JP2767946B2

JP2767946B2 - 減圧装置

Info

Publication number: JP2767946B2
Application number: JP2005537A
Authority: JP
Inventors: 伸本田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1990-01-12
Filing date: 1990-01-12
Publication date: 1998-06-25
Anticipated expiration: 2013-06-25
Also published as: JPH03211378A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、高圧の流体を低圧の流体に減圧させる減圧
装置に関し、例えば蒸気圧縮式冷凍サイクル内での冷媒
の減圧装置として用いて好適なものである。

〔従来の技術〕

蒸気圧縮式冷凍サイクルは、高圧液化ガスを蒸発器で
比較的低圧状態で気化させて、冷凍効果を生むものであ
る。低圧ガスは再圧縮され、冷却され、液化され、以下
同じサイクルを繰り返す。

高圧液冷媒側から低圧ガス冷媒側への減圧膨張を行う
には、凝縮器と蒸発器間の冷媒流路に抵抗体としての減
圧装置を設ける必要がある。

減圧装置の主な目的は圧力降下を得ることに加えて、
そのときどきの冷房負荷に比例して蒸発器へ流れこむ冷
媒量を調節することにある。もし冷媒供給量が少なすぎ
ると蒸発器は冷媒不足になり、蒸発器を出る冷媒の温度
は過熱されることになり、逆に蒸発器への冷媒供給量が
多すぎた場合には、そのうちの幾分かはサクションライ
ンへ溢れ出て、圧縮機運転にとって効率の悪い運転とな
ってしまう。

従来、減圧装置としてキャピラリチューブ、オリフィ
スといった固定絞りが知られている。ところが、これら
固定絞りは固定的なものなので、変化する冷房負荷に対
して幅広く追随するように、広い流量制御幅をとること
はできないという問題がある。

そこで、冷房負荷に応じて幅広く追随することができ
るように、第９図に示すような蒸発器の出口冷媒温度を
感知して流量コントロールする感温膨張弁18が一般的に
用いられている。

公知のように、感温膨張弁18は、第９図（ｂ）に示す
冷凍サイクルのレシーバと蒸発器の間に配設され、該冷
凍サイクルの蒸発器出口冷媒の過熱度SHが設定値より増
加すると開弁し、蒸発器出口冷媒の過熱度SHを設定値に
維持する作用を行なうものである。その構造は例えば第
９図（ａ）に示すもののように、レシーバより導入され
た高圧冷媒の流量を調節するとともに、該高圧冷媒を急
激に膨張させて低圧霧化状態にする弁機構19を備えてお
り、該弁機構19の作用により蒸発器へ送出する冷媒状態
を制御するようにしている。ここで、この弁機構19は、
冷媒流を絞って霧化させるオリフィス19aとこのオリフ
ィス19aを通る流量を調節するようこのオリフィス19aに
対して進退可動に配設された弁部材19bとから構成され
ている。なお、オリフィス19aを通る冷媒の流量は、蒸
発器出口に配設された感温筒22により蒸発器出口の冷媒
温度を検知しその過熱度SHに対応した圧力信号をダイヤ
フラム21に作用させることによって、弁棒20を介して弁
部材19bをオリフィス19aに対して変位させて調節してい
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

従って、感温膨張弁18は、弁機構19の可変絞り作用に
よって広い流量制御幅をとることができる。しかしなが
ら、そのかわりに、弁機構19という機械的可動部を有す
ることになり、その構造も複雑なため高価なものとなっ
ている。

また、圧縮機の回転数あるいは吐出容量の変化といっ
た冷房負荷に応じた運転状態の変化により、膨張弁の弁
機構すなわち可変絞り機構がサイクル的に共振状態とな
り、それに応じて冷凍サイクル低圧側圧力に第10図
（ａ）に示すような不安定な変動（ハンチング現象）が
発生するという問題がある。

本発明は上記問題に鑑みなされたものであり、その目
的は、機械的可動部を有さない簡単な構造で、しかも感
温膨張弁のように流体流量を幅広く調整できる減圧装置
を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明による減圧装置
は、導入された高圧の流体を管摩擦によって減圧するキャ
ピラリ部と、前記キャピラリ部の下流端に連通して配設されて、前
記キャピラリ部を流通して減圧された前記流体の乾き度
に応じて前記流体の流量を決定する固定絞り部と、前記固定絞り部を通過する前記流体の流量を調整すべ
く、前記キャピラリ部を冷却することにより、この冷却
度に応じてキャピラリ部を流通して減圧された前記流体
の乾き度を制御するキャピラリ部冷却手段とを具備するという技術的手段を採用している。

