JP2008101733A

JP2008101733A - 差圧式調整弁及び空気調和装置

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Publication number: JP2008101733A
Application number: JP2006285984A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hirakawa; 尚平川
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2006-10-20
Filing date: 2006-10-20
Publication date: 2008-05-01
Anticipated expiration: 2026-10-20
Also published as: JP4897428B2

Abstract

【課題】冷凍サイクルの絞り装置として用いる圧力調整弁を簡単な構成とするとともに、冷媒の異常高圧時にフェールセーフとなるようにする。
【解決手段】円筒状の本体管１内に弁座部２とロッド弁３を配設する。ロッド弁３を軸受け４，４で保持するとともに、弁座部２の弁座開口２１内にロッド弁３を貫通する。付勢バネ５，５によりロッド弁３を両側から中央に付勢する。空間Ａの冷媒圧力と空間Ｂの冷媒圧力との差圧に応じて、ロッド弁３を移動する。ロッド弁３の傾斜面３１，３２において、中心から端部にかけて径を小さくする。弁座部２の弁座開口２１と傾斜面３１または傾斜面３２との間隙を通して冷媒の流量を絞る。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和装置の冷凍サイクルにおける室外熱交換機と室内熱交換機との間で冷媒の流量を絞る絞り装置に適した差圧式調整弁及び該差圧式調整弁を用いた空気調和装置に関する。

従来、空気調和装置の冷凍サイクルにおいて、絞り装置としてキャピラリを用いたシステムは広く知られているが、このキャピラリは固定式であり、圧縮機の回転数を可変した場合、適正な膨張容量にならず効率が悪いという問題がある。これに対して、キャピラリの代わりに電動膨張弁を用いれば、適正な膨張容量に調整できるが、可動式の弁を例えばモータやソレノイドなどで駆動する等の構成が必要であり、また駆動系も必要となり、経済的に割高となる。

そこで、冷媒の差圧を利用して弁の開度を制御できるような装置として、例えば特開平４−２２７４４４号公報（特許文献１）等に開示されたものがある。この装置は、円筒状の本体４２内にピストン７６を配設するとともに、本体４２の中心に設けた棒状でテーパー状のベアリング７２を、ピストン７６の中心のポート７８に挿入し、ピストン７６をバネ１０２で片側に付勢する構造になっている。そして、ピストン７６の両側の空間の差圧によりピストン７６をバネ１０２の付勢力に抗して移動させ、ベアリング７２とポート７８との間隙を可変にして冷媒の流量を制御するよう構成されている。
特開平４−２２７４４４号公報

上記特許文献１の従来の膨張装置によれば、冷媒の圧力が極端に高圧になったときに、ピストンのポートがベアリングに嵌合固着する可能性があり、異常高圧時にフェールセーフとならない構造となっている。また、この特許文献１の例では冷却モードで動作するものとして説明されているが、その構造上、暖房モードでは固定オリフィスとなり、冷媒通路の断面積の制御点が１ポイントとなるような制御しかできない。また、ベアリング７２（棒）が片持ち支持の構造になっているため、精度にバラツキが生じやすいという問題がある。さらに、ピストンと本体内周面との間にオーリングが設けられており、このピストンと本体との摩擦が大きく細かな精度が得られにくい構造となっている。

本発明は、冷房モードと暖房モードとの両方向の冷媒流量を制御でき、弁開度の設定が容易で異常高圧時にもフェールセーフとなるような差圧式調整弁及び空気調和装置を提供することを課題とする。

請求項１の差圧式調整弁は、流体を通す筒状の本体管と、前記本体管内に配設され該本体管内を２つの空間に仕切るとともに該両空間を導通する弁座開口が形成された弁座部と、前記本体管内の前記両空間の流体圧力の差圧に応じて前記弁座部の弁座開口を流れる流体の流量を調整する弁体と、を備え、前記差圧の増大により前記流量が増大する流量特性を持つとともに、前記両空間の一方から他方への流れに対する流量特性と、他方から一方に流れる流れに対する流量特性とを独立に設定できるようにしたことを特徴とする。

