JP7478410B2 - 膨張弁および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、膨張弁および冷凍サイクル装置に係り、特にエアコンなどの冷凍サイクルに備えられる膨張弁の弁振動を抑制し、異音が発生することを防ぐ技術に関する。

カーエアコンのような冷凍サイクル装置では、エバポレータ（蒸発器）の能力を十分に引き出すために膨張弁が備えられる。この膨張弁は、エバポレータの出口側配管の冷媒温度に感応してエバポレータに供給される冷媒の流れを絞り、最適流量に制御する。

一方、かかる膨張弁では、弁の開度が小さいときに弁振動が生じ、この振動によって膨張弁から異音が発生することがある。このため、下記特許文献１のような弁振動を抑制する提案が従来からなされている。

特開２０１９－１１８８５号公報

ところで、上記特許文献１に記載の発明は、防振ばねにより弁支持部や作動棒の振動を拘束することにより効果的な制振が可能となる一方で、機械的拘束により制振する追加部品としての防振ばねを新たに備える必要がある。

したがって、本発明の目的は、振動発生源としての弁体自体の振動を抑制或いは低減して弁振動を抑制することができる膨張弁を提供することにある。

前記課題を解決し目的を達成するため、本発明に係る膨張弁は、冷媒を導入する流入路に連通するとともに当該冷媒を排出する流出路にのど部を介して連通する弁室を有する弁本体と、弁室の内部に配置され、弁座に着座した閉弁状態と弁座から離間した開弁状態との間で弁座に対して進退動することにより冷媒の流量を変更する弁体と、弁体を支持する弁体支持部と、弁体支持部を介して弁体を弁座に向けて付勢する付勢部材と、弁体に接触して付勢部材による付勢力に抗し弁体を開弁方向へ移動させる作動棒と、作動棒を駆動する駆動部とを備え、作動棒の先端部が、のど部を通って弁体に接触している膨張弁であって、のど部の下流側の端部に、冷媒の流路を狭める狭窄部を形成した。

本発明は、のど部から流出路へ流れ出る冷媒が持つ慣性力によって、弁の開閉動作に対するのど部の実際の流量変化に遅れが生じ、この遅れが弁の自励振動を引き起こしあるいは増大させる原因となっていることに着目してなされたもので、のど部の出口付近の冷媒の慣性力を低減することで弁体自体が発生する振動を抑制して弁振動を抑制するものである。具体的には次のとおりである。

図７は従来の膨張弁を示すものであるが、この図に示すように弁室１３と流出路２２とを接続するのど部２０は、内径が一定の真っ直ぐな円管状の形状を有し、作動棒１９の先端部１９ａがのど部２０を貫通して弁体１５に接触している。作動棒１９の先端部１９ａは外径が一定の円柱形状を有し、作動棒１９の先端部１９ａと、のど部２０の内壁面との間が冷媒の流路となっている。すなわち、弁体１５が作動棒１９に押されて弁座１４から離れると、弁室１３内の冷媒は弁室１３からのど部２０に浸入し、作動棒１９とのど部２０の内壁との間を通ってのど部出口２０ａから流出路２２へ流れ出す。

一方、この開弁状態から弁体１５が弁座１４に向けて進行し、弁が次第に閉じられていくと、のど部２０の入口（弁座部分）では、弁の開口面積（流路断面積）の減少により流量が減少しようとする。ところが、弁内を流れる冷媒は慣性力を持つため、のど部２０の出口側２０ａでは、のど部入口の開口面積の減少に伴う流量減少に即座に追従することは出来ない。このため、弁体１５によって絞られたのど部入口からの冷媒流入量に比べてのど部出口２０ａからの冷媒流出量が相対的に多くなり、のど部２０内の圧力が一時的に低くなることによって弁室１３内との圧力差が一時的に大きくなり弁体１５に閉弁方向への力がかかることになる。そして、この圧力差による力が弁体１５の振動を引き起こすタイミングで加わると自励振動が発生する。また、既に振動が生じている状況では振動を増大させることになる。

