JP5395775B2

JP5395775B2 - 電動弁

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Publication number: JP5395775B2
Application number: JP2010229411A
Authority: JP
Inventors: 大樹中川; 誠一中野; 元康石黒
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2030-10-12
Also published as: JP2012082896A; CN102444739A; CN102444739B

Description

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座の弁ポート形状を改良した電動弁に関する。

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、流体通過にともな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２００８−２３２２９０号公報（特許文献１）に開示されたものがある。

また、従来の電動弁として例えば図９に示すものがある。この電動弁は、弁室４Ａを形成する弁ハウジング４を有し、弁ハウジング４の側部に一次継手管４１が取り付けられるとともに、弁室４Ａの軸線Ｌ方向の片側端部に二次継手管４２が取り付けられている。また、弁ハウジング４内には弁座部９が配設されており、この弁座部９には、弁室４Ａと二次継手管４２とを連通する弁ポート９１が形成されている。

支持部材４３のガイド孔４３ａ内には弁ホルダ４４が摺動可能に嵌合されている。この弁ホルダ４４の下端部には端部にニードル弁５１を有する弁体５が固着されるとともに、弁ホルダ４４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ている。また、ロータ軸６３には雄ねじ部６３ａが形成され、この雄ねじ部６３ａは支持部材４３に形成された雌ねじ部４３ｂに螺合している。そして、ステッピングモータ６の駆動により、マグネットロータ６２が回転し、ロータ軸６３及び弁体５が軸線Ｌ方向に移動し、ニードル弁５１の部分で弁ポート９の開口面積を増減し、一次継手管４１から二次継手管４２へ流れる流体の流量を制御する。

特開２００８−２３２２９０号公報

前記図９に示す従来の電動弁では、弁座部９に形成された弁ポート９１は、図１０に示すように弁ポート９１の入口開口部から二次継手管４２側の出口開口部まで次第に内径が大きくなるテーパ面で形成されている。このため、二次継手管４２に対してニードル弁５１と弁ポート９１との隙間から流れる冷媒は以下のような状態になる。

ニードル弁５１と弁ポート９１との隙間から流れ出す冷媒は、弁ポート９１の入口開口部から二次継手管４２への出口開口部に到るまでに、この弁ポート９１の中で加速されてしまう。すなわち冷媒が加速される長さが長く、冷媒の圧力が減少する幅が大きくなる。また、弁ポート９１から流出する冷媒には、図に破線で示すように、二次継手管４２内で弁ポート９１のテーパ面の延長上に、明確な自由せん断面Ｓが生じる。そして、この自由せん断面Ｓの内側では冷媒の流れは直線的な流れになり、自由せん断面Ｓの外側に渦流れが生じる。この直線的な流れと渦流れの影響で騒音が発生する。また、特許文献１の電動弁においても弁ポートの形状が上記図１０と同様であり、同じように騒音が発生する。

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、弁座部の弁ポートを改良して騒音を低減した電動弁を提供することを課題とする。

請求項１の電動弁は、一次継手管に連通された弁室を形成する弁ハウジングと、前記弁室と二次継手管とを連通する断面形状が円形の弁ポートが形成された弁座部と、前記弁ポートと同軸に配設されたニードル弁とを備え、前記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前記弁室に冷媒を流入して前記弁ポートを介して前記二次継手管に流出する冷媒の流量を制御するようにした電動弁において、前記弁座部の前記弁ポートを、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、前記第１弁ポートと前記第２弁ポートとをつなぐテーパ部とにより構成し、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とするとともに、前記第２弁ポートが前記テーパ部から前記二次継手管側にかけてストレートな円筒形状となるように、前記弁座部を構成し、
前記テーパ部の内側面の成す角度α１が
１０°≦α１≦２０°…（Ａ）
の範囲であり、
第１弁ポートの内径Ｄ１と第２弁ポートの内径Ｄ２との関係が、
３mm≧√［（Ｄ２）²−（Ｄ１）²］＞２．３mm…（Ｂ）
の条件を満たすように設定されていることを特徴とする。なお、内径Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は、第１弁ポート、第２弁ポート及び二次継手管を繋いだ内側の通路内面に実質的に段差ができるような値である。

請求項２の電動弁は、請求項１に記載の電動弁であって、前記一次継手管と前記二次継手管４２との圧力差が１．０（ＭＰａ）であり、該一次継手管内の圧力が２．５〜３．０（ＭＰａ）であることを特徴とする。

