JP2005257092A - 膨張装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コンパクトな構成において前後差圧による内部の異常な圧力上昇を効果的に防止することができる膨張装置を提供する。
【解決手段】 本発明に係る膨張装置１では、主弁とは別にパイロット弁を設けたことで、冷媒の受圧面を主弁体２４を収容するピストン２１の大きな端面に設定することができる。すなわち、受圧室Ｓ１、背圧室Ｓ２にそれぞれ面するピストン２１の端面に受圧部を設けることができ、小さな圧力であっても弁ユニット２０に対して大きな作動力を付与することができる。また、パイロット弁を採用したことで主弁を動作させるための圧縮コイルスプリング４１の大きさを小さくすることができる。その結果、膨張装置１をコンパクトに構成することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、冷凍サイクルを循環する冷媒の流路に設けられ、上流側から導入された冷媒を絞り流路を通過させることで減圧・膨張させて下流側に導出する膨張装置に関する。

従来、車両用エアコンの冷凍サイクルとして、エバポレータの出口側にて余分な冷媒を貯めて気液分離を行うアキュムレータと、コンデンサから出た高圧冷媒の過冷却度及び乾き度の変動に応じて冷媒流量を制御するオリフィス（絞り流路）及び冷媒に所定の過冷却度を持たせるように制御する過冷却度制御式の膨張装置とを使用した冷凍サイクルが知られている（例えば特許文献１）。

このような膨張装置は、冷凍サイクルの配管内に固定されるシリンダと、そのシリンダ内に配置された弁体とから構成されている。弁体は、シリンダ内において圧縮コイルスプリング等によって直接支持されつつ摺動する。弁体の内部及びシリンダとの境界部にはオリフィス等の冷媒通路が形成されており、膨張装置の前後差圧が変化して弁体がシリンダ内を移動することにより、その冷媒通路を切り替える。すなわち、その前後差圧が小さい間は冷媒通路を所定のオリフィスに設定し、前後差圧が所定値以上になると冷媒通路を追加して冷媒をリリーフし、その圧力の異常な上昇を防止するようにしている。
特開平１１−２５７８０２号公報

しかしながら、このような構成においては、圧縮コイルスプリング等によって支持されつつ、上流側から流入する高圧冷媒の冷媒圧力によって閉弁状態にあるリリーフ用の弁体の挙動が不安定にならないように、その圧縮コイルスプリング等の弾性力を一定以上に確保する必要がある一方、リリーフの際の開弁時の応答性も良くする必要がある。

このため、一般に、上記圧縮コイルスプリング等のばね定数をある程度抑え、その分コイルの巻き数を増やし、その圧縮コイルスプリング等の単位長さあたりの変位量を減らすことが行われていた。その結果、圧縮スプリングとして長い大型のものを使用しなければならず、膨張装置全体が大型化してその製造コストが嵩むといった問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、コンパクトな構成において前後差圧による内部の異常な圧力上昇を効果的に防止することができる膨張装置を提供することを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、冷凍サイクルを循環する冷媒の流路に設けられ、上流側から導入された冷媒を絞り流路を有する内部の冷媒通路に通して減圧して下流側に導出するとともに、前後差圧が設定値以上となったときには、内部に設けた弁体によって閉じられた前記冷媒通路とは別の流路を開放し、前記上流側から導入された冷媒の少なくとも一部を前記別の流路を介して下流側に逃がすリリーフ機構を備えた膨張装置であって、前記リリーフ機構は、前記弁体としての主弁体を備えた主弁と、前記主弁を開閉するために、前記主弁体を開弁方向又は閉弁方向に動作させるための冷媒圧力を制御するパイロット弁と、を備えたことを特徴とする膨張装置が提供される。

ここでいう「上流側」及び「下流側」は、冷凍サイクルの冷媒の流れ方向を基準に表現したものである。尚、「設定値」は、当該膨張装置の仕様等に応じて適宜選択することができる。

