制御する流量制御、または、コンプレッサ１から吐出される冷媒の吐出圧力Ｐｄがガスクーラ２の出口温度Ｔｇに対応する最適制御線上の最適圧力になるような容量に維持する制御とすることができる。
【００１９】
図２は第１の実施の形態に係る膨張弁の構成を示す中央縦断面図である。
膨張弁３は、ボディ２１を有し、そのボディ２１の図の上部には、冷媒入口２２が形成され、これを覆うようにストレーナ２３が取り付けられている。ボディ２１は、また、これを横貫して形成された冷媒出口２４を有している。ボディ２１の中心には、冷媒入口２２と冷媒出口２４とを連通する弁孔２５が形成され、この弁孔２５をバイパスするように固定オリフィス２６が並設されている。冷媒入口２２の中において、弁孔２５の縁部は、弁座２７を構成し、この弁座２７に対して接離自在にボール形状の弁体２８が配置されている。この弁体２８は、弁座２７とともにこの膨張弁３の弁部を構成している。弁体２８は、また、弁座２７に着座する方向にバイアス用のスプリング２９によって付勢されており、このスプリング２９の弁体２８とは反対の側は、冷媒入口２２に螺着されたばね受け部材３０によって受けられている。
【００２０】
ボディ２１は、その下半分に中空円筒部分が形成されていて、その中が低圧室３１を構成している。ボディ２１の軸線位置には、シャフト３２が配置され、ボディ２１によって軸方向に進退自在に保持されている。シャフト３２の一端は、弁孔２５内にて弁体２８に当接されており、他端は、低圧室３１を貫通して感圧アクチュエータ３３に当接されている。
【００２１】
感圧アクチュエータ３３は、ボディ２１の下端部に螺着される第１ハウジング３４と、圧力に応じて軸方向に変位するダイヤフラム３５と、第２ハウジング３６とを有し、ダイヤフラム３５を第１ハウジング３４および第２ハウジング３６で挟持した状態でこれらの外周部をともに溶接により接合している。第２ハウジング３６は、その中に、ダイヤフラム３５を受けるように複数のスナッププレート３７が積層配置されている。このスナッププレート３７は、高圧になる冷媒をダイヤフラム３５だけで受けることはできないときに、ダイヤフラム３５を受圧面とは反対側の面で支えるためのものであって、そのばね荷重特性に応じて枚数が調整される。第２ハウジング３６は、スナッププレート３７の収容部よりも図の下方部分は、中空円筒部分が形成されていて、その中にスプリング３８が収容されている。このスプリング３８の一端は、ばね受け部材３９を介してスナッププレート３７の中央部に当接され、他端は、第２ハウジング３６の中空円筒部分に螺着されたアジャストねじ４０によって受けられている。このアジャストねじ４０は、そのねじ込み量によってスプリング３８のばね荷重が調整される。
【００２２】
低圧室３１は、その中に感温アクチュエータとして機能する形状記憶合金ばね４１が収容されている。この形状記憶合金ばね４１の一端は、ばね受け部材４２によって受けられ、他端は、感圧アクチュエータ３３の第１ハウジング３４によって受けられている。ばね受け部材４２は、シャフト３２に嵌合されたＥリング４３によって係止されており、低圧室３１内の冷媒が所定以上の温度になった場合に、形状記憶合金ばね４１がシャフト３２を付勢して、弁体２８をその開弁方向に強制的に付勢して弁部を開弁状態にすることができる。そして、ボディ２１の中空円筒部分には、低圧室３１に連通する貫通孔４４が穿設されていて、膨張弁３の低圧側の圧力を感圧アクチュエータ３３のダイヤフラム３５まで導入できるようにしている。
【００２３】
以上の構成の膨張弁３において、冷媒入口２２には、内部熱交換器６からの高圧冷媒が導入され、冷媒出口２４からは、膨張した低圧の冷媒が導出され、エバポレータ４に送られる。低圧室３１には、貫通孔４４を介して、膨張弁３の冷媒出口２４からコンプレッサ１の吸入口に至る低圧配管の冷媒圧力、たとえば冷媒出口２４の冷媒圧力を受けるようにしている。
【００２４】
ここで、車両用空調装置が運転を停止しているときは、冷凍サイクル内の圧力は、すべて平衡な状態にあるので、感圧アクチュエータ３３のダイヤフラム３５は、車両用空調装置の運転時よりも高い圧力を受けていて弁部から離れる方向に変位している。これにより、感圧アクチュエータ３３は、シャフト３２を介して弁体２８をリフト方向に駆動することはできないので、弁体２８は、スプリング２９の付勢力によって弁座２７に着座され、膨張弁３は全閉状態にある。
