JP2007139209A - 冷凍サイクル用圧力制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】小型でかつ外気温度の影響等を受けにくい超臨界冷凍サイクルの圧力制御弁。
【解決手段】蒸気圧縮式超臨界冷凍サイクルの圧力制御弁１００であって、ダイヤフラム３２上部の密閉空間９１に冷媒が封入されており、ダイヤフラム３２に連結された弁３１に冷凍サイクル内冷媒の圧力を作用させて、前記密閉空間９１内の冷媒圧力と前記冷凍サイクル内冷媒の圧力のバランスに従って前記弁３１を開閉し、前記密閉空間９１は、冷媒温度を検出して実質上感温機能を有する箇所９２、９１ａと連通しており、前記実質上感温機能を有する箇所９２、９１ａの容積Ａを、前記密閉空間９１と連通する総容積（Ａ＋Ｂ）の５０％以上としたことを特徴とする圧力制御弁１００。
【選択図】図２

Description

本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルの放熱器（ガスクーラ）出口側の冷媒温度に基づいて放熱器出口側の冷媒圧力を制御する冷凍サイクル用膨張弁に関し、特に二酸化炭素（ＣＯ₂）等の超臨界域で冷媒を使用する超臨界冷凍サイクルに好適なものである。

一般に車両用空調装置として、図４に示すようにコンプレッサ（圧縮機）１、ガスクーラ（放熱器）２、膨張弁３、エバポレータ（蒸発器）４及びアキュムレータ５等により構成される密閉した回路にＣＯ₂を冷媒として循環させる蒸気圧縮式冷凍サイクルを使用することが知られている。また、図１に示すように、上記冷凍サイクルに内部熱交換器８を付加したサイクルも良く知られている。このような蒸気圧縮式冷凍サイクルに使用される機械式膨張弁として、従来より特許文献１から３に示される圧力制御弁が知られている。

一方、従来のＨＦＣ１３４ａを冷媒としたサイクルでは、エバポレータ出口の冷媒のスーパーヒート量を制御するため、図１１のような膨張弁が用いられていた。スーパーヒート量を制御するには、エバポレータ出口の冷媒温度を正確に検出する必要がある。冷媒温度を正確に検出するには、図１１に示すカセット式膨張弁のように、感温部全体を冷媒通路内に配置する形式が最適である。この形式の膨張弁をＣＯ_２冷媒に適用した例が特許文献２に開示されている。

しかし、ＣＯ_２冷媒用膨張弁では、ガスクーラ出口の高圧冷媒温度を検出する時、感温部全体を冷媒通路内に配置する上記方式（図１１）では、冷媒通路の通路断面積が大きいため、強度上感温部に関連するハウジングの肉厚が増加し、弁装置の体積、重量が増加する。

このため、外置きの感温筒を用いる形式（図２）、またはハウジング内の冷媒通路を通過する冷媒よりダイヤフラム下面において温度を検出する形式（図３）の弁装置であれば、弁装置の体積、重量が増加することは無く有利なようにも思える。しかし、これらの形式の弁装置をＣＯ_２冷媒に適用した場合、以下の問題点がある。

すなわち、従来のＨＦＣ１３４ａを冷媒としたサイクルでは、冷媒温度を検出するための感温部やダイヤフラム上部空間に封入された冷媒は、気液二相状態で使用される。感温部の温度は、エンジンルームや車室内温度より低温であるため、感温部において冷媒が凝縮し液体となる。気液二相状態では、飽和温度（すなわち冷媒液温度）により冷媒圧力が決定されるため、感温部の冷媒温度により冷媒圧力が決定される。このため、感温部内の圧力は、感温部以外の場所の温度の影響を受けることは無いこととなる。

これに比し、ＣＯ_２冷媒を冷媒としたサイクルでは、冷媒温度を検出するための感温部等に封入された冷媒は、超臨界状態で使用される。このため、感温部の冷媒温度のみでは冷媒圧力が定まらず、感温部以外の場所、すなわち外気温度の影響を受けるダイヤフラム上部空間やキャピラリ管内の冷媒温度の影響を受けることとなる。

