JP2008232290A - ニードル弁及びこのニードル弁を有する冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可聴波長帯域の高周波の騒音が生じることを防止できるニードル弁を提供する。
【解決手段】ニードル弁１は弁箱１０と弁体３０を備えている。弁箱１０には弁口１２が形成された弁ポート２４が設けられている。弁体３０は弁ポート２４に接離して開度を変更する。弁体３０の流量調整部３３は先細に形成されている。弁体３０の軸芯を通る断面において流量調整部３３のなす角度をθとし弁口１２の内径をＤとし弁口１２の軸芯方向の全長をＬ１とすると、角度θが０度を超えてかつ４５度以下である場合に、Ｌ１／Ｄが３．５以上でかつ５．０以下である。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷凍サイクル装置などに用いられて、内側に冷媒などの流体を通すニードル弁及びこのニードル弁を有する冷凍サイクル装置に関する。

冷凍サイクル装置などの流体を循環させる各種の装置では、各種のニードル弁（例えば、特許文献１参照）が用いられている。特許文献１に示されたニードル弁は、内側に冷媒などの流体を通す流路が形成された弁箱と、弁箱の弁座に接離自在に設けられた針状の弁体と、前記弁体を前記弁座に接離させる駆動部とを備えている。

前述した特許文献１に示されたニードル弁は、駆動部のステータのコイルなどに電流が印加させることで、当該駆動部のロータを回転させることで、弁体を弁座に設けられた弁口に接離させて、開度を変更して、前述した流体の流量を適宜変更する。
特開２００６−９７９４７号公報

前述した特許文献１に示されたニードル弁は、弁箱に形成された流路内を流れる流体の流れは、弁口の内縁ではがれて、弁口の内面からはがれたまま即ち所謂乱流のまま弁口内を通って、当該ニードル弁の下流に導かれる。このように、従来のニードル弁では、弁口口内を流体が所謂乱流のまま流れるので、特に、開度の少ない即ち弁口と弁体とが近接した状態で、弁箱内を流体が流れる際に、１ｋＨｚから２０ｋＨｚの可聴波長帯域の高周波の音即ち高い音が生じてしまう。

したがって、本発明の目的は、特に、可聴波長帯域の高周波の騒音が生じることを防止できるニードル弁及びこのニードル弁を有する冷凍サイクル装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の本発明のニードル弁は、内側に流体を通しかつ長手方向に内径が一定に形成された弁口が設けられた弁ポートと、前記弁ポートに接離自在に設けられかつ当該弁ポートに近づくのにしたがって先細となる針状に形成されているとともに、前記弁ポートに接離することで開度を変更する弁体と、を備えたニードル弁において、前記弁体の軸芯を通る断面において、当該弁体の先端部のなす角度をθとし、前記弁口の内径をＤとし、前記弁口の軸芯方向の全長をＬ１とすると、前記角度θが０度を超えかつ４５度以下である場合に、Ｌ１／Ｄが３．５以上でかつ５．０以下であるとともに、前記角度θが４５度を越えて６０度未満である場合に、Ｌ１／Ｄが２．０以上でかつ４．０以下であることを特徴としている。

請求項２に記載の本発明のニードル弁は、請求項１記載のニードル弁において、前記弁ポートの前記弁口が開口しかつ前記ニードル弁と相対する弁座には、当該弁座から凸でかつ前記弁口よりも内径が大きく形成されているとともに当該弁口と同軸状の円環状部が設けられていることを特徴としている。

請求項３に記載の本発明の冷凍サイクル装置は、請求項１又は請求項２記載のニードル弁を冷媒回路中に有することを特徴としている。

請求項１に記載された本発明のニードル弁は、弁口の内径Ｄと弁口の全長Ｌ１との関係が、弁体の先端部のなす角度θが０度を超えかつ４５度以下である場合に、Ｌ１／Ｄが３．５以上でかつ５．０以下となる関係であり、かつ、角度θが４５度を越えて６０度未満である場合に、Ｌ１／Ｄが２．０以上でかつ４．０以下でなる関係である。即ち、弁口の内径Ｄに対して、弁口の全長Ｌ１を十分に長く形成して、弁口の内縁ではがれた流体の流れを再度、弁口の内面に付着させるようにしている。即ち、弁口内での流体の流れを層流に保っている。

