JP7145134B2 - 電動弁及び冷凍サイクルシステム - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクルシステムなどに使用する電動弁及び冷凍サイクルシステムに関する。

従来、空気調和機の冷凍サイクルに設けられる電動弁として、小流量制御域と大流量制御域とで流量制御する電動弁がある。このような電動弁は、室内機に搭載される用途（例えば除湿弁）があり、例えば特開２０１９－１３２３４７号公報（特許文献１）に開示されている。

特開２０１９－１３２３４７号公報

近年、業務用及び家庭用の空気調和機においては、極めて高い静音性が求められている。小流量制御域は例えば除湿運転を行うものであり、特にこの小流量制御域において、副弁ポートとニードル弁との間の絞り部を通過する冷媒通過音を低減することが要求される。

本発明は、ニードル部が弁ポートの周囲の弁座に着座しないよう構成された電動弁において、第１絞り部の冷媒通過音を低減することを課題とする。

本発明の電動弁は、弁室の流体を弁ポートを介して下流側に流出させるとともに、駆動部のロータの回転により回転するニードル部を弁ポートの軸線方向に進退させて該弁ポートを流れる流体の流量を制御する電動弁であって、前記ニードル部が前記弁ポートの周囲の弁座に着座しないよう構成された電動弁において、前記ニードル部と前記弁ポートとの隙間からなる第１絞り部と、前記弁室と前記下流側との間に設けられた第２絞り部と、を備え、前記第２絞り部は、前記弁ポートに形成された複数の溝であり、当該複数の溝それぞれの軸線方向の長さは前記弁ポートの軸線方向の長さより短く形成されていることを特徴とする。

この際、主弁座の主弁ポートを開閉する主弁体と、前記主弁体に設けられた前記弁座としての副弁座と、前記弁ポートとしての副弁ポートと、前記副弁ポートの開度を変更する前記ニードル部としての副弁体と、を備え、前記主弁体が前記主弁ポートを閉とした状態で、前記副弁体が前記副弁ポートの開度を変更する小流量制御域と、前記主弁体が前記主弁ポートを全開状態として、前記主弁ポートから大流量の流体を流す大流量制御域と、の二段の流量制御域を有することを特徴とする電動弁が好ましい。

また、前記第２絞り部が、前記副弁座に形成されていることを特徴とする電動弁が好ましい。また、他の電動弁として、前記第２絞り部が、前記副弁座または前記副弁体に形成されていることとしてもよい。

また、前記第２絞り部が、前記主弁座に形成されていることを特徴とする電動弁が好ましい。また、他の電動弁として、前記第２絞り部が、前記主弁座または前記主弁体に形成されていることとしてもよい。

また、前記第２絞り部が、前記副弁座の前記副弁ポートの副弁室側の開口縁に形成されていることを特徴とする電動弁が好ましい。

また、前記第２絞り部が、前記主弁座の前記主弁ポートの主弁室側の開口縁に形成されていることを特徴とする電動弁が好ましい。

また、他の電動弁として、前記第２絞り部が、前記副弁体の前記副弁ポートに対向する部位にて前記軸線周りに複数形成されていることとしてもよい。

また、他の電動弁として、前記第２絞り部が、前記主弁体の前記主弁ポートに対向する部位にて前記軸線周りに複数形成されていることとしてもよい。

また、前記第２絞り部が、前記副弁座の副弁側と、前記主弁座の主弁側の少なくとも一方に形成されていることを特徴とする電動弁が好ましい。

また、他の電動弁として、前記第２絞り部が、孔により構成されていることとしてもよい。

本発明の冷凍サイクルシステムは、圧縮機と、室内熱交換器と、室外熱交換器と、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器との間に設けられた電子膨張弁と、前記室内熱交換器に設けられる除湿弁とを含む冷凍サイクルシステムであって、前記電動弁が、前記除湿弁として用いられていることを特徴とする。

