JP4901851B2 - 膨張弁機構及びそれを搭載した空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体を減圧して膨張させる膨張弁機構及びそれを搭載した空気調和装置に関し、特に蒸気圧縮式ヒートポンプ型空調機に好適な膨張弁機構及びそれを備えた空気調和装置に関するものである。

膨張弁機構としては、オリフィス（堰）やキャピラリチューブ（毛細管）からなる固定絞り機構と、電子制御式膨張弁からなる可変絞り機構と、が従来から知られている。このような膨張弁機構は、冷凍サイクルを用いて暖房運転（いわゆる「ヒートポンプ運転」）を実行する空気調和装置等の冷凍サイクル装置の構成要素として適用されている（特許文献１参照）。

特許文献１に記載の冷凍サイクル装置は、圧縮機の下流に四方弁を設置し、冷房時においては、高圧高温冷媒を外部熱交換器に供給した後、低圧で開通する定差圧弁及びオリフィスを経由して内部熱交換器に流し込み、さらに、圧力が高い場合には、低圧で開通する定差圧弁及びオリフィスと高圧で開通する定差圧弁及びオリフィスとの両方を経由した後、内部熱交換器をバイパスするものである。一方、この冷凍サイクル装置は、暖房時においては、高圧高温冷媒を内部熱交換器に供給した後、高圧で開通する定差圧弁及びオリフィスに流し込むものである。したがって、暖房性能を得ることができるとしている。

特開２００２−１０６９９４号公報（第４−５頁、第１図）

オリフィスやキャピラリチューブからなる固定絞り機構を搭載した冷凍サイクル装置では、暖房時には、高圧高温冷媒が一方の固定絞り機構のみに流入するため、流量制御ができないという問題があった。また、電子制御式膨張弁からなる可変絞り機構を搭載した冷凍サイクル装置では、細かい流量制御によって省エネ性を向上させることができる反面、構成する部品点数が多くなってしまうため、製造に要するコストが高くなってしまうという問題があった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、構成を複雑化することなく、安価に製造することが可能な膨張弁機構及びそれを備えた冷凍サイクル装置を提供することを目的としている。

本発明に係る膨張弁機構は、第１流体入口と、前記第１流体入口とは別に形成されている第２流体入口と、前記第１流体入口又は前記第２流体入口から流入した流体を通す流体流路と、前記流体流路に配置され、前記第１流体入口又は前記第２流体入口から流入する流体によって移動可能な可動弁体と、前記可動弁体を付勢する付勢手段と、前記流体流路に連通し、前記第１流体入口又は前記第２流体入口から流入する流体を分岐する複数の分岐流路と、前記流体流路の外側に設けられ、前記複数の分岐流路と連通する合流器と、前記合流器と前記第２流体入口側の前記流体流路とを連通させる毛細管と、を有し、前記可動弁体には、前記第１流体入口又は前記第２流体入口から流入する流体を通す弁体流路と、前記弁体流路に連通する凹部と、が形成されており、前記可動弁体は、前記付勢手段の付勢力以上の流体圧力が加わることで移動し、前記凹部を介して前記弁体流路と前記分岐流路との連通を調整していることを特徴とする。

本発明に係る空気調和装置は、圧縮機と、室外側熱交換器と、上記の膨張弁機構と、室内側熱交換器と、を冷媒配管で直列に接続したことを特徴とする。

本発明に係る膨張弁機構によれば、構成を複雑化することなく流入する流体の圧力に応じた流量調整が双方向の流れに対して実現することができるとともに、構成を複雑化する必要がないので安価に製造することが可能となる。

本発明に係る空気調和装置によれば、冷凍サイクルの負荷状態に応じた冷媒流量調整が実現できる。また、搭載している膨張弁機構は、簡素な構成となっているので、製造コストを低価格に抑えることができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態１．
図１及び図２は、本発明の実施の形態１に係る膨張弁機構１００の概略構成を示す縦断面図である。図１及び図２に基づいて、膨張弁機構１００の構成及び動作について説明する。図１が第２流体入口１１１から流体が流入した状態を、図２が第１流体入口１１６から流体が流入した状態を、それぞれ示している。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。

