特許 7253786 弁装置

(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】

(24)【登録日】2023-03-30

(45)【発行日】2023-04-07

(54)【発明の名称】弁装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 41/335 20210101AFI20230331BHJP

   F16K 31/68 20060101ALI20230331BHJP

   F16K 7/12 20060101ALI20230331BHJP

   F16K 47/02 20060101ALN20230331BHJP

【ＦＩ】

F25B41/335 C

F16K31/68 S

F16K7/12 B

F16K47/02 D

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019098698

(22)【出願日】2019-05-27

(65)【公開番号】P2020193651

(43)【公開日】2020-12-03

【審査請求日】2022-03-01

(73)【特許権者】

【識別番号】391002166

【氏名又は名称】株式会社不二工機

(74)【代理人】

【識別番号】110000062

【氏名又は名称】弁理士法人第一国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼橋 祐亮

(72)【発明者】

【氏名】山口 智也

(72)【発明者】

【氏名】諏佐 庸晴

【審査官】加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－５７９４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５０－１１４７２９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１７－１９８３８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１６２８０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－６４３３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平３－９２６８１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２５Ｂ ４１／３３５

Ｆ１６Ｋ ３１／６８

Ｆ１６Ｋ ４７／０２

Ｆ１６Ｋ ７／１２

Ｆ１６Ｋ １／００－ １／５４

Ｆ１６Ｋ １５／００－１５／２０

Ｆ１６Ｋ ３１／１２－３１／１６５

Ｆ１６Ｋ ３１／３６－３１／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷媒が進入する圧力検出室と、ガスが封入された圧力作動室とを内部に備えたケースと、
前記ケース内において、前記圧力検出室と前記圧力作動室とを仕切る可撓性のダイアフラムと、
前記ダイアフラムの変位に応じて開弁方向に移動する移動体と、
弁座を形成した弁室を備え、前記ケースに接合された弁本体と、
前記弁座に着座可能となるよう前記弁室内に配置され、前記移動体に当接する弁体と、を有し、
前記弁体は、金属製の円形板材から形成され、前記移動体から開弁方向の力を付与されたときに、前記弁室内に向かうように弾性変形することにより前記弁座から離間し、前記移動体から開弁方向の力を付与されないときは自身の弾性力により変形から復帰して、前記弁座に着座する、
ことを特徴とする弁装置。

【請求項2】

前記弁体は、中央が突出するよう塑性加工されたダイアフラムである、
ことを特徴とする請求項１に記載の弁装置。

【請求項3】

前記弁体のダイアフラムは、板厚方向に貫通し、冷媒を通過させる流路を有する、
ことを特徴とする請求項２に記載の弁装置。

【請求項4】

前記弁体のダイアフラムを、前記弁本体に取り付ける保持プレートを有する、
ことを特徴とする請求項２に記載の弁装置。

【請求項5】

前記保持プレートは、板厚方向に貫通し、冷媒を通過させる流路を有する、
ことを特徴とする請求項４に記載の弁装置。

【請求項6】

前記弁体は、前記移動体に当接する中央の当接部と、前記当接部から径方向外側に延在する変形部とを有し、前記弁体が前記弁室内に取り付けられて、前記移動体から前記当接部に開弁方向の力が付与されたとき、前記変形部が変形して弾性力を発生する、
ことを特徴とする請求項１に記載の弁装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、弁装置に関する。

【背景技術】

【0002】

空調機において冷媒の流量制御を行う弁装置として、機械式定圧弁や膨張弁などが知られている。例えば特許文献１には、パワーエレメントの駆動力が増大したときに作動棒を介して球体である弁体を開弁させ、またパワーエレメントの駆動力が減少したとき、コイルばねの付勢力で弁体を閉弁させる膨張弁が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－０１１８８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

