JP3932621B2

JP3932621B2 - 温度式膨張弁

Info

Publication number: JP3932621B2
Application number: JP27008197A
Authority: JP
Inventors: 義貴戸松; 富士夫野村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-10-02
Filing date: 1997-10-02
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2017-10-02
Also published as: JPH11108502A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍サイクルの蒸発器出口の冷媒過熱度が設定値に維持されるように蒸発器への流入冷媒の流量を調整する温度式膨張弁における騒音低減のための改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の温度式膨張弁は、冷凍サイクルの高圧側液冷媒が流入する高圧側液冷媒通路と、蒸発器入口に接続される低圧側２相冷媒通路との間に微小な絞り通路穴を設置して、この絞り通路穴にて液冷媒を減圧し、膨張させるとともに、この絞り通路穴の開口面積を弁体の変位により調整して、蒸発器への流入冷媒流量を調整するものである。
【０００３】
ところで、温度式膨張弁においては、冷媒を断熱膨張させるための絞り通路穴部付近において、冷媒が急激に絞られて高速で流れるので、冷媒通過音が騒音として発生する。特に、冷凍サイクル（空調装置）の起動時には、蒸発器出口側ガス冷媒の温度上昇により弁開度が最大となり、冷媒流量が大流量となることから、騒音も非常に大きくなる。
【０００４】
そこで、従来では、このような冷媒通過音による騒音を低減するために、絞り通路穴の直径と長さの比を適当な値に設定したり、周辺の凹凸を小さくしたりして対処していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、近年、車両用空調装置では、乗用車の高級化に伴って、車室内が非常に静かになっている。そのため、従来では気にならなかった音までが騒音として感じられるようになってきた。その結果、温度式膨張弁においても、上述のような従来の対策だけでは冷媒通過音の低減が不十分となり、特に、起動時では、冷媒通過音をさらに低減させる要望が強くなっている。
【０００６】
そこで、本発明は上記点に鑑み、サイクル起動時における冷媒通過音の低減を図ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、サイクル起動時における冷媒流量の増加（弁開度の増加）が冷媒通過音の増大に繋がっていることに着目して、上記目的を達成しようとするものである。すなわち、請求項１記載の発明では、高圧側の液冷媒が送りこまれてくる高圧側液冷媒通路（４２）と、
高圧側液冷媒通路（４２）からの液冷媒を減圧膨張させる絞り通路穴（４８）と、
絞り通路穴（４８）に対応して設けられた弁体（４７）と、
絞り通路穴（４８）を通過した低圧側２相冷媒を蒸発器（５）の入口に送り込む低圧側２相冷媒通路（４３）と、
蒸発器（５）で熱交換して蒸発したガス冷媒が通過する低圧側ガス冷媒通路（４４）とを備え、
蒸発器（５）の出口側ガス冷媒の過熱度を感知して弁体（４７）を変位させて、絞り通路穴（４８）の開口面積を調整する温度式膨張弁において、
低圧側ガス冷媒通路（４４）に連通している空間（５７）又は低圧側ガス冷媒通路（４４）に配置され、低圧側ガス冷媒通路（４４）のガス冷媒温度を感知する付勢手段（５６、６１、７１、７２、８１）であって、蒸発器出口側ガス冷媒の温度に応じて弁体（４７）に対する閉弁方向の付勢力を変化させる付勢手段（５６、６１、７１、７２、８１）を有し、
付勢手段（５６、６１、７１、７２、８１）は、蒸発器出口側ガス冷媒の高温時には、付勢力が増大して、弁体（４７）の開弁方向への変位を抑制するよう設定されていることを特徴としている。
【０００８】
これによると、サイクルの起動時には、蒸発器出口側のガス冷媒の温度が高温になっていることを利用して、付勢手段の付勢力を増大させて、弁体（４７）の開弁方向への変位（弁開度）を抑制するから、起動時の冷媒流量の増加を効果的に抑制でき、冷媒通過音を低減できる。
