JP3787968B2

JP3787968B2 - Pressure control valve

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Publication number: JP3787968B2
Application number: JP19438397A
Authority: JP
Inventors: 照之堀田; 義貴戸松; 久介榊原; 幸克尾崎
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 1997-07-18
Filing date: 1997-07-18
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2017-07-18
Also published as: JPH1137614A

Description

【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る蒸気圧縮式冷凍サイクルに用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
近年、蒸気圧縮式冷凍サイクルに使用される冷媒の脱フロン対策の１つとして、例えば特公平７−１８６０２号公報に記載のように二酸化炭素（ＣＯ₂）を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクル（以下、ＣＯ₂サイクルと略す。）が提案されている。
【０００３】
このＣＯ₂サイクルの作動は、原理的には、フロンを使用した従来の蒸気圧縮式冷凍サイクルの作動と同じである。すなわち、図１（ＣＯ₂モリエル線図）のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ａで示されるように、圧縮機で気相状態のＣＯ₂を圧縮し（Ａ−Ｂ）、この高温高圧の超臨界状態のＣＯ₂を放熱器（ガスクーラ）にて冷却する（Ｂ−Ｃ）。そして、減圧器により減圧して（Ｃ−Ｄ）、気液２相状態となったＣＯ₂を蒸発させて（Ｄ−Ａ）、蒸発潜熱を空気等の外部流体から奪って外部流体を冷却する。なお、ＣＯ₂は、圧力が飽和液圧力（線分ＣＤと飽和液線ＳＬとの交点の圧力）を下まわるときから、気液２相状態に相変化するので、Ｃの状態からＤの状態へとゆっくり変化する場合には、ＣＯ₂は超臨界状態から液相状態を経て気液２相状態に変化する。
【０００４】
因みに、超臨界状態とは、密度が液密度と略同等でありながら、ＣＯ₂分子が気相状態のように運動する状態をいう。
しかし、ＣＯ₂の臨界温度は約３１℃と従来のフロンの臨界温度（例えば、Ｒ１２では１１２℃）と比べて低いので、夏場等では放熱器側でのＣＯ₂温度がＣＯ₂の臨界点温度より高くなってしまう。つまり、放熱器出口側においてもＣＯ₂は凝縮しない（線分ＢＣが飽和液線と交差しない）。
【０００５】
また、放熱器出口側（Ｃ点）の状態は、圧縮機の吐出圧力と放熱器出口側でのＣＯ₂温度とによって決定され、放熱器出口側でのＣＯ₂温度は、放熱器の放熱能力と外気温度とによって決定する。そして、外気温度は制御することができないので、放熱器出口側でのＣＯ₂温度は、実質的に制御することができない。
したがって、放熱器出口側（Ｃ点）の状態は、圧縮機の吐出圧力（放熱器出口側圧力）を制御することによって制御可能となる。つまり、夏場等の外気温度が高い場合に、十分な冷却能力（エンタルピ差）を確保するためには、図１のＥ−Ｆ−Ｇ−Ｈ−Ｅで示されるように、放熱器出口側圧力を高くする必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、放熱器出口側圧力を高くするには、前述のように圧縮機の吐出圧力を高くしなければならないので、圧縮機の圧縮仕事（圧縮過程のエンタルピ変化量ΔＬ）が増加する。したがって、蒸発過程（Ｄ−Ａ）のエンタルピ変化量Δｉの増加量より圧縮過程（Ａ−Ｂ）のエンタルピ変化量ΔＬの増加量が大きい場合には、ＣＯ₂サイクルの成績係数（ＣＯＰ＝Δｉ／ΔＬ）が悪化する。
【０００７】
そこで、例えば放熱器出口側でのＣＯ₂温度を４０℃として、放熱器出口側でのＣＯ₂圧力と成績係数と関係を図１を用いて試算すれば、図２の実線に示すように、圧力Ｐ₁（約１０ＭＰａ）において成績係数が最大となる。同様に、放熱器出口側でのＣＯ₂温度を３５℃とした場合には、図２の破線で示すように、圧力Ｐ₂（約９．０ＭＰａ）において成績係数が最大となる。
【０００８】
以上のようにして、放熱器出口側のＣＯ₂温度と成績係数が最大となる圧力とを算出し、この結果を図１上に描けば、図１の太い実線η_max（以下、最適制御線と呼ぶ。）に示すようになる。
したがって、上記ＣＯ₂サイクルを効率良く運転するには、放熱器出口側圧力と放熱器出口側のＣＯ₂温度とを、最適制御線η_maxで示されるように制御する圧力制御手段が必要である。
【０００９】
なお、図１のモリエル線図は、ＡＭＥＲＩＣＡＮＳＯＣＩＥＴＹＯＦＨＥＡＴＩＮＧ，ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＮＧＡＮＤＡＩＲ−ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＩＮＧＥＮＧＩＮＥＥＲＳより出版されたＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓＨａｎｄｂｏｏｋからの抜粋である。本発明は、上記点に鑑み、超臨界域で作動する蒸気圧縮式冷凍サイクルが効率良く運転するように、放熱器出口側温度と放熱器出口側圧力とを制御する圧力制御手段を提供することを目的とする。
本発明の目的は、組立て工程中に変位部材（３０６）が破損することを防止できる圧力制御弁を提供することにある。
【００１０】
【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に記載の発明では、放熱器（２）内の圧力が冷媒の臨界圧力を越える蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用され、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であって、前記冷媒流路（６ａ）内に形成され、前記冷媒流路（６ａ）を上流側空間（３０１ｅ）と下流側空間（３０１ｆ）とに仕切る隔壁部（３０２）と、前記隔壁部（３０２）に形成され、前記上流側空間（３０１ｅ）と前記下流側空間（３０１ｆ）と連通させる弁口（３０３）と、密閉空間（３０５）内外の圧力差に応じて変位する、薄膜状の変位部材（３０６）と、前記変位部材（３０６）の厚み方向一端側に配設され、前記変位部材（３０６）と共に前記密閉空間（３０５）を形成する形成部材（３０７）と、前記変位部材（３０６）の厚み方向他端側に配設され、前記形成部材（３０７）と共に前記変位部材（３０６）を保持固定する保持部材（３０８）と、前記変位部材（３０６）の厚み方向他端側にて前記変位部材（３０６）に接触し、前記変位部材（３０６）に連動して変位し、前記弁口（３０３）を開閉する弁体（３０４）と、前記保持部材（３０８）のうち前記変位部材（３０６）に面する部位に形成され、前記弁口（３０３）が閉じられた状態において、前記弁体（３０４）のうち前記変位部材（３０６）に接触する面（３０４ａ）に対して略同一面となる保持部材平面部（３０８ｂ）とを備えることを特徴とする圧力制御弁を採用する。
請求項２に記載の発明では、前記圧力制御弁は、前記放熱器（２）から蒸発器（４）まで至る冷媒流路（６ａ）に配置され、前記上流側空間（３０１ｅ）内に前記密閉空間（３０５）を形成していることを特徴とする請求項１に記載の圧力制御弁を採用する。
請求項３に記載の発明では、前記密閉空間（３０５）内には冷媒が、前記弁口（３０３）が閉じられた状態における前記密閉空間（３０５）内体積に対して、前記冷媒の温度が０℃での飽和液密度から前記冷媒の臨界点での飽和液密度に至る範囲の密度で封入されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力制御弁を採用する。
本発明によれば、蒸気圧縮式サイクルを効率良く運転させつつ、組立て工程中に変位部材（３０６）が破損することを防止できる。
請求項３、４に記載の発明では、保持部材（３０８）のうち変位部材（３０６）に面する部位には、弁口（３０３）が閉じられた状態において、弁体（３０４）のうち変位部材（３０６）に接触する面（３０４ａ）に対して略同一面となる保持部材平面部（３０８ｂ）が形成されているとともに、密閉空間（３０５）内には冷媒が、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、冷媒の温度が０℃での飽和液密度から冷媒の臨界点での飽和液密度に至る範囲の密度で封入されていることを特徴とする。
【００１１】
これにより、密閉空間（３０５）内の冷媒圧力と冷媒温度との特性が、後述するように最適制御線η_maxにほぼ一致する。したがって、圧力制御弁（３）は、放熱器（２）の出口側圧力を、ほぼ最適制御線η_max上に沿った圧力まで上昇させた後、弁口（３０３）を開く。
つまり、放熱器（２）の出口側圧力と放熱器（２）の出口側温度とは、ほぼ最適制御線η_max上に沿って制御されるので、超臨界域においても蒸気圧縮式サイクルを効率良く運転させることができる。
【００１２】
また、保持部材平面部（３０８ｂ）が形成されているので、保持部材（３０８）と弁体（３０４）との間に段差が発生し難くく、保持部材平面部（３０８ｂ）と弁体（３０４）の面（３０４ａ）とが略同一平面上に位置することとなる。
