JP7111864B2 - 電動弁および冷凍サイクルシステム - Google Patents

Description

本発明は、電動弁、および該電動弁を用いた冷凍サイクルシステムに関する。

従来より、図５に示すような構造を有する電動弁が知られている（たとえば、特許文献１参照）。すなわち、ステッピングモータが駆動してロータ１０３が回転すると、雌ネジ１３１ａと雄ネジ１２１ａのネジ送り作用により、弁体１１４が中心軸Ｌ方向に移動する。これにより、弁ポート１３０ｂの開度調整がなされ、管継手１１１から流入して管継手１１２から流出する流体の流量、または、管継手１１2から流入して管継手１１１から流出する流体の流量が制御される。

ここで、各種流体の流量制御を行うにあたっては、流体通過音が発生するという問題があるため、静音化が要求される。また、冷媒を用いた家庭用空調機や業務用空調機の冷凍サイクルの室内機において、電動弁１００にて冷媒流量を制御する場合は、弁ポート１３０ｂ通過前後で液冷媒が気液混合二相流となるため、特に、多彩な冷媒状態、運転状況でも静音性を発揮することが要求される。

特開２０１６－０８９８７０号公報

ところで、上述の電動弁１００は、図示しない流体配管に管継手１１１、管継手１１２を介して固定されており、流路内に弁体１１４と弁座１３０の弁ポート１３０ｂが露出している。このため、電動弁１００において、弁ポート１３０ｂの入り口側と出口側の間に高い圧力差が生じた場合などで、特に管継手１１１から管継手１１２に流れる場合には、図６に示すように、管継手１１１から流入した冷媒などの流体が弁体１１４に当たり、その衝突力によって弁体１１４が径方向（Ｃ）に振動することがある。この振動による音が発生すると、電動弁１００の静音性を維持できなくなる場合がある。

ここで、図７に示すように、弁座１３０の天面１３０ａの位置を高くすることにより、管継手１１１から弁室１２１に流入する流体が直接弁体１１４に当たらない構造にすることが考えられる。しかしこの場合、弁体１１４に当たった流体のほとんどが上向きに流れるため、弁体１１４に上向きの力が加わり、弁体１１４が上下方向（Ｅ）に振動してしまう。したがって、この場合もまた、静音性を維持することが困難になる。

本発明の目的は、的確に静音性を維持することができる電動弁、および該電動弁を用いた冷凍サイクルシステムを提供することである。

本発明の電動弁は、
ケースの内周に収容されたロータの回転運動を、雄ネジ部材と雌ネジ部材とのネジ螺合により直線運動に変換し、この直線運動に基づいて弁本体内に収容された弁体を軸方向に移動させる電動弁であって、
前記弁本体の側面に装着された第１管継手と、
前記弁体が近接または離間可能な弁ポートが開口された平坦な天面を有する弁座部材と、
前記弁ポートを介して前記第１管継手と連通する第２管継手とを備え、
前記第１管継手から前記弁本体内の弁室に流入した流体を前記弁本体の前記ロータ側方向と前記第２管継手側方向に分岐するように、前記弁座部材の前記天面の前記軸方向における位置が、前記第１管継手の中心軸よりも前記ロータ側において、前記第１管継手の内径の最上端を超えない高さに位置し、
前記弁本体内の前記弁室には、前記軸方向において前記第１管継手よりも前記ロータ側に形成された第１空間と、前記軸方向において前記第１管継手よりも前記第２管継手側に形成された第２空間とが含まれることを特徴とする。
また、本発明の電動弁は、
ケースの内周に収容されたロータの回転運動を、雄ネジ部材と雌ネジ部材とのネジ螺合により直線運動に変換し、この直線運動に基づいて弁本体内に収容された弁体を軸方向に移動させる電動弁であって、
前記弁本体の側面に装着された第１管継手と、
前記弁体が近接または離間可能な弁ポートが開口された平坦な天面を有する弁座部材と、
前記弁ポートを介して前記第１管継手と連通する第２管継手とを備え、
前記弁座部材の前記天面の前記軸方向における位置が、前記第１管継手の中心軸よりも前記ロータ側にあり、かつ前記第１管継手の中心軸の延長線と前記弁座部材の外周面が交差し、前記弁座部材の前記天面の前記軸方向における位置が、前記第１管継手の内径の最上端を超えない高さに位置し、
前記弁本体内の弁室には、前記軸方向において前記第１管継手よりも前記ロータ側に形成された第１空間と、前記軸方向において前記第１管継手よりも前記第２管継手側に形成された第２空間とが含まれ、
前記弁体の着座テーパ面の前記軸方向位置が、弁全開時に前記第１管継手の外径の最上端より前記ロータ側にあることを特徴とする。