請求項２記載の発明では、請求項１に記載の温度式膨張弁において、弁体（４７）を開弁方向に付勢する圧力応動部材（４９）であって、ケース（５０）内の空間を低圧側ガス冷媒通路（４４）のガス冷媒温度に応じて内部圧力が変化する第１圧力室（５１）と低圧側ガス冷媒通路（４４）に連通している第２圧力室（５２）とに仕切る圧力応動部材（４９）と、
高圧側液冷媒通路（４２）内に配置され、弁体（４７）を閉弁方向に付勢するばね手段（５３）とを備えることを特徴とする。
付勢手段は、請求項３のように、ガス冷媒の温度に応動する形状記憶合金からなるばね手段（５６）で構成することができる。また、請求項４のように、付勢手段を、ガス冷媒の温度に応動して体積変化する熱膨張収縮部材（７２、８１）で構成してもよい。
【０００９】
更に、付勢手段は、請求項５のように、サイクルの起動時には蒸発器出口側ガス冷媒の温度が高温となることで付勢力が増大するよう設定してもよい。
また、付勢手段は、請求項６のように、サイクルの起動後、所定時間が経過して蒸発器出口側ガス冷媒の温度が低温となることで付勢力が低下するよう設定してもよい。
また、付勢手段は、請求項７のように、２５〜３５℃の変移温度以上で付勢力が増大するよう設定してもよい。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図に示す実施形態に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は第１実施形態の温度式膨張弁を含む車両用空調装置の冷凍サイクルを示しており、図中、１は圧縮機で、電磁クラッチ１ａを介して車両エンジンにより駆動される。２は凝縮器で、圧縮機１から吐出されたガス冷媒を図示しないファンによって送風される冷却空気（外気）により冷却し、凝縮するものである。
【００１１】
３はレシーバで、凝縮器３で凝縮した液冷媒を貯えて、液冷媒のみをその出口側に導出するものである。４はレシーバ３からの冷媒を減圧、膨張させる温度式膨張弁、５は蒸発器で、図示しない空調ユニットのケース内に収容され、図示しない空調用ファンによって送風される空調空気を冷却、除湿するものである。
上記した温度式膨張弁４は、アルミニウム等の金属で成形された縦長の直方体状の形状からなる本体４１を有している。この本体４１内には、高圧側液冷媒通路４２と低圧側２相冷媒通路４３と低圧側ガス冷媒通路４４とが形成されている。高圧側液冷媒通路４２は、レシーバ３の出口に接続されて高圧の液冷媒が送り込まれてくる。また、低圧側２相冷媒通路４３は、蒸発器５の入口に接続されて断熱膨張後の気液２相冷媒が送り出される。
【００１２】
また、低圧側ガス冷媒通路４４は、その一端が蒸発器５の出口側に接続され、他端が圧縮機１の吸入側に接続されて、蒸発器５で熱交換（吸熱）して蒸発したガス冷媒が通過するものである。この低圧側ガス冷媒通路４４にはアルミニウム等の熱伝導の良好な金属からなる感温棒（ヒートステム）４５が貫通するように配置され、この感温棒４５の下端には弁作動棒４６が当接し、さらにこの弁作動棒４６の下端には球状の弁体４７が当接するように配置されている。
【００１３】
前記した高圧側液冷媒通路４２は、高圧液冷媒を減圧膨張させる微小な絞り通路穴４８を介して低圧側２相冷媒通路４３に連通しており、絞り通路穴４８の開口面積が球状の弁体４７により調整されるようになっている。ここで、球状の弁体４７と絞り通路穴４８とにより、膨張弁の減圧機構を構成している。
また、感温棒４５の上端側はダイヤフラム（圧力応動部材）４９と当接し、このダイヤフラム４９により弁体４７は開弁方向（図１の下方）に付勢される。ここで、ダイヤフラム４９はダイヤフラムケース５０内に配設され、ダイヤフラムケース５０内の空間を上側の第１圧力室５１と下側の第２圧力室５２とに仕切っている。
【００１４】
上側の第１圧力室５１内には、冷凍サイクルが運転される条件下でほぼ飽和蒸気の状態となる冷媒が封入されている。従って、蒸発器５を出た冷媒、すなわち、低圧側ガス冷媒通路４４を通過するガス冷媒の温度変動（過熱度変動）が感温棒４５を伝わって第１圧力室５１内の冷媒に伝わることにより、第１圧力室５１内の冷媒圧力が変化する。
【００１５】
