JP2012225561A - 膨張弁 - Google Patents

Abstract

【課題】コストをかけることなくパワーエレメントのディスクを正確に芯決めできる膨張弁を提供する。
【解決手段】パワーエレメント１２のダイヤフラム３１の中央部に感温室側へくぼんだ凹部３１ａを有し、ディスク３２には、ダイヤフラム３１の凹部３１ａに嵌合する形状の凸部３２ａを有している。ディスク３２は、バルブホルダ２２、弁体２１およびシャフト３３を介して、圧縮コイルスプリング２３によりダイヤフラム３１に押し付けられることで、ダイヤフラム３１による芯決めが維持されている。パワーエレメント１２がエバポレータから戻ってきた冷媒の温度および圧力を感知してダイヤフラム３１が軸線方向に変位したとしても、それによってディスク３２が径方向にずれることがない。
【選択図】図１

Description

本発明は膨張弁に関し、特に自動車用エアコンシステムの冷凍サイクルにおいて液冷媒を断熱膨張させて低温・低圧の蒸気冷媒にしながらエバポレータに送り込む蒸気冷媒の流量をエバポレータ出口の冷媒が所定の過熱度を維持するよう制御する膨張弁に関する。

自動車用エアコンシステムでは、冷媒を圧縮するコンプレッサと、冷媒を凝縮するコンデンサと、気液混合冷媒を分離するレシーバと、冷媒を断熱膨張させる膨張弁と、冷媒を蒸発させるエバポレータとを環状に配管して冷凍サイクルが構成されている。冷媒を膨張させる膨張弁としては、エバポレータ出口の冷媒の温度および圧力に応じてエバポレータへ供給する冷媒の流量を制御するようにした温度式膨張弁が一般に用いられている。

このタイプの膨張弁は、液冷媒を絞り膨張させる弁部と、エバポレータ出口の冷媒の温度および圧力を感知するパワーエレメントとを備え、そのパワーエレメントの感知結果を弁部に伝達して弁部の開度を制御している（たとえば、特許文献１参照）。

パワーエレメントは、ダイヤフラムをアッパーハウジングとロアハウジングとで挟持し、これらの外周を共に溶接することによって形成されている。ダイヤフラムおよびアッパーハウジングは、ガスが充填された感温室を構成している。このようなパワーエレメントでは、エバポレータを出た冷媒がロアハウジングに導入されてダイヤフラムに接触されると、感温室内の温度および圧力が変化してダイヤフラムの中央部が変位する。ロアハウジング内では、ダイヤフラムにディスクの平面が接触して配置され、そのディスクにはダイヤフラムの変位を弁部へ伝えるシャフトが圧入されている。このシャフトは、ボディ内に嵌合されたホルダによって軸方向に進退自在に保持されている。このホルダは、シャフトを支持するだけでなく、ディスクに近い位置でシャフトに横荷重を付与するスプリングを収容している。このスプリングは、シャフトに横荷重を付与することで、弁部に導入される高圧の冷媒が周期的な圧力変動を起こしたときに、弁体が開閉方向に振動して異音が発生するのを抑制している。

パワーエレメントのディスクは、ロアハウジング内に配置され、ダイヤフラムの変位に従って、その変位方向に往復移動する。ディスクは、ホルダに保持されたシャフトに支持されることによって正確に芯決めされ、往復移動の際にロアハウジングの内壁に接触することがないようにしている。

このように、弁部の弁体およびシャフトをその軸方向に振動するのを抑制する手段がパワーエレメント側に設けられているが、弁部側に設けた構造を有する膨張弁も知られている（たとえば、特許文献２参照）。この膨張弁は、シャフトを保持しながら横荷重を付与するという必要はないので、シャフトを保持し、スプリングを収容するようなホルダが不要であり、シャフトは、その軸方向のほぼ中央位置で直接ボディによって軸方向に進退自在に保持されている。

特開２０１１−２１４０号公報 特開２００５−１５６０４６号公報

しかし、シャフトがボディにより保持されている膨張弁では、シャフトのパワーエレメント側の先端がボディによる保持位置から離れており、しかも、大きなディスクを支持しているので、シャフトの先端を正確に芯決めすることが難しいという問題点があった。正確な芯決めが維持されていない場合、ディスクがロアハウジングの内壁に接触し、その摺動抵抗で正しい開弁特性が得られない可能性がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、コストをかけることなくパワーエレメントのディスクを正確に芯決めすることができるような膨張弁を提供することを目的とする。

