JP7365300B2

JP7365300B2 - 電動弁及び冷凍サイクルシステム

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Publication number: JP7365300B2
Application number: JP2020125050A
Authority: JP
Inventors: 直登別所; 友哉尾▲崎▼; 彬人廣野
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2023-10-19
Anticipated expiration: 2040-07-22
Also published as: CN113969993A; JP2022021471A

Description

本発明は、電動弁及び冷凍サイクルシステムに関する。

従来、空気調和機の冷凍サイクルに設けられる電動弁として、弁ハウジングの側面側から弁室に連通する一次継手管（第１継手管）と、弁ハウジングの下部の端部から弁座部材の弁ポートを介して弁室に連通する二次継手管（第２継手管）と、を有したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１記載の電動弁は、冷凍サイクルシステムの例えば冷房運転時には一次継手管から弁室に冷媒が流入し、弁室からニードル弁と弁ポートとの間隙を介して二次継手管に冷媒が流出される。一方、暖房運転時には、二次継手管からニードル弁と弁ポートとの間隙を介して弁室に冷媒が流入し、弁室から一次継手管に冷媒が流出される。また、特許文献１記載の電動弁は、弁本体から二次継手管側に突出した円筒状の筒体部と、この筒体部の内周面である装着孔にろう付け固定される弁座部材と、を備えている。

特開２００５－９８４７１号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたような従来の電動弁では、弁座部材の外周面が円柱状であり、装着孔の内周面との隙間が狭いため、ろう付けの際に溶融したろう材が毛細管現象によって弁座部材の弁座面側に流出しやすくなる。弁座面側にろう材が流出すると、弁座面にろう材が付着する虞があり、弁体が弁座面に正常に着座できなくなって弁漏れにつながる可能性がある。

本発明の目的は、弁座部材をろう付け固定する際にろう材が弁座面に付着する可能性を低減して弁漏れ性能を確保することができる電動弁および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、弁室を構成する弁本体の側部に第１継手管が連通されるとともに該弁本体に対して前記第１継手管と交差する方向に第２継手管が連通され、弁部材により開口面積が増減される弁ポートを介して前記第２継手管と前記弁室とが連通可能であって、前記弁室と前記第２継手管との間に前記弁ポートを有する弁座部材を備えた電動弁において、前記弁本体は、少なくとも前記弁座部材の一部が嵌合される嵌合孔と、前記嵌合孔から前記弁室に向かって曲面状に拡径されたテーパ面部と、を有し、前記弁座部材は、前記嵌合孔に嵌合される円筒状の被嵌合部と、前記被嵌合部から前記弁室に向かって延び前記被嵌合部よりも外径の小さい小径部と、を一体に有し、前記小径部の少なくとも一部が前記テーパ面部の径方向内方に位置して設けられており、前記弁座部材は、前記被嵌合部から前記第２継手管内に突出する長尺円筒状の整流管部をさらに有し、前記弁座部材の前記被嵌合部の外径は、前記第２継手管の端部と略同径であり、前記被嵌合部と前記第２継手管の端部とが、前記嵌合孔内に嵌合され、前記被嵌合部の前記整流管部側の当接面と、前記第２継手管の端部の当接面とが、互いに当接して、前記被嵌合部と前記第２継手管とが接続されていることを特徴とする。

このような本発明によれば、弁座部材が被嵌合部と小径部とを有し、小径部の少なくとも一部が弁本体のテーパ面部の径方向内方に位置して設けられていることで、テーパ面部と小径部との間に空間が形成されることになり、この空間にろう材を溜めることができる。従って、弁座部材のろう付け固定の際に、嵌合孔と被嵌合部との隙間から弁室側にろう材が流出したとしても、流出したろう材が空間に溜まることで弁座面への付着の可能性を低減することができ、これにより弁漏れ性能を確保することができる。