【００２５】
車両用空調装置が運転を開始して冷凍サイクルが起動すると、全閉状態にある膨張弁３の冷媒入口２２側はコンプレッサ１により加圧されて高圧になり、逆に、冷媒出口２４側は、コンプレッサ１により吸引されて低圧になる。この低圧側の圧力が所定の圧力より低下すると、感圧アクチュエータ３３は、そのダイヤフラム３５が低圧室３１の圧力低下を感知して弁部の方向に変位することにより、シャフト３２を介して弁体２８を弁座２７からリフトさせるようになる。これにより、弁部は、開弁し、冷媒入口２２に導入された高温・高圧の冷媒は、弁座２７と弁体２８との隙間を通って冷媒出口２４に流出する。このとき、冷媒は、断熱膨張して低温・低圧の冷媒となり、エバポレータ４に送られる。
【００２６】
膨張弁３が開弁した後、低圧側の圧力は、感圧アクチュエータ３３によって感知されていて、所定の圧力より高くなると、弁部を閉弁方向に駆動し、所定の圧力より低くなると、弁部を開弁方向に駆動するので、膨張弁３は、低圧側の圧力が所定の圧力を維持するように冷媒流量を制御することになる。本実施の形態では、低圧側の所定の圧力は、二酸化炭素冷媒が０℃となるときの圧力である約３．５ＭＰａに設定されており、このため、低圧側の圧力が約３．５ＭＰａで一定になるように冷媒流量を制御する。
【００２７】
感圧アクチュエータ３３は、弁体２８よりも十分に大きな受圧面積のダイヤフラム３５を有しているので、弁体を駆動するのに十分大きなパワーがある。このため、弁部を通過する冷媒の流速が速いことにより、弁体が流体によって閉弁方向に引き込まれるような現象が発生したとしても、そのような流体力の影響を受けることなく、安定した動作を得ることが可能になる。
【００２８】
また、この膨張弁３は、低圧室３１に形状記憶合金ばね４１を備えていて、膨張弁３の設置環境温度を感知している。形状記憶合金ばね４１は、直接的には、低圧室３１内の冷媒の温度を感知していて、低圧室３１の冷媒が所定以上の温度になった場合に、弁部を強制的に開弁するようにしている。したがって、通常の環境で車両用空調装置の運転を開始するとき、膨張弁３が全閉している状態から冷凍サイクルが起動するが、たとえば夏期の砂漠地帯のように気温が非常に高いときには、その温度を感知して、膨張弁３が開弁している状態から冷凍サイクルが起動することになる。これは、冷房負荷が非常に高い状態で冷凍サイクルを起動するときにエバポレータ４を通過した空気の吹き出し温度Ｔｅの低下に時間がかかるのを解消することを目的としている。これにより、高負荷起動時においては、膨張弁３は、あらかじめ開弁していて多くの冷媒を流すことができるので、吹き出し温度Ｔｅを短時間で低下させることができる。
【００２９】
なお、この実施の形態では、低圧側の冷媒の温度を感知し、高負荷起動時に膨張弁３を開弁するように付勢する感温アクチュエータとして形状記憶合金ばね４１を使用したが、温度によって荷重が変化するバイメタルを使用することができ、またはダイヤフラムによって密閉された容器に温度によって体積が変化するワックスを封入して構成した感温アクチュエータを用いることもできる。
【００３０】
図３は第２の実施の形態に係る膨張弁の構成を示す中央縦断面図、図４は第２の実施の形態に係る膨張弁および膨張弁取付ブロックの構成例を示す中央縦断面図である。なお、この図３および図４において、図２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。
【００３１】
この第２の実施の形態に係る膨張弁３ａは、弁体２８が高圧変動の影響を受けないようにしている。すなわち、第１の実施の形態に係る膨張弁３では、弁体２８が高圧冷媒を閉じ方向に受けているため、高圧の変動の影響を直接受けてしまうが、この第２の実施の形態に係る膨張弁３ａでは、その高圧の影響をキャンセルする構成にしている。
【００３２】
