JP2006275452A - 膨張弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷凍サイクル内に組み込まれる膨張弁で、特に気液二相冷媒を減圧する際に生じる音や振動を低減すると共に、冷凍サイクルの信頼性を確保する。
【解決手段】 弁室５に流入または流出する流体が流れる接続配管２、３と、弁室５の近傍の接続配管２、３内に、接続配管２、３内を流れる流体の一部が通過可能な流路１６を残して設けられた多孔質透過材６、９と、を備え、接続配管２、３の断面における流路１６の径を多孔質透過材６、９の平均気孔径よりも大きな流路１６とする。また、弁室５に開口部を有する側面側接続配管２から流入する流体がニードル４の側面へ衝突する衝突面積を低減するようにニードル４に加工部４ａを設ける。
【選択図】 図２

Description

この発明は、流体の流路を絞ることによって流動量の制御を行う膨張弁に関するものである。

従来の空気調和装置では、空調負荷の変動に対応するためにインバーターなどの容量可変型圧縮機が用いられ、空調負荷の大小に応じて圧縮機の回転周波数を制御する。この圧縮機の回転数に合わせ、蒸発器や凝縮器を有効に利用するために膨張弁の絞り量を調整する必要があり、流量調整機能を有する膨張弁が使用されている。冷凍サイクルに用いられる膨張弁に流入する冷媒は、運転状況に応じて、蒸気単相、液単相及び気液二相のいずれかの状態であり、それぞれの場合において、膨張弁で騒音が発生する問題がある。特に気液二相で通過する場合は、気相と液相の密度差で圧力変動が生じるため、騒音の周波数が変動し耳障りである。

膨張弁を通過する際の冷媒流動音を低減するために、膨張弁の前後の冷媒配管内に多孔体を設けたものがある（例えば、特許文献１参照。）。これは、膨張弁前後に出入する冷媒流動状態を微小な気泡に細分化する手段、例えば多孔体を設けている。気泡を細分化して気相と液相を混ざり合わせることで、絞り部での冷媒圧力変動を連続的にし、冷媒音及び配管脈動を低減しようとするものであった。

また、空気調和機の膨張弁の前後の冷媒配管内に消音器を設けて、気液ニ相状態冷媒の均一化効果及び発生騒音の伝達低減効果を図ったものがある（例えば、特許文献２参照。）。消音器として、例えば、細径管を複数本束ねたハニカムパイプ、円筒管、ハニカムパイプ、円筒管、ハニカムパイプの順に挿入して構成している。複数本ある細径管は互いに流路が異なり、冷媒は互いに干渉されることなく細径管内を流れることで、冷媒の均一化及び整流化を図っている。さらに、細径管を通過した冷媒は、断面積の大きな円筒管を通過することで、均質化、整流及び圧力脈動低減効果が高められて消音器から流出される。このように、冷媒は消音器を通過する過程において、均質化と膨張を繰り返し、減圧時の発生騒音および圧力脈動の伝達の抑制を図っている。

特開平７−１４６０３２号公報（第３頁、図１） 特開平１１−３２５６５５号公報（第４〜５頁、図２）

上記のような従来の膨張弁では、膨張弁の前後の配管内の流路断面の全体を覆うようにハニカムパイプや多孔体を設けることで、流体内に含まれる気泡を細分化し、気相と液相を均質化して騒音を低減している。しかしながらこの構造では、流体に含まれる冷凍サイクル内の異物などが多孔体やハニカムパイプの細径管に補足されて、異物つまりを起こすことになる。異物つまりを起こすと冷媒が正常に流れなくなり、本来の冷房性能や暖房性能を実現できなくなるので、信頼性が低下するという問題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、冷媒の流動制御に好適で、冷媒流動音を低減でき、さらに冷凍サイクル内の異物つまりに対する耐力がある膨張弁を得ることを目的とする。

この発明に係る膨張弁は、弁室に接続する接続配管と、前記弁室の近傍の前記接続配管内に、前記接続配管内を流れる流体の一部が通過可能な流路を残して設けられた多孔質透過材と、を備え、前記接続配管の断面における前記流路の径を前記多孔質透過材の平均気孔径よりも大きな前記流路としたものである。

この発明による膨張弁は、多孔質透過材で冷媒流動音の発生を防止して騒音を低減でき、さらに、多孔質透過材に異物つまりが生じてこの部分に冷媒が流動しにくくなっても、別に設けた流路を通って冷媒が流動できるので、冷凍サイクル内の異物による閉塞を防止できる効果が得られる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態による膨張弁を示す構成図であり、図２はこの実施の形態による膨張弁を示す断面構成図である。図において、膨張弁１には前後に側面側接続配管２と軸側接続配管３が接続されて、例えば冷凍サイクルの冷媒回路内に組み込まれる。そして冷媒などの流体は、側面側接続配管２から膨張弁１を通って軸接続側配管３へ、または軸側接続配管３から膨張弁１を通って側面側接続配管２へ流れる。接続配管２、３からの冷媒が流入する弁室５には、オリフィス１０が軸側接続配管３に接続する弁室に設けた開口部で構成され、ニードル４の軸方向の一端がオリフィス１０に遊挿される。ニードル４の弁室５内に配置される部分の形状は、通常円柱形状であり、オリフィス１０に遊挿される部分は円柱形状の端部から円錐形状に連続して形成されている。この遊挿部分が円錐形状を成していることで、オリフィス１０への軸方向の挿入の程度によって、オリフィス１０とニードル４間で構成される流路の面積を増減しうる。ニードル４の円錐部分がオリフィス１０に挿入される部分の最大径は円柱部分の径とほぼ同様、または円柱部分の径よりも若干小さい。