本発明の電動弁及び冷凍サイクルシステムによれば、ニードル部が弁ポートの周囲の弁座に着座しないよう構成された電動弁において、例えば二段の流量制御域を有する電動弁の特に小流量制御域での第１絞り部の冷媒通過音を低減することができる。

本発明の第１実施形態の電動弁の小流量制御域状態の縦断面図である。 第１実施形態の電動弁の主弁体の全開状態で運転停止時、または冷房運転時の縦断面図である。 第１実施形態の電動弁の副弁座及び副弁ポートの拡大縦断面図及び拡大平面断面図である。 第１実施形態の電動弁の小流量制御域状態でのニードル部と副弁ポートの拡大図である。 第１実施形態の変形例１を示す図である。 第１実施形態の変形例２を示す図である。 本発明の第２実施形態を示す図である。 本発明の実施形態の冷凍サイクルシステムを示す図である。

次に、本発明の電動弁及び冷凍サイクルシステムの実施形態について図面を参照して説明する。図１は第１実施形態の電動弁の小流量制御域状態の縦断面図、図２は第１実施形態の電動弁の主弁体の全開状態で運転停止時、または冷房運転時の縦断面図、図３は第１実施形態の電動弁の副弁座及び副弁ポートの拡大縦断面図（図３（Ａ））及び拡大平面断面図（図３（Ｂ））、図４は第１実施形態の電動弁の小流量制御域状態でのニードル部と副弁ポートの拡大図である。なお、以下の説明における「上下」の概念は図１及び図２の図面における上下に対応する。また、図１及び図２では副弁座及副弁ポートの詳細構造は省略してある。この電動弁１００は、弁ハウジング１と、ガイド部材２と、主弁体３と、ニードル弁４と、駆動部５と、を備えている。

弁ハウジング１は例えば、黄銅、ステンレス等で略円筒形状に形成されており、その内側に主弁室１Ｒを有している。弁ハウジング１の外周片側には主弁室１Ｒに導通される第１継手管１１が接続されるとともに、下端から下方に延びる筒状部に第２継手管１２が接続されている。また、弁ハウジング１の第２継手管１２の主弁室１Ｒ側には円筒状の主弁座１３が形成され、この主弁座１３の内側は主弁ポート１３ａとなっており、第２継手管１２は主弁ポート１３ａを介して主弁室１Ｒに導通される。主弁ポート１３ａは軸線Ｌを中心とする円柱形状の透孔（貫通した孔）である。なお、第１継手管１１及び第２継手管１２は、弁ハウジング１に対してろう付け等により固着されている。

弁ハウジング１の上端の開口部には、ガイド部材２が取り付けられている。ガイド部材２は、弁ハウジング１の内周面内に圧入される圧入部２１と、圧入部２１より小径で圧入部２１の上下に位置する略円柱状のガイド部２２，２３と、上側のガイド部２２の上部に延設されたホルダ部２４と、圧入部２１の外周に設けられたリング状のフランジ部２５とを有している。圧入部２１、ガイド部２２，２３、ホルダ部２４は樹脂製の一体品として構成されている。また、フランジ部２５は、例えば、黄銅、ステンレス等の金属板であり、このフランジ部２５は、インサート成形により樹脂製の圧入部２１と共に一体に設けられている。

ガイド部材２は、圧入部２１により弁ハウジング１に組み付けられ、フランジ部２５を介して弁ハウジング１の上端部に溶接により固定されている。また、ガイド部材２において、圧入部２１及び上下のガイド部２２，２３の内側には軸線Ｌと同軸の円筒形状のガイド孔２Ａが形成されるとともに、ホルダ部２４の中心には、ガイド孔２Ａと同軸の雌ねじ部２４ａとそのねじ孔が形成されている。そして、下側のガイド部２３の内側でガイド孔２Ａ内には主弁体３が配設されている。

