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発明の名称 超臨界蒸気圧縮サイクル装置および逃し弁付き圧力制御弁
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−74321(P2001−74321A)
公開日 平成13年3月23日(2001.3.23)
出願番号 特願平11−224949
出願日 平成11年8月9日(1999.8.9)
代理人 【識別番号】100060690
【弁理士】
【氏名又は名称】瀧野 秀雄 (外1名)
発明者 岡田 伴雄
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 圧縮機と放熱器と蒸発器とを炭酸ガス等による冷媒が順に循環し、超臨界域で運転される超臨界蒸気圧縮サイクル装置において、前記放熱器より前記蒸発器へ至る冷媒通路の途中に設けられ、前記放熱器の出口側の冷媒の圧力および温度に感応して前記放熱器と前記蒸発器との連通度を制御して放熱器出口側の圧力制御を行う高圧制御弁と、前記放熱器より前記蒸発器へ至る冷媒通路の途中に前記高圧制御弁と並列に設けられ、前記放熱器の出口側の冷媒の圧力と蒸発器の入口側の冷媒の圧力との差圧が所定値以上の場合に開弁する逃し弁と、を有していることを特徴とする超臨界蒸気圧縮サイクル装置。
【請求項2】 圧縮機と放熱器と蒸発器とを炭酸ガス等による冷媒が順に循環し、超臨界域で運転される超臨界蒸気圧縮サイクル装置において、前記放熱器より前記蒸発器へ至る冷媒通路の途中に設けられ、前記放熱器より前記蒸発器へ向かう冷媒の圧力および温度に感応する圧力・温度感応手段により駆動されて前記放熱器と前記蒸発器との連通・遮断ならびに連通度を制御し、放熱器出口側の圧力制御を行う高圧制御弁と、前記放熱器より前記蒸発器へ至る冷媒通路の途中に前記高圧制御弁と並列に設けられ、前記放熱器の出口側の冷媒の圧力と蒸発器の入口側の冷媒の圧力との差圧が所定値以上の場合に開弁し、前記圧力・温度感応手段が前記放熱器より前記蒸発器へ向かう冷媒の流れ中に曝されるようにする逃し弁と、を有していることを特徴とする超臨界蒸気圧縮サイクル装置。
【請求項3】 圧力制御用弁ポートと逃し用弁ポートとを並列の関係で有する弁ハウジングと、前記弁ハウジング内に設けられて圧力および温度に感応する圧力・温度感応手段と、前記圧力・温度感応手段により駆動され、圧力制御弁用弁ポートの開閉と開度設定を行う圧力制御弁体と、前記逃し弁用弁ポートを開閉する逃し用弁体と、前記逃し用弁体を閉弁方向に付勢する逃し圧設定ばねと、を有する逃し弁付き圧力制御弁。
【請求項4】 前記圧力・温度感応手段は前記逃し用弁ポートより上流側に形成された圧力・温度感応室内に配置され、前記逃し用弁体が開弁することにより前記圧力・温度感応室に流体の流れが生じ、前記圧力・温度感応手段が流体の流れ中に曝されることを特徴とする請求項3に記載の逃し弁付き圧力制御弁。
【請求項5】 前記圧力・温度感応手段は、密封型のベローズ装置であることを特徴とする請求項3または4に記載の逃し弁付き圧力制御弁。
【請求項6】 圧縮機と放熱器と蒸発器とを炭酸ガス等による冷媒が順に循環し、超臨界域で運転される超臨界蒸気圧縮サイクル装置において、前記放熱器より前記蒸発器へ至る冷媒通路の途中に設けられ、前記放熱器の出口側の冷媒の圧力および温度に感応して前記放熱器より前記蒸発器へ流れる冷媒流量を制御する高圧制御弁と、前記放熱器の出口側の冷媒の圧力と前記蒸発器の入口側の冷媒の圧力との差圧が所定値以上の場合に開弁する逃し弁との複合弁として使用されることを特徴とする請求項3〜5の何れかに記載の逃し弁付き圧力制御弁。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は超臨界蒸気圧縮サイクル装置および逃し弁付き圧力制御弁に関するものである。
