JP2009008369A - 冷凍サイクル - Google Patents

Abstract

【課題】内部熱交換器を備えた冷凍サイクルにおいて、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。
【解決手段】圧縮機１の入口に接続された低圧配管にレシーバ３からの内部熱交換器４を介して膨張弁５へ供給される高圧冷媒の一部を混入させることができる制御弁７を設ける。制御弁７は、圧縮機１の入口に送られる低圧冷媒のたとえば過熱度を感知し、その過熱度が高くなると、開弁して、過熱された低圧冷媒に液状の高圧冷媒の一部を混入する。これにより、低圧配管内では、混入された液状の高圧冷媒が過熱された低圧冷媒によって蒸発されることで圧縮機１の入口に入る低圧冷媒の過熱度が低減し、その結果、圧縮機１で圧縮された冷媒が降温し、圧縮機１の潤滑オイルの熱劣化を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は冷凍サイクルに関し、特に膨張弁に導入される高圧冷媒と圧縮機に戻される低圧冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器を備えた自動車用空調装置のための冷凍サイクルに関する。

自動車用空調装置の冷凍サイクルは、一般に、車両走行用のエンジンによって駆動される圧縮機と、圧縮機によって圧縮された高温・高圧のガス冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮された液冷媒を蓄えておくレシーバと、高温・高圧の液冷媒を絞り膨張させて低温・低圧の気液混合にする膨張弁と、膨張された冷媒を蒸発させて圧縮機へ戻す蒸発器とを備えている。このような冷凍サイクルにおいて、システムの効率を上げるために、内部熱交換器を備えたものが知られている（たとえば、特許文献１参照。）。なお、この特許文献１に記載の冷凍サイクルは、冷媒に自然冷媒を使用したものであるが、フロン系の冷媒を使用した冷凍サイクルにおいても、同様に、システムの効率の向上が期待できる。

内部熱交換器は、レシーバから膨張弁に至る経路を流れる高温・高圧の液冷媒と、蒸発器から圧縮機に至る経路を流れる低温・低圧のガス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、膨張弁に入る冷媒が内部熱交換器によってさらに過冷却されることで膨張弁入口の冷媒のエンタルピを低下させ、また、蒸発器を出た冷媒が内部熱交換器によってさらに過熱されることで圧縮機入口の冷媒のエンタルピを上昇させるので、システムの効率、すなわち、成績係数および冷凍能力を向上させることができる。
特開２００１−１０８３０８号公報

フロン系の冷媒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所定の過熱度を有する冷媒に対して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。したがって、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る傾向があり、圧縮機の摺動部はその高くなり過ぎた冷媒の温度よりもさらに高くなって、圧縮機の潤滑オイルがその高い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、内部熱交換器を備えた冷凍サイクルにおいて、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を目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、膨張弁に導入される高圧冷媒と圧縮機に戻される低圧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おいて、前記内部熱交換器から前記圧縮機に送られる前記低圧冷媒の過熱度を調整する制御弁を備えていることを特徴とする冷凍サイクルが提供される。

このような冷凍サイクルによれば、冷凍負荷が高いときに、制御弁が内部熱交換器から圧縮機に送られる低圧冷媒の過熱度を低減するよう調整することで、圧縮機によって圧縮された冷媒の異常昇温を抑制することができる。

本発明の冷凍サイクルは、圧縮機に送られる低圧冷媒の過熱度を調整する制御弁を備えたことにより、冷凍負荷が非常に高いときに、その制御弁が圧縮機に送り込まれる低圧冷媒の過熱度を低減するよう調整することで、結果として、圧縮機から吐出される冷媒の温度を下げることができることから、冷媒とともに冷凍サイクル内を循環している圧縮機の潤滑オイルの熱劣化を防止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、自動車用空調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は本発明による冷凍サイクルを示すシステム図である。

この自動車用空調装置の冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機１と、圧縮された冷媒を外気との熱交換により凝縮させる凝縮器２と、凝縮された冷媒を気液に分離するとともに冷凍サイクル内の余剰冷媒を蓄えておくレシーバ３と、内部熱交換器４と、気液分離された液冷媒を絞り膨張させる温度式の膨張弁５と、膨張された冷媒を車室内の空気との熱交換により蒸発させる蒸発器６と、内部熱交換器４から圧縮機１に送られる低圧冷媒の過熱度を調整する制御弁７とを備えている。

内部熱交換器４は、膨張弁５へ高温・高圧の冷媒を流す高圧通路と圧縮機１へ低圧冷媒を流す低圧通路とを有し、高圧通路を流れる高温の冷媒と低圧通路を流れる低温の冷媒との間で熱交換を行う。これにより、高圧通路を流れる冷媒は、低圧通路の冷媒によって過冷却され、低圧通路を流れる冷媒は、高圧通路の冷媒によって過熱されることになるため、冷凍サイクルの効率を向上させることができる。

