JP7014749B2 - 温度膨張弁および冷凍サイクルシステム - Google Patents

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Description

本発明は、蒸発器の出口側温度に感応して弁開度を調整し、冷凍サイクルの過熱度を制御する温度膨張弁、および該温度膨張弁を備えた冷凍サイクルシステムに関する。
従来より冷凍サイクルには、たとえば、図7に示すような、温度膨張弁102が用いられる(例えば、特許文献1)。この温度膨張弁102は、感温筒104で感温された蒸発器の出口側の配管温度に応じて弁体108の弁開度を制御することで冷凍サイクルの過熱度を一定の範囲に保持するものである。また、この温度膨張弁102は、弁本体110の下方に、弁体108を弁閉方向に付勢する付勢ばね112と、この付勢ばね112の弁体108に対する付勢力を調節するための調整ねじ114を備えている。過熱度設定の調整は、調整ねじ114を回動して付勢ばね112の付勢力を調節することにより行う。また、調整ねじ114の下方にはシールキャップ116が設けられ、調整ねじ114を収容する弁本体110の下部を封止している。
特開2010-281337号公報
ここで、温度膨張弁102は、入口継手122から流入する冷媒を減圧させて出口継手124から流出させるため、弁本体110は0℃以下の低温に冷却される場合がある。冷却が急速になされた場合には、空気中の水分が凍結して弁本体110に着霜が生じる。なお、弁本体110に生じた着霜は、たとえばデフロストなどによって弁本体110の温度が上昇すると融解して水分になる。
ところで、冷凍サイクルの調整運転(評価試験)を行った場合などにおいて、静止過熱度の調整頻度が高い場合などには、シールキャップ116が閉め忘れられる場合がある。シールキャップ116が外されたままになると、シールキャップ116による弁本体110の下部の封止が解除される。
弁本体110の下部の封止が解除された場合、着霜等に起因する水分は、図8に矢印で示すように、弁本体110の内部に侵入し、調整ねじ114に取り付けられているOリング120にまで到達する場合がある。そして、Oリング120が配置されている溝部126で水分が凍結すると、図9に示すように、水分が凍結して氷130となり、体積が膨張する。この場合、Oリング120が局所的に押し上げられたり、Oリング120全体に亘って不規則な変形が生じるなどしてOリング120によるシール性が低下するおそれがある。
このように、Oリング120によるシール性が低下した場合、冷媒が弁本体110の外部に漏出するおそれが生じる。なお、Oリング120の位置する部分から冷媒が漏出すると、さらに弁本体110が低温化し、Oリング120自体も硬化する可能性がある。この場合、シール性低下の悪循環が生じてしまう。
本発明の目的は、シール部材が配置されている部分で水分が凍結してもシール性を維持することができる温度膨張弁、および該温度膨張弁を備えた冷凍サイクルシステムを提供することである。
本発明の温度膨張弁は、
冷凍サイクルの凝縮器と蒸発器との間に配管接続され、弁体を弁閉方向に付勢する付勢ばねの付勢力を調整して過熱度設定を調整する調整ねじを弁ハウジングの取付孔内に備えた温度膨張弁において、
前記調整ねじには、環状のシール部材を配置する配置部が形成され、
前記配置部には、前記弁体の移動方向に前記シール部材を付勢する弾性部材が配置されていることを特徴とする。
このように、配置部に弾性部材を配置することにより、シール部材が配置されている部分で水分が凍結してもシール部材のシール性を維持することができる。たとえば、配置部で水分が凍結して氷となり体積が膨張した場合において、氷によってシール部材が局所的に押し上げられたり、またはシール部材が凍結してシール部材全体に亘って不規則な変形が生じたとしても、弾性部材がシール部材を押圧することより、シール部材が配置されている部分に部分的に隙間が生じることが防止される。
また、本発明の温度膨張弁は、
前記配置部が、
前記弁体の弁閉動作方向側に位置する前記配置部の端部において、外径側に突出し、前記シール部材および前記弾性部材を前記配置部内に保持する保持部と、
前記取付孔内に挿入される前記調整ねじの他の外周部分よりも外周径を小径にした壁面と、
