JP2008020141A - 圧力制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】弾性部材の変位による制御圧力の変動を抑制し、異常高圧やＣＯＰの大幅な低下を防止できる、ＣＯ₂冷媒の冷凍サイクルに使用する圧力制御弁を提供する。
【解決手段】冷媒温度に応じた密閉空間（感温部）ＡのＣＯ₂ガス圧とＣＯ₂冷媒の冷凍サイクル中の高圧圧力との圧力差により、弾性部材３２を変形させて弁の開閉を行う圧力制御弁３において、弁が全閉状態の時の密閉空間の全容積をＶｓとし、弁が全開状態の時の密閉空間の全容積をＶｏとしたときに、その容積比、Ｖｓ／（Ｖｓ−Ｖｏ）が１．９以上又は２．４以上あるようにする。この容積比を改善するために、弾性部材と接合する変位伝達部材３１の内部に、密閉空間と連通する空洞３１ｄを設けたり、蓋材３５に凹部３５ａを設けたり又は蓋材に密閉空間と連通する部材を接続する。
【選択図】図２

Description

本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルの放熱器（ガスクーラ）出口側圧力を制御する圧力制御弁（膨張弁）に関し、特に二酸化炭素（ＣＯ₂）等の超臨界域で冷媒を使用する超臨界冷凍サイクルに好適なものである。

従来のＨＦＣ１３４ａを冷媒とした冷凍サイクルでは、エバポレータ出口冷媒のスーパヒート量を制御するため、特許文献１に示される図１４のような圧力制御弁が用いられている。この圧力制御弁３は、エバポレータ４の出口側における冷媒温度に応じて内圧が変化する感温部３ａと、この感温部３ａとエバポレータ４から流出した冷媒が導かれる空間３ｂとを仕切るとともに、感温部３ａ内の圧力変動に応じて変位する膜状のダイヤフラム３ｃと、冷媒を減圧する絞り部３ｄと、この絞り部３ｄの開度を調節する弁体３ｅと、ダイヤフラム３ｃの変位を弁体３ｅに伝達する変位伝達手段３ｆとを有していて、この変位伝達手段３ｆにはエバポレータ４から流出した冷媒をダイヤフラム３ｃ側に導く冷媒通路３ｇが設けられているものである。これによって、エバポレータ４から流出した低温の冷媒によりダイヤフラム３ｃが冷却され、仮に感温部３ａ内のガスが凝縮してその凝縮した液滴が外気から熱を吸熱して蒸発しても感温部３ａ内を十分に冷却することができ、感温部３ａ内の圧力が雰囲気の影響を受けて上昇してしまうことを未然に防止したものである。
特開２００２−１３８４４号公報

このＨＦＣ１３４ａを冷媒とした冷凍サイクルでは、低圧の冷媒の温度を検出するため圧力制御弁は冷媒の臨界温度以下で使用されており、感温部或いはダイヤフラム上部の密閉空間に封入された冷媒は、気液２相状態で使用されている。この気液２相状態の冷媒圧力は温度のみで定まるため、冷凍サイクルの冷媒圧力変動によりダイヤフラムが変位してダイヤフラム上部の密閉空間容積（感温部）が変化しても、圧力制御弁は、常に検出温度に応じた制御圧力に保持される。

これに対して二酸化炭素（ＣＯ₂）を冷媒として用いた冷凍サイクルでは、臨界温度以上では超臨界状態となるため、ダイヤフラムが変位してダイヤフラム上部の気密空間（感温部）容積が変化すると、同一冷媒温度でも容積変化に応じて密閉空間内の封入冷媒圧力が変化して、圧力制御弁の制御圧力も変わってしまうことになる。

このため、ＣＯ₂冷媒を用いた冷凍サイクルでは、ガスクーラ（放熱器）出口の冷媒温度に対してＣＯ₂サイクルの成績係数（ＣＯＰ＝Δｉ／ΔＬ：Δｉは蒸発過程のエンタルピ変化量、ΔＬは圧縮過程のエンタルピ変化量）が最大となる高圧圧力に制御する方法が、特許文献２により知られている。即ち、特許文献２の圧力制御弁では、ダイヤフラム上部の密閉空間内にはＣＯ₂冷媒が、弁体が絞り部を閉じた状態での密閉空間容積に対して、ＣＯ₂冷媒の温度が０℃での飽和液密度からＣＯ₂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。これにより、ガスクーラの出口側圧力とガスクーラの出口側温度とは、ＣＯ₂のモリエル線図上でほぼ最適制御線上に沿って制御されることになり、超臨界域においてもＣＯ₂サイクルを効率良く運転させるものである。

