(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膨張弁の主弁に対する流出路に、前後の差圧が所定圧力以上のときに流路を解放する差圧弁を設けた差圧弁付き膨張弁において、前記主弁の流出路に差圧弁収納室を設け、該収納室の中に差圧設定バネと差圧弁を配置し、該差圧弁に対向した位置に通孔を形成した差圧弁シートの開口に前記差圧弁を所定圧力で閉鎖するように付勢し、前記差圧弁の閉鎖力は前記差圧設定バネ、又は前記差圧弁シートの径によって調整する差圧弁付き膨張弁。
【請求項２】
前記膨張弁は蒸発器の出口過熱度により弁開口面積、流量を制御する温度式膨張弁である請求項１記載の差圧弁付き膨張弁。
【請求項３】
前記膨張弁は電動式リニア膨張弁である請求項１に記載の差圧弁付き膨張弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば家庭用冷蔵庫や自動販売機のような、比較的小容量の冷凍冷蔵システムに適する膨張弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
凝縮器により液化した冷媒を膨張させて蒸発器に送る膨張弁において、例えば家庭用冷蔵庫や自動販売機のような比較的小容量の冷凍冷蔵システムに用いる膨張弁としては、図５に示すような固定オリフイス付き温度膨張弁が広く用いられている。
【０００３】
即ち、この膨張弁においては、弁本体５１の冷媒流入口５２部分にカートリッジ部５３を設けている。このカートリッジ部５３は、図６に示すように、カートリッジ５４内の上端部にシート開口５５を設けた主弁シート５６を配置し、このシート開口５５に対向してシート開口５５を開閉可能とするように主弁５７を配置すると共に、この主弁５７を常時シート開口５５側に押圧するように主弁ガイド５８内に主弁圧接バネ６０を設けている。また、主弁ガイド５８の下端部には中央に固定オリフイス６１を設けたキャパシテイデイスク６２を設けている。
【０００４】
このようなカートリッジ部５３を設けた弁本体５１には、カートリッジ部５３の主弁５７の上端に対向してロッド６３の先端を対向して配置し、ロッド６３の上端をダイヤフラム６４に固定した操作部材６５に固定している。ダイヤフラムは過熱度調整バネ６６により常時上方に付勢されており、ダイヤフラム６４の上側ダイヤフラム室６７は、蒸発器出口部分に設けた感温筒６８と圧力伝達媒体を介して連通している。過熱度調整バネ６６の下端に配置したスプリング受け７０には調整ねじ７１の先端が当接し、調整ねじ７１の調整によって膨張弁の作動特性の過熱度調整を可能としている。ダイヤフラム６４の下側に位置し、バネ６６を収納している下側ダイヤフラム室７２は、連通孔７３により冷媒流出口７４に連通している。
【０００５】
上記のような構成をなす従来の膨張弁においては、この冷凍サイクルの負荷、即ち、蒸発器の冷媒出口過熱度に応じてダイヤフラム６４がロッド６３を押圧し、主弁５７をシート開口に対して上下動させ、主弁開口の開口面積を調整して、冷媒流量を調整し、冷凍サイクルの負荷に対応する制御をなしている。この膨張弁において、例えば、内容積４００リットル程度の家庭用冷蔵庫等の小容量の冷凍冷蔵サイクルに用いる際には、冷媒としてＲ１３４ａを用い、凝縮圧力（Ｐｃ）が８ｋｇｆ／ｃｍ2 Ｇ、蒸発圧力（Ｐｅ）が０ｋｇｆ／ｃｍ2 Ｇ、循環冷媒液流量（Ｑ）が約３Ｌ／Ｈｒのときには、オリフイス６１の開口面積は約０．０６ｍｍ2となる。
【０００６】
