JP2012067964A - 膨張弁 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍装置の冷媒回路に設けられて液冷媒の減圧を行う膨張弁において、冷媒入口が液単相で、かつ、冷媒出口も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合に発生する騒音を抑える。
【解決手段】弁座（１２）に形成されるオリフィス（６０）が、最も穴径が小さいオリフィス入口部（６１）と、オリフィス入口部（６１）から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度をなすように穴径が拡大するオリフィス中間部（６２）と、オリフィス中間部（６２）から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度よりも小さな第２テーパ角度をなすように穴径が拡大する又は穴径が変化しないオリフィス出口部（６３）とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、膨張弁、特に、冷凍装置の冷媒回路に設けられて液冷媒の減圧を行う膨張弁に関する。

従来より、特許文献１（特開２００９−２２８６８９号公報）に示されるような膨張弁がある。この膨張弁は、冷凍装置の冷媒回路に設けられて液冷媒の減圧を行うものであり、図５に示すように、主として、弁本体１０と、弁体２０と、駆動機構３０とを有している。弁本体１０は、弁室１１内に開口する弁座１２が形成された部材である。弁本体１０には、弁室１１の側方から冷媒が流入する冷媒入口１３と、弁室１１の下方に冷媒を流出する冷媒出口１４とが形成されている。冷媒入口１３には、冷媒流入管４０が接続されており、冷媒出口１４には、冷媒流出管５０が接続されている。弁体２０は、駆動機構３０によって、弁座１２に対して進退する部材である。駆動機構３０は、モータやソレノイド等からなる。このような構成によって、冷媒流入管４０と冷媒流出管５０との間を通過する液冷媒を減圧しつつ流量が調節される。

上記従来の膨張弁では、図６に示すように、弁座１２にオリフィス８０が形成されている。このオリフィス８０は、冷媒の流出方向（すなわち、弁体２０の進退方向軸線Ｘに沿った下方向）に向かって同一穴径（穴径Ｄ０）の部分８１のみからなる。このような膨張弁では、冷媒入口１３が液単相で、かつ、冷媒出口１４も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合があり、このような使用条件で発生する騒音が問題となっている。

本発明の課題は、冷凍装置の冷媒回路に設けられて液冷媒の減圧を行う膨張弁において、冷媒入口が液単相で、かつ、冷媒出口も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合に発生する騒音を抑えることにある。

第１の観点にかかる膨張弁は、弁室内に開口する弁座が形成されている弁本体と、弁座に対して進退する弁体とを有しており、冷凍装置の冷媒回路に設けられて液冷媒の減圧を行う膨張弁であり、冷媒入口が液単相で、かつ、冷媒出口も液単相で冷媒が通過する条件で使用される。そして、弁座に形成されるオリフィスが、最も穴径が小さいオリフィス入口部と、オリフィス入口部から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度をなすように穴径が拡大するオリフィス中間部と、オリフィス中間部から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度よりも小さな第２テーパ角度をなすように穴径が拡大する又は穴径が変化しないオリフィス出口部とを有することを特徴とする。

本願発明者は、冷媒入口が液単相で、かつ、冷媒出口も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合において、オリフィス通過時のキャビテーションによる音と、オリフィス通過後の冷媒流出管における共鳴音とが、騒音の原因となっていることを見いだした。すなわち、従来の膨張弁では、オリフィス通過時には、冷媒が流路断面の大きな弁室から流路断面の小さなオリフィスに流入した直後に、冷媒の流れの剥離が発生する。そして、この剥離によって局所的な圧力降下が生じて、この局所的な圧力降下が生じた部分にキャビテーションが発生する。このようなキャビテーションが騒音の原因の１つになっている。また、オリフィス通過時に冷媒の流れの剥離が生じると、冷媒が圧力変動を伴う噴流となって冷媒出口を通じて冷媒流出管に流入する。そして、この圧力変動が冷媒流出管に伝わることで冷媒流出管における共鳴音が発生する。このような共鳴音が騒音の原因の１つになっている。

そこで、本願発明者は、このような騒音に対して、オリフィスの形状を工夫する方向で鋭意検討を行った。そして、本願発明者は、オリフィスを、最も穴径が小さいオリフィス入口部と、オリフィス入口部から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度をなすように穴径が拡大するオリフィス中間部と、オリフィス中間部から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度よりも小さな第２テーパ角度をなすように穴径が拡大する又は穴径が変化しないオリフィス出口部とを有するものとすれば、上記の騒音を抑えることができることを見いだした。

このようなオリフィスの形状によると、弁室からオリフィスに流入する冷媒は、まず、従来と同様に、オリフィスのオリフィス入口部に流入した直後に、流れの剥離が発生し、この剥離によって局所的な圧力降下が生じようとする。しかし、ここでは、オリフィス入口部から冷媒の流出方向に向かって穴径が拡大するオリフィス中間部が形成されているため、オリフィス入口部に流入した直後の冷媒の圧力回復が図られることになる。このような圧力回復によって、キャビテーションの発生が抑えられ、その結果、オリフィス通過時のキャビテーションによる音が抑えられる。ここで、オリフィス中間部によって冷媒の圧力回復を図るだけでは、冷媒の流れの剥離が生じたままとなり、冷媒が圧力変動を伴う噴流となって冷媒出口を通じて冷媒流出管に流入するおそれがある。しかし、ここでは、オリフィス中間部から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度よりも小さな第２テーパ角度をなすように穴径が拡大する又は穴径が変化しないオリフィス出口部が形成されているため、剥離した冷媒の再付着が図られることになる。このような冷媒の再付着によって、圧力変動を伴う噴流の発生が抑えられ、その結果、冷媒流出管における共鳴音が抑えられる。

以上のように、この膨張弁では、上記のようなオリフィス入口部、オリフィス中間部及びオリフィス出口部を有するオリフィスの形状を採用することによって、冷媒入口が液単相で、かつ、冷媒出口も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合に発生する騒音を抑えることができる。

第２の観点にかかる膨張弁は、第１の観点にかかる膨張弁において、オリフィス中間部の冷媒の流出方向に向かう第１流出方向長さを、オリフィス入口部の最小の穴径の１倍以上とすることを特徴とする。

この膨張弁では、オリフィス中間部の冷媒の流出方向に向かう第１流出方向長さを、オリフィス入口部の最小の穴径の１倍以上としているため、オリフィス出口部だけでなく、オリフィス中間部における冷媒の再付着も図ることができ、これにより、冷媒流出管における共鳴音を抑える効果を向上させることができる。

第３の観点にかかる膨張弁は、第１又は第２の観点にかかる膨張弁において、第１テーパ角度を、１０度以上、かつ、６０度以下とすることを特徴とする。

この膨張弁では、第１テーパ角度を１０度以上にしているため、オリフィス入口部に流入した直後の冷媒の圧力回復を図る効果を確実に得ることができる。しかも、第１テーパ角度を６０度以下にしているため、オリフィス中間部における冷媒の再付着も図ることができる。すなわち、この膨張弁では、第１テーパ角度を上記のような角度範囲にすることによって、圧力回復と冷媒の再付着との両方を図ることができる。

第４の観点にかかる膨張弁は、第１〜第３の観点のいずれかにかかる膨張弁において、冷媒の流出方向に直交する面に対してオリフィス出口部がなす第２傾斜角度を、冷媒の流出方向に直交する面に対してオリフィス中間部がなす第１傾斜角度より大きく、かつ、９０度以下とすることを特徴とする。

この膨張弁では、冷媒の流出方向に直交する面に対してオリフィス出口部がなす第２傾斜角度を９０度以下にしているため、冷媒の流出方向に向かって穴径が縮小することを防ぐことができる。これにより、冷媒の流れがオリフィス出口部で縮流することを防ぎ、オリフィス出口部における圧力変動を抑える効果を向上させることができる。

第５の観点にかかる膨張弁は、第１〜第４の観点のいずれかにかかる膨張弁において、オリフィス出口部の冷媒の流出方向に向かう第２流出方向長さを、オリフィス中間部の冷媒の流出方向に向かう第１流出方向長さ以下とすることを特徴とする。

この膨張弁では、オリフィス出口部の冷媒の流出方向に向かう第２流出方向長さを、オリフィス中間部の冷媒の流出方向に向かう第１流出方向長さ以下にしているため、オリフィス出口部が過度に長くなることを抑えて、オリフィス出口部における圧力損失の増大を防ぐことができる。

