JP2007033021A - 温度差圧感知弁 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡単で、特別な耐圧構造を必要とすることがなく、ガスクーラ出口の冷媒温度に基づいてガスクーラ出口の冷媒圧力を、冷凍サイクルの効率の良い状態が維持されるように制御することができる温度差圧感知弁を提供する。
【解決手段】ボディ２１に形成された弁孔２４と、その弁孔２４の上流側にて弁孔２４を開閉可能に配置されていて、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する差圧制御弁と、高圧側冷媒温度により弁体２５を閉弁方向に付勢する形状記憶合金ばね３５と、低圧側冷媒温度により弁体２５を開弁方向に付勢する形状記憶合金ばね３９とを備え、形状記憶合金ばね３５が差圧制御弁の開弁する差圧を設定し、形状記憶合金ばね３９がその差圧をシフトしてガスクーラ出口の冷媒圧力を冷凍サイクルの効率の良い圧力値に制御するようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は温度差圧感知弁に関し、特に車輌用エアコンの冷凍サイクルにて冷媒を膨張させる膨張装置に適用することができる温度差圧感知弁に関する。

車輌用エアコンでは、その冷凍サイクルで使用される冷媒としてＨＦＣ−１３４ａが一般に用いられている。しかし、地球環境の問題から、二酸化炭素などを冷媒に使用した冷凍サイクルが提案されている。

図１４は二酸化炭素のモリエル線図である。
二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルにおいても、基本的にＨＦＣ−１３４ａを使用した冷凍サイクルと動作原理は同じである。すなわち、冷媒に二酸化炭素を使用した冷凍サイクルでは、図中、Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ａで示されるように、気相状態の冷媒をコンプレッサにて圧縮して高温高圧の冷媒にし（Ａ−Ｂ）、その高温高圧の冷媒をガスクーラにて冷却し（Ｂ−Ｃ）、冷却された冷媒を膨張装置にて絞り膨張させることで低温低圧の冷媒にし（Ｃ−Ｄ）、その低温低圧の冷媒をエバポレータにて蒸発させる（Ｄ−Ａ）、という動作をする。膨張装置が冷却された冷媒を膨張させる過程で、圧力が飽和液線ＳＬを下回ると、冷媒は気液二相状態になり、それがエバポレータで蒸発するときに、車室内の空気から蒸発潜熱を奪うことで、冷房が行われる。

また、二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルでは、ガスクーラ出口の冷媒とエバポレータ出口の冷媒とを熱交換する内部熱交換器を設けて、エバポレータ入口の冷媒のエンタルピを低下させ、これによって冷凍能力を向上させることも行われている。

ところで、このような冷凍サイクルで使用される膨張装置は、ガスクーラ出口の冷媒の温度と圧力とに応じてエバポレータに供給する冷媒の流量を制御することにより、超臨界領域および臨界圧力以下の領域においても、冷凍サイクルを効率よく運転できることが知られている（たとえば、特許文献１参照。）。

この特許文献１によれば、ガスクーラ出口の冷媒の温度および圧力を、図１４に太い実線で示した最適制御線に沿って制御することにより、冷凍サイクルの成績係数を高く維持しながら冷凍能力を向上できることが開示されている。そのためには、膨張装置は、ガスクーラから内部熱交換器に導入される冷媒の圧力および温度を検出するよう変位部材（ダイヤフラム）によって仕切られた密閉容器を、内部熱交換器からの冷媒を絞り膨張させてエバポレータに導出するよう形成された弁孔の上流側に備え、変位部材の変位で弁孔を上流側から開閉制御する弁構造を有している。密閉容器には、冷媒の温度が０℃での飽和液密度から冷媒の臨界点での飽和液密度までの範囲の密度で冷媒が封入されている。

これにより、膨張装置は、超臨界領域では、６２５ｋｇ／ｍ³の等密度線に沿うように、ガスクーラ出口の冷媒温度に基づいてガスクーラ出口の冷媒圧力を制御し、臨界圧力以下の領域では、ガスクーラ出口の冷媒の過冷却度が所定値となるようにガスクーラ出口の冷媒圧力を制御することができる。すなわち、その膨張装置は、ガスクーラ出口の冷媒の絶対温度と絶対圧力とを感知し、それらによって一義的に特定されるポイントが最適制御線上に沿うよう動作している。
特開平９−２６４６２２号公報（段落番号〔００２０〕、〔００２３〕、〔００２６〕、図１）

しかしながら、特許文献１に開示されているような膨張装置は、密閉容器のダイヤフラムがガスクーラ出口の冷媒の温度および圧力を感知して、内部熱交換器を出た冷媒を絞り膨張させる弁の開度を制御するよう構成されているので、構造が複雑であり、コストが高くなるという問題点があった。

