特許 5696093 電動弁

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5696093

(24)【登録日】2015年2月13日

(45)【発行日】2015年4月8日

(54)【発明の名称】電動弁

(51)【国際特許分類】

   F16K 31/04 20060101AFI20150319BHJP

   F16K 47/02 20060101ALI20150319BHJP

   F25B 41/06 20060101ALI20150319BHJP

【ＦＩ】

   F16K31/04 Z

   F16K47/02 D

   F25B41/06 U

【請求項の数】2

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2012-108155(P2012-108155)

(22)【出願日】2012年5月10日

(65)【公開番号】特開2013-234726(P2013-234726A)

(43)【公開日】2013年11月21日

【審査請求日】2013年10月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000143949

【氏名又は名称】株式会社鷺宮製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100060690

【弁理士】

【氏名又は名称】瀧野 秀雄

(74)【代理人】

【識別番号】100070002

【弁理士】

【氏名又は名称】川崎 隆夫

(74)【代理人】

【識別番号】100134832

【弁理士】

【氏名又は名称】瀧野 文雄

(74)【代理人】

【識別番号】100165308

【弁理士】

【氏名又は名称】津田 俊明

(74)【代理人】

【識別番号】100110733

【弁理士】

【氏名又は名称】鳥野 正司

(74)【代理人】

【識別番号】100173978

【弁理士】

【氏名又は名称】朴 志恩

(72)【発明者】

【氏名】中川 大樹

【審査官】 関 義彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−４７２１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１９４０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−８２８９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｋ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

弁ハウジングに形成された弁室に一次継手管が連通され、前記弁室に弁ポートを介して二次継手管が連通可能とされ、前記弁ポートと同軸に配設されたニードル弁を軸線方向に移動させて前記弁ポートを開閉することにより、前記一次継手管から流入して前記二次継手に流出する流体の流量を制御するようにした電動弁において、
前記弁ポートを、前記弁室側に位置する内径Ｄ１の第１弁ポートと、前記二次継手管側に位置する内径Ｄ２の第２弁ポートとにより構成し、
第１弁ポートの内径Ｄ１と第２弁ポートの内径Ｄ２と前記二次継手管の内径Ｄ３との関係がＤ１＜Ｄ２＜Ｄ３となり、かつ、前記第２弁ポートの内径Ｄ２と前記第１弁ポートの内径の比Ｄ２／Ｄ１が、１．０５≦Ｄ２／Ｄ１≦１．８５の範囲となり、前記第２ポートの長さＬ２と第１ポートの長さＬ１の比Ｌ２／Ｌ１が、２０≦Ｌ２／Ｌ１≦４５の範囲となるように構成するとともに、
第１弁ポートの内径Ｄ１を１mm≦Ｄ１≦４．５mm、
第１ポートの長さＬ１を０．２mm＜Ｌ１＜０．５mm
としたことを特徴とする電動弁。

【請求項2】

前記第１弁ポートと前記第２弁ポートとを繋ぐテーパ部が形成され、該テーパ部のテーパ角α３が、９０°≦α３≦１５０°の範囲となるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の電動弁。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、空気調和機等において冷媒の流量を制御するニードル弁型の電動弁に関し、特に、ニードル弁に対する弁ポートの形状を改良した電動弁に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、冷凍サイクルにおいて、冷媒の流量を制御する電動弁から発生する、流体通過に伴う騒音がしばしば問題となることがある。このような騒音対策を施すようにした電動弁として、例えば特開２０１２−４７２１３号公報（特許文献１）及び特開２０１０−１９４０６号公報（特許文献２）に開示されたものがある。

【0003】

特許文献１の電動弁は、弁ポートを第１弁ポートと第２弁ポートとで構成し、第１弁ポートの内径Ｄ１と第２弁ポートの内径Ｄ２と二次継手管の内径Ｄ３との関係がＤ１＜Ｄ２＜Ｄ３となるように構成したものである。

