JP5643934B2 - 膨張装置 - Google Patents

Description

本発明は膨張装置に関し、特に電気自動車またはハイブリッド電気自動車に搭載される車両用空調装置にて凝縮された液冷媒を膨張させて冷房運転および除湿暖房運転に必要な低温の冷媒を得る膨張装置に関する。

ハイブリッド電気自動車においては、内燃機関の冷却水が暖房運転に必要な十分に高い温度にならないことから冷却水を暖房用の熱源に利用することができず、電気自動車にあっては、暖房用の熱源になり得るものはない。そのため、自動車用の空調装置には、冷房運転、暖房運転、除湿暖房運転が可能なヒートポンプ式のものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載の装置によれば、外気または内気を導入して温度が調整された空気を車室内に吹き出すダクト内に、エバポレータおよび内部コンデンサと、内部コンデンサを通過する空気の割合を調整するエアミックスドアとを備えている。冷凍サイクルは、コンプレッサから、内部コンデンサ、第１のリキッドタンク、第１の膨張弁、外部熱交換器、第２のリキッドタンク、第２の膨張弁およびエバポレータを介して再びコンプレッサに戻る閉回路によって構成されている。

完全な冷房運転時は、第１の膨張弁を全開にし、外部熱交換器をコンデンサとして機能させ、第２の膨張弁の開度を調整することによって低温の冷媒をエバポレータに供給し、エアミックスドアは、内部コンデンサを完全にバイパスさせる側に切り換えられる。この冷房運転時における空気吹出し温度の調整は、内部コンデンサを通過する空気の割合を増やすようにエアミックスドアを調整することによって行われる。

暖房運転時は、第１の膨張弁の開度を調整して外部熱交換器をエバポレータとして機能させ、第２の膨張弁を全開にして外部熱交換器で吸熱された冷媒をエバポレータに供給し、エアミックスドアは、内部コンデンサを完全に通過させる側に切り換えられる。このとき、エバポレータでは、導入された空気との間で多少の熱交換が行われているので、窓ガラスの曇りを防止できる程度の除湿が行われている。

このような冷凍サイクルでは、暖房運転のときに外部熱交換器とエバポレータとが冷媒の蒸発を分担して行っている。しかし、外部熱交換器における冷媒の蒸発温度と外気温度との温度差が大きい場合には、第１の膨張弁を出た液冷媒は、外部熱交換器によってほとんど蒸発され、エバポレータに液冷媒が到達しないことがある。このような場合には、エバポレータでの冷却能力はないので、除湿運転ができなくなり、エバポレータには、蒸発したガス冷媒しか送られないので、冷凍サイクルを循環するコンプレッサの潤滑油が外部熱交換器やエバポレータに留まってコンプレッサに戻されない場合が生じる。

このような事態を避けるため、暖房運転のときに外部熱交換器とエバポレータとで冷媒の蒸発量が適切になるようにしてエバポレータでの蒸発量を確保し、これにより、除湿運転ができ、コンプレッサの潤滑油が循環できるようにする必要がある。そのためには、外部熱交換器での蒸発状態からとエバポレータでの蒸発状態へ移る状態遷移のポイントがエバポレータの側に大きく偏らないようにする必要がある。

特開平９−２４０２６６号公報

しかしながら、状態遷移のポイントは、これを直接検出する手段はないので、エバポレータによって熱交換された空気の出口温度を計測し、空気が冷えているかどうかで間接的に推定するしかない。そのため、多くのセンサを用いて状態遷移のポイントを電子的に監視しなければいけないという問題点があった。また、推定された状態遷移のポイントは、運転モードに応じて適切に変更する制御装置および制御機構が必要になり、車両用空調装置のコストが高くなるという問題点もあった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、多くのセンサ、制御装置および制御機構を必要とせずに、エバポレータにおける適切な蒸発量を確保することができる膨張装置を提供することを目的とする。

本発明では上記の課題を解決するために、エバポレータ出口の冷媒の過熱度を検出して前記エバポレータに供給する冷媒の流量を制御する膨張装置において、前記過熱度が大きくなるに従って前記エバポレータに供給する冷媒の流量を増やすように制御する小口径制御弁と、前記小口径制御弁に並列に接続され、前記過熱度が大きくなるに従って前記エバポレータに供給する冷媒の通路を絞るように制御する大口径制御弁と、を備えてい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、外部熱交換器がエバポレータとして機能しているとき、小口径制御弁とは逆の流量特性を有する大口径制御弁によって過熱度制御を行う。これにより、外部熱交換器での蒸発量が増えて過熱度が大きくなった場合、大口径制御弁が通路を絞ることで外部熱交換器の蒸発圧力が上昇して蒸発量を減らし、その分、エバポレータでの蒸発量を増加させて過熱度を小さくするように制御する。過熱度が一定になるよう自律制御することでエバポレータにおける適切な蒸発量が確保される。

上記構成の膨張装置は、通常の温度式膨張弁として機能する小口径制御弁に、この小口径制御弁とは逆特性の大口径制御弁を並列に接続し、除湿暖房運転時に大口径制御弁で過熱度制御できるので、膨張装置の側で外部熱交換器とエバポレータとの蒸発量の配分を適切に制御できるという利点がある。エバポレータにおける適切な蒸発量が確保できるので、コンプレッサの潤滑油の循環を維持することができる。さらに、外部熱交換器とエバポレータとの間の状態遷移のポイントを推定して制御する複雑な制御機構を必要としないので、車両用空調装置のコストを低減することができる。

