JPS58191383A - 電子膨張弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 する熱ポンプ系統に用いる膨張弁をディノタル制御され
るステンピンク七一夕で動作させることにより広範囲の
安定した応答性が得られるようにしたものである。

近年で＆１、一つの熱交換器と圧１ｍ機とを組み合せた
熱ボン１系統で，暖房モードおよび冷房モードの双方を
サイクルの切り換えにより行うことができるようにした
ものが開発されている。このような熱ポンプ系統では，
＠房モードと冷房モードとで．それぞれのサイクルに必
要とされる膨張弁での筒低圧力差および蒸発温度がＳな
り、ｆた同じ賎房ま１こを１冷房のモードにあっても変
動する外′Ａ温度ＶＣ対しーて至内彪度を何度に保つか
によっ℃膨張弁でＶ〕巣なる弁囲度が要求される。

促米のｌｉｅ房や冷房の熱ポンプ系統ＶＣ用いられてき
た自ｆＩＪＪ＃侵弁として１丁，機械式のものや電気式
のものが一般に知られている。こりうち、機械式のもの
にをゴボ比式と温度式とかあり，中型および大型ｖ）し
冷房装置に多く用いられてさたが、これ１〕は蒸発話中
α）圧力もしくに圧縮機入口における冷媒Ｈ−と蒸発話
中における市媒出との差圧をダイヤ７ラム筐１こじペロ
ーズ．ばね等のばね力と均衡させることにより弁開ｆを
制御している。

しかしなから、このような従来の機械式自動膨張弁にあ
って汀、圧縮機の定悟回転数および容蓋配前捉として設
定される一定の外的条件や負荷条件で最も効率か上がる
ように計ｌｌ！ｌ１されているので。

外的条件や負荷条件が設足髄から外れてくると、一般Ｖ
Ｃｋｌ効率が低下する。そこで、外的条件や負荷末件が
い１°れも共なる暖房モードと冷房モードとの双方をサ
イクルの切換えにより行わせる熱ポンプ糸枕の統＠Ｖに
の権の膨張弁を用いることに適切でなく、１こめに両モ
ードで異なる膨張弁を切り換えて使用している。

更［ｆｌこ，このよ５な熱ポンプ系統として，屋外に太
陽熱集熱器を熱交換器として用い、暖房のときはこの集
熱器により太陽の輻射熱を吸収して利用し、冷房のとき
汀、この集熱器により逆ＶＣ便間に熱を天空に放射させ
ることにより効率の高いサイクルを行わせるようにした
装置が考えられる。

ｎ・かる装置でＩ了，なお一層、大幅に異なる外的条件
の下での制御が要求されるので，機械式ｆ１１伽弁では
到底その要求範囲での遍随が不可能である。

殊に，機械式膨張弁の機構では、ヒステリジス等の非線
形性のために正確な制御を行うことが困難であり，更に
、ダンピングを制御する機能がないため熱ポンプのサイ
クルが不安定なものとなりや丁い。

そこで、かかる同一点を解決するために、近年電気式膨
張弁が開発されている。丁なわち、このような電気式膨
張弁にあっては，例えば温度センサ等の検出器から得ら
れた制御系の状態変数をいつ１こんアナログ電気信号に
髪換し、これを電気１昂で処理し１こ恢イカ増幅して，
ヒータまたはンレノイドに１′！１加し、弁の位置決め
操作を行う。したかつ℃、このよ５な電気式膨張弁は機
械式に比してＬら答範曲か広く，外的条件の変化にも対
応できるので、＠械弐ｍ俵弁に比して瞑ｄト条件をかな
り教書させることかできる。

しハ・しなから、このような従来０）電気式膨張弁にお
い′Ｃじ、償作部を制御する制御則がハードウェアとし
て゛屯気回語ニ組み込まれているので，操作部の単一な
動作しか得られず，史にこのうち熱電式のものにあって
は、ヒータとバイメタルとの組付せによる操作部での時
定数が大きく、応答性か息い。殊ＶＣ％弁の操作が直線
連動により行われる機構となっているので、その駆＠Ｖ
Ｃ大きい力が必要で、し１こかって，ヒータに印ＴＪＩ
］される直流電諒も人ざくなくて１工ならず、電気１回
路および操作部がともに複雑なｍ造となる。

