JP7153911B2 - 膨張弁 - Google Patents

Description

本発明は、膨張弁に関する。

自動車に搭載される空調装置等に用いる冷凍サイクルシステムにおいては、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。

一般的な膨張弁において、弁室内に配設される球状の弁体は、弁室に開口した弁座に対向し配置される。弁体は、弁室内に配置された弁体サポートに支持され、弁本体に取り付けられたばね受け部材と弁体サポートとの間に設置されたコイルバネにより弁座方向へ付勢される。そして、弁体は、パワーエレメントにより駆動される作動棒により押されて、弁座から離間して冷媒の通過を可能にする。弁座と弁体の間の絞り流路を通った冷媒は、出口ポートから蒸発器側へ送られる。

ところで、冷凍サイクルシステムの起動当初には、弁座と弁体の間の絞り流路を通過する冷媒の液密度が低く、流動抵抗が小さくなるほど冷媒の流速が大きくなって弁部における摩擦音が大きくなるから、その対策として冷媒の流量制限が必要になる。一方、冷凍サイクルの起動時から時間が経過した安定期では、冷凍サイクルの起動時に比べて液密度が高くなっているから摩擦音は小さくなり、そのため過度な流量制限の必要がなく、むしろ十分な冷媒流量を確保したいという相反する要求がある。

これに対し特許文献１には、冷凍サイクルシステムの起動時における冷媒の摩擦音の低減と、絞り流路を通過する冷媒の必要流量を確保とをバランスよく両立するように、弁室への冷媒入り口と、弁体サポートと弁室との隙間を規定した膨張弁が開示されている。

特許第５３６９２５９号公報

一方、膨張弁においては、冷媒の摩擦音以外の騒音も生じうる。例えば、冷凍サイクルシステムのコンプレッサ起動により冷媒が弁室を通過する際に、冷媒内の大きな気泡が弁室内で破裂することにより騒音が発生する。この騒音を気泡破裂音という。特許文献１に開示された膨張弁では、このような気泡破裂音を効果的に減少させることができない。

そこで本発明の目的は、簡素な構成を有しながらも、気泡破裂音を減少可能な、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、
弁室に配置された弁座を有し、供給側流路を通って前記弁室に進入した流体が前記弁座を通って排出側流路に流れる弁本体と、
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ボールと、前記ボールに連結された鍔部とを備えた可動弁と、
前記可動弁の鍔部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、前記可動弁を前記弁座から離間する方向に押圧する作動部材と、を有し、
前記弁室は、前記弁座につながる第１内壁を有し、
前記第１内壁の内径は、前記鍔部の外径より小さくなっており、
前記可動弁の軸線に直交し且つ前記ボールの最大径を通過する面内における、前記第１内壁の断面積と前記ボールの断面積の差を第１通過面積としたときに、前記作動部材により前記可動弁が移動される範囲内において、前記第１通過面積は一定である、
ことを特徴とする。

本発明により、簡素な構成を有しながらも、気泡破裂音を減少可能な、改良された膨張弁を提供することができる。

図１は、本実施形態における膨張弁１を、冷媒サイクル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。 図２は、弁体３及び弁体サポート４２の近傍を示す拡大断面図である。 図３は、参考例にかかる構成を示す図２と同様な断面図である。 図４は、本実施形態にかかる弁座周辺を拡大して示す断面図である。 図５は、参考例にかかる弁座周辺を拡大して示す断面図である。

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。

（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、冷媒サイクルシステム１００に適用した例を模式的に示す概略断面図である。本実施形態では、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とに接続されており、これらにより冷媒サイクルシステム１００が構成される。

膨張弁１は、円筒状の弁室ＶＳを備える弁本体２と、弁体（ボール）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、例えば供給側流路であり、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、例えば排出側流路であり、弁室ＶＳ内の流体は、作動棒挿通孔２７及び第２流路２２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により接続されている。

