JP2006336927A - 冷凍サイクル - Google Patents

Abstract

【課題】 エバポレータの動作の有無を送風機のオン・オフにより切り替え可能に構成された冷凍サイクルにおいて、低負荷運転時に送風量を増加させても膨張弁を速やかに開弁し、所定の冷凍能力を発揮させる。
【解決手段】 本発明にかかる冷凍サイクル１においては、温度式膨張弁５とエバポレータ６との間に差圧弁９を設けてボディ１１の温度低下を抑制することにより、低負荷運転時に送風機７による送風量を増加させても温度式膨張弁５を速やかに開弁し、所定の冷凍能力を発揮させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は冷凍サイクルに関し、特に温度式膨張弁により絞り膨張させた冷媒をエバポレータにて蒸発させて外部との熱交換を行う冷凍サイクルに関する。

例えば自動車用エアコン装置では、一般に、循環する冷媒を圧縮するコンプレッサと、圧縮された冷媒を凝縮するコンデンサと、冷凍サイクル内の冷媒を溜めるとともに凝縮された冷媒を気液に分離するレシーバと、分離された液冷媒を絞り膨張させる膨張弁と、膨張弁で膨張された冷媒を蒸発させるエバポレータによる冷凍サイクルが構成されている。

そして、膨張弁としては、エバポレータの出口における冷媒の温度及び圧力を感知して、エバポレータに送り出す冷媒の流量を制御する温度式膨張弁が用いられている。この温度式膨張弁は、例えばダイヤフラムで仕切られて冷媒と同様の作動ガスが封入された感温部と冷媒を絞り膨張させる弁機構とからなる。そして、そのダイヤフラムにエバポレータ出口の冷媒を曝すことで、感温部内のエバポレータ出口の冷媒温度に対応した作動ガスの飽和圧力とエバポレータ出口の冷媒の飽和圧力との間に圧力差が生じ、その圧力差とスプリング力との釣り合いで弁機構の開度が決定され、エバポレータへ送り出す冷媒の流量を制御している。

このような冷凍サイクルでは、一般に、エバポレータでの蒸発を促進するためにエバポレータに送風を行う送風機が設置されている（例えば特許文献１参照）。
図６は、従来の冷凍サイクルの構成例を表すシステム構成図である。

すなわち、このような冷凍サイクルにおいては、エアコン装置を動作させる際に、送風機１０１を駆動してエバポレータ１０２に送風する。膨張弁１０３にて絞り膨張された冷媒は、エバポレータ１０２にて蒸発され、そのときの熱交換により車室内を冷却する。そして、そのエアコン装置の効き具合を調整するために、送風機１０１による送風量が調整される。

図７は、このような冷凍サイクルにおける冷媒の状態を示すモリエル線図である。同図の横軸はエンタルピを、縦軸は絶対圧力をそれぞれ表わしている。同図では、冷凍サイクルの高負荷運転時など送風機１０１による送風量が多いときの状態が実線にて表され、低負荷運転時など送風機１０１による送風量が少ないときの状態が一点鎖線にて表されている。

この冷凍サイクルは、送風機１０１によるエバポレータ１０２への送風量が多いときには、モリエル線図のａ−ｂ−ｃ−ｄ−ａで示される線に沿って動作する。すなわち、コンプレッサ１０４がエバポレータ１０２で蒸発したガス冷媒を圧縮し（ａ→ｂ）、圧縮することで高温高圧となったガス冷媒をコンデンサ１０５にて凝縮し（ｂ→ｃ）、レシーバ１０６にて気液に分離してその液冷媒を膨張弁１０３により断熱膨張し（ｃ→ｄ）、断熱膨張することにより気液二相状態となった冷媒をエバポレータ１０２にて蒸発する（ｄ→ａ）。この冷媒がエバポレータ１０２で蒸発するときに、車室内の空気から蒸発潜熱を奪って車室内の空気を冷却する。膨張弁１０３は、エバポレータ１０２の出口における冷媒が飽和蒸気線を越えて所定の過熱度ＳＨを有するように制御される。

