JP3711718B2

JP3711718B2 - 圧力制御弁

Info

Publication number: JP3711718B2
Application number: JP30453597A
Authority: JP
Inventors: 義貴戸松; 伸西田; 久介榊原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-11-06
Filing date: 1997-11-06
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2017-11-06
Also published as: JPH11141729A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルの放熱器出口側圧力を制御する圧力制御弁に関するもので、二酸化炭素（以下、ＣＯ₂と記す。）等の超臨界域で冷媒を使用する蒸気圧縮式冷凍サイクルに用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＯ₂を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクル（以下、ＣＯ₂サイクルと呼ぶ。）の作動は、原理的には、フロンを使用した従来の蒸気圧縮式冷凍サイクルの作動と同じである。すなわち、図３（ＣＯ₂モリエル線図）のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ａで示されるように、圧縮機１で気相状態のＣＯ₂を圧縮し（Ａ−Ｂ）、この高温高圧の超臨界状態のＣＯ₂を放熱器２にて冷却する（Ｂ−Ｃ）。
【０００３】
そして、圧力制御弁３により減圧して（Ｃ−Ｄ）、気液２相状態となったＣＯ₂を蒸発させて（Ｄ−Ａ）、蒸発潜熱を空気等の外部流体から奪って外部流体を冷却する。なお、ＣＯ₂は、圧力が飽和液圧力（線分ＣＤと飽和液線ＳＬとの交点の圧力）を下まわるときから、気液２相状態に相変化するので、Ｃの状態からＤの状態へとゆっくり変化する場合には、ＣＯ₂は超臨界状態から液相状態を経て気液２相状態に変化する。
【０００４】
因みに、超臨界状態とは、密度が液密度と略同等でありながら、ＣＯ₂分子が気相状態のように運動する状態をいう。
しかし、ＣＯ₂の臨界温度は約３１℃と従来のフロンの臨界温度（例えば、Ｒ１２では１１２℃）と比べて低いので、夏場等では放熱器側でのＣＯ₂温度がＣＯ₂の臨界点温度より高くなってしまう。つまり、放熱器出口側においてもＣＯ₂は凝縮しない（線分ＢＣが飽和液線と交差しない）。
【０００５】
また、放熱器出口側（Ｃ点）の状態は、圧縮機の吐出圧力と放熱器出口側でのＣＯ₂温度とによって決定され、放熱器出口側でのＣＯ₂温度は、放熱器の放熱能力と外気温度とによって決定する。そして、外気温度は制御することができないので、放熱器出口側でのＣＯ₂温度は、実質的に制御することができない。
したがって、放熱器出口側（Ｃ点）の状態は、圧縮機の吐出圧力（放熱器出口側圧力）を制御することによって制御可能となる。つまり、夏場等の外気温度が高い場合に、十分な冷却能力（エンタルピ差）を確保するためには、図３のＥ−Ｆ−Ｇ−Ｈ−Ｅで示されるように、放熱器出口側圧力を高くする必要がある。
【０００６】
しかし、放熱器出口側圧力を高くするには、前述のように圧縮機の吐出圧力を高くしなければならないので、圧縮機１の圧縮仕事（圧縮過程のエンタルピ変化量ΔＬ）が増加する。したがって、蒸発過程（Ｄ−Ａ）のエンタルピ変化量Δｉの増加量より圧縮過程（Ａ−Ｂ）のエンタルピ変化量ΔＬの増加量が大きい場合には、ＣＯ₂サイクルの成績係数（ＣＯＰ＝Δｉ／ΔＬ）が悪化する。
【０００７】
そこで、例えば放熱器２出口側でのＣＯ₂温度を４０℃として、放熱器２出口側でのＣＯ₂圧力と成績係数と関係を図３を用いて試算すれば、図７の実線に示すように、圧力Ｐ1 （約１０ＭＰａ）において成績係数が最大となる。同様に、放熱器出口側でのＣＯ₂温度を３５℃とした場合には、図７の破線で示すように、圧力Ｐ2 （約９．０ＭＰａ）において成績係数が最大となる。