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。

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。ばね受け部材４３は、弁本体２の弁室ＶＳに開口する開口部２８に螺着されており、コイルばね４１の下端を支持している。ばね受け部材４３と、弁室ＶＳの内壁との間には、Ｏ－リング４４が配置されており、冷媒漏れを防止している。

図２は、弁体３及び弁体サポート４２の近傍を示す拡大断面図である。図２において、ＳＵＳ製の弁体サポート４２は、環状の鍔部４２ａと、鍔部４２ａから下方に延在する円筒状の内側筒体４２ｂとから形成されている。内側筒体４２ｂは、コイルばね４１の上端内側に嵌合しており、鍔部４２ａがコイルばね４１の上端に当接している。
鍔部４２ａの上面中央には円錐状のくぼみ４２ｃが形成されており、ここに球状の弁体３を載置して溶接することで、両者は接合される。本実施形態の内側筒体４２ｂとして筒状の部材を用いたが、中実の部材を用いてもよいことは勿論である。なお、弁体３及び弁体サポート４２とで可動弁を構成する。

図２において、弁室ＶＳは、テーパ状の面からなる弁座２０と、弁座２０につながる小径内壁（第１内壁）２０ａと、小径内壁２０ａにつながる大径内壁（第２内壁）２０ｂとを有している。小径内壁２０ａは、一定の内径φ１を有する円筒状であり、また大径内壁２０ｂは、一定の内径φ２を有する円筒状である。

更に、弁体３の外径はｄであり、弁体サポート４２の鍔部４２ａの外径はＤであり、図２に示すように、φ２＞Ｄ＞φ１＞ｄの関係にある。尚、小径内壁２０ａの内径φ１と鍔部４２ａの外径Ｄとは、両者の公差範囲内において必ずＤ＞φ１の関係が満たされるものとする。

また、弁体３の着座時から作動棒５の最大ストロークまでの範囲(最大ストローク範囲という)内において、弁体３の最大外径位置における軸線Ｘの直交方向外側に、小径内壁２０ａが常に存在する。したがって、軸線Ｘに直交する面内における小径内壁２０ａの断面積と弁体３の最大断面積の差を第１通過面積Ｓ１としたときに、最大ストローク範囲内において、第１通過面積Ｓ１＝π（（φ１／２）^２－（ｄ／２）^２）は一定になる。なお、第１通過面積Ｓ１は、弁体３と弁座２０との間の隙間により形成される通過面積以上、１１ｍｍ^２以下であると好ましい。

更に、最大ストローク範囲内において、弁体サポート４２の鍔部４２ａの軸線Ｘの直交方向外側に、大径内壁２０ｂが常に存在する。したがって、軸線Ｘに直交する面内における大径内壁２０ｂの断面積と鍔部４２ａの断面積の差を第２通過面積Ｓ２としたときに、第２通過面積Ｓ２＝π（（φ２／２）^２－（Ｄ／２）^２）は一定になり、ここでＳ２＞Ｓ１である。

（膨張弁の動作）
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。

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８ａにより仕切られた第１空間８ｂと第２空間８ｃとが設けられ、第１空間８ｂには作動ガスが充填されている。

ダイアフラム８ａの下面は、ダイアフラム支持部材８ｄを介して作動棒５の上端に接続される。このため、第１空間８ｂ内の作動ガスが液化されると収縮が生じ、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膨張が生じ、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。

パワーエレメント８の第２空間８ｃ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８ｂ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。

（本実施形態と参考例との比較）
次に、参考例を参照して、本実施形態の効果について説明する。図３は、参考例にかかる構成を示す図２と同様な断面図である。図３の参考例においては、弁室ＶＳ’が、弁座２０につながる円筒状の拡径内壁部２０ｃと、拡幅内壁部２０ｃと大径内壁部２０ｂとを接続する接続部２０ｄとを有している。拡径内壁部２０ｃの内径は、鍔部４２ａの外径より大きくなっている。それ以外の構成は、上述した実施の形態と同様であるため、同じ符号を付して重複説明を省略する。

