JP4842692B2

JP4842692B2 - アンモニア冷媒冷凍サイクル装置用弁装置およびアンモニア冷媒冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP4842692B2
Application number: JP2006117839A
Authority: JP
Inventors: 香織横田; 忠顕池田; 守男金子
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2026-04-21
Also published as: JP2007292336A

Description

この発明は、アンモニア冷媒冷凍サイクル装置用弁装置およびアンモニア冷媒冷凍サイクル装置に関するものである。

アンモニア冷媒を用いた冷凍サイクル装置では、冷媒回路に組み込まれる膨張弁等の弁装置の弁ハウジングや弁体がステンレス鋼等の導電性の金属材料により構成されていると、電気化学的腐食による壊喰現象が生じることが知られている。

この対策として、弁ハウジングや弁体をプラスチックスやセラミックス等の非導電性材料で構成したり、弁体や弁座部の表面を蒸着等によってセラミックス被覆することが、すでに提案されている（例えば、特許文献１）。
特開２００３−３０７３７０号公報

冷凍サイクル装置に用いられる弁装置の弁ハウジングは、機械的強度、他の部品との接続性、組み付け性や、取付性、配管性等の種々の観点から、汎用の弁装置と同様に金属製であることが好ましい。しかし、壊喰防止のために、弁ハウジング全体がプラスチックスやセラミックス等の非導電性材料で構成されると、それらのことが阻害され、実用性、量産性に欠けるものになる。

この発明が解決しようとする課題は、アンモニア冷媒冷凍サイクル装置用弁装置において、金属製の弁ハウジングを使用し、上述の考察結果を踏まえて流速差腐食による壊喰現象が生じる虞れがある部位は、電池作用を生じることがない非導電性材料で構成し、金属材料と非導電性材料とを適切に使い分けすることにより、金属製弁ハウジングの長所を活かして壊喰現象の発生を回避することである。

本発明をするに至る過程で、本発明者らは、アンモニア冷媒冷凍サイクル装置における弁装置の壊喰現象の発生原因について詳細に探究したところ、壊喰現象は、冷凍機油の種類によって多少左右されるものの、基本的には、弁装置内部において冷媒流に曝される全部位でなく、冷媒流の流線上の流速変化が大きい部位の境界相（金属表面）に集中的に生じ、冷媒流速が速くても、流速変化が少ない部位の境界相には生じないことを究明した。この壊喰現象は、低流量側がアノード、高流量側がカソードとなる電気化学的な局部電池作用による流速差腐食であると考えられる。

弁装置内部の冷媒流における流線上の流速変化については、弁ポート（絞り部）に対して流入側と流出側を詳細に考察する必要がある。流入側は、絞り部へ向かう速度上昇域（加速域）である。液冷媒においては、短い距離で、この速度変化が生じることから、加速度としては、非常に高い値を示すことになる。流出側は、絞り部からの膨張流域である。一般的に、液冷媒が膨張し、二層流化する相変化を伴うことから加速域が長く、高い加速度を示す領域も絞り部から下流側に長い。その後、定速流への減速域となるが、減速度は緩やかである。

以上の点を踏まえてなされたのが本発明であって、請求項１記載の発明によるアンモニ
ア冷媒冷凍サイクル装置用弁装置は、弁ハウジング内に弁座部と弁体を有し、アンモニア冷媒を使用する冷凍サイクル装置で用いる弁装置において、前記弁ハウジングが金属材料により構成され、前記弁装置の内部において冷媒流の流線上の流速変化が壊喰発生値以上になる領域に曝される部位の表面が非導電性材料により構成され、且つ、前記弁装置の内部の金属表面に向かう、流線上の流速変化が壊喰発生値以上になる冷媒流の向きを、前記金属表面から反れた方向に偏向させる流体流線偏向形状部が、前記弁座部或いは前記弁体に形成されている。

請求項２記載の発明によるアンモニア冷媒冷凍サイクル装置用弁装置は、前記弁装置の内部に配置される、前記弁座部を有する弁座部材と前記弁体との表面が非導電性材料により構成されている。

