| 【発明の名称】 |
冷媒封入方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】榊原 久介
【氏名】黒田 泰孝
【氏名】戸松 義貴
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| 【要約】 |
【課題】圧力制御弁の密閉空間内に冷媒を所定密度で封入する方法を提供する。
【解決手段】密閉空間３０５が形成されたエレメントケース３１５を臨界温度以上の所定温度に保たれた恒温室１０１内に配設した状態でＣＯ２ を所定圧力で封入する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 放熱器（２）内の圧力が冷媒の臨界圧力（Ｐｃ）を越える蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用されるとともに、前記放熱器（２）出口側の冷媒温度に応じて前記放熱器（２）出口側圧力を制御する圧力制御弁（３）において、前記圧力制御弁（３）内に形成された密閉空間（３０５）に、前記冷媒を所定密度で封入する冷媒封入方法であって、前記密閉空間（３０５）内の温度が前記冷媒の臨界温度（Ｔｃ）以上の所定温度となった状態にて、前記密閉空間（３０５）内の圧力が所定圧力となるように前記冷媒を封入することを特徴とする冷媒封入方法。
【請求項２】 雰囲気温度を前記所定温度に保つ恒温室（１０１）内に前記圧力制御弁（３）を配設した状態で、前記密閉空間（３０５）内に前記冷媒を封入することを特徴とする請求項１に記載の冷媒封入方法。
【請求項３】 放熱器（２）内の圧力が冷媒の臨界圧力（Ｐｃ）を越える蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用されるとともに、前記放熱器（２）出口側の冷媒温度に応じて前記放熱器（２）出口側圧力を制御する圧力制御弁（３）において、前記圧力制御弁（３）内に形成された密閉空間（３０５）に、前記冷媒を所定密度で封入する冷媒封入装置であって、前記圧力制御弁（３）を収納し、雰囲気温度を前記冷媒の臨界温度（Ｔｃ）以上の所定温度に保つ恒温室（１０１）と、前記密閉空間（３０５）内に前記冷媒を所定圧力で封入する冷媒封入手段（１０２、１０３、１０４）とを有することを特徴とする冷媒封入装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、二酸化炭素（以下、ＣＯ2 と記す。）を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍サイクル（以下、ＣＯ2 サイクルと記す。）のごとく、放熱器内の圧力が冷媒の臨界圧力Ｐｃを超える蒸気圧縮式冷凍サイクル（以下、超臨界サイクルと呼ぶ。）に適用される圧力制御弁の密閉空間内に冷媒を封入する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ＣＯ2 サイクル用の圧力制御弁として、出願人は既に特願平８−１１２４８号を出願しており、その圧力制御弁は、上記出願に記載のごとく、圧力制御弁内の密閉空間（制御室）内に所定密度で冷媒を封入し、その封入された冷媒の温度変化に伴う圧力変化を利用して、放熱器の出口側の冷媒温度に応じて放熱器の出口圧力を制御するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】したがって、超臨界サイクルにおいては、圧力制御弁の密閉空間内に冷媒を所定密度で封入する必要があるのに対して、現状では未だ冷媒を所定密度で封入する方法が確立されていない。本発明は、上記点に鑑み、圧力制御弁の密閉空間内に冷媒を所定密度で封入する方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達成するために、以下の技術的手段を用いる。請求項１、２に記載の発明では、密閉空間（３０５）内の温度が冷媒の臨界温度（Ｔｃ）以上の所定温度となった状態にて、密閉空間（３０５）内の圧力が所定圧力となるように冷媒を封入することを特徴とする。
【０００５】これにより、密閉空間（３０５）内に冷媒を所定密度で封入することができる。なお、密閉空間（３０５）内の温度を冷媒の臨界温度（Ｔｃ）以上の所定温度とするためには、請求項２に記載のごとく、雰囲気温度を前記所定温度に保つ恒温室（１０１）内に圧力制御弁（３）を配設した状態で冷媒を封入することが望ましい。
【０００６】因みに、圧力制御弁（３）を恒温室（１０１）内に配設するとは、圧力制御弁（３）全体を恒温室（１０１）内に配設することは勿論、後述するように、密閉空間（３０５）が形成された圧力制御弁（３）の一部のみを恒温室（１０１）内に配設する場合も含む意味である。請求項３に記載の発明では、圧力制御弁（３）を収納し、雰囲気温度を冷媒の臨界温度（Ｔｃ）以上の所定温度に保つ恒温室（１０１）と、密閉空間（３０５）内に冷媒を所定圧力で封入する冷媒封入手段（１０２、１０３、１０４）とを有することを特徴とする。