以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。

第１の観点にかかる膨張弁では、冷媒入口が液単相で、かつ、冷媒出口も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合に発生する騒音を抑えることができる。

第２の観点にかかる膨張弁では、冷媒流出管における共鳴音を抑える効果を向上させることができる。

第３の観点にかかる膨張弁では、圧力回復と冷媒の再付着との両方を図ることができる。

第４の観点にかかる膨張弁では、オリフィス出口部における圧力変動を抑える効果を向上させることができる。

第５の観点にかかる膨張弁では、オリフィス出口部における圧力損失の増大を防ぐことができる。

本発明の一実施形態にかかる膨張弁の概略断面図である。 本発明の一実施形態にかかる膨張弁の弁座を示す断面図である。 弁座に形成されるオリフィスの形状の違いによるキャビテーション数と騒音値との関係を示す図である。 比較例にかかる膨張弁の弁座を示す断面図である。 従来例にかかる膨張弁の概略断面図である。 従来例にかかる膨張弁の弁座を示す断面図である。

以下、本発明にかかる膨張弁の実施形態について、図面に基づいて説明する。尚、本発明にかかる膨張弁の実施形態の具体的な構成は、下記の実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

（１）構成
図１は、本発明の一実施形態にかかる膨張弁１の概略断面図である。図２は、本発明の一実施形態にかかる膨張弁の弁座を示す断面図である。図１、２において従来例を示す図５、６と同一の部分（すなわち、オリフィス８０以外の部分）については、同一の符号を付している。

膨張弁１は、従来例（図５、６）と同様、冷凍装置の冷媒回路に設けられて液冷媒の減圧を行う膨張弁であり、主として、弁本体１０と、弁体２０と、駆動機構３０とを有している。弁本体１０は、弁室１１内に開口する弁座１２が形成された部材である。弁本体１０には、弁室１１の側方から冷媒が流入する冷媒入口１３と、弁室１１の下方に冷媒を流出する冷媒出口１４とが形成されている。冷媒入口１３には、冷媒流入管４０が接続されており、冷媒出口１４には、冷媒流出管５０が接続されている。弁体２０は、駆動機構３０によって、弁座１２に対して進退する部材である。駆動機構３０は、モータやソレノイド等からなる。このような構成によって、冷媒流入管４０と冷媒流出管５０との間を通過する液冷媒を減圧しつつ流量が調節されるようになっている。尚、膨張弁１は、冷媒入口１３が液単相で、かつ、冷媒出口１４も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合がある。

弁座１２には、従来例（図６）と同様、弁座１２にオリフィス６０が形成されている。このオリフィス６０は、オリフィス入口部６１と、オリフィス中間部６２と、オリフィス出口部６３とを有している。

オリフィス入口部６１は、弁室１１に面しており、最も穴径が小さい部分である。ここでは、オリフィス入口部６１は、冷媒の流出方向（すなわち、弁体２０の進退方向軸線Ｘに沿った下方向）に向かって同一穴径（最小穴径Ｄ０）の筒状の部分である。ここで、オリフィス入口部６１の冷媒の流出方向の長さを入口部長さＬ０とすると、入口部長さＬ０は、最小穴径Ｄ０に比べて非常に小さく、ここでは、最小穴径Ｄ０の０．３倍以下の長さである。尚、弁体２０がオリフィス入口部６０に当接することによって、冷媒入口１３と冷媒出口１４との間の冷媒の流れが遮断され、弁体２０がオリフィス入口部６０から離反することによって、冷媒入口１３と冷媒出口１４との間の冷媒の流れが生じる。

オリフィス中間部６２は、オリフィス入口部６１から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度αをなすように穴径が拡大する筒状の部分である。ここで、オリフィス中間部６２の冷媒の流出方向に向かう長さを第１流出方向長さＬ１とすると、第１流出方向長さＬ１は、最小穴径Ｄ０の１倍以上の長さである。また、第１テーパ角度αは、１０度以上、かつ、６０度以下の角度である。また、冷媒の流出方向に直交する面に対してオリフィス中間部６２がなす傾斜角度（ここでは、鋭角をなす側の角度）を第１傾斜角度θとする。

オリフィス出口部６３は、オリフィス中間部６２から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度αよりも小さな第２テーパ角度βをなすように穴径が拡大する又は穴径が変化しない筒状の部分である。ここで、オリフィス出口部６３の冷媒の流出方向に向かう長さを第２流出方向長さＬ２とすると、第２流出方向長さＬ２は、第１流出方向長さＬ１以下の長さである。また、第２流出方向長さＬ２は、最小穴径Ｄ０の０．３倍以上の長さである。また、冷媒の流出方向に直交する面に対してオリフィス出口部６３がなす傾斜角度（ここでは、鋭角をなす側の角度）を第２傾斜角度ζとすると、第２傾斜角度ζは、第１傾斜角度θより大きく、かつ、９０度以下である。

（２）動作及び特徴
上記の膨張弁１を作動させると、弁室１１からオリフィス６０に流入する冷媒は、従来例と同様に、まず、オリフィス６０のオリフィス入口部６１に流入した直後に、流れの剥離が発生し、この剥離によって局所的な圧力降下が生じようとする。しかし、ここでは、オリフィス入口部６１から冷媒の流出方向に向かって穴径が拡大するオリフィス中間部６２が形成されているため、オリフィス入口部６１に流入した直後の冷媒の圧力回復が図られることになる。このような圧力回復によって、キャビテーションの発生が抑えられ、その結果、オリフィス６０通過時のキャビテーションによる音が抑えられる。ここで、オリフィス中間部６２によって冷媒の圧力回復を図るだけでは、冷媒の流れの剥離が生じたままとなり、冷媒が圧力変動を伴う噴流となって冷媒出口１４を通じて冷媒流出管５０に流入するおそれがある。しかし、ここでは、オリフィス中間部６２から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度αよりも小さな第２テーパ角度βをなすように穴径が拡大する又は穴径が変化しないオリフィス出口部６３が形成されているため、剥離した冷媒の再付着が図られることになる。このような冷媒の再付着によって、圧力変動を伴う噴流の発生が抑えられ、その結果、冷媒流出管１４における共鳴音が抑えられる。

以上のように、この膨張弁１では、上記のようなオリフィス入口部６１、オリフィス中間部６２及びオリフィス出口部６３を有するオリフィス６０の形状を採用することによって、冷媒入口１３が液単相で、かつ、冷媒出口１４も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合に発生する騒音を抑えることができる。

また、この膨張弁１では、オリフィス中間部６２の冷媒の流出方向に向かう第１流出方向長さＬ１を、オリフィス入口部６１の最小穴径Ｄ０の１倍以上としているため、オリフィス出口部６３だけでなく、オリフィス中間部６２における冷媒の再付着も図ることができ、これにより、冷媒流出管１４における共鳴音を抑える効果を向上させることができる。また、オリフィス出口部６３の冷媒の流出方向に向かう第２流出方向長さＬ２を、オリフィス入口部６１の最小穴径Ｄ０の０．３倍以上としているため、冷媒流出管１４における共鳴音を抑える効果を確実に得ることができる。

また、この膨張弁１では、第１テーパ角度αを１０度以上にしているため、オリフィス入口部６１に流入した直後の冷媒の圧力回復を図る効果を確実に得ることができる。しかも、第１テーパ角度αを６０度以下にしているため、オリフィス中間部６２における冷媒の再付着も図ることができる。すなわち、この膨張弁１では、第１テーパ角度αを上記のような角度範囲にすることによって、圧力回復と冷媒の再付着との両方を図ることができる。

また、この膨張弁１では、冷媒の流出方向に直交する面に対してオリフィス出口部６３がなす第２傾斜角度βを９０度以下にしているため、冷媒の流出方向に向かって穴径が縮小することを防ぐことができる。これにより、冷媒の流れがオリフィス出口部６３で縮流することを防ぎ、オリフィス出口部６３における圧力変動を抑える効果を向上させることができる。尚、冷媒の流れがオリフィス出口部６３で縮流することを防ぎつつ冷媒の再付着を図るためには、オリフィス出口部６３として、第２傾斜角度βを９０度とすることで穴径が変化しないものを採用することが好ましい。