このような膨張装置によれば、前後差圧が設定値以上になるとパイロット弁が開弁して主弁体を開弁方向に動作させるため、主弁が開弁して冷媒を下流側にリリーフさせることができる。その結果、前後差圧による内部の異常な圧力上昇を防止することができる。

本発明の膨張装置によれば、リリーフ機構としてリリーフ時の開弁箇所となる主弁とは別にパイロット弁を適用したため、このパイロット弁がない場合と比較して同じ冷媒圧力でもその主弁に対して大きな閉弁力を得ることができる。このため、主弁に閉弁動作をさせるための内部構造物（例えばばね等の弾性体など）を小さくすることができる。その結果、弁構造全体を小さくすることができ、膨張装置のコンパクト化を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本実施の形態の膨張装置が冷凍サイクルの配管に設置された様子を表す説明図である。また、図２は当該膨張装置の断面図であり、（Ａ）はその縦断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面図であり、（Ｃ）は（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。

図１に示すように、膨張装置１は、車両用エアコンの冷凍サイクルを循環する冷媒の流路を構成する配管５０内に設置され、上流側から導入された冷媒を絞り流路を通過させることで減圧・膨張させて下流側に導出し、冷媒に所定の過冷却度を持たせる装置として構成されている。以下の説明においては、同図に示した構成について、この冷媒の流れ方向を基準に上流側、下流側と表現することがある。

図２（Ａ）に示すように、膨張装置１は、円筒状のシリンダ１０と、シリンダ１０に内挿された円筒状の弁ユニット２０とから構成されている。
シリンダ１０は、円筒状の本体１１を有し、その内部が上流側から縮管して大管部１２，大管部１２より小さな内径を有する小管部１３が設けられ、その内部に冷媒を通過させる冷媒流路が形成されている。そして、小管部１３が形成された段部の上流側端面の内周端部によって主弁座１４が形成されている。本体１１の上流側端部（大管部１２の小管部１３とは反対側の端部）はやや拡径しており、そこには円柱状の封止部材１９（封止部）が圧入嵌合されて本体１１の上流側を閉塞している。また、同図（Ｃ）に示すように、大管部１２の主弁座１４近傍には、これを半径方向に貫通して冷媒を導入するための一対の導入孔１５が形成されている。

また、シリンダ１０において小管部１３の下流側端部の位置には、配管５０への固定のために外径方向に延出したフランジ部１７が形成され、小管部１３の上流側端部の位置には、外径方向に延出して配管５０の内周面に当接し、大管部１２と配管５０との間に間隙からなる冷媒通路を形成するためのフランジ部１８が形成されている。さらに、シリンダ１０の外周面のフランジ部１７とフランジ部１８との間には、配管５０に固定する際に気密保持用のＯリングを嵌合させるための嵌合溝１０ａが周設されている。

一方、弁ユニット２０は、大管部１２の内径とほぼ等しい外径を有する円筒状のピストン２１と、ピストン２１の一端側に設けられて主弁を構成する主弁体２４と、ピストン２１の他端側に設けられたパイロット弁とからなり、大管部１２内に収容されている。

ピストン２１は、その外周面がシリンダ１０の内周面に沿ってガイドされるガイド面２２を構成している。この外周面の中央部には、所定の深さを有するラビリンスシール用の３つの溝２３が等間隔で周設されており、大管部１２とシリンダとの間隙を冷媒が流れるのを抑制するようになっている。このピストン２１は、シリンダ１０内の主弁座１４と封止部材１９との間で摺動しつつ進退する。

ピストン２１の一端部には、このピストン２１の内径にほぼ等しい外径を有する段付円筒状の主弁体２４が圧入嵌合されている。この主弁体２４は、ピストン２１の一端部から主弁座１４側に所定長さ延出しており、その先端が主弁座１４に着座可能に構成されている。また、主弁体２４の下流側の拡管部には、これを半径方向に貫通するオリフィス２５（絞り流路）が形成されている。そして、オリフィス２５が形成された主弁体２４の壁面と導入孔１５が形成されたシリンダ１０の壁面との間に、上記ピストン２１の一端面に対面する受圧室Ｓ１が形成されるように構成されている。このため、導入孔１５から導入された冷媒の一部は、この受圧室Ｓ１を介してオリフィス２５を通過する過程で減圧・膨張される。従って、このオリフィス２５を境に上流側が高圧部、下流側が低圧部となる。