【0004】

特許文献２の電動弁は、弁ポート（弁口オリフィス）の最狭部の内径と、円錐形状の弁ポートの角度を設定するようにしたものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１２−４７２１３号公報

【特許文献2】特開２０１０−１９４０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１の発明も、それ以前の構造と比較して騒音を低減する効果が得られるが、特定の冷媒状態において騒音を発生させる可能性がある。例えば、特許文献１のものでは、図９に示すように、第１ポートａと、この第１ポートａより内径の大きな第２ポートｂがあり、この第１ポートａと第２ポートｂとの間にテーパ部ｃがあるが、第１ポートａの内径に比べて第２ポートｂの内径が大きい。第１ポートａとニードル弁ｄとの隙間では冷媒の流速は大きいが、第２ポートｂ内で直ぐに流速が小さくなり、流れの状態は拡散流れとなる。また、圧力が急激に回復する。このため、キャビテーションの破裂が発生し易いという問題があり、改良の余地を残している。このことは特許文献２のものでも同様である。

【0007】

本発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたものであり、弁ポートの新規な条件とすることにより、騒音を低減した電動弁を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

請求項１の電動弁は、弁ハウジングに形成された弁室に一次継手管が連通され、前記弁室に弁ポートを介して二次継手管が連通可能とされ、前記弁ポートと同軸に配設されたニードル弁を軸線方向に移動させて前記弁ポートを開閉することにより、前記一次継手管から流入して前記二次継手に流出する流体の流量を制御するようにした電動弁において、前記弁ポートを、前記弁室側に位置する内径Ｄ１の第１弁ポートと、前記二次継手管側に位置する内径Ｄ２の第２弁ポートとにより構成し、第１弁ポートの内径Ｄ１と第２弁ポートの内径Ｄ２と前記二次継手管の内径Ｄ３との関係がＤ１＜Ｄ２＜Ｄ３となり、かつ、前記第２弁ポートの内径Ｄ２と前記第１弁ポートの内径の比Ｄ２／Ｄ１が、１．０５≦Ｄ２／Ｄ１≦１．８５の範囲となり、前記第２ポートの長さＬ２と第１ポートの長さＬ１の比Ｌ２／Ｌ１が、２０≦Ｌ２／Ｌ１≦４５の範囲となるように構成するとともに、第１弁ポートの内径Ｄ１を１mm≦Ｄ１≦４．５mm、第１ポートの長さＬ１を０．２mm＜Ｌ１＜０．５mmとしたことを特徴とする、

【0010】

請求項２の電動弁は、請求項１に記載の電動弁であって、前記第１弁ポートと前記第２弁ポートとを繋ぐテーパ部が形成され、該テーパ部のテーパ角α３が、９０°≦α３≦１５０°の範囲となるように構成したことを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

請求項１の電動弁によれば、第２弁ポートの内径Ｄ２と前記第１弁ポートの内径の比Ｄ２／Ｄ１が、１．０５≦Ｄ２／Ｄ１≦１．８５の範囲にあり、第２弁ポートの内径が比較的小さいので、第１弁ポートとニードル弁との隙間から流れる冷媒が、第２弁ポートに流出したとき、圧力を急激に回復させることがないので、キャビテーションの破裂を抑制することができ、騒音を低減することができる。

【0012】

また、第２ポートの長さＬ２と第１ポートの長さＬ１の比Ｌ２／Ｌ１が、２０≦Ｌ２／Ｌ１≦４５の範囲にあり、第１弁ポートの長さに比べて第２弁ポートの長さが十分長いので、冷媒の流れは第２弁ポートで整流化され、冷媒の流れを安定化することができ、さらに騒音を低減することができる。

【0013】

請求項２の電動弁によれば、第１弁ポートと第２弁ポートとを繋ぐテーパ部のテーパ角α３が、９０°≦α３≦１５０°の範囲にあり、第１弁ポートとニードル弁との隙間から流れる冷媒がテーパ部に倣って第２弁ポートに流れるので、さらに圧力を急激に回復させることがなく、騒音を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施形態の電動弁の縦断面図である。

