JPH10238901A - 冷媒膨張装置 - Google Patents

冷媒膨張装置

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JPH10238901A
JPH10238901A JP17076397A JP17076397A JPH10238901A JP H10238901 A JPH10238901 A JP H10238901A JP 17076397 A JP17076397 A JP 17076397A JP 17076397 A JP17076397 A JP 17076397A JP H10238901 A JPH10238901 A JP H10238901A
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refrigerant
pressure
flow path
expansion device
housing
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JP17076397A
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Jong-Youb Kim
鍾▲ヨブ▼ 金
泳▲ダウン▼ ▲バエ▼
Young-Dawn Bae
Eun-Chang Choi
殷暢 崔
Yong-Chan Kim
容贊 金
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Samsung Electronics Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 減圧膨張される冷媒の量を一層効率よく調節
できる冷凍サイクルの冷媒膨張装置を提供する。 【解決手段】 ハウジング41と、ハウジング41の内
部を貫通して形成された流路と、流路を通過する流体を
膨張させるための膨張手段410を含む。そして、減圧
流路410を通過する流体の圧力により流体の一部を低
圧側に案内して減圧流路410内の流量を調節する流量
調節手段400を備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は冷媒膨張装置に係
り、特に高圧側から低圧側に流れる冷媒の膨張と該冷媒
の流量を調節できるようにする冷凍サイクルの冷媒膨張
装置に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、冷凍サイクルは圧縮器、蒸発
器、凝縮器及び冷媒膨張装置を備える。圧縮器は低圧の
冷媒を高圧で圧縮して凝縮器に吐き出し、凝縮器は圧縮
された冷媒を疑縮する。そして、冷媒膨張装置は凝縮器
から吐き出された冷媒を低圧に膨張させ、次いで蒸発器
は低圧の冷媒を調和空間と熱交換させる。ここで、さら
に発展した構成として、冷房機能と暖房機能を選択的に
行える冷凍サイクルがある。この冷暖房機能を行う冷凍
サイクルは圧縮器から吐き出された冷媒を室外側の熱交
換器や室内側の熱交換器に選択的に流入させる四方弁を
備えて冷凍サイクルの機能をさらに多様に行えるように
したものである。そして、この冷凍サイクルにおいて圧
縮器の回転周波数を調節して冷媒の吐出流量を可変させ
うる。
【0003】以上のような冷凍サイクルにおいて冷媒膨
張装置は極めて大事な没割を果たす。冷媒膨張装置は凝
縮器から流入された冷媒を減圧膨張させる機能と共に、
液状の冷媒が圧縮器に流入されることを防ぎ、かつ蒸発
器から過多な温度に蒸発された冷媒が圧縮器に流入され
ることを防ぐ機能をも行う。そして、冷房能力を可変さ
せうる冷凍サイクルにおいては凝縮器から流入される冷
媒の吐出流量を調節して膨張させる役割を果たす。
【0004】このような冷媒膨張装置において最も一般
的なものは、電磁膨張弁、毛細管、そしてオリフィス装
置などが用いられている。ここで、電磁膨張弁は蒸発器
に残された冷媒の温度を感知して蒸発器に流入される冷
媒の流量を調節したもので、電磁膨張弁の作用は弁の胴
体の内部に備えられたニードル弁の可変流路でなされ、
冷媒の膨張と冷媒量の調節に優れた効果を奏でる。しか
し、電磁膨張弁は高価であり、構造が極めて複雑であ
