電子膨張弁および空気調和機
【課題】冷媒流量の微調整を高精度に行うことのできる電子膨張弁および空気調和機を提供する。
【解決手段】電子膨張弁は、先端に弁部が形成された弁体と、この弁体が弁軸方向に移動することによりこの弁部との間に可変絞り部を形成する弁座と、パルス数に応じて弁部を移動させるステッピングモータとを備えている。そして、弁部の側面の少なくとも一部分は、開度比が一定となる形状に形成されている。
【解決手段】電子膨張弁は、先端に弁部が形成された弁体と、この弁体が弁軸方向に移動することによりこの弁部との間に可変絞り部を形成する弁座と、パルス数に応じて弁部を移動させるステッピングモータとを備えている。そして、弁部の側面の少なくとも一部分は、開度比が一定となる形状に形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気調和機の冷媒回路に設けられる電子膨張弁および空気調和機に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記電子膨張弁として、特許文献１に記載の技術が知られている。
この技術では、小流量範囲での冷媒流量の制御性を向上させるため、弁体に、冷媒通路と略平行な面を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１４８４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
空気調和機の動作が安定期にあるとき、冷媒流量の僅かな調整が必要となる。しかし、弁体の最小移動幅に対する開口面積増大量が大きいとき、冷媒流量を微小量だけ増大または減少させることが難しい。冷媒流量が制御上の許容範囲内を超えて変動するときは、開度の微調整が行われるため、弁体が進退を繰り返す。
【０００５】
そこで、従来の電子膨張弁では、上記構成により、小流量範囲における冷媒流量の制御を可能とする。しかし、次のような課題がある。弁本体の基部を冷媒通路の側面に対し所定距離にわたって平行にしているため、この範囲内で弁体が移動するときは開口面積が殆ど変わらない。このため冷媒流量が殆ど変わらず、結果的に、冷媒流量の微調整ができない場合もあると考えられる。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、冷媒流量の微調整を行うことのできる電子膨張弁および空気調和機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、先端に弁部（43）が形成された弁体（40）と、この弁体（40）が弁軸方向に移動することにより前記弁部（43）との間に可変絞り部を形成する弁座（33）と、パルス数に応じて前記弁体（40）を移動させるステッピングモータ（36）とを備えた電子膨張弁において、前記弁部（43）と前記弁座（33）との間に形成される隙間で前記弁軸方向に直交する断面の面積を開口面積とし、前記パルス数の増減前の前記開口面積と前記パルス数の増減後の前記開口面積との面積比を開度比として前記弁部（43）の側面の少なくとも一部分は前記開度比が一定となる形状に形成されていることを要旨とする。
【０００８】
この発明によれば、弁部（43）の側面の少なくとも一部は、開度比が一定となるように形成されている。すなわち、弁体（40）を移動させたとき、一定比で開口面積が増大する。このため、冷媒流量の変化比が一定となる。これにより、冷媒流量の微調整をすることができる。
【０００９】
なお、「開度比が一定」には「実質的一定」も含まれる。すなわち、開度比を精確に一定とする曲面形状のみならず、この曲面以外にも複数の面に置換したものであって、各面の境界線が前記曲面に配置されるものも含まれる。また、この曲面に近似した近似曲面も含まれる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電子膨張弁（30）において、前記弁部（43）の側面が前記弁軸方向に３以上の領域に区分され、前記各領域の境界線が、前記開度比が一定となる仮想曲面上にあることを要旨とする。
【００１１】