主弁体３は、主弁座１３に対して着座及び離座する主弁部３１と、円柱状のニードルガイド孔３２ａを有する保持部３２と、ニードルガイド孔３２ａの底部を構成する副弁座３３と、保持部３２の端部に設けられたリテーナ３４と、を有している。なお、ニードルガイド孔３２ａの下側一部は副弁室３Ｒとなっている。保持部３２のニードルガイド孔３２ａ内には、後述のロータ軸５１に取り付けられたワッシャ４３とロータ軸５１と一体に形成されたガイド用ボス部４４とが挿通されるとともに、リング状のリテーナ３４は保持部３２の上端に嵌合固着または溶接等により固着されている。

また、リテーナ３４とガイド孔２Ａの上端部との間には、主弁ばね３ａが配設されており、この主弁ばね３ａにより主弁体３は主弁座１３の方向（閉方向）に付勢されている。副弁座３３の中心には軸線Ｌを中心とする円筒形状の副弁ポート３３ａが形成されている。また、保持部３２の側面の少なくとも一箇所には、副弁室３Ｒと主弁室１Ｒとを導通する導通孔３２ｂが形成されており、副弁体としてのニードル弁４が副弁ポート３３ａを開状態としたとき、主弁室１Ｒ、副弁室３Ｒ、副弁ポート３３ａ及び主弁ポート１３ａが導通する。

ニードル弁４は、後述のロータ軸５１の下端部にこのロータ軸５１と一体に形成されてロータ軸５１側に連なる先端に向かって徐々に径が小さくなる円錐台状の「副弁体」としてのニードル部４２とを一体に形成して備えている。また、ニードル弁４は、ロータ軸５１に取り付けられた潤滑性樹脂からなる円環状のワッシャ４３と、ロータ軸５１と一体に形成されたガイド用ボス部４４と、を有している。そして、ワッシャ４３とガイド用ボス部４４は、ニードルガイド孔３２ａ内に摺動可能に挿通されている。

弁ハウジング１の上端にはケース１４が溶接等によって気密に固定され、このケース１４の内外に駆動部５が構成されている。駆動部５は、ステッピングモータ５Ａと、ステッピングモータ５Ａの回転によりニードル弁４を進退させるねじ送り機構５Ｂと、ステッピングモータ５Ａの回転を規制するストッパ機構５Ｃと、を備えている。

そしてステッピングモータ５Ａは、ロータ軸５１と、ケース１４の内部に回転可能に配設されたマグネットロータ５２と、ケース１４の外周においてマグネットロータ５２に対して対向配置されたステータコイル５３と、その他、図示しないヨークや外装部材等により構成されている。ロータ軸５１はブッシュを介してマグネットロータ５２の中心に取り付けられ、このロータ軸５１のガイド部材２側の外周には雄ねじ部５１ａが形成されている。この雄ねじ部５１ａはガイド部材２の雌ねじ部２４ａに螺合されており、これにより、ガイド部材２はロータ軸５１を軸線Ｌ上に支持している。そして、ガイド部材２の雌ねじ部２４ａとロータ軸５１の雄ねじ部５１ａはねじ送り機構５Ｂを構成している。

以上の構成により、ステッピングモータ５Ａが駆動されるとマグネットロータ５２及びロータ軸５１が回転し、ロータ軸５１の雄ねじ部５１ａとガイド部材２の雌ねじ部２４ａとのねじ送り機構５Ｂにより、マグネットロータ５２と共にロータ軸５１が軸線Ｌ方向に移動する。そして、ニードル弁４が軸線Ｌ方向に進退移動してニードル弁４が副弁ポート３３ａに対して近接又は離間する。また、ニードル弁４が上昇するとき、ワッシャ４３が主弁体３のリテーナ３４に係合し、主弁体３はニードル弁４と共に移動して、主弁座１３から離座する。なお、マグネットロータ５２には突起部５２ａが形成されており、マグネットロータ５２の回転に伴って突起部５２ａが回転ストッパ機構５Ｃを作動させ、ロータ軸５１（及びマグネットロータ５２）の最下端位置及び最上端位置が規制される。

