JP2017115989A

JP2017115989A - 電動弁

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Publication number: JP2017115989A
Application number: JP2015252068A
Authority: JP
Inventors: 一也小林; Kazuya Kobayashi; 大樹中川; Daiki Nakagawa
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2017-06-29
Anticipated expiration: 2035-12-24
Also published as: CN110388508A; JP6479648B2; CN110425331B; CN110388505B; CN110388505A; CN106917913B; CN110388507A; CN106917913A; CN110425331A; CN110388506A

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による騒音を低減する。
【解決手段】弁ハウジングに断面円形状の第１ポート１１と、第２ポート１２と、第３ポート１３と、第１テーパ部１４と、第２テーパ部１５を形成する。第１ポート１１とニードル弁５ａとの隙間から流れる冷媒を、第２ポート１２に流出したとき、第２ポート１２内で圧力を急激に回復させずに、流れを整流化して流れを安定化させる。これにより、キャビテーションの破裂を抑制する。第２ポート１２から第２テーパ部１５と第３ポート１３に流れるときに、流速を減速させて、流速音を低減する。
【選択図】図３

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ポートの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、流体通過に伴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、例えば特許５６９６０９３号公報（特許文献１）に開示されたものがある。

特許文献１の電動弁は、弁ポートを第１ポートと第２ポートとで構成し、第１ポートと第２ポートとの間にテーパ部を設けたものである。さらに、第２ポートの内径を第１ポートの内径より僅かに大きくするとともに、第２ポートの長さを第１ポートの長さよりも十分に長くしたものである。

そして、特許文献１のものでは、図５に示すように、ニードル弁ａと第１ポートｂの隙間を通った冷媒は、テーパ部ｃと第２ポートｄを通って二次継手管側へ流れる。このとき、ニードル弁ａと第１ポートｂの隙間を通った冷媒の流れは、テーパ部ｃに倣って第２ポートｄの内壁に沿う形で流れる。第２ポートｄの内径は第１ポートｂの内径より僅かに大きいだけであり、第１ポートｂから第２ポートｄに流れる間に、圧力を急激に回復させることがない。また、第２ポートｄの長さが十分長いので、冷媒の流れは第２ポートｄで整流化される。したがって、キャビテーションの破裂を抑制することができるとともに、冷媒の流れを安定化することができ、騒音を低減することができる。

特許５６９６０９３号公報

特許文献１の発明も、騒音を低減する効果が得られるが、特定の冷媒状態において騒音を発生させる可能性がある。例えば、特許文献１のものでは、第２ポートにおいて流体の流れを整流できるが、この第２ポートは第１ポートよりも僅かに大きな内径であり、かつ、その長さが第１ポートより十分に長くなっている。このため、流体は整流化されるが、この第２ポート内での流速が減速せず、流速音（流速が高いことに起因する音）により騒音が発生する場合がある。特に、高負荷時には弁ポートの前後の差圧が高く、この流速音が騒音の大きな要因となっている。

本発明は、弁ポートを改良することにより、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、一次継手管が連通される弁室と二次継手とを、ニードル弁で開閉する弁ポートを介して連通可能とする電動弁であって、前記弁ポートに、弁室側の第１ポートと、第１ポートより内径の大きな第２ポートと、前記第１ポートと前記第２ポートとを繋ぐ第１テーパ部備えた電動弁において、前記弁ポートに、前記二次継手管側に位置する第３ポートと、前記第２ポートと前記第３ポートとを繋ぐ第２テーパ部を備え、前記第１ポートの内径Ｄ１と前記第２ポートの内径Ｄ２と前記第３ポートの内径Ｄ３との関係がＤ１＜Ｄ２＜Ｄ３となっていることを特徴とする。

請求項２の電動弁は、請求項１に記載の電動弁であって、
Ｄ２−Ｄ１≦Ｄ３−Ｄ２
となっていることを特徴とする電動弁。

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、前記第１テーパ部のテーパ角をθ１、前記第２テーパ部のテーパ角をθ２、前記第１ポートの長さをＬ１、前記第１テーパ部と第２ポートとの長さをＬ２、前記第２テーパ部と前記第３ポートとの長さをＬ３としたとき、
１mm≦Ｄ１≦４．５mm、
６０°≦θ１≦１５０°、
２０°≦θ２≦９０°、
０．１mm≦Ｌ１≦０．５mm、
１≦Ｌ２／Ｌ１≦３９
０．５７≦Ｌ３／Ｌ２≦３８
１．０３≦Ｄ２／Ｄ１≦１．５
１．０２≦Ｄ３／Ｄ２≦５．５２
となっていることを特徴とする。

