JP7429602B2 - 温度式膨張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に用いられ、弁体を弁ポートの軸線上で弁閉方向に付勢する付勢ばねの付勢力を調整して過熱度設定値を調整するようにした温度式膨張弁及び冷凍サイクルシステムに関する。

従来、この種の温度式膨張弁として、例えば特開２０１２－２２９８８５号公報（特許文献１）に開示されたものがある。この特許文献１の温度式膨張弁（温度膨張弁）は、過熱度設定値を調整する調整ねじに対してＯリングを設けてシールし、かつ、シールキャップ（蓋部材５）と封止部材（４）とによって、温度式膨張弁の内部と大気とを気密に分離している。

特開２０１２－２２９８８５号公報

特許文献１のような技術はＯリングや封止部材を用いているが、一般的に、Ｏリングや封止部材では、弁本体部からの微少な冷媒の漏れが生じる恐れを完全には無くすことができないという問題がある。また、弁本体部から外部への冷媒の漏れが生じると温度式膨張弁が設けられた冷凍サイクルシステム中の冷媒充填量が減少し、これにより想定される能力が得られなくなるため好ましくない。また、ＣＯ_２ （二酸化炭素）排出量削減のため、ＧＷＰ（地球温暖化係数）の高い冷媒からＧＷＰの低い代替冷媒への移行が進められており、可燃性冷媒が使用されることがある。しかしながら、可燃性冷媒を使用する場合は、可燃性の性質上、冷媒の外部への漏れをとくに抑制する必要がある。

本発明は、弁体を付勢する付勢ばねの付勢力を調整して過熱度設定値を調整するようにした温度式膨張弁において、弁本体部からの冷媒の外部漏れを無くすことを課題とする。

本発明の温度式膨張弁は、冷凍サイクルシステムの凝縮器と蒸発器との間に配管接続され、弁体を弁ポートの軸線上で弁閉方向に付勢する付勢ばねの付勢力を調整して過熱度設定値を調整するようにした温度式膨張弁において、弁室内に前記弁体を内蔵した弁本体部と、前記付勢ばねを前記軸線方向に伸縮させる調整スピンドルを前記弁本体部の内部に臨ませた調整部と、を備え、前記弁本体部の内部と、前記調整部の調整室とが、可撓性を有する気密部材によって仕切られ、前記気密部材の一方側は、前記弁本体部に接合され、他方側は、前記弁本体部の内部と前記調整スピンドルとの間で前記調整スピンドルの軸線上に配置され、前記気密部材の前記他方側は、前記調整部の前記調整スピンドル側に設けられていることを特徴とする。

この際に、前記気密部材の前記他方側は、前記調整部の前記調整スピンドル側に設けられていることを特徴とする温度式膨張弁が好ましい。

また、前記気密部材は、ベローズであることを特徴とする温度式膨張弁が好ましい。

本発明の冷凍サイクルシステムは、圧縮機と、凝縮器と、蒸発器と、絞り装置とを含む冷凍サイクルシステムであって、前記温度式膨張弁が、前記絞り装置として用いられていることを特徴とする。

本発明の温度式膨張弁によれば、弁本体部の内部と調整部の調整室とが、可撓性を有する気密部材によって仕切られるとともに、この気密部材の一方側が弁本体部に接合されているので、弁本体部からの冷媒の外部漏れを無くすことができる。また、気密部材は可撓性を有するので、調整スピンドルの動作を付勢ばねに伝えて過熱度設定値を容易に調整可能となる。

本発明の第１実施形態の温度式膨張弁の一部縦断面図である。 図１の弁ハウジング及び作動棒部分のＢ－Ｂ矢視断面図である。 本発明の第２実施形態の温度式膨張弁の一部縦断面図である。 本発明の実施形態に係る冷凍サイクルシステムの概略構成図である。

次に、本発明の温度式膨張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実施形態の温度式膨張弁の一部縦断面図、図２は図１の弁ハウジング及び作動棒部分のＢ－Ｂ矢視断面図、図３は第２実施形態の温度式膨張弁の一部縦断面図である。なお、以下の説明における「上下」の概念は図１及び図３の図面における上下に対応しており、一点鎖線で示す軸線Ｘは後述の弁ポート１３の中心線であるとともに、調整スピンドル４２及び弁体２の移動方向に対応している。この実施形態の温度式膨張弁１００は、弁ハウジング１を躯体とする弁本体部１０と、この弁本体部１０の下部に固定された調整部２０と、弁本体部１０に対してキャピラリチューブ３０ａで接続された感温筒３０とから構成されている。

