JP5292540B2 - 膨張装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用空調装置の冷凍サイクルに好適な膨張装置に関する。

自動車用空調装置は、一般に、その冷凍サイクルを流れる冷媒を圧縮して高温・高圧のガス冷媒にして吐出する圧縮機、そのガス冷媒を凝縮する凝縮器、凝縮された液冷媒を断熱膨張させることで低温・低圧の冷媒にする膨張装置、その冷媒を蒸発させることにより車室内空気との熱交換を行う蒸発器等を備えている。蒸発器で蒸発された冷媒は、再び圧縮機へと戻され、冷凍サイクルを循環する。

この圧縮機としては、エンジンの回転数によらず一定の冷房能力が維持されるように、冷媒の吐出容量を可変できる可変容量圧縮機（単に「圧縮機」ともいう）が用いられている。この圧縮機は、エンジンによって回転駆動される回転軸に取り付けられた揺動板に圧縮用のピストンが連結され、揺動板の角度を変化させてピストンのストロークを変えることにより冷媒の吐出量を調整する。揺動板の角度は、密閉されたクランク室内に吐出冷媒の一部を導入し、ピストンの両面にかかる圧力の釣り合いを変化させることで連続的に変えられる。このクランク室内の圧力（以下「クランク圧力」という）Ｐｃは、圧縮機の吐出室とクランク室との間、またはクランク室と吸入室との間に設けられた可変容量圧縮機用制御弁（単に「制御弁」ともいう）により制御される。

ところで、このような圧縮機は、エンジンの大きな負荷になり得る。このため、例えば車両の急加速時や登坂走行時など、エンジンの動力を車両の推進力に振り向けたい高負荷時には、その圧縮機の負荷トルクを低減する必要がある。従来においては、この負荷トルクを一時的にカットできるように、回転軸の一端にエンジンの駆動力を伝達または遮断する電磁クラッチが設けられた可変容量圧縮機も採用されていた。しかし、低コスト化等の理由から近年では電磁クラッチを用いずにエンジンと回転軸とを直結したいわゆるクラッチレス式の圧縮機が主流になりつつある。

このクラッチレス式の圧縮機には、例えば吐出室からクランク室へ通じる通路を開閉制御する弁部と、その弁部を閉じ方向に作用させるような電磁力を発生させるソレノイドとを備えた外部制御方式の制御弁が用いられる。この制御弁では、ソレノイドへの通電を遮断すると弁部が全開状態となり、クランク圧力Ｐｃを高く維持できる。その結果、揺動板が回転軸に対してほぼ直角になり、圧縮機を最小容量運転に移行させることができる。つまり、エンジンと回転軸とが直結されていても、実質的に吐出容量をゼロに近づけることができ、それにより負荷トルクを最小化することができるのである。このような制御弁としては、例えば圧縮機の吸入圧力Ｐｓに基づいて弁開度を調整して容量制御を行ういわゆるＰｓ感知弁、吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの差圧（Ｐｄ−Ｐｓ）に基づいて容量制御を行ういわゆるＰｄ−Ｐｓ弁、圧縮機の吐出容量そのものが設定値となるように制御するいわゆる流量制御弁などが採用される（例えば、特許文献１〜３参照）。

Ｐｓ感知弁は、蒸発器出口側の冷媒温度に比例する吸入圧力Ｐｓを直接制御するため、蒸発器にて熱交換される空気の除湿温度を調整し易いといった利点がある。すなわち、一般に蒸発器の前後には送風用のファンとヒータがそれぞれ配置されており、ファンにより送られた空気が蒸発器を通過する際に蒸発潜熱により冷却される。冷却された空気はヒータにて適温に加熱されて車室内に送られる。空気を乾燥させるためには、蒸発器を通過する冷媒温度を低くして空気中の水分を多く除去すればよく、逆にある程度の湿度を保持するためには、その冷媒温度をやや高めに設定すればよい。このような冷媒温度の調整や、それによって熱交換される空気の湿度の調整を安定に行うことができるといった利点がある。しかし、吸入圧力Ｐｓに基づく制御であるため、吐出容量を制御するうえでは応答性に欠ける場合がある。

これに対し、Ｐｄ−Ｐｓ弁は、吐出圧力Ｐｄ自体の大きさに基づいた容量制御を行うため、吐出容量を変化させるのに応答性に優れる。また、吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの差圧（Ｐｄ−Ｐｓ）が圧縮機の負荷トルクを反映するものであるため、エンジンの負荷に応じてその負荷トルクを調整しやすいといった利点がある。流量制御弁は、その吐出容量そのものを直接変化させるため、その容量制御の応答性に優れるという利点がある。
特開２００５−２１４０５９号公報 特開２００１−１３２６５０号公報 特開２００６−１７０３５号公報

しかしながら、逆に、Ｐｄ−Ｐｓ弁や流量制御弁は吸入圧力Ｐｓを制御するものではないため、その差圧制御や流量制御に伴って吸入圧力Ｐｓが変化すると、蒸発器出口の空気の吹き出し温度が不安定になり、意図した除湿性能が得られなくなる可能性がある。また、場合によっては吸入圧力Ｐｓが下がりすぎて過剰冷房となることもあり得る。このため、通常は蒸発器の出口温度がフィードバックされて吸入圧力Ｐｓが下がりすぎることのないよう、各制御弁の開度が制御される。すなわち、各制御弁においてその本来の制御方式を基本としながらも、状況に応じて他の制御弁の機能を補わなければならず、その点で制御方法および装置の構成が煩雑になるといった問題があった。

