(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮された冷媒を放熱させる放熱器（２００）、冷媒を蒸発させる蒸発器（４００）、及び前記蒸発器（４００）出口側の冷媒と前記放熱器（２００）出口側の冷媒とで熱交換をさせる熱交換器（６００）を有する蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用され、
前記放熱器（２００）から前記蒸発器（４００）まで至る冷媒流路に配置され、前記放熱器（２００）から流出する冷媒を減圧するとともに、前記放熱器（２００）出口側の冷媒温度に基づいて弁口（３１２）の開度を調節することにより、前記放熱器（２００）出口側の冷媒圧力を制御する圧力制御弁であって、
前記放熱器（２００）出口側の冷媒温度に応じて内圧が変化する感温部（３１１）を有し、前記感温部（３１１）の内圧の変化に機械的に連動して前記弁口（３１２）の開度を調節する制御弁本体（３１０）と、
前記制御弁本体（３１０）を収納するケーシング（３３２、３３４）とを備え、
前記ケーシング（３３２、３３４）には、前記感温部（３１１）が位置するとともに、前記熱交換器（６００）入口側に連通する感温室（３３７）、及び前記熱交換器（６００）から流出する冷媒を前記弁口（３１２）の冷媒流れ上流側に導く導入通路（３３８）が形成されていることを特徴とする圧力制御弁。
【請求項２】
圧縮された冷媒を放熱させる放熱器（２００）、冷媒を蒸発させる蒸発器（４００）、及び前記蒸発器（４００）出口側の冷媒と前記放熱器（２００）出口側の冷媒とで熱交換をさせる熱交換器（６００）を有する蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用され、
前記放熱器（２００）から前記蒸発器（４００）まで至る冷媒流路に配置され、前記放熱器（２００）から流出する冷媒を減圧するとともに、前記放熱器（２００）出口側の冷媒温度に基づいて弁口（３１２）の開度を調節することにより、前記放熱器（２００）出口側の冷媒圧力を制御する圧力制御弁であって、
前記放熱器（２００）出口側と前記熱交換器（６００）入口側とを連通させる第１通路（３３７）、及び前記熱交換器（６００）から流出する冷媒を前記弁口（３１２）の冷媒流れ上流側に導く第２通路（３３８）が形成されたケーシング（３３２、３３４）と、
前記第１通路（３３７）内を流通する冷媒温度に応じて内圧が変化する感温部（３１１）と、
前記両通路（３３７、３３８）を離隔する離隔部（３１７、３１６）を貫通し、前記感温部（３１１）の内圧の変化に機械的に連動して前記弁口（３１２）の開度を調節する弁体（３１３）とを有することを特徴とする圧力制御弁。
【請求項３】
前記感温部（３１１）と前記第２通路（３３８）との間で熱が移動することを抑制する断熱部材（４０１、４０２）を有することを特徴とする請求項２に記載の圧力制御弁。
【請求項４】
前記第１通路（３３７）を流通する冷媒の一部を前記第２通路（３３８）側に流通させる通路（３１１ｅ、３１１ｇ、３１１ｈ）を有す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】
本発明は、放熱出口側の冷媒温度に基づいて放熱器出口側の冷媒圧力を制御する圧力制御弁に関するもので、二酸化炭素（ＣＯ2 ）を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍サイクル適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、蒸発器出口側の冷媒と放熱器出口側の冷媒とで熱交換を行い、蒸発器入口側での冷媒のエンタルピを低下させて冷凍能力の向上を図る手段が知られている。