また、ニードル４の軸方向の他端側はステッピングモータ１１のロータ１２に固定され、ニードル４の軸方向の一部分でネジ状の螺合部１５で支持されている。ステッピングモータ１１の電磁力によりロータ１２に接続されたニードル４が回転し、螺合部１５によってニードル４は軸方向に移動可能となる。

また、側面側接続配管２の内部に設置される多孔質透過材６は、例えば中央に冷媒の流路１６となる中空を有する円筒形状で構成し、側面側接続配管２の内周に接触して設けている。軸側接続配管３の内部に設置される多孔質透過材９も同様に、例えば中央に冷媒の流路１６となる中空を有する円筒形状で構成し、軸側接続配管３の内周に接触して設けている。位置決め加工部１４によって多孔質透過材６、９は弁室５の近傍の接続配管２、３内、例えば弁室５の流入口のほぼ直前及び弁室５の流出口のほぼ直後の接続配管２、３内に固定される。

図３は一般的な冷凍サイクルを示す冷媒回路図である。圧縮機２１、凝縮器２２、絞り機構である膨張弁１、及び蒸発器２３は順次接続され、冷凍サイクルを構成している。空気調和機を構成する冷媒の質量流量は、例えば２０ｋｇ／ｈから２００ｋｇ／ｈ程度であり、また、図４はこの冷凍サイクルに係るＰ−ｈ線図を示すグラフである。図４の横軸はエンタルピ（ｋＪ／ｋｇ）、縦軸は圧力（ＭＰａ）である。図３のアルファベットは冷凍サイクルの位置を表し、図４はその位置に対応した冷媒の状態をＰ―ｈ線図上に同じアルファベットを付して示している。

以下、図３及び図４を用いて、膨張弁１に流入する冷媒の状態を、例えば空気調和機の冷房運転の場合について説明する。
空調負荷に応じた回転数で運転されている圧縮機２１を出た高温高圧の蒸気冷媒（Ｂ）は、室外熱交換器２２で凝縮液化し、液冷媒（Ｃ）となって膨張弁１に流入する。そして、膨張弁１で減圧されて低圧二相冷媒（Ｄ）となって蒸発器２３に流入し、蒸発気化して蒸気冷媒（Ａ）となって、圧縮機１に戻る。このように冷媒が循環する回路の中で、絞り装置を構成する膨張弁１は、ステッピングモーター１１を駆動することにより、ニードル４がオリフィス１０に挿入され、ニードル４とオリフィス１０間で形成される流路面積を調整し、冷媒の流量を調整する。膨張弁１前後での流れの方向に制約はないが、ここでは例えば冷媒は側面側接続配管２から弁室５を通って軸側接続配管３に流れるとする。

この冷媒回路で、膨張弁１には凝縮器２２で凝縮した液冷媒（Ｃ）が流れ込むとしたが、使用環境条件に応じて、または起動時などに、気液二相冷媒や液単相冷媒で流れ込むこともある。特にスラグ流やプラグ流などの気液二相が断続した流動状態の気液二相冷媒で流れ込む場合には、膨張弁１で不連続な騒音が発生することは知られていることである。
上記では冷房運転について記載したが、暖房運転では冷媒を逆に循環させ、室内熱交換器２３を凝縮器とし室外熱交換器２２を蒸発器として作動させればよい。即ち、膨張弁１付近での冷媒の流れも逆になり、例えば軸側接続配管３から弁室５を通って側面側接続配管２に流れる。

ここでは冷房運転を行っており、膨張弁１には側面側接続配管２から弁室５に冷媒が流入するとして説明する。
図５は図２に示した側面側接続配管２の位置決め加工部１４での断面図である。弁室５への流入口のほぼ直前の側面側接続配管２に、側面側接続配管２の内壁に沿って孔質透過材６を設けている。多孔質透過材６は中央に中空を有する円筒形状としたので、冷媒の一部が通過可能な流路１６が側面側接続配管２の中央の中空部で形成される。また、この実施の形態では、軸側接続配管３についても同様であり、弁室５からの流出口のほぼ直後の軸側接続配管３に、軸側接続配管３の内壁に沿って多孔質透過材９を設けている。この中央の中空部によって冷媒の一部が通過可能な流路１６が軸側接続配管３の中央に形成される。

