JP3557632B2 - 冷媒用膨張弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、空気調和装置、冷凍装置等の冷凍サイクルにおいて用いられる冷媒用膨張弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車等の空気調和装置における冷凍サイクル１は、図８に示すように、冷媒圧縮機２、凝縮器３、受液器４、膨張弁１００、蒸発器５を冷媒配管によって接続して循環路が形成され、冷媒圧縮機２の作動によって、蒸発器５内の気相冷媒が冷媒圧縮機１によって吸入され、圧縮されて高圧の冷媒が冷媒圧縮機２から吐出され、凝縮器３で放熱、凝縮されて受液器４に液冷媒が貯留し、蒸発器５の出口側の温度に応じて膨張弁１００が開くと、液冷媒が霧状冷媒となって蒸発器５内へ供給されて蒸発し、上記の冷凍サイクル１内の冷媒が循環する。
このように、冷媒が循環する冷凍サイクル１では、膨張弁１００における液冷媒から気液２相冷媒への大きな圧力変化に伴う異音が発生するため、例えば、特開昭５５−１６３３７８号公報や特開平１−２９１０７６号公報のように、液冷媒が通過する際の異音の発生を防止するものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上の冷凍サイクル１において、冷凍サイクル１内の冷媒は、定常時には、上記のとおり循環するが、冷媒圧縮機２が停止している状態では、冷凍サイクル１内の冷媒の圧力の均一化が起こるため、冷媒圧縮機２の始動時には、冷凍サイクル１内の冷媒が、上記の気相、液相等の各相として安定しておらず、例えば、膨張弁１００の上流側では、気相と液相の２種類の状態が混合した気液混合状態の冷媒となっている。
このため、冷媒圧縮機２が始動すると、図９に示すとおり、膨張弁１００では、気相冷媒が通過した後に、すぐに気液混合状態の冷媒がオリフィス１０１を通過するため、膨張弁１００においては気泡のオリフィス１０１の通過に伴って破裂音的な異音が発生し、騒音の原因となっている。さらに、冷媒圧縮機２の始動時には、蒸発器５の出口側の温度が低く膨張弁１００が全開状態となるため、蒸発器４内の液冷媒が不足し、これによって、気液混合状態で冷媒が膨張弁１００を通過するため、冷媒圧縮機２の始動時から冷媒の状態が安定するまでの間のしばらくの間は、騒音が発生しやすいという問題がある。
【０００４】
本発明の目的は、冷凍サイクルにおける冷媒圧縮機の始動時に発生する騒音の低下を図ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、弁本体内に冷媒の流入する高圧側通路と冷媒が流出する低圧側通路とを設け、前記高圧側通路と前記低圧側通路とにそれぞれ開口したオリフィスによって前記高圧側通路と前記低圧側通路とを連通し、前記高圧側通路に設けられ、前記オリフィスの前記高圧側通路側の開口を開閉して前記オリフィスを通過する冷媒量を調節する弁部材を備えた冷媒用膨張弁において、前記オリフィスの内径をＤ、前記オリフィスの前記高圧側通路と前記低圧側通路との間の長さをＬとしたとき、Ｌ／Ｄ≧１．３の関係が満足されるように前記オリフィスの内径Ｄおよび長さＬを設定したことを技術的手段とする。
【０００６】
また、請求項１の冷媒用膨張弁において、前記低圧側通路の径をｄとしたとき、ｄ／Ｄ≦１．８の関係が満足されるように前記低圧側通路の径ｄおよび前記オリフィスの内径Ｄを設定したことを技術的手段とする。
【０００７】
【作用】
本願発明者は、気液混合状態の冷媒が膨張弁を通過する際に発生する騒音の原因について、研究を重ねた結果、膨張弁の上流部から流入した高圧の気泡が、急激に減圧するときの成長（膨張）から破裂への過程で騒音が発生することを発見し、気泡の急激な成長を抑制するための手段として、高圧側通路から低圧側通路へと連通したオリフィスの長さ（距離）を、オリフィスの内径に対して従来より長く設定することが有効であることを見出した。
