JP2021131121A

JP2021131121A - 電動弁及び冷凍サイクルシステム

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Publication number: JP2021131121A
Application number: JP2020026341A
Authority: JP
Inventors: 大樹中川; Daiki Nakagawa; 亮司小池; Ryoji Koike
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2020-02-19
Filing date: 2020-02-19
Publication date: 2021-09-09
Anticipated expiration: 2040-02-19
Also published as: CN113280122B; JP7361628B2; JP2023174727A; CN113280122A; CN116292917A

Abstract

【課題】主弁体を主弁座に着座状態とし、この主弁体に形成された副弁ポートとニードル弁との間の絞り部により冷媒の小流量制御域での流量制御を行う二段の流量制御域を有する電動弁において、小流量制御域での静音性を向上させる。【解決手段】主弁室１Ｒ内に設けられて主弁室１Ｒに開口する主弁ポート１３ａを開閉する主弁体３を備える。主弁体３に形成された副弁ポート３ａの軸線Ｌ方向に移動して副弁ポート３ａの開度を制御する副弁体４を備える。副弁体４は副弁ポート３ａ対して軸線Ｌ方向に挿通されるニードル弁４２を備える。主弁体３に、主弁室１Ｒから軸線Ｌと交差する方向で副弁ポート３ａとニードル弁４２との間の絞り部まで連通する、流路断面積が一様な絞り流路３ｃを設ける。【選択図】図1

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、例えば特開２０１９−１３２３４７号公報（特許文献１）に開示されている。

特開２０１９−１３２３４７号公報

この種の電動弁は、小流量制御域は例えば除湿運転を行うものであり、この小流量制御域では、主弁座の主弁ポートを主弁体で全閉状態とし、この主弁体に形成された副弁ポートとニードル弁（副弁体）との間の絞り部を冷媒が通過するように構成されている。しかし、前記従来の電動弁では、小流量制御域のとき、流体は弁室（主弁室）から導通孔を介して副弁室に流入し、この副弁室を介して副弁ポートと副弁体との間の絞り部から流体が流出するよう構成されている。このため、主弁室から絞り部まで流れる流体は、導通孔から副弁室に流入する際に、一旦、膨張される。このため、副弁室での冷媒の圧力変動により副弁体が振動するなどして、騒音が生じるという問題がある。

本発明は、主弁体を主弁座に着座状態とし、この主弁体に形成された副弁ポートとニードル弁との間の絞り部により冷媒の小流量制御域での流量制御を行う二段の流量制御域を有する電動弁において、小流量制御域での静音性を向上させることを課題とする。

本発明の電動弁は、弁本体の主弁室内に設けられて、該主弁室に開口する主弁ポートを開閉する主弁体と、前記主弁体に形成された副弁ポートの軸線方向に移動して、該副弁ポートの開度を制御する副弁体とを備え、前記主弁体で前記主弁ポートの開度を制御して流体を流す大流量制御域と、前記主弁体で前記主弁ポートを閉として前記副弁ポートと前記副弁体との間の絞り部で流体を絞る小流量制御域とを有する二段式の電動弁において、前記副弁体は前記副弁ポートに対して前記軸線方向に挿通されるニードル弁を有し、前記主弁体に、前記主弁室から前記軸線と交差する方向で前記副弁ポートと前記ニードル弁との間の前記絞り部まで流路断面積が一様な絞り流路が設けられていることを特徴とする。

この際、前記主弁体に前記副弁ポートと同軸で該副弁ポートに対向するニードルガイド孔が形成され、前記副弁体の前記ニードル弁が前記軸線方向にストレート部を有し、該ストレート部が前記ニードルガイド孔にて前記軸線上にガイドされるよう構成されていることを特徴とする電動弁が好ましい。

また、前記ニードルガイド孔は前記絞り流路と前記軸線に沿って交差することを特徴とする電動弁が好ましい。

また、前記絞り流路が前記軸線周りに複数形成されるとともに、該複数の絞り流路が前記軸線周りに回転対称な位置に形成されていることを特徴とする電動弁が好ましい。

また、前記複数の絞り流路の流路断面積の総和は、前記副弁ポートの流路断面積より大きく設定されていることを特徴とする電動弁が好ましい。

また、前記主弁体の下部内側には前記副弁ポートの下側開口と連通し、該副弁ポートの内径より大きい内径を有する円柱状の膨張孔が形成され、前記主弁体の前記絞り流路の前記主弁室側の開口部、および／または、前記膨張孔の開口部に消音部材が配設されていることを特徴とする電動弁が好ましい。