前記弁体の弁開動作方向側に位置する前記配置部の端部の外周において、前記壁面と前記他の外周部分との間で段差を形成し、前記シール部材を支持する底面と
を備えることを特徴とする。
このように、外径側に突出した保持部、外周を小径にした壁面、およびシール部材を支持する底面を配置部が備えることにより、調整ねじに環状の空間が形成される。この環状の空間にシール部材や弾性部材を配置することにより、シール部材や弾性部材の外周面を他の外周部分と略揃えて調整ねじに装着することができる。また、外径側に突出した保持部を上端に形成することにより、シール部材や弾性部材が配置部から抜け出さないように配置部内に保持される。
また、本発明の温度膨張弁は、
前記保持部が、前記調整ねじの前記弁体側の端部を外径側に折り曲げた爪部であることを特徴とする。
このように、爪部を形成することにより、爪部によって弾性部材が保持される。
また、本発明の温度膨張弁は、
前記配置部には、前記弾性部材の弾性力を受けて前記シール部材を押圧する押え部材が前記シール部材と前記弾性部材の間に配置されていることを特徴とする。
このように、シール部材と弾性部材の間に押え部材を配置することにより、均等な弾性力でシール部材を押圧することができる。
また、本発明の温度膨張弁は、
前記押え部材が、断面L字形状を有し、
前記取付孔内を摺動する外周面を有する側壁と、
前記弁体の弁開動作方向側に位置する前記側壁の端部において内径側に突出し、前記弾性部材を支持する底部とを備えることを特徴とする。
このように、弾性部材を断面L字形状の押え部材の底部に支持させ、かつ側壁の内周側に配置させることにより、押え部材が軸線方向に移動する際の傾きを防止することができる。
また、本発明の温度膨張弁は、
前記弾性部材が、板ばねまたはコイルばねであることを特徴とする。
このように、弾性部材にはばねを用いるのが好ましい。
また、本発明の温度膨張弁は、
前記シール部材が、Oリングであることを特徴とする。
このように、シール部材にはOリングを用いるのが好ましい。
また、本発明の冷凍サイクルシステムは、
圧縮機、凝縮器、および蒸発器を含む冷凍サイクルシステムであって、本発明の温度膨張弁を用いることを特徴とする。
このような温度膨張弁は、蒸発器の出口側の配管温度に応じて弁体の弁開度を制御し、流量を制御することが出来るため、冷凍サイクルシステムに用いるのに好適である。
本発明によれば、シール部材が配置されている部分で水分が凍結してもシール性を維持することができる温度膨張弁、および該温度膨張弁を備えた冷凍サイクルシステムを提供することができる。
実施の形態に係る冷凍サイクルシステムの冷媒回路を示す図である。 実施の形態に係る温度膨張弁の概略断面図である。 実施の形態に係る温度膨張弁の要部を示す部分拡大図である。 実施の形態に係る温度膨張弁の部分拡大図である。 実施の形態に係る温度膨張弁における水分凍結時の要部の部分拡大図である。 他の実施の形態に係る温度膨張弁の部分拡大図である。 従来の温度膨張弁の概略断面図である。 従来の温度膨張弁の要部を示す部分拡大図である。 従来の温度膨張弁のOリングが配置されている部分を示す部分拡大図である。
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図1は、実施の形態に係る冷凍サイクルシステムの冷媒回路を示す図である。図1に示すように、冷凍サイクルシステム2は、実施形態の温度膨張弁4、圧縮機6、凝縮器8、および蒸発器10をそれぞれ配管で環状に接続して構成されている。
この冷凍サイクルシステム2において、実施の形態に係る温度膨張弁4は、第1管継手12が凝縮器8側の第1配管201に接続され、第2管継手14が蒸発器10側の第2配管202に接続され、さらに均圧管16が蒸発器10の出口側配管203に接続されている。
かかる冷媒回路において、圧縮機6で圧縮された冷媒は凝縮器8で凝縮液化され、第1管継手12を介して温度膨張弁4に流入される。温度膨張弁4に流入した冷媒は、温度膨張弁4内で減圧されて膨張し、第2管継手14から蒸発器10に流入して蒸発気化され、再び圧縮機6に流入する。
また、出口側配管203の蒸発器10側には、たとえば冷媒回路を循環する冷媒と同じ種類のガス冷媒や液冷媒が封入された感温筒18が取り付けられている。感温筒18は温度膨張弁4に備えられており、キャピラリチューブ20を介してダイヤフラム装置22と接続されている。
