JP2008116075A - 膨張弁 - Google Patents

Abstract

【課題】弁座のコイニング加工による弁体の有効受圧径が変化しても入口ポートに導入される圧力をキャンセルできる、低圧配管内収容のための膨張弁を提供する。
【解決手段】弁体１５と一体のシャフト１８に嵌合されて、ボディ１１に開閉方向に摺動自在に支持されるスリーブ２０の外径Ａを、弁座１４の弁孔の内径Ｂに概略等しくし、好ましくは、弁座１４をコイニング加工したことによって変化する弁体１５の有効受圧径の変化分を見込んだ径にほぼ等しくしている。これにより、弁体１５に対して開弁方向にかかる有効受圧径とシャフト１８に対して閉弁方向にかかる有効受圧径とが概略等しくなるので、入口ポート１２に導入される圧力をキャンセルすることができる。
【選択図】図２

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とを備えている。膨張弁としては、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そのエバポレータ出口における冷媒の蒸発状態が適度な過熱度を持つように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、冷媒を絞り膨張させるとともに冷媒の流量を制御する弁部と、エバポレータからコンプレッサへ向かう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。弁部は、直方体のブロックに内蔵され、このブロックには、レシーバからの高圧配管、膨張された冷媒をエバポレータへ送り出す低圧配管、エバポレータ出口からの戻り低圧配管、コンプレッサの吸入口へ向かう低圧配管を接続するための接続穴と、パワーエレメントを結合するためのねじ穴と、弁部のセット値を外部から調整するためのアジャストねじを螺入するためのねじ穴とを有している。これらの穴には、各配管が挿入され、パワーエレメントおよびアジャストねじが螺入された状態で内部を気密に保持するためのシール部材が設けられている。

ところで、車両用空調装置では、現在、冷媒として一般にフロン（ＨＦＣ−１３４ａ）が使用されているが、このフロンは地球温暖化係数が大きいことから、大気に漏れた場合に地球温暖化に対する影響が大きいといわれている。この地球温暖化対策として、フロンを地球温暖化係数の小さな冷媒に切り換える方法と、フロンが大気に漏れないようにして不必要になったときに回収する方法とが考えられている。

冷凍サイクルの中で、冷媒が外部に漏れる可能性のある部位として、膨張弁に関しては、ブロックに形成された配管のための４つの接続穴、パワーエレメントおよびアジャストねじのための２つのねじ穴の部分であり、これらの１つでもシール不良が発生した場合には、直接冷媒が大気に漏れてしまうことになる。

このような冷媒が外部に漏れる可能性のある部位を減らす１つの方策として、本出願人により膨張弁の装着構造を提案している（特願２００６−２７７２６５）。以下、この冷媒の外部漏れ箇所を低減させた膨張弁の装着構造について説明する。

図５は冷媒の外部漏れ箇所を低減させた膨張弁の装着構造の一例を示す図である。
この例では、エバポレータ１０１とコンプレッサへ向かう低圧配管１０２との間の接続空間内に膨張弁１０３の全体をそっくり収容し、その接続空間内において膨張弁１０３と高圧配管１０４との接続および膨張弁１０３とエバポレータ１０１の入口配管１０５との接続を行うようにしている。

すなわち、エバポレータ１０１には、その冷媒入口に入口配管１０５が溶接されており、この入口配管１０５と冷媒出口とを囲うように筒状連結部１０６が溶接されている。この筒状連結部１０６には、接続空間を構成する筒状のケース１０７の開口端がパイプクランプ１０８によって連結されている。ケース１０７の側面には、高圧配管１０４が貫通配置され、その先端が膨張弁１０３の入口ポート１０９に接続されている。また、膨張弁１０３の出口ポート１１０には、エバポレータ１０１の入口配管１０５が接続されている。さらに、ケース１０７の側面には、コンプレッサへ向かう低圧配管１０２が接続されている。そして、各接続部分には、それぞれＯリングが配置されていて、冷媒漏れがないようにシールしている。

