(57)【要約】【課題】冷媒の流量を確保しつつも、気泡破裂音を減少可能な、改良された膨張弁を提供する。【解決手段】膨張弁１は、弁座２０を備えた弁本体２と、弁座２０に着座可能な弁体３と、弁体３に連結された鍔部４２ａと、鍔部４２ａを弁座２０に向かって付勢するコイルばね４１と、コイルばね４１による付勢力に抗して、弁体３を弁座２０から離間する方向に押圧する作動棒５と、を有し、弁室ＶＳは、弁座２０につながる接続内壁２０ａを有し、鍔部４２ａは、接続内壁２０ａの径方向内側に位置しており、弁座２０と弁体３との間に形成される絞り断面の面積を絞り通過面積Ｓ０とし、弁体３の軸線Ｘに直交する面内での接続内壁２０ａの断面積と鍔部４２ａの断面積の差を鍔部通過面積Ｓｎとしたときに、作動棒５の可動範囲にわたって、鍔部通過面積Ｓｎは絞り通過面積Ｓ０より大きく、作動棒５の移動量に応じて変化する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの流路をつなぐ弁室に配置され、前記流路間を流れる流体が通過する弁座を備えた弁本体と、
前記弁座に着座することにより前記流体の通過を阻止し、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ボールと、前記ボールに連結された鍔部とを備えた可動弁と、
前記可動弁の鍔部を前記弁座に向かって付勢するコイルばねと、
前記コイルばねによる付勢力に抗して、前記可動弁を前記弁座から離間する方向に押圧する作動部材と、を有し、
前記弁室は、前記弁座につながる接続内壁を有し、前記鍔部は、前記接続内壁の径方向内側に位置しており、
前記弁座と前記ボールとの間に形成される絞り断面の面積を絞り通過面積とし、
前記可動弁の軸線に直交する面内での前記接続内壁の断面積と前記鍔部の断面積の差を鍔部通過面積としたときに、
前記作動部材の可動範囲にわたって、前記鍔部通過面積は前記絞り通過面積より大きく、
また前記鍔部通過面積は、前記作動部材の移動量に応じて変化する、
ことを特徴とする膨張弁。
【請求項２】
前記接続内壁はテーパ状である、
ことを特徴とする請求項１に記載の膨張弁。
【請求項３】
前記作動部材の最大ストロークの範囲内において、前記鍔部通過面積は、前記絞り通過面積の１．４倍以上である、
ことを特徴とする請求項１又は２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】
自動車に搭載される空調装置等に用いる冷凍サイクルシステムにおいては、設置スペースや配管を省略するために、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。
【０００３】
一般的な膨張弁において、弁室内に配設される球状の弁体は、弁室に開口した弁座に対向し配置される。弁体は、弁室内に配置された弁体サポートに支持され、弁本体に取り付けられたばね受け部材と弁体サポートとの間に設置されたコイルバネにより弁座方向へ付勢される。そして、弁体は、パワーエレメントにより駆動される作動棒により押されて、弁座から離間して冷媒の通過を可能にする。弁座と弁体の間の絞り流路を通った冷媒は、出口ポートから蒸発器側へ送られる。
【０００４】
ところで、冷凍サイクルシステムの起動当初には、弁座と弁体の間の絞り流路を通過する冷媒の液密度が低く、流動抵抗が小さくなるほど冷媒の流速が大きくなって弁部における摩擦音が大きくなるから、その対策として冷媒の流量制限が必要になる。一方、冷凍サイクルの起動時から時間が経過した安定期では、冷凍サイクルの起動時に比べて液密度が高くなっているから摩擦音は小さくなり、そのため過度な流量制限の必要がなく、むしろ十分な冷媒流量を確保したいという相反する要求がある。
【０００５】
これに対し特許文献１には、冷凍サイクルシステムの起動時における冷媒の通過音の低減と、絞り流路を通過する冷媒の必要流量を確保とをバランスよく両立するように、弁室への冷媒入り口と、弁室の内周部と弁体サポートの外周部との間で形成される間隙通路の隙間を規定した膨張弁が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５３６９２５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
