JP2019203589A - 電磁弁および冷凍サイクルシステム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で弁閉時に生じる衝撃荷重を軽減することができる電磁弁及び該電磁弁を用いた冷凍サイクルシステムを提供する。【解決手段】圧縮ばね７が弁体６に弁閉力を付与するとともに、弁体６が当接面４３１に当接した第１当接状態と、弁体６が規制部材４４に当接した第２当接状態と、の間において、弁体６とプランジャ４とがＺ方向に相対移動可能である。これにより、弁体６が着座してからプランジャ４のＺ方向下方への移動が規制されるまでの間に、プランジャ４の運動エネルギーが消散される。従って、簡単な構成で弁閉時に生じる衝撃荷重を軽減することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁弁および冷凍サイクルシステムに関する。

一般に、パッケージエアコンやルームエアコン等の空気調和機の冷凍サイクルシステムにおいて、電磁弁が膨張弁として用いられることがある。このような電磁弁として、プランジャと吸引子と復帰ばね（圧縮ばね）とを備えることで開閉動作するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された電磁弁では、復帰ばねの端部がプランジャに接続されるとともに、弁体がプランジャ先端に設けられている。吸引子を励磁すると、プランジャが吸引子に引き寄せられて弁体が弁座から離座して弁開し、吸引子を消磁すると、復帰ばねの弁閉力によってプランジャが弁座側に移動し、弁体が弁座に着座して弁閉するようになっている。このとき、弁体がばねを介してプランジャに接続されていることにより、弁体と弁座との衝突音の低減が図られている。

特開２００４−４４６８４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された電磁弁では、衝突音を低減することはできても、弁閉時に生じる衝撃荷重を軽減することは困難であった。即ち、弁体とプランジャとの間にばねが設けられていることで衝撃荷重は多少軽減されるものの、復帰ばねがプランジャに当接していることから、弁閉時にプランジャが移動を停止した際にも復帰ばねの復元力がプランジャに作用することにより、プランジャの運動エネルギーによる衝撃荷重と弁体の運動エネルギーによる衝撃荷重とが略同時に弁座に加わることになり、大きな衝撃荷重が生じやすかった。

本発明の目的は、簡単な構成で弁閉時に生じる衝撃荷重を軽減することができる電磁弁及び該電磁弁を用いた冷凍サイクルシステムを提供することにある。

本発明の電磁弁は、弁室を形成する弁本体と、該弁本体に接続される筒状のプランジャチューブと、前記プランジャチューブ内に配置されるプランジャと、前記弁室内に配置される弁座と、前記プランジャを挟んで前記弁座の反対側に配置されて前記プランジャチューブに固定される吸引子と、を備えた電磁弁であって、前記プランジャの前記弁座側の端部に設けられて該弁座に着座及び離座する弁体と、一端側において前記吸引子を押圧するとともに他端側において前記弁体を押圧することで該弁体に弁閉力を付与する圧縮ばねと、を備え、前記プランジャは、前記圧縮ばねが挿通される貫通孔と、該貫通孔に対して前記弁座側に配置されるとともに前記弁体を収容する弁体収容部と、を有し、前記弁体収容部は、前記吸引子側から前記弁体に当接する吸引子側当接部と、前記弁座側から前記弁体に当接する弁座側当接部と、を有し、前記弁体は、前記吸引子側当接部に当接した第１当接状態と、前記弁座側当接部に当接した第２当接状態と、の間において、前記プランジャと開閉方向に相対移動可能であることを特徴とする。