さらに、この膨張弁１では、オリフィス出口部６３の冷媒の流出方向に向かう第２流出方向長さＬ２を、オリフィス中間部６２の冷媒の流出方向に向かう第１流出方向長さＬ１以下にしているため、オリフィス出口部６３が過度に長くなることを抑えて、オリフィス出口部６３における圧力損失の増大を防ぐことができる。

（３）実験例
次に、上記のオリフィス６０の実験例を比較例（図４）及び従来例（図６）とともに、図３に示す。ここで、図３は、弁座１２に形成されるオリフィスの形状の違いによるキャビテーション数と騒音値との関係を示す図である。図４は、比較例にかかる膨張弁の弁座１２を示す断面図である。

まず、本発明の一実施形態にかかるオリフィス６０の実施例（図２）に関する実験について説明する。ここでは、オリフィス６０の寸法や測定条件を以下のように設定した。まず、最小穴径Ｄ０＝１．６ｍｍ、入口部長さＬ０＝０．５ｍｍ、第１テーパ角度α＝２０度（第１傾斜角度θ＝８０度）、第１流出方向長さＬ１＝３．８ｍｍ、第２テーパ角度β＝０度（第２傾斜角度ζ＝９０度）、第２流出方向長さＬ２＝０．７ｍｍとした。そして、冷媒として、Ｒ４１０Ａを使用し、冷媒入口１３と冷媒出口１４との間の減圧幅を０．８ＭＰａとし、冷媒流量を７５〜８５ｋｇ／ｈとして、冷媒温度を５℃〜２５℃の間で変化させることによってキャビテーション数σ（冷媒出口１４基準）を約−０．１〜約０．９の間で変化させながら、０．３ｍの距離における膨張弁１の単独での騒音値（キャビテーションによる騒音値）を測定した（図３における実施例の値を参照）。また、これとは別に、冷媒流出管５０を接続した状態で共鳴音の測定も行った。

このような実験によると、オリフィス６０の実施例（図２）では、冷媒入口１３が液単相で、かつ、冷媒出口１４も液単相で冷媒が通過する条件（すなわち、キャビテーション数σが０以上の条件）において、キャビテーションによる騒音値が５５ｄＢＡ以下に抑えられることがわかる。また、オリフィス６０の実施例では、冷媒流出管５０における共鳴が生じず、共鳴音による騒音は無視できるレベルであった。

これに対して、最小穴径Ｄ０＝１．６ｍｍとし、オリフィス８１の冷媒の流出方向の長さを５．０ｍｍとした従来例（図６）のオリフィス８０では、上記実施例と同じ測定条件において、キャビテーションによる騒音値が最大で６５ｄＢＡまで増大しており、上記のオリフィス６０の実施例に比べて、キャビテーションによる騒音値が最大で１０ｄＢＡ程度増大した（図３における従来例の値を参照）。また、従来例のオリフィス８０では、オリフィス６０の実施例と同様、冷媒流出管５０における共鳴が生じず、共鳴音による騒音は無視できるレベルであった。

また、オリフィス６０の実施例からオリフィス出口部６３を省略し、オリフィス中間部７２の第１テーパ角度α＝１５０度とし、オリフィス中間部７２の第１流出方向長さＬ１＝１．０ｍｍとした比較例（図４）のオリフィス７０では、上記実施例と同じ測定条件において、キャビテーションによる騒音値が上記のオリフィス６０の実施例と同レベルであった（図３における比較例の値を参照）。しかし、比較例のオリフィス７０では、オリフィス６０の実施例や従来例のオリフィス８０とは異なり、冷媒流出管５０における共鳴が生じてしまい、共鳴音による騒音が非常に大きなレベルとなった。

このことから、実施例（図２）や比較例（図４）のように、オリフィス入口部６１、７１から冷媒の流出方向に向かって穴径が拡大するオリフィス中間部６２、７２を形成することによって、キャビテーションによる騒音値を抑えることができることがわかる、しかし、比較例のオリフィス７０（図４）のように、第１テーパ角度αを大きくし過ぎたり、第１流出方向長さＬ１を短くし過ぎると、冷媒流出管５０における共鳴が生じやすくなることがわかる。また、実施例（図２）のように、オリフィス中間部６１から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度αよりも小さな第２テーパ角度βをなすように穴径が拡大する又は穴径が変化しないオリフィス出口部６３を形成することによって、共鳴音による騒音は無視できるレベルまで抑えることができる。逆に、比較例（図４）のように、オリフィス中間部７２を形成したとしてもオリフィス出口部を形成しなければ、冷媒流出管５０における共鳴が生じてしまい、共鳴音による騒音が非常に大きなレベルとなることがわかる。

以上のように、オリフィス６０の実施例のような、オリフィス入口部６１、オリフィス中間部６２及びオリフィス出口部６３を有する形状を採用すると、冷媒入口１３が液単相で、かつ、冷媒出口１４も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合に発生するキャビテーションや共鳴による騒音の両方を効果的に抑えることができることがわかる。

本発明は、冷凍装置の冷媒回路に設けられて液冷媒の減圧を行う膨張弁に広く適用可能である。

１ 膨張弁
１０ 弁本体
１１ 弁室
１２ 弁座
１３ 冷媒入口
１４ 冷媒出口
２０ 弁体
６０ オリフィス
６１ オリフィス入口部
６２ オリフィス中間部
６３ オリフィス出口部

特開２００９−２２８６８９号公報

本発明は、膨張弁、特に、冷凍装置の冷媒回路に設けられて液冷媒の減圧を行う膨張弁に関する。

従来より、特許文献１（特開２００９−２２８６８９号公報）に示されるような膨張弁がある。この膨張弁は、冷凍装置の冷媒回路に設けられて液冷媒の減圧を行うものであり、図５に示すように、主として、弁本体１０と、弁体２０と、駆動機構３０とを有している。弁本体１０は、弁室１１内に開口する弁座１２が形成された部材である。弁本体１０には、弁室１１の側方から冷媒が流入する冷媒入口１３と、弁室１１の下方に冷媒を流出する冷媒出口１４とが形成されている。冷媒入口１３には、冷媒流入管４０が接続されており、冷媒出口１４には、冷媒流出管５０が接続されている。弁体２０は、駆動機構３０によって、弁座１２に対して進退する部材である。駆動機構３０は、モータやソレノイド等からなる。このような構成によって、冷媒流入管４０と冷媒流出管５０との間を通過する液冷媒を減圧しつつ流量が調節される。

上記従来の膨張弁では、図６に示すように、弁座１２にオリフィス８０が形成されている。このオリフィス８０は、冷媒の流出方向（すなわち、弁体２０の進退方向軸線Ｘに沿った下方向）に向かって同一穴径（穴径Ｄ０）の部分８１のみからなる。このような膨張弁では、冷媒入口１３が液単相で、かつ、冷媒出口１４も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合があり、このような使用条件で発生する騒音が問題となっている。

本発明の課題は、冷凍装置の冷媒回路に設けられて液冷媒の減圧を行う膨張弁において、冷媒入口が液単相で、かつ、冷媒出口も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合に発生する騒音を抑えることにある。

第１の観点にかかる膨張弁は、弁室内に開口する弁座が形成されている弁本体と、弁座に対して進退する弁体とを有しており、冷凍装置の冷媒回路に設けられて液冷媒の減圧を行う膨張弁である。そして、弁座に形成されるオリフィスが、最も穴径が小さいオリフィス入口部と、オリフィス入口部から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度をなすように穴径が拡大するオリフィス中間部と、オリフィス中間部から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度よりも小さな第２テーパ角度をなすように穴径が拡大する又は穴径が変化しないオリフィス出口部とを有することを特徴とする。

本願発明者は、冷媒入口が液単相で、かつ、冷媒出口も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合において、オリフィス通過時のキャビテーションによる音と、オリフィス通過後の冷媒流出管における共鳴音とが、騒音の原因となっていることを見いだした。すなわち、従来の膨張弁では、オリフィス通過時には、冷媒が流路断面の大きな弁室から流路断面の小さなオリフィスに流入した直後に、冷媒の流れの剥離が発生する。そして、この剥離によって局所的な圧力降下が生じて、この局所的な圧力降下が生じた部分にキャビテーションが発生する。このようなキャビテーションが騒音の原因の１つになっている。また、オリフィス通過時に冷媒の流れの剥離が生じると、冷媒が圧力変動を伴う噴流となって冷媒出口を通じて冷媒流出管に流入する。そして、この圧力変動が冷媒流出管に伝わることで冷媒流出管における共鳴音が発生する。このような共鳴音が騒音の原因の１つになっている。

