JP2013007531A - ダイアフラム式流体制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイアフラムの上面側圧力と下面側圧力との差圧の変化に対してリフト量を大きく変化させることができ、かつ、ダイアフラムに不所望な変形や破損等を生じ難くできて、耐久性、信頼性等を向上させることのできるダイアフラム式流体制御弁を提供する。
【解決手段】上面側圧力室画成部３２Ａの環状平板部３２ｄの内周部下面が上ストッパ５１とされるとともに、環状平板部３２ｄにおける前記上ストッパ５１部分より外周側に、ダイアフラム３５の内周部３５ｃが上ストッパ５１に接当係止されている状態において山波状部３５ｂにおける最も内周側に位置する第１の山Ｍ１部分を大きな変形を伴うことなく受け入れるための円環状溝５２が設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体の流量又は圧力を調節するための弁体駆動用ダイアフラムを備えたダイアフラム式流体制御弁に係り、特に、カーエアコン等のヒートポンプ式冷暖房システムに用いられる膨張弁として好適なダイアフラム式流体制御弁に関する。

ヒートポンプ式冷暖房システムに用いられる膨張弁として、下記特許文献１にも見られるように、流体（冷媒）の流量又は圧力を調節するための弁体と、流入口及び流出口が設けられるとともに、それらの間に前記弁体により開閉される弁口（オリフィス）が形成された弁本体と、前記弁体を前記弁口開閉方向に駆動するダイアフラム装置とを備えたダイアフラム式流体制御弁が知られている。

このダイアフラム式流体制御弁において、前記ダイアフラム装置は、通常、ダイアフラムと、該ダイアフラムの外周部を挟持するように封止固定するとともに、その上面側に密閉空間であるダイアフラム上面側圧力室（感温室、ダイアフラム室等とも称される）を画成するダイアフラム保持部材とを有し、前記ダイアフラムの下面には、前記ダイアフラムの変位（撓み）を前記弁体に伝達すべく、ストッパを介して作動棒が連結されている。

前記圧力室（感温室）には、通常、所定のガス（例えば Ｒ１３４ａ）が所定の圧力で封入されている。

また、前記ダイアフラムは、前記ダイアフラム保持部材により封止固定された外周部と大径円板状部が当接する内周部との間に、断面で見て上に凸又は下に凸の山をＮ個［Ｎは正の整数（１、２、３、・・・）］持つ平面視同心円環状を呈する山波状部が形成されている。

かかる構成のダイアフラム式流体制御弁において、ダイアフラム（の内周部はその外周部に対して）は、通常、前記圧力室（感温室）の圧力（以下、ダイアフラム上面側圧力と称す）とダイアフラムの下面に作用する圧力（以下、ダイアフラム下面側圧力と称す）との差圧に応じて上下に変位し（撓み）、この変位がストッパ及び作動棒を介して弁体に伝達され、弁体が弁口開閉方向（上下方向）に動いて弁開度（＝リフト量＝弁口の実効開口面積）が調節され、これによって、流入口から流出口に向かう流体（冷媒）の圧力（流量）が制御されるようになっている。

前記した如くの従来のダイアフラム式流体制御弁では、次のような解消すべき課題がある。

すなわち、ダイアフラムの内周部と外周部との間に断面で見て上に凸又は下に凸の山が形成されていることにより、山が形成されていないフラットなダイアフラムよりも上下方向に変位しやすくなるものの、ダイアフラムの上面側圧力と下面側圧力との差圧が小なる領域（極低温域）では、差圧の変化に対してリフト量の変化が不十分であり、したがって、冷媒の流量もさほど変化せず、所要の流量を確保すること、並びに、安定した流量制御を行なうことが難しいという問題があった。

また、部品材料費の削減等のためにダイヤフラム径を小さくすると、同様にリフト量の変化が小さくなり、安定した流量制御が難しくなるという問題があった。

なお、差圧の変化に対してリフト量を大きく変化させるには、ダイアフラムの板厚を薄くする方策、ダイヤフラム径を大きくする方策等が考えられるが、ダイアフラムの板厚を薄くすると、強度が不足して破損しやすくなり、耐久性が低下するという問題があり、さらに、ダイアフラムが撓みやすくなり過ぎて流量制御の安定性が低下する嫌いもある。また、ダイヤフラム径を大きくすると、制御弁全体も大きくなり、配設すべき場所への配設が難しくなる場合がある。

そこで、本発明の出願人は、先に、特許文献２に所載のように、弁体を駆動するダイアフラムの外周部と内周部との間に、断面で見て上に凸又は下に凸の山を、Ｎを正の整数（１、２、３、・・・）として、［Ｎ個＋（０.２５〜０.７５）個］持つ平面視同心円環状を呈する山波状部が形成されていることを特徴とするダイアフラム式流体制御弁を提案している。

