特許 6569061 制御弁

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6569061

(24)【登録日】2019年8月16日

(45)【発行日】2019年9月4日

(54)【発明の名称】制御弁

(51)【国際特許分類】

   F25B 41/06 20060101AFI20190826BHJP

   F16K 31/68 20060101ALI20190826BHJP

【ＦＩ】

   F25B41/06 L

   F16K31/68 S

【請求項の数】6

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2015-162020(P2015-162020)

(22)【出願日】2015年8月19日

(65)【公開番号】特開2017-40426(P2017-40426A)

(43)【公開日】2017年2月23日

【審査請求日】2018年3月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000133652

【氏名又は名称】株式会社テージーケー

(74)【代理人】

【識別番号】110002273

【氏名又は名称】特許業務法人インターブレイン

(74)【代理人】

【識別番号】100120536

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 卓哉

(72)【発明者】

【氏名】佐竹 良輔

(72)【発明者】

【氏名】金子 毅

【審査官】 庭月野 恭

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１９７９９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５７−１９８４７１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開昭６１−０９１４７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２４００４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第５５０１６７０（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 実開昭５９−１３２０５９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０１３２０１３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ ４１／０６

Ｆ１６Ｋ ７／１７

Ｆ１６Ｋ ３１／３６５，３１／６８

Ｇ０５Ｄ １６／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体を導入する導入ポートと、流体を導出する導出ポートと、前記導入ポートと前記導出ポートとをつなぐ流体通路に設けられた弁孔と、隔壁により前記流体通路と離隔された圧力室と、を有するボディと、
前記流体通路に配置され、前記弁孔に接離して弁部の開度を調整可能な弁体と、
前記ボディとの間に前記圧力室を形成するように設けられたハウジングと、前記ハウジングに外周部が支持され、前記ハウジング内を前記圧力室と離隔される閉空間と前記圧力室に開放される開放空間とに仕切るダイヤフラムと、を有するパワーエレメントと、
前記開放空間に配置され、前記ダイヤフラムに同軸状に当接するディスクと、
前記隔壁を貫通して軸線方向に摺動可能に支持され、一端側が前記ディスクを介して前記ダイヤフラムに接続され、他端側が前記弁体に接続され、前記ダイヤフラムの変位による軸線方向の駆動力を前記弁体に伝達するシャフトと、
を備え、
前記ダイヤフラムは、前記ディスクが当接する当接面を含む平坦部と前記外周部との間に、平面視同心円環状で断面視波形状のコルゲート部を有し、
前記コルゲート部は、前記外周部の前記圧力室側の面を基準面として前記圧力室側へ突出する山が、前記外周部から前記平坦部に向けて実質的にＮ＋０．５個設けられることにより形成され（Ｎは自然数）、
前記ダイヤフラムとして、前記ダイヤフラムが軸線方向の差圧を受けない無負荷状態における前記基準面を基準とした前記圧力室側への高さに関し、前記外周部と前記平坦部との間にある前記コルゲート部の山の高さが、前記平坦部の高さよりも小さくなるように構成されたものが、前記ハウジングに組み付けられていることを特徴とする制御弁。

【請求項2】

前記外周部と前記平坦部との間にある前記コルゲート部の山の高さが、前記平坦部の高さの２５％以上１００％未満とされたことを特徴とする請求項１に記載の制御弁。

【請求項3】

前記外周部と前記平坦部との間にある前記コルゲート部の山の高さが、前記平坦部の高さの２５％以上６０％以下とされたことを特徴とする請求項２に記載の制御弁。

【請求項4】

冷凍サイクルに設けられ、熱交換器を経て流入した冷媒を前記弁部を通過させることにより絞り膨張させて蒸発器へ供給する膨張弁として機能することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の制御弁。

【請求項5】

前記ボディは、前記導入ポートとして前記熱交換器からの冷媒を導入する第１導入ポートと、前記導出ポートとして冷媒を前記蒸発器へ導出する第１導出ポートと、前記流体通路として前記第１導入ポートと第１導出ポートとをつなぐ第１の通路と、前記蒸発器から戻ってきた冷媒を導入する第２導入ポートと、冷媒を圧縮機へ向けて導出する第２導出ポートと、前記第２導入ポートと第２導出ポートとの間に前記圧力室を含む第２の通路と、を有し、
前記隔壁が、前記第１の通路と前記第２の通路とを離隔し、
前記パワーエレメントは、前記ボディの前記第２の通路に対して前記第１の通路とは反対側に設けられ、前記第２の通路を流れる冷媒の温度と圧力を感知して動作し、
前記シャフトが、前記隔壁に形成された挿通孔を貫通するように設けられていることを特徴とする請求項４に記載の制御弁。

