专利名称：电动膨胀阀及冷冻循环系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及在热泵式冷冻循环系统的室外换热器和室内换热器之间 作为膨胀阀配设的电动膨胀阀及使用了该电动膨胀阀的冷冻循环系统。
背景技术：
一直以来，在热泵式冷冻循环系统中，在室外换热器和室内换热器之间设 有膨胀阀，在制冷模式时，用膨胀阀使来自室外换热器的冷媒膨胀后导向室内
换热器；在处于取暖模式时，用膨胀阀使来自室内换热器的冷媒膨胀后导向室 外换热器。作为这种膨胀阀，为了应对正常运转、除霜运转、除湿运转等，提 出有控制冷媒的节流量(冷媒流量)的各种方案(参照专利文献1:日本特开 2003-148643号公报、专利文献2:日本特开2003-329157号公报)。
该现有膨胀阀，在阀室内设置阀芯和固定了该阀芯的阀支架，将该阀支架 卡定在步进马达的转子轴的一端上，并在与阀室的另一个冷4某管相邻的位置上 设置与阀芯相对的阀座部件。而且，通过转动转子轴使阀芯相对阀座部件在轴 线方向(上下方向)移动，并定量增减该阀座部件的阀口的开闭以及有效开口 面积，从而控制着冷媒的流量。另外，设有将阀芯和阀架相对转子轴向阀座部 件一侧加力的压缩螺旋弹簧，由该压缩螺旋弹簧得到阀芯在落位于阀座部件时 的緩冲作用。
在上述现有膨胀阀中，由于在转子轴和阀芯之间具备緩冲用压缩螺旋弹 簧，因而存在如下问题。虽然在冷媒从阀室自阀口和阀芯之间流出(正流向) 的场合不存在问题，但在如冷媒从阀座部件一侧的冷媒管(管接头)自阀口和 阀芯的间隙流入阀室的流动(反流向)的情况下，在该冷々某的压力胜过压缩螺 旋弹簧的作用力的场合，阀芯从阀口移动而产生阀芯的不稳现象(摆动)。由 此，存在因流量变化而不能进行正常的流量控制的情况。尤其是，在作为冷媒 使用二氧化碳的超高压冷媒的冷冻循环系统中成为问题。 实用新型内容于是，本实用新型的课题是提供无论是在冷媒的正流向还是在反流向均能 正常地进行流量控制的电动膨胀阀及冷冻循环系统。
方案一的电动膨胀阀，具备阀壳体，该阀壳体形成阀室且连接与该阀室 连通的第一冷媒管和第二冷媒管；阀座，该阀座具有配设在上述阀室和上述第 二冷^f某管之间的阀口；阀芯，该阀芯配置于上述阀室内并相对上述岡口进行接 触分离从而使该阀口的开度变化；以及驱动机构，该驱动4几构通过转动与上述 阀芯连结的转子轴乂人而在上述阀口的轴方向移动该转子轴向进而电动驱动该 阀芯，对于上述第 一冷媒管的冷媒为高压且上述第二冷媒管的冷媒为低压的冷 媒的第一流向和上述第二冷媒管的冷媒为高压且上述第一冷^ 某管的冷媒为低 压的冷媒的第二流向的各个流向，由上述阀口的开度控制该冷媒的流量，其特 征是，上述阀芯由固定在上述阀壳体上的支撑部件在上述阀口的轴方向上自如
方式将该阀芯与该转子轴连结，该阀芯和该转子轴的连结部分具有在该阀芯 相对该转子轴最靠近阀口一侧的位置卡定该阀芯的第一""^定部；以及在该阀芯 相对该转子轴最远离阀口的位置卡定该阀芯的第二卡定部，在上述第一流向 时，通过由上述阀室和上述第二冷媒管的冷媒的差压将上述阀芯用上述第一卡 定部相对上述转子轴保持位置，从而使该转子轴和该阀芯一体地移动，控制该 第一流向的流量，在上述第二流向时，通过由上述第二冷i某管和上述阀室的冷 媒的差压将上述阀芯用上述第二卡定部相对上述转子轴保持位置，从而使该转 子轴和该阀芯一体地移动，控制该第二流向的流量。
