JP6231662B2 - 絞り装置、および、それを備える冷凍サイクルシステム - Google Patents
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Description
本発明は、絞り装置、および、それを備える冷凍サイクルシステムに関する。
空調装置における冷凍システムにおいては、絞り装置としてのキャピラリチューブに代えて差圧式の絞り装置を備えるものが提案されている。例えば、特許文献1乃至4にも示されるような、差圧式の絞り装置は、外気温度に応じて圧縮機を効率よく作動させるために凝縮器出口と蒸発器入口との間の冷媒の圧力を最適に制御するとともに、圧縮機の回転数を変更できる冷凍システムにおいても、省力化の観点から圧縮機の回転数に応じた冷媒の圧力を最適に制御するものとされる。
差圧式の絞り装置は、特許文献1における図1に示されるように、冷媒流路を構成する配管に配されるシリンダと、弁部をそれぞれ有しシリンダ内の通路における弁座を開閉する第1弁体および第2弁体と、第1弁体および第2弁体の弁部を、弁座に対し閉状態とするように付勢する複数のばねと、第1弁体および第2弁体の縮管部内に配されるテーパ部を有し縮管部の内端縁部とテーパ部との間に絞り流路を形成する軸状部材と、各ばねの一端に当接し複数のばねの弾性力を調整する複数のストッパと、ストッパの雌ねじ孔に嵌め合わされ軸状部材の軸方向の位置をする止めねじと、を含んで構成されている。
斯かる構成において、冷媒の設計圧力に応じた上述の絞り流路の前後の差圧が所定の値未満の場合、第1弁体および第2弁体の弁部が弁座に対し閉状態となるように、ストッパによりばねの付勢力が調整される。その際、第1弁体および第2弁体の弁部が弁座に対し閉状態となるとき、上述の絞り流路の大きさが、所定の大きさとなるように、軸状部材の位置が、止めネジにより調整される。これにより、冷房時、シリンダ内の通路を通過する冷媒が、上述の絞り流路により減圧されシリンダから排出されることとなる。一方、上述の絞り流路の前後の差圧が所定の値以上となる場合、第1弁体の弁部が弁座に対し開状態となり、冷媒の大部分が第1弁体の弁部とシリンダの内周部との間の隙間、および、ストッパの長孔を介してシリンダから排出される。
上述のような差圧式の絞り装置においては、上述の絞り流路の前後の差圧の変動に起因して第1弁体および第2弁体の弁部が、比較的短い期間に弁座に対し閉状態から開状態となり、再び、開状態から閉状態となる場合、シリンダ内の絞り流路を通過する冷媒の圧力が急激に変動することにより、第1弁体および第2弁体の開閉動作が、比較的短い期間に繰り返される、所謂、弁体のハンチング現象が生じる場合がある。これにより、絞り装置において、異音の原因となるとともに、冷凍システムにおける冷媒の圧力が、所定の目標圧力に制御されない虞がある。
以上の問題点を考慮し、本発明は、絞り装置、および、それを備える冷凍サイクルシステムであって、弁体のハンチング現象を回避でき、しかも、冷媒の安定した流量制御を行うことができる絞り装置、および、それを備える冷凍サイクルシステム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、本発明に係る絞り装置は、冷媒を供給する配管に配され、配管内に連通する開口端部を両端に有するチューブ本体と、チューブ本体内に配され弁ポートを有する弁座と、弁座の弁ポートに対し近接または離隔可能に配され弁ポートの開口面積を制御するテーパ角度2θの先細部を有するニードル部材と、冷媒におけるチューブ本体の開口端部相互間の圧力差に応じたニードル部材の先細部の規定リフト量L´を調整する調整手段と、を備え、ニードル部材の先細部が弁ポートの開口面積を略零とした場合、先細部における弁ポート内に対する最大挿入長さXが、規定リフト量L´×cos2θの値以上であることを特徴とする。
また、冷媒におけるチューブ本体の開口端部相互間の圧力差が所定値以上となる場合、ニードル部材の先細部の弁ポートに対する距離が、規定リフト量を超えてもよい。調整手段は、ニードル部材の先細部を弁ポートに対し近接する方向に付勢するコイルスプリングと、コイルスプリングの撓み量を調整する調整ねじと、を含んで構成されてもよい。
