JP2010048529A - 膨張弁 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍サイクルの起動時における冷媒の流動音を低減可能な膨張弁を提供する。
【解決手段】膨張弁１においては、導入ポート６から導入された冷媒が、小孔４７における第１の流動抵抗および間隙通路４８における第２の流動抵抗を段階的に受けた後に弁部に導かれる。これらの総通路抵抗により冷媒の流速が抑えられ、その結果、弁部を通過する冷媒の流動音が大きくなる冷凍サイクルの起動時においてもその流動音が許容設定値以下に抑えられる。一方、その総通路抵抗によっても冷媒の必要流量は確保されるため、冷凍サイクルに要求される能力は確保される。
【選択図】図１

Description

本発明は膨張弁に関し、特に自動車用空調装置の冷凍サイクルに設けられてエバポレータへ送出する冷媒の流量を制御するのに好適な膨張弁に関する。

自動車用空調装置の冷凍サイクルには一般に、循環する冷媒を圧縮するコンプレッサ、圧縮された冷媒を凝縮するコンデンサ、凝縮された冷媒を気液に分離するレシーバ、分離された液冷媒を絞り膨張させて霧状にして送出する膨張弁、その霧状の冷媒を蒸発させてその蒸発潜熱により車室内の空気を冷却するエバポレータが設けられている。

膨張弁としては、例えばエバポレータから導出された冷媒が所定の過熱度を有するように、例えばエバポレータ出口における冷媒の温度および圧力を感知して弁部を開閉し、エバポレータへ送出する冷媒の流量を制御する温度式膨張弁が用いられる（例えば特許文献１参照）。この膨張弁のボディには、レシーバからエバポレータへ向かう冷媒を通過させる第１の通路と、エバポレータから戻ってきた冷媒を通過させてコンプレッサへ導出する第２の通路とが形成されている。その第１の通路には、エバポレータへ向かう冷媒の流量を調整する弁部が設けられている。ボディの端部には、第２の通路を流れる冷媒の温度および圧力を感知して弁部の開度を制御するパワーエレメントが設けられている。
特開２００２−３１０５３９号公報

ところで、冷凍サイクルの起動時には一般に冷媒の温度が高い状態にあるため、パワーエレメントが感知する温度が高く、したがってその基準圧力も高い状態にある。一方、コンプレッサの駆動が開始されることにより、パワーエレメントが感知する圧力（エバポレータの出口圧力）が大きく低下するため、膨張弁の弁部が全開状態となる。このような状態のもと、冷凍サイクルの起動当初の冷媒の密度が小さいことから流速が大きくなることも相俟って膨張弁の弁部を通過する冷媒の流動音が大きくなるといった問題があった。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、冷凍サイクルの起動時における冷媒の流動音を低減可能な膨張弁を提供することにある。

本発明のある態様の膨張弁は、冷凍サイクルの上流側から導入された冷媒をボディ内の弁部を通過させることにより絞り膨張させて下流側へ導出する。この膨張弁は、ボディを貫通するように形成され、その一端側に冷媒の導入ポートが設けられる一方、他端側に冷媒の導出ポートが設けられた冷媒通路と、冷媒通路の中間部に設けられた弁孔と、冷媒通路の弁孔と導入ポートとの間に設けられた弁室と、弁室に配設され、弁孔に接離して弁部を開閉する弁体と、冷媒通路における弁室と導入ポートとの間に設けられ、その通路断面が局部的に狭小化されて形成された小孔と、小孔と離間した位置において弁室の内周部と弁体の外周部との間に形成される間隙通路と、を備える。

導入ポートから導入された冷媒が、小孔および間隙通路を順次経由して弁部を通過し、導出ポートから導出されるように構成されている。冷媒通路を流れる冷媒の小孔における第１の流動抵抗と、間隙通路における第２の流動抵抗との総和である総通路抵抗が、冷凍サイクルの起動時において弁部を通過する冷媒の流動音が予め定める許容設定値以下となる一方、弁部を通過する冷媒の必要流量を許容するように、小孔および間隙通路の大きさがそれぞれ設定されている。

