JP3344804B2 - 温度膨脹弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は車両用空調装置に用いら
れる冷凍システムにおいて、蒸発器に最適な冷媒量を供
給するための温度膨脹弁の構成部品の材質と形状の改良
に関する。

【０００２】

【従来の技術】車両用空調装置に用いられる冷凍システ
ムにおいて、外界と熱交換を行ない、熱を外界から奪う
ための熱交換器（蒸発器）の能力を略完全に発揮させる
ためのデバイスとして温度膨脹弁が広く用いられてい
る。

【０００３】この温度膨脹弁として代表的なものの一つ
は、図４に示す構造をとり、高圧の液冷媒を減圧するた
めの弁部１００と、この弁部の弁開度を制御するための
パワーエレメント１２０からなる。

【０００４】パワーエレメント１２０は、上蓋部１２２
と下支持部１２４の外周縁に挾持して溶接したダイヤフ
ラム１２６を包含し、前記上蓋部１２２とダイヤフラム
１２６で構成する圧力空間が重要な役割をもつ。

【０００５】この圧力空間は導管１２８を介して感温筒
１３０の内部と連通している。この感温筒１３０は蒸発
器の出口部分に取付けられ、蒸発器出口近傍の冷媒温度
を感知し、この温度を圧力Ｐ1 に変換して、パワーエレ
メント空間の圧力とする。前記圧力Ｐ1 は、それが増加
するときダイヤフラム１２６を下方に押して、弁体１０
６の開弁方向の力となる。

【０００６】一方、ダイヤフラム１２６の下部空間に
は、導管１３２を介して蒸発器出口の冷媒圧力Ｐ2 が配
管取付部１３４から直接導かれる。この圧力Ｐ2 はバイ
アスばね１０４の力と共に弁体１０６の閉弁方向に働
く。

【０００７】すなわち過熱度（冷媒の蒸発器出口温度と
蒸発温度との差：これは力として取出すため上記のＰ1
−Ｐ2 となっている）の大きいとき弁を大きく開き、小
さいときは弁を閉まり気味にして、蒸発器に流れ込む冷
媒の量を制御する。

【０００８】弁の基本構造部（弁部１００）は、高圧冷
媒の入口１０７と低圧冷媒の出口１０９及び均圧導管１
３２を接続するための均圧口１０３を有する弁本体１０
２を外郭とする。

【０００９】この外郭としての弁本体１０２には、ダイ
ヤフラム１２６の下方への変位を規制する部材（変位規
制部材）１１４と、ダイヤフラム１２６の変位を下方に
伝達する作動棒１１０（この作動棒１１０には、その動
きに一定の拘束を与えるための拘束部材１１６，１１８
を配置することが多い）と、弁座（符号省略）に接離す
る弁体１０６（図ではボール弁を示している）と、上述
したバイアスばね１０４とが、このばねのバイアス力を
調整するための調節部材１０８と共に組込まれている。

【００１０】前記弁部１００の主構成部材は弁本体１０
２、ダイヤフラム変位規制部材１１４、作動棒１１０、
弁体１０６、バイアスばね１０４である。望ましい構成
として更に調節部材１０８、作動棒１１０の拘束部材１
１６，１１８が追加される。

【００１１】車両用の温度膨脹弁としては、図５に示す
構造のものも用いられているが、図４に示す基本構造を
もつ温度膨脹弁は堅牢に製造できるため、構造上信頼性
が高く広範囲に用いられる。

【００１２】それは、この温度膨脹弁を構成する主要部
材のうち、パワーエレメント１２０の上蓋部１２２及び
下支持部１２４の材質をオーステナイト系ステンレス鋼
を用い、ダイヤフラム１２６を折出硬化型ステンレス鋼
またはオーステナイト系ステンレス鋼とし、この三者を
溶接によって結合することから、パワーエレメント１２
０には洩れがなく且つ耐食性のある耐久性の高い構造に
できるからである。

【００１３】更にまた、弁の基本構造部である弁本体１
０２は内部を精度よく切削加工することができる黄銅材
の鍛造品とし、作動棒１１０や弁体１０６のような部材
を単純形状のオーステナイト鋼とすることにより、信頼
性の高いものにしているからである。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかし上記のような信
頼性の高い温度膨脹弁でも、車両用空調用システム（冷
凍システム）に採用すると、次のような不具合点が生じ
た。実際に空調システムが作動しているときは、何等の
不具合を生じない場合であっても、あるシステムには次
のような現象が生じる。