請求項２の差圧式調整弁は、流体を通す筒状の本体管と、前記本体管内に配設され該本体管内を２つの空間に仕切るとともに該両空間を導通する弁座開口が形成された弁座部と、棒状の弁体であって、その軸を前記本体管の軸と並行にして該本体管内に配設されるとともに前記弁座部の弁座開口を貫通する弁体と、前記弁体を前記両空間側から前記弁座部方向に付勢する付勢手段と、を備え、前記弁体の外周面を、前記付勢手段による中立位置において前記弁座部の弁座開口に対応する部分から両端側に向かって径を小さくなるような傾斜面とし、前記両空間における流体の差圧により前記弁体を軸方向に移動可能として、該傾斜面と前記弁座部の弁座開口との間隙を調整し、該傾斜面と弁座開口との間隙により前記本体管内を通る流体の流量を絞るようにしたことを特徴とする。

請求項３の差圧式調整弁は、請求項１または２に記載の差圧式調整弁であって、前記弁体の外周面の形状により、前記両空間の一方から他方への流れに対する流量特性と、他方から一方に流れる流れに対する流量特性とを独立に設定できるようにしたことを特徴とする。

請求項４の差圧式調整弁は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の差圧式調整弁であって、前記弁座部を前記本体管の全周をカシメて該本体管内に固定することで、該弁座部の前記弁座開口の径を微調するようにしたことを特徴とする。

請求項５の空気調和機は、冷凍サイクルの室内熱交換器と室外熱交換器との冷媒の連結部分に請求項１乃至４のいずれか一項に記載の差圧式調整弁を絞り装置として設け、前記差圧式調整弁の前記両方向の流量特性により冷房モードと暖房モードの特性を可変にしたことを特徴とする。

請求項１の差圧式調整弁によれば、本体管内の両空間の差圧の増大により流量が増大する流量特性を持つとともに、両空間の一方から他方への流れに対する流量特性と、他方から一方に流れる流れに対する流量特性とを独立に設定できるので、異常高圧時にも、冷媒を多く流す方向に作用してフェールセーフが実現され、さらに、冷凍サイクル等において冷房モードと暖房モードとの冷媒の絞り能力を切り換えて制御することができる。

請求項２の差圧式調整弁によれば、本体管、弁座部、棒状の弁体及び付勢手段という簡単な構成となる。また、弁体の外周面が付勢手段による中立位置において弁座部の弁座開口に対応する部分から両端側に向かって径を小さくなるような傾斜面となっているので、差圧の増加に伴って前記間隙の開度が大きくなり、異常高圧時にも、冷媒を多く流す方向に作用してフェールセーフが実現される。

請求項３の差圧式調整弁によれば、請求項１または２の効果に加えて、弁体の外周面の形状により、両空間の一方から他方への流れに対する流量特性と、他方から一方に流れる流れに対する流量特性とを独立に設定できるので、簡単な構成で流量特性を設定できる。

請求項４の差圧式調整弁によれば、請求項１乃至３のいずれか一項の効果に加えて、弁座部を本体管の全周をカシメて該本体管内に固定することで、該弁座部の弁座開口の径を微調するようにしたので、寸法バラツキによる流量特性のバラツキを低減することができる。

