JP2007315727A - 膨張弁 - Google Patents

Abstract

【課題】温度式の膨張弁において、パワーエレメントの感温室へ封入される昇圧用のガスを不要にする。
【解決手段】パワーエレメント３の感温室の中にダイヤフラム１８を内側から外側へ向けて付勢する皿ばね１９を配置した。この皿ばね１９は、飽和蒸気ガスの飽和特性を目標とする飽和特性までシフトさせるのに必要な圧力に相当するばね荷重に設定されている。これにより、感温室の内圧を見かけ上、上昇させることができるので、感温室に封入された飽和蒸気ガスの飽和特性を皿ばね１９によって高圧側にシフトさせることができ、昇圧用のガスの封入を不要にしている。皿ばね１９は安価であり、製造コストを低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は膨張弁に関し、特に車両用空調装置の冷凍サイクルにてエバポレータからコンプレッサへ送り出される冷媒の温度に応じてエバポレータに供給する冷媒の流量を制御する膨張弁に関する。

車両用空調装置の冷凍サイクルは、一般に、循環する冷媒を圧縮するコンプレッサと、圧縮された冷媒を凝縮するコンデンサと、冷凍サイクル内の冷媒を溜めるとともに凝縮された冷媒を気液に分離するレシーバと、分離された液冷媒を絞り膨張させる膨張弁と、膨張弁で膨張された冷媒を蒸発させるエバポレータを備えている。膨張弁としては、一般に、エバポレータの出口における冷媒の温度および圧力を感知してエバポレータに送り出す冷媒の流量を制御するようにした温度式の膨張弁が用いられている（たとえば特許文献１参照）。

この温度式の膨張弁は、弁部を内蔵したブロックと、エバポレータから戻ってきた冷媒の温度および圧力を感知して弁部を制御するパワーエレメントとを有している。このパワーエレメントは、アッパーハウジングと、ロアハウジングと、これらによって囲まれた空間を仕切るよう配置された可撓性の金属薄板からなるダイヤフラムとを有している。アッパーハウジング、ロアハウジングおよびダイヤフラムは、これらの周縁部を溶接することによって、周囲がアッパーハウジングとダイヤフラムとによって囲まれた感温室が構成されており、その感温室には、凝縮して液化する飽和蒸気ガスが充填されている。この飽和蒸気ガスは、膨張弁の開弁特性を決めるものであるが、その開弁特性を調整するために、感温室には飽和蒸気ガスに混合して使用温度（たとえば−３０〜１００℃）内では凝縮しない窒素ガスなどの不活性ガスが封入されている（たとえば特許文献２参照）。

すなわち、図２は、ガスの温度−圧力特性を示すものであるが、感温室に封入される飽和蒸気ガスとして、冷凍サイクルで用いられている冷媒（たとえばＨＦＣ−１３４ａ）の飽和特性よりも勾配のゆるい飽和特性を有するガスが用いられており、これに不活性ガスを混入することにより飽和蒸気ガスが昇圧されて、飽和蒸気ガスの飽和特性が高圧側へシフトされて、目標の飽和特性になっている。
特開２００２−１１５９３８号公報 特許第２８４９４８９号公報

しかしながら、従来の膨張弁では、パワーエレメントの感温室へ飽和蒸気ガスとこれを昇圧する不活性ガスとを封入しているため、感温室へガスを充填する装置が複雑になるとともに複数種類のガスを封入する必要性からガスの管理が繁雑になるという問題点があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、パワーエレメントの感温室へ封入される昇圧用のガスを不要にした膨張弁を提供することを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、感温室に飽和蒸気ガスを封入したパワーエレメントと、前記パワーエレメントが感知した冷媒の温度および圧力に応じて膨張させる冷媒の流量を制御する弁部とを備えた膨張弁において、前記感温室は、これを構成しているダイヤフラムの内側に配置され、前記ダイヤフラムを外側へ向けて付勢する皿ばねを有していることを特徴とする膨張弁が提供される。

このような膨張弁によれば、感温室内に配置した皿ばねが感温室に封入した飽和蒸気ガスの飽和特性を目標の飽和特性になるまでシフトさせるようにした。これにより、飽和蒸気ガスの飽和特性を目標の飽和特性になるまでシフトさせるのに必要な昇圧ガスが不要になっている。