そこで、本願発明者は、このような騒音に対して、オリフィスの形状を工夫する方向で鋭意検討を行った。そして、本願発明者は、オリフィスを、最も穴径が小さいオリフィス入口部と、オリフィス入口部から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度をなすように穴径が拡大するオリフィス中間部と、オリフィス中間部から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度よりも小さな第２テーパ角度をなすように穴径が拡大する又は穴径が変化しないオリフィス出口部とを有するものとすれば、上記の騒音を抑えることができることを見いだした。

このようなオリフィスの形状によると、弁室からオリフィスに流入する冷媒は、まず、従来と同様に、オリフィスのオリフィス入口部に流入した直後に、流れの剥離が発生し、この剥離によって局所的な圧力降下が生じようとする。しかし、ここでは、オリフィス入口部から冷媒の流出方向に向かって穴径が拡大するオリフィス中間部が形成されているため、オリフィス入口部に流入した直後の冷媒の圧力回復が図られることになる。このような圧力回復によって、キャビテーションの発生が抑えられ、その結果、オリフィス通過時のキャビテーションによる音が抑えられる。ここで、オリフィス中間部によって冷媒の圧力回復を図るだけでは、冷媒の流れの剥離が生じたままとなり、冷媒が圧力変動を伴う噴流となって冷媒出口を通じて冷媒流出管に流入するおそれがある。しかし、ここでは、オリフィス中間部から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度よりも小さな第２テーパ角度をなすように穴径が拡大する又は穴径が変化しないオリフィス出口部が形成されているため、剥離した冷媒の再付着が図られることになる。このような冷媒の再付着によって、圧力変動を伴う噴流の発生が抑えられ、その結果、冷媒流出管における共鳴音が抑えられる。

以上のように、この膨張弁では、上記のようなオリフィス入口部、オリフィス中間部及びオリフィス出口部を有するオリフィスの形状を採用することによって、冷媒入口が液単相で、かつ、冷媒出口も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合に発生する騒音を抑えることができる。

第２の観点にかかる膨張弁は、第１の観点にかかる膨張弁において、オリフィス中間部の冷媒の流出方向に向かう第１流出方向長さを、オリフィス入口部の最小の穴径の１倍以上とすることを特徴とする。

この膨張弁では、オリフィス中間部の冷媒の流出方向に向かう第１流出方向長さを、オリフィス入口部の最小の穴径の１倍以上としているため、オリフィス出口部だけでなく、オリフィス中間部における冷媒の再付着も図ることができ、これにより、冷媒流出管における共鳴音を抑える効果を向上させることができる。

第３の観点にかかる膨張弁は、第１又は第２の観点にかかる膨張弁において、第１テーパ角度を、１０度以上、かつ、６０度以下とすることを特徴とする。

この膨張弁では、第１テーパ角度を１０度以上にしているため、オリフィス入口部に流入した直後の冷媒の圧力回復を図る効果を確実に得ることができる。しかも、第１テーパ角度を６０度以下にしているため、オリフィス中間部における冷媒の再付着も図ることができる。すなわち、この膨張弁では、第１テーパ角度を上記のような角度範囲にすることによって、圧力回復と冷媒の再付着との両方を図ることができる。

第４の観点にかかる膨張弁は、第１〜第３の観点のいずれかにかかる膨張弁において、冷媒の流出方向に直交する面に対してオリフィス出口部がなす第２傾斜角度を、冷媒の流出方向に直交する面に対してオリフィス中間部がなす第１傾斜角度より大きく、かつ、９０度以下とすることを特徴とする。

この膨張弁では、冷媒の流出方向に直交する面に対してオリフィス出口部がなす第２傾斜角度を９０度以下にしているため、冷媒の流出方向に向かって穴径が縮小することを防ぐことができる。これにより、冷媒の流れがオリフィス出口部で縮流することを防ぎ、オリフィス出口部における圧力変動を抑える効果を向上させることができる。

第５の観点にかかる膨張弁は、第１〜第４の観点のいずれかにかかる膨張弁において、オリフィス出口部の冷媒の流出方向に向かう第２流出方向長さを、オリフィス中間部の冷媒の流出方向に向かう第１流出方向長さ以下とすることを特徴とする。

この膨張弁では、オリフィス出口部の冷媒の流出方向に向かう第２流出方向長さを、オリフィス中間部の冷媒の流出方向に向かう第１流出方向長さ以下にしているため、オリフィス出口部が過度に長くなることを抑えて、オリフィス出口部における圧力損失の増大を防ぐことができる。

以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。

第１の観点にかかる膨張弁では、冷媒入口が液単相で、かつ、冷媒出口も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合に発生する騒音を抑えることができる。

第２の観点にかかる膨張弁では、冷媒流出管における共鳴音を抑える効果を向上させることができる。

第３の観点にかかる膨張弁では、圧力回復と冷媒の再付着との両方を図ることができる。

第４の観点にかかる膨張弁では、オリフィス出口部における圧力変動を抑える効果を向上させることができる。

第５の観点にかかる膨張弁では、オリフィス出口部における圧力損失の増大を防ぐことができる。

本発明の一実施形態にかかる膨張弁の概略断面図である。 本発明の一実施形態にかかる膨張弁の弁座を示す断面図である。 弁座に形成されるオリフィスの形状の違いによるキャビテーション数と騒音値との関係を示す図である。 比較例にかかる膨張弁の弁座を示す断面図である。 従来例にかかる膨張弁の概略断面図である。 従来例にかかる膨張弁の弁座を示す断面図である。

以下、本発明にかかる膨張弁の実施形態について、図面に基づいて説明する。尚、本発明にかかる膨張弁の実施形態の具体的な構成は、下記の実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

（１）構成
図１は、本発明の一実施形態にかかる膨張弁１の概略断面図である。図２は、本発明の一実施形態にかかる膨張弁の弁座を示す断面図である。図１、２において従来例を示す図５、６と同一の部分（すなわち、オリフィス８０以外の部分）については、同一の符号を付している。

膨張弁１は、従来例（図５、６）と同様、冷凍装置の冷媒回路に設けられて液冷媒の減圧を行う膨張弁であり、主として、弁本体１０と、弁体２０と、駆動機構３０とを有している。弁本体１０は、弁室１１内に開口する弁座１２が形成された部材である。弁本体１０には、弁室１１の側方から冷媒が流入する冷媒入口１３と、弁室１１の下方に冷媒を流出する冷媒出口１４とが形成されている。冷媒入口１３には、冷媒流入管４０が接続されており、冷媒出口１４には、冷媒流出管５０が接続されている。弁体２０は、駆動機構３０によって、弁座１２に対して進退する部材である。駆動機構３０は、モータやソレノイド等からなる。このような構成によって、冷媒流入管４０と冷媒流出管５０との間を通過する液冷媒を減圧しつつ流量が調節されるようになっている。尚、膨張弁１は、冷媒入口１３が液単相で、かつ、冷媒出口１４も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合がある。

弁座１２には、従来例（図６）と同様、弁座１２にオリフィス６０が形成されている。このオリフィス６０は、オリフィス入口部６１と、オリフィス中間部６２と、オリフィス出口部６３とを有している。

オリフィス入口部６１は、弁室１１に面しており、最も穴径が小さい部分である。ここでは、オリフィス入口部６１は、冷媒の流出方向（すなわち、弁体２０の進退方向軸線Ｘに沿った下方向）に向かって同一穴径（最小穴径Ｄ０）の筒状の部分である。ここで、オリフィス入口部６１の冷媒の流出方向の長さを入口部長さＬ０とすると、入口部長さＬ０は、最小穴径Ｄ０に比べて非常に小さく、ここでは、最小穴径Ｄ０の０．３倍以下の長さである。尚、弁体２０がオリフィス入口部６０に当接することによって、冷媒入口１３と冷媒出口１４との間の冷媒の流れが遮断され、弁体２０がオリフィス入口部６０から離反することによって、冷媒入口１３と冷媒出口１４との間の冷媒の流れが生じる。