この態様によれば、導入ポートから導入された冷媒が、小孔における第１の流動抵抗および間隙通路における第２の流動抵抗を段階的に受けた後に弁部に導かれる。これらの総通路抵抗により冷媒の流速が抑えられ、その結果、弁部を通過する冷媒の流動音が大きくなる冷凍サイクルの起動時においてもその流動音が許容設定値以下に抑えられる。一方、その総通路抵抗によっても冷媒の必要流量は確保されるため、冷凍サイクルに要求される能力は確保される。

本発明の膨張弁によれば、冷凍サイクルの起動時における冷媒の流動音を低減することができる。

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。なお、以下の説明においては便宜上、図示の状態を基準に各構造の位置関係を表現することがある。
本実施の形態は、本発明の膨張弁を自動車用空調装置の冷凍サイクルに適用される温度式膨張弁として具体化している。この冷凍サイクルには、循環する冷媒を圧縮するコンプレッサ、圧縮された冷媒を凝縮するコンデンサ、凝縮された冷媒を気液に分離するレシーバ、分離された液冷媒を絞り膨張させて霧状にして送出する膨張弁、その霧状の冷媒を蒸発させてその蒸発潜熱により車室内の空気を冷却するエバポレータが設けられているが、膨張弁以外の詳細な説明については省略する。

図１は、実施の形態に係る膨張弁の断面図である。
膨張弁１は、アルミニウム合金からなる素材を押出成形して得た部材に所定の切削加工を施して形成されたボディ２を有する。このボディ２は角柱状をなし、その内部には冷媒の絞り膨張を行う弁部が設けられている。ボディ２の長手方向の端部には、感温部として機能するパワーエレメント３が設けられている。

ボディ２の側部には、レシーバ側（コンデンサ側）から高温・高圧の液冷媒を導入する導入ポート６、膨張弁１にて絞り膨張された低温・低圧の冷媒をエバポレータへ向けて導出する導出ポート７、エバポレータにて蒸発された冷媒を導入する導入ポート８、膨張弁１を通過した冷媒をコンプレッサ側へ導出する導出ポート９が設けられている。導入ポート６と導出ポート９との間には、図示しない配管取付用のスタッドボルトを植設可能とするためのねじ穴１０が形成されている。

膨張弁１においては、導入ポート６、導出ポート７およびこれらをつなぐ冷媒通路により第１の通路１３が構成されている。第１の通路１３は、その中間部に弁部が設けられており、導入ポート６から導入された冷媒をその弁部にて絞り膨張させて霧状にし、導出ポート７からエバポレータへ向けて導出する。一方、導入ポート８、導出ポート９およびこれらをつなぐ冷媒通路により第２の通路１４（「戻り通路」に該当する）が構成されている。第２の通路１４は、ストレートに延びており、導入ポート８から冷媒を導入して導出ポート９からコンプレッサへ向けて導出する。

すなわち、ボディ２における第１の通路１３の中間部には弁孔１６が設けられ、その弁孔１６の導入ポート６側の開口端縁により弁座１７が形成されている。弁座１７に導入ポート６側から対向するように弁体１８が配置されている。弁体１８は、弁座１７に着脱して弁部を開閉する球状のボール弁体４１と、ボール弁体４１を下方から支持する弁体受け４２とを接合して構成されている。

ボディ２の下端部には、第１の通路１３に直交するように内外を連通させる連通孔１９が形成されており、その上半部により弁体１８を収容する弁室４５が形成されている。弁室４５は、その上端部にて弁孔１６に連通し、側部にて小孔４７を介して導入ポート６に連通しており、第１の通路１３の一部を構成している。小孔４７は、第１の通路１３の通路断面が局部的に狭小化されて形成され、弁室４５に開口している。
弁室４５の内周部と弁体１８の外周部（正確には、弁体受け４２の外周部）との間には、通路断面が狭小化された間隙通路４８が形成されている。本実施の形態では、弁体１８の外径（正確には、弁体受け４２の外径）を特に大きくすることなく、弁室４５の内径を小さくすることで所定通路断面の間隙通路４８が形成されている。小孔４７と間隙通路４８とは弁室４５の長手方向に離間している。導入ポート６から導入された冷媒は、小孔４７において第１の流動抵抗を受け、続いて間隙通路４８にて第２の流動抵抗を受けて弁孔１６に導かれ、その弁部を通過して導出ポート７から導出される。