請求項１または２の電動弁によれば、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１弁ポートより内径の大きな第２弁ポート内に流出し、二次継手管に到達する前の弁座部の第２弁ポート内で流速を減速させるので、冷媒の流れを安定化することができる。さらに、テーパ部と二次継手管との間にストレートな円筒形状の第２弁ポートがあるので、二次継手管側で冷媒に自由せん断面が生じるのを抑えることができ、冷媒が二次継手管に到達する前に流れを安定化することができる。したがって、液体通過音による騒音を低減することができる。

また、テーパ部の側面の成す角度が好適な範囲であり、効果的に騒音を低減することができる。

本発明の第１実施形態の電動弁の縦断面図である。本発明の第１実施形態の電動弁における弁座部近傍の要部拡大縦断面図である。本発明の第１実施形態の電動弁における弁座部の作用を説明する図である。本発明の第２実施形態の電動弁の縦断面図である。本発明の第３実施形態の電動弁の縦断面図である。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。実施形態の電動弁のテーパ角度と騒音低減値の実測例を示す図である。実施形態の電動弁のＤ１とＤ２の寸法比と騒音低減値の実測例を示す図である。従来の電動弁の一例を示す図である。従来の電動弁の問題点を説明する図である。

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は第１実施形態の電動弁の縦断面図、図２は第１実施形態の電動弁における弁座部近傍の要部拡大縦断面図、図３は第１実施形態の電動弁における弁座部の作用を説明する図、図４は第２実施形態の電動弁の縦断面図、図５は第３実施形態の電動弁の縦断面図、図６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。なお、第２実施形態及び第３実施形態において第１実施形態と同様な要素及び対応する要素には同符号を付記して重複する詳細な説明は省略する。

まず、図６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。図６において、符号１０は本発明の各実施形態の電動弁である。また、符号２０は室外ユニット１００に搭載された室外熱交換器、３０は室内ユニット２００に搭載された室内熱交換器、４０は四方弁を構成する流路切換弁、５０は圧縮機である。なお、電動弁１０、流路切換弁４０及び圧縮機５０は室外ユニット１００に搭載されている。電動弁１０、室外熱交換器２０、室内熱交換器３０、流路切換弁４０、及び圧縮機５０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。なお、アキュムレータ、圧力センサ、温度センサ等は図示を省略してある。

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る。暖房モードでは、図６に実線の矢印で示すように、圧縮機５０で圧縮された冷媒は流路切換弁４０から室内ユニット２００の室内熱交換器３０に流入され、室内熱交換器３０から流出する冷媒は、管路ａを通って室外ユニット１００の電動弁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、図６に破線の矢印で示すように、圧縮機５０で圧縮された冷媒は流路切換弁４０から室外熱交換器２０に流入され、室外熱交換器２０から流出する冷媒は電動弁１０で膨張され、管路ａ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。

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。

ここで、暖房モードにおいては、管路ａには電動弁１０の一次継手管４１に流入する冷媒が液状化することがあり、管路ａ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ａ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、後述のように各実施形態の電動弁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４１から電動弁１０本体に流入して二次継手管４２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。

次に、図１及び図２に基づいて第１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４を有し、弁ハウジング４には円筒シリンダ状の弁室４Ａが形成されている。また、弁ハウジング４には、側面側から弁室４Ａに連通する一次継手管４１が取り付けられるとともに、弁室４Ａの軸線Ｌ方向の片側端部に二次継手管４２が取り付けられている。さらに、弁ハウジング４には、二次継手管４２の弁室４Ａ側に弁座部１が配設されている。そして、弁座部１には、弁室４Ａと二次継手管４２とを連通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。

弁ハウジング４の上部には支持部材４３が取り付けられている。支持部材４３には軸線Ｌ方向に長いガイド孔４３ａが形成されており、このガイド孔４３ａには円筒状の弁ホルダ４４が軸線Ｌ方向に摺動可能に嵌合されている。弁ホルダ４４は弁室４Ａと同軸に取り付けられ、この弁ホルダ４４の下端部には端部にニードル弁５１を有する弁体５が固着されている。また、弁ホルダ４４内には、バネ受け４５が軸線Ｌ方向に移動可能に設けられ、バネ受け４５と弁体５との間には圧縮コイルバネ４６が所定の荷重を与えられた状態で取り付けられている。

弁ハウジング４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。

弁ホルダ４４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４４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４３に形成された雌ねじ部４３ｂに螺合している。

以上の構成により、ステッピングモータ６のマグネットロータ６２の回転に伴ってロータ軸６３は軸線Ｌ方向に移動する。この回転に伴うロータ軸６３の軸線Ｌ方向移動によって弁ホルダ４４と共に弁体５が軸線Ｌ方向に移動する。そして、弁体５は、ニードル弁５１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４１から二次継手管４２へ流れる冷媒の流量を制御する。

