JP6525356B2 - 逆止弁および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、逆止弁および冷凍サイクル装置に関するものである。

逆止弁は、流体を一方向にしか流さない機能を有しており、例えば、冷凍サイクル装置に用いられている。逆止弁の内部には、上下方向に移動可能な弁体が設けられている。正方向流れでは、弁体が上方に移動することで流路が開放され、流体が通過できる。逆方向流れでは、弁体が下方へ移動して流路が閉塞され、流体が流れなくなる。

弁体の上下動には、重力と、流体による揚力とが利用される。正方向流れの場合、適正な流量であれば、重力＜揚力となり、弁体は可動範囲内の上端近傍に位置する。その状態より徐々に流量を低下させると、しばらくは上端近傍より位置があまり変化しないが、その後は、次第に、弁位置が低下する。そして、流体の流れが定常（圧縮機などの吐出脈動がないような安定した状態）であっても微小に上下振動する。さらに流量を低下させると、上下振動が大きくなり、ついには弁体（弁体の下端部）が弁箱に衝突しながら上下振動することで、逆止弁が振動したり、騒音を生じたりすることがある。この現象はチャタリングと呼ばれ、特定の小流量範囲では珍しくない現象である。

また冷凍サイクル装置は、近年高効率化が進んでおり、逆止弁は正方向流れで圧力損失を低下されることが強いられる。そのため、適正な大きさよりも、大きな逆止弁を使うことで低圧損を実現させる場合がある。しかしながら、大きな逆止弁を使用すると、チャタリングが発生する流量範囲も大きくなる。そのため、冷凍サイクル装置の流量範囲のうち、チャタリングが発生する範囲が占める割合が大きくなる。チャタリングを抑制するために、その範囲では運転を停止させる必要があり、断続運転となる。期間効率は低負荷側に依存する比率が高く、低負荷で断続運転となると期間効率が大幅に低下するおそれがある。

このような問題に対して、例えば、特許文献１に開示の技術では、逆止弁のチャタリングを抑制するために、弁体の軽量化に着目している。すなわち、弁体に作用する重力が小さくなり、それに打ち勝つ揚力が小さくても（低流量でも）、チャタリングを抑制することができる。

また、特許文献２には、弁体が弁座近傍で変位するときの流路面積の変化率に着目し、弁体が着座位置より上方に移動する際の流路面積の変化率を抑制するような構成を開示する。これにより、揚力低下を抑制することで、チャタリングの発生範囲を低減させることが開示されている。

さらに、特許文献３では、重力ではなく、バネを設けることで得られる弾性力を用いることで、重力方向に関係なく逆止弁を構成することができる技術が開示されている。重力を利用する場合は、重力と同じ方向に流す場合に逆止弁を閉塞させる態様でしか、逆止弁を提供できないが、バネによる弾性力であれば重力に関係なく冷媒を流すことができる。

特開２００９−２２２０９７号公報 特開２００６−２００５５２号公報 特開２０１４−２３８１４７号公報

しかしながら、特許文献１に開示の技術および特許文献２に開示の技術では、弁体の上下変化に対するチャタリングの対策をとっているが、不十分な場合がある。弁体の振動モードは、上下振動だけでなく、径方向のクラランスにより生じる姿勢方向の振動がある。径方向のクリアランスは、弁体が上下方向に移動するためには必ず必要である。しかし、姿勢方向の振動の流量範囲は、上下方向のチャタリングよりも小さいので、その抑制策が取られていないものと思われる。

また、特許文献３に開示の技術では、バネを設けることで部品点数が増えて組立コストや加工コストが増加するため、低コストの逆止弁としては望ましくない。またバネが折損する時のリスクがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、バネに頼ることなく、チャタリングを全体的に抑制することができる、逆止弁を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明の逆止弁は、円筒形状の弁箱と、前記弁箱に対して同軸上に設けられた弁座と、前記弁箱の中に配置され、前記弁箱の軸方向に移動可能であり、かつ前記弁座に接触可能な弁体と、を備え、前記弁体は前記弁座と向き合う方の面に受圧面が形成され、前記受圧面は第一の面と第二の面に分けられ、前記第一の面は前記弁座に対して前記弁体の重心よりも遠方に形成されている。

