JP2007024486A

JP2007024486A - 膨張装置

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Publication number: JP2007024486A
Application number: JP2006004394A
Authority: JP
Inventors: Hisatoshi Hirota; 久寿広田; Masaaki Tonegawa; 正明利根川; Tokumi Tsugawa; 徳巳津川
Original assignee: TGK Co Ltd
Current assignee: TGK Co Ltd
Priority date: 2005-06-16
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2007-02-01

Abstract

【課題】コストを大幅に低減することができる温度式の膨張装置を提供する。
【解決手段】蒸発器から出た冷媒が通過する低圧冷媒通路４に蒸発器出口温度が高くなると開弁方向に作用させる形状記憶合金ばね１０を配置し、弁部の低圧側には、蒸発器に入る冷媒の温度が高くなると閉開弁方向に作用させる形状記憶合金ばね１２とバイアス用のスプリング１３とを配置するように構成し、蒸発器で入口の温度差で弁体３のリフトを制御するようにした。これにより、ダイヤフラム式パワーエレメントを備えた温度式膨張弁と同様、蒸発器出口温度が所定の温度になるよう蒸発器に供給する冷媒流量を制御することができる。パワーエレメントと同様の機能を形状記憶合金ばね１０，１２によって実現したことで、コストを大幅に低減することが可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は膨張装置に関し、特に車輌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。

車輌用エアコンシステムにおいては、車両用エンジンによって駆動される圧縮機により冷媒を圧縮し、圧縮された高温高圧のガス冷媒を凝縮器で凝縮し、凝縮された液冷媒を膨張装置で絞り膨張させ、絞り膨張された低温低圧の冷媒を蒸発器で蒸発させ、蒸発されたガス冷媒を圧縮機に戻すような冷凍サイクルが形成されている。このような冷凍サイクルにおいて、受液器および温度式膨張弁を用いたものが一般に知られている（たとえば、特許文献１参照。）。

図１１は受液器および温度式膨張弁を用いた一般的な冷凍サイクルの例を示すシステム図である。
この冷凍サイクルは、車両用エンジンによって回転駆動される圧縮機１０１と、この圧縮機１０１によって圧縮された高温高圧のガス冷媒を車室外の空気と熱交換する凝縮器１０２と、この凝縮器１０２によって凝縮された気液を含む冷媒に対して気液の分離を行う受液器１０３と、分離された液冷媒を絞り膨張させる膨張装置１０４と、この膨張装置１０４によって絞り膨張された低温低圧の気液混合冷媒を車室内の空気と熱交換する蒸発器１０５とを備え、冷媒としてＨＦＣ−１３４ａが使用されている。

膨張装置１０４は、蒸発器１０５の出口における冷媒の蒸発状態が適度な過熱度を持つように蒸発器１０５に供給する冷媒の流量を制御する温度式膨張弁である。このため、この膨張装置１０４は、絞り膨張されて蒸発器１０５に供給する冷媒の流量を制御する弁部１０４ａと、蒸発器１０５の出口を出た冷媒の温度を感知して弁部１０４ａのリフトを制御するパワーエレメント１０４ｂとを備えている。パワーエレメント１０４ｂは、ダイヤフラムによって仕切られた感温室を有し、その感温室には、たとえば冷凍サイクルを循環する冷媒と同じガスが封入されている。これにより、この膨張装置１０４では、ダイヤフラムより図中上側の感温室内が蒸発器１０５出口の冷媒温度に対応した封入ガスの飽和圧力になり、ダイヤフラムより下側が蒸発器１０５の出口圧力になって、それらの差圧が過熱度相当の圧力になると、弁部１０４ａが開き始める。蒸発量が多くて、蒸発器１０５出口の冷媒温度がその開き始めのときの温度以上になると、感温室内の圧力が高くなることにより弁部１０４ａが開けられ、高圧側の冷媒が低圧側に流れるようになる。

このように、従来の膨張装置１０４は、パワーエレメント１０４ｂが蒸発器１０５出口の冷媒温度に対応した封入ガスの飽和圧力と蒸発器１０５の出口圧力とを比較して弁部１０４ａを開閉する構成になっている。
特開平９−２２２２６８号公報（図１）

しかしながら、従来の膨張装置では、蒸発器出口の冷媒温度に対応した封入ガスの飽和圧力と蒸発器の出口圧力とを比較して弁部を開閉制御するパワーエレメントが必須であり、これが膨張装置のコストを低減することができない要因になっている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、コストを大幅に低減することができる温度式の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、蒸発器出口の冷媒の温度変化を感知して前記蒸発器入口側に供給される冷媒の流量を制御する弁部を備えた膨張装置において、前記蒸発器を出た冷媒を通過させる低圧冷媒通路に配置され、通過する冷媒の温度に応じて前記弁部を開弁方向に付勢する荷重が変化する第１の感温アクチュエータと、前記弁部の低圧側に配置され、絞り膨張された冷媒の温度に応じて前記弁部を閉弁方向に付勢する荷重が変化する第２の感温アクチュエータと、を備え、前記蒸発器の出口側の温度と入口側の温度とを比較して前記弁部を開閉制御す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、第１の感温アクチュエータが蒸発器出口の冷媒温度を感知し、第２の感温アクチュエータが蒸発器入口の冷媒温度を感知し、これらの温度差で弁部を制御するようにしている。これにより、蒸発器出口の冷媒が所定の温度になるように蒸発器に供給する冷媒の流量を制御することができる。

