JP5684746B2

JP5684746B2 - 膨張弁

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Publication number: JP5684746B2
Application number: JP2012027366A
Authority: JP
Inventors: 関口　英樹; 英樹関口
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2012-02-10
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2032-02-10
Also published as: JP2013164124A; CN203163369U

Description

本発明は、ヒートポンプ式冷凍サイクル中に設けられ、冷媒の第１の流れ方向に対して該冷媒を絞る機能を果たすとともに、圧力損失を極力小さくして大流量を流せるようにした膨張弁に関する。

従来、ヒートポンプ式冷凍サイクルの多くは、室外熱交換器側（室外ユニット）に膨張弁が設けられており、この場合、膨張弁で膨張された冷媒は長い管路を介して室内熱交換器に流入される。このため、膨張された冷媒に圧力損失が生じやすく、膨張弁における流量制御がしにくいという問題がある。このことは膨張弁を室内熱交換器側に設けた場合も同様である。

これに対して、特開２００９−２８７９１３号公報（特許文献１）に、ヒートポンプ式冷凍サイクルにおいて、冷房モード時には室内熱交換器側で流量制御を含む絞り機能を発揮し、暖房モード時には室外熱交換器側で絞り機能を発揮できるようにした膨張弁が提案されている。

また、特許文献１の膨張弁は、冷媒の第１の流れ方向に対して該冷媒を絞る機能を果たすとともに、第２の流れ方向に対して圧力損失を極力小さくして大流量を流すために、副弁としての弁座部材（２，８）を有しており、この弁座部材（２，８）を弁ハウジング（１，７）内で軸線方向に摺動させる構造とされ、さらに、弁座部材（２）が開放する第２ポート（１２）は継手管（１２ａ）の内径と略同径であり、弁座部材（８）が開放する弁座リング（７２１）の第２ポート（７１）は継手管（７２２）の内径と同径になっている。

ところで、継手管（１２ａ，７２２）は弁ハウジング（１，７）に対してろう付けにより取り付けられる。このろう付けは、継手管にろう材を嵌め込んだ状態で弁ハウジングに本体部１ａに挿通される。そして、組み付けたアセンブリを、ろう付け装置のフラックス無炉中にて加熱する。このフラックス無炉中にて加熱するろう付けの技術は、例えば特開２００２−１３９１６９号公報（特許文献２）に開示されている。

特開２００９−２８７９１３号公報特開２００２−１３９１６９号公報

前記特許文献１の膨張弁では、第２ポートの内径とこの第２ポートに連通する継手管の内径が同径（実質的に同じ径）としているため、次のような問題がある。ろう付けの工程では継手管の弁ハウジング側の付け根にろう材が嵌め込まれ、これが溶融する。この溶融したろう材は、毛細管現象により弁ハウジングの挿通孔と継手管の外周との間に流れ込むようになる。

この弁ハウジングの挿通孔と継手管の外周との間のクリアランスは、使用するろう材の体積に応じて設定される。しかしながら、ろう付け装置の雰囲気条件によっては、溶け出したろう材の流れる量を制御するのが困難な場合があり、ろう材が第２ポートを通って副弁座に流れ出すと、副弁座と副弁との当接面にろう材が付着して形状を不均一にするので弁漏れが生じる虞がある。

本発明は、ヒートポンプ式冷凍サイクルにおいて、弁ハウジング内で副弁を移動させることにより、冷媒の第１の流れ方向に対して該冷媒を絞る機能を果たすとともに、第２の流れ方向に対して圧力損失を極力小さくして大流量を流せるようにした膨張弁において、副弁が着座する第２ポートの周囲の副弁座にろう材が流れないようにし、該副弁座の精度を確保して、弁漏れ等を防止することを課題とする。

