(57)【要約】【課題】  冷暖房サイクルに使用する冷媒を高精度・高応答性で制御できる電磁ソレノイド式膨張弁をを提供する。【解決手段】  電磁式膨張弁１は、第１通路１１と第２通路１２を有する弁本体１０と、弁本体１０内に挿入される副本体２０を備える。副本体２０は弁開口２２を有する弁座部２３を有し、ガイド部材４０内に弁棒５０が挿入される。弁部５２を有する弁棒５０の両端には、バイパス通路１８、２５を介して第２通路１２の冷媒が作用する。弁本体１０に取付けられるハウジング１００は、キャン１１０を有し、吸引子１２０が取付けられる。プランジャ１５０は、プッシュロッド１３０と一体で弁棒５０を操作する。電磁コイル２００に与える電流を変化することにより弁開度を制御する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁本体には、冷媒が通過する第１通路と第２通路とが備わっており、
前記弁本体には、前記第１通路と前記第２通路との間を連通する弁開口を有する弁座を備える副本体が備わっており、
前記弁開口を開閉する弁部を有する弁棒を前記弁開口に対し開閉作動させる電磁ソレノイド装置が前記弁本体に装備され、
前記弁開口に対する前記弁部の弁開口特性が、低開度領域で小さくかつ前記低開度領域を越える高開度領域で大きくなる２段特性を有する
ことを特徴とする電磁式膨張弁。
【請求項２】
請求項１において、前記２段の弁開口特性を有するように、前記弁部は、第１テーパー部とこの第１テーパー部の最細端部から前記弁棒中心に向かう平坦部又は前記第１テーパー部の第１テーパー角よりも大なる第２テーパー角を有する第２テーパー部を備えることを特徴とする電磁式膨張弁。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記弁本体又は前記副本体には、前記弁棒に作用する冷媒圧力による力をキャンセルするように、前記第２通路の冷媒圧力を前記弁棒の両端に作用させるバイパス通路が備わっていることを特徴とする電磁式膨張弁。
【請求項４】
請求項３において、前記弁棒の径は前記弁開口と同一径を有することを特徴とする電磁式膨張弁。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかおいて、冷媒の流れ方向は正逆いずれの方向にも適用可能であることを特徴とする電磁式膨張弁。
【請求項６】
請求項５において、前記第２通路には、前記弁座の最大開口面積と同等又は僅かに小なる開口面積を有するオリフィス部材を備えることを特徴とする電磁式膨張弁。
【請求項７】
請求項１において、前記電磁ソレノイド装置は、前記弁棒を操作するプッシュロッドを固着した可動のプランジャと、このプランジャと対向する固定の吸引子と、前記プランジャと前記吸引子とを内装する非磁性のキャンと、このキャンの外周部に配置される電磁コイルとを備えることを特徴とする電磁式膨張弁。
【請求項８】
請求項７において、前記吸引子が前記弁本体側に、前記プランジャが前記吸引子の外方に位置し、前記プッシュロッドは前記吸引子を摺動自在に貫通していることを特徴とする電磁式膨張弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍サイクルに組込まれて冷媒の流量を制御する膨張弁に関し、弁開閉の操作を電磁ソレノイド装置により行うタイプの電磁式の膨張弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁式の膨張弁は、電磁コイルに付与する電流の大きさにより、弁を操作することにより、弁開度を制御する。
この種の電磁式の膨張弁は、例えば下記の特許文献に開示されている。