逆に、微小に弁が開いている状態からさらに弁が開かれていく場合には、のど部２０の入口では弁の開口面積の増大により流量が増加しようとする。ところが、のど部２０の出口側２０ａでは、のど部入口の開口面積の増大に伴う流量増加に即座に追従することは出来ない。このため、のど部入口からの冷媒流入量に比べてのど部出口２０ａからの冷媒流出量が相対的に少なくなり、のど部２０内の圧力が一時的に高くなり弁室１３内との圧力差が一時的に小さくなり弁体１５に開弁方向への力がかかる。そして、この力が振動を引き起こすタイミングあるいは振動を助長するタイミングで加わると上記閉弁方向への操作時と同様に自励振動を発生させ、また振動を増大させる。

そこで本発明では、冷媒の流路断面積が小さくなるように窄めた狭窄部を、のど部の下流側の端部（のど部の出口部）に備える。狭窄部の形成により、のど部出口付近における冷媒の慣性力を小さくしその影響を抑えることができ、のど部と弁室内との圧力差の一時的な変動を低減することが出来る。これにより、自励振動の発生ならびに振動の増大を従来に比べ抑えることが可能となる。また、本発明では前記特許文献１記載の発明のように別部材（防振ばね）を新たに備える必要がないが、防振効果をさらに高めるために防振ばねを併用することも可能である。

上記狭窄部の具体的態様としては、例えば、下流に向かうに従って外径が大きくなる拡径部を作動棒の先端部に備えれば良い。また、下流に向かうに従って内径が小さくなる縮径部をのど部に備えても良い。

また、本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された冷媒を冷却して液化する凝縮器と、凝縮器で液化された冷媒を減圧膨張させる膨張弁と、膨張弁で減圧膨張された冷媒を蒸発気化する蒸発器とを備えた冷凍サイクル装置であり、膨張弁として上述した本発明に係る膨張弁を使用する。

本発明はカーエアコンに好ましく適用することが出来るものであるが、用途や適用対象はカーエアコンに限られず、ルームエアコンや冷凍機など他の様々な冷凍サイクル装置に適用することが可能である。

本発明によれば、弁体自体が発生する振動を防止ないし抑制することが出来るため、追加部品としての防振ばねに依らずとも弁振動を抑制することが出来る。

本発明の他の目的、特徴および利点は、図面に基づいて述べる以下の本発明の実施の形態の説明により明らかにする。なお、各図中、同一の符号は、同一又は相当部分を示す。また本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更を行うことができることは当業者に明らかである。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る膨張弁を示す縦断面図である。 図２は、前記第１実施形態に係る膨張弁（閉弁状態）ののど部（図１の符号Ａ部分）を拡大して示す縦断面図である。 図３は、本発明の第２の実施形態に係る膨張弁（閉弁状態）ののど部を前記図２と同様に示す縦断面図である。 図４は、本発明の第３の実施形態に係る膨張弁（閉弁状態）ののど部を前記図２と同様に示す縦断面図である。 図５は、本発明の第４の実施形態に係る膨張弁（閉弁状態）ののど部を前記図２と同様に示す縦断面図である。 図６は、本発明の第５の実施形態に係る冷凍サイクル装置を示す概念図である。 図７は、従来の膨張弁（閉弁状態）ののど部を前記図２と同様に示す縦断面図である。

〔第１実施形態〕
図１から図２を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。なお、図１に上下左右の各方向を表す二次元直交座標を示しているが、以下これらの方向に基いて説明を行う。

図１から図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る膨張弁１１は、弁室１３を内部に備えた弁本体１２と、弁室内上部に形成された弁座１４と、弁座１４に対向し且つ弁座１４に対して進退動（上下動）可能に設置された弁体１５と、弁体１５を下方から支持する弁体支持部１６と、弁本体１２の下面部に装着されることにより弁室１３を封止するばね受け部材１８と、ばね受け部材１８と弁体支持部１６との間に配置されて弁体支持部１６を介し弁体１５を弁座１４に向け上方へ付勢するコイルばね（付勢部材）１７と、弁体１５をコイルばね１７の付勢力に抗して弁座１４から後退させる（下方へ移動させる）作動棒１９と、弁本体１２の上面部に備えられて作動棒１９を上下動させるダイアフラム装置（駆動部）２４とを有する。なお、作動棒１９は、弁本体１２の内部において上下方向に延び、上端をダイアフラム装置２４に接続し、下端を弁体１５に接触させてある。