このような装着構造によれば、エバポレータ１０１の冷媒出入口をケース１０７を介して低圧配管１０２に接続し、そのケース１０７内にて膨張弁１０３の入口ポート１０９を高圧配管１０４と接続し、出口ポート１１０をエバポレータ１０１の入口配管１０５に接続している。これにより、膨張弁１０３の接続部分は、大気に露出していないので、たとえ、膨張弁１０３の接続部において冷媒が微少に漏れたとしても、その冷媒は、低圧配管１０２が接続されたケース１０７の中に漏れるだけであるので、大気に漏れ出ることはない。

ここで、ケース１０７に収容された膨張弁１０３は、その入口ポート１０９と出口ポート１１０との間に形成された冷媒通路に弁座１１１が配置されている。その弁座１１１の下流側には、弁体１１２がスプリング１１３によって閉弁方向に付勢された状態で配置されている。弁体１１２は、弁座１１１を貫通して延びるシャフト１１４と一体に形成されている。このシャフト１１４は、パワーエレメント１１５が感知した冷媒の温度および圧力の変化を弁体１１２に伝達するためのもので、入口ポート１０９の高圧がパワーエレメント１１５に漏れないよう周囲にＯリング１１６が設けられている。

弁座１１１の内径は、シャフト１１４の外径とほぼ等しくなるように形成されている。これにより、入口ポート１０９に導入された高圧が弁体１１２に対して開弁方向に荷重をかけ、シャフト１１４に対しては閉弁方向にほぼ同じ荷重をかけることになるので、圧力がキャンセルされる構造になっていて、入口ポート１０９に導入される高圧によって膨張弁１０３の制御動作が影響を受けることはない。
特開２００２−１１５９３８号公報

上記のように弁座の径とシャフトの径を概ね等しくして入口ポートに導入される圧力をキャンセルする構造の膨張弁にあっては、弁体と一体に形成されたシャフトは、入口ポートとパワーエレメントとの間に形成された穴に弁座を介して挿入することによってボディに組み込まれる。このとき、シャフトにＯリングを組んだ状態で行う必要性から、そのＯリングが弁座に引っ掛かることなく挿入できるように、実際には、シャフトの外径は、弁座の内径よりも小さく形成されている。これにより、弁体が開弁方向に受圧する面積は、シャフトが閉弁方向に受圧する面積より大きくなるため、膨張弁は、入口ポートに導入される高圧によって受圧面積の差の分だけ余計に開弁方向の荷重が発生する傾向を持った特性になっている。

また、弁座は、その着座部分をコイニング加工して、弁体の着座が線接触から面接触になるようにすることで閉弁時の特性を安定して得られるようにしている。弁座をコイニング加工することにより、閉弁時の弁体の有効受圧径は、弁座の内径に等しいが、微小に開いているときの弁体の有効受圧径は、弁座の内径よりも大きくなってしまうので、弁体の有効受圧径とシャフトの有効受圧径との差がさらに大きくなる傾向にある。

さらに、上記のタイプの膨張弁は、エバポレータからコンプレッサへ向かう配管の途中に形成された狭いケース内に収容するものであるので、パワーエレメントには、できるだけ小さいサイズのものが採用されている。サイズの大きなパワーエレメントを備えた膨張弁は、弁部を駆動するパワーが大きいので、圧力キャンセルが十分に機能していなくても特性上それほど問題になることはない。しかしながら、サイズの小さいパワーエレメントは、弁部を駆動するパワーも小さいので、弁体とシャフトとの有効受圧径に差があることによって弁体に開弁方向の荷重差分があると、開弁点を設定しているセット値がずれてしまうことになるので、圧力のキャンセルはできるだけ正確にしたいという要望がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、弁座のコイニング加工による弁体の有効受圧径が変化してしまうことを考慮してできるだけ正確に入口ポートに導入される圧力をキャンセルすることができる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、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前記エバポレータに送り出す冷媒の流量を制御する膨張弁において、弁座を挟んで出口ポート側に配置された弁体の反対側にてボディに開弁および閉弁方向に摺動自在に保持されたシャフトの外径を、前記弁座の弁孔の内径に実質的に等しくした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、シャフトの外径を弁孔の内径に実質的に等しくしたことで弁体に対して開弁方向にかかる有効受圧径とシャフトに対して閉弁方向にかかる有効受圧径とが概略等しくなるので、入口ポートに導入される高圧の圧力をキャンセルすることができる。

