| 【発明の名称】 |
圧力制御弁 |
| 【発明者】 |
【氏名】戸松 義貴
【氏名】伊勢 貞武
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| 【要約】 |
【課題】ダイヤフラムの湾曲部の疲労破壊を防止する。
【解決手段】ダイヤフラム３２５と上側支持部材３２６との間に、湾曲部３２５ａの曲率が所定範囲外となるまで（湾曲部３２５ａが略平板状となるまで）ダイヤフラム３２５が変形することを抑制する変形抑制部３２８ａを有するプレート３２８を配設する。これにより、湾曲部３２５ａが大きく変形することを防止できる。したがって、圧縮機１００（冷凍サイクル）の起動・停止を繰り返しても、湾曲部３２５ａが早期に疲労破壊してしまうことを防止できるので、ダイヤフラム３２５の耐久性を向上させることができる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 蒸気圧縮式冷凍サイクルの放熱器（２００）から蒸発器（４００）まで至る冷媒流路に配置され、前記放熱器（２００）出口側の冷媒温度に応じて前記放熱器（２００）出口側の冷媒圧力を制御する圧力制御弁であって、前記冷媒流路内に位置し、前記冷媒流路を上流側空間（３１５）と下流側空間（３１６）とに仕切るとともに、前記上流側空間（３１５）と前記下流側空間（３１６）と連通させる弁口（３２２）が形成された隔壁部（３２１）と、前記上流側空間（３１５）内に密閉空間（３２４）を形成し、前記密閉空間（３２４）内外の圧力差に応じて変位する、薄膜状の変位部材（３２５）、前記変位部材（３２５）の厚み方向一端側に配設され、前記変位部材（３２５）と共に前記密閉空間（３２４）を形成する第１部材（３２６）と、前記変位部材（３２５）の厚み方向他端側に配設され、前記第１部材（３２６）と共に前記変位部材（３２５）を保持する第２部材（３２７）と、前記変位部材（３２５）の厚み方向他端側にて前記変位部材（３２５）に接触して前記変位部材（３２５）と連動して変位し、前記弁口（３２２）を開閉する弁体（３２３）とを備え、前記変位部材（３２５）の厚み方向他端側には、前記放熱器（２００）出口側の冷媒圧力が作用し、前記変位部材（３２５）の外縁部には、その厚み方向に突出して湾曲する湾曲部（３２５ａ）が形成され、さらに、前記変位部材（３２５）の厚み方向一端側には、前記湾曲部（３２５ａ）の曲率が所定範囲外となるまで前記変位部材（３２５）が変位することを抑制する変形抑制部（３２８ａ）が設けられていることを特徴とする圧力制御弁。
【請求項２】 前記変形抑制部（３２８ａ）は、前記変位部材（３２５）以上の剛性を有し、かつ、前記湾曲部（３２５ａ）の湾曲形状に沿うような形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力制御弁。
【請求項３】 前記変形抑制部（３２８ａ）は、前記変位部材（３２５）が中立状態にあるときに前記湾曲部（３２５ａ）に接触していることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力制御弁。
【請求項４】 前記変形抑制部（３２８ａ）は、前記第１部材（３２６）と別体に設けられたプレート（３２８）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つに記載の圧力制御弁。
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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、蒸気圧縮式冷凍サイクルの放熱器出口側の冷媒圧力を制御する圧力制御弁に関するもので、二酸化炭素（ＣＯ2 ）等の超臨界域で冷媒を使用す超臨界冷凍サイクルに用いて有効である。
【０００２】
【従来の技術】圧力制御弁（膨張弁）は、例えば特開平７−１３３９７２号公報に記載のごとく、ダイヤフラムを挟んで一方側に形成された密閉空間内に冷媒等のガスを封入するとともに、他方側に減圧する前の高圧冷媒の圧力を作用させることにより、ダイヤフラムを変位させて弁体を可動させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、密閉空間内の圧力は、密閉空間内の冷媒温度に応じて変化するのに対して、ダイヤフラムの他方側には、圧縮機の吐出圧（放熱器出口側の冷媒圧力）が直接作用する。したがって、例えば、密閉空間内の冷媒温度が室温まで低下しているときに、圧縮機を起動すると、密閉空間内の冷媒圧力と圧縮機の吐出圧との差圧が大きくなるため、ダイヤフラムが過度に変形変位してしまう。
【０００４】一方、ダイヤフラムの外縁部には、密閉空間内外の圧力差に対して応答性良くダイヤフラムが変位するようにその厚み方向に突出して湾曲する湾曲部が形成されている。このため、ダイヤフラムが変形変位すると、湾曲部に応力が集中してしまうので、圧縮機（冷凍サイクル）の起動・停止を繰り返すと、湾曲部が早期に疲労破壊してしまうおそれが高い。
