JP6069924B2

JP6069924B2 - 膨張弁

Info

Publication number: JP6069924B2
Application number: JP2012162327A
Authority: JP
Inventors: 祐輔大西; 賢哲安嶋; 幸裕高野; 土屋　敏章; 敏章土屋
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2032-07-23
Also published as: JP2014020738A

Description

本発明は、プランジャの先端に設けた弁体と細径の冷媒流路（オリフィス）を有した弁座によって、冷媒を膨張させる冷媒流路を開閉可能に構成した膨張弁に関する。

従来より、自動販売機等の冷却や加熱に用いられる冷媒サイクル装置に備えられる冷媒の膨張手段として、電磁弁を開閉することにより冷媒の膨張度を調整するパルス式の電子膨張弁が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この種の電子膨張弁の構成の一例を図６に示す。図６に示す電子膨張弁１００は、図示しない圧縮機、凝縮器及び蒸発器等によって冷媒回路が構成された冷媒サイクル装置に用いられるものであり、高圧冷媒が流通する高圧流入管１０１が接続される入口ポート１０２と、弁座１０４に形成された細径の冷媒流路（オリフィス）１０６を介して膨張された低圧冷媒が流通する低圧流出管１０７が接続される出口ポート１０８とを備える。そして、電磁コイル１１０とヨーク１１２によって形成される磁気回路により、ヨーク１１２の下端にコイルばね１１４を介して支持されたプランジャ１１６を進退移動させることで、冷媒流路１０６を開閉制御する。

特開昭５３−１３５２号公報

図６に示すように、電子膨張弁１００では、電磁コイル１１０への通電をオンすると、プランジャ１１６がコイルばね１１４の付勢力に抗して後退し、該プランジャ１１６の先端面１１６ａが弁座１０４から離間して、冷媒流路１０６が開放される。一方、電磁コイル１１０への通電をオフすると、プランジャ１１６がコイルばね１１４の付勢力によって前進し、その先端面１１６ａが弁座１０４に着地（密着）して冷媒流路１０６を閉塞する（図６中に破線で示すプランジャ１１６参照）。これらの動きを高速で行うために、プランジャ１１６の移動に必要な力が大きいと駆動部を大型化する傾向があった。また、冷媒流路(オリフィス)の高低圧力差が大きいとプランジャ１１６の所要引き上げ力が大きくなり、電磁コイルの大型化によるコストアップ、消費電力量の増大につながる。

また、このような電子膨張弁１００では、可動部材であるプランジャ１１６を用いているため、プランジャ１１６の外周面と該プランジャ１１６を収納するケース１１８の内周面との間に一定量の隙間１２０が設けられている。このため、プランジャ１１６の可動状態によっては、図７に示すように、隙間１２０によってプランジャ１１６が傾いて動作することがある。そうすると、電磁コイル１１０への通電をオフした場合であっても、プランジャ１１６の先端面１１６ａが弁座１０４に密着することができず、冷媒流路１０６からの冷媒漏れが発生し、冷媒サイクルの能力が低下し消費電力が増大することになる。

また、弁座面１０４ａが大きい場合は、図８に示すように弁座１０４の外周両端部から冷媒流路１０６までの距離が長くなり、冷媒が減圧することによるプランジャ１１６の引き下げ力が発生し、引き上げ力が増加するため、磁気回路の大型化につながる。

なお、電子膨張弁としては、上記の電子膨張弁１００のようにプランジャ１１６の平坦な先端面１１６ａを弁体として弁座１０４に着地（密着）させる構成以外のものもあり、例えば、ボール型の弁体を用いた電磁弁によって冷媒流路を閉塞する構成もある。ボール型の弁体を用いると、プランジャの傾きの影響を少なくすることができるという利点があるが、その構造上、弁体の開閉に大きな力が必要となり、特に、二酸化炭素のように高い圧力差を生じる冷媒を用いた冷媒サイクルでは、磁気回路の大型化やコストアップの要因となり得る。