さらに、弁座は、連通路を有し、連通路は、チューブ本体内のニードル部材の先細部が配される第1の部分とチューブ本体の一方の開口端部に連通する第2の部分との間を連通させてもよい。
本発明に係る冷凍サイクルシステムは、蒸発器と、圧縮機、および、凝縮器とを備え、上述の絞り装置が、凝縮器の出口と蒸発器の入口との間に配される配管に設けられることを特徴とする。
本発明に係る絞り装置、および、それを備える冷凍サイクルシステムによれば、ニードル部材の先細部が弁ポートの開口面積を略零とした場合、先細部における弁ポート内に対する最大挿入長さXが、規定リフト量L´×cos2θの値以上であるので弁ポートの開口面積が緩やかに増大するので弁体のハンチング現象を回避でき、しかも、冷媒の安定した流量制御を行うことができる。
図1Aおよび図1Bは、それぞれ、本発明に係る絞り装置の第1実施例の構成を示す。
絞り装置は、例えば、図3に概略的に示されるように、冷凍サイクルシステムの配管における凝縮器6の出口と蒸発器2の入口との間に配置されている。絞り装置は、後述するチューブ本体10の一端10E1で、一次側配管Du1に接合されており、冷媒が排出されるチューブ本体10の他端10E2で二次側配管Du2に接合されている。一次側配管Du1は、凝縮器6の出口と絞り装置とを接続し、二次側配管Du2は、蒸発器2の入口と絞り装置とを接続するものとされる。蒸発器2の出口と凝縮器6の入口との間には、図3に示されるように、蒸発器2の出口に接合される配管Du3と、凝縮器6の入口に接合される配管Du4とにより、圧縮機4が接続されている。圧縮機4は、図示が省略される制御部により駆動制御される。これにより、冷凍サイクルシステムにおける冷媒が、図3に示される矢印に沿って循環されることとなる。
絞り装置は、図1Aに拡大されて示されるように、上述の冷凍サイクルシステムの一次側配管Du1と二次側配管Du2との間に接合されるチューブ本体10と、チューブ本体10の内周部に固定され冷媒の流量を調整する流量調整部を構成する弁座22、および、ニードル部材20と、ニードル部材20を弁座22に対し近接する方向に付勢するコイルスプリング16と、コイルスプリング16の付勢力を調整する調整ねじ12と、ニードル部材20の移動速度を減速させるはね部材18と、を主な要素として含んで構成されている。
所定の長さおよび直径を有するチューブ本体10は、冷媒が導入される一端10E1で、凝縮器に接続される一次側配管Du1に接合されており、冷媒が排出される他端10E2で蒸発器に接続される二次側配管Du2に接合されている。一次側配管Du1の端部は、後述するチューブ本体10の位置決め用突起10dにより位置決めされる。
チューブ本体10の内周部における一端10E1から所定距離、離隔した中間部には、弁座22の外周部が固定されている。弁座22は、かしめ加工によるチューブ本体10の窪み10CA2により形成される突起がその外周部に食い込むことにより固定されている。
弁座22は、後述するニードル部材20における先細部20Pが挿入される弁ポート22aを内部中央部に有している。弁ポート22aは、所定の直径φDを有し弁座22の中心軸線に沿って延びる縮径部と、縮径部に連なり一端10E1に向けて徐々に拡大するテーパ部と、テーパ部の端に形成される円筒部22FSとから形成されている。
弁ポート22aの縮径部の円形状開口端における所定の位置には、図4Aに拡大されて示されるように、連通路としてのブリード溝22GBが形成されている。即ち、ブリード溝22GBは、縮径部の開口端における半径方向に沿って開口端の円の中心を通過する直線上に形成されている。ブリード溝22GBの一端は、縮径部の開口端の端面に対し所定の角度で交差する略V字状の横断面を有している。ブリード溝22GBの他端は、縮径部の内周面における所定位置に開口している。
