JP2012047213A - 電動弁 - Google Patents

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    • F25B41/35Expansion valves with the valve member being actuated by electric means, e.g. by piezoelectric actuators by rotary motors, e.g. by stepping motors

Abstract

【課題】弁ポートをニードル弁で開閉して冷媒の流量を制御する電動弁において、弁ポートでの冷媒の流れを安定化して、二次継手管の振動等を抑えて騒音を低減する。
【解決手段】弁座部材1に断面円形状で内径D1の第1弁ポート11と内径D2の第2弁ポート12を形成する。二次継手管32の内径D3に対して、D1<D2<D3とする。第1弁ポート11とニードル弁41との隙間を通った冷媒を、第2弁ポート12を通って二次継手管32へ流す。ニードル弁41の先端を第2弁ポート12の略中央部に位置することで、第2弁ポート12の出口に到るまでに第2弁ポート12で流速を減速させ、冷媒が二次継手管32に到達する前に弁座部材1の部分で流れを安定化させる。
【選択図】図2

Description

本発明は、空気調和機等において冷媒の流量を制御するニードル弁型の電動弁に関し、特に、ニードル弁に対する弁座の弁ポート形状を改良した電動弁に関する。
従来、冷凍サイクルにおいて、冷媒の流量を制御する電動弁から発生する、流体通過にともなう騒音がしばしば問題となることがある。このような騒音対策を施すようにした電動弁として、例えば特開2008−232290号公報(特許文献1)に開示されたものがある。
また、従来の電動弁として例えば図10に示すものがある。この電動弁は、弁室3Aを形成する弁ハウジング3を有し、弁ハウジング3の側部に一次継手管31が取り付けられるとともに、弁室3Aの軸線L方向の片側端部に二次継手管32が取り付けられている。また、弁ハウジング3内には弁座部材9が配設されており、この弁座部材9には、弁室3Aと二次継手管32とを連通する断面形状が円形の弁ポート91が形成されている。
支持部材33のガイド孔33a内には弁ホルダ34が摺動可能に嵌合されている。この弁ホルダ34の下端部には端部にニード弁41を有する弁体4が固着されるとともに、弁ホルダ34はステッピングモータ5のロータ軸53の下端部に係合されている。また、ロータ軸53には雄ねじ部53aが形成され、この雄ねじ部53aは支持部材33に形成された雌ねじ部33bに螺合している。そして、ステッピングモータ5の駆動により、マグネットロータ52が回転し、ロータ軸53及び弁体4が軸線L方向に移動し、ニードル弁41の部分で弁ポート9の開口面積を増減し、一次継手管31から二次継手管32へ流れる流体の流量を制御する。
特開2008−232290号公報
前記図10に示す従来の電動弁では、弁座部材9に形成された弁ポート91は、図11に示すように弁ポート91の入口開口部から二次継手管32側の出口開口部まで一定の径となる一つの円筒状の形状をしている。このため、二次継手管32に対してニードル弁41と弁ポート91との隙間から流れる冷媒は以下のような状態になる。ニードル弁41と弁ポート91との隙間から流れ出す冷媒は、弁ポート91の入口開口部から二次継手管32への出口開口部に到るまでに、この弁ポート91の中で加速されてしまう。すなわち冷媒が加速される長さが長く、冷媒の圧力が減少する幅が大きくなる。また、弁ポート91内で発生する大きな渦流れの影響で、殆ど減速しないままに二次継手管32内に高速で流れだし、発生したキャビテーションが二次継手管32内で遠くまで運ばれてから消滅するので、衝撃が二次継手管32に伝わり易く、電動弁自体で大きな騒音が発生する。また、特許文献1の電動弁においても弁ポートの形状が上記図11と同様であり、同じように騒音が発生する。