請求項３記載の発明によアンモニア冷媒冷凍サイクル装置は、アンモニア冷媒を使用する冷凍サイクル装置であって、上述の発明によるアンモニア冷媒冷凍サイクル装置用弁装置を冷媒回路中に有する。

この発明によるアンモニア冷媒冷凍サイクル装置用弁装置によれば、弁ハウジングが金属材料により構成され、弁装置の内部において冷媒流の流線上の流速変化が壊喰発生値以上になる領域に曝される部位の表面は非導電性材料により構成されているから、金属製の弁ハウジングの長所を活かしつつ、局部電池作用による流速差腐食による壊喰現象の発生が防止される。

図１は、この発明によるアンモニア冷媒冷凍サイクル装置用弁装置を電動弁（電動式膨張弁）に適用した一つの実施形態を示している。

電動弁は、ステンレス鋼製のカップ形状の弁ハウジング１１を有する。弁ハウジング１１の上部開口縁部には樹脂製の弁支持ガイド部材１２にインサート成形された取付金具１３が溶接されている。これにより、弁支持ガイド部材１２が弁ハウジング１１に固定装着され、弁ハウジング１１は弁支持ガイド部材１２と共働して円筒空間状の弁室１４を画定している。

弁ハウジング１１の側部にはステンレス鋼製の横継手１５が、弁ハウジング１１の底部にはステンレス鋼製の下継手１６が各々溶接、ろう付け等によって固定装着されている。

弁ハウジング１１の底部中央には、下継手１６に直接連通する弁ポート１７を形成された弁座部材１８が固定金具１９、弁座受け部材２０によって固定装着されている。弁座部材１８は、非導電性材料であるＰＰＳ（ポリフェニレンサルフィド）樹脂等のプラスチックスにより構成され、インサート成形によってステンレス鋼製の固定金具１９を一体に有する。弁座受け部材２０は、ステンレス鋼製で、弁ハウジング１１の下継手挿入孔２１に圧入後ロウ付け固定されている。

弁座部材１８は、固定金具１９をもって弁座受け部材２０との間にＯリング２２を挟んで、弁座受け部材２０にかしめ部２３によってかしめ結合されている。固定金具１９は、樹脂製の弁座部材１８の金属製の弁座受け部材２０に対してかしめ結合するために設けられており、弁座部に生じる差圧に対する強度を確保する。弁座部材１８は、ストレート孔による弁ポート１７より下継手１６の側に末広がりのテーパ孔２４を有する。

弁支持ガイド部材１２には弁室１４へ向けて開口したガイド孔２５が形成されている。ガイド孔２５には円筒状の弁ホルダ２６が軸線方向（図１にて上下方向）に摺動可能に嵌合している。弁ホルダ２６は、弁体３０のステム部３１を弁ホルダ２６の下端に固定装着されたスリーブ状の弁受け部材２７によって抜け止めした状態で吊り下げ支持している。

弁体３０は、弁ホルダ２６より吊り下げ支持され、弁受け部材２７より下方に突出した部分にニードル部（計量部）３２を有する。ニードル部３２は、弁ポート１７内に進入し、弁体３０の軸線方向（上下方向）位置に応じて流量制御を行う。

弁ホルダ２６、弁受け部材２７はステンレス鋼によって構成されているのに対し、弁体３０は、ステム部３１、ニードル部３２のすべてを非導電性材料であるＰＰＳ（ポリフェニレンサルフィド）樹脂等のプラスチックスにより構成されている。

弁支持ガイド部材１２は上部に雌ねじ孔２８をガイド孔２５と同心に有する。雌ねじ孔２８には後述するステッピングモータ５０のロータ軸５１に形成された雄ねじ部５２がねじ係合している。

ロータ軸５１は、下端に弁ホルダ２６内に位置するフランジ部５３を有し、ワッシャ２９を介して弁ホルダ２６を相対回転可能な状態で吊り下げ支持している。弁ホルダ２６内のフランジ部５３の側にはばねリテーナ４１が設けられており、ばねリテーナ４１と弁体３０のステム部３１との間に圧縮コイルばね４２が挟まれている。ロータ軸５１は、雄ねじ部５２と雌ねじ孔２８とのねじ係合により、回転しながら軸線方向移動し、この軸線方向移動が、弁ホルダ２６および弁体３０に伝達される。これにより、弁体３０の軸線方向（上下方向）位置が決まる。