また、放熱器出口側の放熱器出口側の冷媒温度に基づいて弁口の調節する制御弁として特開昭５５−５４７７７号公報に記載の発明が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記公報に記載の制御弁では、放熱器出口側の冷媒温度を感知する感温部、及び感温部の内圧に応じて開度が調節される弁口が、同一流路内に直列的に配設されるため、上記手段にて冷凍能力を向上させることができないという問題がある。
【０００４】
この問題に対して、例えば特開平５−２０３２９１号公報に記載されているように、感温部をキャピラリーチューブを用いた感温筒にして、この感温筒により放熱器出口側の冷媒温度を感知する手段が考えられるが、この手段では、感温筒で感知した熱がキャピラリーチューブを介してダイヤフラム側の制御室に伝達されるので、放熱器出口側の冷媒温度変化に対して制御室内の温度変化が遅れてしまう。このため、この手段では、放熱器出口側の冷媒温度変化に対する制御弁の応答性（以下、この応答性を温度応答性と呼ぶ。）が悪化してしまい、冷凍サイクルを適切に制御することができない。
【０００５】
また、キャピラリーチューブ及び感温筒を放熱器出口側に組み付けなければならないので、冷凍サイクルの製造工数が増大してしまう。
本発明は、上記点に鑑み、蒸発器出口側の冷媒と放熱器出口側の冷媒とで熱交換を行う熱交換器を有する冷凍サイクルに適した圧力制御弁を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、以下の技術的手段を用いる。
請求項１に記載の発明では、制御弁本体（３１０）を収納するケーシング（３３２、３３４）には、感温部（３１１）が位置するとともに、熱交換器（６００）入口側に連通する感温室（３３７）、及び熱交換器（６００）から流出する冷媒を弁口（３１２）の冷媒流れ上流側に導く導入通路（３３８）が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
これにより、放熱器（２００）出口側の冷媒温度変化に対して感温部（３１１）内の温度変化の遅れが、特開平５−２０３２９１号公報に記載のごとく、感温部をキャピラリーチューブを用いた感温筒にして放熱器（２００）出口側の冷媒温度を感知する手段に比べて小さくすることができる。したがって、圧力制御弁（３００）の温度応答性を向上させることができるので、冷凍サイクルを適切に制御することができる。
【０００８】
また、特開平５−２０３２９１号公報に記載のごとく、キャピラリーチューブ及び感温筒を放熱器出口側に組み付ける必要がないので、冷凍サイクルの組み付け工数（製造工数）の低減をすることができ、冷凍サイクルの製造原価低減を図ることができる。
以上に述べたように、本発明に係る圧力制御弁では、冷凍サイクルの製造低減を図りつつ、冷凍サイクルを適切に制御することができる。
【０００９】
請求項２〜４に記載の発明では、放熱器（２００）出口側と熱交換器（６００）入口側とを連通させる第１通路（３３７）、及び熱交換器（６００）から流出する冷媒を弁口（３１２）の冷媒流れ上流側に導く第２通路（３３８）が形成されたケーシング（３３２、３３４）と、第１通路（３３７）内を流通する冷媒温度に応じて内圧が変化する感温部（３１１）と、両通路（３３７、３３８）を離隔する離隔部（３１７、３１６）を貫通し、感温部（３１１）の内圧の変化に機械的に連動して前記弁口（３１２）の開度を調節する弁体（３１３）とを有することを特徴とする。
【００１０】
これにより、請求項１に記載の発明と同様に、冷凍サイクルの製造低減を図りつつ、冷凍サイクルを適切に制御することができる。
ところで、請求項２に記載の発明では、第１通路（３３７）を通過して熱交換器（６００）て冷却された冷媒により感温部（３１１）が冷却されてしまい、放熱器（２００）出口側の冷媒圧力を正確に制御することができなくなるおそれがある。
【００１１】