図2は、実施の形態に係る温度膨張弁4の概略断面図である。なお、本明細書において、「上」あるいは「下」とは図2の状態で規定したものである。すなわち、弁体38は調整ねじ44より上方に位置している。図2に示すように、温度膨張弁4は、たとえば、真鍮などの金属で形成された弁本体24を備えている。この弁本体24には、第1管継手12と接続される第1ポート26、第2管継手14と接続される第2ポート28、および第1ポート26と第2ポート28との間に位置する弁ポート30が形成されている。また、弁本体24には、均圧管16と接続される均圧路32が形成され、弁本体24の内部には、それぞれ、弁ポート30の中心軸を軸線Lとし円筒形状を有するガイド孔34、取付孔36が形成されている。ガイド孔34の側面には第1ポート26が開口され、取付孔36は弁ポート30の下方に位置している。
また、ガイド孔34には、弁体38が配置されている。弁体38は、ガイド孔34内に位置する円柱状のニードル部38a、およびニードル部38aよりも大径であり第2ポート28側に位置する弁体部38bを備えている。この弁体38はガイド孔34内に軸線L方向に自在移動できるように収容されており、弁体部38bが軸線L方向に移動することによって弁ポート30が開閉される。なお、弁体38は、ニードル部38aの弁体部38bと反対側の端部に装着された当金40を介してダイヤフラム装置22のダイヤフラム42に接続されている。
取付孔36には、外周に雄ねじ44aを有する調整ねじ44、調整ねじ44の中孔内に配置された付勢ばね46、および付勢ばね46の端部に配置されたリテーナ48が備えられている。ここで、調整ねじ44は、雄ねじ44aを取付孔36の内周面に形成された雌ねじ36aに螺合することで弁本体24に取り付けられている。また、リテーナ48は、弁体部38bの下方に突出する突起部38cに嵌合されている。弁体38は、付勢ばね46の弾性力によって、弁ポート30を閉じる弁閉方向であるダイヤフラム42側に付勢されている。なお、調整ねじ44を回動させることにより、弁体38に対する付勢ばね46の付勢力が調整され、過熱度設定を調整することができる。
図3は、図2の円Aで囲まれた部分の部分拡大図である。図3に示すように、調整ねじ44の弁体38の弁閉動作方向側の外周には、環状のシール部材50を配置する配置部52が形成されている。配置部52は、取付孔36内に挿入される調整ねじ44の他の外周部分よりも外周径を小径にすることで形成された環状の空間を有している。環状の空間は、配置部52が備える爪部52a、壁面52b、および底面52cによって囲まれ、配置部52内、すなわち環状の空間内には、シール部材50の他に押え部材54と弾性部材56が配置されている。
爪部52aは、配置部52が形成された調整ねじ44の上端(弁体38の弁閉動作方向側の端部)において、外径側に突出し、調整ねじ44の筒状の端部を外径側にかしめて加工されている。この爪部52aは、シール部材50、押え部材54、および弾性部材56が配置部52から抜け出さないように配置部52内に保持する保持部として機能している。
壁面52bは、取付孔36内に挿入される調整ねじ44の他の外周部分よりも外周径を小径にした部分の外壁面であり、シール部材50の内周面と密着している。また、底面52cは、配置部52の下端(弁体38の弁開動作方向側の端部)の外周において、壁面52bと他の外周部分との間で段差を形成している。この底面52cにはシール部材50が着底する。
このように、爪52a、壁面52b、および底面52cを配置部52が備えることにより、爪部52a、壁面52b、および底面52cによって囲まれた環状の空間が調整ねじ44に形成される。この環状の空間にシール部材50、押え部材54、および弾性部材56を配置することにより、シール部材50、押え部材54、および弾性部材56のそれぞれの外周面を調整ねじ44の他の外周部分と略揃えて調整ねじ44に装着することができる。
