| 【発明の名称】 |
冷凍サイクル装置用開閉弁および該開閉弁を備えた冷凍サイクル装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】山谷 貴宏
【氏名】高谷 士郎
【氏名】平井 康順
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| 【要約】 |
【課題】低圧力差でも確実に動作するとともに、加工やクリアランスの精度管理が容易で製造コストが低く、しかも、冷媒回路中においても安定して動作する信頼性の高い冷凍サイクル装置用開閉弁と該開閉弁を用いた高性能な冷凍装置を得る。
【解決手段】流入口１と流出口２とを連通する流路が内部に形成された開閉弁本体４と、開閉弁本体４内に形成された弁室６内に往復動可能に収納され開閉弁本体４内の該流路中に設けられた弁座３の開口部を開閉する弁体５ａと、弁室６と流出口２とを連通するパイロット流路８とを備えた冷凍サイクル装置用開閉弁１０において、弁体５ａを耐熱性に優れ、吸水性の小さい合成樹脂の単体もしくは混合物を主成分とする樹脂材料で形成した。また、冷媒としてハイドロフルオロカーボンを、冷凍機油としてエステル油またはエーテル油を使用した冷凍装置において、該開閉弁１０を適用した。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 流体を流入させる流入口と流体を流出させる流出口を有するとともに、前記流入口と前記流出口を連通する流路を内部に形成した開閉弁本体と、前記開閉弁本体内に形成された弁室内に往復動可能に収納され、前記開閉弁本体内の流路中に設けられた弁座の開口部を開閉する弁体と、前記弁室と前記流出口とを連通するパイロット流路とを備えた冷凍サイクル装置用開閉弁において、前記弁体を、ポリフェニレンスルフィド単体もしくは、塩素化ポリエーテル、エポキシ樹脂、液晶性樹脂、芳香族ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリアリルスルホン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルスルホン、ポリチオエーテルスルホン、ポリイミド、ポリケトン、または、ポリスルホンのうちの少なくともひとつの合成樹脂を含むポリフェニレンスルフィドとの混合物を主成分とする樹脂材料で形成したことを特徴とする冷凍サイクル装置用開閉弁。
【請求項２】 流体を流入させる流入口と流体を流出させる流出口を有するとともに、前記流入口と前記流出口を連通する流路を内部に形成した開閉弁本体と、前記開閉弁本体内に形成された弁室内に往復動可能に収納され、前記開閉弁本体内の流路中に設けられた弁座の開口部を開閉する弁体と、前記弁室と前記流出口とを連通するパイロット流路とを備えた冷凍サイクル装置用開閉弁において、前記弁体を、塩素化ポリエーテル、エポキシ樹脂、液晶性樹脂、芳香族ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリアリルスルホン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルスルホン、ポリチオエーテルスルホン、ポリイミド、ポリケトン、または、ポリスルホンの単体もしくは２種類以上の混合物を主成分とする樹脂材料で形成したことを特徴とする冷凍サイクル装置用開閉弁。
【請求項３】 流体を流入させる流入口と流体を流出させる流出口を有するとともに、前記流入口と前記流出口を連通する流路を内部に形成した開閉弁本体と、前記開閉弁本体内に形成された弁室内に往復動可能に収納され、前記開閉弁本体内の流路中に設けられた弁座の開口部を開閉する弁体と、前記弁室と前記流出口とを連通するパイロット流路とを備えた冷凍サイクル装置用開閉弁において、前記弁体の前記弁室内壁と摺動する胴部を金属材料で形成するとともに、前記弁体の前記弁座との接触部位を、ポリフェニレンスルフィド、塩素化ポリエーテル、エポキシ樹脂、液晶性樹脂、芳香族ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリアリルスルホン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルスルホン、ポリチオエーテルスルホン、ポリイミド、ポリケトン、または、ポリスルホンの単体もしくは混合物を主成分とする樹脂材料で形成したことを特徴とする冷凍サイクル装置用開閉弁。
【請求項４】 前記弁体の前記弁座との接触部の表面粗度（Ｒｍａｘ）を３μｍ以下としたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置用開閉弁。
【請求項５】 前記弁体を形成する樹脂材料が、粒径２μｍ以下の粉粒状の充填材を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置用開閉弁。
【請求項６】 前記弁体を形成する樹脂材料が、２μｍ以下の直径を有する繊維状の充填材を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置用開閉弁。
【請求項７】 前記弁体を形成する樹脂材料が、モース硬度４以下の充填材を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置用開閉弁。
