JP7360724B2

JP7360724B2 - 弁装置

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Publication number: JP7360724B2
Application number: JP2021027280A
Authority: JP
Inventors: 恒浅野
Original assignee: Fujikoki Corp
Current assignee: Fujikoki Corp
Priority date: 2021-02-24
Filing date: 2021-02-24
Publication date: 2023-10-13
Anticipated expiration: 2041-02-24
Also published as: JP2022128835A; EP4050244A1; CN114962737A; EP4050244B1

Description

本発明は、弁装置に係り、特に、冷媒回路内の冷媒圧力が異常に上昇したときに冷媒を大気中に放出する安全弁の弁体構造に関する。

冷媒圧力が異常に上昇したときにシステムの破損を防ぐため冷媒を外部へ放出し、冷媒圧力を低下させる安全弁が空気調和機や冷蔵装置、冷凍装置など冷媒回路を備えた冷凍サイクルシステムに従来から使用されている。

図１０はこのような安全弁の一例を示すものであるが、同図に示すように従来の安全弁１は、弁室５を内部に有する弁本体２と、弁座６に対して進退動（上下動）可能に弁室５内に備えた弁体７と、弁体７を保持する弁ホルダ８と、弁ホルダ８を介して弁体７を弁座６に向け付勢する閉弁ばね９とを有し、弁室５に冷媒を導入可能な導入路３を弁本体２の一端（下端）に備えるとともに、弁室５から外部（大気中）へ冷媒を放出可能な放出路４を弁本体２の他端（上端）に備えている。また、弁座６は導入路３の弁室５側の端部（上端）に形成され、導入路３の他端（下端）は冷媒回路に接続されている。

そして、導入路３を通じて弁内に導入される冷媒圧力が一定圧（閉弁ばね９のばね荷重）以下の場合には、閉弁ばね９の付勢力により弁体７が弁座６に着座して導入路３から放出路４への流路が遮断された状態が維持される一方、冷媒圧力が一定圧（閉弁ばね９のばね荷重）を超えた場合には、閉弁ばね９の付勢力に抗して弁体７が弁座６から後退（上昇）することにより導入路３から放出路４への流路が開放される。これにより、冷媒回路内の冷媒が導入路３、弁室５および放出路４を通って外部へ放出され（矢印Ｒ参照）、冷媒回路内の冷媒圧力を低下させることが出来る。

なお、図１０中の符号Ｄは、弁体７が弁座６に当接する部分の径、すなわち弁体７の弁座側の面のうち冷媒圧力を受ける領域の径（この径を「受圧径」と称する）を示すもので、この受圧径に基いて上記閉弁ばね９のばね荷重が設定される。

また弁体７は、平常時には外部への冷媒の漏洩を防ぐ必要があることから、シール性に優れる樹脂やゴムなどの軟質材料により形成されることが少なくない。

さらに、このような安全弁を開示するものとして、下記特許文献１がある。

特開平９－１００９２６号公報

ところで、樹脂やゴムで形成した弁体は、クリープ変形が懸念される。閉弁ばね９の付勢力によって常に弁座６に押し付けられている弁体７が経時的に変形し、受圧径Ｄが変わることで設定圧力（閉弁ばねのばね荷重）を超えても開弁せず、或いは設定圧力以下でも開弁してしまう不具合が生じるおそれがあるのである。

具体的には、図１１に示すように弁座６はＳＵＳ（ステンレス鋼）や真鍮等の金属材料で形成されているのに対して弁体７は樹脂やゴム等の比較的柔軟な材料で形成されているため、弁体７が弁座６に持続的に押し付けられることにより弁体７の下面に弁座６が次第に喰い込んでいく（図１１中の符号Ｆは弁座６から弁体７が受ける面圧を示している）。そして、弁座６が喰い込んだ分、軟質の弁体構成材料７ａ，７ｂが周囲に押し退けられ、図１２に示すように弁座６の内周面や外周面に沿って弁体が盛り上がる（垂れ下がる）ように変形してしまうことがある。

