特許 6968627 流量調節弁

(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】6968627

(24)【登録日】2021年10月29日

(45)【発行日】2021年11月17日

(54)【発明の名称】流量調節弁

(51)【国際特許分類】

   F25B 41/35 20210101AFI20211108BHJP

   F16K 31/04 20060101ALI20211108BHJP

   F16K 3/316 20060101ALI20211108BHJP

【ＦＩ】

   F25B41/35

   F16K31/04 K

   F16K3/316

【請求項の数】8

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2017-167683(P2017-167683)

(22)【出願日】2017年8月31日

(65)【公開番号】特開2019-45058(P2019-45058A)

(43)【公開日】2019年3月22日

【審査請求日】2020年7月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】000148357

【氏名又は名称】株式会社前川製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000785

【氏名又は名称】誠真ＩＰ特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】奥 達也

(72)【発明者】

【氏名】志賀 元泰

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 晴美

【審査官】 飯星 潤耶

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−１０８７６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−３１０８４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−２８８２８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１５０５５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ ４１／３０−４１／３９

Ｆ１６Ｋ ３／００− ３／３６，３１／００−３１／０５，３１／６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

雌ネジ部が形成された出口流路を有するハウジングと、
前記ハウジングに内蔵され、一端側の外周に流路形成用溝と雄ネジ部とが形成された弁体と、
前記弁体の他端側に回転力を付加して前記弁体を回動させるための駆動部と、
を備え、
前記流路形成用溝は、前記雄ネジ部のネジ溝を横切るように前記弁体の軸方向に沿って形成され、
前記出口流路に対する前記弁体の軸方向位置によって流量調節が可能に構成されることを特徴とする流量調節弁。

【請求項2】

前記ハウジングに固定され、前記弁体の前記他端側を前記弁体の軸方向に沿って移動可能に支持するための支持部を備えることを特徴とする請求項１に記載の流量調節弁。

【請求項3】

前記支持部は、前記弁体の前記他端側に前記弁体の軸方向に沿って形成された凹部に挿入されるガイド軸で構成されることを特徴とする請求項２に記載の流量調節弁。

【請求項4】

前記弁体と前記ガイド軸との間に設けられ、前記弁体を支持可能な滑り軸受を備えることを特徴とする請求項３に記載の流量調節弁。

【請求項5】

前記駆動部は、
前記弁体の前記他端側の外周に固定されるロータと、前記ロータの外周側に配置されるステータコイルと、を有するモータで構成されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の流量調節弁。

【請求項6】

前記弁体に流体を流入するための流体流入路を備えることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の流量調節弁。

【請求項7】

前記流路形成用溝は前記弁体の先端側ほど横断面が大きくなるように構成されることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の流量調節弁。

【請求項8】

冷媒循環路と、
前記冷媒循環路に設けられる冷凍サイクル構成機器と、
を備え、
前記冷凍サイクル構成機器は、冷媒膨張弁として前記冷媒循環路に設けられる請求項１乃至７の何れか一項に記載の流量調節弁を含むことを特徴とする冷凍機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、流量調節弁に関する。

【背景技術】

【0002】

蒸発圧縮式冷凍サイクルを構成する冷凍機に使われる冷媒膨張弁は、精密な流量調節を行う必要があり、例えば、ニードル弁などの流量調節弁が用いられる。特許文献１には、冷媒膨張弁にニードル弁を用いた冷凍機が開示されている。

【0003】

冷媒膨張弁などにおいて、精密な流量制御を行うためには、バルブスピンドルや弁体の移動量に対して流体通路断面積をわずかずつ変化させる必要があり、そのために、ニードル弁体を細くし、かつニードル弁体のテーパを緩やかにする必要がある。しかし、緩やかなテーパを有するニードル弁体は加工が困難であり、かつ流路を構成するオリフィス孔とニードル弁体との位置関係が安定しないという問題がある。即ち、流体の流れで細いニードル弁体が振動しやすく、オリフィス孔の内面に接触し損傷するおそれがある。

【0004】

特許文献２には、弁体の先端をオリフィス孔に嵌合させると共に、弁体の周面に形成された溝によって流路を形成する流量調節弁が開示されている。この流量調節弁によれば、弁体がオリフィス孔に嵌合するため、ニードル弁体が流体の流れで振動する問題は解消されると考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】国際公開第２０１５／０６３８７６号公報