発明者は、このような吸入圧力Ｐｓの制御、つまり冷凍サイクルの低圧側圧力の制御を制御弁ではなく、膨張装置に委ねることにより上述した問題を解決できるとの考えに到った。また、その膨張装置を実用に供するためにその低コスト化が必要になると認識した。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、冷凍サイクルにおける低圧側圧力を安定に制御し、かつ低コストに実現できる膨張装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の膨張装置は、上流側から導入された冷媒を絞り膨張させて下流側へ導出するとともに、下流側の冷媒圧力が設定圧力に保持されるように冷媒流量を制御する。この膨張装置は、内部に冷媒通路が形成されたボディと、ボディにおける上流側の高圧冷媒通路と下流側の低圧冷媒通路とを区画するように配置され、上流側から導入された冷媒を絞り膨張させて下流側へ導出する第１弁部と、設定圧力以上の中間圧力が満たされる中圧室と、中間圧力を感知し、その中間圧力が予め設定された基準圧力となるように第１弁部の開閉方向の力を発生させる感圧部と、中圧室と低圧冷媒通路とを連通させる調圧通路に設けられ、その開閉によりその前後差圧を発生させる第２弁部と、第２弁部の前後差圧が供給電流量に応じた設定差圧となるようソレノイド力を発生させ、その設定差圧の変更により設定圧力を変化させるソレノイドと、を備える。

この態様では、膨張装置の下流側圧力が設定圧力となるようにその弁開度が自律的に調整される。このため、例えば自動車用空調装置の冷凍サイクルに適用した場合、その設定圧力を適切に設定することにより、低圧側圧力を安定に制御することができる。また、この態様によれば、感圧部の動作により中間圧力が基準圧力となるように第１弁部が開閉動作する一方、第２弁部の開閉動作によりその基準圧力が設定差圧だけ減圧されて設定圧力となる。この設定差圧はソレノイドへの供給電流量により変化する。すなわち、常に一定に制御される基準圧力に対し、設定差圧という形で外部的に減圧量を設定することで設定圧力を自由に調整できる。一方、ソレノイドが関与する第２弁部は前後差圧のみを扱うため、設定差圧を小さく抑えることでそのソレノイド、ひいては制御弁全体をコンパクトに構成することができる。その結果、低コストに実現することができる。

本発明によれば、冷凍サイクルにおける低圧側圧力を安定に制御し、かつ低コストに実現できる膨張装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明においては、便宜上、図示の状態を基準に各構造の位置関係を上下と表現することがある。

図１は、実施の形態に係る冷凍サイクルを表すシステム構成図である。
この冷凍サイクルは、車両用空調装置を構成し、冷凍サイクルを循環する冷媒を圧縮する可変容量圧縮機（以下、単に「圧縮機」と表記する）１、圧縮された冷媒を凝縮して冷却する凝縮器２（「外部熱交換器」に該当する）、凝縮された冷媒を絞り膨張させて霧状にして送出する膨張装置３、および膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器４を備えている。蒸発器４の前後には送風用のファン５と図示しないヒータがそれぞれ配置されており、ファン５により送られた空気が蒸発器４を通過する際に蒸発潜熱により冷却される。冷却された空気はヒータにて適温に加熱されて車室内に送られる。

圧縮機１は、蒸発器４側から吸入室に導入された冷媒ガスをシリンダに導入して圧縮し、吐出室から凝縮器２側へ高温・高圧の冷媒を吐出する。この吐出冷媒の一部は可変容量圧縮機用制御弁（以下、単に「制御弁」と表記する）６を介してクランク室５４内に導入され、圧縮機１の容量制御に供される。制御弁６は、ソレノイド駆動の電磁弁として構成され、図示しない制御部が駆動回路を駆動してこれを通電制御する。

図２は、圧縮機の構成を表す断面図である。
圧縮機１は、そのハウジングとして、複数のシリンダ５２が形成されたシリンダブロック１０１と、その前端側に接合されたフロントハウジング１０２と、後端側にバルブプレート１０３を介して接合されたリアハウジング１０４とを備えている。シリンダブロック１０１とフロントハウジング１０２とにより囲まれた内部空間にクランク室５４およびシリンダ５２が区画形成されている。リアハウジング１０４は、その内部空間に吸入室５１、吐出室５３および弁収容室５５が区画形成されている。リアハウジング１０４には、また、蒸発器４側から吸入室５１に冷媒を導入する冷媒入口５６、および吐出室５３から凝縮器２側へ吐出冷媒を導出する冷媒出口５７が設けられている。

クランク室５４には、その中心を貫通するように回転軸１０６が配置されている。この回転軸１０６は、シリンダブロック１０１に設けられた軸受１０７と、フロントハウジング１０２に設けられた軸受１０８とによって回転自在に支持されている。回転軸１０６にはラグプレート１０９が固定されており、そのラグプレート１０９に突設された支持アーム１１０等を介して揺動板１１１（「揺動体」に該当する）が支持されている。揺動板１１１は、回転軸１０６の軸線に対して傾動可能となっており、複数のシリンダ５２に摺動自在に配置されたピストン１１２にシュー１１４を介して連結されている。回転軸１０６は、その前端部分がフロントハウジング１０２を貫通して外部に延出しており、その先端部分にはブラケット１１７が螺着されている。また、回転軸１０６とフロントハウジング１０２との前端部分の隙間を外側からシールするように、軸シール部材としてのリップシール１１５が設けられている。リップシール１１５は、回転軸１０６の周面に摺接しつつ、その周面に沿った冷媒ガスの漏洩を防止している。

フロントハウジング１０２の前端部分には、エンジンからの駆動力を伝達するプーリ１１８が軸受１１９を介して回転自在に支持されている。このプーリ１１８は、エンジンの駆動力をブラケット１１７を介して回転軸１０６に伝達する。

リアハウジング１０４の吸入室５１は、バルブプレート１０３に設けられた吸入用リリーフ弁１２１を介してシリンダ５２に連通するとともに冷媒入口５６を介して蒸発器４にも連通している。吐出室５３は、バルブプレート１０３に設けられた図示しない吐出用リリーフ弁を介してシリンダ５２に連通するとともに冷媒出口５７を介して凝縮器２にも連通している。弁収容室５５は、リアハウジング１０４のシリンダブロック１０１と反対側に突設されており、吐出室５３およびクランク室５４にそれぞれ連通している。

