JP2006284088A - 膨張弁及び冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 信頼性を損なうことなく、気液２相冷媒流の圧力変動による膨張弁の振動を抑制した膨張弁を提供することを目的とする。また、本発明は、このような膨張弁を用いることにより、膨張弁の振動に起因する膨張弁等から発生する騒音を低減した冷凍装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 弁本体１内に形成された冷媒通路４において、冷媒通路４の途中に形成された絞り機能を奏するオリフィス６の上流側の壁面に冷媒の流通を阻害しないように緩衝部材１０を取り付ける。そして、この緩衝部材１０により、冷媒通路４内の冷媒の圧力変動による弁本体１の加振力を抑制して膨張弁の振動を抑制し、膨張弁の振動に起因する膨張弁等から発生する騒音を低減する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、膨張弁及び冷凍装置に関し、より詳細には、空気調和装置等の冷凍装置に用いられる膨張弁における圧力変動に起因する騒音を低下させる技術に関する。

図４は、従来の冷凍装置の基本的な冷媒回路として、セパレート型空気調和機の基本的な冷媒回路を示したものである。このセパレート型空気調和機の冷媒回路は、冷房専用回路であって図４に示すように、圧縮機１０１、室外コイル１０２、膨張弁１０３、室内コイル１０４が順次接続された循環回路に形成されている。また、圧縮機１０１及び室外コイル１０２は室外ユニット１０５に収納され、膨張弁１０３及び室内コイル１０４は室内ユニット１０６に収納されている。膨張弁１０３には、例えば図５に示すような電動膨張弁が用いられている。

この電動膨張弁は、弁本体１１０と、弁本体１１０に形成された第１ポート１１１と、弁本体１１０に形成された第２ポート１１２と、第１ポート１１１と第２ポート１１２とを接続するように弁本体１１０内に形成された冷媒通路１１３と、この冷媒通路１１３の途中に形成された仕切壁１１４と、この仕切壁１１４に形成された、絞り機能を有するオリフィス１１５と、オリフィス１１５の上流側冷媒通路１１３内に収納された弁体１１６とを備えている。

第１ポート１１１は、冷媒入口をなし、配管接手１１１ａが取り付けられている。この配管接手１１１ａには室外コイル１０２からの配管１０７（図４参照）が接続される。第２ポート１１２は、冷媒出口をなし、配管接手１１２ａが取り付けられている。この配管接手１１２ａには室内コイル１０４への配管１０８（図４参照）が接続される。

弁体１１６は、円柱状部材からなり、その先端部に円錐状に形成された弁部１１７を備えている。この膨張弁では、ステッピングモータ（図示せず）により弁体１１６を弁軸方向に進退させている。これにより、弁部１１７がオリフィス１１５に対し進退してオリフィス１１５の開度を調節し、オリフィス１１５と協働して調節可能な絞り部を構成している。前記ステッピングモータによる弁体１１６の駆動制御は、所定のプログラムに従って行われている。

ここで、上記セパレート型空気調和機における冷房運転サイクルを図４に従って説明する。なお、この図４における実線矢印及び図５における白抜き矢印は、冷房運転サイクル時の冷媒の流れ方向を示す。

圧縮機１０１で圧縮された高圧ガス冷媒は、室外コイル１０２に搬送され、外気と熱交換して凝縮液化する。この高圧液冷媒は、配管１０７を介して膨張弁１０３に搬送され、膨張弁１０３の第１ポート１１１から弁本体１１０内に吸入される。弁本体１１０内に吸入された冷媒は、弁部１１７により絞り機能を備えているオリフィス１１５で減圧され、第２ポート１１２を介して室内コイル１０４に送られる。そして、室内コイル１０４に送られた冷媒は、室内空気と熱交換して蒸発気化し、低圧ガス冷媒となって圧縮機１０１に帰還する。

以上のように動作するセパレート型空気調和機の冷房運転サイクルにおいては、一般的に、据付条件や運転条件の変化などにより、室外コイル１０２から膨張弁１０３までの配管１０７内で気泡が発生することがある。また、この気泡が大きく成長すると、冷媒流れの中に大きな気泡が断続的に存在するスラグ流やプラグ流となる。スラグ流やプラグ流が発生すると、膨張弁１０３内のオリフィス１１５を液冷媒とガス冷媒とが交互に流れる。このため、冷媒の流れが不連続状態となって冷媒の流速変動や冷媒の圧力変動が発生する。また、オリフィスを通過する際に気泡が崩壊するため、この崩壊によっても冷媒の圧力が変動していた。冷媒通路１１３を流れる冷媒の圧力がこのように変動すると、この圧力変動が弁本体１１０に伝達される。これにより、弁本体１１０が低周波数の周期で振動する。このため、配管１０７、１０８に振動が伝達され、膨張弁や室内コイル１０４から騒音を発するという問題があった。