この発明によれば、開度比が一定となる仮想曲面上に沿うように各領域の側面が形成される。すなわち、弁部（43）の側面は、上記仮想曲面に近似されている。これにより、弁部（43）の移動範囲にわたって冷媒流量の変化比が略一定になるため、冷媒流量の微調整をすることができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の電子膨張弁（30）において、前記領域の前記弁軸方向の長さを区間長として、前記各領域の区間長は前記弁部（43）の先端部に向けて順に小さいことを要旨とする。
【００１３】
この発明によれば、開度比が一定となる仮想曲面上に沿うように各領域の側面が形成され、かつ各領域の区間長が弁部（43）の先端部に向けて順に小さくしているため、開度が大きい程、弁部（43）の移動量に対する開度の変化量が大きく、開度が小さい程、弁部（43）の移動量に対する開度の変化量が小さくなる。すなわち、小開度領域においては、大開度領域に比べてより冷媒流量を高精度に調整をすることができる。大開度領域では、冷媒流量の高精度調整は必要とされていないため、この構成は、電子膨張弁（30）の動作安定化に寄与する。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子膨張弁（30）において、前記開口面積の最大値を最大開口面積とし、前記最大開口面積に対する前記開口面積の割合を開度として、前記弁部（43）の側面は、前記開度が０％以上〜２５％未満となるところに対応する第１領域、前記開度が２５％以上〜５０％未満となるところに対応する第２領域、前記開度が５０％以上〜７５％未満となるところに対応する第３領域、および前記開度が７５％以上〜１００％以下となるところに対応する第４領域の４つの領域に区分されるとともに前記各領域が円錐台側面形態とされ、前記各領域の境界線が、前記開度比が一定となる仮想曲面上にあることを要旨とする。
【００１５】
この発明によれば、弁部（43）の移動において開度が２５％増大するごとに、弁部（43）の側面形態が変えられている。そして、各境界線が、開度比が一定となる仮想曲面上にある。このため、弁部（43）の側面を曲面として形成する場合に比べて、容易に弁部（43）を形成することができるとともに、弁部（43）の移動範囲にわたって流量変化比を略一定とすることができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子膨張弁（30）において、前記開口面積の最大値を最大開口面積とし、前記最大開口面積に対する前記開口面積の割合を開度として、前記弁部（43）の側面は、前記開度が０％以上〜２０％未満となるところに対応する第１領域、前記開度が２０％以上〜４０％未満となるところに対応する第２領域、前記開度が４０％以上〜６０％未満となるところに対応する第３領域、前記開度が６０％以上〜８０％未満となるところに対応する第４領域、および前記開度が８０％以上〜１００％以下となるところに対応する第５領域の５つの領域に区分されるとともに前記各領域が円錐台側面形態とされ、前記各領域の側面境界線が、前記開度比が一定となる仮想曲面上にあることを要旨とする。
【００１７】
この発明によれば、弁部（43）の移動において開度が２０％増大するごとに、弁部（43）の側面形態が変えられている。そして、各境界線が、開度比が一定となる仮想曲面上にある。このため、弁部（43）の側面を曲面として形成する場合に比べて、容易に弁部（43）を形成することができるとともに、弁部（43）の移動範囲にわたって流量変化比を略一定とすることができる。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の電子膨張弁（30）において、前記弁部（43）の弁軸を含む断面の外形線が次の２つの式で示される関係、
【００１９】
【数１】
【００２０】
ｘは、前記弁部（43）の前記弁軸方向において、弁座（33）の基部から半径ｒに対応する部分までの長さ、ｘｍａｘは、前記弁部（43）の基部から先端までの長さ、βは、開度比、Ｓｍａｘは、最大開口面積、ｒは、前記弁部（43）の前記弁軸から側面までの長さ（半径）、を満たすことを要旨とする。
【００２１】