また、本発明では、蒸発器の下流側の冷媒の温度変化を感知して、前記蒸発器に向けて供給される冷媒の流量を制御する弁部を備えた膨張装置において、前記蒸発器を出た冷媒を通過させる低圧冷媒通路に配置され、通過する冷媒の温度に応じて前記弁部を開弁方向に付勢する荷重が変化する第１の感温アクチュエータと、前記弁部の低圧側に配置され、絞り膨張された冷媒の温度に応じて前記弁部を閉弁方向に付勢する荷重が変化する第２の感温アクチュエータと、を備え、前記蒸発器の下流側の温度と上流側の温度とに基づいて前記弁部を開閉制御す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、第１の感温アクチュエータが蒸発器の下流側の冷媒温度を感知し、第２の感温アクチュエータが蒸発器の上流側の冷媒温度を感知し、これらの温度差で弁部を制御するようにしている。

本発明の膨張装置は、第１および第２の感温アクチュエータが温度を圧力に変換するトランスデューサとして機能することから差圧で動作する従来のパワーエレメントと同様の機能を実現することができ、高価なパワーエレメントが不要になることでコストを大幅に低減することができるという利点がある。

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概観図、図２は図１のＡ−Ａ矢視概略断面図である。

第１の実施の形態に係る膨張装置は、たとえばダイカストまたは樹脂成形によって形成されたボディ１を有し、このボディ１は、冷媒配管の挿入接続される側面が平行平面になっている。ボディ１の一方の側面には、受液器から高温高圧の液冷媒が導入されるポートＴ１を有し、反対側の側面には、蒸発器へ低温低圧の冷媒が導出されるポートＴ２を有し、さらに、蒸発器を出た冷媒が導入されるポートＴ３および圧縮機へ戻す冷媒を導出するポートＴ４を有している。

ポートＴ１とポートＴ２との間には、これらを仕切る水平の壁が設けられていて、その壁には弁孔２が形成されている。その弁孔２の低圧側には、弁体３が弁孔２を開閉可能なように配置され、この膨張装置の弁部を構成している。

ポートＴ３とポートＴ４との間には、蒸発器から戻ってきた冷媒を通過させる低圧冷媒通路４が形成されている。その低圧冷媒通路４と弁孔２の高圧側の空間との間のボディ１には、弁孔２と同一軸線上に同じ内径を有する貫通孔５が形成されていて、その貫通孔５には、弁体３と一体に形成されたシャフト６が軸線方向に進退自在に支持されている。シャフト６には、パッキン７が設けられていて、貫通孔５とシャフト６との間の隙間を介して高圧の冷媒が低圧冷媒通路４へ漏れるのを防止している。パッキン７は、この例では、高圧を受ける側にリップを有し、高圧を受けるとリップが広がって貫通孔５の内壁に押し付けられることでシールするような形状になっている。

なお、弁孔２と貫通孔５とが同じ内径を有していることにより、高圧の冷媒が弁体３を開弁方向に押し下げようとする力は、高圧の冷媒がパッキン７によってシールされたシャフト６を閉弁方向に押し上げようとする力によって相殺されるので、この膨張装置の制御動作に、ポートＴ１に導入される液冷媒の高圧の影響を受けることはない。

シャフト６は、低圧冷媒通路４に突出している部分が縮径されており、それによる段差部には、ばね受け部材８が係止されている。シャフト６の先端は、ばね受け部材９に設けられた孔に遊嵌されている。これらばね受け部材８，９の間には、感温アクチュエータとする形状記憶合金ばね１０が配置されていて、ばね受け部材９を低圧冷媒通路４の内壁に押し付けながらシャフト６を開弁方向に付勢するようにしている。

また、ボディ１の図の下方中央部に設けられた開口部には、プラグ１１が圧入されて気密に閉止されており、そのプラグ１１と弁体３との間には、感温アクチュエータとする形状記憶合金ばね１２およびバイアス用のスプリング１３が弁体３を閉弁方向に付勢するように配置されている。これら形状記憶合金ばね１２およびスプリング１３の荷重は、プラグ１１をボディ１の開口部に圧入する圧入量で調節している。

なお、ボディ１には、冷媒配管の挿入接続される側面間を貫通する取付孔１４が形成されている。この取付孔１４は、ボディ１の両側面にて冷媒配管の末端に取り付けられた金具をボディ１とともに固定するボルトを通すためのものである。

ここで、感温アクチュエータとする形状記憶合金ばね１０，１２は、温度に応じて弁体３およびシャフト６を弁部の開閉方向に付勢する荷重が変化するもので、温度サイクルに対して可逆的に変化する二方向性の形状記憶効果を有している。すなわち、形状記憶合金ばね１０，１２は、冷媒の温度がそれぞれの所定の温度範囲以下にあるとき、マルテンサイト相であり、ばね荷重が小さい。冷媒の温度が上昇して、形状記憶合金ばね１０，１２がそれらの変態点を超えてそれぞれの所定の温度範囲に入ると、形状記憶合金ばね１０，１２は相変態して母相になり、温度変化に対してばね荷重が比例的に変化するようになる。冷媒の温度がさらに上昇してそれぞれの所定の温度範囲を超えると、形状記憶合金ばね１０，１２のばね荷重の増加率が急激に低下して飽和状態になり、それ以上温度が上昇してもばね荷重は増加しなくなる。また、これらの形状記憶合金ばね１０，１２は、二方向性の形状記憶効果を有しているので、冷媒の温度が低下して形状記憶合金ばね１０，１２の変態点を下回ると相変態してばね荷重の小さい状態になる。

以上の構成の膨張装置において、冷凍サイクルの起動前は、冷媒の温度が高いので、形状記憶合金ばね１０，１２は、ばね荷重がそれぞれ最大になっている。この場合、膨張装置は、その弁部が形状記憶合金ばね１０，１２およびスプリング１３によってバランスした弁リフトに設定されている。