弁本体部１０において、弁ハウジング１は金属製であり、この弁ハウジング１には流体（冷媒）が流入する一次側継手１１と流体が流出する二次側継手１２とが取り付けられている。一次側継手１１と二次側継手１２は軸線Ｘと直交する方向で段違いに平行となっており、この一次側継手１１と二次側継手１２との間には、弁ポート１３と弁室１Ａとが形成されている。なお、本実施形態においては一次側継手１１と二次側継手１２とが軸線Ｘと直交して形成されているが、一次側継手１１および二次側継手１２のいずれか一方、あるは双方が軸線Ｘに対して傾斜して形成されていてもよい。弁ポート１３と弁室１Ａは軸線Ｘを中心とする円柱形状であり、弁ポート１３は一次側継手１１に連通する一次ポート１１ａと弁室１Ａとを連通している。また、弁室１Ａは二次ポート１２ａを介して二次側継手１２に連通している。

弁室１Ａ内において、弁ポート１３側にはこの弁ポート１３に対向する弁体２が配設されている。弁体２は、弁ポート１３に対して端部が近接又は離間可能な円錐状のニードル部２１と、このニードル部２１の外周のフランジ部２２とで構成されている。また、弁室１Ａ内には後述のように「気密部材」としてのベローズ５が取り付けられており、ベローズ５は端板５１を一体に有する有底形状に形成されている。このベローズ５の上端（他方側）の端板５１と弁体２との間にはボール２３が配設されている。また、ベローズ５の内側には当金５３が端板５１に接触されて収容されている。さらに、ベローズ５の内側には付勢ばね２４が配設され、この付勢ばね２４は当金５３とばね受け２５との間で圧縮されている。ばね受け２５は後述の調整部２０の調整スピンドル４２における球状凸部４３に当接されている。そして、付勢ばね２４により弁体２は弁閉方向に付勢される。なお、ベローズ５の長さは弁室１Ａ内に取り付けた際に収縮された状態となる長さに設定されている。これにより、後述の弁室１Ａ内の圧力の変動によりベローズ５の伸縮が生じにくいようになっている。

弁ハウジング１の上部にはダイヤフラム装置３が取り付けられている。ダイヤフラム装置３は、上蓋３１と下蓋３２によりケース体を構成しており、下蓋３２の下部を弁ハウジング１の上端に螺合することにより、このダイヤフラム装置３は弁ハウジング１に対して軸線Ｘの上端側に取り付けられている。本実施形態では、下蓋３２が弁ハウジング１の上端に螺合により取り付けられているが、ろう付け、溶接等の適宜な手段により下蓋３２を弁ハウジング１に取り付けてもよい。また、上蓋３１と下蓋３２の間にはダイヤフラム３３を備えており、上蓋３１と下蓋３２とからなるケース体内部は、このダイヤフラム３３によって受圧室３１Ａと均圧室３２Ａとして区画されている。また、図２に示すように、弁ハウジング１には軸線Ｘ方向に均圧路１６が形成されており、均圧室３２Ａは、この均圧路１６により弁室１Ａに導通されている。そして、この均圧室３２Ａには均圧路１６を介して弁室圧力が導入される（内部均圧式）。

受圧室３１Ａは、キャピラリチューブ３０ａによって感温筒３０と接続されている。これにより、受圧室３１Ａの内圧は、感温筒３０による感知温度に応じて変化する。そして、ダイヤフラム３３は、受圧室３１Ａと均圧室３２Ａの圧力差に応じて変位し、この変位は、当金３４と作動棒３５によって弁体２（そのフランジ部２２）に伝達される。なお、作動棒３５は軸線Ｘ周りに３本設けられ、それぞれが弁体２のフランジ部２２に当接されているが、作動棒３５の本数はこれに限らない。即ち、軸線Ｘ周りに２本設ける場合や軸線と同軸に１本設けているものであってもよい。