この膨張弁３ａは、冷媒入口２２をボディ２１の側面に有し、冷媒出口２４についてはボディ２１の先端側に形成している。したがって、ストレーナ２３は、冷媒入口２２に連通する環状溝を覆うようにボディ２１に係止され、弁体２８を閉弁方向に付勢するスプリング２９は、冷媒出口２４の空間に収容されている。弁体２８は、弁孔２５を貫通して感圧アクチュエータ３３の方向に延出されたシャフト４５と一体に形成されている。このシャフト４５は、ボディ２１によって指示されている部分が弁孔２５の内径に概略等しい外径に形成されている。これにより、弁体２８がその開弁方向に受ける受圧面積は、シャフト４５が弁体２８の閉弁方向に受ける受圧面積と概略等しくなるので、弁体２８およびシャフト４５は、高圧の影響をほとんど受けない背圧キャンセル構造になっている。
【００３３】
しかし、厳密には、シャフト４５は、弁孔２５の内径よりも若干（たとえば４％程度）小さい外径で形成されている。これにより、膨張弁３ａは、弁体２８を開弁方向に作用させる荷重がシャフト４５を閉弁方向に作用させる荷重より大きくなるので、導入される冷媒の圧力が高くなるにつれて少しずつ開きやすくなるという高圧依存の特性を有することになる。
【００３４】
シャフト４５の弁体２８と反対側の端部は、形状記憶合金ばね４１のばね受け部材４２に嵌合されている。このばね受け部材４２は、ダイヤフラム３５の変位をシャフト４５に伝達するシャフト４６と一体に形成されている。弁体２８およびシャフト４５は、その軸線に沿って貫通する連通孔４７が形成され、さらに、その連通孔４７が低圧室３１に連通するようシャフト４５に貫通孔４８が形成されている。これにより、低圧室３１が連通孔４７および貫通孔４８を介して冷媒出口２４に連通するので、膨張直後の低圧側の冷媒の圧力を低圧室３１に直接導入することができる。
【００３５】
この膨張弁３ａにおいても、その動作は、低圧側の圧力を所定の圧力に維持するよう制御し、高負荷起動時には、開弁状態から動作開始するようにしている。この膨張弁３ａでは、さらに、背圧キャンセル構造にして高圧変動の影響を受けにくくし、冷媒入口２２の圧力が高い状態で開弁しやすくなる高圧依存特性を有している。ただし、感圧アクチュエータ３３は、第１ハウジング３４、ダイヤフラム３５および第２ハウジング３６が溶接により結合されている膨張弁３とは異なり、冷凍サイクルへの組み込み時に、図３に示すように組み立てられるものとしている。そのため、第１ハウジング３４とダイヤフラム３５との間にＯリング４９を配置し、低圧室３１の冷媒が外部に漏れることのないようにシールしている。
【００３６】
膨張弁３ａは、図４に示したように、膨張弁取付ブロック５０に取り付けられる。この膨張弁取付ブロック５０は、膨張弁３ａを収容する取付穴５１が形成されており、その取付穴５１に連通するよう高圧冷媒入口５２および低圧冷媒出口５３が形成されている。高圧冷媒入口５２は、内部熱交換器６からの高圧配管が接続される配管継手になっており、低圧冷媒出口５３は、エバポレータ４に向かう低圧配管が接続される配管継手になっている。
【００３７】
膨張弁３ａは、膨張弁取付ブロック５０の取付穴５１に挿入され、感圧アクチュエータ３３の第２ハウジング３６に固定板５４を係止しながらその固定板５４をボルト５５で膨張弁取付ブロック５０に固定することにより、膨張弁取付ブロック５０に取り付けられ、これにより膨張装置を構成している。このとき、感圧アクチュエータ３３は、第１ハウジング３４、ダイヤフラム３５および第２ハウジング３６が膨張弁取付ブロック５０と固定板５４とによって挟持されることにより結合されている。
【００３８】
なお、この図４の例では、弁体２８を閉弁方向に付勢するスプリング２９を図３に示すテーパスプリングからコイルスプリングに変更している。また、この例では、膨張弁取付ブロック５０を独立した形の部材で示したが、これをたとえば内部熱交換器６のボディと一体に形成してもよい。これにより、高圧配管の接続箇所が１つ減って外部漏れの可能性のある部位を減らすことができる。
【００３９】
図５は第３の実施の形態に係る膨張弁および膨張弁取付ブロックの構成例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。
【００４０】