また、ダイヤフラムで仕切られている密閉容器は、高圧の冷媒が封入されていて、常温でも、内圧が１０ＭＰａにもなることがあり、膨張装置を部品として取り扱っているときにダイヤフラムが異常変形しないような特別な耐圧構造にする必要があ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、構造が簡単で、特別な耐圧構造を必要とすることがなく、ガスクーラ出口の冷媒温度に基づいてガスクーラ出口の冷媒圧力を、冷凍サイクルの効率の良い状態が維持されるように制御することのできる温度差圧感知弁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、冷凍サイクルを循環する冷媒の温度および圧力に応じて前記冷媒の流量を制御する温度差圧感知弁において、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、前記差圧制御弁をその上流側にて閉弁方向に付勢するよう配置され、上流側の前記冷媒の温度変化に応じて前記差圧制御弁が開弁する差圧を設定する第１の感温部材と、前記差圧制御弁をその下流側にて開弁方向に付勢するよう配置され、下流側の前記冷媒の温度変化に応じて前記第１の感温部材により設定された前記差圧をシフトさせる第２の感温部材と、を備えていることを特徴とする温度差圧感知弁が提供される。

このような温度差圧感知弁によれば、差圧制御弁の上流側の冷媒の温度によって荷重の変化する第１の感温部材により差圧制御弁が開弁する差圧を設定するとともに、差圧制御弁の下流側の冷媒の温度によって荷重の変化する第２の感温部材により第１の感温部材が設定した差圧をシフトさせるように構成した。これにより、第１の感温部材が設定した差圧制御弁の開弁する差圧に対して、その基準となる差圧制御弁の下流側の冷媒の圧力を、第２の感温部材がその下流側の冷媒の温度に基づいて特定することで、差圧制御弁の上流側の冷媒の圧力を、冷凍サイクルの効率の良い状態が維持されるよう制御することができる。

本発明の温度差圧感知弁は、差圧制御弁と、形状記憶合金ばねのような２つの感温部材とによって構成されているので、非常に構造をシンプルかつ小型にすることができ、さらに、制御しようとする上流側の冷媒の温度に対応した圧力を直接検知するような、ダイヤフラムで仕切られていて高圧の冷媒が封入されているような密閉容器を備えていないので、特別な耐圧構造にする必要がなく、また、そのような高価な感温・感圧部材が不要なことから、構造をシンプルにすることができ、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、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温度差圧感知弁を適用した冷凍サイクルを示すシステム図、図２は第１の実施の形態に係る温度差圧感知弁の構成を示す中央縦断面図である。

冷凍サイクルは、冷媒を圧縮するコンプレッサ１と、圧縮された冷媒を冷却するガスクーラ２と、冷却された冷媒を絞り膨張させる温度差圧感知弁３と、膨張された冷媒を蒸発させるエバポレータ４と、冷凍サイクル中の余剰の冷媒を蓄えておくとともに蒸発された冷媒から気相の冷媒を分離してコンプレッサ１へ送るアキュムレータ５と、ガスクーラ２から温度差圧感知弁３へ流れる冷媒とアキュムレータ５からコンプレッサ１へ流れる冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器６とを備えている。

膨張装置として機能する温度差圧感知弁３は、内部熱交換器６に設けられている。内部熱交換器６は、そのボディ１１に、ガスクーラ２から高圧の冷媒が導入される冷媒入口通路１２を有している。この冷媒入口通路１２は、内部熱交換器６の中を通って冷媒入口通路１２と平行に形成された戻り通路１３に連通している。この戻り通路１３の終端部には、温度差圧感知弁３を取り付ける取付孔１４が形成されている。この取付孔１４は、ボディ１１の外側から戻り通路１３を介して冷媒入口通路１２まで貫通形成されており、温度差圧感知弁３は、その高圧側感温部が冷媒入口通路１２内に位置するように取付孔１４に装着されている。取付孔１４に温度差圧感知弁３が装着された状態で、その取付孔１４の開口端には、エバポレータ４に通じる配管１５がボディ１１に取り付けられている。この配管１５は、内径が温度差圧感知弁３の外径よりも若干小さく形成されており、温度差圧感知弁３が高圧の冷媒によって取付孔１４から抜け出てしまわないようにしている。

内部熱交換器６に設けられた温度差圧感知弁３は、図２に示したように、ボディ２１を有し、そのボディ２１は、その中央側部に戻り通路１３の冷媒を導入する冷媒導入溝２２が周設されており、その冷媒導入溝２２は、ボディ２１の中央に向かって冷媒入口２３が設けられている。ボディ２１は、また、その下部中央部に弁孔２４が軸線方向に設けられ、その弁孔２４の上流側は、冷媒入口２３に連通されている。また、弁孔２４の上流側には、これを開閉する弁体２５が軸線方向に進退自在に配置されている。この弁体２５は、冷媒入口２３に導入された冷媒の圧力が開弁方向に受圧するように弁孔２４の内径よりも大きな外径を有し、ボディ２１に軸線方向に摺動自在に支持されている。これにより、弁体２５は、弁孔２４の上流側の圧力と下流側の圧力との差圧によって開閉する差圧制御弁を構成している。

ボディ２１の弁体支持部よりも図の上部は、筒状のシリンダ２６が一体に形成されており、その中には、弁体２５と同軸上に延びて一体に形成されたピストン２７が配置されている。このピストン２７は、ボディ２１に支持されている部分の弁体２５の外径よりも大きな外径を有している。