弁ハウジング１１の上部にはステッピングモータ５０が取り付けられている。ステッピングモータ５０は、弁ハウジング１１に溶接等によって気密に固定装着されたステンレス鋼製のロータケース５４と、ロータケース５４内に自身の中心軸線周りに回転可能に配置されたロータ５５と、ロータケース５４の外周部に固定装着されたステータコイルユニット（図示せず）とを有する。

ロータ５５は、外周部を多極着磁され、ボス部５７に設けられたブッシュ５８によってロータ軸５１と固定連結されている。

また、ロータケース５４内には、ロータ５５の回転を制限するストッパ機構５９が構成されている。ストッパ機構５９はロータケース５４内の天井部に固定されたスリーブ部材６０と、スリーブ部材６０の外周部に取り付けられた螺旋ガイド６１と、螺旋ガイド６１に係合した可動ストッパ６２とを有し、可動ストッパ６２がロータ５５に形成された突起片６３によって蹴り回されることにより、ロータ５５の回転に伴って螺旋ガイド６１に案内されて旋回しつつ上下移動し、スリーブ部材６０の下端のストッパ部６４あるいはスリーブ部材６０の基端のストッパ部６５に当接することにより、弁開方向、あるいは弁閉方向のロータ５５の回転を制限する。

なお、スリーブ部材６０内には軸受スリーブ６６が取り付けられており、軸受スリーブ６６はロータ軸５１の上部延長軸部６７を回転可能に且つ軸線方向に移動可能に支持している。

横継手１５から弁室１４、弁ポート１７を経て下継手１６へ冷媒が流れる場合には、図２に示されているように、流入側の加速冷媒流線Ａａ、Ａｂと、流出側の加速冷媒流線Ｂができ、これら流線上の流速変化は壊喰発生値以上になる。

下継手１６から弁ポート１７、弁室１４を経て横継手１５へ冷媒が流れる場合には、図３に示されているように、流入側の加速冷媒流線Ｃと、流出側の加速冷媒流線Ｄａ、Ｄｂができ、これら流線上の流速変化は壊喰発生値以上になる。

実験的研究では、流速変化が０．１ｍ／ｓｅｃ未満であれば、壊喰現象が生じることがなく、流速変化が０．１ｍ／ｓｅｃ以上で壊喰現象が見られることから、ここで云う壊喰発生値は、０．１ｍ／ｓｅｃ程度である。

図２，３に示されている流入側の加速冷媒流線Ａａ、流出側の加速冷媒流線Ｄａは、弁体３０のニードル部３２の外周面に沿って流れる冷媒流によるものであり、流入側の加速冷媒流線Ａｂ、流出側の加速冷媒流線Ｄｂは、弁座部材１８の上面に沿って流れる冷媒流によるものであり、ニードル部３２や弁座部材１８が金属によってできていて導電性を有すれば、ニードル部３２の外周面や弁座部材１８の上面に、局部電池作用による流速差腐食（壊喰現象）が生じることになるが、弁体３０、弁座部材１８は非導電性のプラスチックスにより構成されているから、これらの部分が局部電池になることがなく、壊喰現象が生じることがない。

また、流出側の加速冷媒流線Ｂ、流入側の加速冷媒流線Ｃは、弁座部材１８の弁ポート１７およびテーパ孔２４の内周面に沿って流れる冷媒流によるものであり、弁座部材１８が金属によってできていて導電性を有すれば、弁ポート１７およびテーパ孔２４の内周面に、局部電池作用による流速差腐食（壊喰現象）が生じることになるが、弁座部材１８は非導電性のプラスチックスにより構成されているから、これらの部分が局部電池になることがなく、壊喰現象が生じることがない。

弁体３０のニードル部３２の基部には、下向き端面による流体流線偏向形状部３３が弁受け部材２７の表面より距離Ｌａ（図２参照）だけ離れた位置に設けられている。流体流線偏向形状部３３は、流入側の加速冷媒流線Ａａ、流出側の加速冷媒流線Ｄａが、弁受け部材２７の表面に当たらないように、それら冷媒流線を偏向させる。