これにより、チューブ本体10の内周部における一端10E1側の円筒部22FSに隣接した部分である第2の部分の冷媒の圧力が常時、ニードル部材20の先細部20Pに作用し、ブリード溝22GBの他端と先細部20Pの外周面との隙間、および、ブリード溝22GBを通じて後述する弁ポート22aの周囲である第1の部分に連通するのでニードル部材20の先細部20Pのリフト量の増大に応じて中間圧力Pmが急激に増大することも抑制される。
また、万一、ニードル部材20の先細部20Pが、弁ポート22aを閉状態とする方向に移動した場合であっても、一端10E1側の冷媒の圧力が常時、ニードル部材20の先細部20Pに作用し、ブリード溝22GBの他端と先細部20Pの外周面との隙間、および、ブリード溝22GBを通じて第1の部分に連通するのでニードル部材20の先細部20Pが弁ポート22aの周縁に食い付く虞もない。
図2に示されるように、矩形断面を有するニードル部材20は、弁座22に向かい合う端部に先細部20Pと、後述するコイルスプリング16に向かい合う端部に、突起状のばねガイド部20Dとを有している。ニードル部材20における先細部20Pとばねガイド部20Dとの間の部分の外周部とチューブ本体10の内周部との間には、図2に示されるように、流路10aが形成されている。円錐台状の先細部20Pは、図4Aに部分的に拡大されて示されるように、テーパ角度2θを有している。また、先細部20Pの端面は、直径φDよりも小なる直径φaを有している(図4D参照)。さらに、先細部20Pにおけるニードル部材20の中心軸線に沿った長さは、図4Aに示されるように、所定の最大挿入長さX(≧L´cos2θ)以上の長さを有している。但し、最大挿入長さXとは、図4Aに示されるように、ニードル部材20の先細部20Pが弁ポート22aを閉状態とする場合、弁ポート22aに挿入された先細部20Pにおける中心軸線に沿った弁ポート22aの縁22asに対応する位置20PSから最先端面までの長さをいう。規定リフト量L´は、冷媒に応じた所定の最大差圧のとき、その差圧のときのニードル部材20のリフト量を指す(図4C参照)。即ち、規定リフト量L´は、後述する各々の冷媒で想定される通常運転時に、圧縮機の最大周波数が100Hzのとき、想定される最大差圧時のリフト量を意味する。ここで、通常運転時とは、差圧に応じて絞り装置の開度を可変制御することで冷媒の流量を調整している時をいう。また、規定リフト量L´は、上述の弁ポート22aの内径、テーパ角度2θ、後述するコイルスプリング16のばね定数に応じて調整される。
必要な規定リフト量L´を設定するにあたっては、最大差圧時にニードル部材20の先細部20Pと弁ポート22aの縮径部との間に形成される絞り部の必要な隙間(開口面積)は、絞り装置ごとに予め設定されている。そして、必要な規定リフト量L´が、必要な隙間(開口面積)、弁ポート22aの縮径部の内径、ニードル部材20の先細部20Pのテーパ角度2θに基づいて設定される。
上述の絞り部とは、リフト量Lが規定リフトL´以下の場合、弁ポート22aの縁22asから先細部20Pの母線への垂線(図4B、図4C参照)と、先細部20Pの母線との交点が、弁ポート22aの縁22asから最も近い箇所(最狭部)をいう。この垂線が描く円錐面の面積が、上述の絞り部の開口面積となる。その際、この垂線が描く先細部20Pの中心軸線の回りの円錐面が、一端10E1側の冷媒の圧力と第1の部分の中間圧力Pmとの間の中間となる圧力を示す境界面である。また、上述の垂線と先細部20Pの母線との交点により描かれる円が、図4Bに示されるように、先細部20Pに作用する一端10E1側の冷媒の圧力の受圧面積PAとなる。従って、リフト量Lが規定リフトL´以下の場合、絞り部の開口面積は、この垂線が描く上述の円錐面の面積として連続的に増大する。
一方、リフト量Lが規定リフトL´を超える場合、図4Dに示されるように、絞り部の開口面積は、先細部20Pの母線と端面との交点と、弁ポート22aの縁22asとを結ぶ線で描かれる先細部20Pの中心軸線の回りの円錐面の面積となる。従って、リフト量Lが規定リフトL´以下のとき、絞り部の開口面積が連続的に増大していたが、リフト量Lが規定リフトL´を超える場合、一転して絞り部の開口面積は、急激に増大し始める。これにより、中間圧力Pmは、急激に上昇する。