る。また、感知距離が遠過ぎれば、正確な感知に差し支
えがある。
【0005】そして、一般的に使われる毛細管は低価で
製作が容易であるものの、小直径の約1m長さの管とし
て備えられるので長過ぎ、冷凍サイクルに適宜に設置し
難い。そして、圧縮器周波数の可変動作で吐き出される
冷媒量を円滑に調節できないので、冷凍サイクルの冷房
能力を制御するには限界がある。また、流入された冷媒
が毛細管の出口でほぼ音速で加速され吐き出されるの
で、これ以上の加速が起こらなくて高い圧力で流入され
た冷媒の流量が毛細管の出口で限界に至る。
【0006】これをさらに詳しく説明すれば、圧縮器の
回転数が上昇することにより圧縮器で圧縮され吐き出さ
れた冷媒の量は増加するが、毛細管を通して減圧膨張さ
れ蒸発器に吐き出される冷媒の量は増加しなくなるが、
この際、毛細管を通して膨張吐き出されなかった冷媒は
凝縮器の出口側に積もり、よって蒸発器における冷媒の
量が足りなくて冷凍サイクルの冷房能力及び冷房電気効
率が劣化する。そして、圧縮器の回転数が低い場合は圧
縮器から吐き出される冷媒の量は少なくなるが、毛細管
では冷媒の量を適宜に減らせなくて蒸発器で必要とする
冷媒の量より多量の冷媒が積もって冷凍サイクルの冷房
能力と冷房電気効率が劣化する。このため、一層安くて
構造も簡単な冷媒膨張装置を開発するに努力を注いでい
る。
【0007】この努力のうち、1992年8月4日にア
メリカで特許許与された(5、134、860号)「熱
ポンプの暖房モードのための柔軟なオリフィスを有する
可変面積冷媒膨張装置」は流路を形成するケースの内部
に冷媒を膨張させるオリフィス流路を有する膨張室を形
成し、この膨張室の暖房時冷媒流入側には冷媒吸入口が
形成され、冷房時冷媒流入側にはチェック弁が設けられ
冷房時には冷媒が膨張室に流入されないよう備えられて
いる。このオリフィス流路は柔軟な弾性材質で備えられ
流入される冷媒の圧力により拡張または収縮して冷媒の
吐出し流量を制御でき、暖房時には冷媒が冷媒吸入口を
通して吸入されチェック弁が開放されるので、冷媒は膨
張されず膨張装置を通過する。この冷媒膨張装置をそれ
ぞれ応ずる方向に冷凍サイクルの室内側熱交換器と室外
側交換機との間に設けることにより冷凍サイクルの暖房
機能と冷房機能、そして冷媒量調節機能を同時に行え、
場合によって暖房機能に、または冷暖房の両方に適用可
能になっている。
【0008】しかし、この冷媒膨張装置は高温に耐えな
がら膨張と収縮自在な弾性材質よりなったオリフィス管
を必要とすることにより、その耐久性に問題が生じ、か
つ別のチェック弁を備えるべきなのでその製作と組立が
極めて複雑であり、よって製作費用も毛細管に比べて高
価である。そして、流入される冷媒の流圧が高ければオ
リフィス管が膨張して冷媒の吐出流量を増やせるもの
の、相対的にオリフィスが膨張することにより冷媒の膨
張効率は劣化する問題点が生ずる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は前述
した事情に鑑みて案出されたもので、その目的は冷凍サ
イクルにおいて高圧側から流入された冷媒を減圧膨張さ
せると共に流入された冷媒の圧力大きさにより吐き出さ
れる冷媒の量を調節させる冷媒膨張装置を提供すること
である。
【0010】本発明の他の目的は、一側方向へは冷媒を
減圧膨張させると共に冷媒量も調節させ、他側方向へは
減圧膨張無しに冷媒を流通させる冷媒膨張装置を提供す
ることである。本発明のさらに他の目的は、その製造コ
ストが安価であり構造と耐久性が向上され、かつ冷凍サ
イクル内における作動を円滑で安全に行わせる冷媒膨張
装置を提供する。
【0011】
【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ために本発明による冷媒膨張装置は、ハウジングと、ハ
ウジングの内部を貫通して形成された流路と、流路を通
過する流体を膨張させるための膨張手段を含む。そし
て、減圧流路を通過する流体の圧力により流体の一部を
低圧側に案内して減圧流路内の流量を調節する流量調節
手段を備える。この流量調節手段は一端が減圧流路と連
通され、他端が流路の低圧側と連通された調節流路を含