冷凍サイクルが起動し、液冷媒がポートＴ１に導入されると、その液冷媒は、弁部を通過して低圧側のポートＴ２へ流れていくが、弁部の通過時に絞り膨張されて低温低圧の気液混合冷媒になる。形状記憶合金ばね１２が冷媒の温度低下を感知すると、そのばね荷重は温度に対応した荷重まで小さくなるので、弁部は全開状態へ移行していく。このとき、蒸発器では、膨張装置から導入された冷媒は完全に蒸発され、さらに十分に過熱されて出て行くので、形状記憶合金ばね１０のばね荷重はほとんど変化しない。

冷凍サイクルが最大冷房負荷状態で運転を継続していって、冷房負荷が下がってくると、蒸発器から戻ってくる冷媒の過熱度も小さくなってくる。過熱度が小さくなるに伴い、形状記憶合金ばね１０のばね荷重が小さくなるので、弁部のリフトが小さくなり、弁部を通過する冷媒流量が少なくなる。やがて、膨張装置は、形状記憶合金ばね１０が蒸発器出口の冷媒温度を感知し、形状記憶合金ばね１２が蒸発器入口の冷媒温度を感知し、それらの温度差に基づいて弁部が冷媒流量を制御することにより、蒸発器に供給される冷媒は、冷房負荷に見合った冷媒流量に制御されることになる。

図３は第２の実施の形態に係る膨張装置を示す概略中央縦断面図である。なお、この図３において、図２に示した構成要素と同じ構成要素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、蒸発器出口の冷媒温度を感知する形状記憶合金ばね１０をばね受け部材８，９と一体に扱えるようにした点で異なる。

形状記憶合金ばね１０の両端を受けている終端部材としてのばね受け部材８，９は、それらの対向端面からそれぞれ延出されて互いに係止することができるフック８ａ，９ａを有している。形状記憶合金ばね１０を挟んでフック８ａ，９ａを係止させることにより、形状記憶合金ばね１０およびばね受け部材８，９は１つにまとまり、一体に扱うことができるようになる。これにより、この膨張装置は、ポートＴ３またはポートＴ４から低圧冷媒通路４に形状記憶合金ばね１０およびばね受け部材８，９を挿入し、図の下方から一体形成されたシャフト６および弁体３と形状記憶合金ばね１２およびスプリング１３とを挿入し、プラグ１１をボディ１に圧入することによって組み立てられるが、形状記憶合金ばね１０およびばね受け部材８，９が低圧冷媒通路４に別個にではなく１つにまとまって挿入されるので、組み立てを容易に行うことができる。

図４は第３の実施の形態に係る膨張装置の概観図、図５は図４のＢ−Ｂ矢視概略断面図である。なお、この図４および図５において、図１および図２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および第２の実施の形態に係る膨張装置と比較して、弁体３を弁孔２の高圧側に配置している点で異なる。
すなわち、この膨張装置では、シャフト６の先端近傍の溝に嵌合された止輪１５にばね受け部材８が係止され、形状記憶合金ばね１０によりシャフト６と一体に形成された弁体３を図の上方、つまり開弁方向に付勢するようにしている。

また、ポートＴ１，Ｔ２に連通する空間の間を仕切るようにボディ１に形成された水平の壁には、貫通孔５と同軸の大きな孔が設けられていて、その孔には弁座形成部材１６が圧入されている。その弁座形成部材１６は、その中央に貫通孔５と同じ内径を有する弁孔２が形成されたている。

弁体３は、弁孔２を貫通して図の下方へ延出されたシャフト１７が一体に形成されている。そのシャフト１７の先端には、ばね受け部材１８が固定されている。そのばね受け部材１８と弁座形成部材１６との間には、形状記憶合金ばね１２が介挿されて弁体３を閉弁方向に付勢し、ばね受け部材１８とプラグ１１との間には、バイアス用のスプリング１３が弁体３を開弁方向に付勢するように介挿されている。

以上の構成の膨張装置の動作は、第１および第２の実施の形態に係る膨張装置の動作と基本的に同じである。しかしながら、弁体３の作動方向を第１および第２の実施の形態に係る膨張装置のものと逆にしたことで、以下の機能が追加されている。

すなわち、第１および第２の実施の形態に係る膨張装置の場合、低圧冷媒出口の圧力（蒸発器の入口圧力）が弁体３に対して閉弁方向に加わり、低圧冷媒通路４の圧力（蒸発器の出口圧力）がシャフト６に対して開弁方向に加わっているので、蒸発器の入口圧力と出口圧力との差圧が大きくなると、弁体３には閉弁方向の荷重が加わることになって、弁部の開き始めの温度が高くなり、この結果、弁部が開き始めるときの過熱度が大きくなってしまう場合がある。これに対し、この第３の実施の形態に係る膨張装置では、低圧冷媒出口の圧力が弁体３に対して開弁方向に加わり、低圧冷媒通路４の圧力がシャフト６に対して閉弁方向に加わる構造になっているので、蒸発器の入口圧力と出口圧力との差圧は開弁方向に作用していることになる。したがって、蒸発器の入口圧力と出口圧力との差圧が大きくなって過熱度が大きくなろうとしても、弁部は開き始めるときの過熱度が小さくなる方向に働くことになる。このことは、蒸発器の入口圧力と出口圧力との差圧による温度誤差を自ら補正し、その差圧による影響をキャンセルしていることになる。

なお、以上の第１〜第３の実施の形態では、形状記憶合金ばね１２およびバイアス用のスプリング１３の設定荷重をボディ１へのプラグ１１の圧入量で調整しているが、プラグ１１をボディ１へねじ込む方式にしてボディ１へのプラグ１１の螺入量で調整するようにしても良い。