そこで、請求項３に記載の発明では、感温部（３１１）と第２通路（３３８）との間で熱が移動することを抑制する断熱部材（４０１、４０２）を設けることにより、感温部（３１１）が冷却されること防止しているので、放熱器（２００）出口側の冷媒圧力を確実に制御することができる。
また、請求項４に記載の発明では、第１通路（３３７）を流通する冷媒の一部を第２通路（３３８）側に流通させる通路（３１１ｅ、３１１ｇ、３１１ｈ）を設けることにより、感温部（３１１）が冷却されることを防止できるので、放熱器（２００）出口側の冷媒圧力を確実に制御することができる。
【００１２】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、二酸化炭素（ＣＯ2 ）を冷媒とする冷凍サイクル（以下、ＣＯ2 サイクルと呼ぶ。）に本発明に係る圧力制御弁を適用したものであり、図１はＣＯ2 サイクルの模式図である。
【００１４】
図１中、１００は冷媒（ＣＯ2 ）を圧縮する圧縮機であり、２００は圧縮機１００にて圧縮された冷媒を冷却する放熱器（ガスクーラ）である。そして、放熱器２００の出口側には、放熱器２００出口側の冷媒温度に基づいて放熱器２００の出口側圧力を制御する圧力制御弁３００が配設されており、この圧力制御弁３００は高圧の冷媒を減圧する減圧器も兼ねている。なお、圧力制御弁３００の詳細については、後述する。
【００１５】
４００は圧力制御弁３００にて減圧された（液相の）冷媒を蒸発させる蒸発器であり、５００は蒸発器４００から流出する冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を圧縮機１００の吸入側に流出させるとともに、ＣＯ2 サイクル中の余剰冷媒を蓄えるアキュームレータ（気液分離手段）である。
６００はアキュームレータ５００から流出した蒸発器４００出口側の冷媒と放熱器２００出口側の冷媒とを熱交換する内部熱交換器（以下、熱交換器と略す。）であり、この熱交換器６００により蒸発器４００入口側での冷媒のエンタルピを低下させて、図２に示すように、ＣＯ2 サイクルの冷凍能力を向上させている。
【００１６】
次に、図１に基づいて圧力制御弁３００について述べる。
３１０は、放熱器２００出口側の冷媒温度に応じて内圧が変化する感温部３１１を有し、感温部３１１の内圧の変化にて機械的に連動して圧力制御弁３００の弁口３１２の開度を調節する制御弁本体（エレメント）であり、３３０は制御弁本体３１０を収納するケーシングである。
【００１７】
なお、ケーシング３３０は、制御弁本体３１０が固定されるとともに、蒸発器４００の入口側に接続される第１冷媒出口３３１が形成されたケーシング本体部３３２と、ケーシング本体部３３２に制御弁本体３１０を挿入組み付けするための開口部を閉塞するとともに、放熱器２００出口側に接続される第１冷媒入口３３３が形成された蓋体３３４とから構成されている。
【００１８】
そして、ケーシング３３０（ケーシング本体部３３２）には、熱交換器６００の冷媒入口側に接続される第２冷媒出口３３５、及び熱交換器６００の冷媒出口側に接続される第２冷媒入口３３６が形成されている。そして、第２冷媒出口３３５は第１冷媒入口３３３に連通し、第２冷媒入口３３６は、制御弁本体３１０の弁口３１２の冷媒流れ上流側に連通している。
【００１９】
なお、以下、第１冷媒入口３３３から第２冷媒出口３３５までの冷媒通路を第１冷媒通路（感温室）３３７と呼び、第２冷媒入口３３６から弁口３１２までの冷媒通路を第２冷媒通路３３８と呼ぶ。
ところで、制御弁本体３１０の感温部３１１は、第１冷媒通路３３７内に位置して放熱器２００出口側の冷媒温度を感知するものであり、この感温部３１１は、薄膜状のダイヤフラム（圧力応動部材）３１１ａ、ダイヤフラム３１１ａと共に密閉空間（制御室）３１１ｃを形成するダイヤフラムカバー３１１ｂ、及びダイヤフラムカバー３１１ｂと共にダイヤフラム３１１ａを挟み込むようにしてダイヤフラム３１１ａを固定すダイヤフラムサポート３１１ｄから構成されている。
