膨脹裝置的製作方法
2023-05-31 04:37:36
專利名稱：膨脹裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在用於汽車空調的製冷循環中所使用的膨脹裝置，更具體地涉及這樣一種膨脹裝置，其可應用於使用二氧化碳(CO2)的製冷循環，並能夠有效地操作該製冷循環。
背景技術：
作為用於汽車空調的製冷循環，不僅已知這樣的製冷循環，在該製冷循環中使用接收器將由冷凝器冷凝的製冷劑分離成氣體和液體，並且使用恆溫膨脹閥使由氣/液分離得到的液體製冷劑膨脹，而且已知這樣的製冷循環，在該製冷循環中使用限流管使由冷凝器冷凝的製冷劑節流並使其膨脹，並使用存儲器將由蒸發器蒸發的製冷劑分離成氣體和液體。限流管由小直徑管形成，從而其結構簡單，製造成本低，並在設計上有很高的自由度。然而，與使用恆溫膨脹閥的製冷循環不同的是，使用限流管的製冷循環僅通過小直徑管來使製冷劑節流並膨脹，因此不具有控制製冷劑流速的功能，並且不能在任何情況下都有效地操作製冷循環。
因此，提出了一種膨脹裝置，其具體地應用於使用CO2作為製冷劑的製冷循環中，並構造成能夠根據氣體冷卻器出口側上的製冷劑的壓力和溫度改變用於節流製冷劑的小孔的節流通道的截面積，從而使其能夠有效地操作製冷循環(例如參見日本未審專利公報(特開平)No.09-264622(圖4))。
在日本未審專利公報(特開平)No.09-264622中提出的膨脹裝置具有閥結構，其中在閥孔的上遊一側上設有由位移件(膜片)分開的密閉空間，用於檢測從氣體冷卻器中導入的製冷劑的壓力和溫度，並通過位移件從上遊一側的位移來打開和關閉閥孔。密閉空間中充滿製冷劑，該製冷劑的密度處於從0℃製冷劑溫度下的飽和液體密度到製冷劑臨界點的飽和液體密度的範圍內。因此，當導入製冷劑的壓力低於與製冷劑溫度相對應的密閉空間中的壓力時，閥孔關閉，但是當導入製冷劑的壓力比密閉空間中的壓力高出預定壓力時，閥孔開始打開，並且當導入製冷劑的壓力和密閉空間中的壓力之間的壓力差大於預定壓力時，閥孔以由壓力差決定的閥門升程而打開。結果，可以根據最優化的控制線來控制氣體冷卻器出口側上的製冷劑的壓力和溫度，該控制線由氣體冷卻器出口側上的製冷劑溫度，以及使性能係數最大化的壓力所確定，這使得能夠有效地操作使用CO2的製冷循環。
另外，在製冷劑是CO2的情況下，該製冷劑以在上述範圍內的液體密度充入密閉空間中，從而使得當膨脹裝置在正常溫度的大氣中保持不變時，密閉空間中的製冷劑壓力變得非常高，導緻密閉空間中的製冷劑壓力與大氣壓力之間的壓力差值變得非常大，例如為7到8MPa。因此，當膨脹裝置處於未安裝部件的狀態下時，形成密閉空間的位移件可能由於大的壓力差而變形或破裂。為了克服這個不便，已經提出了另一種膨脹裝置，其具有構造堅固以防止變形或破裂的位移件(例如參見日本未審專利公報(特開平)No.11-63740(圖2))。
在日本未審專利公報(特開平)No.11-63740提出的這種膨脹裝置中，使用一波紋管用作位移件，並且同時利用波紋管的這種特性，即它因其結構而具有抵抗外部壓力的耐久性，所述密閉空間由波紋管和設置為從外部封裝波紋管的殼體組成，並且填充有製冷劑。用於將波紋管的位移傳遞至閥元件的軸部分被插入波紋管中，因此即使在大氣壓力環境下在密閉空間中充入高壓製冷劑，所述軸也可防止波紋管的波狀部分由於製冷劑壓力與大氣壓力之間的壓力差而向內變形。
然而，傳統的膨脹裝置如此構造，使得它們包括由位移件密封的密閉空間，從而感測導入製冷劑的壓力和溫度以改變閥門升程，並且該密閉空間在很高的壓力下充入製冷劑，因此如果膨脹裝置在正常溫度和正常壓力環境下保持不變，就存在密閉空間破裂的危險。這要求高水平的質量控制，而這會增加膨脹裝置的成本。
發明內容
鑑於上述問題做出本發明，並且本發明的目的是提供一種低成本的膨脹裝置，該膨脹裝置省去了高壓密閉空間，並包括節流通道(restriction passage)，該節流通道能夠根據導入製冷劑的壓力和溫度而改變其通道的截面積。
為了解決上述問題，本發明提供一種用於使通過製冷循環流通的製冷劑節流並膨脹的膨脹裝置，其包括壓差閥，當上遊側的壓力與下遊側的壓力之間的壓力差變大時，該壓差閥沿閥門打開的方向操作，其中製冷劑導入上遊側並從下遊側輸出；溫度感測部分，其具有密閉容器，該容器可沿壓差閥的打開和關閉方向膨脹和收縮，該密閉容器填充有體膨脹係數較大的固體或液體物質，當上遊側的製冷劑溫度變高時，該溫度感測部分使得壓差閥沿閥門關閉的方向操作。
本發明的上述和其它目的、特徵和優點將在以下結合附圖的描述中更加明顯，附圖以示例的形式圖解說明了本發明的優選實施例。
圖1是根據本發明第一實施例的膨脹裝置結構的中央縱向剖視圖。
圖2是表示溫度感測部分的溫度特性的圖表。
