JP5141489B2 - 温度式膨張弁 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用される温度式膨張弁に関する。

従来、蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用されて、蒸発器流出冷媒の過熱度が予め定めた値に近づくように、高圧冷媒を減圧膨張させる温度式膨張弁が知られている。この種の温度式膨張弁は、蒸発器流出冷媒の温度および圧力に応じて変位作動するエレメント部を備え、エレメント部によって弁体を変位させることによって、高圧冷媒を減圧膨張させる絞り通路の開度を調整している。

より具体的には、エレメント部は、温度に応じて圧力変化する感温媒体が封入された封入空間の内圧と蒸発器流出冷媒の圧力との圧力差に応じて変位するダイヤフラム（圧力応動部材）を有している。そして、このダイヤフラムの変位が、蒸発器流出冷媒の温度を感温媒体に伝達する感温棒等を介して、弁体に伝えられる。

これにより、封入空間内の感温媒体の圧力を蒸発器流出冷媒の温度に応じた圧力とし、封入空間内の内圧と蒸発器流出冷媒の圧力との圧力差によってダイヤフラムを変位させている。つまり、蒸発器流出冷媒の温度および圧力に応じてダイヤフラムを変位させて弁体を変位させることで、絞り通路の開度を調整している。

さらに、特許文献１には、感温棒の内部に形成されて封入空間と連通する柱状空間内に、感温棒から感温媒体への熱伝達を遅らせる時定数遅延材（樹脂チューブ又はステンレスチューブ）および熱バラスト材（粒状活性炭）を、配置した温度式膨張弁が開示されている。これにより、特許文献１の温度式膨張弁では、弁体部の急変位を抑制して、冷凍サイクルの不安定な作動（ハンチング）の防止を狙っている。

また、特許文献２には、特許文献１の温度式膨張弁に対して、柱状空間の内周壁と時定数遅延材の外周壁に空間を形成することで、感温棒から時定数遅延材への熱伝達を遅らせた温度式膨張弁が開示されている。これにより、特許文献２の温度式膨張弁では、上述の冷凍サイクルのハンチング防止効果を向上させている。
特許第３９９５８２８号公報 特開２００２−５４８６１号公報

ところで、この種の温度式膨張弁では、一般的に、その外殻を形成するボデー部の内部に高圧冷媒を流通させる冷媒通路、高圧冷媒を減圧膨張させる絞り通路、蒸発器流出冷媒を流通させる冷媒通路等が形成され、さらに、感温棒、弁体等もボデー部の内部に収容される。一方、エレメント部はボデー部の外部に配置される。

このため、エレメント部に形成される封入空間内の感温媒体の温度は、外気温の影響を受けやすい。従って、特許文献１、２のように、ボデー部の内部に配置される感温棒の内部の柱状空間内に時定数遅延材等を配置しても、外気温の影響による冷凍サイクルの不安定な作動を効果的に防止することは難しい。

例えば、冬季のように、感温棒から柱状空間内の感温媒体に伝達される温度よりも外気温が低下すると、エレメント部に形成される封入空間内の感温媒体が凝縮して過冷却液相状態となってしまう。

そして、この過冷却液相状態となった感温媒体が柱状空間内の感温媒体と熱的に接触してしまうと、柱状空間内の冷媒温度が低下して、柱状空間内および封入空間内の感温媒体の飽和圧力が低下してしまう。その結果、弁体が絞り通路を閉弁する側に変位して、所望の弁開度を実現できず蒸発能力不足や除湿能力不足、蒸発器内へのオイル滞留等の影響が出てしまう。また、これらの現象が急激に起こると、冷凍サイクルの作動不安定化にもつながる。

上記点に鑑み、本発明は、外気温の影響による膨張弁の誤作動および冷凍サイクルの不安定な作動を防止可能に構成された温度式膨張弁を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用されて、高圧冷媒を減圧膨張させるとともに、減圧膨張させた低圧冷媒を蒸発器（６）入口側へ流出させる温度式膨張弁であって、高圧冷媒を流通させる第１冷媒通路（５１ｃ）、第１冷媒通路（５１ｃ）に設けられて冷媒を減圧膨張させる絞り通路（５１ｈ）、および、蒸発器（６）流出冷媒を流通させる第２冷媒通路（５１ｆ）が形成されたボデー部（５１）と、絞り通路（５１ｈ）の開度を調整する弁体（５２ａ）と、ボデー部（５１）の外部に配置されて、温度に応じて圧力が変化する感温媒体が封入された封入空間（２０）の内圧と第２冷媒通路（５１ｆ）流通冷媒の圧力との圧力差に応じて変位する圧力応動部材（５３ｂ）を有するエレメント部（５３）と、圧力応動部材（５３ｂ）の変位を弁体（５２ａ）に伝えるとともに、第２冷媒通路（５１ｆ）流通冷媒の温度を感温媒体へ伝達する感温棒（５２ｂ）とを備え、
感温棒（５２ｂ）の内部には、感温棒（５２ｂ）の軸方向に延びるように形成されて、封入空間（２０）と連通する柱状空間（１０）が形成されており、感温媒体は、柱状空間（１０）内にその気液界面（４０）が存在するように封入され、さらに、感温棒（５２ｂ）には、柱状空間（１０）のうち、一部の部位の軸方向断面積を、他の部位の軸方向断面積よりも縮小させる小断面積形成部（５２ｄ）が設けられており、
小断面積形成部（５２ｄ）は、気液界面（４０）よりも上方に設けられ、
感温媒体は、その温度が少なくとも０℃以上かつ４０℃以下の範囲において、柱状空間（１０）内に気液界面（４０）が存在するように封入されており、
第２冷媒通路（５１ｆ）の下面からエレメント部（５３）が配置されるボデー部（５１）上面までの範囲を低圧冷媒流路領域（α）としたとき、感温媒体は、気液界面（４０）が低圧冷媒流路領域（α）内となるように封入されており、
小断面積形成部（５２ｄ）における柱状空間（１０）の軸方向断面の直径をφとし、小断面積形成部（５２ｄ）の下端側よりも上方側に存在する液相状態の感温媒体の鉛直方向高さをｈとし、液相状態の感温媒体の密度をρとし、小断面積形成部（５２ｄ）における表面張力をＳとし、円周率をπとし、重量加速度をｇとしたときに、
Ｓ×φ≧（φ／２） ² ×π×ｈ×ρ×ｇとなっていることを特徴とする。