また弁本体１２は、弁室１３に冷媒を導入する流入路２１と、弁室１３から弁１１の外部へ冷媒を排出する流出路２２と、弁本体１２の上部を左右に貫通するように冷媒を流通させる戻り流路２３とをさらに備えている。なお、戻り流路２３と上記ダイアフラム装置２４の詳細については、本実施形態の膨張弁１１を使用する後述の第５実施形態において説明する。

また弁本体１２は、弁室１３（弁座１４）と流出路２２を接続するのど部２０を有する。のど部２０は、本実施形態では水平断面が円形で一定の内径を有する円管状に形成してある。また、当該のど部２０には作動棒１９の先端部１９ａが挿通されている。

流入路２１と流出路２２とは、弁室１３およびのど部２０を介して互いに連通するが、コイルばね１７の上方への付勢力によって弁体１５が弁座１４に当接し着座した閉弁状態（図１および図２に示す状態）では流入路２１と流出路２２とは連通せずに遮断状態となる。一方、作動棒１９の下方への押圧力により弁体１５が下方へ移動し弁座１４から離れると、流入路２１と流出路２２とが連通する。これにより、流入路２１を通って弁室１３の内部に流入した冷媒は、弁座１４と弁体１５の間を通り抜けてのど部２０に浸入し、のど部２０を通過した後、のど部出口２０ａから流出路２２内に流れ込み、流出路２２を通って膨張弁１１の外へ排出されエバポレータ６４（後述の図６参照）に導入される。そして、弁体１５と弁座１４との距離が変更されることにより冷媒の流量が調整される。

また、作動棒先端部１３ａの上端部には、冷媒の流路を狭める狭窄部３１を形成してある。この狭窄部３１は、本実施形態では、のど部２０内に配置される作動棒先端部１３ａを、作動棒本体部１９ｂ（作動棒１９の上側部分）より小さな一定の外径を有する丸棒状の円柱部１９０と、当該円柱部１９０の上端から徐々に外径が大きくなるようなテーパ状の外周面を有する逆円錐台形のテーパ部１９１とにより形成し、テーパ部１９１がのど部２０の下流側の端部（上端部）に位置するように配置する。

このように構成することで本実施形態によれば、作動棒１９とのど部２０の内壁面との間に形成される冷媒の流路をのど部２０の上端部において先細りにする（言い換えれば、のど部上端部において冷媒の流路断面積を小さくする）ことができ、のど部出口２０ａ付近における冷媒の慣性力を低減することが出来る。したがって、前述したようなのど部２０と弁室１３内との一時的な圧力差の変動を低減することができ、自励振動の発生ならびに振動の増大を防振ばね或いは従来に比べ抑えることが可能となる。また、本実施形態によれば作動棒先端部１３ａの形状を変更するだけで良く、防振ばねのような別部材を新たに備える必要がないから、部品点数や製造工程数の増加を招くこともない。但し、特異条件においても有効に弁振動の発生を防止したい等の要望に従い、防振ばねを併用することを妨げるものではない。

〔第２実施形態〕
図３を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。なお、本実施形態では、前記第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して重複した説明を省略し、相違点を中心に説明を行う（以降の実施形態についても同様）。

本発明の第２実施形態に係る膨張弁は、前記第１実施形態と同様に作動棒１９の先端部１９ａを特有の形状にして狭窄部を形成したものであるが、第１実施形態と異なり、作動棒先端部１９ａ全体を逆円錐台形状にして狭窄部３１を形成した。

すなわち、前記第１実施形態と同様に内径が一定の円管状ののど部２０を貫通する作動棒先端部１９ａを、下流（上方）へ向かうに従って外径が大きくなるテーパ状の外周面１９２を備えるものとした。これにより、のど部２０内の冷媒流路をのど部２０の出口２０ａに向かうにつれ断面積が小さくなるようにすることができ、のど部出口２０ａに狭窄部３１を形成することが出来る。

