JP6961232B2 - パワーエレメントおよびそれを有する膨張弁 - 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、および、この膨張弁が有するパワーエレメントに関する。

従来、自動車に搭載される空調装置等の冷凍サイクルにおいて、冷媒の通過量を温度に応じて調整する感温機構内蔵型の膨張弁が用いられている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

このような膨張弁は、弁本体と、弁本体に取り付けられた弁部材駆動装置であるパワーエレメントと、を有している。弁本体には、入口ポート、弁室、弁孔および出口ポートが順に連なって構成された、高圧の冷媒が流れる第１の冷媒流路が設けられている。また、弁本体には、パワーエレメントに通じる第２の冷媒流路が設けられている。弁室には、球状の弁部材が配置されている。この弁部材は、コイルばねによって、弁孔の弁室側開口部に設けられた弁座に向けて押圧されている。また、弁孔には、弁棒が挿通されている。この弁棒は、一方の端部が弁部材を介してコイルばねと対向しており、他方の端部がパワーエレメントに取り付けられている。

パワーエレメントは、上蓋部材と受け部材との間に、圧力を受けて弾性変形する薄板のダイアフラムを挟んで構成されている。上蓋部材とダイアフラムとの間には圧力作動室が形成されている。ダイアフラムと受け部材との間には金属製のストッパ部材が配置されている。ストッパ部材は、弁棒の他方の端部が当接される受け部が設けられている。パワーエレメントは、第２の冷媒流路を流れる冷媒の熱がストッパ部材およびダイアフラムを介して圧力作動室に伝わると、圧力作動室に充填されたガスが膨張する。これにより、ダイアフラムがストッパ部材側に膨らむように変形し、ストッパ部材および弁棒を介して弁部材を駆動して、弁部材と弁座との間の開度を制御する。

特許第５１００１３６号 特開２０１６−１９６９８２号公報

膨張弁は、自動車に搭載する際のスペースおよび重量の制約から小型化が求められている。膨張弁を小型化すると、第２の冷媒流路とパワーエレメントとが近づくので、圧力作動室に冷媒の熱が伝わりやすくなり、パワーエレメントにおいて冷媒の温度変化に対する感度が高まる。これにより、冷媒の流量が短い周期で変動を繰り返すいわゆるハンチング現象が生じるおそれがある。このようなハンチング現象は、熱伝導率の低い樹脂製のストッパ部材を採用して冷媒の温度変化に対する感度を適正化することで抑制できる。

ところで、パワーエレメントの受け部材は中央部に貫通孔が設けられており、ストッパ部材のフランジ部がこの貫通孔の周縁部に接することで、ストッパ部材の脱落を防いでいる。樹脂製のストッパ部材は、脱落を確実に防ぐためにフランジ部をより外側に広げることが望まれる。しかしながら、パワーエレメントは、上蓋部材とダイアフラムと受け部材とを重ね合わせてこれらが一体となるように外周部を溶接により接合している。そのため、ストッパ部材が溶接時の熱の影響を受けて変形してしまうおそれがある。

そこで、本発明の目的は、溶接の熱による樹脂製のストッパ部材の変形を抑制できるパワーエレメント、および、このパワーエレメントを有する膨張弁を提供することにある。

本発明者らは、溶接時の熱が主に受け部材を通じてストッパ部材に伝わることに着目し、受け部材の形状や厚さなどの異なるパワーエレメントを多数作製し、シミュレーションを併用しながら、溶接時の熱がストッパ部材に与える影響について鋭意検討を重ねた。その結果、受け部材の形状や厚さなどにかかわらず、上記影響を効果的に抑制できる構成を見いだし、本発明に至った。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係るパワーエレメントは、ダイアフラムと、前記ダイアフラムの一方の面に重ねられ、前記ダイアフラムとの間に圧力作動室を形成する上蓋部材と、前記ダイアフラムの他方の面に重ねられ、前記ダイアフラムとの間に冷媒流入室を形成する受け部材と、前記冷媒流入室に収容された樹脂製のストッパ部材と、を有し、前記受け部材の中央部に貫通孔が設けられ、前記ストッパ部材は、円柱部と、前記円柱部の一端部に設けられ、前記受け部材の前記貫通孔の周縁部に接する円環状のフランジ部と、を有し、前記円柱部の他端部の端面には、穴状の受け部が設けられ、前記上蓋部材、前記受け部材および前記ダイアフラムは、一体となるように外周部が溶接されており、前記フランジ部における前記受け部材と接する部分と前記外周部の外周端との径方向の距離が６ｍｍ以上であることを特徴とする。

