JP7509961B2 - 電動弁及び冷凍サイクルシステム - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクルシステムなどに使用する電動弁及び冷凍サイクルシステムに関する。

近年、例えば、空気調和機では、ファンや圧縮機等の静音化が進み、更に、空気調和機の冷凍サイクルの配管内を流れる流体としての冷媒の騒音、特に膨張弁に用いられる電動弁における騒音を低減させる技術も開発され、実施に供されている（例えば、特許文献１等を参照）。

国際公開第２０１８／２３０１５９号公報

本願の発明者は、研究の中で、電動弁における流体の流れに起因する騒音は、特に微開状態時には、弁口と連続する弁ポートの形状の他に弁口から入り込む弁体のニードル部の長さにも依存することを判明させ、弁口から入り込む弁体のニードル部の長さの特徴に合わせて弁口と連続する弁ポートの形状を工夫することで、騒音の低減が図れる可能性があることを見出した。

なお、特許文献１に開示された発明をはじめとする従来技術では、弁口から入り込む弁体のニードル部の長さの特徴に合わせて弁口と連続する弁ポートの形状を工夫することで騒音を低減させるという思想の技術は未だ見聞されない。

そこで、本発明の目的は、弁口から入り込む弁体のニードル部の長さの特徴に合わせて弁口と連続する弁ポートの形状を工夫することで、流体の流れに起因する騒音を低減させることができる電動弁及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、弁室及び弁座部を構成する弁本体と、前記弁座部に開口して弁体が移動する軸線方向に延びる弁ポートと、前記弁座部と接離して前記弁ポートの開度を変更するニードル部を有する前記弁体と、前記弁体を前記軸線方向に駆動させる駆動部と、を備えた電動弁であって、前記弁ポートは、前記軸線を中心とした円周面を有する弁口と、前記弁口よりも拡径された拡径空間と、前記拡径空間よりも縮径された縮径空間と、を備え、前記弁本体には、内部が前記弁口に連通して前記弁ポートの一部を構成する筒状の整流部材が設けられ、前記整流部材の内周面は、複数段に縮径されて前記弁室とは反対側に延びて設けられ、前記複数段のうちの最も前記弁口側の部分は、前記拡径空間の少なくとも一部を構成するとともに、最も縮径された部分は、前記縮径空間を構成し、前記弁口の直径をＤ１とし、前記弁体が前記弁座部に着座した状態で前記弁座部の着座部から前記ニードル部の先端までの長さをＬ１とした場合、Ｌ１／Ｄ１≧１であることを特徴とする。

この際、前記整流部材における前記拡径空間と前記縮径空間との間には、前記拡径空間よりも内径が小さく、かつ、前記縮径空間よりも内径が大きい第２の拡径空間が形成されていることが好ましい。

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、弁ポートにおける流体の流れに起因する騒音を低減させることができる。

本発明の第１実施形態に係る電動弁を示す縦断面図である。 前記電動弁の要部を拡大して示す縦断面図である。 前記電動弁を微開状態として、冷媒の流れを説明するための説明図である。 本発明の第２実施形態に係る電動弁の要部を拡大して示す縦断面図である。 本発明の第３実施形態に係る電動弁の要部を拡大して示す縦断面図である。 本発明の冷凍サイクルシステムの一例を示す図である。

本発明の第１実施形態に係る電動弁を図１～図３に基づいて説明する。図１に示すように、本実施形態の電動弁１０Ａは、弁本体１と、弁体２と、駆動部としてのステッピングモータ３と、弁ポート１４と、を備えている。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。

弁本体１は、筒状の弁ハウジング部材１Ａと、弁ハウジング部材１Ａの内部に固定される弁ガイド部材１Ｂと、弁ハウジング１Ａの上部に固定される円筒状のケース４と、ケース４の上端開口部に固定される支持部材５と、を有している。