【０００８】
以上のようにして、放熱器出口側のＣＯ₂温度と成績係数が最大となる圧力とを算出し、この結果を図３上に描けば、図３の太い実線ηmax （以下、最適制御線と呼ぶ。）に示すようになる。したがって、上記ＣＯ₂サイクルを効率良く運転するには、圧力制御弁にて放熱器出口側圧力と放熱器出口側のＣＯ₂温度とを、最適制御線ηmax で示されるように制御する必要がある。
【０００９】
そこで、ＣＯ₂サイクルの放熱器２出口側圧力を制御する圧力制御弁として、発明者等は既に特願平８−１１２４８号を出願している。
具体的には、ダイヤフラムやベローズ等の圧力応動部材により構成された密閉空間内に、所定の飽和液密度でＣＯ₂を封入するとともに、その密閉空間内の温度変化に伴う密閉空間内外の圧力差の変化を利用して弁口の開度を制御するものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、発明者等は上記圧力制御弁を製品化（商品化）するにあたり、圧力制御弁の耐久性および耐圧強度について試作検討したところ、圧力応動部材の耐久性が著しく低いことが判明した。
すなわち、圧力応動部材は、密閉空間内の温度変化に機敏に対応して可動変位させる必要があるため、必然的に薄膜部材から構成する必要がある。
【００１１】
一方、ＣＯ₂サイクルでは、上述のごとく、最大圧力がフロンを冷媒とする蒸気圧縮式冷凍サイクルの１０倍程度と非常に高いので、仮に冷媒漏れ等の原因により放熱器出口側の圧力が低下した場合には、圧力応動部材を挟んで密閉空間内外の圧力差が非常に大きくなり、圧力応動部材が薄膜部材から構成されていることと相まって圧力応動部材が破損してしまうという問題が発生する。
【００１２】
本発明は、上記点に鑑み、成績係数の悪化を招くことなく、圧力応動部材が破損を防止することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、以下の技術的手段を用いる。
請求項１、２に記載の発明では、密閉空間（３０７）内外の圧力差（ΔＰ）が所定圧力差を超えたときに、密閉空間３０７の体積を拡大させる体積拡大手段（３１１、３１６）を備えることを特徴とする。
【００１４】
これにより、密閉空間（３０７）内の圧力差（ΔＰ）が過度に上昇することを防止できるので、圧力応動部材（３０６）が破損することを防止できるとともに、密閉空間（３０７）に所定密度で流体を封入することにより、成績係数が悪化することを防止できる。
なお、体積拡大手段は、請求項２に記載のごとく、ハウジング（３０１）で稼動して圧力応動部材（３０６）と共に密閉空間（３０７）を形成する可動部材（３１１）と、密閉空間（３０７）の体積が縮小する向きに前記可動部材（３１１）を押圧する弾性部材（３１６）とを有して構成することが望ましい。
【００１５】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は本実施形態に係る圧力制御弁を用いたＣＯ₂サイクルを車両用空調装置に適用したものであり、１は気相状態のＣＯ2 を圧縮する圧縮機である。２は圧縮機１で圧縮されたＣＯ₂を外気等との間で熱交換して冷却する放熱器（ガスクーラ）であり、３は放熱器２出口側でのＣＯ₂温度に応じて放熱器２出口側圧力を制御する圧力制御弁である。
【００１７】
なお、圧力制御弁３は、放熱器２出口側圧力を制御するとともに減圧器を兼ねており、ＣＯ₂は、この圧力制御弁３にて減圧されて低温低圧の気液２相状態のＣＯ2 となる。
４は、車室内の空気冷却手段をなす蒸発器（吸熱器）で、気液２相状態のＣＯ₂は蒸発器４内で気化（蒸発）する際に、車室内空気から蒸発潜熱を奪って車室内空気を冷却する。５は、気相状態のＣＯ₂と液相状態のＣＯ₂とを分離するとともに、液相状態のＣＯ₂を一時的に蓄えるアキュームレータ（タンク手段）である。
【００１８】
