JP2013170734A - 膨張弁 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で冷凍サイクルの不安定な作動を適切に抑制可能な膨張弁を提供する。
【解決手段】温度に応じて圧力が変化する感温媒体が封入された封入空間２０の内圧と蒸発器６から流出した低圧冷媒の圧力との圧力差に応じて変位するダイヤフラム５３ｂに感温棒５２ｂを連通し、この感温棒５２ｂの内部に封入空間２０と連通する筒状空間１０を形成する。そして、感温媒体を冷媒と不活性ガスの混合ガスとし、感温棒５２ｂから感温媒体への熱伝達の時定数が所望の時定数範囲内となるように、感温媒体に占める不活性ガスの混合割合が、筒状空間１０における掘り込み深さＬに対する相当直径Ｄの比α（＝Ｌ／Ｄ）に応じた割合となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用される膨張弁に関する。

従来、蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用されて、蒸発器から流出した低圧冷媒の過熱度が予め定めた値に近づくように、高圧冷媒を減圧膨張させる膨張弁が知られている。この種の膨張弁は、蒸発器から流出した低圧冷媒の温度および圧力に応じて変位作動するエレメント部を備え、エレメント部によって弁体を変位させることで、高圧冷媒を減圧膨張させる絞り通路の開度を調整している。

より具体的には、エレメント部は、温度に応じて圧力変化する感温媒体が封入された封入空間の内圧と蒸発器から流出した低圧冷媒の圧力との圧力差に応じて変位するダイヤフラム（圧力応動部材）を有している。そして、このダイヤフラムの変位が、蒸発器から流出した低圧冷媒の温度を感温媒体に伝達する感温棒等を介して、弁体に伝えられる。

これにより、封入空間内の感温媒体の圧力を蒸発器から流出した低圧冷媒の温度に応じた圧力とし、封入空間内の内圧と蒸発器から流出した低圧冷媒の圧力との圧力差によってダイヤフラムを変位させている。つまり、蒸発器から流出した低圧冷媒の温度および圧力に応じてダイヤフラムを変位させて弁体を変位させることで、絞り通路の開度を調整している。

この種の膨張弁では、例えば、感温棒からの熱伝達によって感温媒体の圧力・温度が平衡状態となるまでの間の応答時間（時定数）が、他の機能品や冷凍サイクル自身が持つ応答時間に対して短くなると、いわゆるハンチング現象が生じて冷凍サイクルの作動が不安定となってしまう。

そこで、従来の膨張弁では、感温棒内部に封入空間と連通する筒状空間を設け、当該筒状空間の内部に活性炭を封入する構成や、当該筒状空間の内壁に感温棒よりも熱伝達率が低い低熱伝導層を設ける構成を採用している（例えば、特許文献１参照）。これにより、感温棒から感温媒体への熱伝達の時定数を確保して、ハンチング現象の抑制を図っている。

特開２０１０−１３３５７７号公報

しかしながら、従来技術の如く、感温棒内部の筒状空間に活性炭を封入する構成や、感温棒内部の筒状空間の内壁に低熱伝導層を設ける構成とすると、感温棒の内部構造が複雑化して、工数や製造コストの増大により膨張弁の生産性の悪化を招くといった問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、簡素な構成で冷凍サイクルの不安定な作動を抑制可能な膨張弁を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明者らは以下の検討を行った。まず、本発明者らは、感温媒体として冷媒、および不活性ガスを混合した混合ガスを用いた際に、感温棒（５２ｂ）から感温媒体への熱の拡散状態（感温媒体の圧力拡散状態）が変化して、感温媒体の温度・圧力が平衡状態となるまでの応答時間（時定数）が変わることに着眼し、感温媒体中に占める不活性ガスの混合割合を変更することで、感温棒から感温媒体への熱伝達の時定数を調整することを検討した。

本発明者らの検討によると、不活性ガスの混合割合を大きくすると、感温棒から感温媒体への熱の拡散を遅くれ、感温棒から感温媒体への熱伝達の時定数が長くなるとの知見を得た。

ところが、実際には、単に不活性ガスの混合割合だけを調整したとしても、感温棒から感温媒体への熱伝達の時定数を所望の時定数範囲となるように調整することが難しい場合があった。

そこで、本発明者らは、感温棒から感温媒体への熱伝達の時定数の調整が困難となる要因について検討したところ、感温棒内部の筒状空間（１０）の形状によって感温棒から感温媒体への熱の拡散状態が変化することがわかった。具体的には、筒状空間における感温棒の軸方向に延びる掘り込み深さに対する軸直交方向の相当直径（等価直径）の比が大きくなると、感温棒から感温媒体への熱の拡散が遅くなり、感温棒から感温媒体への熱伝達の時定数が長くなることがわかった。

本発明は、感温棒から感温媒体への熱伝達の時定数、感温棒内部の筒状空間の形状、および感温媒体中に占める不活性ガスの混合割合に有機的な繋がりがあるとの知見に基づいて案出されたものである。