したがって、弁口内での流体の流れを層流に保つので、弁口内での流体の流れの乱れによる騒音が発生することを防止できるとともに、下流に乱流のまま流体を導くことを防止できる。よって、特に、開度の少ない即ち弁口と弁体とが近接した状態で、流体が流れる際に、１ｋＨｚから２０ｋＨｚの可聴波長帯域の高周波の音が発生することを防止できる即ち高い音が生じることを防止できる。

請求項２に記載された本発明のニードル弁は、弁座に弁口と同軸でかつ弁口よりも内径の大きな円環状部が設けられているので、弁口内に導かれる流体が、円環状部内に導かれる際にその流量が一度制限される。このため、勿論、弁口内に導かれる流体の流量が制限される。

さらに、弁口の内縁で流れがはがれる前に、流体が、円環状部の内縁でその流れがはがれる。このために、弁口の内縁ではがれる流体の流れの乱れが、直接弁口の内縁ではがれる場合よりも小さくなる。

よって、弁口内に導かれる流体の流量が制限されるとともに、弁口の内縁で生じる流体の流れの乱れが小さくなるので、一旦乱流となった流体の流れを再度、弁口の内面に付着させることが確実にでき、弁口内での流体の流れを確実に層流に保つことができる。よって、特に、開度の少ない即ち弁口と弁体とが近接した状態で、流体が流れる際に、１ｋＨｚから２０ｋＨｚの可聴波長帯域の高周波の音が発生することを防止できる即ち高い音が生じることを確実に防止できる。

請求項３に記載された本発明の冷凍サイクル装置は、前述したニードル弁を備えているので、特に、ニードル弁の開度の少ない即ち弁口と弁体とが近接した状態で、流体が流れる際に、１ｋＨｚから２０ｋＨｚの可聴波長帯域の高周波の音が発生することを防止できる即ち高い音が生じることを防止できる。

以下に、本発明の一実施形態にかかるニードル弁を、図１及び図２を参照して説明する。

図１に示すニードル弁１は、例えば、冷凍サイクル装置に用いられ、流体としての冷媒の流量を変化させる所謂膨張弁として用いられる。

ニードル弁１は、図１に示すように、カップ状の金屑製あるいは合成樹脂製の弁箱１０を有する。弁箱１０は、弁室１１と、弁室１１の後述する弁体３０と相対する弁座２２に開口形成された丸穴形状の弁口１２と、横継手１３を接続され弁室１１に直接連通する入ロポート１４と、下継手１５を接続され弁口１２を経て弁室１１に連通する出ロポート１６とを有する。即ち、弁箱１０は、その内側に入ロポート１４と弁室１１と弁口１２と出ロポート１６とに亘って、前述した冷媒を流す流路が形成されている。また、弁箱１０の図１中の上端部内には、円筒状の弁ガイド部材３４が取り付けられている。

弁口１２は、断面丸形で直線状に延在した孔であるとともに、その内径Ｄがその長手方向の全長に亘って一定に形成されて、その内側に流体としての冷媒を流す。また、弁箱１０の前記弁座２２及び弁口１２を含み、かつ弁体３０と間隔をあけて相対する部分は、特許請求の範囲に記載された弁ポート２４をなしている。即ち、ニードル弁１は、弁口１２が形成された弁ポート２４を備えている。

弁箱１０の図１中の上部には、円筒状の蓋部材２８が同軸的に取り付けられており、この蓋部材２８の図１中の上部に取付板１７によって固定支持部材(雌ねじ部材)１８が固定されている。回定支持部材１８にはガイド孔１９が形成されている。ガイド孔１９は弁口１２と同心位置にあり、ガイド孔１９には、円筒状の弁ホルダ２０が軸芯方向(上下方向)、つまり弁開閉方向に摺動可能に嵌合している。これにより、弁ホルダ２０は弁箱１０内を軸芯方向に移動可能である。

弁ホルダ２０は、図１中の下端の内周に円環状の下側リップ部材２１が取り付けられ、その図１中の上端の内周に円環状の上側リップ片２３が一体に形成されている。下側リップ部材２１の図１中の上面は、円環段差状に形成された上向きのストッパ面部２５をなしている。なお、弁ホルダ２０には、均圧孔１０５が形成されている。

