JP7624712B2 - 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。

一般的な膨張弁に対しては、冷凍サイクルのコンデンサから冷媒が送出される高圧配管と、エバポレータから冷媒が送出される低圧配管とが、それぞれ別個に接続されている。これに対し、特許文献１に開示された膨張弁においては、低圧配管を内側配管とし、高圧配管を外側とした二重配管を、膨張弁に接続するシステムが開示されている。かかるシステムによれば、配管の取り回しの簡素化が図れる。

特開２０２０－９４７９３号公報

ところで、膨張弁には、不活性ガス等を封止した感温部を備えたパワーエレメントが配設されている。パワーエレメントは、感温部の内外間にて伝達される熱によりガスの体積が変化することを利用して、作動棒を介して弁体を開閉させるようになっている。しかしながら、感温部の時定数が小さい場合、弁体が振動して開弁と閉弁とを繰り返す、いわゆるハンチング現象が生じるおそれがある。しかしながら、特許文献1にはハンチング現象を抑制する具体的構造が開示されていない。

そこで本発明は、二重配管を連結可能であり、弁体ユニットの振動を抑制できる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、本発明による膨張弁は、
内側配管内を低圧冷媒が通過し、前記内側配管の周囲に配置された外側配管と前記内側配管との間の空間となる中間流路を高圧冷媒が通過する二重配管を接続可能な膨張弁であって、
弁座を備えた弁室と、前記弁室より下流側と前記弁室とをつなぐ絞りとしての弁通孔と、前記中間流路から前記弁室に接続され高圧冷媒が流れる高圧流路と、を備えた弁本体と、
前記弁座に着座可能な弁体と、前記弁体を支持する本体及び前記本体に形成されるフランジ部を備えた弁体サポートとを含む弁体ユニットと、
前記弁通孔内に配置され、前記弁体に当接する作動棒と、
前記作動棒を駆動するパワーエレメントと、
前記作動棒を挟んで前記パワーエレメントと反対側に配置され、前記弁体サポートの前記フランジ部を介して前記弁体ユニットを前記パワーエレメント側に付勢するコイルばねと、を有し、
前記中間流路から前記弁室に向かって前記高圧流路を流れた高圧冷媒が前記弁体サポートの前記フランジ部に当たるように、前記高圧流路が前記弁体ユニットの軸線に対して傾いて形成され、
前記高圧流路の軸線に沿って前記高圧流路を投影したときに、その投影像は閉弁状態にある前記弁体サポートの前記フランジ部と重なる、ことを特徴とする。

本発明により、二重配管を連結可能であり、弁体ユニットの振動を抑制できる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、本実施形態の弁本体周辺を拡大して示す縦断面図である。 図３は、本実施形態の変形例を示す図２と同様な縦断面図である。 図４は、本変形例にかかるカバー部材を示す斜視図である。 図５は、第２実施形態にかかる膨張弁の縦断面図である。

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、本実施形態の弁本体周辺を拡大して示す縦断面図である。

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（高圧流路ともいう）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２流路２２には、エバポレータ１０４の入口側に接続される配管（不図示）が連結される。

戻り流路２３は、軸線Ｌに直交して弁本体２を貫通して延在する。戻り流路２３の軸線をＯとする。戻り流路２３は、エバポレータ１０４の出口側に接続される配管（不図示）が連結される入口路２３ａと、中間路（低圧流路ともいう）２３ｂと、中間路２３ｂより大径の第１拡径孔２３ｃと、第１拡径孔２３ｃより大径の第２拡径孔２３ｄと、第２拡径孔２３ｄより大径である第３拡径孔２３ｅとを同軸に連設してなる。詳細は後述するが、中間路２３ｂは、縦穴２ａを介してパワーエレメント８の下部空間ＬＳに連通している。