連通孔１９の下半部には、その連通孔１９を外部から封止するようにアジャストねじ２０（「アジャスト部材」に該当する）が螺着されている。弁体１８（正確には弁体受け４２）とアジャストねじ２０との間には、弁体１８を閉弁方向に付勢するスプリング２３が介装されている。アジャストねじ２０のボディ２への螺入量を調整することで、スプリング２３の荷重を調整することができる。ただし、アジャストねじ２０の螺入部が小孔４７に干渉しないよう、各部の配置構成が設定されている。図示のように、アジャストねじ２０の外径が弁室４５と実質的に等しくなる程度に小さく構成され、アジャストねじ２０とボディ２との間には、冷媒の漏洩を防止するためのＯリング２４が介装されている。

一方、ボディ２の上端部には、第２の通路１４に直交するように内外を連通させる連通孔２５が形成されており、その連通孔２５を封止するようにパワーエレメント３（「感温部」に該当する）が螺着されている。パワーエレメント３は、アッパーハウジング２６とロアハウジング２７との間に金属薄板からなるダイヤフラム２８を挟むように介装し、そのロアハウジング２７側にディスク２９を配置して構成されている。アッパーハウジング２６とダイヤフラム２８とによって囲まれる密閉空間には感温用のガスが封入されている。パワーエレメント３とボディ２との間には、冷媒の漏洩を防止するためのＯリング３０が介装されている。第２の通路１４を通過する冷媒の圧力および温度は、連通孔２５とディスク２９に設けられた孔部を通ってダイヤフラム２８の下面に伝達される。

ボディ２の中央部には、第１の通路１３と第２の通路１４とをつなぐ段付孔３４が設けられており、この段付孔３４の小径部には長尺状のシャフト３３が摺動可能に挿通されている。シャフト３３は、ディスク２９と弁体１８との間に介装されている。これにより、ダイヤフラム２８の変位よる駆動力が、ディスク２９およびシャフト３３を介して弁体１８へ伝達され、弁部を開閉させるようになっている。段付孔３４の大径部には、シャフト３３に外挿されるようにシール用のＯリング３６が配置され、第１の通路１３と第２の通路１４との間の冷媒の漏洩が防止されている。

シャフト３３の上半部は、第２の通路１４を横切るように配置された円筒状のホルダ３７に内挿されている。ホルダ３７は、その下端部が段付孔３４の大径部に圧入されており、その下部端面によりＯリング３６の移動を規制している。ホルダ３７の上端開口部とシャフト３３の上端部との間には、シャフト３３に横荷重を与えるスプリング３８が介装されている。シャフト３３がそのスプリング３８の横荷重を受けることにより、冷媒圧力の変動によるシャフト３３の振動が抑制されるようになっている。

以上のように構成された膨張弁１は、エバポレータから導入ポート８を介して戻ってきた冷媒の圧力及び温度をパワーエレメント３が感知してそのダイヤフラム２８が変位する。このダイヤフラム２８の変位が駆動力となり、ディスク２９およびシャフト３３を介して弁体１８に伝達されて弁部を開閉させる。一方、レシーバから供給された液冷媒は、導入ポート６から導入され、弁体１８及び弁座１７からなる弁部を通過することにより絞り膨張されて、低温・低圧の霧状の冷媒になる。その冷媒は導出ポート７からエバポレータへ向けて導出される。

図２は、膨張弁の流動特性を表す説明図である。同図には上段から、冷凍サイクル起動時における膨張弁の弁開度と冷媒流量との関係、冷凍サイクル起動後に制御が安定した安定期における膨張弁の弁開度と冷媒流量との関係、冷凍サイクル起動時における膨張弁における小孔４７と間隙通路４８との総通路抵抗と弁部を通過する冷媒による流動音との関係を、それぞれ表している。