請求項５の空気調和機によれば、請求項１乃至４のいずれか一項の効果に加えて、冷房モードと暖房モードの運転能力等を用途に合わせて設定することができる。

次に、本発明の差圧式調整弁及び空気調和装置の実施形態を図面を参照して説明する。図４は実施形態の空気調和装置の要部を示す図であり、図中１０は本発明の実施形態の差圧式調整弁である。２０は室外ユニットに搭載された室外熱交換器、３０は室内ユニットに搭載された室内熱交換器、４０は四方弁を構成する例えばロータリ式の流路切換弁、５０は圧縮機である。差圧式調整弁１０、室外熱交換器２０、室内熱交換器３０、流路切換弁４０、及び圧縮機５０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４０により「冷房モード」および「暖房モード」の２通りの流路に切換えられる。冷房モードでは、図４に実線の矢印で示すように、圧縮機５０で圧縮された冷媒は流路切換弁４０から室外熱交換器２０に流入され、差圧式調整弁１０を介して室内熱交換器３０に流入された冷媒は、流路切換弁４０を介して圧縮機５０に流入される。そして、室外熱交換器２０が凝縮器として機能し、室内熱交換器３０が蒸発器として機能し、室内の冷房がなされる。一方、暖房モードでは、図４に破線の矢印で示すように、圧縮機５０で圧縮された冷媒は流路切換弁４０から室内熱交換器３０に流入され、差圧式調整弁１０、室外熱交換器２０、流路切換弁４０、そして圧縮機５０の順に循環される。そして、室内熱交換器３０は凝縮器として機能し、室外熱交換器２０は蒸発器として機能し、室内の暖房がなされる。

図１は実施形態の差圧式調整弁１０の断面図（図１(A) ）及び一部拡大図（図１(B) ）である。なお、図において、断面を示す斜線（ハッチング）は細部を見やすくするために適宜省略してある。この差圧式調整弁１０は、円筒状の本体管１、弁座部２、弁体としてのロッド弁３、軸受け４，４、付勢手段としての付勢バネ５，５を備えている。本体管１は銅管で形成されており、その片側端部は室外熱交換器２０側に接続され、他方の端部は室内熱交換器３０に接続される。弁座部２、軸受け４，４はぞれぞれ略円盤状であり、その外径は本体管１の内周に整合するよう形成されている。そして、弁座部２は本体管１の中央に配設され、軸受け４，４は弁座部２から離間した位置にそれぞれ配設されている。

弁座部２は、本体管１の一部全周をカシメて該本体管１の一部を弁座部２の外周の溝２ａ内に窪ませることにより該本体管１内に固定されている。また、軸受け４，４の位置は付勢バネ５，５がロッド弁３に与える付勢力の調整、及び弁座部２に対するロッド弁３の位置の調整を兼ね、これらは、軸受け４，４の本体管１内への圧入の加減で調整されている。なお、本体管１の上記カシメ部分は、弁座部２の固定とともに、該本体管１と弁座部２との間の冷媒の裏漏れを防止し、さらに弁座部２の口径の微調整を兼ねている。

弁座部２の中央には弁座開口２１が形成され、軸受け４，４の中央には軸穴４ｂ，４ｂがそれぞれ形成されている。そして、ロッド弁３が弁座開口２１、軸穴４ｂ，４ｂをそれぞれ貫通するよう配設されている。付勢バネ５，５は、ロッド弁３の両側において軸受け４，４とロッド弁３に嵌合されたバネ受け６，６の間に配設されている。バネ受け６，６はロッド弁３の周方向に形成された突条３ａ，３ａに当接するとともに付勢バネ５，５の付勢力によりロッド弁３に固定されている。これにより、ロッド弁３は両側の軸受け４，４側から中央に向けて付勢されている。また、軸受け４，４には透孔４ｃ，４ｃが形成されている。

以上のように、差圧式調整弁１０において、流体としての冷媒を流す本体管１内は弁座部２により仕切られ、弁座部２と一方の軸受け４とで挟まれた空間Ａと、弁座部２と他方の軸受け４とで挟まれた空間Ｂとが形成されている。また、この弁座部２には両空間Ａ，Ｂを導通する弁座開口２１が形成されている。また、弁体としてのロッド弁３は、その軸Ｌ１を本体管１の軸Ｌ２と並行（この例では同軸）にして本体管１内に配設されるとともに弁座部２の弁座開口２１を貫通している。さらに、付勢手段としての付勢バネ５，５はロッド弁３を両空間Ａ，Ｂ側から弁座部２の方向（中心側）に付勢している。

