JP6909376B2 - 流量制御弁及び冷凍サイクルシステム - Google Patents

Description

本発明は、流量制御弁及び冷凍サイクルシステムに関する。

複雑な構造や制御を必要とせずに、冷媒減圧量を任意に可変することができ、気液二相状態の冷媒の通過音を低減した多段電動膨張弁が知られている（例えば特許文献１を参照）。

特開２００５−６９６４４号公報

近年、冷凍機器においてはCO2冷媒、新冷媒の採用にともない冷媒圧が高圧化している。特許文献１に開示された発明による着座部と補助絞り部とが設けられた多段電動膨張弁を高圧冷媒で使用すると次の問題がある。すなわち、高圧冷媒を流体とした場合、この多段電動膨張弁は、弁体のリフトによって冷媒である流体が絞り通路の通過前後における減圧量が大きくなる構造である。そのため、絞り通路の下流領域で発生するキャビテーションが多くなり、弁座の壊蝕を進行させることから、弁漏れが生じる恐れがある。

（１）本発明の第１の態様によると、流量制御弁は、第１の弁座面、前記第１の弁座面に連なる第２の弁座面、及び前記第２の弁座面に連なる第３の弁座面が延在するとともに、前記第１の弁座面と前記第２の弁座面との円形状の境界において、前記第１の弁座面と前記第２の弁座面とが互いに連なることにより形成される第１の凸部と、前記第２の弁座面と前記第３の弁座面との円形状の境界において、前記第２の弁座面と前記第３の弁座面とが互いに連なることにより形成される第２の凸部とを、それぞれ前記円形の全周に亘って有する弁座と、第１のテーパ面と、前記第１のテーパ面に連なる第２のテーパ面と、前記第１のテーパ面と前記第２のテーパ面との境界の屈曲部とを有し、前記第１のテーパ面が前記弁座の前記第１の凸部に対して離間し、または当接することによって、前記弁座との間の間隙に、流体が通過する流路が形成、または閉塞される弁体とを備え、前記弁体の中心軸と前記第１の弁座面とが互いになす第１の角度は、前記弁体の中心軸と前記第１のテーパ面とが互いになす第２の角度よりも大きく、前記第２の角度は、前記弁体の中心軸と前記第２の弁座面とが互いになす第３の角度よりも大きく、前記第３の角度は、前記弁体の中心軸と前記第２のテーパ面とが互いになす第４の角度よりも大きく、前記第１のテーパ面が前記第１の凸部に対して接することによって、前記流路が閉塞されるとき、前記屈曲部の屈曲位置は、前記弁体の中心軸に平行な方向及び前記弁体の中心軸に垂直な方向のいずれにおいても、前記第１の凸部の位置と、前記第２の凸部の位置との間に位置し、前記第１のテーパ面が前記第１の凸部に対して離間し、前記流路として、前記流体が前記第１の凸部の位置を通過し、前記第１のテーパ面および前記第２のテーパ面と前記第２の弁座面との間の先すぼまり状の所定区間を通過し、前記第２の凸部の位置を通過する第１の流路、または前記流体が前記第２の凸部の位置を通過し、前記所定区間を通過し、前記第１の凸部の位置を通過する第２の流路が形成されると、前記第１の凸部の位置および前記第２の凸部の位置は、それぞれ前記流体の流量を制限する第１の絞りの位置および第２の絞りの位置であり、前記第１の流路が形成され、前記第１のテーパ面と前記第１の凸部の位置との間の第１の間隙の大きさが前記第２のテーパ面と前記第２の凸部の位置との間の第２の間隙の大きさよりも小さいとき、前記第１の絞りと前記第２の絞りとにより、前記所定区間における圧力は、前記流体が流入する前記所定区間までの区間における圧力よりも低く、かつ前記流体が前記所定区間を通過した後の区間における圧力よりも高く、前記第２の流路が形成され、前記第１の間隙の大きさが前記第２の間隙の大きさよりも大きいとき、前記第２の絞りと前記第１の絞りとにより、前記所定区間における圧力は、前記流体が流入する前記所定区間までの区間における圧力よりも低く、かつ前記流体が前記所定区間を通過した後の区間における圧力よりも高い。
（２）本発明の第２の態様によると、第１の態様による流量制御弁において、前記弁体の前記弁座に対する離間距離に応じて、前記流路を通過する流体の流量が変化するとともに、前記流路において前記流量を最も制限する最小絞りの位置が、前記流路における前記第１の絞りの位置から前記第２の絞りの位置に移動する。
（３）本発明の第３の態様によると、冷凍サイクルシステムは、第１又は第２の態様による流量制御弁である膨張弁と、前記流体を気化させる蒸発器と、気化した前記流体を圧縮する圧縮機と、圧縮された前記流体を液化させる凝縮器とを備える。

本発明による流量制御弁は、最小絞り部が、弁閉時に弁体が弁座に対して当接する部位とは異なる位置に移動するため、弁閉時に弁体が弁座に対して当接する部位におけるキャビテーションの発生を抑えることができる。したがって、弁座の壊蝕による弁漏れを抑制することができる。

