JP6370269B2 - 電動弁及び冷凍サイクル - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機や冷凍機などの冷凍回路の冷媒等の流体の流量を制御する電動弁及び冷凍サイクルに関する。

従来、電動弁として、例えば特開２０１３−２３４７２６号公報（特許文献１）に開示されたものがある。この電動弁は、弁ポートをニードル弁で開閉して冷媒の流量を制御する電動弁であって、弁ポートでの冷媒の流れを安定化して、二次継手管の振動等を抑えて騒音を低減するものである。

特開２０１３−２３４７２６号公報

電動弁では、弁ポートとニードル弁との間の絞り部で冷媒を絞る作用をするが、この絞り部を通過した後の冷媒にはキャビテーションが生じ、このキャビテーションの破裂によりニードル弁が微振動し、この振動がロータ軸等に伝達され異音を発生することがある。また、この微振動によって、ニードル弁が弁ポートに繰り返し衝突し、弁ポート（弁座部材）が摩耗することがある。このようなニードル弁の振動は、冷媒の流れによっても生じる。

本発明は、ニードル弁の振動を抑制して、ニードル弁が弁ポートに繰り返し衝突したり異音が発生するのを防止できる電動弁及び冷凍サイクルを提供することを課題とする。

請求項１の電動弁は、弁室に連通するように弁座部材に形成された弁ポートに対して、電動部により進退される弁体のニードル弁を前記弁室側から挿通し、該弁ポートと該ニードル弁との間隙により、該弁ポートを通過する流体の流れを流量制御する電動弁であって、前記弁体の少なくとも一部が、前記弁ポートと該弁体との絞り部よりも前記弁室とは反対側に位置し、前記絞り部と異なる箇所に、該弁体を、前記弁ポートから流れる流体の力で該弁ポートの軸線に対して片側に付勢する付勢手段を備えたことを特徴とする。

請求項２の電動弁は、請求項１に記載の電動弁であって、前記付勢手段が、前記弁体の前記軸線回りに非回転対称な非対称形状部で構成されていることを特徴とする。

請求項３の電動弁は、請求項１に記載の電動弁であって、前記付勢手段が、前記弁ポートを形成する弁座部材に形成された前記軸線回りに非回転対称な非対称形状部で構成されていることを特徴とする。

請求項４の電動弁は、請求項１に記載の電動弁であって、前記付勢手段が、前記弁ポートの前記弁室とは反対側に配置され前記軸線回りに非回転対称な非対称形状部を有するリング状部材で構成されていることを特徴とする。

請求項５の電動弁は、請求項２に記載の電動弁であって、前記非対称形状部が前記ニードル弁の先端に形成された切り欠き部であることを特徴とする。

請求項６の電動弁は、請求項３に記載の電動弁であって、前記非対称形状部が、前記弁ポートの前記弁室とは反対側で前記軸線に対して片側に偏った位置に形成されたザグリ部であることを特徴とする。

請求項７の冷凍サイクルは、流体である冷媒を圧縮する圧縮機と、室内熱交換器と、室外熱交換器と、流路切換弁と、前記室外熱交換器と前記室内熱交換器との間にて冷媒を膨張させて減圧する請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電動弁と、を備えたことを特徴とする。

請求項１の電動弁によれば、付勢手段が、弁ポート通過後の流体の流れによる力を、弁体（及びニードル弁）に対して弁ポートの軸線の両側に対して非対称に作用させるので、弁体が弁ポートの軸線と交差する方向に付勢され、弁体の振動を抑制することができる。その結果、ニードル弁が弁ポート（あるいは弁座）に繰り返し衝突するのを防止でき、異音（衝突音）が生じることがなくなり静音性が得られる。また、弁ポートが摩耗して流量特性が変化してしまうことを防止できる。

