JP2005265385A - 減圧装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ダイヤフラム側の圧力室と感温部材との間をキャピラリチューブのような配管により連結する機械式膨張弁において、配管外周面への断熱材被覆を必要とせずに、周囲の雰囲気温度の影響による弁体開度制御特性の悪化を防止する。
【解決手段】 ダイヤフラム１７の両面に作用する圧力差に基づいてダイヤフラム１７が変位して弁体を変位させる膨張弁において、冷凍サイクルの冷媒温度を感知して冷媒温度に応じた圧力を発生する制御媒体２５を感温部材２１内に封入し、感温部材２１を配管２３によりダイヤフラム１７の一面側の圧力室１９内に連結し、圧力室１９および配管２３の内部に熱伝導率の低い圧力伝達物質２６を封入した。
【選択図】 図３

Description

本発明は、冷凍サイクルにおける高圧冷媒を減圧する膨張弁等の減圧装置に関する。

従来の減圧装置としては、特許文献１に記載されている機械式（温度作動式）膨張弁が代表的である。この機械式膨張弁では、冷媒絞り通路の開口面積を調整する弁体と、この弁体に連結され、この弁体を変位させるダイヤフラムと、弁体を閉弁方向に押し付けるばねとを備えている。

そして、このダイヤフラムの一面側に形成される第１圧力室には、蒸発器出口冷媒温度を感知する感温部材の内部空間を連通させ、また、ダイヤフラムの他面側に形成される第２圧力室には蒸発器の冷媒圧力を導入するようになっている。

感温部材は一般に感温筒と称される部材であって、銅等の熱伝導の良好な金属を用いて円筒状に形成される。この感温部材は、蒸発器の出口冷媒配管の所定位置に密着配置され、その内部空間には温度に応じた圧力変化を生じる制御媒体が封入されている。これにより、感温部材と蒸発器の出口冷媒配管との間の熱伝導により感温部材内部の制御媒体の圧力が蒸発器出口冷媒温度に応じて変化する。

その結果、ダイヤフラムが第１、第２圧力室間の圧力差とばねの力とにより変位して弁体の開度を調整し、サイクル循環冷媒流量を調整することにより蒸発器出口冷媒の過熱度を所定範囲に調整する。
特開昭６１−１０５０６６号公報

ところで、ダイヤフラム一面側の第１圧力室と感温部材の内部空間との間をキャピラリチューブにて連結するのであるが、このキャピラリチューブは製造上の理由から感温部材と同一材料（銅等）で形成されるので、熱伝導の良好な部材である。

そのため、キャピラリチューブ周囲の雰囲気温度の影響を受けて制御媒体の温度が変化して、制御媒体の圧力が蒸発器出口冷媒温度からずれた圧力となってしまう。この結果、膨張弁の弁体開度制御特性が悪化して蒸発器出口冷媒の過熱度を適切に調整できないという事態を招く。

この不具合を解消するために、キャピラリチューブの外周面を断熱材で被覆する対策が従来より実施されているが、この対策であると、断熱材の被覆工程を特別に設定する必要があり、膨張弁のコストアップにつながる。

なお、上記した不具合点は、蒸発器出口冷媒の過熱度を制御する膨張弁について説明したが、凝縮器出口冷媒の過冷却度を制御する過冷却度制御弁等においても同様に生じる。

本発明は、上記点に鑑み、ダイヤフラム側の圧力室と感温部材との間をキャピラリチューブのような配管により連結する機械式減圧装置において、配管外周面への断熱材被覆を必要とせずに、周囲の雰囲気温度の影響による弁体開度制御特性の悪化を防止することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、冷媒絞り通路（１３）の開口面積を調整する弁体（１４）と、
前記弁体（１４）に連結され、前記弁体（１４）を変位させるダイヤフラム（１７）とを備え、
前記ダイヤフラム（１７）の両面に作用する圧力差に基づいて前記ダイヤフラム（１７）が変位して前記弁体（１４）を変位させる減圧装置において、
冷凍サイクルの冷媒温度を感知して前記冷媒温度に応じた圧力を発生する制御媒体（２５）を封入した感温部材（２１）と、
前記感温部材（２１）を前記ダイヤフラム（１７）の一面側に形成された圧力室（１９）内に連結する配管（２３）とを備え、
前記圧力室（１９）および前記配管（２３）の内部に熱伝導率の低い圧力伝達物質（２６）を封入したことを特徴としている。

