JP5292537B2

JP5292537B2 - 膨張装置

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Publication number: JP5292537B2
Application number: JP2006229559A
Authority: JP
Inventors: 良輔佐竹; 正明利根川; 智宏湯浅; 徳巳津川
Original assignee: TGK Co Ltd
Current assignee: TGK Co Ltd
Priority date: 2006-08-25
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2026-08-25
Also published as: US20080053125A1; JP2008051439A; KR20080018795A; EP1892488A2

Description

本発明は膨張装置に関し、特に車輌用エアコンの冷凍サイクルにて冷媒を膨張させる膨張装置に関する。

車輌用エアコンは、冷媒を圧縮するコンプレッサと、圧縮された冷媒を凝縮または冷却するコンデンサまたはガスクーラと、凝縮または冷却された冷媒を貯めて気液分離を行うレシーバと、分離された液冷媒を膨張させる膨張装置と、膨張された冷媒を車室内の空気との熱交換により蒸発させてコンプレッサへ戻すエバポレータとからなる冷凍サイクルが知られており、その膨張装置としては、エバポレータの出口の冷媒の温度および圧力を感知してエバポレータに送り出す冷媒の流量を制御する温度式膨張弁が一般に使用されている。

これに対して、コンプレッサと、コンデンサまたはガスクーラと、凝縮または冷却された冷媒を膨張させるエバポレータと、蒸発された冷媒を貯めて気液分離を行うとともに分離されたガス冷媒をコンプレッサへ戻すアキュムレータとからなる冷凍サイクルが知られている。この構成の冷凍サイクルで使用される膨張装置の１つに、その入口の圧力と出口の圧力との差圧を感知し、その差圧が大きくなるに従って弁が開いていく差圧制御弁がある（たとえば、特許文献１参照。）。

この特許文献１に記載の膨張装置は、冷媒が流れる通路に配置されてその通路を開閉する弁体と、その弁体を閉弁方向に付勢するスプリングとを備えている。この膨張装置は、車輌用エアコンが起動して、コンプレッサの吐出圧力により入口の圧力が高くなり、コンプレッサの吸入圧力により出口の圧力が低くなって、その差圧がスプリングによって設定される開弁差圧を超えると開弁し、差圧が大きくなるに従って弁リフトが大きくなるよう動作する。
特開２００５−２４９３８０号公報

差圧制御弁を膨張装置として使用している冷凍サイクルでは、車輌用エアコンが停止しているとき、差圧制御弁は、その入口と出口とに差圧がないので、スプリングによって弁体が閉弁方向に付勢されていて閉じた状態にある。この状態で車輌用エアコンが起動してコンプレッサがその最大吐出容量で運転を開始すると、膨張装置の入口は圧力が直ぐに上昇する。一方、出口側はコンプレッサにより吸引されて圧力が低下しようとするが、コンプレッサとの間にアキュムレータが介在されているため、直ぐには低下しない。このため、膨張装置の入口側の圧力がさらに上昇することになり、その前後の差圧が開弁差圧に達すると開弁することになる。それでも、膨張装置は、その出口側の圧力がなかなか低下せずに十分に大きな差圧が生じないことによって絞り状態が継続する場合、入口側の圧力がさらに上昇してしまうことになるので、このような場合、コンプレッサは、その吐出容量を低下させるよう容量制御を行い、吐出圧力が高くなり過ぎてしまわないように制御することになる。この車輌用エアコンの起動時にコンプレッサがその吐出容量を下げるということは、車輌用エアコンとして冷えないあるいは冷えるまでに時間がかかることを意味する。

この傾向は、特に、冷凍サイクルの冷媒として、作動圧力の非常に高い二酸化炭素を使用した場合において、エンジンルーム内の温度が非常に高い状態で車輌用エアコンを起動したときに顕著に現れる。このような場合、車輌用エアコンの起動前に既に膨張装置の入口および出口の圧力が高温の外気や太陽などの輻射熱により高くなっていて、車輌用エアコンの負荷としては非常に高い状態にある。この高負荷状態で、車輌用エアコンが起動されると、膨張装置の入口は、起動前に既に高くなっている圧力から冷凍サイクルとして危険とされる高圧領域まで直ぐに圧力が上がってしまい、そのような異常高圧を回避するために、コンプレッサはその吐出容量を低下させる側へ容量制御を始めてしまうので、車輌用エアコンとしては、なかなか冷えず、クールダウンが非常に遅くなるという問題点があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、高負荷起動時にクールダウン時間を短縮する膨張装置を提供することを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、冷凍サイクルを循環する冷媒を膨張させる膨張装置において、冷媒入口と冷媒出口との間に形成された弁孔、前記弁孔の前記冷媒出口の側にて前記弁孔の軸線方向に進退自在に配置された弁体、および前記弁体の前記弁孔の側とは反対の側に配置されて前記弁孔を閉じる方向に前記弁体を付勢するスプリングを有していて前記冷媒入口の圧力と前記冷媒出口の圧力との差圧により開弁する差圧制御弁と、前記冷媒出口の冷媒の温度を感知して前記冷媒出口の冷媒が定常状態で運転しているときの温度より高い場合に前記差圧制御弁を開弁方向に付勢するアクチュエータと、を備え、前記アクチュエータは、前記冷媒出口の側において閉弁方向に付勢されている前記弁体を直接受けるように前記差圧制御弁の前記弁孔と前記弁体との間に配置され、前記冷媒出口の冷媒の温度が定常状態で運転しているときの温度より高くなると荷重の増加率が大きくなって前記差圧制御弁の開弁差圧を小さく設定するか、または前記差圧制御弁を開弁状態にする形状記憶合金ばねであることを特徴とする膨張装置が提供される。

