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技術 差圧弁付き膨張弁

出願人 株式会社鷺宮製作所
発明者 金子守男
出願日 1997年11月10日 (23年1ヶ月経過) 出願番号 1997-321994
公開日 1999年5月28日 (21年7ヶ月経過) 公開番号 1999-142025
状態 特許登録済
技術分野 感温弁 圧縮機、蒸発器、凝縮器、流体循環装置
主要キーワード キャパシテ 発生差圧 シート開口 伝達管 流出係数 自己制御性 二層流 調整バネ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1999年5月28日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (7)

課題

部品加工度、及び製作性が良く、安価でありながら、微少流量制御性が良く、且つ広範囲で制御可能であり、ゴミ異物による詰まりを減少することができる膨張弁を提供する。

解決手段

膨張弁4の主弁5に対する流入路6または流出路10に、前後の差圧所定圧力以上のときに流路解放する差圧弁7を設けたものであり、差圧弁7は膨張弁が蒸発器11の出口過熱度により弁開口面積を制御する温度式膨張弁の際にも同様であり、膨張弁が外部均圧式の温度式膨張弁の際には、膨張弁の流出流路に設置することも可能で、電動式リニア膨張弁の場合は流入路または流出路のいずれに設置しても良い。

概要

背景

凝縮器により液化した冷媒膨張させて蒸発器に送る膨張弁において、例えば家庭用冷蔵庫自動販売機のような比較的小容量の冷凍冷蔵システムに用いる膨張弁としては、図5に示すような固定オリフイス付き温度膨張弁が広く用いられている。

即ち、この膨張弁においては、弁本体51の冷媒流入口52部分にカートリッジ部53を設けている。このカートリッジ部53は、図6に示すように、カートリッジ54内の上端部にシート開口55を設けた主弁シート56を配置し、このシート開口55に対向してシート開口55を開閉可能とするように主弁57を配置すると共に、この主弁57を常時シート開口55側に押圧するように主弁ガイド58内に主弁圧接バネ60を設けている。また、主弁ガイド58の下端部には中央に固定オリフイス61を設けたキャパシテデイスク62を設けている。

このようなカートリッジ部53を設けた弁本体51には、カートリッジ部53の主弁57の下端に対向してロッド63の先端を対向して配置し、ロッド63の上端をダイヤフラム64に固定した操作部材65に固定している。ダイヤフラムは過熱度調整バネ66により常時上方に付勢されており、ダイヤフラム64の上側ダイフラム室67は、蒸発器出口部分に設けた感温筒68と圧力伝達媒体を介して連通している。過熱度調整バネ66の下端に配置したスプリング受け70には調整ねじ71の先端が当接し、調整ねじ71の調整によって膨張弁の作動特性の過熱度調整を可能としている。ダイヤフラム64の下側に位置し、スプリング66を収納している下側ダイヤフラム室72は、連通孔73により冷媒流出口74に連通している。

上記のような構成をなす従来の膨張弁においては、この冷凍サイクル負荷、即ち、蒸発器の冷媒出口過熱度に応じてダイヤフラム64がロッド63を押圧し、主弁57をシート開口に対して上下動させ、主弁開口の開口面積を調整して、冷媒流量を調整し、冷凍サイクルの負荷に対応する制御をなしている。この膨張弁において、例えば、内容積400リットル程度の家庭用冷蔵庫等の小容量の冷凍冷蔵サイクルに用いる際には、冷媒としてR134aを用い、凝縮圧力(Pc)が8kgf/cm2 G、蒸発圧力(Pe)が0kgf/cm2 G、循環冷媒液流量(Q)が約3L/Hrのときには、オリフイス61の開口面積は約0.06mm2となる。

また、上記のような固定オリフイスを設けることなく、膨張弁の出口管路キャピラリチューブを設けたものも用いられている。このようなキャピラリチューブを用いた膨張弁の場合は、上記仕様の冷凍サイクルにおいては、キャピラリチューブは直径約0.6〜0.7mmで長さ約2500mmのものが必要となる。更に、比較的小容量冷凍サイクルに使用する膨張弁としては、上記のような温度式膨張弁の他に、ステップモータにより主弁開口の開口面積をリニアに制御するようにした電動式膨張弁も用いられており、このような電動式膨張弁においても、固定オリフイス方式のもの及びキャピラリチューブ方式のものが適宜用いられている。

