JP5881845B2 - 絞り装置、および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体の流量を調整する絞り装置、およびそれを備えた冷凍サイクル装置に関するものである。

流体（例えば冷媒）の流量を制御する絞り装置にあっては、弁体が装備されている弁室を冷媒が通過する際に流体音（冷媒音）を発生させる。気相と液相が共存する二相流で冷媒が弁室内に流入すると、弁体と弁室で形成される絞り部を、気相と液相が交互に不連続に通過するため圧力変動が生じ冷媒音が発生する場合がある。また絞り部の下流側は圧力低下しているため二相流であり、気泡の乱れや衝突により冷媒音が発生する場合がある。このような冷媒音を低減するために、従来より種々の工夫と提案がなされている。

そのような絞り装置の例として、複数の小孔を有する薄板部材を冷媒流れ経路に設けることで、二相冷媒中の気泡を細分化して冷媒音を低減させるものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、弁室に流路形状を設けて複数の流路を構成することで、冷媒噴流の運動エネルギーを低下させ圧力変動を小さくさせて、冷媒音を低減させるものがある（例えば、特許文献２参照）。
また、弁室内に隔壁部材を装着し、この隔壁部材に流体入口側空間と流体出口側空間とを連通する連通路を設けたものがある（例えば、特許文献３参照）。

特開２００７−１０７６２３号公報（段落［００１０］） 特開２００５−３５１６０５号公報（段落［００４７］、［００５３］） 特開２００６−２０７８５２号公報（段落［００３６］）

特許文献１〜３に記載の技術は、流体の流れを１次元的に捉え、流体音を低減する対策を講じており、一旦複数の経路を通過してから集約することで、冷媒の流れを均質化しようとするが、複数の経路の流れ方向の影響について言及しておらず、流体音を低減する効果が少ない。複数の経路から集約して一つの流れとなるまでの過程に着目し、より流動音を抑制する対策が望まれている。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、絞り装置を流通する流体の流体音を抑制することができる絞り装置、およびそれを備えた冷凍サイクル装置を得るものである。

本発明に係る絞り装置は、第１流路と第２流路とが接続される本体と、前記本体内部に形成され前記第１流路と連通する弁室と、前記弁室に形成され前記第２流路と連通する開口を有する弁座と、前記弁座の開口に向かって進退自在に設けられ、前記開口の開度を調節する弁体とを備え、前記本体は、前記第２流路と前記弁座の開口とを連通する複数の本体流路が本体内に形成され、前記複数の本体流路の流通方向が、前記弁体の軸方向と角度をなして形成され、前記複数の本体流路は、互いの間隔が、前記第２流路側の間隔より前記弁座の開口側の間隔が狭く形成されたものである。

本発明は、第２流路と弁座の開口とを連通する複数の本体流路を形成し、この複数の本体流路の流通方向が、弁体の軸方向と角度をなして形成されている。これにより、流体流れを効果的に分散させることで流体エネルギーを低減し、流体音を低減することができる。

本発明の実施の形態１における絞り装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１における絞り装置の要部の断面図である。 図２におけるＡ−Ａ矢視断面図である。 図２におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。 本発明の実施の形態１における絞り装置の正方向流れ速度分布である。 本発明の実施の形態１における絞り装置の逆方向流れ速度分布である。 本発明の実施の形態１における絞り装置の複数の経路での効果を説明する概略図である。 本発明の実施の形態１における絞り装置の要部の断面図である。 本発明の実施の形態１における絞り装置の他の構成例を示す図である。 絞り装置のよどみや渦の発生を説明する図である。 本発明の実施の形態２における絞り装置の要部の断面図である。 本発明の実施の形態３における冷凍サイクル装置の構成を示す図である。 従来の絞り装置の要部の断面図である。 従来の絞り装置の正方向流れ速度分布である。 従来の絞り装置の逆方向流れ速度分布である。

