WO2015163002A1

WO2015163002A1 - 絞り装置

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Publication number: WO2015163002A1
Application number: PCT/JP2015/055871
Authority: WO
Inventors: 裕正高田; 雄一郎當山
Original assignee: 株式会社鷺宮製作所
Priority date: 2014-04-21
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2015-10-29
Also published as: CN106133420B; CN106133420A; US10054343B2; EP3135968A4; EP3135968A1; JP5971871B2; US20170030614A1; JP2015206413A

Abstract

　冷凍サイクルの凝縮器により冷却された冷媒を減圧して蒸発器に送り出す絞り装置（１０）において、ニードル弁（４）による弁開度を凝縮圧力に追従した制御とする。凝縮器に接続される一次室（１１）と蒸発器に接続される二次室（１２）とを構成する円筒状の本体ケース（１）内に、弁ポート（２１）が形成された弁座部材（２）と、この弁座部材（２）と一体の円筒状のガイド部材（３）とを設ける。ガイド部材（３）内にニードル弁（４）を弁ポート（２１）側に付勢するコイルばね（６）を設ける。ガイド部材（３）でニードル弁（４）を軸線（Ｌ）に沿ってガイドして弁ポート（２１）の開度を可変にする。ガイド部材（３）と本体ケース（１）との隙間を弁ポート（２１）から二次室（１２）に対して冷媒を送り出す本体側流路（１３）とする。ガイド部材（３）内のニードル弁（４）の背空間を中間圧力室（４４）とする。中間圧力導入路（４５）により、弁ポート（２１）からの冷媒を中間圧力室（４４）内に導入する。

Description

絞り装置

　本発明は、空気調和機等の冷凍サイクルの凝縮器と蒸発器との間に設けられる絞り装置に関する。

　従来、この種の絞り装置として、例えば特開昭５５－４４１４９号公報（特許文献１）、特開昭５５－４４１５０号公報（特許文献２）及び実開昭５９－２５７５６号公報（特許文献３）に開示されたものがある。

　上記従来の絞り装置は、凝縮器側（一次側）の冷媒の圧力と蒸発器側（二次側）の冷媒の圧力との差圧に応じて弁開度が変化する差圧式膨張弁であり、この差圧による力に抗して弁体を弁閉方向に付勢するコイルばね（スプリング）を有している。そして、この差圧とコイルばねのばね定数に対応して弁開度特性が決められている。

特開昭５５－４４１４９号公報特開昭５５－４４１５０号公報実開昭５９－２５７５６号公報

　従来の絞り装置（差圧式膨張弁）では、通常運転時には想定した差圧によって弁開度も決まるため、良好な制御性が得られる。しかしながら、例えば二次側圧力（蒸発器の圧力）が高くなった場合、差圧が想定値より小さくなって弁閉の状態となり一次側圧力（凝縮器の圧力）も二次側圧力に追従して高くならざるを得ない。このため、二次側圧力が過度に上昇した場合や、圧縮機の運転開始時においては、凝縮器の圧力も必要以上に上昇し、その結果、圧縮機の吐出温度も異常な上昇をし、圧縮機が停止してしまうという問題がある。

　また、特許文献３の図２のような構成とした場合、弁ポート通過後の冷媒の流路中にコイルばねが配置されるため、キャビテーションによる振動がコイルばねに伝わり、音が増幅されたり冷媒通過時の振動がコイルばねに伝わり、異音が発生するという問題がある。　　　

　本発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたものであり、弁体による弁開度を一次側圧力と二次側圧力の差圧のみによらず凝縮圧力に追従した制御とすることを課題とする。