〔作用〕

上記構成においてその作用を説明する。

導入された高圧の流体はキャピラリ部を流通するうち
に、キャピラリ部の管摩擦によって減圧され、ある乾き
度をもって固定絞り部へと導かれる。

そして、固定絞り部の有する流量特性に従って、この
乾き度に応じた流量の流体が固定絞り部を通過し、低圧
流体として送出される。

ここで、キャピラリ部を流通して減圧された流体の乾
き度は、キャピラリ部冷却手段によるキャピラリ部の冷
却度に応じて制御されており、しかして固定絞り部を通
過する流体の流量は調整されることになる。

〔実施例〕

以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。

（第１実施例）第１図には本発明第１実施例の原理を示す構造図を示
す。以下、第１図を基に本発明第１実施例について詳述
する。

減圧装置１は、蒸発器出入口近傍に配設され、レシー
バからの高圧液冷媒を減圧して蒸発器へ送出する減圧部
２と、第２図に示すモリエル線図において蒸発器出口で
の冷媒過熱度SHを検出する過熱度SH検出部３とから構成
されている。減圧部２はキャピラリチューブ５、オリフ
ィス６が直列に接続された複合絞り構造を有しており、
オリフィス６後流は熱交換可能なようにフィン７を配し
た管となっている。一方、過熱度SH検出部３は、本減圧
装置１内に、冷凍サイクル内を流通する主冷媒とは別に
制御冷媒11が密閉封入されており、フィン10を介して蒸
発器出口配管９内を流通する過熱蒸気となったガス冷媒
と熱交換可能とされている。また、過熱度SH検出部３に
封入された制御冷媒11は、パイプ12により減圧部２と行
き来可能とされている。

次に、本実施例の原理について説明する。

冷凍サイクルのレシーバから導入口４を介して減圧装
置１の減圧部２に導入された高圧液冷媒（飽和液）は、
キャピラリチューブ５内で若干減圧され、乾き度をもっ
てオリフィス６へ導入される。ここで、オリフィスの流
量特性は、第４図に示すようにオリフィス入口側のわず
かな乾き度χの変化に応じて大きく変化する。そのた
め、キャピラリチューブ５後の乾き度χすなわちキャピ
ラリの抵抗によって生じる冷媒の気化量を、冷房負荷に
応じてキャピラリを冷却するようにして調整してオリフ
ィス６へ導けば、冷媒流量を幅広く調整することができ
る。これは、キャピラリチューブ５内の冷媒温度を調整
することによりキャピラリチューブ５内を流通する冷媒
量を制御しようとするものであり、キャピラリチューブ
５内の抵抗により減圧されて気化した冷媒が蒸発器への
流れに対して抵抗となるのを、キャピラリチューブ５を
冷却することにより冷媒の気化を少なくし、支障なく流
通させようとするものである。

例えば、第２図において蒸発器出口の冷媒過熱度SHが
過大となると、第１図において過熱度SH検出部３では、
封入された制御冷房11がフィン10を介して蒸発器出口配
管９より過大となった分だけ受熱蒸発することになる。
従って、過熱度SH検出部３内でのガス状制御冷媒の体積
は増大し液面は下がり、それに応じてパイプ12により連
通する減圧部２内での制御冷媒11の液面レベルｈは上昇
する。液体状態の制御冷媒11が減圧部２へオーバフロー
して高温流体の流通するキャピラリチューブ５に接触す
ると蒸発し、それによりキャピラリチューブ５は冷却さ
れる。ここで、蒸発した制御冷媒ガスは、オリフィス６
後流において減圧されて低温となった主冷媒とフィン７
を介して熱交換し、凝縮落下するため、結果として、制
御冷媒11を媒体として、キャピラリチューブ５から奪っ
た熱Qcを減圧後の冷媒へ与えた形となる。この作用をモ
リエル線図で表わすと、第３図に示すように、高圧液冷
媒の熱Qcを低圧（減圧後）の冷媒へ与えることとなるた
め、熱的にはキャンセルされることになり、冷凍サイク
ルの冷凍能力にデメリットが生じることはない。