すなわち、オリフィス内の圧力分布を調べると、図１に示すとおり、気液混合冷媒については、オリフィスの長さが短いと、オリフィス内にて十分に圧力を低下させることができないが、オリフィスの長さＬがある長さを越えると、気液混合冷媒についてはオリフィス内にて十分に圧力を低下させることができるようになる。
これによって、オリフィス内の液冷媒に混合している気相冷媒は、オリフィス出口での減圧が緩和されるため、その成長が抑制される。
なお、参考として、図１に、冷媒が液単相である際の圧力分布についても合わせて示す。
なお、図１において、高圧側通路の圧力Ｐｈ＝１．１ＭＰａ、低圧側通路の圧力ＰＬ ＝０．３ＭＰａであり、気液混合冷媒の乾き度ｘ＝０．０３である。
さらに、内径Ｄと長さＬとの具体的な関係Ｌ／Ｄについて、騒音のレベルとの関係を調査、研究を進めた結果、図２に示すように、Ｌ／Ｄが、１．３を境にして、それより大きい場合には、十分な騒音の低減効果が現れることが明らかになった。
【０００８】
請求項２の発明は、冷媒圧縮機の始動時ではなく、さらに定常時において騒音を防止するためのものである。上記請求項１の構成による膨張弁では、気液２相冷媒流入時の騒音は防止できるが、オリフィス長さを長く設定したため、定常運転時で液単相冷媒が膨張弁に流入するような場合、オリフィス出口までの減圧によりオリフィス中にて気泡が発生し、この気泡がオリフィス出口にて破裂して騒音を発生させるため、従来の膨張弁に比べて騒音レベルが若干増加してしまうという問題が生じる。
そこで、図３に示すように、上記のとおりＬ／Ｄ≧１．３の関係で設定されたオリフィスについて、さらにｄ／Ｄの関係を調べた結果、ｄ／Ｄが１．８より小さいところで、騒音が著しく低減することが明らかになった。つまり、請求項２の発明は、オリフィス出口部における減圧が著しく大きいと騒音が発生することに着目し、オリフィス出口部における減圧を制限するための手段として、ｄ／Ｄ≦１．８を設定し、ｄ／Ｄを小さく設定する、つまり出口部径を小さくすることで、低圧側通路にても減圧が行われるようにして、オリフィス出口部での冷媒の急減圧を緩和し、気泡生長による騒音を低減させるものである。
なお、上記図２、図３における条件は、高圧側通路の温度Ｔｈ＝４８℃、高圧側通路の圧力Ｐｈ＝１．２ＭＰａ、低圧側通路の温度ＴＬ ＝１２．７℃、低圧側通路の圧力ＰＬ ＝０．２３ＭＰａ、流量は１３８ｋｇ／ｈである。
【０００９】
【発明の効果】
本発明の請求項１では、高圧側通路と低圧側通路とを連通するオリフィスについて、その内径Ｄと長さＬとの関係を、Ｌ／Ｄ≧１．３の関係で設定することによって、オリフィス出口における気液混合冷媒の急激な減圧を防止することができるため、冷凍サイクルにおける冷媒圧縮機の始動時の騒音を大幅に低減することができる。
請求項２では、上記製１によって騒音が低減された冷凍サイクルにおいて、低圧側通路の内径ｄについて、ｄ／Ｄ≦１．８の関係で設定したため、定常時においても、オリフィスを通過した液冷媒がオリフィス出口部にて急激に減圧されることがなくなり、膨張弁での騒音の低減を図ることができる。
【００１０】
【実施例】
次に本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。
図４は、本発明の冷媒用膨張弁を有する自動車空気調和装置における冷凍サイクル１を示す。
冷凍サイクル１は、車両に搭載されたエンジンの回転力が電磁クラッチを介して伝達される冷媒圧縮機２、その吐出側に設けられた凝縮器（コンデンサ）３、凝縮器３における冷却により液化された冷媒を貯留する受液器（レシーバ）４、液状冷媒を霧状にするために断熱膨張させる膨張弁１０、周囲の熱を奪って霧状冷媒を蒸発させる蒸発器（エバポレータ）５を冷媒配管によって順次接続して循環路を形成したものである。