これによれば、感温棒（５２ｂ）に小断面積形成部（５２ｄ）が設けられているので、小断面積形成部（５２ｄ）における液相状態の感温媒体の流動を抑制できる。つまり、低外気温時にエレメント部（５３）側の封入空間（２０）内の感温媒体が凝縮して過冷却液相状態となっても、この過冷却液相状態の感温媒体が柱状空間（１０）側へ流れ込むことを抑制できる。

従って、低外気温時に過冷却液相状態となった封入空間（２０）内の感温媒体および柱状空間（１０）内の感温媒体が熱的に接触してしまうことを抑制して、柱状空間（１０）内および封入空間（２０）内の感温媒体の飽和圧力が変化してしまうことを抑制できる。その結果、外気温の影響による弁体（５２ａ）の誤作動を抑制して、冷凍サイクルを所望の運転状態に保ち、不安定な作動を防止することができる。

また、請求項１に記載の発明では、小断面積形成部（５２ｄ）を、気液界面（４０）よりも上方に設けているので、低外気温時における封入空間（２０）内の過冷却液相状態の感温媒体と、柱状空間（１０）内の飽和液相状態の感温媒体が直接接触してしまうことを回避できる。このため、柱状空間（１０）内および封入空間（２０）内の感温媒体の飽和圧力が変化してしまうことを、より一層効果的に抑制できる。

また、請求項１に記載の発明では、感温媒体は、その温度が少なくとも０℃以上かつ４０℃以下の範囲において、柱状空間（１０）内に気液界面（４０）が存在するように封入されている。これによれば、適用される蒸気圧縮式冷凍サイクルの使用温度範囲（０℃以上かつ４０℃以下の範囲）において、外気温の影響による冷凍サイクルの不安定な作動を防止できる。

さらに、請求項１に記載の発明では、小断面積形成部（５２ｄ）における柱状空間（１０）の軸方向断面の直径をφとし、小断面積形成部（５２ｄ）の下端側よりも上方側に存在する液相状態の感温媒体の鉛直方向高さをｈとし、液相状態の感温媒体の密度をρとし、小断面積形成部（５２ｄ）における表面張力をＳとし、円周率をπとし、重量加速度をｇとしたときに、Ｓ×φ≧（φ／２） ² ×π×ｈ×ρ×ｇとなっている。
これによれば、エレメント部（５３）側で凝縮した過冷却液相状態の感温媒体に対して、小断面積形成部（５２ｄ）を通過して柱状空間（１０）下方側へ落下する方向に作用する重力（（φ／２） ² ×π×ｈ×ρ×ｇ）よりも、小断面積形成部（５２ｄ）を通過して柱状空間（１０）下方側へ落下することを妨げる方向に作用する表面張力による抗力（Ｓ×φ）が大きくなる。

従って、過冷却液相状態の感温媒体が柱状空間（１０）下方側へ落下することを回避して、外気温の影響による弁体（５２ａ）の急変位を確実に回避できる。その結果、冷凍サイクルの不安定な作動を防止することができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の温度式膨張弁において、小断面積形成部（５２ｄ）における柱状空間（１０）の軸方向断面の直径をφとし、小断面積形成部（５２ｄ）の下端側よりも上方側に存在する液相状態の感温媒体の鉛直方向高さをｈとしたときに、
３．５≧φ×ｈ（単位：ｍｍ²）となっていることを特徴とする。

これによれば、後述する実施形態で説明するように、感温媒体として幅広い種類の媒体を採用しても、エレメント部（５３）側で凝縮した過冷却液相状態の感温媒体に対して、小断面積形成部（５２ｄ）を通過して柱状空間（１０）下方側へ流れ込む方向に作用する重力よりも、小断面積形成部（５２ｄ）を通過して柱状空間（１０）下方側へ流れ込むことを妨げる方向に作用する表面張力による抗力を大きくすることができる。

従って、感温媒体として幅広い種類の媒体を採用しても、外気温の影響による冷凍サイクルの不安定な作動を防止することができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の温度式膨張弁において、感温棒（５２ｂ）の外径をφｏｕｔとし、柱状空間（１０）の軸方向断面の直径のうち最大直径をφｍａｘとしたときに、
（φｏｕｔ−φｍａｘ）／２≧φｍａｘとなっていることを特徴とする。

これによれば、柱状空間（１０）の軸方向断面の直径よりも、感温棒（５２ｂ）の内周側と外周側との間の肉厚が大きくなるので、感温棒（５２ｂ）から柱状空間（１０）内の感温媒体への熱伝達を遅らせることができる。

従って、外気温の影響による膨張弁の誤作動および冷凍サイクルの不安定な作動を抑制できるだけでなく、感温媒体が第２冷媒通路（５１ｆ）流通冷媒の温度変化に敏感に反応して圧力変化してしまうことを抑制して、冷凍サイクルの不安定な作動（ハンチング）も抑制できる。

請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の温度式膨張弁において、感温棒（５２ｂ）の内部には、感温棒（５２ｂ）よりも熱伝達率の低い材質で形成された、筒状の低熱伝達率部材（６０）が配置されており、柱状空間（１０）は、低熱伝達率部材（６０）の内周側に形成されていることを特徴とする。

これによれば、低熱伝達率部材（６０）によって、感温棒から感温媒体への熱伝達を遅らせることができる。従って、外気温の影響による冷凍サイクルの不安定な作動を抑制できるだけでなく、が第２冷媒通路（５１ｆ）流通冷媒の温度変化による冷凍サイクルのハンチングも抑制できる。