また、上記のような固定オリフイスを設けることなく、膨張弁の出口管路にキャピラリチューブを設けたものも用いられている。このようなキャピラリチューブを用いた膨張弁の場合は、上記仕様の冷凍サイクルにおいては、キャピラリチューブは直径約０．６〜０．７ｍｍで長さ約２５００ｍｍのものが必要となる。更に、比較的小容量冷凍サイクルに使用する膨張弁としては、上記のような温度式膨張弁の他に、ステップモータにより主弁開口の開口面積をリニアに制御するようにした電動式膨張弁も用いられており、このような電動式膨張弁においても、固定オリフイス方式のもの及びキャピラリチューブ方式のものが適宜用いられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の膨張弁において、固定オリフイスを用いた温度式膨張弁、あるいは電動式リニア膨張弁においては、固定オリフイスを設けることによって騒音の発生を防止することができる。しかしながら、この膨張弁においては、極めて微少の冷媒流量の制御を行わなければならないので、弁部の加工精度を著しく高度なものに製作する必要があり、生産性が悪くコスト高なものとならざるを得なかった。また、微少流量を制御するために主弁の開口及び固定オリフイスの開口を微少なものに設定せざるを得ないため、この微少開口にゴミや異物の詰まりを発生しやすく、装置全体の信頼性が劣る欠点もあった。更に、オリフイスは一定開度であるため、所定の過熱度以上になると冷媒流量が比例して上昇しないため、膨張弁では過熱度の低いところだけで使用せざるをえなかった。
【０００８】
また、キャピラリチューブを用いた温度式膨張弁、あるいは電動式リニア膨張弁においては、キャピラリチューブ内に冷媒流を通すことによって、凝縮圧力に対して若干の自己制御性は存在するが、積極的な制御を行うものではないため、その制御領域は狭く、キャピラリチューブの選定は、各機器にこの冷凍サイクルの装置を組み込んで運転し、その際に種々の大きさのキャピラリチューブを順に選択して運転し、その機器に最も適する大きさのキャピラリチューブを選択する作業を行う必要があり、開発工数、設計工数が多大となる欠点があった。特に、インバータによる圧縮機駆動モータの回転数制御を行い、冷凍機の能力制御を行うようにしたものにおいては、その能力制御に対してキャピラリチューブにおいて能力に対する追従性が得られず、インバータ制御が実質的に機能しにくい問題もあった。
【０００９】
したがって、本発明は、部品の加工度、及び製作性が良く、安価でありながら、微少流量の制御性が良く、且つ広範囲で制御可能であり、ゴミや異物による詰まりを減少することができる膨張弁を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、膨張弁の主弁に対する流出路に、前後の差圧が所定圧力以上のときに流路を解放する差圧弁を設けた差圧弁付き膨張弁において、前記主弁の流出路に差圧弁収納室を設け、該収納室の中に差圧設定バネと差圧弁を配置し、該差圧弁に対向した位置に通孔を形成した差圧弁シートの開口に前記差圧弁を所定圧力で閉鎖するように付勢し、前記差圧弁の閉鎖力は前記差圧設定バネ、又は前記差圧弁シートの径によって調整する差圧弁付き膨張弁を設けたものである。
【００１１】
