JP2006300442A - 膨張装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 配管内に設けられる構造が簡単でコンパクトな膨張装置を提供する。
【解決手段】 差圧制御弁およびダンパ機構のすべての機能部品をＯリング４によるシール位置よりも上流側、すなわち配管１の段差２よりも内径の大きな上流側に配置するよう構成する。差圧制御弁は、その前後の差圧が大きくなると開弁する方向に動作し、その開弁を開始する設定差圧は、スプリング１５によって設定され、その設定荷重は、プラグ１３をシリンダ８に圧入する量で調整する。弁体７とピストン９とを一体に形成して弁孔５よりも上流側に配置し、ダンパ室１４をオリフィス１１、中央通路１０および弁孔５を介して下流側に連通させる構成にしたことにより、膨張装置をコンパクトに構成することができる。
【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に用いられる膨張装置に関する。

自動車用エアコンシステムの冷凍サイクルでは、エンジン駆動のコンプレッサによって圧縮された高温・高圧の冷媒をコンデンサまたはガスクーラにて凝縮または冷却し、それを膨張装置により絞り膨張させて低温・低圧の冷媒にし、それをエバポレータにて蒸発させ、蒸発された冷媒を再びコンプレッサに戻すようにしている。このような膨張装置としては、一般に、エバポレータ出口の冷媒の温度および圧力に応じてその冷媒の状態が所定の過熱度になるように冷媒の流量を制御する温度式の膨張弁が用いられている。

一方、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またはガスクーラから出た高圧冷媒の過冷却度および乾き度の変動に応じて冷媒流量を制御する膨張装置も知られている（たとえば、特許文献１参照。）。このような膨張装置は、コンデンサまたはガスクーラとエバポレータとの間を接続する配管の中に挿入して冷媒を絞り膨張させるようにしたもので、比較的構造が簡単であり、設置スペースが実質的に不要であるという利点を有している。この膨張装置は、弁座に対向して下流側から着座するようにスプリングで付勢された弁体を有し、その下流に固定の通路断面積を有する絞り流路が配置された構成を有し、弁座よりも上流側のボディ外周にシールリングが配置されている。

さらに、最近の膨張装置では、急激な圧力変動があったときに、その圧力変動に敏感に応答してしまい、冷凍サイクルが不安定になってハンチング現象が生じるのを抑制するために、差圧制御弁の急激な動作を抑制するダンパ機構を備えたものも開発されている。
特開２００２−５５４４号公報（図１など）

しかしながら、冷媒がその圧力によってスプリングの付勢力に抗して弁体を押し開けるように動作する従来の膨張装置を、冷媒として作動圧力が非常に高いたとえば二酸化炭素を用いた冷凍サイクルに適用した場合、ばね力の強いスプリングを用いる必要があり、また、配管内に装着して使用する膨張装置は外径を配管の内径以下にしなければならないという制約から、ダンパ機構を備える場合、その機構を長さ方向に延長して設ける必要があり、構造がさらに複雑かつ大きくなってしまうという問題点があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、構造が簡単でコンパクトな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、冷凍サイクルのエバポレータに向かう配管内に配置されて循環する冷媒を絞り膨張させる膨張装置において、ボディの一端の中心に軸線方向に形成された弁孔と、前記冷媒が導入される前記弁孔の上流側にて前記弁孔を開閉可能に配置されていて前記弁孔の内径よりも大きな外径を有するよう形成された弁体とを有し、前記冷媒の上流側の圧力と下流側の圧力との差圧が大きくなるに従って開弁していく差圧制御弁と、前記弁体を閉弁方向に付勢するスプリングと、前記弁体と連動するピストンと、前記ピストンによって画成された閉止空間がオリフィスを介して前記ボディの一端の下流側と連通されたダンパ室とを有するダンパ部と、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、差圧制御弁およびダンパ部を弁孔より上流側のボディの中に収められているので、全体をコンパクトに構成することができる。また、差圧制御弁の弁体は、冷媒の上流側の圧力と下流側の圧力との差圧によってリフトする荷重を得ているので、弁孔の下流側に配置されている場合に比べて閉弁方向に付勢しているスプリングの荷重を小さくすることができ、スプリング自体をコンパクトにすることができる。

