JPS62147182A - 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】 〔産業−にの利用分野〕 本発明はルームエアコン、パッケージエアコン。

カーエアコン、車載用エアコンおよびこれらのヒートポ
ンプエアコン等の冷凍サイクルに使用する膨張弁に関す
るもので、特に電気入力信号に比例して冷媒の流量を制
御する？？ｉ磁流量制御膨張弁を提供するものである。

〔従来の技術〕

従来より、電磁力を利用して弁を開閉し、流体の流れを
止める電磁弁（ＯＮ−ＯＦＦ式）は公知である。この技
術を利用して流量を連続的に制御可能にした電磁比例式
膨張弁は、種々提案されているが各々長所、短所を有し
ている。以下、特開昭６０−１４８５　ｒ冷媒流量制御
用電磁弁」を従来例として引用し第９図をもとに記述す
る。

図において、弁本体２０の接続’Ｉ？２１及び２２相互
を連通ずる冷媒通路２０ａにはシリンダ部材２３が固定
的に配設されている。このシリンダ部材２３の周面には
接続管２１に開口する冷媒通路孔２４が設けられている
。また、シリンダ部材２３内にはビス１−ン２５の先端
小径部が摺動可能に嵌入されている。このビスＩ〜ン２
５は小径部に連なる略中央にテーパ部２６を有して磁性
材料から形成されており、その大径部は非磁性ガイ１く
バイブ２７しこ摺動可能に嵌入されている。パイプ２７
の」三方にはコア部材２８が配され、コア部材２Ｂとビ
ス１−ン２５間には、ビス１−ン２５をコア部材２８か
ら）′！１れる方向にばね付勢するバネ部材２９が設け
られ一〇いる。コア部材２８の上端面は磁性材料から成
るケース３０に固定され、ケース３０内にはコア部材２
８に゛α磁力を付！％するためのコイル３】がボビン３
２に収納されて配設されている。

かかる構成で、コイル３］、に通電されていない場合、
ピストン２５はバネ部材２９によって］；方に抑圧され
ているので、シリンダ部材２３の冷媒通路孔２４はビス
１〜ン２５の周面により閉状態に保持される。これに対
してコイル３１に通電されると、：１７部材２８が磁化
されることから、ピストン２５がコア部材２８に吸引さ
れバネ部材２．９の弾性力と」ｌ衡するまで−ｈ　！ｌ
！ｌＩする。従って、冷媒通路孔２４が開口するので冷
媒接続管２１からの冷媒ガスが冷媒接続管２２に入り込
む。そして、ビス１〜ン２５はテーバ部２６を有してい
るので、コイル３１への通Ｗ１”Ｆｂ電流値比例した電
磁力がピストン２５に作用する。従って、通電電流値と
ピストン２５の吸引による移動敏とが比例することによ
り、通電電流値に比例させて冷媒流量を制御することが
できる。このように、通電電流値に比例させてピストン
２５を移動すると、冷媒通路２４を閑から全開まで変化
させてその開口量を制御できるので、コンプレッサ（図
示せず）からの吐出機等を大幅に変化させ、又は極めて
僅かに変化させるように確実に冷媒流量を制御すること
ができる。また、電磁式であることがら応答が速く瞬時
に、しかも適確に流量制御を行い得る。さらに１両方向
性で用いることができるので冷媒回路を簡１１に構成で
きるというものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記の如く、従来電磁弁はコイル３１に通電する電流値
を変化させてピストン２５を移４りＪさせシリンダ部材
２３を設けた冷媒通路孔２４に対するビス１〜ン２５の
位置制御（ス１〜ローク制ａｌｌ）を行うが、この方式
は周知の如く流量ヒステリシスがある。冷凍サイクルの
如き過熱度（蒸発温度と吸入ガス温度の差）を一定に制
御する様式において、とくに支障をきたすことはないが
、サイクルの安定性、流聴制御性という観点から好まし
くない。