さらに具体的には、例えば接続配管２、３として内径が４．７ｍｍの配管を用い、中空の円筒形状の多孔質透過材６、９は例えば２０ｍｍの長さで平均気孔径１００μｍから５００μｍであり、空隙率を５０％以上とする。流路１６の径は、少なくとも多孔質透過材６、９の平均気孔径よりも大きく構成する。

冷凍サイクルを循環する気液二相冷媒は、側面側接続配管２から弁室５に流れ込む直前に、多孔質透過材６または流路１６を通過してから弁室５に流入する。多孔質透過材６を通過する際、気液ニ相状態の冷媒の蒸気スラグが細分化され、液冷媒と蒸気冷媒が混合された状態になる。この混合された冷媒が弁室５からニードル４とオリフィス１０で構成される絞り部に流入するため、不連続な圧力変動が発生せず、騒音が低下する。

さらに、弁室５から軸側接続配管３に流出した直後に、多孔質透過材９または中空部の流路１６を通過してから冷凍サイクルを構成する配管に流出する。多孔質透過材９を通過する際、ニードル４とオリフィス１０で構成される絞り部から流出する気液二相噴流は整流されることによって、噴流による圧力変動を低減でき騒音を削減できる。

ここで、騒音低減のために接続配管２、３の流路断面積全体を多孔質透過材６、９で覆ってしまうと、冷凍サイクル内を冷媒に混ざって流れている異物、例えば銅粉や鉄粉や冷凍機油の変化物が多孔質透過材６、９の空隙部分に堆積して、冷媒流路を塞ぐ場合がある。冷媒が流れなくなると、装置全体としての性能が得られなくなってしまうが、この実施の形態では多孔質透過材６、９の一部に、冷媒の一部が通過可能な流路１６を設けており、異物の堆積による閉塞を回避できる。例えば多孔質透過材６、９に冷凍サイクル内の異物が堆積したとしても、冷媒の流路を確保しているので膨張弁１自体が閉塞することを防止でき、信頼性を向上できる。
このように、弁室５に接続する接続配管２、３と、弁室５の近傍の接続配管２、３内に、接続配管２、３内を流れる流体の一部が通過可能な流路１６を残して設けられた多孔質透過材６、９と、を備え、接続配管２、３の断面における流路１６の径を多孔質透過材６、９の平均気孔径よりも大きな流路１６としたことにより、冷媒流動音の発生を防止して騒音を低減できるとともに冷凍サイクル内の異物による閉塞を防止でき、信頼性の高い膨張弁１が得られる。

既存のオリフィス１０とニードル４による絞り構造の膨張弁１の弁室５内の構成はほぼ決まっており、弁室５内の構成を大幅に変更することは困難である。これに対してこの実施の形態では、既存の膨張弁１を使い、接続配管２、３の少なくともいずれか一方に多孔質透過材６、９を、流路１６を残して設けることで、容易に冷媒流動音を低減でき、信頼性を高めることができる。

図６は開口面積率と多孔質透過材の閉塞率の関係を示すグラフである。横軸に開口面積率（％）、縦軸に閉塞率（％）を示す。サイクル内に存在する異物量の１００倍の量のＪＩＳ分体を冷凍サイクルに封入し、図２及び図５に示した膨張弁１、側面側配管２及び軸側配管３とを設置して行った閉塞実験結果である。開口面積率（％）は接続配管２、３の断面積に対する流路１６の断面積が占める割合である。即ち、開口面積率（％）は多孔質透過材６、９の中空部分の断面積を接続配管流路断面積で除し、１００を乗じた値である。開口面積率０％とは、接続配管２、３の流路断面積を多孔質透過材６、９で全て覆った状態であり、開口面積率１００％とは、接続配管２、３に多孔質透過材を設けていない状態である。

ここで、閉塞率は、開口面積率０％の場合、即ち流路断面積の全体を多孔質透過材が覆った場合の試験粉体の保持量を１００％として示している。
図６のグラフからわかるように、開口面積率が２５％より小さくなると閉塞率が急激に増大する。これは、接続配管２、３で構成される流路の断面積の３／４よりも大きい面積を多孔質透過材６、９で覆ってしまうと、冷凍サイクルを運転するにつれて、ＪＩＳ分体が冷媒と共に循環し、多孔質透過材の多孔部に目詰まりが生じる確率が高くなることを示している。このため、閉塞率から考慮すると、開口面積率は２５％以上とするのが好ましい。

図７は開口面積率（％）と騒音レベル差（ｄＢＡ）の関係を示すグラフである。横軸に開口面積率（％）、縦軸に騒音レベル差（ｄＢＡ）を示す。騒音レベル差は開口面積率０％、即ち接続配管２、３の断面全体を多孔質透過材６、９で覆った場合の騒音レベルを０ｄＢＡとし、開口面積率（％）を変化させた場合の騒音レベル差を示したものである。多孔質透過材６、９を接続配管２、３内に設けない場合には、１０ｄＢＡ騒音値が高くなっている。
図７のグラフからわかるように、開口面積率が７５％より大きくなると騒音レベル差が３ｄＢＡ以上となり急激に増大する。このため、騒音レベル差から考慮すると、開口面積率は７５％以下で構成するのが好ましい。
即ち、接続配管２、３の断面積の２５％〜７５％を流路１６とし、流路１６を除く部分に多孔質透過材６、９を設ければ、多孔質透過材６、９に異物がつまっても接続配管２、３が閉塞するのを防止して信頼性を高め、かつ騒音レベルを低く保つことができる。