【特許文献2】特許第４９３２６７０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に開示されたニードル弁では、弁体が細くなると、加工可能な材料は靭性がある材料に限られる。また、所望の流量とするためには、ニードル弁体の針先形状に精密加工を必要とし、加工に要するコストが増大する。
特許文献２に開示された流量調節弁は、弁体の先端をオリフィス孔に嵌合させるために、粘性が高い流体の場合、流路に詰まりが生じるおそれがある。また、弁体の先端とオリフィス孔との間でかじりが生じるおそれがある。

【0007】

一実施形態は、上記課題に鑑み、弁体に精密加工を必要とせずに精度良い流量調節が可能であると共に、流路に詰まりが生じない簡単な構成の流量調節弁を提案することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

（１）一実施形態に係る流量調節弁は、
雌ネジ部が形成された出口流路を有するハウジングと、
前記ハウジングに内蔵され、一端側の外周に流路形成用溝と雄ネジ部とが形成された弁体と、
前記弁体の他端側に回転力を付加して前記弁体を回動させるための駆動部と、
を備え、
前記出口流路に対する前記弁体の軸方向位置によって流量調節が可能に構成される。

【0009】

上記（１）の構成において、出口流路に形成された雌ネジ部と弁体に形成された雄ネジ部とが螺合するために、上記駆動部によって弁体を回動させることで、弁体を軸方向へ移動できる。
上記（１）の構成によれば、上記弁体と上記出口流路とはネジ部を介して螺合しているので、弁体が出口流路の中で偏心又は振動することはなく、弁体を安定支持できる。また、流路形成用溝の形状で流量を調節するので、精密な流量制御が可能であると共に、弁体の精密加工は不要であり、かつ弁体を太くできるので、材料選定の自由度を広げることができる。

【0010】

さらに、弁体の雄ネジ部が出口流路に形成された雌ネジ部と螺合するので、弁体と出口流路との間で詰まりやかじりが生じない。また、弁体の軸方向移動は上記駆動部によって弁体を回動させるだけでよいので、駆動部から弁体への駆動力の伝達機構を簡素化できる。

【0011】

（２）一実施形態では、前記（１）の構成において、
前記ハウジングに固定され、前記弁体の前記他端側を前記弁体の軸方向に沿って移動可能に支持するための支持部を備える。
上記（２）の構成によれば、上記支持部で弁体の他端側を支持するので、弁体を両端で支持することになり、弁体を安定支持できる。従って、弁体は安定した回転運動が可能になる。

【0012】

（３）一実施形態では、前記（２）の構成において、
前記支持部は、前記弁体の前記他端側に前記弁体の軸方向に沿って形成された凹部に挿入されるガイド軸で構成される。
上記（３）の構成によれば、弁体を上記ガイド軸で支持するため、弁体の回転運動に支障なく支持でき、かつガイド軸に弁体の重量が加わらないため、ガイド軸の強度を低減できる。

【0013】

（４）一実施形態では、前記（３）の構成において、
前記弁体と前記ガイド軸との間に設けられ、前記弁体を支持可能な滑り軸受を備える。
上記（４）の構成によれば、上記滑り軸受を備えることで、弁体の回転運動に支障をきたすことなく弁体を安定支持できる。

【0014】

（５）一実施形態では、前記（１）〜（４）の何れかの構成において、
前記駆動部は、
前記弁体の前記他端側の外周に固定されるロータと、前記ロータの外周側に配置されるステータコイルと、を有するモータで構成される。
上記（５）の構成によれば、駆動部が上記構成を有するモータで構成されるため、弁体を上記ロータと連動させて回転させればよい。従って、駆動部から弁体への動力伝達機構を簡易かつ低コスト化できる。

【0015】

（６）一実施形態では、前記（１）〜（５）の何れかの構成において、
前記弁体に流体を流入するための流体流入路を備える。
上記（６）の構成によれば、弁体に流体流入路を設けることで、流量調節弁のハウジングを小型化できる。

【0016】

（７）一実施形態では、前記（１）〜（６）の何れかの構成において、
前記流路形成用溝は前記弁体の軸方向に沿って形成され、
前記流路形成用溝は前記弁体の先端側ほど横断面が大きくなるように構成される。
上記（７）の構成によれば、上記流路形成用溝は弁体の先端側ほど横断面が大きくなるので、弁体の軸方向の位置を調節することで、流量調節弁の流量を高精度で調節できる。