弁ハウジング部材１Ａは、その内部に略円筒状の弁室１Ｃが形成され、側面側から弁室１Ｃに連通する第１の継手管１１が取り付けられている。また、弁ハウジング部材１Ａには、弁座部１３の中央部に円柱状の弁口である第１ポート１４ａ（図２参照）が形成されている。また、弁ハウジング部材１Ａの上端部には、下記の弁ガイド部材１Ｂを囲うようにリム１ｂが形成されている。さらに、弁ハウジング部材１Ａの底面側にリング状のフラ
ンジ部１５ａを有する略円筒状の整流部材１５が取り付けられている。そして、弁室１Ｃに連通する第２の継手管１２が、整流部材１５のフランジ部１５ａに当接するとともに、弁ハウジング部材１Ａの底部にろう付けにより取り付けられている。第１の継手管１１から流体としての冷媒が流入した場合には、弁室１Ｃを介して第２の継手管１２から冷媒が流出される。なお、弁ハウジング部材１Ａの第１ポート１４ａと、整流部材１５の円筒状の内周面とが連続することで弁ポート１４が形成され、この弁ポート１４の詳細については後述する。

弁ガイド部材１Ｂは、弁ハウジング部材１Ａの上部から弁室１Ｃ内に挿通されるように圧入して取り付けられており、この弁ガイド部材１Ｂには、軸線Ｌを中心として弁ガイド孔１６が形成されている。ケース４は、弁ハウジング部材１Ａのリム１ｂの外周に嵌合するように組み付けられ、リム１ｂをかしめるとともに、底部外周をろう付けすることにより弁ハウジング部材１Ａに固着されている。

支持部材５は、ケース４の上端開口部に固定金具４１を介して溶接固定されている。この支持部材５の中心には、弁ポート１４等の軸線Ｌと同軸に形成された雌ねじ部５ａと、雌ねじ部５ａの下側に形成されたねじ溝がない軸受部５ｂと、が設けられており、下方に雌ねじ部５ａ及び軸受部５ｂの外周よりも径の大きな円筒状のガイド孔５ｃが形成されている。さらに、支持部材５の上部外周には、螺旋状のガイド溝５ｄが形成されている。

弁体２は、下側先端にニードル部２１が設けられたロッド軸２２と、ロッド軸２２の上端部を保持する弁ホルダ６と、を有している。

ロッド軸２２は、弁ガイド部材１Ｂの弁ガイド孔１６内に軸線Ｌ方向に摺動可能に挿入されている。また、ロッド軸２２の上端部には、フランジ部２３が形成されている。なお、ロッド軸２２に設けられたニードル部２１は、弁体２が最下方に移動した全閉状態時に弁座部１３に着座するニードル部２１の着座面部２１ａに連なって、その先端側に向かうに従い縮径するように多段に面取りされたイコールパーセント特性を有する形状である。また、後述するように、本実施形態では、ニードル部２１は、着座した状態で弁座部１３の弁座面１３ａに位置するニードル部２１の着座面部２１ａが当接する弁座部１３の着座部１３１からこのニードル部２１の先端までの長さＬ１と、第１ポート１４ａの径Ｄ１と、がＬ１／Ｄ１≒１．８の関係を有するものである。

弁ホルダ６は、筒状の円筒部６１の下端にボス部６２が固着されるとともに、円筒部６１内にバネ受け６３と圧縮コイルバネ６４とワッシャ６５とを備えている。そして、弁ホルダ６は、ボス部６２の挿通孔６２ａ内にロッド軸２２の上端部が挿通されるとともに、フランジ部２３をボス部６２に当接させてロッド軸２２の上端部を保持している。さらに、弁ホルダ６は、支持部材５のガイド孔５ｃに挿通され、軸線Ｌ方向に摺動可能に支持されている。

駆動部としてのステッピングモータ３は、キャン７と、キャン７内に設けられたマグネットロータ３１と、ロータ軸３２と、不図示のステータコイルと、ステッピングモータ３の回転ストッパ機構と、を有している。

キャン７は、ケース４の上端に溶接などによって気密に固定され、支持部材５、及び後述するマグネットロータ３１を収納している。マグネットロータ３１は、外周部を多極に着磁されており、その中心にロータ軸３２が固定されている。ロータ軸３２は、その下端部が、弁ホルダ６の円筒部６１の上端部を貫通し、バネ受け６３の上面に当接するとともに、抜け止め用のフランジ部３２ｃが、ワッシャ６５を介して円筒部６１内に保持されている。また、ロータ軸３２は、中間部に縮径部３２ｂが形成され、その上側表面に雄ねじ
部３２ａが形成されている。この雄ねじ部３２ａは、支持部材５の雌ねじ部５ａに螺合され、これらの雄ねじ部３２ａ及び雌ねじ部５ａによって、駆動部のネジ送り機構が構成され、弁体２が軸線Ｌ方向に進退駆動されるようになっている。ステータコイルは、キャン７の外周に配設されており、このステータコイルにパルス信号が与えられることにより、そのパルス数に応じてマグネットロータ３１が回転されてロータ軸３２が回転するようになっている。