弁本体１は、弁ハウジング１と後述の調整部ハウジング４１を有しており、弁室１Ａ及び弁ハウジング１の下部には、調整部２０が設けられている。この調整部２０は弁ハウジング１側に調整室４１Ａを有する調整部ハウジング４１を躯体として構成されている。調整室１Ａは弁本体１の内部を後述の気密部材（ベローズ５）によって確定され形成されており調整スピンドル４２を内部に収容している。この調整部ハウジング４１は調整室４１Ａの開口端部を弁ハウジング１の下端部に螺合することにより弁ハウジング１に固定されている。調整部ハウジング４１の中央には雌ねじ部４１ａが形成され、この雌ねじ部４１ａに、外周に雄ねじ部４２ａを有する調整スピンドル４２が螺合されている。調整スピンドル４２の調整室４１Ａ側の端部には球状凸部４３が一体に形成され、この球状凸部４３にはばね受け２５が当接して嵌合されている。また、調整スピンドル４２の下端部にはこの調整スピンドル４２を回転するときにレンチを挿入するための切り欠き４２ｂが形成されている。なお、調整部ハウジング４１の下部及び調整スピンドル４２の下部は蓋部材４４によりカバーされている。調整部ハウジング４１にはシール部材Ｓが設けられており、調整部ハウジング４１と蓋部材４４との間がシールされている。これにより、弁ハウジング１や調整部ハウジング４１の表面に付着する霜が溶融した場合でも調整スピンドル４２の雄ねじ部４２ａと調整部ハウジング４１の雌ねじ部４１ａとの間から霜が溶融することにより生じた水分が調整室４１Ａに侵入することを防止している。シール部材Ｓの材質はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）の樹脂、ＮＢＲ等のゴム、金属製等の適宜の材質を用いることができる。なお、弁体２の軸方向への移動に伴うベローズ５の伸縮により調整室４１Ａの容積も変化することとなるが、調整室４１Ａの容積を十分大きく設定することで、ベローズ５の伸縮による調整室４１Ａの容積の変化に起因する調整室４１Ａ内の内圧の変化の影響を抑制している。また、調整部ハウジング４１における蓋部材４４を収容する空間とベローズ５を収容する空間とを連通する連通孔を調整部ハウジング４１に設けることで調整室４１Ａの容積をより大きくすることができ、より一層、ベローズ５の伸縮による調整室４１Ａの容積の変化の影響を抑制することができる。調整室４１Ａの容積を大きくすることは弁体２の軸方向への移動量が比較的大きい場合や、ベローズ５の有効受圧径が大きい場合に特に好適である。

以上の構成により、この温度式膨張弁１００は以下のように作用する。後述の冷凍サイクルシステムで説明するように、この温度式膨張弁１００は、一次側継手１１に凝縮器の出口側配管が接続されるとともに、二次側継手１２に蒸発器の入口側配管が接続されて、冷凍サイクルシステムに搭載される。また、感温筒３０は蒸発器の出口側配管に取り付けられる。そして、蒸発器の出口側配管の温度（感温筒３０の感知温度）が高くなるとダイヤフラム装置３のダイヤフラム３３の変位により弁体２が弁ポート１３を開くように動作し、出口側配管の温度が低くなると弁ポート１３を閉じるように動作する。また、弁室１Ａ内の圧力（蒸発器における蒸発圧力）が低くなると弁体２が弁ポート１３を開くように動作し、弁室１Ａ内の圧力（蒸発圧力）が高くなると弁体２が弁ポート１３を閉じるように動作する。このようにして、感温筒３０の感知温度による受圧室３１Ａ内の圧力と弁室１Ａ内の圧力（蒸発圧力）との差圧に応じて、凝縮器から蒸発器に冷媒を流す弁ポート１３の開度を制御し、冷凍サイクルシステムの過熱度制御を行う。

そして、温度式膨張弁１００の調整部２０において、調整スピンドル４２を回転することにより、この調整スピンドル４２が調整部ハウジング４１に対して軸線Ｘ方向に変位する。これにより、付勢ばね２４の軸線Ｘ方向の伸縮量が変化して、弁体２の弁閉方向の付勢力が変化する。したがって、調整スピンドル４２のねじ込み量を調整することで、弁体２と作動棒３５とによるダイヤフラム３３に対する押圧力を変化させることができる。このように、付勢ばね２４の付勢力を調整することができるので、受圧室３１Ａの導入圧力と弁室１Ａ内の圧力との差圧に応じて弁ポート１３が開き始める圧力、すなわち過熱度設定圧力を調整することができる。

