JP2004101163A - 定流量膨張弁 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒漏れの十分に少ない定流量膨張弁を提供すること。
【解決手段】冷媒入口１より小さな固定の流路断面積を有する冷媒通路５と、この冷媒通路５に冷媒が流れることで発生する入口圧力Ｐ１と中間圧力Ｐ２との差圧（Ｐ１−Ｐ２）を一定に制御する差圧制御弁と、その差圧を外部から与えられる電流値で設定できるソレノイドとを備え、その差圧制御弁は一体に形成されたピストン８および弁体９が差圧（Ｐ１−Ｐ２）を感知してその差圧が一定に維持されるように弁体９と弁座１０との間の隙間を変化させ、その隙間で冷媒を断熱膨張させる。ピストン８はダイヤフラム６によって冷媒入口１から流体的に隔離されているので、ピストン８の摺動部を介して冷媒が内部漏れしてしまうのを完全に防止することができる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は定流量膨張弁に関し、特に自動車用空調装置の冷凍サイクルにおいて高温・高圧の冷媒を低温・低圧にして蒸発器に一定の流量で送り出すようにした定流量膨張弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用空調装置の冷凍サイクルでは、圧縮機を制御する制御弁としてその前後差圧あるいは吸入圧力を一定に制御する差圧制御式のものが使用されている場合、系の制御性を安定させるために、膨張弁として制御方式の異なる定流量制御式の膨張弁を使用することが良いとされている。このような定流量膨張弁は、たとえば特許文献１において、公知である。
【０００３】
この定流量膨張弁は、定流量機構を有しており、この定流量機構は、冷媒入口と冷媒出口との間において冷媒が流れる通路の断面積とその通路の前後の差圧とが決まれば、膨張弁を流れる冷媒の流量を一定にすることができ、断面積または差圧の一方をソレノイドで可変することによってソレノイドで設定された値に対応した流量で一定に制御することができるという原理に基づいている。具体的には、定流量機構は、通路の断面積を制御する流路断面積制御弁と、この流路断面積制御弁の入口と出口の前後の差圧を一定にする定差圧弁とを備え、流路断面積制御弁の流路断面積をソレノイドで制御することにより、膨張弁を流れる冷媒流量を、ソレノイドで設定された流路断面積に対応した所定の一定流量に維持するようにしている（特許文献１の図１参照。）。あるいは、定流量機構は、断面積が変化しない絞り通路と、この絞り通路の入口と出口の前後の差圧を一定にする差圧制御弁とを備え、この差圧制御弁の設定差圧をソレノイドで制御することにより、膨張弁を流れる冷媒流量を、ソレノイドで設定された差圧に対応した所定の一定流量に維持するようにしている（特許文献１の図２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１５３４９５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の定流量膨張弁において、流路断面積を制御するタイプのものでは、定差圧弁の感圧部がこの定差圧弁と流路断面積制御弁との間の中間圧力と出口圧力とを感知して開閉できるように冷媒入口と冷媒出口との間で摺動するよう構成され、差圧を制御するタイプのものでも、差圧制御弁の感圧部がこの差圧制御弁と絞り通路との間の中間圧力と出口圧力とを感知して開閉できるように冷媒入口と冷媒出口との間で摺動するよう構成されていることから、それぞれ摺動する部分を介して冷媒入口から冷媒出口への冷媒漏れが生じてしまい、たとえば、流量をゼロに制御しようとしても、実質的にゼロとなるような制御が困難であるという問題点があった。
【０００６】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、冷媒漏れの十分に少ない定流量膨張弁を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記問題を解決するために、冷媒入口より小さな流路断面積を有する絞り部と、前記絞り部の前後差圧を一定に制御する差圧制御弁とを備えた定流量膨張弁において、前記絞り部の下流側と前記差圧制御弁の上流側とを連通し、前記差圧制御弁は、閉弁方向に前記冷媒入口の入口圧力を受けるとともに、開弁方向に前記絞り部と前記差圧制御弁との間の中間圧力を受けるように構成されていて、前記入口圧力の受圧部分がダイヤフラムによって流体的に隔離されていることを特徴とする定流量膨張弁が提供される。
【０００８】
このような定流量膨張弁によれば、差圧制御弁の入口圧力を受圧する部分にダイヤフラムを配置したことにより、差圧制御弁を介しての冷媒漏れを完全に防止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係る定流量膨張弁を示す中央縦断面図である。
【００１０】
この定流量膨張弁は、高圧の冷媒が送られてくる冷媒入口１と、冷媒が膨張しながら図示しない蒸発器に送り出される冷媒出口２とが本体ブロック３に設けられている。冷媒入口１と本体ブロック３の上部に形成される中間室４との間には、冷媒通路５が形成されている。この冷媒通路５は、冷媒入口１より小さな流路断面積を有し、その前後に冷媒流量に応じた差圧を生じさせる絞り部（オリフィス）を構成している。
【００１１】