この発明によれば、側面が曲面で形成され、弁部（43）の移動範囲において開度比がβとされている。このため、弁部（43）の移動範囲にわたって冷媒の流量変化を略一定にすることができる。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、先端に弁部（43）が形成された弁体（40）と、この弁体（40）が弁軸方向に移動することにより前記弁部（43）との間に可変絞り部を形成する弁座（33）と、パルス数に応じて前記弁体（40）を移動させるステッピングモータ（36）とを備えた電子膨張弁において、前記弁部（43）の側面のうち基部から先端までの少なくとも基部から１／５までの領域は、前記弁部（43）の弁軸に対する角度θについて次式を満たすことを要旨とする。
【００２３】
【数２】
【００２４】
この発明によれば、弁部（43）の側面のうち基部から先端までの少なくとも基部から１／５までの領域は、上記式を満たす形状に形成されている。すなわち、弁部（43）の移動に対して、開口面積が微小ずつ増減する構成とされている。このため、小開度領域において、冷媒流量の微調整をすることができる。
【００２５】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電子膨張弁（30）を備える空気調和機である。
この発明によれば冷媒流量の微調整をすることができるため、空気調和機（1）における空調が安定する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、電子膨張弁（30）により、冷媒流量の微調整を行うことができる。また、冷媒流量の微調整が可能となるため、空気調和機（1）の動作が安定する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】一実施形態の空気調和機について、その全体構造を示す模式図。
【図２】電子膨張弁の一部を断面で示した全体構成図。
【図３】同電子膨張弁の弁体を示し、（ａ）は電子膨張弁が全閉状態にあるときの弁周りの断面図、（ｂ）は電子膨張弁が絞り状態にあるときの断面図。
【図４】図３（ｂ）のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図５】同電子膨張弁のマップを示し、（ａ）はパルス積算値と開度との関係を示すマップ、（ｂ）はパルス積算値と開度比との関係を示すマップ。
【図６】同電子膨張弁における弁部の側面図。
【図７】同電子膨張弁における弁部の変形例の側面図。
【図８】同電子膨張弁における弁部の変形例の側面図。
【図９】同電子膨張弁の制御に用いられる制御マップ。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１を参照して、本実施形態の空気調和機の構成を示す。
空気調和機１は、冷媒を圧縮する圧縮機１０と、室外に設けられる室外熱交換器２０と、冷媒を膨張させる電子膨張弁３０と、室内に設けられる室内熱交換器５０と、四路切換弁６０と、各装置を管理および制御する制御装置７０とを備えている。
【００２９】
図２を参照して、電子膨張弁３０について説明する。
電子膨張弁３０は、冷媒の出入口をなす第１配管３１と、第２配管３２と、棒状の弁体４０と、弁座３３と、弁孔３４を有する円筒状部材３５と、弁体４０を弁軸方向に駆動するステッピングモータ３６とを備えている。
【００３０】
第１配管３１は、電子膨張弁３０の一方の出入口を構成する。第２配管３２は、電子膨張弁３０の他方の出入口を構成する。第２配管３２は、第１配管３１に対して垂直に交叉する。円筒状部材３５は、第１配管３１と弁室３７とを接続する。弁孔３４の弁室３７側には、テーパ部が形成されている。このテーパ部は弁座３３を構成する。
【００３１】
図３を参照して、弁体４０について説明する。
弁体４０は、弁棒４１と、テーパ部４２と、弁棒４１の先端にテーパ部４２を介して形成された弁部４３により構成されている。
【００３２】
弁棒４１は、ステッピングモータ３６の回転軸に固定されている。
テーパ部４２は、弁座３３に当接することにより、電子膨張弁３０を全閉状態にする。弁部４３は、弁孔３４に挿入される。弁部４３の外径は、弁孔３４の内径よりも小さく、かつ先端に向けて径が小さくなっている。可変絞り部は、弁部４３が弁軸方向に移動することにより、弁部４３と弁座３３との間に形成される。
【００３３】