圧縮機１の揺動板１１１は、その角度がクランク室５４内でその揺動板１１１を付勢するスプリング１２５、１２６の荷重や、揺動板１１１につながるピストン１１２の両面にかかる圧力による荷重等がバランスした位置に保持される。この圧縮機１の揺動板１１１の角度は、クランク室５４内に吐出冷媒の一部を導入してクランク圧力Ｐｃを変化させ、ピストン１１２の両面にかかる圧力の釣り合いを変化させることによって連続的に変えられる。この揺動板１１１の角度の変化によってピストン１１２のストロークを変えることにより、冷媒の吐出容量を調整するようにしている。このクランク室５４内の圧力は、制御弁６により制御される。

クランク室５４と吸入室５１とを連通する図示しない冷媒通路には、断面積が固定されたオリフィスが配設されており、クランク室５４から吸入室５１へ予め設定した最低流量の冷媒の流れを許容し、圧縮機１における冷媒の内部循環を確保している。圧縮機１の吐出室５３と凝縮器２との間の冷媒通路には、一方向への冷媒の流れを許容する図示しない逆止弁が設けられてもよい。

図１に戻り、膨張装置３は、いわゆる定圧膨張弁を含んで構成されており、凝縮器２側から導入された液冷媒を内部の弁部を通過させることにより絞り膨張させて蒸発器４側に導出する。膨張装置３は、その下流側圧力が外部から設定された設定圧力となるようにその弁開度が自律的に調整されるものである。蒸発器４を通過した冷媒は圧縮機１に戻され、再び圧縮される。制御弁６および膨張装置３は、図示しない制御部によってその弁開度が制御される。すなわち、制御部は、各種演算処理を実行するＣＰＵ、各種制御プログラムを格納するＲＯＭ、データ格納やプログラム実行のためのワークエリアとして利用されるＲＡＭ、入出力インターフェース等を備える。制御部は、エンジン回転数、車室内外の温度、蒸発器４の吹き出し空気温度等、各種センサにて検出された所定の外部情報に基づいて冷凍サイクルを流れる冷媒の設定流量を決定し、その設定流量が保持されるソレノイド力が得られるように制御弁６への通電制御を行う。制御部は、また、所定の外部情報に基づいて膨張装置３の下流側圧力の設定値（設定圧力）を決定し、その設定圧力が保持されるように膨張装置３への通電制御を行う。この設定圧力の設定により、実質的に蒸発器４内を流れる低圧冷媒の圧力が調整されることになる。

図３は、制御弁の構成を示す断面図である。図４は、図３に示す制御弁の上半部拡大図である。
制御弁６は、圧縮機１から導出される冷媒の流量を設定流量に保つように、吐出室５３からクランク室５４に導入する冷媒流量を制御する流量制御弁として構成されている。

図３に示すように、制御弁６は、内部に主弁および副弁を有する弁本体８と、弁本体８の各弁を開閉駆動するソレノイド９とを一体に組み付けて構成される。制御弁６には、コネクタ９０が着脱可能に接続される。制御弁６は、有底段付円筒状のボディ１０を有する。ボディ１０の側部には吐出室５３に連通する入口ポート７１が設けられ、上端開口部には圧縮機１の出口に連通する出口ポート７２が設けられている。ボディ１０とソレノイド９との間には、クランク室５４に連通する連通ポート７３が設けられている。

図４にも示すように、ボディ１０の上部には、入口ポート７１と出口ポート７２とを連通する冷媒通路（「第１冷媒通路」に該当する）が軸線方向に延設され、この冷媒通路の中間部に弁孔１５が形成されている。弁孔１５の出口ポート７２側の開口端部には上方に向かって拡径されたテーパ面が形成され、そのテーパ面により弁座１６が形成されている。一方、弁座１６に出口ポート７２側から対向するように、有底段付円筒状の弁体１８（「主弁体」に該当する）が接離自在に配置されている。弁体１８と弁座１６とにより主弁が構成されている。弁体１８は、その下半部に下方に向かって縮径された円錐状の側面を有し、その側面にて弁座１６に着脱して主弁を開閉する。弁体１８の下端部は、下方に延出して弁座形成部１９となっている。

ボディ１０の上端開口部には、有底段付円筒状のばね受け部材１１が底部を上にして嵌着されている。ばね受け部材１１の段部には、内外を連通する複数の連通孔が形成されており、この連通孔により出口ポート７２と圧縮機１の出口とが連通されている。弁体１８は、その上端開口部がばね受け部材１１の上半部に摺動可能に挿通されてガイドされている。ばね受け部材１１と弁体１８とにより囲まれた空間はダンパ室７６となっており、ばね受け部材１１の底部中央に設けられた小孔７７を介して冷媒の出入りが可能となっている。ダンパ室７６におけるばね受け部材１１と弁体１８との間には、弁体１８を閉弁方向に付勢するスプリング１３が介装されている。

吐出室５３から導出された吐出冷媒は入口ポート７１を介して制御弁６に導入され、その一部が主弁を通過して出口ポート７２から導出される。この冷媒は、圧縮機１の出口から下流側へ導出される。このように吐出冷媒が主弁を通過することにより、吐出圧力Ｐｄが吐出室５３の吐出室圧力Ｐｄｈからやや低下して圧縮機１の出口圧力Ｐｄｌとなって凝縮器２側に導出されるようになる。なお、以下の説明においては、吐出室圧力Ｐｄｈと出口圧力Ｐｄｌを特に区別せずに吐出圧力Ｐｄと総称することがある。