さらに、冷凍サイクルシステムの能力を高めるべく、単位時間に流れる冷媒の量を増大させたいという要請がある。ところが、特許文献１の膨張弁において、弁室の内周部と弁体サポートの外周部との間で形成される間隙通路の断面積が一定であることから、開弁量を増大させたとしても、その間隙通路で冷媒の流量が制限される虞れがある。これに対し、例えば増大した開弁量に合わせて間隙通路の断面積を予め大きく確保しておけば、この間隙通路により冷媒の流量が制限されないようにすることも可能である。
しかるに、本発明者らの検討結果によれば、間隙通路の断面積を大きくした場合、気泡破裂音が増大する虞れがあることが判明した。気泡破裂音とは、冷媒内に混入した気泡が弁室内で破裂することにより発生する騒音である。しかしながら特許文献１に開示された膨張弁では、このような気泡破裂音を効果的に減少させることができない。
【０００８】
そこで本発明の目的は、冷媒の流量を確保しつつも、気泡破裂音を減少可能な、改良された膨張弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明による膨張弁は、
２つの流路をつなぐ弁室に配置され、前記流路間を流れる流体が通過する弁座を備えた弁本体と、
前記弁座に着座することにより前記流体の通過を阻止し、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ボールと、前記ボールに連結された鍔部とを備えた可動弁と、
前記可動弁の鍔部を前記弁座に向かって付勢するコイルばねと、
前記コイルばねによる付勢力に抗して、前記可動弁を前記弁座から離間する方向に押圧する作動部材と、を有し、
前記弁室は、前記弁座につながる接続内壁を有し、前記鍔部は、前記接続内壁の径方向内側に位置しており、
前記弁座と前記ボールとの間に形成される絞り断面の面積を絞り通過面積とし、
前記可動弁の軸線に直交する面内での前記接続内壁の断面積と前記鍔部の断面積の差を鍔部通過面積としたときに、
前記作動部材の可動範囲にわたって、前記鍔部通過面積は前記絞り通過面積より大きく、
また前記鍔部通過面積は、前記作動部材の移動量に応じて変化する、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、冷媒の流量を確保しつつも、気泡破裂音を減少可能な、改良された膨張弁を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本実施形態における膨張弁１を、冷媒サイクル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、弁体３及び弁体サポート４２の近傍を示す拡大断面図である。
【図３】図３は、弁体３及び弁体サポート４２の近傍を示す拡大断面図である。
【図４】図４は、参考例にかかる構成を示す図２と同様な開弁直後の断面図である。
【図５】図５は、参考例にかかる構成を示す図３と同様な最大開弁時の断面図である。
【図６】図６は、縦軸に弁室から流出する冷媒の流量をとり、横軸に弁体３のリフト量をとって示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
（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を、冷媒サイクルシステム１００に適用した例を模式的に示す概略断面図である。本実施形態では、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とに接続されており、これらにより冷媒サイクルシステム１００が構成される。
【００１４】
膨張弁１は、円筒状の弁室ＶＳを備える弁本体２と、弁体（ボール）３と、付勢装置４と、作動棒（作動部材）５と、リングばね６とを具備する。
【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、例えば供給側流路であり、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、例えば排出側流路であり、弁室ＶＳ内の流体は、作動棒挿通孔２７及び第２流路２２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により接続されている。
【００１６】
弁体３は、弁室ＶＳ内に配置される。弁体３が弁本体２の環状の弁座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。一方、弁体３が弁座２０から離間しているとき、第１流路２１と第２流路２２とは連通状態となる。図１は、弁体３が弁座２０から離間した状態を示している。
