JP2022152982A - パワーエレメント及びそれを用いた膨張弁 - Google Patents

Abstract

【課題】制御性の悪化を抑えつつ膨張弁の小型化を図るとともに、シール性を維持することができるパワーエレメント及びそれを用いた膨張弁を提供する。【解決手段】上蓋部材、受け部材、及び前記上蓋部材と前記受け部材との間に挟まれるダイアフラムを含むパワーエレメントは、前記受け部材は、円筒部と、前記円筒部に対して交差する方向に折り曲げられた環状フランジ部とを有し、前記環状フランジ部に隣接する前記円筒部に切削加工が施されている。【選択図】図２

Description

本発明は、パワーエレメント及びそれを用いた膨張弁に関する。

従来、自動車に搭載される空調装置等に用いる冷凍サイクルにおいては、冷媒の通過量を温度に応じて調整する感温式の膨張弁が使用されている。

例えば特許文献１に示す膨張弁においては、高圧の冷媒が導入される入口ポートと入口ポートに連通する弁室とを有するとともに、弁本体の頂部には、パワーエレメントと称する弁部材の駆動機構が装備される。弁室内に配設される球状の弁体は、弁室に開口する弁座に対向し、パワーエレメントにより駆動される作動棒により操作されて、弁座との間の絞り通路の開度を制御する。

パワーエレメントは、圧力作動室を形成する上蓋部材と、圧力を受けて弾性変形する薄板のダイアフラムと、弁本体に固定される受け部材で構成される。また、上蓋部材とダイアフラムで形成される圧力作動室には作動ガスが封入される。さらに、ダイアフラムと受け部材との間の下部空間にはストッパ部材が配設される。

このようなパワーエレメントにおいて、弁本体から下部空間に流れ込む冷媒と、圧力作動室の作動ガスとの間で熱伝達が行われ、それにより圧力作動室の内圧が相対的に高まると、圧力作動室が膨張するようにダイアフラムが変形し、それによりストッパ部材が押されて作動棒を押圧し、弁座から弁体を離間させる。一方、圧力作動室の内圧が相対的に低下すると、ダイアフラムの変形が戻り、作動棒の押圧力が消失するため、弁体は弁座に着座する。

特開２０１７－１９８３７３号公報

ところで、自動車の燃費抑制を目的として車体の軽量化が望まれており、車載部品である膨張弁についても小型化、軽量化の要求がある。しかし、弁本体の小型化に合わせてパワーエレメントを小型化すると、弁本体からパワーエレメントの下部空間に流れ込む冷媒の流れが変化し、制御性が悪化するおそれがあった。

そこで、パワーエレメントを小型化せずに弁本体を小型化することで、制御性の悪化を抑制しつつ、膨張弁の小型化を図ることが提案された。しかしながら、本発明者らの検討結果によれば、パワーエレメントを小型化せずに弁本体を小型化した場合、パワーエレメントと弁本体とのシール性が悪化することが判明した。

そこで本発明は、制御性の悪化を抑えつつ膨張弁の小型化を図るとともに、シール性を維持することができるパワーエレメント及びそれを用いた膨張弁を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によるパワーエレメントは、
上蓋部材、受け部材、及び前記上蓋部材と前記受け部材との間に挟まれるダイアフラムを含むパワーエレメントであって、
前記受け部材は、円筒部と、前記円筒部に対して交差する方向に折り曲げられた環状フランジ部とを有し、
前記環状フランジ部に隣接する前記円筒部に切削加工が施されている、ことを特徴とする。

本発明により、制御性の悪化を抑えつつ膨張弁の小型化を図るとともに、シール性を維持することができるパワーエレメント及びそれを用いた膨張弁を提供することができる。

図１は、本実施形態における膨張弁を、冷媒循環システムに適用した例を模式的に示す概略断面図である。 図２は、図１の膨張弁におけるパワーエレメント近傍を拡大して示す断面図である。 図３は、本実施形態のパワーエレメントを単体で示す断面図である。 図４は、第２の実施形態にかかる膨張弁のパワーエレメント近傍を拡大して示す断面図である。 図５は、本実施形態のパワーエレメントを単体で示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明にかかる実施形態について説明する。

