JP4336279B2 - 弁装置および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

この発明は、弁装置および冷凍サイクル装置に関し、特に、液相と気相が混在した気液２相冷媒が流れる冷凍サイクル装置の冷媒回路で用いられる弁装置および空気調和装置や冷凍・冷蔵庫等の冷凍サイクル装置に関するものである。

冷凍サイクル装置の電動膨張弁等として用いられる弁装置として、弁ハウジングに弁室と前記弁室に開口した入口ポートおよび出口ポートとを有し、前記出口ポートが弁ポート形状をなし、前記弁室内に弁体が配置され、ステッピングモータ駆動の送りねじ機構によって前記弁体を軸線方向に移動させ、当該弁体の軸線方向移動によって前記出口ポートの実効開口面積を増減し、冷媒の通過量を調節する電動式の弁装置がある（例えば、特許文献１）。

冷凍サイクル装置の凝縮器から膨張弁へ送られる冷媒は、完全な液冷媒でなく、液相と気相が混在した２相冷媒であり、膨張弁を気液２相冷媒が流れる。このような場合、液相と気相が弁ポートを不規則に通過することになり、このことによって弁室内の圧力変動が発生しやすく、冷媒通過時の騒音（冷媒流動音）の発生の原因となる。

また、弁ポートの軸方向に対して直角方向からの弁ポートに冷媒が導入することから、弁ポートに流れ込む向きによって冷媒の状態が不均一になる。このことも弁室内の圧力変動の原因の一つとなっており、冷媒流動音の増大を招く。

この種の冷媒流動音の低減策として、弁座面に形成した接線方向溝や傾斜貫通孔等によって弁ポートを通過する冷媒の流れを旋回流とすることにより、整流効果を得て圧力変動を緩和することが提案されている（例えば、特許文献２、３）。

また、弁室手前の円筒通路に対して接線方向に開口した入口通路より冷媒を円筒通路内に導入することによって円筒通路内で旋回流を作り、遠心分離効果によって液冷媒とガス冷媒とを分離し、弁室には専ら液冷媒が入るようにして冷媒流動音の低減を図った膨張弁がある（例えば、特許文献４）。

しかし、上述したような従来のものは、低流量域でしか有効な旋回流を得ることができない、必要部品点数が増え、構造が複雑になる、弁装置側のポート位置の制約から配管に細工を施さなくてはならない等の不具合、問題がある。
特許第２６１５０２１号公報 特開平１０−６１８０５号公報 特開２００４−１０８７６４号公報 特開２００４−１３８３１８号公報

この発明が解決しようとする課題は、必要部品点数の増加を招くことなく全流量域において有効な旋回流を得ることができ、しかも、弁装置側のポート位置に制約を与えることなく、弁装置における冷媒流動音を低減することである。

この発明による弁装置は、弁ハウジングに円筒状空間をなす弁室と前記弁室の側周部に開口した入口ポートおよび前記弁室の底部中央に開口した出口ポートとを有し、前記出口ポートが弁ポート形状をなし、前記弁室内に弁体が配置され、当該弁体は弁軸部を有し、前記弁軸部が前記弁ハウジングに取り付けられた弁軸ガイド部材の筒状部に軸線方向に移動可能に嵌合していることにより、前記弁体が前記弁軸ガイド部材より軸線方向に移動可能に支持され、当該弁体の軸線方向移動によって前記出口ポートの実効開口面積を増減し、冷媒の通過量を調節する弁装置において、前記弁軸ガイド部材に、前記入口ポートより前記弁室に流入する前記冷媒に旋回流速度成分を付与する旋回偏向案内形状部が形成され、前記旋回偏向案内形状部は、前記入口ポートに対向する箇所に位置する偏向部と、前記弁軸ガイド部材の前記筒状部と前記弁ハウジングの側周壁部との間の環状空間部にあって前記弁室を底部側領域と当該底部側領域より上位の上部側領域とに区分する上向きの螺旋隔壁部とを有し、前記偏向部は、前記入口ポートとの対向壁と、上部壁と、端部壁により囲まれ、前記入口ポートより前記弁室に流入する冷媒を、前記螺旋隔壁部の下位側始端部へ導き、前記螺旋隔壁部は、前記下位側始端部より前記弁軸ガイド部材の前記筒状部の外周を時計廻り方向に取り巻いて上向きに傾斜した螺旋上面を有し、前記偏向部の前記上部壁に連続しており、前記螺旋隔壁部の前記弁ハウジングの前記側周壁部に臨む前記螺旋隔壁部の上位側終端部側部分に、前記上部側領域と前記底部側領域とを連通する開口部が設けられている。

