JP2016044861A - 膨張弁 - Google Patents

Abstract

【課題】膨張弁におけるカルマン渦音の発生を防止又は抑制する。
【解決手段】膨張弁１のボディ２には、エバポレータへ向かう冷媒を通過させる第１の通路１３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１４とが形成される。膨張弁１は、一端側が第２の通路１４を横断してパワーエレメント３に接続されるとともに、他端側が第１の通路１３と第２の通路１４との隔壁および弁孔１６を貫通して弁体１８に接続され、パワーエレメント３の駆動力を弁体１８に伝達するシャフト３３と、第２の通路１４におけるシャフト３３又はその上流側に、シャフト３３の下流側に冷媒の乱流を発生させる乱流発生構造を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は膨張弁に関し、特に冷凍サイクルに設けられる膨張弁の構造に関する。

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、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、エバポレータの出口側の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）。

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る。第１の通路の中間部には弁孔が形成され、その弁孔に着脱してエバポレータへ向かう冷媒の流量を調整する弁体が配設されている。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る。パワーエレメントの駆動力は、長尺状のシャフトを介して弁体に伝達される。シャフトは、一端側が第２の通路を横断してパワーエレメントに接続されるとともに、他端側が第１の通路と第２の通路との隔壁および弁孔を貫通して弁体に接続される。

特開２０１３−２４２１２９号公報

ところで、このような膨張弁においては、第２の通路を流れる冷媒がシャフトを経る際にシャフトの下流側にカルマン渦が生じ、それによる異音（以下「カルマン渦音」ともいう）が発生することがある。これは、第２の通路においてシャフトが存在する空間の固有値（固有振動数）と、カルマン渦の周波数とが対応して共鳴すること（固有値の一致）が原因と考えられる。このような問題への対処として、その空間固有値とカルマン渦の周波数とをずらすよう設計することが考えられる。しかしながら、このような対処をしても、例えば膨張弁の継手が変更されるなどして空間固有値が変化した場合、再び固有値が一致してカルマン渦音が発生する可能性がある。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、膨張弁におけるカルマン渦音の発生を防止又は抑制することにある。

本発明のある態様は、冷凍サイクルに設けられ、外部熱交換器を経て流入した冷媒を内部の弁部を通過させることにより絞り膨張させてエバポレータへ供給し、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弁部の開度を制御するとともに、その冷媒をコンプレッサへ向けて導出する膨張弁である。この膨張弁は、ボディを貫通するように形成され、一端側に外部熱交換器からの冷媒を導入するための第１導入ポートが設けられる一方、他端側に冷媒をエバポレータへ導出するための第１導出ポートが設けられた第１の通路と、第１の通路の中間部に設けられた弁孔と、第１の通路の弁孔と第１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、第１の通路とは別にボディを貫通するように形成され、一端側にエバポレータから戻ってきた冷媒を導入するための第２導入ポートが設けられる一方、他端側に冷媒をコンプレッサへ導出するための第２導出ポートが設けられた第２の通路と、ボディの第２の通路に対して第１の通路とは反対側に設けられ、第２の通路を流れる冷媒の温度と圧力を感知して動作するパワーエレメントと、一端側が第２の通路を横断してパワーエレメントに接続されるとともに、他端側が第１の通路と第２の通路との隔壁および弁孔を貫通して弁体に接続され、パワーエレメントの駆動力を弁体に伝達するシャフトと、第２の通路におけるシャフト又はその上流側に、シャフトの下流側に冷媒の乱流を発生させる乱流発生構造と、を備える。

この態様によると、第２の通路におけるシャフトの下流側に乱流を発生させることができ、それによりカルマン渦の発生そのものを防止又は抑制できる。その結果、カルマン渦音の発生を防止又は抑制できる。

本発明によれば、膨張弁におけるカルマン渦音の発生を防止又は抑制できる。

第１実施形態に係る膨張弁の断面図である。 ディンプル形状による乱流の発生を示す解析結果を表す図である。 変形例に係る乱流発生構造を示す部分拡大断面図である。 第２実施形態およびその変形例に係る乱流発生構造を示す図である。 第３実施形態に係る乱流発生構造を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、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。また、以下の実施形態およびその変形例について、ほぼ同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜省略することがある。

［第１実施形態］
本実施形態は、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、第１実施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。各ポートには、配管の継手が接続される。

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。

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と、ボール弁体を下方から支持する弁体受け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４０が形成されている。弁室４０は、その上端部にて弁孔１６に連通し、側部にて小孔４２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４２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４０に開口している。

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）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。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に設けられた溝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４４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、金属製（例えばステンレス製）のロッドであり、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、弁部が開閉される。