弁体２５およびピストン２７は、その軸線方向に中央通路２８が形成され、この中央通路２８は、ピストン２７に形成されたオリフィス２９を介してその上部の空間に連通し、また、横孔３０を介してピストン２７の下部の空間にも連通している。ピストン２７の下部の空間が横孔３０および中央通路２８を介してこの温度差圧感知弁３の冷媒出口３１に連通しているので、差圧制御弁が全閉しているときは、弁体２５とこれを支持しているボディ２１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２６の上部は、プラグ３２が圧入されていて、ピストン２７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２９を介して温度差圧感知弁３の下流側に連通されていてダンパ部のダンパ室３３を構成している。このダンパ部によれば、温度差圧感知弁３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２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２５は、その急激な圧力変化に追従して弁リフトを変化しようとするが、ダンパ室３３内の冷媒がオリフィス２９を介して給排気するので、弁体２５と一体のピストン２７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２５の開閉方向の動きは、緩慢になって、弁体２５の急激な開閉動作を抑制することができる。

そのダンパ室３３の中には、ピストン２７を介して弁体２５を閉弁方向に付勢するスプリング３４および感温部材としての形状記憶合金ばね３５が配置されている。スプリング３４は、プラグ３２のシリンダ２６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。形状記憶合金ばね３５は、内部熱交換器６の冷媒入口通路１２を流れる冷媒の温度を感知するようスプリング３４の外側でシリンダ２６の近くに配置され、この温度差圧感知弁３の高圧側感温部を構成している。形状記憶合金ばね３５は、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、変態点より低い温度では、ばね荷重が小さく、変態点より高い温度になると、ばね荷重が温度変化に比例して大きくなる特性を有している。したがって、形状記憶合金ばね３５は、差圧制御弁が開弁する設定差圧を温度に応じて変化させる感温アクチュエータとして機能している。

そして、弁孔２４の下流側にも、シリンダ３６がボディ２１と一体に形成されており、その中に、軸線方向に進退自在に付勢力伝達部材３７が配置されている。この付勢力伝達部材３７は、弁孔２４を貫通するよう配置され弁体２５と一体に形成された筒状延出部３８の端面と当接され、この温度差圧感知弁３の低圧側感温部の感温部材としての形状記憶合金ばね３９によって弁体２５を開弁方向に付勢している。付勢力伝達部材３７は、その中央に中央通路２８と連通する貫通孔が設けられ、円周方向には弁孔２４と冷媒出口３１とを連通させる複数の切り欠き部が設けられている。これにより、差圧制御弁によって絞り膨張された冷媒は、付勢力伝達部材３７の切り欠き部を介して通過した後、低圧側感温部の形状記憶合金ばね３９を横切って冷媒出口３１へと流れていく。形状記憶合金ばね３９の下端は、シリンダ３６の開口端に圧入されたばね受け部材４０によって支持され、その設定荷重は、ばね受け部材４０のシリンダ３６への圧入量によって調整される。

なお、ボディ２１の冷媒導入溝２２を挟んだ両側には、シール用のＯリング４１，４２が周設されている。Ｏリング４１は、温度差圧感知弁３を取付孔１４に装着したときに、冷媒入口通路１２と戻り通路１３との間をシールし、Ｏリング４２は、戻り通路１３と配管１５との間をシールする。

以上の構成の温度差圧感知弁３において、ガスクーラ２から導入された高圧の冷媒の温度が所定の温度範囲以下にあるとき、形状記憶合金ばね３５は、マルテンサイト相であり、ばね荷重が小さい。そのため、スプリング３４と形状記憶合金ばね３５との合成荷重は小さく、差圧制御弁が開弁する設定差圧は小さい値に設定されることになる。同様に、低圧の冷媒の温度を感知する形状記憶合金ばね３９においても、差圧制御弁によって絞り膨張された低圧の冷媒の温度が所定の温度範囲以下にあるとき、ばね荷重は小さく、差圧制御弁を開弁方向に付勢する設定差圧は小さい値に設定されることになる。

高圧の冷媒の温度が上昇して形状記憶合金ばね３５の変態点を超え、所定の温度範囲に入ると、形状記憶合金ばね３５は相変態して母相になり、温度変化に対してばね荷重が変化するようになり、スプリング３４と形状記憶合金ばね３５との合成荷重も、温度変化とともに変化し、差圧制御弁が開弁する設定差圧は温度上昇とともに大きな値に設定されることになる。形状記憶合金ばね３９においても、差圧制御弁によって絞り膨張された低圧の冷媒の温度が所定の温度範囲に入ると、ばね荷重は大きくなり、低圧の冷媒の温度が上昇するとともに差圧制御弁を開弁方向に付勢する設定差圧は大きな値に設定されることになる。

そして、高圧の冷媒の温度がさらに上昇して所定の温度範囲を超えると、形状記憶合金ばね３５のばね荷重の増加率が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。形状記憶合金ばね３９においても、低圧の冷媒の温度が所定の温度範囲を超えると、ばね荷重の増加率が低下して飽和状態になる。

逆に、この形状記憶合金ばね３５および形状記憶合金ばね３９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３５および形状記憶合金ばね３９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。