このような本発明によれば、弁体の運動エネルギーによる衝撃荷重とプランジャの運動エネルギーによる衝撃荷重とは、以下に説明するように弁座に加わる。吸引子が消磁された際、弁体は、圧縮ばねの弁閉力によって弁座側に移動する。このとき、弁体は、プランジャの弁座側当接部に当接している（第２当接状態）。これにより、プランジャが弁体に追従して弁座側に移動する。その後、弁体は弁座に着座するが、第１当接状態と第２当接状態との間において弁体とプランジャとが開閉方向に相対移動可能であることから、弁体の着座後においても、プランジャは慣性によって弁座側への移動を続ける。その後、プランジャの吸引子側当接部が弁体に当接し（第１当接状態となり）、プランジャは停止する。プランジャは、弁体が弁座に着座した後は、圧縮ばねの弁閉力が付加されないため、プランジャの移動停止時、即ち、第１当接状態となる時には、プランジャの慣性力は、プランジャに対し圧縮ばねの荷重が直接的に加わった場合と比べ小さくなる。

また、第２当接状態と第１当接状態との間においてプランジャが移動する際、弁室内の流体が抵抗となって運動エネルギーが消散される（即ちダンパー効果が得られる）。特に、弁室のうち弁体側の空間が一次側（高圧側）である場合、弁体が弁座に着座することによって流体の流れが遮られ、内圧が上昇してダンパー効果が大きくなる。その後、プランジャの吸引子側当接部が弁体に当接し（第１当接状態となり）、プランジャの移動が規制される。このようにプランジャの移動が規制される際に、プランジャの運動エネルギーによる衝撃荷重が、弁体を介して弁座に加わるものの、この運動エネルギーは低減されている。従って、簡単な構成で弁閉時に生じる衝撃荷重を軽減することができる。

この際、本発明の電磁弁では、前記弁体は、前記弁座に当接する着座部と、前記吸引子側当接部に当接する荷重受け部と、を有し、前記着座部と前記荷重受け部とは、前記開閉方向から見て重ならない位置に形成されていることが好ましい。

このような構成によれば、プランジャの運動エネルギーによって弁座に加わる衝撃荷重を低減することができる。即ち、弁体がプランジャから荷重を受ける部分である荷重受け部と、弁体が弁座に荷重を加える部分である着座部と、が開閉方向から見てずれており、弁体にはせん断応力が作用する。これにより、弁体の弾性を利用して撓み変形等を生じさせ、衝撃荷重を弁体に吸収させることができ、弁座に加わる衝撃荷重が低減される。

また、本発明の電磁弁では、前記弁室内を液体が通過することが好ましい。このような構成によれば、弁体が弁座に着座してからプランジャが移動する際の抵抗を大きくすることができる。特に、弁室のうち弁体側の空間が一次側（高圧側）である場合、弁体が弁座に着座することによる内圧上昇を大きくすることができる。従って、プランジャの運動エネルギーを低下させやすく、弁閉時に生じる衝撃荷重をさらに軽減することができる。

本発明の冷凍サイクルシステムは、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、を含む冷凍サイクルシステムであって、上記いずれかに記載の電磁弁が、前記膨張弁として用いられていることを特徴とする。このような本発明によれば、上記のように弁閉時に生じる衝撃荷重を軽減することができ、弁体および弁座が損傷しにくい。従って、流体の漏れを生じにくくし、冷凍サイクルシステムの運転効率の低下を抑制することができる。

本発明の電磁弁によれば、圧縮ばねが弁体に弁閉力を付与するとともに弁体とプランジャとが開閉方向に相対移動可能であることで、弁閉時に生じる衝撃荷重を軽減することができる。

本発明の一実施形態に係る電磁弁を示す断面図である。 前記電磁弁において吸引子を励磁した場合の様子を示す断面図である。 前記電磁弁において前記吸引子を消磁した直後の様子を示す断面図である。 前記電磁弁において弁体が弁座に着座した様子を示す断面図である。 前記電磁弁において前記弁体によってプランジャの移動が規制される様子を示す断面図である。 前記電磁弁が用いられる冷凍サイクルシステムを示す概略構成図である。