戻り流路２３には、二重配管５０が連結される。二重配管５０は、中間路２３ｂに端部が嵌合する内側配管５１と、内側配管５１を内包し第２拡径孔２３ｄに端部が嵌合する外側配管５２とを有する。内側配管５１は、管の一部を膨径させて軸線方向に押しつぶすことで形成されたフランジ部５１ａを端部近傍に有している。内側配管５１の端部とフランジ部５１ａとの間には、フランジ部５１ａにより保持されたＯ－リングＯＲ１が配置され、これにより第１拡径孔２３ｃと内側配管５１の外周との間を封止して、冷媒漏れを阻止している。

また、外側配管５２も、管の一部を膨径させて軸線方向に押しつぶすことで形成されたフランジ部５２ａを端部近傍に有している。外側配管５２の端部は、第２拡径孔２３ｄの段部に底付きしておらず、フランジ部５２ａは、弁本体２の側面に当接している。外側配管５２の端部とフランジ部５２ａとの間には、フランジ部５２ａにより保持されたＯ－リングＯＲ２が配置され、これにより第３拡径孔２３ｅと外側配管５２の外周との間を封止して、冷媒漏れを阻止している。

内側配管５１は、コンプレッサ１０１の入口に連結され、外側配管５２と内側配管５１の間の環状空間（中間流路という）は、コンデンサ１０２の出口に連結されている。

第１流路２１は、軸線Ｌ及び軸線Ｏを含む面内に軸線（中心軸線）Ｘ１（図２）を持ち、且つ軸線Ｌ及び軸線Ｏに対して傾斜しており、その上端は第２拡径孔２３ｄの内周にて開放している。一方、第１流路２１は、その下端に、第１流路２１より小径である小径路２１ａを同軸に備えている。この小径路２１ａは、弁座２０の下方における弁室ＶＳの内周にて連結されている。すなわち、第２拡径孔２３ｄの内部と弁室ＶＳとは、第１流路２１を介して連通している。図２を参照して、第１流路２１の軸線Ｘ１に沿って小径路２１ａを弁室ＶＳ側に投影したときに、その投影像は弁体３及び弁体サポート４２に重なる。

弁室ＶＳと中間室２２１とは、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、ストッパ部材８４の下端の嵌合孔に嵌合している。

作動棒５は、付勢装置４による付勢力に抗して、弁体３を軸線Ｌに沿って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。弁体３と弁体サポート４２により、弁体ユニットを構成する。ただし、弁体３のみにより弁体ユニットを構成してもよい。その場合には、第１流路２１の軸線Ｘ１に沿って小径路２１ａを弁室ＶＳ側に投影したときに、その投影像は弁体３のみに重なることとなる。弁体ユニットの軸線とは、開弁動作に応じて弁体ユニットの重心が移動する軌跡を含む直線をいい、ここでは膨張弁１の軸線Ｌに一致する。

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。

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の頂部の開口は、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、例えば金属製の板材をプレス成形することによって形成され、フランジ部と中空円筒部とを連結してなる。

ストッパ部材８４は、上蓋部材８２と受け部材８６との間に配置され、その上面がダイアフラム８３の下面中央と接している。

パワーエレメント８の組み立てにおいて、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。

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の中空円筒部の下端外周の雄ねじ８６ａを、弁本体２の戻り流路２３に連通する縦穴２ａの内周に形成した雌ねじ２ｂに螺合させる。受け部材８６の雄ねじ８６ａを雌ねじ２ｂに対して螺進させてゆくと、受け部材８６のフランジ部下面が弁本体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との間には、パッキンＰＫが介装され、弁本体２にパワーエレメント８を取り付けた際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、縦穴２ａを介して戻り流路２３と連通する。

（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で加圧された高圧冷媒は、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の戻り流路２３内に進入し、さらに二重配管５０の内側配管５１を通って、コンプレッサ１０１側へ戻される。このとき、冷媒がエバポレータ１０４を通過することで、戻り流路２３の流体圧は、第２流路２２内の流体圧より低くなる。エバポレータ１０４を通過した冷媒を、低圧冷媒という。