方案二的电动膨胀阀，在方案一的电动膨胀阀的基础上，其特征是，上述 转子轴的上述阀座方向的移动端的位置设定成如下移动端的位置即、在上述 第一流向时，在上述阀芯与上述阀座非接触的状态下该阀芯用上述第一"^^定部 保持位置，且在上述第二流向时，该阀芯用上述第二卡定部保持位置。
方案三的电动膨胀阀，方案一的电动膨胀阀的基础上，其特征是，上述转 子轴的上述阀座方向的移动端的位置设定成如下移动端的位置即、在上述第 一流向时，在上述阀芯落位于上述阀座的状态下该阀芯不被上述第一卡定部及 上述第二卡定部卡定，且在上述第二流向时，该阀芯用上述第二卡定部保持位 置。方案四的冷冻循环系统，其特征是，在室内换热器和室外换热器之间的冷 媒的流道中设置方案一、二或三中所述的电动膨胀阀。
第五方案的冷冻循环系统，在方案四的冷冻循环系统的基础上，其特征是， 上述冷々某为二氧化爿暖。
本实用新型的效果如下
根据方案一的电动膨胀阀，由于无论是正流向还是反流向均由冷媒的差压 差来将阀芯相对转子轴保持位置，使转子轴和阀芯成为一体地移动，控制冷媒 的流量，因此不会产生因冷媒的差压引起的阀芯的不稳现象(摆动)，能够正 常地控制流量。
根据方案二的电动膨胀阀，不仅具有方案一的效果，还对冷媒的正流向及 反流向的双方均能进行使冷媒较少地流动的控制。
根据方案三的电动膨胀阀，不仅具有方案一的效果，还在反流向时能够进 行使冷々某较少地流动的控制。
根据方案四的冷冻循环系统，与第一方案相同地、对于冷々某的正流向及反 流向的双方均能进行使冷媒较少地流动的控制。
根据方案五的冷冻循环系统，利用超高压的二氧化碳的冷媒可相对转子轴 对阀芯可靠地进行位置保持，能够进一步正常地控制流量。
图1 (A)、图1 (B)分别是本实用新型实施方式的电动膨胀阀的纵向剖 视图及局部放大图。
图2是表示本实用新型实施方式的热泵式冷冻循环系统的图。
图3 (A)、图3 (B)是表示涉及使用了本实用新型实施方式的电动膨胀 阀的控制动作的第一实施例的转子轴位于最下端位置的状态的图。
图4 (A)、图4 (B)是表示第一实施例及第二实施例的转子轴从最下端 位置上升后的状态的图。
图5是表示第一实施例的脉冲数和流量的关系的图，图中，X:正流向的 阀芯和阀座的接触位置(假想位置)，Y:反流向的阀芯和阀座的接触位置(假 想位置)，Z:转子的旋转方向的原点位置(0脉冲最下端位置)。
图6 (A)、图6 (B)是表示涉及^:用了本实用新型实施方式的电动膨胀阀的控制动作的第二实施例的转子轴位于最下端位置的状态的图。
图7是表示第二实施例的脉冲数和流量的关系的图，图中，X:正流向的 阀芯和阀座的接触位置(假想位置)，Y:反流向的阀芯和阀座的接触位置，Z: 转子的旋转方向的原点位置(0脉冲最下端位置)。
图中
l-阀壳体，1A-阀室，ll-第一冷媒管，12-第二冷々某管，2-阀座， 21-阀口， 3-支撑部件，4-阀芯，42-嵌合孔， 42a-底部(第二卡定部)，43-垫圈，43a-下端面(第一^^定部)， 5-步进马达，51-转子轴，51a-凸缘部，51b-突出部(第二卡定部)， 51c-上端面(第一卡定部)，10-电动膨胀阀，20-室外换热器， 30-室内换热器，40-流道切换阀，50-压缩才几。
具体实施方式
下面，参照附图说明本实用新型的电动膨胀阀及冷冻循环系统的实施方 式。图1 (A)、图1 (B)分别是实施方式的电动膨胀阀的纵向剖视图(图1 (A))及局部放大图(图1 (B)),图2是表示使用了该膨胀阀IO的热泵式 冷冻循环系统的图。此外，在以下的说明中的"上下"的概念与附图的上下对 应。
