JP7074322B2 - 膨張弁 - Google Patents

Description

本発明は、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ついては、設置スペースや配管を省略するために、冷媒の通過量を温度に応じて調整する感温式の膨張弁が使用されている。

ところで、このような膨張弁において騒音が発生することが確認された。騒音の発生要因について、具体的に説明する。あるタイプの膨張弁においては、冷媒が入口ポートから弁室を通り、出口ポートへ向かう際に弁座と弁体とからなる弁を通過する。ここで、弁の開閉機能を確保するために、弁座に向かって弁体を付勢するコイルばねを弁室に設けている。しかるに、入口ポートから流入した冷媒がコイルばねの狭い巻線間を通過する際に流れの乱れが発生し、これが起振力となってコイルばねを振動させることにより、騒音の発生を招来する。

これに対し、特許文献１には、弁体とコイルばねとを連結するばね受けに、コイルばねの内側に沿って延在する円柱状の垂下体を設け、これによりコイルばねの巻線間を冷媒が通過することを抑制し、騒音の低減を図ることができる膨張弁が開示されている。

特許第６１８２３６３号公報

特許文献１に記載の膨張弁によれば、大きな騒音抑制効果が期待できるが、膨張弁の仕様によっては、低騒音化を図りつつもコストを優先して抑制したいという場合もある。

そこで本発明の目的は、低コストであり且つ低騒音を実現できる、改良された膨張弁を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明による膨張弁は、
供給側流路と排出側流路との間に設けられた弁室に配置され、前記供給側流路から前記排出側流路へと向かう流体が通過する環状の弁座を備えた弁本体と、
前記弁座に着座することにより前記流体の通過を阻止し、前記弁座から離間することにより前記流体の通過を許容する弁体と、
前記供給側流路から流入する流体の流れに対して側面を向けて前記弁室に配置され、前記弁体を前記弁座に向かって付勢するコイルばねと、
前記コイルばねによる付勢力に抗して、前記弁体を前記弁座から離間する方向に押圧する作動部材と、
前記弁体と前記コイルばねの一端との間に配置された弁体サポートと、
前記弁本体に取り付けられ、前記コイルばねの他端を保持する底部と、前記底部から前記コイルばねの内周に沿って軸線方向に延在する挿入部と、を備えたばね受け部材と、を有し、
前記供給側流路から前記ばね受け部材の挿入部の側面に向けて、前記弁室の入口を投影した場合に、前記ばね受け部材の挿入部は、投影した前記入口に対し前記コイルばねの軸線方向全体にわたって重なっており、
前記挿入部は、前記弁体サポートに対して軸線直交方向に見て重なっていない、ことを特徴とする。

本発明により、低コストであり且つ低騒音を実現できる、改良された膨張弁を提供することができる。

本実施形態における膨張弁１を、冷媒循環システムに適用した例を模式的に示す概略断面図である。 付勢装置４の近傍を拡大して示す断面図である。 比較例にかかる構成を示す図２と同様な断面図である。 横軸を流量（ｋｇ／ｈ）とし、縦軸を冷媒通過音の音圧（ｄＢ）とし、コイルばね４１の巻線間の隙間Ｓ（図３参照）をパラメータとしてプロットしたグラフである。

以下、図面を参照して、本発明にかかる実施形態について説明する。

（方向の定義）
本明細書において、弁体３から作動棒５に向かう方向を「上方向」と定義し、作動棒５から弁体３に向かう方向を「下方向」と定義する。よって、本明細書では、膨張弁１の姿勢に関わらず、弁体３から作動棒５に向かう方向を「上方向」と呼ぶ。
また、「流れ方向」とは、図２に矢印Ｆで示すように、第１流路２１から接続路２１ａを通り弁室ＶＳに向かう方向であって、接続路２１ａの軸線方向をいうものとする。

（膨張弁の概要）
図１を参照して、本実施形態における膨張弁１の概要について説明する。図１は、本実施形態における膨張弁１を、冷媒循環システム１００に適用した例を模式的に示す概略断面図である。なお、図１において、パワーエレメント８に対応する部分は側面図で示されており、その他の部分は断面図で示されている。本実施例では、膨張弁１は、コンプレッサ１０１と、コンデンサ１０２と、エバポレータ１０４とに流体接続されている。

