(57)【要約】      （修正有）【課題】冷凍サイクルの断続運転時にエネルギーロスが発生していた。その原因の1つに、圧縮機停止時、高圧液冷媒と低圧冷媒が混合し、圧縮機起動と共に再び高圧液冷媒と低圧冷媒に分離しなければならなかった。このエネルギーロスの発生を無くす高速遮断型電子衛ニアー膨張弁を提供する。【解決手段】高速遮断型電子リニアー膨張弁１はギヤ式電動弁機械要素によるロータリニードル弁８と、低入力位置決め動作電機入力手段と、高速遮断型電磁駆動要素の高速遮断弁１４と、の2段閉止要素から構成されており、低入力かつ液封防止かつ速暖性を制御する手段を備えたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍サイクル用膨張弁において、ギヤ式電動駆動方式と電磁直動駆動全閉方式の２重閉止機能を有する電子膨張弁であり、高圧と低圧間を0.1秒以内の高速で遮断できることを特徴とする。
【請求項２】
前記膨張弁において、流量制御状態モードは高速遮断弁は非通電で開状態を保ち、電動ロータリニードル弁は適切な開度を保ち、一段（高速遮断弁）全閉状態モードは固定磁化通電状態で二段弁座の高速遮断弁が全閉状態にあり、電動ロータリーニードル弁は位置決め決定後の非通電固定開度状態であり、一段（電動ロータリニードル弁）全閉状態モードは電動ロータリーニードル弁側が全閉締め切り状態の位置決め状態で非通電であり、高速遮断弁側コイルは非通電で弁開じょうたいであり、二重全閉状態モードは両弁とも閉止状態にあることを特徴とする。
【請求項３】
上記1、2項記載の膨張弁においてコイルは低電気入力の回転磁界型ロータリーマグネット駆動部分と固定磁界コイルによる高電気入力のプランジャー直動駆動のコイルを同時構成または別構成して成るコイルとその制御を特徴とする。
【請求項４】
上記1,2,3に記載の膨張弁において、ロータリーニードル弁の内部を同軸中心部分に高速遮断ニードルを貫通させたことを特徴とする。
【請求項５】
上記記載の膨張弁の1,2,3,4に関わり、運転モードが冷房サーモオフ時には制御目的が高低圧冷媒混合防止と蒸発熱交換器表面の除湿水の再蒸発防止にあり、膨張弁の操作手順は一段（高速遮断弁）全閉でありかつ次の圧縮機起動に向けたロータリー電動弁は運転時の開度保持で入力0とし、冷房電源OFFモード時は、制御目的が待機電力0と液封防止にあり、高速遮断弁全開のまま入力0でありかつロータリー電動弁は運転時の開度保持のまま入力0とする。
【請求項６】
上記膨張弁の請求項1,2,3,4,5に係り、運転モードが暖房時のサーモオフ時には制御目的が高低圧冷媒混合ロス防止と高速暖房起ち上げにあり、一段（高速遮断弁）全閉、圧縮起動に向けてロータリー電動弁は停止寸前の開度の2倍開度に開いておく。その位置決めが決まった後は入力0。運転モードが暖房時の電源オフ時には、制御目的が待機電力減と低外気温度下の圧縮機への液冷媒寝こみ防止にあるため、一段（高速遮断弁）全閉→二段全閉→一段（ロータリー電動弁）全閉にし両弁ともに入力0とする。ことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒制御用電子膨張弁に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の冷媒制御用電子膨張弁には、電動弁などのギヤ方式と電磁弁などの直動式駆動方式がある。電動弁ギヤ方式は、例えば特許文献1や特許文献2に記載の膨張弁では、コイルに通電しロータと雄ネジとニードルを回転させて、ニードルの上下運動により弁座上部の開口端面積を可変して、冷媒通過開口面積を可変して、流量を制御するものであった。一方電磁弁などの直動式駆動方式を取る膨張弁には、特許文献3に記載の膨張弁では、コイル部に通電する時間比率ヂューテイー比を変えることによって、冷媒循環量の制御を行っていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2009−264530号公報