本発明の膨張弁では、感温室に皿ばねを配置してダイヤフラムを外側へ向けて付勢する構成としたことにより、飽和蒸気ガスの飽和特性を調整するのに必要であった昇圧用のガスの機能を安価で単純な構成の皿ばねに持たせることができるので、パワーエレメントの構成が簡単になり、また、製造も容易になって、コストを低減することができるという利点がある。

さらに、感温室に封入されるガスの種類を減らすことができるので、感温室へガスを充填する装置を簡素化することができ、封入するガスの管理が容易になる。

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は第１の実施の形態に係る膨張弁を示す断面図、図２は封入ガスの温度−圧力特性を示す図である。

膨張弁１は、冷媒の流量を制御する弁部２と、パワーエレメント３とを備えている。弁部２は、ボディ４を有し、そのボディ４の側部には、冷凍サイクルのレシーバに接続されて高温・高圧の冷媒を導入する入口ポート５と、エバポレータに接続されて低温・低圧の冷媒を導出する出口ポート６とが一体に形成されている。ボディ４の中央部には、入口ポート５に導入された冷媒を出口ポート６へ流す弁孔７が入口ポート５および出口ポート６の通路とは直交する方向に設けられている。ボディ４は、弁孔７からその軸線方向に延びて図の下方へ抜けるように弁孔７よりも大径の孔８が穿設されている。その孔８には、ボール形状の弁体９が配置され、その弁体９は、スプリング１０によって閉弁方向に付勢されている。スプリング１０は、孔８の開口部に圧入されたばね受け部材１１によって受けられており、ばね受け部材１１の圧入量によりばね荷重を調整することで、膨張弁１のセット値が調整されている。ボディ４は、また、弁孔７からその軸線方向に延びて図の上方へ抜けるように弁孔７よりも僅かに小径の孔１２が穿設されている。この孔１２には、一端が弁体９にスポット溶接されたシャフト１３が配置され、その他端には孔１２によってその軸線方向に進退自在にガイドされるパイプ１４が嵌合されている。このパイプ１４とボディ４との間のクリアランスを介してパワーエレメント３の側へ漏れないようにＶパッキン１５がシャフト１３に周設されている。

ボディ４の図の上端には、パワーエレメント３が固定されている。このパワーエレメント３は、厚い金属製の円盤状のアッパーハウジング１６およびロアハウジング１７、これらによって囲まれた空間を仕切るよう配置された可撓性の金属薄板からなるダイヤフラム１８、およびダイヤフラム１８に対して内側から外方（図の下方向）へばね荷重をかけるようにアッパーハウジング１６とダイヤフラム１８との間に配置された皿ばね１９を有している。パワーエレメント３は、アッパーハウジング１６、ロアハウジング１７およびダイヤフラム１８の外周縁をたとえばレーザ溶接などにより溶着してアッパーハウジング１６とダイヤフラム１８とによって囲まれた密閉空間を形成し、その空間内には、凝縮して液化する飽和蒸気ガスが封入されていて感温部を構成している。

皿ばね１９は、円形の板をプレス加工により、中央部分がフラットに、その周縁部がテーパ状になるよう形成されている。皿ばね１９は、その周端縁のエッジ部分がアッパーハウジング１６の内壁に係止され、膨出されている側の全面にわたってダイヤフラム１８が当接している。このため、皿ばね１９は、その周端縁のエッジ部分を支点にして中央部分が弁部２の開閉方向に変位するよう動作し、かつ、ダイヤフラム１８を弁部２の方向に荷重をかけるよう付勢している。

ダイヤフラム１８の図の下面には、ボディ４から突出されたシャフト１３およびパイプ１４の端面が当接されていて、ダイヤフラム１８の変位を弁体９へ伝達するようにしている。ロアハウジング１７には、通気孔２０が穿設されている。この通気孔２０は、エバポレータを出た冷媒がダイヤフラム１８の下面側の空間に導入されるようにするもので、その導入量は、通気孔２０の大きさまたは数を変更することによって調整されている。