これによると、感温部材（２１）内部の制御媒体（２５）が冷媒温度に応じた圧力を発生することにより冷媒温度の感知作用を果たすことができる。そして、この制御媒体（２５）の冷媒温度に応じた圧力変化は圧力伝達物質（２６）を介してダイヤフラム（１７）に伝達でき、弁体（１４）の開度を制御できる。

この際に、ダイヤフラム（１７）側の圧力室（１９）および配管（２３）の内部に封入する圧力伝達物質（２６）を熱伝導率の低い物質で構成しているので、圧力伝達物質（２６）と周囲の雰囲気との間での熱伝導を十分抑制できる。

このため、周囲の雰囲気温度の影響を排除して、減圧装置４の弁体１４の開度制御を適切に行うことができる。

しかも、制御媒体（２５）は感温部材（２１）内部のみに封入すればよいから、従来技術に比較して制御媒体（２５）の量、換言すると制御媒体（２５）の熱容量を大幅に減少できる。これにより、冷媒温度の変化に対する弁体（１４）の開度制御の応答性を大幅に向上できる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の減圧装置において、制御媒体（２５）の封入部と圧力伝達物質（２６）の封入部との境界部に、感温部材（２１）内部の圧力変化を配管（２３）側に伝達可能な仕切り部材（２７）を配置したことを特徴とする。

これによると、制御媒体（２５）と圧力伝達物質（２６）の混合を確実に防止できるので、感温部材（２１）内部に圧力伝達物質（２６）が進入するという不具合を防止できる。

請求項３に記載の発明のように、請求項２に記載の減圧装置において、仕切り部材（２７）は、具体的には、感温部材（２１）内部の圧力変化に応じて変形可能な膜状部材で構成できる。

請求項４に記載の発明のように、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の減圧装置において、圧力伝達物質（２６）は、具体的には、液状物質で構成することが好ましい。

なお、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ものである。

（第１実施形態）
図１は減圧装置として機械式膨張弁を用いた本実施形態の車両用冷凍サイクルの構成図であり、圧縮機１は、図示しない駆動源、具体的には車載エンジン等により駆動され、冷媒を吸入、圧縮するものである。

凝縮器２は、圧縮機１から吐出された高温高圧の吐出ガス冷媒を外気と熱交換して冷却し、凝縮させる。受液器３は、凝縮器２の出口冷媒が導入されるタンク状部品であって、この導入冷媒の気液を分離して余剰液冷媒を溜めるとともに、液冷媒を導出する。

受液器３の出口側は膨張弁４の入口側に接続される。膨張弁４は機械式（温度作動式）膨張弁であって、受液器３出口側の高圧液冷媒（飽和液冷媒）を低温低圧の気液２相状態の冷媒に減圧するものである。

蒸発器５は空調装置の室内吹出空気、あるいは冷凍冷蔵庫の庫内空気等を冷却する冷却用熱交換器であって、図２に示すように膨張弁４通過後の低圧冷媒が通過する冷媒通路（チューブ）５ａを有し、この冷媒通路５ａにて低圧冷媒が空気から吸熱して蒸発することにより、空気を冷却する。

図２は図１の冷凍サイクルのうち、膨張弁４部分の具体的構成を例示するもので、本実施形態の膨張弁４はハウジング部材１０を有し、このハウジング部材１０には受液器３の出口側の高圧液冷媒が流入する入口パイプ１１と、減圧後の低圧冷媒が流出する出口パイプ１２が設けられている。

ハウジング部材１０内部には、入口パイプ１１と出口パイプ１２との中間に位置する冷媒絞り通路１３が形成されている。また、ハウジング部材１０内部には、冷媒絞り通路１３に対向して弁体１４が変位可能に配置されている。この弁体１４が図２の上下方向に変位することにより、冷媒絞り通路１３の開口面積を調整して、サイクル内の循環冷媒流量を調整するようになっている。

