JP6109094B2 - 制御弁 - Google Patents

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本発明は、制御弁に関する。
冷凍サイクル装置においては、膨張弁としてニードル弁が、凝縮器と蒸発器との間に配されている。膨張弁においては、例えば、特許文献1の段落[0022]および図5にも示されるように、弁座の内周縁とニードルとによって形成される隙間流路のオリフィス入口で、流れの剥離が、発生する。この剥離流れの発達と消滅との変動、あるいは、剥離流れそのものが、膨張弁において騒音の原因となる。また、オリフィス入口で渦が発生した場合、一連の渦の挙動により発泡点が変動するので騒音の原因となる圧力変動が生じる。このような場合、騒音レベルを低減すべく、ニードル先端部とオリフィス入口部とのなす角度を60°以下に設定することが提案されている。さらに、ニードル弁は、例えば、特許文献2にも示されるように、気泡が消滅するとき、衝撃力により生じる騒音を確実に抑制すべく、弁体の外周面同士のなす角度αが、弁座の弁口におけるポート部の内面同士の角度β以上で、かつ、これらの角度の差(α―β)が10°以下となるように構成されることが提案されている。
特開2007−32979号公報 特開2008−291928号公報
しかしながら、上述のような隙間流路を形成する弁座の壁面、あるいは、ニードル弁の外周面において、角部が形成されている場合、その角部で流体の剥離が発生することにより、流体の剥離と再付着とが発生するので騒音や壊食の原因となる虞がある。
また、近年、地球温暖化対策として、CO冷媒、R410aなどの温暖化係数の低い冷媒が使用されるようになってきた。これらは、既存の冷媒より高圧であるためオリフィスにおいて流速が高速となるので流体の流れによる騒音が顕在化し易くなってきた。
以上の問題点を考慮し、本発明は、制御弁であって、弁座の内周面に形成される隙間流路に発生する騒音や壊食の原因となる流体の剥離を抑制できる制御弁を提供することを目的とする。
上述の目的を達成するために、本発明に係る制御弁は、第1の通路に接続される第1のポートと、第2の通路に接続される第2のポートとを有し、第1のポートおよび第2のポートに連通し、第2のポートを開閉制御する弁体を含んでなる弁体ユニットを移動可能に収容する収容部を備える弁本体部と、弁体ユニットに、弁体の先端部と第2のポートの周縁との間を通過する流体の流量を調整するように、第2のポートを開閉制御する動作を行わせる弁体ユニット駆動機構と、を備え、弁体の先端部に向き合う第2のポートに隣接した弁座に形成される流路の内周面と弁座の湾曲面の端部との交わる部分に、または、第2のポートに隣接した弁座に形成される流路における複数の湾曲面のうち少なくとも二つの湾曲面が互いに交わる部分に、流体の渦が内側に生じる第1の凹部が形成されることを特徴とする。
また、弁体の先端部を形成する複数の円錐面のうち少なくとも二つの円錐面が互いに交わる部分に、流体の渦が内側に生じる第2の凹部が形成されてもよく、第1の凹部または第2の凹部は、円弧状の断面を有するものでもよく、第1の凹部は、略V字状の断面を有するものでもよい。第2のポートに隣接した弁座に形成される流路の横断面における少なくとも一つの拡大面の両端に、それぞれ、第1の凹部が形成されてもよく、さらに、第2のポートに隣接した弁座に形成される流路の横断面における複数の拡大面が交差する部分に第1の凹部が形成されてもよい。
本発明に係る制御弁によれば、弁体の先端部に向き合う第2のポートに隣接した弁座に形成される流路の内周面と弁座の湾曲面の端部との交わる部分に、または、第2のポートに隣接した弁座に形成される流路おける複数の湾曲面のうち少なくとも二つの湾曲面が互いに交わる部分に、流体の渦が内側に生じる凹部が形成されるので弁座の内周面に形成される隙間流路に発生する騒音や壊食の原因となる流体の剥離を抑制できる。
本発明に係る制御弁の第1実施例の要部を部分的に拡大して示す部分断面図である。 本発明に係る制御弁の第1実施例の構成を概略的に示す部分断面図である。 図1に示される例における一部を拡大して示す部分断面図である。 本発明に係る制御弁の第2実施例の要部を部分的に拡大して示す部分断面図である。
図2は、本発明に係る制御弁の第1実施例を、配管用パイプとともに示す。
