JP7217504B2 - 膨張弁 - Google Patents

Description

本発明は、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ついては、設置スペースや配管を省略するために、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。

感温式の膨張弁のあるタイプにおいては、弁本体が、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体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、弁室に開口する弁孔の弁座に対向し配置される。弁体は、弁室内に配置された支持部材に支持され、コイルバネにより弁座方向へ付勢される。そして、弁体は、冷媒の圧力に応じて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。また、弁孔を通った冷媒は、出口ポートから蒸発器側へ送られる。

一般的な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、冷媒の流路に連通した受け部材で構成され、３つの部材を重ね合わせて外周部を接合して形成される。そして、ダイアフラムと受け部材との間には、作動棒に嵌合する孔を設けたストッパ部材が配置されている。圧力作動室内の圧力よりも冷媒の流路内圧力が低下すると、ダイアフラムがストッパ部材を押圧することで、作動棒が弁体を押して開弁させるようになっている。

特開２０１７－１９８３８７号公報

ところで、空調装置をオフ操作した場合など、圧力作動室よりも冷媒の流路内の圧力が一時的に高まることがある。かかる場合、冷媒の流路内の圧力により、ダイアフラムがストッパ部材から離間する方向に付勢され、それによりダイアフラムとストッパ部材との間に隙間が生じる場合（フリー状態という）がある。このとき、外部から膨張弁に対して振動が付与されると、ストッパ部材がその隙間の範囲で細かく振動して異音を発生する虞れがある。

そこで本発明の目的は、低騒音を実現できる、改良された膨張弁を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明による膨張弁は、
流体が通過する流路内に配置され、環状の弁座を備えた弁本体と、
前記弁座に着座することにより前記流体の通過を阻止し、前記弁座から離間することにより前記流体の通過を許容する弁体と、
前記弁体を前記弁座に向かって付勢するコイルばねと、
前記弁体に一端を当接させた作動部材と、
前記作動部材を前記弁体が前記弁座から離間する方向に駆動するパワーエレメントと、を有し、
前記パワーエレメントは、作動ガスが封入された圧力作動室と、前記流路に連通する圧力検出室とを内包するケースと、前記ケース内で前記圧力作動室と前記圧力検出室とを仕切るダイアフラムと、前記作動部材の他端と前記ダイアフラムとの間に配置されたストッパ部材と、前記ケースと前記ストッパ部材との間に配置された押さえ部材と、を有し、
前記押さえ部材は、前記ケースに固定されたベースと、前記ベースから延在して前記ストッパ部材に当接する複数の爪部と、を有する、ことを特徴とする。

本発明により、低騒音を実現できる、改良された膨張弁を提供することができる。

図１は、第１の実施形態における膨張弁１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、パワーエレメント８を分解して示す縦断面図である。 図３は、押さえ部材８５の斜視図である。 図４は、リングばね６を示す斜視図である。 図５は、リングばね６と作動棒５とを、膨張弁１の軸線Ｌに直交する方向に切断して示す図である。 図６は、防振ばね４４を示す斜視図である。 図７は、第２の実施形態にかかるパワーエレメント８Ａを示す縦断面図である。 図８は、第２の実施形態に用いる押さえ部材８５Ａの斜視図である。 図９は、第３の実施形態にかかる膨張弁１Ｂの縦断面図である。

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の実施形態）
図１を参照して、第１の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。本実施例では、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（作動部材）５と、リングばね６と、パワーエレメント８とを具備する。膨張弁１の軸線をＬとする。

弁本体２は、弁室ＶＳに加え、第１流路２１および第２流路２２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は排出側流路であり、弁室ＶＳ内の流体は、作動棒挿通孔２７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。

弁体３は、弁室ＶＳ内に配置される。弁体３が弁本体２の環状の弁座２０に着座しているとき、第１流路２１と第２流路２２とは非連通状態となる。一方、弁体３が弁座２０から離間しているとき、第１流路２１と第２流路２２とは連通状態となる。

作動棒挿通孔２７に隙間を持って挿通された作動棒５の下端は、弁体３の上面に接触している。また、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。