したがって、後述するように、組立て工程中に、密閉空間（３０５）内外の圧力差が大きくなったときでも、保持部材平面部（３０８ｂ）と面（３０４ａ）との間で変位部材（３０６）が大きく変形することを抑制することができるので、組立て工程に変位部材（３０６）が破損することを防止できる。
【００１３】
以上に述べたように、本発明によれば、蒸気圧縮式サイクルを効率良く運転させつつ、組立て工程中に変位部材（３０６）が破損することを防止できる。
請求項５に記載の発明では、保持部材（３０８）のうち変位部材変形部（３０６ａ）に対応する部位には、変位部材変形部（３０６ａ）に沿う形状に形成された保持部材変形部（３０８ａ）が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
これにより、組立て工程中に、密閉空間（３０５）内外の圧力差により変位部材変形部（３０６ａ）にて変位部材（３０６）が大きく変形することを防止することができるので、変位部材（３０６）が変位部材変形部（３０６ａ）にて破損することを防止できる。
請求項６に記載の発明では、形成部材（３０７）には、剛体（３１１）とストッパ部（３０７ａ）とが接触したときに、剛体（３１１）のうち変位部材（３０６）に接触する面（３１１ａ）に対して略同一面となる形成部材平面部（３０７ｂ）が形成されていることを特徴とする。
【００１５】
これにより、上流側空間（３０１ｅ）の圧力が上昇して密閉空間（３０５）内外の圧力差が大きくなったときでも、請求項１に記載の発明と同様に、形成部材平面部（３０７ｂ）と剛体（３１１）の面３１１ａとの間で変位部材（３０６）が大きく変形することを抑制することができる。
請求項７に記載の発明は、前記冷媒は二酸化炭素であり、前記密閉空間内の密度は、４５０ｋｇ／ｍ ³ 〜９５０ｋｇ／ｍ ³ であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の圧力制御弁を採用する。
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。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図３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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
次に、圧力制御弁３の詳細構造について図４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もに、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。
【００２０】
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３０４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３０４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、一方、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。
【００２１】
なお、ここで、ダイヤフラム３０６が中立状態であるとは、ダイヤフラム３０６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、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。
【００２２】
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５、６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。
【００２３】
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。
【００２４】
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４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。
【００２５】
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。また、プレート３１１は、図５、６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。
【００２６】
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。
【００２７】
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４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。
【００２８】
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。
【００２９】
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７の（ａ）はエレメントケース３１５のＡ矢視図であり、図７の（ｂ）は（ａ）のＢ矢視図であり、図７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。
【００３０】
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１、８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。
【００３１】
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内圧は図７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３０１ｅの圧力が１０．７ＭＰａを越えると、弁口３０３は開弁する。
【００３２】
次に、ＣＯ₂サイクルの作動を図８を用いて説明する。
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”）。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
次に本実施形態の特徴を述べる。
上述のように、本実施形態に係る圧力制御弁３は、放熱器２の出口側圧力を所定の圧力まで昇圧させた後、開弁するものであり、その制御特性は、圧力制御弁３の密閉空間３０５の圧力特性に大きく依存する。
ところで、図１、８から明らかなように、超臨界域での６００ｋｇ／ｍ³ の等密度線は、「発明が解決しようとする課題」の欄で述べた最適制御線η_maxにほぼ一致する。したがって、本実施形態に係る圧力制御弁３は、放熱器２の出口側圧力を、ほぼ最適制御線η_maxに沿った圧力まで上昇させるので、超臨界域においてもＣＯ₂サイクルを効率良く運転させることができる。
【００３６】
また、臨界圧力以下では、６００ｋｇ／ｍ³ の等密度線は、最適制御線η_maxからのズレが大きくなるが、凝縮域なので密閉空間３０５の内圧は、飽和液線ＳＬに沿って変化する。そして、両コイルばね３０９、３１０によって弁体３０４に初期荷重が与えられているので、約１０℃の過冷却度（サブクール）を有する状態に制御される。したがって、臨界圧力以下であっても、ＣＯ₂サイクルを効率良く運転させることができる。
【００３７】
なお、実用的には、ＣＯ₂温度が０℃での飽和液密度からＣＯ₂の臨界点での飽和液密度までの範囲で、密閉空間３０５内に封入することが望ましい。具体的にＣＯ₂では、４５０ｋｇ／ｍ³ 〜９５０ｋｇ／ｍ³ であり（図８の一点鎖線Ｄ₁とＤ₂の間の範囲）、密閉空間３０５内体積と封入質量との関係は、図９の斜線に示す範囲である。
【００３８】
ところで、エレメントケース３１５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３０５内外の圧力差（大気圧と密閉空間３０５との圧力差）は、ＣＯ₂サイクル（ＣＯ₂流路６ａ）中に圧力制御弁３を配設した場合における密閉空間３０５内外の圧力差（上流側空間３０１ｅと密閉空間３０５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３０６が破損する可能性が高い。
【００３９】
これに対して、本実施形態では、下側支持部材３０８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の面３０４ａに対して略同一面となる下側平面部３０８ｂが形成されているので、下側支持部材３０８と弁体３０４との間に段差が発生し難くく、下側平面部３０８ｂと面３０４ａとが略同一平面上に位置することとなる。
【００４０】
したがって、組立て工程中に、密閉空間３０５内外の圧力差が大きくなったときでも、下側平面部３０８ｂと面３０４ａとの間でダイヤフラム３０６が大きく変形することを抑制することができるので、組立て工程にダイヤフラム３０６が破損することを防止できる。
また、同様に、下側支持部材３０８に、変形促進部３０６ａに沿う形状に形成された凹部３０８ａが形成されているので、組立て工程中に、密閉空間３０５内外の圧力差により変形促進部３０６ａにてダイヤフラム３０６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、ダイヤフラム３０６が変形促進部３０６ａにて破損することを防止できる。
【００４１】