本発明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、前記電動弁が、前記除湿弁として用いられていることを特徴とする。

本発明の電動弁及び冷凍サイクルシステムによれば、副弁体と副弁ポートとの間の絞り部（隙間）による小流量制御の状態において、主弁室から絞り部に至る流体は、流路断面積が一様な絞り流路を通過するだけであり、冷媒の圧力変動が抑えられ冷媒の状態が安定し、ニードル弁ガイド孔によりニードル弁が副弁ポートの直近までガイドされることにより、副弁体の振動等を抑制でき、さらに、主弁体の絞り流路の弁室側の開口部および／または膨張孔の開口部に消音部材を設けることで、静音性が向上する。

本発明の実施形態の電動弁の小流量制御域状態の縦断面図である。実施形態の電動弁の図１の小流量制御域状態から副弁体が僅かに上昇した状態の要部拡大縦断面図である。実施形態の電動弁における主弁体の変形例を示す拡大図である。本発明の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は実施形態の電動弁の図１の小流量制御域状態から副弁体が僅かに上昇した状態の要部拡大縦断面図である。なお、以下の説明における「上下」の概念は図１及び図２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、弁ハウジング１の第２継手管１２の主弁室１Ｒ側には主弁座１３が形成され、この主弁座１３の内側は主弁ポート１３ａとなっている。主弁ポート１３ａは軸線Ｌを中心とする円柱形状の透孔（貫通した孔）であり、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。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より小径で圧入部２１の上下に位置する略円柱状のガイド部２２，２３と、上側のガイド部２２の上部に延設されたホルダ部２４と、圧入部２１の外周に設けられたリング状のフランジ部２５とを有している。圧入部２１、ガイド部２２，２３、ホルダ部２４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２５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２５は、インサート成形により樹脂製の圧入部２１と共に一体に設けられている。

ガイド部材２は、圧入部２１により弁ハウジング１に組み付けられ、フランジ部２５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、圧入部２１及び上下のガイド部２２，２３の内側には軸線Ｌと同軸の円筒形状のガイド孔２Ａが形成されるとともに、ホルダ部２４の中心には、ガイド孔２Ａと同軸の雌ねじ部２４ａとそのねじ孔が形成されている。そして、下側のガイド部２３の内側でガイド孔２Ａ内には主弁体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、副弁体４を保持する保持部３２とで構成されている。主弁部３１の内側には円柱状の膨張孔３Ａが形成されるとともに、保持部３２の内側には円柱状の副弁ガイド孔３Ｂが形成されている。そして、主弁部３１と保持部３２との間には、軸線Ｌを中心として膨張孔３Ａ側に開口する円柱状の副弁ポート３ａが形成されるとともに、副弁ガイド孔３Ｂ側で軸線Ｌと同軸の円柱状のニードルガイド孔３ｂが形成されている。

また、主弁体３の主弁部３１と保持部３２との連結部において、主弁室１Ｒから軸線Ｌと交差する方向で副弁ポート３ａと後述のニードル弁４２との間の絞り部Ｃ（図２）まで連通する絞り流路３ｃが形成されている。この絞り流路３ｃは、主弁室１Ｒ側から副弁ポート３ａ側にかけて、流路断面積が一様となるような円柱形状をしている。この実施形態では、絞り流路３ｃは、軸線Ｌ周りに回転対象な位置に放射状に複数本（例えば４本）形成されている。そして、４本の絞り流路３ａの合計の流路断面積は、副弁ポート３ａの流路断面積より大きく設定されている。なお、「流路断面積」とは流体が流れる方向と直行する面での断面積である。なお、ここでは絞り流路３ｃを４本としたものを例示したが、絞り流路３ｃの流路断面積の総和が、副弁ポート３ａの流路面積より大きく設定してあれば、２本以上の複数本としても良い。