このような騒音対策として、特許文献１に記載の従来技術は、オリフィス前後に絞り機能の構成要素として多孔質体を設け、この多孔質体を通して冷媒をオリフィスに流すようにしていた。このものでは、オリフィスに流入する冷媒を多孔質体に形成されている無数の微細な通気孔に通すことにより減圧し、流速を低減して冷媒の速度変動や圧力変動を抑制していた。また、多孔質体を通過させることにより、気泡の崩壊をなくし、気泡崩壊による圧力変動を防止していた。

なお、このような特許文献１とは別に、冷媒の流通に起因して膨張弁が振動して騒音を発するのを防止する技術として、特許文献２に記載のものがある。この従来のものは、オリフィスに対向する壁面にオリフィス通過後の冷媒噴流が衝突することによる膨張弁の振動を防止するものである。すなわち、特許文献２に記載れた従来技術は、オリフィス（特許文献１では絞り通路孔という）に対向する位置に衝撃吸収性を有する衝撃緩衝部材を設置したものである。このものによれば、オリフィス通過後の低圧側２相冷媒が衝撃緩衝部材に衝突するが、この衝突による加振力は衝撃緩衝部材によって減衰されて膨張弁に伝達される。この結果、膨張弁自体の振動が抑制され、膨張弁、この膨張弁に接続されている配管、この配管に接続された蒸発器（例えば、室内コイル）など（以下、これらを総称して「膨張弁等」という）の振動が抑制されるというものである。
特開２００１−５０４２２号公報 特開２００３−２９４３３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の従来のものは、絞り機能の構成要素として多孔質体を使用しているものであって、冷媒は必ずこの多孔質体を通過するように構成されている。したがって、多孔質体の微細通路にゴミが溜まり、冷媒の循環作用を損なう恐れがあった。また、特許文献２に記載のものは、冷媒の流通に起因して膨張弁が振動して騒音を発するのを防止する点では、本発明と類似している。しかし、具体的にみると、本発明の着目点は、特許文献２のようにオリフィス通過後の低圧側２相冷媒が弁本体の壁面に衝突する衝突音を低減するものではない。すなわち、本発明の着目点は、オリフィスに流入する冷媒流が気泡と液冷媒とが交互に流れるスラグ流やフラグ流の場合に、冷媒流の圧力変動及び冷媒流中の気泡の崩壊による圧力変動が生じ、これら圧力変動により膨張弁の弁本体が加振されるのを抑制して、膨張弁の振動を抑制するものである。したがって、本発明は、特許文献２とは別目的のものであり、特許文献２とは直接的には関係がない。

本発明は、上記従来技術に存在する問題点に着目してなされたものであって、信頼性を損なうことなく、気液２相冷媒流の圧力変動による膨張弁の振動を抑制し得る膨張弁を提供することを目的とする。また、本発明は、このような膨張弁を用いることにより、膨張弁の振動に起因する騒音を低減した冷凍装置を提供することを目的とする。

本発明の膨張弁は、弁本体と、弁本体に形成された、入口又は出口をなす第１ポートと、弁本体に形成された、冷媒の出口又は入口をなす第２ポートと、第１ポートと第２ポートとを接続するように弁本体内に形成された冷媒通路と、この冷媒通路の途中に形成された絞り機能を奏するオリフィスと、この冷媒通路において、冷媒の流通を阻害しないように前記オリフィスの上流側の壁面に取り付けられた緩衝部材とを有することを特徴とする。ここに、緩衝部材とは、膨張弁内の冷媒圧力変動による加振力が膨張弁の弁本体に伝達されるのを緩衝する部材をいう。以下本明細書において単に緩衝部材と言うときはこの意味に使用するものとする。

このように、本発明によれば、緩衝部材が冷媒通路におけるオリフィスの上流側に設けられているので、オリフィスの上流側の冷媒通路において、冷媒の圧力変動による加振力が弁本体に伝達されて、弁本体が振動するのを抑制することができる。また、このような緩衝部材による加振力抑制効果により、膨張弁の振動に起因して膨張弁等から発生する騒音を低減することができる。また、この緩衝部材は冷媒の流通を阻害しないように冷媒通路におけるオリフィスの上流側の壁面に取り付けられているので、冷媒流通の不良による膨張弁の制御機能への悪影響を回避した高信頼性の膨張弁を提供することができる。