内部熱交換器４に設けられた制御弁７は、冷凍負荷が高くない状態では機能せず、冷凍負荷が非常に高いときのみ圧縮機１に送られる低圧冷媒の過熱度を低減するように機能する。この低圧冷媒の過熱度の低減は、制御弁７が、内部熱交換器４の高圧通路を流れる高圧の液冷媒を圧縮機１の入口に通じる低圧配管内に漏らして低圧冷媒に湿り分を付加してやることで行われる。図示の例では、制御弁７は、内部熱交換器４の圧縮機１側の端部に設けられているので、低圧配管に導入された湿り分は、圧縮機１の入口に到達する間に蒸発され、これによって、内部熱交換器４によって過熱された低圧冷媒の過熱度を低減している。もちろん、制御弁７が内部熱交換器４の中または膨張弁５側の端部に設けられている場合には、内部熱交換器４で過熱されている低圧冷媒に湿り分が導入されることになるので、その湿り分は、内部熱交換器４および圧縮機１への低圧配管内で蒸発され、これによって、圧縮機１に送り出される低圧冷媒の過熱度を低減することになる。

圧縮機１への低圧冷媒の過熱度が低減されることにより、圧縮機１によって圧縮された冷媒も高温になり過ぎてしまうことがなくなることから、圧縮機１の潤滑オイルの熱劣化が防止される。

図２は蒸発器から制御弁までの具体的な構成例を示す断面図である。なお、図中の矢印は、冷媒の流れ方向を示している。
車両用空調装置は、車両の隔壁１０を介してエンジンルームと車室とにわたって搭載されている。エンジンルーム内には、圧縮機１と、凝縮器２と、レシーバ３とが設置され、車室内に膨張弁５および蒸発器６が設置されている。図示の例では、蒸発器６に膨張弁５が直接接続され、その膨張弁５には、第１二重管１１の一端が接続され、その他端は隔壁１０を貫通してエンジンルーム内に延びている。第１二重管１１の他端には、第２二重管１２の一端が接続され、その他端には、過熱度調整用の制御弁７が接続され、その制御弁７には、レシーバ３から延びる高圧配管１３および圧縮機１の入口へ延びる低圧配管１４が接続されている。

ここで、膨張弁５と制御弁７との間に接続される第１二重管１１および第２二重管１２は、それぞれ、内管を囲うように外管が同心状に配置されており、適当な長さを有することによって図１に示す内部熱交換器４として機能している。第１二重管１１および第２二重管１２は、その内管に高圧冷媒を流し、外管と内管との間に低圧冷媒を流すようにしたもので、内管を介して高圧冷媒と低圧冷媒との間で熱交換が行われる。

蒸発器６は、霧状の冷媒が導入される入口配管と蒸発した冷媒が導出される出口配管とを有し、その出口配管は入口配管を囲うように同心状に配置されている。この蒸発器６の入口配管および出口配管には、膨張弁５が接続されている。膨張弁５の蒸発器６側の形状も、霧状の冷媒を導出する出口ポートおよび蒸発した冷媒を導入する低圧入口ポートが同心になっている。また、膨張弁５の第１二重管１１側の形状も、高圧冷媒を導出する入口ポートおよび蒸発した冷媒を導出する低圧出口ポートが同心になっている。膨張弁５は、その入口ポートと出口ポートとの間に液冷媒を絞り膨張させる弁部５ａを有し、蒸発器６と接続される側とは反対の側には、蒸発器６で蒸発した冷媒の圧力および温度を感知して弁部５ａを制御するパワーエレメント５ｂを有し、温度式膨張弁を構成している。

次に、内部熱交換器４の圧縮機１側を構成している第２二重管１２に接続される過熱度調整用の制御弁７について説明する。
図３は第１の実施の形態に係る制御弁の構成を示す断面図、図４は図３のａ−ａ矢視断面図、図５は制御弁の開度特性を示す図、図６は冷媒のモリエル線図と冷凍サイクルの動作説明とを示す図、図７は高圧圧力の変化に対する過熱度の変化を示す図である。

この制御弁７は、高圧配管１３内の液冷媒を低圧配管１４へ流すことができる弁部２１と、第２二重管１２を通過してきた低圧冷媒の過熱度、すなわち低圧冷媒の圧力と温度とを感知して弁部２１における冷媒の流量を制御するパワーエレメント２２とを備えている。

弁部２１は、ボディ２３の側部にレシーバ３から高温・高圧の液冷媒が導入される入口ポート２４を有し、その反対側の側部には、導入された冷媒を内部熱交換器４の第２二重管１２の内管へ送り出す出口ポート２５を入口ポート２４と同軸上に有している。ボディ２３は、入口ポート２４および出口ポート２５の軸線に直交する低圧配管１４の方向に出口ポート２６を有し、その出口ポート２６に連通する通路の途中にガイド２７および弁座２８が配置されている。

この弁座２８の下流側には、弁座２８に対して接離自在な弁体２９がスプリング３０により閉弁方向に付勢された状態で配置されている。スプリング３０は、出口ポート２６に圧入されたばね受け部材３１によって受けられており、スプリング荷重は、ばね受け部材３１の出口ポート２６への圧入量によって調整されている。