ステッピングモータ３の回転ストッパ機構は、半径方向外向きに突出する爪部８１を有するコイル状の従動スライダ８を有し、この従動スライダ８が支持部材５のガイド溝５ｄ内に螺合されて構成されている。マグネットロータ３１が回転すると、マグネットロータ３１の内側の突出部が爪部８１に当接し、従動スライダ８は、マグネットロータ３１の回転に追従して回転するとともに、ガイド溝５ｄに案内されて上下動し、ガイド溝５ｄの最下部又は最上部に追従スライダ８の端部が当接すると、マグネットロータ３１の回転が強制的に停止されるようになっている。

弁ポート１４は、図２に示すように、軸線Ｌを中心とした円周面を有する弁口としての第１ポート１４ａと、第１ポート１４ａの下流側に連続し、第１ポート１４ａよりも拡径された円周面を有する拡径空間１５１と、拡径空間１５１の下流側に連続し、拡径空間１５１よりも縮径された円周面を有する縮径空間１５２と、を有して構成されている。

弁口としての第１ポート１４ａは、直径がＤ１で軸線Ｌ方向の長さがＬ０であり、拡径空間１５１は、直径がＤ２で軸線Ｌ方向の長さがＬ２であり、縮径空間１５２は、直径がＤ３で軸線方向の長さがＬ３である。そして、本実施形態では、弁体２が弁座部１３の着座部１３１に着座した状態で弁座部１３の着座部１３１からニードル部２１の先端までの長さＬ１は、Ｌ１／Ｄ１≒１．８の関係を有し、Ｌ１／Ｄ１≧１の関係を満たし、拡径空間１５１の直径Ｄ２と長さＬ２とが、Ｌ２／Ｄ２≒４の関係を有し、Ｌ２／Ｄ２≧１の関係を満たしている。

ここで、弁口としての第１ポート１４ａは、弁座１３に軸線Ｌを中心として形成されている。拡径空間１５１で直ちに冷媒の流速を減速させる必要があることから、第１ポート１４ａの長さＬ０は、その直径Ｄ１よりも小さいことが好ましい。そこで、本実施形態では、第１弁ポート１４ａの軸線Ｌ方向の長さＬ０が、約０．２５Ｄ１とされている。

拡径空間１５１は、軸線Ｌを中心として、弁座１３に設けられた第１テーパ部１４ｂと、弁座部１３と整流部材１５とに連続して設けられた第２ポート１４ｃとにより形成されている。そして、本実施形態では、拡径空間１５１の軸線Ｌ方向の長さＬ２は、約５Ｄ１である。なお、長さＬ２は、Ｌ１－Ｌ０≦Ｌ２≦８Ｄ１の関係を満たすことが好ましい。すなわち、長さＬ２は、少なくとも弁体２が着座部１３１に着座した状態でニードル部２１の先端が拡径空間１５１内に位置する長さであればよく、弁口の直径Ｄ１の８倍以下であることが好ましい。縮径空間１５２は、整流部材１５に設けられた第３ポート１４ｄと、第２テーパ部１４ｅとにより形成されている。そして、本実施形態では、縮径空間１５２の軸線Ｌ方向の長さＬ３は、約０．５Ｌ２である。なお、長さＬ３は、０．３Ｌ２≦Ｌ３≦６．５Ｌ２の関係を満たすことが好ましい。

また、本実施形態では、拡径空間１５１の直径Ｄ２は、約１．３Ｄ１である。なお、直径Ｄ２は、１．１Ｄ１≦Ｄ２≦１．４Ｄ１の関係を満たすことが好ましい。本実施形態では、縮径空間１５２の直径Ｄ３は、Ｄ１と同一である。なお、直径Ｄ３は、Ｄ３≦Ｄ１の関係を満たすことが好ましい。

