JP7418807B2 - 弁装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、カーエアコン等に使用される弁装置に関する。

従来の弁装置の一例として圧力調整弁が特許文献１に開示されている。特許文献１の圧力調整弁は、筒状の本体ケースと、弁体と、ベローズと、を有している。本体ケースは、流体流路を有している。弁体およびベローズは、流体流路内に配置されている。ベローズ内には、ガイド、ステム、ベローズ押さえ部およびコイルばねが配置されている。ガイドは、筒状に形成されている。ステムは、一端がベローズ押さえ部に固定されており、ガイドに対して軸方向に移動可能に支持されている。コイルばねは、その両端がガイドとベローズ押さえ部とに当接しており、ガイドとベローズ押さえ部とを離間する方向に付勢している。ガイドおよびステムは、コイルばねの内側に配置されている。

ベローズは、その底板部が、連結プレートを介在して弁体に連結されており、ベローズの底板部、連結プレートおよび弁体を流体流路の入口側に配置されている弁座部方向に付勢する。

特許第６１４９７５５号

特許文献１の圧力調整弁では、本体ケースの入口側の流体圧力が高くなると弁体が出口側に移動する。弁体の出口側への移動によりベローズの底板部および連結プレートが出口側に押されて、コイルばねが押し縮められる。このとき、コイルばねが径方向に座屈して、コイルばねがベローズやガイドと擦れるおそれがあった。そのため、流体圧力に応じた弁体の開度特性に影響が生じるおそれがあった。

コイルばねの座屈を抑えるためには、ばね定数の大きなコイルばねを使用して縦横比を抑えることが考えられるが、ばね定数の大きな単体のコイルばねを使用すると、弁の開閉量の増減によるばね荷重の変化が大きくなり、弁を大きく開いた時や高負荷時に蒸発温度が高くなったり、弁開度を小さく絞りたい低負荷時に蒸発温度が低くなって蒸発器が凍結したりする問題があった。

そこで、本発明は、適度な開弁特性を保持しつつ、コイルばねの座屈を抑制できる弁装置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、本発明に係る弁装置は、流体流路を有する本体ケースと、前記流体流路内に配置され、流体の流動方向に移動する弁体と、前記流体流路内に配置され、上流側の端部が前記弁体と接続されかつ下流側の端部が前記本体ケースに固定されたベローズと、前記ベローズの伸縮に応じて伸縮するように前記ベローズ内に直列に配置された複数のコイルばねと、を有することを特徴とする。

本発明において、前記弁装置は、前記複数のコイルばねの間に配置されたリング部材をさらに有していることが好ましい。

本発明によれば、弁装置が、ベローズの伸縮に応じて伸縮するようにベローズ内に直列に配置された複数のコイルばねを有している。このようにしたことから、１つのコイルばねのみ有する構成に比べて、複数のコイルばねのそれぞれの縦横比を小さくすることができる。そのため、それぞれのコイルばねにおいてコイルばねの径方向への変形を抑制できる。

本発明の弁装置の一実施例に係る圧力調整弁の断面図である。 閉弁状態でのステム、ガイド、ばね受け部材およびコイルばねを模式的に示す断面図である。

以下、本発明の弁装置の一実施例に係る圧力調整弁について、図１、図２を参照して説明する。図１は、本発明の弁装置の一実施例に係る圧力調整弁の断面図である。図２は、閉弁状態でのステム、ガイド、ばね受け部材およびコイルばねを模式的に示す断面図である。図２（ａ）は、本実施例の圧力調整弁について示し、図２（ｂ）は、比較例の圧力調整弁について示す。

本実施例の圧力調整弁は、例えば、カーエアコン等において、蒸発器と圧縮機との間に配置される。この圧力調整弁は、蒸発器内の冷媒（流体）の圧力が所定圧以下とならないように調整して蒸発器の着霜を防止している。

