JP7246075B2 - 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、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。

例えば特許文献１に示す膨張弁においては、高圧の冷媒が導入される入口ポートと入口ポートに連通する弁室とを有するとともに、弁本体の頂部には、パワーエレメントと称する弁部材の駆動機構が装備される。弁室内に配設される球状の弁体は、弁室に開口する弁座に対向し、パワーエレメントにより駆動される作動棒により操作されて、弁座との間の絞り通路の開度を制御する。

パワーエレメントは、圧力作動室を形成する上蓋部材と、圧力を受けて弾性変形する薄板のダイアフラムと、円盤状の受け部材で構成される。また、上蓋部材とダイアフラムで形成される圧力作動室には作動ガスが封入される。さらに、ダイアフラムと受け部材との間にはストッパ部材が挟まれる。

ここで、圧力作動室の内圧が相対的に高まると、圧力作動室が膨張するようにダイアフラムが変形し、それによりストッパ部材が押されて作動棒を押圧し、弁座から弁体を離間させる。一方、圧力作動室の内圧が相対的に低下すると、ダイアフラムの変形が戻り、作動棒の押圧力が消失するため、弁体は弁座に着座する。

特開２０１７－１９８３７３号公報

ところで、各部品に製造誤差がなければ、弁体の開弁ストローク量は設計値に定まるのに対し、実際は各部品の製造誤差により開弁ストローク量にばらつきが生じる。しかるに、開弁ストローク量が大きくなりすぎると、薄板状であるダイアフラムの耐久性が低下する。

そこで、従来は膨張弁の組み付け後に、開弁ストローク量の測定検査を行って、開弁ストローク量が規定値を超えたものは、分解して再度組み付けを行うなどしていた。しかしながら、再組み付けを頻繁に行うと、膨張弁のコストが増大するという問題がある。

これに対し、膨張弁の各部品の製造公差を厳密に管理すれば、開弁ストローク量を規定値以内に収めることができるが、それにより部品コストが上昇し、その結果として膨張弁のコストも増大する。

そこで本発明は、低コストでありながら、開弁ストローク量を精度よく管理できる、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、
弁座とオリフィス部とを備えた弁本体と、
前記弁座に着座することにより流体の通過を制限し、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、
前記弁体を前記弁座に向かって付勢するコイルばねと、
前記オリフィス部に挿通され、前記弁体に一端を当接させた作動棒と、
ダイアフラムと、前記ダイアフラムに当接するストッパ部材とを備えたパワーエレメントと、を有し、
前記作動棒の他端は、前記ストッパ部材に当接しており、
前記作動棒は、軸線に交差する方向に延在する第１当接面を備え、
前記弁本体は、前記第1当接面に対向する第２当接面を備え、
前記コイルばねの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、前記作動棒が変位したとき、前記第１当接面と前記第２当接面とが当接することにより、前記作動棒の変位が制限される、ことを特徴とする。

本発明により、低コストでありながら、開弁ストローク量を精度よく管理できる。

図１は、本実施形態における膨張弁１を、冷媒循環システムに適用した例を模式的に示す概略断面図である。 図２は、図１の膨張弁１における弁体３と作動棒５の下端周辺を拡大して示す断面図である。 図３は、縦軸にオリフィス部２７を通過する冷媒の流量、横軸に作動棒５の開弁ストローク量を取って示すグラフである。

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。

（膨張弁の概要）
図１、２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。図２は、図１の膨張弁１における弁体３と作動棒５の下端周辺を拡大して示す断面図である。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。

図１において、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５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、オリフィス部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。

図１において、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、オリフィス部２７の冷媒の流れが制限される。この状態を非連通状態という。一方、弁体３が弁座２０から離間しているとき、オリフィス部２７を通過する冷媒の流れが増大する。この状態を連通状態という。

図１、２において、作動棒５は、例えばＳＵＳ製の円筒部材を切削加工することによって形成されている。作動棒５は、下端側から、小径軸部５ａ、中径軸部５ｂ、大径軸部５ｃを、この順序で同軸に連設している。中径軸部５ｂと大径軸部５ｃとを、軸線Ｘに直交する方向に延在する第１段差面（第１当接面ともいう）５ｄにより繋いでいる。小径軸部５ａと中径軸部５ｂとは、テーパ面により繋いでいる。