本発明は上記のように、膨張弁の主弁に対する流出路に、前後の差圧が所定圧力以上のときに流路を解放する差圧弁を設けたので、主弁における前後の差圧を減少させることができ、その分だけ主弁の開口面積を増大させることができ、主弁の開口部の製作精度を低下することが可能となり、膨張弁を安価のものとすることができると共に、主弁の開口部におけるゴミや異物の詰まりを減少させることができ装置の信頼性が向上するほか、膨張弁の前後差圧が減少するのでこの部分における騒音を減少することができ、更に、膨張弁の過熱度制御範囲を広く取ることが可能となり、また、より小容量の冷凍装置に適用することが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面に添って説明する。図１は本発明を温度式膨張弁に用いた参考例を示し、この温度式膨張弁を用いた冷凍サイクルにおいては、図示されているように、圧縮機１で加圧された高温冷媒は、凝縮器２で凝縮され、液化してレシーバ３に溜まり、この液化冷媒は膨張弁４の主弁５の上流の流入路６から後述する差圧弁７を通り、主弁５で開閉される主弁開口８を通過して、主弁５の下流の流出路１０から蒸発器１１に入り、蒸発した気化冷媒は蒸発器出口管路１２を介して圧縮機１に循環する。
【００１３】
膨脹弁４の主弁５は、調整ねじ１３でその圧縮力を調整される過熱度調整バネ１４により常時主弁５を閉鎖する方向に付勢されており、また、この主弁５の上端部に対向してロッド１５が配置され、ロッドはダイヤフラム１６の下面に挿入した操作部材１７に当接されている。ロッド１５、操作部材１７はダイヤフラム１６に応動して上下する。ダイヤフラム１６の上側室１９は、蒸発器出口管路１２に設けた感温筒１８と伝達管２０により連通し、ダイヤフラム１６の下側室２１は主弁５の下流の主弁収納室２２と連通管２３で連通している。ダイヤフラム１６の下面に挿入した操作部材１７の下方には、凝縮液が下側室２１に漏れるのを防止するため、パッキング２４がスプリング２５で付勢され、ロッド１５のシールを行っている。
【００１４】
主弁５の上流に位置する流入路６には差圧弁収納室２６を設けており、この中に差圧設定バネ２７と球状の差圧弁７を配置し、中央部に通孔２８を形成した差圧弁シート２９の開口に差圧弁７を所定圧力で閉鎖するように付勢している。差圧弁の特性、即ち差圧弁の閉鎖力は差圧設定バネ２７の選定により調整することができ、また、差圧弁シート２９の径によっても調整することができる。更に、差圧弁の設定差圧は、システム上許容可能な差圧及び主弁の能力により決定することができる。
【００１５】
（イ）差圧弁を設けない膨張弁において、膨脹弁の主弁部を通過する冷媒の流量Ｑは、
Ｑ＝Ｃｄ×Ａ×√ΔＰ
で表される。
ただし、Ｃｄ；主弁の流出係数、
Ａ；主弁の開口面積
ΔＰ；主弁前後の差圧であり、
ΔＰ＝Ｐｃ−Ｐｅであって、
Ｐｃ；膨脹弁の入口凝縮圧力
Ｐｅ；膨脹弁の出口蒸発圧力
である。
（ロ）また、図１に示すように、膨張弁の主弁に対する流入路に差圧弁を設けた膨脹弁において、膨脹弁の主弁部を通過する冷媒の流量Ｑは、
Ｑ＝Ｃｄ×Ａ×√ΔＰｘ
で表される。
ただし、Ｃｄ；主弁の流出係数、
Ａ；主弁の開口面積
ΔＰｘ；主弁前後の差圧
ΔＰｘ＝Ｐｃ’−Ｐｅであって
Ｐｃ’；差圧弁出口（＝主弁入口）圧力
Ｐｃ’＝Ｐｃ−△Ｐｃ
△Ｐｃ；差圧弁が発生する差圧
Ｐｃ；膨脹弁の入口凝縮圧力
Ｐｅ；膨脹弁の出口蒸発圧力
である。
（ハ）なお、図３（ロ）に示すように、膨張弁の主弁に対する流出路に差圧弁を設けた膨脹弁において、膨脹弁の主弁部を通過する冷媒の流量Ｑは、
Ｑ＝Ｃｄ×Ａ×√ΔＰｘ
で表される。
ただし、Ｃｄ；主弁の流出係数、
Ａ；主弁の開口面積
Ｐｘ；主弁前後の差圧
△Ｐｘ＝Ｐｃ−Ｐｅ’であって
Ｐｅ’；差圧弁入口（＝主弁出口）圧力
Ｐｅ’＝Ｐｅ＋△Ｐｅ
△Ｐｅ；差圧弁が発生する差圧（△Ｐｅ＝Ｐｅ’−Ｐｅ）
Ｐｃ；膨脹弁の入口凝縮圧力
Ｐｅ；膨脹弁の出口蒸発圧力
である。
【００１６】
