JP5249701B2

JP5249701B2 - 圧力式膨張弁

Info

Publication number: JP5249701B2
Application number: JP2008258135A
Authority: JP
Inventors: 裕正高田; 忠顕池田; 秀剛渡辺
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2008-10-03
Filing date: 2008-10-03
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2028-10-03
Also published as: JP2010085073A

Description

本発明は、冷凍サイクルの放熱器と蒸発器との間に設けられ、放熱器側の冷媒設定圧力以下でも蒸発器側に冷媒を送り出すように構成された圧力式膨張弁に関する。

従来、この種の圧力式膨張弁として、例えば特開２００４−１４２７０１号公報（特許文献１）、特開平２００２−７１０３７号公報（特許文献２）に開示されたものがある。特許文献１における膨張弁は、シェルに中空部が形成され、中空部と外部とを連通させる高圧側連通孔及び低圧側連通孔を有し、高圧側連通孔は冷凍サイクルの高圧ラインと、低圧側連通孔は冷凍サイクルの低圧ラインと連通している。また、ベローズの一端側がシェルの内側上面に固定され、ベローズの他端側に弁体が固定されている。そして、ベローズ自体及びスプリングの抵抗力と、冷媒の圧力の関係によって伸縮し、弁体が弁座に着座／離間し、弁開度が調節される。また、この特許文献１のものは、弁体が弁ポートを閉じた弁閉状態でも、冷媒が流れるように溝やオリフィスが設けられている。

また、特許文献２の膨張弁はリリーフ弁付き高圧制御弁である。この高圧制御弁もボール弁体をベローズに連結したものであり、ベローズの伸縮によりボール弁により弁ポートの開度を調節するものである。そして、この弁ポートと並列にダイヤフラム式のリリーフ弁を設け、ベローズ収容弁室（弁室）に接続される放熱器の出口側（一次側）の冷媒圧力が異常上昇しようとした時にはリリーフ弁が開弁し、放熱器の出口側の冷媒圧力が異常上昇を回避するものである。
特開２００４−１４２７０１号公報特開２００２−７１０３７号公報

しかしながら、前記従来の膨張弁にあっては次のような問題があった。絞り部（弁体と弁座）の繰り返しの動作により、弁体、弁座が摩耗してしまう。この結果、弁の開き始める圧力が変化してしまう。また、摩耗の状況によっては弁漏れが増加してしまう。弁体周囲の絞り部に発生する冷媒の微少な圧力変動により弁体が微振動し、異音が発生する。

また、ベローズの有効受圧面積と、ベローズのばね定数と、ベローズ周囲に配設したスプリングのばね定数によって、弁室内の圧力に対する弁体の動きが決定されてしまうため、圧力−開度の特性に自由度を与えることが困難である。

また、特許文献２のようなリリーフ弁付き高圧制御弁においては、構造が複雑になるばかりでなく、リリーフ弁のダイヤフラムには二次側圧力が大きく影響するため、リリーフ弁が開き始める圧力は二次側圧力の影響を受けてしまう。

本発明は、簡単な構造で、絞り部の摩耗を無くすとともに弁体の振動による異音を低減し、さらに、圧力−開度の特性の自由度を高めた圧力式膨張弁を提供することを課題とする。