本発明は、上記従来技術の課題を考慮してなされたものであり、弁構造を小型化し、特に弁座面を小型にして、弁体の開閉に必要な駆動力の増加を抑えると共に、冷媒漏れを低減することができる膨張弁を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る膨張弁は、少なくとも冷媒を流入させる入口ポート、前記冷媒を流出させる出口ポート、および前記入口ポートと前記出口ポートとの間に設けられる弁室とを有するケースと、前記弁室内に配置され、前記入口ポートから前記弁室内に流入した冷媒を膨張させて前記出口ポートへと流出させる冷媒流路が形成された弁座と、電磁コイルへの通電オン・オフにより前記弁室内を進退移動する態様で前記弁座に対向配置されるとともに付勢手段により前記弁座に向けて付勢され、電磁コイルへの通電オンにより前記弁座から離間する一方、電磁コイルへの通電オフにより前記弁座に当接（着地）して冷媒流路を開閉可能なプランジャとその下部の弁体と、を備える膨張弁であって、前記弁座あるいは前記弁体、または前記弁座と前記弁体の双方に高圧の冷媒が流通する溝部を有するとともに、前記弁座と前記弁体が当接する弁座面を、中央部にオリフィスを有する弁座面と、前記溝部を介して外方側に配した弁座面とを同一高さで形成したことを特徴とする。

本発明によれば、弁座に高圧冷媒を流通する溝部を設置することにより、弁体開放時に弁体と弁座が当接する弁座面の負圧領域が減少し、より小さい力で弁体を引き上げることができる。また溝部の外方側にもオリフィスを有する弁座面と同じ高さの弁座面を設けることにより、弁座面を小さくした場合に発生していた弁体の不安定（傾き）を防止できる。その結果、冷媒流路の閉塞性が向上し、冷媒漏れを低減することができる。また、中央部にオリフィスを有する弁座面を溝部の内側に形成できるため、冷媒が減圧することによる引き下げ力が低減し、引き上げ力を抑制できるため、磁気回路を構成する電磁コイル等の小型化が可能となる。

図１は、本発明に係る電子膨張弁を備えた冷媒サイクル装置の全体構成図である。図２は、本発明に係る電子膨張弁の側面断面図であり、図２（ａ）は電子膨張弁の通電をオンにした状態を示し、図２（ｂ）は本発明に係る弁座の詳細図である。図３は、本発明に係る電子膨張弁の側面断面図であり、弁体側に溝部を形成したものである。図４は、本発明に係る電子膨張弁の側面断面図であり、弁体を板状で形成したものである。図５は、本発明に係る電子膨張弁の側面断面図であり、板状の弁体に連通孔を形成したものである。図６は、従来の電子膨張弁の構成を示す側面断面図である。図７は、図６に示す電子膨張弁において、弁座面が小さくプランジャが傾いた状態を示す側面断面図である。図８は、図６に示す電子膨張弁において、弁座面を大きくした状態を示す側面断面図である。

以下、本発明に係る膨張弁について、この膨張弁を備えた冷媒サイクル装置との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電子膨張弁（膨張弁）１０を備えた冷媒サイクル装置１２の全体構成図である。この冷媒サイクル装置１２は、例えば、自動販売機の冷却加熱装置として用いられ、３つの商品収納庫１４ａ、１４ｂ、１４ｃをそれぞれ冷却・加熱し、缶飲料等の販売商品を所定温度に保持するためのものである。勿論、電子膨張弁１０は、自動販売機以外、例えば室内用や車両用の空調装置や各種ショーケース等に用いられる冷媒サイクル装置に適用することもできる。

先ず、冷媒サイクル装置１２の構成の一例について説明する。
図１に示すように、冷媒サイクル装置１２は、図示しない自動販売機の機械室に配置される圧縮機１６、庫外熱交換器１８、補助熱交換器２０、内部熱交換器２２及び電子膨張弁１０と、商品収納庫１４ａに配設される蒸発器２４及び加熱用熱交換器２６と、商品収納庫１４ｂに配設される蒸発器２８と、商品収納庫１４ｃに配設される蒸発器３０とを備え、これらが所定量の冷媒（例えば、二酸化炭素）を封入した配管によって接続されることで冷媒回路を構成している。商品収納庫１４ｂには、さらに、庫内を加熱するためのヒータ３２が設けられている。

圧縮機１６は、低温低圧の冷媒を吸引側配管３４を介して吸引口から吸引し、それを圧縮することで高温高圧状態にして吐出口から吐出側配管３５へと吐出するものであり、例えば２段圧縮式で構成される。吐出側配管３５は三方弁３６によって２方に分岐しており、一方の配管３８は庫外熱交換器１８に接続され、他方の配管４０は商品収納庫１４ａ内へと配設されて加熱用熱交換器２６に接続される。そして三方弁３６を切替制御することにより、圧縮機１６から吐出された冷媒は庫外熱交換器１８又は加熱用熱交換器２６に択一的に流通される。