圖3是表示根據第一實施例的膨脹裝置的中央縱向剖視圖，該膨脹裝置處於製冷劑壓力變高的工作條件下。
圖4是表示根據第一實施例的膨脹裝置的中央縱向剖視圖，該膨脹裝置處於製冷劑溫度變低的工作條件下。
圖5是表示穿過根據第一實施例的膨脹裝置的壓力差、製冷劑溫度以及節流通道的通道截面積之間的關係的圖表。
圖6是根據本發明第二實施例的膨脹裝置結構的中央縱向剖視圖。
圖7是根據本發明第三實施例的膨脹裝置結構的中央縱向剖視圖。
圖8是根據本發明第四實施例的膨脹裝置結構的中央縱向剖視圖。
圖9是根據本發明第五實施例的膨脹裝置結構的中央縱向剖視圖。
圖10是根據本發明第六實施例的膨脹裝置結構的中央縱向剖視圖。
圖11是根據本發明第七實施例的膨脹裝置結構的中央縱向剖視圖。
圖12是根據本發明第八實施例的膨脹裝置結構的中央縱向剖視圖。
圖13是根據本發明第九實施例的膨脹裝置結構的中央縱向剖視圖。
圖14是根據本發明第十實施例的膨脹裝置結構的中央縱向剖視圖。
圖15是根據本發明第十一實施例的膨脹裝置結構的中央縱向剖視圖。
圖16是表示應用根據本發明的膨脹裝置的製冷循環的系統簡圖。
圖17是作為第一示例形式的根據本發明的膨脹裝置的必需元件的剖視圖，該膨脹裝置安裝在內部熱交換器上。
圖18是作為第二示例形式的根據本發明的膨脹裝置的必需元件的剖視圖，該膨脹裝置安裝在內部熱交換器上。
具體實施例方式
下文中將基於示例詳細描述本發明的實施例，其中該示例應用於使用CO2的製冷循環中。
圖1是根據本發明第一實施例的膨脹裝置結構的中央縱向剖視圖，並且圖2是表示溫度感測部分的溫度特性的圖表。
根據第一實施例的膨脹裝置布置在管道1內，該管道1位於製冷循環的氣體冷卻器和蒸發器之間，用於使製冷劑循環。膨脹裝置包括壓差閥2，其閥門升程根據穿過膨脹裝置的壓力差來控制；溫度感測部分3，其根據製冷劑的入口溫度進一步控制壓差閥2的閥門升程。應該注意的是，如圖1所示，管道1的上部與製冷劑的上遊側相對應，管道1的下部與下遊側相對應，其中製冷劑從氣體冷卻器流入上遊側，從下遊側流出至蒸發器。
壓差閥2具有主體4。閥孔5軸向形成在主體4的上中央部分，呈滑閥形式的閥元件6以可軸向來回運動的方式布置在閥孔5中。當閥元件6的外徑開始變小的部分位於閥孔5中時，製冷劑流經的節流通道具有最小的節流通道截面積。閥孔5的下遊側與形成在主體4中的出口7連通。閥元件6和與之同軸延伸的活塞8一體形成。活塞8具有大於閥元件6的外徑，並可軸向滑動地布置在形成於主體4中的缸9中。如圖1所示，缸9具有被蓋10封閉的下端，從而形成壓力調節室11。閥元件6和活塞8形成有軸向貫穿其中延伸的壓力通道12，從而使壓力調節室11通過壓力通道12與壓差閥2的上遊側連通，從而將製冷劑的入口壓力導入壓力調節室11中。另外，壓力調節室11具有布置在其中的彈簧13，用於朝上遊側推動活塞8。
溫度感測部分3布置在閥元件6的上端上。溫度感測部分3包括波紋管14，其可軸向膨脹和收縮；密封件15，其密封波紋管14的開口；蠟16，其充入由波紋管14和密封件15密封形成的容器中。如圖2所示，蠟16具有這樣的特性，即其體積隨著溫度的升高而膨脹。更具體地，蠟16具有這樣的特性，即當它在低溫下處於固態時，或者當它在高溫下處於液態時，它具有相對於溫度的較小的體膨脹係數，然而當它處於在中間溫度下從固態轉化成液態的固熔體狀態時，它具有較大的相對於溫度的體膨脹係數。因此，溫度感測部分3形成一致動器，該致動器通過感測某個範圍內的溫度而控制壓差閥2，在該溫度範圍內蠟16處於其中蠟16具有較大的體膨脹係數的固熔體狀態。應該注意的是，溫度感測部分3感測的溫度範圍由蠟16的成分確定。
另外，溫度感測部分3通過密封件15裝配在閥元件6的上部，並由彈簧17沿關閉壓差閥2的方向推動。彈簧17與杯形部件18相抵靠，該杯形部件18以這樣的方式安裝在主體4的上端上，從而使得杯形部件18的上端覆蓋溫度感測部分3。彈簧17的設定負載由壓配進入杯形部件18開口端中的主體4的壓配量調節。杯形部件18在其一部分上形成有開口，並且該開口在其上設有過濾器19。應該注意的是，密封件15在其一部分上形成有切口，在該切口處密封件15裝配在閥元件6上，從而使得容納溫度感測部分3的空間與穿過閥元件6和活塞8形成的壓力通道12彼此連通。
在如上構造的膨脹裝置中，從氣體冷卻器流出的高溫高壓製冷劑從上方通過管道1流入膨脹裝置，如圖1所示。然後，製冷劑流經膨脹裝置，使其通過過濾器19流入杯形部件18中，並通過在壓差閥2的閥元件6和閥孔5之間的節流通道從出口7流出。在經過節流通道時，製冷劑絕熱膨脹以轉變成處於氣—液兩相狀態的低壓低溫製冷劑，並供應給蒸發器。在蒸發器中，氣—液兩相狀態的製冷劑通過吸收來自車輛車廂內空氣的熱量而蒸發，並且在蒸發時，製冷劑通過吸收空氣的汽化潛熱而使車輛車廂內的空氣冷卻。
