JP5606048B2 - 膨張弁 - Google Patents

Description

本発明は冷凍サイクルに用いられる感温機構内蔵型の膨張弁に関する。

従来、自動車に搭載される空調装置等に用いる冷凍サイクルにおいて、設置スペースや配線を省略するために、冷媒の通過量をエバポレ−タ出口側の温度に応じて調整する感温機構内蔵型の温度膨張弁が使用されている。

図６は下記特許文献１等に開示された従来の感温機構内蔵型の膨張弁の一例を示す断面図である。同図において、弁本体３０には、コンデンサ５で凝縮し、レシーバ６を通過した高圧の液冷媒の通路となる第１の通路３２と、エバポレ−タ８の冷媒出口からコンプレッサ４の冷媒入口へ供給される気相冷媒が流れる第２の通路３４とが上下に相互に離間して形成されている。なお、７は冷媒用の配管である。

第１の通路３２には、液冷媒を導入する入口ポート３２１と、この入口ポート３２１に連通する弁室３５と、この弁室３５内に設けられたオリフィス３２ａと、このオリフィス３２ａで膨張した冷媒を外部に向けて導出する出口ポート３２２とが設けられている。オリフィス３２ａの入口には弁座が形成されていて、この弁座に対向して弁体３２ｂが接離可能に配置されている。弁体３２ｂは圧縮コイルばね３２ｃにより弁座に向かって付勢されている。弁室３５の下端は弁本体３０の底面に開口しており、弁本体３０に螺着されたプラグ３７によって密閉されている。

弁本体３０の上端には、弁体３２ｂを駆動するためのパワーエレメント部３６が装着されている。パワーエレメント部３６は、ダイアフラム３６ａにより内部空間を上下２つの圧力作動室３６ｂ、３６ｃに仕切られた圧力作動ハウジング３６ｄを有している。下方の圧力作動室３６ｃはオリフィス３２ａの中心線に対して同心的に形成された均圧孔３６ｅを介して第２の通路３４に連通している。第２の通路３４内の気相冷媒の圧力は、均圧孔３６ｅを通じて下方の圧力作動室３６ｃに作用している。

均圧孔３６ｅには、ダイアフラム３６ａの下面から第１の通路３２のオリフィス３２ａまで延びた作動棒３６ｆが同心的に配置されている。作動棒３６ｆは、弁本体３０における第１の通路３２と第２の通路３４との間の隔壁３１に設けた案内孔３１ａによって上下方向に摺動自在に案内されていて、下端を弁体３２ｂに当接させている。なお、上記隔壁３１には第１の通路３２と第２の通路３４との間の冷媒の漏れを防止するＯリングのようなシール部材３６ｇが装着されている。シール部材３６ｇは弁本体３０に形成されたボア３６ｈ内に押し込まれ、作動棒３６ｆに取り付けられた止め輪３６ｉによりボア３６ｈからの脱け出しが防止される。

圧力作動ハウジング３６ｄの上方の圧力作動室３６ｂ中には公知の作動流体が充填されていて、この作動流体には、第２の通路３４や均圧孔３６ｅ内に位置する作動棒３６ｆ及びダイアフラム３６ａを介して、第２の通路３４を流れる気相冷媒の熱が伝達される。作動流体は上記伝達された熱に対応してガス化し、そのガス圧力がダイアフラム３６ａの上面に作用する。ダイアフラム３６ａは、その上面に作用する作動流体の圧力とダイアフラム３６ａの下面に負荷される圧力との差に応じて上下に変位する。ダイアフラム３６ａの中心部の上下への変位は、作動棒３６ｆを介して弁体３２ｂに伝達され、弁体３２ｂをオリフィス３２ａの弁座に対して接近又は離間させる。この結果、エバポレータ８に向かう冷媒流量が制御される。なお、冷凍サイクルの構成によっては、図７に示すように、コンデンサ５からの液相冷媒をポート３２２から第１の通路３２に流入させる場合もある。

