WO2003019089A1

WO2003019089A1 - Cycle de refrigeration

Info

Publication number: WO2003019089A1
Application number: PCT/JP2002/006722
Authority: WO
Inventors: Hajime Mukawa
Original assignee: Zexel Valeo Climate Control Corporation
Priority date: 2001-08-24
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2003-03-06
Also published as: JP2003065635A

Description

I 明細書冷凍サイクル技術分野

この発明は、車両用空調装置等に用いられる冷凍サイクルに関し、特に高圧制御弁及びリリーフ弁の構造に特徴を持つものに関する。背景技術

従来から空調装置等に使用される冷凍サイクルには、高圧ライン

(圧縮機出口から高圧制御弁入口までの区間）の冷媒の過度の圧力上昇による構成機器や配管の破損を防止するために、高圧ラインの圧力が設定圧力以上なつた時に開放し冷媒を低圧ラインへ逃がすリリーフ弁が設置されることが多い。特に、二酸化炭素等の超臨界状態となり得る冷媒を使用する場合に有効である。

このようなリリーフ弁を備える冷凍サイクルにおいては、起動時等に高圧 · 高流量の冷媒がサイクル内を流れると、閉止状態だったリリーフ弁（及び高圧制御弁）が開放する際に、この弁の開閉動作に伴う振動（自励振動）により、比較的大きな振動や騒音が発生するという問題があった。

上記問題に対処する発明として、例えば特開 2 0 0 1 — 1 2 8 2 4 号公報に開示されるものがある。この発明に係る制御弁は、圧力に応じて変動する圧力応動部材と、この圧力応動部材の変動によって軸方向に昇降駆動される弁体と、内部に前記弁体を摺動自在に支持する筒状の弁ホルダと、前記圧力応動部材によって前記弁体が軸方向に昇降駆動される際に、前記弁体に摺動抵抗を付与する摺動抵抗付与手段とを備えるものである。しかしながら、このような構成を実現するには摺動抵抗付与手段としての Oリング等の部材が別途必要となり、また長期の使用に伴う Oリングの劣化等により弁体の摺動抵抗が変化し、正確な圧力調整が困難になることが予想される。

また、低負荷時には、低圧ラインの圧力が低下するので、可変容量型の圧縮機を備える冷凍サイクルにおいては、冷媒吐出量が減少し、高圧ラインの圧力の上昇が緩慢になるので、高圧制御弁が作動する圧力に達するまで長時間閉じたままとなり、開いても直ぐに閉じるハンチングのような現象が起こることがある。この現象により、冷媒が低圧ラインへ供給されない時間が長くなり、低負荷時や起動時におけるサイクルの安定性が損なわれるという問題があった。

発明の開示

そこで、この発明は、弁の開閉時に発生する振動及び騒音を防止することができると共に、使用する全負荷領域において制御の安定性を向上させることができる冷凍サイクル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、この発明は、冷媒を圧送する圧縮機、前記圧縮機により圧縮された冷媒を放熱させる放熱器、高圧ラインの圧力を調整し冷媒を減圧して低圧ラインへ流出させる高圧制御弁、前記高圧制御弁により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器、高圧ラインが設定圧力以上になった時に冷媒を高圧ラインから低圧ラインへ逃がすリリーフ弁を備えて構成される冷凍サイクルであって、前記高圧制御弁及び前記リリーフ弁は、所定の最小開口面積を確保する全閉防止手段を備えるものである。

これによれば、高圧制御弁及びリリ一フ弁は所定の最小開口面積が確保され、常に完全な閉止状態にはならないので、従来の弁において閉止状態から開放状態へ移行する際に発生していた自励振動による振動及び騒音を防止することができる。また、高圧ラインから低圧ラインへの冷媒の流れが途絶えないので、高圧制御弁の受熱部は絶えず新たな冷媒と接触することになるので、高圧制御弁の作動（反応）性が従来よりも良くなり、制御に入るまでの時間が短縮され、速やかにサィクル安定への制御を行えるようになるものである。また、特に起動時における高圧ラインの急速な圧力上昇が緩和されるので、放熱器等の構成機器や配管にかかる負担が軽減されサイクル自体の寿命を延ばすことができる。

