JP2020169661A

JP2020169661A - 電動弁及び冷凍サイクルシステム

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Publication number: JP2020169661A
Application number: JP2019070400A
Authority: JP
Inventors: 雄希北見; Yuki Kitami; 亮司小池; Ryoji Koike
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2019-04-02
Filing date: 2019-04-02
Publication date: 2020-10-15
Anticipated expiration: 2039-04-02
Also published as: JP7107881B2; CN111795155A

Abstract

【課題】小流量制御域と大流量制御域とで流量制御する電動弁において、大流量制御域で主弁体３の全開位置を所定位置にして全開流量を安定させるとともに、主弁ばね３ａの過剰な圧縮を防止して、経年変化等による主弁ばね３ａの変形を防止する。【解決手段】主弁ポート１３ａを開閉する主弁体３と、主弁体３の副弁室３Ｒの副弁ポート３３ａの開度を変更するニードル弁４と、主弁体３を主弁ポート１３ａ側に付勢する主弁ばね３ａと、ニードル弁４を軸線Ｌ方向に進退駆動する駆動部５とを備える。主弁ポート１３ａを全開とする大流量制御域において主弁ばね３ａを中間圧縮状態にして主弁体３の軸線Ｌ方向の全開位置を規制する当接部２３１，３１１を設ける。【選択図】図３

Description

本発明は、冷凍サイクルシステムなどに使用する電動弁及び冷凍サイクルシステムに関する。

従来、空気調和機の冷凍サイクルに設けられる電動弁として、小流量制御域と大流量制御域とで流量制御する電動弁がある。このような電動弁は、室内機に搭載される用途（例えば除湿弁）があり、例えば特開２０１２−１１７５８４号公報（特許文献１）に開示されている。

特開２０１２−１１７５８４号公報

特許文献１の従来の電動流量制御弁（電動弁）は、二次継手管側の大口径ポートに対して主弁体を対向配置し、この主弁体を支持部材との間に設けた主弁ばねの付勢力で大口径ポート側に付勢している。そして、パイロット弁体により主弁体に設けられた小口径ポートの開度を制御して小流量制御域としている。また、ステッピングモータの駆動によりパイロット弁体と共に主弁体を上昇させることで、大口径ポートを弁開とし、大流量制御域としている。さらに、この電動流量制御弁は冷凍サイクルシステムの除湿弁として室内機内に用いられ、例えば暖房運転時には上記の大流量制御域とし、大口径ポート側から大流量の流体（冷媒）を流す構成となっている。

しかし、このような暖房運転時の大流量制御域の状態では、大口径ポートから流入する流体の圧力が主弁体を上昇させるが、主弁ばね荷重と対抗する流体の圧力(差圧力)の大小による主弁体の全開位置バラツキや、主弁ばねが密着長まで圧縮された場合、密着長のバラツキによる主弁体の全開位置のバラツキにより、暖房運転時の全開流量がバラツキ、安定しなかった。また、この様に主弁ばねが密着長まで過剰に圧縮される虞があるため、経年変化等により主弁ばねに変形が生じて、ばね特性が悪化することがあり、適正な流量制御が困難になる。

本発明は、小流量制御域と大流量制御域とで流量制御する電動弁において、大流量制御域で主弁体の全開位置を所定位置にして全開流量を安定させるとともに、主弁ばねの過剰な圧縮を防止して、経年変化等による主弁ばねの変形を防止することを課題とする。

本発明の電動弁は、主弁室の主弁ポートを開閉する主弁体と、前記主弁体に設けられた副弁室の副弁ポートの開度を変更する副弁体と、前記主弁体を前記主弁ポート側に付勢する主弁ばねと、前記副弁体を軸線方向に進退駆動する駆動部と、を備え、前記主弁体が前記主弁ポートを閉とした状態で、前記副弁体が前記副弁ポートの開度を変更する小流量制御域と、前記主弁体が前記主弁ポートを全開状態として、前記主弁ポートから大流量の流体を流す大流量制御域と、の二段の流量制御域を有する電動弁であって、前記大流量制御域において前記主弁ばねを中間圧縮状態にして前記主弁体の前記軸線方向の全開位置を規制するストッパ機構を備えたことを特徴とする。

