JP2011196428A - 電子膨張弁 - Google Patents

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育孝 讃岐
Yukihiro Takano
幸裕 高野
Hisanori Ishita
尚紀 井下
Koji Takiguchi
浩司 滝口
Hidesuke Saito
秀介 齋藤
Nobutoshi Migishima
伸敏 右島
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Abstract

【課題】低コストで長期間安定をして作動をさせる冷凍サイクルの電子膨張弁を提供する。
【解決手段】冷媒を膨張させる小孔と、当該小孔を開閉する弁体と、前記小孔を閉止する態様で弁体を付勢する弾性部材と、前記小孔を開成する態様で弁体を吸引するソレノイドとを有し、前記弁体を開閉することにより、冷媒を膨張させる電子膨張弁において、前記弾性部材を渦巻き状に形成された複数のスリットを円周上互いに等ピッチに設けた円盤バネとすることにより、案内ガイドを不要として摺動によるスラッジの発生を抑制して長期間安定をして作動をさせる。
【選択図】図2

Description

本発明は、自動販売機等の冷凍サイクルに付設される電子膨張弁に係り、特にソレノイドをパルス通電して電磁力により弁体を開閉させて冷媒を制御する電子膨張弁に関する。
電子膨張弁としては、ステッピングモータを使用して膨張通路の開度を変更して冷媒の膨張度を調整する制御性の高い電子膨張弁が知られている(例えば、特許文献1参照)が、ステッピングモータを使用するため高価となる。これに対して電磁弁を開閉することにより冷媒の膨張度を調整する安価なパルス駆動形膨張弁が知られている(例えば、特許文献2参照)。
このパルス駆動形膨張弁(冷媒流量制御装置)では、電磁弁をオン、オフ制御することにより蒸発器の出口冷媒の過熱度が所定の値となるようにして冷凍サイクルを高効率で運転することができるものである。このパルス駆動形膨張弁の作動構成は、ソレノイドにより弁体を開成し、コイルスプリングにより弁体を閉止するものである。
特開2003−329698号公報 特開昭53−1352号公報
しかしながら、特許文献2に記載されたような冷媒流量制御装置(電子膨張弁)では、復帰用の弾性部材として螺旋形状に曲折されて成形されているコイルスプリングが使用されているので、軸方向に荷重が加わると半径方向にも力が作用する結果、軸方向に駆動を規制する案内ガイドが必要となり、案内ガイドとプランジャー、スプリングの間で摺動することになる。その時、摺動する接面より発生するスラッジは、冷媒内を移送され弁座部、隙間部などに徐々に詰まり、開閉動作回数が数億回レベルに達するような長期間の使用時には、冷凍サイクルに動作不良を起こす虞がある。
本発明は、上記実情に鑑みなされたもので、上記の課題を解決して、長期間安定をして作動をさせる低コストの冷凍サイクルの電子膨張弁を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の請求項1に係る電子膨張弁は、冷媒を膨張させる小孔と、当該小孔を開閉する弁体と、前記小孔を閉止する態様で弁体を付勢する弾性部材と、前記小孔を開成する態様で弁体を吸引するソレノイドとを有し、前記弁体を開閉することにより、冷媒を膨張させる電子膨張弁において、前記弾性部材が円盤状の盤面に渦巻き状に形成されるとともに互いに等ピッチで配設された複数のスリットを有する円盤バネであることを特徴とする。
本発明の請求項2に係る電子膨張弁は、請求項1に記載の電子膨張弁において、前記弁体を一定のサイクルで開閉することを特徴とする。
本発明に係る請求項1の電子膨張弁は、冷媒を膨張させる小孔を閉止する態様で弁体を付勢する弾性部材と、小孔を開成する態様で弁体を吸引するソレノイドとを有し、弁体を開閉することにより、冷媒を膨張させる電子膨張弁において、弾性部材が円盤状の盤面に渦巻き状に形成されるとともに互いに等ピッチで配設された複数のスリットを有する円盤バネとすることにより、弁体を半径方向には剛性を高くして好適に軸方向に駆動させるので、軸方向を規制する案内ガイドを不要とする結果、摺動によるスラッジの発生が抑制される。このことにより、長期間安定をして作動をさせる低コストの冷凍サイクルの電子膨張弁を提供することができる。