また、前記全閉防止手段により確保される高圧制御弁及びリリーフ弁の最小開口面積が小さ過ぎる場合には、漏れ冷媒量が少なくなるため、サイクルの安定性や寿命を向上させる効果が弱まるという不具合が生じ、また大き過ぎる場合には、冷媒が低圧ラインに過度に流れてしまうため、特に低負荷時には蒸発器が凍結するフロスト現象の発生を防止するためにクラツチがオンオフを繰り返すので、車両運転時のアクセルフィーリングに悪い影響を及ぼすという不具合が生じる。

したがって、前記全閉防止手段によつて確保される高圧制御弁の最小開口面積と前記リリーフ弁の最小開口面積との和は、所定の漏れ量を確保できる大きさであることが望ましい。さらに、発明者は、研究の結果、前記高圧制御弁の最小開口面積と前記リリーフ弁の最小開口面積との和が、内径 0 . 3〜 0 . 5 m mの配管の断面積に相当する大きさ、つまり約 0 . 0 7〜 0 . 2 0 m m ²の範囲内の大きさであることが好適であることを見出した。

また、前記高圧制御弁及び前記リリーフ弁は、高圧ラインと低圧ラインとを連通させる冷媒通路と、高圧ラインの圧力及び温度の少なくともどちらか一方に応じて変形する変形部材と、前記変形部材と連動し前記冷媒通路との相対的位置を変化させる弁体とを備え、前記全閉防止手段は、前記弁体が前記冷媒通路を完全に閉鎖する位置まで移動することを阻止するものであるとよレ、。

また、この発明は、前記冷媒として二酸化炭素を使用した場合において好適に利用することができる。二酸化炭素のように超臨界状態にして循環される冷媒を用いる冷凍サイクルにおいては、フロン系等の冷媒を用いる場合に比べて高圧ラインの圧力が高くなるため、構成機器や配管の負担を軽減させることが特に重要である。

また、この発明は、低圧ラインの圧力に応じて冷媒の吐出量を変化させる圧縮機を使用した場合において好適に利用することができる。このような可変容量型の圧縮機は、一般的に低圧ラインの圧力が低くなると吐出量を減少させるものである。

上記のような可変容量型の圧縮機を用いた従来の冷凍サイクルにおいては、上述したように、低負荷時における安定性に問題があつたが. 本発明によれば、高圧ラインから低圧ラインへの冷媒の流れが途絶えることがないので、低負荷時におけるサイクルの安定性を向上させることができる。図面の簡単な説明

図 1は、この発明の実施の形態に係る冷凍サイクルを示す図である ₍ 図 2は、この実施の形態に係る圧力制御装置（高圧制御弁及びリリーフ弁）の構造を示す図である。

図 3 ( a ) 及び（ b ) は、この実施の形態に係るスライド部材の構造を示す図である。

図 4 ( a ) は、高圧制御弁及びリリーフ弁の弁体の状態を示す拡大断面図であり、図 4 ( b ) は、図 4 ( a ) 中の A— A ' 及び B— B ' 断面を上面から見た拡大断面図である。

図 5は、従来型の冷凍サイクルにおける起動時の冷媒流量及び高圧制御弁入口の圧力の経時的変化を示すダラフである。

図 6は、この発明に係る冷凍サイクルにおける起動時の冷媒流量及び高圧制御弁入口の圧力の経時的変化を示すグラフである。発明を実施するための最良の形態

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図 1 に示すこの発明に係る冷凍サイクル 1 は、車両用空調装置等に用いられ、冷媒を圧送する圧縮機 2、圧縮された冷媒を外気等との熱交換により放熱させる放熱器 3、高圧ライン Hの冷媒と低圧ライン L の冷媒との間で熱交換させる内部熱交換器 4、高圧ライン Hの圧力を制御する圧力制御装置 5、圧力制御装置 5により減圧された冷媒を室内に吹き出される空気と熱交換させることにより蒸発させる蒸発器 6 . 蒸発器 6から流出した冷媒を気液分離して気相のみを圧縮機 2側に流出させるアキュムレータ 7を備えて構成されている。

前記高圧ライン Hは圧縮機 2出口から圧力制御装置 5入口までの区間であり、前記低圧ライン Lは圧力制御装置 5出口から圧縮機 2入口までの区間である。また、前記圧縮機 2は、低圧ライン Lの圧力に応じて冷媒吐出量を変化させるものであり、低圧ライン Lの圧力が低くなると吐出量を減少させる。尚、前記内部熱交換器 4及びアキュムレータ 7は、サイクルの性能を向上させるために有効なものであるが、仮にこれらが存在しなくても、本発明を構成することができる。

