(57)【要約】【課題】  冷媒の流動制御に好適で、冷媒流動音を低減させ、異物詰まりに対する耐力がある膨張弁が設置された冷凍サイクル装置を得る。【解決手段】  膨張弁１の膨張弁本体部３内部には、側面に形成された流体の流入口３２および底面に形成された弁座６を具備する弁室５が形成され、弁室５の天面を貫通して弁座６に向かって進退自在なニードル２が設置されている。ニードル２の先端には流出方向に向かって除々に径小になるニードル先端部４が形成され、弁座６には流出方向に向かって除々に径小になるオリフィス入口部７と、略筒状のオリフィス中央部８と、流出方向に向かって除々に径大になるオリフィス出口部９とが形成されている。よって、ニードル先端部４とオリフィス入口部７とによって流出方向に向かって除々に狭くなる隙間流路４７が形成され、オリフィス中央部８の開始位置において冷媒流れの剥離が小さくなり、騒音が小さくなる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、該凝縮器によって凝縮された冷媒を膨張する膨張弁と、該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発する蒸発器と、前記圧縮機と凝縮器と膨張弁と蒸発器とを順次接続する配管と、を有する冷凍サイクル装置であって、
前記膨張弁が、側面に形成された流体の流入口および底面に形成された流体の流出口を具備する弁室と、該弁室の天面を貫通して前記流出口に向かって進退自在なニードルとを有し、前記流出口に流出方向に向かって除々に径小になるオリフィス入口部と、該オリフィス入口部の流出側に略筒状のオリフィス中央部とが形成され、前記ニードルの先端に流出方向に向かって除々に径小になるニードル先端部が形成され、前記オリフィス入口部と前記ニードル先端部とによって、流出方向に向かって除々に狭くなる隙間流路が形成されることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、該凝縮器によって凝縮された冷媒を膨張する膨張弁と、該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発する蒸発器と、前記圧縮機と凝縮器と膨張弁と蒸発器とを順次接続する配管と、を有する冷凍サイクル装置であって、
前記膨張弁が、側面に形成された流体の流入口および底面に形成された流体の流出口を具備する弁室と、該弁室の天面を貫通して前記流出口に向かって進退自在なニードルとを有し、前記流出口に、流出方向に向かって除々に径小になるオリフィス入口部と、該オリフィス入口部の流出側に略筒状のオリフィス中央部と、該オリフィス中央部の流出側に流出方向に向かって除々に径大になるオリフィス出口部とが形成され、前記ニードルの先端に流出方向に向かって除々に径小になるニードル先端部が形成され、前記オリフィス入口部と前記ニードル先端部とによって、流出方向に向かって除々に狭くなる隙間流路が形成されることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記膨張弁のオリフィス入口部の内面と前記ニードル先端部の外面とのなす角度が６０°以下であることを特徴とする請求項１または２記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記膨張弁のオリフィス出口部のテーパ角が６０°以下であることを特徴とする請求項２または３記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記膨張弁のオリフィス入口部の長さが前記オリフィス中央部の直径の５倍以上であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記膨張弁のオリフィス出口部の長さが前記オリフィス中央部の直径の５倍以上であることを特徴とする請求項２乃至５の何れかに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記膨張弁に、前記ニードルを進退して前記ニードル先端部を前記オリフィス入口部に浸入させるニードル進退手段が設置され、