そして、送風機１０１によるエバポレータ１０２への送風量が少ないときには、冷凍サイクルは、モリエル線図のａ’−ｂ’−ｃ’−ｄ’−ａ’で示される線に沿って動作する。すなわち、送風機１０１による送風量が多いときよりもエバポレータ１０２での蒸発量が低下するため、膨張弁１０３のコンプレッサ１０４側への出口圧力Ｐｅが低下する。それとともに、膨張弁１０３のエバポレータ１０２側への弁出口部分の圧力Ｐｘ０も低下する。

図８は、この冷凍サイクルにおける冷媒の温度と圧力との間の関係を表す飽和蒸気温度−圧力線図である。同図の横軸は冷媒温度を表し、縦軸は冷媒圧力を表している。図中太い実線で示した曲線は冷媒の飽和蒸気圧曲線を示し、図中細い実線で示した曲線は膨張弁の弁部が開弁する圧力と温度との関係を示している。膨張弁１０３は、エバポレータ１０２の出口における冷媒が飽和蒸気圧曲線を越えて上記過熱度ＳＨを有した時点で開弁する。

ところで、このような膨張弁１０３は一般に、図６に示されるように、膨張弁１０３からエバポレータ１０２に流れる通路を有するボディ１０７と、エバポレータ１０２から流れる冷媒の圧力と温度を感知する感温部１０８とが当接して構成されている。ボディ１０７は、軽量化のためにアルミニウム材から構成されることが多いが、アルミニウム材は熱伝導性がよいため、感温部１０８は、ボディ１０７の内部を流れる冷媒の温度に影響を受け易い。

すなわち、低負荷運転時において送風機１０１による送風量が少ないときに、膨張弁１０３の弁部下流側を流れる少量の冷媒は、その弁部で減圧されて湿り状態となっており弁部上流側よりも温度が低く、上記圧力Ｐｘ０に関連する温度Ｔｘ０となってボディ１０７を冷却する。一方、エバポレータ１０２から流れてくる少量の冷媒は、あまり蒸発することなく膨張弁１０３に戻されるため、温度が低くてボディ１０７を温めることができない。従って、ボディ１０７の温度はほぼ温度Ｔｘ０となる。このとき、感温部１０８は、本来エバポレータ１０２の下流側の温度を感知するように設計されているにも拘わらず、ボディ１０７からの熱伝導によって温度Ｔｘ０を感知するようになる。

この状態で、送風機１０１による送風量を増加させると、エバポレータ１０２の中の冷媒が蒸発し、エバポレータ１０２の出口の冷媒の温度Ｔｅは徐々に上昇する。膨張弁１０３の感温部１０８は、本来この温度Ｔｅを感じて弁を開くように動作する。
特開２００４−２３７７５２号公報

しかしながら、上述のような冷凍サイクルでは、膨張弁１０３の感温部１０８内のガス圧力Ｐｂは、感温部１０８の触れている最低温度に対応した蒸発圧力になるように設計されている。このため、送風機１０１により送風量を増加した直後は、感温部１０８がボディ１０７の温度、つまり上記温度Ｔｘ０を感じることになる。このため、感温部１０８は、本来感知すべきエバポレータ１０２の出口温度を正しく感知できない。このため、膨張弁１０３が本来の弁開度になるまでに時間がかかる。その結果、冷凍サイクルの本来の能力が発揮されるまでに時間がかかる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、エバポレータの動作の程度を送風機による送風量により調整するように構成された冷凍サイクルにおいて、低負荷運転時に送風量を増加させても膨張弁を速やかに開弁し、所定の冷凍能力を発揮させるように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、循環する冷媒を圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサにて圧縮された冷媒を凝縮するコンデンサと、前記コンデンサ側から流れてきた液冷媒を絞り膨張させる温度式膨張弁と、前記温度式膨張弁により膨張された冷媒を蒸発させて熱交換を行うエバポレータと、前記エバポレータの外表面への通風を行い、その通風量を変化させることによって前記エバポレータによる前記熱交換の程度を調整する送風機と、前記温度式膨張弁と前記エバポレータとの間に設けられた差圧弁と、を備えたことを特徴とする冷凍サイクルが提供される。

