JP2006145149A - 膨張装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 弁体が弁座の上流側に配置された温度式の膨張装置において、振動音の発生を抑制しながらハンチング現象が起きないようにする。
【解決手段】 高圧の冷媒が導入される一次圧力室７に、シリンダ１１とピストン１０とから構成される背圧室１２を設け、一次圧力室７と背圧室１２とを通路断面積の小さい冷媒通路で連通させている。弁体９が開弁方向に動くと背圧室１２の容積が小さくなる方向に変化するよう弁体９とピストン１０とが一体に形成され、ピストン１０の径は、弁体９の径よりも大きく形成されている。一次圧力室７に正の圧力波が到達すると、背圧室１２との差圧によりピストン１０が動いて弁体９を開弁方向に動かすので、圧力波は二次側に逃げて減衰することで振動音がなくなり、弁部の可動部に摺動抵抗を持たせる構成は有していないので、弁部の作動にヒステリシスがなく、ハンチングが発生することもない。
【選択図】 図１

Description

本発明は膨張装置に関し、特に自動車用エアコンシステムの冷凍サイクルの中で高温・高圧の液冷媒を膨張させて低温・低圧にした冷媒をエバポレータに供給するとともにエバポレータ出口での冷媒の状態が所定の過熱度になるように冷媒流量を制御する温度式の膨張装置に関する。

温度式の膨張装置は、パワーエレメントと弁部とを備え、パワーエレメントがエバポレータの出口冷媒の温度および圧力を感知し、その感知した冷媒の温度および圧力に応じて弁部がエバポレータに供給する冷媒の流量を制御している。すなわち、パワーエレメントが感知した冷媒の温度および圧力は、弁部の弁孔を介して延びるシャフトによって弁座の上流側に配置された弁体に伝達され、その弁体のリフト量を制御するように構成されている。レシーバ／ドライヤから導入される高圧の冷媒は、何らかの原因により圧力脈動を発生することがある。その圧力脈動による圧力波が弁部の一次側に到達すると、弁座の上流側に配置されている弁体がその圧力波の影響を直接受けることになる。たとえば正の圧力波が弁部の一次側に到達すると、弁体は閉弁方向に動き、流量が絞られて一次側の圧力が増幅され、負の圧力波が到達すると、弁体は開弁方向に動き、流量が増えて一次側の圧力が減少される。この動作が繰り返されることで、圧力脈動が大きくなり、自励振動して大きな振動音が発生してしまうことがある。

このように、一次側の圧力波がトリガとなって弁部が振動してしまう現象に対して、弁体の動きを抑制する手段を設けた膨張装置が知られている（たとえば特許文献１参照。）。この膨張装置によれば、パワーエレメントの動きを弁体に伝えるシャフトに対し横荷重を与えるスプリングを備えている。これによりシャフトとこれを保持しているボディとの間に摺動抵抗が与えられ、シャフトと一体に動く弁体を動きにくくして、圧力脈動による振動音が発生しないようにしている。
特開平９−２２２２６８号公報（図１）

しかしながら、弁部を開閉させるシャフトに横荷重を与えることは、振動音に対しては有効であるが、横荷重による摺動抵抗付加によって弁部が開くときと閉じるときの弁体のリフト特性にヒステリシスが出てしまうので、弁リフトを最適位置に安定して制御することが難しく、大きな圧力脈動が弁部の一次側に到達した場合には、ヒステリシスによるハンチング現象が発生してシステムがなかなか安定しないといった問題点があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、弁体が弁座の冷媒流れ方向上流側に配置された温度式の膨張装置であって、振動音の発生を抑制しながらハンチング現象が起きないようにした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、弁体が弁座の冷媒流れ方向上流側に配置された弁部を有する温度式の膨張装置において、高圧の冷媒が導入される一次圧力室に設けられ、前記一次圧力室とは通路断面積の小さい冷媒通路で連通されていて、前記弁体の動きに連動して容積が変化する背圧室を備えていることを特徴とする膨張装置が提供される。

このような膨張装置によれば、弁部の一次圧力室に大きな圧力脈動の圧力波が到達すると、通路断面積の小さい冷媒通路で連通されている背圧室には圧力波が直ぐには伝達されないため、一次圧力室と背圧室との間に差圧が生じ、その差圧により容積可変の背圧室を構成するピストンが動かされる。そのピストンの動きに連動して弁体が圧力波を弱める方向に動くので、圧力波は、増幅されることなく減衰していき、このため、弁体が振動して振動音が発生するということはなくなる。また、この膨張装置では、弁体が振動するのを防止するために弁部の可動部に摺動抵抗を持たせる構成は備えていないので、弁部の作動にヒステリシスがなく、ハンチングが発生することもない。