【００１１】
膨張弁１０は、本体１１の外形が略円筒形状を呈し、その上部には、低圧冷媒通路１２が周方向に貫通して形成され、その両端は、蒸発器接続部１２ａ、冷媒圧縮機接続部１２ｂとなっている。
本体１１の下部には、低圧冷媒通路１２と平行に蒸発器接続部１２ａ側の周表面から本体２の中心に向かって径小の低圧側通路１３が形成され、その表面側は、蒸発器５と接続される径大の低圧側接続部１３ａとなっている。
また本体１１の下部には、本体１１の底部（図示下方）から軸方向に沿って高圧側通路１４が形成され、高圧側通路１４は、本体１１の軸方向の下方にずれた状態で低圧側通路１３に対向して形成された高圧側接続部１４ａと連通している。
【００１２】
さらに、本体１１内には、低圧側通路１３と高圧側通路１４とを本体１１の軸方向に連通させる径小のオリフィス１５が、高圧側通路１４の中心延長上に形成されている。
オリフィス１５の上流端となる高圧側通路１４には、オリフィス１５と連続した円錐状を呈する弁口１６が形成され、高圧側通路１４は以下に説明する弁部材２０を配する弁室ともなっている。
【００１３】
弁部材２０は、弁口１６に着座して開閉する球状の弁部２１と、弁部２１を溶接により固着させた受け部２２と、受け部２２を介して弁部２１を弾性支持するコイルばね２３と、本体１１の内側で高圧側通路１４の端部に螺合により固定されて高圧側通路１４を閉止して、受け部２２を介して弁部２１をコイルばね２３の弾性力によって付勢するばね調整ねじ２４からなる。
【００１４】
一方、本体１１には、蒸発器５の出口温度に応じて弁部２１に対して駆動力を与えて弁口１６の開閉を行うために、径小の棒孔１７とこの棒孔１７より径大で低圧冷媒通路１２を貫通したプランジャ孔１８とが本体１１のオリフィス１５の延長線上に形成され、本体１１の上端には、これら棒孔１７およびプランジャ孔１８を貫通して作用する感熱駆動部材３０を固定するためのめねじを備えたねじ孔１９が形成されている。
【００１５】
感熱駆動部材３０は、ステンレス製のダイアフラム３１と、このダイアフラム３１を挟んで互いに密着して設けられ、その上下に二つの上部気密室３２、下部気密室３３をそれぞれ形成する上部カバー３４、下部カバー３５と、上部気密室３２と連通して設けられ内部に冷媒が封入された冷媒管３６、下部気密室３３内にダイアフラム３１と当接し、且つ低圧冷媒通路１２を貫通してプランジャ孔１８内に摺動可能に配されて蒸発器５の冷媒出口温度を下部気密室３３へ伝達するとともに、上部気密室３２および下部気密室３３の圧力差に伴うダイアフラム３１の変位に応じてプランジャ孔１８内を摺動して駆動力を与えるアルミ製のプランジャ３７と、棒孔１７内に摺動可能に配されてプランジャ３７の変位に応じて弁部２１をコイルばね２３の弾性力に抗して押圧する作動棒３８からなり、プランジャ３７には、低圧冷媒通路１２と低圧側通路１３との気密性を確保するためのＯリング３７ａが備えられている。
【００１６】
以上の構成からなる感熱駆動部材３０は、作動棒３８が棒孔１７内の挿入され、プランジャ３７がプランジャ孔１８内に挿入された後に、下部カバー３５のねじ部がねじ孔１９に螺合されることによって固定されて、Ｏリング３９によって下部カバー３５と本体１１との気密性が確保され、ねじ孔１９は、下部カバー３５およびダイアフラム３１とともに下部気密室３３を形成する。
【００１７】
以上の構成からなる膨張弁１０において、作動棒３８が棒孔１７内に配されると、オリフィス１５内にも作動棒３８が配されることになるが、図５に示すとおり、オリフィス１５の内径Ｄは、作動棒３８の径に対して大きく設定された一定値を呈しており、作動棒３８とオリフィス１５との隙間が冷媒の通路となる。