下面，將給出當導入膨脹裝置中的製冷劑的溫度和壓力變化時，對膨脹裝置執行的操作的說明。
圖3是表示根據第一實施例的膨脹裝置的中央縱向剖視圖，該膨脹裝置處於製冷劑壓力變高的工作條件。圖4是表示根據第一實施例的膨脹裝置的中央縱向剖視圖，該膨脹裝置處於製冷劑溫度變低的工作條件。圖5是表示穿過根據第一實施例的膨脹裝置的壓力差，製冷劑溫度以及節流通道的通道截面積之間的關係的圖表。
首先，如圖5所示，膨脹裝置具有這樣的特性，即在穿過膨脹裝置的壓力差較小的區域中，節流通道具有不變的截面積，該截面積由閥孔5和閥元件6之間的間隙所確定，並且當壓力差超過預定值時，壓差閥2開始打開，從而相應地增加節流通道的通道截面積，並且同時當製冷劑溫度變高時，壓差閥2開始打開的預定壓差值變高。另外，如圖2所示，在蠟16處於固態或液態時，其具有相對於溫度升高的較小的體膨脹係數，而在其處於固熔體狀態下時，它具有很大的體膨脹係數，因此在圖5中，顯示出當蠟16處於固體或液體狀態下時，溫度梯度之間的距離較小，並且當蠟16處於固熔體的狀態下時，溫度梯度較大。由於上述特性，如圖1所示，膨脹裝置的關閉狀態以示例的方式表示了這樣的情況，其中當導入膨脹裝置的製冷劑溫度為例如60℃時，穿過節流閥的壓力差不高於8MPa。這時，雖然閥元件6承受沿閥門關閉方向的製冷劑的入口壓力，並且活塞8承受沿閥門打開方向的通過壓力通道12導入壓力調節室11中的入口壓力，但是由於閥元件6和活塞8之間的壓力承受面積差，在閥元件6上一直作用有沿閥門打開方向的力，這是因為活塞8的外徑設置為大於閥元件6的外徑。因此，閥元件6停止在這樣的位置，即在該處由入口壓力產生的力和沿閥門打開方向作用的力、沿閥門關閉方向作用的彈簧17的負載、以及插設在壓力調節室11中的彈簧13的沿閥門打開方向作用的負載產生平衡。
之後，從圖1中所示的狀態，當膨脹裝置入口處的製冷劑的入口壓力變高而製冷劑的入口溫度不變時，由於閥元件6和活塞8之間的壓力承受面積差而沿閥門打開方向作用在閥元件6上的力增加，因此閥元件6沿閥門打開的方向，抵抗彈簧17沿閥門關閉方向通過溫度感測部分3推動閥元件6的推動力而運動。當製冷劑入口壓力增加直到穿過節流通道的壓力差達到8MPa時，壓差閥2開始打開，並且當壓力差超過8MPa時，節流通道的通道截面積與壓力差成比例地增加，從而將膨脹裝置設置在圖3所示的狀態。這時，因為製冷劑的入口溫度不變，所以蠟16的體積不變，並且因此溫度感測部分3沿軸向方向不會膨脹或收縮。
另外，從圖1所示的狀態，當製冷劑的入口溫度變低而導入膨脹裝置的製冷劑入口壓力不變時，蠟的體積收縮，從而使溫度感測部分3軸向縮短。這時，因為製冷劑的入口壓力不變，由於閥元件6和活塞8之間的壓力承受面積差而沿閥門打開方向作用在閥元件6上的力不變，彈簧17沿閥門關閉方向的推動力也不變，所以閥元件6沿閥門打開方向以對應於溫度感測部分3軸向收縮的距離運動。結果，節流通道的通道截面積變大，從而將膨脹裝置設置在圖4所示的狀態。
當然，在該膨脹裝置中，當製冷劑的入口壓力沿減小的方向變化，或者製冷劑的入口溫度沿增加的方向變化時，節流通道沿減小截面積的方向變化。
圖6是根據本發明第二實施例的膨脹裝置結構的中央縱向剖視圖。應該注意的是，圖6中與圖1相同的組成元件由相同的附圖標記表示，並省略對其的詳細說明。
根據第二實施例的膨脹裝置與根據第一實施例的膨脹裝置的不同之處在於其具有較短的軸向長度。更具體地，在根據第一實施例的膨脹裝置中，閥元件6，溫度感測部分3和彈簧17串聯設置，這就不可避免地增加了膨脹裝置的軸向長度。相比之下，根據第二實施例的膨脹裝置構造成使得彈簧17的推動力通過杯形彈簧接收部分20傳遞至溫度感測部分3。杯形彈簧接收部分20具有從其開口端徑向向外延伸的凸緣部分，從而使得該凸緣部分接收彈簧17的一端，由此使溫度感測部分3和彈簧17彼此平行布置同時串聯操作，因此縮短了該膨脹裝置的軸向長度，從而使得膨脹裝置的尺寸緊湊。通過該結構，彈簧17向溫度感測部分3施加推動力的位置更加靠近閥元件6，因此溫度感測部分3變得不受沿垂直於膨脹裝置軸線方向作用的外力影響。如圖6所示，這防止了溫度感測部分3的上端發生擺動，因此可穩定地布置溫度感測部分3。
圖7是根據本發明第三實施例的膨脹裝置結構的中央縱向剖視圖。應該注意的是，圖7中所表示的具有與圖1所示的組成元件相同或相當功能的組成元件由相同的附圖標記表示，並省略對其的詳細說明。