ここで、変形部が弁座６の内側（導入路側）に形成されるように弁体７が変形すれば（図１２の符号７ｃ参照）、本来の受圧径Ｄより実際の受圧径Ｄ１が小さくなり、導入路３を通じて弁体７が受ける冷媒圧力を受ける面積が小さくなるから、相対的に閉弁ばね９のばね荷重が大きくなって冷媒回路内の圧力が設定圧力を超えても開弁しない事態が生じ得る。一方、変形部が弁座６の外側に形成されるように変形すると（図１２の符号７ｄ参照）、本来の受圧径Ｄより実際の受圧径Ｄ２が大きくなって弁体７が受ける冷媒圧力を受ける面積が大きくなり、設定圧力以下でも開弁してしまう事態が生じ得る。

特に、冷媒にＣＯ₂を使用する場合には冷媒回路内は高圧となり、これに対応して備えられる閉弁ばね９のばね荷重も大きくなるから、弁体７が弁座６に押し付けられる力も強く、変形が生じやすい。さらに、弁体７が不均一に変形すれば、弁座６への当接状態が変化して弁漏れが生じるおそれもある。

一方、変形し難い材料、例えば弁座（弁本体）と同様にＳＵＳや真鍮等の金属材料で弁体７を構成することも考えられる。しかしながら、安全弁において金属製の弁体を使用することは好ましくない。なぜなら、安全弁では、冷媒が大気に放出されることから弁漏れをゼロにすることが望まれるのに対し、金属製の弁体は樹脂などの弁体に比べて柔軟性がなく、弁漏れが生じやすいからである。

したがって、本発明の目的は、樹脂やゴムのような軟質材料からなる弁体の経時的な変形に起因する受圧径の変化（開弁圧の変動）や弁漏れの発生を防止ないし抑制する点にある。

前記課題を解決し目的を達成するため、本発明に係る弁装置は、流体を導入する導入路と流体を外部へ放出する放出路とに連通する弁室を備えた弁本体と、導入路の弁室側の端部に形成した弁座と、弁座に対して進退動可能に弁室内に備えた弁体と、弁体を弁座に向け付勢する閉弁ばねとを備え、導入路を通じて流入する流体が一定の圧力以下の場合には、閉弁ばねの付勢力により弁体が弁座に着座して導入路から放出路への流路を遮断する一方、導入路から流入する流体が一定の圧力より大きくなった場合には、閉弁ばねの付勢力に抗して弁体が弁座から後退することにより導入路から放出路への流路を開放して流体を外部へ放出するようにした弁装置であって、弁体が軟質材料からなり、弁体の導入路に面する側の面に陥凹部を備えた。またこのような弁装置を前提として、本願の第１の発明に係る弁装置では、陥凹部が、溝、穴および段差のいずれかであり、当該陥凹部は、弁座の内側に形成した穴を含み、当該穴の外縁と弁座との間の距離が一定となるように当該穴を形成する。また、本願の第２の発明に係る弁装置では、第１の発明と同様に上記弁装置を前提として、前記軟質材料は樹脂またはゴムを主成分とする材料であり、陥凹部は、溝、穴および段差のいずれかであり、陥凹部は弁座の内側に形成した穴を含み、弁座は導入路の上端の開口縁部から上方に立ち上がる壁体からなり環状の平面形状を有する。

本発明（上記第１および第２の発明）に係る弁装置では、流体の圧力を常に受けることとなる導入路に面する側の面に陥凹部を備え、この陥凹部を変形させることで当該陥凹部に弁体の経時的な変形（クリープ変形）を誘導し、これにより弁座への当接部の変形を抑制する。つまり本発明では、弁体の弁座への当接部の近くに、変形しやすい陥凹部を備えておくことで弁体の変形を当該陥凹部に積極的に誘導する（言い換えれば、弁座当接部の変形を陥凹部により吸収し或いは当該陥凹部に逃がす）。

したがって本発明によれば、弁体にクリープ変形が生じたとしても受圧径が変化し難く、開弁圧力の変動（想定圧力に対する誤差）を抑えることが可能となる。なお、この点については、後述の実施形態の説明において図面に基いてさらに詳しく述べる。

第１の発明において弁体を構成する前記軟質材料は、典型的には第２の発明と同様に、樹脂（合成樹脂又は天然樹脂）またはゴム（合成ゴム又は天然ゴム）を主成分とする材料である。

