JP6726124B2

JP6726124B2 - 電動弁およびそれを用いた冷凍サイクルシステム

Info

Publication number: JP6726124B2
Application number: JP2017057595A
Authority: JP
Inventors: 珠実田邊
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2017-03-23
Publication date: 2020-07-22
Anticipated expiration: 2037-03-23
Also published as: JP2018159447A; CN108626422B; CN108626422A

Description

本発明は、電動弁およびそれを用いた冷凍サイクルシステムに関する。

一般に、パッケージエアコンやルームエアコン等の空気調和機の冷凍サイクルシステムにおいて、電動弁が膨張弁として用いられることがある。このような電動弁では、弁座部材が弁ハウジングと別体に構成されるとともに、弁ハウジングに対して継手管がろう付けによって固定されることがある。このとき、溶融したろう材が弁座部材の内周面側に流入してシール部（弁体が着座又は離座する部分）に到達して固化してしまうと、ポート径が小さくなったり弁体が正常に着座しなくなったりし、流量の低下や弁漏れが生じる可能性があった。

そこで、このような電動弁として、弁ハウジングの筒状部（筒状開口部）に圧入された弁座リング（弁座部材）の内周面に溝が形成されたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された電動弁では、弁座リングの内周面側に流入したろう材が溝に溜まることにより、弁座（シール部）まで到達しにくくなっている。

特開２０１３−１６４１２４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された電動弁では、弁座リングは、溝を形成するために所定の肉厚を有している必要があり、筒状部への圧入が困難であった。弁座リングを無理に圧入すると、圧入された部分の変形や歪みがシール部に伝わってしまい、締切性が低下してしまう可能性があった。このように、ろう材のシール部への到達を抑制することと、弁座部材を圧入容易にすることと、を両立させることは困難であった。

本発明の目的は、ろう材のシール部への到達を抑制することができ、且つ、弁座部材を容易に圧入することができる電動弁及び該電動弁を用いた冷凍サイクルシステムを提供することにある。

本発明の電動弁は、弁ハウジングの筒状開口部に継手管が接続されるとともに弁座部材が圧入され、該弁座部材のシール部に弁体を着座又は離座させることにより弁ポートを開閉する電動弁であって、前記シール部の内径は、前記継手管の内径よりも小さく、前記弁座部材は、前記シール部が形成された厚肉部と、該厚肉部よりも前記継手管側に形成されるとともに内径が拡径された薄肉部と、前記薄肉部と前記厚肉部との間において内周面に形成された段差部と、を有するとともに、前記厚肉部は、前記薄肉部よりも内径が小さく且つ前記シール部よりも内径が大きい中間内径部と、該中間内径部と前記シール部との間において内周面に形成された第２の段差部と、を有し、前記段差部と前記第２の段差部とが、断面階段状に形成されていることを特徴とする。

このような本発明によれば、弁座部材の内周面に段差部が形成されていることで、継手管を筒状開口部にろう付けする際に、ろう材が弁座部材の内周面側に流入したとしても、ろう材が段差部に溜まり、シール部への到達を抑制することができる。また、シール部が形成された厚肉部よりも継手管側に薄肉部が形成されていることで、薄肉部を筒状開口部に容易に圧入することができる。尚、弁座部材は、薄肉部の全体が圧入されて厚肉部が圧入されなくてもよいし、薄肉部の全体と厚肉部の一部とが圧入されてもよいし、薄肉部の
一部のみが圧入されてもよい。
そのうえ、厚肉部に中間内径部が形成されていることで、シール部と薄肉部との間で急激に内径が変化することを抑制し、流体が弁座部材を通過する際に乱流が生じにくくなり、騒音を抑制することができる。このとき、厚肉部と薄肉部との間の段差部と、厚肉部における第２の段差部と、のいずれもろう材が溜まる部分となり、１つの段差部を有する構成と比較して各段差部の段差高さは小さくなるものの、溜めることができるろう材の総量は低減しにくい。