　請求項１の絞り装置は、冷凍サイクルの凝縮器と蒸発器との間に設けられ、前記凝縮器により冷却された冷媒を減圧して前記蒸発器に送り出す絞り装置であって、前記凝縮器に接続される一次室と前記蒸発器に接続される二次室とを構成する本体ケースと、弁ポートが形成され前記本体ケース内で前記一次室と前記二次室との間に配設された弁座部材と、前記弁ポートの軸線と同軸にして前記本体ケース内の前記二次室側に配置された円筒状のガイド部材と、前記ガイド部材によりガイドされて前記軸線に沿って移動することにより前記弁ポートの開度を可変にする弁体と、前記ガイド部材内に配置され前記弁体を前記弁ポート側に付勢するばね部材と、を備え、前記ガイド部材と前記本体ケースとの隙間を前記弁ポートから前記二次室に対して冷媒を送り出す本体側流路とするとともに、前記ガイド部材内の前記弁体の背空間を中間圧力室とし、前記弁ポートからの冷媒を前記中間圧力室に導入する中間圧力導入路を設けたことを特徴とする。

　請求項２の絞り装置は、請求項１に記載の絞り装置であって、前記本体側流路の流路面積よりも、前記中間圧力導入路の流路面積の方が小さくなっていることを特徴とする。

　請求項３の絞り装置は、請求項１または２に記載の絞り装置であって、前記弁体中間圧力導入路が、前記弁体と前記ガイド部材との隙間により構成されていることを特徴とする。

　請求項４の絞り装置は、請求項１または２に記載の絞り装置であって、前記弁体中間圧力導入路が、前記弁体の内部に形成されていることを特徴とする。

　請求項１の絞り装置によれば、冷凍サイクルの凝縮器により冷却された冷媒を減圧して蒸発器に送り出す絞り装置において、弁体の背空間となる中間圧力室に、一次室の圧力に近い中間圧力を導入するようにしたので、一次室の圧力と二次室の圧力の差圧のみによる制御に比べて、より凝縮圧力に追従した制御が可能となり、二次室の圧力が高くなっても、凝縮圧力に従って冷房運転を継続することができる。

　請求項２の絞り装置によれば、、請求項１の効果に加えて、中間圧力導入路から中間圧力室に導入される冷媒は、本体側流路を流れる冷媒より流量が十分小さくなり、冷媒が中間圧力室内のばね部材を通過する際に、騒音が発生することもない。

　請求項３の絞り装置によれば、請求項１または２の効果に加えて、弁ポートからの冷媒を中間圧力室に導入するための中間圧力導入路を容易に形成できる。

　請求項４の絞り装置によれば、請求項１または２の効果に加えて、弁ポートからの冷媒を中間圧力室に導入するための中間圧力導入路を弁体の内部に形成したので、中間圧力導入路を流れる冷媒の流量の設定が容易になる。

本発明の第１実施形態の絞り装置の縦断面図（図１（Ａ））及び平断面図（図１（Ｂ））である。第１実施形態の絞り装置におけるストッパ部材の平面図（図２（Ａ））及び縦断面図（図２（Ｂ））である。実施形態の冷凍サイクルの概略構成図である。第１実施形態の絞り装置における冷媒の流れを説明する図である。る。本発明の第２実施形態の絞り装置の縦断面図（図５（Ａ））及び平断面図（図５（Ｂ））である。本発明の第３実施形態の絞り装置の縦断面図（図６（Ａ））及び平断面図（図６（Ｂ））である。

　次に、本発明の絞り装置の実施形態を図面を参照して説明する。図１は第１実施形態の絞り装置の縦断面図（図１（Ａ））及び平断面図（図１（Ｂ））、図２は第１実施形態の絞り装置におけるストッパ部材の平面図（図２（Ａ））及び縦断面図（図２（Ｂ））、図３は実施形態の冷凍サイクルの概略構成図である。なお、図１、図５及び図６において、（Ｂ）図は（Ａ）図におけるＡ－Ａ断面である。

　まず、図３の冷凍サイクルについて説明する。この冷凍サイクルは、例えば車載用の空気調和機を構成しており、車両の動力が伝達される圧縮機１００と、凝縮器１１０と、実施形態の絞り装置１０と、蒸発器１２０とを有している。圧縮機１００で圧縮された冷媒は凝縮器１１０に供給され、この凝縮器１１０で冷却された冷媒は絞り装置１０に送られる。絞り装置１０は後述のように冷媒を膨張減圧して蒸発器１２０に送る。そして、この蒸発器１２０により車室内が冷却され、冷房の機能が得られる。蒸発器１２０で蒸発した冷媒は圧縮機１００に循環される。