当該「軟質材料」は、単一の或いは軟質材料のみからなるものである必要は必ずしもなく、複数種類の材料を含んだ複合材料（混合材料）であっても構わない。すなわち本発明に言う「軟質材料」は、例えば、複数種類の樹脂やゴム材料からなるものであっても良いし、金属やセラミックスのような硬質材料を含んでいても構わない。要は、本発明に言う「軟質材料」とは、弁体（弁体を構成する材料）全体として経時的な変形の可能性がある材料であることを意味する。

陥凹部は、溝、穴および段差のいずれかである。

また当該陥凹部は、弁座を取り囲むように弁座より外側に形成した溝を含むことがある。なお、「外側」とは、弁座（又は弁体）の中心軸から見て弁座（弁体の弁座への当接部）より遠い側を意味する。また逆に、後に述べる「内側」とは、弁座（又は弁体）の中心軸から見て弁座（弁体の弁座への当接部）より近い側を意味する。

また、本発明では好ましい態様として、弁座が環状の全体形状を有し、弁座と一定の距離を隔てて弁座と平行に延びるように上記溝を形成する。弁体の経時変形が弁体全体として均一になるようにするためである。これにより、弁体の弁座への当接状態が不均衡となって弁漏れが生じることを防ぐことが出来る。

また上記溝は、矩形（長方形又は正方形）、三角形、多角形および弧状のいずれかの断面形状を有することがある。

さらに、陥凹部は弁座の内側に形成した穴を含むが、この場合、上記溝と同様の理由から（弁体の経時変形を均一にするため）、前記第１の発明のように穴の外縁（周縁）と弁座との間の距離が一定となるように当該穴を形成することが好ましい。

本発明によれば、樹脂やゴムのような軟質材料からなる弁体の経時的な変形に起因する受圧径の変化（開弁圧の変動）や弁漏れの発生を防ぐことが出来る。

本発明の他の目的、特徴および利点は、図面に基いて述べる以下の本発明の実施の形態の説明により明らかにする。なお、各図中、同一の符号は、同一又は相当部分を示す。

図１は、本発明の一実施形態に係る弁装置（安全弁）の閉弁状態を示す縦断面図である。図２は、前記実施形態に係る弁装置の弁体および弁座（図３のＡ－Ａ切断面）を示す縦断面図である。図３は、前記実施形態に係る弁装置の弁体を示す底面図である。図４は、前記実施形態に係る弁装置の弁座と弁体（閉弁状態で弁座が弁体に喰い込んだ状態）を示す縦断面図である。図５は、前記実施形態に係る弁装置の弁座と弁体（弁体がクリープ変形した状態）を示す縦断面図である。図６は、前記実施形態に係る弁装置の弁体の構成例を図２と同様に示す縦断面図である。図７は、前記実施形態に係る弁装置の弁体の更に別の構成例を弁ホルダとともに示す縦断面図である。図８は、前記実施形態に係る弁装置の弁体の更に別の構成例を弁ホルダとともに示す縦断面図である。図９は、前記実施形態に係る弁装置の弁体の更に別の構成例を弁ホルダとともに示す縦断面図である。図１０は、従来の安全弁の一例（閉弁状態）を示す縦断面図である。図１１は、従来の安全弁の弁座と弁体（閉弁状態で弁座が弁体に喰い込んだ状態）を示す縦断面図である。図１２は、従来の安全弁の弁座と弁体（弁体がクリープ変形した状態）を示す縦断面図である。

図１から図３に示すように本発明の一実施形態に係る弁装置２１は、冷媒回路内の冷媒圧力が異常に上昇したときに冷媒を大気中に放出する安全弁で、冷媒を導入する導入路３と冷媒を外部（大気中）へ放出する放出路４とに連通する弁室５を内部に備えた弁本体２と、導入路３の弁室側の端部（上端部）に形成した弁座６と、弁座６に対して進退動（上下動）可能に弁室５内に備えた弁体２７と、弁体２７を保持して弁体２７と一緒に上下動する弁ホルダ８と、弁ホルダ８を介して弁体２７を弁座６に向け付勢する閉弁ばね９と、閉弁ばね９の上端部を支持するばね受け部材１０とを備えている。