請求項１の膨張弁は、シリンダ状の主弁室を構成する弁ハウジングと、該主弁室に連通する第１ポート及び該主弁室の軸方向端部に連通する第２ポートと、前記主弁室内に該主弁室の軸方向に移動可能に配置されて、主弁室と前記第２ポートとの間に弁ポートを有する副弁と、前記副弁に対する前記軸方向の移動により前記弁ポートを開閉する弁体とを備え、冷媒を前記第１ポートから前記第２ポートへ流すとき、該第１ポートと第２ポートの差圧により前記副弁を前記第２ポートの周囲の副弁座に着座させて該第２ポートを閉状態とするとともに、前記弁体により前記弁ポートへ流れる冷媒を絞り、冷媒を逆方向に流すとき、前記第２ポートと第１ポートの差圧により前記副弁を前記第２ポートから離間して該第２ポートを全開状態とするようにした膨張弁において、前記第２ポートと該第２ポートに連通する継手管の内径が同径であり、前記継手管と同径の弁座リングの内側を前記第２ポートとし、前記弁ハウジングに対して、前記弁座リングを前記主弁室側にして該弁座リングと前記継手管とが突き併せて取り付けられるとともに、該継手管の周囲にて該継手と前記弁ハウジングとがろう付けされるよう構成され、前記第２ポートの内周面の前記継手管に隣接する箇所で該内周面の全周であって該第２ポートの前記継手管側の開口端と、該第２ポートの内部とに、溶融したろう材を溜める複数の溝を形成したことを特徴とする。なお、請求項及び明細書において「内径が同径」とは正に同径である場合、略同径（実質的に同径）である場合も含む概念である。

請求項１の膨張弁によれば、弁ハウジングへの継手管の取り付け時のろう付け工程で、溶け出したろう材の量が多い場合でも、継手管から第２ポートに流れたろう材は、この継手管側の溝にたまり、ろう材が副弁が着座する副弁座に達するのを防止でき、副弁座の精度を確保して、弁漏れ等を防止することができる。

また、溝が複数あることで、副弁座へのろう材の付着を確実に防止できる。

また、第２ポートを弁ハウジングと別体の弁座リングによって形成するので、ろう材を溜める前記溝を形成するのも容易になる。

本発明の実施形態の膨張弁の絞り状態の縦断面図である。同膨張弁の全開状態の縦断面図である。本発明の実施形態における膨張弁の組立工程の一部を示す図である。本発明の実施形態における膨張弁のろう材を溜める溝の作用を説明する図である。本発明の実施形態における副弁の平面図及び縦断面図である。本発明の実施形態の膨張弁を備えたヒートポンプ式冷凍サイクルを示す図である。

次に、本発明の膨張弁の実施形態を図面を参照して説明する。図６は実施形態の膨張弁を設けたヒートポンプ式冷凍サイクルを示す図であり、先ず、図６に基づいて実施形態に係るヒートポンプ式冷凍サイクルについて説明ずる。図６において、符号１０₁，１０₂は本発明の実施形態の第１の膨張弁及び第２の膨張弁であり、第１の膨張弁１０₁は室外ユニット１００に搭載され、第２の膨張弁１０₂は室内ユニット２００に搭載されている。膨張弁１０₁，１０₂、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。

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、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、第１の膨張弁１０₁を介して管路ａを流れて第２の膨張弁１０₂に流入される。そして、この第２の膨張弁１０₂で冷媒が膨張され、室内熱交換機３０に流入される。この室内熱交換器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。暖房モードでは、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、第２の膨張弁１０₂、管路ａを通って第１の膨張弁１０₁に流入される。そして、この第１の膨張弁１０₁で冷媒が膨張され、室外熱交換器２０、流路切換弁４０、圧縮機５０の順に循環される。

ここで、膨張弁１０₁，１０₂は冷媒の流量を制御しない全開状態と、冷媒の流量を制御する絞り状態とをとり、全開状態では継手管１２から冷媒が流入して継手管１１から流出する。また、絞り状態では継手管１１から冷媒が流入して継手管１２から流出する。すなわち、冷房モードにおいては第１の膨張弁１０₁は全開状態で第２の膨張弁１０₂が絞り状態となり、また、暖房モードにおいては、第２の膨張弁１０₂が全開状態で第１の膨張弁１０₁が絞り状態となる。また、冷房モード及び暖房モードのいずれのモードでも、第１の膨張弁１０₁と第２の膨張弁１０₂を接続する管路ａでは冷媒の流れは大流量となり、絞り機能を持つ膨張弁手前での圧力損失を低減することができ、運転能力が向上する。