この際、前記小径部は、前記被嵌合部よりも小径な円筒状に形成された小径円筒部であるか、または、前記被嵌合部から前記弁室に向かって外径が徐々に小さくなるテーパ筒部であることが好ましい。この構成によれば、小径部を小径円筒部またはテーパ筒部のいずれかで構成することで、弁本体のテーパ面部との間に適正な大きさの空間を形成することができる。

さらに、前記弁座部材は、前記被嵌合部から前記第２継手管内に突出する長尺円筒状の整流管部をさらに有することが好ましい。この構成によれば、弁座部材の整流管部は第２継手管内に突出する長尺円筒状となっており、この整流管部は第２継手管の内径より径の小さな流路により弁ポートに連通することになり、第２継手管から、弁ポートと弁部材との隙間へ流れる冷媒の流れが整流されるので、この弁ポートと弁部材との隙間から弁室へ流入される冷媒の通過音を低減させることができる。

また、前記弁座部材の前記被嵌合部の外径は、前記第２継手管の端部と略同径であり、前記被嵌合部と前記第２継手管の端部とが、前記嵌合孔内に嵌合され、前記被嵌合部の前記整流管部側の当接面と、前記第２継手管の端部の当接面とが、互いに当接して、前記被嵌合部と前記第２継手管とが接続されていることが好ましい。この構成によれば、弁座部材と第２継手管とは、互いの当接面同士が当接した状態で嵌合孔内に嵌合されることで、弁座部材と第２継手管とが軸方向に沿って正確に位置決めされた状態で固定できる。

本発明の冷凍サイクルシステムは、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、を含む冷凍サイクルシステムであって、前記いずれかの電動弁が、前記膨張弁として用いられていることを特徴とする。

本発明の電動弁および冷凍サイクルシステムによれば、弁座部材をろう付け固定する際にろう材が弁座面に付着する可能性を低減して弁漏れ性能を確保することができる。

本発明の一実施形態に係る電動弁を示す断面図である。前記電動弁の要部を拡大して示す拡大断面図である。前記電動弁における弁座部材の固定手順を示す断面図である。前記電動弁の変形例を示す拡大断面図である。本発明の冷凍サイクルシステムを示す図である。

本発明の電動弁及び冷凍サイクルシステムの実施形態について図１～図５を参照して説明する。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１００は、「弁本体」としての弁ハウジング１と、弁座部材２と、支持部材３と、密閉ケース４と、弁ホルダ５と、「弁部材」としてのニードル弁６と、ステッピングモータ７と、を備えている。

弁ハウジング１は、例えば黄銅、ステンレス等で略円筒形状に形成されており、その内側に弁室１０を構成している。弁ハウジング１の外周片側には弁室１０に導通される第１継手管１１が接続されている。また、弁ハウジング１の下端には、弁室１０から下方に延びる筒状部１３が形成されており、この筒状部１３の内側の円柱状の嵌合孔１４内に、弁座部材２と第２継手管１２とが嵌合されている。弁座部材２は軸線Ｌを中心とする弁ポート２０を有し、第２継手管１２の弁室１０側の端部から挿通することで第２継手管１２に対して一体に組付けられている。第２継手管１２は、弁ハウジング１の筒状部１３内に嵌合される縮径部１２ａと、この縮径部１２ａより径の大きな拡径部１２ｂと、を有している。そして、第２継手管１２は弁座部材２の弁ポート２０を介して弁室１０に連通される。なお、第１継手管１１、第２継手管１２および弁座部材２は、弁ハウジング１に対してろう付けにより固着されている。

弁ハウジング１の上端の開口部には、支持部材３が取り付けられている。支持部材３は、中央のホルダ部３１と、このホルダ部３１の外周の厚手の基部３２と、固定金具３３と、を有しており、固定金具３３は、インサート成形によりホルダ部３１および基部３２と共に一体に設けられている。そして、支持部材３は、固定金具３３を介して弁ハウジング１の上端部に溶接により固定されている。ホルダ部３１の中心には、軸線Ｌと同軸の雌ねじ部３１ａと、円筒形状のガイド孔３１ｂと、が形成されている。