請求項５に記載の発明では、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において、柱状空間（１０）は、圧力応動部材（５３ｂ）側の上側空間（１０ａ）および弁体（５２ａ）側の下側空間（１０ｂ）によって構成され、下側空間（１０ｂ）の軸方向断面の内径は、上側空間（１０ａ）の軸方向断面の内径よりも小さく形成されていることを特徴とする。

これによれば、下側空間（１０ｂ）外周側における感温棒（５２ｂ）の内周側と外周側との間の肉厚を大きく形成できるので、より一層、感温棒（５２ｂ）から感温媒体への熱伝達を遅らせることができ、冷凍サイクルのハンチングを抑制できる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
図１により、本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態の温度式膨張弁５の断面図である。本実施形態では、この温度式膨張弁５を採用した蒸気圧縮式冷凍サイクル１を車両用空調装置に適用しており、図１では、温度式膨張弁５と蒸気圧縮式冷凍サイクル１の各構成機器との接続関係についても模式的に図示している。

この蒸気圧縮式冷凍サイクル１では、冷媒としてフロン系冷媒（例えば、Ｒ１３４ａ）を採用しており、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超えない亜臨界サイクルを構成している。まず、図１に示す蒸気圧縮式冷凍サイクル１において、圧縮機２は図示しない車両走行用エンジンから電磁クラッチ等を介して駆動力を得て、冷媒を吸入して圧縮するものである。

放熱器３は、圧縮機２から吐出された高圧冷媒と図示しない冷却ファンにより送風される外気（車室外空気）とを熱交換させて、高圧冷媒を放熱させて凝縮させる放熱用熱交換器である。放熱器３の出口側には、放熱器３流出冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して、サイクル内の余剰液相冷媒を溜める受液器（レシーバ）４が接続されている。さらに、レシーバ４の液相冷媒出口には、温度式膨張弁５が接続されている。

この温度式膨張弁５は、レシーバ４から流出した高圧冷媒を減圧膨張させるとともに、蒸発器６流出冷媒の温度と圧力とに基づいて、蒸発器６流出冷媒の過熱度が予め定めた値に近づくように絞り通路面積（弁開度）を変化させて、蒸発器６入口側へ流出させる冷媒流量を調整するものである。なお、温度式膨張弁５の詳細構成については後述する。

蒸発器６は、温度式膨張弁５にて減圧膨張された低圧冷媒と、図示しない送風ファンによって送風された空気とを熱交換させ、低圧冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱用熱交換器である。さらに、蒸発器６の出口側は、温度式膨張弁５の内部に形成された第２冷媒通路５１ｆを介して、圧縮機２の吸入側に接続されている。

次に、温度式膨張弁５の詳細構成について説明する。この温度式膨張弁５は、いわゆる内部均圧式のもので、図１に示すように、ボデー部５１、弁体部５２およびエレメント部５３等を有して構成される。

まず、ボデー部５１は、温度式膨張弁５の外殻および温度式膨張弁５内の冷媒通路等を構成するもので、円柱状あるいは角柱状の金属ブロックに穴開け加工等を施して形成されている。ボデー部５１には、冷媒流入口・流出口５１ａ、５１ｂ、５１ｄ、５１ｅ、弁室５１ｇ、絞り通路５１ｈ、連通室５１ｉ、取付穴５１ｊ等が形成されている。

冷媒流入口・流出口としては、レシーバ４の液相冷媒出口に接続されて高圧液相冷媒を流入させる第１流入口５１ａ、第１流入口５１ａから流入した冷媒を蒸発器６入口側へ流出させる第１流出口５１ｂが形成されている。従って、本実施形態では、第１流入口５１ａから第１流出口５１ｂへ至る冷媒通路によって、第１冷媒通路５１ｃが形成される。

また、他の冷媒流入口・流出口として、蒸発器６から流出した低圧冷媒を流入させる第２流入口５１ｄ、第２流入口５１ｄから流入した冷媒を圧縮機２吸入側へ流出させる第２流出口５１ｅが形成されている。従って、本実施形態では、第２流入口５１ｄから第１流出口５１ｅへ至る冷媒通路によって、第２冷媒通路５１ｆが形成される。

弁室５１ｇは、第１冷媒通路５１ｃに設けられて、その内部に後述する弁体部５２の球状弁５２ａが収容される空間である。より具体的には、弁室５１ｇは、第１流入口５１ａに直接連通し、絞り通路５１ｈを介して第２流出口５１ｂに連通している。絞り通路５１ｈは、第１冷媒通路５１ｃに設けられて、第１流入口５１ａから弁室５１ｇへ流入した冷媒を、減圧膨張させながら弁室５１ｇ側から第１流出口５１ｂ側へ導く通路である。

連通室５１ｉは、第２冷媒通路５１ｆおよびボデー部５１上面に形成された取付穴５１ｊに連通するように設けられた空間である。この取付穴５１ｊには、ボデー部５１の外部から、後述するエレメント部５３が取り付けられている。

弁体部５２は、一方の端部に設けられた弁体である球状弁５２ａ、エレメント部５３のダイヤフラム５３ｂに溶接、接着等の接合手段によって連結された略円柱状の感温棒５２ｂ、および、感温棒５２ｂに同軸上に圧入等の手段よって連結されて、球状弁５２ａに当接する略円柱状の作動棒５２ｃを有して構成されている。

球状弁５２ａは、感温棒５２ｂおよび作動棒５２ｃの軸方向に変位することによって、絞り通路５１ｈの冷媒通路面積を調整する弁体である。また、弁室５１ｇには、コイルバネ５４が収容されており、このコイルバネ５４は、支持部材５４ａを介して、球状弁５２ａに対して絞り通路５１ｈを閉弁させる側に付勢する荷重をかけている。さらに、コイルバネ５４による荷重は、調整ネジ５４ｂによって調整可能になっている。