ピストン２１の他端部には縮管部が設けられ、その縮管部が延出して係止部２６が形成されている。この係止部２６の先端面には、同図（Ｂ）に示されるように、一つの径方向に貫通する溝２７が形成され、その残余の端面が封止部材１９の端面によって係止可能に構成されている。そして、溝２７が形成された係止部２６の壁面とシリンダ１０の壁面との間に、ピストン２１のガイド面２２とシリンダ１０との間の間隙を介して受圧室Ｓ１及び導入孔１５につながり、ピストン２１の他端面に対面する背圧室Ｓ２が形成されるように構成されている。このため、導入孔１５から導入された冷媒の一部は、受圧室Ｓ１、ガイド面２２とシリンダ１０との間隙を通り、さらに背圧室Ｓ２、溝２７と封止部材１９との間に形成される連通路を通って係止部２６内の冷媒流路に導入される。尚、本実施の形態において、特許請求の範囲にいう冷媒通路は、オリフィス２５を経由する冷媒流路が該当する。

また、係止部２６の封止部材１９とは反対側の下流側内周端部によってパイロット弁座２８が形成され、その下流側にはこのパイロット弁座２８に着座して係止部２６内に形成された冷媒流路を閉塞可能な球状のボール弁体からなるパイロット弁体３１が配設されている。そして、ピストン２１内の上記主弁体２４の上流側端面とパイロット弁体３１との間には、パイロット弁体３１をパイロット弁座２８側に付勢する所定のばね定数を有する圧縮コイルスプリング４１（弾性体）が配置されている。

さらに、ピストン２１と封止部材１９との間には、係止部２６に部分的に外挿されるとともに、ピストン２１を主弁座１４側に付勢する所定のばね定数を有する圧縮コイルスプリング４２（第２の弾性体）が配置されている。

このように構成された膨張装置１は、図１に示すように配管５０に固定される。すなわち、配管５０は膨張装置１の設置位置において上流側配管５１と下流側配管５２とを接続する継手構造を有する。上流側配管５１は、その下流側端部で拡管して段部５３を形成し、その拡管部に下流側配管５２の上流側端部を内挿して接続している。これら上流側配管５１と下流側配管５２との間の気密は、下流側配管５２の上流側端部に設けられた溝部に配設されたＯリング５４によって保持されている。

膨張装置１は、そのフランジ部１７が上流側配管５１の段部５３と下流側配管５２の上流側端面との間に挟持されることにより、配管５０内に固定される。これら膨張装置１と配管５０との間の気密は、シリンダ１０の嵌合溝１０ａに配設されたＯリング１０ｂによって保持されている。膨張装置１は、シリンダ１０を収容するケーシング等を備えておらず、シリンダ１０が配管５０に直接固定されるようになっている。そして、同図に示すように、シリンダ１０の半径方向外側に突出したフランジ部１８が上流側配管５１の内面に当接して固定されることで、シリンダ１０と上流側配管５１との間に上流側から導入された冷媒を導入孔１５に向かって通過させる冷媒通路が形成されている。

次に、膨張装置１におけるリリーフ機構のリリーフ動作について説明する。図３はそのリリーフ動作を表す説明図であり、（Ａ）は膨張装置１の前後差圧がリリーフのために予め定める設定値未満のときの様子を示し、（Ｂ）は膨張装置１の前後差圧がその設定値になったときの状態を示し、（Ｃ）は膨張装置１の前後差圧がその設定値を超えたときの様子を示している。

膨張装置１は、その前後差圧が平常である通常時においては、同図（Ａ）に示すように、圧縮コイルスプリング４１の付勢力によってパイロット弁体３１がパイロット弁座２８に着座してパイロット弁が閉弁状態となっており、また、主弁体２４が主弁座１４に着座して主弁も閉弁状態となっている。