本発明において、前記圧力作動室の圧力と前記冷媒流入室の圧力とが等しいとき、前記ダイアフラムと前記ストッパ部材との間に隙間が生じるように構成されている。
前記受け部材が、中央部に前記貫通孔が設けられた、段部を有する円環状の部材のみで構成されていてもよい。

上記目的を達成するため、本発明の他の一態様に係る膨張弁は、弁室および弁孔を有する冷媒流路が設けられた弁本体と、前記弁室に配置された弁部材と、前記弁部材を前記弁孔の弁室側開口部に向けて押圧するコイルばねと、前記弁孔に挿通され、前記弁部材を介して前記コイルばねと対向するように配置された弁棒と、前記弁棒を介して前記弁部材を駆動するパワーエレメントと、を有し、前記パワーエレメントが、上記パワーエレメントで構成され、前記ストッパ部材の前記受け部には、前記弁棒の端部が挿入されていることを特徴とする。

本発明によれば、上蓋部材、受け部材およびダイアフラムは、一体となるように外周部が溶接されている。樹脂製のストッパ部材は、ダイアフラムと受け部材との間に形成された冷媒流入室に収容されているとともに、受け部材の中央部に設けられた貫通孔の周縁部に接するフランジ部を有している。そして、フランジ部における受け部材と接する部分と外周部の外周端との径方向の距離が６ｍｍ以上である。このようにしたことから、受け部材を通じてストッパ部材に伝わる溶接の熱を小さくして、溶接の熱によるストッパ部材の変形を抑制できる。

本発明の第１実施例に係る膨張弁の正面図である。 図１の膨張弁の縦断面図である。 図１の膨張弁が有するパワーエレメントの断面図である。 図３のパワーエレメントの変形例の構成を示す断面図である。 本発明の第２実施例に係る膨張弁の正面図である。 図５の膨張弁の縦断面図である。 図５の膨張弁が有するパワーエレメントの断面図である。

（第１実施例）
以下に、本発明の第１実施例に係る膨張弁について、図１〜図４を参照して説明する。第１実施例に係る膨張弁は、パワーエレメントをねじ構造により弁本体に取り付けるものである。

図１は、本発明の第１実施例に係る膨張弁の正面図である。図２は、図１の膨張弁の縦断面図である。図３は、図１の膨張弁が有するパワーエレメントの断面図である。図４は、図３のパワーエレメントの変形例の構成を示す断面図である。以下の説明において、「上下」とは、各図における上下のことを指す。

図１および図２に示すように、第１実施例に係る膨張弁１は、弁本体１０と、パワーエレメント３０、弁部材４０と、支持部材４５と、コイルばね５０と、調整ねじ５５と、弁棒６０と、防振部材６５と、を有している。

弁本体１０は、例えば、図１の紙面と直交する方向にアルミニウム（またはアルミニウム合金）を押し出すことにより成形された略四角柱状の押出成形体に対して、機械加工を施すことによって得られる。弁本体１０は、第１の冷媒流路１１と、第２の冷媒流路１２と、パワーエレメント取付部２０と、調整ねじ取付部２２と、が設けられている。

第１の冷媒流路１１は、入口ポート１３、弁室１４、弁孔１５および出口ポート１６を有している。これらは順に連なっている。入口ポート１３は、弁本体１０の前面１０ａに開口している。入口ポート１３は、小径孔１３ａを介して弁室１４に側方から通じている。出口ポート１６は、弁本体１０の後面１０ｂに開口している。出口ポート１６は、オリフィスとなる弁孔１５を介して弁室１４に上方から通じている。弁孔１５の弁室側開口部には弁座１７が設けられている。