本発明の目的Ｉゴ，上述し１こ欠点を除去し、広い軛Ｈ
の外的条件に対して高いｍｉで安定し１こ弁開度の制御
が得られる電子膨張弁を提供することにある。

かかる目的ｔ−達成する１こめに、本発明では制御回路
により駆動トランジスタを介してステンビングモータを
駆動し、ステンビングモータの回転により升Ｊ／Ｉｓ′
ｆｔ直巌運動させて膨張弁の開紋を制御するよ５になし
、外的条件が与えられるとこの外的条件に対応しＴこ圧
力差が膨張弁の上流と下流とのｊ−ｊに得られるように
ステンビングモータを駆動させる。

以下に、図面によって本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明を適用した熱ポンプ系統の一例をボし
、本例は熱ポンプサイクルとして冷房モードと暖房モー
ドの双方が可能なものである。ここで、　ＥＸＶ汀電子
ｌｉ１張弁であり、Ｄは外部から供給される外的条件（
例えば温ｉ’ｒ結縛の有無）および負荷駄のデータＶこ
応じて、１［子豚＋ｍ弁の開度を制御するディジタル制
御器、Ｃは１例えば７レオン（部品名）等の冷熱媒を圧
縮する出動機、ＸＯ／およびＸＯ２ｋｓそれぞれ屋内側
熱交換器および屋外側熱交換器である。いま、暖房モー
ドの熱ボン１サイクルを行わせる場合＆１、実線矢印で
示すようｖｃ、８Ｅ縮機Ｃにより圧縮されて高温高圧の
蒸気となつ１こ冷熱媒を屋内側の熱交換器ＸＯ／　［導
くことにより、冷熱媒による放熱が行われて屋内空気を
−め、冷熱媒は冷却されて液化する。ついで液化した冷
熱媒じ電子膨張弁ＥＸＶ　ＶＣ送られて、ここで絞られ
ることにより減圧される。しかして。

減圧されたω熱媒を屋外熱交換に、　Ｘｏ、２に導くこ
とにより、ここで１丁冷熱媒が屋外の熱ｍ、丁なゎち外
気の持つ熱および太陽からの輻射熱を吸収して気化する
。この気化して低温低圧となった冷熱媒１了再び（Ｅ縮
機Ｃへと導かれて循環を繰り返丁。

仄ＶＣ％冷房モードの熱ポンプサイクルを行わせる場８
′ＩＣついて述べると、冷熱媒の流れる方向が破−の矢
印で示すように、暖房モードｏ）ときと逆になり、出動
機Ｃで圧１１された冷熱媒は屋外の熱５Ｉ！′侯器ｘＯ
λで放熱しｙ：後、電子膨張弁ＥＸＶで絞られ減圧され
て屋内の熱交換器ＸＯ／へと供給され。

ここで気化するときｉｃＭ内の空気から熱を吸収する。

第２図は本発明電子膨張弁の一実施例を示し、電子機器
により制御するので、上述しアこよ’ｌ［暖房と冷房の
双方の熱ポンプサイクルを行わせる装置には最も好適な
ものである。ここで、／Ａお工び／Ｂは螺合部／Ｃで互
いに螺合させて弁箱ｌ′ｆｔ構成する弁箱部材である。

コを了、ビントル３の先端［設け１こ弁体であり、弁箱
部材／Ａにを工弁体−との同に滑らかな流路としてのオ
リフィス４１を形成するためにほぼ紡鉾型の弁座ｊが設
けられていて、ビントル３の軸方向の運１ｌｌ１２Ｉｖ
Ｃよりオリフィス参のＩｆｉ幀１変化させることができ
、オリフィス参が滑らかな面で形成されることから、オ
リフィス参の面檀の変化にかかわらず、常に冷熱媒のｆ
ｉ皺係数ヲ大きく保つことができる。６Ａおよび６Ｂは
冷熱媒通路７０入口および出口である。