図６は第４の実施の形態に係る膨張装置を示す概略中央縦断面図である。なお、この図６において、図２および図５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１〜第３の実施の形態に係る膨張装置が感温アクチュエータとして形状記憶合金ばねを用いているのに対し、バイメタルを用いている点で異なる。また、この膨張装置は、ポートＴ１〜Ｔ４を備えた図示しない弁ケースの中に装着されて使用される。

この膨張装置が弁ケースの中に装着されたとき、ボディ１の外周に設けられたＯリング２１，２２の間の空間がポートＴ１を介して高圧の冷媒が導入される部分であり、Ｏリング２１より下方の部分が低圧の冷媒がポートＴ２を介して蒸発器へ導出される部分であり、Ｏリング２２より上方の部分が蒸発器から圧縮機へ戻る冷媒にさらされる部分であって、低圧冷媒通路内に位置する部分である。

ボディ１の下端部にはホルダ２３が設けられ、そのホルダ２３と弁体３から下方へ延びるシャフト１７との間に感温アクチュエータとするバイメタル２４が配置されている。このバイメタル２４は、断面Ｕ字形状曲げられた板状のもので、絞り膨張された冷媒の温度に感応し、ホルダ２３に関して弁体３を閉弁方向に付勢する荷重が変化するものである。ボディ１の上端部にもホルダ２５が設けられ、そのホルダ２５と弁体３から上方へ延びるシャフト６との間に感温アクチュエータとするバイメタル２６が配置されている。このバイメタル２４は、蒸発器出口の冷媒の温度に感応し、ホルダ２５に関して弁体３を開弁方向に付勢する荷重が変化するものである。

このような膨張装置においても、その動作は、第１〜第３の実施の形態に係る膨張装置の動作と同じであり、バイメタル２６が蒸発器出口の冷媒温度を感知し、バイメタル２４が蒸発器入口の冷媒温度を感知し、それらの温度差に基づいて弁部が冷媒流量を制御することにより、蒸発器に供給される冷媒は、冷房負荷に見合った冷媒流量に制御されることになる。

図７は第５の実施の形態に係る膨張装置を示す概略中央縦断面図である。なお、この図７において、図６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は同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

この第５の実施の形態に係る膨張装置は、第４の実施の形態に係る膨張装置が感温アクチュエータとするバイメタル２４，２６に板状のものを用いているのに対し、円盤状のものを用いている点で異なる。

すなわち、この膨張装置では、バイメタル２４，２６は、それらの外周縁部がボディ１に軸線方向両端面に突設された筒状部２７，２８を内側にかしめ加工することによって係止されている。バイメタル２４，２６は、感温している冷媒の温度が高いときには、シャフト１７，６が当接されている中央部がそれぞれ軸線方向内側の方向へ変位しているので、バイメタル２４は、その外周縁部がボディ１の筒状部２７に係止し、中央部が弁体３を閉弁方向に付勢し、バイメタル２６は、その外周縁部がボディ１の筒状部２８に係止し、中央部が弁体３を開弁方向に付勢している。

ここで、温度が低下していくと、バイメタル２４，２６は、それぞれ軸線方向内側の方向へ変位している中央部の変位量が小さくなっていき、それらバイメタル２４，２６の付勢力がバランスした位置の弁リフトになる。その後、バイメタル２６が蒸発器出口の冷媒温度を感知し、バイメタル２４が蒸発器入口の冷媒温度を感知して、それらの温度差により弁部を流れる冷媒の流量が制御されることになる。

図８は、第６の実施の形態に係る膨張装置が適用される冷凍サイクルを表すシステム図である。図９は、その膨張装置としての膨張弁を組み込んだ膨張弁ユニットの断面図である。さらに、図１０は、その膨張弁単体の構成を表す断面図である。

本実施の形態に係る膨張装置は、二酸化炭素（ＣＯ₂）など高圧側の圧力が非常に高くなる冷媒を用いる冷凍サイクルに好適な構成を有する。すなわち、ＨＦＣ−１３４ａなどのフロンはオゾン層破壊の問題があるため、近年ではその代替冷媒として二酸化炭素（ＣＯ₂）等を用いた冷凍サイクルが提案されている。その冷凍サイクルは、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上にもなる。このため、このような冷凍サイクルにたとえば図２の膨張装置を適用すると、低圧冷媒通路４と弁孔２の高圧側の空間との間の圧力差によりパッキン７が変形し、貫通孔５の内壁に過度に押し付けられてシャフト６の摺動性を悪化させるおそれがある。その結果、シャフト６ひいては弁体３の動作にヒステリシスが発生して弁部の制御性が低下する可能性がある。そこで、本実施の形態では、このように高圧側の圧力が高い冷媒を用いても、弁部の制御性を良好に保持できる膨張装置を提供する。

図８に示すように、この冷凍サイクルは、車両用エンジンによって回転駆動されて冷媒を超臨界域まで昇圧する圧縮機２０１と、昇圧された冷媒を車室外の空気と熱交換するガスクーラ２０２と、ガスクーラ２０２から送られた冷媒を減圧する膨張装置を備えた膨張弁ユニット２０３と、減圧された冷媒を蒸発させて車室内の空気と熱交換する蒸発器２０４と、余剰の冷媒を溜めておくアキュムレータ２０５と、アキュムレータ２０５から送られた冷媒を、ガスクーラ２０２から送られた冷媒との熱交換により所定の過熱度まで加熱する内部熱交換器２０６とを備えている。このとき、所定の過熱度になった冷媒は、膨張弁ユニット２０３の後述する低圧冷媒通路を通って圧縮機２０１に供給される。