【請求項８】 前記充填材の充填量が１０〜７０重量％であることを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれかに記載の冷凍サイクル装置用開閉弁。
【請求項９】 冷媒としてハイドロフルオロカーボンを、また、冷凍機油としてエステル油またはエーテル油を含む冷凍機油を使用する冷凍サイクル装置において、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の冷凍サイクル装置用開閉弁を冷媒回路中に備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、冷凍サイクル装置等において用いられる逆止弁や四方弁等の開閉弁および該開閉弁を用いた冷凍サイクル装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図４には、冷凍サイクル装置等において従来使用されている開閉弁の一例を示す。図に示すように、この開閉弁３０は、冷媒等の流体（以下の説明では、冷媒を想定して記載）が流入する流入口１と冷媒が流出する流出口２を有するとともに内部に流入口１から流出口２に至る冷媒流路が形成された筒状の開閉弁本体４と、この開閉弁本体４内の弁室６内に往復動可能に収納された弁体５ｃと、この弁体５ｃを弁室６内に封入するための蓋体７とから構成され、開閉弁本体４内の冷媒流路の途中に形成された弁座３の開口部を弁体５ｃの一端で開閉することにより、流入口１から流出口２へ流れる冷媒の流れを制御するよう構成されている。また、弁体５ｃの上部と蓋体７との間の弁室６は、パイロット流路８により流出口２と連通されている。
【０００３】次に、図４に示した従来の開閉弁３０の動作について説明する。図４において、流入口１から開閉弁本体４内に冷媒や冷凍機油が流入すると、この冷媒や冷凍機油の圧力により、弁体５ｃの上下、すなわち、流入口１の圧力Ｐ1と弁室６の上部の圧力Ｐ2との間に圧力差が生じ、この圧力差により弁体５ｃには弁体５ｃを浮上させる方向の力が働く。こうして、弁体５ｃを浮上させる力が弁体５ｃの重量より大きくなると、弁体５ｃが浮上して弁座３の開口部が開き、流入口１から流入した冷媒や冷凍機油が開口部を通って流出口２へ流出する。このとき、弁体５ｃの浮上にともなって弁室６の上部の圧力Ｐ2が上昇するが、弁室６は圧力損失の小さいパイロット流路８で流出口２とバイパスされているため、弁室６内の冷媒等がパイロット流路８を介して流出口２に流出することにより、弁室６の上部の圧力Ｐ2と流出口２の圧力Ｐ3がほぼ等しく保たれる。こうして、弁体５ｃは、流入口１の圧力Ｐ1と弁室６の上部の圧力Ｐ2の圧力差によってさらに上昇し、弁室６の最上部まで浮上して、流入口１から流出口２に至る冷媒の流路が大きく確保される。
【０００４】一方、流出口２から開閉弁本体４に向かって逆方向から冷媒等が流れ込んだ場合には、この冷媒等の圧力によって弁室６の上部の圧力Ｐ2が流入口１の圧力Ｐ1より大きくなるため、弁体５ｃには下降方向の力が働き、弁体５ｃが弁座３に着座することにより、弁座６の開口部を閉鎖して冷媒や冷凍機油が流出口２から流入口１に逆流することが防止される。
【０００５】なお、上記の動作原理から明らかなように、この弁体５ｃの浮上力の源となるＰ1とＰ2の圧力差は、弁体５ｃの外周と弁室６を構成する開閉弁本体４の内壁とのクリアランスによって大きく影響される。すなわち、このクリアランスが大きすぎると弁室６と流入口１間で冷媒が漏れ、Ｐ1とＰ2の圧力差が小さくなって、弁体５ｃが十分に浮上せず、開閉弁３０の動作が不確実になる。従って、このような構成を有する開閉弁３０の製造工程においては、この弁体５ｃの外周と弁室６の内壁とのクリアランスを精度良く管理する必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記図４に示した従来の開閉弁３０では、弁体５ｃの材質としてステンレス等の硬質の金属材料を使用していたため、以下のような問題点があった。すなわち、この開閉弁３０では、流入口１の流体の圧力Ｐ1と弁室６の上部の圧力Ｐ2との圧力差で弁体５ｃを浮上させるよう構成しているため、開閉弁３０の開時に冷媒流路を大きく確保するためには、弁体５ｃの重量に抗して弁体５ｃを浮上させる十分な圧力差が必要であるが、弁体５ｃを金属で形成したこの従来例では、弁体５ｃの重量が重いため、流入口１の流体の圧力Ｐ1が小さい場合には弁体５ｃが十分浮上せず、流入口１から流出口２への流路を大きく確保することができず、開閉弁３０を通過する冷媒等の流量が減少して、冷凍サイクル装置の性能が低下するという問題点があった。
【０００７】また、金属製の弁体５ｃを確実に浮上させるためには、浮上力となる流入口１の流体の圧力Ｐ1と弁室６の上部の圧力Ｐ2の圧力差を大きくする必要があるが、このためには、弁体５ｃと弁室６とのクリアランスをより小さくして、冷媒等が弁体５ｃと弁室６のすきまを通って流入口１から弁室６の上部に漏れる際の圧力損失を大きく設定する必要があり、弁体５ｃの外径と弁室６の内径について一層精密な寸法管理（例えば、開閉弁本体４および弁体５ｃがステンレスの場合、弁体５ａの外径が１０〜１５ｍｍに対してクリアランスは数十ミクロン程度）が要求され、製造コストが高くなるといった問題点があった。さらに、弁体５ｃと弁室６の内壁とのクリアランスを小さくした場合、弁体５ｃと弁室６のすきまに冷媒回路中を流動する固形異物が挟まりやすくなり、弁体５ｃが弁室６に固着して開閉弁３０が開閉しなくなる恐れもあった。