図４は、本実施形態にかかる弁座周辺を拡大して示す断面図であり、図５は、参考例にかかる弁座周辺を拡大して示す断面図であるが、冷媒中の気泡を模式的に示している。

まず、図５において、弁体３の開弁時に、第１流路２１（図１）から弁室ＶＳ’に流入した冷媒は、比較的大径の気泡ＢＢを含んでいる。弁体３が開弁している間、気泡ＢＢを含む冷媒は、弁体サポートの鍔部４２ａと大径内壁２０ｂとの間を通過し、更に弁体３と弁座２０との間を通過して、第２流路２２側へと流れる。
ここで、冷媒中の気泡ＢＢは、鍔部４２ａと大径内壁２０ｂとの間を通過する際に、若干潰されて縮小しても、その直後に拡幅内壁部２０ｃと弁体３との間の比較的大きな空間に流入するので、気泡ＢＢが成長して元に戻る傾向がある。この膨張した気泡ＢＢは、更に弁体３と弁座２０ａとの間の最小隙間（絞り流路）を通過するので、ここで潰されて短時間で一気に縮小する。この際に発生する気泡破裂音が外部に伝わり騒音として把握される。

これに対し本実施形態によれば、図４において、弁室ＶＳに流入した冷媒中の気泡ＢＢは、鍔部４２ａと大径内壁２０ｂとの間の隙間（第２通過面積Ｓ２）を通過する際に、若干潰されて縮小するのは同様である。しかし、その後に弁体３と小径内壁２０ａとの隙間（第１通過面積Ｓ１）に流入する際、第１通過面積Ｓ１が第２通過面積Ｓ２より小さいから、気泡ＢＢは更に縮小する。また第１通過面積Ｓ１は一定であるので、一旦縮小した気泡ＢＢは成長することなく、弁体３と弁座２０との間の最小隙間に至り、ここを通過する際に更に縮小する。

つまり、鍔部４２ａと大径内壁２０ｂとの間を通過した気泡ＢＢは、弁体３と弁座２０との間に至るまでに、弁体３と小径内壁２０ａとの間で、比較的長い距離にわたって縮小されることになる。したがって比較的長い時間をかけて、気泡を徐々に破裂させてゆくことができるから、気泡破裂音の騒音レベルを全体にわたって低下させることができる。

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 ：冷媒サイクルシステム
１０１ ：コンプレッサ
１０２ ：コンデンサ
１０４ ：エバポレータ
ＶＳ ：弁室

Claims (3)

1. 弁室 に配置された弁座を有し、供給側流路を通って前記弁室に進入した流体が前記弁座を通って排出側流路に流れる弁本体と、
   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ボールと、前記ボールに連結された鍔部とを備えた可動弁と、
   前記可動弁の鍔部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、前記可動弁を前記弁座から離間する方向に押圧する作動部材と、を有し、
   前記弁室は、前記弁座につながる第１内壁を有し、
   前記第１内壁の内径は、前記鍔部の外径より小さくなっており、
   前記可動弁の軸線に直交し且つ前記ボールの最大径を通過する面内における、前記第１内壁の断面積と前記ボールの断面積の差を第１通過面積としたときに、前記作動部材により前記可動弁が移動される範囲内において、前記第１通過面積は一定である、
   ことを特徴とする膨張弁。
2. 前記弁室は、前記第１内壁につながる第２内壁を有し、前記鍔部は、前記第２内壁の径方向内側に位置しており、
   前記可動弁の軸線に直交する面内において、前記第２内壁の断面積と前記鍔部の断面積の差を第２通過面積としたときに、前記第２通過面積は前記第１通過面積より大きい、
   ことを特徴とする請求項１に記載の膨張弁。
3. 前記第１通過面積は、前記ボールと前記弁座との間の隙間により形成される通過面積以上、１１ｍｍ^２以下である、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の膨張弁。

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