例えば、冷媒がR32で、通常運転時、最大となる差圧(一端10E1側の入口圧力と他端10E2側の出口圧力との差)が、1.98MPaの場合に規定リフト量L´となり、この時、図4Cに示されるように、最大挿入長さXは、X≧L´cos2θとなる値に設定される。即ち、規定リフト量L´は、最大差圧が1.98MPaの場合、弁座22から離隔された上述の先細部20Pにおける位置20PSから弁座22の弁ポート22の縁22asまでの距離として表され、この時、最大挿入長さXが、X≧L´cos2θとなる値に設定される。
例えば、冷媒がR32の場合、規定リフト量L´を設定するにあたり、通常運転時の最大差圧が1.98MPaの場合、弁ポート22aの内径φDが2mm、ニードル部材20のテーパ角度2θが17°のとき、調整ねじ12により、後述するコイルスプリング16の付勢力が調整されることによって、規定リフト量L´は、0.8mmに設定される。なお、コイルスプリング16の付勢力が調整されることによって、ニードル部材20の先細部20Pが移動し始める作動圧力が設定されることとなる。従って、規定リフトL´を調整する調整手段が、調整ねじ12およびコイルスプリング16を含んで構成される。
また、冷媒がR410A、R22,R134aの場合、それぞれ、上述の最大差圧が、1.93MPa、1.2MPa、0.82MPaのとき、弁座22から離隔された上述の先細部20Pにおける位置20PSから弁座22の弁ポート22の縁22asまでの距離が、ニードル部材20の規定リフト量L´であり、この時、最大挿入長さXは、X≧L´cos2θとなる値に設定される。
上述の各冷媒R32,R410A、R22,R134aの差圧は、図7における特性線L1,L2,L3,L4に示されるように、圧縮機の周波数に応じて直線的に変化するものとされる。図7は、縦軸に上述の差圧をとり、横軸に圧縮機の可変速モータの周波数をとり、特性線L1,L2,L3,L4は、それぞれ、各冷媒における周波数に応じた差圧の変化を示す。
ニードル部材20のばねガイド部20Dには、コイルスプリング16の一方の端部が係合されている。コイルスプリング16の他方の端部には、調整ねじ12のばね受け部が係合されている。
調整ねじ12は、外周部に雄ねじ部12Sを有し、内側中央部に貫通孔12aを有している。雄ねじ部12Sは、チューブ本体10の内周部に固定される調整ねじ支持部14の雌ねじに嵌め合わされている。調整ねじ支持部14は、かしめ加工によるチューブ本体10の窪み10CA1により形成される突起が食い込むことにより固定されている。調整ねじ12におけるチューブ本体10の他端10E2側の端部には、ドライバーの先端が係合される溝12Gが形成されている。これにより、ドライバーの先端により、調整ねじ12が回動され送られることによって、コイルスプリング16の撓み量が調整されるので冷媒の設計圧力に応じたコイルスプリング16の付勢力が調整されることとなる。即ち、上述の所定の差圧のとき、先細部20Pにおける位置20PSが、ニードル部材20の規定リフト量L´の位置となるようにコイルスプリング16の付勢力が調整される。コイルスプリング16のばね定数は、例えば、2N/mm程度に設定されている。
はね部材18は、例えば、薄板金属材料で作られ、10枚の接触片を放射状に有している。これにより、弾性変位可能な各接触片の先端がチューブ本体10の内周面に所定の荷重で摺接することによってニードル部材20の移動速度が減速されることとなる。
斯かる構成において、例えば、冷媒R32が、一次側配管Du1からチューブ本体10内に供給される。冷媒の圧力により、ニードル部材20の先細部20Pが、図1B、図4Bに示されるように、コイルスプリング16の付勢力に抗して弁ポート22aの縮径部に対し離隔し始める。
その際、絞り部の開口面積は、図5の特性線Lbに示されるように、リフト量Lに応じて先細部20Pにおける位置20PSが、図4Cに示される規定リフト量L´に到達するまで緩やかな勾配の直線に沿って増大することとなる。リフト量Lが規定リフト量L´(=0.8mm)を超えた場合、絞り部の開口面積は、急激に増大する。