さらに特許文献１に記載の膨張弁においては、作動棒の振動に起因する異音を抑制するために、作動棒の振動を減衰させる防振ばねを設けることが行われている。

【0005】

しかし、防振ばねにより作動棒の振動を抑制しても、異音が発生する場合があることが確認された。本発明者らが解析を行ったところ、弁体の振動がその異音の原因であることが判明した。異音発生のメカニズムとしては、弁体としての球体を駆動する作動棒の端部が平坦であるため、球体の表面と作動棒の端部とが点接触し、ここを支点として、弁体近傍を冷媒が通過する際の外乱により弁体が揺動し、振動が生じるものと推認される。

【0006】

特に、特許文献１に記載されたような、弁室内に配置したコイルばねにより弁体を閉弁方向に付勢するタイプの膨張弁では、冷媒の流れによりコイルばねが振動を受け、弁体の振動を増大させていることも分かった。

【0007】

そこで本発明は、低コストでありながら異音を抑制できる、改良された弁装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するために、本発明による弁装置は、
冷媒が進入する圧力検出室と、ガスが封入された圧力作動室とを内部に備えたケースと、
前記ケース内において、前記圧力検出室と前記圧力作動室とを仕切る可撓性のダイアフラムと、
前記ダイアフラムの変位に応じて開弁方向に移動する移動体と、
弁座を形成した弁室を備え、前記ケースに接合された弁本体と、
前記弁座に着座可能となるよう前記弁室内に配置され、前記移動体に当接する弁体と、を有し、
前記弁体は、金属製の円形板材から形成され、前記移動体から開弁方向の力を付与されたときに、前記弁室内に向かうように弾性変形することにより前記弁座から離間し、前記移動体から開弁方向の力を付与されないときは自身の弾性力により変形から復帰して、前記弁座に着座する、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明により、低コストでありながら異音を抑制できる、改良された弁装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】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】図２は、作動棒の下端及び弁体の近傍における断面を拡大して示す斜視図である。

【図3】図３は、弁体の斜視図である。

【図4】図４は、リングばねを示す斜視図である。

【図5】図５は、作動棒の下端及び弁体の近傍における拡大断面図である。

【図6】図６は、作動棒の下端及び弁体並びに保持プレートの近傍における断面を拡大して示す斜視図である。

【図7】図７は、弁体並びに保持プレートの斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。

【0012】

（方向の定義）
本明細書において、弁体からダイアフラムに向かう側を「上方」と定義し、ダイアフラムから弁体に向かう側を「下方」と定義する。

【0013】

図１を参照して、本発明の実施形態における弁装置である膨張弁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。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１０３とに流体接続されている。

【0014】

膨張弁１は、弁室ＶＳを備える弁本体２と、弁体３と、作動棒５と、リングばね６と、パワーエレメント８とを具備する。膨張弁１の軸線をＬとする。作動棒５が、移動体を構成する。

【0015】

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、作動棒５の下端が挿通された連通孔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。弁室ＶＳの下端はプラグ４３により封止されている。

【0016】

図２は、作動棒５の下端及び弁体３の近傍における断面を拡大して示す斜視図である。弁本体２において、弁室ＶＳの上端における連通孔２７の下端周囲が環状に窪むことにより環状凹部２７ａが形成される。この環状凹部２７ａを形成したことにより、連通孔２７の下縁は下方に向かって環状に突出して、突出部２７ｂを形成している。突出部２７ｂの断面は下端側が半円形状を有し、その最下端が弁座２０を構成する。

【0017】

作動棒５の下端は平面５ａとなっており、この平面５ａが弁体３の上面に当接する。

【0018】

図３は、弁体３の斜視図である。例えば板厚が１ｍｍ前後のＳＵＳ製の円形板材を、プレス成形によって中央が突出するように塑性加工することにより、ダイアフラムとしての弁体３を形成できる。弁体３は、上面がフラットな中央の円形部３ａと、円形部３ａに対して下方にシフトした周囲環状部３ｂと、円形部３ａの外周と周囲環状部３ｂの内周とを接続するよう放射状に斜め下方に延在する複数(ここでは６本の）脚部３ｃとを連設してなる。隣接する脚部３ｃと、円形部３ａと、周囲環状部３ｂとで囲まれた開口３ｄは、板厚方向に弁体３を貫通してなり、開口３ｄが冷媒の流路を形成する。円形部３ａが当接部を構成し、脚部３ｃが変形部を構成する。