更に、ビントルＪは弁箱部材／Ｂを貫通しており、七〇
Ｎｉｍ　ｌ、１こビントル３の空Ｆｔｒｌ側の？！部に
を工弁駆動金具９を取り付け、弁駆動金具９にはナン）
ｆｉｔｌ材ｌθを固４ｉする。弁駆動金具９Ｂ、第３図
に不丁ように、その外周に軸方向の摺動溝／／を自し、
この摺動溝／／に弁箱部材ｌＢ側の失投させ１こ軌条／
２を妖め台わ丁ことにより、摺動金具９を軌宋１２に沿
って摺動目在とする。史にま１こ、ナンド部材／θ＆了
ステンビングモータ／３の回転軸／げ１ｋ」し１こねじ
部１５　Ｋ螺合しており、ステンビンダモータ／Ｊ　Ｖ
Ｃよる回転軸ｌ−の回転は、こＱ）ナンド９／θとねじ
他／Ｓの一合により駆動金具９を軸方向に移動させるね
じ達１ＩＩＩＫ変換され、弁体コを一１方向に移＠させ
弁開成を変化させる。

７６＆Ｘリミントスインテ、１２はスト７パであり、駆
動金具デが第２図での左方ＶＣ移動し、弁体コが一点＃
８線の位置にまできたとすると、このリミントスイッチ
１４に金具９が当接することによつ℃、リード巌／Ｉを
介してディジタル制御器りに信号が送ら才１．ステンビ
ングモータ／３をその位ｍに停止させる。ｌＴこ、駆動
金具９が右方に移動してストツパ１７に当接した状態で
は、弁体−１工破−で示す全閉の位置ＶＣあり１図には
示さないが、モータ／３が停止させられるようになって
いる。／９＆！冷熱媒　□通路７側と空所ざ１則との間
を封止する密封装置で夛）す、ビントル３の往復動のた
めｌＣプランソヤノくンキン等を用いるのが好適である
。〃ａシール取付金具２／　［組み込んだ密封装置であ
り１例えば０−リング等とするのが好適で、これら二重
Ｑ）密封装置ｔ　／９および〃により通路７側の冷熱媒
を封ｊヒする。

続いて、このよ５に構成し１こ電子膨張弁Ｆ、ｘｖにお
ける動作を説明する。スデンピンダモータ／Ｊ　ＶＣ（
丁、ディジタル制御器〇からリード線ｎを介して七りス
テータＶＣ制＃情ｇに応じたパルス列か目Ｊ加されるが
、ここでリード−ｎのうち１本ま１こ１了２６本に七の
パルス列信号を与え続けることによって。

ステンビングモータ／３の口′−夕を外乱トルクに抗し
て七の位置に留まらせることができる。ま１こ、熱ポン
プサイクルが停止された状態では、弁体−が一点鎮脚で
示す全開の位置、丁なわち弁駆動金具９がリミントスイ
ンテ／４に当接する位ｋに来るよう＆Ｃ，ディジタル制
御器りによって制御され℃おり、シ１こがつ℃ラテンピ
ングモータ１３もまた起点の状部に保１これる。

第参図（工′直十膨彊弁ｇｘｖの開放度と、この弁ＥＸ
Ｖにおける入口６＾と出口６Ｂとでの圧力差との関係を
示し、理想的に汀このような関数で示される。丁なわち
、ここで横軸は弁ｌの閉成の置台をボし、右、嗜が全閉
の位置、基点が全開の位置である。ま１こ、１７軸１丁
圧力差を示し、このように弁／が全開の仏−では圧力差
が零、全閉Ｑ〕状態では＋１１力走が岐入埴となるつ いま、熱ポンプサイクルの停止状紗で１工、弁体コは＾
ｊｌ述し１こようＶＣ全一〇状Ｗ！Ｉにあり、したがっ
て七の圧力差も零であるが、熱ポンプサイクルが始鯛さ
れると、ディジタル制御器りで（工、外的条件に応じて
＠通の出力降下が得ら１するような弁開社となるよ’Ｉ
ｖＣステンビングモータ／３を躯動丁勺。

丁なわち、ディジタル制御器りの有するカウンタｒＣよ
り、ステンビンダモータ７３に与えた駆動用のパルス数
をカウントさせており、そのカウント数とＬつ１ことこ
ろでステンビングモータ／Ｊ　＋　停止させて、七の回
転角度を保持させる。しかして、弁体コはこのような状
すでσ〕閉成度を保つことにより、そのｄ路７０入ロ６
Ａと出口６Ｂとの閲ｌ（こ０）外的条件に対応した圧力
差を維持する。まＴこ。