また、本体ブロック３は、その軸線位置に段付きの貫通穴が形成されており、大径の穴には、段部にダイヤフラム６を配置し、そのダイヤフラム６を固定するように弁ホルダ７が圧入されている。弁ホルダ７は、ピストン８を軸線方向に進退自在に保持している。このピストン８の図の上部には、一体に形成された截頭円錐形の弁体９を有している。弁ホルダ７の上部開口部には、弁体９に対する弁座１０が圧入により固定配置されている。この弁座１０の弁孔は、ピストン８の外径と同じ内径を有するように形成され、これによりダイヤフラム６、ピストン８および弁体９にかかる冷媒出口２の圧力をキャンセルし、冷媒出口２の圧力がピストン８および弁体９の動きに影響しないようにしている。また、冷媒入口１と冷媒出口２との間の差圧を感知するように進退動作するピストン８および弁体９が配置されている部分は、ダイヤフラム６が配置されていることによって冷媒入口１と冷媒出口２との間が完全に遮断されているので、この部分での冷媒漏れを完全になくすことができる。
【００１２】
ダイヤフラム６の下面には、ダイヤフラム受盤１１が当接されており、スプリング１２によって弁体９が弁座１０に着座する方向に付勢されている。スプリング１２の下端部は、本体ブロック３に圧入された圧入部材１３によって受けられている。
【００１３】
なお、ダイヤフラム６は、好ましくは、引っ張り強度の強い厚さ７５μｍ程度のポリイミドフィルムが使われる。このとき、剛性が上がることなく強度を高めることを目的として、より薄いポリイミドフィルムを複数枚重ねて用いるようにしてもよい。
【００１４】
本体ブロック３の上部には、ソレノイド部が設けられている。このソレノイド部は、本体ブロック３の上部に嵌入された固定鉄芯１５を有し、嵌入後に、ここからの冷媒漏れを防止するため、溶接によりシールしてある。固定鉄芯１５の上端には、ケース１６が冠着され、この冠着部も溶接によりシールされてソレノイド部の内部を完全に気密になるようにしている。ケース１６の中には、軸線方向に延びるシャフト１７と、このシャフト１７に固着された可動鉄芯１８と、この可動鉄芯１８と固定鉄芯１５との間に配置されたスプリング１９とを有している。シャフト１７は、ケース１６の上端部に形成された軸受と固定鉄芯１５の下端面に圧入された軸受２０とによって軸線方向に進退自在に保持されている。そして、固定鉄芯１５の上部およびケース１６の外周には、電磁コイル２１が配置され、ヨーク２２によって本体ブロック３に固定されている。
【００１５】
以上の構成の定流量膨張弁において、電磁コイル２１に電流が供給されていないときには、可動鉄芯１８はスプリング１９によって固定鉄芯１５から離れる方向に付勢されているため、弁体９にかかるソレノイド力はゼロである。このとき、ピストン８はスプリング１２によって付勢されているため、弁体９は弁座１０に着座しており、定流量膨張弁は全閉状態にある。
【００１６】
ここで、電磁コイル２１に電流ｉが供給されているとすると、可動鉄芯１８が固定鉄芯１５に吸引されることにより、それに対応するソレノイド力が弁体９にかかり、弁体９はそのソレノイド力とスプリング１２の荷重とがバランスした位置で静止する。この状態で、冷媒入口１に高圧の冷媒が導入されると、その冷媒は、絞り部を構成している冷媒通路５を通って中間室４に入り、ここから弁体９と弁座１０との間に形成される隙間によって断熱膨張しながら冷媒出口２へと流れる。
【００１７】
このとき、冷媒入口１に導入された冷媒の圧力をＰ１、冷媒通路５を通過することによって減圧された中間室４の圧力をＰ２、冷媒通路５の流路断面積をＡとすると、定流量膨張弁を流れる冷媒の流量Ｇｆは、
【００１８】
【数１】
Ｇｆ＝ＫＡ（Ｐ１−Ｐ２）　・・・（１）
で表される。なお、この式で、Ｋは流量係数である。一方、ピストン８および弁体９に作用する力は、ダイヤフラム６、ピストン８および弁体９の有効受圧面積をＢ、電流ｉによって生まれるソレノイド力をｆ（ｉ）、そしてスプリング１２の荷重をｆｓとすると、上向きと下向きの力関係は、
【００１９】
【数２】
Ｂ・Ｐ１＋ｆｓ＝Ｂ・Ｐ２＋ｆ（ｉ）　・・・（２）
となり、これから、弁体９にかかる力は、
【００２０】
【数３】
Ｂ（Ｐ１−Ｐ２）＝ｆ（ｉ）−ｆｓ　・・・（３）
で表される。（１）式および（３）式から、冷媒の流量Ｇｆは、
【００２１】
【数４】
Ｇｆ＝Ｋ（Ａ／Ｂ）（ｆ（ｉ）−ｆｓ）　・・・（４）
となる。つまり、この（４）式の右辺において、ソレノイド力ｆ（ｉ）以外のパラメータは、固定値であるため、流量Ｇｆは、電磁コイル２１に供給される電流ｉに比例した一定の流量を流れることになる。
【００２２】
次に、この定流量膨張弁の動作を図２の流量特性を参照しながら詳細に説明する。
図２は第１の実施の形態に係る定流量膨張弁の流量特性を示す図である。
【００２３】
この流量特性において、横軸は冷媒流量を示し、縦軸は冷媒入口１の圧力Ｐ１と冷媒出口２の圧力Ｐ３との差圧を示している。電磁コイル２１に供給される電流ｉがゼロのときは、スプリング１２の荷重ｆｓによって弁体９は弁座１０に着座して定流量膨張弁は全閉になっているため、流量Ｇｆはゼロである。
【００２４】