しかしながら、特許文献２の圧力制御弁では、ダイヤフラム変位に対して制御圧力の変動が大きいと、ＣＯＰが最大となる高圧圧力（最適圧力）から制御圧力が大きくズレてＣＯＰが低下してしまうという問題がある。
また、ダイヤフラム変位に対して制御圧力の上昇が大きいと、圧力制御弁が全開する前に高圧圧力の上限圧力を越えてしまう場合がある。

更に、ＣＯ₂冷媒を用いる冷凍サイクルに使用する圧力制御弁は、制御圧力に対するＣＯＰの低下は少ないほど望ましいが、圧力制御弁の弁開度に対する容積変化を小さくするには、ガスを封入している密閉空間（感温部）を大きくする必要があり、圧力制御弁が大型化、コスト高になるという問題もある。

また、ＣＯ₂冷媒の冷凍サイクルでは、ガスクーラ後の冷媒温度が上昇すると最適高圧（ＣＯＰが最大となる圧力）も上昇するが、高圧圧力が高くなると、機器の耐久性が低下し、吐出温度が高くなるという問題もある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、超臨界サイクル、特に冷媒としてＣＯ₂を用いた冷凍サイクルに使用する圧力制御弁において、弾性部材の変位による制御圧力の変動を抑制し、異常高圧やＣＯＰ（成績係数）の大幅な低下を防止できる圧力制御弁を提供することである。
また、本発明の第２の目的は、ガスを封入している密閉空間（感温部）をコンパクトにし、弁の大型化、コスト高を抑制できる圧力制御弁を提供することである。
更に、本発明の第３の目的は、高圧圧力を抑制し、機器の耐久性の低下、吐出温度の上昇を防止することができる圧力制御弁を提供することである。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載の圧力制御弁を提供する。
請求項１に記載の圧力制御弁は、冷媒温度に応じた密閉空間ＡのＣＯ₂ガス圧とＣＯ₂冷媒の冷凍サイクル中の高圧圧力との圧力差により、弾性部材３２を変形させて弁の開閉を行うものにおいて、弁が全閉状態の時の密閉空間の全容積Ｖｓとし、弁が全開状態の時の密閉空間の全容積Ｖｏとしたときに、その容積比Ｖｓ／（Ｖｓ−Ｖｏ）が１．９以上であるようにしたものであり、これにより、ＣＯ₂ガスが封入されている密閉空間（感温部）をコンパクトにして、制御圧の変動を少なくすることができ、圧力制御弁の大型化、コスト高を抑制することができる。

請求項２の圧力制御弁は、弁が全閉時の密閉空間ＡのＣＯ₂ガス密度に対して、容積比Ｖｓ／（Ｖｓ−Ｖｏ）が図１１より求まる容積比の値より大きくしたものであり、この場合でも、密閉空間のコンパクト化及び制御圧の変動の減少化に寄与することができる。
請求項３に記載の圧力制御弁は、弁が全閉状態の時の密閉空間の全容積Ｖｓとし、弁が全開状態の時の密閉空間Ａの全容積Ｖｏとしたときに、容積比Ｖｓ／（Ｖｓ−Ｖｏ）が２．４以上であるようにしたものであり、これにより、ＣＯ₂ガスが封入されている密閉空間をコンパクトにして、かつ最適高圧が上限値１５MPaを越えないようにすることができ、機器の耐久性を向上することが可能となる。

請求項４の圧力制御弁は、弁が全閉時の密閉空間のＣＯ₂ガス密度に対して、容積比Ｖｓ／（Ｖｓ−Ｖｏ）が、図１２より求まる容積比の値より大きくしたものであり、この場合でも、密閉空間のコンパクト化及び最適高圧が上限値を越えないようにすることに寄与できる。
請求項５の圧力制御弁は、制御圧力が冷媒温度６０℃のときに１４MPa以下となるようにしたものであり、このように冷媒温度６０℃のときは、制御圧の変動が大きいと高圧圧力が上限値を越える恐れがあるために、制御圧力を１４MPa以下としている。

