JP4569508B2 - 超臨界サイクル及び冷凍サイクルに用いられる膨張弁 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＯ２冷媒等高圧圧力が超臨界状態となる冷媒を用いた冷凍サイクルである超臨界サイクルおよび冷凍サイクルに用いられる膨張弁に関する。

従来、超臨界サイクルでは、ガスクーラ後の冷媒温度に対してサイクルのＣＯＰが最大となるように膨張弁の開度を制御する必要があり、このような膨張弁としては特許文献１が開示されている。

このような膨張弁を含む超臨界サイクルとしては、図１１に示すようなものが知られている。この超臨界サイクル１１は、コンプレッサ１３、ガスクーラ１５、膨張弁１７の感温部１９、膨張弁１７の弁本体２１、エバポレータ２３、アキュムレータ２５、コンプレッサ１３がこの順に配列されており、この順に冷媒が循環するようになっている。また、アキュムレータ２５とコンプレッサ１３の間の冷媒流路と、膨張弁１７の感温部１９と弁本体２１の間の冷媒流路とに内部熱交換器２７が設けられており、ガスクーラ１５下流の高圧冷媒からアキュムレータ２５下流の低圧冷媒に熱を移動させ、エバポレータ２３入口側での冷媒のエンタルピ低下させて、ＣＯ２サイクルの冷凍能力を向上させるようにしている。

このような超臨界サイクル１１にあっては、感温部１９でガスクーラ１５出口の冷媒温度を検出するようにしているため、ガスクーラ１５出口の冷媒を膨張弁１７の感温部１９に流した後内部熱交換器２７を経由して再度膨張弁１７の弁本体２１の弁入口に戻す必要がある。このため、ガスクーラ１５、膨張弁１７、エバポレータ２３は連続的に連結できるのに対して、内部熱交換器２７は、感温部１９から内部熱交換器２７を通って弁本体２１に戻るようにＵターン配置となってしまう。このため、膨張弁１７の周囲に大きなスペースを必要とし、狭隘なエンジンルーム内では、配置が困難になるという問題点があった。

また、内部熱交換器２７は、膨張弁１７に対してＵターンする配置となり機器間に配置できないため、配管が余分に必要となる。特に、内部熱交換器２７として二重管構造のものを用いた場合は、機器間に配置されていれば配管の一部として利用できるが、Ｕターン配置では有効利用できないという問題点があった。

また、膨張弁１７に内部熱交換器２７の入口及び出口を接続するため、膨張弁１７へのジョイントが４本必要となり、コストアップになるとともに膨張弁自体が大きくなってしまうという問題点があった。

さらに、膨張弁は内部の感温部に封入したＣＯ２ガスにより、流入する冷媒温度を検出し、高圧圧力をＣＯＰが最大となるように制御を行う。ＣＯ２は臨界温度が３１℃と低いため、外気温度が高い場合には、感温部に封入したＣＯ２ガスは超臨界状態となる。

このため、ガスクーラ出口の冷媒温度、すなわち膨張弁の感温部に流入する冷媒温度が上昇すると、膨張弁の制御圧力も上昇してしまう。特にアイドル時等、ガスクーラの吸い込み空気温度が高い場合にはガスクーラ出口冷媒温度が高くなり、制御圧が高圧圧力の上限に達してしまう。そして、この高圧圧力の上昇を抑えるためコンプレッサ容量を低下させる必要があり、冷房能力が大幅に低下するという問題点があった。さらに、高圧がさらに上昇し、異常高圧になりそうな場合には、コンプレッサが停止してしまう場合が発生してしまうという問題点があった。

特開２０００−８１１５７号公報

本発明は、上記問題点を解決することをその課題とし、内部熱交換器を機器間に配置して搭載を容易にするとともに、配管長さを短縮することができる超臨界サイクルを提供する。また、ガスクーラ出口冷媒温度が過度に上昇した場合に、膨張弁の制御圧力が著しく上昇してしまうことを防ぎ、高圧上昇によるコンプレッサの容量低下や異常高圧防止によるコンプレッサ停止を回避する超臨界サイクルを提供する。
本発明の他の目的は、内部熱交換器をバイパスする流路をもつ冷凍サイクルに用いることができる膨張弁を提供することにある。

上記課題を解決するため、内部熱交換器（４５）の高圧側の上流又は途中から延びるバイパス流路（５１）と、弁本体（３９）を制御するための感温部（４７）と、バイパス流路（５１）から冷媒を感温部（４７）へ流す感温流路（５）と、冷媒を感温部（４７）から弁本体（３９）の下流側の冷媒流路へ流す冷媒戻し流路（５３）とを備えた手段を採用することができる。

この手段によると、内部熱交換器を機器間に配置して搭載を容易にするとともに、配管長さを短縮することができる。

上記課題を解決するため、冷媒戻し流路（５３）、弁本体（３９）及び感温部（４７）は膨張弁（３７）として一体に形成されている手段を採用することができる。したがって、膨張弁をコンパクトにすることができる。

