JP2008291928A - ニードル弁及びこのニードル弁を有する冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】騒音を抑制できるニードル弁及びこのニードル弁を有する冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】ニードル弁１は弁箱１０と弁体３０を備えている。弁箱１０には弁口１２が形成された弁座２２が設けられている。弁体３０は弁座２２に接離して開度を変更する。弁体３０の流量調整部３３は先細に形成されている。弁口１２は入口シール部１２ａとポート部１２ｂと出口部１２ｃを備えている。入口シール部１２ａとポート部１２ｂは弁座２２の表面２２ａから離れるのにしたがって徐々に縮小している。弁体３０の軸芯を通る断面において流量調整部３３の外表面同士のなす角度をαとしポート部１２ｂの内面同士のなす角度をβとするとβ≦α≦β＋１０度である。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷凍サイクル装置などに用いられて、内側に冷媒などの流体を通すニードル弁及びこのニードル弁を有する冷凍サイクル装置に関する。

冷凍サイクル装置などの流体を循環させる各種の装置では、流体としての冷媒の流量を適宜変更するために、各種のニードル弁２００（図８に断面の一部を示し、例えば、特許文献１参照）が用いられている。特許文献１に示された図８に例示されたニードル弁２００は、内側に冷媒などの流体を通す流路が形成された弁箱２０１と、弁箱２０１の弁口２０２に接離自在に設けられた針状の弁体２０３と、前記弁体２０３を前記弁口２０２に接離させる駆動部とを備えている。

前記弁口２０２は、前記弁箱２０１を貫通しているとともに、当該弁箱２０１の弁座の前記弁体２０３に相対する表面に開口しかつ前記表面から離れるのにしたがって徐々に縮径するように形成された入口シール部２０２ａと、前記入口シール部２０２ａに連なりかつ内径が全長に亘って一定に形成されたポート部２０２ｂと、前記ポート部２０２ｂに連なりかつ前記表面から離れるのにしたがって徐々に拡径するように形成された出口部２０２ｃとを備えている。弁体２０３は、弁口２０２に近づくのにしたがって徐々に先細に形成されている。

前述した特許文献１に示されたニードル弁２００は、駆動部のステータのコイルなどに電流が印加させることで、当該駆動部のロータを回転させることで、弁体２０３を弁口２０２に接離させて、開度を変更して、前述した流体の流量を適宜変更する。なお、弁口２０２を閉じる際には、弁体２０３を入口シール部２０２ａに密着させ、流体の流量を変更する際には、弁体２０３とポート部２０２ｂとの間隔を適宜変更する。
特開２００７−３２９７９号公報

前述した特許文献１に示されたニードル弁２００は、弁体２０３が先細に形成されかつポート部２０２ｂの内径が全長に亘って一定に形成されているので、最少絞り部を通過した後に、出口部２０２ｃに向かうにしたがってポート部２０２ｂの内面と弁体２０３の外周面とのなす角が広がり形状となり、ポート部２０２ｂの内面に剥離流れを生じる。このため、ポート部２０２ｂ内の流れは、縮流によって流路が狭まり、流速が速くなるために、弁口２０２即ちポート部２０２ｂ内を流れる冷媒の圧力が出口部２０２ｃに向かうにしたがって急激に低下する。

このため、ポート部２０２ｂ内で冷媒の圧力が飽和蒸気圧を下回って、当該ポート部２０２ｂ内で冷媒中に気泡が生じてしまう。そして、弁口２０２を通り過ぎた後に気泡が消滅し、この気泡が消滅する際の衝撃力によって、騒音を生じることとなる。

したがって、本発明の目的は、特に、騒音を抑制できるニードル弁及びこのニードル弁を有する冷凍サイクル装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の本発明のニードル弁は、内側に流体を通す弁口が設けられた弁座と、前記弁座に接離自在に設けられかつ当該弁座に近づくのにしたがって先細となる針状に形成されているとともに、前記弁座に接離することで開度を変更する弁体と、を備えたニードル弁において、前記弁口が、前記弁座の前記弁体寄りの表面に開口して前記表面から離れるのにしたがって徐々に縮小した入口シール部と、前記入口シール部に連なりかつ前記表面から離れるのにしたがって徐々に縮小したポート部と、を備えたことを特徴としている。