これにより、ステンレス鋼製の弁受け部材２７の表面に、冷媒流線上の流速変化が壊喰発生値以上の冷媒流が当たらないようになり、弁受け部材２７の表面に流速差腐食（壊喰現象）が生じることが回避される。

また、弁座部材１８の上面外周部には、頂点がかしめ部２３の頂点より高い位置に位置する環状凸形状の流体流線偏向形状部３４が形成されている。流体流線偏向形状部３４は、流入側の加速冷媒流線Ａｂ、流出側の加速冷媒流線Ｄｂが、かしめ部２３の表面に当たらないように、それら冷媒流線を偏向させる。

これにより、ステンレス製の鋼かしめ部２３の表面に、冷媒流線上の流速変化が壊喰発生値以上の冷媒流が当たらないようになり、かしめ部２３の表面に流速差腐食（壊喰現象）が生じることが回避される。

上述したように、弁ハウジング１１が金属材料により構成され、弁装置内部において冷媒流の流線上の流速変化が壊喰発生値以上になる領域に曝される部位、この実施形態では、弁座部材１８、弁体３０が非導電性材料により構成されているから、金属製の弁ハウジング１１の長所を活かして流速差腐食による壊喰現象の発生が防止される。また、流体流線偏向形状部３３、３４の作用により、弁座部材１８の周辺部に存在するかしめ部２３や弁体３０の周辺部に存在する弁受け部材２７、つまり、金属表面に、冷媒流線上の流速変化が壊喰発生値以上の冷媒流が当たらないようになり、これらの部分の壊喰現象の発生も防止される。

図４は、この発明によるアンモニア冷媒冷凍サイクル装置用弁装置を温度式膨張弁に適用した一つの実施形態を示している。

温度式膨張弁は、ステンレス鋼により構成された弁ハウジング１１１を有する。弁ハウジング１１１には、弁室１１２、入口ポート１１３、出口ポート１１４が形成されている。

弁ハウジング１１１には、図５に示されているように、弁室１１２の天井部に対応する部位に、入口ポート１１３に直接連通する弁ポート１１５を形成された弁座部材１１６がかしめ部１１７によってかしめ結合されている。弁座部材１１６は、非導電性材料であるＰＰＳ（ポリフェニレンサルフィド）樹脂等のプラスチックスにより構成されている。

弁室１１２には弁体１１８が配置されている。弁体１１８は、ニードル部（計量部）１１９とフランジ部１２０とリテーナ係合部１２１とを有し、全体を非導電性材料であるＰＰＳ（ポリフェニレンサルフィド）樹脂等のプラスチックスにより構成されている。ニードル部１１９は、弁ポート１１５内に進入し、弁体１１８の軸線方向（上下方向）位置に応じて流量制御を行う。

図４に示されているように、弁ハウジング１１１の下部には金属製のボトムキャップ１２２が気密にねじ止めされている。ボトムキャップ１２２には調整スピンドル１２３がねじ係合している。調整スピンドル１２３の先端（上端）は弁室１１２内にあり、この調整スピンドル１２３の先端と弁体１１８のリテーナ係合部１２１に係合している金属製のばねリテーナ１２４との間に圧縮コイルばね１２５が挟まれている。圧縮コイルばね１２５は、弁体１１８を上方、つまり、弁閉方向に付勢している。

調整スピンドル１２３は、パッキング１２６、座金１２７、皿ばね１２８、パッキン押え１２９によってボトムキャップ１２２に気密に回り止めされている。また、ボトムキャップ１２２の下部には調整スピンドル１２３の下方突出部を覆蓋するシールキャップ１３０が取り付けられている。

弁ハウジング１１１の上部には感温ダイヤフラム装置１３１が取り付けられている。感温ダイヤフラム装置１３１はダイヤフラム１３２によって区切られたダイヤフラム室１３３、１３４を有する。ダイヤフラム室１３３は、キャピラリチューブ１３５によって感温筒１３６と連通接続され、感温筒１３６による感知温度に応じて内圧を変化する。ダイヤフラム室１３４に連結棒１３７を通される連通孔１３８によって弁室１１２に連通し、弁室１１２の圧力を及ぼされる。ダイヤフラム１３２は、ダイヤフラム室１３３と１３４の圧力差に応じて変位し、この変位は、当金１３９、連結棒１３７によって弁体１１８に伝達される。