この発明による弁装置は、更に、電動モータと、前記電動モータによって回転駆動され回転運動を軸線方向の運動に変換する送りねじ機構とを有し、前記送りねじ機構によって前記弁体が軸線方向に駆動される電動式コントロールバルブである。

この発明による冷凍サイクル装置は、上述の発明による弁装置を冷媒回路中に有する。

この発明による弁装置では、入口ポートより弁室に流入する冷媒は、旋回偏向案内形状部の偏向部によって、螺旋隔壁部の下位側始端部へ導かれて、弁室の上部側領域において、弁ハウジングの側周壁部に沿って螺旋隔壁部の螺旋上面に案内されて円筒部の周りを時計廻り方向の旋回流として流れる。この旋回流の流速によって、弁室内を回転（旋回）する流れに遠心力が働き、遠心分離作用により、密度の高い液相は弁室の中で弁ハウジングの側周壁部側に寄せられ、気相は弁室の中で弁ハウジングの中心側へ集まる。弁室の中で弁ハウジングの側周壁部側に寄せられた液相流の冷媒の一部は開口部を通って弁室の底部側領域へ流れ落ち、残りは気相と共に旋回流として、弁室の上部側領域において筒状部の周りを旋回し続ける。気相と液相が混在した気液２相流の気液分離が行われ、ほとんど液相である冷媒が弁室の底部側領域より出口ポートへ流れることになる。これらのことにより、弁装置における冷媒流動音が低減する。

そして、旋回偏向案内形状部は弁軸ガイド部材に形成されているから、必要部品点数の増加を招くことなく全流量域において有効な旋回流を得ることができ、しかも、弁ハウジングのポート位置配置に制約を与えることもない。

この発明による弁装置を電動式コントロールバルブとして適用した一つの実施形態を、図１〜図４を参照して説明する。

図１に示されているように、この実施形態の電動式コントロールバルブは、全体を符号１０で示している。電動式コントロールバルブ１０は金属製の弁ハウジング１１を有する。弁ハウジング１１は、上方開口のカップ形状をなしており、円筒状空間をなす弁室１２と、弁ハウジング１１の側周壁部１１Ｂの弁室１２に位置する部分（弁室の側周部）に開口した入口側継手ポート１８と、弁ハウジング１１の底壁部１１Ｃの弁室１２に位置する部分（弁室の底部）の中央に開口した出口ポート１４とを有している。出口ポート１４は、図１及び図２に示されているように、弁ハウジング１１に固着された弁座部材１９に形成され、弁室１２の底部中央に開口している。

弁ハウジング１１の入口側継手ポート１８には入口管継手１５が直接取り付けられており、弁室１２内に突出する入口管継手１５の一端が入口ポート１３を構成している。入口ポート１３は弁ハウジング１１の側周壁部１１Ｂに開口している。弁ハウジング１１には弁室１２の外側において出口ポート１４に直接連通する出口側継手ポート１６が形成され、出口側継手ポート１６に出口管継手１７が取り付けられている。

弁軸ガイド部材２０は、円筒部（筒状部）２３を有する。円筒部２３は、弁室１２の中心部において軸線方向（上下方向）に延在している。円筒部２３は、出口ポート１４と同心で、出口ポート１４の真上位置にある。

