JP2013122359A

JP2013122359A - 膨張弁

Info

Publication number: JP2013122359A
Application number: JP2011271537A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Onishi; 祐輔大西; Kentetsu Yasujima; 賢哲安嶋; Yukihiro Takano; 幸裕高野; Toshiaki Tsuchiya; 敏章土屋
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2013-06-20
Anticipated expiration: 2031-12-12
Also published as: JP5910054B2

Abstract

【課題】弁構造を小型化し、さらに冷媒漏れを低減することができる膨張弁を提供する。
【解決手段】電子膨張弁１０は、冷媒を流入させる入口ポート５０と、冷媒を流出させる出口ポート５２と、入口ポート５０と出口ポート５２との間に設けられる弁室５４と、弁室５４内に配置され、入口ポート５０から弁室５４内に流入した冷媒を膨張させて出口ポート５２へと流出させる冷媒流路６４が形成された弁座５６と、弁室５４内で冷媒流路６４を閉塞可能な弁体５８が先端に設けられ、進退移動することで弁体５８によって冷媒流路６４を開閉可能なプランジャ６０と、プランジャ６０を摺動可能に収容するケース６２とを備え、弁体５８は入口ポート５０側の冷媒と出口ポート５２側の冷媒との間の圧力差Ｐによって弾性的に変形し、弁座５６に着地して冷媒流路６４を閉塞する。
【選択図】図２

Description

本発明は、プランジャの先端に設けた弁体によって冷媒を膨張させる冷媒流路を開閉可能に構成した膨張弁に関する。

従来より、自動販売機等の冷却や加熱に用いられる冷媒サイクル装置に備えられる冷媒の膨張手段として、電磁弁を開閉することにより冷媒の膨張度を調整するパルス式の電子膨張弁が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この種の電子膨張弁の構成の一例を図８に示す。図８に示す電子膨張弁１００は、図示しない圧縮機、凝縮器及び蒸発器等によって冷媒回路が構成された冷媒サイクル装置に用いられるものであり、高圧冷媒が流通する高圧流入管１０１が接続される入口ポート１０２と、弁座１０４に形成された細径の冷媒流路（オリフィス）１０６を介して膨張された低圧冷媒が流通する低圧流出管１０７が接続される出口ポート１０８とを備える。そして、電磁コイル１１０とヨーク１１２によって形成される磁気回路により、ヨーク１１２の下端にコイルばね１１４を介して支持されたプランジャ１１６を進退移動させることで、冷媒流路１０６を開閉制御する。

特開昭５３−１３５２号公報

図８に示すように、電子膨張弁１００では、電磁コイル１１０への通電をオンすると、プランジャ１１６がコイルばね１１４の付勢力に抗して後退し、該プランジャ１１６の先端面１１６ａが弁座１０４から離間して、冷媒流路１０６が開放される。一方、電磁コイル１１０への通電をオフすると、プランジャ１１６がコイルばね１１４の付勢力によって前進し、その先端面１１６ａが弁座１０４に着地して冷媒流路１０６を閉塞する（図８中に２点鎖線で示すプランジャ１１６参照）。

ところが、このような電子膨張弁１００では、可動部材であるプランジャ１１６を用いているため、プランジャ１１６の外周面と該プランジャ１１６を収納するケース１１８の内周面との間に一定量の隙間１２０が設けられている。このため、プランジャ１１６の可動状態によっては、図９に示すように、隙間１２０によってプランジャ１１８が傾いて動作することがある。そうすると、電磁コイル１１０への通電をオフした場合であっても、プランジャ１１６の先端面１１６ａが弁座１０４に密着することができず、冷媒流路１０６からの冷媒漏れが発生し、冷媒サイクルの能力が低下し消費電力が増大することになる。

なお、電子膨張弁としては、上記の電子膨張弁１００のようにプランジャ１１６の平坦な先端面１１６ａを弁体として弁座１０４に着地させる構成以外のものもあり、例えば、ボール型の弁体を用いた電磁弁によって冷媒流路を閉塞する構成もある。ボール型の弁体を用いると、プランジャの傾きの影響を少なくすることができるという利点があるが、その構造上、弁体の開閉に大きな力が必要となり、特に、二酸化炭素のように高い圧力差を生じる冷媒を用いた冷媒サイクルでは、磁気回路の大型化やコストの増加の要因となり得る。