（方向の定義）
本明細書において、弁体３から作動棒５に向かう方向を「上方向」と定義し、作動棒５から弁体３に向かう方向を「下方向」と定義する。よって、本明細書では、膨張弁１の姿勢に関わらず、弁体３から作動棒５に向かう方向を「上方向」と呼ぶ。

（第１実施形態）
図１、２を参照して、本実施形態における膨張弁１の概要について説明する。図１は、本実施形態における膨張弁１を、冷媒循環システム１００に適用した例を模式的に示す概略断面図である。図２は、図１の膨張弁におけるパワーエレメント近傍を拡大して示す断面図である。図３は、本実施形態のパワーエレメントを単体で示す断面図である。

本実施形態では、膨張弁１は、コンプレッサ１０１と、コンデンサ１０２と、エバポレータ１０４とに流体接続されている。膨張弁１の軸線をＬとする。

図１において、膨張弁１は、弁室ＶＳを備える弁本体２と、弁体３と、付勢装置４と、作動棒５と、パワーエレメント８を具備する。

弁本体２は、弁室ＶＳに加え、第１流路２１と、第２流路２２と、中間室２２１と、戻り流路２３とを備える。第１流路２１は供給側流路であり、弁室ＶＳには、供給側流路を介して冷媒（流体ともいう）が供給される。第２流路２２は排出側流路（出口側流路ともいう）であり、弁室ＶＳ内の流体は、弁通孔２７、中間室２２１及び排出側流路を介して膨張弁外に排出される。

第１流路２１と弁室ＶＳとの間は、第１流路２１より小径の接続路２１ａにより連通している。弁室ＶＳと中間室２２１との間は、弁座２０及び弁通孔２７を介して連通している。

中間室２２１の上方に形成された作動棒挿通孔２８は、作動棒５をガイドする機能を有し、作動棒挿通孔２８の上方に形成された環状凹部２９は、リングばね６を収容する機能を有する。リングばね６は、作動棒５の外周に複数のばね片を当接させて、所定の付勢力を付与するものである。

弁体３は弁室ＶＳ内に配置される。弁体３が弁本体２の弁座２０に着座しているとき、弁通孔２７の冷媒の流れが制限される。この状態を非連通状態という。ただし、弁体３が弁座２０に着座した場合でも、制限された量の冷媒を流すこともある。一方、弁体３が弁座２０から離間しているとき、弁通孔２７を通過する冷媒の流れが増大する。この状態を連通状態という。

作動棒５は、弁通孔２７に所定の隙間を持って挿通されている。作動棒５の下端は、弁体３の上面に接触している。作動棒５の上端は、後述するストッパ部材８４の嵌合孔８４ｃに嵌合している。

作動棒５は、付勢装置４による付勢力に抗して弁体３を開弁方向に押圧することができる。作動棒５が下方向に移動するとき、弁体３は、弁座２０から離間し、膨張弁１が開状態となる。

付勢装置４は、断面円形の線材を螺旋状に巻いたコイルばね４１と、弁体サポート４２と、ばね受け部材４３とを有する。

弁体サポート４２は、コイルばね４１の上端に取り付けられており、その上面には球状の弁体３が溶接され、両者は一体となっている。

コイルばね４１の下端を支持するばね受け部材４３は、弁本体２に対して螺合可能となっていて、弁室ＶＳを密封する機能と、コイルばね４１の付勢力を調整する機能とを有する。

次に、パワーエレメント８について説明する。図２に示すように、パワーエレメント８は、栓８１と、上蓋部材８２と、ダイアフラム８３と、受け部材８６と、ストッパ部材８４とを有する。

略円錐形状の上蓋部材８２の頂部には開口８２ａが形成され、栓８１により封止可能となっている。

ダイアフラム８３は、同心円の凹凸形状を複数個形成した薄い金属（たとえばＳＵＳ）製の板材からなり、上蓋部材８２及び受け部材８６の外径とほぼ同じ外径を有する。

受け部材８６は、上蓋部材８２の外径とほぼ同じ外径を持つ第１環状フランジ部８６ａと、第１環状フランジ部８６ａの内周に連設された第１円筒部８６ｂと、第１円筒部８６ｂの下端に連設され径方向内方に向かう第２環状フランジ部８６ｃと、第２環状フランジ部８６ｃの内周に連設された第２円筒部８６ｄとを有している。第２円筒部８６ｄの下端側外周には、雄ねじ部８６ｅが形成されている。