膨張弁１は、弁室ＶＳを備える弁本体２と、弁体３と、付勢装置４と、作動棒（作動部材）５と、リングばね６とを具備する。

弁本体２は、弁室ＶＳに加え、第１流路２１および第２流路２２を備える。第１流路２１は供給側流路であり、弁室ＶＳには、供給側流路を介して冷媒(流体ともいう）が供給される。第２流路２２は排出側流路であり、弁室ＶＳ内の流体は、作動棒挿通孔２７及び排出側流路を介して膨張弁外に排出される。第１流路２１と弁室ＶＳとの間は、第１流路２１より小径の接続路２１ａにより連通している。接続路２１ａが、第２流路２２から流体が流入する弁室ＶＳの入口になる。

弁体３は、弁室ＶＳ内に配置される。弁体３が弁本体２の環状の弁座２０に着座しているとき、第１流路２１と第２流路２２とは非連通状態となる。一方、弁体３が弁座２０から離間しているとき、第１流路２１と第２流路２２とは連通状態となる。図1は、弁体３が弁座２０から離間した状態を示している。

作動棒挿通孔２７に隙間を持って挿通された作動棒５の下端は、弁体３の上面に接触している。また、作動棒５は、付勢装置４による付勢力に抗して弁体３を開弁方向に押圧することができる。作動棒５が下方向に移動するとき、弁体３は、弁座２０から離間し、膨張弁１が開状態となる。

リングばね６は、作動棒５の振動を抑制する防振部材である。このリングばね６は、弁本体２の環状部２６に配置されて、内周側に突出した爪部により、作動棒５の外周面に所定の弾性力を付与するようになっている。

図２は、付勢装置４の近傍を拡大して示す断面図である。付勢装置４は、円形の線材を螺旋状に巻いたコイルばね４１と、弁体サポート４２と、ばね受け部材４３とを有する。

ＳＵＳ製の弁体サポート４２は、フランジ状の保持部４２ａと、保持部４２ａの下端中央から下方に延在する円筒状の内側筒体４２ｂとから一体的に形成されている。内側筒体４２ｂの外径は、コイルばね４１の内径に略等しい。保持部４２ａの上面には、球状の弁体３が溶接され、両者は一体となっている。

図２において、樹脂製であるばね受け部材４３は、底部４３ａと、底部４３ａの上面から上方に延在する外側管状部４３ｂおよび内側筒部（挿入部）４３ｆと、を有する。ばね受け部材４３は樹脂製であるため、複雑な形状でもたとえば金型成形により安価に製造できる。環状の底部４３ａの外周には、弁本体２の弁室ＶＳの周壁となる取り付け孔２ａの開口端近傍に形成された雌ねじ２ｂに螺合する雄ねじ４３ｃが形成され、また環状の底部４３ａの下面には、不図示の工具等を係合させてばね受け部材４３を回転させるための係合凹部４３ｄが形成されている。外側管状部４３ｂの内径は、コイルばね４１の外径に略等しく、円筒状の内側筒部４３ｆの外径は、コイルばね４１の内径に略等しい。内側筒部４３ｆは、例えば中空円筒状に限らず、円柱状の中実部材であってもよい。

外側管状部４３ｂの外周には、段部４３ｅが形成されており、段部４３ｅに対向して弁本体２に形成された段部２ｃとの間の環状空間にＯ－リング４４が配置されている。Ｏ－リング４４は、取り付け孔２ａとばね受け部材４３との間を密封するものである。

組み付け時には、弁体３を溶接された弁体サポート４２の内側筒体４２ｂを、コイルばね４１の上端から内部へと挿入して、コイルばね４１の上端を保持部４２ａの下面に当接させる。更に、コイルばね４１の下端をばね受け部材４３の外側管状部４３ｂの内側且つ内側筒部４３ｆの外側に挿入し、底部４３ａの上面に当接させる。このとき、Ｏ－リング４４を段部４３ｅに取り付けておく。

かかる状態を保持しつつ、弁体サポート４２、コイルばね４１、およびばね受け部材４３からなるアッセンブリを、取り付け孔２ａから弁室ＶＳ内へと進入させ、雌ねじ２ｂに雄ねじ４３ｃを螺合させて、不図示の工具を用いて所定位置まで追い込む。このとき、接続路２１ａがコイルばね４１の側面に正対するようになる。ばね受け部材４３は、弁本体２に装着されることにより弁室ＶＳを封止するプラグとして機能する。