つまり、この温度差圧感知弁３は、まず、高圧側感温部の形状記憶合金ばね３５がガスクーラ２出口の冷媒の温度に対して差圧（図１４のＣ−Ｄ間の相対圧力）を設定する。ここでは、差圧が設定されただけで、ガスクーラ２出口の冷媒の圧力（図１４のＣの圧力）が必ずしも冷凍サイクルの効率の良い圧力値になっているわけではない。そこで、次に、低圧側感温部の形状記憶合金ばね３９が膨張した冷媒の温度に対する圧力（図１４のＤの絶対圧力）を特定する。これにより、ガスクーラ２出口の冷媒の圧力は、エバポレータ４入口の冷媒の圧力を基準として差圧が上乗せされた値に一義的に特定される。これにより、スプリング３４、高圧側感温部の形状記憶合金ばね３５および低圧側感温部の形状記憶合金ばね３９のばね荷重を適切に設定することによって、ガスクーラ２出口の冷媒の圧力を、冷凍サイクルの効率の良い圧力値（すなわち、図１４に示した最適制御線に近似する直線上の圧力値）に制御することができる。

次に、高圧側感温部の形状記憶合金ばね３５および低圧側感温部の形状記憶合金ばね３９の具体的な設定例について説明する。
図３は高圧側冷媒温度および低圧側冷媒温度に対する差圧の設定例を示す図である。

この設定例によれば、高圧側感温部の形状記憶合金ばね３５は、高圧側冷媒温度の５℃の変化に対して差圧を１ＭＰａずつ変化させるよう設定され、低圧側感温部の形状記憶合金ばね３９は、高圧側感温部の形状記憶合金ばね３５で設定された差圧を低圧側冷媒温度の１０℃の変化に対して１．１ＭＰａずつシフトさせるよう設定されている。しかし、これらの設定差圧は、当然ながら適用する冷凍サイクルによって最適化する必要があるが、それでも、実験結果から、概ね上記した設定差圧の±２０％以内になっている。その範囲を超えた差圧に設定すると、ガスクーラ２出口の冷媒の圧力が制御しようとする制御直線から大きく逸脱してしまって冷凍サイクルの効率が悪化することになる。

図４は温度差圧感知弁の特性を示す図である。
この特性図は、温度差圧感知弁３の高圧側、すなわちガスクーラ出口の冷媒の温度と圧力との関係を示している。温度差圧感知弁３の高圧側の形状記憶合金ばね３５および低圧側の形状記憶合金ばね３９を上記のように設定することによって、ガスクーラ出口の冷媒の圧力は、特性Ａで示したように、温度が上昇するに従って比例的に上昇しており、温度差圧感知弁３がこのような特性Ａとなるよう変化することによって冷凍サイクルは効率よく運転することができる。

しかし、温度差圧感知弁３の高圧側の圧力は、ガスクーラ２の耐圧の関係から、高くなり過ぎるのは好ましくない。そこで、通常は、高圧側の圧力を圧力センサで監視していて、高圧側の圧力が所定の圧力（たとえば１３ＭＰａ）を超えるようなことがあると、コンプレッサ１の能力を低下させるように制御して所定の圧力よりも高くならないようにしている。この温度差圧感知弁３では、コンプレッサ１の側を制御することなく、自身で高圧側の圧力が所定の圧力よりも上がらないように制御している。

すなわち、形状記憶合金ばねは、温度変化に対するばね荷重の変化の特性が直線的ではなくいわゆるＳ字特性になっていて、母相では温度変化に対してばね荷重がほぼ直線的に変化するが、母相からオーステナイト相へ変態する温度以上では、温度増加に対するばね荷重の増加率が極端に低下する特性を有している。つまり、形状記憶合金ばねは、その変態温度よりも温度が高くなってもばね荷重が増えない特性を有している。したがって、高圧側に設けられた形状記憶合金ばね３５は、高温側の変態温度、すなわち母相とオーステナイト相との間で変態を開始する温度が高圧側で圧力上昇を制限したい所定の圧力に相当する温度の近傍に設定されることで、差圧制御弁を閉弁方向に付勢するばね荷重がその温度を超えて高くなってもほとんど増加しなくなるので、図４に特性Ｂで示したように、ガスクーラ出口の冷媒の温度が所定の温度（たとえば５０℃）を超えて高くなると、圧力の増加が緩慢になる。

このように、高圧側の冷媒の温度が高く、圧力が高いということは、エアコンの起動時または車室内外の空気温度が非常に高いときのように、冷凍サイクルの冷凍負荷が大きく、コンプレッサ１がその最大容量で運転しているときであるので、そのようなときに高圧側の圧力が許容圧力を超えないように温度差圧感知弁３が高圧側の圧力を制御するため、コンプレッサ１はその最大容量での運転を継続させることができる。

図５は第２の実施の形態に係る温度差圧感知弁の構成を示す中央縦断面図である。この図５において、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温度差圧感知弁３ａは、第１の実施の形態に係る温度差圧感知弁３と比較して、低圧側感温部の形状記憶合金ばね３９による作用点を弁体２５と一体に形成された筒状延出部３８の先端からダンパ部のピストン２７にしている点で異なっている。すなわち、付勢力伝達部材３７は、その中央部が中央通路２８を介して軸線方向に延出したシャフト４３が一体に形成されており、その端面がピストン２７に当接している。ピストン２７は、その外周の一部に軸線方向に延びる溝が形成されていて、この溝がダンパ室３３と冷媒出口３１とを連通させるオリフィス２９を構成している。