この第３の実施の形態に係る膨張弁３ｂは、感圧アクチュエータ３３の第１ハウジング３４にボディ２１の下端部を圧入することによって閉じた低圧室３１を構成している。感圧アクチュエータ３３は、第２ハウジング３６を深絞り加工による有底密閉容器で形成し、その中にダイヤフラム３５を支持するスプリング３８を収容し、底の部分を外部から内側へ変形させることにより、ダイヤフラム３５の側とは反対側にてスプリング３８を受けているばね受け部材５６の軸方向位置を変更してスプリング３８のばね荷重を調整している。
【００４１】
この実施の形態では、膨張弁３ｂを膨張弁取付ブロック５０の中に完全に収容して膨張装置を構成している。膨張弁取付ブロック５０は、低圧冷媒出口５３および取付穴５１を同軸上に形成し、その軸に直交する方向に高圧冷媒入口５２を形成している。膨張弁３ｂは、その全体が膨張弁取付ブロック５０の中央部に形成された取付穴５１の中に収容されるため、高圧冷媒入口５２および低圧冷媒出口５３の配管継手以外に冷媒の漏れ部位はない。
【００４２】
図６は第４の実施の形態に係る膨張弁および膨張弁取付ブロックの構成例を示す中央縦断面図である。なお、この図６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。
【００４３】
この第４の実施の形態に係る膨張弁３ｃは、低圧側圧力としてエバポレータ４出口の圧力を感知するように構成している。そのため、冷媒出口２４と低圧室３１とが連通しないように、弁体２８およびこれと一体に形成されたシャフト４５は、中実の部材によって形成され、低圧室３１は、貫通孔４４を介して外部と連通している。また、この膨張弁３ｃでは、スナッププレート３７のばね荷重を調整する機構が省略されていて、感圧アクチュエータ３３をシンプルな構成にしてある。
【００４４】
この膨張弁３ｃにおいても、膨張弁取付ブロック５０の中に完全に収容するようにしている。膨張弁取付ブロック５０は、戻り低圧冷媒出口５７および取付穴５１が同軸上に形成され、その軸に直交する方向に高圧冷媒入口５２、低圧冷媒出口５３および戻り低圧冷媒入口５８を形成している。膨張弁３ｃは、その全体が膨張弁取付ブロック５０の中央部に形成された取付穴５１の中に収容される。
【００４５】
高圧冷媒入口５２に導入された冷媒は、膨張弁３ｃにて断熱膨張され、低圧冷媒出口５３からエバポレータ４に送られ、エバポレータ４で蒸発される。エバポレータ４で蒸発された冷媒は、戻り低圧冷媒入口５８に導入され、戻り低圧冷媒出口５７からアキュムレータ５に送られる。このとき、膨張弁取付ブロック５０の中で戻り低圧冷媒入口５８から戻り低圧冷媒出口５７へ冷媒が流れる途中でその圧力が膨張弁３ｃの低圧室３１に貫通孔４４を介して導入され、感圧アクチュエータ３３によって感知される。したがって、この膨張弁３ｃは、低圧側の圧力としてエバポレータ４の出口圧力を感知し、その圧力が所定の圧力を維持するように冷媒流量を制御することになる。また、形状記憶合金ばね４１は、高負荷起動のとき、弁体２８を強制的に開弁状態にする。
【００４６】
図７は第５の実施の形態に係る膨張弁および膨張弁取付ブロックの構成例を示す中央縦断面図である。なお、この図６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。
【００４７】
この第５の実施の形態に係る膨張弁３ｄは、感圧アクチュエータ３３に感圧部材としてベローズ５９を使用している。ベローズ５９は、その伸縮方向を弁体２８およびシャフト４５，４６の軸線に一致させた状態で、ボディ２１に螺着されて低圧室３１を構成する有底筒状のハウジング６０に収納されている。ベローズ５９の一端は、ハウジング６０の底部に当接され、他端は、シャフト４６に当接されている。ハウジング６０の底部とベローズ５９の他端に形成されたフランジ部との間に形状記憶合金ばね４１が配置され、ベローズ５９の他端とばね受け部材４２との間には、シャフト４５を介して弁体２８を開弁方向に付勢するスプリング６１が配置されている。
【００４８】
この膨張弁３ｄは、膨張弁取付ブロック５０に固定板５４およびボルト５５によって取り付けられている。
