JP2021081173A - 膨張弁および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒中に含まれる気泡の破裂音を低減させ、膨張弁から生じる異音を抑える。【解決手段】冷媒の流入路２１に連通すると共に冷媒の流出路２２にのど部２０を介して連通する弁室１３を有する弁本体１２と、弁室内に配され、弁座１４に着座した閉弁状態と弁座から離間した開弁状態との間で弁座に対して進退動して冷媒の流量を変更する弁体１５と、弁体を支持する弁体支持部１６と、弁体支持部を介して弁体を弁座に向けて付勢する付勢部材１７と、弁体に接触して付勢部材による付勢力に抗し弁体を開弁方向へ移動させる作動棒１９と、作動棒を駆動する駆動部とを備え、作動棒の先端部１９ａが、のど部を通って弁体に接触している膨張弁で、作動棒先端部の外周面、及び、のど部の内壁面のいずれか一方又は双方に複数の凹凸（例えば半球状に凹んだ窪み）３１を設ける。【選択図】図２

Description

本発明は、膨張弁および冷凍サイクル装置に係り、特にエアコンなどの冷凍サイクルに備えられる膨張弁の冷媒通過音を抑制し、異音が発生することを防ぐ技術に関する。

カーエアコンのような冷凍サイクル装置では、エバポレータ（蒸発器）の能力を十分に引き出すために膨張弁が備えられる。この膨張弁は、エバポレータの出口側配管の冷媒温度に感応してエバポレータに供給される冷媒の流れを絞り、最適流量に制御する。

一方、かかる膨張弁では、弁内を流れる冷媒によって異音が発生することがあり、このような異音を低減させる様々な提案が従来からなされている。

例えば、下記特許文献１に記載の発明は、弁体支持部や作動棒を押さえる制振用のばね部材を備えることで弁振動を抑制し、異音の発生を防ぐ。特にこの文献記載の発明では、弁の開度が小さいときに弁振動が生じやすいことに着目し、弁開度が小さいときほど弁体支持部や作動棒を押さえる力が強くなる構造を採用することで弁開度に対応した効果的な制振を可能とする。

特開２０１９−１１８８５号公報

ところで、膨張弁から生じる異音は、弁体や弁体支持部、作動棒などが振動する振動音だけでなく、冷媒中に含まれる気泡が弁内で破裂することも異音発生の原因となる。冷媒中の気泡が流路内の壁面や弁の加工時に生じたバリなどに衝突して破裂し、音を発生させるのである。

ところが、上記特許文献１に記載の発明は、弁体や弁体支持部、作動棒の自励振動を抑えるものであり、このような気泡の破裂音に対処できるものではない。

したがって、本発明の目的は、膨張弁から生じる異音を低減することにあり、特に冷媒中に含まれる気泡の破裂音を抑制する点にある。

前記課題を解決し目的を達成するため、本願の第１の発明に係る膨張弁は、冷媒を導入する流入路に連通するとともに冷媒を排出する流出路にのど部を介して連通する弁室を有する弁本体と、弁室の内部に配置され、弁座に着座した閉弁状態と弁座から離間した開弁状態との間で弁座に対して進退動することにより冷媒の流量を変更する弁体と、弁体を支持する弁体支持部と、弁体支持部を介して弁体を弁座に向けて付勢する付勢部材と、弁体に接触して付勢部材による付勢力に抗し弁体を開弁方向へ移動させる作動棒と、作動棒を駆動する駆動部とを備え、作動棒の先端部が、のど部を通って弁体に接触している膨張弁である。

また当該膨張弁では、作動棒の先端部の外周面、および、のど部の内壁面のうちのいずれか一方または双方に複数の凹凸を設ける。

膨張弁から発生する異音の一つである気泡の破裂音は、前述したように流路内の壁面や弁の加工時に生じたバリなどに気泡が衝突することにより生じるが、この破裂音は気泡が大きいほど大きくなる。また冷媒中の気泡は、特に、弁室と排出路とを接続する細い流路となったのど部を抜けた排水路の始端部分（最上流部分）、すなわち、のど部を抜けて排出路内に浸入した冷媒が突き当たる壁面部分（後述の図２の符号Ａ参照）で破裂が生じやすい。