この温度差圧感知弁３ａの構成によれば、低圧側感温部の形状記憶合金ばね３９による開弁方向の付勢力を、弁体２５が軸線方向に摺動自在に支持されている弁体支持部を通り越した場所にて作用させるようにしているので、形状記憶合金ばね３９によって軸線方向に付勢される弁体２５は、ボディ２１の弁体支持部でこじられることなくスムーズに開閉動作することができる。

この温度差圧感知弁３ａの動作は、第１の実施の形態に係る温度差圧感知弁３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６は第３の実施の形態に係る温度差圧感知弁の構成を示す中央縦断面図である。この図６において、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温度差圧感知弁３ｂは、差圧制御弁の弁座が、第１の実施の形態に係る温度差圧感知弁３では、ボディ２１に形成されていて固定されているのに対し、軸線方向に可変するようにした点で異なる。

すなわち、弁体２５およびピストン２７と同一軸線上に筒状弁座４４が軸線方向に摺動自在にボディ２１に支持されている。この筒状弁座４４は、その外径がボディ２１に支持されている部分の弁体２５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２５は、筒状弁座４４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４４の上流側端面の外周縁部に着座するようにしている。

筒状弁座４４は、その外側に筒状の付勢力伝達部材３７が固着されており、その付勢力伝達部材３７とボディ２１との間に低圧側感温部の形状記憶合金ばね３９が配置され、付勢力伝達部材３７とばね受け部材４０との間には、スプリング４５が配置されている。形状記憶合金ばね３９は、筒状弁座４４を弁体２５から離れる方向、すなわち開弁方向に付勢している。スプリング４５は、形状記憶合金ばね３９の荷重特性を調節するために設けられ、その設定荷重は、ばね受け部材４０がシリンダ３６に圧入される量を変更することによって調節される。

また、この温度差圧感知弁３ｂにおいては、筒状弁座４４自身もガス冷媒の急激な圧力変化を受けて軸線方向に動くことができる構造なので、筒状弁座４４に固定された付勢力伝達部材３７とシリンダ３６との間およびシリンダ３６に圧入されたばね受け部材４０と筒状弁座４４との間のクリアランスを小さくして、それらによって囲まれた空間をダンパ部のダンパ室３３とすることもできる。

この温度差圧感知弁３ｂにおいても、その動作は、第１の実施の形態に係る温度差圧感知弁３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７は第４の実施の形態に係る温度差圧感知弁の構成を示す中央縦断面図である。この図７において、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温度差圧感知弁３ｃは、第１の実施の形態に係る温度差圧感知弁３と比較して、その差圧制御弁にて高温のガス冷媒が絞り膨張されることによって低温になった冷媒の温度が高圧側感温部の形状記憶合金ばね３５に伝えにくいように構成した点、および付勢力伝達部材３７を筒状延出部３８の先端に嵌合させている点で異なる。

すなわち、この温度差圧感知弁３ｃでは、弁体２５と一体に形成されたピストン２７の外周に断熱溝４６が設けられている。ピストン２７に断熱溝４６を設けたことにより、ピストン２７の下部の部屋から形状記憶合金ばね３５との接触位置までの熱抵抗率を増加させることができるので、中央通路２８を介して低温の冷媒出口３１に連通しているピストン２７の下部の部屋の熱が形状記憶合金ばね３５に伝わりにくくなり、高圧側感温部の感温エラーを少なくすることができる。

図８は第５の実施の形態に係る温度差圧感知弁の構成を示す中央縦断面図である。この図８において、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５の実施の形態に係る温度差圧感知弁３ｄは、第１の実施の形態に係る温度差圧感知弁３と比較して、差圧制御弁の弁体２５を弁孔２４の下流側に配置して上流側の圧力と下流側の圧力との差圧で弁体２５を押し開けるようにしている点で異なる。

すなわち、この温度差圧感知弁３ｄでは、ボディ２１に形成された弁孔２４と同軸の貫通孔にシャフト３７ａが軸線方向に進退自在に保持されており、そのシャフト３７ａの上端にはばね受け部材３７ｂが係止され、スプリング３４および形状記憶合金ばね３５によって図の上方（閉弁方向）へ付勢されている。シャフト３７ａの下端部は、弁孔２４を貫通して延びており、弁孔２４の下流側に配置された弁体２５が固定されている。この弁体２５は、付勢力伝達部材３７が一体に形成され、これを介して形状記憶合金ばね３９により図の下方（開弁方向）へ付勢され、荷重特性調整用のスプリング３４ａにより図の上方（閉弁方向）へ付勢されるようになっている。

以上の構成の温度差圧感知弁３ｄにおいても、差圧制御弁が冷媒入口２３に導入される上流側の冷媒の圧力と冷媒出口３１より導出される下流側の冷媒の圧力との差圧に応じて開閉動作し、形状記憶合金ばね３５が上流側の冷媒の温度を感知して差圧制御弁が開き始める差圧を設定し、形状記憶合金ばね３９が下流側の冷媒の温度を感知して差圧の基準値を設定することにより、冷媒入口２３に導入される上流側の冷媒の圧力は、基準値に差圧を上乗せした圧力値にシフトされる。