　図１に示すように、絞り装置１０は、金属管からなる本体ケース１と、金属製の弁座部材２と、ガイド部材３と、「弁体」としてのニードル弁４と、調整ねじ５と、「ばね部材」としてのコイルばね６と、ストッパ部材７とを備えている。なお、弁座部材２とガイド部材３は金属材の切削等により一体に形成されている。

　本体ケース１は軸線Ｌを中心とする円筒状の形状で、前記凝縮器１１０に接続される一次室１１と前記蒸発器１２０に接続される二次室１２とを構成している。弁座部材２は本体ケース１の内面に整合する略円柱形状である。弁座部材２の外周面の全周（軸線Ｌ廻りの全周）には、かしめ溝２ａが形成されており、このかしめ溝２ａの位置で本体ケース１をかしめることにより、弁座部材２（及びガイド部材３）が本体ケース１内に固定されている。これにより、弁座部材２は一次室１１と二次室１２との間に配設されている。

　また、弁座部材２には、軸線Ｌを中心とする円柱孔をなす弁ポート２１が形成されるとともに、弁座部材２と同軸にして弁ポート２１から一次室１１側に開口するねじ穴２２が形成されている。ねじ穴２２の内周には雌ねじ部２２ａが形成されている。

　ガイド部材３は円筒状の形状であり弁座部材２から二次室１２内に立設されており、このガイド部材３と本体ケース１との隙間は本体側流路１３となっている。ガイド部材３は軸線Ｌを中心とする円柱状のガイド孔３１を有するとともに、弁座部材２に隣接する位置にガイド孔３１と外部（二次室１２）とを導通する開放孔３２が形成されている。また、ガイド孔３１の端部内周面には雌ねじ部３１ａが形成されている。

　ニードル弁４は、先端部４１ａの端面を略平坦にした円錐状のニードル部４１と、ガイド部材３のガイド孔３１内に挿通される挿通部４２と、挿通部４２の端部に形成されたボス部４３とを有している。挿通部４２は略円柱状の形状をしており、この挿通部４２がガイド孔３１に挿通されることで、ニードル弁４は軸線Ｌに沿って移動するようにガイドされる。そして、ガイド孔３１のニードル弁４の背空間は、中間圧力室４４となっている。なお、ニードル部４１の先端部４１ａは、差圧に応じて絞り装置の弁開度を可変制御することで冷媒の流量を調整している際にニードル弁４が二次室１２側に移動して弁ポート２１の開度が最大となった時でも、弁ポート２１から外れないようなニードル部の一部分である。

　また、挿通部４２の側面２カ所にはＤカット面４２ａが形成されており、このＤカット面４２ａとガイド孔３１の内面との隙間は、弁ポート２１側の空間から中間圧力室４４に通じる中間圧力導入路４５となっている。なお、ボス部４３には、ガイド孔３１の内周面にはねを摺接させた菊ばね４３ａが填め込まれている。この菊ばね４３ａにより、ニードル弁４とガイド孔３１とのクリアランスによるニードル弁４の振動が防止される。

　調整ねじ５は略円柱状の形状で、その外周に雄ねじ部５ａが形成されるとともに、二次室１２側の端部にマイナスドライバを嵌合するスリット５ｂが形成されている。また、調整ねじ５にはその中心に抜き孔５１が貫通して形成されている。

　コイルばね６は、ガイド孔３１内で菊ばね４３ａを介してニードル弁４と調整ねじ５との間に圧縮した状態で配設されている。そして、調整ねじ５は、その外周の雄ねじ部５ａをガイド孔３１の雌ねじ部３１ａに螺合することにより、ガイド部材３に取り付けられている。これにより、コイルばね６はニードル弁４を一次室１１側に付勢しており、このニードル弁４を付勢する付勢力は、調整ねじ５のガイド部材３に対するねじ込み量により調整される。