【００１５】すなわち、冷凍システムの作動を停止した
後、ある条件で温度膨脹弁に起因する、人に不安感をも
たらす不快な振動音が発生することである。これは空調
システムの故障とかシステムの不具合に起因するもので
はない。

【００１６】このような振動音が発生するのは、前述し
た図４に示す温度膨脹弁の構成において、空調システム
が停止したとき、ダイヤフラム１２６を下方に押しつけ
る圧力Ｐ1 に対して、これに対抗する圧力Ｐ2 が相対的
に大きい（このようなことは冷凍システムの作動中には
生じないように設計されている）とき、構成諸部品の組
合せで生じている拘束力が一時的に失われることが生じ
る。

【００１７】このような時には、外部の振動源によって
部品間に微少な振動を拾う。この振動がダイヤフラム１
２６のような弾性膜に伝播すると、持続的な振動の原因
となり、可聴の音源となる。この音は不安感をもたらす
不快音と判断されることがしばしばあり、基本的には、
このような音を発生させないようにせよという要求とな
る。本発明の課題もまたこのような不快音の除去であ
る。この状況の打開のため既にいくつかの提案がある。

【００１８】一つは冷凍システムに工夫をして前述の圧
力Ｐ1 が小さくならないように、環境空気のエアブロー
などにより、感温筒１３０の温度を空調システムの機能
停止後において急速に上昇させてやることである。ただ
し、この方法はシステムにおける感温筒１３０の取付位
置の考慮やエアブロー用の電気回路の設置などシステム
全体の構成に影響するという欠点がある。

【００１９】温度膨脹弁の構成だけで解決する方法の一
つは、構成部品を適当な振動吸収型の材料にすることで
ある。実際に振動吸収型材料の部品を用いるとき、次の
ような構成が有効であることを発明者は実験的に示すこ
とができた。

【００２０】すなわち、ダイヤフラム１２６に近接する
部材に振動吸収型の材料を用いると、不快音の音源とな
る振動を抑制することができる。振動吸収型の材料とし
てエンジニアリングプラスチックの使用が有効である。
すなわち、ポリアセタール樹脂やナイロン樹脂などであ
る。しかし、このような合成樹脂は熱によって変形しや
すいという欠点がある。

【００２１】図４に示す温度膨脹弁の構造において、振
動吸収に最も有効な部材（ダイヤフラム変位規制部材１
１４）を合成樹脂で作成すると、パワーエレメント構成
部材の上蓋部１２２と下支持部１２４とダイヤフラム１
２６を一緒に周辺溶接する際に熱影響を受けて、この合
成樹脂製のダイヤフラム変位規制部材１１４は熱変形を
してしまう。

【００２２】すなわち、図４の下支持部１２４のショル
ダー部にダイヤフラム変位規制部材１１４の下面が載る
形で部品配列が行われるため、ダイヤフラム変位規制部
材１１４はダイヤフラム１２６と下支持部１２４に挟ま
れた幾何学的配置で溶接の熱影響を受ける。また上記の
熱影響を巧みに削除しても、実使用中に合成樹脂製のダ
イヤフラム変位規制部材１１４は圧力を受けて塑性変形
する可能性がある。

【００２３】このようにダイヤフラム変位規制部材１１
４が変形すると、温度膨脹弁の弁開度をダイヤフラム１
２６の変位によって定めるという温度膨脹弁の機能に悪
影響を及ぼすと共に、ダイヤフラム１２６の耐久性にも
悪影響を及ぼす。

【００２４】それ故、ダイヤフラム変位規制部材１１４
に合成樹脂を用いることは問題があり、図４に示す温度
膨脹弁のダイヤフラム変位規制部材１１４は、黄銅材質
のものが用いられて来た。これは次の理由による。

【００２５】すなわち、弁開度をダイヤフラム１２６の
変位に正確に対応させるため、ダイヤフラム変位規制部
材１１４は精度よく加工できる材料であること、腐食に
対して信頼性が高いという点にあった。塑性変形、耐熱
性、耐衝撃性の面で信頼性のあるのはやはり金属材料で
ある。振動減衰に有効な材料としてはアルミニウム合金
が選択できる。

【００２６】しかしアルミニウム合金は、耐腐食性の面
で欠点を有している。アルミニウム合金の耐腐食性向上
は、陽極酸化被膜の形成が有効であるが、表面処理によ
って寸法精度の分布が変る恐れがある。また、酸化被膜
の部分を傷つけたようなときは、その部分が最弱点とな
る欠点もある。従って他部品と接触し、しかも可動の部
材には、必ずしも有効とはいえない。