図９は第６の実施の形態に係る温度差圧感知弁を内部熱交換器へ設置した状態で示す中央縦断面図である。この図９において、図１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６の実施の形態に係る温度差圧感知弁３ｅは、第５の実施の形態に係る温度差圧感知弁３ｄと比較して、高圧側感温部の形状記憶合金ばね３５が感温エラーを起こさないようにした点および高圧側の荷重特性調整用のスプリング３４を省略した点で異なる。

すなわち、この温度差圧感知弁３ｅは、ボディ２１の先端にカップ状のケース３２ａが冠着され、その中に形状記憶合金ばね３５が収容され、保護されている。ケース３２ａは、熱伝導性の優れた材料、たとえばアルミニウム、真鍮などからなる板厚の薄いプレス品によって形成されている。

形状記憶合金ばね３５のばね荷重をシャフト３７ａに伝達するばね受け部材３７ｂは、ケース３２ａ内に摺動可能に配置され、ケース３２ａの頂部にダンパ室を構成する空間を形成している。形状記憶合金ばね３５が配置されているケース３２ａの側面には、均圧用の通気孔３２ｂが穿設されている。

ボディ２１の図の上方の端面には、形状記憶合金ばね３５を受けるスプリングガイド４６ａが嵌合されている。このスプリングガイド４６ａは、たとえば樹脂のような断熱材によって形成されている。ボディ２１とスプリングガイド４６ａとの間のシャフト３７ａ周りの空間には、Ｖパッキン４６ｂが配置され、ガスクーラ２から内部熱交換器６の冷媒入口通路１２に導入された冷媒がボディ２１とシャフト３７ａとの間のクリアランスを介して差圧制御弁の冷媒入口２３に漏れ出ないようにし、冷媒入口通路１２の側に対して温度の影響がないようにしている。なお、冷媒入口通路１２に連通する冷媒導入溝２２の周りには、これを覆うようにして、冷媒中の異物を除去するストレーナ４９が周設されている。

以上のような構成の温度差圧感知弁３ｅは、内部熱交換器６の冷媒入口通路１２に導入された冷媒がケース３２ａを横切って流れるときに、冷媒の温度が板厚の薄いケース３２ａを介して間接的に形状記憶合金ばね３５に伝熱され、一部は通気孔３２ｂを通って形状記憶合金ばね３５に直接伝熱される。一方、ボディ２１は、差圧制御弁による冷媒の絞り膨張によって冷やされているため、冷媒入口通路１２や戻り通路１３における冷媒よりも温度が低下しているが、その温度は、スプリングガイド４６ａによって断熱されているため、形状記憶合金ばね３５に伝熱されることはない。このため、高圧側感温部は、ガスクーラ２の出口の冷媒温度を正確に感知することができ、感温エラーによる差圧設定のずれをなくすことができる。

図１０は第７の実施の形態に係る温度差圧感知弁を内部熱交換器へ設置した状態で示す中央縦断面図である。この図１０において、図９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７の実施の形態に係る温度差圧感知弁３ｆは、第６の実施の形態に係る温度差圧感知弁３ｅと比較して、高圧側感温部を密閉構造にした点で異なる。すなわち、この温度差圧感知弁３ｆは、第６の実施の形態に係る温度差圧感知弁３ｅにあったケース３２ａの通気孔３２ｂおよびボディ２１とスプリングガイド４６ａとの間に配置されていたＶパッキン４６ｂが除かれ、構成が簡素化されている。

この温度差圧感知弁３ｆは、高圧側感温部が密閉構造になっているが、冷凍サイクルに組み込まれて冷媒が充填されるときには、高圧の冷媒が冷媒入口通路１２からボディ２１とシャフト３７ａとの間のクリアランスを介してケース３２ａの形状記憶合金ばね３５が収容された空間に導入されるので、ケース３２ａの中は、内部熱交換器６の冷媒入口通路１２の圧力よりも内部熱交換器６内の圧力損失分だけ低い圧力となり、ケース３２ａが高圧の冷媒によって圧潰されることはない。

以上の実施の形態では、温度差圧感知弁３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆを冷凍サイクルの膨張装置として内部熱交換器６に設置した場合を例にして詳述したが、構造が簡単で小型化が可能であることから、これらを冷凍サイクルの細い配管内に設置することができる。以下、温度差圧感知弁３ａ，３ｂ，３ｄとほぼ同じ構成を有する温度差圧感知弁３ａａ，３ｂａ，３ｄａを配管へ設置した例について説明する。

図１１は第８の実施の形態に係る温度差圧感知弁の配管への設置例を示す断面図、図１２は第９の実施の形態に係る温度差圧感知弁の配管への設置例を示す断面図、図１３は第１０の実施の形態に係る温度差圧感知弁の配管への設置例を示す断面図である。

まず、図１１に示す設置例によれば、第８の実施の形態に係る温度差圧感知弁３ａａは、冷凍サイクルの内部熱交換器６とエバポレータ４との間に接続される冷媒循環用の配管４７内に設置される。配管４７は、図の上部が内部熱交換器６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４へ冷媒が流出していく下流側になっていて、上流側の内径が下流側の内径より大きくなるように絞りまたは拡開加工されることで途中に段差４８が形成されている。温度差圧感知弁３ａａは、その段差４８の上流側に挿置されている。

