JP2012241725A - 制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】被取付部に固定するために用いられるプレートと、プレートに溶接されるハウジングの受け部との線膨張係数が異なることに起因してプレートに反りが生じるのを防止して、ハウジングで挟持されるダイアフラムの周縁を水平に保つことにより、制御特性の安定化を図った制御弁を提供する。
【解決手段】プレート１４０における受け部１３４が溶接される面と反対の面を、受け部１３４の線膨張係数と等しい線膨張係数を有するスペーサ１６０を介して弁本体１１０に溶接する。スペーサとプレートの溶接面積は、受け部とプレートの溶接面積と等しくされている。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、車両の排気廃熱を冷媒によってエンジン冷却装置の冷却水に回収する廃熱回収器等に用いられる制御弁に関する。

従来、車両の排気廃熱を冷媒（純水）によりエンジン冷却装置の冷却水に回収して車両の暖房に用いるシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１のシステムでは、車両の排気廃熱を常にエンジン冷却装置の冷却水に回収するとラジエータの負担が増加してしまうため、冷媒による廃熱の回収量を制御する制御弁が用いられている。

かかる廃熱回収システムにおいては、車両の排気ガスの温度は約１０００℃にも至る高温であり、排気管内に１次回収系の熱回収管を通し冷媒（純水）を循環させて熱を回収する。１次回収系の冷媒は蒸発するが、熱交換器において２次回収系であるエンジン冷却システムの冷却水と熱交換することで凝縮して元の液体状態に戻る。１次回収系に設けられている弁を開弁しておくと、１次回収系の冷却水は次々と循環するので、２次回収系においても熱を回収し続けることができる。１次回収系に配設されている弁を閉じると、冷媒の循環が停止され、２次回収系の熱回収系も停止する。２次回収系において検出した水温に基づいて１次回収系の弁の開閉（及びそのタイミング）を制御することにより、２次回収系への熱の回収量を制御することができる。

このような制御弁として、図４に示すようなダイアフラムを用いた制御弁が提案されている（特許文献２参照）。制御弁１は、弁体１０と、弁本体２０と、ダイアフラム３０と、コイルばね４０と、ハウジング５０と、プレート５３とを備えている。弁体１０は、例えばステンレス鋼のプレス成形により一端が閉じられた筒状に形成されている。閉じられている一端側はダイアフラム３０の一方の面、即ち図の下側の面に当接し、ダイアフラム３０から離間した他端側は開放されている。

弁体１０の弁ステム部１１は、その上部の外径が弁本体２０の内径より小さくなるように形成され、そのほぼ中央部で拡径されている。また、弁ステム部１１の上部は、その外周面が六角形状などの多角形状に形成されており、弁本体２０の内周面との間に断面積が大きい隙間流路を確保している。弁体１０の拡径された中央部から下部の外周面と、弁本体２０の下部の拡径された部分の内周面との間には、下端の出口に向けて冷媒が流通する冷媒通路７０が形成されている。

弁本体２０の拡径された部分の下端には弁座２２が形成されている。弁体１０の下部には、弁本体２０の拡径された部分の内径より大きい径を有するフランジ１４が設けられている。フランジ１４は、弁体１０の軸方向に沿った移動に応じて、弁座２２に接離して冷媒通路７０を開閉する。弁体１０の下方には、弁体１０を軸方向上方に付勢するコイルばね１２が配置されている。コイルばね１２は、一端が弁体１０の拡径された部分の上端に当接し、他端が弁本体２０の下端の内周面に固定されているばね受け１３に当接する。

弁本体２０において、拡径された部分の外周面に冷媒通路７０と弁室８０とを連通する孔２１が形成されている。この孔２１を介して、弁室８０から冷媒通路７０に冷媒が流入する。弁本体２０の中央部よりさらに拡径されている下端の上方に周方向に形成された溝２３内に配置されたＯ−リング２４により、補助暖房システムのケース１０３との気密性が確保されている。弁本体２０は、補助暖房システムのケース１０３に圧入され、その外周面に配置された圧入部材２５により、ケース１０３にダイアフラム３０と同軸となるように固定されている。