一方、膨張弁においては、感温部が検出するサイクル内冷媒温度に基づいて弁の開閉を実行する設計思想となっている。そして、サイクル内冷媒温度に対応する感温部の封入冷媒温度に相当するパラメータとして封入冷媒の圧力すなわち制御圧力を用いている。

ということは、ＣＯ_２冷媒を冷媒としたサイクルでは、制御圧力としての封入冷媒圧力が、感温部の封入冷媒温度に対応する冷媒圧力と一致しなくなる結果となる。すなわち、膨張弁の制御温度点がずれる結果となり膨張弁の制御特性が悪化することとなる。

特開平９−２６４６２２号公報 特開２０００−１９３３４７号公報 特願２００５−００６３４４号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型でかつ外気温度の影響等を受けにくい超臨界冷凍サイクルの圧力制御弁を提供することである。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載の超臨界冷凍サイクルの圧力制御弁を提供する。
請求項１に記載の発明によれば、圧力制御弁は、実質上感温機能を有する箇所９２、９１ａの容積Ａを、密閉空間９１と連通する総容積（Ａ＋Ｂ）の５０％以上としたことを特徴としている。これにより、外気温度の影響等を受けやすい実質上感温機能を有しない箇所の冷媒容積を少なくすることにより、正確な温度制御が可能な圧力制御弁を提供することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、圧力制御弁は、冷媒温度を検出する感温筒９２とダイヤフラム３２上部の密閉空間９１とをキャピラリ管９３で連結したことを特徴としている。これにより、小型の圧力制御弁を提供することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、圧力制御弁は、ダイヤフラム連結弁３１の上部に、密閉空間９１と連通した凹部３１ｄを設けたことを特徴としている。ＢＯＸ型圧力制御弁において、この凹部３１ｄにより、実質上感温機能を有する容積を大きくすることが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、圧力制御弁は、密閉空間９１の外面の少なくとも一部が断熱材で覆われていることを特徴としている。これにより、外気温度の影響を封入冷媒が受けにくくなる。

請求項５に記載の発明によれば、圧力制御弁は、密閉空間９１を形成する外壁面３５と外気との間を仕切るキャップ９５を備えたことを特徴としている。これにより、外気温度の影響を封入冷媒が受けにくくなる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、内部熱交換器を用いた冷凍サイクルを示している。図２は、本発明に係る第１実施形態(感温筒タイプ) の断面図であり、図３は、本発明に係る第２実施形態(ＢＯＸタイプ) の断面図である。図４は、内部熱交換器を用いない冷凍サイクルを示している。図５は、第３実施形態(ＢＯＸタイプ、弁入口冷媒温度検知) の断面図であり、図６は、第４実施形態(ＢＯＸタイプ＋断熱パッキン) の断面図であり、図７は、第５実施形態(ＢＯＸタイプ＋キャップ) の断面図であり、図８は、感温筒とそれ以外の容積部の模式図である。図９は、容積割合に対する封入冷媒の制御圧の変化（冷媒温度６０℃時）を示したものであり、図１０は、容積割合に対する封入冷媒の制御圧の変化（冷媒温度４０℃時）を、図１１は、従来のカセット式膨張弁の断面図を示している。

図１は、ＣＯ₂を冷媒として循環させる蒸気圧縮式冷凍サイクル（超臨界冷凍サイクル）を説明する図であり、図２は、図１に示される蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用した本発明の第１実施形態の冷凍サイクル用膨張弁の断面図である。図１において、符号１は冷媒（ＣＯ₂）を吸入圧縮するコンプレッサ（圧縮機）であり、符号２はコンプレッサ１により圧縮された冷媒を冷却するガスクーラ（放熱器）である。ガスクーラ２の出口側には、内部熱交換器８を介在させて、ガスクーラ２の出口側の冷媒温度に基づいて内部熱交換器８の出口側の冷媒圧力を制御する膨張弁３が配設されていて、高圧の冷媒を減圧する減圧器としても機能している。