弁ホルダ２０に取り付けられた下側リップ部材２１に、金属製あるいは合成樹脂製の弁体３０が軸芯方向に変位可能に取り付けられている。弁体３０は、円柱状の針状に形成され、下側リップ部材２１の内側に形成された開口２６に遊嵌合、つまり、弁ホルダ２０に対して径方向に変位できるよう所定の径方向間隙を有する状態で通されて、そして、図１中の上端部から凸に設けられた環段差部(肩部)３２の下底面が下側リップ部材２１の上面に係合することにより、弁ホルダ２０より回転可能に吊り下げ支持されている。

さらに、弁体３０は、弁ガイド部材３４内に通されて、その軸芯に沿って移動自在に当該弁ガイド部材３４に支持されている。弁体３０は、図１中の下側に位置しかつ弁座２２即ち弁ポート２４と相対する先端部が円錐形をした流量調整部３３をなしており、流量調整部３３は。下側リップ部材２１の内側の開口２６より弁口１２へ向けて突出している。このように、弁体３０は、軸芯方向に移動自在とされることで、弁ポート２４に接離自在に設けられ、その流量調整部３３が弁ポート２４に近づくのにしたがって先細となるように形成されている。

弁体３０は、流量調整部３３の弁口１２に対する進入度(軸芯方向位置)に応じて、冷媒の定量的な流量制御を行い、流量調整部３３が弁口１２の周りの弁座２２に当接着座することにより、弁口１２を閉じる(閉塞する)全閉状態になる。

弁ホルダ２０には、後述するステッピングモータ７０のロータ軸をなす雄ねじ軸７３の下端部７４が、弁ホルダ２０の上側リップ片２３の内側の開口２７を遊嵌合状態で貫通している。この遊嵌合状態とは、弁ホルダ２０と雄ねじ軸７３とが相対的に径方向に変位できることを云う。

雄ねじ軸７３の下端部７４、つまり、雄ねじ軸７３と、弁体３０との間には、リテーナ部材３５が配置されている。リテーナ部材３５は、円柱状に形成され、勿論、弁ホルダ２０内に収容されており、その図１中の上端には、ばねリテーナを兼ねたフランジ状の吊下係合部７５がその全周に亘って凸に一体形成されている。吊下係合部７５は、図１中の上面側にて、フッ素樹脂等の高滑性プラスチックをコーテイングしたもの、あるいは高滑性プラスチックからなるワッシヤ２９，３１を挟んで弁ホルダ２０の上側リップ片２３に回転可能に係合している。この係合により、弁ホルダ２０が雄ねじ軸７３より回転可能に吊り下げ支持される。

リテーナ部材３５に設けられた吊下係合部７５と、弁体３０の環段差部(肩部)３２との間には、内側にリテーナ部材３５を通した圧縮コイルばね３６が所定の予荷重を与えられた状態で取り付けられている。

雄ねじ軸７３の外周面には、雄ねじ部３７が形成されている。雄ねじ部３７は固定支持部材１８に形成された雌ねじ部(雌ねじ孔)３８にねじ係合している。このねじ係合により、雄ねじ軸７３は、回転に伴って軸芯方向、つまり、弁開閉方向に移動する。この雄ねじ部３７と雌ねじ部３８とのねじ係合によって送りねじ機構が構成され、送りねじ機構は、雄ねじ軸７３の回転運動を弁開閉方向の直線運動に変換する。

蓋部材２８の図１中の上部には、ステッビングモータ７０のキャン状のロータケース７１が溶接等によって気密に固定されている。ロータケース７１内には、外周面部７２Ａを多板前磁されたヨーク７２が回転可能に設けられている。ヨーク７２にはヨーク軸を兼ねている雄ねじ軸７３の図１中の中央部が固定連結されている。

ロータケース７１の外側には、ステータコイルユニット７７が差し込み装着されている。ステータコイルユニット７７は、詳細を図示されていないが、ステッピングモータ用のものとして、内部に、磁極歯、巻線部、電気配線部を有する周知の気密モールド構造のものである。

ロータケース７１内には、ロータケース７１の天井部より垂下固定されたガイド支持筒７８と、ガイド支持筒７８の外周部に装着された螺旋ガイド線体７９と、ガイド支持筒７８の上端部に形成された固定ストッパ部８０と、螺旋ガイド線体７９に螺合した可動ストッパ部材８１と、可動ストッパ部材８１と係合してこれを蹴り回すヨーク７２の突起部８２とがあり、これらによって、弁開あるいは弁閉のストッパが構成されている。また、ガイド支持筒７８は、雄ねじ軸７３の図１中の上端部７６を内側に通して、当該雄ねじ軸７３を回転自在に支持している。