感温棒５２ｂは、連通室５１ｉ、取付穴５１ｊを貫通するように延びており、その外周面が、第２冷媒通路５１ｆを流通する蒸発器６流出冷媒、および、連通室５１ｉへ流入した蒸発器６流出冷媒に晒されるように配置されている。これにより、感温棒５２ｂは、第２冷媒通路５１ｆを流通する蒸発器６流出冷媒の温度をエレメント部５３側へ伝達することができる。

さらに、感温棒５２ｂの内部には、感温棒５２ｂの軸方向へ延びるように形成された略円柱上の柱状空間１０が形成されている。また、この柱状空間１０の軸方向断面の直径のうち最大直径をφｍａｘとし、感温棒５２ｂのうち柱状空間１０外周側の外径をφｏｕｔとしたときに、本実施形態では、φｍａｘおよびφｏｕｔが、以下式Ｆ１の関係を満たすように設定されている。

（φｏｕｔ−φｍａｘ）／２≧φｍａｘ…（Ｆ１）
つまり、柱状空間１０の軸方向断面の直径よりも、感温棒５２ｂの内周側と外周側との間の肉厚が大きくなっている。

作動棒５２ｃは、ボデー部５１ｂに連通室５１ｉ側と弁室５１ｇ側とを貫通するように形成された弁体部配置穴５１ｋおよび絞り通路５１ｈを貫通するように配置されている。なお、弁体部配置穴５１ｋと弁体部５２の作動棒５２ｃとの隙間は、図示しないＯ−リング等のシール部材によってシールされており、弁体部５２が変位しても弁体部配置穴５１ｋと弁体部５２との隙間から冷媒が漏れることはない。

エレメント部５３は、取付穴５１ｊにネジ止め等の固定手段によって取り付けられるエレメントハウジング５３ａ、圧力応動部材であるダイヤフラム５３ｂ、エレメントハウジング５３ａとともにダイヤフラム５３ｂの外縁部を狭持してエレメント部５３の外殻を形成するエレメントカバー５３ｃによって構成される。

エレメントハウジング５３ａおよびエレメントカバー５３ｃは、ステンレス（ＳＵＳ３０４）等の金属で杯状に形成され、ダイヤフラム５３ｂの外縁部を狭持した状態で、その外周端部同士が溶接、ろう付け等の接合手段によって一体に接合されている。従って、エレメントハウジング５３ａおよびエレメントカバー５３ｃによって形成されるエレメント部５３の内部空間は、ダイヤフラム５３ｂによって２つの空間に区画される。

この２つの空間のうち、エレメントカバー５３ｃとダイヤフラム５３ｂとによって形成される空間は、蒸発器６流出冷媒の温度に応じて圧力変化する感温媒体が封入される封入空間２０である。この封入空間２０は、ダイヤフラム５３ｂの中心部に形成されてダイヤフラム５３ｂの表裏を貫通する貫通穴を介して、感温棒５２ｂの内部に形成された柱状空間１０と連通している。

さらに、本実施形態では、感温棒５２ｂの内部であって、封入空間２０と柱状空間１０が連通する部位の近傍の一部に、柱状空間１０の軸方向断面積を他の部位の軸方向断面積よりも縮小させる小断面積形成部５２ｄを設けている。より具体的には、この小断面積形成部５２ｄは、柱状空間１０の内径に適合する外径を有する円柱状金属部材で形成され、その中心軸部に貫通穴を形成したものである。

そして、この円柱状金属部材を柱状空間１０の内部に圧入、接着等の固定手段によって固定することによって、感温棒５２ｂの内部に小断面積形成部５２ｄが設けられる。もちろん、小断面積形成部５２ｄを感温棒５２ｂの内壁面に直接形成してもよい。

さらに、本実施形態では、小断面積形成部５２ｄにおける柱状空間１０の軸方向断面の直径、すなわち、円柱状金属部材の中心軸部に形成された貫通穴の直径をφとし、小断面積形成部５２ｄの下端側よりも上方側に存在する液相状態の感温媒体の鉛直方向高さをｈとし、液相状態の感温媒体の密度をρとし、小断面積形成部５２ｄにおける液相状態の感温媒体の表面張力をＳとしたときに、φおよびｈが、以下式Ｆ２の関係を満たすように設定されている。

Ｓ×φ≧（φ／２）²×π×ｈ×ρ×ｇ…（Ｆ２）
なお、πは円周率であり、ｇは重量加速度である。

また、小断面積形成部５２ｄの下端側よりも上方側に存在する液相状態の感温媒体の鉛直方向高さとは、例えば、低外気温時に、封入空間２０内の感温媒体が凝縮した際の液相状態の感温媒体の高さである。

ここで、封入空間２０内の容積は十分に小さいので、封入空間２０内の感温媒体が全て凝縮した場合であっても、感温媒体の鉛直方向高さｈが、小断面積形成部５２ｄの軸方向の厚み以下となるように設定すれば、感温媒体の鉛直方向高さｈの最大値は、小断面積形成部５２ｄの軸方向の厚み相当寸法となる。従って、本実施形態では、上記式Ｆ２のｈとして、小断面積形成部５２ｄの軸方向の厚み相当寸法を用いている。

さらに、本実施形態では、上記式Ｆ２の関係を満たすために、貫通穴の直径φおよび液相状態の感温媒体の鉛直方向高さｈ（＝小断面積形成部５２ｄの軸方向の厚みｈ）が以下式Ｆ３の関係を満たすようにしている。

３．５≧φ×ｈ…（Ｆ３）
なお、φおよびｈの単位は、それぞれｍｍ（ミリメートル）であり、φ×ｈの単位は、ｍｍ²（平方ミリメートル）である。より具体的には、貫通穴の直径を１ｍｍとして、小断面積形成部５２ｄの軸方向の厚みを３ｍｍとしている。