上述のように、導入ポート６から導入された冷媒は、小孔４７および間隙通路４８を順次経由して弁部を通過する。その際、第１の流動抵抗および第２の流動抵抗を順次受けて弁孔１６に導かれる。本実施の形態では、この第１の流動抵抗および第２の流動抵抗との総和である総通路抵抗が、膨張弁１における冷媒の必要流量を確保できるとともにその流動音を抑制できるように設定されている。すなわち、膨張弁１において、冷凍サイクルの起動時における冷媒の流動音が予め定める許容設定値以下となる一方、その弁部を通過する冷媒の必要流量を許容するように、小孔４７および間隙通路４８の大きさがそれぞれ設定されている。

具体的には、同図に示すように、冷凍サイクルの起動時の膨張弁１の弁開度に対して必要流量を確保可能な総通路抵抗の上限値がｒ２となっている。すなわち、総通路抵抗が上限値ｒ２までは冷凍サイクルの起動時に冷媒の必要流量を確保することができ、これを超えるとその流動抵抗によって必要流量を確保できなくなる。なお、この「必要流量」は、冷凍サイクルに要求される冷凍能力や除湿性能等に基づいて予め定められる。
一方、冷凍サイクルの起動時における流動音を許容設定値以下とするためには、総通路抵抗を下限値ｒ０以上とする必要がある。冷凍サイクルの起動時には弁部を通過する冷媒の液密度が低く、流動抵抗が小さくなるほど冷媒の流速が大きくなって弁部における摩擦音が大きくなるからである。このため、本実施の形態では、総通路抵抗ｒ０からｒ２までの間を第１の選定域として設定し、その流動抵抗が得られるよう、小孔４７および間隙通路４８の大きさをそれぞれ設定している。この場合、例えば小孔４７および間隙通路４８のいずれか一方により総通路抵抗を確保する、つまり他方は流動抵抗に実質的に寄与しない構成とすることも考えられる。しかし、いずれか一方の流動抵抗が高くなりすぎると、その下流側かつ弁部の手前で冷媒が霧状になるなど、その流れが不安定になる可能性があるため、このように段階的に流動抵抗を付与して総通路抵抗を確保するのが好ましい。一例として、その第１の流動抵抗と第２の流動抵抗との総和である総通路抵抗が、冷凍サイクルの起動時における弁部の全開時の流動抵抗と実質的に等しくなるように構成してもよい。
また、本実施の形態では、冷凍サイクルの運転状態の安定期での必要流量を確保するために、さらに総通路抵抗の上限値ｒ１を設定している。ここでいう「安定期」は、冷凍サイクルの起動時から時間が経過し、膨張弁１が微少開度にて安定した制御状態にある運転状態である。この安定期では、冷媒が例えば過冷却された状態にあり、冷凍サイクルの起動時に比べて液密度が高くなっている。この安定期での冷媒流量が冷凍サイクルにおける冷媒の流量特性を決定するものでもあるため、その必要流量を確保することを前提とする必要がある。そこで、本実施の形態では、総通路抵抗ｒ０からｒ１までの間を第２の選定域として設定している。すなわち、総通路抵抗ｒ０を下限値とすることには変わりないが、上限値については総通路抵抗ｒ１およびｒ２の小さいほうを採用することにする。図示の例では、総通路抵抗ｒ１＜ｒ２の場合が示されているが、冷凍サイクルによりそれと逆になることがありうる。要するに、起動時および安定期の双方における必要流量を確保しつつ、流動音が許容設定値以下となるように総通路抵抗を決定している。

以上に説明したように、本実施の形態の膨張弁１においては、導入ポート６から導入された冷媒が、小孔４７における第１の流動抵抗および間隙通路４８における第２の流動抵抗を段階的に受けた後に弁部に導かれる。これらの総通路抵抗により冷媒の流速が抑えられ、その結果、弁部を通過する冷媒の流動音が大きくなる冷凍サイクルの起動時においてもその流動音が許容設定値以下に抑えられる。一方、その総通路抵抗によっても冷媒の必要流量は確保されるため、冷凍サイクルに要求される能力は確保される。
また、本実施の形態では、弁体１８を特に大きくすることなく、弁室４５の内径を調整するようにして第２の流動抵抗を確保するようにしたため、弁室４５が小さく形成されている。さらに、アジャストねじ２０もその弁室４５の大きさに合わせて小さく形成したため、膨張弁１全体のコンパクト化を実現できるといった利点もある。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、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、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能であることはいうまでもない。