本発明の膨張装置を適用した車両用空調装置の冷凍サイクルの構成例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冷房運転時の状態を示す中央縦断面図である。 第１の実施の形態に係る膨張装置の除湿暖房運転時の状態を示す中央縦断面図である。 第１の実施の形態に係る膨張装置を用いた冷凍サイクルの動作を説明する図であって、（Ａ）は冷房運転時の冷凍サイクルを示すモリエル線図、（Ｂ）は除湿暖房運転時の冷凍サイクルを示すモリエル線図である。 第２の実施の形態に係る膨張装置の冷房運転時の状態を示す中央縦断面図である。 第２の実施の形態に係る膨張装置の除湿暖房運転時の状態を示す中央縦断面図である。 第３の実施の形態に係る膨張装置の冷房運転開始時の状態を示す中央縦断面図である。 第３の実施の形態に係る膨張装置の冷房運転時の状態を示す中央縦断面図である。 第３の実施の形態に係る膨張装置の除湿暖房運転時の状態を示す中央縦断面図である。 第４の実施の形態に係る膨張装置のエバポレータ休止運転時の状態を示す中央縦断面図である。 第４の実施の形態に係る膨張装置の冷房運転時の状態を示す中央縦断面図である。 第４の実施の形態に係る膨張装置の除湿暖房運転時の状態を示す中央縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、車両用空調装置の冷凍サイクルにてエバポレータの出口における冷媒の過熱度が所定の値を維持するように入口に供給する冷媒の流量を制御する温度式膨張弁に適用した場合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車両用空調装置の冷凍サイクルの構成例を示すシステム図である。
この車両用空調装置の冷凍サイクルは、コンプレッサ１と、内部コンデンサ２と、制御弁３およびオリフィス４と、外部熱交換器５と、三方弁６と、膨張装置７と、エバポレータ８と、アキュムレータ９とを備えている。

コンプレッサ１は、モータが内蔵された電動コンプレッサであり、モータの回転数に応じて冷媒の吐出容量を変化させることができる。このコンプレッサ１の吐出口は、内部コンデンサ２に接続されている。

内部コンデンサ２は、空気温度を調節するダクト内の下流側に設置され、コンプレッサ１から吐出された高温の冷媒を導入して凝縮する。内部コンデンサ２は、ダクト内で冷媒の放熱を行うので、エバポレータ８を通過してきた空気を加熱するヒータとして機能する。この内部コンデンサ２の出口は、制御弁３およびオリフィス４に接続されている。

制御弁３およびオリフィス４は、互いに並列に接続されている。制御弁３は、主通路を開閉する弁部とその弁部を開閉駆動するソレノイドとを備え、制御弁３が開弁したときの開口面積は、オリフィス４のそれよりも十分に大きく設定されている。このため、制御弁３が閉弁したときは、内部コンデンサ２から供給された冷媒は、膨張装置としてのオリフィス４を通り、ここで断熱膨張されて外部熱交換器５に供給される。制御弁３が開弁したとき、内部コンデンサ２からの冷媒は、制御弁３をそのまま通過して外部熱交換器５に供給される。

外部熱交換器５は、車室外に設置され、内部を通過する冷媒と外気との間で熱交換を行う。この外部熱交換器５は、冷凍サイクルの運転モードが冷房運転のとき、冷媒を凝縮させるコンデンサとして機能し、暖房運転のときには、冷媒を蒸発させるエバポレータとして機能する。外部熱交換器５の出口は、三方弁６の入口に接続されている。

三方弁６は、第１および第２の出口を有し、第１の出口は、膨張装置７に接続され、第２の出口は、膨張装置７とアキュムレータ９とを接続している配管に接続されている。三方弁６は、外部熱交換器５から導入される冷媒の通路を膨張装置７またはアキュムレータ９への通路へ切り換える弁部とその弁部を切換駆動するソレノイドとを備えている。この三方弁６は、冷房運転および除湿暖房運転の際には、外部熱交換器５から導入される冷媒を膨張装置７へ供給するよう切り換えられ、暖房運転の際には、外部熱交換器５から導入される冷媒をアキュムレータ９へ供給するよう切り換えられる。

膨張装置７は、三方弁６の第１の出口に接続されて、冷媒を導入するポートＴ１と、膨張された低温・低圧の霧状の冷媒をエバポレータ８に導出するポートＴ２と、エバポレータ８から戻ってきた冷媒を通過させるポートＴ３，Ｔ４とを備えている。この膨張装置７は、エバポレータ８の出口における冷媒の過熱度が所定の値を維持するようにエバポレータ８の入口に供給する冷媒の流量を制御する温度式膨張弁である。

エバポレータ８は、空気温度を調節するダクト内の上流側に設置され、膨張装置７から吐出された低温の冷媒をダクトに導入された外気または内気との熱交換によって蒸発させる。その蒸発潜熱によって冷却・除湿された空気は、エアミックスドアの開度に応じて内部コンデンサ２を通過するものと、内部コンデンサ２を迂回するものとに振り分けられる。内部コンデンサ２を通過した空気は、そこで加熱される。加熱された空気は、内部コンデンサ２を迂回した空気と内部コンデンサ２の下流側で混合され、所定の温度に調整されて車室内に吹き出される。

アキュムレータ９は、冷凍サイクルを循環する冷媒の一部を溜めておくもので、気液分離された気相冷媒と液相冷媒の下部に溜まった潤滑油とをコンプレッサ１に導出する機能を有している。