ここで、受け部材８６の製造方法を説明する。まず金属製の板材をプレス成形することによって、第１環状フランジ部８６ａと、第１円筒部８６ｂと、第２環状フランジ部８６ｃと、第２円筒部８６ｄとを形成する。プレス形成後においては、互いに直交する方向に延在する第２環状フランジ部８６ｃと第２円筒部８６ｄとの境界部に、図３に点線で示すように断面円弧状（上方に向かうにつれて拡径するテーパ形状)の遷移部ＴＦが生じるが、これがシールの密封性を低下させるおそれがある。

より具体的に説明すると、まず弁体３の制御性の悪化を抑制するためには、第２円筒部８６ｄの内径を大きく確保する必要があるため、パワーエレメント８を小型化しない方針とする。かかる場合において、膨張弁１全体の小型化を図るために弁本体２を小型化すると、弁本体２の上端面の面積が小さくなる。このような弁本体２に、遷移部ＴＦが生じたパワーエレメント８を取り付けると、受け部材８６と、弁本体２のシール凹部２ｃとの間に形成されるシールスペースＳＰ(図２)の容積が、遷移部ＴＦにより制限されることとなる。そのため、シールスペースＳＰ内に収容されるリング状のシール(パッキンともいう)ＳＬの充填率が１００％を超えてしまい、シールＳＬがはみ出すおそれがある。これを阻止するために断面が小さなシールＳＬを採用すると、シールＳＬの密封性が低下し、またシールＳＬの耐久性も低下するおそれがある。

そこで本実施形態では、プレス成形後において、第２環状フランジ部８６ｃに隣接する第２円筒部８６ｄに機械加工を施して、遷移部ＴＦを除去している。より具体的には、チャックにより受け部材８６を把持し、軸線Ｌ回りに回転させつつ、切削工具を径方向から第２環状フランジ部８６ｃに沿って接近させ、シール凹部２ｃの径方向内側において、遷移部ＴＦを切削加工して軸線Ｌに平行な円筒面を形成するとともに、第２環状フランジ部８６ｃの平坦な下面を拡張する。またチャックから分離せずに、第２円筒部８６ｄの外周に切削加工等で雄ねじ部８６ｅを形成する。なお、切削加工後においても、切削工具のすくい面の微細なＲ形状が、第２環状フランジ部８６ｃと第２円筒部８６ｄとの境界部に転写されてしまうが、かかるＲ形状はプレス加工により形成される遷移部ＴＦよりも格段に小さいため、シールスペースＳＰの容積をほとんど制限しない。

本実施の形態によれば、第２円筒部８６ｄにおいて、第２環状フランジ部８６ｃと雄ねじ部８６ｅとの間が、切削加工された円筒面となるため、受け部材８６と、弁本体２のシール凹部２ｃとの間に形成されるシールスペースＳＰを大きく確保することができる。したがって、比較的断面(ここでは矩形断面)が大きいシールＳＬを採用することができ、シールの密封性や耐久性を向上させることができる。

ストッパ部材８４は、ダイアフラム８３に対向する円盤部８４ａと、円盤部８４ａの下方に連設された円筒状の本体８４ｂと、本体８４ｂの下面中央に形成された袋穴状の嵌合孔８４ｃとを有する。円盤部８４ａの下面外周は、第２環状フランジ部８６ｃの上面により支持される。

パワーエレメント８の組み立て手順を説明する。ダイアフラム８３と受け部材８６との間にストッパ部材８４を配置しつつ、上蓋部材８２と、ダイアフラム８３と、受け部材８６のそれぞれ外周部を重ね合わせ、当該外周部を例えばＴＩＧ溶接やレーザ溶接、プラズマ溶接等により周溶接して一体化する。