在图2中，符号IO是本实用新型的实施方式的电动膨胀阀，20是搭载在 室外单元上的室外换热器，30是搭载在室内单元上的室内换热器，40是构成 四通阀的流道切换阀，50是压缩机。电动膨胀阀10、室外换热器20、室内换 热器30、流道切换阀40、以及压缩机50各自通过导管如图示那样地连接，构 成热泵式的冷冻循环系统。另外，蓄能器、压力传感器、温度传感器等省略图 示。
冷冻循环系统的流道由流道切换阀40双向转换为制冷运转时的流道和取 暖运转时的流道。在制冷运转时，如在图中用实线箭头所示，用压缩机50压 缩后的冷媒从流道切换阀40流入室外换热器20，该室外换热器20作为冷凝 器发挥作用，从室外换热器20流出来的冷媒液通过电动膨胀阀10流入室内换 热器30,该室内换热器30作为蒸发器发挥作用。另一方面，在进行取暖运转 时，如在图中用虛线箭头所示，用压缩机50压缩后的冷媒从流道切换阀40以室内换热器30、电动膨胀阀10、室外换热器20、流道切换阀40、以及压缩 机50的顺序循环，室内换热器30作为冷凝器发挥作用，室外换热器20作为 蒸发器发挥作用。电动膨胀阀10对在制冷运转时从室外换热器20流入的冷々某 液或者在取暖运转时从室内换热器30流入的冷媒液分别进行减压膨胀，再控 制该冷媒的流量。此外，作为本实施方式的冷冻循环系统的冷々某使用超高压二 氧化碳。
下面，基于图1 (A)、图1 (B)说明实施方式的电动膨胀阀10。电动膨 胀阀10具有圆筒形状的阀壳体1。阀壳体1具有将其一侧端部缩小管径而形 成的缩管部la,在该缩管部la内安装具有开口成圆形的阀口 21的阀座2。另 外，在阀壳体1的与缩管部la相反的一侧的开口部安装有支撑部件3。由此， 阀壳1在其内侧形成阀室1A。在阀壳体1的外周单侧连接与室外换热器20连 通的第一冷i某管11，该第一冷媒管11与阀室1A接通。另外，在缩管部la连 接与室内换热器30的第二冷媒管12,该第二冷媒管12通过阀座2的阀口 21 与阀室1A接通。此外，该第一冷媒管11、第二冷媒管12、支撑部件3通过 蜡接(蝇付^)等固定在阀壳体l上。
支撑部件3由阀支架部31和轴承部32构成，在阀支架部31的中心形成 作成与阀口 21的轴L同轴的圆柱孔的汽缸31a。而且，在该汽缸31a内嵌合 有大致圆柱状的阀芯4。由此，阀芯4通过支撑部件3相对阀壳体1在轴L方 向上可滑动地被支撑。另外，在轴承部32的中心形成有内螺紋部32a。
阀芯4在阀座2侧的下端部具有圆锥形状的针部41,且在与该针部41相 反一侧的端部具有作成圆柱孔的嵌合孔42。而且，阀芯4在嵌合孔42中与下 述的步进马达5的转子轴51配合。而且，阀芯4由转子轴51在阀室1A内移 动，通过使针部41插入或离开阀口 21从而使阀口 21的开度变化。由此，控 制从第一冷々某管11流向第二冷々某管12的冷媒的流量或者从第二冷々某管12流 向第一冷媒管11的冷媒的流量。
在转子轴51的下部一体形成有凸缘部51a,该凸缘部51a的部分插入嵌 合在嵌合孔42内。另外，在嵌合孔42的开口侧安装有垫圈43。再有，在转 子轴51的下端形成有比凸缘部51a还稍微突出的突出部51b。该突出部51b 与嵌合孔42的底部42a相对。另外，凸缘部51a的上端面51c与垫圈43的下端面43a相对。