図2において、制御弁は、例えば、空調装置における凝縮器と蒸発器との間に膨張弁として配されている。制御弁は、円筒状のローターケース20内に配され後述する弁体ユニットを駆動する弁駆動部と、ローターケース20の端部に連結され弁体26の先端部で開閉される弁座30Vを有する弁本体部30と、弁本体部30内に配され弁座30Vを開閉する弁体26を含んでなる弁体ユニットと、を含んで構成されている。
弁駆動部は、弁体ユニットを昇降動させる雄ネジ軸14と、雄ネジ軸14と嵌め合わされる雌ねじ部を有し弁体ユニットを昇降動可能に案内する案内支持部12と、雄ねじ軸14に固定され回転可能に支持され着磁されたロータ(不図示)と、ローターケース20の外周部に配されロータを回転させるステータコイル(不図示)と、を主な要素として含んで構成されている。案内支持部12は、弁体ユニットのケース18を案内する案内面を内周部に有している。弁駆動部は、図示が省略される駆動制御部により供給される駆動パルス信号に基づいて制御される。
上述の弁体ユニットは、後述する弁座30Vの流路30Vaを開閉するニードル状の弁体26と、雄ねじ軸14のフランジ付連結端14aをワッシャ16と協働してケース18の一端部に保持するリテーナ部材24と、リテーナ部材24の一端と弁体26の一端26EAの環状平坦部との間に配され、双方を互いに離隔する方向に付勢するコイルスプリング22と、リテーナ部材24、コイルスプリング22、弁体26の一端26EAを収容する円筒状のケース18と、を主な要素として含んで構成されている。
円筒状のケース18の一端は、弁体26の一端26EAの外周部に嵌合されることにより、閉塞されている。円筒状のケース18の他端は、フランジ付連結端14aが挿入される開口端部を有している。
ケース18の開口端部の内周縁とフランジ付連結端14aのフランジとの間には、ワッシャ16が配されている。また、フランジ付連結端14aの端面には、リテーナ部材24の端面が当接されている。
円筒状のケース18の外周部は、上述の案内支持部12の案内面に摺接され昇降動可能に支持されている。これにより、弁体26の他端26EBの最先端が、弁座30Vの流路30Vaに挿入されるとともに、後述の弁体26の円錐面26E2が尖頭部30EPに当接した後、引き続き雄ねじ軸14が下降すると、コイルスプリング22が圧縮される。それによって、ばね力により弁体26の円錐面26E2が尖頭部30EPに押し付けられる。これにより、弁座30の流路30Vaが、閉塞される。
弁体26の他端26EBの先端部は、図1に部分的に拡大されて示されるように、弁座30Vの流路30Vaに挿入される先細状部を有している。その先細状部は、円錐面26E2、26E3,および、26E4により形成されている。円錐面26E2と円錐面26E3とが交わる部分に形成される第1の縮径部26EP1は、所定の頂角αを有する円錐面26E2を介して他端26EBの外周面に連なっている。円錐面26E2は、その円錐の母線の一部を形成する。第1の縮径部26EP1の直径VDは、流路30Vaの内径PDと略同一に設定されている。また、第1の縮径部26EP1に連なり最先端に向けて延びる円錐面26E3は、頂角αよりも小なる所定の頂角βを有している。円錐面26E3と交わる円錐面26E4は、頂角αよりも大なる頂角γを有している。円錐面26E3と円錐面26E4とが交わる部分には、円弧状の断面を有する凹部26R1が環状に形成されている。さらに、円錐面26E2と他端26EBの外周面とが交わる部分には、略V字状の断面を有する凹部26E1が環状に形成されている。
弁本体部30は、金属材料、例えば、真鍮、ステンレス鋼、アルミニウム合金、樹脂材料等により作られ、案内支持部12の下端、弁体26の他端26EBおよび円筒状のケース18を収容する弁体収容部30Aを内側に有している。弁体収容部30Aには、弁体26の他端26EBが突出している。また、弁体収容部30Aには、弁体26の中心軸線に対し略直交する軸線上に第1の通路としての接続用パイプ32の一端が接続される第1のポートとしてのポート32Pと、弁体26の中心軸線と共通の軸線上に第2の通路としての接続用パイプ34の一端が接続される、第2のポートとしてのポート34Pに隣接した弁座30Vと、が形成されている。ポート34Pの直径は、ポート32Pの直径と略同一に設定されている。