【００１７】
作動棒挿通孔２７に隙間を持って挿通された作動棒５の下端は、弁体３の上面に接触している。また、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。作動棒５のストローク（可動範囲）が、弁体３の最大リフト量に相当する。
【００１８】
リングばね６は、作動棒５の振動を抑制する防振部材である。このリングばね６は、弁本体２の環状部２６に配置されて、内周側に突出した爪部により、作動棒５の外周面に所定の弾性力を付与するようになっている。
【００１９】
付勢装置４は、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。ばね受け部材４３は、弁本体２の弁室ＶＳに開口する開口部２８に螺着されており、コイルばね４１の下端を支持している。ばね受け部材４３と、弁室ＶＳの内壁との間には、Ｏ−リング４４が配置されており、冷媒漏れを防止している。
【００２０】
図２は、弁体３及び弁体サポート４２の近傍を示す拡大断面図であり、開弁直後の状態を示す。図３は、弁体３及び弁体サポート４２の近傍を示す拡大断面図であり、最大開弁時の状態を示す。図２、３において、ＳＵＳ製の弁体サポート４２は、環状の鍔部４２ａと、鍔部４２ａから下方に延在する円筒状の内側筒体４２ｂとから形成されている。内側筒体４２ｂは、コイルばね４１の上端内側に嵌合しており、鍔部４２ａがコイルばね４１の上端に当接している。
【００２１】
鍔部４２ａの上面中央には円錐状のくぼみ４２ｃが形成されており、ここに球状の弁体３を載置して溶接することで、両者は接合される。本実施形態の内側筒体４２ｂとして筒状の部材を用いたが、中実の部材を用いてもよいことは勿論である。なお、弁体３及び弁体サポート４２とで可動弁を構成する。
【００２２】
図２、３において、弁室ＶＳは、テーパ状の面からなる弁座２０と、コイルばね４１の周囲に配置された円筒状の大径内壁２０ｂと、弁座２０と大径内壁２０ｂとを接続する接続内壁２０ａとを有している。接続内壁２０ａは、弁座２０に向かうにつれて縮径するテーパ状を有する。なお、図２，３に示すように、ここでは弁座２０と接続内壁２０ａとが、連続したテーパ形状（円錐台形状）を有しているが、弁座２０と接続内壁２０ａとを不連続とし、間に別な壁を設けるようにしてもよい。
【００２３】
本実施形態では、弁体３の着座時から作動棒５の最大ストロークまでの範囲(最大ストローク範囲という)内において、鍔部４２ａの上面４２ｄ（弁座２０に近い側の面）位置における軸線Ｘの直交方向外側に、接続内壁２０ａが常に存在する。
【００２４】
図２に示す開弁直後において、鍔部４２ａの上面４２ｄを軸線Ｘの直交方向に延長した面（点線で示す）と、接続内壁２０ａとの交線ＣＬ１は円となる。交線ＣＬ１の径をφ１とし、鍔部４２ａの外径をＤとしたときに、交線ＣＬ１内の面積と、鍔部４２ａの断面積との差を第１鍔部通過面積Ｓ１とすると、第１鍔部通過面積Ｓ１＝π（（φ１／２）２−（Ｄ／２）２）となる。
【００２５】
図３に示す最大開弁時において、鍔部４２ａの上面４２ｄを軸線Ｘの直交方向に延長した面（点線で示す）と、接続内壁２０ａとの交線ＣＬ２は円となる。交線ＣＬ２の径をφ２とすると、接続内壁２０ａがテーパ状であることから、φ２＞φ１となる。また、交線ＣＬ２内の面積と、鍔部４２ａの断面積との差を第２鍔部通過面積Ｓ２とすると、第２鍔部通過面積Ｓ２＝π（（φ２／２）２−（Ｄ／２）２）となり、φ２＞φ１であるから、Ｓ２＞Ｓ１が成立する。
第１鍔部通過面積Ｓ１を規定するうえで、接続内壁２０ａと鍔部４２ａの最小クリアランス（φ１−Ｄ）／２は、０．１ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下であると好ましい。
【００２６】
なお、明らかであるが、最大ストローク範囲内において、任意の開度における鍔部４２ａと接続内壁２０ａとの間の鍔部通過面積Ｓｎは、第１鍔部通過面積Ｓ１以上であり、第２鍔部通過面積Ｓ２以下である。
【００２７】