以下の実施の形態においては、冷凍サイクル装置において冷媒の流量を調整する絞り装置に、本発明を適用した場合を例に説明する。なお、本発明の絞り装置は冷媒の流量調節に限られるものではなく任意の流体に適用することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における絞り装置の構成を示す図である。
図２は、本発明の実施の形態１における絞り装置の要部の断面図である。
図３は、図２におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
図４は、図２におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。
なお、図２においては、絞り装置の開度が全閉の場合を示している。
図に示すように、絞り装置１００は、第１流路２と第２流路３とが接続される本体１と、本体１内部に形成され第１流路２と連通する弁室１４と、弁室１４に形成され第２流路３と連通するオリフィス１１を有する弁座１０と、弁座１０のオリフィス１１に向かって進退自在に設けられ、オリフィス１１の開度を調節する弁体４とを備えている。
なお、オリフィス１１は、本発明における「弁座の開口」に相当する。

本体１は、例えば円筒形状を有している。第１流路２及び第２流路３は、冷媒配管により構成され、冷媒配管の先端が本体１の開口部に挿入され、ろう付け等の接合手段により固着される。第１流路２は、本体１の半径方向に設けられる。第２流路３は、本体１の軸線上に設けられる。つまり、第１流路２と第２流路３とは互いに直交する方向に設けられる。

また、弁体４の上部には、弁体４と図示しない移動機構を介して連結されたロータと、ステータとにより構成されるステッピングモータ２０を備えている。このステッピングモータ２０の回転が移動機構によって並進距離に変換され、弁体４が軸方向（上下方向）に移動して弁座１０の開口の開度を制御する。

弁体４は、弁室１４を貫通する弁体胴体部５と、弁座１０のオリフィス１１の開口よりも小径に形成された弁体先端部７と、弁体胴体部５と弁体先端部７とを接続するニードル部６とを有している。そして、弁体胴体部５の略中心軸上に、例えば円柱形状の弁体先端部７が形成されている。弁体４の弁体先端部７は本体軸受部９に回転かつ軸方向に移動可能に嵌合されている。なお、弁体胴体部５および弁体先端部７の形状は円柱に限定するものではない。

本体１には、弁体４を支持する本体軸受部９が形成されている。本体軸受部９は、第２流路３とオリフィス１１とを連通し冷媒（流体）が流通する本体流路１３と、弁体先端部７が嵌入される弁体支持用孔１２とにより形成されている。弁体支持用孔１２は、弁体４の弁体先端部７の外径よりも、僅かに大きい内径を有する嵌入孔により形成されており、弁体４の弁体先端部７が摺動自在に挿入されることで、弁体先端部７と摺接して弁体４を支持する。

本体流路１３は、弁体先端部７の周囲に複数形成されている。この複数の本体流路１３は、それぞれ円形状に形成され、例えば図３、図４に示すように、オリフィス１１と同心円の円周上に略等間隔に配置されている。また、本体流路１３は、円筒状に形成されている。なお、円筒状とは、真円、楕円等、円形の筒状の形状を全て含むものである。また、本体流路１３は、冷媒の流通方向が、弁体４の軸方向、即ち、第２流路３の軸方向と角度をなして形成されている。これにより本体流路１３は、オリフィス１１から第２流路３の外周方向へ向けて傾斜する流路を構成している。この複数の本体流路１３は、互いの間隔が、第２流路３側の間隔よりオリフィス１１側の間隔が狭く形成されている。すなわち、複数の本体流路１３の中心軸は、オリフィス１１側から第２流路３側に向かって、外側に広がるように形成されている。また、本体流路１３は、本体１内に形成されている。なお、本体流路１３は、別部品内に形成され、この別部品が本体１に接続されることで実質的に、本体１内に本体流路１３が形成されているものでも良い。
また、本体軸受部９は、オリフィス１１と間隔を空けて配置されており、この間隔によりオリフィス１１と本体軸受部９との間で複数の本体流路１３が連通している。

