JP2020034141A

JP2020034141A - 電動弁及び冷凍サイクルシステム

Info

Publication number: JP2020034141A
Application number: JP2018163361A
Authority: JP
Inventors: 大樹中川; Daiki Nakagawa; 雄希北見; Yuki Kitami; 亮司小池; Ryoji Koike
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2020-03-05
Anticipated expiration: 2038-08-31
Also published as: JP6968768B2; CN110873225A

Abstract

【課題】ニードル弁により小流量制御域での流量制御を行う電動弁において、小流量制御域での小流量の流体に対して流体の流れを確保するとともに、流体の気泡の破裂等による通過音を低減して静音性を高める。【解決手段】先端に向かって徐々に径が小さくなる円錐台部４２ｂを有するニードル弁４（副弁体）を、副弁ポート３３ａの軸線Ｌ上に配置する。駆動部によって、ニードル弁４を軸線上で進退移動させる。ニードル弁４と副弁ポート３３ａとにより小流量制御域を得る。小流量制御域において副弁室３Ｒと副弁ポート３３ａとを流れる流体に対して露出されるように消泡部材１０を設ける。導通孔３２ｂから副弁室３Ｒに流入する流体を消泡部材１０に衝突させ、流体中の気泡を細分化する。【選択図】図２

Description

本発明は、冷凍サイクルシステムなどに使用する電動弁及び冷凍サイクルシステムに関する。

従来、空気調和機の冷凍サイクルに設けられる電動弁として、小流量制御域と大流量制御域とで流量制御する電動弁がある。このような電動弁は、室内機に搭載される用途（例えば除湿弁）があり、小流量の制御時に流体（冷媒）が流れる音を低減する必要がある。このため、静音性を考慮した電動弁が例えば特開２０１７−２１１０３２号公報（特許文献１）及び例えば特開２０１７−２１１０３４号公報（特許文献２）に開示されている。

特開２０１７−２１１０３２号公報特開２０１７−２１１０３４号公報

特許文献１及び２の従来の技術では、消音部材が冷媒の流れの流束（フラックス）と交差するように配置し、冷媒をこの消音部材中を透過させるような構造となっている。この従来の技術のように、冷媒を透過させる構造では、冷媒中の塵等の異物により消音部材が目詰まりを起こす恐れがあり、適正な流量制御が困難になる。

本発明は、小流量制御域と大流量制御域とで流量制御する電動弁において、小流量制御域での小流量の流体に対して流体の流れを確保するとともに、流体の気泡の破裂等による通過音を低減して静音性を高めることを課題とする。

請求項１の電動弁は、主弁室の主弁ポートの開度を変更する主弁体と、前記主弁体に設けられた副弁室の副弁ポートの開度を変更する副弁体と、前記副弁体を軸線方向に進退駆動する駆動部と、を備え、前記主弁体が前記主弁ポートを閉とした状態で、前記副弁体が前記副弁ポートの開度を変更する小流量制御域と、前記主弁体が前記主弁ポートの開度を変更する大流量制御域と、の二段の流量制御域で流体の流量を制御する電動弁であって、前記小流量制御域において前記副弁室と前記副弁ポートとを流れる流体に対して露出され、該流体の流路の側壁の一部を構成するように設けられた消泡部材、を備えたことを特徴とする。

請求項２の電動弁は、請求項１に記載の電動弁であって、前記副弁室内にて、前記流体を透過させない壁面に前記流路を塞がないように前記消泡部材が配置されていることを特徴とする。

請求項３の電動弁は、請求項２に記載の電動弁であって、前記消泡部材が、前記副弁体の一部に設けられていることを特徴とする。

請求項４の電動弁は、請求項２に記載の電動弁であって、前記消泡部材が、前記副弁ポートの周囲の前記副弁室側に設けられていることを特徴とする。

請求項５の電動弁は、請求項１に記載の電動弁であって、前記消泡部材が、前記副弁ポートの周囲の前記副弁室とは反対側に設けられていることを特徴とする。

請求項６の冷凍サイクルシステムは、圧縮機と、室内熱交換器と、室外熱交換器と、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器との間に設けられた電子膨張弁と、前記室内熱交換器に設けられる除湿弁とを含む冷凍サイクルシステムであって、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電動弁が、前記除湿弁として用いられていることを特徴とする。