この冷凍サイクルにおいては、温度式膨張弁とエバポレータとの間に差圧弁を設けたことにより、差圧弁の上流側、つまり温度式膨張弁の出口側の圧力をエバポレータ側の圧力よりも高く保持することができ、その結果、温度式膨張弁の出口側の温度を差圧弁がないときよりも高く保持することができる。この結果、温度式膨張弁のボディの温度ひいては感温部が感知する温度を高く保持することができる。

本発明の冷凍サイクルによれば、温度式膨張弁とエバポレータとの間に差圧弁を設けたことにより、温度式膨張弁の出口側の温度ひいては感温部が感知する温度を高く保持することができる。その結果、低負荷運転時に送風機による送風量を増加させたときも膨張弁を速やかに開弁し、所定の冷凍能力を発揮させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
本実施の形態は、本発明の冷凍サイクルを自動車用エアコン装置に適用したものである。図１は、本実施の形態に係る冷凍サイクルのシステム構成図である。

同図に示すように、冷凍サイクル１は、コンプレッサ２、コンデンサ３、レシーバ４、温度式膨張弁５、エバポレータ６及び送風機７を備えている。そして、送風機７によるエバポレータ６への通風量を変化させることにより、エバポレータ６の動作の程度を調整するように構成されている。

そして、温度式膨張弁５とエバポレータ６とを接続する配管８の途中には、前後差圧を発生させるための差圧弁９が図示しない継手を介して接続されている。
図２は、温度式膨張弁の構造を表す断面図である。

温度式膨張弁５は、アルミニウム材から形成されたボディ１１の側部に、レシーバ４から高温・高圧の液冷媒を受けるポート１２と、この温度式膨張弁５にて絞り膨張された低温・低圧の冷媒をエバポレータ６へ供給するポート１３と、エバポレータ６から蒸発された冷媒を受けるポート１４と、この温度式膨張弁５を通過した冷媒をコンプレッサ２へ戻すポート１５とを備えている。この温度式膨張弁５において、エバポレータ６へつながるポート１３（弁出口側通路）は、レシーバ４とつながるポート１２（弁入口側通路）よりも後述する感温部に近くなるように配置されている。

ポート１２からポート１３へ連通する流体通路には、弁座１６がボディ１１と一体に形成され、その弁座１６の上流側には、内部弁機構を構成するボール状の弁体１７が配置されている。この弁体１７が収容されている空間には、弁体１７を弁座１６に着座させる方向に付勢するスプリング１８が配置され、このスプリング１８は、スプリング受け１９によって受けられている。スプリング受け１９は、ボディ１１の下端部に螺着されたアジャストネジ２０に嵌合されており、アジャストネジ２０のボディ１１への螺入量を調整することでスプリング１８の荷重を調整できるようにしている。

また、ボディ１１の上端部には、感温部を構成するパワーエレメント２１が当接して設けられている。このパワーエレメント２１は、ステンレス材からなるアッパーハウジング２２及びロアハウジング２３と、これらによって囲まれた空間を仕切るように配置されたダイヤフラム２４と、このダイヤフラム２４の下面に配置されたディスク２５とによって構成されている。アッパーハウジング２２とダイヤフラム２４とよって密閉された感温室には、この冷凍サイクルに使用されている冷媒と同じ冷媒が封入されている。

ディスク２５の下方には、ダイヤフラム２４の変位を弁体１７へ伝達するシャフト２６が配置されている。このシャフト２６の上部は、ポート１４，１５間を連通する流体通路を横切って配置されたホルダ２７により保持されている。このホルダ２７には、シャフト２６の上端部に対して横荷重を与えるスプリング２８が配置されており、高圧冷媒の圧力変動に対するシャフト２６の長手方向の振動を抑制するようにしている。