上記課題を解決するため、冷媒戻し流路（５３）は膨張弁（３７）のボディー（４９）内部に形成されている手段を採用することができる。したがって、膨張弁の小型化を実現することができる。

上記課題を解決するため、膨張弁（３７）のボディー（４９）には、感温部（４７）から弁本体（３９）までボディ（４９）を貫通する貫通孔（６８）が形成され、この貫通孔（６８）には感温部（４７）から弁本体（３９）に到る弁棒（６９）が摺動可能に挿入され、弁棒（６９）には感温部（４７）から弁本体（３９）に到るオリフィス（５３ａ）が形成されている手段を採用することができる。このようにすることによって、さらに膨張弁をコンパクトにすることができる。

上記課題を解決するため、バイパス流路（５１）は、内部熱交換器（４５）と一体に組付けられている手段を採用することができる。したがって、内部熱交換器（４５）に沿ってバイパス流路（５１）を配設することができ、全体としてコンパクトなレイアウトが可能になる。

上記課題を解決するため、バイパス流路（５１）は、内部熱交換器（４５）の高圧側の接続部（８８）から分岐している手段を採用することができる。したがって、機器間の接続用のポート数を削減することができる。

上記課題を解決するため、バイパス流路（５１）の上流側端部と内部熱交換器（４５）の上流側端部とは、単一の連結具（８７）で放熱器（３５）に接続されており、バイパス流路（５１）の下流側端部と内部熱交換器（４５）の下流側端部とは、それぞれ感温流路（５）、膨張弁（３７）に単一の連結具（９８）で接続されている手段を採用することができる。したがって連結具の数を削減することが可能である。

上記課題を解決するため、さらに、バイパス流路（５１）の途中に設けられた混合部（１０３）と、内部熱交換器（４５）の高圧側の途中又は下流から前記弁本体（３９）に到る流路の途中から混合部（１０３）に到る混合流路（１０７）とが設けられ、混合部（１０３）はバイパス流路（５１）からの冷媒と混合流路（１０７）からの冷媒とを任意の割合で混合して感温流路（５）に流す手段を採用することができる。

この手段によると、ガスクーラ出口冷媒温度が過度に上昇した場合に、膨張弁の制御圧力が著しく上昇してしまうことを防ぎ、高圧上昇によるコンプレッサの容量低下や異常高圧防止によるコンプレッサ停止を回避することができる。

上記課題を解決するため、混合部（１０３）は、バイパス流路（５１）から混合部（１０３）に流入する冷媒の温度、混合流路（１０７）から混合部（１０３）に流入する冷媒の温度、のうちいずれか一方若しくは双方の温度に基づいて、バイパス流路（５１）からの冷媒と混合流路（１０７）からの冷媒とを０から１００％の範囲で混合、調整する手段を採用することができる。したがって、ガスクーラ出口冷媒の温度と内側熱交換器出口冷媒の温度のうちいずれか一方もしくは双方に基づいてガスクーラ出口冷媒と内側熱交換器出口冷媒とを混合することができ、感温部へ流入する冷媒の温度を調整することができる。

上記課題を解決するため、混合部（１０３）は、バイパス流路（５１）あるいは混合流路（１０７）の圧力に基づいて、バイパス流路（５１）からの冷媒と混合流路（１０７）からの冷媒とを０から１００％の範囲で混合、調整する手段を採用することができる。したがって、ガスクーラ出口圧力に応じて、ガスクーラ出口冷媒に内部熱交換器出口冷媒を混合することができ、感温部（４７）へ流入する冷媒の温度を調整することができる。

上記課題を解決するため、感温部（４７）に流入する冷媒の温度が所定温度を超えないように、バイパス流路（５１）からの冷媒と混合流路（１０７）からの冷媒とを混合、調整する手段を採用することができる。したがって、膨張弁の制御圧力が著しく上昇してしまうことを防ぎ、高圧上昇によるコンプレッサの容量低下や異常高圧防止によるコンプレッサ停止を回避することができる。

上記課題を解決するため、混合部（１０３）は、膨張弁（３７）又は内部熱交換器（４５）と一体に設けられている手段を採用することができる。したがって、全体の機器レイアウトをコンパクトにすることができる。

上記課題を解決するため、内部熱交換器（４５）を主内部熱交換機（４５）とし、バイパス流路（５１）を第１のバイパス流路（５１）とし、さらに、主内部熱交換器（４５）の低圧側に並列に配設されて低圧側冷媒が流れる第２のバイパス流路（１５３）と、
この第２のバイパス流路（１５３）を流れる冷媒と第１のバイパス流路（５１）を流れる冷媒との間で熱交換を行い第１のバイパス流路（５１）を通って感温部（４７）に流れ込む冷媒の温度を低下させる副熱交換器（１５５）とを備えている手段を採用することができる。したがって、感温部に流入する冷媒の温度に応じて副熱交換器に流入する低圧側の流量を調整することができ、感温部（４７）に流入する冷媒の温度を所定温度の範囲にすることができる。