請求項１乃至３の電動弁によれば、第１ポートとニードル弁との隙間から流れる冷媒が第２ポートに流出したとき、第２ポート内で圧力を急激に回復させることがなく、流れを整流化して冷媒の流れを安定化することができ、キャビテーションの破裂を抑制することができる。さらに、第２ポートから第２テーパ部と第３ポートに流れるときに、流速が減速するので流速音を低減することができる。したがって、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、Ｄ２−Ｄ１≦Ｄ３−Ｄ２となっているので、第２ポートに対して、第２テーパ部から第３ポートにかけて大きく拡径するので、流速の減速効果が高くなり、さらに流速音を低減することができる。

請求項３の電動弁によれば、各部の寸法及び角度の条件を満たすことで、弁ポート前後の圧力差が高い場合であっても、効果的に騒音を低減することができる。

本発明の実施形態の電動弁の縦断面図である。本発明の実施形態の電動弁における弁ポート近傍の要部拡大縦断面図である。本発明の実施形態の電動弁における弁ポートの作用を説明する図である。本発明の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。従来の電動弁の弁ポートの作用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は実施形態の電動弁の縦断面図、図２は実施形態の電動弁における弁ポート近傍の要部拡大縦断面図、図３は実施形態の電動弁における弁ポートの作用を説明する図、図４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。

まず、図４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。空気調和機は、実施形態の電動弁１０、室外ユニット１００に搭載された室外熱交換器２０、室内ユニット２００に搭載された室内熱交換器３０、流路切換弁４０、圧縮機５０を有しており、これらの各要素は、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。この冷凍サイクルは本発明の電動弁を適用する冷凍サイクルの一例であり、本発明の電動弁は。ビル用のマルチエアコン等の室内機側の絞り装置等、他のシステムにも適用することができる。

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、暖房モードでは実線の矢印で示すように、圧縮機５０で圧縮された冷媒が流路切換弁４０から室内熱交換器３０に流入され、室内熱交換器３０から流出する冷媒が、管路６０を通って電動弁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、破線の矢印で示すように、圧縮機５０で圧縮された冷媒が流路切換弁４０から室外熱交換器２０に流入され、室外熱交換器２０から流出する冷媒が電動弁１０で膨張され、管路６０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。なお、この図４に示す例では、暖房モード時に、冷媒を電動弁１０の一次継手管２１から二次継手管２２へ流す構成となっているが、配管の接続を逆にして、暖房モード時に、冷媒を二次継手管２２から一次継手管２１へ流す構成としてもよい。

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。

次に、図１及び図２に基づいて実施形態の電動弁１０について説明する。この電動弁１０は、弁ハウジング１を有し、弁ハウジング１には円筒シリンダ状の弁室１Ａが形成されている。また、弁ハウジング１には第１ポート１１と、第２ポート１２と、第３ポート１３とが形成されている。また、第１ポート１１と第２ポート１２との間に第１テーパ部１４が形成され、第２ポート１２と第３ポート１３との間に第２テーパ部１５が形成されている。さらに、弁ハウジング１には、側面側から弁室１Ａに連通する一次継手管２１が取り付けられるとともに、弁室１Ａの軸線Ｘ方向の片側端部に二次継手管２２が取り付けられている。そして、第１ポート１１、第１テーパ部１４、第２ポート１２、第２テーパ部１５及び第３ポート１３を介して、弁室１Ａと二次継手管２２とが導通可能となっている。