シャフト３３の上半部は第２の通路１４を横断し、下半部が段付孔３４の小径部４４に摺動可能に貫通している。段付孔３４の大径部４６（「穴部」に対応する）には、シャフト３３に軸線方向と直角な方向の付勢力、つまり横荷重（摺動荷重）を付与するための防振ばね５０が配設されている。シャフト３３がその防振ばね５０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や弁体１８の振動が抑制されるようになっている。なお、防振ばね５０の具体的構造については、例えば特開２０１３−２４２１２９号公報に記載の構成を採用することができるため、その詳細な説明については省略する。

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。

次に、カルマン渦音の発生抑制構造について説明する。
本実施形態では図示のように、シャフト３３において第２の通路１４に位置する部分の外周面に多数のディンプル３５が設けられている。このディンプル形状が「乱流発生構造」として機能し、シャフト３３の下流側に乱流を発生させ、カルマン渦の発生を防止又は抑制する。

図２は、ディンプル形状による乱流の発生を示す解析結果を表す図である。図２（Ａ）〜（Ｃ）は外周面にディンプル形状を有するシャフトを用いる場合の解析結果を示す。（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断面を示し、（Ｃ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面を示す。ここで、Ａ−Ａ断面はシャフト３３の上流側面にディンプルが形成される断面を示し、Ｂ−Ｂ断面はシャフト３３の上流側面からずれた位置にディンプルが形成される断面を示す。図２（Ｄ）〜（Ｆ）は比較例として外周面に凹凸形状のないシャフトを用いる場合の解析結果を示す。（Ｅ）は（Ｂ）の断面位置に対応する（Ｄ）のＡ−Ａ断面を示し、（Ｆ）は（Ｃ）の断面位置に対応する（Ｄ）のＢ−Ｂ断面を示す。各図には、シャフト３３の上流側から下流側に向けて流れる冷媒の流速の変化（分布）が示されている。

本実施形態によれば、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、シャフト３３の下流側に乱流を発生させることができる。すなわち、図２（Ａ）〜（Ｃ）を参照すると、シャフト３３の下流側には軸線方向に流速の高低が変化していることが分かる。上流側面にディンプルが形成された位置を経る冷媒は、上流側面からずれた位置にディンプルが形成された位置を経る冷媒よりもシャフト３３から剥離し難く、その結果、流速が高く保たれることが分かる。このような流速の高低は、ディンプル形状によりシャフト３３の下流側を乱流とすることができ、それによりカルマン渦の発生を防止又は抑制できることを意味する。

これに対し、比較例においては図２（Ｄ）〜（Ｆ）に示すように、シャフト３３の下流側が層流状態となることが分かる。シャフト３３の下流側には本実施形態のような流速の高低の変化はみられない。このことは、シャフト３３の下流側におけるカルマン渦の発生を抑制し難いことを意味する。以上より、本実施形態のディンプル形状がカルマン渦の発生抑制に寄与し、カルマン渦音の発生を防止又は抑制できることが分かる。

［変形例］
以下、第１実施形態の変形例について説明する。図３は、変形例に係る乱流発生構造を示す部分拡大断面図である。（Ａ）〜（Ｄ）は変形例１〜４をそれぞれ示す。
変形例１〜４は、上記ディンプル形状に代えて乱流を発生可能な凹凸形状を有する。すなわち、図３（Ａ）に示す変形例１では、シャフト３３の外周面に複数の横溝３５ａが周設されている。横溝３５ａは、シャフト３３の軸線方向に複数箇所設けられている。

図３（Ｂ）に示す変形例２では、シャフト３３の外周面にスパイラル溝３５ｂが周設されている。スパイラル溝３５ｂは、シャフト３３の軸線方向に螺旋状に延びる凹部からなる。図３（Ｃ）に示す変形例３では、シャフト３３の外周面にスパイラル突部３５ｃが周設されている。スパイラル突部３５ｃは、シャフト３３の軸線方向に巻回された凸部からなり、例えばシャフト３３にコイルを巻き付けることにより形成される。図３（Ｄ）に示す変形例４では、シャフト３３の外周面に軸線に平行な縦溝３５ｄが周方向に等間隔にて設けられている。

このような形状によってもシャフト３３の下流側に乱流を発生させることができ、カルマン渦音の発生を防止又は抑制できる。

［第２実施形態］
本実施形態の膨張弁は、乱流発生構造が異なる点を除き、第１実施形態と同様の構成を有する。図４は、第２実施形態およびその変形例に係る乱流発生構造を示す図である。（Ａ）は第２実施形態に係る構造を示し、（Ａ）〜（Ｄ）は変形例５〜７をそれぞれ示す。