請求項２、５の電動弁によれば、弁体の形状を設定することにより、請求項１と同様な効果が得られる。

請求項３、６、７の電動弁によれば、弁座部材の形状を設定することにより、請求項１と同様な効果が得られる。

請求項４の電動弁によれば、リング状部材を配置することにより、請求項１と同様な効果が得られる。

請求項８の冷凍サイクルシステムによれば、請求項１乃至７と同様な効果が得られる。

本発明の第１実施形態の電動弁の縦断面図である。 第１実施形態における弁体の拡大図である。 第１実施形態における弁体の変形例を示す拡大側面図及び底面図である。 本発明の第２実施形態の電動弁の縦断面図である。 第２実施形態における弁座部を示す拡大断面図及び底面図である。 本発明の第３実施形態の電動弁の縦断面図である。 第３実施形態におけるリング部材を示す拡大断面図及び平面図である。 本発明の参考例の電動弁の縦断面図である。 参考例における弁座部を示す拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る冷凍サイクルの概略構成図である。

次に、本発明の電動弁の実施形態を図面を参照して説明する。図１は第１実施形態の電動弁の縦断面図である。なお、以下の説明における「上下」の概念は図１の図面における上下に対応する。

この電動弁は、ステンレス等で円筒形状に形成された弁ハウジング１を有しており、弁ハウジング１はその内側に弁室１Ａを形成している。弁ハウジング１の外周片側には弁室１Ａに導通される第１継手管２１が接続されている。また、弁ハウジング１の下端から下方に延びる筒状部１ａには第２継手管２２が接続されるとともに、この第２継手管２２の弁室１Ａ側には例えばステンレス製の弁座部材１１が嵌合されている。

弁座部材１１には、その内側に弁室１Ａに連通する弁ポート１２と、この弁ポート１２から第２継手管２２まで拡径して延びるテーパ面１３が形成されている。弁ポート１２は軸線Ｌを中心とする断面形状が円形の形状であり、この弁ポート１２及びテーパ面１３を介して、弁室１Ａと第２継手管２２とが導通可能となっている。なお、第１継手管２１、第２継手管２２及び弁座部材１１は、弁ハウジング１に対してろう付け等により固着されている。

弁ハウジング１の筒状部１ａと反対側の上部には支持部材３が取り付けられている。支持部材３は、合成樹脂製の略円柱状のホルダ部３１と、このホルダ部３１の弁ハウジング１寄りの端部にインサート成形により一体に設けられたステンレス製の固定金具３２とを有している。支持部材３は、固定金具３２により弁ハウジング１の上端に固着されている。

支持部材３には軸線Ｌ方向に長いガイド孔３ａが形成されており、このガイド孔３ａには円筒状の弁ホルダ４が軸線Ｌ方向に摺動可能に嵌合されている。弁ホルダ４は弁室１Ａと同軸に設けられ、この弁ホルダ４の下端部には端部にニードル弁５１を有する弁体５が固着されている。また、弁ホルダ４内には、バネ受け４１が軸線Ｌ方向に移動可能に設けられ、バネ受け４１と弁体５との間には圧縮コイルバネ４２が所定の荷重を与えられた状態で取り付けられている。

弁ハウジング１の上端には、「電動部」としてのステッピングモータ６が設けられている。ステッピングモータ６は円筒形のケース６１を有し、このケース６１は溶接等によって弁ハウジング１に気密に固定されている。ケース６１内には、外周部を多極に着磁されたマグネットロータ６２が回転可能に設けられ、このマグネットロータ６２にはロータ軸６３が固着されている。ロータ軸６３の上端部は、ケース６１の天井部から垂下された円筒状のガイド６４内に回転可能に嵌合されている。

また、ケース６１の外周には、ステータコイル６５が配設されており、このステータコイル６５にパルス信号が与えられることにより、そのパルス数に応じてマグネットロータ６２が回転される。そして、このマグネットロータ６２の回転によってマグネットロータ６２と一体のロータ軸６３が回転する。なお、ガイド６４の外周にはマグネットロータ６２に対する回転ストッパ機構６６が設けられている。

弁ホルダ４の上端部はステッピングモータ６のロータ軸６３の下端部に係合され、弁ホルダ４はロータ軸６３によって回転可能に吊り下げた状態で支持されている。また、ロータ軸６３には雄ねじ部６３ａが形成されており、この雄ねじ部６３ａは支持部材３に形成された雌ねじ部３ｂに螺合している。