ハウジング５０は、円筒形状に形成された蓋部５１と受け部５２とから構成されていて、且つ弁体１０及びダイアフラム３０と同軸に配置されている。蓋部５１のフランジ５１１の外周部は、受け部５２の外周部とともに、ダイアフラム３０の周縁を挟持する鍔部を構成しており、これら三部材の外縁が溶接されている。コイルばね４０の一端が調節ねじ４２に当接し、他端がばね受け４１の上面に当接している。コイルばね４０は、ばね受け４１を介して、ダイアフラム３０を軸方向下方に、即ち弁体１０の開弁方向に付勢している。ダイアフラム３０の変位に応じて、その下面に当接する弁体１０が軸方向に移動する。

受け部５２の中央部には、中心の開口を含み、ハウジング５０の軸方向上方に突出する突出部５２１が形成されている。突出部５２１のダイアフラム３０との当接面に、ダイアフラム３０の外周側及び内周側の空間を連通して両空間の均圧を向上する圧力逃がし溝５２２が形成されている。受け部５２をダイアフラム３０の下面と微小隙間を介して対向させることで、冬季等のように外気温が低い場合に、弁ステム部１１とダイアフラム３０との間に流入している冷媒が凍結する際の体積膨張による圧力増加を緩和し、ダイアフラム３０の損傷を防止している。制御弁１の閉弁圧力は、ハウジング５０の蓋部５１の突出部５１２の位置を変更することにより調整可能である。

受け部５２の平坦部には、複数の均圧穴５２３が形成されている。均圧穴５２３は、プレート５３の貫通孔５４を介して弁室８０と連通する。これにより、冷媒圧力の応答性が向上するとともに、冷媒が凍結した場合に凍結による体積膨張を逃がすことができるので、ダイアフラム３０の損傷をさらに確実に防止することができる。

受け部５２とプレート５３は、その中心の嵌合孔が弁本体２０に嵌合した状態で重ね合わされるとともに、その状態で弁本体２０と受け部５２とプレート５３が互いにロウ付けされる。プレート５３はフェライト系ステンレスで形成され、受け部５２はオーステナイト系ステンレスで形成されており、フェライト系ステンレスの線膨張係数は、オーステナイト系ステンレスの線膨張係数よりも小さい。そのため、ロウ付けの際に加熱され、その後、ロウ材が凝固して冷却するときに、受け部５２の収縮量がプレート５３の収縮量よりも大きくなる。ロウ付けによって受け部５２と一体化したプレート５３は、受け部５２の大きな収縮によって受け部５２側に引っ張られて上向きの反りが発生する。

受け部５２及びプレート５３にこのような反りが発生すると、受け部５２の周縁部で挟み込まれるダイアフラム３０の周縁が水平でなくなるため、ダイアフラム３０の特性、即ち制御特性が変化してしまうという問題がある。
また、冷媒温度の変化によって受け部５２の反り量が変化するので、それによって制御特性が変化するという問題もある。

実開平０４−５１８０８号公報 特開２００８−１６９９７６号公報

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ダイアフラムの周縁を挟持する受け部の反りを少なくして制御特性の安定化を図った制御弁を提供することにある。

上記の課題を解決するため、この発明による制御弁は、冷媒の流量を制御する制御弁であって、前記冷媒が流れる冷媒通路が形成されている弁本体と、前記弁本体に移動可能に収容されていて前記冷媒通路を開閉する弁体と、一方の面が前記弁体に対向するように配置され、前記一方の面に作用する力と他方の面に作用する力との差に応じて変位することにより前記弁体を移動させるダイアフラムと、前記ダイアフラムを収容し且つ前記ダイアフラムの周縁を挟み込んで固定する蓋部及び受け部を備えたハウジングと、制御弁を被取付部に固定するために用いられ、一方の面が前記受け部に溶接されるとともに他方の面が前記弁本体に固定されるプレートとを備え、前記プレートの他方の面が、前記受け部の線膨張係数と等しい線膨張係数を有するスペーサを介して前記弁本体に固定され、前記スペーサと前記プレートは、前記受け部と前記プレートの溶接面積と等しい溶接面積で溶接されていることを特徴としている。