第２の冷媒流路１２は、第１の冷媒流路１１の上方に設けられている。第２の冷媒流路１２は、弁本体１０の後面１０ｂに入口が設けられ、前面１０ａに出口が設けられている。第２の冷媒流路１２は、弁本体１０を後面１０ｂから前面１０ａまで直線状に貫通している。

また、弁本体１０には、上下に延びる通し孔１８が設けられている。弁室１４、弁孔１５、通し孔１８および後述する均圧孔２１は、それぞれの中心軸が同一直線上になるように配置されている。通し孔１８の第２の冷媒流路１２側の端部には大径部１８ａが設けられている。

パワーエレメント取付部２０は、弁本体１０の上面１０ｃに設けられた円柱状の穴部である。パワーエレメント取付部２０の内周面には雌ねじが切られている。パワーエレメント取付部２０の底面には、第２の冷媒流路１２に通じる均圧孔２１が設けられている。パワーエレメント取付部２０の中心軸方向（図２の上下方向）は、第２の冷媒流路１２が延びる方向（図２の左右方向）と直交している。

調整ねじ取付部２２は、弁本体１０の下面１０ｄに設けられた円形孔である。調整ねじ取付部２２は、弁室１４と通じている。調整ねじ取付部２２の内周面には雌ねじが切られている。調整ねじ取付部２２の開口部分を後述する調整ねじ５５で塞ぐことにより、弁室１４が外部に対して閉じられる。

弁本体１０の前面１０ａには、図示しない蒸発器や他の部品等に取り付けるための取付穴２３が設けられている。取付穴２３の内周面に雌ねじが切られていてもよい。

図３に示すように、パワーエレメント３０は、上蓋部材３１と、受け部材３２と、ダイアフラム３３と、ストッパ部材３４と、を有している。上蓋部材３１、受け部材３２およびダイアフラム３３は、例えば、ステンレス鋼などの金属を材料として構成されている。ストッパ部材３４は、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、シンジオタクチックポリスチレン（ＳＰＳ）またはポリアミドイミド（ＰＡＩ）などの樹脂を材料として構成されている。パワーエレメント３０の各部材は、本発明の目的に反しない限り、これら以外の材料で構成されていてもよい。

上蓋部材３１は、円環状の外周部３１ａと、外周部３１ａの内周縁に連接された略円錐形状の内側部３１ｂと、を有している。内側部３１ｂの中央部には作動ガス注入孔３１ｃが設けられている。

受け部材３２は、中央部に貫通孔３５が設けられた、段部を有する円環状の外周部３２ａと、外周部３２ａの内周縁（貫通孔３５の周縁部３５ａ）に連接された下方に延びる円筒部３２ｂと、を有している。円筒部３２ｂの外周面には、パワーエレメント取付部２０の雌ねじに螺合する雄ねじが切られている。

ダイアフラム３３は、波形の断面を有する円環状の外周部３３ａと、外周部３３ａの内周縁に連接された円形平板状の中央部３３ｂと、を有している。ダイアフラム３３は、上蓋部材３１および受け部材３２挟まれている。

上蓋部材３１は、その外周部３１ａがダイアフラム３３の外周部３３ａの上面（一方の面）に重ねられ、受け部材３２は、その外周部３２ａがダイアフラム３３の外周部３３ａの下面（他方の面）に重ねられる。これらを重ね合わせた状態で、上蓋部材３１の外周部３１ａ、受け部材３２の外周部３２ａおよびダイアフラム３３の外周部３３ａが全周にわたって溶接（周溶接）されている。溶接により、上蓋部材３１、受け部材３２およびダイアフラム３３が一体化されている。溶接方法としては、局所的な加工に適したＴＩＧ（ＴＵＮＧＳＴＥＮ ＩＮＥＲＴ ＧＡＳ）溶接、またはレーザー溶接が好ましい。

上蓋部材３１は、ダイアフラム３３との間に圧力作動室３６を形成している。圧力作動室３６には、作動ガス注入孔３１ｃから作動ガスが注入される。作動ガス注入孔３１ｃは、作動ガス注入後に封止栓３８により塞がれる。受け部材３２は、ダイアフラム３３との間に冷媒流入室３７を形成している。

