JP2010249247A - 電動弁及びそれが用いられた冷凍サイクル - Google Patents

Abstract

【課題】正流れ時には流量を高精度に制御し得、逆流れ時には可及的に圧力損失が生じないように流体を流すことのできる電動弁及びそれを用いた冷凍サイクルを提供する。
【解決手段】正流れ時には、流量制御を行なうべく、流体を主弁体２４とオリフィス２２との間からのみ流し、逆流れ時には、圧力損失を可及的に低減すべく、流体の全部ないし大半を前記オリフィス２２ａを介することなくバイパス流路７０に流すように構成される。より具体的には、弁本体２０における前記オリフィス２２ａから偏心した位置に、バイパス流路２２ａを正流れ時には閉じ、逆流れ時には開く逆止弁体６０が配備される。
【選択図】図１

Description

本発明は、空調装置等に組み込まれて使用される電動弁に係り、特に、流体（冷媒）が正流れ時は弁体のリフト量を調整して流量を高精度に制御し得、逆流れ時には圧力損失を可及的に低減できるようにした電動弁に関する。

図４に、空調装置に採用されている冷凍サイクルの一例を示す。この冷凍サイクル１００は、圧縮機１０１、流路切換器１０２、室外熱交換器（凝縮器）１０３、室内熱交換器（蒸発器）１０４の他、省エネ効率等を向上させるため、通常は１つでよい膨張弁を二つ備えている（ディストリビュータ等は図示省略）。すなわち、室外熱交換器１０３の近くに第１膨張弁１０５が配置され、室内熱交換器１０４の近くに第２膨張弁１０６が配置されている。膨張弁１０５、１０６としては感温式（機械式）のものが用いられている。また、圧力損失を可及的に低減するため、これらの第１及び第２膨張弁１０５、１０６に並列に第１及び第２逆止弁１０８、１０９が配置されている。

この冷凍サイクル１００においては、冷房時には、圧縮機１０１で圧縮された冷媒ガスは、図の実線矢印で示される如くに、例えば四方弁等からなる流路切換器１０２から室外熱交換器１０３に導入され、ここで外気と熱交換して凝縮し、この凝縮した冷媒が第１逆止弁１０８を通って（第１膨張弁１０５をバイパスして）、第２膨張弁１０６に流入し、ここで断熱膨張した後、交換器１０４に流入し、交換器１０４にて室内空気と熱交換して蒸発し、室内を冷房する。

それに対し、暖房時には、圧縮機１０１で圧縮された冷媒ガスは、図の破線矢印で示される如くに、流路切換器１０２から室内熱交換器１０４に導入され、ここで室内空気と熱交換して凝縮し、室内を暖房した後、第２逆止弁１０９を通って（第２膨張弁１０６をバイパスして）、第１膨張弁１０５に流入し、ここで減圧された後、ディストリビュータを介して室外熱交換器１０３に導入され、ここで蒸発して圧縮機１０１に戻る。

このように、冷凍サイクル１００では、正流れ時（冷房時）は、冷媒を第１膨張弁１０５を通さずに第１逆止弁１０８を通じて第２膨張弁１０６に導き、この第２膨張弁１０６で流量を調整し、逆流れ時（暖房時）は、冷媒を第２膨張弁１０６を通さずに第２逆止弁１０９を通じて第１膨張弁１０５に導き、この第１膨張弁１０５で流量を調整するようにされており、逆止弁１０８、１０９を膨張弁１０５、１０６に並列に組み込むことにより、圧力損失を可及的に低減するようにしている。

ところで、近年、上記した如くの冷凍サイクル１００においては、省エネ効率等を一層向上させるべく、上記感温式（機械式）の膨張弁１０５、１０６に代えて、リフト量、すなわち、オリフィス（弁口）の実効開口面積を任意に制御可能な電子制御式電動弁を用いることが検討されている。

