JP7519664B2 - 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温度膨張弁が使用されている。このような温度膨張弁において、封入した作動ガスの圧力で弁体を駆動するパワーエレメントが採用されている。

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。また、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おり、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。ストッパ部材には、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。

このようなパワーエレメントを備えた膨張弁を冷凍サイクルに組み付けたとき、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り、圧力作動室に充填されたガスが膨張または収縮する。これによりダイアフラムが変形し、ストッパ部材および弁棒を介して弁体を駆動して、弁座に対する開度を制御することができる。

ところで、車両のエンジンルーム内に膨張弁を取付けたとき、エンジンルーム内の雰囲気が高温となると、その熱がパワーエレメント内の圧力作動室に伝達されてしまうため、冷媒流路を実際に流れる冷媒の熱が圧力作動室に適切に伝わらず、弁体の開度制御に影響を与えるおそれがある。このため、パワーエレメントを外部から遮熱する手段が用いられる。

例えば特許文献１に記載の膨張弁では、パワーエレメントに耐熱キャップを被せ、該パワーエレメントがその雰囲気の温度に影響されにくくなるようにして当該膨張弁の温度特性を改善するようにしている。

特許第３８９９０５５号公報

特許文献１に記載の膨張弁では、耐熱キャップ、すなわち熱伝導率の低い材料（低熱伝導率の材料）により形成されたキャップをパワーエレメントに被せて周囲の熱がパワーエレメントに伝わることを抑制している。しかし、本発明者らは、鋭意検討の結果、このように熱伝導率の低い耐熱キャップを用いても、膨張弁周囲の環境温度対策として不十分な場合があることを見出した。具体的には、金属製のパワーエレメントと弁本体とが接触していると、接触部を介して弁本体からパワーエレメントへと熱伝導が生じ、温度特性に影響を及ぼすおそれがある。特に、弁本体にはコンデンサから比較的高温の冷媒が流入するため、パワーエレメントは弁本体を介してこの高温冷媒の熱影響を受けることになる。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、膨張弁周囲の環境温度や膨張弁の弁本体の温度の影響を低減可能な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、
ダイアフラムにより仕切られた圧力作動室と冷媒流入室とを備え金属製のストッパ部材を内包したパワーエレメント本体と、
前記冷媒流入室に連通する冷媒流路と、弁室及び弁座が設けられた金属製の弁本体と、
前記弁室に配置された弁体と、
前記弁体を前記弁座に向けて押圧するコイルばねと、
前記弁体に一端を当接させた作動棒と、を有し、
前記圧力作動室と前記冷媒流入室との圧力差により前記ダイアフラムが変位して、前記コイルばねの付勢力に抗して前記作動棒を介して前記弁体を駆動可能となっており、
前記弁本体は、樹脂製の遮蔽体の雄部に係合する雌部を備え、
前記遮蔽体は、前記ストッパ部材の外周と、前記雌部の内周との間に配置される、ことを特徴とする。

本発明により、膨張弁周囲の環境温度や膨張弁の弁本体の温度の影響を低減可能な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、分解した状態で示すパワーエレメントの断面図である。 図３は、変形例にかかる膨張弁の部分断面図である。

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、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。

図１を参照して、本実施形態におけるパワーエレメントを含む膨張弁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。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、パワーエレメントユニット８を具備する。

弁本体２は、弁室ＶＳに加え、第１流路２１と、第２流路２２と、中間室２２１と、戻り流路（冷媒通路ともいう）２３とを備える。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、弁通孔２７、中間室２２１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。弁室ＶＳと中間室２２１との間は、弁座２０及び弁通孔２７を介して連通している。

中間室２２１の上方に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の上方に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は、作動棒５の外周に複数のばね片を当接させて、所定の付勢力を付与するものである。

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、弁通孔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、弁通孔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、弁通孔２７に所定の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の上端は、後述するストッパ部材８４の嵌合孔８４ｃに嵌合している。

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。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。

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。

（パワーエレメントユニット）
次に、パワーエレメントユニット８について説明する。図２は、パワーエレメントユニット８を分解した状態で示す断面図である。パワーエレメントユニット８の軸線をＯとする。パワーエレメントユニット８は、パワーエレメント本体８０Ａと、遮蔽体８０Ｂとを有する。パワーエレメント本体８０Ａは、栓８１と、上蓋部材８２と、ダイアフラム８３と、受け部材８６と、ストッパ部材８４とを有する。一方、遮蔽体８０Ｂは、上部カバー８７と、下部カバー８８とを有する。