図１において、ガスクーラ２の出口側配管には、感温筒７が設置され、キャピラリーチューブ６によって膨張弁３に接続している。したがって、感温筒７内に封入されたガスの冷媒温度に基づく内圧の変化によって膨張弁３の弁開度を制御している。

符号４は、膨張弁３で減圧された気液２相冷媒を蒸発させるエバポレータであり、符号５は気相冷媒と液相冷媒とを分離するとともに、冷凍サイクル中の余剰冷媒を一時的に蓄えるアキュムレータ５である。内部熱交換器８は、ガスクーラ２から膨張弁３へ向かう冷媒と、アキュムレータ５からコンプレッサ１へ戻る冷媒とが熱交換するようにサイクル内に配置されている。したがって、膨張弁３は、内部熱交換器８からエバポレータ４に至る冷媒通路に配置されることになる。これらのコンプレッサ１、ガスクーラ２、内部熱交換器８、膨張弁３、エバポレータ４及びアキュムレータ５は、それぞれ配管によって接続されて閉回路を形成している。

次に、図２を用いて第１実施形態の冷凍サイクル用膨張弁１００について説明する。膨張弁１００のボディ３３内には、内部熱交換器８から弁口３３ａを介してエバポレータ４に至る冷媒流路の一部が形成されている。ボディ３３には、内部熱交換器８側に接続される流入口３３ｂと、エバポレータ４側に接続される流出口３３ｃと、第１の開口３３ｄ及び調整バネ３６をセットするための第２の開口３３ｅとが形成されている。ボディ３３内には弁体３１が収納されていて、弁口３３ａの開閉を行うようになっており、これによって、ボディ３３内の内部熱交換器８出口側に接続する上流空間Ｃ₁とエバポレータ４入口側に接続する下流空間Ｃ₂とが連通及び非連通するようになっている。

ボディ３３の第１の開口３３ｄには、制御力発生部が取り付けられている。この制御力発生部は、主にダイヤフラム３２、蓋体３５及び下側支持部材３４とより構成されていて、内部に密閉空間９１が形成されている。即ち、蓋体３５の中央部分には、密閉空間９１を形成するための凹部３５ａが形成されていて、ダイヤフラム３２の周縁を蓋体３５と下側支持部材３４とで挟持して固着することにより、制御力発生部が形成されている。ダイヤフラム３２は、ステンレス材からなる薄膜状をしており、密閉空間９１の内外の圧力差に応じて変形変位する。下側支持部材３４は、円筒部３４ａとフランジ部３４ｂとを有していて、円筒部３４ａの外周に形成されたネジ部を、ボディ３３の第１の開口３３ｄに螺合することによって、制御力発生部がボディ３３に取り付けられている。また、蓋体３５には、感温筒９２と連結されたキャピラリ管９３が取り付けられており、感温筒９２にキャピラリ管９３と反対側に取付けられた封入管９９から密閉空間９１内に冷媒が封入されるようになっている。冷媒が封入された後は、封入管９９は封鎖される。

弁体３１は、弁部３１ａより上方に下側支持部材３４の円筒部３４ａを通って延在している一方の端部３１ｂが、ダイヤフラム３２に固定されており、円筒部３４ａの内面と弁体３１の外周面との間に断面が環状の間隙９６が形成されている。この間隙９６は、内部熱交換器８出口側に接続する上流空間Ｃ₁と連通している。したがって、内部熱交換器８出口側の冷媒圧力がこの間隙９６を通じてダイヤフラム３２に作用することになる。