すなわち、本発明の膨張弁は、高圧冷媒を流通させる高圧冷媒通路（５１ｃ）、高圧冷媒通路に設けられて冷媒を減圧膨張させる絞り通路（５１ｈ）、および蒸発器（６）から流出した低圧冷媒を流通させる低圧冷媒通路（５１ｆ）が形成されたボデー部（５１）と、絞り通路の開度を調整する弁体（５２ａ）と、ボデー部の外部に配置されて、温度に応じて圧力が変化する感温媒体が封入された封入空間（２０）の内圧と低圧冷媒通路を流通する低圧冷媒の圧力との圧力差に応じて変位する圧力応動部材（５３ｂ）を有するエレメント部（５３）と、少なくとも一部が低圧冷媒通路に位置するように配置され、圧力応動部材の変位を弁体に伝えると共に、低圧冷媒通路を流通する低圧冷媒の温度を感温媒体に伝える感温棒（５２ｂ）と、を備える。

そして、請求項１に記載の発明では、感温棒の内部には、感温棒の軸方向に延びるように形成されて、封入空間と連通する掘り込み形状の筒状空間（１０）が形成されており、感温媒体は、冷媒および冷媒と異なる不活性ガスを混合した混合ガスで構成されており、不活性ガスは、感温媒体中に占める不活性ガスの混合割合が、感温棒から感温媒体への熱伝達の時定数が予め定めた時定数範囲内となるように、筒状空間における感温棒の軸方向の掘り込み深さに対する筒状空間における感温棒の軸直交方向の相当直径の比に応じて定めた割合となっていることを特徴としている。

これによれば、感温棒内部の筒状空間に対して、活性炭の封入や、低熱伝導層等を設けることなく、不活性ガスの混合割合を筒状空間の掘り込み深さに対する相当直径の比に応じて定めた割合とすることで、感温棒から感温媒体への熱伝達の時定数を適切に確保することが可能となる。

従って、簡素な構成で冷凍サイクルの不安定な作動を抑制可能な膨張弁を実現することができる。なお、「相当直径」とは、筒状空間の断面が円形でない場合も含めて、筒状空間の断面積に相当する円を描いた際の直径を意味する。

また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の膨張弁において、時定数範囲内となる時定数をτ（単位：秒）、掘り込み深さに対する相当直径の比をα、不活性ガスの混合割合をβとしたとき、
τ＝Ｋ×α
Ｋ＝７０×β＋０．８５
で示す関係式を満たすように不活性ガスが封入空間に封入されていることを特徴としている。

これによれば、筒状空間における掘り込み深さに対する相当直径の比αに応じて、不活性ガスの混合割合βを変更することで、感温棒から筒状空間内の感温媒体への熱伝達の時定数τを所望の範囲内に適切に調整することができる。

ここで、膨張弁では、感温媒体を封入する封入空間の内圧を増加させるために、感温媒体として冷媒と不活性ガスの混合ガスを用いることがあるが、本発明の如く、感温棒から感温媒体への熱伝達の時定数を適切に確保するために、感温媒体として混合ガスを用いるものとは技術的意義が異なる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態に係る膨張弁の断面図である。 第１実施形態に係るダイヤフラムの変位を説明するための説明図である。 筒状空間における掘り込み深さに対する相当直径の比、および不活性ガスの混合割合の変化に対する感温媒体への熱伝達の時定数の変化の一例を示す特性図である。 エレメント部内部の容積変化に伴う不活性ガスの分圧変化を示す特性図である。 第２実施形態に係る膨張弁の断面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の膨張弁５は、車両用空調装置の蒸気圧縮式冷凍サイクル１（以下、単に冷凍サイクル１と称する。）に適用されている。なお、図１では、膨張弁５と冷凍サイクル１の各構成機器との接続関係についても模式的に図示している。

本実施形態の冷凍サイクル１は、冷媒としてフロン系冷媒（Ｒ１３４ａ）を採用しており、高圧冷媒の圧力が冷媒の臨界圧力を超えない亜臨界サイクルを構成している。

まず、冷凍サイクル１の圧縮機２は図示しない車両走行用エンジンから電磁クラッチ等を介して駆動力を得て、冷媒を吸入して圧縮するものである。なお、圧縮機２は、図示しない電動モータから出力される駆動力によって駆動する電動圧縮機で構成されていてもよい。

放熱器３は、圧縮機２から吐出された高圧冷媒と図示しない冷却ファンにより送風される外気（車室外空気）とを熱交換させて、高圧冷媒を放熱させて凝縮させる放熱用熱交換器である。

放熱器３の出口側には、放熱器３から流出した高圧冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して、サイクル内の余剰液相冷媒を溜める受液器（レシーバ）４が接続されている。さらに、レシーバ４の液相冷媒出口には、膨張弁５が接続されている。

この膨張弁５は、レシーバ４から流出した高圧冷媒を減圧膨張させるとともに、蒸発器６から流出した低圧冷媒の温度と圧力とに基づいて、蒸発器６から流出した低圧冷媒の過熱度が予め定めた値に近づくように絞り通路面積（弁開度）を変化させて、蒸発器６の冷媒入口側へ流出させる冷媒流量を調整するものである。なお、膨張弁５の詳細については後述する。