この制御弁によれば、プレート、受け部及び弁本体が高温で溶接されても、冷却されるときにはスペーサ側と受け部側で同じ収縮量となる。したがって、プレートに反りを生じさせようとする力が相殺される。

この発明による制御弁は、受け部とプレートとの線膨張係数の差に起因するプレートの反りが生じるのを防止することができるので、受け部で挟持されるダイアフラムの周縁を水平に保つことができ、制御特性、即ち、ダイアフラムの動作に基づく弁体の開弁特性が設計値に対して変動するのを防ぐことができる。また、冷媒温度の変化による受け部の反り量の変化を低減することもできるので、制御特性にばらつきが少なくなり、制御特性が安定する。

本発明による制御弁の一実施例を示す縦断面図である。 図１に示す制御弁のロウ付け部を拡大して示す断面図である。 従来の制御弁の問題点の説明図である。 従来の制御弁の縦断面図である。

以下、添付した図面に基づいて、この発明による制御弁の実施例を説明する。

図１に示すように、制御弁１００は、縦置きタイプの制御弁であり、弁本体１１０と、弁本体１１０内に配置されている弁軸１２０と、弁軸１２０によって押圧駆動されることにより冷媒の流量を制御する弁体１２１と、弁軸１２０を作動させる作動機構部１３０と、弁本体１１０を排熱回収器等の被取付部に取り付けるためのプレート１４０とを備えている。

弁本体１１０は、概して縦長の柱状ブロックからなり、その中心には縦孔１１１が形成されている。弁本体１１０の下部の内部には弁室１１２が形成されており、弁室１１２には、弁本体１１０の径方向に形成されて弁本体１１０の外周面に開口する複数の連通孔１１３，１１３…が連通している。弁軸１２０は、上端が作動機構部１３０のダイアフラム１３１（後述）に当接し、縦孔１１１を貫通して下端が弁室１１２にまで延びており、作動機構部１３０で駆動されて縦孔１１１内を上下方向に摺動する。

弁本体１１０の下端部には、弁室１１２に連通する弁体収容室１１４が設けられている。弁体収容室１１４は、弁室１１２よりも径が拡大して弁本体１１０の下端に開口しており、弁体収容室１１４と弁室１１２の間には段差部分１１５が形成されている。弁体収容室１１４には弁体１２１が収容されており、弁体１２１は弁軸１２０の下端部に当接している。弁体収容室１１４には圧縮ばね１２２が収容されており、圧縮ばね１２２は弁体１２１を段差部分１１５に形成されている弁座１１６に当接する方向（閉弁方向）に付勢している。弁体１２１は、弁軸１２０によって下方に押圧される力と圧縮ばね１２２によって上方に付勢される力とのバランスにより弁座１１６に対して接離することで、連通孔１１３から弁室１１２を通って弁体収容室１１４に至る冷媒通路を開閉して、当該冷媒通路を通る冷媒の流量を制御する。

作動機構部１３０は、ダイアフラム１３１と、ダイアフラム１３１を収容するハウジング１３２とを備えている。ダイアフラム１３１は、弁軸１２０を駆動する部材であって、下面に弁軸１２０の上端が当接しており、この下面に作用する力と上面に作用する力との差によって変位することにより弁軸１２０を移動させる。ハウジング１３２は、ダイアフラム１３１を収容し、且つダイアフラム１３１の周縁を挟み込んで固定する蓋部１３３と受け部１３４とを備えている。

また、作動機構部１３０は、ダイアフラム１３１の上面に当接するばね受けプレート１３５と、蓋部１３３の上端側に形成された筒状部の内周面に螺着されたキャップ１３６と、このキャップ１３６とばね受けプレート１３５との間に介在された圧縮ばね１３７とを備えている。キャップ１３６の外側はキャップ１３６に着脱可能なカバー１３８で覆われていて、誤操作によるキャップ１３６の回転が防止されている。