ストッパ部材３４は、貫通孔３５より若干小径の円柱部３４ａと、円柱部３４ａの上端部に設けられた、貫通孔３５より大径の円環状のフランジ部３４ｂと、を有している。ストッパ部材３４は、円柱部３４ａが受け部材３２の円筒部３２ｂに挿通され、フランジ部３４ｂが冷媒流入室３７に収容される。

フランジ部３４ｂは、受け部材３２の貫通孔３５の周縁部３５ａに接しており、これにより、ストッパ部材３４が貫通孔３５からの脱落することを防いでいる。

本実施例において、上蓋部材３１、受け部材３２およびダイアフラム３３は、一体となるように外周部３１ａ、３２ａ、３３ａが溶接されている。そして、フランジ部３４ｂにおける受け部材３２と接する部分Ｓと外周部３１ａ、３２ａ、３３ａの外周端Ｔとの径方向の距離Ｄが６ｍｍ以上である。本発明者らは、多数の試作品を用いて確認した結果、この距離Ｄを６ｍｍ以上にすることで、パワーエレメント作製時の溶接の熱によるストッパ部材３４の変形を抑制できることをつきとめた。

ストッパ部材３４の上面３４ｃは、ダイアフラム３３の中央部３３ｂと対向して配置される。圧力作動室３６の圧力が高まるとダイアフラム３３が膨らみ、中央部３３ｂによってストッパ部材３４の上面３４ｃが下方に押される。ストッパ部材３４の下面３４ｄには、後述する弁棒６０の上端部６１（他方の端部）が挿入される穴状の受け部３４ｅが設けられている。

本実施例において、作動ガス注入孔３１ｃを封止栓３８で塞ぐ前など、圧力作動室３６の圧力と冷媒流入室３７の圧力とが等しいとき、ダイアフラム３３とストッパ部材３４との間に隙間が生じるように構成されている。このようにすることで、溶接の熱がダイアフラム３３を通じてストッパ部材３４に伝わることを防止することができる。また、上記隙間のない構成では、ダイアフラム３３によってストッパ部材３４が受け部材３２に押しつけられ、受け部材３２の熱の影響をより強く受けてしまうおそれがある。そのため、上記隙間を設けることで、溶接の熱によるストッパ部材３４の変形をより効果的に抑制できる。

パワーエレメント３０は、受け部材３２の雄ねじがパワーエレメント取付部２０の雌ねじと螺合される。すなわち、弁本体１０にネジ構造によってパワーエレメント３０が取り付けられている。パワーエレメント３０は、受け部材３２と弁本体１０との間に円環状のシール部材３９を圧縮して挟み込んだ状態で弁本体１０に取り付けられる。パワーエレメント３０は、パワーエレメント取付部２０に取り付けられると、均圧孔２１を介して第２の冷媒流路１２と冷媒流入室３７とが通じる。

弁部材４０は、弁室１４に配置された球状の部材である。

支持部材４５は、弁部材４０を弁座１７に対向するように支持する。弁部材４０が支持部材４５に固定された構成でもよい。

コイルばね５０は、支持部材４５と調整ねじ５５との間に圧縮状態で設置されている。コイルばね５０は、支持部材４５を介して弁部材４０を弁座１７に向けて押圧している。

調整ねじ５５は、弁本体１０の調整ねじ取付部２２に螺合されている。調整ねじ５５のねじ込み量を調整することにより、コイルばね５０の弾性力（押圧力）を調整できる。

弁棒６０は、弁本体１０の弁孔１５、通し孔１８および均圧孔２１のそれぞれに挿通されている。弁棒６０の下端部６２（一方の端部）は、弁部材４０に接しており、弁部材４０および支持部材４５を介してコイルばね５０と対向するように配置されている。弁棒６０の上端部６１は、パワーエレメント３０のストッパ部材３４の受け部３４ｅに挿入される。これにより、パワーエレメント３０によって、弁棒６０を介して弁部材４０が駆動される。