高圧冷媒入口５２に導入された冷媒は、膨張弁３ｄにて断熱膨張され、低圧冷媒出口５３からエバポレータ４に送られる。このとき、断熱膨張された冷媒の圧力は、弁体２８およびシャフト４５の連通孔４７および貫通孔４８を介して低圧室３１に導入されており、その圧力は、ベローズ５９によって感知されている。したがって、この膨張弁３ｄは、断熱膨張された冷媒の圧力を感知し、その圧力が所定の圧力を維持するように冷媒流量を制御することになる。
【００４９】
図８は第６の実施の形態に係る膨張弁および膨張弁取付ブロックの構成例を示す中央縦断面図である。なお、この図８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。
【００５０】
この第６の実施の形態に係る膨張弁３ｅは、低圧側の圧力を一定に制御するアクチュエータとして形状記憶合金ばね６２を使用している。すなわち、この膨張弁３ｅは、図４に示した膨張弁３ａから、感圧アクチュエータ３３を除去し、弁体２８を閉弁方向に付勢するように冷媒出口２４に収容されたバイアス用のスプリング２９を形状記憶合金ばね６２に置き換えている。この形状記憶合金ばね６２は、膨張した低圧側の冷媒の温度を感知し、感知した温度に対応する圧力が所定の圧力に維持されるように弁部を制御することになる。
【００５１】
ここで、この膨張弁３ｅは、低圧側の冷媒の温度に基づいて制御しているが、これは、以下の理由による。つまり、膨張直後の低圧側の冷媒は、蒸気の状態で気液二相状態にある。この蒸気冷媒が蒸発する間、その温度および圧力は、それぞれ変化することがなく、かつ、互いに１対１の対応関係にあることから、その蒸気冷媒の温度を読めば、その圧力を直接的に知ることができるのである。したがって、この膨張弁３ｅは、上記の感圧アクチュエータ３３が持っていた圧力−荷重特性に類似するよう、形状記憶合金ばね６２の温度−荷重特性を合わせ込むことによって、感圧アクチュエータ３３による制御と同様の制御が可能になる。
【００５２】
次に、以上のような膨張弁３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅが持つ、低圧側の圧力を一定に維持するよう制御するというアクチュエータの機能的特徴を発揮させつつ冷凍サイクルの成績係数が最大となる状態を維持するような冷凍サイクルの運転方法について説明する。この説明では、図１に示した構成の冷凍サイクルを参照する。
【００５３】
図９は冷凍サイクルの運転制御方法を説明するモリエル線図である。
二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルでは、図９にＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ａで示されるように、気相状態の冷媒をコンプレッサ１にて圧縮して高温・高圧の冷媒にし（Ａ−Ｂ）、その高温・高圧の冷媒をガスクーラ２および内部熱交換器６にて冷却し（Ｂ−Ｃ）、冷却された冷媒を膨張弁３にて断熱膨張させることで低温・低圧の冷媒にし（Ｃ−Ｄ）、その低温・低圧の冷媒をエバポレータ４にて蒸発させ、アキュムレータ５および内部熱交換器６を介してコンプレッサ１に戻る（Ｄ−Ａ）、という動作をする。膨張弁３が冷媒を膨張させる過程で、圧力が飽和液線ＳＬを下回ると、冷媒は気液二相状態になり、それがエバポレータ４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により、冷房運転が行われる。
【００５４】
ここで、膨張弁３は、その低圧側、すなわち、Ｄ−Ａ間の圧力が所定の圧力（たとえば３．５ＭＰａ）を維持するように制御する。一方、コンプレッサ１は、その吐出容量が容量制御部８によって制御されており、ここでは、最初に吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの差（Ｐｄ−Ｐｓ）が外部信号によって設定される所定の差圧ΔＰに維持されるように制御する方法を採っている。この差圧制御は、特許第３９６３６１９号公報に記載されたものであって、吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの差を所定の差圧ΔＰに維持することができ、その所定の差圧ΔＰは、外部信号によって自由に設定することができるものである。
【００５５】