請求項１乃至５の電動弁によれば、小流量制御域での小流量の流体に対して、消泡部材が流体の流路の側壁の一部を構成しているので、この流体が消泡部材に衝突して、気泡を細分化する。しかし、消泡部材は流路の側壁の一部であるから消泡部材は流路を塞がず、流体の流れを阻害しない。したがって、小流量制御域での流体の流れを確保できるとともに、流体の気泡の破裂等による通過音を低減して静音性を高めることができる。

請求項６の冷凍サイクルシステムによれば、請求項１乃至５と同様な効果が得られる。

本発明の第１実施形態の電動弁の縦断面図である。第１実施形態の電動弁の小流量制御域状態の要部拡大断面図である。第１実施形態の電動弁の大流量制御域状態の要部拡大断面図である。本発明の第２実施形態の電動弁の小流量制御域状態の要部拡大断面図である。本発明の第３実施形態の電動弁の小流量制御域状態の要部拡大断面図である。本発明の参考例の電動弁の小流量制御域状態の要部拡大断面図である。本発明の実施形態の電動弁における弁リフト量と流量の関係を示すグラフである。実施形態の冷凍サイクルシステムを示す図である。

次に、本発明の電動弁及び冷凍サイクルシステムの実施形態について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小流量制御域状態の縦断面図、図２は第１実施形態の電動弁の小流量制御域状態の要部拡大断面図、図３は第１実施形態の電動弁の大流量制御域状態の要部拡大断面図である。なお、以下の説明における「上下」の概念は図１乃至図３の図面における上下に対応する。この電動弁１００は、弁ハウジング１と、ガイド部材２と、主弁体３と、「副弁体」としてのニードル弁４と、駆動部５と、を備えている。

弁ハウジング１は例えば、黄銅、ステンレス等で略円筒形状に形成されており、その内側に主弁室１Ｒを有している。弁ハウジング１の外周片側には主弁室１Ｒに導通される第１継手管１１が接続されるとともに、下端から下方に延びる筒状部に第２継手管１２が接続されている。また、第２継手管１２の主弁室１Ｒ側には円筒状の主弁座１３が形成され、この主弁座１３の内側は主弁ポート１３ａとなっており、第２継手管１２は主弁ポート１３ａを介して主弁室１Ｒに導通される。主弁ポート１３ａは軸線Ｌを中心とする円柱形状の透孔である。なお、第１継手管１１及び第２継手管１２は、弁ハウジング１に対してろう付け等により固着されている。

弁ハウジング１の上端の開口部には、ガイド部材２が取り付けられている。ガイド部材２は、弁ハウジング１の内周面内に圧入される圧入部２１と、圧入部２１の内側に位置する略円柱状のガイド部２２と、ガイド部２２の上部に延設されたホルダ部２３と、ガイド部２２の外周に位置するリング状のフランジ部２４とを有している。圧入部２１、ガイド部２２，ホルダ部２３は樹脂製の一体品として構成されている。また、フランジ部２４は、例えば、黄銅、ステンレス等の金属板であり、このフランジ部２４は、インサート成形により樹脂製の圧入部２１及びホルダ部２２と共に一体に設けられている。

そして、ガイド部材２は、弁ハウジング１に組み付けられ、フランジ部２４を介して弁ハウジング１の上端部に溶接により固定されている。また、ガイド部材２において、ガイド部２２には軸線Ｌと同軸の円筒形状のガイド孔２２ａが形成されるとともに、ホルダ部２３の中心には、ガイド孔２２ａと同軸の雌ねじ部２３ａとそのねじ孔が形成されている。ホルダ部２３のガイド孔２２ａ内に主弁体３が配設されている。

