| 【発明の名称】 |
膨張弁 |
| 【発明者】 |
【氏名】桜田 宗夫
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| 【要約】 |
【課題】機械式膨張弁をベースとした簡単な構成で、環境負荷の状態に応じて開度特性を調整することのできる膨張弁を提供することを目的とする。
【解決手段】機械式膨張弁の底部でコイルバネ８を下方から支持する支持体を、ネジ機構により弁本体１の底部を上下する調整ナット１１により構成するとともに、上記調整ナット１１をステッピングモータ１２により駆動してコイルバネ８への付勢力を調整することにより、弁体の５の開度を段階的に変化させることのできる膨張弁２５を構成し、更に、外気温センサ２９ｋを備えた環境負荷検出手段２９を設け、上記環境負荷検出手段２９で検出した負荷状態に応じて、上記コイルバネ８への付勢力を調整するようにした。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 コンデンサの出口側から送られてきた冷媒の通路に設けられた弁体と、エバポレータ出口の冷媒の過熱度変化により、ダイヤフラムで分離された２つの圧力室の圧力差に応じて上記弁体の開度調整を行うダイヤフラム装置と、上記弁体を閉じる方向に付勢するコイルバネとを備えた膨張弁において、冷凍サイクルの環境負荷を検出する手段と、上記検出された負荷に応じて上記コイルバネの付勢力を調整する調整手段とを設けて膨張弁の開度特性を調整するようにしたことを特徴とする膨張弁。
【請求項２】 膨張弁に上記調整手段を駆動するアクチュエータを接続したことを特徴とする請求項１記載の膨張弁。
【請求項３】 膨張弁の開度特性の調整を段階的に行うようにしたことを特徴とする請求項２記載の膨張弁。
【請求項４】 調整手段を駆動するアクチュエータをステッピングモータにより構成したことを特徴とする請求項３記載の膨張弁。
【請求項５】 ステッピングモータのロータ部を膨張弁の内部に組み込むようにしたことを特徴とする請求項４記載の膨張弁。
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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、空調装置や冷凍装置等の冷凍サイクルに用いられる膨張弁の構造にに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図６は、例えば特開昭６１−１０５０６６号公報に記載された従来の機械式膨張弁の構成を示す図で、図７は冷凍サイクルにおける上記膨張弁の位置を示す図である。図６，図７において、２１はコンプレッサ、２２はコンデンサ、２４はレシーバタンク、５０は膨張弁、２６はエバポレータ、５１はエバポレータ２６の出口側に設けられた感温筒である。従来の膨張弁５０は、冷媒が封入され、上記感温筒５１の温度変化により上記冷媒の圧力が変化する圧力室５２と、上記圧力変化により上下動するダイヤフラム５３と、コンデンサ２１の出口側から送られてきた高圧の液冷媒を導入する入口側通路５４と、上記入口側通路５４と出口側通路５５との間に設けられ高圧の液冷媒を断熱膨張させるオリフィス５６と、上記オリフィス５６の開度調整を行う弁体５７と、上記ダイヤフラム５３に連結される弁棒５８と、上記弁体５７を閉じる方向に付勢するコイルバネ５９と、上記コイルバネ５９を支持する作動体６０とを備えている。上記作動体６０は、先端がコイルバネ５９と連結され基端に座６０ａが取付けられたロッド６０ｂと、このロッド６０ｂを上下動させる電磁石６１とから構成され、上記入口側通路５４の下部に上記入口側通路５４とは分離して設けられた作動体収納室６２に収納されている。
【０００３】次に、動作について説明する。エバポレータ２６の出口側に設けられた感温筒５１は圧力室５２と連結されており、エバポレータ２６の出口側の温度に応じて上記圧力室５２の圧力が変化する。エバポレータ２６の出口側の温度が高い場合には、圧力室５２の圧力が上昇しダイヤフラム５３が下方向へ膨らむ。そのため、弁棒５８がコイルバネ５９のバネ力に抗して下降して弁体５７を下方向に押し下げるので、オリフィス５６の開度が大きくなる。一方、エバポレータ２６の出口側の温度が低くなると、圧力室５３の圧力が下降するため、コイルバネ５９が伸長する力の方がが大きくなり、弁体５７は上方向に押し上げられ、オリフィス５６の開度が小さくなる。