JP5851253B2 - 電気式膨張弁 - Google Patents

Description

本発明は、カーエアコン等の冷凍サイクルに使用される膨張弁に係り、特に、既存の配管系統等に変更を必要とせずに従前の機械式膨張弁に置き換えることのできる電気式膨張弁に関する。

カーエアコン等の冷凍サイクルとして、従来、例えば、下記特許文献１（同文献の図４、図５参照）に示されるようなものが実用に供されている。

また、図６に示される如くのものも提案ないし実用に供されている。すなわち、図示例の冷凍サイクル１００は、圧縮機１０１、凝縮器１０２、蒸発器１０３、内部熱交換器１０４、及び、機械式の膨張弁１１０（後述）を備え、内部熱交換器１０４において、凝縮器１０２から膨張弁１１０に導かれる高温高圧の冷媒（液相）と蒸発器１０３から圧縮機１０１の吸入側に導かれる低温低圧の冷媒（気相）との間で熱交換を行うようにしたものである（例えば、下記特許文献２も参照）。

かかる冷凍サイクル１００に使用されている機械式の膨張弁の一例を図７に示す。図示例の膨張弁１１０は、弁本体１２０の下部に内部熱交換器１０４からの高温冷媒を導入するための流入口１２１と弁口１２６付き弁座１２５を有する弁室１２４が設けられるとともに、中央部に流出口１２２が設けられ、また、弁本体１２０の上部左右に感温用流入口１３１及び流出口１３２が設けられ、弁本体１２０の最上部には、感温用流入口１３１から流出口１３２へ流れる冷媒の温度変化及び圧力変化に応動する感温感圧応動手段としてのダイアフラム装置１４０が取り付けられている。

前記弁室１２４には、前記弁口１２６を開閉するボール弁体１３０と該ボール弁体１３０を閉弁方向に付勢するコイルばね１２７が縮装されている。

前記ダイアフラム装置１４０は、ボール弁体１３０を駆動ロッド１３５及び連結体１３６を介して開閉方向（上下方向）に駆動するためのダイアフラム１４２を有し、該ダイアフラム１４２を隔壁としてその上下には、上側圧力室１４３と下側圧力室１４４とが画成されている。上側圧力室１４３は所定圧力のガスが封入されてキャップ１４６で密閉されている。下側圧力室１４４は、連通開口部１４５を介して前記感温用流入口１３１及び流出口１３２に連通しており、前記ダイアフラム１４２の下面側には、蒸発器１０３から内部熱交換器１０４に導かれる低温冷媒の圧力が作用するようになっている。

なお、前記下側圧力室１４４、感温用流入口１３１及び流出口１３２と前記冷媒流出口１２２との連通・流通を遮断すべく、弁本体１２０における駆動ロッド１３５が通される内部中央付近に装着穴１３８が設けられるとともに、この装着穴１３８の内周面と駆動ロッド３５の外周面との間にはシール材としてのＯリング１３９が介装されている。また、弁室１２４の下部には、ばね圧調節用の蓋栓状ナット１２８が螺合せしめられ、この蓋栓状ナット１２８の非螺合部分と弁室１２４内周面との間にはシール材としてのＯリング１２９が介装されている。

したがって、かかる構成の膨張弁１１０では、流出口１２２から前記蒸発器１０３へ導出される冷媒の流量（圧力降下度及び温度降下度）を、前記内部熱交換器１０４で熱交換を行う前の低温冷媒の温度及び圧力に応じて調整するようになっている。

また、図６に示された内部熱交換器１０４を備えない冷凍サイクル（例えば特許文献１参照）においては、膨張弁１１０の流入口１２１には凝縮器１０２（あるいは凝縮器の冷媒出口側に設けられたレシーバ）からの冷媒が導入され、流出口１３２より流出する冷媒は圧縮機１０１の吸入口へ導入される。

ところで、上記した如くの機械式膨張弁は、制御可能範囲が狭く、制御精度、自由度、多様性等も十分ではないので、この機械式膨張弁に代えて、電気式（電子制御式）の膨張弁（以下、電気式膨張弁と称す）を採用することが考えられている。