根據第三實施例的膨脹裝置與根據第一和第二實施例的膨脹裝置的不同之處在於，修改了溫度感測部分3的結構，並且提高了對彈簧17調節的自由度。更具體地，在該膨脹裝置中，波紋管14布置在杯形部件21中，並且波紋管14和杯形部件21的開口端彼此密封。蠟16填充在波紋管14和杯形部件21之間。在膨脹裝置中，杯形部件21的底部裝配在保持件23中，該保持件23剛性地固定在杯形部件21外側的中空柱形殼體22的上遊側開口上，並且彈簧17插設在溫度感測部分3和閥元件6之間。彈簧17布置在盤24和彈簧接收部件25之間，其中盤24布置在與其接觸的波紋管14的底部上，彈簧接收部件25具有下端面，閥元件6抵靠在該下端面上，如圖7所示。保持件23設有用於導入製冷劑的入口26。彈簧接收部件25具有形成在其一部分中的切口，在該部分處彈簧接收部件25與閥元件6相抵靠，使得容納溫度感測部分3的空間通過壓力通道12與壓力調節室11連通，該壓力通道12穿過閥元件6和活塞8形成。
另外，該膨脹裝置具有插設在形成於中空柱形殼體22上的臺階部分以及彈簧接收部件25之間的偏壓彈簧27。偏壓彈簧27構造成與溫度感測部分3和彈簧17平行且彼此串聯布置。如上所述，偏壓彈簧27與彈簧17平行布置，其中偏壓彈簧27不經受溫度造成的變化，而彈簧27經受溫度造成的變化。這使得能夠設定彈簧27和17的彈簧常數的結合，從而調節由溫度引起的壓力變化。應該注意的是，彈簧17和偏壓彈簧27的設定負載通過壓配在中空柱形殼體22下開口端中的主體4的壓配量來進行調節，如圖7所示。
圖8是根據本發明第四實施例的膨脹裝置結構的中央縱向剖視圖。應該注意的是，圖8中所表示的具有與圖1所示的組成元件相同或相當功能的組成元件由相同的附圖標記表示，並省略對其的詳細說明。
根據第四實施例的膨脹裝置與根據第一至第三實施例的膨脹裝置的不同之處在於，修改了溫度感測部分3的結構。更具體地，該膨脹裝置的溫度感測部分3包括杯形件28；膜片29，其剛性固定在杯形件28的開口凸緣部分上；蠟16，其充入由杯形件28和膜片29氣密密封的容器中。裝配在閥元件6上的位移傳遞件30的上表面與膜片29的中央部分相抵靠。用於沿閥門關閉方向推動溫度感測部分3的彈簧17布置在杯形件28的開口凸緣部分和以覆蓋溫度感測部分3的方式布置的杯形件18之間。
在如上構造的膨脹裝置中，響應製冷劑入口壓力變化的壓差閥2的操作與根據第一至第三實施例的膨脹裝置的壓差閥2的操作相同。溫度感測部分3的蠟16根據製冷劑入口溫度變化而膨脹或收縮，從而使膜片29的中央部分軸向移動。該位移通過位移傳遞件30傳遞至閥元件6，從而控制壓差閥2的閥門升程。例如，如果製冷劑的溫度變高，則杯形件28的蠟16膨脹以朝著可軸向移動的膜片29隆起，這使得膜片29沿閥門關閉的方向移動。相反地，如果製冷劑溫度降低，則膜片29沿閥門打開的方向移動。
圖9是根據本發明第五實施例的膨脹裝置結構的中央縱向剖視圖。應該注意的是，圖9中所表示的具有與圖8所示的組成元件相同或相當功能的組成元件由相同的附圖標記表示，並省略對其的詳細說明。
根據第五實施例的膨脹裝置與根據第四實施例的膨脹裝置的不同之處在於，修改了溫度感測部分3的結構。即，該膨脹裝置的溫度感測部分3使用了杯形件28，該杯形件28具有形成在其底部中的孔，並且該杯形件28最終由球體31密封。更具體地，膜片29例如通過在大氣中的雷射焊接而剛性固定在杯形件28的開口邊緣部分上，並且杯形件28放置在較大的容器內並抽空，且形成有孔的底部向上定位。然後，使得由加熱液化的蠟16通過該孔流入杯形件28中。另外，球體31以使孔封閉的方式放置在底部的孔上，並例如通過電阻焊接剛性固定在杯形件28上，從而氣密密封杯形件28。這樣，將蠟16填充在密閉容器的杯形件28中。
在如上構造的膨脹裝置中，響應製冷劑入口壓力變化的壓差閥2的操作與根據第一至第四實施例的膨脹裝置的壓差閥2的操作相同。溫度感測部分3的蠟16根據導入製冷劑的入口溫度的變化而膨脹或收縮，從而使得膜片29的中央部分軸向移動。該位移通過位移傳遞件30傳遞至閥元件6，從而控制壓差閥2的閥門升程。
圖10是根據本發明第六實施例的膨脹裝置結構的中央縱向剖視圖。應該注意的是，圖10中所表示的具有與圖9所示的組成元件相同或相當功能的組成元件由相同的附圖標記表示，並省略對其的詳細說明。
根據第六實施例的膨脹裝置與根據第五實施例的圖9中的膨脹裝置的不同之處在於，溫度感測部分3和彈簧17顛倒設置。更具體地，在該膨脹裝置中，溫度感測部分3的杯形件28裝配在形成於杯形件18底部的孔中，杯形件18具有壓配在其開口下端中的主體4，如圖9所示，並且彈簧17布置在膜片29和閥元件6之間。結果，該膨脹裝置的構造與根據第三實施例的圖7的膨脹裝置相似，使得閥元件6相對於溫度感測部分3沿閥門關閉的方向被推動，其中閥元件6與主體4的位置關係固定。
在如上構造的膨脹裝置中，當製冷劑入口壓力與出口壓力之間的壓力差變高時，壓差閥2沿閥門打開的方向操作，並且當導入膨脹裝置中的製冷劑的入口溫度變高時，壓差閥2沿閥門關閉的方向操作，因此壓差閥2的操作與根據第一至第五實施例的膨脹裝置的壓差閥2相似。