請求項６の圧力制御弁は、制御圧力が冷媒温度４０℃のときに９．５MPa以上となるようにしたものであり、このように冷媒温度４０℃のときは最適高圧は９．５MPa程度で上限値に対して余裕がある一方で、制御圧に対するＣＯＰ変化は最適高圧より下がると急激に低下するため、制御圧力を９．５MPa以上としている。
請求項７の圧力制御弁は、弾性部材３２と気密に接合した変位伝達部材３１の内部に密閉空間Ａと連通する空間Ａ₁を設けたものであり、これにより、密閉空間の容積を大きくすることができ、圧力制御弁の弁開度に対する容積変化を小さくすることが可能となる。したがって、制御圧力の変動を小さくすることができる。

請求項８の圧力制御弁は、弾性部材３２と接合した変位伝達部材３１により、弁の開閉を行うことを規定したもので、圧力制御弁の弁の開閉が機械的手段によって行われる。
請求項９の圧力制御弁は、密閉空間Ａに対して弾性部材３２と対向する側の蓋材３５に凹部３５ａを設けるか、又は蓋材３５に密閉空間と連通する空間を有する部材７，８を接続するかしたものであり、これにより、密閉空間Ａの容積を大きくすることができ、圧力制御弁の弁開度に対する容積変化を小さくすることが可能となる。
請求項１０の圧力制御弁は、弾性部材３２がダイヤフラム又はベローズであることを規定したものである。

以下、図面に従って本発明の実施の形態の圧力制御弁について説明する。図１は、内部熱交換器を組み込んだ、ＣＯ₂を冷媒として循環させる冷凍サイクル（超臨界冷凍サイクル）を説明する図であり、図２は、図１に示される冷凍サイクルに適用した本発明の第１実施形態の圧力制御弁である。図１において、符号１はＣＯ₂冷媒を吸入圧縮するコンプレッサ（圧縮機）であり、符号２は、コンプレッサ１により圧縮された冷媒を冷却するガスクーラ（放熱器）である。

符号３は、本実施形態の圧力制御弁（膨張弁）である。この圧力制御弁３は、ＣＯ₂ガスを封入した感温部（密閉空間）Ａを有しており、ガスクーラ２の出口側の冷媒温度に基づいてガスクーラ２の出口側の冷媒圧力を制御するようになっており、高圧の冷媒を減圧する減圧器としても機能している。また圧力制御弁３は、ガスクーラ２から内部熱交換器６へ至る冷媒通路と、内部熱交換器６からエバポレータ４へ至る冷媒通路の開閉を行う弁機能とを有している。この圧力制御弁３については、後に詳しく説明する。

エバポレータ（蒸発器）４では、圧力制御弁３で減圧された気液２相冷媒を蒸発させることで、エバポレータ４の外部を通る空気を冷却する。符号５は、気相冷媒と液相冷媒とを分離するとともに、冷凍サイクル中の余剰冷媒を一時的に蓄えるアキュムレータである。符号６は、内部熱交換器であり、ガスクーラ２から圧力制御弁３へ向かう冷媒と、アキュムレータ５からコンプレッサ１へ戻る冷媒とが熱交換するように冷凍サイクル内に配置されている。これらのコンプレッサ１、ガスクーラ２、圧力制御弁３、エバポレータ４、アキュムレータ５及び内部熱交換器６は、それぞれ配管によって接続されて閉回路を形成している。したがって、コンプレッサ１から吐出されたＣＯ₂冷媒は、ガスクーラ２→内部熱交換器６→圧力制御弁３→エバポレータ４→アキュムレータ５→内部熱交換器６を通って元のコンプレッサ１へ吸入される、冷凍サイクル系を形成している。

次に、図２に基づいて図１の冷凍サイクルに使用される第１実施形態の圧力制御弁３Ａについて説明する。圧力制御弁３Ａのボディ３３内には、ガスクーラ２から内部熱交換器６に至る冷媒流路の一部である第１の流路Ｆ１と、内部熱交換器６から弁口３３ａを介してエバポレータ４に至る冷媒流路の一部である第２の流路Ｆ２とがそれぞれ独立に形成されている。ボディ３３には、第１の流路Ｆ１を形成する、ガスクーラ２側に接続される流入口３３ａと内部熱交換器側６に接続される流出口３３ｂと、第２の流路Ｆ２を形成する、内部熱交換器６側に接続される流入口３３ｃとエバポレータ４側に接続される流出口３３ｄとの他に、後述する感温部（密閉空間）を設置するためにその上部に第１の開口３３ｅと調整バネ３６をセットするためにその下部に第２の開口３３ｆとが形成されている。ボディ３３内には、先端に弁部３１ａが形成された変位伝達部材３１が収納されていて、変位伝達部材３１の弁部３１ａが弁口３３ｇの開閉を行うようになっており、これによって第２の流路Ｆ２の開閉が行われ、内部熱交換器６とエバポレータ４とが連通及び非連通するようになっている。