請求項２に記載の本発明のニードル弁は、請求項１記載のニードル弁において、前記弁体の軸芯を通る断面において、当該弁体の先端部の外周面同士のなす角度をαとし、前記弁口の前記ポート部の内面同士のなす角度をβとすると、β≦α≦β＋１０度であることを特徴としている。

請求項３に記載の本発明の冷凍サイクル装置は、請求項１又は請求項２記載のニードル弁を冷媒回路中に有することを特徴としている。

請求項１に記載された本発明のニードル弁は、弁口のポート部が弁座の弁体寄りの表面から離れるのにしたがって徐々に縮小しているので、ポート部の内面と弁体との間隔が急激に変化しない。このため、ポート部内で流体の圧力が急激に低下することを防止でき、ポート部内で流体の圧力が飽和蒸気圧を下回ることを防止して、ポート部内の流体に気泡が生じることを防止できる。したがって、ポート部内の流体中に生じる気泡の大きさや数を抑制でき、気泡が消滅する際の衝撃力によって生じる騒音を抑制できる。

請求項２に記載された本発明のニードル弁は、弁体の外周面同士のなす角度がポート部の内面同士の角度以上で、かつこれらの角度の差が１０度以下であるので、弁体の外周面とポート部の内面とが略平行になる。このため、ポート部の内面と弁体との間隔が急激に変化せずに、ポート部内で流体の圧力が急激に低下することを防止でき、ポート部内で流体の圧力が飽和蒸気圧を下回ることを防止して、ポート部内の流体に気泡が生じることを防止できる。したがって、勿論、気泡が消滅することもなく、気泡が消滅する際の衝撃力によって生じる騒音を確実に抑制できる。

請求項３に記載された本発明の冷凍サイクル装置は、前述したニードル弁を備えているので、流体中に気泡が生じることを防止でき、気泡が消滅する際の衝撃力によって騒音が生じることを防止できる。

以下に、本発明の一実施形態にかかるニードル弁を、図１乃至図３、図５を参照して説明する。

図１に示すニードル弁１は、例えば、冷凍サイクル装置に用いられ、流体としての冷媒の流量を変化させる所謂膨張弁として用いられる。

ニードル弁１は、図１に示すように、カップ状の金屑製あるいは合成樹脂製の弁箱１０を有する。弁箱１０は、弁室１１と、弁室１１の後述する弁体３０と相対する弁座２２に開口形成された丸穴形状の弁口１２と、横継手１３を接続され弁室１１に直接連通する入ロポート１４と、下継手１５を接続され弁口１２を経て弁室１１に連通する出ロポート１６とを有する。即ち、弁箱１０は、その内側に入ロポート１４と弁室１１と弁口１２と出ロポート１６とに亘って、前述した冷媒を流す流路が形成されている。また、弁箱１０の図１中の上端部内には、円筒状の弁ガイド部材３４が取り付けられている。

弁口１２は、弁箱１０を貫通した断面丸形の孔であり、図２に示すように、弁座２２の弁室１１内の弁体３０寄りの表面２２ａに開口した入口シール部１２ａと、当該入口シール部１２ａに連なるポート部１２ｂと、このポート部１２ｂに更に連なり弁箱１０の外表面に開口した出口部１２ｃとを備えている。

入口シール部１２ａは、前記表面２２ａから離れるのにしたがって即ち弁箱１０の外表面に近づくのにしたがって徐々に縮小している。ポート部１２ｂは、前記表面２２ａから離れるのにしたがって即ち弁箱１０の外表面に近づくのにしたがって徐々に縮小している。このように、入口シール部１２ａとポート部１２ｂは、弁箱１０の外表面に近づくのにしたがって徐々に小さくなるように形成されている。なお、入口シール部１２ａの内面の弁体３０の軸芯を含んだ断面における当該軸芯とのなす角度は、ポート部１２ｂの内面の弁体３０の軸芯を含んだ断面における当該軸芯とのなす角度よりも大きく形成されている。出口部１２ｃは、表面２２ａから離れるのにしたがって即ち弁箱１０の外表面に近づくのにしたがって徐々に拡大している。弁口１２は、その内側に流体としての冷媒を流す。