【００２０】
なお、密閉空間３１１ｃ内には、冷媒（ＣＯ2 ）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に至る範囲の密度（本実施形態では約６２５ｋｇ／ｍ3 ）で封入されており、ダイヤフラム３１１ａを挟んで密閉空間３１１ｃの反対側には、導圧通路３１１ｅを介して第１冷媒通路３３７の圧力が導かれている。
【００２１】
また、３１１ｆは感温部３１１（密閉空間３１１ｃ）に冷媒を封入する封入管であり、この封入管３１１ｆは、第１冷媒通路３３７内の冷媒温度に対して密閉空間３１１ｃ内の冷媒温度を時間差無く追従させるべく、銅などの熱伝導率の高い金属製である。
３１３は弁口３１２の開度を調節するニードル弁体（以下、弁体と略す。）であり、この弁体３１３は、ダイヤフラム３１１ａに接合されて密閉空間３１１ｃの内圧上昇に機械的に連動して弁口３１２の開度を縮小させる向きに可動するように構成されている。
【００２２】
また、３１４は、弁口３１２の開度を縮小させる向きの弾性力を弁体３１３に作用させるバネ（弾性体）であり、弁体３１３はバネ３１４の弾性力（以下、この弾性力を閉弁力と呼ぶ。）と、密閉空間３１１ｃ内外の差圧による力（以下、この力を開弁力と呼ぶ。）との釣り合いに応じて可動する。
このとき、バネ３１４の初期設定荷重は、調整ナット３１５を回すことにより調節され、その初期設定荷重（弁口３１２を閉じた状態での弾性力）は、冷媒（ＣＯ2 ）が臨界圧力以下の凝縮域において、所定の過冷却度（本実施形態では約１０℃）を有するように設定されている。具体的には、初期設定荷重における、密閉空間３１１ｃ内での圧力換算で約１［ＭＰａ］である。なお、３１５ａは、調整ナット３１５を回す際にバネ３１４と調節ナット３１５が直接に擦れることを防止するバネ座である。
【００２３】
以上に述べた構成により、圧力制御弁３００は、超臨界領域では、６２５ｋｇ／ｍ3 の等密度線に沿うように、放熱器２００出口側の冷媒温度に基づいて、放熱器２００出口側の冷媒圧力を制御し、凝縮域では、放熱器２００出口側の冷媒の過冷却度が所定値となるように、放熱器２００出口側の冷媒圧力（圧力制御弁３００の開度）を制御する。
【００２４】
ところで、制御弁本体３１０の弁座本体３１７及び後述する弁体ホルダ３１６は、第１冷媒通路３３７と第２冷媒通路３３８とを離隔するとともに、第２冷媒通路３３８側の冷媒が第１冷媒通路３３７側の冷媒によって加熱されることを防止する隔壁部を構成している。
なお、弁体３１３は、弁体３１３の摺動を案内する弁体ホルダ３１６を貫通して第１冷媒通路３３７側から第２冷媒通路３３８（弁口３１２）側に到達しているので、弁体３１３と弁体ホルダ３１６との隙間（圧力損失）は、第１冷媒通路３３７からこの隙間を経由して第２冷媒通路３３８に多くの冷媒が流通しない程度としなければならない。
【００２５】
次に、本実施形態の特徴を述べる。
本実施形態に係る圧力制御弁３００では、感温部３１１が第１冷媒通路（感温室）３３７内に位置しているので、放熱器２００出口側の冷媒温度変化に対して密閉空間（制御室）３１１ｃ内の温度変化の遅れが、特開平５−２０３２９１号公報に記載のごとく、感温部をキャピラリーチューブを用いた感温筒にして放熱器２００出口側の冷媒温度を感知する手段に比べて小さくすることができる。
【００２６】
したがって、圧力制御弁３００の温度応答性を向上させることができるので、ＣＯ2 サイクルを適切に制御することができる。
また、密閉空間（制御室）３１１ｃ内には、冷媒（ＣＯ2 ）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に至る範囲の密度（本実施形態では約６２５ｋｇ／ｍ3 ）で封入されているので、出願人が既に出願している圧力制御弁（特願平９−３１５６２１号）と同様にＣＯ2 サイクルの成績係数を高く維持しながら、ＣＯ2 サイクルの冷凍能力を向上させるこができる。