【０００７】これにより、請求項１に記載の発明と同様に、密閉空間（３０５）内に冷媒を所定密度にて封入することができる。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。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）図１は本実施形態に係る圧力制御弁を用いたＣＯ2 サイクルを車両用空調装置に適用したものであり、１は気相状態のＣＯ2 を圧縮する圧縮機である。２は圧縮機１で圧縮されたＣＯ2 を外気等との間で熱交換して冷却する放熱器（ガスクーラ）であり、３は放熱器２出口側でのＣＯ2 温度に応じて放熱器２出口側圧力を制御する圧力制御弁である。なお、圧力制御弁３は、放熱器２出口側圧力を制御するとともに減圧器を兼ねており、ＣＯ2 は、この圧力制御弁３にて減圧されて低温低圧の気液２相状態のＣＯ2 となる。
【０００９】４は、車室内の空気冷却手段をなす蒸発器（吸熱器）で、気液２相状態のＣＯ2 は蒸発器４内で気化（蒸発）する際に、車室内空気から蒸発潜熱を奪って車室内空気を冷却する。５は、気相状態のＣＯ2 と液相状態のＣＯ2 とを分離するとともに、液相状態のＣＯ2 を一時的に蓄えるアキュームレータ（タンク手段）である。
【００１０】そして、圧縮機１、放熱器２、圧力制御弁３、蒸発器４およびアキュームレータ５は、それぞれ配管６によって接続されて閉回路を形成している。なお、圧縮機１は、図示されていない駆動源（エンジン、モータ等）から駆動力を得て駆動し、放熱器２は、放熱器２内ＣＯ2 と外気との温度差をできるだけ大きくするために車両前方に配置されている。
【００１１】なお、７は、圧力制御弁３の故障等により、放熱器２出口側の圧力が異常上昇したときに、圧力制御弁３を迂回してＣＯ2 を流通させるリリーフ弁である。次に、圧力制御弁３の構造について図２を用いて述べる。３０１は放熱器２から蒸発器４に至るＣＯ2 流路６ａの一部を形成するととに、後述するエレメントケース３１５を収納するケーシングであり、３０１ａは放熱器２側に接続される流入口３０１ｂを有する上蓋であり、３０１ｃは蒸発器４側に接続される流出口３０１ｄを有するケーシング本体である。
【００１２】また、ケーシング３０１には、ＣＯ2 流路６ａを上流側空間３０１ｅと下流側空間３０１ｆとに仕切る隔壁部３０２が配設されており、この隔壁部３０２には、上流側空間３０１ｅと下流側空間３０１ｆとを連通させる弁口３０３が形成されている。そして、弁口３０３は、針状のニードル弁体（以下、弁体と略す。）３０４により開閉され、この弁体３０３および後述するダイヤフラム３０６は、ダイヤフラム３０６の変位に連動して、ダイヤフラム３０６が中立状態から弁体３０３側（ダイヤフラム３０６の厚み方向他端側）に向けて変位したときに弁口３０３を閉じ、厚み方向一端側に向けて変位したときに弁口３０３の開度（弁口３０３を閉じた状態を基準とする弁体３０４の変位量）が最大となるように構成されている。 また、上流側空間３０１ｅには、密閉空間（ガス封入室）３０５が形成されており、この密閉空間３０５は、密閉空間３０５内外の圧力差に応じて変形変位する、ステンレス材からなる薄膜状のダイヤフラム（変位部材）３０６、およびダイヤフラム３０６の厚み方向一端側に配設されたダイヤフラム上側支持部材（形成部材）３０７から形成されている。
【００１３】一方、ダイヤフラム３０６の厚み方向他端側には、ダイヤフラム上側支持部材（以下、上側支持部材と略す。）３０７と共にダイヤフラム３０６を保持固定するダイヤフラム下側支持部材（保持部材）３０８が配設されており、このダイヤフラム下側支持部材（以下、下側支持部材と略す。）３０８のうち、ダイヤフラム３０６に形成された変形促進部（変位部材変形部）３０６ａに対応する部位には、図３、４に示すように、変形促進部３０６ａに沿う形状に形成された凹部（保持部材変形部）３０８ａが形成されている。
【００１４】なお、変形促進部３０６ａとは、ダイヤフラム３０６の径外方側の一部を波状に変形させたもので、ダイヤフラム３０６が密閉空間３０５内外の圧力差に略比例して変形変位するようにするためのものである。また、下側支持部材３０８のうちダイヤフラム３０６に面する部位には、弁口３０３が弁体３０４により閉じられた状態において、弁体３０４のうちダイヤフラム３０６に接触する面３０４ａに対して略同一面となる下側平面部（保持部材平面部）３０８ｂが形成されている。