概要

部品加工度、及び製作性が良く、安価でありながら、微少流量制御性が良く、且つ広範囲で制御可能であり、ゴミ異物による詰まりを減少することができる膨張弁を提供する。

膨張弁4の主弁5に対する流入路6または流出路10に、前後の差圧所定圧力以上のときに流路解放する差圧弁7を設けたものであり、差圧弁7は膨張弁が蒸発器11の出口過熱度により弁開口面積を制御する温度式膨張弁の際にも同様であり、膨張弁が外部均圧式の温度式膨張弁の際には、膨張弁の流出流路に設置することも可能で、電動式リニア膨張弁の場合は流入路または流出路のいずれに設置しても良い。

目的

したがって、本発明は、部品の加工度、及び製作性が良く、安価でありながら、微少流量の制御性が良く、且つ広範囲で制御可能であり、ゴミや異物による詰まりを減少することができる膨張弁を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
6件

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請求項1

膨張弁主弁に対する流入路または流出路に、前後の差圧所定圧力以上のときに流路解放する差圧弁を設けたことを特徴とする差圧弁付き膨張弁

請求項2

膨張弁は蒸発器出口過熱度により弁開口面積、流量を制御する温度式膨張弁である請求項1記載の差圧弁付き膨張弁

請求項3

膨張弁は電動式リニア膨張弁である請求項1記載の差圧弁付き膨張弁

請求項4

差圧弁は膨張弁の流入路側に設置する請求項2記載の差圧弁付き膨張弁

請求項5

差圧弁は膨張弁の流入路側又は流出路側に設置する請求項3記載の差圧弁付き膨張弁

技術分野

0001

本発明は、例えば家庭用冷蔵庫自動販売機のような、比較的小容量の冷凍冷蔵システムに適する膨張弁に関する。

背景技術

0002

凝縮器により液化した冷媒膨張させて蒸発器に送る膨張弁において、例えば家庭用冷蔵庫や自動販売機のような比較的小容量の冷凍冷蔵システムに用いる膨張弁としては、図5に示すような固定オリフイス付き温度膨張弁が広く用いられている。

0003

即ち、この膨張弁においては、弁本体51の冷媒流入口52部分にカートリッジ部53を設けている。このカートリッジ部53は、図6に示すように、カートリッジ54内の上端部にシート開口55を設けた主弁シート56を配置し、このシート開口55に対向してシート開口55を開閉可能とするように主弁57を配置すると共に、この主弁57を常時シート開口55側に押圧するように主弁ガイド58内に主弁圧接バネ60を設けている。また、主弁ガイド58の下端部には中央に固定オリフイス61を設けたキャパシテデイスク62を設けている。

0004

このようなカートリッジ部53を設けた弁本体51には、カートリッジ部53の主弁57の下端に対向してロッド63の先端を対向して配置し、ロッド63の上端をダイヤフラム64に固定した操作部材65に固定している。ダイヤフラムは過熱度調整バネ66により常時上方に付勢されており、ダイヤフラム64の上側ダイフラム室67は、蒸発器出口部分に設けた感温筒68と圧力伝達媒体を介して連通している。過熱度調整バネ66の下端に配置したスプリング受け70には調整ねじ71の先端が当接し、調整ねじ71の調整によって膨張弁の作動特性の過熱度調整を可能としている。ダイヤフラム64の下側に位置し、スプリング66を収納している下側ダイヤフラム室72は、連通孔73により冷媒流出口74に連通している。

0005

上記のような構成をなす従来の膨張弁においては、この冷凍サイクル負荷、即ち、蒸発器の冷媒出口過熱度に応じてダイヤフラム64がロッド63を押圧し、主弁57をシート開口に対して上下動させ、主弁開口の開口面積を調整して、冷媒流量を調整し、冷凍サイクルの負荷に対応する制御をなしている。この膨張弁において、例えば、内容積400リットル程度の家庭用冷蔵庫等の小容量の冷凍冷蔵サイクルに用いる際には、冷媒としてR134aを用い、凝縮圧力(Pc)が8kgf/cm2 G、蒸発圧力(Pe)が0kgf/cm2 G、循環冷媒液流量(Q)が約3L/Hrのときには、オリフイス61の開口面積は約0.06mm2となる。

0006

また、上記のような固定オリフイスを設けることなく、膨張弁の出口管路キャピラリチューブを設けたものも用いられている。このようなキャピラリチューブを用いた膨張弁の場合は、上記仕様の冷凍サイクルにおいては、キャピラリチューブは直径約0.6〜0.7mmで長さ約2500mmのものが必要となる。更に、比較的小容量冷凍サイクルに使用する膨張弁としては、上記のような温度式膨張弁の他に、ステップモータにより主弁開口の開口面積をリニアに制御するようにした電動式膨張弁も用いられており、このような電動式膨張弁においても、固定オリフイス方式のもの及びキャピラリチューブ方式のものが適宜用いられている。