【特許文献２】特開2013−160331号公報
【特許文献３】特許出願公告  平3−40309
【特許文献４】特開2012−42081号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】冷凍サイクルの動特性と制御、日本冷凍空調学会編、平成21年、pp３４
【非特許文献２】改定３版  冷凍用自動制御機器、日本冷凍空調学会編、平成25年、pp34
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の冷凍サイクル機器である空調機や冷凍機では、固定周波数運転機はもちろんインバータ圧縮機搭載機でも部分負荷運転時には、冷凍サイクルのON/OFF発停が伴う。ON/OFFの断続運転によりエネルギーロスが発生し、運転効率（APF)が悪化するという課題があった。このON/OFF断続運転時のエネルギーロスの原因は、OFF時に高圧の液冷媒が膨張弁を通過して低圧・低温の二相冷媒と混合して平均的な均一冷媒にエントロピー上昇することにあり、再起動のONと共に、この均一な冷媒を再び高圧液冷媒と低圧低温の二相冷媒に分離しなければならない。この分離仕事がエネルギーロスとなっている。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、圧縮機がOFF(停止）と同時に、膨張弁を高速遮断全閉にして、高圧液冷媒が低圧二相冷媒の存在する蒸発器に流入することを、防止させる。更に膨張弁駆動入力が小さく省エネルギー性に優れた、安価で、信頼性のある高速遮断型電子リニアー膨張弁を提供することを目的としている。
【０００７】
特許文献1に記載のギヤ式電動弁において、冷媒流量制御中の状態から、圧縮機停止と同時に電動弁全閉状態までネジ部を回転して弁座を全閉状態にするまでに数十秒かかり、高圧液冷媒はほとんど低圧の蒸発器に流出してします。特許文献2に記載の全閉方式にしても、同じくギヤ式電動弁によるものであり、ニードルの弁座への食い込みは防止できても高速遮断はできないので、これも全閉までに数十秒かかる。
【０００８】
一方、特許文献3に示す電磁駆動式膨張弁は高速で高圧と低圧間を遮断できるが、通常の冷媒制御時は常時電磁コイルに電流を流し続けなければならない。上記ギヤ式電動弁が位置決めさえすれば電気入力が0であうのとは異なる。省エネという観点からは電磁駆動式はギヤ型駆動式に劣る。
【０００９】
そこで、電磁弁一体型膨張弁が特許文献4にある。これは車のフロントサイドの冷房とリアサイドの冷房において、リアサイドの冷房をON/OFFする為の膨張弁であり、蒸発器の出口冷媒の過熱度を検知する温度式自動膨張弁との合体した膨張弁であり、電磁弁に通電中は電磁弁が開状態であり、非通電中は閉状態である。つまり、リアサイドの冷房を使用中は電磁弁にづっと通電が必要であり、省エネルギーとは言えない。さらに1台冷房か2台冷房かによる、運転を想定しかつ蒸発器の過熱度による冷媒流量制御にしか適用できない。暖房用に高圧の液冷媒の過冷却度による暖房能力冷媒流量制御は考慮されていない。という欠点を有している。特に冬季の暖房運転時冷媒回路が閉回路になっており液封爆発の危険がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的の高速遮断型電子リニアー膨張弁を低電気入力で省エネで、安価で、信頼性があり、冷房にもヒートポンプ暖房にも適用可能な汎用性のあるものにするため、本発明の膨張弁は、ギヤ式電動弁機械要素の位置決め機能を有し、かつ高速遮断電磁駆動要素に分かれており、ギヤ式電動弁機械要素はロータマグネットと雄ネジ部と雌ネジ部とロータリニードル弁とからなり、高速遮断電磁駆動要素はプランジャーとスプリングと固定鉄心（キュウインシ）と高速遮断ニードルと高速遮断弁ととから成り、共通要素は第１の冷媒流路と第２の冷媒流路とコイルと二重弁座を備えたことを特徴とする。
【００１１】