【０００８】この発明は、従来の冷凍サイクル装置用開閉弁の上記のような問題点を解消するためになされたもので、この発明の第１の目的は、圧力差が小さい場合でも確実に開閉動作が可能な信頼性の高い冷凍サイクル装置用開閉弁を得るとともに、クリアランスの精度管理や加工が容易で、製造コストの低減が可能な冷凍サイクル装置用開閉弁を提供することを目的とする。
【０００９】また、この発明の第２の目的は、冷媒や冷凍機油に対する安定性に優れ、また、冷凍サイクル装置の高温域においても使用可能な冷凍サイクル装置用開閉弁を提供することを目的とする。
【００１０】また、この発明の第３の目的は、冷媒回路中に設置された冷凍サイクル装置用開閉弁の信頼性が高く、性能の安定性に優れた冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するために、この第１の発明に係る冷凍サイクル装置用開閉弁は、流体を流入させる流入口と流体を流出させる流出口を有するとともに、前記流入口と前記流出口を連通する流路を内部に形成した開閉弁本体と、前記開閉弁本体内に形成された弁室内に往復動可能に収納され、前記開閉弁本体内の流路中に設けられた弁座の開口部を開閉する弁体と、前記弁室と前記流出口とを連通するパイロット流路とを備えた冷凍サイクル装置用開閉弁において、前記弁体を、ポリフェニレンスルフィド単体もしくは、塩素化ポリエーテル、エポキシ樹脂、液晶性樹脂、芳香族ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリアリルスルホン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルスルホン、ポリチオエーテルスルホン、ポリイミド、ポリケトン、または、ポリスルホンのうちの少なくともひとつの合成樹脂を含むポリフェニレンスルフィドとの混合物を主成分とする樹脂材料で形成したものである。
【００１２】また、この第２の発明に係る冷凍サイクル装置用開閉弁は、流体を流入させる流入口と流体を流出させる流出口を有するとともに、前記流入口と前記流出口を連通する流路を内部に形成した開閉弁本体と、前記開閉弁本体内に形成された弁室内に往復動可能に収納され、前記開閉弁本体内の流路中に設けられた弁座の開口部を開閉する弁体と、前記弁室と前記流出口とを連通するパイロット流路とを備えた冷凍サイクル装置用開閉弁において、前記弁体を、塩素化ポリエーテル、エポキシ樹脂、液晶性樹脂、芳香族ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリアリルスルホン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルスルホン、ポリチオエーテルスルホン、ポリイミド、ポリケトン、または、ポリスルホンの単体もしくは２種類以上の混合物を主成分とする樹脂材料で形成したものである。
【００１３】また、この第３の発明に係る冷凍サイクル装置用開閉弁は、流体を流入させる流入口と流体を流出させる流出口を有するとともに、前記流入口と前記流出口を連通する流路を内部に形成した開閉弁本体と、前記開閉弁本体内に形成された弁室内に往復動可能に収納され、前記開閉弁本体内の流路中に設けられた弁座の開口部を開閉する弁体と、前記弁室と前記流出口とを連通するパイロット流路とを備えた冷凍サイクル装置用開閉弁において、前記弁体の前記弁室内壁と摺動する胴部を金属材料で形成するとともに、前記弁体の前記弁座との接触部位を、ポリフェニレンスルフィド、塩素化ポリエーテル、エポキシ樹脂、液晶性樹脂、芳香族ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリアリルスルホン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルスルホン、ポリチオエーテルスルホン、ポリイミド、ポリケトン、または、ポリスルホンの単体もしくは混合物を主成分とする樹脂材料で形成したものである。
【００１４】また、この第４の発明に係る冷凍サイクル装置用開閉弁は、第１ないし第３のいずれかの発明において、前記弁体の前記弁座との接触部の表面粗度（Ｒｍａｘ）を３μｍ以下としたものである。
【００１５】さらに、この第５の発明に係る冷凍サイクル装置用開閉弁は、第１ないし第３のいずれかの発明において、前記弁体を形成する樹脂材料として、粒径２μｍ以下の粉粒状の充填材を含む樹脂材料を用いたものである。
【００１６】また、この第６の発明に係る冷凍サイクル装置用開閉弁は、第１ないし第３のいずれかの発明において、前記弁体を形成する樹脂材料として、２μｍ以下の直径を有する繊維状の充填材を含む樹脂材料を用いたものである。
【００１７】また、この第７の発明に係る冷凍サイクル装置用開閉弁は、第１ないし第３のいずれかの発明において、前記弁体を形成する樹脂材料として、モース硬度４以下の充填材を含む樹脂材料を用いたものである。
【００１８】また、この第８の発明に係る冷凍サイクル装置用開閉弁は、第５ないし第７のいずれかの発明において、前記充填材の充填量を１０〜７０重量％としたものである。