図２は第１の実施の形態に係る膨張装置の冷房運転時の状態を示す中央縦断面図、図３は第１の実施の形態に係る膨張装置の除湿暖房運転時の状態を示す中央縦断面図、図４は第１の実施の形態に係る膨張装置を用いた冷凍サイクルの動作を説明する図であって、（Ａ）は冷房運転時の冷凍サイクルを示すモリエル線図、（Ｂ）は除湿暖房運転時の冷凍サイクルを示すモリエル線図である。

第１の実施の形態に係る膨張装置１０は、そのボディ１１の下方側部に三方弁６に接続されるポートＴ１が設けられ、ボディ１１の反対側の側部には、エバポレータ８に接続されるポートＴ２が設けられている。ボディ１１の上方には、エバポレータ８およびアキュムレータ９が接続されるポートＴ３，Ｔ４が設けられている。

ポートＴ１とポートＴ２との間には、小口径制御弁１２と大口径制御弁１３とが並列に接続された形で構成されている。小口径制御弁１２は、ポートＴ１に連通する空間とポートＴ２に連通する空間とを仕切るようにボディ１１と一体に弁座１４が形成され、ポートＴ１に連通する空間には、その弁座１４に対してボール状の弁体１５が接離自在に配置されている。弁体１５は、ポートＴ１に連通する空間に配置された圧縮コイルスプリング１６によって弁座１４に着座させる方向に付勢されている。圧縮コイルスプリング１６は、ボディ１１の下端面に螺着されたアジャストねじによって受けられており、このアジャストねじによって圧縮コイルスプリング１６の荷重が調整されている。

大口径制御弁１３も、同様に、ポートＴ１に連通する空間とポートＴ２に連通する空間とを仕切るようにボディ１１と一体に弁座１７が形成されている。この弁座１７は、小口径制御弁１２の弁座１４と同一軸線上に形成され、小口径制御弁１２の弁座１４より大口径に開口された弁孔を有している。ポートＴ１に連通する側の空間には、その弁座１７に対して弁体１８が接離自在に配置されている。この弁体１８は、ボディ１１にその長手方向に進退自在に配置されたシャフト１９と一体に形成されている。

シャフト１９は、弁体１８から大口径制御弁１３の弁孔および小口径制御弁１２の弁孔を貫通して軸方向に延出された延出部１９ａを有し、その端面は、小口径制御弁１２の弁体１５に当接されている。シャフト１９は、また、その長手方向に進退自在にボディ１１に支持される支持部１９ｂを有している。この支持部１９ｂは、大口径制御弁１３の弁孔の内径とほぼ同じ外径を有し、ポートＴ１に導入される高圧の冷媒が弁体１８を閉弁方向に作用する力と支持部１９ｂを開弁方向に作用する力とをキャンセルするようにしている。支持部１９ｂは、また、ポートＴ１に導入される冷媒がポートＴ３，Ｔ４間を連通する通路に漏れないよう、Ｏリング２０が周設されている。

ボディ１１の上端部には、ポートＴ３，Ｔ４間を連通した通路を流れる冷媒の温度および圧力、すなわち冷媒の過熱度を検出するパワーエレメント２１が設けられている。このパワーエレメント２１は、アッパーハウジングと、ロアハウジングと、これらによって囲まれた空間を仕切るダイヤフラムと、このダイヤフラムの下面に配置されたディスクとを有し、そのディスクの下面は、シャフト１９の上端面が当接されている。アッパーハウジングとダイヤフラムとによって閉止された空間には、冷凍サイクルを循環する冷媒に類似した特性を有する物質が封入されている。ロアハウジングとダイヤフラムととによって囲まれた空間は、ポートＴ３，Ｔ４間を連通する通路に連通しており、この通路を流れる冷媒が導入されるようになっている。このパワーエレメント２１は、ポートＴ３，Ｔ４間の通路を流れる冷媒の過熱度を検出して小口径制御弁１２および大口径制御弁１３の開度を制御する。

この膨張装置１０は、さらに、ポートＴ１と大口径制御弁１３との間を連通する通路を開閉して大口径制御弁１３を制御状態にするかどうかの切り換えを行う電磁弁２２を備えている。この電磁弁２２は、ボディ１１と一体に形成された弁座２３と、この弁座２３を開閉する開閉機構とを有している。弁座２３は、大口径制御弁１３の弁体１８と支持部１９ｂとの間の空間に連通する弁孔を有し、この弁孔を介してポートＴ１と大口径制御弁１３とが連通されている。電磁弁２２の開閉機構は、弁座２３を開閉する弁体２４と、この弁体２４を弁座２３に対して接離自在に保持する可動鉄芯２５と、可動鉄芯２５を吸引する固定鉄芯２６と、固定鉄芯２６を電磁石にするコイル２７とを有している。さらに、可動鉄芯２５と固定鉄芯２６との間には、スプリング２８が配置され、コイル２７が通電されていないとき、スプリング２８によって可動鉄芯２５が固定鉄芯２６から離れる方向に付勢され、電磁弁２２は、閉弁されるようになっている。

次に、以上の構成の膨張装置１０の動作について図１ないし図４を参照して説明する。なお、図１において、矢印は、冷媒の流れを示している。また、図１における符号ａ〜ｆは、図４のモリエル線図上の冷凍サイクルに付した点の符号に対応している。なお、図１の膨張装置７は、図２および図３に示した膨張装置１０として説明する。