【請求項6】

弁部を内蔵するボディと、ダイヤフラムを感圧部材として前記弁部の駆動力を発生するパワーエレメントとを備える制御弁の製造方法であって、
前記ダイヤフラムを成形する工程と、
前記ダイヤフラムがその外周部を支点として軸線方向に変位可能に支持されるよう前記パワーエレメントを組み立てる工程と、
前記パワーエレメントを前記ボディに組み付ける工程と、
を備え、
前記ダイヤフラムを成形する工程は、前記ダイヤフラムが軸線方向の差圧を受けない無負荷状態において、前記ダイヤフラムの中央寄りの平坦部と前記外周部との間に、平面視同心円環状で断面視波形状のコルゲート部を形成する工程を含み、
前記コルゲート部を形成する工程は、
前記外周部の片側面を基準面として片側へ突出する山が、前記外周部から前記平坦部に向けて実質的にＮ＋０．５個設けられるようになされ（Ｎは自然数）、
前記ダイヤフラムが軸線方向の差圧を受けない無負荷状態における前記基準面を基準とした前記片側への高さに関し、前記外周部と前記平坦部との間にある前記コルゲート部の山の高さが、前記平坦部の高さよりも小さくなるようになされることを特徴とする制御弁の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は制御弁に関し、特にダイヤフラムを感圧部材として備える制御弁に関する。

【背景技術】

【0002】

冷凍サイクルに設置される膨張弁など、ダイヤフラムを感圧部材として作動する制御弁が汎用されている。例えば、上記膨張弁は、弁部を内蔵するボディとパワーエレメントとを組み付けて構成される。そして、パワーエレメントのハウジング内を閉空間と開放空間とに仕切るようにダイヤフラムが設けられる。閉空間には感圧用のガスが封入され、開放空間はボディの内部と連通する。ダイヤフラムは、閉空間と開放空間との差圧を感知して軸線方向に変位する。このダイヤフラムによる感圧駆動力が、ディスクおよびシャフトを介して弁体に伝達され、弁部の開度が調整される。

【0003】

ところで、このような制御弁は、設置対象となる装置によって小型化が要求されることがある。一方、その小型化にもかかわらず、弁開度の大きさを維持して作動流体の流量を確保することが望まれる場合もある。また、制御弁の大きさにかかわらず、ダイヤフラムに作用する差圧変化に対して弁開度の変化（弁体の弁座からのリフト量の変化）を大きくすることが望まれる場合もある。

【0004】

このような要請に対し、例えばダイヤフラムのコルゲート部の波形状およびその高さを工夫して対応する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。具体的には、コルゲート部の波形状を形成する山の数を例えば一山半とするなど、端数を有するように設定する。そのうえで、ダイヤフラムの外周部を基準とした山の高さを、ダイヤフラムとディスクとの当接面の高さに一致させる。このような構成により、山の数が端数を有しない従来構成よりも、ダイヤフラムのストロークひいては弁体のリフト量を大きくできる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１１−７３５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、発明者らの検証により、上述の提案構成には、弁開度の確保およびダイヤフラムの耐久性の観点から改善の余地があることが分かった。

【0007】

本発明の目的の一つは、ダイヤフラムを感圧部材として備える制御弁において、弁開度を大きく確保するとともに、ダイヤフラムの耐久性向上を図ることにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明のある態様は制御弁である。この制御弁は、流体を導入する導入ポートと、流体を導出する導出ポートと、導入ポートと導出ポートとをつなぐ流体通路に設けられた弁孔と、隔壁により流体通路と離隔された圧力室と、を有するボディと、流体通路に配置され、弁孔に接離して弁部の開度を調整可能な弁体と、ボディとの間に圧力室を形成するように設けられたハウジングと、ハウジングに外周部が支持され、ハウジング内を圧力室と離隔される閉空間と圧力室に開放される開放空間とに仕切るダイヤフラムと、を有するパワーエレメントと、開放空間に配置され、ダイヤフラムに同軸状に当接するディスクと、隔壁を貫通して軸線方向に摺動可能に支持され、一端側がディスクを介してダイヤフラムに接続され、他端側が弁体に接続され、ダイヤフラムの変位による軸線方向の駆動力を弁体に伝達するシャフトと、を備える。