そこで本願の第１の発明では、上記壁面部分の直近上流部であるのど部に複数（多数）の凹凸を設け、のど部を流れる冷媒にこれらの凹凸によって多くの小さな渦を発生させ、これらの渦によって冷媒がのど部を通過する間に気泡を細かく粉砕し細分化する。細かくなった気泡は、流出路の壁面に衝突し破裂しても大きな気泡に比べれば生じる音は小さくなり、これにより気泡の破裂に起因する異音を低減することが出来る。

また、本願の第２の発明に係る膨張弁は、冷媒を導入する流入路と当該冷媒を排出する流出路とに連通する弁室を有する弁本体と、弁室の内部に配置され、弁座に着座した閉弁状態と弁座から離間した開弁状態との間で弁座に対して進退動することにより冷媒の流量を変更する弁体と、弁体を支持する弁体支持部と、弁体支持部を介して弁体を弁座に向けて付勢する付勢部材と、弁体に接触して付勢部材による付勢力に抗し弁体を開弁方向へ移動させる作動棒と、作動棒を駆動する駆動部とを備えた膨張弁であって、弁体の表面に複数の凹凸を設けた。

本願の第２の発明に係る膨張弁は、前記第１の発明で述べたのと同様の凹凸を弁体の表面に設けたもので、このような構成によっても第１の発明と同様の効果を得ることが出来る。すなわち、冷媒に含まれる気泡は、弁体表面に形成した凹凸により生じる渦によって細かく粉砕され、流出路の壁面に衝突して破裂しても大きな音を発生することがなくなる。

なお、本発明では、前記第１の発明と第２の発明を併用すること、つまり、作動棒先端部の外周面およびのど部の内壁面のうちのいずれか一方または双方と、弁体の表面とに複数の凹凸を設けて気泡の破裂音を一層低減することも可能である。

また前記第１および第２の発明において凹凸は、例えば、窪みとすれば良い。さらに当該窪みは、半球状に凹んだ形状、言い換えれば、椀状に窪んだ形状とすることが好ましい。気泡を粉砕する上記渦を生じやすくするためである。

また、本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された冷媒を冷却して液化する凝縮器と、凝縮器で液化された冷媒を減圧膨張させる膨張弁と、膨張弁で減圧膨張された冷媒を蒸発気化する蒸発器とを備えた冷凍サイクル装置であり、膨張弁として上述した本発明に係るいずれかの膨張弁を使用する。

本発明によれば、冷媒中に含まれる気泡の破裂音を低減させ、膨張弁から生じる異音を抑制することが出来る。

本発明の他の目的、特徴および利点は、図面に基づいて述べる以下の本発明の実施の形態の説明により明らかにする。なお、各図中、同一の符号は、同一又は相当部分を示す。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る膨張弁を示す縦断面図である。 図２は、前記第１実施形態に係る膨張弁の要部（弁室、のど部および流出路を含む弁下部）を拡大して示す縦断面図である。 図３は、前記第１実施形態に係る膨張弁ののど部を垂直に切り欠いて内部に配置される作動棒の先端部を示す斜視図である。 図４は、図３の水平断面図（Ｂ−Ｂ矢視断面）である。 図５は、前記第１実施形態の別の構成例に係る膨張弁ののど部を垂直に切り欠いて当該のど部の内壁面を示す斜視図である。 図６は、図５の水平断面図（Ｃ−Ｃ矢視断面）である。 図７は、本発明の第２の実施形態に係る膨張弁の要部（弁室、のど部および流出路を含む弁下部）を図２と同様に拡大して示す縦断面図である。 図８は、前記第２実施形態に係る膨張弁の弁体および弁体支持部を示す斜視図である。 図９は、本発明の第３の実施形態に係る冷凍サイクル装置を示す概念図である。