以下、かかる提案のダイアフラム式流体制御弁の一例を図３を参照しながら説明する。図３は上記構成のダイアフラムを持つダイアフラム式流体制御弁５を示しており、このダイアフラム式流体制御弁５は、図３には省略されているが（特許文献２の図６を参照されたい）、流体の流量又は圧力を調節するための弁体と、流入口及び流出口が設けられるとともに、それらの間に前記弁体により開閉される弁口が設けられた弁本体とに加えて、前記弁体を前記弁口開閉方向に駆動するためのダイアフラム装置３０Ｇを備えている。

ダイアフラム装置３０Ｇは、ダイアフラム３５（後で詳述）と、該ダイアフラム３５の外周部を挟持するように封止固定するとともに、その上面側に密閉空間である上面側圧力室３３を画成するダイアフラム保持部材３２とを有している。なお、図３はダイアフラム３５が上下どちらにも変位していない中立状態（自然状態）を示している。

前記上面側圧力室３３は、その中に所定のガス（例えば Ｒ１３４ａ）が所定の圧力で封入されてプラグ３９で封止されている。ダイアフラム３５の下面側には下面側圧力室１２が形成されている。

ダイアフラム保持部材３２は、上面側圧力室３３を画成するための、中央円錐台状部３２ｃ、該中央円錐台状部３２ｃの下部に連なり中立状態のダイアフラム３５に平行な環状平板部３２ｄ、及びダイアフラム３５の外周部を封止固定するための上側挟持部３２ｅからなる概略蓋状の上面側圧力室画成部３２Ａと、下面側圧力室１２の一部を画成するための、弁本体に取り付けるための雄ねじ部３２ｉが形成された円筒状部３２ｆ、該円筒状部３２ｆに連なり中立状態のダイアフラム３５に平行な鍔状平板部３２ｇ、及びダイアフラム３５の外周部を挟持するための下側挟持部３２ｈからなる段付き円筒状の下面側圧力室画成部３２Ｂと、を備えている。

一方、前記ダイアフラム３５の変位（撓み）を弁体に伝達すべく、ダイアフラム３５の下面側には、作動棒３７がストッパ３８を介して連接されている。ストッパ３８は、前記作動棒３７の上端部が圧入等により内嵌固定される嵌合穴３８ｂがその中央部に設けられた短円柱状部３８ａと、この短円柱状部３８ａの上端より若干下側に設けられた大径鍔状円板部３８ｃとを有し、その上端面３８ｄがダイアフラム３５の下面内周部（中央部）に当接せしめられている。

また、下面側圧力室１２には、弁本体に形成された流通路（蒸発器からの冷媒の流入口及び圧縮機吸入側への流出口を有する）を流れる冷媒（圧力）が導入されるようになっており、ダイアフラム３５は、上面側圧力室３３の圧力と下面側圧力室１２の圧力との差圧に応じて上下に変位し（撓み）、この変位が作動棒３７を介して弁体に伝達され、弁体が弁口開閉方向（上下方向）に動いて弁開度（＝リフト量＝弁口の実効開口面積）が調節され、これによって、流入口から流出口に向かう流体（冷媒）の圧力（流量）が制御されるようになっている。

そして、図示例のダイアフラム３５は、ダイアフラム保持部材３２により封止固定された外周部３５ａとストッパ３８の上端面３８ｄが当接する内周部３５ｃとの間に、断面で見て上に凸の山を、２山半（２.５個）持つ平面視同心円環状を呈する山波状部３５ｂが形成されている。

より詳細には、前記ダイアフラム３５は、板厚が例えば０.１０ｍｍ程度のステンレス薄鋼板（ＡＳＬ３５０等）が用いられて円板状に作製されており、最も内周側の第１の山Ｍ１とその外周側の第２の山Ｍ２は１山分であるが、最外周の第３の山Ｍ３は０.５山分となっており、自然状態（中立状態）においては、該ダイアフラム３５における内周部３５ｃの上面を基準面として、該基準面から山頂までの高低差（山の高さ）はＨ（例えば、０.３０ｍｍ）であり、さらに前記基準面から外周部３５ａの上面までの高低差も同じＨ（例えば、０.３０ｍｍ）となっている。