庫外熱交換器１８の出口側において、配管３８は、補助熱交換器２０及び内部熱交換器２２を順に経由して分配器４２に接続される。分配器４２は、配管３８を３方に分岐させ、分岐した各配管４３ａ、４３ｂ、４３ｃは、それぞれ電子膨張弁１０を介して蒸発器２４、２８、３０に接続された後、その出口側の配管４４ａ、４４ｂ、４４ｃが、蒸発器２４、２８、３０の出口側で吸引側配管３４に合流し、内部熱交換器２２を経て圧縮機１６の吸引口に接続される。一方、加熱用熱交換器２６の出口側において、配管４０は、庫外熱交換器１８と補助熱交換器２０の間の配管３８に合流し、補助熱交換器２０の入口側へと接続される。

庫外熱交換器１８、補助熱交換器２０、蒸発器２４、２８、３０及び加熱用熱交換器２６には、図示しないファンが近接配置される。庫外熱交換器１８及び補助熱交換器２０に近接配置されるファンは庫外送風用であり、庫外熱交換器１８等の周囲に外気を通過させて外部へと送出するためのものである。一方、蒸発器２４、２８、３０及び加熱用熱交換器２６に近接配置されるファンは庫内送風用であり、蒸発器２４等の周囲を通過して加熱又は冷却された空気を各庫内に循環させるためのものである。

このような冷媒サイクル装置１２では、圧縮機１６の回転数や電子膨張弁１０の開度を変化させ、さらに、三方弁３６や分配器４２を適宜開閉制御することにより、各庫内を所望の温度域で管理することができる。

この際、冷媒サイクル装置１２では、商品収納庫１４ａ〜１４ｃに収納される商品種類や気候条件等に応じて、例えば３つの運転モード（ＣＣＣ運転、ＨＣＣ運転、ＨＨＣ運転）を実行することができる。ＣＣＣ運転は、各庫１４ａ〜１４ｃを全て冷却（ＣＯＬＤ）運転する運転モードであり、三方弁３６を配管３８側に切り替え、分配器４２を３方分配とする。ＨＣＣ運転は、商品収納庫１４ａを加熱（ＨＯＴ）運転し、商品収納庫１４ｂ、１４ｃを冷却（ＣＯＬＤ）運転する運転モードであり、三方弁３６を配管４０側に切り替え、分配器４２を配管４４ｂ、４４ｃの２方分配とする。ＨＨＣ運転は、商品収納庫１４ａ、１４ｂを加熱（ＨＯＴ）運転し、商品収納庫１４ｃを冷却（ＣＯＬＤ）運転する運転モードであり、三方弁３６を配管４０側に切り替え、分配器４２を配管４４ｃの１方分配とし、ヒータ３２をオンする。勿論、冷媒サイクル装置１２の運転モードは上記以外のものであってもよく、電子膨張弁１０が適用される冷媒回路の構成も上記冷媒サイクル装置１２以外の構成であってもよい。

次に、電子膨張弁１０の構成について説明する。
図２は、本発明に係る電子膨張弁１０の側面断面図であり、図２（ａ）が電子膨張弁の通電をオンにした状態、図２（ｂ）が本発明に係る弁座５６の詳細図を示している。

電子膨張弁１０は、図示しない制御装置の制御下にパルス駆動制御されることで、冷媒流量及び冷媒蒸発温度を制御するものである。図２（ａ）に示すように、電子膨張弁１０は、高圧冷媒が流入する入口ポート５０と、低圧冷媒を流出させる出口ポート５２と、入口ポート５０と出口ポート５２の間に形成される弁室５４と、弁室５４内に配置される弁座５６と、弁室内５４内で進退移動するプランジャ６０と、入口ポート５０、出口ポート５２、弁室５４を形成するとともに、プランジャ６０を摺動可能に収容するケース６２とを備える。

入口ポート５０には、高圧流入管となる配管４３ａ（４３ｂ、４３ｃ）が接続され、出口ポート５２には、低圧流入管となる配管４４ａ（４４ｂ、４４ｃ）が接続される。このような入口ポート５０と出口ポート５２との間に設けられる弁室５４は、円筒形状のケース６２の内部空間によって形成されており、この弁室５４には、入口ポート５０と出口ポート５２との間を仕切るように弁座５６が配設されている。