弁箱１０の図１中の上部には、円筒状の蓋部材２８が同軸的に取り付けられており、この蓋部材２８の図１中の上部に取付板１７によって固定支持部材(雌ねじ部材)１８が固定されている。回定支持部材１８にはガイド孔１９が形成されている。ガイド孔１９は弁口１２と同心位置にあり、ガイド孔１９には、円筒状の弁ホルダ２０が軸芯方向(上下方向)、つまり弁開閉方向に摺動可能に嵌合している。これにより、弁ホルダ２０は弁箱１０内を軸芯方向に移動可能である。

弁ホルダ２０は、図１中の下端の内周に円環状の下側リップ部材２１が取り付けられ、その図１中の上端の内周に円環状の上側リップ片２３が一体に形成されている。下側リップ部材２１の図１中の上面は、円環段差状に形成された上向きのストッパ面部２５をなしている。なお、弁ホルダ２０には、均圧孔１０５が形成されている。

弁ホルダ２０に取り付けられた下側リップ部材２１に、金属製あるいは合成樹脂製の弁体３０が軸芯方向に変位可能に取り付けられている。弁体３０は、円柱状の針状に形成され、下側リップ部材２１の内側に形成された開口２６に遊嵌合、つまり、弁ホルダ２０に対して径方向に変位できるよう所定の径方向間隙を有する状態で通されて、そして、図１中の上端部から凸に設けられた環段差部(肩部)３２の下底面が下側リップ部材２１の上面に係合することにより、弁ホルダ２０より回転可能に吊り下げ支持されている。

さらに、弁体３０は、弁ガイド部材３４内に通されて、その軸芯に沿って移動自在に当該弁ガイド部材３４に支持されている。弁体３０は、図１中の下側に位置しかつ弁座２２と相対する先端部が円錐形をした流量調整部３３をなしており、流量調整部３３は、下側リップ部材２１の内側の開口２６より弁口１２へ向けて突出している。このように、弁体３０は、軸芯方向に移動自在とされることで、弁座２２に接離自在に設けられ、その流量調整部３３が弁座２２に近づくのにしたがって先細となるように形成されている。

弁体３０は、流量調整部３３の弁口１２に対する進入度(軸芯方向位置)に応じて、即ちポート部１２ｂの内面との間隔が適宜変更されて、冷媒の定量的な流量制御を行い、流量調整部３３が弁口１２の入口シール部１２ａに当接着座することにより、弁口１２を閉じる(閉塞する)全閉状態になる。

弁ホルダ２０には、後述するステッピングモータ７０のロータ軸をなす雄ねじ軸７３の下端部７４が、弁ホルダ２０の上側リップ片２３の内側の開口２７を遊嵌合状態で貫通している。この遊嵌合状態とは、弁ホルダ２０と雄ねじ軸７３とが相対的に径方向に変位できることを云う。

雄ねじ軸７３の下端部７４、つまり、雄ねじ軸７３と、弁体３０との間には、リテーナ部材３５が配置されている。リテーナ部材３５は、円柱状に形成され、勿論、弁ホルダ２０内に収容されており、その図１中の上端には、ばねリテーナを兼ねたフランジ状の吊下係合部７５がその全周に亘って凸に一体形成されている。吊下係合部７５は、図１中の上面側にて、フッ素樹脂等の高滑性プラスチックをコーティングしたもの、あるいは高滑性プラスチックからなるワッシヤ２９，３１を挟んで弁ホルダ２０の上側リップ片２３に回転可能に係合している。この係合により、弁ホルダ２０が雄ねじ軸７３より回転可能に吊り下げ支持される。