〔第３実施形態〕
図４を参照して本発明の第３の実施形態について説明すると、前記第１および第２実施形態では作動棒１９に特有の形状を備えることで狭窄部３１を形成したが、本実施形態に係る膨張弁では、のど部側を従来と異なる形状とすることで狭窄部３１を形成する。

具体的には、図４に示すように下流（上方）へ向かうにつれ、すなわちのど部出口２０ａに向かうにつれ内径が小さくなるようなテーパ面２００と、当該テーパ面２００の上縁から垂直上方へ延びる内径が一定で且つのど部２０の下部の内径より小さな内径を有するリング状の小径内壁面２０１とによりのど部２０の上端部を構成する。なお、のど部２０に挿通される作動棒先端部１９ａは、外径が一定の円柱状の形状を有する。

このような狭窄部３１によっても前記第１および第２実施形態と同様にのど部出口２０ａ付近における冷媒流路を狭めることができ、当該部分の冷媒の慣性力を低減させることが出来る。

〔第４実施形態〕
図５を参照して本発明の第４の実施形態について説明すると、本実施形態に係る膨張弁は、前記第３実施形態と同様にのど部側を従来と異なる形状とすることで狭窄部３１を形成したものである。

具体的には、図５に示すようにのど部２０の内壁面全体をのど部出口２０ａに向けて先細りになるように窄めたテーパ面２０２とし、これにより狭窄部３１を形成した。なお、のど部２０に挿通される作動棒先端部１９ａは、前記第３実施形態と同様に外径が一定の円柱状の形状を有する。

〔第５実施形態〕
本発明の第５の実施形態として前記第１実施形態の膨張弁１１を用いた冷凍サイクル装置について説明する。

図６に示すようにこの冷凍サイクル装置４１は、冷媒を圧縮するコンプレッサ（圧縮機）４２と、コンプレッサ４２で圧縮された冷媒を冷却して液化するコンデンサ（凝縮器）４３と、コンデンサ４３で液化された冷媒を減圧膨張させる膨張弁１１と、膨張弁１１で減圧膨張された冷媒を蒸発気化するエバポレータ（蒸発器）４４とを備え、膨張弁として前記第１実施形態に係る膨張弁１１を使用する。

かかる冷凍サイクル装置４１では、コンプレッサ４２で加圧された冷媒は、コンデンサ４３で液化されて膨張弁１１に送られる。また、膨張弁１１で断熱膨張された冷媒はエバポレータ４４に送り出され、エバポレータ４４で、エバポレータ４４の周囲を流れる空気と熱交換される。エバポレータ４４から戻る冷媒は、膨張弁１１の戻り流路２３を通ってコンプレッサ４２へ戻される。

膨張弁１１には、コンデンサ４３から高圧の冷媒が供給される。より具体的には、コンデンサ４３から送られた高圧冷媒は、流入路２１を通って弁室１３に流れ込む。コイルばね１７によって弁体１５が弁座１４に押し付けられて着座した閉弁状態にあれば、弁室１３と流出路２２とが連通していないから、弁室１３内の冷媒は膨張弁１１から排出されない。

一方、コイルばね１７の付勢力に抗して作動棒１９が下方へ移動し、弁体１５を弁座１４から後退させると、弁室１３と流出路２２とが連通状態（開弁状態）となり、弁室１３内の冷媒が流出路２２から排出されてエバポレータ４４へ送り出される。かかる作動棒１９の動作は、弁本体１２の上面部に備えられたダイアフラム装置２４により行われる。

ダイアフラム装置２４は、上蓋部材２５と、中央部に開口を有する受け部材２６と、上蓋部材２５と受け部材２６との間に配置されたダイアフラム（図示せず）とを備える。そして、上蓋部材２５とダイアフラムとによって囲まれる第１空間には、作動ガスを充填してある。また、ダイアフラムには作動棒１９の上端が接続されており、第１空間内の作動ガスが液化されると、作動棒１９はダイアフラムによって上方へ引き上げられ、液化された作動ガスが気化されると、作動棒１９はダイアフラムによって下方へ押し下げられる。このようにして、膨張弁１１の開弁状態と閉弁状態との間の切り換えが行われる。