弁体２９は、弁座２８およびガイド２７を貫通して延出されたシャフト３２と一体に形成されている。このシャフト３２は、弁座２８近傍のガイド２７によって弁体２９の開閉方向に進退自在に支持され、弁体２９が設けられている側とは反対側の端部は、Ｏリング３３の抜け防止のためにボディ２３に圧入されたガイド３４によって、ボディ２３より突出された状態で支持されている。弁座２８に隣接するガイド２７は、図４に見られるように、中心にシャフト３２を直接ガイドするためのリングがあって、そのリングを三方に延びる脚部で保持しているような形状を有し、脚部の間の円弧状の孔が弁座２８に高圧冷媒を供給するための通路になっている。このガイド２７は、また、弁座２８の近傍でシャフト３２を支持していることによって、弁体２９の横振動を抑えることができる構成にしてある。

シャフト３２が突出されている側のボディ２３には、パワーエレメント２２がかしめ加工によって固定されている。このパワーエレメント２２は、ダイヤフラム３５を挟んでその両側に第１ハウジング３６および第２ハウジング３７が配置され、これらの外周縁部を互いに溶着することによって構成されている。ダイヤフラム３５と第１ハウジング３６とによって囲まれた部屋、つまり感温室には、ガスが封入されている。そのガスは、制御弁７の開度特性を決めるもので、冷凍サイクルの冷媒に類似した特性のガス、それぞれ特性の異なる複数のガスを混合したものとすることができ、たとえば、図５に示したように、圧縮機１へ吸入される冷媒の飽和特性よりも多少傾きの大きな特性のものを使用している。これにより、この制御弁７の開度特性としては、圧縮機１へ吸入される冷媒の圧力Ｐｓが高くなるに従って過熱度ＳＨが小さくなる特性になっている。

第２ハウジング３７は、その開口縁部が外側および内側に屈曲されており、その外側および内側の屈曲部は、円周方向に交互に配置されている。外側の屈曲部は、Ｏリング３８を保持し、内側の屈曲部は、第２ハウジング３７内に配置されているディスク３９のストッパになっている。このディスク３９は、ダイヤフラム３５の変位をシャフト３２に伝達するためのもので、内部熱交換器４からの冷媒がダイヤフラム３５に到達して感温および感圧されるよう連通孔４０が穿設されている。

次に、以上の構成の制御弁７の動作について図６および図７を参照しながら説明する。まず、冷凍負荷の状態が通常の場合、冷凍サイクルは、図６のモリエル線図に太い破線で示したように、ａ−ｂ−ｃ−ｄ−ａで示される線に沿って動作する。すなわち、圧縮機１は、内部熱交換器４で過熱された気相状態の冷媒を圧縮し（ａ→ｂ）、圧縮することで高温・高圧となった気相状態の冷媒を凝縮器２が凝縮して内部熱交換器４が過冷却し（ｂ→ｃ）、過冷却された冷媒を膨張弁５が減圧して気液二相状態にし（ｃ→ｄ）、気液二相状態となった冷媒を蒸発器６が蒸発して内部熱交換器４が過熱する（ｄ→ａ）。このとき、圧縮機１の入口のａ点の温度は、図示の例では、５０℃の等温線よりも低く、出口のｂ点の温度は、９０℃の等温線より少し高い程度で、高過ぎることはないことから何ら問題はなく、したがって、圧縮機１の入口に送られる低圧冷媒の過熱度を感知している制御弁７は、動作しない。

次に、冷凍負荷が非常に高くなった場合、冷凍サイクルは、たとえば図６のモリエル線図に太い実線で示したように、ａ１−ｂ１−ｃ１−ｄ１−ａ１で示される線に沿って動作することになる。この場合、圧縮機１の入口のａ１点の温度は、図示の例では、８０℃の等温線近傍にあり、出口のｂ１点の温度は、１５０℃の等温線近傍にある。ここで、圧縮機１の潤滑オイルの許容上限温度がたとえば１３０℃であるとすると、圧縮機１の出口のｂ１点の温度は、完全に許容上限温度をオーバーすることになる。このような場合、制御弁７は、そのパワーエレメント２２が圧縮機１の入口に送られる冷媒の過熱度を感知して弁部２１を開弁することにより、圧縮機１の入口に通じる低圧配管１４へ高圧の液冷媒を混入させる。これにより、圧縮機１の入口に達するまでの間、低圧配管１４を流れる過熱冷媒によって混入された冷媒が蒸発されることで、圧縮機１の入口の冷媒の過熱度がａ１点からａ２点に低減されることになる。この結果、圧縮機１の出口の冷媒の温度も、潤滑オイルの許容上限温度まで低減することになり、潤滑オイルの熱劣化が防止されることになる。

このように、第１の実施の形態に係る制御弁７は、パワーエレメント２２が過熱度を感知し、その過熱度が高くなるとダイヤフラム３５が開弁方向に変位して、弁部２１が開弁するように制御される。これにより、制御弁７は、過熱度が高くなるに従って低圧配管１４へ混入させる液冷媒の流量を増やし、圧縮機１の入口における過熱度を低減させるように制御する。