本発明によれば、バネに頼ることなく、チャタリングを全体的に抑制することができる。

本発明の実施の形態１の閉弁状態の逆止弁の縦断面図である。 本発明の実施の形態１の開弁状態の逆止弁の縦断面図である。 弁体の側面図である。 図３の矢印ＩＶから見た弁体の平面図である。 図３の矢印Ｖから見た底面図である。 図４のＶＩ−ＶＩ線による断面図である。 本実施の形態１に関し、弁体が鉛直方向から傾いた状態を説明する図である。図８は、 比較例に関し、弁体が鉛直方向から傾いた状態を説明する図である。 本実施の形態２に関する、図６と同態様の図である。 本実施の形態３に関する、図６と同態様の図である。 本実施の形態４の冷凍サイクル装置の概要を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の閉弁状態の逆止弁の縦断面図であり、図２は、本発明の実施の形態１の開弁状態の逆止弁の縦断面図である。逆止弁１は、対象配管３の内部に設けられている。逆止弁１は、円筒形状の弁箱５と、弁箱５に対して同軸上に設けられた弁座１５と、弁箱５の中に配置され、弁箱５の軸方向に移動可能であり、かつ弁座１５に接触可能な弁体７とを備えている。図１および図２の紙面上側を、実際の設置時の上方とし、紙面下側を、実際の設置時の下方とする。

弁箱５の下部には、流体の入口９が設けられている。また、弁箱５の上部には、流体の出口１１が設けられている。弁体７は、弁箱５の内部において、これら入口９および出口１１の間に、上下動可能に設けられている。

図３は、弁体７の側面図であり、図１および図２と同じ方向から弁体を示している。図４は、図３の矢印ＩＶから見た弁体の平面図である。図５は、図３の矢印Ｖから見た底面図である。図６は、図４のＶＩ−ＶＩ線による断面図である。

弁体７は、概ね円柱状の外形を有している。弁体７の外周面には、複数（図示例では４つ）の凸部１３が設けられている。凸部１３はそれぞれ、弁体７の外周面から径方向外側へと突出している。また、凸部１３はそれぞれ、上下方向に所定の高さ延びている。複数の凸部１３は、平面視、等角度間隔で配置されている。すなわち、４つの凸部１３はそれぞれ、隣の凸部１３と、９０度離隔している。

弁体７は、凸部１３によって、開閉方向に案内される。また、開弁時、流体は、凸部１３同士の周方向の間を通って流れる。なお、図１および図２では、凸部１３と弁箱５との間の状態を、凸部１３の先端部と弁箱５との間にクリアランスがあることを表現するために、意図的に誇張して図示している。

弁箱５には、環状の弁座１５が設けられている。弁体７の下端部が弁箱５の弁座１５に当接（接触）することで、入口９から出口１１までの間の流路が閉塞される。

弁体７の、入口９側には、凹部１７が設けられている。凹部１７は、入口９に向けて開口している。凹部１７には、底面１７ａが存在している。また底面と向かい合うように、上面１７ｂがある。なお、底面と上面は平面である必要がなく、曲面であったり、円錐形状であってもよい。また、弁体７には、弁座と向き合う方の面（弁座側の面）に、受圧面が形成されている。受圧面は、第一の面７ａと第二の面７ｂとに分けられる。第一の面７ａは、前述した底面１７ａであり、弁座１５に対して第二の面７ｂよりも遠方に、かつ第二の面７ｂよりも弁体７の中心軸近くに形成されている。

弁体７全体の重心Ｘは、図１、図２および図６の縦断面においてみて、凹部１７の内部に位置している。弁体７全体に作用する揚力Ｂ（単一の力に置き換えた力）の作用点Ｙは、図１、図２および図６の縦断面においてみて、弁体７全体の重心Ｘよりも上方に位置している。第一の面７ａは弁座１５に対して弁体７の重心Ｘよりも遠方に形成されている。したがって、弁体７全体に作用する揚力Ｂの作用点Ｙの方が、弁体７全体の重心Ｘよりも、弁体７の開弁動作の進行方向前方に位置している。

ここで、揚力の作用点について説明する。冷媒は逆止弁の下方から入り上方から出て行く。この過程で圧力損失が生じるため、逆止弁下方は必ず逆止弁上方より圧力が大きく、弁体７には、上向きに揚力が生じる。特に逆止弁の構成上、弁体を冷媒が通過する前後での圧力損失が大きい。さらには、チャタリングが生じるような、弁体と弁座との距離が近い場合は、その前後の圧力損失が大きい。そのため、弁体を挟んで下側を高圧側、上側を低圧側と大別できる。
この時、弁体の底面１７ａは高圧側であり、弁体の上面１７ｂは低圧側となり、この２面間の圧力差で揚力が生じる。（厳密に言えば、弁体の表面全体に亘って、冷媒の圧力をベクトルとして扱い面積分した結果、揚力とその作用点が定まる。しかし高圧側と低圧側に大別することで、弁体の底面と弁体の上面との間の差圧と受圧面積の積で定まる揚力と、弁座の底面中心として定める揚力作用点に簡易化しても、厳密に求めたものと大差ないといえる。）