また、プレート３１１と段付き部３０７ａとが接触したときに、上側平面部３０７ｂがプレート３１１の面３１１ａと略同一面になるので、上流側空間３０１ｅの圧力が上昇して密閉空間３０５内外の圧力差が大きくなったときでも、下側平面部３０８ｂと同様に、上側平面部３０７ｂと面３１１ａとの間でダイヤフラム３０６が大きく変形することを抑制することができ、ダイヤフラム３０６の破損を防止できる。
【００４２】
また、弁体３０４およびダイヤフラム３０６は、ダイヤフラム３０６が中立状態から弁体３０４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ので、ダイヤフラム３０６は中立状態からダイヤフラム３０６の厚み方向他端側および一方側に変形変位することとなる。
【００４３】
したがって、弁体３０４の最大変位量に比べて、ダイヤフラム３０６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３０６を中立状態から厚み方向一方側およ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３０６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３０６の耐久性を向上させることができる。
【００４４】
また、弁体３０４には、ダイヤフラム３０６の厚み方向両端側から弾性力が作用しているので、弁体３０４とダイヤフラム３０６とを接合することなく、弁体３０４とダイヤフラム３０６とを一体的に可動（変位）させることができる。
ところで、溶接等のように熱を加えることにより、弁体３０４とダイヤフラム３０６とを接合した場合、ダイヤフラム３０６の結晶構造が変化し、ダイヤフラム３０６の変形変位特性が変化するおそれがある。
【００４５】
これに対して、本実施形態では、弁体３０４とダイヤフラム３０６とが接合されていないので、ダイヤフラム３０６の変形変位特性が変化することを防止できる。
ところで、上述の作動および特徴の説明からも明らかなように、圧力制御弁３の密閉空間３０５内温度は、理想的には、放熱器２出口側温度（上流側空間３０１ｅの温度）に対して時間差無しに連動して変化することが望ましい。
【００４６】
これに対して、本実施形態では、上側支持部材３０７より熱伝導率の大きい封入管３１３が、密閉空間３０５内外に渡って上側支持部材３０７を貫通しているので、密閉空間３０５内の温度と上流側空間３０１ｅの温度との差を小さくすることができる。したがって、放熱器２の出口側圧力を、より一層最適制御線η_maxに沿った圧力まで上昇させるので、より効率良く、ＣＯ₂サイクルを運転させることができる。
【００４７】
（第２実施形態）
本実施形態は、図１０、１１に示すように、上側支持部材３０７の肉厚方向に突出する突出部３１７を上側支持部材３０７に形成したものである。
これにより、上側支持部材３０７と上流側空間３０１ｅとの間の熱伝達率、および上側支持部材３０７の耐圧強度を向上させることができる。延いては、上側支持部材３０７の薄肉化を図ることができるので、上流側空間３０１ｅと密閉空間３０５との熱伝導量を向上させることができる。
【００４８】
なお、本実施形態では、突出部３１７を上側支持部材３０７の外壁側（上流側空間３０１ｅ）側にのみ設けたが、本実施形態は、これに限定されるものではなく、上側支持部材３０７の内壁側（密閉空間３０５側）に突出部３１７を設けてもよい。
（第３実施形態）
本実施形態は、図１２、１３に示すように、第２コイルばね３１０を下流側空間３０１ｆに配設したものである。なお、図１２は、隔壁部３０２に雌ねじ３０２ａを設けた例であり、図１３はケーシング本体３０１ｃに雌ねじ３０２ａを設けた例である。
【００４９】
これにより、エレメントケース３１５をケーシング３０１内に収納した後であっても、流入口３０１ｂから六角レンチ等により調節ネジ３１２を回すことができる。
（第４実施形態）
本実施形態は、図１４〜１６に示すように、第１コイルばね３０９を廃止して、弁体３０４およびプレート（剛体）３１１とダイヤフラム３０６とを接合するとともに、弁口３０３を閉じる向きに第２コイルばね３１０の弾性力を弁体３０４に対して作用させたものである。なお、本実施形態では、弁体３０４に雄ねじを形成し、調節ネジ３１２に雌ねじを形成している。
【００５０】
これにより、エレメントケース３１５（圧力制御弁３）の部品点数を削減することができるので、圧力制御弁３の製造原価低減を図るこのできる。
ところで、本発明に係る圧力制御弁は、ＣＯ₂を使用した蒸気圧縮式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蒸気圧縮式冷凍サイクルにも適用することができる。
【００５１】
また、アキュームレータ５を廃止しても、前述の蒸気圧縮式冷凍サイクルを実施することができる。この場合、蒸発器４内に残存する冷媒が吸引されて、アキュームレータ５を有するＣＯ₂サイクルと同様な作動を得ることができる。
因みに、本明細書において、例えば「弁体３０４とダイヤフラム３０６とが接触している」とは、弁体３０４とダイヤフラム３０６との間に、スペーサ（ワッシャ）等の別体部品は介在している場合も含む意味である。つまり、弁体３０４と別体部品であっても、弁体３０４と一体的に可動する場合には、その別体部品は弁体３０４の一部とみなすことができる。なお、プレート３１１ととダイヤフラム３０６との間に別体部品が介在する場合も同じである。
【００５２】
また、下側平面部３０８ｂと面３０４ａとの間に段差が発生しないように、下側平面部３０８ｂと面３０４ａとを略同一の曲面上に位置するように構成しても、ダイヤフラム３０６の破損を防止できる。同様に、上側平面部３０７ｂと面３１１ａとを略同一の曲面上に位置するように構成してもよい。
また、第１〜３実施形態では、ダイヤフラム３０６と弁体３０４とを接合していなかったが、両者３０６、３０４を溶接や接着剤等により接合してもよい。これにより、弁体３０４を確実にダイヤフラム３０６に追従させて変位させることができる。
【００５３】
また、上述の実施形態では、プレート３１１を樹脂製としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＯ₂のモリエル線図である。
【図２】成績係数（ＣＯＰ）と放熱器出口側圧力との関係を示すグラフである。
【図３】ＣＯ₂サイクルの模式図である。
【図４】第１実施形態に係る圧力制御弁の断面図である。
【図５】開弁状態を示すダイヤフラム部分の拡大図である。
【図６】閉弁状態を示すダイヤフラム部分の拡大図である。
【図７】（ａ）は図４のＡ矢視図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ矢視図である。
【図８】蒸気圧縮式冷凍サイクルの作動を説明するための説明図である。
【図９】密閉空間内の体積と、この密閉空間内に封入されるＣＯ₂の質量との関係を示すグラフである。
【図１０】第２実施形態に係る圧力制御弁の上側支持部材を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図１１】第２実施形態に係る圧力制御弁の変形例を示す上側支持部材の正面図である。
【図１２】第３実施形態に係る圧力制御弁の断面図である。
【図１３】第３実施形態の変形例に係る圧力制御弁の断面図である。
【図１４】第４実施形態に係る圧力制御弁の断面図である。
【図１５】第４実施形態の変形例に係る圧力制御弁の断面図である。
【図１６】第４実施形態の変形例に係る圧力制御弁の断面図である。
【符号の説明】
３０１…ケーシング、３０２…隔壁部、３０３…弁口、３０４…弁体、
３０５…密閉空間、３０６…ダイヤフラム（変位部材）、
３０７…ダイヤフラム上側支持部材（形成部材）、
３０７ａ…段付き部（ストッパ部）、
３０７ｂ…上側平面部（形成部材平面部）、
３０８…ダイヤフラム下側支持部材（保持部材）、
３０８ｂ…下側平面部（保持部材平面部）、
３０９…第１コイルばね（第１弾性部材）、
３１０…第２コイルバネ（第２弾性部材）、
３１１…プレート（剛体）、３１２…調節ネジ（弾性力調節機構）、
３１３…封入管（貫通部材）。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a pressure control valve that controls the pressure on the outlet side of a radiator of a vapor compression refrigeration cycle.₂It is suitable for use in a vapor compression refrigeration cycle using a refrigerant in the supercritical region such as
[0002]
[Prior art]
In recent years, carbon dioxide (CO 2) as described in, for example, Japanese Patent Publication No. 7-18602, has been proposed as one of countermeasures against defloning of refrigerants used in a vapor compression refrigeration cycle.₂Vapor compression refrigeration cycle (hereinafter referred to as CO)₂Abbreviated as cycle. ) Has been proposed.