【０００５】本発明は、上記点に鑑み、湾曲部の疲労破壊を防止することを目的とする。
【０００６】
【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１〜４に記載の発明では、変位部材（３２５）の厚み方向他端側には、放熱器（２００）出口側の冷媒圧力が作用し、変位部材（３２５）の外縁部には、その厚み方向に突出して湾曲する湾曲部（３２５ａ）が形成され、さらに、変位部材（３２５）の厚み方向一端側には、湾曲部（３２５ａ）の曲率が所定範囲外となるまで変位部材（３２５）が変位することを抑制する変形抑制部（３２８ａ）が設けられていることを特徴とする。
【０００７】これにより、湾曲部（３２５ａ）が大きく変形することを防止できるので、蒸気圧縮式冷凍サイクルの起動・停止を繰り返しても、湾曲部（３２５ａ）が早期に疲労破壊してしまうことを防止できる。延いては、変位部材（３２５）の耐久性を向上させることができる。因みに、上記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一例である。
【０００８】
【発明の実施の形態】（第１実施形態）本実施形態は、本発明に係る圧力制御弁を二酸化炭素（ＣＯ2 ）を冷媒とする超臨界冷凍サイクル（ＣＯ2 サイクル）に適用したものであって、図１は超臨界冷凍サイクル（以下、サイクルと略す。）の模式図である。
【０００９】図１中、１００は冷媒を吸入圧縮する圧縮機であり、２００は圧縮機１００にて圧縮された冷媒を冷却する放熱器（ガスクーラ）である。そして、放熱器２００の出口側には、放熱器２００の出口側の冷媒温度に基づいて放熱器２００の出口側の冷媒圧力を制御する圧力制御弁３００が配設されており、この圧力制御弁３００は高圧の冷媒を減圧する減圧器も兼ねている。
【００１０】４００は圧力制御弁３００にて減圧された液相冷媒を蒸発させる蒸発器であり、５００は気相冷媒と液相冷媒とを分離するとともに、サイクル中の余剰冷媒を一時的に蓄えるアキュームレータ（タンク手段）である。なお、６００は放熱器２００から流出する冷媒を圧力制御弁３００を迂回させて蒸発器４００側に導くバイパス通路であり、このバイパス通路６００には、放熱器２００出口側の圧力が所定値（本実施形態では約１５［ＭＰａ］）以上となったときに開くリリーフ弁（弁手段）６１０が配設されている。
【００１１】そして、圧縮機１００、放熱器２００、圧力制御弁３００、蒸発器４００及びアキュームレータ５００は、それぞれ配管Ｐによって接続されて閉回路を形成している。次に、圧力制御弁３００の詳細構造について図２を用いて述べる。３１０は放熱器２００から蒸発器４００に至る冷媒流路の一部を形成するとともに、制御弁本体３２０を収納するケーシングであり、このケーシング３１０は、放熱器２００側に接続される流入口３１３が形成された第１ケーシング３１１、及び蒸発器４００側に接続される流出口３１４が形成された第２ケーシング３１２から形成されている。
【００１２】３２１は、制御弁本体３２０のケーシングの一部を兼ねるとともに、制御弁本体３２０を第２ケーシング３１２にネジ止め固定すための取付部（隔壁部）であり、この取付部（隔壁部）３２１は、ケーシング３１０内の空間（冷媒流路）を上流側空間３１５と下流側空間３１６とに仕切っている。そして、取付部（隔壁部）３２１には、両空間３１５、３１６とを連通させる弁口３２２が形成されており、この弁口３２２は、針状のニードル弁体（以下、弁体と略す。）３２３により開閉される。
【００１３】また、上流側空間３１５には、密閉空間（ガス封入室）３２４が形成されており、この密閉空間３２４は、密閉空間３２４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）３２５、及びダイヤフラム３２５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（第１部材）３２６から形成されている。
【００１４】一方、ダイヤフラム３２５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。）３２６と共にダイヤフラム３２５の外縁部を挟み込んでダイヤフラム３２５を保持するダイヤフラム下側支持部材（保持部材）３２７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。）３２７のうち、ダイヤフラム３２５の外縁部に形成された湾曲部（変形促進部）３２５ａに対応する部位には、図３に示すように、湾曲部３２５ａの湾曲形状に沿う形状に形成された凹部３２７ａが形成されている。
【００１５】なお、湾曲部３２５ａとは、ダイヤフラム３２５の径外方側の一部をその厚み方向（本実施形態では下側支持部材３２７側）に向けて突出するように湾曲させたもので、ダイヤフラム３２５が密閉空間３２４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、ダイヤフラム３２５と上側支持部材３２６との間には、湾曲部３２５ａの曲率が所定範囲外となるまで（湾曲部３２５ａが略平板状となるまで）ダイヤフラム３２５が変形変位することを抑制すべく、上側支持部材３２６と別に設けられた金属製のプレート３２８が配設されている。