図８は下記特許文献２に開示された従来の感温機構内蔵型の膨張弁の他の例を示す縦断面図、図９は図８の要部拡大図である。この膨張弁は、空調装置が停止しているときにはパワーエレメント部１０１に封入された作動流体が凝縮して圧力が低くなっているため、ダイアフラム１０２は上方に変位しており、その変位は作動棒１０３を介して弁体１０４に伝達され、弁体１０４が弁座１０５に接してオリフィス１０６を閉じる。空調装置が起動すると、コンプレッサによって冷媒が吸引されるため、低圧配管１０７内の圧力が低下し、これがパワーエレメント部１０１により感知されてダイアフラム１０２が下側に変位するため、弁体１０４が弁座１０５から離れてオリフィス１０６が開く。この膨張弁では、弁本体１１０に形成された案内孔１１２と作動棒１０３の間の隙間にＯリング１１１が装着されており、作動棒１０３に嵌合されているスリーブ１０９の外径Ａをオリフィス１０６の内径Ｂと略等しくしてある。これにより、Ｏリング１１１及びスリーブ１０９を介して作動棒１０３に作用する閉弁方向の力によって弁体１０４に作用する開弁方向の力をキャンセルし、高圧配管１０８を介して供給される高圧冷媒の圧力が動作特性に与える悪影響の軽減を図っている。

特開平１０−２８８４２４号公報 特開２００８−１１６０７５号公報

ところで、上記特許文献１のような膨張弁においては、図６に示すように、コンデンサ５からの高圧の液相冷媒を、ポート３２１から第１の通路３２に流入させてオリフィス３２ａに通し、エバポレータ８に導くようにするのが通常の使用形態である。この場合、ポート３２２にはオリフィス３２ａで減圧された冷媒が流れるため、ポート３２２を流れる冷媒と第２の通路３４を流れる冷媒との間には大きな圧力差は生じない。

しかしながら、図７に示すように、コンデンサ５からの液相冷媒をポート３２２から第１の通路３２に流入させる場合には、ポート３２２側では高圧の液相冷媒が流れるため、第２の通路３４を流れる気相冷媒との間に大きな差圧が生じる。この差圧は案内孔３１ａを介してシール部材３６ｇに作用し、さらに止め輪３６ｉを介して作動棒３６ｆに対して上向きの力として作用するため、パワーエレメント部３６の特性として設定される開弁点がずれてしまうという問題があった。

また、上記特許文献２の膨張弁の場合、Ｏリング１１１が高圧冷媒の圧力によって上下方向に潰されて径外方向に膨らみ、作動棒１０３との摩擦力が増加するため、作動棒１０３が上向きに動作するときと下向きに動作するときとで動作特性が異なる所謂ヒステリシスが大きくなるという問題がある。

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、弁本体に形成される案内孔と作動棒の間の隙間をシールするシール部材を改良することで、高圧冷媒の圧力による動作特性への悪影響の軽減を図った膨張弁を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明による膨張弁は、エバポレータに向かう高圧の液相冷媒が流れる高圧通路を有する弁本体と、前記高圧通路中に設けられるオリフィスと、当該オリフィスを通過する冷媒量を調節する弁体と、前記弁本体に形成された前記高圧通路に連通する案内孔により軸方向に案内される作動棒と、前記エバポレータの出口側の温度を感知するとともに前記作動棒を介して前記弁体を駆動するパワーエレメント部と、前記作動棒と前記案内孔の間の隙間をシールするシール部材とを備えた膨張弁において、前記シール部材は、前記作動棒を取り囲むように配置されるとともに可撓性を有するシート材から成る環状のものであって、その内周部が前記作動棒に摺接するとともに外周部が前記弁本体に固定されることを特徴とする。
本発明によれば、シール部材が弁本体に固定されるので、高圧通路の液相冷媒の圧力によりシール部材に作動棒の軸方向の力が作用したとしても、その力は概ね弁本体側で受け止められ、作動棒に大きな力が作用しないので、動作特性に悪影響を及ぼすことがない。

なお、前記シール部材は、前記弁本体に固定されるフランジ部と、該フランジ部の内周側から前記高圧通路側に向けて突出する筒状部とを有するように構成することができる。
この場合、シール部材は高圧通路の冷媒の圧力によって作動棒の外周部に圧接されるように変形するが、この変形は概ねシール性の向上に転化されるので、動作特性に悪影響を与えることなく、シール性をより一層向上させることができる。