本発明の膨張装置は、弁体の動きに連動して容積が変化する背圧室を備えているため、上流側にて発生した大きな圧力脈動が原因で一次圧力室に圧力波が到達した場合、その圧力波が減衰する方向に背圧室の容積が変更するので、圧力波が増幅して弁体が振動を起こすということがなくなるという利点がある。

また、弁体の振動を抑えるために弁部の可動部に横荷重を与えるというような構成を有していないので、ヒステリシスが発生せず、弁リフトも最適位置に安定するようになる。このため、ハンチング現象が発生せず、エアコンの吹き出し温度が安定し、自動車用エアコンシステムは、効率の良い運転が可能になる。

以下、本発明の実施の形態を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装置の構成を示す中央縦断面図である。
この第１の実施の形態に係る膨張装置１は、その本体ブロック２の側部に、レシーバ／ドライヤから高温・高圧の冷媒を受けるように高圧冷媒配管が接続される冷媒管路接続穴３と、この膨張装置１にて断熱膨張された低温・低圧の冷媒をエバポレータへ供給するように低圧冷媒配管が接続される冷媒管路接続穴４と、エバポレータ出口からの冷媒配管に接続される冷媒管路接続穴５と、コンプレッサへ至る冷媒配管に接続される冷媒管路接続穴６とが設けられている。

本体ブロック２は、冷媒管路接続穴３と冷媒管路接続穴４とが内部で連通して弁孔を構成する冷媒通路を有しており、その冷媒通路の冷媒管路接続穴３から高温・高圧の冷媒が供給される一次圧力室７内の端面が弁座８を構成している。この弁座８に対向して一次圧力室７内に弁体９が配置されている。これにより、弁座８と弁体９との間の隙間が高圧の冷媒を断熱膨張させる弁部の可変オリフィスを構成している。

弁体９は、下端部が開放された中空のピストン１０と一体に形成され、その径は、弁体９の径よりも大きく形成されている。そのピストン１０は、上端部が開放された中空のシリンダ１１の中に軸線方向に進退自在に挿入されている。ピストン１０とシリンダ１１とによって囲まれた内部空間は、背圧室１２を構成し、その背圧室１２は、ピストン１０とシリンダ１１との間のクリアランスからなる通路断面積の小さい冷媒通路によって一次圧力室７と連通されている。背圧室１２の容積は、弁部が開弁方向に動くと小さく、弁部が閉弁方向に動くと大きくなるよう変化する。背圧室１２内には、弁体９をシリンダ１１を介して閉弁方向に付勢するスプリング１３が配置されており、このスプリング１３の荷重は、シリンダ１１と一体に形成されていて本体ブロック２に螺着されたアジャストねじ１４によって調整できるようにしている。

本体ブロック２の上端部には、パワーエレメント１５が設けられている。このパワーエレメント１５は、厚い金属製のアッパーハウジングおよびロアハウジングによって囲まれた空間を上下に仕切るよう配置された可撓性のある金属薄板からなるダイヤフラム１６と、このダイヤフラム１６の下面に配置されたセンターディスク１７とによって構成されている。アッパーハウジングとダイヤフラム１６とによって囲まれた空間は、感温室を構成し、ここに冷媒ガスが充填され、金属ボールを抵抗溶接することにより閉止されている。センターディスク１７の下方には、ダイヤフラム１６の変位を弁体９へ伝達するシャフト１８が配置されている。このシャフト１８は、中央部が本体ブロック２に形成された貫通孔１９に挿通され、下端部が弁孔を介して弁体９に当接され、上端部が冷媒管路接続穴５と冷媒管路接続穴６とを連通する冷媒通路を横切るように本体ブロック２の中に配置されたホルダ２０に保持されている。ホルダ２０は、パワーエレメント１５のロアハウジングを本体ブロック２に螺着する際に、ロアハウジングによって押し付けられて固定されている。ホルダ２０の頭部は、上部中央に穴が形成されていて、その穴がセンターディスク１７のガイドになっている。ホルダ２０の頭部は、また、パワーエレメント１５のダイヤフラム１６よりも下側の部屋と冷媒管路接続穴５，６間の冷媒通路とを連通させる通路が形成されていて、エバポレータから戻ってきた冷媒を導入してその温度および圧力をパワーエレメント１５が感知できるようにしている。