膨張弁３の冷媒入口２２の圧力は、ガスクーラ２、内部熱交換器６およびこれらの配管の圧力損失を無視すれば、概ねコンプレッサ１の吐出圧力Ｐｄに等しく、膨張弁３の冷媒出口２４の圧力は、エバポレータ４、アキュムレータ５、内部熱交換器６およびこれらの配管の圧力損失を無視すれば、概ねコンプレッサ１の吸入圧力Ｐｓに等しくなり、その吸入圧力Ｐｓは、膨張弁３によって所定の圧力に維持するように制御されている。このため、膨張弁３の冷媒入口２２の圧力は、その所定の圧力に、コンプレッサ１を制御しようとする所定の差圧ΔＰを上乗せした圧力（吐出圧力Ｐｄ）になる。このことは、膨張弁３の冷媒入口２２の圧力は、差圧ΔＰを設定する容量制御部８の外部信号によって自由に設定できることを意味する。
【００５６】
冷凍サイクルをその成績係数が最大となる状態で運転するには、膨張弁３の冷媒入口２２における冷媒の温度および圧力が図９のモリエル線図上に波線で示した最適制御線ＣＬ上にあるのがよいとされている。そのためには、膨張弁３の冷媒入口２２またはガスクーラ２の出口における冷媒の温度に対応する最適制御線ＣＬ上の圧力から膨張弁３の低圧側で一定に制御しようとする設定圧力（３．５ＭＰａ）を差し引いた差圧が、コンプレッサ１の吐出容量の制御の設定差圧にすればよいことになる。
【００５７】
このため、冷房負荷が低くなったときには、コンプレッサ１を制御する容量制御弁７の設定差圧を小さく設定するが、その設定差圧ΔＰ１は、膨張弁３によって制御される低圧側の圧力と、膨張弁３の冷媒入口２２における冷媒の温度に対応する最適制御線ＣＬ上の圧力との差にすればよい。これにより、冷凍サイクルは、モリエル線図上でＡ１−Ｂ１−Ｃ１−Ｄ１−Ａ１に従って変化する。
【００５８】
なお、ここでは、コンプレッサ１の容量制御部８の制御に関して、吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの差を所定の差圧ΔＰにする差圧制御について説明したが、吸入圧力Ｐｓを所定の圧力に維持するようにした一般的な吸入圧力制御方法を除き、吐出圧力Ｐｄをできるものであるならば、差圧制御に限定されるものではない。容量制御部８としては、コンプレッサ１の吐出圧力Ｐｄを監視しつつ容量制御が可能な、たとえば、ＯＮ−ＯＦＦ制御または吐出流量を一定に制御する流量制御のものを用いることもできる。
【００５９】
次に、コンプレッサ１の容量制御弁７を制御する容量制御部８について説明する。
図１０は容量制御部の構成例を示す図である。
容量制御部８は、これの全体の制御を司る中央処理装置（ＣＰＵ:central processing unit）７１と、差圧制御に必要なプログラムなどを記憶するＲＯＭ（read only memory）７２と、中央処理装置７１が演算を実行するプログラムおよび処理途中のデータなどを記憶するＲＡＭ（random access memory）７３と、信号の入出力を行う入出力インタフェース７４とを備え、これらは、互いにバスによって接続されている。入出力インタフェース７４は、圧力センサ９および温度センサ１０，１１が接続され、これらの検出信号を受けてディジタル信号に変換する機能を有している。容量制御部８は、また、入出力インタフェース７４を介して受けた中央処理装置７１の演算結果に基づいてコンプレッサ１の容量制御弁７を制御駆動する弁駆動部７５を備えている。ＲＯＭ７２には、ガスクーラ２の出口温度に対応する最適制御線ＣＬ上の圧力の対応表のデータが格納されている。入出力インタフェース７４は、図示はしないが、この容量制御部８の上位制御装置である車両用空調装置の主制御装置に接続されている。
【００６０】
以上のようなハードウェア構成によって、冷凍サイクルの運転方法に関する処理機能を実現することができる。次に、この容量制御部８により、低圧側圧力を一定に制御するこの膨張弁３に特有の機能を発揮させて冷凍サイクルの成績係数が最大となる状態にコンプレッサ１を制御する、冷凍サイクルの運転制御方法の具体例について説明する。
【００６１】
図１１は冷凍サイクルの第１の運転制御方法を示すフローチャートである。