このような膨張装置によれば、車輌用エアコンが高負荷起動するとき、差圧制御弁は、その開弁差圧がアクチュエータによって小さく設定されているので、微小差圧で開弁できる状態になっている。これにより、車輌用エアコンの高負荷起動時に冷媒が少しでも流れると差圧制御弁は全開して冷媒を多く流すことができるので、クールダウン時間を短縮することが可能になる。

また、本発明では、冷凍サイクルを循環する冷媒を膨張させる膨張装置において、冷媒入口と冷媒出口とに連通する第１の弁孔、前記第１の弁孔の前記冷媒出口の側にて前記第１の弁孔の軸線方向に進退自在に配置された第１の弁体、および前記第１の弁体の前記第１の弁孔の側とは反対の側に配置されて前記第１の弁孔を閉じる方向に前記第１の弁体を付勢する第１のスプリングを有していて前記冷媒入口の圧力と前記冷媒出口の圧力との差圧により開弁する第１の差圧制御弁と、前記冷媒入口と前記冷媒出口との間に形成されていて前記第１の弁孔よりも大きな径を有する第２の弁孔、前記第２の弁孔の前記冷媒出口の側にて前記第２の弁孔を開閉するよう前記第２の弁孔の軸線方向に進退自在に配置されるとともに前記第２の弁孔の軸線方向に前記第１の弁孔が貫通形成された第２の弁体、前記第１の弁体を前記第１の弁孔の軸線方向に進退自在に保持するとともに前記第２の弁孔の軸線方向に前記第２の弁体と一体に移動可能な筒状部材、および前記筒状部材の前記第２の弁体の側とは反対の側に配置されて前記第２の弁孔を閉じる方向に前記筒状部材を付勢する第２のスプリングを有する第２の差圧制御弁と、前記冷媒出口の冷媒の温度を感知して前記冷媒出口の冷媒が定常状態で運転しているときの温度より高い場合に前記第２の弁孔を開く方向に前記第２の弁体を付勢するアクチュエータと、を備え、前記アクチュエータは、前記冷媒出口の側において前記第２の弁孔と前記筒状部材との間に配置され、前記冷媒出口の冷媒の温度が定常状態で運転しているときの温度より高くなると荷重の増加率が大きくなって前記第２の差圧制御弁の開弁差圧を小さく設定するか、または前記第２の差圧制御弁を開弁状態にする形状記憶合金ばねであることを特徴とする膨張装置が提供される。

この膨張装置では、車輌用エアコンが高負荷起動するとき、第２の差圧制御弁は、その開弁差圧がアクチュエータによって小さく設定されているので、微小差圧で開弁できる状態になっている。これにより、車輌用エアコンの高負荷起動時に冷媒が少しでも流れると第２の差圧制御弁は全開し、径の大きな弁孔を介して大量の冷媒を流すことができるので、クールダウン時間を短縮することが可能になる。

本発明の膨張装置は、車輌用エアコンの起動前に冷凍サイクルが高温状態に晒されているときに、差圧制御弁が開弁状態または微小差圧で開弁できる状態になっているので、車輌用エアコンが起動すると、直ちに多量の冷媒流量を流すことができることから、高負荷起動時に冷凍サイクルを循環する冷媒の流量が不足してエアコンとしてなかなか冷えないといった不具合を解消することができる。

以下、本発明の実施の形態を、冷媒に二酸化炭素を使用した車輌用エアコンの冷凍サイクルに適用した膨張装置を例に図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の膨張装置を適用した冷凍サイクルを示すシステム図、図２は第１の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図、図３は感温アクチュエータの温度−ばね荷重特性を示す図、図４は膨張装置の差圧変化に対する絞り通路断面積の変化を示す図である。

冷凍サイクルは、図１に示したように、冷媒を圧縮するコンプレッサ１と、圧縮された冷媒を冷却するガスクーラ２と、冷却された冷媒を絞り膨張させる膨張装置３と、膨張された冷媒を蒸発させるエバポレータ４と、冷凍サイクル中の余剰の冷媒を蓄えておくとともに蒸発された冷媒から気相の冷媒を分離してコンプレッサ１へ送るアキュムレータ５と、ガスクーラ２から膨張装置３へ流れる冷媒とアキュムレータ５からコンプレッサ１へ流れる冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器６とを備えている。図中、矢印は、冷媒の流れを表わしている。