上記電磁石６１は、エバポレータ２６内に設けられた図示しないサーミスタとアンプとに接続されており、サーミスタの出力（温度）が上記アンプに設定された「作動設定値」（設定温度；例えば５℃）を越えた場合に通電され、上記ロッド６０ｂの座６０ａを吸引し、上記ロッド６０ｂによりコイルバネ５９を上方に付勢するように構成されいる。そして、冷房運転の初期のように、エバポレータ２６の温度が上記作動設定値よりも高い場合には上記電磁石６１に通電し、コイルバネ５９の弁体５７に対する付勢力を高めてオリフィス５６の開度が小さくなるようにし、冷房運転安定期には上記電磁石６１の通電を停止し、作動体６０によるコイルバネ５９への付勢力を解除して、コイルバネ５９のスプリング力と圧力室５２の圧力とに応じてオリフィス５６の開度調整を行うようにする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従来の膨張弁は、作動体６０であるソレノイドを収納する作動体収納室６２を設ける必要があるためボディ加工が複雑になるだけでなく、膨張弁の開閉をフィードバック制御によるソレノイドのオン・オフによって行っているので、コイルバネ５９の付勢調整中にハンチングが生じ易いといった問題点があった。更に、上記膨張弁では、エバポレータ２６の出口側の空気温度のみで、膨張弁の開閉を調整しており、冷凍サイクルの環境負荷を考慮していないため、負荷に応じた開度調整ができなかった。なお、リニアモータを電子制御して膨張弁の開度調整を行う電子式膨張弁を用いれば、膨張弁の開閉を連続的にかつ滑らかに行うことは可能であるが、このような電子式膨張弁は機械式膨張弁に比べて部品点数も多くかつ制御も複雑なので、装置が大型化するだけでなく高価になるといった欠点がある。
【０００５】本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、機械式膨張弁をベースとした簡単な構成で、環境負荷の状態に応じて開度特性を調整することのできる膨張弁を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の膨張弁は、冷凍サイクルの環境負荷を検出する手段と、上記検出された負荷に応じて上記コイルバネの付勢力を調整する調整手段とを設けて膨張弁の開度特性を調整するものである。
【０００７】請求項２に記載の膨張弁は、膨張弁に上記調整手段を駆動するアクチュエータを接続したものである。
【０００８】請求項３に記載の膨張弁は、膨張弁の開度特性の調整を段階的に行うようにしたものである。
【０００９】請求項４に記載の膨張弁は、調整手段を駆動するアクチュエータをステッピングモータにより構成したものである。
【００１０】請求項５に記載の膨張弁は、ステッピングモータのロータ部を膨張弁の内部に組み込むようにしたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。
実施の形態１．図１は、本実施の形態１に係わる車両用空調装置の冷凍サイクルの概略を示す図である。同図において、２１は図示しないエンジンに電磁クラッチを介して連結され、導入された低圧の冷媒を圧縮して高温高圧のガス冷媒とし吐出するコンプレッサ、２２はコンデンサ用ファン２３により送られる空気との熱交換により上記ガス冷媒を冷却し凝縮するコンデンサ、２４は上記凝縮されて気相と液相とが混合された冷媒を気液分離するレシーバタンク、２５は上記レシーバタンク２４から送られてきた高温高圧の液冷媒を断熱的に膨張させて低温低圧の冷媒とする膨張弁、２６は上記低温低圧の冷媒を空調用ファン２７により送られる空気との熱交換により暖めて蒸発させるエバポレータである。また、２９は車両のバンパー近傍に設置された外気温センサ２９ｋを備え、この外気温センサ２９ｋで検出した外気温Ｔkに基づいて冷凍サイクルの環境負荷状態を検出する環境負荷検出手段、３０は上記膨張弁２５に取付けられ、上記環境負荷検出手段２９から出力される負荷状態に応じて膨張弁の開度特性を調整する手段（後述する図２の調整ナット１１）を駆動するためのアクチュエータであるステッピングモータ１２を駆動制御するモータ駆動装置である。
