JPS5977179A - 電子膨張弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は１Ｅ子膨張弁に関し、特に圧縮機を有する熱ポ
ンプ系統に用いる膨張弁をディジタル制御されるステッ
ピングモータで動作させて安定した応答性が得られるよ
うにするとともに、弁体によって得られるオリフィスの
形状が常に滑らかな状態に保たれるように構成すること
によりｌし張弁での庁擦損失を抑制し、もって、冷凍サ
イクルにおける成績係数の向上を図ったものである。

近年では、２つの熱交換器と圧縮機とを組み合せた熱ポ
ンプ系統で、暖房モードおよび冷房モード双方をサイク
ルの切換えにより行うことができるようにしたものが開
発されている。このような熱ポンプ系統では、暖房モー
ドと冷房モードとで、それぞれのサイクルに必要とされ
る膨張弁での行程圧力差および蒸発温度が異なり、また
同じ暖房のモードにあっても変動する外気温度に対して
室内温度を何度に保つかによって膨張弁での異なる弁開
度か要求される。

従来の暖房や冷房の熱ポンプ系統に用いられてきた自動
膨張弁としては、機械式のものや電気式のものが一般に
知られている。このうち、機械式のものには定圧式と温
度式とがあり、中型および大型の暖冷房装置に多く用い
られてきたが、これらは蒸発器中の圧力もしくは圧縮機
入口における冷媒圧と蒸発器中における冷媒圧との差圧
をダイヤフラムまたはベローズ、ばね等ばね力と均等さ
せることにより弁開度を制御している。

しかしながら、このような従来の機械式自動膨張弁にあ
っては、圧縮機の定格回転数および容量を前提として設
定される一定の外的条件や負荷条件で最も効率が」二る
ように計画されているので、外的条件や負荷条件が設定
値から外れてくると、−１投には効率が低下する。そこ
で、外的条件や負荷条件がいずれも異なる暖房モートと
冷房モードとの双方をサイクルの切換えにより行わせる
熱ポンプ系統の装置にこの種の膨張弁を用いることは適
切ではなく、ために両モードで異なる１膨張弁を切り換
えて使用している例が多い。

さらにまた、このような熱ポンプ系統として、屋外に太
陽熱集熱器を熱交換器として用い、暖房のときはこの集
熱器により太陽の輻射熱を吸収して利用し、冷房のとき
は、この集熱器により逆に夜間に熱を天空に放射させる
ことにより効率の高いサイクルを行わせるようにした装
置が考えられる。かかる装置では、なお一層、大幅に異
なる外的条件のもとでの制御が要求されるので、機械式
膨張弁ではとうていその要求範囲での追随が不可能であ
る。

殊に、機械式膨張弁の機構では、ヒステリシス等の非線
形性のために正確な制御を行うことが困難であり、さら
に、ダンピングを付与する機能がないため冷凍サイクル
か不安定なものとなりやすい。

そこで、かかる問題点を解決するために、近年電気式膨
張弁が開発されている。すなわち、このような電気式膨
張弁にあっては、例えば温度センサ等の検出器から得ら
れた制御系の状態変数をいったんアナログ電気信号に変
換し、これを電気回路で処理した後電力増幅して、ヒー
タまたはソレノイドに印加し、弁の位置を決め操作を行
う。

したがって、このような電気式膨張弁は機械式に比して
応答範囲が広く、外的条件の変化にも対応できるので、
機械式膨張弁に比して設計条件をかなり改善させること
ができる。

しかしながら、このような従来の電気式膨張弁において
は、操作部を制御する制御則がハードウェアとして電気
回路に組み込まれているので、操作部の単一な動作しか
得られず、さらにこのうち熱電気式のものにあっては、
ヒータとバイメタルとの組合せによる操作部での時定数
が大きく、応答性が悪い。殊に、弁の操作が直線運動に
より行われる機構となっているので、その駆動に大きい
力が必要で、したがって、ヒータに印加される直流電源
も大きくなくてはならず、電気回路および操作部がとも
に複雑な構造となる。

そこで、このような従来の欠点を一部除去するために、
操作部に電動機を用いて、駆動力の低減を図ったものが
ある。すなわち、　Ｌａｍｏｎｔ　　Ｂ。

Ｋｏｏｎｔｚに対する米国特許第２，５３４，４５５号
「冷凍装置」では、計測部として２組の感熱式抵抗体と
ヒータとを冷１１Ｍ通路をなす蒸発器の２ケ所にそれぞ
れ配置面し、これらをさらに演算部としてブリッジ回路
に組み、所望過熱度からのずれに応じて発生する不つり
合い電流によって該電動機を回転させ、これを連動する
弁の直線運動に変換して、膨張弁の開閉度を制御するよ
うにしている。

しかしながら、このような電動機を用いた電気式膨張弁
にあっても、さらにいくつかの欠点があった。すなわち
、 （１）一般の電気式膨張弁にあってはこれを完全には閉
とできず、冷凍回路を閉とするためには別に電磁弁等が
必要であり、さらに膨張弁を全開としたときにも、弁の
前後における熱力差をほぼ零にすることができない。

ｉ’、　２　）　一般には一方向性であるので、冷房と
暖房の２モードを行うためには、このような膨張弁を２
個使用するか、四方弁によって膨張弁を通過する冷熱媒
の流れの方向を一方向としなければならない。

（３）オリフィスが一般に角がある形状のため、ここで
の摩擦損失が大きく、熱ポンプ装置の成績係数を低下さ
せる。したがって、オリフィスの流量係数が小さく、弁
の直線運動に対する圧力差の変化の度合いが大きく、制
御が不安定となりやすい。

（４）一般に弁の直線運動に対する差圧の変化の特性が
非線形のために、良好な制御特性が得られにくい。

（５）弁に冷媒の差圧に基づく軸方向の力が加わるので
、十分な弁の駆動トルクを得るために、一般に′電動機
に減速のギア機構が必要であり、機構が複雑となり、制
御性、応答性に問題がででくる。

（６）ハードウェアによって演算部が組まれているため
、制御則の連用に柔軟性が乏しく、同ｌ責算部を操作す
ることによって制御性、成績係数の向上を追求すること
に限界がある。

本発明の目的は、上述のような従来の電動機を用いた電
気式膨張弁の欠点を除去した、新しい型の電子膨張弁を
提供することにある。

すなわち、本発明電子膨張弁は （１）１つの膨張弁によつ−〔流路の全閉から全開（ブ
ｆにおける圧力損失がほぼ零）に至るきわめて広範囲の
動作が可能である。

（２）流路とオリフィスが冷熱媒の流れ方向を規制しな
い形状となし、１つの膨張弁で四方向弁なしに、冷房と
暖房の両モードに使用できる。

（３）オリフィスの形状が滑らかで摩擦抵抗か小さくて
、外界との断熱特性もよく、熱ポンプ装置の成績係数向
上に寄与する。オリフィスの流量係数が大きいために弁
の直線動作に対する圧力変化の感度が小さく、制御の安
定化が図りやすい。

（４）弁体の形状を工夫することにより、弁棒の直線運
動に対する差圧の特性が線形化でき、制御則が簡単にな
る。

（５）ビントルの形状と連通管により、弁棒に加わる力
を７人ランスさせることができて、弁棒には殆ど外力が
加わらないため、弁の駆動をギア機構なしにステッピン
グモータと直結して行うことができ、このため機構が小
型、単純、低価格となり、応答性、制御性にも、優れて
いる。

（８）ソフトウェアにより演算部を構成することができ
るので、ダンピング信号を付加できる他、制御の柔軟性
が増す。

ことを特徴とするものである。

以下に、本発明のよってきたる原理について述べる。

Ｉ膨張弁は、気体および液体の二相間変化を行う冷熱媒
体の与えられた流量を通過させる際にその高圧側と低圧
側との間で所望の圧力差が得られるようにするために用
いられるものであり、等エンタルピ変化、断熱変化およ
び不可逆変化の条件のもとに動作する。しかして、ここ
で等エンタルピ変化の条件とは膨張弁における内部エネ
ルギの減少が押し込みエネルギの増加に変化すること°
を表しており、エンタルピは殆ど変化しない。