本発明の実施例に係る電子膨張弁を用いた冷媒回路図。 本発明の実施例に係る電子膨張弁の断面図。 図2の電子膨張弁のA−A断面図。 図2の電子膨張弁の開成状態を示す断面図。 図1に示す冷凍回路を運転する制御装置のブロック図。 実施例に係る、3室を全て冷却する運転における冷媒の流れを示す冷媒回路図 実施例に係る、2室を加熱し1室を冷却する運転における冷媒の流れを示す冷媒回路図。
以下に添付図面を参照して、ヒートポンプ運転を行う自動販売機の冷媒回路に用いた本発明に係る電子膨張弁の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
図1は、1室は冷却専用で2室が冷却加熱兼用である3室の商品収納室を有する自動販売機のヒートポンプ運転用冷媒回路図である。なお、図中の点線の囲いは、冷却専用の商品収納室40aと、冷却加熱兼用の商品収納室40b、40cを模式的に示している。
ヒートポンプ自動販売機の冷却/加熱ユニット10は、自動販売機の下部に設けられた機械室内に圧縮機11、凝縮器12、電子膨張弁50a、50b、50c、アキュムレータ18、室外補助熱交換器19を取設し、自動販売機の上部に設けられ商品収納室40a、40b、40c内に蒸発器15a、室内熱交換器15b、15cを取設して各機器を冷媒配管で接続されることにより構成されている。冷却/加熱ユニット10は、冷却加熱の運転設定モードに応じて、蒸発器15a、室内熱交換器15b、15cにより室内に冷却または加熱した空気を循環させて室内に取設された商品収納ラック内の商品を冷却または加熱するものである。
冷却加熱用の圧縮機11は、冷媒を圧縮して回路内を循環させるためのもので、冷却単独運転時には、蒸発温度が約−10℃、凝縮温度が約40℃で使用され、冷却加熱運転(ヒートポンプ運転)時には、蒸発温度が約−10℃、凝縮温度が約70℃で使用される。例えば、冷媒にR134aを使用した場合には、低圧は、約0.2MPa、高圧は冷却単独運転時には、約1MPa、冷却加熱運転時には、約2MPaにて運転される。
凝縮器12は、フィンチューブ型の熱交換器であり、その後部にはファン12fが取設され、冷却運転時に余剰な凝縮熱を排出するためのものである。
分流器14は、冷媒を蒸発器15a,室内熱交換器15b、15cに分配するためのものである。
蒸発器15aは、商品収納室40aを冷却するためのものであり、室内熱交換器15b、15cは、商品収納室40b、40cを冷却もしくは加熱するためのものである。また、蒸発器15a、室内熱交換器15b、15cは、各商品収納室の下部に取設され、その後方にファン15fが取設され、その後方にダクトが取設されている。商品収納室内の冷却と加熱は、蒸発器15a、室内熱交換器15b、15cにより冷却もしくは加熱された空気を商品収納室内の商品に送風し、ダクトより循環回収することで行われる。
集合器17は、蒸発器15a,室内熱交換器15b、15cから蒸発した冷媒を集合させて圧縮機11へ戻すためのものである。
アキュムレータ18は、集合器17からの蒸発冷媒を流入し、気液分離させて液冷媒を貯留し、気体冷媒を圧縮機11に戻すための密閉した容器である。また、アキュムレータ18は、回路の冷媒循環に余った冷媒を貯留するための容器でもある。
室外補助熱交換器19は、フィンチューブ型の熱交換器であり、加熱運転時に余剰な凝縮熱を排出するためのものである。
凝縮器電磁弁21は、圧縮機11から吐出される冷媒を凝縮器12または室内熱交換器15b、15cへ流れを切替えるための3方電磁弁である。加熱器電磁弁21b、21cは、圧縮機11から室内熱交換器15b、15cへ圧縮された冷媒の通路を開閉するものである。 冷却器出口電磁弁23b,23cは、室内熱交換器15b、15cと圧縮機11と間の蒸発された冷媒の通路を開閉するものである。
逆止弁24、24は、それぞれ室内熱交換器15b、15cと室外補助熱交換器19と間に接続され、冷却加熱運転時に高圧冷媒が室内熱交換器15b、15cに流れることを阻止するためのものである。
逆止弁24b、24cは、それぞれ電子膨張弁50b、50cと加熱器電磁弁21b、21cとの間に接続され、加熱器電磁弁21b、21cからの高圧冷媒を電子膨張弁50b、50cに流れることを阻止するためのものである。