以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、本実施形態の電磁弁１は、弁本体２と、プランジャチューブ３と、プランジャ４と、吸引子５と、弁体６と、圧縮ばね７と、電磁コイル８と、一次継手９と、二次継手１０と、を備える。本実施形態では、弁体６の開閉方向（動作方向）をＺ方向とし、Ｚ方向に略直交する２方向をそれぞれＸ方向およびＹ方向とする。

弁本体２は、Ｚ方向に延びる円筒状に形成されるとともに、その内側に弁室２Ａを形成する。弁本体２には、プランジャチューブ３が挿通されて接続される開口がＺ方向一方側（以下、上側とする）に形成され、一次継手９が挿通されて接続される開口が側面に形成され、二次継手１０が挿通されて接続される開口がＺ方向他方側（以下、下側とする）に形成されている。

弁本体２は、弁室２Ａ内に弁座２１を一体に有する。弁座２１の弁ポート２１１は二次継手１０に連通している。弁座２１に弁体６が着座することにより、弁室２Ａは、一次継手９に連通する空間と、二次継手１０に連通する空間と、が区画される。また、弁座２１の先端には、Ｚ方向上側から見て円環状の突起部２１２が形成されており、突起部２１２の上面が弁座面となる。尚、本実施形態では突起部２１２の内径と弁ポート２１１の内径とが略等しいものとするが、突起部２１２の下部の弁ポート２１１の内径部に、例えば段差部やテーパ部を形成し、突起部２１２の内径と弁ポート２１１の内径とが異なる構成としてもよい。また、本実施形態では、弁座が弁本体と一体に形成されているものとするが、弁本体と別体に形成された弁座が弁室内に収容される構成としてもよい。

プランジャチューブ３は、Ｚ方向に延びる円筒状に形成されており、プランジャ４をＺ方向に沿って移動するように案内する。プランジャチューブ３の下端は弁本体２に接続される。プランジャチューブ３の上端は、吸引子５が取り付けられることで開口が塞がれる。

プランジャ４は、Ｚ方向に延びる円柱状に形成されるとともに、プランジャチューブ３の内径よりも若干小さい外径を有する。プランジャ４の中央部には、Ｚ方向に沿って延びる貫通孔４１と、貫通孔４１に連通して外周面まで延びる連通孔４２と、が形成されている。即ち、プランジャチューブ３内におけるプランジャ４よりも上方の空間は、貫通孔４１と、連通孔４２と、プランジャ４の外周面とプランジャチューブ３の内周面との隙間と、によってプランジャ４よりも下方の空間（弁室２Ａ）と連通している。

プランジャ４の下端部には、弁体６を収容する円筒状の弁体収容部４３が形成されている。弁体収容部４３の内径は貫通孔４１の内径よりも大きく、弁体収容部４３における下側を向いた当接面４３１が、Ｚ方向上側（吸引子５側）から弁体６に当接し、吸引子側当接部となる。また、弁体収容部４３の下端部には、円環状の規制部材４４がカシメ固定されており、規制部材４４が、Ｚ方向下側（弁座２１側）から弁体６に当接し、弁座側当接部となる。プランジャ４の上端部は、中央部の方が外周部よりも上方に突出した段差形状を有している。

吸引子５は、プランジャチューブ３の上端の開口を塞ぐキャップ状に形成されており、その外側に配置された電磁コイル８に通電することで励磁され、通電を停止することで消磁される。吸引子５は、励磁されることでプランジャ４に対する吸引力を生じる。尚、電磁コイル８には、圧縮ばね７の弁閉力よりも大きな弁開力を生じさせるような大きさの電流が流れる。

吸引子５の下面には、中央部に凹部５１が形成されており、凹部５１には、例えばＰＴＦＥ等の樹脂製の消音部材５２が固定されている。弁開時において、プランジャ４の上端部は、段差形状の中央部において消音部材５２に当接するようになっている。