発明が解決しようとする課題

0007

上記のような従来の膨張弁において、固定オリフイスを用いた温度式膨張弁、あるいは電動式リニア膨張弁においては、固定オリフイスを設けることによって騒音の発生を防止することができる。しかしながら、この膨張弁においては、極めて微少の冷媒流量の制御を行わなければならないので、弁部の加工精度を著しく高度なものに製作する必要があり、生産性が悪くコスト高なものとならざるを得なかった。また、微少流量を制御するために主弁の開口及び固定オリフイスの開口を微少なものに設定せざるを得ないため、この微少開口にゴミ異物詰まりを発生しやすく、装置全体信頼性が劣る欠点もあった。更に、オリフイスは一定開度であるため、所定の過熱度以上になると冷媒流量が比例して上昇しないため、膨張弁では過熱度の低いところだけで使用せざるをえなかった。

0008

また、キャピラリチューブを用いた温度式膨張弁、あるいは電動式リニア膨張弁においては、キャピラリチューブ内に冷媒流を通すことによって、凝縮圧力に対して若干の自己制御性は存在するが、積極的な制御を行うものではないため、その制御領域は狭く、キャピラリチューブの選定は、各機器にこの冷凍サイクルの装置を組み込んで運転し、その際に種々の大きさのキャピラリチューブを順に選択して運転し、その機器に最も適する大きさのキャピラリチューブを選択する作業を行う必要があり、開発工数設計工数が多大となる欠点があった。特に、インバータによる圧縮機駆動モータ回転数制御を行い、冷凍機能力制御を行うようにしたものにおいては、その能力制御に対してキャピラリチューブにおいて能力に対する追従性が得られず、インバータ制御が実質的に機能しにくい問題もあった。

0009

したがって、本発明は、部品加工度、及び製作性が良く、安価でありながら、微少流量の制御性が良く、且つ広範囲で制御可能であり、ゴミや異物による詰まりを減少することができる膨張弁を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0010

本発明は、上記課題を解決するため、膨張弁の主弁に対する流入路または流出路に、前後の差圧所定圧力以上のときに流路解放する差圧弁を設けたものである。この差圧弁は、膨張弁が蒸発器の出口過熱度により弁開口面積を制御する温度式膨張弁の際にも同様であるが、膨張弁の流入路側に設置することが可能であり、膨張弁が外部均圧式の温度式膨張弁の際には、膨張弁の流出流路に設置することも可能となる。電動式リニア膨張弁の場合は流入路または流出路のいずれに設置しても良い。

0011

本発明は上記のように、膨張弁の主弁に対する流入路または流出路に、前後の差圧が所定圧力以上のときに流路を解放する差圧弁を設けたので、主弁における前後の差圧を減少させることができ、その分だけ主弁の開口面積を増大させることができ、主弁の開口部の製作精度を低下することが可能となり、膨張弁を安価のものとすることができると共に、主弁の開口部におけるゴミや異物の詰まりを減少させることができ装置の信頼性が向上するほか、膨張弁の前後差圧が減少するのでこの部分における騒音を減少することができ、更に、膨張弁の過熱度制御範囲を広く取ることが可能となり、また、より小容量の冷凍装置に適用することが可能となる。

発明を実施するための最良の形態

0012

本発明の実施例を図面に添って説明する。図1は本発明を温度式膨張弁に用いた実施例を示し、この温度式膨張弁を用いた冷凍サイクルにおいては、図示されているように、圧縮機1で加圧された高温冷媒は、凝縮器2で凝縮され、液化してレシーバ3に溜まり、この液化冷媒は膨張弁4の主弁5の上流の流入路6から後述する差圧弁7を通り、主弁5で開閉される主弁開口8を通過して、主弁5の下流の流出路10から蒸発器11に入り蒸発した気化冷媒は蒸発器出口管路12を介して圧縮機1に循環する。