冷却負荷にあわせて前記圧縮機の回転数および前記ニードルの進退量をそれぞれ制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の冷凍サイクル装置、特に冷媒流動音の低減に好適な膨張弁が設置された冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の空気調和装置の冷凍サイクル装置において、空調負荷の変動に対応するためにインバーターなどの容量可変型圧縮機が用いられている。そして、空調負荷の大小に応じて圧縮機の回転周波数が制御され、圧縮機の回転数に合わせ、蒸発器や凝縮器を有効に利用するために膨張弁の絞り量が調整されている。このとき、膨張弁に流入する冷媒は、蒸気単相、液単相あるいは気液二相の場合があり、それぞれの場合において、膨張弁で騒音が発生する問題があった。特に、気液二相で通過する場合は騒音の周波数が変動するため、耳障りであった。
【０００３】
また、膨張弁で発生する冷媒流動音を少なくするため、冷凍サイクル装置の膨張弁制御として、蒸発器出口の過熱度制御や、凝縮器出口の過冷却度制御、圧縮機吸入部の過熱度制御、および圧縮機吐出部の過熱度制御を行っている。しかしながら、冷凍サイクル装置の起動時や、空調負荷変動に応じた圧縮機の容量制御時に、膨張弁部を気液二相冷媒が流れるため、冷媒流動音が発生する場合がある。このような場合、前記膨張弁制御が出来なくなる場合があった。
【０００４】
かかる騒音を防止するため、たとえば、膨張弁の弁室の入口（流入管の終端部）および出口（流出管の始端部）にそれぞれ多孔体を設置する発明が開示されている。すなわち、膨張弁に流入する冷媒の流動状態が、気泡魂を伴う流れであるため、冷媒が前記多孔体を通過する際に、気相、液相がそれぞれ混ざり合った流動状態に移行され、絞り部における冷媒圧力脈動が連続的になるため、冷媒音及び、配管振動が低減するとしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
さらに、たとえば、流入管の膨張弁に近い所定範囲および流出管の膨張弁に近い所定範囲に、それぞれ細径管を複数本束ねたハニカムパイプと円筒管とを交互に配置する発明が開示されている。すなわち、ハニカムパイプと円筒管とによって消音器が形成され、冷媒は消音器を通過する過程において、均質化と膨張を繰り返し、減圧時の発生騒音および圧力脈動の伝達が抑制されるとしている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１４６０３２（第３−４頁、図１）
【特許文献２】特開平１１−３２５６５５（第４−６頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記特許文献１または２に開示された発明では、冷凍サイクル装置内で異物が多孔体またはハニカムパイプに補足されるため、異物詰まりを起こすおそれがあり、冷媒の流動不能によって本来の冷房性能や暖房性能を実現することができなくなるという問題があった。
【０００８】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、冷媒の流動制御に好適で、冷媒流動音を低減させ、冷凍サイクル装置内の異物詰まりに対する耐力がある膨張弁を有する冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、該凝縮器によって凝縮された冷媒を膨張する膨張弁と、該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発する蒸発器と、前記圧縮機と凝縮器と膨張弁と蒸発器とを順次接続する配管と、を有するものであって、
前記膨張弁が、側面に形成された流体の流入口および底面に形成された流体の流出口を具備する弁室と、該弁室の天面を貫通して前記流出口に向かって進退自在なニードルとを有し、前記流出口に流出方向に向かって除々に径小になるオリフィス入口部と、該オリフィス入口部の流出側に略筒状のオリフィス中央部とが形成され、前記ニードルの先端に流出方向に向かって除々に径小になるニードル先端部が形成され、前記オリフィス入口部と前記ニードル先端部とによって、流出方向に向かって除々に狭くなる隙間流路が形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明によれば、膨張弁にニードル先端部とオリフィス入口部とによって流出方向に向かって除々に狭くなる「テーパー状の隙間流路」が形成されるため、冷媒流動音の発生を防止して騒音を低減できると共に、かかる減圧弁が設置された冷凍サイクル装置内に異物がある場合であっても、異物詰まりのおそれがなく、本来の冷房性能や暖房性能を実現することができるという効果が得られる。また、流路中にハニカムパイプなどの多孔体を設ける必要がないため、製造コストや保全コストが安価になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