図９に示すように、膨張弁ユニット２０３は、たとえばダイカストまたは樹脂成形によって形成された直方体形状のボディ３１を有する。ボディ３１には、その中央に膨張弁３２を収容する収容穴３３が形成され、その側面に収容穴３３に連通する複数のポートが形成されている。

すなわち、収容穴３３には膨張弁３２のほぼ全体が収容されている。膨張弁３２の外周面には、収容穴３３との間で気密性を保持するためのＯリング３４，３５が設けられ、それぞれ高圧冷媒が後述する低圧冷媒通路や外部に漏洩するのを防止している。

また、ボディ３１の一側面には、ガスクーラ２０２から高温高圧の冷媒が導入されるポートＴ２１が形成され、これに隣接する側面（図の下側の面）には、蒸発器２０４へ向けて低温低圧の冷媒が導出されるポートＴ２２が形成されている。このポートＴ２２は、膨張弁３２をボディ３１に組み付ける際の挿入口にもなっている。また、ポートＴ２１が形成された側面と反対側の側面には、蒸発器２０４およびアキュムレータ２０５を経由した後に内部熱交換器２０６で熱交換された冷媒が導入されるポートＴ２３が形成されている。さらに、ポートＴ２１が形成された側面には、圧縮機２０１へ戻す冷媒を導出するポートＴ２４が形成されている。ポートＴ２３とポートＴ２４とは低圧冷媒通路３６を介して連通している。

ポートＴ２１には、ガスクーラ２０２につながる内部熱交換器２０６からの配管を接続するための継手機構４１が取り付けられている。継手機構４１は、継手本体４２とこれに螺合されるコネクタ４３から構成される。継手本体４２は段付円筒状をなし、その一端にボディ３１のポートＴ２１の部分に螺合される雄ねじ部４４を有し、他端にコネクタ４３が螺合される雄ねじ部４５を有する。また、継手本体４２の中央には、外方に突出したフランジ部４６が周設されている。このフランジ部４６とボディ３１の側面との間には、リング状のガスケット４７が介装され、これらの接続部の気密性を保持している。

コネクタ４３は、その内周部にテーパ面４８により接続された段部を有する。コネクタ４３は、その大径部４９の内周面に雄ねじ部４５に螺合する雌ねじ部５０が形成されており、継手本体４２にねじ込むことによりこれに外挿される。図示しない配管の先端には拡径部が設けられており、その配管を接続する際には、その拡径部をコネクタ４３に内挿するようにして取り付け、この状態でコネクタ４３を継手本体４２に螺合していく。配管は、このときの締結力によって、その拡径部が継手本体４２の端面とコネクタ４３のテーパ面４８との間に挟まれるようにして固定される。

ポートＴ２２には、接続部材５１を介して上記と同様の継手機構４１が接続されている。この継手機構４１は、蒸発器２０４につながる配管を接続するためのものであるが、その構成については既述のとおりであるので、その構成要素および周辺要素に同一の符号を付すなどしてその説明を省略する。

図示のように、ポートＴ２２には膨張弁３２の端部が位置しているため、ポートＴ２２に継手機構４１を直接接続することができない。そこで、接続部材５１を中継部材として介装している。接続部材５１は、その一端がボディ３１のポートＴ２１の部分に圧入されている。この接続部材５１の一端部は、膨張弁３２の端部を内挿しており、またその外周面には、ボディ３１との間の気密性を保持するためのＯリング５２が設けられている。そして、接続部材５１の他端部に継手機構４１の継手本体４２が締結されている。

また、ポートＴ２３にも上記と同様の継手機構４１が接続され、アキュムレータ２０５につながる内部熱交換器２０６からの配管を接続可能となっている。さらに、ポートＴ２４にも上記と同様の継手機構４１が接続され、圧縮機２０１へつながる配管を接続可能となっている。これらの継手機構４１の構成についても既述のとおりであるので、その構成要素および周辺要素に同一の符号を付すなどしてその説明を省略する。

図１０に示すように、膨張弁３２は、内部に冷媒通路が形成された段付円柱状のボディ６１を有する。ボディ６１の長手方向中央部の側部には、ポートＴ２１に連通するポートＴ３１が形成され、ボディ６１の下半部に形成された開口部６２によりポートＴ２２に連通するポートＴ３２が形成されている。ポートＴ３１の周囲には、異物の侵入を防止するためのストレーナ６３が設けられている。

ポートＴ３１とポートＴ３２との間を仕切る壁には、ボディ６１の軸線に沿った弁孔６４が形成され、その下流側端部によって弁座６５が形成されている。ボディ６１の弁孔６４に対して開口部６２と反対側には、ガイド孔６６、貫通孔６７が順次形成されている。これら貫通孔６７、ガイド孔６６、弁孔６４および開口部６２は、ボディ６１の軸線に沿って同軸状に配置されている。

弁孔６４には、弁部を構成する長尺状の弁体６８が軸線方向に挿通されている。弁体６８は、その一端側が拡径して低圧側から弁座６５に着脱する弁部形成部７１を構成し、他端側がガイド孔６６に沿って摺動するガイド部７２を構成する。弁部形成部７１の弁座６５との当接面の一部には切り欠き部７３が設けられ、弁部が全閉状態にあっても設定した最低流量の冷媒を流せるようになっている。ガイド部７２の先端は縮径しており、その先端面が後述するシャフトとの当接面となっている。弁部形成部７１とガイド部７２との間にはくびれ部７４が形成され、弁孔６４との間に所定の冷媒通路を形成する。そして、弁体６８には、その軸線に沿って延びる低圧導入通路７５が形成されている。この低圧導入通路７５は、その一端が弁部形成部７１の先端面に開口しており、他端が、ガイド部７２の先端近傍で側方に開口している。これにより、弁孔６４の低圧側の冷媒圧力が、ガイド孔６６の貫通孔６７側の空間Ｓ１に導入されるようになっている。ただし、ガイド部７２にはラビリンス７６が周設されているため、ポートＴ３１側の高圧の冷媒がこの空間Ｓ１に侵入することは防止されている。