この実施の形態１に係る膨張弁機構１００は、冷媒等の流体を減圧して膨張させる機能を有しているものである。図１に示すように、膨張弁機構１００は、２つの流体入口（第１流体入口１１１、第２流体入口１１６）と、流体流路１２０と、可動弁体１０１と、バネ１０５と、４つの分岐流路（第３分岐流路１１２、第４分岐流路１１３、第２分岐流路１１７、第１分岐流路１１８）と、合流器１１４と、毛細管１１９と、を有している。

第１流体入口１１１は、流体が流入する際の入口となるものである。第２流体入口１１６は、第１流体入口１１１とは別に設けられており、流体が流入する際の入口となるものである。流体流路１２０は、第１流体入口１１１又は第２流体入口１１６から流入する流体を第１流体入口１１１又は第２流体入口１１６まで通すものである。可動弁体１０１は、流体流路１２０に配置されており、第１流体入口１１１から流入する流体の押圧力によって紙面右側に移動するようになっている。可動弁体１０１の両端面には、膨張弁機構１００の内郭と可動弁体１０１との隙間から流体が流入するのを防ぎ、弁体流路１０２のみに流体を通過させるパッキン（パッキン１０３及びパッキン１０４）が設置されている。

この可動弁体１０１には、流体を通す弁体流路１０２が開口形成されている。また、可動弁体１０１の内部側には、弁体流路１０２と連通するように凹部１２１が形成されている。この凹部１２１の可動弁体１０１の流体の流れ方向長さは、第３分岐流路１１２の流体流路１２０との接続部分から第４分岐流路１１３の流体流路１２０との接続部分までの長さよりも長く、第３分岐流路１１２の流体流路１２０との接続部分から第２分岐流路１１７の流体流路１２０との接続部分までの長さよりも短くなっている。また、凹部１２１は、可動弁体１０１の流路方向を軸とした回転移動に対応できるように、可動弁体１０１に周状に形成しておくことが望ましい。

バネ１０５は、可動弁体１０１を付勢する付勢手段として機能し、第２流体入口１１６側にのみ配置されている。可動弁体１０１に掛かる流体の圧力がバネ１０５の付勢力より小さい状態あるいは可動弁体１０１に流体の圧力が係らない状態では、可動弁体１０１の凹部１２１が、第３分岐流路１１２の流体流路１２０との接続部分と第２分岐流路１１７の流体流路１２０との接続部分の間の位置に留まることになり、流体は流れないようになっている。つまり、膨張弁機構１００は、可動弁体１０１に係る流体圧力によって移動し、流体を通したり、通さなかったりするようになっている。

４つの分岐流路（第３分岐流路１１２、第４分岐流路１１３、第２分岐流路１１７、第１分岐流路１１８）は、流体流路１２０から分岐するように可動弁体１０１の流体の流れ方向長さの範囲内に設けられている。４つの分岐流路は、第１流体入口１１１側から、第１分岐流路１１８、第２分岐流路１１７、第３分岐流路１１２、第４分岐流路１１３の順で配置されている。第３分岐流路１１２及び第４分岐流路１１３は、第１流体入口１１１から流入し、弁体流路１０２を通ってきた流体を１つ又は２つに分岐する。つまり、第３分岐流路１１２及び第４分岐流路１１３は、可動弁体１０１の移動に伴って移動する凹部１２１を介していずれか又は双方が弁体流路１０２と連通し、弁体流路１０２を通ってきた流体を１つ又は２つに分岐するようになっている。

一方、第２分岐流路１１７及び第１分岐流路１１８は、第２流体入口１１６から流入し、合流器１１４を通ってきた流体を１つ又は２つに分岐する。つまり、第２分岐流路１１７及び第１分岐流路１１８は、可動弁体１０１の移動に伴って移動する凹部１２１を介していずれか又は双方が弁体流路１０２と連通し、合流器１１４を通ってきた流体を１つ又は２つに分岐するようになっている。合流器１１４は、流体流路１２０の外側に設けられ、４つの分岐流路と連通するように形成されている。毛細管１１９は、合流器１１４と第２流体入口１１６側の流体流路１２０とを連通させるものである。