まず、車両用空調装置の運転モードが冷房運転のときは、図１のシステムでは、制御弁３が開弁され、三方弁６が外部熱交換器５と膨張装置１０とを接続するよう切り換えられる。これにより、内部コンデンサ２および外部熱交換器５は、冷凍サイクルのコンデンサとして機能する。ダクト内では、エアミックスドアが全閉またはそれに近い開度に制御されて内部コンデンサ２を完全にまたはほとんどバイパスさせる側に切り換えられる。そして、膨張装置１０は、電磁弁２２が非通電状態にあり、図２に示したように、ポートＴ１から大口径制御弁１３への通路が遮断されている。これにより、膨張装置１０は、小口径制御弁１２のみによって機能し、普通の温度式膨張弁と同じ動作をする。また、冷房運転のときの冷凍サイクルは、図４の（Ａ）に示した振る舞いとなる。

冷房運転のとき、コンプレッサ１は、アキュムレータ９から冷媒を吸入し（点ａ）、断熱圧縮して高温・高圧の冷媒を吐出する（点ｂ）。コンプレッサ１から吐出された冷媒は、内部コンデンサ２、制御弁３および外部熱交換器５を通過するときに放熱されて凝縮され、三方弁６を介して膨張装置１０に導入される（点ｅ）。この冷媒は、膨張装置１０に到達するときには、過冷却された液相状態になっている。膨張装置１０では、そのポートＴ１に導入された液冷媒は、小口径制御弁１２を介してポートＴ２に流れるが、小口径制御弁１２を通過するときに、断熱膨張されて低温・低圧の蒸気冷媒となる（点ｆ）。この蒸気冷媒は、エバポレータ８に供給され、エバポレータ８では、車室内の空気との熱交換によって蒸発される。このとき、空気は蒸発潜熱により熱が奪われて冷やされ、車室内に吹き出されることになる。蒸発された冷媒は、膨張装置１０のポートＴ３に導入され、そのままポートＴ４より導出される。膨張装置１０から導出された冷媒は、アキュムレータ９を介してコンプレッサ１に戻る。このとき、コンプレッサ１に戻される冷媒は、所定の過熱度ＳＨまで過熱された状態になっている。

膨張装置１０は、エバポレータ８によって蒸発された冷媒を通過させるとき、パワーエレメント２１によって冷媒の過熱度ＳＨを検出している。この検出値は、シャフト１９を介して小口径制御弁１２にフィードバックされ、小口径制御弁１２は、その過熱度ＳＨが一定になるようにエバポレータ８に供給する冷媒の流量を制御している。すなわち、過熱度ＳＨが大きくなると、パワーエレメント２１は、シャフト１９を介して小口径制御弁１２を開弁する方向に駆動する。これにより、エバポレータ８に供給する冷媒の流量が増える。エバポレータ８では、冷媒を蒸発させる熱量は同じなので、流量が増えた分だけ過熱度ＳＨが小さくなる。逆に、過熱度ＳＨが小さくなると、パワーエレメント２１のダイヤフラムが小口径制御弁１２から離れる方向に変位するので、小口径制御弁１２の弁体１５は、圧縮コイルスプリング１６の付勢力によって閉弁方向に駆動される。これにより、エバポレータ８に供給する冷媒の流量が減少し、エバポレータ８では、流量が減少した分、過熱度ＳＨが大きくなる。この結果、膨張装置１０は、エバポレータ８から導出された冷媒の過熱度ＳＨが一定になるように制御している。なお、過熱度ＳＨの値は、膨張装置１０の圧縮コイルスプリング１６の荷重を調整することによって設定されている。

次に、車両用空調装置の運転モードが除湿運転の場合について説明する。除湿暖房運転のときは、図１のシステムでは、制御弁３が閉弁され、三方弁６が外部熱交換器５と膨張装置１０とを接続するよう切り換えられる。これにより、オリフィス４が膨張装置として機能し、外部熱交換器５が冷凍サイクルのエバポレータとして機能する。ダクト内では、エアミックスドアが全開またはそれに近い開度に制御されて内部コンデンサ２を完全にまたはほとんど通過させる側に切り換えられる。そして、膨張装置１０は、電磁弁２２が通電状態にあり、図３に示したように、ポートＴ１から大口径制御弁１３への通路が開放されている。これにより、膨張装置１０は、小口径制御弁１２および大口径制御弁１３の両方が機能する。ただし、大口径制御弁１３は、小口径制御弁１２よりも大流量の冷媒を流すことができるので、このときの膨張装置１０は、実質的に大口径制御弁１３のみが機能することになる。また、除湿暖房運転のときの冷凍サイクルは、図４の（Ｂ）に示した振る舞いとなる。

除湿暖房運転のとき、コンプレッサ１は、アキュムレータ９から冷媒を吸入し（点ａ）、断熱圧縮して高温・高圧の冷媒を吐出する（点ｂ）。コンプレッサ１から吐出された冷媒は、内部コンデンサ２にてエバポレータ８を通過してきた空気との熱交換によって凝縮され、過冷却状態でオリフィス４に導入される（点ｃ）。このとき、内部コンデンサ２を通過してきた空気は、加熱されて車室内に吹き出される。凝縮された液冷媒は、オリフィス４を通過するときに断熱膨張されて低温・低圧の蒸気冷媒となり（点ｄ）、外部熱交換器５に導入される。その冷媒は、外部熱交換器５では、外気との熱交換によって蒸発され、三方弁６を介して膨張装置１０に導入される（点ｅ）。膨張装置１０では、ポートＴ１より導入された冷媒は、大口径制御弁１３を通過するときに、断熱膨張されてさらに低温・低圧の蒸気冷媒となる（点ｆ）。この蒸気冷媒は、エバポレータ８に供給され、エバポレータ８では、車室内の空気との熱交換によってさらに蒸発される。このとき、ダクトに導入された空気は、エバポレータ８を通過するときに冷やされることで除湿され、内部コンデンサ２に向かうことになる。エバポレータ８から導出された冷媒は、膨張装置１０およびアキュムレータ９を介してコンプレッサ１に戻る。このとき、コンプレッサ１に戻される冷媒は、所定の過熱度ＳＨに維持された状態になっている。