主弁体３は、主弁座１３に対して着座及び離座する主弁部３１と、円柱状のニードルガイド孔３２ａを有する保持部３２と、副弁座３３と、を有している。なお、ニードルガイド孔３２ａの下側一部は副弁室３Ｒとなっている。保持部３２のニードルガイド孔３２ａ内には、後述の弁軸４１に取り付けられたワッシャ４３とガイド用ボス部４４とが挿通されるとともに、この保持部３２の上端にはリング状のリテーナ３２１が嵌合固着または溶接等により固着されている。また、保持部３２の上端外周部は縮径されており、この保持部３２の上端外周部とガイド孔２２ａの上端部との間には、主弁ばね３ａが配設されており、この主弁ばね３ａにより主弁体３は主弁座１３の方向（閉方向）に付勢されている。副弁座３３はニードルガイド孔３２ａの下端部に位置しており、その中心には副弁ポート３３ａが形成されている。この副弁ポート３３ａは、軸線Ｌを中心とする円筒形の形状である。また、保持部３２の側面の少なくとも一箇所には、副弁室３Ｒと主弁室１Ｒとを導通する導通孔３２ｂが形成されており、後述のように副弁体としてのニードル弁４が副弁ポート３３ａを開状態としたとき、主弁室１Ｒ、副弁室３Ｒ、副弁ポート３３ａ及び主弁ポート１３ａが導通する。

ニードル弁４は、後述のロータ軸５１の下端部にこのロータ軸５１と一体に形成されてロータ軸５１側に連なる弁軸４１と、弁軸４１の下端に連なるニードル部４２とを一体に形成して備えている。ニードル部４２は、ストレート部４２ａと円錐台部４２ｂとで構成されている。ストレート部４２ａは、副弁ポート３３ａに整合してこの副弁ポート３３ａ内に挿通可能な径であり、その側面は軸線Ｌ方向で同径となっている。円錐台部４２ｂは先端に向かって徐々に径が小さくなる円錐台状の形状である。また、ニードル弁４は、弁軸４１に配設された円環状のワッシャ４３と、弁軸４１に固着されたガイド用ボス部４４と、を有している。ガイド用ボス部４４は弁軸４１と別体として固着されているが、ガイド用ボス部４４は弁軸４１と一体に形成されたものでもよい。そして、ワッシャ４３とガイド用ボス部４４は、ニードルガイド孔３２ａ内に摺動可能に挿通されている。

弁ハウジング１の上端にはケース１４が溶接等によって気密に固定され、このケース１４の内外に駆動部５が構成されている。駆動部５は、ステッピングモータ５Ａと、ステッピングモータ５Ａの回転によりニードル弁４を進退させるねじ送り機構５Ｂと、ステッピングモータ５Ａの回転を規制するストッパ機構５Ｃと、を備えている。

ステッピングモータ５Ａは、ロータ軸５１と、ケース１４の内部に回転可能に配設されたマグネットロータ５２と、ケース１４の外周においてマグネットロータ５２に対して対向配置されたステータコイル５３と、その他、図示しないヨークや外装部材等により構成されている。ロータ軸５１はブッシュを介してマグネットロータ５２の中心に取り付けられ、このロータ軸５１のガイド部材２側の外周には雄ねじ部５１ａが形成されている。この雄ねじ部５１ａはガイド部材２の雌ねじ部２３ａに螺合されており、これにより、ガイド部材２はロータ軸５１を軸線Ｌ上に支持している。そして、ガイド部材２の雌ねじ部２３ａとロータ軸５１の雄ねじ部５１ａはねじ送り機構５Ｂを構成している。