弁体６は、例えばＰＴＦＥ等の樹脂によって形成されるとともに、上部の大径円板部と下部の小径円板部とから構成される。大径円板部の下面６１の中央部から凸部６１１が突出しており、この凸部６１１が小径円板部となる。弁体６の大径円板部の外径はプランジャ４の弁体収容部４３の内径よりも若干小さく、弁体収容部４３に収容された弁体６は、Ｚ方向に沿って移動するように案内される。弁体６の下面６１のうち凸部６１１の周囲に位置する周辺部６１２は、プランジャ４の規制部材４４に当接する。凸部６１１は、その外径が規制部材４４の内径よりも小さいことから規制部材４４の開口を通過可能であり、弁座２１の突起部２１２に当接する着座部６１３を有する。弁体６の上面６２は、弁体収容部４３の当接面４３１に当接する荷重受け部６２１を有する。

弁体６のうち周辺部６１２を含む部分の厚さ（大径円板部のＺ方向寸法）Ｌ１は、プランジャ４の当接面４３１と規制部材４４とのＺ方向における間隔Ｌ２よりも小さい。従って、弁体６は、弁体収容部４３において当接面４３１と規制部材４４との間でＺ方向に移動することができる。即ち、弁体６は、当接面４３１に当接した第１当接状態と、規制部材４４に当接した第２当接状態と、の間において、プランジャ４とＺ方向に相対移動可能となっている。

プランジャ４の貫通孔４１の内径よりも、弁座２１の突起部２１２の外径の方が小さい。即ち、弁体６の着座部６１３は荷重受け部６２１よりも径方向内側に位置しており、着座部６１３と荷重受け部６２１とがＺ方向から見て重ならない配置となっている。

圧縮ばね７は、Ｚ方向を軸方向として延びるコイルばねであって、上端である一端７１が吸引子５下部の消音部材５２に当接し、下端である他端７２が弁体６の上面６２に当接する。即ち、圧縮ばね７は、一端７１側において吸引子５を押圧するとともに他端７２側において弁体６を押圧する。尚、圧縮ばね７は、吸引子５および弁体６に対し、直接当接してもよいし、間に他の部材が挟み込まれてもよい。圧縮ばね７は、弁体６が弁座２１に着座した状態において自然状態から圧縮された状態となる。これにより、圧縮ばね７は、弁体６に弁閉力（Ｚ方向下方への力）を付与する。圧縮ばね７の外径は、プランジャ４の貫通孔４１の内径よりも若干小さい。尚、Ｚ方向が鉛直方向と略一致するように電磁弁１が使用される場合には、プランジャ４及び弁体６には弁閉方向の重力が作用するが、以下では説明の都合上、弁閉力は圧縮ばね７によってのみ生じるものとする。

以上のような電磁弁１の動作の詳細について説明する。電磁コイル８に通電して吸引子５を励磁すると、プランジャ４が吸引子５に引き寄せられる。即ち、弁開力（Ｚ方向上方への力）が生じ、プランジャ４がＺ方向上方に移動する。プランジャ４の規制部材４４が弁体６に当接することにより、弁体６がプランジャ４に追従してＺ方向上方に移動する。このとき、弁体６には圧縮ばね７による弁閉力が作用しているが、プランジャ４及び弁体６は、この弁閉力に逆らってＺ方向上方に移動する。プランジャ４は、上端部が消音部材５２に当接することで上方への移動を停止し、電磁弁１は図２に示すように完全に弁開した状態となる。また、弁体６は、完全に弁開した状態において、規制部材４４に当接して第２当接状態となっている。

次に、電磁コイル８への通電を停止して吸引子５を消磁すると、吸引子５の吸引力がなくなり（又は弱くなり）、プランジャ４を介して弁体６に加わっていた弁開力がなくなる（又は弱くなる）。従って、弁体６は、図３に示すように、圧縮ばね７の弁閉力によってＺ方向下方に移動する。弁体６がＺ方向下方に移動すると、規制部材４４と弁体６とが当接していることにより、プランジャ４は弁体６に追従してＺ方向下方に移動する。このように、弁体６及びプランジャ４がＺ方向下方に移動する際、第２当接状態が維持される。

