JP2012220140A - 膨張弁 - Google Patents

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

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。

特開２０１０−３８４５５号公報、図５，図６ 国際公開番号ＷＯ２０１０／１３１９１８号公報、図４，図７

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。

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。 第１の実施の形態に係る膨張弁の中央縦断面図である。 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。 第２の実施の形態に係る膨張弁の中央縦断面図である。 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。 第３の実施の形態に係る膨張弁の中央縦断面図である。

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。

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。

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

Claims (3)

1. 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。
2. 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。
3. 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。

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