この冷凍サイクルでは、気相状態の冷媒をコンプレッサ１にて圧縮して高温高圧の冷媒にし、その高温高圧の冷媒をガスクーラ２にて冷却し、冷却された冷媒を膨張装置３にて絞り膨張させることで低温低圧の冷媒にし、その低温低圧の冷媒をエバポレータ４にて蒸発させるという動作をする。膨張装置３が冷媒を膨張させる過程で、冷媒は気液二相状態になり、それがエバポレータ４で車室内の空気との熱交換により蒸発するときに、車室内の空気から蒸発潜熱を奪うことで、冷房が行われる。

また、二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルでは、ガスクーラ２の出口の冷媒とコンプレッサ１の入口の冷媒とを熱交換する内部熱交換器６を設けて、エバポレータ４の入口の冷媒のエンタルピを低下させ、これによって冷凍能力を向上させることが一般に行われている。

この内部熱交換器６は、その内部に、ガスクーラ２から導入された高圧の冷媒が流れる高圧通路とアキュムレータ５から導入された低圧の冷媒が流れる低圧通路とを有しており、高圧通路の出口に膨張装置３が設けられている。

内部熱交換器６に設けられた膨張装置３は、図２に示したように、ボディ１１を有し、そのボディ１１は、上部先端に内部熱交換器６の高圧通路から冷媒を導入する冷媒入口１２が形成され、その冷媒入口１２には、冷媒中の異物の進入を阻止するストレーナ１３が設けられている。ボディ１１は、また、その側部に冷媒出口１４が形成されている。冷媒入口１２と冷媒出口１４との間には、ボディ１１の軸線方向に形成された弁孔１５を有し、冷媒出口１４に連通する空間には弁孔１５を開閉する弁体１６が軸線方向に進退自在に配置されている。この弁体１６は、ボディ１１の図の下方に一体に形成された筒状部にその軸線方向に進退自在に配置されたピストン１７と一体に形成されている。このピストン１７の弁体１６が設けられている側と反対側には、弁体１６を閉弁方向に付勢するスプリング１８が配置されている。この弁体１６およびスプリング１８は、弁体１６がスプリング１８によって弁孔１５を閉じる方向に付勢されていることで、冷媒入口１２の圧力と冷媒出口１４の圧力との差圧により開弁する差圧制御弁を構成している。

スプリング１８は、ボディ１１の筒状部に螺着されたアジャストねじ１９によって受けられており、アジャストねじ１９は、そのボディ１１への軸線方向の螺入量を調整することにより、差圧制御弁が開弁する開弁差圧を設定することができる。弁体１６には、この差圧制御弁をバイパスするよう、オリフィス２０が設けられている。このオリフィス２０は、差圧制御弁の閉弁時に、冷媒とともに冷凍サイクルを循環しているコンプレッサ用潤滑油を流すのに必要な最小流量の冷媒を流すためのものである。そして、冷媒出口１４に連通する空間には、弁体１６を開弁方向に付勢するように形状記憶合金ばね２１が配置されている。この形状記憶合金ばね２１は、膨張装置３の冷媒出口１４における冷媒の温度を感知してその温度が所定値を超えると、差圧制御弁を開弁方向に駆動するように作用する感温アクチュエータを構成している。この膨張装置３の冷媒出口１４に配置された形状記憶合金ばね２１は、温度サイクルに対して可逆的に変化する二方向性の形状記憶効果を有し、図３に示したように、変態点（図示の例では１５℃）より低い温度では、ばね荷重が小さく、温度変化に対するばね荷重の変化率も非常に小さいが、変態点より高い温度になると、温度上昇に対するばね荷重の増加率が急激に大きくなり、さらに高温の所定の温度（図示の例では２５℃）以上では、飽和してばね荷重の増加がなくなる特性を有している。

以上の構成の膨張装置３において、車輌用エアコンが起動していて定常状態で運転しているときには、膨張装置３の出口温度は、通常、１５℃以下に下がっているので、差圧制御弁は、図４に太い実線で示した特性を有する。すなわち、膨張装置３の出口温度が１５℃以下のとき、形状記憶合金ばね２１は、最も小さいばね荷重を有しているので、膨張装置３の冷媒入口１２の圧力と冷媒出口１４の圧力との差圧ΔＰが十分に小さいとき、スプリング１８が形状記憶合金ばね２１のばね荷重に打ち勝って弁体１６を閉弁方向に付勢していることで、差圧制御弁は閉弁している。このとき、その差圧制御弁の絞り通路断面積は、オリフィス２０によって決まる断面積の絞り通路になっている。

膨張装置３の冷媒入口１２の圧力と冷媒出口１４の圧力との差圧ΔＰが上昇してΔＰ１を超えると、差圧制御弁は開弁し、その後は、差圧の上昇に比例して弁体１６がリフトし、絞り通路断面積が増加し、冷媒流量が増加していく。

