特許 7349415 二段式電動弁及び冷凍サイクルシステム

(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】

(24)【登録日】2023-09-13

(45)【発行日】2023-09-22

(54)【発明の名称】二段式電動弁及び冷凍サイクルシステム

(51)【国際特許分類】

   F16K 47/02 20060101AFI20230914BHJP

   F16K 1/52 20060101ALI20230914BHJP

   F25B 41/35 20210101ALN20230914BHJP

【ＦＩ】

F16K47/02 D

F16K1/52 A

F25B41/35

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020118311

(22)【出願日】2020-07-09

(65)【公開番号】P2022015461

(43)【公開日】2022-01-21

【審査請求日】2022-03-24

(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】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】100115048

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 康弘

(72)【発明者】

【氏名】小池 亮司

【審査官】加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／１７９５１７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００７－１０７６２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－３４１４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】登録実用新案第３１９５２７１（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｋ ４７／００－４７／１６

Ｆ１６Ｋ １／００－ １／５４

Ｆ２５Ｂ ４１／３２５

Ｆ２５Ｂ ４１／３５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

弁本体と、前記弁本体内の主弁室における主弁座に形成された主弁ポートと、前記弁本体に軸線方向に移動可能に支持され、前記主弁ポートを開閉可能な主弁体と、前記主弁体内の副弁室内に設けられた副弁ポートの周縁に形成された副弁座と近接または離隔する副弁体と、を備えた二段式電動弁であって、
前記主弁体の前記副弁ポートと、前記副弁体のニードル部と、の隙間によって流体を通過させる絞り部が構成され、
前記副弁ポートの下流側には、前記副弁ポートよりも当該副弁ポートの径方向に拡径された拡径空間と、前記拡径空間よりも下流側にて流体を通過させる消音部材と、が設けられ、
前記副弁ポートの前記軸線方向に沿った長さＬ１と、前記副弁ポートの出口から前記消音部材までの前記拡径空間の前記軸線方向に沿った長さＬ３とは、Ｌ１＞Ｌ３の関係になっており、
前記副弁ポートの内周面から前記拡径空間の内周面までの径方向の拡径寸法は、前記副弁ポートの内径寸法よりも大きいことを特徴とする二段式電動弁。

【請求項2】

前記副弁ポートの前記軸線方向に沿った長さＬ１と、前記消音部材の前記軸線方向に沿った長さＬ４とは、Ｌ１＜Ｌ４の関係になっていることを特徴とする請求項１に記載の二段式電動弁。

【請求項3】

前記副弁体の前記ニードル部は、前記副弁ポートに挿入されるとともに、前記副弁ポートの出口側に向かって徐々に径が小さくなる流量制御部を有し、
前記副弁ポートの前記軸線方向に沿った長さＬ１と、前記ニードル部の前記流量制御部の前記軸線方向に沿った長さＬ２とは、Ｌ１＜Ｌ２の関係になっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の二段式電動弁。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれか１項に記載の二段式電動弁を備えることを特徴とする冷凍サイクルシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、二段式電動弁及び冷凍サイクルシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、空気調和機等の冷凍サイクルシステムに設けられる二段式電動弁として、主弁体と副弁体とを備え、主弁体の副弁口と副弁体との隙間で形成される絞り部に冷媒等の流体を通過させる小流量制御を行い、絞り部を通過する際の流体通過音を抑制するために、副弁口の下流側に消音部材を設け、特に小流量制御域における消音効果を得るようにしたものが知られている（例えば、特許文献１等を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】中国特許出願公開第１０６８７０７５０号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に開示されたような従来の二段式電動弁では、消音部材が、絞り部の直下に設けられているため、絞り部通過時に圧力が減少して内部に気泡が発生した流体が、流速が速いまま消音部材に衝突し、急速に速度を落とし、急激に圧力回復することで、細分化される前に多くの気泡が破裂して大きな破裂音が発生し、期待したほどの流体通過音の抑制が図れない虞がある。