ボディ３３の第１の開口３３ｅには、感温部が取り付けられている。この感温部は、主にダイヤフラム、ベローズ等の弾性部材３２、蓋材３５及び下側支持部材３４とより構成されていて、内部に密閉空間Ａが形成されている。即ち、蓋材３５の中央部分には、密閉空間Ａを形成するための凹部３５ａが形成されていて、弾性部材３２の周縁を蓋材３５と下側支持部材３４とで挟持して固着することにより、感温部が形成されている。弾性部材３２は、ステンレス材からなる薄膜状をしており、密閉空間Ａの内外の圧力差に応じて変形変位する。下側支持部材３４は、円筒部３４ａとフランジ部３４ｂとを有していて、円筒部３４ａの外周に形成されたネジ部を、ボディ３３の第１の開口３３ｅに螺合することによって、感温部がボディ３３に取り付けられている。また、蓋材３５には、封入管３５ｂが取り付けられており、封入管３５ｂから密閉空間Ａ内にＣＯ₂等のガスが封入されるようになっている。ガスが封入された後は、封入管３５ｂは封鎖される。

変位伝達部材３１は、弁部３１ａより上方に下側支持部材３４の円筒部３４ａ内を通って延在している一方の端部３１ｂが、弾性部材３２に固定されており、円筒部３４ａの内面と変位伝達部材３１の外周面との間に断面が環状の間隙Ｂが形成されている。この間隙Ｂは、ガスクーラ２の出口側に接続する第１の流路Ｆ１に連通している。したがって、ガスクーラ２出口側の冷媒が間隙Ｂ内に流れ込み、冷媒温度が密閉空間Ａ内のガスに伝達されると同時に、このガスクーラ２出口側の冷媒の圧力が弾性部材３２に作用することになる。

また、変位伝達部材３１の端部３１ｂには、感温部の密閉空間Ａに連通する空洞（空間Ａ₁）３１ｄが形成されている。この場合、空洞３１ｄを密閉空間Ａに連通させるためには、当然弾性部材３２にも貫通孔３２ａが形成されていて、この貫通孔３２ａを介して密閉空間Ａと空洞（空間Ａ₁）３１ｄとが連通している。このようにすることで、感温部の密閉空間を、密閉空間Ａ＋空間Ａ₁の和とすることができ、ガスが封入される密閉空間を広げることができ、感温部の精度を向上させることができる。

更に変位伝達部材３１は、弁部３１ａより下方に弁口３３ｇを通って延在している他方の端部３１ｃに調整ナット３７が螺合されている。弁口３３ｇの下面周辺と調整ナット３７間には、変位伝達部材３１の弁部３１ａを閉弁方向に付勢する調整バネ３６が介在しており、調整ナット３７を回すことによって調整バネ３６の初期設定荷重（弁口３３ｇを閉じた状態での弾性力）が任意に調節できる。これら調整バネ３６、調整ナット３７等は、エバポレータ４入口側に接続する第２の流路Ｆ２の一部である下流空間Ｃ内に設けられている。また、キャップ３８がボディ３３の第２の開口３３ｆに嵌め込まれることによって、下流空間Ｃの下方が閉じられている。

上記のように構成された第１実施形態の圧力制御弁３Ａでは、変位伝達部材３１の閉弁力は、密閉空間（Ａ＋Ａ₁）内の内圧と調整バネ３６によって得られるようになっており、変位伝達部材３１の開弁力は、ガスクーラ２出口側の冷媒圧力によって得られ、両者のバランスによって圧力制御弁３Ａが開閉されるようになる。また、密閉空間（Ａ＋Ａ₁）内の内圧は、間隙Ｂに流れ込むガスクーラ２出口側の冷媒温度によって変化し、それによって、弁口３３ｇの開度が変化することで、内部熱交換器６出口側の冷媒圧力が制御される。

ＣＯ₂を冷媒として用いた冷凍サイクルでは、ガスクーラ２の出口温度に対して、ＣＯＰ（成績係数）が最大となる高圧圧力があることが知られている。また、ＣＯＰを向上させる手段としてガスクーラ２出口の冷媒とコンプレッサ１の吸入冷媒との間で熱交換させる内部熱交換器６を使用することが提案されている。