【特許文献１】特開２００３−４３４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この種の電磁式膨張弁にあっては、高圧の冷媒を制御する際に、流量を微細にかつ正確に制御することが困難であったり、応答性に欠ける等の問題があった。
本発明の目的は、上述した問題を解決する電磁式の膨張弁を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するために、本発明の電磁式膨張弁は、弁本体には、冷媒が通過する第１通路と第２通路とが備わっており、前記弁本体には、前記第１通路と前記第２通路との間を連通する弁開口を有する弁座を備える副本体が備わっており、前記弁開口を開閉する弁部を有する弁棒を前記弁開口に対し開閉作動させる電磁ソレノイド装置が前記弁本体に装備され、前記弁開口に対する前記弁部の弁開口特性が、低開度領域で小さくかつ前記低開度領域を越える高開度領域で大きくなる２段特性を有することを特徴とする。
前記２段の弁開口特性を有するために、前記弁部は、具体的には、第１テーパー部とこの第１テーパー部の最細端部から前記弁棒中心に向かう平坦部又は前記第１テーパー部の第１テーパー角よりも大なる第２テーパー角を有する第２テーパー部を備える。
更に好ましくは、前記弁本体又は前記副本体には、前記弁棒に作用する冷媒圧力による力をキャンセルするように、前記第２通路の冷媒圧力を前記弁棒の両端に作用させるバイパス通路を備える。
更に好ましくは、前記弁棒の径は前記弁開口と同一径を有する。
かかる構成を採用することによって、冷媒の流れ方向は正逆いずれの方向にも適用可能である。
このとき、前記第２通路には、前記弁座の最大開口面積と同等又は僅かに小なる開口面積を有するオリフィス部材を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【０００５】
以上の構成を有する本発明の電磁式膨張弁は、高圧冷媒の流量制御を微細にかつ正確に応答性よく行うことができる。また、冷媒の流れを可逆的として、冷房と暖房のいずれにも使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１及び図２に示すように、全体を符号１で示す電磁式膨張弁は、第１通路１１と第２通路１２とバイパス通路１８とを有する弁本体１０を備える。バイパス通路１８は、第２通路の冷媒圧力を後述の弁棒５０が露出する室Ｈ１に導く。
この弁本体１０の中心部には、更に、弁室２１を有する副本体２０を備える。
副本体２０は、弁開口２２を有する弁座部２３を有し、弁座部２３の上方の弁室２１は弁本体１０の第１通路１１に連通しており、弁座部２３の下方の室２４は弁本体１０の第２通路１２に連通している。
このオリフィス部材３０は、第１通路１１から弁座部２３の弁開口２２を通って第２通路１２側ヘ冷媒が流れる際に、弁座部による絞り直後の冷媒の流速を更に下げて弁周りの圧力バランスを保ち、安定した制御を得る機能を有する。
【０００７】
副本体２０は、第２通路１２側に開口するバイパス通路２５を有し、冷媒を弁本体１０と蓋部材９０の間に形成される室Ｈ２側へ送る。
副本体２０の上部には、ガイド部材４０が配設され、弁棒５０を摺動自在に案内する。
【０００８】
弁棒５０は、弁部５２を有し、弁開口２２を通過する小径部５６を介して弁棒の先端案内部５４に連結される。弁棒の先端案内部５４は、副本体１０に圧入固定されたスリーブ６０により支持される。弁棒５０の先端案内部５４はバネ受け部材７０で支持される。バネ受け部材７０は、コイルばね７２を介して調節用のねじ部材８０により支持される。ねじ部材８０は、ねじ部Ｎ２を介して副本体２０の内ねじに螺合される。ねじ部材８０のねじ込み量を調節することで、コイルばね７２のバネ力を調節することができる。ねじ部材８０には、工具を受ける横溝８２と貫通穴８４が形成してあり、この貫通穴８４を介して室Ｈ２側の冷媒を弁棒の先端案内部５４に対向する室Ｈ３内に導入する。