図１は、本発明の一実施の形態による流量制御弁の構成の概略を示す図である。 図２は、本実施の形態による流量制御弁の弁閉状態において、弁体が弁座に対して当接する位置にある第１の凸部Ａ及びその周辺の断面を拡大して示した図である。 図３は、弁座の第１の弁座面、第２の弁座面、第３の弁座面、第１の凸部及び第２の凸部と、弁体の第１のテーパ面、第２のテーパ面及び屈曲部との位置関係、及び絞り位置を示す断面図、ならびに弁体と弁座との間の間隙の大きさについての説明図である。 図４は、弁座の第１の弁座面、第２の弁座面、第３の弁座面、第１の凸部及び第２の凸部と、弁体の第１のテーパ面、第２のテーパ面及び屈曲部との位置関係を示す断面図である。 図５は、弁体が、その中心軸と平行な弁開方向に移動することによって弁座に対して離間していく様子を段階ＩからＶまでに分けて示した拡大断面図のうちの段階ＩからＩＩＩまでを示した図である。 図６は、弁体が、その中心軸と平行な弁開方向に移動することによって弁座に対して離間していく様子を段階ＩからＶまでに分けて示した拡大断面図のうちの段階ＩＶからＶまでを示した図である。 図７は、流体が横継手から流入し下継手に流出する場合において、弁体の弁座に対する離間距離が増加するにつれて、下継手に流出する流体の流量がどのように増加していくかという流量変化を示す概念図である。 図８は、本実施の形態による流量制御弁を膨張弁とする冷凍サイクルシステムの冷媒回路を例示した図である。

本発明の一実施の形態について、図１から図８を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施の形態による流量制御弁１の構成の概略を示す図である。流量制御弁１は、弁座２０を有し弁部材５５と弁体１０とを収容する弁本体９０と、弁体１０を軸方向に駆動する弁軸３０と、弁軸３０の傾きを抑制する弁軸ホルダ４０と、弁軸３０を弁軸３０の延在方向（図１の上下方向）に移動させるロータ７０とを有する。

弁部材５５は、弁バネ５０と、バネ受け５１と、端部に弁体１０が溶接された弁ガイド６０とを有する。弁軸３０の両端部の中間に位置する周面の少なくとも一部の領域には、オネジ３１が形成されている。弁軸ホルダ４０の、弁軸３０の周面と対向する表面の少なくとも一部の領域にはメネジ４１が形成されている。弁軸ホルダ４０の内部には、弁ガイド６０を収容する弁ガイド収容室４５が形成されている。弁軸３０のオネジ３１と弁軸ホルダ４０のメネジ４１によりネジ送り機構３５が形成されている。

弁部材５５、弁体１０、弁軸３０、弁軸ホルダ４０、及びロータ７０は、ケース８０及び弁本体９０に収容されている。弁ガイド６０は、弁バネ５０を介して弁軸３０とともに弁軸ホルダ４０の弁ガイド収容室４５に案内される。弁ガイド収容室４５は、弁体１０が前述した弁軸３０の延在方向に移動する際のガイドとして機能する。

図１の流量制御弁１では、ロータ７０と、ケース８０の外側に設けられたステータ７１とによって、ステッピングモータが構成されている。このステッピングモータが駆動されると、ロータ７０の回転とともに弁軸３０がその延在方向に移動し、この移動によって弁ガイド６０とともに弁体１０が弁軸３０の延在方向に移動する。その弁体１０の移動方向には、弁体１０と弁座２０との離間距離が増加する第１の移動方向（図１の上方向）と、弁体１０と弁座２０との離間距離が減少する第２の移動方向（図１の下方向）とが含まれる。

弁体１０が弁座２０に対して当接した状態を弁閉状態という。弁閉状態においては、流路が閉塞され、弁本体９０からは流体が流出しない。このとき、弁体１０と弁座２０との離間距離はゼロ又は略ゼロである。弁閉状態における弁体１０が前述した第１の移動方向に移動することにより、弁体１０が弁座２０に対して離間した状態となる。この状態を弁開状態と呼び、第１の移動方向のことを弁開方向と呼ぶ。弁開状態になると、弁体１０と弁座２０との間に間隙が生じて流路が形成される。流路が形成されると、弁本体９０から流体が流出する。弁本体９０には、横継手２と下継手３とが接続されている。弁開状態において、流体は、横継手２及び下継手３のうちの一方の継手から流入して他方の継手へ流出する。

弁開状態における弁体１０が前述した第２の移動方向に移動することにより、弁体１０と弁座２０との離間距離が減少すると、流路が狭まる。やがて弁体１０が弁座２０に対し当接して弁閉状態になると、流路は閉塞され、弁本体９０から流体が流出しなくなる。そこで、第２の移動方向のことを弁閉方向と呼ぶ。

図２は、本実施の形態による流量制御弁１の弁閉状態において、弁体１０が弁座２０に対して当接する位置にある第１の凸部Ａ及びその周辺の断面を拡大して示した図である。図１に示した弁座２０の弁座面２１は、図２に示すように、第１の弁座面２１１と、第１の弁座面２１１に連なる第２の弁座面２１２と、第２弁座面２１２に連なる第３の弁座面２１３とを含む。第１の弁座面２１１は、弁座面２１上の第１の凸部Ａから図１に示す横継手２側に延在する。第２の弁座面２１２は、第１の弁座面２１１に連なり、第１の凸部Ａから図１に示す下継手３側であって、かつ弁座面２１上の第２の凸部Ｂから図１に示す横継手２側に延在する。第３の弁座面２１３は、第２の弁座面２１２に連なり、第２の凸部Ｂから図１に示す下継手３側に延在する。すなわち、第１の弁座面２１１、第２の弁座面２１２及び第３の弁座面２１３のうち、第１の弁座面２１１は図１に示す横継手２に最も近い位置に配置され、第３の弁座面２１３は図１に示す下継手３に最も近い位置に配置されている。第１の凸部Ａは第１の弁座面２１１と第２の弁座面２１２との境界に形成され、第２の凸部Ｂは第２の弁座面２１２と第３の弁座面２１３との境界に形成されている。第１の凸部Ａは、第２の凸部Ｂよりも図１に示す横継手２側に位置し、第２の凸部Ｂは、第１の凸部Ａよりも図１に示す下継手３側に位置する。