本発明の膨張弁は、高圧の圧力を正確にキャンセルするため、パワーエレメントによる流量制御が圧力変動の影響を受けなくなるので、エバポレータの出口に接続されるコンプレッサへの低圧配管のような狭い空間に収容可能なサイズの小さいパワーエレメントを備えた温度式膨張弁に適用することができるという利点がある。

以下、本発明の実施の形態を、エバポレータを出てコンプレッサに向かう戻り低圧配管の中に装着される膨張弁を例に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ケース内に装着した状態で示す断面図、図２は第１の実施の形態に係る膨張弁の要部を拡大して示した説明図である。

第１の実施の形態に係る膨張弁１は、エバポレータ２に接続される出口側の配管内に収容される。エバポレータ２は、冷媒入口３および冷媒出口４を有し、その冷媒入口３には、入口配管５が接続され、冷媒入口３および冷媒出口４を取り囲むように筒状の連結部６が接続されている。これら入口配管５および連結部６は、エバポレータ２を炉中ろう付け加工にて形成するときに一緒にエバポレータ２に溶接されている。

連結部６には、膨張弁１を収容する筒状のケース７がパイプクランプ８によって着脱自在に取り付けられている。ケース７は、連結部６に接続される側と反対側は閉じられており、側部には、レシーバからの高圧配管９およびコンプレッサへの低圧配管１０がそれぞれ貫通配置され、かしめ加工によって気密に接続されている。ここで、連結部６およびケース７は、低圧配管１０の一部を構成している。なお、図示の例では、低圧配管１０は、高圧配管９の軸線と同じ方向にケース７に挿入されているが、高圧配管９の軸線とほぼ直角方向にケース７に挿入する構成であってもよい。

ケース７に収容される膨張弁１は、たとえば樹脂製のボディ１１を有し、その側面に開口されて高圧の冷媒を導入する入口ポート１２と、長手方向端面に開口されて低圧の冷媒を導出する出口ポート１３とが一体に形成されている。ボディ１１の中には、入口ポート１２と出口ポート１３とが内部で連通する通路に弁座１４が配置され、その弁座１４の出口ポート１３の側に弁孔を開閉する弁体１５がスプリング１６により閉弁方向に付勢された状態で配置されている。このスプリング１６は、出口ポート１３内に螺嵌されたアジャスト部材１７に受けられており、そのアジャスト部材１７のボディ１１への螺入量により荷重が調整されて、この膨張弁１のセット値が調整される。

弁体１５は、その開閉方向に進退自在にボディ１１によって支持されたシャフト１８と一体に形成されている。シャフト１８の弁体１５と反対側の端部は、縮径されていて、そこにはＯリング１９が周設され、スリーブ２０が圧入されている。

ボディ１１のシャフト１８およびスリーブ２０が配置されている側の端部には、パワーエレメント２１が配置されている。このパワーエレメント２１は、ダイヤフラム２２によって閉じられ、中に冷媒ガスなどが充填された感温室を有している。ダイヤフラム２２は、センターディスク２３を介してボディ１１から突出しているシャフト１８およびスリーブ２０の端面に当接され、パワーエレメント２１が感知した冷媒の温度および圧力に応じて変化するダイヤフラム２２の変位を弁体１５に伝達するようにしている。なお、このパワーエレメント２１は、外側が樹脂製の断熱カバー２４によって覆われており、図示はしないが、断熱カバー２４と一体に形成されたフックによってボディ１１に係止されていてパワーエレメント２１をボディ１１に固定するようにしている。

膨張弁１の入口ポート１２は、ケース７の中でレシーバからの高圧配管９が嵌合され、Ｏリング２５によってシールされている。膨張弁１の出口ポート１３は、ケース７の中でエバポレータ２の入口配管５に嵌合され、Ｏリング２６によってシールされている。