電磁コイル２１にたとえば０．３アンペアの電流ｉが供給されて、スプリング１２の荷重ｆｓより大きなソレノイド力ｆ（ｉ）が弁体９にかかると、それらがバランスする位置まで弁体９が着座位置から即座に移動して静止する。弁体９が弁座１０から離れることにより、冷媒が流れ始める。冷媒が流れることによって冷媒通路５の前後に差圧（Ｐ１−Ｐ２）が発生する。この差圧（Ｐ１−Ｐ２）は、ダイヤフラム６と弁体９とにそれぞれ互いに押し付け合う方向にかかっており、冷媒流量が増えるに連れて大きくなる。次第に冷媒流量が増えていってある流量に達し、冷媒流量がそのある流量よりもさらに増えようとすると、今度は差圧（Ｐ１−Ｐ２）がダイヤフラム６と弁体９とに作用して弁体９をその弁座１０の方向に付勢し、冷媒流量を絞る方向に作用する。逆に、冷媒流量がある流量よりも減少すると、差圧（Ｐ１−Ｐ２）も小さくなるので、弁体９は開弁方向に作用し、冷媒流量を増やすようにする。この結果、この定流量膨張弁は、電磁コイル２１に供給する電流ｉに応じた一定の流量で冷媒を流すことができる。
【００２５】
図３は本発明の第２の実施の形態に係る定流量膨張弁を示す中央縦断面図である。なお、この図３において、図１に示した構成用と同じまたは同等の要素には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００２６】
この第２の実施の形態に係る定流量膨張弁は、ピストン８と一体に形成された弁体９の弁座１０への着座面を平らにした平弁構造にしている。それ以外の構成については、第１の実施の形態に係る定流量膨張弁と同じであり、したがって、動作も同じである。
【００２７】
図４は本発明の第３の実施の形態に係る定流量膨張弁を示す中央縦断面図である。なお、この図４において、図１に示した構成要素と同じまたは同等の要素には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００２８】
この第３の実施の形態に係る定流量膨張弁は、第１および第２の実施の形態に係る定流量膨張弁が流路断面積一定の冷媒通路５を有してその前後差圧を電磁コイル２１に供給する電流ｉの値によって可変する定流量機構にしたのに対し、流路断面積を電流ｉの値によって可変にしてその前後差圧を一定に制御するような定流量機構にしている。
【００２９】
この定流量膨張弁は、弁座１０の上の空間に弁ハウジング３０が固定されている。この弁ハウジング３０は、その頂部中央に弁孔を構成する開口部を有し、その内側縁部が弁座３１を構成している。その弁座３１に対向して下流側から接離自在に流路断面積制御弁体３２が配置され、これにより、流路断面積可変の絞り部を構成している。弁ハウジング３０は、また、その中間位置に冷媒通路穴を有する隔壁３３を有している。流路断面積制御弁体３２と隔壁３３との間にはスプリング３４が設けられ、流路断面積制御弁体３２をその弁座３１に着座させる方向に付勢している。その流路断面積制御弁体３２には、弁ハウジング３０の頂部中央に設けられた開口部を介して延びるソレノイド部のシャフトの下方先端が遊嵌されている。したがって、電磁コイル２１への電流供給がなく、冷媒が流れていないときには、流路断面積制御弁体３２は、ソレノイド部のスプリング１９により可動鉄芯１８およびシャフト１７が図の上方へ引っ張り上げられることで、ソレノイド部とは遮断され、一方、下方からはスプリング３４により押し上げられているため、この流路断面積を制御する弁は、全閉状態になっている。
【００３０】
また、弁ハウジング３０内の隔壁３３と弁体９との間にはスプリング３５が設けられ、弁体９をその弁座１０から離れる方向に付勢している。したがって、電磁コイル２１への電流供給がないとき、弁体９は、スプリング３５により押し下げられて弁座１０から離れているので、絞り膨張を行う弁は、全開状態になっている。
【００３１】
なお、流路断面積制御弁体３２の有効受圧面積をＡ、スプリング３４の設定荷重をｆ１、弁体９およびダイヤフラム６の有効受圧面積をＢ、スプリング３５の設定荷重をｆ２とすると、電磁コイル２１にある電流ｉが供給されてソレノイド力ｆ（ｉ）を流路断面積制御弁体３２にかけてある流量の冷媒が流れているときには、流路断面積制御弁体３２の上流側およびダイヤフラム６に圧力Ｐ１がかかり、弁ハウジング３０内の中間圧力がＰ２になっているので、流路断面積制御弁体３２にかかる上向きの力と下向きの力関係は、
【００３２】
【数５】
Ａ・Ｐ１＋ｆ（ｉ）＝Ａ・Ｐ２＋ｆ１　・・・（５）
となり、この（５）式から、
【００３３】
【数６】
Ｐ１−Ｐ２＝（ｆ１−ｆ（ｉ））／Ａ　・・・（６）
が得られる。一方、弁体９にかかる上向きの力と下向きの力の関係は、
【００３４】
【数７】
Ｂ・Ｐ１＝Ｂ・Ｐ２＋ｆ２　・・・（７）
となり、この（７）式から、
【００３５】
【数８】
Ｐ１−Ｐ２＝ｆ２／Ｂ　・・・（８）
が得られる。したがって、（６）式および（８）式から、
【００３６】
【数９】
（ｆ１−ｆ（ｉ））／Ａ＝ｆ２／Ｂ　・・・（９）
の関係が得られる。これは、電磁コイル２１にある電流ｉを供給して冷媒が流れているときに成り立つ式である。この定流量膨張弁は、電流が流れなくなったときに全閉状態にしたいので、電流ｉをゼロにしたときに全閉状態にするためには、流路断面積制御弁体３２の有効受圧面積Ａ、スプリング３４の設定荷重ｆ１、弁体９およびダイヤフラム６の有効受圧面積Ｂ、およびスプリング３５の設定荷重ｆ２は、
【００３７】
【数１０】
ｆ１／Ａ＞ｆ２／Ｂ　・・・（１０）
となるように設計される。この全閉条件により、電流ｉをゼロにしたとき、流路断面積制御弁体３２が開くのに必要な差圧は弁体９が閉まる圧力より大きくすることができるので、冷媒が流れていたときに同じ差圧（Ｐ１−Ｐ２）がかかる流路断面積制御弁体３２および弁体９に対して流路断面積制御弁体３２の方を全閉状態にすることができる。
【００３８】