弁ハウジング１の上部には支持部材３が取り付けられている。支持部材３には軸線Ｘ方向に長いガイド孔３ａが形成されており、このガイド孔３ａには円筒状の弁ホルダ４が軸線Ｘ方向に摺動可能に嵌合されている。弁ホルダ４は弁室１Ａと同軸に取り付けられ、この弁ホルダ４の下端部には端部にニードル弁５ａを有する弁体５が固着されている。また、弁ホルダ４内には、バネ受け４１が軸線Ｘ方向に移動可能に設けられ、バネ受け４１と弁体５との間には圧縮コイルバネ４２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１の上端には、ステッピングモータ６のケース６１が溶接等によって気密に固定されている。ケース６１内には、外周部を多極に着磁されたマグネットロータ６２が回転可能に設けられ、このマグネットロータ６２にはロータ軸６３が固着されている。ロータ軸６３の上端部は、ケース６１の天井部から垂下された円筒状のガイド６４内に回転可能に嵌合されている。また、ケース６１の外周には、ステータコイル６５が配設されており、このステータコイル６５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６２が回転される。そして、このマグネットロータ６２の回転によってマグネットロータ６２と一体のロータ軸６３が回転する。なお、ガイド６４の外周にはマグネットロータ６２に対する回転ストッパ機構６６が設けられている。

弁ホルダ４の上端部はステッピングモータ６のロータ軸６３の下端部に係合され、弁ホルダ４はロータ軸６３によって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６３には雄ねじ部６３ａが形成されており、この雄ねじ部６３ａは支持部材３に形成された雌ねじ部３ｂに螺合している。

以上の構成により、マグネットロータ６２の回転に伴ってロータ軸６３は軸線Ｘ方向に移動する。この回転に伴うロータ軸６３の軸線Ｘ方向移動によって弁ホルダ４と共に弁体５が軸線Ｘ方向に移動する。そして、弁体５は、ニードル弁５ａの部分で第１ポート１１の開口面積を増減し、一次継手管２１から二次継手管２２へ流れる流体の流量を制御する。

第１ポート１１、第２ポート１２及び第３ポート１３は、軸線Ｘを中心とする円柱の側面の形状をしており、図２に示すように、第１ポート１１の内径Ｄ１はニードル弁５ａの外周に合わせた寸法である。また、第２ポート１２の内径Ｄ２は第１ポート１１の内径Ｄ１より僅かに大きな寸法である。第３ポート１３の内径Ｄ３は第２ポート１２の内径Ｄ２１より大きな寸法で、かつ、二次継手管２２の内径Ｄ４よりも小さな寸法となっている。なお、図２において各径Ｄ１〜Ｄ４には直径を示す「φ」を付記してある。第１ポート１１の長さＬ１は内径Ｄ１に比して小さな寸法であり、第１テーパ部１４と第２ポート１２とを合わせた長さＬ２は第１ポート１１の長さＬ１より大きな寸法となっている。第２テーパ部１５と第３ポート１３とを合わせた長さＬ３は第１テーパ部１４と第２ポート１２とを合わせた長さＬ２より大きな寸法となっている。

第１テーパ部１４及び第２テーパ部１５は、軸線Ｘを中心とする円錐台の側面の形状をしており、第１テーパ部１４の内側面は第１ポート１１から第２ポート１２にかけて内径が拡大する形状、第２テーパ部１５の内側面は第２ポート１２から第３ポート１３にかけて内径が拡大する形状をしている。そして、第１テーパ部１４の開き角度であるテーパ角θ１、第２テーパ部１５の開き角度であるテーパ角θ２は適宜設定されている。なお、これらの寸法及び角度は図２に図示のものには限定されるものではなく、これらの寸法及び角度の条件については後述する。

図３に示すように、ニードル弁５ａと第１ポート１１の隙間を通った冷媒は、第１テーパ部１４、第２ポート１２、第２テーパ部１５及び第３ポート１３を通って二次継手管２２へ流れる。このとき、ニードル弁５ａと第１ポート１１の隙間は最も狭い箇所であり、ここで流速は最大になるが、第１ポート１１の長さＬ１は可能な限り短くなっており、この隙間を通った冷媒の流れは、第１テーパ部１４に倣って直ぐに第２ポート１２の内壁に沿う形で流れる。第２ポート１２の内径Ｄ２は第１ポート１１の内径Ｄ１より僅かに大きいだけであり、第１ポート１１から第２ポート１２に流れる間に、圧力を急激に回復させることがない。また、第２ポート１２の長さは長いので、冷媒の流れは第２ポート１２で整流化される。したがって、キャビテーションの破裂を抑制することができるとともに、冷媒の流れを安定化することができる。