この式から明らかなように、Ｃｄ及びＡを一定とすると、膨脹弁の主弁部を通過する冷媒の流量は、膨脹弁の入口凝縮圧力と膨脹弁の出口蒸発圧力との差圧によって決定される。また、膨脹弁の入口凝縮圧力と膨脹弁の出口蒸発圧力との差圧を小さくすると、膨脹弁の主弁の所用開口面積Ａを大きく取ることができることがわかる。したがって、上記のように、膨脹弁の主弁５の上流側に差圧弁７を設けたので、主弁５部分の差圧を低減させることができ、主弁の所用開口面積Ａを大きく取ることが可能となる。
【００１７】
このように主弁の所用開口面積を大きく取ることができる結果、主弁の開口部の製作に際して、従来のように微少の開口を精度良く製作するという高度の加工技術を必要とすることがなくなり、その製作に際して精度を低下することが可能となり、膨張弁を安価のものとすることができる。また、主弁の開口部が従来のものより大きくなるので、膨脹弁でのゴミや異物の詰まりを減少させることができ、装置全体としてのの信頼性を向上することもできる。更に、膨張弁の前後差圧が減少するため、この部分における騒音を減少することができる。
【００１８】
また、本発明の差圧弁付きの膨脹弁と、従来の固定オリフイス付き膨脹弁との作動特性を比較すると、図２に示すように、比較的大径の固定オリフイス（Ａ）を選定した場合には、低過熱度域ではその効果が得られず、ハンチングを生じ、その制御は不安定なものとなる。また、小径の固定オリフイス（Ｂ）を選定した場合には、その制御能力が不足し、また、開口が小さなものであるので冷凍能力不足やオリフイス開口でのゴミ、異物の詰まりを生じる原因となる。また、固定オリフイスにおいては、ある過熱度以上になると冷媒流量が比例して上昇しないため、膨脹弁においては過熱度の低いところで制御する事しかできない。それに対して、本発明の差圧弁付きの膨脹弁においては、その比例制御領域は広くなり、制御に際してハンチングが発生することがなくなり、制御の安定性が向上し、また、制御能力が向上するのでより小容量の冷凍装置に対しても適用可能となる。
【００１９】
更に、本発明の膨脹弁の作動に際しては、蒸発器の作動が定常状態となり、その作動が安定すると、膨脹弁の主弁が閉じ、過熱度調整バネと差圧設定バネによりこの流路は開閉されることとなるが、従来の差圧弁のない場合においては、膨脹弁の入口凝縮圧力（Ｐｃ）が大きくなると膨脹弁の主弁が開いて液冷媒が流れ、蒸発器に液冷媒が流れてこの液冷媒が圧縮機にまで流れることがあり、その際には圧縮機を破壊することとなる。それに対して、本発明の膨脹弁においては、差圧弁により圧力変動を緩和することができ、従来のもののように膨脹弁の主弁を解放することがなくなり、圧縮機の破損を防止することができる。
【００２０】
また、図３のモリエル線図に示すように、差圧弁を主弁の流入側に設けた場合と主弁の流出側に設けた場合とではその特性が相違する。即ち、主弁の上流側に差圧弁を設けた場合には、図３（イ）に示すように、差圧弁は高圧側で差圧を生じ、その結果、主弁は低圧側において差圧弁の発生差圧の残りの部分が作用することとなる。それに対して主弁の下流側に差圧弁を設けた場合には、図３（ロ）に示すように、差圧弁は低圧側で差圧を生じ、その結果主弁は高圧側において差圧弁の発生差圧の残りの部分が作用することとなる。このことから、図１に示すような温度式膨脹弁においては主弁の上流側に差圧弁を設けることが好ましく、図示されない従来の外部均圧式の温度式膨脹弁においては主弁の出口側に差圧弁を設けることも可能である。また、主弁の入口側に差圧弁を設けると、主弁への冷媒流が二層流となり、主弁の制御性が安定する効果も奏する。なお、上記差圧弁は温度膨脹弁の下流側の流出流路側に設けても良いが、膨張弁が特に外部均圧式の温度式膨張弁の際には、膨張弁の流出流路に設置することが可能となる。
【００２１】