図１(B) に示すように、弁座部２の弁座開口２１の周囲はテーパー状に形成され、空間Ａ側は冷房方向弁座２Ａ、空間Ｂ側は暖房方向弁座２Ｂとされている。ロッド弁３の外周面は、中央稜線３ｂから両側方向にかけて径が徐々に小さくなるような傾斜面３１，３２とされている。空間Ｂ側の傾斜面３２は空間Ａ側の傾斜面３１よりも傾斜角度が大きく、空間Ａ側の傾斜面３１の角度はわずかである。また、図１(A) 及び(B) は空間Ａと空間Ｂとの差圧が０の状態を図示しており、この状態でロッド弁３は中央稜線３ｂが弁座部２の弁座開口２１の位置となるように設定されている。

すなわち、ロッド弁３の外周面が、付勢バネ５，５による中立位置において弁座部２の弁座開口２１に対応する部分（中央稜線３ｂ）から両端側に向かって径を小さくなるような傾斜面３１，３２とされている。そして、両空間Ａ，Ｂにおける冷媒の差圧によりロッド弁３を軸Ｌ１方向に移動可能として、該傾斜面３１または３２と弁座部２の弁座開口２１との間隙を調整し、該間隙により本体管１内を通る冷媒の流量を絞るようになっている。

空間Ａの冷媒圧力と空間Ｂの冷媒圧力との間に差圧がある場合、この差圧はロッド弁３を高圧側から低圧側に付勢するように作用する。すなわち、図２(A) に示したように、冷房モード時には空間Ａの冷媒圧力が空間Ｂの冷媒圧力より高くなり、ロッド弁３は空間Ｂ寄りに移動し、冷媒は空間Ａから弁座部２とロッド弁３との隙間Ｄを通して空間Ｂ側に流れる。また、図２(B) に示したように、暖房モード時には空間Ｂの冷媒の圧力が空間Ａの冷媒圧力より高くなり、冷媒は空間Ｂから弁座部２とロッド弁３との隙間Ｄを通して空間Ａ側に流れる。このとき弁座部２とロッド弁３との間隙Ｄが空間Ａと空間Ｂとの間で冷媒の流れを絞る絞り部（オリフィス）となる。

なお、この差圧による付勢力をＦ、差圧をΔｐ、弁座開口２１を含む平面におけるロッド弁３の断面積をＳ(x) とすると、Ｆ＝Δｐ・Ｓ(x) の関係にある。また、付勢バネ５の付勢力をｆ、中央稜線３ｂの弁座開口２１からの変位をｘとすると、ｆ＝ｋ・ｘ（フックの法則）となる。また、弁座開口２１の面積をＳ０、ロッド弁３の中央稜線３ｂの部分の断面積をＳ₀、間隙Ｄの面積をＳＤ、ロッド弁３の軸方向の断面積の減少率をａ（ａ＞０）とすると、Ｓ(x) ＝（Ｓ₀−ａ・ｘ）、ＳＤ＝Ｓ０−Ｓ(x) の関係にあり、差圧による付勢力Ｆと付勢バネ５の付勢力ｆとが釣り合った状態では、ｘ＝Ｓ₀／（ｋ／Δｐ＋ａ）となり、差圧Δｐが大きくなるほど変位ｘも大きくなる。したがって、差圧が大きくなるほど絞り部の間隙Ｄは広くなり、この間隙Ｄを通過する冷媒流量も多くなる。

図３は実施形態における差圧式調整弁１０の流量特性を示す図である。冷房モード時に空間Ａから空間Ｂに流れる冷媒の流量（冷房方向）も、暖房モード時に空間Ｂから空間Ａに流れる冷媒の流量（暖房方向）も、いずれも差圧が大きくなるほど多くなる。しかし、前記空間Ｂ側の傾斜面３２が空間Ａ側の傾斜面３１よりも傾斜角度が大きくなっているため、冷媒の流量の差圧に対する変化量は、暖房方向の方が大きくなっている。なお、実施形態では、上記変化量は暖房のほうが大きいが、これに限らず流量特性は冷房と暖房とで自由に設定できることはいうまでもない。