なお、図5は、縦軸に絞り部の開口面積をとり、横軸にリフト量Lをとり、特性線Lbは、最大挿入長さXが0.8mmに設定された場合、絞り部の開口面積のリフト量Lに応じた変化を示し、特性線Laは、最大挿入長さXが0.4mmに設定された場合、絞り部の開口面積のリフト量Lに応じた変化を示す。
また、チューブ本体10内におけるニードル部材20の先細部20Pおよび弁座22の弁ポート22aの周囲である第1の部分の中間圧力Pmは、上述の絞り部の開口面積が徐々に大きくなるにつれて、即ち、図6の特性線Lcに示されるように、ニードル部材20の先細部20Pのリフト量Lが大きくなるにつれて徐々に増大する。そして、リフト量Lが規定リフト量L´(=0.8mm)を超えた場合、中間圧力Pmは、急激に増大することとなる。即ち、上述の所定の差圧から各々の冷媒の65℃相当の飽和圧力までの間で、ニードル部材20の先細部20Pが、弁座22の弁ポート22aから完全に抜け切った状態となる。好ましくは、所定の差圧以上となるとき、ニードル部材20の先細部20Pが、弁座22の弁ポート22aから完全に抜け切った状態となる。
これにより、弁ポート22aに堆積した異物等が、他端10E2側に押し流される。ニードル部材20の先細部20Pのリフト量Lが、規定リフトL´以下の場合には、一端10E1側の冷媒の圧力が、先細部20Pの受圧面積PAに作用することとなる。また、弁座22の弁ポート22aが閉状態時であっても、ブリード溝22GBの他端と先細部20Pの外周面との隙間、および、ブリード溝22GBを通じて第1の部分に連通するので一次側圧力に応じた中間圧力Pmが常時、ニードル部材20に作用することにより、ニードル部材20のリフト量が増大した直後、中間圧力Pmが急激に変化することなく、しかも、リフト量が増大した直後から流量特性が滑らかとなる冷媒の安定した流量制御となる。
さらに、冷房運転で想定される圧縮機のモータの周波数100Hzまでの範囲で、冷媒の安定した流量制御が行われるのでキャピラリチューブで起きるような、周波数増大による圧縮機の吐出温度の上昇も抑制でき、その結果として、圧縮機の性能を最大に引き出すことが可能となる。
一方、最大挿入長さXが、0.4mmの場合(X<L´cos2θ)においては、図5における特性線Laに示されるように、リフト量が規定リフト量L´に到達する以前の0.6mmにおいて、中間圧力Pmは、急激に増大するとともに、一端10E1側の冷媒の圧力も、急激に増大することとなる。これにより、ハンチング現象が発生する虞がある。
図8は、本発明に係る絞り装置の第2実施例の構成を示す。
図8に示される例においては、弁座32が、弁ポート32aに加えて、後述する円筒部とニードル部材20が収容される部分とを連通させる連通路としてのバイパス32PTを備えるものとされる。なお、図8において、図1Aにおける同一の構成要素について同一の符号を付して示し、その重複説明を省略する。
絞り装置は、例えば、図1Aに示される例と同様に、図3に概略的に示されるように、冷凍サイクルシステムの配管における凝縮器6の出口と蒸発器2の入口との間に配置されている。
絞り装置は、上述の冷凍サイクルシステムの配管に接合されるチューブ本体10と、チューブ本体10の内周部に固定され冷媒の流量を調整する流量調整部を構成する弁座32、および、ニードル部材20と、ニードル部材20を弁座32に対し近接する方向に付勢するコイルスプリング16と、コイルスプリング16の付勢力を調整する調整ねじ12と、ニードル部材20の移動速度を減速させるはね部材18と、を主な要素として含んで構成されている。
チューブ本体10の内周部における一端10E1から所定距離、離隔した中間部には、弁座32の外周部が固定されている。弁座32は、かしめ加工によるチューブ本体10の窪み10CA2により形成される突起がその外周部に食い込むことにより固定されている。
弁座32は、ニードル部材20における先細部20Pが挿入される弁ポート32aを内部中央部に有している。弁ポート32aは、所定の直径φDを有し弁座32の中心軸線に沿って延びる縮径部と、縮径部に連なり一端10E1に向けて徐々に拡大するテーパ部と、テーパ部の端に形成される円筒部32FSとから形成されている。