さらに本発明の高速遮断電子リニアー膨張弁は、ギヤ式電動駆動要素のロータリー二―ドル弁の中を同軸で高速遮断ニードルが独立してすべりやすく貫通している。ロータリーニードル弁はロータマグネットと雄ネジ部と一体となって回転し、電磁駆動部はプランジャーと高速遮断ニードルと高速遮断弁が上下に一体となって移動することを特徴とする。さらに本発明の高速遮断型電子リニアー膨張弁は、二重弁座の頂部弁座をロータリーニードル弁が開度調整を行い、底部弁座を高速遮断弁が開閉を担う事を特徴とする。さらに本発明の高速遮断型電子リニアー膨張弁はコイルへの励磁方式が、回転磁界を生成してギヤ式電動駆動させるモードと磁界を回転させないで固定磁界で固定鉄心（キュウインシ）を磁化させて高速遮断弁を閉にするモードを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の高速遮断型電子リニアー膨張弁は、冷凍サイクル運転中はギヤ式電動式膨張弁が冷媒流量制御を受け持ち、電気入力はロータリニードル弁の位置決めにのみ必要であり、かつゆっくりと回転するためトルクが少なく省エネルギーである。かつ、本冷媒流量制御信号は冷房用に蒸発器出口冷媒の過熱度でもよいし、暖房時の凝縮器出口冷媒の過冷却度でもよいし、圧縮機出口冷媒の温度あるいは吐出冷媒の過熱度でも良い。更に部分負荷運転時のサーモOFF/ON時の圧縮機停止と同時にコイルの磁界を回転磁界から固定磁界にして固定鉄心の磁化による吸引力により高速遮断弁を一瞬にして全閉に出来て、高圧過冷却液冷媒を遮断して、低圧の蒸発器に流入することを防ぎ、ON/OFFロスを無くすことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の高速遮断型電子リニアー膨張弁の流量制御状態を示した説明図である。
【図２】本発明の高速遮断型電子リニアー膨張弁の一段（高速遮断弁）全閉状態を示した説明図である。
【図３】本発明の高速遮断型電子リニアー膨張弁の一段（ロータリ電動弁）全閉状態を示した説明図である。
【図４】本発明の高速遮断型電子リニアー膨張弁の二段全閉状態を示す説明図である。
【図５】本発明の高速遮断型電子リニアー膨張弁を含む一般的な冷媒回路図を示す説明図である。
【図６】文献5に記載の冷媒の時系列分布を示す説明図である。
【図７】本発明の高速遮断型電子リニアー膨張弁をヒートポンプに組み込んだ時の冷媒回路の説明図である。
【図８】文献6に記載のコイルへの回転磁界の説明図である。
【図９】本発明の高速遮断型電子リニアー膨張弁の運転モード一覧を示す説明図である。
【図１０】本発明の高速遮断型電子リニアー膨張弁の二重弁座とコイルの別の様態例
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施する為の最良の実施形態を説明する。
【実施例】
【００１５】
図1は、本発明の高速遮断型電子リニアー膨張弁の流量制御状態における断面図である。図2は、本発明の高速遮断型電子リニアー膨張弁の一段（高速遮断弁）全閉状態における断面図である。図3は、本発明の高速遮断型電子リニアー膨張弁の一段（ロータリー電動弁）全閉状態における断面図である。図4は、本発明の高速遮断型電子リニアー膨張弁の二段全閉状態における断面図である。本発明の高速遮断型電子リニアー膨張弁は、第1の冷媒流路2、第２の冷媒流路3、コイル4、ロータマグネット5、雄ネジ部6、雌ネジ部7、ロータリーニードル弁8、二重弁座9、固定鉄心（キューインシ）10、スプリング11、プランジャー12、高速遮断ニードル13、高速遮断弁14、シート15を有する。
【００１６】
高速遮断型電子リニアー膨張弁は、ギヤ型電動弁駆動方の機構部品と高速電磁駆動直動方式の機構部品と共用する機構部品とから構成している。
【００１７】
ギヤ型電動弁駆動方式では、コイル4に発生する回転磁界を受けて、ロータマグネット5が回転し、かつ、それに結合している雄ネジ部6が回転する。一方雌ネジ部7は高速遮断型電子リニアー膨張弁1に固定されており、雄ネジ部6は回転しながらネジ山に沿って上下する。雄ネジ部6の先端にあるロータリーニードル弁8が回転しながら上下し、二重弁座9の上部開口端の開口面積を変化させて通過冷媒流量を制御する。