次にパワーエレメント８について説明する。パワーエレメント８は、弁本体２の頂部に設けられた凹部２ａに取り付けられている。凹部２ａは連通路２ｂを介して、エバポレータ１０４からの冷媒が通過する、弁本体２内の戻り流路２３と連通している。連通路２ｂ内を作動棒５が通過している。

図２は、パワーエレメント８を分解して示す縦断面図である。パワーエレメントの軸線をＸで示す。

図２において、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、ストッパ部材８４と、押さえ部材８５と、受け部材８６とを有する。

上蓋部材８２は、中央の円錐部８２ａと、円錐部８２ａの下端から外周に広がる環状のフランジ部８２ｂとを有する。円錐部８２ａの頂部には開口８２ｃ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板材からなり、フランジ８２ｂの外径とほぼ同じ外径を有する。

ストッパ部材８４は、円盤部８４ａと、円盤部８４ａの下面に同軸に接合された円筒部８４ｂとを有する。円筒部８４ｂの下端中央には、嵌合孔８４ｃが形成されている。また円筒部８４ｂの外径は、円盤部８４ａの外径より小さいφ１である。

図３は、押さえ部材８５の斜視図である。図３において、押さえ部材８５は、金属製の板材をプレス成形することによって形成されており、環状のベース（環状板）８５ａと、ベース８５ａの内周に等間隔に設けられた８本の爪部８５ｂとを有する。ただし、爪部８５ｂの数は８本に限られない。

爪部８５ｂは、Ｌ字状に折り曲げられて、その先端が軸線Ｘに沿って延在している。各爪部８５ｂの先端近傍には、軸線Ｘ側に半球状に突出した***部８５ｃが形成されている。

図２において、受け部材８６は、上蓋部材８２のフランジ部８２ｂの外径とほぼ同じ外径を持つフランジ部８６ａと、軸線Ｘと略直交する環状の支持面８６ｂを持つ段差部８６ｃと、中空円筒部８６ｄとを有している。中空円筒部８６ｄの内径φ２は、円筒部８４ｂの外径φ１より大きい。フランジ部８６ａの内周と、中空円筒部８６ｄの上端とを段差部８６ｃが連結している。

次に、パワーエレメント８の組み立て手順を説明する。まず、押さえ部材８５の爪部８５ｂが受け部材８６の中空円筒部８６ｄ内に収容される状態で、受け部材８６の支持面８６ｂに、押さえ部材８５のベース８５ａを溶接する。次に、図２に示すような位置関係となるように、上蓋部材８２、ダイアフラム８３、ストッパ部材８４、及び受け部材８６を配置する。このとき、受け部材８６に取り付けられた押さえ部材８５の各爪部８５ｂの弾性力より、ストッパ部材８４の円筒部８４ｂの外周に、***部８５ｃが付勢されて接するようになっている。

更に、上蓋部材８２のフランジ部８２ｂと、ダイアフラム８３と、受け部材８６のフランジ部８６ａのそれぞれ外周部を重ね合わせた状態で、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。上蓋部材８２と受け部材８６とでケースを構成する。

続いて、上蓋部材８２に形成された開口８２ｃ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ＰＡ（図１））内に作動ガスを封入した後、開口８２ｃ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ＰＡ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（圧力検出室）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。なお、ストッパ部材８４の円盤部８４ａは、押さえ部材８５を介して受け部材８６の支持面８６ｂにより保持されるので、ストッパ部材８４がパワーエレメント８から抜け出ることはない。

パワーエレメント８を弁本体２に組み付ける際、ストッパ部材８４の嵌合孔８４ｃに作動棒５の上端を嵌合させた状態で、受け部材８６の中空円筒部８６ｄを弁本体２の凹部２ａ内に挿入する。更に、不図示の締結部材やカシメを用いてパワーエレメント８を弁本体２に固定する。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。

次に、リングばね６について説明する。リングばね６は、図１において弁本体２の凹状にくぼんだ環状部２６内に設置されている。図４は、リングばね６を示す斜視図である。図５は、リングばね６と作動棒５とを、膨張弁１の軸線Ｌ（図１）に直交する方向に切断して示す図である。

