JP2012220140A - 膨張弁 - Google Patents
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Abstract
【課題】2つのエバポレータに冷媒を分配供給できる安価な膨張弁を提供する。
【解決手段】液冷媒を断熱膨張させる弁部3aの下流側に、二股になった第1の冷媒通路23および第2の冷媒通路24が設けられ、それぞれには、第1の絞り部材25および第2の絞り部材26が設けられている。第1の絞り部材25および第2の絞り部材26は、円板の中央に開口部25a,26aを有するという非常に簡単な構成にしてあり、膨張弁の製造コストを低減することができる。2つのエバポレータに供給する冷媒の流量比は、第1の絞り部材25および第2の絞り部材26の開口部25a,26aの面積比によって決められている。
【選択図】図2
【解決手段】液冷媒を断熱膨張させる弁部3aの下流側に、二股になった第1の冷媒通路23および第2の冷媒通路24が設けられ、それぞれには、第1の絞り部材25および第2の絞り部材26が設けられている。第1の絞り部材25および第2の絞り部材26は、円板の中央に開口部25a,26aを有するという非常に簡単な構成にしてあり、膨張弁の製造コストを低減することができる。2つのエバポレータに供給する冷媒の流量比は、第1の絞り部材25および第2の絞り部材26の開口部25a,26aの面積比によって決められている。
【選択図】図2
Description
本発明は膨張弁に関し、特に自動車用エアコンシステムの冷凍サイクルにおいて液冷媒を断熱膨張させて低温・低圧の蒸気冷媒にしながらエバポレータに送り込む蒸気冷媒の流量をエバポレータ出口の冷媒が所定の過熱度を維持するよう制御する膨張弁に関する。
自動車用エアコンシステムでは、冷媒を圧縮するコンプレッサと、冷媒を凝縮するコンデンサと、気液混合冷媒を分離するレシーバと、冷媒を断熱膨張させる膨張弁と、冷媒を蒸発させるエバポレータとを環状に配管して冷凍サイクルが構成されている。冷媒を膨張させる膨張弁としては、エバポレータ出口の冷媒の温度および圧力に応じてエバポレータへ供給する冷媒の流量を制御するようにした温度式膨張弁が一般に用いられている。
車室内の空気と熱交換するエバポレータは、車室内に設置されるため、コンパクトであることが要求されている。このため、空気を通過させる方向に薄型化された2つの熱交換器を積層配置し、冷媒は、それらの熱交換器を直列に流すようにしたエバポレータが一般的に使用されている。
このようなエバポレータは、熱交換器が薄型化されるにつれて、冷媒が通過する内部の通路が狭くなっており、しかも、その通路が2つの熱交換器で直列に繋がっていて長くなっている。そのため、上記構成のエバポレータは、冷媒が通過する通路での圧力損失が大きくなり、その分、冷凍サイクルの効率が低下することになる。
これに対し、2つの熱交換器を独立させてそれぞれの熱交換器に冷媒を並列に供給する構成のエバポレータが提案されている(たとえば、特許文献1,2参照)。このエバポレータによれば、熱交換器を冷媒が通過するときの圧力損失が低下し、冷凍サイクルをトータルで見たときの正味の損失が低下し、冷力を向上させることができる。
特許文献1,2には、このようなエバポレータに用いられる膨張弁も提案されている。この膨張弁によれば、独立して冷媒を断熱膨張させることができる2つの弁を有し、熱交換器を出て合流したエバポレータ出口の冷媒の温度および圧力に応じて2つの弁を連動制御する構成が開示されている。
しかしながら、開示されている膨張弁は、いずれも2つ以上の弁および絞りを備え、並列に配置された2つの熱交換器にそれぞれ膨張した冷媒を分配供給するようにしているので、膨張弁が複雑かつ製造コストが高くなるという問題があった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で冷媒を分配供給することができる膨張弁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、液冷媒を膨張させて蒸気冷媒にする弁部と、蒸発された冷媒の温度および圧力を検出して前記弁部の開度を制御するパワーエレメントとを備えた膨張弁であって、前記弁部の下流より分岐されて複数の低圧出口ポートにそれぞれ連通するよう形成された複数の冷媒通路と、前記冷媒通路のそれぞれに配置されて冷媒流量比に応じた面積の開口部を有する絞り通路と、を備えていることを特徴とする膨張弁が提供される。