上蓋部材８２は、例えば金属製の板材をプレス成形することによって形成される。上蓋部材８２は、環状の外側板部８２ｂと、外側板部８２ｂの内周に連設され上側に向かうテーパ部８２ｃとを有する。テーパ部８２ｃの頂部８２ｄの中央には開口８２ａが形成され、栓８１により封止可能となっている。

上蓋部材８２に対向する受け部材８６は、例えば金属製の板材をプレス成形することによって形成される。受け部材８６は、上蓋部材８２の外側板部８２ｂの外径とほぼ同じ外径を持つフランジ部８６ａと、フランジ部８６ａの内周に連設され下側に向かう円錐部８６ｂと、円錐部８６ｂの内周に連設された環状の内側板部８６ｃとを有する。内側板部８６ｃの内周に、円形開口８６ｄが形成されている。

上蓋部材８２と受け部材８６との間に配置されるダイアフラム８３は、薄く可撓性を有する金属（たとえばＳＵＳ）製の板材からなり、上蓋部材８２及び受け部材８６の外径とほぼ同じ外径を有する。ダイアフラム８３は、同心円状に凹凸形状が形成されており、可撓性を有する構造である。

遮蔽体８０Ｂの上部カバー８７は、樹脂製であって略均一な厚さで形成され、栓８１を含む上蓋部材８２の上面形状に対応する下面形状を有している。また、下部カバー８８も、樹脂製であって略均一な厚さで形成されている。下部カバー８８は、受け部材８６のフランジ部８６ａと円錐部８６ｂと内側板部８６ｃの下面形状に対応する上面形状を備えた遮蔽部８８Ａと、遮蔽部８８Ａから下方に延在する円筒部８８Ｂとを有する。雄部である円筒部８８Ｂの内径は、受け部材８６の円形開口８６ｄに略一致する。また、円筒部８８Ｂの外周には雄ねじ８８ｄが形成されている。

一方、図１に示すように、円筒部８８Ｂが嵌合取付けされる弁本体２の凹部（雌部）２ａの内周には、雄ねじ８８ｄに螺合する雌ねじ２ｃが形成されている。

図２において、ストッパ部材８４は、円筒状の本体８４ａと、本体８４ａの上端に連設され径方向に延在する円盤部８４ｂと、本体８４ａの下面中央に形成された袋穴状の嵌合孔８４ｃとを有する。円盤部８４ｂは、ダイアフラム８３の中央部の下面と接している。

次に、パワーエレメントユニット８の組み立て手順を説明する。まず、パワーエレメント本体８０Ａを組み立てる。ダイアフラム８３と受け部材８６との間にストッパ部材８４を配置しつつ、上蓋部材８２の外側板部８２ｂと、ダイアフラム８３の外周部と、受け部材８６のフランジ部８６ａをこの順序で重ね合わせ軸方向に押圧しつつ、その外周を例えばＴＩＧ溶接やレーザ溶接、プラズマ溶接等により溶接して全周にわたって溶接部Ｗを形成し、これらを一体化する。

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８６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８６とで囲われる下部空間（冷媒流入室）ＬＳに配置されたストッパ部材８４の上面に、ダイアフラム８３の中央部が当接して支持される。

上部カバー８７と下部カバー８８は、型を用いて樹脂を成形することにより形成できる。さらに、上述のようにアッセンブリ化したパワーエレメント本体８０Ａに対し、栓８１を含む上蓋部材８２の上面に上部カバー８７を接着し、また受け部材８６の下面に下部カバー８８を接着する。このとき、上部カバー８７の下端と下部カバー８８の上端とを当接させて全周にわたって相互に接着されるようにすると好ましい。以上でパワーエレメントユニット８が形成される。

パワーエレメントユニット８を、弁本体２に組み付けるときは、軸線Ｏを軸線Ｌと合致させるようにしつつ、遮蔽体８０Ｂの下部カバー８８の雄ねじ８８ｄを、弁本体２の凹部２ａの内周に形成した雌ねじ２ｃに螺合させる。雄ねじ８８ｄを雌ねじ２ｃに対して螺進させてゆくと、下部カバー８８の遮蔽部８８Ａが弁本体２の上端面に当接する。雄ねじ８８ｄが形成された円筒部８８Ｂは、所定の肉厚を有するため、雄ねじ８８ｄと雌ねじ２ｃとの螺合により破損することはない。以上により、パワーエレメントユニット８を弁本体２に固定できる。組付けられた状態で、パワーエレメント本体８０Ａと弁本体２との間で金属製部材同士の接触がない。