【００１２】また、図２（ａ）は膨張弁２５の構成を示す図で、図２（ｂ）は弁本体１の側面図である。なお、説明の都合上、（ａ）図においては、弁本体１のみを縦断面図で示した。アルミニウム製の角柱状の弁本体１には、コンデンサ２２の出口側からからレシーバタンク２４を介して送られてきた高温高圧の液冷媒を導入する入口側通路２と、上記入口側通路２とエバポレータ２６の入り口側に接続される出口側通路４との間に設けられ、高圧の液冷媒を断熱膨張させるオリフィス３と、上記オリフィス３の開度調整を行うボール弁（以下、弁体という）５と、エバポレータ２６の出口側の配管に接続され、エバポレータ２６の出口側から送られた冷媒を通過させる低圧通路６とが設けられている。オリフィス３は、下辺が広い台形状の断面形状を有した弁本体１の中心軸に沿って形成された開口で、このオリフィス３の下側に位置する冷媒入口側の下方には、上記弁体５と、この弁体５を下側から支持するブロック状の弁部材７と、上記弁部材７に一端が連結されたコイルバネ８とから構成された弁機構を収納する弁室９が設けられている。上記コイルバネ８は圧縮バネで、上記弁体７を上記オリフィス３が閉じる方向、すなわち上方に上記弁体７を付勢している。なお、上記弁室９の底部はＯリング１０と、上記コイルバネ８の付勢力を調整することにより膨張弁の開度特性を調整する調整手段である六角穴付きの調整ナット１１とにより密閉されており、上記コイルバネ８の他端は、上記調整ナット１１の上部、すなわち六角穴１１ａと反対側の面で上記調整ナット１１に当接されている。上記調整ナット１１には、その側面の下部にネジ部１１ｂが形成されており、弁本体１の弁室９の底部側の内周部に形成されたネジ穴９ｂに螺接される。したがって、上記調整ナット１１の挿入位置により、上記コイルバネ８の長さ、すなわち付勢力を調整しすることができる。なお、上記Ｏリング１０は、調整ナット１１の側面の上部に設けられた溝１１ｃの位置に取付けられる。また、１２は上記調整ナット１１の六角穴１１ａに挿入される六角レンチ１３を、ギヤボックス１２Ｇのギヤ機構を介して上記調整ナット１１を回転させ、調整ナット１１の挿入位置を調整するステッピングモータで、このステッピングモータ１２は、ステッピングモータ１２と一体に連結されたギヤボックス１２Ｇを固定する固定フランジ１４を介して固定ネジ１５により弁本体１の底部側から弁本体１に取付けられる。
【００１３】一方、オリフィス３の上側に位置する冷媒出口側の上方には、弁体５の上側に当接され、後述するダイヤフラム装置１６の作用により、上記弁体５を上記オリフィス３が開く方向、すなわち下方に付勢する作動棒１７と、上記作動棒１７に連結され上部に延長する感熱棒１８とを収納する孔１９が上記低圧通路６を貫通するように形成されている。なお、上記感熱棒１８の中央部（感温部）１８ａは、上記低圧通路６を通過するエバポレータ２６の出口側から送られた冷媒の温度を検知するため、上記孔１９が上記低圧通路６を貫通する部分に配置され、一端（下部）は上記作動棒１７に、他端（上部）はダイヤフラム装置１６に固定されている。ダイヤフラム装置１６は、弁本体１の上記低圧通路６の上部に設けられ、金属性のダイヤフラム１６ａと、上記ダイヤフラム１６ａにより上，下に分離された上部圧力室１６ｂ及び下部圧力室１６ｃと、上記ダイヤフラム１６ａの下部圧力室１６ｃ側で上記ダイヤフラム１６ａの受け部となるストッパ部１６ｄとを備えている。上記上部圧力室１６ｂにはダイヤフラム駆動媒体が充填されており、このダイヤフラム駆動媒体には上記低圧通路６を流れる冷媒蒸気の熱が感熱棒１８を伝わって伝達され、その熱により上記ダイヤフラム駆動媒体の温度に対応する圧力Ｐ1をダイヤフラム１６ａの上面側に負荷する。一方、下部圧力室１６ｃは低圧通路６に連通されており、上記冷媒蒸気の圧力Ｐ2をダイヤフラム１６ａの下面側に負荷する。また、ダイヤフラム装置１６は、上記ストッパ部１６ｄの裏面（下側）において、上記感熱棒１８の上部と接続され、上部圧力室１６ｂの圧力Ｐ1と下部圧力室１６ｃの圧力Ｐ2との圧力差に応じてダイヤフラム１６ａを変位させ、上記感熱棒１８を介して上記作動棒１７への付勢力を変化させて弁体５の位置を調整する。なお、上記感熱棒１８の上部１８ｂの径は、感熱棒１８が下部圧力室１６ｃ内を上，下方向に摺動できるように、上記中央部１８ａの径よりも大きく形成されている。