また、本様式の電磁石は実用上の寸法制約から磁路の有
効面積が大きくとれないため、その吸引力は小さく通常
数ｋｇ程度である。このためピストン２５には、静的な
圧力バランスをとるための貫通孔３３が設けであるが、
過渡期にバランスがとれず多少の圧力脈動（流量脈動）
か発生する。さらに、コイル３１への信号が「○ＦＦ」
になった場合、ビス１−ン２５はシリンダ部材２３に設
けた冷媒通路孔２４を閉止する位置にあり冷媒の流れを
阻止するが、ピストン２５は軸方向で摺動可能にシリン
ダ部材２３に嵌入されており、両者の隙間より高温高圧
冷媒は流れ出てしまう。この高温高圧冷媒は蒸発器、方
向弁、減圧器等（図示せず）を経て、コンプレッサに至
たる。従って、蒸発器は高温高圧冷媒にて温度」二昇し
熱負荷となる。また、コンプレッサへの液戻りによって
運転に支障をきたし、サイクルの信頼性が損なわれるな
どの欠点がある。

本発明の目的は、上記した問題点を解決しようというも
のであり、流量ヒステリシスの影響を受けない弁構造で
あって、従来弁より応答速度が速く、しかも発生力の大
きい電磁石により、流量脈動もなく広範囲の流量制御を
閑度良く行わせしめるとともに、一般のｉｔ電磁弁ス１
−ツブ弁）的機能も合わせもった冷媒制御弁を提供する
ことを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、流量制御部に円錐弁を用い、この円錐弁を
拘束しオリフィス及び均圧溝を内蔵する筒状シャフトを
Ｉ′？ＩＦ！ＦＩＪさせる弁体構造と、これを駆動する
アクチュエータに平板型電磁石を用いることによって達
成される。

筒状シャツ＋−のオリフィス部には、静的圧力バランス
を得るための均圧１１４が該オリフィスより連量的に設
けられており、Ｍｆ記シャフ１〜の一端面には磁性材料
よりなるアーマチャが機械的に結合される。該アーマチ
ャは、シヤフトを円錐弁に抑圧するばね部材の押圧力と
、電磁石の吸引力の釣り合いによって定まる移動量が所
望の流量を得られる位置に配設されるという構成である
。

〔作用〕

かかる構成で、筒状シャフトは平板型ＴＳｆ、磁石に通
電される電流値に比例して吸引力と、ばね部材の反撥力
が釣り合うところでシャツ１〜の位置が定まり冷媒通路
口が開口されるが、この際、高湿高圧の冷媒は、オリフ
ィス部に設けた均圧溝で瞬時に流体圧力が解除される。

また、冷媒が流れる際に生ずる軸推力は、ばね部材の反
撥力に比べて十分小さいので流量変化に及ぼす影響も極
僅かである。従って、良好な流量制御が行える。一方、
電流変化に対する追従性も極めて高く、その速度は従来
弁の約１０倍になる。ちなみに、弁の全閉から全開まで
の応答時間は数ｍ　ｓｅｃである。以って、両者の相乗
効果により、広範囲の流量制御を極めて高精度に行うこ
とができる。

さらに、＼［Ｌ仮型電磁石はアーマチャに磁束が集中で
きること、摺動方向と磁束の方向が一致すること、熱放
散効率が高いこと等から一比記した応答速度が速いこと
は勿論であるが、その発生力も大きい。このため、ばね
部材の定数を大きくできるため、シャフトを円錐弁に押
圧する力が大きくとれる６即ち、通電を止めたときに流
体圧に抗して瞬時に冷媒通路をしゃ断できる。弁体には
従来弁の如き隙間が存在しないため冷媒を完全にしゃ断
できる。いわゆる自己しめ切り機能をもたせることがで
きる。

〔実施例〕

以下１本発明の実施例を図を用いて説明する。

第１図は、第１実施例を示す縦断面図、第２図は第１実
施例の流聴特性を示す模擬図である。第７３図は第２実
施例を示し、第１実施例の弁体部の変形例を示す。第４
図は第２実施例の流は特性を示す模擬図である。第５図
は第３実施例を示す部分縦断面図であり、ばね部材に非
線形ばねを用いた例である。第６図は第３実施例の変位
と吸引力の関係を示す模擬図である。第７図は第４の実
施例を示す縦断面図であり、平板型電磁石構造の変形例
である。第８図は第４実施例の変位と吸引力の関係を示
す模擬図である。