このとき、パワーエレメントユニット８と弁本体２との間には、パッキンＰＫが介装され、下部空間ＬＳにつながる凹部２ａ内の空間が封止されて、凹部２ａからの冷媒のリークを防止する。かかる状態で、パワーエレメントユニット８の下部空間ＬＳは、連通孔２ｂを介して戻り流路２３と連通している。

（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から弁通孔２７、中間室２２１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から弁通孔２７、中間室２２１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、ストッパ部材８４を介してパワーエレメント本体８０Ａに接続された作動棒５によって行われる。

図１において、パワーエレメント本体８０Ａ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と下部空間ＬＳとが設けられている。このため、圧力作動室ＰＯ内の作動ガスが液化されると、ダイアフラム８３が上昇するため、コイルばね４１の付勢力に応じてストッパ部材８４及び作動棒５が上方向に移動する。一方、液化された作動ガスが気化されると、ダイアフラム８３とストッパ部材８４が下方に押圧されるため、作動棒５は下方向に移動する。このようにして、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、パワーエレメント本体８０Ａ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を流れる冷媒の温度・圧力に応じて、圧力作動室ＰＯ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。

このとき、弁本体２は金属製であるため伝熱性が高く、環境温度の影響を受けやすい。しかし、本実施形態によれば、雌ねじ２ｃに螺合する雄ねじ８８ｄを備えた円筒部８８Ｂが断熱性に優れた樹脂素材から形成されているため、雌ねじ２ｃとパワーエレメント本体８０Ａとの間に樹脂製の下部カバー８８が介在することにより、弁本体２から受け部材８６への伝熱を抑制することができる。具体的には、弁本体２は、第１流路２１に流入する比較的高温の冷媒の影響を受ける。これにより、弁本体２の戻り流路２３近傍領域は、戻り流路２３を通過する比較的低温の冷媒よりも高い温度となるところ、樹脂製の下部カバー８８によって弁本体２からパワーエレメント本体８０Ａに熱伝導が生じるが抑制される。特に、弁本体２とパワーエレメント本体８０Ａとは、ねじ締結による接触面積が大きいため、雄ネジ８８ｄを備えた円筒部８８Ｂを樹脂製とすることにより高い熱伝導抑制効果が得られる。

また、パワーエレメント本体８０Ａの周囲が樹脂製の遮蔽体８０Ｂによって覆われているため、環境温度の変化が大きいエンジンルームに膨張弁１が取り付けられていたような場合にも、外部の熱がパワーエレメント本体８０Ａに伝わることを抑制し、膨張弁１の温度特性を精度良く維持することができる。

本発明者らの検討結果によれば、遮蔽体８０Ｂを有しないパワーエレメント本体８０Ａのみを取り付けた膨張弁を、エンジンルームを想定した温度環境に暴露した場合、膨張弁の温度特性において最大で２℃程度のずれが生じることが確認された。これに対し、遮蔽体８０Ｂを有するパワーエレメントユニット８を取り付けた本実施形態に膨張弁１では、温度特性のずれを抑制することが期待される。

さらに、遮蔽体８０Ｂにより、栓８１と上蓋部材８２との溶接部、および上蓋部材８２と受け部材８６との溶接部Ｗを覆うことで湿気を遮断し、溶接部に生じやすい腐食を抑制することができる。また、互いに螺合する雌ねじ２ｃと雄ねじ８８ｄが金属同士である場合に生じる腐食も、本実施形態によれば防止することも可能である。

（変形例）
図３は、変形例にかかる膨張弁の部分断面図である。本変形例では、上述した実施形態とは異なり、パワーエレメントユニット側を金属材とし、これに螺合する弁本体側に樹脂材を設けている。

より具体的には、パワーエレメントユニット８Ａは、パワーエレメント本体８０Ｃと、遮蔽体８０Ｄとを有する。パワーエレメント本体８０Ｃは、栓８１と、上蓋部材８２と、ダイアフラム８３と、受け部材８６Ｃと、ストッパ部材８４とを有する。

栓８１と、上蓋部材８２と、ダイアフラム８３と、ストッパ部材８４は、上述した実施形態のパワーエレメント本体８０Ａと共通するため、同じ符号を付して重複説明を省略する。