圖11是根據本發明第七實施例的膨脹裝置結構的中央縱向剖視圖。應該注意的是，圖11中所表示的具有與圖10所示的組成元件相同或相當功能的組成元件由相同的附圖標記表示，並省略對其的詳細說明。
根據第七實施例的膨脹裝置與根據第六實施例的圖10中的膨脹裝置的不同之處在於，修改了壓差閥2的結構。更具體地，壓差閥2包括活動閥座32，其軸向位置根據製冷劑的入口溫度而發生變化；中空柱形閥元件33，其相對於活動閥座32的閥門升程通過製冷劑的入口壓力和出口壓力之間的壓力差而改變。
在溫度感測部分3中，將杯形件28和膜片29彼此固定緊固的凸緣部分通過模鍛固定在主體4的開口上端上，並且活動閥座32通過具有較大彈力的彈簧34壓靠在膜片29的下表面上。因此，活動閥座32形成這樣的閥座，其以與根據導入製冷劑的入口溫度而軸向運動的膜片29互鎖的方式軸向移動。中空柱形閥元件33由主體4以可軸向來回運動的方式保持，並且通過彈簧35而沿著座靠在活動閥座32的方向推動。中空柱形閥元件33構造成這樣，即使得較高的入口壓力沿遠離活動閥座32的方向，即沿閥門打開的方向作用在與活動閥座32相對的端面上，而較低的入口壓力沿閥門關閉的方向作用在與活動閥座32相對一側的端面上。因此，壓差閥2通過作用在中空柱形閥元件33的相對端面上的入口壓力和出口壓力之間的壓力差，以及彈簧35的推力而打開和關閉。
在如上構造的膨脹裝置中，當製冷劑入口壓力與出口壓力之間的壓力差較低，並且中空柱形閥元件33座靠在活動閥座32上，從而關閉壓差閥2時，製冷劑的最小流速由中空柱形閥元件33和保持閥元件33的主體4之間的間隙確定。如圖11所示，從上方導入的製冷劑通過該間隙節流，並在流出至下遊側的空間內時進行絕熱膨脹，從而向下傳輸，如圖11所示，其中彈簧35布置在下遊側空間內。這時，溫度感測部分3根據製冷劑入口溫度軸向膨脹或收縮，從而軸向移動活動閥座32，同時關閉壓差閥2。
當製冷劑的入口壓力和出口壓力之間的壓力差大於彈簧35的推力時，壓差閥2打開。這時，壓差閥2的閥門打開位置根據由溫度感測部分3檢測到的製冷劑入口溫度而改變。更具體地，當入口溫度較低時，活動閥座32位於上部位置，如圖11所示，當入口溫度較高時，活動閥座32位於下部位置，如圖11所示。因此，隨著溫度升高，活動閥座32向下運動，如圖11所示，從而通過中空柱形閥元件33使彈簧35沿收縮的方向運動，從而使得彈簧35的彈力加強。結果，壓差閥2的閥門打開位置朝著更高的壓力差一側移動，因此壓差閥2朝著更難打開閥2的一側變化。
圖12是根據本發明第八實施例的膨脹裝置結構的中央縱向剖視圖。應該注意的是，圖12中所表示的具有與圖11所示的組成元件相同或相當功能的組成元件由相同的附圖標記表示，並省略對其的詳細說明。
根據第八實施例的膨脹裝置與根據第七實施例的圖11中的膨脹裝置的不同之處在於，壓差閥2的中空柱形閥元件33設有阻尼機構，從而防止壓差閥2對導入製冷劑壓力的突變做出靈敏的反應，從而防止製冷循環的振蕩。
活動閥座32設有用於調節製冷劑最小流速的孔36，從而使導入製冷劑能夠直接流入中空柱形閥元件33的內部，該內部作為中空柱形閥元件33下遊側的空間。中空柱形閥元件33具有凹槽37，其周向形成在閥元件33的外周邊上主體4保持閥元件33的部分中。凹槽37通過連通孔38與閥元件33的內部空間連通。因此，活動閥座32的孔36與閥元件33和保持閥元件33的主體4之間的間隙一起，確定了在壓差閥2關閉狀態下能夠流動的製冷劑的最小流速。
環形活塞40固定在中空柱形閥元件33上，其可軸向滑動地布置在缸39內，該缸39形成在壓差閥2下遊側上的主體4中，並且閥元件33被彈簧35通過活塞40沿閥門關閉的方向推動。活塞40限定了缸39內的阻尼室41，該阻尼室41通過活塞40和主體4之間的間隙，以及閥元件33、主體4和連通孔38之間的間隙，與閥元件33下遊側上的空間連通。製冷劑通過間隙的節流通道流入和流出阻尼室41，這樣用作抵抗活塞40軸向運動的阻力，並形成閥元件33的阻尼機構。應該注意的是，形成在閥元件33中的凹槽37和連通孔38用於使高壓製冷劑通過閥元件33和主體4之間的間隙的中間部分流入低壓的下遊側，從而防止高壓製冷劑通過間隙流入阻尼室41中。
在如上構造的膨脹裝置中，其正常操作與圖11所示的根據第七實施例的膨脹裝置的操作相同。現在，當導入製冷劑的入口壓力經歷迅速的變化時，儘管壓差閥2將對其響應執行迅速的打開或關閉操作，但是阻尼機構阻止中空柱形閥元件33以跟隨壓差閥2待執行的迅速打開或關閉操作的方式來執行迅速的打開或關閉操作。結果，當製冷循環在製冷劑壓力出現迅速變化時，防止了製冷循環對製冷劑壓力的迅速變化做出靈敏的反應而導致其振蕩。