次に、実施形態の膨張弁１０₁，１０₂について説明する。図１は実施形態の膨張弁の絞り状態の縦断面図、図２は同膨張弁の全開状態の縦断面図、図３は実施形態における膨張弁の組立工程の一部を示す図、図４は実施形態における膨張弁のろう材を溜める溝の作用を説明する図、図５は実施形態における副弁の平面図（図５(A) ）及び縦断面図（図５(B) ）である。なお、膨張弁１０₁，１０₂の符号の添え字は、第１の膨張弁と第２の膨張弁とを区別するものであるが、以下の説明において両者を区別しない場合など添え字は適宜省略する。

図１及び図２に示すように、膨張弁１０は、弁ハウジング１を有し、弁ハウジング１には円筒シリンダ状の主弁室１Ａを形成する本体部１ａと、本体部１ａの下端から下方に延びる筒状部１ｂを有している。弁ハウジング１には、主弁室１Ａの片側内周面に継手管１１が取り付けられ、この継手管１１の端部は主弁室１Ａに開口する第１ポート１１ａとなっている。また、筒状部１ｂ内の主弁室１Ａ側にはステンレス製の弁座リング３が圧入して取り付けられるとともに、この筒状部１ｂの下端部に継手管１２が取り付けられている。弁座リング３の内側は第２ポート３ａとなっている。そして、弁座リング３の継手管１２側の端部には、溶融したろう材を溜めるための溝３３が形成されている。また、第２ポート３ａの内周面の継手管１２に隣接する箇所で、この内周面の全周に亘って、溝３２が溝３３に加えて形成されている。

主弁室１Ａ内には、副弁２が配設されている。図５に示すように、副弁２はガイド部材２１と弁座部材２２とで構成されている。ガイド部材２１は円盤部２１ａと３つのガイド板２１１，２１２，２１３とで構成されている。また、弁座部材２２は円盤部２１ａの中央に固着されており、この弁座部材２２の中央には弁ポート２２ａが形成されている。

弁ハウジング１の上部には固定金具４１によって支持部材４が固着されている。支持部材４には軸Ｌ方向に長いガイド孔４２が形成され、ガイド孔４２に連通する均圧孔４３が形成されている。また、固定金具４１には均圧孔４４が形成されている。ガイド孔４２には円筒状の弁ホルダ５が軸Ｌ方向に摺動可能に挿通されている。これにより、弁ホルダ５は支持部材４を介して弁ハウジング１に対して軸Ｌ方向に移動可能に支持されている。

弁ホルダ５は主弁室１Ａと同軸に取り付けられ、この弁ホルダ５の下端部には端部がニードル状でステンレス製の弁体５１が固着されている。弁体５１は、弁ホルダ５と共に軸Ｌ方向に移動することにより、弁ポート２２ａの開口面積を増減し、第１ポート１１ａから第２ポート３ａへ流れる流体の流量を制御して冷媒を絞る機能を果たす。なお、弁体５１は、図１に示すように最降下した全閉位置と、図２に示すように最上昇した全開位置との間で移動可能になっている。

また、弁ホルダ５は、ステッピングモータ６のロータ軸６１に係合している。すなわち、ロータ軸６１の下端部にはフランジ部６１ａが一体形成され、このフランジ部６１ａが弁ホルダ５の上端部と共にワッシャ５２を挟み込み、このロータ軸６１の下端部が弁ホルダ５の上端部で回転可能に係合している。この係合により、弁ホルダ５がロータ軸６１によって回転可能に吊り下げた状態で支持されている。また、弁ホルダ５内には、バネ受け５３が軸Ｌ方向に移動可能に設けられ、バネ受け５３と弁体５１との間には圧縮コイルバネ５４が所定の荷重を与えられた状態で取り付けられている。これにより、バネ受け５３は、上側に付勢され、ロータ軸６１の下端部に当接係合している。