上記課題を解決するため、冷凍サイクルの高圧側から低圧側へ冷媒を膨張させる弁本体（３９）と、弁本体（３９）を制御するための感温部（４７）と、冷凍サイクルの放熱器下流側の冷媒と圧縮機上流側の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器（４５）の高圧側の上流又は途中から感温部（４７）へ冷媒を導入する感温流路（５）と、冷媒を感温部（４７）から弁本体（３９）の下流側の冷媒流路へ流す冷媒戻し流路（５３）とを備えている手段を採用することができる。したがって、内部熱交換器を機器間に配置して搭載を容易にすることができるとともに、配管長さを短縮することができ、膨張弁をコンパクトにすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図１ないし図１０を参照して説明する。

図１及び図２は、第１の実施形態である超臨界サイクル３１を示している。この超臨界サイクル３１は、圧縮機であるコンプレッサ３３、室外熱交換器としての放熱器であるガスクーラ３５、膨張弁３７の弁本体３９、室内熱交換器としての蒸発器であるエバポレータ４１、アキュムレータ４３、コンプレッサ３３がこの順に配列されており、この順に冷媒が循環するようになっている。ガスクーラ３５は、高圧側配管内において冷媒が超臨界圧力へ加圧されてない冷凍サイクルにおいては凝縮器とも呼ばれる。膨張弁３７は、冷凍サイクルの高圧側圧力を所定の高圧圧力に維持するように開度が調整される。このため、膨張弁３７は、圧力制御弁とも呼ばれる。また、アキュムレータ４３とコンプレッサ３３の間の冷媒流路と室外ガスクーラ３５と膨張弁３７の弁本体３９の間の冷媒流路には、ガスクーラ下流の冷媒とコンプレッサ上流の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器４５が設けられている。コンプレッサ３３は、冷媒を高圧に圧縮する。圧縮された冷媒は、ガスクーラ３５において、送風ファン３５ａで送風された車室外の空気によって冷却される。内部熱交換器４５は、ガスクーラ３５下流の高圧冷媒からアキュムレータ４３下流であってコンプレッサ３３上流の低圧冷媒に熱を移動させて冷媒のエンタルピ低下させる。膨張弁３７は、その弁本体３９で、冷凍サイクルの効率を示すＣＯＰが最大となるように、あるいはほぼ最大に維持されるように冷凍サイクルの高圧側圧力を所定の望ましい高圧圧力に制御する。膨張弁３７から低圧側に供給された冷媒は、エバポレータ４１で気化し、空気を冷却する。冷媒によって冷却された空気は、ブロア４１ａで車室内に供給される。エバポレータ４１を通過した冷媒は、アキュムレータ４３に流入し、ここで、エバポレータ４１から送られてくる液冷媒とガス冷媒とが分離されて、ガス冷媒と冷媒とともに循環する潤滑オイルとがコンプレッサ３３に吸入される。ここで、膨張弁３７の弁本体３９は、冷媒の温度を検知する感温部４７とともにアルミ材からなるボディー４９に一体に設けられている。弁本体３９は、可動弁体としての弁体７１と、ボディ４９に穿設された穴に設けられた固定弁座としての弁シート７３との間に区画形成される環状の通路によって提供される。また、ボディ４９には、その外面から感温部４７に至る感温流路５が設けられており、感温部４７に感温用の冷媒を導き入れるようになっている。

このような構成において、ガスクーラ３５から内部熱交換器４５に到る流路から分岐してバイパス流路５１が設けられ、このバイパス流路５１は、感温部４７に至る感温流路５に接続されている。また、ボディ４９中には、感温部４７から弁本体３９の下流部に到るオリフィス５３が形成されている。そして、ガスクーラ３５から流れてきた冷媒をバイパス流路５１を経て感温部４７に送り、ここで感温部４７は冷媒の温度に応じてＣＯＰが最大となるように膨張弁３７の弁本体３９を制御し冷媒を減圧する。感温部４７を通過した冷媒はオリフィス５３を通って減圧され弁本体３９を通過した冷媒と合流する。