このような本発明によれば、ストッパ機構が主弁ばねを「中間圧縮状態」にして主弁体の全開位置を位置決めする。したがって、主弁体の全開位置が所定位置に決められるため流体の全開流量が安定する。また、主弁ばねは中間圧縮状態までしか圧縮されないので、経年変化等による主弁ばねの変形（へたり）を防止できる。

さらに、前記副弁体が前記小流量制御域よりも前記副弁ポートをさらに開状態としたときに、前記副弁体が前記主弁体に係合することで、前記主弁体を前記全開状態とするのが好ましい。これにより、副弁体を駆動する駆動部の動作により主弁体を全開状態とする電動弁が好ましい。

さらに、前記主弁体をガイド孔内に挿通して該主弁体を前記軸線方向にガイドするガイド部材を備え、前記ストッパ機構が、前記ガイド部材に形成された当接部と前記主弁体に形成された当接部とで構成され、前記両方の当接部が前記軸線方向で当接することにより前記主弁体の前記軸線方向の全開位置を規制するものが好ましい。

この際、前記主弁体側の前記当接部が該主弁体の主弁部の外周に形成され、前記ガイド部材側の前記当接部が該ガイド部材の端部に形成されている電動弁が好ましい。

また、前記ストッパ機構が、前記ガイド部材の前記ガイド孔の底部に形成された当接部と、前記主弁体の前記ガイド孔の底部に対向する端部に形成された当接部とで構成されている電動弁が好ましい。

また、前記ストッパ機構が、前記主弁体に形成された前記副弁ポートの周囲の当接部と、前記副弁体の前記副弁ポートを開閉するニードル部側の円柱部に形成された当接部とで構成され、前記両方の当接部が前記軸線方向で当接することにより前記主弁体の前記軸線方向の全開位置を規制する電動弁が好ましい。

本発明の冷凍サイクルシステムは、圧縮機と、室内熱交換器と、室外熱交換器と、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器との間に設けられた電子膨張弁と、前記室内熱交換器に設けられる除湿弁とを含む冷凍サイクルシステムであって、前記いずれかの電動弁が、前記除湿弁として用いられていることを特徴とする。

このような冷凍サイクルシステムによれば、暖房運転時に前述の電動弁による効果と同様に、全開流量が安定した制御を行うことができるとともに、主弁ばねの変形（へたり）を防止して、安定したシステムを構成できる。

本発明の電動弁及び冷凍サイクルシステムによれば、二段の流量制御域を有する電動弁において、流体の全開流量を安定させることができるとともに、主弁ばねの変形（へたり）を防止できる。

本発明の第１実施形態の電動弁の小流量制御域状態の縦断面図である。第１実施形態の電動弁の主弁体の全開状態で運転停止時、または冷房運転時の縦断面図である。第１実施形態の電動弁の主弁体の全開状態で暖房運転時の縦断面図である。本発明の第２実施形態の電動弁における全開状態で流体流動時の縦断面図である。本発明の第３実施形態の電動弁における全開状態で流体流動時の縦断面図である。本発明の第４実施形態の電動弁における全開状態で流体流動時の縦断面図である。本発明の実施形態の冷凍サイクルシステムを示す図である。

次に、本発明の電動弁及び冷凍サイクルシステムの実施形態について図面を参照して説明する。図１は第１実施形態の電動弁の小流量制御域状態の縦断面図、図２は第１実施形態の電動弁の主弁体の全開状態で運転停止時、または冷房運転時の縦断面図、図３は第１実施形態の電動弁の主弁体の全開状態で暖房運転時の縦断面図である。なお、以下の説明における「上下」の概念は図１乃至図３の図面における上下に対応する。この電動弁１００は、弁ハウジング１と、ガイド部材２と、主弁体３と、「副弁体」としてのニードル弁４と、駆動部５と、を備えている。