ここで、膨張弁機構１００の動作について説明する。
まず、第１流体入口１１１から流体が流入した場合について説明する。第１流体入口１１１から流入した流体は、流体流路１２０を通って、可動弁体１０１の弁体流路１０２のみを流れる（図１で示す矢印）。弁体流路１０２は第１流体入口１１１よりも十分に流路面積が小さく、可動弁体１０１は流体の圧力により紙面右向きの力を受ける。この右向きの力により、可動弁体１０１は、紙面右側に移動するがバネ１０５による紙面左向きの力と釣り合った位置で停止する。

流体による可動弁体１０１を押す圧力が所定の値未満である場合、流体は、第３分岐流路１１２のみを通る。つまり、可動弁体１０１の凹部１２１が第３分岐流路１１２とのみ連通する位置で、可動弁体１０１が停止することになる（図１で示す実線矢印）。流体は、第３分岐流路１１２を通った際に減圧される。第３分岐流路１１２を通り減圧された流体は、合流器１１４に至り、それから毛細管１１９に流入し、さらに減圧されることになる。毛細管１１９の通過によってさらに減圧された流体は、流体流路１２０に戻り、第２流体入口１１６から流出する。

一方、流体による可動弁体１０１を押す圧力が、所定の値以上である場合、流体は、第３分岐流路１１２及び第４分岐流路１１３の双方を通る。つまり、可動弁体１０１の凹部１２１が第３分岐流路１１２及び第１分岐流路１１３の両方と連通する位置で、可動弁体１０１が停止することになる（図１で示す実線矢印及び破線矢印）。流体は、第３分岐流路１１２及び第４分岐流路１１３を通った際に減圧される。第３分岐流路１１２及び第４分岐流路１１３を通り減圧された流体は、合流器１１４に至り、それから毛細管１１９に流入し、さらに減圧されることになる。毛細管１１９の通過によってさらに減圧された流体は、流体流路１２０に戻り、第２流体入口１１６から流出する。

次に、第２流体入口１１６から流体が流入した場合について説明する。第２流体入口１１６から流入した流体は、流体流路１２０を通って、毛細管１１９を流れて減圧された後、合流器１１４に至る（図２で示す矢印）。毛細管１１９は第２流体入口１１６よりも十分に流路面積が小さく、可動弁体１０１は流体の圧力により紙面左向きの力を受ける。この左向きの力により、可動弁体１０１は、紙面左側に移動するがバネ１０５による紙面右向きの力と釣り合った位置で停止する。

流体による可動弁体１０１を押す圧力が所定の値未満である場合、合流器１１４を通った流体は、第２分岐流路１１７のみを通る。つまり、可動弁体１０１の凹部１２１が第２分岐流路１１７とのみ連通する位置で、可動弁体１０１が停止することになる（図２で示す実線矢印）。流体は、第２分岐流路１１７を通った際にさらに減圧される。第２分岐流路１１７を通り減圧された流体は、弁体流路１０２に流入し、さらに減圧されることになる。第２分岐流路１１７及び弁体流路１０２の通過によってさらに減圧された流体は、流体流路１２０に戻り、第１流体入口１１１から流出する。

一方、流体による可動弁体１０１を押す圧力が、所定の値以上である場合、合流器１１４を通った流体は、第２分岐流路１１７及び第１分岐流路１１８の双方を通る。つまり、可動弁体１０１の凹部１２１が第２分岐流路１１７及び第１分岐流路１１８と連通する位置で、可動弁体１０１が停止することになる（図２で示す実線矢印及び破線矢印）。流体は、第２分岐流路１１７及び第１分岐流路１１８を通った際にさらに減圧される。第２分岐流路１１７及び第１分岐流路１１８を通り減圧された流体は、弁体流路１０２に流入し、さらに減圧されることになる。第２分岐流路１１７、第１分岐流路１１８及び弁体流路１０２の通過によってさらに減圧された流体は、流体流路１２０に戻り、第１流体入口１１１から流出する。