図２（ａ）は、膨張弁３７及び内部熱交換器４５の具体的な構造を示すものである。この図において、膨張弁３７は、アルミ材を加工したボディ４９を有している。このボディ４９にはエレメント部６１が装着されている。このエレメント部６１は、金属薄膜のダイヤフラム６３をカバー６５とフランジ６７で挟み込み、外周部を気密に溶接等により接合している。ダイヤフラム６３は、下面に作動棒６９が接合されており、作動棒６９内部の空間６９ａはダイヤフラム６３に設けられた穴部（図示せず）によりダイヤフラム６３とカバー６５との間の空間と連通している。ダイヤフラム６３とカバー６５の間の空間には、ＣＯ２ガスとＣＯ２ガスより温度に対する圧力変化の小さいガス（例えばＮ２、Ｈｅ）がそれぞれ所定の密度で封入されている。作動棒６９は、ボディ４９に感温部４７から弁本体３９まで貫通する貫通孔６８に上下動可能に挿入されている。この作動棒６９は、下端に弁体７１が形成されており、閉弁時はボディ側の弁シート７３に接触しており、ダイヤフラム６３が上方に変位すると作動棒６９とともに弁シート７３を離れて所定の開度で開口する。

ダイヤフラム６３内に封入されたガスは、温度に対してＣＯＰが最大となる圧力となるように封入されており、主に作動棒の感温部（空間内部にガスが封入されている部分）で流入するガスクーラ出口の冷媒温度を検出し、封入ガス圧力と高圧圧力の差によりダイヤフラムが変位することで弁開度を変えて高圧圧力の制御を行っている。

エレメント部６１は、フランジ６７に設けたねじによりボディ４９に組みつけられており、内部には、感温部４５を通過した冷媒を減圧して弁の下流側に流すオリフィス５３が設けられている。

図２（ａ）において、符号４５は二重管タイプの内部熱交換器の縦断面を示す。この内部熱交換器４５は、図２（ｂ）に示すように、内部に高圧冷媒の流れる高圧冷媒流路８１とその外周に設けられた低圧冷媒が流れる低圧冷媒流路８３を有している。そして、内側の高圧冷媒流路８１の配管はリブ８５によって低圧冷媒流路８３の配管に支持されている。

ガスクーラ３５で冷却された冷媒は、内部熱交換器４５にジョイント部８７より流入し、上流側端部８８でバイパス流路５１と高圧冷媒流路８１に分岐する。アキュムレータ４３から流れてきた低圧ガス冷媒は、熱交換効率向上のため、高圧冷媒の出口側にあるジョイント部９１から流入し、低圧冷媒流路８３を通過する間に高圧冷媒流路８１中の高圧冷媒と熱交換を行う。そして、この低圧ガス冷媒はジョイント部９３からコンプレッサ３３に供給される。一方、高圧冷媒流路８１を通った高圧冷媒は、ジョイント部９５から膨張弁３７の弁本体３９の上流側に流れ、バイパス流路５１を通った冷媒は、ジョイント部９７から膨張弁３７の感温部４７に流れる。ここで、ジョイント部９５と９７は単一の固定用のプレート９８を共用しており、膨張弁３７に対して同時に組み付けることができる。また、バイパス流路５１は、内部熱交換器４５と同じ経路を通るため、固定冶具９９により内部熱交換器４５と一体に組み付けられている。

以上説明したように、この超臨界サイクル３１にあっては、エバポレータ４１と、コンプレッサ３３と、ガスクーラ３５と、膨張弁３７の弁本体３９がこの順に配設され、冷媒がこの順に循環し、ガスクーラ３５から膨張弁３７の弁本体３９に向かう高圧側冷媒とエバポレータ４１からコンプレッサ３３へ向かう低圧側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器４５が設けられ、膨張弁３７は弁本体３９の他にこの弁本体３９を制御するための感温部４７を一体に有し、内部熱交換器４５のうち高圧側冷媒が流れる部分の上流側又は途中から感温部４７へ冷媒を流すバイパス流路５１が設けられ、冷媒を感温部４７から弁本体３９の下流側の冷媒回路へ流すオリフィス５３がボディ４９に設けられているから、
感温部４７を通過した冷媒を内部熱交換器４５に戻す必要がなく、内部熱交換器４５が膨張弁３７に対してＵターンする必要がない。したがって、内部熱交換器４５をガスクーラ３５と膨張弁３７の間に配置することができ、膨張弁３７の周囲に内部熱交換器４５を配置する余分なスペースが不要となり、ガスクーラ３５と膨張弁３７を接続する配管も短くすることができる。

また、感温部４７を通過した冷媒をボディ４９内に形成されたオリフィス５３を通して減圧するとともに、このボディ４９内であって膨張弁３７の弁本体３９の下流側に合流させることができるから、感温部４７から内部熱交換器４５に向かう流路が不要となり、したがって感温部４７出口側の配管接続部を廃止することができる。

また、内部熱交換器４５の上流側端部から分岐したもしくは内部熱交換器４５の途中から分岐したバイパス流路５１は、内部熱交換器４５と並列に一体に組付けられ、バイパス流路５１の上流側端部と内部熱交換器４５の上流側端部とは、単一の連結具８７でガスクーラ３５に接続されており、バイパス流路５１の下流側端部と内部熱交換器４５の下流側端部とは、それぞれ膨張弁３７に単一の連結具９５，９７で接続されているから、内部熱交換部４５とバイパス流路５１とをコンパクトに一体化することができるとともに、ガスクーラ３５や膨張弁３７との接続を容易かつ簡単にすることができる。