本発明の膨張装置は、差圧制御弁およびダンパ部の機能部品をすべて差圧制御弁の弁孔よりも上流側に配置したので、弁孔がこの膨張装置の直接の冷媒出口となっており、弁孔より下流側に機能部品が存在しないことから、膨張された冷媒をスムーズに流すことができ、流動音を低減することができるという利点がある。また、弁孔の下流側に弁体を有する構成に比べて、閉弁方向に付勢するスプリングの荷重を小さくできることから、小さなスプリングを利用できて、全体をコンパクトにすることができる。

以下、本発明の実施の形態を、冷媒に二酸化炭素を使用した冷凍サイクルの膨張装置に適用した場合を例に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配管内に設置した状態で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は、冷凍サイクルのガスクーラとエバポレータとの間に接続される冷媒循環用の配管１内に設置されるもので、配管１を絞りまたは拡開加工することで内部に形成された段差２の上流側に挿置されている。なお、配管１の図の上部がガスクーラから冷媒が流入してくる上流側であり、図の下部がエバポレータへ冷媒が流出していく下流側になっている。

この膨張装置は、その前後の差圧に応じて開度を制御する差圧制御弁の構成を有している。すなわち、この膨張装置は、ボディ３を有し、配管１の段差２に近い外周にシール手段としてのＯリング４が周設され、それよりも上流側は縮径されていて配管１との間に冷媒を導入する冷媒の通路を形成するようにしている。

ボディ３は、その下部中央部に軸線方向に弁孔５が設けられ、その開口端がこの膨張装置の冷媒出口を構成している。また、ボディ３は、弁孔５の上流側の開口部近傍にて半径方向に穿設された冷媒入口６を有している。この冷媒入口６に連通する弁孔５の上流側には、弁孔５を開閉する弁体７が軸線方向に進退自在に配置されている。この弁体７は、上流側の圧力が開弁方向に受圧するように弁孔５の内径よりも大きな外径を有し、ボディ３に軸線方向に摺動自在に支持されている。

ボディ３の弁体支持部よりも図の上部は、筒状のシリンダ８が一体に形成されており、その中には、弁体７と同軸上に延びて一体に形成されたピストン９が配置されている。このピストン９は、ボディ３に支持されている部分の弁体７の外径よりも大きな外径を有している。

弁体７およびピストン９は、その軸線方向に中央通路１０が形成され、この中央通路１０は、ピストン９に形成されたオリフィス１１を介してその上部の空間に連通し、また、横孔１２を介してピストン９の下部の空間にも連通している。ピストン９の下部の空間が中央通路１０および弁孔５を介して膨張装置の出口である下流側に連通しているので、膨張装置が全閉しているときは、弁体７とこれを支持しているボディ３との間のクリアランスを介して最少流量の冷媒が流れることになる。

シリンダ８の上部は、プラグ１３が圧入されていて、ピストン９とともに閉じた空間になっている。この閉じた空間は、オリフィス１１を介して膨張装置の下流側に連通され、この空間を構成するピストン９が弁体７と一体になっていることから、導入される上流側の冷媒の圧力が急激に変化しても、弁体７の急激な開閉動作を抑制するようなダンパ室１４を構成している。

そして、そのダンパ室１４の中には、ピストン９を介して弁体７を閉弁方向に付勢するスプリング１５が配置されている。このスプリング１５は、プラグ１３のシリンダ８への圧入量を調節することによって設定荷重が調整される。