【００２７】
また、特開平５−２０３２９１号公報に記載のごとく、キャピラリーチューブ及び感温筒を放熱器出口側に組み付ける必要がないので、ＣＯ2 サイクルの組み付け工数（製造工数）の低減をすることができ、ＣＯ2 サイクルの製造原価低減を図ることができる。
（第２実施形態）
第１実施形態では、第２冷媒出口３３５及び第２冷媒入口３３６が形成されたケーシング本体３３２に制御弁本体３１０（弁座本体３１７）をネジ固定していたため、制御弁本体３１０をケーシング本体３３２内に挿入した状態で、制御弁本体３１０をケーシング本体３３２に対して回転させなければならないので、制御弁本体３１０をケーシング本体３３２に組み付けるための作業性が悪い。
【００２８】
そこで、本実施形態では、図３に示すように、ケーシング本体３３２を閉塞する蓋体３３４に制御弁本体３１０をネジ固定し、この制御弁本体３１０が固定された蓋体３３４をケーシング本体３３２にネジ固定する構造としている。なお、本実施形態では、ケーシング本体３３２に第１冷媒入口３３３を形成し、蓋体３３４に第１冷媒出口３３１を形成している。
【００２９】
これにより、第１実施形態のごとく、制御弁本体３１０をケーシング本体３３２内に挿入した状態で制御弁本体３１０を回転させる必要がないので、制御弁本体３１０の組み付け作業性を向上させることができる。延いては、圧力制御弁３００の組み付け作業性を向上させることができるので、圧力制御弁３００の製造原価低減を図ることができる。
【００３０】
ところで、第１実施形態では、ダイヤフラム３１１ａを挟んで密閉空間（制御室）３１１ｃと反対側には、第１冷媒通路３３７内の圧力が導入されていたが、熱交換器６００での圧力損失が十分に小さい場合には、図３に示すように、第２冷媒通路３３８内の圧力をダイヤフラム３１１ａを挟んで密閉空間（制御室）３１１ｃと反対側に導入するように構成してもよい。
【００３１】
（第３実施形態）
図４に示すように、第１冷媒通路３３７と第２冷媒通路３３８との隔壁部をダイヤフラムカバー３１１ｂの外周部としてもよい。
なお、この場合、熱交換器６００にて第２冷媒通路３３８内の冷媒が冷却されているので、密閉空間（制御室）３１１ｃ内の温度が、放熱器２００出口側の冷媒温度より低くなるため、バネ３１４の初期荷重を上述の実施形態より大きくする必要がある。因みに、初期荷重の増加量は、熱交換器６００の能力によっても異なるが、密閉空間３１１ｃ内での圧力換算で０．２〜０．５［ＭＰａ］である。
【００３２】
（第４実施形態）
第３実施形態では、第１冷媒通路３３７を通過して熱交換器６００にて冷却された冷媒（以下、この冷媒を低温冷媒と呼ぶ。）が、第２冷媒入口３３６から弁口３１２に向けて流入するので、この低温冷媒により、密閉空間（制御室）３１１ｃ内の温度が、放熱器２００出口側の冷媒温度より低くなってしまい、放熱器２００出口側の冷媒圧力を正確に制御することができなくなる（以下、このことを低温冷媒による制御不良と呼ぶ。）おそれがある。
【００３３】
これに対して、上述の実施形態では、バネ３１４の初期荷重を調節することにより、低温冷媒による制御不良を補正していたが、本実施形態は、低温冷媒による制御不良をさらに小さくして、放熱器２００出口側の冷媒圧力をより正確に制御すること目的としてなされたものである。
すなわち、図５に示すように、感温部３１１から第２冷媒通路３３８側に熱が移動することを抑制すべく、ダイヤフラムカバー３１１ｂ及びダイヤフラムサポート３１１ｄの第２冷媒通路３３８側に樹脂やゴム等の熱伝導率の小さい材料からなる断熱カバー４０１、４０２を接着剤にて固定したものである。
【００３４】