しかしながら、膨張弁はさらに断熱変化および不可逆変
化の条件のもとに動作するものであり。

この閉じた系ではうすの発生や摩擦等によって必ずエン
トロピの増大をもたらす。すなわち、「閉じた系のｔｊ
ｇ変化において、自由膨張、うすの発生、摩擦、あるい
は有限な温度差における伝熱などの熱平衡からのずれが
あるときは不可逆変化となる。例えば、外界との熱の授
受がない断熱系における不可逆変化は等エントロピ変化
ではなく深逆断熱変化で、体系のエントロピは圧縮ある
いは膨張過程において増大する」　（以上、１９７２年
養賢堂発行：森、−色、河田氏著：熱力学概論）ことが
知られている。

そこで、Ｉ１１張弁ではこの不可逆断熱変化のもとて圧
縮機にエントロピの増大に対応した分だけ仕事の負担を
増やすことになる。すなわち、いま、冷凍サイクルを仮
に可逆変化とみなして、その最小仕事し１をＧｉｂｂｓ
の自由エネルギの変化として示すと、 −Ｌ＠　＝　ｃ、　−ａ、　　　　　　　　　　（１）
ここで、Ｇ、およびＧ２は膨張弁の入口および圧縮機の
出口において系の有するそれぞれの自由エネルギであり
、負号を付したのは、冷凍サイクルの場合はエンジンの
場合に比してその熱流の方向およびサイクルの方向が反
対となることによる。

次いで、蒸発温度は外気温度に等しいと仮定し、これを
　Ｔ、　（絶対温度）、内部エネルギをＨ，エントロピ
をＳとすると、自由エネルギＧは次式で示される。

Ｇ＝Ｈ−Ｔ、　Ｓ　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（２）いま、自由エネルキＧがＧ、およびＧ２である
ときの内部エネルギＨをＨ８およびＨ２，さら番こエン
トロピを８１　およびＧ２　として、これらのイ１（（
ご用いた（２）式と（１）式から、 Ｌ、　＝（Ｈ，−Ｈ，）−Ｔ。（Ｓ、　−Ｓ、　）　　
　　　（３）式が得られる。

しかるに、膨張弁では不可逆変化の条件の下に仕事がな
されるものであり、このためのエン１゛ロピの増大分を
ΔＳとして、膨張弁の下１スコでのエントロピを８１′
　　とすると、 ｓ；　　＝　　ｓ、　　＋Δ５（４） このときの仕事をＬとし、（３）式のＳ、の変りにＳ；
を代入して、 Ｌ＝（Ｈ，−）１．　）−Ｔ。（ｓ、　　＋ΔＳ−３，
）　　　（５）すなわち、膨張弁での可逆変化のだめの
仕事の増大分をΔＬとすると、　（３）式と　（５）式
から、ΔＬ＝Ｌ−Ｌ、＝づ。・Δ５（６） ここで負号は系に対する仕事の増加を意味するもので、
膨張弁での不可逆変化のために、Ｔｏ・ΔＳ分だけ圧縮
機の仕事としての負担増か生ずることを示す。

以上説明してきたところから明らかなように、１１ｆｉ
ｊ張弁は不可逆変化の条件の下にその動作が行われるも
のであり、そこにはエン！・ロピの増大かあり、その増
大分に対応する分の仕事だけ冷凍機に余計な負担がかか
る。

なお、以上の説明では膨張弁での不可逆変化を断熱変化
として取り扱ってき５、だが、実際の不可逆変化では必
ず系の外部との熱交換を伴い、断熱変化の理想条件から
はずれてくる。すなわち、層流よりは乱流の方が一般に
流体と管体の熱交換量が多く、またオリフィスにおける
流れでは、流量係数が小さい方が流体とオリフィス外壁
との熱交換量が多い。この熱交換量に応じて、熱冷媒の
エンタルピおよびエントロピも増大し、この増分１ヨ一
般に熱ポンプ装置に対する余計な仕事となる。本発明は
このＪ：うな考察に基づきなされたものて。

膨張弁においてその弁体の周囲に形成されるオリアイス
の形状を流線で形成することにより不可逆変化の条件を
できるだけ可逆変化の条件に近づけてその流量係数を極
力大きい値とすることにより、エンＩ・ロピの増大を抑
制し、冷凍サイクルとしての成績係数の向上を図った 以下に、図面に基づき本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明電子膨張弁の一実施例を示し、ディジク
ル制御器によって制御するので、暖房および冷房の双方
の冷凍サイクルを行わせる装置には最も好適なものであ
る。ここで、ＩＡ、ＩＢおよびＩＣは互いに螺合させて
弁箱ｌを構成する弁箱部材である。２は、弁棒（ビント
ル）３の中間に設けた弁体であり、弁箱部材ｌＡには弁
体２との間に滑らかな流線形の流路としてのオリフィス
４を形成するために、紡錘型とした弁体２の最大径部が
弁の開成時に接するようにした弁座５を設けるとともに
、この弁座５に続く前後の曲面５Ａを弁座５から緩かに
開放させた朝顔型形状に形成する。

しかして、ビントル３の軸方向の運動によって、オリフ
ィス４の面積を変化させることができるが、オリフィス
４は滑らかな面で形成されており、いま、本図において
、ビントル３が右から左の方に動き、弁体２が破線の位
置から実線の位置、さらに、一点鎖線の位置にと移動し
て開弁されてゆくとすると、３］−座５の位置では流路
の面積はピントル３０行程に対し、相乗的に増加する。

しかしながら、オリフィス４の中心位置、すなわち弁箱
１側の弁座曲面５Ａと弁体２の紡錘面との間の最短距離
の位置は、ビントル３が左方に移動するとともに左方に
移行するので、曲面５Ａと弁体２の紡錘面とを互いに選
定して設定することにより、ビントル３の移動量に対す
るオリフィス４の面積の変化を弁の前後の圧力差とオリ
フィスの面積との非線形な特性を補償するような関係と
することができ、弁の前後の圧力差の変化をビントル３
の移動量に対してほぼ直線的な変化とすることができる
。さらにまた、オリフィス４の形状を弁開度の如何にか
かわらず滑らかな状態に保つことかできるので、渦や摩
擦の発生が抑制され、冷熱媒の流量係数を常に大きく保
つことができる。

いま、ここで、弁前後の圧力差の変化をビントル３の移
動量に対してほぼ直線的に変化させることができるとし
たことについて、以下に理論的な説明をする。すなわち
、 オリフィスを流れる流体については、ベルヌーイの定理
を変形して、一般に次の式が成り立つ。

ただし、 Ｑ；体積流量、Ｃ４；流量係数。

Ａ；オリフィス断面積、ρ；流体庇度。

ΔＰ；オリフィス差圧 （１）式を変形すると、 式（２）において、体積流量Ｑ、流量計数Ｃよ、および
流体音度ρをほぼ一定と見なすと、そこで次に、第４図
に示すような２つの同一の高次曲面がその回転中心軸を
ある距離だけ平行にずらせて、お互いに凸の面を向は合
って対向しているものとする。お互いの相対位置が中心
軸の方向に移動するとき、オリフィスのクリアランスｄ
は、曲面の相対距離（弁の行程）Ｘの関数として、第１
図で、ｄ、　、ｄ、　、ｄ、のように変わる。一方、第
４図から明らかなように、２つの曲面の対称性のために
ｄの中心点の軌跡トｘは左方の曲面の中心軸Ｌ−Ｌかも
半径＝　Ｄ／２−一定だけ離れている。

ゆえに、 πＤ＝一定　　　　　　　　　　　　　（４）ごらに、
オリフィスの面積Ａは次の式により定義できる。

Ａ＝πｏｄ　　　　　　　　　　　　　　　（５）した
がって、 すなわち、 式（３）と式（７）から、 ΔＰ伏−（８） ｄ′ すなわち、オリフィスにおける差圧と５’Ｔ行程との線
形化を図るには、 ■ Δｐ　■６ＣＸ　　　　　　　　　　　（３）２ Ｘと　ｌ／ｄ’　　との関係を線形化すればよく、弁行
稈Ｘに対して（１／ｄ）”が比例するようなｄが得られ
るように弁体２の形状と弁座曲面５Ａの形状を選定する
ことによって連成できることがわかる。