【００１９】さらに、この第９の発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒としてハイドロフルオロカーボンを、また、冷凍機油としてエステル油またはエーテル油を含む冷凍機油を使用する冷凍サイクル装置において、上記第１ないし第８のいずれかの発明の冷凍サイクル装置用開閉弁を冷媒回路中に備えたものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は、この発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置用開閉弁１０の構成を示す断面図であり、弁体５ａが樹脂材料で構成されている点以外の基本的な構成は、図４に示した従来の開閉弁３０と全く同様である。図において、開閉弁１０は、冷媒が流入する流入口１と冷媒が流出する流出口２を有するとともに内部に流入口１から流出口２に至る冷媒流路が形成された筒状の開閉弁本体４と、この開閉弁本体４内の弁室６内に往復動可能に収納された円筒状の合成樹脂からなる弁体５ａと、この弁体５ａを弁室６内に封入するための蓋体７とから構成され、開閉弁本体４内の冷媒流路の途中に形成された弁座３の開口部を弁体５ａの一端で開閉することにより、流入口１から流出口２へ流れる冷媒の流れを制御するよう構成されている。また、弁体５ａの上部と蓋体７との間の弁室６は、パイロット流路８により流出口２と連通されている。なお、この実施の形態１に基いた具体的な開閉弁１０の構成や仕様については、下記の実施例の項で詳しく説明する。
【００２１】次に、この実施の形態１の動作について説明する。動作原理についても図４に示した従来の開閉弁と全く同様であり、流入口１から冷媒や冷凍機油が開閉弁本体４内に流入すると、流入口１における冷媒や冷凍機油の圧力Ｐ1と弁室６上部の圧力Ｐ2との間に圧力差が生じ、この圧力差により弁体５ａに、弁体５ａを浮上させる方向の力が働き、弁体５ａを浮上させる力が弁体５ａの重量より大きくなると、弁体５ａが浮上して弁座３の開口部が開き、流入口１から流入した冷媒や冷凍機油が流出口２へ流出する。なお、上記したように、この実施の形態１では、弁体５ａが軽量の樹脂材料で形成されているため、弁体５ａが低圧力差でも動作し、開閉弁１０の信頼性が向上するとともに、弁体５ａと弁室６とのクリアランスを拡大することが可能である。
【００２２】また、流出口２から開閉弁本体４に向かって逆方向から冷媒等が流れ込む場合は、弁室６の上部の圧力Ｐ2が流入口１の圧力Ｐ1より大きくなるため、弁体５ａに下降方向の力が働き、弁体５ａが弁座３に着座し、開口部を閉鎖することにより、冷媒や冷凍機油が流出口２から流入口１に逆流することを防止する。
【００２３】以上のように、この実施の形態１によれば、弁体５ａとして軽量の樹脂材料（密度：２ｇ／ｃｍ3以下）を用いたため、従来のステンレス鋼等の金属材料（密度：約８ｇ／ｃｍ3）を用いた場合に比べて流入口１の圧力Ｐ1と弁室６の上部の圧力Ｐ2との圧力差が小さくても、弁体５ａがより確実に上方に移動でき、開閉弁１０が確実に動作するとともに、その応答性も高く、信頼性の高い開閉弁１０を得ることができる。また、低圧力差においても弁体５ａを弁室６の最上部まで浮上させることが可能となり、流入口１から流出口２に至る流路を大きく確保できるため、開閉弁１０を通過する冷媒等の流量を十分に確保することができ、この開閉弁１０を冷凍サイクル装置に適用した場合には、開閉弁１０のリフト不足による性能劣化のない信頼性の高い冷凍サイクル装置が得られる効果がある。
【００２４】また、弁体５ａを軽量の樹脂材料で構成したことにより、弁体５ａを弁室６の最上部まで浮上させるのに必要な圧力差（Ｐ2−Ｐ1）を従来の開閉弁３０に比べて小さくすることができ、この結果、弁体５ａの外径と弁室６の内径のクリアランスを拡大しても、弁体５ａを弁室６の最上部まで浮上させることができ、上記したように従来の金属材料を用いた場合に比べて弁体５ａの外径寸法と弁室６の内径寸法の許容公差が拡大され、クリアランスの精度管理が簡単になって、製造コストを削減できる効果がある。また、弁体５ａと弁室６のクリアランスを拡大することにより、この開閉弁を冷凍サイクル装置に適用した場合には、冷媒回路等を流動する固形異物が弁体５ａと弁室６の隙間に挟まって作動不良を生じるといった現象を防止でき、信頼性に優れた開閉弁および冷凍サイクル装置を得ることができる。
【００２５】さらに、弁体５ａとして金属材料に比べて軽量で振動の減衰特性に優れた合成樹脂を用いたため、開弁時および閉弁時に生じる弁体５ａと弁座３および蓋体７との衝撃音が小さくなり、開閉弁１０の開閉動作に伴う騒音が減少するとともに、合成樹脂はステンレス鋼等と比較して適度な剛性を有しているため、弁体５ａと弁座３の間に冷媒回路を流動する固形異物が挟まった状態で開閉を繰返し、弁体５ａのシール面に傷がついた場合でも、閉弁時には、弁体５ａのシール面に印加される圧力によりシール面が適度に変形し、弁座３になじむため、弁体５ａと弁座３の隙間から冷媒や冷凍機油が漏れて、流出口２から流入口１へ逆流する現象（弁漏れ）を防止でき、閉弁時に、確実に逆流を防止できる信頼性の高い開閉弁を得ることができる。
【００２６】実施の形態２．次に、この発明の実施の形態２の開閉弁について説明する。図２は、この実施の形態２による開閉弁２０の断面図であり、実施の形態１の開閉弁１０との相違点は、実施の形態１では、弁体５ａの全体が樹脂材料で構成されているのに対して、この実施の形態２では、弁体５ｂの弁室６の内壁と摺動する外周部が金属材料で形成され、弁体５ｂの弁座３との接触部位のみが樹脂材料で形成されている点にある。