この際、本発明の電動弁では、前記薄肉部の前記厚肉部側端部の内径Ｄ３と、前記薄肉部の前記継手管側端部の内径Ｄ４との関係が、Ｄ４＜Ｄ３とされ、前記薄肉部の内径は、前記継手管側から前記厚肉部側に向かうに従い拡径されていることが好ましい。
また、本発明の電動弁では、前記厚肉部は、前記薄肉部よりも内径が小さく且つ前記シール部よりも内径が大きい中間内径部と、該中間内径部と前記シール部との間において内周面に形成された第２の段差部と、を有することが好ましい。

また、本発明の電動弁では、前記薄肉部は、その内周面が前記継手管の内周面と滑らかに連続するような内径を有することが好ましい。このような構成によれば、流体の通過時に弁座部材と継手管との間で乱流が生じにくく、騒音を抑制することができる。

また、本発明の電動弁では、前記薄肉部は、少なくとも外周面が、前記継手管側に向かうにしたがって縮径されるように傾斜していることが好ましい。このような構成によれば、薄肉部を筒状開口部に圧入しやすい。

本発明の冷凍サイクルシステムは、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、を含む冷凍サイクルシステムであって、上記いずれかに記載の電動弁が、前記膨張弁として用いられていることを特徴とする。このような本発明によれば、上記のような電動弁が用いられ、ろう材がシール部に到達することが抑制される。また、弁座部材を容易に圧入でき、シール部に変形や歪みが伝わりにくいことから、締切性が向上する。従って、冷凍サイクルシステムの運転効率の低下を抑制することができる。

本発明の電動弁によれば、弁座部材が薄肉部および段差部を有することで、ろう材のシール部への到達を抑制することができ、且つ、弁座部材を容易に圧入することができる。

本発明の一実施形態に係る電動弁を示す断面図である。前記電動弁の要部を拡大して示す断面図である。前記電動弁の弁座部材を示す側面図である。前記電動弁において継手管をろう付けする様子を示す断面図である。前記電動弁が用いられる冷凍サイクルシステムを示す概略構成図である。

以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、本実施形態の電動弁１は、パッケージエアコンやルームエアコン等の空気調和機の冷凍サイクルシステムに用いられるものであって、弁ハウジング２と、弁体３と、弁ホルダ４と、支持部材５と、ステッピングモータ６と、を備える。本実施形態では、弁体３の動作方向をＺ方向とし、Ｚ方向に略直交する２方向をそれぞれＸ方向およびＹ方向とする。

弁ハウジング２は、Ｚ方向に延びる円筒状に形成され、その内側の弁室２Ａ内に弁体３および弁ホルダ４を収容する。また、弁ハウジング２には、弁室２Ａに連通するとともにＸ方向に延びる継手管２１が側面に取り付けられるとともに、下端部には筒状開口部２２が形成されている。筒状開口部２２には、Ｚ方向に延びる継手管２３の端部が挿通されて接続されるとともに、継手管２３に隣り合うように弁座部材７が圧入される。継手管２３は、弁座部材７の弁ポート７０に連通している。

弁体３は、弁ホルダ４の下端に固着されて下方に向かって延び、先端にニードル弁３１を有している。ニードル弁３１が弁座部材７の後述するシール部７１に対して着座又は離座する。

弁ホルダ４は、Ｚ方向に沿って延びる円筒状に形成され、その上端部が、ステッピングモータ６の後述するロータ軸６１の下端部に係合されている。即ち、弁ホルダ４は、ロータ軸６１によって吊り下げられており、ロータ軸６１に対して回転可能となっている。また、弁ホルダ４内には、圧縮コイルバネ４１が設けられ、弁体３に対して下方への荷重が与えられている。尚、圧縮コイルバネ４１は説明の都合上、図１において破線によって省略して図示している。

支持部材５は、弁ハウジング２の上方開口を塞ぐように、フランジ部５１において弁ハウジング２に固定されている。支持部材５には、弁ホルダ４を収容するとともにＺ方向に案内する案内凹部５２と、ロータ軸６１が螺合する雌ネジ部５３と、案内凹部５２とステッピングモータ６の後述するケース６２内の空間とを連通する連通孔５４と、が形成されている。