また、前記緩衝部材は、前記オリフィスの周囲の壁面に取り付けられるのが好ましい。このようにすると、緩衝部材が振動発生元のオリフィスに近い位置に取り付けられることになり、緩衝部材による加振力抑制効果を効率よく発揮することができる。

また、前記緩衝部材として多孔質体を用いてもよい。このようにすると、緩衝部材の製作が簡略化される。さらには、多孔質体の近辺を流通する気液２相流中の気泡が多孔質体の内外に出入する現象が現れ、オリフィス上流側における冷媒２相流中の気泡の細分化が可能になる。この結果、オリフィスにおける冷媒流の圧力変動やオリフィスにおける気泡の崩壊による圧力変動を抑制することができ、この点からも膨張弁等の振動による騒音を低減することができる。

また、前記多孔質体を発泡金属材料から構成してもよい。発泡金属材料は連続気孔構造を有しかつ高気孔率に形成できるので、優れた加振力抑制効果を上げることができる。また、発泡金属材料を用いると銅系合金など種々の材料を選択し、種々の加工ができるので、製作が容易である。

また、前記緩衝部材を、冷媒の流通を阻害しないように冷媒通路におけるオリフィスの上流側及び下流側の壁面に取り付けてもよい。このようにすると、冷媒の可逆流に兼用可能な膨張弁として使用する場合に、何れの方向の冷媒流れに対しても前述の圧力変動に起因する騒音を低減することができる。また、緩衝部材がオリフィス上流側及び下流側に設けられるので、オリフィス上流側及び下流側それぞれにおいて、冷媒の圧力変動に起因する加振力を軽減することができる。したがって、膨張弁の振動に起因する膨張弁等の騒音をより一層低減することができる。

本発明によれば、緩衝部材の加振力抑制効果により、膨張弁の振動に起因して膨張弁等から発生する騒音を低減することができる。また、緩衝部材により冷媒流通が阻害されることもない。

以下、この発明を具体化した実施の形態に係る膨張弁を、図面に基づいて説明する。なお、各図において実線矢印は冷媒の流れ方向を示している。また、図３における破線矢印は、可逆流の冷媒回路に使用された場合における逆方向の冷媒流れを示す。

（実施の形態１）
先ず初めに、実施の形態１に係る電動膨張弁を図１に基づいて説明する。なお、図１は実施の形態１に係る電動膨張弁の縦断面図である。

実施の形態１に係る電動膨張弁は、以下の説明においては前述の図４の冷媒回路に使用されるものとして説明する。この電動膨張弁は、図１に示すように、弁本体１と、弁本体１に形成された第１ポート２と、弁本体１に形成された第２ポート３と、第１ポート２と第２ポート３とを接続するように弁本体１内に形成された冷媒通路４と、この冷媒通路４の途中に形成された仕切壁５と、この仕切壁５に形成された、オリフィス６と、オリフィス６の上流側冷媒通路４内に収納された弁体７とを備えている。

第１ポート２は、冷媒入口をなし、配管接手２ａが取り付けられている。この配管接手２ａには室外コイル１０２からの配管１０７（図４参照）が接続される。第２ポート３は、冷媒出口をなし、配管接手３ａが取り付けられている。この配管接手３ａには室内コイル１０４への配管１０８（図４参照）が接続される。

弁体７は、円柱状部材からなり、その先端部に円錐状に形成された弁部８を備えている。また、この膨張弁では、ステッピングモータ（図示せず）により弁体７を弁軸方向に進退させている。これにより弁部８がオリフィス６に対し進退する。そして、弁部８とオリフィス６との協働により、オリフィス６の開度を調節する絞り部を構成している。なお、弁体７は、図示しないステッピングモータを駆動源として、所定のプログラムにより駆動制御される。

また、冷媒通路４におけるオリフィス６の上流側の壁面、すなわち、仕切壁５の上面から冷媒通路４を形成する垂直壁９の壁面の下部にかけて、椀状の緩衝部材１０が取り付けられている。この椀状の内面は、高さ方向の中央部から底面にかけては漸次内径を小さくするようなテーパ面１１を備えたテーパ状の壁面部１２に形成されている。したがって、第１ポート２からオリフィス６に向かう冷媒通路４は、弁部８周辺部においてオリフィスに向かって滑らかに縮小するように形成されている。このように形成された緩衝部材１０は、仕切壁５の上面及び垂直壁９の内周面に対し密着して取り付けられている。