前記圧力制御装置 5は、高圧制御弁 1 0 とリリーフ弁 1 1 とからなり、高圧制御弁 1 0は、高圧ライン Hを流れる冷媒の温度に対して最適な高圧圧力を得られるように弁開度が調整され低圧ライン Lに減圧された冷媒を流出させる働きをするものであり、リリーフ弁 1 1 は、高圧ライン Hの圧力が設定圧力以上になった時に開放し高圧ライン H の冷媒を低圧ライン Lに逃がすことにより高圧ライン Hを構成する機器や配管の破損を防止する働きをするものである。

この実施の形態に係る冷凍サイクル 1 における圧力制御装置 5は、図 2に示すように、前記高圧制御弁 1 0 と前記リリーフ弁 1 1 とがモジュール化されて構成されている。前記高圧制御弁 1 0は、シェル 2 0內に画成された一方の内部空間 2 8 に配置され、ベローズ 2 2、スラィド部材 2 3、弁体 2 4、絞り通路 2 5、高圧連通路 2 6、低圧連通路 2 7を有して構成されている。前記一方の内部空間 2 8は、高圧連通路 2 6 を介して前記高圧ライン Hと、また絞り通路 2 5及び低圧連通路 2 7 を介して前記低圧ラインと、更に連通路 4 5を介して後述する他方の内部空間 4 3 と連通している。

ベローズ 2 2は、金属箔等により蛇腹状に形成された伸縮自在な部材であり、その中空状の内部には、冷媒である二酸化炭素等の気体が封入されている。スライド部材 2 3は、筒状の前記一方の内部空間 2 8 の内壁に沿って図中上下にスライド自在になされており、図 3 ( a ) ，（ b ) に示すように、その上面側から下面側へ貫通する複数 (この実施の形態においては 6つ）の通孔 3 0、及びその周縁部には下面側へ突き出したフランジ 3 1が形成されている。弁体 2 4は、前記べローズ 2 2 の伸縮に伴い前記スラィド部材 2 3 と共に上下に変位し、その下端部分が絞り通路 2 5に嵌り込める形状になっている。絞り通路 2 5は、前記内部空間 2 8 の低圧連通路 2 7 と連通する部分に略中央に向かってせり出すように形成されたせり出し部 3 3により所定の内径となるように形成されており、高圧ライン Hから低圧ライン Lへ流れる冷媒の体積を絞る作用を奏し、その開口面積は、前記弁体 2 4 との位置関係により変化し弁体 2 4が絞り通路 2 5に近付くほど小さくなる。

前記べ口ーズ 2 2は、その上端部がシェル 2 0の上面部に固定された固定部材 2 9に固定され、その下端部に前記スライド部材 2 3が固定されており、このスライド部材 2 3の下面側には、弁体 2 4の上端部が固定されている。ベローズ 2 2は、前記内部空間 2 8内に流入した高圧ライン Hの冷媒の圧力及び温度に応じて伸縮し、弁体 2 4を上下に移動させる。即ち、冷媒の圧力が高くなるとべローズ 2 2を縮める力が働き、冷媒の温度が高くなるとべローズ 2 2の内部に封入された気体の体積が膨張するためにべローズ 2 2 を伸ばす力が働く。これにより、高圧ライン Hの冷媒の圧力及び温度のバランスに応じて、ベローズ 2 2が伸縮し、弁体 2 4が上下に変位し、絞り通路 2 5の開口面積が変化する。

前記リリーフ弁 1 1 は、前記シェル 2 0内に画成された他方の内部空間 4 3に配置され、ベローズ 4 0、スライド部材 2 3、弁体 4 1、逃がし通路 4 2 を有して構成されている。他方の内部空間 4 3は、前記連通路 4 5を介して前記一方の内部空間 2 8 と連通していると共に前記逃がし通路 4 2を介して前記低圧連通路 2 7 と連通している。

このリリーフ弁 1 1 において、ベローズ 4 0は、金属箔等により蛇腹状に形成された伸縮自在な部材であり、その中空状の内部には、所定の気体が封入されている。スライド部材 2 3は、上記高圧制御弁 1 0 において用いられるスライド部材 2 3 と同様の構成を有している (図 3 ( a ) ， ( b ) 参照）。弁体 4 1 は、前記べローズ 4 0の伸縮に伴い前記スライド部材 2 3 と共に上下に変位し、その下端部分が逃がし通路 4 2に嵌り込める形状になっている。逃がし通路 4 2は、前記他方の内部空間 4 3の低圧連通路 2 7 と連通する部分に略中央に向かってせり出すように形成されたせり出し部 3 4により形成されている。