上記参考例においては、差圧弁を温度膨脹弁に用いたものを示したが、例えば図４に示すように、電動式リニア膨脹弁に対しても適用することができる。即ち、この膨脹弁においては、弁本体３０の上部にステッピングモータコイル３１を設け、中央のケーシング３２に回転子３３を配置し、この回転子に主弁３４を固定し、制御装置からのパルス信号によりステッピングモータを駆動して主弁３４を上下動し、それにより弁開口３５の開度をリニアに制御するようにしている。弁本体３０の流出孔部分には、差圧設定バネ３６により常時差圧弁シート３７に対して付勢されている、図中球状の差圧弁３８を設けている。このような電動式リニア膨脹弁４０によっても、差圧弁３８は、前記温度式膨脹弁の差圧弁と同様の作用を行わせることができる。
【００２２】
なお、上記実施例においては、差圧弁を膨脹弁に組み込んだ例を示したが、それに限らず、膨脹弁とは別体に、膨脹弁に流出する管路に別設することもできる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明は、上記のように、膨張弁の主弁に対する流出路に、前後の差圧が所定圧力以上のときに流路を解放する差圧弁を設けたので、主弁における前後の差圧を減少させることができ、その分だけ主弁の開口面積を増大させることができ、主弁の開口部の製作精度を低下することが可能となり、膨張弁を安価のものとすることができる。また、主弁の開口面積を増大させることができることにより、主弁の開口部におけるゴミや異物の詰まりを減少させることができ装置の信頼性を向上することができる。
【００２４】
また、膨張弁の前後差圧が減少するのでこの部分における騒音を減少することができるとともに、膨張弁の過熱度制御範囲を広く取ることが可能となり、より小容量の冷凍装置に適用することが可能となる。しかも、差圧弁の取付に対する格別の設計変更や特別の調整を必要とせず、また、差圧弁は、単に差圧を発生するのみでよいので特別の仕様を要求されず、設定精度に厳密さは要求されず、また、構造が簡単であるので、格別の弁漏れ対策を必要とすることもない。更に、主弁の比例ゲインを大きく取ることができ、それにより弁のハンチング防止対策が容易となり、制御の安定性も向上する等種々の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明を温度式膨脹弁に適用した参考例をシステム構成と共に示す断面図である。
【図２】本発明の差圧弁を用いた膨脹弁と固定オリフイスを用いた膨脹弁の作動特性の比較グラフである。
【図３】  差圧弁を膨脹弁の流入側に取り付けた場合と流出側に設けた場合の特性を示すモリエル線図である。
【図４】本発明を電動式リニア膨脹弁に適用した実施例を示す断面図である。
【図５】従来の固定オリフイスを用いた温度式膨脹弁の断面図である。
【図６】同主弁と固定オリフイス部分の拡大断面図である。
【符号の説明】
１  圧縮機
２  凝縮器
３  レシーバ
４  膨張弁
５  主弁
６  流入路
７  差圧弁
８  主弁開口
１０  流出路
１１  蒸発器
１２  蒸発器出口管路
１３  調整ねじ
１４  過熱度調整バネ
１５  ロッド
１６  ダイヤフラム
１７  操作部材
１８  感温筒
２０  伝達管
２１  下側室
２２  主弁収納室
２３  連通管
２５  スプリング
２６  差圧弁収納室
２７  差圧設定バネ
２８  通孔
【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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