本発明は、上記従来技術の課題を考慮してなされたものであり、弁構造を小型化し、さらに冷媒漏れを低減することができる膨張弁を提供することを目的とする。

本発明に係る膨張弁は、冷媒を流入させる入口ポートと、前記冷媒を流出させる出口ポートと、前記入口ポートと前記出口ポートとの間に設けられる弁室と、前記弁室内に配置され、前記入口ポートから前記弁室内に流入した冷媒を膨張させて前記出口ポートへと流出させる冷媒流路が形成された弁座と、前記弁室内で前記冷媒流路を閉塞可能な弁体が先端に設けられ、進退移動することで前記弁体によって前記冷媒流路を開閉可能なプランジャと、前記プランジャを摺動可能に収容するケースとを備える膨張弁であって、前記弁体は、前記プランジャが前進位置にある場合に、前記入口ポート側の冷媒と前記出口ポート側の冷媒との間の圧力差によって弾性的に変形し、前記弁座に着地して前記冷媒流路を閉塞する一方、前記プランジャが後退位置にある場合に、前記弁座から離間して前記冷媒流路を開放することを特徴とする。

このような構成によれば、プランジャが前進位置にある場合に、弁体が入口ポート側の冷媒と出口ポート側の冷媒との間の圧力差によって弾性的に変形し、弁座に着地して冷媒流路を閉塞するため、可動部材であるプランジャがケース内で傾いてしまった場合等であっても、弁体が前記圧力差によって弾性的に変形して弁座に密着し、冷媒流路を確実に閉塞し、冷媒漏れを防止することができる。また、弁体の開閉は、プランジャを進退させるだけでよいため、開閉に要する力が小さくなり、磁気回路を構成する電磁コイル等の小型化・低コスト化が可能となる。

前記弁体は、板状の弾性体であり、該板状の弾性体の表面と裏面との間に前記圧力差が作用する構成とすると、弁体をシンプルな構造として容易に小型化することができる。

前記弁体は、前記プランジャの先端面から膨出するアーチ状に設けられると、アーチを構成する脚部（側部）間を介して入口ポートからの高圧冷媒を弁体の裏面側に容易に作用させることができる。

前記プランジャの先端面には、該プランジャの外側面へと連通する凹部が設けられ、前記弁体は、前記凹部を覆うように平面状に設けられる構成としてもよい。この場合には、弁体を平面状の板部材によって構成できるため、弁体の構成をシンプルなものとすることができる。

本発明によれば、プランジャが前進位置にある場合に、弁体が入口ポート側の冷媒と出口ポート側の冷媒との間の圧力差によって弾性的に変形し、弁座に着地して冷媒流路を閉塞するため、可動部材であるプランジャがケース内で傾いてしまった場合等であっても、弁体が前記圧力差によって弾性的に変形して弁座に密着し、冷媒流路を確実に閉塞し、冷媒漏れを防止することができる。また、弁体の開閉は、プランジャを進退させるだけでよいため、開閉に要する力が小さくなり、磁気回路を構成する電磁コイル等の小型化・低コスト化が可能となる。

図１は、本発明の一実施形態に係る電子膨張弁を備えた冷媒サイクル装置の全体構成図である。図２は、本発明の一実施形態に係る電子膨張弁の側面断面図である。図３は、図２に示す電子膨張弁の通電をオンした状態での側面断面図である。図４は、弁体及びその周辺部の斜視図である。図５は、図２に示す電子膨張弁においてプランジャが傾いた状態での側面断面図である。図６は、第１変形例に係る電子膨張弁の側面断面図である。図７は、第２変形例に係る電子膨張弁の側面断面図である。図８は、従来の電子膨張弁の構成を示す側面断面図である。図９は、図８に示す電子膨張弁においてプランジャが傾いた状態での側面断面図である。

