JP7372885B2 - 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２０１７－２１１０３４号公報（特許文献１）に開示されている。

この特許文献１の電動弁は、主弁体（弁体３２）と副弁体（弁軸２０）とを備え、副弁体の連通路（２９ｗ）から副弁体内部を介して主弁体の副弁口（弁口３６）へと冷媒を通過させる小流量制御を行うものである。また、主弁体の全開時において、流体（冷媒）の大部分は主弁体と主弁座との隙間である主弁口（弁口１６）に流れるものの、流体の一部が副弁体の連通路（２９ｗ）から主弁体の副弁口に流れる（特許文献１の段落［００５０］）。

また、この種の電動弁として、例えば図７に示すものが考えられている。この電動弁は、弁本体ａの主弁室ａＲ内に主弁ポートｂを開閉する主弁体ｃと、主弁体ｃに形成された副弁室ｃＲ内で副弁ポートｄの開度を制御する副弁体ｅとを備えた電動弁である。そして、主弁体ｃで主弁ポートｂを全閉として、副弁体ｅで副弁ポートｄの開度を制御して流体を絞る小流量制御域と、主弁体ｃで主弁ポートｂを全開として第１継手管ｆの入口ポートｇから流入する流体を主弁ポートｂに流す大流量域とを有する二段式の電動弁である。

特開２０１７－２１１０３４号公報

特許文献１の電動弁では、主弁体の全開時（大流量域）において、流体の一部が副弁体の連通路（２９ｗ）から主弁体の副弁口に流れるため、弁室内の流速や圧力に乱れが生じて流体の流れが不安定になり、騒音や振動の原因となる可能性がある。また、図７に示す電動弁では、主弁体ｃの全開状態（大流量域）においては、流体は主弁室ａＲから主に主弁体ｃと主弁ポートｂとの間を通過するが、主弁体ｃに設けられた連通孔ｈから主弁体ｃの内部の副弁室ｃＲを通過し、副弁体ｅと副弁ポートｄとの間を通過する流れも生じる。このため、この副弁ポートｄを通過して絞られる流れにより、主弁ポートｂに流れる流体の速度や圧力の挙動が安定しなくなり、主弁体ｃの振動や冷媒通過音が発生する恐れがある。

本発明は、主弁体で主弁ポートを全閉状態とし、この主弁体に形成された副弁ポートと副弁体との間の絞り部により冷媒の小流量制御域での流量制御を行うとともに、主弁体で主弁ポートを全開状態として流体を主弁ポートへ流す大流量域の制御を行う二段式の電動弁において、大流量域の制御時に、主弁体と主弁ポートに対する流体の流れを安定させて電動弁自体の騒音や振動の発生を抑制することを課題とする。

本発明の電動弁は、弁本体の主弁室内に設けられて該主弁室に開口する主弁ポートを開閉する主弁体と、前記主弁体に形成された副弁室内で該主弁体に形成された副弁ポートの軸線方向に移動して該副弁ポートの開度を制御する副弁体と、を備え、前記主弁体で前記主弁ポートを閉として前記副弁体で前記副弁ポートの開度を制御して流体を絞る小流量制御域と、前記主弁体で前記主弁ポートを全開として、前記主弁体の側部にて前記主弁室に開口する入口ポートから流入する流体を前記主弁ポートに流す大流量域と、を有する二段式の電動弁において、前記主弁体に、前記主弁室から前記副弁室に連通する連通孔が設けられ、前記連通孔は、前記主弁体の全開時において、前記連通孔のうち少なくとも前記入口ポート側に位置する連通孔が前記入口ポートの開口と直接対向しない位置に設けられ、前記弁本体には、前記主弁体をガイドするガイド部材が設けられ、前記主弁体の前記軸線方向における前記主弁ポート側と反対側の端部には、前記主弁体と別体に設けられたリテーナが結合され、前記リテーナは、前記副弁体に係合可能に設けられ、前記ガイド部材と前記リテーナとの間には、前記リテーナを介して前記主弁体を前記主弁ポート側に付勢する主弁ばねが設けられていることを特徴とする。

この際、前記主弁体の全開時において、前記連通孔のうち少なくとも前記入口ポート側に位置する連通孔が、前記主弁体をガイドするガイド部材の下部ガイド部内に位置することを特徴とする電動弁が好ましい。