ロータ軸６１には雄ねじ部６１ｂが形成されており、この雄ねじ部６１ｂは支持部材４に形成された雌ねじ部４ａに螺合している。これにより、ロータ軸６１は回転に伴って軸Ｌ線方向に移動する。

弁ハウジング１の上端には、ステッピングモータ６のケース６２が溶接等によって気密に固定されている。ケース６２内には、外周部を多極に着磁されたマグネットロータ６３が回転可能に設けられ、このマグネットロータ６３にはロータ軸６１が固着されている。なお、ケース６２の天井部にはマグネットロータ６３の回転を規制する回転ストッパ機構６４が設けられている。

また、ケース６２の外周には、ステータコイル６５が配設されており、ステッピングモータ６は、ステータコイル６５にパルス信号が与えられることにより、そのパルス数に応じてマグネットロータ６３を回転させる。そして、このマグネットロータ６３の回転によってマグネットロータ６３と一体のロータ軸６１が回転し、この回転に伴うロータ軸６１の軸Ｌ方向移動によって弁ホルダ５と共に弁体５１が軸Ｌ方向に移動する。

以上の構成により、実施形態の膨張弁１０は以下のように動作する。図１は継手管１１（第１ポート１１ａ）側から高圧冷媒が流入されて、冷媒流量が制御され、継手管１２（弁座リング３の第２ポート３ａ）から膨張された冷媒が流出する状態を示している。この場合、第１ポート１１ａ及び主弁室１Ａ内が高圧で第２ポート３ａ側が低圧となるため、その冷媒圧力の差圧により、副弁２は第２ポート３ａの周囲の副弁座３１に着座して、この第２ポート３ａを閉状態とする。そして、弁体５１の軸Ｌ方向位置をステッピングモータ６で制御することにより、主弁室１Ａから弁体５１と弁ポート２２ａとの間を介して流れる冷媒流量が制御される。

一方、圧縮機５０を停止するとともに流路切換弁４０を切り換える。このとき、ステッピングモータ６で制御して、弁体５１を副弁２から離間する方向（上方）に移動し、再び圧縮機５０を駆動する。これにより、継手管１２（第２ポート３ａ）側から高圧冷媒を流入して、継手管１１（第１ポート１１ａ）から冷媒を流出する状態とすると、第２ポート３ａが高圧で主弁室１Ａ及び第１ポート１１ａ側が低圧となる。そして、冷媒圧力の差圧により副弁２は副弁座３１から離間し、図２の状態になる。すなわち、第２ポート３ａは全開状態となる。これにより、第２ポート３ａと主弁室１Ａを介して第１ポート１１ａに冷媒が解放されて流通するようになる。

次に、副弁２の詳細について説明する。図４に示すように、副弁２のガイド部材２１は、ステンレス板のプレス加工により形成されており、主弁室１Ａの軸Ｌに直角に交差する円盤部２１ａと、この円盤部２１ａの周囲３箇所に立設された３つのガイド板２１１，２１２，２１３とを一体にして構成されている。各ガイド板２１１，２１２，２１３は平板状（フラット）であり、円盤部２１ａに対して軸Ｌと平行な方向にＬ形に立設されている。また、円盤部２１ａの中央には略円形の嵌合孔２１ｂが形成されている。

このガイド部材２１のプレス加工時にはプレスは２度に分けて行い、ガイド板２１１，２１２，２１３の部分は図５(A) に示す矢印Ｐ１の方向からプレスしている。また、ガイド板２１１，２１２，２１３以外の円盤部２１ａの端部の部分は、図５(B) に示す矢印Ｐ２の方向からプレスしている。