【従来の技術】近年では、オゾン層破壊を防ぐために、冷媒としてフロンに代えて炭酸ガス(CO2 )を使用する研究が行われている。炭酸ガス冷媒を使用する冷凍サイクル装置では、フロン冷媒によるものとは異なって、臨界温度が低く、超臨界域で運転されるため、このような冷凍サイクルは超臨界蒸気圧縮サイクルと云われ、高圧側で凝縮現象が行われず、その状況により成績係数(動作係数)が左右されると共に、フロン冷媒によるものに比して圧力変動が生じ易いと云う特性を有している。
【0002】上述のような超臨界蒸気圧縮サイクル装置では、特開平9−264622号公報に示されているように、冷媒封入のダイヤフラム室の内圧と放熱器出口側の冷媒圧力との平衡関係により動作する圧力制御弁を放熱器より蒸発器へ至る冷媒通路の途中に設け、圧力制御弁によって放熱器の出口側の冷媒の圧力と温度とが最適制御線に沿うように制御するものや、特開平10−9719号公報に示されているように、蒸発器の入口側の冷媒の圧力との差圧が所定値になるように、蒸発器の入口側の冷媒の圧力に感応する減圧弁を放熱器より蒸発器へ至る冷媒通路の途中に設けたものが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】特開平9−264622号公報に示されているように、冷媒封入のダイヤフラム室の内圧と放熱器出口側の冷媒圧力との平衡関係により動作する圧力制御弁によって最適制御するものでは、高圧側の制御はできるが、この制御は、冷房負荷の大きさに関係なく放熱器出口側の冷媒圧力で決定されるため、冷房負荷が少ない場合に高駆動力が必要であることに対応できない。また、車載用空気調和装置においては、高外気温時に空気調和装置が停止していると、ダイヤフラム室内圧が高くなり、この状態で始動されても、外気温度相当圧力以上にならないと、開弁せず、空気調和装置を運転できず、高圧側の耐圧を超える虞れがある。
【0004】特開平10−9719号公報に示されているように、蒸発器の入口側の冷媒の圧力との差圧が所定値になるように、蒸発器の入口側の冷媒の圧力に感応する減圧弁を放熱器より蒸発器へ至る冷媒通路の途中に設けたものでは、上述したように不具合は発生しないが、放熱器の出口側の冷媒の圧力と温度とが最適制御線に沿うようには制御されず、このため、成績係数が低い運転となり、冷凍サイクル装置の経済性が低くなることを避けられない。
【0005】この発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたもので、通常時は最適制御線に沿う運転を行い、冷房負荷が少ない場合に高駆動力が必要であることや、高外気温によってダイヤフラム室内圧が高くなっていることに対応でき、高圧側の安全性を図りつつ効率のよい運転を行うことができる超臨界蒸気圧縮サイクル装置および逃し弁付き圧力制御弁を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するために、請求項1に記載の発明による超臨界蒸気圧縮サイクル装置は、圧縮機と放熱器と蒸発器とを炭酸ガス等による冷媒が順に循環し、超臨界域で運転される超臨界蒸気圧縮サイクル装置において、前記放熱器より前記蒸発器へ至る冷媒通路の途中に設けられ、前記放熱器の出口側の冷媒の圧力および温度に感応して前記放熱器と前記蒸発器との連通度を制御して放熱器出口側の圧力制御を行う高圧制御弁と、前記放熱器より前記蒸発器へ至る冷媒通路の途中に前記高圧制御弁と並列に設けられ、前記放熱器の出口側の冷媒の圧力と蒸発器の入口側の冷媒の圧力との差圧が所定値以上の場合に開弁する逃し弁とを有しているものである。