温度差圧感知弁３ａａは、温度差圧感知弁３ａからＯリング４１を除いた以外は、ほぼ同じ形状を有し、Ｏリング４２が周設されている部分のボディ２１の外径に対してシリンダ２６の外径が小さく形成されている。これにより、配管４７とシリンダ２６との間に冷媒通路が形成され、内部熱交換器６から流れてきた冷媒は、その冷媒通路を介して冷媒入口２３が設けられている冷媒導入溝２２へ導入されるようになっている。

また、ボディ２１のＯリング４２が周設されている部分は、外径が配管４７の段差４８より下流側の内径より大きく、段差４８より上流側の内径よりは若干小さく形成されているので、配管４７に挿入された温度差圧感知弁３ａａは、流入される高圧の冷媒によってボディ２１が段差４８に押し付けられることで配管４７内に位置決めされる。

この温度差圧感知弁３ａａにおいても、その動作は、第１の実施の形態に係る温度差圧感知弁３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１２に示した第９の実施の形態に係る温度差圧感知弁３ｂａについても温度差圧感知弁３ｂからＯリング４１を除いた以外は、ほぼ同じ形状を有し、冷媒は、配管４７とシリンダ２６との間の隙間を通って冷媒入口２３へ導入される。このとき、高圧側感温部の形状記憶合金ばね３５が高圧の冷媒の温度を感知し、スプリング３４とともに差圧制御弁が開弁する差圧を設定する。

温度差圧感知弁３ｂａの前後の差圧が大きくなって差圧制御弁が開くと、冷媒は弁体２５と筒状弁座４４との隙間および筒状弁座４４の中空部を通って冷媒出口３１より流出する。冷媒は、弁体２５と筒状弁座４４との隙間を通るときに絞り膨張されて低温・低圧の冷媒となる。その低温の冷媒が筒状弁座４４を支持している部分より下流側のシリンダ３６内を充満することによって低圧側感温部の形状記憶合金ばね３９が低温の冷媒の温度を感知して筒状弁座４４の弁座位置を軸線方向に制御する。

図１３に示した第１０の実施の形態に係る温度差圧感知弁３ｄａは、温度差圧感知弁３ｄからＯリング４１と、高圧側感温部の荷重特性調整用のスプリング３４と、シリンダ２６の上部開口部に嵌合されたプラグ３２とを除いた形状を有している。

内部熱交換器６を出た冷媒は、配管４７とシリンダ２６との間の隙間を通って冷媒入口２３へ導入される。このとき、高圧側感温部の形状記憶合金ばね３５が高圧の冷媒の温度を感知し、差圧制御弁が開弁する差圧を設定する。温度差圧感知弁３ｄａの前後の差圧が形状記憶合金ばね３５によって設定された差圧を超えると、差圧制御弁が開き始める。これにより、冷媒入口２３へ導入された冷媒は、弁体２５と対向する弁座との隙間を通るときに絞り膨張されて低温・低圧の冷媒となり、低圧側感温部の形状記憶合金ばね３９がその冷媒の温度を感知し、差圧制御弁が開き始める差圧の基準値を設定するよう弁体２５を軸線方向に制御する。

なお、以上の実施の形態では、高圧側感温部および低圧側感温部の感温部材として形状記憶合金ばね３５，３９によるアクチュエータを使用したが、本発明はこれに限定されるものではない。たとえば、温度によって荷重が変化する感温部材として、たとえばバイメタルで構成したアクチュエータまたはダイヤフラムによって密閉された容器に温度によって体積が変化するワックスを封入したアクチュエータを用いることもできる。

第１の実施の形態に係る温度差圧感知弁を適用した冷凍サイクルを示すシステム図である。 第１の実施の形態に係る温度差圧感知弁の構成を示す中央縦断面図である。 高圧側冷媒温度および低圧側冷媒温度に対する差圧の設定例を示す図である。 温度差圧感知弁の特性を示す図である。 第２の実施の形態に係る温度差圧感知弁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温度差圧感知弁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温度差圧感知弁の構成を示す中央縦断面図である。 第５の実施の形態に係る温度差圧感知弁の構成を示す中央縦断面図である。 第６の実施の形態に係る温度差圧感知弁を内部熱交換器へ設置した状態で示す中央縦断面図である。 第７の実施の形態に係る温度差圧感知弁を内部熱交換器へ設置した状態で示す中央縦断面図である。 第８の実施の形態に係る温度差圧感知弁の配管への設置例を示す断面図である。 第９の実施の形態に係る温度差圧感知弁の配管への設置例を示す断面図である。 第１０の実施の形態に係る温度差圧感知弁の配管への設置例を示す断面図である。 二酸化炭素のモリエル線図である。