弁ハウジング１は例えば、黄銅、ステンレス等で略円筒形状に形成されており、その内側に主弁室１Ｒを有している。弁ハウジング１の外周片側には主弁室１Ｒに導通される第１継手管１１が接続されるとともに、下端から下方に延びる筒状部に第２継手管１２が接続されている。また、弁ハウジング１の第２継手管１２の主弁室１Ｒ側には円筒状の主弁座１３が形成され、この主弁座１３の内側は主弁ポート１３ａとなっており、第２継手管１２は主弁ポート１３ａを介して主弁室１Ｒに導通される。主弁ポート１３ａは軸線Ｌを中心とする円柱形状の透孔（貫通した孔）である。なお、第１継手管１１及び第２継手管１２は、弁ハウジング１に対してろう付け等により固着されている。

弁ハウジング１の上端の開口部には、ガイド部材２が取り付けられている。ガイド部材２は、弁ハウジング１の内周面内に圧入される圧入部２１と、圧入部２１より小径で圧入部２１の上下に位置する略円柱状のガイド部２２，２３と、上側のガイド部２２の上部に延設されたホルダ部２４と、圧入部２１の外周に設けられたリング状のフランジ部２５とを有している。圧入部２１、ガイド部２２，２３、ホルダ部２４は樹脂製の一体品として構成されている。また、フランジ部２５は、例えば、黄銅、ステンレス等の金属板であり、このフランジ部２５は、インサート成形により樹脂製の圧入部２１と共に一体に設けられている。

ガイド部材２は、圧入部２１により弁ハウジング１に組み付けられ、フランジ部２５を介して弁ハウジング１の上端部に溶接により固定されている。また、ガイド部材２において、圧入部２１及び上下のガイド部２２，２３の内側には軸線Ｌと同軸の円筒形状のガイド孔２Ａが形成されるとともに、ホルダ部２４の中心には、ガイド孔２Ａと同軸の雌ねじ部２４ａとそのねじ孔が形成されている。そして、下側のガイド部２３の内側でガイド孔２Ａ内には主弁体３が配設されている。

主弁体３は、主弁座１３に対して着座及び離座する主弁部３１と、円柱状のニードルガイド孔３２ａを有する保持部３２と、ニードルガイド孔３２ａの底部を構成する副弁座３３と、保持部３２の端部に設けられたリテーナ３４と、を有している。なお、ニードルガイド孔３２ａの下側一部は副弁室３Ｒとなっている。保持部３２のニードルガイド孔３２ａ内には、後述のロータ軸５１に取り付けられたワッシャ４３とロータ軸５１と一体に形成されたガイド用ボス部４４とが挿通されるとともに、リング状のリテーナ３４は保持部３２の上端に嵌合固着または溶接等により固着されている。

また、リテーナ３４とガイド孔２Ａの上端部との間には、主弁ばね３ａが配設されており、この主弁ばね３ａにより主弁体３は主弁座１３の方向（閉方向）に付勢されている。副弁座３３の中心には軸線Ｌを中心とする円筒形状の副弁ポート３３ａが形成されている。また、保持部３２の側面の少なくとも一箇所には、副弁室３Ｒと主弁室１Ｒとを導通する導通孔３２ｂが形成されており、副弁体としてのニードル弁４が副弁ポート３３ａを開状態としたとき、主弁室１Ｒ、副弁室３Ｒ、副弁ポート３３ａ及び主弁ポート１３ａが導通する。

ニードル弁４は、後述のロータ軸５１の下端部にこのロータ軸５１と一体に形成されてロータ軸５１側に連なる先端に向かって徐々に径が小さくなる円錐台状のニードル部４２とを一体に形成して備えている。また、ニードル弁４は、ロータ軸５１に取り付けられた潤滑性樹脂からなる円環状のワッシャ４３と、ロータ軸５１と一体に形成されたガイド用ボス部４４と、を有している。そして、ワッシャ４３とガイド用ボス部４４は、ニードルガイド孔３２ａ内に摺動可能に挿通されている。

弁ハウジング１の上端にはケース１４が溶接等によって気密に固定され、このケース１４の内外に駆動部５が構成されている。駆動部５は、ステッピングモータ５Ａと、ステッピングモータ５Ａの回転によりニードル弁４を進退させるねじ送り機構５Ｂと、ステッピングモータ５Ａの回転を規制するストッパ機構５Ｃと、を備えている。