以下、電子制御式電動弁の一例を図５を参照しながら説明する。図示例の電動弁１０’は、下部大径部２５ａと上部小径部２５ｂを有し、前記下部大径部２５ａの下端部に弁体２４が一体に設けられた弁軸２５と、前記弁体２４が接離するオリフィス２２ａが形成された弁座２２が設けられるとともに、導管１６、１７が接続された弁室２１を有する弁本体２０と、この弁本体２０にその下端部が密封接合されたキャン４０と、このキャン４０の内周に所定の間隙αをあけて配在されたロータ３０と、このロータ３０を回転駆動すべく前記キャン４０に外嵌されたステータ５０と、前記ロータ３０と前記弁体２４との間に配在され、前記ロータ３０の回転を利用して前記弁体２４を前記オリフィス２２ａに接離させるねじ送り機構とを備え、前記オリフィス２２ａに対する弁体２４のリフト量を変化させることにより冷媒の通過流量を制御するようになっている。

前記ステータ５０は、ヨーク５１、ボビン５２、ステータコイル５３，５３、及び樹脂モールドカバー５６等で構成され、前記ロータ３０やステータ５０等でステッピングモータが構成され、該ステッピングモータやねじ送り機構等で前記オリフィス２２ａに対する前記弁体２４のリフト量を調整するための昇降駆動機構が構成される。

前記ロータ３０には、支持リング３６が一体的に結合されるとともに、この支持リング３６に、前記弁軸２５及びガイドブッシュ２６の外周に配在された下方開口で筒状の弁軸ホルダ３２の上部突部がかしめ固定され、これにより、ロータ３０、支持リング３６及び弁軸ホルダ３２が一体的に連結されている。

前記ねじ送り機構は、弁本体２０にその下端部２６ａが圧入固定されるとともに、弁軸２５（の下部大径部２５ａ）が摺動自在に内挿された筒状のガイドブッシュ２６の外周に形成された固定ねじ部（雄ねじ部）２８と、前記弁軸ホルダ３２の内周に形成されて前記固定ねじ部２８に螺合せしめられた移動ねじ部（雌ねじ部）３８とから構成されている。

また、前記ガイドブッシュ２６の上部小径部２６ｂが弁軸ホルダ３２の上部に内挿されるとともに、弁軸ホルダ３２の天井部３２ａの中央（に形成された通し穴）に弁軸２５の上部小径部２５ｂが挿通せしめられている。弁軸２５の上部小径部２５ｂの上端部にはプッシュナット３３が圧入固定されている。

また、前記弁軸２５は、該弁軸２５の上部小径部２５ｂに外挿され、かつ、弁軸ホルダ３２の天井部３２ａと弁軸２５における下部大径部２５ａの上端段丘面との間に縮装された圧縮コイルばねからなる閉弁ばね３４によって、常時下方（閉弁方向）に付勢されている。弁軸ホルダ３２の天井部３２ａ上でプッシュナット３３の外周には、コイルばねからなる復帰ばね３５が設けられている。

前記ガイドブッシュ２６には、前記ロータ３０が所定の閉弁位置まで回転下降せしめられた際、それ以上の回転下降を阻止するための回転下降ストッパ機構の一方を構成する下ストッパ体（固定ストッパ）２７が固着され、弁軸ホルダ３２には前記ストッパ機構の他方を構成する上ストッパ体（移動ストッパ）３７が固着されている。

なお、前記閉弁ばね３４は、弁体２４がオリフィス２２ａに着座する閉弁状態において所要のシール圧を得るため（漏れ防止）、及び、弁体２４がオリフィス２２ａに衝接した際の衝撃を緩和するために配備されている。

このような構成とされた電動弁１０’にあっては、ステータコイル５３，５３に第１態様で通電励磁パルスを供給することにより、弁本体２０に固定されたガイドブッシュ２６に対し、ロータ３０及び弁軸ホルダ３２が一方向に回転せしめられ、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２８と弁軸ホルダ３２の移動ねじ部３８とのねじ送りにより、例えば弁軸ホルダ３２が下方に移動して弁体２４がオリフィス２２ａに押し付けられてオリフィス２２ａが閉じられる（全閉状態）。