以上の本実施形態によれば、着座した状態でニードル部２１の着座面部２１ａが当接す
る弁座部１３の着座部１３１からニードル部２１の先端までの長さＬ１がＬ１／Ｄ１≧１の関係を有するニードル部２１の場合、図３に示すように、ニードル部２１を微小に離座させて微開状態のときに、第１ポート１４ａとニードル部２１との間の隙間から流入した冷媒は、実線の矢印で表したように、ニードル部２１に沿うような偏った流れが多く生じるが、拡径空間１５１の直径Ｄ２と長さＬ２とがＬ２／Ｄ２≧１の関係を有することで、ニードル部２１と第１ポート１４ａとの間の隙間を通過直後の最も乱れた冷媒の流速が減速されやすくなることから冷媒が整流化され、また、拡径空間１５１で整流された冷媒は、縮径空間１５２内では、縮径空間１５２の内周面に沿った流れになることにより一層整流化されるので、騒音をさらに低減させることができる。

本実施形態では、各数値が、好ましい数値範囲内にあるため、上記した効果を十分に奏することができる。例えば、縮径空間１５２の長さＬ３が、上記した数値範囲以内になく、０．３Ｌ２未満の場合、騒音が発生する場合があるが、本実施形態によれば、その虞を低減することできる。

次に、図４に基づき、本発明の第２実施形態に係る電動弁１０Ｂについて説明する。本実施形態の電動弁１０Ｂは、第１実施形態の電動弁１０Ａと同様に、弁本体１と、弁体２と、駆動部としてのステッピングモータ３と、弁ポート１４と、を備えている。電動弁１０Ｂでは、弁ポート１４の一部構成が電動弁１０Ａと相違している。以下、相違点について詳しく説明する。

本実施形態の電動弁１０Ｂでは、弁ポート１４により、軸線Ｌを中心として、拡径空間１５１と、拡径空間１５１の下流側に連続し、拡径空間１５１よりも若干縮径された第２の拡径空間１５１Ａと、第２の拡径空間１５１Ａの下流側に連続し、第２の拡径空間１５１Ａよりも縮径された縮径空間１５２と、が形成されている。すなわち、弁ポート１４は、拡径空間１５１と、第２の拡径空間１５１Ａと、縮径空間１５２と、の３段階で内径が変化し、この点が電動弁１０Ａと相違している。

以上の電動弁１０Ｂの弁ポート１４において、拡径空間１５１の直径Ｄ２と、拡径空間１５１と第２の拡径空間１５１Ａの合計の長さＬ２との関係は、Ｌ２／Ｄ２≒２．６となっており、Ｌ２／Ｄ２≧１の関係を満たしている。また、第２の拡径空間１５１Ａの直径Ｄ２ａと、拡径空間１５１と第２の拡径空間１５１Ａの合計の長さＬ２との関係も、Ｌ２／Ｄ２ａ≒２．８となっており、Ｌ２／Ｄ２≧１の関係を満たしている。さらに、縮径空間１５２の長さＬ３は、約０．６Ｌ２となっており、０．３Ｌ２≦Ｌ３≦６．５Ｌ２の関係を満たしている。このように本実施形態の電動弁１０Ｂにおいても、第１実施形態の電動弁１０Ａと略同様の条件を満足することから、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

次に、図５に基づき、本発明の第３実施形態に係る電動弁１０Ｃについて説明する。本実施形態の電動弁１０Ｃは、第１実施形態の電動弁１０Ａと同様に、弁本体１と、弁体２と、駆動部としてのステッピングモータ３と、弁ポート１４と、を備えている。電動弁１０Ｃでは、弁ポート１４の一部構成が第１実施形態の電動弁１０Ａと相違している。以下、相違点について詳しく説明する。

本実施形態の電動弁１０Ｃでは、弁ポート１４で形成される拡径空間１５１の軸線Ｌ方向の長さＬ２よりも、縮径空間１５２の軸線Ｌ方向の長さＬ３の方が長く設定されており、第１実施形態の電動弁１０Ａとは逆となっている。

本実施形態、すなわち、この電動弁１０Ｃの弁ポート１４において、拡径空間１５１の直径Ｄ２と、その長さＬ２との関係は、Ｌ２／Ｄ２≒１．５となっており、Ｌ２／Ｄ２≧
１の関係を満たし、また、縮径空間１５２の長さＬ３は、約０．５Ｌ２となっており、０．３Ｌ２≦Ｌ３≦６．５Ｌ２の関係を満たしている。このように本実施形態の電動弁１０Ｃにおいても、第１実施形態の電動弁１０Ａと略同様の条件を満足することから、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