【0007】また、上述の目的を達成するために、請求項2に記載の発明による超臨界蒸気圧縮サイクル装置は、圧縮機と放熱器と蒸発器とを炭酸ガス等による冷媒が順に循環し、超臨界域で運転される超臨界蒸気圧縮サイクル装置において、前記放熱器より前記蒸発器へ至る冷媒通路の途中に設けられ、前記放熱器より前記蒸発器へ向かう冷媒の圧力および温度に感応する圧力・温度感応手段により駆動されて前記放熱器と前記蒸発器との連通・遮断ならびに連通度を制御し、放熱器出口側の圧力制御を行う高圧制御弁と、前記放熱器より前記蒸発器へ至る冷媒通路の途中に前記高圧制御弁と並列に設けられ、前記放熱器の出口側の冷媒の圧力と蒸発器の入口側の冷媒の圧力との差圧が所定値以上の場合に開弁し、前記圧力・温度感応手段が前記放熱器より前記蒸発器へ向かう冷媒の流れ中に曝されるようにする逃し弁とを有しているものである。
【0008】また、上述の目的を達成するために、請求項3に記載の発明による逃し弁付き圧力制御弁は、圧力制御用弁ポートと逃し用弁ポートとを並列の関係で有する弁ハウジングと、前記弁ハウジング内に設けられて圧力および温度に感応する圧力・温度感応手段と、前記圧力・温度感応手段により駆動され、圧力制御弁用弁ポートの開閉と開度設定を行う圧力制御弁体と、前記逃し弁用弁ポートを開閉する逃し用弁体と、前記逃し用弁体を閉弁方向に付勢する逃し圧設定ばねとを有しているものである。
【0009】請求項4に記載の発明による逃し弁付き圧力制御弁は、前記圧力・温度感応手段は前記逃し用弁ポートより上流側に形成された圧力・温度感応室内に配置され、前記逃し用弁体が開弁することにより前記圧力・温度感応室に流体の流れが生じ、前記圧力・温度感応手段が流体の流れ中に曝されるものである。
【0010】請求項5に記載の発明による逃し弁付き圧力制御弁は、前記圧力・温度感応手段が密封型のベローズ装置であるものである。
【0011】請求項6に記載の発明による逃し弁付き圧力制御弁は、圧縮機と放熱器と蒸発器とを炭酸ガス等による冷媒が順に循環し、超臨界域で運転される超臨界蒸気圧縮サイクル装置において、前記放熱器より前記蒸発器へ至る冷媒通路の途中に設けられ、前記放熱器の出口側の冷媒の圧力および温度に感応して前記放熱器より前記蒸発器へ流れる冷媒流量を制御する高圧制御弁と、前記放熱器の出口側の冷媒の圧力と前記蒸発器の入口側の冷媒の圧力との差圧が所定値以上の場合に開弁する逃し弁との複合弁として使用されるものである。
【0012】請求項1に記載の発明による超臨界蒸気圧縮サイクル装置では、高圧制御弁が放熱器の出口側の冷媒の圧力および温度に感応して放熱器と蒸発器との連通度を制御して放熱器出口側の圧力を制御し、この制御によって通常時には最適制御線に沿う運転が行われ、放熱器の出口側の冷媒の圧力と蒸発器の入口側の冷媒の圧力との差圧が所定値以上になると、逃し弁が開弁することにより、冷房負荷が少ない場合に省動力化が図れる超臨界蒸気圧縮サイクル装置の運転を保証する。
【0013】請求項2に記載の発明による超臨界蒸気圧縮サイクル装置では、高圧制御弁が放熱器の出口側の冷媒の圧力および温度に感応して放熱器と蒸発器との連通・遮断ならびに連通度を制御して放熱器出口側の圧力を制御し、この制御によって通常時には最適制御線に沿う運転が行われ、放熱器の出口側の冷媒の圧力と蒸発器の入口側の冷媒の圧力との差圧が所定値以上になると、逃し弁が開弁することにより、冷房負荷が少ない場合に高駆動力が必要であることに対応した超臨界蒸気圧縮サイクル装置の運転を保証し、また、逃し弁が開弁すれば、高圧制御弁が閉弁していても、圧力・温度感応室に流体の流れが生じ、圧力・温度感応手段が放熱器より蒸発器へ向かう冷媒の流れ中に曝され、圧力・温度感応手段が正規の温度に感応するようになる。