以上のように構成された温度式膨張弁５は、エバポレータ６からポート１４に戻ってきた冷媒の圧力及び温度をパワーエレメント２１が感知し、冷媒の温度が高い又は圧力が低い場合には、開弁方向へ弁体１７を押し、逆に温度が低い又は圧力が高い場合には、閉弁方向へ弁体１７を移動させて弁開度を制御するようにしている。一方、レシーバ４から供給された液冷媒は、ポート１２を介して弁体１７のある空間に流入し、弁開度が制御された弁部を通過することで絞り膨張され、低温・低圧の冷媒になる。その冷媒は、ポート１３から出て、エバポレータ６に供給され、ここで車室内の空気と熱交換されて温度式膨張弁５のポート１４に戻される。このとき、温度式膨張弁５は、エバポレータ６の出口の冷媒が所定の過熱度をもつようにエバポレータ６へ供給する冷媒の流量を制御するので、エバポレータ６からは冷媒が完全に蒸発された状態でコンプレッサ２に戻される。

図３は、差圧弁の構造を表す説明図である。（Ａ）はその閉弁状態を表す断面図であり、（Ｂ）はその開弁状態を表す断面図である。
差圧弁９は、段付円筒状の本体を有するボディ３１と、ボディ３１内に進退可能に支持された弁体３２とから構成されている。

同図において、右側が冷凍サイクル１における上流側、左側が下流側となっており、ボディ３１の上流側から下流側にかけて縮径する段部３３が形成されている。ボディ３１の段部３３には、その内径方向に突出したフランジ部３４が形成され、そのフランジ部３４の下流側端面によって弁座３５が形成されている。

一方、弁体３２は、長尺円柱状の本体３６を有し、その一端が外方に延出して上記弁座３５に着座可能な弁部３７を形成し、他端側にボディ３１の内周面に摺動可能な円板状のガイド部材３８が同軸状に嵌合装着されている。このガイド部材３８は、その中心に形成された挿通孔３８ａを本体３６の他端側に形成された縮径部３９に挿通した後、その縮径部３９の先端を加締めることにより本体３６に固定されている。ガイド部材３８の周縁部近傍には複数の貫通孔３８ｂが周方向に等間隔で形成され、冷媒の通路を形成している。また、フランジ部３４とガイド部材３８との間には、弁体３２を閉弁方向に付勢する圧縮コイルスプリング４０（「付勢手段」に該当する）が介装されている。弁部３７は上流側から冷媒が流入することにより弁座３５から離間し、弁体３２は、その冷媒圧力と圧縮コイルスプリング４０の荷重とがバランスした位置で静止する。圧縮コイルスプリング４０には、差圧弁９の前後差圧が予め定める値（例えば０．１ＭＰａ）となるように弁部の開度が調整できる剛性を有するものが用いられる。

図１に戻り、以上のように構成された冷凍サイクル１において、エアコン装置を駆動させるときには、送風機７をオンにしてエバポレータ６に送風する。このとき、レシーバ４を経由した冷媒は、温度式膨張弁５により断熱膨張して気液二相状態となり、さらにエバポレータ６にて蒸発して車室内の空気を冷却した後、コンプレッサ２に戻る。エアコン装置の効き具合を調整するときには、送風機１０１による送風量が調整される。

この場合、低負荷運転状態において送風機７による送風量が少ないときには、エバポレータ６による冷媒の蒸発が少なくなり冷媒の温度が低下するため、パワーエレメント２１がこれを感知して弁体１７を閉弁方向に制御する。しかし、差圧弁９を設けたことによってボディ１１の温度の低下が抑制されているため、パワーエレメント２１がボディ１１の熱伝導の影響を受け難くなり、送風機７による送風量を増加させたときには、温度式膨張弁５は速やかに弁開度を大きくする。