上述の弁体26の他端26EBの先端部に向かい合う弁座30Vに形成される流路30Vaの開口端周縁の流路を形成する面である横断面は、図1に部分的に拡大されて示されるように、漏斗状に弁座30Vの平坦面に連なる湾曲面30E2および30E3と、流路30Vaの内周部を形成する内周面30E4と、から形成されている。流路30Vaの直径は、ポート34Pの直径よりも小に設定されている。弁座30Vの平坦面は、弁体26の他端26EBの中心軸線に対し直交するように形成されている。内周面30E4は、弁体26の他端26EBの中心軸線と平行に延びている。湾曲面30E2および30E3は、弁座30Vの平坦面と内周面30E4とを連結している。湾曲面30E2の一方の端部と弁座30Vの平坦面とが交わる部分には、略V字状の断面を有する凹部30E1が、流路30Vaの中心軸線の回りに環状に形成されている。湾曲面30E3の他方の端部と内周面30E4との交わる部分に円弧状の断面を有する凹部30R1が、流路30Vaの中心軸線の回りに環状に形成されている。湾曲面30E2と湾曲面30E3との境界部分の中間部分には、弁体26が流路30Vaに対し閉塞状態とされる場合、図1において二点鎖線で示されるように、弁体26の円錐面26E2が当接する尖頭部30EPが、流路30Vaの中心軸線の回りの円周上に形成されている。
斯かる構成において、弁駆動部のステータコイルが駆動制御部からの駆動パルス信号により制御され、弁体26が昇降動せしめられることにより、接続用パイプ32または接続用パイプ34を通じて供給される流体としての冷媒が、矢印Fまたは矢印Rの示す方向に沿って弁座30Vの湾曲面30E2から内周面30E4に至る壁面と弁体26の他端26EBの先細状部との間に形成される隙間流路を通じて所定の流量で通過することとなる。
その際、例えば、図3(A)に部分的に拡大されて示されるように、流体が矢印Fの示す方向に流れる場合、凹部30R1内において、矢印Faの示す方向に自転する渦が、形成され、流体の一部の流れは、この渦によって見かけの粘性が高い乱流となる。これにより、湾曲面30E3に沿った流体は、凹部30R1近傍において渦表面の乱流境界層に沿って流れ、湾曲面30E3から剥離せずに内周面30E4に沿って流れる。凹部30E1、弁体26の他端26EBにおける凹部26E1、凹部26R1近傍においても、流体が同様な挙動となるので流体は、壁面から剥離せずに流れる。従って、流体の壁面からの剥離に起因する再付着が抑制されることにより騒音が低減される。
一方、例えば、図3(B)に部分的に拡大されて示されるように、流体が矢印Rの示す方向に流れる場合、凹部30R1内において、矢印Fbの示す方向に自転する渦が、形成され、流体の一部の流れは、この渦によって見かけの粘性が高い乱流となる。これにより、内周面30E4に沿った流体は、凹部30R1近傍において渦表面の乱流境界層に沿って流れ、内周面30E4から剥離せずに湾曲面30E3に沿って流れる。従って、流体が矢印Rの示す方向に流れる場合においても、流体は、壁面から剥離せずに流れ、流体の壁面からの剥離に起因する流体の再付着が抑制されることにより騒音が低減される。
図4は、本発明に係る制御弁の第2実施例に用いられる弁体の要部を拡大して示す。
図1に示される第1実施例においては、弁体26の他端26EBは、2箇所に凹部26E1、26R1を有し、弁座30Vは、2箇所に凹部30E1、30R1を有するものとされるが、その代わりに、図4に示される第2実施例においては、弁体36の他端36EBは、3箇所に凹部36R1、36R2、および、36R3を有し、弁座40Vは、4箇所に凹部40E1、40R1、40R2、および、40R3を有するものとされる。
図4に示される例においても、制御弁は、例えば、空調装置における凝縮器と蒸発器との間に膨張弁として配されている。制御弁は、上述の円筒状のローターケース20内に配され後述する弁体ユニットを駆動する弁駆動部と、ローターケース20の端部に連結され弁体36の先端部で開閉される弁座40Vを有する弁本体部40と、弁本体部40内に配され弁座40Vを開閉する弁体36を含んでなる弁体ユニットと、を含んで構成されている。なお、ローターケース20、弁駆動部は、それぞれ、上述した図2に示される例と同様な構成を有するのでその重複説明を省略する。