図１に示すように、圧力調整弁１は、本体ケース１０と、弁体２０と、ベローズアセンブリ３０と、を有している。

本体ケース１０は、ケース本体部１１と、ケース出口部１６と、ワッシャー１７と、を有している。

ケース本体部１１は、略円筒状に形成されている。ケース本体部１１は、軸線Ｌ方向に同軸に連なる入口側端部１２、中間部１３および出口側端部１４を一体的に有している。入口側端部１２には、断面形状が円形の入口流路１２ａが設けられている。中間部１３には、入口流路１２ａより大径の中間流路１３ａが設けられている。出口側端部１４は、中間流路１３ａより大きい内径を有している。ケース本体部１１における入口側端部１２と中間部１３との間の段部１１ａには、円環状の弁座１５が設けられている。弁座１５は、出口側（すなわち、下流側であり、図１の左側）に向けられている。

ケース出口部１６は、略円筒状に形成されている。ケース出口部１６には、出口流路１６ａが設けられている。入口流路１２ａ、中間流路１３ａおよび出口流路１６ａは、同軸に連なり、流体流路５を構成している。軸線Ｌ方向は、流体流路５を流れる冷媒の流動方向でもある。ケース出口部１６は、入口側（すなわち上流側であり、図１の右側）の端部がケース本体部１１の出口側端部１４に挿入されている。ケース出口部１６の外周には溝状の環状凹部が形成されている。環状凹部には、Ｏリングが配置されている。Ｏリングは、ケース本体部１１とケース出口部１６とに挟まれて弾性変形することにより、流体流路の気密を確保している。ケース出口部１６は、ケース本体部１１との間にワッシャー１７を挟んだ状態で、出口側端部１４にかしめにより固定されている。

ワッシャー１７は、円形環状部１８と、複数の脚部１９と、を一体的に有している。円形環状部１８の内周面には、雌ねじ１８ａが形成されている。複数の脚部１９は、円形環状部１８の外周面に周方向に間隔をあけて配置されている。本実施例では、３つの脚部１９が周方向に等間隔で配置されている。複数の脚部１９は、円形環状部１８から放射状に延びている。ワッシャー１７は、複数の脚部１９の先端がケース本体部１１（具体的には、中間部１３と出口側端部１４との間の段部）とケース出口部１６との間に挟まれている。

弁体２０は、小径部２１と、大径部２２と、を一体的に有している。小径部２１は、円筒状に形成されている。小径部２１の外径は入口流路１２ａの内径よりわずかに小さい。小径部２１は、入口流路１２ａに摺動可能に挿入されている。小径部２１は、入口流路１２ａと軸線Ｌ上で同軸となるように配置される。小径部２１には、周方向に延びるスリット状の流通孔２１ａが設けられている。大径部２２は、小径部２１より大径の円板状に形成されている。大径部２２は、小径部２１に同軸に連設されており、中間流路１３ａに配置されている。弁体２０は、入口流路１２ａおよび中間流路１３ａにまたがるように配置されている。弁体２０は、軸線Ｌ方向に移動可能である。

弁体２０は、流体流路５を開閉する。具体的には、弁体２０が入口側に移動すると大径部２２が弁座１５に接して、入口流路１２ａに対して中間流路１３ａが閉じられる（閉弁状態）。弁体２０が出口側に移動すると大径部２２が弁座１５から離れて、入口流路１２ａに対して中間流路１３ａが開かれる（開弁状態）。開弁状態において、入口流路１２ａが、弁体２０の内側流路２１ｂおよび流通孔２１ａを介して中間流路１３ａに接続される。

ベローズアセンブリ３０は、ベローズ３１と、調整ねじ部材３２と、ガイド３６と、ステム３７と、ばね受け部材３８と、コイルばね３９Ａ、３９Ｂと、リング部材３９Ｃと、連結プレート４０と、を有している。ガイド３６、ステム３７、ばね受け部材３８、コイルばね３９Ａ、３９Ｂおよびリング部材３９Ｃはベローズ３１内に配置されている。