すなわち、本実施の形態の冷凍サイクル１によれば、温度式膨張弁５とエバポレータ６との間に差圧弁９を設けたことにより、差圧弁９の上流側、つまり温度式膨張弁５の出口側の圧力Ｐｘ１をエバポレータ６の出口圧力Ｐｅよりも圧力差ΔＰだけ高く保持することができる。その結果、図８に示したように、温度式膨張弁５の出口側の温度Ｔｘ１を、差圧弁９がないときの温度Ｔｘ０よりも温度差ΔＴだけ高く保持することができ、温度式膨張弁５のボディ１１の温度ひいてはパワーエレメント２１が感知する温度を高く保持することができる。このとき、パワーエレメント２１が感知する圧力はＰｘ０であるため、温度がＴｘ１になった場合には、温度式膨張弁５はわずかな温度上昇で開弁することになる。すなわち、このように温度式膨張弁５の出口側の圧力を高くすることで、温度式膨張弁５の開度を速やかに増加させて本来の冷凍能力を発揮させることができる。

尚、上記圧力差ΔＰは差圧弁９の圧縮コイルスプリング４０等の選択により設定することができ、それにより、温度差ΔＴの設定もすることができる。
以上に説明したように、本実施の形態の冷凍サイクル１においては、温度式膨張弁５とエバポレータ６との間に差圧弁９を設けてボディ１１の温度低下を抑制することにより、低負荷運転時に送風量を増加させても膨張弁を速やかに開弁し、所定の冷凍能力を発揮させることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。尚、本実施の形態に係る冷凍サイクルは、差圧弁の設置位置が異なる以外は上記第１の実施の形態の構成と同様であるため、同様の構成部分については同一の符号を付す等してその説明を省略する。図４は、本実施の形態の差圧弁の取付構造を表す断面図である。また、図５は、図４のＡ部拡大図である。

図４に示すように、本実施の形態の冷凍サイクルでは、差圧弁２０９が、温度式膨張弁５とエバポレータ６とを接続する配管２０８における温度式膨張弁５との接続部に内挿嵌合された状態で、温度式膨張弁５に対して固定されている。

図５に示すように、差圧弁２０９は、第１の実施の形態の差圧弁９とほぼ同様の構造を有するが、その円筒状のボディ２３１の上流側端部には、外径方向にフランジ状に突出した係止部２３２が形成され、その係止部２３２が配管２０８の先端に係止されるように構成されている。配管２０８は円筒状をなし、その先端近傍に軸方向に加締められて外径方向に突出したフランジ部２０６が形成されている。

配管２０８を温度式膨張弁５のボディ１１に接続する際には、まず、差圧弁２０９をその下流側先端から配管２０８の先端部に挿入する。このとき、差圧弁２０９は、その係止部２３２が配管２０８の先端に係止された状態で嵌合固定される。

そして、このように配管２０８と差圧弁２０９とを一体化した状態で、その配管２０８の先端部にシール用のＯリング２０７を外挿し、この状態で配管２０８を先端側から温度式膨張弁５に挿入する。このとき、フランジ部２０６が温度式膨張弁５のポート１３の開口端部に設けられた段部にＯリング２０７を介装させた状態で係止される。この状態でフランジ部２０６の外側から図示しない締結具を用いて配管２０８を温度式膨張弁５に対して固定する。

このとき、差圧弁２０９の弁部３７が、温度式膨張弁５のボディ１１の外周面近傍、より詳しくはその外周面よりやや外側に配置されるように構成されている。
本実施の形態の冷凍サイクルにおいても、温度式膨張弁５とエバポレータ６との間に差圧弁２０９が設けられている。このため、低負荷運転時に送風量を増加させても膨張弁を速やかに開弁し、所定の冷凍能力を発揮させることができる。

また、差圧弁２０９を配管２０８の先端部に内挿嵌合させて固定する構成としたため、既存の配管と膨張弁との接続構造にそのまま組み込むことができる。すなわち、第１の実施の形態において差圧弁９を配管８の途中に設けた場合のように配管２０８を途中で分断する必要がなくなる。また、配管２０８に接続するための継手等も不要となり、第１の実施の形態と比較して部品点数の削減と組付作業の効率化を図ることができる。

さらに、差圧弁２０９の弁部を温度式膨張弁５の外周面よりやや外側に配置したため、冷媒温度が低下する領域を温度式膨張弁５の外側に位置させることができる。その結果、減圧による冷媒温度の低下の影響がボディ１１に及ぶのを防止又は抑制することができる。