弁本体２において、第１段差面５ｄの周囲には、大径軸部５ｃより大径の拡径部２６が形成されている。拡径部２６の上端は、戻り流路２３に連通している。拡径部２６の下端は、大径軸部５ｃより小径の摺動孔２８に連通している。

摺動孔２８に作動棒５の中径軸部５ｂが挿通され、両者は摺動可能となっている。摺動孔２８と拡径部２６とを、軸線Ｘに直交する方向に延在する第２段差面（第２当接面ともいう）２９により繋いでいる。第２段差面２９は、第１段差面５ｄに対向している。

小径軸部５ａは、円筒状のオリフィス部２７に隙間を持って挿通されている。作動棒５の下端は、弁体３の上面に接触している。

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。

図１において、付勢装置４は、断面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。

弁体サポート４２は、コイルばね４１の上端に取り付けられており、そ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。

コイルばね４１の下端を支持するばね受け部材４３は、弁本体２に対して螺合可能となっていて、弁室ＶＳを密封する機能と、コイルばね４１の付勢力を調整する機能とを有する。

弁本体２の上端に設けられたパワーエレメント８は、栓８１と、上蓋部材８２と、ダイアフラム８３と、ストッパ部材８４と、受け部材８５とを有する。

略円錐形状の上蓋部材８２の頂部には開口８２ａが形成され、栓８１により封止可能となっている。

ダイアフラム８３は、同心円の凹凸形状を複数個形成した薄い板材からなり、上蓋部材８２及び受け部材８５の外径とほぼ同じ外径を有する。

上部が円錐形状に広がった略円筒形状の受け部材８５は、その下端外周に雄ねじ８５ａを有している。

ストッパ部材８４は、円盤部８４ａと、円盤部８４ａの下面に同軸に接合された円筒部８４ｂとを有する。円筒部８４ｂの下端中央には、嵌合孔８４ｃが形成されている。

パワーエレメント８の組み立て手順を説明する。上蓋部材８２と、ダイアフラム８３と、受け部材８５のそれぞれ外周部を重ね合わせた状態で、当該外周部を例えばＴＩＧ溶接やレーザ溶接、プラズマ溶接等により周溶接して一体化する。

続いて、上蓋部材８２に形成された開口８２ａから、上蓋部材８２とダイアフラム８３とで囲われる空間（圧力作動室ＰＡという）内に作動ガスを封入した後、開口８２ａを栓８１で封止し、更にプロジェクション溶接等を用いて、栓８１を上蓋部材８２に固定する。

このとき、圧力作動室ＰＡに封入された作動ガスにより、ダイアフラム８３は受け部材８５側に張り出す形で圧力を受けるため、ダイアフラム８３と受け部材８５とで囲われる下部空間ＬＳに配置されたストッパ部材８４の上面と当接して支持される。なお、ストッパ部材８４の円盤部８４ａは、受け部材８５の内面により保持されるため、ストッパ部材８４がパワーエレメント８から抜け出ることはない。

以上のようにアッセンブリ化したパワーエレメント８を、弁本体２に組み付けるときは、受け部材８５の下端外周の雄ねじ８５ａを、弁本体２の凹部２ａの内周に形成した雌ねじ２ｂに螺合させる。雄ねじ８５ａを雌ねじ２ｂに螺合させてゆくと、受け部材８５の下端が、弁本体２の上端面に当接する。これによりパワーエレメント８を弁本体２に固定できる。かかる状態で、パワーエレメント８の下部空間ＬＳは戻り流路２３と連通し、すなわち同じ内圧となる。
このとき、パワーエレメント８と弁本体２との間には、パッキンＰＫが介装され、弁本体２にパワーエレメント８を取り付けた際の凹部２ａからの冷媒のリークを防止する。

（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。このとき、エバポレータ１０４を通過することで、第２流路２２内の流体圧は、戻り流路２３の流体圧より大きくなる。