第１の凸部Ａにおいて弁座２０に当接する弁体１０が、弁開方向１６に移動することにより弁座２０に対して離間すると、前述した弁開状態となる。このとき、弁体１０と弁座２０との間に間隙が形成され、その間隙を、横継手２及び下継手３のうちの一方の継手側から流入する流体が通過して他方の継手側に流出する。弁体１０と弁座２０との間に形成される間隙である、弁座２０の第１の凸部Ａと弁体１０との間の間隙、及び弁座２０の第２の凸部Ｂと弁体１０との間の間隙が、その間隙を通過する流体の流量を制限する第１の絞り及び第２の絞りとして、それぞれ作用する。流体が横継手２から流入し下継手３に流出する場合、流体は、第１の絞りの位置、第２の絞りの位置の順に通過する。流体が下継手３から流入し横継手２に流出する場合、流体は、第２の絞りの位置、第１の絞りの位置の順に通過する。

なお、第１の弁座面２１１、第２の弁座面２１２及び第３の弁座面２１３の３つの弁座面の断面形状は、いずれも図２に示すような直線状には限られず、少なくとも１つの弁座面の断面形状は、所定量の曲率を有していてもよい。

図１の説明で前述した弁軸３０の延在方向、すなわち弁体１０の移動方向（弁開方向１６及び弁閉方向）に平行な弁体１０の中心軸１５(以下、単に中心軸１５と呼ぶ)を図２に一点鎖線で示す。弁体１０は、その外周面に、第１のテーパ面１１１と、第１のテーパ面１１１に連なる第２のテーパ面１１２とを有し、第１及び第２のテーパ面１１１及び１１２の境界は窪んだ屈曲部Ｃとされている。第１のテーパ面１１１は、弁体１０の外周面のうち、中心軸１５に対して傾斜し、かつ弁閉時に第１の凸部Ａと当接する面である。第２のテーパ面１１２は、弁体１０の外周面のうち、第１のテーパ面１１１に対して図１に示す下継手３側に連なる周面である。第１のテーパ面１１１は、第２のテーパ面１１２よりも図１に示す横継手２側に位置し、第２のテーパ面１１２は、第１のテーパ面１１１よりも図１に示す下継手３側に位置する。なお、第１のテーパ面１１１及び第２のテーパ面１１２の２つのテーパ面の断面形状は、いずれも図２に示すような直線状には限られず、少なくとも１つのテーパ面の断面形状は、所定量の曲率を有していてもよい。

図２において、弁体１０の中心軸１５と第１の弁座面２１１とが互いになす第１の角度θ１は、９０度よりも小さく、かつ中心軸１５と第１のテーパ面１１１とが互いになす第２の角度θ２よりも大きい。その第２の角度θ２は、中心軸１５と第２の弁座面２１２とが互いになす第３の角度θ３よりも大きい。その第３の角度θ３は、中心軸１５と第２のテーパ面１１２とが互いになす第４の角度θ４よりも大きい。第４の角度θ４は０度よりも大きい。第３の弁座面２１３は、図２においては中心軸１５に対して平行な方向に延在しているが、必ずしもそれには限られず、中心軸１５と第３の弁座面２１３とがなす角度が、０度よりも大きく、かつ第４の角度θ４以下の角度であってもよい。

図３は、弁座２０の第１の弁座面２１１、第２の弁座面２１２、第３の弁座面２１３、第１の凸部Ａ、及び第２の凸部Ｂと、弁体１０の第１のテーパ面１１１、第２のテーパ面１１２、及び屈曲部Ｃとの位置関係を示す図、ならびに弁体と弁座との間の間隙の大きさについての説明図である。図３（ａ）は、流量制御弁１の弁閉状態を示す図２を拡大した図であり、弁体１０の第１のテーパ面１１１が弁座２０の第１の凸部Ａに対して当接することによって、図１を用いて前述した弁体１０と弁座２０との間の流路が閉塞されている。したがって、第１のテーパ面１１１と第１の凸部Ａとの間の間隙、すなわち第１の間隙の大きさＧａはゼロである。弁体１０の第２のテーパ面１１２と弁座２０の第２の凸部Ｂとの間の間隙は閉じられておらず、ゼロではない第２の間隙の大きさＧｂが設けられている。

例えば、流体が図１に示す横継手２から流入する場合、第１のテーパ面１１１と第１の弁座面２１１との間の間隙に形成されている流路であって、第１の絞りの位置までの区間の流路における圧力は、高圧状態にある。また、流体が図１に示す下継手３から流入する場合も同様に、第２のテーパ面１１２及び第１のテーパ面１１１と第３の弁座面２１３及び第２の弁座面２１２との間の間隙に形成されている流路であって、第１の絞りの位置までの区間の流路における圧力は、高圧状態にある。

図３（ａ）において、弁体１０の中心軸１５に対して平行な方向をＸＹ座標系のＹ方向、弁体１０の中心軸１５に対して垂直な方向をＸＹ座標系のＸ方向とする。ＸＹ座標系のＹ方向において、弁体１０の屈曲部Ｃの屈曲位置Ｙｃは、弁座２０の第１の凸部Ａの位置Ｙａと第２の凸部Ｂの位置Ｙｂとの間に位置する。位置Ｙａ，Ｙｂ，Ｙｃは、ＸＹ座標系のＹ座標である。また、ＸＹ座標系のＸ方向において、弁体１０の屈曲部Ｃの屈曲位置Ｘｃは、弁座２０の第１の凸部Ａの位置Ｘａと第２の凸部Ｂの位置Ｘｂとの間に位置する。位置Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃは、ＸＹ座標系のＸ座標である。弁体１０の弁開方向１６は弁体１０の中心軸１５に平行な方向である。