このリリーフ弁 1 1 において、前記べローズ 4 0は、その上端部がシェル 2 0の上面部に固定された固定部材 4 4に固定され、その下端部に前記スラィド部材 2 3が固定されており、このスライド部材 2 3 の下面側には、弁体 2 4の上端部が固定されている。これにより、前記内部空間 4 3内に流入した高圧ライン Hの冷媒の圧力が設定圧力以上になると、前記べローズ 4 0が収縮し、弁体 4 1が図中上方へ引き上げられ、逃がし通路 4 2が大きく開放する。

そして、この実施の形態に係る高圧制御弁 1 0及びリリーフ弁 1 1 には、前記絞り通路 2 5及び前記逃がし通路 4 2が共に全閉状態とならないようにする全閉防止手段が備えられている。

この全閉防止手段は、前記スライド部材 2 3のフランジ 3 1 と、シエル 2 0 と一体に形成され前記フランジ 3 1 と当接する台部 3 2 とから構成される。前記フランジ 3 1 が台部 3 2 の上面部に当接することにより、前記スライド部材 2 3が所定位置よりも下方へ移動することが阻止される。これにより、図 4 ( a ) に示すように、高圧制御弁 1 0の弁体 2 4は、絞り通路 2 5 を完全に閉鎖する位置 P 0 よりも距離 d だけ上方の位置 P 1 が最下位置となり、この弁体 2 4が最下位置 P 1 にある時には、図 4 ( b ) に示すように、絞り通路 2 5に最小開口面積 Sが確保される。

また上記と同様に、前記リリーフ弁 1 1 の弁体 4 1は、図 4 ( a ) に示すように、逃がし通路 4 2を完全に閉鎖する位置 P 0 ' よりも距離 d ' だけ上方の位置 P I ' が最下位置となり、この弁体 4 1 が最下位置 P 1 ' にある時には、図 4 ( b ) に示すように、逃がし通路 4 2 に最小開口面積 S ' が確保される。

冷媒の漏れ量 Q は、前記高圧制御弁 1 0における最小開口面積 Sによって決定される第 1の冷媒漏れ量 Q 1 { Q 1 = A · F ( S ) + B } と、前記リリーフ弁 1 1 における最小開口面積 S ' によって決定される第 2の冷媒漏れ量 Q 2 { Q 1 = A ' - F ( S ' ) + B ' } の和によつて求められる。また、冷媒漏れ量 Qは、前記高圧制御弁 1 0における最小開口面積 S と前記リリーフ弁 1 1 における最小開口面積 S ' の和によって略式的に求められる { Q ^ A" F ( S + S ' ) + B " } 。

また、実験において、配管の内径を変化させて、最適な冷媒漏れ量 Q Lが達成された場合の配管の内径を求めた場合、それは 0. 3〜 0. 5の範囲内であることわかった。したがって、この実施の形態においては、前記絞り通路 2 5の最小開口面積 S と前記逃がし通路 4 2の最小開口面積 S ' との和は、内径 0. 3〜 0. 5 mmの配管の断面積に相当する約 0. 0 7〜 0. 2 0 mm ²に設定されることが適切である ₍ 上記構成により、従来の高圧制御弁及びリリーフ弁において発生していた閉止状態から開放状態へ移行する際の自励振動による振動及び騒音を防止することができる。また、高圧ラインから低圧ラインへの冷媒の流れが途絶えないため、特に低負荷時におけるサイクルの安定性を向上させることができる。更に、高圧制御弁の受熱部に常に新しい冷媒が接触するため、高圧制御弁の作動性を向上させることができる。

以下、図 5及び図 6において、本発明による効果を実験データに基づいて説明する。図 5に示すグラフは、上記全閉防止手段を具備せず. 高圧制御弁及びリリーフ弁が全閉状態となり得る従来型の冷凍サイクルにおいて、起動時における冷媒流量の経時的変化（冷媒流量曲線 5 0 ) 、及び高圧制御弁入口の圧力の経時的変化（E x p V入口圧力曲線 5 1 ) を示している。