【0014】請求項3に記載の発明による逃し弁付き圧力制御弁では、圧力制御弁体が圧力・温度感応手段により駆動されて圧力制御弁用弁ポートの開閉と開度設定を行い、逃し弁用弁ポート前後の差圧が逃し圧設定ばねにより設定される逃し圧以上になると、逃し用弁体が開弁し、圧力制御弁用弁ポートをバイパス形態で連通状態になる。
【0015】請求項4に記載の発明による逃し弁付き圧力制御弁では、逃し弁が開弁すると、高圧制御弁が閉弁していても、圧力・温度感応室に流体の流れが生じ、圧力・温度感応手段が圧力・温度感応室の流体の流れ中に曝され、圧力・温度感応手段が圧力・温度感応室を流れる流体の圧力、温度に感応するようになる。
【0016】請求項5に記載の発明による逃し弁付き圧力制御弁では、圧力制御弁体が圧力・温度感応手段である密封型のベローズ装置により駆動されて圧力制御弁用弁ポートの開閉と開度設定を行う。
【0017】請求項6に記載の発明による逃し弁付き圧力制御弁では、超臨界蒸気圧縮サイクル装置において、放熱器の出口側の冷媒の圧力および温度に感応して放熱器より蒸発器へ流れる冷媒流量を制御する高圧制御弁と、放熱器の出口側の冷媒の圧力と蒸発器の入口側の冷媒の圧力との差圧が所定値以上の場合に開弁する逃し弁との複合弁として使用される。
【0018】
【発明の実施の形態】以下に添付の図を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0019】図1はこの発明による超臨界蒸気圧縮サイクル装置の一つの実施の形態を示している。この超臨界蒸気圧縮サイクルは、圧縮機1と、放熱器(ガスクーラ)2と、蒸発器3が冷媒通路(配管)4、5、6により閉ループ状に連通接続され、この閉ループを炭酸ガス等による冷媒が循環する。
【0020】放熱器2より蒸発器3へ至る冷媒通路5の途中には、放熱器2の出口側の冷媒の圧力および温度に感応して放熱器2と蒸発器3との連通・遮断および連通度を定量的に制御して放熱器出口側の圧力制御を行う高圧制御弁7と、放熱器2の出口側の冷媒の圧力と蒸発器3の入口側の冷媒の圧力との差圧が所定値以上の場合に開弁する逃し弁8とが互いに並列に設けられている。
【0021】高圧制御弁7と逃し弁8とは、図2に示されているような、逃し弁付き圧力制御弁10により、一つの複合弁として構成することができる。つぎに、この逃し弁付き圧力制御弁10について説明する。逃し弁付き圧力制御弁10は放熱器2あるいは蒸発器3の本体ホディ11に形成された弁受入孔12内に装填されている。逃し弁付き圧力制御弁10の弁ハウジング13には、弁ハウジング13にねじ止めされたエンド部材14により画定されて放熱器2の出口側に連通する入口ポート15、入口ポート15と直接連通しているハウジング内通路16と、弁ハウジング13にねじ止めされたばねリテーナ部材17により画定されて蒸発器3の入口側と連通する出口ポート18と、出口ポート18と直接連通している逃し弁室19と、ハウジング内通路16と逃し弁室19とを連通する圧力制御用弁ポート20と、ハウジング内通路16の下流側に連通している延長通路21と逃し弁室19とを連通する逃し用弁ポート22とを有し、圧力制御用弁ポート20と逃し用弁ポート22とは、入口ポート15と出口ポート18との間に互いに並列の関係になっている。