第１の凸部Ａ、第２の凸部Ｂ、及び屈曲部Ｃの位置（Ｘ座標及びＹ座標）をこのように配することにより、弁座２０に対する弁体１０の弁開方向１６の離間距離に応じて、後述するように弁体１０と弁座２０との間に形成される流路を通過する流体の流量が変化する。その流路において、弁体１０と弁座２０との間の間隙のうち、開口面積が最小となる間隙が、流体の流量を最も制限する最小絞りとなる。したがって、最小絞りは、その流路を通過することができる流体の流量を決定する。

この最小絞りの位置は、弁体１０の弁開方向１６の離間距離に応じて次のように変遷する。すなわち、弁開時、最小絞りは、流路において、弁体１０の第１のテーパ面１１１と弁座２０の第１の凸部Ａとの間で流路を通過する流体の流量を制限する第１の絞りの位置に形成される。弁体１０の弁開方向１６の離間距離が増加すると、流路において、第１の絞りの位置から、弁体１０の第２のテーパ面１１２と弁座２０第２の凸部Ｂとの間で流路を通過する流体の流量を制限する第２の絞りの位置に、最小絞りの位置が移動する。弁体１０と弁座２０との間に形成される流路を通過する流体の流量が変化する様子については、図５を用いて後述する。

弁開時における第１のテーパ面１１１と第１の凸部Ａとの間の第１の間隙の大きさＧａ、及び第２のテーパ面１１２と第２の凸部Ｂとの間の第２の間隙の大きさＧｂについて、断面図の図３（ｂ）及び図３（ｃ）、ならびにそれらの間隙の大きさについての説明図である図３（ｄ）及び図３（ｅ）を用いて説明する。

図３（ｂ）に示す第１のテーパ面１１１と第１の凸部Ａとの間の第１の間隙の大きさＧａ、及び図３（ｃ）に示す第２のテーパ面１１２と第２の凸部Ｂとの間の第２の間隙の大きさＧｂは、それぞれ図３（ｄ）及び図３（ｅ）を用いて以下に説明するように幾何学的に求められる。具体的には、断面図の図３（ｂ）において、第１の凸部Ａから第１のテーパ面１１１に下ろした垂線ｈａを図２に示す中心軸１５の周りに回転させることで、図３（ｄ）に示すように半径Ｒ１ａの円形状の上面と半径Ｒ２ａ（＞Ｒ１ａ）の円形状の下面とを有する円錐台Ｆａの側面が形成される。半径Ｒ１ａは、第１のテーパ面１１１に下ろした垂線ｈａの足の位置と中心軸１５との距離に等しい。半径Ｒ２ａは、垂線ｈａの始点である第１の凸部Ａと中心軸１５との距離に等しい。第１の間隙の大きさＧａは、その円錐台Ｆａの側面の面積Ｓａ＝π・ｈａ・（Ｒ１ａ＋Ｒ２ａ）と等しい。

同様に、断面図の図３（ｃ）において、第２の凸部Ｂから第２のテーパ面１１２に下ろした垂線ｈｂを図２に示す中心軸１５の周りに回転させることで、図３（ｅ）に示すように半径Ｒ１ｂの円形状の上面と半径Ｒ２ｂ（＞Ｒ１ｂ）の円形状の下面とを有する円錐台Ｆｂの側面が形成される。半径Ｒ１ｂは、第２のテーパ面１１２に下ろした垂線ｈｂの足の位置と中心軸１５との距離に等しい。半径Ｒ２ｂは、垂線ｈｂの始点である第２の凸部Ｂと中心軸１５との距離に等しい。第２の間隙の大きさＧｂは、その円錐台Ｆｂの側面の面積Ｓｂ＝π・ｈｂ・（Ｒ１ｂ＋Ｒ２ｂ）と等しい。

図４は、弁座の第１の弁座面、第２の弁座面、第３の弁座面、第１の凸部及び第２の凸部と、弁体の第１のテーパ面、第２のテーパ面及び屈曲部との位置関係を示す断面図である。弁開時に流路を通過する流量が最も制限される最小絞りの位置の移動について、図４（ａ）及び図４（ｂ）を用いて説明する。

図４（ａ）は、流量制御弁１の弁開直後の状態、すなわち弁座２０に対する弁体１０の弁開方向１６の離間距離が小さい状態を示す図である。図３（ａ）に示す弁閉状態と比べ、弁体１０が弁座２０に対して弁開方向１６に少し移動したことによって、第１のテーパ面１１１が第１の凸部Ａに対して離間し、第１のテーパ面１１１と第１の凸部Ａとの間の第１の間隙の大きさＧａがごく僅かに生成される。すると、その第１の間隙の大きさＧａが生成された位置に第１の絞りを有する流路が、弁体１０と弁座２０との間に形成される。また、第２のテーパ面１１２と第２の凸部Ｂとの間の第２の間隙の大きさＧｂが生成された位置に第２の絞りが形成される。

流路が形成された直後においては、流体が図１に示す横継手２から流入して下継手３に流出する場合、第１のテーパ面１１１と第１の弁座面２１１との間の間隙に形成されている流路であって、第１の絞りの位置までの区間の流路における圧力は、依然として高圧状態にある。流体は、第１の絞りの位置を通過し、第１のテーパ面１１１及び第２のテーパ面１１２と第２の弁座面２１２との間の間隙に形成されている流路であって、第２の絞りの位置までの区間の流路に流れ込む。この区間の流路は第２の絞りの位置において先すぼまり状となっている。したがって、第１の絞りの位置から第２の絞りの位置までの区間の流路における圧力は、前述の高圧状態よりも低く、かつ後述の低圧状態より高い中圧状態となる。流体は第２の絞りの位置を通過し、その先の下継手３へ向かう区間の流路における圧力は低圧状態にある。