また、前記主弁体の全開時において、前記連通孔のうち少なくとも前記入口ポート側に位置する連通孔が、前記入口ポートの前記開口の前方から外れた位置にあることを特徴とする電動弁が好ましい。

また、前記主弁体の全開時において、前記連通孔のうち少なくとも前記入口ポート側に位置する連通孔の中心軸線と、前記入口ポートの中心軸線とが、前記主弁ポートの軸線Ｌに対し垂直な平面に投影したときに交差することを特徴とする電動弁が好ましい。

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、主弁体の全開時において、入口ポートから主弁室に流入する流体が連通孔に対して直接噴射されることがないので、連通孔から副弁室への流体の流入を低減することができる。したがって、主弁体と主弁ポートに対する流体の流れを安定させることができ、電動弁自体の騒音や振動の発生を抑制することができる。

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大流量域状態の縦断面図である。 本発明の第２実施形態の電動弁の大流量域状態の要部拡大縦断面図（Ａ）及び主弁ポートの軸線Ｌに対し垂直な平面に投影した要部拡大横断面図（Ｂ）である。 本発明の第３実施形態の電動弁の大流量域状態の要部拡大縦断面図である。 本発明の第４実施形態の電動弁の大流量域状態の連通孔と入口ポートを主弁ポートの軸線Ｌに対し垂直な平面に投影した要部拡大横断面図である。 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。 二段式の電動弁の一例とその課題を説明する図である。

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大流量域状態の縦断面図である。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。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、副弁体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となっている。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。そして、第１継手管１１の主弁室１Ｒ側の内側端部は入口ポート１１ａとなっている。

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から上方に位置する略円柱状の上部ガイド部２２と、上部ガイド部２２の上部に延設されたホルダ部２３と、圧入部２１の外周に設けられたリング状のフランジ部２４と、圧入部２１から下方に位置する略円柱状の下部ガイド部２５とを有している。圧入部２１、上部ガイド部２２、下部ガイド部２５、ホルダ部２３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２４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２４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２４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及び上部ガイド部２２、下部ガイド部２５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２３の中心には、ガイド孔２Ａと同軸の雌ねじ部２３ａとそのねじ孔が形成されている。そして、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、副弁体４を保持する保持部３２とで構成されている。主弁部３１の内側には円柱状の膨張孔３Ａが形成されるとともに、保持部３２の内側には円柱状の副弁室３Ｒが形成され、この副弁室３Ｒの内周面は副弁ガイド孔３Ｂとなっている。そして、主弁部３１と保持部３２との間には、軸線Ｌを中心として副弁室３Ｒから膨張孔３Ａ側に開口する円柱状の副弁ポート３ａが形成されている。

また、主弁体３の保持部３２の側面には、軸線Ｌと交差する方向で主弁室１Ｒから副弁室３Ｒに連通する連通路３ｂが形成されている。この実施形態では、連通路３ｂは、軸線Ｌ周りに回転対象な位置に放射状に複数本（例えば４本）形成されている。そして、４本の連通路３ｂは、軸線Ｌ方向で、第１継手管１１の開口である入口ポート１１ａに直接対向しない位置に形成されている。なお、ここでは連通路３ｂを４本としたものを例示したが、入口ポート１１ａに直接対向しない位置であれば何本でもよい。

主弁体３は、保持部３２の上端部にリテーナ３４を有するとともに、リテーナ３４とガイド部材２のガイド孔２Ａの上端部との間に主弁ばね３５を有しており、この主弁ばね３５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。副弁体４は、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おり、この副弁体４はガイド用ボス部４１とニードル弁４２とで構成されている。また、副弁体４のニードル弁４２は、その先端が副弁ポート３ａ対して軸線Ｌ方向に挿通されるものであり、ニードル弁４２と副弁ポート３ａとの隙間を小流量の冷媒が流れることにより小流量制御が行われる。なお、ガイド用ボス部４１の上端には、潤滑性樹脂からなる円環状のワッシャ４３が配設され、ガイド用ボス部４１は、副弁ガイド孔３Ｂ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の回転により副弁体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。

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。なお、ケース１４の内側天井部には回転ストッパ機構５Ｃを保持する円筒部１４ａが設けられ、この円筒部１４ａ内には、ロータ軸５１の上端をガイドするガイド部材５４が配設されている。