以上のように構成された本実施の形態１の逆止弁の作用について比較例と比較しながら説明する。図７は、本実施の形態１に関する、図６と同態様の図であり、弁体が鉛直方向から傾いた状態を説明する図である。図８は、比較例に関する、図７と同態様の図であり、弁体が鉛直方向から傾いた状態を説明する図である。なお、図７および図８はともに、説明を分かり易くするため、傾き態様を誇張して図示している。

図８に示されるように、比較例では、弁体に凹部が設けられていないため、揚力の作用面が、弁体の下端面となる。すなわち、揚力Ｂ（単一の力に置き換えた力）の作用点は、重力Ｇが作用する重心よりも低い位置となる。このため、重力と揚力とは互いに向きあうベクトルとなっており、径方向クリアランスのため、一旦傾きが生じると、傾斜した方向に転覆モーメントＭｏが生じる。一旦傾斜すれば、さらに傾斜するようにモーメントが作用するので、弁体は、逆止弁の内部の側面に接触する。さらに、接触が起こると、作用・反作用の関係で、弁体は、逆止弁の内部の側面より反力を受け、弁体は逆方向へ傾斜するようになる。このような接触を繰り返すことで、弁体の姿勢変化に伴う振動が継続する。この現象は、上下方向のチャタリング抑制のため弁体軽量化を行うことで、軽量化に起因した慣性モーメントの減少が伴い、より顕著になる。

これに対して、本実施の形態１では、弁体７に凹部１７が設けられている。開弁方向の流れの場合に弁体に生じる揚力は、弁体に発生する圧力差によるので、揚力の発生面は、凹部を有しない比較例よりも、上方である。揚力の作用面は、重心より上側にあり、上方向に揚力が生じる。つまり、上述したように、揚力Ｂの作用点Ｙは、重心Ｘよりも上方に位置している。このため、本実施の形態１では、重力と揚力とは互いに反対側のベクトルとなっており、径方向クリアランスのため一旦傾きが生じても、傾斜した方向を戻そうとする回復モーメントＭｒが生じる。そのため、何らかのイレギュラーな事態が生じて弁体が傾斜したとしても、それを回復させようとするモーメントが生じるので、その運動は減衰して無くなる。よって姿勢方向のチャタリングが発生しにくい。

なお、弁体は、軽量な方が低流量でも重力に逆らって冷媒を流すことができるので、軽量化を求められる。好適な一例を示すと、弁体は樹脂で構成することができる。なお、冷凍サイクル装置は、各種部品を銅配管で接続することが一般的である。そのため、弁体７を収納する弁箱５は、組立性を考慮すると、銅または真鍮のような金属製であるとよい。弁体７は弁箱５内で摺動するが、弁体（樹脂）、本体（金属）と異種の物質で組み合わせることで、耐摩耗性が向上する。

このように、本実施の形態１によれば、バネに頼ることなく、チャタリングを全体的に抑制することができる。

実施の形態２．
次に、図９に基づいて、本実施の形態２について説明する。図９は、本実施の形態２に関する、図６と同態様の図である。なお、本実施の形態２は、以下に説明する部分を除いては、上述した実施の形態１と同様であるものとする。

本実施の形態２の弁体１０７は、第１部材１２１と、第２部材１２３とから構成されている。一例であるが、第２部材１２３は、第１部材１２１の下端部に位置している。閉弁時、第２部材１２３は、弁座１５と当接する。

第２部材１２３の重心は、第１部材１２１の重心よりも下方にある。第２部材１２３の密度は、第１部材１２１の密度よりも大きい。

以上のように構成された本実施の形態２によっても、実施の形態１と同様、バネに頼ることなく、チャタリングを全体的に抑制することができる。さらに、本実施の形態２では、弁体１０７全体の重心が、実施の形態１の弁体７全体の重心よりも下方に位置するため、重力と揚力との作用点間の距離が増加し、同じ傾斜の姿勢で比較すると、回復モーメントはさらに増大するため、姿勢方向のチャタリングの抑制効果がより一層高まっている。

実施の形態３．
次に、図１０に基づいて、本実施の形態３について説明する。図１０は、本実施の形態３に関する、図６と同態様の図である。なお、本実施の形態３は、以下に説明する部分を除いては、上述した実施の形態１または実施の形態２と同様であるものとする。

