JPS6026264A

JPS6026264A - 膨張弁

Info

Publication number: JPS6026264A
Application number: JP58133054A
Authority: JP
Inventors: 憲司武田; 笹谷　英顕; 光夫稲垣
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1983-07-21
Filing date: 1983-07-21
Publication date: 1985-02-09

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は自動車用冷凍冷房装置等の冷凍サイクル中で用
いられ、蒸発器内部の冷媒の過熱度に応じて、蒸発器へ
供給すべき冷媒量を調節する膨張弁に関する。

従来の膨張弁は、蒸発器内部の飽和蒸気と蒸発器出口の
過熱蒸気との温度差（過熱度）が一定になるように、蒸
発器人口の冷媒圧力および范発器出口冷媒温度に相応す
る圧力によって、冷媒量を調節している。

しかし、蒸気蒸発器出口冷媒温度は、一旦蒸発器出ロパ
イブに接触した感温筒に伝達され、その温度に応じて感
温筒内部圧力が変化し、膨張弁の開度を調節するように
なっているため、例えば自動車用冷凍装置のようにエン
ジン回転数が急激に変化すると、このエンジンによって
駆！Ｔｉｌ＋される圧縮機の冷媒吐出量が変化し、従っ
て冷凍装置内を循環する冷媒量が変化し、蒸発器出口冷
媒温度が変化するが、感温筒が上記冷媒温度の変化によ
って膨張弁の開度を調節するまでに時間がかかり、急激
な冷凍冷房負荷に対して速やかな応答ができない。

そこで、上記不具合を解消するために、冷媒の圧力また
は温度を一旦電気信号に変換し、これらの電気信号をも
とに電磁弁等によって冷媒量を制御するものが案出され
ているが、電磁弁の磁気回路を構成する巻線等の部品が
増加し、従来の膨張弁に比べて、複雑、大型化し、製造
コストも高くなるという問題がある。

本発明は上記諸点に鑑みて案出されたもので、蒸発器の
冷媒の過熱度に応じた電圧を圧電素子に印加し、この圧
電素子の変位によって弁の開度を調節することにより、
小型軽量でしかも応答性の良い膨張弁を提供することを
目的とする。

以下本発明を自動車用冷房装置に適用した実施例によっ
て説明する。

第１図は、自動車用冷房装置の冷凍サイクル図で、符号
１は自動車エンジンの駆動力を図示しない電磁クラッチ
を介して受け、冷媒を高温高圧のガス冷媒に圧縮する圧
縮機、符号２は前記ガス冷媒を冷却して液冷媒にする凝
縮器、符号３は前記液冷媒を蓄える受液器、符号４は前
記液冷媒を急激に膨張させ、低温低圧の霧状冷媒にする
膨張弁、符号５は前記霧状冷媒が蒸発してガス冷媒にな
る際に、周囲空気を冷却する蒸発器である。蒸発器５の
出口バイブには、冷媒圧力および冷媒温度をそれぞれ検
出する圧力センサ６と温度センサ７が取付けられ、これ
らのセンサ６．７は制御装置８に接続されている。また
制御装置８には、膨張弁４が電気的に接続されており、
制御装置８は後述するように両センサ６．７からの入力
信号を受けて膨張弁４に印加する電圧を変化させて膨張
弁４の開度を調整するようになっている。

第２図は膨張弁４の具体的構造を示しＣおり、膨張弁４
のハウジング９には、圧電素子収納部９ａ、高圧冷媒の
導入口９ｂ、低圧冷媒の導出１」９Ｃからなっており、
導入口９ｂは図示しないパイプによって受液器３に接続
され、導出口９ｃは図示しないパイプによって蒸発器５
に接続されている。導出口９Ｃのハウジング内壁にはね
じ部１０が設けられ、ねじ部１０には調節ねじ１１が螺
合されている。この調節ねじ１１とニードルストソバ１
２の間には、コイルスプリング１３が収納され、コイル
スプリング１３は、ニードルストッパ１２を介し、弁体
１４を図中下方に付勢している。

弁体１４は、第３図に示すように細長い軸部】４ａとそ
の先哨の球部１４ｂとからなっており、軸部１４ａは導
入口９ｂの内部と導出口９Ｃの内部を連通ずる通路１５
を貫通し、さらに圧電米子収納部９ａと導入口９ｂの間
に穿孔された孔１７を摺動可能に貫通し、軸部１４ａの
他端は座屈板１９に接している。ここで、軸部１４ａの
径は通路１５の内径より小さく通路１５は軸部１４ａと
の間に隙間１５ａを有し、冷媒はこの隙間１５ａを通っ
て第３図Ｘ方向で示す如く高圧側から低圧側に流れる。