ダイアフラム１３１の作動特性を変更するには、カバー１３８をキャップ１３６から取り外してキャップ１３６を回転させる。キャップ１３６のねじ込み量が変化すると圧縮ばね１３７の付勢力が変化するので、ばね受けプレート１３５がダイアフラム１３１を上方から押圧する力が変化する。これによって、ダイアフラム１３１の立ち上がり特性（タイミング特性）を変更することができる。

プレート１４０は、制御弁１００を廃熱回収器等の被取付部に固定するためのものであって、弁本体１１０と作動機構部１３０との間に挟まれた状態で溶接にて固定されている。詳細には、図２に示すように、プレート１４０は、弁本体１１０との嵌合孔１４１の周囲の領域１４２が、上側においては、作動機構部１３０を構成する受け部１３４における弁本体１１０との嵌合孔１５１の周囲の領域１５２と溶接され、下側においては、後述するスペーサ１６０を介して、弁本体１１０の段差部１１７に溶接される。なお、溶接方法としては、異種金属間の溶接であるのでロウ付けを採用するのが好ましい。

廃熱回収器側の筐体の材質は、高温の排気ガスからの熱が伝わってくることを考慮して、従来のオーステナイト系のステンレスから、水に接する環境にあって耐蝕性の観点でより熱に強いフェライト系の材質に変更される傾向があり、それに合わせてプレート１４０もフェライト系の材質が用いられるようになった。一方、ダイアフラム１３１に要求される温度条件は、蒸気が凝縮した水の温度に耐えうるものという比較的低い条件にあることもあり、ダイアフラム１３１の材料にはオーステナイト系のものが使用されている。また、ダイアフラム１３１のばね特性を確保するには、ダイアフラム１３１を支持して固定する受け部１３４の材料も、同じオーステナイト系の材料を用いるのが好ましい。

ロウ付けは、例えば銅ロウを使用する場合には、ロウ材を溶かすために１０００℃以上に加熱する必要があるが、受け部１３４やプレート１４０も同様の高温にまで加熱される。図３に示す如く、受け部１３４とプレート１４０が直接ロウ付けされる場合には、両者の線膨張係数に差があると、常温にまで冷却されるときに、両者の熱収縮量の差によりプレート１４０と受け部１３４に反りが生じ、ダイアフラム１３１の特性が変化してしまう。即ち、ロウ材（ハッチングで示す）が凝固して冷却するときに、受け部１３４の収縮量がプレート１４０の収縮量よりも大きくなるので、ロウ付けによって受け部１３４と一体化したプレート１４０は、受け部１３４の大きな収縮によって受け部１３４側に引っ張られて上向きの反りが発生する。これによって、受け部１３４によって挟持されているダイアフラム１３１の周縁１３１ａ（図１参照）が水平でなくなるため、ダイアフラム１３１の特性が変化する。なお、図２において、実線は反りが発生した状態を示し、破線は反りが発生する前の状態を示す。

そこで、図２に示す如く、プレート１４０における受け部１３４が溶接される側と反対側（下側）において、受け部１３４の線膨張係数と等しい線膨張係数を有するスペーサ１６０を配置して、このスペーサ１６０を受け部１３４と一緒にロウ付けした。受け部１３４の環状の溶接面積Ｓと同じ環状の溶接面積（同じ形状の溶接領域）を持っているスペーサ１６０は、プレート１４０に対しては接触面積Ｓの領域で、また弁本体１１０の段差部１１７に対しては、環状の棚部分１１８と、嵌合孔１６１に対向する周面部分１１９とに対して溶接される。なお、図１に示すように、受け部１３４、プレート１４０及びスペーサ１６０には、嵌合孔１４１，１５１，１６１の周囲に貫通孔１４３，１５３，１６３が重なり合うように形成されており、これらの貫通孔１４３，１５３，１６３を通してダイアフラム１３１の下側面への循環系内の圧力が作用する。

これによって、プレート１４０は、両面に作用する線膨張係数の差に基づく引っ張り力が同じ大きさの力となり、これらの力が相殺されるので、反りを生じなくすることができる。したがって、プレート１４０にロウ付けされる受け部１３４の反りも生じることがなく、ダイアフラム３０の周縁の傾きが生じることもなく、ダイアフラム３０の特性が設計値から大きく外れてしまうことがない。また、冷媒温度の変化による受け部１３４の反り量の変化を低減することもできるので、使用時における制御特性にばらつきが少なくなり、制御特性が安定する。