【0009】

ダイヤフラムは、ディスクが当接する当接面を含む平坦部と外周部との間に、平面視同心円環状で断面視波形状のコルゲート部を有する。コルゲート部は、外周部の圧力室側の面を基準面として圧力室側へ突出する山が、外周部から平坦部に向けて実質的にＮ＋０．５個設けられることにより形成される（Ｎは自然数）。ダイヤフラムとして、無負荷状態における基準面を基準とした圧力室側への高さに関し、外周部と平坦部との間にあるコルゲート部の山の高さが平坦部の高さよりも小さくなるように構成されたものが、ハウジングに組み付けられている。

【0010】

この態様によると、コルゲート部を形成する山数が端数を有するように設定されたうえで、ダイヤフラムの外周部と平坦部との間にある山の高さが、その平坦部の高さよりも小さく設定される。それにより、ダイヤフラムのストロークを大きく確保でき、そのストローク時にダイヤフラムに作用する最大応力を抑えることができる。その結果、弁体のリフト量を大きく確保できるとともに、ダイヤフラムの耐久性向上を図ることができる。

【0011】

本発明の別の態様は、弁部を内蔵するボディと、ダイヤフラムを感圧部材として弁部の駆動力を発生するパワーエレメントとを備える制御弁の製造方法である。この製造方法は、ダイヤフラムを成形する工程と、ダイヤフラムがその外周部を支点として軸線方向に変位可能に支持されるようパワーエレメントを組み立てる工程と、パワーエレメントをボディに組み付ける工程と、を備える。

【0012】

ダイヤフラムを成形する工程は、ダイヤフラムが軸線方向の差圧を受けない無負荷状態において、ダイヤフラムの中央寄りの平坦部と外周部との間に、平面視同心円環状で断面視波形状のコルゲート部を形成する工程を含む。コルゲート部を形成する工程は、外周部の片側面を基準面として片側へ突出する山が、外周部から平坦部に向けて実質的にＮ＋０．５個設けられるようになされ（Ｎは自然数）、基準面を基準とした片側への高さに関し、外周部と平坦部との間にあるコルゲート部の山の高さが、平坦部の高さよりも小さくなるようになされる。

【0013】

この態様によると、ダイヤフラムが、コルゲート部の山数が端数を有するように形成され、また、そのダイヤフラムの外周部と平坦部との間にある山の高さが、その平坦部の高さよりも小さくなるように形成される。それにより、弁開度を大きく確保でき、ダイヤフラムの耐久性向上を図ることが可能な制御弁を提供することができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、ダイヤフラムを感圧部材として備える制御弁において、弁開度を大きく確保するとともに、ダイヤフラムの耐久性向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】実施形態に係る膨張弁の断面図である。

【図2】ダイヤフラムの構造を表す図である。

【図3】開弁性能の解析結果を表す図である。

【図4】ダイヤフラムの耐久性を評価するための解析結果を示す図である。

【図5】コルゲート部の山の高さ割合と、ダイヤフラムの耐久性および開弁特性との関係を表す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明においては便宜上、図示の状態を基準に各構造の位置関係を表現することがある。また、以下の実施形態およびその変形例について、ほぼ同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜省略することがある。

【0017】

本実施形態は、本発明の制御弁を自動車用空調装置の冷凍サイクルに適用される温度式膨張弁として具体化している。この冷凍サイクルには、循環する冷媒を圧縮する圧縮機、圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器、凝縮された冷媒を気液に分離する受液器、分離された液冷媒を絞り膨張させて霧状にして送出する膨張弁、その霧状の冷媒を蒸発させてその蒸発潜熱により車室内の空気を冷却する蒸発器が設けられている。ここでは便宜上、膨張弁以外については詳細な説明を省略する。

【0018】

図１は、実施形態に係る膨張弁の断面図である。
膨張弁１は、アルミニウム合金からなる素材を押出成形して得た部材に所定の切削加工を施して得られたボディ２を有する。このボディ２は角柱状をなし、その内部には冷媒の絞り膨張を行う弁部が設けられている。ボディ２の長手方向の端部には、「駆動部」として機能するパワーエレメント３が設けられている。