再び、第１図を参照して説明を続けると、ピンＩ・ル３
の弁箱部材ＩＢおよびＩＣを貫通して摺動自在に支承さ
れるピストン部３Ａの径を弁体２の最大径と等しくなし
、ピストン部３Ａとビントル３との接続部には滑らかな
テーパ面を形成しておく。しかして、ピストン部３Ａを
支承する弁箱部材ｌＣにはシール室ＩＤを設け、このシ
ール室ＩＤと弁箱部材ＩＢの空所６との間には、内部気
体を連通させる連通管７を設けて、ビントル３のゴ１゛
聞閉動作時にシール室ＩＯと空所６との間に圧力変動が
起こらないようにする。８Ａおよび８Ｂは冷熱媒通路９
への冷熱媒の出入口、であり、このように構成した冷熱
媒通路９では、出入口８Ａおよび８Ｂのいずれの側が入
口および出口であっても、弁体２を介してビントル３の
軸方向にかかる高圧側および低圧側の圧力が常につり合
っており、ビントル３に軸方向の力が加わることかない
。したがって、弁の開制御および冷熱媒のが己れ方向の
如何にかかわらず、開ガおよび閉弁動作を後述する駆動
装置が供給する極めて小さな駆動トルクによって、ビン
トル３を軸方向に移動して行うことができる。

また、方向性の性能が兼備されるので、冷房モードおよ
び暖房モードの双方のサイクルに効果的に併用すること
ができる。

ついで、駆動装置について説明する。

工０は空所６側に貫通させたビントル３の端部に１１ジ
けた弁駆動金具であり、弁駆動金具１０にはす・ント部
材１１を固着する。さらに弁駆動金具１０は、その外周
に軸方向の満１２を有しく第２図参照）、この摺動溝１
２に弁箱部材ＩＢ側の突出させた軌条１３を嵌め合わす
ことにより、；ψ動金具１０を軌条１３に９１）って摺
動自在とする。さらにまた、ナンド部材１１はステッピ
ングモータＩ４の回転軸１５に螺刻したねじ、”ζ［＆
に螺合しており、ステッピングモータ１４による回転軸
１５の回転は、このナラｌ−ＷＲｔｉとねじ部１Ｇとの
螺合により駆動金具１０を軸方向に移動させるねじ連動
に変換され、弁体２を同方向に移動させ弁開度を変化さ
せる。

１７はりミツトスイッチ、１８はスＩ・ツバであり、駆
動金具ｌＯが第１図での左方に移動し、力体２が一点鎖
線の位置にまできたとすると、このリミ・ントスイッチ
１７に金具１０が当接することによって、リード線１８
を介してディジタル制御器３０に信号が送られ、ステッ
ピングモータ１４をその位置に停止させる。また、駆動
金具１０が右方に移動してストッパ１８に当接した状態
では、′弁体２は破線で示す全閉の位置にあり、図には
示さないが、モータ１４が停止させられるようになって
いる。２０は冷熱媒通路９側と空所６側との間を封止す
る密封装置であり、ビントル３の往復動のためにグラン
ドパツキン等を用いるのが好適である。２１は寥封装置
であり、例えば０リング等とするのが好適で、これら二
重の密封装置２０および２１により通路９側の冷熱媒を
封止する。

次に第３図にブロック図を示した、本電子膨張方を駆動
する、ディジタル制御器３０の構成の一実施例について
述べる。同図かられかるように、点線内のディジタル制
御器３０は、点線外の関連機器と図示のように接続する
。冷凍サイクルを構成する機器にイづ設した少なくとも
２つ以上の温度センサ３１および／または圧カドランス
ジューサ３２はディジタル制御器３０への入力信号を与
える。また電子膨張弁に付設したステッピングモータ１
４へのディジタル入力は、ディジクル制御器３ｏがらの
出カイ１１号である。温度センサ３１および／または圧
力ｉ・ランスジューサ３２の出力はマルチプレクサ３３
によってサンプリングされ、サンプルホールド３４に与
えられる。サンプルホールド３４の出力は、Ａ／Ｄ変換
器３５に与えられ、Ａ／Ｄ変換器３５のディジタル出力
は入出カポ−Ｉ・３８Ａを経て、ＣＰＵ３７にとり込ま
れる。ＣＰＵ３７は、ＲＯＭ３８に記憶されているプロ
グラムに従って、゛電子膨張弁の開閉度を制御するため
の所定の演算を行う。このとき、ＲＡＭ３９に一刊青記
憶、されているデータを使用する。ＣＰＵ３７における
演算結果のディジタル信号は、入出カポ−）　３１３Ｂ
を通じて２、ドライバ４１に与えられて電流増幅され、
ドライバ４１の出力は、ステッピングモータ１４を駆動
する。なお、ステッピングモータ１４の回転角度は、Ｃ
ＰＵ３？内のカウンタ４０にディジタル出力として記憶
しておく。

続いて、このように構成した電子膨張弁における動作を
説明する。ステッピングモータ１４には、ディジタル制
御器３０からリード線２２を介してそのステータに制御
信号に応じたパルス列が印加されるが、ここでリード線
２２のうち１本または２木にそのパルス列信号を与え続
けることによって、ステッピングモータ１４のロータを
外乱トルクに抗してその位置に留まらせることができる
。ま−た、冷凍サイクルが停止した状態では、弁体２が
破線で示す全開の位置、すなわち弁駆動金具１ｏがスト
ッパ１８に当接する位置に来るように、ディジタル制御
器３０によって制御されており、したがって、ステッピ
ングモータ１４もまたこの回転角度に保たれる。

第５図は電子膨張弁の開閉度と、この弁における出入口
８Ａおよび８Ｂでの圧力差との関係を示し、理想的には
このような関数（実線Ｋ）で示される。すなわち、ここ
で横軸は弁ｌの閉閉の度合のを示し、右端が全開の位置
、基点が全開の位置である。また、縦軸は圧力差を示し
、このように弁１が全開の状態では圧力差が零、全開の
状態では圧力差が最大値となる。

い才、冷凍サイクルの停止状態では、弁体２は前述した
ように全開の状態にあり、冷凍サイクルが始動されると
、ディジタル制御器３０では、外的条件に応じて最適の
圧力降下がイ↓ノ・られるような弁開度となるようにス
テッピングモータ１４を駆動する。すなわち、ディジタ
ル制御器３０の有するカウンタ４０により、ステッピン
グモータ１４に与えた駆動用のパルス数をカウントさせ
ており、そのカウント数となったところでステッピング
モータ１４を停止させて、その回転角度を保持させる。

しかして、弁体２はこのような状態での開閉度を保つこ
とにより、その通路９の出入口８Ａおよび８Ｂの間にこ
の外的条件に対応した圧力差をに１Ｆ持する。また、開
閉度が全開の状態での最大圧力差は、図示しない圧縮板
の回転数とその運転状態における温度条件等によって得
られる最高値として定められるものであり、弁体２によ
る圧力降下量すなわち圧力差の量を、７体２の全閉と全
開の中間では、第３図に実線に１で示すように単純に弁
開閉度にほぼ比例させることができる。

なお、開閉度か全開の状態での圧力差はほぼ零であり、
これにより、例えば太陽熱集熱器が非常に高温に熱せら
れたような状態でも、サイクルを駆動して圧縮機を駆動
する動力を最小にすることができる。

さらに、第５図において破線に２で示す曲線は７Ｅ磁膨
張弁における弁開閉度と弁の」−流、下流間の圧力差と
の関係を示す特性曲線であり、このように電磁膨張弁の
場合は全開状態でも圧力差が零とはならず、圧力差がほ
ぼ零であることを所望するときには、それだけサイクル
の効率を低下させる。

第６図（Ａ）および（Ｂ）は、暖房モードにおける冷凍
サイクルのＴ−Ｓ線図を示し、同図（Ａ）は従来の膨張
弁による場合、同図（Ｂ）は本発明による場合である。

一般に、膨張弁においては摩擦作用を伴うから、減圧の
結果として必ず液状冷熱媒のエントロピが増大してしま
う。したがって、第６図（Ａ）においては、Ａ点からＢ
点のようにＴ−５線図が構成される。かかるサイクルの
成績係数ＣＯＰは図示のように格子線部および斜線部の
面積に対する格子線部の面積の比で表現できる。