オリフィス２２ａが閉じられた時点では、上ストッパ体３７は未だ下ストッパ体２７に衝接しておらず、弁体２４がオリフィス２２ａを閉じたままロータ３０及び弁軸ホルダ３２はさらに回転下降する。この場合、弁軸２５（弁体２４）は下降しないが、弁軸ホルダ３２は下降するため、閉弁ばね３４が所定量圧縮せしめられ、その結果、弁体３４がオリフィス２２に強く押し付けられるとともに、弁軸ホルダ３２の回転下降により、上ストッパ体３７が下ストッパ体２７に衝接し、その後ステータコイル５３，５３に対するパルス供給が続行されても弁軸ホルダ３２の回転下降は強制的に停止される。

一方、ステータコイル５３，５３に第２態様で通電励磁パルスを供給すると、弁本体２０に固定されたガイドブッシュ２６に対し、ロータ３０及び弁軸ホルダ３２が前記と逆方向に回転せしめられ、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２８と弁軸ホルダ３２の移動ねじ部３８とのねじ送りにより、今度は弁軸ホルダ３２が上方に移動する。この場合、弁軸ホルダ３２の回転上昇開始時点（パルス供給開始時点）では、閉弁ばね３４が前記のように所定量圧縮せしめられているので、閉弁ばね３４が前記所定量分伸長するまでは、前記弁体２４がオリフィス２２ａからは離れず閉弁状態（リフト量＝０）のままである。そして、閉弁ばね３４が前記所定量分伸長した後、弁軸ホルダ３２がさらに回転上昇せしめられると、前記弁体２４がオリフィス２２ａから離れてオリフィス２２ａが開かれ、冷媒がオリフィス２２ａを通過する。この場合、ロータ３０の回転量により弁体２４のリフト量、言い換えれば、オリフィス２２ａの実効開口面積を任意に細かく調整することができ、ロータ３０の回転量は供給パルス数により制御されるため、冷媒流量を高精度に制御することができる（詳細は、下記特許文献１、２等を参照）。

特開２００１−５０４１５号公報 特開２００９−１４０５６号公報

前記冷凍サイクル１００に上記した如くの電動弁１０’を採用した場合においても、次のような改善すべき課題がある。すなわち、前記冷凍サイクル１００では、正流れ時（冷房時）は、冷媒を第１膨張弁１０５を通さずに第１逆止弁１０８を通じて第２膨張弁１０６に導き、この第２膨張弁１０６で流量を調整し、逆流れ時（暖房時）は、冷媒を第２膨張弁１０６を通さずに第２逆止弁１０９を通じて第１膨張弁１０５に導き、この第１膨張弁１０５で流量を調整するようにされている関係上、逆止弁１０８、１０９を膨張弁１０５、１０６に並列に組み込むことが不可欠であるが、逆止弁二つを冷媒回路に組み込むことは、その分、継手類などの部品の点数が増大するとともに、配管接続作業にも余計に手間と時間がかかる。

そこで、上記特許文献２には、前記した膨張弁と逆止弁の両機能を併せ持つ電動弁、すなわち、冷媒が一方向に流されるときは、圧力損失を可及的に低減すべくリフト量（実効開口面積）を最大にし、冷媒が他方向に流されるとき、流量制御を行なうべくリフト量（実効開口面積）を所定値以下の特定範囲で細かく制御するようにしたものが提案されている。

しかしながら、かかる提案の電動弁においては、圧力損失を低減すべく、オリフィスの口径を大きくすると、流量制御を高精度に行なえなくなってしまうという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、正流れ時には流量を高精度に制御し得、逆流れ時には可及的に圧力損失が生じないように流体を流すことのできる電動弁及びそれを用いた冷凍サイクルを提供することにある。