弁体２０７は、第１部材１２１と、第２部材１２３とから構成されている。一例であるが、第２部材１２３は、第１部材１２１の下端部に位置している。閉弁時、第２部材１２３は、弁座１５と当接する。第２部材１２３の重心は、第１部材１２１の重心よりも下方にある。第２部材１２３の密度は、第１部材１２１の密度よりも大きい。第１部材１２１および第２部材１２３によって、上述した実施の形態１の凹部と同様な凹部１７が形成されている。

凹部１７内には、多孔質体２２５が設けられている。多孔質体２２５は、例えば、プラスチック焼結多孔質体や発泡プラスティック（気泡連続型）などから構成されている。凹部１７は、弁体２０７の下端面に開口しており、多孔質体２２５の下端は、上述の弁体２０７の下端面とほぼ揃っている。

以上のように構成された本実施の形態３によっても、対応する実施の形態１または実施の形態２と同様な利点が得られている。さらに、本実施の形態３では、次のような利点が得られる。多孔質体の表面が逆止弁内部に開口するのは、逆方向流れで低圧側となる空間である。このため、多孔質体がない場合と比較して、重心が低下する。重心が低下すると、重力と揚力との作用点間の距離が増加する。よって、同じ傾斜の姿勢で比較すると、上述した回復モーメントがさらに増大するため、姿勢方向のチャタリングが抑制される。また、本発明では、重力と揚力との関係から、凹部を設けることが重要である。その一方、凹部を設けると、重心が上昇する傾向がある。また、凹部を設けると、その分、強度が低下する傾向がある。こうした相反する事情に対し、本実施の形態３では、多孔質体を設けることにより、上記回復モーメントの獲得、重心の低下、および、強度の向上という３つの利点を同時に得ることが可能となっている。

なお、図１０の図示例は、本実施の形態３の特徴を、実施の形態２に組み合わせた例であるが、本実施の形態３の特徴を、実施の形態１に組み合わせて実施することもできる。

実施の形態４．
次に、図１１に基づいて、本実施の形態４について説明する。図１１は、本実施の形態４の冷凍サイクル装置の概要を示す図である。冷凍サイクル装置５１の一例として、空気調和装置を挙げることができる。冷凍サイクル装置５１は、圧縮機５３と、熱源側熱交換器５５と、減圧部５７と、利用側熱交換器５９とを含んでいる。減圧部５７の一例としては、膨張弁を挙げることができる。また、矢印で示す冷房運転時に関して述べると、熱源側熱交換器５５は、凝縮器として機能し、利用側熱交換器５９は、蒸発器として機能する。

冷房運転時における圧縮機５３の出口（圧縮機５３の出口と熱源側熱交換器５５の入口の間であって、圧縮機５３の出口に極めて近い位置）には、本発明の逆止弁が設けられている。具体的には、この逆止弁は、上述した実施の形態１〜３の逆止弁１のいずれかである。

このような本実施の形態４の冷凍サイクル装置においても、対応する実施の形態１〜３の作用効果が得られる。

以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。

凹部は、下方に開口していればよく、凹部の開口部面積は、中空部断面積より小さくても良い。

１ 逆止弁、５ 弁箱、７、１０７、２０７ 弁体、７ａ 第一の面、７ｂ 第二の面、９ 入口、１１ 出口、１７ 凹部、５１ 冷凍サイクル装置、５３ 圧縮機、５５ 熱源側熱交換器、５７ 減圧部、５９ 利用側熱交換器、１２１ 第１部材、１２３ 第２部材、２２５ 多孔質体２２５。

Claims (3)

1. 上下方向に軸を有する円筒形状の弁箱と、
   前記弁箱に対して同軸上に設けられた弁座と、
   前記弁箱の中に配置され、前記弁箱の軸方向上方に移動することで下方から上方へ流れる流路を開放し、前記弁箱の軸方向下方に移動して前記弁座に接触することで前記流路を閉塞する弁体と、を備え、
   前記弁体は前記弁座と向き合う方の面に受圧面が形成され、
   前記受圧面は第一の面と第二の面に分けられ、
   前記第一の面は前記弁座に対して前記弁体の重心よりも遠方に形成されており、
   前記弁体は、第１部材と、第２部材とを有しており、
   前記第２部材の重心は、前記第１部材の重心よりも下方にあり、
   前記第２部材の密度は、前記第１部材の密度よりも大きい、
   逆止弁。
2. 前記第一の面は、前記弁座に対して前記第二の面よりも遠方に、かつ前記第二の面よりも前記弁体の中心軸近くに形成された、
   請求項１の逆止弁。
3. 圧縮機、請求項１または２の逆止弁、熱源側熱交換器、減圧部、利用側熱交換器を含む、
   冷凍サイクル装置。

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