他方、本発明の膨張弁は滑らかなオリフィスを持つので
低摩擦を特徴とし、第６図（Ｈ）に示すようなＴ−５線
図が構成され、ぞのＡ−Ｇ部分におけるエントロピの増
大、すなわち減圧によるエントロピの増大の度合いが第
６図（Ａ）に比して小さい。

また、本発明の膨張弁は冷熱媒と弁およびゴ１゛体どの
間が低ｊν擦であり、したがって外界との熱交換の度合
いが少ない。したがって、熱交換に伴う、エンタルピお
よびエントロピの増大ｆｔも、従来のオリフィスに比べ
て少ない。

これらの効果によって成績係Ｐ、　ＣＯＰも第６図（Ａ
）の場合に比べて大きくなり、より効率の高いヒートポ
ンプを構成することができる。冷房モードについても同
様なことがいえる。

以上説明してきたように本発明によれば、オリフィスの
形状が従来例に比べて滑らかであるので、流量係数か大
きく、弁の開閉度に対して感度の高い流量の制御が可能
であり、ステッピングモータによる微細な角運動に対応
した精度の高い制御が得られるのみならず、従来の電子
１膨張弁に比して応答時間が短くてすみ、温度変化等の
レート偶号もディジタル制御器により計算され、ダンピ
ング低号としてステッピングモータに印加することがで
きるのて安定性が増加する。

さらにまた、センサ部と操作部との間に機械的な機構が
介在しないので、不感帯やヒステリシス等制御系によっ
て好ましくない非線形的な動作要素が少なく、しかも弁
の開閉動作がモータの回転軸によるねじ運動により行わ
れるので、小さな動力ですみ装置を小型化することがで
きる。また、本発明によれば、電磁式Ｉｌｌ張弁のよう
にオペレーショナルアンプに制御則を組み込むのではな
く、制御則が全てソフトウェアを介して制御器に記憶さ
れるので、冷凍サイクルを常に最適な条件のもとで行わ
せるようにすることができ、制御則の変更も容易である
。

また、本発明では、ディジタル制御器によりステッピン
グモータを駆動して１彫張弁を外的条件に即応した状態
に開閉するようにしたので、大幅な外的条件の変化にも
自由に対応でき、広範囲でかつ精度の高い制御動作が得
られる。さらにまた、従来例の１膨張弁ビントルによる
開弁動作の際に生ずる、膨張ゴｒの上流と下流との圧力
差に基つくビントルの軸方向の力が、本発明では殆ど作
用しないように構成しであるので、常にステ・ンピング
モータの一定した小さな駆動トルクで弁の開閉動作を９
５わせることかでき、しかも膨張弁自体に工夫向性を持
たせることができる。