本発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたものであり、弁座部材の弁ポートを改良して騒音を低減した電動弁を提供することを課題とする。
請求項1の電動弁は、一次継手管に連通された弁室を形成する弁ハウジングと、前記弁室と二次継手管とを連通する断面形状が円形の弁ポートが形成された弁座部材と、前記弁ポートと同軸に配設されたニードル弁とを備え、前記ニードル弁を軸線方向に移動させて前記弁ポートを開閉することにより、前記一次継手管から前記弁室に冷媒を流入して前記弁ポートを介して前記二次継手管に流出する冷媒の流量を制御するようにした電動弁において、前記弁座部材の前記弁ポートを、前記弁室側に位置する内径D1の第1弁ポートと、前記二次継手管側に位置する内径D2の第2弁ポートとにより構成し、第1弁ポートの内径D1と第2弁ポートの内径D2と前記二次継手管の内径D3との関係がD1<D2<D3となるように前記弁座部材を構成したことを特徴とする。なお、これらの内径D1、D2、D3は、第1弁ポート、第2弁ポート及び二次継手管を繋いだ内側の通路内面に実質的に段差ができるような値である。
請求項2の電動弁は、請求項1に記載の電動弁であって、前記弁座部材に、前記第1弁ポートと前記第2弁ポートとをつなぐテーパ部を形成したことを特徴とする。
請求項3の電動弁は、請求項1または2に記載の電動弁であって、前記ニードル弁が前記第1弁ポートを閉としたときに、前記ニードル弁の先端が前記第2弁ポートの中間位置に位置するように、前記弁座部材を構成したことを特徴とする。
請求項1の電動弁によれば、第1弁ポートとニードル弁との隙間から流れる冷媒が、第1弁ポートより内径の大きな第2弁ポート内に流出し、二次継手管に到達する前の弁座部材の第2弁ポート内で流速を減速させるので、冷媒の流れを安定化することができ、二次継手管の振動等を抑えて騒音を低減することができる。
請求項2の電動弁によれば、請求項1の効果に加えて、第1弁ポートとニードル弁との隙間から流れる冷媒がテーパ部に倣って第2弁ポートに流れるとともに、テーパ部とニードル弁との間が第2弁ポート側に広がるようになるので、冷媒がテーパ部に付着しにくくなり、冷媒の通過音を低減することができる。
請求項3の電動弁によれば、請求項1または2の効果に加えて、ニードル弁の先端が第2弁ポートの略中央部に位置するので、第2弁ポートの出口に到るまでにこの第2弁ポート12でさらに流速を減速させることができ、さらに冷媒の流れを安定化することができ、二次継手管の振動を抑えて騒音を低減することができる。
本発明の第1実施形態の電動弁の縦断面図である。 本発明の第1実施形態の電動弁における弁座部材近傍の要部拡大縦断面図である。 本発明の第1実施形態の電動弁における弁座部材の作用を説明する図である。 本発明の第2実施形態の電動弁の縦断面図である。 本発明の第2実施形態の電動弁における弁座部材近傍の要部拡大縦断面図である。 本発明の第2実施形態の電動弁における弁座部材の作用を説明する図である。 実施形態の電動弁を用いた空気調和機の一例を示す図である。 本発明の第1実施形態の電動弁についてのD1とD2の寸法比と騒音低減値の実測例である。 本発明の第2実施形態の電動弁のテーパ部の角度α3の変化と騒音低減値の実測例である。 従来の電動弁の一例を示す図である。 従来の電動弁の問題点を説明する図である。
次に、本発明の電動弁の実施の形態を図面を参照して説明する。図1は第1実施形態の電動弁の縦断面図、図2は第1実施形態の電動弁における弁座部材近傍の要部拡大縦断面図、図3は第1実施形態の電動弁における弁座部材の作用を説明する図、図4は第2実施形態の電動弁の縦断面図、図5は第2実施形態の電動弁における弁座部材近傍の要部拡大縦断面図、図6は第2実施形態の電動弁における弁座部材の作用を説明する図、図7は実施形態の電動弁を用いた空気調和機の一例を示す図である。なお、第2実施形態において第1実施形態と同様な要素及び対応する要素には同符号を付記して重複する詳細な説明は省略する。