【0019】

ボディ２の側部には、受液器側（凝縮器側）から高温・高圧の液冷媒を導入する導入ポート６、膨張弁１にて絞り膨張された低温・低圧の冷媒を蒸発器へ向けて導出する導出ポート７、蒸発器にて蒸発された冷媒を導入する導入ポート８、膨張弁１を通過した冷媒を圧縮機側へ導出する導出ポート９が設けられている。導入ポート６と導出ポート９との間には、図示しない配管取付用のスタッドボルトを植設可能とするためのねじ穴１０が形成されている。各ポートには、配管の継手が接続される。

【0020】

膨張弁１においては、導入ポート６、導出ポート７およびこれらをつなぐ冷媒通路（流体通路）により第１の通路１３が構成されている。第１の通路１３の中間部には、弁部が設けられている。導入ポート６から導入された冷媒は、その弁部にて絞り膨張されて霧状となり、導出ポート７から蒸発器へ向けて導出される。一方、導入ポート８、導出ポート９およびこれらをつなぐ冷媒通路により第２の通路１４が構成されている。第２の通路１４は、ストレートに延びており、その中間部がパワーエレメント３の内部と連通している。導入ポート８から導入された冷媒の一部は、パワーエレメント３に供給されて感温される。第２の通路１４を通過した冷媒は、導出ポート９から圧縮機へ向けて導出される。

【0021】

第１の通路１３の中間部には弁孔１６が設けられ、その弁孔１６の導入ポート６側の開口端縁により弁座１７が形成されている。弁座１７に導入ポート６側から対向するように弁体１８が配置されている。弁体１８は、弁座１７に着脱して弁部を開閉する球状のボール弁体４１と、そのボール弁体４１を下方から支持する弁体受け４３とを接合して構成されている。

【0022】

ボディ２の下端部には、内外を連通させる連通孔１９が形成されており、その上半部により弁体１８を収容する弁室４０が形成されている。弁室４０は、弁孔１６に連通し、弁孔１６と同軸状に形成されている。弁室４０は、また、側部にて上流側通路３７を介して導入ポート６に連通している。上流側通路３７は、弁室４０に向けて開口する小孔４２を含む。小孔４２は、第１の通路１３の通路断面が局部的に狭小化されて形成されている。

【0023】

弁孔１６は、下流側通路３９を介して導出ポート７に連通している。すなわち、上流側通路３７、弁室４０、弁孔１６および下流側通路３９が、第１の通路１３を構成している。上流側通路３７と下流側通路３９とは互いに平行であり、それぞれ弁孔１６の軸線に対して直角方向に延在している。なお、変形例においては、上流側通路３７と下流側通路３９との互いの投影が直角をなすように（互いにねじれの位置となるように）導入ポート６又は導出ポート７の位置を設定してもよい。

【0024】

連通孔１９の下半部には、その連通孔１９を外部から封止するようにアジャストねじ２０が螺着されている。弁体１８（正確には弁体受け４３）とアジャストねじ２０との間には、弁体１８を閉弁方向に付勢するスプリング２３が介装されている。アジャストねじ２０のボディ２への螺入量を調整することで、スプリング２３の荷重を調整することができる。アジャストねじ２０とボディ２との間には、冷媒の漏洩を防止するためのＯリング２４が介装されている。

【0025】

一方、ボディ２の上端部には凹部５０が設けられ、凹部５０の底部に内外を連通させる開口部５２が設けられている。パワーエレメント３は、その下部が凹部５０に螺着され、開口部５２を封止するようにボディ２に組み付けられている。凹部５０とパワーエレメント３との間の空間により、感温室５４（「圧力室」として機能する）が形成されている。

【0026】

パワーエレメント３は、ボディ２との間に感温室５４を形成するように設けられたハウジング２５と、そのハウジング２５内を軸線方向に仕切るダイヤフラム２８とを備える。ハウジング２５は、アッパーハウジング２６とロアハウジング２７とを軸線方向に組み付けて構成される。ダイヤフラム２８は、「感圧部材」として機能する。

【0027】

すなわち、パワーエレメント３は、アッパーハウジング２６とロアハウジング２７との間にダイヤフラム２８を挟むように介装し、そのロアハウジング２７側にディスク２９を配置して構成されている。アッパーハウジング２６はステンレス材を有蓋状にプレス成形して得られる。ロアハウジング２７は、ステンレス材を段付円筒状にプレス成形して得られる。ディスク２９は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金からなり、両ハウジングよりも熱伝導率が大きい。ダイヤフラム２８は、本実施形態ではステンレス鋼板等の金属薄板からなる。