【００２７】図２に示すように、この実施の形態２の弁体５ｂは、弁座３と接触する弁体下部１１と弁室６の内壁と摺動する外周部を有する胴部１２が圧入された固定ピン１３によって結合されており、弁体下部１１が上記実施の形態１と同様の樹脂材料で形成されているのに対して、胴部１２はステンレスから形成されている。なお、弁体下部１１と胴部１２の接続方法としては、上記の固定ピン１３の他、接着剤による接着などを用いてもよい。また、上記した実施の形態１と同一または相当部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００２８】こうして、この実施の形態２によれば、弁座３と接触する弁体５ｂの弁体下部１１を樹脂材料で構成したため、上記実施の形態１と同様に、開弁時および閉弁時に生じる弁体５ｂと弁座３との衝撃音が小さくなり、開閉弁２０の開閉動作に伴う騒音が減少するとともに、樹脂材料がステンレス鋼等と比較して適度な剛性を有しているため、弁体５ｂと弁座３の間に冷媒回路を流動する固形異物が挟まった状態で開閉を繰返し、弁体５ｂのシール面に傷がついた場合でも、閉弁時には、弁体５ｂのシール面に印加される圧力によりシール面が適度に変形して、弁座３になじむため、弁体５ｂと弁座３の隙間から冷媒や冷凍機油が漏れて、流出口２から流入口１へ逆流する現象（弁漏れ）を防止でき、閉弁時に、確実に逆流を防止できる信頼性の高い開閉弁を得ることができる。
【００２９】以下では、上記した実施の形態１の構成に基いて、実際に開閉弁１０を試作し、開閉弁１０の性能に与える弁体５ａの材質や加工精度の影響および冷凍サイクル装置への適用の可否について検討した結果を説明する。なお、試験に用いた開閉弁１０は、以下の実施例１、２および比較例１、２の４種類である。
【００３０】
【実施例】実施例１．実施例１では、弁体５ａの材質として、吸水率が小さく、耐熱性が高く、しかも、金属材料に比べて軽量（低密度）であるポリフェニレンスルフィドを主成分とし、弁体５ａの強度や耐熱性をさらに向上させるため、これに繊維状（直径０．１〜２．０μｍ）の充填材であるチタン酸カリウムウィスカを４０ｗｔ％（ｗｔ％は、全重量中の充填材の重量パーセントを表す）添加したものを用いている。さらに、弁体５ａと弁座３とのシール性を確保するため、上記の合成樹脂材料を所定の形状に射出成形した後、仕上げ加工として、図３に示した弁座３との接触面となる円錐型のシール部を真円度３μｍ以下、表面粗度Ｒｍａｘを２．１μｍに仕上げ切削している。なお、開閉弁本体４の材質は黄銅であり、弁室６の内径と弁体５ａの外径のクリアランスは、弁体５ａを軽量の樹脂で構成したため従来例に比べて、１００〜２００μｍの範囲と大きく設定している。
【００３１】実施例２．また、実施例２では、弁体５ａの材質として、ポリフェニレンスルフィドを主成分とし、これに直径２μｍ程度のガラスビーズを５０ｗｔ％添加したものを用い、さらに、弁座３との接触面となるシール部の真円度を３μｍ以下、表面粗度Ｒｍａｘを２．５μｍに仕上げ切削したものを用いている。なお、この実施例２においても、開閉弁本体４の材質は黄銅であり、弁室６の内径と弁体５ａの外径のクリアランスは１００〜２００μｍである。
【００３２】比較例１．比較例１では、接触面となるシール部の表面粗度Ｒｍａｘの影響を見るために、弁体５ａの材質として、ポリフェニレンスルフィドを主成分とし、これに直径２０μｍ程度のガラスビーズを５０ｗｔ％添加したものを用い、さらに、弁座３との接触面となるシール部の真円度を３μｍ以下、表面粗度Ｒｍａｘを８μｍに仕上げ切削したものを用いている。なお、比較例１の開閉弁本体４の材質およびクリアランスは、実施例１および実施例２と同様に設定されている。
【００３３】比較例２．また、比較例２では、主成分となる合成樹脂材料の違いによる効果を検討するため、弁体５ａの材質として、ポリアミド６６を主成分とし、これに直径１４μｍ程度のガラス繊維を５０ｗｔ％添加したものを用いている。なお、弁座３との接触面となるシール部の真円度は３μｍ以下、表面粗度Ｒｍａｘは７μｍに仕上げ切削し、開閉弁本体４の材質およびクリアランスを、実施例１および実施例２と同様に設定している。
【００３４】上記した実施例１、２および比較例１、２の開閉弁１０の性能試験の一環として、上記の開閉弁１０の各々について、閉時の開閉弁１０からの静的な漏れ量を測定した結果を下記の表１に示す。表１のデータは、窒素ガスによって開閉弁１０の流出口２側の圧力Ｐ3を冷凍サイクル装置の平均的な圧力差に相当する１．５ＭＰａに加圧し、また、流入口１側の圧力Ｐ1を大気開放として、流出口２から流入口１側に漏れてくる窒素ガスの漏れ量を測定したものであり、表１から明らかなように、実施例１および２に比べて、比較例１および２では弁漏れ量が急激に増大しており、開閉弁１０の閉弁時に弁体５ａと弁座３の間で気密性を保ち、流出口２から流入口１へ冷媒等が漏れないようにするためには、主成分となる合成樹脂の種類によらず弁体５ａの弁座３と接触するシール部分の表面粗度をおよそＲｍａｘ３μｍ以下とする必要があることが分かる。
【００３５】
【表１】
【００３６】次に、弁体５ａ用樹脂材料の冷媒回路中での安定性および冷媒や冷凍機油との適合性を検証するための要素試験として、ハイドロフルオロカーボンであるＲ４０７Ｃ冷媒及びエステル油との適合性について、チタン酸カリウムウィスカを４０ｗｔ％充填したポリフェニレンスルフィド（実施例１）とホウ酸アルミニウムウィスカを４０ｗｔ％充填したポリフェニレンスルフィド、および、ポリアミド６６について試験し、比較した結果を、下記の表２に示す。試験は、オートクレーブの中に、試作した弁体５ａとともにＲ４０７Ｃ冷媒と冷凍機油（エステル油）を１：１の割合で封入し、１７０℃で３１５時間保持し、全酸価および寸法変化率（寸法変化は、弁体５ａの直径方向）を測定したものである。