膨張弁１からコンプレッサ１０１に低圧冷媒が送出されるとともに、コンデンサ１０２から膨張弁１に高圧冷媒が送出される。より具体的には、コンデンサ１０２からの高圧冷媒は、二重配管５０の外側配管５２と内側配管５１との間の中間流路、及び第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、縦穴２ａを介して戻り流路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。

ところで、パワーエレメント８の時定数が比較的小さいと、ハンチング現象が生じやすく、それにより弁体３の振動を招くおそれがある。これに対し本実施形態によれば、第１流路２１の軸線Ｘ１が直線であって、軸線Ｘ１の延長線上に弁体３または弁体サポート４２が配置され、あるいは第１流路２１の軸線Ｘ１に沿って小径路２１ａを弁室ＶＳ側に投影したときに、その投影像は弁体３または弁体サポート４２に重なる構成を備える。このため、開弁時に小径路２１ａから弁室ＶＳへと流れ出る冷媒が、図２に矢印で示すように、弁体３または弁体サポート４２に斜め方向（すなわち軸線Ｌに対して傾いた方向）から当たり、弁体３に流体による抵抗を付与して振動を抑制することができる。特に、弁体３が縦に振動する場合、冷媒が斜めに当たることで、弁体３が上方に移動する際の抵抗を付与することができ、高い制振効果を発揮できる。

加えて、第１流路２１の冷媒の出口に、小径路２１ａ以外の第１流路２１より小径の小径路２１ａを配設しているため、小径路２１ａによる絞り効果によって冷媒の流出速度が高まり、さらに効果的に弁体３の振動を抑制することができる。

（変形例）
図３は、本実施形態の変形例を示す図２と同様な縦断面図である。図４は、本変形例にかかるカバー部材６０を示す斜視図である。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。

本変形例においては、弁体サポート４２とコイルばね４１との間に、カバー部材６０を配置している。カバー部材６０は、図４に示すように、周壁６１と頂壁６２とを連設した有頂円筒形状を有し、頂壁６２の中央には、円形開口６３が形成されている。カバー部材６０は、金属製の板材をプレス成形することによって形成できる。

弁体サポート４２は、円筒状の本体４２ａと、本体４２ａから径方向外方に延在するフランジ部４２ｂとを有する。組み付け時には、コイルばね４１の上部にカバー部材６０を被せるようにして設置すると、頂壁６２の下面がコイルばね４１の上端に当接し、コイルばね４１の上部周囲は周壁６１によって囲われる。さらにカバー部材６０の上方より弁体サポート４２を接近させ、円形開口６３及びコイルばね４１の上端内周に本体４２ａを嵌合させることで、組み付けが行われる。カバー部材６０の頂壁６２は、コイルばね４１の上端と、弁体サポート４２のフランジ部４２ｂとにより挟持されて保持される。

本変形例によれば、図３に示すように、コイルばね４１の上部がカバー部材６０によって覆われるため、小径路２１ａから弁室ＶＳに向かう冷媒が、カバー部材６０の滑らかな表面に沿って流れることとなり、それにより乱流の生成が抑制され、弁体３の制振効果を高めるとともに、異音の発生などを抑制することができる。

（第２実施形態）
図３は、第２実施形態にかかる膨張弁１Ａの縦断面図である。本実施形態は、第１実施形態に対して弁本体２Ａの第１流路２１Ａ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。なお、本実施形態では、小径路２１Ａａ以外の第１流路２１Ａが、第１通路を構成し、小径路２１Ａａが、第２通路を構成する。

