JP6634624B2 - 膨張弁 - Google Patents

Description

本発明は膨張弁に関し、特にパワーエレメントの接続部分の構造に関する。

自動車用空調装置（カーエアコン）は、代替フロンなどの冷媒の気化と液化を繰り返すことで熱交換を行う。具体的には、蒸発器で冷媒を蒸発（気化）させることで環境から熱を奪い、気化した冷媒を凝縮器で液体に戻すことで冷媒から放熱させる。

気体は高圧下で液化しやすくなるため、蒸発器から回収された冷媒は圧縮機により圧縮された上で凝縮器に送られる。凝縮器から送り出された冷媒は、レシーバによって気液分離された後、膨張弁による絞り膨張によりその圧力を下げられる。これは、冷媒の圧力を下げることで冷媒を蒸発させやすくするためである。

膨張弁（温度式膨張弁）は、蒸発器から導出される冷媒の温度（以下、「蒸発温度」とよぶ）が高いときには、凝縮器から蒸発器に供給される冷媒の量を増加させる。蒸発温度が低いときには、凝縮器から蒸発器に供給する冷媒の量を減少させることで、冷媒の過熱度をコントロールする。

膨張弁は、凝縮器から蒸発器に供給される冷媒を通過させる第１の冷媒通路と、蒸発器から圧縮機に供給される冷媒を通過させる第２の冷媒通路を有する。第２の冷媒通路の上部にはパワーエレメントとばれるアクチュエータ（駆動部）が設置される。パワーエレメントは第２の冷媒通路を通過する冷媒の圧力と蒸発温度に応じて、シャフトを変位させる。シャフトは、その変位により、第１の冷媒通路の弁体の開度を変化させる（特許文献１参照）。

特開２０１３−２４２１２９号公報

膨張弁のボディ上部の開口にパワーエレメントを嵌めこむことで、第２の冷媒通路とパワーエレメントは連通する。第２の冷媒通路を流れる冷媒の一部は開口からパワーエレメント内部に流れ込む。パワーエレメントは流れ込んできた冷媒の温度と圧力に応じて駆動力を発生させる。

パワーエレメントには、気相の冷媒だけでなく、液相の冷媒や冷媒に含まれるオイル（潤滑油）もパワーエレメントに入り込む。液相の冷媒やオイルは、気相の冷媒に比べて熱伝達の時定数が小さいため、パワーエレメント内に滞留すると、弁部が頻繁に開閉作動するハンチングを生じさせる可能性がある。このため、液相冷媒やオイルがパワーエレメント付近に滞留するのを防ぐ必要がある。

本発明は、本発明者らによる上記課題認識にもとづいて完成された発明であり、その主たる目的は、膨張弁のパワーエレメントの駆動性を向上させること、特に、パワーエレメント内部から不要物を速やかに排出させることにある。

本発明の膨張弁は、熱交換器を経て流入した冷媒を蒸発器に向けて通過させる第１の冷媒通路と、蒸発器から戻ってくる冷媒を圧縮機に向けて通過させる第２の冷媒通路と、を有するボディと、第２の冷媒通路を通過する冷媒の圧力および温度に応じて駆動力を発生させる駆動部と、第１および第２の冷媒通路の隔壁を貫通し、駆動力により変位する作動ロッドと、第１の冷媒通路に設置され、作動ロッドの変位に応じて第１の冷媒通路を開閉させる弁体と、を備える。
第２の冷媒通路と駆動部をつなぐ連結路は、駆動部側の開口が拡大される傾斜部を有する。

連結路の内壁面をテーパー形状とすることにより、連結路に液体冷媒やオイルなどの不要物が滞留しにくくなる。このような構成により、ハンチングを抑制させやすくなる。

本発明によれば、膨張弁におけるパワーエレメントの駆動力を安定させやすくなる。

第１実施形態における膨張弁の断面図である。 第１実施形態において、図１の領域Ａの拡大図である。 比較例において、領域Ａの拡大図である。 第１実施形態において、図１の領域Ａの拡大図（変形例）である。 第２実施形態における膨張弁の断面図である。 第２実施形態において、図４の領域Ａの拡大図である。

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］
図１は、第１実施形態に係る膨張弁１００の断面図である。
本実施形態における膨張弁１００は、カーエアコン１１０において使用される。
カーエアコン１１０には、代替フロンのような低温でも蒸発しやすい冷媒が封入され、冷媒は圧縮機１０６、外部熱交換器として機能する凝縮器１０２、レシーバ１０８および蒸発器１０４を循環する。蒸発器１０４は、冷媒を気化させることで外部の熱を冷媒に取り込む（冷房機能）。圧縮機１０６は、気体冷媒に圧力を加えて冷媒を液化しやすくする。凝縮器１０２は、圧縮機１０６によって圧力を高められた冷媒を液体に戻す。このとき、冷媒から外部に排熱される。レシーバ１０８は、冷媒を気液分離する。