さらに、弁座２０と弁体３との間を冷媒が通過する際の最小流路断面は、弁体３の表面と弁座２０とを結ぶ最短線を斜辺とする円錐台形の側面である。これを絞り断面という。図３を参照して、弁座２０の開口内径をｃとし、その開口縁上の任意の位置ｐ１に対して最小距離Ｌをとる弁体３上の位置をｐ２とし、位置ｐ２を通り軸線Ｘを中心とする円の直径をｄとすると、絞り断面の面積に相当する絞り通過面積Ｓ０＝π・Ｌ（ｃ＋ｄ）／２となる。弁体３のリフト量がゼロである閉弁時には、絞り通過面積Ｓ０もゼロである。それから弁体３のリフト量に応じて、絞り通過面積Ｓ０は増大するため、絞り断面を通過する冷媒の量が増加する。作動棒５の最大ストロークの範囲内における、任意の弁体３のリフト量における鍔部通過面積Ｓｎは、当該リフト量における絞り通過面積Ｓ０の１．４倍以上であると好ましい。
【００２８】
（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。
【００２９】
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。
【００３０】
弁体３が、弁座２０に着座しているとき（換言すれば、膨張弁１が閉状態のとき）には、弁室ＶＳの上流側の第１流路２１と弁室ＶＳの下流側の第２流路２２とは、非連通状態である。他方、弁体３が、弁座２０から離間しているとき（換言すれば、膨張弁１が開状態のとき）には、弁室ＶＳに供給された冷媒は、作動棒挿通孔２７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。なお、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。
【００３１】
パワーエレメント８は、膨張弁１の上端部に配置されている。パワーエレメント８の内部には、ダイアフラム８ａにより仕切られた第１空間８ｂと第２空間８ｃとが設けられ、第１空間８ｂには作動ガスが充填されている。
【００３２】
ダイアフラム８ａの下面は、ダイアフラム支持部材８ｄを介して作動棒５の上端に接続される。このため、第１空間８ｂ内の作動ガスが液化されると収縮が生じ、作動棒５は上方向に移動し、液化された作動ガスが気化されると膨張が生じ、作動棒５は下方向に移動する。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る。
【００３３】
パワーエレメント８の第２空間８ｃ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、第１空間８ｂ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。
【００３４】
（本実施形態と参考例との比較）
次に、従来技術に相当する参考例を参照して、本実施形態の効果について説明する。図４は、参考例にかかる構成を示す図２と同様な開弁直後の断面図である。図５は、参考例にかかる構成を示す図３と同様な最大開弁時の断面図である。
【００３５】
図４，５の参考例においては、上述した本実施形態に対し、弁室ＶＳ’の大径内壁２０ｂ’が上方へ延長されて、弁座２０とつながっている点が異なる。つまり、参考例においては、接続内壁が設けられておらず、最大ストローク範囲内において、弁体サポート４２の鍔部４２ａの軸線Ｘの直交方向外側に、大径内壁２０ｂ’が常に存在する。
【００３６】
ここで、大径内壁２０ｂ’内径をφ３とし、鍔部４２ａの外径をφ４とした場合、軸線Ｘに直交する面内における大径内壁２０ｂ’の断面積と鍔部４２ａの断面積の差を第３鍔部通過面積Ｓ３としたときに、第３鍔部通過面積Ｓ３＝π（（φ３／２）２−（φ４／２）２）は一定になる。ただし、開弁直後において、Ｓ３＞Ｓ０であるが、最大開弁時において、Ｓ３＜Ｓ０となる。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。
【００３７】
図６は、縦軸に弁室から流出する冷媒の流量をとり、横軸に弁体３のリフト量（作動棒５のストローク量）をとって示すグラフであり、本実施形態の関係を実線Ａで示し、参考例の関係を一点鎖線Ｂで示している。
【００３８】
参考例において、開弁直後には、弁座２０と弁体３とで形成される絞り断面（絞り通過面積Ｓ０）が、弁室ＶＳ’内で冷媒が通過する最小の流路断面となるので、開弁に従い冷媒の流量も増加してゆく。しかし、Ｓ３＝Ｓ０となった以降、第３通過面積Ｓ３が弁室ＶＳ’内で冷媒が通過する最小の流路断面になるから、弁体３のリフト量がさらに増大しても、絞り断面から流出する冷媒の流量は増大せず、一定となる（図６の一点鎖線Ｂ参照）。このため、さらに冷媒の流量を増大させるべく、コンプレッサの圧縮圧力を増大させると、冷媒中の気泡の混入率が高まり、気泡破裂音の増大を招くこととなる。
【００３９】