また、ハウジング部材１０の内部には、弁体１４に閉弁方向Ａのばね力を作用させるばね１５が配置されている。ばね１５のばね力は調整ねじ１５ａによって調整可能になっている。ハウジング部材１０の内部において、ばね１５と反対側の部位に作動棒１６が配置され、弁体１４はこの作動棒１６を介してダイヤフラム１７に連結される。

このダイヤフラム１７の外周縁部はダイヤフラムケース１８に支持固定され、ダイヤフラム１７とダイヤフラムケース１８とにより上下２つの圧力室１９、２０が形成される。この上下２つの圧力室１９、２０間の圧力差に応じてダイヤフラム１７は作動棒１６の軸方向（図２の上下方向）に変位可能になっている。

感温部材２１は蒸発器５の出口冷媒配管２２に密着配置され、蒸発器５の出口冷媒温度を感知するものである。より具体的には、感温部材２１は銅等の熱伝導の良好な金属を用いて円筒状に形成されている。この感温部材２１は連通用配管としてのキャピラリチューブ２３によってダイヤフラム１７の上側の第１圧力室１９に連結され、感温部材２１の内部空間がダイヤフラム１７の上側の第１圧力室１９に連通するようなっている。

なお、ダイヤフラム１７の下側の第２圧力室２０は、冷媒絞り通路１３の下流側通路、すなわち、蒸発器５の冷媒通路５ａの入口部に連通路２４により直接連通している。このように、ダイヤフラム１７の下側の第２圧力室２０を蒸発器５の冷媒通路５ａの入口部に直接連通させるタイプのものを一般に内部均圧式膨張弁と称する。

図３は膨張弁４の要部拡大断面図であり、感温部材２１の内部空間には温度に応じた圧力変化を生じる制御媒体２５が封入されているので、感温部材２１と蒸発器５の出口冷媒配管２２との間の熱伝導により感温部材２１内部の制御媒体２５の圧力が蒸発器出口冷媒温度に応じて変化するようになっている。

ここで、制御媒体２５としては、通常、冷凍サイクル内の冷媒と同一の冷媒が使用され、この冷媒が気液混合状態で感温部材２１内部に封入される。このように、気液混合状態で制御媒体２５を封入することにより、感温部材２１内部の圧力は蒸発器５の出口冷媒温度に対応した飽和圧力を示す。すなわち、出口冷媒温度が上昇すると、制御媒体２５の液相媒体が蒸発して感温部材２１内部の圧力が上昇し、逆に、出口冷媒温度が低下すると、制御媒体２５の気相媒体が凝縮して感温部材２１内部の圧力が低下する。

なお、制御媒体２５として冷凍サイクル内の冷媒と必ず同一にする必要はなく、冷凍サイクル内の循環冷媒とは別の冷媒を使用することもできる。冷凍サイクル内の冷媒および制御媒体２５として、通常のフロン系の冷媒（Ｒ１３４ａ）、ＣＯ２のような自然冷媒、あるいはＨＣ等を使用することができる。

一方、感温部材２１以外の部位、すなわち、キャピラリチューブ２３および第２圧力室２０の内部には、熱伝導率の低い圧力伝達物質２６が封入されている。ここで、圧力伝達物質２６は、具体的には、オイル、水等の液状物質である。このような液状物質は非圧縮性物質であるので、感温部材２１内部の圧力変化をダイヤフラム１７に対して適切に伝達できる。また、熱伝導率が低いとは、感温部材２１やキャピラリチューブ２３を構成する銅等の熱伝導の良好な金属材料に比較して熱伝導率が低いということを意味している。

更に、本実施形態では、制御媒体２５の封入部である感温部材２１内部空間と、圧力伝達物質２６の封入部であるキャピラリチューブ２３との境界部に仕切り部材２７を配置して、制御媒体２５と圧力伝達物質２６とが混合することを防ぐようになっている。この仕切り部材２７は、具体的には、感温部材２１内部の圧力変化に応じて変形可能な柔軟な膜状部材が好適である。このような膜状部材は柔軟な樹脂材料で構成すればよい。