円筒部２３のストレート孔２３Ａには弁室１２内に配置された弁体（ニ一ドル弁）３０の弁軸３１が軸線方向に移動可能に嵌合している。これにより、弁体３０は、弁軸ガイド部材２０により軸線方向に移動可能に支持され、軸線方向移動によって出口ポート１４の実効開口面積を増減し、軸線方向位置に応じて冷媒の通過量（流量）を調節する。

弁ハウジング１１の上部にはステッピングモータ９０が取り付けられている。ステッピングモータ９０は、弁ハウジング１１の上方開口部１１Ａに溶接等により気密に固着されて内側にロータ室９１を画定するキャン状のロータケース９２と、ロータ室９１に回転可能に配置された多極着磁の永久磁石を外周部９３Ａに有するロータ９３と、ロータケース９２の外周部に固定装着された円環状のステータコイルユニット９４とを有する。ステータコイルユニット９４は、詳細図示を省略しているが、ステータコイル部や磁極歯等を有する一般的構造のものである。これにより、弁室１２は、弁ハウジング１１の円筒状の側周壁部１１Ｂと底壁部１１Ｃとキャン状のロータケース９２とで円筒状空間を画定される。

ステッピングモータ９０は、ステータコイルユニット９４のステータコイル部（図示省略）に対するパルス通電により、パルス数に応じて回転角をもってロータ９３を回転させる。

弁軸ガイド部材２０には、ロータ室９１内に位置する雌ねじ筒部２４が一体成形されている。雌ねじ筒部２４の内筒部は円筒部２３のストレート孔２３Ａと同心連通しており、この内筒部には雌ねじ２５が形成されている。

弁軸３１は上部延長軸として雄ねじ軸３２を一体に有する。雄ねじ軸３２の外周部には雄ねじ３３が形成されている。雄ねじ３３は、雌ねじ２５とねじ係合し、雌ねじ２５と共働して回転運動を軸線方向の運動に変換する送りねじ機構をなす。雄ねじ軸３２は、ステッピングモータ９０のロータ９３と連結され、ロータ軸を兼ねている。

以上の構造は、電動式コントロールバルブ１０としての一般的構造である。

この実施形態の電動式コントロールバルブ１０では、弁軸ガイド部材２０に、入口ポート１３、つまり入口管継手１５より弁室１２に流入する冷媒に旋回流速度成分を付与するための旋回偏向案内形状部２６が一体成形されている。

旋回偏向案内形状部５１は、図３及び図４に示されているように、入口ポート１３に対向する箇所に位置する偏向部５１Ａと、弁軸ガイド部材２０の円筒部２３と弁ハウジング１１の側周壁部１１Ｂとの間の環状空間部にあって弁室１２を底部側領域１２Ａと当該底部側領域１２Ａより上位の上部側領域１２Ｂとに区分する上向きの螺旋隔壁部５１Ｂとを有し、螺旋隔壁部５１Ｂの一部（弁ハウジング１１の側周壁部１１Ｂに臨む部分）に上部側領域１２Ｂと底部側領域１２Ａとを連通する開口部５１Ｃが設けられている。
偏向部５１Ａは、入口ポート１３との対向壁５１Ａａと、上部壁５１Ａｂと、端部壁５１Ａｃにより囲まれ、入口ポート１３より弁室１２に流入する冷媒を、矢印Ｆｄ（図３、図４参照）で示されているように、螺旋隔壁部５１Ｂの下位側始端部５１Ｂａへ導く。
螺旋隔壁部５１Ｂは、下位側始端部５１Ｂａより弁軸ガイド部材２０の円筒部２３の外周を時計廻り方向に取り巻いて上向きに傾斜した螺旋上面５１Ｂｂを有し、偏向部５１Ａの上部壁５１Ａｂに連続している。
開口部５１Ｃは、弁ハウジング１１の側周壁部１１Ｂに臨む螺旋隔壁部５１Ｂの上位側終端部５１Ｂｃ側部分に設けられている。