まず、中央処理装置７１は、温度センサ１０から取得したガスクーラ２の出口温度Ｔｇおよびエバポレータ４を通過した空気の吹き出し温度Ｔｅを取得する（ステップＳ１，Ｓ２）。次に、圧力センサ９から取得したコンプレッサ１の吐出圧力Ｐｄを検出し（ステップＳ３）、その吐出圧力Ｐｄと冷凍サイクルの高圧回路で許容される所定の許容値（たとえば、１３．５ＭＰａ）とを比較する（ステップＳ４）。ここで、吐出圧力Ｐｄがその許容値を超えている場合は、非常に危険な状態であるので、容量制御弁７の設定差圧を小さくするように変更し、弁駆動部７５はその変更された設定差圧に対応する電流で容量制御弁７を駆動する（ステップＳ５）。
【００６２】
吐出圧力Ｐｄがその許容値を超えていない通常の場合、目標差圧を演算する（ステップＳ６）。すなわち、中央処理装置７１は、ＲＯＭ７２に格納された対応表のデータを参照し、ガスクーラ２の出口温度Ｔｇからそれに対応する最適制御線ＣＬ上の圧力（すなわち、等温線と最適制御線ＣＬとが交差する位置の圧力）を算出し、空気の吹き出し温度Ｔｅからそれに対応する蒸発圧力を算出し、これらの差から目標差圧を求める。そして、中央処理装置７１は、容量制御弁７の設定差圧をその目標差圧に変更し、弁駆動部７５はその変更された設定差圧に対応する電流で容量制御弁７を駆動する（ステップＳ７）。これにより、コンプレッサ１は、その吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの差が設定圧力になるように容量が制御され、その差圧の下限は、膨張弁３による低圧側制御機能により一定の圧力に固定されることにより、差圧の上限は、最適制御線ＣＬ上の圧力に制御されることになる。
【００６３】
図１２は冷凍サイクルの第２の運転制御方法を示すフローチャートである。
この運転制御方法は、図１１に示した運転制御方法に比較して、温度検出の手順を異常高圧判断ステップの後にしている点で相違している。まず、中央処理装置７１は、圧力センサ９から取得したコンプレッサ１の吐出圧力Ｐｄを検出し（ステップＳ１１）、その吐出圧力Ｐｄと所定の許容値（たとえば、１３．５ＭＰａ）とを比較する（ステップＳ１２）。ここで、吐出圧力Ｐｄがその許容値を超えている場合は、容量制御弁７の設定差圧を小さくするように変更し、弁駆動部７５はそれに対応する電流で容量制御弁７を駆動する（ステップＳ１３）。
【００６４】
次に、中央処理装置７１は、温度センサ１０から取得したガスクーラ２の出口温度Ｔｇを取得し（ステップＳ１４）、エバポレータ４を通過した空気の吹き出し温度Ｔｅを取得し（ステップＳ１５）、目標差圧を演算する（ステップＳ１６）。そして、中央処理装置７１は、容量制御弁７の設定差圧をその目標差圧に変更し、弁駆動部７５はその変更された設定差圧に対応する電流で容量制御弁７を駆動する（ステップＳ１７）。
【００６５】
図１３は冷凍サイクルの第３の運転制御方法を示すフローチャートである。
この運転制御方法においては、まず、中央処理装置７１は、圧力センサ９から取得したコンプレッサ１の吐出圧力Ｐｄを検出し（ステップＳ２１）、その吐出圧力Ｐｄと所定の許容値（たとえば、１３．５ＭＰａ）とを比較する（ステップＳ２２）。ここで、吐出圧力Ｐｄがその許容値を超えている場合は、吐出容量が減少するように容量制御弁７の設定を変更し、弁駆動部７５はそれに対応する電流で容量制御弁７を駆動する（ステップＳ２３）。
【００６６】
吐出圧力Ｐｄがその許容値を超えていない通常の場合、中央処理装置７１は、温度センサ１０から取得したガスクーラ２の出口温度Ｔｇを取得し（ステップＳ２４）、ガスクーラ２の最適出口圧力Ｐｇを演算する（ステップＳ２５）。すなわち、中央処理装置７１は、ＲＯＭ７２に格納された対応表のデータを参照し、ガスクーラ２の出口温度Ｔｇからそれに対応する最適制御線ＣＬ上の圧力である最適出口圧力Ｐｇを求める。そして、中央処理装置７１は、その求めた最適出口圧力Ｐｇと先に検出していたコンプレッサ１の吐出圧力Ｐｄとを比較する（ステップＳ２６）。ここで、吐出圧力Ｐｄが最適出口圧力Ｐｇより高い場合、中央処理装置７１は、吐出容量が減少するように容量制御弁７の設定を変更し（ステップＳ２３）、吐出圧力Ｐｄが最適出口圧力Ｐｇより低い場合には、吐出容量が増加するように容量制御弁７の設定を変更する（ステップＳ２７）。