リテーナ部材３５に設けられた吊下係合部７５と、弁体３０の環段差部(肩部)３２との間には、内側にリテーナ部材３５を通した圧縮コイルばね３６が所定の予荷重を与えられた状態で取り付けられている。

雄ねじ軸７３の外周面には、雄ねじ部３７が形成されている。雄ねじ部３７は固定支持部材１８に形成された雌ねじ部(雌ねじ孔)３８にねじ係合している。このねじ係合により、雄ねじ軸７３は、回転に伴って軸芯方向、つまり、弁開閉方向に移動する。この雄ねじ部３７と雌ねじ部３８とのねじ係合によって送りねじ機構が構成され、送りねじ機構は、雄ねじ軸７３の回転運動を弁開閉方向の直線運動に変換する。

蓋部材２８の図１中の上部には、ステッピングモータ７０のキャン状のロータケース７１が溶接等によって気密に固定されている。ロータケース７１内には、外周面部７２Ａを多極着磁されたヨーク７２が回転可能に設けられている。ヨーク７２にはヨーク軸を兼ねている雄ねじ軸７３の図１中の中央部が固定連結されている。

ロータケース７１の外側には、ステータコイルユニット７７が差し込み装着されている。ステータコイルユニット７７は、詳細を図示されていないが、ステッピングモータ用のものとして、内部に、磁極歯、巻線部、電気配線部を有する周知の気密モールド構造のものである。

ロータケース７１内には、ロータケース７１の天井部より垂下固定されたガイド支持筒７８と、ガイド支持筒７８の外周部に装着された螺旋ガイド線体７９と、ガイド支持筒７８の上端部に形成された固定ストッパ部８０と、螺旋ガイド線体７９に螺合した可動ストッパ部材８１と、可動ストッパ部材８１と係合してこれを蹴り回すヨーク７２の突起部８２とがあり、これらによって、弁開あるいは弁閉のストッパが構成されている。また、ガイド支持筒７８は、雄ねじ軸７３の図１中の上端部７６を内側に通して、当該雄ねじ軸７３を回転自在に支持している。

ステッピングモータ７０は、ロータとしてのヨーク７２によって雄ねじ軸７３を回転駆動し、回転に伴う雄ねじ軸７３の軸芯方向移動によって弁ホルダ２０と共に弁体３０を弁開閉方向に直線移動させる。これにより、弁体３０の流量調整部３３の弁口１２に対する軸芯方向位置(弁開閉方向の直線移動位置)が変わり、その軸芯方向位置に応じて弁口１２の実効開口面積が増減し、冷媒の定量的な流量制御が行われる。このように、弁体３０は、弁口１２が設けられた弁座２２に接離することで、冷媒の流量を変更即ちニードル弁１の開度を変更する。

弁体３０の弁開閉方向の図１中の下方に向かう降下移動により、弁口１２の実効開口面積が徐々に低減し、これに応じて弁口１２を流れる流体の流量が徐々に低減する。弁体３０が弁開閉方向に所定量降下移動すると、弁体３０の流量調整部３３が弁口１２の入口シール部１２ａに当接着座することにより、弁口１２が閉塞される全開状態になる。

また、本実施形態のニードル弁１では、図２に示すように、弁体３０の軸芯を通る断面において、当該弁体３０の流量調整部３３即ち先端部の外周面同士のなす角度をα度とし、弁口１２のポート部１２ｂの内面同士のなす角度をβ度とすると、β≦α≦β＋１０度・・・式１となっている。

前述した構成のニードル弁１は、図５に示された冷凍サイクル装置の冷媒回路中に設けられて、当該冷凍サイクル装置の膨張弁として機能する。

この冷凍サイクル装置は、図５に示すように、圧縮機１０１と、凝縮器（室外熱交換器）１０２と、膨張弁として用いられる前述したニードル弁１と、蒸発器（室内熱交換器）１０４と、これらをループ接続する冷媒通路１０５〜１０８とを有する。