【0017】

（８）一実施形態に係る冷凍機は、
冷媒循環路と、
前記冷媒循環路に設けられる冷凍サイクル構成機器と、
を備え、
前記冷凍サイクル構成機器は、冷媒膨張弁として前記冷媒循環路に設けられる前記（１）〜（７）の何れかの構成を有する流量調節弁を含む。
上記（８）の構成によれば、冷媒膨張弁として上記構成の流量調節弁を備えることで、流量の精密な制御が可能であると共に、弁体の偏心又は振動を抑制でき、かつ弁体の材料選定の自由度が広がるので低コスト化できる。
従って、冷媒膨張弁を低コスト化できると共に、冷媒循環路を循環する冷媒の流量制御の精度を向上できるので、冷凍機のＣＯＰ（成績係数）を向上できる。

【発明の効果】

【0018】

一実施形態によれば、弁体に精密加工を必要とせずに精密な流量制御が可能であり、かつ流路に詰まりやかじりが生じない簡易かつ低コストな流量調節弁が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】一実施形態に係る流量調節弁の縦断面図である。

【図2】一実施形態に係る弁体の斜視図である。

【図3】一実施形態に係る流量調節弁の縦断面図である。

【図4】一実施形態に係る冷凍機の系統図である。

【図5】従来のニードル弁の流量特性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

【0021】

図１〜図３は、幾つかの実施形態に係る流量調節弁１０（１０Ａ、１０Ｂ）をしめす。
図１〜図３において、弁本体を内蔵するハウジング１２に出口流路１４が形成され、出口流路１４を形成するハウジング壁１２ａの壁面には雌ネジ部１６が形成されている。弁体１８はハウジング１２に内蔵され、弁体１８の一端側（先端側）の外周面に流路形成用溝２０と雄ネジ部２２とが形成されている。弁体１８の他端側に弁体１８に回転力を付加して弁体１８を回動させるための駆動部２４が設けられる。

【0022】

駆動部２４によって弁体１８に回転力を付加し弁体１８を回動させると、弁体１８と出口流路１４を形成するハウジング壁１２ａとはネジ部１６，２２を介して螺合しているので、弁体１８が出口流路１４に対して軸方向へ移動する。流路形成用溝２０の横断面積は弁体１８の軸方向位置によって異なる。従って、ハウジング壁１２ａと流路形成用溝２０との間に形成される流路面積は、弁体１８の軸方向位置によって異なるため、出口流路１４に対して弁体１８を軸方向へ移動させることによって、出口流路１４の流量調節が可能になる。

【0023】

上記構成によれば、弁体１８と出口流路１４を形成するハウジング壁１２ａとはネジ部１６，２２を介して螺合しているので、弁体１８が出口流路１４の中で偏心又は振動することはなく、弁体１８を安定支持できる。また、流路形成用溝２０の形状で流量を調節するので、精密な流量制御が可能であると共に、弁体１８の外形の精密加工は不要であり、かつ弁体１８を太くできるので、材料選定の自由度を広げることができる。
弁体１８の材質として、例えば、タングステンカーバイドなどの超硬合金や、ＰＰＳ材、ＰＥＥＫ材などの樹脂を用いることができる。

【0024】

さらに、弁体１８の雄ネジ部２２が出口流路１４に形成された雌ネジ部１６と螺合するので、弁体１８と出口流路１４との間で詰まりやかじりが生じない。また、弁体１８の軸方向移動は駆動部２４によって弁体１８を回動させるだけでよいので、駆動部２４から弁体１８への駆動力の伝達機構を簡素化できる。

【0025】

図５に基づいて従来のニードル弁の流量特性を示す。
図５において、縦軸は弁開度を示し、０．０が全閉状態を示し、１．０が全開状態を示す。横軸は従来のニードル弁体１００のストロークを示す。このニードル弁は約１５ｍｍのストロークを有し、約１５ｍｍのストロークで流路断面変化をラインａのように直線的にするには、ニードル弁体１００の形状をラインｂのようにする必要がある。ニードル弁体の直径が約１ｍｍ程度の細い直径を有するとき、先端形状の設計の自由度は限られ、製造には高度な加工技術が必要となる。

【0026】

これに対して、一実施形態に係る弁体１８は、比較的太い丸棒の外形に流路形成用溝２０を加工すればよいので、弁体１８の外形自体は高度な加工技術を必要としない。また、加工後の形状検査及び計測も容易である。