以上の構成により、マグネットロータ６２の回転に伴ってロータ軸６３は軸線Ｌ方向に移動する。この回転に伴うロータ軸６３の軸線Ｌ方向移動によって弁ホルダ４と共に弁体５が軸線Ｌ方向に移動する。そして、弁体５は、ニードル弁５１の部分で弁ポート１２の開口面積を増減し、第１継手管２１から第２継手管２２へ、あるいは第２継手管２２から第１継手管２１へ流れる冷媒の流量を制御する。このように、弁ポート１２とニードル弁５１の間隙は冷媒を絞る「絞り部」を構成している。そして、弁体５は少なくともその一部が、この弁ポート１２と弁体５との絞り部よりも弁室１Ａとは反対側に位置している。

図２に示すように、弁体５のニードル弁５１の先端には切り欠き部５１１が形成されている。この切り欠き部５１１は軸線Ｌの片側のみに形成されている。すなわち、弁体５のこの切り欠き部５１１を有するニードル弁５１は、軸線Ｌ回りに非回転対称な非対称形状部となっている。これにより、第１継手管２１から第２継手管２２へ冷媒が流れるとき、弁ポート１２を通過した冷媒の流れによる力は、弁体５（ニードル弁５１）に対して弁ポート１２の軸線Ｌの両側（図１では左右側）に対して非対称に作用させる。このように、ニードル弁５１の先端の切り欠き部５１１は「付勢手段」を構成している。

この第１実施形態では、第１継手管２１から第２継手管２２へ冷媒が流れるとき、切り欠き部５１１側を通過する冷媒の流量が多くなるので、弁体５の非対称となる部分での左右方向で流体圧力に圧力差が生じ、弁体５に対して一方側（軸線Ｌと交差する方向）に力が作用する。これにより、弁体５及び弁ホルダ４の振動を抑制することができる。その結果、ニードル弁５１が弁座部材１１に繰り返し衝突するのを防止でき、異音が生じることがなくなり静音性が得られる。また、弁ポート１２が摩耗して流量特性が変化してしまうことを防止できる。

図３は弁体の変形例を示す拡大側面図（図３（Ａ））及び底面図（図３（Ｂ））である。この弁体５は、第１実施形態のニードル弁５１より角度の開いたニードル弁５２と、ニードル弁５２の端部に形成された円柱部５３と、円柱部５３の端部に形成されたボス部５４とを有している。弁ポート１２とニードル弁５２の間隙は冷媒を絞る「絞り部」を構成している。そして、弁体５は少なくともその一部であるボス部５４が、この弁ポート１２と弁体５との絞り部よりも弁室１Ａとは反対側に位置している。

ボス部５４には、その一部に軸線Ｌと平行な面で切断したＤカット面５４１が形成されている。すなわち、弁体５のこのＤカット面５４１の部分は、軸線Ｌ回りに非回転対称な非対称形状部となっている。これにより、第１継手管２１から第２継手管２２へ冷媒が流れるとき、弁ポート１２を通過した冷媒の流れによる力は、弁体５に対して弁ポート１２の軸線Ｌの両側（図３（Ａ）では左右側）に対して非対称に作用させる。このように、ボス部５４は「付勢手段」を構成している。この変形例では、ボス部５４のＤカット面５４１側が冷媒の流量が多くなるので、ボス部５４の非対称となる部分での左右方向で流体圧力に圧力差が生じ、弁体５に対して一方側（軸線Ｌと交差する方向）に力が作用する。これにより、第１実施形態と同様に弁体５及び弁ホルダ４の振動を抑制することができ、第１実施形態と同様な効果が得られる。

図４は第２実施形態の電動弁の縦断面図、図５は第２実施形態における弁座部材の拡大断面図（図５（Ａ））及び底面図（図５（Ｂ））である。この第２実施形態において第１実施形態との大きな違いは、弁体５と弁座部材１１の構成である。以下、第２乃至参考例において、第１実施形態と同じ要素及び対応する要素には同符号を付記して重複する説明は省略する。