これによれば、弁座部材の天面の位置を高くすることにより、第１管継手から流入した流体を直接弁体に衝突させないようにすることができ、弁体の径方向の振動を抑制することができる。また、弁本体内において、第１空間の他に第２空間を設けることにより、第１管継手から流入した流体のすべてが上方に流れて弁体に上向きの力が加わり、弁体が軸方向に振動することを抑制することができる。このように、弁体に対する負荷を軽減することにより、弁体の径方向軸方向の振動を低減させ、的確に電動弁の静音性を維持することができる。
また、第１管継手から流入した流体を的確に上下に振り分け、第１空間、第２空間に導くことができる。

また、本発明の電動弁は、
前記弁本体の内径が、前記第１管継手の内径よりも大きいことを特徴とする。
これにより、流体の逃げ場を的確に確保することができる。

また、本発明の電動弁は、
前記第１管継手の外径最下端が、前記弁本体の内部底面よりも前記ロータ側に配置されていることを特徴とする。
これにより、第１管継手から流入した流体の上方への流れをより的確に抑制することができる。

また、本発明の電動弁は、
前記第１管継手は、前記第２空間の深さが前記第１管継手の内径の半径よりも深くなるように取付けられていることを特徴とする。
また、本発明の電動弁は、
前記弁体は、その外径部分が前記弁ポートよりも大きく、かつその先端部分と前記外径部分の間に環状の平面が形成されていることを特徴とする。
また、本発明の電動弁は、
前記雌ネジ部材の下端が前記第１管継手の外径の最上端よりも前記ロータ側にあることを特徴とする。
また、本発明の電動弁は、
前記雌ネジ部材の張出部分の下面と前記第１管継手の外径の最上端の間の寸法が、前記第１管継手の内径よりも大きいことを特徴とする。

また、本発明の冷凍サイクルシステムは、
圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器を含む冷凍サイクルシステムであって、上述の電動弁を前記膨張弁として用いることを特徴とする。

本発明に係る発明によれば、的確に静音性を維持することができる電動弁、および該電動弁を用いた冷凍サイクルシステムを提供することができる。

実施の形態に係る電動弁の概略断面図である。 実施の形態に係る電動弁の要部拡大図である。 実施の形態に係る電動弁の要部の側面図である。 実施の形態に係る電動弁に接続された第１の管継手の内部から視認される弁座部材の天面を示す図である。 従来の電動弁の概略断面図である。 従来の電動弁の要部拡大図である。 比較例としての電動弁の要部拡大図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る電動弁について説明する。図１は、実施の形態に係る電動弁２を示した概略断面図である。なお、本明細書において、「上」あるいは「下」とは図１の状態で規定したものである。すなわち、ロータ４は弁体１７より上方に位置している。

この電動弁２では、金属により筒状のカップ形状をなすケース６０の開口側の下方に、弁本体３０が溶接などにより一体的に接続されている。
ここで、弁本体３０は、たとえばステンレス等の金属から成り、内部に弁室１１を有している。また、弁本体３０には、弁室１１に直接連通するたとえばステンレス製や銅製の第１管継手１２が固定装着されている。さらに、弁本体３０の底面には、断面円形の弁ポート１６ａが形成された弁座部材１６が組み込まれている。弁座部材１６には、弁ポート１６ａ、弁室１１を介して第１管継手１２に連通するたとえばステンレス製や銅製の第２管継手１５が固定装着されている。

ケース６０の内周には、回転可能なロータ４が収容され、ロータ４の軸芯部分には、ブッシュ部材３３を介して弁軸４１が配置されている。なお、ロータ４は、磁性粉を含有する樹脂材料やフェライト磁石等の磁性を有する素材で形成されている。ブッシュ部材３３と弁軸４１は、共にたとえばステンレス等の金属で形成されており、ブッシュ部材３３で結合された弁軸４１とロータ４とは、回転しながら上下方向に一体的に移動する。なお、この弁軸４１の中間部付近の外周面には雄ネジ４１ａが形成されている。本実施の形態では、弁軸４１が雄ネジ部材として機能している。また、弁体１７は弁ポート１６ａに対して近接又は離間可能となっている。