緩衝部材１０を構成する材料としては、例えば、焼結金属、セラミック、発泡金属、発泡樹脂等が用いられている。このような材料の中では、発泡金属材料が最も好ましい。その理由は、発泡金属材料により製作する場合は、銅系合金、ステンレスなど材料の選択範囲が広い。また、その加工も、切断、接合など種々の加工方法を適用することができるので加工性に優れている。また、発泡金属材料は高気孔率の連続気孔構造が得られるので、発泡金属を材料とすることにより、加振力抑制効果に優れた緩衝部材を得ることができる。また、オリフィス入口側の２相流冷媒中の気泡細分化効果も良好となる。

このように構成された膨張弁によれば、冷媒通路４におけるオリフィス６の上流側に設けられた緩衝部材１０が、オリフィス６の上流側の冷媒通路４における冷媒流の圧力変動に基づく振動エネルギを吸収するので、弁本体１が加振されるのを抑制する加振力抑制効果を得ることができる。この結果、弁本体１の振動が抑制され、膨張弁の振動に起因する膨張弁等から発生する騒音を低減することができる。また、緩衝部材１０は、椀形状の内面下部にテーパ面を備えたものであり、冷媒流通用のスペースが確保されているので、冷媒の流通を阻害する心配がない。したがって、冷媒流通の不良による膨張弁の制御機能への悪影響を回避した高信頼性の膨張弁を提供することができる。

また、緩衝部材１０は、冷媒の圧力変動の発生元であるオリフィス６の周囲を囲繞するように取り付けられているので、加振力抑制効果を効率よく得ることができる。
また、緩衝部材１０として多孔質体を用いているので、緩衝部材１０の製作が容易である。また、多孔質体の近辺を流れる冷媒中の気泡や液冷媒が多孔質体の孔を出入するため、オリフィス６上流側における冷媒２相流中の気泡の細分化が行われる。この結果、オリフィス６における冷媒流の圧力変動やオリフィス６における気泡の崩壊による圧力変動を抑制することができ、振動による膨張弁等の騒音を低減することができる。

また、緩衝部材１０を形成する多孔質体の材料として発泡金属材料を用いた場合は、緩衝部材１０の材料選択の範囲が広がり、かつ加工も比較的容易であるので、製作が容易となる。

（実施の形態２）
次に、この発明を具体化した実施の形態２について図２に基づき説明する。なお、実施の形態１と同一又は相当する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

実施の形態２は、実施の形態１における膨張弁と基本構造は同一であって、冷媒の流す方向を変えたものである。またこれに伴い緩衝部材の取り付け位置及び形状を変更したものである。

具体的には、紺の膨張弁も前述の図４のような冷媒回路に使用されるものであって、第２ポート３を冷媒入口として、この第２ポート３に室外コイル１０２からの配管１０７（図４参照）を接続し、第１ポート２を冷媒出口として、この第２ポートに室内コイル１０４への配管１０８（図４参照）を接続するようにしている。このため、オリフィス６の第２ポート３側がオリフィス６の上流側になる。そこで、オリフィス６の上流側に冷媒の圧力変動による弁本体１の加振力を抑制するための緩衝部材２０を、オリフィス６を形成する仕切壁５の下面、すなわち、配管接手３ａ内に取り付けている。緩衝部材２０は、ドーナツ状をなし、中央部にオリフィス６の孔径より大きい孔２１が設けられている。この孔２１は、実施の形態１におけるテーパ面１１と同様のものであって、冷媒の通路を確保するためのものである。また、緩衝部材２０の材料は実施の形態１における材料と同一である。

このように形成した実施の形態２による膨張弁も、前述の実施の形態１の膨張弁と同様の作用効果を奏することができる。なお、この実施の形態１と２との比較において、実施の形態１の場合は、オリフィス６の上流側のスペースが大きいので、大きな緩衝部材を取り付けすることができる。このため、実施の形態１の緩衝部材１０の加振力抑制効果は、実施の形態２の緩衝部材２０の加振力抑制効果より大きくなる。したがって、実施の形態１のものは、実施の形態２のものに比し、膨張弁の振動に起因する騒音が小さくなる。