前記の目的を達成すべく、本発明に係る電動弁は、基本的には、主弁体と、該主弁体により開閉されるオリフィスが設けられた弁本体と、前記オリフィスに対する前記弁体のリフト量を調整するためのロータ及びステータ等からなる昇降駆動機構とを備え、正流れ時には、流量制御を行ない、逆流れ時には、圧力損失を可及的に低減すべく、前記弁本体に前記オリフィスから偏心した位置に、前記オリフィスをバイパスする流路が形成されるとともに、該バイパス流路を正流れ時には閉じ、逆流れ時には開く逆止弁体が配備されていることを特徴としている。

好ましい態様では、前記逆止弁体を常時前記バイパス流路を閉じる方向に付勢するばね部材を備える。

他の好ましい態様では、正流れ時に流体を流す正流れ用流路が前記オリフィスと同軸上に形成され、該正流れ用流路に隣接して前記逆止弁体が摺動自在に嵌挿される弁体収容部が形成される。

より好ましい態様では、前記逆止弁体は、断面形状が非円形の中実部を有し、該中実部の外周面と前記弁体収容部の内周面との間が前記バイパス流路とされる。

一方、本発明に係る冷凍サイクルは、圧縮機、流路切換器、室外熱交換器、及び室内熱交換器を備え、前記室外熱交換器と前記室内熱交換器との間の、前記室外熱交換器の近くに第１膨張弁が、また、前記室内熱交換器の近くに第２膨張弁がそれぞれ配置されていて、前記第１膨張弁及び第２膨張弁として、上記電動弁が用いられており、冷媒が前記室外熱交換器から前記室内熱交換器へと流されるときには、前記第１膨張弁では、圧力損失を可及的に低減すべく、冷媒の全部ないし大半を前記オリフィスを介することなく流すようにされるとともに、前記第２膨張弁では、流量制御を行なうべく、前記主弁体と前記オリフィスとの間からのみ流すようにされ、冷媒が前記室内熱交換器から前記室外熱交換器へと流されるときには、前記第２膨張弁では、圧力損失を可及的に低減すべく、冷媒の全部ないし大半を前記オリフィスを介することなく流すようにされるとともに、前記第１膨張弁では、流量制御を行なうべく、前記主弁体と前記オリフィスとの間からのみ流すようにされていることを特徴としている。

本発明に係る電動弁の好ましい態様では、主弁体により開閉されるオリフィスをバイパスする流路が形成されるとともに、このバイパス流路を正流れ時には閉じ、逆流れ時には開く逆止弁体がオリフィスから偏心した位置に配備され、正流れ時には、流体を主弁体とオリフィスとの間からのみ流し、逆流れ時には、流体の全部ないし大半を前記オリフィスを介することなく前記バイパス流路に流すようにされるので、正流れ時には流量制御を高精度に行なうことができるとともに、逆流れ時には、圧力損失を、導管を流れるときと同程度にまで低減することが可能となる。

したがって、本発明に係る電動弁を膨張弁として冷凍サイクルに用いることにより、冷凍サイクルにおける制御精度を大幅に向上できるとともに、圧力損失を可及的に低減でき、その結果、省エネ効率等を格段に向上できる。しかも、従来例のように別途に逆止弁を配管接続する必要がないので、配管に要する工数やコスト等も低く抑えることができる。

本発明に係る電動弁の第１実施例の構成並びに動作説明に供される主要部縦断面図。 本発明に係る電動弁の第１実施例の構成並びに動作説明に供される主要部縦断面図。 本発明に係る電動弁が用いられた冷凍サイクルの一例を示す図。 従来の冷凍サイクルの一例を示す図。 従来の電動弁の一例を示す縦断面図。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。

図１（Ａ）、（Ｂ）、図２（Ｃ）、（Ｄ）は、本発明に係る電動弁の一実施形態（第１実施例）の主要部縦断面図である。図示実施例の電動弁１０Ｃの基本構成は、前述した図５に示される従来例の電動弁１０’と略同じであるので、ここでは、図５に示される従来例の電動弁１０’の各部に対応する部分には同一の符号を付して重複説明を省略し、以下は、主要部（特徴部分）である弁本体２０部分を重点的に説明する。