逆止弁25は、凝縮器12の出口部と分流器14の入口部との間に接続され、冷却加熱運転時に高圧冷媒が凝縮器12へ流れることを阻止するためのものである。
蒸発器温度センサ26a,26b,26cは蒸発器15a、室内熱交換器15b、15cに取設され、蒸発器15a、室内熱交換器15b、15cの蒸発温度を検知するためのものである。
室内温度センサ41a、41b、41cは、商品収納室40a、40b、40c内に取設され、商品収納室40a、40b、40cの室内温度を検知するためのものである。
電子膨張弁50(50a,50b,50c)は、冷却運転時に通過する冷媒を減圧して断熱膨張させるものであり、また、蒸発器15a、室内熱交換器15b、15cへ膨張した冷媒の通路を開閉する電磁弁を兼用している。図2、3を参照しつつ説明をする。電子膨張弁50は、本体上部51、本体下部52、本体側部53、弁座54、アーマチャア55、スペーサ56、ピン57、ソレノイド61、止め金具63a、63b、ナット64および円盤バネ(弾性部材)70を有して構成されている。
本体上部51は、強磁性体の円柱部材であり、上部に冷媒入口管58を挿入する流入部51a、下部にアーマチャア55を吸引する吸引部51b、中心軸上に冷媒入口管58と連通した縦孔51c、その縦孔51cと連通し半径に延在して電子膨張弁50の本体内部60に通じる横孔51dを有している。冷媒入口管58より流入される冷媒は、縦孔51c、横孔51dを経由して電子膨張弁50の本体内部60に半径方向に流出される。
本体下部52は、強磁性体の円柱部材であり、下部に冷媒出口管59を挿入する流出部52a、上部に弁座54、アーマチャア55を内装する内空間52b、中心軸上には弁座54に形成されたオリフィス(小孔)54aと冷媒出口管59とを連通させる孔52cを有している。
本体側部53は、非磁性体の円筒部材であり、本体上部51、本体下部52と係合して本体内部60を形成している。
弁座54は、非磁性体の円柱部材で本体下部52と固着してあり、上面は平坦であり、中心軸上にオリフィス(小孔)54aが穿孔されている。
アーマチャア55は、強磁性体の中央の径が大きな3段構造の円柱部材であり、上部は上端面が平坦な吸着部55aと、中部は内空間52bとの間で十分な隙間を保持する側部55bと、下部は下端面が平坦で弁座54の上部と密着してオリフィス54aを閉止させる弁体55cを有している。アーマチャア55は、側部55bの上端面と円盤バネ70とをカシメにて固着されて、吸着部55aと吸引部51bとの間に隙間60aを設けて取り付けられるとともに、円盤バネ70により弁座54に付勢される態様で取り付けられている。また、アーマチャア55の側部55bの周面には図3で示すように冷媒の通路となる溝55dが軸方向に対向する態様で形成されている。
スペーサ56は、非磁性体の円筒部材であり、本体上部51、本体下部52との間隔を規制するためのものである。
4個のピン57は、円盤バネ70を周縁4箇所で固定するための固定部材である。
冷媒入口管58は、凝縮した冷媒を電子膨張弁50に流入させるための配管であり、冷媒出口管59は、電子膨張弁50にて膨張した冷媒を電子膨張弁50より流出させるための配管である。
ソレノイド61は、アーマチャア55を吸引して弁体55cをオリフィス54aから開成するためのものであり、鉄芯61aとコイル61bにより構成されている。ソレノイド61は上部にネジ部を有し固定金具63a、63bを介してナット64にて固定されている。
固定金具63a、63bは、強磁性体の平板部材であり、平面両端が半円上に形成され、ソレノイド61を固定するとともに、本体上部51、本体下部52ともネジで固定するためのものである。
コイル61bより発生する磁束は、鉄芯61a、固定金具63a、本体上部51、間隙60a、アーマチャア55、本体下部52、固定金具63bから鉄芯61aに戻る磁気回路を流れる。
円盤バネ70は、円盤状の薄板材にて構成された本体板(円盤状の盤面)71と、円盤バネ70を本体下部52に固定するための固定孔72と、本体板71に互いに等ピッチで渦巻き状に形成されたスリット73と、中心にアーマチャア55と係合させるための中心孔74を有して構成されている。渦巻き状に形成されたスリット73は本体板71上に4箇所等ピッチで形成されているので、軸方向の直進性が高く、かつ、半径方向への剛性が高い。そのため、コイルスプリングとは異なりアーマチャア55が吸引部51bに吸引される場合に、軸方向の駆動を規制する案内ガイドが不要となる。