流体が図１に示す下継手３から流入して横継手２に流出する場合、第２のテーパ面１１２及び第１のテーパ面１１１と第３の弁座面２１３及び第２の弁座面２１２との間の間隙に形成されている、第１の絞りの位置までの区間の流路における圧力は、依然として高圧状態にある。流体は第１の絞りの位置を通過し、その先の横継手２へ向かう区間の流路における圧力は低圧状態にある。

この段階においては、第１のテーパ面１１１と第１の凸部Ａとの間の第１の間隙の大きさＧａは、第２のテーパ面１１２と第２の凸部Ｂとの間の第２の間隙の大きさＧｂよりも小さい。したがって、流路を通過することができる流体の流量を決定する最小絞りが形成される位置は、第１の間隙の大きさＧａが生成される第１の絞りの位置である。

図４（ｂ）は、流量制御弁１の弁開後、弁体１０が弁座２０に対して離間する弁開方向１６にさらに移動した際の状態を示す図である。図４（ａ）に比して第１のテーパ面１１１が第１の凸部Ａに対しさらに離間したため、図４（ｂ）において、第１のテーパ面１１１と第１の凸部Ａとの間の第１の間隙の大きさＧａは、第２のテーパ面１１２と第２の凸部Ｂとの間の第２の間隙の大きさＧｂよりも大きくなる。したがって、流路を通過することができる流体の流量を決定する最小絞りの位置は、第２の間隙の大きさＧｂが生成される第２の絞りの位置である。すなわち、弁体１０の弁座２０からの弁開方向１６に沿った離間距離に応じて、最小絞りの位置が、弁体１０の第１のテーパ面１１１と弁座２０の第１の凸部Ａとの間に形成される第１の絞りの位置から弁体１０の第２のテーパ面１１２と弁座２０第２の凸部Ｂとの間に形成される第２の絞りの位置に移動する。

この状態において、流体が図１に示す横継手２から流入して下継手３に流出する場合、第２の弁座面２１２と第１のテーパ面１１１及び第２のテーパ面１１２との間の間隙が形成される位置から第２の絞りの位置までの区間の流路における圧力は、高圧状態にある。流体は第２の絞りの位置を通過し、その先の下継手３へ向かう区間の流路における圧力は低圧状態にある。

流体が図１に示す下継手３から流入して横継手２に流出する場合、第２のテーパ面１１２と第３の弁座面２１３との間の間隙が形成されている、第２の絞りの位置までの区間の流路における圧力は、高圧状態にある。流体は、第２の絞りの位置を通過し、第２のテーパ面１１２及び第１のテーパ面１１１と第２の弁座面２１２との間の間隙に形成されている流路であって、第１の絞りの位置までの区間の流路に流れ込む。この区間の流路は第１の絞りの位置において先すぼまり状となっている。したがって、第２の絞りの位置から第１の絞りの位置までの区間の流路における圧力は、前述の高圧状態よりも低く、かつ後述の低圧状態より高い中圧状態となる。流体は第１の絞りの位置を通過し、その先の横継手２へ向かう区間の流路における圧力は低圧状態にある。

図５及び図６は、弁体１０が、その中心軸１５と平行な弁開方向１６に移動することによって弁座２０に対して離間していく様子を段階ＩからＶまでに分けて示した拡大断面図である。図５（ａ）に示す段階Ｉでは、図３（ａ）と同様の流量制御弁１の弁閉状態であり、弁座２０の第１の凸部Ａの位置において、弁体１０と弁座２０との間の間隙に形成されている流路が閉塞されている。前述したように、弁体１０の第１のテーパ面１１１と弁座２０の第１の凸部Ａとの間の第１の間隙の大きさＧａはゼロであり、弁体１０の第２のテーパ面１１２と弁座２０の第２の凸部Ｂとの間にゼロでない第２の間隙の大きさＧｂが設けられている。

図５（ｂ）に示す段階ＩＩでは、図４（ａ）と同様の流量制御弁１の弁開直後の状態であり、弁体１０と弁座２０との間の間隙に流路が形成されている。前述したように、第１の間隙の大きさＧａは、第２の間隙の大きさＧｂよりも小さいため、最小絞りの位置は、弁体１０の第１のテーパ面１１１と弁座２０の第１の凸部Ａとの間に形成される第１の絞りの位置である。

図５（ｃ）に示す段階ＩＩＩでは、弁座２０に対する弁体１０の弁開方向１６の離間距離が増加して、流路の流量が増加する。このときの弁体１０の離間距離を所定量Ｑとする。前述したように、弁体１０の中心軸１５は弁開方向１６と平行であり、かつ、中心軸１５と第１のテーパ面１１１とが互いになす第２の角度θ２は、中心軸１５と第２のテーパ面１１２とが互いになす第４の角度θ４よりも大きいため、弁体１０の離間距離の増加に対し、第１の間隙の大きさＧａの増分の方が第２の間隙の大きさＧｂの増分よりも大きい。すなわち、図５（ｃ）は、段階ＩＩにおいては第２の間隙の大きさＧｂよりも小さかった第１の間隙の大きさＧａが、段階ＩＩＩにおいては第２の間隙の大きさＧｂと等しくなる様子を示している。