一方、ボディ１０の下部は内部が段階的に縮径しており、その底部中央にはガイド孔２０が形成されている。このガイド孔２０を貫通するように筒状の弁体２２（「副弁体」に該当する）が挿通され、軸線方向に摺動可能に軸支されている。ガイド孔２０を介して入口ポート７１と連通ポート７３とが連通するが、ボディ１０の底部と弁体２２との間にシール部材としてのＶリング２３が介装されているため、その弁体２２の外周面を伝った冷媒の漏洩は防止されている。ボディ１０の底部におけるＶリング２３の直上には有底円筒状のストッパ２４が圧入されており、Ｖリング２３の軸線方向への変位を規制している。ストッパ２４は、下方から弁体２２の上部を挿通するとともに、上方から弁体１８の弁座形成部１９を挿通している。ストッパ２４の側部には、内外を連通する連通孔７８が形成され、その連通孔７８を覆うようにストレーナ７９が嵌着されている。連通孔７８は、入口ポート７１に連通している。

弁体２２は有底円筒状をなし、その底部近傍の側部に内外を連通する連通孔２５が設けられている。弁体２２は、その内部が弁孔２６を構成し、上端部が弁座形成部１９の下面に形成された弁座２７に着脱することにより副弁を開閉する。つまり、上述した弁体１８は可動弁座としても機能し、弁体２２と弁座２７とにより副弁が構成されている。副弁は連通孔７８に対応して位置し、その副弁の開弁時には、入口ポート７１から導入された吐出冷媒が連通孔７８、副弁、弁孔２６、連通孔２５を経由して連通ポート７３から導出される。弁体２２の下端部は、連通ポート７３を介してクランク室５４に連通する圧力室２８に配置され、その下端部とボディ１０との間には、弁体２２を副弁の開弁方向に付勢するスプリング２９が介装されている。

入口ポート７１を介して導入された吐出冷媒の一部は、副弁を通過することによりクランク圧力Ｐｃに減圧されて圧力室２８に導かれ、連通ポート７３から導出される。この冷媒は、クランク室５４に導入されて圧縮機１の吐出容量の制御に用いられる。

図３に戻り、ソレノイド９は、ヨークとしても機能するケース３１と、ケース３１内に固定されたコア３２と、コア３２と軸線方向に対向配置されたプランジャ３３と、外部からの供給電流により磁気回路を生成する電磁コイル３４とを備えている。コア３２の上端部はその外径が拡径されており、ケース３１の上端部が加締め接合されている。コア３２の上端開口部にはボディ１０の下端部が圧入され、それによって弁本体８とソレノイド９とが組み付けられている。

コア３２には、その中央を軸線方向に貫通する挿通孔３５が設けられており、ソレノイド力を弁体２２へ伝達するためのシャフト３６を挿通している。コア３２の上端部には、リング状の軸受部材３８が圧入されており、シャフト３６の上端部がこの軸受部材３８に摺動可能に支持されている。圧力室２８内のクランク圧力Ｐｃは、シャフト３６と軸受部材３８との微少な間隙を介してソレノイド９の内部にも導入可能となっている。シャフト３６は、その上端面により弁体２２を下方から支持している。

コア３２には、また、下端が閉じた有底スリーブ３９が外挿されている。有底スリーブ３９内においては、プランジャ３３がコア３２の下方で軸線方向に進退可能に配置されている。有底スリーブ３９の底部には、ばね受け部材４０が配設されている。プランジャ３３は、円筒状をなし、シャフト３６の下半部に圧入されている。プランジャ３３とばね受け部材４０との間には、プランジャ３３を副弁の閉弁方向（主弁の開弁方向）に付勢するスプリング４１が介装されている。また、コア３２とプランジャ３３との間には、プランジャ３３を副弁の開弁方向（主弁の閉弁方向）に付勢するスプリング４５が介装されている。スプリング２９およびスプリング４５によるばね荷重がスプリング４１によるばね荷重よりも大きくなるように設定されているため、ソレノイド９の非通電時には副弁が全開状態に保持されるようになっている。また、有底スリーブ３９にはボビン３７が外挿されており、そのボビン３７に電磁コイル３４が巻回されている。

ケース３１の底部中央には挿通孔６１が設けられ、有底スリーブ３９の下端部がその挿通孔６１を介して露出している。ボビン３７の底部からは一対の端子導出部６２（同図には１つのみ表示）および一対の被嵌合部６３（同図には１つのみ表示）が下方に延出し、それぞれケース３１の底部を貫通している。端子導出部６２には導電端子６４が埋設されている。導電端子６４の一端部は電磁コイル３４の端部に接続され、他端部は端子導出部６２から下方に露出している。被嵌合部６３には、コネクタ９０を固定するための係止孔６５が設けられている。ケース３１の底部には、ボビン３７との間に介装されるようにカラー６６が配設されている。カラー６６は磁性部材からなり、ソレノイド９の底部を構成するとともに、ケース３１とともに磁気回路を構成する。

コネクタ９０は、コネクタハウジング９２の内部に接続端子９４を配設して構成されている。コネクタハウジング９２は、耐食性を有する有底段付筒状の樹脂材からなり、接続端子９４の下半部を外部に気密に露出させている。コネクタハウジング９２の上端開口部近傍には内方に突出した爪部９６（「嵌合部」に該当する）が一体成形されている。爪部９６が上述した被嵌合部６３の係止孔６５に嵌合することにより、コネクタハウジング９２がソレノイド９に固定される。コネクタハウジング９２の開口端部の外周面には、Ｏリング９７（「シール部材」に該当する）が嵌着されている。

制御弁６およびコネクタ９０により制御弁ユニットが構成される。この制御弁ユニットは、コネクタハウジング９２にＯリング９７を嵌着してコネクタ９０を形成した後に、そのコネクタ９０をソレノイド９に装着して組み付けられる。このようにして組み付けられた制御弁ユニットを図２に示した圧縮機１の弁収容室５５に挿入し、Ｃリング６０により固定する。図示のように、Ｏリング９７が制御弁６とコネクタ９０との接続部よりも開口部側に配置されているため、外部雰囲気が弁収容室５５の内方に侵入することが防止される。