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、副弁体４が軸線Ｌ方向に進退移動してニードル弁４２が副弁ポート３ａに対して近接又は離間する。また、ニードル弁４２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は副弁体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、副弁体４のニードル弁４２により副弁ポート３ａの開度が制御され、小流量の制御が行われる。このとき、連通路３ｂはガイド部材２の下部ガイド部２５の下端よりも下方に位置し、主弁室１Ｒ内の冷媒は連通路３ｂを通って副弁室３Ｒに流れる。

図２の大流量域状態では、冷媒は主弁室１Ｒから主に主弁体３の主弁部３１と主弁ポート１３ａとの間を通過するが、この主弁体３の全開状態では、連通路３ｂは入口ポート１１ａから下部ガイド部２５によって遮られている。これにより、入口ポート１１ａから主弁室１Ｒに流入する流体が連通孔３ｂに対して直接噴射されることがないので、連通孔３ｂから副弁室３Ｒへの流体の流入を低減することができる。したがって、主弁体３と主弁ポート１３ａに対する流体の流れを安定させることができ、主弁体３の振動が抑制され、この電動弁１００の騒音や振動の発生を抑制することができる。

図３は、本発明の第２実施形態の電動弁の大流量域状態の図であり、図３（Ａ）は要部拡大縦断面図、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の連通孔と入口ポートを主弁ポートの軸線Ｌに対し垂直な平面に投影した要部拡大横断面図である。第１実施形態との相違点は、入口ポート１１ａと反対側のガイド部材２′の下部ガイド２５の長さが短くなっているのに対し、入口ポート１１ａ側の下部ガイド２５が所定の幅において長くなっていることと、図示しないが、主弁体３が上下方向に移動しても回転しないように回転ストッパが設けられている点である。回転ストッパは例えば、ガイド部材２′の内周に軸線方向縦長凸状のキー部が形成され、これが、主弁体３の外周に形成された縦長凹溝と嵌合することで主弁体３の回転を防止するものとしても良い。当初の弁組立時に、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように大流量域状態において、入口ポート１１ａ側の連通孔３ｂが入口ポート１１ａ側の下部ガイド部によって遮られるように、主弁体３の回転ストッパの位置を設定しておけばよい。これにより、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に大流量域状態で、入口ポート１１ａ側の連通孔３ｂは、下部ガイド２５により遮られる。よって、入口ポート１１ａから主弁室１Ｒに流入する流体が連通孔３ｂに対して直接噴射されることがないので、連通孔３ｂから副弁室３Ｒへの流体の流入を低減することができる。したがって、主弁体３と主弁ポート１３ａに対する流体の流れを安定させることができ、主弁体３の振動が抑制され、この電動弁１００の騒音や振動の発生を抑制することができる。

なお、図３においては、図３（Ｂ）に示すように入口ポート１１ａ側の連通孔３ｂの軸線は入口ポート１１ａの軸線と同じ方向（平行）としたが、これに限らず、入口ポート１１ａ側の連通孔３ｂが入口ポート１１ａ側の下部ガイド２５の所定幅内に入っていれば遮られるので、入口ポート１１ａ側の連通孔３ｂの軸線を入口ポートの軸線と所定の角度を成す方向としても良い（不図示）。

図４は本発明の第３実施形態の大流量域状態の要部拡大断面図であり、第１実施形態と
の相違点は、ガイド部材２″の圧入部２１″の下方にガイド部が無く、図４に示すように大流量域状態では、連通路３ｂが軸線Ｌ方向で第１継手管１１の開口である入口ポート１１ａに直接対向しない位置、すなわち、軸線Ｌ方向で入口ポート１１ａより上方に離れた位置に移動する点である。これにより、この第３実施形態においても大流量域状態では、冷媒は主弁室１Ｒから主に主弁体３の主弁部３１と主弁ポート１３ａとの間を通過するが、この主弁体３の全開状態では、入口ポート１１ａから主弁室１Ｒに流入する流体が連通孔３ｂに対して直接噴射されることがないので、連通孔３ｂから副弁室３Ｒへの流体の流入を低減することができる。したがって、主弁体３と主弁ポート１３ａに対する流体の流れを安定させることができ、主弁体３の振動が抑制され、この電動１００の騒音や振動の発生を抑制することができる。