この制御弁７の弁部２１は、また、図７に示したように、高圧冷媒の圧力Ｐ０が高くなるに従って開弁時の過熱度ＳＨの設定値が小さくなるような構造にしている。すなわち、弁体２９と一体に形成されたシャフト３２は、弁座２８の内径よりも小さい外径を有しており、これにより、シャフト３２が閉弁方向に高圧冷媒の圧力を受ける受圧面積は、弁体２９が開弁方向に高圧冷媒の圧力を受ける受圧面積より小さくなっている。したがって、高圧冷媒の圧力Ｐ０が高くなるに従って開弁方向への付勢力が増加するので、弁部２１が開いていくときの過熱度ＳＨの設定値が小さくなり、制御弁７は、高圧冷媒の圧力Ｐ０が高くなるに従って低圧配管１４へ混入させる液冷媒の流量を増やし、圧縮機１の入口における過熱度を低減させるように制御する。これは、図６のモリエル線図において、たとえば圧縮機１の出口における高圧冷媒の圧力Ｐ０が２．５ＭＰａの場合には、圧縮機１の入口における低圧冷媒の過熱度ＳＨがａ１点まで増加する可能性があり、そのときの圧縮機１の出口における高圧冷媒の温度が１５０℃まで上昇する可能性があるが、高圧冷媒の圧力Ｐ０が２．５ＭＰａまで高くなると、過熱度ＳＨをａ１点から少なくともａ２点まで低減すべきであることに基づいている。

図８は第２の実施の形態に係る制御弁の構成を示す断面図である。この図８において、図４に示す構成要素と同じ構成要素は同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
この第２の実施の形態に係る制御弁７ａは、第１の実施の形態に係る制御弁７と比較して、シャフト３２を支持しているガイド２７の形状のみを変更している。なお、この制御弁７ａにて弁体２９の開閉方向の平面で切断した断面は、図３に示した断面図と同じであるので図示を省略する。

ガイド２７は、高圧冷媒の通路と弁座２８との間を連通させるオリフィス４１を有している。このオリフィス４１は、弁部２１が全開になっても高圧冷媒が低圧配管１４に流れ過ぎないように、低圧配管１４内に混入される高圧冷媒の流量の最大値を決めている。これにより、圧縮機１の入口までの低圧配管１４にて蒸発し切れないほど多くの液冷媒が低圧配管１４に混入されることがないので、圧縮機１の吸入効率が低下することがなく、また、圧縮機１に液冷媒が吸入されて液圧縮を起こしてしまうような危険を避けることができる。

図９は第３の実施の形態に係る制御弁の構成を示す断面図である。この図９において、図３に示す構成要素と同じ構成要素は同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
この第３の実施の形態に係る制御弁７ｂは、第１の実施の形態に係る制御弁７が内部熱交換器４を出た低圧冷媒の過熱度をパワーエレメント２２が感知しているのに対し、内部熱交換器４を出た低圧冷媒とこれに混入された冷媒とが混ざった状態の冷媒の過熱度をパワーエレメント２２が感知している点で異なる。

このため、この制御弁７ｂでは、弁部２１の出口ポート２６は、パワーエレメント２２のある側に設けられており、その出口ポート２６とパワーエレメント２２との間の空間は、内部熱交換器４からの過熱された低圧冷媒と弁部２１によって混入された冷媒とが混合される混合室４２を構成し、その混合室４２には邪魔板４３が嵌合され、シャフト３２には別の邪魔板４４が嵌合されている。これにより、第２二重管１２から混合室４２に導入された冷媒は、弁部２１の出口ポート２６から導入された冷媒とともに邪魔板４３，４４によって撹拌・混合され、パワーエレメント２２には、その十分に混合された冷媒が到達されてその過熱度が感知されることになる。

制御弁７ｂは、このパワーエレメント２２が感知した混合冷媒の過熱度を基にして低圧配管１４へ混入する冷媒の流量を制御する。すなわち、冷凍負荷が非常に高くて感知した過熱度が所定の値を超えると、パワーエレメント２２が弁部２１を開弁し、その後は、過熱度が大きくなるに従って低圧配管１４へ混入される冷媒の流量を増加させ、これによって圧縮機１の入口に送られる低圧冷媒の過熱度を低下させる。

なお、この制御弁７ｂでは、弁体２９は、これと一体に形成され、高圧冷媒の通路を横切って延出されたシャフト４５を有している。このシャフト４５は、その先端が低圧冷媒の通路内まで延出されており、ボディ２３を貫通している部分には、Ｏリング４６が配置されて高圧冷媒が低圧配管１４へ漏れないようシールしている。

図１０は第４の実施の形態に係る制御弁の構成を示す断面図である。この図１０において、図３に示す構成要素と同じ構成要素は同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
この第４の実施の形態に係る制御弁７ｃは、第１ないし第３の実施の形態に係る制御弁７，７ａ，７ｂが圧縮機１の入口へ送られる低圧冷媒の過熱度に応じて弁部２１を制御しているのに対し、高圧冷媒の圧力と低圧冷媒の圧力との差圧に応じて弁部２１を制御している点で異なる。