ここで、ベローズ５は、端板５１とは反対側の端部（一方側）のリム部５ａをリング状の固定金具５２の内側に溶接等により固定されており、この固定金具５２を弁ハウジング１の下端の円環状のリム部１ａ内に嵌合されるとともに、溶接等により弁ハウジング１に固着されている。これにより、ベローズ５は弁室１Ａと調整室４１Ａとを気密に封止している。したがって、弁本体部１０からの冷媒の漏れを完全に無くすことができる。なお、調整室４１Ａ内は、雌ねじ部４１ａと雄ねじ部４２ａとの間の間隙を通じて、蓋部材４４を取り外した状態の際の温度式膨張弁１００の周囲環境に応じた大気圧となっている。蓋部材４４は過熱度設定値の調整の際等に取り外される。また、ベローズ５は主に軸線Ｘ方向に可撓性を有している。そして、付勢ばね２４の付勢力を弁体２に伝達させることができる。

図３の第２実施形態において第１実施形態と同様な部材、同様な要素には同じ符号を付記して詳細な説明は省略する。この第２実施形態において第１実施形態と異なる点は、主にベローズ５′の向きである。この第２実施形態における弁体２′は、ニードル部２１′と、ニードル部２１′の外周のフランジ部２２′と、ニードル部２１′とは反対側に突出するボス部２３′とで構成されている。また、弁体２′のボス部２３′には、リテーナ２５が嵌合されるとともに、このリテーナ２５には弁室１Ａの内壁に摺接する板ばね２６（菊バネ）が組み付けられている。また、この実施形態の「気密部材」としてのベローズ５′は端板５１′（他方側）を下端として配置されており、ベローズ５′の内側には当金５３′が端板５１′に接触されて収容されている。さらに、ベローズ５′の内側に付勢ばね２４が配設され、この付勢ばね２４は当金５３′と弁体２側の板ばね２６との間で圧縮されている。そして、付勢ばね２４により弁体２は弁閉方向に付勢される。

弁ハウジング１の下部に設けられた調整部２０′は，弁ハウジング１側に調整室６１Ａを有する調整部ハウジング６１を躯体として構成されている。この調整部ハウジング６１は調整室６１Ａの開口端部を弁ハウジング１の下端部に螺合することにより弁ハウジング１に固定されている。また、調整部ハウジング６１の調整室６１Ａは円柱形状をしており、この調整室６１Ａの下部に雌ねじ部６１ａが形成され、この雌ねじ部６１ａに、外周に雄ねじ部６２ａを有する調整スピンドル６２が螺合されている。そして、調整スピンドル６２の調整室６１Ａ側の端部と、ベローズ５の下端（他方側）の端板５１′との間に、ボール６３が配設されている。なお、調整部ハウジング６１の下部及び調整スピンドル６２の下部は蓋部材６４によりカバーされている。また、第１実施形態と同様に調整部ハウジング６１にはシール部材Ｓ′が設けられており、調整部ハウジング６１と蓋部材６４との間がシールされている。調整室６１Ａの容積は第１実施形態と同様に十分大きく設定されている点も第１実施形態と同様である。本実施形態においては、調整スピンドル６２に調整ハウジング６１における蓋部材６４を収容する空間とベローズ５を収容する空間とを連通する連通孔を設けることにより調整室６１Ａの容積をより大きくすることができる。

この実施形態では、ベローズ５′は、端板５１′とは反対側（一方側）の端部の平坦部５ｂ′をリング状の固定金具５２′の端部に溶接等により固定されており、この固定金具５２′を弁ハウジング１の下端の円環状のリム部１ａ内に嵌合されるとともに、ろう付け等により固定することで、ベローズ５′は弁ハウジング１に固着されている。これにより、ベローズ５′は弁室１Ａと調整室６１Ａとを気密に封止している。したがって、弁本体部１０からの冷媒の漏れを完全に無くすことができる。なお、調整室６１Ａ内は、雌ねじ部６１ａおよび雄ねじ部６２ａとの間の間隙を通じて、蓋部材６４を取り外した状態の際の温度式膨張弁１００の周囲環境に応じた大気圧となっている。蓋部材６４は過熱度設定値の調整の際等に取り外される。また、ベローズ５′は主に軸線Ｘ方向に可撓性を有している。そして、付勢ばね２４の付勢力を弁体２に伝達させることができる。このように第２実施形態においては、ベローズ５′の他方側が調整部２０′の調整スピンドル６２側に設けられていることから、弁体２′が弁ポート１３に対して近接または離間の動作を行っても、これに伴うベローズ５′の伸縮は生じない。これによりベローズ５′の弾性力の変化が流量特性に影響を及ぼしにくくなっている。また、ベローズ５′が収縮させた状態で弁室１Ａ内に取り付けられている点は第１実施形態と同様である。