以上に説明した制御弁６の構成において、弁座２７がテーパ面となっており、弁体２２がその先端開口部の外周縁にて弁座２７に着脱するため、弁体２２に作用するクランク圧力Ｐｃの影響は実質的にキャンセルされる。したがって、ソレノイド９の通電制御がなされた状態での副弁の閉弁時には、弁体１８にソレノイド力に応じた開弁方向の力が作用することになる。

次に、制御弁６および圧縮機１の基本動作について説明する。
制御弁６において、ソレノイド９が非通電状態にあるときには、弁体１８がスプリング１３の付勢力により弁座１６に着座し、主弁が閉弁状態となる。一方、スプリング２９，４１，４５の合力により弁体２２がシャフト３６と一体となって開弁方向に動作し、弁座２７から離間して全開状態となる。この状態で、車両エンジンの駆動により図１に示した圧縮機１の回転軸１０６が回転すると、揺動板１１１が揺動運動をするため、これに連結されたピストン１１２が往復運動する。これによって吸入室５１に導入された冷媒がシリンダ５２内に吸入されて圧縮され、圧縮された冷媒が吐出室５３へ吐出される。このとき、主弁が全閉状態にあるので、その吐出冷媒は全開状態の副弁を通過して圧力室２８に導入され、さらに連通ポート７３を介してクランク室５４に導入される。その結果、クランク圧力Ｐｃが高められるため、圧縮機１は最小容量運転を行うことになる。

そして、ソレノイド９に所定の制御電流が供給されると、プランジャ３３がコア３２に吸引されるため、弁体２２は、スプリングの合力による開弁方向の力と閉弁方向のソレノイド力とがバランスする位置に保持される。このとき、弁体２２が閉弁状態にある弁体１８に瞬間的に着座して副弁が全閉状態になるため、クランク室５４への冷媒導入が遮断されてクランク圧力Ｐｃが低下し、圧縮機１が速やかに最大容量運転に移行する。その結果、吐出圧力Ｐｄが急増して弁体１８をスプリング１３の付勢力に抗してリフトさせ、主弁が冷媒の流量に応じたリフト量だけ開弁することになる。また、それにより可動弁座としての弁体１８が弁体２２から離間して副弁が開弁状態になるため、両弁体の隙間からそれらの相対位置に応じた冷媒流量がクランク室５４へ導入されるようになり、圧縮機１が所定容量の運転状態を保持するようになる。

ここで、車両エンジンの回転数が上昇して吐出圧力Ｐｄが上昇すると、吐出室５３から吐出される冷媒流量が増加し、それに応じて弁体１８がさらにリフトして主弁の弁開度を大きくするため、圧縮機１から吐出される冷媒の流量が増加しようとする。しかし、弁体１８がリフトすることにより弁体２２との相対間隔、つまり副弁の開度がさらに大きくなると、クランク室５４に導入される冷媒流量が増加して、クランク圧力Ｐｃが上昇する。その結果、圧縮機１は、冷媒の吐出流量を減少させるように制御される。逆に、車両エンジンの回転数が低下すると、吐出室５３から吐出される冷媒流量が減少し、クランク室５４に導入される冷媒流量も減少してクランク圧力Ｐｃが低下する。その結果、圧縮機１は、冷媒の吐出流量を増加させるように制御される。このように、エンジンの回転数が変動して吐出冷媒の流量が変化しようとしても、制御弁６が吐出冷媒の流量の変化が小さくなるように制御するため、圧縮機１からの吐出冷媒の流量が一定に制御されるようになる。この吐出冷媒の設定流量は、ソレノイド９に供給される電流値に応じて変化させることができる。制御部は、外部情報に基づいて設定流量を決定し、ソレノイド９への通電制御を行う。

図５は、膨張装置の構成を示す断面図である。
膨張装置３は、定圧膨張弁として構成された膨張弁１３１と、膨張弁１３１の設定圧力を調整するための調整弁１３２とを組み付けて構成されている。
膨張弁１３１は、内部に弁部が設けられたボディ１４０を備える。ボディ１４０の端部には、弁部を開閉駆動するパワーエレメント１４２（「感圧部」に該当する）が装着されている。

ボディ１４０の側部には高圧の冷媒を導入する入口ポート１４４が設けられ、下部には低圧の冷媒を導出する出口ポート１４６が設けられている。これらのポートは、ボディ１４０の内部で直交する冷媒通路を介して連通している。その冷媒通路の中間部には円板状の区画部材１４８が設けられ、その区画部材１４８を貫通するように弁孔１５０（「第１弁孔」に該当する）が形成されている。そして、弁孔１５０に下流側から対向するように弁体１５２（「第１弁体」に該当する）が配置されている。区画部材１４８は、弁体１５２との対向部において凹状に形成された段部を有し、その段部の中央を貫通するようにガイド孔１５４が形成されている。弁孔１５０は、その段部においてガイド孔１５４の周りに所定の間隔で設けられた複数の貫通孔により形成される。冷媒通路において区画部材１４８の上流側が高圧冷媒通路１５６となり、下流側が低圧冷媒通路１５８となる。

ボディ１４０の上部には、高圧冷媒通路１５６を内外に連通させる連通孔１６０が形成されている。弁体１５２には長尺状の作動ロッド１６４が一体に設けられている。作動ロッド１６４は、ガイド孔１５４に摺動可能に挿通され、連通孔１６０に到るように延設されている。作動ロッド１６４の上端部には円筒状のガイド部材１６６が圧入されている。ガイド部材１６６は、連通孔１６０の内壁に沿って摺動可能に支持されている。すなわち、弁体１５２は、作動ロッド１６４がガイド孔１５４および連通孔１６０に沿ってガイドされつつ軸線方向に駆動されることにより、弁部の開閉方向に動作する。本実施の形態においては、連通孔１６０の径と弁孔１５０の径とが実質的に等しく構成されており、その結果、弁体１５２に直接または間接的に作用する高圧の冷媒による圧力がキャンセルされている。