なお、上記実施の形態においては、オリフィス５３はボディ４９内に貫通孔として形成されていたが、これに限る必要はなく、図３に示すように、ボディ４９に、感温部４７から弁本体３９に到る作動棒６９が摺動可能に挿入され、この作動棒６９に感温部４７から弁本体３９の内部を通り弁下流に到るオリフィス５３ａが形成されていてもよい。

図４は、第２の実施形態である超臨界サイクルを示している。この超臨界サイクル１０１は、図１に示す超臨界サイクル３１のバイパス流路５１の途中に混合部１０３を設け、内部熱交換器４５の出口から前記膨張弁３７の弁本体３９に到る内部熱交換器出口流路１０５から混合部１０３に分岐する混合流路を１０７を設けている。そして、感温流路５を通って感温部４７に流入する冷媒の温度が所定温度を超えないように、混合部１０３が、内部熱交換器４５をバイパスしたバイパス流路５１の冷媒と内部熱交換器４５の出口冷媒とを任意の割合で混合するようになっている。

ＣＯ２冷媒用の膨張弁は冷媒温度に対して制御圧力が定まるため、感温部４７に流入する冷媒温度を変えることで制御圧力も変化させることができる。

通常、高圧は超臨界状態で使用されるため、ガスクーラ出口温度が過度に上昇すると制御圧が高圧の上限圧力に達する不具合が発生する。このため、この超臨界サイクル１０１では、混合部１０３が感温部４７に流入する冷媒温度が所定値以下の場合は、バイパス流路５１を通って流れてきたガスクーラ出口冷媒を感温部に流し、所定温度に達した場合は内部熱交換器出口流路１０５を通ってきた冷媒をガスクーラ出口冷媒に混合して、感温部４７に流入する冷媒を所定温度以下に保つようになっている。このようにして、膨張弁の制御圧力が過度に上昇し、この異常高圧を防止するために、コンプレッサ容量が減少したりコンプレッサが停止したりすることを防止することができる。

図５は、第３の実施形態である超臨界サイクルを示している。この超臨界サイクル１１１は、図４に示す超臨界サイクル１０１の混合部１０３の具体例として定温度弁１１３を設けている。この定温度弁１１３は、膨張弁３７のボディ４９内に設けられており、混合流路１０７もボディ４９に形成されている。この定温度弁１１３には、バイパス流路５１に接続された高温側ポート１１５と混合流路１０７に接続された低温側ポート１１７と、感温流路５を通って感温部４５に接続された感温部側ポート１１９が形成されている。また、シリンダ部１２１内には、上部拡径部１２３ａと中間縮径部１２３ｂと下部拡径部１２３ｃとが一体に連結されたスプール１２３が上下動可能に挿入されている。このスプール１２３の上部にはピストン１２５が設けられている。このピストン１２５は、温度が上昇すると感温作動部内のワックスが溶融してピストンを押し上げるようになっており、高温時に突出し低温時に収縮する。スプール１２３の下部には、このスプール１２３を上方に押圧するスプリング１２７が配設されている。

このような構成において、低温時には、図６（ａ）に示すように、ピストン１２５は収縮しているためスプリング１２７によってスプール１２３は上方に押し上げられる。この状態で、上部拡径部１２３ａは高温側ポート１１５より上方にあり、中間縮径部１２３ｂは高温側ポート１１５と感温部側ポート１１９に連通している。一方、低温側ポート１１７は、下部拡径部１２３ｃによって閉鎖されている。したがって、バイパス流路５１からの冷媒すなわちガスクーラ出口冷媒が高温側ポート１１５から入り感温部側ポート１１９ら流出し、感温流路５を通って感温部４７に至る。これによって、図７に示すように、感温部４７の冷媒温度はガスクーラ出口冷媒温度と等しく、これに応じた圧力に制御される。

次に、ガスクーラ出口温度が上昇すると、中温時には、図６（ｂ）に示すように、ピストン１２５はスプリング１２７の押圧力に抗してやや突出して、スプール１２３は中位置に保持される。この状態で、上部拡径部１２３ａは高温側ポート１１５よりやや上方にあり、下部拡径部１２３ｃは低温側ポート１１７よりやや下方にあり、中間縮径部１２３ｂは高温側ポート１１５、低温側ポート１１７、感温部側ポート１１９に連通している。したがって、バイパス流路５１からの冷媒すなわちガスクーラ出口冷媒と、混合流路１０７を通ってきた内側熱交換器出口冷媒とが中間縮径部１２３ｂで混合され、感温部側ポート１１９から流出し、感温流路５を通って感温部４７に至る。これによって、感温部４７に流入する冷媒温度がほぼ一定になるように、ガスクーラ出口冷媒と内側熱交換器出口冷媒とを混合することができ、図７に示すように、制御圧力もほぼ一定に維持することができる。