シール部材50としては、たとえば、NBR(ニトリルゴム)やH-NBR(水素添加ニトリルゴム)等から成るOリングが用いられる。また、シール部材50は、軸線L方向と直交する方向において調整ねじ44と弁本体24との間に介装され、シール部材50の外周面と弁本体24の内周面は密着している。また、シール部材50の内周面と配置部52の壁面52bもまた密着している。すなわち、取付孔36内はシール部材50によって、弁ポート30の下流側の領域である低圧側の空間と大気側の空間(シール部材50の外周面と弁本体24の内周面が密着する部分およびシール部材50の内周面と配置部52の壁面52bが密着する部分よりも弁体38の弁開動作方向側に広がる空間)とに分断されている。これにより、弁本体24外の大気と弁ポート30を通過して減圧された冷媒とが気密に分離される。
押え部材54は、シール部材50を押圧する断面L字形状の部品であり、たとえば、ステンレスや真鍮などの金属で形成されている。この押え部材54は、取付孔36内を摺動する外周面を備えた側壁54a、および側壁54aの下端(弁体38の弁開動作方向側の端部)において内径側に突出し、弾性部材56が着底する底部54bを有している。また、弾性部材56は、押え部材54の底部54b上において側壁54aの内周側に形成された空間に配置されている。弾性部材56としては、たとえば、板ばねなどが用いられる。
このように、シール部材50と弾性部材56の間に押え部材54を配置することにより、押え部材54を介して均等な弾性力でシール部材50を下方に押圧することができる。これにより、シール部材50が配置部52内において、底面52cに着底した状態で保持される。また、弾性部材56を断面L字形状の押え部材54の底部54bに着底させ、かつ側壁54aの内周側に配置させることにより、押え部材54が軸線L方向に移動する際の傾きを防止することができる。
また、取付孔36には、調整ねじ44の脱落を防止するC字状のリング58が取り付けられている。そして、取付孔36の下端部の開口には、環状の封止部材60が配置された段差部62が形成されている。なお、封止部材60はポリテトラフルオロエチレン(PTFE)で形成されている。
さらに、取付孔36の下端部には、取付孔36を封止するシールキャップ64が着脱可能に取り付けられている。具体的には、シールキャップ64は、シールキャップ64の外周に形成された雄ねじ64aを取付孔36の下端部の内周に形成された雌ねじ36bに螺合して取り付けられている。なお、取り付け前の封止部材60は、段差部62の深さより厚く形成されている。このため、段差部62に封止部材60を取り付けた後にシールキャップ64を螺合すると、封止部材60は僅かに押し潰されて塑性変形し、取付孔36を封止する。
また、弁本体24の上方には、ダイヤフラム装置22が装着されている。ダイヤフラム装置22は、たとえば、ステンレスなどの金属で形成された上蓋66と下蓋68から成る筐体構造を有しており、下蓋68の下部を弁本体24の上端に螺合させてガイド孔34に装着されている。また、上蓋66と下蓋68の間には、筐体の内部を均圧室72と受圧室70に区画するダイヤフラム42が設けられている。
ここで、均圧室72は、均圧路32および均圧管16を介して蒸発器10の出口側配管203に連通されており、出口側配管203の蒸発圧力は、均圧管16、均圧路32を介して均圧室72に導入される。一方、受圧室70は、キャピラリチューブ20を介して感温筒18と接続されており、感温筒18による感知温度に応じて受圧室70の内圧が変化する。受圧室70と均圧室72の圧力差はダイヤフラム42を変位させ、ダイヤフラム42の変位は当金40を介して弁体38に伝達される。
このため、弁体部38bは、感温筒18による出口側配管203の感知温度が上昇すると弁ポート30を開放する方向に移動し、感温筒18による出口側配管203の感知温度が低下すると弁ポート30を閉塞する方向に移動する。また、弁体部38bは、蒸発器10における蒸発圧力が低下すると弁ポート30を開放する方向に移動し、蒸発圧力が上昇すると弁ポート30を閉塞する方向に移動する。すなわち、凝縮器8側の第1配管201から蒸発器10側の第2配管202に冷媒を通過させる弁ポート30の弁開度は、感温筒18の感知温度と蒸発圧力に応じて制御され、冷媒回路の過熱度制御が実行される。
図4は、図2の円Bで囲まれた部分の部分拡大図である。図4に示すように、弁体38のニードル部38aの上端部は、ダイヤフラム装置22に近づくほど小径になるように、図4の下方から上方に向かって、大径部39a、中径部39bおよび小径部39cが形成されている。ここで、ニードル部38aの端部には、小径部39cを貫通孔40aに嵌合させて当金40が装着されている。