ステッピングモータ７０は、ロータ７２によって雄ねじ軸７３を回転駆動し、回転に伴う雄ねじ軸７３の軸芯方向移動によって弁ホルダ２０と共に弁体３０を弁開閉方向に直線移動させる。これにより、弁体３０の流量調整部３３の弁口１２に対する軸芯方向位置(弁開閉方向の直線移動位置)が変わり、その軸芯方向位置に応じて弁口１２の実効開口面積が増減し、冷媒の定量的な流量制御が行われる。このように、弁体３０は、弁口１２が設けられた弁ポート２４に接離することで、冷媒の流量を変更即ちニードル弁１の開度を変更する。

弁体３０の弁開閉方向の図１中の下方に向かう降下移動により、弁口１２の実効開口面積が徐々に低減し、これに応じて弁口１２を流れる流体の流量が徐々に低減する。弁体３０が弁開閉方向に所定量降下移動すると、弁体３０の流量調整部３３が弁座２２に当接着座することにより、弁口１２が閉塞される全開状態になる。

また、本実施形態のニードル弁１では、図２に示すように、弁体３０の軸芯を通る断面において当該弁体３０の流量調整部３３即ち先端部の外周面同士のなす角度をθとし、弁口１２の内径をＤとし、弁口１２の軸芯方向の全長をＬ１とすると、角度が０度を超えかつ４５度以下の場合に、Ｌ１／Ｄが３．５以上でかつ５．０以下となっている。図示例では、角度θが、約３５度でＬ１／Ｄが３．５となっている。

前述した構成のニードル弁１は、図６に示された冷凍サイクル装置の冷媒回路中に設けられて、当該冷凍サイクル装置の膨張弁として機能する。

この冷凍サイクル装置は、図６に示すように、圧縮機１０１と、凝縮器（室外熱交換器）１０２と、膨張弁として用いられる前述したニードル弁１と、蒸発器（室内熱交換器）１０４と、これらをループ接続する冷媒通路１０５〜１０８とを有する。

この冷凍サイクル装置は、空気調和装置（冷房）や冷凍・冷蔵庫等で使用される。なお、上述したこのニードル弁１が適用される冷凍サイクル装置は、図６に示されているような基本的な冷凍サイクル装置に限られることはなく、四方弁の組み込みにより、冷媒回路における冷媒流れ方向を逆転できる冷房・暖房用の空気調和装置や、室内機に二つの熱交換器が直列接続され、その二つの熱交換器間に追加の膨張弁を有する冷暖房・除湿可能な空気調和装置等、あらゆる冷凍サイクル装置にも適用可能である。

本実施形態によれば、弁口１２の内径Ｄと弁口１２の全長Ｌ１との関係が、弁体３０の先端のなす角度θが０度を超えかつ４５度以下である場合に、Ｌ１／Ｄが３．５以上でかつ５．０以下となる関係である。即ち、弁口１２の内径Ｄに対して、弁口１２の全長Ｌ１を十分に長く形成して、弁口１２の内縁ではがれた流体としての冷媒の流れを再度、弁口１２の内面に付着させるようにしている。即ち、弁口１２内での流体の流れを層流に保っている。

したがって、弁口１２内での流体としての冷媒の流れを層流に保つので、弁口１２内での流体としての冷媒の流れの乱れによる騒音が発生することを防止できるとともに、下流に乱流のまま流体としての冷媒を導くことを防止できる。よって、特に、開度の少ない即ち弁口１２と弁体３０とが近接した状態で、流体としての冷媒が流れる際に、１ｋＨｚから２０ｋＨｚの可聴波長帯域の高周波の音が発生することを防止できる即ち高い音が生じることを防止できる。

前述した実施形態では、角度θが０度を超えかつ４５度以下である場合に、Ｌ１／Ｄが３．５以上でかつ５．０以下となっている。しかしながら、本発明では、図５に示すように、前記角度θが４５度を越えて６０度未満である場合に、Ｌ１／Ｄが２．０以上でかつ４．０以下でなっていても良い。なお、図５に示された例では、角度θが、約４５度でＬ１／Ｄが２．５となっている。この場合も、前述した実施形態と同様に、弁口１２の内径Ｄに対して、弁口１２の全長Ｌ１を十分に長く形成して、弁口１２の内縁ではがれた流体としての冷媒の流れを再度、弁口１２の内面に付着させるようにして、特に、高い騒音の発生を防止できる。