【００１８】
一方、高速電磁駆動方式では、コイル4に回転しない大電気入力の固定磁場をかけることによって、固定鉄心（キューインシ）10の磁力により、プランジャー12がスプリング11の力に打ち勝って、吸引する。このプランジャー12に固定された高速遮断ニードル13は、固定鉄心10とロータリーニードル弁8の同軸中心を貫通しており、その先頭の高速遮断弁14がシート15に押接されて、二重弁座9の下部開口端を全閉する。
【００１９】
図5に一般的な冷媒回路図を示す。圧縮機20で高温高圧のガスに圧縮された冷媒は→方向に流れ、凝縮器20で高圧液に凝縮し、高速遮断型電子リニアー膨張弁に至る。本膨張弁にて低圧二相冷媒に減圧され蒸発器40で蒸発ガス化して更に圧縮機20へと循環サイクルを構成している。特に文献5に記載の圧縮機起動前から起動後安定運転時までの冷媒の分布を図6に示す。その特徴を列記する。1.起動前は、全冷媒充填量の80％が蒸発器に寝込んでいる。（ｔ＝0秒）2.起動後40秒後（0.667分後）は圧縮機に40％近くの冷媒が溶解し溜まりこんでいる。3.7分50秒後（7.833分後）は、凝縮器に約60％の冷媒が分配されている。4.安定時（20分以後）は凝縮器に55％、蒸発器に15％、圧縮機に約10％分布している。つまり、圧縮機がサーモオフ（停止する）と、凝縮器に55％あった高圧低温低エントロピーの液冷媒が、膨張弁を通過して、低圧低温の蒸発器に流入し平均的な高エントロピー冷媒になる。これを圧縮機起動時に再び高圧液冷媒と低圧冷媒に分離しなければならない。ここに圧縮機発停エネルギーロスが発生する。従って高速遮断型電子リニアー膨張弁で、圧縮機停止と同時に瞬時に（1秒以内）高圧の凝縮器と低圧の蒸発器部を遮断する必要がある。
【００２０】
次に、高速遮断型電子リニアー膨張弁1の全体の作用と運転モードについて述べる。図1の高速遮断型電子リニアー膨張弁は、図5に示す冷媒回路図の流量制御中の状態を示している。二重弁座9はロータリーニードル弁8も高速遮断弁14も開となっており、特にロータリーニードル弁8は流量制御中の適正な開度（開口面積）になっており高速遮断弁14は全開となっている。コイル4には回転磁界を発生させて、ローターマグネット5、及びそれと同体の雄ネジ部は回転し、ロータリニードル弁8は上下しつつ、適正な弁開度に制御されている。このギヤ式電動弁駆動方式は、駆動トルクが小さくかつ位置決めが終われば非通電でもロータリーニードル弁の位置が固定するので小電気入力であり省エネルギーである。一方、本モード中は、小電気入力の為電磁駆動力不足となり、固定鉄心（キューインシ）10の電磁力が弱く、プランジャー12（高速遮断弁、高速遮断ニードルと一体化して）は、スプリング11により、開方向に（上に向けて）押接されている。
【００２１】
次に図2に基づいて一段（高速遮断弁）全閉状態の説明をする。まづ冷凍サイクルを通常の運転状態である図1の流量制御状態から、圧縮機停止と同時にコイル5の回転磁界から固定磁界にし、コイルへの電気入力をアップする。それに伴いロータマグネットは停止し、それに伴ってギヤ型電動駆動部はすべて動きを停止する。一方電磁機構駆動部の固定鉄心は磁化されキューインシの力によってプランジャーが下に向けて吸引されて、二重弁座の下部開口端が全閉になる。この場合、高速遮断弁の全閉時は、固定磁界への通電となっている。この電気入力を減らすためには、更に回転磁界通電にして、ギヤ式電動駆動方式にして、ギヤ式電動方式の全閉も実施し、図4の二段全閉状態にする。その後、コイルへの通電を0にすれば図3の一段（ロータリ電動弁）全閉状態の位置決めによりコイルへの入力0が実現できる。なお回転磁界の発生は参考文献6によれば良いので図8に示す。
【００２２】