ロウ材は基本的に細い隙間に入っていくもので、ロウ付けの面積を定めることが容易である。ロウ付けする前に、弁本体１１０の段差部１１７にプレート１４０と受け部１３４とを嵌合させた状態で弁本体１１０を塑性変形させ、弁本体１１０の周面１１９を径方向外側にせり出させることで、プレート１４０と受け部１３４の弁本体１１０への嵌合強度を向上させることが好ましい。１７０は、そのような塑性加工の一例であるかしめ加工部である。そのような加工を行うことで、プレート１４０と受け部１３４の相対位置や姿勢を固定することができるので、ロウ付けの作業性が向上する。

次に、制御弁の動作について説明する。制御弁１００は、冷媒である水が循環している環境下に置かれており、冷媒の温度によって循環系の内部の圧力が変化する。冷媒温度が上昇して圧力が上昇し、ダイアフラム１３１が持ち上がると、弁体１２１が圧縮ばね１２２でダイアフラム１３１側に付勢されて弁座１１６に当接し、閉弁する。冷媒である水が遮断されて、水蒸気が凝結して凝結水が溜まってくると、熱を回収することがなくなるので、結果的に温度が低下し、内圧が下がってくる。内圧が下がってきて、ダイアフラム１３１が大気圧によって下方に押圧されると、弁体１２１が弁座１１６から離れて開弁して、再び熱を回収し始める。このように、制御弁１００は、循環系の冷媒温度が上がりすぎないように、動作している。

本発明による制御弁は、好適には、循環する冷媒の流量を制御する制御弁であって、特にエンジンの排気ガスに含まれる廃熱を回収して暖房用のエネルギーとして用いることを可能にする廃熱回収システムに用いることができるが、通過する冷媒の流量を制御する制御弁であれば、これに限られることはない。

１００ 制御弁
１１０ 弁本体
１１２ 弁室
１１６ 弁座
１２１ 弁体
１３１ ダイアフラム
１３２ ハウジング
１３３ 蓋部
１３４ 受け部
１４０ プレート
１６０ スペーサ

Claims (6)

1. 冷媒の流量を制御する制御弁であって、
   前記冷媒が流れる冷媒通路が形成されている弁本体と、
   前記弁本体に移動可能に収容されていて前記冷媒通路を開閉する弁体と、
   一方の面が前記弁体に対向するように配置され、前記一方の面に作用する力と他方の面に作用する力との差に応じて変位することにより前記弁体を移動させるダイアフラムと、
   前記ダイアフラムを収容し且つ前記ダイアフラムの周縁を挟み込んで固定する蓋部及び受け部を備えたハウジングと、
   制御弁を被取付部に固定するために用いられ、一方の面が前記受け部に溶接されるとともに他方の面が前記弁本体に固定されるプレートとを備え、
   前記プレートの他方の面が、前記受け部の線膨張係数と等しい線膨張係数を有するスペーサを介して前記弁本体に固定され、前記スペーサと前記プレートは、前記受け部と前記プレートの溶接面積と同じ溶接面積で溶接されていることを特徴とする制御弁。
2. 前記受け部及び前記ダイアフラムがオーステナイト系ステンレス材で形成され、前記プレート及び前記被取り付け部がフェライト系ステンレス材で形成されていることを特徴とする請求項１記載の制御弁。
3. 前記受け部、前記プレート及び前記スペーサは、それぞれ前記弁本体に嵌合するように形成され、前記弁本体は、前記受け部、前記プレート及び前記スペーサの前記弁本体に対する嵌合強度を向上させるべく塑性変形可能であることを特徴とする請求項１又は２記載の制御弁。
4. 前記弁本体には、前記受け部、前記プレート及び前記スペーサが重ね合わされた状態で嵌合するとともにこれらを受け止め支持する段差部が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の制御弁。
5. 前記溶接は、ロウ付けであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の制御弁。
6. 循環する水により廃熱を回収する廃熱回収器に用いられる制御弁であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の制御弁。

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