以上のようにしてキャピラリチューブ５が冷却される
と、キャピラリチューブ５内での減圧により発生する泡
は前述の如く減少し、オリフィス入口の乾き度χが小さ
くなるため、第４図に示すようにオリフィスでの流量は
増大し、導出口８を介して蒸発器内へ多くの冷媒が送り
込めることになり蒸発器出口の過熱度SHは低下する。す
なわち、従来の感熱膨張弁と同様、過熱度SH増大→流量
大→過熱度SH減少といった制御（SH制御）ができること
になる。

これは、蒸発器出口での冷媒過熱度SHと減圧部２での
制御冷媒11の液面高さｈとの間には第５図に示すような
関係があるため、過熱度SH大なほど液面ｈが大となり、
第３図における熱交換量Qc（キャピラリチューブ５から
オリフィス６の後流配管への）が大きくなって、キャピ
ラリチューブ５内での泡発生が少なくなり、オリフィス
６入口の乾き度χが減少するため、第４図に示すように
冷媒流量が増大し、過熱度SHが適正まで下がるものであ
る。このように、蒸発器出口での過熱蒸気とされた冷媒
ガスの過熱度SHに比例してキャピラリチューブ５冷却す
ることにより、オリフィス６入口の乾き度を調整してオ
リフィス６を通過する冷媒量を多くし、蒸発器における
冷却効果を増加し同時に過熱度SHが過ぎることも抑制す
ることができる。逆に、蒸発器からのガス冷媒に過熱度
がない場合には、制御冷媒11の液面高さｈが小となり、
キャピラリチューブ５は冷却されないため、オリフィス
６入口の乾き度は大きくなり、蒸発器への冷媒供給量が
冷房負荷と再度バランスするまでオリフィスを通過する
冷媒量を縮少させるのである。

ここで、本実施例においてキャピラリチューブ５後流
にオリフィス６が無い場合について考察する。この場
合、キャピラリチューブは第６図（ａ）に示すようなゆ
るやかな冷媒流量特性を有しているために、キャピラリ
チューブ５のみで幅広い流量制御を実現するためにはキ
ャピラリチューブ５出口の乾き度を冷房負荷に応じて大
きく変化させる必要がある。すなわち、第６図（ｂ）に
示す如くキャピラリチューブ５の冷却量Qcを大きくする
必要から、結果的に減圧部２において大きな熱交換面積
を必要とし、しかして装置全体が大きなものとなってし
まう。

その点、キャピラリチューブ５とオリフィス６の複合
絞りによる本実施例のものでは、第４図に示すようにオ
リフィス６が入口冷媒のわずかな乾き度変化で大きく流
量変化するため、キャピラリチューブ５の冷却量は乾き
度0.1程度とわずかで良く、従って減圧部２での熱交換
面積は小さくて済み、しかして装置全体を小型に製作で
きる。

また、本第１実施例の減圧装置は、第９図（ａ）に示
す感温膨張弁18のような機械的可動部がないために、構
造が単純で製造が容易となり、また信頼性も高い。

さらに、減圧部２が機械的可動部のない固定絞りによ
り構成されているために、感温膨張弁18で問題となった
弁機構（可動部）の共振に起因した不安定な挙動は全く
なくなり、第10図（ｂ）に示す如く冷凍サイクル低圧側
の圧力変動（ハンチング現象）は防止され、冷凍サイク
ルの運転状態の安定性が向上する。従って、第１図に示
す減圧装置１は、低圧側圧力が不安定になりやすい可変
容量もしくは可変速圧縮機を有する冷凍サイクルに用い
て好適である。

第７図（ａ）、（ｂ）に本第１実施例を具体化した構
造を示す。減圧部２のキャピラリチューブ５は、円筒面
に設けた螺旋状の溝で構成されている。また、その熱交
換部位は、第７図（ｂ）の拡大図に示すように、キャピ
ラリ５を構成する円筒の内面に形成されたフィン5aと、
オリフィス６後流の低温冷媒流路壁面より外側に向かっ
て多段の円すい形状に設置された複数のフィン７との間
に設けられた空間において、パイプ12を介して過熱度SH
検出部３から調整される制御冷媒11の液面レベルｈによ
って決定され、その液面レベル以下の領域でキャピラリ
５からオリフィス６後流の低温冷媒流路へ熱Qcが伝えら
れる。なお、第７図（ａ）において、13はサイレンサお
よび流速維持のための障害物である。