まず、弁体５は第１実施形態におけるニードル弁５１の切り欠き部５１１を無くした形状であり、通常の形状のニードル弁５５を有している。この第２実施形態における弁座部材１１は、テーパ面１３の片側に一部円柱状に穿ったザグリ部１１１が形成されている。すなわち、弁座部材１１のザグリ部１１１は、弁ポート１２の弁室１Ａとは反対側で軸線Ｌに対して片側に偏った位置に形成されている。そして、このザグリ部１１１は、軸線Ｌ回りに非回転対称な非対称形状部となっている。

これにより、第１継手管２１から第２継手管２２へ冷媒が流れるとき、弁ポート１２を通過した冷媒の流れによる力は、弁体５に対して弁ポート１２の軸線Ｌの両側（図４では左右側）に対して非対称に作用させる。このように、ザグリ部１１１は「付勢手段」を構成している。そして、この第２実施形態では、ザグリ部１１１側を通過する冷媒の流量が多くなるので、弁座部材１１の非対称となる部分での左右方向で流体圧力に圧力差が生じ、弁体５（ニードル弁５５）に対して一方側（軸線Ｌと交差する方向）に力が作用する。これにより、弁体５及び弁ホルダ４のの振動を抑制することができ、第１実施形態と同様な効果が得られる。

図６は第３実施形態の電動弁の縦断面図、図７は第３実施形態におけるリング状部材を示す図である。図７（Ａ）はリング状部材の断面図、図７（Ｂ）はリング状部材の平面図である。なお、図７（Ａ）では弁座部材１１及び弁体５を一点鎖線で図示してある。この第３実施形態において第１実施形態との大きな違いは、弁座部材１１と第２継手管２２との間にリング状部材７を備えている点である。弁座部材１１は第１実施形態と高さが異なるだけで、弁ポート１２とテーパ面１３を有している点は第１実施形態と同様である。また、弁体５は第２実施形態と同様である。

図７に示すように、リング状部材７は、弁座部材１１のテーパ面１３の最大径よりも径の小さな開口７１を有している。開口７１は馬蹄形の形状をしており、この馬蹄形の直線に対応する部分に軸線Ｌ側に膨出した壁部７２を有している。このリング状部材７の壁部７２は、弁ポート１２の弁室１Ａとは反対側で軸線Ｌに対して片側に偏った位置に形成されており、リング状部材７は、軸線Ｌ回りに非回転対称な非対称形状部となっている。

これにより、第１継手管２１から第２継手管２２へ冷媒が流れるとき、弁ポート１２を通過した冷媒の流れによる力は、弁体５に対して弁ポート１２の軸線Ｌの両側（図６では左右側）に対して非対称に作用させる。このように、リング状部材７は「付勢手段」を構成している。そして、この第３実施形態では、リング状部材７の開口７１を通過する冷媒の流量は壁部７２と反対側が多くなるので、リング状部材７の非対称となる部分での左右方向で流体圧力に圧力差が生じ、弁体５に対して一方側（軸線Ｌと交差する方向）に力が作用する。これにより、弁体５及び弁ホルダ４の振動を抑制することができ、第１実施形態と同様な効果が得られる。

図８は参考例の電動弁の縦断面図、図９は参考例における弁座部材の拡大断面図である。なお、図９では弁体５を一点鎖線で図示してある。この参考例において第１実施形態との大きな違いは、弁座部材１１の形状であり、この参考例における弁体５は第２実施形態と同様である。

図９に示したように、弁座部材１１には、弁ポート１２の一箇所にブリード溝１１２が形成されている。すなわち、この参考例では、弁座部材１１のブリード溝１１２は、軸線Ｌ回りに非回転対称な非対称形状部となっている。これにより、第１継手管２１から第２継手管２２へ冷媒が流れるとき、弁ポート１２を通過した冷媒の流れによる力は、弁体５に対して弁ポート１２の軸線Ｌの両側（図８では左右側）に対して非対称に作用させる。このように、ブリード溝１１２は「付勢手段」を構成している。そして、この参考例では、ブリード溝１１２側を通過する冷媒の流量が多くなるので、弁ポート１２の非対称となる部分での左右方向で流体圧力に圧力差が生じ、弁体５に対して一方側（軸線Ｌと交差する方向）に力が作用する。これにより、弁体５及び弁ホルダ４の振動を抑制することができ、第１実施形態と同様な効果が得られる。