リングばね６は、板状の部材を図４に示されるように円筒形状に湾曲させ、かつ第１の弾性片６１、第２の弾性片６２及び第３の弾性片６３を内側に折り曲げて構成される。

第１の弾性片６１、第２の弾性片６２、第３の弾性片６３は内側に切り起こすようにして折り曲げられるが、それぞれ先端近傍に設けられた第１の凸状当接部６１ａ、第２の凸状当接部６２ａ、第３の凸状当接部６３ａは、円周を３等分した位置になるように設計されている。そして、第１の凸状当接部６１ａ、第２の凸状当接部６２ａ、第３の凸状当接部６３ａの頂部を結ぶ円（図５に示す仮想円Ｃ１）の直径寸法は、作動棒５の外径より小さな径に形成される。これにより、第１の凸状当接部６１ａ、第２の凸状当接部６２ａ、第３の凸状当接部６３ａから作動棒５の外周に対して所定の押圧力が付与されることとなる。

次に、付勢装置４について説明する。図１において、付勢装置４は、円形の線材を螺旋状に巻いたコイルばね４１と、コイルばね４１の上端に取り付けられて弁体３を支持する弁体サポート４２と、コイルばね４１の下端を支持しつつ弁本体２に取り付けるばね受け部材４３と、防振ばね４４とを有する。ばね受け部材４３は弁本体２の弁室ＶＳを密閉するとともに、弁体３を弁座２０に向かって付勢するコイルばね４１の端部を支持する機能を有する。

弁体サポート４２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。

図６は、防振ばね４４を示す斜視図である。防振ばね４４は、基部４４ａと、脚部４４ｂとを備えており、ステンレス鋼、その合金等、弾性のある板材からプレス成形することによって形成できる。

基部４４ａは、防振ばね４４の上部を形成する円環状の板状の部材であり、中央に取付孔４４ｃを有する。取付孔４４ｃ内に弁体サポート４２（図１）の一部を挿入した状態で、基部４４ａが弁体サポート４２とコイルばね４１の上端とに挟持されるようにして取り付けられる。

脚部４４ｂは、基部４４ａの外周側から放射状に複数本延びており、ここでは同じ長さの８本の脚部４４ｂが等角度間隔で備えられている。各脚部４４ｂは、基部４４ａに対し直角未満の角度で略Ｌ字状に折り曲げられており、先端近傍に外側に向いて半球状に突出した***部４４ｄを有する。

***部４４ｄは、付勢装置４が弁室ＶＳに設置されたときに、弁室ＶＳの上部内壁に弾発的に接触するが、弁体３が最下限位置となった場合でも弁本体２の接続路２１ａに入り込まないように設定されている。

（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。

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（換言すれば、膨張弁１が閉状態のとき）には、弁室ＶＳの上流側の第１流路２１と弁室ＶＳの下流側の第２流路２２とは、非連通状態である。他方、弁体３が、弁座２０から離間しているとき（換言すれば、膨張弁１が開状態のとき）には、弁室ＶＳに供給された冷媒は、作動棒挿通孔２７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。なお、膨張弁１の閉状態と開状態との間の切り換えは、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ＰＡと下部空間ＬＳとが設けられている。このため、圧力作動室ＰＡ内の作動ガスが液化されると、作動棒５は上方向に移動し、液化された作動ガスが気化されると、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ＰＡ内の作動ガスの相（気相、液相等）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。

ここで、空調装置をオフ操作した場合など、パワーエレメント８の圧力作動室ＰＡよりも戻り流路２３内の圧力が一時的に高まることがある。かかる場合、戻り流路２３内の圧力により、ダイアフラム８３がストッパ部材８４から離間する方向に付勢され、それによりダイアフラム８３とストッパ部材８４との間に隙間が生じて、フリー状態となることがある。このとき、外部から膨張弁１に対して振動が付与されると、ストッパ部材８４がその隙間の範囲で細かく振動して異音を発生する虞れがある。