み、調節流路の一端は減圧流路の内部圧力が最大の箇所
に位置する。そして、減圧流路の断面積は入口から出口
に行くほど小さくなるようになっている。ハウジングは
膨張手段がハウジング内部で流動自在に膨張手段の一側
と他側を保持する保持手段を備え、一側の保持手段によ
り開閉され流入された冷媒が流入時の圧力状態を保ちな
がらハウジングを通過できるようする圧力維持流路を備
える。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、添付した図面に基づき本発
明の望ましい一実施の形態を詳細に説明する。図1に示
したように、本発明による冷媒膨張装置を備えた冷凍サ
イクルは基本的に圧縮器10、室内側熱交換器30、室
外側熱交換器20、そして四方弁60と室内側冷媒膨張
装置50と室外側冷媒膨張装置40が設けられる。冷房
運転時を基準として圧縮機10は低圧の冷媒を高圧で圧
縮して室外側熱交換器20に吐き出し、室外側熱交換器
20は圧縮機10により圧縮された冷媒を室外で送風フ
ァン70による強制送風にて外部の空気と熱交換するよ
う設けられる。そして、室外側熱交換器20から吐き出
される冷媒は室外側冷媒膨張装置40を通過し続けなが
ら低圧の飽和状態の冷媒に膨張される。この冷媒は室内
側熱交換器30を経ながら送風ファン80により室内の
空気と熱交換しつつ状態変化してから圧縮機10に流入
されることにより再循環される。そして、四方弁60に
より冷媒を逆循環させ暖房機能や除霜機能を行えるよう
なっており、かつ圧縮機10の回転数を調節して冷媒の
流動量を調節できるように備えられる。そして、それぞ
れの冷媒膨張装置40、50が室内側熱交換器30と室
外側熱交換器20との間に相応する方向に設けられる
が、このそれぞれの冷媒膨張装置40、50は冷凍サイ
クルの暖房運転と冷房運転時に室内側熱交換器30また
は室外側熱交換器20から吐き出される冷媒を減圧膨張
させるために備えられる。
【0013】以下、冷房運転時室外側熱交換器20から
吐き出された高圧の冷媒を膨張させる室外側冷媒膨張装
置40を主として説明する。図2に示したように、室外
側冷媒膨張装置40は入口部42と出口部43がそれぞ
れ備えられ、その内部に流路が形成されているハウジン
グ41を備える。ハウジング41は両側端部にネジ山4
7、48が形成されており、このそれぞれのネジ山4
7、48には冷媒管80が結合される。そして、ハウジ
ング41の内部には減圧流路410、冷媒量調節流路4
20、そして圧力維持流路430の形成された調節ピス
トン400が設けられる。
【0014】調節ピストン400は図3に示したよう
に、板状の菱形よりなる頭部440と該頭部440から
延長されている脚部450よりなっている。減圧流路4
10はハウジング41の流路についてスロットル状態よ
りなるよう調節ピストン400の頭部440と脚部45
0の内部を貫通して形成されており、調節ピストン40
0の脚部450には減圧流路410の流路上で内部圧力
が最大の部分に調節流路420が形成される。この調節
流路420は減圧流路410について垂直延長されてい
る入口は減圧流路410と連通され、出口は冷媒膨張時
低圧側に開口されている。そして、減圧流路410は入
口側φ1が最大断面積を有して出口側φ2が最小断面積を
有するよう、断面積が入口側から出口側に行くほど小さ
く形成される(φ1>φ2)。
【0015】一方、ハウジング41の入口部42、すな
わち冷媒膨張装置40が冷房運転を行う際の冷媒入口部
42には調節ピストン400の頭部440を保持するよ
うハウジング41の内側に一部挟まれた保持管44が備
えられる。該保持管44の挿入端部は調節ピストン40
0の頭部440を保持する。そしてハウジング41の中
間部には調節ピストン400の頭部440の出口側を保
持するためにハウジング41の内周面から内向きに延長
された保持顎45が形成され、これにより形成されるス
ロットルホール46に調節ピストン400の脚部450
が余裕空間を確保し貫着される。そして、保持管44と
保持顎45との間に調節ピストン400の頭部440が
置かれ、また保持管44と保持顎45との距離は頭部4
40の厚さより大きく形成される。これにより、調節ピ