[0003]
This CO₂The operation of the cycle is in principle the same as the operation of a conventional vapor compression refrigeration cycle using Freon. That is, FIG. 1 (CO₂As shown by A-B-C-D-A of the Mollier diagram)₂(A-B), and this high-temperature and high-pressure supercritical state CO₂Is cooled by a radiator (gas cooler) (BC). Then, the pressure is reduced by the pressure reducer (C-D), and the gas-liquid two-phase state is reached.₂Is evaporated (D-A), latent heat of vaporization is taken away from the external fluid such as air, and the external fluid is cooled. CO₂Since the phase changes to the gas-liquid two-phase state from when the pressure falls below the saturated liquid pressure (pressure at the intersection of the line segment CD and the saturated liquid line SL), it slowly changes from the C state to the D state. If you do, CO₂Changes from a supercritical state through a liquid phase state to a gas-liquid two phase state.
[0004]
Incidentally, the supercritical state means that the density is approximately equal to the liquid density,₂A state in which molecules move like a gas phase.
But CO₂Is about 31 ° C, which is lower than the critical temperature of conventional chlorofluorocarbons (for example, 112 ° C for R12).₂The temperature is CO₂It becomes higher than the critical point temperature. In other words, CO also on the radiator outlet side₂Does not condense (the line segment BC does not intersect the saturated liquid line).
[0005]
Also, the state of the radiator outlet side (C point) is the discharge pressure of the compressor and the CO at the radiator outlet side.₂The CO at the outlet side of the radiator₂The temperature is determined by the heat dissipation capability of the radiator and the outside air temperature. And since the outside air temperature cannot be controlled, CO at the radiator outlet side₂The temperature cannot be substantially controlled.
Therefore, the state of the radiator outlet side (point C) can be controlled by controlling the discharge pressure (radiator outlet side pressure) of the compressor. That is, in order to ensure a sufficient cooling capacity (enthalpy difference) when the outside air temperature is high in summer or the like, as shown by E-F-G-H-E in FIG. Need to be high.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the discharge pressure of the compressor must be increased as described above in order to increase the radiator outlet side pressure, the compression work of the compressor (the enthalpy change amount ΔL in the compression process) increases. Accordingly, when the increase amount of the enthalpy change amount ΔL in the compression process (AB) is larger than the increase amount of the enthalpy change amount Δi in the evaporation process (DA), CO₂The coefficient of performance of the cycle (COP = Δi / ΔL) deteriorates.
[0007]
Therefore, for example, CO at the radiator outlet side₂The temperature is set to 40 ° C., and CO at the radiator outlet side₂If the relationship between the pressure and the coefficient of performance is calculated using FIG. 1, as shown by the solid line in FIG.₁The coefficient of performance becomes maximum at (about 10 MPa). Similarly, CO at the radiator outlet side₂When the temperature is 35 ° C., as shown by the broken line in FIG.₂The coefficient of performance becomes maximum at (about 9.0 MPa).
[0008]
As described above, the CO at the outlet side of the radiator₂If the temperature and the pressure at which the coefficient of performance is maximized are calculated and this result is drawn on FIG. 1, the thick solid line η in FIG._max(Hereinafter referred to as the optimal control line).
Therefore, the CO₂To operate the cycle efficiently, the pressure on the outlet side of the radiator and the CO on the outlet side of the radiator₂Temperature and the optimal control line η_maxThe pressure control means for controlling as shown in FIG.
[0009]
  The Mollier diagram in FIG. 1 is an AMERICA SOCIETY OF HEATING,REFRIGERATING  Published by AND AIR-CONDITIONING ENGINEERSFundamentals HandbookAn excerpt from In view of the above points, the present invention provides pressure control means for controlling a radiator outlet side temperature and a radiator outlet side pressure so that a vapor compression refrigeration cycle operating in a supercritical region operates efficiently. With the goal.
  An object of the present invention is to provide a pressure control valve capable of preventing the displacement member (306) from being damaged during the assembly process.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the present invention uses the following technical means.
  In the first aspect of the present invention, the radiator is applied to a vapor compression refrigeration cycle in which the pressure in the radiator (2) exceeds the critical pressure of the refrigerant, and the radiator according to the refrigerant temperature on the outlet side of the radiator (2). (2) A pressure control valve that controls the outlet side pressure, and is formed in the refrigerant flow path (6a), and the refrigerant flow path (6a) is divided into an upstream space (301e) and a downstream space (301f). A partition wall (302) for partitioning, a valve port (303) formed in the partition wall (302) and communicating with the upstream space (301e) and the downstream space (301f), and inside and outside of the sealed space (305) A thin-film-like displacement member (306) that is displaced according to the pressure difference between them, and one end in the thickness direction of the displacement member (306), together with the displacement member (306) form the sealed space (305). Forming member (307) and the displacement A holding member (308) disposed on the other end in the thickness direction of the material (306) and holding and fixing the displacement member (306) together with the forming member (307); and the other end in the thickness direction of the displacement member (306) A valve body (304) that contacts the displacement member (306) on the side, is displaced in conjunction with the displacement member (306), and opens and closes the valve port (303); and the holding member (308) It is formed in a portion facing the displacement member (306), and with respect to the surface (304a) of the valve body (304) that contacts the displacement member (306) in a state where the valve port (303) is closed. And a holding member flat surface portion (308b) having substantially the same surface.
  In the invention according to claim 2, the pressure control valve is disposed in the refrigerant flow path (6a) extending from the radiator (2) to the evaporator (4), and is sealed in the upstream space (301e). The pressure control valve according to claim 1, wherein a space (305) is formed.
  In the invention according to claim 3, the temperature of the refrigerant in the sealed space (305) with respect to the volume in the sealed space (305) when the valve port (303) is closed. The pressure control valve according to claim 1, wherein the pressure control valve is sealed at a density ranging from a saturated liquid density at 0 ° C. to a saturated liquid density at a critical point of the refrigerant.
  According to the present invention, it is possible to prevent the displacement member (306) from being damaged during the assembly process while efficiently operating the vapor compression cycle.