〔第１実施形態〕
図１から図４を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。なお、各図には前後左右の各方向を表す二次元直交座標、または上下前後左右の各方向を表す三次元直交座標をそれぞれ示し、これらの方向に基いて説明を行う。

図１から図４に示すように、本発明の第１の実施形態に係る膨張弁１１は、弁室１３を内部に備えた弁本体１２と、弁室１３の上部に形成された弁座１４と、弁座１４に対向し且つ弁座１４に対して進退動（上下動）可能に設置された弁体１５と、弁体１５を下方から支持する弁体支持部１６と、弁本体１２の下面部に装着されることにより弁室１３を封止するプラグ１８と、プラグ１８と弁体支持部１６との間に配置されて弁体支持部１６を介し弁体１５を弁座１４に向け上方へ付勢するコイルばね（付勢部材）１７と、弁体１５をコイルばね１７の付勢力に抗して弁座１４から後退させる（下方へ移動させる）作動棒１９と、弁本体１２の上面部に備えられて作動棒１９を上下動させるダイアフラム装置（駆動部）２４とを有する。

また弁本体１２は、弁室１３に冷媒を導入する流入路２１と、弁室１３から外部へ冷媒を排出する流出路２２と、弁本体１２の上部を左右に貫通するように冷媒を流通させる戻り流路２３をさらに備えている。なお、戻り流路２３と上記ダイアフラム装置２４の詳細については、本実施形態の膨張弁１１を使用する後述の第２実施形態において説明する。また、弁本体１２は、弁室１３（弁座１４）と流出路２２を接続するとともに作動棒１９の先端部１９ａが挿通されるのど部２０を有する。

流入路２１と流出路２２とは、弁室１３およびのど部２０を介して互いに連通するが、コイルばね１７の上方への付勢力によって弁体１５が弁座１４に当接し着座した閉弁状態（図１および図２に示す状態）では流入路２１と流出路２２とは連通せずに遮断状態となる。一方、作動棒１９の下方への押圧力により弁体１５が下方へ移動し弁座１４から離れると、流入路２１と流出路２２とが連通する。これにより、流入路２１を通って弁室１３の内部に流入した冷媒は、のど部２０を通って流出路２２内に流れ込み、流出路２２を通って膨張弁１１の外へ排出される。そして、弁体１５と弁座１４との距離が変更されることにより冷媒の流量が調整される。

弁１１の開閉を行う作動棒１９は、弁本体１２の内部において上下方向に延び、上端をダイアフラム装置２４に接続し、下端を弁体１５に接触させてある。また、作動棒１９の先端部１９ａの周面には、全周に亘って複数（多数）のディンプル（窪み）３１を設ける。これらのディンプルは、本発明に言う凹凸に相当するものである。

ディンプル３１は、半球状（椀状）に凹んだ形状を有し（図４参照）、のど部２０を通過する冷媒の一部がこれらのディンプル３１に入り込むことにより小さな渦となり、のど部２０を流れる冷媒は乱流状態となって冷媒中に含まれる気泡が壊される。したがって、冷媒中に含まれる大きな気泡は、のど部２０を通り過ぎるうちに細かな泡となり、流出路２２の壁面に衝突して壊れても大きな破裂音を発生することがなくなる。

またディンプル３１は、図５および図６に示すように、のど部の内壁面２０ａ（内周面全体）に設けても良いし、のど部内壁面２０ａと作動棒先端部１９ａの周面の両方に設けても良い。なお、このようなディンプル３１は、例えばディンプル成形ツールを用いたディンプル加工により形成することが出来るが、レーザ加工やミーリング加工、圧印加工等の他の方法により形成することも可能である。

〔第２実施形態〕
図７および図８を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。なお、前記第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付して重複した説明を省略し、相違点を中心に説明を行う。

図７および図８に示すように本発明の第２の実施形態に係る膨張弁は、複数（多数）のディンプル（窪み）３１を弁体１５の表面に設けたもので、各ディンプル３１は前記第１実施形態と同様に半球状（椀状）に凹んだ形状を有する。