図４（Ａ）に示すように、本実施形態の乱流発生構造は、シャフト３３に筒状の部材２３５を外挿して構成される。部材２３５は、シャフト３３において第２の通路１４に位置する部分に圧入され、固定されている。部材２３５は、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）やナイロン等の樹脂材からなり、その外周面に多数のディンプル３５が設けられている。このディンプル形状が「乱流発生構造」として機能する。なお、部材２３５をシャフト３３に外挿する形をとるため、そのディンプル形状が形成される部分の外径は、第１実施形態と比較して大きくなる。このような構成によっても、ディンプル形状がカルマン渦の発生抑制に寄与し、カルマン渦音の発生を防止又は抑制できる。

一方、図４（Ｂ）に示す変形例５では、部材２３５の外周面に複数の横溝３５ａが周設されている。図４（Ｃ）に示す変形例６では、部材２３５の外周面にスパイラル溝３５ｂが周設されている。図４（Ｄ）に示す変形例７では、部材２３５の外周面にスパイラル突部３５ｃが周設されている。このような形状によってもシャフト３３の下流側に乱流を発生させることができ、カルマン渦音の発生を防止又は抑制できる。なお、図示を省略するが、部材２３５の外周面に図３（Ｄ）に示したような縦溝３５ｄを設けてもよい。

［第３実施形態］
本実施形態の膨張弁は、乱流発生構造が異なる点を除き、第１実施形態と同様の構成を有する。図５は、第３実施形態に係る乱流発生構造を示す図である。（Ａ）は乱流発生部材の取付態様を示し、（Ｂ）は乱流発生部材の斜視図を示し、（Ｃ）は乱流発生部材の正面図を示す。

図５（Ａ）に示すように、本実施形態の乱流発生構造は、第２の通路１４におけるシャフト３３の上流側に乱流発生部材３３５を組み付けることにより実現される。図５（Ｂ）および（Ｃ）に示すように、乱流発生部材３３５は、環状の本体３３６と中心軸３３８とをつなぐ複数枚の羽根３４０を有する。これらの羽根３４０は、中心軸３３８の周りに捩じられたスクリュー状に形成され、冷媒の通過により下流側に渦流を形成することができる。本実施形態では、３枚の羽根３４０が等間隔で配置されているが、その数は適宜設定することができる。

第２の通路１４に導かれた冷媒は、この乱流発生部材３３５を経ることで渦流となり、シャフト３３の下流側で乱流となる。このような構成によってもカルマン渦音の発生を防止又は抑制できる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はその特定の実施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。例えば、上記実施形態および変形例において一部の構成要素を組み合わせてもよいし、各実施形態および変形例から一部の構成要素を削除してもよい。

上記実施形態では、乱流発生構造のいくつかを例示したが、シャフト３３の下流側に乱流を発生可能な構造であれば、上記以外の構造を採用できることは言うまでもない。

上記実施形態の膨張弁は、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の強度を補うために、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。

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、 １８ 弁体、 ２８ ダイヤフラム、 ３３ シャフト、 ３５ ディンプル、 ３５ａ 横溝、 ３５ｂ スパイラル溝、 ３５ｃ スパイラル突部、 ３５ｄ 縦溝、 ４０ 弁室、 ２３５ 部材、 ３３５ 乱流発生部材。

Claims (3)

1. 冷凍サイクルに設けられ、外部熱交換器を経て流入した冷媒を内部の弁部を通過させることにより絞り膨張させ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とともに、その冷媒をコンプレッサへ向けて導出する膨張弁であって、
   ボディを貫通するように形成され、一端側に前記外部熱交換器からの冷媒を導入するための第１導入ポートが設けられる一方、他端側に冷媒を前記エバポレータへ導出するための第１導出ポートが設けられた第１の通路と、
   前記第１の通路の中間部に設けられた弁孔と、
   前記第１の通路の前記弁孔と前記第１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、
   前記第１の通路とは別に前記ボディを貫通するように形成され、一端側に前記エバポレータから戻ってきた冷媒を導入するための第２導入ポートが設けられる一方、他端側に冷媒を前記コンプレッサへ導出するための第２導出ポートが設けられた第２の通路と、
   前記ボディの前記第２の通路に対して前記第１の通路とは反対側に設けられ、前記第２の通路を流れる冷媒の温度と圧力を感知して動作するパワーエレメントと、
   一端側が前記第２の通路を横断して前記パワーエレメントに接続されるとともに、他端側が前記第１の通路と前記第２の通路との隔壁および前記弁孔を貫通して前記弁体に接続され、前記パワーエレメントの駆動力を前記弁体に伝達するシャフトと、
   前記第２の通路における前記シャフト又はその上流側に、前記シャフトの下流側に冷媒の乱流を発生させる乱流発生構造と、
   を備えることを特徴とする膨張弁。
2. 前記乱流発生構造は、前記第２の通路に位置する前記シャフトの外周形状により実現されていることを特徴とする請求項１に記載の膨張弁。
3. 前記乱流発生構造は、前記第２の通路の位置にて前記シャフトに外挿された部材の形状により実現されていることを特徴とする請求項１に記載の膨張弁。