JP7300705B2 - 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おいては、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（特許文献１）。

特開２０１６－９００６７号公報

このような膨張弁においては、各部の摩耗を抑制すべく冷凍サイクル内を循環する冷媒に潤滑油を混入させている。

ところで、衝突安全性や流体力学を考慮した自動車のデザイン設計によって、空調装置の設置スペースが制限される場合がある。かかる場合、膨張弁を傾けて使用することを余儀なくされることもあるが、それによりパワーエレメントの近傍に潤滑油が溜まり、膨張弁の動作に影響を与える虞れがある。

これに対し特許文献１の膨張弁は、シャフトの軸線が鉛直方向を向いて使用されることを前提としている。したがって、例え感温室の下流側端部壁面に沿って連通孔を設けたとしても、シャフトの軸線が傾いた状態で膨張弁が使用された場合には、その連通孔を介して潤滑油を排出させることは困難である。

そこで本発明は、パワーエレメントの近傍に潤滑油が溜まることを抑制できる、改良された膨張弁を提供することを目的とする。

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、
前記弁本体に取り付けられて、前記作動棒を駆動するパワーエレメントと、を有し、
前記弁本体は、前記流体が流れる流路と、凹部と、前記流路と前記凹部との間に形成された隔壁部と、前記隔壁部を貫通する貫通孔と、を有し、
前記パワーエレメントは、前記凹部に取り付けられたケースと、前記ケースを仕切るダイアフラムと、前記ダイアフラムに当接するストッパ部材と、を有し、
前記作動棒は、前記貫通孔を介して延在し、前記作動棒の端部が前記ストッパ部材に当接しており、
前記作動棒の軸線が鉛直方向に対して傾いた姿勢で、前記弁本体が設置されており、
前記隔壁部の前記作動棒より鉛直方向下方の位置に、前記凹部と前記流路とをつなぐ排出路が設けられ、前記作動棒の軸線から前記排出路までの最大距離は、前記作動棒の軸線から鉛直方向上方における前記貫通孔の内周までの最大距離より大きく、
前記流路の軸線は、略水平方向に延在しており、
前記流路の断面形状は円形状であり、
前記排出路は、前記隔壁部に形成され、潤滑油が通過可能なエスケープ孔により形成され、前記排出路を形成する前記エスケープ孔は前記貫通孔より鉛直方向下方にて前記流路に連通している、ことを特徴とする。

本発明により、パワーエレメントの近傍に潤滑油が溜まることを抑制できる、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の概略断面図である。 図２は、パワーエレメントの周辺を示す拡大断面図である。 図３は、図２のＡ－Ａ線における断面を側面視した図である。 図４は、リングばねを示す斜視図である。 図５は、参考例にかかる膨張弁の図２と同様な断面図である。 図６は、第１変形例にかかる図３と同様な断面図である。 図７は、第２変形例にかかる図３と同様な断面図である。 図８は、第３変形例にかかる図２と同様な断面図である。

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。

（方向の定義）
本明細書において、水平方向をＸ方向とし、鉛直方向をＹ方向とする。

（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の概略断面図である。膨張弁１は冷媒が循環する冷媒循環システムの循環路内に配置される。膨張弁１の軸線をＬとする。

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。ここで、軸線Ｌが略水平面上にあるように、膨張弁１が取り付けられているものとする。「軸線Ｌが略水平面上にある」とは、水平面に対する軸線Ｌの傾き角が±１０度以内である場合をいう。以下、軸線Ｌが水平面上にあるとして説明を行う。

弁本体２は、弁室ＶＳに加え、弁室ＶＳに冷媒（流体ともいう）が供給される供給側流路（不図示）と、排出側流路２２と、戻り流路２３とを備える。戻り流路２３の軸線Ｏ（図３参照）は、図１では略水平方向に延在しており、ここでは膨張弁１の軸線Ｌと直交している。なお、軸線Ｏが略水平方向に延在するとは、±２０度以内で水平面に対して傾いていることをいう。
弁室ＶＳ内の流体は、オリフィス部２７及び排出側流路２２を介して膨張弁外に排出され、またエバポレータ(不図示)を介して戻り流路２３を通過する。