また、多孔質透過材６、９の長さは図２に示した構成例では２０ｍｍとしたが、これに限るものではない。図８は、空隙率９２％で平均気孔径５００μｍの多孔質透過材６、９を用い、接続配管２、３を外径４．７ｍｍとし、開口面積率３０％である流路１６と開口面積率７５％である流路１６において、多孔質透過材６、９の長さ（ｍｍ）と騒音レベル差（ｄＢＡ）の関係を示すグラフである。横軸に多孔質透過材長さ（ｍｍ）、縦軸に騒音レベル差（ｄＢＡ）を示す。この実験も接続配管２、３の両方に円筒形状の多孔質透過材６、９を設けた構成であり、接続配管２、３の中央部分に流路１６が形成されたものである。
図８のグラフからわかるように、開口面積率７５％でも長さが１０ｍｍ以上あれば、騒音が大幅に低減されることが実験的に確認される。このため、多孔質透過材６、９の長さは１０ｍｍ以上あれば、騒音低減効果を得ることができる。騒音低減効果の大きさは、開口面積率に応じて変化する。また、流体の流量が多いときには、多孔質透過材６、９の長さを長くしたほうが、蒸気冷媒を細分化して液冷媒と確実に混合でき、騒音低減の効果を確実に得ることができる。なお、多孔質透過材６、９は接続配管２、３内の障害物となるので、流体の流れや多孔質透過材にかかるコストを考慮すると、それほど長く設けなくてもよい。１０ｍｍ〜３０ｍｍ程度設けることで大きな効果を奏する。

上記では、流体が側面側接続配管２から膨張弁１に流入し、軸側接続配管３へ流出する場合について説明したが、逆に流体が軸側接続配管３から膨張弁１に流入し、側面側接続配管２へ流出する場合でも、上記と同様の効果を奏する。例えば、膨張弁１の冷媒回路への接続が前述と逆に設置された場合や四方弁などによって冷房運転と暖房運転が切り替わる機能を有する冷凍サイクルでは、スラグ流やプラグ流のような断続した気液二相冷媒が軸側接続配管３から流入することになる。この場合でも同様であり、流路１６を有するように構成された中空の円筒形状の多孔質透過材９により、蒸気冷媒は細分化され液冷媒と混合され、オリフィス１０とニードル４で構成される絞り部へ流入する。このため、多孔質透過材９がない場合に比べて、圧力変動が抑制されて騒音が低減される効果がある。
冷凍サイクル内の異物が多孔質透過材９につまって、軸側接続配管３が閉塞するのを防止できる効果は、側面側接続配管２の場合と同様である。

なお、接続配管２、３に設ける多孔質透過材６及び流路１６の形状は、図５に限るものではなく、接続配管２、３内の多孔質透過材６、９を設けた前後で流入部分と流出部分が流路１６によって連通する形状であれば、どのようなものでもよい。連通する流路１６の断面積は接続配管２、３内の断面積の２５％〜７５％で構成することが好ましい。例えば、図９（ａ）に示すような流路を複数の流路１６ａ、１６ｂで構成してもよい。ただし、複数の流路で構成する場合でも、それぞれの流路１６ａ、１６ｂの断面での径を少なくとも多孔質透過材６の平均気孔径よりも大きくする必要がある。

また、図９（ｂ）、（ｃ）に接続配管２、３に設ける多孔質透過材６及び流路１６の別の形状を示す。図９（ｂ）は接続配管２、３内を上下に分け、一方側に多孔質透過材６、他方側に流路１６を設けた構成例である。これは左右に分けてもいいし、構成によっては多孔質透過材６と流路１６とが逆でもよい。また、図５、図９は流路１６と多孔質透過材６の構成例を示したものであり、もっと他の形状で構成してもよく、異物がつまらない程度の断面積を有する流路を複数設け、流路を除く部分に多孔質透過材を設けてもよい。

接続配管２、３内を流れる冷媒の速度分布は配管内壁では流動抵抗によって遅く、中央部で速くなる。このため、図５に示したような中空形状の多孔質透過材６、９を接続配管２、３に設けた場合には、冷媒は中空部の流路１６の部分に流れる量が多くなり、多孔質透過材６、９に流れる量は少なくなる。これに対し、例えば図９に示したように流路１６が接続配管２、３の断面で偏在するように構成したほうが、異物によって多孔質透過材６、９の気孔部分がつまっていない時には、中央部に流路１６がある場合よりも多孔質透過材６、９に冷媒が流れやすくなり、冷媒に含まれる気泡を細分化して混合でき、冷媒流動音を低減できる効果が得られる。