図９は、内部熱交換器６を用い、エバポレータ４の蒸発温度が２０℃、コンプレッサ１の吸入冷媒のスーパヒート量が２０℃の場合について、高圧圧力とＣＯＰの関係を、ガスクーラ２の出口冷媒温度が４０℃、５０℃、６０℃の場合についてプロットしたものである。
ＣＯ₂冷媒のサイクルに用いる圧力制御弁３（３Ａ）は、ガスクーラ２の出口冷媒温度に対してサイクルの高圧圧力が、常にＣＯＰが最大となる圧力に調整するため、図９の破線で示す温度−圧力特性となるように、圧力制御弁３（３Ａ）の感温部（密閉空間）の封入ガス密度等により圧力制御特性が調整されている。

圧力制御弁３（３Ａ）の感温部（密閉空間）には、ＣＯ₂ガス或いはＣＯ₂ガスと少量の窒素ガス等の不活性ガスが混合して封入されているが、ＣＯ₂ガスは約３１℃以上で超臨界状態となるため、ダイヤフラム、ベローズ等の弾性部材３２が変位するとガスが封入されている密閉空間Ａ又は（Ａ＋Ａ₁）の容積も変化して、ガスクーラ２の出口冷媒温度が変わらなくても密閉空間内の圧力が変動してしまう。

圧力制御弁３は、弾性部材３２の変位により弁の開閉を行っているため、図１３に示すように、弁が閉弁している場合は、弾性部材３２が下に凸の状態となっているが、冷媒流量が増加して弁リフト量も大きくなると、弾性部材３２が上に変位して感温部の密閉空間の容積も小さくなるため、ガスの封入密度が上昇し圧力も上昇する。このため、圧力制御弁３の開度が増すと制御圧が上昇することになる。

制御圧力に対するＣＯＰの低下は少ない程望ましいが、圧力制御弁３の弁開度に対する容積変化を小さくするには、ガスを封入している密閉空間を大きくする必要がある。そこで、本実施形態では、蓋材３５に凹部３５ａを形成したり及び／又は変位伝達部材３１に空洞部３１ｄを形成することによって、密閉空間Ａ，Ａ＋Ａ₁を大きくするようにしている。

図７，８は、冷媒温度４０℃と６０℃のときの密閉空間の容積比に対して弁が全閉から全開になった場合の制御圧力の変動量を封入ガス密度をパラメータにして示したものである。
容積比は、弁閉時の密閉空間の全容積をＶｓに、弁開時の密閉空間の全容積をＶｏとしたとき、容積比＝Ｖｓ／（Ｖｓ−Ｖｏ）としている。
即ち、制御圧の変動に対して、そのときの弁の開閉による容積変化量（Ｖｓ−Ｖｏ）の何倍の密閉空間の容積（Ｖｓ）が必要かを示している。

図７に示すように冷媒温度４０℃では、封入ガス密度により異なるが、圧力制御弁３として使用される比較的低い封入密度（３００kg／ｍ³）の場合、圧力変動が１MPa以下から、容積比が急増し、また比較的高い封入密度（６００kg／ｍ³）の場合には、圧力変動が２MPa以下から容積比が急増しており、密閉空間の必要容積が急激に大きくなってしまうことを示している。なお、封入密度は、弁閉時の密閉空間容積に対する密度を用いている。

同様に、図８に示すように冷媒温度６０℃では、封入密度（３００kg／cm³）の場合では、２MPa以下から容積比が急増し、また封入密度（６００kg／cm³）の場合には、４MPa以下から容積比が急増しており、密閉空間の必要容積が急激に大きくなってしまうことを示している。

このことから、圧力制御弁３の感温部をコンパクトにするには、制御圧の変動が、冷媒温度４０℃のときに１〜２MPa、冷媒温度６０℃のときに２〜４MPaとすることが望ましい。

次に、図９に示すように制御圧に対してサイクルのＣＯＰ変化を見ると、ＣＯＰ低下率を１０％とした場合の圧力変動幅は、冷媒温度４０℃のときで２MPa、冷媒温度５０℃のときで４．２MPa、冷媒温度６０℃のときで６．７MPaとなり、冷媒温度４０℃のときの圧力変動幅に対して、冷媒温度５０℃、６０℃では２倍以上の圧力変動幅で同一のＣＯＰ低下率となる。

従って、容積比が一定の場合では、冷媒温度６０℃のときの制御圧の変動幅は、冷媒温度４０℃のときの約２倍となるが、サイクルのＣＯＰ低下率としては、同等レベルを得ることができる。