ところで、一般に、この種のダイアフラム装置においては、ダイアフラムが過度に上方及び下方に変位せしめられると、元に戻らないほど変形したり破損したりするおそれがあるため、通常、ダイアフラムの上方及び下方への変位を制限するストッパが設けられる。上記した図示例のダイアフラム装置３０Ｇでは、ダイアフラム３５の内周部３５ｃが接当係止されるようにダイアフラム保持部材３２の上面側圧力室画成部３２Ａに環状平板部３２ｄが設けられ、この環状平板部３２ｄの内周部下面がダイアフラム３５の上方への過度の変位を制限するための上ストッパ５１とされ、一方、ダイアフラム３５の下方への過度の変位を制限するための下ストッパとして、前記ストッパ３８に大径鍔状円板部３８ｃが設けられるとともに、前記ダイアフラム保持部材３２の下面側圧力室画成部３２Ｂに前記大径鍔状円板部３８ｃが接当係止されるように鍔状平板部３２ｇが設けられている。

特開２００７−２４００４１号公報 特開２０１１−００７３５５号公報

しかしながら、前記第１、第２、第３の山Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３からなる２山半の山波状部３５ｂが設けられているダイアフラム３５においては、次のような問題が生じる。

すなわち、図４（Ａ）に示される如くに、ダイアフラム３５が上方に大きく変位せしめられるときには、ダイアフラム３５の内周部３５ｃが上ストッパ５１である環状平板部３２ｄの内周側下面に接当係止される前に、第１の山Ｍ１の頂部が環状平板部３２ｄの下面に接当してしまい、その後、ダイアフラム３５は、図４（Ｂ）に示される如くに、その内周部３５ｃが環状平板部３２ｄの内周側下面に接当係止されるまで、すなわち、第１の山Ｍ１の高さＨに相当する距離分さらに上方に変位せしめられる。そのため、第１の山Ｍ１の頂部が環状平板部３２ｄの内周側下面に接当してから内周部３５ｃが環状平板部３２ｄの内周側下面に接当係止されるまでは、第１の山Ｍ１部分がフラットになるように大きく変形せしめられるので、第１の山Ｍ１部分に大きな応力が発生する。かかる事象は、当該制御弁が例えば膨張弁として使用されているシステムの稼働中は頻繁に起きるため、第１の山Ｍ１部分に繰り返し応力が発生し、該部分が不所望に変形したまま元に戻らなくなったり、金属疲労により破損しやすくなり、ダイアフラム装置、ひいては流体制御弁の耐久性、信頼性が低下してしまう。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ダイアフラムを薄くしたりその径を大きくすること等を要せずに、ダイアフラムの上面側圧力と下面側圧力との差圧の変化に対してリフト量を大きく変化させることができ、かつ、ダイアフラムに不所望な変形や破損等を生じ難くできて、耐久性、信頼性等を向上させることのできるダイアフラム式流体制御弁を提供することにある。

前記目的を達成すべく、本発明に係るダイアフラム式流体制御弁は、基本的には、弁体を弁口開閉方向に駆動するためのダイアフラム装置を備えたダイアフラム式流体制御弁であって、前記ダイアフラム装置は、ダイアフラムと、該ダイアフラムの上面側に圧力室を画成する概略蓋状の上面側圧力室画成部を有するダイアフラム保持部材と、を有し、前記ダイアフラムは、その内周部と外周部との間に、断面で見て上に凸の山を少なくとも１個持つ平面視同心円環状を呈する山波状部が形成され、前記上面側圧力室画成部における半径方向中間部分に、前記ダイアフラムの上方への過度の変位を制限すべく、前記ダイアフラムの内周部が接当係止される上ストッパが設けられるとともに、前記上面側圧力室画成部における前記上ストッパより外周側に、前記ダイアフラムの内周部が前記上ストッパに接当係止されている状態において前記山波状部における最も内周側に位置する山部分を大きな変形を伴うことなく受け入れるための円環状溝ないし空所が設けられていることを特徴としている。

好ましい態様では、前記上面側圧力室画成部は、中央円錐台状部、該中央円錐台状部の下部に連なる環状板部、及び前記ダイアフラムの外周部を封止固定するための上側挟持部を有する概略蓋形状とされており、前記環状板部の内周部下面が前記上ストッパとされ、前記環状板部における前記上ストッパ部分より外周側に、前記最も内周側に位置する山部分を大きな変形を伴うことなく受け入れるための上側に凹む円環状溝が設けられる。

他の好ましい態様では、前記上面側圧力室画成部における半径方向中間部分に、前記上ストッパとしての下方突出部が設けられるとともに、該下方突出部より外周側が、前記最も内周側に位置する山部分を大きな変形を伴うことなく受け入れるための前記空所とされる。