図５は第３の実施の形態に係る定流量膨張弁の流量特性を示す図である。
この流量特性において、横軸は冷媒流量を示し、縦軸は冷媒入口１の圧力Ｐ１と冷媒出口２の圧力Ｐ３との差圧を示している。電磁コイル２１に供給される電流ｉがゼロのときは、スプリング３４の荷重ｆ１によって流路断面積制御弁体３２はその弁座３１に着座して定流量膨張弁は全閉になっているため、流量Ｇｆはゼロである。
【００３９】
電磁コイル２１にたとえば０．３アンペアの電流ｉが供給されて、スプリング３４の設定荷重ｆ１より大きなソレノイド力ｆ（ｉ）が流路断面積制御弁体３２にかかると、それらがバランスする位置まで流路断面積制御弁体３２が着座位置から即座に移動して静止する。流路断面積制御弁体３２がその弁座３１より離れることにより、冷媒が流れ始める。最初は、冷媒流量が増えるに従って冷媒入口１の圧力Ｐ１と冷媒出口２の圧力Ｐ３との差圧も次第に大きくなっていく。冷媒が流れることによって流路断面積制御弁体３２の前後に差圧（Ｐ１−Ｐ２）が発生する。
【００４０】
この差圧（Ｐ１−Ｐ２）は、ダイヤフラム６と弁体９とにそれぞれ互いに押し付け合う方向にかかっており、冷媒流量が増えるに連れて大きくなる。次第に冷媒流量が増えていって差圧（Ｐ１−Ｐ２）が図示の破線ｆ２に達すると、その後は、定流量膨張弁は定流量制御に入る。この破線ｆ２は、スプリング３５の設定荷重ｆ２を表している。すなわち、ダイヤフラム６および弁体９は、圧力Ｐ１，Ｐ２を感知して、それらの差圧（Ｐ１−Ｐ２）が大きくなろうとすると弁体９を閉弁方向に移動させ、差圧（Ｐ１−Ｐ２）が小さくなろうとすると弁体９を開弁方向に移動させて差圧（Ｐ１−Ｐ２）が一定になるように制御する。この結果、この定流量膨張弁は、ある流量以上では、電磁コイル２１に供給する電流ｉによって設定された一定の流量で冷媒を流すことができる。
【００４１】
図６は本発明の第４の実施の形態に係る定流量膨張弁を示す中央縦断面図、図７は第４の実施の形態に係る定流量膨張弁の流量特性を示す図である。なお、図６において、図４に示した構成要素と同じまたは同等の要素には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４２】
この第４の実施の形態に係る定流量膨張弁は、第３の実施の形態に係る定流量膨張弁と同様に、冷媒の流路断面積を電流ｉの値によって可変にしてその前後差圧を一定に制御するような定流量機構にしている。
【００４３】
この定流量膨張弁は、弁ハウジング３０内において、流路断面積制御弁体３２と弁体９との間にスプリング３６が設けられていて、流路断面積制御弁体３２をその弁座３１に着座させるとともに、弁体９をその弁座１０から離れる方向に付勢している。
【００４４】
この定流量膨張弁においても、電磁コイル２１に供給する電流ｉによって流路断面積が設定され、その前後差圧（Ｐ１−Ｐ２）を弁体９、ピストン８およびダイヤフラム６によって一定になるように制御することで、冷媒の流量を一定に制御している。ただし、この場合のスプリング３６の荷重ｆは、電磁コイル２１に供給する電流ｉの値により流路断面積制御弁体３２の軸線方向の位置が移動することによって変化する。このため、この定流量膨張弁の流量特性は、図７に示したように、定流量制御に入る位置をプロットした図示の破線ｆは多少右上がりになっている。これは、電磁コイル２１に供給する電流ｉを増やすに連れて、スプリング３６の流路断面積制御弁体３２により圧縮される量が増えて荷重ｆも増えるからである。
【００４５】
図８は本発明の第５の実施の形態に係る定流量膨張弁を示す中央縦断面図である。なお、図８において、図６に示した構成要素と同じまたは同等の要素には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４６】
この第５の実施の形態に係る定流量膨張弁は、第４の実施の形態に係る定流量膨張弁と弁部についてはまったく同じであるが、ソレノイド部の構成を変更して弁部にあるスプリング３６の荷重を調節できるようにしたものである。
【００４７】
すなわち、ソレノイド部の固定鉄芯１５の上部にスリーブ４０を嵌合して溶着し、その上端開口部は、シャフト１７の軸受を兼ねた圧入部材４１が圧入されている。その圧入部材４１と可動鉄芯１８との間には、スプリング４２が配置されている。このスプリング４２は、流路断面積制御弁体３２と弁体９との間に入っているスプリング３６に対抗するように設けられている。したがって、圧入部材４１のスリーブ４０への圧入量を調整してスプリング４２の荷重を調整することにより、弁部のスプリング３６の荷重を調整することができる。これにより、定流量膨張弁が定流量制御を開始する差圧値を調節できるようになる。
【００４８】
なお、圧入量を調整した後の圧入部材４１は、スリーブ４０に溶接することによってソレノイド部内を気密シールしている。また、スリーブ４０と固定鉄芯１５との結合部および固定鉄芯１５と本体ブロック３との結合部も同様に溶接により気密シールしている。
【００４９】
図９は本発明の第６の実施の形態に係る定流量膨張弁を示す中央縦断面図である。なお、図９において、図１に示した構成要素と同じまたは同等の要素には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００５０】
この第６の実施の形態に係る定流量膨張弁は、第１および第２の実施の形態に係る定流量膨張弁と同様に、流路断面積一定の冷媒通路５を有してその前後差圧を電磁コイル２１に供給する電流ｉの値によって設定する定流量機構を有している。ただし、前後差圧を設定するソレノイドを第１および第２の実施の形態に係る定流量膨張弁の場合の反対側に配置してある。