電気式膨張弁としては、例えば、特許文献３に所載のような、キャン、該キャンの内周に所定の間隙をあけて配在されたロータ、及びキャンに外嵌されたステータ等からなる、弁体駆動源としての電動モータと、弁体部がその下端部に設けられた棒状弁体と、冷媒入出口及び弁室が設けられた弁本体と、前記ロータの回転を利用して前記弁体を開閉駆動するねじ送り機構等の駆動機構とを備えた電動弁を用いることができる。

この電気式膨張弁の制御は、例えば、蒸発器から導出された低温冷媒の温度、圧力等を温度センサ、圧力センサ等で検出し、マイクロコンピュータを内蔵するコントロールユニットにおいて、その検出された温度、圧力等の情報に基づいて当該膨張弁の開度を調節するための制御信号を生成して、前記電動モータに供給するようにされ、これによって、前記弁軸が例えば回転しながら昇降して弁開度が調節され、これによって冷媒流出口から前記蒸発器へ導出される冷媒流量が制御される。

なお、電気式膨張弁としては、上記した如くの、弁体駆動源として電動モータを主要部とする電動式のもの（電動式アクチュエータ）の他、ソレノイドを主要部とする電磁式のもの（電磁式アクチュエータ）を弁体駆動源とするものもある。

特許３５４５８４７号公報 特開２０１０−１２１８３１号公報 特許４２２４１８７号公報

ところで、上記した如くに、従前の機械式膨張弁に代えて電気式膨張弁を採用する場合、次のような事柄に留意する必要がある。すなわち、カーエアコン等においては、膨張弁を設置する部位（スペース）や配管系統は予め定められているので、当該電気式膨張弁においても、前記機械式膨張弁に設けられていた冷媒流入口１２１、冷媒流出口１２２に加えて、流量制御（感温感圧用）には用いないものの、流入口１３１及び流出口１３２は導管接続用に必要であり、その形成位置も大きく変更することはできない。

ここで、機械式膨張弁１１０においては、ダイアフラム装置１４０の耐久性等を考慮して（冷媒中の微小異物がダイアフラム装置部分に溜まらないようにする必要がある）、ダイアフラム装置１４０を上側となるように配置し、駆動ロッド１３５を感温用流入口１３１及び流出口１３２からなる横貫通路１３３、弁本体中央部付近に形成されたＯリング装着穴１３８、この装着穴１３８の下側に設けられた案内孔１３４、冷媒流出口１２２が設けられた横孔１２３を通して垂下させて、ボール弁体１３０を昇降駆動するようにされている。このような機械式膨張弁に代えて電気式膨張弁を採用しようとする場合、弁体のアクチュエータとして前記ダイアフラム装置１４０（感温圧力応動手段）を電動モータに置き換えて、前記電動モータを弁本体１２０の最上部に配置し、かつ前記駆動ロッド１３５に代えて、下端部に弁体部が設けられた弁軸を垂下させた構成にすると、弁軸を昇降させなければならないので、前記感温用の横貫通路１３３と冷媒流出口１２２が設けられた横孔１２３との間を封止するためのＯリング１３９部分が大きな抵抗となり、電動モータとして、駆動トルクが比較的大きなものを用いることが要求され、大きなコストアップ、大型化、消費エネルギの増大等を招いてしまう。

これを回避するには、電動モータを当該膨張弁の底部側に下向き（逆向き）に配置すればよいが、電動モータを底部側に下向き（逆向き）に配置すると、冷媒中に混入されているオイルが電動モータのキャン内に溜まり、動作安定性、耐久性、信頼性等が損なわれるおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、動作安定性、耐久性、信頼性等を損なうことなく、従前の機械式膨張弁に置き換えることができ、コストアップ、大型化、消費エネルギの増大等を可及的に抑えることのできる電気式膨張弁を提供することにある。

前記の目的を達成すべく、本発明に係る電気式膨張弁は、基本的には、弁本体の左右方向一側部に冷媒流入口が設けられるとともに、弁本体の左右方向他側部に冷媒流出口が設けられ、前記冷媒流入口と冷媒流出口との間に弁口が付いた弁座を有する弁室が設けられるとともに、前記弁本体の上部の左右に導管接続用流入口及び導管接続用流出口が設けられ、かつ、前記弁口を開閉するための弁体部を有する棒状弁体と、該棒状弁体を前記弁口の開閉方向に昇降させるための弁体駆動源とを備え、前記弁体駆動源は、前記弁本体の下部前面側に斜め上向きに配置されていることを特徴としている。