以下、接続配管２、３内における多孔質透過材６、９と流路１６との位置関係についてさらに説明する。
側面側接続配管２と軸側接続配管３とではどちらが水平方向及び垂直方向に設置されるかは、冷凍サイクルの構成や装置の大きさや設置場所などによって異なるので、一概には述べることはできないが、予め設置状態が決まっている場合には以下のようなことが言える。
水平な方向に配置される接続配管から冷媒が流入する場合は、重力の影響を受けてスラグ流やプラグ流の蒸気冷媒は配管上部に存在する。従って、連通する流路１６を流路の中心より下部に設けることにより、蒸気冷媒の細分化と異物つまりの回避との両立を図ることができる。例えば、図９（ａ）〜（ｃ）で、図に向かって上方を上、下方を下に配置したような構成が望ましい。

また、垂直な方向に配置される接続配管３から冷媒が流入する場合は、スラグ流は砲弾型の気泡が流入する。従って連通する流路１６の位置を弁室５ヘ流入口の位置からずらせば効果がある。流入口、例えば図２ではオリフィス１０であるが、このオリフィス１０がある位置と同じ位置に流路１６があると、流路１６を通過した比較的大きな気泡がオリフィス１０とニードル４で構成される絞り部に流入することになる。このため、比較的大きな圧力変動が発生しやすくなる。即ち、オリフィス１０の中心位置が接続配管の中心軸と一致している場合は、図９（ａ）や図９（ｂ）のような構成が望ましい。ただし、オリフィス１０を構成する開口を多孔質透過材で塞いでしまうと膨張弁としての流量制御を正確に行うことができなくなるので、オリフィス１０を構成する開口に近接する部分では流路であるほうがよい。例えばオリフィス１０に近接する部分のみで多孔質透過材の形状を変化させて流路が形成されるような構成でもよい。

また、多孔質透過材６、９としては、発泡金属、発泡樹脂、焼結金属、金網を積層にしたもの、金属細線を不規則に集約したもの、などのいずれか１種類、または多種類を組み合わせても、平均気孔径１００μｍから５００μｍの多孔質透過材を構成できる。このような多孔質透過材６、９を設けることで、蒸気冷媒を細分化して液冷媒と混合することができ、騒音を低減できる。
また、膨張弁１の製造過程では、例えば接続配管２、３を弁室５の壁面に設けた開口にろう付けし、その後に多孔質透過材６、９を接続配管２、３内に配置したのち、位置決め加工部１４の位置を決めて接続配管２、３を絞り加工により変形させている。これにより位置決め加工部１４と弁室５の壁面によって、多孔質透過材６、９の両端が接続配管２、３内に固定される。このような製造方法に限らず別の方法で多孔質透過材６、９を接続配管２、３内に構成するようにしてもよいが、上記のような方法で製造すれば、多孔質透過材６、９を配置してから熱のかかる工程がないので、多孔質透過材６、９が変形するのを防止できる。

図２に示した構成では、接続配管２、３のどちらにも流路１６を残して多孔質透過材６、９を設けたが、これに限らず少なくともどちらか一方に多孔質透過材を設ければ、ある程度の騒音低減効果を奏する。ただし、多孔質透過材を設ける際には、多孔質透過材の平均気孔径より大きな径を有する流路１６を設ける必要がある。なお、図９で流路１６の径とは、接続配管の断面で、流路１６の周上の２点を結ぶ直線のうちで一番長い直線の長さとする。
また、図２の構成では、流体が弁室５の近傍で流入する直前または弁室５から流出する直後に通過するように多孔質透過材６、９を設けたが、これに限るものではない。弁室５と余り遠く離れると、多孔質透過材６、９によって混合された気相と液相とがまた分離する可能性があり、好ましくないが、混合状態のままで流れる距離ならある程度離れていても、上記と同様の効果を奏する。

図１０（ａ）はこの実施の形態の他の構成例による膨張弁を示す断面構成図、図１０（ｂ）は側面側接続配管２から見たニードル４の一部を拡大して示す構成図である。図において、図２と同一符号は同一、又は相当部分を示す。図１０（ｂ）では、側面側接続配管２の内壁をニードルに投影した配管投影部を点線で示し、側面側接続配管２から流入する冷媒が直進した場合に主に流れる領域２ａを示している。この領域２ａの内側に位置するニードル４の少なくとも一部分に加工部４ａを設けている。
通常、弁室５内に位置するニードル４の形状は、ロータ１２に接続する側が円筒形状で、オリフィス１０に遊挿される先端部で円錐形になっている。図１０に示す構成例では、ニードル４は側面側接続配管２の通過断面の投影部を示す領域２ａで、ニードル４の直径を細くして加工部４ａとする。

側面側接続配管２から弁室５内に流入する冷媒は弁室５内に広がるが、直進して流れる冷媒は量も多く速度も速い。直進する冷媒は領域２ａに位置するニードル４に衝突することになる。そこで、領域２ａに位置するニードル４に加工部４ａを設け、衝突面積を小さくすると、冷媒の流れによる力を受ける面積が小さくなり、ニードル４にかかる力が軽減される。このように、ニードル４が受ける冷媒の流れによる力を低減でき、振動が抑えられて騒音を低減できる。
なお、従来のニードル径で受けていた力が変動することにより、ニードル４が振動する可能性もあるが、受ける力を小さくしたことによって、振動そのものが低減される効果がある。