【0019】

弁体３において、周囲環状部３ｂを削除して、各脚部３ｃの径方向外方端を自由端とした形状としてもよい。かかる場合、脚部３ｃの径方向外方端が弁室ＶＳにカシメにより取り付けられることとなる。また、弁体３は、回転対称の形状を有すると好ましい。

【0020】

弁体３を弁本体２に組み付ける工程について説明する。弁室ＶＳの内径は、自由状態にある弁体３の外径よりもわずかに小さい。また、図２において、弁室ＶＳの上端近傍の内周には、周溝２ｃが形成されている。

【0021】

弁室ＶＳの下端を封止するプラグ４３（後述）を組み付ける前の状態で、弁本体２の下方から弁体３を弁室ＶＳ内に押し込むように挿入すると、弁体３は弾性変形により縮径する。さらに、弁体３を上方に押し込んでゆくと、周囲環状部３ｂが周溝２ｃに嵌合して、変形より復帰するとともに、円形部３ａが弁本体２の弁座２０に当接する。かかる状態でも、弁体３を弁本体２に取り付けることができるが、さらに強固な固定を行うため本実施形態ではカシメを用いる。

【0022】

より具体的には、周溝２ｃの下方に隆起を形成しておき、弁体３を保持した状態で、弁室ＶＳ内に挿入した工具(不図示)を用いて、かかる隆起を加圧して塑性変形を生じさせ、カシメ部ＣＫを形成する。これによりカシメ部ＣＫが周囲環状部３ｂを押圧して、図２に示すように、弁体３を弁室ＶＳの上部に固定することができる。取り付け状態では弁体３はカシメ部ＣＫにより板厚方向に予圧を付与され、それにより脚部３ｃが弾性変形し、円形部３ａを弁座２０に対して押圧した状態が維持される。その後、作動棒５を上方から挿入して、弁体３の円形部３ａに当接させ、またプラグ４３により、弁室ＶＳの下端を封止する。

【0023】

次に図１を参照して、パワーエレメント８について説明する。パワーエレメント８は、弁本体２の頂部に設けられた凹部２ａに取り付けられている。凹部２ａは連通路２ｂを介して、エバポレータ１０３からの冷媒が通過する、弁本体２内の戻り流路２３と連通している。連通路２ｂ内を作動棒５が通過している。凹部２ａの内周に雌ねじが形成されている。

【0024】

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８６とを有する。

【0025】

上蓋部材８２は、中央の円錐部８２ａと、円錐部８２ａの下端から外周に広がる環状のフランジ部８２ｂとを有する。円錐部８２ａの頂部には開口８２ｃが形成され、栓８１により封止可能となっている。

【0026】

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る。ストッパ部材８４は、下端中央に嵌合孔８４ａを有する。

【0027】

受け部材８６は、上蓋部材８２のフランジ部８２ｂの外径とほぼ同じ外径を持つフランジ部８６ａと、軸線Ｌと略直交する環状の支持面８６ｂを持つ段差部８６ｃと、中空円筒部８６ｄとを有している。中空円筒部８６ｄの外周には雄ねじが形成されている。

【0028】

パワーエレメント８の組み立て手順を説明する。図１に示すような位置関係となるように、上蓋部材８２、ダイアフラム８３、ストッパ部材８４、及び受け部材８６を配置する。

【0029】

更に、上蓋部材８２のフランジ部８２ｂと、ダイアフラム８３と、受け部材８６のフランジ部８６ａ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。上蓋部材８２と受け部材８６とでケースを構成する。

【0030】

続いて、上蓋部材８２に形成された開口８２ｃ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）内に作動ガスを封入した後、開口８２ｃ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。