請求項１の圧力式膨張弁は、冷凍サイクルの放熱器と蒸発器との間に設けられ、前記放熱器側の圧力が設定した圧力を越えると、前記放熱器側の圧力に応じて弁開度が得られる膨張弁であって、前記放熱器側の圧力が設定した圧力以下であっても完全締め切りを行わず、所定の開口面積が確保され前記蒸発器側に冷媒を送り出す圧力式膨張弁において、前記放熱器側から冷媒を流入する一次側ポートと、前記蒸発器側に冷媒を流出する二次側ポートと、円筒状の弁室と、該弁室の底部中央に形成された弁ポートと、一または複数枚のダイヤフラムと上蓋部材とを有し、該ダイヤフラムの凹面と該上蓋部材との間に密閉空間を形成し前記放熱器側の冷媒の圧力に応じて該ダイヤフラムの凸面が変位するようにしたダイヤフラム積層体と、前記弁室内の底部に配置されるばね部材と、前記弁室の開口部側に配置される調整ねじ部材と、を備え、前記ダイヤフラム積層体を、前記ダイヤフラムの凸面側を前記弁ポートに対向して前記弁室内に配置し、該ダイヤフラム積層体の前記密閉空間よりも外周側となる外周部を前記ばね部材により前記弁ポートから離間する向きに付勢して、該ダイヤフラム積層体の前記上蓋部材を前記調整ねじ部材側に押し付けるとともに、前記調整ねじ部材により該ダイヤフラム積層体と該弁ポートとの間の距離を調節して前記ダイヤフラムの凸面と該弁ポートとが離間するようにしたことを特徴とする。

請求項１の圧力式膨張弁において、一次側ポートに流入する冷媒の圧力は弁室内においてダイヤフラム積層体のダイヤフラムの凸面に作用し、この圧力に応じて該ダイヤフラムの凸面が変位する。これにより、ダイヤフラムの凸面と弁ポートとの距離が変化して、弁ポート端部とダイヤフラムの凸面との隙間の広さが変化し、弁ポートを介して弁室から二次側ポートに流出する冷媒の流量が変化する。そして、ダイヤフラムの凸面に作用する圧力が設定された冷媒圧力以下でも、この凸面が弁ポートから離間し、完全締め切りを行わないよう、調整ねじ部材で所望の開度に調整する。これにより、冷媒が二次側ポートから蒸発器に供給される。

請求項１の圧力式膨張弁によれば、絞り部であるダイヤフラムと弁ポートの間には常時隙間が形成されているため、繰り返し作動によっても、当該圧力式膨張弁の特性が変化することがなく、安定した性能を得続けることができる。

また、ダイヤフラム積層体を弁ポートから遠ざける向きに付勢するばね部材は、ダイヤフラム積層体を調整ねじ部材に押さえ付ける役目をする。ばね部材は、ダイヤフラム積層体を例えば下蓋部材及び上蓋部材を介して調整ねじ部材側に押し付けるので、ばね部材の発生する荷重が当該圧力式膨張弁の特性に影響することはないので、ばね部材の発生荷重を十分に大きく設定することが可能であり、この発生荷重を大きくすることでダイヤフラム積層体が弁室内で横揺れすることもなく、横揺れ等による異音が発生することがない。

また、複数枚のダイヤフラムを用いてダイヤフラム積層体を構成し、個々のダイヤフラムの形状を変えてダイヤフラム間に任意の隙間を設けることにより、ダイヤフラムの作動開始から、ダイヤフラムと弁ポートの隙間が全開するまでの特性を、多段階に選択することができ、圧力−開度の特性の自由度を高めることができる。

また、ダイヤフラムの凸面には常に弁室内の圧力（一次側圧力）だけが作用するため、二次側圧力の影響を受けず、弁室内の圧力のみに対応した弁開度を得ることが可能となる。

次に、本発明の圧力式膨張弁の実施の形態を図面を参照して説明する。図６は実施形態の圧力式膨張弁を用いた車載用の空気調和機の基本構成を示す図である。この空気調和機は、車両の動力が伝達される圧縮機１００と、放熱器１１０と、高圧ラインの冷媒と低圧ラインの冷媒とを熱交換する熱交換器１２０と、実施形態の圧力式膨張弁１０と、蒸発器１３０と、アキュムレータ１４０とを有している。そして、圧縮機１００、放熱器１１０、熱交換器１２０、圧力式膨張弁１０、蒸発器１３０及びアキュムレータ１４０は、冷媒通路によりループ接続され、冷凍サイクルを構成している。なお、冷媒としては、例えば二酸化炭素のような超臨界で使用する冷媒が用いられている。