［実施形態１］    
（電気式膨張弁）
図１および図２は本発明の実施形態１に係る冷凍サイクル装置に設置される膨張弁の一例を示す構成図および断面構成図である。図１および図２において、電気式膨張弁１（以下「膨張弁１」と称す）はニードル２と膨張弁本体３とから構成され、膨張弁本体３の内部に弁室５が形成されている。
【００１２】
（ニードル）
膨張弁本体３の天面（弁室５の天面に同じ）にはニードル貫通穴３１が形成され、ニードル貫通穴３１にはニードル２が液密的に摺動自在に挿入されている。また、膨張弁本体３の上部にはステッピングモーター１０が設置され、ステッピングモーター１０の回転角度は、図示しない回転／並進変換機構によって並進距離に変換され、ニードル２の昇降動作に供される。なお、ニードル２の先端は径小になってニードル先端部４（図中、Ａ−Ｂ−Ｃの範囲に同じ）が形成されている。なお、ニードル先端部４の形状は限定するものではなく、たとえば、直線的なテーパーである一段テーパや、多段階に角度が変化する多段テーパーでもって構成してもよい。
【００１３】
（弁座）
弁室５の底面には流出口を構成する弁座６が形成されている。弁座６は、流出方向（図中、下方向）に向かって除々に径小になるオリフィス入口部７（図中、Ｄ−Ｅの範囲に同じ）と、オリフィス入口部７の流出側に略筒状のオリフィス中央部８（図中、Ｅ−Ｆの範囲に同じ）と、オリフィス中央部８の流出側に流出方向に向かって除々に径大になるオリフィス出口部９（図中、Ｆ−Ｇの範囲に同じ）とから構成されている。
このとき、オリフィス入口部７の長さ（開始位置Ｄと終了位置Ｅとの上下方向距離に同じ）およびオリフィス出口部９の長さ（開始位置Ｆと終了位置Ｇとの上下方向距離に同じ）は、いずれもオリフィス入口部７の直径の５倍にしている。なお、オリフィス入口部７およびオリフィス出口部９の形状は限定するものではなく、たとえば、直線的なテーパーである一段テーパや、多段階に角度が変化する多段テーパーでもって構成してもよい。
【００１４】
（隙間流路）
ニードル２のニードル先端部４はオリフィス入口部７に浸入して隙間流路４７を形成している。このとき、ニードル先端部４とオリフィス入口部７となす角度αは６０°としている。すなわち、ニードル２を形成している最終端部位置Ａ（ニードル２の平行部の終端で、ニードル先端部４との交点に相当する）とニードル先端部４の先端位置Ｃとを結ぶ線と、オリフィス入口部７の開始位置Ｄとオリフィス入口部７の終了位置Ｅ（オリフィス中央部８の開始位置に同じ）とを結ぶ線とがなす角度が６０°である。
また、オリフィス出口部９はテーパ状であって、テーパの角度βは６０°である。すなわち、オリフィス出口部９の開始位置Ｆと終了位置Ｇとを結ぶ線と、これと対角位置にある開始位置Ｆと終了位置Ｇとを結ぶ線とがなす角度が６０°である。
【００１５】
（流入管、流出管）
膨張弁本体３の側面（弁室５の側面に同じ）には冷媒の流入口３２が形成され、流入口３２には水平に接続配管２０（以下「流入管２０」と称す）が設置されている。
膨張弁本体３の底面（弁室５の底面に同じ）にはオリフィス出口部９を包囲するように、流出管設置溝３３が形成され、流出管設置溝３３に垂直に接続配管３０（以下「流出管３０」と称す）が設置されている。
なお、流入管２０および流出管３０は、銅製の配管であり、黄銅製の膨張弁本体３に溶接されているが、かかる部材を形成する材質は限定するものではない。
したがって、冷媒（図示しない）は、流入管２０を経由して弁室５に流入し、ニードル先端部４とオリフィス入口部７とによって形成された隙間流路４７と、筒状のオリフィス中央部８と、テーパ状のオリフィス出口部９とを通過して、流出管３０内に流出される。
【００１６】
（冷凍サイクル装置）
図３は、本発明の実施形態１に係る冷凍サイクル装置の一例を示す冷媒回路図である。図３において、冷凍サイクル装置１００は、圧縮機２１と、凝縮器２２と、絞り機構である膨張弁１と、蒸発器２３と、これらは順次接続する配管２４と、配管２５（流入管２０に相当する）と、配管２６（流出管３０に相当する）と、配管２７とから構成されている。冷媒の質量流量は２０Ｋｇ／ｈから２００Ｋｇ／ｈ程度である。
【００１７】