弁座５６は、出口ポート５２が開口形成されたケース６２の底部に揺動可能に配設された溝部を有した円筒形状の部材であり、その中心を細径の冷媒流路６４が貫通している。冷媒流路６４は、入口ポート５０と出口ポート５２との間を連通させるものであり、高圧冷媒を膨張させて低圧冷媒として流出させるためのオリフィスとして機能する。

また、図２（ｂ）の弁座５６の詳細図に示すように弁座５６の上部には弁座５６の上面を弁座面（中）５７と弁座面（外）５８に分けるように溝部５９が形成されている。そのため、溝部５９は高圧流入管となる配管４３ａ（４３ｂ、４３ｃ）の高圧冷媒と連通するようになっている。

プランジャ６０は、ケース６２によって形成された円筒状のシリンダ内を進退移動（図２では上下移動）可能なピストンであり、円筒形状のボビン６６の中心孔６６ａの上部に内挿されたヨーク６８の下端に対し、コイルばね７０を介して支持されている。ヨーク６８は、ハウジング（外ヨーク）６９の上面に対して固定ねじ７１によって固定されている。コイルばね７０は、プランジャ６０を前進方向（下方）に付勢する圧縮ばねである。このように、ボビン６６の中心孔６６ａには、ヨーク６８とケース６２とが内挿されており、このケース６２内でプランジャ６０が摺動可能となっている。

電子膨張弁１０では、ボビン６６に巻回された電磁コイル７２への通電がオンされると、電磁コイル７２及びヨーク６８によって形成される磁気回路により、ヨーク６８の下端にコイルばね７０を介して支持されたプランジャ６０が、コイルばね７０の付勢力に抗して後退（退動）する。一方、電磁コイル７２への通電がオフされると、プランジャ６０はコイルばね７０の付勢力によって前進（進動）する。

次に、以上のように構成される電子膨張弁１０の作用について説明する。
例えば、冷媒サイクル装置１２でＣＣＣ運転が実行されている場合には、図示しない制御装置の制御下に、各蒸発器２４、２８、３０への冷媒の流通を制御する各電子膨張弁１０は、図示しない通電装置から電磁コイル７２へと所定のパルス通電によりオン・オフされる。各電子膨張弁１０がオンするとプランジャ６０が後退（退動）して弁座５６から離間した状態では冷媒流路６４が開放され、各電子膨張弁１０がオフするとプランジャ６０が前進（進動）してプランジャ６０の先端面６０ａが弁座５６に着地（密着）し、冷媒流路６４が閉塞される。このパルス通電のオン・オフによって冷媒流路６４が所定の時間周期で開閉され、蒸発器２４、２８、３０での冷媒の蒸発温度が所定の温度に制御される。

また、例えば、冷媒サイクル装置１２でＨＣＣ運転が実行されている場合には、図示しない制御装置の制御下に、蒸発器２４への冷媒の流通を制御する電子膨張弁１０への通電はオフされ、他の蒸発器２８、３０への冷媒の流通を制御する各電子膨張弁１０への通電がオンされる。これにより蒸発器２４への冷媒の流通を制御する電子膨張弁１０では、コイルばね７０の付勢力によってプランジャ６０の先端面６０ａが弁座５６に着地（密着）して冷媒流路６４を閉塞する一方、蒸発器２８、３０への冷媒の流通を制御する各電子膨張弁１０では冷媒流路６４が開閉され、蒸発器２８、３０での冷媒の蒸発温度が所定の温度に制御される。

このように、電子膨張弁１０への通電がオフされた状態では、プランジャ６０がコイルばね７０の付勢力によって前進位置となり、プランジャ６０の先端面６０ａが弁座５６に着地（密着）して冷媒流路６４を閉塞する。また、電子膨張弁１０への通電がオンされた状態では、図２（ａ）に示すように、電磁コイル７２へ所定のパルス通電がオンされ、プランジャ６０がコイルばね７０の付勢力に抗して後退位置となり、弁座５６から離間することで冷媒流路６４が開放される。