而且，在嵌合孔42和转子轴51之间形成有一定的间隙C。由此，阀芯4 可相对转子轴51在轴L方向上相对地变位。即、在阀芯4相对转子轴51位 移到最下端时，凸缘部51a的上端面51c与垫圈43的下端面43a4氐^l妄，阀芯4 的相对转子轴51向下方向的变位被卡定。另外，在阀芯4相对转子轴51变位 到最上端时，突出部51b与底部42a4氐接，阀芯4的相对转子轴51向上方向 的变位被卡定。另外，嵌合孔42内通过形成于支撑部件3上的均压孔3a总是 与阀室1A保持同压。
这样，以阀芯4可相对转子轴51在轴L方向上相对地变位的方式阀芯4 连结在转子轴51。凸纟彖部51a的上端面51c和垫圈43的下端面43a成为在阀 芯4相对于转子轴51最靠近阀口 21 —侧的位置(最下端)卡定阀芯4的"第 一"^定部"。另外，转子轴51的突出部51b和嵌合孔42的底部42a成为在阀 芯4相对转子轴51最远离阀口 21的位置(最上端)卡定阀芯4的"第二卡定 部"。
在转子轴51上形成有外螺紋部511，该外螺紋部511与形成于支撑部件3 上的内螺紋部32a螺紋结合。由此，转子轴51随旋转而在轴L线方向上移动。
在阀壳体1的上端通过焊接等气密地固定有作为驱动部的步进马达5的外 壳52。在外壳52内可旋转地设有将外周部多极磁化后的磁转子53,在该磁转 子53上安装固定转子轴51。另外，在该外壳52内设有从其顶部垂下的圓筒 状的导向件52a，在该导向件52a内配设有圆筒状的轴承部件54。而且，转子 轴51的上端部可旋转地嵌合在轴承部件54上。
另外，在外壳52的外周配设有定子线圈55，作为驱动部的步进马达5通 过对定子线圈55给予脉冲信号从而根据该脉冲数使磁转子53旋转。而且，与 磁转子53形成一体的转子轴51因该磁转子53的旋转而旋转，并通过伴随该 旋转的转子轴51的轴L方向移动，阀芯4在轴L方向上移动。
再有，在外壳52内设有安装在导向件52a外周的螺旋导向线体56、与螺 旋导向线体56螺旋配合的可动制动部件57。在磁转子53上形成突起部53a, 通过突起部53a伴随磁转子53的旋转而踢转可动制动部件57,从而可动制动 部件57由于与螺旋导向线体56的螺旋配合而一边旋转一边上下移动。而且，可动制动部件57与螺旋导向线体56的下端侧的制动部56a抵接，从而可得到 在转子轴51的最下端位置的旋转制动作用。
这里，转子轴51的最下端位置由可动制动部件57和制动部56a设定。另 外，由于步进马达5如上所述那样由脉冲信号驱动，所以从转子轴51位于最 下端位置时开始所施加的脉冲信号的脉沖数与转子轴51的旋转量即上升量对 应。而且，冷々某的流量才艮据该脉冲数对应。
下面，根据涉及控制动作的实施例来说明实施方式的电动膨胀阀10的作 用。此外，将冷媒从第一冷媒管11流入并从第二冷媒管12流出的方向定为正 流向，将冷媒从第二冷媒管12流入并从第一冷媒管11流出的方向定为反流向。
图3 ( A) ~图5是表示涉及使用了实施方式的电动膨胀阀10的控制动作 的第一实施例的图，图3(A)、图3 (B)是表示转子轴51位于最下端位置状 态的图，图4(A)、图4 (B)是表示转子轴51从最下端位置上升后的状态的 图，图5是表示脉冲数和流量关系的图。图3 (A)及图4 (A)表示正流向， 图3 (B)及图4 (B)表示反流向。该第一实施例在转子轴51处在最下端位 置的状态下，正流向以及反流向的任一场合，阀芯4均处于打开了阀口 21的 状态。此外，在图5中，表示阔芯4和阀座2的接触位置的X点、Y点是假 想的点。
即、在图3 (A)及图3 (B)的任一场合，转子轴51都处在相同的最下 端位置。在图3 (A)的场合，从第一冷媒管11流入的冷Jf某的压力(阀室1A 的压力)变得比从第二冷媒管12流出的冷媒的压力高，由该压力的差压对阀 芯4作用向阀口 21侧的力f。由此，阀芯4由第一^^定部(凸缘部51a的上端 面51c和垫圈43的下端面43a)相对转子轴51 ^^卡定，并在阀芯4和阀口 21 之间形成很小的间隙D。