ステッピングモータ５Ａは、ロータ軸５１と、ケース１４の内部に回転可能に配設されたマグネットロータ５２と、ケース１４の外周においてマグネットロータ５２に対して対向配置されたステータコイル５３と、その他、図示しないヨークや外装部材等により構成されている。ロータ軸５１はブッシュを介してマグネットロータ５２の中心に取り付けられ、このロータ軸５１のガイド部材２側の外周には雄ねじ部５１ａが形成されている。この雄ねじ部５１ａはガイド部材２の雌ねじ部２４ａに螺合されており、これにより、ガイド部材２はロータ軸５１を軸線Ｌ上に支持している。そして、ガイド部材２の雌ねじ部２４ａとロータ軸５１の雄ねじ部５１ａはねじ送り機構５Ｂを構成している。

以上の構成により、ステッピングモータ５Ａが駆動されるとマグネットロータ５２及びロータ軸５１が回転し、ロータ軸５１の雄ねじ部５１ａとガイド部材２の雌ねじ部２４ａとのねじ送り機構５Ｂにより、マグネットロータ５２と共にロータ軸５１が軸線Ｌ方向に移動する。そして、ニードル弁４が軸線Ｌ方向に進退移動してニードル弁４が副弁ポート３３ａに対して近接又は離間する。また、ニードル弁４が上昇するとき、ワッシャ４３が主弁体３のリテーナ３４に係合し、主弁体３はニードル弁４と共に移動して、主弁座１３から離座する。なお、マグネットロータ５２には突起部５２ａが形成されており、マグネットロータ５２の回転に伴って突起部５２ａが回転ストッパ機構５Ｃを作動させ、ロータ軸５１（及びマグネットロータ５２）の最下端位置及び最上端位置が規制される。

図１の小流量制御域状態では、主弁体３は主弁座１３に着座した状態で主弁ポート１３ａが弁閉となり、ニードル弁４により副弁ポート３３ａの開度が制御され、小流量の制御が行われる。また、例えば冷凍サイクルシステムの圧縮機が停止して流体（冷媒）が停止した状態で、ニードル弁４と主弁体３が上昇されると、図２のように主弁ポート１３ａが全開状態となる。これにより、暖房運転時、第２継手管１２から第１継手管１１へ大流量の流体（冷媒）が流される。

ここで、ガイド部材２の下側のガイド部２３の下端部は円環状の平面を構成する当接部２３１となっている。また、主弁部３１の外径は保持部３２の外径より大きくなっており、これにより主弁部３１の保持部３２側外周には円環状の平面を構成する当接部３１１が形成されている。また、ガイド部２３の当接部２３１と主弁部３１の当接部３１１とは軸線Ｌ方向で対向して配置されている。そして、図２の状態で暖房運転として第２継手管１２から大流量の流体が流れると、流体の圧力（差圧力）が主弁体３に作用し、主弁体３が主弁ばね３ａの付勢力に抗して上昇し、図３の状態となる。このとき、主弁ばね３ａは完全に圧縮されない状態で主弁部３１の保持部３２側外周の当接部３１１が、ガイド部材２の下側のガイド部２３の当接部２３１に当接し、主弁体３の軸線Ｌ方向の位置、すなわち全開位置が位置決めされる。

上記のように主弁ばね３ａが密着長まで完全に圧縮されない状態を「中間圧縮状態」という。この実施形態では、当接部３１１と当接部２３１は「ストッパ機構」を構成しており、このストッパ機構は主弁ばね３ａを「中間圧縮状態」にして主弁体３の全開位置を位置決めする。したがって、主弁体３の全開位置が所定の位置で安定するため、第２継手管１２から第１継手管１１へ流れる流体の流量（全開流量）が安定する。また、主弁ばね３ａは中間圧縮状態までしか圧縮されないので、経年変化等による主弁ばね３ａの変形（へたり）を防止できる。

図４乃至図６は第２乃至第４実施形態の電動弁における全開状態で流体流動時の要部縦断面図である。第２乃至第４実施形態において第１実施形態と異なる点はストッパ機構であり、第１実施形態と同様な要素には図１乃至図３と同符号を付記して重複する説明は適宜省略する。