膨張弁１００は、凝縮器１０２から蒸発器１０４への冷媒の流れを調整する。また、蒸発器１０４から圧縮機１０６への冷媒の通り道ともなる。
膨張弁１００のボディ１１６は、アルミニウム合金からなる素材を押出成形したあと、所定の機械加工を施すことで得た部材である。ボディ１１６には、圧縮機１０６，凝縮器１０２，レシーバ１０８から供給される冷媒を蒸発器１０４に送る第１冷媒通路１１２と、蒸発器１０４から供給される冷媒を圧縮機１０６に戻す第２冷媒通路１１４が形成される。
ボディ１１６の上部には、パワーエレメント１２０がネジ等により固定される。パワーエレメント１２０とボディ１１６との間には、冷媒の漏洩を防止するためのＯリング１６６が介装されている。ボディ１１６の側面には、配管取り付け用のねじ穴１２６が形成される。

第１冷媒通路１１２の中間には、開度調整のためにボール状の弁体１１８が設けられる。膨張弁１００のボディ１１６には棒状のシャフト１２２が挿通している。シャフト１２２は、凝縮器１０２から蒸発器１０４に供給される冷媒の量をコントロールする「作動ロッド」として機能する。シャフト１２２の下端は弁体１１８に接触し、上端はパワーエレメント１２０が内蔵するディスク１２４と接触する。弁体１１８と弁孔１６８の隙間を冷媒が通過する。弁体１１８が図１の下方向（開弁方向）に移動すると、弁体１１８と弁孔１６８の隙間（開度）が大きくなる。弁孔１６８、弁体１１８および弁体１１８を支持する弁体受１４２により、第１冷媒通路１１２の「弁」が形成される。

パワーエレメント１２０（駆動部）は、温度に応じて駆動力を発生させるアクチュエータとして機能する。パワーエレメント１２０には、ダイアフラム１２８（金属薄板）を挟んでその上下にアッパーハウジング１３０とロウアーハウジング１３２が配置されており、これらの外周縁部は溶接されている。アッパーハウジング１３０とダイアフラム１２８により形成される上部の密閉空間１３４には、冷媒に似た温度特性を有するガスが封入されている。ロウアーハウジング１３２が形成する感温室１３６には、ディスク１２４が収容される。感温室１３６の下部は開口し、第２冷媒通路１１４と感温室１３６は、ボディ１１６に開口部として形成される連結路１３８により連通する。このため、蒸発器１０４から第２冷媒通路１１４を通って圧縮機１０６に流れる冷媒の一部は感温室１３６にも流れ込む。ディスク１２４を介して、冷媒の蒸発温度が密閉空間１３４に伝わる。
なお、連結路１３８の径を調整することで、第２冷媒通路１１４から感温室１３６へ流れ込む冷媒の量を制御し、時定数を調整している。

密閉空間１３４は、ガスの飽和圧力に応じて内圧が変化する。蒸発温度が高いときには飽和圧力が大きくなり、ダイアフラム１２８とディスク１２４を介してシャフト１２２は図１下方向（開弁方向）に押し出される。弁体１１８は弁体受１４２を介してスプリング１４０により図１上方向に付勢されているが、シャフト１２２を押し下げる力が強くなると、弁体１１８も押し下げられる。シャフト１２２の下方への変位量が大きいほど、いいかえれば、蒸発温度が高いほど、第１冷媒通路１１２の弁開度は大きくなり、第１冷媒通路１１２を流れる冷媒の量は大きくなる。

逆に、蒸発温度が低いときには密閉空間１３４における飽和圧力は小さくなり、スプリング１４０の付勢力によって弁体１１８は押し上げられ、第１冷媒通路１１２は閉弁する。弁（弁体１１８，弁孔１６８）により第１冷媒通路１１２を通過する冷媒は絞り膨張されて霧状となる。

シャフト１２２は、ボディ１１６に形成される貫通路１４４に挿入される。シャフト１２２は、弁体１１８に接触する。また、ディスク１２４はシャフト１２２に接触する。弁体１１８とディスク１２４，シャフト１２２は互いに一体接合する必要はない。第２冷媒通路１１４と第１冷媒通路１１２の間で冷媒が漏れないようにするために、シャフト１２２の外側面と貫通路１４４の内側面の隙間（クリアランス）はできるだけ小さくすることが望ましい。