【0027】

一実施形態では、図１及び図３に示すように、出口流路１４はハウジング壁１２ａに一体形成された出口管１５の内部に形成される。

【0028】

一実施形態では、図１に示す流量調節弁１０（１０Ａ）において、ハウジング１２に入口管２６が設けられ、流体ｆは入口管２６からハウジング１２の内部に流入する。ハウジング１２の内部に流入した流体ｆは、流路形成用溝２０を通り出口流路１４に流出する。
一実施形態では、入口管２６はハウジング１２に対して横向きにかつハウジング１２の内周面に対し接線方向に沿うように接続される。
この実施形態によれば、入口管２６からハウジング１２に流入した流体ｆは、ハウジング１２の内周面に沿って旋回するので、ハウジング１２の中心に設けられハウジング１２の軸方向に延在する弁体１８に妨げられずに出口流路１４に向かうことができる。これによって、流れの乱れの発生を抑制できるので、流量制御精度を向上できる。

【0029】

一実施形態では、図１及び図３に示すように、弁体１８は棒状に形成され、棒状体の一端側で棒状体の外周に流路形成用溝２０及び雄ネジ部２２が形成される。流路形成用溝２０は、図２に示すように、弁体１８の一端側で弁体１８の軸方向に沿って設けられる。一実施形態では、複数の流路形成用溝２０が弁体１８の周方向に沿って並列に設けられる。

【0030】

一実施形態では、図１及び図３に示すように、弁体１８の他端側を支持部２８で支持する。支持部２８は、支持部２８の外側に設けられる圧力隔壁４４に固定され、弁体１８の他端側を弁体１８の軸方向に沿って移動可能に支持する。
この実施形態によれば、支持部２８によって弁体１８の他端側を支持するので、弁体１８は安定支持され、安定した回転運動が可能になる。弁体１８の一端側は出口管１５と共に出口流路１４を形成するハウジング壁１２ａで支持されるので、弁体１８は両端で支持され、安定した回転運動が可能になる。

【0031】

一実施形態では、図１及び図３に示すように、弁体１８の他端側に弁体１８の軸方向に沿って凹部３０が形成され、支持部２８は凹部３０に挿入されるガイド軸３２で構成される。
この実施形態によれば、弁体１８はガイド軸３２で支持されるため、弁体１８の回転運動に支障とはならない。また、ガイド軸３２に弁体１８の重量が加わらないので、ガイド軸３２の強度を低減でき低コスト化できる。

【0032】

一実施形態では、図１及び図３に示すように、凹部３０は弁体１８の軸方向に沿って弁体１８の中心に形成される。また、ガイド軸３２はハウジング１２の軸方向に沿ってハウジング１２の中心に設けられる。従って、ガイド軸３２は弁体１８の回転運動に全く支障とはならない。また、ガイド軸３２は弁体１８の回転中心で弁体１８を支持するため、弁体１８の回転運動によって発生する遠心力が加わらないので、ガイド軸３２の強度を低減できる。

【0033】

一実施形態では、図１及び図３に示すように、弁体１８とガイド軸３２との間に滑り軸受３４が設けられる。弁体１８は滑り軸受３４によって支持される。
この実施形態によれば、滑り軸受３４を備えることで、弁体１８の回転運動に支障をきたすことなく弁体１８を安定支持できる。

【0034】

一実施形態では、図１及び図３に示すように、滑り軸受３４は弁体１８に固定され、ガイド軸３２に対して摺動可能に設けられる。このように、摺動面を中心側に位置させることで、摺動面の面積を低減でき、摺動による摩擦抵抗を低減できる。

【0035】

一実施形態では、図１及び図３に示すように、駆動部２４は、弁体１８の他端側の外周に固定される磁石ロータ３６と、磁石ロータ３６の外周側に配置されるステータコイル３８と、を有するモータで構成される。
この実施形態によれば、駆動部２４が上記構成を有するモータで構成されるため、弁体１８を磁石ロータ３６と連動させて回転させればよい。従って、磁石ロータ３６の回転運動を弁体１８の回転運動に変換すればよいので、動力の伝達効率を高く維持でき、かつ弁体１８の回転機能を簡易かつ低コスト化できる。

【0036】

一実施形態では、図１及び図３に示すように、圧力隔壁（非磁性体の薄肉パイプ）４４が磁石ロータ３６の外側でハウジング１２に設けられる。磁石ロータ３６は圧力隔壁４４で囲まれ、ステータコイル３８は圧力隔壁４４の外側に配置される。電気絶縁性を有するコイルカバー１３が圧力隔壁４４及びステータコイル３８の外側に設けられ、ステータコイル３８はコイルカバー１３の内側に固定される。ステータコイル３８が発する電磁気力によって磁石ロータ３６及び弁体１８を回転させる。
流体ｆが高圧の冷媒である場合、圧力隔壁４４を設けることで、流体ｆを圧力隔壁４４の内部に密封できるので、ステータコイル３８側は流体ｆ（例えば冷媒）の圧力や接触による影響を受けない。