ガスクーラ出口温度がさらに上昇して、高温時になると、図６（ｃ）に示すように、ピストン１２５はスプリング１２７の押圧力に抗してさらに突出し、スプール１２３は下位置に保持される。この状態で、下部拡径部１２３ｃは低温側ポート１１７より下方にあり、中間縮径部１２３ｂは低温側ポート１１５と感温部側ポート１１９に連通している。一方、高温側ポート１１５は、上部拡径部１２３ａによって閉鎖されている。したがって、混合流路１０７からの冷媒、すなわち内側熱交換器出口冷媒のみが低温側ポート１１７から入り感温部側ポート１１９に流出し、感温流路５を通って感温部４７に至る。これによって、図７に示すように、膨張弁３７の弁本体３９はガスクーラ出口温度で制御するより低い圧力で制御される。

このように、この超臨界サイクル１１１にあっては、混合部１０３として定温度弁１１３を設けているから、バイパス流路５１からの冷媒すなわちガスクーラ出口冷媒の温度と混合流路１０７からの冷媒すなわち内側熱交換器出口冷媒の温度のうちいずれか一方もしくは双方に基づいてガスクーラ出口冷媒と内側熱交換器出口冷媒とを混合することができ、したがって感温部４７へ流入する冷媒の温度を調整することができる。

図８は、第４の実施形態である超臨界サイクルを示している。この超臨界サイクル１３１は、図４に示す超臨界サイクル１０１の混合部１０３の具体例として定圧力弁１３３を設けている。この定温度弁１３３は、膨張弁３７のボディ４９内に設けられており、混合流路１０７もボディ４９に形成されている。この定温度弁１３３には、バイパス流路５１に接続された高温側ポート１３５と、感温流路５を通って感温部４７に接続された感温部側ポート１３７が形成されている。

シリンダ部１３９内には、内部に冷媒流路が形成された作動部１４１がＯリング１４３を介して上下動可能に挿入されている。この作動部１４１の上部にはスプリング１４５が設けられており、作動部１４１を下方に押圧している。そして、大気圧との差圧が所定圧力を超えると、作動部１４１をスプリング１４５の押圧力に抗して上方に押し上げるようになっている。この作動部１４１には、その上部の両側に開口する上部連通孔１４７ａが形成され、その下部には感温部４７側に開口するとともに底部に開口する下部連通孔１４７ｂが形成されている。

このような構成において、低圧時には、図９（ａ）に示すように、作動部１４１は、スプリング１４５によって下方に位置せしめられている。この状態において、上部連通孔１４７ａは、高温側ポート１３５と感温部側ポート１３７に連通しており、バイパス流路５１からのガスクーラ出口冷媒が感温流路５を通って感温部４７に流れる。一方、下部連通孔１４７ｂは閉鎖されており、混合流路１０７からの内部熱交換器出口冷媒は感温部４７には流入しない。これにより、図７に示すように、感温部の冷媒温度はガスクーラ出口冷媒温度と等しくなり、それに応じた圧力に制御される。

次に、ガスクーラ出口圧力が上昇した中圧時には、作動部１４１は、図９（ｂ）に示すように、スプリング１４５の押圧力に抗して若干上昇し中位置にある。この状態においては上部連通孔１４７ａは高温側ポート１３５と感温部側ポート１３７に連通しているとともに、下部連通孔１４７ｂは混合流路１０７と感温部側ポート１３７に連通している。したがって、高圧圧力がほぼ一定になるようにバイパス流路５１からのガスクーラ出口冷媒と混合流路１０７からの内部熱交換器出口冷媒を混合し、感温流路５を通って感温部４７に流し、制御圧力もほぼ一定に保つことができる。

ガスクーラ出口圧力がさらに上昇して高圧時になると、図９（ｃ）に示すように、作動部１４１はさらに上昇し、上部連通孔１４７ａを閉鎖するとともに、下部連通孔１４７ｂを全開とする。したがって、感温部４７には、混合流路１０７を通った内部熱交換器出口冷媒のみが流れることになり、以後は、ガスクーラ出口温度で制御するよりも低い圧力で制御される。

このように、この超臨界サイクル１３１にあっては、混合部１０３として定圧力弁１３３を設けているから、ガスクーラ出口圧力に応じて、バイパス流路５１からのガスクーラ出口冷媒に混合流路１０７からの内部熱交換器出口冷媒を混合することができ、したがって感温部４７へ流入する冷媒の温度を調整することができる。