本発明では上記の課題を解決するために、蒸発した冷媒の温度および圧力を感知して液冷媒を絞り膨張させる弁部の弁リフトを制御するパワーエレメントを備えた膨張弁において、前記パワーエレメントは、互いに当接状態にあるダイヤフラムおよびディスクの当接部分を嵌合構造にしたことを特徴とする膨張弁が提供される。

このような膨張弁によれば、ダイヤフラムおよびディスクの互いに当接する部分を嵌合構造にしたことにより、ダイヤフラム自身がディスクを正確に芯決めすることができるようになる。

上記構成の膨張弁は、ダイヤフラムがディスクを芯決めするので、部品点数を増やすことなく、ディスクの芯決めが可能になるという利点がある。また、ダイヤフラムがディスクの径方向のずれを防止でき、ディスクがハウジングに接触してしまうことがないので、安定した開弁特性を得ることができる。さらに、ダイヤフラムは、中央が膨出されていて平らではないので、パワーエレメントを組み立てるときにダイヤフラムを逆組み付けしてしまうことを回避できる。

第１の実施の形態に係る膨張弁の中央縦断面図である。 図１の面に垂直な平面で見た中央縦断面図である。 第２の実施の形態に係る膨張弁のパワーエレメントを示す部分拡大断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は第１の実施の形態に係る膨張弁の中央縦断面図、図２は図１の面に垂直な平面で見た中央縦断面図である。

この第１の実施の形態に係る膨張弁は、弁部を収容したボディ１１と冷媒の温度および圧力に応動して弁部を制御するパワーエレメント１２とを備えた温度式膨張弁である。ボディ１１には、高圧の冷媒を受ける高圧入口ポート１３と、低圧の冷媒を導出する低圧出口ポート１４と、エバポレータを出た冷媒を受ける戻り冷媒入口ポート１５と、冷媒をコンプレッサへ戻す戻り冷媒出口ポート１６とが設けられている。

高圧入口ポート１３は、これよりも通路断面積の小さな冷媒流通孔１７を介して弁室１８に接続されている。弁室１８は、弁孔１９を介して低圧出口ポート１４に連通されている。弁孔１９の弁室１８側の端部は、弁座２０になっており、その弁座２０に対して着座可能なボール形状の弁体２１が弁室１８内に配置され、その弁座２０と弁体２１と弁孔１９とでこの膨張弁の弁部を構成している。

弁体２１は、バルブホルダ２２に支持され、このバルブホルダ２２は、弾性体である圧縮コイルスプリング２３によって弁体２１を弁座２０に着座させる方向に付勢されている。圧縮コイルスプリング２３は、そのバルブホルダ２２とは反対の側がボディ１１に圧入されているスプリングホルダ（アジャスト部材）２４によって受けられている。スプリングホルダ２４は、ボディ１１への圧入量を調節することで、弁孔１９を閉じる方向にバルブホルダ２２を付勢する圧縮コイルスプリング２３のばね荷重を調整する。これにより、この膨張弁のセット値が調整され、この膨張弁が制御しようとするエバポレータの出口における冷媒の過熱度が設定されることになる。スプリングホルダ２４は、また、その外周面に溝が周設されており、その溝には、シール部材であるＯリング２５が設けられていて、圧入部位がシールされている。

バルブホルダ２２は、また、複数の摺動片（摺動部材）２６が同一材料にて一体に形成されており、その摺動片２６の自由端側は、スプリングホルダ２４の内壁に圧接されている。バルブホルダ２２は、弁体２１と圧縮コイルスプリング２３とによって挟持されているので、弁体２１が弁座２０に対して近接または離間する動作に連動して摺動片２６がスプリングホルダ２４の内壁を摺動することになる。

バルブホルダ２２および摺動片２６は、たとえばばね用ステンレス鋼の板材をプレス加工により一体に形成されている。また、スプリングホルダ２４も、摺動片２６による摺動によって容易に摩耗することがないようにステンレス鋼によって形成されている。このスプリングホルダ２４および摺動片２６は、高圧入口ポート１３に導入される高圧の冷媒が変動することにより弁体２１が開閉方向に振動するのを防止する機構を構成している。