在图3 (B)的场合，从第二冷媒管12流入的冷媒的压力变得比从第一冷 媒管ll流出的冷媒的压力(阀室1A的压力)高，通过该压力的差压对阀芯4 作用向与阀口 21相反一侧的力-f。由此，阀芯4由第二卡定部(转子轴51 的突出部51b和嵌合孔42的底部42a)相对转子轴51被卡定，并在阀芯4和 阀口 21之间形成比间隙D大的间隙B。此外，在间隙C、 D、 B之间成立C=B -D的关系。若从图3(A)、图3 (B)的状态使转子轴51上升，则处于图4(A)、图 4(B)的状态，在正流向(图4(A))及反流向(图4(B))的任一场合，均 由上述相同的冷媒的差压对阀芯4作用力f及力-f,阀芯4与转子轴51 —体 地上升。而且，在阀芯4和阀口21之间，在正流向时产生间隙E，在反流向 时产生间隙F。在这种情况下，在间隙E、 F之间成立C-F-E的关系。
图6 (A)、图6 (B)及图7是表示涉及使用了实施方式的电动膨胀阀10 的控制动作的第二实施例的图，图6(A)、图6 (B)是表示转子轴51位于最 下端位置的状态的图，图7是表示脉冲数和流量关系的图。此外，与第一实施 例相同地、图6(A)表示正流向，图6(B)表示反流向。该第二实施例在转 子轴51处在最下端位置的状态下，在正流向时，阀口 21由阀芯4处于全关闭 的状态；在反流向时，阀口 21由阀芯4处于打开的状态。此外，在图7中， 表示阀芯4和阀座2的接触位置的X点是假想的点。
在该第二实施例的场合，也因冷^;某的差压而在正流向(图6(A))对阀芯 4作用向阀口 21侧的力f,并在最下端位置阀芯4与阀座2 4氐4妄，从而使阀口 21处于全关闭的状态。另外，在反流向(图6 (B))对阀芯4作用向与阀口 21相反一侧的力-f,阀芯4由第二卡定部相对转子轴51被卡定。而且，在阀 芯4和阀口 21之间形成间隙B。此外，在图6 (A)的第一-^定部的间隙A 和间隙C、 B之间成立C-A+B的关系。此外，若从图6(A)、图6(B)的状 态使转子轴51上升，则与第一实施例相同地处于图4(A)、图4(B)的状态， 而在这种场合，也因上述相同的差压而对阀芯4作用力f及力-f，阀芯4与 转子轴51 —体地上升。
在该第二实施例的场合，在正流向时且向闭阀方向驱动时，在步进马达5
的脉冲数为0脉冲(图6 (A)的状态)之前，阀芯4落位于阀座2上，而此 时在第二卡定部(转子轴51的突出部51b和嵌合孔42的底部42a之间)有间 隙B+A-C,即便使转子轴51依旧下降，该第二卡定部的间隙也维持到最小限 度的B，因此，阀芯4的针部41不会陷入到阀口 21中。
这样，在正流向时，因阀室1A和第二冷媒管12的冷媒的差压，阀芯4 用第一卡定部相对转子轴51保持位置，且转子轴51和阀芯4 一体地移动，从 而控制冷媒的流量。同样地、在反流向时，因第二冷媒管12和阀室1A的冷々某的差压，阀芯4用第二卡定部相对于转子轴51保持位置，且转子轴51和阀 芯4一体地移动，从而控制冷媒的流量。另外，在如此地移动阀芯4控制流量时，由于该阀芯4总是与转子轴51 一体地移动，因此，即^f吏阀芯4和转子轴51在阀口 21的轴L方向上可相对 地变位，也不会产生因冷媒的压力差引起的阀芯4的不稳现象(摆动)，能够 正常地控制流量。