一方、エレメントハウジング５３ａとダイヤフラム５３ｂとによって形成される空間は、連通室５１ｉと連通して蒸発器６流出冷媒を導入させる導入空間３０である。従って、柱状空間１０および封入空間２０に封入された感温媒体には、感温棒５２ｂを介して、第２冷媒通路５１ｆを流通する蒸発器６流出冷媒の温度が伝達されるだけでなく、ダイヤフラム５３ｂを介して、導入空間３０に導入された蒸発器６流出冷媒の温度も伝達される。

従って、柱状空間１０および封入空間２０の内圧は、蒸発器６流出冷媒の温度に応じた圧力となる。そして、ダイヤフラム５３ｂは、柱状空間１０および封入空間２０の内圧と導入空間３０へ流入した蒸発器６流出冷媒の圧力との差圧に応じて変位する。このため、ダイヤフラム５３ｂは弾性に富み、かつ熱伝導が良好で、強靱な材質にて形成することが好ましく、例えば、ステンレス（ＳＵＳ３０４）等の金属薄板にて形成される。

また、図１に示すように、エレメントカバー５３ｃには、封入空間に感温媒体を充填するための充填穴５３ｄが形成されており、この充填穴５３ｄは、感温媒体の充填後に、その先端が封止プラグ５３ｅによって閉塞される。さらに、本実施形態の封入空間２０には、蒸気圧縮式冷凍サイクル１を循環する冷媒と同一組成の感温媒体が予め定めた密度となるように封入されている。従って、本実施形態における感温媒体は、Ｒ１３４ａである。

ここで、封入空間２０への感温媒体（Ｒ１３４ａ）の封入について説明する。本実施形態では、蒸気圧縮式冷凍サイクル１の使用温度範囲（０℃以上かつ４０℃以下の範囲）において、柱状空間１０内に感温媒体の気液界面４０が存在するように封入されている。従って、封入空間２０と柱状空間１０が連通する部位の近傍に位置付けられる小断面積形成部５２ｄは、感温媒体の気液界面４０よりも上方に設けられることになる。

より具体的には、第２冷媒通路５１ｆの下面からボデー部５１の取付穴５１ｊまでの範囲（図１のαで示す範囲）を低圧冷媒流路領域としたときに、感温媒体の気液界面４０が低圧冷媒流路領域の範囲となるように封入されている。なお、本実施形態のように、感温媒体の気液界面４０が、柱状空間１０内に存在するように封入する理由は、次のとおりである。

柱状空間１０および封入空間２０の圧力は、前述の如く蒸発器６流出冷媒の温度によって決定されるので、柱状空間１０および封入空間２０の内圧を精度良く感温媒体の飽和圧力とするためには、蒸気圧縮式冷凍サイクル１の使用温度範囲の全域において、柱状空間１０あるいは封入空間２０に、飽和液相状態の感温媒体および飽和気相状態の感温媒体が共存していることが望ましい。

この際、封入空間２０内よりも、外気温の影響を受けにくい柱状空間１０内に気液界面４０が存在していれば、柱状空間１０および封入空間２０の内圧を、精度良く蒸発器６流出冷媒温度における飽和圧力とすることができるからである。

次に、上記構成における本実施形態の作動について説明する。圧縮機２が車両エンジンの駆動力により回転駆動されると、圧縮機２から吐出された高温高圧冷媒は、放熱器３に流入し、冷却ファンにより送風された外気と熱交換して、放熱して凝縮する。放熱器３から流出した冷媒はレシーバ４にて気液分離される。

レシーバ４から流出した高圧液相冷媒は、温度式膨張弁５の第１流入口５１ａから弁室５１ｇへ流入し、絞り通路５１ｈにて減圧膨張される。この際、絞り通路５１の冷媒通路面積は、後述するように、蒸発器６流出冷媒の過熱度が予め定めた値に近づくように調整されている。

絞り通路５１ｈにて減圧膨張された低圧冷媒は、第１流出口５１ｂから流出して蒸発器６へ流入する。蒸発器６へ流入した冷媒は、送風ファンによって送風された空気から吸熱して蒸発する。さらに、蒸発器６から流出した冷媒は、第２流入口５１ｄから温度式膨張弁５へ流入する。

ここで、第２流入口５１ｄから連通室５１ｉへ流入した蒸発器６流出冷媒の過熱度が上昇すると、柱状空間１０および封入空間２０に封入された感温媒体の飽和圧力が上昇して、柱状空間１０および封入空間２０の内圧から導入空間３０の圧力を差し引いた差圧が大きくなる。これにより、ダイヤフラム５３ｂは、弁体部５２が絞り通路５１ｈを開弁させる方向（図１では下方）へ変位する。

逆に、蒸発器６流出冷媒の過熱度が低下すると、封入空間２０に封入された感温媒体の飽和圧力が低下して、柱状空間１０および封入空間２０の内圧から導入空間３０の圧力を差し引いた差圧が小さくなる。これにより、ダイヤフラム５３ｂは、弁体部５２が絞り通路５１ｈを閉弁させる方向（図１では上方）へ変位する。

このように蒸発器６流出冷媒の過熱度に応じてエレメント部５３（具体的には、ダイヤフラム５３ｂ）が弁体部５２を変位させることによって、蒸発器６流出冷媒の過熱度が予め定めた値に近づくように絞り通路５１の通路面積が調整される。なお、調整ネジ５４ｂによって、コイルバネ５４から弁体部５３にかかる荷重を調整することで、弁体部５３の開弁圧を変更して、予め定めた過熱度の値を変更することもできる。

第２流出口５１ｅから流出した冷媒は、圧縮機２に吸入されて再び圧縮される。一方、送風ファン５によって送風された空気は、蒸発器６にて冷却され、さらに、蒸発器６の空気流れ下流側に配置された図示しない加熱手段（例えば、温水ヒータコア等）によって目標温度まで温調されて、空調対象空間である車室内へ吹き出される。

ところで、本実施形態の温度式膨張弁５では、エレメント部５３がボデー部５１の外部に配置されているので、エレメントカバー５３ｃとダイヤフラム５３ｂとによって形成される封入空間２０内の感温媒体の温度は、外気温の影響を受けやすい。例えば、冬季のように、感温棒５２ｂおよびダイヤフラム５３ｂから感温媒体に伝達される温度よりも外気温が低下すると、封入空間２０内の感温媒体が凝縮して過冷却液相状態となってしまう。