以下、本発明に係る膨張弁について、この膨張弁を備えた冷媒サイクル装置との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電子膨張弁（膨張弁）１０を備えた冷媒サイクル装置１２の全体構成図である。この冷媒サイクル装置１２は、例えば、自動販売機の冷却加熱装置として用いられ、３つの商品収納庫１４ａ、１４ｂ、１４ｃをそれぞれ冷却・加熱し、販売用の缶飲料等の商品を所定温度に保持するためのものである。勿論、電子膨張弁１０は、自動販売機以外、例えば室内用や車両用の空調装置や各種ショーケース等に用いられる冷媒サイクル装置に適用することもできる。

先ず、冷媒サイクル装置１２の構成の一例について説明する。

図１に示すように、冷媒サイクル装置１２は、図示しない自動販売機の機械室に配置される圧縮機１６、庫外熱交換器１８、補助熱交換器２０、内部熱交換器２２及び電子膨張弁１０と、商品収納庫１４ａに配設される蒸発器２４及び加熱用熱交換器２６と、商品収納庫１４ｂに配設される蒸発器２８と、商品収納庫１４ｃに配設される蒸発器３０とを備え、これらが所定量の冷媒（例えば、二酸化炭素）を封入した配管によって接続されることで冷媒回路を構成している。商品収納庫１４ｂには、さらに、庫内を加熱するためのヒータ３２が設けられている。

圧縮機１６は、低温低圧の冷媒を吸引側配管３４を介して吸引口から吸引し、それを圧縮することで高温高圧状態にして吐出口から吐出側配管３５へと吐出するものであり、例えば２段圧縮式で構成される。吐出側配管３５は三方弁３６によって２方に分岐しており、一方の配管３８は庫外熱交換器１８に接続され、他方の配管４０は商品収納庫１４ａ内へと配設されて加熱用熱交換器２６に接続される。三方弁３６を切替制御することにより、圧縮機１６から吐出された冷媒は庫外熱交換器１８又は加熱用熱交換器２６に択一的に流通される。

庫外熱交換器１８の出口側において、配管３８は、補助熱交換器２０及び内部熱交換器２２を順に経由して分配器４２に接続される。分配器４２は、配管３８を３方に分岐させ、分岐した各配管４３ａ、４３ｂ、４３ｃは、それぞれ電子膨張弁１０を介して蒸発器２４、２８、３０に接続された後、その出口側の配管４４ａ、４４ｂ、４４ｃが、蒸発器２４、２８、３０の出口側で吸引側配管３４に合流し、内部熱交換器２２を経て圧縮機１６の吸引口に接続される。一方、加熱用熱交換器２６の出口側において、配管４０は、庫外熱交換器１８と補助熱交換器２０の間の配管３８に合流し、補助熱交換器２０の入口側へと接続される。

庫外熱交換器１８、補助熱交換器２０、蒸発器２４、２８、３０及び加熱用熱交換器２６には、図示しないファンが近接配置される。庫外熱交換器１８及び補助熱交換器２０に近接配置されるファンは庫外送風用であり、庫外熱交換器１８等の周囲に外気を通過させて外部へと送出するためのものである。一方、蒸発器２４、２８、３０及び加熱用熱交換器２６に近接配置されるファンは庫内送風用であり、蒸発器２４等の周囲を通過して加熱又は冷却された空気を各庫内に循環させるためのものである。

このような冷媒サイクル装置１２では、圧縮機１６の回転数や電子膨張弁１０の開度を変化させ、さらに、三方弁３６や分配器４２を適宜開閉制御することにより、各庫内を所望の温度域で管理することができる。