圧縮機１００で圧縮された冷媒は、実線の矢印で示すよう放熱器１１０に供給され、この放熱器１１０で冷却された冷媒は熱交換器１２０を介して圧力式膨張弁１０に送られる。圧力式膨張弁１０は冷媒を膨張減圧して蒸発器１３０に送る。そして、この蒸発器１３０により車室内が冷却され、冷房の機能が得られる。蒸発器１３０で蒸発した冷媒はアキュムレータ１４０に供給され、このアキュムレータ１４０から圧縮機１００に循環される。

図１は第１実施形態の圧力式膨張弁１０の縦断面図、図２は同圧力式膨張弁１０のダイヤフラム積層体の詳細を示す拡大断面図である。この実施形態の圧力式膨張弁１０は、弁ハウジング１と、ダイヤフラム積層体２と、ばね部材３と、調整ねじ部材４とを備えている。

弁ハウジング１には、軸Ｌを中心軸とする円筒状の弁室１Ａと、前記熱交換器１２０側（放熱器１１０側）の冷媒通路に接続される一次側ポート１１と、前記蒸発器１３０側の冷媒通路に接続される二次側ポート１２とが形成されている。一次側ポート１１の奥にはフィルタ嵌合部１１ａと、導通室１１ｂと、通路１１ｃが形成され、導通室１１ｂは通路１１ｃによって弁室１Ａに導通されている。また、フィルタ嵌合部１１ａにはフィルタ１１ｄが配設されている。弁室１Ａの底部中央には弁室１Ａ内に突出した突部１３が形成されており、この突部１３には弁室１Ａから二次側ポート１２側に導通する弁ポート１３ａが形成されている。

ダイヤフラム積層体２は、凹面２１ａと凸面２１ｂを有する金属盤等の円盤状のダイヤフラム２１と、ダイヤフラム２１の凹面２１ａ側に配置された円盤状の上蓋部材２２と、ダイヤフラム２１の凸面２１ｂ側に配置されたリング状の下蓋部材２３とで構成されている。なお、ダイヤフラム２１、上蓋部材２２及び下蓋部材２３は、図２に一点鎖線の楕円で示すように外周部において溶接により一体に組み付けられている。そして、ダイヤフラム積層体２はダイヤフラム２１の凸面２１ｂ側を突部１３に対向させて弁室１Ａ内に配設されている。また、ばね部材３は弁室１Ａの底部に配設されており、ダイヤフラム積層体２の下蓋部材２３がばね部材３の弾性片３ａに当接されている。

調整ねじ部材４にはその周囲にねじ山４ａが形成されており、弁室１Ａの内周にはねじ山１ａが形成されている。そして、調整ねじ部材４のねじ山４ａを弁室１Ａのねじ山１ａにねじ込むことにより、調整ねじ部材４は弁室１Ａ内に取り付けられている。この調整ねじ部材４は、片側端部がダイヤフラム積層体２の上蓋部材２２に当接した状態となっている。また、ばね部材３は弾性片３ａの弾性回復力によりダイヤフラム積層体２を弁ポート１３ａから離間する向きに付勢している。したがって、調整ねじ部材４のねじ込み深さにより、ダイヤフラム積層体２と弁ポート１３ａとの距離が調整される。この調整後、弁ハウジング１と調整ねじ部材４とは図１の一点鎖線の楕円で示した外周部で溶接され、弁室１Ａ内が気密に封止される。なお、調整ねじ部材４の上端部にはねじ込み用の治具を嵌合する治具孔４ｂが形成されている。

以上の構成により、熱交換器１２０からの高圧冷媒は一次側ポート１１から弁室１Ａに流入し、ダイヤフラム積層体２のダイヤフラム２１と突部１３との隙間及び弁ポート１３ａを通って膨張減圧され、二次側ポート１２に流出する。また、一次側ポート１１の冷媒圧力（これは弁室１Ａ内の冷媒圧力でもあり、以下「一次側圧力」という。）はダイヤフラム積層体２のダイヤフラム２１に作用する。ここで、ダイヤフラム２１の凹面２１ａと上蓋部材２２との間には密閉空間Ｓが形成されているので、ダイヤフラム２１は一次側圧力に応じて凸面２１ｂを変位させる。すなわち、図２に示すようにダイヤフラム２１の凸面２１ｂの最も突出した部分と突部１３との距離「Ｄ」は一次側圧力に応じて変化する。