【0022】ハウジング内通路16内には圧力・温度感応手段として、超臨界状態の炭酸ガスが封入された密閉型のベローズ装置23が配置されている。ベローズ装置23は、上端部材24を一体に有するベローズ本体25と、ベローズ本体25の下端を閉じるべくベローズ本体25の下端に溶接された下端部材26と、下端部材26に形成された注入孔27を閉じてベローズ内部を密閉するシール用ボール28と、上端を上端部材24に固定された内部ストッパ部材29と、内部ストッパ部材29の上側フランジ部30と下端部材26との間に設けられた圧縮コイルばね31により構成されている。
【0023】ベローズ装置23のベローズ室37の内部には、超臨界状態の炭酸ガスが、運転を最適化する密度で封入されており、このベローズ装置23は、ハウジング内通路16内にあって放熱器2の出口側の冷媒温度に感応し発生する圧力と、バイアスばねとして作用する圧縮コイルばね31のばね力による圧力との合計に対する、放熱器2の出口側の冷媒圧力の平衡関係により動作する。
【0024】ベローズ装置23の上端部分には弁保持部材32が固定されており、弁保持部材32にボール弁体による圧力制御用弁体33が固定されている。圧力制御用弁体33は、ベローズ装置23によって駆動され、圧力制御弁用弁ポート20の開閉と開度設定を行う。
【0025】逃し弁室19には逃し用弁ポート22を開閉するボール弁体による逃し弁体34が設けられている。また、逃し弁室19には、逃し弁体34に係合しているばねリテーナ部材35と弁ハウジング13にねじ止めされたばねリテーナ部材17との間には逃し用弁体34を閉弁方向に付勢する圧縮コイルばねによる逃し圧設定ばね36が設けられている。逃し弁体34の設定圧力は、炭酸ガス冷媒の場合には、9MPa程度に設定すればよい。
【0026】延長通路21はハウジング内通路16の下流側に連通しているから、ハウジング内通路16は逃し用弁ポート22より上流側にあり、逃し弁体34が開弁すれば、圧力制御用弁体33が閉弁していても、ベローズ本体25の外側に位置するハウジング内通路16に流体(冷媒)の流れが生じ、ベローズ装置23が放熱器2より蒸発器3へ向かう冷媒の流れ中に曝されるようになる。
【0027】つぎに、上述の逃し弁付き圧力制御弁10の動作について説明する。通常時は、逃し弁体34は逃し圧設定ばね36のばね力より逃し用弁ポート22を閉じており、ベローズ装置23が放熱器2の出口側の冷媒の圧力および温度に感応して動作することで、圧力制御用弁体33が高圧制御弁として動作し、放熱器2の出口側の冷媒の圧力および温度に感応して放熱器2と蒸発器3との連通度を制御する。これにより、放熱器2の出口側の圧力が制御され、この制御によって、通常時には最適制御線に沿う運転が行われ、高い成績係数による運転が行われる。
【0028】高圧側圧力が高い条件で冷房負荷が小さく、蒸発器3側の圧力が低いと、逃し圧設定ばね36のばね力に抗して逃し用弁ポート22が開弁し、圧力制御弁用弁ポート20をバイパスして放熱器2と蒸発器3との連通度が増大する。これにより、冷房負荷が少ない場合でも省動力化が図れる。
【0029】また、始動時において、圧力制御弁用弁ポート20が閉じられている状態で、放熱器2と蒸発器3との差圧、換言すれば、圧縮機1の吐出圧力と吸入圧力との差が所定値以上になると、逃し圧設定ばね36のばね力に抗して逃し用弁ポート22が開弁し、圧力制御弁用弁ポート20をバイパスして放熱器2と蒸発器3とが連通し、ハウジング内通路16内を冷媒が流れるようになる。これにより、ベローズ装置23が放熱器2の出口側の正規の温度を検知し、これに応じて放熱器2と蒸発器3との連通度が設定されるから、高外気温によってベローズ装置23の内圧が高くなっていても、速やかに正規の運転が行われるようになる。