この制御弁７ｃは、図３に示す第１の実施の形態に係る制御弁７からパワーエレメント２２を除いた形になっている。したがって、この制御弁７ｃの弁部２１は、高圧冷媒の圧力Ｐ０と低圧冷媒の圧力Ｐｓとの差圧を感知し、その差圧（Ｐ０−Ｐｓ）が所定の差圧を超えると開弁する差圧弁になっている。すなわち、冷凍負荷が低いときは、差圧が小さいので、弁体２９がスプリング３０の付勢力により弁座２８に着座されて閉弁しているが、冷凍負荷が非常に高くなって差圧が非常に大きくなると、弁部２１は、スプリング３０の付勢力に抗して開弁し、その後は、差圧が大きくなるに従って弁座２８からの弁体２９のリフト量が増加して低圧配管１４へ混入される冷媒の流量を増加させ、これによって圧縮機１の入口に送られる低圧冷媒の過熱度を低下させる。

図１１は第５の実施の形態に係る制御弁の構成を示す断面図である。この図１１において、図３に示す構成要素と同じ構成要素は同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
この第５の実施の形態に係る制御弁７ｄは、第１ないし第３の実施の形態に係る制御弁７，７ａ，７ｂが圧縮機１の入口へ送られる低圧冷媒の過熱度に応じて弁部２１を制御しているのに対し、低圧冷媒の温度に応じて弁部２１を制御している点で異なる。

すなわち、この制御弁７ｄは、図３に示す第１の実施の形態に係る制御弁７にて低圧冷媒の過熱度を感知するパワーエレメント２２の代わりに低圧冷媒の温度を感知する感温アクチュエータ４７を備えている。感温アクチュエータ４７は、温度が高くなるに従ってばね荷重が増加する形状記憶合金ばね４８と、シャフト３２の端部に嵌合されて形状記憶合金ばね４８の荷重変化を弁体２９に伝達するばね受け部材４９と、低圧配管１４が接続されている側と反対側の開口部を閉止するとともに形状記憶合金ばね４８をばね受け部材４９とは反対の側で受けている蓋部５０とを有している。なお、形状記憶合金ばね４８は、温度に応じてシャフト３２を開弁方向に付勢するものであるので、これに代えて、たとえばバイメタルばねを使用しても良い。

この制御弁７ｄは、また、弁体２９と一体に形成されたシャフト３２において、ボディ２３によって支持されている部分の外径を弁座２８の内径に概略等しくしている。これにより、弁部２１は、高圧冷媒の圧力が弁体２９を開弁方向に付勢する力およびシャフト３２を閉弁方向に付勢する力が相殺されて、高圧圧力に対して不感となるので、形状記憶合金ばね４８が感知する温度によってのみ流量制御することになる。

以上の構成の制御弁７ｄによれば、第２二重管１２からの低圧冷媒が形状記憶合金ばね４８を収容している空間を通過して低圧配管１４へ流れていくとき、形状記憶合金ばね４８がその低圧冷媒の温度を感知する。ここで、冷凍負荷が異常に高くなって第２二重管１２から導入された低圧冷媒の温度がたとえば４０℃を超えると、形状記憶合金ばね４８のばね荷重が閉弁方向に付勢しているスプリング３０のばね荷重に勝って弁部２１が開弁し、さらに温度が高くなるに従って弁部２１の弁リフトが増加する。これにより、低圧配管１４へ混入される冷媒の流量が増加し、圧縮機１の入口に送られる低圧冷媒の過熱度を低下させる。

図１２は第６の実施の形態に係る制御弁の構成を示す断面図である。この図１２において、図１１に示す構成要素と同じ構成要素は同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
この第６の実施の形態に係る制御弁７ｅは、第４の実施の形態に係る制御弁７ｃと第５の実施の形態に係る制御弁７ｄとを組み合わせた機能を有している。すなわち、この制御弁７ｅは、圧縮機１の入口に送られる低圧冷媒の温度を感知し、その温度が所定の温度を超えると開弁する感温動作弁５１と、この感温動作弁５１の開弁により導入される高圧冷媒の圧力と圧縮機１の入口に送られる低圧冷媒の圧力との差圧を感知し、その差圧が所定の差圧を超えると開弁する差圧弁５２とを有している。

感温動作弁５１は、低圧冷媒の温度を感知し、その温度が高くなるに従ってばね荷重が増加する形状記憶合金ばね４８と、このばね荷重の増加に応じて開弁する弁座２８ａ、弁体２９ａおよびスプリング３０ａとを有している。差圧弁５２は、低圧配管１４に通じる出口ポート２６に感温動作弁５１と直列に配置されて、弁座２８ｂ、弁体２９ｂおよびスプリング３０ｂを有している。

以上の構成により、この制御弁７ｅは、形状記憶合金ばね４８によって感温される低圧冷媒の温度がたとえば４０℃を超えると、感温動作弁５１が開弁し、なおかつ、高圧冷媒の圧力と低圧冷媒の圧力との差圧がたとえば２．２ＭＰａ以上になると差圧弁５２が開弁する。つまり、この制御弁７ｅは、低圧冷媒の温度が所定値以上あり、高圧冷媒の圧力と低圧冷媒の圧力との差圧が所定値以上にあるという２つの条件が同時に満たされてはじめて、高圧冷媒の一部を低圧冷媒に混入させ、圧縮機１の入口に到達するまでに低圧冷媒の過熱度を低減させることになる。