【００３７】
【表２】
【００３８】表２に示すように、チタン酸カリウムウィスカやホウ酸アルミニウムウィスカを充填したポリフェニレンスルフィドは、主成分であるポリフェニレンスルフィドの吸水率がきわめて低い（０．１％未満）ため、ともに、ポリアミド６６に比べて全酸価がきわめて低く、酸化による冷凍機油の劣化を抑制することができるとともに、寸法変化率も０．１％未満と小さいため、冷凍サイクル装置内の冷媒や冷凍機油による弁体５ａの膨潤が小さく、弁室６の内壁とのクリアランスに及ぼす影響も小さい。また、上記の試験結果から、合成樹脂材料の主成分が同一であれば、充填材の種類や材質によらず、全酸価や寸法変化率等において、ほぼ同様の特性が得られることが分かる。
【００３９】次に、上記実施例１の開閉弁１０を実際の冷凍サイクル装置（ヒートポンプ装置）に組み込んで使用し、冷凍サイクル装置への適用の可否と耐久性を検証した結果について説明する。試験に使用した冷凍サイクル装置は、冷媒としてハイドロフルオロカーボンＲ４０７Ｃを、また、冷凍機油としてエステル油を使用した蒸気圧縮式の冷凍装置であり、上記した実施例１の開閉弁１０は、暖房運転時の流路切換用の開閉弁として、冷媒回路中の圧縮機の吐出側に設置した。また、この冷凍装置の試験条件は、蒸発温度が０℃、凝縮温度が５０℃、高圧側圧力２ＭＰａ（高圧カット３ＭＰａ）、低圧側圧力０．４ＭＰａであり、この試験条件で合計２５０００時間運転（１５万回の弁開閉）し、冷凍装置の性能変化と開閉弁１０の耐久性を検証した。その結果、上記耐久性試験後も、冷凍装置の性能に変化は見られず、また、試験後に開閉弁１０を分解し、弁体５ａを測定・分析した結果からも劣化や異常はなく、上記した実施例１の開閉弁１０が、冷凍サイクル装置に適用可能であることが実証された。
【００４０】なお、上記した運転条件においては、この開閉弁１０が設置された圧縮機吐出側の温度は、断熱圧縮による冷媒の温度上昇によって１００℃を超える高温となっており、弁体５ａとして耐熱性に優れたポリフェニレンスルフィドを使用したため、このような厳しい動作条件下でも長時間運転が可能となっている。
【００４１】以上説明したように、この実施例１による開閉弁１０は、弁体５ａの材料として、吸水率の小さいポリフェニレンスルフィドを用いたため、冷媒回路内で使用しても冷媒回路内の水分を吸収して寸法が大きく変化することがなく、弁体５ａと弁室６のクリアランスが安定して、開閉弁１０の動作が安定し、冷凍サイクル装置の性能や信頼性が向上する効果がある。特に、上記の試験において使用したような、冷凍機油として吸水性の高いエステル油やエーテル油を使用する場合には、エステル油やエーテル油によって吸収された水分により冷媒回路中の油中水分濃度が一層高くなるため、このような冷凍サイクル装置において、ポリフェニレンスルフィド等の吸水率の低い樹脂材料を弁体５ａに使用することは開閉弁１０および冷凍サイクル装置の信頼性と性能の向上に大きな効果がある。
【００４２】また、上記したようにポリフェニレンスルフィドは耐熱性が高いため、冷媒回路の高温域（上記したように、冷凍サイクル装置の冷媒回路内での開閉弁１０の動作温度は、摂氏１００度以上となる）で長時間使用しても弁体５ａが熱劣化によって強度低下を引き起こすことがなく、耐久性の高い開閉弁１０を得ることができる。
【００４３】また、弁体５ａを構成する合成樹脂（ポリフェニレンスルフィド）にチタン酸カリウムウィスカ等の充填材を添加したため、弁体５ａの強度や耐熱性を一層向上させることができるとともに、充填材の充填量を変更することにより合成樹脂の剛性を変化させることができるため、弁体５ａの剛性不足によって開閉弁１０の閉時に弁体５ａが弁座３にめり込んで密着し、弁体５ａを上方に移動するための最低作動圧力が上昇したり、めり込み度合いによって開閉弁１０の動作が不安定になるといった問題を解決することができ、また、剛性が上がったことにより、弁体５ａの外径やシール面を高精度に切削することが可能となって切削性の点でも優れた生産性の向上が可能な開閉弁１０を得ることができる。
【００４４】また、弁体５ａの弁座３との接触面となるシール面を切削加工により真円度を３μｍ以下、表面粗度Ｒｍａｘを３μｍ以下としたため、閉弁時の弁体５ａと弁座３の間のシール性能が向上して、流出口２から流入口１への冷媒等の弁漏れ量が少なくなるとともに、この開閉弁１０を冷凍サイクル装置に適用した場合には、冷媒の漏れが減少して冷凍サイクル装置の効率が向上する効果がある。
【００４５】なお、上記の説明では、弁体５ａとしてポリフェニレンスルフィドを用いた開閉弁１０を冷凍サイクル装置に適用した例について説明したが、他にも、このポリフェニレンスルフィドと同等の特性（吸水率、密度）を有する下記表３に示すような樹脂材料を適用することが可能であり、冷凍サイクル装置内における開閉弁１０の温度条件に適した耐熱性を有する樹脂材料を表３中から選定することにより、上記した実施例１と全く同様の効果を得ることができる。（参考までに、表３中に、各樹脂材料の代表的無充填グレードのＡＳＴＭの試験規格に準拠した荷重たわみ温度（荷重＝１８．６ｋｇｆ／ｃｍ2時）と吸水率を付記する。また、上記表２に示したように、ポリアミド６６は吸水率や全酸価が大きく、冷媒回路中で用いた場合、弁体５ａが冷媒回路内の水分を吸収して大きく寸法変化（膨潤）し、弁体５ａと弁室６とのクリアランスが不安定となって冷凍サイクル装置の性能や信頼性の低下を生じたり、冷凍機油を劣化させる可能性があるため、表３中では、参考データとして記載してある。）