一方、高圧側液冷媒通路４２内には弁体４７を閉弁方向に付勢するコイルばね（ばね手段）５３が配置されており、このコイルばね５３の一端部は支持台座５４を介して弁体４７にばね力を作用させる。コイルばね５３の他端部は金属プラグ５４により支持されており、この金属プラグ５４は本体４１のねじ穴に位置調整可能に固定され、金属プラグ５４の位置調整によりコイルばね５３の取付荷重を調整できる。
【００１６】
ところで、感温棒４５の上部には傘状に成形された大径部４５ａが設けられており、一方、本体４１において、感温棒４５の外周側で、かつ、大径部４５ａの下面と対向する部位にリング状の支持面５５が一体成形されている。この大径部４５ａの下面とリング状の支持面５５との間に形状記憶コイルばね５６が配置されている。
【００１７】
ここで、形状記憶コイルばね５６はサイクル起動時に弁体４７を閉弁方向に付勢する付勢手段としての役割を果たすもので、形状記憶コイルばね５６周囲の空間５７は、リング状の支持面５５の内周部の隙間を通して低圧側ガス冷媒通路４４に常時連通しているので、形状記憶コイルばね５６は低圧側ガス冷媒通路４４のガス冷媒温度を感知することができる。
【００１８】
形状記憶コイルばね５６を構成する形状記憶合金は、周知のごとく塑性変形させた合金を所定の変移（変態）温度以上の温度にすると、変形以前の形状に戻る性質を有するものである。
本例では、この形状記憶合金の性質を利用して、変移（変態）温度以上の温度ではコイルばね５６のばね長さが増加する方向にコイルばね５６が変形して、コイルばね５６のばね力が増加するように構成してある。本例では、形状記憶コイルばね５６の変移（変態）温度を２５〜３５℃の範囲に設定している（図２（ｂ）参照）。
【００１９】
なお、ダイヤフラムケース５０内下側の第２圧力室５２は、感温棒４５の大径部４５ａとダイヤフラムケース５０との間の隙間、空間５７、およびリング状支持面５５の内周部隙間を通して低圧側ガス冷媒通路４４に常時連通しているので、第２圧力室５２内は低圧側ガス冷媒通路４４と同一圧力になっている。
このような構成によって、第１、第２圧力室５１、５２の圧力と、コイルばね５３及び形状記憶コイルばね５６の力とのバランスで弁体４７が変位して、絞り通路穴４８の開口面積（弁開度）が最適となるように制御される。
【００２０】
次に、上記構成において第１実施形態の作動を説明すると、温度式膨張弁においては、冷凍サイクル（空調装置）が起動されると、圧縮機１の作動によって低圧側ガス冷媒通路４４の圧力が急激に低下するため、ダイヤフラム４９の下側の第２圧力室５２内の圧力も急激に低下する。その結果、ダイヤフラム４９の上下差圧が大きくなり、ダイヤフラム４９が図１の下方へ変位するので、弁体４７が下方へ変位して絞り通路穴４８の開口面積（弁開度）を急増させる。これにより、絞り通路穴４８を大流量の冷媒が流れることに起因して、冷媒通過音を増大させる。
【００２１】
これに対し、本第１実施形態の膨張弁によると、形状記憶コイルばね５６によって起動時の弁開度を抑制することで、上記冷媒通過音を低減できる。この形状記憶コイルばね５６による作用を以下詳述すると、車両用空調装置において、夏期の冷房時には、サイクル起動前の低圧側ガス冷媒通路４４の温度は炎天下駐車等によって外気温度以上の高温になっている。このような状態では、形状記憶コイルばね５６は変移温度（２５〜３５°）以上の高温状態となっているため、コイルばね５６のばね力が増大した状態にある。
【００２２】
これにより、形状記憶コイルばね５６が感温棒４５の大径部４５ａを第１圧力室５１の圧力に抗して上方へ押し上げ、弁体４７を閉弁方向に強く付勢する状態となっている。そのため、この状態で空調装置が起動して、低圧側ガス冷媒通路４４の圧力が急激に低下しても、形状記憶コイルばね５６の付勢力によって弁体４７の開弁方向への変位量を抑制できる。その結果、絞り通路穴４８の開口面積（弁開度）が大きく増加せず、起動時の冷媒流量の増加を抑制できるため、冷媒通過音による騒音を効果的に抑制できる。
【００２３】
そして、サイクル起動後、数秒〜１０秒の時間が経過すると、絞り通路穴４８で減圧され蒸発器５で熱交換したガス冷媒の温度が比較的低温となり、この低温冷媒が低圧側ガス冷媒通路４４に流入してくる。そのため、形状記憶コイルばね５６の温度が変移（変態）温度以下に低下するので、コイルばね５６がばね長さの減少側に変形して、感温棒４５の大径部４５ａに作用する形状記憶コイルばね５６の付勢力が大幅に低下する。