【００１５】また、ダイヤフラム３０６の厚み方向一端側（密閉空間３０５内）には、図２に示すように、ダイヤフラム３０６を介して弁体３０４に対して弁口３０３を閉じる向きの弾性力を作用させる第１コイルばね（第１弾性部材）３０９が配設されており、一方、ダイヤフラム３０６の厚み方向他端側には、弁体３０４に対して弁口３０３を開く向きの弾性力を作用させる第２コイルバネ（第２弾性部材）３１０が配設されている。
【００１６】また、３１１は第１コイルばね３０９のばね座を兼ねるプレート（剛体）であり、このプレート３１１は、ダイヤフラム３０６より剛性が高くなるように所定の厚みを有して金属にて構成されている。そして、プレート３１１は、図３、４に示すように、上側支持部材３０７に形成された段付き部（ストッパ部）３０７ａに接触することにより、ダイヤフラム３０６が、その厚み方向一端側（密閉空間３０５側）に向けて所定値以上に変位することを規制している。
【００１７】そして、上側支持部材３０７には、プレート３１１と段付き部３０７ａとが接触したときに、プレート３１１のうちダイヤフラム３０６に接触する面３１１ａに対して略同一面となる上側平面部（形成部材平面部）３０７ｂが形成されている。因みに、上側支持部材３０７の円筒部３０７ｃの内壁は、第１コイルばね３０９の案内部をも兼ねている。
【００１８】なお、プレート３１１および弁体３０４は、両コイルばね３０９、３１０により互いにダイヤフラム３０６に向けて押し付けられているので、プレート３１１、弁体３０４およびダイヤフラム３０６は互いに接触した状態で一体的に変位（稼働）する。ところで、図２中、３１２は第２コイルばね３１０が弁体３０４に対して作用させる弾性力を調節するとともに、第２コイルばね３１０のプレートを兼ねる調節ネジ（弾性力調節機構）であり、この調節ネジ３１２は、隔壁部３０２に形成された雌ねじ３０２ａにネジ結合している。因みに、両コイルバネ３０９、３１０による初期荷重（弁口３０３を閉じた状態での弾性力）は、ダイヤフラム３０６での圧力換算で約１ＭＰａである。
【００１９】また、３１３は密閉空間３０５内外に渡って上側支持部材３０７を貫通し、密閉空間３０５内にＣＯ2 を封入するための封入管（貫通部材）であり、この封入管３１３は、ステンレス製の上側支持部材３０７より熱伝導率の大きい銅等の材料から構成されている。なお、下側支持部材３０８もステンレス製である。そして、封入管３１３は、弁口３０３が閉じられた状態における密閉空間３０５内体積に対して約６００ｋｇ／ｍ3 の密度で封入した後、その端部を溶接等の接合手段により閉塞される。
【００２０】なお、３１４は、隔壁部３０２〜封入管３１３からなるエレメントケース３１５をケーシング本体３０１ｃ内に固定する円錐ばねであり、３１６はエレメントケース３１５（隔壁部３０２）とケーシング本体３０１ｃとの隙間を密閉するＯリングである。因みに、図５の（ａ）はエレメントケース３１５のＡ矢視図であり、図５の（ｂ）は（ａ）のＢ矢視図であり、図５から明らかなように、弁口３０３は隔壁部３０２の側面側にて上流側空間３０１ｅに連通している。
【００２１】ここで、密閉空間３０５へのＣＯ2 の封入方法について述べる。図６は、ＣＯ2 を所定密度で封入する冷媒封入装置１００模式図であり、１０１は圧力制御弁３を収納するとともに、雰囲気温度をＣＯ2 の臨界温度Ｔｃ以上の所定温度（本実施形態では約４０℃）に保つ恒温室である。因みに、臨界温度Ｔｃとは、周知のごとく、冷媒の臨界圧力Ｐｃに対応する温度であり、ＣＯ2 では約３１℃である。
【００２２】なお、本実施形態では、密閉空間３０５はエレメントケース３１５内に形成されているため、恒温室１０１内には、圧力制御弁３全体ではなく、エレメントケース３１５のみを収納している。また、１０２は高圧（密閉空間３０５への封入圧より高い圧力であって、本実施形態では約１３ＭＰａである。）のＣＯ2 が封入された制御ガスタンク（以下、タンク略す。）であり、このタンク１０２には、タンク１０２の吐出圧を一定に保つレギュレータ１０３が備えられ、封入管３１３は、レギュレータ１０３を介してタンク１０２に接続されている。
【００２３】また、タンク１０２およびレギュレータ１０３は、エレメントケース３１５と同様に恒温室１０４内に収納されており、この恒温室１０４は、エレメントケース３１５が収納された恒温室１０１内の温度より高い温度（本実施形態では約４５℃）に保たれている。なお、本実施形態では、タンク１０２、レギュレータ１０３および恒温室１０４により密閉空間３０５内に前記冷媒を所定圧力で封入する冷媒封入手段を構成している。
【００２４】そして、以上に述べた冷媒封入装置１００において、タンク１０２のバルブ（図示せず）を開いてタンク１０２内のＣＯ2 を密閉空間３０５に導き、密閉空間３０５内の温度が恒温室１０１内の雰囲気温度と等しくなるまで、バルブを開いた状態を保持する。その後、封入管３１３の先端を押し潰して、封入管３１３を仮閉塞した後に、溶接等接合手段により確実に封入管３１３を閉塞する。