ここで、パワーエレメント３においては、その感温室内に飽和蒸気ガスと皿ばね１９とが封入されている。飽和蒸気ガスは、図２に示したように、冷凍サイクルで用いられている冷媒（たとえばＨＦＣ−１３４ａ）よりも蒸発圧力が低くて勾配のゆるい飽和特性を有するガスである。従来の膨張弁では、飽和蒸気ガスの飽和特性を目標の飽和特性まで平行移動（シフト）させるのに不活性ガスを封入して感温室内を昇圧させていたが、本発明の膨張弁１では、感温室内を昇圧させる機能を皿ばね１９によって行うようにしている。すなわち、皿ばね１９は、不活性ガスによって感温室内を昇圧していた圧力に相当するばね荷重に設定され、そのばね荷重によってダイヤフラム１８を内側から外部の方向へ付勢する構成にしているので、感温室の内圧があたかも高くなったように見せ掛けることができる。これにより、感温室に封入されるガスは、飽和蒸気ガスの１種類だけにすることができる。

次に、以上のように構成された膨張弁１の冷凍サイクルへの適用例とともにその動作について説明する。
図３は本発明による膨張弁の装着例を示す断面図である。

膨張弁１は、エバポレータ２１からコンプレッサに至る戻り低圧配管の中に完全に収容される形で装着され、しかも、その戻り低圧配管の中で、入口ポート５と凝縮された液冷媒が供給される高圧配管２２との接続、および膨張された冷媒を送り出す出口ポート６とエバポレータ２１の入口配管２３との接続を行うようにしている。

エバポレータ２１は、その冷媒入口２４に入口配管２３の一端が溶接され、冷媒出口２５にはケース２６が溶接されており、入口配管２３は、その他端がケース２６に挿嵌され、かつ、溶接されている。つまり、エバポレータ２１と、入口配管２３と、ケース２６とは、たとえば炉中ろう付により互いに溶接されて一体に形成されている。ケース２６には、低圧配管２７がパイプクランプ２８によって気密に接続されている。低圧配管２７および高圧配管２２は、低圧配管２７の中に高圧配管２２が同心配置された二重管によって構成されている。

動作について説明すると、まず、車両用空調装置が停止しているとき、パワーエレメント３の感温室に封入された飽和蒸気ガスは凝縮されて圧力が低くなっているので、ダイヤフラム１８は内側へ変位しており、その変位はシャフト１３を介して弁体９に伝達され、膨張弁１は全閉状態になっている。

ここで、車両用空調装置が起動すると、コンプレッサによって冷媒が吸引されるので、低圧配管２７内の圧力が低下し、これがパワーエレメント３に感知されてダイヤフラム１８が外側へ変位し弁体９をリフトさせるようになる。一方、コンプレッサによって圧縮された冷媒はコンデンサにて凝縮され、レシーバにて気液分離された液冷媒が高圧配管２２を通じて膨張弁１の入口ポート５に供給されるようになる。なお、図中の矢印は、冷媒の流れ方向を示している。高温・高圧の液冷媒は、膨張弁１を通過するとき膨張され、低温・低圧の気液混合冷媒となって出口ポート６を出る。その冷媒は、入口配管２３および冷媒入口２４を介してエバポレータ２１に供給され、内部で蒸発されて、冷媒出口２５から出てくる。エバポレータ２１から戻ってきた冷媒は、ケース２６および低圧配管２７を介してコンプレッサに戻る。

パワーエレメント３のダイヤフラム１８とロアハウジング１７とによって囲まれた空間は、通気孔２０を介してケース２６の内部と連通しているので、エバポレータ２１から戻ってきた冷媒がケース２６を通過するとき、その冷媒が導入されてその温度がパワーエレメント３によって検出されることになる。車両用空調装置の起動初期の段階では、車室内の高温の空気との熱交換により、エバポレータ２１から戻ってくる冷媒の温度は高くなっているので、パワーエレメント３はその温度を感知して感温室の圧力が高くなる。これにより、ダイヤフラム１８は、膨出されて弁体９を開弁方向に駆動し、膨張弁１を全開状態にする。