すなわち、上流側から導入孔１５を介して導入された高圧の冷媒は、その一部が受圧室Ｓ１、ガイド面２２とシリンダ１０との間隙を通り、ピストン２１の背圧室Ｓ２に流入する。このとき、パイロット弁体３１によって係止部２６内の冷媒流路が閉じられているため、受圧室Ｓ１内の冷媒圧力と背圧室Ｓ２内の冷媒圧力はほぼ同じ高圧になるが、受圧室Ｓ１の内側（つまり主弁体２４の内側）の冷媒圧力はオリフィス２５により減圧された結果、低圧となっている。このため、ピストン２１が受圧室Ｓ１側で受ける冷媒圧力よりも背圧室Ｓ２側で受ける冷媒圧力のほうが大きくなり、さらに圧縮コイルスプリング４２の付勢力もあるため、弁ユニット２０全体が主弁体２４の閉弁方向に移動した状態となる。その結果、主弁体２４が主弁座１４に着座して主弁が閉弁状態となる。このとき、上流側から導入孔１５を介して流入した冷媒の一部は、オリフィス２５により減圧されて下流側に導出される。

そして、膨張装置１の前後差圧が異常に上昇して予め定める設定値になると、背圧室Ｓ２の冷媒圧力が高くなる。このため、同図（Ｂ）に示すように、この背圧室Ｓ２の高圧冷媒の圧力によるパイロット弁体３１への開弁方向の力が、その下流側でパイロット弁体３１を押圧する圧縮コイルスプリング４１の付勢力と下流側の低圧冷媒の圧力との合力による閉弁方向の力にうち勝って、パイロット弁を開弁させる。その結果、背圧室Ｓ２内の冷媒がピストン２１内部を介して下流側に逃がされるため、その背圧室Ｓ２の冷媒圧力が低下する。一方、受圧室Ｓ１には依然として高圧の冷媒が導入されてはいるが、その冷媒圧力は上述したピストン２１のラビリンス構造によって直ちには背圧室Ｓ２に伝わないため、受圧室Ｓ１と背圧室Ｓ２との間に大きな圧力差が生じ、その圧力差によって弁ユニット２０が勢いよく上流側に動作する。

これにより、同図（Ｃ）に示すように、主弁体２４が主弁座１４から離間して主弁が開弁状態となり、上流側から流入した冷媒の大部分が、主弁体２４と弁座との間隙を介して逃がされ、小管部１３の内部の冷媒通路を介して下流側に流される。このようにして、膨張装置１内部における冷媒圧力の異常な上昇が防止される。

そして、以上のようにリリーフ機構が動作して膨張装置１の前後差圧が低減すると、受圧室Ｓ１の冷媒圧力は背圧室Ｓ２にほとんど伝わなくなるため、背圧室Ｓ２の圧力がさらに小さくなり、圧縮コイルスプリング４１の付勢力によってパイロット弁体３１が再びパイロット弁座２８に着座してパイロット弁が閉弁状態となる。すると、背圧室Ｓ２の冷媒の逃げ場がなくなるため、再び背圧室Ｓ２内の冷媒圧力が高くなり、また圧縮コイルスプリング４２の付勢力もあるため、弁ユニット２０全体が主弁体２４の閉弁方向に移動し、同図（Ａ）に示したように、主弁体２４が主弁座１４に着座して主弁が閉弁状態となる。

図４は膨張装置１の前後差圧と冷媒流路の開口面積との関係を表す説明図である。
同図に示すように、膨張装置１において主弁及びパイロット弁が閉弁している間（図３（Ａ）の状態）は、前後差圧が上昇しても、開口面積はオリフィス２５の断面積で決まる一定値となる。

そして、前後差圧が予め定める値になると、パイロット弁が開弁した後に主弁が勢いよく開弁し、冷媒が別の流路からリリーフされて圧力が開放されるため、同図に実線にて示すように、開口面積が一気に大きくなる（図３（Ｂ），（Ｃ）の状態）。