ニードル部38aの中径部39bの外周にはシール部材74、およびシール部材74を所定の位置に押さえつけるための押え部材76が配置されている。シール部材74は、ともにドーナツ盤形状を有するポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製のパッキン74aと金属製の板バネ74bで構成され、パッキン74aと板バネ74bは、板バネ74bを大径部39a側にして中径部39bに嵌め込まれている。以上により、均圧管16に導入される蒸発圧力と第1ポート26の一次圧力との差圧に対して、均圧室72と第1ポート26間で高いシール性を実現することができる。
次に、上述の実施の形態に係る温度膨張弁4の作用について具体的に説明する。まず、冷凍サイクルの調整運転などの際に、シールキャップ64が取り外されてそのまま閉め忘れられ、シールキャップ64による弁本体24の下部の封止が解除されたとする。この場合、弁本体24の下部に付着している着霜等に起因する水分は、毛細管現象によって取付孔36と調整ねじ44の螺合部分を伝って弁体38の弁閉動作方向側に誘導される。これにより、図5に矢印で示すように、弁本体24の内部に水分が侵入し、シール部材50の位置にまで到達する。
ここで、配置部52内に侵入した水分がそのまま凍結した場合には、氷90が生成されて体積が膨張する。なお、環状に形成された配置部52において、氷90の厚さが均等に形成されない場合には、氷90によってシール部材50が局所的に弁体38側に押し上げられる。しかしながら、シール部材50は、弾性部材56により押え部材54を介して均等に下方に押圧されているため、シール部材50の局所的な変形は最小限に抑制され、シール部材50と配置部52または弁本体24との間に部分的に隙間が生じることが防止される。これにより、シール部材50のシール性が維持される。
また、配置部52内に弾性部材56を配置することにより、シール部材50が押し上げられた場合であっても、保持部(爪部52a)が過度に押圧されることが防止される。具体的には、水分の体積が膨張し氷90が生成されてシール部材50が押し上げられたとしても、これに連動して押え部材54も押し上げられる。この際、保持部(爪部52a)によって保持されている弾性部材56が収縮し、保持部(爪部52a)が過度に押圧されることが防止されるため、配置部52内に侵入した水分がそのまま凍結した場合においても温度膨張弁4のシール性を維持することができる。
なお、氷90が再び融解すると、弾性部材56の押圧力により、シール部材50は押え部材54を介して下方に移動する。氷90が完全に融解して水分になると、シール部材50は配置部52に着底し、水分は配置部52から排出される。
この実施の形態に係る温度膨張弁4によれば、配置部52内に弾性部材56を配置することにより、着霜等に起因する水分が配置部52内で凍結して体積が膨張した場合においても、シール部材50のシール性を維持することができる。
なお、シール部材50が凍結してシール部材50全体に亘って不規則な変形が生じることもある。この場合においても、弾性部材56により押え部材54を介して均等にシール部材50が下方に押圧されることにより、シール部材50の不規則な変形が抑制されてシール部材50と配置部52または弁本体24との間に部分的に隙間が生じることが防止され、シール部材50のシール性が維持される。
また、上述の実施の形態に係る温度膨張弁4において、シール部材50にはOリングの他にも、OリングとPTFE等のフッ素系樹脂材料からなる断面C字状を有する環状部材を組み合わせた複合シール部材などを採用することも考えられる。
また、上述の実施の形態に係る温度膨張弁4において、弾性部材56には、板ばねに代えてコイルばねを用いてもよい。コイルばねおよび板ばねは、たとえば、ステンレスなどの金属で形成されている。さらには、ばね以外にもゴムなどの弾性体を用いてもよい。この場合においても、着霜等に起因する水分が配置部52内で凍結して体積が膨張した場合において、シール部材50のシール性を維持することができる。