開放度が全閉の状態での最大圧力差は、圧縮機Ｃの回転
数とその運転伏動における湿度条件等によって得られる
奴高値として定められるものであり。

弁体−による圧力降下蓋、丁なわち圧力差の−を、弁体
２の全閉と全開の中間では、彫り図ＶＣボ丁ように単純
に弁閉成度にほぼ比例させることができる。

たお、開放度が全開の状態での圧力差は零であり、これ
により１例えば太陽集熱器が非常ＶＣＣ湿温熱せられ１
こような状態でも、サイクルを駆動して圧縮機を駆動す
る動力を最小にすることができる。

１−一。

なお、以上では、入口６ムから流入した流体を出口１Ｂ
より流出させるようにしたが、本発明膨張弁にあっては
、かかる流路とは逆方向に、すなわち、出口６Ｂから入
口６ムに向けて流体を流すようにしてもよい。従って、
本発明によれば、冷房モードとａｉｍモードとの切換え
を従来例のような切換、、、、／ ／ ＠Ｓ図囚および俤）は、ｉｌ房モードにおけるヒートポ
ンプすイクルのＴ−８ｉｉ図を示し、同図（Ａ）は従来
の膨張弁による場合、同図（Ｂ）は本発明による場合で
ある。一般に、膨張弁においては摩擦作用を伴うから、
減圧の結果として必ず液状冷熱媒のエントロピが増大し
てしまう。し１こかつて、第５１凶ＬＡ）においては、
Ａ点からＢ点のようにＴ−８１器図が構成される。か２
′１）るサイクルり成績係数Ｃ０ＰＢ図４くのように斜
ＭＩｓの面構に対する格子線部の菌種の比で表現できる
。

他方、本発明の膨張弁は滑らかなオリフィスを持つので
低摩擦を特長とし、第５図（Ｂ）［示すよ５ＫＴ−８−
図が構成さｔし、そりん−Ｃ部分におけるエントロピの
増大、丁なわち減圧によるエントロピの増大の度合が第
５図（Ａ）　Ｋ比して小さい。

したがって、対応するｈｉ、縁係数ＣＯＰも第５図（Ａ
）の場合に比べて大きくなり、より効率の高いヒートポ
ンプを構成することができる。冷房モードについても同
様なことがいえる。

以上説明し℃きたよ’）［、本発明によれば、ディジタ
ル制御器によりステッピングモータを駆動して膨張弁を
外的条件に即応した状態に開閉するようにし１こので、
大幅な外的条件の変化にもソフトウェアにより自由に対
応できる広範囲でかつ精度の尚い制御動作か得られ、し
かも従来の膨張脅ｖｃ比し℃応答時間が短かく、渇友髪
化等のレート傷号も制御４１器により計算され、ダンピ
ング信号としてステ７ビングモータに印加することがで
きる（１＋で安Ｗ性が得られる。

史Ｋ　！　ｙ：　、七ンサ部と操作部との間に機械的な
機−が介在しないので、不感帯やヒステリシス等制御系
にとって好ましくない非線型的な動作要素が少なく、シ
かも弁の開閉動作がモータσ）回転軸によるねじＪ１動
ｆより行われるので、小さな動力で丁み装置を小型化す
ることができる。また、本発明によれ・！、″ｒＩＬｍ
式膨張弁のようにオペレーンヨナルアンプに制御則を組
み込むのでなく、１ｔｉｌＩ（財）則が全てソフトウェ
アを介してｌｎ制御器に記憶されるので、熱ポンプサイ
クルを常に最適な条件の下で付わセるようにすることが
でき、制御則の変更も容易である。

ま１こ１本発明では、オリフィスの形状が従来例に比べ
て滑らかであるので、ｔＭｍ係数が大きく、升の開放度
に対して感匿の烏いｍ皺の制御が口■能であり、ステッ
ピングモータによる微細な角運動に加えて精度の高い制
御が得られる。