続いて、上蓋部材８２に形成された開口８２ａから、上蓋部材８２とダイアフラム８３とで囲われる空間（圧力作動室ＰＯという）内に作動ガスを封入した後、開口８２ａを栓８１で封止し、更にプロジェクション溶接等を用いて、栓８１を上蓋部材８２に固定する。

このとき、圧力作動室ＰＯに封入された作動ガスにより、ダイアフラム８３は受け部材８６側に張り出す形で圧力を受けるため、ダイアフラム８３と受け部材８６とで囲われる下部空間ＬＳに配置されたストッパ部材８４の上面と当接して支持される。

以上のようにアッセンブリ化したパワーエレメント８を、弁本体２に組み付けるときは、受け部材８６の第２円筒部８６ｄの下端外周に設けた雄ねじ部８６ｅを、弁本体２の戻り流路２３に連通する凹部２ａの内周に形成した雌ねじ２ｂに螺合させる。雄ねじ部８６ｅを雌ねじ２ｂに対して螺進させてゆくと、受け部材８６の下端が弁本体２の上端面に当接する。これによりパワーエレメント８を弁本体２に固定できる。

このとき、パワーエレメント８と弁本体２との間のシールスペースＳＰに介装されたシールＳＬが、弁本体２にパワーエレメント８を取り付けた際の凹部２ａからの冷媒のリークを防止する。かかる状態で、パワーエレメント８の下部空間ＬＳは戻り流路２３と連通し、すなわち同じ内圧となる。

（膨張弁の動作）
図１を参照して、膨張弁１の動作例について説明する。コンプレッサ１０１で加圧された冷媒は、コンデンサ１０２で液化され、膨張弁１に送られる。また、膨張弁１で断熱膨張された冷媒はエバポレータ１０４に送り出され、エバポレータ１０４で、エバポレータの周囲を流れる空気と熱交換される。エバポレータ１０４から戻る冷媒は、膨張弁１（より具体的には、戻り流路２３）を通ってコンプレッサ１０１側へ戻される。このとき、エバポレータ１０４を通過することで、第２流路２２内の流体圧は、戻り流路２３の流体圧より大きくなる。

膨張弁１には、コンデンサ１０２から高圧冷媒が供給される。より具体的には、コンデンサ１０２からの高圧冷媒は、第１流路２１を介して弁室ＶＳに供給される。

弁体３が、弁座２０に着座しているとき（非連通状態のとき）には、弁室ＶＳから弁通孔２７、中間室２２１及び第２流路２２を通ってエバポレータ１０４へ送り出される冷媒の流量が制限される。他方、弁体３が、弁座２０から離間しているとき（連通状態のとき）には、弁室ＶＳから弁通孔２７、中間室２２１及び第２流路２２を通って、エバポレータ１０４へ送り出される冷媒の流量が増大する。膨張弁１の閉状態と開状態との間の切り換えは、ストッパ部材８４を介してパワーエレメント８に接続された作動棒５によって行われる。

図１において、パワーエレメント８の内部には、ダイアフラム８３により仕切られた圧力作動室ＰＯと下部空間ＬＳとが設けられている。このため、圧力作動室ＰＯ内の作動ガスが液化されると、ダイアフラム８３とストッパ部材８４が上昇するため、コイルばね４１の付勢力に応じて作動棒５は上方向に移動する。一方、液化された作動ガスが気化されると、ダイアフラム８３とストッパ部材８４が下方に押圧されるため、作動棒５は下方向に移動する。こうして、膨張弁１の開状態と閉状態との間の切り換えが行われる。

更に、パワーエレメント８の下部空間ＬＳは、戻り流路２３と連通している。このため、戻り流路２３を流れる冷媒の温度・圧力に応じて、圧力作動室ＰＯ内の作動ガスの体積が変化し、作動棒５が駆動される。換言すれば、図１に記載の膨張弁１では、エバポレータ１０４から膨張弁１に戻る冷媒の温度・圧力に応じて、膨張弁１からエバポレータ１０４に向けて供給される冷媒の量が自動的に調整される。