また、本発明による膨張弁において、前記シール部材は、前記作動棒から離間した環状の弾性体と環状の固定リングの間に挟持された状態で前記弁本体に固定することができる。 この場合、シート部材における弁本体への固定部がクリープ変形を起こしてへたり現象を生じたとしても、弾性体がそれに追従して変形してへたりを吸収するので、シール部材の弁本体への固定部を介して冷媒漏れが生じることはない。なお、環状の弾性体は作動棒に対して離間しているので、変形しても作動棒に対して不要な力を与えることがない。

また、本発明による膨張弁において、前記弁体を前記作動棒に固定し、前記高圧通路を通る高圧冷媒により前記弁体に作用する開弁方向の圧力と前記高圧冷媒により前記作動棒に作用する閉弁方向の圧力とが略等しくなるように前記作動棒及び前記オリフィスの寸法を設定することができる。
この場合、高圧冷媒の圧力による動作特性への悪影響を更に軽減することができる。

本発明の膨張弁によれば、高圧冷媒の圧力による動作特性への悪影響を軽減することができる。

本発明の膨張弁の第１の実施例を示す縦断面図である。 図１に示す膨張弁の要部を拡大して示す縦断面図である。 本発明の膨張弁のリフト特性を従来の膨張弁と共に模式的に示す図である。 本発明の膨張弁の第２の実施例の縦断面図である。 本発明の膨張弁の第３の実施例の要部を示す縦断面図である。 従来の膨張弁の一例を示す縦断面図である。 図６の膨張弁の他の使用態様を示す縦断面図である。 従来の膨張弁の別の例を示す縦断面図である。 図８の膨張弁の要部を拡大して示す縦断面図である。

図１は本発明による膨張弁の第１の実施例を示している。図１に示す膨張弁の基本的な構造は、図６に示す従来例と同様であるので、同等の機能を奏する構成部品や部位には同じ符号を付すことで再度の説明を省略する。図１の円で囲ったＡ部は、拡大されて図２に示される。

この膨張弁１の作動棒３６ｆは、第１の通路３２と第２の通路３４とを連通させるように弁本体３０に形成された案内孔１０を貫通して上下に延びている。案内孔１０は上側ほど径が広がる態様で形成されており、その部分には、作動棒３６ｆを取り囲んで冷媒の漏れを防止するシール構造２０が配設されている。図２に示すように、案内孔１０は、下方部分が作動棒３６ｆを摺動自在に収容する孔部１１を含んでおり、孔部１１の上方には、僅かに拡径されてシール構造２０を収容する中間部１２が形成されている。中間部１２の更に上方には、径方向外側に環状溝部１３が形成されており、その内部には後述するシール部材２１を支持する弾性体としてのＯリング２４が収容される。環状溝部１３の更に上方は僅かに拡径して環状棚部１５となっており、シール部材２１を固定するための固定リング２５が嵌着する。

本実施例で用いるシール構造２０は、可撓性を有する樹脂製のシート材から成る環状のシール部材２１を備えている。シール部材２１の材質としては、好ましくは耐久性及び摺動性等に優れたテフロン（登録商標）であるが、これに限られるものではない。シール部材２１は、シート材から成形加工しても、射出成形によって製作してもよい。シール部材２１の外周側は、後述するように弁本体３０に対する固定部となっており、この例では径方向に平面的に広がるフランジ部２２となっている。フランジ部２２の内周端側は、下側（第１の通路３２側）に向かって突出する筒状部２３となっている。筒状部２３の内周部は作動棒３６ｆの外周面に摺接している。

シール部材２１のフランジ部２２を固定するため、環状溝部１３には弾性体であるＯリング２４が収容されている。シール部材２１のフランジ部２２がＯリング２４上に支持された状態で固定リング２５が環状棚部１５に嵌め込まれることで、フランジ部２２は、Ｏリング２４と固定リング２５で挟持された状態となる。なお、固定リング２５は、硬質の樹脂材又は金属材等により形成することができる。弁本体３０における固定リング２５の上部周縁部に対向する箇所に複数箇所又は周状のカシメ２６を施すことによって、シール部材２１は、そのフランジ部２２がＯリング２４と固定リング２５との間に挟持された状態で、弁本体３０に固定される。