【0028】

パワーエレメント３は、アッパーハウジング２６とロアハウジング２７との互いの開口部を突き合わせ、その外縁部にダイヤフラム２８の外周部を挟むようにして組み付け、両ハウジングの接合部に沿って外周溶接が施されることにより容器状に形成されている。パワーエレメント３の内部は、ダイヤフラム２８により密閉空間Ｓ１と開放空間Ｓ２とに仕切られる。密閉空間Ｓ１は、感温室５４と離隔され、感温用のガスが封入されている。開放空間Ｓ２は、感温室５４に開放され、開口部５２を介して第２の通路１４に連通する。
ディスク２９は、開放空間Ｓ２に配置され、ダイヤフラム２８と同軸状に当接する。なお、ダイヤフラム２８およびその周辺の構成については、後に詳述する。

【0029】

パワーエレメント３とボディ２との間には、冷媒の漏洩を防止するためのＯリング３０が介装されている。第２の通路１４を通過する冷媒の一部は、開口部５２を介して感温室５４に導入され、ディスク２９に設けられた溝部５３を通ってダイヤフラム２８の下面に導かれる。それにより、その冷媒の温度および圧力が、ダイヤフラム２８に伝達される。また、その冷媒の温度は、熱伝導率が大きいディスク２９を介した熱伝導によってもダイヤフラム２８に伝達される。

【0030】

ボディ２の中央部には、第１の通路１３と第２の通路１４との間の隔壁３５を貫通するように挿通孔３４が設けられている。この挿通孔３４は、小径部４４と大径部４６とを有する段付孔となっており、小径部４４には長尺状のシャフト３３が摺動可能に挿通されている。シャフト３３は、金属製（例えばステンレス製）のロッドであり、ディスク２９と弁体１８との間に介装されている。これにより、ダイヤフラム２８の変位よる軸線方向の駆動力が、ディスク２９およびシャフト３３を介して弁体１８へ伝達され、弁部が開閉される。なお、ディスク２９は、ロアハウジング２７に係止されることにより、その下方への変位が規制される。それにより、ダイヤフラム２８の開弁方向への過度な変位が防止されている。

【0031】

シャフト３３の上半部は第２の通路１４を横断し、下半部は挿通孔３４の小径部４４に摺動可能に支持されている。大径部４６（「取付孔」として機能する）には、シャフト３３に軸線方向と直角な方向の付勢力、つまり横荷重（摺動荷重）を付与するための防振ばね４８が収容されている。シャフト３３がその防振ばね４８の横荷重を受けることにより、冷媒圧力の変動によるシャフト３３や弁体１８の振動が抑制される。なお、防振ばね４８の具体的構造については、例えば特開２０１３−２４２１２９号公報に記載の構成を採用することができるため、その詳細な説明については省略する。

【0032】

なお、本実施形態では、挿通孔３４とシャフト３３との間にＯリング等のシール部材は設けられていないが、シャフト３３と小径部４４とのクリアランスが十分に小さいため、第１の通路１３から第２の通路１４への冷媒の漏れは抑制される。すなわち、いわゆるクリアランスシールが実現されている。

【0033】

以上のように構成された膨張弁１は、概略以下のように製造される。まず、ボディ２、パワーエレメント３、シャフト３３、防振ばね４８、弁体１８、およびアジャストねじ２０のそれぞれが、個別に作製される。ボディ２は、押出加工により得られたブロック状のベース部材にドリルによる切削加工（穴あけ加工）がなされることで得られる。この穴あけ加工の二次加工として、凹部５０にはパワーエレメント３を螺合させるためのねじ穴が成形され、連通孔１９にはアジャストねじ２０を螺合させるためのねじ穴が成形される。

【0034】

パワーエレメント３の作製においては、アッパーハウジング２６およびロアハウジング２７のそれぞれを、上述のようにプレス成形により得る。その一方で、薄膜円板状のステンレス鋼板をプレス成形し、後述のコルゲート部を有するダイヤフラム２８を得る。そして、ロアハウジング２７にディスク２９を載置し、アッパーハウジング２６とロアハウジング２７とによりダイヤフラム２８を挟持させた状態で両ハウジングを溶接する。それにより、ダイヤフラム２８がその外周部を支点として軸線方向に変位可能に支持される態様でパワーエレメント３が組み立てられる。

【0035】

そして、ボディ２に対して弁体１８、アジャストねじ２０、防振ばね４８、シャフト３３およびパワーエレメント３を順次組み付けることにより、膨張弁１が得られる。なお、ダイヤフラム２８の構成およびその成形の詳細については後述する。