そして、圧縮機１、放熱器２、圧力制御弁３、蒸発器４およびアキュームレータ５は、それぞれ配管６によって接続されて閉回路を形成している。なお、圧縮機１は、図示されていない駆動源（エンジン、モータ等）から駆動力を得て駆動し、放熱器２は、放熱器２内ＣＯ₂と外気との温度差をできるだけ大きくするために車両前方に配置されている。
【００１９】
なお、７は、圧力制御弁３の故障等により、放熱器２出口側の圧力が異常上昇したときに、圧力制御弁３を迂回してＣＯ₂を流通させるリリーフ弁である。
次に、圧力制御弁３の構造について図２を用いて述べる。
３０１は、放熱器２側に接続される流入口３０２および蒸発器４側に接続される流出口３０３が形成されたステンレス製のハウジングであり、このハウジング３０１内には、流入口３０２側の流入側空間３０２ａと流出口３０３側の流出側空間３０３ａとを連通させる弁口３０４が形成された弁座３０５が配設されている。なお、弁座３０５はハウジング３０１とねじ結合しており、弁座３０５を回転調節することにより、後述する初期設定荷重を調節する。
【００２０】
また、３０６は、ハウジング３０１と共に密閉空間３０７を形成する第１ベローズ（圧力応動部材）であり、この第１ベローズ３０６（密閉空間３０７）内には、弁口３０４が閉じられた状態における密閉空間３０７内体積に対して、ＣＯ₂の温度が０℃での飽和液密度からＣＯ₂の臨界点での飽和液密度に至る範囲の密度（本実施形態では約６１４ｋｇ／ｍ³）で封入されている。
【００２１】
なお、第１ベローズ３０６はステンレス（本実施形態ではＳＵＳ３０４）製の薄膜部材を蛇腹状にして形成したものである。
そして、第１ベローズ３０６の長手方向一端側は、弁口３０４を開閉する、ステンレス製の針状のニードル弁体（以下、弁体と略す。）３０８に溶接接合され、他端側は、後述するストッパと共にハウジング３０１に固定されている。このため、密閉空間３０７内のＣＯ₂温度の上昇とともに密閉空間３０７内の圧力が上昇すると、第１ベローズ３０６は、弁口３０４を閉じる向きの力を弁体３０８に作用させる。
【００２２】
なお、第１ベローズ３０６は、弁口３０４を閉じる向きの弾性力（以下、この力を閉弁力と呼ぶ。）を弁体３０８に作用させるバネ手段を兼ねており、第１ベローズ３０６による初期設定荷重（弁口３０４を閉じた状態での閉弁力）、およびそのバネ定数ｋは、ＣＯ₂が臨界圧力以下の凝縮域において、所定の過冷却度（本実施形態では約１０℃）を有するように設定されている。因みに、本実施形態では、初期設定荷重を密閉空間３０７内での圧力換算で約１ＭＰａである。
【００２３】
なお、図２中、３０９はＣＯ₂を封入するための封入口であり、この封入口３０９は、ＣＯ₂の封入後、溶着などの手段により閉塞されている。
また、３１０は、弁体３０８の案内部材をなすガイド部であり、このガイド部３１０には、ＣＯ₂流通用の貫通穴３１０ａが形成されている。
ところで、３１１は、第１ベローズ３０６と同様にステンレス（本実施形態ではＳＵＳ３０４）製の薄膜部材を蛇腹状にして形成した第２ベローズ（稼動部材）である。そして、第２ベローズ３１１は、その長手方向一端側が第１ベローズ３０６に溶接され、他端側が第２ベローズ３１１内に配設された円筒状のシャフト３１２の長手方向一端側に溶接されて、第１ベローズ３０６と共に密閉空間３０７を形成している。
【００２４】
また、シャフト３１２の他端側（第２ベローズ３１１の一端側）であって、密閉空間３０７内には、シャフト３１２の他端側に接触することにより、第２ベローズ３１１の変位のうち密閉空間３０７の体積が縮小する向きの最大変位を規制するストッパ３１３が配設されている。そして、ストッパ３１３は、円筒状の支持部体３１４を介してハウジング３０１に溶接されたフタ３１５により、両ベローズ３０６、３１１と共にハウジング３０１に形成された段付き部３０１ａに押圧されて、ハウジング３０１内に固定されている。
【００２５】
なお、以下、密閉空間３０７のうち第１ベローズ３０７側の空間（以下、この空間を制御空間３０７ａと呼ぶ。）外と、第２ベローズ３１１側の空間（以下、この空間を緩衝空間３０７ｂと呼ぶ。）外とはストッパ３１３とによって離隔されてはおらず、両空間３０７ａ、３０７ｂ外は図示されていない隙間を介して連通している。