カシメ２６を施す際の力でＯリング２４は上下方向の圧縮力を受けて弾性変形をし、シール部材２１のフランジ部２２は、Ｏリング２４の弾性復元力によって固定リング２５との間に挟持されている。Ｏリング２４は弾性変形しても、環状溝部１３から離脱することがなく、環状溝部１３内における収容状態が維持される。

シール部材２１は、比較的硬質の材料から製作されているので、その弾性域は小さい（狭い）が、経時変化によってフランジ部２２がクリープ変形を起こし、僅かに変形（へたり）を生じることがある。シール部材２１は自身の弾性力では当該へたりによる変形を吸収できず、硬質部材のみの固定手段で挟んで固定するだけであると、クリープ現象に伴って生じる変形で冷媒が漏れやすくなるという問題を生じる。本実施例では、テフロンのような樹脂と比べて弾性域や変形率が格段に大きい弾性体からなるＯリング２４を用いてシール部材２１を挟んで固定しているので、Ｏリング２４の弾性復元力によりシール部材２１のフランジ部２２のクリープによるへたり変形を吸収することができ、シール部材２１による密封性を長期間に渡って維持することができる。

本実施例によれば、シール部材２１が、両通路３２、３４を流れる冷媒の圧力差に起因して、自身が変形することや上向きの力が作用するようなことがあっても、その力は概ねフランジ部２２を介して弁本体３０側で受け止められ、作動棒３６ｆに対して上向きの大きな力を及ぼすことがない。しかも、第２の通路３４側の冷媒圧力はシール部材２１の筒状部２３の径を広げようと作用するが、第１の通路３２側の冷媒圧力は筒状部２３を縮径させようとするので、上記の冷媒圧力の圧力差が生じても（通常は第１の通路３２側の圧力の方が第２の通路３４側の圧力よりも高い）、当該圧力差に基づく力は、結果的に筒状部２３に対して外側から作動棒３６ｆを締めつけるように作用する。したがって、冷媒圧力の圧力差は、作動棒３６ｆの周囲のシール性の向上に転化させることができる。なお、筒状部２３の突出長さは短いため、作動棒３６ｆの動作に悪影響を及ぼすほどの大きな締め付け力は生じない。

また、Ｏリング２４は環状溝部１３に嵌入されているので、圧力差が生じてＯリング２４が変形したとしても作動棒３６ｆに接することがなく、Ｏリング２４の変形に起因して作動棒３６ｆの摺動抵抗が増えるということもない。したがって、Ｏリング２４の変形に起因するヒステリシスが生じることがない。

図２に示すように、案内孔１０は上側に開いている構造であるため、シール構造２０は、製造上において、すべての部品を上方から順に組み込むことができる。即ち、Ｏリング２４を環状溝部１３に装着し、次にシール部材２１を装填し、固定リング２５を環状棚部１５に装着し、最後にカシメ２６を施すことで、シール構造２０の組み込みが完了するので、作業性が良く、製造が容易である。

図３は従来の膨張弁と本発明の膨張弁のリフト特性を模式的に示す図であり、横軸は第２の通路３４を通る低圧冷媒の圧力、縦軸は弁体３２ｂのリフト量である。図３（ａ）は従来の膨張弁のリフト特性であり、実線は第１の通路３２を通る冷媒と第２の通路３４を通る冷媒との間に圧力差が無い場合、一点鎖線は両通路３２、３４を通る冷媒に所定の圧力差がある場合、二点鎖線は両通路３２、３４を通る冷媒に一点鎖線よりも大きな圧力差がある場合を示している。また、図３（ｂ）は本発明の膨張弁のリフト特性であり、実線は両通路３２、３４を通る冷媒の間に圧力差が無い場合、破線は両通路３２、３４を通る冷媒の間に図３（ａ）の二点鎖線と同じ圧力差がある場合を示している。同図に示すように、従来の膨張弁では、両通路３２、３４を通る冷媒の圧力差が大きくなるほどヒステリシスＨが大きくなるとともに、開弁点と閉弁点の変化が大きくなる。一方、本発明の膨張弁では、両通路３２、３４を通る冷媒の圧力差が大きくなったとしても、破線で示す如く、ヒステリシスは若干大きくなるものの、殆ど変化せず、開弁点と閉弁点も殆ど変化しない。