なお、各図には上下および左右方向を表す互いに直交する二次元座標を示し、本願ではこれらの方向に基いて説明を行うが、本発明の弁装置および実施形態の安全弁は様々な向きで使用することが可能であるから、当該各方向は説明の便宜上のものであり、本発明の各部構成に何ら限定を加えるものではない。

導入路３は、弁本体２の下面から垂直上方へ延び、弁本体２の上下方向の中間位置に形成した弁室５に連通する。導入路３の上端、すなわち弁室５への開口部には、弁座６を弁本体２と一体に形成してある。この弁座６は、導入路３の上端の開口縁部から垂直上方に立ち上がる一定の高さを有する壁体からなり、当該壁体は導入路３の上面開口を取り囲むように延在する。したがって、弁座６は全体としてリング状の平面形状を有する。

また、上記壁体の上端部は半円状（ドーム形）の断面形状を有し、閉弁時には壁体の頂上６ａに弁体２７が当接して導入路３を閉塞する。したがって、壁体の頂上６ａが描く円の径Ｄが弁体２７にクリープ変形が生じていないときの受圧径となる。

一方、弁体２７は、弁座６に当接して導入路３を塞ぐことが出来るように弁座６より大きな径を有する円板状の部材で、平常時（閉弁時）に弁漏れが生じることを防ぐため、樹脂またはゴムにより形成する。なお、弁座６の頂上６ａが当接する弁体２７の部分を弁座当接部と称し、図中に符号２８で示している。また、弁体２７は、弁ホルダ８の下端周縁部８ａをかしめることにより弁ホルダ８の下面に固定してある。

弁体２７の弁座６に対向する面（下面）には、陥凹部２２，２３を備える。この陥凹部は、本実施形態では、弁体２７の中心軸部に形成した円形の平面形状を有する穴（以下「内穴」と言う）２２と、弁座６を取り囲むようにリング状に形成した溝（以下「外溝」と言う）２３とからなり、弁体２７の変形（後述する）を吸収しやすくするために、内穴２２および外溝２３いずれも弁座６の当接位置（弁座当接部２８）に近い位置に形成する。

さらに、外溝２３はその内縁２３ａが弁座６（弁座頂上６ａ）と一定の間隔Ｗ２を有するように弁座６と同心円状に形成する。弁体２７の変形を均一にするためである。同様の理由から、内穴２２はその周縁２２ａが弁座６（弁座頂上６ａ）と一定の間隔Ｗ１を有するように形成する。

内穴２２および外溝２３の断面形状は特に問わないが、本実施形態では、内穴２２は周縁（内周面の下縁部）の角部と天面（上面）の角部をそれぞれ丸めた略長方形の縦断面形状を有する。また外溝２３は、内周縁（内側内周面の下縁部）および外周縁（外側内周面の下縁部）の各角部を丸めるとともに天面（上面）を半円状（ドーム形）にした略正方形の縦断面形状を有する。

弁体２７を保持する弁ホルダ８は、有底無蓋の円筒状（カップ状）の全体形状を有し、弁室５の内周面に沿って上下に摺動可能に弁室５内に設置する。この弁ホルダ８は、上面側から閉弁ばね９を収容して閉弁ばね９の下部を支持するとともに、閉弁ばね９によって下方に付勢され、これにより下面に固定した弁体２７を弁座６に押し付ける機能を果たす。なお、閉弁ばね９は、コイルばねからなり、弁ホルダ８とばね受け部材１０との間に圧縮した状態で設置する。

閉弁ばね９の上端部は、弁室上部に備えたばね受け部材１０により支持する。ばね受け部材１０は、弁室内周面に形成した雌ねじ１３に螺合する雄ねじ１２を外周面に備えており、ばね受け部材１０を回転させてばね受け部材１０の上下方向の位置を変更することにより閉弁ばね９の付勢力（設定圧力）を増減し、開弁圧力を調節することが可能である。さらに、ばね受け部材１０の外周部には当該ばね受け部材１０を上下方向に貫通する複数の連通孔１１を穿設してある。したがって、開弁時に導入路３から流入した冷媒は、弁ホルダ８の外周面と弁本体２の内周面との間を通って弁室５の上部へ進行し、さらに連通孔１１を通って弁室５から放出路４へ流れていく。