更に弁体３１は、弁部３１ａより下方に弁口３３ａを通って延在している他方の端部３１ｃに調整ナット３７が螺合されている。弁口３３ａの下面周辺と調整ナット３７間には、弁体３１を閉弁方向に付勢する調整バネ３６が介在しており、調整ナット３７を回すことによって調整バネ３６の初期設定荷重（弁口３３ａを閉じた状態での弾性力）が任意に調節できる。これら調整バネ３６、調整ナット３７等は、エバポレータ４入口側に接続する下流空間Ｃ₂内に設けられている。また、キャップ３８がボディ３３の第２の開口３３ｅに嵌め込まれることによって、下流空間Ｃ₂の下方が閉じられている。

上記のように構成された第１実施形態の冷凍サイクル用膨張弁１００では、弁体３１の閉弁力は、密閉空間９１内の内圧と調整バネ３６によって得られるようになっており、弁体３１の開弁力は、内部熱交換器８出口側の冷媒圧力によって得られ、両者のバランスによって膨張弁１００が開閉されるようになる。

一方、感温筒９２はガスクーラ２の出口側配管８１にバンド８２で固定当接され、配管温度（すなわちガスクーラ出口冷媒温度）により感温筒９２内の封入冷媒が加熱されて温度を検出する。また感温筒９２外周とダイヤフラム３２上部の密閉空間９１を囲繞する外壁部３５に断熱用のパッキン９８、９４がカバーされている。感温筒内部と、ダイヤフラム上部の密閉空間９１は、キャピラリ管９３を介して連通している。

そして、ＣＯ_２用膨張弁は、高圧の封入冷媒による制御を行う。エンジンルーム内に配置されたキャピラリ管や、ダイヤフラム上部の密閉空間を囲繞する外壁面は、エンジンルーム内の空気により加熱される。感温筒内に封入された冷媒は超臨界状態となっているため、封入冷媒を囲繞する各箇所の温度影響により、封入冷媒の圧力は、感温筒近傍の封入冷媒温度に対応する冷媒圧力と一致しなくなる。

感温筒とそれ以外の部分を模式的に示したのが図８である。図８において、感温筒に相当する部分をＡ、それ以外の部分（ダイヤフラム上部＋キャピラリ管）をＢとしている。この前提で、冷媒封入密度が標準値４５０ｋｇ／ｍ^３、Ａ部温度が６０℃の時、Ａ部容積と全容積との比率 Ａ／（Ａ＋Ｂ）並びにＢ部温度が制御圧へ及ぼす影響を示したのが、図９である。

例えば、図９のＳ点は、Ａ部が６０℃、Ｂ部が８０℃で、Ａ部の容積割合が５０％（比率０．５）の時、Ａ部の冷媒密度は、５３８ｋｇ／ｍ^３、Ｂ部の冷媒密度は、３６２ｋｇ／ｍ^３となり、両者の内部圧力が、１３．５１ＭＰａで釣合い、平均密度が４５０ｋｇ／ｍ^３となるそれぞれの温度、容積割合で圧力が釣り合う点を示している。

このように、冷媒が超臨界状態の場合は感温筒以外の温度の影響を受けるため、膨張弁制御圧力がエンジンルーム内の雰囲気温度により受ける影響を少なくする必要がある。このため、本実施形態では感温筒や感温筒以外の部分に雰囲気温度による加熱を防止する断熱材をカバーするとともに、感温筒の容積割合を所定量以上確保しなければならない。

容積割合の影響は、冷媒温度と雰囲気温度の差が大きいほど顕著になるが特に、ガスクーラ出口温度が高い場合は、制御圧力も高くなるためサイクルの上限圧力に対して余裕が少なく、異常高圧を回避するには、この場合の制御圧変化を小さくする必要がある。

制御圧力変化は少ないほど望ましいが、一般的な圧力センサ等のバラツキと同程度とするには約０.５ＭＰａ以下とする必要があり、ガスクーラ出口冷媒の最高温度として６０℃、エンジンルーム内温度で８０〜１００℃を想定すると、ダイヤフラム上部の外壁は、断熱材をカバーした場合に外壁温度として５〜６℃上昇するため、Ｂ部温度が６５〜６６℃となり、感温筒の容積割合として最低限５０％以上の容積を確保することで、０.５ＭＰａ以下の変化とすることができる。