【図面の簡単な説明】

ｓ１図は本発明電子膨張弁を適用した熱ポンプ装置の系
統を一例として示すブロック図、第２図は本発明電子膨
張弁の構成の一例を示す断面図、第３図はその人−Ａ線
断面図−１第ｑ図はその電子膨張弁の開放度と弁によっ
て得られる差圧との相関間係を示す線図、第５図（４）
および■）はＴ−Ｂ　＠図である０ ＥＸＶ・・・電子膨張弁、　　Ｄ・・・ディジタル制御
器、Ｃ・・・圧縮機、　　　　　ＸＣ／ＩＸｃコ・・・
熱交換器、ｌ・・・弁箱、　　　　　　／Ａｓ／ト・・
部材、／Ｃ・・・螺合部、　　　　　　コ・・・弁体、
　　３・・・ビントル、す・・・オリフィス、　　　Ｓ
・・・弁座、４Ａ・・・人口、６Ｂ・・・出口、　　　
　　　り・・・冷熱媒通路、ｌ・・・空所、　　　　　
　！・・・駆動金具１／θ・・・ナツト部材、　　　／
ｌ・・・摺動溝、／コ・・・軌条、１３・・・ステッピ
ングモータ、／ダ・・・回転軸、　　　　　／Ｓ・・・
ねじ部、／６・・・リミットスイッチ、１７・・・スト
ツノぐ、／ｌ・・・リード線、　　　　／ｌ、Ｘ）・・
・密封装置、−ハ・・金具、　　　　　　　−・・・リ
ード線。 特許出願人　株式会社　システム・ホームズ代理人弁理
士　谷　　　　−− 第５図 （Ａ） とＢ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １〕　　ステンビングモータと、該ステンビングモータ
   の回転をねじ連動ＶＣ度換する手段と、該手段に結合さ
   れ、前記ねじ運動に従って駆動され、流体の流路を滑ら
   かＫｙ化させる弁手段とを具噌したことを特徴とする電
   子ｌｉ１伽弁。 ２）特Ｉｔ−Ｆ請求の範囲第１項記載の電子膨張弁ｆお
   い又、前記弁手段は、前記ねじ連動に従って駆動される
   ほぼ紡鏝型の弁体および該弁体との闇に滑らかな流路を
   形成する弁座を有することを特徴とする電子膨張弁。 ３）特ｆｆ＃４求の範囲第１項またを１第−項に配紙の
   ′電子膨張弁において、前記流路が輩−のとぎｖｒ、　
   ＝ｕ記弁手段の上流側と下流側との圧力差かほぼ零にな
   るようにしたことを特徴とする電子膨張弁。 ４）　　１ｌＩＩＪ御則を記−し、外的条件が供給され
   たとざ′ＩＣ５当該副叫則ＶＣ応じて前記外的条件に屓
   ｍを―し、その演算出力をメルフ１５号の形態で取り一
   丁ディジタルＩＶＪ　８手段と、前記パルス悟号によっ
   て駆１ｉＪされるステンビングモータと、該ステンビン
   グモータの回転をねじ連動に笈侯′ｆる手段と、該手段
   に結合され、前記ねじ運動に従って駆動されｈ　ｂｋ体
   の流路を滑らｎ’ｖｃ亥化させる弁手段とをり、ｔ　（
   ｍ　Ｌ、前記ステンピ／グモータの回転量に応動して前
   記流艷のｔｍＦｌｌを変化させ得るようにしたことを特
   許とする電子膨張弁。 ５）特Ｆｒ１ｉＩ１１釆の範囲第ｑ項記載σノ電子膨張
   弁において、１記弁手段は、前記ねじ運動に従って１ｊ
   ４Ａ動されるはぼ紡錘型σ〕弁体および該弁体との閾に
   滑らかな流路を形成する弁座を有することを特徴とする
   電子膨張弁。 ６）特許請求の範囲第ダ項また１丁半ｊ項に記載Ｖフ延
   子膨彊升において、１ｍｌ流路が全開のときＶＣ前記弁
   手段の上流側と下Ｗｔ側との圧力差がほぼ零になるよう
   にしたことを特徴とする電子１１１１強弁。 ７Ｊ　　待針結氷の範囲第Ｖ項ないし紀６項のいずれか
   に記載の電子膨張弁において、前記弁手段ｖＣａ熱ポン
   プ系統における高温ｉｆｂ出の液状冷熱媒を通過させて
   減圧して低温低圧とするよ５ＶＣシ１こことを特做とす
   る電子膨張弁。