このようにして、吐出圧力Ｐｄが最適出口圧力Ｐｇに近づくように容量制御弁７の設定が変更されると、弁駆動部７５はその変更された設定容量に対応する電流で容量制御弁７を駆動することになる。ここで、この運転制御方法では、吐出圧力Ｐｄ、ガスクーラ２の出口圧力および膨張弁３の冷媒出口２４の圧力が概ね等しいとの仮定に基づいており、これにより、吐出圧力Ｐｄがガスクーラ２の出口温度Ｔｇに対応する最適出口圧力Ｐｇになるようにフィードバック制御することになって、膨張弁３の冷媒出口２４の圧力が最適制御線ＣＬ上の圧力に制御されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】第１の実施の形態に係る膨張弁を適用した冷凍サイクルを示す図である。
【図２】第１の実施の形態に係る膨張弁の構成を示す中央縦断面図である。
【図３】第２の実施の形態に係る膨張弁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弁および膨張弁取付ブロックの構成例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弁および膨張弁取付ブロックの構成例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弁および膨張弁取付ブロックの構成例を示す中央縦断面図である。
【図７】第５の実施の形態に係る膨張弁および膨張弁取付ブロックの構成例を示す中央縦断面図である。
【図８】第６の実施の形態に係る膨張弁および膨張弁取付ブロックの構成例を示す中央縦断面図である。
【図９】冷凍サイクルの運転制御方法を説明するモリエル線図である。
【図１０】容量制御部の構成例を示す図である。
【図１１】冷凍サイクルの第１の運転制御方法を示すフローチャートである。
【図１２】冷凍サイクルの第２の運転制御方法を示すフローチャートである。
【図１３】冷凍サイクルの第３の運転制御方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６８】
１  コンプレッサ
２  ガスクーラ
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ  膨張弁
４  エバポレータ
５  アキュムレータ
６  内部熱交換器
７  容量制御弁
８  容量制御部
９  圧力センサ
１０，１１  温度センサ
２１  ボディ
２２  冷媒入口
２３  ストレーナ
２４  冷媒出口
２５  弁孔
２６  固定オリフィス
２７  弁座
２８  弁体
２９  スプリング
３０  ばね受け部材
３１  低圧室
３２  シャフト
３３  感圧アクチュエータ
３４  第１ハウジング
３５  ダイヤフラム
３６  第２ハウジング
３７  スナッププレート
３８  スプリング
３９  ばね受け部材
４０  アジャストねじ
４１  形状記憶合金ばね
４２  ばね受け部材
４３  Ｅリング
４４  貫通孔
４５，４６  シャフト
４７  連通孔
４８  貫通孔
４９  Ｏリング
５０  膨張弁取付ブロック
５１  取付穴
５２  高圧冷媒入口
５３  低圧冷媒出口
５４  固定板
５５  ボルト
５６  ばね受け部材
５７  戻り低圧冷媒出口
５８  戻り低圧冷媒入口
５９  ベローズ
６０  ハウジング
６１  スプリング
６２  形状記憶合金ばね
【図１】
2009250590.tif 000003
【図２】
2009250590.tif 000004
【図３】
2009250590.tif 000005
【図４】
2009250590.tif 000006
【図５】
2009250590.tif 000007
【図６】
2009250590.tif 000008
【図７】
2009250590.tif 000009
【図８】
2009250590.tif 000010
【図９】
2009250590.tif 000011
【図１０】
2009250590.tif 000012
【図１１】
2009250590.tif 000013
【図１２】
2009250590.tif 000014
【図１３】
2009250590.tif 000015