ここで、膨張装置１０は、エバポレータ８の出口の冷媒が所定の過熱度ＳＨに維持されるようにエバポレータ８に供給する冷媒の流量を調整している。すなわち、過熱度ＳＨが大きくなると、パワーエレメント２１は、シャフト１９を介して小口径制御弁１２を開弁する方向に駆動するとともに大口径制御弁１３を閉弁する方向に駆動する。大口径制御弁１３は、小口径制御弁１２よりも口径が十分に大きいので、大口径制御弁１３が閉弁している場合を除いて、実質的に流量制御を行っているのは、大口径制御弁１３となる。大口径制御弁１３は、閉弁する方向に駆動されることでその開口面積が絞られるため、前後差圧、すなわち、入口の圧力と出口の圧力との差圧ΔＰが大きくなる。差圧ΔＰが大きくなると、膨張装置１０のポートＴ１の圧力、すなわち、図４の（Ｂ）に波線で示したように点ｅの圧力が上がる。点ｅの圧力が上がると、外部熱交換器５において冷媒の蒸発する量が減る（点ｄと点ｅとのエンタルピの差が小さくなる）ので、相対的にエバポレータ８での蒸発量が増える（点ｆと点ａとのエンタルピの差が大きくなる）。エバポレータ８での蒸発量が増えることによって、過熱度ＳＨは小さくなる。逆に、過熱度ＳＨが小さくなると、パワーエレメント２１のダイヤフラムが大口径制御弁１３から離れる方向に変位するので、大口径制御弁１３の弁体１８は、圧縮コイルスプリング１６の付勢力によって開弁方向に駆動される。これにより、大口径制御弁１３の前後の差圧ΔＰは小さくなるので、エバポレータ８での蒸発量が減り、過熱度ＳＨは大きくなる。この結果、膨張装置１０は、大口径制御弁１３が差圧弁のように機能し、パワーエレメント２１が過熱度ＳＨに応じて差圧ΔＰを制御することで、エバポレータ８から導出される冷媒の過熱度ＳＨが一定になるように制御している。つまり、この膨張装置１０は、外部熱交換器５がエバポレータとして機能しているとき、状態遷移のポイント（点ｅ、点ｆ）を推定してエバポレータ８における適切な蒸発量を確保するといった複雑な制御を要することなく、自立的に過熱度の制御をしていることになる。

図５は第２の実施の形態に係る膨張装置の冷房運転時の状態を示す中央縦断面図、図６は第２の実施の形態に係る膨張装置の除湿暖房運転時の状態を示す中央縦断面図である。なお、この図５および図６において、図２および図３に示した構成要素と同じまたは均等の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適宜省略する。

第２の実施の形態に係る膨張装置３０は、第１の実施の形態に係る膨張装置１０の大口径制御弁１３をパイロット作動の大口径制御弁にしている。すなわち、この第２の実施の形態の大口径制御弁は、小口径制御弁１２に並列に配置されてポートＴ１とポートＴ２との通路を開閉する大口径の主弁３１と、弁体がシャフト１９と一体に形成されたパイロット弁３２とを有している。

大口径制御弁の主弁３１は、ボディ１１に形成されたシリンダ３３の中を進退自在に配置されたピストン３４を有し、そのピストン３４に弁体１８が設けられている。この弁体１８が着座する弁座は、ボディ１１と一体に形成され、シリンダ３３と同心の弁孔を有している。弁体１８が弁座に着座したときにピストン３４とシリンダ３３の底部との間に形成される空間は、ポートＴ１に連通され、シリンダ３３のピストン３４によって仕切られたポートＴ１に連通する空間とは逆に位置する空間は、調圧室３５を形成している。この調圧室３５には、ピストン３４を弁孔の方へ付勢するスプリング３６が配置されている。ピストン３４には、パイロット弁３２よりも十分に小さな開口面積を有する貫通孔３７が穿設され、ポートＴ１に導入された高圧の冷媒が調圧室３５の中に漏れることができるようにしている。

調圧室３５とパイロット弁３２との間には、オン・オフ動作の電磁弁２２が配置されている。この電磁弁２２は、通電されていないときには、遮断され、通電されているときには、調圧室３５とパイロット弁３２とを連通させる。

パイロット弁３２は、パワーエレメント２１によって駆動されるシャフト１９と一体に弁体が形成され、弁孔は、ポートＴ２に連通する空間に開口されている。
以上の構成の膨張装置３０によれば、冷房運転のとき、図５に示したように、電磁弁２２が非通電状態にされ、調圧室３５とパイロット弁３２との間は、遮断状態にある。このとき、調圧室３５は、閉じた空間になっており、貫通孔３７を介してポートＴ１に連通されている。このため、調圧室３５は、ポートＴ１の高圧圧力に等しい圧力になっており、一方、ポートＴ２は、低圧圧力になっているので、これらの差圧によって主弁３１は閉じている。これにより、膨張装置３０は、小口径制御弁１２のみによって機能し、普通の温度式膨張弁として働く。