この冷凍サイクル装置は、空気調和装置（冷房）や冷凍・冷蔵庫等で使用される。なお、上述したこのニードル弁１が適用される冷凍サイクル装置は、図５に示されているような基本的な冷凍サイクル装置に限られることはなく、四方弁の組み込みにより、冷媒回路における冷媒流れ方向を逆転できる冷房・暖房用の空気調和装置や、室内機に二つの熱交換器が直列接続され、その二つの熱交換器間に追加の膨張弁を有する冷暖房・除湿可能な空気調和装置等、あらゆる冷凍サイクル装置にも適用可能である。また、ニードル弁１が適用される冷凍サイクル装置は、一つの室外機に複数の室内機が並列に接続され、それぞれの室内機に膨張弁を有する冷暖房可能な空気調和機等にも適用可能である。

本実施形態によれば、弁口１２のポート部１２ｂが弁座２２の弁体３０寄りの表面２２ａから離れるのにしたがって徐々に縮小しているので、ポート部１２ｂの内面と弁体３０との間隔が弁体３０の長手方向に急激に変化しない。このため、ポート部１２ｂ内で流体としての冷媒の圧力が急激に低下することを防止でき、ポート部１２ｂ内で流体としての冷媒の圧力が飽和蒸気圧を下回ることを防止して、ポート部１２ｂ内の流体としての冷媒に気泡が生じることを防止できる。したがって、図３に示すように、ポート部１２ｂ内の冷媒中に生じる気泡Ｋの大きさや数を抑制でき、勿論、気泡Ｋが消滅する際の衝撃力によって生じる騒音を抑制できる。

弁体３０の外周面同士のなす角度（α）がポート部１２ｂの内面同士の角度（β）以上で、かつこれらの角度の差（α―β）が１０度以下であるので、弁体３０の外周面とポート部１２ｂの内面とが略平行になる。このため、ポート部１２ｂの内面と弁体３０との間隔が弁体３０の長手方向に急激に変化することを確実に防止でき、ポート部１２ｂ内で冷媒の圧力が急激に低下することを防止でき、ポート部１２ｂ内で冷媒の圧力が飽和蒸気圧を下回ることを防止して、ポート部１２ｂ内の冷媒に気泡が生じることを確実に防止できる。したがって、気泡が消滅する際の衝撃力によって生じる騒音を確実に抑制できる。

図５に示された冷凍サイクル装置は、前述したニードル弁１を備えているので、冷媒中に気泡が生じることを防止でき、気泡が消滅する際の衝撃力によって生じる騒音を抑制できる。

前述した実施形態では、出口部１２ｃが弁箱１０の外表面に近づくのにしたがって徐々に拡大している。しかしながら、本発明では、図４に示すように、出口部１２ｃが、弁箱１０の外表面に近づくのにしたがってその内径が一定となるように形成されても良い。この場合も、ポート部１２ｂが外表面に近づくのにしたがって徐々に縮小しているので、冷媒中の気泡を抑制でき、騒音を抑制することができる。また、本発明では、弁口１２に出口部１２ｃを設けなくても良い。

次に、本発明の発明者らは、前述した角度の差（α―β）が異なるニードル弁を作成して、本発明の効果を確認した。結果を図６に示す。

図６は、前述した角度の差（α―β）が異なるニードル弁中に冷媒を流したときの騒音レベルを測定した結果を示し、図中縦軸は騒音レベルを示し、図中横軸は前述した角度の差（α―β）を示している。図６では、温度が１０℃の冷媒を、弁箱１０内の冷媒の圧力が３．０ＭＰａとなり出口ポート１６内の冷媒の圧力が１．５ＭＰａとなるように、ニードル弁１内に流した。

図６によれば、前述した角度の差（α―β）を０度から１０度以下とすると、角度の差（α―β）が１２度のときよりも騒音レベルを約７ｄＢ以上抑制できることが明らかとなった。即ち、前述した角度の差（α―β）を０度から１０度以下とすることで、ニードル弁１の低騒音化を図ることができることが明らかとなった。