ガスクーラ出口冷媒温度が低い場合は、制御圧力が低いため、サイクルの上限圧力に対しては余裕がある。しかし、雰囲気温度との温度差が大きくなるため雰囲気温度の影響が大きくなる。

図１０に冷媒温度が４０℃の場合の雰囲気温度による感温筒以外の温度の影響を示す。例えば、冷媒温度が４０℃時に、雰囲気との温度差が６０℃に拡大した場合、外壁温度が約１０℃近く上昇して外壁温度が約５０℃となるが、制御圧変化を同程度の０．５ＭＰａとするには感温筒の容積率を６０％以上とすることが望ましいことがわかる。

また、図１０より感温筒の容積割合が７０％以下の場合、温度の影響による制御圧力の変化が大きくなるため、容積割合を７０％以上とれば、感温筒以外の断熱材を省略しても制御圧の変化を約０.５ＭＰａ程度にすることが可能となる。

図３に第２実施形態を示す。本実施形態は、いわゆるＢＯＸタイプの膨張弁である。ＢＯＸタイプでは、感温筒がなく、ダイヤフラム下に高圧冷媒を導入して冷媒温度を検出する。詳細に述べると、ボディ３３の第１の開口３３ｄには、実質上第１実施形態における感温筒と同じ機能を約半分程度有する感温部が取り付けられている。この感温部は、主にダイヤフラム３２、蓋体３５及び下側支持部材３４とより構成されていて、内部に密閉空間９１が形成されている。即ち、蓋体３５の中央部分には、密閉空間９１を形成するための凹部３５ａが形成されていて、ダイヤフラム３２の周縁を蓋体３５と下側支持部材３４とで挟持して固着することにより、感温部が形成されている。ダイヤフラム３２は、ステンレス材からなる薄膜状をしており、密閉空間９１の内外の圧力差に応じて変形変位する。下側支持部材３４は、円筒部３４ａとフランジ部３４ｂとを有していて、円筒部３４ａの外周に形成されたネジ部を、ボディ３３の第１の開口３３ｄに螺合することによって、感温部がボディ３３に取り付けられている。また、蓋体３５には、封入管３５ｂが取り付けられており、封入管３５ｂから密閉空間９１内に冷媒が封入されるようになっている。冷媒が封入された後は、封入管３５ｂは封鎖される。

このように、冷媒を封入する密閉空間９１はダイヤフラム上側の扁平な空間となるため、ダイヤフラム側は冷媒温度に、ダイヤフラム上の密閉空間の外壁部は、外気に接触している。従って、冷媒温度により加熱されている密閉空間９１のダイヤフラム３２側の下半分の空間９１ａが感温筒に相当し、残り上半分が感温筒以外の部分に相当することになる。従って、外壁部に断熱材をカバーすることで、感温機能を持つ最低限の容積は確保することが出来る。

さらに本実施形態では、感温筒部の割合を高め、制御圧の変化を低減するためにダイヤフラム３２中心の穴部３１ｄを介してダイヤフラム上部の密閉空間９１と連通する空間を作動棒３１の中心部に設けている。作動棒３１は、周囲を冷媒に囲まれているため感温筒と同様な機能を有し、感温筒部の容積割合を高めることが出来る。

ダイヤフラムより下部の空間は、容積が大きいほど雰囲気温度による制御圧の変化を小さくすることができるが、ＢＯＸタイプでも実質上の感温筒部の容積割合を６０％以上とするのが効果的である。

なお、容積割合の算出は下記による。
容積割合：Ａ／（Ａ＋Ｂ）
Ａ＝Ｖｕ×０．５＋Ｖｂ
Ｂ＝Ｖｕ×０．５
Ｖｕ：ダイヤフラム上側容積（９１）
Ｖｂ：ダイヤフラム下側容積（３１ｄ）