膨張弁のボディ１１は、また、戻り冷媒入口ポート１５と戻り冷媒出口ポート１６との間にこれらを連通する冷媒戻り通路２８を有し、図の上端部にはその冷媒戻り通路２８を通過する冷媒の温度および圧力を感知するパワーエレメント１２が設けられている。パワーエレメント１２は、アッパーハウジング２９と、ロアハウジング３０と、これらアッパーハウジング２９およびロアハウジング３０によって挟持されたダイヤフラム３１と、ロアハウジング３０内に配置されたディスク３２とを備えている。アッパーハウジング２９およびダイヤフラム３１は、気密に密閉された感温室を構成し、その間温室には、所定のガスが封入されている。ロアハウジング３０は、その中央部に開口部を有し、その開口部の周囲より図の下方にハブ部が延出され、そのハブ部の外周面には、ねじ山が刻設されている。パワーエレメント１２は、そのロアハウジング３０をボディ１１の図の上端部に形成された取付孔部にねじ込むことによってボディ１１と連結されている。

ディスク３２は、ロアハウジング３０のハブ部の径より大きな外径を有する円盤状のダイヤフラム受部と、このダイヤフラム受部の中央部より弁部側へ延出された円柱状延出部とを有している。円柱状延出部は、ロアハウジング３０のハブ部の内径より小さな外径を有し、図の下端面には凹部が形成され、その凹部の底は平面に形成されている。

ダイヤフラム３１は、その中央部にディスク３２の位置合わせのために感温室側へくぼんだ凹部３１ａが形成されている。この凹部３１ａは、感温室側へ行くに従って直径が漸減する截頭円錐形の形状を有している。また、ディスク３２は、そのダイヤフラム受部の中央部にダイヤフラム３１の側へ突出された凸部３２ａを有している。

ディスク３２の凸部３２ａがダイヤフラム３１の凹部３１ａに嵌合するようにして組み込まれることにより、ディスク３２は、その軸線方向に動いているときに径方向にずれていくのをダイヤフラム３１によって支える構造にしている。ダイヤフラム３１の凹部３１ａは、截頭円錐形の形状にしていることによって、ディスク３２の凸部３２ａが組み込まれるときにディスク３２が自動的に調芯され、芯決めされる。また、ダイヤフラム３１が凹部３１ａを有していることによって、パワーエレメント１２を構成するときに、ダイヤフラム３１をディスク３２の凸部３２ａに合わせるようにして搭載すればよいので、ダイヤフラム３１の逆組み付けを防止することができる。

ディスク３２の図の下方には、ダイヤフラム３１の変位を弁体２１へ伝達するシャフト３３が配置され、ボディ１１によって軸線方向に進退自在に支持されている。このシャフト３３は、その上端部が、ディスク３２の円柱状延出部に形成された凹部に挿入されてその凹部の底面に当接され、下端部が弁体２１に当接されている。ディスク３２の円柱状延出部に形成された凹部は、シャフト３３の外径よりも大きな内径を有しているので、ディスク３２がシャフト３３によって拘束されることはない。また、ディスク３２は、シャフト３３によって芯決めされることはないので、シャフト３３の先端が正確に芯決めされている必要はなく、シャフト３３を芯決めするためのホルダも必要ない。このため、ダイヤフラム３１によるディスク３２の芯決めの構造は、弁体２１が開閉方向に振動するのを防止する機構を弁体２１のパワーエレメント１２とは反対側に設置した膨張弁に適用して好適である。

シャフト３３は、ボディ１１によって支持されている部位に溝が周設されており、その溝には、Ｏリング３４が設けられている。このＯリング３４を設けることにより、膨張した冷媒がエバポレータをバイパスして冷媒戻り通路２８に漏れるのを防止している。

以上の構成の膨張弁によれば、ディスク３２は、バルブホルダ２２、弁体２１およびシャフト３３を介して、圧縮コイルスプリング２３による付勢力によりダイヤフラム３１に押し付けられている。これにより、ダイヤフラム３１およびディスク３２は、互いに当接状態にあり、ダイヤフラム３１の凹部３１ａおよびディスク３２の凸部３２ａの嵌合構造によって、ディスク３２は、ダイヤフラム３１による芯決めが維持されている。