【0036】

以上のように構成された膨張弁１は、蒸発器から導入ポート８を介して戻ってきた冷媒の圧力及び温度をパワーエレメント３が感知してダイヤフラム２８が変位する。すなわち、ダイヤフラム２８は、蒸発器の出口側冷媒温度の変化に伴う密閉空間Ｓ１の圧力と開放空間Ｓ２の圧力との差圧に応じて軸線方向に変位する。このダイヤフラム２８の変位が駆動力となり、ディスク２９およびシャフト３３を介して弁体１８に伝達されて弁部を開閉させる。一方、受液器から供給された液冷媒は、導入ポート６から導入され、弁部を通過することにより絞り膨張されて、低温・低圧の霧状の冷媒になる。その冷媒は導出ポート７から蒸発器へ向けて導出される。

【0037】

次に、ダイヤフラム２８の構成およびその効果について詳細に説明する。
本実施形態では、ダイヤフラム２８のコルゲート部の形状を工夫することにより、開弁性能の向上およびダイヤフラム２８の耐久性向上を実現している。図２は、ダイヤフラムの単体構造を表す図である。図２（Ａ）は、ダイヤフラム２８がパワーエレメント３として組み付けられる前の単品の状態、つまりダイヤフラム２８の無負荷状態を示す断面図である。なお、説明の便宜上、ディスク２９の位置関係を二点鎖線にて示している。図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＡ部拡大図である。

【0038】

図２（Ａ）に示すように、ダイヤフラム２８は、薄膜円板状の本体６０を有する。平面図については省略するが、本体６０には、平面視同心円環状で断面視波形状のコルゲート部６２が設けられている（中心線Ｌ参照）。本体６０の中央部寄りには、ディスク２９が当接する当接面を有する平坦部６４が設けられている。そして、その平坦部６４と外周部６６との間にコルゲート部６２が形成されている。平坦部６４と外周部６６とは平行であるが、同一平面上にはなく、軸線方向にややずれた位置関係にある。本体６０の中心にはディスク２９とは反対側に突出する膨出部６８が設けられている。この膨出部６８は、パワーエレメント３に対してダイヤフラム２８を組み付ける際にその上面と下面とを容易に識別するために設けられている。変形例においては、膨出部６８を省略してもよい。

【0039】

図２（Ｂ）にも示すように、コルゲート部６２は、外周部６６の下面（感温室５４側の面）を基準面７０として下側へ突出する山が、半径方向に連設されることにより形成されている。図示の例では、外周部６６から平坦部６４に向けて山７２，７４が設けられており、山７４は半山（０．５山）とされている。すなわち、一山半による波形状が形成されているが、例えば二山半でもよく、実質的にＮ＋０．５個（Ｎは自然数）の山が形成されるように波形状が設定されればよい（図示の例ではＮ＝１）。特許文献１の構成と同様に、Ｎを３以下の自然数としてもよい。

【0040】

そして、ダイヤフラム２８は、無負荷状態における基準面７０を基準とした下側への高さに関し、外周部６６と平坦部６４との間にあるコルゲート部６２の山７２の高さＨ２が、平坦部６４の高さＨ１よりも小さくなるように構成されている（Ｈ２＜Ｈ１）。なお、図示の例における山７４は、その頂点が平坦部６４に含まれるため、「外周部６６と平坦部６４との間にある山」の概念には含まれない。すなわち、本実施形態ではコルゲート部６２の波形状が一山半からなるため、一山分の高さＨ２が平坦部６４の高さＨ１よりも小さくされるが、コルゲート部６２の波形状が二山半からなる場合、二山分の高さが平坦部６４の高さＨ１よりもそれぞれ小さくされる。

【0041】

以上のようなダイヤフラム２８の構造による効果を確認するため、ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）による数値解析を行った。この解析は、コルゲート部６２の形状に基づく開弁性能とダイヤフラム２８の耐久性を評価するものである。「開弁性能」については、ダイヤフラム２８の上面側圧力と下面側圧力との差圧の変化に対する弁体１８のリフト量の変化に基づいて評価している。上述のように、密閉空間Ｓ１には感温用のガスが封入されており、ダイヤフラム２８の上面側圧力はそのガス圧となる。ここでは、ダイヤフラム２８の下面側圧力が大気圧である場合に、その上面側圧力による開弁方向の荷重が、スプリング２３による閉弁方向の荷重に打ち勝ち、ディスク２９がロアハウジング２７に係止されるように上面側圧力を設定する。そして、下面側圧力の上昇に伴う差圧変化に対してリフト量変化が大きいほど、開弁特性に優れていると評価する。以下、その解析結果について説明する。