図４の第２実施形態では、ガイド部材２において、下側のガイド部２３′のガイド孔２Ａ′の径を上側のガイド部２２のガイド孔２Ａより大きくすることで、このガイド孔２Ａ′とガイド孔２Ａとの間に円環状の平面を構成する当接部２３１′を形成している。また、主弁部３１の保持部３２の軸線方向中間に中間に円環状の平面を構成する当接部３２１を形成している。そして、ガイド部材２の当接部２３１′と主弁体３側の当接部３２１とは軸線Ｌ方向で対向して配置されている。

当接部３２１と当接部２３１′は「ストッパ機構」を構成しており、このストッパ機構は第１実施形態と同様に主弁ばね３ａを「中間圧縮状態」にして主弁体３の全開位置を位置決めする。これにより、主弁体３の全開位置が安定し、第２継手管１２から第１継手管１１へ流れる流体の流量（全開流量）が安定する。また、主弁ばね３ａの変形（へたり）を防止できる。

図５の第３実施形態では、ガイド用ボス部４４からニードル部４２側に繋がるガイド用ボス部４４の外径より小さく、副弁ポート３３ａ径より大きい直径の円柱部４１があり、このその円柱部４１のニードル部４２側の端部に円環状の平面を構成する当接部４１１を形成している。これにより、当接部４１１は副弁座３３の副弁ポート３３ａの周囲の当接部３３１に軸線Ｌ方向で対向して配置されている。

当接部４１１と当接部３３１は「ストッパ機構」を構成しており、このストッパ機構は第１実施形態と同様に主弁ばね３ａを「中間圧縮状態」にして主弁体３の全開位置を位置決めする。これにより、主弁体３の全開位置が安定し、第２継手管１２から第１継手管１１へ流れる流体の流量（全開流量）が安定する。また、主弁ばね３ａの変形（へたり）を防止できる。

図６の第４実施形態では、リテーナ３４の軸線方向の高さを高くし、このリテーナ３４の上端に円環状の平面を構成する当接部３４１を形成している。また、ガイド部材２のガイド孔２Ａの天井部にはリテーナ３４側に突出する円環部２２ｂが形成されこの円環部２２ｂの下端は円環状の平面を構成する当接部２２１となっている。そして、主弁ばね３ａの「中間圧縮状態」でリテーナ３４の当接部３４１が円環部２２ｂの当接部２２１に当接する。

当接部３４１と当接部２２１は「ストッパ機構」を構成しており、このストッパ機構は第１実施形態と同様に主弁ばね３ａを「中間圧縮状態」にして主弁体３の全開位置を位置決めする。これにより、主弁体３の全開位置が安定し、第２継手管１２から第１継手管１１へ流れる流体の流量（全開流量）が安定する。また、主弁ばね３ａの変形（へたり）を防止できる。

次に、図７に基づいて本発明の冷凍サイクルシステムについて説明する。冷凍サイクルシステムは、例えば、家庭用エアコン等の空気調和機に用いられる。前記各実施形態の電動弁１００は、空気調和機の第１室内側熱交換器９１（除湿時冷却器として作動）と第２室内側熱交換器９２（除湿時加熱器として作動）との間に設けられており、圧縮機９５、四方弁９６、室外側熱交換器９４および電子膨張弁９３とともに、ヒ−トポンプ式冷凍サイクルを構成している。第１室内側熱交換器９１と第２室内側熱交換器９２及び電動弁１００は室内に設置され、圧縮機９５、四方弁９６、室外側熱交換器９４および電子膨張弁９３は室外に設置されていて冷暖房装置を構成している。

除湿弁としての実施形態の電動弁１００は、除湿時以外の冷房時または暖房時には主弁体が全開状態とされて、第１室内熱交換器９１と第２室内熱交換器９２は一つの室内熱交換器とされる。そして、この一体の室内熱交換器と室外熱交換器９４は、「蒸発器」及び「凝縮器」として択一的に機能する。すなわち、電子膨張弁としての電動弁９３は、蒸発器と凝縮器の間に設けられている。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。例えば、前記実施形態では、家庭用エアコン等の空気調和機に用いられる電動弁１００を例示したが、本発明の電動弁は、家庭用エアコンに限らず、業務用エアコンであってもよいし、空気調和機に限らず、各種の冷凍機等にも適用可能である。