弁座部１の第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５１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より大きな寸法で、かつ、二次継手管４２の内径Ｄ３よりも小さな寸法となっている。さらに、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いる。そして、このテーパ部１３の内側面の成すテーパ角度α１は、
５°≦α１≦３０°…（１）
の範囲に設定されている。また、ニードル弁５１が第１弁ポート１１を閉とした状態で、このニードル弁５１の先端がテーパ部１３の略中央位置となるように設定されている。

図３は第１実施形態におけるニードル弁５１，第１弁ポート１１、第２弁ポート１２及びテーパ部１３の作用を説明する図である。ニードル弁５１と第１弁ポート１１の隙間を通った冷媒は、テーパ部１３と第２弁ポート１２を通って二次継手管４２へ流れる。このとき、ニードル弁５１の特に先端の影響を受けて不安定な流れになる場合がある。しかし、ニードル弁５１の先端がテーパ部１３の略中央部に位置するので、第２弁ポート１２に到るまでにこのテーパ部１３で流速を減速させることができる。すなわち、冷媒が二次継手管４２に到達する前の弁座部１の部分で、冷媒の流れを安定化することができ、二次継手管４２の振動を抑えて騒音を低減することができる。

さらに、テーパ部１３と二次継手管４２との間にストレートな円筒形状の第２弁ポート１２があり、この第２弁ポート１２により、テーパ部１３から流れる冷媒に対して流れを曲げる働きが加わる。これにより、二次継手管４２側で冷媒に自由せん断面が生じるのを抑えることができる。したがって、冷媒が二次継手管４２に到達する前に流れを安定化することができる。

図４の第２実施形態及び図５の第３実施形態と、第１実施形態との大きな違いは、この第２実施形態及び第３実施形態の電動弁１０では、弁室４Ａが弁ハウジング４を切削することにより形成されるとともに、弁座部２（または３）が弁ハウジング４と一体に形成されている点である。

図４の第２実施形態の電動弁１０では、弁座部２は二次継手管４２の弁室４Ａ側に形成されている。この弁座部２には、弁室４Ａと二次継手管４２とを連通する断面形状が円形の第１弁ポート２１と第２弁ポート２２とが形成されるとともに、この第１弁ポート２１と第２弁ポート２２との間にテーパ部２３が形成されている。そして、第１実施形態と同様に、ステッピングモータ６の回転によりロータ軸６３が軸線Ｌ方向に移動し、弁体５のニードル弁５１が第１弁ポート２１の開口面積を増減し、一次継手管４１から二次継手管４２へ流れる冷媒の流量を制御する。

弁座部２の第１弁ポート２１及び第２弁ポート２２は円筒形状であり、第２弁ポート２２の内径は第１弁ポート２１の内径より大きな寸法で、かつ、二次継手管４２の内径よりも小さな寸法となっている。また、ニードル弁５１が第１弁ポート２１を閉とした状態で、このニードル弁５１の先端がテーパ部２３の略中央位置となるように設定されている。さらに、テーパ部２３のテーパ角度も前記（１）の条件範囲となるように設定されている。この第２実施形態における第１弁ポート２１、第２弁ポート２２及びテーパ部２３の作用は、前掲の図３で説明した第１実施形態と同様であり、冷媒の通過音を低減することができる。

図５の第３実施形態と前記第１及び第２実施形態との大きな違いは、この第３実施形態の電動弁１０では、弁ハウジング４のステッピングモータ６側にケース４７が取り付けられ、このケース４７に支持部材４３が取り付けられている。また、弁体５は第１及び第２実施形態よりも長く形成されており、この弁体５は弁ハウジング４に取り付けられガイド部材４８を介してニードル弁５１を弁室４Ａ内に突出している。これにより、弁ホルダ４４等が弁室４Ａ内の冷媒に直接曝されないような構造になっている。

弁座部３は二次継手管４２の弁室４Ａ側に形成されている。この弁座部３には、弁室４Ａと二次継手管４２とを連通する断面形状が円形の第１弁ポート３１と第２弁ポート３２とが形成されるとともに、この第１弁ポート３１と第２弁ポート３２との間にテーパ部３３が形成されている。そして、第１実施形態と同様に、ステッピングモータ６の回転によりロータ軸６３が軸線Ｌ方向に移動し、弁体５のニードル弁５１が第１弁ポート３１の開口面積を増減し、一次継手管４１から二次継手管４２へ流れる冷媒の流量を制御する。