このような膨張弁によれば、弁部にて断熱膨張された蒸気冷媒は、それぞれ冷媒通路の絞り通路を通過するとき、それらの開口部の面積に応じた流量比で分配され、エバポレータに安定した分配比で供給することができる。
上記構成の膨張弁は、蒸気冷媒の分配を、冷媒通路に配置した簡単な構造の絞り通路で行うようにしたので、製造コストを低減することができるという利点がある。また、この膨張弁は、断熱膨張した蒸気冷媒を安定した分配比でエバポレータの複数の熱交換器に並列に供給できるので、エバポレータにおける圧力損失が低下し、エバポレータでの熱交換量が最適化し、適用する冷凍サイクルの冷房効率を向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は本発明の膨張弁を適用した冷凍サイクルを示す図である。
自動車用エアコンシステムの冷凍サイクルは、コンプレッサ1と、コンデンサ2と、膨張弁3と、エバポレータ4とを環状に配管して構成されている。コンプレッサ1は、循環する冷媒を圧縮してコンデンサ2に送る。コンデンサ2は、冷却ファン5によって外気が強制的に通過するよう構成され、コンプレッサ1によって高温・高圧となった冷媒を外気との熱交換により凝縮する。コンデンサ2の出口には、凝縮された冷媒を溜めておくレシーバが備えており、そこで気液分離された液冷媒が膨張弁3に供給される。
図1は本発明の膨張弁を適用した冷凍サイクルを示す図である。
自動車用エアコンシステムの冷凍サイクルは、コンプレッサ1と、コンデンサ2と、膨張弁3と、エバポレータ4とを環状に配管して構成されている。コンプレッサ1は、循環する冷媒を圧縮してコンデンサ2に送る。コンデンサ2は、冷却ファン5によって外気が強制的に通過するよう構成され、コンプレッサ1によって高温・高圧となった冷媒を外気との熱交換により凝縮する。コンデンサ2の出口には、凝縮された冷媒を溜めておくレシーバが備えており、そこで気液分離された液冷媒が膨張弁3に供給される。
膨張弁3は、液冷媒を断熱膨張させる弁部3aを備えた一般的な温度式膨張弁であるが、その出口が弁部3aで断熱膨張された冷媒を2分配して送り出す構成になっている。エバポレータ4は、ファン6の下流側送風路に積層配置された第1の熱交換器4aおよび第2の熱交換器4bを備えている。ファン6側の第1の熱交換器4aおよび吹出口側の第2の熱交換器4bは、膨張弁3にて断熱膨張されて2分配された蒸気冷媒が供給され、ファン6により送風された空気との熱交換により蒸気冷媒を蒸発させる。第1の熱交換器4aおよび第2の熱交換器4bを出た冷媒は合流され、その後、膨張弁3を介してコンプレッサ1に戻される。エバポレータ4から戻ってきた冷媒が膨張弁3を通過するとき、膨張弁3は、戻り冷媒の温度および圧力、すなわち、エバポレータ出口冷媒の過熱度を監視しており、その過熱度に応じて弁部3aの開度を制御する。
エバポレータ4においては、ファン6側の第1の熱交換器4aは、より高温の空気によって熱交換が行われ、吹出口側の第2の熱交換器4bは、第1の熱交換器4aによって冷やされた空気によって熱交換が行われる。このため、膨張弁3は、第1の熱交換器4aに送り出す冷媒の流量が第2の熱交換器4bに送り出す冷媒の流量よりも多くなるよう設定されている。本実施の形態では、この膨張弁3は、ファン6側の第1の熱交換器4aと吹出口側の第2の熱交換器4bとの冷媒流量比が2:1になるように蒸気冷媒を分配するようにしている。
図2は第1の実施の形態に係る膨張弁の中央縦断面図、図3は図2の面に対して直角方向の面で見た第1の実施の形態に係る膨張弁の中央縦断面図である。
この第1の実施の形態に係る膨張弁は、直方体のボディ11を有し、その一側面(図3の右側面)の図の下方に高圧の液冷媒が供給される高圧入口ポート12が設けられている。ボディ11の高圧入口ポート12が設けられた側面に隣接する側面(図2の左右側面)の図の下方には、第1の低圧出口ポート13および第2の低圧出口ポート14がそれぞれ設けられている。第1の低圧出口ポート13は、エバポレータ4のファン6側の第1の熱交換器4aに配管され、第2の低圧出口ポート14は、エバポレータ4の吹出口側の第2の熱交換器4bに配管される。ボディ11は、また、第1の低圧出口ポート13が設けられた側面の図の上方に、戻り冷媒入口ポート15が設けられ、高圧入口ポート12が設けられた側面の図の上方に戻り冷媒出口ポート16が設けられている。