この冷房運転のとき、エバポレータ８を出た冷媒の過熱度ＳＨが大きくなると、パワーエレメント２１は、シャフト１９を介して小口径制御弁１２を開弁する方向に駆動する。これにより、エバポレータ８に供給する冷媒の流量が増え、過熱度ＳＨは小さくなる。逆に、過熱度ＳＨが小さくなると、小口径制御弁１２は、閉弁方向に駆動され、エバポレータ８への流量が減少し、過熱度ＳＨが大きくなる。このようにして、膨張装置３０は、エバポレータ８から導出された冷媒の過熱度ＳＨが一定になるように制御する。

次に、除湿暖房運転のときは、図６に示したように、電磁弁２２が通電状態になって、調圧室３５とパイロット弁３２とは連通状態になる。この場合、調圧室３５の圧力は、中の冷媒が貫通孔３７を介して流入される量よりもパイロット弁３２を介して低圧のポートＴ２に流出する量が多いので、ポートＴ２の圧力に近くなる。このため、主弁３１のピストン３４は、ポートＴ１の高圧によりスプリング３６の付勢力に抗してリフトされ、大流量の冷媒が、この大口径制御弁を流れ、ここで断熱膨張されることになる。

この状態で、過熱度ＳＨが大きくなると、パワーエレメント２１は、シャフト１９を駆動してパイロット弁３２を閉弁方向に動かす。これにより、調圧室３５の圧力が上がるので、主弁３１は、その閉弁方向に動き、ポートＴ１の圧力（ｅ点）が上がり、外部熱交換器５において冷媒の蒸発する量が減り、その代わり、エバポレータ８での蒸発量が増える。エバポレータ８での蒸発量が増えることによって、過熱度ＳＨは小さくなる。逆に、過熱度ＳＨが小さくなると、パイロット弁３２が開き、調圧室３５の圧力が下がって、主弁３１は、その開弁方向に動き、ポートＴ１の圧力（ｅ点）が下がる。これにより、外部熱交換器５において冷媒の蒸発する量が増え、エバポレータ８での蒸発量が減るので、過熱度ＳＨは大きくなる。このようにして、膨張装置３０は、エバポレータ８から導出される冷媒の過熱度ＳＨが一定になるように制御し、エバポレータ８での適度な蒸発量を確保している。

図７は第３の実施の形態に係る膨張装置の冷房運転開始時の状態を示す中央縦断面図、図８は第３の実施の形態に係る膨張装置の冷房運転時の状態を示す中央縦断面図、図９は第３の実施の形態に係る膨張装置の除湿暖房運転時の状態を示す中央縦断面図である。なお、この図７ないし図９において、図５および図６に示した構成要素と同じまたは均等の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適宜省略する。

この第３の実施の形態に係る膨張装置４０は、第２の実施の形態に係る膨張装置３０よりも省電力化したものである。すなわち、第２の実施の形態に係る膨張装置３０では、運転モードが冷房運転のとき、電磁弁２２は通電状態のままであるのに対し、第３の実施の形態に係る膨張装置４０は、運転モードが冷房運転に移るときだけ、電磁弁２２を通電状態にすることにしている。

このため、この第３の実施の形態に係る膨張装置４０では、大口径制御弁を過熱度制御に切り換える手段として電磁弁２２ａを使用している。この電磁弁２２ａは、電磁弁２２と比較して可動鉄芯２５と固定鉄芯２６との配置が逆になっており、弁体２４は、固定鉄芯２６に軸方向に貫通して進退自在に支持された弁体支持部４１に担持され、かつスプリング４２にて開弁方向に付勢されている。スプリング４２は、ポートＴ１の圧力とポートＴ２の圧力との差圧が所定値よりも小さくなると、弁体２４をリフトさせる荷重に設定されている。

以上の構成の膨張装置４０を使ってシステムが冷房運転に入るとき、図１のシステムでは、制御弁３が開弁され、三方弁６が外部熱交換器５と膨張装置１０とを接続するよう切り換えられ、外部熱交換器５は、冷凍サイクルのコンデンサとして機能する。制御弁３が開弁されると同時に電磁弁２２ａは、通電状態にされる。これにより、電磁弁２２ａでは、図７に示したように、可動鉄芯２５が固定鉄芯２６に吸引され、これによって弁体支持部４１を押して弁体２４を弁座２３に着座させる。電磁弁２２ａが閉弁したことにより、調圧室３５は、ポートＴ１の高圧圧力に等しい圧力になる。これにより、大口径制御弁の主弁３１は、ポートＴ１の高圧圧力とポートＴ２の低圧圧力との差圧によって閉じられ、膨張装置４０は、小口径制御弁１２のみによる普通の温度式膨張弁として機能を開始することになる。

その後、この図７の状態で、電磁弁２２ａは、非通電状態にされる。これにより、電磁弁２２ａは、図８に示したように、可動鉄芯２５がスプリング２８によって固定鉄芯２６から離され、可動鉄芯２５による弁体支持部４１の閉弁方向への付勢力が消失する。このとき、電磁弁２２ａは、その弁体２４の上流側がポートＴ１の高圧圧力に等しい圧力になっており、下流側がパイロット弁３２を介してポートＴ２の低圧圧力に等しい圧力になっているので、この閉弁状態が維持されていることになる。つまり、この電磁弁２２ａは、運転モードが冷房運転に移るとき、まず、通電状態にされ、それから所定時間後、通電状態を解除しても、大口径制御弁が開くことはなく、その閉弁状態を維持することができる。この冷房運転のほとんどの期間において、電磁弁２２ａが通電されていないので、電磁弁２２ａによる電力消費を抑制することができる。