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（非連通状態のとき）には、弁室ＶＳからオリフィス部２７及び第２流路２２を通ってエバポレータ１０４へ送り出される冷媒の流量が制限される。他方、弁体３が、弁座２０から離間しているとき（連通状態のとき）には、弁室ＶＳからオリフィス部２７及び第２流路２２を通って、エバポレータ１０４へ送り出される冷媒の流量が増大する。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において、パワーエレメント８の内部には、ダイアフラム８３により仕切られた圧力作動室ＰＡと下部空間ＬＳとが設けられている。このため、圧力作動室ＰＡ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。

更に、パワーエレメント８の下部空間ＬＳは、戻り流路２３と連通している。このため、戻り流路２３を流れる冷媒の圧力に応じて、圧力作動室ＰＡ内の作動ガスの体積が変化し、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、作動棒５に第１段差面５ｄを設けた効果について説明する。上述したように、ダイアフラム８３の変形によりストッパ部材８４を介して作動棒５が下方に押され、弁座２０から弁体３が離間する。開弁時における作動棒５の軸線方向移動量を、開弁ストローク量という。

図３は、縦軸にオリフィス部２７を通過する冷媒の流量、横軸に作動棒５の開弁ストローク量をとって示すグラフであり、膨張弁１の開弁特性を示している。ここでは、弁座２０に弁体３が着座した状態で、開弁ストローク量は０であり、その際にオリフィス部２７を通過する冷媒の流量も０とする。

開弁ストローク量が比較的小さいときは、開弁ストローク量が増大するにつれて、オリフィス部２７を通過する冷媒の流量がほぼリニアに増大し、その後は開弁ストローク量に対する冷媒の流量の増加率は低下する。ここで、膨張弁１の機能を発揮するのに必要な冷媒の流量が必要最大流量ＭＸであったとき、図３の開弁特性に従い、少なくとも必要最大流量ＭＸに対応する設計ストローク量ＳＸを、作動棒５に持たせることが必要になる。

ところで、作動棒５の開弁ストローク量は、ダイアフラム８３の変形量と関係がある。しかるに、弁体３からパワーエレメント８のダイアフラム８３まで、複数の部品が介在する。従って、複数の部品精度のばらつきによって、ダイアフラム８３の最大変形量が変わりうる。

ここで図１を参照して、中径軸部５ｂと大径軸部５ｃの外径が同じであり、第１段差面を有しない参考例について検討する。まず、ダイアフラム８３は薄い金属性の板であるため、その変形量を抑えることが耐久性に大きく関わる。例えば、閉弁時において、ダイアフラム８３を上方に変形させ（変形量＋Δとする）る一方で、開弁時において、ダイアフラム８３を下方に同じ量だけ変形させる（変形量－Δとする）ようにすれば、ダイアフラム８３の変形量は｜±Δ｜以内に留まるため、最大内部応力が小さくなり耐久性を向上できる。この時の作動棒５の最大開弁ストローク量は２・Δとなる。

そこで、ダイアフラム８３の変形量＋Δを維持した状態で閉弁状態となるよう、弁座２０に対する作動棒５の下端の相対位置を、精度よく合わせ込むことを考える。

図１において、弁座２０から弁本体２の上面までの距離をＡとし、受け部材８５の板厚をＢとし、受け部材８５とストッパ部材８４の円盤部８４ａとの隙間をＣとし、作動棒５の全長をＤとし、円盤部８４ａの下面と嵌合孔８４ｃの底面との距離をＥとし、弁体３の上端と弁座２０の接点との距離をＦとしたときに、閉弁相対位置を精度よく合わせ込むためには、（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）＝（Ｄ＋Ｅ＋Ｆ）とする必要がある。

ただし、ストッパ部材８４は単一部品であるため、円盤部８４ａと嵌合孔８４ｃとの寸法関係が精度よく形成されていると仮定すれば、Ｅはほぼ一定とみなすことができる。また、弁体３は球状であるため精度よく形成されていると仮定すれば、Ｆもほぼ一定とみなすことができる。