まとめると、以上の構成によれば、蒸発器１０４から膨張弁１００に流れこむ冷媒の過熱度（Super Heat）が高いときには、弁体１１８が押し下げられて第１冷媒通路１１２の弁開度が大きくなり、第１冷媒通路１１２を通過する冷媒の量が多くなり、冷媒の過熱度は低下させられる。過熱度が低いときには、弁体１１８が押し上げられて第１冷媒通路１１２の弁開度が小さくなり、第１冷媒通路１１２を通過する冷媒の量が少なくなり過熱度は高くなる。冷媒の流量を自動調整することで、過熱度を設定値付近に調整する。
スプリング１４０の下部は、アジャストネジ１４６が取り付けられる。アジャストネジ１４６の螺入量により、スプリング１４０の付勢力により定まる上記設定値を調整できる。

シャフト１２２には、更に、防振ばね１４８が当接する。防振ばね１４８は特許文献１に示す形状の板バネである。具体的には、防振ばね１４８は、平坦な側壁を有する断面三角形状の筒状体であり、その３つの側壁にそれぞれ一体にばね部分が形成される。シャフト１２２が防振ばね１４８から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１２２や弁体１１８の振動が抑制される。

図２は、図１の領域Ａの拡大図である。図３は、比較例における領域Ａの拡大図である。
図１に示したように、ボディ１１６の上面には開口が形成されており、この開口にパワーエレメント１２０を固定する。パワーエレメント１２０の下部も開口しているため、感温室１３６は連結路１３８を介して第２冷媒通路１１４と連通する。蒸発器１０４から送出された冷媒の一部は感温室１３６に入り、ディスク１２４の温度を変化させる。

第２冷媒通路１１４を通過する冷媒には、過熱度が低い運転領域では、気相冷媒だけでなく液相冷媒も含まれる。また、冷媒に含まれる微量の潤滑油もパワーエレメント１２０（感温室１３６）に入り込むことがある。液相冷媒や潤滑油（以下、まとめて「液体」とよぶ）は、気相冷媒に比べて熱伝達の時定数が小さいため、パワーエレメント１２０の感温機能を不安定化させる。

比較例における連結路１３８は円筒形状を有する（図３参照）。パワーエレメント１２０（ロウアーハウジング１３２）側の開口部分には水平方向に平坦な段差面１５０が形成されるため、ここに液体が滞留しやすい。一方、第１実施形態における連結路１３８は、パワーエレメント１２０側の開口部にテーパー面１５２（傾斜面）が形成される（図２参照）。連結路１３８の内側面のすべてがテーパー面１５２として形成されてもよいし、図２に示すようにパワーエレメント１２０側の一部（上部）だけにテーパー面１５２が形成されてもよい。図２においては、比較例のような段差面１５０（シャフト１２２の軸方向に垂直な面：軸垂直面）が形成されないため、感温室１３６に液体が入り込んでもそこで滞留することなく、液体が第２冷媒通路１１４に排出されやすくなる。テーパー面１５２は液体の重力落下を促す。
テーパー面１５２の軸垂直面に対する傾斜角ａは、５度以上は必要であり、１５度以上であることが望ましい。なお、本実施形態における軸垂直面は水平面である。

パワーエレメント１２０の開口は円形である。図２においては、連結路１３８のパワーエレメント１２０側（上面側）の開口直径Ｄ２は、いいかえれば、連結路１３８の上部側の開口直径Ｄ２は、パワーエレメント１２０の開口直径（内径）Ｄ１よりも大きい（Ｄ２＞Ｄ１）。すなわち、連結路１３８の上部側の開口面積は、パワーエレメント１２０の開口面積（下部開口面積）よりも大きい。ディスク１２４の下面よりも連結路１３８の上部開口面積が大きいため、ディスク１２４の下面全域に冷媒が触れやすく、感温室１３６の蒸発温度がディスク１２４に伝わりやすくなる。

第２冷媒通路１１４から見ると、連結路１３８は入口が狭く、出口（パワーエレメント１２０側開口）が大きくなっている。入口が広いと冷媒が感温室１３６に過度に流れ込み、密閉空間１３４の温度変化が大きくなりすぎる懸念がある。一方、出口は広い方が、ディスク１２４の下面全体の温度および圧力を均一化させやすくなる。
図２に示す構造は、連結路１３８の入口は過度に大きくせず、出口はなるべく大きくし、かつ、液体は滞留させない、という３つの設計要求に対応している。