つぎに、上述の構成による電動式コントロールバルブ１０の作用について説明する。図１に示されているステータコイルユニット９４のステータコイル部（図示省略）に対してパルス通電が行われることにより、パルス数に応じて回転角をもってロータ９３が回転する。このロータ９３の回転によって雄ねじ軸３２が回転し、雄ねじ３３と固定配置の雌ねじ２５とのねじ係合によって回転運動が軸線方向の運動に変換され、弁体３０が軸線方向に移動する。

これにより、弁体３０の軸線方向位置が変更され、出口ポート１４の実効開口面積が増減し、弁体３０の軸線方向位置に応じて、入口管継手１５より弁室１２を経て出口管継手１７へ流れる冷媒の通過量（流量）が調節される。

入口ポート１３の入口管継手１５より弁室１２に流入する冷媒（液相と気相が混在した気液２相流）は、偏向部５１Ａによって、矢印Ｆｄ（図３、図４参照）で示されているように、螺旋隔壁部５１Ｂの下位側始端部５１Ｂａへ導かれる。そして、弁室１２の上部側領域１２Ｂにおいて、弁ハウジング１１の側周壁部１１Ｂに沿って螺旋隔壁部５１Ｂの螺旋上面５１Ｂｂに案内されて円筒部２３の周りを時計廻り方向の旋回流として流れる。

この旋回流の流速によって、弁室１２内を回転（旋回）する流れに遠心力が働き、遠心分離作用により、密度の高い液相は弁室１２の中で弁ハウジング１１の側周壁部１１Ｂ側に寄せられ、気相は弁室１２の中で弁ハウジング１１の中心側へ集まる。弁室１２の中で弁ハウジング１１の側周壁部１１Ｂ側に寄せられた液相流Ｆｅの冷媒の一部は開口部５１Ｃを通って弁室１２の底部側領域１２Ａへ流れ落ち、残りは気相と共に旋回流Ｆｆとして、弁室１２の上部側領域１２Ｂにおいて円筒部２３の周りを旋回し続ける。

この構造により、気相と液相が混在した気液２相流の気液分離が行われ、ほとんど液相である冷媒が弁室１２の底部側領域１２Ａより出口ポート１４へ流れることになる。つまり、専ら液相が出口ポート１４が導入されることになり、電動式コントロールバルブ１０における冷媒流動音が低減する。

上述の効果を奏する旋回偏向案内形状部５１は、樹脂成形品として弁軸ガイド部材２０に一体的に形成されているから、必要部品点数の増加を招くことなく、しかも、樹脂成形品であるから、旋回偏向案内形状部５１の形状を、全流量域において有効な旋回流を得るために適した形状に容易に設定することができる。

また、弁室１２内の旋回流は、弁室１２に対する冷媒の導入ポートを弁室１２の接線方向に開口する等の制約を与えることなく旋回偏向案内形状部２６によって生成されるから、弁ハウジング１１のポート位置配置に制約を与えることもない。

なお、実施形態で、上方から見たときに時計廻り方向の旋回流れとなる。時計周りを選択したのは、北半球での渦の流れがこの方向であるからである。南半球用の仕様に反時計廻り方向としてもよい。

次に、この発明による冷凍サイクル装置の一つの実施形態を、図５を参照して説明する。

この実施形態による冷凍サイクル装置は、圧縮機１０１と、凝縮器（室外熱交換器）１０２と、膨張弁１０３と、蒸発器（室内熱交換器）１０４と、これらをループ接続する冷媒通路１０５〜１０８とを有する。

この冷凍サイクル装置は、空気調和装置（冷房）や冷凍・冷蔵庫等で使用される。

膨張弁１０３としては、上述したこの発明による電動式コントロールバルブ１０が用いられる。

なお、上述したこの電動式コントロールバルブが適用される冷凍サイクル装置は、図５に示されているような基本的な冷凍サイクル装置に限られることはなく、四方弁の組み込みにより、冷媒回路における冷媒流れ方向を逆転できる冷房・暖房用の空気調和装置や、室内機に二つの熱交換器が直列接続され、その二つの熱交換器間に追加の膨張弁を有する冷暖房・除湿可能な空気調和装置等、あらゆる冷凍サイクル装置にも適用可能である。