この際第３図Ｂで示す球部１４ｂと通路１５の間の隙間
部分の絞り程度により前記冷媒の流れの量が制御され、
弁体１４が第３図上方に変位すればＢ部絞り程度は小さ
くなり冷媒流量は増加し、逆に下方に変位すれば、Ｂ部
絞り程度は大き（なって冷媒流量は減少する。

また、導入口９ｃの内部は、連通孔１８によって座屈板
１９が配置された空間２０に連通されている。したがっ
て座屈板１９にはコイルスプリング１３による付勢力が
弁体１４を介し第２図下方に押すように加わっている。

座屈板１９はその一端をハウジング９に設けられた溝２
１にはめ込み、他端はスプール２２に設けられた溝２２
ａにはめ込んで取付けられている。スプール２２は圧電
素子収納部９ａのハウジング内に、第３図Ｘ方向に摺動
可能に挿入されており、コイルスプリング２３にて第２
図左方に付勢されている。スプール２２の座屈板１９に
対抗する端には、圧電素子２４の一端がはめ込まれ、そ
の他端はストッパ２５にはめ込まれ、ストッパ２５はサ
ークリップ２７により保持されている。また圧電素子に
通電するためのリード線２６ａ、２６ｂはストッパ２５
をｔ′１通し、膨張弁４外部の制御装置８に接続されて
いる。

圧電素子２４は、電圧を加えることにより第２図中Ｘ方
向に歪みを生じるように構成されている。

すなわち第４図に詳細に示されるように、圧電素子２４
はスライス状の圧電セラミック　（図中＊印）２４ａと
電極２４ｂを交互に多数積層し、４線２６ａ、２６ｂに
より各々の圧電セラミックに！ｌｌ−列に数百ボルトの
電圧を加え数十μｍ程度の歪のを得ている。なお第５図
は印加電圧に対する圧電素子２４の歪量を示しており、
印加電圧に比例して歪量も大きくなる。

ここで、冷媒流量の調節を行なうには、弁体１４は数百
μｍの変化が必要であり、圧電素子２４の数十μｍの歪
量は下記に述べる如くして拡大される。

圧電素子４１は電圧を印加されると、第２図のＸ方向に
伸張し、スプール２２を介し、座屈板１９をＸ方向に圧
縮する。よって座屈板１９はＹ方向に伸張し弁体１４を
第２図上方へ押し上げ、絞り理路１５の開度を広げ冷媒
流量を増加させる。

ここで、圧電素子２４が第６図に示すＸ方向にΔＸ変位
したときの、座屈板１９のＹ方向の変位、即ち弁体１４
の変位ΔＹの関係を以下に示す。

座屈板１９の長さをβとすると、座屈板１９の任意のＸ
の位置での変位量ＹはＹ−ΔＹｓｉｎ（πＸ／ｊ！−ΔＸ）　・（１１で表わ
され、長さβは（１）式を線積分すれば良いから、第７図にβ−２０鰭のときのΔｘ１ΔＹのグンフを示ず
。この図を見てもわかるように、圧電素子の変位ΔＸは
太き（拡大され、前記弁体１４の必要変位を数百μｍに
満足する。

次に上記構成における本実施例の動作について説明する
。

第８図は、制御装置８の制御の流れを示しており、蒸発
器５の出口バイブの冷媒圧力Ｐｅおよび冷媒温度ｆｅは
、それぞれ圧力センサ６、温度センサ７によって検出さ
れ、電気信号に変換されて制御装置に入力される。制御
装置８では、これらの人力信号に晶づいて、ステップ２
７およびステップ２８でそれぞれ冷媒圧力Ｐｅ、冷媒温
度Ｔｅを検出し、ステップ２７はステップ２９に進み、
圧力Ｐｅに相応する冷媒飽和温度を算出しステップ３０
に進む。ステップ３０では過熱度（Ｔｅ　−Ｔ）を計算
し、ステップ３１であらかじめ設定された適正過熱度Ｔ
ｏ（本実施例においては１０℃）と比較する。この結果
、測定時の過熱度（Ｔｅ　−Ｔ）が適正過熱度と等しけ
れば、ステップ３２に進み前記圧電素子２４に印加する
電圧は変更しない。等しくなければステップ３３に進み
前記過熱度（Ｔ　ｅ−Ｔ）が適正過熱度より低い時は、
ステップ３４に進み圧電素子２４に印加する電圧を下げ
、弁体１４を第２図下方に変位させる。その結果、膨張
弁４の絞り程度は小さくなり、過熱度は上昇する。又逆
に過熱度（Ｔｅ−Ｔ）が適正過熱度より高い場合には、
ステップ３５に進み前記印加電圧を上げ、弁体１４を上
方に変位させ、過熱度を少なくする。このような制御を
繰り返して行なうことにより、常に適切な過熱度をもっ
た運転が可能である。