弁体４０とステッピングモータ３６の回転軸とは、ねじまたはギア等の回転変換機構を介して接続されている。回転変換機構は、ステッピングモータ３６の回転軸の回転運動を弁体４０の直線運動に変換する。
【００３４】
ステッピングモータ３６は、制御装置７０から出力されるパルス信号により駆動する。パルス数と回転角とは相関する。すなわち、ステッピングモータ３６に入力されるパルス数に比例してステッピングモータ３６の回転軸の回転角が大きくなる。
【００３５】
弁体４０は弁軸方向に移動する。
弁体４０の移動量は、ステッピングモータ３６の回転角に比例する。すなわち、弁体４０の移動量すなわち弁部４３の移動量は、制御装置７０からステッピングモータ３６に出力されるパルス数に比例する。
【００３６】
図１に示すように、制御装置７０には、温度センサ７１および圧力センサ７２が接続されている。温度センサ７１は冷媒の温度（以下、冷媒温度）を検出し、冷媒温度に対応する冷媒温度信号を制御装置７０に出力する。圧力センサ７２は冷媒の圧力（以下、冷媒圧力）を検出し、冷媒圧力に対応する冷媒圧力信号を制御装置７０に出力する。
【００３７】
また、制御装置７０は、ステッピングモータ３６に出力するパルス数をカウントする。また、カウントしたパルス数を積算して、パルス積算値を計算し、かつパルス積算値を記憶する。なお、パルス数は、正負の符号が付与されている。すなわち、弁部４３が弁孔３４に挿入する方向（以下、進入方向）にステッピングモータ３６の回転軸が回転（以下、負回転）するとき、パルス数は負の値とされる。一方、弁部４３が弁孔３４から出る方向（以下、退出方向）にステッピングモータ３６の回転軸が回転（以下、正回転）するとき、パルス数は正の値とされる。すなわち、ステッピングモータ３６の回転軸が正回転して弁部４３が退出方向に移動するとき、パルス積算値は増大する。一方、ステッピングモータ３６の回転軸が負回転して弁部４３が進入方向に移動するとき、パルス積算値は減少する。
【００３８】
図３を参照して、弁部４３の位置について説明する。
図３（ａ）に示すように、弁体４０のテーパ部４２が弁座３３に接触するとき、このときの弁部４３の位置が基準位置に設定される。なお、弁部４３が基準位置にあるとき、制御装置７０のパルス積算値がリセットされ、パルス積算値は「０」となる。
【００３９】
図３（ｂ）に示すように、弁部４３が基準位置から離れたとき、弁部４３と弁座３３の最小径部分との間に隙間が形成される。
弁部４３の位置は、基準位置からの弁部４３の移動距離に等しい。このため、弁部４３の位置はパルス積算値との関係で特定される。すなわち、基準位置からの弁部４３の移動量は、基準位置から所定位置まで移動する間におけるパルス数の総和に対応する。すなわち、弁部４３の位置はパルス積算値に対応する。
【００４０】
図４を参照して、電子膨張弁３０の開口面積および開度について説明する。
開口面積は、弁座３３の最小径部分と弁部４３との間の隙間部分において弁軸方向に直交する断面の面積（隙間面積）として定義される。具体的には、開口面積は、弁座３３の最小径部分の面積ＳＡ（弁軸方向に直交する断面の面積）と、弁座３３の最小径部分を含む面で弁部４３を切断したときの断面積ＳＢ（弁軸方向に直交する断面の面積）との差により定義される。
【００４１】
弁部４３の全体が第１配管３１から出たとき、開口面積は弁座３３の最小径部分の面積ＳＡに一致する。すなわち。弁座３３の最小径部分の面積は、最大開口面積Ｓｍａｘに対応する。
【００４２】
開度は、弁部４３が所定位置にあるときの開口面積と最大開口面積Ｓｍａｘとの比（％）として定義される。すなわち、弁部４３のテーパ部４２と弁座３３とが接触して全閉状態にあるとき、開度は０％であり、弁部４３の全体が第１配管３１から出ているとき、開度は１００％である。
【００４３】
弁部４３と開度との関係について説明する。
開度は、近似的に、冷媒流量に比例関係にある。冷媒流量を制御するときは、開度が調整される。開度調整は、パルス積算値を用いて行われる。
【００４４】
開度は、パルス積算値の増大に従って増大する。一方、パルス積算値に伴う開度の増大態様は、弁部４３の側面構造に依存する。このため、制御装置７０は、開度調整を行うとき、開度とパルス積算値との関係を示すマップを用いる。
【００４５】