0013

膨脹弁4の主弁5は、調整ねじ13でその圧縮力を調整される過熱度調整バネ14により常時主弁5を閉鎖する方向に付勢されており、また、この主弁5の上端部に対向してロッド15が配置され、ロッドはダイヤフラム16の下面に挿入した操作部材17に当接されている。ロッド15、操作部材17はダイヤフラム16に応動して上下する。ダイヤフラム16の上側室19は、蒸発器出口管路12に設けた感温筒18と伝達管20により連通し、ダイヤフラム16の下側室21は主弁5の下流の主弁収納室22と連通管23で連通している。ダイヤフラム16の下面に挿入した操作部材17の下方には、凝縮液が下側室21に漏れるのを防止するため、パッキング24がスプリング25で付勢され、ロッド15のシールを行っている。

0014

主弁5の上流に位置する流入路6には差圧弁収納室26を設けており、この中に差圧設定バネ27と球状の差圧弁7を配置し、中央部に通孔28を形成した差圧弁シート29の開口に差圧弁7を所定圧力で閉鎖するように付勢している。差圧弁の特性、即ち差圧弁の閉鎖力は差圧設定バネ27の選定により調整することができ、また、差圧弁シートの径によっても調整することができる。更に、差圧弁の設定差圧は、システム許容可能な差圧及び主弁の能力により決定することができる。

0015

上記のような膨脹弁において、膨脹弁の主弁部を通過する冷媒の流量Qは、
Q=Cd×A×√ΔP
で表される。
ただし、Cd;流出係数
A;所要弁開口面積
P;主弁前後の差圧であり、
P=Pc−Peであって、
Pc;膨脹弁の入口凝縮圧力
Pe;膨脹弁の出口蒸発圧力
である。

0016

この式から明らかなように、Cd及びAを一定とすると、膨脹弁の主弁部を通過する冷媒の流量は、膨脹弁の入口凝縮圧力と膨脹弁の出口蒸発圧力との差圧によって決定される。また、膨脹弁の入口凝縮圧力と膨脹弁の出口蒸発圧力との差圧を小さくすると、膨脹弁の主弁の所用開口面積Aを大きく取ることができることがわかる。したがって、本発明においては上記のように、膨脹弁の主弁5の上流側に差圧弁7を設けたので、主弁5部分の差圧を低減させることができ、主弁の所用開口面積Aを大きく取ることが可能となる。

0017

このように主弁の所用開口面積を大きく取ることができる結果、主弁の開口部の製作に際して、従来のように微少の開口を精度良く製作するという高度の加工技術を必要とすることがなくなり、その製作に際して精度を低下することが可能となり、膨張弁を安価のものとすることができる。また、主弁の開口部が従来のものより大きくなるので、膨脹弁でのゴミや異物の詰まりを減少させることができ、装置全体としてのの信頼性を向上することもできる。更に、膨張弁の前後差圧が減少するため、この部分における騒音を減少することができる。

0018

また、上記のような本発明の差圧弁付きの膨脹弁と、従来の固定オリフイス付き膨脹弁との作動特性を比較すると、図2に示すように、比較的大径の固定オリフイス(A)を選定した場合には、低過熱度域ではその効果が得られず、ハンチングを生じ、その制御は不安定なものとなる。また、小径の固定オリフイス(B)を選定した場合には、その制御能力不足し、また、開口が小さなものであるので冷凍能力不足やオリフイス開口でのゴミ、異物の詰まりを生じる原因となる。また、固定オリフイスにおいては、ある過熱度以上になると冷媒流量が比例して上昇しないため、膨脹弁においては過熱度の低いところで制御する事しかできない。それに対して、本発明の差圧弁付きの膨脹弁においては、その比例制御領域は広くなり、制御に際してハンチングが発生することがなくなり、制御の安定性が向上し、また、制御能力が向上するのでより小容量の冷凍装置に対しても適用可能となる。

0019

更に、本発明の膨脹弁の作動に際しては、蒸発器の作動が定常状態となり、その作動が安定すると、膨脹弁の主弁が閉じ、過熱度調整バネと差圧設定バネによりこの流路は開閉されることとなるが、従来の差圧弁のない場合においては、膨脹弁の入口凝縮圧力(Pc)が大きくなると膨脹弁の主弁が開いて液冷媒が流れ、蒸発器に液冷媒が流れてこの液冷媒が圧縮機にまで流れることがあり、その際には圧縮機を破壊することとなる。それに対して、本発明の膨脹弁においては、差圧弁により圧力変動緩和することができ、従来のもののように膨脹弁の主弁を解放することがなくなり、圧縮機の破損を防止することができる。