ここで、冷房運転のとき、この膨張装置４０は、エバポレータ８を出た冷媒の過熱度ＳＨが大きくなると、パワーエレメント２１がシャフト１９を介して小口径制御弁１２を開弁する方向に駆動する。これにより、エバポレータ８に供給する冷媒の流量が増え、過熱度ＳＨは小さくなる。逆に、エバポレータ８を出た冷媒の過熱度ＳＨが小さくなると、小口径制御弁１２は、閉弁方向に駆動され、エバポレータ８への流量が減少し、過熱度ＳＨが大きくなる。このようにして、膨張装置４０は、エバポレータ８から導出された冷媒の過熱度ＳＨが一定になるように制御する。

また、除湿暖房運転のときは、エバポレータ８を出た冷媒の過熱度ＳＨが大きくなると、パワーエレメント２１は、シャフト１９を駆動してパイロット弁３２を閉弁方向に動かす。これにより、調圧室３５の圧力が上がるので、主弁３１は、その閉弁方向に動き、ポートＴ１の圧力（ｅ点）が上がり、外部熱交換器５における冷媒の蒸発量が減り、エバポレータ８での蒸発量が増える。エバポレータ８での蒸発量が増えると、過熱度ＳＨは小さくなる。逆に、過熱度ＳＨが小さくなると、パイロット弁３２が開き、調圧室３５の圧力が下がって、主弁３１は、その開弁方向に動き、ポートＴ１の圧力（ｅ点）が下がる。これにより、外部熱交換器５における冷媒の蒸発量が増え、エバポレータ８での蒸発量が減るので、過熱度ＳＨは大きくなる。このようにして、膨張装置４０は、エバポレータ８から導出される冷媒の過熱度ＳＨが一定になるように制御し、エバポレータ８での適度な蒸発量を確保している。

図１０は第４の実施の形態に係る膨張装置のエバポレータ休止運転時の状態を示す中央縦断面図、図１１は第４の実施の形態に係る膨張装置の冷房運転時の状態を示す中央縦断面図、図１２は第４の実施の形態に係る膨張装置の除湿暖房運転時の状態を示す中央縦断面図である。なお、この図１１ないし図１２において、図５および図６に示した構成要素と同じまたは均等の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適宜省略する。

この第４の実施の形態に係る膨張装置５０は、第１ないし第３の実施の形態に係る膨張装置１０，３０，４０よりもさらに省電力化している。つまり、第３の実施の形態に係る膨張装置４０が大口径制御弁を機能停止（冷房運転）または機能停止解除（除湿暖房運転）にモード切り換えをするのに電磁弁２２ａを使用していたが、膨張装置５０では、電磁弁に因らずに切り換えをしている。具体的には、電磁弁２２ａにて差圧で動く弁体２４の代わりに、膨張装置５０では、差圧弁５１を用いている。

すなわち、この膨張装置５０は、大口径制御弁の調圧室３５とパイロット弁３２との間に差圧弁５１を配置している。差圧弁５１は、膨張装置５０のボディ１１にシリンダ５２が形成され、そのシリンダ５２の中に軸線方向に進退自在に遊嵌されたピストン５３が配置されている。シリンダ５２の底部には、パイロット弁３２に連通する弁孔が設けられ、ピストン５３には、その弁孔を開閉する弁体が設けられている。ピストン５３は、弁孔から離れる方向にスプリング５４によって付勢されている。このため、差圧弁５１は、その上流側の圧力（調圧室３５の圧力）と下流側の圧力（ポートＴ２の圧力）とに差圧がない場合には、スプリング５４の付勢力によって開弁され、その付勢力を超えて差圧が生じた場合には、閉弁される。

以上の構成の膨張装置５０は、システムが運転停止しているとき、または、図１に示す三方弁６が外部熱交換器５とアキュムレータ９との間を連通するように切り換えてシステムが暖房運転しているとき、図１０に示す状態になる。すなわち、運転停止のときは、冷凍サイクル内に差圧がなく、暖房運転のときは、エバポレータ８が三方弁６によって冷凍サイクルから切り離されてエバポレータ休止運転状態にあるので、膨張装置５０の中には差圧がない。このため、エバポレータ休止運転状態にあるときには、大口径制御弁の主弁３１は、スプリング３６により付勢されて閉弁され、差圧弁５１は、スプリング５４により付勢されて開弁されている。

ここで、システムを冷房運転で起動する場合またはエバポレータ休止運転状態から冷房運転に切り換える場合について説明する。冷房運転は、図１のシステムにて制御弁３が開弁され、三方弁６が外部熱交換器５とこの膨張装置５０とを接続するよう切り換えられ、コンプレッサ１が回転することによって開始される。冷房運転を開始しようとする場合、通常は、車室内の温度は高いので、パワーエレメント２１は、その高い温度を感知しているので、小口径制御弁１２は開き、大口径制御弁のパイロット弁３２は概ね閉じた状態にある。