次に冷媒流量に対する冷凍サイクルの状態への影響を考
えてみる。第９図は、冷凍サイクルの理想状態をモリエ
ル線図上に描いたもので、実線で示した如＜Ａ、Ｂ、Ｃ
，Ｄ、Ａの状態で運転されているとする。ここでＡＢ間
は、冷媒の圧縮機１の圧縮過程、ＢＣ間は凝縮過程、Ｃ
Ｄ間は膨張過程、ＤＡ間は蒸発過程で表わし、フロンＲ
１２の冷媒を用いた場合、圧縮機１の吸入圧力２　ｋｇ
／　ｃｎｌａｂｓ、圧縮機１の吐出圧力１５　ｋｇ／ｃ
ｔ　ａ　ｂ　ｓ、圧縮機１の吸入冷媒温度１０℃、圧縮
機１の吐出冷媒温度約９５℃、冷房能力３０００　Ｋｃ
ａｌ／　ｌ＋ｒの運転状態とする。この状態から弁体１
４を第２図中上方に変位させ冷媒流量を１０％増加する
と第９図中点線で示した如＜Ｈ，Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈの状態
へと移行し、理論上の圧縮機１の吸入圧力２．１ｋｇ／
ｃｒＡ　ａ　ｂ　ｓ　、圧縮機１の吐出圧力１５．５　
ｋｇ／　ｃｎ！ａｂｓ、圧縮機１の吸入冷媒温度−４°
Ｃ１圧縮機１の吐出冷媒温度約８０“Ｃとなり過熱度が
２３°Ｃから８°Ｃに減少する。このように弁体１４の
変位を調整することにより、過熱度を制御することがで
きる。

また第１０図は冷凍サイクルの理想状態と実際の状態を
モリエル線図上に表わしたもので、点線”＋　ｆ＋　ｇ
＋　ｈ＋　ｅで示したものは理想状態、実線ａ、ｂ、ｃ
、ｄ、ａは実際の状態を表わす。ここで問題となるのは
、ｈｅ間に対するｄａ間の恭発過程の違いで、実際の状
態では蒸発器５内の冷媒通過に伴う圧力損失が生じ、蒸
発器５の入口の圧力に比べ蒸発器５の出口の圧力は低下
している。

このため理想状態では適正過熱度であっても実際には過
熱度が高い値となってしまう。この傾向は、冷媒流量が
増加するにつれて大きくなっている。

それに対して本実施例による膨張弁４では蒸発器５の出
口の冷媒圧力Ｐｅ、冷媒温度Ｔｅを検出して制御してい
るため前記のような現象を生ずることはない。

以上の如く、本実施例による膨張弁を用いることにより
、応答性に優れまた常に適正な過熱度で冷凍冷房装置を
作動させることができる。

次に本発明の第２の実施例について説明する。

第１１図は、第２の実施例の膨張弁４を示し、圧電素子
収納ハウジング部９ｃ内部には、小径部４０ａと大径部
４０ｂを有するベロース４０が収納されており、外径Ｄ
１を有する小径部４−　Ｏａ、外径Ｄ２を有する大径部
４０ｂの端部の各々には、円形の小プレート４１と円形
の大プレート４２がそれぞれ固着され、大形部４０ｂは
大プレート４２とハンジング９ｃ内部に設けられた段部
４３の間で圧縮されるようになっている。大ブレー；・
４２には円形凹部４２ａが設けられ、この凹部４２ａに
は前述の実施例と同様の圧電素子２４の一端が嵌合され
、その他端はハウジング９ｄの四部４４に嵌合されてい
る。上記ハウジング９ｄとハウジング９ｃはボルト等に
よって固着されている。