この際、冷媒サイクル装置１２では、商品収納庫１４ａ〜１４ｃに収納される商品種類や気候条件等に応じて、例えば３つの運転モード（ＣＣＣ運転、ＨＣＣ運転、ＨＨＣ運転）を実行することができる。ＣＣＣ運転は、各庫１４ａ〜１４ｃを全て冷却（ＣＯＬＤ）運転する運転モードであり、三方弁３６を配管３８側に切り替え、分配器４２を３方分配とする。ＨＣＣ運転は、商品収納庫１４ａを加熱（ＨＯＴ）運転し、商品収納庫１４ｂ、１４ｃを冷却（ＣＯＬＤ）運転する運転モードであり、三方弁３６を配管４０側に切り替え、分配器４２を配管４４ｂ、４４ｃの２方分配とする。ＨＨＣ運転は、商品収納庫１４ａ、１４ｂを加熱（ＨＯＴ）運転し、商品収納庫１４ｃを冷却（ＣＯＬＤ）運転する運転モードであり、三方弁３６を配管４０側に切り替え、分配器４２を配管４４ｃの１方分配とし、ヒータ３２をオンする。勿論、冷媒サイクル装置１２の運転モードは上記以外のものであってもよく、電子膨張弁１０が適用される冷媒回路の構成も上記冷媒サイクル装置１２以外の構成であってもよい。

次に、電子膨張弁１０の構成について説明する。

図２は、本発明の一実施形態に係る電子膨張弁１０の側面断面図であり、該電子膨張弁１０への通電をオフした状態を示す。図３は、図２に示す電子膨張弁１０の通電をオンした状態での側面断面図である。

電子膨張弁１０は、図示しない制御装置の制御下にパルス駆動制御されることで、冷媒流量及び冷媒蒸発温度を制御するものである。図２に示すように、電子膨張弁１０は、高圧冷媒が流入する入口ポート５０と、低圧冷媒を流出させる出口ポート５２と、入口ポート５０と出口ポート５２の間に形成される弁室５４と、弁室５４内に配置される弁座５６と、弁室内５４内で進退移動する弁体５８を先端に設けたプランジャ６０と、プランジャ６０を摺動可能に収容するケース６２とを備える。

入口ポート５０には、高圧流入管となる配管４３ａ（４３ｂ、４３ｃ）が接続され、出口ポート５２には、低圧流入管となる配管４４ａ（４４ｂ、４４ｃ）が接続される。このような入口ポート５０と出口ポート５２との間に設けられる弁室５４は、円筒形状のケース６２の内部空間によって形成されており、この弁室５４には、入口ポート５０と出口ポート５２との間を仕切るように弁座５６が配設されている。

弁座５６は、出口ポート５２が開口形成されたケース６２の底部に嵌合するように配設された段付き円板形状の部材であり、その中心を細径の冷媒流路（オリフィス）６４が貫通している。冷媒流路６４は、入口ポート５０と出口ポート５２との間を連通させるものであり、高圧冷媒を膨張させて低圧冷媒として流出させるためのオリフィスとして機能する。

プランジャ６０は、ケース６２によって形成された円筒状のシリンダ内を進退移動（図２では上下移動）可能なピストンであり、円筒形状のボビン６６の中心孔６６ａの上部に内挿されたヨーク６８の下端に対し、コイルばね７０を介して支持されている。ヨーク６８は、ハウジング（外ヨーク）６９の上面に対して固定ねじ７１によって固定されている。コイルばね７０は、プランジャ６０を前進方向（下方）に付勢する圧縮ばねである。このように、ボビン６６の中心孔６６ａには、ヨーク６８とケース６２とが内挿されており、このケース６２内でプランジャ６０が摺動可能となっている。

電子膨張弁１０では、ボビン６６に巻回された電磁コイル７２への通電がオンされると、電磁コイル７２及びヨーク６８によって形成される磁気回路により、ヨーク６８の下端にコイルばね７０を介して支持されたプランジャ６０が、コイルばね７０の付勢力に抗して後退（退動）する（図３参照）。一方、電磁コイル７２への通電がオフされると、プランジャ６０はコイルばね７０の付勢力によって前進（進動）する（図２参照）。

図４は、弁体５８及びその周辺部の斜視図である。図２〜図４に示すように、弁体５８は、プランジャ６０の先端面６０ａから膨出するように、薄い板状部材をアーチ状に形成した部材であり、平面部５８ａの両側部５８ｂ、５８ｂをそれぞれ屈曲させ、各側部５８ｂの端部をプランジャ６０の先端面６０ａに固着して設置されている。このように、金属製等の薄い板状部材をアーチ状に形成したことにより、弁体５８は弾性体として機能し、平面部５８ａが弁座５６の上面に柔軟に着地・密着して冷媒流路６４を閉塞することができる（図２参照）。一方、プランジャ６０を後退させることにより、弁体５８を弁座５６から離間させ、冷媒流路６４を開放することができる（図３参照）。