これにより、低温冷媒によって密閉空間（制御室）３１１ｃ内の温度が、放熱器２００出口側の冷媒温度より低くなってしまうことを防止できるので、放熱器２００出口側の冷媒圧力をより正確に制御することができる。
なお、断熱カバー４０２には、ダイヤフラム３１１ａの弁体３１３側に低温冷媒の圧力を導く圧力導入口３１１ｇを閉塞することがないように、ダイヤフラムサポート３１１ｄ側を凹部４０２ａを形成するとともに、凹部４０２ａの底部に連通穴４０２ｂを形成している。
【００３５】
（第５実施形態）
本実施形態も第４実施形態と同様に、低温冷媒による制御不良を抑制することを目的としてなされたものである。
すなわち、本実施形態は、図６、７に示すように、放熱器２００出口側の高温高圧冷媒（第１冷媒入口３３３から圧力制御弁３００内に流入する冷媒）を積極的にダイヤフラム３１１ａの第２冷媒通路３３８側に流通させることにより、密閉空間（制御室）３１１ｃ内の温度が、放熱器２００出口側の冷媒温度より低くなってしまうことを防止したものである。
【００３６】
なお、図６に示す圧力制御弁３００では、第１実施形態に係る圧力制御弁３００（図１参照）に、第２冷媒通路３３８（弁口３１２）側とダイヤフラム３１１ａの第２冷媒通路３３８側とを連通させる圧力導入路３１１ｈを設けることにより、高温高圧冷媒を積極的にダイヤフラム３１１ａの第２冷媒通路３３８側に流通させ、図７に示す圧力制御弁３００では、第３実施形態に係る圧力制御弁３００（図４参照）に導圧通路３１１ｅを設けることにより、高温高圧冷媒を積極的にダイヤフラム３１１ａの第２冷媒通路３３８側に流通させるようにしている。
【００３７】
ところで、高温高圧冷媒を積極的にダイヤフラム３１１ａの第２冷媒通路３３８側に流通させると、熱交換器６００に流通する冷媒量が減少するので、ＣＯ2 サイクルの冷凍能力が低下するおそれがあるが、発明者等の試験検討によれば、高温高圧冷媒が第２冷媒通路３３８側に流通する際の圧力損失を、冷媒が熱交換器６００内を流通する際の圧力損失の略２０倍以上とすれば、事実上、冷凍能力の低下は無視できることを確認している。
【００３８】
ところで、上述の実施形態では、二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルに適用する圧力制御弁３００を例に本発明に係る圧力制御弁を説明したが、本発明に係る圧力制御弁は、例えば、エチレン、エタン、酸化窒素等を冷媒とする、放熱器２００内の圧力が冷媒の臨界圧力を越える冷凍サイクル（超臨界冷凍サイクル）は勿論、フロン等を冷媒とする、放熱器２００内の圧力が冷媒の臨界圧力未満である冷凍サイクルに対しても適用することができる。
【００３９】
また、上述の実施形態では、薄膜状のダイヤフラム３１１ａを圧力応動部材としたが、蛇腹状のベローズ等のその他のものによって圧力応動部材を構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る圧力制御弁の断面図である。
【図２】二酸化炭素のモリエル線図である。
【図３】第２実施形態に係る圧力制御弁の断面図である。
【図４】第３実施形態に係る圧力制御弁の断面図である。
【図５】第４実施形態に係る圧力制御弁の断面図である。
【図６】第５実施形態に係る圧力制御弁の断面図である。
【図７】第５実施形態に係る圧力制御弁変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
３００…圧力制御弁、３１０…制御弁本体、３１１…感温部、
３３１…第１冷媒出口、３３２…ケーシング本体、３３３…第１冷媒入口、
３３４…蓋体、３３５…第２冷媒出口、３３６…第２冷媒入口。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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