蒸発器６は、膨張弁５にて減圧膨張された低圧冷媒と、図示しない送風機によって送風された空気とを熱交換させ、低圧冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱用熱交換器である。さらに、蒸発器６の出口側は、膨張弁５の内部に形成された低圧冷媒通路５１ｆを介して、圧縮機２の吸入側に接続されている。

次に、膨張弁５の詳細構成について説明する。この膨張弁５は、いわゆる内部均圧式のもので、図１に示すように、ボデー部５１、弁体部５２およびエレメント部５３等を有して構成される。

まず、ボデー部５１は、膨張弁５の外殻および膨張弁５内の冷媒通路等を構成するもので、円筒状あるいは角筒状の金属ブロックに穴開け加工等を施して形成されている。ボデー部５１には、冷媒流入口・流出口５１ａ、５１ｂ、５１ｄ、５１ｅ、弁室５１ｇ、絞り通路５１ｈ、連通室５１ｉ、取付穴５１ｊ等が形成されている。

冷媒流入口・流出口としては、レシーバ４の液相冷媒出口に接続されて高圧液相冷媒を流入させる第１流入口５１ａ、第１流入口５１ａから流入した冷媒を蒸発器６入口側へ流出させる第１流出口５１ｂが形成されている。従って、本実施形態では、第１流入口５１ａから第１流出口５１ｂへ至る冷媒通路によって、高圧冷媒通路５１ｃが形成される。

また、他の冷媒流入口・流出口として、蒸発器６から流出した低圧冷媒を流入させる第２流入口５１ｄ、第２流入口５１ｄから流入した冷媒を圧縮機２吸入側へ流出させる第２流出口５１ｅが形成されている。従って、本実施形態では、第２流入口５１ｄから第２流出口５１ｅへ至る冷媒通路によって、低圧冷媒通路５１ｆが形成される。

弁室５１ｇは、高圧冷媒通路５１ｃに設けられて、その内部に後述する弁体部５２の球状弁５２ａが収容される空間である。より具体的には、弁室５１ｇは、第１流入口５１ａに直接連通し、絞り通路５１ｈを介して第１流出口５１ｂに連通している。絞り通路５１ｈは、高圧冷媒通路５１ｃに設けられて、第１流入口５１ａから弁室５１ｇへ流入した冷媒を、減圧膨張させながら弁室５１ｇ側から第１流出口５１ｂ側へ導く通路である。

連通室５１ｉは、低圧冷媒通路５１ｆおよびボデー部５１上面に形成された取付穴５１ｊに連通するように設けられた空間である。この取付穴５１ｊには、ボデー部５１の外部から、後述するエレメント部５３が取り付けられている。

弁体部５２は、一方の端部に設けられた弁体である球状弁５２ａ、エレメント部５３のダイヤフラム５３ｂに溶接、接着等の接合手段によって連結された略円筒状の感温棒５２ｂ、および、感温棒５２ｂに同軸上に圧入等の手段よって連結されて、球状弁５２ａに当接する略円筒状の作動棒５２ｃを有して構成されている。

球状弁５２ａは、感温棒５２ｂおよび作動棒５２ｃの軸方向に変位することによって、絞り通路５１ｈの冷媒通路面積を調整する弁体である。また、弁室５１ｇには、コイルバネ５４が収容されており、このコイルバネ５４は、支持部材５４ａを介して、球状弁５２ａに対して絞り通路５１ｈを閉弁させる側に付勢する荷重をかけている。さらに、コイルバネ５４による荷重は、調整ネジ５４ｂによって調整可能になっている。

感温棒５２ｂは、連通室５１ｉ、取付穴５１ｊを貫通するように延びており、その外周面の少なくとも一部が、低圧冷媒通路５１ｆを流通する低圧冷媒に晒されるように配置されている。これにより、感温棒５２ｂは、低圧冷媒通路５１ｆを流通する蒸発器６から流出した低圧冷媒の温度をエレメント部５３側へ伝達することができる。感温棒５２ｂとしては、熱伝導が良好で、強靱な材質にて形成することが好ましく、本実施形態では感温棒５２ｂをステンレスにて形成している。

さらに、感温棒５２ｂの内部には、感温棒５２ｂの軸方向へ延びるように形成され、後述する封入空間２０に連通する掘り込み形状の筒状空間１０が形成されている。本実施形態の筒状空間１０は、軸方向一端側（封入空間２０側）が開口し、軸方向他端側が閉じた有底円筒状の容器を構成する。なお、低圧冷媒通路５１ｆを流通する低圧冷媒の温度の伝達を考慮して、感温棒５２ｂの内周側と外周側との間の肉厚は、５ｍｍ以下とすることが望ましい。