【図2】本発明の実施形態の電動弁における弁ポート近傍の要部拡大縦断面図である。

【図3】本発明の実施形態の電動弁における弁ポートの作用を説明する図である。

【図4】本発明の実施形態の電動弁を用いた空気調和機の一例を示す図である。

【図5】本発明の実施形態の電動弁についてのＤ２とＤ１の寸法比と騒音低減値の実測例である。

【図6】本発明の実施形態の電動弁についてのテーパ部のテーパ角を変化させたときの、Ｄ２とＤ１の寸法比に対する騒音低減値の実測例である。

【図7】本発明の実施形態の電動弁についてのＬ２とＬ１の寸法比と騒音低減値の実測例である。

【図8】図６の実測例をテーパ角度を横軸にしてＤ２とＤ１の寸法比に対する騒音低減値を示す図である。

【図9】従来の電動弁の問題点の一例を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

次に、本発明の電動弁の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は実施形態の電動弁の縦断面図、図２は実施形態の電動弁における弁ポート近傍の要部拡大縦断面図、図３は実施形態の電動弁における弁ポートの作用を説明する図、図４は実施形態の電動弁を用いた空気調和機の一例を示す図である。

【0016】

まず、図４に基づいて実施形態に係る空気調和機について説明する。空気調和機は、実施形態の電動弁１０、室外ユニット１００に搭載された室外熱交換器２０、室内ユニット２００に搭載された室内熱交換器３０、流路切換弁４０、圧縮機５０を有しており、これらの各要素は、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。

【0017】

冷凍サイクルの流路は流路切換弁４０により暖房モードおよび冷房モードの２通りの流路に切換えられ、暖房モードでは実線の矢印で示すように、圧縮機５０で圧縮された冷媒が流路切換弁４０から室内熱交換器３０に流入され、室内熱交換器３０から流出する冷媒が、管路６０を通って電動弁１０に流入される。そして、この電動弁１０で冷媒が膨張され、室外熱交換器２０、流路切換弁４０、圧縮機５０の順に循環される。冷房モードでは、破線の矢印で示すように、圧縮機５０で圧縮された冷媒が流路切換弁４０から室外熱交換器２０に流入され、室外熱交換器２０から流出する冷媒が電動弁１０で膨張され、管路６０を流れて室内熱交換器３０に流入される。この室内熱交換器３０に流入された冷媒は、流路切換弁４０を介して圧縮機５０に流入される。

【0018】

電動弁１０は、冷媒の流量を制御する絞り装置として働き、暖房モードでは、室外熱交換器２０が蒸発器として機能し、室内熱交換器３０が凝縮器として機能し、室内の暖房がなされる。また、冷房モードでは、室外熱交換器２０が凝縮器として機能し、室内熱交換器３０が蒸発器として機能し、室内の冷房がなされる。

【0019】

ここで、暖房モードにおいては、管路６０は電動弁１０の一次継手管２１に流入する冷媒が液状化することがあり、管路６０内に液状冷媒が充満する。このため、電動弁１０の冷媒通過等により振動が発生し、この振動が管路６０を介して室内ユニット２００側に伝達され、室内ユニット２００において騒音が発生する。そこで、後述のように電動弁１０は、弁ポートを改良することで、暖房モードで冷媒が一次継手管２１から電動弁１０本体に流入して二次継手管２２から冷媒が流出する状態での冷媒通過音等を低減するようにしている。