本実施の形態においては、接続路２１ａから弁室ＶＳに流入する冷媒の流れ方向Ｆ（ここでは左右方向）に見たときに、ばね受け部材４３の内側筒部４３ｆは、接続路２１ａの上端より上方に延在している。換言すれば、第１流路２１からばね受け部材４３の内側筒部４３ｆの側面に向けて、接続路２１ａを投影した場合に、ばね受け部材４３の内側筒部４３ｆは、投影した接続路２１ａと重なっている。この重なりは一部でもよく、更には投影した接続路２１ａの範囲全体にわたっていれば足りる。

また、詳細は後述するが、パワーエレメント８が最大ストロークで作動棒５を押し出したときに、弁体サポート４２の内側筒体４２ｂと、ばね受け部材４３の内側筒部４３ｆとの隙間Δは、コイルばね４１の巻線間の隙間Ｓ（図３参照）より小さくなっている。より具体的には、隙間Δは０．５ｍｍ以下である。

図１を参照して、膨張弁１の動作例について説明する。コンプレッサ１０１で加圧された冷媒は、コンデンサ１０２で液化され、膨張弁１に送られる。また、膨張弁１で断熱膨張された冷媒はエバポレータ１０４に送り出され、エバポレータ１０４で、エバポレータの周囲を流れる空気と熱交換される。エバポレータ１０４から戻る冷媒は、膨張弁１（より具体的には、戻り流路２３）を通ってコンプレッサ１０１側へ戻される。

膨張弁１には、コンデンサ１０２から高圧冷媒が供給される。より具体的には、コンデンサ１０２からの高圧冷媒は、第１流路２１を介して弁室ＶＳに供給される。

弁体３が、弁座２０に着座しているとき（換言すれば、膨張弁１が閉状態のとき）には、弁室ＶＳの上流側の第１流路２１と弁室ＶＳの下流側の第２流路２２とは、非連通状態である。他方、弁体３が、弁座２０から離間しているとき（換言すれば、膨張弁１が開状態のとき）には、弁室ＶＳに供給された冷媒は、作動棒挿通孔２７及び第２流路２２を通って、エバポレータ１０４へ送り出される。なお、膨張弁１の閉状態と開状態との間の切り換えは、パワーエレメント８に接続された作動棒５によって行われる。

図１の例では、パワーエレメント８は、膨張弁１の上端部に配置されている。パワーエレメント８の内部には、ダイアフラム８１により仕切られた第１空間８２と第２空間８３とが設けられ、第１空間８２には作動ガスが充填されている。

ダイアフラム８１の下面は、ダイアフラム支持部材８４を介して作動棒５に接続される。このため、第１空間８２内の作動ガスが液化されると、作動棒５は上方向に移動し、液化された作動ガスが気化されると、作動棒５は下方向に移動する。こうして、膨張弁１の開状態と閉状態との間の切り換えが行われる。「作動棒５の最大ストローク」とは、ダイアフラム支持部材８４が弁本体２に当接して、それ以上押し下げられない位置まで移動することをいう。

パワーエレメント８の第２空間８３は、戻り流路２３と連通している。このため、戻り流路２３を流れる冷媒の温度、圧力に応じて、第１空間８２内の作動ガスの相（気相、液相等）が変化し、作動棒５が駆動される。換言すれば、図１に記載の膨張弁１では、エバポレータ１０４から膨張弁１に戻る冷媒の温度、圧力に応じて、膨張弁１からエバポレータ１０４に向けて供給される冷媒の量が自動的に調整される。

次に、比較例を参照して、本実施形態の効果について説明する。図３は、比較例にかかる構成を示す図２と同様な断面図である。図３において、比較例のばね受け部材４３’は、内側管状部を有しない。それ以外の構成は、上述した実施の形態と同様である。

比較例の場合、弁体３が弁座２０から離間すると、接続路２１ａがコイルばね４１の側面に正対していることから、第１流路２１及び接続路２１ａから弁室ＶＳに流入する冷媒が、図３に矢印Ｂで示すように、コイルばね４１の巻線間の隙間Ｓからコイルばね４１内に進入し、反対側から抜け出るようになっている。この際に、冷媒がコイルばね４１を振動させ、それにより騒音が発生することとなる。