【図面の簡単な説明】

第１１Δは本発明電子膨張弁の構成の一例を示す断面図
、第２図はそのＡ−Ａ線断面図、第３図はディジタル制
御器のプロ・ンク図、第４図はオリフィス差圧と升行程
の線形化を図るために本発明に適用した弁体および弁座
曲面の理論解析のための説明図、第５図は膨張弁の開閉
度と弁によって得られる差圧との関係を本発明電子膨張
弁の場合と電磁１１ｆＪ張ヂｉとの場合とで比較して示
す線図、第６図（Ａ）および（Ｂ）は従来の電磁膨張弁
および本発明電子膨張弁による暖房モードの冷凍サイク
ルにおけるそれぞれＴ−５線図である。 １・・・弁箱、 ＩＡ　、　ＩＢ　、　ＩＣ：・・・部相、１０・・・シ
ール室、 ２・・・弁体、 ３・・・ビントル、 ３Ａ・・・ピストン部、 ４・・・オリフィス、 ５・・・弁座。 ５Ａ・・・弁座曲面。 ６・・・空所、 ７・・・連通管、 ８Ａ、８Ｂ・・・出入口、 ８・・・冷熱媒通路、 １０・・・弁駆動金具、 １１・・・ナツト部材、 １２・・・溝、 １３・・・軌条、 １４・・・ステッピングモータ、 １５・・・回転軸、 １６・・・ネジｌ′イ１（， １７・・・リミ・ントスインチ、 １８・・・ストンパ、 １８・・・リード線、 ２０．２１・・・密封装置、 ２２・・・リードに泉、 ３０・・・ディジタル制御器、 ３１Ａ、３１Ｂ・・・温度センサ、 ３２Ａ、、３２Ｂ・・・圧カドランスジューサ。 ３３・・・マルチプレクサ、 ３４・・・サンプルホールド、 ３５・・・Ａ／Ｄ変換器、 ３ｔ３Ａ、３８Ｂ・・・入出力ポート、３７・・・ＣＰ
Ｕ、 ３８・・・ＲＯＭ、 ３９・・・ＲＡＭ、 ４０・・・カウンタ、 ４１・・・ドライバ。 手続補正書 昭和３ｇ年ｉｏ月＋２ｇ日 特許庁長官　若　杉　和　夫　　殿 １、事件の表示 特願昭タフ−ｌざ７３り３号 ２、発明の名称 電子膨張弁 ３、補正をする者 事件との関係　　　　　　特許出願人 株式会社　システム−ホームズ （６０１）三菱電機株式会社 ’事、１１＋（ＩＡ＋ｘ１ｆｌＩ騙’、：１（言丁正）
明　　　細　　　書 １、発明の名称 ′ＣＥ　　　子　　膨　　張　　弁 ２、特許請求の範囲 ｌ）　ステッピングモータと該ステッピングモータの回
転をねじ運動に変換する手段と、該ねじ運動に変換する
手段に結合されて往復直線運動の開閉動作をなし両端部
が弁箱部材に摺動自在に支持される弁棒と、該弁棒の中
間部に設けた弁体と、前記弁棒が往復直線運動するとき
に、その運動の二方向においてｉ（ｊ記弁体との間で滑
らかに流路面積および流路形状がそれぞれ変化するよう
になした曲面を有する弁座とを具備したことを特徴とす
る電子膨張弁。 ２、特許請求の範囲第１項記載の電子膨張弁において、
前記弁体および曲面を崩する弁座の形状を前記弁棒の前
記開閉動作による行程と前記弁体の前後における圧力差
との関係が線形をなすようにしたことを特徴とする電子
膨張弁。 ３）特許請求の範囲第１項または第２項記載の電子膨張
弁において、前記弁体および前記曲面を有する弁座の形
状を朝顔型としたことを特徴とする電子膨張弁。 ４）特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記
載の電子膨張弁において、前記弁棒の少なくとも支持さ
れる両端のピストン部における軸面面積を前記弁体にお
ける最大の軸面面積に等しくなし、二方向性を持たせる
ようにしたことを特徴とする′電子膨張弁。 ５）特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかの項
に記載の電子膨嘉弁において、前記弁棒の支持される両
端のピストン部か貫通した個所をそれぞれ密封室となし
、該畜封室間を連通管で接続したことを特徴とする電子
膨張弁。 Ｂ）特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかの項
において、前記弁体と前記曲面を有する弁座との間に全
開の状態が得られるようにしたことを特徴とする電子膨
張弁。 ７）特許請求の範囲第１項ないし第６項のいずれかに記
載の電子膨張弁において、前記流路が全開のときに、該
流路の上流側と下流側との圧力差がほぼ零になるように
したことを特徴とする電子膨張弁。 ８）特許請求の範囲第１項ないし第７項のいずれかに記
載の電子膨張弁において、演算部をマイクロコンピュー
タの形態となし、該マイクロコンピュータのリードオン
リメモリに書き込んだツブＩ・ウェアに従って、前記弁
棒の開閉動作を制御することかでき、しかもそのことが
できるようにしたことを特徴とする電子１膨張弁。 ３、発明の詳細な説明 本発明は電子膨張弁に関し、特に圧縮機を崩する熱ポン
プ系統に用いる膨張弁をディジタル制御されるステッピ
ングモータで動作させて安定した応答性が得られるよう
にするとともに、弁体によって得られるオリフィスの形
状が常に滑らかな状態に保たれるように構成することに
より膨張弁での摩擦損失を抑制し、もって、冷凍サイク
ルにおける成績係数の向上を図ったものである。 近年では、２つの熱交換器と圧縮機および膨張３１１と
を組み合せた熱ポンプ系統で、暖房モードおよびン令房
モード双方をサイクルの切換えによりイｊうことができ
るようにしたものが開発されている。このような熱ポン
プ系統では、暖房モードと冷房モードとで、それぞれの
サイクルに必要とされる膨張弁での行程圧力差および蒸
発温度が異なり、また同じ暖房のモードにあっても変動
する外気温度に対して室内温度を何度に保つかによって
膨張弁での異なる弁開度が要求される。 従来の暖房や冷房の熱ポンプ系統に用いられてきた自動
１１張弁としては、機械式のものや電気式のものが一般
に知られている。このうち、機械式のものには定圧式と
温度式とがあり、中型および大型の暖冷房装置に多く用
いられてきたが、これらは蒸発器中の圧力もしくは圧縮
機入日における冷媒圧と蒸発器中における冷媒圧との差
圧をダイヤフラムまたはベローズ、ばね等のばね力と均
等させることにより弁開度を制御している。 しかしながら、このような従来の機械式自動膨張弁にあ
っては、圧縮機の定格回転数および容量を前提として設
定される一定の外的条件や負荷条件で最も効率が上るよ
うに計画されているので、外的条件や負荷条件が設定値
から外れてくると、−殻には効率が低下する。そこで、
外的条件や負荷条件がいずれも異なる暖房モードと冷房
モードとの双方をサイクルの切換えにより行わせる熱ポ
ンプ系統の装置にこの種の膨張弁を用いることは適切で
はなく、ために両モードで異なる膨張弁を切り換えて使
用している例か多い。 さらにまた、このような熱ポンプ系統として、屋外に太
陽熱集熱器を熱交換器として用い、暖房のときはこの集
熱器により大幅の輻射熱を吸収して利用し、冷房のとき
は、この集熱器により逆に夜間に熱を天空に放射させる
ことにより効率の高いサイクルを行わせるようにした装
置が考えられる。かかる装置では、なお一層、大幅に異
なる外的条件のもとての制御が要求されるので、機械式
膨張弁ではとうていその要求範囲での追随が不可能であ
る。 殊に、機械式膨張弁の機構では、ヒステリシス等の非線
形性のために正確な制御を行うことか困難であり、さら
に、ダンピングを付与する機能がないため冷凍サイクル
が不安定なものとなりやすい。 そこで、かかる問題点を解決するために、近年電気式膨
張弁が開発されている。すなわち、このような電気式膨
張弁にあっては、例えば温度センサ等の検出器から得ら
れた制御系の状態変数をいったんアナログ電気信号に変
換し、これを電気回路で処理した後電力増幅して、ヒー
タまたはンレノイドに印加し、升の位置を決め操作を行
う。 したがって、このような電気式膨張弁は機械式側こ比し
て応答範囲が広く、外的条件の変化にも対応できるので
、機械式膨張弁に比して設計条件をかなり改善させるこ
とができる。 しかしながら、このような従来の電気式膨張弁において
は、操作部を制御する制御則がハードウェアとして電気
回路に組み込まれているので、操作部の単一な動作しか
得られず、さらにこのうち熱電気式のものにあっては、
ヒータとバイメタルとの組合せによる操作部での時定数
が太きく、応答性が悪い。殊に、弁の操作が直線運動に
より行われる４ｊ９．構となっているので、その駆動に
大３い力が必要で、したがって、ヒータに印加される直
流電源も大きくなくてはならず、電気回路および操作部
がともに複雑な構造となる。 そこで、このような従来の欠点を一部除去するために、
操作部に電動機を用いて、駆動力の低減を図ったものが
ある。すなわち、　Ｌａｍｏｎｔ　　Ｂ。 Ｋｏｏｎｔｚに対する米国特許第２，５３４，４５５号
「冷凍装置」では、計測部として２組の感熱式抵抗体と
ヒータとを冷熱ｔＸ通路をなす蒸発器の２ケ所にそれぞ
れ配置し、これらをさらに演算部としてブリッジ回路に
組み、所望過熱度からのずれに応じて発生する不つり合