この第1の実施の形態に係る膨張弁は、直方体のボディ11を有し、その一側面(図3の右側面)の図の下方に高圧の液冷媒が供給される高圧入口ポート12が設けられている。ボディ11の高圧入口ポート12が設けられた側面に隣接する側面(図2の左右側面)の図の下方には、第1の低圧出口ポート13および第2の低圧出口ポート14がそれぞれ設けられている。第1の低圧出口ポート13は、エバポレータ4のファン6側の第1の熱交換器4aに配管され、第2の低圧出口ポート14は、エバポレータ4の吹出口側の第2の熱交換器4bに配管される。ボディ11は、また、第1の低圧出口ポート13が設けられた側面の図の上方に、戻り冷媒入口ポート15が設けられ、高圧入口ポート12が設けられた側面の図の上方に戻り冷媒出口ポート16が設けられている。
ボディ11の図の上端面には、エバポレータ4から戻った冷媒の過熱度を感知するパワーエレメント17が螺着されている。このパワーエレメント17の直下のボディ11内には、シャフト18、弁部3a、圧縮コイルスプリング19およびアジャストねじ20が同軸上に配置されている。
弁部3aは、ボール形状の弁体21と、ボディ11に形成された弁座22とを有し、この弁座22には、弁孔が穿設されている。弁部3aの下流側は、第1の冷媒通路23および第2の冷媒通路24の二股に分岐され、それぞれ第1の低圧出口ポート13および第2の低圧出口ポート14に連通している。
第1の冷媒通路23は、第1の低圧出口ポート13との境界部に第1の絞り部材25が嵌合により配置され、第1の絞り通路を構成している。また、第2の冷媒通路24は、第2の低圧出口ポート14との境界部に第2の絞り部材26が嵌合により配置され、第2の絞り通路を構成している。第1の絞り部材25および第2の絞り部材26は、円板の中央に開口部25a,26aを有するリング形状に形成されており、開口部25a,26aは、冷媒流量比に応じた面積に開口されている。すなわち、本実施の形態では、第1の絞り部材25が流す流量と第2の絞り部材26が流す流量との比を2:1としたので、第1の絞り部材25の開口部25aと第2の絞り部材26の開口部26aとの面積比は、2:1にしている。
弁部3aの弁体21は、高圧入口ポート12に連通されている弁室の中に弁座22に対して接離自在に配置され、かつ、支持部材27を介して圧縮コイルスプリング19により閉弁方向に付勢されている。
圧縮コイルスプリング19は、ボディ11に螺着されたアジャストねじ20によって受けられており、圧縮コイルスプリング19の荷重は、アジャストねじ20の螺入量を調節することによって調整される。この調整は、この膨張弁が制御しようとする過熱度の設定に相当する。アジャストねじ20のボディ11への螺着部は、Oリング28によって気密にシールされている。
パワーエレメント17は、ボディ11の図の上方の面に開けられた取付穴に螺着されている。パワーエレメント17の取付穴は、戻り冷媒入口ポート15と戻り冷媒出口ポート16との間に形成された冷媒戻り通路29に連通していて、冷媒戻り通路29を通過する冷媒をパワーエレメント17に導入できるようにしている。
パワーエレメント17は、ダイヤフラム30をアッパーハウジング31とロアハウジング32とで挟持し、これらの外周を共に溶接することによって形成されている。ダイヤフラム30とアッパーハウジング31とによって囲まれた密閉空間には、冷媒に似た特性のガスが充填されており、感温室を構成している。ロアハウジング32には、ダイヤフラム30の変位を弁部3aの弁体21に伝えるディスク33が配置されている。ディスク33は、ホルダ34によって保持されたシャフト18の上端部と嵌合され、ロアハウジング32の中でシャフト18によって心決めされている。
ホルダ34は、その上部がパワーエレメント17の取付穴に設置され、その上部には、図3に示したように、シャフト18に対して横荷重を付与するように圧縮コイルスプリング35が収容されている。シャフト18は、圧縮コイルスプリング35により横荷重が付与されることで軸方向の運動が制約されることから、高圧入口ポート12に導入される液冷媒が圧力変動を起こしたとしても、弁体21が軸線方向に振動して異音を発生することが抑制される。ホルダ34は、また、冷媒戻り通路29を貫通して垂下されており、その下端部は、第1の冷媒通路23および第2の冷媒通路24と冷媒戻り通路29との間でシャフト18に周設されたOリング36を押さえている。このOリング36は、エバポレータ4へ行かずに第1の冷媒通路23および第2の冷媒通路24から冷媒戻り通路29へ冷媒が漏れるのを阻止している。