ここで、オリフィス１５は、内径Ｄに対して弁口１６から低圧側通路１３の開口までの長さＬは、Ｌ／Ｄ≧１．３となるように、内径Ｄに対して十分大きな値となるように設定されている。これによって、気相冷媒と液冷媒とが混合した状態で冷媒がオリフィス１５を通過する際に、弁口１６からオリフィス１５内に流入した混合冷媒の圧力が、すぐに開放されてしまうことがなくなり、図１に示すように、弁口１６からの距離に応じて次第に低下していくことになるため、混合冷媒における気相部の圧力が急激に開放されなくなるため、異音の発生を抑制することができる。
【００１８】
さらに、低圧側通路１３においても、オリフィス１５を通過した液冷媒の圧力が急激に開放されないようにするために、低圧側通路１３の内径ｄは、オリフィス１５の内径Ｄに対してｄ／Ｄ≦１．８と設定することで制限している。
これによって、オリフィス１５を通過して圧力が開放された液冷媒の膨張が上記の設定値の関係にある低圧側通路１３によって制限されるため、その膨張の度合いが小さくなり、液冷媒が通過する冷凍サイクル１における定常運転時の異音を低減することができる。
【００１９】
以上の構成からなるサイクル１において、電磁クラッチを介して冷媒圧縮機２が駆動され、冷凍サイクル１が始動すると、蒸発器５内の気相冷媒が膨張弁１０の低圧冷媒通路１２を介して冷媒圧縮機２内に吸い込まれ、冷媒圧縮機２から高温高圧の気相冷媒が吐出される。
【００２０】
ここで、膨張弁１０の弁部２１を駆動する感熱駆動部材３０は、蒸発器５の出口側と接続された低圧冷媒通路１２内にプランジャ３７が配されており、蒸発器５の出口側の気相冷媒温度を上部気密室３２へ伝達するため、その温度に応じて上部気密室３２の圧力が変化し、蒸発器５の出口温度が高いため、上部気密室３２の圧力が高くなり、それに応じてプランジャ３７が下方へ駆動されて弁部２１を下げるため、弁口１６の開度が大きくなる。これにより、蒸発器５への冷媒が供給量が多くなる。
【００２１】
このとき、冷凍サイクル１では、冷媒圧力が均等化されているため、膨張弁１０には、気液混合の冷媒が供給され、また、受液器４に貯留された液冷媒の量が不足するため、その後においても、冷凍サイクル１が安定するまでは、気液混合の冷媒が供給される。
従って、膨張弁１０のオリフィス１５には、気液混合状態の冷媒が継続して通過する。このとき、気液混合状態の冷媒は、オリフィス１５の内径Ｄに対して長さＬがＬ／Ｄ≧１．３の関係で設定されているため、低圧側通路１３までの間に次第に圧力が低下する。
この結果、冷媒の気相部の圧力がオリフィス１５出口部で急激に低下することがなく、オリフィス１５を通過する際に異音が発生しにくい。
【００２２】
オリフィス１５を通過した気液混合冷媒は、低圧側通路１３において圧力が低下するため霧状となって蒸発器５へ流出して気化する。
一方、冷媒圧縮機２によって凝縮器３へ供給された気相冷媒は、凝縮気３で凝縮されて液化し、液冷媒は受液器４で貯留される。
【００２３】
以後、冷凍サイクル１が安定し、受液器４内に十分な量の液冷媒が貯留されると、液冷媒のみが、受液器４から膨張弁１０の高圧側通路１４へ供給され、感熱駆動部材３０によって駆動される弁部２１の位置に応じて変化する弁口１６の開度に応じてオリフィス１５を通過して低圧側通路１３を経て蒸発器５へ流出して気化する。
【００２４】
ここで、感熱駆動部材３０は、蒸発器５の出口側と接続された低圧冷媒通路１２内にプランジャ３７が配されており、蒸発器５の出口側の気相冷媒温度を上部気密室３２へ伝達するため、その温度に応じて上部気密室３２の圧力が変化し、蒸発器５の出口温度が上昇すると、上部気密室３２の圧力が高くなり、それに応じてプランジャ３７が下方へ駆動されて弁部２１を下げるため、弁口１６の開度が大きくなる。これにより、蒸発器５への冷媒が供給量が多くなり、蒸発器５の温度を低下させる。
逆に、蒸発器５の出口温度が低下すると、弁部２１が逆方向に駆動され、弁口１６の開度が小さくなり、蒸発器５への冷媒が供給量が少なくなり、蒸発器５の温度を低下させる。
