JP7016155B2 - 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。

ところで、このような膨張弁において騒音が発生することが確認された。騒音の発生要因について、具体的に説明する。あるタイプの膨張弁においては、冷媒が入口ポートから弁室を通り、出口ポートへ向かう際に弁座と弁体とからなる弁を通過する。ここで、弁の開閉機能を確保するために、弁座に向かって弁体を付勢するコイルばねを弁室に設けている。しかるに、入口ポートから流入した冷媒がコイルばねの狭い巻線間を通過する際に流れの乱れが発生し、これが起振力となってコイルばねを振動させることにより、騒音の発生を招来する。

これに対し、特許文献１には、弁体とコイルばねとを連結するばね受けに、コイルばねの内側に沿って延在する円柱状の垂下体を設け、これによりコイルばねの巻線間を冷媒が通過することを抑制し、騒音の低減を図ることができる膨張弁が開示されている。

特許第６１８２３６３号公報

特許文献１に記載の膨張弁によれば、大きな騒音抑制効果が期待できるが、膨張弁の仕様によっては、低騒音化を図りつつもコストを優先して抑制したいという場合もある。

そこで本発明の目的は、低コストであり且つ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、
供給側流路と排出側流路との間に設けられた弁室に配置され、前記供給側流路から前記排出側流路へと向かう流体が通過する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、
前記供給側流路から流入する流体の流れに対して側面を向けて前記弁室に配置され、前記弁体を前記弁座に向かって付勢するコイルばねと、
前記コイルばねによる付勢力に抗して、前記弁体を前記弁座から離間する方向に押圧する作動部材と、
前記弁体と前記コイルばねの一端との間に配置された弁体サポートと、
前記弁本体に取り付けられ、前記コイルばねの他端を保持するばね受け部材と、を有し、
前記コイルばねは、前記供給側流路から流入する流体の流れに対向する第１の巻線領域と、前記第１の巻線領域とは異なる第２の巻線領域とを有し、前記第１の巻線領域における巻線間隙間は、前記第２の巻線領域における巻線間隙間より小さい、ことを特徴とする。

本発明により、低コストであり且つ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。

本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。 付勢装置４の近傍を拡大して示す断面図である。 コイルばね４１の周辺を拡大して示す断面図である。 比較例にかかる構成を示す図２と同様な断面図である。

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。

（膨張弁の概要）
図１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。なお、図１において、パワーエレメント８に対応する部分は側面図で示されており、その他の部分は断面図で示されている。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とを具備する。

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。図１は、弁体３が弁座２０から離間した状態を示している。

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。

リングばね６は、作動棒５の振動を抑制する防振部材である。このリングばね６は、弁本体２の環状部２６に配置されて、内周側に突出した爪部により、作動棒５の外周面に所定の弾性力を付与するようになっている。

図２は、付勢装置４の近傍を拡大して示す断面図である。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。

ＳＵＳ製の弁体サポート４２は、フランジ状の保持部４２ａと、保持部４２ａの下端中央から下方に延在する円筒状の内側筒体４２ｂとから一体的に形成されている。内側筒体４２ｂの外径は、コイルばね４１の内径に略等しい。保持部４２ａ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２において、樹脂製であるばね受け部材４３は、底部４３ａと、底部４３ａの上面から上方に延在する外側管状部４３ｂとを有する。環状の底部４３ａの外周には、弁本体２の弁室ＶＳに連通する取り付け孔２ａの開口端近傍に形成された雌ねじ２ｂに螺合する雄ねじ４３ｃが形成され、また環状の底部４３ａの下面には、不図示の工具等を係合させてばね受け部材４３を回転させるための係合凹部４３ｄが形成されている。外側管状部４３ｂの内径は、コイルばね４１の外径に略等しい。

外側管状部４３ｂの外周には、段部４３ｅが形成され、これに対向して、取り付け孔２ａと弁室ＶＳとの交差部には段部２ｃが形成されており、段部４３ｅと段部２ｃとの間の環状空間内にＯ－リング４４が配置されている。Ｏ－リング４４は、取り付け孔２ａとばね受け部材４３との間を密封するものである。

図３は、コイルばね４１の周辺を拡大して示す断面図である。図３に示すように、コイルばね４１は不等ピッチの巻線を有する。具体的には、コイルばね４１は、その上部の第１の巻線領域Ａ１と、それより下部の第２の巻線領域Ａ２というように、軸線方向に２つの領域に区分されている。

第１の巻線領域Ａ１は、その側面が接続路２１ａに対向しており、巻線ピッチＰ１を有する。一方、第２の巻線領域Ａ２は、その側面が接続路２１ａに対向しておらず、巻線ピッチＰ２を有し、Ｐ２＞Ｐ１となっている。巻線ピッチＰ１，Ｐ２はそれぞれの巻線領域で個々に等しくする必要はなく、その場合には巻線ピッチＰ１，Ｐ２は各巻線領域での平均値をいうものとする。