これに対し本実施形態によれば、パワーエレメント８内において、押さえ部材８５が設けられ、爪部８５ｂの***部８５ｃがストッパ部材８４の外周に当接しているので、その摩擦力により摺動抵抗が作用し、例えフリー状態でもストッパ部材８４の振動を抑えて異音を低減することができる。

また、弁体３が開閉方向（上下方向）へ動く場合、防振ばね４４は、弁体３及び弁体サポート４２と共に移動する。このとき、防振ばね４４は所定の力で弁本体２の弁室ＶＳの内壁を押圧しているため、防振ばね４４が摺動する際、脚部４４ｂの***部４４ｄと弁室ＶＳの内壁との間で摩擦力が発生する。これにより、接続路２１ａからの高圧冷媒の圧力変動に対して弁体３及び弁体サポート４２が上下方向に敏感に反応することがなくなり、上下方向の振動を防止又は低減することができる。さらに、防振ばね４４から弁室ＶＳの内壁面へ複数の脚部４４ｂにより複数の箇所で押圧しているため、接続路２１ａからの高圧冷媒の圧力変動に対して、弁体３及び弁体サポート４２が押圧力に抗して軸線Ｌに交差する方向に不用意に動くことが抑制され、この方向の振動を防止する効果を発揮する。また、防振ばね４４は、弁体３及び弁体サポート４２の上下方向の動きをガイドする機能も有する。

更に、本実施形態においては、防振ばね４４に加えて、作動棒５を弾性的に支持するリングばね６が配置されている。図５に示すように、このリングばね６の第１の凸状当接部６１ａ、第２の凸状当接部６２ａ、第３の凸状当接部６３ａが、作動棒５の外周に当接して駆動方向に更に所定の摺動抵抗を付与するように構成されている。すなわち、防振ばね４４だけでは弁体３の振動を抑制しきれない場合においても、このリングばね６を配置することより弁体３の振動を効果的に抑制することが可能である。

加えて、ストッパ部材８４は作動棒５に連結されているため、押さえ部材８５の爪部８５ｂの***部８５ｃがストッパ部材８４の外周に当接することにより、ストッパ部材８４の振動抑制を通じて、作動棒５及び弁体３の振動を抑制することもできる。

（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態にかかるパワーエレメント８Ａを示す縦断面図である。図８は、第２の実施形態に用いる押さえ部材８５Ａの斜視図である。本実施形態においては、上述した実施形態に対して、押さえ部材８５Ａの構成のみが異なるため、共通する弁本体の構成は省略する。また、パワーエレメント８Ａにおいて、上述した実施形態と同じ構成については、同じ符号を付すことで重複する説明を省略する。

押さえ部材８５Ａは、板材を図８に示されるように円筒形状に湾曲させて円筒部８５Ａｄを形成し、かつ第１の弾性片８５Ａａ、第２の弾性片８５Ａｂ及び第３の弾性片８５Ａｃを、円筒部８５Ａｄから内側に折り曲げて構成される。円筒部８５Ａｄがベースを構成し、第１の弾性片８５Ａａ、第２の弾性片８５Ａｂ及び第３の弾性片８５Ａｃが爪部を構成する。

第１の弾性片８５Ａａ、第２の弾性片８５Ａｂ、第３の弾性片８５Ａｃは内側に切り起こすようにして折り曲げられるが、それぞれ先端近傍にて内側に突出するように、第１の凸状当接部８５Ａｅ、第２の凸状当接部８５Ａｆ、第３の凸状当接部８５Ａｇが設けられている。第１の凸状当接部８５Ａｅ、第２の凸状当接部８５Ａｆ、第３の凸状当接部８５Ａｇが***部を構成する。