弁体６は、Ｚ方向下方に移動することで図４に示すように弁座２１に着座し、弁体６の運動エネルギーによる衝撃が弁座２１に加わる。弁体６が弁座２１に着座すると、一次継手９側から二次継手１０側に向かう流体の流れが遮られ、弁室２Ａのうち弁体６側の空間の内圧が上昇する。弁体６とプランジャ４とがＺ方向に相対移動可能であることで、弁体６の着座後もプランジャ４は慣性によってＺ方向下方への移動を続ける。このとき、プランジャ４は、圧縮ばね７の弁閉力を受けず、弁室２Ａ内の流体の抵抗により、移動に伴って運動エネルギーが消散される。さらに、弁室２Ａのうち弁体６側の空間の内圧が上昇していることから、流体の抵抗が大きくなり、運動エネルギーが消散されやすくなっている。

プランジャ４がＺ方向下方に移動すると、図５に示すように、当接面４３１が弁体６に当接して第１当接状態となり、プランジャ４の移動が規制され、電磁弁１が弁閉した状態となる。このとき、プランジャ４の運動エネルギーによる衝撃が弁座２１に加わるが、弁体６が着座した時点から第１当接状態（プランジャ４の停止状態）となるまでの間は、プランジャ４に圧縮ばね７の力が付与されないこと及びプランジャ４が弁室２Ａ内の流体の抵抗を受けることから、弁体６及び弁座２１に加わるプランジャの衝撃力は軽減される。以上のように電磁コイル８への通電のオンオフを切り換えることにより、弁体６が弁座２１に着座及び離座し、弁開状態と弁閉状態とが切り換えられる。

電磁弁１は、図６に示すように、例えばパッケージエアコンやルームエアコン等の空気調和機の冷凍サイクル１００に設けられる。図６において、符号２００は室外ユニットに搭載された室外熱交換器、３００は室内ユニットに搭載された室内熱交換器、４００は四方弁を構成する流路切換弁、５００は圧縮機である。電磁弁１、室外熱交換器２００、室内熱交換器３００、流路切換弁４００、及び圧縮機５００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。尚、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１００では、電磁弁１は膨張弁として機能するため、入口側は液冷媒が循環するようになっている。即ち、電磁弁１の弁室２Ａを液体が通過するようになっている。

このような本実施形態によれば、以下のような効果がある。即ち、圧縮ばね７が弁体６に弁閉力を付与するとともに、弁体６とプランジャ４とがＺ方向に相対移動可能であることで、弁体６が着座してからプランジャ４のＺ方向下方への移動が規制されるまでの間に、プランジャ４の運動エネルギーが消散される。従って、簡単な構成で弁閉時に生じる衝撃荷重を軽減することができる。

また、弁体６の着座部６１３と荷重受け部６２１とがＺ方向から見て重ならない位置に形成されていることで、プランジャ４の運動エネルギーによって弁座２１に加わる衝撃荷重を低減することができる。即ち、弁体６がプランジャ４から荷重を受ける部分である荷重受け部６２１と、弁体６が弁座２１に荷重を加える部分である着座部６１３と、がＺ方向から見てずれており、弁体６にはせん断応力が作用する。これにより、弁体６の弾性を利用して撓み変形等を生じさせ、衝撃荷重を弁体６に吸収させることができ、弁座２１に加わる衝撃荷重が低減される。

また、弁室２Ａ内を液体が通過することで、弁体６が弁座２１に着座してからプランジャ４が移動する際の抵抗を大きくすることができる。さらに、弁室２Ａのうち弁体６側の空間が一次側であることから、弁体６が弁座２１に着座することによる内圧上昇を大きくすることができる。従って、プランジャ４の運動エネルギーを低下させやすく、弁閉時に生じる衝撃荷重をさらに軽減することができる。