弁孔１５０の下流側開口端縁によって弁座１６８が形成されており、弁体１５２の上端部近傍のテーパ面が弁座１６８に着脱することにより弁部が開閉される。連通孔１６０とガイド部材１６６との間には所定のクリアランス（「冷媒漏洩通路」に該当する）が設けられており、高圧冷媒通路１５６を流れる冷媒の一部がそのクリアランスを介して漏洩する。ボディ１４０の下端開口部にはリング状のアジャスト部材１７０が圧入され、アジャスト部材１７０と弁体１５２との間には、弁体１５２を閉弁方向に付勢するスプリング１７１（「付勢部材」に該当する）が介装されている。スプリング１７１のばね荷重は、アジャスト部材１７０のボディ１４０への圧入量により調整することができる。

パワーエレメント１４２は、中空のハウジング１７２と、ハウジング１７２内を密閉空間Ｓ１と開放空間Ｓ２とに仕切るように配設されたダイアフラム１７４（「感圧部材」に該当する）とを含んで構成されている。ハウジング１７２は、ともにステンレスからなる有蓋状のアッパーハウジング１７６および段付円筒状のロアハウジング１７８からなり、これらの開口部を突き合わせてその外縁部にステンレス等の金属薄板からなるダイアフラム１７４の外縁部を挟むようにして組み付けられる。ハウジング１７２は、アッパーハウジング１７６とロアハウジング１７８との間にダイアフラム１７４を挟んだ状態でその接合部の外周に沿ってＴＩＧ溶接等が施されることにより、容器状に形成されている。密閉空間Ｓ１は基準圧力室を構成し、本実施の形態では真空状態に保持されている。すなわち、真空雰囲気下において上記溶接が施された後、その上面中央に設けられた孔をボール状の封体１８０にて封止することにより密閉されている。封体１８０は、例えばステンレス等から構成される。密閉空間Ｓ１は基準圧力室を構成し、開放空間Ｓ２は感圧室を構成する。なお、変形例においては、密閉空間Ｓ１に例えば大気圧を満たすようにしてもよい。

ダイアフラム１７４の上面には円板状のばね受け部材１７５が配設されている。アッパーハウジング１７６の底部とばね受け部材１７５との間には、ばね受け部材１７５を介してダイアフラム１７４を開弁方向に付勢するスプリング１７７（「付勢部材」に該当する）が介装されている。ガイド部材１６６の上端部には半径方向外向きに延出するフランジ部１７９が設けられており、このフランジ部１７９の上面がダイアフラム１７４の下面に当接している。このような構成により、ダイアフラム１７４の変位による駆動力がガイド部材１６６、作動ロッド１６４を介して弁体１５２に伝達される。フランジ部１７９がボディ１４０に係止されることにより、ダイアフラム１７４の下死点位置（開弁方向への変位量）が規制される。

調整弁１３２は、ボディ１４０の一部がそのボディを兼ねている。すなわち、ボディ１４０には、高圧冷媒通路１５６と低圧冷媒通路１５８とをつなぐ冷媒通路とは別に、開放空間Ｓ２と調整弁１３２とを連通させる調圧通路１８２が形成されている。調圧通路１８２は、パワーエレメント１４２の感圧室とともに中圧室を構成する。上述のように、高圧冷媒通路１５６からのクリアランスを介して高圧冷媒が漏洩するため、中圧室には膨張弁１３１の出口圧力Ｐｘの設定値（設定圧力Ｐset）以上の中間圧力Ｐｍが満たされる。

調整弁１３２は、その弁部を開閉駆動するソレノイド１８４を有する。ソレノイド１８４は、ボディ１４０の入口ポート１４４とは反対側の側部に設けられたボディ形成部１８６に連結されている。ボディ形成部１８６の側部には、蒸発器４の出口側の冷媒通路に連通するポート１８８が設けられている。ボディ形成部１８６は、そのソレノイド１８４との連結部において内径が拡大されており、その段部中央の開口端縁が円ボス状に突出して弁座１９０を形成している。また、この弁座１９０を形成する円ボス部の内部により弁孔（「第２弁孔」に該当する）が形成されている。

ソレノイド１８４は、ヨークとしても機能する段付円筒状のケース１９１と、ケース１９１内に固定されたコア１９２と、コア１９２と軸線方向に対向配置されたプランジャ１９３と、コア１９２に外挿された円筒状の非磁性体からなるスリーブ１９４と、スリーブ１９４に外挿されて外部からの供給電流により磁気回路を生成する電磁コイル１９５とを備えている。スリーブ１９４内において、プランジャ１９３がコア１９２に対して軸線方向に進退可能に配置されている。ケース１９１の一端部が縮径されてボディ形成部１８６に圧入され、それによってソレノイド１８４がボディ１４０に組み付けられている。

プランジャ１９３は、円柱状をなし、弁座１９０との対向面がフラットに形成されている。この弁座１９０と対向する部分が弁体部１９６（「第２弁体」に該当する）となって、弁座１９０に着脱して弁部を開閉可能に構成されている。プランジャ１９３は、その弁座１９０とは反対側でコア１９２と対向し、その対向面がコア１９２側に向かって小径化するテーパ面をなしている。一方、コア１９２は、プランジャ１９３との対向面の中央に凹部を有し、プランジャ１９３側に向かって広がる相補形状のテーパ面となっている。コア１９２とプランジャ１９３との間には、プランジャ１９３を閉弁方向に付勢するスプリング１９８が介装されている。そして、ソレノイド１８４の他端側を封止するようにコネクタ部２００が設けられている。コネクタ部２００は、電磁コイル１９５に接続された電極端子を樹脂モールドして形成され、ケース１９１との間にリング状のカラー２０２を介装させた状態で加締め接合されている。カラー２０２は磁性部材からなり、ケース１９１とともに磁気回路を構成する。