【００４６】
【表３】
【００４７】また、これらの材料は、それぞれ単独で使用してもよいが、複数種類を混合して使用しても同様の効果を得ることができる。さらに、これらの材料に他の材料を混合してもよく、例えばポリフェニレンスルフィドにフッ素樹脂、ナイロン樹脂、ポリフェニレンエーテル、ノルボルネン系樹脂などを混合した材料でも同様の結果が得られることはいうまでもない。また、充填材として、上記以外にも各種の無機フィラー等が利用可能である。
【００４８】続いて、合成樹脂材料に添加される各種充填材の影響について説明する。下記表４は、合成樹脂材料に添加される充填材の種類や粒径および硬度と、切削加工された弁体５ａの表面粗度および切削時の切削工具の磨耗量の関係を明らかにするため、上記実施例１、２および比較例１を含む６種類の充填材入り（充填率：１０〜７０ｗｔ％）ポリフェニレンスルフィドの成形板について、実際に弁体５ａをダイアモンドバイトで切削加工し、切削面の表面粗度及びダイアモンドバイトの摩耗量を測定したものである。
【００４９】
【表４】
【００５０】表４から明らかなように、充填材として一般的に使用されているガラス繊維を充填した場合には、ガラス繊維の直径が１４μｍであるため、切削加工時に充填材が切削表面で破断することによって表面粗度が８μｍと冷媒をシールするのに必要なＲｍａｘ３μｍを大きく越えており、弁体５ａ用の材料には適さないと言える。また、ガラス繊維のモース硬度が７と高いため、ダイアモンドバイトの摩耗量も大きい。
【００５１】一方、直径２μｍ以下のチタン酸カリウムウィスカ（実施例１）やホウ酸アルミニウムウィスカ、粒径が２μｍのガラスビーズ（実施例２）を充填したポリフェニレンスルフィドでは、充填材の切削表面からの脱落や切削表面での破断が生じても表面粗度をＲｍａｘ３μｍ以下に抑えることができる。また、モース硬度４以下のチタン酸カリウムウィスカや酸化亜鉛ウィスカを充填したポリフェニレンスルフィドでは、充填材の硬度が低いため、切削加工が容易で工具の磨耗が少なく、特に、酸化亜鉛ウィスカでは、酸化亜鉛ウィスカの径が５μｍと表面粗度の条件である３μｍ以上であるにも関わらず、切削面の表面粗度がＲｍａｘ３μｍ以下となっていることが分かる。
【００５２】さらに、粒径が２μｍのガラスビーズ（実施例２）と粒径が２０μｍのガラスビーズ（比較例１）とを比較すると、充填材の硬度が同じであっても、粒径によってダイアモンドバイトの摩耗量が大きく変化し、粒径が２μｍのガラスビーズの場合には、磨耗量がかなり低減されることが分かる。
【００５３】以上の結果より、弁体５ａとして充填材を添加した合成樹脂を用いる場合、充填材として、粒径が２μｍ以下の粉粒状の充填材、直径が２μｍ以下の繊維状の充填材、あるいは、モース硬度が４以下の充填材のいずれかを用いれば、切削加工によって弁体５ａの弁座３との接触部分の表面粗度Ｒｍａｘを３μｍ以下に加工でき、この結果、上記の実施例１、２および比較例１、２に対する静的漏れ試験で明らかになったように弁漏れ量も低く抑えられることが分かる。
【００５４】さらに、樹脂材料の充填材として、直径０．１〜２．０μｍの繊維状の充填材（チタン酸カリウムウィスカ）や直径２μｍ程度の粉粒状の充填材（ガラスビーズ）を用いたため、弁体５ａの切削表面からの充填材の脱落や切削表面での破断が生じても表面粗度をＲｍａｘ３μｍ以下に抑えることができ、シール性能を向上することができるとともに、弁体５ａの切削加工が容易となって生産性が向上し、開閉弁１０の製造コストを低減できる効果がある。
【００５５】また、上記樹脂材料の充填材として、モース硬度４以下の充填材（チタン酸カリウムウィスカ）を用いたため、切削面の表面粗度を損なうことなく、しかも、工具の磨耗が少なく、弁体５ａを容易に切削できる効果がある。
【００５６】また、各供試材料の充填材の充填率を１０〜７０ｗｔ％としたため、合成樹脂が適度な剛性を有することとなり、切削加工しやすくなる効果がある。なお、弁体５ａの切削性の観点に加え、弁体５ａの弁座３へのめり込みの防止や弁体５ａのシール面に傷がついた場合の弁漏れ量の抑制等も考慮した場合、充填材の充填率は実施例等で採用した３０〜５０ｗｔ％が特に好適である。
【００５７】
【発明の効果】この発明に係る冷凍サイクル装置用開閉弁および冷凍サイクル装置は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００５８】流体を流入させる流入口と流体を流出させる流出口を有するとともに、前記流入口と前記流出口を連通する流路を内部に形成した開閉弁本体と、前記開閉弁本体内に形成された弁室内に往復動可能に収納され、前記開閉弁本体内の流路中に設けられた弁座の開口部を開閉する弁体と、前記弁室と前記流出口とを連通するパイロット流路とを備えた冷凍サイクル装置用開閉弁において、前記弁体を、吸水性が低く、耐熱性が高く、しかも、軽量な、ポリフェニレンスルフィド単体もしくは、塩素化ポリエーテル、エポキシ樹脂、液晶性樹脂、芳香族ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリアリルスルホン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルスルホン、ポリチオエーテルスルホン、ポリイミド、ポリケトン、または、ポリスルホンのうちの少なくともひとつの合成樹脂を含むポリフェニレンスルフィドとの混合物を主成分とする樹脂材料で形成したため、弁体の動作性に優れ、前記弁体と前記弁室のクリアランスの管理が容易で、しかも、寸法安定性に優れた信頼性の高い冷凍サイクル装置用開閉弁が得られる。