図１の小流量制御域状態では、主弁体３は主弁座１３に着座した状態で主弁ポート１３ａが弁閉となり、ニードル弁４により副弁ポート３３ａの開度が制御され、小流量の制御が行われる。また、例えば冷凍サイクルシステムの圧縮機が停止して流体（冷媒）が停止した状態で、ニードル弁４と主弁体３が上昇されると、図２のように主弁ポート１３ａが全開状態となる。これにより、冷房運転時、第１継手管１１から第２継手管１２へ大流量の流体（冷媒）が流されたり、暖房運転時、第２継手管１２から第１継手管１１へ大流量の流体（冷媒）が流される。

図３に示すように、副弁ポート３３ａの副弁室３Ｒ側の開口縁には、複数（この例では６個）の「第２絞り部」としての溝６が形成されている。この溝６は、軸線Ｌ周りで等間隔（６０°毎）となる軸線Ｌに対して回転対称な位置に形成されている。また、溝６の軸線Ｌ方向の長さは、副弁ポート３３ａの軸線Ｌ方向の長さより短く形成されており、また、溝６の流れ方向上流側の副弁室３Ｒから軸線Ｌ方向の第２継手管側に向かう程、溝６の水平断面積が徐々に減少する様に形成されている。また、図４に示すように、ニードル部４２は、軸線Ｌを中心線とする円柱からなるストレート部４２ａと、先端側にかけて縮径されたテーパ部４２ｂとから構成されている。また、ストレート部４２ａの外径は、副弁ポート３３ａの内径より小さくなっており、ストレート部４２ａと副弁ポート３３ａとの間には第１絞り部（隙間）が形成される。そして、この第１絞り部を一定流量の冷媒が流れることにより小流量制御が行われる。また、この小流量制御のとき、ストレート部４２ａと副弁ポート３３ａの絞り部に流れ込む冷媒の圧力は、副弁ポート３３ａの副弁室３Ｒ側に形成された溝６（第２絞り部）により軸線Ｌ周りに分散され、副弁座３３とニードル部４２とで構成される第１絞り部の前後の差圧が減少し、この第１絞り部での冷媒通過音を低減することができる。

このように、第１実施形態の電動弁１００は、小流量制御域で作用する副弁座３３とニードル弁４（副弁体のニードル部４２）との冷媒が流れる第１絞り部に連続する溝６（第２絞り部）が、副弁座３３に形成されている。したがって、副弁ポート３３ａとニードル部４２との間の第１絞り部を通過する冷媒通過音を低減できる。

図５乃至図７は第１実施形態の電動弁の変形例及び第２実施形態を示す図であり、各変形例及び第２実施形態において電動弁の全体構成は図５乃至図７部位以外は図１及び図２と同様である。

図５の変形例１は、ニードル部４２に「第２絞り部」としての溝７を形成したものである。溝７は、ニードル部４２の前記ガイド用ボス部４４側の付け根部４２ｃからストレート部４２ａの中ほどまで形成したものである。また、この溝７は複数（この例では６個）形成され、この溝７は、軸線Ｌ周りで等間隔（６０°毎）となる軸線Ｌに対して回転対称な位置に形成されている。さらに、溝７の水平断面の面積は軸線Ｌ方向で副弁ポート３３ａに近づくにしたがって小さくなっている。この変形例１では、溝７はストレート部４２ａの中ほどまでしか形成されていないので、ストレート部４２ａと副弁ポート３３ａとの絞り部の開口面積は実施形態と同様に一定であり、小流量制御のときの流量を一定に保つことができる。

そして、この変形例１でも、小流量制御のとき、ストレート部４２ａと副弁ポート３３ａの絞り部に流れ込む冷媒の圧力は、ニードル部４２に形成された溝７より軸線Ｌ周りに分散され、副弁座３３とニードル部４２とで構成される絞り部の前後の差圧が減少し、この絞り部での冷媒通過音を低減することができる。