図１３は第７の実施の形態に係る制御弁の構成を示す断面図である。この図１３において、図１１に示す構成要素と同じ構成要素は同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
この第７の実施の形態に係る制御弁７ｆは、第５の実施の形態に係る制御弁７ｄとほぼ同じ構成を有しているが、弁部２１を差圧弁の構成にしている点で異なる。すなわち、この制御弁７ｆは、感温アクチュエータ４７の付勢力を弁体２９に伝達するシャフト３２が弁座２８の内径よりも小さな外径を有するようにしている。したがって、この制御弁７ｆでは、そのような弁部２１の開弁差圧の設定値を、感温アクチュエータ４７が低圧冷媒の温度を感じると小さい方向に変化させるように作用する。

これにより、この制御弁７ｆは、高圧冷媒の圧力と低圧冷媒の圧力との差圧がたとえば２．２ＭＰａ以上になると開弁することになる。一方、低圧冷媒の温度がたとえば４０℃を超えると、開弁差圧の設定値が小さくなることで、制御弁７ｆは、感温アクチュエータ４７によって開弁し易くなる方向に制御されることから、温度と差圧とが相互に関連して動作する弁になっている。いずれにしても、この制御弁７ｆは、温度および差圧の少なくとも一方が高くなるに従って、高圧冷媒の一部を低圧冷媒に混入し、圧縮機１の入口に到達するまでに低圧冷媒の過熱度を低減させることになる。

図１４は第８の実施の形態に係る制御弁の構成を示す断面図、図１５は第８の実施の形態に係る制御弁の開弁特性を示す図である。この図１４において、図９に示す構成要素と同じ構成要素は同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

この第８の実施の形態に係る制御弁７ｇは、第３の実施の形態に係る制御弁７ｂのように混合室４２にて低圧冷媒と液冷媒とが混合された冷媒の過熱度に応じて混合される液冷媒の流量を制御する構成を有しているが、パワーエレメント２２の構成を変更している。すなわち、この制御弁７ｇのパワーエレメント２２は、ダイヤフラム３５の弁部２１の側に皿ばね５３を配置し、ダイヤフラム３５の弁部２１の側への変位を受け止める構成にしてダイヤフラム３５の耐久性を強化している。皿ばね５３は、中央が突出している面をダイヤフラム３５の側にし、外周縁部をリテーナ５４によって支持している。リテーナ５４は、第２ハウジング３７の開口縁部をかしめ加工することによって第２ハウジング３７の中に固定されている。ダイヤフラム３５と皿ばね５３との間には、緩衝用樹脂フィルム５５が挟持されている。緩衝用樹脂フィルム５５は、たとえばポリテトラフルオロエチレンシートまたはポリイミドフィルムとすることができる。また、感温室を構成している第１ハウジング３６は、強度を上げるために厚く形成されている。

皿ばね５３とシャフト３２との間には、混合室４２内の導入された冷媒を撹拌・混合するとともに皿ばね５３の変位をシャフトに伝達する邪魔板５６が配置されている。そして、パワーエレメント２２には、断熱カバー５７が被装され、この制御弁７ｇが設置されているエンジンルーム内の温度の影響を受けないようにしている。

この制御弁７ｇによれば、パワーエレメント２２の薄膜のダイヤフラム３５は、混合室４２内の冷媒の温度に対応する感温室内の圧力に応じて変位するが、その内圧が高くなって混合冷媒の圧力との圧力差が大きくなっても皿ばね５３がダイヤフラム３５を支持していることによってダイヤフラム３５の耐久性を大幅に改善している。たとえば、冷凍サイクルを循環する冷媒がＨＦＣ−１３４ａであり、パワーエレメント２２の０℃のときの蒸発圧力が約１．３ＭＰａ、に充填されている作動ガスもＨＦＣ−１３４ａであるとし、この制御弁７ｇが開き始めるときの温度を５０℃と設定した場合、そのＨＦＣ−１３４ａの飽和蒸気特性から、０℃のときの蒸発圧力が約０．３ＭＰａ、５０℃のときの蒸発圧力が約１．３ＭＰａであるので、感温室の中と外との圧力差は、約１ＭＰａにもなることになる。このような大きな圧力差は、制御弁７ｇの弁部２１を押し開ける方向に薄いダイヤフラム３５に直接かかることになるので、ダイヤフラム３５の耐久性に問題が出てきてしまう。そこで、この制御弁７ｇでは、ダイヤフラム３５にかかるそのような圧力差を皿ばね５３が全面で受けるようにしている。