（冷媒の流れ）
次に、絞り装置１００における冷媒の流れについて説明する。
図２に示すように、全閉時には弁体４のニードル部６と弁座１０とが当接して密着状態で保持される。
ステッピングモータ２０の回転により弁体４が上方に移動されると、弁体４は、上方へ移動する。これにより弁体４のニードル部６と弁座１０との間の流路面積が変化し、流量が調節される（１段目絞り）。このとき、第１流路２から第２流路３へ向かう冷媒は、オリフィス１１の出口側から各本体流路１３に分流して第２流路３へと至る。また、第２流路３から第１流路２へ向かう冷媒は、複数の本体流路１３に分流されたあと、本体軸受部９とオリフィス１１との間で再び合流し、オリフィス１１へと至る。
そして、さらに弁体４を上方に移動させ、弁体４のニードル部６と弁座１０との間の流路面積が最大とした場合（全開開度）においては、オリフィス１１によって流量が制限される（２段目絞り）。
また、ステッピングモータ２０の回転により弁体４が下方に移動されると、弁体４は下方へ摺動移動する。そして、弁体４のニードル部６と弁座１０とが当接して密着状態で保持することで全閉状態となる。

絞り装置１００に流入する冷媒は、液相冷媒中に気相冷媒が泡沫として混入することがある。この気液混合冷媒が絞り装置１００を通過する際に騒音の原因となる。騒音の主な要因は、気相冷媒の泡沫の存在であることが判明しており、特に大きな泡沫の存在が問題となる。
まず本実施の形態における冷媒音対策を説明する前に、従来事例をもとに課題を説明する。

（従来事例）
図１３は、従来の絞り装置の要部の断面図である。図１３においては、絞り装置の開度が全閉の場合を示している。
図１３に示すように、従来事例の絞り装置では、本発明の実施の形態１と比較して、弁体先端部７、本体軸受部９、弁体支持用孔１２、複数の本体流路１３が設けられていない。
この従来事例の絞り装置において、第１流路２から第２流路３へ冷媒が流れる方向を、正方向流れとし、第２流路３から第１流路２へ冷媒が流れる方向を逆方向流れとする。
そして、この従来事例の絞り装置において、正方向流れ、および逆方向流れについて、所定の開度、所定の差圧が与えられた場合の平均速度場の解析結果を図１４、図１５に示す。

図１４は、従来の絞り装置の正方向流れ速度分布である。
図１４に示すように、第１流路２や弁室１４では冷媒の速度は低い。ニードル部６と弁座１０との間の狭い領域の流路で冷媒の速度が高くなり、ニードル部６に沿って円錐状に狭まるように流れる。この狭い領域を出ると第２流路３内に入るが、慣性があるので円錐状に狭まるように流れる。その結果運動エネルギーが集約し、冷媒速度が高くなる。また、オリフィス１１のある箇所で圧力変動があると、それが他の冷媒流れに与える影響は、それぞれの流れが集約する方向なので、非常に大きい。オリフィス１１を中心として、第２流路３で、冷媒速度が非常に高い。

図１５は、従来の絞り装置の逆方向流れ速度分布である。
図１５に示すように、ほとんどの領域で冷媒の速度が低い。第２流路３やオリフィスでは冷媒速度が小さい。ニードル部６と弁座１０との間の狭い領域の流路で冷媒の速度が高くなり、ニードル部６に沿って円錐状に広がるように流れる。この狭い領域を出ると弁室１４内に入るが、慣性があるので円錐状に広がるように流れる。その結果運動エネルギーが拡散するので、冷媒速度が低い。また、弁室１４のある箇所で圧力変動があったとしても、それが他の冷媒流れに与える影響は、それぞれの流れが離れていく方向なので、小さい。

以上より、図１４に示す正方向流れより、図１５に示す逆方向流れの方が、冷媒速度が高くなる領域が少なく、冷媒音が低いように窺える。実際に観測した結果でも、正方向流れより逆方向流れの方が、冷媒音が小さい。つまり、冷媒音を抑制するには、図１５の流体の流れのように、絞り装置内部の流体の流れを、進行方向に対して広がるような流れにすればよい。

（本実施の形態での冷媒流れ）
次に、本実施の形態１での冷媒流れについて説明する。
本実施の形態１の絞り装置１００においても、第１流路２から第２流路３へ冷媒が流れる方向を、正方向流れとし、第２流路３から第１流路２へ冷媒が流れる方向を逆方向流れとする。
本実施の形態１の絞り装置１００において、正方向流れ、および逆方向流れについて、所定の開度、所定の差圧が与えられた場合の平均速度場の解析結果を図５、図６に示す。