まず、図7に基づいて実施形態に係る空気調和機について説明する。図7において、符号10は本発明の第1実施形態あるいは第2実施形態の電動弁である。また、符号20は室外ユニット100に搭載された室外熱交換器、30は室内ユニット200に搭載された室内熱交換器、40は四方弁を構成する流路切換弁、50は圧縮機である。なお、電動弁10、流路切換弁40及び圧縮機50は室外ユニット100に搭載されている。電動弁10、室外熱交換器20、室内熱交換器30、流路切換弁40、及び圧縮機50は、それぞれ導管によって図示のように接続され、ヒートポンプ式の冷凍サイクルを構成している。なお、アキュムレータ、圧力センサ、温度センサ等は図示を省略してある。
冷凍サイクルの流路は流路切換弁40により暖房モードおよび冷房モードの2通りの流路に切換えられる。暖房モードでは、図7に実線の矢印で示すように、圧縮機50で圧縮された冷媒は流路切換弁40から室内ユニット200の室内熱交換器30に流入され、室内熱交換器30から流出する冷媒は、管路aを通って室外ユニット100の電動弁10に流入される。そして、この電動弁10で冷媒が膨張され、室外熱交換器20、流路切換弁40、圧縮機50の順に循環される。冷房モードでは、図7に破線の矢印で示すように、圧縮機50で圧縮された冷媒は流路切換弁40から室外熱交換器20に流入され、室外熱交換器20から流出する冷媒は電動弁10で膨張され、管路aを流れて室内熱交換器30に流入される。この室内熱交換器30に流入された冷媒は、流路切換弁40を介して圧縮機50に流入される。
電動弁10は、冷媒の流量を制御する絞り装置として働き、暖房モードでは、室外熱交換器20が蒸発器として機能し、室内熱交換器30が凝縮器として機能し、室内の暖房がなされる。また、冷房モードでは、室外熱交換器20が凝縮器として機能し、室内熱交換器30が蒸発器として機能し、室内の冷房がなされる。
ここで、暖房モードにおいては、管路aには電動弁10の一次継手管31に流入する冷媒が液状化することがあり、管路a内に液状冷媒が充満する。このため、電動弁10の冷媒通過等により振動が発生し、この振動が管路aを介して室内ユニット200側に伝達され、室内ユニット200において騒音が発生する。そこで、後述のように各実施形態の電動弁10は、弁ポートを改良することで、暖房モードで冷媒が一次継手管31から電動弁10本体に流入して二次継手管32から冷媒が流出する状態での冷媒通過音等を低減するようにしている。
次に、図1及び図2に基づいて第1実施形態の電動弁10について説明する。この電動弁10は、弁ハウジング3を有し、弁ハウジング3には円筒シリンダ状の弁室3Aが形成されている。また、弁ハウジング3には、側面側から弁室3Aに連通する一次継手管31が取り付けられるとともに、弁室3Aの軸線L方向の片側端部に二次継手管32が取り付けられている。さらに、弁ハウジング3には、二次継手管32の弁室3A側に弁座部材1が配設されている。そして、弁座部材1には、弁室3Aと二次継手管32とを連通する断面形状が円形の第1弁ポート11と第2弁ポート12が形成されている。
弁ハウジング3の上部には支持部材33が取り付けられている。支持部材33には軸線L方向に長いガイド孔33aが形成されており、このガイド孔33aには円筒状の弁ホルダ34が軸線L方向に摺動可能に嵌合されている。弁ホルダ34は弁室3Aと同軸に取り付けられ、この弁ホルダ34の下端部には端部にニードル弁41を有する弁体4が固着されている。また、弁ホルダ34内には、バネ受け35が軸線L方向に移動可能に設けられ、バネ受け35と弁体4との間には圧縮コイルバネ36が所定の荷重を与えられた状態で取り付けられている。