　ストッパ部材７は略円柱状の形状で、その外周に雄ねじ部７ａが形成されている。また、このストッパ部材７には、軸Ｌ周りに３つの導通孔７１が形成されている。そして、ストッパ部材７は、その外周の雄ねじ部７ａを弁座部材２のねじ穴２２の雌ねじ部２２ａに螺合することにより、弁座部材２に取り付けられている。

　図１の状態では、ニードル弁４のニードル部４１の先端部４１ａは、弁ポート２１から一次室１１側に突出している。このニードル部４１の先端部４１ａの端面はストッパ部材７のストッパ面７２に当接しており、このニードル部４１と弁ポート２１との間には隙間が形成されている。すなわち、ニードル弁４は弁座部材２に対して着座していない状態である。このニードル部４１と弁ポート２１との隙間は、一次室１１から二次室１２側への冷媒の流れを絞って膨張減圧する「オリフィス」となる。ニードル部４１の先端部４１ａの位置（弁体の一次室側端部の位置）はストッパ部材７により位置決めされる。このオリフィスを流れる冷媒の流量、すなわちブリード流量は、ストッパ部材７の弁座部材２に対するねじ込み量により調整できる。このように、ねじ込み量により調整できるので、ブリード流量をきわめて精度良く調整できる。ストッパ部材７の位置調整をした後は、ストッパ部材７は、例えば接着、ろう付け、かしめ等により弁座部材２に固定する。

　以上の構成により、凝縮器１１０からの高圧冷媒は一次室１１に流入すると、図４に矢印で示すように、一次室１１の冷媒は、ストッパ部材７の導通孔７１から弁ポート２１とニードル部４１との隙間（オリフィス）を通ってガイド孔３１内に流出する。このガイド孔３１に流出した冷媒は分流され、一方の流れの冷媒はガイド部材３の開放孔３２から本体側流路１３に流れ、他方の流れの冷媒は中間圧力導入路４５を通って中間圧力室４４に流入する。本体側流路１３の冷媒はそのまま二次室１２に流れ込むが、中間圧力室４４の冷媒は、調整ねじ５の抜き孔５１を介して二次室１２に流れ出す。

　ここで、一次室１１の冷媒の圧力をＰ１、中間圧力室４４の冷媒の圧力をＰＭ、二次室１２の冷媒の圧力をＰ２とする。中間圧力室４４には弁ポート２１の通過直後の冷媒が導入されるため、この中間圧力室４４の冷媒の圧力ＰＭは二次室１２側の冷媒の圧力Ｐ２より高くなる。すなわち、
Ｐ２＜ＰＭ＜Ｐ１
の関係になる。
このように、中間圧力室４４の圧力ＰＭは、二次室１２の圧力Ｐ２に比べて、一次室１１の圧力Ｐ１により近い圧力（中間圧力）とすることができる。

　圧力Ｐ２と圧力ＰＭはニードル弁４に対して弁閉方向に力を及ぼし、圧力Ｐ１はニードル弁４に対して弁開方向に力を及ぼす。すなわち、Ｐ１とＰ２の差圧とＰ１とＰＭの差圧による力は、ニードル弁４に対して弁開方向に作用する。このニードル弁４に作用する差圧による力は、コイルばね６の付勢力とバランスして、ニードル弁４の位置すなわち弁ポート２１の開度が決まる。

　したがって、この実施形態の場合と、中間圧力室４４及び中間圧力導入路４５が無く、二次室１２の圧力Ｐ２だけが弁閉方向に作用するような場合とを、同じ弁開度として比較すると、実施形態の場合のほうが、中間圧力室４４の圧力ＰＭの分だけ、後者よりもコイルばね６のばね定数を小さくすることができる。さらに、一次室１１の圧力Ｐ１とこの圧力Ｐ１に近い中間圧力室４４の圧力ＰＭとにより弁開度を決めることができるので、より凝縮圧力（凝縮器１１０の圧力）に追従した制御が可能となる。これにより、二次室１２の圧力が高くなっても、凝縮圧力に従って冷房運転を継続することができる。