【0020】

次に、図１及び図２に基づいて実施形態の電動弁１０について説明する。この電動弁１０は、弁ハウジング１を有し、弁ハウジング１には円筒シリンダ状の弁室１Ａが形成されている。また、弁ハウジング１には軸線Ｘを中心とする断面形状が円形の第１弁ポート１１と第２弁ポート１２が形成されている。また、第１弁ポート１１と第２弁ポート１２との間にテーパ部１３が形成されている。さらに、弁ハウジング１には、側面側から弁室１Ａに連通する一次継手管２１が取り付けられるとともに、弁室１Ａの軸線Ｘ方向の片側端部に二次継手管２２が取り付けられている。そして、第１弁ポート１１と第２弁ポート１２を介して、弁室１Ａと二次継手管２２とが導通可能となっている。

【0021】

弁ハウジング１の上部には支持部材３が取り付けられている。支持部材３には軸線Ｘ方向に長いガイド孔３ａが形成されており、このガイド孔３ａには円筒状の弁ホルダ４が軸線Ｘ方向に摺動可能に嵌合されている。弁ホルダ４は弁室１Ａと同軸に取り付けられ、この弁ホルダ４の下端部には端部にニードル弁５ａを有する弁体５が固着されている。また、弁ホルダ４内には、バネ受け４１が軸線Ｘ方向に移動可能に設けられ、バネ受け４１と弁体５との間には圧縮コイルバネ４２が所定の荷重を与えられた状態で取り付けられている。

【0022】

弁ハウジング１の上端には、ステッピングモータ６のケース６１が溶接等によって気密に固定されている。ケース６１内には、外周部を多極に着磁されたマグネットロータ６２が回転可能に設けられ、このマグネットロータ６２にはロータ軸６３が固着されている。ロータ軸６３の上端部は、ケース６１の天井部から垂下された円筒状のガイド６４内に回転可能に嵌合されている。また、ケース６１の外周には、ステータコイル６５が配設されており、このステータコイル６５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６２が回転される。そして、このマグネットロータ６２の回転によってマグネットロータ６２と一体のロータ軸６３が回転する。なお、ガイド６４の外周にはマグネットロータ６２に対する回転ストッパ機構６６が設けられている。

【0023】

弁ホルダ４の上端部はステッピングモータ６のロータ軸６３の下端部に係合され、弁ホルダ４はロータ軸６３によって回転可能に吊り下げた状態で支持されている。また、ロータ軸６３には雄ねじ部６３ａが形成されており、この雄ねじ部６３ａは支持部材３に形成された雌ねじ部３ｂに螺合している。

【0024】

以上の構成により、マグネットロータ６２の回転に伴ってロータ軸６３は軸線Ｘ方向に移動する。この回転に伴うロータ軸６３の軸線Ｘ方向移動によって弁ホルダ４と共に弁体５が軸線Ｘ方向に移動する。そして、弁体５は、ニードル弁５ａの部分で第１弁ポート１１の開口面積を増減し、一次継手管２１から二次継手管２２へ流れる流体の流量を制御する。

【0025】

第１弁ポート１１及び第２弁ポート１２は円筒形状であり、図２に示すように、第１弁ポート１１の内径Ｄ１はニードル弁５ａの外周に合わせた寸法である。また、第２弁ポート１２の内径Ｄ２は第１弁ポート１１の内径Ｄ１より僅かに大きな寸法で、かつ、二次継手管２２の内径Ｄ３よりも小さな寸法となっている。第１弁ポート１１の長さＬ１は内径Ｄ１に比して小さな寸法であり、第２弁ポート１２の長さＬ２は第１弁ポート１１の長さＬ１より十分に大きな寸法となっている。テーパ部１３の内側面は、第１弁ポート１１から第２弁ポート１２にかけて内径が拡大する円錐台の形状となっており、このテーパ部１３の開き角度であるテーパ角α３、ニードル弁５ａの角度α２、ニードル弁５ａとテーパ部１３とのなす角度α１は適宜設定されている。なお、これらの寸法、角度の条件については図示してあるが後述する。