【００２７】すなわち、アルミニウム合金を温度膨脹弁
に用いるときは、図５に示すような温度膨脹弁の構造に
おいては、もっとも量的に多量の部品をアルミニウム合
金化する。更に形状に隙間を作成しないように設計配慮
し、異種金属の接触を避ける構造をとる。

【００２８】すなわち、図５に示す温度膨脹弁は、もっ
とも重量のある部材（弁本体１０２Ｂ）をアルミニウム
合金とし、更に感温・圧力伝達部材１１０Ｂをアルミニ
ウム合金としているが、この圧力伝達部材１１０Ｂは図
４の温度膨脹弁におけるダイヤフラム変位規制部材１１
４と作動棒１１０を一体化した構造として、隙間等を少
なくしている。

【００２９】なお、図５に示す符号１０４Ｂはバイアス
ばね、１０６Ｂは弁体、１０７Ｂは凝縮器（図示せず）
の出口側に配管接続される液冷媒の入口、１０８Ｂは前
記ばね１０４Ｂのバイアス力を調整する調節部材、１０
９Ｂは蒸発器Ｅの入口側に配管接続される液冷媒の出
口、１１８Ｂは圧力伝達部材１１０Ｂの動きに一定の拘
束を与える拘束部材としてのＯリング、１２２Ｂはパワ
ーエレメント部１２０Ｂを構成する上蓋部、１２４Ｂは
その下支持部、１５０は蒸発器Ｅの出口側に配管接続さ
れる気相冷媒の入口、１５２は圧縮機（図示せず）の入
口側に配管接続される気相冷媒の出口である。

【００３０】これに対して、図４に示す構造の温度膨脹
弁において、弁本体１０２をダイヤフラム変位規制部材
１１４に合せてアルミニウム合金とすることは、機械加
工等の面で著しくコスト高となってしまう。本来の機能
を減じてまで本課題達成のためとる手段ではない。本発
明の目的はダイヤフラム変位規制部材の改良に焦点を絞
り、更にその耐食性における難点を形状改善によって達
成することにある。

【００３１】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、次のような手段をとる。すなわち、本発明は黄銅で
構成した弁本体１０２、オーステナイト鋼からなるパワ
ーエレメント１２０、温度を圧力に変換する感温筒１３
０、この感温筒と前記パワーエレメント１２０を連結す
る導管１２８、弁本体内部空間とパワーエレメント圧力
空間を区割するステンレス鋼の薄板からなるダイヤフラ
ム１２６、該ダイヤフラムに隣接してその変位を一定量
以下に制限するためのダイヤフラム変位規制部材１１４
Ａ、変位伝達のための作動棒１１０、弁座と接離する弁
体１０６、該弁体を閉弁方向にバイアスするためのばね
１０４を主構成部品とする温度膨脹弁において、上記ダ
イヤフラムの変位規制部材１１４Ａをアルミニウムを主
成分とする合金によって作成し、この変位規制部材１１
４Ａの平面である面の一方に中心軸部２００を通って外
縁に通じる一以上の溝２０２を設け、この溝のある面を
ダイヤフラム対向面の反対側になるように配置する。

【００３２】このダイヤフラム変位規制部材１１４Ａの
形状は軸対称性が高く、かつ中心軸部２００に対し重量
分布が一様であることが望ましい。そのため、請求項２
では前記変位規制部材１１４Ａに中心軸部２００で交差
し且つ直交して外縁に通じる二本の溝２０２，２０４を
設ける構成とした。

【００３３】

【作用】この温度膨脹弁の本来の作用は、従来例と同様
である。しかし、温度膨脹弁が組込まれた空調システム
が機能を停止し、温度膨脹弁の本来の機能を必要としな
くなったとき、システムの状況によって温度膨脹弁のダ
イヤフラム１２６を含む諸部材が一時的に拘束力を失
い、振動源を拾って個々に振動を行うようになっても、
ダイヤフラム１２６に隣接するダイヤフラム変位規制部
材１１４Ａが振動吸収型のアルミニウム合金で作られて
いるので、一旦振動が発生しても、その減衰方向に向
い、ダイヤフラム１２６への振動伝達が抑制される。こ
のため人に不安感を与える不快な振動音の発生がない。