次に、本発明の第２の実施例を説明する。図４は本実施例の膨張弁の縦断面図である。
なお、以下の各実施例において、第１の実施例と対応する部分には同一の符号を付して重複する説明は省略する。第１の実施例の膨張弁において、小型化のためにパワーエレメント部３６のダイアフラム３６ａの径を小さくすると、ダイアフラム３６ａの径に対するオリフィス３２ａの径の比率が大きくなり、閉弁方向に作用する高圧圧力の影響が大きくなる。そこで、本実施例では、弁体３２ｂを作動棒３６ｆの先端に溶接等で固定するとともに、作動棒３６ｆの軸部の径Ｄとオリフィス３２ａの径ｄを略等しくし、高圧冷媒をポート３２２側から導入するようにしている。これによって、ポート３２２から導入される冷媒により弁体３２ｂに作用する開弁方向の圧力が当該冷媒により作動棒３６ｆの径Ｄの部分に作用する閉弁方向の圧力によってキャンセルされる。よって、小型化を図ることができるとともに、高圧冷媒の圧力による動作特性への悪影響を排除することができる。

次に、本発明の第３の実施例を示す。図５は本実施例の要部の断面図である。本実施例は圧力キャンセル構造を有する膨張弁の他の例を示している。本実施例では、弁体３２ｂが作動棒３６ｆに一体成形され、オリフィス３２ａの径ｄと作動棒３６ｆの軸部の径Ｄを略等しくして、入口ポート３２１から導入される高圧冷媒によって弁体３２ｂに作用する開弁方向の圧力を高圧冷媒によって作動棒３６ｆに作用する閉弁方向の圧力でキャンセルする。

本実施例の構造は、例えば図８に示すような膨張弁に適用可能である。図８に示す膨張弁では、上述したように、Ｏリング１１１が高圧冷媒の圧力によって変形して作動棒１０３の摺動抵抗が増大するため、ヒステリシスが大きくなるという問題が有るが、本実施例のシール構造を採用することで、作動棒に対して上向きの大きな力が作用しなくなるため、ヒステリシスが大きくなるのを防ぐことができる。

以上、本発明による膨張弁について、具体的な実施例を挙げて説明したが、本発明は上記の各実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で上記の実施例に種々の改変を施すことができる。

１ 膨張弁 ４ コンプレッサ
５ コンデンサ ６ レシーバ
８ エバポレータ ２１ シール部材
２２ フランジ部 ２３ 筒状部
２４ Ｏリング（弾性体） ２５ 固定リング
３０ 弁本体 ３２ 第１の通路（高圧通路）
３２ａ オリフィス ３２ｂ 弁体
３６ パワーエレメント部 ３６ｆ 作動棒

Claims (1)

1. エバポレータに向かう高圧の液相冷媒が流れる高圧通路と前記エバポレータからの低圧の気相冷媒が流れる低圧通路を有する弁本体と、前記高圧通路中に設けられるオリフィスと、該オリフィスを通過する冷媒量を調節する弁体と、前記弁本体に形成された前記高圧通路と前記低圧通路を連通する案内孔により軸方向に案内される作動棒と、前記エバポレータの出口側の温度を感知するとともに前記作動棒を介して前記弁体を駆動するパワーエレメント部と、前記作動棒と前記案内孔の間をシールするシール装置とを備えた膨張弁であって、
   前記シール装置は、前記作動棒が貫通するとともに前記作動棒の外周面に摺接する環状摺接部を有する可撓性シート材と、前記可撓性シート材の外周部の前記作動棒から離間した位置で前記軸方向における前記冷媒の流れをシールするＯリングとからなることを特徴とする膨張弁。

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