【0005】

本発明の目的は、特に小流量制御域における消音効果を得ることができる二段式電動弁及び冷凍サイクルシステムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の二段式電動弁は、弁本体と、前記弁本体内の主弁室における主弁座に形成された主弁ポートと、前記弁本体に軸線方向に移動可能に支持され、前記主弁ポートを開閉可能な主弁体と、前記主弁体内の副弁室内に設けられた副弁ポートの周縁に形成された副弁座と近接または離隔する副弁体と、を備えた二段式電動弁であって、前記主弁体の前記副弁ポートと、前記副弁体のニードル部と、の隙間によって流体を通過させる絞り部が構成され、前記副弁ポートの下流側には、前記副弁ポートよりも当該副弁ポートの径方向に拡径された拡径空間と、前記拡径空間よりも下流側にて流体を通過させる消音部材と、が設けられ、前記副弁ポートの前記軸線方向に沿った長さＬ１と、前記副弁ポートの出口から前記消音部材までの前記拡径空間の前記軸線方向に沿った長さＬ３とは、Ｌ１＞Ｌ３の関係になっており、前記副弁ポートの内周面から前記拡径空間の内周面までの径方向の拡径寸法は、前記副弁ポートの内径寸法よりも大きいことを特徴とする。

【0007】

このような本発明によれば、流体を、絞り部を通過した流体の流速を拡径空間で低下させてから消音部材に流入させるので、圧力回復して内部の多くの気泡が破裂する前に消音部材で気泡を細分化させることができる。特に小流量制御域における消音効果を得ることができ、流体通過音の抑制を図ることができる。

【0008】

この際、前記副弁ポートの前記軸線方向に沿った長さＬ１と、前記消音部材の前記軸線方向に沿った長さＬ４とは、Ｌ１＜Ｌ４の関係になっていることが好ましい。

【0009】

また、前記副弁体の前記ニードル部は、前記副弁ポートに挿入されるとともに、前記副弁ポートの出口側に向かって徐々に径が小さくなる流量制御部を有し、前記副弁ポートの前記軸線方向に沿った長さＬ１と、前記ニードル部の前記流量制御部の前記軸線方向に沿った長さＬ２とは、Ｌ１＜Ｌ２の関係になっていることが好ましい。

【0010】

本発明の冷凍サイクルシステムは、前記電動弁を備えることを特徴とする。

【0011】

このような本発明によれば、上記した電動弁のように、特に小流量制御域における消音効果を得ることができ、流体通過音の抑制を図ることができるので、静音化された冷凍サイクルシステムとすることができる。

【発明の効果】

【0012】

本発明の電動弁及び冷凍サイクルシステムによれば、特に小流量制御域における消音効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態に係る二段式電動弁を示す縦断面図である。

【図2】前記二段式電動弁の要部を拡大して示す縦断面図であって、詳細な構造を説明するための説明図である。

【図3】前記二段式電動弁の要部を拡大して示す縦断面図であって、作用効果を説明するための説明図である。

【図4】本発明の冷凍サイクルシステムの一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明の一実施形態に係る二段式電動弁を図１に基づいて説明する。本実施形態の電動弁１０は、弁本体１と、弁本体１内に形成された主弁ポート１４と、主弁ポート１４を開閉可能な主弁体２と、主弁体２内の副弁ポート２４と、副弁ポート２４の周縁に形成された副弁座２Ｃと近接または離隔する副弁体３と、駆動部としてのステッピングモータ４と、を備えた二段式電動弁である。なお、以下の説明における「上下」の概念は図１の図面における上下に対応する。

【0015】

弁本体１は、筒状の弁ハウジング部材１Ａと、弁ハウジング部材１Ａの上端開口部に固定される支持部材１Ｂと、を有している。弁ハウジング部材１Ａは、その内部に円筒状の主弁室１Ｃが形成され、弁ハウジング部材１Ａには、側面側から主弁室１Ｃに連通して冷媒等の流体が流入される一次継手管１１が取り付けられ、底面側から主弁室１Ｃに連通して流体が流出される二次継手管１２が取り付けられている。支持部材１Ｂは、樹脂成形品であって、金属製の固定部１５によって弁ハウジング部材１Ａに溶接固定されている。

【0016】

主弁ポート１４は、弁ハウジング部材１Ａにおいて、主弁室１Ｃと二次継手管１２とが連通する位置に設けられた主弁座１３から二次継手管１２側に断面円形状に形成されている。