次に、以上のように構成される電子膨張弁１０の作用について説明する。

例えば、冷媒サイクル装置１２でＣＣＣ運転が実行されている場合には、図示しない制御装置の制御下に、各蒸発器２４、２８、３０への冷媒の流通を制御する各電子膨張弁１０は、図示しない通電装置から電磁コイル７２へと所定のパルス通電がオンされる。この際、図３に示すようにプランジャ６０が後退して弁体５８が弁座５６から離間した状態では冷媒流路６４が開放され、図２に示すようにプランジャ６０が前進して弁体５８が弁座５６に着地した状態では冷媒流路６４が閉塞されるため、このパルス通電によって冷媒流路６４が所定の時間周期で開閉され、蒸発器２４、２８、３０での冷媒の蒸発温度が所定の温度に制御される。

また、例えば、冷媒サイクル装置１２でＨＣＣ運転が実行されている場合には、図示しない制御装置の制御下に、蒸発器２４への冷媒の流通を制御する電子膨張弁１０への通電はオフされ、他の蒸発器２８、３０への冷媒の流通を制御する各電子膨張弁１０への通電がオンされる。これにより、蒸発器２４への冷媒の流通を制御する電子膨張弁１０では、コイルばね７０の付勢力によって弁体５８が弁座５６に密着して冷媒流路６４を閉塞する一方、蒸発器２８、３０への冷媒の流通を制御する各電子膨張弁１０では冷媒流路６４が開閉され、蒸発器２８、３０での冷媒の蒸発温度が所定の温度に制御される。

このように、電子膨張弁１０への通電がオフされた状態では、図２に示すように、プランジャ６０がコイルばね７０の付勢力によって前進位置となり、弁体５８が弁座５６に着地して冷媒流路６４を閉塞する。この際、弁体５８は、その裏面（上面）側に入口ポート５０からの高圧冷媒による圧力が付与されるため、その表面（下面）側となる出口ポート５２側の低圧冷媒との圧力差Ｐによって弾性的に変形し、平面部５８ａが弁座５６の上面に密着して冷媒流路６４を確実に閉塞する。しかも、図５に示すように、プランジャ６０がケース６２の内周面との間の隙間７４によって傾いてしまった場合であっても、弁体５８が前記圧力差Ｐによって弾性的に変形するため、冷媒流路６４を確実に閉塞することができる。

以上のように、本実施形態に係る電子膨張弁１０によれば、弁体５８は、プランジャ６０が前進位置にある場合に、入口ポート５０側の冷媒と出口ポート５２側の冷媒との間の圧力差Ｐによって弾性的に変形し、弁座５６に着地して冷媒流路６４を閉塞する一方、プランジャ６０が後退位置にある場合に、弁座５６から離間して冷媒流路６４を開放する。このため、可動部材であるプランジャ６０がケース６２内で傾いてしまった場合等であっても、弁体５８がその表裏の圧力差Ｐによって弾性的に変形して弁座５６に密着するため、冷媒流路６４を確実に閉塞し、冷媒漏れを防止することができる。また、弁体５８の開閉は、プランジャ６０を進退させるだけでよいため、開閉に要する力が小さくなり、磁気回路を構成する電磁コイル７２、つまり電子膨張弁１０の小型化・低コスト化が可能となる。

特に、二酸化炭素のように高圧側と低圧側との圧力差Ｐが大きくなる冷媒を用いた場合には、冷媒漏れを生じる可能性が一層高くなる懸念があるが、当該電子膨張弁では、このような大きな圧力差Ｐを利用して弁体５８を弾性変形させて冷媒流路６４を閉塞することができるという利点がある。