図１１（ａ）、（ｂ）はそれぞれ別の構成例における側面側接続配管２から見たニードル４の一部を拡大して示す構成図である。図１０の加工部４ａは直進する冷媒の進む領域２ａに位置するニードル４の全体に対して設けられているが、図１１（ａ）に示す構成では、領域２ａに位置するニードル４の一部分に対して加工部４ａを設けている。
このように構成しても、加工部４ａによって、側面側接続配管２から流入する流体がニードル４の側面へ衝突する衝突面積を低減でき、ニードル４の振動による騒音を低減できる。また、領域２ａ内に位置するニードル４の周囲をなめらかな凹部を形成するように曲線的にくりぬいて加工部４ａとし、衝突面積を低減してもよい。

ニードル４が冷媒の流れによって受ける力は衝突面積に比例するため、衝突面積を極力小さくした方が冷媒の流れによるニードル４の振動を低減できる。一方、ロータ１２の回転によってニードル４が上下してオリフィス１０間の流路面積を増減するという本来の機能を発揮するために、ある程度の強度は必要となる。衝突面積を低減する程度は、少なくとも加工部４ａの直径を、オリフィス１０に挿入される部分のニードル４の最大径より細くなるように加工すれば、ある程度の効果を奏する。衝突面積の低減と強度の保持の点から、加工部４ａの直径を設定すればよい。

このように、弁室５に設けた開口部で構成されるオリフィス１０と、オリフィス１０に遊挿され挿入の程度によってオリフィス１０との間で構成される流路の面積を増減しうるニードル４と、ニードル４の側面側の弁室５に設けた開口に接続される側面側接続配管２と、オリフィス１０に接続する軸側接続配管３と、側面側接続配管２から流入する流体がニードル４の側面へ衝突する衝突面積を低減するようにニードル４に設けた加工部４ａとを備えたことにより、ニードル４の振動を小さくして騒音を低減できる効果がある。
また、特に、加工部４ａは、側面側接続配管２から弁室５に流入する流体がニードル４に衝突する部分の少なくとも一部で、ニードル４の直径をオリフィス１０に挿入される部分の最大径より細くなるように加工したことにより、ニードル４の振動を小さくして騒音を低減できる効果がある。

また、図１１（ｂ）に示す様に、加工部４ａで直径を細くしたニードル４の周囲に、多孔質透過材１７を巻回してもよい。その際、冷媒のニードル４への衝突面積を小さくするため、領域２ａ内で、多孔質透過材１７を巻回した後の衝突面積を円筒状ニードルの場合よりも小さくするのが好ましい。
このように構成すれば、図１０（ｂ）の構成と同様の効果を得ることができ、さらに多孔質透過材１７によって、弁室５に流入する冷媒に含まれる気泡を細分化できるので、ニードル４とオリフィス１０間での圧力変動を低減できる。また、加工部４ａの強度も補強できる。
ここで、図１１（ｂ）で示した多孔質透過材１７は、図２の場合と同様、発泡金属、金属の細線、焼結金属のいずれか１種類、または複数種類を組み合わせて構成してもよい。

図１２（ａ）はこの実施の形態のさらに他の構成例による膨張弁を示す断面構成図、図１２（ｂ）は側面側接続配管２から見たニードル４の一部を拡大して示す構成図である。図において、図２と同一符号は同一、又は相当部分を示す。図１２（ｂ）では、側面側接続配管２の内壁を投影した配管投影部を点線で示し、領域２ａの内側に位置するニードル４の少なくとも一部分に加工部を設けている。この構成例では、ニードル４に設けた貫通穴１３で加工部としている。
ここで、貫通穴１３は、側面側接続配管２の通過断面の投影部を示す領域２ａで、例えば側面側接続配管２の断面積と同程度、または小さい面積をもつように設けている。

側面側接続配管２から弁室５に流入する流体がニードル４に衝突する部分の少なくとも一部で、ニードル４に貫通穴１３を設けることで、ニードル４の直径を小さくすることと同様、ニードル４が受ける力を小さくする効果があり、ニードル４の振動を抑えることができる。この構成例ではニードル４は回転しながら軸方向に移動するので、必ずしも図１２（ｂ）の位置に貫通穴１３が配置されるとは限らない。この場合でも、例えば全く貫通穴１３の位置が逆、即ち貫通穴１３と９０度の角度を有する位置でニードル２が停止したとしても、貫通穴１３を設けた部分のニードル４の半径方向両端がえぐられたような形状になっており、この部分の衝突面積は低減されている。