（実施の形態３）
次に、この発明を具体化した実施の形態３について図３に基づき説明する。なお、実施の形態１と同一又は相当する部分には実施の形態１と同一の符号を付し、同様に、実施の形態２と同一又は相当する部分には実施の形態２と同一の符号を付し、その説明を省略する。

実施の形態３は、実施の形態１における膨張弁と基本構造は同一である。また、この実施の形態３の膨張弁は、例えば、図４において圧縮機１０１の出入り口に四路切換弁を設け、この四路切換弁の切換えにより、冷媒を室外コイル１０２から室内コイル１０４の方向へ流したり、逆に室内コイル１０４から室外コイル１０２の方向に流したりする、所謂ヒートポンプ式冷暖房用の可逆冷媒回路に用いられているものとする。そして、図３において、第１ポート２の配管接手２ａには室外コイル１０２からの配管１０７を接続し、第２ポート３の配管接手３ａには室内コイルへの配管１０８を接続する。このようにすると、図３の膨張弁においては、冷房運転時は冷媒が実線矢印の如く流れて室内コイル１０４が蒸発器となり、暖房運転時は冷媒が破線矢印の如く流れて室内コイル１０４が凝縮器となる。

実施の形態３はこのように構成する可逆冷媒回路において、冷暖何れの運転時においても蒸発器等から発生する騒音を低減しようとしたものである。このために、実施の形態３の膨張弁においては、緩衝部材として、実施の形態１の緩衝部材１０と実施の形態２の緩衝部材２０の両方を取り付けている。したがって、冷房運転時（実線矢印の場合）は緩衝部材１０が前述の加振力抑制効果を発揮し、暖房運転時（破線矢印の場合）は緩衝部材２０がそれぞれ前述の加振力抑制効果を発揮するようになっている。

実施の形態３は以上のように構成されているので、可逆何れの方向の冷媒流れに対しても、実施の形態１に記載の作用に基づき膨張弁等からの騒音を低減することができる。また、実施の形態３に記載の膨張弁の場合は、オリフィス下流側の緩衝部材により、オリフィス６下流側の冷媒通路において冷媒の圧力変動が弁本体１に伝達されるのを、抑制することができる。したがって、実施の形態３の膨張弁は、膨張弁の振動に起因する騒音をより一層低減することができる。

なお、本発明は、特許文献２に記載の、衝撃緩衝部材による冷媒衝突音の低減手段の併用を妨げるものではない。すなわち、膨張弁のオリフィス出口側に冷媒流が衝突するような壁面のある場合には、オリフィスの上流側に上述の本発明に係る緩衝材を設けるとともに、オリフィスの下流側においては、冷媒流が衝突する壁面に特許文献２に記載のような衝撃緩衝部材を設けるようにしてもよい。

本発明の膨張弁は、空気調和装置、冷蔵庫、そのようとの冷凍装置における冷媒回路に使用される。空気調和装置は一体型、分離型、マルチ型など他用途に使用できる。

本発明の実施の形態１に係る膨張弁の要部縦断面図である。 本発明の実施の形態２に係る膨張弁の要部縦断面図である。 本発明の実施の形態３に係る膨張弁の要部縦断面図である。 冷凍装置の基本的冷媒回路図であって、セパレート型空気調和機の基本的な冷媒回路を示す。 同冷媒回路に使用される膨張弁の基本構造図である。

符号の説明

１ 弁本体
２ 第１ポート
３ 第２ポート
４ 冷媒通路
６ オリフィス
１０、２０ 緩衝部材

Claims (6)

1. 弁本体と、弁本体に形成された、冷媒の入口又は出口をなす第１ポートと、弁本体に形成された、冷媒の出口又は入口をなす第２ポートと、第１ポートと第２ポートとを接続するように弁本体内に形成された冷媒通路と、この冷媒通路の途中に形成された絞り機能を奏するオリフィスと、この冷媒通路において、冷媒の流通を阻害しないように前記オリフィスの上流側の壁面に取り付けられた緩衝部材とを有することを特徴とする膨張弁。
2. 前記緩衝部材は、前記オリフィスの周囲の壁面に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の膨張弁。
3. 前記緩衝部材は、多孔質体からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の膨張弁。
4. 前記多孔質体は、発泡金属材料からなることを特徴とする請求項３に記載の膨張弁。
5. 前記緩衝部材は、前記冷媒通路において、冷媒の流通を阻害しないように前記オリフィスの上流側及び下流側の壁面にそれぞれ取り付けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載の膨張弁。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の膨張弁を使用してなる冷凍装置。
   

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