図６の変形例２は、ニードル部４２に「第２絞り部」としての溝７′を形成したものである。溝７′は、ニードル部４２のストレート部４２ａの中ほどから、テーパ部４２ｂまで形成したものである。また、この溝７′は複数（この例では６個）形成され、この溝７′は、軸線Ｌ周りで等間隔（６０°毎）となる軸線Ｌに対して回転対称な位置に形成されている。この変形例２でも、小流量制御のとき、ストレート部４２ａと副弁ポート３３ａの絞り部に流れ込む冷媒の圧力は、ニードル部４２に形成された溝７′より軸線Ｌ周りに分散され、副弁座３３とニードル部４２とで構成される絞り部の前後の差圧が減少し、この絞り部での冷媒通過音を低減することができる。

図７の第２実施形態は、図１及び図２の第１実施形態における主弁座１３や主弁ポート１３ａに特徴を持たせたものである。図７（Ａ）の第２実施形態の変形例１は、主弁座１３において主弁ポート１３ａの開口縁に複数（この例では６個）の「第２絞り部」としての溝８を形成したものである。第１実施形態と同様に、溝８も軸線Ｌ周りで等間隔（６０°毎）となる軸線Ｌに対して回転対称な位置に形成されている。溝８は、副弁ポート３３ａとニードル部４２のストレート部４２ａとの絞り部により小流量制御が行われるときにも、この溝８により主弁室１Ｒから主弁ポート１３ａに冷媒を流す作用をする。したがって、副弁ポート３３ａとニードル部４２との絞り部の前後の差圧が減少し、この絞り部での冷媒通過音を低減することができる。図７（Ｂ）の第２実施形態の変形例２は主弁３の主弁部３１において複数（この例では６個）の「第２絞り部」としての溝８′を形成したものである。第１実施形態と同様に、溝８′も軸線Ｌ周りで等間隔（６０°毎）となる軸線Ｌに対して回転対称な位置に形成されている。溝８′は、副弁ポート３３ａとニードル部４２のストレート部４２ａとの絞り部により小流量制御が行われるときにも、この溝８′により主弁室１Ｒから主弁ポート１３ａに冷媒を流す作用をする。したがって、副弁ポート３３ａとニードル部４２との絞り部の前後の差圧が減少し、この絞り部での冷媒通過音を低減することができる。

次に、図８に基づいて本発明の冷凍サイクルシステムについて説明する。冷凍サイクルシステムは、例えば、家庭用エアコン等の空気調和機に用いられる。前記実施形態の電動弁１００は、空気調和機の第１室内側熱交換器９１（除湿時冷却器として作動）と第２室内側熱交換器９２（除湿時加熱器として作動）との間に設けられており、圧縮機９５、四方弁９６、室外側熱交換器９４および電子膨張弁９３とともに、ヒ－トポンプ式冷凍サイクルを構成している。第１室内側熱交換器９１と第２室内側熱交換器９２及び電動弁１００は室内に設置され、圧縮機９５、四方弁９６、室外側熱交換器９４および電子膨張弁９３は室外に設置されていて冷暖房装置を構成している。

除湿弁としての実施形態の電動弁１００は、除湿時以外の冷房時または暖房時には主弁体が全開状態とされて、第１室内熱交換器９１と第２室内熱交換器９２は一つの室内熱交換器とされる。そして、この一体の室内熱交換器と室外熱交換器９４は、「蒸発器」及び「凝縮器」として択一的に機能する。すなわち、電子膨張弁としての電動弁９３は、蒸発器と凝縮器の間に設けられている。

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、家庭用エアコン等の空気調和機に用いられる電動弁１００を例示したが、本発明の電動弁は、家庭用エアコンに限らず、業務用エアコンであってもよいし、空気調和機に限らず、各種の冷凍機等にも適用可能である。

また、実施形態における「第２絞り部」としての溝６，７，７′，８，８′は断面が三角形であるが、断面が四角形の溝や断面が円形の溝であってもよい。また、前記の各実施形態において、「第２絞り部」としての溝は等間隔と記述したが、等間隔に限られるものではなく、第１継手管１１から第２継手管１２への横から下への流体の流れによる影響等に対応する為、非等間隔の複数溝を形成してもよい。また、前記の各実施形態において、溝は６個の例で示したが、６箇所に限定するものではなく、１箇所でも、６箇所以外の複数（２箇所以上）でもよい。