【００２５】次に、本実施形態に係る圧力制御弁３の作動を述べる。密閉空間３０５内には、約６００ｋｇ／ｍ3 でＣＯ2 が封入されているので、密閉空間３０５内圧と温度とは、図７に示される６００ｋｇ／ｍ3 の等密度線に沿って変化する。したがって、例えば密閉空間３０５内温度が２０℃の場合には、その内圧は約５．８ＭＰａである。また、弁体３０４には、密閉空間３０５の内圧と両コイルばね３０９、３１０による初期荷重とが同時に作用しているので、その作用圧力は約６．８ＭＰａである。
【００２６】したがって、放熱器２側である上流側空間３０１ｅの圧力が６．８ＭＰａ以下の場合には、弁口３０３は弁体３０４によって閉止され、また、上流側空間３０１ｅの圧力が６．８ＭＰａを越えると、弁口３０３は開弁する。同様に、例えば密閉空間１２内温度が４０℃の場合には、密閉空間３０５の内圧は図８より約９．７ＭＰａであり、弁体３０４に作用する作用力は約１０．７ＭＰａである。したがって、上流側空間３０１ｅの圧力が１０．７ＭＰａ以下の場合には、弁口３０３は弁来３０４によって閉止され、また、上流側空間３０１１ｅの圧力が１０．７ＭＰａを越えると、弁口３０３は開弁する。 次に、ＣＯ2 サイクルの作動を図７を用いて説明する。
【００２７】ここで、例えば放熱器２の出口側温度が４０℃、かつ、放熱器２出口圧力が１０．７ＭＰａ以下のときは、前述のように、圧力制御弁３は閉じているので、圧縮機１は、アキュームレータ５内に蓄えられたＣＯ2 を吸引して放熱器２へ向けて吐出する。これにより、放熱器２の出口側圧力が上昇していく（ｂ’−ｃ’→ｂ”−ｃ”）。
【００２８】そして遂に、放熱器２の出口側圧力が１０．７ＭＰａを越える（Ｂ−Ｃ）と圧力制御弁３が開弁するので、ＣＯ2 は減圧しながら気相状態から気液２相状態に相変化して（Ｃ−Ｄ）蒸発器４内に流れ込む。そして、蒸発器４内で蒸発して（Ｄ−Ａ）空気を冷却した後、再びアキュームレータ５に還流する。このとき、放熱器２の出口側圧力が再び低下するので、圧力制御弁３は再び閉じる。
【００２９】すなわち、このＣＯ2 サイクルは、圧力制御弁３を閉じるにより、放熱器２の出口側圧力を所定の圧力まで昇圧させた後、ＣＯ2 を減圧、蒸発させて空気を冷却するものである。なお、放熱器２の出口側温度が２０℃の場合も、前述の作動と同様に、圧力制御弁３は、放熱器２の出口側圧力を約６．８ＭＰａまで昇圧させた後、開弁する。
【００３０】（その他の実施形態）ところで、上述の実施形態では、タンク１０２が収納された恒温室１０４の温度をエレメントケース３１５（圧力制御弁３）が収納された恒温室１０１の温度より高くしたが、これは、確実にタンク１０２内のＣＯ2 を密閉空間３０５内封入するためであり、この温度は、タンク１０２内のＣＯ2 密度により変更してもよい。
【００３１】また、タンク１０２内の圧力を密閉空間３０５の封入圧力以下として、ポンプ等によって加圧して冷媒を封入してもよい。また、封入管３１３の閉塞方法は、レーザ溶接（図８参照）又は封入管３１３の先端にろう材を被覆するとともに、コイル１０５にて誘導加熱してろう付けしてもよい（図９参照）。
【００３２】なお、この場合、封入管３１３の閉塞する部分は、恒温室１０１の温度と等しくするとともに、密閉空間３０５と同圧の雰囲気中で行う必要がある。また、封入管３１３は、溶接等の加熱によって密閉空間３０５内の温度が過度に上昇することがない程度に十分な長さを確保することが望ましい。また、本発明に係る冷媒の封入方法は、ＣＯ2 サイクルに使用が限定されるものではなく、例えば、エチレン、エタン、酸化窒素等の超臨界域で使用する冷媒を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルにも適用することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４２６０
【氏名又は名称】株式会社デンソー
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）１０月２７日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 洋二 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−１３２６０２ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）５月２１日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−２９４５０５ |
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