【００５１】
すなわち、ソレノイドは、ダイヤフラム６が入口圧力Ｐ１を受ける側に配置されていている。このソレノイドでは、ダイヤフラム６の側から可動鉄芯１８、スプリング５０および固定鉄芯１５がこの順序で配置されている。また、弁体９を下方向に付勢するスプリング５１が設けられている。スプリング５１の付勢力はスプリング５０の付勢力より小さい。
【００５２】
電磁コイル２１に供給される電流ｉがゼロのときは、スプリング５０が可動鉄芯１８と一体に形成されたシャフト１７ａおよびダイヤフラム６を介して、一体に形成されたピストン８および弁体９を付勢しているため、弁体９は弁座１０に着座しており、定流量膨張弁は全閉状態にある。
【００５３】
ここで、電磁コイル２１に電流ｉが供給されているとすると、可動鉄芯１８が固定鉄芯１５に吸引されることにより、スプリング５０の付勢力が減勢され、シャフト１７ａはソレノイドの吸引力とスプリング５０の荷重とがバランスした位置まで退いて静止する。これにより、弁体９はそのシャフト１７ａが退いた移動量だけ弁座１０から離れることができる。ここで、スプリング５１はスプリング５０と逆方向の付勢力を有するので、より少ない電流ｉで弁体９を弁座１０から離すことができる。
【００５４】
この状態で、冷媒入口１に高圧の冷媒が導入されると、その冷媒は、冷媒通路５を通って中間室４に入り、ここから弁体９を押し開けて冷媒出口２へと流れるようになる。その後、冷媒流量が増えていって所定の流量に達すると、それ以上冷媒流量が増えようとすると差圧（Ｐ１−Ｐ２）が大きくなって弁体９が閉弁方向に移動し、冷媒流量が所定の流量から減ると、差圧（Ｐ１−Ｐ２）が小さくなって弁体９が開弁方向に移動する。これにより、この定流量膨張弁は、電磁コイル２１に供給する電流ｉによって設定された一定の流量を流すように維持されることになる。
【００５５】
図１０は本発明の第７の実施の形態に係る定流量膨張弁の非通電時の状態を示す中央縦断面図、図１１は本発明の第７の実施の形態に係る定流量膨張弁の通電時の状態を示す中央縦断面図である。なお、図１０および図１１において、図１に示した構成要素と同じまたは同等の要素には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００５６】
この第７の実施の形態に係る定流量膨張弁は、冷媒入口１よりも小さな流路断面積を有して絞り部を構成する冷媒通路５があり、その冷媒通路５の前後差圧を一定に制御する差圧制御弁を有し、その差圧を電磁コイル２１に供給する電流ｉの値によって設定している点で、第１の実施の形態の定流量膨張弁と同じであるが、冷媒通路５の流路断面積が冷媒入口１の圧力に応じて変化し、ソレノイドの非通電時には、冷媒通路５が完全に全閉して、この定流量膨張弁を全閉させるようにした点で異なっている。
【００５７】
すなわち、この定流量膨張弁は、本体ブロック３の上部中央に冷媒通路５が形成され、その冷媒通路５を貫通するようソレノイドのシャフト１７が配置され、冷媒通路５の内壁とシャフト１７との隙間が冷媒入口１よりも小さな流路断面積の絞り部を構成している。この本体ブロック３の上部には、冷媒入口１に連通して冷媒入口１と同じ圧力Ｐ１の部屋を形成するようにパッキン６０を介してソレノイドの固定鉄芯１５が配置され、その固定鉄芯１５は、本体ブロック３に螺着されたフランジ６１によって本体ブロック３に固定されている。また、本体ブロック３の下部にも、冷媒入口１に連通して冷媒入口１と同じ圧力Ｐ１の部屋を形成するようにパッキン６２を介してプラグ６３が配置され、そのプラグ６３は、本体ブロック３に螺着されたストッパ６４によって本体ブロック３に固定されている。
【００５８】
本体ブロック３の中には、冷媒入口１と冷媒出口２との間をシールするようにダイヤフラム６が配置され、そのダイヤフラム６の外周縁部を挟持して固定するようにリング状のホルダ６５，６６が圧入されており、これによって冷媒入口１と冷媒出口２との間での冷媒の内部漏れを完全に防止している。ダイヤフラム６の下面側のホルダ６６内には、ダイヤフラム受盤１１が配置されている。このダイヤフラム受盤１１は、ダイヤフラム６との当接面に中央部分が突出した突出部を有しており、スプリング１２によってダイヤフラム６の中央部分を付勢するようにしている。
【００５９】
一体になっているピストン８および弁体９は、それらの軸線方向に貫通した貫通穴を有し、その貫通穴にピストン６７が軸線方向に進退自在に保持されている。このピストン６７は、ピストン８および弁体９の軸線方向の長さと同じ長さのガイド部とそのガイド部よりも大径の弁体部とからなっており、その弁体部の頂面にソレノイドのシャフト１７が当接している。ピストン６７のガイド部と弁体部との境界にある段差部がシャフト１７からソレノイド力を受けたときに、弁体９に掛止して、ピストン６７、ピストン８および弁体９が一体に動作するようになっている。また、ピストン６７、ピストン８および弁体９が閉弁方向に一体に動作するときは、先に弁体９がその弁座１０に着座し、その後、スプリング１２の付勢力によってダイヤフラム受盤１１の中央部分の突出部がダイヤフラム６の中央部分をさらに押すことで、ピストン６７だけが冷媒通路５に向かって移動するようになっている。ピストン６７の弁体部には、シャフト１７と当接する部分を除いて、弁シート６８が被着されている。この弁シート６８は、弾性部材によって形成され、たとえばゴム部品などで作られる。