図１０は、内部熱交換器６を用いない場合の制御圧に対してサイクルのＣＯＰ変化を示しており、図９の内部熱交換器６を用いた場合よりも、同一ＣＯＰ低下率のときの圧力変動幅が大きいため、内部熱交換器６を用いない場合に本実施形態の圧力制御弁３を用いても、ＣＯＰが大きく低下することはない。

図１１は、図７の冷媒温度４０℃のときの密閉空間の容積比に対して、弁が全閉から全開になった場合の制御圧力の変動量を封入ガス密度をパラメータにしたグラフを、横軸を封入密度、縦軸を容積比として、冷媒温度４０℃のときの制御圧変動幅２MPaのラインを示したグラフである。
これにより、圧力制御弁３の感温部（密閉空間）をコンパクトにして、制御圧の変動を少なくするには、
１）少なくとも容積比を、１．９以上とする（ガス封入密度３００kg／ｍ³のとき）。
２）ガス封入密度に対して、図１１の実線より容積比を大きくする。
とすれば良いことが解る。

また、ＣＯ₂冷媒の冷凍サイクルでは、ガスクーラ２出口の冷媒温度が上昇すると最適高圧（ＣＯＰが最大となる圧力）も上昇するが、高圧圧力が高くなると、機器の耐久性が低下し、コンプレッサ１の吐出温度が高くなるという問題があるため、高圧圧力の上限値として１５MPa程度に設定されることが多い。

図９に示されるように内部熱交換器６を用いた場合、冷媒温度が６０℃のときの最適高圧は、約１４MPaであり、制御圧の変動が大きいと上限値の１５MPaを越えてしまう。
図９に示すように、冷媒温度６０℃のときは、制御圧力に対するＣＯＰ変化が小さいため、制御圧の下限値を１２MPaとすれば、上限値に対して最大３MPaの余裕幅が得られる。

図１２は、図８の冷媒温度６０℃のときの密閉空間の容積比に対して、弁が全閉から全開になった場合の制御圧力の変動量を封入ガス密度をパラメータにしたグラフを、横軸を封入密度、縦軸を容積比として、冷媒温度６０℃のときの制御圧変動幅３MPaのラインを示したものである。
これにより、圧力制御弁３のガス封入部である密閉空間をコンパクトにして、上限値（１５MPa）を越えないようにするには、
１）少なくとも容積比を、２．４以上にする（ガス封入密度３００kg／ｍ³のとき）。又は、
２）ガス封入密度に対して、図１２の実線より容積比を大きくする。
３）圧力制御弁が開弁するときの圧力を、最適高圧（１４MPa）より低くする。

また、冷媒温度４０℃のときにおいては、最適高圧は９．５MPa程度であり、上限圧力に対して余裕がある。制御圧に対するＣＯＰ変化は、最適高圧より下がると急激に低下するため、圧力制御弁３の開弁時の圧力を最適高圧とすれば、制御圧が多少バラツイてもＣＯＰの変動が大きくなることを防止できる。

図３は、内部熱交換器を組み込まないＣＯ₂冷媒の冷凍サイクルを説明する図であり、図４は、図３に示される冷凍サイクルに適用した本発明の第２実施形態の圧力制御弁３Ｂである。図１と同じ部品については、同じ番号を付している。即ち、符号１はＣＯ₂冷媒を吸入圧縮するコンプレッサであり、符号２はコンプレッサ１により圧縮された冷媒を冷却するガスクーラである。ガスクーラ２の出口側には、ガスクーラ２の出口側の冷媒温度に基づいてガスクーラ２の出口側の冷媒圧力を制御する圧力制御弁３（３Ｂ）が配設されていて、高圧の冷媒を減圧する減圧器として機能している。

符号４は、圧力制御弁３で減圧された気液２相冷媒を蒸発させるエバポレータであり、符号５は気相冷媒と液相冷媒とを分離するとともに、冷凍サイクル中の余剰冷媒を一時的に蓄えるアキュムレータである。これらコンプレッサ１、ガスクーラ２、圧力制御弁３、エバポレータ４及びアキュムレータ５は、それぞれ配管によって接続されて閉回路を形成している。

図３の本発明の第２実施形態の圧力制御弁３Ｂは、内部熱交換器を用いないサイクルに使用されるため、圧力制御弁３Ｂのボディ３３内には、ガスクーラ２から弁口３３ｇを介してエバポレータ４に至る冷媒流路の一部である流路Ｆのみが形成されている。また、圧力制御弁３Ｂでは、ボディ３３の第２の開口３３ｆが閉鎖され、変位伝達部材３１の弁部３１ａより下方の延在部分、調整バネ３６及び調整ナット３７等が除去されている。更に、変位伝達部材３１の一端３１ｂに形成した空洞３１ｄも除去されている。したがって、密閉空間Ａは、蓋材３５に設けられた凹部３５ａによって形成されている。その他の構成は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