本実施形態の筒状空間１０は、感温棒５２ｂの軸直交方向において、低圧冷媒通路５１ｆと重合するように形成されている。これにより、封入空間２０内よりも外気温の影響を受けにくい筒状空間１０内部において、蒸発器６から流出した低圧冷媒の温度を伝達することができる。

具体的には、感温棒５２ｂの軸方向における低圧冷媒通路５１ｆの下面からボデー部５１の取付穴５１ｊまでの範囲を低圧冷媒流路領域としたときに、筒状空間１０の底面の位置が低圧冷媒流路領域の範囲となるように、筒状空間１０における感温棒５２ｂの軸方向の掘り込み深さＬ（単位：ｍｍ）を設定している。この際、筒状空間１０の底面が、低圧冷媒流路領域においてボデー部５１の取付穴５１ｊよりも低圧冷媒通路５１ｆの下面側に位置するように、筒状空間１０の掘り込み深さＬを設定することが望ましい。

また、加工上の制約から、筒状空間１０は、掘り込み深さＬに対する感温棒５２ｂの軸直交方向の相当直径Ｄ（単位：ｍｍ）の比αが１０以下となる形状とすることが望ましい。本実施形態では、筒状空間１０における掘り込み深さＬに対する相当直径Ｄ（単位：ｍｍ）の比αが０＜α＜１０となるように筒状空間１０を構成している。

作動棒５２ｃは、ボデー部５１に連通室５１ｉ側と弁室５１ｇ側とを貫通するように形成された弁体部配置穴５１ｋおよび絞り通路５１ｈを貫通するように配置されている。なお、弁体部配置穴５１ｋと弁体部５２の作動棒５２ｃとの隙間は、図示しないＯ−リング等のシール部材によってシールされており、弁体部５２が変位しても弁体部配置穴５１ｋと弁体部５２との隙間から冷媒が漏れることはない。

エレメント部５３は、取付穴５１ｊにネジ止め等の固定手段によって取り付けられるエレメントハウジング５３ａ、圧力応動部材であるダイヤフラム５３ｂ、エレメントハウジング５３ａとともにダイヤフラム５３ｂの外縁部を狭持してエレメント部５３の外殻を形成するエレメントカバー５３ｃによって構成される。

エレメントハウジング５３ａおよびエレメントカバー５３ｃは、ステンレス（ＳＵＳ３０４）等の金属で杯状に形成され、ダイヤフラム５３ｂの外縁部を狭持した状態で、その外周端部同士が溶接、ろう付け等の接合手段によって一体に接合されている。従って、エレメントハウジング５３ａおよびエレメントカバー５３ｃによって形成されるエレメント部５３の内部空間は、ダイヤフラム５３ｂによって２つの空間に区画される。

この２つの空間のうち、エレメントカバー５３ｃとダイヤフラム５３ｂとによって形成される空間は、蒸発器６から流出した低圧冷媒の温度に応じて圧力変化する感温媒体が封入される封入空間２０である。この封入空間２０は、ダイヤフラム５３ｂの中心部に形成されてダイヤフラム５３ｂの表裏を貫通する貫通穴を介して、感温棒５２ｂの内部に形成された筒状空間１０と連通している。

一方、エレメントハウジング５３ａとダイヤフラム５３ｂとによって形成される空間は、連通室５１ｉと連通して蒸発器６から流出した低圧冷媒を導入させる導入空間３０である。従って、筒状空間１０および封入空間２０に封入された感温媒体には、感温棒５２ｂを介して、低圧冷媒通路５１ｆを流通する蒸発器６から流出した低圧冷媒の温度が伝達されるだけでなく、ダイヤフラム５３ｂを介して、導入空間３０に導入された蒸発器６から流出した低圧冷媒の温度も伝達される。

従って、筒状空間１０および封入空間２０の内圧は、蒸発器６から流出した低圧冷媒の温度に応じた圧力となる。そして、ダイヤフラム５３ｂは、筒状空間１０および封入空間２０の内圧と導入空間３０へ流入した蒸発器６から流出した低圧冷媒の圧力との差圧に応じて変位する。

例えば、筒状空間１０および封入空間２０の内圧の低下に伴い、図２（ａ）に示すようにダイヤフラム５３ｂが上方側へ変位し、筒状空間１０および封入空間２０の内圧が増大に伴い、図２（ｂ）に示すようにダイヤフラム５３ｂが下方側へ変位する。なお、図２（ａ）、（ｂ）は、図１のＡ部分の部分拡大図を示している。

このため、ダイヤフラム５３ｂは弾性に富み、かつ熱伝導が良好で、強靱な材質にて形成することが好ましく、例えば、ステンレス（ＳＵＳ３０４）等の金属薄板にて形成される。

また、図１に示すように、エレメントカバー５３ｃには、封入空間２０に感温媒体を充填するための充填穴５３ｄが形成されており、この充填穴５３ｄは、感温媒体の充填後に、その先端が封止プラグ５３ｅによって閉塞される。