第２ポート１２を通った冷媒の流れは、第２テーパ部１５に倣って圧力を回復すなわち高くしながら第３ポート１３に流れる。この第３ポート１３の内径Ｄ３は第２ポート１２の内径Ｄ２より大きいので、第２テーパ部１５に倣って流れる間に流速が減速される。すなわち、第２ポート１２である程度整流化しながら、直ぐに流速を減速するので、流速音が低減する。さらに、第２テーパ部１５を通って減速された冷媒の流れは、第３ポート１３に流れるが、冷媒の流れは第２ポート１２ですでに整流されているので、この第３ポート１３内では、冷媒の流れは乱れにくく、キャビテーションの破裂を抑制することができる。

このように、第２ポート１２である程度整流化し、第２テーパ部１５を介して第３ポート１３に流すことで、第２テーパ部１５で整流化を保ったまま流速を減速することができる。これにより、第３ポート１３における流れの乱れを低減してキャビテーションの破裂を抑制でき、かつ、第２テーパ部１５で流速を減速して流速音を低減できる。すなわち、第２ポート１２の長さは特許文献１のものに比して短くなっている分、流速音の低減を図ることができる。

実施形態における電動弁１０は、一次継手管２１と二次継手管２２との圧力差が高い場合に、流速音の低減効果が高いものであり、第１ポート１１、第２ポート１２、第３ポート１３、第１テーパ部１４、第２テーパ部１５、及び二次継手２２の各部の寸法及び角度は以下の条件を満たすように設定されている。

以下に、一次継手管２１と二次継手管２２との圧力差が高い場合に、流速音の低減効果が高い実施形態の各部の寸法及び角度の条件を示す。第１ポート１１の内径Ｄ１は、
１mm≦Ｄ１≦４．５mm
であり、第２ポート１２の内径Ｄ２は、
１．１５mm≦Ｄ２≦４．９mm
であり、第３ポート１３の内径Ｄ３は、
４．６mm≦Ｄ３≦６．３５mm
であり、二次継手２２の内径Ｄ４は、
６．３５mm≦Ｄ４
である。

また、第１テーパ部１４のテーパ角θ１は、
６０°≦θ１≦１５０°
の範囲であり、第２テーパ部１５のテーパ角θ２は、
２０°≦θ２≦９０°
の範囲である。

また、第１ポート１１の長さＬ１は、
０．１mm≦Ｌ１≦０．５mm
であり、このＬ１は短いほど騒音が低下する。第１テーパ部１４と第２ポート１２の長さＬ２は、
０．５mm≦Ｌ２≦３．９mm
であり、これらの長さＬ１，Ｌ２に組み合わせは、Ｌ１＋Ｌ２が、
１mm≦Ｌ１＋Ｌ２≦４mm
となる条件により設定されている。また、第１ポート１１の長さＬ１と、第１テーパ部１４と第２ポート１２の長さＬ２と、第２テーパ部１５と第３ポート１３の長さＬ３の総和Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３は、
６mm≦Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３≦２３mm
である。

また、第１テーパ部１４と第２ポート１２の長さＬ２と、第１ポート１１の長さＬ１の比Ｌ２／Ｌ１は、
１≦Ｌ２／Ｌ１≦３９
の範囲であり、第２テーパ部１５と第３ポート１３の長さＬ３と、第１テーパ部１４と第２ポート１２の長さＬ２の比Ｌ３／Ｌ２は、
０．５７≦Ｌ３／Ｌ２≦３８
の範囲であり、第２ポート１２の内径Ｄ２と第１ポート１１の内径Ｄ１の寸法比Ｄ２／Ｄ１は、
１．０３≦Ｄ２／Ｄ１≦１．５
の範囲であり、第３ポート１３の内径Ｄ３と第２ポート１２の内径Ｄ２の寸法比Ｄ３／Ｄ２は、
１．０２≦Ｄ３／Ｄ２≦５．５２
の範囲である。