本実施形態の第１流路２１Ａにおいては、小径路２１Ａａの軸線Ｘ２が、小径路２１Ａａ以外の第１流路２１Ａの軸線Ｘ１と交差している。より具体的には、小径路２１Ａａの軸線Ｘ２と軸線Ｌとの交差角θ２は、小径路２１Ａａ以外の第１流路２１Ａの軸線Ｘ１と軸線Ｌとの交差角θ１よりも小さくなっている。本実施形態によれば、軸線Ｘ２に沿って小径路２１Ａａを弁室ＶＳ側に投影したときに、その投影像は弁体サポート４２に重なる。なお、交差角θ１と交差角θ２とは、膨張弁１Ａの仕様に応じて任意に変更できる。したがって、交差角θ１が交差角θ２より小さくてもよい。

小径路２１Ａａ以外の第１流路２１Ａの軸線Ｘ１は、戻り流路２３の内周と交差しておらず、小径路２１Ａａの軸線Ｘ２は弁室ＶＳの内周と交差していない。したがって、第３拡径孔２３ｅの外側から戻り流路２３内に、ドリル等の工具を軸線Ｏに対して斜めに、すなわち軸線Ｘ１に沿って挿入することで、小径路２１Ａａ以外の第１流路２１Ａを切削加工することができる。一方、弁室ＶＳを形成する開口部の下方から、ドリル等の工具を軸線Ｌに対して斜めに、すなわち軸線Ｘ２に沿って挿入することで、第１流路２１Ａにつながるように小径路２１Ａａを切削加工することができる。

本実施形態によれば、開弁時に小径路２１Ａａから弁室ＶＳへと流れ出る冷媒が、弁体サポート４２に斜め方向から当たり、それにより弁体３の振動を抑制することができる。弁体３の振動を抑制する場合、弁体３に冷媒を当てることなく、弁体サポート４２に当てた方が制振効果がより高くなる場合もある。したがって、第１流路２１Ａの小径路２１Ａａを任意に角度付けすることで、最適な位置に冷媒を向けることが可能になる。

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、１Ａ ：膨張弁
２、２Ａ ：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、２１Ａ：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
５０ ：二重配管
６０ ：カバー部材
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 (4)

1. 内側配管内を低圧冷媒が通過し、前記内側配管の周囲に配置された外側配管と前記内側配管との間の空間となる中間流路を高圧冷媒が通過する二重配管を接続可能な膨張弁であって、
   弁座を備えた弁室と、前記弁室より下流側と前記弁室とをつなぐ絞りとしての弁通孔と、前記中間流路から前記弁室に接続され高圧冷媒が流れる高圧流路と、を備えた弁本体と、
   前記弁座に着座可能な弁体と、前記弁体を支持する本体及び前記本体に形成されるフランジ部を備えた弁体サポートとを含む弁体ユニットと、
   前記弁通孔内に配置され、前記弁体に当接する作動棒と、
   前記作動棒を駆動するパワーエレメントと、
   前記作動棒を挟んで前記パワーエレメントと反対側に配置され、前記弁体サポートの前記フランジ部を介して前記弁体ユニットを前記パワーエレメント側に付勢するコイルばねと、を有し、
   前記中間流路から前記弁室に向かって前記高圧流路を流れた高圧冷媒が前記弁体サポートの前記フランジ部に当たるように、前記高圧流路が前記弁体ユニットの軸線に対して傾いて形成され、
   前記高圧流路の軸線に沿って前記高圧流路を投影したときに、その投影像は閉弁状態にある前記弁体サポートの前記フランジ部と重なる、
   ことを特徴とする膨張弁。
2. 前記弁体サポートの前記フランジ部と前記コイルばねとの間に配置される頂壁と、前記コイルばねの周囲の少なくとも一部を囲う周壁とを備えたカバー部材と、を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の膨張弁。
3. 前記高圧流路は、前記外側配管側の第１通路と、前記弁室側の第２通路とを有し、前記第１通路の内径は、前記第２通路の内径よりも大きく、
   前記第２通路の軸線に沿って前記第２通路を投影したときに、その投影像は閉弁状態にある前記弁体サポートの前記フランジ部と重なる、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の膨張弁。
4. 前記第１通路の軸線と前記第２通路の軸線とは交差する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の膨張弁。

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