防振部材６５は、通し孔１８の大径部１８ａに配置されている。防振部材６５は、例えば、複数の板ばね状の部材で構成され、弁棒６０を周囲から押圧する。これにより、弁棒６０及び弁部材４０の振動を防止する。

次に、膨張弁１の動作について説明する。膨張弁１は、冷媒が入口ポート１３に流入し、弁室１４及び弁孔１５を通過して膨張され、出口ポート１６から流出して蒸発器（図示せず）へ送り出される。また、この蒸発器を通過した冷媒は、第２の冷媒流路１２の入口から出口に抜けるように通過し、圧縮機（図示せず）へ戻る。このとき、第２の冷媒流路１２を通過する冷媒の一部は均圧孔２１からパワーエレメント３０の冷媒流入室３７に流入する。そして冷媒流入室３７に流入した冷媒の温度変化に応じて圧力作動室３６の圧力が変化する。圧力作動室３６の圧力に応じて変形したダイアフラム３３の動きを受け、ストッパ部材３４が上下に移動する。そして、ストッパ部材３４の移動が弁棒６０を介して弁部材４０に伝達される。これにより、膨張弁１は、冷媒の温度に応じて流量を自動的に調整する。

以上より、膨張弁１によれば、パワーエレメント３０の上蓋部材３１、受け部材３２およびダイアフラム３３は、一体となるように外周部３１ａ、３２ａ、３３ａが溶接されている。樹脂製のストッパ部材３４は、ダイアフラム３３と受け部材３２との間に形成された冷媒流入室３７に収容されているとともに、受け部材３２の中央部に設けられた貫通孔３５の周縁部３５ａに接するフランジ部３４ｂを有している。そして、フランジ部３４ｂにおける受け部材３２と接する部分Ｓと外周部３１ａ、３２ａ、３３ａの外周端Ｔとの径方向の距離Ｄが６ｍｍ以上である。このようにしたことから、受け部材３２を通じてストッパ部材３４に伝わる溶接の熱を小さくして、溶接の熱によるストッパ部材３４の変形を抑制できる。

なお、図４に示すように、上述したパワーエレメント３０を全体的に小型化したパワーエレメント３０Ａにおいても、フランジ部３４ｂにおける受け部材３２と接する部分Ｓと外周部３１ａ、３２ａ、３３ａの外周端Ｔとの径方向の距離Ｄを６ｍｍ以上にすることで、パワーエレメント作製時の溶接の熱によるストッパ部材３４の変形を抑制することができる。

（第２実施例）
以下に、本発明の第２実施例に係る膨張弁について、図５〜図７を参照して説明する。第２実施例に係る膨張弁は、パワーエレメントをカシメ構造により弁本体に取り付けるものである。

図５は、本発明の第２実施例に係る膨張弁の正面図である。図６は、図５の膨張弁の縦断面図である。図７は、図５の膨張弁が有するパワーエレメントの断面図である。以下の説明においても、「上下」とは、各図における上下のことを指す。また、第１実施例と同等の機能を有する部材等については、第１実施例と同一の符号を付して説明を省略する。

図５および図６に示すように、第２実施例に係る膨張弁２は、弁本体１０Ｂと、パワーエレメント３０Ｂと、弁部材４０と、支持部材４５と、コイルばね５０と、調整ねじ５５と、弁棒６０と、防振部材６５と、を有している。

弁本体１０Ｂは、内周面に雌ねじが切られた円柱状の穴部からなるパワーエレメント取付部２０に代えて、カシメ構造を有するパワーエレメント取付部２０Ｂを有していること以外は、第１実施例の弁本体１０と同等の構成を有している。

パワーエレメント取付部２０Ｂは、弁本体１０Ｂの上面１０ｃに一体に設けられている。パワーエレメント取付部２０Ｂは、パワーエレメント３０Ｂを取り付ける前は円筒形状を有し、パワーエレメント３０Ｂが内側に収容された後、上方を向く先端部を内側に折り曲げて、パワーエレメント３０Ｂの外周部にかしめることにより、パワーエレメント３０Ｂを弁本体１０Ｂに取り付ける。