かかる構成で、ソレノイド61を通電すると、図4に示すようにアーマチャア55の吸着部55aは本体上部51の吸引部51bに吸着し、弁体55cと弁座54との間に間隙60bが形成される。このとき、冷媒入口管58から流入する凝縮冷媒は、図中の矢印に示すように本体上部51の縦孔51c、横孔51d、本体内部60、円盤バネ71のスリット73、アーマチャア55の溝55dを経由して間隙60bに流入し、オリフィス54aにて膨張され、気液二相の冷媒となり冷媒出口管59より流出する。また、ソレノイド61を一定のサイクルで通電を繰り返すことにより冷媒流量および冷凍サイクルの過熱度を制御することが出来る。
次に、冷却/加熱ユニット10の冷媒回路構成について、図1を参照しつつ詳述する。冷媒回路は、室内を冷却のみを行う冷却単独回路10Aと、室内の冷却加熱を同時に行う冷却加熱回路(ヒートポンプ運転回路)10Bと、を有している。
冷却単独回路10Aは、圧縮機11より、凝縮器電磁弁21、凝縮器12、逆止弁25を経由して分流器14に接続し、分流器14より一方は電子膨張弁50a、蒸発器15aを経由して集合器17に接続し、また、分流器14より他方は電子膨張弁50b、50c、逆止弁24b、24c、室内熱交換器15b、15c、冷却器出口電磁弁23b、23cを経由して集合器17に接続し、集合器17よりアキュムレータ18を経由して圧縮機11に戻る回路である。
一方、冷却加熱回路10Bには、冷却単独回路10Aに加えて、凝縮器電磁弁21の一の出口より並列接続された加熱器電磁弁21b、21cを介して逆止弁24b、24cと室内熱交換器15b、15c入口側との接続点121b、121cとそれぞれ接続する管路と、室内熱交換器15b、15cの出口側(図中右側)からそれぞれ逆止弁24,24を介して結合した後、室外補助熱交換器19を経由して分流器14へ接続する管路とが設けられている。
しかして、冷却加熱回路10Bは、圧縮機11から凝縮器電磁弁21、加熱器電磁弁21b、21cを経由して室内熱交換器15b、15cに接続され、室内熱交換器15b、15cから逆止弁24、24、室外補助熱交換器19を経由して分流器14に接続され、分流器14から電子膨張弁50aを経由して蒸発器15aに接続され、集合器17、アキュムレータ18を経由して圧縮機11に戻る回路である。
制御装置90は、商品収納室40a、40b、40cを冷却加熱の設定運転モードにより冷却もしくは加熱の制御をするものである。図5に示すように内部にCPU、メモリを有し、冷却加熱モード設定SW91の設定運転モード、各室の温度、蒸発温度に対応して冷媒回路の圧縮機運転、電磁弁開閉、電子膨張弁などの制御を行う。室内の温度制御において、制御装置90は、室内温度センサ41a、41b、41cにより検知した温度により、圧縮機11、凝縮器電磁弁21、電子膨張弁50a,50b,50c、冷却器出口電磁弁23b、23c、加熱器電磁弁21b、21cなどを制御し、室内を一定温度範囲内でON・OFF制御するサーモサイクル運転を行うことにより室内温度を適温に維持する。
また、電子膨張弁50の制御において、制御装置90は、蒸発器温度センサ26a、26b、26cにより検知した温度により、電子膨張弁50a,50b,50cをパルス駆動制御して冷媒流量、蒸発温度を制御する。具体的には、制御装置90は、一定のサイクル時間(例えば10秒)毎にデューティー比(サイクル時間に対するON時間の割合)を30〜100%の範囲でパルス信号を送り、電子膨張弁50a,50b,50c内の弁体55bを開閉することにより、蒸発器15a、室内熱交換器15c、15bの蒸発温度を所定の温度に制御する。
かかる構成で冷却加熱モード設定SW91の操作によりすべての商品収納室を冷却する運転モードに設定すると、制御装置90は冷却器出口電磁弁23b、23cを開成し、加熱器電磁弁21b、21cを閉止し、凝縮器電磁弁21を冷媒が凝縮器12側に流通する態様で通路切替えを行う。このとき、冷媒は図6の太線で示すように流れ、具体的には、圧縮機11で圧縮された高温冷媒は、凝縮器電磁弁21を介して凝縮器12にて凝縮され液体となり、分流器14で三方に分流され電子膨張弁50a、50b、50cで膨張して低温の気液二相流となり、蒸発器15a、室内熱交換器15b、15cに流入する。流入した冷媒は、蒸発器15a、室内熱交換器15b、15cで蒸発して商品収納室40a、40b、40cを冷却し、蒸発した冷媒は集合器17にて集合しアキュムレータ18を介して気液分離されて、気相が圧縮機11に戻る。