ステッピングモータ６は、ロータ軸６１と、ケース６２と、マグネットロータ６３と、図示しないステータコイルと、で構成されている。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。また、ケース６２の外周には、ステータコイルが配設されており、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。

ロータ軸６１の外周面には、支持部材５の雌ネジ部５３と螺合する雄ネジ部６１１が形成されている。ステッピングモータ６が駆動することで、マグネットロータ６３及びロータ軸６１が回転し、雄ネジ部６１１と雌ネジ部５３とにより構成されるネジ送り機構により、ロータ軸６１がＺ方向に移動する。これにより、ロータ軸６１に吊り下げられた弁ホルダ４が、支持部材５の案内凹部５２に案内されつつＺ方向に移動し、弁体３のニードル弁３１がシール部７１に対して着座又は離座し、弁ポート７０が開閉される。そして、弁体３のＺ方向の位置（リフト量）に応じて弁ポート７０の開度が制御され、弁ポート７０を流れる流体の流量が制御される。

弁座部材７は、図２、３にも示すように、例えばＳＵＳ等の金属部材や樹脂部材等によって弁ハウジング２とは別体に構成されるとともに、全体が円筒状に形成され、その下端部が継手管２３の上端に当接するように弁ハウジング２の筒状開口部２２に圧入されている。弁座部材７の外周面には、螺旋状の溝部７２が形成されており、溝部７２は、弁座部材７の下端から上端にかけて１．５周程度（一周半程度）、周回するようになっている。

弁座部材７は、筒の上側の半分程度が厚肉部７Ａとなっており、下側の半分程度が薄肉部７Ｂとなっている。弁座部材７の外径は略一定であり、薄肉部７Ｂは、内径が拡径されることで厚肉部７Ａよりも薄肉となっている。弁座部材７には、薄肉部７Ｂと前記厚肉部７Ａとの間において、段差部７Ｃが内周面に形成されている。

厚肉部７Ａには、ニードル弁３１が着座又は離座するすり鉢状のシール部７１が形成され、シール部７１によって弁ポート７０が構成されている。また、厚肉部７Ａは、薄肉部７Ｂよりも内径が小さく且つシール部７１よりも内径が大きい中間内径部７３と、中間内径部７３とシール部７１との間において内周面に形成された第２の段差部７Ｄと、を有する。尚、シール部７１の内径とは、シール部７１のうち最も内径の小さい部分（すり鉢の下端部）の内径であり、ポート径に等しい。中間内径部７３は、内径が略一定であり、Ｚ方向に沿って延びる円筒状に形成されている。

薄肉部７Ｂは、弁座部材７が弁ハウジング２の筒状開口部２２に圧入されない状態において、外周面が、継手管２３側に向かうにしたがって縮径されるように傾斜するとともに、内周面が、Ｚ方向に沿って延びている（即ち略一定の内径を有している）。弁座部材７が筒状開口部２２に圧入されることにより薄肉部７Ｂが変形し、内周面も、継手管２３側に向かうにしたがって縮径されるように傾斜する。従って、弁座部材７が筒状開口部２２に圧入された状態において、薄肉部７Ｂは、内周面に、シール部７１側に向かうにしたがって内径が大きくなる傾斜部７４を有し、外周面に、シール部７１側に向かうにしたがって外径が大きくなる傾斜部７５を有する。

弁座部材７は、筒状開口部２２に対し、主に薄肉部７Ｂが圧入される。このとき、薄肉部７Ｂの全体が圧入されて厚肉部７Ａが圧入されなくてもよいし、薄肉部７Ｂの全体と厚肉部７Ａの一部とが圧入されてもよいし、薄肉部７Ｂの一部のみが圧入されてもよい。