オリフィス中間部６２は、オリフィス入口部６１から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度αをなすように穴径が拡大する筒状の部分である。ここで、オリフィス中間部６２の冷媒の流出方向に向かう長さを第１流出方向長さＬ１とすると、第１流出方向長さＬ１は、最小穴径Ｄ０の１倍以上の長さである。また、第１テーパ角度αは、１０度以上、かつ、６０度以下の角度である。また、冷媒の流出方向に直交する面に対してオリフィス中間部６２がなす傾斜角度（ここでは、鋭角をなす側の角度）を第１傾斜角度θとする。

オリフィス出口部６３は、オリフィス中間部６２から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度αよりも小さな第２テーパ角度βをなすように穴径が拡大する又は穴径が変化しない筒状の部分である。ここで、オリフィス出口部６３の冷媒の流出方向に向かう長さを第２流出方向長さＬ２とすると、第２流出方向長さＬ２は、第１流出方向長さＬ１以下の長さである。また、第２流出方向長さＬ２は、最小穴径Ｄ０の０．３倍以上の長さである。また、冷媒の流出方向に直交する面に対してオリフィス出口部６３がなす傾斜角度（ここでは、鋭角をなす側の角度）を第２傾斜角度ζとすると、第２傾斜角度ζは、第１傾斜角度θより大きく、かつ、９０度以下である。

（２）動作及び特徴
上記の膨張弁１を作動させると、弁室１１からオリフィス６０に流入する冷媒は、従来例と同様に、まず、オリフィス６０のオリフィス入口部６１に流入した直後に、流れの剥離が発生し、この剥離によって局所的な圧力降下が生じようとする。しかし、ここでは、オリフィス入口部６１から冷媒の流出方向に向かって穴径が拡大するオリフィス中間部６２が形成されているため、オリフィス入口部６１に流入した直後の冷媒の圧力回復が図られることになる。このような圧力回復によって、キャビテーションの発生が抑えられ、その結果、オリフィス６０通過時のキャビテーションによる音が抑えられる。ここで、オリフィス中間部６２によって冷媒の圧力回復を図るだけでは、冷媒の流れの剥離が生じたままとなり、冷媒が圧力変動を伴う噴流となって冷媒出口１４を通じて冷媒流出管５０に流入するおそれがある。しかし、ここでは、オリフィス中間部６２から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度αよりも小さな第２テーパ角度βをなすように穴径が拡大する又は穴径が変化しないオリフィス出口部６３が形成されているため、剥離した冷媒の再付着が図られることになる。このような冷媒の再付着によって、圧力変動を伴う噴流の発生が抑えられ、その結果、冷媒流出管１４における共鳴音が抑えられる。

以上のように、この膨張弁１では、上記のようなオリフィス入口部６１、オリフィス中間部６２及びオリフィス出口部６３を有するオリフィス６０の形状を採用することによって、冷媒入口１３が液単相で、かつ、冷媒出口１４も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合に発生する騒音を抑えることができる。

また、この膨張弁１では、オリフィス中間部６２の冷媒の流出方向に向かう第１流出方向長さＬ１を、オリフィス入口部６１の最小穴径Ｄ０の１倍以上としているため、オリフィス出口部６３だけでなく、オリフィス中間部６２における冷媒の再付着も図ることができ、これにより、冷媒流出管１４における共鳴音を抑える効果を向上させることができる。また、オリフィス出口部６３の冷媒の流出方向に向かう第２流出方向長さＬ２を、オリフィス入口部６１の最小穴径Ｄ０の０．３倍以上としているため、冷媒流出管１４における共鳴音を抑える効果を確実に得ることができる。

また、この膨張弁１では、第１テーパ角度αを１０度以上にしているため、オリフィス入口部６１に流入した直後の冷媒の圧力回復を図る効果を確実に得ることができる。しかも、第１テーパ角度αを６０度以下にしているため、オリフィス中間部６２における冷媒の再付着も図ることができる。すなわち、この膨張弁１では、第１テーパ角度αを上記のような角度範囲にすることによって、圧力回復と冷媒の再付着との両方を図ることができる。

また、この膨張弁１では、冷媒の流出方向に直交する面に対してオリフィス出口部６３がなす第２傾斜角度βを９０度以下にしているため、冷媒の流出方向に向かって穴径が縮小することを防ぐことができる。これにより、冷媒の流れがオリフィス出口部６３で縮流することを防ぎ、オリフィス出口部６３における圧力変動を抑える効果を向上させることができる。尚、冷媒の流れがオリフィス出口部６３で縮流することを防ぎつつ冷媒の再付着を図るためには、オリフィス出口部６３として、第２傾斜角度βを９０度とすることで穴径が変化しないものを採用することが好ましい。

さらに、この膨張弁１では、オリフィス出口部６３の冷媒の流出方向に向かう第２流出方向長さＬ２を、オリフィス中間部６２の冷媒の流出方向に向かう第１流出方向長さＬ１以下にしているため、オリフィス出口部６３が過度に長くなることを抑えて、オリフィス出口部６３における圧力損失の増大を防ぐことができる。

（３）実験例
次に、上記のオリフィス６０の実験例を比較例（図４）及び従来例（図６）とともに、図３に示す。ここで、図３は、弁座１２に形成されるオリフィスの形状の違いによるキャビテーション数と騒音値との関係を示す図である。図４は、比較例にかかる膨張弁の弁座１２を示す断面図である。

まず、本発明の一実施形態にかかるオリフィス６０の実施例（図２）に関する実験について説明する。ここでは、オリフィス６０の寸法や測定条件を以下のように設定した。まず、最小穴径Ｄ０＝１．６ｍｍ、入口部長さＬ０＝０．５ｍｍ、第１テーパ角度α＝２０度（第１傾斜角度θ＝８０度）、第１流出方向長さＬ１＝３．８ｍｍ、第２テーパ角度β＝０度（第２傾斜角度ζ＝９０度）、第２流出方向長さＬ２＝０．７ｍｍとした。そして、冷媒として、Ｒ４１０Ａを使用し、冷媒入口１３と冷媒出口１４との間の減圧幅を０．８ＭＰａとし、冷媒流量を７５〜８５ｋｇ／ｈとして、冷媒温度を５℃〜２５℃の間で変化させることによってキャビテーション数σ（冷媒出口１４基準）を約−０．１〜約０．９の間で変化させながら、０．３ｍの距離における膨張弁１の単独での騒音値（キャビテーションによる騒音値）を測定した（図３における実施例の値を参照）。また、これとは別に、冷媒流出管５０を接続した状態で共鳴音の測定も行った。

このような実験によると、オリフィス６０の実施例（図２）では、冷媒入口１３が液単相で、かつ、冷媒出口１４も液単相で冷媒が通過する条件（すなわち、キャビテーション数σが０以上の条件）において、キャビテーションによる騒音値が５５ｄＢＡ以下に抑えられることがわかる。また、オリフィス６０の実施例では、冷媒流出管５０における共鳴が生じず、共鳴音による騒音は無視できるレベルであった。

これに対して、最小穴径Ｄ０＝１．６ｍｍとし、オリフィス８１の冷媒の流出方向の長さを５．０ｍｍとした従来例（図６）のオリフィス８０では、上記実施例と同じ測定条件において、キャビテーションによる騒音値が最大で６５ｄＢＡまで増大しており、上記のオリフィス６０の実施例に比べて、キャビテーションによる騒音値が最大で１０ｄＢＡ程度増大した（図３における従来例の値を参照）。また、従来例のオリフィス８０では、オリフィス６０の実施例と同様、冷媒流出管５０における共鳴が生じず、共鳴音による騒音は無視できるレベルであった。

また、オリフィス６０の実施例からオリフィス出口部６３を省略し、オリフィス中間部７２の第１テーパ角度α＝１５０度とし、オリフィス中間部７２の第１流出方向長さＬ１＝１．０ｍｍとした比較例（図４）のオリフィス７０では、上記実施例と同じ測定条件において、キャビテーションによる騒音値が上記のオリフィス６０の実施例と同レベルであった（図３における比較例の値を参照）。しかし、比較例のオリフィス７０では、オリフィス６０の実施例や従来例のオリフィス８０とは異なり、冷媒流出管５０における共鳴が生じてしまい、共鳴音による騒音が非常に大きなレベルとなった。