【００２５】
膨張弁１０においては、オリフィス１５を通過した液冷媒が、低圧側通路１２での圧力低下に応じて霧状冷媒となるが、低圧側通路１２の内径ｄは、オリフィス１５の内径Ｄに対して、ｄ／Ｄ≦１．８の関係で形成されているため、液冷媒がオリフィス１５を通過する定常時においても、冷媒の通過による異音の発生を防止でき、騒音の低減を図ることができる。
【００２６】
図６に本実施例の冷凍サイクル１における各部のエンタルピと冷媒圧力との関係を従来の膨張弁の場合の冷凍サイクルと比較して示す。図６において、実線Ａは、従来の膨張弁を用いた冷凍サイクルを示し、破線Ｂは、本実施例の膨張弁１０による冷凍サイクル１の場合を、横軸を移動させた状態で重ねて示したものであり、ａは、オリフィス１５による減圧、Ｂは低圧冷媒通路１３における減圧を示す。また、破線Ｃは、本発明によるものではなく、低圧側通路１２の内径ｄについてｄ／Ｄ≦１．８の関係を満たさず、ｄ／Ｄ＞１．８の関係にした場合の一例を参考として示すしたものである。
【００２７】
図７に本実施例の冷凍サイクル１についての騒音レベルを、従来の場合と比較して示す。なお、冷凍サイクル１は、室温が２５℃、ブロワの風量が２００ｍ^３ ／ｈの条件下の車両用空気調和装置におけるもので、膨張弁１０から２０ｃｍ離れた地点での騒音を示す。
図から明らかなとおり、冷凍サイクル１が起動した初期における騒音レベルが、従来の場合と比較して大きく改善されていることが判る。
【００２８】
上記実施例では、弁部の開度を調節する感熱駆動部材として、膨張弁１０の本体１１内に低圧冷媒通路１２を形成し、その中にプランジャ３７を配したものを示したが、感熱筒を設けたものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の作用を説明するためのオリフィス内の弁口からの長さと圧力分布との関係を示す図である。
【図２】本発明の作用を説明するためのオリフィスの長さＬとオリフィスの内径Ｄについて、Ｄ／Ｌと騒音レベルとの関係を示す図である。
【図３】本発明の作用を説明するための低圧側通路の内径ｄとオリフィス内径Ｄについて、ｄ／Ｄと騒音レベルとの関係を示す図である。
【図４】本発明の膨張弁を有する冷凍サイクルの構成図である。
【図５】本発明の実施例における膨張弁の主要部を示す部分拡大図である。
【図６】本発明の実施例の冷凍サイクルにおける冷媒圧力とエンタルピとの関係を示す特性図である。
【図７】本発明の実施例の効果を説明するための騒音レベルの変化特性を示す特性図である。
【図８】従来の冷凍サイクルにおける膨張弁を示す冷凍サイクルの構成図である。
【図９】従来の冷凍サイクルにおける騒音レベルを、冷媒の状態と吸入圧力とともに示した図である。
【符号の説明】
１０ 膨張弁（冷媒用膨張弁）
１１ 本体（弁本体）
１３ 低圧側通路
１４ 高圧側通路
１５ オリフィス
２０ 弁部材

Claims (2)

1. 弁本体内に冷媒の流入する高圧側通路と冷媒が流出する低圧側通路とを設け、
   前記高圧側通路と前記低圧側通路とにそれぞれ開口したオリフィスによって前記高圧側通路と前記低圧側通路とを連通し、
   前記高圧側通路に設けられ、前記オリフィスの前記高圧側通路側の開口を開閉して前記オリフィスを通過する冷媒量を調節する弁部材を備えた冷媒用膨張弁において、
   前記オリフィスの内径をＤ、前記オリフィスの前記高圧側通路と前記低圧側通路との間の長さをＬとしたとき、Ｌ／Ｄ≧１．３の関係が満足されるように前記オリフィスの内径Ｄおよび長さＬを設定したことを特徴とする冷媒用膨張弁。
2. 前記低圧側通路の径をｄとしたとき、ｄ／Ｄ≦１．８の関係が満足されるように前記低圧側通路の径ｄおよび前記オリフィスの内径Ｄを設定したことを特徴とする請求項１記載の冷媒用膨張弁。

Images