また、図１２（ｂ）において、貫通穴１３は１箇所であるが、図１２（ｃ）に示すように２個の貫通穴１３ａ、１３ｂで構成してもよいし、さらにもっと多くの貫通穴を設けても、同様の効果が得られる。また、複数の貫通穴で、角度を有するように設けてもよい。例えば図１２（ｃ）の貫通穴１３ａと貫通穴１３ｂとをニードル４の軸に垂直な断面で交差するように設ければ、回転するニードル４の停止位置がどのようになったとしても、冷媒と衝突する衝突面積を低減できる。
この場合にも前述のように、冷媒の衝突面積を低減するためニードル４に貫通穴１３を加工することでニードル４の強度が低減する可能性があり、衝突面積の低減と強度の保持の点から、貫通穴１３の大きさを設定すればよい。
このように、加工部４ａは、側面側接続配管２のから弁室５に流入する流体がニードル４に衝突する領域２ａの少なくとも一部で、ニードル４に貫通穴１３を設けたことにより、ニードル４の振動を小さくして騒音を低減できる効果がある。

図１０〜図１２に示した構成の膨張弁では、弁室５の近傍に位置する接続配管２、３内で、弁室５に流入する直前、または弁室５から流出する直後の接続配管２、３内に多孔質透過材６、９と流路１６を設けることで、気液二相流による不連続な騒音を低減し、さらにニードル４の直径を細くしたり貫通穴１３を設けるなどの加工部４ａによってニードル４の振動を抑えることが可能となり、騒音が大幅に低減される。
ただし、図１０〜図１２で接続配管２、３内に多孔質透過材６、９を設けない構成としてもよい。多孔質透過材６、９を設けない構成とすれば、冷凍サイクル内を冷媒と共に循環する異物が多孔質透過材６、９の気孔につまることはないので、信頼性の低減を防止できる。この場合には、側面側接続配管２から流入する流体がニードル４の側面へ衝突する衝突面積を低減するようにニードル４に加工部４ａを設けることで、ニードル４の振動を低減でき、騒音低減の効果を奏することができる。

次に、図１３及び図１４に基づき、この実施の形態の他の構成例による膨張弁について説明する。図１３は図２におけるＡ−Ａ断面構成図である。側面側接続配管２の中心の延長線２ｂがニードル４の軸の近傍を通るように、側面側接続配管２が弁室５に接続されている。
図１４は、この実施の形態の他の構成例による膨張弁を示す断面構成図である。この構成例は、側面側接続配管２の中心の延長線２ｂがニードル４と交差しないように側面側接続配管２を弁室５に接続している。図１４では特に例えば側面側接続配管２を弁室５の接線方向に接続する。

図１４のように側面側接続配管２を弁室５の接線方向に接続する構成では、側面側接続配管２から弁室５に流入する冷媒は、円筒形状の弁室５の壁面に沿って旋回的に流れるため、弁室５の中心に設置されているニードル４が受ける力が軽減される。その結果、ニードル４の振動量が低減され、騒音を抑制できる。

なお、図１４では側面側接続配管２を円筒形状の弁室５の接線方向に接続することで、弁室５に流入する冷媒をスムーズに旋回流にでき、冷媒がニードル４に衝突するのを低減できるが、これに限るものではない。図１３では側面側接続配管２の中心の延長線２ｂがニードル４と交差する構成であるので、この側面側接続配管２を図１３における上下方向、即ちニードル４の軸に垂直な面で傾斜させて、弁室５に接続すれば、ある程度の効果を奏する。
側面側接続配管２を弁室５に対して傾斜させることで、側面側接続配管２の中心の延長線２ｂがニードル４と交差しなくなる。側面側接続配管２から弁室５に流入する冷媒の速度分布は、側面側接続配管２の中心で最も速く、周囲に向かって遅くなる。速度の速い冷媒がニードル４に衝突すると、ニードル４は冷媒の流れによる大きな力を受けることになり、振動する。これに対し、側面側接続配管２の中心の延長線２ｂがニードル４と交差しないように構成することで、ニードル４が冷媒の流れによって受ける力を低減できる。このため、ニードル４の振動を小さくして騒音を低減できる効果を奏する。

図１４に示した側面側接続配管２の中心の延長線２ｂがニードル４と交差しないように構成し、かつ弁室５に流入する直前の側面側接続配管２内に図２に示した多孔質透過材６と流路１６を設けることで、気液二相流による不連続な騒音を低減できると共に、ニードル４の振動による騒音を低減できる。
さらに、弁室５の直後の軸側接続配管３内に多孔質透過材９と流路１６を設けることで、気液二相流による不連続な騒音を低減する構成としてもよい。
また、側面側接続配管２の中心の延長線２ｂがニードル４と交差しないように、側面側接続配管２を弁室５に接続する構成として、図２に示したような多孔質透過材と組み合わせない場合でも、その効果を発揮しニードル４の振動を低減させる効果があり、冷凍サイクル内の異物による閉塞を防止できる。