第１図において、１はフランジ１ａの軸中心部より突出
した軸棒１ｂの先端部に設けたテーパ部］Ｃを有するニ
ードル部材で、ニードル部材１の軸棒１ｂの内部には冷
媒通路孔２及び３が設けである。４は内部にオリフィス
４ａを有する中空円筒状シャフトで、軸棒１ｂに隙間を
小さくして嵌入されている。５はシヤフト４内に設けた
均圧ｉ？４で、オリフィス４ａより拡大連続して軸方向
に適宜延長されている。６はシャフトの外周に挿入され
た同心円筒のステータで、その断面は凹形形状よりなる
。該ステータ６内にはコイル７が配設されている。ステ
ータ６のコイル７開放側は外周部をフランジ１ａに適当
な間隙をもって機械的に結合され、閉′Ｊｔ側は内部に
冷媒通路孔８ａを有する継手８が設けである。９は磁性
材料よりなるアーマチャで、フランジ１ａとステータ６
間に介在し、シャフト４に機械的に結合される。、１０
はフランジ１ａとシヤフト４間に設けた○リングで、軸
棒１ｂとシャツｌ−４間の隙間よりコイル７側へ流入す
る冷媒の流れを阻止する。１１はシャフト４のオリフィ
ス４ａ側で、かつ外周部に設けたばね座、１２は継手８
とばね座１１間に設けたばね部材である。

かかる状態では、ばね部材１の復元力によってばね座１
１及びこれに連動するシャフト４はニードル部材１に押
圧されている。すなわち、シャフト４内に設けた′オリ
フィス４ａはニードル部材１の軸棒１ｂの先端部に設け
たテーパ部ＩＣに押圧されており冷媒通路孔２，３及び
８ａは遮断されている。なお、本実施例ではコイル７は
２箇並列に設けであるが、１箇もしくは複数個であって
も差し支えない。また、ニードル部材】及び継手８には
冷媒配管（図示せず）が接続されている。

以下、上記の様に構成される膨張弁の動作について説明
する。コイル７に通電されると、ステータロとアーマチ
ャ９間に磁路が生じアーマチャ９がステータ６に吸引さ
れる。従って、アーマチャ９に機械的に結合されたシャ
フト４がばね部材１２の弾性力と平衡するまで移動する
。すなわち。

図中の点線で示した矢印方向に動く。これによって、シ
ヤフト４内に設けたオリフィス４ａがニードル部材１の
軸棒１ｂの先端に設けたテーパ部］−Ｃより離脱し冷媒
通路孔２，３及び８ａが開口連通される。この際、高温
高圧の冷媒は冷媒通路孔２から８ａ方向へ、あるいは逆
に８８から２方向へ流れる。冷媒の流量制御は、コイル
７に通電する電流値の制御によって連続的に可変される
。

すなわち、コイル７への通電電流値に対応して、コイル
７の吸引力とばね部材１２の弾性力の釣り合い位置がニ
ードル部材１の軸棒１ｂに設けたテーパ部１ｃ上を移動
し、以って開口面積が連続的に変化するものである。コ
イル７に通電する電流の制御は、パルス幅変調方式（Ｐ
、Ｗ、Ｍ方式）をとり流量ヒステリシスの発生を抑制し
ている。一方、シャフト４内に流入した冷媒は、均圧溝
５により瞬時に圧力バランスされシャフト４に作用する
面圧力は解除される。また、シャフト４に作用する軸推
力は、ばね部材１２０弾性力に比べて１分車さいのでｈ
１δ量制御にり、える影響は無視される。

電磁石は磁束が集中できること、磁束の方向が摺動方向
と一致すること、熱放散効率が高いこと等を考慮し平板
型゛１１！磁石を用いた。従って、応答速度が速く、し
かも大きな吸引力が得られる。実施例においては、応答
速度の速さによって、オリフィス４ａがより高速に動作
し流量ヒステリシスの抑制に寄与することは勿論である
が流量制御性の向上が著しく図れるものである。ちなみ
に、本実施例の様式によれば、同程度の大きさの従来弁
に比べ応答速度は約１０倍程度速（なる。また、大きな
吸引力によって、定数の大きいばね部材１２を使用でき
るため、シャツ１へ４に作用する弾性力を向上でき、冷
媒の流れによる軸推力の影響や圧力変動による影響を極
めて小さくでき良好な流量制御が行える。ちなみに、本
実施例の様式によれば吸引力は２０ＯＮ程度であり、従
来様式の約８倍になる。