符号の説明

１ コンプレッサ
２ ガスクーラ
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ａａ，３ｂａ，３ｄａ 温度差圧感知弁
４ エバポレータ
５ アキュムレータ
６ 内部熱交換器
１１ ボディ
１２ 冷媒入口通路
１３ 戻り通路
１４ 取付孔
１５ 配管
２１ ボディ
２２ 冷媒導入溝
２３ 冷媒入口
２４ 弁孔
２５ 弁体
２６ シリンダ
２７ ピストン
２８ 中央通路
２９ オリフィス
３０ 横孔
３１ 冷媒出口
３２ プラグ
３２ａ ケース
３２ｂ 通気孔
３３ ダンパ室
３４，３４ａ スプリング
３５ 形状記憶合金ばね（第１の感温部材）
３６ シリンダ
３７ 付勢力伝達部材
３７ａ シャフト
３７ｂ ばね受け部材
３８ 筒状延出部
３９ 形状記憶合金ばね（第２の感温部材）
４０ ばね受け部材
４１，４２ Ｏリング
４３ シャフト
４４ 筒状弁座
４５ スプリング
４６ 断熱溝
４６ａ スプリングガイド
４６ｂ Ｖパッキン
４７ 配管
４８ 段差
４９ ストレーナ

Claims (14)

1. 冷凍サイクルを循環する冷媒の温度および圧力に応じて前記冷媒の流量を制御する温度差圧感知弁において、
   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、
   前記差圧制御弁をその上流側にて閉弁方向に付勢するよう配置され、上流側の前記冷媒の温度変化に応じて前記差圧制御弁が開弁する差圧を設定する第１の感温部材と、
   前記差圧制御弁をその下流側にて開弁方向に付勢するよう配置され、下流側の前記冷媒の温度変化に応じて前記第１の感温部材により設定された前記差圧をシフトさせる第２の感温部材と、
   を備えていることを特徴とする温度差圧感知弁。
2. 前記第１の感温部材および前記第２の感温部材は、それぞれ、所定の温度範囲内にて上流側または下流側の前記冷媒の温度変化に応じて前記差圧制御弁を閉弁方向または開弁方向に付勢する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記載の温度差圧感知弁。
3. 前記第１の感温部材および／または前記第２の感温部材は、前記形状記憶合金ばねの荷重特性を調節するスプリングを備えていることを特徴とする請求項２記載の温度差圧感知弁。
4. 前記第１の感温部材の前記形状記憶合金ばねは、高温側の変態温度が高圧側で圧力上昇を制限したい所定の圧力に相当する温度の近傍に設定されていることを特徴とする請求項２記載の温度差圧感知弁。
5. 前記差圧制御弁は、ボディ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の内径よりも大きな外径を有する部分が前記弁孔を開閉するよう軸線方向に進退自在に前記ボディに支持され、前記弁孔に対向する側と反対側が軸線方向に貫通した中央通路を介して前記弁孔の下流側に連通している弁体とを有し、前記第２の感温部材が前記弁孔を介して前記弁体を開弁方向に付勢するよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の温度差圧感知弁。
6. 前記差圧制御弁の前記弁体に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差圧制御弁の下流側と連通されているダンパ室とを有するダンパ部を備えていることを特徴とする請求項５記載の温度差圧感知弁。
7. 前記ピストンは、前記差圧制御弁の前記弁体と一体に形成されていることを特徴とする請求項６記載の温度差圧感知弁。
8. 前記ピストンは、前記第１の感温部材による閉弁方向の付勢力を受けており、外周に断熱溝が形成されていることを特徴とする請求項７記載の温度差圧感知弁。
9. 前記差圧制御弁は、ボディの中心に軸線方向に摺動自在に支持された筒状弁座と、前記冷媒が導入される前記筒状弁座の上流側にて前記筒状弁座の外径よりも大きな外径を有する部分が前記筒状弁座を開閉するよう軸線方向に進退自在に前記ボディに支持され、前記筒状弁座に対向する側と反対側が軸線方向に貫通した中央通路を介して前記筒状弁座の中空部に連通している弁体とを有し、前記第２の感温部材が前記筒状弁座を前記弁体から離れる方向に付勢するよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の温度差圧感知弁。
10. 前記差圧制御弁は、ボディの中心に軸線方向に形成された弁孔と、前記弁孔の下流側にて前記弁孔を開閉するよう配置された弁体と、軸線方向に進退自在に前記ボディに支持され、前記弁孔を貫通して延びる一端が前記弁体に固定され、他端には前記第１の感温部材が前記弁体を閉弁方向に付勢するよう係止されたシャフトとを有し、前記第２の感温部材が前記弁体を開弁方向に付勢するよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の温度差圧感知弁。
11. 前記第１の感温部材と前記ボディとの間に配置された断熱材を備え、前記ボディから前記第１の感温部材への熱伝達による感温エラーを防止するようにしたことを特徴とする請求項１０記載の温度差圧感知弁。
12. 前記第１の感温部材は、熱伝導性の優れた板厚の薄いケースによって覆われていることを特徴とする請求項１０記載の温度差圧感知弁。
13. 前記第１の感温部材が配置されている前記ケースの側面に設けられた通気孔と、前記シャフトとこれを支持する前記ボディとの間のクリアランスを塞ぐパッキンとを有していることを特徴とする請求項１２記載の温度差圧感知弁。
14. 前記第１の感温部材は、高圧側冷媒温度の５℃の変化に対して前記差圧を１ＭＰａ±２０％ずつ変化させるよう設定され、前記第２の感温部材は、低圧側冷媒温度の１０℃の変化に対して前記差圧を１．１ＭＰａ±２０％ずつシフトさせるよう設定されていることを特徴とする請求項１記載の温度差圧感知弁。
    

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