【０００９】
蓋部材９０は、ねじ部Ｎ１に螺合され、弁本体１０の開口部を封止する。Ｏリング９２を介在させて、シールを完全にする。
弁本体１０の上部は、ねじ部Ｎ３を有し、電磁ソレノイド装置のハウジング１００が螺合される。ハウジング１００には、非磁性材製のキャン１１０が圧入され、キャン１１０の内部に吸引子１２０が固定される。
【００１０】
キャン１１０内には、吸引子１２０の上部にプランジャ１５０が摺動自在に挿入される。プランジャ１５０には、吸引子１２０の中心穴を貫通するプッシュロッド１３０が圧入され、プッシュロッド１３０とプランジャ１５０は一体化される。
プランジャ１５０の頂部には、コイルバネ１５２が装備されている。コイルバネ１５２は、コイルバネ７２よりも弱いバネ力を有してプッシュロッド１３０を弁棒５０に当接させる働きを有する。
【００１１】
プッシュロッド１３０は、吸引子１２０に圧入されるスリーブ１４０，１４２により摺動自在に案内される。スリーブ１４０，１４２は、メッキが施され、摺動抵抗が減じられる。
【００１２】
キャン１１０の外周部には、ボビン２１０に巻かれた電磁コイル２００が装備される。電磁コイル２００は、図示しないリード線から給電されることによってプランジャ１５０を吸引子１２０側（下方）に引き寄せる。
電磁コイル２００の上部は、プレート１６０で封止される。
【００１３】
ここで本発明の電磁式膨張弁における弁部５２の特定形状について従来構成と比較しつつ説明する。
図７に示す従来の弁にあっては、弁座（弁開口）に対向する１段のテーパー部５２´を有し、弁開口特性は、図５のカーブＣ３に示すように、弁棒の移動量に伴ない弁の開口面積は実質的に直線的に変化する。しかし、本発明の電磁式膨張弁にあっては、図５のカーブＣ２に示すような２段特性の弁開口特性を呈する。すなわち、低開度領域では小なる開口特性（緩やかな勾配）を呈し、高開度領域ではそれよりも大なる開口特性（急峻な勾配）を呈する。
【００１４】
このような２段特性の開口特性を呈するための弁部５２の特定形状の一例について、図３を参照しつつ説明する。
本発明の弁棒５０に設けられる弁部５２は、弁座部２３の弁開口２２に進入可能な第１テーパー部５２ａを有する。第１テーパー部５２ａは、弁開口２２の内周面に対して小さな傾斜角を有し、最も深く進入したときに弁開口２２の縁部を全閉する。テーパー部５２ａの最細部からは、この実施例では、弁棒の中心線に向かう平坦部５２ｂが形成されている。平坦部５２ｂは、図５の２段の開口特性を奏する範囲で大きな傾斜角を有する第２テーパー部とされることもある。
第１テーパー部５２ａの上部には、フランジ部５２ｃが膨出形成してあり、第１テーパー部５２ａの弁開口２２に対する最深進入深さを規制するようになっている。
【００１５】
図４の（ａ）〜（ｅ）は、図３における弁棒５０のリフトＬ１の変化に対応する弁の開口面積Ｆ１の変化特性を示す。
図３及び図４の（ａ）は、閉弁状態を示し、開口面積はゼロである。（ｂ）乃至（ｃ）の領域では２段弁の第１テーパー部５２ａが弁開口２２に対する開口面積を微小に変化させる。この領域（低開度領域）にあっては、図４に示すように、弁リフトＬ１に対する開口面積は、小さな変化率で緩やかに増大する。
図の（ｃ）に示す、２段弁のテーパー部５２ａから平坦部５２ｂの境界が弁開口２２の水平位置（弁座部２３の上面）と並ぶ位置（ｃ）から図の（ｄ）に示す位置に向けて更に弁棒５０がリフトすると、弁の開口面積は大きな変化率で増大する。図の（ｅ）は、弁の全開状態を示す。（ｅ）の状態以上に弁棒５０がリフトしても弁開度は最大値の状態を維持する。
【００１６】
本発明の特徴とする２段開口特性を備える電磁式膨張弁にあっては、図５に示すように、制御電流Ｅに対して、カーブＣ２で示すように弁の開口面積を変化させることができる。