そして、この過冷却液相状態となった感温媒体が柱状空間１０内の液相状態の感温媒体と熱的に接触してしまうと、柱状空間１０内の冷媒温度が低下して、柱状空間１０内および封入空間２０内の感温媒体の飽和圧力が低下してしまう。その結果、球状弁５２ａが絞り通路５１ｈを閉弁する側に変位して所望の弁開度を実現できず、冷凍サイクルの作動が不安定になってしまうことが懸念される。

これに対して、本実施形態では、感温棒５２ｂの内部であって封入空間２０と柱上空間１０が連通する部位の近傍に、小断面積形成部５２ｄが設けられているので、小断面積形成部５２ｄにおける液相状態の感温媒体の流動を抑制できる。つまり、低外気温時に封入空間２０内の感温媒体が凝縮して過冷却液相状態となっても、この過冷却液相状態の感温媒体が柱状空間１０側へ流れ込む（落下）してしまうことを抑制できる。

従って、低外気温時に過冷却液相状態となった封入空間２０内の感温媒体と柱状空間１０内の感温媒体が熱的に接触してしまうことを抑制して、柱状空間１０内および封入空間２０内の感温媒体の飽和圧力が変化してしまうことを抑制できる。その結果、外気温の影響による弁体５２ａの誤作動を抑制して、蒸気圧縮式冷凍サイクル１を所望の運転状態に保ち、不安定な作動を防止することができる。

さらに、柱状空間１０および封入空間２０に対して、蒸気圧縮式冷凍サイクル１の使用温度範囲（０℃以上かつ４０℃以下）において、感温媒体の気液界面４０が低圧冷媒流路領域の範囲となるように封入して、小断面積形成部５２ｄが、感温媒体の気液界面４０よりも上方に位置付けられるようにしている。

これにより、低外気温時における封入空間２０内の過冷却液相状態の感温媒体と、柱状空間１０内の飽和液相状態の感温媒体が直接接触してしまうことを回避できるので、柱状空間１０内および封入空間２０内の感温媒体の飽和圧力が変化してしまうことを、より一層効果的に抑制できる。

さらに、酷暑地や極寒冷地のような使用環境を考慮した場合、蒸気圧縮式冷凍サイクル１の使用温度範囲は、−３０℃以上かつ６０℃以下の範囲となり得る。従って、感温媒体温度が−３０℃以上かつ６０℃以下の範囲において、感温媒体の気液界面４０が低圧冷媒流路領域の範囲となるように封入して、小断面積形成部５２ｄが、感温媒体の気液界面４０よりも上方に位置付けられるようにすることが望ましい。

さらに、上記式Ｆ２およびＦ３を満たすように、小断面積形成部５２ｄの貫通穴の直径φおよび小断面積形成部５２ｄの軸方向の厚み寸法ｈを決定しているので、過冷却液相状態の感温媒体が柱状空間１０下方側へ流れ込むことを回避して、外気温の影響による弁体５２ａの誤作動を回避できるので、冷凍サイクルを所望の運転状態に保ち、不安定な作動を確実に防止することができる。

すなわち、上記式Ｆ２の右辺（（φ／２）²×π×ｈ×ρ×ｇ）は、エレメント部５３側で凝縮した過冷却液相状態の感温媒体に対して、小断面積形成部５２ｄを通過して柱状空間１０下方側へ流れ込む方向に作用する重力を意味し、式Ｆ２の左辺（Ｓ×φ）は、小断面積形成部５２ｄを通過して柱状空間１０下方側へ流れ込むことを妨げる方向に作用する表面張力による抗力を意味している。

従って、式Ｆ２を満足することにより、過冷却液相状態の感温媒体に作用する重力よりも効力が大きくなるので、重力よりも大きくすることができる。従って、過冷却液相状態の感温媒体が柱状空間１０下方側へ落下することを回避して、外気温の影響による弁体５２ａの誤作動を確実に回避できる。

さらに、上記式Ｆ３を満たすように、小断面積形成部５２ｄの貫通穴の直径φおよび液相状態の感温媒体の鉛直方向高さｈ（＝小断面積形成部５２ｄの軸方向の厚み寸法ｈ）を決定することにより、感温媒体として幅広い種類の媒体を採用しても同様の効果を得ることができる。このことを図２に基づいて、詳細に説明する。なお、図２は、外気温の変化に対するφ×ｈの変化を示すグラフである。

ここで、上述の式Ｆ２は、以下式Ｆ２’のように変形できる。

４×Ｓ／（π×ρ×ｇ）≧φ×ｈ…（Ｆ２’）
そこで、図２では、一般的な蒸気圧縮式冷凍サイクルに採用される冷媒である、Ｒ１３４ａ、Ｒ７４４、Ｒ６００ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４１０における、外気温（封入空間２０側の温度）の変化に対するφ×ｈの変化をプロットしている。

図２から明らかなように、Ｒ６００ａでは、３．５≧φ×ｈの範囲で、上記式Ｆ２を満たす。また、感温媒体としてＲ６００ａを採用しない場合は、１．５≧φ×ｈの範囲で、上記式Ｆ２を満たすことができる。従って、本実施形態のように、式Ｆ３を満たすようにφ×ｈを設定することで、感温媒体として幅広い種類の媒体を採用しても過冷却液相状態の感温媒体が柱状空間１０下方側へ落下することを回避できる。

さらに、上記式Ｆ１を満たすように、感温棒５２ｂの外径φｏｕｔおよび柱状空間１０の軸方向断面の直径のうち最大直径φｍａｘを決定して、柱状空間１０の軸方向断面の直径よりも、感温棒（５２ｂ）の内周側と外周側との間の肉厚が大きくしているので、感温棒５２ｂから柱状空間１０内の感温媒体への熱伝達を遅らせることができる。