以上の構成により、ステッピングモータ５Ａの駆動により、マグネットロータ５２及びロータ軸５１が回転し、ロータ軸５１の雄ねじ部５１ａとガイド部材２の雌ねじ部２３ａとのねじ送り機構５Ｂにより、ロータ軸５１が軸線Ｌ方向に移動する。そして、ニードル弁４が軸線Ｌ方向に進退移動してニードル弁４が副弁ポート３３ａに対して近接又は離間する。これにより、副弁ポート３３ａの開度が制御される。また、ニードル弁４（ワッシャ４３）が主弁体３（リテーナ３２１）に係合し、主弁体３はニードル弁４と共に移動して、主弁座１３に対して着座及び離座する。これにより、第１継手管１１から第２継手管１２へ、あるいは第２継手管１２から第１継手管１１へ流れる冷媒の流量が制御される。マグネットロータ５２には突起部５２ａが形成されており、マグネットロータ５２の回転に伴って突起部５２ａが回転ストッパ機構５Ｃを作動させ、ロータ軸５１（及びマグネットロータ５２）の最下端位置及び最上端位置が規制される。図１及び図２はロータ軸５１（及びマグネットロータ５２）が最下端位置にある状態である。

図７はステッピングモータ５Ａにおける駆動パルスのパルス量（＝弁開度）と流量の関係を示すグラフであり、以上の電動弁１００は、以下のように動作する。まず、図２（及び図１）の状態では、主弁体３の主弁部３１が主弁座１３に着座し、主弁ポート１３ａが閉じられた弁閉状態である。一方、副弁ポート３３ａに最も近づいた第一位置にあるニードル弁４は、ストレート部４２ａが副弁ポート３３ａ内に挿通されているが、このニードル弁４は副弁座３３に着座せず、ストレート部４２ａの外周面と副弁ポート３３ａとの隙間を冷媒が僅かに流れる。すなわち、図７に示すように、駆動パルスが基準点（ゼロ点）であっても微少な流量が生じることとなる。

次に、ステッピングモータ５Ａの駆動によりマグネットロータ５２を回転させてニードル弁４を上昇させることで、ニードル弁４のストレート部４２ａが副弁ポート３３ａから抜け出し、ニードル弁４の円錐台部４２ｂと副弁ポート３３ａとの隙間によって流路が形成される。ここで、円錐台部４２ｂは徐々に直径が小さくなることから副弁ポート３３ａとの隙間が大きくなり、流路が拡大されることとなり、図７に示すように、流量が徐々に増加する。この際、主弁体３の主弁部３１が主弁座１３に着座したままであるため、ニードル弁４が主弁体３に係合する第二位置までは、流量の増加は微少である。このようにニードル弁４を第一位置と第二位置との間で移動させて開度を変更する制御域が小流量制御域である。

次に、ニードル弁４を第二位置まで上昇させてワッシャ４３を主弁体３に係合させると、主弁体３はニードル弁４と共に上昇する。そして、さらに上昇させると、図３に示すように、弁軸４１（及びワッシャ４３）によって主弁体３が引き上げられ、主弁部３１が主弁座１３から離間して弁開する。このように主弁体３を着座位置（閉位置）から弁開位置（開位置）に向かって上昇させる制御域が大流量制御域である。

ニードル弁４の弁軸４１には、ガイド用ボス部４４とニードル部４２との間に消泡部材１０が取り付けられている。図２に示す小流量制御域状態では、冷媒（流体）は、導通孔３２ｂから副弁室３Ｒに流入し、ニードル部４２（ストレート部４２ａ）と副弁ポート３３ａとの隙間を通って、第２継手管１２へと流れる。このとき、導通孔３２ｂから副弁室３Ｒに流入する冷媒は、消泡部材１０に衝突して副弁ポート３３ａへと流れる。すなわち、消泡部材１０は、この冷媒の流れに対して流路の側壁の一部を構成している。さらに、消泡部材１０は流路を塞いでおらず、円筒状の消泡部材１０の内側に冷媒を透過させない「壁面」をなす弁軸４１が有るので、冷媒が消泡部材１０を透過することがなく、冷媒中に異物が有った場合でも、消泡部材１０が目詰まりを起こすことが抑制されるので、小流量制御域での流れを確保することができる。そして、冷媒が消泡部材１０に衝突することにより冷媒中の気泡が細分化され、気泡の破裂による振動や騒音を低減することができる。