ここで、高圧流入管となる配管４３ａ（４３ｂ、４３ｃ）に連通する弁室５４は高圧部となっているが、図２（ｂ）に示すように、弁座５６に高圧部と連通する溝部５９が形成されているため、プランジャ６０の先端面６０ａと弁座面（中）５７で遮断される高圧領域と低圧領域の縁面距離が短くなり、高低圧差が小さくなり、プランジャ６０の下部の弁体６１と弁座５６との間での負圧領域が縮小し、プランジャ６０を引き下げる力は抑制される。

また、図２（ｂ）の弁座５６の詳細図のように、弁座面（外）５８を有することで、プランジャ６０の不安定（傾き）を防止できる。ここで、弁座面（外）５８は、突起状でもよく、弁座５６と弁体６１がオリフィス６４を有する弁座面（中）５７に対して、溝部５９を介して外側で当接していればよい。

また、図３に示すようにプランジャ６０下部の弁体６１に溝部（弁体）８０を形成しても同様な効果が得られる。溝部（弁体）８０が弁室５４の高圧部と連通することにより、プランジャ６０の先端面６０ａと弁座５６の上面の弁座面５６ａで形成される負圧領域の縮小効果によりプランジャ６０を引き下げる力を抑制する。

また、図４に示すように弁座５６に高圧部と連通する溝部５９とプランジャ６０の下部の弁体６１の下面に板状の弁体８１を構成するときも、板状の弁体８１の先端面８１ａと弁座５６の上面の弁座面５６ａで形成される負圧領域の縮小効果によりプランジャ６０を引き下げる力を抑制する。そのうえ板状の弁体８１の弾性効果と軽量化により、冷媒の弁漏れ防止、動作力軽減効果がある。

また、図５に示すようにプランジャ６０の下部の弁体６１の下面に板状の弁体８１の連通孔８２を構成するときも、高圧冷媒の充満する連通室８３により、溝部の場合と同様に、板状の弁体８１の先端面８１ａと弁座５６の上面の弁座面５６ａで形成される負圧領域の縮小効果によりプランジャ６０を引き下げる力を抑制する。

以上のように、本実施形態に係る電子膨張弁１０によれば、図２に示すように、プランジャ６０の下部の弁体６１の先端面６０ａ、弁座５６の上面の５６ａのいずれか、または双方に、高圧冷媒を供給する溝部５９を形成することにより、先端面６０ａと弁座面５６ａで形成される負圧領域の縮小効果が図られ、プランジャを引き下げる力を抑制でき、開閉に要する力が小さくなるため、磁気回路を構成する電磁コイル７２、つまり電子膨張弁１０の小型化・低コスト化を図ることが可能となる。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できる。
例えば、溝部５９を設けて高圧部と連通させることにより負圧領域の縮小効果でプランジャ６０の引き下げる力を抑制するものであればよい。

１０、１００電子膨張弁
１２冷媒サイクル装置
５０、１０２入口ポート
５２、１０８出口ポート
５４弁室
５６、８６、１０４弁座
５６ａ、１０４ａ弁座面
５７弁座面（中）
５８弁座面（外）
５９溝部
６０、１１６プランジャ
６０ａ、８１ａ、１１６ａ先端面
６１、１１７弁体
６２、１１８ケース
６４、８４、９４、１０６冷媒流路
６８、１１２ヨーク
７０、１１４コイルばね
７２、１１０電磁コイル
８０溝部（弁体）
８１板状弁体
８２連通孔
８３連通室

Claims

少なくとも冷媒を流入させる入口ポート、前記冷媒を流出させる出口ポート、および前記入口ポートと前記出口ポートとの間に設けられる弁室とを有するケースと、
前記弁室内に配置され、前記入口ポートから前記弁室内に流入した冷媒を膨張させて前記出口ポートへと流出させる冷媒流路が形成された弁座と、
電磁コイルへの通電オン・オフにより前記弁室内を進退移動する態様で前記弁座に対向配置されるとともに付勢手段により前記弁座に向けて付勢され、電磁コイルへの通電オンにより前記弁座から離間する一方、電磁コイルへの通電オフにより前記弁座に当接（着地）して冷媒流路を開閉可能なプランジャとその下部の弁体と、を備える膨張弁であって、
前記弁座あるいは前記弁体、または前記弁座と前記弁体の双方に高圧の冷媒が流通する溝部を有するとともに、前記弁座と前記弁体が当接する弁座面を、中央部にオリフィスを有する弁座面と、前記溝部を介して外方側に配した弁座面とを同一高さで形成したことを特徴とする膨張弁。