副弁２の弁座部材２２は、ステンレスの切削加工により形成されており、下部に円錐台状の副弁部２２１と、この副弁部２２１の外周に形成された円盤状のフランジ部２２２と、上部に形成された円環状の環状ボス部２２３を一体にして構成されている。環状ボス部２２３は端部にいくに従って肉薄になるように形成されている。

以上の構成により、副弁２は以下のように組み付ける。弁座部材２２の環状ボス部２２３をガイド部材２１の嵌合孔２１ｂ内に挿通し、フランジ部２２２を円盤部２１ａの裏面に突き当てた状態で環状ボス部２２３の端部を外周側に広げるようにかしめる。これによりガイド部材２１と弁座部材２２が結合される。そして、ガイド部材２１の円盤部２１ａの端部と、弁座部材２２のフランジ部２２２の端部との接合部分（図５(A) に円弧状破線で示す接合部分）にスポット溶接を施す。

かしめのみでガイド部材２１と弁座部材２２を結合する場合、環状ボス部２２３のかしめが甘いと、ガイド部材２１が弁座部材２２から脱落してしまう。逆にかしめが強すぎるとガイド部材２１が変形してしまい、弁ハウジングとの所定のクリアランスを確保できなくなる。その結果、最悪の場合、副弁２が弁ハウジング１内でロックしてしまう虞がある。また、スポット溶接のみでガイド部材２１と弁座部材２２を結合する場合、ガイド部材２１と弁座部材２２との間のクリアランスにより、ガイド部材２１の中心に弁座部材２２を保持することは困難である。そのため、前述のように環状ボス部２２３のかしめにより弁座部材２２に対するガイド部材２１の芯出しを行った後、スポット溶接を行うことにより、ガイド部材２１と弁座部材２２とを確実に固着することができるだけでなく、ガイド部材２１の中心に弁座部材２２を保持することができる。

なお、円盤部２１ａの端部にはプレス時のダレ面とバリが形成されているが、前記のように矢印Ｐ２の方向からプレスしているので、ダレ面は弁座部材２２のフランジ部２２２と反対側にでき、バリはフランジ部２２２側にできる。円盤部２１ａはフランジ部２２２より径が僅かに大きくなるように形成されており、バリをフランジ部２２２の外に出すことにより、スポット溶接時に、このバリ部分が溶融する。これにより、円盤部２１ａとフランジ部２２２とを隙間無く密着させることができ、より確実にスポット溶接することができる。

副弁２のガイド板２１１，２１２，２１３は平板状（フラット）であり、各ガイド板２１１，２１２，２１３の軸Ｌと平行な両端の縁が本体部１ａの内周面１ａ１（図５(A) 参照）に対して線接触で摺接し、主弁室１Ａ内で軸Ｌ方向に摺動可能となっている。また、ガイド板２１１，２１２，２１３は平板状であるので、ガイド板２１１，２１２，２１３と内周面１ａ１との間には間隙ができ、このガイド板２１１，２１２，２１３と内周面１ａ１との間にゴミ等が噛むことがなく、副弁２の摺動動作を安定した動作とすることができる。

さらに、この副弁２のガイド部材２１をプレス加工するとき、ガイド板２１１，２１２，２１３の部分は、図５(A) に示す矢印Ｐ１の方向からプレスするので、内側がバリ面となり、線接触する部分はダレ面となる。したがって、副弁２の摺動動作を安定した動作とすることができる。

また、副弁２において、ガイド部材２１は薄板状のステンレス板で形成された軽量な部材であるので、例えば特許文献１の副弁（弁座部材２）の全体を切削加工で形成する従来に比べて、軽量化することができ、図１の状態から図２の状態に移行するとき、副弁２が容易に持ち上がり、安定した動作が得られる。さらに、弁座部材２２は切削加工により形成されているので、弁ポート２２ａを精度高く形成することができ、弁漏れを防止して信頼性の高い膨張弁が得られる。