【0042】

図３は、開弁性能の解析結果を表す図である。この解析は、ダイヤフラムに作用する差圧の変化に対する弁体のリフト量の変化を有限要素解析により演算したものである。同図の横軸はダイヤフラム２８の下面側圧力（MPaG）をゲージ圧にて示し、縦軸は弁体１８の弁座１７からのリフト量（mm）を示す。この解析では、その上面側圧力を一定とし、下面側圧力を０〜０．４（MPaG）の間で変化させたときのリフト量（mm）を演算した。そして、このような演算を、ダイヤフラム２８の外周部と平坦部との間にある山の高さを複数種類設定して行った。すなわち、図２（Ｂ）に示したダイヤフラム２８の構成において、基準面７０を基準とする平坦部６４の高さＨ１に対する山７２の高さＨ２の割合（高さ割合）を変化させたものに対し、それぞれ演算を行った。

【0043】

図３には、その高さ割合が異なる８種類のダイヤフラムについて解析結果が示されている。図中の太線について、点線が０％、破線が１２％、二点鎖線が２９％、一点鎖線が４１％、実線が５９％の高さ割合にそれぞれ対応している。また、図中の細線について、一点鎖線が７１％、二点鎖線が８８％、破線が１００％の高さ割合にそれぞれ対応している。なお、高さ割合０％は、コルゲート部６２として半山（０．５山）しか形成されない場合に対応する。高さ割合１００％は、山７２の高さＨ２が、平坦部６４の高さＨ１と等しくなる場合を示し（Ｈ２＝Ｈ１）、特許文献１の構成に対応する。

【0044】

通常の弁開度制御領域（「常用領域」ともいう）がリフト量で０〜０．３（mm）であることから、当該範囲の傾向を開弁特性と評価する。本解析結果によれば、高さ割合が小さくなるほど、ダイヤフラム２８に作用する差圧変化に対する弁体１８のリフト量変化を大きくできることが分かる。すなわち、平坦部６４の高さＨ１よりも山７２の高さＨ２を小さくすることで、開弁特性を向上できることが分かる。特に、ダイヤフラム２８の下面側圧力が高い状態、つまりダイヤフラム２８の上面側圧力と下面側圧力との差圧が小さい領域（低温域）において、開弁特性が顕著に向上することが分かる。

【0045】

図４は、ダイヤフラムの耐久性を評価するための解析結果を示す図である。この解析は、ダイヤフラムに対して所定の繰り返し荷重を作用させたときにその表面に発生する応力を有限要素解析により演算したものである。具体的には、ダイヤフラムの上面側圧力を一定とし、下面側圧力を０〜０．４（MPaG）の間で繰り返し変化させることによる変動荷重を与え、ダイヤフラムの表面の応力を演算した。なお、下面側圧力を最大の０．４（MPaG）としても、ダイヤフラム２８がその支点よりも内側でアッパーハウジング２６に接触しないことを前提としている（図４（Ａ）の支点Ｐ参照）。

【0046】

図４（Ａ）は、繰り返し荷重を作用させたときにダイヤフラムに作用する応力分布を示す。同図の横軸はダイヤフラム２８における中心からの距離を示し、縦軸は応力振幅（MPa）を示す。説明の便宜上、図中上段にダイヤフラム２８およびその周辺構造の位置関係を中心からの距離に対応させるように示している（二点鎖線参照）。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）において応力振幅が最大となる箇所近傍を示すＢ部拡大図である。なお、同図では便宜上、上述した高さ割合が１００％に対応する結果を細い破線にて示し、５９％に対応する結果を太い実線にて示している。

【0047】

図４（Ａ）に示すように、いずれの高さ割合の場合も、アッパーハウジング２６とロアハウジング２７とによって挟持されるダイヤフラム２８の支点Ｐの近傍において最大応力が発生している。いずれの高さ割合の場合も、中心からの距離に対する応力の分布が近似した傾向を示している。ただし、図４（Ｂ）に示すように、支点Ｐの近傍の部分において、高さ割合が５９％の場合のほうが、１００％の場合に比べて応力振幅が抑えられている。一方、支点Ｐの近傍とは異なる部分でその応力振幅の大小関係が逆転している箇所もある。このことから、高さ割合を小さくすることで、局所的に高まる応力が半径方向に分散され、最大応力が引き下げられるものと推察される。なお、他の高さ割合については、図５に関連して説明する。