  Claims 3 and 4In the invention described in the above, the portion of the holding member (308) that faces the displacement member (306) is disposed on the displacement member (306) of the valve body (304) in a state where the valve port (303) is closed. A holding member flat surface portion (308b) that is substantially the same surface as the contacting surface (304a) is formed, and the refrigerant is in the closed space (305) while the valve port (303) is closed. It is characterized in that it is sealed with a density ranging from a saturated liquid density at 0 ° C. to a saturated liquid density at a critical point of the refrigerant with respect to the volume in the sealed space (305).
[0011]
As a result, the characteristics of the refrigerant pressure and the refrigerant temperature in the sealed space (305) are adjusted to an optimum control line η as will be described later._maxAlmost matches. Therefore, the pressure control valve (3) is configured so that the outlet side pressure of the radiator (2) is substantially equal to the optimum control line η._maxAfter increasing to a pressure along the top, the valve port (303) is opened.
That is, the outlet side pressure of the radiator (2) and the outlet side temperature of the radiator (2) are substantially equal to the optimal control line η._maxSince it is controlled along the top, the vapor compression cycle can be efficiently operated even in the supercritical region.
[0012]
Further, since the holding member flat surface portion (308b) is formed, a step is hardly generated between the holding member (308) and the valve body (304), and the holding member flat surface portion (308b) and the valve body (304 are not formed. ) Surface (304a) is located on substantially the same plane.
Therefore, as will be described later, even when the pressure difference between the inside and outside of the sealed space (305) increases during the assembly process, the displacement member (306) is located between the holding member flat surface portion (308b) and the surface (304a). Since the large deformation can be suppressed, the displacement member (306) can be prevented from being damaged during the assembly process.
[0013]
  As described above, according to the present invention, it is possible to prevent the displacement member (306) from being damaged during the assembly process while efficiently operating the vapor compression cycle.
  Claim 5In the invention described in the above, the holding member deforming portion (308a) formed in a shape along the displacement member deforming portion (306a) is formed in a portion of the holding member (308) corresponding to the displacement member deforming portion (306a). It is characterized by being.
[0014]
  Thereby, it is possible to prevent the displacement member (306) from being largely deformed by the displacement member deforming portion (306a) due to a pressure difference between the inside and outside of the sealed space (305) during the assembly process, and thus the displacement member (306). Can be prevented from being damaged at the displacement member deforming portion (306a).
  Claim 6In the invention described in (3), when the rigid body (311) and the stopper portion (307a) are in contact with the forming member (307), the surface (311a) of the rigid body (311) that contacts the displacement member (306). On the other hand, a forming member flat surface portion (307b) which is substantially the same surface is formed.
[0015]
  Thereby, even when the pressure in the upstream space (301e) rises and the pressure difference between the inside and outside of the sealed space (305) increases, the forming member plane portion (307b) It is possible to prevent the displacement member (306) from being greatly deformed between the surface 311a of the rigid body (311).it can.
  In the invention according to claim 7, the refrigerant is carbon dioxide, and the density in the sealed space is 450 kg / m. ^Three ~ 950kg / m ^Three The pressure control valve according to any one of claims 1 to 6 is adopted.
  In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows a corresponding relationship with the specific means of embodiment description later mentioned.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 3 shows CO using the pressure control valve according to this embodiment.₂The cycle is applied to a vehicle air conditioner, where 1 is the gas phase CO₂It is a compressor that compresses. 2 is CO compressed by the compressor 1₂Is a radiator (gas cooler) that exchanges heat with the outside air and cools it, and 3 is a CO 2 at the outlet side of the radiator 2.₂It is a pressure control valve that controls the pressure on the outlet side of the radiator 2 in accordance with the temperature. The pressure control valve 3 controls the pressure on the outlet side of the radiator 2 and also serves as a decompressor.₂Is reduced in pressure by the pressure control valve 3 and is in a low-temperature low-pressure gas-liquid two-phase state.₂It becomes.
[0017]
Reference numeral 4 denotes an evaporator (heat absorber) that serves as an air cooling means in the passenger compartment.₂When vaporizing (evaporating) in the evaporator 4, the vehicle interior air is deprived of latent heat of vaporization to cool the vehicle interior air. 5 is gas phase CO₂And liquid phase CO₂And CO in liquid phase₂Is an accumulator (tank means) that temporarily stores
[0018]
The compressor 1, the radiator 2, the pressure control valve 3, the evaporator 4 and the accumulator 5 are connected by a pipe 6 to form a closed circuit. The compressor 1 is driven by obtaining a driving force from a driving source (engine, motor, etc.) not shown, and the radiator 2 is a CO 2 in the radiator 2.₂In order to make the temperature difference between the vehicle and the outside air as large as possible, it is arranged in front of the vehicle.
[0019]
Next, the detailed structure of the pressure control valve 3 will be described with reference to FIG.
301 is the CO from the radiator 2 to the evaporator 4₂A casing that forms a part of the flow path 6a and accommodates an element case 315 to be described later, 301a is an upper lid having an inlet 301b connected to the radiator 2 side, and 301c is connected to the evaporator 4 side It is the casing main body which has the outflow port 301d to be made.
[0020]
Also, the casing 301 has a CO₂A partition wall 302 that divides the flow path 6a into an upstream space 301e and a downstream space 301f is provided. The partition wall 302 has a valve port 303 that allows the upstream space 301e and the downstream space 301f to communicate with each other. Is formed.
The valve port 303 is opened and closed by a needle-like needle valve body (hereinafter abbreviated as a valve body) 304, and the valve body 304 and a diaphragm 306 to be described later are linked with the displacement of the diaphragm 306. When the valve body 303 is displaced from the neutral state toward the valve body 304 (the other end in the thickness direction of the diaphragm 306), the valve port 303 is closed. On the other hand, when the valve body 303 is displaced toward the one end in the thickness direction, The displacement amount of the valve body 304 with reference to the state in which the valve port 303 is closed is maximized.
[0021]
Here, the diaphragm 306 being in a neutral state refers to a state in which the diaphragm 306 is not deformed and displaced, and the stress associated with the deformed displacement is substantially zero.
Further, a sealed space (gas filled chamber) 305 is formed in the upstream space 301e, and this sealed space 305 is a thin film-like material made of stainless steel that is deformed and displaced in accordance with the pressure difference inside and outside the sealed space 305. A diaphragm (displacement member) 306 and a diaphragm upper support member (formation member) 307 disposed on one end in the thickness direction of the diaphragm 306 are formed.
[0022]
On the other hand, a diaphragm lower support member (holding member) 308 that holds and fixes the diaphragm 306 together with a diaphragm upper support member (hereinafter, abbreviated as an upper support member) 307 is disposed at the other end in the thickness direction of the diaphragm 306. Of the diaphragm lower support member (hereinafter, abbreviated as the lower support member) 308, a portion corresponding to the deformation promoting portion (displacement member deforming portion) 306a formed in the diaphragm 306 is shown in FIGS. As shown, a recess (holding member deforming portion) 308a formed in a shape along the deformation promoting portion 306a is formed.
[0023]
The deformation promoting part 306a is a part of the outer side of the diaphragm 306 deformed in a wave shape so that the diaphragm 306 is deformed and displaced approximately in proportion to the pressure difference inside and outside the sealed space 305. belongs to.