弁体６８の弁部形成部７１の先端には、ばね受け７７が嵌合されている。このばね受け７７は、その中央に低圧導入通路７５に連通する連通孔７８が形成されている。したがって、弁部で減圧された冷媒は、この連通孔７８を介して低圧導入通路７５に導入される。また、ばね受け７７の外周には弁部形成部７１から離れる方向に小径化する段部が設けられている。さらに、ボディ６１の開口部６２の開口端部には、ばね受け７７に対向するようにアジャスト機構８１が設けられている。アジャスト機構８１は、その開口端部に螺合されてボディ６１に対して位置調整可能なアジャストねじ８２と、そのアジャストねじ８２に螺合されつつ内挿され、これに対して相対的に位置調整可能なアジャストねじ８３から構成される。アジャストねじ８３には、その中央を軸線方向に貫通する連通孔８４が形成されている。したがって、弁部で減圧された冷媒は、この連通孔８４を介して蒸発器２０４に向けて導出される。

そして、アジャストねじ８２とばね受け７７との間に形状記憶合金ばね８５（「第２の形状記憶合金ばね」に該当する）が配置され、その内側のアジャストねじ８３とばね受け７７との間にバイアス用のスプリング８６が並列に配置されている。これら形状記憶合金ばね８５とスプリング８６は、弁体６８を閉弁方向に付勢する。形状記憶合金ばね８５の荷重は、アジャストねじ８２をボディ１の開口部６２に螺入する螺入量により調節される。また、スプリング８６の荷重は、アジャストねじ８３をアジャストねじ８２に螺入する螺入量により、形状記憶合金ばね８５の荷重とは独立に調節できるようになっている。

また、貫通孔６７は、ボディ６１の先端側（図の上方）に向けて段階的に拡径しており、シャフト９１の一端部が挿通されている。そのボディ６１の先端には、有蓋円筒状のばねケース９２が設けられている。ばねケース９２は、その開口端部がボディ６１の先端部に圧入されて固定され、シャフト９１の他端部を支持するとともに、このシャフト９１を開弁方向に付勢する形状記憶合金ばね９３（「第１の形状記憶合金ばね」に該当する）およびこれを支持する有底円筒状のばね受け９４を収容している。この形状記憶合金ばね９３は、膨張弁３２が膨張弁ユニット２０３の収容穴３３に収容されたときに、そのボディ３１に設けられた低圧冷媒通路３６に晒されることになる。

すなわち、ばねケース９２は、その上端面中央が内方にかしめられて軸受部９５を構成している。シャフト９１は、その両端がこの軸受部９５と貫通孔６７の基端部により形成される軸受部９６により軸支され、弁体６８と一体化して軸線方向に動作する。ばね受け９４は、その底部中央にシャフト９１を挿通する挿通孔９７が形成され、その挿通孔９７の近傍が、シャフト９１に固定されたＣリング９８により軸線方向に支持されている。形状記憶合金ばね９３が、ばねケース９２の上面とばね受け９４の底面との間に介装されているため、ばね受け９４は、シャフト９１と一体に動作する。

また、貫通孔６７の軸受部９６に隣接する小径部には断面Ｖ字状のパッキン９９（「シール部材」に該当する）が設けられ、さらにボディ６１の先端で開口する大径部には、パッキン９９の脱落を防止するための係止部材１００が圧入されている。このパッキン９９は、貫通孔６７とシャフト９１との間の隙間を介して冷媒が低圧冷媒通路３６側へ漏れるのを防止している。パッキン９９は、所定の圧力を受けるとＶ字状の断面が広がって貫通孔６７の内壁に押し付けられることで確実なシールを実現する。ただし、パッキン９９が配置された空間Ｓ２には、上述した空間Ｓ１の低圧の冷媒圧力が導入されるため、このパッキン９９の前後の差圧（つまり、空間Ｓ２の冷媒圧力と低圧冷媒通路３６の冷媒圧力との差圧）は比較的小さく、パッキン９９は適度な圧力でシャフト９１および貫通孔６７に当接するため、シャフト９１の摺動性を良好に保持することができる。

なお、弁孔６４とガイド孔６６とが同じ内径を有していることにより、高圧の冷媒が弁体６８を開弁方向に押し下げようとする力と閉弁方向に押し上げようとする力とが相殺されるので、この膨張弁３２の制御動作に、ポートＴ３１に導入される冷媒の高圧の影響を受けることはない。

ここで、形状記憶合金ばね９３，８５は、温度に応じて弁体６８およびシャフト９１を弁部の開閉方向に付勢する荷重が変化するもので、温度サイクルに対して可逆的に変化する二方向性の形状記憶効果を有している。すなわち、形状記憶合金ばね９３，８５は、冷媒の温度がそれぞれの所定の温度範囲以下にあるとき、マルテンサイト相であり、ばね荷重が小さい。冷媒の温度が上昇して、形状記憶合金ばね９３，８５がそれらの変態点を超えてそれぞれの所定の温度範囲に入ると、形状記憶合金ばね９３，８５は相変態して母相になり、温度変化に対してばね荷重が比例的に変化するようになる。冷媒の温度がさらに上昇してそれぞれの所定の温度範囲を超えると、形状記憶合金ばね９３，８５のばね荷重の増加率が急激に低下して飽和状態になり、それ以上温度が上昇してもばね荷重は増加しなくなる。また、これらの形状記憶合金ばね９３，８５は、二方向性の形状記憶効果を有しているので、冷媒の温度が低下して形状記憶合金ばね９３，８５の変態点を下回ると相変態してばね荷重の小さい状態になる。