このため、この制御弁７ｇの開弁特性は、皿ばね５３の特性に制約されたものになる。すなわち、皿ばね５３の特性は、ばね荷重に対する変位特性が逆Ｓ字特性を有しており、したがって、制御弁７ｇの開弁特性は、図１５に示したように、逆Ｓ字特性になっている。この開弁特性において、縦軸は圧力を表し、横軸はダイヤフラム３５の変位を表している。低圧配管１４から圧縮機１へ向かう冷媒の圧力をＰｓ、パワーエレメント２２の感温室内の圧力をＰ（Ｔｓ）とし、制御弁７ｇが開弁するときの圧力差をΔＰ（＝Ｐ（Ｔｓ）−Ｐｓ）としたときに、皿ばね５３は、圧力差ΔＰに相当する荷重を受けたときに変位の変化率が大きくなる位置をするときの作動点に設定している。これにより、内部熱交換器４からの冷媒の過熱度がたとえば５０Ｋに達しないとき、それに対応する圧力差ΔＰも小さいので、制御弁７ｇは全閉状態を維持している。しかし、過熱度が大きくなって５０Ｋ以上になると、それに対応する圧力差ΔＰが開弁点を超えるので、弁部２１が開弁し、過熱冷媒に液冷媒を混入させるようになる。

図１６は第９の実施の形態に係る制御弁の構成を示す断面図である。この図１６において、図１４に示す構成要素と同じ構成要素は同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
この第９の実施の形態に係る制御弁７ｈは、第８の実施の形態に係る制御弁７ｇに図１０の第４の実施の形態に係る制御弁７ｃの差圧制御機能を付加した形態になっている。すなわち、図６に示すモリエル線図を用いて説明すると、圧縮機１の吸入側がａ２点、吐出側がｂ２点にあり、そのときの吐出側の冷媒の温度がたとえば１３０℃であったとする。この状態で、冷凍サイクルの成績係数を最大に維持するべく圧縮機１の吐出側の冷媒の温度を１３０℃に一定に保とうとする場合、吐出側の高圧冷媒の圧力Ｐ０が高くなると、吐出側のｂ２点を１３０℃の等温線に沿って図の上方へ移動させることになる。このことは、ａ２点からｂ２点までの等エントロピ線に沿った線が図の左方へ概略平行移動することになるが、それには、圧縮機１の吸入側の冷媒の過熱度を小さく設定する必要がある。つまり、図７でも示したように、圧縮機１の吐出側の高圧圧力が高くなれば、吸入側の冷媒の過熱度を小さく、高圧圧力が低くなれば、吸入側の冷媒の過熱度を大きく設定するようにすれば良い。

そのためには、シャフト４５の先端にこのシャフト４５よりも十分大きな径を有するピストン５８が一体に形成され、その外周に形成された溝にシール用のＯリング４６を嵌合している。これにより、ピストン５８が高圧圧力および低圧圧力を受ける有効受圧径は、Ｏリング４６の外径と等しくシャフト４５よりも十分大きくなっている。したがって、この制御弁７ｈは、パワーエレメント２２による過熱度の制御に対して、高圧圧力と低圧圧力との差圧が大きくなるに従い開弁し易くして、過熱度を小さくする方向に補正していることになる。

なお、上記の第８および第９の実施の形態では、パワーエレメント２２の感温室に充填されるガスが冷凍サイクルを循環する冷媒と同じである場合について説明したが、もちろん、冷凍サイクルの冷媒と異なるガスであっても良い。たとえば、冷凍サイクルの冷媒としてＨＦＣ−１３４ａを使用した場合、パワーエレメント２２の感温室に充填するガスにＨＦＣ−１３４ａよりも同じ０℃での蒸発圧力の低いイソブタンまたはノルマルブタンを使用することができ、さらに、必要に応じて特性調整のために不活性ガスが充填されることもある。このとき、パワーエレメント２２が大きな過熱度を感知しても、その感温室内の蒸発圧力は低いので、ダイヤフラム３５を支持している皿ばね５３は、ばね荷重の小さいものに変更するか、場合によっては不要になる。

本発明による冷凍サイクルを示すシステム図である。 蒸発器から制御弁までの具体的な構成例を示す断面図である。 第１の実施の形態に係る制御弁の構成を示す断面図である。 図３のａ−ａ矢視断面図である。 制御弁の開度特性を示す図である。 冷媒のモリエル線図と冷凍サイクルの動作説明とを示す図である。 高圧圧力の変化に対する過熱度の変化を示す図である。 第２の実施の形態に係る制御弁の構成を示す断面図である。 第３の実施の形態に係る制御弁の構成を示す断面図である。 第４の実施の形態に係る制御弁の構成を示す断面図である。 第５の実施の形態に係る制御弁の構成を示す断面図である。 第６の実施の形態に係る制御弁の構成を示す断面図である。 第７の実施の形態に係る制御弁の構成を示す断面図である。 第８の実施の形態に係る制御弁の構成を示す断面図である。 第８の実施の形態に係る制御弁の開弁特性を示す図である。 第９の実施の形態に係る制御弁の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 凝縮器
３ レシーバ
４ 内部熱交換器
５ 膨張弁
５ａ 弁部
５ｂ パワーエレメント
６ 蒸発器
７，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，７ｇ，７ｈ 制御弁
１０ 隔壁
１１ 第１二重管
１２ 第２二重管
１３ 高圧配管
１４ 低圧配管
２１ 弁部
２２ パワーエレメント
２３ ボディ
２４ 入口ポート
２５，２６ 出口ポート
２７ ガイド
２８，２８ａ，２８ｂ 弁座
２９，２９ａ，２９ｂ 弁体
３０，３０ａ，３０ｂ スプリング
３１ ばね受け部材
３２ シャフト
３３ Ｏリング
３４ ガイド
３５ ダイヤフラム
３６ 第１ハウジング
３７ 第２ハウジング
３８ Ｏリング
３９ ディスク
４０ 連通孔
４１ オリフィス
４２ 混合室
４３，４４ 邪魔板
４５ シャフト
４６ Ｏリング
４７ 感温アクチュエータ
４８ 形状記憶合金ばね
４９ ばね受け部材
５０ 蓋部
５１ 感温動作弁
５２ 差圧弁
５３ 皿ばね
５４ リテーナ
５５ 緩衝用樹脂フィルム
５６ 邪魔板
５７ 断熱カバー
５８ ピストン