図示第１実施例の電動弁１０Ｃは、図１（Ｂ）に示される如くの正流れ時には、流量制御を行なうべく、冷媒を主弁体２４とオリフィス２２ａとの間からのみ流し、図２（Ｃ）、（Ｄ）に示される如くの逆流れ時には、圧力損失を可及的に低減すべく、冷媒の全部ないし大半を前記オリフィス２２ａを介することなく流すように構成されている。

すなわち、弁本体２０の下部には、蓋状底部材４５が螺合せしめられて気密的に封止されており、この蓋状底部材４５に導管１７が接合され、蓋状底部材４５と弁座２２との間に、前記オリフィス２２ａに連なる、それと同軸の正流れ用流路７５が形成されるとともに、該正流れ用流路７５と隔壁６９を挟んで並列に前記オリフィス２２ａをバイパスする流路７０を画成する弁体収容部６８が形成されている。この弁体収容部６８と前記正流れ用流路７５及び導管１７とは、蓋状底部材４５と弁本体２０の下端との間に形成された空所４８で連通している。

前記弁体収容部６８には、前記バイパス流路７０を正流れ時には閉じ、逆流れ時には開く逆止弁体６０が配備されている。逆止弁体６０は、前記オリフィス２２ａ（回転軸線Ｏ）から所定の距離だけ側方に偏心した位置に配在されている。

詳細には、前記逆止弁体６０は、断面形状が正六角形の中実部６２を有し、該中実部６２の上面に、前記弁座２２に設けられたバイパス流路７０の一部を構成する開口部７２を開閉する円錐状面部６４が設けられるとともに、その下側に小径の柱状ストッパ６６設けられ、前記弁体収容部６８に摺動自在に嵌挿されており、該逆止弁体６０の外周面と前記弁体収容部６８の内周面との間が前記バイパス流路７０となっている。

また、前記蓋状底部材４５と前記中実部６２との間には、前記逆止弁体６０を常時前記バイパス流路７０（開口７２）を閉じる方向に付勢するコイルばね６５が縮装されている。

このような構成とされた本実施例の電動弁１０Ｃにおいては、非稼働時には図１（Ａ）に示される如くに、主弁体２４によりオリフィス２２ａが閉じられる（リフト量が０）とともに、バイパス流路７０も逆止弁体６０により閉じられる。

正流れ時には、図１（Ｂ）に示される如くに、バイパス流路７０（開口７２）が逆止弁体６０により閉じられるとともに、主弁体２４がオリフィス２２ａからリフトせしめられ、冷媒が下側の導管１７から弁本体２０内に導入され、主弁体２４とオリフィス２２ａとの間を通って（絞られて）導管１６へ流される。

それに対し、逆流れ時には、図２（Ｃ）に示される如くに、オリフィス２２ａが主弁体２４により閉じられるとともに、逆止弁体６０が下方に押し下げられて、バイパス流路７０が開通し、冷媒が導管１６からバイパス流路７０を通って導管１７へ流される。この逆流れ時には、図２（Ｄ）に示される如くに、主弁体２４を最大限リフトさせて、冷媒の一部をオリフィス２２ａを通じて流すようにしてもよい。

このように本実施形態の電動弁１０Ｃでは、主弁体２４により開閉されるオリフィス２２ａをバイパスする流路７０が形成されるとともに、このバイパス流路７０を正流れ時には閉じ、逆流れ時には開く逆止弁体６０がオリフィス２２ａから偏心した位置に配備され、正流れ時には、冷媒を主弁体２４とオリフィス２２ａとの間からのみ流し、逆流れ時には、冷媒の全部ないし大半を前記オリフィス２２ａを介することなく前記バイパス流路７０に流すようにされるので、正流れ時には流量制御を高精度に行なうことができるとともに、逆流れ時には、圧力損失を、導管を流れるときと同程度にまで低減することが可能となる。