ケース６０の外周には、図示しないヨーク、ボビン、およびコイルなどからなるステータが配置され、ロータ４とステータとでステッピングモータが構成されている。
弁軸４１のブッシュ部材３３より下方には、後述するように弁軸４１との間でネジ送り機構Ａを構成するとともに弁軸４１の傾きを抑制する機能を有する弁軸ホルダ６が、弁本体３０に対して相対的に回転不能に固定されている。

この弁軸ホルダ６は、上部側の筒状小径部６ａと下部側の筒状大径部６ｂと弁本体３０の内周部側に収容される嵌合部６ｃとリング状のフランジ部６ｆとからなる。そして、弁軸ホルダ６のフランジ部６ｆは、弁本体３０の上端に溶接などで固定されている。また、弁軸ホルダ６の内部には、後述する弁ガイド１８を収容する収容室６ｈが形成されている。なお、弁軸ホルダ６は、金属のフランジ部６ｆ以外が樹脂材料で形成されている。

また、この弁軸ホルダ６の筒状小径部６ａの上部開口部６ｇから所定の深さまで下方に向かって雌ネジ６ｄが形成されている。このため、本実施の形態では、弁軸ホルダ６が雌ネジ部材として機能している。そして、弁軸４１の外周に形成された雄ネジ４１ａと、弁軸ホルダ６の筒状小径部６ａの内周に形成された雌ネジ６ｄとにより、ネジ送り機構Ａが構成されている。

さらに、弁軸ホルダ６の筒状大径部６ｂの側面には、均圧孔５１が穿設され、この均圧孔５１により、筒状大径部６ｂ内の弁軸ホルダ室８３と、ロータ収容室６７（第２の背圧室）との間が連通している。このように均圧孔５１を設けることにより、ケース６０のロータ４を収容する空間と、弁軸ホルダ６内の空間とを連通することにより、弁体１７の移動動作をスムーズに行うことができる。

また、弁軸４１の下方には、筒状の弁ガイド１８が弁軸ホルダ６の収容室６ｈに対して摺動可能に配置されている。この弁ガイド１８は天井部２１側がプレス成形により略直角に折り曲げられている。そして、この天井部２１には貫通孔１８ａが形成されている。また、弁軸４１の下方には、さらに鍔部４１ｂが形成されている。

ここで、弁軸４１は、弁ガイド１８に対して回転可能、かつ径方向に変位可能となるように弁ガイド１８の貫通孔１８ａに遊貫状態で挿入されており、鍔部４１ｂは、弁ガイド１８に対して回転可能、かつ、径方向に変位可能となるように弁ガイド１８内に配置されている。また、弁軸４１は貫通孔１８ａを挿通し、鍔部４１ｂの上面が、弁ガイド１８の天井部２１に対向するように配置されている。なお、鍔部４１ｂが弁ガイド１８の貫通孔１８ａより大径であることにより、弁軸４１の抜け止めがなされている。

弁軸４１と弁ガイド１８とが互いに径方向に移動可能であることにより、弁軸ホルダ６および弁軸４１の配置位置に関して、さほど高度な同芯取付精度を求められることなく、弁ガイド１８および弁体１７との同芯性が得られる。
弁ガイド１８の天井部２１と弁軸４１の鍔部４１ｂとの間には、中央部に貫通孔が形成されたワッシャ７０が設置されている。

次に、実施の形態に係る電動弁２の要部について説明する。図２は、実施の形態に係る電動弁２の要部を拡大した図である。図２に示すように、弁本体３０には、弁室１１が形成されている。本実施の形態において、この弁室１１は、以下に説明する三つの空間に三分される。すなわち、弁室１１には、軸Ｍ方向において、第１管継手１２よりも上側（ロータ４側）の位置に形成された第１空間１１ａ、第１管継手１２よりも下側（第２管継手１５側）の位置に形成された第２空間１１ｂ、第１管継手１２と同レベルの位置に形成された第３空間１１ｃが含まれている。ここで、第１管継手１２よりも上側とは、より具体的には、第１管継手１２の外径の最上端Ｘ１よりも上側を指している。同様に、第１管継手１２よりも下側とは、第１管継手１２の外径の最下端Ｘ２よりも下側を指している。