またベローズ４３内部には非圧縮性流体が充填さねでい
る。

なおその他の構成は前述の実施例と同様であるので説明
を省略する。

上記構成において、圧電素子２４が第１１図上方にΔＹ
だけ変位すると、この変位ΔＹはベローズ４０の大径側
をΔＹだけ圧縮する。このときベローズ４０内の非圧縮
性流体はπΔＹＤ２２／４の容積分だけベローズ４０の
小径部４０ａへ移動する。このためベローズ４０の小径
部４０ａの変位ΔＺは、先程の移動容積πΔＹＤ２２／
４を吸収する迄、変化しなければならない。つまり、π
ΔＹ　Ｄ　２２／　４　＝πΔＺＤＩ２／４上式よりΔ
Ｚ＝　（Ｄ２／Ｄ　＋）　２ΔＹとなり小径側の変位Δ
Ｚは圧電素子２４の変位ΔＹの（Ｄ２／ＤＩ）２倍とな
る。ここでＤ菫、Ｄ２を適当な値とすることにより圧電
素子２４の変位を拡大して弁体４０に伝えることができ
る。

以上のような構成をとっても、膨張弁４の効果は前述と
同じで何ら変わることはない。

次に本発明の第３の実施例について説明する。

第１２図に示すように、円筒形ハウジング５０の軸方向
端部には高圧冷媒導入ｌ」５１が設けられ、受液器３に
図示しない配管を介して接続されるようになっており、
また、ノーウジング５０の側面ｎ１；には冷媒導出口５
２が設けられ、蒸発器５に接続されるようになっている
。ノ＼ウシング５０の冷媒導入口５１が設けられていな
い軸方向端部Ｇ、：＋よ、取付プレート５３がボルト等
にてノλウシンク゛５０に固着され°（いる。取付プレ
ート５３の中心に設けられた四部５３ａには圧電素子２
４の一端力＜睦合され、その他端は、円形の支持プレー
ト５４の中心に設けられた四部５４ａに嵌合固定されζ
む）る。支持プレート５４はおよびその上面に配置され
た弁体５５は、ハウジング５０の内部５０ａζこ、第１
２図の上下方向に摺動可能に収納されて０る。

弁体５５の支持プレート５４と接する端部＝ζ：１、円
環部５５ａが形成され、支持プレーＩ・５４との間に空
間部５６を有している。また弁体５５ζこは、導入口５
１から導入された冷媒を空間部５６に導くための連通孔
５５ｂが設けられている。円環部５５ａの側方には、ハ
ウジング内部５０ａと導出口５２を連通する通路５７が
開口されている。

上記のような構成を有する第３実施例膨張弁の作動につ
いて以下に説明する。

圧電素子２４に、第１４図に示すような矩形波の電圧を
印加すると、ＴＩに圧電素子２４は伸張し、支持プレー
ト５４を介して、弁体５５は第１２図上方に移動する。

この時空間部５６は、高圧冷媒が充填された状態である
。Ｔ２時に通電が遮断されると圧電素子２４は収縮する
。この時、弁体５５が高圧冷媒の圧力によって図の下方
に移動する速度よりも、圧電素子２４が収縮する速度が
速いため、第１２図に示すように、弁体５５の円環部５
５ａと支持プレート５４の間にはギャップμが生じ、こ
のギヤツブμを通して空間部５６の高圧冷媒が通路５７
に流れ込む。Ｔ１からＴ時間後のＴ３時に再び電圧が印
加されると、圧電素子２４は伸張してギャップμを０に
し、冷媒の流れを遮断する。第１５図は、上記電圧の変
化に対応するギヤツブμの変化を示したもので、周期Ｔ
で上記の変化をくり返す。したがって、上記の印加電圧
を数十ＫＨ２の周波数で印加すると、近似的には最大ギ
ャップμ０の平均値μｏ　／　２で旨媒が流れることに
なる。

また、印加電圧■を上昇させると、圧電素子の変化量も
大きくなり、従って最大ギャップμ０も大きくでき、冷
媒流量は増加する。

従って、冷媒の過熱度に応して電圧を変化さセれば、冷
媒流量の調整が可能となる。

上記第３の実施例の特徴を以下に具体的に説明する。

圧電素子２４の最大振幅をμｍ＝４０μｍ、弁体５５の
外径を４０鶴、円環部５５ａ０）径をＤ−３０ｍ＋＋と
すると、冷媒の通路面積Ｓは、Ｓ−π・Ｄ・μｍ／２一πＸ３０Ｘ４０Ｘ１０’−３／２＝１’、８８ｍ雀となり、これは直径１．５龍の管に相当し、自動車用冷
凍装置の膨張弁としては充分な開口面積となっている。

又自動車用の冷凍サイクルでは、高低圧の圧力差は２０
ｋｇ／ｃｆｆｌにもなるため、弁体５５は、第１２図下
方に１１０　（ｋｇ／ｃＪ）の力で押しつけられる。こ
のような荷重に対し、ソレノイドを用いた構成では、膨
張弁の大きさは非常に大きなものとなる。しかしながら
、圧電素子２４は、１０００ｋｇ　／　ｃ＋ｆｌ程度の
荷重がとれるため、前記の荷重に対しても充分余裕をも
っている。