図１０は、第５の実施形態である超臨界サイクルを示している。この超臨界サイクル１５１は、図１に示す超臨界サイクル３１において、アキュムレータ４３とコンプレッサ３３との間の熱交換器４５に並列に並列流路１５３を設け、この並列流路１５３とバイパス流路５１との間で熱交換を行う副熱交換器１５５を設けている。また、並列流路１５３には、副熱交換器１５５と直列に流量制御バルブ１５７が設けられている。このようにして、膨張弁３７の感温部４７に流入する冷媒を副熱交換器１５５によって冷却できるようにしている。すなわち、感温流路５を通って感温部４７に流入する冷媒の温度が所定温度に達すると、流量制御バルブ１５７を作動させて副熱交換器１５５に流入する低圧側の流量を増加させ、感温部４７に流入する冷媒の温度が所定温度の範囲に入るようにする。

このように、この超臨界サイクル１５１にあっては、アキュムレータ４３とコンプレッサ３３との間の熱交換器４５に並列に並列流路１５３を設け、この並列流路１５３とバイパス流路５１との間で熱交換を行う副熱交換器１５５を設けているから、感温部４７に流入する冷媒の温度に応じて、副熱交換器１５５に流入する低圧側の流量を調整することができ、したがって感温部４７に流入する冷媒の温度を所定温度の範囲にすることができる。

なお、上記実施の形態においては、バイパス流路５１は、内部熱交換器４５の上流側から分岐しているが、これに限る必要はなく、内部熱交換器４５中の流路の途中から分岐するようにしてもよい。また、上記実施の形態にあっては、内部熱交換器４５から膨張弁３７の弁本体３９へ到る流路は、内部熱交換器４５の下流側端部から出ているが、これに限る必要はなく、内部熱交換器４５中の流路の途中から出るようにしてもよい。かかる構成は、内部熱交換器に分岐部を付加すること、あるいは内部熱交換器を２つの部分から構成し、それらの間に分岐管を配置することといった手段を採用することで提供されうる。また、かかる熱交換器途中における分岐は、副内部熱交換器においても採用されてもよい。混合部１０３は、膨張弁３７又は内部熱交換器４５と一体に設けられる。混合部１０３は、膨張弁３７のボディ内に穿設した通路によって提供されることができる。混合部１０３は、内部熱交換器４５に一体にロウ付けされたブロック状のボディあるいはボルトによって締め付け固定されたボディ内に形成されることができる。さらに、混合部１０３は、膨張弁３７とも内部熱交換器４５とも別体のブロック内に形成されることもできる。これらの構成においても、各部の間を配管あるいは直接に連通させて上述の実施形態と同様の冷凍サイクルが構成される。

本発明の第１の実施の形態である超臨界サイクルを示す図。 図１に示す超臨界サイクルにおける熱交換器と圧力制御弁を示す図であって、（ａ）はその概略断面図、（ｂ）は（ａ）中Ａ−Ａ線に沿う断面図。 膨張弁に設けられたオリフィスの他の例を示す図。 本発明の第２の実施の形態である超臨界サイクルを示す図。 本発明の第３の実施の形態である超臨界サイクルと圧力制御弁の断面を示す図。 図５に示す圧力制御弁の作動を示す図であって、（ａ）は低温時、（ｂ）は中温時、（ｃ）は高温時を示す。 図６に示す低温時、中温時、高温時における各部の圧力、温度を示す図。 本発明の第４の実施の形態である超臨界サイクルと圧力制御弁の断面を示す図。 図８に示す圧力制御弁の作動を示す図であって、（ａ）は低圧時、（ｂ）は中圧時、（ｃ）は高圧時を示す。 本発明の第５の実施の形態である超臨界サイクルと圧力制御弁の断面を示す図。 従来の超臨界サイクルを示す図。

符号の説明

５ 感温流路
３１ 超臨界サイクル
３３ コンプレッサ
３５ ガスクーラ
３７ 膨張弁
３９ 弁本体
４１ エバポレータ
４５ 内部熱交換器
４７ 感温部
５３ オリフィス
５３ａ オリフィス
６８ 貫通孔
８７ ジョイント部
８８ 上流側端部
９８ プレート
１０１ 超臨界サイクル
１０３ 混合部
１０７ 混合流路
１１１ 超臨界サイクル
１１３ 定温度弁
１３１ 超臨界サイクル
１３３ 定圧力弁
１５１ 超臨界サイクル
１５３ 並列流路
１５５ 副熱交換器

Claims (14)