次に、本実施形態による作用効果を説明する。本実施形態の膨張弁４において感温部材２１内部に封入された制御媒体２５は、前述のごとく蒸発器５の出口冷媒温度に対応した圧力変化を示すので、従来技術と同様の冷媒温度感知作用を果たす。そして、感温部材２１内部の制御媒体２５の圧力変化は、柔軟な膜状部材からなる仕切り部材２７および液状物質からなる圧力伝達物質２６を介してダイヤフラム１７に対して適切に伝達できる。

ここで、圧力伝達物質２６は、オイルや水のように、感温部材２１やキャピラリチューブ２３を構成する銅等の熱伝導の良好な金属材料に比較して熱伝導率が十分低い物質で構成しているから、圧力伝達物質２６と周囲の雰囲気との間での熱伝導を十分抑制できる。

なお、図４は膨張弁４の感温部材２１、キャピラリチューブ２３および第１圧力室１９の内部にすべて制御媒体２５を封入している従来技術であり、この従来技術であると、キャピラリチューブ２３にて制御媒体２５と周囲の雰囲気との間での熱伝導が生じるので、ダイヤフラム１７に作用する感温部材２１側の圧力が周囲の雰囲気温度の影響を受けて変動するという不具合が発生する。

これに対し、本実施形態によると、圧力伝達物質２６と周囲の雰囲気との間での熱伝導を十分抑制できるので、膨張弁４の弁体１４の開度制御、ひいては、サイクル内の循環冷媒流量制御を、周囲の雰囲気温度の影響を受けずに蒸発器５の出口冷媒温度（過熱度）に対応して適切に行うことができる。

しかも、制御媒体２５を感温部材２１内部のみに封入しているから、制御媒体２５の量、換言すると熱容量を図４の従来技術に比較して大幅に減少できる。これにより、蒸発器５の出口冷媒温度（過熱度）の変化に対する弁体１４の開度制御の応答性を大幅に向上できる。

（第２実施形態）
上記の第１実施形態では、減圧装置として蒸発器５の出口冷媒の過熱度を制御する膨張弁４を備える冷凍サイクルについて説明したが、第２実施形態は図５に示すように減圧装置として、凝縮器２の出口冷媒の過冷却度（サブクール）を制御する過冷却度制御弁４０を備える冷凍サイクルに関する。

この過冷却度制御弁４０は周知のものであり、凝縮器２の出口冷媒の温度と圧力に基づいて弁体開度を調整して、凝縮器２の出口冷媒の過冷却度を制御するものである。このような過冷却度制御弁４０においても、第１実施形態の膨張弁４と同様に凝縮器２の出口冷媒の温度感知する感温部材２１を備えているので、この感温部材２１の内部空間のみに第１実施形態と同様に制御媒体２５を封入し、キャピラリチューブ２３および過冷却度制御弁４０側の第１圧力室１９の内部に第１実施形態と同様に圧力伝達物質２６を封入する。

これにより、過冷却度制御弁４０において、第１実施形態と同様に、周囲の雰囲気温度の影響を排除して、弁体１４（図５では図示せず）の開度制御を適切に行うことができる。また、制御媒体２５の熱容量を減少できるので、弁体１４の開度制御の応答性を向上できる。

なお、図５の冷凍サイクルでは、凝縮器２の出口側と過冷却度制御弁４０の入口側との間に内部熱交換器６を設けている。この内部熱交換器６は、高圧側通路６ａと低圧側通路６ｂとを熱伝導可能に接触配置し、凝縮器２出口側の高圧液冷媒を低温の低圧冷媒により冷却して、凝縮器２出口側の高圧液冷媒の過冷却度を増大させる。