本実施形態の膨張弁では、弁体１５と弁座１４の間を通過する冷媒の一部がディンプル３１に入り込むことにより小さな渦となり、のど部２０に浸入する冷媒が乱流状態となって冷媒中に含まれる気泡が壊される。したがって、冷媒中に含まれる大きな気泡は、弁体１５と弁座１４の間を通り過ぎるうちに細かな泡となり、流出路２２の壁面に衝突して壊れても大きな破裂音を発生することがなくなる。

なお、冷媒中に含まれる気泡をより確実に細分化するために、本実施形態と前記第１実施形態を併用すること、すなわち、弁体表面に加えて、作動棒先端部１９ａの周面およびのど部２０の内壁面のいずれか一方または双方にディンプル３１を設けても良い。

〔第３実施形態〕
本発明の第３の実施形態として前記第１実施形態の膨張弁１１を用いた冷凍サイクル装置について説明する。

図７に示すようにこの冷凍サイクル装置４１は、冷媒を圧縮するコンプレッサ（圧縮機）４２と、コンプレッサ４２で圧縮された冷媒を冷却して液化するコンデンサ（凝縮器）４３と、コンデンサ４３で液化された冷媒を減圧膨張させる膨張弁１１と、膨張弁１１で減圧膨張された冷媒を蒸発気化するエバポレータ（蒸発器）４４とを備え、膨張弁として前記第１実施形態に係る膨張弁１１を使用する。

かかる冷凍サイクル装置４１では、コンプレッサ４２で加圧された冷媒は、コンデンサ４３で液化されて膨張弁１１に送られる。また、膨張弁１１で断熱膨張された冷媒はエバポレータ４４に送り出され、エバポレータ４４で、エバポレータ４４の周囲を流れる空気と熱交換される。エバポレータ４４から戻る冷媒は、膨張弁１１の戻り流路２３を通ってコンプレッサ４２へ戻される。

膨張弁１１には、コンデンサ４３から高圧の冷媒が供給される。より具体的には、コンデンサ４３から送られた高圧冷媒は、流入路２１を通って弁室１３に流れ込む。コイルばね１７によって弁体１５が弁座１４に押し付けられて着座した閉弁状態にあれば、弁室１３と流出路２２とが連通していないから、弁室１３内の冷媒は膨張弁１１から排出されない。

一方、コイルばね１７の付勢力に抗して作動棒１９が下方へ移動し、弁体１５を弁座１４から後退させると、弁室１３と流出路２２とが連通状態（開弁状態）となり、弁室１３内の冷媒が流出路２２から排出されてエバポレータ４４へ送り出される。かかる作動棒１９の動作は、弁本体１２の上面部に備えられたダイアフラム装置２４により行われる。

ダイアフラム装置２４は、上蓋部材２５と、中央部に開口を有する受け部材２６と、上蓋部材２５と受け部材２６との間に配置されたダイアフラム（図示せず）とを備える。そして、上蓋部材２５とダイアフラムとによって囲まれる第１空間には、作動ガスを充填してある。また、ダイアフラムには作動棒１９の上端が接続されており、第１空間内の作動ガスが液化されると、作動棒１９はダイアフラムによって上方へ引き上げられ、液化された作動ガスが気化されると、作動棒１９はダイアフラムによって下方へ押し下げられる。このようにして、膨張弁１１の開弁状態と閉弁状態との間の切り換えが行われる。

また、ダイアフラムと受け部材２６との間の第２空間は、前記受け部材中央の開口を通じて戻り流路２３と連通している。このため、戻り流路２３を流れる冷媒の温度と圧力に応じて、第１空間内の作動ガスの相（気相か液相か）が変化し、この変化に応じて作動棒１９が駆動される。このようにして膨張弁１１では、エバポレータ４４から膨張弁１１に戻る冷媒の温度と圧力に応じて、膨張弁１１からエバポレータ４４に向けて供給される冷媒の量が自動的に調整される。