図１において、オリフィス部２７に対し排出側流路２２を挟んで形成された作動棒挿通孔２８は、作動棒５をガイドする機能を有し、作動棒挿通孔２８に隣接して形成された環状凹部２９は、リングばね６を収容する機能を有する。リングばね６の詳細については、後述する。

弁体３は弁室ＶＳ内に配置される。弁体３が弁本体２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。ただし、弁体３が弁座２０に着座した場合でも、制限された量の冷媒を流すこともある。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。

作動棒５は、オリフィス部２７に所定の隙間を持って挿通されている。作動棒５の端部は、弁体３の表面に接触している。

作動棒５は、弁本体２と共通の軸線Ｌを有し、また軸線Ｌに沿って移動可能となっており、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の端部に取り付けられており、その端面には球状の弁体３が溶接され、両者は一体となっている。

コイルばね４１の端部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の端部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。上蓋部材８２と受け部材８５とにより、ケースを構成する。

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。

上蓋部材８２側が円錐形状に広がった略円筒形状の受け部材８５は、その端部外周に雄ねじ８５ａを有している。

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

図２は、パワーエレメント８の周辺を示す拡大断面図である。図３は、図２のＡ－Ａ線における断面を側面視したものを示す図である。弁本体２のＸ方向端部には、円筒状の凹部２ａが形成されている。凹部２ａの内周には、雌ねじ２ｂが形成されている。凹部２ａ内の空間を、感温室ＴＤという。

凹部２ａと戻り流路２３との間には、隔壁部２ｃが形成されており、更に隔壁部２ｃの中央には、凹部２ａと戻り流路２３とに連通する貫通孔２ｄが形成されている。貫通孔２ｄの内径はＤである（図２、３）。

貫通孔２ｄには、戻り流路２３側から凹部２ａまで作動棒５が挿通されており、作動棒５の端部は、ストッパ部材８４の嵌合孔８４ｃに挿入されている。

作動棒５の鉛直方向下方において、隔壁部２ｃにエスケープ孔２ｅが形成され、凹部２ａと戻り流路２３とに連通している。作動棒５の軸線Ｌからエスケープ孔２ｅのＹ方向最下面までの距離は、作動棒５の軸線Ｌから貫通孔２ｄのＹ方向最上面までの距離より大きい。なお、エスケープ孔２ｅは、作動棒５の軸線Ｌと平行であり、貫通孔２ｄの内径より小さな内径を有するが、それに限られない。ここでは、エスケープ孔２ｅのＹ方向最下面が、排出路を構成する。

次に、リングばね６について説明する。図４は、リングばね６を示す斜視図である。

リングばね６は、板状の部材を図４に示されるように円筒形状に湾曲させ、かつ第１の弾性片６１、第２の弾性片６２及び第３の弾性片６３を内側に折り曲げて構成される。

第１の弾性片６１、第２の弾性片６２、第３の弾性片６３は内側に切り起こすようにして折り曲げられるが、それぞれ先端近傍に設けられた第１の凸状当接部６１ａ、第２の凸状当接部６２ａ、第３の凸状当接部６３ａは、円周を３等分した位置になるように設計されている。

軸線Ｌ（図１）に直交する面内において、第１の凸状当接部６１ａ、第２の凸状当接部６２ａ、第３の凸状当接部６３ａの頂部を結ぶ内接円の直径寸法は、作動棒５の外径より小さな径に形成される。これにより、第１の凸状当接部６１ａ、第２の凸状当接部６２ａ、第３の凸状当接部６３ａから作動棒５の外周に対して所定の押圧力が付与されることとなる。