上記実施の形態の膨張弁は、冷媒として代替フロン（ＨＦＣ−１３４ａ）など使用する冷凍サイクルに好適に適用されるが、本発明の膨張弁は、二酸化炭素のように作動圧力が高い冷媒を用いる冷凍サイクルに適用することも可能である。その場合には、冷凍サイクルにコンデンサに代わってガスクーラなどの外部熱交換器が配置される。その際、パワーエレメント３を構成するダイヤフラムを強度を補うために、例えば金属製の皿ばね等を重ねて配置してもよい。あるいは、ダイヤフラムに置き換えて皿ばね等を配置してもよい。

上記実施の形態では、膨張弁を温度式膨張弁として構成した例を挙げたが、温度を感知しない電磁式膨張弁として構成することもできる。

実施の形態に係る膨張弁の断面図である。 膨張弁の流動特性を表す説明図である。

符号の説明

１ 膨張弁、 ２ ボディ、 ３ パワーエレメント、 ６ 導入ポート、 ７ 導出ポート、 ８ 導入ポート、 ９ 導出ポート、 １３ 第１の通路、 １４ 第２の通路、 １６ 弁孔、 １７ 弁座、 １８ 弁体、 ２０ アジャストねじ、 ２３ スプリング、 ２８ ダイヤフラム、 ３３ シャフト、 ４１ ボール弁体、 ４２ 弁体受け、 ４５ 弁室、 ４７ 小孔、 ４８ 間隙通路。

Claims (3)

1. 冷凍サイクルの上流側から導入された冷媒をボディ内の弁部を通過させることにより絞り膨張させて下流側へ導出する膨張弁において、
   前記ボディを貫通するように形成され、その一端側に冷媒の導入ポートが設けられる一方、他端側に冷媒の導出ポートが設けられた冷媒通路と、
   前記冷媒通路の中間部に設けられた弁孔と、
   前記冷媒通路の前記弁孔と前記導入ポートとの間に設けられた弁室と、
   前記弁室に配設され、前記弁孔に接離して前記弁部を開閉する弁体と、
   前記冷媒通路における前記弁室と前記導入ポートとの間に設けられ、その通路断面が局部的に狭小化されて形成された小孔と、
   前記小孔と離間した位置において前記弁室の内周部と前記弁体の外周部との間に形成される間隙通路と、を備え、
   前記導入ポートから導入された冷媒が、前記小孔および前記間隙通路を順次経由して前記弁部を通過し、前記導出ポートから導出されるように構成され、
   前記冷媒通路を流れる冷媒の前記小孔における第１の流動抵抗と、前記間隙通路における第２の流動抵抗との総和である総通路抵抗が、前記冷凍サイクルの起動時において前記弁部を通過する冷媒の流動音が予め定める許容設定値以下となる一方、前記弁部を通過する冷媒の必要流量を許容するように、前記小孔および前記間隙通路の大きさがそれぞれ設定されていること特徴とする膨張弁。
2. 前記弁部を通過して絞り膨張された冷媒を前記導出ポートから導出してエバポレータへ供給し、前記エバポレータから戻ってきた冷媒の圧力と温度を感知して前記弁部の開度を制御する温度式膨張弁として構成され、
   前記冷媒通路とは別に前記ボディを貫通するように形成され、前記エバポレータから戻ってきた冷媒を通過させる戻り通路と、
   前記ボディに取り付けられ、前記戻り通路を流れる冷媒の温度および圧力を感知して動作し、その駆動力を前記弁体に伝達して前記弁部の開度を変化させ、前記エバポレータへ供給する冷媒の流量を制御するパワーエレメントと、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の膨張弁。
3. 前記弁室に配設され、前記パワーエレメントによる開弁方向の付勢力に抗して前記弁体を閉弁方向に付勢するスプリングと、
   前記ボディに前記弁室を封止するように固定され、前記スプリングを前記弁体とは反対側で支持するとともに、前記ボディへの取付位置により前記スプリングの荷重を設定するアジャスト部材と、を備え、
   前記弁室の大きさが、前記第２の流動抵抗を生じさせる前記間隙通路の大きさを実現できる程度に小さく設定されていることを特徴とする請求項２に記載の膨張弁。

Images