図５に第３実施形態を示す。第３実施形態は、ＢＯＸタイプで弁入口の冷媒温度を検知する形式である。本タイプは、図１のサイクルと組合わせた場合は、内部熱交換器後の冷媒温度を検知して制御を行い、図４のサイクルと組合わせた場合は、ガスクーラ出口冷媒温度を検出して制御を行う。その作用効果は、第２実施形態と同様である。

図６に第４実施形態を示す。第４実施形態は、ＢＯＸタイプで断熱パッキンを使用する形式である。ＢＯＸタイプの場合、ダイヤフラムより上の内部空間を形成する壁面は外面側が外気に接しているため、エンジンルーム内の温度影響を受け易い。このため、外気と接する部分に断熱材を張ると外気温度による封入冷媒の制御圧の変化を、より小さくすることが出来る。

図７に第５実施形態を示す。第５実施形態は、ＢＯＸタイプでキャップを使用する形式である。第４実施形態に対して、密閉空間を囲繞する外壁が外気と接する部分に、樹脂などで成形したキャップを被せて外気と遮断することで、外気温度に対する制御圧の変化を、より小さくすることが出来る。
なお、本発明に係る全ての実施形態の膨張弁は、図１および図４のサイクルの両方に使用することができる。

内部熱交換器を用いた冷凍サイクルである。 本発明に係る第１実施形態(感温筒タイプ) の断面図である。 本発明に係る第２実施形態(ＢＯＸタイプ) の断面図である。 内部熱交換器を用いない冷凍サイクルである。 本発明に係る第３実施形態(ＢＯＸタイプ、弁入口冷媒温度検知)の断面図である。 本発明に係る第４実施形態(ＢＯＸタイプ＋断熱パッキン) の断面図である。 本発明に係る第５実施形態(ＢＯＸタイプ＋キャップ) の断面図である。 感温筒とそれ以外の容積部の模式図である。 容積割合に対する封入冷媒の制御圧の変化（冷媒温度６０℃時）を示した図である。 容積割合に対する封入冷媒の制御圧の変化（冷媒温度４０℃時）を示した図である。 従来のカセット式膨張弁の断面図である。

符号の説明

Claims (5)

1. 蒸気圧縮式超臨界冷凍サイクルの放熱器（２）から蒸発器（４）まで至る冷媒流路に配置され、前記放熱器（２）出口側の冷媒温度に応じて前記放熱器（２）出口側圧力を制御する圧力制御弁（１００）であって、
   ダイヤフラム（３２）上部の密閉空間（９１）に冷媒が封入されており、ダイヤフラム（３２）に冷凍サイクル内冷媒の圧力を作用させて、密閉空間（９１）内の冷媒圧力と前記冷凍サイクル内冷媒の圧力のバランスに従って前記弁（３１）を開閉し、
   前記密閉空間（９１）は、冷媒温度を検出して実質上感温機能を有する箇所（９２、９１ａ）と連通しており、
   前記実質上感温機能を有する箇所（９２、９１ａ）の容積（Ａ）を、前記密閉空間（９１）と連通する総容積（Ａ＋Ｂ）の５０％以上としたことを特徴とする圧力制御弁（１００）。
2. 冷媒温度を検出する感温筒（９２）とダイヤフラム（３２）上部の密閉空間（９１）とをキャピラリ管（９３）で連結したことを特徴とする、請求項１に記載の圧力制御弁（１００）。
3. ダイヤフラム（３２）に連結された弁（３１）の上部に、前記密閉空間（９１）と連通した凹部（３１ｄ）を設けたことを特徴とする、請求項１に記載の圧力制御弁（１００）。
4. 前記密閉空間（９１）の外面の少なくとも一部が断熱材で覆われていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の圧力制御弁（１００）。
5. 前記密閉空間（９１）を形成する外壁面（３５）と外気との間を仕切るキャップ（９５）を備えたことを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の圧力制御弁（１１０）。

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