図５は、本発明の実施の形態１における絞り装置の正方向流れ速度分布である。
図５に示すように、ほとんどの領域で冷媒の速度が低い。第１流路２や弁室１４では冷媒の速度は低い。ニードル部６と弁座１０との間の狭い領域の流路で冷媒の速度が高くなり、ニードル部６に沿って円錐状に狭まるように流れる。この狭い領域を出ると、慣性があるので円錐状に狭まるように流れようとする。しかし、弁体先端部７があるため、流れが中央に集約することがない。さらには、複数の本体流路１３を通過することで、流れが分割され、かつ分散する方向に冷媒が流れる。

また、オリフィス１１のある箇所で圧力変動があると、それが他の冷媒流れに与える影響が存在するが、オリフィス１１の径に比べて十分短い経路を通過すると、複数の本体流路１３に至るので、圧力変動が互いに影響を与えることがない。複数の本体流路１３内では、当然ながら圧力変動が互いに影響を与えることがない。
このように、図５に示す実施の形態１における絞り装置１００の正方向流れでは、図１４に示した従来の絞り装置の正方向流れと比較して、冷媒速度が高くなる領域が少なく、冷媒音が抑制される。

図６は、本発明の実施の形態１における絞り装置の逆方向流れ速度分布である。
図６に示すように、ほとんどの領域で冷媒の速度が低い。第２流路３、複数の本体流路１３、オリフィス１１では冷媒速度が小さい。ニードル部６と弁座１０との間の狭い領域の流路で冷媒の速度が高くなり、ニードル部６に沿って円錐状に広がるように流れる。この狭い領域を出ると弁室１４内に入るが、慣性があるので円錐状に広がるように流れる。その結果運動エネルギーが拡散するので、冷媒速度が低い。また弁室１４のある箇所で圧力変動があったとしても、それが他の冷媒流れに与える影響は、それぞれの流れが離れていく方向なので小さい。このように、図６に示す実施の形態１における絞り装置１００の逆方向流れでは、図１５に示した従来の絞り装置の逆方向流れと略同様の平均速度場となる。

以上のように、本実施の形態１における絞り装置１００は、オリフィス１１と第２流路３との間に、オリフィス１１と第２流路３とを連通する複数の本体流路１３が形成されている。このため、冷媒流れを効果的に分散させることで流体エネルギーを低減し、冷媒速度が高くなる領域を少なくすることができ、圧力変動の増加を抑制でき、冷媒音（流体音）を低減することができる。

（複数の本体流路１３の流路面積）
本実施の形態１における絞り装置１００は、図４に示すように、複数の本体流路１３の流路面積の総計が、オリフィス１１の流路面積より大きく形成されている。
そのため、オリフィス１１の開度が全閉から全開まで変化しても、複数の本体流路１３が流量を決定する主要因とならない。よって、例えば、複数の本体流路１３を設けた本実施の形態１の絞り装置１００と、複数の本体流路１３を設けていない従来の絞り装置とが、同一の冷凍サイクル装置内に共存するとしても、流量特性がほぼ共通化できるため、製造コストが低減できる。

（複数の本体流路１３の流路長さ）
図７は、本発明の実施の形態１における絞り装置の複数の経路での効果を説明する概略図である。
図７（ａ）は、従来の絞り装置を示し、複数の本体流路１３の流路長さＬａが、複数の本体流路１３の最近接距離Ｄａより短い場合（Ｄａ＞Ｌａ）を示している。
図７（ｂ）は、本実施の形態１の絞り装置１００を示し、複数の本体流路１３の流路長さＬｂが、複数の本体流路１３の最近接距離Ｄｂより長い場合（Ｄｂ＜Ｌｂ）を示している。