また、上記のように、過冷却度制御弁４０を用いる冷凍サイクルでは、蒸発器５の出口冷媒の過熱度を制御しないので、蒸発器５の出口側にアキュムレータ７を設ける。このアキュムレータ７は、蒸発器５の出口冷媒が導入されるタンク状部品であって、この導入冷媒の気液を分離して余剰液冷媒を溜めるとともに、ガス（気相）冷媒を導出する。このガス冷媒は内部熱交換器６の低圧側通路６ｂを通過して圧縮機１に吸入される。

（他の実施形態）
なお、本発明の減圧装置は、周知のエジェクタサイクル（例えば、特許第３３２２２６３号公報参照）におけるエジェクタのノズル部に適用してもよい。

具体的には、エジェクタのノズル部に、このノズル絞り開口面積を調整するニードル状の弁体を備え、この弁体を上記膨張弁４や過冷却度制御弁４０と同様にダイヤフラム１７で変位させるようにする。

そして、図５と同様に凝縮器２の出口側冷媒温度を感知する感温部材２１の内部空間のみに制御媒体２５を封入し、キャピラリチューブ２３およびダイヤフラム１７側の第１圧力室１９の内部に圧力伝達物質２６を封入する。

これにより、エジェクタサイクルにおけるエジェクタのノズル部に構成される機械式減圧装置において第１、第２実施形態と同様の作用効果を発揮できる。

また、第１実施形態では、圧力伝達物質２６をオイル、水等の液状物質で構成する旨説明したが、この液状物質とは流動性を有する物質全般を意味しているので、ゾル状、ゲル状の物質も包含している。

また、第１実施形態では、ダイヤフラム１７の下側の第２圧力室２０を蒸発器５の冷媒通路５ａの入口部に直接連通させる内部均圧式膨張弁４について説明したが、ダイヤフラム１７の下側の第２圧力室２０をキャピラリチューブを介して蒸発器５の出口冷媒配管２２の内部に連通させ、蒸発器５の蒸発器５の出口冷媒圧力をダイヤフラム１７の下側の第２圧力室２０に導入する外部均圧式膨張弁に対して本発明を適用してもよいことはもちろんである。

本発明の第１実施形態を適用する冷凍サイクルの構成図である。 本発明の第１実施形態を適用する膨張弁の構成を示す概略断面図である。 本発明の第１実施形態による膨張弁の要部断面図である。 従来技術による膨張弁の要部断面図である。 本発明の第２実施形態を適用する冷凍サイクルの構成図である。

符号の説明

２…凝縮器、５…蒸発器、１３…冷媒絞り通路、１４…弁体、１７…ダイヤフラム、
１９、２０…圧力室、２１…感温部材、２３…キャピラリチューブ（配管）、
２５…制御媒体、２６…圧力伝達物質。

Claims (4)

1. 冷媒絞り通路（１３）の開口面積を調整する弁体（１４）と、
   前記弁体（１４）に連結され、前記弁体（１４）を変位させるダイヤフラム（１７）とを備え、
   前記ダイヤフラム（１７）の両面に作用する圧力差に基づいて前記ダイヤフラム（１７）が変位して前記弁体（１４）を変位させる減圧装置において、
   冷凍サイクルの冷媒温度を感知して前記冷媒温度に応じた圧力を発生する制御媒体（２５）を封入した感温部材（２１）と、
   前記感温部材（２１）を前記ダイヤフラム（１７）の一面側に形成された圧力室（１９）内に連結する配管（２３）とを備え、
   前記圧力室（１９）および前記配管（２３）の内部に熱伝導率の低い圧力伝達物質（２６）を封入したことを特徴とする減圧装置。
2. 前記制御媒体（２５）の封入部と前記圧力伝達物質（２６）の封入部との境界部に、前記感温部材（２１）内部の圧力変化を前記配管（２３）側に伝達可能な仕切り部材（２７）を配置したことを特徴とする請求項１に記載の減圧装置。
3. 前記仕切り部材（２７）は、前記感温部材（２１）内部の圧力変化に応じて変形可能な膜状部材であることを特徴とする請求項２に記載の減圧装置。
4. 前記圧力伝達物質（２６）は液状物質であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の減圧装置。
   

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