以上の構成において、凝縮器２側から送出されて入口ポート１４４に入口圧力Ｐｏにて導入された冷媒は、弁部を通過することにより出口圧力Ｐｘとなって出口ポート１４６から導出され、蒸発器４に供給される。この出口圧力Ｐｘの設定値（設定圧力Ｐset）は、ダイアフラム１７４の有効受圧面積、およびスプリング１７１とスプリング１７７とのつり合いによって決まる基本設定値が設定されているが、調整弁１３２により設定変更可能となっている。入口圧力Ｐｅにて蒸発器４に導入される冷媒の一部は、ポート１８８に導入される。なお、この入口圧力Ｐｅは膨張弁１３１の出口圧力Ｐｘよりもやや低くなるが、実質的に等しいとみることができる。

調整弁１３２は、その弁部の前後差圧をソレノイド１８４により設定変更可能な差圧弁として構成されており、調圧通路１８２の冷媒圧力である中間圧力Ｐｍと入口圧力Ｐｅとの差圧を制御する。調整弁１３２が全開状態にあるとき、中間圧力Ｐｍと入口圧力Ｐｅとは等しくなる。調圧通路１８２には高圧冷媒通路１５６からクリアランスを介して冷媒が漏洩するため、常に中間圧力Ｐｍが満たされる。言い換えれば、中間圧力Ｐｍが上記基本設定値（基準圧力）となっている。調整弁１３２の弁開度が調整されてその前後差圧ΔＰが発生したとき、中間圧力Ｐｍと入口圧力Ｐｅとの関係は、下記式（１）のようになる。

Ｐｅ＝Ｐｍ−ΔＰ ・・・（１）
すなわち、調整弁１３２の前後差圧を変化させることにより、蒸発器４の入口圧力Ｐｅひいては膨張弁１３１の出口圧力Ｐｘの設定値（設定圧力Ｐset）を変更することができる。制御部は、外部情報に基づいて調整弁１３２への通電制御を実行することにより、設定圧力Ｐsetを変化させる。パワーエレメント１４２は、その出口圧力Ｐｘが設定圧力Ｐsetに保持されるように動作する。

以上のように構成された膨張装置３において、スプリング１７１のばね荷重がスプリング１７７のばね荷重よりも大きく設定されているため、車両用空調装置が停止しているときには、膨張弁１３１は全閉状態となる。

ここで、車両用空調装置が起動すると、制御部が調整弁１３２を所定開度に制御する。このとき、コンプレッサによって冷媒が吸引されるので、蒸発器４の入口圧力Ｐｅが低下する。その結果、パワーエレメント１２がこれを感知してダイアフラム１７４が開弁方向へ変位する。その変位が弁体１５２に伝達され、膨張弁１３１は所定の開弁状態へ移行する。

一方、圧縮機１によって圧縮された冷媒は凝縮器２にて凝縮され、図示しないレシーバにて気液分離された液冷媒が入口ポート１４４に供給されるようになる。高温・高圧の液冷媒は、膨張弁１３１を通過するときに絞り膨張され、低温・低圧の気液混合冷媒となって出口ポート１４６から蒸発器４に供給され、その内部で蒸発されることにより車室内温度との熱交換を行う。蒸発器４を通過した冷媒は、ポート１８８を介して調整弁１３２にも導入される一方、図示しない配管を介して圧縮機１に戻る。

膨張弁１３１の出口圧力Ｐｘは、この車両用空調装置の運転中に設定圧力Ｐsetに保持される。すなわち、出口圧力Ｐｘが設定圧力Ｐsetよりも低くなると、パワーエレメント１４２がこれを感知し、ダイアフラム１７４が開弁方向へ変位して弁部を通過する冷媒流量を増加させて出口圧力Ｐｘを上昇させる。逆に、出口圧力Ｐｘが設定圧力Ｐsetよりも高くなると、パワーエレメント１４２がこれを感知し、ダイアフラム１７４が閉弁方向へ変位して弁部を通過する冷媒流量を減少させて出口圧力Ｐｘを低下させる。このようにして、出口圧力Ｐｘが設定圧力Ｐsetに維持される。この設定圧力Ｐsetは、調整弁１３２の設定差圧を変化させることにより、変化させることができる。

以上に説明したように、本実施の形態においては、膨張装置３の下流側圧力が設定圧力Ｐsetとなるようにその弁開度が自律的に調整されるため、その設定圧力Ｐsetを適切に設定することにより、冷凍サイクルにおける低圧側圧力を安定に制御できる。その結果、蒸発器４内の冷媒圧力を適正値に維持して蒸発温度を安定に保持でき、その蒸発器４による所望の除湿性能を得ることができる。一方、制御弁６を流量制御弁として構成し、圧縮機１の吐出容量を直接的に制御することができるため、その容量制御の応答性を良好に保つことができる。その結果、装置構成や制御方式を複雑にすることなく、その空調性能を高く維持することができる。

さらに、本実施の形態においては、膨張装置３を膨張弁１３１と調整弁１３２とにより構成し、調整弁１３２により調圧通路１８２内の中間圧力Ｐｍと蒸発器４の入口圧力Ｐｅとの差圧を制御するようにした。すなわち、定圧膨張弁の設定値を差圧弁によって変更する構成とした。この調整弁１３２は、膨張弁１３１のように主流量を制御するのではなく、高圧冷媒通路１５６から漏洩してくる冷媒の流れを制御するものであるため、弁開度は小さく保持することができ、制御も容易になる。主流量を制御するものではないため、弁部を流れる流量も小さく、その流動音も小さく抑えられる。また、弁部（弁体部１９６）の有効受圧面積を小さく抑えることができるため、ソレノイド１８４のコンパクト化を実現することもでき、膨張装置３を低コストに実現することができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はその特定の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能であることはいうまでもない。

上記実施の形態では、膨張弁１３１と調整弁１３２を共通のボディにて一体化して膨張装置３を構成した例を示した。変形例においては、膨張弁１３１と調整弁１３２とを別体で構成し、所定の配管を介して接続するようにしてもよい。