なお、第１実施形態では副弁体に対する副弁座に溝を形成したものとし、第２実施形態では主弁座に溝を形成したものとし、主弁座と副弁座について別々に溝を形成する例を挙げたが、第１実施形態と第２実施形態を複合して、副弁座に溝を形成してさらに主弁座に溝を形成した構成の実施形態としてもよい。また、変形例として、副弁座に溝を形成し、さらに主弁体に溝を形成した構成の実施形態としてもよい。さらに、副弁体に溝を形成し、主弁体に溝を形成した構成の実施形態としてもよい。さらに、副弁体に溝を形成し、主弁座に溝を形成した構成の実施形態としてもよい。 また、第２実施形態では、主弁体又は、主弁座に溝を形成する構成として記載したが、溝に限定するものではなく、孔などによる「第２絞り部」でもよい。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述し、その他の実施形態についても詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

１ 弁ハウジング
１Ｒ 主弁室
１１ 第１継手管
１２ 第２継手管
１３ 主弁座
１３ａ 主弁ポート
１４ ケース
Ｌ 軸線
２ ガイド部材
３ 主弁体
３ａ 主弁ばね
３Ｒ 副弁室
３１ 主弁部
３２ 保持部
３２ａ ニードルガイド孔
３２ｂ 導通孔
３３ 副弁座
３３ａ 副弁ポート
４ ニードル弁
４２ ニードル部（副弁体）
４２ａ ストレート部
４３ ワッシャ
４４ ガイド用ボス部
５ 駆動部
６ 溝（切欠き部）
７ 溝（切欠き部）
７′ 溝（切欠き部）
９１ 第１室内側熱交換器
９２ 第２室内側熱交換器
９３ 電子膨張弁
９４ 室外側熱交換器
９５ 圧縮機
９６ 四方弁
１００ 電動弁

Claims (8)

1. 弁室の流体を弁ポートを介して下流側に流出させるとともに、駆動部のロータの回転により回転するニードル部を弁ポートの軸線方向に進退させて該弁ポートを流れる流体の流量を制御する電動弁であって、前記ニードル部が前記弁ポートの周囲の弁座に着座しないよう構成された電動弁において、
   前記ニードル部と前記弁ポートとの隙間からなる第１絞り部と、前記弁室と前記下流側との間に設けられた第２絞り部と、を備え、
   前記第２絞り部は、前記弁ポートに形成された複数の溝であり、当該複数の溝それぞれの軸線方向の長さは前記弁ポートの軸線方向の長さより短く形成されていることを特徴とする電動弁。
2. 主弁座の主弁ポートを開閉する主弁体と、前記主弁体に設けられた前記弁座としての副弁座と、前記弁ポートとしての副弁ポートと、前記副弁ポートの開度を変更する前記ニードル部としての副弁体と、を備え、前記主弁体が前記主弁ポートを閉とした状態で、前記副弁体が前記副弁ポートの開度を変更する小流量制御域と、前記主弁体が前記主弁ポートを全開状態として、前記主弁ポートから大流量の流体を流す大流量制御域と、の二段の流量制御域を有することを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
3. 前記第２絞り部が、前記副弁座に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電動弁。
4. 前記第２絞り部が、前記主弁座に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電動弁。
5. 前記第２絞り部が、前記副弁座の前記副弁ポートの副弁室側の開口縁に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電動弁。
6. 前記第２絞り部が、前記主弁座の前記主弁ポートの主弁室側の開口縁に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の電動弁。
7. 前記第２絞り部が、前記副弁座の副弁側と、前記主弁座の主弁側の少なくとも一方に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電動弁。
8. 圧縮機と、室内熱交換器と、室外熱交換器と、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器との間に設けられた電子膨張弁と、前記室内熱交換器に設けられる除湿弁とを含む冷凍サイクルシステムであって、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電動弁が、前記除湿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。

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