これに対し本実施形態によれば、開弁直後において、Ｓ１＞Ｓ０であり、また最大開弁時において、Ｓ２＞Ｓ０である。つまり、図６の実線Ａのように、弁体３の最大ストローク範囲内（リフト量０から最大リフト量ＬＭＸの間）において、常に鍔部通過面積Ｓｎが絞り通過面積Ｓ０より大きくなるから、冷媒の流量はリフト量とほぼリニアの関係となる。したがって、流量増大を図るため敢えてコンプレッサの圧縮圧力を増大させる必要はなく、冷媒中の気泡の混入率が高まらず、気泡破裂音は増大しない。
【００４０】
加えて、本実施形態において、鍔部通過面積Ｓｎは、弁体３のリフト量に応じて可変となっている。その効果について説明する。弁体３の開弁時に、第１流路２１（図１）から弁室ＶＳに流入した冷媒は、比較的大径の気泡を含んでいる。弁体３が開弁している間、気泡を含む冷媒は、弁体サポートの鍔部４２ａと接続内壁２０ａとの間を通過し、更に弁体３と弁座２０との間を通過して、第２流路２２側へと流れる。
【００４１】
冷媒中の気泡は、冷媒と共に鍔部４２ａと接続内壁２０ａとの間を通過する際に、潰されて一段階縮小し、更に弁体３と弁座２０との間の絞り断面を通過する際に、更に潰されてもう一段階縮小する。この際に気泡破裂音が発生する。
【００４２】
仮に、最大ストロークの範囲にわたって鍔部通過面積が一定であり、しかも絞り通過面積より常に大きいとすると、弁体３の開弁直後の絞り通過面積が小さいときに、冷媒は大きな鍔部通過面積の流路断面を通った直後に、小さな絞り通過面積の流路断面を通過することとなる。したがって、鍔部４２ａと接続内壁２０ａとの間を通過した時点では、冷媒中の気泡が比較的大径のままであるから、弁体３と弁座２０との間の絞り断面を通過する際に、短時間で一気に潰されて縮小し、それにより破裂エネルギーが増大し、気泡破裂音の増大を招くこととなる。
【００４３】
これに対し本実施形態によれば、鍔部通過面積Ｓｎを可変としているので、弁体３の開弁直後において、絞り通過面積が小さいときには、上流側の鍔部通過面積Ｓｎも小さくなる。したがって、鍔部４２ａと接続内壁２０ａとの間を通過した時点で、冷媒中の気泡が潰されて、ある程度の小径になるから、弁体３と弁座２０との間の絞り断面を通過する際に、更に潰されて縮小しても、破裂エネルギーが大きく増大することはなく、気泡破裂音を抑制できる。つまり、気泡破裂音を時間的に分散させることにより、全体として騒音を抑制することができる。
【００４４】
一方、弁体３の最大リフト量に近づくにつれ、絞り通過面積が大きくなると、上流側の鍔部通過面積Ｓｎも大きくなる。かかる場合、鍔部４２ａと接続内壁２０ａとの間を通過した時点では、冷媒中の気泡が潰されにくく、それにより破裂エネルギーは小さく抑えられる代わりに、比較的大径の気泡が冷媒中に残存してしまう。しかし、その後に冷媒が通る弁体３と弁座２０との間の絞り断面の面積も大きいことから、気泡の潰し量も少なくなり、全体として破裂エネルギーを低減することができ、気泡破裂音を低減できる。以上の効果を十分発揮するため、並びに冷媒の流量を不必要に制限しないために、鍔部通過面積Ｓｎには下限及び上限を設けると好ましい。具体的には、最大ストロークの範囲内において、鍔部通過面積Ｓｎを２．０ｍｍ２以上、６．０ｍｍ２以下とするのが好ましい。
【００４５】
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】
【００４６】
１        ：膨張弁
２        ：弁本体
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
２１      ：第１流路
２２      ：第２流路
２３      ：戻り流路
２６      ：環状部
２７      ：作動棒挿通孔
４１      ：コイルばね
４２      ：弁体サポート
４３      ：ばね受け部材
１００    ：冷媒サイクルシステム
１０１    ：コンプレッサ
１０２    ：コンデンサ
１０４    ：エバポレータ
ＶＳ      ：弁室
【図１】
2020041758.tif 000003
【図２】
2020041758.tif 000004
【図３】
2020041758.tif 000005
【図４】
2020041758.tif 000006
【図５】
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【図６】
2020041758.tif 000008