密閉ケース４は、上端部が塞がれた略円筒形状に形成されており、弁ハウジング１の上端に溶接によって気密に固定されている。密閉ケース４内の上部には、ガイド４１が設けられるとともに、ガイド４１の外周には回転ストッパ機構４２が設けられている。

弁ホルダ５は、円筒状の部材であり、支持部材３のガイド孔３１ｂ内に挿通されて軸線Ｌ方向に案内可能に配設されている。そして、弁ホルダ５の下端部にニードル弁６が固着されている。弁ホルダ５内には、バネ受け５１が軸線Ｌ方向に移動可能に設けられ、バネ受け５１とニードル弁６との間に圧縮コイルバネ５２が所定の荷重を与えられた状態で取り付けられている。

ステッピングモータ７は、ロータ軸７１と、密閉ケース４の内部に回転可能に配設されたマグネットロータ７２と、密閉ケース４の外周においてマグネットロータ７２に対して対向配置されたステータコイル（不図示）と、その他、図示しないヨークや外装部材等により構成されている。ロータ軸７１は、マグネットロータ７２の中心に取り付けられ、このロータ軸７１は支持部材３側に延設されている。ロータ軸７１の支持部材３側の外周には雄ねじ部７１ａが形成されており、この雄ねじ部７１ａが支持部材３の雌ねじ部３１ａに螺合されている。そして、支持部材３のガイド孔３１ｂ内で、弁ホルダ５の上端部がロータ軸７１の下端部に係合され、弁ホルダ５およびニードル弁６は、ロータ軸７１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７１は、上端部が密閉ケース４内のガイド４１内に回動自在に嵌め込まれている。

以上の構成により電動弁１００は、ステッピングモータ７の駆動により、マグネットロータ７２及びロータ軸７１が回転し、ロータ軸７１の雄ねじ部７１ａと支持部材３の雌ねじ部３１ａとのねじ送り機構により、ロータ軸７１が軸線Ｌ方向に移動する。そして、ニードル弁６が軸線Ｌ方向に移動して弁座部材２に対して近接または離間する。これにより、ニードル弁６が弁座部材２に対して当接することで弁ポート２０を閉塞する、あるいは、弁ポート２０とニードル弁６との隙間により第１継手管１１から第２継手管１２へ、あるいは第２継手管１２から第１継手管１１へ流れる冷媒の流量が制御される。なお、マグネットロータ７２の上下の回転位置は回転ストッパ機構４２により規制される。

図２に示すように、弁座部材２は、金属の切削加工等により形成され、弁ハウジング１の嵌合孔１４に嵌合される円筒状の被嵌合部２１と、被嵌合部２１から弁室１０に向かって延び被嵌合部２１よりも外径の小さい小径部としてのテーパ筒部２２と、被嵌合部２１から第２継手管１２内に突出する長尺円筒状の整流管部２３と、を一体に有して構成されている。被嵌合部２１の外径と第２継手管１２の縮径部１２ａの外径は略同径であり、それぞれが、弁ハウジング１の筒状部１３の嵌合孔１４に嵌合されるとともに、ろう付け固定されている。図２の符号Ｒは、弁室１０側に流出した固化後のろう材（ろう材の溶融固化層）を示している。なお、後述のように、嵌合孔１４の内周面と第２管継手の縮径部１２ａの外周面との間、および、嵌合孔１４の内周面と被嵌合部２１の外周面との間にはそれぞれ隙間を有しており、固化後のろう材（ろう材の溶融固化層）は、これらの隙間にも存在している。

整流管部２３は、第２管継手１２の内径との間に隙間を有する程度の外径となっており、第２継手管１２の縮径部１２ａの内径に対しては概ね整合する外径となっている。また、被嵌合部２１の整流管部２３側の段差面２１ａと、第２継手管１２の縮径部１２ａの端面１２ｃとは、それぞれが軸線Ｌと直交する「当接面」となっており、この段差面２１ａと端面１２ｃとを当接させて、被嵌合部２１と縮径部１２ａとが接続されている。整流管部２３における被嵌合部２１の段差面２１ａから第２継手管２３内の端部までの長さは、整流管部２３の外径の大きさよりも長くなっている。そして、弁座部材２の弁ポート２０は、テーパ筒部２２の弁室１０側の端部から整流管部２３の第２継手管１２内の端部まで軸線Ｌを中心として貫通して形成され、この弁ポート２０は長尺の円柱形状となっている。