【００１４】エバポレータ２６の出口側の温度が高い場合には、上部圧力室１６ｂの圧力Ｐ1の圧力が上昇しダイヤフラム１６ａ下方向へ膨らむ。そのため、上記感熱棒１８と連結されている作動棒１７がコイルバネ８のバネ力に抗して下降して弁体５を押し下げるので、オリフィス３の開度が大きくなる。これにより、エバポレータ２６への冷媒供給量が多くなり、エバポレータ２６の温度は低下する。一方、エバポレータ２６の出口側の温度が低くなると、上部圧力室１６ｂの圧力Ｐ1の圧力が下降するため、コイルバネ８が伸長する力の方が大きくなり、弁体５は上方向に押し上げられ、オリフィス５６の開度が小さくなり、エバポレータ２６の温度が上昇する。ここで、ステッピングモータ１２を駆動して調整ナット１１の六角穴１１ａに挿入されている六角レンチを回転させると、上記調整ナット１１が回転する。上記調整ナット１１は弁本体１の弁室９の底部に形成されたネジ穴９ｂに螺接されているので、上記調整ナット１１は上記ネジ穴１ｂに沿って、例えば上部方向に移動し、コイルバネ８へ付勢力を与える。下部方向に移動した場合には、コイルバネ８への付勢力を弱める。図３（ａ），（ｂ）は、ステッピングモータ１２を駆動し、上記調整ナット１１の位置を変化させたときの弁体５の位置を示す模式図で、（ａ）図は上記調整ナット１１が底部まで引き下げられた状態で、コイルバネ８への付勢力が最も弱い状態を示し、（ｂ）図は上記調整ナット１１が最上部まで持ち上げられた状態で、コイルバネ８への付勢力が最も強い状態を示す。図４は、ダイヤフラム駆動媒体（ＨＦＣ−１３４ａ）の飽和蒸気圧の特性と、エバポレータ２６の出口側の温度と膨張弁が開くときの上部圧力室１６ｂの圧力Ｐ1との関係を示す特性曲線（開弁特性または静止過熱度特性という）を示すグラフである。上記飽和蒸気圧の特性と上記開弁特性とのずれの温度は、コイルバネ８のスプリング力によって決り、その値を静止過熱度（ＳＨ）と呼ぶ。本発明の膨張弁２５は、上述したように、上記ステッピングモータ１２を駆動して六角レンチ１３の回転角を変化させることで、コイルバネ８の位置を調整し、上記開弁特性の静止過熱度の値を調整する。なお、同図において、開弁特性Ａは低負荷時、例えばコンプレッサ２１が断続運転している時などの液バック防止モードでの特性曲線を示し、開弁特性Ｂは高負荷時での特性曲線を示す。上記開弁特性Ａ〜Ｂの間に最適効率運転モードが存在する。
【００１５】本実施の形態では、膨張弁２５の開度特性を、環境負荷検出手段２９からの出力に応じて段階に制御するもので、環境負荷検出手段２９は外気温センサ２９ｋで検出した外気温Ｔkに基づいて冷凍サイクルの環境負荷状態を検出し、この検出された負荷に応じ、ステッピングモータ１２を駆動して上記コイルバネ８の付勢力を調整する調整ナット１１の挿入位置を調整し、膨張弁の開度特性を調整する。例えば外気温Ｔkが高い夏季では、冷凍サイクルの環境負荷が重いので、図３（ａ）に示すように、コイルバネ８への付勢力を小さくして、膨張弁の開弁特性を図４のＢの方向に移動させ、エバポレータ２６への冷媒供給量を多くするようにする。また、上記環境負荷が軽い場合には、図３（ｂ）に示すように、コイルバネ８への付勢力を小さくして、膨張弁の開弁特性を図４のＡの方向に移動させる。なお、上記ステッピングモータ１２に代えてリニアモータを用いても膨張弁２５の開度制御を行うことができるが、環境負荷に対する膨張弁２５の開度制御は、例えば３〜４段階で十分であるので、小型でかつ制御も容易で安価なステッピングモータを用いる方が望ましい。
【００１６】このように本実施の形態１によれば、機械式膨張弁の底部でコイルバネ８を下方から支持する支持体を、ネジ機構により弁本体１の底部を上下する調整ナット１１により構成するとともに、上記調整ナット１１をステッピングモータ１２により駆動してコイルバネ８への付勢力を調整することにより、弁体５の開度を段階的に変化させることのできる膨張弁２５を構成し、更に、外気温センサ２９ｋを備えた環境負荷検出手段２９を設け、上記環境負荷検出手段２９で検出した負荷状態に応じて、上記コイルバネ８への付勢力を調整するようにしたので、機械式膨張弁をベースとした簡単な構成で、環境負荷の状態に応じた膨張弁２５の開度特性を調整することができる。また、上記膨張弁２５の開度特性を上記負荷に応じて段階的にコイルバネ８位置を調整するようにしたので、従来装置のソレノイドのオンオフによるフィードバック制御に比較して安定した調整を行うことができる。
【００１７】なお、上記実施の形態１では、車両用空調装置の冷凍サイクルについて説明したが、本発明の膨張弁は冷凍装置等の他の冷凍サイクルに用いても有効である。また、上記ステッピングモータ１２に代えてリニアモータを用いても膨張弁２５の開度制御を行うことができるが、環境負荷に対する膨張弁２５の開度特性の調整は、例えば３〜４段階で十分であるので、小型でかつ制御も容易で安価なステッピングモータを用いる方が望ましい。