ここで、入口ポート１２に導入される高圧をキャンセルするための構成について図２を参照して説明する。まず、シャフト１８に圧入されているスリーブ２０は、その外径Ａを弁座１４の弁孔の内径Ｂに実質的に等しくなるよう内径Ｂに概略等しいか僅かに大きくするようにしている。これにより、シャフト１８に対する閉弁方向の有効受圧径は、概ねスリーブ２０の外径Ａとなり、正確には、Ｏリング１９が直接高圧を受けているので、このスリーブ２０をその軸線方向に摺動自在に保持しているシリンダの内径（＞Ａ）ということになる。また、弁体１５に対する開弁方向の有効受圧径は、概ね弁座１４の弁孔の内径Ｂとなるが、実際には、弁体１５が着座する弁座１４の着座部分は、コイニング加工により潰されてテーパ形状になっているので、内径Ｂよりもわずかに大きくなっている。このように、弁座１４がコイニング加工により潰されることで有効受圧径が大きくなる分だけ、少なくともシャフト１８の側のスリーブ２０の外径Ａを弁孔の内径Ｂよりも大きくすることで、高圧が開弁方向と閉弁方向とにかかる荷重を実質的に等しくすることができ、高圧の正確なキャンセルが可能になる。なお、図２に例示の場合、スリーブ２０の外径Ａは、コイニング加工による有効受圧径の変化を見込んだ径に概略等しくしているが、実際には、スリーブ２０とボディ１１との間のクリアランスの分だけ、閉弁方向にかかる荷重が増えている。しかし、そのような閉弁方向の荷重差分は、パワーエレメント２１が開弁方向に付勢している荷重に比べて極めて小さいので、実質的に無視することができる。逆に、開弁方向への荷重差分が発生しない分、高圧の圧力変動の影響を確実になくすことができるので、場合によっては、スリーブ２０の外径Ａは、弁孔の内径Ｂよりも僅かに大きくした方が良い場合がある。

膨張弁１のこのような構成の弁部は、スリーブ２０が弁座１４の内径よりも大きい外径を有しているので、弁体１５の組み立て手順を工夫する必要がある。すなわち、最初に、Ｏリング１９もスリーブ２０も付いていない弁体１５と一体のシャフト１８を、出口ポート１３の側から弁座１４の弁孔を貫通して挿入し、その後、出口ポート１３とは反対の側からシャフト１８にＯリング１９を嵌め、スリーブ２０を外嵌させることによって、弁体１５をボディ１１内に組み込むことになる。

次に、膨張弁１の動作について説明する。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２１の感温室に封入された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２２は感温室側へ変位しており、その変位はシャフト１８を介して弁体１５に伝達され、膨張弁１は全閉状態にある。

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１０の圧力が低下し、これがパワーエレメント２１により感知されてダイヤフラム２２が外側へ変位し弁体１５を開弁方向に駆動するようになる。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９を通じて膨張弁１の入口ポート１２に供給されるようになる。なお、図１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１３を出る。その冷媒は、入口配管５および冷媒入口３を介してエバポレータ２に供給され、内部で蒸発されて、冷媒出口４から出てくる。エバポレータ２から戻ってきた冷媒は、ケース７および低圧配管１０を介してコンプレッサに戻る。

エバポレータ２から戻ってきた冷媒がケース７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２１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２から戻ってくる冷媒の温度は高くなっており、パワーエレメント２１はその温度を感知し、感温室の圧力が高くなる。これにより、ダイヤフラム２２は、これに当接されているセンターディスク２３がボディ１１に当接するまで開弁方向に変位し、その変位はシャフト１８を介して弁体１５に伝達され、膨張弁１は全開状態になる。

やがて、エバポレータ２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２２が図の上方へ変位していき、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２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２に供給する冷媒の流量を制御することになる。これによって、コンプレッサには、常に過熱状態の冷媒が戻るので、コンプレッサは、効率の良い運転をすることができる。