図３(A) に示すように、当該膨張弁の組立時には以下の工程を経る。弁座リング３は弁ハウジング１の筒状部１ｂ内に内側から圧入され、この筒状部１ｂに対して、リング状のろう材ａを継手管１２に嵌め込んだ状態で継手管１２が挿通される。このとき継手管１２の端部は弁座リング３に突き合わされる。継手管１１も同様なろう材ｂを嵌め込んだ状態で本体部１ａに挿通される。そして、図３(B) に示すように組み付けたアセンブリを、ろう付け装置のフラックス無炉中にて加熱することで、継手管１１，１２が弁ハウジング１に対してろう付けされる。

ここで、ろう付け装置の雰囲気条件によっては、溶け出したろう材の流れる量を制御するのが困難な場合があり、ろう材が弁座リング３の第２ポート３ａ側に流れ出す可能性がある。しかしながら、図４(B) に示すように、溶け出したろう材が第２ポート３ａ側に流れ出したとしても、弁座リング３の第２ポート３ａには継手管１２側内周に溝３３が形成されているので、継手管１２の周囲から弁座リング３側に流れ出したろう材は溝３３に溜まり、弁座３１に達することがない。なお、図４(A) は弁座リング３の周囲の拡大図、図４(C) は図４（B）の状態からさらに、第２ポート３ａ側にろう材が流れ出た場合であり、流れ出したろう材は第２ポート３ａ内に溝３３に加えてさらに設けた溝３２に溜まる。このように、溶融したろう材を溜めるための溝を複数設けておけば、溶け出したろう材が弁座３１に達することをより確実に防止できる。

以上の実施形態では、第２ポートが弁座リングに形成されている場合について説明したが、参考例として、弁座リングが無く、弁ハウジングに直接第２ポートが形成されている場合でも、その第２ポートに溝を形成すればよい。

また、実施形態では、溝３２，３３の２つの溝を形成した場合について説明したが、弁座リングの場合、参考例の弁ハウジングの場合のいずれの場合でも、溝は３本以上形成してもよいことはいうまでもない。

１弁ハウジング
１Ａ主弁室
１ａ本体部
１ｂ筒状部
１１継手管
１１ａ第１ポート
１２継手管
２副弁
２１ガイド部材
２２弁座部材
２１１，２１２，２１３ガイド板
２２ａ弁ポート２２ａ
２２１副弁部
３弁座リング
３ａ第２ポート
３１副弁座
３２溝
３３溝
５弁ホルダ
５１弁体
６ステッピングモータ
Ｌ軸

Claims

シリンダ状の主弁室を構成する弁ハウジングと、該主弁室に連通する第１ポート及び該主弁室の軸方向端部に連通する第２ポートと、前記主弁室内に該主弁室の軸方向に移動可能に配置されて、主弁室と前記第２ポートとの間に弁ポートを有する副弁と、前記副弁に対する前記軸方向の移動により前記弁ポートを開閉する弁体とを備え、
冷媒を前記第１ポートから前記第２ポートへ流すとき、該第１ポートと第２ポートの差圧により前記副弁を前記第２ポートの周囲の副弁座に着座させて該第２ポートを閉状態とするとともに、前記弁体により前記弁ポートへ流れる冷媒を絞り、冷媒を逆方向に流すとき、前記第２ポートと第１ポートの差圧により前記副弁を前記第２ポートから離間して該第２ポートを全開状態とするようにした膨張弁において、
前記第２ポートと該第２ポートに連通する継手管の内径が同径であり、前記継手管と同径の弁座リングの内側を前記第２ポートとし、前記弁ハウジングに対して、前記弁座リングを前記主弁室側にして該弁座リングと前記継手管とが突き併せて取り付けられるとともに、該継手管の周囲にて該継手と前記弁ハウジングとがろう付けされるよう構成され、
前記第２ポートの内周面の前記継手管に隣接する箇所で該内周面の全周であって該第２ポートの前記継手管側の開口端と、該第２ポートの内部とに、溶融したろう材を溜める複数の溝を形成したことを特徴とする膨張弁。