一方、車輌用エアコンが停止していて外気温度がたとえば４０℃と非常に高いとき、周囲温度に影響されて冷凍サイクルのどの位置においても冷媒の温度は非常に高い温度になっている。もちろん、膨張装置３の出口温度も高くなっており、形状記憶合金ばね２１は、その出口温度を感知して最も大きいばね荷重を有している。このとき、形状記憶合金ばね２１のばね荷重がスプリング１８のばね荷重にほぼ等しくなるよう設定されていれば、差圧制御弁の開弁差圧は、ほぼ０に設定されていることになるので、この状態で車輌用エアコンが起動して少しでも冷媒が流れると、差圧制御弁は即座に全開し、図４に２５℃以上の場合として示したように、絞り通路断面積は、最も大きい状態になる。

なお、膨張装置３の出口温度が非常に高いときの形状記憶合金ばね２１のばね荷重をスプリング１８のばね荷重より大きく設定すれば、形状記憶合金ばね２１は、スプリング１８のばね荷重に打ち勝って弁体１６を開弁方向に付勢することになるので、車輌用エアコンが起動する前に、差圧制御弁を開弁状態にしておくことができる。

このように、周囲温度が高く、車輌用エアコンとしては負荷が非常に高くなっている状態では、膨張装置３は、形状記憶合金ばね２１が膨張装置３の出口温度を感知して、差圧制御弁の開弁差圧を小さく設定しているか、または差圧制御弁を開弁状態に維持しているので、車輌用エアコンの起動時に多くの流量を流すことができる。車輌用エアコンの起動時または起動直後に膨張装置３が開弁しているということは、その入口側の圧力がコンプレッサ１の起動直後に異常に高くなることはないということであり、また、起動直後の冷媒の流量が多いということは、コンプレッサ１がその最大吐出容量で運転を継続できるということであるので、膨張装置３の出口温度を早期に低下させることができ、クールダウン時間を短縮することができる。

コンプレッサ１がその最大吐出容量で運転を継続していると、やがて膨張装置３の出口温度が低下してきて、それが所定の温度（図３の例では２５℃）より低下すると、形状記憶合金ばね２１のばね荷重が徐々に小さくなっていく。これにより、弁体１６はスプリング１８に押されて閉弁方向に移動していき、絞り通路断面積も徐々に小さくなっていく。このとき、差圧制御弁の開弁差圧もほぼ０の状態から増加していき、図４の例では、膨張装置３の出口温度が低下して２０℃になると、差圧制御弁の開弁差圧がΔＰ０までシフトし、さらに膨張装置３の出口温度が低下して１５℃になると、開弁差圧はΔＰ１までシフトすることになる。

図５は第２の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。図５において、図２に示した構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

この第２の実施の形態に係る膨張装置３１は、第１の実施の形態に係る膨張装置３の差圧制御弁（以下、第１の差圧制御弁という）と、これよりもポート径の大きな第２の差圧制御弁とが並列に機能するように構成して、膨張装置３の出口温度が高いときに、形状記憶合金ばね２１が第２の差圧制御弁を開弁してより大流量の冷媒を流すことができるように構成している。

すなわち、この膨張装置３１では、第２の差圧制御弁は、冷媒入口１２と冷媒出口１４との間のボディ１１に形成されて第１の差圧制御弁の弁孔よりも内径の大きな弁孔３２を有し、冷媒出口１４に連通する空間には弁孔３２を開閉する弁体３３が軸線方向に進退自在に配置されている。この弁体３３は、ボディ１１の図の下方に一体に形成された筒状部にその軸線方向に進退自在に配置されたピストン３４と一体に形成されている。このピストン３４は、弁体３３が設けられている側に弁体３３を開弁方向に付勢する形状記憶合金ばね２１が配置され、弁体３３が設けられている側と反対側には、弁体３３を閉弁方向に付勢するスプリング３５が配置されている。そして、ボディ１１の筒状部の開口端には、アジャストねじ３６が螺着され、形状記憶合金ばね２１とスプリング３５とのばね荷重を調整できるようにしている。

第１の差圧制御弁は、第２の差圧制御弁の弁体３３に軸線方向に貫通形成された孔を弁孔１５とし、弁体１６およびピストン１７は、第２の差圧制御弁のピストン３４の中に軸線方向に進退自在に収容され、開弁差圧を設定するスプリング１８は、第２の差圧制御弁のピストン３４の開口端に螺着されたアジャストねじ１９によってばね荷重が調整されている。