弁ポート32aに隣接した位置には、冷媒の流れ方向に沿ってバイパス32PTが形成されている。バイパス32PTの位置は、上述の第1の部分の中間圧力Pmが、ニードル部材20の弁開閉動作の前後で急変しないように、ニードル部材20の外周部とチューブ本体10の内周部との隙間の位置と向かい合う位置とならないように、その隙間よりもニードル部材20の中心軸線に近い位置に設定される。これにより、ニードル部材20における先細部20Pが弁ポート32aの開口端を完全に閉塞した状態であっても、チューブ本体10の内周部における一端10E1側の円筒部32FSに隣接した部分である第2の部分の冷媒の圧力が常時、バイパス32PTを通じてニードル部材20の先細部20Pに作用するのでニードル部材20の先細部20Pのリフト量の増大に応じて中間圧力Pmが急激に増大することも抑制され、しかも、リフト量が増大した直後から流量特性が滑らかとなる冷媒の安定した流量制御となる。
また、万一、ニードル部材20の先細部20Pが弁ポート32aを閉状態とする方向に移動した場合であっても、一端10E1側の冷媒の圧力が常時、バイパス32PTを通じてニードル部材20の先細部20Pに作用するのでニードル部材20の先細部20Pが弁ポート32aに食い付く虞もない。
従って、本発明に係る絞り装置の第1実施例および第2実施例のように、連通路としてのブリード溝またはバイパスと、最大挿入長さXが、X≧L´cos2θとなる値に設定される構成とを組み合わせることにより、着座時(弁閉時)からリフト量が増大するまで、流量特性が滑らかとなり、その結果、制御域全般で、ハンチングが発生することが無いという効果を奏する。
なお、上述の連通路は、第1実施例、第2実施例のようなブリード溝22GB、バイパス32PTの一例に限られるものではなく、例えば、弁閉状態時であっても、連通路としての絞り部の微小な開口面積が確保されるようにしてもよい。
2 蒸発器
4 圧縮機
6 凝縮器
10 チューブ本体
12 調整ねじ
16 コイルスプリング
20 ニードル部材
22,32 弁座
22GB ブリード溝
32PT バイパス
4 圧縮機
6 凝縮器
10 チューブ本体
12 調整ねじ
16 コイルスプリング
20 ニードル部材
22,32 弁座
22GB ブリード溝
32PT バイパス
Claims (5)
- 冷媒を供給する配管に配され、該配管内に連通する開口端部を両端に有するチューブ本体と、
前記チューブ本体内に配され弁ポートを有する弁座と、
前記弁座の弁ポートに対し近接または離隔可能に配され該弁ポートの開口面積を制御するテーパ角度2θの先細部を有するニードル部材と、
前記冷媒における前記チューブ本体の開口端部相互間の圧力差に応じた前記ニードル部材の先細部の規定リフト量L´を調整する調整手段と、を備え、
前記ニードル部材の先細部が前記弁ポートの開口面積を略零とした場合、該先細部における該弁ポート内に対する最大挿入長さXが、前記規定リフト量L´×cos2θの値以上であることを特徴とする絞り装置。 - 前記冷媒における前記チューブ本体の開口端部相互間の圧力差が所定値以上となる場合、前記ニードル部材の先細部の前記弁ポートに対する距離が、前記規定リフト量を超えることを特徴とする請求項1記載の絞り装置。
- 前記調整手段は、前記ニードル部材の先細部を前記弁ポートに対し近接する方向に付勢するコイルスプリングと、コイルスプリングの撓み量を調整する調整ねじと、を含んで構成されることを特徴とする請求項1記載の絞り装置。
- 前記弁座は、連通路を有し、該連通路は、前記チューブ本体内の前記ニードル部材の先細部が配される第1の部分と前記チューブ本体の一方の開口端部に連通する第2の部分との間を連通させることを特徴とする請求項1記載の絞り装置。
- 蒸発器と、圧縮機、および、凝縮器とを備え、
請求項1に記載の絞り装置が、前記凝縮器の出口と前記蒸発器の入口との間に配される配管に設けられることを特徴とする冷凍サイクルシステム。
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