【００１６】そして、プレート３２８は、湾曲部３２５ａの湾曲形状に沿うような形状にプレス成形されているとともに、このプレート３２８のうち湾曲形状に沿うように下側支持部材３２７側に向けて突出するように湾曲した部位（以下、この部位を変形抑制部３２８ａと呼ぶ。）は、ダイヤフラム３２５の剛性と同等又はそれより高い剛性を有するように、材質及び板厚等が選定されている。
【００１７】また、ダイヤフラム３２５は、ダイヤフラム３２５が中立状態から弁体３０４側（ダイヤフラム３２５の厚み方向他端側）に向けて変位したときに、弁体３２３が弁口３２２を閉じる向きに変位し、一方、ダイヤフラム３２５が厚み方向一端側（密閉空間３２４側）に向けて変位したときに、弁体３２３が弁口３２２を開く向きに変位するように、弁体３２３の長手方向一端側にステンレス材料からなる補強部材３３２と共に溶接されている。
【００１８】ここで、ダイヤフラム３２５が中立状態であるとは、ダイヤフラム３２５が変形変位しておらず、変形変位に伴う応力が略０の状態をいう。また、ダイヤフラム３２５の厚み方向他端側には、圧力導入口３２９を介して放熱器２００出口側の冷媒圧力（圧縮機１００の吐出圧）が作用する。一方、ダイヤフラム３２５の厚み方向一端側には、図２に示すように、弁体３２３を介してコイルバネ（弾性部材）３３０の弾性力が作用するとともに、密閉空間３２４の内圧が作用しており、密閉空間３２４の内圧は、上流側空間３１５内の冷媒温度に応じて変化する。
【００１９】したがって、圧力制御弁３００（弁体３２３）は、上流側空間３１５に位置する密閉空間３２４により放熱器２００出口側の冷媒温度を感知して、その内圧による力とコイルバネ３３０の弾性力との和（以下、この和を閉弁力と呼ぶ。）と、放熱器２００出口側の冷媒圧力による力（以下、この力を開弁力と呼ぶ）との釣り合いにより可動する。
【００２０】ところで、本実施形態では、密閉空間３２４内には、冷媒（ＣＯ2 ）がその温度が０℃での飽和液密度から臨界点での飽和液密度に至る範囲の密度（本実施形態では約６００ｋｇ／ｍ3 ）で封入され、一方、コイルバネ３３０の初期設定荷重（弁口３２２を閉じた状態での弾性力）は、冷媒が臨界圧力以下の凝縮域において、所定の過冷却度（本実施形態では約１０℃）を有するように設定されている。
【００２１】因みに、初期設定荷重は、密閉空間３２４内での圧力換算で約０．５〜１［ＭＰａ］であり、初期設定加重は、調整ナット３３１を回すことにより調節する。このため、圧力制御弁３００は、図４の太い実線ηmax に示すように、超臨界領域では、６００ｋｇ／ｍ3 の等密度線に沿うように、放熱器２００出口側の冷媒温度に基づいて放熱器２００出口側の冷媒圧力（図４のＣ点）を制御する。一方、臨界圧力以下では、６００ｋｇ／ｍ3 の等密度線は、飽和液線ＳＬに略沿って変化する。このとき、コイルバネ３３０によって弁体３２３に初期荷重が与えられているので、放熱器２００出口側の冷媒が約１０℃の過冷却度（サブクール）を有するように放熱器２００出口側の冷媒圧力が制御される。
【００２２】なお、３２４ａは密閉空間３２４（感温部）に冷媒を封入する封入管であり、この封入管３２４ａは、上流側空間３１５内の冷媒温度に対して密閉空間３２４内の冷媒温度を時間差無く追従させるべく、銅などの熱伝導率の高い金属にて形成されている。次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００２３】本実施形態によれば、ダイヤフラム３２５と上側支持部材３２６との間には、湾曲部３２５ａの曲率が所定範囲外となるまで（湾曲部３２５ａが略平板状となるまで）ダイヤフラム３２５が変形変位することを抑制する変形抑制部３２８ａが設けられているので、湾曲部３２５ａが大きく変形することを防止できる。したがって、圧縮機１００（冷凍サイクル）の起動・停止を繰り返しても、湾曲部３２５ａが早期に疲労破壊してしまうことを防止できるので、ダイヤフラム３２５の耐久性を向上させることができる。
【００２４】また、ダイヤフラム３２５は、ダイヤフラム３２５が中立状態からその厚み方向他端側に向けて変位したときに弁口３２２を閉じる向きに変位し、厚み方向一端側に向けて変位したときに弁口３２２を開く向きに変位するように構成されているので、ダイヤフラム３２５は中立状態からダイヤフラム３２５の厚み方向他端側及び一方側に変形変位することとなる。
【００２５】したがって、弁体３２２の最大変位量に比べて、ダイヤフラム３２５の最大変形変位量を小さくすることができるので、ダイヤフラム３２５を中立状態から厚み方向一方側及び他方側のいずれか一方側のみで変形変位させる場合に比べて、ダイヤフラム３２５に発生する最大応力を小さくすることができる。延いては、ダイヤフラム３２５の耐久性を向上させることができる。
