JP2007240041A

JP2007240041A - 膨張弁

Info

Publication number: JP2007240041A
Application number: JP2006060813A
Authority: JP
Inventors: Hisatoshi Hirota; 久寿広田
Original assignee: TGK Co Ltd
Current assignee: TGK Co Ltd
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2007-09-20
Also published as: CN101033805A; KR20070092118A; US20070209387A1; EP1832822A2; EP1832822A3; EP1832822B1; DE602007000497D1

Abstract

【課題】内部熱交換器を使用した冷凍サイクルにて冷凍負荷が高いときに圧縮機で圧縮された冷媒の温度が高くなり過ぎないようにすることができる膨張弁を提供する。
【解決手段】凝縮器２から膨張弁３へ流れる高温の冷媒と、蒸発器４から膨張弁３を介して圧縮機１へ流れる低温の冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器５を備えた冷凍サイクルに適用される温度式の膨張弁３であって、その膨張弁３には、高圧冷媒入口または低圧冷媒出口の冷媒を感温部の下流側へ流すバイパス通路３ａ，３ｂを備え、膨張弁３によって過熱度が制御された冷媒に湿り分の多い冷媒を混入させるようにした。これにより、冷凍負荷が高いときに圧縮機１に吸入される冷媒の温度を下げることで、圧縮機１で圧縮された冷媒の温度が高くなり過ぎないようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は膨張弁に関し、特に自動車用空調装置の冷凍サイクルにて蒸発器出口の温度および圧力に応じて蒸発器へ供給する冷媒の流量を制御する温度式の膨張弁に関する。

自動車用空調装置の冷凍サイクルにおいては、地球温暖化に係る環境問題から、使用冷媒を代替フロン（ＨＦＣ−１３４ａ）から二酸化炭素を使用することが提案されている。冷媒に二酸化炭素を使用した冷凍サイクルのシステムでは効率を上げるために一般に内部熱交換器を使用するようにしている（たとえば、特許文献１参照。）。

内部熱交換器は、圧縮機によって圧縮された高温高圧の冷媒を冷却するガスクーラから膨張弁に至る経路を流れる冷媒と、アキュムレータから圧縮機に至る経路を流れる冷媒との間で熱交換を行うように構成されている。これによって、アキュムレータから吸い出された気相の冷媒は、内部熱交換器の高圧側の経路を流れる冷媒によって過熱されてから圧縮機に送られることになる。このため、圧縮機にとっては、湿りのない冷媒を吸入するので、効率よく運転することができる。

これに対して、冷媒にＨＦＣ−１３４ａを使用した冷凍サイクルにおいても、内部熱交換器を取り入れたシステムが考えられている。このようなシステムにおいても、その効率が改善されるものと期待されている。
特開２００１−１０８３０８号公報

ところが、冷媒にＨＦＣ−１３４ａを使用した冷凍サイクルにおいては、膨張弁として温度式膨張弁が一般に使用されている。この温度式膨張弁は、蒸発器の出口における冷媒が所定の過熱度を有するように制御している。このため、凝縮器から膨張弁に至る経路を流れる冷媒と、蒸発器から圧縮機に至る経路を流れる冷媒との間で熱交換を行うように内部熱交換器を設けた冷凍サイクルでは、蒸発器の出口で既に過熱状態にある冷媒を内部熱交換器でさらに過熱してから圧縮機へ送られることになるので、特に、冷凍サイクルが冷凍負荷の高い状態で運転されているときには、圧縮機で圧縮された冷媒の温度が高くなり過ぎてしまい、圧縮機の潤滑オイルが高温度で劣化してしまうという問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、内部熱交換器を使用した冷凍サイクルにて冷凍負荷が高いときに圧縮機で圧縮された冷媒の温度が高くなり過ぎないようにすることができる膨張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、感温部が蒸発器を出た冷媒の温度および圧力を感知して前記蒸発器に送り出す冷媒の流量を制御するようにした温度式の膨張弁において、高圧の冷媒が供給される高圧冷媒入口または前記蒸発器へ低圧の冷媒を送り出す低圧冷媒出口と前記蒸発器を出た冷媒を通過させる冷媒通路との間に設けられて高圧の液冷媒または低圧の気液混合冷媒を前記感温部の下流側へ流すバイパス通路を備えていることを特徴とする膨張弁が提供される。