弁ハウジング3の上端には、ステッピングモータ5のケース51が溶接等によって気密に固定されている。ケース51内には、外周部を多極に着磁されたマグネットロータ52が回転可能に設けられ、このマグネットロータ52にはロータ軸53が固着されている。ロータ軸53の上端部は、ケース51の天井部から垂下された円筒状のガイド54内に回転可能に嵌合されている。また、ケース51の外周には、ステータコイル55が配設されており、このステータコイル55にパルス信号が与えられることにより、そのパルス数に応じてマグネットロータ52が回転される。そして、このマグネットロータ52の回転によってマグネットロータ52と一体のロータ軸53が回転する。なお、ガイド54の外周にはマグネットロータ52に対する回転ストッパ機構56が設けられている。
弁ホルダ34の上端部はステッピングモータ5のロータ軸53の下端部に係合され、弁ホルダ34はロータ軸53によってに回転可能に吊り下げた状態で支持されている。また、ロータ軸53には雄ねじ部53aが形成されており、この雄ねじ部53aは支持部材33に形成された雌ねじ部33bに螺合している。
以上の構成により、マグネットロータ52の回転に伴ってロータ軸53は軸線L方向に移動する。この回転に伴うロータ軸53の軸線L方向移動によって弁ホルダ34と共に弁体4が軸線L方向に移動する。そして、弁体4は、ニードル弁41の部分で第1弁ポート11の開口面積を増減し、一次継手管31から二次継手管32へ流れる流体の流量を制御する。
弁座部材1の第1弁ポート11及び第2弁ポート12は円筒形状であり、図2に示すように、第1弁ポート11の内径D1はニードル弁41の外周に合わせた寸法である。また、第2弁ポート12の内径D2は第1弁ポート11の内径D1より大きな寸法で、かつ、二次継手管32の内径D3よりも小さな寸法となっている。さらに、第2弁ポート12の長さL2は第1弁ポート11の長さL1より大きな寸法となっており、ニードル弁41が第1弁ポート11を閉とした状態で、このニードル弁41の先端が第2弁ポート12の略中央位置となるように、この第2弁ポート12の長さL2が設定されている。ニードル弁41の角度α2も適宜設定されている。なお、これらの寸法の条件については、第2実施形態とともに後述する。
図3は第1実施形態におけるニードル弁41,第1弁ポート11及び第2弁ポート12の作用を説明する図である。ニードル弁41と第1弁ポート11の隙間を通った冷媒は、第2弁ポート12を通って二次継手管32へ流れる。このとき、ニードル弁41の特に先端の影響を受けて不安定な流れになる場合がある。しかし、ニードル弁41の先端が第2弁ポート12の略中央部に位置するので、第2弁ポート12の出口に到るまでにこの第2弁ポート12で流速を減速させることができる。すなわち、冷媒が二次継手管32に到達する前の弁座部材1の部分で、冷媒の流れを安定化することができ、二次継手管32の振動を抑えて騒音を低減することができる。
図4に示す第2実施形態の電動弁10では、第1実施形態のニードル弁41に対応するニードル弁61が弁棒6の先端にあり、この弁棒6がロータ軸53に対して軸線L方向に移動可能になっている。また、支持部材33は、弁室3Aに連通する連通路331,332が形成されている。そして、弁ハウジング3内に配設された弁座部材2が支持部材33の下端部に取り付けられ、この弁座部材2には、弁室3Aと二次継手管32とを連通する断面形状が円形の第1弁ポート21と第2弁ポート22とが形成されるとともに、この第1弁ポート21と第2弁ポート22との間にテーパ部23が形成されている。
支持部材33の中心には、雌ネジ33bとそのネジ孔が形成されるとともに、円筒状のスライド孔33cが形成されている。そして、この雌ネジ33bのネジ孔とスライド孔33cの中にロータ軸53が配設され、ロータ軸53の雄ネジ53aが支持部材33の雌ネジ33bに螺合されている。