【0030】また、圧縮機1の回転数が高騰し、放熱器2側の圧力が急激に上昇した場合も、逃し圧設定ばね36のばね力に抗して逃し用弁ポート22が開弁し、放熱器2と蒸発器3とが連通するから、安全弁としての作用も得られる。
【0031】
【発明の効果】以上の説明から理解される如く、請求項1に記載の発明による超臨界蒸気圧縮サイクル装置によれば、高圧制御弁が放熱器の出口側の冷媒の圧力および温度に感応して放熱器と蒸発器との連通度を制御して放熱器出口側の圧力を制御し、この制御によって通常時には最適制御線に沿う運転が行われ、放熱器の出口側の冷媒の圧力と蒸発器の入口側の冷媒の圧力との差圧が所定値以上になると、逃し弁が開弁することにより、高圧側圧力が高い条件で冷房負荷が少ない場合に省動力化が図れる超臨界蒸気圧縮サイクル装置の適正運転が保証される。
【0032】請求項2に記載の発明による超臨界蒸気圧縮サイクル装置によれば、高圧制御弁が放熱器の出口側の冷媒の圧力および温度に感応して放熱器と蒸発器との連通・遮断ならびに連通度を制御して放熱器出口側の圧力を制御し、この制御によって通常時には最適制御線に沿う運転が行われ、放熱器の出口側の冷媒の圧力と蒸発器の入口側の冷媒の圧力との差圧が所定値以上になると、逃し弁が開弁することにより、冷房負荷が少ない場合に高駆動力が必要であることに対応した超臨界蒸気圧縮サイクル装置の運転を保証し、また、逃し弁が開弁すれば、高圧制御弁が閉弁していても、圧力・温度感応室に流体の流れが生じ、圧力・温度感応手段が放熱器より蒸発器へ向かう冷媒の流れ中に曝され、圧力・温度感応手段が正規の温度に感応するようになり、高外気温時の超臨界蒸気圧縮サイクル装置の速やかな始動が保証される。
【0033】請求項3に記載の発明による逃し弁付き圧力制御弁によれば、圧力制御弁体が圧力・温度感応手段により駆動されて圧力制御弁用弁ポートの開閉と開度設定を行い、逃し弁用弁ポート前後の差圧が逃し圧設定ばねにより設定される逃し圧以上になると、逃し用弁体が開弁し、圧力制御弁用弁ポートをバイパス形態で連通状態になり、コンパクトな複合弁が得られる。
【0034】請求項4に記載の発明による逃し弁付き圧力制御弁によれば、逃し弁が開弁すると、高圧制御弁が閉弁していても、圧力・温度感応室に流体の流れが生じ、圧力・温度感応手段が圧力・温度感応室の流体の流れ中に曝され、圧力・温度感応手段が圧力・温度感応室を流れる流体の圧力、温度に感応するようになり、圧力・温度感応手段を速やかに正規動作させることが可能になる。
【0035】請求項5に記載の発明による逃し弁付き圧力制御弁によれば、圧力制御弁体が圧力・温度感応手段である密封型のベローズ装置により駆動され、圧力制御弁用弁ポートの開閉と開度設定が長期間に亙って安定して行われる。
【0036】請求項6に記載の発明による逃し弁付き圧力制御弁によれば、超臨界蒸気圧縮サイクル装置において、放熱器の出口側の冷媒の圧力および温度に感応して放熱器より蒸発器へ流れる冷媒流量を制御する高圧制御弁と、放熱器の出口側の冷媒の圧力と蒸発器の入口側の冷媒の圧力との差圧が所定値以上の場合に開弁する逃し弁との複合弁として使用され、通常時の最適制御線に沿う運転と、冷房負荷が少ない場合に高駆動力が必要であることや、ダイヤフラム室内やベローズ室内の内圧が高外気温によって高くなっていることに対応した、超臨界蒸気圧縮サイクル装置の適正運転とが両立する。




 

 


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