図４は、図３に示す冷凍サイクル装置のＰ−ｈ線図の概念図である。図４中の位置「イ、ロ、ハ、ニ」は、それぞれ図３に示す冷凍サイクル装置の位置「イ、ロ、ハ、ニ」に対応している。
すなわち、膨張弁１において冷媒は等エンタルピ的（アイソエントロピック）に減圧されている。なお、冷媒はＲ４１０Ａを用い、冷凍機油は冷媒が溶け難いものを用いている。
【００１８】
（冷媒の流れ）
図５は、本発明の実施形態１に係る冷凍サイクル装置に設置される膨張弁に流入する冷媒の状態を説明する部分模式図であって、（ａ）は本発明、（ｂ）は比較のための従来の膨張弁である。
図５の（ａ）において、通常冷房運転は、絞り装置である膨張弁１のステッピングモーター１０を駆動することにより、ニードル２のニードル先端部４がオリフィス入口部７に挿入され隙間流路４７が形成される。すなわち、ステッピングモーター１０を制御することにより、隙間面積が調整され、冷媒の流量が調整される。
たとえば、所定形状のニードル先端部４とオリフィス入口部７との構成において、ここを通過する冷媒の質量速度は４００Ｋｇ／ｍ2ｓから１００００Ｋｇ／ｍ3ｓとなるように隙間面積が調整される。
【００１９】
この時、圧縮機２１は空調負荷に応じた回転数で運転され、圧縮機２１において高温高圧の蒸気冷媒になった冷媒（状態ロに同じ）は、凝縮器２２（室外熱交換器に同じ）において凝縮液化され（状態ハに同じ）、さらに、膨張弁１において減圧されて低圧二相冷媒（状態ニに同じ）となる。そして、該低圧二相冷媒は蒸発器２３に流入して蒸発気化し（状態イに同じ）、圧縮機２１に戻って再度蒸気冷媒になる。
この際、膨張弁１２は空調負荷にあわせ凝縮器２２の出口状態を一定の状態、例えば過冷却度５°になるようにオリフィス入口部７とニードル先端部４との位置関係を決定するように制御されている。したがって、空調負荷が急下に変動して、膨張弁１の入口の冷媒状態が気液二相状態に移行した場合でも、前記制御を継続したままで、冷媒流動音の発生を抑制することができる（これについては以下別途、詳細に説明する）。
【００２０】
よって、常に冷凍サイクル装置を高効率の状態で運転できることができることになる。すなわち、従来の膨張弁を用いたのでは、過度運転時などに膨張弁の入口において冷媒状態が不安定になるため、一定時間、開度全開制御などを余儀なくされ、常に冷凍サイクル装置を高い効率で運転することができなかったのに対し、本発明では冷凍サイクル装置を常に高効率に制御することができる。
なお、膨張弁１の制御は、凝縮器２２の出口状態（状態ハに相当する）を調整することに限るものでなく、蒸発器２３の出口の冷媒状態（状態イに相当する）や圧縮機２１の吸入の冷媒状態（状態イに同じ）および圧縮機２１の吐出の冷媒状態（状態ロに同じ）で決定しても同様の効果を得ることが出来る。
【００２１】
図５の（ａ）において、気液二相冷媒は水平設置された流入管２０から弁室５流れ込む。そこで、ニードル先端部４とオリフィス入口部７で構成される隙間流路４７に流入し、減圧しながら蒸気スラグを細分化し、液冷媒と蒸気冷媒とが混合された状態になる。そして、該混合状態の冷媒は従来よりもスムーズな流れになって、オリフィス中央部８（最小隙間部に同じ）で構成される主絞り部に流入するため、オリフィス中央部８における剥離流れを抑制する効果がある。したがって、不連続な圧力変動が発生せず、騒音が低下することになる。
すなわち、オリフィス中央部８の開始位置Ｅでの流れの剥離が発生しにくくなっている。騒音はこの剥離流れの発達と消滅の変動による騒音と剥離流れそのものが騒音の原因となっていると考えられるため、騒音低減対策として可能限り剥離を抑えることが好ましく、本発明はこの剥離を抑えている。
さらに、オリフィス出口部９では、オリフィス中央部８で構成される絞り部から流出する気液二相噴流を、流出側に拡大したテーパーにより整流することによって、噴流による圧力変動が低減でき、騒音を削減できるものである。
【００２２】
図５の（ｂ）において、従来、膨張弁には凝縮器で凝縮した冷媒が流れ込むが、冷媒の状態は使用環境条件や起動時などにより変動し、気液二相状態や液単相状態で流れ込むため、膨張弁において騒音が発生することは知られ知られていた。特にスラグ流やプラグ流などのように、気液二相が断続した流動状態の気液二相冷媒で流れ込む場合には、膨張弁で不連続な騒音が発生する。