ロータ軸53には下部縦穴531と上部縦穴532が形成されており、下部縦穴531を貫通するように弁棒6が配設されている。この弁棒6はその下端にニードル弁61を備えている。上部縦穴532内にはコイルバネ71が配設されており、上部縦穴532の上端部分には,取付金具72が配設されている。取付金具72はフランジ部72aとインサート部72bから構成されており、インサート部72bの周囲はローレットが形成されている。そして、インサート部72bが上部縦穴532に圧入され、フランジ部72aとロータ軸53のフランジ部533とによりマグネットロータ52が挟まれている。これにより、マグネットロータ52とロータ軸53とが互いに嵌合固着されるとともに、コイルバネ71の付勢力により弁棒6は弁座部材2側に付勢されている。
以上の構成により、マグネットロータ52の回転に伴ってロータ軸53は軸線L方向に移動する。この回転に伴うロータ軸53の軸線L方向移動によって弁棒6が軸線L方向に移動し、ニードル弁61の部分で第1弁ポート21の開口面積を増減し、一次継手管31から二次継手管32へ流れる流体の流量を制御する。
弁座部材2の第1弁ポート21及び第2弁ポート22は円筒形状であり、図5に示すように、第1弁ポート21の内径D1はニードル弁61の外周に合わせた寸法である。また、第2弁ポート22の内径D2は第1弁ポート21の内径D1より大きな寸法で、かつ、二次継手管32の内径D3よりも小さな寸法となっている。さらに、第2弁ポート22の長さL2は第1弁ポート21の長さL1より大きな寸法となっており、ニードル弁61が第1弁ポート21を閉とした状態で、このニードル弁61の先端が第2弁ポート22の略中央位置となるように、この第2弁ポート22の長さL2が設定されている。さらに、テーパ部23の開き角度α3、ニードル弁61の角度α2、ニードル弁61とテーパ部23とのなす角度α1も適宜設定されている。
図6は第2実施形態におけるニードル弁61,第1弁ポート21、第2弁ポート22及びテーパ部23の作用を説明する図である。図6(A) に示すように、ニードル弁61と第1弁ポート21の隙間を通った冷媒は、テーパ部23及び第2弁ポート22を通って二次継手管32へ流れる。このとき、ニードル弁61の特に先端の影響を受けて不安定な流れになる場合がある。しかし、ニードル弁61の先端が第2弁ポート22の略中央部に位置するので、第2弁ポート22の出口に到るまでにこの第2弁ポート22で流速を減速させることができる。すなわち、冷媒が二次継手管32に到達する前の弁座部材2の部分で、冷媒の流れを安定化することができ、二次継手管32の振動を抑えて騒音を低減することができる。また、第1弁ポート21とニードル弁61との隙間から流れる冷媒がテーパ部23に倣って第2弁ポート22に流れる。さらに、テーパ部23とニードル弁61との間隙は、第2弁ポート22側で直ぐに広がるので、冷媒がテーパ部23に付着しにくくなり、冷媒の通過音を低減することができる。
このように、第2弁ポート22は、ニードル弁61の先端が第2弁ポート22の略中央部に位置するような長さになっているが、図6(B) に示す弁座部材2′ように、第2弁ポート22′の内径が二次継手管32の内径と同じで、この第2弁ポート22′の長さが短く、ニードル弁61の先端が二次継手管32まで迫った位置にあると問題が生じる。すなわち、このニードル弁61の先端では圧力低下部分が発生し易く、この先端の影響による不安定な流れがそのまま二次継手管32に流れ込む。このため、二次継手管32の振動等が発生し易くなる。このようなことは第2実施形態(及び第1実施形態)では避けることができる。
ここで、第1実施形態及び第2実施形態における電動弁10は、冷媒の圧力が以下のような条件となる冷凍サイクルに適用されるものである。一次継手管31内の圧力が2.8〜3.4(MPa:メガパスカル)で、二次継手管32内の圧力が1.2〜1.8(MPa)である。そして、このような条件に対して、第1実施形態の弁座部材1及び第2実施形態の弁座部材2における各部の寸法は以下の条件を満たすように設定されており、これにより、前記のような騒音低減の効果が得られる。
テーパ部23の角度α3は、
90°≦α3≦150°…(1)
の範囲に設定する。なお、第1実施形態の場合はこのテーパ部の角度は180°である。
ニードル弁41,61の角度α2は