これにより、弁体１１８は、感温筒１３６による感知温度に応じて変位するダイヤフラム１３２による弁開方向の力と圧縮コイルばね１２５による弁閉力との平衡関係により図４で見て上下方向に移動し、弁ポート１１５の開閉ならびに実効開口面積を増減する。

入口ポート１１３から弁ポート１１５、弁室１１２を経て出口ポート１１４へ冷媒が流れる場合には、図５に示されているように、流入側の加速冷媒流線Ｅと、流出側の加速冷媒流線Ｆａ、Ｆｂができ、これら流線上の流速変化は壊喰発生値以上になる。

流入側の加速冷媒流線Ｅは、弁座部材１１６の弁ポート１１５の内周面に沿って流れる冷媒流によるものであり、弁座部材１１６が金属によってできていて導電性を有すれば、弁ポート１１５の内周面に、局部電池作用による流速差腐食（壊喰現象）が生じることになるが、弁座部材１１６は非導電性のプラスチックスにより構成されているから、この部分が局部電池になることがなく、壊喰現象が生じることがない。

流出側の加速冷媒流線Ｆａは、弁体１１８のニードル部１１９の外周面に沿って流れる冷媒流によるものであり、流出側の加速冷媒流線Ｆｂは、弁座部材１１６の下面に沿って流れる冷媒流によるものであり、ニードル部１１９や弁座部材１１６が金属によってできていて導電性を有すれば、ニードル部１１９の外周面や弁座部材１１６の下面に、局部電池作用による流速差腐食（壊喰現象）が生じることになるが、弁体１１８、弁座部材１１６は非導電性のプラスチックスにより構成されているから、これらの部分が局部電池になることがなく、壊喰現象が生じることがない。

弁座部材１１６の下端は、かしめ部１１７の先端より距離Ｌｂだけ離れた位置に設けられている。これにより、流出側の加速冷媒流線Ｆｂがかしめ部１１７に当たらないようになり、かしめ部１１７の表面に流速差腐食（壊喰現象）が生じることが回避される。

連結棒１３７の下端は、連通孔１３８より弁室１１２に突出して弁体１１８のフランジ部１２０に当接しており、弁室１１２内に露出する連結棒１３７部分の外周面には、流出側の加速冷媒流線Ｆａ、Ｆｂが当たるが、弁室１１２内に露出する連結棒１３７部分の外周は樹脂コーティングによる非導電皮膜１４０によって被覆されている。これにより、連結棒１３７の表面に流速差腐食（壊喰現象）が生じることが回避される。

なお、弁座部材１８、１１６、弁体３０、１１８を構成する非導電性材料としては、ＰＰＳ以外に、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＴＦＴ（ポリ四フッ化エチレン）、ＰＦ（フェノール樹脂）、ＣＰＥ（塩素化ポリエーテル）、キシレン樹脂等の合成樹脂、天然ゴム、ＮＢＲ（ニトリルブタジエンゴム）等の硬質ゴム材料、ジルコニア、アルミナ、ステアタイト等によるセラミックスが挙げられる。

また、弁座部材１８、１１６、弁体３０、１１８は、表面だけが非導電性材料によって構成されていもよく、陽極酸化処理、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、溶射、塗布等によって弁座部材１８、１１６、弁体３０、１１８の表面が非導電性皮膜により被覆されていもよい。

また、この発明によるアンモニア冷媒冷凍サイクル装置用弁装置は、電動弁（電動式膨張弁）や温度式膨張弁に限られることはなく、逆止弁、電磁弁等、アンモニア冷媒冷凍サイクル装置で使用される各種の弁装置に適用することができる。

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６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２０１と、凝縮器（室外熱交換器）２０２と、膨張弁２０３と、蒸発器（室内熱交換器）２０４と、これらをループ接続する冷媒通路２０５〜２０８とを有する。