また、第１空間１１ａは、略円筒状の空間であり、その上部は、弁軸ホルダ６の下部、弁体１７に接している。
また、第２空間１１ｂは、略円環状の空間であり、弁座部材１６の周囲に形成されている。この第２空間１１ｂは、第１管継手１２の外径最下端Ｘ２を弁本体３０の底面３０ａよりも上側に取付けることによって形成される。より好ましくは、第１管継手１２は、第２空間１１ｂの深さ（Ｌ）が第１管継手の内径の半径（Ｄ／２）よりも深くなるように取付けられている（Ｌ＞Ｄ／２）。

また、実施の形態に係る電動弁２においては、高さの高い弁座部材１６が使用されている。具体的には、弁座部材１６としては、第２管継手１５に固定装着した状態において、軸Ｍ方向における天面１６ｂの位置が第１管継手１２の中心軸Ｎの位置よりも上側に位置するものが用いられる。

また、天面１６ｂは、図３に示すように、第１管継手１２内を図２の（Ｂ）矢印方向から視た場合に視認できる高さに位置するのが好ましい。すなわち、軸Ｍ方向において、天面１６ｂが、第１管継手１２の内径の最上端を超えない位置に弁座部材１６が配置されるのが好ましい。この場合、図４に示すように、第１管継手１２の内径の最下端を上下の基準とすると、天面１６ｂの位置（Ｈ）は、第１管継手１２の中心軸Ｎの位置（Ｄ／２）よりも上側に位置し、第１管継手１２の内径の最上端（Ｄ）よりも下側に位置することになる（Ｄ／２＜Ｈ＜Ｄ）。

ここで、図２に示すように、第１管継手１２から弁室１１内に流入する流体の速度は、中心が最も速く、第１管継手１２の内周に近づくほど遅くなる。このため、仮に天面１６ｂを第１管継手１２の中心軸Ｎよりも下側に位置させた場合には、速い速度の流体が弁体１７に直撃し、弁体１７に大きく径方向の負荷を与え、弁体１７を径方向に振動させることになる。

これに対し、実施の形態に係る電動弁２のように、天面１６ｂが図４を用いて説明した位置（Ｄ／２＜Ｈ＜Ｄ）に位置するようにした場合、図２に示すように、流体の最も早い部分は、一旦弁座部材１６の外周に衝突して速度を低下させ、上下方向に分岐する。上方に分岐した流体は、第１空間１１ａに導入され、下方に分岐した流体は、第２空間１１ｂに導入される。

ここで、実施の形態に係る電動弁２においては、天面１６ｂの高さが上側に位置しすぎないため、上側に分岐した流体によって弁体１７に上向きに加えられる力（図７参照）も低減される。

さらに、弁室１１の下側には、第２空間１１ｂが設けられているため、下方に分岐した流体の逃げ道が確保される。これにより、下方に分岐した流体が逃げ場を失って上側に流れ込み、弁体１７に上向きの力を加えることが抑制される。

また、実施の形態に係る電動弁２においては、弁本体３０の内径Ｙ（図２参照）が第１管継手１２の内径（Ｄ）よりも大きくなるように形成されている（Ｙ＞Ｄ）。このため、弁室１１内に流入した流体の逃げ場を的確に確保することができる。

この実施の形態における電動弁２によれば、弁座部材１６の天面１６ｂの位置を高くすることにより、第１管継手１２から流入した流体を直接弁体１７に衝突させないようにすることができ、弁体１７の径方向の振動を抑制することができる。また、弁本体３０内において、第１空間１１ａの他に第２空間１１ｂを設けることにより、第１管継手１２から流入した流体のすべてが上方に流れて弁体１７に上向きの力が加わり、弁体１７が軸Ｍ方向に振動することを抑制することができる。このように、弁体１７に対する負荷を軽減することにより、弁体１７の径方向、軸方向の振動を低減させることができ、各種流体制御においても、冷凍サイクルでの多彩な冷媒状態、運転状況においても的確に電動弁２の静音性を維持することができる。

また、弁座部材１６の天面１６ｂの位置を高くするだけで電動弁２の静音性を維持するため、電動弁２の構造を複雑化することもなく、さらに、吸音部材や消音装置などを用いることもないため、低コストで電動弁２の静音性を維持することができる。