さらに、本実施形態の封入空間２０には、気相状態の冷媒および不活性ガスを混合した混合ガスが感温媒体として封入されている。

本実施形態では、封入空間２０に封入する冷媒として、冷凍サイクル１を循環する冷媒と同一組成の冷媒を採用し、不活性ガスとして、膨張弁５の使用温度範囲（例えば、−３０℃〜６０℃）において、理想気体と同様の温度−圧力特性を示すヘリウムや窒素等を採用している。

本実施形態では、感温棒５２ｂから感温媒体への熱伝達の時定数τ（単位：秒）が所望の時定数範囲となるように、感温媒体中に占める不活性ガスの混合割合βを筒状空間１０の形状に応じて定まる割合としている。この不活性ガスの混合割合βについては、図３および図４に示す特性図を用いて説明する。図３は、筒状空間１０における掘り込み深さＬに対する相当直径Ｄの比α（＝Ｌ／ｄ）、および不活性ガスの混合割合β（％）の変化に対する感温媒体への熱伝達の時定数τの変化を示す特性図である。なお、図中に示すプロットは、不活性ガスの混合割合βを０％、５％としたときの実測値を示し、図中の不活性ガスの混合割合β毎に示すラインは、シミュレーション結果に基づくものである。

図３に示すように、時定数τは、筒状空間１０における掘り込み深さＬに対する相当直径Ｄの比αの増大に比例して長くなる傾向がある。そして、不活性ガスの混合割合βの増大に伴って、掘り込み深さＬに対する相当直径Ｄの比αに対する時定数τの変化率（傾き）が大きくなる傾向がある。なお、所定の時定数τを確保する場合、筒状空間１０における掘り込み深さＬに対する相当直径Ｄの比αが小さくなるに伴って、不活性ガスの混合割合βが大きくなる関係（反比例）となっている。

このようなαとβとτとの間の関係は、以下の数式Ｆ１、Ｆ２で近似することができる。

τ＝Ｋ×α…（Ｆ１）
Ｋ＝７０×β＋０．８５…（Ｆ２）
なお、数式Ｆ２におけるβは、パーセントでなく絶対値としている。

本実施形態では、時定数τ、および筒状空間１０の掘り込み深さＬに対する相当直径Ｄの比αを設定した際に、上述の数式Ｆ１、Ｆ２を満たすように不活性ガスを封入空間２０に封入している。

ここで、感温棒５２ｂから感温媒体への熱伝達の時定数τが、冷凍サイクル１等が持つ時定数に対して短くなると、いわゆるハンチング現象が生じて冷凍サイクル１の作動が不安定となってしまう。一方、時定数τが長くなりすぎると、他の機能品や冷凍サイクル１の作動に対する即応性が損なわれてしまう。

このため、本実施形態では、時定数τを５０秒以上かつ１５０秒以下の範囲内となるように、不活性ガスの混合割合βを設定している。なお、時定数τの下限値（＝５０秒）は、ハンチング現象の抑制を図るため設定値であり、上限値（＝１５０秒）は、膨張弁５の即応性を確保するための設定値である。

従って、本実施形態では、不活性ガスの混合割合βが、時定数τの時定数範囲を５０秒≦τ１５０秒とし、筒状空間１０の掘り込み深さＬに対する相当直径Ｄの比αを０＜α＜１０とした際に、上述の数式Ｆ１、Ｆ２を満たす割合となっている。

ところで、筒状空間１０および封入空間２０の内圧と導入空間３０へ流入した蒸発器６から流出した低圧冷媒の圧力との差圧が生ずると、ダイヤフラム５３ｂは、図２に示すように変位するが、この際、感温媒体が封入された封入空間２０の内容積も変化することとなる。

具体的には、ダイヤフラム５３ｂの上方側への変位量が最大となった際、感温媒体が封入された封入空間２０の内容積が縮小して最小容積となり、ダイヤフラム５３ｂの下方側への変位量が最小となった際、感温媒体が封入された封入空間２０の内容積が拡大して最大容積となる。

感温媒体を構成する不活性ガスは、理想気体と同様の特性（容積と圧力が反比例の関係）を示すことから、封入空間２０の内容積の変動にすると、不活性ガスの分圧変化が生じ、ダイヤフラム５３ｂの変位量が変化してしまう。このような感温媒体の分圧変化は、本来の感温棒５２ｂにおける蒸発器６から流出した低圧冷媒の温度検知性能等に影響を及ぼすことから、なるべく変化を小さくすることが望ましい。

図４は、エレメント部５３内部の封入空間２０の容積変化に伴う不活性ガスの分圧変化を示す特性図である。図４に示すように、本発明者らの実験によれば、不活性ガスの混合割合βが大きくなるほど、封入空間２０の内容積の変動による不活性ガスの分圧変化が大きくなることがわかっている。

そこで、本実施形態では、ダイヤフラム５３ｂの変位に伴って、封入空間２０の内容積が縮小した際の不活性ガスの分圧と、封入空間２０の内容積が拡大した際の不活性ガスの分圧ΔＰとの差圧（分圧変化）が、予め設定された基準圧力差以下の範囲となるように不活性ガスの混合割合βを設定している。