このことから、実施例（図２）や比較例（図４）のように、オリフィス入口部６１、７１から冷媒の流出方向に向かって穴径が拡大するオリフィス中間部６２、７２を形成することによって、キャビテーションによる騒音値を抑えることができることがわかる、しかし、比較例のオリフィス７０（図４）のように、第１テーパ角度αを大きくし過ぎたり、第１流出方向長さＬ１を短くし過ぎると、冷媒流出管５０における共鳴が生じやすくなることがわかる。また、実施例（図２）のように、オリフィス中間部６１から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度αよりも小さな第２テーパ角度βをなすように穴径が拡大する又は穴径が変化しないオリフィス出口部６３を形成することによって、共鳴音による騒音は無視できるレベルまで抑えることができる。逆に、比較例（図４）のように、オリフィス中間部７２を形成したとしてもオリフィス出口部を形成しなければ、冷媒流出管５０における共鳴が生じてしまい、共鳴音による騒音が非常に大きなレベルとなることがわかる。

以上のように、オリフィス６０の実施例のような、オリフィス入口部６１、オリフィス中間部６２及びオリフィス出口部６３を有する形状を採用すると、冷媒入口１３が液単相で、かつ、冷媒出口１４も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合に発生するキャビテーションや共鳴による騒音の両方を効果的に抑えることができることがわかる。

本発明は、冷凍装置の冷媒回路に設けられて液冷媒の減圧を行う膨張弁に広く適用可能である。

１ 膨張弁
１０ 弁本体
１１ 弁室
１２ 弁座
１３ 冷媒入口
１４ 冷媒出口
２０ 弁体
６０ オリフィス
６１ オリフィス入口部
６２ オリフィス中間部
６３ オリフィス出口部

特開２００９−２２８６８９号公報

本発明は、膨張弁、特に、冷凍装置の冷媒回路に設けられて液冷媒の減圧を行う膨張弁に関する。

従来より、特許文献１（特開２００９−２２８６８９号公報）に示されるような膨張弁がある。この膨張弁は、冷凍装置の冷媒回路に設けられて液冷媒の減圧を行うものであり、図５に示すように、主として、弁本体１０と、弁体２０と、駆動機構３０とを有している。弁本体１０は、弁室１１内に開口する弁座１２が形成された部材である。弁本体１０には、弁室１１の側方から冷媒が流入する冷媒入口１３と、弁室１１の下方に冷媒を流出する冷媒出口１４とが形成されている。冷媒入口１３には、冷媒流入管４０が接続されており、冷媒出口１４には、冷媒流出管５０が接続されている。弁体２０は、駆動機構３０によって、弁座１２に対して進退する部材である。駆動機構３０は、モータやソレノイド等からなる。このような構成によって、冷媒流入管４０と冷媒流出管５０との間を通過する液冷媒を減圧しつつ流量が調節される。

上記従来の膨張弁では、図６に示すように、弁座１２にオリフィス８０が形成されている。このオリフィス８０は、冷媒の流出方向（すなわち、弁体２０の進退方向軸線Ｘに沿った下方向）に向かって同一穴径（穴径Ｄ０）の部分８１のみからなる。このような膨張弁では、冷媒入口１３が液単相で、かつ、冷媒出口１４も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合があり、このような使用条件で発生する騒音が問題となっている。

本発明の課題は、冷凍装置の冷媒回路に設けられて液冷媒の減圧を行う膨張弁において、冷媒入口が液単相で、かつ、冷媒出口も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合に発生する騒音を抑えることにある。

第１の観点にかかる膨張弁は、弁室内に開口する弁座が形成されている弁本体と、弁座に対して進退する弁体とを有しており、冷凍装置の冷媒回路に設けられて液冷媒の減圧を行う膨張弁である。そして、弁座に形成されるオリフィスが、最も穴径が小さいオリフィス入口部と、オリフィス入口部の冷媒の流出方向側の直後にオリフィス入口部から冷媒の流出方向に向かってオリフィス入口部の最小の穴径から１０度以上、かつ、６０度以下の第１テーパ角度をなして徐々に穴径が拡大するオリフィス中間部と、オリフィス中間部から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度よりも小さな第２テーパ角度をなすように穴径が拡大する又は穴径が変化しないオリフィス出口部とを有することを特徴とする。

本願発明者は、冷媒入口が液単相で、かつ、冷媒出口も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合において、オリフィス通過時のキャビテーションによる音と、オリフィス通過後の冷媒流出管における共鳴音とが、騒音の原因となっていることを見いだした。すなわち、従来の膨張弁では、オリフィス通過時には、冷媒が流路断面の大きな弁室から流路断面の小さなオリフィスに流入した直後に、冷媒の流れの剥離が発生する。そして、この剥離によって局所的な圧力降下が生じて、この局所的な圧力降下が生じた部分にキャビテーションが発生する。このようなキャビテーションが騒音の原因の１つになっている。また、オリフィス通過時に冷媒の流れの剥離が生じると、冷媒が圧力変動を伴う噴流となって冷媒出口を通じて冷媒流出管に流入する。そして、この圧力変動が冷媒流出管に伝わることで冷媒流出管における共鳴音が発生する。このような共鳴音が騒音の原因の１つになっている。

そこで、本願発明者は、このような騒音に対して、オリフィスの形状を工夫する方向で鋭意検討を行った。そして、本願発明者は、オリフィスを、最も穴径が小さいオリフィス入口部と、オリフィス入口部の冷媒の流出方向側の直後にオリフィス入口部から冷媒の流出方向に向かってオリフィス入口部の最小の穴径から第１テーパ角度をなして徐々に穴径が拡大するオリフィス中間部と、オリフィス中間部から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度よりも小さな第２テーパ角度をなすように穴径が拡大する又は穴径が変化しないオリフィス出口部とを有するものとすれば、上記の騒音を抑えることができることを見いだした。

このようなオリフィスの形状によると、弁室からオリフィスに流入する冷媒は、まず、従来と同様に、オリフィスのオリフィス入口部に流入した直後に、流れの剥離が発生し、この剥離によって局所的な圧力降下が生じようとする。しかし、ここでは、オリフィス入口部の冷媒の流出方向側の直後にオリフィス入口部から冷媒の流出方向に向かってオリフィス入口部の最小の穴径から第１テーパ角度をなして徐々に穴径が拡大するオリフィス中間部が形成されているため、オリフィス入口部に流入した直後の冷媒の圧力回復が図られることになる。このような圧力回復によって、キャビテーションの発生が抑えられ、その結果、オリフィス通過時のキャビテーションによる音が抑えられる。ここで、オリフィス中間部によって冷媒の圧力回復を図るだけでは、冷媒の流れの剥離が生じたままとなり、冷媒が圧力変動を伴う噴流となって冷媒出口を通じて冷媒流出管に流入するおそれがある。しかし、ここでは、オリフィス中間部から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度よりも小さな第２テーパ角度をなすように穴径が拡大する又は穴径が変化しないオリフィス出口部が形成されているため、剥離した冷媒の再付着が図られることになる。このような冷媒の再付着によって、圧力変動を伴う噴流の発生が抑えられ、その結果、冷媒流出管における共鳴音が抑えられる。

以上のように、この膨張弁では、上記のようなオリフィス入口部、オリフィス中間部及びオリフィス出口部を有するオリフィスの形状を採用することによって、冷媒入口が液単相で、かつ、冷媒出口も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合に発生する騒音を抑えることができる。

また、この膨張弁では、第１テーパ角度を１０度以上にしているため、オリフィス入口部に流入した直後の冷媒の圧力回復を図る効果を確実に得ることができる。しかも、第１テーパ角度を６０度以下にしているため、オリフィス中間部における冷媒の再付着も図ることができる。すなわち、この膨張弁では、第１テーパ角度を上記のような角度範囲にすることによって、圧力回復と冷媒の再付着との両方を図ることができる。

第２の観点にかかる膨張弁は、第１の観点にかかる膨張弁において、オリフィス中間部の冷媒の流出方向に向かう第１流出方向長さを、オリフィス入口部の最小の穴径の１倍以上とすることを特徴とする。

この膨張弁では、オリフィス中間部の冷媒の流出方向に向かう第１流出方向長さを、オリフィス入口部の最小の穴径の１倍以上としているため、オリフィス出口部だけでなく、オリフィス中間部における冷媒の再付着も図ることができ、これにより、冷媒流出管における共鳴音を抑える効果を向上させることができる。