圖13是根據本發明第九實施例的膨脹裝置結構的中央縱向剖視圖。應該注意的是，圖13中所表示的具有與圖12所示的組成元件相同或相當功能的組成元件由相同的附圖標記表示，並省略對其的詳細說明。
根據第九實施例的膨脹裝置與根據第八實施例的圖12中的膨脹裝置的不同之處在於，修改了設置用於壓差閥2的中空柱形閥元件33的阻尼機構的結構。更具體地，在根據第九實施例的膨脹裝置中，阻尼室41由固定在閥元件33上的活塞40和固定在缸39上的關閉部分46形成。關閉部分46形成有孔47。在阻尼室41中，設有彈簧35，其用於通過活塞40沿閥門關閉的方向推動閥元件33，並且彈簧35的負載通過關閉部分46壓配在缸39的壓配量來調節。如圖13所示，活塞40上方的空間通過形成在閥元件33中的連通孔38與閥元件33的下遊側上的空間連通，並一直保持在低壓下。
在如上構造的膨脹裝置中，其正常操作與圖12所示的根據第八實施例的膨脹裝置的操作相同。另外，當導入製冷劑的入口壓力發生迅速變化時，因為阻尼機構抑制中空柱形閥元件33的迅速打開或關閉操作，所以壓差閥2對製冷劑壓力的迅速變化不靈敏。這使得能夠防止壓差閥2對製冷劑壓力的迅速變化做出靈敏的反應而導致製冷循環的振蕩。
圖14是根據本發明第十實施例的膨脹裝置結構的中央縱向剖視圖。應該注意的是，圖14中所表示的具有與圖11所示的組成元件相同或相當功能的組成元件由相同的附圖標記表示，並省略對其的詳細說明。
根據第十實施例的膨脹裝置與根據第七實施例的圖11中的膨脹裝置的不同之處在於，修改了壓差閥2的部分結構，其中溫度感測部分3根據製冷劑入口溫度的變化改變閥座的位置。更具體地，在根據第七實施例的膨脹裝置中，活動閥座32在與中空柱形閥元件33內徑相對應的區域上承受低壓，因此較大的力沿關閉壓差閥2的方向作用在活動閥座32上，該力由承受的低壓和製冷劑入口壓力之間的壓力差產生，並且該較大的力由具有較大彈力的彈簧34承受。相反，在根據第十實施例的膨脹裝置中，可通過溫度感測部分3運動的閥座構造成幾乎不受高的入口壓力的影響，由此彈簧34可由一個具有較小彈力的彈簧實現。
該壓差閥2包括中空柱形活動閥座42，其由主體4以可軸向來回移動的方式保持；閥元件43，其布置在活動閥座42的下遊側上。如圖14所示，中空柱形活動閥座42的上端裝配在位移傳遞件30上。另外，活動閥座42具有朝著位移傳遞件30穿過其一部分的連通孔44，並且由彈簧34朝著溫度感測部分3推動。閥元件43通過多個引導件45而在缸39內定心，缸39形成在下遊側上的主體4中，引導件45從閥元件43徑向向外延伸，並且閥元件43在通過彈簧35沿著座靠在活動閥座42的方向推動的狀態下，同時可軸向滑動地布置在缸39中。
閥元件43具有與活動閥座42相對的端面，該端面以盤形向內凹進，從而使得凹進端面的傾斜部分座靠在活動閥座42的相對端面的外周邊上。這使得高壓製冷劑能夠通過連通孔44流入活動閥座42中。當高壓製冷劑流入活動閥座42中時，如圖14所示，沿向下方向作用在活動閥座42上的力被沿向上方向作用在活動閥座42上的力抵消，如圖所示，這是因為與活動閥座42的截面徑向厚度相對應的具有環形形狀的區域形成了壓力承受區域，高壓沿著向下的方向作用在該區域上，並且如圖14所示，除了閥元件43座靠的外周邊以外，幾乎所有的下端面都形成了壓力承受區域，高壓沿著向上的方向作用在該區域上。因此，中空柱形活動閥座42形成了不受高的入口壓力影響的活動閥座。
在如上構造的膨脹裝置中，壓差閥2響應製冷劑的入口壓力和出口壓力之間的壓力差，執行打開和關閉操作，並且溫度感測部分3根據製冷劑入口溫度改變壓差閥2的閥座位置，這樣的結構與根據第七和第八實施例的膨脹裝置的結構相同。然而，該活動閥座42構造為具有用於抵消高壓的結構，因此可以減小彈簧34朝著溫度感測部分3的膜片29推動活動閥座42的力。
圖15是根據本發明第十一實施例的膨脹裝置結構的中央縱向剖視圖。應該注意的是，圖15中所表示的具有與圖14和圖13所示的組成元件相同或相當功能的組成元件由相同的附圖標記表示，並省略對其的詳細說明。
根據第十一實施例的膨脹裝置與根據第十實施例的圖14中的膨脹裝置的不同之處在於，其具有根據第九實施例的圖13中的膨脹裝置所包括的阻尼機構。更具體地，該膨脹裝置包括活塞40，其可軸向滑動地布置在形成在下遊側上的主體4中的缸39內；和關閉部分46，其用於關閉缸39下端，如圖15所示，從而形成其間的阻尼室41。活塞40與閥元件43一體形成並由布置在活塞40和關閉部分46之間的彈簧35向上推動，如圖15所示。關閉部分46形成有孔47，用於和活塞40與缸39之間的間隙配合以調節阻尼機構的效力。