図４は本発明の第２実施形態の電動弁の小流量制御域状態の要部拡大断面図であり、以下の各実施形態において図１乃至３の第１実施形態と同様な要素には図１と同符号を付記して重複する説明は適宜省略する。この第２実施形態では、副弁ポート３３ａの周囲の副弁室３Ｒ側に円環状の消泡部材２０が設けられている。この消泡部材２０は中心に、副弁ポート３３ａより径の大きな通路２０ａを有している。したがって、小流量制御域状態で導通孔３２ｂから副弁室３Ｒに流入した冷媒は、消泡部材２０の通路２０ａを通して、ニードル部４２（ストレート部４２ａ）と副弁ポート３３ａとの隙間を通って、第２継手管１２へと流れる。このとき、導通孔３２ｂから副弁室３Ｒに流入する冷媒は、消泡部材２０に衝突して通路２０ａから副弁ポート３３ａへと流れる。すなわち、消泡部材２０は、通路２０ａを通る冷媒の流れに対して流路の側壁の一部を構成している。さらに、消泡部材２０は流路を塞いでおらず、円環状の消泡部材２０の副弁座３３側に冷媒を透過させない「壁面」をなす副弁座３３が有るので、冷媒が消泡部材２０を透過することがなく、冷媒中に異物が有った場合でも、消泡部材２０が目詰まりを起こすことが抑制されるので、小流量制御域での流れを確保することができる。そして、冷媒が消泡部材２０に衝突することにより冷媒中の気泡が細分化され、気泡の破裂による振動や騒音を低減することができる。

図５は本発明の第３実施形態の電動弁の小流量制御域状態の要部拡大断面図である。この第３実施形態では、副弁ポート３３ａの周囲で副弁室３Ｒとは反対側に円環状の消泡部材３０が設けられている。この消泡部材３０は中心に、副弁ポート３３ａより径の大きな通路３０ａを有している。したがって、小流量制御域状態で、副弁室３Ｒからニードル部４２と副弁ポート３３ａとの隙間を通って流出する冷媒、すなわち、絞られた冷媒は、消泡部材３０の通路３０ａを通して第２継手管１２へと流れる。このとき、絞られた冷媒は、通路３０ａ内で消泡部材３０に衝突して第２継手管１２へと流れる。すなわち、消泡部材３０は、この冷媒の流れに対して流路の側壁の一部を構成している。このように、冷媒が消泡部材３０に衝突することにより冷媒中の気泡が細分化され、気泡の破裂による振動や騒音を低減することができる。また、消泡部材３０は通路３０が流路を構成しているので、小流量制御域での流れを確保することができる。

図６は本発明の参考例の電動弁の小流量制御域状態の要部拡大断面図である。この参考例では、ガイド部材２の圧入部２１の下部に円環状の消泡部材４０が設けられている。この消泡部材４０の一部が第１継手管１１の出口を臨むように設けられている。そして、小流量制御域状態で、第１継手管１１から導通孔３２ｂへ流入する冷媒の一部が消泡部材４０に衝突する。すなわち、消泡部材４０は、この冷媒の流れに対して流路の側壁の一部を構成し、壁面をなす主弁体３の保持部３３の外周面に向かって、冷媒は透過しない。このように、冷媒が消泡部材４０に衝突することにより冷媒中の気泡が細分化され、気泡の破裂による振動や騒音を低減することができる。

以上の各実施形態及び参考例における消泡部材１０，２０，３０，４０は、冷媒が衝突することによりこの冷媒中の気泡を細分化できる部材であり、例えば、焼結フィルタ、デミスタフィルタ、発泡金属を含む発泡部材、金属メッシュ、又は多数の小さい穴が開いたパンチングメタル等の部材を用いることができる。また、これらの消泡部材１０，２０，３０，４０の固定方法としては、圧入固定、かしめ固定、他の部品による挟持等、各種の手段を適用することができる。