より好ましい態様では、前記山波状部に、断面で見て上に凸の山が、Ｎを正の整数（１、２、３、・・・）として、［Ｎ個＋（０.２５〜０.７５）個］形成される。

一方、本発明に係るダイアフラム装置は、ダイアフラムと、該ダイアフラムの上面側に圧力室を画成する概略蓋状の上面側圧力室画成部を有するダイアフラム保持部材と、を有し、前記ダイアフラムは、その内周部と外周部との間に、断面で見て上に凸の山を少なくとも１個持つ平面視同心円環状を呈する山波状部が形成され、前記上面側圧力室画成部における半径方向中間部分に、前記ダイアフラムの上方への過度の変位を制限すべく、前記ダイアフラムの内周部が接当係止される上ストッパが設けられるとともに、前記上面側圧力室画成部における前記上ストッパより外周側に、前記ダイアフラムの内周部が前記上ストッパに接当係止されている状態において前記山波状部における最も内周側に位置する山部分を大きな変形を伴うことなく受け入れるための円環状溝ないし空所が設けられていることを特徴としている。

本発明に係るダイアフラム式流体制御弁では、上面側圧力室画成部における上ストッパより外周側に、ダイアフラムの内周部が上ストッパに接当係止されている状態において山波状部における最も内周側に位置する山部分を大きな変形を伴うことなく受け入れるための円環状溝ないし空所が設けられていることにより、ダイアフラムが上方に大きく変位せしめられて、ダイアフラムの内周部が上ストッパに接当係止された状態においても、最も内周側に位置する山部分が大きな変形を伴うことなく円環状溝ないし空所に受容されるため、最も内周側に位置する山部分に大きな応力が発生せず、そのため、該山部分が不所望に変形したまま元に戻らなくなったり破損したりすることが確実に回避され、その結果、ダイアフラム装置、ひいては流体制御弁の耐久性、信頼性が向上する。

（Ａ）は本発明に係るダイアフラム式流体制御弁の一実施例のダイアフラム装置部分を示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ部の拡大図。 本発明に係るダイアフラム式流体制御弁の他の実施例のダイアフラム装置部分を示す縦断面図。 従来のダイアフラム式流体制御弁の一例のダイアフラム装置部分を示す縦断面図。 図３に示される従来のダイアフラム装置の課題説明に供される図。

以下、本発明のダイアフラム式流体制御弁の実施形態を図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係るダイアフラム式流体制御弁の一実施例におけるダイアフラム装置を示す縦断面図である。図１において、図３及び図４に示される従来例のダイアフラム装置３０Ｇの各部に対応する部分には同一の符号を付して重複説明を省略し、以下においては相違点を重点的に説明する。

本実施例のダイアフラム装置３０Ａは、基本的には前述した図３及び図４に示される従来例のダイアフラム装置３０Ｇと同じ構成であるが、上面側圧力室画成部３２Ａの環状平板部３２ｄの内周部下面が上ストッパ５１とされるとともに、環状平板部３２ｄにおける前記上ストッパ５１部分より外周側に、ダイアフラム３５の内周部３５ｃが上ストッパ５１に接当係止されている状態において山波状部３５ｂにおける最も内周側に位置する第１の山Ｍ１部分を大きな変形を伴うことなく受け入れるための、上側に凹む断面内形が第１の山Ｍ１と概略相似形状の円環状溝５２が設けられている。円環状溝５２の深さＪは第１の山Ｍ１の高さＨと同程度かそれより若干深く設定されている。

このように環状平板部３２ｄに、上側に凹む円環状溝５２が設けられることにより、ダイアフラム３５が上方に大きく変位せしめられて、ダイアフラム３５の内周部３５ｃが上ストッパ５１である環状平板部３２ｄの内周部下面に接当係止された状態においても、第１の山Ｍ１部分が大きな変形を伴うことなく上記円環状溝５２に受容されるため、従来例のように第１の山Ｍ１部分に大きな応力が発生せず、そのため、第１の山Ｍ１部分が不所望に変形したまま元に戻らなくなったり破損したりすることが確実に回避され、その結果、ダイアフラム装置３０Ａ、ひいては流体制御弁１の耐久性、信頼性が向上する。

なお、上に凸の山を２.５個［Ｎ個＋（０.２５〜０.７５）個］持つことによる作用効果は図３、図４に示される従来例と同じであるので説明は省略する。

図２は、本発明に係るダイアフラム式流体制御弁の他の実施例におけるダイアフラム装置３０Ｂを示す縦断面図である。図２において、図３及び図４に示される従来例のダイアフラム装置３０Ｇの各部に対応する部分には同一の符号を付して重複説明を省略し、以下においては相違点を重点的に説明する。