ベローズ３１は、周壁部３１ａと、底板部３１ｂと、を一体的に有している。周壁部３１ａは、伸縮可能な蛇腹構造を有する管状に形成されている。周壁部３１ａの上流側の端部を塞ぐように、底板部３１ｂが周壁部３１ａに連設されている。周壁部３１ａの下流側の端部を塞ぐように、調整ねじ部材３２が周壁部３１ａに取り付けられている。ベローズ３１の内部空間は密閉されている。ベローズ３１の内部は、真空状態にされている。または、ベローズ３１の内部には、窒素やヘリウム等の不活性ガスが封入されている。ベローズ３１は、中間流路１３ａ内において弁体２０より下流側に配置されている。ベローズ３１の上流側の端部である底板部３１ｂは、連結プレート４０を介して弁体２０と接続されている。ベローズ３１の下流側の端部は、調整ねじ部材３２を介して本体ケース１０のワッシャー１７に固定されている。

調整ねじ部材３２は、ねじ部３３と、蓋部３４と、を一体に有している。ねじ部３３は、略円柱状に形成されている。ねじ部３３は、外周面に雄ねじ３３ａが形成されている。雄ねじ３３ａは、ワッシャー１７の雌ねじ１８ａに螺合されている。雄ねじ３３ａには、ナット４１が螺合される。蓋部３４は、略円板状に形成されている。蓋部３４は、ねじ部３３に同軸に連設されている。蓋部３４の周縁部は、ベローズ３１の周壁部３１ａの下流側の端部に溶接により固着されている。蓋部３４における上流側を向く面の中央には、円形のガイド受け凹部３５が設けられている。

ガイド３６は、ガイド本体部３６ａと、底壁部３６ｂと、フランジ部３６ｃと、を一体的に有している。ガイド本体部３６ａは、円筒状に形成されている。底壁部３６ｂは、ガイド本体部３６ａの上流側の端部を塞いでいる。底壁部３６ｂには、貫通孔３６ｄが設けられている。フランジ部３６ｃは、ガイド本体部３６ａの下流側の端部に径方向外方に突出する円環状の突部である。フランジ部３６ｃは、ガイド受け凹部３５内に配置されている。

ステム３７は、円柱状に形成されている。ステム３７は、胴部３７ａと、軸部３７ｂと、を一体的に有している。胴部３７ａは、ガイド３６のガイド本体部３６ａに摺動可能に収容される。軸部３７ｂは、胴部３７ａより小径であり、ガイド３６の貫通孔３６ｄに挿通されている。ステム３７は、ガイド３６に軸方向に移動可能に支持されている。ガイド３６およびステム３７は、それぞれの軸が軸線Ｌと一致するようにベローズ３１内に配置されている。ガイド３６およびステム３７は、ベローズ３１の伸縮に応じて軸線Ｌ方向に相対移動するように構成されている。

ばね受け部材３８は、円形の皿状に形成されている。ばね受け部材３８は、ステム３７の軸部３７ｂの先端にかしめによって固定されている。ばね受け部材３８は、ベローズ３１の底板部３１ｂに接している。

コイルばね３９Ａ、３９Ｂは、圧縮コイルばねである。コイルばね３９Ａ、３９Ｂは、互いに同一の構成（材料、線材径、コイル内径、コイル外径、巻き数、長さなど）を有する。コイルばね３９Ａ、３９Ｂは、異なる構成を有していてもよい。リング部材３９Ｃは、金属製または樹脂製であり、円環板状に形成されている。

コイルばね３９Ａ、３９Ｂは、リング部材３９Ｃを間に挟んで軸線Ｌ方向に直列に配置されている。リング部材３９Ｃの外径は、コイルばね３９Ａ、３９Ｂの外径より大きい。リング部材３９Ｃの内径は、ガイド３６のガイド本体部３６ａの外径より大きく、かつ、コイルばね３９Ａ、３９Ｂの内径より小さい。コイルばね３９Ａ、３９Ｂの内径は、ガイド３６のフランジ部３６ｃの外径より小さく、かつ、ばね受け部材３８の外径より小さい。