図４は、第１実施形態の変形例における領域Ａの拡大図である。
図４においても連結路１３８の上部にテーパー面１５２が形成されるが、テーパー面１５２の上端部には段差面１５０が形成される。図４においても、連結路１３８の上部開口直径Ｄ２は、ロウアーハウジング１３２の開口内径Ｄ１よりも大きい。連結路１３８の上部側の開口面積は、パワーエレメント１２０の開口面積（下部開口面積）よりも大きいため、段差面１５０に液体が滞留しても、液体の温度がディスク１２４に伝わりにくい構造となっている。

テーパー面１５２は、なめらかな傾斜面であることが望ましいが、少なくとも、連結路１３８は、液体の重力落下を促すことが可能な傾斜部を含んでいればよい。

［第２実施形態］
図５は、第２実施形態における膨張弁１００の断面図である。図６は、図５の領域Ａの拡大図である。
第１実施形態と第２実施形態の違いは、パワーエレメント１２０に収容されるディスク１２４の形状にある。第２実施形態におけるディスク１２４は、その下面の一部が連結路１３８の内部まで突出している。このため、第２冷媒通路１１４を通過する冷媒とディスク１２４との接触面積が大きくなる。図５に示すように、ディスク１２４は、軸垂直面に平行な水平面１６８ａ，１６８ｂのほか、側面１７０でも冷媒と接触する。

特に、パワーエレメント１２０が小径化すると、パワーエレメント１２０の駆動力が小さくなる。その原因の一つは、パワーエレメント１２０の小径化にともなってディスク１２４の感温面（水平面１６８）の直径Ｄ３が小さくなってしまい、ディスク１２４の冷媒との接触面積が小さくなることである。そこで、第２実施形態のように、ディスク１２４の一部を感温室１３６から連結路１３８まで突出させることで冷媒と水平面１６８だけでなく側面１７０とも接触させることで、蒸発温度を密閉空間ガス室１３４に伝えやすくしている。

以上、実施の形態に基づいて、膨張弁１００、特に、ボディ１１６に形成される連結路１３８の形状を中心として説明した。
本実施形態によれば、連結路１３８から感温室１３６に進入した液体冷媒やオイルなどの液体成分が感温室１３６に滞留しにくくなるため、パワーエレメント１２０を安定的に駆動させやすくなる。

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。

上記実施形態では述べなかったが、図１に示されるシャフト１２２とシャフト１２２との間にＯリング等のシール部材を設け、第１冷媒通路１１２から第２冷媒通路１１４への冷媒の漏洩を防止または抑制するようにしてもよい。

上記実施形態の膨張弁は、冷媒として代替フロンなどを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、冷凍サイクルに凝縮器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１２０を構成するダイアフラム１２８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、ダイアフラム１２８に置き換えて皿ばね等を配置してもよい。

１００ 膨張弁、１０２ 凝縮器、１０４ 蒸発器、１０６ 圧縮機、１０８ レシーバ、１１０ カーエアコン、１１２ 第１冷媒通路、１１４ 第２冷媒通路、１１６ ボディ、１１８ 弁体、１２０ パワーエレメント、１２２ シャフト、１２４ ディスク、１２６ ねじ穴、１２８ ダイアフラム、１３０ アッパーハウジング、１３２ ロウアーハウジング、１３４ 密閉空間、１３６ 感温室、１３８ 連結路、１４０ スプリング、１４２ 弁体受、１４４ 貫通路、１４６ アジャストネジ、１４８ 防振ばね、１５０ 段差面、１５２ テーパー面、１６６ Ｏリング。

Claims (2)

1. 熱交換器を経て流入した冷媒を蒸発器に向けて通過させる第１の冷媒通路と、前記蒸発器から戻ってくる冷媒を圧縮機に向けて通過させる第２の冷媒通路と、を有するボディと、
   前記第２の冷媒通路を通過する冷媒の圧力および温度に応じて駆動力を発生させる駆動部と、
   前記第１および第２の冷媒通路の隔壁を貫通し、前記駆動力により変位する作動ロッドと、
   前記第１の冷媒通路に設置され、前記作動ロッドの変位に応じて前記第１の冷媒通路を開閉させる弁体と、を備え、
   前記第２の冷媒通路と前記駆動部をつなぐ連結路は、前記駆動部側の開口が拡大される傾斜部を有し、
   前記駆動部は、その膨張と収縮により前記作動ロッドに駆動力を伝えるガスが封入される密閉空間と、冷媒の温度を前記密閉空間に伝えるディスクを収容し、前記連結路側において開口する感温室と、を有し、
   前記ディスクの下面には水平面が形成され、
   前記傾斜部の少なくとも一部は、前記ディスクの下面の水平面と対向するように形成されることを特徴とする膨張弁。
2. 前記感温室の開口面積よりも、前記連結路の前記駆動部側の開口面積が大きいことを特徴とする請求項１に記載の膨張弁。

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