【００６０】
そして、ソレノイドでは、可動鉄芯１８とケース１６との間にスプリング６９が配置されていて、可動鉄芯１８がケース１６内での外部振動による暴れを防止している。
【００６１】
以上の構成の定流量膨張弁において、電磁コイル２１に電流が供給されていないときには、図１０に示したように、ソレノイド内のスプリング６９が小さな荷重でシャフト１７を図の下方へ付勢しており、スプリング１２が大きな荷重でダイヤフラム受盤１１、ダイヤフラム６を介してピストン８および弁体９を図の上方へ付勢している。これにより、その弁体９は、弁座１０に着座し、さらに、ダイヤフラム受盤１１がその中央の突出部でダイヤフラム６を介してピストン８および弁体９の中に配置されたピストン６７を付勢することにより、ピストン６７が図の上方へさらに押されて、弁シート６８が冷媒通路５の出口側開口部に密着する。このとき、弁体９が弁座１０に着座することによる閉弁状態は、金属同士が接触することによるものであるため、加工精度が閉弁機能に影響を与えていたが、冷媒通路５の閉弁は、弾性を有する弁シート６８によって行っているため、ほぼ完全な閉弁状態を保持することができる。
【００６２】
この定流量膨張弁は、完全な閉弁状態を保持することができるため、凝縮器と蒸発器との間の配管を遮断することができる。したがって、冷媒として、フッ化炭化水素系冷媒の中でも可燃性を有するＨＦＣ−１５２ａや、作動圧力が非常に高い二酸化炭素を使用した冷凍サイクルにこの定流量膨張弁を適用して、自動車用空調装置が運転停止しているときに車室内に設けられた蒸発器が破損するなどの事故があった場合でも、冷凍サイクル内の冷媒が蒸発器から車室内へ漏れ出てしまうことはないので、火災が発生したりあるいは酸欠による窒息といった乗員へ重大な危害を及ぼすことを未然に防止することができる。この場合、蒸発器の出口側に逆止弁を設け、自動車用空調装置が、運転停止時に定流量膨張弁を全閉した後、圧縮機を引き続き運転させて蒸発器内の冷媒を吸い出してから圧縮機を停止するような運転をすることにより、蒸発器から冷媒を回収することができるので、車室内への冷媒漏れをさらに完全に防止することができる。
【００６３】
次に、電磁コイル２１に電流ｉが供給されている場合、図１１に示したように、可動鉄芯１８が固定鉄芯１５に吸引されることにより、それに対応するソレノイド力がピストン６７にかかってこのピストン６７を図の下方へ押し下げ、まず、冷媒通路５を開放する。その後、ピストン６７は、その段差部が弁体９に掛止するので、弁体９およびピストン８と一体になってスプリング１２の荷重に抗して図の下方へ移動し、弁体９はそのソレノイド力とスプリング１２の荷重とがバランスした位置で静止する。この状態で、冷媒入口１に高圧の冷媒が導入されると、その冷媒は、絞り部を構成している冷媒通路５を通るときに減圧されて中間圧力Ｐ２の中間室４に入り、ここから弁体９と弁座１０との間に形成される隙間によって断熱膨張しながら冷媒出口２へと流れる。冷媒が流れることによって冷媒通路５の前後に差圧（Ｐ１−Ｐ２）が発生する。この差圧（Ｐ１−Ｐ２）は、冷媒流量が増えるに連れて大きくなる。冷媒流量がソレノイドによって設定されたある流量よりもさらに増えようとすると、差圧（Ｐ１−Ｐ２）が大きくなるので、ダイヤフラム６が弁体９をその弁座１０の方向に付勢し、冷媒流量を絞る方向に作用する。逆に、冷媒流量がある流量よりも減少すると、差圧（Ｐ１−Ｐ２）も小さくなるので、弁体９は開弁方向に作用し、冷媒流量を増やすようにする。この結果、この定流量膨張弁は、電磁コイル２１に供給する電流ｉに応じた一定の流量で冷媒を流すことができる。
【００６４】
また、この定流量膨張弁は、差圧制御弁の弁体９が冷媒通路５の前後の差圧（Ｐ１−Ｐ２）を一定にするように冷媒流量を制御するとき、弁体９から冷媒通路５の出口近傍まで延びているピストン６７も一体に動いて冷媒通路５の流路断面積を可変する。これは、冷媒入口１の圧力Ｐ１が高くなれば流路断面積を絞り、低くなれば広げるよう作用する。したがって、冷媒入口１の圧力Ｐ１が高くなると、冷媒の密度が上がるが、流路断面積を絞って冷媒の体積流量を減らすようにするため、冷媒通路５を通過する冷媒の質量流量を一定にするよう働く。逆に、冷媒入口１の圧力Ｐ１が低くなると、冷媒の体積流量を増やして、質量流量は変わらないようにする。これにより、冷媒入口１の圧力Ｐ１が変動しても、質量流量は変わらないため、冷媒入口１の圧力変化の影響を受けにくく、制御性の良い定流量膨張弁にすることができる。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、差圧制御弁の入口圧力を受圧する部分にダイヤフラムを配置して差圧制御弁の摺動部における隙間を遮断する構成にした。これにより、差圧制御弁の摺動部を介しての冷媒漏れを完全に防止することができ、冷媒漏れは、全閉時における差圧制御弁の弁座と弁体との間の気密度に依存した量だけになる。
【００６６】
また、差圧制御弁の弁体を２部品で構成し、冷媒の流量制御時は、２つの弁体を一体に動作させて差圧を発生させるための絞り部の流路断面積を可変しながら、その絞り部の前後差圧を一定にするよう制御し、一方の弁体が差圧制御弁を全閉した後、他方の弁体がさらに付勢されて絞り部を全閉し、他方の弁体に弾性部材を使用する構成にした。絞り部の流路断面積を可変にしたことにより、絞り部を通過する冷媒の質量流量が安定化され、冷媒入口の圧力変化の影響が受けにくくなって制御性を向上させることができる。また、全閉時は絞り部を完全シールしたことにより、弁漏れを完全に防止することができ、膨張弁としての品質を向上させることができる。