ストン400の頭部440は流入される冷媒の流入方向
により左右流動自在になる。そして、ハウジング41の
内周面と調節ピストン400の頭部440の横面との間
には調節ピストン400の頭部440が菱形より備える
ことにより頭部440の横面中の頂点部がハウジング4
1の内側面と接して調節ピストン400が保持され、頭
部440の各辺とハウジング41の間には離隔空間が形
成される。この離隔空間は調節ピストン400が冷媒を
膨張させる作動を行う時は閉鎖される反面、冷媒膨張作
動を行わない時、すなわち冷媒が逆流される時は開放さ
せる圧力維持流路430としての役割を果たす。このた
め、冷媒膨張時は圧力維持流路430が閉まるよう出口
側の保持顎45は圧力維持流路430の直径より小さく
形成され、入口側の保持管44はただ調節ピストン40
0の頭部440が係止するように圧力維持流路430の
幅より小さく形成される。
【0016】以上のように構成された本発明による冷媒
膨張装置40を備えた冷凍サイクルは冷房運転時に圧縮
機10で圧縮された冷媒は室外側熱交換器20に流入さ
れ、外部空気と熱交換しつつ凝縮され、室外側熱交換器
20で凝縮され吐き出された冷媒は先に室外側に存する
冷媒膨張装置40のハウジング41に流入される。室外
側冷媒膨張装置40に流入された冷媒は調節ピストン4
00の頭部440を押して調節ピストン400の頭部4
40を保持顎45により保持させると共に、調節ピスト
ン400でスロットル状態の流路の減圧流路410に流
入させる。これにより発生するハウジング41の入口部
42と出口部43の圧力差により減圧流路410を貫通
して出口部43に吐き出される冷媒は減圧膨張される。
また、減圧流路410に流入された冷媒中の一部は調節
流路420に流入され、該調節流路420で一部減圧が
なされハウジング41の出口部43に吐き出される。
【0017】一方、この作動において圧縮機10の回転
数を可変させれば、冷媒の流動量の可変により冷房能力
も可変されるが、まず圧縮機10の回転数が高くなった
時室外側冷媒膨張装置40に流入される冷媒の圧力は流
入された冷媒の量が増えることによりさらに大きくな
り、減圧され吐き出される冷媒の量は減圧流路410を
通して一部増えるが、その吐出量は調節流路420によ
りさらに増える。これは減圧流路410の入口における
冷媒の圧力が増えることにより減圧流路410の内部の
圧力が大きくなり、よって減圧流路410の側方向に形
成された調節流路420の入口における圧力が大きくな
る。調節流路420の入口における圧力が大きくなれ
ば、調節流路420から吐き出される冷媒の量も共に増
えて全体冷媒膨張装置40を通して吐き出される冷媒量
はさらに増える。
【0018】そして、室外側冷媒膨張装置40から減圧
され吐き出された冷媒は室内側冷媒膨張装置50に流入
されるが、図4に示したように、室内側冷媒膨張装置5
0は室外側冷媒膨張装置40と応ずる方向に調節ピスト
ン500が設けられる。室内側冷媒膨張装置50におい
てハウジング51の入口部52に流入された冷媒は保持
顎55のスロットルホール56に設けられた調節ピスト
ン500の脚部550から先に流入され調節ピストン5
00を押し、かつ調節ピストン500とハウジング50
との間に形成された圧力維持流路(図示せず)を開放さ
せ、よって冷媒は圧力維持流路(図示せず)に流通され
ハウジング51の出口部53を通して吐き出される。こ
の際の調節ピストン500は冷媒膨張装置50に結合さ
れた保持管54により保持される。このように圧力維持
流路(図示せず)の開放により、これを通して冷媒が流
通されれば、冷媒が通過される流路のサイズは図2の室
外側冷媒装置40から吐き出された時の流路のサイズと
室内側冷媒膨張装置50の減圧流路510、そして圧力
維持流路(図示せず)の開放により調節ピストン500
を通過する流路のサイズがほぼ類似になされることによ
り冷媒はこれ以上の減圧無しに室内側熱交換器30に流
入され、室内側熱交換器30に流入された冷媒は室内の
空気と熱交換される。
【0019】一方、四方弁60が反転作動されれば、圧
縮機10から吐き出される冷媒の循環方向は逆になって
暖房運転または除霜運転を行う。この際、圧縮機10か
ら吐き出される高温高圧の冷媒はまず室内側熱交換器3