図４に示すリングばね６の最大外径ｄは、図２に示す隔壁部２ｃの貫通孔２ｄの内径Ｄより小さい。したがって、図１を参照して、貫通孔２ｄを通して凹部２ａ側より弁本体２の内部へとリングばね６を挿入することができ、環状凹部２９内に配置することができる。貫通孔２ｄと環状凹部２９とは、同じ工具により同時に穿孔されると好ましい。

次に、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。これによりケースが形成される。

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ＰＯ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ＰＯ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、ストッパ部材８４の端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、リングばね６を環状凹部２９に組み込んだ後、受け部材８５の端部外周の雄ねじ８５ａを、凹部２ａの雌ねじ２ｂに螺合させる。雄ねじ８５ａを雌ねじ２ｂに対して螺進させてゆくと、受け部材８５の外面が、弁本体２の端面に当接する。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。
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。不図示のコンプレッサで加圧された冷媒は、更にコンデンサで液化され、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に送り出され、エバポレータで、エバポレータの周囲を流れる空気と熱交換される。エバポレータから戻る冷媒は、膨張弁１の戻り流路２３を通ってコンプレッサ側へ戻される。

膨張弁１には、コンデンサから高圧冷媒が供給される。より具体的には、コンデンサからの高圧冷媒は、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及び排出側流路２２を通ってエバポレータ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及び排出側流路２２を通って、エバポレータ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ＰＯと感温室ＴＤとが設けられている。感温室ＴＤには、貫通孔２ｄを通過して冷媒が流れこむため、その冷媒の温度が金属製のストッパ部材８４の円筒部８４ｂ及びダイアフラム８３を介して、圧力作動室ＰＯ内の作動ガスに伝わる。

冷媒の温度が低い場合、圧力作動室ＰＯ内の作動ガスが液化されるため、ストッパ部材８４が受ける冷媒の圧力と付勢装置４の付勢力とが勝ることで、ダイアフラム８３が収縮し、作動棒５は図１で左方に押圧されて弁体３を閉弁させる。一方、冷媒の温度が高い場合、液化された作動ガスが気化するため、ストッパ部材８４が受ける冷媒の圧力と付勢装置４の付勢力とに勝ることで、ダイアフラム８３が膨張し、作動棒５は図１で右方に押圧されて弁体３を開弁させる。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、冷媒の量が自動的に調整される。

ところで、冷媒中には冷媒循環システム各部の摩耗を抑制すべく潤滑油を混入させている。軸線Ｌが鉛直方向を向くように、膨張弁１が倒立して使用される場合は特に問題がないが、軸線Ｌが傾くような姿勢で膨張弁１が使用される場合には、潤滑油の存在が問題となる。かかる問題を、参考例を参照して説明する。

図５は、参考例にかかる膨張弁の図２と同様な断面図である。参考例の膨張弁の弁本体２’は、隔壁部２ｃ’にエスケープ孔を形成していない。それ以外は、本実施形態の構成と同様であるため、同じ符号を付して説明を省略する。

図５の参考例において、軸線Ｌが水平方向に延在するよう傾けた場合、隔壁部２ｃ’が鉛直方向に延在するため、戻り流路２３を通過する冷媒に含まれる潤滑油ＯＬが貫通孔２ｄから流入した後、感温室ＴＤ内に溜まる虞れがある。ただし、潤滑油ＯＬのレベル（油面位置）が貫通孔２ｄのＹ方向下端を超えた場合、それ以上の潤滑油ＯＬは戻り流路２３から排出される。したがって、参考例において感温室ＴＤ内に溜まる潤滑油ＯＬの最大レベルは、ストッパ部材８４の円筒部８４ｂのＹ方向最下端から貫通孔２ｄのＹ方向最下端までの距離Δ２となる。