0020

また、図3モリエル線図に示すように、差圧弁を主弁の流入側に設けた場合と主弁の流出側に設けた場合とではその特性が相違する。即ち、主弁の上流側に差圧弁を設けた場合には、図3(イ)に示すように、差圧弁は高圧側で差圧を生じ、その結果、主弁は低圧側において差圧弁の発生差圧の残りの部分が作用することとなる。それに対して主弁の下流側に差圧弁を設けた場合には、図3(ロ)に示すように、差圧弁は低圧側で差圧を生じ、その結果主弁は高圧側において差圧弁の発生差圧の残りの部分が作用することとなる。このことから、図1に示すような温度式膨脹弁においては主弁の上流側に差圧弁を設けることが好ましく、図示されない従来の外部均圧式の温度式膨脹弁においては主弁の出口側に差圧弁を設けることも可能である。また、主弁の入口側に差圧弁を設けると、主弁への冷媒流が二層流となり、主弁の制御性が安定する効果も奏する。なお、上記差圧弁は温度膨脹弁の下流側の流出流路側に設けても良いが、膨張弁が特に外部均圧式の温度式膨張弁の際には、膨張弁の流出流路に設置することが可能となる。

0021

上記実施例においては、差圧弁を温度膨脹弁に用いたものを示したが、例えば図4に示すように、電動式リニア膨脹弁に対しても適用することができる。即ち、この膨脹弁においては、弁本体30の上部にステッピングモータコイル31を設け、中央のケーシング32に回転子33を配置し、この回転子に主弁34を固定し、制御装置からのパルス信号によりステッピングモータを駆動して主弁34を上下動し、それにより弁開口35の開度をリニアに制御するようにしている。弁本体30の流出孔部分には、差圧設定バネ36により常時差圧弁シート37に対して付勢されている、図中球状の差圧弁38を設けている。このような電動式リニア膨脹弁40によっても、差圧弁38は、前記温度式膨脹弁の差圧弁と同様の作用を行わせることができる。この膨脹弁においても、差圧弁は膨脹弁の流入口側に設けても良い。

0022

なお、上記実施例においては、差圧弁を膨脹弁に組み込んだ例を示したが、それに限らず、膨脹弁とは別体に、膨脹弁に流入する管路または流出する管路に別設することもできる。

発明の効果

0023

本発明は、上記のように、膨張弁の主弁に対する流入路または流出路に、前後の差圧が所定圧力以上のときに流路を解放する差圧弁を設けたので、主弁における前後の差圧を減少させることができ、その分だけ主弁の開口面積を増大させることができ、主弁の開口部の製作精度を低下することが可能となり、膨張弁を安価のものとすることができる。また、主弁の開口面積を増大させることができることにより、主弁の開口部におけるゴミや異物の詰まりを減少させることができ装置の信頼性を向上することができる。

0024

また、膨張弁の前後差圧が減少するのでこの部分における騒音を減少することができるとともに、膨張弁の過熱度制御範囲を広く取ることが可能となり、より小容量の冷凍装置に適用することが可能となる。しかも、差圧弁の取付に対する格別の設計変更や特別の調整を必要とせず、また、差圧弁は、単に差圧を発生するのみでよいので特別の仕様を要求されず、設定精度厳密さは要求されず、また、構造が簡単であるので、格別の弁漏れ対策を必要とすることもない。更に、主弁の比例ゲインを大きく取ることができ、それにより弁のハンチング防止対策が容易となり、制御の安定性も向上する等種々の効果を奏することができる。

図面の簡単な説明

0025

図1本発明を温度式膨脹弁に適用した実施例をシステム構成と共に示す断面図である。
図2本発明の差圧弁を用いた膨脹弁と固定オリフイスを用いた膨脹弁の作動特性の比較グラフである。
図3本発明の差圧弁を膨脹弁の流入側に取り付けた場合と流出側に設けた場合の特性を示すモリエル線図である。
図4本発明を電動式リニア膨脹弁に適用した実施例を示す断面図である。
図5従来の固定オリフイスを用いた温度式膨脹弁の断面図である。
図6同主弁と固定オリフイス部分の拡大断面図である。

--

0026

1圧縮機
2凝縮器
3レシーバ
4膨張弁
5主弁
6流入路
7差圧弁
8 主弁開口
10流出路
11蒸発器
12蒸発器出口管路
13調整ねじ
14過熱度調整バネ
15ロッド
16ダイヤフラム
17操作部材
18感温筒
20伝達管
21 下側室
22 主弁収納室
23連通管
25スプリング
26 差圧弁収納室
27差圧設定バネ
28 通孔

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