実施形態におけるストッパ機構の当接部は軸線Ｌの全周に亘る円環状の平面となっているが、これに限らず、部分的な平面でもよい。

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、その他の実施形態についても詳述してきたが、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弁ハウジング
１Ｒ主弁室
１１第１継手管
１２第２継手管
１３主弁座
１３ａ主弁ポート
１４ケース
Ｌ軸線
２ガイド部材
２Ａガイド孔
２１圧入部
２２上側のガイド部
２３下側のガイド部
２３１当接部
２４ホルダ部
２４ａ雌ねじ部
２５フランジ部
３主弁体
３ａ主弁ばね
３Ｒ副弁室
３１主弁部
３１１当接部
３２保持部
３２ａニードルガイド孔
３２ｂ導通孔
３３副弁座
３３ａ副弁ポート
３４リテーナ
４ニードル弁（副弁体）
４１円柱部
４２ニードル部
４３ワッシャ
４４ガイド用ボス部
５駆動部
５Ａステッピングモータ
５Ｂねじ送り機構
５Ｃストッパ機構
５１ロータ軸
５１ａ雄ねじ部
５２マグネットロータ
５２ａ突起部
５３ステータコイル
２３′ 下側のガイド部
２Ａ′ ガイド孔
２３１′ 当接部
３２１当接部
３３１当接部
４１１当接部
２２ｂ円環部
２２１当接部
３４１当接部
９１第１室内側熱交換器
９２第２室内側熱交換器
９３電子膨張弁
９４室外側熱交換器
９５圧縮機
９６四方弁
１００電動弁

Claims

主弁室の主弁ポートを開閉する主弁体と、前記主弁体に設けられた副弁室の副弁ポートの開度を変更する副弁体と、前記主弁体を前記主弁ポート側に付勢する主弁ばねと、前記副弁体を軸線方向に進退駆動する駆動部と、を備え、前記主弁体が前記主弁ポートを閉とした状態で、前記副弁体が前記副弁ポートの開度を変更する小流量制御域と、前記主弁体が前記主弁ポートを全開状態として、前記主弁ポートから大流量の流体を流す大流量制御域と、の二段の流量制御域を有する電動弁であって、
前記大流量制御域において前記主弁ばねを中間圧縮状態にして前記主弁体の前記軸線方向の全開位置を規制するストッパ機構を備えたことを特徴とする電動弁。
前記副弁体が前記小流量制御域よりも前記副弁ポートをさらに開状態としたときに、前記副弁体が前記主弁体に係合することで、前記主弁体を前記全開状態とすることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
前記主弁体をガイド孔内に挿通して該主弁体を前記軸線方向にガイドするガイド部材を備え、前記ストッパ機構が、前記ガイド部材に形成された当接部と前記主弁体に形成された当接部とで構成され、前記両方の当接部が前記軸線方向で当接することにより前記主弁体の前記軸線方向の全開位置を規制することを特徴とする請求項１または２に記載の電動弁。
前記主弁体側の前記当接部が該主弁体の主弁部の外周に形成され、前記ガイド部材側の前記当接部が該ガイド部材の端部に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電動弁。
前記ストッパ機構が、前記ガイド部材の前記ガイド孔の底部に形成された当接部と、前記主弁体の前記ガイド孔の底部に対向する端部に形成された当接部とで構成されていることを特徴とする請求項３に記載の電動弁。
前記ストッパ機構が、前記主弁体に形成された前記副弁ポートの周囲の当接部と、前記副弁体の前記副弁ポートを開閉するニードル部側の円柱部に形成された当接部とで構成され、前記両方の当接部が前記軸線方向で当接することにより前記主弁体の前記軸線方向の全開位置を規制することを特徴とする請求項１または２に記載の電動弁。
圧縮機と、室内熱交換器と、室外熱交換器と、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器との間に設けられた電子膨張弁と、前記室内熱交換器に設けられる除湿弁とを含む冷凍サイクルシステムであって、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電動弁が、前記除湿弁として用いられていることを特徴とする冷凍サイクルシステム。