すると、弁座２０に対する作動棒５の下端の相対位置を精度よく合わせ込むためには、距離Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが規定値となるよう、各部品を精度よく作り込む必要がある。しかしながら、部品には必ず製造公差が存在する。

仮に距離Ａ，Ｂ，Ｃが正の製造公差の上限であり、距離Ｄが負の製造公差の下限である場合、その組み合わせによれば、閉弁時に、ダイアフラム８３は変形量＋Δの位置から更に下方に誤差分（－α）だけシフトした状態になる。このため、開弁時においては、ダイアフラム８３の最大変形量が｜－（Δ＋α）｜となって、ダイアフラム８３の最大内部応力が増大する。

これとは逆に、距離Ａ，Ｂ，Ｃが負の製造公差の下限であり、距離Ｄが正の製造公差の上限である場合、その組み合わせによれば、閉弁時に、ダイアフラム８３は変形量＋Δの位置から更に上方に誤差分（＋α）だけシフトした状態になり、ダイアフラム８３の最大変形量が｜＋（Δ＋α）｜となって、同様にダイアフラム８３の最大内部応力が増大する。

かかる課題を解消すべく、本実施形態の作動棒５は第１段差面５ｄを設けている。本実施形態によれば、開弁時に第１段差面５ｄが第２段差面２９に当接することで、それ以上の移動、すなわち最大開弁ストローク量が抑えられる。

第１段差面５ｄと第２段差面２９との当接によって、開弁ストローク量をβだけ減少させることができる。すると、上記参考例では、作動棒５の最大開弁ストローク量が２・Δであったのに対し、図３に示すように、本実施形態では作動棒５の最大開弁ストローク量を（２・Δ－β）に抑えることができる。これにより、ダイアフラム８３の最大変形量を｜±（Δ－β／２）｜に抑えることができるため、ダイアフラム８３の耐久性が向上する。

一方、膨張弁１の機能を確保すべく、作動棒５の最大開弁ストローク量（２・Δ－β）を、設計ストローク量ＳＸ以上となるようにする必要がある。具体的には、第１段差面５ｄが第２段差面２９に当接したときに、作動棒５の突き出し量が設計ストローク量ＳＸ以上となるようにすべきである。そのための部品の製造公差を考える。

ここで、図２において、弁体３の上端と弁座２０の接点との距離をＦとし、第２段差面２９から弁座２０までの距離をＧとし、第１段差面５ｄから作動棒５の下端までの距離をＨとすると、ＳＸ≦（Ｆ＋Ｈ－Ｇ）とすべきである。上述したように、弁体３は球状であるため精度よく形成されていると仮定すれば、Ｆはほぼ一定と考えることができる。

従って、第１段差面５ｄが第２段差面２９に当接したときに、作動棒５の突き出し量が設計ストローク量ＳＸ以上となるようにし、且つ設計ストローク量ＳＸとの差γ(図３)が小さくなるようにするためには、距離Ｇ，Ｈの製造公差の組み合わせのみを管理すればよい。換言すれば、参考例では４か所の製造公差を管理しなくてはならなかったのに対し、本実施形態では２か所の製造公差を管理するのみで足りるため、部品の製造工程や検査工程の省力化を図れ、コスト低減を確保できる。

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 ：拡径部
２７ ：オリフィス部
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 (2)

1. 弁座とオリフィス部とを備えた弁本体と、
   前記弁座に着座することにより流体の通過を制限し、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、
   前記弁体を前記弁座に向かって付勢するコイルばねと、
   前記オリフィス部に挿通され、前記弁体に一端を当接させた作動棒と、
   ダイアフラムと、前記ダイアフラムに当接するストッパ部材とを備えたパワーエレメントと、を有し、
   前記作動棒の他端は、前記ストッパ部材に当接しており、
   前記作動棒は、軸線に交差する方向に延在する第１当接面を備え、
   前記弁本体は、前記第1当接面に対向する第２当接面を備え、
   前記コイルばねの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、前記作動棒が変位したとき、前記第１当接面と前記第２当接面とが当接することにより、前記作動棒の変位が制限される、
   ことを特徴とする膨張弁。
2. 前記第２当接面は、前記パワーエレメント側を向いている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の膨張弁。

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