弁ハウジング１の筒状部１３は、バーリング加工によって曲げ成形され、底部１５から下方に突出して設けられ、底部１５と筒状部１３とが交差する部分の内面には、嵌合孔１４から弁室１０に向かって曲面状に拡径されたテーパ面部１６が形成されている。一方、弁座部材２のテーパ筒部２２は、被嵌合部２１から弁室１０内部に向かって外径が徐々に小さくなるテーパ面を有し、テーパ筒部２２の先端（上端）は、弁ハウジング１の底部１５内面よりも弁室１０側に突出して設けられている。テーパ筒部２２は、その少なくとも一部がテーパ面部１６の径方向内方に位置して設けられており、これにより、テーパ面部１６とテーパ筒部２２との間には、弁室１０側に開いた空間Ｓが形成されている。なお、本実施形態では、テーパ筒部２２と被嵌合部２１との境界位置が、テーパ面部１６と筒状部１３との境界位置に概ね合致するように、弁座部材２が弁ハウジング１に固定されている。従って、空間Ｓは、その下端が角となり上方に開いた断面略三角形状に形成されている。なお、テーパ筒部２２と被嵌合部２１との境界位置は、テーパ面部１６と筒状部１３との境界位置よりも弁室１０側となるようにしてもよい。これにより、弁座部材２が弁ハウジング１に対して嵌合する高さを十分に確保することができる。

図３を参照して、弁ハウジング１に対して弁座部材２および第２継手管１２をろう付け固定する手順を説明する。先ず、筒状部１３の嵌合孔１４に対し、弁室１０側から弁座部材２を嵌合させ、筒状部１３の先端側から第２継手管１２の縮径部１２ａを嵌合させ、段差面２１ａと端面１２ｃとを当接させて、被嵌合部２１と縮径部１２ａとを接続する。次に、筒状部１３の先端に設置したろう材Ｒ１を高温環境にて溶融させることで、溶融したろう材Ｒ１を毛細管現象によって嵌合孔１４と縮径部１２ａおよび被嵌合部２１との隙間に浸入させる。溶融したろう材Ｒ１が嵌合孔１４と被嵌合部２１との隙間から弁室１０側に流出すると、このろう材Ｒ１はテーパ面部１６とテーパ筒部２２との間の空間Ｓに溜まり、このろう材Ｒ（図２）を視認することで、適正にろう付けが行われたことが確認できる。

なお、電動弁１００の弁座部材２は、小径部としてのテーパ筒部２２を有したものに限らず、図４に示すように、被嵌合部２１よりも小径な円筒状に形成された小径円筒部２４を有して形成されていてもよい。小径円筒部２４は、整流管部２３と略同径に形成され、その少なくとも一部がテーパ面部１６の径方向内方に位置して設けられており、これにより、テーパ面部１６と小径円筒部２４との間には、弁室１０側に開いた空間Ｓが形成されている。また、小径円筒部２４と被嵌合部２１との境界位置が、テーパ面部１６と筒状部１３との境界位置に概ね合致するように、弁座部材２が弁ハウジング１に固定されている。従って、空間Ｓは、上方に開いた略矩形状に形成されている。なお、小径円筒部２４と被嵌合部２１との境界位置は、テーパ面部１６と筒状部１３との境界位置よりも弁室１０側となるようにしてもよい。これにより、弁座部材２が弁ハウジング１に対して嵌合する高さを十分に確保することができる。