【0031】

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とで囲われる空間（圧力検出室ＰＤ）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。

【0032】

パワーエレメント８の組み付け時には、ストッパ部材８４の嵌合孔８４ａに作動棒５の上端を嵌合させた状態で、受け部材８６の中空円筒部８６ｄの雄ねじを、弁本体２の凹部２ａの雌ねじに螺合させて、パワーエレメント８を弁本体２に固定する。かかる状態で、パワーエレメント８の圧力検出室ＰＤは戻り流路２３と連通し、すなわち同じ内圧となる。受け部材８６と弁本体２の上面とは、パッキンＰＫにより封止される。

【0033】

次に、リングばね６について説明する。リングばね６は、図１において弁本体２の円筒状凹部２６内に設置されている。図４は、リングばね６を示す斜視図である。

【0034】

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。

【0035】

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。そして、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。

【0036】

（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１０３に送り出され、エバポレータ１０３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１０３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。

【0037】

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。

【0038】

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と圧力検出室ＰＤ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、作動棒５は上方向(閉弁方向という)に変位し、液化された作動ガスが気化されると、作動棒５は下方向(開弁方向という)に変位する。

【0039】

作動棒５が上方向に変位したときは、図５に実線で示すように、弁体３は脚部３ｃの弾性力で円形部３ａが弁座２０に着座した状態が維持される。弁室ＶＳの冷媒は、開口３ｄ(図３）を介して環状凹部２７ａまで進入するが、円形部３ａが弁座２０に着座しているため、連通孔２７には進入することはできない。すなわち、弁体３が弁座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。

【0040】

これに対し、作動棒５が下方向に移動すると、弁室ＶＳ内部に向かうよう弁体３の円形部３ａが下方に押圧され、図５に点線で示すように脚部３ｃが弾性変形する。それにより、円形部３ａが弁座２０から離間するため、矢印で示すように、環状凹部２７ａから連通孔２７に向かって冷媒が流れることとなる。すなわち、弁体３が弁座２０から離間したとき、第１流路２１と第２流路２２とは連通状態となる。

【0041】

これにより、弁室ＶＳに供給された冷媒は、連通孔２７及び第２流路２２を通って、エバポレータ１０３へ送り出される。弁の切り換えは、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。

【0042】

パワーエレメント８の圧力検出室ＰＤ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１０３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１０３に向けて供給される冷媒の量が自動的に調整される。

【0043】

本実施形態によれば、開弁時に弁体３の周囲を冷媒が流れることになるが、作動棒５の下端である平面５ａが円形部３ａに面当たりしているため、弁体３の保持性が高まり、その振動を効果的に抑制することができる。さらに、ダイアフラムとしての弁体３は自身が弾性力を有しているため、弁室ＶＳ内に弁体３を付勢するコイルばねを設ける必要がない。これにより、コイルばねを設けた場合に冷媒の流れが当たることで発生する振動を排除できる。但し、作動棒５が最大ストロークで下方向に移動しても、弁体３は反転しない。さらに作動棒５のストロークに対し、弁座２０と弁体３との隙間がリニアな関係となる範囲で使用されると好ましい。

【0044】

本実施形態では、弁室ＶＳにコイルばねを収容しないが、大容量の弁室ＶＳを確保することで、冷媒通過時にマフラー効果を発揮して騒音の低減を図ることができる。更に、弁室ＶＳ内にフィルタやストレーナ等を配置することで、騒音の低減に加え冷媒中に混入した異物を捕獲することができる。フィルタやストレーナ等は、プラグ４３を取り外すことで交換又は洗浄することができる。

【0045】

（変形例）
次に、図６，７を参照して、本実施形態の変形例について説明する。図６は、作動棒５の下端及び弁体３Ａ並びに保持プレート９の近傍における断面を拡大して示す斜視図である。図７は、弁体３Ａ並びに保持プレート９の斜視図である。本変形例においては、弁体３Ａは、保持プレート９を介して弁本体２Ａの弁室ＶＳに取り付けられる。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。