【0026】

図３に示すように、ニードル弁５ａと第１弁ポート１１の隙間を通った冷媒は、第２弁ポート１２を通って二次継手管２２へ流れる。このとき、ニードル弁５ａと第１ポート１１の隙間を通った冷媒の流れは、テーパ部１３に倣って第２ポート１２の内壁に沿う形で流れる。第２ポート１２の内径Ｄ２は第１ポート１１の内径Ｄ１より僅かに大きいだけであり、第１ポート１１から第２ポート１２に流れる間に、圧力を急激に回復させることがない。また、第２ポート１２の長さＬ２が十分長いので、冷媒の流れは第２ポート１２で整流化される。したがって、キャビテーションの破裂を抑制することができるとともに、冷媒の流れを安定化することができ、二次継手管２２の振動を抑えて騒音を低減することができる。

【0027】

実施形態における電動弁１０は、冷媒の圧力が以下のような条件となる冷凍サイクルに適用されるものである。一次継手管２１内の圧力が２．８〜３．４（ＭＰａ：メガパスカル）で、二次継手管２２内の圧力が１．２〜１．８（ＭＰａ）である。そして、このような条件に対して、第１ポート１１、第２ポート１２、テーパ部１３、二次継手２２の各部の寸法は以下の条件を満たすように設定されており、これにより、前記のような騒音低減の効果が得られる。

【0028】

第１ポート１１の内径Ｄ１は、
１mm≦Ｄ１≦４．５mmで、
第２ポート１２の内径Ｄ２と第１ポート１１の内径Ｄ１の寸法比Ｄ２／Ｄ１は、
１．０５≦Ｄ２／Ｄ１≦１．８５…（１）
の範囲である。

【0029】

また、第１ポート１１の長さＬ１は、
Ｌ１＜０．５mmで、
第２ポート１２の長さＬ２と第１ポート１１の長さＬ１の比Ｌ２／Ｌ１は、
２０≦Ｌ２／Ｌ１≦４５…（２）
の範囲である。

【0030】

また、テーパ部１３のテーパ角α３は、
９０°≦α３≦１５０°…（３）
の範囲である。

【0031】

ニードル弁５ａの角度α２は、
４°≦α２≦５０°
の範囲である。

【0032】

ニードル弁５ａとテーパ部１３とのなす角度α１は、
４６°≦α１≦１００°
の範囲である。

【0033】

図５は実施形態の電動弁についてのＤ２とＤ１の寸法比と騒音低減値の実測例であり、Ｄ２／Ｄ１＝１となる構造（第１ポート１１と第２ポート１２に段差がない構造）に対する騒音低減値を示している。運転条件は、一次継手管１１内の圧力が２．８〜３．４（ＭＰａ）で、二次継手管２２内の圧力が１．２〜１．８（ＭＰａ）である。冷媒の流れは一次継手管１１から二次継手管１２の方向である。二次継手管２２の内径Ｄ３＝６．４mmである。第１ポート１１の長さＬ１は０．２mm＜Ｌ１＜０．５mmの範囲内のＬ１＝０．３５mmであり、Ｌ２／Ｌ１＝３０である。第１ポート１１の内径Ｄ１＝１．９mmに対して、Ｄ２／Ｄ１＝１、Ｄ２／Ｄ１＝１．０２、Ｄ２／Ｄ１＝１．０５、Ｄ２／Ｄ１＝１．３、Ｄ２／Ｄ１＝１．６、Ｄ２／Ｄ１＝１．８５、Ｄ２／Ｄ１＝１．９、Ｄ２／Ｄ１＝２として、Ｄ２を変化させたときの騒音低減値を示している。この図からわかるように、特に条件式（１）を満たす範囲（１．０５≦Ｄ２／Ｄ１≦１．８５）で騒音が低くなっている。