尚、図４において連通孔３ｂの軸線と入口ポート１１ａの軸線を同じ方向としたが、異
なる方向としても良い。

図５は本発明の第４実施形態の大流量域状態の連通路３ｂと入口ポート１１ａを軸線Ｌに対し垂直な平面に投影した要部拡大横断面図であり、第３実施形態との相違点は、入口ポート１１ａ側の連通孔３ｂが軸線Ｌ方向で入口ポート１１ａの開口の内径の範囲に位置する点、連通孔３ｂの軸線の方向が入口ポート１１ａの軸線の方向と同じ方向（平行）ではなく、図５のように交差している点、さらに図示しないが、主弁体３が上下方向に移動しても回転しないように回転ストッパが設けられている点である。回転ストッパについては、第２実施形態と同様であり、主弁体３がＬ軸方向に移動しても連通孔３ｂの軸線と入口ポート１１ａの軸線が成す角度は変わらない。これにより、連通孔３ｂが軸線Ｌ方向で入口ポート１１ａの開口の内径の範囲に位置していても、図５に示すように、入口ポート１１ａから主弁室１Ｒに流入する流体が連通孔３ｂに対して直接噴射されることがないので、連通孔３ｂから副弁室３Ｒへの流体の流入を低減することができる。したがって、主弁体３と主弁ポート１３ａに対する流体の流れを安定させることができ、主弁体３の振動が抑制され、この電動弁１００の騒音や振動の発生を抑制することができる。

第４実施形態において、図５の入口ポート１１ａ側の連通孔３ｂの中心軸線が入口ポート１１ａの中心軸線となす角度αは４５°以上９０°以下が好ましい。

図６は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り、同図に基づいて実施形態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。

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
１１ａ 入口ポート
１２ 第２継手管
１３ 主弁座
１３ａ 主弁ポート
Ｌ 軸線
２，２′，２″ ガイド部材
２Ａ ガイド孔
２２ 上部ガイド部
２５ 下部ガイド部
２３ ホルダ部
２３ａ 雌ねじ部
３ 主弁体
３１ 主弁部
３２ 保持部
３ａ 副弁ポート
３ｂ 連通孔
３Ａ 副弁室
４ 副弁体
４１ ガイド用ボス部
４２ ニードル弁
５ 駆動部
５Ａ ステッピングモータ
５Ｂ ねじ送り機構
５Ｃ ストッパ機構
５１ ロータ軸
５１ａ 雄ねじ部
５２ マグネットロータ
５３ ステータコイル
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 (5)

1. 弁本体の主弁室内に設けられて該主弁室に開口する主弁ポートを開閉する主弁体と、前記主弁体に形成された副弁室内で該主弁体に形成された副弁ポートの軸線方向に移動して該副弁ポートの開度を制御する副弁体と、を備え、前記主弁体で前記主弁ポートを閉として前記副弁体で前記副弁ポートの開度を制御して流体を絞る小流量制御域と、前記主弁体で前記主弁ポートを全開として、前記主弁体の側部にて前記主弁室に開口する入口ポートから流入する流体を前記主弁ポートに流す大流量域と、を有する二段式の電動弁において、
   前記主弁体に、前記主弁室から前記副弁室に連通する連通孔が設けられ、
   前記連通孔は、前記主弁体の全開時において、前記連通孔のうち少なくとも前記入口ポート側に位置する連通孔が前記入口ポートの開口と直接対向しない位置に設けられ、
   前記弁本体には、前記主弁体をガイドするガイド部材が設けられ、
   前記主弁体の前記軸線方向における前記主弁ポート側と反対側の端部には、前記主弁体と別体に設けられたリテーナが結合され、
   前記リテーナは、前記副弁体に係合可能に設けられ、
   前記ガイド部材と前記リテーナとの間には、前記リテーナを介して前記主弁体を前記主弁ポート側に付勢する主弁ばねが設けられていることを特徴とする電動弁。
2. 前記主弁体の全開時において、前記連通孔のうち少なくとも前記入口ポート側に位置する連通孔が、前記主弁体をガイドするガイド部材の下部ガイド部内に位置することを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
3. 前記主弁体の全開時において、前記連通孔のうち少なくとも前記入口ポート側に位置する連通孔が、前記入口ポートの前記開口の前方から外れた位置にあることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
4. 前記主弁体の全開時において、前記連通孔のうち少なくとも前記入口ポート側に位置する連通孔の中心軸線と、前記入口ポートの中心軸線とが、前記主弁ポートの軸線Ｌに対し垂直な平面に投影したときに交差することを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
5. 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４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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