以上の構成の膨張弁３２（つまり膨張弁ユニット２０３）において、冷凍サイクルの起動前は、冷媒の温度が高いので、形状記憶合金ばね９３，８５は、ばね荷重がそれぞれ最大になっている。この場合、膨張装置は、その弁部が形状記憶合金ばね９３，８５およびスプリング８６によってバランスした弁リフトに設定されている。

冷凍サイクルが起動し、冷媒がポートＴ３１に導入されると、その冷媒は、弁部を通過して低圧側のポートＴ３２へ流れていくが、弁部の通過時に絞り膨張されて低温低圧の冷媒になる。形状記憶合金ばね８５が冷媒の温度低下を感知すると、そのばね荷重は温度に対応した荷重まで小さくなるので、弁部は全開状態へ移行していく。このとき、膨張弁ユニット２０３から導出された冷媒は、蒸発器２０４を通過することにより蒸発され、アキュムレータ２０５の内部で気液分離される。そして、内部熱交換器２０６を通過することで所定の過熱度の冷媒となって戻ってくるため、形状記憶合金ばね９３のばね荷重はほとんど変化しない。

冷凍サイクルが最大冷房負荷状態で運転を継続していって、冷房負荷が下がってくると、内部熱交換器２０６を経て戻ってくる冷媒の過熱度も小さくなってくる。過熱度が小さくなるに伴い、形状記憶合金ばね９３のばね荷重が小さくなるので、弁部のリフトが小さくなり、弁部を通過する冷媒流量が少なくなる。やがて、膨張弁３２は、形状記憶合金ばね９３が内部熱交換器２０６の出口の冷媒温度を感知し、形状記憶合金ばね８５が蒸発器２０４の入口の冷媒温度を感知し、それらの温度差に基づいて弁部が冷媒流量を制御することにより、蒸発器２０４に供給される冷媒は、冷房負荷に見合った冷媒流量に制御されることになる。

以上に説明したように、本実施の形態によれば、弁体６８に形成した低圧冷媒通路３６を介し、パッキン９９が配置された空間Ｓ２に低圧の冷媒圧力が導入される。このため、パッキン９９の前後の差圧が小さくなり、シャフト９１の摺動性を良好に保持することができる。その結果、高圧側の圧力が高い冷媒を用いても、弁部の制御性を良好に保持することができる。

なお、本実施の形態では、感温アクチュエータとして形状記憶合金ばねを用いた例を示したが、バイメタルを用いることもできる。
以上の実施の形態では、感温アクチュエータとして形状記憶合金ばねまたはバイメタルのいずれかを用いた場合について詳述したが、２つの感温アクチュエータを形状記憶合金ばねとバイメタルとの組み合わせで構成することもできる。

また、上記第６の実施の形態では、弁孔６４の下流側の低圧をパッキン９９が位置する空間Ｓ２に導入するために、弁体６８の内部に低圧導入通路７５を形成した例を示した。しかし、低圧導入通路の形成態様はこれに限られない。たとえば、ボディ６１に開口部６２と空間Ｓ２とを連通させる冷媒通路を別途設けるようにしてもよい。この場合、その冷媒通路は、ポートＴ３１に連通する高圧側の冷媒通路から外れた位置に形成される。

第１の実施の形態に係る膨張装置の概観図である。図１のＡ−Ａ矢視概略断面図である。第２の実施の形態に係る膨張装置を示す概略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概観図である。図４のＢ−Ｂ矢視概略断面図である。第４の実施の形態に係る膨張装置を示す概略中央縦断面図である。第５の実施の形態に係る膨張装置を示す概略中央縦断面図である。第６の実施の形態に係る膨張装置が適用される冷凍サイクルを表すシステム図である。膨張装置としての膨張弁を組み込んだ膨張弁ユニットの断面図である。膨張弁単体の構成を表す断面図である。受液器および温度式膨張弁を用いた一般的な冷凍サイクルの例を示すシステム図である。

符号の説明

１ボディ
２弁孔
３弁体
４低圧冷媒通路
５貫通孔
６シャフト
７パッキン
８，９ばね受け部材
８ａ，９ａフック
１０形状記憶合金ばね
１１プラグ
１２形状記憶合金ばね
１３スプリング
１４取付孔
１５止輪
１６弁座形成部材
１７シャフト
１８ばね受け部材
２１，２２Ｏリング
２３ホルダ
２４バイメタル
２５ホルダ
２６バイメタル
２７，２８筒状部
３１ボディ
３２膨張弁
３３収容穴
３６低圧冷媒通路
４１継手機構
４２継手本体
４３コネクタ
５１接続部材
６１ボディ
６２開口部
６４弁孔
６５弁座
６６ガイド孔
６７貫通孔
６８弁体
７１弁部形成部
７２ガイド部
７５低圧導入通路
７６ラビリンス
８１アジャスト機構
８６スプリング
９１シャフト
９２ばねケース
９９パッキン
１００係止部材
Ｓ１，Ｓ２空間