放出路４は、弁室５の上面部から垂直上方に延びるように弁本体２の上部に形成してあり、弁室５内の冷媒を外部へ放出できるように弁本体２の上面に開口している。

このように構成した本実施形態に係る安全弁２１では、前記従来の安全弁１と同様に導入路３を通じて導入される冷媒圧力が一定圧（閉弁ばね９のばね荷重）以下の場合には、閉弁ばね９の付勢力により弁体２７が弁座６に当接して導入路３から放出路４への流路が遮断されている。一方、導入路３から導入される冷媒圧力が一定圧（閉弁ばね９のばね荷重）を超えると、閉弁ばね９の付勢力に抗して弁体２７が弁ホルダ８とともに弁座６から後退（上昇）し、導入路３から放出路４への流路が開放される。これにより、冷媒回路内の冷媒が導入路３、弁室５および放出路４を通って外部へ放出され（矢印Ｒ参照）、冷媒回路内の冷媒圧力を低下させることが出来る。

他方、経年使用により弁体２７がクリープ変形する場合には、本実施形態の安全弁２１では次のような変形となる。

図４に示すように弁体２７は、従来（図１１）と同様に弁座６から圧力を受け、弁座６が弁体２７に喰い込むが、図５に示すように本実施形態では、弁座当接部（弁座頂上６ａ）の内側近くに内穴２２を備え、弁座当接部の外側近くには外溝２３を備えてあるから、内側への変形２７ｃは内穴２２に吸収され、外側への変形２７ｄは外溝２３に吸収される。言い換えれば、本実施形態では、弁座当接部近傍に形成した内穴２２の外縁（周縁）２２ａや外溝２３の内縁２３ａの変形を促すことにより、弁座当接部のクリープ変形をこれら内穴２２や外溝２３に積極的に誘導する（別の表現をすれば、弁体２７の変形を内穴２２や外溝２３に逃がす）ことで、従来（図１２）のように弁体２７が弁座側に盛り上がる（弁座６の内周面や外周面に沿って垂れ下がる）ことを防ぐことが出来る。

また、従来（図１２）では、受圧径Ｄの変動幅、すなわち外側へ変形した場合の受圧径Ｄ２と、内側へ変形した場合の受圧径Ｄ１の差（Ｄ２－Ｄ１）が大きく、開弁圧力の変動（想定圧力に対する誤差）が大きくなっていたが、本実施形態によれば、受圧径Ｄの変動幅、すなわち外側へ変形した場合の受圧径Ｄ４と、内側へ変形した場合の受圧径Ｄ３の差（Ｄ４－Ｄ３）を従来に比べて抑えることができ、開弁圧力の変動（想定圧力に対する誤差）を小さくすることが可能となる。

さらに本実施形態では、弁座６（弁座当接部２８）から上記内穴２２と外溝２３の各距離Ｗ１，Ｗ２を一定にしてあるから、弁体２７が変形してもその変形が弁体全体として均一になり、弁体２７と弁座６との間の当接状態に変化が少なく弁漏れも生じ難い。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更を行うことができることは当業者に明らかである。

例えば、前記実施形態では、陥凹部として弁座当接部の内側に穴２２を、外側に溝２３をそれぞれ備えたが、図６に示すように外溝に代えて段差部２４を備えることも可能である。また、弁座当接部内側の穴２２に代えて外溝２３と同様の溝を備えても良い。さらに、内穴２２と外溝２３の断面形状は、長方形や正方形（図７参照）、三角形（図８参照）、円弧状（図９参照）或いは多角形とするなど様々な形状とすることが出来る。

また、弁室上部（放出路４）には、安全弁が作動したことを目視できるようにする手段、例えば、冷媒（流体）によって吹き飛び或いは破れるシート材などを備えておくことも可能である。さらに、放出路４を通じて放出される流体の向きを変える曲がり配管や、放出される流体を他の場所へ導く配管などを放出路４に接続できるようにしても良い。

また、本発明に係る弁装置は、エアコン（空気調和機）や冷凍庫・冷蔵庫など冷媒回路を備えた冷凍サイクルシステムに好ましく使用することが出来るが、使用用途はこれらに限定されず、他にも様々な用途に使用可能な弁装置を本発明に基いて構成することが可能である。したがって、本発明に言う「流体」には熱媒体（冷媒および熱媒）のほか、各種の液体や気体（ガス）が含まれる。