すなわち、弁部５２のテーパー部５２ａと弁座部２３の弁開口２２との間で弁開口面積を制御する定常制御域Ｋ２における制御電流Ｅ２の幅を従来のカーブＣ３のときの制御電流Ｅ３に比べて大きくとることができる。そのため、より分解能が高い制御を達成することができるのである。
弁の開口面積が急増して大量の冷媒が流すクールダウン域Ｋ１（急速冷房）においては、より小さな制御電流の幅で高速応答制御をすることができる。
【００１７】
以上のような弁開口制御を正確に応答性よく行うために、本発明では、弁棒５０に作用する冷媒圧力差による影響を無くす又は軽減するための工夫が為されている。
すなわち、図２に示す通り、弁口径Ｄ１、案内部材６０にガイドされる弁棒５０の外径Ｄ２、弁棒先端案内部５４の外径Ｄ３は、
Ｄ１＝Ｄ２＝Ｄ３
の関係に設定してある。
第１通路１１側へ供給される高圧冷媒（ＰＨ）は、弁部５２と弁座部２３の弁開口２２で絞り減圧（ＰＬ）された後、弁棒５０の小径部５６と弁開口２２の間に作用するとともにバイパス通路１８を通って弁棒５０の上部の室Ｈ１に送られ、また副本体２０のバイパス通路２５、室Ｈ２を通って弁棒の先端案内部５４が位置する室Ｈ３にも送られる。
【００１８】
これらの冷媒圧力の弁棒５０各部に対する作用について、模式的に示す図６を参照しつつ説明する。図６（ａ）は正流れ（冷房運転）の状態、図６（ｂ）は逆流れ（暖房運転）の状態である。
図６（ａ）の正流れにおいて、弁棒５０には第１通路１１内の高圧冷媒ＰＨが作用するフランジ部５２ｃが形成してあるので、通路１４に圧力ＰＨの冷媒が導入されると弁棒５０のフランジ部５２ｃの丸で囲んだ１で示す部分の上下に圧力ＰＨが作用し、弁棒５０に作用する力は相殺される。
（πＤ４２／４−πＤ１２／４）×ＰＨ＝（πＤ４２／４―πＤ１２／４）×ＰＨ
ここに、Ｄ４はフランジ部５２ｃの外径寸法である。
また、弁部５２と弁開口２２による絞り部を通過し減圧した圧力ＰＬは、丸で囲んだ２で示す部分に作用する。丸で囲んだ２で示す部分において、上方向に作用する力は
（πＤ１２／４―πＤ５２／４）×ＰＬ
である。
下方向に作用する力は
（πＤ３２／４―πＤ５２／４）×ＰＬ
である。ここに、Ｄ１＝Ｄ３であるから、丸で囲んだ２で示す部分に作用する力も相殺される。
さらに、第２通路１２側ではバイパス通路１８とバイパス通路２５（図１参照）を介して弁棒５０の上部の室Ｈ１と弁棒案内部５４の室Ｈ３に連通している。そのため、室Ｈ１と室Ｈ３にも第２通路１２側の低圧ＰＬの冷媒が作用する。したがって、弁棒５０の上下端の丸で囲んだ３で示す部分においては、弁上部には下方向に、
（πＤ２２／４）×ＰＨ
の力が作用し、
弁下部には上方向に、
（πＤ３２／４）×ＰＨ
の力が作用する。ここにＤ２＝Ｄ３であるから、丸で囲んだ３で示す部分に作用する力も相殺される。
すなわち、弁棒５０の周りに作用する冷媒圧力による荷重が全て相殺されるのである。したがって、弁棒５０は、冷媒圧力の影響を受けることなく電磁コイル２００により発生される吸引力とバネ７２のバランスによって制御されるので、電磁コイル２００への印加電流を可変することによって正確な流量制御を行うことができる。
【００１９】
この正流れの冷凍サイクルにおいては、前述したように、弁棒５０に作用する冷媒圧力による荷重はキャンセルされるので、弁開度は、電磁コイル２００に与える電流値を適切に制御することにより、正確に制御することができる。
【００２０】
図６（ｂ）は、通路１２側へ蒸発器を通った高圧冷媒ＰＨが流入する、いわゆる逆流れのサイクルを示す。このサイクルにあっては高温高圧の冷媒が蒸発器（熱交換器）を通る暖房運転が行われる。
丸で囲んだ２で示す部分においては上方向に
（πＤ１２／４―πＤ５２／４）×ＰＨ
の力が作用し、
下方向には
（πＤ３２／４―πＤ５２／４）×ＰＨ
の力が作用する。
ここでＤ１＝Ｄ３であるから、丸で囲んだ２で示す部分に作用する力は相殺される。