い電流によって該電動機を回転させ、これを連動する弁
の直線運動に変換して、膨張弁の開閉度を制御するよう
にしている。 しかしながら、このような電動機を用いた電気式膨張弁
にあっても、さらにいくつかの欠点があった。すなわち
、 （１）一般の電気式膨張弁にあってはこれを完全には閉
とできず、冷凍回路を閉とするためには別に電磁弁等が
必要であり、さらに膨張弁を全開としたと５にも、弁の
前後における圧力差をほぼ零にすることができない。 （２）一般には一力向性であるので、冷房と暖房の２モ
ードを行うためには、このような膨張弁を２個使用する
か、四方弁によって膨張弁を通過する冷熱媒の流れの方
向を一方向としなければならない。 （３）オリフィスが一般に角がある形状のため、ここで
の摩擦損失が大きく、熱ポンプ装置の成績係数を低下さ
せる。したがって、オリフィスの流量係数が小さく、弁
の直線運動に対する圧力差の変化の度合いが大きく、制
御が不安定となりやすい。 （４）一般に弁の直線運動に対する差圧の変化の特性が
非線形のために、良好な制御特性が得られにくい。 （５）弁に冷媒の差圧に基づく軸方向の力が加わるので
、十分な弁の駆動トルクを得るために、一般に電動機に
減速のギア機構が必要であり、機構が複雑となり、制御
性、応答性に問題がででくる。 （６）ハードウェアによって演算部が組まれているため
、制御則の運用に柔軟性が乏しく、同演算部を操作する
ことによって制御性、成績係数の向上を追求することに
限界がある。 本発明の目的は、上述のような従来の電動機を用いた電
気式膨張弁の欠点を除去した、新しい型の電子膨張弁を
提供・することにある。 すなわち、゛本発明電子膨張弁は （１）　　１つの膨張弁によって流路の全閉から全開（
弁における圧力損失がほぼ零）に至るきわめて広範囲の
動作が可能である。 （２）ｙ＊路とオリフィスが冷熱媒の流れ方向を規制し
ない形状となし、１つの膨張弁で四方向弁なしに、冷房
と暖房の両モードに使用できる。 （３）オリフィスの形状が滑らかで摩擦抵抗が小さく、
て、外界との断熱特性もよく、熱ポンプ装置の成績係数
向上に寄与する。オリフィスの流量係数が大きいために
升の直線動作に対する圧力変化の感度が小さく、制御の
安定化が図りやすい。 （４）弁体の形状を工夫することにより、弁棒の、　直
線運動に対する差圧の特性が線形化でき、制御則が簡単
になる。 （５）ビントルの形状と連通管により、弁棒に力■わる
力をバランスさせることができて、弁棒には殆ど外力が
加わらないため、弁の駆動をギア機構なしにステッピン
グモータと直結して行うことができ、このため機構が小
型、単純、低価格となり、応答性、制御性にも、債れて
いる。 （６）ソフトウェアにより演算部を構成することができ
るので、ダンピング信号を付加できる他、制御の柔軟性
が増す。 ことを特徴とするものである。 以下に、本発明のよってきたる原理について述べる。 膨張弁は、気体および液体の二相量変化を行う冷熱媒体
の与えられた流量を通過させる際にその高圧側と低圧側
との間で所望の圧力差が得られるようにするために用い
られるものであり、等エンタルピ変化、断熱変化および
不可逆変化の条件のもとに動作する。しかして、ここで
等エンタルピ変化の条件とは膨張弁における内部エネル
ギの減少が押し込みエネルギの増加に変化することを表
しており、エンタルピは殆ど変化しない。 しかしながら、膨張弁はさらに断熱変化および不可逆変
化の条件のもとに動作するものであり、この閉じた系で
はうずの発生や摩擦等によって必ずエントロピの増大を
もたらす。すなわち、「閉じた系の状態変化において、
自由膨張、うすの発生、摩擦、あるいは有限な温度差に
おける伝熱などの熱平衡からのずれがあるときは不可逆
変化となる。例えば、外界との熱の授受がない断熱系に
おける不可逆変化は等エントロピ変化ではなく不可逆断
熱変化で、体系のエントロピは圧縮あるいは膨張過程に
おいて増大°するＪ　（以上、１９７２年養賢堂発行：
森、−色、河田氏著：熱力学概論）ことが知られている
。 そこで、膨張弁におけるこの不可逆断熱変化によって圧
縮機にエントロピの増大に対応した分だけ仕事の負担を
増やすことになる。すなわち、いま、冷凍サイクルを仮
に可逆変化とみなして、その最小仕事り、をＧ　ｉ　ｂ
ｂｓの自由エネルギの変化として示すと、 −り、　＝　　Ｇ、　−Ｇ、　　　　　　　　　　（１
）ここで、Ｇ、およびＧ２は膨張弁の入口および圧縮機
の出口において系の有するそれぞれの自由エネルギであ
り、負号を付したのは、冷凍サイクルの場合はエンジン
の場合に比してその／＋８流の方向およびサイクルの方
向が反対となることによる。 次いで、蒸発温度は外気温度に等しいと仮定し、これを
Ｔ。（絶対温度）、内部エネルギをＨ，エントロピをＳ
とすると、自由エネルキＧは次式で示される。 Ｇ＝Ｈ−Ｔ、Ｓ、　　　　　　　　　　　　　　（２）
いま、自由エネルギＧが６１　およびＧ２であるときの
内部エネルギＨＩＨ，およびＨ，、さらにエントロピを
６１　およびＳ、とじて、これらの値を用いた（２）式
と（１）式から、 Ｌ、　＝　（Ｈ，−Ｈ，）−Ｔ、　（Ｓ、　−Ｓ、　）
　　　　　（３）式　が得られる。 しかるに、膨張弁では不可逆変化の条件の下に仕事がな
されるものであり、このためのエントロピの増大分をΔ
Ｓとして、膨張弁の下流でのエントロピを８７　　とす
ると、 Ｓ；　　＝　　Ｓ、　　＋Δ５（４） このときの仕事をＬとし、（３）式のＳ、の代わりに５
７を代入して、 Ｌ＝’（Ｈ，−Ｈ，）−Ｔ、　（Ｓ、　＋ΔＳ−３，）
　　　（５）すなわち、膨張弁での不可逆変化のための
仕事の増大分をΔＬとすると、　（３）式と　（５）式
から、 ΔＬ　＝Ｌ−Ｌ、　＝−Ｔ、　Δ５（６）ここで負号は
系に対する仕事の増加を意味するもので、膨張弁での不
可逆変化のために、Ｔ。・ΔＳ分だけ圧Ｉ＃ｉｉ！機の
仕事としての負担増が生ずることを示す。 以上説明してきたところから明らかなように、膨張弁は
不可逆変化の条件の下にその動作が行われるものであり
、そこにはエントロピの増大があり、その増大分に対応
する分の仕事だけ冷凍機に余計な負担がかかる。 なお、以上の説明では膨張弁での不可逆変化を断熱変化
として取り扱ってきたが、実際の不可逆変化では必ず系
の外部との熱交換を伴い、断熱変化の理想条件からはず
れてくる。すなわち、層流よりは乱流の方が一般に流体
と管体の熱交換量か多く、またオリフィスにおける流れ
では、流量係数が小さい方が流体とオリアイス外壁との
熱交換量が多い。この熱交換量に応じて、熱冷媒のエン
タルピおよびエントロピも増大し、この増分は一般に熱
ポンプ装置に対する余計な仕事となる。本発明はこのよ
うな考察に基づきなされたもので、膨張弁においてその
弁体の周囲に形成されるオリフィスの形状を流線で形成
することにより不可逆変化の条件をできるだけ可逆変化
の条件に近づけてその流量係数を極力大きい値とするこ
とにより、エントロピの増大を抑制し、冷凍サイクルと
しての成績係数の向上を図った。 以下に、図面に基づき本発明の詳細な説明する。 第１図は本発明電子Ｈｔｇ張弁の一実施例を示し、ディ
ジタル制御器によって制御するので、暖房および冷房の
双方の冷凍サイクルを行わせる装置には最も好適なもの
である。ここで、ＩＡ、ＩＢおよびＩＣは互いに螺合さ
せて弁箱１を構成する弁箱部材である。２は、弁棒（ビ
ントル）３の中間に設けた弁体であり、弁箱部材ＩＡに
は弁体２との間に滑らかな流線形の流路としてのオリフ
ィス４を形成するために、紡錘型とした弁体２の最大径
部が弁の閉成時に接するようにした弁座５を設けるとと
もに、この弁座５に続く前後の曲面５Ａを弁座５から緩
かに開放させた朝顔型形状に形成する。 しかして、ビントル３の軸方向の運動によって、オリフ
ィス４の面積を変化させることができるが、オリフィス
４は滑らかな面で形成されており、いま、本図において
、ビントル３が右から左の方に動き、弁体２が破線の位
置から実線の位置、さらに、一点鎖線の位置にと移動し
て開弁されてゆくとすると、弁座５の位置では流路の面
積はビントル３の行程に対し、相乗的に増加する。 しかしながら、オリフィス４の中心位置、すなわち弁箱
１側の弁座曲面５Ａと弁体２の紡錘面との間の最短距離
の位置は、ビントル３が左方に移動するとともに左方に
移行するので、曲面５Ａと弁体２の紡錘面とを互いに選
定して設定することにより、ビントル３の移動量に対す
るオリフィス４の面積の変化を弁の前後の圧力差とオリ
フィスの面積との非線形な特性を補償するような関係と
することができ、弁の前後の圧力差の変化をビントル３
の移動量に対してほぼ直線的な変化とすることができる
。さらにまた、オリフィス４の形状を弁開度の如何にか
かわらず滑らかな状態に保つことができるので、渦や摩
擦の発生が抑制され、冷熱媒の流量係数を常に大きく保