このような膨張弁によれば、バイパス通路を介して湿り分の多い冷媒を過熱状態にある冷媒に混入させる構成にしている。これにより、内部熱交換器に入る前に過熱状態にある冷媒は湿り分の多い冷媒により降温されていて、それが内部熱交換器における熱交換により過熱されるので、高負荷時に圧縮機に送り込まれる冷媒は過度に過熱されることはなくなり、圧縮機で圧縮された冷媒の温度が高くなり過ぎることもない。

本発明の膨張弁は、バイパス通路によって湿り分の多い冷媒を感温部の下流側へ流すように構成したので、内部熱交換器を使用した冷凍サイクルに適用したときに、熱交換器を介して圧縮機に送り込まれる冷媒を降温させることができ、これによって、冷凍負荷の高いときに圧縮機で圧縮された冷媒の温度が高くなり過ぎてしまうことがなく、圧縮機の潤滑オイルが温度劣化してしまうことも防止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ＨＦＣ−１３４ａを使用し、内部熱交換器を有する冷凍サイクル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は本発明の膨張弁を適用した冷凍サイクルを示すシステム図である。

この冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機１と、圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器２と、冷却された冷媒を絞り膨張させる膨張弁３と、膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器４とを備え、さらに、凝縮器２から膨張弁３へ流れる冷媒と蒸発器４から膨張弁３を介して圧縮機１へ流れる冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器５を備えている。

膨張弁３は、蒸発器４を出た冷媒の温度および圧力を感知する感温部を有し、その感温部が感知した冷媒の温度および圧力に応じて蒸発器４に送り出す冷媒の流量を制御するようにした、いわゆる温度式膨張弁である。本発明による膨張弁３は、その内部に、内部熱交換器５から送り込まれる高圧の液冷媒を感温部の下流側へ流すバイパス通路３ａ（実線で示す矢印）または蒸発器４へ送り出す低圧の気液混合冷媒を感温部の下流側へ流すバイパス通路３ｂ（破線で示す矢印）を備えている。次に、この膨張弁３の具体的な構造について説明する。

図２は第１の実施の形態に係る膨張弁の構成を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弁１０は、そのボディ１１の側部に、内部熱交換器５から高温高圧の液冷媒が送り込まれる高圧冷媒入口１２と、この膨張弁１０にて絞り膨張された低温低圧の冷媒を蒸発器４へ送り出す低圧冷媒出口１３と、蒸発器４から蒸発された冷媒を受ける冷媒通路入口１４と、この膨張弁１０を通過した冷媒を内部熱交換器５へ送り出す冷媒通路出口１５とを備えている。

高圧冷媒入口１２から低圧冷媒出口１３へ連通する通路には、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、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を受ける弁体受け部１８とこの弁体受け部１８を介して弁体１７を弁座１６に着座させる方向に付勢する圧縮コイルスプリング１９とが配置されている。この圧縮コイルスプリング１９の図の下端は、スプリング受け部２０によって受けられ、このスプリング受け部２０は、ボディ１１の下端部に螺着されたアジャストねじ２１に嵌合されている。このアジャストねじ２１は、ボディ１１への螺入量を調整することで圧縮コイルスプリング１９の荷重を調整できる機能を有している。

また、この膨張弁１０は、ボディ１１の上端部に感温部が設けられている。この感温部は、アッパーハウジング２２と、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。

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、冷媒通路入口１４と冷媒通路出口１５との間を連通する冷媒通路２７を横切って配置されたホルダ２８により保持されている。このホルダ２８には、シャフト２６の上端部に対して横荷重を与える圧縮コイルスプリング２９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。

そして、ボディ１１には、送り込まれた高圧の冷媒がこの膨張弁１０をバイパスするバイパス通路３０が形成されている。このバイパス通路３０は、高圧の液冷媒が送り込まれる高圧冷媒入口１２と冷媒通路２７との間に形成され、その途中に差圧制御弁が介挿されている。この差圧制御弁は、弁座３１と、その下流側にてその弁座３１に対向して接離自在に配置された弁体３２と、この弁体３２を閉弁方向に付勢する圧縮コイルスプリング３３と、バイパス通路３０に圧入されて圧縮コイルスプリング３３を受けているスプリング受け部３４とを有している。棒状の弁体３２は、その外周に長手方向に延びる複数の連通溝が刻設されていて、差圧制御弁が開弁したときには、その連通溝を介して高圧の液冷媒が流れることになる。