以上の本実施形態によれば、弁座部材２における小径部としてのテーパ筒部２２または小径円筒部２４が弁本体１のテーパ面部１６の径方向内方に位置して設けられ、テーパ面部１６とテーパ筒部２２または小径円筒部２４との間に空間Ｓが形成されていることで、この空間Ｓにろう材Ｒを溜めることができる。従って、弁座部材２のろう付け固定の際に、嵌合孔１４と被嵌合部２１との隙間から弁室１０側にろう材Ｒ１が流出したとしても、流出したろう材Ｒ１が空間Ｓに溜まることで弁座面（弁座部材２の弁室１０側の端面）へのろう材Ｒ１の付着の可能性を低減することができ、これにより弁漏れ性能を確保することができる。

また、弁座部材２は、第２継手管１２の縮径部１２ａの端部に接続される被嵌合部２１と、この被嵌合部２１から第２継手管１２内に突出する長尺円筒状の整流管部２３とを、一体に有して構成されている。すなわち、整流管部２３は第２継手管１２より細い構造であり、その中央の弁ポート２０の内径も第２継手管１２の内径より小さくなっている。したがって、第２継手管１２から弁室１０に流入する冷媒は、整流管部２３の中央の細長い弁ポート２０を通過する間に整流され、この整流された冷媒が弁ポート２０とニードル弁６との隙間から弁室１０に流出するときの、冷媒通過音が低減される。

また、弁座部材２の被嵌合部２１の外径は、第２継手管１２の縮径部１２ａと略同径であり、被嵌合部２１と第２継手管１２の縮径部１２ａとが、弁ハウジング１の筒状部１３の嵌合孔１４内に嵌合されている。さらに、弁座部材２の被嵌合部２１と整流管部２３側の段差面２１ａと、第２継手管１２の縮径部１２ａの端面１２ｃとは、軸線Ｌと直交する当接面となっており、この当接面が相互に当接して被嵌合部２１と第２継手管１２とが接続されている。したがって、弁座部材２と第２継手管１２とが、軸線Ｌに対して正確に位置決めして保持できる。なお、弁座部材２の段差面２１ａと第２継手管１２の縮径部１２ａの端面１２ｃとは、互いに軸線Ｌと直交するものに限らず、当接面同士が当接できるものであれば軸線Ｌに対して傾斜していてもよい。

次に、本発明の冷凍サイクルシステムを図５に基づいて説明する。図において、符号１００は膨張弁を構成する本発明の実施形態の電動弁、２００は室外ユニットに搭載された室外熱交換器、３００は室内ユニットに搭載された室内熱交換器、４００は四方弁を構成する流路切換弁、５００は圧縮機である。電動弁１００、室外熱交換器２００、室内熱交換器３００、流路切換弁４００、及び圧縮機５００は、それぞれ導管によって図示のように接続され、ヒートポンプ式の冷凍サイクルを構成している。なお、アキュムレータ、圧力センサ、温度センサ等は図示を省略してある。

冷凍サイクルの流路は、流路切換弁４００により冷房運転時の流路と暖房運転時の流路の２通りに切換えられる。冷房運転時には、図に実線の矢印で示したように、圧縮機５００で圧縮された冷媒は流路切換弁４００から室外熱交換器２００に流入され、この室外熱交換器２００は凝縮器として機能し、室外熱交換器２００から流出された冷媒は電動弁１００を介して室内熱交換器３００に流入され、この室内熱交換器３００は蒸発器として機能する。

一方、暖房運転時には、図に破線の矢印で示したように、圧縮機５００で圧縮された冷媒は流路切換弁４００から室内熱交換器３００、電動弁１００、室外熱交換器２００、流路切換弁４００、そして、圧縮機５００の順に循環され、室内熱交換器３００が凝縮器として機能し、室外熱交換器２００が蒸発器として機能する。電動弁１００は、冷房運転時に室外熱交換器２００から流入する冷媒、または暖房運転時に室内熱交換器３００から流入する冷媒を、それぞれ減圧膨張し、さらにその冷媒の流量を制御する。