本実施の形態では、弁体３が弁座２０に着座した状態で、巻線ピッチＰ１は巻線径ｄに略等しく（いわゆる密着巻きと）なっているため、側面が接続路２１ａに対向する第１の巻線領域Ａ１では、巻線間の隙間が略ゼロとなる。ただし、巻線ピッチＰ１は必ずしも巻線径ｄに等しい必要はなく、冷媒の通過を制限する程度に狭い隙間であれば足りる。本実施形態では、巻線間の隙間がゼロを超えた所定量である第２の巻線領域Ａ２により、弁体３を付勢する弾性力を発揮する。なお、弁体３を付勢する弾性力は、巻線領域Ａ１の初張力と、巻線領域Ａ２の弾性力の和としてもよい。

図２において、組み付け時には、弁体３を溶接された弁体サポート４２の内側筒体４２ｂを、コイルばね４１の上端から内部へと挿入して、コイルばね４１の上端を保持部４２ａの下面に当接させる。更に、コイルばね４１の下端をばね受け部材４３の外側管状部４３ｂの内側に挿入し、底部４３ａの上面に当接させる。このとき、Ｏ－リング４４を段部４３ｅに取り付けておく。

かかる状態を保持しつつ、弁体サポート４２、コイルばね４１、およびばね受け部材４３からなるアッセンブリを、取り付け孔２ａから弁室ＶＳ内へと進入させ、雌ねじ２ｂに雄ねじ４３ｃを螺合させて、不図示の工具を用いて所定位置まで追い込む。このとき、接続路２１ａがコイルばね４１の第１の巻線領域Ａ１の側面に正対するが、第２の巻線領域Ａ２の側面には相対しない。ばね受け部材４３は、弁本体２に装着されることにより弁室ＶＳを封止するプラグとして機能する。

本実施の形態においては、接続路２１ａから弁室ＶＳに流入する冷媒の流れ方向（ここでは左右方向）に見たときに、コイルばね４１の第１の巻線領域Ａ１は、接続路２１ａの下端の下方に延在している。ただし、第１の巻線領域Ａ１は接続路２１ａの少なくとも一部と重なっていれば足りる。

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の例では、パワーエレメント８は、膨張弁１の上端部に配置されている。図示していないが、パワーエレメント８の内部には、ダイアフラムにより仕切られた第１空間と第２空間とが設けられ、第１空間には作動ガスが充填されている。

ダイアフラムの下面は、ダイアフラム支持部材を介して作動棒５に接続される。このため、第１空間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。

パワーエレメント８の第２空間は、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、第１空間内の作動ガスの相（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。

次に、比較例を参照して、本実施形態の効果について説明する。図４は、比較例にかかる構成を示す図２と同様な断面図である。図４において、比較例のコイルばね４１’は、等ピッチの巻線を有するため、コイルばね４１’の巻線間の隙間δは等しくなっている。それ以外の構成は、上述した実施の形態と同様である。

比較例の場合、弁体３が弁座２０から離間すると、第１流路２１及び接続路２１ａから弁室ＶＳに流入する冷媒が、図３に矢印Ｂで示すように、コイルばね４１’の巻線間の隙間δからコイルばね４１’内に進入し、反対側から抜け出るようになっている。この際に、冷媒がコイルばね４１’を振動させ、それにより騒音が発生することとなる。

これに対し、本実施形態によれば、コイルばね４１の第１の巻線領域Ａ１（図３）が接続路２１ａに対向しているので、図２に示すように第１流路２１及び接続路２１ａから弁室ＶＳに流入する冷媒が、矢印Ａに示すようにコイルばね４１の外周に弾かれて内部への進入を阻止されてしまい、巻線間の隙間を通過しないため、コイルばね４１を振動させることがない。これにより騒音を効果的に抑制することができる。

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 ：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
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 (3)

1. 供給側流路と排出側流路との間に設けられた弁室に配置され、前記供給側流路から前記排出側流路へと向かう流体が通過する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、
   前記供給側流路から流入する流体の流れに対して側面を向けて前記弁室に配置され、前記弁体を前記弁座に向かって付勢するコイルばねと、
   前記コイルばねによる付勢力に抗して、前記弁体を前記弁座から離間する方向に押圧する作動部材と、を有し、
   前記コイルばねは、前記供給側流路から流入する流体の流れに対向する第１の巻線領域と、前記第１の巻線領域とは異なる第２の巻線領域とを有し、前記第１の巻線領域における巻線間隙間は、前記第２の巻線領域における巻線間隙間より小さい、
   ことを特徴とする膨張弁。
2. 少なくとも前記弁体が前記弁座に着座している状態で、前記コイルばねの前記第１の巻線領域は、巻線間隙間がゼロである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の膨張弁。
3. 前記コイルばねは、不等ピッチの巻線を有する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の膨張弁。
   
   

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