これに対し、本実施形態によれば、図２に示すように接続路２１ａから弁室ＶＳに流入する冷媒の流れ方向に見たときに、ばね受け部材４３の内側筒部４３ｆが、接続路２１ａの上端より上方に延在している。したがって、第１流路２１及び接続路２１ａから弁室ＶＳに流入する冷媒が、矢印Ａに示すように、コイルばね４１の巻線間に進入しようとしても、内側筒部４３ｆの外周に弾かれて内部への進入を阻止されてしまい、コイルばね４１の巻線間の隙間を通過しないため、コイルばね４１を振動させることがない。これにより騒音を効果的に抑制することができる。

ここで、弁体サポート４２の内側筒体４２ｂと、ばね受け部材４３の内側筒部４３ｆとの隙間Δの適正値について検討する。膨張弁における冷媒通過音の試験結果を、図４にグラフとして示す。

図４は、横軸を流量（ｋｇ／ｈ）とし、縦軸を冷媒通過音の音圧（ｄＢ）とし、コイルばね４１の巻線間の隙間Ｓ（図３参照）をパラメータとしてプロットしたグラフである。当該グラフからは、隙間Ｓが０．５４ｍｍ以下のときには、それ以上の場合と比較して音圧の大幅な低下が見られ、冷媒通過音の低減効果が著しいことが解る。

この試験結果より、騒音低減効果を発揮するには、弁体サポート４２の内側筒体４２ｂと、ばね受け部材４３の内側筒部４３ｆとの隙間Δを、開弁方向における作動棒５の最大ストロークの位置で、コイルばね４１の巻線間の隙間Ｓより小さくすることが好ましいことがわかる。具体的な数値としては、隙間Δを０．５ｍｍ以下とすることが好ましい。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されない。本発明の範囲内において、上述の実施形態の任意の構成要素の変形が可能である。また、上述の実施形態において任意の構成要素の追加または省略が可能である。

１ ：膨張弁
２ ：弁本体
３ ：弁体
４ ：付勢装置
５ ：作動棒
６ ：リングばね
８ ：パワーエレメント
２０ ：弁座
２１ ：第１流路
２２ ：第２流路
２３ ：戻り流路
２６ ：環状部
２７ ：作動棒挿通孔
４１ ：コイルばね
４２ ：弁体サポート
４３ ：ばね受け部材
１００ ：冷媒循環システム
１０１ ：コンプレッサ
１０２ ：コンデンサ
１０４ ：エバポレータ
ＶＳ ：弁室

Claims (4)

1. 供給側流路と排出側流路との間に設けられた弁室に配置され、前記供給側流路から前記排出側流路へと向かう流体が通過する環状の弁座を備えた弁本体と、
   前記弁座に着座することにより前記流体の通過を阻止し、前記弁座から離間することにより前記流体の通過を許容する弁体と、
   前記供給側流路から流入する流体の流れに対して側面を向けて前記弁室に配置され、前記弁体を前記弁座に向かって付勢するコイルばねと、
   前記コイルばねによる付勢力に抗して、前記弁体を前記弁座から離間する方向に押圧する作動部材と、
   前記弁体と前記コイルばねの一端との間に配置された弁体サポートと、
   前記弁本体に取り付けられ、前記コイルばねの他端を保持する底部と、前記底部から前記コイルばねの内周に沿って軸線方向に延在する挿入部と、を備えたばね受け部材と、を有し、
   前記供給側流路から前記ばね受け部材の挿入部の側面に向けて、前記弁室の入口を投影した場合に、前記ばね受け部材の挿入部は、投影した前記入口に対し前記コイルばねの軸線方向全体にわたって重なっており、
   前記挿入部は、前記弁体サポートに対して軸線直交方向に見て重なっていない、
   ことを特徴とする膨張弁。
2. 前記供給側流路から前記ばね受け部材の挿入部の側面に向けて、前記弁室の入口を投影した場合に、前記ばね受け部材の挿入部は、前記投影した入口の範囲全体にわたっている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の膨張弁。
3. 前記弁体サポートは、前記弁体を保持する保持部と、前記コイルばねの内周に沿って軸線方向に延在する内側筒体とを備え、前記内側筒体の端部と、これに対向する前記挿入部の端部との隙間Δは、開弁方向における前記作動部材の最大ストロークの位置で、前記コイルばねの巻線間の隙間Ｓより小さい、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の膨張弁。
4. 前記隙間Δは０．５mm以下である、
   ことを特徴とする請求項３に記載の膨張弁。

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