以上のようにして構成された膨張装置１において、冷媒管路接続穴３を介して一次圧力室７に高温・高圧の冷媒が導入されると、その冷媒は、弁部を介して二次側に流れる。このとき、冷媒は、弁座８と弁体９との間の可変オリフィスにて断熱膨張されて低温・低圧の冷媒になり、冷媒管路接続穴４からエバポレータに供給される。エバポレータにて蒸発された冷媒は、冷媒管路接続穴５に入り、冷媒管路接続穴６からコンプレッサへと流れる。冷媒が冷媒管路接続穴５，６間の冷媒通路を流れるときに、その冷媒の一部がダイヤフラム１６によって仕切られたパワーエレメント１５の下側の部屋に導入されるので、パワーエレメント１５は、ここで、エバポレータ出口の冷媒の温度および圧力を感知することになる。

パワーエレメント１５では、冷媒の温度および圧力に応じてダイヤフラム１６が軸線方向に変位し、その変位は、センターディスク１７およびシャフト１８を介して弁体９へ伝達される。これにより、弁部の弁リフトが制御され、エバポレータに送り込まれる冷媒の流量が制御される。

ここで、たとえばエアコンを起動したときのように、膨張装置１の一次圧力室７の中がガス状態または気液混合状態にあるとき、あるいは背圧室１２の中にガスが残っている状態のときに、膨張装置１の上流側において何らかの原因により大きな圧力脈動が発生したとする。膨張装置１にたとえば正の圧力波が到達した場合には、一次圧力室７の圧力が上昇して、弁体９よりも大きな径を有するピストン１０がその圧力を受ける。ピストン１０とシリンダ１１との間のクリアランスを介して背圧室１２に圧力波が伝達するには時間が掛かるので、一次圧力室７の圧力と背圧室１２の圧力との間に圧力差が発生し、その差圧によってピストン１０がシリンダ１１に押し込まれるようになる。これにより、ピストン１０と一体の弁体９は、弁座８から離れる方向、すなわち開弁方向に動いていくので、圧力波は、大きくなった可変オリフィスを介して二次側に逃げていくようになるため、増幅されることなく減衰されていく。逆に、負の圧力波が来た場合は、一次圧力室７と背圧室１２との圧力差が弁体９を弁座８に向かう方向、すなわち閉弁方向に動かすことで、負の圧力波は、増幅されることなく正常の圧力に戻されるようになる。そのため、弁体９は、振動が起きなくなる。しかも、この膨張装置１では、シャフト１８に横荷重を与えて弁部の可動部に摺動抵抗を持たせるような構成にはしていないので、弁部の作動にヒステリシスがなく、ハンチングが発生することもない。

また、通常のエアコン運転中のように、膨張装置１の一次圧力室７および背圧室１２が液冷媒によって満たされているような場合において、膨張装置１の上流側において何らかの原因により大きな圧力脈動が発生したとする。この場合は、膨張装置１に正または負の圧力波が到達しても、ピストン１０は、その圧力波によって急激に動かされることはないので、弁体９は、圧力脈動が発生する前の弁リフトを保持するため、一次圧力が増幅されることなく減衰することになる。この場合も、弁体９の振動は起きないので、振動音が発生することもない。

図２は第２の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。なお、この図２において、図１に示した構成要素と同じまたは同等の機能を有する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。

この第２の実施の形態に係る膨張装置１ａは、第１の実施の形態に係る膨張装置１と比較して、背圧室１２の構成の仕方を変更している。すなわち、この膨張装置１ａでは、ピストン１０を軸線方向に進退自在に収容するシリンダを本体ブロック２によって形成し、ピストン１０の下端部が開放された中空部とアジャストねじ１４とによって背圧室１２を構成している。また、この膨張装置１ａでは、膨張装置１よりもピストン１０の径が大きく形成されている。これにより、膨張装置１ａは、膨張装置１よりも圧力脈動に対してより敏感に反応することができる。

図３は第３の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。
この第３の実施の形態に係る膨張装置２１は、第１および第２の実施の形態に係る膨張装置１，１ａがエバポレータから戻ってきた冷媒を通過させる低圧の冷媒通路の外にパワーエレメントの感温部を配置しているのに対し、その冷媒通路の中にパワーエレメントの感温部を配置している構成のものである。

この膨張装置２１は、冷媒を断熱膨張させる弁部とパワーエレメント２２とを有する膨張弁本体２３と、弁ケース２４とを備え、弁ケース２４には、その両側面に冷媒管路接続穴２５，２６，２７，２８が設けられている。膨張装置２１は、膨張弁本体２３を弁ケース２４の上部開口部から挿入し、その上部開口部を蓋２９で閉止し、この蓋２９をＣリングのような止め輪３０によって弁ケース２４に固定することにより構成されている。