以上のように、膨張弁機構１００では、膨張弁機構１００に流入する流体の圧力に応じて、可動弁体１０１の位置、すなわち可動弁体１０１の移動の調整が可能になるため、膨張弁機構１００が搭載される冷凍サイクルの負荷状態に応じた冷媒流量調整が実現できる。また、膨張弁機構１００は、電磁機構を使用せず、機械部品のみで構成するようにしているため、製造コストを低価格に抑えることができる。さらに、流体の双方向の流れに対応可能にしているため、実施の形態２で説明するヒートポンプ式の空気調和装置に好適なものとなる。

加えて、膨張弁機構１００は、構成を複雑化することなく、安価に製造することができ、流体の双方向の流れに対応可能にしているため、冷房運転と暖房運転とを適宜切り替えながら実行することができる各種冷暖房機器や冷凍加熱機器等の空気調和装置に設置されるものとして広く利用することができる。また、膨張弁機構１００は、流入する流体の圧力に応じて流量調整が可能になることからも、空気調和装置に設置されるものとして広く利用することができる。

なお、毛細管１１９、第３分岐流路１１２、第４分岐流路１１３、第２分岐流路１１７、及び、第１分岐流路１１８は、説明するための便宜上の称呼であって、それぞれの流量は適宜選定することができるものであり、これに限定するものではなく、たとえばオリフィスや、減圧することのない通常配管であってもよい。また、流体流路１２０は、説明するための便宜上の称呼であって、ぞれぞれの流量は適宜選定することができるものであり、これに限定するものではなく、たとえば途中にオリフィスを設けてもよいし、毛細管であってもよい。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係る空気調和装置２００の回路構成を模式的に示す回路図である。図３に基づいて、空気調和装置２００の回路構成及び動作について説明する。この実施の形態２に係る空気調和装置２００は、流体である冷媒を循環させる冷凍サイクルを利用することで冷房運転又は暖房運転を実行できるヒートポンプ式の空気調和装置であり、実施の形態１に係る膨張弁機構１００を冷凍サイクルの構成要素の一つとして搭載しているものである。

図３に示すように、空気調和装置２００は、冷媒を圧縮して高温高圧にする圧縮機１と、暖房運転時には凝縮器（又は放熱器）、冷房運転時には蒸発器として機能し、供給された冷媒と外気との間で熱交換をする室外側熱交換器３と、暖房運転時には凝縮器（又は放熱器）、冷房運転時には蒸発器として機能し、供給された冷媒と外気との間で熱交換して空調対象域に供給するための暖房空気あるいは冷房空気を作成する室内側熱交換器５と、圧縮機１によって圧縮された冷媒（以下、「高温冷媒」と称する）を室外側熱交換器３又は室内側熱交換器５の一方に選択的に切り替える四方弁２と、供給された冷媒を減圧する膨張弁機構１００と、を有している。そして、それらは冷媒を通す冷媒配管６で接続されている。

空気調和装置２００の冷房運転時においては、圧縮機１、四方弁２、室外側熱交換器３、膨張弁機構１００、室内側熱交換器５の順に冷媒が循環するようになっている。一方、空気調和装置２００の暖房運転時においては、圧縮機１、四方弁２、室内側熱交換器５、膨張弁機構１００、室外側熱交換器３の順に冷媒が循環するようになっている。すなわち、空気調和装置２００では、四方弁２が選択的に冷媒の流れを切り替えることによって、冷房運転又は暖房運転を実行することが可能になっている。なお、膨張弁機構１００の第１流体入口１１１が室外側熱交換器３側に接続され、第２流体入口１１６が室内側熱交換器５側に接続されるようになっている。

具体的には、空気調和装置２００が冷房運転を実行する場合、圧縮機１から吐出した高温冷媒を室外側熱交換器３に供給して凝縮器として機能させ、室内側熱交換器５を蒸発器として機能させる。一方、空気調和装置２００が暖房運転を実行する場合、圧縮機１から吐出した高温冷媒を室内側熱交換器５に供給して凝縮器として機能させ、膨張弁機構１００において減圧された冷媒（以下、「低温冷媒」と称する）を室外側熱交換器３に供給して蒸発器として機能させる。したがって、膨張弁機構１００には、図３において、右方向及び左方向の冷媒の流れが生じることになる。