次に、図7に示す第２の実施例について述べる。なお同一番号は同一名を示す。図7は冷房と暖房回路を表す。一般的なヒートポンプエアコンの概略図である。図中50は四方切換え弁であり、室内熱交換器41と室外熱交換器31とでサイクルを構成している。実線の矢印は暖房運転時の冷媒の流れであり、破線の矢印は冷房運転時の冷媒の流れでもあり、リバースデフロスト運転時の冷媒の流れでもある。ここで、ここで、高速遮断型電子リニアー膨張弁の第一の冷媒流路2と第二の冷媒流路3が逆転している。図9に本高速遮断型電子リニアー膨張弁の運転制御モードとその制御目的に沿った操作手順を示す。1.冷房運転時のサーモOFF時つまり圧縮機が停止し室内送風機が運転中：本膨張弁の制御目的は1.1に高圧と低圧にある冷媒の混合ロスを防ぐ為に膨張弁全閉が必要であり1.2に室内側熱交換器（蒸発器）表面に溜まっている除湿水の再蒸発を防ぐ為に低圧冷媒温度を低いままに保つことである。その為に、膨張弁は一段（高速遮断弁）全閉が必要である。更にサーモオフの次のサーモオンに向けてロータリ電動弁側の開度は運転時の開度を保持して待たしておく。2.冷房運転時の電源OFF時つまり圧縮機もOFFし室内送風機もOFFの時：この場合はエアコンを使わない時だから2.1待機電力を0とし2.2液封防止（液冷媒を小さい空間に閉じ込めて高温にさらされると爆発する危険がある。）の為に高圧と低圧を開放しておく。このときは膨張弁は高速遮断弁は全開のままにし電気入力は0.かつロータリー電動弁も運転時の開度のまま空けておく。3.暖房運転時のサーモOFF時（圧縮機OFFかつ室内送風機もOFF):制御目的は3.1高低圧冷媒混合ロス防止と3.2高速暖房起ち上げである。このときの膨張弁の操作は一段（高速遮断弁）全閉と更にONに向けて準備のロータリー電動弁開度は安定運転時の2倍開度に空けておく。4.暖房運転時の電源OFF時の制御目的は4.1待機電力減と4.2高温が無いため液封の心配は無いが、低外気温度の為圧縮機への液冷媒の寝込みを防止する必要がある。膨張弁の操作は一段（高速遮断弁）全閉→二段全閉→一段(ロータリー電動弁）全閉にし電気入力0にする。
【００２３】
更に同じ効果を示す他の構成例について述べる。高速遮断型電子リニアー膨張弁のコイルを一体に図示してあるが、もちろんギヤ式ロータリー電動弁駆動用のコイルと電磁高速駆動用コイルはそれぞれ別に構成してもよい。更に二重弁座を本構成とすることもなく、高速遮断弁とシートは第２の冷媒流路に設置して図10の如くしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明はルームエアコン、パッケージエアコン、カーエアコン、ビル用マルチエアコンなどの空調機や、冷蔵庫、冷凍冷蔵ショーケース等の冷凍サイクルに用いられ、発停を繰り返す機器のエネルギーロスを低減する膨張弁として適用することが出来る。また待機電力を削減でき冷媒分配を制御できる。
【符号の説明】
【００２５】
1  高速遮断型電子リニアー膨張弁
2  第一の冷媒流路
3  第二の冷媒流路
4  コイル
5  ロータマグネット
6  雄ネジ部
7  雌ネジ部
8  ロータリーニードル弁
9  二重弁座
10  固定鉄心（キューインシ）
11  スプリング
12  プランジャー
13  高速遮断ニードル
14  高速遮断弁
15  シート
20  圧縮機
30  凝縮器
31  室外熱交換器
40  蒸発器
41  室内熱交換器
50  四方切換え弁
【図７】
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【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８】
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【図９】
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【図１０】
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