(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】2024-07-11
(45)【発行日】2024-07-22
(54)【発明の名称】膨張弁
(51)【国際特許分類】
F25B 41/335 20210101AFI20240712BHJP
F16K 31/68 20060101ALI20240712BHJP
【FI】
F25B41/335
F16K31/68 S
(21)【出願番号】P 2020088986
(22)【出願日】2020-05-21
【審査請求日】2023-03-01
(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】諏佐 庸晴
(72)【発明者】
【氏名】西村 康徹
(72)【発明者】
【氏名】山口 智也
【審査官】町田 豊隆
(56)【参考文献】
【文献】特開平10-288423(JP,A)
【文献】特開平09-089154(JP,A)
【文献】米国特許第05961038(US,A)
【文献】特開平11-142026(JP,A)
【文献】特開2001-183032(JP,A)
【文献】特開平11-325308(JP,A)
【文献】米国特許出願公開第2004/0129008(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F25B 41/335
F16K 31/68
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、膨張弁に関する。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
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。
【0009】
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。
【課題を解決するための手段】
【0010】
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。
【発明の効果】
【0011】
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。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【
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、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】
図3は、変形例にかかる膨張弁の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
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。
【0014】
(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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
(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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
(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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
(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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
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。
【符号の説明】
【0058】
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