板材のスプリングバック力で円筒部８５Ａｄの外周が受け部材８６の中空円筒部８６ｄの内周に向かって押圧され、その摩擦力で図７に示すように、押さえ部材８５Ａは受け部材８６に取り付けられる。このとき、第１の弾性片８５Ａａ、第２の弾性片８５Ａｂ及び第３の弾性片８５Ａｃから弾性力を付与されて、第１の凸状当接部８５Ａｅ、第２の凸状当接部８５Ａｆ、第３の凸状当接部８５Ａｇ（図７で不図示）は、ストッパ部材８４の円筒部８４ｂの外周に当接する。なお、押さえ部材８５Ａを溶接やはんだ付け等で受け部材８６に固定してもよい。

本実施形態によれば、パワーエレメント８Ａ内において、押さえ部材８５Ａが設けられ、第１の凸状当接部８５Ａｅ、第２の凸状当接部８５Ａｆ、第３の凸状当接部８５Ａｇがストッパ部材８４の外周に当接しているので、その摩擦力により摺動抵抗が作用し、ストッパ部材８４の振動を抑えて異音を低減することができる。

（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態にかかる膨張弁１Ｂの縦断面図であるが、コンプレッサ、コンデンサ、エバポレータ及びこれらをつなぐ配管は省略している。本実施形態については、第１の実施形態に対して異なる部分のみを説明し、共通する構成については同じ符号を付して重複した説明を省略する。

本実施形態においては、リングばねの代わりに、弁本体２の環状部２６内にＯ－リングＯＲ１を設けている。より具体的には、Ｏ－リングＯＲ１の外周は環状部２６に接し、Ｏ－リングＯＲ１の内周は作動棒５Ｂの外周に接している。作動棒５Ｂには、Ｏ－リングＯＲ１の近傍に細い周溝５ａが形成されている。また、周溝５ａ内にスナップリングＳＲが嵌め込まれ、Ｏ－リングＯＲ１が環状部２６から抜け出ることを防止している。

本実施形態においては、Ｏ－リングＯＲ１が、作動棒５の外周に当接して駆動方向に更に所定の摺動抵抗を付与するので、作動棒５及び弁体３の振動を効果的に抑制することが可能である。また、Ｏ－リングＯＲ１は、第２流路２２と戻り流路２３との間で環状部２６を介して冷媒漏れが生じることを阻止する効果もある。

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、１Ｂ ：膨張弁
２ ：弁本体
３ ：弁体
４ ：付勢装置
５、５Ｂ ：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
２６ ：環状部
２７ ：作動棒挿通孔
４１ ：コイルばね
４２ ：弁体サポート
４３ ：ばね受け部材
４４ ：防振ばね
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

Claims (5)

1. 流体が通過する流路内に配置され、環状の弁座を備えた弁本体と、
   前記弁座に着座することにより前記流体の通過を阻止し、前記弁座から離間することにより前記流体の通過を許容する弁体と、
   前記弁体を前記弁座に向かって付勢するコイルばねと、
   前記弁体に一端を当接させた作動部材と、
   前記作動部材を前記弁体が前記弁座から離間する方向に駆動するパワーエレメントと、を有し、
   前記パワーエレメントは、作動ガスが封入された圧力作動室と、前記流路に連通する圧力検出室とを内包するケースと、前記ケース内で前記圧力作動室と前記圧力検出室とを仕切るダイアフラムと、前記作動部材の他端と前記ダイアフラムとの間に配置されたストッパ部材と、前記ケースと前記ストッパ部材との間に配置された押さえ部材と、を有し、
   前記押さえ部材は、前記ケースに固定されたベースと、前記ベースから延在して前記ストッパ部材に当接する複数の爪部と、を有する、
   ことを特徴とする膨張弁。
2. 各複数の爪部の一部が***して***部を形成しており、前記***部が前記ストッパ部材の外周面に当接する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の膨張弁。
3. 前記押さえ部材のベースは、前記ケースに溶接されて固定された環状板であり、前記爪部は、前記環状板の内周から延在して折り曲げられてなる、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の膨張弁。
4. 前記押さえ部材のベースは、筒状に丸めた板材であり、前記爪部は、前記板材の一部が内方に折り曲げられて形成されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の膨張弁。
5. 前記ベースは、前記板材のスプリングバック力により前記ケースに対して押圧されることで固定される、
   ことを特徴とする請求項４に記載の膨張弁。

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