0に流入され、室内側熱交換器30に流入された冷媒は
室内側の空気と熱交換されつつ室内側に暖かい空気を供
し、熱交換後室内側熱交換器30から吐き出される冷媒
は室内側冷媒膨張装置50に流入される。そして、冷媒
の循環が前述した冷房運転時と逆になされることによ
り、室内側冷媒膨張装置50で冷媒の減圧膨張がなされ
る。この作動は冷房運転時、室外側冷媒膨張装置40の
作動と同様なので、前述した内容に基づく。
【0020】そして、引き続き室内側冷媒膨張装置50
から吐き出された冷媒は室外側冷媒膨張装置40に流入
されこれ以上の減圧無しに冷媒が吐き出される。そし
て、室外側冷媒膨張装置40から吐き出された冷媒は室
外側熱交換器20に流入され、冷媒は室外空気と熱交換
してから圧縮機10に流入されることにより冷凍サイク
ルを循環し続ける。
【0021】以下、本発明による冷媒膨張装置の作動に
よる実験データを図面に基づき説明する。まず、図5は
本発明による冷媒膨張装置における流体の圧力を示した
実験グラフである。示したように、本実験では減圧流路
の長さを12.83mmにし、その直径は1.33mm
にし、冷媒はHCFC−22を使用した。そして、流入
される冷媒の圧力はAでは、2000kPaと、Bで
は、1724kPaと、Cでは、1446kPaと、そ
れぞれ異なるように設定して実験し、それぞれの圧力に
よる冷媒の吐き出し流量は、それぞれ140kg/h、
130kg/h、そして121kg/hとなった。以上
のような実験における圧力減圧は減圧流路の出口で62
7kPaでなされ、冷房温度は13.9℃でなされた。
一方、減圧流路の内部における流路抵抗が最大の箇所の
圧力は減圧流路の入口で約6mmほどの区間で1350
kPaほどに現れたが、これにより調節流路の位置をこ
の区間に設けて減圧の効率と冷媒の減圧量を調節でき
る。
【0022】図6は本発明による冷媒膨張装置において
減圧流路の形状をテーパ状に形成して冷媒の吐出流量の
大小を測定して示したグラフである。ここで最も理想的
な減圧流路のサイズと調節流路の位置とサイズを定義し
うる。この実験の条件は三種の場合によりそれぞれ実験
したが、まずaの場合、減圧流路の入口直径(Din、φ
1)は1.38mm、出口直径(Dout、φ2)は0.9
1mm、減圧流路の入口から調節流路の入口までの距離
(LB)は7.94mm、調節流路の直径(DB)は
0.73mmにし、これによるテーパ角は0.87゜に
した。
【0023】そして、bの場合、減圧流路の入口直径
(Din、φ1)は1.44mm、出口直径(Dout
φ2)は0.93mm、減圧流路の入口から調節流路の
入口までの距離(LB)は7.9mm、調節流路の直径
(DB)は0.73mmにし、これによるテーパ角は
0.97゜にした。最後にcの場合、減圧流路の入口直
径(Din、φ1)は1.47mm、出口直径(Dout、φ
2)は0.92mm、減圧流路の入口から調節流路の入
口までの距離(LB)は7.85mm、調節流路の直径
(DB)は0.73mmにし、これによるテーパ角は
1.0゜にした。そして、圧縮機の周波数は30Hzか
ら80Hzまで増やし、測定は30Hz、60Hz、8
0Hzでそれぞれ測定した。
【0024】前述した実験のように冷媒の質量流量(マ
スフロレート)の周波数変化による増加幅は、各条件に
おいてそれぞれ13%、14%、36%と測定された。
これは調節流路の蒸発点と圧力回復点の位置のためであ
ると認められ、テーパ角が増加すれば流動が進行するに
つれ断面積が大幅に減少するので、圧力が回復される距
離が短くなって圧力回復点は減圧流路の前側に移動さ
れ、また蒸発点も前側に移動される。よって、テーパ角
を増加させた時、周波数の増加により調節流路入口の流
体の状態が2相や単相に変わったり、圧力差が大きくな
って流量の変化が大きくなったからだと考えられる。
【0025】図7は本発明による冷媒膨張装置のデータ
dと従来の毛細管のデータeで圧縮機の回転周波数によ
る冷媒吐出流量を比較して示したグラフであって、示し
たように圧縮機の周波数を30Hzから80Hzに可変
させるようなっている。30Hzでは毛細管の流量は7
6kg/hであり、本発明の冷媒膨張装置の減圧流路に