以上のように、１つの差圧式調整弁１０により、冷房モードと暖房モードのいずれの方向の冷媒の流量も制御することができる。また、冷媒の差圧が大きくなるほど絞り部（間隙Ｄ）の開度が広くなる構造となっているので、異常高圧時にも、冷媒を多く流す方向に作用してフェールセーフが実現される。

実施形態においてはロッド弁３における傾斜面３１，３２は円錐面（その一部）となっている。すなわち母線が直線となるような形状であるが、軸方向に沿って僅かに湾曲するような曲面であってもよい。また、複数の角度を付けた多段の傾斜面でもよい。これらの形状は流量特性を決めるものであるが、ロッド弁３の簡単な加工により容易に設定できる。

また、実施形態においては、ロッド弁３を付勢する付勢バネ５を２つ設けるようにしているが、このような付勢バネはロッド弁３及び軸受け４との取り付け関係を考慮すれば１つでもよい。またこのような付勢手段は、簡単な構造であればその他の弾性部材等を用いてもよい。

本発明の実施形態の差圧式調整弁の断面図及び一部拡大図である。同差圧式調整弁の冷房モードと暖房モードの状態を示す図である。同差圧式調整弁の流量特性を示す図である。本発明の実施形態の空気調和装置の要部を示す図である。

符号の説明

１本体管
２弁座部
２１弁座開口
３ロッド弁（弁体）
３１，３２傾斜面
４軸受け
４ｂ軸穴
５付勢バネ（付勢手段）
Ａ，Ｂ空間
Ｄ隙間
１０差圧式調整弁
２０室外熱交換器
３０室内熱交換器
４０流路切換弁
５０圧縮機

Claims

流体を通す筒状の本体管と、
前記本体管内に配設され該本体管内を２つの空間に仕切るとともに該両空間を導通する弁座開口が形成された弁座部と、
前記本体管内の前記両空間の流体圧力の差圧に応じて前記弁座部の弁座開口を流れる流体の流量を調整する弁体と、
を備え、
前記差圧の増大により前記流量が増大する流量特性を持つとともに、前記両空間の一方から他方への流れに対する流量特性と、他方から一方に流れる流れに対する流量特性とを独立に設定できるようにしたことを特徴とする差圧式調整弁。
流体を通す筒状の本体管と、
前記本体管内に配設され該本体管内を２つの空間に仕切るとともに該両空間を導通する弁座開口が形成された弁座部と、
棒状の弁体であって、その軸を前記本体管の軸と並行にして該本体管内に配設されるとともに前記弁座部の弁座開口を貫通する弁体と、
前記弁体を前記両空間側から前記弁座部方向に付勢する付勢手段と、
を備え、
前記弁体の外周面を、前記付勢手段による中立位置において前記弁座部の弁座開口に対応する部分から両端側に向かって径を小さくなるような傾斜面とし、前記両空間における流体の差圧により前記弁体を軸方向に移動可能として、該傾斜面と前記弁座部の弁座開口との間隙を調整し、該傾斜面と弁座開口との間隙により前記本体管内を通る流体の流量を絞るようにしたことを特徴とする差圧式調整弁。
前記弁体の外周面の形状により、前記両空間の一方から他方への流れに対する流量特性と、他方から一方に流れる流れに対する流量特性とを独立に設定できるようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の差圧式調整弁。
前記弁座部を前記本体管の全周をカシメて該本体管内に固定することで、該弁座部の前記弁座開口の径を微調するようにしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の差圧式調整弁。
冷凍サイクルの室内熱交換器と室外熱交換器との冷媒の連結部分に請求項１乃至４のいずれか一項に記載の差圧式調整弁を絞り装置として設け、
前記差圧式調整弁の前記両方向の流量特性により冷房モードと暖房モードの特性を可変にしたことを特徴とする空気調和機。