【００５９】また、流体を流入させる流入口と流体を流出させる流出口を有するとともに、前記流入口と前記流出口を連通する流路を内部に形成した開閉弁本体と、前記開閉弁本体内に形成された弁室内に往復動可能に収納され、前記開閉弁本体内の流路中に設けられた弁座の開口部を開閉する弁体と、前記弁室と前記流出口とを連通するパイロット流路とを備えた冷凍サイクル装置用開閉弁において、前記弁体を、吸水性が低く、耐熱性が高く、しかも、軽量な、塩素化ポリエーテル、エポキシ樹脂、液晶性樹脂、芳香族ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリアリルスルホン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルスルホン、ポリチオエーテルスルホン、ポリイミド、ポリケトン、または、ポリスルホンの単体もしくは２種類以上の混合物を主成分とする樹脂材料で形成したため、弁体の動作性に優れ、前記弁体と前記弁室のクリアランスの管理が容易で、しかも、寸法安定性に優れた信頼性の高い冷凍サイクル装置用開閉弁が得られる。
【００６０】また、流体を流入させる流入口と流体を流出させる流出口を有するとともに、前記流入口と前記流出口を連通する流路を内部に形成した開閉弁本体と、前記開閉弁本体内に形成された弁室内に往復動可能に収納され、前記開閉弁本体内の流路中に設けられた弁座の開口部を開閉する弁体と、前記弁室と前記流出口とを連通するパイロット流路とを備えた冷凍サイクル装置用開閉弁において、前記弁体の前記弁室内壁と摺動する胴部を金属材料で形成するとともに、前記弁体の前記弁座との接触部位を、吸水性が低く、耐熱性が高く、しかも、軽量な、ポリフェニレンスルフィド、塩素化ポリエーテル、エポキシ樹脂、液晶性樹脂、芳香族ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリアリルスルホン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルスルホン、ポリチオエーテルスルホン、ポリイミド、ポリケトン、または、ポリスルホンの単体もしくは混合物を主成分とする樹脂材料で形成したため、弁開閉時の衝撃音が小さく、しかも、前記弁体のシール面に傷がついた場合でも、確実に逆流を防止できる信頼性の高い冷凍サイクル装置用開閉弁を得ることができる。
【００６１】また、前記弁体の前記弁座との接触部の表面粗度（Ｒｍａｘ）を３μｍ以下としたため、シール面のシール性能が向上し、弁漏れ量の少ない高性能な冷凍サイクル装置用開閉弁を得ることができる。
【００６２】さらに、前記弁体を、粒径２μｍ以下の粉粒状の充填材を含む樹脂材料で形成したため、表面粗度を抑えることができ、弁漏れ量の少ない高性能な冷凍サイクル装置用開閉弁を得ることができるとともに、前記冷凍サイクル装置用開閉弁の性能を損なわずに、前記弁体の強度を向上し、耐久性や安定性を向上することができる。
【００６３】また、前記弁体を、２μｍ以下の直径を有する繊維状の充填材を含む樹脂材料で形成したため、表面粗度を抑えることができ、弁漏れ量の少ない高性能な冷凍サイクル装置用開閉弁を得ることができるとともに、前記冷凍サイクル装置用開閉弁の性能を損なわずに、前記弁体の強度を向上し、耐久性や安定性を向上することができる。
【００６４】また、前記弁体を、モース硬度４以下の充填材を含む樹脂材料によって形成したため、表面粗度を抑えることができ、弁漏れ量の少ない高性能な冷凍サイクル装置用開閉弁を得ることができるとともに、前記弁体の加工が容易になって低コストの冷凍サイクル装置用開閉弁が得られる効果がある。また、前記弁体の加工に要する工具の磨耗を低減することができる。
【００６５】また、前記充填材の充填量を１０〜７０重量％としたため、弁体が弁座にめり込むことがなく、安定して動作するとともに、加工性に優れた冷凍サイクル装置用開閉弁を得ることができる。
【００６６】さらに、冷媒としてハイドロフルオロカーボンを、また、冷凍機油としてエステル油またはエーテル油を含む冷凍機油を使用する冷凍サイクル装置において、前記冷凍サイクル装置用開閉弁を冷媒回路中に備えたため、冷凍機油中の水分濃度が高い状態で使用しても前記冷凍サイクル装置用開閉弁の性能が損なわれず、信頼性の高い冷凍サイクル装置が得られる効果がある。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６０１３
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年６月９日（１９９９．６．９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１０２４３９
【弁理士】
【氏名又は名称】宮田 金雄 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−３４６４９７（Ｐ２０００−３４６４９７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１２月１５日（２０００．１２．１５） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１６２２４１ |
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