Further, the portion of the lower support member 308 that faces the diaphragm 306 is substantially flush with the surface 304a of the valve body 304 that contacts the diaphragm 306 when the valve port 303 is closed by the valve body 304. A lower flat portion (holding member flat portion) 308b is formed.
[0024]
Further, as shown in FIG. 4, a first elastic force is applied to one end side in the thickness direction of the diaphragm 306 (in the sealed space 305) so as to close the valve port 303 with respect to the valve body 304 via the diaphragm 306. A coil spring (first elastic member) 309 is disposed. On the other hand, a second coil spring that applies an elastic force in the direction of opening the valve port 303 to the valve body 304 is applied to the other end in the thickness direction of the diaphragm 306. (Second elastic member) 310 is provided.
[0025]
Reference numeral 311 denotes a plate (rigid body) that also serves as a spring seat for the first coil spring 309. The plate 311 is made of metal having a predetermined thickness so as to be more rigid than the diaphragm 306. As shown in FIGS. 5 and 6, the plate 311 comes into contact with a stepped portion (stopper portion) 307 a formed on the upper support member 307, so that the diaphragm 306 has one end in the thickness direction (sealed space 305. The displacement to a predetermined value or more toward the side) is regulated.
[0026]
When the plate 311 and the stepped portion 307a are in contact with the upper support member 307, the upper plane portion (formation member plane portion) that is substantially flush with the surface 311a of the plate 311 that contacts the diaphragm 306. ) 307b is formed. Incidentally, the inner wall of the cylindrical portion 307 c of the upper support member 307 also serves as a guide portion for the first coil spring 309.
[0027]
Since the plate 311 and the valve body 304 are pressed toward the diaphragm 306 by the coil springs 309 and 310, the plate 311, the valve body 304 and the diaphragm 306 are integrally displaced (operated) while being in contact with each other. )
In FIG. 4, reference numeral 312 denotes an adjusting screw (elastic force adjusting mechanism) that adjusts the elastic force that the second coil spring 310 acts on the valve body 304 and also serves as a plate of the second coil spring 310. The adjustment screw 312 is screwed to a female screw 302 a formed in the partition wall 302. Incidentally, the initial load (elastic force with the valve port 303 closed) by the coil springs 309 and 310 is about 1 MPa in terms of pressure in the diaphragm 306.
[0028]
Further, 313 penetrates the upper support member 307 across the inside and outside of the sealed space 305, and CO inside the sealed space 305.₂This sealing tube 313 is made of a material such as copper having a higher thermal conductivity than the upper support member 307 made of stainless steel. The lower support member 308 is also made of stainless steel.
The sealed tube 313 is about 600 kg / m with respect to the volume in the sealed space 305 when the valve port 303 is closed.^Three Then, the end portion is closed by a joining means such as welding.
[0029]
Reference numeral 314 denotes a conical spring for fixing the element case 315 including the partition wall 302 to the enclosure tube 313 in the casing main body 301c, and 316 seals a gap between the element case 315 (partition wall 302) and the casing main body 301c. O-ring.
Incidentally, FIG. 7A is a view from the arrow A of the element case 315, FIG. 7B is a view from the arrow B of FIG. 7A, and as is clear from FIG. It communicates with the upstream space 301e on the side surface side of the partition wall 302.
[0030]
Next, the operation of the pressure control valve 3 according to this embodiment will be described.
In the sealed space 305, about 600 kg / m^Three In CO₂Is enclosed, so that the internal pressure and temperature of the sealed space 305 are 600 kg / m shown in FIGS.^Three Varies along the isodensity line. Therefore, for example, when the temperature in the sealed space 305 is 20 ° C., the internal pressure is about 5.8 MPa. Further, since the internal pressure of the sealed space 305 and the initial load by the two coil springs 309 and 310 are simultaneously acting on the valve body 304, the working pressure is about 6.8 MPa.
[0031]
Therefore, when the pressure in the upstream space 301e on the radiator 2 side is 6.8 MPa or less, the valve port 303 is closed by the valve body 304, and when the pressure in the upstream space 301e exceeds 6.8 MPa. The valve port 303 is opened.
Similarly, for example, when the temperature in the sealed space 12 is 40 ° C., the pressure in the sealed space 305 is about 9.7 MPa from FIG. 7, and the acting force acting on the valve body 304 is about 10.7 MPa. Therefore, when the pressure in the upstream space 301e is 10.7 MPa or less, the valve port 303 is closed by the valve head 304, and when the pressure in the upstream space 301e exceeds 10.7 MPa, the valve port 303 is opened. I speak.
[0032]
Next, CO₂The operation of the cycle will be described with reference to FIG.
Here, for example, when the outlet side temperature of the radiator 2 is 40 ° C. and the outlet pressure of the radiator 2 is 10.7 MPa or less, the pressure control valve 3 is closed as described above. , CO stored in the accumulator 5₂Is sucked and discharged toward the radiator 2. Thereby, the outlet side pressure of the radiator 2 increases (b′−c ′ → b ″ −c ″).
[0033]
Finally, when the pressure on the outlet side of the radiator 2 exceeds 10.7 MPa (BC), the pressure control valve 3 is opened.₂Changes from a gas phase to a gas-liquid two-phase state while reducing the pressure (C−D) and flows into the evaporator 4. And after evaporating in the evaporator 4 (DA) and cooling air, it recirculates to the accumulator 5 again. At this time, since the outlet side pressure of the radiator 2 decreases again, the pressure control valve 3 is closed again.
[0034]
That is, this CO₂In the cycle, the pressure on the outlet side of the radiator 2 is increased to a predetermined pressure by closing the pressure control valve 3, and then the CO 2₂Is cooled and evaporated to cool the air.
Even when the outlet side temperature of the radiator 2 is 20 ° C., the pressure control valve 3 is opened after increasing the outlet side pressure of the radiator 2 to about 6.8 MPa, as in the above-described operation. .
[0035]
Next, features of this embodiment will be described.
As described above, the pressure control valve 3 according to the present embodiment opens the valve after increasing the outlet side pressure of the radiator 2 to a predetermined pressure, and the control characteristic of the pressure control valve 3 is that of the pressure control valve 3. This greatly depends on the pressure characteristics of the sealed space 305.
As is apparent from FIGS. 1 and 8, 600 kg / m in the supercritical region.^Three Is the optimal control line η described in the section “Problems to be solved by the invention”._maxAlmost matches. Therefore, the pressure control valve 3 according to the present embodiment has the pressure on the outlet side of the radiator 2 substantially equal to the optimum control line η_maxIn the supercritical region.₂The cycle can be operated efficiently.
[0036]
Also, below the critical pressure, 600 kg / m^Three Is the optimal control line η_maxHowever, since it is a condensation zone, the internal pressure of the sealed space 305 changes along the saturated liquid line SL. And since the initial load is given to the valve body 304 by both the coil springs 309 and 310, it controls to the state which has a supercooling degree (subcool) of about 10 degreeC. Therefore, even below the critical pressure, CO₂The cycle can be operated efficiently.
[0037]
Practically, CO₂From saturated liquid density at a temperature of 0 ° C, CO₂It is desirable to enclose in the sealed space 305 within the range up to the saturated liquid density at the critical point. Specifically CO₂Then, 450kg / m^Three ~ 950kg / m^Three (Dot-dash line D in FIG.₁And D₂The relationship between the volume in the sealed space 305 and the enclosed mass is the range shown by the oblique lines in FIG.