コイル７への通電を止めたとき、ばね部材１２の復元力
によってオリフィス４ａはニードル部材１の軸棒１ｂに
設けたテーパ部１ｃに瞬時に押圧される。従って、冷媒
通路孔２及び３と８　ａ　ｌｔ、瞬時に遮断され冷媒の
流れが１トまる。オリフィス４ａがテーパ部ＩＣを抑圧
する力は、シャフト４に作用する軸推力に比べて非常に
大きいこと、またシャフト４に設けた均圧溝５により静
的な圧力バランスが得られることから冷媒通孔は開口さ
れることはない。従来弁の如きピストンが摺動する弁構
では、ビス１〜ンとシリンダの隙間から冷媒のもれが生
じたが５本実施例では冷媒の流れを完全に阻１ヒでき一
般の電磁弁（ストップ弁）的機能を有している。いわゆ
る自己閉止機能をもっている。

第３回は、本発明の第２実施例を示すもので、その主要
部分であるニードル部材１の変形例である。第３図にお
いて、第１図と同一符号は同一部品を示す。本実施例は
ニードル部材】−の軸棒１ｂに設けたテーパ部１ｃに別
なる角度を有するテーパ部１３を連続して設は冷媒流量
の制御範囲を拡大せしめたものである。冷媒流量の制御
様式について、第２図及び第４図の模擬図を用いて説明
する。第２図は第１実施例の流量特性図であり、横軸に
変位、縦軸に流量を示す。変位：すなわちオリフィス４
ａが閉状態からコイル７への電流値によって移動した距
離、がｘｏからｘｚまで移動すると、流量はｑｏからｑ
ｉまで比例的に得られる。

一方、第２の実施例は、第４図に示す流量特性図から明
らかな様に、変位ｘ１からｘｚにおいて急激な流域変化
（Ｔ２１９３が得られるため制御流量はｑｏから９３−
まで広範囲に得らるというものである。

第５図は、本発明の第３実施例であり、その主要部分で
ある部分断面図を示す。第５図において、第１図と同一
符号は同一部品を示す。本実施例は、ばね部材に非線形
ばねを用いたものである。非線形ばねは、ＬＩ的用途に
応じて種々の方式が考えられるが、本実施例では円すい
形コイルはね１４を用いている。以下にその動作を第６
図を用いて説明する。第６図は吸引力特性を示す。図に
おいて、横軸は変位を示し、縦軸は吸引力を示す。また
、図中の実線はコイル７に電流１１・・・・・・ｉｎ　
を通電したときの各々吸引力曲線を示し、点線は円すい
形コイルばね１４のばね力を示す。コイル７に電流１１
を通電すると、円すい形コイルばね１４のばね力との交
点Ｐで釣り合う。すなわち、シャツ１〜４は初期位置か
らこの釣り合い位ｔｌ￥Ｐによって得られる距離だけ移
動しそこで安定する。次にコイル７に電流ｉｚを通゛直
するとばね力との交点Ｑで釣り合いシャフト４は位ＩＨ
ｐからＱへと移動する。このように、非線形ばねを用い
れば吸引力とばね力の釣り合い位置が一点で定まり広範
囲の位置決めが０丁能になる。従つ°Ｃ１冷媒の流量制
御を広範囲に安定して行うことができる。

第７図は、本発明の第４実施例を示す縦断面図である。

第７図において、第１図と同一符号は同一部品を示す。

本実施例は電磁石の吸引力特性を改良する目的でその構
造を変更したものである。

図において、ステータ１５内に設けたコイル７は、コイ
ル７の開放側より空間１５　ａをもって挿入される。ア
ーマチャ１６は、突起１．６　ａが設けてあり、この突
起１６ａはコイル７に対向した位ｔγｔにある。突起１
６ａは１図中に示した矢印方向に吸引された際、空間１
．５　ａに適当な間隙をもって挿入される。次にその動
作を第８図を用いて説明する。第８図は、本実施例の吸
引力特性を表わしたものであり、横軸に変位を、縦軸に
吸引力を示す。

図中の実線は、電流ｉｓ・・・・・・ｉｎに対応する吸
引力を示し、点線はばね力を示す。吸引力は変位に対し
変曲点を有し、変曲点以後、変位に対して吸引力は略一
定になる特性を示す。すなわち、コイル７に通電する電
流値１１・・・・・・ｉｎにおいて、吸引力とばね力の
交点Ｐ、Ｑ、Ｒは各々一点で定まる。従って、第３実施
例で説明したように、シャフト４の位置決めが広範囲に
行え、もって冷媒流量を広範囲に安定して行うことがで
きる。