Claims

蒸発器出口の冷媒の温度変化を感知して前記蒸発器入口側に供給される冷媒の流量を制御する弁部を備えた膨張装置において、
前記蒸発器を出た冷媒を通過させる低圧冷媒通路に配置され、通過する冷媒の温度に応じて前記弁部を開弁方向に付勢する荷重が変化する第１の感温アクチュエータと、
前記弁部の低圧側に配置され、絞り膨張された冷媒の温度に応じて前記弁部を閉弁方向に付勢する荷重が変化する第２の感温アクチュエータと、
を備え、前記蒸発器の出口側の温度と入口側の温度とを比較して前記弁部を開閉制御することを特徴とする膨張装置。
前記第１の感温アクチュエータおよび前記第２の感温アクチュエータは、それぞれ所定の温度範囲にて荷重が変化する二方向性の形状記憶効果を持った形状記憶合金ばねであることを特徴とする請求項１記載の膨張装置。
前記弁部は、高圧冷媒入口と低圧冷媒出口との間に形成された弁孔を開閉する弁体を有し、前記弁体は、前記第１の感温アクチュエータによる開弁方向の荷重を伝達するシャフトと一体に形成され、前記シャフトは、前記低圧冷媒通路と前記高圧冷媒入口との間のボディに前記弁体と同一軸線上に形成された貫通孔に気密状態で進退自在に支持されていることを特徴とする請求項１記載の膨張装置。
前記シャフトは、その外径を前記弁孔の内径と略等しくして高圧側の圧力をキャンセルするようにしたことを特徴とする請求項３記載の膨張装置。
前記弁部は、前記弁体が前記弁孔の低圧側に配置され、前記第２の感温アクチュエータと並列にスプリングが配置されていることを特徴とする請求項３記載の膨張装置。
前記シャフトに荷重を伝達する前記第１の感温アクチュエータは、その荷重変化方向両端に配置した終端部材を互いにフックで係止させることにより前記終端部材とともに一体に扱うことができるようにしたことを特徴とする請求項５記載の膨張装置。
前記弁部は、前記弁体が前記弁孔の高圧側に配置され、前記弁孔を介して前記弁体を開弁方向に付勢するスプリングを備えていることを特徴とする請求項３記載の膨張装置。
前記弁部は、前記弁体が前記弁孔の高圧側に配置され、前記低圧冷媒出口の圧力を前記弁体が開弁方向に受圧し、前記低圧冷媒通路の圧力を前記シャフトが閉弁方向に受圧して前記蒸発器の入口側と出口側との差圧による影響をキャンセルするようにしたことを特徴とする請求項３記載の膨張装置。
蒸発器の下流側の冷媒の温度変化を感知して、前記蒸発器に向けて供給される冷媒の流量を制御する弁部を備えた膨張装置において、
前記蒸発器を出た冷媒を通過させる低圧冷媒通路に配置され、通過する冷媒の温度に応じて前記弁部を開弁方向に付勢する荷重が変化する第１の感温アクチュエータと、
前記弁部の低圧側に配置され、絞り膨張された冷媒の温度に応じて前記弁部を閉弁方向に付勢する荷重が変化する第２の感温アクチュエータと、
を備え、前記蒸発器の下流側の温度と上流側の温度とに基づいて前記弁部を開閉制御することを特徴とする膨張装置。
前記弁部を構成し、高圧冷媒入口と低圧冷媒出口との間に形成された弁孔を開閉する弁体と、
前記低圧冷媒通路と前記高圧冷媒入口との間のボディに前記弁体と同一軸線上に形成された貫通孔に進退自在に挿通され、前記第１の感温アクチュエータによる開弁方向の荷重を前記弁体に伝達するシャフトと、
前記貫通孔またはその近傍に配置されて、前記低圧冷媒通路と前記高圧冷媒入口との間の冷媒の流通を遮断するシール部材と、
前記シール部材の前記低圧冷媒通路と反対側の空間に、前記低圧冷媒出口側の冷媒圧力を導入するための低圧導入通路と、
を備えたことを特徴とする請求項９記載の膨張装置。
前記低圧導入通路は、前記弁体の内部に形成された冷媒通路からなることを特徴とする請求項１０記載の膨張装置。
前記ボディに前記貫通孔と前記高圧冷媒入口とを連通させるガイド孔が設けられ、
前記弁体は、前記ガイド孔によりガイドされつつ軸線方向に摺動するガイド部を有し、前記低圧冷媒出口側に開口した導入口から前記冷媒圧力を導入し、前記ガイド部の前記シール部材側に設けられた導出口から前記冷媒圧力を導出するように構成されたこと、
を特徴とする請求項１１記載の膨張装置。
前記ガイド部にラビリンスが周設されたことを特徴とする請求項１２記載の膨張装置。
前記第１の感温アクチュエータおよび前記第２の感温アクチュエータは、それぞれ所定の温度範囲にて荷重が変化する二方向性の形状記憶効果を持った第１の形状記憶合金ばね、第２の形状記憶合金ばねからなることを特徴とする請求項１０記載の膨張装置。
前記第１の形状記憶合金ばねを収容するように前記ボディに取り付けられて、前記第１の形状記憶合金ばねの一端側を支持し、前記低圧冷媒通路に配置されるばねケースと、
前記ばねケース内に収容されるとともに前記シャフトに支持され、前記第１の形状記憶合金ばねの他端側を支持するばね受けと、
を備えたことを特徴とする請求項１４記載の膨張装置。
前記弁孔の低圧側に前記第２の形状記憶合金ばねと並列に配置され、前記弁体を閉弁方向に付勢するバイアス用のスプリングと、
前記第２の形状記憶合金ばねの荷重と前記スプリングの荷重とを独立に調整可能なアジャスト機構と、
を備えたことを特徴とする請求項１４記載の膨張装置。