[0038]
By the way, when the element case 315 alone is left in the atmosphere, that is, the pressure difference inside and outside the sealed space 305 in the assembly process (pressure difference between the atmospheric pressure and the sealed space 305) is CO 2.₂Cycle (CO₂Since the pressure difference between the inside and outside of the sealed space 305 (pressure difference between the upstream space 301e and the sealed space 305) when the pressure control valve 3 is disposed in the flow path 6a) is very large, the diaphragm 306 is not included in the assembly process. Is more likely to break.
[0039]
On the other hand, in the present embodiment, the lower support member 308 has a lower flat surface portion that is substantially flush with the surface 304a of the valve body 304 when the valve port 303 is closed by the valve body 304. Since 308b is formed, a step does not easily occur between the lower support member 308 and the valve body 304, and the lower flat portion 308b and the surface 304a are located on substantially the same plane.
[0040]
Therefore, even when the pressure difference between the inside and outside of the sealed space 305 becomes large during the assembly process, the diaphragm 306 can be prevented from being greatly deformed between the lower plane part 308b and the surface 304a. In addition, it is possible to prevent the diaphragm 306 from being damaged.
Similarly, since the lower support member 308 has a recess 308a formed in a shape along the deformation promoting portion 306a, the deformation promoting portion 306a is caused by a pressure difference inside and outside the sealed space 305 during the assembly process. Thus, the diaphragm 306 can be prevented from being greatly deformed. As a result, the diaphragm 306 can be prevented from being damaged by the deformation promoting portion 306a.
[0041]
Further, when the plate 311 and the stepped portion 307a come into contact with each other, the upper flat portion 307b becomes substantially flush with the surface 311a of the plate 311. Therefore, the pressure in the upstream space 301e rises and the pressure inside and outside the sealed space 305 is increased. Even when the difference becomes large, it is possible to prevent the diaphragm 306 from being greatly deformed between the upper plane portion 307b and the surface 311a, as in the case of the lower plane portion 308b, and damage to the diaphragm 306 can be prevented.
[0042]
Further, the valve body 304 and the diaphragm 306 close the valve port 303 when the diaphragm 306 is displaced from the neutral state toward the valve body 304 (the other end in the thickness direction of the diaphragm 306), and toward the one end in the thickness direction. Since the opening degree of the valve port 303 (the amount of displacement of the valve body 304 with respect to the state in which the valve port 303 is closed) is maximized when displaced, the diaphragm 306 is changed from the neutral state to the diaphragm 306. It is deformed and displaced to the other end side and one side in the thickness direction.
[0043]
Therefore, since the maximum deformation displacement amount of the diaphragm 306 can be made smaller than the maximum displacement amount of the valve body 304, the diaphragm 306 is deformed and displaced only on one side of the thickness direction from one side to the other side. The maximum stress generated in the diaphragm 306 can be reduced as compared with the case of making it. As a result, the durability of the diaphragm 306 can be improved.
[0044]
Further, since the elastic force is applied to the valve body 304 from both ends in the thickness direction of the diaphragm 306, the valve body 304 and the diaphragm 306 can be moved integrally without joining the valve body 304 and the diaphragm 306. (Displacement).
By the way, when the valve body 304 and the diaphragm 306 are joined by applying heat such as welding, the crystal structure of the diaphragm 306 may change, and the deformation displacement characteristics of the diaphragm 306 may change.
[0045]
On the other hand, in this embodiment, since the valve body 304 and the diaphragm 306 are not joined, it can prevent that the deformation displacement characteristic of the diaphragm 306 changes.
By the way, as is clear from the above description of the operation and characteristics, the temperature in the sealed space 305 of the pressure control valve 3 is ideally relative to the outlet side temperature of the radiator 2 (the temperature of the upstream space 301e). It is desirable to change in conjunction with no time difference.
[0046]
On the other hand, in this embodiment, since the sealed tube 313 having a higher thermal conductivity than the upper support member 307 penetrates the upper support member 307 in and out of the sealed space 305, the temperature in the sealed space 305 The difference from the temperature of the upstream space 301e can be reduced. Therefore, the pressure on the outlet side of the radiator 2 is further reduced to the optimum control line η_maxTo increase the pressure along₂The cycle can be run.
[0047]
(Second Embodiment)
In the present embodiment, as shown in FIGS. 10 and 11, a protruding portion 317 that protrudes in the thickness direction of the upper support member 307 is formed on the upper support member 307.
As a result, the heat transfer coefficient between the upper support member 307 and the upstream space 301e and the pressure resistance strength of the upper support member 307 can be improved. As a result, the upper support member 307 can be made thinner, so that the amount of heat conduction between the upstream space 301e and the sealed space 305 can be improved.
[0048]
In the present embodiment, the protruding portion 317 is provided only on the outer wall side (upstream space 301e) side of the upper support member 307, but the present embodiment is not limited to this, and the upper support member 307 A protrusion 317 may be provided on the inner wall side (sealed space 305 side).
(Third embodiment)
In the present embodiment, as shown in FIGS. 12 and 13, the second coil spring 310 is disposed in the downstream space 301f. FIG. 12 is an example in which a female screw 302a is provided in the partition wall 302, and FIG. 13 is an example in which a female screw 302a is provided in the casing body 301c.
[0049]
Thereby, even after the element case 315 is accommodated in the casing 301, the adjusting screw 312 can be turned from the inflow port 301b with a hexagon wrench or the like.
(Fourth embodiment)
In this embodiment, as shown in FIGS. 14 to 16, the first coil spring 309 is abolished, the valve body 304, the plate (rigid body) 311 and the diaphragm 306 are joined, and the valve port 303 is closed. The elastic force of the two coil spring 310 is applied to the valve body 304. In this embodiment, a male thread is formed on the valve body 304 and a female thread is formed on the adjustment screw 312.
[0050]
Thereby, since the number of parts of the element case 315 (pressure control valve 3) can be reduced, the manufacturing cost of the pressure control valve 3 can be reduced.
By the way, the pressure control valve according to the present invention is a CO.₂The use is not limited to the vapor compression refrigeration cycle using the above, and for example, it can also be applied to the vapor compression refrigeration cycle using a refrigerant used in a supercritical region such as ethylene, ethane, and nitric oxide. .
[0051]
Moreover, even if the accumulator 5 is abolished, the above-described vapor compression refrigeration cycle can be carried out. In this case, the refrigerant remaining in the evaporator 4 is sucked and the CO having the accumulator 5 is collected.₂An operation similar to a cycle can be obtained.
Incidentally, in this specification, for example, “the valve body 304 and the diaphragm 306 are in contact” means that a separate part such as a spacer (washer) is interposed between the valve body 304 and the diaphragm 306. It is meant to include cases. That is, even if the valve body 304 is a separate part, the separate part can be regarded as a part of the valve body 304 when the valve body 304 can move integrally. The same applies to the case where a separate part is interposed between the plate 311 and the diaphragm 306.
[0052]
Further, even if the lower flat surface portion 308b and the surface 304a are positioned on substantially the same curved surface so that no step is generated between the lower flat surface portion 308b and the surface 304a, the diaphragm 306 is damaged. Can be prevented. Similarly, you may comprise so that the upper side plane part 307b and the surface 311a may be located on the substantially same curved surface.