膨張弁本体２３の弁部は、一方の端部にパワーエレメント２２が結合されたボディ３１を有し、反対側の他方の端部は、下が開放された中空の円筒形状に形成されている。その中空の部屋には、弁座３２に対して接離自在な弁体３３と、この弁体３３と一体に形成されたピストン３４と、弁体３３を閉弁方向に付勢するスプリング３５と、このスプリング３５の荷重を調節するアジャストねじ３６とが配置されている。弁体３３が配置されている一次圧力室３７は、ボディ３１に形成されたポート３８を介して冷媒管路接続穴２５に連通され、ボディ３１に形成された弁部の二次側のポート３９は、冷媒管路接続穴２６に連通されている。ピストン３４とボディ３１に螺着されたアジャストねじ３６とによって囲まれた空間は、背圧室４０を構成している。

冷媒管路接続穴２７，２８間の低圧の冷媒通路内に配置されたパワーエレメント２２は、そのハウジングに形成された孔４１を介してダイヤフラム４２の下側の部屋と連通していて、エバポレータから戻ってきた冷媒の温度および圧力を感知するようにしている。そのダイヤフラム４２の変位は、シャフト４３を介して弁部の弁体３３に伝達されるようにしている。

以上の構成の膨張装置２１においても、第１および第２の実施の形態に係る膨張装置１，１ａと同様に、一次圧力室３７の上流側において大きな圧力脈動が発生した場合、一次圧力室３７に到達した圧力波をピストン３４が受け、一次圧力室３７と背圧室４０との圧力差から、そのピストン３４が圧力波を弱める方向に弁体３３を作用させる。これにより、圧力波は、増幅されることはないので、弁体３３が振動して振動音が発生するということもない。

なお、第１ないし第３の実施の形態では、一次圧力室７，３７と背圧室１２，４０との間を連通する通路断面積の小さい冷媒通路を、ピストン１０，３４とシリンダ１１、本体ブロック２またはボディ３１との間のクリアランスで実現しているが、ピストン１０，３４またはシリンダ１１に小孔を設けるか、ピストン１０，３４の外表面に溝を設けるなどして構成しても良い。

第１の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。 第２の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。 第３の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。

符号の説明

１，１ａ 膨張装置
２ 本体ブロック
３，４，５，６ 冷媒管路接続穴
７ 一次圧力室
８ 弁座
９ 弁体
１０ ピストン
１１ シリンダ
１２ 背圧室
１３ スプリング
１４ アジャストねじ
１５ パワーエレメント
１６ ダイヤフラム
１７ センターディスク
１８ シャフト
１９ 貫通孔
２０ ホルダ
２１ 膨張装置
２２ パワーエレメント
２３ 膨張弁本体
２４ 弁ケース
２５，２６，２７，２８ 冷媒管路接続穴
２９ 蓋
３０ 止め輪
３１ ボディ
３２ 弁座
３３ 弁体
３４ ピストン
３５ スプリング
３６ アジャストねじ
３７ 一次圧力室
３８，３９ ポート
４０ 背圧室
４１ 孔
４２ ダイヤフラム
４３ シャフト

Claims (6)

1. 弁体が弁座の冷媒流れ方向上流側に配置された弁部を有する温度式の膨張装置において、
   高圧の冷媒が導入される一次圧力室に設けられ、前記一次圧力室とは通路断面積の小さい冷媒通路で連通されていて、前記弁体の動きに連動して容積が変化する背圧室を備えていることを特徴とする膨張装置。
2. 前記背圧室は、前記弁座に対して前記弁体が接離する方向に延びていて一端が閉じているシリンダと、前記弁体よりも径が大きく、前記弁体と一体に形成されていて前記シリンダの中に前記弁体が接離する方向に進退自在に挿置されたピストンとによって構成され、中に前記ピストンを閉弁方向に付勢するスプリングが収容されていることを特徴とする請求項１記載の膨張装置。
3. 前記シリンダは、前記スプリングの荷重を調節するアジャストねじと一体に形成されていることを特徴とする請求項２記載の膨張装置。
4. 前記シリンダは、前記弁部を収容する本体ブロックによって形成され、前記スプリングの荷重を調節するアジャストねじによって一端が閉じられていることを特徴とする請求項２記載の膨張装置。
5. 前記シリンダは、一体に形成された前記弁体および前記ピストンを収容する筒状のボディによって形成され、前記ボディの開口端部は、前記スプリングの荷重を調節するアジャストねじによって閉じられていることを特徴とする請求項２記載の膨張装置。
6. 前記冷媒通路は、前記ピストンと前記シリンダとの間のクリアランスによって形成されていることを特徴とする請求項２記載の膨張装置。
   

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