この発明による弁装置を電動式コントロールバルブとして適用した一つの実施形態を示す縦断面図である。 図１の電動式コントロールバルブの他の縦断面図である。 図１の電動式コントロールバルブの要部の斜面図である。 図１の電動式コントロールバルブの要部の他の斜面図である。 この発明による弁装置を電動式コントロールバルの一つの実施形態を示す冷 媒回路図である。

符号の説明

１０ 電動式コントロールバルブ
１１ 弁ハウジング
１１Ａ 上方開口部
１１Ｂ 側周壁部
１１Ｃ 底壁部
１２ 弁室
１２Ａ 底部側領域
１２Ｂ 上部側領域
１３ 入口ポート
１４ 出口ポート
１５ 入口管継手
１６ 出口側継手ポート
１７ 出口管継手
１８ 入口側継手ポート
１９ 弁座部材
３０ 弁体
３１ 弁軸
３２ 雄ねじ軸
３３ 雄ねじ
５１ 旋回偏向案内形状部
５１Ａ 偏向部
５１Ａａ 対向壁
５１Ａｂ 上部壁
５１Ａｃ 端部壁
５１Ｂ 螺旋隔壁部
５１Ｂａ 下位側始端部
５１Ｂｂ 螺旋上面
５１Ｂｃ 上位側終端部
５１Ｃ 開口部
９０ ステッピングモータ
９１ ロータ室
９２ ロータケース
９３ ロータ
９３Ａ 外周部
９４ ステータコイルユニット
１０１ 圧縮機
１０２ 凝縮器
１０３ 膨張弁
１０４ 蒸発器
１０５〜１０８ 冷媒通路

Claims (3)

1. 弁ハウジングに円筒状空間をなす弁室と前記弁室の側周部に開口した入口ポートおよび前記弁室の底部中央に開口した出口ポートとを有し、前記出口ポートが弁ポート形状をなし、前記弁室内に弁体が配置され、当該弁体は弁軸部を有し、前記弁軸部が前記弁ハウジングに取り付けられた弁軸ガイド部材の筒状部に軸線方向に移動可能に嵌合していることにより、前記弁体が前記弁軸ガイド部材より軸線方向に移動可能に支持され、当該弁体の軸線方向移動によって前記出口ポートの実効開口面積を増減し、冷媒の通過量を調節する弁装置において、
   前記弁軸ガイド部材に、前記入口ポートより前記弁室に流入する前記冷媒に旋回流速度成分を付与する旋回偏向案内形状部が形成され、
   前記旋回偏向案内形状部は、前記入口ポートに対向する箇所に位置する偏向部と、前記弁軸ガイド部材の前記筒状部と前記弁ハウジングの側周壁部との間の環状空間部にあって前記弁室を底部側領域と当該底部側領域より上位の上部側領域とに区分する上向きの螺旋隔壁部とを有し、
   前記偏向部は、前記入口ポートとの対向壁と、上部壁と、端部壁により囲まれ、前記入口ポートより前記弁室に流入する冷媒を、前記螺旋隔壁部の下位側始端部へ導き、
   前記螺旋隔壁部は、前記下位側始端部より前記弁軸ガイド部材の前記筒状部の外周を時計廻り方向に取り巻いて上向きに傾斜した螺旋上面を有し、前記偏向部の前記上部壁に連続しており、
   前記螺旋隔壁部の前記弁ハウジングの前記側周壁部に臨む前記螺旋隔壁部の上位側終端部側部分に、前記上部側領域と前記底部側領域とを連通する開口部が設けられている弁装置。
2. 電動モータと、前記電動モータによって回転駆動され回転運動を軸線方向の運動に変換する送りねじ機構とを有し、前記送りねじ機構によって前記弁体が軸線方向に駆動される電動式コントロールバルブである請求項１記載の弁装置。
3. 請求項１又は２記載の弁装置を冷媒回路中に有する冷凍サイクル装置。

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