主弁体３は、保持部３２の上端部にリテーナ３４を有するとともに、リテーナ３４とガイド部材２のガイド孔２Ａの上端部との間に主弁ばね３５を有しており、この主弁ばね３５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。

副弁体４は、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おり、この副弁体４はガイド用ボス部４１とニードル弁４２とで構成されている。また、図２に示すように、副弁体４のニードル弁４２は、副弁ポート３ａ対して軸線Ｌ方向に挿通されるものであり、このニードル弁４２は軸線Ｌを中心線とする円柱からなるストレート部４２ａと、先端側にかけて縮径されたニードル４２ｂとから構成されている。また、ストレート部４２ａの外径は、副弁ポート３ａの内径より僅かに小さくなっており、ストレート部４２ａと副弁ポート３ａとの間、またはニードル４２ｂと副弁ポート３ａとの間には絞り部Ｃ（一点鎖線の円で囲った部分）が形成される。そして、この絞り部Ｃを小流量の冷媒が流れることにより小流量制御が行われる。なお、ガイド用ボス部４１の上端には、潤滑性樹脂からなる円環状のワッシャ４３が配設され、ワッシャ４３とガイド用ボス部４１は、副弁ガイド孔３Ｂ内に摺動可能に挿通されている。

さらに、ニードル弁４２のストレート部４２ａは、副弁ポート３ａの直上付近で絞り流路３ｃと軸線Ｌに沿って交差するニードルガイド孔３ｂの内周に摺動ガイドされている。

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の回転により副弁体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２４ａ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２４ａ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。なお、ケース１４の内側天井部には回転ストッパ機構５Ｃを保持する円筒部１４ａが設けられ、この円筒部１４ａ内には、ロータ軸５１の上端をガイドするガイド部材５２が配設されている。

以上の構成により、ステッピングモータ５Ａが駆動されるとマグネットロータ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２４ａとのねじ送り機構５Ｂにより、マグネットロータ５２と共にロータ軸５１が軸線Ｌ方向に移動する。そして、副弁体４が軸線Ｌ方向に進退移動してニードル弁４２が副弁ポート３ａに対して近接又は離間する。また、ニードル弁４２が上昇するとき、ワッシャ４３が主弁体３のリテーナ３４に係合し、主弁体３は副弁体４と共に移動して、主弁座１３から離座する。なお、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の小流量制御域状態では、主弁体３は主弁座１３に着座した状態で主弁ポート１３ａが弁閉となり、副弁体４のニードル弁４２により副弁ポート３ａの開度が制御され、小流量の制御が行われる。このとき、主弁室１Ｒ内の冷媒は絞り流路３ｃを通って絞り部Ｃに流れるが、この冷媒は絞り流路３ｃの一様な流路断面積により安定した圧力で絞り部Ｃに流れる。そして、この冷媒は絞り部Ｃから膨張孔３Ａに流出するときに膨張される。すなわち、主弁室１Ｒから絞り部Ｃを通過するまで冷媒の流れが安定するので、当該電動弁における振動等を防止することができる。

また、複数の絞り流路３ｃは軸線Ｌ周りに回転対称な位置に設けられていることから、絞り流路３ｃを通過する冷媒によりニードル弁４２に対して軸線Ｌと交差する方向に大きく偏った力が加わることが抑制され、さらに、ニードル弁４２のストレート部４２ａは、副弁ポート３ａの直上付近でニードルガイド孔３ｂにガイドされていることから、冷媒の流れによる副弁体４の振動がより抑制される。

なお、ニードル弁４２のニードル４２ａは副弁ポート３ａに対して進退するが、このニードル４２ａの外周と副弁ポート３ａとの間の隙間である絞り部Ｃの流路断面積も複数設けた絞り流路３ｃの合計の流路断面積より、常時小さくなっている。これにより、絞り流路３ｃに影響されず、副弁体４による低流量制御が精度良く行われる。