したがって、第２実施形態では、変位伝達部材３１の閉弁力としては、間隙Ｂ内に流れ込むガスクーラ２出口側の冷媒温度が伝達される密閉空間Ａ内に封入されたガスによる内圧のみが作用し、開弁力としてはガスクーラ２出口側の冷媒圧力が作用することになる。この場合、密閉空間Ａ内に封入されたガスが調整バネ３６の機能をも果たすことになる。ここでは、密閉空間Ａには、温度に応じて内圧を変化させるＣＯ₂ガスと、検出対象の温度範囲においては温度に応じて内圧を変化させずにほぼ一定の内圧を発生させる少量の窒素ガス等の不活性ガスとが混合して封入されている。
また、第２実施形態では、感温部である密閉空間Ａの容積を大きくして容積比を確保するため、弾性部材３２の蓋材３５の凹部３５ａを出来るだけ大きくする。

図５は、第３実施形態の圧力制御弁３Ｃを用いた、（ａ）内部熱交換器６を用いない場合と、（ｂ）内部熱交換器６を用いた場合とのＣＯ₂冷媒の冷凍サイクルの模式図であり、図６は、本発明の第３実施形態の圧力制御弁３Ｃを示す図である。圧力制御弁３の構造を除いて、図５（ａ）の冷凍サイクルの模式図は、構成要素の配置は基本的に図３の冷凍サイクル図と同じであり、また図５（ｂ）の冷凍サイクルの模式図は、基本的に図１の冷凍サイクル図と同じであるので説明を省略する。即ち、図５に示される圧力制御弁３Ｃは、感温部である密閉空間Ａに接続されるキャピラリーチューブ７と、キャピラリーチューブ７の先端に設けられる感温筒８とを有している。この感温筒８は、ガスクーラ２の出口配管に接触して設置されている。

本発明の第３実施形態の圧力制御弁３Ｃでは、ボディ３３内には１つの流路Ｆしか形成されておらず、図５（ａ）の内部熱交換器６のないサイクルに使用される場合は、この流路Ｆはガスクーラ２から弁口３３ｇを介してエバポレータ４に至る冷媒流路の一部として使用され、図５（ｂ）の内部熱交換器６を用いたサイクルに使用される場合は、内部熱交換器６から弁口３３ｇを介してエバポレータ４に至る冷媒流路の一部として使用されている。また、変位伝達部材３１の一端には、空洞３１ｄが設けられておらず、この空洞３１ｄに代って蓋材３５に密閉空間Ａに連通する部材として、先端に感温筒８を有するキャピラリーチューブ７が取り付けられていて、その内部が密閉空間Ａに連通している。したがって、ガスが封入される密閉空間の容積を大きくすることができる。他の構成は、第１実施形態の圧力制御弁３Ａと同様である。

この第３実施形態の圧力制御弁３Ｃにおいても、変位伝達部材３１の閉弁力及び開弁力は、第１実施形態の圧力制御弁３Ａと同様に作用しているが、封入された密閉空間内のガスは、ガスクーラ２の出口配管に配置された感温筒８からの熱影響を主に受けることになる。

本発明の第１実施形態の圧力制御弁を使用している、内部熱交換器のある冷凍サイクルの模式図である。 本発明の第１実施形態の圧力制御弁の断面図である。 本発明の第２実施形態の圧力制御弁を用いている、内部熱交換器のない冷凍サイクルの模式図である。 本発明の第２実施形態の圧力制御弁の断面図である。 本発明の第３実施形態の圧力制御弁を用いた、（ａ）内部熱交換器のない冷凍サイクルと、（ｂ）内部熱交換器のある冷凍サイクルのそれぞれの模式図である。 本発明の第３実施形態の圧力制御弁の断面図である。 冷媒温度４０℃のときの圧力制御弁の密閉空間の容積比と圧力制御弁が全閉から全開になった場合の制御圧力の変動量との関係を密閉空間への封入ガス密度をパラメータにして示したグラフである。 冷媒温度６０℃のときの圧力制御弁の密閉空間の容積比と圧力制御弁が全閉から全開になった場合の制御圧力の変動量との関係を密閉空間への封入ガス密度をパラメータにして示したグラフである。 内部熱交換器がある冷凍サイクルにおける、圧力制御弁の高圧圧力とＣＯＰとの関係を冷媒温度をパラメータにして示したグラフである。 内部熱交換器がない冷凍サイクルにおける、圧力制御弁の高圧圧力とＣＯＰとの関係を冷媒温度をパラメータにして示したグラフである。 図７を横軸をガス封入密度として、冷媒温度４０℃のときの制御圧変動幅２MPaのラインを示したグラフである。 図８を横軸をガス封入密度として冷媒温度６０℃のときの制御圧変動幅３MPaのラインを示したグラフである。 圧力制御弁の閉弁状態（ａ）及び開弁状態（ｂ）を説明する図である。 従来の圧力制御弁の断面図である。