【0034】

図６は実施形態の電動弁についてのテーパ部１３のテーパ角α３を変化させたときの、Ｄ２とＤ１の寸法比に対する騒音低減値の実測例であり、α３＝１８０°となる構造（第１ポート１１と第２ポート１２の間にテーパがない構造）に対する騒音低減値を示している。運転条件は、一次継手管１１内の圧力が２．８〜３．４（ＭＰａ）で、二次継手管２２内の圧力が１．２〜１．８（ＭＰａ）である。冷媒の流れは一次継手管１１から二次継手管１２の方向である。二次継手管２２の内径Ｄ３＝６．４mmである。第１ポート１１の長さＬ１は０．２mm＜Ｌ１＜０．５mmの範囲内のＬ１＝０．３５mmであり、Ｌ２／Ｌ１＝３０である。α３＝９０°、α３＝１０５°、α３＝１２０°、α３＝１５０°、α３＝１８０°のそれぞれについて、第１ポート１１の内径Ｄ１＝１．９mmに対して、Ｄ２／Ｄ１＝１．０２、Ｄ２／Ｄ１＝１．０５、Ｄ２／Ｄ１＝１．３、Ｄ２／Ｄ１＝１．８５、Ｄ２／Ｄ１＝１．９として、Ｄ２を変化させたときの騒音低減値を示している。この図からわかるように、図５と同様に、特に条件式（１）を満たす範囲（１．０５≦Ｄ２／Ｄ１≦１．８５）で騒音が低くなっている。

【0035】

図７は実施形態の電動弁についてのＬ２とＬ１の寸法比と騒音低減値の実測例であり、Ｄ２／Ｄ１＝１となる構造に対する騒音低減値を示している。運転条件は、一次継手管１１内の圧力が２．８〜３．４（ＭＰａ）で、二次継手管２２内の圧力が１．２〜１．８（ＭＰａ）である。冷媒の流れは一次継手管１１から二次継手管１２の方向である。第１ポート１１の内径Ｄ１＝１．９mmで、二次継手管２２の内径Ｄ３＝６．４mmである。第１ポート１１の長さＬ１は０．２mm＜Ｌ１＜０．５mmの範囲内のＬ１＝０．３５mmで、これに対して、Ｌ２／Ｌ１＝１３、Ｌ２／Ｌ１＝１５、Ｌ２／Ｌ１＝２０、Ｌ２／Ｌ１＝２５、Ｌ２／Ｌ１＝３０、Ｌ２／Ｌ１＝４０、Ｌ２／Ｌ１＝４５、Ｌ２／Ｌ１＝５０、Ｌ２／Ｌ１＝６０として、Ｌ２を変化させたときの騒音低減値を示している。この図からわかるように、特に条件式（２）を満たす範囲（２０≦Ｌ２／Ｌ１≦４５）で騒音が低くなっている。

【0036】

図８は図６の実施例をテーパ角度α３を横軸にしてＤ２／Ｄ１＝１．０５、Ｄ２／Ｄ１＝１．３、Ｄ２／Ｄ１＝１．８５の場合の騒音低減値を示す図である。特に条件式（３）を満たす範囲（９０°≦α３≦１００°）で騒音が低くなっている。

【0037】

実施形態では、弁ハウジングに第１ポート、第２ポート及びテーパ部が形成されている例について説明したが、特許文献１と同様に、弁ハウジングに別部材の弁座部材を設け、この弁座部材に第１ポート、第２ポート及びテーパ部を形成するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0038】

１ 弁ハウジング
１Ａ 弁室
１１ 第１弁ポート
１２ 第２弁ポート
１３ テーパ部
２１ 一次継手管
２２ 二次継手管
３ 支持部材
３ａ ガイド孔
３ｂ 雌ねじ部
４ 弁ホルダ
４１ バネ受け
４２ 圧縮コイルバネ
５ａ ニードル弁
５ 弁体
６ ステッピングモータ
６１ ケース
６２ マグネットロータ
６３ ロータ軸
６３ａ 雄ねじ部
６４ ガイド
６５ ステータコイル
６６ 回転ストッパ機構
Ｘ 軸線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】