具体的には、本実施形態では、図４に示すように、封入空間２０の内容積の変動が生じた際に、通常使用域内で不活性ガスの分圧変化が５０ｋＰａ（感温媒体の温度偏差が５℃相当）以下の範囲（本実施形態では、０％から３０％の範囲）となるように、封入空間２０に不活性ガスを封入している。

なお、前述の数式Ｆ１、Ｆ２を満たす不活性ガスの混合割合βが、基準圧力差以下の範囲を超えるような場合、不活性ガスの分圧変化の増大を抑制するために、基準圧力差以下の範囲における上限値（本実施形態では３０％）を不活性ガスの混合割合βとすればよい。

次に、上記構成における本実施形態の作動について説明する。圧縮機２が車両エンジンの駆動力により回転駆動されると、圧縮機２から吐出された高温高圧冷媒は、放熱器３に流入し、冷却ファンにより送風された外気と熱交換して、放熱して凝縮する。放熱器３から流出した冷媒はレシーバ４にて気液分離される。

レシーバ４から流出した高圧液相冷媒は、膨張弁５の第１流入口５１ａから弁室５１ｇへ流入し、絞り通路５１ｈにて減圧膨張される。この際、絞り通路５１ｈの冷媒通路面積は、後述するように、蒸発器６から流出した低圧冷媒の過熱度が予め定めた値に近づくように調整されている。

絞り通路５１ｈにて減圧膨張された低圧冷媒は、第１流出口５１ｂから流出して蒸発器６へ流入する。蒸発器６へ流入した冷媒は、送風機によって送風された空気から吸熱して蒸発する。さらに、蒸発器６から流出した冷媒は、第２流入口５１ｄから膨張弁５へ流入する。

ここで、第２流入口５１ｄから連通室５１ｉへ流入した蒸発器６から流出した低圧冷媒の過熱度が上昇すると、筒状空間１０および封入空間２０に封入された感温媒体の圧力が上昇して、筒状空間１０および封入空間２０の内圧から導入空間３０の圧力を差し引いた差圧が大きくなる。これにより、ダイヤフラム５３ｂは、弁体部５２が絞り通路５１ｈを開弁させる方向へ変位する（図２（ｂ）参照）。

逆に、蒸発器６から流出した低圧冷媒の過熱度が低下すると、封入空間２０に封入された感温媒体の圧力が低下して、筒状空間１０および封入空間２０の内圧から導入空間３０の圧力を差し引いた差圧が小さくなる。これにより、ダイヤフラム５３ｂは、弁体部５２が絞り通路５１ｈを閉弁させる方向へ変位する（図２（ａ）参照）。

このように蒸発器６から流出した低圧冷媒の過熱度に応じてエレメント部５３（具体的には、ダイヤフラム５３ｂ）が弁体部５２を変位させることによって、蒸発器６から流出した低圧冷媒の過熱度が予め定めた値に近づくように絞り通路５１ｈの通路面積が調整される。なお、調整ネジ５４ｂによって、コイルバネ５４から弁体部５２にかかる荷重を調整することで、弁体部５２の開弁圧を変更して、予め定めた過熱度の値を変更することもできる。

第２流出口５１ｅから流出した冷媒は、圧縮機２に吸入されて再び圧縮される。一方、送風機によって送風された空気は、蒸発器６にて冷却され、さらに、蒸発器６の空気流れ下流側に配置された図示しない加熱手段（例えば、温水ヒータコア等）によって目標温度まで温調されて、空調対象空間である車室内へ吹き出される。

以上説明した本実施形態の膨張弁５では、感温棒５２ｂから感温媒体への熱伝達の時定数τが予め定めた時定数範囲内（５０≦τ≦１５０）となるように、筒状空間１０における掘り込み深さＬに対する相当直径Ｄの比α（０＜α＜１０）に応じて不活性ガスの混合割合βを設定している。

これによれば、感温棒５２ｂ内部の筒状空間１０に対して、活性炭の封入や、低熱伝導層等を設けることなく、不活性ガスの混合割合βを筒状空間１０の掘り込み深さＬに対する相当直径Ｄの比αに応じて定めた割合とすることで、感温棒５２ｂから感温媒体への熱伝達の時定数τを適切に確保することが可能となる。従って、簡素な構成で冷凍サイクル１の不安定な作動を抑制可能な膨張弁５を実現することができる。

特に、本実施形態では、時定数範囲内となる時定数τ、筒状空間１０の掘り込み深さＬに対する相当直径Ｄの比αを設定した際に、不活性ガスの混合割合βが数式Ｆ１、Ｆ２で示す関係式を満たす割合となるように不活性ガスを封入空間２０に封入している。このため、筒状空間１０における掘り込み深さＬに対する相当直径Ｄの比αに応じて、不活性ガスの混合割合βを変更することで、感温棒５２ｂから筒状空間１０内の感温媒体への熱伝達の時定数τを所望の時定数範囲内に適切に調整することができる。