4°≦α2≦20°…(2)
の範囲に設定する。
第1弁ポート11,21の内径D1は
1mm≦D1≦2.6mm…(3)
の範囲に設定する。
第1弁ポート11,21の長さL1は
0mm<L1<0.8mm…(4)
の範囲に設定する。
第2弁ポート12,22の内径D2と第1弁ポート11,12の内径D1は
1.0mm≦√[(D2)2 −(D1)2 ]≦3.8mm…(5)
となるように設定する。
第2弁ポート12,22の長さL2と第1弁ポート11,21の長さL1は、
8≦L2/L1≦18…(6)
となるように設定する。
第1実施形態の二次継手管32の内径D3は
D3=5.0mm…(7)
と設定する。
第2実施形態の二次継手管32の内径D3は
D3=6.3mm…(8)
と設定する。
図8は第1実施形態の電動弁についてのD1とD2の寸法比と騒音低減値の実測例である。運転条件は、一次継手管31内の圧力が2.8〜3.4(MPa)、二次継手管32内の圧力が1.2〜1.8(MPa)である。冷媒の流れは一次継手管31から二次継手管32の方向である。L1=0.5mmである。D3=5.0mmに対してD1=1.0mm、
D1=1.8mmとし、D3=6.3mmに対してD1=2.6mmとし、これらのそれぞれに
対して、D2を変化させたときの条件式(5)の√[(D2)2 −(D1)2 ]の値に対する騒音低減値を示している。この図からわかるように、特に条件式(5)を満たす範囲(1.0mm〜3.8mm)で騒音が低くなっている。なお、√[(D2)2 −(D1)2
=0はD1=D2の場合である。
図9は第2実施形態の電動弁のテーパ部23の角度α3の変化と騒音低減値の実測例である。運転条件は、一次継手管31内の圧力が2.8〜3.4(MPa)、二次継手管32内の圧力が1.2〜1.8(MPa)である。冷媒の流れは一次継手管31から二次継手管32の方向である。L1=0.5mmである。D3=5.0mmに対してD1=1.8mm
とし、このD1に対して、条件式(5)の√[(D2)2 −(D1)2 ]の値が1.0mm
、2.4mm、3.6mmとなるD2を設定し、テーパ角度α3に対する騒音低減値を示して
いる。この図からわかるように、特にテーパ角度α3が条件式(2)を満たす範囲(90°〜150°)で騒音が低くなっている。なお、α3=180°は第1実施形態の場合である。
1 弁座部材
11 第1弁ポート
12 第2弁ポート
2 弁座部材
21 第1弁ポート
22 第2弁ポート
23 テーパ部
3 弁ハウジング
3A 弁室
31 一次継手管
32 二次継手管
4 弁体
41 ニードル弁
6 弁棒
61 ニードル弁
10 電動弁
L 軸線

Claims (3)

  1. 一次継手管に連通された弁室を形成する弁ハウジングと、前記弁室と二次継手管とを連通する断面形状が円形の弁ポートが形成された弁座部材と、前記弁ポートと同軸に配設されたニードル弁とを備え、前記ニードル弁を軸線方向に移動させて前記弁ポートを開閉することにより、前記一次継手管から前記弁室に冷媒を流入して前記弁ポートを介して前記二次継手管に流出する冷媒の流量を制御するようにした電動弁において、
    前記弁座部材の前記弁ポートを、前記弁室側に位置する内径D1の第1弁ポートと、前記二次継手管側に位置する内径D2の第2弁ポートとにより構成し、
    第1弁ポートの内径D1と第2弁ポートの内径D2と前記二次継手管の内径D3との関係がD1<D2<D3となるように前記弁座部材を構成したことを特徴とする電動弁。
  2. 前記弁座部材に、前記第1弁ポートと前記第2弁ポートとをつなぐテーパ部を形成したことを特徴とする請求項1に記載の電動弁。
  3. 前記ニードル弁が前記第1弁ポートを閉としたときに、前記ニードル弁の先端が前記第2弁ポートの中間位置に位置するように、前記弁座部材を構成したことを特徴とする請求項1または2に記載の電動弁。
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