ここで、空気調和装置２００の動作について説明する。
まず、冷房運転時の動作について説明する。空気調和装置２００が冷房運転を実行する場合、圧縮機１から吐出される高温冷媒が室外側熱交換器３に供給されるように四方弁２を切り替える。そして、室外側熱交換器３に供給された冷媒は、室外側熱交換器３に供給される空気により凝縮（又は放熱）し、冷却されることになる。室外側熱交換器３で凝縮されて流出した高圧の冷媒は、膨張弁機構１００の第１流体入口１１１より流入する。膨張弁機構１００に流入した冷媒は、流体流路１２０を通って、可動弁体１０１の弁体流路１０２のみを流れる（図１で示した矢印）。

弁体流路１０２は第１流体入口１１１よりも十分に流路面積が小さく、可動弁体１０１は冷媒の圧力により図１で説明したような紙面右向きの力を受ける。この右向きの力により、可動弁体１０１は、紙面右側に移動するがバネ１０５による紙面左向きの力と釣り合った位置で停止する。冷媒による可動弁体１０１を押す圧力が所定の値未満である場合、冷媒は、第３分岐流路１１２のみを通る（図１で示した実線矢印）。冷媒は、第３分岐流路１１２を通った際に減圧される。第３分岐流路１１２を通り減圧された冷媒は、合流器１１４に至り、それから毛細管１１９に流入し、さらに減圧されることになる。毛細管１１９の通過によってさらに減圧された冷媒は、流体流路１２０に戻り、第２流体入口１１６から流出し、室内側熱交換器５に供給されて蒸発し、圧縮機１に再度吸入される。

一方、冷媒による可動弁体１０１を押す圧力が、所定の値以上である場合、冷媒は、第３分岐流路１１２及び第４分岐流路１１３の双方を通る（図１で示す実線矢印及び破線矢印）。冷媒は、第３分岐流路１１２及び第４分岐流路１１３を通った際に減圧される。第３分岐流路１１２及び第４分岐流路１１３を通り減圧された冷媒は、合流器１１４に至り、それから毛細管１１９に流入し、さらに減圧されることになる。毛細管１１９の通過によってさらに減圧された冷媒は、流体流路１２０に戻り、第２流体入口１１６から流出し、室内側熱交換器５に供給されて蒸発し、圧縮機１に再度吸入される。

次に、暖房運転時の動作について説明する。空気調和装置２００が暖房運転を実行する場合、圧縮機１から吐出される高温冷媒が室内側熱交換器５に供給されるように四方弁２を切り替える。そして、室内側熱交換器５に供給された冷媒は、室内側熱交換器５に供給される空気により凝縮（又は放熱）し、冷却されることになる。室内側熱交換器５で凝縮されて流出した高圧の冷媒は、膨張弁機構１００の第２流体入口１１６より流入する。膨張弁機構１００に流入した冷媒は、流体流路１２０を通って、毛細管１１９を流れて減圧された後、合流器１１４に至る（図２で示した矢印）。

毛細管１１９は第２流体入口１１６よりも十分に流路面積が小さく、可動弁体１０１は冷媒の圧力により紙面左向きの力を受ける。この左向きの力により、可動弁体１０１は、紙面左側に移動するがバネ１０５による紙面右向きの力と釣り合った位置で停止する。冷媒による可動弁体１０１を押す圧力が所定の値未満である場合、合流器１１４を通った冷媒は、第２分岐流路１１７のみを通る（図２で示した実線矢印）。冷媒は、第２分岐流路１１７を通った際に減圧される。第２分岐流路１１７を通り減圧された冷媒は、弁体流路１０２に流入し、さらに減圧されることになる。第２分岐流路１１７及び弁体流路１０２の通過によってさらに減圧された冷媒は、流体流路１２０に戻り、第１流体入口１１１から流出し、室外側熱交換器３に供給されて蒸発し、圧縮機１に再度吸入される。