図３は第１実施形態の圧力式膨張弁１０における一次側圧力と弁開度の特性を示す図である。なお、「弁開度」とはダイヤフラム２１の凸面２１ｂと突部１３との距離に対応する概念的な量であり、例えばダイヤフラム２１の凸面２１ｂと突部１３との隙間で冷媒が通過する流路の断面積である。ここで、ダイヤフラム２１は、プレス成形する時点、あるいは板厚や凸形状を変えたりすることにより、変形を開始する圧力が設定されている。これが冷媒設定圧力である。したがって、ダイヤフラム２１は、一次側圧力がこの予め設定された冷媒設定圧力以下のときには変形せず、この冷媒設定圧力以下では弁開度は一定となる。一次側圧力が冷媒設定圧力を越えると開度の制御域となり、ダイヤフラム２１が変形し始めて距離「Ｄ」が大きくなる。すなわち、冷媒設定圧力はダイヤフラム動き始め圧力でもある。そして、ダイヤフラム２１の弾性変形の特性により、制御域では曲線部分のように弁開度が変化する。

図４は第２実施形態の圧力式膨張弁におけるダイヤフラム積層体の詳細を示す拡大断面図である。なお、この第２実施形態におけるその他の構成は図１の第１実施形態と同様である。この第２実施形態におけるダイヤフラム積層体２′は、凹面２１１ａと凸面２１１ｂを有する金属盤等の円盤状の第１のダイヤフラム２１１と、凹面２１２ａと凸面２１２ｂを有する金属盤等の円盤状の第２のダイヤフラム２１２と、前記同様な上蓋部材２２と及び下蓋部材２３とで構成されている。なお、第１のダイヤフラム２１１、第２のダイヤフラム２１２、上蓋部材２２及び下蓋部材２３は、図４に一点鎖線の楕円で示すように外周部において溶接により一体に組み付けられている。

前記第１実施形態のダイヤフラム積層体２と同様に、このダイヤフラム積層体２′は第１のダイヤフラム２１１の凸面２１１ｂ側を突部１３に対向させて弁室１Ａ内に配設されている。また、ばね部材３は第１実施形態と同様であり、ダイヤフラム積層体２′の下蓋部材２３がばね部材３の弾性片３ａに当接されている。そして、弁室１Ａに流入した冷媒は、ダイヤフラム積層体２′の第１のダイヤフラム２１１と突部１３との隙間及び弁ポート１３ａを通って二次側ポート１２に流出する。また、一次側圧力はダイヤフラム積層体２′の第１のダイヤフラム２１１に作用する。

ここで、第１のダイヤフラム２１１の凹面２１１ａと第２のダイヤフラム２１２の凸面２１２ｂとの間には密閉空間Ｓ１が形成され、第２のダイヤフラム２１２の凹面２１２ａと上蓋部材２２との間には密閉空間Ｓ２が形成されている。したがって、第１のダイヤフラム２１１は一次側圧力に応じて凸面２１１ｂを変位させ第１のダイヤフラム２１１の凸面２１１ｂの最も突出した部分と突部１３との距離「Ｄ′」は一次側圧力に応じて変化する。

図５は第２実施形態の圧力式膨張弁における一次側圧力と弁開度の特性を示す図である。第１のダイヤフラム２１１及び第２のダイヤフラム２１２は、一次側圧力が予め設定された冷媒設定圧力以下のときには変形せず、この冷媒設定圧力以下では弁開度は一定となる。一次側圧力が冷媒設定圧力を越えると開度の制御域となり、主に第１のダイヤフラム２１１が変形し始めて距離「Ｄ′」が大きくなる。