ここで、弁座部材７における各部および継手管２３の内径（直径）の関係について説明する。まず、シール部７１の内径（ポート径）をＤ１とし、中間内径部７３の内径をＤ２とし、薄肉部７Ｂの上端部（厚肉部７Ａ側の端部）の内径をＤ３とし、薄肉部７Ｂの下端部（継手管２３側の端部）の内径をＤ４とし、継手管２３の内径をＤ５とする。このとき、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ５≒Ｄ４＜Ｄ３が成立する。尚、電動弁１を大流量化するとともに段差部７Ｃ、７Ｄの段差高さを確保するために、継手管２３の内径Ｄ５に対するシール部７１の内径Ｄ１の割合Ｄ１／Ｄ５は、０．６１以上かつ０．８８以下であることが好ましい。即ち、継手管２３の内径Ｄ５に対してシール部７１の内径Ｄ１が小さすぎると電動弁１の流量が低下してしまい、継手管２３の内径Ｄ５に対してシール部７１の内径Ｄ１が大きすぎると段差部７Ｃ、７Ｄの段差高さが低くなってしまう。

上記のように薄肉部７Ｂの下端部の内径Ｄ４と、継手管２３の内径Ｄ５と、が略等しいことから、薄肉部７Ｂは、その内周面が継手管２３の内周面と滑らかに連続している。

次に、ろう付けによって継手管２３を筒状開口部２２に固定する方法について説明する。まず、図４に示すように、筒状開口部２２を上方側に向けるとともに、円環状のろう材１００を、継手管２３の外側、且つ、継手管２３と筒状開口部２２との境界近傍に配置し、溶融させる。溶融したろう材は、重力や毛細管現象によって下降していき、図４に矢印で示すように継手管２３の外周面と筒状開口部２２の内周面との間に浸透する。

さらに、溶融したろう材の一部は、継手管２３の端部と弁座部材７の端部との間を通過して径方向内側に向かい、弁座部材７の内周面側に到達することがある。弁座部材７の内周面側に到達したろう材は、重力によってさらに下降して段差部７Ｃに溜まって固化する。段差部７Ｃに溜まりきらずにさらに下降したろう材は、第２の段差部７Ｄに溜まって固化する。全てのろう材が固化することで、継手管２３の筒状開口部２２への固定が完了する。

電動弁１は、後述する冷凍サイクルシステムにおいて、主に、継手管２１が室外熱交換器側に接続され、継手管２３が室内熱交換器側に接続される。そして、電動弁１は、流体（冷媒）が継手管２１から流入して継手管２３から流出する第１の流れ（図１の実線の矢印の流れ）と、流体が継手管２３から流入して継手管２１から流出する第２の流れ（図１の破線の矢印の流れ）と、の２通りの流れの制御に用いられる。

上記のような電動弁１は、例えば図５に示すような冷凍サイクルシステムに膨張弁として用いられる。図５において、符号２００は室外ユニットに搭載された室外熱交換器、３００は室内ユニットに搭載された室内熱交換器、４００は四方弁を構成する流路切換弁、５００は圧縮機である。電動弁１、室外熱交換器２００、室内熱交換器３００、流路切換弁４００、及び圧縮機５００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。尚、アキュムレータ、圧力センサ、温度センサ等は図示を省略してある。

このような本実施形態によれば、以下のような効果がある。即ち、弁座部材７の内周面に段差部７Ｃが形成されていることで、継手管２３を筒状開口部２２にろう付けする際に、ろう材が弁座部材７の内周面側に流入したとしても、ろう材が段差部７Ｃに溜まり、シール部７１への到達を抑制することができる。また、シール部７１が形成された厚肉部７Ａよりも継手管２３側に薄肉部７Ｂが形成されていることで、薄肉部７Ｂを筒状開口部に容易に圧入することができる。

また、厚肉部７Ａに中間内径部７３が形成されていることで、シール部７１と薄肉部７Ｂとの間で急激に内径が変化することを抑制し、流体が弁座部材７を通過する際に乱流が生じにくくなり、騒音を抑制することができる。このとき、厚肉部７Ａと薄肉部７Ｂとの間の段差部７Ｃと、厚肉部７Ａにおける第２の段差部７Ｄと、のいずれもろう材が溜まる部分となり、１つの段差部を有する構成と比較して各段差部の段差高さは小さくなるものの、溜めることができるろう材の総量は低減しにくい。