図３は実施形態の電動弁の変形例を示す小流量制御域状態の要部拡大縦断面図であり、以下のこの変形例においてその特徴部分以外の電動弁の全体構成は図１及び図２と同様である。この変形例では、主弁体３′において、主弁部３１と保持部３２とを別部品で構成し、主弁部３１の膨張孔３Ａの開口部に消音部材３６を配設し、保持部３２と主弁部３１との連結部分において、絞り流路３ｃの主弁室１Ｒ側の開口部分に消音部材３７を配設したものである。これら消音部材３６，３７により冷媒の通過音が吸収され、さらに静音効果が高まる。なお、消音部材３６，３７はいずれか一方だけでもよい。

図４は本発明の実施形態の冷凍サイクルシステムを示す図であり、同図に基づいて実施形態の冷凍サイクルシステムについて説明する。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。前記実施形態の電動弁１００は、空気調和機の第１室内側熱交換器９１（除湿時冷却器として作動）と第２室内側熱交換器９２（除湿時加熱器として作動）との間に設けられており、圧縮機９５、四方弁９６、室外側熱交換器９４および電子膨張弁９３とともに、ヒ−トポンプ式冷凍サイクルを構成している。第１室内側熱交換器９１と第２室内側熱交換器９２及び電動弁１００は室内に設置され、圧縮機９５、四方弁９６、室外側熱交換器９４および電子膨張弁９３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主弁体が全開状態とされて、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。すなわち、電子膨張弁としての電動弁９３は、蒸発器と凝縮器の間に設けられている。

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、家庭用エアコン等の空気調和機に用いられる電動弁１００を例示したが、本発明の電動弁は、家庭用エアコンに限らず、業務用エアコンであってもよいし、空気調和機に限らず、各種の冷凍機等にも適用可能である。

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
Ｃ絞り部
２ガイド部材
２Ａガイド孔
２４ホルダ部
２４ａ雌ねじ部
３主弁体
３１主弁部
３２保持部
３ａ副弁ポート
３ｂニードルガイド孔
３ｃ絞り流路
４副弁体
４１ガイド用ボス部
４２ニードル弁
４２ａストレート部
４２ｂニードル
５駆動部
５Ａステッピングモータ
５Ｂねじ送り機構
５Ｃストッパ機構
５１ロータ軸
５１ａ雄ねじ部
５２マグネットロータ
５３ステータコイル
９１第１室内側熱交換器
９２第２室内側熱交換器
９３電子膨張弁
９４室外側熱交換器
９５圧縮機
９６四方弁
１００電動弁

Claims

弁本体の主弁室内に設けられて、該主弁室に開口する主弁ポートを開閉する主弁体と、前記主弁体に形成された副弁ポートの軸線方向に移動して、該副弁ポートの開度を制御する副弁体とを備え、前記主弁体で前記主弁ポートの開度を制御して流体を流す大流量制御域と、前記主弁体で前記主弁ポートを閉として前記副弁ポートと前記副弁体との間の絞り部で流体を絞る小流量制御域とを有する二段式の電動弁において、
前記副弁体は前記副弁ポートに対して前記軸線方向に挿通されるニードル弁を有し、前記主弁体に、前記主弁室から前記軸線と交差する方向で前記副弁ポートと前記ニードル弁との間の前記絞り部まで流路断面積が一様な絞り流路が設けられていることを特徴とする電動弁。
前記主弁体に前記副弁ポートと同軸で該副弁ポートに対向するニードルガイド孔が形成され、前記副弁体の前記ニードル弁が前記軸線方向にストレート部を有し、該ストレート部が前記ニードルガイド孔にて前記軸線上にガイドされるよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
前記ニードルガイド孔は前記絞り流路と前記軸線に沿って交差することを特徴とする請求項２に記載の電動弁。
前記絞り流路が前記軸線周りに複数形成されるとともに、該複数の絞り流路が前記軸線周りに回転対称な位置に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電動弁。
前記複数の絞り流路の流路断面積の総和は、前記副弁ポートの流路断面積より大きく設定されていることを特徴とする請求項４に記載の電動弁。
前記主弁体の下部内側には前記副弁ポートの下側開口と連通し、該副弁ポートの内径より大きい内径を有する円柱状の膨張孔が形成され、前記主弁体の前記絞り流路の前記主弁室側の開口部、および／または、前記膨張孔の開口部に消音部材が配設されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電動弁。
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６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。