尚、この開口面積の増加の程度は、パイロット弁体３１（本実施の形態ではボール弁体）の形状や圧縮コイルスプリング４１、４２のばね定数を変えることで、例えば点線にて示すように比較的なだらかに増加させることもできる。

以上に説明したように、本実施の形態の膨張装置１では、リリーフ機構としてリリーフ時の開弁箇所となる主弁とは別にパイロット弁を適用したため、小さなばね力で大きな閉弁力を得ることができる。このため、弁構造全体を小さくすることができ、膨張装置１のコンパクト化を実現することができる。

具体的には、主弁とは別にパイロット弁を設けたことで、冷媒の受圧面を主弁体２４を収容するピストン２１の大きな端面に設定することができる。すなわち、受圧室Ｓ１、背圧室Ｓ２にそれぞれ面するピストン２１の端面に受圧部を設けることができ、小さな圧力であっても弁ユニット２０に対して大きな作動力を付与することができる。また、パイロット弁を採用したことで主弁を動作させるための圧縮コイルスプリング４１の大きさを小さくすることができる。その結果、膨張装置１をコンパクトに構成することができる。

また、主弁体２４とパイロット弁をピストン２１に設けた弁ユニット２０として構成したため、構成が非常に簡素となる。また、部品点数も少ないため部品コスト及びその組立作業コストを低減して膨張装置１を低コストに製造することができる。

さらに、上記のように受圧面を大きくして大きな差動力により速やかにリリーフできる構成としたため、リリーフ時の応答性を向上させることができ、必要な最大弁開度になるまでの前後差圧を小さくすることができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はその特定の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の精神の範囲内での変化変形が可能であることはいうまでもない。

例えば、上記実施の形態では、パイロット弁の弁体として球状のパイロット弁体３１を採用した例を示したが、例えば図５にその変形例を示すように、テーパ弁２３１を用いてもよい。尚、同図において、上記実施の形態と同様の構成部分については同一の符号を付している。

このテーパ弁２３１は、全体として段付円柱状の本体２３２を備え、その本体２３２の先端側に下流側に向けてその断面が大きくなるテーパ部２３３を有し、開弁時の受圧面積を徐々に変化できるようになっている。テーパ弁２３１の下流側は縮径して圧縮コイルスプリング４１の上流側端部に挿通され、その基端となる段差部に圧縮コイルスプリング４１の先端が当接して閉弁方向の付勢力を付与できるように構成されている。尚、テーパ弁としては必ずしも図５に示すものである必要はなく、設計上種々の変形態様を採用することができる。

また、上記各実施の形態では、各膨張装置のシリンダが配管５０に直接固定されるように構成した例を示したが、これらの膨張装置がシリンダを収容するケーシング等を備えており、そのケーシング等が配管５０に固定されるものであってもよい。

さらに、上記実施の形態では、主弁体２４をピストン２１に圧入した例を示したが、ねじ機構からなるアジャスト機構を採用してもよい。具体的には、例えば主弁体２４の外周に雄ネジを形成する一方、ピストン２１の下流側端部にこれと螺合する雌ネジを形成し、ピストン２１に対する主弁体２４の螺入量を調整してその位置を調整することにより、圧縮コイルスプリング４１の弾性力を調整することができる。

尚、各膨張装置を構成する内部部品としては例えば樹脂などで構成することもでき、また、上述した圧縮コイルスプリングをその他のばねやバイメタルなどに置き換えることもできる。

また、上記実施の形態の膨張装置１は、配管５０に対して逆向きに（つまり、小管部１３側を上流側に）取り付ければ、バイパス流路を構成することもできる。

実施の形態に係る膨張装置が冷凍サイクルの配管に設置された様子を表す説明図である。 膨張装置の断面図である。 リリーフ機構のリリーフ動作を表す説明図である。 膨張装置の前後差圧と冷媒流路の開口面積との関係を表す説明図である。 変形例に係る膨張装置の断面図である。