【0046】

弁体３Ａは、円形部３ａの周囲に円錐状のテーパ部３ｅを連設した形状を有し、ダイアフラムを構成する。弁体３Ａは、例えば板厚が１ｍｍ前後のＳＵＳ製の板材を、プレス成形によって中央が突出するように塑性加工して形成できる。なお、上述した実施の形態と同様に、テーパ部３ｅに開口を設けることもできる。テーパ部３ｅが変形部を構成する。

【0047】

保持プレート９は、例えばアルミニウム製であって、内側環状部９ａと、その周囲に配置された外側環状部９ｂと、内側環状部９ａと外側環状部９ｂとを連結する３本の梁部９ｃとを有する。隣接する梁部９ｃとの間は、上下面を連通する開口である円弧状スリット９ｄとなっている。円弧状スリット９ｄが冷媒の流路を構成する。

【0048】

各梁部９ｃの径方向外側の上面が、外側環状部９ｂの上面と同じレベルであり、また径方向内側の上面が、内側環状部９ａの上面と同じレベルにある。一方、内側環状部９ａの上面レベルは、外側環状部９ｂの上面レベルより低くなっているため、各梁部９ｃは、中間に段差面９ｅを設けて両側の上面間を接続している。段差面９ｅは、保持プレートの軸線Ｌを軸線とする円筒面の一部となっており、その円筒面の内径は、弁体３Ａの外径に略一致する。

【0049】

外側環状部９ｂの外周には雄ねじ９ｆが形成されている。一方、図６において、弁室ＶＳの上部内周には、雌ねじＳＣが形成されている。

【0050】

組み付け時には、弁体３Ａの外周を、保持プレート９の段差面９ｅに嵌合させた状態で、弁室ＶＳの雌ねじＳＣに雄ねじ９ｆを螺合させ、工具(不図示)から突き出た３本の爪を円弧状スリット９ｄに係合させる。この状態から、工具を軸線Ｌ回りに回転させることで、保持プレート９が弁室ＶＳに対して旋回しながら上昇し、弁体３Ａの円形部３ａが弁座２０に当接する。その際の反力により、テーパ部３ｅの外周が段差面９ｅに突き当たって変形し、これにより弾性力を発揮するようになる(図６）。弁室ＶＳに対する保持プレート９のねじ込み量を調整することで、円形部３ａと弁座２０との間に作用する予圧を調整できる。

【0051】

作動棒５が上方向に変位したときは、弁体３Ａのテーパ部３ｅの弾性力で円形部３ａが弁座２０に着座した状態が維持される。弁室ＶＳの冷媒は、図６に矢印で示すように、保持プレート９の円弧状スリット９ｄ内、及びテーパ部３ｅの外側を通って、環状凹部２７ａまで進入するが、円形部３ａが弁座２０に着座しているため、連通孔２７には進入することはできない。

【0052】

これに対し、作動棒５が下方向に移動すると、弁体３Ａの円形部３ａが下方に押圧され、それにより円形部３ａが弁座２０から離間するため、環状凹部２７ａから連通孔２７に向かって冷媒が流れることとなる（図５参照）。

【0053】

以上述べた変形例では、保持プレート９を弁室ＶＳにねじ締結する例を示したが、例えばカシメや圧入を用いて固定することもできる。また、本発明は、膨張弁に限らず、定圧弁など種々の弁装置にも適用可能である。

【0054】

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り、また上述の実施形態における任意の構成要素の追加または省略が可能である。

【符号の説明】

【0055】

１ ：膨張弁
２、２Ａ ：弁本体
３，３Ａ ：弁体
５ ：作動棒
８ ：パワーエレメント
９ ：保持プレート
１００ ：冷媒循環システム
１０１ ：コンプレッサ
１０２ ：コンデンサ
１０３ ：エバポレータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】