また、薄肉部７Ｂの内周面が継手管２３の内周面と滑らかに連続していることで、流体の通過時に弁座部材７と継手管２３との間で乱流が生じにくく、騒音を抑制することができる。

また、薄肉部７Ｂの外周面が継手管２３側に向かうにしたがって縮径されるように傾斜していることで、薄肉部７Ｂを筒状開口部２２に圧入しやすい。

また、上記のような弁座部材７を備えた電動弁１は、ろう材がシール部７１に到達することが抑制されており、弁座部材７を容易に圧入でき、シール部７１に変形や歪みが伝わりにくいことから、締切性が向上する。このような電動弁１が、冷凍サイクルシステムにおいて膨張弁として用いられることで、冷凍サイクルシステムの運転効率の低下を抑制することができる。

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、厚肉部７Ａに中間内径部７３および第２の段差部７Ｄが形成されるものとしたが、薄肉部７Ｂの内径Ｄ３とシール部７１の内径Ｄ１との差が小さく（即ち段差部７Ｃの段差高さが低く）騒音が生じにくい場合には、中間内径部および第２の段差部は形成されていなくてもよい。

また、前記実施形態では、薄肉部７Ｂの下端部の内径Ｄ４と継手管２３の内径Ｄ５とが略等しく、薄肉部７Ｂの内周面が継手管２３の内周面と滑らかに連続するものとしたが、薄肉部の内径は、所望の流量や段差部の段差高さを得るために、適宜な大きさに設定されていればよい。例えば、シール部の内径を大きくして大流量化したり、段差部の段差高さを確保したりする場合には、薄肉部の内径を継手管の内径よりも大きくしてもよい。

また、前記実施形態では、薄肉部７Ｂの外周面が継手管２３側に向かうにしたがって縮径されるように傾斜しているものとしたが、薄肉部は、略一定の内径および外径を有して円筒状に形成されていてもよい。このような構成によれば、圧入後における薄肉部の外周面と筒状開口部の内周面との接触面積を大きくしやすく、弁座部材の位置ずれを抑制することができる。

その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、且つ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部、もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

１電動弁
２弁ハウジング
２２筒状開口部
２３継手管
３弁体
７弁座部材
７０弁ポート
７１シール部
７３中間内径部
７Ａ厚肉部
７Ｂ薄肉部
７Ｃ段差部
７Ｄ第２の段差部

Claims

弁ハウジングの筒状開口部に継手管が接続されるとともに弁座部材が圧入され、該弁座部材のシール部に弁体を着座又は離座させることにより弁ポートを開閉する電動弁であって、
前記弁座部材は、前記継手管よりも内径が小さい前記シール部が形成された厚肉部と、該厚肉部よりも前記継手管側に形成されるとともに内径が拡径された薄肉部と、前記薄肉部と前記厚肉部との間において内周面に形成された段差部と、を有するとともに、
前記厚肉部は、前記薄肉部よりも内径が小さく且つ前記シール部よりも内径が大きい中間内径部と、該中間内径部と前記シール部との間において内周面に形成された第２の段差部と、を有し、
前記段差部と前記第２の段差部とが、断面階段状に形成されていることを特徴とする電動弁。
前記薄肉部の前記厚肉部側端部の内径Ｄ３と、前記薄肉部の前記継手管側端部の内径Ｄ４との関係が、Ｄ４＜Ｄ３とされ、前記薄肉部の内径は、前記継手管側から前記厚肉部側に向かうに従い拡径されていることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
前記薄肉部は、その内周面が前記継手管の内周面と滑らかに連続するような内径を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電動弁。
前記薄肉部は、少なくとも外周面が、前記継手管側に向かうにしたがって縮径されるように傾斜していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動弁。
圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、を含む冷凍サイクルシステムであって、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電動弁が、前記膨張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。