如上構造的膨脹裝置具有構造用於抵消高壓的活動閥座42，並且閥元件43包括阻尼機構，該阻尼機構對於製冷劑壓力的迅速變化反應不靈敏。這使得可減少彈簧34朝著溫度感測部分3的膜片29推動中空柱形閥座42的力，從而防止製冷循環的振蕩。
附帶地，雖然在上述實施例中，所述膨脹裝置以示例的方式布置在設置於製冷循環的氣體冷卻器和蒸發器之間的管道中，用於使製冷劑循環，但是這並不是限定性的，而是在使用CO2作為製冷劑的製冷循環中可以使用內部熱交換器來提高其效率，因此實際上每個膨脹裝置都布置在設置於內部熱交換器和蒸發器之間的管道中，用於使製冷劑循環。這使得膨脹裝置能夠感測內部熱交換器的出口處的製冷劑的溫度，以用於控制高壓。
另外，已知的是如上所述的膨脹裝置在內部熱交換器的入口感測製冷劑溫度，並控制高壓，從而可以進一步提高製冷循環的效率。下面將給出在根據本發明的膨脹裝置應用於如上構造的製冷循環中的情況的描述。
圖16是表示應用根據本發明的膨脹裝置的製冷循環的系統簡圖。
該製冷循環包括用於壓縮製冷劑的壓縮機51；氣體冷卻器52，其用於冷卻壓縮後的製冷劑；膨脹裝置53，用於使冷卻的製冷劑節流並膨脹；蒸發器54，用於蒸發膨脹後的製冷劑；存儲器55，用於儲存製冷循環中多餘的製冷劑並從蒸發的製冷劑中分離氣相製冷劑，以將分離出的製冷劑輸送至壓縮機51。另外，該製冷循環包括內部熱交換器56，用於在從氣體冷卻器52流至膨脹裝置53的製冷劑與從存儲器55流至壓縮機51的製冷劑之間進行熱交換。
膨脹裝置53安裝在內部熱交換器56中。這樣，膨脹裝置53的溫度感測部分布置成使其感測從氣體冷卻器52導入內部熱交換器56中的製冷劑溫度，並且壓差閥布置成使得已通過內部熱交換器56的高壓製冷劑節流並膨脹，從而輸送至蒸發器54。
圖17是作為第一示例形式的根據本發明的膨脹裝置的主要元件的剖視圖，該膨脹裝置安裝在內部熱交換器上。圖18是作為第二示例形式的根據本發明的膨脹裝置的主要元件的剖視圖，該膨脹裝置安裝在內部熱交換器上。應該注意的是，在這些示例中所使用的膨脹裝置具有根據圖12所示的第八實施例的膨脹裝置的結構。
首先，在如圖17所示的第一示例中，內部熱交換器56具有主體57，其形成有製冷劑入口通道58，高壓製冷劑從氣體冷卻器52導入該製冷劑入口通道58內。製冷劑入口通道58與回流通道59連通，該回流通道59形成為穿過內部熱交換器56並平行於製冷劑入口通道58延伸。回流通道59具有末端，該末端形成有安裝孔60，膨脹裝置53安裝在該安裝孔60中。安裝孔60形成為從主體57外部延伸穿過主體57和回流通道59，直至製冷劑入口通道58，並且膨脹裝置53安裝在安裝孔60內，從而使其溫度感測部分位於製冷劑入口通道58中。在膨脹裝置53安裝在安裝孔60內的狀態下，通向蒸發器54的管道61在安裝孔60的開口端處，以覆蓋膨脹裝置53的壓差閥出口的方式安裝在主體57上。
當膨脹裝置53安裝在安裝孔60內時，壓差閥的上遊側構成為與回流通道59連通，並且壓差閥主體位於壓差閥高壓上遊側和低壓下遊側之間的外周邊由O形環密封。壓差閥主體位於製冷劑入口通道58和回流通道59之間的外周邊上也設有用於密封的O形環。
如上所述安裝在內部熱交換器中的膨脹裝置53直接感測從氣體冷卻器52導出的製冷劑溫度，因為其溫度感測部分位於製冷劑入口通道58內。因此，膨脹裝置53根據高壓製冷劑的入口溫度控制壓差閥的活動閥座，同時壓差控制閥實行對高壓製冷劑的壓差控制。這使得膨脹裝置53能夠控制高壓，從而總是獲得相對於製冷劑入口溫度的最高效率。
另外，根據如圖18所示的第二示例，所述膨脹裝置53安裝成使其利用內部熱交換器56的主體57通過隔壁62來感測製冷劑的溫度，該熱交換器56由具有良好導熱性的材料製成。更具體地，容納膨脹裝置53的溫度感測部分的腔室的隔壁62以伸進位冷劑入口通道58內的方式與主體57一體形成，並且同時使其具有適於使插入的溫度感測部分與隔壁62緊密接觸的尺寸。這使得能夠將流經製冷劑入口通道58的製冷劑的溫度傳遞至隔壁62，並且進一步將該溫度從隔壁62傳遞至膨脹裝置53的溫度感測部分。在這種情況下，膨脹裝置53可省去用於在製冷劑入口通道58和回流通道59之間密封的O型環。
雖然在至此描述的本發明的優選實施例中，溫度感測部分3通過利用由溫度造成的蠟16的體膨脹係數變化來控制壓差閥2的閥門升程，但是這並不是限定性的，而是溫度感測部分3可構造成利用具有較大體膨脹係數的液體，例如酒精來代替蠟16。在這種情況下，相對於液體溫度變化的體膨脹係數的變化在溫度變化的一個較寬的範圍內呈線性，因此圖5中示出的溫度梯度之間的間距顯示為一致。
根據本發明的膨脹裝置構造成使得壓差閥的閥門升程響應於導入製冷劑的壓力而受到控制，並且容納在溫度感測部分中並具有較大體膨脹係數的固體或液體物質響應於導入製冷劑的溫度而進一步控制壓差閥的閥門升程，而不用設置任何填充有高壓氣體的密閉容器。這使得能夠在製造、儲存、運輸和在製冷循環中安裝膨脹裝置時，提高在處理膨脹裝置中的安全性。