以上の構成の膨張弁１０は、蒸発器４から冷媒通路入口１４に戻ってきた冷媒の圧力および温度を感温部が感知し、冷媒の温度が高いまたは圧力が低い場合には、ダイヤフラム２４が図の下方へ変位し、その変位は、シャフト２６を介して弁体１７に伝達され、弁体１７を開弁方向へ移動させ、逆に温度が低いまた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し、蒸発器４へ送り出す冷媒の流量を制御している。膨張弁１０が蒸発器４の出口における冷媒の温度を感知して蒸発器４へ送り出す冷媒の流量を制御していることにより、蒸発器４から冷媒通路入口１４に入る冷媒は、所定の過熱度を有するように制御されている。

一方、内部熱交換器５から高圧冷媒入口１２に送り込まれた液冷媒は、バイパス通路３０を介して、冷媒通路２７を通過している過熱状態にある冷媒に混入される。その液冷媒のバイパス量は、高圧冷媒入口１２の圧力と冷媒通路２７の圧力との差圧に応じて制御される。冷凍負荷が小さいときは、圧縮機１の吐出圧力と吸入圧力との差圧は小さいので、高圧冷媒入口１２の圧力と冷媒通路２７の圧力との差圧も小さく、バイパス通路３０に介挿された差圧制御弁は閉弁しており、このような場合には、液冷媒が感温部の下流側へ直接流れ込むことはない。これは、冷凍負荷が小さいとき、圧縮機１で圧縮された冷媒の温度があまり高くならないためである。

冷凍負荷が高いときには、圧縮機１の吐出圧力と吸入圧力との差圧が大きくなって、高圧冷媒入口１２の圧力と冷媒通路２７の圧力との差圧も大きくなるので、差圧制御弁は、その前後の差圧が所定値（たとえば、１．３ＭＰａ）以上になると、圧縮コイルスプリング３３の付勢力に抗して開弁し、液冷媒を感温部の下流側へ流し込み、過熱状態にある冷媒に混入させる。これにより、過熱状態にある冷媒は、降温して湿り分を含んだ冷媒になる。このような冷媒は、内部熱交換器５にて凝縮器２からの降温の冷媒と熱交換されることで、蒸発および過熱され、過熱された冷媒が圧縮機１に吸入されることになる。したがって、圧縮機１に吸入される冷媒の温度が高くなり過ぎることがないので、圧縮機１で圧縮された冷媒の温度が高くなり過ぎることもなくなり、冷媒とともに冷凍サイクル内を循環している圧縮機１の潤滑オイルの熱劣化がなくなる。

図３は第２の実施の形態に係る膨張弁の構成を示す中央縦断面図である。図３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れら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弁４０は、第１の実施の形態に係る膨張弁１０がバイパス通路３０に差圧制御弁を介挿しているのに対し、バイパス通路３０に微小開度のオリフィス３５を設けている。この構成の膨張弁４０によれば、バイパス通路３０には、常時、液冷媒が流れることになる。そのため、冷凍負荷が小さいときは、内部熱交換器５に送り出される冷媒の温度が下がり過ぎる可能性はあるが、差圧制御弁を備えた第１の実施の形態に係る膨張弁１０に比較してコストを低減させることができる。

図４は第３の実施の形態に係る膨張弁の構成を示す中央縦断面図である。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れら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弁５０は、第１の実施の形態に係る膨張弁１０がバイパス通路３０を高圧冷媒入口１２と冷媒通路２７との間に形成しているのに対し、低圧冷媒出口１３と冷媒通路２７との間のボディ１１に形成している点で異なる。

この膨張弁５０は、バイパス通路３０に差圧制御弁を介挿しているが、その差圧制御弁は、たとえば、０．０３ＭＰａの所定値以上のときに開弁するように圧縮コイルスプリング３３のばね荷重が設定されている。これにより、冷凍負荷が小さいときは、蒸発器４を流れる冷媒の流量が少ないので、蒸発器４の入口と出口との差圧も小さくなっており、しかも、その差圧がバイパス通路３０に介挿した差圧制御弁の前後の差圧にほぼ等しくなっており、差圧制御弁は、閉弁している。このため、高圧の液冷媒が弁体１７と弁座１６との間の隙間を通り抜けることで、低圧冷媒出口１３で膨張された気液混合の冷媒は、すべて蒸発器４へ送り出されることになり、感温部の下流側へ直接流れ込むことはない。

冷凍負荷が高いときには、蒸発器４を流れる冷媒の流量が多いので、蒸発器４の入口と出口との差圧が大きく、つまり、差圧制御弁の前後の差圧が大きくなる。その差圧が所定値以上になると、圧縮コイルスプリング３３の付勢力に抗して開弁し、液冷媒を感温部の下流側へ流し込み、過熱状態にある冷媒に混入させる。これにより、圧縮機１に吸入される冷媒の温度が高くなり過ぎることがなく、圧縮機１で圧縮された冷媒の温度も高くなり過ぎることがなくなって、圧縮機１の潤滑オイルが熱劣化してしまうこともない。