コイルばね３９Ａ、３９Ｂおよびリング部材３９Ｃの内側には、ガイド３６およびステム３７が配置されている。コイルばね３９Ａ、３９Ｂおよびリング部材３９Ｃは、ガイド３６のフランジ部３６ｃとばね受け部材３８との間に配置されている。コイルばね３９Ａ、３９Ｂは、ばね受け部材３８を介してベローズ３１の底板部３１ｂを上流側に押している。そのため、ばね受け部材３８は、コイルばね３９Ａ、３９Ｂによってベローズ３１の底板部３１ｂに押し付けられている。これにより、ばね受け部材３８に固定されたステム３７は、底板部３１ｂと連動する。コイルばね３９Ａ、３９Ｂがベローズ３１の底板部３１ｂを押す力は、ガイド３６および調整ねじ部材３２によって支えられている。

本実施例の圧力調整弁１は、２つのコイルばね３９Ａ、３９Ｂを有しているが、３つ以上のコイルばねを有していてもよい。圧力調整弁１において、リング部材３９Ｃを省略して、コイルばね３９Ａ、３９Ｂを直接的に直列に配置してもよい。圧力調整弁１では、２つのコイルばね３９Ａ、３９Ｂおよびリング部材３９Ｃは、互いに固定されていないが、溶接や接着などにより互いに固定してもよい。

連結プレート４０は、円板状に形成されている。連結プレート４０は、ベローズ３１の底板部３１ｂに溶接により固着されている。連結プレート４０は、底板部３１ｂと同軸に配置されている。連結プレート４０は、弁体２０の大径部２２によって径方向（軸線Ｌと直交する方向）に移動可能に保持されている。連結プレート４０によって、ベローズ３１と弁体２０とが連結されている。

次に、上述した圧力調整弁１における動作について説明する。

圧力調整弁１は、入口流路１２ａの冷媒が弁体２０を下流側に押す力（「力Ｆ１」という）よりベローズ３１およびコイルばね３９Ａ、３９Ｂが弁体２０を上流側に押す力（「力Ｆ２」という）が大きいと、弁体２０が弁座１５に接して閉弁状態となる。

閉弁状態において、入口流路１２ａの冷媒の圧力が高くなり、上記力Ｆ１が上記力Ｆ２より大きくなると、弁体２０が下流側に移動して弁体２０が弁座１５から離れて開弁状態となる。開弁状態において、連結プレート４０およびベローズ３１の底板部３１ｂを介して弁体２０と接続されたばね受け部材３８が、弁体２０とともに下流側に移動する。このとき、コイルばね３９Ａ、３９Ｂは、ベローズ３１とともに押し縮められる。

開弁状態において、入口流路１２ａの冷媒の圧力が低くなり、上記力Ｆ１が上記力Ｆ２より小さくなると、弁体２０が上流側に移動して弁体２０が弁座１５に接して閉弁状態となる。このとき、コイルばね３９Ａ、３９Ｂは、ベローズ３１とともに伸長する。すなわち、コイルばね３９Ａ、３９Ｂは、ベローズ３１の伸縮に応じて伸縮するように、ベローズ３１内に配置されている。

図２に、開弁状態における、ベローズ３１内のガイド３６、ステム３７、ばね受け部材３８およびコイルばねを模式的に示す。図２（ａ）は、２つコイルばね３９Ａ、３９Ｂを有する構成（本実施例）を模式的に示す断面図である。図２（ｂ）は、２つのコイルばね３９Ａ、３９Ｂに代えて、１つのコイルばね１３９を有する構成（比較例）を模式的に示す断面図である。

図２（ａ）に示すように、２つのコイルばね３９Ａ、３９Ｂを有する構成では、コイルばね３９Ａ、３９Ｂのそれぞれの縦横比（自由長／コイル平均径）が小さくなる。そのため、コイルばね３９Ａ、３９Ｂが押し縮められたときに、径方向にたわむように変形してしまうことを抑制できる。

一方、図２（ｂ）に示すように、１つのコイルばね１３９を有する構成では、コイルばね１３９の縦横比が大きくなる。そのため、コイルばね１３９が押し縮められたときに、径方向にたわむように変形してしまうおそれがある。