另外，根據本閥門的膨脹裝置構造成使得壓差閥感測製冷劑壓力，並且溫度感測部分感測製冷劑的溫度，從而改變節流通道的截面積，因此可以實現類似於傳統膨脹裝置的控制操作，傳統膨脹裝置包括填充有高壓氣體的密閉空間，以使得它們同時對於製冷劑的壓力和溫度較靈敏。這使得可以有效地操作製冷循環。
前述僅看作是對本發明原理的說明。另外，因為對於本領域的技術人員來說很容易進行大量的修改和變更，所以不希望將本發明限定在所示和所述的確切結構和應用中，因此，所有適當的修改及等價物都被認為是落在所附權利要求和其等價物中的本發明的範圍內。
權利要求
1.一種膨脹裝置，其用於使通過製冷循環流通的製冷劑節流並膨脹，包括壓差閥，當上遊側的壓力與下遊側的壓力之間的壓力差變大時，該壓差閥沿閥門打開的方向操作，其中製冷劑導入上遊側，並從下遊側輸出；以及溫度感測部分，其具有密閉容器，該容器可沿壓差閥的打開和關閉方向膨脹和收縮，該密閉容器填充有具有較大體膨脹係數的固體或液體物質，當上遊側的製冷劑溫度變高時，該溫度感測部分使得壓差閥沿閥門關閉的方向操作。
2.根據權利要求1所述的膨脹裝置，其特徵在於，所述密閉容器包括其一端封閉的波紋管，和用於在波紋管的另一端氣密密封開口的密封件。
3.根據權利要求1所述的膨脹裝置，其特徵在於，所述密閉容器包括杯形件，和用於氣密密封該杯形件開口的膜片。
4.根據權利要求1所述的膨脹裝置，其特徵在於，充入所述密閉容器中的物質為蠟。
5.根據權利要求1所述的膨脹裝置，其特徵在於，所述壓差閥包括閥元件，其布置在閥孔的上遊側，從而使得該閥元件可向前移動進入閥孔或從閥孔向後移動；活塞，其具有大於閥元件的外徑，並且同時與閥孔下遊側上的閥元件一體形成；以及壓力調節室，其通過穿過閥元件和活塞形成的壓力通道與閥孔的上遊側連通，用於使導入製冷劑的壓力沿閥門打開的方向作用在該活塞上。
6.根據權利要求5所述的膨脹裝置，其特徵在於，所述壓差閥的閥元件呈滑閥形式，並形成節流通道，當該壓差閥完全關閉時，該節流通道具有與閥元件和閥孔之間的間隙相對應的通道截面積。
7.根據權利要求5所述的膨脹裝置，其特徵在於，所述溫度感測部分相對於壓差閥主體具有固定的位置關係，並且通過彈簧將壓差閥沿其打開和關閉方向的膨脹和收縮傳遞至閥元件。
8.根據權利要求1所述的膨脹裝置，其特徵在於，所述溫度感測部分相對於壓差閥主體具有固定的位置關係，該壓差閥包括活動閥座，其根據由溫度感測部分感測的溫度變化導致的軸向移動而在軸向位置上發生變化；以及中空柱形閥元件，其由主體以可軸向運動至活動閥座或從活動閥座軸向運動的方式保持，並同時處於沿著座靠在活動閥座上的方向被推動的狀態。
9.根據權利要求8所述的膨脹裝置，其特徵在於，包括阻尼裝置，其用於抑制中空柱形閥元件沿其打開和關閉方向的快速運動。
10.根據權利要求1所述的膨脹裝置，其特徵在於，所述溫度感測部分相對於壓差閥主體具有固定的位置關係，該壓差閥包括中空柱形活動閥座，其由主體以可來回軸向移動的方式保持，從而使得中空柱形活動閥座根據由溫度感測部分感測的溫度變化導致的溫度感測部分的軸向移動而在軸向位置上發生變化，並且該中空柱形活動閥座構造成使得上遊側的製冷劑導入其中；閥元件，其相對於在其軸向下遊側上的中空柱形活動閥座以可朝向該閥座運動和遠離該閥座運動的方式布置，並同時處於沿著座靠在中空柱形活動閥座上的方向被推動的狀態。
11.根據權利要求10所述的膨脹裝置，其特徵在於，所述閥元件具有與中空柱形活動閥座相對的端面，該端面以盤狀形式凹進，從而使得閥元件座靠在中空柱形活動閥座的相對端面的外周邊上。
12.根據權利要求10所述的膨脹裝置，其特徵在於，包括阻尼裝置，用於抑制所述閥元件沿該閥元件打開和關閉方向的快速運動。
全文摘要
提供了一種低成本的膨脹裝置，其能夠根據導入製冷劑的壓力和溫度來改變節流通道的通道截面積，而不用設置高壓密閉空間。該膨脹裝置包括壓差閥，該壓差閥用於使其閥門升程根據穿過該膨脹裝置的壓力差而受到控制；和溫度感測部分，其用於根據製冷劑溫度進一步控制壓差閥的閥門升程。該壓差閥包括活塞，其具有大於閥元件的外徑，並與閥元件一體形成。該活塞形成壓力調節室，製冷劑的入口壓力通過壓力通道導入該壓力調節室中，從而當製冷劑的入口壓力變高時，使壓差閥沿閥門打開方向操作。通過將具有較大體膨脹係數的蠟充入可軸向膨脹和收縮的波紋管中來形成溫度感測部分，從而在製冷劑入口溫度變高時，使壓差閥沿閥門關閉的方向操作。
文檔編號F25B41/06GK1776329SQ20051012368
公開日2006年5月24日 申請日期2005年11月18日 優先權日2004年11月19日
發明者廣田久壽 申請人:株式會社Tgk