つことができる。 いま、ここで、丹前後の圧力差の変化をビントル３の移
動量に対してほぼ直線的に変化させることができるとし
たことについて、以下に理論的な説明をする。すなわち
。 オリフィスを流れる流体については、ベルヌーイの定理
を変形して、一般に次の式が成り立つ。 ただし、 Ｑ；体積流量、Ｃシ；流量係数。 Ａ；オリフィス断面積、ρ；流体密度。 ΔＰ；オリフィス差圧 （７）式を変形すると、 式（８）において、体積流量Ｑ、流量係数Ｃよ、および
流体密度ρをほぼ一定と見なすと、そこで次に、第３図
に示すような２つの同一の高次曲面がその回転中心軸を
ある距離だけ平行にずらせて、お互いに凸の面を向は合
って対向しているものとする。お互いの相対位置が中心
軸の方向に移動するとき、オリフィスのクリアランスｄ
は、曲面の相対圧ｆａ（弁の行程）Ｘの関数として、第
１図で、　ｄ、　　、ｄ、　、ｄ、のように変わる。一
方、第４図から明らかなように、２つの曲面の対称性の
ためにｄの中心点の軌跡トｘは左方の曲面の中心軸Ｌ−
Ｌから半径＝　Ｄ／２　＝一定だけ離れている。 ゆえに、 πＤ＝一定　　　　　　　　　　　　（１０）さらに、
オリフィスの面積Ａは次の弐番こよ４ｊ定義できる。 Ａ＝πＤｄ（１１） したがって、 すなわち、 式（８）と式（１３）から、 ΔＰｏｃ　　　　　　　　　　　　　　　　（１４）２ すなわち、オリフィスにおける差圧と弁行程との線形化
を図るには、 ΔＰｃ−＋−６ｃＸ　　　　　　　　’　　　（１５）
２ Ｘと　ｌ／ｄ”　との関係を線形化すればよく、弁行８
Ｘに対して（１／ｄ）’が比例するようなｄが得られる
ように弁体２の形状と弁座曲面５Ａの形状を逮定するこ
とによって達成できることがわかる。 再び、第１図を参照して説明を続けると、ピ嗜ントル３
の弁箱部材ＩＢおよびＩＣを貫通して摺動自在に支持さ
れるビントル両端のピストン部３Ａの径を弁体２の最大
径と等しくなし、ピストン部３Ａとビントル３との接続
部には滑らかなテーパ面を形成しておく。しかして、ピ
ストン部３Ａを支持する弁箱部材ＩＣにはシール室２０
を設け、このシール室ＩＤと弁箱部材ＩＢの空所６との
間には、内部気体を連通させる連通管７を設けて、ビン
トル３の弁開閉動作時にシール室ＩＤと空所６との間に
圧力変動が起こらないようにする。８Ａおよび８Ｂは冷
熱媒通路９への冷熱媒の出入口であり、このように構成
した冷熱媒通路９では、出入口８Ａおよび８Ｂのいずれ
の側が入口および出口であっても、弁体２を介してビン
トル３の軸方向にかかる高圧側および低圧側の圧力が常
につり合っており、ビントル３に軸方向の力が加わるこ
とがない。したがって、弁の開閉制御および冷熱媒の流
れ方向の如何にかかわらず、開弁および閉弁動作を後述
する駆動装置が供給する極めて小さな駆動トルクによっ
て、ビントル３を軸方向に移動して行うことができる。 また、方向性の性能が兼備されるので、冷房モードおよ
び暖房モードの双方のサイクルに効果的に併用すること
ができる。 ついで、駆動装置について説明する。 ｌＯは空所６側に貫通させたビントル３の端部に設けた
弁駆動金具であり、弁駆動金具１０にはナツト部材１１
を固着する。さらに弁駆動金具１０は、その外周に軸方
向の？ＩＷ１２を有しく第２図参照）、この摺動溝１２
に弁箱部材ＩＢ側の突出させた軌条１３を嵌め合わすこ
とにより、駆動金具１０を軌条１３に治って摺動自在と
する。さらにまた、ナツト部材ｌｌはステッピングモー
タ１４の回転軸１５に味到したねじ部１Ｇに螺合してお
り、ステッピングモータ１４による回転軸１５の回転は
、このナツト部１１とねじ部１８との螺合により駆動金
具ｌＯを軸方向に移動させるねじ運動に変換され、弁体
２を同方向に移動させ弁開度を変化させる。 １７はリミットスイッチ、１８はストッパであり、駆動
金具１０が第１図での左方に移動１７、弁体シが一点鎖
線の位置にまできたとすると、このリミットスイッチ１
７に金具１０が当接することによって、リード線１８を
介してディジタル制御器３０に信号が送られ、ステッピ
ングモータ１４をその位置に停止させる。また、駆動金
具１０が右方に移動してストツバ１８に当接した状態で
は、弁体２は破線で示す全閉の位置にあり、図には示さ
ないが、モータ１４が停止させられるようになっている
。２０は冷熱媒通路９側と空所６側との間を封止する電
封装置であり、ビントル３の往復動のためにグランドパ
ツキン等を用いるのが好適である。２１は電封装置であ
り、例えばＯリング等とするのが好適で、これら二重の
電封装置２０および２１により通路９側のン令熱り某を
封止する。 次に第３図にブロック図を示した、本電子膨張弁を駆動
する、ディジタル制御器３０の構成の一実施例について
述へる。同図かられかるように、点線内のディジタル制
御器３ｏは、点線外の関連機器と図示のように接続する
。冷凍サイクルを構成する機器に旧設した少なくとも２
つ以」二の温度センサ３１および／または圧カドランス
ジューサ３２はディジタル制御器３０への入力信号を与
える。またＩＬ＋膨張弁に付設したステッピングモータ
１４へのディジタル入力は、ディジタル制御器３０から
の出力信号である。温度センサ３１および／または圧カ
ドランスジューサ３２の出力はマルチプレクサ３３によ
ってサンプリングされ、サンプルホールド３４に与えら
れる。サンプルホールド３４の出力は、Ａ／Ｄ変換器３
５に与えられ、Ａ／Ｄ変換器３５のディジクル出力は人
出力ポート３６Ａを経て、ｃｐｕ３７にとり込まれる。 ＣＰυ３７は、ＲＯＭ３８に記憶されているプログラム
に従って、電子膨張弁の開閉度を制御するための所定の
演舒を行う。このとき。 ＲＡＭ３９に一時記憶されているデータを使用する。 ｃｐｕ３７における演算結果のディジタル信号は、入出
カポ−１−３６Ｂを通じて、ドライバ４１に与えられて
電流増幅され、ドライバ４１の出力は、ステッピングモ
ータ１４を駆動する。なお、ステッピングモータ１４の
回転角度は、ＣＰｔ１３７内のカウンタ４０にディジタ
ル情報として記憶しておく。 ステッピングモータ１４には、ディジタル制御器３０か
らリード線２２を介してそのステータに制御信号に応じ
たパルス列が印加されるが、ここでリード線２２のうち
１本または２本にそのパルス列信号を与え続けることに
よって、ステ・ンピングモータ１４のロータを外乱トル
クに抗してその位１δに留まらせることができる。また
、冷凍サイクルが停止した状態ては、弁体２が破線で示
す全開の位置、すなわち弁駆動金具１０がストッパ１８
に当接する位置に来るように、ディジタル制御器３０に
よってｆ０１？Ｊｊされており、したがって、ステッピ
ングモータ１４もまたこの回転角度に保たれる。 次にこのように構成した電子膨張弁における勿・作を第
７図のフローチャートを用いて説明する。 手＋＋＋ｎ　ｓ　ｔで冷凍サイクルが開始されると、手
順Ｓ２で、Ｉ１１張弁は、そのオリフィス４かあらかじ
め決められた所定の開度になるまで開弁動作を行う。 オリフィス４が所定の開度になると、手順ｓ３に進み、
冷凍サイクルを停止させるかどうが判断する。肯定判断
されれば手順Ｓ４に進んで、膨張弁はそのオリフィス４
が全開になるまで閉３１１動作を行い、手順Ｓ５で冷凍
サイクルを停止する。−力１手順Ｓ３で否定判断されれ
ば、手順Ｓ６に進み、温度センサおよび／または圧カド
ランスジューサにより、冷凍サイクル各部の温度と圧力
を測定する。次に手順Ｓ７に進み、ＣＰＵ３７により過
熱度の理想値からのずれΔととその時間レートΔｋを計
算し、また手順Ｓ８では重みづけ係数ａ、ｂを用いて＋
ｉ＝ａΔｉ　＋　　ｂΔｔを計算する。手順Ｓ９ではＲ
ＯＭ中の表より、Δｙ＝ｆｈ）の関係を用いて弁の開閉
度補正パルス数Δｙを求め、これをＣＰｔ１３？のレジ
スタの内容に加算する。続いて手順ＳＩＯではカウンタ
４０（７）値がレジスタの値に一致するまでステッピン
グモータにパルス列を印加し続ける。最後に手順Ｓｌｌ
に進み、所定のサイクルタイムが経過したかどうかを判
断し、否定判断されれば手１１１＃　Ｓ　１１を繰り返
し、肯定判断されれば手順Ｓ３に戻る。 第５図は電子膨張弁の開閉度と、この弁における出入口
８Ａおよび８Ｂでの圧力差との関係を示し、理想的には
このような関数（実線Ｋ）で示される。すなわち、ここ
で横軸は弁１の開閉の度合のを示し、右端が全閉の位１
■、ノ、（点が全開の位置である。また、縦軸は圧力差
を示し、このように弁ｌが全開の状態では圧力差が零、
全開の状態では圧力差が最大値となる。 いま、冷凍サイクルの停止状ＩＥでは、弁体２は４ｉ７
述したように全開の状態にあり、冷凍サイクルか始動さ
れると、ディジタル制御器３０では、外的条件に応じて
最適の圧力降下が得られるような弁開度となるようにス
テッピングモータ１４を駆動する。すなわち、ディジタ