符号の説明

１ 膨張装置
１０ シリンダ
１４ 主弁座
１５ 導入孔
１９ 封止部材
２０ 弁ユニット
２１ ピストン
２２ ガイド面
２３ 溝
２４ 主弁体
２５ オリフィス
２６ 係止部
２７ 溝
２８ パイロット弁座
３１ パイロット弁体
４１，４２ 圧縮コイルスプリング
５０ 配管
２３１ テーパ弁
Ｓ１ 受圧室
Ｓ２ 背圧室

Claims (7)

1. 冷凍サイクルを循環する冷媒の流路に設けられ、上流側から導入された冷媒を絞り流路を有する内部の冷媒通路に通して減圧して下流側に導出するとともに、前後差圧が設定値以上となったときには、内部に設けた弁体によって閉じられた前記冷媒通路とは別の流路を開放し、前記上流側から導入された冷媒の少なくとも一部を前記別の流路を介して下流側に逃がすリリーフ機構を備えた膨張装置であって、
   前記リリーフ機構は、
   前記弁体としての主弁体を備えた主弁と、
   前記主弁を開閉するために、前記主弁体を開弁方向又は閉弁方向に動作させるための冷媒圧力を制御するパイロット弁と、
   を備えたことを特徴とする膨張装置。
2. 内部に設けた下流側に縮管する段部により前記主弁体を着座させる主弁座が構成される一方、上流側端部が封止部により閉塞され、前記主弁座近傍の上流側に前記冷媒を導入するための導入孔が形成された有底筒状のシリンダと、
   前記シリンダの内周面に沿ってガイドされるガイド面を有し、前記シリンダ内の前記主弁座と前記封止部との間で摺動しつつ進退する筒状のピストンと、
   前記ピストンに連設された筒状の本体を有し、前記ピストンから一端側に延出して前記主弁座に着座可能に構成され、前記シリンダとの間に前記導入孔に連通しつつ前記ピストンの一端面に対面する受圧室を形成するとともに、その受圧室と内部の冷媒流路を連通させる前記絞り流路を有する前記主弁体と、
   前記ピストンの他端側に設けられた縮管部が延出して形成されるとともに、前記封止部によって係止可能に構成され、前記シリンダとの間に、前記ガイド面と前記シリンダとの間隙を介して前記受圧室につながり前記ピストンの他端面に対面する背圧室を形成するとともに、その背圧室と内部の冷媒流路を連通させる連通路を有する係止部と、
   前記係止部の前記封止部とは反対側に設けられたパイロット弁座と、そのパイロット弁座に着座して前記係止部内の冷媒流路を閉塞可能なパイロット弁体とからなる前記パイロット弁と、
   前記ピストンの内部に配置され、前記パイロット弁体を前記パイロット弁座側に付勢する弾性体と、
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の膨張装置。
3. 前記ピストンと前記係止部との間に、前記ピストンを前記主弁座側に付勢する第２の弾性体が設けられたことを特徴とする請求項２記載の膨張装置。
4. 前記ピストンは、その外周面にラビリンスシール用の一又は複数の溝が形成され、前記冷媒の前記背圧室への流入を抑制するように構成されたことを特徴とする請求項２記載の膨張装置。
5. 前記主弁体が前記ピストンに組み付けられて構成されるとともに、前記主弁体の前記主弁座に着座する側とは反対側の端部により前記弾性体の一端を支持するように構成され、
   さらに、前記主弁体の前記ピストンへの挿入量を調整するアジャスト機構が設けられ、そのアジャスト機構による前記主弁体の挿入量の調整により、前記弾性体の弾性力を調整可能に構成されたことを特徴とする請求項２記載の膨張装置。
6. 前記パイロット弁体が球状のボール弁体からなり、前記弾性体が前記パイロット弁体をその先端に支持する圧縮コイルスプリングからなることを特徴とする請求項２記載の膨張装置。
7. 前記シリンダが、前記冷凍サイクルの配管内に直接固定されるように構成されたことを特徴とする請求項２記載の膨張装置。
   
   
   

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