図 5のグラフにおいて、冷媒流量曲線 5 0及び E x p V入口圧力曲線 5 1の挙動を見ると、起動直後にそれぞれピーク点 A， Bがあり、また冷媒流量曲線 5 0においてはピーク A点の後に冷媒流量が急速に減少するドロップ点 Cがある。前記冷媒流量曲線 5 0のドロップ点 C 及び前記 E X p V入口圧力曲線 5 1 のピーク点 Bの付近において、高圧制御弁（及びリリーフ弁）が閉止—開放という動作をしていると考えられ、この時に自励振動による振動及び騒音が発生する。

次に、図 6に示すグラフは、本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル 1 において、起動時における冷媒流量の経時的変化（冷媒流量曲線 5 2 ) 、及び高圧制御弁 1 0入口の圧力の経時的変化（E x p V入口圧力曲線 5 3 ) を示している。

図 6中の冷媒流量曲線 5 2においては、起動直後のピーク点 Dの後に大きなドロップがなくなつており、また E x p V入口圧力曲線 5 3 においては、起動直後の顕著なピークがなくなつている。これは、高圧制御弁 1 0及びリリーフ弁 1 1が常に所定量だけ開放されているため、高圧ライン Hから低圧ライン Lへの冷媒の流れが安定していることに起因すると考えられる。また、弁体の閉止→開放という動作がなくなるため、自励振動による振動及び騒音が生じなくなる。

また、従来型に係る E x p V入口圧力曲線 5 1 (図 5参照）において示される圧力が安定するまでに要する時間 t 1 と、本発明に係る E 入ロ圧カ曲線 5 3 (図 6参照）において示される圧力が安定するまでに要する時間 t 2 とを比較すると、 t 2 < t 1 となっており (両グラフとも横軸は同スケール）、このことから本発明に係る高圧制御弁 1 0は、従来のものよりも作動（反応）性が良いことがわかる ₍ これは、弁体が常に所定量だけ開放しており冷媒の流れが途絶えないことにより、高圧制御弁 1 0の受熱部（上記べローズ 2 2 ) に常に新しい冷媒が接触するためであると考えられる。これにより、サイクルの安定性がより向上される。

産業上の利用可能性以上のように、この発明によれば、従来の高圧制御弁及びリリーフ弁が発生させていた閉止状態から開放状態へ移行する際の自励振動による振動及び騒音を防止することができる。また、高圧ラインから低圧ラインへの冷媒の流れが途絶えないため、特に低負荷時におけるサィクルの安定性を向上させることができる。更に、高圧制御弁の受熱部に常に新しい冷媒が接触するため、高圧制御弁の作動性を向上させることができる。

Claims

請求の範囲

1 . 冷媒を圧送する圧縮機、前記圧縮機により圧縮された冷媒を放熱させる放熱器、高圧ラインの圧力を調整し冷媒を減庄して低圧ラインへ流出させる高圧制御弁、前記高圧制御弁により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器、高圧ラインが設定圧力以上になった時に冷媒を高圧ラインから低圧ラインへ逃がすリリ一フ弁を備えて構成される冷凍サイクルであって、

前記高圧制御弁及び前記リリーフ弁は、所定の最小開口面積を確保する全閉防止手段を備えることを特徴とする冷凍サイクル。

2 . 前記全閉防止手段によつて確保される高圧制御弁の最小開口面積と前記リリーフ弁の最小開口面積との和は、所定の冷媒漏れ量が確保できる大きさであることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の冷凍サイクル。

3 . 前記所定の漏れ量を確保できる大きさとは、内径 0 . 3〜0 . 5 m mの配管の断面積に相当する大きさであることを特徴とする請求の範囲第 2項記載の冷凍サイクル。

4 . 前記高圧制御弁及び前記リリーフ弁は、高圧ラインと低圧ラインとを連通させる冷媒通路と、高圧ラインの圧力及び温度の少なくともどちらか一方に応じて変形する変形部材と、前記変形部材と連動し前記冷媒通路との相対的位置を変化させる弁体とを備え、

前記全閉防止手段は、前記弁体が前記冷媒通路を完全に閉鎖する位置まで移動することを阻止するものであることを特徴とする請求の範. 囲第 1項〜第 3項のいずれか一つに記載の冷凍サイクル。

5 . 前記冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする請求の範囲第 1項〜第 4項のいずれか一つに記載の冷凍サイクル。

6 . 前記圧縮機は、低圧ラインの圧力に応じて冷媒の吐出量を変化させるものであることを特徴とする請求の範囲第 1項〜第 5項のいずれかつに記載の冷凍サイクル(