【００３４】また、ダイヤフラム変位規制部材１１４Ａ
がアルミニウム合金製であるため腐食が懸念されるが、
中心軸部２００を含み周縁に通じる溝２０２をダイヤフ
ラム変位規制部材１１４Ａのダイヤフラム１２６と接し
ている反対側の面に設けたので、腐食環境を形成する小
量の水分、その他の流体がダイヤフラム変位規制部材１
１４Ａの近傍に滞溜することはなく、作動棒１１０の下
方に流出する。

【００３５】このため、ダイヤフラム変位規制部材１１
４Ａは腐食環境にさらされることがない。更に、ダイヤ
フラム変位規制部材１１４Ａの溝２０２，２０４を対称
性を高めて複数設ければ、部材そのものの対称性が高ま
り、重量分布が安定して振動を拾いにくくなり、上記の
消音効果が一本溝２０２の場合よりも更に向上する。

【００３６】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１乃至図３に従
い説明する。なお、構成の説明を簡素化するため、図１
の構成部品と図４の構成部品の対応するものに同一の符
号を付し、従来例の説明で述べた部分については説明を
省略する。

【００３７】図１においてダイヤフラム変位規制部材１
１４Ａは、図２に示す断面図、図３に示す底面図のよう
な形状に作成した。すなわち、本実施例のダイヤフラム
変位規制部材１１４Ａは、下面の中心部に作動棒１１０
との組合わせを可能とする円柱状または中空状（図２で
は円柱状を示している）の中心軸部２００を設け、この
中心軸部側となる一方の面（平面）に前記中心軸部２０
０で交差して外縁に通じる行き止まりのない二本の溝２
０２，２０４を設けた。

【００３８】この二本の溝２０２，２０４は重量分布を
均一化して、非対称性にもとづく振動を防止するよう
に、図３の如く直交させてある。このダイヤフラム変位
規制部材１１４Ａは、本実施例では６０６３合金を用い
た。ダイヤフラム変位規制部材１１４Ａにアルミニウム
合金を用いるのは、振動吸収型の金属材料とするためで
ある。また、アルミニウム合金からなるダイヤフラム変
位規制部材１１４Ａに図３に示す溝２０２，２０４を設
けたのは、腐食性のあるアルミニウム合金部材の近傍に
腐食環境を生じさせないためである。

【００３９】ところで、アルミニウム合金は切削性の良
い材質を選択すると、その性質上すき間腐食等を起し易
く、かつ腐食速度も大きくなるという欠点がある。切削
性の良い６２６２合金に代表されるアルミニウム合金は
上記の例である。

【００４０】従って、本実施例では耐食持性では６２６
２合金より優れている６０６３合金を使用した。６０６
３合金製のダイヤフラム変位規制部材１１４Ａの溝加工
は切削加工ではなく、ヘッダーなどを用いた加工が望ま
しい。すなわち、６０６３合金のような耐食特性のよい
アルミニウム合金の加工には、その方が適当である。

【００４１】また、振動安定性と腐食環境防止のために
中心軸部２００を含んで軸対称性をあげた変位規制部材
１１４Ａの形状では、ヘッダー加工にも適した形状と考
えられる。

【００４２】以下、全く溝状のものを有しない形状のダ
イヤフラム変位規制部材の欠点について述べる。図４に
示すダイヤフラム変位規制部材１１４の構成において、
ダイヤフラム１２６に何等かの損傷があると、パワーエ
レメント圧力空間からの洩れを生じる。このような製品
は洩れ検査により不良品として製造工程で排除しなけれ
ばならない。ダイヤフラム変位規制部材１１４と弁本体
１０２が密着しているような場合は、ダイヤフラム圧力
空間からの洩れがあっても、この洩れはダイヤフラム下
部空間に一時的に密封されるので、あたかも洩れがない
ように誤認される。そのため、上記の一時的密封状態を
生じさせないための手段が必要になる。

【００４３】上記のようにして作成したアルミニウム合
金６０６３製のダイヤフラム変位規制部材１１４Ａをダ
イヤフラム１２６と下支持部１２４の間に置いて、上蓋
部１２２、ダイヤフラム１２６及び下支持部１２４の周
縁部の溶接を行い、パワーエレメント１２０の一体化を
行う。これによって、ダイヤフラム変位規制部材１１４
Ａは実質的な熱変形等の不具合は生じなかった。

【００４４】上記以外の温度膨脹弁の製造工程について
は、格別従来例と変りはない。従って、図１に示す本発
明の一実施例である温度膨脹弁と、図４に示し、かつダ
イヤフラム変位規制部材１１４の材質が黄銅である温度
膨脹弁を比較したときの冷凍システムにおける温度膨脹
弁本来の機能は実質的に同一であった。