このように、弁室５に設けた開口部で構成されるオリフィス１０と、オリフィス１０に遊挿され挿入の程度によってオリフィス１０とニードル４間で構成される流路の面積を増減しうるニードル４と、ニードル４の側面側の弁室５に開口を有する側面側接続配管２と、オリフィス１０に接続する軸側接続配管３と、を備え、側面側接続配管２の中心の延長線がニードル４と交差しないように側面側接続配管２を接続したことにより、ニードル４の振動を小さくして騒音を低減できる効果がある。
また、特にほぼ円筒形状を成す弁室５の軸に垂直な断面で、弁室５の接線方向に流体を流入させるように側面側接続配管３を接続すれば、流入する流体を弁室５の壁面に沿って旋回的に流入させることができ、ニードル４の振動による騒音をさらに低減できる効果がある。

また、上記ではニードル４を上下方向に移動させる際、例えばステッピングモーター１１のような電動式のものを用いたが、これに限るものではなく、例えばダイヤフラムなどのような温度式のもので移動させるようにしてもよい。

この発明の実施の形態１による膨張弁を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による膨張弁を示す断面構成図である。 この発明の実施の形態１に係わる冷凍サイクルを示す冷媒回路図である。 この発明の実施の形態１に係わる冷凍サイクルのＰ−ｈ線図を示すグラフである。 この発明の実施の形態１に係わる側面側接続配管を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係わる開口面積率（％）と閉塞率（％）の関係を示すグラフである。 この発明の実施の形態１に係わる開口面積率（％）と騒音レベル差（ｄＢＡ）の関係を示すグラフである。 この発明の実施の形態１に係わる多孔質透過材長さ（ｍｍ）と騒音レベル差（ｄＢＡ）の関係を示すグラフである。 この発明の実施の形態１の他の構成例に係る側面側接続配管を示す断面図である。 この発明の実施の形態１のさらに他の構成例による膨張弁を示す断面構成図（図１０（ａ））及び一部を拡大して示す構成図（図１０（ｂ））である。 この発明の実施の形態１のさらに他の構成例に係るニードルの一部を拡大して示す構成図である。 この発明の実施の形態１のさらに他の構成例による膨張弁を示す断面構成図（図１２（ａ））及び一部を拡大して示す構成図（図１２（ｂ）、（ｃ））である。 この発明の実施の形態１に係る膨張弁で、図２のＡ−Ａ断面構成図である。 この発明の実施の形態１のさらに他の構成例に係る膨張弁のＡ−Ａ断面構成図である。

符号の説明

１ 膨張弁
２ 側面側接続配管
２ａ 側面側接続配管２から流入する流体が衝突する領域
２ｂ 側面側接続配管２の中心の延長線
３ 軸側接続配管
４ ニードル
４ａ 加工部
５ 弁室
６、９、１７ 多孔質透過材
１０ オリフィス
１３、１３ａ、１３ｂ 貫通穴
１６、１６ａ、１６ｂ 流路

Claims (9)

1. 弁室に接続する接続配管と、前記弁室の近傍の前記接続配管内に、前記接続配管内を流れる流体の一部が通過可能な流路を残して設けられた多孔質透過材と、を備え、前記接続配管の断面における前記流路の径を前記多孔質透過材の平均気孔径よりも大きな前記流路としたことを特徴とする膨張弁。
2. 前記流路の断面積を前記接続配管の断面積の２５％〜７５％とすることを特徴とする請求項１記載の膨張弁。
3. 前記接続配管の断面で、前記流路が偏在するように前記多孔質透過材を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の膨張弁。
4. 前記多孔質透過材を、発泡金属及び金属の細線及び焼結金属のうちのいずれか１種類または複数種類で構成したことを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３記載の膨張弁。
5. 弁室に設けた開口部で構成されるオリフィスと、前記オリフィスに遊挿され挿入の程度によって前記オリフィスとの間で構成される流路の面積を増減しうるニードルと、前記ニードルの側面側の前記弁室の開口部に接続される側面側接続配管と、前記オリフィスに接続する軸側接続配管と、前記側面側接続配管から流入する流体が前記ニードルの側面へ衝突する衝突面積を低減するように前記ニードルに設けた加工部と、を備えたことを特徴とする膨張弁。
6. 前記加工部は、前記側面側接続配管から前記弁室に流入する流体が前記ニードルに衝突する部分の少なくとも一部で、前記ニードルの直径を前記オリフィスに挿入される部分の最大径よりも細くして構成したことを特徴とする請求項５記載の膨張弁。
7. 前記加工部は、前記側面側接続配管から前記弁室に流入する流体が前記ニードルに衝突する部分の少なくとも一部で、前記ニードルに貫通穴を設けて構成したことを特徴とする請求項５記載の膨張弁。
8. 弁室に設けた開口部で構成されるオリフィスと、前記オリフィスに遊挿され挿入の程度によって前記オリフィスとの間で構成される流路の面積を増減しうるニードルと、前記ニードルの側面側の前記弁室の開口部に接続される側面側接続配管と、前記オリフィスに接続する軸側接続配管と、を備え、前記側面側接続配管の中心の延長線が前記ニードルと交差しないように前記側面側接続配管を接続したことを特徴とする膨張弁。
9. ほぼ円筒形状を成す前記弁室の軸に垂直な断面で、前記弁室の接線方向に流体を流入させるように前記側面側接続配管を接続したことを特徴とする請求項８記載の膨張弁。

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