【0017】

主弁体２は、主弁ポート１４を開閉する部位であって、主弁座１３に対して着座または離座する主弁部２１を有する弁体主部２Ａと、ストッパ部２Ｂと、副弁座２Ｃと、を有している。弁体主部２Ａは、軸線Ｌ方向を軸方向とする円筒部２２と、この円筒部２２の内部に形成されて流体が流通する副弁室２３と、軸線Ｌ方向に沿って副弁座２Ｃを貫通する副弁ポート２４と、を有している。円筒部２２は、その周面部に複数の連通孔２５が形成され、その内周面には、軸線Ｌ方向に沿った挿通孔２６が形成されている。副弁室２３は、連通孔２５により主弁室１Ｃに連通されている。ストッパ部２Ｂは、円環状に形成されて弁体主部２Ａの上端部に固定され、その内部にロータ軸４６が挿通されており、このロータ軸４６の下端に設けられた副弁体３の上昇位置を規制する。副弁座２Ｃは、副弁室２３の二次継手管１２側に設けられている。なお、弁体主部２Ａは、その上端部から下方側にかけて段差形状が形成されており、この段差形状と支持部材１Ｂの天井面との間には、主弁ばね２７が配設されている。この主弁ばね２７により主弁体２は主弁座１３方向（閉方向）に付勢されている。

【0018】

副弁ポート２４は、主弁体２内において、副弁座２Ｃから二次継手管１２側に断面円形状に形成されている。そして、円筒部２２の内側において、副弁ポート２４の下流側には、この副弁ポート２４よりも径方向に拡径された円柱状の拡径空間５と、拡径空間５よりも下流側にて流体を通過させる円柱状の消音部材６と、が設けられている。ここで、消音部材６は、多孔質材や金属メッシュ等で円板状に形成されている。なお、主弁部２１の下端部に形成された段差部２１ａには環状の保持部２１ｃが嵌め込まれ、消音部材６の下端部外周が保持されている。

【0019】

副弁体３は、主弁体２に形成された副弁ポート２４の開度を変更する部位である。この副弁体３は、円筒状の副弁基部３Ａと、副弁基部３Ａから下方に突出する副弁部３Ｂと、副弁基部３Ａの上側に設けられたスラストワッシャ３Ｃと、副弁基部３Ａの内部に設けられた副弁ばね（不図示）と、で構成されている。副弁基部３Ａは、主弁体２の挿通孔２６に挿通され、軸線Ｌ方向に沿った上下方向に進退自在かつ軸線Ｌ回りに回転自在に支持されている。副弁部３Ｂは、ロッド部３１と、ロッド部３１下端部のニードル部３２と、を有している。ニードル部３２は、副弁ポート２４との隙間によって流体を通過させる絞り部３３を構成している。さらに、ニードル部３２は、図２に示すように、副弁ポート２４に挿入されるとともに、副弁ポート２４の出口側に向かって徐々に径が小さくなる流量制御部３２ａを有する。スラストワッシャ３Ｃは、副弁基部３Ａの上面及びストッパ部２Ｂの下面に当接可能になっており、その当接面同士の摩擦力が極めて小さくなるようになっている。また、副弁基部３Ａの上部には挿通孔が設けられてロータ軸４６が挿通され、ロータ軸４６の下端部に形成されたフランジ部（不図示）と副弁基部３Ａの底部に接合された副弁部３Ｂの上端部との間に副弁ばねが配設されている。この副弁ばねにより副弁体３はロータ軸４６（マグネットロータ４４）に対して副弁座２Ｃ方向（近接方向）に付勢されている。なお、副弁基部３Ａは、ロータ軸４６および副弁部３Ｂと一体に形成されてもよく、その場合には、副弁基部３Ａが中実状に形成され、副弁ばねが省略されてもよい。