図４は実施形態に係る冷凍サイクルシステムの概略構成図である。この冷凍サイクルシステムは、ルームエアコン等の空気調和機やショーケース等の冷蔵機器、冷凍機器等に利用されるものである。図４において、１００は各実施形態の温度式膨張弁、２００は蒸発器である室内熱交換器、３００は凝縮器である室外熱交換器、４００は圧縮機である。圧縮機４００で圧縮された冷媒は、室外熱交換器３００に流入され、温度式膨張弁１００で絞られ、室内熱交換器２００を介して圧縮機４００の順に循環される。そして、室外熱交換器３００が凝縮器として機能し、室内熱交換器２００が蒸発器として機能し、室内等の冷却がなされる。

室内熱交換器２００（蒸発器）の出口側配管２００ａには、温度式膨張弁１００から延びるキャピラリチューブ３０ａを介して感温筒３０が取り付けられている。そして、感温筒３０は出口配管２００ａの温度を感知して、その温度に応じた圧力を前記ダイヤフラム装置３に加え、前記のように温度式膨張弁１００の弁開度を変化させる。

なお、温度式膨張弁には内部均圧式と外部均圧式とがあり、蒸発器内部の圧力損失の大小により使い分けされている。圧力損失が一定や小さい場合には内部均圧式が用いられ、圧力損失が大きい場合には外部均圧式が用いられる。実施形態では均圧室３２Ａ内に弁室１Ａの圧力を導入する内部均圧式の例について説明したが、本発明は、均圧導管により蒸発器の出口圧力を均圧室３２Ａに導入する外部均圧式にも適用できる。

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。

１０ 弁本体部
２０，２０′ 調整部
３０ 感温筒
３０ａ キャピラリチューブ
Ｘ 軸線
１ 弁ハウジング
１１ 一次側継手
１２ 二次側継手
１３ 弁ポート
１Ａ 弁室
２，２′ 弁体
２１，２１′ ニードル部
２４ 付勢ばね
３ ダイヤフラム装置
３１ 上蓋
３１Ａ 受圧室
３２ 下蓋
３２Ａ 均圧室
３３ ダイヤフラム
３４ 当金
３５ 作動棒
４１ 調整部ハウジング
４１Ａ 調整室
４２ 調整スピンドル
５，５′ ベローズ
５１，５１′ 端板
５ａ リム部
５ｂ′ 平坦部
６１ 調整部ハウジング
６１Ａ 調整室
６２ 調整スピンドル
１００ 温度式膨張弁
２００ 室内熱交換器（蒸発器）
３００ 室外熱交換器（凝縮器）
４００ 圧縮器

Claims (3)

1. 冷凍サイクルシステムの凝縮器と蒸発器との間に配管接続され、弁体を弁ポートの軸線上で弁閉方向に付勢する付勢ばねの付勢力を調整して過熱度設定値を調整するようにした温度式膨張弁において、
   弁室内に前記弁体を内蔵した弁本体部と、前記付勢ばねを前記軸線方向に伸縮させる調整スピンドルを前記弁本体部の内部に臨ませた調整部と、を備え、
   前記弁本体部の内部と、前記調整部の調整室とが、可撓性を有する気密部材によって仕切られ、
   前記気密部材の一方側は、前記弁本体部に接合され、他方側は、前記弁本体部の内部と前記調整スピンドルとの間で前記調整スピンドルの軸線上に配置され、
   前記気密部材の前記他方側は、前記調整部の前記調整スピンドル側に設けられていることを特徴とする温度式膨張弁。
2. 前記気密部材は、ベローズであることを特徴とする請求項１に記載の温度式膨張弁。
3. 圧縮機と、凝縮器と、蒸発器と、絞り装置とを含む冷凍サイクルシステムであって、請求項１または２に記載の温度式膨張弁が、前記絞り装置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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