やがて、エバポレータ２１から戻ってくる冷媒の温度が低下してくると、感温室の圧力が低くなるので、それに応じてダイヤフラム１８が感温室の内側へ変位していき、膨張弁１は、閉弁方向に動作してこれを通過する冷媒の流量を制御するようになる。このとき、膨張弁１は、エバポレータ２１の出口の冷媒温度を感知して、その冷媒が所定の過熱度を保持するようにエバポレータ２１に供給する冷媒の流量を制御することになる。

図４は第２の実施の形態に係る膨張弁を示す断面図である。この図４において、図１に示した構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
この第２の実施の形態に係る膨張弁１ａは、第１の実施の形態に係る膨張弁１と比較して、弁部２とパワーエレメント３との結合方法と、パワーエレメント３のアッパーハウジング１６の構造と、弁部２の弁体９およびシャフト１３の構成とが変更されている。

すなわち、第１の実施の形態に係る膨張弁１では、パワーエレメント３のロアハウジング１７の開口部に弁部２のボディ４を圧入することによって弁部２とパワーエレメント３とを結合していたが、この第２の実施の形態に係る膨張弁１ａでは、パワーエレメント３のロアハウジング１７の開口端をかしめ加工することによって、パワーエレメント３を弁部２のボディ４に結合するようにしている。

また、パワーエレメント３において、第１の実施の形態に係る膨張弁１では、感温室への飽和蒸気ガスの封入は、飽和蒸気ガスの雰囲気内でパワーエレメント３を組み立てることによって行っているが、この第２の実施の形態に係る膨張弁１ａでは、あらかじめ組み立てられたパワーエレメント３に飽和蒸気ガスを封入するようにしている。そのため、アッパーハウジング１６には、その中心に飽和蒸気ガスを封入するための孔が穿設されている。この孔は、ガスの封入工程にて、飽和蒸気ガスの雰囲気内で金属ボール２９を抵抗溶接することで閉止される。なお、アッパーハウジング１６は、その金属ボール２９を囲うように中央部がリング状に外側へ突出した形状を有し、溶接部を保護するとともに、感温室の容積を調整している。

さらに、弁部２では、弁体９とシャフト１３とが一体に形成され、ボディ４によって軸線方向に進退可能に保持される部分に溝が周設され、その溝にＶパッキン１５が配置されている。

図５は第３の実施の形態に係る膨張弁を示す断面図である。この図５において、図４に示した構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
この第３の実施の形態に係る膨張弁１ｂは、第２の実施の形態に係る膨張弁１ａと比較して、弁部２の構成が変更されている。

すなわち、この弁部２では、弁体９をプレス加工により形成し、これを単なる丸棒で構成したシャフト１３の端面にスポット溶接にて接合した構成を有している。シャフト１３は、ボディ４に段付きで形成された孔１２の小径部によって軸線方向に進退自在に保持され、孔１２の大径部には、高温・高圧の冷媒がパワーエレメント３の中に漏れるのを防止するＯリング３０が配置されている。

また、ばね受け部材１１には、エバポレータの入口圧力（出口ポート６の圧力）と出口圧力（この膨張弁１ｂが収容されるケース２６内の圧力）との差圧によって動作する差圧制御弁３１が設けられている。この差圧制御弁３１は、ばね受け部材１１に穿設された弁孔に対して外側に配置された弁体３２と、この弁体３２を閉弁方向に付勢するスプリング３３とを有し、冷凍負荷が高いときに、エバポレータの前後差圧が所定値より高くなると開弁して湿り度の大きな冷媒を戻り低圧配管内に供給し、コンプレッサに戻す冷媒の温度を下げるものである。これは、図３に示した膨張弁１の装着構造のように、高圧配管２２および低圧配管２７が二重管構造になっていて熱交換器のように作用する場合に有用である。すなわち、この膨張弁１ｂがエバポレータ出口の冷媒が所定の過熱度を有するようにエバポレータに供給する冷媒の流量を制御することによって所定の過熱度を有する冷媒をコンプレッサに戻すようにしているが、その所定の過熱度を有する冷媒が低圧配管２７を流れるときに高圧配管２２を流れる冷媒によってさらに加熱されてしまい、その結果、コンプレッサによって圧縮された冷媒の温度が高くなり過ぎてしまうことがあるが、湿り度の大きな冷媒を戻り低圧配管へ送り込み、二重管の中で蒸発させることで、過熱度の上昇を抑えるようにしている。