本実施の形態によれば、パワーエレメント８を小型化しないことから、受け部材８６の内径を変更する必要がなく、戻り流路２３から下部空間ＬＳに流れ込む冷媒の流れも変化しないため、弁体３の制御性の悪化を抑制することができる。なお、制御性の悪化とは、目標値に対して実際の値が大きく超過することや、目標値に対して実際の値が上下に振れることを言う。

（第２実施形態）
図４は、第２の実施形態にかかる膨張弁のパワーエレメント近傍を拡大して示す断面図である。図５は、本実施形態のパワーエレメント８Ａを単体で示す断面図である。本実施形態は、上述の実施形態に対してパワーエレメント８Ａの受け部材８６Ａの形状のみが異なる。それ以外の構成は、上述した実施の形態と同様であるため、同じ符号を付して重複説明を省略する。

受け部材８６Ａの製造方法を説明する。上述した実施形態と同様に、金属製の板材をプレス成形することによって、第１環状フランジ部８６Ａａと、第１円筒部８６Ａｂと、第２環状フランジ部８６Ａｃと、第２円筒部８６Ａｄとを形成する。

さらに、プレス成形後において、互いに直交する方向に延在する第２環状フランジ部８６Ａｃと第２円筒部８６Ａｄとの境界部に切削加工を施して、縮径部８６Ａｆを形成する。縮径部８６Ａｆの外径は、雄ねじ部８６Ａｅのねじ外径よりも小さくなっている。

本実施の形態によれば、第２環状フランジ部８６Ａｃと雄ねじ部８６Ａｅとの間に、縮径部８６Ａｆを形成することによって、受け部材８６Ａと、弁本体２のシール凹部２ｃとの間に形成されるシールスペースＳＰをさらに大きく確保することができる。したがって、断面がより大きなシールＳＬを採用することができ、シールの密封性や耐久性を向上させることができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されない。本発明の範囲内において、上述の実施形態の任意の構成要素の変形が可能である。また、上述の実施形態において任意の構成要素の追加または省略が可能である。

１ ：膨張弁
２ ：弁本体
３ ：弁体
４ ：付勢装置
５ ：作動棒
６ ：リングばね
８、８Ａ ：パワーエレメント
２０ ：弁座
２１ ：第１流路
２２ ：第２流路
２３ ：戻り流路
２７ ：弁通孔
４１ ：コイルばね
４２ ：弁体サポート
４３ ：ばね受け部材
１００ ：冷媒循環システム
１０１ ：コンプレッサ
１０２ ：コンデンサ
１０４ ：エバポレータ
ＶＳ ：弁室

上記目的を達成するために、本発明によるパワーエレメントは、
上蓋部材、受け部材、及び前記上蓋部材と前記受け部材との間に挟まれるダイアフラムを含むパワーエレメントであって、
前記受け部材はプレス加工により形成されており、円筒部と、前記円筒部に隣接し前記円筒部の外周方向に延設された環状フランジ部とを有し、
前記円筒部のうち前記環状フランジ部に隣接する部位に切削加工が施されている、ことを特徴とする。

Claims (6)

1. 上蓋部材、受け部材、及び前記上蓋部材と前記受け部材との間に挟まれるダイアフラムを含むパワーエレメントであって、
   前記受け部材は、円筒部と、前記円筒部に対して交差する方向に折り曲げられた環状フランジ部とを有し、
   前記環状フランジ部に隣接する前記円筒部に切削加工が施されている、
   ことを特徴とするパワーエレメント。
2. 前記円筒部には、前記パワーエレメントの軸線に平行に切削加工が施されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のパワーエレメント。
3. 前記円筒部は雄ねじ部を備え、前記円筒部には、前記雄ねじ部よりも外径が小さな縮径部を形成するように切削加工が施されている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のパワーエレメント。
4. 前記パワーエレメントは、弁本体に取り付け可能であり、
   前記環状フランジ部に対向して、前記弁本体にシール凹部が形成されており、
   前記シール凹部の径方向内側における前記円筒部に切削加工が施されている、
   ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のパワーエレメント。
5. 前記円筒部と前記環状フランジ部とは、プレス成形により折り曲げられている、
   ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載のパワーエレメント。
6. 請求項１～５のいずれか一項に記載のパワーエレメントを有することを特徴とする膨張弁。
   
   

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