【0020】

ステッピングモータ４は、副弁体３の軸線Ｌ方向に進退させるとともに、この副弁体３を介して主弁体２も軸線Ｌ方向に進退させる部位である。このステッピングモータ４は、マグネットロータ４４の回転により副弁体３を進退させるねじ送り機構４２と、マグネットロータ４４の回転を規制するストッパ機構４３と、を備える。ステッピングモータ４は、外周部が多極に着磁されたマグネットロータ４４と、キャン１８の外周に配設されたステータコイル４５と、マグネットロータ４４に固定されたロータ軸４６と、を備えている。ロータ軸４６は、固定部材４６ａを介してマグネットロータ４４に固定されるとともに、軸線Ｌ方向に沿って延び、その上端部はストッパ機構４３のガイド４７に挿入されている。ロータ軸４６の中間部には雄ねじ部４６ｂが一体に形成され、この雄ねじ部４６ｂが支持部材１Ｂの雌ねじ部１７に螺合し、これによってねじ送り機構４２が構成されている。マグネットロータ４４が回転すると、ロータ軸４６の雄ねじ部４６ｂが雌ねじ部１７に案内されることで、マグネットロータ４４およびロータ軸４６が軸線Ｌ方向に進退移動し、これに伴って副弁体３も軸線Ｌに沿って上昇または下降する。

【0021】

ストッパ機構４３は、キャン１８内の天井部から垂下された円筒状のガイド４７と、ガイド４７の外周に固定された螺旋状のガイド線体４８と、ガイド線体４８にガイドされて回転かつ上下動可能な可動スライダ４９と、を備えている。可動スライダ４９には、径方向外側に突出した爪部４９ａが設けられ、マグネットロータ４４には、上方に延びて爪部４９ａと当接する延長部４４ａが設けられている。マグネットロータ４４が回転すると、延長部４４ａが爪部４９ａを押すことで、可動スライダ４９がガイド線体４８に倣って回転かつ上下する。ガイド線体４８には、マグネットロータ４４の最上端位置を規定する上端ストッパ４８ａと、マグネットロータ４４の最下端位置を規定する下端ストッパ４８ｂと、が形成されている。これらの上端ストッパ４８ａおよび下端ストッパ４８ｂに可動スライダ４９が当接することで、可動スライダ４９の回転が停止され、これによりマグネットロータ４４の回転が規制され、副弁体３の上昇または下降も停止される。

【0022】

本実施形態では、図２に示すように、副弁ポート２４の軸線Ｌ方向に沿った長さＬ１と、副弁ポート２４の出口から消音部材６の上面までの拡径空間５の軸線Ｌ方向に沿った長さＬ３とは、Ｌ１＞Ｌ３の関係になっている。また、副弁ポート２４の軸線Ｌ方向に沿った長さＬ１と、消音部材６の軸線Ｌ方向に沿った長さＬ４とは、Ｌ１＜Ｌ４の関係になっている。さらに、副弁ポート２４の軸線Ｌ方向に沿った長さＬ１と、ニードル部３２の流量制御部３２ａの軸線Ｌ方向に沿った長さＬ２とは、Ｌ１＜Ｌ２の関係になっている。ここで、ニードル部３２の流量制御部３２ａの軸線Ｌ方向に沿った長さＬ２とは、主弁体２が主弁座１３に着座して主弁ポート１４が閉じられた状態で、副弁体３が下降して副弁座２Ｃに最も接近した際の位置（副弁体３の最下端）において、副弁座１３の上端面から副弁体３のニードル部３２の下端までの距離を言う。

【0023】

以上のように構成された二段式電動弁１０は、次のように動作する。まず、二段式電動弁１０が、主弁体２の主弁部２１が主弁座１３に着座し、主弁ポート１４が閉じられた弁閉状態にあるとする。さらに、二段式電動弁１０が、副弁体３が副弁ポート２４に最も近づいた位置にあるとき、副弁体３は、副弁座２Ｃに着座せず、副弁体３のニードル部３２の外周面と副弁ポート２４の内周面との間隙によって流路が形成されている。従って、一次継手管１１から主弁室１Ｃに流入した流体は、弁体主部２Ａの連通孔２５を通過し、副弁室２３に流入する。副弁室２３に流入した流体は、副弁体３のニードル部３２の外周面と副弁ポート２４との間隙を通って主弁部２１の下方に流れ、主弁ポート１４から二次継手管１２に向かって流出する。すなわち、弁開度（弁リフト）がゼロ（副弁部３Ｂが最下端の位置）であっても微少な流量が生じることとなる。