弁座部３の第１弁ポート３１及び第２弁ポート３２は円筒形状であり、第２弁ポート３２の内径は第１弁ポート３１の内径より大きな寸法で、かつ、二次継手管４２の内径よりも小さな寸法となっている。また、ニードル弁５１が第１弁ポート３１を閉とした状態で、このニードル弁５１の先端がテーパ部３３の略中央位置となるように設定されている。さらに、テーパ部３３のテーパ角度も前記（１）の条件範囲となるように設定されている。この第３実施形態における第１弁ポート３１、第２弁ポート３２及びテーパ部３３の作用は、前掲の図３で説明した第１実施形態と同様であり、冷媒の通過音を低減することができる。

次に、図７及び図８に基づいて実施形態の電動弁１０の騒音の低減値の実測例について説明する。なお、第２実施形態の弁座部２及び第３実施形態の弁座部３における各部の寸法及び角度も、図２に示す第１実施形態の（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｌ１，Ｌ２，α１）と同様な記号として表す。また、図７及び図８の実測例の運転条件は、一次継手管４１と二次継手管４２との圧力差が１．０（ＭＰａ：メガパスカル）、一次継手管４１内の圧力が２．５〜３．０（ＭＰａ）である。冷媒の流れは一次継手管４１から二次継手管４２の方向である。Ｌ１＝０．５mm、Ｌ２＝０．６mmである。なお、Ｌ１＝０．２〜１．０mm、Ｌ２＝０．４〜１．２mmの範囲に設定するのが好ましい。

図７は実施形態の電動弁１０についてのテーパ角度α１と騒音低減値の実測例である。Ｄ２＝２．９mmに対してＤ１＝１．６mmの場合と、Ｄ２＝４．３mmに対してＤ１＝３．２mmの場合について、テーパ角度α１を０°〜４０°まで変化させた時の騒音低減値を示している。この図７からわかるように、特に５°≦α１≦３０°を満たす範囲で騒音が低くなっている。なお、Ｄ２は、テーパ角度α１＝０°の場合はＤ２＝Ｄ１である。

実施形態における第１弁ポート１１，２１，３１の内径Ｄ１、第２弁ポート１２，２２，３２の内径Ｄ２及び二次継手管４２の内径Ｄ３の関係は以下の条件を満たすように設定されている。
√［（Ｄ２）²−（Ｄ１）²］＞２．３mm…（２）

図８は実施形態の電動弁１０についてのＤ１とＤ２の寸法比と騒音低減値の実測例である。Ｄ３＝４．９５mmに対してＤ１＝１．６mmの場合と、Ｄ１＝３．２mmの場合について、α１＝２０°で、Ｄ２を変化させたときの条件式（２）の√［（Ｄ２）²−（Ｄ１）²］の値に対する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（２．３mmより大きい範囲）で騒音が低くなっている。なお、√［（Ｄ２）²−（Ｄ１）²］＝０はＤ２＝Ｄ１であって、テーパ角度０の場合である。

１弁座部
１１第１弁ポート
１２第２弁ポート
２弁座部
２１第１弁ポート
２２第２弁ポート
２３テーパ部
３弁座部
３１第１弁ポート
３２第２弁ポート
３３テーパ部
４弁ハウジング
４Ａ弁室
４１一次継手管
４２二次継手管
５弁体
５１ニードル弁
１０電動弁
Ｌ軸線

Claims

一次継手管に連通された弁室を形成する弁ハウジングと、前記弁室と二次継手管とを連通する断面形状が円形の弁ポートが形成された弁座部と、前記弁ポートと同軸に配設されたニードル弁とを備え、前記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前記弁室に冷媒を流入して前記弁ポートを介して前記二次継手管に流出する冷媒の流量を制御するようにした電動弁において、
前記弁座部の前記弁ポートを、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、前記第１弁ポートと前記第２弁ポートとをつなぐテーパ部とにより構成し、
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とするとともに、前記第２弁ポートが前記テーパ部から前記二次継手管側にかけてストレートな円筒形状となるように、前記弁座部を構成し、
前記テーパ部の内側面の成す角度α１が
１０°≦α１≦２０°…（Ａ）
の範囲であり、
第１弁ポートの内径Ｄ１と第２弁ポートの内径Ｄ２との関係が、
３mm≧√［（Ｄ２）²−（Ｄ１）²］＞２．３mm…（Ｂ）
の条件を満たすように設定されていることを特徴とする電動弁。
前記一次継手管と前記二次継手管４２との圧力差が１．０（ＭＰａ）であり、該一次継手管内の圧力が２．５〜３．０（ＭＰａ）である
ことを特徴とする請求項１に記載の電動弁。