【0048】

図５は、コルゲート部の山の高さ割合と、ダイヤフラムの耐久性および開弁特性との関係を表す図である。同図の横軸は高さ割合（％）を示す。図中の実線は最大応力の応力振幅（MPa）を示し、破線は常用領域における開弁特性を示す。前者は、図４に示した支点Ｐ近傍の応力振幅を、図３に示した各高さ割合についてプロットしたものである。後者は、図３に示した常用領域について、下面側圧力変化に対するリフト量の変化を開弁特性としてプロットしたものである。ここでは簡単のため、各高さ割合について、常用領域の端点を直線で結んだ傾きにて表される平均変化量を開弁特性としている。

【0049】

同図によれば、開弁特性については、高さ割合が小さいほど良好に得られることが分かる。一方、最大応力の応力振幅については、高さ割合が６０％付近において最も抑制できることが分かる。これらより、特に開弁特性に着目した場合、コルゲート部６２の山７２の高さＨ２を、平坦部６４の高さＨ１よりも可能な限り小さくすることが好ましいことが分かる（Ｈ２＜Ｈ１）。一方、特にダイヤフラム２８の耐久性に着目する場合には、高さ割合を２５％以上１００％未満とするのが好ましいことが分かる。そしてさらに、高さ割合を２５％以上６０％以下とすることで、ダイヤフラム２８の耐久性を良好に維持するとともに、良好な開弁特性が得られることが分かる。

【0050】

以上に説明したように、本実施形態によれば、コルゲート部６２を形成する山数が端数を有するように設定されたうえで、ダイヤフラム２８の外周部６６と平坦部６４との間にある山の高さが、その平坦部６４の高さよりも小さく設定される。それにより、ダイヤフラム２８のストロークを大きく確保でき、ダイヤフラム２８に作用する最大応力を抑えることができる。その結果、弁体１８のリフト量を大きく確保できるとともに、ダイヤフラム２８の耐久性向上を図ることができる。

【0051】

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能であることはいうまでもない。

【0052】

上記実施形態の膨張弁は、冷媒として代替フロン（ＨＦＣ−１３４ａ）など使用する冷凍サイクルに好適に適用されるが、二酸化炭素のように作動圧力が高い冷媒を用いる冷凍サイクルに適用することも可能である。その場合には、冷凍サイクルに凝縮器に代わってガスクーラなどの外部熱交換器が配置される。

【0053】

上記実施形態では、上記膨張弁を、外部熱交換器を経て流入した冷媒を絞り膨張させて蒸発器（室内蒸発器）へ供給するものとして構成する例を示した。変形例においては、上記膨張弁を、ヒートポンプ式の車両用冷暖房装置に適用し、内部熱交換器の下流側に設置してもよい。すなわち、上記膨張弁を、内部熱交換器を経て流入した冷媒を絞り膨張させて外部熱交換器（室外蒸発器）へ供給するものとして構成してもよい。

【0054】

上記実施形態では、膨張弁の一態様を例示したが、例えば特許文献１の図１に示されるような膨張弁、つまりパワーエレメントの密閉空間にキャピラリチューブの一端を接続する態様の膨張弁として構成してもよい。キャピラリチューブの他端には、蒸発器出口側の冷媒温度を感知する感温筒が接続される。

【0055】

上記実施形態では、制御弁として膨張弁を例示したが、ダイヤフラムを感圧部材として備える制御弁であれば、上記構造のダイヤフラムを適用することができる。その場合、その制御弁は、冷媒以外を作動流体とするものでもよい。

【0056】

なお、本発明は上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。上記実施形態や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成してもよい。また、上記実施形態や変形例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。

【符号の説明】

【0057】

１ 膨張弁、２ ボディ、３ パワーエレメント、６ 導入ポート、７ 導出ポート、８ 導入ポート、９ 導出ポート、１３ 第１の通路、１４ 第２の通路、１６ 弁孔、１７ 弁座、１８ 弁体、２５ ハウジング、２８ ダイヤフラム、２９ ディスク、３３ シャフト、３４ 挿通孔、３５ 隔壁、５４ 感温室、６２ コルゲート部、６４ 平坦部、６６ 外周部、７０ 基準面、７２ 山、７４ 山、Ｓ１ 密閉空間、Ｓ２ 開放空間。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】