【００４５】しかし課題の項で述べた振動音を除く性能
においては、著しい差が見られた。図１の本発明の一実
施例である温度膨脹弁（アルミニウム合金製のダイヤフ
ラム変位規制部材１１４Ａを使用）と、図４の従来例の
温度膨脹弁（黄銅製のダイヤフラム変位規制部材１１４
を使用）を比較するため、１３４Ａ冷媒系の冷凍システ
ムに組み込む場合を考え、ダイヤフラム上部空間の圧力
が０．２ＭＰａ、ダイヤフラム下部空間の圧力が０．４
ＭＰａになる状況で両者の振動音を測定した。

【００４６】このような状況になったとき、従来の温度
膨脹弁に振動音が発生する可能性のあることは既に確認
されていた。図６に従来の温度膨脹弁の振動数を横軸
に、振動ピックアップによる振動レベル測定値を縦軸に
とったときの測定結果を示す。

【００４７】図７に本発明の一実施例である温度膨脹弁
の上記に対応する測定結果を示す。本発明の一実施例で
ある温度膨脹弁の振動レベルは、従来例に比してきわめ
て低く、かつ振動数ピークも低振動数側に移行してい
る。このことは本発明により不安感をもたらす不快音の
発生が著しく抑制されたことを示す。

【００４８】

【発明の効果】前記のように本発明は温度膨脹弁のダイ
ヤフラムに隣接する構成部材（ダイヤフラム変位規制部
材）の一つだけの材質と形状の変更改善で、温度膨脹弁
の本来の機能や製造方法に何等の不具合を生ずることな
く、空調システム（冷凍システム）の機能停止時に一時
的に生じる、人に不安感を与える振動音を抑制するとい
う効果がある。また一方上記目的のため、選択したアル
ミニウム合金が腐食環境にさらされないように上記部材
の形状を改善したので、この部材の信頼性を維持するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す温度膨脹弁の中央縦断
面図。

【図２】図１の温度膨脹弁に組込まれるダイヤフラム変
位規制部材の拡大縦断面図。

【図３】図２に示すダイヤフラム変位規制部材を下方か
ら見た底面図。

【図４】本発明の温度膨脹弁と共通の外形を有する従来
の温度膨脹弁を示した中央縦断面図。

【図５】本発明の温度膨脹弁とは異なる外形を有する従
来の温度膨脹弁を示した中央縦断面図。

【図６】図４に示す従来の温度膨脹弁の部品拘束力が一
時的に失われる条件下での振動測定結果を示した説明
図。

【図７】図１に示す本発明の一実施例による温度膨脹弁
の部品拘束力が一時的に失われる条件下での振動測定結
果を示した説明図。

【符号の説明】

１００…弁部、 １０２…弁本体、 １０４…バイアス
ばね、１０６…弁体、１０７…高圧冷媒の入口、 １０
９…低圧冷媒の出口、 １１０…作動棒、１１４Ａ
…ダイヤフラム変位規制部材、１２０…パワーエレメン
ト、１２２…上蓋部、１２４…下支持部、１２６…ダイ
ヤフラム、１２８…導管、１３０…感温筒、２００…中
心軸部、２０２，２０４…二本の溝。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−296064（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−29874（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−157406（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−172275（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−124454（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭48−5301（ＪＰ，Ｙ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 41/06 F16K 31/68

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 黄銅で構成した弁本体、オーステナイト
   鋼からなるパワーエレメント、温度を圧力に変換する感
   温筒、該感温筒と前記パワーエレメントを連結する導
   管、弁本体内部空間とパワーエレメント圧力空間を区割
   するステンレス鋼の薄板からなるダイヤフラム、該ダイ
   ヤフラムに隣接してその変位を一定量以下に制限するた
   めのダイヤフラム変位規制部材、変位伝達のための作動
   棒、弁座と接離する弁体、該弁体を閉弁方向にバイアス
   するためのばねを主構成部品とする温度膨脹弁におい
   て、上記ダイヤフラムの変位規制部材をアルミニウムを
   主成分とする合金によって作成し、この変位規制部材の
   平面である面の一方に中心軸部を通って外縁に通じる一
   以上の溝を設け、この溝のある面をダイヤフラム対向面
   の反対側になるように配置することを特徴とする温度膨
   脹弁。
2. 【請求項２】 前記変位規制部材の溝が二本であり、こ
   の二本の溝が中心軸部で交差し且つ直交して外縁に通じ
   ていることを特徴とする請求項１に記載の温度膨脹弁。