弁体36の他端36EBの先端部は、図4に部分的に拡大されて示されるように、流路44Pに挿入される先細状部を有している。その先細状部は、円錐面36E1、36E2、36E3,および、36E4により形成されている。円錐面36E1と円錐面36E2とが交わる部分に形成される第1の縮径部36EP1は、所定の頂角αAを有する円錐面36E1、凹部36R1を介して他端36EBの外周面に連なっている。円錐面36E1は、その円錐の母線の一部を形成する。第1の縮径部36EP1の直径VDは、後述する流路44Pの最小内径PDと略同一に設定されている。また、第1の縮径部36EP1に連なり最先端に向けて延びる円錐面36E2は、頂角αAよりも小なる所定の頂角βAを有している。円錐面36E2と交わる円錐面36E3は、頂角βAよりも大なる頂角γAを有している。円錐面36E3と交わる円錐面36E4は、頂角γAよりも大なる頂角δAを有しており、円錐面36E3と交わる部分には、円弧状の断面を有する凹部36R3が環状に形成されている。このように円錐面36E4がくびれ状に形成されているので流体が円錐面36E4の最下端で整流化された状態となり、円錐面36E4から流路44Pの流れがスムーズになる。
円錐面36E2と円錐面36E3とが交わる部分には、円弧状の断面を有する凹部36R2が環状に形成されている。さらに、円錐面36E1と他端36EBの外周面とが交わる部分には、円弧状の断面を有する凹部36R1が環状に形成されている。
弁本体部40は、金属材料、例えば、真鍮、ステンレス鋼、アルミニウム合金、樹脂材料等により作られ、弁体36の他端36EBを収容する弁体収容部40Aを内側に有している。弁体収容部40Aには、弁体36の中心軸線に対し略直交する軸線上に第1の通路としての接続用パイプ32の一端が接続される一方のポートと、弁体36の中心軸線と共通の軸線上に第2の通路としての接続用パイプ34の一端が接続される他方のポートと、が形成されている。
上述の弁体36の他端36EBの先端部に向かい合う他方のポートに隣接した弁座40Vに形成される流路44Pの開口端周縁の横断面は、図4に示されるように、漏斗状に弁座40Vの平坦面に連なる湾曲面40E2および40E3と、最小縮径面部40E4と、末広ノズルの断面形状のように、後述する最大内径を有する内周面40E8に向かうにつれて順次、徐々に拡大する拡大面40E5、40E6、40E7と、流路44Pの内周部を形成する内周面40E8と、から形成されている。このように拡大面40E5および拡大面40E6が急拡大しないので縮流が抑制される。内周面40E8の中心軸線は、弁体36の他端36EBの中心軸線と共通の直線に沿って延びている。上述の弁座40Vの平坦面は、弁体36の他端36EBの中心軸線に対し直交するように形成されている。
湾曲面40E2および40E3は、弁座40Vの平坦面と最小縮径面部40E4とを連結している。湾曲面40E1の一方の端部と弁座40Vの平坦面とが交わる部分には、略V字状の断面を有する凹部40E1が、流路44Pの中心軸線の回りに環状に形成されている。
湾曲面40E3の他方の端部と最小縮径面部40E4の上端との交わる部分に円弧状の断面を有する凹部40R1が、流路44Pの中心軸線の回りに環状に形成されている。湾曲面40E2と湾曲面40E3との境界部分には、弁体36が閉状態とされる場合、図4において二点鎖線で示されるように、弁体36の円錐面36E1が当接する尖頭部40EPが、流路44Pの中心軸線の回りの円周上に形成されている。
最小縮径面部40E4の下端と拡大面40E5の一端とが交わる部分には、円弧状の断面を有する凹部40R2が、流路44Pの中心軸線の回りに環状に形成されている。凹部40R2の断面の曲率半径は、凹部40R1の断面の曲率半径よりも大に設定されている。さらに、拡大面40E5の他端と拡大面40E6の一端とが交わる部分には、円弧状の断面を有する凹部40R3が、流路44Pの中心軸線の回りに環状に形成されている。凹部40R3の断面の曲率半径は、好ましくは、凹部40R2の断面の曲率半径と略同一に設定されている。なお、凹部40R3の断面の曲率半径が、凹部40R2の断面の曲率半径と異なる値であっても良い。
斯かる構成において、弁駆動部のステータコイルが駆動制御部からの駆動パルス信号により制御され、弁体36が昇降動せしめられることにより、接続用パイプ32および34を通じて供給される流体が、矢印Fまたは矢印Rの示す方向に沿って弁体36の他端36EBの先細状部と弁座40Vの最小縮径面部40E4との間に形成される隙間流路を通じて所定の流量で通過することとなる。