図７（ａ）に示すように、複数の本体流路１３の流路長さが最接近距離より短いと、複数の本体流路１３を出た後の冷媒流れは直進性が低く、広がりながら冷媒が流れようとする。
一方、図７（ｂ）に示すように、複数の本体流路１３の流路長さが最接近距離より長いと、複数の本体流路１３を出た後の冷媒流れは直進性が高く、隣り合う複数の本体流路１３同士の冷媒流れが混じり合うまでに進む距離が、図７（ａ）と比較して長くなる。
このように、隣り合う複数の本体流路１３同士の冷媒流れが混じり合うまでに進む距離の間は、分散流れのために速度が低下するため、冷媒流れが混じり合った後に圧力変動に与える影響が小さくなる。よって、より冷媒音の抑制効果を得ることができる。

（複数の本体流路１３のオリフィス１１までの距離）
図８は、本発明の実施の形態１における絞り装置の要部の断面図である。
図８に示すように、本実施の形態１における絞り装置１００は、複数の本体流路１３のオリフィス１１側の端部から弁座１０までの距離Ｗが、オリフィス１１の開口幅Ｒより小さく形成されている。
距離Ｗが長くなると、弁体４のニードル部６に沿って円錐状に狭まるように流れた冷媒が中央に集約し、または乱れを発生し、冷媒速度の分布変動や圧力変動が生じて冷媒音を生じさせる。
本実施の形態１では、距離Ｗを開口幅Ｒより小さくしているので、複数の本体流路１３のオリフィス１１側の端部から弁座１０までの間の冷媒流れの集約や乱れを抑制でき、より冷媒音を抑制することができる。

（絞り装置１００の他の構成例）
図９は、本発明の実施の形態１における絞り装置の他の構成例を示す図である。
図９に示すように、弁体先端部７、本体軸受部９、弁体支持用孔１２を省略し、中央部１７の周囲に複数の本体流路１３を形成するようにしても良い。このような構成においても、上述した効果を奏することができる。

なお、本実施の形態１では、本体１に複数の本体流路１３を形成する場合を説明したが、本発明はこれに限らず、本体１とは別体で形成しても良い。例えば、円柱状の部材に複数の本体流路１３を形成し、この円柱状の部材を、オリフィス１１の第２流路３側に距離Ｗを隔てて配置するようにしても良い。

実施の形態２．
図１０は、絞り装置のよどみや渦の発生を説明する図である。
図１０に示すように、複数の本体流路１３を通過した冷媒が第２流路３内へ流出すると、冷媒流れのよどみや渦が発生する場合がある。このような冷媒流れのよどみや渦は、冷媒音の原因となる場合がある。

図１１は、本発明の実施の形態２における絞り装置の要部の断面図である。
図１１に示すように、本発明の実施の形態２における絞り装置１００は、上記実施の形態１の構成に加え、本体軸受部９（中央部）の第２流路３側に、本体軸受部９（中央部）から第２流路３に延出する静止部材１５を設けている。
これにより、複数の本体流路１３を通過した冷媒は、静止部材１５と第２流路３の内壁との間の流路に沿って流れ、冷媒流れのよどみや渦の発生を抑制できる。よって、冷媒音を抑制することができる。
なお、図１１に示すように、静止部材１５の形状は、複数の本体流路１３の流通方向に沿うように、本体軸受部９の端部から第２流路３側に拡径する円錐形状を有し、第２流路３の内壁側を流通した冷媒が拡散するように、第２流路３の内壁と所定間隔を隔てたあと縮径する円錐形状を有する。

実施の形態３．
（空気調和装置）
上記実施の形態１、２の絞り装置１００を備えた空気調和装置について説明する。
図１２は、本発明の実施の形態３における冷凍サイクル装置の構成を示す図である。
図１２に示すように、冷凍サイクル装置は、圧縮機１１０、凝縮器１２０、絞り装置１００、および蒸発器１３０を備え、順次、冷媒配管で接続されて冷媒回路を構成している。

圧縮機１１０は冷媒を圧縮し、凝縮器１２０に流入させる。凝縮器１２０は、圧縮機１１０によって圧縮された冷媒を凝縮する。絞り装置１００は、第１流路２を構成する冷媒配管により、凝縮器１２０と接続され、凝縮器１２０によって凝縮された冷媒を膨張する。また、絞り装置１００は、第２流路３を構成する冷媒配管により、蒸発器１３０と接続されている。蒸発器１３０は、絞り装置１００によって膨張された冷媒を蒸発する。