第３の観点にかかる膨張弁は、第１又は第２の観点にかかる膨張弁において、冷媒の流出方向に直交する面に対してオリフィス出口部がなす第２傾斜角度を、冷媒の流出方向に直交する面に対してオリフィス中間部がなす第１傾斜角度より大きく、かつ、９０度以下とすることを特徴とする。

この膨張弁では、冷媒の流出方向に直交する面に対してオリフィス出口部がなす第２傾斜角度を９０度以下にしているため、冷媒の流出方向に向かって穴径が縮小することを防ぐことができる。これにより、冷媒の流れがオリフィス出口部で縮流することを防ぎ、オリフィス出口部における圧力変動を抑える効果を向上させることができる。

第４の観点にかかる膨張弁は、第１〜第３の観点のいずれかにかかる膨張弁において、オリフィス出口部の冷媒の流出方向に向かう第２流出方向長さを、オリフィス中間部の冷媒の流出方向に向かう第１流出方向長さ以下とすることを特徴とする。

この膨張弁では、オリフィス出口部の冷媒の流出方向に向かう第２流出方向長さを、オリフィス中間部の冷媒の流出方向に向かう第１流出方向長さ以下にしているため、オリフィス出口部が過度に長くなることを抑えて、オリフィス出口部における圧力損失の増大を防ぐことができる。

以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。

第１の観点にかかる膨張弁では、冷媒入口が液単相で、かつ、冷媒出口も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合に発生する騒音を抑えることができる。また、圧力回復と冷媒の再付着との両方を図ることができる。

第２の観点にかかる膨張弁では、冷媒流出管における共鳴音を抑える効果を向上させることができる。

第３の観点にかかる膨張弁では、オリフィス出口部における圧力変動を抑える効果を向上させることができる。

第４の観点にかかる膨張弁では、オリフィス出口部における圧力損失の増大を防ぐことができる。

本発明の一実施形態にかかる膨張弁の概略断面図である。 本発明の一実施形態にかかる膨張弁の弁座を示す断面図である。 弁座に形成されるオリフィスの形状の違いによるキャビテーション数と騒音値との関係を示す図である。 比較例にかかる膨張弁の弁座を示す断面図である。 従来例にかかる膨張弁の概略断面図である。 従来例にかかる膨張弁の弁座を示す断面図である。

以下、本発明にかかる膨張弁の実施形態について、図面に基づいて説明する。尚、本発明にかかる膨張弁の実施形態の具体的な構成は、下記の実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

（１）構成
図１は、本発明の一実施形態にかかる膨張弁１の概略断面図である。図２は、本発明の一実施形態にかかる膨張弁の弁座を示す断面図である。図１、２において従来例を示す図５、６と同一の部分（すなわち、オリフィス８０以外の部分）については、同一の符号を付している。

膨張弁１は、従来例（図５、６）と同様、冷凍装置の冷媒回路に設けられて液冷媒の減圧を行う膨張弁であり、主として、弁本体１０と、弁体２０と、駆動機構３０とを有している。弁本体１０は、弁室１１内に開口する弁座１２が形成された部材である。弁本体１０には、弁室１１の側方から冷媒が流入する冷媒入口１３と、弁室１１の下方に冷媒を流出する冷媒出口１４とが形成されている。冷媒入口１３には、冷媒流入管４０が接続されており、冷媒出口１４には、冷媒流出管５０が接続されている。弁体２０は、駆動機構３０によって、弁座１２に対して進退する部材である。駆動機構３０は、モータやソレノイド等からなる。このような構成によって、冷媒流入管４０と冷媒流出管５０との間を通過する液冷媒を減圧しつつ流量が調節されるようになっている。尚、膨張弁１は、冷媒入口１３が液単相で、かつ、冷媒出口１４も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合がある。

弁座１２には、従来例（図６）と同様、弁座１２にオリフィス６０が形成されている。このオリフィス６０は、オリフィス入口部６１と、オリフィス中間部６２と、オリフィス出口部６３とを有している。

オリフィス入口部６１は、弁室１１に面しており、最も穴径が小さい部分である。ここでは、オリフィス入口部６１は、冷媒の流出方向（すなわち、弁体２０の進退方向軸線Ｘに沿った下方向）に向かって同一穴径（最小穴径Ｄ０）の筒状の部分である。ここで、オリフィス入口部６１の冷媒の流出方向の長さを入口部長さＬ０とすると、入口部長さＬ０は、最小穴径Ｄ０に比べて非常に小さく、ここでは、最小穴径Ｄ０の０．３倍以下の長さである。尚、弁体２０がオリフィス入口部６０に当接することによって、冷媒入口１３と冷媒出口１４との間の冷媒の流れが遮断され、弁体２０がオリフィス入口部６０から離反することによって、冷媒入口１３と冷媒出口１４との間の冷媒の流れが生じる。

オリフィス中間部６２は、オリフィス入口部６１から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度αをなすように穴径が拡大する筒状の部分である。ここで、オリフィス中間部６２の冷媒の流出方向に向かう長さを第１流出方向長さＬ１とすると、第１流出方向長さＬ１は、最小穴径Ｄ０の１倍以上の長さである。また、第１テーパ角度αは、１０度以上、かつ、６０度以下の角度である。また、冷媒の流出方向に直交する面に対してオリフィス中間部６２がなす傾斜角度（ここでは、鋭角をなす側の角度）を第１傾斜角度θとする。

オリフィス出口部６３は、オリフィス中間部６２から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度αよりも小さな第２テーパ角度βをなすように穴径が拡大する又は穴径が変化しない筒状の部分である。ここで、オリフィス出口部６３の冷媒の流出方向に向かう長さを第２流出方向長さＬ２とすると、第２流出方向長さＬ２は、第１流出方向長さＬ１以下の長さである。また、第２流出方向長さＬ２は、最小穴径Ｄ０の０．３倍以上の長さである。また、冷媒の流出方向に直交する面に対してオリフィス出口部６３がなす傾斜角度（ここでは、鋭角をなす側の角度）を第２傾斜角度ζとすると、第２傾斜角度ζは、第１傾斜角度θより大きく、かつ、９０度以下である。

（２）動作及び特徴
上記の膨張弁１を作動させると、弁室１１からオリフィス６０に流入する冷媒は、従来例と同様に、まず、オリフィス６０のオリフィス入口部６１に流入した直後に、流れの剥離が発生し、この剥離によって局所的な圧力降下が生じようとする。しかし、ここでは、オリフィス入口部６１から冷媒の流出方向に向かって穴径が拡大するオリフィス中間部６２が形成されているため、オリフィス入口部６１に流入した直後の冷媒の圧力回復が図られることになる。このような圧力回復によって、キャビテーションの発生が抑えられ、その結果、オリフィス６０通過時のキャビテーションによる音が抑えられる。ここで、オリフィス中間部６２によって冷媒の圧力回復を図るだけでは、冷媒の流れの剥離が生じたままとなり、冷媒が圧力変動を伴う噴流となって冷媒出口１４を通じて冷媒流出管５０に流入するおそれがある。しかし、ここでは、オリフィス中間部６２から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度αよりも小さな第２テーパ角度βをなすように穴径が拡大する又は穴径が変化しないオリフィス出口部６３が形成されているため、剥離した冷媒の再付着が図られることになる。このような冷媒の再付着によって、圧力変動を伴う噴流の発生が抑えられ、その結果、冷媒流出管１４における共鳴音が抑えられる。

以上のように、この膨張弁１では、上記のようなオリフィス入口部６１、オリフィス中間部６２及びオリフィス出口部６３を有するオリフィス６０の形状を採用することによって、冷媒入口１３が液単相で、かつ、冷媒出口１４も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合に発生する騒音を抑えることができる。

また、この膨張弁１では、オリフィス中間部６２の冷媒の流出方向に向かう第１流出方向長さＬ１を、オリフィス入口部６１の最小穴径Ｄ０の１倍以上としているため、オリフィス出口部６３だけでなく、オリフィス中間部６２における冷媒の再付着も図ることができ、これにより、冷媒流出管１４における共鳴音を抑える効果を向上させることができる。また、オリフィス出口部６３の冷媒の流出方向に向かう第２流出方向長さＬ２を、オリフィス入口部６１の最小穴径Ｄ０の０．３倍以上としているため、冷媒流出管１４における共鳴音を抑える効果を確実に得ることができる。