ここで、高圧入口ポート１３に液冷媒が導入されると、その液冷媒は、冷媒流通孔１７を介して弁室１８に入る。液冷媒が冷媒流通孔１７を通過するとき、液冷媒に混入されている大きな気泡は、その通過が抑制されるとともに小さな気泡に細分化される。弁室１８に入った液冷媒は、弁座２０と弁体２１との間の隙間および弁孔１９を介して低圧出口ポート１４に流れる。このとき、その液冷媒は、絞り膨脹されて、低温・低圧の蒸気冷媒となり、低圧出口ポート１４からエバポレータに供給される。

エバポレータにて車室内空気との熱交換により蒸発されたガス冷媒は、戻り冷媒入口ポート１５に導入され、冷媒戻り通路２８を通って戻り冷媒出口ポート１６からコンプレッサに戻される。ガス冷媒が冷媒戻り通路２８を通過するとき、そのガス冷媒は、パワーエレメント１２のロアハウジング３０の空間に導入されて温度および圧力が検出され、それに応じてダイヤフラム３１が変位する。そのダイヤフラム３１の変位は、ディスク３２およびシャフト３３を介して弁体２１に伝達され、弁体２１の弁座２０からの弁リフトを調整して、エバポレータに供給する冷媒の流量を制御する。このようにして、膨張弁は、エバポレータの出口における冷媒の過熱度が所定値を維持するような流量に制御して、エバポレータに供給することになる。

図３は第２の実施の形態に係る膨張弁のパワーエレメントを示す部分拡大断面図である。なお、この図３において、図１に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

この第２の実施の形態に係る膨張弁は、パワーエレメント１２に関し、第１の実施の形態に係る膨張弁と比較して、ダイヤフラム３１の凹部３１ａおよびディスク３２の凸部３２ａの形状を変更している。すなわち、この膨張弁のパワーエレメント１２においては、ダイヤフラム３１の凹部３１ａは、球の一部を切ったような球面の形状を有し、ディスク３２の凸部３２ａは、そのダイヤフラム３１の凹部３１ａの球面に緊密に嵌合するような球面の形状を有している。

ディスク３２は、その凸部３２ａの球面とダイヤフラム３１の凹部３１ａの球面とが緊密に嵌合していることによって、正確に芯決めされている。ディスク３２は、圧縮コイルスプリング２３によってダイヤフラム３１に押し付けられているので、ダイヤフラム３１の軸線方向の動きに起因した径方向のずれを生じることはない。

１１ ボディ
１２ パワーエレメント
１３ 高圧入口ポート
１４ 低圧出口ポート
１５ 戻り冷媒入口ポート
１６ 戻り冷媒出口ポート
１７ 冷媒流通孔
１８ 弁室
１９ 弁孔
２０ 弁座
２１ 弁体
２２ バルブホルダ
２３ 圧縮コイルスプリング
２４ スプリングホルダ
２５ Ｏリング
２６ 摺動片
２８ 冷媒戻り通路
２９ アッパーハウジング
３０ ロアハウジング
３１ ダイヤフラム
３１ａ 凹部
３２ ディスク
３２ａ 凸部
３３ シャフト
３４ Ｏリング

Claims (5)

1. 蒸発した冷媒の温度および圧力を感知して液冷媒を絞り膨張させる弁部の弁リフトを制御するパワーエレメントを備えた膨張弁において、
   前記パワーエレメントは、互いに当接状態にあるダイヤフラムおよびディスクの当接部分を嵌合構造にしたことを特徴とする膨張弁。
2. 前記ダイヤフラムの中央部に感温室側へくぼんだ凹部が形成され、前記ディスクの中央部に前記ダイヤフラムの側へ突出した凸部が形成されて前記嵌合構造にしたことを特徴とする請求項１記載の膨張弁。
3. 前記ダイヤフラムに形成された前記凹部は、前記感温室側へ行くに従って直径が漸減する截頭円錐形の形状を有していることを特徴とする請求項２記載の膨張弁。
4. 前記ダイヤフラムの中央部に感温室側へ球面形状にくぼんだ凹部が形成され、前記ディスクの中央部に前記ダイヤフラムの側へ球面形状に突出した凸部が形成されて前記嵌合構造にしたことを特徴とする請求項１記載の膨張弁。
5. 前記弁部の弁体が開閉方向に振動するのを防止する機構を、前記弁体の前記パワーエレメントとは反対側に設置していることを特徴とする請求項１記載の膨張弁。

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