従って、外気温の影響による膨張弁の誤作動および冷凍サイクルの不安定な作動を抑制できるだけでなく、感温媒体が第２冷媒通路５１ｆ流通冷媒の温度変化に敏感に反応して圧力変化してしまうことを抑制して、冷凍サイクルの不安定な作動（ハンチング）を抑制することもできる。

（第２実施形態）
本実施形態では、図３に示すように、上述の第１実施形態に対して、感温棒５２ｂの内部に、感温棒５２ｂよりも熱伝達率の低い材質で形成された、筒状の低熱伝達率部材６０を配置した例を説明する。なお、図３は、本実施形態の温度式膨張弁５の断面図である。また、図３では、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付している。

この低熱伝達率部材６０は、樹脂（より具体的には、発泡樹脂）で形成されている。さらに、柱状空間１０は、この低熱伝達率部材６０の内周側に形成されている。また、第１実施形態に対して、感温棒５２ｂの外径φｏｕｔを小さくし、柱状空間１０の軸方向断面の最大直径φｍａｘを大きくしている。従って、本実施形態では、上述の式Ｆ１を満たしてない。その他の構成は、第１実施形態と同様である。

本実施形態の温度式膨張弁５では、感温棒５２ｂの内部に、低熱伝達率部材６０を配置しているので、感温棒５２ｂから柱状空間１０内の感温媒体への熱伝達を遅らせることができる。さらに、低熱伝達率部材６０を配置したことにより、第１実施形態に対して、同一の感温棒５２ｂの外径φｏｕｔを小さくして、感温棒５２ｂの肉厚を薄くできるので、膨張弁１の軽量化を図ることができる。

さらに、柱状空間１０の軸方向断面の最大直径φｍａｘを拡大しているので、第１実施形態よりも感温媒体の封入量を増加できる。従って、設定温度にて封入冷媒を全て気化させて、柱状空間１０および封入空間２０内の圧力上昇を抑制するＭＯＰ特性の設定温度を高く設定することができる。

さらに、低熱伝達率部材６０を配置したことにより、感温棒５２ｂから柱状空間１０内の感温媒体への熱伝達を遅らせることができるので、外気温の影響による膨張弁の誤作動および冷凍サイクルの不安定な作動を抑制できるだけでなく、感温媒体が第２冷媒通路５１ｆ流通冷媒の温度変化に敏感に反応して圧力変化してしまうことを抑制して、冷凍サイクルの不安定な作動（ハンチング）を抑制することもできる。

（第３実施形態）
本実施形態では、図４に示すように、第２実施形態に対して、感温棒５２ｂ内部の柱状空間１０を上側空間１０ａおよび下側空間１０ｂによって構成している。さらに、下側空間１０ｂの軸方向断面の内径は、上側空間１０ａの内径よりも小さく形成されている。従って、下側空間１０ｂ外周側における感温棒５２ｂの内周側と外周側との間の肉厚は、上側空間１０ａ外周側における肉厚よりも薄くなる。

なお、下側空間１０ｂの軸方向断面の内径は、小断面積形成部５２ｄの貫通穴の直径φよりも大きい。また、本実施形態では、蒸気圧縮式冷凍サイクル１の使用温度範囲において、感温媒体の気液界面４０が下側空間１０ｂ内に存在するように、感温媒体が封入されている。その他の構成は、第２実施形態と同様である。

従って、本実施形態の温度式膨張弁５によれば、感温棒５２ｂから下側空間１０ｂの感温媒体への熱伝達を遅らせることができるので、外気温の影響による膨張弁の誤作動および冷凍サイクルの不安定な作動を抑制できるだけでなく、感温媒体が第２冷媒通路５１ｆ流通冷媒の温度変化に敏感に反応して圧力変化してしまうことを抑制して、冷凍サイクルの不安定な作動（ハンチング）を抑制することもできる。

（他の実施形態）
上述の実施形態では、感温媒体として、蒸気圧縮式冷凍サイクル１を循環する冷媒と同一組成の冷媒を採用しているが、感温媒体はこれに限定されない。例えば、複数の種類の冷媒を混合した感温媒体を採用してもよい。さらに、封入空間２０内に、感温媒体に加えて、ヘリウム、窒素などの不活性ガスを封入してもよい。

前述の如く、コイルバネ５４から弁体部５２にかかる荷重、すなわち弁体部５２の開弁圧力は、調整ネジ５４ｂによって調整される。そのため、封入空間２０内に封入される感温媒体の圧力を低く設定した場合、対向する調整バネによる荷重も弱く設定する必要がある。

ところが、この調整バネによる荷重を弱く設定すると、この調整バネの荷重を調整する調整ネジの締め付け力も低くなり、調整ネジが緩みやすくなる。これに対して、封入空間２０内に感温媒体とともに、不活性ガスを封入することで、封入空間２０内の内圧を増加させることができ調整ネジの締め付け力を増加させることができる。その結果、調整ネジの緩みを防止することができる。

しかも、ヘリウム、窒素といった不活性ガスは、温度式膨張弁５の使用温度範囲では、ほぼ理想気体と同様の温度−圧力特性を示すので、蒸発器５流出冷媒の温度によらず、封入空間２０内の内圧をほぼ一定量増加させる働きをする。従って、封入空間２０に不活性ガスを封入しても、蒸発器６流出冷媒の過熱度制御に悪影響を及ぼさない。

また、上述の実施形態では、小断面積形成部５２ｄを、その中心軸部に貫通穴を形成した円柱状金属部材で形成した例を説明したが、この貫通穴は単数に限定されず、複数の形成されていてもよい。さらに、小断面積形成部５２ｄを、網状体（金属メッシュ）等で形成してもよい。もちろん、小断面積形成部５２ｄを樹脂で形成してもよい。

この場合も、エレメント部５３側で凝縮した過冷却液相状態の感温媒体に対して、小断面積形成部５２ｄを通過して柱状空間１０下方側へ流れ込む方向に作用する重力よりも、小断面積形成部５２ｄを通過して柱状空間１０下方側へ流れ込むことを妨げる方向に作用する表面張力による抗力が大きくなるように、各貫通穴の径を設定すればよい。