このような膨張装置３１によれば、車輌用エアコンが定常状態で運転していて膨張装置３１の出口温度がエアコンとして機能しているときの約１５℃以下になっているとき、形状記憶合金ばね２１は膨張装置３１の出口温度を感知して最もばね荷重が小さくなっていて、第２の差圧制御弁は、閉弁している。ここで、冷媒入口１２の圧力と冷媒出口１４の圧力との差圧ΔＰが小さい段階では、第１の差圧制御弁は閉弁しているので、膨張装置３１の絞り通路断面積は、第１の差圧制御弁のオリフィス２０の断面積によって決まる一定の絞り通路断面積を有している。その差圧ΔＰが上昇して、まず、第１の差圧制御弁のスプリング１８により設定される開弁差圧を超えると、第１の差圧制御弁が開弁し、その後は、差圧ΔＰが大きくなるに従って絞り通路断面積が比例的に増加する。

この膨張装置３１においても、車輌用エアコンの高負荷起動のときには、形状記憶合金ばね２１が膨張装置３１の非常に高い出口温度を感知して第２の差圧制御弁の弁体３３をリフトさせ、第１の差圧制御弁の弁孔１５よりも内径の大きな弁孔３２を開けて、多くの流量の冷媒を流すことができるようにしている。なお、この第２の差圧制御弁は、車輌用エアコンが定常状態で運転しているときに、差圧ΔＰがスプリング３５のばね荷重に打ち勝つ程度まで上昇すると、開弁するので、高圧回路の異常高圧を回避する安全弁としても機能する。

以上の第１および第２の実施の形態では、車輌用エアコンの起動のときに高負荷状態からの起動であることを形状記憶合金ばね２１による感温アクチュエータによって冷媒出口１４の冷媒温度を感知して判断している。以下の実施の形態では、車輌用エアコンの起動が高負荷状態からの起動であることを冷媒出口の冷媒圧力を感知して判断する場合について説明する。すなわち、車輌用エアコンが停止しているとき、膨張装置はオリフィスを介して冷媒入口と冷媒出口とが連通しているので、冷媒入口と冷媒出口とにおける冷媒の温度、圧力および密度は同じ状態になっている。ここで、冷媒の密度が同じであれば、温度と圧力とは、一次の関係を有しているので、冷媒出口における圧力の感知は、冷媒出口の温度を感知していることと等価とみなすことができる。これにより、冷媒出口の圧力が、上記の図３の例では、冷媒が２５℃となる温度に対応する圧力を超えると膨張装置を全開状態に駆動するよう構成することによっても第１および第２の実施の形態の膨張装置３，３１と同じ機能を持たせることができる。

図６は第１の関連技術に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。図６において、図２に示した構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

この第１の関連技術に係る膨張装置４１は、図２に示した第１の実施の形態の膨張装置３が有する感温アクチュエータを感圧アクチュエータに変更している。すなわち、この膨張装置４１は、高い圧力を感知すると、差圧制御弁の開弁差圧を設定しているスプリング１８のばね荷重を低減させる方向に動作するパワーエレメント４２がボディ１１の筒状部に螺着されている。

このパワーエレメント４２は、中央が外側に凸設された外側ハウジング４３と中央が開口されてボディ１１に結合するハブを有する内側ハウジング４４とで金属薄板からなるダイヤフラム４５を挟持し、これらの外周縁部を大気または真空雰囲気下で一緒に全周溶接することによって形成され、外側ハウジング４３とダイヤフラム４５とによって形成された密閉空間には、スナッププレートまたは皿ばね４６とスプリング４７とばね受け部材４８とが収容されている。ダイヤフラム４５の皿ばね４６が配置されている側と反対側には、ダイヤフラム４５の変位をスプリング１８に伝達する変位伝達部材４９が配置されている。内側ハウジング４４の内部には、段差によるストッパ５０が形成されていて、変位伝達部材４９がスプリング１８のばね荷重を増やす方向へ移動するのを規制している。これにより、定常状態で運転しているときに、パワーエレメント４２が差圧制御弁に対して行う開弁差圧の設定変更を禁止するようにしている。

パワーエレメント４２は、図３に示す特性と同様の特性を有している。ただし、横軸は温度に対応した圧力を表し、縦軸はダイヤフラム４５の変位に追従して軸線方向に動く変位伝達部材４９のストロークを表すことになる。

車輌用エアコンが定常状態で運転していて膨張装置４１の出口温度がエアコンとして機能しているときの約１５℃以下では、膨張装置４１の冷媒出口１４の圧力は低くなっているので、パワーエレメント４２のダイヤフラム４５は、図示のように図の上方へ変位している。このとき、ストッパ５０が変位伝達部材４９の移動を規制して、そのストロークが変化しないようにしている。

逆に、車輌用エアコンが高負荷起動するときには、膨張装置４１の冷媒出口１４の温度が非常に高くなっており、それに対応して圧力も高くなっている。この場合、パワーエレメント４２は、その高い圧力を受けてダイヤフラム４５が皿ばね４６の配置されている側へ変位し、その変位が変位伝達部材４９を介してスプリング１８に伝達され、スプリング１８のばね荷重が低減されて差圧制御弁は開弁差圧が０または微小差圧に設定されることになる。これにより、差圧制御弁は、その前後に少しでも差圧が発生すると、全開することになる。