また、この膨張弁１では、第１テーパ角度αを１０度以上にしているため、オリフィス入口部６１に流入した直後の冷媒の圧力回復を図る効果を確実に得ることができる。しかも、第１テーパ角度αを６０度以下にしているため、オリフィス中間部６２における冷媒の再付着も図ることができる。すなわち、この膨張弁１では、第１テーパ角度αを上記のような角度範囲にすることによって、圧力回復と冷媒の再付着との両方を図ることができる。

また、この膨張弁１では、冷媒の流出方向に直交する面に対してオリフィス出口部６３がなす第２傾斜角度βを９０度以下にしているため、冷媒の流出方向に向かって穴径が縮小することを防ぐことができる。これにより、冷媒の流れがオリフィス出口部６３で縮流することを防ぎ、オリフィス出口部６３における圧力変動を抑える効果を向上させることができる。尚、冷媒の流れがオリフィス出口部６３で縮流することを防ぎつつ冷媒の再付着を図るためには、オリフィス出口部６３として、第２傾斜角度βを９０度とすることで穴径が変化しないものを採用することが好ましい。

さらに、この膨張弁１では、オリフィス出口部６３の冷媒の流出方向に向かう第２流出方向長さＬ２を、オリフィス中間部６２の冷媒の流出方向に向かう第１流出方向長さＬ１以下にしているため、オリフィス出口部６３が過度に長くなることを抑えて、オリフィス出口部６３における圧力損失の増大を防ぐことができる。

（３）実験例
次に、上記のオリフィス６０の実験例を比較例（図４）及び従来例（図６）とともに、図３に示す。ここで、図３は、弁座１２に形成されるオリフィスの形状の違いによるキャビテーション数と騒音値との関係を示す図である。図４は、比較例にかかる膨張弁の弁座１２を示す断面図である。

まず、本発明の一実施形態にかかるオリフィス６０の実施例（図２）に関する実験について説明する。ここでは、オリフィス６０の寸法や測定条件を以下のように設定した。まず、最小穴径Ｄ０＝１．６ｍｍ、入口部長さＬ０＝０．５ｍｍ、第１テーパ角度α＝２０度（第１傾斜角度θ＝８０度）、第１流出方向長さＬ１＝３．８ｍｍ、第２テーパ角度β＝０度（第２傾斜角度ζ＝９０度）、第２流出方向長さＬ２＝０．７ｍｍとした。そして、冷媒として、Ｒ４１０Ａを使用し、冷媒入口１３と冷媒出口１４との間の減圧幅を０．８ＭＰａとし、冷媒流量を７５〜８５ｋｇ／ｈとして、冷媒温度を５℃〜２５℃の間で変化させることによってキャビテーション数σ（冷媒出口１４基準）を約−０．１〜約０．９の間で変化させながら、０．３ｍの距離における膨張弁１の単独での騒音値（キャビテーションによる騒音値）を測定した（図３における実施例の値を参照）。また、これとは別に、冷媒流出管５０を接続した状態で共鳴音の測定も行った。

このような実験によると、オリフィス６０の実施例（図２）では、冷媒入口１３が液単相で、かつ、冷媒出口１４も液単相で冷媒が通過する条件（すなわち、キャビテーション数σが０以上の条件）において、キャビテーションによる騒音値が５５ｄＢＡ以下に抑えられることがわかる。また、オリフィス６０の実施例では、冷媒流出管５０における共鳴が生じず、共鳴音による騒音は無視できるレベルであった。

これに対して、最小穴径Ｄ０＝１．６ｍｍとし、オリフィス８１の冷媒の流出方向の長さを５．０ｍｍとした従来例（図６）のオリフィス８０では、上記実施例と同じ測定条件において、キャビテーションによる騒音値が最大で６５ｄＢＡまで増大しており、上記のオリフィス６０の実施例に比べて、キャビテーションによる騒音値が最大で１０ｄＢＡ程度増大した（図３における従来例の値を参照）。また、従来例のオリフィス８０では、オリフィス６０の実施例と同様、冷媒流出管５０における共鳴が生じず、共鳴音による騒音は無視できるレベルであった。

また、オリフィス６０の実施例からオリフィス出口部６３を省略し、オリフィス中間部７２の第１テーパ角度α＝１５０度とし、オリフィス中間部７２の第１流出方向長さＬ１＝１．０ｍｍとした比較例（図４）のオリフィス７０では、上記実施例と同じ測定条件において、キャビテーションによる騒音値が上記のオリフィス６０の実施例と同レベルであった（図３における比較例の値を参照）。しかし、比較例のオリフィス７０では、オリフィス６０の実施例や従来例のオリフィス８０とは異なり、冷媒流出管５０における共鳴が生じてしまい、共鳴音による騒音が非常に大きなレベルとなった。

このことから、実施例（図２）や比較例（図４）のように、オリフィス入口部６１、７１から冷媒の流出方向に向かって穴径が拡大するオリフィス中間部６２、７２を形成することによって、キャビテーションによる騒音値を抑えることができることがわかる、しかし、比較例のオリフィス７０（図４）のように、第１テーパ角度αを大きくし過ぎたり、第１流出方向長さＬ１を短くし過ぎると、冷媒流出管５０における共鳴が生じやすくなることがわかる。また、実施例（図２）のように、オリフィス中間部６１から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度αよりも小さな第２テーパ角度βをなすように穴径が拡大する又は穴径が変化しないオリフィス出口部６３を形成することによって、共鳴音による騒音は無視できるレベルまで抑えることができる。逆に、比較例（図４）のように、オリフィス中間部７２を形成したとしてもオリフィス出口部を形成しなければ、冷媒流出管５０における共鳴が生じてしまい、共鳴音による騒音が非常に大きなレベルとなることがわかる。

以上のように、オリフィス６０の実施例のような、オリフィス入口部６１、オリフィス中間部６２及びオリフィス出口部６３を有する形状を採用すると、冷媒入口１３が液単相で、かつ、冷媒出口１４も液単相で冷媒が通過する条件で使用される場合に発生するキャビテーションや共鳴による騒音の両方を効果的に抑えることができることがわかる。

本発明は、冷凍装置の冷媒回路に設けられて液冷媒の減圧を行う膨張弁に広く適用可能である。

１ 膨張弁
１０ 弁本体
１１ 弁室
１２ 弁座
１３ 冷媒入口
１４ 冷媒出口
２０ 弁体
６０ オリフィス
６１ オリフィス入口部
６２ オリフィス中間部
６３ オリフィス出口部

特開２００９−２２８６８９号公報

Claims (5)

1. 弁室（１１）内に開口する弁座（１２）が形成されている弁本体（１０）と、弁座に対して進退する弁体（２０）とを有しており、冷凍装置の冷媒回路に設けられて液冷媒の減圧を行う膨張弁において、
   冷媒入口（１３）が液単相で、かつ、冷媒出口（１４）も液単相で冷媒が通過する条件で使用されるものであり、
   前記弁座に形成されるオリフィス（６０）が、最も穴径が小さいオリフィス入口部（６１）と、前記オリフィス入口部から冷媒の流出方向に向かって第１テーパ角度をなすように穴径が拡大するオリフィス中間部（６２）と、前記オリフィス中間部から冷媒の流出方向に向かって前記第１テーパ角度よりも小さな第２テーパ角度をなすように穴径が拡大する又は穴径が変化しないオリフィス出口部（６３）とを有することを特徴とする、
   膨張弁（１）。
2. 前記オリフィス中間部（６２）の冷媒の流出方向に向かう第１流出方向長さを、前記オリフィス入口部（６１）の最小の穴径の１倍以上とすることを特徴とする、
   請求項１に記載の膨張弁（１）。
3. 前記第１テーパ角度を、１０度以上、かつ、６０度以下とすることを特徴とする、
   請求項１又は２に記載の膨張弁（１）。
4. 冷媒の流出方向に直交する面に対して前記オリフィス出口部（６３）がなす第２傾斜角度を、冷媒の流出方向に直交する面に対して前記オリフィス中間部（６２）がなす第１傾斜角度より大きく、かつ、９０度以下とすることを特徴とする、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の膨張弁（１）。
5. 前記オリフィス出口部（６３）の冷媒の流出方向に向かう第２流出方向長さを、前記オリフィス中間部（６２）の冷媒の流出方向に向かう第１流出方向長さ以下とすることを特徴とする、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の膨張弁（１）。

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