図３は、図４に示される冷凍サイクル１００における第１膨張弁１０５及び第２膨張弁１０６に代えて上記第１実施例の電動弁１０Ｃを第１電動弁１１、第２電動弁１２として所定の態様で組み込んだ冷凍サイクル１００を示している。

この冷凍サイクル１００では、冷媒が室外熱交換器１０３から室内熱交換器１０４へと流される冷房時には、第１電動弁１１では、圧力損失を可及的に低減すべく、冷媒の全部ないし大半を前記オリフィス２２ａを介することなく流すようにされるとともに、前記第２電動弁１２では、流量制御を行なうべく、主弁体２４とオリフィス２２ａとの間からのみ流すようにされ、冷媒が室内熱交換器１０４から室外熱交換器１０３へと流される暖房時には、前記第２電動弁１２では、圧力損失を可及的に低減すべく、冷媒の全部ないし大半をオリフィス２２ａを介することなく流すようにされるとともに、前記第１電動弁１２では、流量制御を行なうべく、主弁体２４とオリフィス２２ａとの間からのみ流すようにされる。

このように、本発明に係る電動弁１０Ｃを従来の膨張弁１０５、１０６に代えて冷凍サイクルに用いることにより、冷凍サイクルにおける制御精度を大幅に向上できるとともに、圧力損失を可及的に低減でき、その結果、省エネ効率等を格段に向上できる。しかも、従来例のように別途に逆止弁を配管接続する必要がないので、配管に要する工数やコスト等も低く抑えることができる。

１０Ｃ 電動弁
２０ 弁本体
２２ 弁座
２２ａ オリフィス
２４ 主弁体
２５ 弁軸
３０ ロータ
４０ キャン
５０ ステータ
６０ 逆止弁体
７０ バイパス流路

Claims (5)

1. 主弁体と、該主弁体により開閉されるオリフィスが設けられた弁本体と、前記オリフィスに対する前記弁体のリフト量を調整するためのロータ及びステータ等からなる昇降駆動機構とを備えた電動弁であって、
   流体が正流れ時には、流量制御を行ない、逆流れ時には、圧力損失を可及的に低減すべく、前記弁本体における前記オリフィスから偏心した位置に、前記オリフィスをバイパスする流路が形成されるとともに、該バイパス流路を正流れ時には閉じ、逆流れ時には開く逆止弁体が配備されていることを特徴とする電動弁。
2. 前記逆止弁体を常時前記バイパス流路を閉じる方向に付勢するばね部材を備えていることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
3. 正流れ時に流体を流す正流れ用流路が前記オリフィスと同軸上に形成され、該正流れ用流路に隣接して前記逆止弁体が摺動自在に嵌挿される弁体収容部が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電動弁。
4. 前記逆止弁体は、断面形状が非円形の中実部を有し、該中実部の外周面と前記弁体収容部の内周面との間が前記バイパス流路となっていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電動弁。
5. 圧縮機、流路切換器、室外熱交換器、及び室内熱交換器を備え、前記室外熱交換器と前記室内熱交換器との間の、前記室外熱交換器の近くに第１膨張弁が、また、前記室内熱交換器の近くに第２膨張弁がそれぞれ配置されている冷凍サイクルであって、
   前記第１膨張弁及び第２膨張弁として、請求項１から４のいずれか一項に記載の電動弁が用いられており、冷媒が前記室外熱交換器から前記室内熱交換器へと流されるときには、前記第１膨張弁では、圧力損失を可及的に低減すべく、冷媒の全部ないし大半を前記オリフィスを介することなく流すようにされるとともに、前記第２膨張弁では、流量制御を行なうべく、前記主弁体と前記オリフィスとの間からのみ流すようにされ、冷媒が前記室内熱交換器から前記室外熱交換器へと流されるときには、前記第２膨張弁では、圧力損失を可及的に低減すべく、冷媒の全部ないし大半を前記オリフィスを介することなく流すようにされるとともに、前記第１膨張弁では、流量制御を行なうべく、前記主弁体と前記オリフィスとの間からのみ流すようにされていることを特徴とする冷凍サイクル。

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