車輌用エアコンが起動して膨張装置４１の冷媒出口１４の温度が低下していき、たとえば２５℃の温度に対応する圧力をパワーエレメント４２が感知すると、皿ばね４６はその中央部が内側に凹んだ形状から外側に膨出する形状に変化し、その後は、圧力の低下に応じてスプリング１８のばね荷重をほぼリニアに増加させる。あるいは、パワーエレメント４２が２５℃の温度に対応する圧力を感知すると、皿ばね４６はスナップアクション的に変化して、変位伝達部材４９をストッパ５０に当接させるようにしても良い。ここで、２５℃の温度に対応する圧力の感知で皿ばね４６が差圧制御弁の開弁差圧を車輌用エアコンが定常状態で運転しているときの開弁差圧に戻すように動作するが、その設定は、皿ばね４６およびスプリング４７のばね荷重を調整することによって行われる。皿ばね４６の荷重調整は、適当なばね荷重を有する複数の皿ばね（図示の例では３枚）を組み合わせ、それで不足するばね荷重をスプリング４７で補うようにしている。さらに、外側ハウジング４３の端面を内側に塑性変形させてばね受け部材４８の位置をスプリング４７が圧縮される方向に変更することで最終的なばね荷重の微調整を行うようにしている。

なお、この第１の関連技術では、パワーエレメント４２に螺着されるボディ１１のねじ山の一部がカットされて冷媒出口１４の冷媒圧力がダイヤフラム４５に容易に伝達するようにしているが、パワーエレメント４２とボディ１１との螺合部が完全に気密状態で結合されている訳ではないので、そのカット部分は、必ずしも必要なものではない。

図７は第２の関連技術に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。図７において、図６に示した構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

この第２の関連技術に係る膨張装置５１は、図６に示した第１の関連技術の膨張装置３１と比較して、パワーエレメント４２の構成およびボディ１１との結合方法を変更している。まず、この膨張装置５１において、パワーエレメント４２とボディ１１との結合は、内側ハウジング４４の開口部にボディ１１の筒状部を圧入することによって行っている。

パワーエレメント４２において、その内側ハウジング４４は、ダイヤフラム４５と対向する部分が内方に延出された環状のダイヤフラム受け部５２を有している。これは、外側ハウジング４３とダイヤフラム４５とによって形成された空間内にガスを充填する場合に有用である。ガス充填タイプのパワーエレメント４２は、高圧ガス雰囲気下で外側ハウジング４３、内側ハウジング４４およびダイヤフラム４５の外周縁部を互いに溶接することによって作られ、その後、ボディ１１と一緒に組み立てるまでは大気に放置されるが、その際にダイヤフラム４５が内部の充填ガス圧により内側ハウジング４４の開口端に向かって膨出するのをダイヤフラム受け部５２が受けてダイヤフラム４５が変位可能なストロークを超えて変形してしまうのを防止している。このガス充填タイプのパワーエレメント４２では、中に収容される皿ばね４６およびスプリング４７のばね荷重を減らせることができるので、図示の例では、皿ばね４６を２枚に減らしている。さらに、このパワーエレメント４２では、荷重調整用のスプリング４７と皿ばね４６との間にばね受け部材５３を介挿させて皿ばね４６をその中心で付勢するようにしている。これにより、スプリング４７が皿ばね４６の中心から離れた位置を付勢している第１の関連技術の膨張装置３１と比較して外側ハウジングの端面を内側に変形させてばね荷重の微調整を行うスプリング４７による調整代を大きくとることができるという利点がある。

図８は第３の関連技術に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。図８において、図６に示した構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

この第３の関連技術に係る膨張装置６１は、図６に示した第１の関連技術の膨張装置３１と比較して、周囲温度が高い環境で車輌用エアコンが停止しているときに開弁状態を維持するようにした点で異なる。すなわち、第１の実施の形態の膨張装置３では、周囲温度が高いときに形状記憶合金ばね２１が開弁差圧を０に設定するように付勢するよりもさらにばね荷重を大きく設定することで、弁体１６をリフトさせて、車輌用エアコンが停止しているときに開弁状態を維持することができる。これに対し、第１の関連技術の膨張装置３１は、感圧アクチュエータが膨張装置３１のセット荷重を下げる方向にしか作用しないので、スプリング１８のばね荷重を低減したとしてもばね荷重は０までにしかならない。そのため、車輌用エアコンが停止しているときに膨張装置３１を開弁状態に維持しておくことはできない。

そこで、この膨張装置６１では、変位伝達部材４９と冷媒出口１４に連通する空間との間に感圧アクチュエータの感圧に応じて軸線方向に進退移動する感圧追従手段を備えている。この感圧追従手段は、ボディ１１の筒状部に軸線方向に摺動自在に配置された筒状ばね受け部６２とこの筒状ばね受け部６２をパワーエレメント４２の側へ付勢するスプリング６３とを有している。筒状ばね受け部６２は、その一端に係止部６４を有し、パワーエレメント４２の側へ移動するときに係止部６４が筒状ばね受け部６２の中に収容してあるピストン１７を係止させて弁体１６をリフトさせる。筒状ばね受け部６２の他端には、この差圧制御弁の開弁差圧を設定するためのスプリング１８のばね荷重を調整するアジャストねじ６５が設けられている。