図６（ａ）に示す段階ＩＶでは、図４（ｂ）と同様の状態であり、すなわち弁座２０に対する弁体１０の弁開方向１６の離間距離がさらに増加した状態である。弁体１０の離間距離がさらに増加することにより流路の開口面積が増加し、流路の流量がますます増加する。前述したように、第１の間隙の大きさＧａは、第２の間隙の大きさＧｂよりも大きくなったため、最小絞りの位置は、弁体１０の第１のテーパ面１１１と弁座２０の第１の凸部Ａとの間に形成される第１の絞りの位置から、弁体１０の第２のテーパ面１１２と弁座２０の第２の凸部Ｂとの間に形成される第２の絞りの位置に移動している。すなわち、弁体１０の弁座２０に対する離間距離が前述した所定量Ｑよりも小さいとき、最小絞りの位置は第１の絞りの位置であるが、その離間距離がその所定量Ｑよりも大きいとき、最小絞りの位置は第２の絞りの位置である。

図６（ｂ）に示す段階Ｖでは、弁座２０に対する弁体１０の弁開方向１６の離間距離が増加し続けた結果、弁体１０の第１テーパ面１１１が弁座２０の第１の凸部Ａから大きく離れている。そのため、第１の凸部Ａと第１テーパ面１１１との間において流路が拡大し、第１の絞りが形成されていたその位置での絞り効果は失われている。

流体が図１に示す横継手２から流入して下継手３に流出する場合、第１のテーパ面１１１及び第２のテーパ面１１２と第１の弁座面２１１第２の弁座面２１２との間の間隙に形成されている流路は、第１テーパ面１１１と第１の凸部Ａとの間において十分な開口面積を有し、その位置に形成されていた第１の絞りによる絞り効果が失われる。そのため、その間隙に形成されている流路の、第２の絞りの位置までの区間は、高圧状態の区間となり、中圧状態の区間は存在しない。最小絞りの位置は、弁体１０の第２のテーパ面１１２と弁座２０第２の凸部Ｂとの間に形成される第２の絞りの位置である。流体は第２の絞りの位置を通過し、その先の下継手３へ向かう区間の流路における圧力は低圧状態にある。

流体が図１に示す下継手３から流入して横継手２に流出する場合、第２のテーパ面１１２と第３の弁座面２１３との間の間隙に形成されている、第２の絞りの位置までの区間の流路における圧力は、高圧状態にある。流体は第２の絞りの位置を通過し、その先の横継手２へ向かう区間の流路における圧力は低圧状態にある。

図７は、流体が横継手２から流入し下継手３に流出する場合において、図５及び図６に示すように弁体１０の弁座２０に対する離間距離が増加するにつれて、下継手３に流出する流体の流量がどのように増加していくかという流量変化を示す概念図である。図７の符号Ｉ〜Ｖは図５及び図６の符号Ｉ〜Ｖと同じ段階を示す。図７に示す段階Ｉでは流量制御弁１が弁閉状態であることから、段階Ｉにおいて前述した弁体１０と弁座２０との間の間隙に形成されている流路を流れる流体の流量はゼロである。

図７に示す段階ＩＩは流量制御弁１の弁開直後の状態であり、流体の流量が増加し始める。なお、図７は概念図のため、弁体１０の弁座２０に対する離間距離に応じた流体流量の増加傾向については直線により簡易的に示したが、必ずしも直線状に増加するとは限らない。

図７において示す段階ＩＩＩでは、弁体１０の弁座２０に対する離間距離が所定量Ｑに達している。この段階ＩＩＩを挟んで段階ＩＩから段階ＩＶへ移行する際に、最小絞りの位置が、第１の絞りの位置から第２の絞りの位置に移動する。

図７に示す段階ＩＶは、弁体１０の弁座２０に対する離間距離がさらに増加した状態であり、段階ＩＶにおいては流量増加が継続する。

図７に示す段階Ｖにおいては、流路に中圧状態の区間は存在しなくなっており、流量はさらに増加傾向となる。

なお、前述のとおり、図７については、流体が横継手２から流入し下継手３に流出する場合における流量変化を示す概念図として説明したが、流体が下継手３から流入し横継手２に流出する場合における流量変化もまた、図７と同様に示される。

図８は、本実施の形態による流量制御弁１を膨張弁とする冷凍サイクルシステム５００の冷媒回路を例示した図である。図８に示す冷凍サイクルシステム５００は、膨張弁である流量制御弁１と、蒸発器（室内熱交換器）４と、圧縮機５と、凝縮器（室外熱交換器）６とを有し、冷媒通路５０１、５０２、５０３及び５０４が、それらの装置を順に接続する。流量制御弁１から冷媒通路５０１へ流出した流体である冷媒は、蒸発器４により気化する。気化した冷媒は、蒸発器４から排出されると、冷媒通路５０２を流れ、圧縮機５によって圧縮される。圧縮された冷媒は、圧縮機５から排出されると、冷媒通路５０３を流れ、凝縮器６により液化する。液化した冷媒は、凝縮器６から冷媒通路５０４へ流出し、再び流量制御弁１に戻って流入する。すなわち、冷凍サイクルシステム５００の冷媒回路は、流量制御弁１と、蒸発器４と、圧縮機５と、凝縮器６と、それらの装置をループ接続する冷媒通路５０１〜５０４とから構成される。

この冷凍サイクルシステム５００は、空気調和装置（冷房）や冷凍・冷蔵庫等で使用される。なお、この流量制御弁１が膨張弁として適用される冷凍サイクルシステムの構成は、図８に示す基本的な冷凍サイクルシステム５００の構成に限られない。四方弁の組み込みにより、冷媒回路における冷媒流れ方向を逆転できる冷房・暖房用の空気調和装置にも使用できる。