好ましい態様では、前記弁体駆動源側に前記棒状弁体及び前記弁座を有する筒状弁室形成体が配在されるとともに、前記弁本体の下部前面側に、斜め上向きに、前記筒状弁室形成体が挿入される段付き穴が設けられ、該段付き穴の内周側で前記筒状弁室形成体の外周側に前記冷媒流入口が開口する冷媒流入室が形成されるとともに、該冷媒流入室と前記弁室とが前記筒状弁室形成体に設けられた透孔を介して連通せしめられる。

他の好ましい態様では、前記段付き穴に、前記弁体駆動源と、前記筒状弁室形成体と、前記棒状弁体とからなる組立体が斜め上向きに取付固定される。

他の好ましい態様では、前記段付き穴における前記弁口より下流側に冷媒流出室が設けられるとともに、該冷媒流出室と前記冷媒流出口とが直線状の縦孔により連通せしめられる。

前記弁体駆動源として、好ましくは、電動モータを主要部とする電動式アクチュエータが使用される。

他の好ましい態様では、前記弁体駆動源として、ソレノイドを主要部とする電磁式アクチュエータが使用される。

本発明に係る電気式膨張弁は、機械式膨張弁と同様に、弁本体には、冷媒流入口及び冷媒流出口が設けられるとともに、弁本体の上部の左右には、機械式膨張弁における感温用流入口及び感温用流出口の代わりとなる導管接続用流入口及び導管接続用流出口が設けられ、かつ、弁体駆動源と棒状弁体とが弁本体の下部前面側に斜め上向きに配置されるので、弁体はＯリング等による抵抗をさほど受けず、また、冷媒中に混入されているオイルがキャン内に溜まるようなこともないので、動作安定性、耐久性、信頼性等を損なうことなく、従前の機械式膨張弁に置き換えることができ、コストアップ、大型化、消費エネルギの増大等を効果的に抑えることができる。

本発明に係る電気式膨張弁の一実施例を示す右上斜視図。 図１に示される電気式膨張弁の正面図。 図２のＸ-Ｘ矢視線に従う部分破断断面図。 （Ａ）は図１に示される電気式膨張弁の右側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＹ-Ｙ矢視線に従う拡大断面図。 図１に示される電気式膨張弁の左側面図。 カーエアコン等の膨張弁が使用されている冷凍サイクルを示す回路図。 従来の機械式膨張弁の一例を示す縦断面図。

以下、本発明の電気式膨張弁の実施形態を図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係る電気式膨張弁の一実施例を示す右上斜視図、図２は、その正面図、図３は、図２のＸ-Ｘ矢視線に従う部分破断断面図、図４（Ａ）は右側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＹ-Ｙ矢視線に従う拡大断面図、図５は左側面図である。

図示例の電気式膨張弁１は、特許文献１あるいは特許文献２（図６参照）に示されたようなカーエアコン等の冷凍サイクルにおいて、機械式膨張弁に置き換えて使用するものであり、弁本体１０と、弁体駆動源としての電動モータ（ステッピングモータ）５０とを有している。電動弁としてのステッピングモータ５０の構成は前述した特許文献３等に所載のものと基本的には同じであるので、内部は図示が省略されている。この電動モータは、例えば弁本体にキャンが取り付けられ、該キャンの外周にはステータが、また該キャンの内部にはロータ及び該ロータの回転を弁体の進退動に変換するねじ機構等を備えている。

弁本体１０は、設置状態において水平面に略垂直な垂直面１１ａ及び斜め下向き面１１ｂからなる前面１１、垂直面からなる後面１２、垂直面からなる左側面１３、垂直面からなる右側面１４、上に凸の丸みが付けられた上面１５、及び水平面１６ａ、前面側斜め上向き面１６ｂ、及び後面側斜め上向き面１６ｃからなる底面１６を有する、設置部位（スペース）を考慮した変形直方体状とされている。この弁本体は、例えばアルミニウムなどの金属あるいは樹脂等により形成されている。