また、弁閉時に樹脂製の弁体６と弁座２１とが衝突するとともに、樹脂製の弁体６とプランジャ４とが衝突しており、即ち、金属部材同士の衝突によって移動を規制する構成でないことから、金属音の発生を抑制することができる。

また、プランジャ４が、第１当接状態と第２当接状態との間において弁体６とＺ方向に相対移動可能であることで、弁開動作時にプランジャ４の空走距離を確保し、キック動作を生じさせることができる。即ち、電磁弁１が弁閉している際、図５に示すように第１当接状態となっており、吸引子５が励磁されてプランジャ４がＺ方向上方に移動する際に、プランジャ４は圧縮ばね７の荷重を受けずに所定距離だけ移動してから規制部材４４が弁体６に当接する（第２当接状態になる）。Ｚ方向上方に移動するプランジャ４の勢いを利用して（キック動作によって）弁体６を離座させることで、弁開動作を良好なものとすることができる。

また、弁体６が弁座２１に荷重を加えるタイミングと、プランジャ４が弁座２１に荷重を加えるタイミングと、がずれており時間差が存在することで、弁座２１に一度に加わる衝撃荷重を低減することができるとともに、衝突音を小さくすることができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。

例えば、前記実施形態では、弁体６の着座部６１３と荷重受け部６２１とがＺ方向から見て重ならない位置に形成されているものとしたが、プランジャ４の運動エネルギーが充分に消散される場合や、弁体がＺ方向において圧縮変形しやすく衝撃荷重を吸収しやすい場合等には、着座部と荷重受け部とはＺ方向から見て重なりを有していてもよい。

また、前記実施形態では、弁室２Ａ内を液体が通過するものとしたが、弁室内を気体が通過する構成としてもよい。即ち、使用される流体は、冷凍サイクルシステムの用途等に応じて適宜に選択されればよい。

その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、且つ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部、もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

１ 電磁弁
２ 弁本体
２１ 弁座
２Ａ 弁室
３ プランジャチューブ
４ プランジャ
４１ 貫通孔
４３１ 当接面（吸引子側当接部）
４４ 規制部材（弁座側当接部）
５ 吸引子
６ 弁体
６１３ 着座部
６２１ 荷重受け部
７ 圧縮ばね

Claims (4)

1. 弁室を形成する弁本体と、該弁本体に接続される筒状のプランジャチューブと、前記プランジャチューブ内に配置されるプランジャと、前記弁室内に配置される弁座と、前記プランジャを挟んで前記弁座の反対側に配置されて前記プランジャチューブに固定される吸引子と、を備えた電磁弁であって、
   前記プランジャの前記弁座側の端部に設けられて該弁座に着座及び離座する弁体と、
   一端側において前記吸引子を押圧するとともに他端側において前記弁体を押圧することで該弁体に弁閉力を付与する圧縮ばねと、を備え、
   前記プランジャは、前記圧縮ばねが挿通される貫通孔と、該貫通孔に対して前記弁座側に配置されるとともに前記弁体を収容する弁体収容部と、を有し、
   前記弁体収容部は、前記吸引子側から前記弁体に当接する吸引子側当接部と、前記弁座側から前記弁体に当接する弁座側当接部と、を有し、
   前記弁体は、前記吸引子側当接部に当接した第１当接状態と、前記弁座側当接部に当接した第２当接状態と、の間において、前記プランジャと開閉方向に相対移動可能であることを特徴とする電磁弁。
2. 前記弁体は、前記弁座に当接する着座部と、前記吸引子側当接部に当接する荷重受け部と、を有し、
   前記着座部と前記荷重受け部とは、前記開閉方向から見て重ならない位置に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁弁。
3. 前記弁室内を液体が通過することを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁弁。
4. 圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、を含む冷凍サイクルシステムであって、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁弁が、前記膨張弁として用いられていることを特徴とする冷凍サイクルシステム。

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