次に、図８に基づいて本発明の冷凍サイクルシステムについて説明する。この冷凍サイクルシステムは、例えば、家庭用エアコン等の空気調和機に用いられる。前記各実施形態の電動弁１００は、「除湿制御弁」として第１室内熱交換器９１（除湿時冷却器として作動）と第２室内熱交換器９２（除湿時加熱器として作動）との間に設けられている。そして、電動弁１００、第１室内熱交換器９１、第２室内熱交換器９２、電子膨張弁９３、室外熱交換器９４、圧縮機９５及び四方弁９６は、ヒ−トポンプ式冷凍サイクルを構成している。第１室内熱交換器９１と第２室内熱交換器９２及び電動弁１００は室内に設置され、電子膨張弁９３、室外熱交換器９４、圧縮機９５及び四方弁９６は室外に設置されていて冷暖房装置を構成している。

除湿弁としての実施形態の電動弁１００は、除湿時以外の冷房時または暖房時には、図３に示すように大流量制御域の状態で全開状態とされて、第１室内熱交換器９１と第２室内熱交換器９２は一つの室内熱交換器とされる。そして、この一体の室内熱交換器と室外熱交換器９４は、「蒸発器」及び「凝縮器」として択一的に機能する。

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、その他の実施形態についても詳述してきたが、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
１Ｒ主弁室
１１第１継手管
１２第２継手管
１３主弁座
１３ａ主弁ポート
Ｌ軸線
２ガイド部材
２１圧入部
２２ガイド部
２２ａガイド孔
２３ホルダ部
２３ａ雌ねじ部
２４フランジ部
３主弁体
３ａ主弁ばね
３１主弁部
３２保持部
３３副弁座
３３ａ副弁ポート
４ニードル弁（副弁体）
４１弁軸
４２ニードル部
４２ａストレート部
４２ｂ円錐台部
４３ワッシャ
４４ガイド用ボス部
５駆動部
５Ａステッピングモータ
５１ロータ軸
５１ａ雄ねじ部
５２マグネットロータ
５２ａ突起部
５３ステータコイル
５Ｂねじ送り機構
５Ｃストッパ機構
１０消泡部材
２０消泡部材
３０消泡部材
４０消泡部材
９１第１室内熱交換器
９２第２室内熱交換器
９３電子膨張弁
９４室外熱交換器
９５圧縮機
９６四方弁
１００電動弁

Claims

主弁室の主弁ポートの開度を変更する主弁体と、前記主弁体に設けられた副弁室の副弁ポートの開度を変更する副弁体と、前記副弁体を軸線方向に進退駆動する駆動部と、を備え、前記主弁体が前記主弁ポートを閉とした状態で、前記副弁体が前記副弁ポートの開度を変更する小流量制御域と、前記主弁体が前記主弁ポートの開度を変更する大流量制御域と、の二段の流量制御域で流体の流量を制御する電動弁であって、
前記小流量制御域において前記副弁室と前記副弁ポートとを流れる流体に対して露出され、該流体の流路の側壁の一部を構成するように設けられた消泡部材、を備えたことを特徴とする電動弁。
前記副弁室内にて、前記流体を透過させない壁面に前記流路を塞がないように前記消泡部材が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
前記消泡部材が、前記副弁体の一部に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の電動弁。
前記消泡部材が、前記副弁ポートの周囲の前記副弁室側に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の電動弁。
前記消泡部材が、前記副弁ポートの周囲の前記副弁室とは反対側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
圧縮機と、室内熱交換器と、室外熱交換器と、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器との間に設けられた電子膨張弁と、前記室内熱交換器に設けられる除湿弁とを含む冷凍サイクルシステムであって、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電動弁が、前記除湿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。