以上の構成の膨張装置６１は、車輌用エアコンが停止していて、周囲温度が高いときには、膨張装置６１の前後差圧はなく、パワーエレメント４２はその温度に対応する圧力を感知している。このとき、パワーエレメント４２は、高い圧力を感知しているので、そのダイヤフラム４５は皿ばね４６のある側へ変位している。このとき、その変位に追従して筒状ばね受け部６２および変位伝達部材４９がスプリング６３の付勢力によってパワーエレメント４２の方へ移動するが、その際に、係止部６４がピストン１７を引き連れてパワーエレメント４２の方へ移動し、そのピストン１７と一体の弁体１６をリフトさせる。これにより、膨張装置６１は、開弁状態に維持されることになる。

図９は第４の関連技術に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。図９において、図７に示した構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

この第４の関連技術に係る膨張装置７１は、図７に示した第２の関連技術の膨張装置５１に感圧追従手段を備えた構成にしている。この膨張装置７１は、冷媒出口１４に連通する空間にスプリング７２を配置している。これにより、周囲温度が高く車輌用エアコンが停止しているとき、膨張装置７１の前後差圧はなく、パワーエレメント４２はその温度に対応する圧力を感知して、ダイヤフラム４５は皿ばね４６のある側へ変位している。その変位に追従してスプリング７２がピストン１７、スプリング１８および変位伝達部材４９をパワーエレメント４２の方へ付勢するので、ピストン１７と一体の弁体１６がリフトされ、膨張装置７１は、開弁状態に維持されることになる。

図１０は第５の関連技術に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。図１０において、図５および図６に示した構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

この第５の関連技術に係る膨張装置８１は、図５に示した第２の実施の形態の膨張装置３１に対して感温アクチュエータを図６に示す感圧アクチュエータに変更している。すなわち、この膨張装置８１は、高い圧力を感知すると、第２の差圧制御弁を閉弁方向に付勢していたスプリング３５のばね荷重を低減させる方向に動作するパワーエレメント４２がボディ１１の筒状部に螺着されている。

車輌用エアコンが停止していて周囲温度が非常に高い場合、膨張装置８１の冷媒出口１４の温度が非常に高くなっており、それに対応して圧力も高くなっている。この場合、パワーエレメント４２は、その高い圧力を受けてダイヤフラム４５が皿ばね４６の配置されている側へ変位し、その変位が変位伝達部材４９を介してスプリング３５に伝達され、スプリング３５のばね荷重が低減され、第２の差圧制御弁の開弁差圧が０または微小差圧に設定される。これにより、車輌用エアコンが起動して、第２の差圧制御弁の前後に少しでも差圧が発生すると、第２の差圧制御弁は全開となり、膨張装置８１は、絞り通路断面積が差圧制御弁の弁孔１５よりも内径の大きな弁孔３２によって決まる大きな通路断面積に設定され、多くの流量の冷媒を流すことができるようになる。

図１１は第６の関連技術に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。図１１において、図１０に示した構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

この第６の関連技術に係る膨張装置９１は、図１０に示した第５の関連技術の膨張装置８１に感圧追従手段を備えた構成にしている。すなわち、この膨張装置９１は、冷媒出口１４に連通する空間にピストン３４を開弁方向に付勢するスプリング９２を配置している。

これにより、周囲温度が高く車輌用エアコンが停止しているとき、膨張装置９１の前後差圧はなく、パワーエレメント４２はその温度に対応する圧力を感知して、ダイヤフラム４５は皿ばね４６のある側へ変位し、第２の差圧制御弁の開弁差圧を小さく設定する。冷媒出口１４の温度に対応する圧力が第２の差圧制御弁の開弁差圧を０に設定する圧力より高くなると、スプリング９２は、ダイヤフラム４５の変位に追従してピストン３４、スプリング３５および変位伝達部材４９をパワーエレメント４２の方へ付勢するので、ピストン３４と一体の弁体３３がリフトされ、膨張装置９１は、開弁状態に維持されることになる。

以上、本発明をその好適な実施の形態について詳述したが、本発明は、これらの特定に実施の形態に限定されるものではない。たとえば、上述の実施の形態では、差圧制御弁の開弁差圧を小さく設定するアクチュエータは、冷媒出口における冷媒の温度または圧力を直接感知するように構成したが、冷媒出口に繋がる低圧回路における冷媒の温度または圧力を感知するようにしても良い。これは、膨張装置の冷媒出口からコンプレッサの冷媒入口までの低圧回路では、車輌用エアコンの起動時において、冷媒の温度および圧力がほぼ等しいことによる。たとえば、図１に例示したように、膨張装置３を内部熱交換器６に取り付ける場合には、アクチュエータは、内部熱交換器６の低圧入口における冷媒の温度または圧力を感知するようにしてもよいし、エバポレータ４に取り付ける場合には、その冷媒出口の冷媒の温度または圧力を感知するようにしてもよい。