そして、制御域の低圧側では主に第１のダイヤフラム２１１の弾性変形の特性により弁開度が図の曲線のように変化し、高圧域になると密閉空間Ｓ１が潰れた状態で第１のダイヤフラム２１１と共に第２のダイヤフラム２１２が変形し始め、第１のダイヤフラム２１１と第２のダイヤフラム２１２の弾性変形の特性により弁開度が図の曲線のように変化する。

このように、第１のダイヤフラム２１１と第２のダイヤフラム２１２の弾性変形の特性を適宜設定することにより、制御域の傾き等を多様に変化させることができ、膨張弁自体の制御性に幅を持たせることができる、圧力−開度の特性の自由度の高い圧力式膨張弁となる。また、３枚以上のダイヤフラムを用いることで、さらに、自由度を高めることができる。

また、一次側圧力が冷媒設定圧力以下の場合も、冷媒設定圧力以上の制御域の場合も、ダイヤフラム積層体２は弁ポート１３ａの突起１３から常時離間しているため、この絞り部の繰り返し作動によっても、ダイヤフラム積層体２及び突起１３が変形や摩耗することがない。したがって、特性が変化することがなく、安定した性能を維持することができる。

本発明の第１実施形態の圧力式膨張弁の縦断面図である。同圧力式膨張弁のダイヤフラム積層体の詳細を示す拡大断面図である。第１実施形態の圧力式膨張弁における一次側圧力と弁開度の特性を示す図である。第２実施形態の圧力式膨張弁におけるダイヤフラム積層体の詳細を示す拡大断面図である。第２実施形態の圧力式膨張弁における一次側圧力と弁開度の特性を示す図である。実施形態の圧力式膨張弁を用いた車載用の空気調和機の基本構成を示す図である。

符号の説明

１弁ハウジング
１Ａ弁室
１１一次側ポート
１２二次側ポート
１３突部
１３ａ弁ポート
２ダイヤフラム積層体
２１ダイヤフラム
２１ａ凹面
２１ｂ凸面
２２上蓋部材
２３下蓋部材
３ばね部材
３ａ弾性片
４調整ねじ部材
Ｓ密閉空間
１０圧力式膨張弁
１００圧縮機
１１０放熱器
１２０熱交換器
１３０蒸発器
１４０アキュムレータ

Claims

冷凍サイクルの放熱器と蒸発器との間に設けられ、前記放熱器側の圧力が設定した圧力を越えると、前記放熱器側の圧力に応じて弁開度が得られる膨張弁であって、前記放熱器側の圧力が設定した圧力以下であっても完全締め切りを行わず、所定の開口面積が確保され前記蒸発器側に冷媒を送り出す圧力式膨張弁において、
前記放熱器側から冷媒を流入する一次側ポートと、
前記蒸発器側に冷媒を流出する二次側ポートと、
円筒状の弁室と、
該弁室の底部中央に形成された弁ポートと、
一または複数枚のダイヤフラムと上蓋部材とを有し、該ダイヤフラムの凹面と該上蓋部材との間に密閉空間を形成し前記放熱器側の冷媒の圧力に応じて該ダイヤフラムの凸面が変位するようにしたダイヤフラム積層体と、
前記弁室内の底部に配置されるばね部材と、
前記弁室の開口部側に配置される調整ねじ部材と、
を備え、
前記ダイヤフラム積層体を、前記ダイヤフラムの凸面側を前記弁ポートに対向して前記弁室内に配置し、該ダイヤフラム積層体の前記密閉空間よりも外周側となる外周部を前記ばね部材により前記弁ポートから離間する向きに付勢して、該ダイヤフラム積層体の前記上蓋部材を前記調整ねじ部材側に押し付けるとともに、前記調整ねじ部材により該ダイヤフラム積層体と該弁ポートとの間の距離を調節して前記ダイヤフラムの凸面と該弁ポートとが離間するようにしたことを特徴とする圧力式膨張弁。