Further, in the first to third embodiments, the diaphragm 306 and the valve body 304 are not joined, but the both 306 and 304 may be joined by welding, an adhesive, or the like. Thereby, the valve body 304 can be displaced by following the diaphragm 306 reliably.
[0053]
In the above-described embodiment, the plate 311 may be made of resin.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 CO₂It is a Mollier diagram.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between coefficient of performance (COP) and radiator outlet side pressure.
[Figure 3] CO₂It is a schematic diagram of a cycle.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a pressure control valve according to the first embodiment.
FIG. 5 is an enlarged view of a diaphragm portion showing a valve open state.
FIG. 6 is an enlarged view of a diaphragm portion showing a valve closed state.
7A is a view taken in the direction of an arrow A in FIG. 4, and FIG. 7B is a view taken in the direction of an arrow B in FIG.
FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the operation of the vapor compression refrigeration cycle.
FIG. 9 shows the volume in the enclosed space and the CO enclosed in the enclosed space.₂It is a graph which shows the relationship with the mass of.
10A and 10B are diagrams showing an upper support member of a pressure control valve according to a second embodiment, wherein FIG. 10A is a top view and FIG. 10B is a cross-sectional view.
FIG. 11 is a front view of an upper support member showing a modification of the pressure control valve according to the second embodiment.
FIG. 12 is a cross-sectional view of a pressure control valve according to a third embodiment.
FIG. 13 is a cross-sectional view of a pressure control valve according to a modification of the third embodiment.
FIG. 14 is a cross-sectional view of a pressure control valve according to a fourth embodiment.
FIG. 15 is a cross-sectional view of a pressure control valve according to a modification of the fourth embodiment.
FIG. 16 is a cross-sectional view of a pressure control valve according to a modification of the fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
301 ... Casing, 302 ... Bulkhead, 303 ... Valve port, 304 ... Valve body,
305 ... Sealed space, 306 ... Diaphragm (displacement member),
307 ... Diaphragm upper support member (forming member),
307a: Stepped portion (stopper portion),
307b ... upper plane part (formation member plane part),
308 ... Diaphragm lower support member (holding member),
308b ... lower plane part (holding member plane part),
309 ... 1st coil spring (1st elastic member),
310 ... second coil spring (second elastic member),
311 ... Plate (rigid body), 312 ... Adjustment screw (elastic force adjustment mechanism),
313: Enclosed tube (penetrating member).

Claims

This is applied to a vapor compression refrigeration cycle in which the pressure in the radiator (2) exceeds the critical pressure of the refrigerant, and the pressure on the outlet side of the radiator (2) is controlled according to the refrigerant temperature on the outlet side of the radiator (2). A pressure control valve,
A partition wall (302) formed in the refrigerant channel (6a) and dividing the refrigerant channel (6a) into an upstream space (301e) and a downstream space (301f);
A valve port (303) formed in the partition wall (302) and communicating with the upstream space (301e) and the downstream space (301f);
A thin-film displacement member (306) that is displaced according to the pressure difference between the inside and outside of the sealed space (305);
A forming member (307) disposed on one end in the thickness direction of the displacement member (306) and forming the sealed space (305) together with the displacement member (306);
A holding member (308) disposed on the other end in the thickness direction of the displacement member (306) and holding and fixing the displacement member (306) together with the forming member (307);
A valve element (304) that contacts the displacement member (306) at the other end in the thickness direction of the displacement member (306), is displaced in conjunction with the displacement member (306), and opens and closes the valve port (303). )When,
In the state where the holding member (308) faces the displacement member (306) and the valve port (303) is closed, the displacement member (306) of the valve body (304) is closed. A pressure control valve comprising: a holding member flat surface portion (308b) that is substantially flush with the contacting surface (304a).

The pressure control valve is disposed in the refrigerant flow path (6a) from the radiator (2) to the evaporator (4), and forms the sealed space (305) in the upstream space (301e). The pressure control valve according to claim 1.

From the saturated liquid density at a temperature of the refrigerant of 0 ° C. with respect to the volume in the sealed space (305) in a state where the valve port (303) is closed, the refrigerant enters the sealed space (305). The pressure control valve according to claim 1 or 2, wherein the pressure control valve is sealed at a density in a range reaching a saturated liquid density at a critical point of the refrigerant.

This is applied to a vapor compression refrigeration cycle in which the pressure in the radiator (2) exceeds the critical pressure of the refrigerant, and is disposed in the refrigerant flow path (6a) from the radiator (2) to the evaporator (4). A pressure control valve for controlling the pressure on the outlet side of the radiator (2) according to the refrigerant temperature on the outlet side (2),
A partition wall (302) formed in the refrigerant channel (6a) and dividing the refrigerant channel (6a) into an upstream space (301e) and a downstream space (301f);
A valve port (303) formed in the partition wall (302) and communicating with the upstream space (301e) and the downstream space (301f);
A thin-film displacement member (306) that forms a sealed space (305) in the upstream space (301e) and is displaced according to a pressure difference between the inside and outside of the sealed space (305);
A forming member (307) disposed on one end in the thickness direction of the displacement member (306) and forming the sealed space (305) together with the displacement member (306);
A holding member (308) disposed on the other end side in the thickness direction of the displacement member (306) and holding and fixing the displacement member (306) together with the forming member (307);
A valve element (304) that contacts the displacement member (306) at the other end in the thickness direction of the displacement member (306), is displaced in conjunction with the displacement member (306), and opens and closes the valve port (303). )When,
In the state where the holding member (308) faces the displacement member (306) and the valve port (303) is closed, the displacement member (306) of the valve body (304) is closed. A holding member plane portion (308b) that is substantially flush with the contacting surface (304a),
The refrigerant in the sealed space (305) has a temperature of 0 ° C. from the saturated liquid density with respect to the volume in the sealed space (305) in a state where the valve port (303) is closed. A pressure control valve that is sealed at a density in a range that reaches a saturated liquid density at a critical point of the refrigerant.

A displacement member deforming portion (306a) in which a part of the displacement member (306) is deformed in a wave shape is formed on the outer side of the displacement member (306). the portion corresponding to the displacement member deformed portion (306a), claim 1, wherein said displacement member deformed portion (306a) in a shape along the formed retention member deformed portion (308a) is formed 5. The pressure control valve according to any one of 4 above.

The displacement member (306) is disposed on one end in the thickness direction and is displaced with the displacement member (306) in a state of being in contact with the displacement member (306), and is more rigid than the displacement member (306). A rigid body (311);
Forming the forming member (307) and contacting the rigid body (311), the displacement member (306) is displaced more than a predetermined amount toward one end in the thickness direction of the displacement member (306). A stopper portion (307a) to be regulated;
When the rigid body (311) and the stopper portion (307a) are formed on the forming member (307), the surface (311a) of the rigid body (311) that contacts the displacement member (306) is contacted with the surface (311a). the pressure control valve according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it comprises forming member flat portion is substantially flush and (307b) for.

The refrigerant is carbon dioxide;
The density of the closed space, the pressure control valve according to any one of claims 1 to 6, characterized in that a ^{^{450kg / m 3 ~950kg / m 3}} .