本発明の膨張装置を適用した冷凍サイクルを示すシステム図である。第１の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。感温アクチュエータの温度−ばね荷重特性を示す図である。膨張装置の差圧変化に対する絞り通路断面積の変化を示す図である。第２の実施の形態に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。第１の関連技術に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。第２の関連技術に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。第３の関連技術に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。第４の関連技術に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。第５の関連技術に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。第６の関連技術に係る膨張装置の構成を示す中央縦断面図である。

１コンプレッサ
２ガスクーラ
３膨張装置
４エバポレータ
５アキュムレータ
６内部熱交換器
１１ボディ
１２冷媒入口
１３ストレーナ
１４冷媒出口
１５弁孔
１６弁体
１７ピストン
１８スプリング
１９アジャストねじ
２０オリフィス
２１形状記憶合金ばね
３１膨張装置
３２弁孔
３３弁体
３４ピストン
３５スプリング
３６アジャストねじ
４１膨張装置
４２パワーエレメント
４３外側ハウジング
４４内側ハウジング
４５ダイヤフラム
４６皿ばね
４７スプリング
４８ばね受け部材
４９変位伝達部材
５０ストッパ
５１膨張装置
５２ダイヤフラム受け部
５３ばね受け部材
６１膨張装置
６２筒状ばね受け部
６３スプリング
６４係止部
６５アジャストねじ
７１膨張装置
７２スプリング
８１膨張装置
９１膨張装置
９２スプリング

Claims

冷凍サイクルを循環する冷媒を膨張させる膨張装置において、
冷媒入口と冷媒出口との間に形成された弁孔、前記弁孔の前記冷媒出口の側にて前記弁孔の軸線方向に進退自在に配置された弁体、および前記弁体の前記弁孔の側とは反対の側に配置されて前記弁孔を閉じる方向に前記弁体を付勢するスプリングを有していて前記冷媒入口の圧力と前記冷媒出口の圧力との差圧により開弁する差圧制御弁と、
前記冷媒出口の冷媒の温度を感知して前記冷媒出口の冷媒が定常状態で運転しているときの温度より高い場合に前記差圧制御弁を開弁方向に付勢するアクチュエータと、
を備え、
前記アクチュエータは、前記冷媒出口の側において閉弁方向に付勢されている前記弁体を直接受けるように前記差圧制御弁の前記弁孔と前記弁体との間に配置され、前記冷媒出口の冷媒の温度が定常状態で運転しているときの温度より高くなると荷重の増加率が大きくなって前記差圧制御弁の開弁差圧を小さく設定するか、または前記差圧制御弁を開弁状態にする形状記憶合金ばねであることを特徴とする膨張装置。
冷凍サイクルを循環する冷媒を膨張させる膨張装置において、
冷媒入口と冷媒出口とに連通する第１の弁孔、前記第１の弁孔の前記冷媒出口の側にて前記第１の弁孔の軸線方向に進退自在に配置された第１の弁体、および前記第１の弁体の前記第１の弁孔の側とは反対の側に配置されて前記第１の弁孔を閉じる方向に前記第１の弁体を付勢する第１のスプリングを有していて前記冷媒入口の圧力と前記冷媒出口の圧力との差圧により開弁する第１の差圧制御弁と、
前記冷媒入口と前記冷媒出口との間に形成されていて前記第１の弁孔よりも大きな径を有する第２の弁孔、前記第２の弁孔の前記冷媒出口の側にて前記第２の弁孔を開閉するよう前記第２の弁孔の軸線方向に進退自在に配置されるとともに前記第２の弁孔の軸線方向に前記第１の弁孔が貫通形成された第２の弁体、前記第１の弁体を前記第１の弁孔の軸線方向に進退自在に保持するとともに前記第２の弁孔の軸線方向に前記第２の弁体と一体に移動可能な筒状部材、および前記筒状部材の前記第２の弁体の側とは反対の側に配置されて前記第２の弁孔を閉じる方向に前記筒状部材を付勢する第２のスプリングを有する第２の差圧制御弁と、
前記冷媒出口の冷媒の温度を感知して前記冷媒出口の冷媒が定常状態で運転しているときの温度より高い場合に前記第２の弁孔を開く方向に前記第２の弁体を付勢するアクチュエータと、
を備え、
前記アクチュエータは、前記冷媒出口の側において前記第２の弁孔と前記筒状部材との間に配置され、前記冷媒出口の冷媒の温度が定常状態で運転しているときの温度より高くなると荷重の増加率が大きくなって前記第２の差圧制御弁の開弁差圧を小さく設定するか、または前記第２の差圧制御弁を開弁状態にする形状記憶合金ばねであることを特徴とする膨張装置。