　また、本体側流路１３の流路面積Ａ１よりも、中間圧力導入路４５の流路面積Ａ２の方が小さくなっている。したがって、中間圧力導入路４５から中間圧力室４４に導入される冷媒は、本体側流路１３を流れる冷媒より流量が十分小さくなり、冷媒が中間圧力室４４内のコイルばね６を通過する際に、騒音が発生することもない。

　また、この実施形態では、ストッパ部材７によりニードル弁４が弁座部材２に着座しない構造になっているので、例えば冷凍サイクルに冷媒をチャージする時に二次側の配管からチャージして二次室１２に高圧が印加されても、ニードル部４１が弁ポート２１に食い込んでしまうようなことがない。さらに、前記のようにストッパ部材７によりニードル部４１と弁ポート２１との最小隙間（オリフィス）を確保する構造となっているので、仮に、この隙間に異物が詰まっても、ニードル弁４を開動作させることで、この異物を流してしまうことができる。すなわち、弁ポートの周囲やニードル部に小孔などのブリードポートを設ける構造では異物が詰まりっぱなしになる可能性があるが、実施形態ではそのようなことがない。

　また、ストッパ部材７によりニードル部４１の位置を微調整できる構造となっているので、簡単な構造で弁ポート２１との最小隙間（オリフィス）を調整できるとともに、ストッパ部材７は弁ポート２１に連通する位置に設けてあるので、このストッパ部材７の取り付け部での裏洩れ等を全く考慮する必要がない。

　図５は第２実施形態の絞り装置の縦断面図（図５（Ａ））及び平断面図（図５（Ｂ））である。なお、以下の第２実施形態及び第３実施形態において第１実施形態と同様な要素には図１乃至図４と同符号を付記して重複する説明は適宜省略する。また、第２実施形態及び第３実施形態の絞り装置１０も図３の冷凍サイクルに設けられるのも第１実施形態と同様である。

　この第２実施形態の絞り装置１０は、ニードル弁４に、弁ポート２１側の空間から中間圧力室４４に通じる中間圧力導入路４６を設けたものである。この中間圧力導入路４６は、ニードル部４１の側面から中心に斜めに穿った孔と、ボス部４３及び挿通部４２の中心を穿った孔とで構成されている。そして、第１実施形態と同様に、弁ポート２１から流出した冷媒の一部の冷媒はこの中間圧力導入路４６を通って中間圧力室４４に流入する。したがって、この第２実施形態でも、第１実施形態と同様に、凝縮圧力（凝縮器１１０の圧力）に追従した制御が可能となる。これにより、二次室１２の圧力が高くなっても、凝縮圧力に従って冷房運転を継続することができる。

　また、本体側流路１３の流路面積Ａ１よりも、中間圧力導入路４６の流路面積Ａ２の方が小さくなっている。したがって、中間圧力導入路４６から中間圧力室４４に導入される冷媒は、本体側流路１３を流れる冷媒より流量が十分小さくなり、冷媒が中間圧力室４４内のコイルばね６を通過する際に、騒音が発生することもない。なお、この第２実施形態では、中間圧力導入路４６の径によって流量が決まるので、流量の設定が容易になる。

　図６は第３実施形態の絞り装置の縦断面図（図６（Ａ））及び平断面図（図６（Ｂ））である。第１実施形態ではニードル弁４の挿通部４２にＤカット面４２ａを形成することにより、中間圧力導入路４５を設けるようにしているが、この第３実施形態の絞り装置１０は、ニードル弁４の挿通部４７の外径をガイド孔３１の内径より小さくし、この挿通部４７とガイド孔３１との隙間を、弁ポート２１側の空間から中間圧力室４４に通じる中間圧力導入路４８としたものである。そして、第１実施形態と同様に、弁ポート２１から流出した冷媒の一部の冷媒はこの中間圧力導入路４８を通って中間圧力室４４に流入する。したがって、この第３実施形態でも、第１実施形態と同様に、凝縮圧力（凝縮器１１０の圧力）に追従した制御が可能となる。これにより、二次室１２の圧力が高くなっても、凝縮圧力に従って冷房運転を継続することができる。