上述した本発明の一実施の形態による流量制御弁１の作用効果について、以下に説明する。

（１）流量制御弁１は、弁座２０と、弁体１０とを含む。弁座２０には、第１の弁座面２１１、第１の弁座面２１１に連なる第２の弁座面２１２、及び第２の弁座面２１２に連なる第３の弁座面２１３が延在する。第１の弁座面２１１と第２の弁座面２１２との境界には第１の凸部Ａが形成され、第２の弁座面２１２と第３の弁座面２１３との境界には第２の凸部Ｂが形成されている。弁体１０は、第１のテーパ面１１１と、第１のテーパ面１１１に連なる第２のテーパ面１１２と、第１のテーパ面１１１と第２のテーパ面１１２との境界の屈曲部Ｃとを有する。弁体１０は、第１のテーパ面１１１が弁座２０の第１の凸部Ａに対して離間し、または当接することによって、流路が形成、または閉塞される。弁体１０の中心軸１５と第１の弁座面２１１とが互いになす第１の角度θ１は、弁体１０の中心軸１５と第１のテーパ面１１１とが互いになす第２の角度θ２よりも大きい。第２の角度θ２は、弁体１０の中心軸１５と第２の弁座面２１２とが互いになす第３の角度θ３よりも大きい。第３の角度θ３は、弁体１０の中心軸１５と第２のテーパ面１１２とが互いになす第４の角度θ４よりも大きい。第１のテーパ面１１１が第１の凸部Ａに対して当接することによって、流路が閉塞されるとき、屈曲部Ｃの屈曲位置は、弁体１０の中心軸１５に平行な方向及び中心軸１５に垂直な方向のいずれにおいても、第１の凸部Ａの位置と、第２の凸部Ｂの位置との間に位置する。

流量制御弁１がこのように構成されていることにより、弁体１０と弁座２０との間の間隙に形成されている流路における最小絞りの位置が、弁体１０の弁座２０に対する離間距離が増加した際に移動する。近年の冷媒圧高圧化の傾向により、弁座面２１において、流体が流路の最小絞りを通過した直後の領域に壊蝕の原因となるキャビテーションが発生しやすい。本実施の形態における流量制御弁１によれば、最小絞りの位置が移動するために、最小絞り周辺の位置における弁座２０の急速な壊蝕の進行を抑制することができる。特に、第１の凸部Ａの位置は弁閉時の流路閉塞位置でもあることから、その位置周辺の壊蝕による弁漏れの発生を抑制することができる。

（２）第１の角度θ１は９０度よりも小さい。すなわち、流路は直角に折れ曲がらず、なだらかに湾曲する。このため、弁体１０の弁座２０に対する離間距離が所定量Ｑより小さい場合、弁体１０との間で最小絞りを形成する第１の凸部Ａの位置の直ぐ下流の領域において、壊蝕の原因となるキャビテーションが発生するのを抑制することができる。

（３）第３の弁座面２１３は、弁開方向１６と平行に、すなわち弁体１０の中心軸１５に平行な方向に延在し、第４の角度θ４は０度よりも大きい。このため、弁体１０のリフト量が所定量Ｑより大きい場合に、第２の凸部Ｂの位置と弁体１０との間に形成される間隙の位置が最小絞りの位置となる。その間、第１の凸部Ａの位置周辺における弁座２０の壊蝕の進行を抑制することができ、したがって弁漏れの発生を抑制することができる。

（４）流量制御弁１は、弁座２０と、弁体１０とを含む。弁体１０は、弁座２０に対して離間し、または当接することによって、弁座２０との間の間隙に流路が形成、または閉塞される。弁体１０の弁座２０に対する離間距離に応じて、流路を通過する流体の流量が変化するとともに、流路において通過する流体の流量を最も制限する最小絞りの位置が、流路における第１の絞りの位置から第２の絞りの位置に移動する。そのため、最少絞り周辺の位置における弁座２０の急速な壊蝕の進行を抑制することができる。特に、第１の凸部Ａの位置は弁閉時の流路閉塞位置でもあることから、その位置周辺の壊蝕による弁漏れの発生を抑制することができる。

（５）弁座２０は第１の凸部Ａと第２の凸部Ｂとを有する。弁体１０は、弁閉時に第１の凸部Ａと当接する第１のテーパ面１１１と、第１のテーパ面１１１に連なる第２のテーパ面１１２とを有する。第１の絞りは、第１のテーパ面１１１と第１の凸部Ａとの間で流体の流量を制限する。第２の絞りは、第２のテーパ面１１２と第２の凸部Ｂとの間で流体の流量を制限する。流体は、横継手２及び下継手３のうちの一方の継手から流路に流入して他方の継手に流出する。第１の凸部Ａの位置及び第１のテーパ面１１１の位置は、それぞれ第２の凸部Ｂの位置及び第２のテーパ面１１２の位置よりも横継手２側に位置する。第１の凸部Ａと第１のテーパ面１１１とが当接することによって、流路が閉塞される。弁体１０の弁座２０に対する離間距離が所定量Ｑよりも小さいとき、最小絞りの位置は、第１の凸部Ａと第１のテーパ面１１１との間に形成される第１の絞りの位置である。弁体１０の弁座２０に対する離間距離が所定量Ｑよりも大きいとき、最小絞りの位置は、第２の凸部Ｂと第２のテーパ面１１２との間に形成される第２の絞りの位置である。第２の凸部Ｂと第２のテーパ面１１２との間に流路の最小絞りが形成されている間、第１の凸部Ａの位置周辺における弁座２０の壊蝕の進行を抑制することができ、したがって弁漏れの発生を抑制することができる。

（６）冷凍サイクルシステム５００は、本実施の形態による流量制御弁１である膨張弁と、流体を気化させる蒸発器４と、気化した流体を圧縮する圧縮機５と、圧縮された流体を液化させる凝縮器６とを有する。この冷凍サイクルシステム５００は、上述したように弁座の壊蝕による弁漏れの発生が抑制された流量制御弁１を膨張弁として用いるため、高い冷房・冷凍・冷蔵効果を長く維持することができる。