1. 蒸発器（４１）と、圧縮機（３３）と、放熱器（３５）と、膨張弁（３７）の弁本体（３９）がこの順に配設され、冷媒がこの順に循環し、前記放熱器（３５）から前記膨張弁（３７）の弁本体（３９）に向かう高圧側冷媒と前記蒸発器（４１）から前記圧縮機（３３）へ向かう低圧側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器（４５）が設けられた超臨界サイクルにおいて、
   前記内部熱交換器（４５）の高圧側の上流又は途中から延びるバイパス流路（５１）と、
   前記弁本体（３９）を制御するための感温部（４７）と、
   前記バイパス流路（５１）から冷媒を前記感温部（４７）へ流す感温流路（５）と、
   冷媒を前記感温部（４７）から前記弁本体（３９）の下流側の冷媒流路へ流す冷媒戻し流路（５３）と、
   を備えていることを特徴とする超臨界サイクル。
2. 前記冷媒戻し流路（５３）、前記弁本体（３９）及び前記感温部（４７）は前記膨張弁（３７）として一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超臨界サイクル。
3. 前記冷媒戻し流路（５３）は前記膨張弁（３７）のボディー（４９）内部に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の超臨界サイクル。
4. 前記膨張弁（３７）のボディー（４９）には、前記感温部（４７）から前記弁本体（３９）まで前記ボディ（４９）を貫通する貫通孔（６８）が形成され、この貫通孔（６８）には前記感温部（４７）から前記弁本体（３９）に到る弁棒（６９）が摺動可能に挿入され、前記弁棒（６９）には前記感温部（４７）から前記弁本体（３９）に到るオリフィス（５３ａ）が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の超臨界サイクル。
5. 前記バイパス流路（５１）は、前記内部熱交換器（４５）と一体に組付けられていることを特徴とする請求項１に記載の超臨界サイクル。
6. 前記バイパス流路（５１）は、前記内部熱交換器（４５）の高圧側の接続部（８８）から分岐していることを特徴とする請求項５に記載の超臨界サイクル。
7. 前記バイパス流路（５１）の上流側端部と前記内部熱交換器（４５）の上流側端部とは、単一の連結具（８７）で前記放熱器（３５）に接続されており、前記バイパス流路（５１）の下流側端部と前記内部熱交換器（４５）の下流側端部とは、それぞれ前記感温流路（５）、前記膨張弁（３７）に単一の連結具（９８）で接続されていることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の超臨界サイクル。
8. さらに、前記バイパス流路（５１）の途中に設けられた混合部（１０３）と、前記内部熱交換器（４５）の高圧側の途中又は下流から前記弁本体（３９）に到る流路の途中から前記混合部（１０３）に到る混合流路（１０７）とが設けられ、
   前記混合部（１０３）は前記バイパス流路（５１）からの冷媒と前記混合流路（１０７）からの冷媒とを任意の割合で混合して前記感温流路（５）に流すことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の超臨界サイクル。
9. 前記混合部（１０３）は、前記バイパス流路（５１）から前記混合部（１０３）に流入する冷媒の温度、前記混合流路（１０７）から前記混合部（１０３）に流入する冷媒の温度、のうちいずれか一方若しくは双方の温度に基づいて、前記バイパス流路（５１）からの冷媒と前記混合流路（１０７）からの冷媒とを０から１００％の範囲で混合、調整することを特徴とする請求項８に記載の超臨界サイクル。
10. 前記混合部（１０３）は、前記バイパス流路（５１）あるいは前記混合流路（１０７）の圧力に基づいて、前記バイパス流路（５１）からの冷媒と前記混合流路（１０７）からの冷媒とを０から１００％の範囲で混合、調整することを特徴とする請求項８に記載の超臨界サイクル。
11. 前記感温部（４７）に流入する冷媒の温度が所定温度を超えないように、前記バイパス流路（５１）からの冷媒と前記混合流路（１０７）からの冷媒とを混合、調整することを特徴とする請求項８ないし請求項１０のいずれかに記載の超臨界サイクル。
12. 前記混合部（１０３）は、前記膨張弁（３７）又は前記内部熱交換器（４５）と一体に設けられていることを特徴とする請求項８ないし請求項１１のいずれかに記載の超臨界サイクル。
13. 前記内部熱交換器（４５）を主内部熱交換機（４５）とし、前記バイパス流路（５１）を第１のバイパス流路（５１）とし、
    さらに、前記主内部熱交換器（４５）の低圧側に並列に配設されて低圧側冷媒が流れる第２のバイパス流路（１５３）と、
    この第２のバイパス流路（１５３）を流れる冷媒と前記第１のバイパス流路（５１）を流れる冷媒との間で熱交換を行い前記第１のバイパス流路（５１）を通って前記感温部（４７）に流れ込む冷媒の温度を低下させる副熱交換器（１５５）と、
    を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の超臨界サイクル。
14. 冷凍サイクルの高圧側から低圧側へ冷媒を膨張させる弁本体（３９）と、
    前記弁本体（３９）を制御するための感温部（４７）と、
    冷凍サイクルの放熱器下流側の冷媒と圧縮機上流側の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器（４５）の高圧側の上流又は途中から前記感温部（４７）へ冷媒を導入する感温流路（５）と、
    冷媒を前記感温部（４７）から前記弁本体（３９）の下流側の冷媒流路へ流す冷媒戻し流路（５３）とを備えていることを特徴とする膨張弁。

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