（第２実施例）上記第１実施例は、キャピラリチューブ５の冷却のた
めに制御冷媒11を用いるものであったが、蒸発器出口の
過熱度SHに対応した冷却度をキャピラリチューブ５に与
えるものなら何でもよく、例えば本実施例のように電子
冷凍素子を用いるようにしたものであってもよい。第８
図（ａ）、（ｂ）に第２実施例の構成図を示す。

第８図（ｂ）において、17は電子冷凍素子であり、キ
ャピラリ５として螺旋状の溝を内面に設けた熱伝導部材
よりなる円筒の外周に、熱伝導可能に吸熱側電極17bを
接触して配設されている。なお、電子冷凍素子17は、例
えばBi、Te₃−Bi₂Se₃合金、Sb₂Te₃−Bi₃Te₃合金のよう
な半導体からなるもので、電圧源16aからの通電により
その通電量に応じて、吸熱側電極17bが吸熱作用を行
い、そして放熱側電極17aが銅、アルミ、鉄等の伝熱性
のよい金属からなる放熱フィン17cにより放熱作用を行
うものである。

第８図（ａ）を用いて本実施例の作用を説明する。

蒸発器出口の冷媒圧力Ｐと冷媒温度Ｔを各々圧力セン
サ14と温度センサ15により検出し、これら検出された冷
媒圧力Ｐと冷媒温度Ｔより、制御回路16は蒸発器出口の
冷媒過熱度SHを演算する。そして制御回路16は、演算結
果が目標設定値より大であれば電子冷凍素子17への通電
量を増大するように、また逆に演算結果が目標設定値よ
り小であれば通電量を減ずるように、電圧源16aによる
印加電圧を制御している。

従って、電子冷凍素子17への通電量を制御することに
よって、キャピラリ５の冷却量が調整され、キャピラリ
５出口の乾き度χが制御される。そして、前述の如くオ
リフィス６を通過する冷媒流量すなわち蒸発器へ送出さ
れる冷媒の流量が制御され、上記第１実施例と同様に、
蒸発器出口での過熱度を制御（SH制御）することができ
る。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明による減圧装置は、機械
的可動部を有さない簡単な構造で、しかも感温膨張弁の
ように流体流量を幅広く調整できるという優れた効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明第１実施例の原理を示す構造図、第２図
は本発明第１実施例を適用した冷凍サイクルのＰ−ｉ特
性を示すモリエル線図、第３図は減圧部の作用の説明に
供するモリエル線図、第４図はオリフィス６の流量特性
図、第５図は過熱度SH検出部の作用の説明に供する制御
冷媒11の液面高さｈと蒸発器出口の冷媒過熱度SHの関係
を示す特性図、第６図（ａ）、（ｂ）は減圧部がキャピ
ラリのみで構成されている場合の作用説明に供する図、
第７図（ａ）、（ｂ）は第１図に示すものを具体化した
ものの構造図、第８図（ａ）、（ｂ）は本発明第２実施
例の構成図、第９図（ａ）、（ｂ）は従来の感温膨張弁
の説明に供する図、第10図（ａ）、（ｂ）は機械的可動
部の有無による冷凍サイクルの低圧側圧力の変動を示す
特性図である。１……減圧装置,2……減圧部,3……過熱度SH検出部,5…
…キャピラリチューブ,5a……フィン,6……オリフィス,
7……フィン,9……蒸発器出口配管,11……制御冷媒,12
……パイプ,14……圧力センサ,15……温度センサ,16…
…制御回路,16a……電圧源,17……電子冷凍素子。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】導入された高圧の流体を管摩擦によって減
圧するキャピラリ部と、前記キャピラリ部の下流端に連通して配設されて、前記
キャピラリ部を流通して減圧された前記流体の乾き度に
応じて前記流体の流量を決定する固定絞り部と、前記固定絞り部を通過する前記流体の流量を調整すべ
く、前記キャピラリ部を冷却することにより、この冷却
度に応じてキャピラリ部を流通して減圧された前記流体
の乾き度を制御するキャピラリ部冷却手段とを具備することを特徴とする減圧装置。