【００６７】
本発明の定流量膨張弁の実施の形態では、固定鉄芯と本体ブロックとの結合部などにＯリングやガスケットなどのシール材を使用せず、溶接により気密シールしているので、耐圧性が格段に向上している。このため、本発明の定流量膨張弁は、冷媒にフッ化炭化水素系冷媒（ＨＦＣ−１３４ａ，ＨＦＣ−１５２ａ）を使用した冷凍サイクルはもちろん、作動圧力が非常に高い二酸化炭素を使用した冷凍サイクルにおいてもパイロット式のような複雑な構成にする必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る定流量膨張弁を示す中央縦断面図である。
【図２】第１の実施の形態に係る定流量膨張弁の流量特性を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る定流量膨張弁を示す中央縦断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る定流量膨張弁を示す中央縦断面図である。
【図５】第３の実施の形態に係る定流量膨張弁の流量特性を示す図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係る定流量膨張弁を示す中央縦断面図である。
【図７】第４の実施の形態に係る定流量膨張弁の流量特性を示す図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態に係る定流量膨張弁を示す中央縦断面図である。
【図９】本発明の第６の実施の形態に係る定流量膨張弁を示す中央縦断面図である。
【図１０】本発明の第７の実施の形態に係る定流量膨張弁の非通電時の状態を示す中央縦断面図である。
【図１１】本発明の第７の実施の形態に係る定流量膨張弁の通電時の状態を示す中央縦断面図である。
【符号の説明】
１　冷媒入口
２　冷媒出口
３　本体ブロック
４　中間室
５　冷媒通路
６　ダイヤフラム
７　弁ホルダ
８　ピストン
９　弁体
１０　弁座
１１　ダイヤフラム受盤
１２　スプリング
１３　圧入部材
１５　固定鉄芯
１６　ケース
１７，１７ａ　シャフト
１８　可動鉄芯
１９　スプリング
２０　軸受
２１　電磁コイル
２２　ヨーク
３０　弁ハウジング
３１　弁座
３２　流路断面積制御弁体
３３　隔壁
３４，３５，３６　スプリング
４０　スリーブ
４１　圧入部材
４２，５０，５１　スプリング
６０　パッキン
６１　フランジ
６２　パッキン
６３　プラグ
６４　ストッパ
６５，６６　ホルダ
６７　ピストン
６８　弁シート
６９　スプリング

Claims (22)

1. 冷媒入口より小さな流路断面積を有する絞り部と、前記絞り部の前後差圧を一定に制御する差圧制御弁とを備えた定流量膨張弁において、
   前記絞り部の下流側と前記差圧制御弁の上流側とを連通し、
   前記差圧制御弁は、閉弁方向に前記冷媒入口の入口圧力を受けるとともに、開弁方向に前記絞り部と前記差圧制御弁との間の中間圧力を受けるように構成されていて、前記入口圧力の受圧部分がダイヤフラムによって流体的に隔離されていることを特徴とする定流量膨張弁。
2. 前記差圧制御弁は、前記絞り部と前記差圧制御弁との間の中間の空間から冷媒出口へ通じる通路の途中に配置された弁座と、前記弁座に前記冷媒出口の側から対向して接離自在に配置された弁体と、前記弁体と一体に形成されたピストンとを有し、前記ピストンの前記弁体と反対側の端面に前記ダイヤフラムが当接状態で配置されていることを特徴とする請求項１記載の定流量膨張弁。
3. 前記差圧制御弁の弁座の内径と、前記ダイヤフラムの有効受圧径とが同一寸法に形成されていることを特徴とする請求項２記載の定流量膨張弁。
4. 前記ダイヤフラムは、前記ピストンをその軸線方向に進退自在に支持しているホルダと前記ホルダが嵌着される本体ブロックとの間に気密状態に挾持されていることを特徴とする請求項２記載の定流量膨張弁。
5. 前記ダイヤフラムは、複数枚の薄いフィルムを重ねて構成したことを特徴とする請求項１記載の定流量膨張弁。
6. 前記絞り部は固定の流路断面積を有する冷媒通路であり、
   前記差圧制御弁は前記入口圧力を受ける側にて前記ダイヤフラムを介してスプリングにより閉弁方向に付勢されているとともに前記中間圧力を受ける側にてソレノイドにより開弁方向に付勢され、前記ソレノイドへの通電電流値によって設定差圧を可変にする構成にしたことを特徴とする請求項１記載の定流量膨張弁。
7. 前記絞り部は固定の流路断面積を有する冷媒通路であり、
   前記差圧制御弁は前記入口圧力を受ける側にソレノイドが配置されていて、前記ソレノイドの固定鉄芯と可動鉄芯との間に配置されたスプリングにより前記ダイヤフラムを介して閉弁方向に付勢されているとともに前記ソレノイドへの通電電流値により前記スプリングの付勢力を減勢することによって設定差圧を可変にする構成にしたことを特徴とする請求項１記載の定流量膨張弁。
8. 前記差圧制御弁は、截頭円錐形状の弁体を有することを特徴とする請求項６または７記載の定流量膨張弁。
9. 前記差圧制御弁は、着座面が平らな弁体を有することを特徴とする請求項６または７記載の定流量膨張弁。