金属製の受け部材８６Ｃは、上蓋部材８２の外側板部８２ｂの外径とほぼ同じ外径を持つフランジ部８６Ｃａと、フランジ部８６Ｃａの内周に連設され下側に向かう円錐部８６Ｃｂと、円錐部８６Ｃｂの内周に連設された環状の内側板部８６Ｃｃと、内側板部８６Ｃｃの内周に連設された受け円筒部８６Ｃｄとを有する。雄部である受け円筒部８６Ｃｄの外周に、雄ねじ８６Ｃｅが形成されている。

遮蔽体８０Ｄは、上部カバー８７Ｄと、雌部であるシール体８８Ｄとを有する。上部カバー８７Ｄは、樹脂製であって略均一な厚さで形成され、栓８１を含む上蓋部材８２の上面形状に対応する下面形状を備えた遮蔽部８７Ｄａと、遮蔽部８７Ｄａの下端から延在する短円筒部８７Ｄｂとを連設してなる。

上部カバー８７Ｄも上蓋部材８２に接着され、栓８１と上蓋部材８２との溶接部、および上蓋部材８２と受け部材８６Ｃとの溶接部Ｗとを覆っている。

樹脂製のシール体８８Ｄは、円筒形状を有し、弁本体２Ａの凹部２Ａａに接着などにより取り付けられる。シール体８８Ｄは、内周に雌ねじ８８Ｄａを有する。

パワーエレメントユニット８Ａを、弁本体２に組み付けるときは、弁本体２Ａの凹部２Ａａにシール体８８Ｄを接着した後に、受け部材８６Ｃの雄ねじ８６Ｃｅを、シール体８８Ｄの雌ねじ８８Ｄａに螺合させる。雄ねじ８８ｄｅを雌ねじ８８Ｄａに対して螺進させてゆくと、受け部材８６Ｃの内側板部８６Ｃｃがシール体８８Ｄの上端面に当接し、冷媒のリークを防止する。すなわち、シール体８８Ｄはパッキンの機能も有する。シール体８８Ｄは、所定の肉厚を有するため、雄ねじ８６Ｃｅと雌ねじ８８Ｄａとの螺合により破損することはない。以上により、パワーエレメントユニット８Ａを弁本体２Ａに固定できる。

本変形例によれば、雄ねじ８６Ｃｅに螺合する雄ねじ８８Ｄａを備えたシール体８８Ｄが断熱性に優れた樹脂製であるため、弁本体２Ａと、パワーエレメント本体８０Ｃとの間に樹脂製のシール体８８Ｄが介在することで、弁本体２Ａから受け部材８６Ｃへの伝熱を抑制することができる。

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、２Ａ ：弁本体
３ ：弁体
４ ：付勢装置
５ ：作動棒
６ ：リングばね
８、８Ａ ：パワーエレメントユニット
２０ ：弁座
２１ ：第１流路
２２ ：第２流路
２２１ ：中間室
２３ ：戻り流路
２７ ：弁通孔
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
８１ ：栓
８２ ：上蓋部材
８３ ：ダイアフラム
８４ ：ストッパ部材
８６、８６Ｃ ：受け部材
８０Ａ、８０Ｃ ：パワーエレメント本体
８０Ｂ、８０Ｄ ：遮蔽体
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. ダイアフラムにより仕切られた圧力作動室と冷媒流入室とを備え金属製のストッパ部材を内包したパワーエレメント本体と、
   前記冷媒流入室に連通する冷媒流路と、弁室及び弁座が設けられた金属製の弁本体と、
   前記弁室に配置された弁体と、
   前記弁体を前記弁座に向けて押圧するコイルばねと、
   前記弁体に一端を当接させた作動棒と、を有し、
   前記圧力作動室と前記冷媒流入室との圧力差により前記ダイアフラムが変位して、前記コイルばねの付勢力に抗して前記作動棒を介して前記弁体を駆動可能となっており、
   前記弁本体は、樹脂製の遮蔽体の雄部に係合する雌部を備え、
   前記遮蔽体は、前記ストッパ部材の外周と、前記雌部の内周との間に配置される、
   ことを特徴とする膨張弁。
2. 前記雄部は雄ねじを有し、前記雌部は、前記雄ねじに螺合する雌ねじを有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の膨張弁。
3. 前記パワーエレメント本体の表面は遮蔽体で覆われる、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の膨張弁。
4. 前記遮蔽体は、前記パワーエレメント本体の溶接部を覆う、
   ことを特徴とする請求項３に記載の膨張弁。

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