【００２４】
従って、これ以後は、弁体４７の変位量、すなわち、絞り通路穴４８の開口面積（弁開度）が、ダイヤフラムケース５０内上下の第１、第２圧力室５１、５２の圧力と、コイルばね５３の力とのバランスで制御され、通常の制御モードに移行する。そのため、起動時以外の冷媒流量制御に何ら支障を来すことはない。
図２に本発明膨張弁を用いた、冷凍サイクル起動時の騒音レベル変化、低圧側冷媒温度変化、及び膨張弁開度変化の評価データを従来の膨張弁の場合と比較して示す。冷凍サイクル起動後、従来品では、約５〜１０秒間にわたって膨張弁が大きく開き、騒音が増加することがわかるが、これに対して、本発明品の場合、冷凍サイクル起動後、低圧側冷媒温度が形状記憶変移温度以下に低下するまでの間、形状記憶コイルばね５６の作用によって膨張弁の開度が抑制されるので、騒音レベルを低減できることがわかる。
【００２５】
なお、図２の実験では、形状記憶コイルばね５６の変移温度を２５°Ｃに設定している。
（第２実施形態）
図３は第２実施形態を示しており、第１実施形態の形状記憶コイルばね５６の代わりに、形状記憶皿ばね６１を用いたものである。この形状記憶皿ばね６１は感温棒４５の大径部４５ａとダイヤフラムケース５０の下側（第２圧力室５２側）の支持面５０ａとの間に配置される。
【００２６】
第２実施形態によると、冷凍サイクル起動時の高温時には、形状記憶皿ばね６１の高さ（感温棒軸方向の高さ）が高くなって、感温棒４５の大径部４５ａに閉弁方向の付勢力を作用する。一方、冷凍サイクル起動後、時間が経過して低圧側冷媒温度が形状記憶変移温度以下に低下すると、形状記憶皿ばね６１の高さが低くなって、形状記憶皿ばね６１の付勢力が減少して、通常の制御モードに移行する。このように、形状記憶皿ばね６１としても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００２７】
（第３実施形態）
図４は第３実施形態を示しており、第１実施形態の形状記憶コイルばね５６の代わりに通常の圧縮コイルばね７１と熱膨張収縮部材７２とを図示の如く組み合わせたものである。すなわち、感温棒４５の大径部４５ａと本体４１の支持面５５との間に、圧縮コイルばね７１と熱膨張収縮部材７２とを直列に配置している。
【００２８】
ここで、熱膨張収縮部材７２は、温度変化に応動する体積変化の割合が大きい部材、例えば、適宜の樹脂部材からなるもので、冷凍サイクル起動時の高温時には、熱膨張収縮部材７２の体積増加によって圧縮コイルばね７１の力が増加して、感温棒４５の大径部４５ａに閉弁方向の付勢力を作用する。一方、冷凍サイクル起動後、時間が経過して低圧側ガス冷媒温度が低下すると、熱膨張収縮部材７２の体積減少によって圧縮コイルばね７１の力が減少して、閉弁方向の付勢力が減少し、通常の制御モードに移行する。
【００２９】
このように、通常の圧縮コイルばね７１と熱膨張収縮部材７２との組み合わせを用いても、第１、第２実施形態と同様の効果が得られる。
（第４実施形態）
図５は第４実施形態を示しており、熱膨張収縮部材８１を図５の如く感温棒４５の大径部４５ａとダイヤフラムケース５０の下側（第２圧力室５２側）の支持面５０ａとの間に直接設置したものである。
【００３０】
（第５実施形態）
図６は第５実施形態を示しており、熱膨張収縮部材８１を図６の如く感温棒４５の大径部４５ａと本体４１の支持面５５との間に、直接設置したものである。
第４、第５実施形態によると、熱膨張収縮部材８１の温度変化に応答する体積変化のみで、閉弁方向の付勢力を変化させて、第１、第２実施形態と同様の効果が得られる。
【００３１】
（第６実施形態）
図７は第６実施形態を示しており、第１実施形態の形状記憶コイルばね５６の設置場所を変更したものである。すなわち、第６実施形態では、本体４１の低圧側ガス冷媒通路４４のうち、下側（ダイヤフラム４９と反対側）の部位に、形状記憶コイルばね５６の支持面５８を形成し、形状記憶コイルばね５６を低圧側ガス冷媒通路４４を貫通して設置している。
【００３２】
これにより、低圧側ガス冷媒通路４４を流れる低圧ガス冷媒が形状記憶コイルばね５６に直接接触するので、低圧ガス冷媒の温度変化に対する形状記憶コイルばね５６の形状変化の応答性を高めることができる。