また、ダイアフラムと受け部材２６との間の第２空間は、前記受け部材中央の開口を通じて戻り流路２３と連通している。このため、戻り流路２３を流れる冷媒の温度と圧力に応じて、第１空間内の作動ガスの相（気相か液相か）が変化し、この変化に応じて作動棒１９が駆動される。このようにして膨張弁１１では、エバポレータ４４から膨張弁１１に戻る冷媒の温度と圧力に応じて、膨張弁１１からエバポレータ４４に向けて供給される冷媒の量が自動的に調整される。

また、本実施形態の冷凍サイクル装置４１では、前記第１実施形態の膨張弁１１を使用しているため、自励振動の発生ならびに振動の増大を抑え、異音の発生を防ぐことが出来る。

なお、本実施形態に係る冷凍サイクル装置では、第１実施形態の膨張弁１１を使用したが、当該膨張弁１１以外にも他の実施形態に係る膨張弁あるいは本発明に基いて構成可能な他の膨張弁を用いることも可能である。

１１ 膨張弁
１２ 弁本体
１３ 弁室
１４ 弁座
１５ 弁体
１６ 弁体支持部
１７ コイルばね（付勢部材）
１８ ばね受け部材
１９ 作動棒
１９ａ 作動棒の先端部
１９ｂ 作動棒の本体部
２０ のど部
２０ａ のど部出口
２１ 流入路
２２ 流出路
２３ 戻り流路
２４ ダイアフラム装置
２５ 上蓋部材
２６ 受け部材
３１ 狭窄部
４１ 冷凍サイクル装置
４２ コンプレッサ（圧縮機）
４３ コンデンサ（凝縮器）
４４ エバポレータ（蒸発器）
１９０ 円柱部
１９１ テーパ部
１９２ テーパ状の外周面
２００，２０２ テーパ面
２０１ 小径内壁面

Claims (4)

1. 冷媒を導入する流入路に連通するとともに当該冷媒を排出する流出路にのど部を介して連通する弁室を有する弁本体と、
   前記弁室の内部に配置され、弁座に着座した閉弁状態と前記弁座から離間した開弁状態との間で前記弁座に対して進退動することにより前記冷媒の流量を変更する弁体と、
   前記弁体を支持する弁体支持部と、
   前記弁体支持部を介して前記弁体を前記弁座に向けて付勢する付勢部材と、
   前記弁体に接触して前記付勢部材による付勢力に抗し前記弁体を開弁方向へ移動させる作動棒と、
   前記作動棒を駆動する駆動部と
   を備え、
   前記作動棒の先端部が、前記のど部を通って前記弁体に接触し、
   前記のど部の下流側の端部に、前記冷媒の流路を狭める狭窄部を形成した
   膨張弁であって、
   下流に向かうに従って内径が小さくなる縮径部を前記のど部に備えることにより前記狭窄部を形成し、
   前記のど部に挿通される前記作動棒の先端部は、外径が一定の円柱形状を有する
   ことを特徴とする膨張弁。
2. 前記縮径部は、前記のど部の下流側端部に形成され、下流に向かうにつれ内径が小さくなるテーパ面であり、
   前記のど部は、前記テーパ面の下流側の縁から延び、前記のど部における前記縮径部より上流側の内径より小さい内径を有するリング状の小径内壁面を有する
   請求項１に記載の膨張弁。
3. 前記のど部の内壁面全体を、前記のど部の下流端まで先細りになるように窄めたテーパ面とすることで、前記縮径部が形成される
   請求項１に記載の膨張弁。
4. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を冷却して液化する凝縮器と、
   前記凝縮器で液化された前記冷媒を減圧膨張させる膨張弁と、
   前記膨張弁で減圧膨張された前記冷媒を蒸発気化する蒸発器と
   を備えた冷凍サイクル装置であって、
   前記膨張弁が、前記請求項１から３のいずれか一項に記載の膨張弁であることを特徴とする冷凍サイクル装置。

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