すなわち、従来のオリフィスでは、弁室５０の底面が弁座６０を形成しているため、弁座６０の内周縁Ｊ（開始位置に同じ）とニードル４０とによって隙間流路４６０が形成される。したがって、オリフィス入口では開始位置Ｊで流れの剥離が発生し、この剥離流れの発達と消滅との変動が、また、剥離流れそのものが、騒音の原因となっていると考えられる。このとき、剥離流れが発生した弁座６０（絞り部、Ｊ−Ｋに同じ）では液冷媒が発泡を開始する部分(発泡点)が変動する。剥離流れ内部ではオリフィス入口部分（開始位置Ｊの近く）で渦が発生し、時間と共にこの渦が発達する。発達した渦は入口部分に止まることが出来なくなり、下流のほうに流されエネルギーが放出される。一連の渦の挙動により、発泡点が変動するため、冷媒の通過流速も変動する。その結果、圧力変動が生じ騒音が発生する。
【００２３】
（オリフィス形状）
図６および図７は、本発明の実施形態１に係る冷凍サイクル装置に設置される膨張弁の形状と騒音レベルとの関係を示す測定結果である。
図６において、ニードル先端部４とオリフィス入口部７とのなす角度αを便宜上「テーパー角度」と称し、該テーパー角度と騒音レベル差との関係を、テーパー角度３０°の騒音レベルを０として規格化して示している。この騒音レベルは膨張弁１のオリフィス入口部７にテーパーを設け、気液二相流体を流して騒音を測定した結果である。テーパー角度６０°以下で騒音レベルが小さくなることがわかる。
【００２４】
図７において、オリフィス中央部８の内径ｄで規格化したオリフィス入口部７の長さと膨張弁１の騒音レベル差の関係を示す。オリフィス入口部７の長さとはオリフィス入口部７の開始位置Ｄと終了位置Ｅとの垂直方向（図中、上下方向に同じ）の距離で定義する。騒音レベル差はオリフィス入口部７の長さ５ｄの騒音レベルを０とし、各長さに対して騒音レベルを示したものである。オリフィス入口部７の長さ５ｄで騒音レベルが最も低くなっている。
【００２５】
（その他の実施形態）
以上は、冷媒が、流入管２０を経由して弁室５に流入し、ニードル先端部４とオリフィス入口部７とによって形成された隙間流路４７と、オリフィス中央部８と、テーパ状のオリフィス出口部９とを通過して、流出管３０内に流出されるものを示しているが、本発明はこれに限定するものはなく、冷媒がこれと反対に流れるものであってもよい。
すなわち、膨張弁１の底面から冷媒が弁室５に流入し、側面から流出する場合や、四方弁によって冷房運転と暖房運転とが切り替わる冷凍サイクル装置において、スラグ流やプラグ流のような断続した気液二相冷媒がオリフィス出口部９に流入した場合も同様に、オリフィス出口部９の出口側テーパーにより、蒸気冷媒は細分化され液冷媒と混合されると同時に整流化される。そして、オリフィス中央部８を経由して、オリフィス入口部７へ流入するため圧力変動が抑制され騒音が低減される効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態１に係る冷凍サイクル装置に設置される膨張弁の一例を示す構成図。
【図２】本発明の実施形態１に係る冷凍サイクル装置に設置される膨張弁の一例を示す断面構成図。
【図３】本発明の実施形態１に係る冷凍サイクル装置の一例を示す冷媒回路図。
【図４】図３に示す冷凍サイクル装置のＰ−ｈ線図の概念図。
【図５】図２に示す膨張弁に流入する冷媒の状態を説明する部分模式図。
【図６】図２に示す膨張弁の形状と騒音レベルとの関係を示す測定結果。
【図７】図２に示す膨張弁の形状と騒音レベルとの関係を示す測定結果。
【符号の説明】
【００２７】
１：電気式膨張弁、２：ニードル、３：膨張弁本体、４：ニードル先端部、５：弁室、６：弁座、７：オリフィス入口部、８：オリフィス中央部、９：オリフィス出口部、１０：ステッピングモーター、２０：流入管、２１：圧縮機、２２：凝縮器（室外熱交換器）、２３：蒸発器、２４：配管、２５：配管、２６：配管、２７：配管、３０：流出管、３１：ニードル貫通穴、３２：流入口、３３：流出管設置溝、４７：隙間流路、α：ニードル先端部とオリフィス入口部角とのなす角度、β：オリフィス出口部のテーパー角度、Ａ：最終端部位置（ニードル）、Ｃ：先端位置（ニードル）、Ｄ：開始位置（オリフィス入口部）、Ｅ：終了位置（オリフィス入口部）、Ｆ：開始位置（オリフィス出口部）、Ｇ：終了位置（オリフィス出口部）、ｄ：内径（オリフィス中央部）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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