なお、本発明による付勢手段としては、上述のものの他に、例えば、バイメタルのように温度変化に応動して変形する部材を使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による温度式膨張弁を含む冷凍サイクル図である。
【図２】本発明の効果説明図である。
【図３】本発明の第２実施形態を示す温度式膨張弁の要部拡大断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態を示す温度式膨張弁の要部拡大断面図である。
【図５】本発明の第４実施形態を示す温度式膨張弁の要部拡大断面図である。
【図６】本発明の第５実施形態を示す温度式膨張弁の要部拡大断面図である。
【図７】本発明の第６実施形態を示す温度式膨張弁の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１…圧縮機、４…温度式膨張弁、５…蒸発器、４２…高圧側液冷媒通路、４３…低圧側２相冷媒通路、４４…低圧側ガス冷媒通路、４７…弁体、４８…絞り通路穴、５６…形状記憶コイルばね（付勢手段）。

Claims

高圧側の液冷媒が送りこまれてくる高圧側液冷媒通路（４２）と、
この高圧側液冷媒通路（４２）からの液冷媒を減圧膨張させる絞り通路穴（４８）と、
この絞り通路穴（４８）に対応して設けられた弁体（４７）と、
前記絞り通路穴（４８）を通過した低圧側２相冷媒を蒸発器（５）の入口に送り込む低圧側２相冷媒通路（４３）と、
前記蒸発器（５）で熱交換して蒸発したガス冷媒が通過する低圧側ガス冷媒通路（４４）とを備え、
前記蒸発器（５）の出口側ガス冷媒の過熱度を感知して前記弁体（４７）を変位させて、前記絞り通路穴（４８）の開口面積を調整する温度式膨張弁において、
前記低圧側ガス冷媒通路（４４）に連通している空間（５７）又は前記低圧側ガス冷媒通路（４４）に配置され、前記低圧側ガス冷媒通路（４４）のガス冷媒温度を感知する付勢手段（５６、６１、７１、７２、８１）であって、前記蒸発器出口側ガス冷媒の温度に応じて前記弁体（４７）に対する閉弁方向の付勢力を変化させる付勢手段（５６、６１、７１、７２、８１）を有し、
前記付勢手段（５６、６１、７１、７２、８１）は、前記蒸発器出口側ガス冷媒の高温時には、前記付勢力が増大して、前記弁体（４７）の開弁方向への変位を抑制するよう設定されていることを特徴とする温度式膨張弁。
前記弁体（４７）を開弁方向に付勢する圧力応動部材（４９）であって、ケース（５０）内の空間を前記低圧側ガス冷媒通路（４４）のガス冷媒温度に応じて内部圧力が変化する第１圧力室（５１）と前記低圧側ガス冷媒通路（４４）に連通している第２圧力室（５２）とに仕切る圧力応動部材（４９）と、
前記高圧側液冷媒通路（４２）内に配置され、前記弁体（４７）を閉弁方向に付勢するばね手段（５３）とを備えることを特徴とする請求項１に記載の温度式膨張弁。
前記付勢手段は、前記蒸発器出口側ガス冷媒の温度に応動する形状記憶合金からなるばね手段（５６、６１）で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の温度式膨張弁。
前記付勢手段は、前記蒸発器出口側ガス冷媒の温度に応動して体積変化する熱膨張収縮部材（７２、８１）で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の温度式膨張弁。
前記付勢手段（５６、６１、７１、７２、８１）は、サイクルの起動時には前記蒸発器出口側ガス冷媒の温度が高温となることで前記付勢力が増大するよう設定されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の温度式膨張弁。
前記付勢手段（５６、６１、７１、７２、８１）は、前記サイクルの起動後、所定時間が経過して前記蒸発器出口側ガス冷媒の温度が低温となることで前記付勢力が低下するよう設定されていることを特徴とする請求項５に記載の温度式膨張弁。
前記付勢手段（５６、６１、７１、７２、８１）は、２５〜３５℃の変移温度以上で前記付勢力が増大するよう設定されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の温度式膨張弁。