図５は第４の実施の形態に係る膨張弁の構成を示す中央縦断面図である。図５において、図３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れら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弁６０は、第２の実施の形態に係る膨張弁４０と同様に、バイパス通路３０にオリフィス３５を設けている。この構成の膨張弁４０によれば、バイパス通路３０には、常時、気液混合冷媒が流れることになる。このように冷媒通路を流れる冷媒に気液混合冷媒が混入することで、内部熱交換器５に送り出される冷媒の温度が下がるので、冷凍負荷が高いときに、圧縮機１で圧縮された冷媒の温度が高くなり過ぎることがなくなる。

図６は第５の実施の形態に係る膨張弁の構成を示す中央縦断面図である。図６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れら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弁７０においては、バイパス通路３０は、感温部と弁体１７との間に配置されたシャフト２６が挿通するようボディ１１に形成された貫通孔によって構成されている。そのバイパス通路３０には、差圧制御弁の弁体３２がシャフト２６をガイドとして軸線方向に進退自在に配置され、圧縮コイルスプリング３３が弁体３２とホルダ２８との間に配置されて、バイパス通路３０内の段差部によって構成された弁座３１に着座する方向に弁体３２を付勢している。

この膨張弁７０は、図４に示した第３の実施の形態に係る膨張弁５０と比較すると、バイパス通路３０の設置位置が違うだけであって、バイパス通路３０内にはその前後の差圧が所定値以上になると開弁する差圧制御弁を有していることから、膨張弁５０とまったく同じように動作する。

また、バイパス通路３０から冷媒通路２７へ冷媒が供給される開口部は、冷媒通路２７の感温部と対向する位置に設けられているが、差圧制御弁を通ってバイパス通路３０から冷媒通路２７へ供給された低温の気液混合冷媒は、蒸発器４からの冷媒によって冷媒通路出口１５の側へ直ぐに押し流されるので、感温部によって感温されることはなく、感温部の下流側にて蒸発器４から戻ってきた冷媒と混合される。

図７は第６の実施の形態に係る膨張弁の構成を示す中央縦断面図である。図７において、図３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れらの詳細な説明は省略する。

この第６の実施の形態に係る膨張弁８０は、バイパス通路３０を、感温部と弁体１７との間に配置されたシャフト２６が挿通するようボディ１１に形成された貫通孔によって構成され、その途中には、オリフィス３５を有している。この膨張弁８０によれば、蒸発器４の入口と出口との差圧を利用して蒸発器４から送り込まれた過熱冷媒に湿った冷媒を常時混入させる構成は、図５に示した第４の実施の形態に係る膨張弁６０と実質的に同じであるので、この膨張弁８０は膨張弁６０と同じ動作をする。

図８は第７の実施の形態に係る膨張弁の構成を示す中央縦断面図である。図８において、図４に示した構成要素と同じまたは同等の構成要素については同じ符号を付してそれらの詳細な説明は省略する。

この第７の実施の形態に係る膨張弁９０は、圧縮機１および凝縮器２の側の配管に二重管３６を採用した冷凍サイクルに適用したものである。この二重管３６は、外管３６ａと内管３６ｂとが同軸に配置されて構成されているもので、外管３６ａを流れる冷媒と内管３６ｂを流れる冷媒とが内管３６ｂによって隔てられていることから、内部熱交換器５の機能を有していることになる。

この膨張弁９０は、弁体１７を開弁する側に凝縮器２から高温高圧の液冷媒が送り込まれる高圧冷媒入口１２を有し、弁体１７の下流側に圧縮コイルスプリング１９およびスプリング受け部２０が配置されている。この弁体１７が配置されている低温低圧の部屋と蒸発器４から戻ってきた冷媒が通過する冷媒通路２７との間にバイパス通路３０が形成されている。そのバイパス通路３０の冷媒通路２７への開口端には、シャフト２６に保持されていてバイパス通路３０を開閉する方向に進退自在な弁体３２が配置され、その弁体３２は、圧縮コイルスプリング３３によって弁座３１に着座する方向に付勢されていて、差圧制御弁を構成している。