次に、本発明の冷凍サイクルシステムを図６に基づいて説明する。図６は、本発明の冷凍サイクルシステムの一例を示す図である。図６において、符号１００は前記各実施形態の電動弁１０Ａ～１０Ｃを用いた膨張弁であり、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、および圧縮機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６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から流出された液冷媒は膨張弁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６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、膨張弁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。膨張弁１００は、冷房運転時に室外熱交換器２００から流入する液冷媒、または暖房運転時に室内熱交換器３００から流入する液冷媒を、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６においては、冷房運転時に室外熱交換器２００から液冷媒が膨張弁１００の第１の１０１に流入し、暖房運転時には、室内熱交換器３００からの液冷媒が膨張弁１００の第２の継手管１０２に流入するように冷凍サイクルに膨張弁１００を設けているが、これに限らず、冷房運転時に室外熱交換器２００からの液冷媒が膨張弁１００の第２の継手管１０２に流入し、暖房運転時には室内熱交換器３００からの液冷媒が膨張弁１００の第１の継手管１０１に流入するように膨張弁１００を冷凍サイクルに設けてもよい。

以上の本発明の冷凍サイクルシステムによれば、上記したように、本実施形態の電動弁１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、流体としての冷媒の流れに起因する騒音を低減させることができるので、運転時により静音化された冷凍システムとすることができる。

以上、図面を参照して、本発明を実施するための形態を第１～３実施形態に基づいて詳述してきたが、具体的な構成は、これらの実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、上記した第１～３実施形態では、弁体２のニードル部２１の形状を、下側先端に向かうに従い縮径するように多段に面取りをしたイコールパーセント特性を有する形状としたが、これに限定されず、ニードル部２１を、先端に向かうに従い縮径する曲面や円錐などの形状にして実施してもよい。

また、上記した第１～３実施形態では、整流部材１５を用いて弁ポート１４を形成したが、これに限定されず、整流部材１５の部分を、弁本体１と一体成型して弁ポート１４を形成するようにして実施してもよい。

さらに、上記した第１～３実施形態では、電動弁１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを、冷凍サイクルシステムの膨張弁として使用したが、これに限定されず、例えば、ビル用のマルチエアコン等の室内機側の絞り装置等、他のシステムにも適用することができる。

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 電動弁
１ 弁本体
１Ａ 弁ハウジング部材
１Ｂ 弁ガイド部材
１Ｃ 弁室
２ 弁体
２１ ニードル部
２１ａ 着座面部
３ ステッピングモータ（駆動部）
１３ 弁座部
１３１ 着座部
１３ａ 弁座面
１４ 弁ポート
１４ａ 第１ポート（弁口）
１４ｂ 第１テーパ部
１４ｃ 第２ポート
１４ｄ 第３ポート
１４ｅ 第２テーパ部
１５１ 拡径空間
１５１Ａ 第２の拡径空間
１５２ 縮径空間
１００ 膨張弁
２００ 室外熱交換器（凝縮器、蒸発器）
３００ 室内熱交換器（凝縮器、蒸発器）
４００ 流路切換弁
５００ 圧縮機

Claims (3)

1. 弁室及び弁座部を構成する弁本体と、前記弁座部に開口して弁体が移動する軸線方向に延びる弁ポートと、前記弁座部と接離して前記弁ポートの開度を変更するニードル部を有する前記弁体と、前記弁体を前記軸線方向に駆動させる駆動部と、を備えた電動弁であって、
   前記弁ポートは、前記軸線を中心とした円周面を有する弁口と、前記弁口よりも拡径された拡径空間と、前記拡径空間よりも縮径された縮径空間と、を備え、
   前記弁本体には、内部が前記弁口に連通して前記弁ポートの一部を構成する筒状の整流部材が設けられ、
   前記整流部材の内周面は、複数段に縮径されて前記弁室とは反対側に延びて設けられ、前記複数段のうちの最も前記弁口側の部分は、前記拡径空間の少なくとも一部を構成するとともに、最も縮径された部分は、前記縮径空間を構成し、
   前記弁口の直径をＤ１とし、前記弁体が前記弁座部に着座した状態で前記弁座部の着座部から前記ニードル部の先端までの長さをＬ１とした場合、Ｌ１／Ｄ１≧１であることを特徴とする電動弁。
2. 前記整流部材における前記拡径空間と前記縮径空間との間には、前記拡径空間よりも内径が小さく、かつ、前記縮径空間よりも内径が大きい第２の拡径空間が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
3. 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。

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