また、上述の実施形態では、蒸発器６を室内側熱交換器として構成し、放熱器３を大気側へ放熱する室外熱交換器として構成しているが、蒸発器６を大気等の熱源から吸熱する室外側熱交換器として構成し、放熱器３を空気あるいは水等の被加熱冷媒を加熱する室内側熱交換器として構成するヒートポンプサイクルに、本発明の温度式膨張弁を適用してもよい。

このようなヒートポンプサイクルを備える装置では、外気温が極低温となりうる環境下に配置されることがある。従って、上述したように、−３０℃以上かつ６０℃以下の範囲において、感温媒体の気液界面４０が低圧冷媒流路領域の範囲となるように感温媒体を封入して、小断面積形成部５２ｄが、感温媒体の気液界面４０よりも上方に位置付けられるようにすることは、極めて有効である。

第１実施形態の温度式膨張弁の断面図である。 冷媒によるφ×ｈの変化を示すグラフである。 第２実施形態の温度式膨張弁の断面図である。 第３実施形態の温度式膨張弁の断面図である。

符号の説明

６ 蒸発器
１０ 柱状空間
１０ａ 上側空間
１０ｂ 下側空間
２０ 封入空間
４０ 気液界面
５１ ボデー部
５１ｃ 第１冷媒通路
５１ｈ 絞り通路
５１ｆ 第２冷媒通路
５２ａ 球状弁
５２ｂ 感温棒
５２ｄ 小断面積形成部
５３ エレメント部
５３ｂ ダイヤフラム
６０ 低熱伝達率部材

Claims (5)

1. 蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用されて、高圧冷媒を減圧膨張させるとともに、減圧膨張させた低圧冷媒を蒸発器（６）入口側へ流出させる温度式膨張弁であって、
   前記高圧冷媒を流通させる第１冷媒通路（５１ｃ）、前記第１冷媒通路（５１ｃ）に設けられて冷媒を減圧膨張させる絞り通路（５１ｈ）、および、前記蒸発器（６）流出冷媒を流通させる第２冷媒通路（５１ｆ）が形成されたボデー部（５１）と、
   前記絞り通路（５１ｈ）の開度を調整する弁体（５２ａ）と、
   前記ボデー部（５１）の外部に配置されて、温度に応じて圧力が変化する感温媒体が封入された封入空間（２０）の内圧と前記第２冷媒通路（５１ｆ）流通冷媒の圧力との圧力差に応じて変位する圧力応動部材（５３ｂ）を有するエレメント部（５３）と、
   前記圧力応動部材（５３ｂ）の変位を前記弁体（５２ａ）に伝えるとともに、前記第２冷媒通路（５１ｆ）流通冷媒の温度を前記感温媒体へ伝達する感温棒（５２ｂ）とを備え、
   前記感温棒（５２ｂ）の内部には、前記感温棒（５２ｂ）の軸方向に延びるように形成されて、前記封入空間（２０）と連通する柱状空間（１０）が形成されており、
   前記感温媒体は、前記柱状空間（１０）内にその気液界面（４０）が存在するように封入され、
   さらに、前記感温棒（５２ｂ）には、前記柱状空間（１０）のうち、一部の部位の軸方向断面積を、他の部位の軸方向断面積よりも縮小させる小断面積形成部（５２ｄ）が設けられており、
   前記小断面積形成部（５２ｄ）は、前記気液界面（４０）よりも上方に設けられ、
   前記感温媒体は、その温度が少なくとも０℃以上かつ４０℃以下の範囲において、前記柱状空間（１０）内に前記気液界面（４０）が存在するように封入されており、
   前記第２冷媒通路（５１ｆ）の下面から前記エレメント部（５３）が配置されるボデー部（５１）上面までの範囲を低圧冷媒流路領域（α）としたとき、前記感温媒体は、前記気液界面（４０）が前記低圧冷媒流路領域（α）内となるように封入されており、
   前記小断面積形成部（５２ｄ）における前記柱状空間（１０）の軸方向断面の直径をφとし、前記小断面積形成部（５２ｄ）の下端側よりも上方側に存在する液相状態の感温媒体の鉛直方向高さをｈとし、前記液相状態の感温媒体の密度をρとし、前記小断面積形成部（５２ｄ）における表面張力をＳとし、円周率をπとし、重量加速度をｇとしたときに、
   Ｓ×φ≧（φ／２） ² ×π×ｈ×ρ×ｇとなっていることを特徴とする温度式膨張弁。
2. 前記小断面積形成部（５２ｄ）における前記柱状空間（１０）の軸方向断面の直径をφとし、前記小断面積形成部（５２ｄ）の下端側よりも上方側に存在する液相状態の感温媒体の鉛直方向高さをｈとしたときに、
   ３．５≧φ×ｈ（単位：ｍｍ²）となっていることを特徴とする請求項１に記載の温度式膨張弁。
3. 前記感温棒（５２ｂ）の外径をφｏｕｔとし、前記柱状空間（１０）の軸方向断面の直径のうち最大直径をφｍａｘとしたときに、
   （φｏｕｔ−φｍａｘ）／２≧φｍａｘとなっ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。
4. 前記感温棒（５２ｂ）の内部には、前記感温棒（５２ｂ）よりも熱伝達率の低い材質で形成された、筒状の低熱伝達率部材（６０）が配置されており、
   前記柱状空間（１０）は、低熱伝達率部材（６０）の内周側に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の温度式膨張弁。
5. 前記柱状空間（１０）は、前記圧力応動部材（５３ｂ）側の上側空間（１０ａ）および前記弁体（５２ａ）側の下側空間（１０ｂ）によって構成され、
   前記下側空間（１０ｂ）の軸方向断面の内径は、前記上側空間（１０ａ）の軸方向断面の内径よりも小さく形成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。

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