その際、例えば、図4において、流体が矢印Fの示す方向に流れる場合、凹部40E1,40R1、40R2,および、40R3内において、所定の方向に自転する渦が、形成され、流体の一部の流れは、この渦によって見かけの粘性が高い乱流となる。これにより、湾曲面40E2、40E3付近の流体は、凹部40E1,40R1近傍において渦表面の乱流境界層に沿って流れ、湾曲面40E2、40E3から剥離せずに最小縮径面部40E4に沿って流れる。凹部40R2、凹部40R3、弁体36の他端36EBにおける凹部36R1、凹部36R2、凹部36R3近傍においても、流体が同様な挙動となるので流体は、壁面から剥離せずに流れる。従って、流体の壁面からの剥離に起因する再付着が抑制されることにより騒音が低減される。
一方、例えば、流体が矢印Rの示す方向に流れる場合、凹部40R3,40R2,40R1、および、40E1内において、上述の方向とは逆方向に自転する渦が、形成され流体の一部の流れは、この渦によって見かけの粘性が高い乱流となる。これにより、湾曲面40E3、40E2に沿った流体は、凹部40R1,40E1近傍において、渦表面の乱流境界層に沿って流れ、湾曲面40E3、40E2から剥離せずに弁座上面の平坦面に沿って流れる。凹部40R3、40R2、弁体36の他端36EBにおける凹部36R3、凹部36R2、凹部36R1、近傍においても、流体が同様な挙動となる。従って、流体が矢印Rの示す方向に流れる場合においても、流体は、壁面から剥離せずに流れる。従って、流体の壁面からの剥離に起因する再付着が抑制されることにより騒音が低減される。
上述の本発明に係る制御弁の第1実施例および第2実施例において、略V字状および円弧状断面を有する凹部が全円周上に形成されているが、斯かる例に限られることなく、凹部は、上述の隙間流路を形成する隣接する壁面が交差する部分に、分散して互いに離隔するように、ディンプル状に形成されるものであってもよい。
また、上述の本発明に係る制御弁の第1実施例および第2実施例においては、電動式の弁駆動部を備えた制御弁に適用されているが、斯かる例に限られることなく、例えば、ねじ送り機構を手動で操作する手動式制御弁、あるいは、ソレノイドによって弁体を駆動する電磁式制御弁に適用されてもよい。さらに、上述の本発明に係る制御弁の第1実施例および第2実施例においては、流路30Vaを内側に有する弁座30Vが、ポート34Pに隣接した弁本体部30の内側の位置に別個に設けられているが、斯かる例に限られることなく、上述の凹部、拡大面が形成される流路を備える弁座が弁本体部30と一体に形成されてもよいことは勿論である。
26、36 弁体
30、40 弁本体部
30V、40V 弁座
34P、44P 流路
26E1、26R1、36R1、36R2、36R3 凹部
30E1、30R1、40E1,40R1、40R2、40R3 凹部

Claims (6)

  1. 第1の通路に接続される第1のポートと、第2の通路に接続される第2のポートとを有し、該第1のポートおよび該第2のポートに連通し、該第2のポートを開閉制御する弁体を含んでなる弁体ユニットを移動可能に収容する収容部を備える弁本体部と、
    前記弁体ユニットに、前記弁体の先端部と前記第2のポートの周縁との間を通過する流体の流量を調整するように、前記第2のポートを開閉制御する動作を行わせる弁体ユニット駆動機構と、を備え、
    前記弁体の先端部に向き合う前記第2のポートに隣接した弁座に形成される流路の内周面と該弁座の湾曲面の端部との交わる部分に、または、前記第2のポートに隣接した前記弁座に形成される流路おける複数の湾曲面のうち少なくとも二つの湾曲面が互いに交わる部分に、前記流体の渦が内側に生じる第1の凹部が形成されることを特徴とする制御弁。
  2. 前記弁体の先端部を形成する複数の円錐面のうち少なくとも二つの円錐面が互いに交わる部分に、流体の渦が内側に生じる第2の凹部が形成されることを特徴とする請求項1記載の制御弁。
  3. 前記第1の凹部または第2の凹部は、円弧状の断面を有することを特徴とする請求項1または請求項2記載の制御弁。
  4. 前記第1の凹部は、略V字状の断面を有することを特徴とする請求項2記載の制御弁。
  5. 前記第2のポートに隣接した弁座に形成される流路の横断面における少なくとも一つの
    拡大面の両端に、それぞれ、前記第1の凹部が形成されることを特徴とする請求項1または請求項2記載の制御弁。
  6. 前記第2のポートに隣接した弁座に形成される流路の横断面における複数の拡大面が交
    差する部分に前記第1の凹部が形成されることを特徴とする請求項2記載の制御弁。
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