また、本実施形態では、時定数τの範囲を５０秒以上かつ１５０秒以下としているので、膨張弁５におけるハンチング現象を抑制すると共に、膨張弁５における即応性を確保することができる。

さらに、本実施形態では、ダイヤフラム５３ｂの変位に伴って封入空間２０の内容積が変化した際に生ずる不活性ガスの分圧変化が、予め設定された基準圧力差以下の範囲となるように、封入空間２０に不活性ガスを封入している。これにより、封入空間２０の内容積の変動した際に生ずる不活性ガスの分圧変化を抑制し、感温棒５２ｂにおける蒸発器６から流出した低圧冷媒の温度検知性能を適切に確保することができる。

さらにまた、本実施形態では、筒状空間１０の掘り込み深さＬを、筒状空間１０の底面の位置が低圧冷媒流路領域の範囲となるように設定しているため、封入空間２０内よりも外気温の影響を受けにくい筒状空間１０内において、蒸発器６から流出した低圧冷媒の温度を感温媒体に伝達することができる。これにより、感温棒５２ｂにおける蒸発器６から流出した低圧冷媒の温度検知性能を適切に確保することができる。

また、本実施形態の膨張弁５は、活性炭等の吸着剤を用いず、冷媒と不活性ガスの混合ガスを封入空間２０に封入する方式（ガスチャージ方式）であるため、膨張弁５の使用温度範囲において、ＭＯＰ（maximum operating pressure）特性を持たせることができる。なお、ＭＯＰ特性は、密閉空間の作動流体が加熱ガスとなることにより、温度の上昇に対して封入空間２０の圧力上昇が緩やかとなり、高負荷時における圧縮機２の動力を低減できる特性である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態では、図５、図６で示すように、上述の第１実施形態に対して、感温棒５２ｂ内部の掘り込み形状の筒状空間１０を環状に形成する例を説明する。なお、図５および図６では、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付している。

本実施形態の筒状空間１０は、感温棒５２ｂの軸中心位置に感温棒５２ｂの軸方向に延びる内軸棒１０ａを残した円環形状となっている。内軸棒１０ａの断面および感温棒５２ｂの内外壁面は、図６に示すように、と同心円形状となっている。なお、内軸棒１０ａは、感温棒５２ｂの内部が円環形状となるように加工した際に残る部位であり、材質等は感温棒５２ｂと同様となっている。

本実施形態では、感温棒５２ｂの内壁側の直径をｄ１とし、内軸棒１０ａの直径をｄ２としたとき、以下の数式Ｆ３〜Ｆ５にて定義される水力直径（＝Ｄｅ）を筒状空間１０の軸直交方向における相当直径Ｄｅとしている。

Ｄｅ＝（４×Ａｆ）／Ｌｆｗ…（Ｆ３）
Ｌｆｗ＝π×ｄ１＋π×ｄ２…（Ｆ４）
Ａｆ＝（π×ｄ１^２）／４＋（π×ｄ２^２）／４…（Ｆ５）
但し、Ｌｆｗが流路濡れ長さ、Ａｆが流路断面積を示している。

ここで、本実施形態の膨張弁５は、感温棒５２ｂから感温媒体への熱伝達の時定数τが筒状空間１０における掘り込み深さＬに対する相当直径Ｄｅの比α（＝Ｌ／Ｄｅ）の増大に比例して長くなり、さらに、不活性ガスの混合割合βの増大に伴って、掘り込み深さＬに対する相当直径Ｄｅの比αに対する時定数τの変化率（傾き）が大きくなる傾向がある。

このため、本実施形態では、第１実施形態と同様に、不活性ガスの混合割合βが、時定数τおよび掘り込み深さＬに対する相当直径Ｄｅの比αを設定した際に、上述の数式Ｆ１、Ｆ２で示す関係式を満たす割合となるように、封入空間２０に不活性ガスを封入している。

本実施形態の構成によっても、筒状空間１０の掘り込み深さＬに対する相当直径Ｄｅの比αに応じて不活性ガスの混合割合βを設定することで、感温棒５２ｂから筒状空間１０内の感温媒体への熱伝達の時定数τを確保することができ、第１実施形態の膨張弁５と同様の作用効果を得ることができる。

加えて、本実施形態の膨張弁５では、筒状空間１０を円環形状としていることから、筒状空間１０内部に存在する感温媒体を、低圧冷媒通路５１ｆに近づけることが可能となり、封入空間２０内よりも外気温の影響を受けにくい筒状空間１０内において、蒸発器６から流出した低圧冷媒の温度を感温媒体に伝達することができる。

さらに、筒状空間１０内部の内軸棒１０ａを設ける構成とすれば、内軸棒１０ａ自体の熱容量（熱マス）によって筒状空間１０内部の熱容量が増加するため、感温媒体への熱伝達の時定数τを確保することができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、かつ、当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。例えば、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の各実施形態では、時定数範囲内となる時定数τ、筒状空間１０の掘り込み深さＬに対する相当直径Ｄの比αを設定した際に、不活性ガスの混合割合が数式Ｆ１、Ｆ２で示す関係式を満たす割合となるように不活性ガスを封入空間２０に封入する例を説明したが、これに限定されない。