符号の説明

１ コンプレッサ
２ ガスクーラ
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ 圧力制御弁
３１ 変位伝達部材
３１ａ 弁部
３１ｄ 空洞（Ａ₁）
３２ 弾性部材（ダイヤフラム、ベローズ）
３３ ボディ
３３ｇ 弁口
３４ 下側支持部材
３５ 蓋材
３５ａ 凹部
３６ 調整バネ
４ エバポレータ
５ アキュムレータ
６ 内部熱交換器
７ キャピラリーチューブ
８ 感温筒
Ａ 密閉空間（感温部）
Ｂ 隙間

Claims (10)

1. ＣＯ₂冷媒の冷凍サイクルに使用される圧力制御弁であって、冷媒温度を密閉空間（Ａ）内に封入されたＣＯ₂ガスに伝熱して冷媒温度に応じた圧力を発生させ、この密閉空間のガス圧と冷凍サイクル中の冷媒の高圧圧力との圧力差により、弾性部材（３２）を変形させて弁の開閉を行う圧力制御弁（３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ）において、
   弁が全閉状態の時の密閉空間の全容積（Ｖｓ）と、弁が全開状態の時の密閉空間の全容積（Ｖｏ）としたときに、容積比Ｖｓ／（Ｖｓ−Ｖｏ）が、
   Ｖｓ／（Ｖｓ−Ｖｏ）≧１．９
   であることを特徴とする圧力制御弁。
2. 弁が全閉時の密閉空間のＣＯ₂ガス密度に対して、容積比Ｖｓ／（Ｖｓ−Ｖｏ）が、図１１より求まる容積比の値より大きいことを特徴とする請求項１に記載の圧力制御弁。
3. ＣＯ₂冷媒の冷凍サイクルに使用される圧力制御弁であって、冷媒温度を密閉空間（Ａ）内に封入されたＣＯ₂ガスに伝熱して冷媒温度に応じた圧力を発生させ、この密閉空間のガス圧と冷凍サイクル中の冷媒の高圧圧力との圧力差により、弾性部材（３２）を変形させて弁の開閉を行う圧力制御弁（３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ）において、
   弁が全閉状態の時の密閉空間の全容積（Ｖｓ）と、弁が全開状態の時の密閉空間の全容積（Ｖｏ）としたときに、容積比Ｖｓ／（Ｖｓ−Ｖｏ）が、
   Ｖｓ／（Ｖｓ−Ｖｏ）≧２．４
   であることを特徴とする圧力制御弁。
4. 弁が全閉時の密閉空間のＣＯ₂ガス密度に対して、容積比Ｖｓ／（Ｖｓ−Ｖｏ）が、図１２より求まる容積比の値より大きいことを特徴とする請求項３に記載の圧力制御弁。
5. 前記圧力制御弁の制御圧力が、冷媒温度６０℃のときに１４MPa以下とすることを特徴とする請求項３又は４に記載の圧力制御弁。
6. 前記圧力制御弁の制御圧力が、冷媒温度４０℃のときに９．５MPa以上とすることを特徴とする請求項３又は４に記載の圧力制御弁。
7. 前記弾性部材（３２）と気密に接合した変位伝達部材（３１）の内部に、密閉空間と連通する空間（Ａ₁）を設けることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧力制御弁。
8. 前記弾性部材（３２）と接合した前記変位伝達部材（３１）により、弁の開閉を行うことを特徴とする請求項７に記載の圧力制御弁。
9. 密閉空間に対して前記弾性部材（３２）と対向する側の蓋材（３５）に凹部（３５ａ）を設けるか、又は蓋材（３５）に密閉空間と連通する空間を有する部材（７，８）を接続することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧力制御弁。
10. 前記弾性部材（３２）がダイヤフラム又はベローズである請求項１〜９のいずれか一項に記載の圧力制御弁。

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