パワーエレメント３０Ｂは、外周部３２ａおよび円筒部３２ｂを有する受け部材３２に代えて、段部を有する外周部３２ａのみ有する受け部材３２Ｂを有していること以外は、第１実施例のパワーエレメント３０と同等の構成を有している。

このパワーエレメント３０Ｂにおいても、第１実施例と同様に、フランジ部３４ｂにおける受け部材３２と接する部分Ｓと外周部３１ａ、３２ａ、３３ａの外周端Ｔとの径方向の距離Ｄが６ｍｍ以上である。そのため、パワーエレメント作製時の溶接の熱によるストッパ部材３４の変形を抑制することができる。

上記に本発明の実施例を説明したが、本発明はこれらの例に限定されない。前述の実施例に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、実施例の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の趣旨を逸脱しない限り、本発明の範囲に含まれる。

１、２…膨張弁、１０、１０Ｂ…弁本体、１０ａ…前面、１０ｂ…後面、１０ｃ…上面、１０ｄ…下面、１１…第１の冷媒流路、１２…第２の冷媒流路、１３…入口ポート、１４…弁室、１５…弁孔、１６…出口ポート、１７…弁座、１８…通し孔、１８ａ…大径部、２０、２０Ｂ…パワーエレメント取付部、２１…均圧孔、２２…調整ねじ取付部、２３…取付穴、３０、３０Ａ、３０Ｂ…パワーエレメント、３１…上蓋部材、３１ａ…外周部、３１ｂ…内側部、３１ｃ…作動ガス注入孔、３２、３２Ｂ…受け部材、３２ａ…外周部、３２ｂ…円筒部、３３…ダイアフラム、３３ａ…外周部、３３ｂ…中央部、３４…ストッパ部材、３４ａ…円柱部、３４ｂ…フランジ部、３４ｃ…上面、３４ｄ…下面、３４ｅ…受け部、３５…貫通孔、３５ａ…周縁部、３６…圧力作動室、３７…冷媒流入室、３８…封止栓、３９…シール部材、４０…弁部材、４５…支持部材、５０…コイルばね、５５…調整ねじ、６０…弁棒、６１…上端部、６２…下端部、６５…防振部材、Ｓ…フランジ部における受け部材に接する部分、Ｔ…外周端、Ｄ…距離

Claims (3)

1. ダイアフラムと、
   前記ダイアフラムの一方の面に重ねられ、前記ダイアフラムとの間に圧力作動室を形成する上蓋部材と、
   前記ダイアフラムの他方の面に重ねられ、前記ダイアフラムとの間に冷媒流入室を形成する受け部材と、
   前記冷媒流入室に収容された樹脂製のストッパ部材と、を有し、
   前記受け部材の中央部に貫通孔が設けられ、
   前記ストッパ部材は、円柱部と、前記円柱部の一端部に設けられ、前記受け部材の前記貫通孔の周縁部に接する円環状のフランジ部と、を有し、
   前記円柱部の他端部の端面には、穴状の受け部が設けられ、
   前記上蓋部材、前記受け部材および前記ダイアフラムは、一体となるように外周部が溶接されており、
   前記フランジ部における前記受け部材と接する部分と前記外周部の外周端との径方向の距離が６ｍｍ以上であり、
   前記圧力作動室の圧力と前記冷媒流入室の圧力とが等しいとき、前記ダイアフラムと前記ストッパ部材との間に隙間が生じるように構成されていることを特徴とするパワーエレメント。
2. 前記受け部材が、中央部に前記貫通孔が設けられた、段部を有する円環状の部材のみで構成されている、請求項１に記載のパワーエレメント。
3. 弁室および弁孔を有する冷媒流路が設けられた弁本体と、
   前記弁室に配置された弁部材と、
   前記弁部材を前記弁孔の弁室側開口部に向けて押圧するコイルばねと、
   前記弁孔に挿通され、前記弁部材を介して前記コイルばねと対向するように配置された弁棒と、
   前記弁棒を介して前記弁部材を駆動するパワーエレメントと、を有し、
   前記パワーエレメントが、請求項１または請求項２に記載のパワーエレメントで構成され、
   前記ストッパ部材の前記受け部には、前記弁棒の端部が挿入されていることを特徴とする膨張弁。

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