また、本発明の発明者らは、本発明品と比較例のニードル弁１内の冷媒の圧力を測定した。結果を図７に示す。図７（ｂ）は、前述した実施形態に示されたニードル弁１において弁口１２に出口部１２ｃが設けられていない本発明品（図７（ａ）中に実線で示す）を示し、図７（ｃ）は、背景技術の欄で説明した従来の弁口１２を備えた比較例（図７（ａ）中に二点差線で示す）を示している。なお、図７（ｂ）中には、前述した実施形態と同一部分に同一符号を付して説明を省略し、図７（ｃ）中には、図８に示された従来のニードル弁２００と同一部分に同一符号を付して説明を省略する。そして、弁座２２よりも弁箱１０の内側の位置Ａと、弁口１２内の弁座２２の表面上の位置Ｂと、弁口１２内のポート部１２ｂの中央部の位置Ｃと、弁口１２内の弁箱１０の外表面上の位置Ｄと、弁箱１０外でかつ出口ポート１６内の位置Ｅとの各位置の冷媒の圧力を測定した。

また、図７（ａ）中の縦軸は、冷媒の圧力を示し、横軸は前述した各位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを示している。さらに、図７（ａ）中に密な平行斜線で示す領域は、冷媒の圧力が飽和蒸気圧を下回る領域を示している。図７によれば、本発明品は、比較例よりも冷媒の圧力が飽和蒸気圧を下回ることが少ないことが明らかとなり、冷媒中に生じる気泡を抑制できることが明らかとなった。

なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、前述した実施形態では、冷凍サイクル装置を構成する膨張弁をなすニードル弁１を示している。

しかしながら、本発明のニードル弁１は、冷凍サイクル装置以外の装置を構成する各種の用途に用いられても良い。要するに、本発明のニードル弁１は、各種の流体の流量を制御しても良い。また、本発明のニードル弁１は、弁口１２のポート部１２ｂが弁箱１０の外側に向かうにしたがって徐々に縮小していれば、各部の寸法を適宜変更しても良いことは勿論である。さらに、本発明では、弁口１２のポート部１２ｂが弁箱１０の外側に向かうにしたがって徐々に縮小していれば、角度αと角度βとが前述した式１の関係を満たしていなくてもよい。

本発明の一実施形態のニードル弁の断面図である。 図１に示されたニードル弁の要部を拡大して示す断面図である。 図２に示されたニードル弁の弁口内の冷媒中の気泡の発生状態を示す断面図である。 図２に示されたニードル弁の変形例の要部の断面図である。 図１に示されたニードル弁を備えた冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。 図１に示されたニードル弁の角度α，βを変更したときの騒音レベルを示す説明図である。 本発明品と比較例の冷媒の圧力の変化を示す説明図である。 従来のニードル弁の要部を示す断面図である。

符号の説明

１ ニードル弁
１２ 弁口
１２ａ 入口シール部
１２ｂ ポート部
２２ 弁座
２２ａ 表面
３０ 弁体
３３ 流量調整部（先端部）
α 弁体の外表面同士のなす角度
β ポート部の内面同士のなす角度
Ｋ 気泡

Claims (3)

1. 内側に流体を通す弁口が設けられた弁座と、
   前記弁座に接離自在に設けられかつ当該弁座に近づくのにしたがって先細となる針状に形成されているとともに、前記弁座に接離することで開度を変更する弁体と、を備えたニードル弁において、
   前記弁口が、前記弁座の前記弁体寄りの表面に開口して前記表面から離れるのにしたがって徐々に縮小した入口シール部と、前記入口シール部に連なりかつ前記表面から離れるのにしたがって徐々に縮小したポート部と、を備えたことを特徴とするニードル弁。
2. 前記弁体の軸芯を通る断面において、当該弁体の先端部の外周面同士のなす角度をαとし、前記弁口の前記ポート部の内面同士のなす角度をβとすると、
   β≦α≦β＋１０度であることを特徴とする請求項１記載のニードル弁。
3. 請求項１又は請求項２記載のニードル弁を冷媒回路中に有することを特徴とする冷凍サイクル装置。

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