二重管３６の外管３６ａから高圧冷媒入口１２に送り込まれた高温高圧の液冷媒は、弁座１６と弁体１７との間の隙間を通るときに絞り膨張されて低温低圧の冷媒になり、低圧冷媒出口１３から蒸発器４へ送り出される。蒸発器４から戻ってきた冷媒は、冷媒通路入口１４で受けられ、冷媒通路２７を通って冷媒通路出口１５から二重管３６の内管３６ｂへ送り出される。このとき、感温部が冷媒通路２７を流れる冷媒の温度および圧力を感知して蒸発器４へ送り出す冷媒の流量を制御している。

さらに、バイパス通路３０に設けられた差圧制御弁が低圧冷媒出口１３の冷媒の圧力と冷媒通路２７の冷媒の圧力との差圧を感知して低圧冷媒出口１３から冷媒通路２７へバイパスさせる冷媒の流量を制御している。バイパス通路３０から冷媒通路２７へ冷媒が供給される開口部は、冷媒通路２７の感温部と対向する位置に設けられているが、差圧制御弁を通ってバイパス通路３０から冷媒通路２７へ供給された低温の気液混合冷媒は、蒸発器４にて蒸発された冷媒によって冷媒通路出口１５へ押し流されるので、感温部によって感温されることはない。

以上の実施の形態では、内部熱交換器を有し、ＨＦＣ−１３４ａを冷媒とする冷凍サイクルへ適用した場合を例に説明したが、地球温暖化係数が小さく物性の類似した他の冷媒を使用した冷凍サイクルにも適用することができる。

本発明の膨張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膨張弁の構成を示す中央縦断面図である。第２の実施の形態に係る膨張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膨張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膨張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膨張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膨張弁の構成を示す中央縦断面図である。第７の実施の形態に係る膨張弁の構成を示す中央縦断面図である。

符号の説明

１圧縮機
２凝縮器
３膨張弁
３ａ，３ｂバイパス通路
４蒸発器
５内部熱交換器
１０膨張弁
１１ボディ
１２高圧冷媒入口
１３低圧冷媒出口
１４冷媒通路入口
１５冷媒通路出口
１６弁座
１７弁体
１８弁体受け部
１９圧縮コイルスプリング
２０スプリング受け部
２１アジャストねじ
２２アッパーハウジング
２３ロアハウジング
２４ダイヤフラム
２５ディスク
２６シャフト
２７冷媒通路
２８ホルダ
２９圧縮コイルスプリング
３０バイパス通路
３１弁座
３２弁体
３３圧縮コイルスプリング
３４スプリング受け部
３５オリフィス
３６二重管
３６ａ外管
３６ｂ内管
４０，５０，６０，７０，８０，９０膨張弁

Claims

感温部が蒸発器を出た冷媒の温度および圧力を感知して前記蒸発器に送り出す冷媒の流量を制御するようにした温度式の膨張弁において、
高圧の冷媒が供給される高圧冷媒入口または前記蒸発器へ低圧の冷媒を送り出す低圧冷媒出口と前記蒸発器を出た冷媒を通過させる冷媒通路との間に設けられて高圧の液冷媒または低圧の気液混合冷媒を前記感温部の下流側へ流すバイパス通路を備えていることを特徴とする膨張弁。
前記バイパス通路は、前記高圧冷媒入口と前記冷媒通路との間のボディに貫通形成されたオリフィスであることを特徴とする請求項１記載の膨張弁。
前記バイパス通路は、前記高圧冷媒入口と前記冷媒通路との間のボディに貫通形成された通路にその前後の差圧が所定値以上になると開弁する差圧制御弁を有していることを特徴とする請求項１記載の膨張弁。
前記バイパス通路は、前記低圧冷媒出口と前記冷媒通路との間のボディに貫通形成されたオリフィスであることを特徴とする請求項１記載の膨張弁。
前記バイパス通路は、前記低圧冷媒出口と前記冷媒通路との間のボディに貫通形成された通路にその前後の差圧が所定値以上になると開弁する差圧制御弁を有していることを特徴とする請求項１記載の膨張弁。
前記バイパス通路は、前記感温部と前記蒸発器に送り出す冷媒の流量を制御する弁体との間に配置されたシャフトが挿通するようボディに形成された貫通孔であることを特徴とする請求項１記載の膨張弁。
前記バイパス通路は、前記感温部と前記蒸発器に送り出す冷媒の流量を制御する弁体との間に配置されたシャフトが挿通するようボディに形成された貫通孔にその前後の差圧が所定値以上になると開弁する差圧制御弁を有していることを特徴とする請求項１記載の膨張弁。
凝縮器を出た冷媒と圧縮機へ吸入される冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器を備えた冷凍サイクルに適用されることを特徴とする請求項１記載の膨張弁。