図３は第２の実施の形態に係る膨張弁をケース内に装着した状態で示す断面図、図４は第２の実施の形態に係る膨張弁の要部を拡大して示した説明図である。図３および図４において、図１に示した構成要素と同じまたは同等の機能を有する要素には同じ符号を付してその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、弁体１５およびシャフト１８の構成を変更している。シャフト１８は、ボディ１１によって軸線方向に摺動自在に支持される支持部分とこれより弁孔を貫通して軸線方向に延びる縮径部分とを一体に有し、その縮径部分に弁体１５が外嵌されている。シャフト１８は、その支持部分の外径Ａが弁座１４の弁孔の内径Ｂに等しく形成され、中間部に周設された溝にはＯリング１９が嵌め込まれている。

弁体１５は、第１の実施の形態に係る膨張弁１では全体が円錐形状に形成されているのに対し、上流側から下流側へ向かって径が順次大きくなるよう階段状に形成され、弁座１４のコイニング加工された弁座面に着座する部分の近傍のみが斜面で形成されている。このように、弁座１４と協動してシールするのに必要な弁体１５の斜面の部分を短く形成することによって、斜面に沿って流れる流速の速い冷媒が接する面積を減少させ、流速差に伴う弁体１５の吸い込み現象を軽減できることから、弁体１５の横振動を抑制することができる。

膨張弁１ａのこのような構成の弁部は、先に、シャフト１８の溝にＯリング１９を嵌め込んだ状態で出口ポート１３とは反対の側からシャフト１８を挿入し、その後、弁座１４の弁孔を貫通して挿入されたシャフト１８の縮径部分に出口ポート１３の側から弁体１５を外嵌させることによって、弁体１５をボディ１１内に組み込むことになる。

この膨張弁１ａは、弁体１５およびシャフト１８の構成を除いて膨張弁１の構成と同じであり、その動作に関しても、第１の実施の形態に係る膨張弁１と同じであるので、ここではその説明は省略する。

第１の実施の形態に係る膨張弁をケース内に装着した状態で示す断面図である。 第１の実施の形態に係る膨張弁の要部を拡大して示した説明図である。 第２の実施の形態に係る膨張弁をケース内に装着した状態で示す断面図である。 第２の実施の形態に係る膨張弁の要部を拡大して示した説明図である。 冷媒の外部漏れ箇所を低減させた膨張弁の装着構造の一例を示す図である。

符号の説明

１，１ａ 膨張弁
２ エバポレータ
３ 冷媒入口
４ 冷媒出口
５ 入口配管
６ 連結部
７ ケース
８ パイプクランプ
９ 高圧配管
１０ 低圧配管
１１ ボディ
１２ 入口ポート
１３ 出口ポート
１４ 弁座
１５ 弁体
１６ スプリング
１７ アジャスト部材
１８ シャフト
１９ Ｏリング
２０ スリーブ
２１ パワーエレメント
２２ ダイヤフラム
２３ センターディスク
２４ 断熱カバー
２５，２６ Ｏリング

Claims (5)

1. 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前記エバポレータに送り出す冷媒の流量を制御する膨張弁において、
   弁座を挟んで出口ポート側に配置された弁体の反対側にてボディに開弁および閉弁方向に摺動自在に保持されたシャフトの外径を、前記弁座の弁孔の内径に実質的に等しくしたことを特徴とする膨張弁。
2. 前記シャフトの外径は、前記弁座のコイニング加工による有効受圧径の変化を見込んだ径に少なくとも等しくしたことを特徴とする請求項１記載の膨張弁。
3. 前記シャフトは、前記弁座の弁孔の内径より小さい外径を有し、前記弁座の弁孔の内径に実質的に等しい外径を有するスリーブが嵌合されていることを特徴とする請求項１記載の膨張弁。
4. 前記弁体は、前記弁座に着座する部分の近傍のみが斜面で形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. 前記エバポレータの出口に接続されるコンプレッサへの低圧配管の中に収容され、前記低圧配管内にて高圧配管と入口ポートとの接続および前記出口ポートと前記エバポレータの入口配管との接続を行うようにした温度式膨張弁であることを特徴とする請求項１記載の膨張弁。

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