以上の構成の膨張弁によれば、コンプレッサ1が停止または最少容量運転をしているとき、冷媒戻り通路29の圧力が高くなっており、この圧力を感知したパワーエレメント17では、ダイヤフラム30が感温室側に変位している。これにより、弁体21は、圧縮コイルスプリング19によって閉弁方向に付勢されて弁座22に着座しているので、弁部3aは、閉弁状態になっている。
コンプレッサ1が冷媒の圧縮を開始すると、冷媒戻り通路29の圧力が低下してパワーエレメント17のダイヤフラム30が弁部3aの側へ変位するようになり、高圧入口ポート12には、高圧の冷媒が導入されるようになる。やがて、弁部3aがパワーエレメント17によって開弁され、高圧入口ポート12にコンデンサ2で凝縮された液冷媒が導入されるようになる。弁室に導入された液冷媒は、弁部3aで断熱膨張されて低温・低圧の蒸気冷媒となり、第1の冷媒通路23および第2の冷媒通路24に流入する。第1の冷媒通路23に流入した蒸気冷媒は、第1の絞り部材25を通り、第1の低圧出口ポート13からエバポレータ4の第1の熱交換器4aに送られる。第2の冷媒通路24に流入した蒸気冷媒は、第2の絞り部材26を通り、第2の低圧出口ポート14からエバポレータ4の第2の熱交換器4bに送られる。蒸気冷媒は、第1の絞り部材25および第2の絞り部材26を通過するとき、第1の絞り部材25および第2の絞り部材26の開口部25a,26aの面積比の2:1に分配される。
エバポレータ4では、第1の熱交換器4aおよび第2の熱交換器4bに導入された蒸気冷媒は、ファン6によって送風された空気との熱交換により蒸発され、その後合流されて戻り冷媒入口ポート15に戻される。ファン6により送風されてエバポレータ4を通過した空気は、除湿されて冷やされ、その後、適当に温度調整されてから車室内に吹き出される。
戻り冷媒入口ポート15に導入された冷媒は、冷媒戻り通路29を通過し、戻り冷媒出口ポート16からコンプレッサ1に戻される。エバポレータ4からの冷媒が冷媒戻り通路29を通過するとき、その冷媒の過熱度がパワーエレメント17によって感知され、その過熱度に応じて弁部3aの弁リフトが制御される。これにより、弁部3aにて冷媒の流量が制御され、所定の分配比でエバポレータ4の第1の熱交換器4aおよび第2の熱交換器4bに供給される。弁部3aをエバポレータ4出口の冷媒の過熱度で帰還制御しているので、この膨張弁は、エバポレータ4に送り込む蒸気冷媒の流量をエバポレータ出口の冷媒が圧縮コイルスプリング19により設定された過熱度を維持するよう制御している。
図4は第2の実施の形態に係る膨張弁の中央縦断面図、図5は図4の面に対して直角方向の面で見た第2の実施の形態に係る膨張弁の中央縦断面図である。なお、この図4および図5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省略する。
この第2の実施の形態に係る膨張弁は、第1の実施の形態に係る膨張弁と比較して、第2の低圧出口ポート14の取付位置を変更している。すなわち、この膨張弁では、第2の低圧出口ポート14は、ボディ11の高圧入口ポート12が設けられた側面と反対側の側面に設けられている。したがって、第1の低圧出口ポート13および第1の冷媒通路23と第2の低圧出口ポート14および第2の冷媒通路24とは、戻り冷媒入口ポート15および戻り冷媒出口ポート16と同様に、ボディ11内にてL字状に屈曲された状態に形成されている。
第1の冷媒通路23および第2の冷媒通路24には、第1の絞り部材25および第2の絞り部材26が設けられ、弁部3aにより膨張された蒸気冷媒は、第1の絞り部材25および第2の絞り部材26をそれぞれ通過する。このとき、その蒸気冷媒は、第1の絞り部材25および第2の絞り部材26の開口部25a,26aの面積比によって決まる流量比にて第1の低圧出口ポート13および第2の低圧出口ポート14から流量が分配された状態でエバポレータ4に送り出される。