Claims (17)

1. 膨張弁に導入される高圧冷媒と圧縮機に戻される低圧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おいて、
   前記内部熱交換器から前記圧縮機に送られる前記低圧冷媒の過熱度を調整する制御弁を備えていることを特徴とする冷凍サイクル。
2. 前記制御弁は、前記膨張弁の感温部から前記内部熱交換器を介して前記圧縮機の入口まで延びる低圧冷媒通路の任意の位置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。
3. 前記制御弁は、前記内部熱交換器と一体に形成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. 前記制御弁は、前記圧縮機に接続される側の前記内部熱交換器の端部に内蔵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. 前記制御弁は、前記高圧冷媒の一部を前記低圧冷媒に混入させる弁部を有し、前記低圧冷媒に混入する前記高圧冷媒の流量を制御することにより前記過熱度の調整を行っていることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル。
6. 前記弁部は、混入される前記高圧冷媒の流量の最大値を決めるオリフィスを有していることを特徴とする請求項５記載の冷凍サイクル。
7. 前記弁部は、前記高圧冷媒の圧力が高くなるに従って開弁時の過熱度の設定値を小さくする構成にしたことを特徴とする請求項５記載の冷凍サイクル。
8. 前記制御弁は、前記圧縮機の入口に送られる前記低圧冷媒の前記過熱度を検出し、前記過熱度が高くなるに従って前記弁部を開弁するように制御するパワーエレメントを有していることを特徴とする請求項５記載の冷凍サイクル。
9. 前記パワーエレメントは、前記高圧冷媒が十分に混合された状態の前記低圧冷媒の前記過熱度を検出するように配置されていることを特徴とする請求項８記載の冷凍サイクル。
10. 前記制御弁の弁部は、前記高圧冷媒の圧力と前記低圧冷媒の圧力との差圧を感知し、前記差圧が所定の差圧を超えると開弁する差圧弁であることを特徴とする請求項５記載の冷凍サイクル。
11. 前記制御弁は、前記圧縮機の入口に送られる前記低圧冷媒の温度を感知し、前記温度が高くなるに従って前記弁部を開弁するように制御する感温アクチュエータを有していることを特徴とする請求項５記載の冷凍サイクル。
12. 前記制御弁の弁部は、前記圧縮機の入口に送られる前記低圧冷媒の温度を感知し、前記温度が所定の温度を超えると開弁する感温動作弁と、前記感温動作弁が開弁することにより導入される前記高圧冷媒の圧力と前記低圧冷媒の圧力との差圧を感知し、前記差圧が所定の差圧を超えると開弁する差圧弁とを有していることを特徴とする請求項５記載の冷凍サイクル。
13. 前記制御弁は、前記圧縮機の入口に送られる前記低圧冷媒の温度を感知する感温アクチュエータと、前記高圧冷媒の圧力と前記低圧冷媒の圧力との差圧に応じて開弁する前記弁部とを有し、差圧で動作する前記弁部は、前記感温アクチュエータにより前記温度が高くなるに従って開弁差圧の設定値が小さくなる方向に変化するよう制御されることを特徴とする請求項５記載の冷凍サイクル。
14. 前記パワーエレメントは、ダイヤフラムの前記弁部の側に皿ばねを配置して前記ダイヤフラムの耐久性を強化したことを特徴とする請求項８記載の冷凍サイクル。
15. 前記パワーエレメントは、前記ダイヤフラムと前記皿ばねとの間に緩衝用樹脂フィルムを配置したことを特徴とする請求項１４記載の冷凍サイクル。
16. 前記パワーエレメントは、その感温室に、この冷凍サイクルを循環させる冷媒よりも蒸発圧力の低いガスを充填したことを特徴とする請求項８記載の冷凍サイクル。
17. 前記制御弁の弁部は、前記高圧冷媒の圧力と前記低圧冷媒の圧力との差圧を感知し、前記差圧が大きくなるに従って前記パワーエレメントにより制御される前記低圧冷媒の前記過熱度を小さくする方向に補正することを特徴とする請求項８記載の冷凍サイクル。

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