【００２６】
また、３１６は、第２ベローズ３１１をストッパ３１３に向けて押圧する弾性力をシャフト３１２を介して第２ベローズ３１１に作用させるコイルバネ（弾性体）であり、このコイルバネ（以下、バネと略す。）３１６の初期荷重は、冷媒漏れ等の原因により放熱器２出口側の圧力が低下していない状態（以下、この状態を定常状態と言い、具体的には、本実施形態で密閉空間３０７内外の圧力差ΔＰに換算して約２０ＭＰａ以下の状態である。）において、シャフト３１２とストッパ３１３とが接触する程度である。
【００２７】
次に、本実施形態に係る圧力制御弁の作動および特徴を述べる。
１．定常状態
定常状態では、バネ３１６の初期荷重により、シャフト３１２とストッパ３１３とが接触しているため、弁体３０８は、第１ベローズ３０６の閉弁力と密閉空間３０７内外の圧力差による力によって可動する。したがって、密閉空間３０７内の圧力が密閉空間３０７外の圧力を上回ったときは、弁体３０８は、弁口３０４を閉じる向きに変位し、密閉空間３０７外の圧力が密閉空間３０７内の圧力を上回り、かつ、その圧力差による力が閉弁力を上回ったときは、弁体３０８は、弁口３０４を開く向きに変位する。
【００２８】
つまり、放熱器２出口側の圧力は、閉弁力を第１ベローズ３０６内での圧力に換算した値（以下、バネ圧と呼ぶ。）に密閉空間３０７内のＣＯ₂圧力を加えた値になるように変化する。
具体的には、ＣＯ₂が臨界圧力以下の凝縮域にある場合には、密閉空間３０７内の圧力は飽和液線ＳＬに沿って変化するので、放熱器２出口側の圧力は、飽和液線ＳＬ状の圧力にバネ圧を加えた値になるように変化する。
【００２９】
そして、例えば密閉空間３０７内温度が３５℃以上となり、ＣＯ₂が臨界状態になった場合には、臨界圧力以下の状態と同様に、放熱器２出口側の圧力は、密閉空間３０７内の圧力にバネ圧を加えた値になるように変化するが、密閉空間３０６内には、約６００ｋｇ／ｍ³のＣＯ₂が封入され、かつ、６００ｋｇ／ｍ³の等密度線は、最適制御線ηmax にほぼ平行となるので（図３参照）、放熱器２出口側の圧力を最適制御線ηmax に沿って制御することができる。
【００３０】
２．非定常状態（冷媒漏れ等により放熱器２出口側の圧力が低下した状態）
冷媒漏れ等により放熱器２出口側の圧力が低下すると、密閉空間３０７外の圧力が低下し、密閉空間３０７内外の圧力差ΔＰが大きくなる。そして、圧力差ΔＰが２０ＭＰａを超え、圧力差δＰがバネ３１６の初期荷重を上回ると、緩衝空間３０７ｂの体積が拡大する。
【００３１】
したがって、密閉空間３０７内の圧力（圧力差ΔＰ）が過度に上昇することを防止できるので、両ベローズ３０６、３１１が破損することを防止できる。
以上に述べたように、本実施形態によれば、定常状態においては制御空間３０７ａの体積変化により放熱器２出口側のＣＯ₂圧力を最適制御線ηmax に沿って制御し、非定常状態においては緩衝空間３０７ｂの体積を拡大することにより密閉空間３０７内の圧力が過度に上昇することを防止するので、ＣＯ₂サイクルの成績係数の悪化を招くことなく、両ベローズ３０６、３１１が破損することを防止できる。
【００３２】
なお、上記作動説明から明らかなように、定常状態では、制御空間３０７ａ内外の圧力差に応じて弁体３０８を稼動させる必要があるので、外気温度の変化による緩衝空間３０７ｂ（密閉空間３０７）の圧力変化を排除すべく、支持体３１４を樹脂製として断熱性を向上させている。
（第２実施形態）
第１実施形態では、第２ベローズ３１１およびバネ３１６により、密閉空間３０７内外の圧力差ΔＰが所定圧力差（２０ＭＰａ）を超えたときに、密閉空間３０７の体積を拡大させる体積拡大手段を構成したが、本実施形態では、図４に示すように、緩衝空間３０７ｂを支持体３１４と共に第２ベローズ３１１の外側に形成したものである。
【００３３】
なお、本実施形態では、支持体３１４とハウジング３０１との間に空間３０１ｂが形成されているため、この空間３０１ｂが断熱空間として機能し得る。したがって、本実施形態に係る支持体３１４は、第１実施形態に係る支持体３１４と異なり金属（ステンレス）製である。