また、本実施形態の冷凍サイクル装置４１では、前記第１実施形態の膨張弁１１を使用しているため、冷媒中に含まれる気泡が破裂することにより生じる異音を低減することが出来る。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更を行うことができることは当業者に明らかである。

例えば、前記実施形態では作動棒先端部１９ａにディンプル（凹部）３１を設けたが、本発明に言う凹凸として凸部（突起）を備えても良く、凹部と凸部の双方を備えるようにしても構わない。また、前記実施形態では弁体１５と弁体支持部１６を別部材として構成したが、これらは一体に成形された１つの部材であっても良い。さらに、前記第３実施形態に係る冷凍サイクル装置では、第１実施形態の膨張弁１１を使用したが、当該膨張弁１１以外にも第２実施形態に係る膨張弁や本発明に基いて構成可能な他の膨張弁を用いることも可能である。

また、本発明はカーエアコンに好ましく適用して車両室内の静粛性の向上に寄与することが出来るものであるが、用途や適用対象はカーエアコンに限られず、ルームエアコンや冷凍機など他の様々な冷凍サイクル装置に適用することが可能である。

１１ 膨張弁
１２ 弁本体
１３ 弁室
１４ 弁座
１５ 弁体
１６ 弁体支持部
１７ コイルばね（付勢部材）
１８ プラグ
１９ 作動棒
１９ａ 作動棒の先端部
２０ のど部
２０ａ のど部の内周面（内壁面）
２１ 流入路
２２ 流出路
２３ 戻り流路
２４ ダイアフラム装置
２５ 上蓋部材
２６ 受け部材
３１ ディンプル
４１ 冷凍サイクル装置
４２ コンプレッサ（圧縮機）
４３ コンデンサ（凝縮器）
４４ エバポレータ（蒸発器）

Claims (5)

1. 冷媒を導入する流入路に連通するとともに当該冷媒を排出する流出路にのど部を介して連通する弁室を有する弁本体と、
   前記弁室の内部に配置され、弁座に着座した閉弁状態と前記弁座から離間した開弁状態との間で前記弁座に対して進退動することにより前記冷媒の流量を変更する弁体と、
   前記弁体を支持する弁体支持部と、
   前記弁体支持部を介して前記弁体を前記弁座に向けて付勢する付勢部材と、
   前記弁体に接触して前記付勢部材による付勢力に抗し前記弁体を開弁方向へ移動させる作動棒と、
   前記作動棒を駆動する駆動部と
   を備え、
   前記作動棒の先端部が、前記のど部を通って前記弁体に接触している
   膨張弁であって、
   前記作動棒の先端部の外周面、および、前記のど部の内壁面のうちのいずれか一方または双方に複数の凹凸を設けた
   ことを特徴とする膨張弁。
2. 冷媒を導入する流入路と当該冷媒を排出する流出路とに連通する弁室を有する弁本体と、
   前記弁室の内部に配置され、弁座に着座した閉弁状態と前記弁座から離間した開弁状態との間で前記弁座に対して進退動することにより前記冷媒の流量を変更する弁体と、
   前記弁体を支持する弁体支持部と、
   前記弁体支持部を介して前記弁体を前記弁座に向けて付勢する付勢部材と、
   前記弁体に接触して前記付勢部材による付勢力に抗し前記弁体を開弁方向へ移動させる作動棒と、
   前記作動棒を駆動する駆動部と
   を備えた膨張弁であって、
   前記弁体の表面に複数の凹凸を設けた
   ことを特徴とする膨張弁。
3. 前記凹凸は、窪みである
   請求項１または２に記載の膨張弁。
4. 前記窪みは、半球状に凹んだ形状を有する
   請求項３に記載の膨張弁。
5. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を冷却して液化する凝縮器と、
   前記凝縮器で液化された前記冷媒を減圧膨張させる膨張弁と、
   前記膨張弁で減圧膨張された前記冷媒を蒸発気化する蒸発器と
   を備えた冷凍サイクル装置であって、
   前記膨張弁が、前記請求項１から４のいずれか一項に記載の膨張弁であることを特徴とする冷凍サイクル装置。

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