なお、この冷却は、制御装置90にて室内温度センサ41a、41b、41cによるサーモサイクル運転により室内温度が適温に制御される。また、制御装置90は、蒸発器15a、室内熱交換器15b、15cの蒸発温度が所定の温度となるように電子膨張弁50a,50b,50cにデューティー比を変えてパルス信号を送る。すなわち、制御装置90は、蒸発温度が所定の温度よりも高い場合には、デューティー比の大きいパルス信号を送る。
上述の制御は、室内温度が適温になるまでこの運転が継続され、一の商品収納室が適温となれば、その商品収納室に対応した電子膨張弁50への通電を遮断して弁体55bを閉止する。そして、上述の制御は、すべての商品収納室が適温となるまで継続される。
次に、冷却加熱モード設定SW91の操作により設定モードを左側の商品収納室40aを冷却し、中、右側の商品収納室40b、40cを加熱する運転モードに設定すると、制御装置90は、加熱器電磁弁21b、21cを開成し、電子膨張弁50b、50c、冷却器出口電磁弁23b、23cを閉止し、凝縮器電磁弁21を冷媒が加熱器電磁弁21b、21c側に流通する態様に通路切替えを行う。このとき圧縮機11で圧縮された高温冷媒は、図7の太線で示すように、凝縮器電磁弁21、加熱器電磁弁21b、21c、接続点121b、121cを経由して室内熱交換器15b、15cに流入する。室内熱交換器15b、15cに流入した冷媒は凝縮して商品収納室40b、40cを加熱し、逆止弁24,24を介して集合し、室外補助熱交換器19でさらに凝縮して分流器14を経由して電子膨張弁50aに流入する。電子膨張弁50aに流入した冷媒は、膨張して低温低圧の気液二相流となり蒸発器15aに流入する。蒸発器15aに流入した冷媒は、蒸発して商品収納室40aを冷却し、集合器17、アキュムレータ18を経由して圧縮機11に戻る。このヒートポンプ運転も前述のように蒸発器15aの蒸発温度が所定の温度となるように電子膨張弁50aを制御し、サーモサイクル運転で室内が適温に維持される。
このように、上述の電子膨張弁50a,50b,50cは、冷媒を膨張させるオリフィス54aを閉止する態様で弁体55cを付勢する円盤バネ70と、オリフィス54aを開成する態様で弁体55cを吸引するソレノイド61とを有し、弁体55cを開閉することにより、冷媒を膨張させ、円盤バネ70に渦巻き状に形成された複数のスリット73を円周上互いに等ピッチに設けたことにより、弁体55cを半径方向には剛性を高くして好適に軸方向に駆動させるので、軸方向を規制する案内ガイドを不要とする結果、摺動によるスラッジの発生が抑制される。このことにより、長期間安定をして作動をさせる低コストの冷凍サイクルの電子膨張弁を提供することができる。
以上のように、本発明に係る電子膨張弁は、自動販売機、空調機器等の冷却または加熱をする冷媒回路を有する機器に使用することに適している。
10 冷却/加熱ユニット
11 圧縮機
12 凝縮器
15a 蒸発器
15b、15c 室内熱交換器
21 凝縮器電磁弁
21a、21b 加熱器電磁弁
23b、23c 冷却器出口電磁弁
40a、40b、40c 商品収納室
50a、50b、50c 電子膨張弁
54 弁座
54a オリフィス(小孔)
55 アーマチャア
55c 弁体
61 ソレノイド
90 制御装置
91 設定モード選択SW


Claims (2)

  1. 冷媒を膨張させる小孔と、当該小孔を開閉する弁体と、前記小孔を閉止する態様で弁体を付勢する弾性部材と、前記小孔を開成する態様で弁体を吸引するソレノイドとを有し、
    前記弁体を開閉することにより、冷媒を膨張させる電子膨張弁において、
    前記弾性部材が円盤状の盤面に渦巻き状に形成されるとともに互いに等ピッチで配設された複数のスリットを有する円盤バネであることを特徴とする電子膨張弁。
  2. 前記弁体を一定のサイクルで開閉することを特徴とする請求項1に記載の電子膨張弁。
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