以上のように構成された膨張装置において、ガスクーラを出た高温・高圧のガス冷媒は、配管１を通って図の上部から流入し、その冷媒は、ボディ３と一体のシリンダ８と配管１との間の隙間を通り、冷媒入口６を介して内部に導入される。このとき、弁体７には、ボディ３によって軸線方向に摺動自在に支持されている部分の断面積に対して上流側の冷媒の圧力が開弁方向に受圧し、弁孔５の断面積に対しては、下流側の冷媒の圧力が開弁方向に受圧している。つまり、ボディ３によって支持されている部分の断面積から弁孔５の断面積を差し引いた面積に対して、この膨張装置の前後の差圧が開弁方向にかかっていることになる。一方、弁体７は、また、ダンパ室１４内のスプリング１５によって閉弁方向の荷重を受けている。

ここで、膨張装置の前後の差圧が小さく、差圧による弁体７の開弁方向の荷重がスプリング１５による閉弁方向の荷重よりも小さいとき、膨張装置は、図示のように全閉状態にある。この全閉状態では、弁体７とこれを支持しているボディ３との間のクリアランスによる最小の絞り通路断面積が存在しているので、最少流量の冷媒がそのクリアランスを介してピストン９の下部の空間に流れ、そこから、弁体７に形成された横孔１２、中央通路１０および弁孔５を介してこの膨張装置の下流側へ流れていく。

ここで、上流側の冷媒の圧力が高くなって膨張装置の前後の差圧が大きくなり、その差圧による弁体７の開弁方向の荷重がスプリング１５による閉弁方向の荷重よりも大きくなると、弁体７がリフトしていく。弁体７のリフトに応じて絞り通路断面積が増えていくので、その絞り通路断面積に応じた流量の冷媒が弁孔５を介して下流側に流れる。このとき、高温・高圧のガス冷媒は、絞り通路を通過するときに絞り膨張し、低温・低圧の気液二相状態の冷媒となって、この膨張装置から出て行く。膨張装置を出た気液二相状態の冷媒は、エバポレータに供給され、そこで、車室内の空気から吸熱して蒸発される。これにより、車室内の空気から蒸発潜熱が奪われて車室内の空気が冷却されることになる。

また、膨張装置の前後の差圧があまり変わらない定常状態にあるとき、ガスクーラから導入されるガス冷媒の圧力が急激に変化した場合、弁体７がその急激な圧力変化に追従して弁リフトが変化しようとするが、ダンパ室１４内の冷媒がオリフィス１１を介して給排気するので、弁体７と一体のピストン９が導入されるガス冷媒の急激な圧力変化に追従することができず、したがって、弁体７の開閉方向の動きは、緩慢になる。これによって、冷凍サイクルが不安定になってハンチング現象が生じるのを抑制することができる。

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。この図２において、図１に示した構成要素と同じ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は、第１の実施の形態に係る膨張装置と比較して、差圧制御弁の弁座の位置を軸線方向に可変できるようにし、プラグ１３のシリンダ８への圧入量を調節することによって行っていたスプリング１５の設定荷重を弁座位置の軸線方向に調整することで行うようにした点で異なる。

すなわち、ボディ３の下部中央部に孔１６が軸線方向に穿設されていて、その孔１６に筒状弁座１７が圧入されている。この筒状弁座１７は、その外径がボディ３に支持されている部分の弁体７の外径よりも小さく形成され、中空部が弁孔を構成している。弁体７は、筒状弁座１７の上流側端面に対向する端面が漏斗状に形成されていて、筒状弁座１７の上流側端面の外周縁部に着座するようにしている。

これにより、弁体７には、ボディ３によって軸線方向に摺動自在に支持されている部分の断面積に対して上流側の冷媒の圧力が開弁方向に受圧し、筒状弁座１７の外径の断面積に対しては、下流側の冷媒の圧力が開弁方向に受圧している。つまり、ボディ３によって支持されている部分の断面積から筒状弁座１７の断面積を差し引いた面積に対して、この膨張装置の前後の差圧が開弁方向にかかっていることになる。また、弁体７を閉弁方向に付勢しているスプリング１５の荷重は、筒状弁座１７をボディ３の孔１６に圧入する量を変更することによって調節することができる。もちろん、このスプリング１５の設定荷重の調整は、第１の実施の形態に係る膨張装置と同様、スプリング１５の一端を受けているプラグ１３の圧入量を調節しても良いことはもちろんである。