【0024】

次に、ステッピングモータ４を駆動してマグネットロータ４４を回転させて副弁体３を上昇させることで、副弁体３の副弁部３Ｂのニードル部３２が副弁ポート２４の内部を上昇し、副弁部３Ｂのニードル部３２と副弁ポート２４との間隙による流路が拡大され、流量が徐々に増加する。この際、主弁体２の主弁部２１は主弁座１３に着座したままであるため、流量の増加は微少である。このように主弁体２を閉じたまま副弁体３の開度を変更する制御域が小流量制御域である。次に、副弁体３をさらに上昇させると、スラストワッシャ３Ｃがストッパ部２Ｂに当接し、副弁体３によって主弁体２が引き上げられ、主弁部２１が主弁座１３から離座する。このように主弁体２を離座させて主弁ポート１４の開度を変更する制御域が大流量制御域であって、この大流量制御域における流量の変化は大きなものとなり、主弁体２が主弁ポート１４から最も離れた全開状態において、流量は最大となる。

【0025】

以上の本実施形態によれば、図３に示すように、副弁ポート２４の軸線Ｌ方向に沿った長さＬ１と、副弁ポート２４の出口から消音部材６の上面までの拡径空間５の軸線Ｌ方向に沿った長さＬ３とは、Ｌ１＞Ｌ３の関係になっており、流体を、絞り部３３を通過した流体の流速を拡径空間５で低下させてから消音部材６に流入させるので、圧力回復して内部の多くの気泡が破裂する前に消音部材６で気泡を細分化させることができる。特に小流量制御域における消音効果を得ることができ、流体通過音の抑制を図ることができる。

【0026】

本実施形態では、副弁ポート２４の軸線Ｌ方向に沿った長さＬ１と、消音部材６の軸線Ｌ方向に沿った長さＬ４とは、Ｌ１＜Ｌ４の関係になっている。このような構成であるため、絞り部３３における流体の流速の上昇よりも、消音部材６による流体内の気泡の細分化能力が上回るので、より流体通過音の抑制を図ることができる。

【0027】

本実施形態では、副弁ポート２４の軸線Ｌ方向に沿った長さＬ１と、ニードル部３２の流量制御部３２ａの軸線Ｌ方向に沿った長さＬ２とは、Ｌ１＜Ｌ２の関係になっている。このような構成であるため、絞り部３３の長さが、ニードル部３２の流量制御部３２ａの長さよりも短いほど、流体の流速の上昇が抑制されるので、より一層流体通過音の抑制を図ることができる。

【0028】

次に、本発明の冷凍サイクルシステムを図４に基づいて説明する。図４は、本発明の冷凍サイクルシステムの一例を示す図である。

【0029】

この図４に示されている冷凍サイクルシステム９０は、例えば、家庭用エアコン等の空気調和機に用いられる。上述の実施形態の二段式電動弁１０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いる。二段式電動弁１０は、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及び二段式電動弁１０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。

【0030】

除湿弁としての二段式電動弁１０は、除湿時以外の冷房時または暖房時には主弁体２によって主弁ポート１４が全開状態とされて、第１室内側熱交換器９１と第２室内側熱交換器９２は一つの室内側熱交換器とされる。そして、この一体の室内側熱交換器と室外側熱交換器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９３は、蒸発器と凝縮器の間に設けられている。

【0031】

この冷凍サイクルシステム９０によれば、流体の経路上に上記した一実施形態の二段式電動弁１０が設けられているため、特に小流量制御域における消音効果を得ることができ、流体通過音の抑制を図ることができるので、静音化された冷凍サイクルシステムとすることができる。

【0032】

以上、図面を参照して、本発明を実施するための形態を一実施形態に基づいて詳述してきたが、具体的な構成は、この一実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

【0033】

例えば、上記本発明の一例では、二段式電動弁１０を通常のエアコンに使用したが、これに限定されず、ビル用のマルチエアコンや冷凍機などに使用してもよい。

【符号の説明】

【0034】

１０ 二段式電動弁
１ 弁本体
１Ｃ 主弁室
１３ 主弁座
１４ 主弁ポート
Ｌ 軸線
２ 主弁体
２３ 副弁室
２Ｃ 副弁座
２４ 副弁ポート
３ 副弁体
３２ ニードル部
３３ 絞り部
５ 拡径空間
６ 消音部材
３２ａ 流量制御部
９０ 冷凍サイクルシステム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】