コンプレッサ１が回転を開始すると、膨張装置５０のポートＴ１の圧力が高くなり、ポートＴ４の圧力が低くなるので、図１１に示したように、大口径制御弁は閉じた状態のままである。すなわち、コンプレッサ１の回転開始直後は、ポートＴ１から貫通孔３７、調圧室３５、差圧弁５１およびパイロット弁３２を介してポートＴ２に冷媒が流れる経路では、パイロット弁３２が閉じているので、大口径制御弁の主弁３１は、その閉弁状態を維持する。このとき、パイロット弁３２が閉じていない場合、差圧弁５１がその前後の差圧により閉弁するので、同じく大口径制御弁の主弁３１は、その閉弁状態を維持することになる。パイロット弁３２が閉じている場合でも、小口径制御弁１２およびパワーエレメント２１が通常の温度式膨張弁として働いているので、やがて小口径制御弁１２が流量制御を開始すると、それに連動してパイロット弁３２が開き、差圧弁５１が閉弁することになる。

冷房運転から除湿暖房運転に運転モードの切り換えをしたときには、図１２に示したように、大口径制御弁による過熱度制御が行われる。除湿暖房運転では、制御弁３が閉弁されてオリフィス４が膨張装置として機能し、外部熱交換器５がエバポレータとして機能する。このとき、オリフィス４が高圧の冷媒を減圧するので、膨張装置５０では、そのポートＴ１に導入される冷媒の圧力が急激に低下する。これにより、まず、差圧弁５１がスプリング５４によって開弁され、調圧室３５の冷媒が差圧弁５１およびパイロット弁３２を介してポートＴ２に流れるので、主弁３１の前後差圧がなくなる。したがって、主弁３１は、ポートＴ１に導入される冷媒の圧力によりスプリング３６の付勢力に抗して開弁される。その後、膨張装置５０は、パワーエレメント２１が検出するエバポレータ８出口の冷媒の過熱度に応じて大口径制御弁の絞り制御が行われる。

この膨張装置５０は、冷房運転から除湿暖房運転への運転モードの切換を行うことはできるが、ソレノイドのようなアクチュエータを備えていないので、その逆の運転モードの切り換えを行うことができない。しかし、この除湿暖房運転から冷房運転への運転モードの切り換えのときに、一度、暖房運転への運転モードの切換を行うことによって可能になる。すなわち、除湿を行わない暖房運転は、三方弁６を切り換えて外部熱交換器５からの冷媒を直接アキュムレータ９に供給する構成になる。これにより、主弁３１の前後差圧がなくなって主弁３１が閉弁する。この暖房運転は、図１０に示したエバポレータ休止運転とまったく同じ構成となる。このように、除湿暖房運転から冷房運転へ運転モードの切り換えは、一度、運転モードを暖房運転に切り換えることによって可能になる。

１ コンプレッサ
２ 内部コンデンサ
３ 制御弁
４ オリフィス
５ 外部熱交換器
６ 三方弁
７ 膨張装置
８ エバポレータ
９ アキュムレータ
１０ 膨張装置
１１ ボディ
１２ 小口径制御弁
１３ 大口径制御弁
１４ 弁座
１５ 弁体
１６ 圧縮コイルスプリング
１７ 弁座
１８ 弁体
１９ シャフト
１９ａ 延出部
１９ｂ 支持部
２０ Ｏリング
２１ パワーエレメント
２２ 電磁弁
２２ａ 電磁弁
２３ 弁座
２４ 弁体
２５ 可動鉄芯
２６ 固定鉄芯
２７ コイル
２８ スプリング
３０ 膨張装置
３１ 主弁
３２ パイロット弁
３３ シリンダ
３４ ピストン
３５ 調圧室
３６ スプリング
３７ 貫通孔
４０ 膨張装置
４１ 弁体支持部
４２ スプリング
５０ 膨張装置
５１ 差圧弁
５２ シリンダ
５３ ピストン
５４ スプリング

Claims (6)

1. エバポレータ出口の冷媒の過熱度を検出して前記エバポレータに供給する冷媒の流量を制御する膨張装置において、
   前記過熱度が大きくなるに従って前記エバポレータに供給する冷媒の流量を増やすように制御する小口径制御弁と、
   前記小口径制御弁に並列に接続され、前記過熱度が大きくなるに従って前記エバポレータに供給する冷媒の通路を絞るように制御する大口径制御弁と、
   を備えていることを特徴とする膨張装置。
2. 前記大口径制御弁は、前記過熱度による前記小口径制御弁の制御に連動してパイロット弁が動作することにより主弁を開閉させるパイロット作動弁であることを特徴とする請求項１記載の膨張装置。
3. 前記主弁の調圧室と前記パイロット弁との間に配置されて、前記大口径制御弁を制御状態にするかどうかの切り換えを行う電磁弁を備えていることを特徴とする請求項２記載の膨張装置。
4. 前記電磁弁は、非通電時に閉弁し、通電時に開弁して前記調圧室と前記パイロット弁との間の冷媒通路を連通させることを特徴とする請求項３記載の膨張装置。
5. 前記電磁弁は、通電時に閉弁し、非通電時に開弁して前記調圧室と前記パイロット弁との間の冷媒通路を連通させるとともに、通電による閉弁後の非通電時には前記調圧室の圧力と前記パイロット弁側の圧力との差圧によって閉弁が維持されることを特徴とする請求項３記載の膨張装置。
6. 前記主弁の調圧室と前記パイロット弁との間に配置されて、前記大口径制御弁を制御状態にするかどうかの切り換えを行う差圧弁を備えていることを特徴とする請求項２記載の膨張装置。

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