（第３実施形態）
第２実施形態では、断熱空間として空間３０１ｂを設けていたが、本実施形態は、図５に示すように、空間３０１ｂを廃止するとともに、緩衝空間３０７ｂに対応するハウジング３０１の外側に樹脂製の断熱部材３１７を設けて圧力制御弁３の小型化を図ったものである。
【００３４】
（第４実施形態）
上述の実施形態では、バネ３１６としてコイルバネを用いたが、本実施形態は、図６に示すように、空気などの気体をによりバネ手段３１６を構成したものである。なお、３１７は空気などの気体を封入するための封入口である。
ところで、上述の実施形態では圧力応動部材として蛇腹状の第１ベローズ３０６を用いたが、略平板状のダイヤフラムを用いてもよい。
【００３５】
また、本発明に係る圧力制御弁３は、ＣＯ₂を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクルに使用が限定されるものではなく、例えば、エチレン、エタン、酸化窒素等の超臨界域で使用する冷媒を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルにも適用することができる。
また、アキュームレータ５を廃止しても、前述の蒸気圧縮式冷凍サイクルを実施することができる。この場合、蒸発器４内に残存する冷媒が吸引されて、アキュームレータ５を有するＣＯ₂サイクルと同様な作動を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＯ2 サイクルの模式図である。
【図２】第１実施形態に係る圧力制御弁の断面図である。
【図３】ＣＯ2 のモリエル線図である。
【図４】第２実施形態に係る圧力制御弁の断面図である。
【図５】第３実施形態に係る圧力制御弁の断面図である。
【図６】第４実施形態に係る圧力制御弁の断面図である。
【図７】成績係数（ＣＯＰ）と放熱器出口側圧力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
３０１…ハウジング、３０２…流入口、３０３…流出口、３０４…弁口、
３０６…第１ベローズ（圧力応動部材）、３０７…密閉空間、３０８…弁体、
３１１…第２ベローズ（稼動部材）、３１６…コイルバネ（弾性部材）。

Claims

放熱器（２）内の圧力が冷媒の臨界圧力を越える蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用され、
前記放熱器（２）から蒸発器（４）まで至る冷媒流路（６）に配置され、前記放熱器（２）出口側の冷媒温度に応じて前記放熱器（２）出口側圧力を制御する圧力制御弁であって、
前記放熱器（２）側に接続される流入口（３０２）および前記蒸発器（４）側に接続される流出口（３０３）、並びに前記流入口（３０２）側と前記流出口（３０３）側とを連通させる弁口（３０４）を有するハウジング（３０１）と、
所定密度で流体が封入された密閉空間（３０７）を前記ハウジング（３０１）内に形成するとともに、前記ハウジング（３０１）内の冷媒温度に連動して変化する前記密閉空間（３０７）内外の圧力差に応じて稼動する、薄膜部材からなる圧力応動部材（３０６）と、
前記圧力応動部材（３０６）に連動して稼動し、前記弁口（３０４）を開閉する弁体（３０８）と、
前記圧力応動部材（３０６）と共に前記密閉空間（３０７）を形成するとともに、前記密閉空間（３０７）内外の圧力差（ΔＰ）が所定圧力差を超えたときに、前記密閉空間（３０７）の体積を拡大させる体積拡大手段（３１１、３１６）とを備えることを特徴とする圧力制御弁。
前記体積拡大手段は、
前記ハウジング（３０１）で稼動し、前記圧力応動部材（３０６）と共に前記密閉空間（３０７）を形成する可動部材（３１１）と、
前記密閉空間（３０７）の体積が縮小する向きに前記可動部材（３１１）を押圧する弾性部材（３１６）とを有して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力制御弁。