【００２６】ところで、制御弁本体３２０単体を大気中に放置したとき、すなわち組立て工程における密閉空間３２４内外の圧力差（大気圧と密閉空間３２４との圧力差）は、冷凍サイクル中に圧力制御弁３００を配設した場合における密閉空間３２４内外の圧力差（上流側空間３１５と密閉空間３２４との圧力差）に比べて非常に大きいので、組立て工程にダイヤフラム３２５が破損する可能性が高い。
【００２７】これに対して、本実施形態では、下側支持部材３２７に湾曲部３２５ａに沿う形状に形成された凹部３２７ａが形成されているので、組立て工程中に、密閉空間３２４内外の圧力差により湾曲部３２５ａにてダイヤフラム３２５が大きく変形することを防止することができる。延いては、組み立て工程時に、ダイヤフラム３２５が湾曲部３２５ａにて破損することを防止できる。
【００２８】また、変形抑制部３２８ａは、金属製のプレート３２８にプレス加工を施すことにより形成されているので、例えば上側支持部材３２６の内壁に直接に変形抑制部３２８ａを形成する場合に比べて、容易に変形抑制部３２８ａを設けることができる。
（第２実施形態）第１実施形態では、金属製のプレート３２８にプレス加工を施して変形抑制部３２８ａを設けたが、本実施形態は、図５に示すように、樹脂又はゴムにてプレートを形成したものである。
【００２９】なお、このとき、プレート３２８（変形抑制部３２８ａ）の剛性は、第１実施形態と同様に、ダイヤフラム３２５と同等又はそれ以上とする必要がある。
（第３実施形態）本実施形態は、通常の冷房負荷においては、弁体３２３（ダイヤフラム３２５）の変位量（リフト量）は微少であることに基づいてなされたものである。具体的には、図６に示すように、ダイヤフラム３２５が中立状態にあるときに、湾曲部３２５ａに変形抑制部３２８ａが接触するように構成したものである。
【００３０】そして、本実施形態では、ダイヤフラム３２５が中立状態にあるときに、弁口３２２が所定の開度を有するように、弁体３２３及びダイヤフラム３２５の位置を設定するとともに、通常の圧力制御時においては、ダイヤフラム３２５を中立状態にある位置より下側支持部材３２７側にて使用するように構成したものである。
【００３１】これにより、圧縮機１００（冷凍サイクル）の起動時に、ダイヤフラム３２５が中立状態を越えて大きく変形変位することを防止できるので、湾曲部３２５ａが早期に疲労破壊してしまうことを確実に防止できる。
（第４実施形態）本実施形態は、図７に示すように、弁体３２３のうち弁口３２２の弁座（エッジ部）３２２ａに接触する弁部３２３ａに、弁体３２３が弁口３２２を開く向きに所定量だけ変位（リフト）したときに、それ以前に比べて、弁体３２３の変位量（リフト量）に対する実際の弁口３２２の開口面積の増加量が大きくなるように、弁部３２３ａのテーパ角度θを弁体３２３の長手方向部位によって変化させた（θ1 ＞θ2 ）としたものである。
【００３２】これにより、弁体３２３が弁口３２２を開く向きに所定量だけ変位（リフト）したときに、それ以前に比べて、弁口３２２の開口面積が大きく増加するので、放熱器２００出口側の冷媒圧力（吐出圧）が大きく上昇することが防止される。したがって、密閉空間３２４内外の圧力差が増大することを防止できるので、湾曲部３２５ａ（ダイヤフラム３２５）が大きく変形変位することが防止され、ダイタフラム３２５の耐久性を向上させることができる。
【００３３】ところで、本発明に係る圧力制御弁は、二酸化炭素を使用した冷凍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冷凍サイクルは勿論、フロンを冷媒とする冷凍サイクルにも適用することができる。また、上側支持部材３２６の内壁に直接に変形抑制部３２８ａを形成してもよい。
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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
【識別番号】３９１００２１６６
【氏名又は名称】株式会社不二工機
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| 【出願日】 |
平成１０年１２月２４日（１９９８．１２．２４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１０００２２
【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２０００−１９３３４７（Ｐ２０００−１９３３４７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年７月１４日（２０００．７．１４） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−３６７４１７ |
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