10. 前記絞り部は前記冷媒入口と前記差圧制御弁との間の通路に配置された第１の弁座と、前記第１の弁座に前記差圧制御弁の側から対向して接離自在に配置された第１の弁体と、前記第１の弁体を前記第１の弁座に向けて閉弁方向に付勢する第１のスプリングとを有し、前記第１の弁体をソレノイドにより開弁方向に付勢するようにして前記ソレノイドへの通電電流値によって設定流路断面積を可変にする構成にし、
    前記差圧制御弁は前記絞り部から冷媒出口へ通じる通路の途中に配置された第２の弁座と、前記第２の弁座に前記冷媒出口の側から対向して接離自在に配置された第２の弁体と、前記第２の弁体と一体に形成されたピストンと、前記第２の弁体を開弁方向に付勢する第２のスプリングとを有し、前記ピストンの前記第２の弁体と反対側の端面に前記ダイヤフラムが当接して配置されていることを特徴とする請求項１記載の定流量膨張弁。
11. 前記第１の弁体の有効受圧面積をＡ、前記第１のスプリングの設定荷重をｆ１、前記第２の弁体の有効受圧面積をＢ、および第２のスプリングの設定荷重をｆ２とするとき、前記第１の弁体、前記第１のスプリング、前記第２の弁体および第２のスプリングが、ｆ１／Ａ＞ｆ２／Ｂの関係になるように設定されていることを特徴とする請求項１０記載の定流量膨張弁。
12. 前記絞り部は前記冷媒入口と前記差圧制御弁との間の通路に配置された第１の弁座と、前記第１の弁座に前記差圧制御弁の側から対向して接離自在に配置された第１の弁体と、前記第１の弁体を前記第１の弁座に向けて閉弁方向に付勢するスプリングとを有し、前記第１の弁体をソレノイドにより開弁方向に付勢するようにして前記ソレノイドへの通電電流値によって設定流路断面積を可変にする構成にし、
    前記差圧制御弁は前記絞り部から冷媒出口へ通じる通路の途中に配置された第２の弁座と、前記第２の弁座に前記冷媒出口の側から対向して接離自在に配置された第２の弁体と、前記第２の弁体と一体に形成されたピストンとを有し、前記第２の弁体が前記スプリングによって開弁方向に付勢され、前記ピストンの前記第２の弁体と反対側の端面に前記ダイヤフラムが当接して配置されていることを特徴とする請求項１記載の定流量膨張弁。
13. 前記ソレノイドは、可動鉄芯を固定鉄芯および前記第１の弁体の方向へ付勢するよう配置された第２のスプリングを有し、前記第２のスプリングの荷重を調節することにより前記第１の弁体および第２の弁体を付勢している前記スプリングの荷重を間接的に調節するようにしたことを特徴とする請求項１２記載の定流量膨張弁。
14. 前記第２のスプリングの荷重の調節を、前記可動鉄芯と反対側で前記第２のスプリングを受けている圧入部材の圧入量で行うことを特徴とする請求項１３記載の定流量膨張弁。
15. 前記絞り部を開閉するよう配置された弾性の弁体を備えて前記冷媒入口と冷媒出口との間の通路を完全に閉止できるようにしたことを特徴とする請求項１記載の定流量膨張弁。
16. 前記絞り部は前記冷媒入口と前記差圧制御弁との間に形成されて中に前記差圧制御弁の差圧を通電電流値によって設定するソレノイドのシャフトが貫通配置された冷媒通路で構成し、
    前記差圧制御弁は前記絞り部から冷媒出口へ通じる通路の途中に配置された弁座と、前記弁座に前記冷媒出口の側から対向して接離自在に配置された弁体と、前記弁体に形成された同軸の貫通穴に軸線方向に進退自在に保持されていて前記冷媒通路の内径よりも大きな外径を有する一方の端面に前記シャフトが当接され、他方の端面には前記弁体とともに前記ダイヤフラムが当接されたピストンと、前記ピストンを前記弁体が前記弁座に着座する方向に前記ダイヤフラムを介して付勢するスプリングとを有し、前記ピストンは前記ソレノイドの通電時に前記弁体と一体で動作するが、前記ソレノイドの非通電時には前記スプリングの付勢力によって前記弁体が前記弁座に着座した後も動作して前記冷媒通路を閉止することを特徴とする請求項１記載の定流量膨張弁。
17. 前記ピストンは、前記冷媒通路を閉止する部分に弾性部材を設けたことを特徴とする請求項１６記載の定流量膨張弁。
18. 前記弾性部材は、ゴム部品であることを特徴とする請求項１７記載の定流量膨張弁。
19. 前記ピストンは、前記ソレノイドからの付勢力を受けて前記冷媒通路を開放後に前記弁体に掛止して前記弁体と一体に動作するようになる段差部を有していることを特徴とする請求項１６記載の定流量膨張弁。
20. 前記絞り部は前記冷媒入口と前記差圧制御弁との間に形成された固定の流路断面積を有する冷媒通路であり、
    前記差圧制御弁は、前記絞り部と前記差圧制御弁との間の中間の空間から冷媒出口へ通じる通路の途中に配置された弁座と、前記弁座に前記冷媒出口の側から対向して接離自在に配置されるとともに前記入口圧力を受ける側から前記ダイヤフラムを介してスプリングにより閉弁方向に付勢され、前記中間圧力を受ける側からはソレノイドにより開弁方向に付勢される弁体とを有し、前記弁体が弁孔を貫通して前記冷媒通路の出口近傍まで延びる延長部を有し、前記延長部が前記冷媒入口の圧力変化に応じて前記冷媒通路の出口における流路断面積の制御を行うようにしたことを特徴とする請求項１記載の定流量膨張弁。
21. 冷媒を二酸化炭素とした冷凍サイクルに適用されることを特徴とする請求項１記載の定流量膨張弁。
22. 冷媒をＨＦＣ−１５２ａとした冷凍サイクルに適用されることを特徴とする請求項１記載の定流量膨張弁。

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