例えば、図３に示す時定数τ、筒状空間１０の掘り込み深さＬに対する相当直径Ｄの比α、および不活性ガスの混合割合βの関係を規定した特性マップを用意し、時定数τ、筒状空間１０における掘り込み深さＬに対する相当直径Ｄの比αを設定した際に、不活性ガスの混合割合βが特性マップから導出される割合となるように、不活性ガスを封入空間２０に封入するようにしてもよい。

（２）上述の各実施形態では、冷媒としてＲ１３４ａを採用する例を説明したが、これに限らず、一般的な冷凍サイクル１に採用される冷媒である、Ｒ１２３４ｙｆや、Ｒ１５２ａ、Ｒ６００ａといった冷媒を採用してもよい。

（３）上述の各実施形態で説明したように、時定数τの範囲を５０秒以上かつ１５０秒以下とすることが望ましいが、これに限らず、他の範囲としてもよい。

（４）上述の各実施形態で説明したように、筒状空間１０における掘り込み深さＬに対する相当直径Ｄの比αを０＜α＜１０とすることが望ましいが、α＜１０としてもよい。

（５）上述の各実施形態で説明したように、不活性ガスの混合割合βが、ダイヤフラム５３ｂの変位に伴って封入空間２０の内容積が変化した際の不活性ガスの分圧変化が基準圧力差以下の範囲とすることが望ましいが、これに限定されず、数式Ｆ１、Ｆ２等を用いて不活性ガスの混合割合βを設定するようにしてもよい。

（６）上述の各実施形態で説明した膨張弁５は、車両用空調装置の冷凍サイクル１以外にも、据置型の空調装置や冷蔵装置の冷凍サイクル１に適用することができる。

６ 蒸発器
１０ 筒状空間
２０ 封入空間
５１ ボデー部
５１ｃ 高圧冷媒通路
５１ｈ 絞り通路
５１ｆ 低圧冷媒通路
５２ｂ 感温棒
５３ エレメント部
５３ｂ ダイヤフラム

Claims (5)

1. 蒸気圧縮式冷凍サイクル（１）に適用されて、高圧冷媒を減圧膨張させると共に、減圧膨張された低圧冷媒を蒸発器（６）の冷媒入口側へ流出させる膨張弁であって、
   前記高圧冷媒を流通させる高圧冷媒通路（５１ｃ）、前記高圧冷媒通路に設けられて冷媒を減圧膨張させる絞り通路（５１ｈ）、および前記蒸発器から流出した低圧冷媒を流通させる低圧冷媒通路（５１ｆ）が形成されたボデー部（５１）と、
   前記絞り通路の開度を調整する弁体（５２ａ）と、
   前記ボデー部の外部に配置されて、温度に応じて圧力が変化する感温媒体が封入された封入空間（２０）の内圧と前記低圧冷媒通路を流通する低圧冷媒の圧力との圧力差に応じて変位する圧力応動部材（５３ｂ）を有するエレメント部（５３）と、
   少なくとも一部が前記低圧冷媒通路に位置するように配置され、前記圧力応動部材の変位を前記弁体に伝えると共に、前記低圧冷媒通路を流通する冷媒の温度を前記感温媒体に伝える感温棒（５２ｂ）と、を備え、
   前記感温棒の内部には、前記感温棒の軸方向に延びるように形成されて、前記封入空間と連通する掘り込み形状の筒状空間（１０）が形成されており、
   前記感温媒体は、冷媒および冷媒と異なる不活性ガスを混合した混合ガスで構成されており、
   前記不活性ガスは、前記感温媒体中に占める前記不活性ガスの混合割合が、前記感温棒から前記感温媒体への熱伝達の時定数が予め定めた時定数範囲内となるように、前記筒状空間における前記感温棒の軸方向の掘り込み深さに対する前記筒状空間における前記感温棒の軸直交方向の相当直径の比に応じて定めた割合となっていることを特徴とする膨張弁。
2. 前記時定数範囲内となる時定数をτ（単位：秒）、前記掘り込み深さに対する前記相当直径の比をα、前記不活性ガスの混合割合をβとしたとき、
   τ＝Ｋ×α
   Ｋ＝７０×β＋０．８５
   で示す関係式を満たすように前記不活性ガスが前記封入空間に封入されていることを特徴とする請求項１に記載の膨張弁。
3. 前記時定数範囲は、５０≦τ≦１５０であることを特徴とする請求項２に記載の膨張弁。
4. 前記掘り込み深さに対する前記相当直径の比は、０＜α＜１０であることを特徴とする請求項２または３に記載の膨張弁。
5. 前記不活性ガスの混合割合は、前記圧力応動部材の変位に伴って前記封入空間の内容積が変化した際の前記不活性ガスの分圧変化が予め設定された基準圧力差以下となる範囲となっていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の膨張弁。

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