図１０は実施形態に係る冷凍サイクルの概略構成図である。この冷凍サイクル１００は、ルームエアコン等の空気調和機に利用されるものである。図１０において、１０は各実施形態の絞り装置としての電動弁、２０は室内熱交換器、３０は室外熱交換器、４０は圧縮機、５０は流路切換弁である。なお、室内熱交換器２０は室内ユニット内に設けられ、電動弁１０と、室外熱交換器３０と、圧縮機４０と、流路切換弁５０は室外ユニット内に設けられている。

冷凍サイクル１００の流路は流路切換弁５０により「冷房モード」および「暖房モード」の２通りの流路に切換えられる。冷房モードでは、図１０に実線の矢印で示すように、圧縮機４０で圧縮された冷媒は流路切換弁５０から室外熱交換器３０に流入され、電動弁１０に流入される。そして、電動弁１０で冷媒が膨張され、室内熱交換器２０に流入される。この室内熱交換器２０に流入された冷媒は、流路切換弁５０を介して圧縮機４０に流入される。この冷房モードでは、室外熱交換器３０が凝縮器として機能し、室内熱交換器２０が蒸発器として機能し、室内の冷房がなされる。

一方、暖房モードでは、図１０に破線の矢印で示すように、圧縮機４０で圧縮された冷媒は流路切換弁５０から室内熱交換器２０に流入され、電動弁１０に流入される。そして、電動弁１０で冷媒が膨張され、室外熱交換器３０、流路切換弁５０、圧縮機４０の順に循環される。この暖房モードでは、室外熱交換器３０が蒸発器として機能し、室内熱交換器２０が凝縮器として機能し、室内の暖房がなされる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

１ 弁ハウジング
１Ａ 弁室
２１ 第１継手管
２２ 第２継手管
１１ 弁座部材
１１１ ザグリ部（付勢手段）
１１２ ブリード溝（付勢手段）
１２ 弁ポート
１３ テーパ面
３ 支持部材
４ 弁ホルダ
５ 弁体
５１ ニードル弁
５１１ 切り欠き部（付勢手段）
５２ ニードル弁
５３ 円柱部
５４ ボス部（付勢手段）
５４１ Ｄカット面
５５ ニードル弁
６ ステッピングモータ（電動部）
７ リング状部材（付勢手段）
７１ 開口
７２ 壁部
１０ 電動弁
２０ 室内熱交換器
３０ 室外熱交換器
４０ 圧縮機
５０ 流路切換弁
１００ 冷凍サイクル
Ｌ 軸線

Claims (7)

1. 弁室に連通するように弁座部材に形成された弁ポートに対して、電動部により進退される弁体のニードル弁を前記弁室側から挿通し、該弁ポートと該ニードル弁との間隙により、該弁ポートを通過する流体の流れを流量制御する電動弁であって、
   前記弁体の少なくとも一部が、前記弁ポートと該弁体との絞り部よりも前記弁室とは反対側に位置し、前記絞り部と異なる箇所に、該弁体を、前記弁ポートから流れる流体の力で該弁ポートの軸線に対して片側に付勢する付勢手段を備えたことを特徴とする電動弁。
2. 前記付勢手段が、前記弁体の前記軸線回りに非回転対称な非対称形状部で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
3. 前記付勢手段が、前記弁ポートを形成する弁座部材に形成された前記軸線回りに非回転対称な非対称形状部で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
4. 前記付勢手段が、前記弁ポートの前記弁室とは反対側に配置され前記軸線回りに非回転対称な非対称形状部を有するリング状部材で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
5. 前記非対称形状部が前記ニードル弁の先端に形成された切り欠き部であることを特徴とする請求項２に記載の電動弁。
6. 前記非対称形状部が、前記弁ポートの前記弁室とは反対側で前記軸線に対して片側に偏った位置に形成されたザグリ部であることを特徴とする請求項３に記載の電動弁。
7. 流体である冷媒を圧縮する圧縮機と、室内熱交換器と、室外熱交換器と、流路切換弁と、前記室外熱交換器と前記室内熱交換器との間にて冷媒を膨張させて減圧する請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電動弁と、を備えたことを特徴とする冷凍サイクル。

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