これに対し、本実施形態においては、図２、３に示すように隔壁部２ｃにエスケープ孔２ｅを形成しているため、感温室ＴＤ内の潤滑油ＯＬはエスケープ孔２ｅを介して戻り流路２３に流れ出る。従って、感温室ＴＤ内に溜まる潤滑油ＯＬの最大レベルは、ストッパ部材８４の円筒部８４ｂのＹ方向最下端からエスケープ孔２ｅのＹ方向最下端(排出路)までの距離Δ１となる（図２）。Δ１＜Δ２であることから明らかなように、参考例と比較すると、本実施形態の潤滑油ＯＬの最大レベルは、より低い位置となる。

ここで、一般的に潤滑油の比熱は比較的高いため、潤滑油ＯＬが感温室ＴＤ内に溜まることで、ストッパ部材８４に接する潤滑油ＯＬの面積が拡大すると、ストッパ部材８４を介して冷媒の温度が圧力作動室ＰＯ内の作動ガスに伝わりにくくなる。すなわち、本実施形態によれば、隔壁部２ｃにエスケープ孔２ｅを形成することにより、感温室ＴＤ内に溜まる潤滑油ＯＬの最大レベルを低下させて、冷媒の温度が作動ガスに伝わりやすいようにしている。

なお、単純に隔壁部２ｃの貫通孔２ｄの径を大きくすれば、感温室ＴＤ内に溜まる潤滑油ＯＬの量を減少させることはできる。しかしながら、貫通孔２ｄの径を大きくすることにより、戻り流路２３から凹部２ａ側に新たな冷媒が流れ込む頻度が上がり、冷媒温度の変動を受けやすくなる。それに応じて、作動ガスの圧力が敏感に変化するようになって、膨張弁１の制御性を悪化させる懸念がある。

そこで、貫通孔２ｄの径は、上述したようにリングばね６を通過させることができる程度に留めたいという要請がある。本実施の形態によれば、貫通孔２ｄより小さなエスケープ孔２ｅを形成することで、膨張弁１の良好な制御性を確保できる。

また図３において、作動棒５の中心（軸線Ｌ）から、潤滑油ＯＬのレベルと凹部２ａの内周面とが交差する点Ｐ１、Ｐ２を通る線を引いた時、この２線の交差角θが１１０度以下となるように、エスケープ孔２ｅを形成することが望ましい。

軸線Ｌは、鉛直面に対して傾いている。軸線Ｌが水平面に対して±４５度以内で傾き、好ましくは水平面と略一致するよう、膨張弁１が傾けられて設置されたとき、本実施形態の効果が十分発揮されるため好ましい。

（第１変形例）
図６は、第１変形例にかかる図３と同様な断面図である。本変形例の弁本体２Ａにおいて、隔壁部２Ａｃにおける、作動棒５を挟んでエスケープ孔２ｅとＹ方向に対向する位置に、同じ形状のエスケープ孔２ｆが形成されている。それ以外の構成は上述した実施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６に示すように、作動棒５を挟んで一対のエスケープ孔２ｅ、２ｆを形成することにより、弁本体２Ａの姿勢にかかわらず、Ｙ方向最下方に位置するエスケープ孔により、凹部内における潤滑油のレベルを低下させることができる。これにより、膨張弁の設置方向が制限される場合にも対応できる。

（第２変形例）
図７は、第２変形例にかかる図３と同様な断面図である。本変形例の弁本体２Ｂにおいて、隔壁部２Ｂｃにおける貫通孔２Ｂｄを、Ｙ方向下方に延長して長穴としている。すなわち、本変形例では、貫通孔２Ｂｄはエスケープ孔と共通である。貫通孔２Ｂｄが長穴形状を有するため、作動棒５の軸線Ｌから貫通孔２ＢｄのＹ方向最下面までの距離は、貫通孔２ＢｄのＹ方向最上面までの距離より大きくなっている。それ以外の構成は上述した実施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。