また、ばね定数ａとなるコイルばね３９Ａ、３９Ｂを直列に組み合わせて１つのコイルばね１３９と同じばね定数ｋを実現した場合、以下の式（１）が成立する（ただしリング部材３９Ｃの厚さは無視できる程度に小さいものとする）。そして、式（１）から式（２）が導かれる。
１／ｋ＝（１／ａ）＋（１／ａ） ・・・ （１）
ａ＝２ｋ ・・・ （２）

式（２）から明らかなように、コイルばね３９Ａ、３９Ｂのそれぞれのばね定数ａをばね定数ｋの２倍に設定することになる。そのため、１つのコイルばね１３９に比べて、コイルばね３９Ａ、３９Ｂの線材径を大きくすることができる。これにより、コイルばね３９Ａ、３９Ｂの剛性を高くすることができ、径方向の変形をより効果的に抑制できる。また、コイルばね３９Ａ、３９Ｂの剛性が高いと、コイルばね３９Ａ、３９Ｂの両端部の研磨加工において当該両端部の平行度を容易に高めることができる。

以上より、本実施例の圧力調整弁１は、ベローズ３１の伸縮に応じて伸縮するようにベローズ３１内に直列に配置された２つのコイルばね３９Ａ、３９Ｂを有している。このようにしたことから、１つのコイルばねのみ有する構成に比べて、コイルばね３９Ａ、３９Ｂのそれぞれの縦横比を小さくすることができる。そのため、コイルばね３９Ａ、３９Ｂの径方向への変形を抑制できる。

また、圧力調整弁１は、コイルばね３９Ａ、３９Ｂの間に配置されたリング部材３９Ｃを有している。そのため、リング部材３９Ｃを省略してコイルばね３９Ａ、３９Ｂを直接的に直列に配置する構成に比べて、コイルばね３９Ａ、３９Ｂの線材を比較的広い面に接触させることができる。これにより、コイルばね３９Ａ、３９Ｂの端部を安定して支持することができる。また、リング部材３９Ｃの厚さ（軸線Ｌ方向の大きさ）を変えることで、コイルばね３９Ａ、３９Ｂが弁体２０を押す力を調整することができる。

上記に本発明の実施例を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。前述の実施例に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、実施例の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の趣旨に反しない限り、本発明の範囲に含まれる。

１…圧力調整弁、５…流体流路、１０…本体ケース、１１…ケース本体部、１１ａ…段部、１２…入口側端部、１２ａ…入口流路、１３…中間部、１３ａ…中間流路、１４…出口側端部、１５…弁座、１６…ケース出口部、１６ａ…出口流路、１７…ワッシャー、１８…円形環状部、１８ａ…雌ねじ、１９…脚部、２０…弁体、２１…小径部、２１ａ…流通孔、２１ｂ…内側流路、２２…大径部、３０…ベローズアセンブリ、３１…ベローズ、３１ａ…周壁部、３１ｂ…底板部、３２…調整ねじ部材、３３…ねじ部、３３ａ…雄ねじ、３４…蓋部、３５…ガイド受け凹部、３６…ガイド、３６ａ…ガイド本体部、３６ｂ…底壁部、３６ｃ…フランジ部、３６ｄ…貫通孔、３７…ステム、３７ａ…胴部、３７ｂ…軸部、３８…ばね受け部材、３９Ａ、３９Ｂ…コイルばね、３９Ｃ…リング部材、４０…連結プレート、４１…ナット、Ｌ…軸線

Claims (2)

1. 流体流路を有する本体ケースと、
   前記流体流路内に配置され、流体の流動方向に移動する弁体と、
   前記流体流路内に配置され、上流側の端部が前記弁体と接続されかつ下流側の端部が前記本体ケースに固定されたベローズと、
   前記ベローズの伸縮に応じて伸縮するように前記ベローズ内に直列に配置された複数のコイルばねと、を有することを特徴とする弁装置。
2. 前記複数のコイルばねの間に配置されたリング部材をさらに有している、請求項１に記載の弁装置。
   

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