この実施例のダイアフラム装置３０Ｂでは、上面側圧力室画成部３２Ａにおける半径方向中間部分（環状平板部３２ｄの内周部下面）が上記した図１に示される実施例よりも若干上方に位置せしめられ、その環状平板部３２ｄの内周部下面に上ストッパとしての環状下方突出部５３が設けられており、ダイアフラム３５の上方変位制限位置は図１に示されるものと同じ位置とされ、前記環状下方突出部５３より外周側が、ダイアフラム３５の内周部３５ｃが上ストッパ５３に接当係止されている状態において山波状部３５ｂにおける最も内周側に位置する第１の山Ｍ１部分を大きな変形を伴うことなく受け入れるための空所５４となっている。環状下方突出部５３の環状平板部３２ｄの下面からの下方への突出高さＫは、第１の山Ｍ１の高さＨと同程度かそれより若干高く設定されている。

かかる構成のダイアフラム装置３０Ｂ及びそれを備えた流体制御弁２においても上記実施例と略同様な作用効果が得られる。

１、２ ダイアフラム式流体制御弁（膨張弁）
１２ 下面側圧力室
３０Ａ、３０Ｂ ダイアフラム装置
３２ ダイアフラム保持部材
３２Ａ 上面側圧力室画成部
３２Ｂ 下面側圧力室画成部
３２ｄ 環状平板部
３３ 上面側圧力室
３５ ダイアフラム
３５ａ 外周部
３５ｂ 山波状部
３５ｃ 内周部
３７ 作動棒
５１ 上ストッパ（環状平板部の内周部下面）
５２ 円環状溝
５３ 上ストッパ（環状下方突出部）
５４ 空所
Ｍ１ 第１の山

Claims (5)

1. 弁体を弁口開閉方向に駆動するためのダイアフラム装置を備えたダイアフラム式流体制御弁であって、
   前記ダイアフラム装置は、ダイアフラムと、該ダイアフラムの上面側に圧力室を画成する概略蓋状の上面側圧力室画成部を有するダイアフラム保持部材と、を有し、
   前記ダイアフラムは、その内周部と外周部との間に、断面で見て上に凸の山を少なくとも１個持つ平面視同心円環状を呈する山波状部が形成され、
   前記上面側圧力室画成部における半径方向中間部分に、前記ダイアフラムの上方への過度の変位を制限すべく、前記ダイアフラムの内周部が接当係止される上ストッパが設けられるとともに、前記上面側圧力室画成部における前記上ストッパより外周側に、前記ダイアフラムの内周部が前記上ストッパに接当係止されている状態において前記山波状部における最も内周側に位置する山部分を大きな変形を伴うことなく受け入れるための円環状溝ないし空所が設けられていることを特徴とするダイアフラム式流体制御弁。
2. 前記上面側圧力室画成部は、中央円錐台状部、該中央円錐台状部の下部に連なる環状板部、及び前記ダイアフラムの外周部を封止固定するための上側挟持部を有する概略蓋形状とされており、前記環状板部の内周部下面が前記上ストッパとされ、前記環状板部における前記上ストッパ部分より外周側に、前記最も内周側に位置する山部分を大きな変形を伴うことなく受け入れるための上側に凹む円環状溝が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のダイアフラム式流体制御弁。
3. 前記上面側圧力室画成部における半径方向中間部分に、前記上ストッパとしての下方突出部が設けられるとともに、該下方突出部より外周側が、前記最も内周側に位置する山部分を大きな変形を伴うことなく受け入れるための前記空所となっていることを特徴とする請求項１に記載のダイアフラム式流体制御弁。
4. 前記山波状部に、断面で見て上に凸の山が、Ｎを正の整数（１、２、３、・・・）として、［Ｎ個＋（０.２５〜０.７５）個］形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のダイアフラム式流体制御弁。
5. ダイアフラムと、該ダイアフラムの上面側に圧力室を画成する概略蓋状の上面側圧力室画成部を有するダイアフラム保持部材と、を有し、前記ダイアフラムは、その内周部と外周部との間に、断面で見て上に凸の山を少なくとも１個持つ平面視同心円環状を呈する山波状部が形成され、
   前記上面側圧力室画成部における半径方向中間部分に、前記ダイアフラムの上方への過度の変位を制限すべく、前記ダイアフラムの内周部が接当係止される上ストッパが設けられるとともに、前記上面側圧力室画成部における前記上ストッパより外周側に、前記ダイアフラムの内周部が前記上ストッパに接当係止されている状態において前記山波状部における最も内周側に位置する山部分を大きな変形を伴うことなく受け入れるための円環状溝ないし空所が設けられていることを特徴とするダイアフラム装置。

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