長穴とした貫通孔２Ｂｄにより、凹部内における潤滑油のレベルを低下させることができる。また、貫通孔２Ｂｄの幅は、上記実施形態と変わらないため、貫通孔２Ｂｄから凹部内に流入する冷媒の量を抑制できる。これにより、膨張弁１の良好な制御性を確保できる。

（第３変形例）
図８は、第３変形例にかかる図２と同様な断面図である。本変形例の弁本体２Ｃにおいて、隔壁部２Ｃｃに拡径孔２Ｃｄが形成されている。そして、拡径孔２Ｃｄをふさぐようにして、弁本体２Ｃとは別体の仕切り板ＣＰが取り付けられている。

円形である仕切り板ＣＰには、作動棒５を挿通させる貫通孔ＣＰ１と、作動棒５のＹ方向下方に形成されたエスケープ孔ＣＰ２とを有する。リングばね６(図４)は、仕切り板ＣＰを取り付ける前に、拡径孔２Ｃｄを介して取り付けられる。それ以外の構成は上述した実施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。

本変形例においては、貫通孔ＣＰ１の内径は作動棒５の外径にほぼ等しいため、両者間を通過して冷媒が戻り流路２３から凹部２ａ側に進入することはない。その代り、エスケープ孔ＣＰ２を介して、冷媒が戻り流路２３から凹部２ａ側に進入し、また潤滑油が凹部２ａ側から戻り流路２３へと流出する。

このように、弁本体２Ｃとは別体の仕切り板ＣＰを用いることで、冷媒と潤滑油が通過する孔をエスケープ孔ＣＰ２のみにできるため、その径を適宜変更することで冷媒と潤滑油の流入量や排出量を制御できる。これにより、膨張弁の良好な制御性を確保できる。

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、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ ：弁本体
２ｅ、２ｅ、２ｆ、ＣＰ２ ：エスケープ孔
２ｄ、２Ｂｄ、ＣＰ１ ：貫通孔
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
２２ ：排出側流路
２３ ：戻り流路
２７ ：オリフィス部
２８ ：作動棒挿通孔
２９ ：環状凹部
４１ ：コイルばね
４２ ：弁体サポート
４３ ：ばね受け部材
ＶＳ ：弁室

Claims (3)

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、
   前記弁本体に取り付けられて、前記作動棒を駆動するパワーエレメントと、を有し、
   前記弁本体は、前記流体が流れる流路と、凹部と、前記流路と前記凹部との間に形成された隔壁部と、前記隔壁部を貫通する貫通孔と、を有し、
   前記パワーエレメントは、前記凹部に取り付けられたケースと、前記ケースを仕切るダイアフラムと、前記ダイアフラムに当接するストッパ部材と、を有し、
   前記作動棒は、前記貫通孔を介して延在し、前記作動棒の端部が前記ストッパ部材に当接しており、
   前記作動棒の軸線が鉛直方向に対して傾いた姿勢で、前記弁本体が設置されており、
   前記隔壁部の前記作動棒より鉛直方向下方の位置に、前記凹部と前記流路とをつなぐ排出路が設けられ、前記作動棒の軸線から前記排出路までの最大距離は、前記作動棒の軸線から鉛直方向上方における前記貫通孔の内周までの最大距離より大きく、
   前記流路の軸線は、略水平方向に延在しており、
   前記流路の断面形状は円形状であり、
   前記排出路は、前記隔壁部に形成され、潤滑油が通過可能なエスケープ孔により形成され、前記排出路を形成する前記エスケープ孔は前記貫通孔より鉛直方向下方にて前記流路に連通している、
   ことを特徴とする膨張弁。
2. 前記隔壁部に複数の前記エスケープ孔が形成されており、前記排出路は、鉛直方向最下方に配置された前記エスケープ孔により形成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の膨張弁。
3. 前記隔壁部は、前記弁本体と一体の壁部であるか、又は前記弁本体と別体の仕切り板を有し、前記壁部又は前記仕切り板に、前記貫通孔と前記排出路とが形成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の膨張弁。

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