【0037】

一実施形態では、上記モータをステッピングモータで構成することができる。
一実施形態では、圧力隔壁４４はハウジング１２の延長上に固定され、支持部２８は圧力隔壁４４の内面に固定される。

【0038】

一実施形態では、図３に示す流量調節弁１０（１０Ｂ）において、弁体１８に流体ｆを流入するための流体流入路４０を備える。
この実施形態によれば、弁体１８に流体流入路４０を設けることで、流量調節弁１０（１０Ｂ）の弁本体を小型化できる。

【0039】

一実施形態では、図３に示すように、流体流入路４２が支持部２８及びガイド軸３２に形成され、流体流入路４２は弁体１８に形成された流体流入路４０に連通する。これによって、流量調節弁１０（１０Ｂ）の弁本体を小型化できる。
一実施形態では、流体流入路４０は、弁体１８の軸方向でかつ軸中心に形成される。これによって、流体流入路４０を流れる流体ｆには弁体１８の回転運動によって発生する遠心力が付加されないので、流体ｆは流れが乱れずに出口流路１４側へ流れることができる。

【0040】

一実施形態では、図２に示すように、流路形成用溝２０は弁体１８の軸方向に沿って形成される。また、流路形成用溝２０は弁体１８の先端側ほど横断面が大きくなるように構成される。
この実施形態によれば、流路形成用溝２０は弁体１８の先端側ほど横断面が大きくなるので、弁体１８の軸方向の位置を調節することで、流量調節弁１０の流量を高精度で調節できる。

【0041】

一実施形態に係る冷凍機５０は、図４に示すように、冷媒循環路５２と、冷媒循環路５２に設けられる冷凍サイクル構成機器と、を備える。
冷凍サイクル構成機器は、冷媒膨張弁として冷媒循環路５２に設けられる上記構成を有する流量調節弁１０を含む。
上記構成によれば、冷媒膨張弁として上記構成の流量調節弁１０を備えることで、流量の精密な制御が可能であると共に、弁体１８の偏心又は振動を抑制でき、かつ弁体１８の材料選定の自由度が広がるので低コスト化できる。
従って、冷媒膨張弁を低コスト化できると共に、冷媒循環路５２を循環する冷媒の流量制御の精度を向上できるので、冷凍機５０のＣＯＰ（成績係数）を向上できる。

【0042】

一実施形態では、図４に示すように、冷凍サイクル構成機器として、さらに、冷媒循環路５２に設けられた圧縮機５４、凝縮器５６及び蒸発器５８を含む。
圧縮機５４に供給された冷媒ガスは圧縮機５４で圧縮され高圧となる。高圧となった冷媒ガスは凝縮器５６で冷却水などの冷却媒体ｗで冷却され液化する。凝縮器５６で液化した冷媒液は膨張弁としての流量調節弁１０を経て減圧され一部が気化した気液二相流となる。流量調節弁１０で減圧され気液二相流となった冷媒は蒸発器５８で被冷却媒体ｃを冷却し被冷却媒体ｃから蒸発潜熱を得て気化する。

【産業上の利用可能性】

【0043】

一実施形態によれば、弁体に精密加工を必要とせずに精密な流量制御が可能であり、かつ流路に詰まりやかじりが生じない簡単な構成の流量調節弁を実現できる。

【符号の説明】

【0044】

１０（１０Ａ、１０Ｂ） 流量調節弁
１２ ハウジング
１２ａ ハウジング壁
１３ コイルカバー
１４ 出口流路
１５ 出口管
１６ 雌ネジ部
１８ 弁体
２０ 流路形成用溝
２２ 雄ネジ部
２４ 駆動部
２６ 入口管
２８ 支持部
３０ 凹部
３２ ガイド軸
３４ 滑り軸受
３６ 磁石ロータ
３８ ステータコイル
４０、４２ 流体流入路
４４ 圧力隔壁
５０ 冷凍機
５２ 冷媒循環路
５４ 圧縮機
５６ 凝縮器
５８ 蒸発器
ｃ 被冷却媒体
ｆ 流体
ｗ 冷却媒体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】