また、上述の実施の形態の電動弁２は、たとえば、圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器等から成る冷凍サイクルシステムにおいて、凝縮器と蒸発器との間に設けられる膨張弁として用いられる。

２ 電動弁
６ｄ 雌ネジ
１１ 弁室
１１ａ 第１空間
１１ｂ 第２空間
１１ｃ 第３空間
１２ 第１管継手
１５ 第２管継手
１６ 弁座部材
１６ａ 弁ポート
１６ｂ 天面
１７ 弁体
１８ 弁ガイド
３０ 弁本体
３０ａ 底面
４１ａ 雄ネジ
Ｍ 電動弁２の軸
Ｎ 第１管継手１２の中心軸
Ｘ１ 第１管継手１２の外径の最上端
Ｘ２ 第１管継手１２の外径の最下端
Ｙ 弁本体３０の内径

Claims (9)

1. ケースの内周に収容されたロータの回転運動を、雄ネジ部材と雌ネジ部材とのネジ螺合により直線運動に変換し、この直線運動に基づいて弁本体内に収容された弁体を軸方向に移動させる電動弁であって、
   前記弁本体の側面に装着された第１管継手と、
   前記弁体が近接または離間可能な弁ポートが開口された平坦な天面を有する弁座部材と、
   前記弁ポートを介して前記第１管継手と連通する第２管継手とを備え、
   前記第１管継手から前記弁本体内の弁室に流入した流体を前記弁本体の前記ロータ側方向と前記第２管継手側方向に分岐するように、前記弁座部材の前記天面の前記軸方向における位置が、前記第１管継手の中心軸よりも前記ロータ側において、前記第１管継手の内径の最上端を超えない高さに位置し、
   前記弁本体内の前記弁室には、前記軸方向において前記第１管継手よりも前記ロータ側に形成された第１空間と、前記軸方向において前記第１管継手よりも前記第２管継手側に形成された第２空間とが含まれることを特徴とする電動弁。
2. ケースの内周に収容されたロータの回転運動を、雄ネジ部材と雌ネジ部材とのネジ螺合により直線運動に変換し、この直線運動に基づいて弁本体内に収容された弁体を軸方向に移動させる電動弁であって、
   前記弁本体の側面に装着された第１管継手と、
   前記弁体が近接または離間可能な弁ポートが開口された平坦な天面を有する弁座部材と、
   前記弁ポートを介して前記第１管継手と連通する第２管継手とを備え、
   前記弁座部材の前記天面の前記軸方向における位置が、前記第１管継手の中心軸よりも前記ロータ側にあり、かつ前記第１管継手の中心軸の延長線と前記弁座部材の外周面が交差し、前記弁座部材の前記天面の前記軸方向における位置が、前記第１管継手の内径の最上端を超えない高さに位置し、
   前記弁本体内の弁室には、前記軸方向において前記第１管継手よりも前記ロータ側に形成された第１空間と、前記軸方向において前記第１管継手よりも前記第２管継手側に形成された第２空間とが含まれ、
   前記弁体の着座テーパ面の前記軸方向位置が、弁全開時に前記第１管継手の外径の最上端より前記ロータ側にあることを特徴とする電動弁。
3. 前記弁本体の内径は、前記第１管継手の内径よりも大きいことを特徴とする請求項１または２記載の電動弁。
4. 前記第１管継手の外径最下端が、前記弁本体の内部底面よりも前記ロータ側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電動弁。
5. 前記第１管継手は、前記第２空間の深さが前記第１管継手の内径の半径よりも深くなるように取付けられていることを特徴とする請求項１～４の何れか一項に記載の電動弁。
6. 前記弁体は、その外径部分が前記弁ポートよりも大きく、かつその先端部分と前記外径部分の間に環状の平面が形成されていることを特徴とする請求項１～５の何れか一項に記載の電動弁。
7. 前記雌ネジ部材の下端が前記第１管継手の外径の最上端よりも前記ロータ側に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電動弁。
8. 前記雌ネジ部材の張出部分の下面と前記第１管継手の外径の最上端の間の寸法が、前記第１管継手の内径よりも大きいことを特徴とする請求項１～７の何れか一項に記載の電動弁。
9. 圧縮機、凝縮器、膨張弁、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１～８の何れか一項に記載の電動弁を前記膨張弁として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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