このような構成において、圧縮機１１０を起動すると、低圧のガス冷媒は、圧縮機１１０に吸入されて圧縮されて高圧のガス冷媒となる。高圧のガス冷媒は、凝縮器１２０で凝縮されて高圧の液冷媒となる。そして、この高圧の液冷媒は、絞り装置１００によって減圧されて、低温低圧の気液二相冷媒となり、蒸発器１３０で蒸発されて低圧のガス冷媒となる。この低圧のガス冷媒は、再び圧縮機１１０に吸入される。
この冷凍サイクル装置は、例えば空気調和装置等に用いることができ、凝縮器１２０での発熱を利用して暖房を行う。また、蒸発器１３０の吸熱を利用して冷房を行う。
なお、絞り装置１００の第１流路２を構成する冷媒配管に蒸発器１３０を接続し、第２流路３を構成する冷媒配管に凝縮器１２０を接続するようにしても良い。また、四方弁を設けて冷媒の循環方向を変えることにより、冷房・暖房運転の切り替えを行うようにしても良い。

以上のように、本実施の形態３における冷凍サイクル装置は、冷媒音を抑制することが可能である。特に、絞り装置１００を負荷側（室内側）に配置した場合には、室内の人に冷媒音を聞こえにくくすることができ、快適性を向上することができる。

１ 本体、２ 第１流路、３ 第２流路、４ 弁体、５ 弁体胴体部、６ ニードル部、７ 弁体先端部、９ 本体軸受部、１０ 弁座、１１ オリフィス、１２ 弁体支持用孔、１３ 本体流路、１４ 弁室、１５ 静止部材、１７ 中央部、２０ ステッピングモータ、１００ 絞り装置、１１０ 圧縮機、１２０ 凝縮器、１３０ 蒸発器、２００ 冷凍サイクル装置。

Claims (7)

1. 第１流路と第２流路とが接続される本体と、
   前記本体内部に形成され前記第１流路と連通する弁室と、
   前記弁室に形成され前記第２流路と連通する開口を有する弁座と、
   前記弁座の開口に向かって進退自在に設けられ、前記開口の開度を調節する弁体と
   を備え、
   前記本体は、
   前記第２流路と前記弁座の開口とを連通する複数の本体流路が本体内に形成され、
   前記複数の本体流路の流通方向が、前記弁体の軸方向と角度をなして形成され、
   前記複数の本体流路は、
   互いの間隔が、前記第２流路側の間隔より前記弁座の開口側の間隔が狭く形成された
   ことを特徴とする絞り装置。
2. 前記複数の本体流路の開口面積の和が、前記弁座の開口の開口面積より大きい
   ことを特徴とする請求項１記載の絞り装置。
3. 前記複数の本体流路の前記弁座側の端部から前記弁座までの距離が、前記弁座の開口の開口幅より小さい
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の絞り装置。
4. 前記複数の本体流路の流路長さは、
   当該複数の本体流路の互いの間隔より大きい
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の絞り装置。
5. 前記本体は、前記複数の本体流路が、前記弁体の中心軸上の中央部の周囲に形成され、
   前記中央部の前記第２流路側に、前記中央部から前記第２流路に延出する静止部材を設けた
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の絞り装置。
6. 前記弁体は、円柱状に形成され、
   前記弁座の開口よりも大径に形成された弁体胴体部と、
   前記弁座の開口よりも小径に形成された弁体先端部と、
   前記弁体胴体部と前記弁体先端部とを接続するニードル部とを有し、
   前記本体は、前記弁体先端部が嵌入される弁体支持用孔とが形成され、前記弁体支持用孔が前記弁体先端部と摺接して前記弁体を支持する本体軸受部を有し、
   前記複数の本体流路は、前記本体軸受部の周囲に形成された
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の絞り装置。
7. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
   前記凝縮器によって凝縮された冷媒を膨張する、請求項１〜６の何れか一項に記載の絞り装置と、
   前記絞り装置によって膨張された冷媒を蒸発する蒸発器とを備えた
   ことを特徴とする冷凍サイクル装置。

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