以上、本発明をその好適な実施の形態について詳述したが、本発明は、その特定の実施の形態に限定されるものではなく、パワーエレメントを備えた温度式の膨張弁全般に適用することができるものである。したがって、膨張弁の弁部は、実施の形態に例示した構成に何ら限定されるものではない。また、上記の実施の形態では、飽和蒸気ガスが１種類の場合について説明したが、所望の飽和特性を得るために複数の飽和蒸気ガスを混合して封入されていてもよく、また、感温室に封入される飽和蒸気ガスは、冷凍サイクルで用いられている冷媒であっても良い。さらに、皿ばねは、中央部分がフラットな形状ではなく全体が球面の一部をなすように形成されていても良く、また、１枚に限らず、必要とするばね荷重に応じて複数枚重ねて用いても良い。また、パワーエレメントおよび弁部は、圧入またはかしめによって結合されているが、螺着やろう接による結合であっても良い。

第１の実施の形態に係る膨張弁を示す断面図である。 封入ガスの温度−圧力特性を示す図である。 本発明による膨張弁の装着例を示す断面図である。 第２の実施の形態に係る膨張弁を示す断面図である。 第３の実施の形態に係る膨張弁を示す断面図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ 膨張弁
２ 弁部
３ パワーエレメント
４ ボディ
５ 入口ポート
６ 出口ポート
７ 弁孔
８ 孔
９ 弁体
１０ スプリング
１１ ばね受け部材
１２ 孔
１３ シャフト
１４ パイプ
１５ Ｖパッキン
１６ アッパーハウジング
１７ ロアハウジング
１８ ダイヤフラム
１９ 皿ばね
２０ 通気孔
２１ エバポレータ
２２ 高圧配管
２３ 入口配管
２４ 冷媒入口
２５ 冷媒出口
２６ ケース
２７ 低圧配管
２８ パイプクランプ
２９ 金属ボール
３０ Ｏリング
３１ 差圧制御弁
３２ 弁体
３３ スプリング

Claims (6)

1. 感温室に飽和蒸気ガスを封入したパワーエレメントと、前記パワーエレメントが感知した冷媒の温度および圧力に応じて膨張させる冷媒の流量を制御する弁部とを備えた膨張弁において、
   前記感温室は、これを構成しているダイヤフラムの内側に配置され、前記ダイヤフラムを外側へ向けて付勢する皿ばねを有していることを特徴とする膨張弁。
2. 前記皿ばねは、前記飽和蒸気ガスの飽和特性を目標とする飽和特性までシフトさせるのに必要な圧力に相当するばね荷重に設定されていることを特徴とする請求項１記載の膨張弁。
3. 前記皿ばねは、中央部分が片側に膨出された形状に形成され、膨出されている側の面が前記ダイヤフラムに当接され、周端縁のエッジ部分が前記感温室を構成しているハウジングの内壁に当接し、支持されていて、前記エッジ部分を支点として前記中央部分が前記弁部の開閉方向に変位することを特徴とする請求項１記載の膨張弁。
4. 前記パワーエレメントは、円盤状の第１のハウジング、前記弁部のボディと結合される第２のハウジング、および前記第１のハウジングの側に前記皿ばねを当接させつつ前記第１のハウジングと前記第２のハウジングの間に配置された前記ダイヤフラムの周縁部を前記飽和蒸気ガスの雰囲気内でともに溶接することによって構成されていることを特徴とする請求項１記載の膨張弁。
5. 前記パワーエレメントは、貫通された孔を有する円盤状の第１のハウジング、前記弁部のボディと結合される第２のハウジング、および前記第１のハウジングの側に前記皿ばねを当接させつつ前記第１のハウジングと前記第２のハウジングの間に配置された前記ダイヤフラムの周縁部をともに溶接することによって構成され、前記第１のハウジングの前記孔は、前記飽和蒸気ガスの雰囲気内で閉止されていることを特徴とする請求項１記載の膨張弁。
6. 前記第１のハウジングは、その中心に前記孔が穿設されていて、前記孔を囲うように中央部がリング状に外側へ突出した形状を有していることを特徴とする請求項５記載の膨張弁。
   

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