さらに、通路１２側ではバイパス通路を介して弁棒５０の上部の室Ｈ１と弁棒案内部５４の下部の室Ｈ２に連通している。そのため室Ｈ１と室Ｈ２には通路１２側の高圧ＰＨの冷媒が作用する。
弁棒５０の上下端である丸で囲んだ３で示す部分においては、弁上部には下方向に、
（πＤ２２／４）×ＰＨ
の力が作用し、
弁下部には上方向に、
（πＤ３２／４）×ＰＨ
の力が作用する。ここでＤ２＝Ｄ３であるから、丸で囲んだ３で示す部分に作用する力も相殺される。
弁部５２と弁座４２で形成される絞り部を通過し減圧した圧力ＰＬは、弁棒５０のフランジ部５２ｃの丸で囲んだ１で示す部分の上下に作用し、この力は相殺される。
（πＤ４２／４―πＤ１２／４）×ＰＬ＝（πＤ４２／４―πＤ１２／４）×ＰＬ
この逆流れにおいても弁棒５０に作用する圧力による荷重は全てバランスするので、電磁コイル２００に流す電流値を制御することで圧力の影響を受けることなく、正確な流量制御を行うことができる。
本発明の電磁式膨張弁は、このように正逆流れどちらでも正確な制御が可能なヒートポンプ式空調システムを提供することができる。
【００２１】
なお、上記実施例では、弁棒５０に作用する流体圧力による荷重をほぼ完全にキャンセルするようにした例について説明したが、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３の各寸法を適宣に選択することによって、意図的に弁棒５０に開方向または閉方向の力を付与するようにすることもでき、弁の働きを使用目的または制御目的に応じて適宜にチューニングすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の電磁式膨張弁の中央縦断面図。
【図２】本発明の電磁式膨張弁の要部拡大図。
【図３】本発明の電磁式膨張弁における弁部の構造と作用を示す説明図。
【図４】本発明の電磁式膨張弁の弁リフトと開口面積の関係を示す説明図。
【図５】本発明の電磁式膨張弁の制御電流と開口面積の関係を示す説明図。
【図６】本発明の電磁式膨張弁における圧力バランスの作用を模式的に示す説明図。
【図７】従来の弁部の説明図。
【符号の説明】
【００２３】
１  電磁式膨張弁
１０  弁本体
１１  第１通路
１２  第２通路
１８  バイパス通路
２０  副本体
２１  弁室
２２  弁開口
２３  弁座部
２４  室
２５  バイパス通路
３０  オリフィス部材
４０  ガイド部材
５０  弁棒
５２  弁部
５２ａ  第１テーパー部
５２ｂ  平坦部
５２ｃ  フランジ部
６０  スリーブ
７０  バネ受け部材
８０  ねじ部材
９０  蓋部材
１００  ハウジング
１１０  キャン
１２０  吸引子
１３０  プッシュロッド
１４０，１４２  スリーブ
１５０  プランジャ
２００  電磁コイル
【図１】
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【図２】
2006266634.tif 000004
【図３】
2006266634.tif 000005
【図４】
2006266634.tif 000006
【図５】
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【図６】
2006266634.tif 000008
【図７】
2006266634.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成17年3月28日(2005.3.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2006266634.tif 000010
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2006266634.tif 000011