尤其，在使用二氧化碳的超高压冷媒的场合，将阀芯4卡定 在转子轴51上的力变强相当于差压较大的量，从而可牢固地卡定阀芯4，能 够正常地控制流量。在第一实施例和第二实施例中，差别仅在于转子轴51的最下端位置的设 定不同。而且，在第一实施例的电动膨胀阀10中，转子轴51的最下端位置设 定如下。即、以如下方式设定转子轴51的最下端位置在图3(A)所示的正 流向时，在阀芯4与阀座2非接触的状态下阀芯4用第一-j^定部保持位置，且 在图3 (B)所示的反流向时，阀芯4用第二卡定部保持位置。由此，对于正 流向及反流向的双方，均能进行控制以使冷i某较少地流动。另夕卜，在第二实施例的电动膨胀阀10中，转子轴51的最下端位置设定如 下。即、以如下方式设定转子轴51的最下端位置在图6(A)所示的正流向 时，在阀芯4落位于阀座2的状态下阀芯4不被第一^^定部及第二卡定部所卡 定，且在图6 (B)所示的反流向时，阀芯4用第二卡定部保持位置。由此， 在反流向时，能够进行控制以使冷媒较少地流动。
权利要求1.一种电动膨胀阀，具备阀壳体，该阀壳体形成阀室且连接与该阀室连通的第一冷媒管和第二冷媒管；阀座，该阀座具有配设在上述阀室和上述第二冷媒管之间的阀口；阀芯，该阀芯配置于上述阀室内并相对上述阀口进行接触分离从而使该阀口的开度变化；以及驱动机构，该驱动机构通过转动与上述阀芯连结的转子轴从而在上述阀口的轴方向移动该转子轴向进而电动驱动该阀芯，对于上述第一冷媒管的冷媒为高压且上述第二冷媒管的冷媒为低压的冷媒的第一流向和上述第二冷媒管的冷媒为高压且上述第一冷媒管的冷媒为低压的冷媒的第二流向的各个流向，由上述阀口的开度控制该冷媒的流量，其特征在于，上述阀芯由固定在上述阀壳体上的支撑部件在上述阀口的轴方向上自如滑动地被支撑，并且以该阀芯相对上述转子轴在上述轴方向上可相对地变位的方式将该阀芯与该转子轴连结，该阀芯和该转子轴的连结部分具有在该阀芯相对该转子轴最靠近阀口一侧的位置卡定该阀芯的第一卡定部；以及在该阀芯相对该转子轴最远离阀口的位置卡定该阀芯的第二卡定部，在上述第一流向时，通过由上述阀室和上述第二冷媒管的冷媒的差压将上述阀芯用上述第一卡定部相对上述转子轴保持位置，从而使该转子轴和该阀芯一体地移动，控制该第一流向的流量，在上述第二流向时，通过由上述第二冷媒管和上述阀室的冷媒的差压将上述阀芯用上述第二卡定部相对上述转子轴保持位置，从而使该转子轴和该阀芯一体地移动，控制该第二流向的流量。
2. —种冷冻循环系统，其特征在于，在室内换热器和室外换热器之间的冷媒的流道中设置权利要求1所述的 电动膨胀阀。
3. 根据权利要求2所述的冷冻循环系统，其特征在于， 上述冷々某为二氧化碳。
专利摘要本实用新型的课题是提供在热泵式冷冻循环系统中在冷媒对电动膨胀阀的正流向和反流向的任一中均能正常进行流量控制的电动膨胀阀及冷冻循环系统。在支撑部件的汽缸内滑动自如地保持阀芯。用嵌合孔连结步进马达的转子轴和阀芯。使转子轴的突出部与嵌合孔的底部相对。使凸缘部的上端面与垫圈的下端面相对。在嵌合孔和转子轴之间形成间隙。使阀芯相对转子轴在轴方向上可相对地变位。在第一冷媒管→阀室→第二冷媒管的冷媒的正流向时，由冷媒的压力使垫圈与凸缘部卡定，从而使阀芯和转子轴成为一体地驱动。在反流向时，由冷媒的压力使底部与突出部卡定，使阀芯和转子轴成为一体地驱动。
文档编号F25B1/00GK201327255SQ20082013435
公开日2009年10月14日 申请日期2008年9月25日 优先权日2008年7月11日
发明者富冈总一郎 申请人:株式会社鹭宫制作所