おける冷媒の流量は毛細管に比べて2.4%減少した7
5kg/hであり、80Hzでは毛細管の冷媒の流量は
103.5kg/hであり、本発明の冷媒膨張装置の冷
媒吐出流量は107kg/hであって3.4%増加され
た。
【0026】
【発明の効果】以上述べたように、本発明による冷媒膨
張装置は膨張され吐き出される冷媒の量を別の調節流炉
を通して可変させることができ、また減圧流路の流路形
状をテーパ状に形成して冷媒の可変幅をさらに拡大して
冷房能力調節をさらに容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施の形態として示した冷媒膨張
装置を備えた冷凍サイクルを概略的に示した図である。
【図2】 本発明の一実施の形態として示した室外側の
冷媒膨張装置の膨張作動時を示した断面図である。
【図3】 本発明の一実施の形態として示した室外側の
冷媒膨張装置に設けられた調節ピストンを示した斜視図
である。
【図4】 本発明の一実施の形態として示した室内側の
冷媒膨張装置の圧力維持作動時を示した図である。
【図5】 本発明の一実施の形態として示した冷媒膨張
装置に設けられた減圧流路の内部における内部圧力を測
定して示したグラフである。
【図6】 本発明の一実施の形態として示した冷媒膨張
装置に設けられた減圧流路のテーパ角の大きさによる冷
媒吐出流量を比較して示したグラフである。
【図7】 本発明の一実施の形態として示した冷媒膨張
装置と従来の毛細管の圧縮器回転周波数による冷媒吐出
流量を比較して示したグラフである。
【符号の説明】
10 圧縮器 20 室外側熱交換器 30 室内側熱交換器 40 室外側冷媒膨張装置 41 ハウジング 44 保持管 45 保持顎 47、48 ネジ山 50 室内側冷媒膨張装置 70 送風ファン 80 冷媒管 400、500 調節ピストン 410 減圧流路 420 調節流路 430 圧力維持流路 440 頭部 450 脚部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金 容贊 大韓民国ソウル市江北區番3洞(番地な し)住公アパート109洞604號

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ハウジングと、 前記ハウジングの内部を貫通して形成された流路と、 前記流路を通過する流体を膨張させるための膨張手段
    と、 前記膨張手段を通過する流体の圧力により流体の一部を
    前記流路の低圧側に案内して前記膨張手段内の流量を調
    節する流量調節手段を備えることを特徴とする冷凍サイ
    クルの冷媒膨張装置。
  2. 【請求項2】 前記膨張手段は減圧流路を備え、前記流
    量調節手段は一端が前記減圧流路と連通され、他端が前
    記流路の低圧側と連通された調節流路を含むことを特徴
    とする請求項1に記載の冷凍サイクルの冷媒膨張装置。
  3. 【請求項3】 前記調節流路の一端は前記減圧流路の内
    部圧力が最大の箇所に位置することを特徴とする請求項
    1に記載の冷凍サイクルの冷媒膨張装置。
  4. 【請求項4】 前記減圧流路の断面積は入口から出口に
    行くほど小さくなることを特徴とする請求項1に記載の
    冷凍サイクルの冷媒膨張装置。
  5. 【請求項5】 前記ハウジングは前記膨張手段が前記ハ
    ウジング内部で流動自在に前記膨張手段の両側を保持す
    る保持手段を備えることを特徴とする請求項1に記載の
    冷凍サイクルの冷媒膨張装置。
  6. 【請求項6】 前記ハウジングは流入された冷媒が流入
    時の圧力状態を保ちながら前記ハウジングを通過できる
    ようする圧力維持流路を備え、前記一側の保持手段は前
    記圧力維持流路の直径より小さく備えられ前記圧力維持
    流路を開閉できるようになることを特徴とする請求項5
    に記載の冷凍サイクルの冷媒膨張装置。
JP17076397A 1997-02-18 1997-06-26 冷媒膨張装置 Pending JPH10238901A (ja)

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