１弁装置（安全弁）
２弁本体
３導入路
４放出路
５弁室
６弁座
６ａ弁座（弁座を構成する壁体）の頂上
７，２７弁体
７ａ，７ｂ，２７ａ，２７ｂクリープ変形（弁座の喰い込み）により周囲に押し退けられる弁体の構成部分
７ｃ，７ｄ，２７ｃ，２７ｄクリープ変形による弁体の変形部
８弁ホルダ
８ａ弁ホルダの下端周縁部（かしめ部）
９閉弁ばね（圧縮コイルばね）
１０ばね受け部材
１１連通孔
１２ａ雄ねじ（調節ねじ）
１２ｂ雌ねじ（調節ねじ）
２２内穴（陥凹部）
２２ａ内穴の外縁（周縁）
２３外溝（陥凹部）
２３ａ外溝の内縁
２４段差部（陥凹部）
２８弁座当接部
Ｄ，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４受圧径
Ｆ弁体が弁座から受ける面圧
Ｗ１弁座当接部から内穴外縁までの距離
Ｗ２弁座当接部から外溝内縁までの距離

Claims

流体を導入する導入路と前記流体を外部へ放出する放出路とに連通する弁室を備えた弁本体と、
前記導入路の前記弁室側の端部に形成した弁座と、
当該弁座に対して進退動可能に前記弁室内に備えた弁体と、
当該弁体を前記弁座に向け付勢する閉弁ばねと
を備え、
前記導入路を通じて流入する前記流体が一定の圧力以下の場合には、前記閉弁ばねの付勢力により前記弁体が前記弁座に着座して前記導入路から前記放出路への流路を遮断する一方、前記導入路から流入する前記流体が一定の圧力より大きくなった場合には、前記閉弁ばねの付勢力に抗して前記弁体が前記弁座から後退することにより前記導入路から前記放出路への流路を開放して前記流体を外部へ放出するようにした弁装置であって、
前記弁体は、軟質材料からなり、
前記弁体の前記導入路に面する側の面に陥凹部を備え、
前記陥凹部は、溝、穴および段差のいずれかであり、
前記陥凹部は、前記弁座の内側に形成した穴を含み、
前記穴の外縁と前記弁座との間の距離が一定となるように前記穴を形成した
ことを特徴とする弁装置。
流体を導入する導入路と前記流体を外部へ放出する放出路とに連通する弁室を備えた弁本体と、
前記導入路の前記弁室側の端部に形成した弁座と、
当該弁座に対して進退動可能に前記弁室内に備えた弁体と、
当該弁体を前記弁座に向け付勢する閉弁ばねと
を備え、
前記導入路を通じて流入する前記流体が一定の圧力以下の場合には、前記閉弁ばねの付勢力により前記弁体が前記弁座に着座して前記導入路から前記放出路への流路を遮断する一方、前記導入路から流入する前記流体が一定の圧力より大きくなった場合には、前記閉弁ばねの付勢力に抗して前記弁体が前記弁座から後退することにより前記導入路から前記放出路への流路を開放して前記流体を外部へ放出するようにした弁装置であって、
前記弁体は、軟質材料からなり、
前記弁体の前記導入路に面する側の面に陥凹部を備え、
前記軟質材料は、樹脂またはゴムを主成分とする材料であり、
前記陥凹部は、溝、穴および段差のいずれかであり、
前記陥凹部は、前記弁座の内側に形成した穴を含み、
前記弁座は、前記導入路の上端の開口縁部から上方に立ち上がる壁体からなり、環状の平面形状を有する
ことを特徴とする弁装置。
前記軟質材料は、樹脂またはゴムを主成分とする材料である
請求項１に記載の弁装置。
前記陥凹部は、前記弁座を取り囲むように前記弁座より外側に形成した溝を含む
請求項１または２に記載の弁装置。
前記弁座は環状の全体形状を有し、
当該弁座と一定の距離を隔てて当該弁座と平行に延びるように前記溝を形成した
請求項４に記載の弁装置。
前記溝は、矩形、三角形、多角形および弧状のいずれかの断面形状を有する
請求項４または５に記載の弁装置。