この場合、弁体５８を板状の弾性体として構成し、該板状の弾性体の表面と裏面との間に前記圧力差Ｐを作用させる構成としたことで、弁体５８をシンプルな構造として容易に小型化できる。弁体５８は、プランジャ６０の先端面６０ａから膨出するアーチ状に設けられているため、両側部５８ｂ、５８ｂ間を介して入口ポート５０からの高圧冷媒を平面部５８ａの裏面側に容易に作用させることができる。しかも、プランジャ６０の傾き等に応じて、２脚の側部５８ｂ、５８ｂと平面部５８ａとが柔軟に変形するため、弁座５６に対してより確実に密着させることができる。

なお、アーチ状の弁体としては、上記のように平面部５８ａの両側部５８ｂ、５８ｂを屈曲させた構成からなる弁体５８以外であってもよく、例えば、図６に示す弁体８０として構成してもよい。弁体８０は、平面部８０ａの各側部８０ｂ、８０ｂをそれぞれ湾曲させて上方へと延ばし、各側部８０ｂ、８０ｂの端部をプランジャ６０の先端面６０ａに固着させた構成となっており、平面部８０ａと側部８０ｂとの間が円弧状の湾曲部となっているため、全体として柔軟に弾性変形させることができる。

また、弁体の構成としては、弁体５８、８０のようなアーチ状の構成以外であっても勿論よく、例えば、図７に示すように、単なる平板からなる弁体８２として構成してもよい。この場合には、弁体８２の表面と裏面との間に圧力差Ｐを作用させるために、プランジャ６０の先端面６０ａに該プランジャ６０の外周面（外側面）へと連通する溝状の凹部６０ｂを設け、この凹部６０ｂを覆うように平面状の弁体８２を設置するとよい。これにより、入口ポート５０からの高圧冷媒を凹部６０ｂを通して弁体８２の裏面側に作用させることができる。この弁体８２は、平面状の板部材によって構成できるため、その構成をシンプルなものとすることができる。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

例えば、弁体の構成は、上記の弁体５８、８０、８２以外の構成であってもよく、要は、入口ポート５０側の冷媒と出口ポート５２側の冷媒との間の圧力差Ｐによって弾性的に変形し、弁座５６に着地して冷媒流路６４を閉塞可能なものであればよく、弁座５６等の構成についても適宜変更可能である。

１０、１００電子膨張弁
１２冷媒サイクル装置
５０、１０２入口ポート
５２、１０８出口ポート
５４弁室
５６、１０４弁座
５８、８０、８２弁体
５８ａ、８０ａ平面部
５８ｂ、８０ｂ側部
６０、１１６プランジャ
６０ａ、１１６ａ先端面
６０ｂ凹部
６２、１１８ケース
６４、１０６冷媒流路
６８、１１２ヨーク
７０、１１４コイルばね
７２、１１０電磁コイル
７４、１２０隙間

Claims

冷媒を流入させる入口ポートと、
前記冷媒を流出させる出口ポートと、
前記入口ポートと前記出口ポートとの間に設けられる弁室と、
前記弁室内に配置され、前記入口ポートから前記弁室内に流入した冷媒を膨張させて前記出口ポートへと流出させる冷媒流路が形成された弁座と、
前記弁室内で前記冷媒流路を閉塞可能な弁体が先端に設けられ、進退移動することで前記弁体によって前記冷媒流路を開閉可能なプランジャと、
前記プランジャを摺動可能に収容するケースとを備える膨張弁であって、
前記弁体は、前記プランジャが前進位置にある場合に、前記入口ポート側の冷媒と前記出口ポート側の冷媒との間の圧力差によって弾性的に変形し、前記弁座に着地して前記冷媒流路を閉塞する一方、前記プランジャが後退位置にある場合に、前記弁座から離間して前記冷媒流路を開放することを特徴とする膨張弁。
請求項１記載の膨張弁において、
前記弁体は、板状の弾性体であり、該板状の弾性体の表面と裏面との間に前記圧力差が作用することを特徴とする膨張弁。
請求項２記載の膨張弁において、
前記弁体は、前記プランジャの先端面から膨出するアーチ状に設けられることを特徴とする膨張弁。
請求項２記載の膨張弁において、
前記プランジャの先端面には、該プランジャの外側面へと連通する凹部が設けられ、
前記弁体は、前記凹部を覆うように平面状に設けられることを特徴とする膨張弁。