ル制御器３０の有するカウンタ４０により、ステッピン
グモータ１４に与えた駆動用のパルス数をカウントさせ
ており、そのカウントＭｋとなったところでステッピン
グモータ１４を停止させて、その回転角度を保持させる
。しかして、弁体２はこのような状態での開閉度を保つ
ことにより、その通路９の出入口８Ａおよび８Ｂの間に
この外的条件に対応した圧力差を維持する。また、開閉
度が全開の状態での最大圧力差は、図示しない圧縮機の
回転数とその運転状態における温度条件等によって得ら
れる最高値として定められるものであり、弁体２による
圧力降下量すなわち圧力差の量を、弁体２の全閉と全開
の中間では、２（３３図に実線Ｋｌで示すように単純に
弁開閉度にほぼ比例させることかできる。 なお、開閉度が全開の状態での圧力差はほぼ零であり、
これにより、例えば太陽熱集熱器が非常に高温に熱せら
れたような状態でも、サイクルを１！１１〆、動して圧
縮機を駆動する動力を最小にすることかできる。 さらに、第５図において破線に２で示す曲線は電磁膨張
弁における弁開閉度と弁の上１に６下ｌｔｃ間の圧力差
との関係を示す特性曲線であり、このように電磁膨張弁
の場合は全開状態でも圧力差が零とはならず、圧力差が
ほぼ零であることを所望するときには、それだけサイク
ルの効率を低下させる。 第６図（Ａ）および（Ｂ）は、暖房モードにおける冷凍
サイクルのＴ−９線図を示し、同図（Ａ）は従来の膨張
弁による場合、同図（Ｂ）は本発明による場合である。 一般に、膨張弁においては歴擦作用を伴うから、減圧の
結果として必ず液状冷熱媒のエントロピが増大してしま
う。したがって、第６図ＣＡ）においては、Ａ点からＢ
点のようにＴ−３線図が構成される。かかるサイクルの
成績係数ＣＯＰは図示のように格子線部および斜線部の
面積に対する格子線部の面積の比で表現できる。 他ノコ、本発明の膨張弁は滑らかなオリフィス４を持つ
ので低摩擦を特徴とし、第６図（Ｂ）に示すようなＴ−
Ｓ線図が構成され、そのＡ−Ｃ部分におけるエントロピ
の増大、すなわち減圧によるエントロピの増大の度合い
が第６図（Ａ）に比して小さい。 また、本発明の膨張弁は冷熱媒と弁および弁体の間が低
摩擦であり、したがって外界との熱交換の度合いが少な
い、したがって、熱交換に伴う、エンタルピおよびエン
トロピの増大量も、従来のオリフィス４に比べて少ない
。 これらの効果によって成績係数ＣＯＰも第６図（Ａ）の
場合に比べて大きくなり、より効率の高いヒートポンプ
を構成することができる。冷房モードについても同様な
ことがいえる。 以上説明してきたように本発明によれば、オリフィスの
形状が従来例に比べて滑らかであるので、流ｈ（係数が
大きく、弁の開閉度に対して感度の高い流量の制御が可
能であり、ステッピングモータによる微細な角運動に対
応した精度の高い制御が得られるのみならず、従来の電
子膨張弁に比して応答時間が短くてすみ、温度変化等の
レート信号もディジタル制御器により計算され、ダンピ
ング信号としてステッピングモータに印加することがで
きるので安定性が増加する。 さらにまた、センサ部と操作部との間に機械的な機構が
介在しないので、不感帯やヒステリシス等制御系にとっ
て好ましくない非線形的な動作要素が少なく、しかも弁
の開閉動作かモータの回転軸によるねじ運動により行わ
れるので、小さな動力ですみ装置を小型化することがで
きる。また、本発明によれば、電磁式膨張弁のようにオ
ペレーショナルアンプに制御則を組み込むのではなく、
制御則が全てソフトウェアを介して制御器に記憶される
ので、冷凍サイクルを常に最適な条件のもとで行わせる
ようにすることができ、制御則の弯更も容易である。 また、本発明では、ディジタル制御器によりステッピン
グモータを駆動して膨張弁を外的条件ｔこ即応した状態
に開閉するようにしたので、大幅な外的条件の変化にも
自由に対応でき、広範囲でかつ精度の高い制御動作が得
られる。さらにまた、従来例の膨張弁ビントルによる開
弁動作の際番こ生ずる、膨張弁の上流と下流との圧力差
に基づくビントルの軸方向の力が、本発明では殆ど作用
しないように構成しであるので、常にステッピングモー
タの一定した小さな駆動トルクで弁の開閉動作を行わせ
ることができ、しかも膨張弁自体番こ二方向性を持たせ
ることができる。 ４、図面の簡単な説明 第１図は本発明電子膨張弁の構成の一例を示　　−す断
面図、第２図はそのＡ−Ａ線断面図、第３図はディジタ
ル制御器のブロック図、第４図は第１ノフイス差圧と弁
行程の線形化を図るためしこ本発明に適用した弁体およ
び弁座曲面の理論解析のための説明図、第５図は膨張弁
の開閉度と六番こよって得られる差圧との関係を本発明
電子膨張弁の場合と電磁膨張弁との場合とで比較して示
す線図、第６図（Ａ）および（Ｂ）は従来の電磁膨張弁
および゛本発明電子膨張弁による暖房モードの冷凍サイ
クルにおけるそれぞれＴ−９線図、第７図は本発明電子
膨張弁の制御を行う処理過程の一例を示すフローチャー
トである。 ｌ・・・弁箱、 ＩＡ、ＩＢ、１Ｇ・・・弁箱部材、 ＩＯ・・・シール室、 ２・・・弁体、 ３・・・ビントル、 ３Ａ・・・ピストン部、 ４・・・オリフィス・ ５・・・弁座。 ５Ａ・・・弁座曲面、 ６・・・空所、 ７・・・連通管、 ８Ａ、８Ｂ・・・出入口、 ９・・・冷熱媒通路、 ｌＯ・・・弁駆動金具、 １１・・・ナツト部材、 １２・・・溝、 １３・・・軌条、 １４・・・ステッピングモータ、 １５・・・回転軸、 １６・・・ネジ部、 １７・・・リミットスイッチ、 １８・・・ストッパ、 １９・・・リード線、 ２０．２１・・・密封装置、 ２２・・・リード線、 ３０・・・ディジタル制御器、 ３１Ａ、３１Ｂ・・・温度センサ、 ３２Ａ、３２Ｂ・・・圧カドランスジューサ、３３・・
・マルチプレクサ、 ３４・・・サンプルホールド、 ３５・・・Ａ／Ｄ変換器、 ３８Ａ、３ＥＩＢ・・・入出力ポート、３７・・・ＣＰ
Ｕ　、。 ３８・・・ＲＯＭ、 ３θ・・・ＲＡＭ、 ４０・・・カウンタ、 ４１・・・ドライバ。 特　許　出　願　人　株式会社システム・ホームズ同　
出　願　人三菱電機株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｌ）　ステッピングモータと該ステッピングモータの回
   転をねじ運動に変換する手段と、該ねし連動に変換する
   手段に結合されて往復直線連動の開閉動作をなし両端部
   が摺動自在に支障される弁体と、該弁棒の中間部に設け
   た弁体ど、前記弁体が往復直線連動するときに、その遅
   動の二方向において前記弁体との間で滑らかに流路面積
   および流路形状かそれぞれ変化するようになした曲面を
   有する弁座とを具備したことを特徴とする電子膨張弁。 ２、特許請求の範囲第１項記載９電子膨張弁において、
   前記弁体および曲面を有する：）ｆ座の・　形状を前記
   弁棒の前記開閉動作による行程と前記弁体の前後におけ
   る圧力差との関係が線形をなすようにし、たことを特徴
   とする電子膨弓長弁。 ３）特許請求の範囲第１項または第２項記載の電子膨張
   弁において、前記弁体および前記曲面を有する弁座の形
   状を紡錘型としたことを特徴とする電子膨張弁。 ４）特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記
   載の電子膨張弁において、前記弁棒の少なくとも支承さ
   れる両端部における軸断面積を前記弁体における最大の
   軸断面積に等しくなし、二方向性を持たせるようにした
   ことを特徴とする電子膨張弁。 ５）特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかの項
   に記載の電子膨張弁において、前記弁棒の支承される両
   端部が貫通した個所をそれぞれ密封室となし、該密封室
   間を連通管で接続したことを特徴とする電子膨張弁。 ６）特許請求の範囲第１項ないしｆｆｒ　ｓ項のいずれ
   かの項において、前記弁体と前記曲面を有する弁座との
   間に全閉の状態が得られるようにしたことを特徴とする
   電子膨張弁。 ７）特許請求の範囲第１項ないし第６項のいずれかに記
   載の電子膨張弁において、前記流路が全開のときに、該
   流路の上流側と下流側との圧力差がほぼ零になるように
   したことを特徴とする電子膨張弁。 ８）特許請求の範囲第１項ないし第７項のいずれη）に
   記載の電子膨張弁において、演算部をマイクロコンピュ
   ータの形態となし、該マイクロコンピュータのリードオ
   ンリメモリに書き込んだソフトウェアに従って、前記弁
   体の開閉動作を制御することができ、しかもその際にタ
   ンピング信号をも求めて前記開閉動作の制御信号を組み
   込むことができるようにしたことを特徴とする′電子膨
   張弁。