また、本発明では、図３及び図４に示すように、弁箱１０の弁ポート２４に円環状部３９を一体に設けても良い。なお、図３及び図４において、前述した実施形態と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。円環状部３９は、その内径が弁口１２の内径Ｄよりも大きい円環状に形成され、かつ弁座２２から弁体３０に向かって凸に形成されているとともに、弁口１２と同軸に配置されている。なお、図３では、弁体３０の外径が円環状部３９の内径よりも大きな場合を示し、図４は、弁体３０の外径が円環状部３９の内径よりも小さな場合を示している。

これらの場合には、弁座２２に弁口１２と同軸でかつ弁口１２よりも内径の大きな円環状部３９が設けられているので、弁口１２内に導かれる流体としての冷媒が、円環状部３９内に導かれる際にその流量が一度制限される。このため、勿論、弁口１２内に導かれる流体としての冷媒の流量が制限される。

さらに、弁口１２の内縁で流れがはがれる前に、流体としての冷媒が、円環状部３９の内縁でその流れがはがれる。このために、弁口１２の内縁ではがれる流体としての冷媒の流れの乱れが、直接弁口１２の内縁ではがれる場合よりも小さくなる。

よって、弁口１２内に導かれる流体としての冷媒の流量が制限されるとともに、弁口１２の内縁で生じる流体としての冷媒の流れの乱れを小さくなるので、一旦乱流となった流体としての冷媒の流れを再度、弁口１２の内面に付着させることが確実にでき、弁口１２内での流体としての冷媒の流れを確実に層流に保つことができる。よって、特に、開度の少ない即ち弁口１２と弁体３０とが近接した状態で、流体としての冷媒が流れる際に、１ｋＨｚから２０ｋＨｚの可聴波長帯域の高周波の音が発生することを防止できる即ち高い音が生じることを確実に防止できる。

なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、前述した実施形態では、冷凍サイクル装置を構成する膨張弁をなすニードル弁１を示している。

しかしながら、本発明のニードル弁１は、冷凍サイクル装置以外の装置を構成する各種の用途に用いられても良い。要するに、本発明のニードル弁１は、各種の流体の流量を制御しても良い。また、本発明のニードル弁１は、角度θと内径Ｄと全長Ｌ１とが前述した関係を満たしていれば、各部の寸法を適宜変更しても良いことは勿論である。

本発明の一実施形態のニードル弁の断面図である。 図１に示されたニードル弁の要部を拡大して示す断面図である。 図２に示されたニードル弁の変形例の要部の断面図である。 図２に示されたニードル弁の他の変形例の要部の断面図である。 図２に示されたニードル弁の更に他の変形例の要部の断面図である。 図１に示されたニードル弁を備えた冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。

符号の説明

１ ニードル弁
１２ 弁口
２２ 弁座
２４ 弁ポート
３０ 弁体
３３ 流量調整部（先端部）
３９ 円環状部
θ 角度
Ｌ１ 全長
Ｄ 内径

Claims (3)

1. 内側に流体を通しかつ長手方向に内径が一定に形成された弁口が設けられた弁ポートと、
   前記弁ポートに接離自在に設けられかつ当該弁ポートに近づくのにしたがって先細となる針状に形成されているとともに、前記弁ポートに接離することで開度を変更する弁体と、を備えたニードル弁において、
   前記弁体の軸芯を通る断面において、当該弁体の先端部のなす角度をθとし、前記弁口の内径をＤとし、前記弁口の軸芯方向の全長をＬ１とすると、
   前記角度θが０度を超えかつ４５度以下である場合に、Ｌ１／Ｄが３．５以上でかつ５．０以下であるとともに、
   前記角度θが４５度を越えて６０度未満である場合に、Ｌ１／Ｄが２．０以上でかつ４．０以下であることを特徴とするニードル弁。
2. 前記弁ポートの前記弁口が開口しかつ前記ニードル弁と相対する弁座には、当該弁座から凸でかつ前記弁口よりも内径が大きく形成されているとともに当該弁口と同軸状の円環状部が設けられていることを特徴とする請求項１記載のニードル弁。
3. 請求項１又は請求項２記載のニードル弁を冷媒回路中に有することを特徴とする冷凍サイクル装置。

Images