　また、本体側流路１３の流路面積Ａ１よりも、中間圧力導入路４８の流路面積Ａ２の方が小さくなっている。したがって、中間圧力導入路４８から中間圧力室４４に導入される冷媒は、本体側流路１３を流れる冷媒より流量が十分小さくなり、冷媒が中間圧力室４４内のコイルばね６を通過する際に、騒音が発生することもない。なお、この第３実施形態ではニードル弁４はガイド孔３１により直接はガイドされないが、前記同様に菊ばね４３ａにより、ニードル弁４はガイド孔３１に倣ってガイドされる。

　以上の実施形態では、弁体がニードル弁である例について説明したが、本発明はこれに限らず、ガイド部材に挿通する挿通部を有するボール弁や頂角の大きな円錐形状の弁などでもよい。この場合も、ガイド部材のガイド孔の弁体（挿通部）の背空間を中間圧力室とし、弁ポートから流出した冷媒の一部の冷媒を中間圧力導入路を通って中間圧力室に流入させれば、前記実施形態と同様に、凝縮圧力（凝縮器１１０の圧力）に追従した制御が可能となる。

　また、上記ボール弁や頂角の大きな円錐形状の弁などの場合でも、弁座部材に対して一次室側に配置したストッパ部材により、弁体の一次室側端部にストッパ部材を当接させて、この一次室側端部の位置を位置決めすれば、前記実施形態と同様に、ブリード量を弁座部材に対するねじ込み量により調整できる。なお、本発明はストッパ部材に限定されず、
ストッパ部材を設けない場は、弁体や弁ポートにブリードポートを設けるようにしてもよい。

　また、上記各実施形態では、弁体を弁ポート側に付勢するばね部材としてコイルばねを用いた例について説明したが、単一の板ばねや、複数の板ばねを積層したものをばね部材として用いることもできる。この場合も、各実施形態と同様に、冷媒が中間圧力室内のばね部材を通過する際に、騒音が発生することもない。

　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　　本体ケース
１１　一次室
１２　二次室
１３　本体側流路
２　　弁座部材
３　　ガイド部材
４　　ニードル弁（弁体）
４１　ニードル部
４２　挿通部
４４　中間圧力室
４５　中間圧力導入路
４６　中間圧力導入路
４７　挿通部
４８　中間圧力導入路
５　　調整ねじ
５１　抜き孔
６　　コイルばね（ばね部材）
７　　ストッパ部材
７１　導通孔
Ｌ　　軸線

Claims

　冷凍サイクルの凝縮器と蒸発器との間に設けられ、前記凝縮器により冷却された冷媒を減圧して前記蒸発器に送り出す絞り装置であって、
　前記凝縮器に接続される一次室と前記蒸発器に接続される二次室とを構成する本体ケースと、
　弁ポートが形成され前記本体ケース内で前記一次室と前記二次室との間に配設された弁座部材と、
　前記弁ポートの軸線と同軸にして前記本体ケース内の前記二次室側に配置された円筒状のガイド部材と、
　前記ガイド部材によりガイドされて前記軸線に沿って移動することにより前記弁ポートの開度を可変にする弁体と、
　前記ガイド部材内に配置され前記弁体を前記弁ポート側に付勢するばね部材と、
を備え、
　前記ガイド部材と前記本体ケースとの隙間を前記弁ポートから前記二次室に対して冷媒を送り出す本体側流路とするとともに、前記ガイド部材内の前記弁体の背空間を中間圧力室とし、前記弁ポートからの冷媒を前記中間圧力室に導入する中間圧力導入路を設けたことを特徴とする絞り装置。
　前記本体側流路の流路面積よりも、前記中間圧力導入路の流路面積の方が小さくなっていることを特徴とする請求項１に記載の絞り装置。
　前記弁体中間圧力導入路が、前記弁体と前記ガイド部材との隙間により構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の絞り装置。
　前記弁体中間圧力導入路が、前記弁体の内部に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の絞り装置。