該弁本体１０には、図７に示される機械式膨張弁１１０と略同様に、その右側面１４の下部に冷媒流入口２１が開口せしめられとともに、その左側面１３の中央部付近に冷媒流出口２２が開口せしめられ、また、弁本体１０の上部の左右に、それぞれ従来例における感温用流入口１３１及び感温用流出口１３２に代えて、略同じ寸法形状の導管接続用流入口３１及び導管接続用流出口３２が設けられている。この導管接続用流入口３１及び導管接続用流出口３２は、本発明実施例の電気式膨張弁１においては、弁本体１０の内部を真直ぐに貫通する孔の両端であり、単に蒸発器から内部熱交換器に向かう冷媒流路の一部を構成するだけで、流量制御には全く関与しない。なお、冷媒流入口２１は、前述した機械式膨張弁１１０の冷媒導入口１２１より前面１１側に若干寄せられているが、この程度の位置変更は、導管や継手類を例えば曲げることなどで容易に対応できる。

また、弁本体１０の上部において、左右側面１３-１４間を貫通するように取付用ピンが通される２個の段付きの貫通孔６１、６１が横並びに設けられるとともに、右側面１４には、同じく取付用に供される非貫通の段付きの横穴６２、６２やねじ穴６３、６３が設けられている。

また、前記モータ５０側には、前記弁本体１０とは別体の、弁口２６付き弁座２５を有する筒状弁室形成体２０（図４（Ｂ））が連結されている。弁本体１０における前面１１の下部の斜め下向き面１１ｂには、該斜め下向き面１１ｂに垂直、言い換えれば斜め上向きに、前記筒状弁室形成体２０の下部２０ａが挿入される挿入部１７ａ、該挿入部１７ａより大径の大径部１７ｂ、及び該大径部１７ｂより上側の例えばめねじからなる取付部１７ｃを有する段付き穴１７が開口せしめられており、該段付き穴１７に、前記モータ５０と、前記筒状弁室形成体２０と、前記弁口２６を開閉すべく前記モータ５０により回転しながら昇降せしめられる棒状弁体３０と、からなる組立体５０Ａが例えばおねじが形成されたリング状連結体１９、及び必要であればその他の適宜の手段を介して斜め上向きに取付固定されている。

前記段付き穴１７の大径部１７ｂの内周側で前記筒状弁室形成体２０における中間部２０ｂの外周側には、前記冷媒流入口２１の奥部２１ａが開口する円環状の冷媒流入室３５が形成されるとともに、該冷媒流入室３５と弁室２４とが筒状弁室形成体２０に設けられた複数個の透孔３６を介して連通せしめられている。

また、前記段付き穴１７及び筒状弁室形成体２０における弁口２６付き弁座２５より下流側には冷媒流出室３７が設けられるとともに、該冷媒流出室３７と前記冷媒流出口２２とが、直線状の縦孔１８により連通せしめられている。縦孔１８は、一端（下端）が底面１６（の水平面１６ａ）に開口し、他端（上端）が冷媒流出口２２に開口せしめられており、その下端部は、蓋栓部材２８が螺合せしめられて閉塞されており、この蓋栓部材２８の非螺合部分と縦孔１８内周面との間にはシール材としてのＯリング２９が介装されている。また、筒状弁室形成体２０の下部２０ａと段付き穴１７の挿入部１７ａとの間にもシール材としてのＯリング３９が介装されている。

かかる構成のもとでは、冷媒は、内部熱交換器１０４の出口（あるいは凝縮器またはレシーバの出口）→冷媒流入口２１（奥部２１ａ）→冷媒流入室３５→筒状弁室形成体２０の透孔３６→弁室２４→弁体部３０ａと弁口２６付き弁座２５との間に形成される、弁体リフト量に応じた隙間→冷媒流出室３７→縦孔１８→冷媒流出口２２→蒸発器１０３の入口→蒸発器１０３の出口→導管接続用流入口３１→導管接続用流出口３２→内部熱交換器１０４の入口（あるいは圧縮機の吸入口）へと流れる。