次に矩形波の周波数について検討する。弁体５５が下方
へ移動する加速度ｄは、弁体５５の１ｎｆｆｉをｗｉｔ
ｇとすると、Ｆ−（Ｗ／ｇ）αよりα−Ｆ　ｇ　／　ＷＷ＝０．１ｋｇ、　Ｆは前述の１１０　ｋｇとすると、
α−（ｌｌ０Ｘ　９８／　０．１　）　＃　１００８０
　ｍ／　ｓｅｃ　２弁体５５は、この加速度で第１４図
のＴＩと１２間、すなわちＴ／２時間に第１２図中下方
へ移動するから、弁体５５の移動量をβとすると、β　
−（１’　／　２　）　・　α　・　（Ｔ／２）　２と
なる。ここで移動量ｌを支持プレート５４の振幅（μｍ
−４０μｍ）に対して無視できるように、！＝２μｍと
すると必要周波数ｆは、となる。このような高周波で作動さ・Ｕ、しかも数十μ
ｍ以下の微小変位を精度よく高荷重の下で制御するには
、ソレノイドでは困難であり、圧電素子が有効である。

又圧電素子２４とハウジング５０との熱膨張係数は、圧
電素子２４の方が一桁程小さく、圧電素子２４とハウジ
ングの熱膨張は異なるが、本実施例は、この熱膨張の違
いには、全く＃響を受υない。なぜなら、冷凍ザイクル
運転時には弁体５５は、第１２図中下方に押圧されてい
るから、弁体５５の最上点はハウジング５０と接触せず
支持プレート５４の振幅値と等しくなるからである。

以上述べた本発明の膨張弁は、自動車用冷凍冷房装置に
限定されず、例えば家庭用冷房装置などのような他の冷
凍サイクルを利用した装置に広く適用できることは言う
までもない。

また、上記の実施例では、蒸発器５の出Ｉコの冷媒の温
度および圧力によって冷媒の、過熱度を判別しているが
、例えば蒸発器５の冷媒が気体か液体かを判別して、過
熱度を決定するようにしてもよい。

以上述べたように、本発明は、冷媒の過熱度を電気的に
判別しているため、急激な冷凍冷房負荷に対して速やか
な応答ができる。

また、圧電素子は通電されるとそれ自体が変位し、この
変位によって、膨張弁の開度調整を行うことが可能であ
り、電磁弁等が有する、巻線、プランジャ、等の構成部
品が不要であり、小型、軽量の膨張弁を提供できるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

以下の図面はいずれも本発明の実施例を示し、第１図は
冷凍サイクルおよび制御信号の流れを示すシステム図、
第２図は第１実施例の膨張弁の構造を示す断面図、第３
図は第２図の一部拡大断面図、第４図は圧電素子の構造
を示す簡略図、第５図は印加電圧に対する圧電素子の歪
量を示す特性図、第６図は座屈板の歪特性を示す特性図
、第７図は第１図実施例において圧電素子の変位に対す
る弁体の変位を示す特性図、第８図は制御装置の制御の
流れを示すフローヂャ−１・、第９図および第１０図は
第１実施例における冷凍サイクルのモリエル線図、第１
１図は第２実施例の膨張弁の構造を示す断面図、第１２
図は第３実施例の膨張弁の構造を示す断面図、第１３図
は第１２図の一部拡大断面図、第１４図および第１５図
は第３実施例において、それぞれ印加電圧とギャップの
変化を示す特性図である。９．５０・・・ハウジング、９ｂ、５’ｌ・・・導入Ｉ
ＩＩ　。９ｃ、’５２・・・導出口、［５，５７・・・通路、２
４・・・圧電素子、１４．５５・・・弁体。代理人弁理士　岡　部　隆第１図第２図第３図第４図

Claims

【特許請求の範囲】

冷凍サイクルの蒸発器出口の冷媒の過熱度に応じた電圧
を受けである方向に伸張する圧電素子と、この圧電素子
を伸張自在に収納するハウジングと、このハウジングの
一部に設けられた高圧冷媒の導入口と、前記ハウジング
の他部に設けられた冷媒の導出口と、この導出口と前記
高圧冷媒導入口を連通ずる通路と、前記圧電素子の変位
を受けて前記通路の開度調整を行うように、前記ハウジ
ング内に収納された弁体とを具備することを特徴とする
膨張弁。