【００１８】実施の形態２．上記実施の形態１では、機械式膨張弁にステッピングモータ１２を外付けした構成としたが、図５に示すように、ステッピングモータ１２のロータ３１のみを弁本体１の弁室９の底部に組み込み、弁本体１の外部に設けられたステータ３２により上記ロータ３１を回転させてコイルバネ８の位置を調整するようにすれば、膨張弁を更に小型化することができる。ロータ３１は、コイルバネ８の下部を収納する溝部３３を有するブロック状の支持部材３１ａと、上記支持部材３１ａからステータ３２の中心部を貫通して下方に延長する棒状の軸３１ｂとから構成され、この軸３１ｂの上記支持部材３１ａの下側には、外周部にネジ部３４ａが形成された上記六角ナット３４が嵌合されている。この六角ナット３４は、弁本体１の弁室９の底部に形成されたネジ穴９ｂに螺接されている。なお、上記ロータ３１の摺動部３１ｃを収納するロータ取付部材３５は、弁本体１の気密性を保持するよう、Ｏリング３６を介して上記弁室９の底部に固定される。ステータ３２に通電してロータ３１を回転させると、上記ロータ３１に嵌挿された六角ナット３４が上記ネジ穴９ｂに沿って回転しながら、例えば上部方向に移動し、コイルバネ８へ付勢力を与える。また、下部方向に移動した場合には、コイルバネ８への付勢力を弱めるように作用する。また、本実施の形態２では、上下方向に移動するロータ３１にはＯリングがないので、気密性を確実に確保することができるという利点を有する。
【００１９】ところで、上記実施の形態２では、支持部材３１ａと軸３１ｂとを一体化したロータ３１を用いているので、上記支持部材３１ａに収納されているコイルバネ８に回転力が作用するが、コイルバネ８は上記支持部材３１ａに固定されていないので、回転してもその影響は少ない。また、弁体５は球体でかつ弁部材７とは一体化されていないので、コイルバネ８が回転した場合でもその影響は少ないが、支持部材３１ａと軸３１ｂとを分離して構成すれば、支持部材３１ａが回転することがないので、上記支持部材３１ａに収納されているコイルバネ８への回転の影響をなくすことができる。また、実施の形態１においても、同様に、調整ナット１１を支持部材と回転部材とに分離してもよい。
【００２０】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、冷凍サイクルの環境負荷を検出する手段と、上記検出された負荷に応じて上記コイルバネの付勢力を調整する調整手段とを設けて膨張弁の開度特性を調整するようにしたので、環境負荷の状態に応じて膨張弁の開度特性を適切に調整することができる。
【００２１】請求項２に記載の発明によれば、膨張弁に上記調整手段を駆動するアクチュエータを接続し、上記コイルバネの付勢力を調整するようにしたので、簡単な構成で膨張弁の開度特性を調整することができる。
【００２２】請求項３に記載の発明によれば、膨張弁の開度特性の調整を段階的に行うようにしたので、制御も容易でかつハンチングの恐れがないので、安定して膨張弁の開度特性を調整することができる。
【００２３】請求項４に記載の発明によれば、調整手段を駆動するアクチュエータをステッピングモータにより構成したので、小型でかつ安価な膨張弁を作製することができる。
【００２４】請求項５に記載の発明によれば、ステッピングモータのロータ部を膨張弁の内部に組み込むようにしたので、膨張弁を更に小型化することができるとともに、可動部にＯリングがないので、気密性を確実に確保することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３３３３
【氏名又は名称】株式会社ボッシュオートモーティブシステム
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| 【出願日】 |
平成１１年３月１７日（１９９９．３．１７） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８０２９６
【弁理士】
【氏名又は名称】宮園 純一
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２６６４２９（Ｐ２０００−２６６４２９Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年９月２９日（２０００．９．２９） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−７２８１３ |
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