尚１本発明の第１実施例から第４実施例における膨張弁
を各々ヒートポンプエアコンに適用した場合においても
支障はない。すなわち、冷房時と暖房時には、冷媒の流
れ方向が変わりオリフィス４ａの上流及び下流の圧力が
逆転するが、中空円筒状シャフト４に設けた均圧溝５に
よって、いずれの場合も瞬時に圧力バランスし流体圧力
の影響は受けない。また、冷房時、暖房時の流量制御は
略同等の電流値によって得られ、両システムの構成上、
特別の装置を付加する必要はない。すなわち、冷房時、
暖房時のいずれの場合でも流量制御が可能な可逆流通性
を持っている。さらに、本実施例の平板型電磁石におい
ては、磁路の有効断面積が大きくとれることから、少な
い電力で大きな発生力と高速な応答が得られ、従来電磁
石に比べて著しく省電力化が図れるものである。また、
伝熱面積が大きいため熱放散効率も良く、コイルの温度
上昇が抑制され冷凍サイクルの如き比較的高い雰囲気温
度で使用された場合においても高い信頼性が得られると
いうものである。

〔発明の効果〕

以上説明した様に、本発明の膨張弁によれば、コンプレ
ッサから供給される高温高圧冷媒を、固定したニードル
部材の内部及びニードル部材の外周にて摺動する中空円
筒状シャフト内の均圧溝、オリフィスを経て弁内外へ流
通をさせたことにより、高温高圧冷媒の流体力を解除せ
しめたこと、また平板型Ｘπ磁石の高速動作と大きな吸
引力をシャツＩ・に伝達し、高温高圧冷媒の流体力（軸
推力）を抑制しシャフトを高速で１．１７　ｍせしめた
ことにより、広範囲の流量制御を精度良く行い得る膨張
ノｔ・を提供できるものである。また、電磁石への通電
を止めたとき、瞬時にオリフィスを閉止し、冷媒の流れ
を完全に遮断できる。いわゆる一般の電磁弁（スＩ・ツ
ブ弁゛）とＩＩ′＋１様に自己閉出機能を有する膨張弁
を提供できるものである。さらに、本発明の膨張弁にお
いては、冷媒の流れ方向が変わった場合でも、流体圧力
の影響を解除し冷媒流量を精度良く広範囲に制御できる
可逆流通性を有している。尚、本膨張弁を適用した冷凍
サイクルにおいては、その運転性の向」−は勿論である
が、前記した様に自己閉止機ｆ１２があることから運転
を伴出した際、膨張弁からの冷媒もれがないため、サイ
クルの信頼性向上が図れるという実用上の効果も大きい
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す縦断面図、第２図は
第１実施例の流量特性を示す模擬図、第３図は本発明の
第２実施例を示す部分断面図、第４図は第２実施例の流
量特性を示す模擬図、第５図は本発明の第３実施例を示
す部分断面図、第６図は第３実施例の吸引力特性を示す
模擬図、第７図は本発明の第４実施例を示す縦断面図、
第８図は第４実施例の吸引力特性を示す模擬図、第９同
省　１　　図 χ０Ｚｚ 受伎 １５　　　　　　　　　　　　　少ｆｎ■　５　図 ３久 １乙　図 令 ↑イＬ ３又 χユーーーーχ、　　為 膏値

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　フランジの中心部より軸方向に適宜延長され。内部に
   流体通路孔を備えるニードルと、内部にオリフイス及び
   均圧溝を備え、該オリフイスが前記ニードルの先端近傍
   で所望の弁開度が得られる位置に嵌入される中空円筒状
   のシヤフトと、該シヤフトの外側に、かつ前記ニードル
   のフランジ外周面で機械的に結合されるステータと、該
   ステータ内に設けた電磁コイルと、前記ステータと前記
   ニードルのフランジ間に介在し、前記シヤフトに機械的
   に結合される磁性材料より成る平板型アーマチヤと、前
   記ステータに結合され、前記ニードルの流体通路孔と連
   通する別なる流体通路孔を備える弁継手と、該弁継手と
   前記シヤフト間に設けたばね部材とより構成される冷凍
   機用膨張弁。