次に、実施形態の電動弁についての各寸法比と騒音低減の実測例について説明する。この実測例は、一次継手管２１内の圧力が２．８〜３．４（ＭＰａ）で、二次継手管２２内の圧力が１．２〜１．８（ＭＰａ）とした運転条件で、実施形態の電動弁で測定した騒音と、特許文献１の電動弁（その条件）において測定した騒音と対比したものである。すなわち、高負荷時で流速音が発生し易い条件において騒音低減の効果が特に顕著であることを示す実測例である。その実測例を以下の表１乃至表６に示す。表１乃至表６において、特許文献１の電動弁における騒音よりも、２ｄＢ以上音圧が低下した場合を「○○○」で示し、１〜２ｄＢ音圧が低下した場合を「○○」で示している。また、音圧の低下が１ｄＢ以下の場合を「○」で示している。なお、音圧はＡ特性を用いて評価している。

表１はＬ２／Ｌ１とθ１の関係を示している。

表２はＬ２／Ｌ１とＤ２／Ｄ１の関係を示している。

表３はＬ２／Ｌ１とθ２の関係を示している。

表４はＬ２／Ｌ１とＤ３／Ｄ２の関係を示している。

表５はＤ３／Ｄ２とθ２の関係を示している。

表６はＤ３／Ｄ２とＬ３／Ｌ２の関係を示している。

これらの表から判るように、第３ポート及び第２テーパ部を設けることにより、従来よりも騒音の低減が実現されている。また、一次継手管２１と二次継手管２２との圧力差が高い場合でも、「○○」及び「○○○」の範囲にすれば、１ｄＢ以上騒音を低減することができ、より顕著な効果を得ることができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

１弁ハウジング
１Ａ弁室
１１第１ポート
１２第２ポート
１３第３ポート
１４第１テーパ部
１５第２テーパ部
２１一次継手管
２２二次継手管
３支持部材
４弁ホルダ
５弁体
５ａニードル弁
６ステッピングモータ
Ｘ軸線

請求項１の電動弁は、一次継手管が連通される弁室と二次継手とを、ニードル弁で開閉する弁ポートを介して連通可能とする電動弁であって、前記弁ポートに、弁室側の第１ポートと、第１ポートより内径の大きな第２ポートと、前記第１ポートと前記第２ポートとを繋ぐ第１テーパ部を備えた電動弁において、前記弁ポートに、前記二次継手管側に位置する第３ポートと、前記第２ポートと前記第３ポートとを繋ぐ第２テーパ部を備え、前記第１ポートの内径Ｄ１と前記第２ポートの内径Ｄ２と前記第３ポートの内径Ｄ３との関係がＤ１＜Ｄ２＜Ｄ３となっていることを特徴とする。

Claims

一次継手管が連通される弁室と二次継手とを、ニードル弁で開閉する弁ポートを介して連通可能とする電動弁であって、前記弁ポートに、弁室側の第１ポートと、第１ポートより内径の大きな第２ポートと、前記第１ポートと前記第２ポートとを繋ぐ第１テーパ部備えた電動弁において、
前記弁ポートに、前記二次継手管側に位置する第３ポートと、前記第２ポートと前記第３ポートとを繋ぐ第２テーパ部を備え、前記第１ポートの内径Ｄ１と前記第２ポートの内径Ｄ２と前記第３ポートの内径Ｄ３との関係がＤ１＜Ｄ２＜Ｄ３となっていることを特徴とする電動弁。
請求項１に記載の電動弁であって、
Ｄ２−Ｄ１≦Ｄ３−Ｄ２
となっていることを特徴とする電動弁。
請求項１または２に記載の電動弁であって、
前記第１テーパ部のテーパ角をθ１、前記第２テーパ部のテーパ角をθ２、前記第１ポートの長さをＬ１、前記第１テーパ部と第２ポートとの長さをＬ２、前記第２テーパ部と前記第３ポートとの長さをＬ３としたとき、
１mm≦Ｄ１≦４．５mm、
６０°≦θ１≦１５０°、
２０°≦θ２≦９０°、
０．１mm≦Ｌ１≦０．５mm、
１≦Ｌ２／Ｌ１≦３９
０．５７≦Ｌ３／Ｌ２≦３８
１．０３≦Ｄ２／Ｄ１≦１．５
１．０２≦Ｄ３／Ｄ２≦５．５２
となっていることを特徴とする電動弁。