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、上記各実施の形態の冷凍サイクルにおいては、膨張弁のボディがアルミニウム材から形成されている例を示したが、真鍮などの銅合金のように熱伝導性がある程度高く、内部を流れる冷媒の温度の影響を受け易い材料から形成されている場合にも本発明による効果が顕著に現れる。

また、上記第２の実施の形態においては、差圧弁２０９の弁部を温度式膨張弁５の外周面よりやや外側に配置したが、その外周面よりやや内側に配置されたとしても、温度式膨張弁５内において差圧弁２０９により上流側に圧力の高い領域が保持されていれば、本発明の効果をある程度得ることができる。

さらに、上記各実施の形態では、本発明の冷凍サイクルを自動車用エアコン装置に適用した例を示したが、家庭用又は業務用エアコンその他のエアコン装置に適用することも可能であることはもちろんである。

第１の実施の形態に係る冷凍サイクルのシステム構成図である。 温度式膨張弁の構造を表す断面図である。 差圧弁の構造を表す説明図である。 第２の実施の形態の差圧弁の取付構造を表す断面図である。 図４のＡ部拡大図である。 従来の冷凍サイクルの構成例を表すシステム構成図である。 冷凍サイクルにおける冷媒の状態を示すモリエル線図である。 冷凍サイクルにおける冷媒の温度と圧力との間の関係を表す飽和蒸気温度−圧力線図である。

符号の説明

１ 冷凍サイクル
２ コンプレッサ
３ コンデンサ
４ レシーバ
５ 温度式膨張弁
６ エバポレータ
７ 送風機
８，２０８ 配管
９，２０９ 差圧弁
１１ ボディ
１６ 弁座
１７ 弁体
２１ パワーエレメント
２４ ダイヤフラム
２６ シャフト
３１，２３１ ボディ
３２ 弁体
３５ 弁座
３６ 本体
３７ 弁部

Claims (7)

1. 循環する冷媒を圧縮するコンプレッサと、
   前記コンプレッサにて圧縮された冷媒を凝縮するコンデンサと、
   前記コンデンサ側から流れてきた液冷媒を絞り膨張させる温度式膨張弁と、
   前記温度式膨張弁により膨張された冷媒を蒸発させて熱交換を行うエバポレータと、
   前記エバポレータの外表面への通風を行い、その通風量を変化させることによって前記エバポレータによる前記熱交換の程度を調整する送風機と、
   前記温度式膨張弁と前記エバポレータとの間に設けられた差圧弁と、
   を備えたことを特徴とする冷凍サイクル。
2. 前記差圧弁は、
   筒状の本体内に弁座が設けられたボディと、
   前記ボディ内で前記弁座に対して進退可能に支持され、前記弁座に対して接離可能に構成された弁部を有する弁体と、
   前記弁体を閉弁方向に付勢する付勢手段と、
   を備え、その前後差圧が予め定める値となるように前記弁部のなす開度が調整されることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
3. 前記差圧弁は、前記温度式膨張弁と前記エバポレータとを接続する配管における前記温度式膨張弁との接続部に内挿嵌合された状態で、前記温度式膨張弁に対して固定されていることを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル。
4. 前記差圧弁は、前記配管における前記温度式膨張弁との接続部の先端側から挿入嵌合され、その嵌合状態にて前記温度式膨張弁に挿入され、固定されていることを特徴とする請求項３記載の冷凍サイクル。
5. 前記差圧弁の弁部が、前記温度式膨張弁のボディの外周面近傍に配置されたことを特徴とする請求項３記載の冷凍サイクル。
6. 前記差圧弁の弁部が、前記温度式膨張弁のボディの外側に配置されたことを特徴とする請求項５記載の冷凍サイクル。
7. 前記温度式膨張弁において、前記エバポレータへつながる弁出口側通路が、前記コンデンサ側とつながる弁入口側通路よりも前記感温部に近くなるように配置されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
   
   
   

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