図6は第3の実施の形態に係る膨張弁の中央縦断面図である。なお、この図6において、図4および図5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省略する。また、この第3の実施の形態に係る膨張弁は、図6の面に対して直角方向の面で見た第3の実施の形態に係る膨張弁の中央縦断面図は、図4と同じであるので、図示を省略している。
この第3の実施の形態に係る膨張弁は、第1の冷媒通路23および第2の冷媒通路24のいずれか一方にのみ、絞り部材を配置して、第2の実施の形態に係る膨張弁よりも製造コストを低減している。すなわち、図示の例では、第1の冷媒通路23にのみ第1の絞り部材25を設け、第2の冷媒通路24は、第2の絞り部材26の開口部26aの開口面積にほぼ等しい通路断面積になるよう形成している。これにより、この膨張弁は、第1および第2の実施の形態に係る膨張弁と同様の流量比で冷媒が分配され、エバポレータ4の第1の熱交換器4aおよび第2の熱交換器4bに供給される。
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、これら特定の実施の形態に限定されるものではない。たとえば、上記の実施の形態では、第1の熱交換器4aおよび第2の熱交換器4bの2つの熱交換器を備えたエバポレータ4に適用する膨張弁について説明した。しかし、この膨張弁は、適用するエバポレータ4が持つ熱交換器の数に応じた数の冷媒通路および絞り部材を備えることができ、絞り部材は、それぞれ冷媒流量比に応じた面積の開口部を有することになる。
1 コンプレッサ
2 コンデンサ
3 膨張弁
3a 弁部
4 エバポレータ
4a 第1の熱交換器
4b 第2の熱交換器
5 冷却ファン
6 ファン
11 ボディ
12 高圧入口ポート
13 第1の低圧出口ポート
14 第2の低圧出口ポート
15 戻り冷媒入口ポート
16 戻り冷媒出口ポート
17 パワーエレメント
18 シャフト
19 圧縮コイルスプリング
20 アジャストねじ
21 弁体
22 弁座
23 第1の冷媒通路
24 第2の冷媒通路
25 第1の絞り部材
25a 開口部
26 第2の絞り部材
26a 開口部
27 支持部材
28 Oリング
29 冷媒戻り通路
30 ダイヤフラム
31 アッパーハウジング
32 ロアハウジング
33 ディスク
34 ホルダ
35 圧縮コイルスプリング
36 Oリング
2 コンデンサ
3 膨張弁
3a 弁部
4 エバポレータ
4a 第1の熱交換器
4b 第2の熱交換器
5 冷却ファン
6 ファン
11 ボディ
12 高圧入口ポート
13 第1の低圧出口ポート
14 第2の低圧出口ポート
15 戻り冷媒入口ポート
16 戻り冷媒出口ポート
17 パワーエレメント
18 シャフト
19 圧縮コイルスプリング
20 アジャストねじ
21 弁体
22 弁座
23 第1の冷媒通路
24 第2の冷媒通路
25 第1の絞り部材
25a 開口部
26 第2の絞り部材
26a 開口部
27 支持部材
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29 冷媒戻り通路
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31 アッパーハウジング
32 ロアハウジング
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35 圧縮コイルスプリング
36 Oリング
Claims (3)
- 液冷媒を膨張させて蒸気冷媒にする弁部と、蒸発された冷媒の温度および圧力を検出して前記弁部の開度を制御するパワーエレメントとを備えた膨張弁であって、
前記弁部の下流より分岐されて複数の低圧出口ポートにそれぞれ連通するよう形成された複数の冷媒通路と、
前記冷媒通路のそれぞれに配置されて冷媒流量比に応じた面積の開口部を有する絞り通路と、
を備えていることを特徴とする膨張弁。 - 前記絞り通路は、円板の中央に前記開口部を有する絞り部材からなることを特徴とする請求項1記載の膨張弁。
- 前記絞り通路は、前記開口部と同じ通路断面積を有する通路からなることを特徴とする請求項1記載の膨張弁。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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