上記では、本発明の一実施の形態を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１ 流量制御弁
２ 横継手
３ 下継手
４ 蒸発器（室内熱交換器）
５ 圧縮機
６ 凝縮器（室外熱交換器）
１０ 弁体
１５ 中心軸
１６ 弁開方向
２０ 弁座
２１ 弁座面
３０ 弁軸
３１ オネジ
３５ ネジ送り機構
４０ 弁軸ホルダ
４１ メネジ
４５ 弁ガイド収容室
５０ 弁バネ
５１ バネ受け
５５ 弁部材
６０ 弁ガイド
７０ ロータ
７１ ステータ
８０ ケース
９０ 弁本体
１１１ 第１のテーパ面
１１２ 第２のテーパ面
２１１ 第１の弁座面
２１２ 第２の弁座面
２１３ 第３の弁座面
５００ 冷凍サイクルシステム
５０１、５０２、５０３、５０４ 冷媒通路

Claims (6)

1. 第１の弁座面、前記第１の弁座面に連なる第２の弁座面、及び前記第２の弁座面に連なる第３の弁座面が延在するとともに、前記第１の弁座面と前記第２の弁座面との円形状の境界において、前記第１の弁座面と前記第２の弁座面とが互いに連なることにより形成される第１の凸部と、前記第２の弁座面と前記第３の弁座面との円形状の境界において、前記第２の弁座面と前記第３の弁座面とが互いに連なることにより形成される第２の凸部とを、それぞれ前記円形の全周に亘って有する弁座と、
   第１のテーパ面と、前記第１のテーパ面に連なる第２のテーパ面と、前記第１のテーパ面と前記第２のテーパ面との境界の屈曲部とを有し、前記第１のテーパ面が前記弁座の前記第１の凸部に対して離間し、または当接することによって、前記弁座との間の間隙に、流体が通過する流路が形成、または閉塞される弁体とを備え、
   前記弁体の中心軸と前記第１の弁座面とが互いになす第１の角度は、前記弁体の中心軸と前記第１のテーパ面とが互いになす第２の角度よりも大きく、
   前記第２の角度は、前記弁体の中心軸と前記第２の弁座面とが互いになす第３の角度よりも大きく、
   前記第３の角度は、前記弁体の中心軸と前記第２のテーパ面とが互いになす第４の角度よりも大きく、
   前記第１のテーパ面が前記第１の凸部に対して当接することによって、前記流路が閉塞されるとき、前記屈曲部の屈曲位置は、前記弁体の中心軸に平行な方向及び前記弁体の中心軸に垂直な方向のいずれにおいても、前記第１の凸部の位置と、前記第２の凸部の位置との間に位置し、
   前記第１のテーパ面が前記第１の凸部に対して離間し、前記流路として、前記流体が前記第１の凸部の位置を通過し、前記第１のテーパ面および前記第２のテーパ面と前記第２の弁座面との間の先すぼまり状の所定区間を通過し、前記第２の凸部の位置を通過する第１の流路、または前記流体が前記第２の凸部の位置を通過し、前記所定区間を通過し、前記第１の凸部の位置を通過する第２の流路が形成されると、前記第１の凸部の位置および前記第２の凸部の位置は、それぞれ前記流体の流量を制限する第１の絞りの位置および第２の絞りの位置であり、
   前記第１の流路が形成され、前記第１のテーパ面と前記第１の凸部の位置との間の第１の間隙の大きさが前記第２のテーパ面と前記第２の凸部の位置との間の第２の間隙の大きさよりも小さいとき、前記第１の絞りと前記第２の絞りとにより、前記所定区間における圧力は、前記流体が流入する前記所定区間までの区間における圧力よりも低く、かつ前記流体が前記所定区間を通過した後の区間における圧力よりも高く、
   前記第２の流路が形成され、前記第１の間隙の大きさが前記第２の間隙の大きさよりも大きいとき、前記第２の絞りと前記第１の絞りとにより、前記所定区間における圧力は、前記流体が流入する前記所定区間までの区間における圧力よりも低く、かつ前記流体が前記所定区間を通過した後の区間における圧力よりも高い、流量制御弁。
2. 請求項１に記載の流量制御弁において、
   前記第１の角度は９０度よりも小さい流量制御弁。
3. 請求項１又は２に記載の流量制御弁において、
   前記第３の弁座面は前記中心軸に平行な方向に延在し、
   前記第４の角度は０度よりも大きい流量制御弁。
4. 請求項１から３までのいずれか一項に記載の流量制御弁において、
   前記弁体の前記弁座に対する離間距離に応じて、前記流路を通過する流体の流量が変化するとともに、前記流路において前記流量を最も制限する最小絞りの位置が、前記流路における前記第１の絞りの位置から前記第２の絞りの位置に移動する流量制御弁。
5. 請求項４に記載の流量制御弁において、
   前記流体は、第１の継手から前記流路に流入して第２の継手に流出し、
   前記第１の凸部の位置及び前記第１のテーパ面の位置は、それぞれ前記第２の凸部の位置及び前記第２のテーパ面の位置よりも、前記第１の継手及び前記第２の継手のうちの一方の継手側に位置し、
   前記第１の凸部と前記第１のテーパ面とが当接することによって、前記流路が閉塞され、
   前記離間距離が所定量よりも小さいとき、前記最小絞りの位置は前記第１の絞りの位置であり、
   前記離間距離が前記所定量よりも大きいとき、前記最小絞りの位置は前記第２の絞りの位置である流量制御弁。
6. 請求項１から５までのいずれか一項に記載の流量制御弁である膨張弁と、
   前記流体を気化させる蒸発器と、
   気化した前記流体を圧縮する圧縮機と、
   圧縮された前記流体を液化させる凝縮器とを備える冷凍サイクルシステム。

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