この膨張装置の動作は、第１の実施の形態に係る膨張装置と同じであるので、ここではその詳細な説明は省略する。
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。この図３において、図１に示した構成要素と同じ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３の実施の形態に係る膨張装置は、第１の実施の形態に係る膨張装置と比較して、ボディ３によって軸線方向に摺動自在に支持されている弁体７の外径をダンパ機構のピストン９の外径と同じにしてある点で異なる。それ以外の構成は、第１の実施の形態に係る膨張装置と同じであり、したがって、この膨張装置の動作も第１の実施の形態に係る膨張装置と同じである。

図４は第４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。この図４において、図２に示した構成要素と同じ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４の実施の形態に係る膨張装置は、第２の実施の形態に係る膨張装置と比較して、ボディ３によって軸線方向に摺動自在に支持されている弁体７の外径をダンパ機構のピストン９の外径と同じにしてある点で異なる。それ以外の構成は、第２の実施の形態に係る膨張装置と同じであり、したがって、この膨張装置の動作も第２の実施の形態に係る膨張装置と同じである。

第１の実施の形態に係る膨張装置の構成を配管内に設置した状態で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。 第４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 配管
２ 段差
３ ボディ
４ Ｏリング
５ 弁孔
６ 冷媒入口
７ 弁体
８ シリンダ
９ ピストン
１０ 中央通路
１１ オリフィス
１２ 横孔
１３ プラグ
１４ ダンパ室
１５ スプリング
１６ 孔
１７ 筒状弁座

Claims (8)

1. 冷凍サイクルのエバポレータに向かう配管内に配置されて循環する冷媒を絞り膨張させる膨張装置において、
   ボディの一端の中心に軸線方向に形成された弁孔と、前記冷媒が導入される前記弁孔の上流側にて前記弁孔を開閉可能に配置されていて前記弁孔の内径よりも大きな外径を有するよう形成された弁体とを有し、前記冷媒の上流側の圧力と下流側の圧力との差圧が大きくなるに従って開弁していく差圧制御弁と、
   前記弁体を閉弁方向に付勢するスプリングと、
   前記弁体と連動するピストンと、前記ピストンによって画成された閉止空間がオリフィスを介して前記ボディの一端の下流側と連通されたダンパ室とを有するダンパ部と、
   を備えていることを特徴とする膨張装置。
2. 前記弁孔、前記弁体および前記ダンパ部は、同一軸線上に配置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. 前記弁体および前記ピストンは、一体に形成されていて前記ダンパ室内に配置された前記スプリングによって閉弁方向に付勢され、かつこれらの中央の軸線上に前記オリフィスおよび中央通路が形成されていて前記ダンパ室が前記オリフィスおよび前記中央通路を介して前記弁孔に開口していることを特徴とする請求項１記載の膨張装置。
4. 前記スプリングは、前記ピストンに対向してこれを収容するシリンダの端部を閉止して前記ダンパ室を構成するプラグの圧入量によって設定荷重が調節されていることを特徴とする請求項３記載の膨張装置。
5. 前記弁体は、前記ボディに軸線方向に進退自在に保持されている部分の外径が前記ピストンの外径以下に形成されていることを特徴とする請求項１記載の膨張装置。
6. 前記弁孔は、前記ボディの一端の中心に軸線方向に形成された孔に圧入される筒状弁座の中空部であり、前記筒状弁座の端面に対向する前記弁体の端面は漏斗状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の膨張装置。
7. 前記スプリングは、前記孔への前記筒状弁座の圧入量によって設定荷重が調節されていることを特徴とする請求項６記載の膨張装置。
8. 前記ボディは、前記弁孔が設けられている弁孔形成部と前記ピストンを収容するシリンダとが一体に形成され、前記シリンダの外径を前記弁孔形成部より縮径され、前記弁孔形成部と結合される近傍に前記弁孔の上流側へ連通する冷媒入口が設けられ、前記弁孔形成部にはシール手段が周設されていることを特徴とする請求項１記載の膨張装置。
   

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