この冷凍サイクル装置では、アンモニア冷媒が用いられ、空気調和装置（冷房）や冷凍・冷蔵庫等を構成する。

膨張弁２０３としては、上述したこの発明による電動式膨張弁あるいは温度式膨張弁が用いられる。

なお、上述したこの発明による電動式膨張弁あるいは温度式膨張弁が適用される冷凍サイクル装置は、図６に示されているような冷凍サイクル装置に限られることはなく、膨張弁を接続した熱交換器を複数有するマルチ式の冷凍サイクル装置にも適用可能である。

この発明によるアンモニア冷媒冷凍サイクル装置用弁装置を電動弁（電動式膨張弁）に適用した一つの実施形態を示す縦断面図である。一つの実施形態の電動弁の要部の拡大断面図である。一つの実施形態の電動弁の要部の拡大断面図である。この発明によるアンモニア冷媒冷凍サイクル装置用弁装置を温度式膨張弁に適用した一つの実施形態を示す縦断面図である。一つの実施形態の温度式膨張弁の要部の拡大断面図である。この発明による冷凍サイクル装置の一つの実施形態を示す冷媒回路図である。

符号の説明

１１弁ハウジング
１２弁支持ガイド部材
１３取付金具
１４弁室
１５横継手
１６下継手
１７弁ポート
１８弁座部材
１９固定金具
２０弁座受け部材
２１下継手挿入孔
２２Ｏリング
２３かしめ部
２４テーパ孔
２５ガイド孔
２６弁ホルダ
２７弁受け部材
２８雌ねじ孔
２９ワッシャ
３０弁体
３１ステム部
３２ニードル部
３３、３４流体流線偏向形状部
４１ばねリテーナ
４２圧縮コイルばね
５０ステッピングモータ
５１ロータ軸
５２雄ねじ部
５３フランジ部
５４ロータケース
５５ロータ
５７ボス部
５８ブッシュ
５９ストッパ機構
６０スリーブ部材
６１螺旋ガイド
６２可動ストッパ
６３突起片
６４、６５ストッパ部
６６軸受スリーブ
６７上部延長軸部
１１１弁ハウジング
１１２弁室
１１３入口ポート
１１４出口ポート
１１５弁ポート
１１６弁座部材
１１７かしめ部
１１８弁体
１１９ニードル部
１２０フランジ部
１２１リテーナ係合部
１２２ボトムキャップ
１２３調整スピンドル
１２４ばねリテーナ
１２５圧縮コイルばね
１２６パッキング
１２７座金
１２８皿ばね
１２９パッキン押え
１３０シールキャップ
１３１感温ダイヤフラム装置
１３２ダイヤフラム
１３３、１３４ダイヤフラム室
１３５キャピラリチューブ
１３６感温筒
１３７連結棒
１３８連通孔
１３９当金
１４０非導電皮膜
２０１圧縮機
２０２凝縮器
２０３膨張弁
２０４蒸発器
２０５〜２０８冷媒通路

Claims

弁ハウジング内に弁座部と弁体を有し、アンモニア冷媒を使用する冷凍サイクル装置で用いる弁装置において、
前記弁ハウジングが金属材料により構成され、前記弁装置の内部において冷媒流の流線上の流速変化が壊喰発生値以上になる領域に曝される部位の表面が非導電性材料により構成され、且つ、前記弁装置の内部の金属表面に向かう、流線上の流速変化が壊喰発生値以上になる冷媒流の向きを、前記金属表面から反れた方向に偏向させる流体流線偏向形状部が、前記弁座部或いは前記弁体に形成されていることを特徴とするアンモニア冷媒冷凍サイクル装置用弁装置。
前記弁装置の内部に配置される、前記弁座部を有する弁座部材と前記弁体との表面が非導電性材料により構成されていることを特徴とする請求項１記載のアンモニア冷媒冷凍サイクル装置用弁装置。
アンモニア冷媒を使用する冷凍サイクル装置であって、請求項１または２に記載のアンモニア冷媒冷凍サイクル装置用弁装置を冷媒回路中に有するアンモニア冷媒冷凍サイクル装置。