なお、図５の形態においては、電動弁１００の第１継手管１１が室外熱交換器２００に接続され、第２継手管１２が室内熱交換器３００に接続される場合を説明したが、これに限らず、電動弁１００の第１継手管１１を室内熱交換器３００に接続し、第２継手管１２を室外熱交換器２００に接続してもよい。

なお、以上に説明した実施形態や変形例は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、これに限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。かかる変形によってもなお本発明の電動弁の構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。

例えば、上述の実施形態や変形例では、業務用エアコン等の空気調和機に用いられる電動弁１００を例示したが、電動弁は、業務用エアコンに限らず、家庭用エアコンに用いてもよいし、空気調和機に限らず、各種の冷凍機、冷蔵庫等にも適用可能である。また、以上の様々な冷凍サイクルシステムにおいて、電動弁１００は膨張弁に限定するものではなく、様々な冷凍サイクル中の様々な場所での流量制御用として適用が可能である。

また、前記実施形態では、弁座部材２の小径部は、テーパ筒部２２や小径円筒部２４であったが、これに限らず、小径部として、径方向に凸な曲面や凹な曲面を有して形成されていてもよいし、弁室に向かって複数段で小径となる段付き状に形成されていてもよい。また、弁座部材２は、整流管部２３を有したものに限らず、被嵌合部２１の底面が平坦に形成され、この底面に第２継手管１２の端部が当接するように構成されてもよい。また、弁座部材２の被嵌合部２１を嵌合孔１４に嵌合させる態様としては、外周に螺旋溝を設けた被嵌合部２１を嵌合孔１４に圧入する態様としてもよい。この場合、溶融したろう材は嵌合孔１４の内周面と螺旋溝との間の隙間から弁室側１０側に流出し、空間Ｓに留まり固化する。

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（弁本体）
２弁座部材
６ニードル弁（弁部材）
１０弁室
１１第１継手管
１２第２継手管
１２ｃ端面（当接面）
１４嵌合孔
１６テーパ面部
２０弁ポート
２１被嵌合部
２１ａ段差面（当接面）
２２テーパ筒部（小径部）
２３整流管部
２４小径円筒部（小径部）
１００電動弁（膨張弁）
２００室外熱交換器（凝縮器または蒸発器）
３００室内熱交換器（蒸発器または凝縮器）
４００流路切換弁
５００圧縮機

Claims

弁室を構成する弁本体の側部に第１継手管が連通されるとともに該弁本体に対して前記第１継手管と交差する方向に第２継手管が連通され、弁部材により開口面積が増減される弁ポートを介して前記第２継手管と前記弁室とが連通可能であって、前記弁室と前記第２継手管との間に前記弁ポートを有する弁座部材を備えた電動弁において、
前記弁本体は、少なくとも前記弁座部材の一部が嵌合される嵌合孔と、前記嵌合孔から前記弁室に向かって曲面状に拡径されたテーパ面部と、を有し、
前記弁座部材は、前記嵌合孔に嵌合される円筒状の被嵌合部と、前記被嵌合部から前記弁室に向かって延び前記被嵌合部よりも外径の小さい小径部と、を一体に有し、前記小径部の少なくとも一部が前記テーパ面部の径方向内方に位置して設けられており、
前記弁座部材は、前記被嵌合部から前記第２継手管内に突出する長尺円筒状の整流管部をさらに有し、
前記弁座部材の前記被嵌合部の外径は、前記第２継手管の端部と略同径であり、前記被嵌合部と前記第２継手管の端部とが、前記嵌合孔内に嵌合され、
前記被嵌合部の前記整流管部側の当接面と、前記第２継手管の端部の当接面とが、互いに当接して、前記被嵌合部と前記第２継手管とが接続されていることを特徴とする電動弁。
前記小径部は、前記被嵌合部よりも小径な円筒状に形成された小径円筒部であるか、または、前記被嵌合部から前記弁室に向かって外径が徐々に小さくなるテーパ筒部であることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、を含む冷凍サイクルシステムであって、請求項１または２に記載の電動弁が、前記膨張弁として用いられていることを特徴とする冷凍サイクルシステム。