上記実施の形態では、膨張弁１３１におけるパワーエレメント１４２の感圧室が、調整弁１３２の弁部を介して蒸発器４の入口側の冷媒通路に連通する例を示したが、蒸発器４の出口側（圧縮機１の入口側）の冷媒通路に連通するように構成してもよい。

上記実施の形態では、流量制御弁を用いて吐出流量を設定流量に保持するいわゆる流量制御方式の圧縮機について例示した。変形例においては、例えば吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの差圧（Ｐｄ−Ｐｓ）に基づいて容量制御を行ういわゆるＰｄ−Ｐｓ弁など、冷凍サイクルの所定の２点間の差圧を設定差圧に保持する方式の圧縮機を採用してもよい。

上記実施の形態の圧縮機は、冷媒として代替フロン（ＨＦＣ−１３４ａ）など使用する冷凍サイクルに好適に適用されるが、本発明の可変容量圧縮機は、二酸化炭素のように作動圧力が高い冷媒を用いる冷凍サイクルに適用することも可能である。その場合には、冷凍サイクルにおいて凝縮器に代わってガスクーラなどの外部熱交換器が配置される。

実施の形態に係る冷凍サイクルを表すシステム構成図である。 圧縮機の構成を表す断面図である。 制御弁の構成を示す断面図である。 図３に示す制御弁の上半部拡大図である。 膨張装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 圧縮機、 ２ 凝縮器、 ３ 膨張装置、 ４ 蒸発器、 ５ ファン、 ６ 制御弁、 ８ 弁本体、 ９ ソレノイド、 １０ ボディ、 １２ パワーエレメント、 １５ 弁孔、 １６ 弁座、 １８ 弁体、 １９ 弁座形成部、 ２０ ガイド孔、 ２２ 弁体、 ２６ 弁孔、 ２７ 弁座、 ３６ シャフト、 ５１ 吸入室、 ５２ シリンダ、 ５３ 吐出室、 ５４ クランク室、 ５５ 弁収容室、 ７１ 入口ポート、 ７２ 出口ポート、 ７３ 連通ポート、 ７６ ダンパ室、 ９０ コネクタ、 １１１ 揺動板、 １１２ ピストン、 １３１ 膨張弁、 １３２ 調整弁、 １４０ ボディ、 １４２ パワーエレメント、 １４４ 入口ポート、 １４６ 出口ポート、 １４８ 区画部材、 １５０ 弁孔、 １５２ 弁体、 １５４ ガイド孔、 １５６ 高圧冷媒通路、 １５８ 低圧冷媒通路、 １６４ 作動ロッド、 １６６ ガイド部材、 １６８ 弁座、 １７２ ハウジング、 １７４ ダイアフラム、 １８２ 調圧通路、 １８４ ソレノイド、 １８６ ボディ形成部、 １８８ ポート、 １９０ 弁座、 １９６ 弁体部、 Ｓ１ 密閉空間、 Ｓ２ 開放空間。

Claims (3)

1. 上流側から導入された冷媒を絞り膨張させて下流側へ導出するとともに、下流側の冷媒圧力が設定圧力に保持されるように冷媒流量を制御する膨張装置において、
   内部に冷媒通路が形成されたボディと、
   前記ボディにおける上流側の高圧冷媒通路と下流側の低圧冷媒通路とを区画するように配置され、上流側から導入された冷媒を絞り膨張させて下流側へ導出する第１弁部と、
   前記設定圧力以上の中間圧力が満たされる中圧室と、
   前記中間圧力を感知し、その中間圧力が予め設定された基準圧力となるように前記第１弁部の開閉方向の力を発生させる感圧部と、
   前記中圧室と前記低圧冷媒通路とを連通させる調圧通路に設けられ、その開閉によりその前後差圧を発生させる第２弁部と、
   前記第２弁部の前後差圧が供給電流量に応じた設定差圧となるようソレノイド力を発生させ、その設定差圧の変更により前記設定圧力を変化させるソレノイドと、
   前記高圧冷媒通路と前記中圧室とを連通させ、前記高圧冷媒通路から前記中圧室へ冷媒を漏洩させる冷媒漏洩通路と、
   前記ボディ内において前記高圧冷媒通路と前記低圧冷媒通路とを連通させる第１弁孔に接離するように配置されて前記第１弁部を開閉する第１弁体と、
   前記感圧部による力を受けて前記第１弁体と一体に動作可能な作動ロッドと、
   前記調圧通路と前記低圧冷媒通路とを連通させる第２弁孔に接離するように配置され、前記ソレノイド力を受けて前記第２弁部を開閉する第２弁体と、
   を備え、
   前記感圧部が、前記ボディに設けられたハウジングと、前記ハウジング内を基準圧力室と感圧室とに仕切るように配設された感圧部材とを含んで構成され、
   前記感圧室において前記作動ロッドが前記感圧部材に対して作動連結されるとともに、前記中圧室の中間圧力が満たされて前記感圧部材に前記第１弁部の閉弁方向の付勢力が付与される一方、
   前記基準圧力室において前記感圧部材に前記第１弁部の開弁方向の付勢力を付与する付勢部材が配設され、
   前記設定圧力を、前記感圧部材の有効受圧面積および前記付勢部材の付勢力に基づく基本設定値から設定変更する場合にのみ、前記ソレノイドへの通電により前記第２弁部が開弁されることを特徴とする膨張装置。
2. 前記下流側の冷媒圧力が前記設定圧力よりも低くなったときに前記感圧部材が変位して、前記作動ロッドを介して前記第１弁体に開弁方向の駆動力を付与し、
   前記ソレノイドは、前記第２弁体に閉弁方向のソレノイド力を付与することを特徴とする請求項１に記載の膨張装置。
3. 前記第１弁部と前記感圧部とを含む定圧膨張弁と、前記第２弁部と前記ソレノイドとを含む調整弁とが組み付けられて構成され、前記感圧部と前記第２弁部とが前記調圧通路を介して連通されていることを特徴とする請求項１または２に記載の膨張装置。

Images