また、上述の実施の形態に係る温度膨張弁4において、必ずしも爪部52aが保持部として形成されていなくてもよい。たとえば、図6に示すように、調整ねじ44の弁体38側の端部において外径側に突出するフランジ92が保持部として形成されていてもよい。この場合、フランジ92と押え部材54の底部54bの間にシール部材50、押え部材54、弾性部材56が挟まれた形状となる。なお、フランジ92は、調整ねじ44に溶接して固定される。
また、上述の実施の形態に係る温度膨張弁4において、シール部材50は必ずしも配置部52の底面52cに直接着底していなくてもよい。たとえば、シール部材50がバックアップリングなどの部品を介して底面52cに支持されていてもよい。押え部材54においても同様に、弾性部材56が底部54bに直接着底していなくてもよく、バックアップリングなどの部品を介して底部54bに支持されていてもよい。
2 冷凍サイクルシステム
4 温度膨張弁
6 圧縮機
8 凝縮器
10 蒸発器
12 第1管継手
14 第2管継手
16 均圧管
18 感温筒
20 キャピラリチューブ
22 ダイヤフラム装置
24 弁本体
26 第1ポート
28 第2ポート
30 弁ポート
32 均圧路
34 ガイド孔
36 取付孔
38 弁体
38a ニードル部
38b 弁体部
38c 突起部
39a 大径部
39b 中径部
39c 小径部
40 当金
40a 貫通孔
42 ダイヤフラム
44 調整ねじ
46 付勢ばね
48 リテーナ
50 シール部材
52 配置部
52a 爪部
52b 壁面
52c 底面
54 押え部材
54a 側壁
54b 底部
56 弾性部材
58 リング
60 封止部材
62 段差部
64 シールキャップ
66 上蓋
68 下蓋
70 受圧室
72 均圧室
74 シール部材
74a パッキン
74b 板バネ
76 押え部材
90 氷
92 フランジ
102 温度膨張弁
104 感温筒
108 弁体
110 弁本体
116 シールキャップ
120 Oリング
122 入口継手
124 出口継手
126 溝部
130 氷
201 第1配管
202 第2配管
203 出口側配管
L 軸線

Claims (8)

  1. 冷凍サイクルの凝縮器と蒸発器との間に配管接続され、弁体を弁閉方向に付勢する付勢ばねの付勢力を調整して過熱度設定を調整する調整ねじを弁ハウジングの取付孔内に備えた温度膨張弁において、
    前記調整ねじには、環状のシール部材を配置する配置部が形成され、
    前記配置部には、前記弁体の移動方向に前記シール部材を付勢する弾性部材が配置されていることを特徴とする温度膨張弁。
  2. 前記配置部は、
    前記弁体の弁閉動作方向側に位置する前記配置部の端部において、外径側に突出し、前記シール部材および前記弾性部材を前記配置部内に保持する保持部と、
    前記取付孔内に挿入される前記調整ねじの他の外周部分よりも外周径を小径にした壁面と、
    前記弁体の弁開動作方向側に位置する前記配置部の端部の外周において、前記壁面と前記他の外周部分との間で段差を形成し、前記シール部材を支持する底面と
    を備えることを特徴とする請求項1記載の温度膨張弁。
  3. 前記保持部は、前記調整ねじの前記弁体の弁閉動作方向側の端部を外径側に折り曲げた爪部であることを特徴とする請求項2記載の温度膨張弁。
  4. 前記配置部には、前記弾性部材の弾性力を受けて前記シール部材を押圧する押え部材が前記シール部材と前記弾性部材の間に配置されていることを特徴とする請求項1~3の何れか一項に記載の温度膨張弁。
  5. 前記押え部材は、断面L字形状を有し、
    前記取付孔内を摺動する外周面を有する側壁と、
    前記弁体の弁開動作方向側に位置する前記側壁の端部において内径側に突出し、前記弾性部材を支持する底部と
    を備えることを特徴とする請求項4記載の温度膨張弁。
  6. 前記弾性部材は、板ばねまたはコイルばねであることを特徴とする請求項1~5の何れか一項に記載の温度膨張弁。
  7. 前記シール部材は、Oリングであることを特徴とする請求項1~6の何れか一項に記載の温度膨張弁。
  8. 圧縮機、凝縮器、および蒸発器を含む冷凍サイクルシステムであって、請求項1~7の何れか一項に記載の温度膨張弁を用いることを特徴とする冷凍サイクルシステム。
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