一方、冷媒による可動弁体１０１を押す圧力が、所定の値以上である場合、合流器１１４を通った冷媒は、第２分岐流路１１７及び第１分岐流路１１８の双方を通る（図２で示した実線矢印及び破線矢印）。冷媒は、第２分岐流路１１７及び第１分岐流路１１８を通った際にさらに減圧される。第２分岐流路１１７及び第１分岐流路１１８を通り減圧された冷媒は、弁体流路１０２に流入し、さらに減圧されることになる。第２分岐流路１１７、第１分岐流路１１８及び弁体流路１０２の通過によってさらに減圧された冷媒は、流体流路１２０に戻り、第１流体入口１１１から流出し、室外側熱交換器３に供給されて蒸発し、圧縮機１に再度吸入される。

以上のように、空気調和装置２００では、膨張弁機構１００に流入する冷媒の圧力に応じて、膨張弁機構１００による減圧量が変化するように構成したので、冷凍サイクルの負荷状態に応じた冷媒流量調整が実現できる。このため、空気調和装置２００の冷凍サイクルの高負荷条件における高圧圧力の過昇、高負荷条件における冷媒流量不足による能力低下、及び、低負荷条件における液圧縮による省エネ性の悪化を、効果的に防止することができる。また、膨張弁機構１００は、電磁機構を使用せず、機械部品のみで構成するようにしているため、製造コストを低価格に抑えることができる。さらに、冷媒の双方向の流れに対応可能にしているため、空気調和装置２００に好適なものとなる。

実施の形態１に係る膨張弁機構の概略構成を示す縦断面図である。 実施の形態１に係る膨張弁機構の概略構成を示す縦断面図である。 実施の形態２に係る空気調和装置の回路構成を模式的に示す回路図である。

符号の説明

１ 圧縮機、２ 四方弁、３ 室外側熱交換器、５ 室内側熱交換器、６ 冷媒配管、１００ 膨張弁機構、１０１ 可動弁体、１０２ 弁体流路、１０３ パッキン、１０４ パッキン、１０５ バネ、１１１ 第１流体入口、１１２ 第３分岐流路、１１３ 第４分岐流路、１１４ 合流器、１１６ 第２流体入口、１１７ 第２分岐流路、１１８ 第１分岐流路、１１９ 毛細管、１２０ 流体流路、１２１ 凹部、２００ 空気調和装置。

Claims (5)

1. 第１流体入口と、
   前記第１流体入口とは別に形成されている第２流体入口と、
   前記第１流体入口又は前記第２流体入口から流入した流体を通す流体流路と、
   前記流体流路に配置され、前記第１流体入口又は前記第２流体入口から流入する流体によって移動可能な可動弁体と、
   前記可動弁体を付勢する付勢手段と、
   前記流体流路に連通し、前記第１流体入口又は前記第２流体入口から流入する流体を分岐する複数の分岐流路と、
   前記流体流路の外側に設けられ、前記複数の分岐流路と連通する合流器と、
   前記合流器と前記第２流体入口側の前記流体流路とを連通させる毛細管と、を有し、
   前記可動弁体には、
   前記第１流体入口又は前記第２流体入口から流入する流体を通す弁体流路と、前記弁体流路に連通する凹部と、が形成されており、
   前記可動弁体は、
   前記付勢手段の付勢力以上の流体圧力が加わることで移動し、前記凹部を介して前記弁体流路と前記分岐流路との連通を調整している
   ことを特徴とする膨張弁機構。
2. 前記複数の分岐流路は、
   前記第１流体入口側から、第１分岐流路、第２分岐流路、第３分岐流路、第４分岐流路の順で配置されており、
   前記凹部の流体の流れ方向長さを、
   前記第３分岐流路の前記流体流路との接続部分から前記第４分岐流路の前記流体流路との接続部分までの長さよりも長く、前記第３分岐流路の前記流体流路との接続部分から前記第２分岐流路の前記流体流路との接続部分までの長さよりも短くしている
   ことを特徴とする請求項１に記載の膨張弁機構。
3. 前記付勢手段がバネである
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の膨張弁機構。
4. 前記可動弁体の両端面にパッキンを設置している
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の膨張弁機構。
5. 圧縮機と、室外側熱交換器と、前記請求項１〜４のいずれか一項に記載の膨張弁機構と、室内側熱交換器と、を冷媒配管で直列に接続した
   ことを特徴とする空気調和装置。

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