このような構成とされた本実施例の電気式膨張弁１においては、機械式膨張弁と同様に、弁本体１０には、冷媒流入口２１及び冷媒流出口２２が設けられるとともに、弁本体１０の上部の左右には、機械式膨張弁における感温用流入口１３１及び感温用流出口１３２と同じ寸法形状の導管接続用流入口３１及び導管接続用流出口３２が設けられ、かつ、モータ５０と、筒状弁室形成体２０と、棒状弁体３０とからなる組立体５０Ａが弁本体１０の下部前面１１側に斜め上向きに取付固定されているので、弁体３０はＯリング等による抵抗を受けず、また、冷媒中に混入されているオイルがモータ５０のキャン内に溜まるようなこともないので、動作安定性、耐久性、信頼性等を損なうことなく、従前の機械式膨張弁に置き換えることができ、コストアップ、大型化、消費エネルギの増大等を効果的に抑えることができる。

さて、前述の説明においては、ステッピングモータは特許文献３等に所載のものと基本的には同じであるものとしたが、その構成はいかなるものであっても良い。またロータの回転を減速して弁体に伝達する減速機構を備えたものであっても良い。

また、上記実施例においては、カーエアコン等の冷凍サイクル用の電気式膨張弁を例示したが、本発明に係る電気式膨張弁は、ヒートポンプ式冷暖房システム等にも適用できるものである。

また、上記実施例においては、弁体駆動源として電動モータを使用したものを例示したが、本発明はこれに限られることはなく、弁体駆動源としてソレノイドを主要部とする電磁式のもの（電磁式アクチュエータ）を使用することもできる。

１ 電気式膨張弁
１０ 弁本体
１７ 段付き穴
１８ 縦孔
２０ 筒状弁室形成体
２１ 冷媒流入口
２２ 冷媒流出口
２４ 弁室
２５ 弁座
２６ 弁口
３０ 棒状弁体
３１ 導管接続用流入口
３２ 導管接続用流出口
３５ 冷媒流入室
３６ 透孔
３７ 冷媒流出室
５０ ステッピングモータ
５０Ａ 組立体

Claims (6)

1. 弁本体の左右方向一側部に冷媒流入口が設けられるとともに、弁本体の左右方向他側部に冷媒流出口が設けられ、前記冷媒流入口と冷媒流出口との間に弁口が付いた弁座を有する弁室が設けられるとともに、前記弁本体の上部の左右に導管接続用流入口及び導管接続用流出口が設けられ、かつ、前記弁口を開閉するための弁体部を有する棒状弁体と、該棒状弁体を前記弁口の開閉方向に昇降させるための弁体駆動源とを備えた電気式膨張弁であって、
   前記弁体駆動源は、前記弁本体の下部前面側に斜め上向きに配置されていることを特徴とする電気式膨張弁。
2. 前記弁体駆動源側に前記棒状弁体及び前記弁座を有する筒状弁室形成体が配在されるとともに、前記弁本体の下部前面側に、斜め上向きに、前記筒状弁室形成体が挿入される段付き穴が設けられ、該段付き穴の内周側で前記筒状弁室形成体の外周側に前記冷媒流入口が開口する冷媒流入室が形成されるとともに、該冷媒流入室と前記弁室とが前記筒状弁室形成体に設けられた透孔を介して連通せしめられていることを特徴とする請求項１に記載の電気式膨張弁。
3. 前記段付き穴に、前記弁体駆動源と、前記筒状弁室形成体と、前記棒状弁体とからなる組立体が斜め上向きに取付固定されていることを特徴とする請求項２に記載の電気式膨張弁。
4. 前記段付き穴における前記弁口より下流側に冷媒流出室が設けられるとともに、該冷媒流出室と前記冷媒流出口とが直線状の縦孔により連通せしめられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の電気式膨張弁。
5. 前記弁体駆動源として、電動モータを主要部とする電動式アクチュエータが使用されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電気式膨張弁。
6. 前記弁体駆動源として、ソレノイドを主要部とする電磁式アクチュエータが使用されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電気式膨張弁。

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