例えば、形成しやすい形状である円錐状の弁部４３を採用している場合、パルス積算値Ｘａに対して、開度がＣ−Ｄ・（Ｅ−Ｘａ）２関数として表されるマップが用いられる。このような構成の場合、小開度領域において開度調整を行うとき、開度に対してＸａ２の寄与が大きく、パルス積算値Ｘａの微小変化における開度の変化量が大きいため、開度の微調整が難しい。すなわち、小流量領域における流量微調整が困難である。
【００４６】
そこで、本実施形態では、開度を高精度に制御することを目的として、開度調整が行いやすいマップを想定した。そして、このマップに基づいた弁構造を考案した。まず、このマップについて説明する。
【００４７】
図５は、パルス積算値と開度との関係を示すマップを示す。
このマップは、開度が、パルス積算値すなわち弁部４３の位置に対して指数関数的に大きくなる関係にある。すなわち、次の（１）式を満たす。
【００４８】
【数３】
【００４９】
・Ｙ：開度
・Ａ：定数
・Ｘ：パルス積算値
・β：Ｘ＝最大パルス積算値ＸｍａｘとしたときＹ＝１００となる値。
・Ｘｍａｘ：パルス積算値の最大値。すなわち、基準位置から最も離れた弁部４３の位置に対応するパルス積算値。
【００５０】
なお、Ｘ＝０のとき、すなわちパルス積算値が０のとき、実際には開度が０％となるが、計算上の簡略のため、Ｘ＝０のとき、開度が所定値をとることとする。
開度Ｙ（Ｘ）によれば、パルス積算値Ｘの所定値δ（パルス数の所定増減値）だけ異なる２点において、次の関係が成立する。
【００５１】
【数４】
【００５２】
所定値δを１（１パルス）とする場合、パルス積算値Ｘが１異なる２点における開度比（Ｙ（Ｘ＋１）／Ｙ（Ｘ））は「β」となる。この開度比は、パルス積算値Ｘの値に関わらず、一定値である。なお、所定値δを大きくすると開度比（Ｙ（Ｘ＋δ）／Ｙ（Ｘ））も大きくなるが、パルス積算値Ｘの値に対しては一定値である。
【００５３】
上記（１）式を満たすことは、上記（２）式を満たすことと同値である。
すなわち、上記（１）を満たすマップを用いれば、パルス積算値すなわち弁部４３の位置に対して開度比が一定となる。パルス積算値の全体にわたって開度比が一定であるとき、パルス積算値にわたって冷媒流量の変化比も一定であるため、冷媒流量の制御が行いやすくなる。特に、小開度領域において、開度が確実に微小量増大するため、冷媒流量の微調整が可能となる。
【００５４】
なお、開度比が一定とは、パルス積算値の増分に対して開度が所定値ずつ増大することを示す。例えば、開度比を１．０５かつ開度の初期値を１％とするとき、パルス積算値の１ずつの増大に対して、開度は、１．０％、１．０５％、１．１０２５％、１．１５７６３％・・・と順に増大する。
【００５５】
この種のマップによれば、冷媒流量は、パルス積算値の増大とともに指数関数的に増大する。すなわち、パルス積算値が小さいとき、冷媒流量は小さくかつパルス積算値の増大にともなう冷媒流量の増分も小さい。一方、パルス積算値が大きいとき、冷媒流量は大きくかつパルス積算値の増大にともなう冷媒流量の増分も大きい。
【００５６】
図６を参照して、上記（１）式を満たす弁部４３の一例を挙げる。
弁部４３の外形線の形状について説明する。
弁部４３において弁軸を含む断面の外形線は以下の式を満たす。
【００５７】
【数５】
【００５８】
【数６】
【００５９】
・ｘ：弁部４３において基部４４から半径ｒに対応する部分までの長さ。
・ｘｍａｘ：弁部４３において基部４４から先端までの長さ。
・β：開度比。
・Ｓｍａｘ：最大開口面積。
・ｒ：弁部４３の弁軸から側面までの長さ（半径）。
・Ｂ：定数。
【００６０】
なお、ｘｍａｘは、１パルスについて弁部４３が弁軸方向に移動する単位距離として、この単位距離と最大パルス積算値Ｘｍａｘとの積に対応する。また、テーパ部４２の幅を微小であるとみなして、弁部４３の基部４４の断面積と最大開口面積Ｓｍａｘとが一致することとした。
【００６１】
以上の式を満たす側面を有する弁部４３は、パルス駆動により、上記（１）式および（２）式を満たす。すなわち、上記（３）式によれば、（５）式が成立する。
【００６２】
【数７】
【００６３】
上記（５）式は、弁部４３が基準位置から距離ｘの位置まで離れたときの距離ｘとｒとの関係を示す。上記（５）式は、開口面積を示す。すなわち、上記（５）式は、弁部４３の所定位置における開度を示す。すなわち、（５）式は、最大開口面積Ｓｍａｘと、弁座３３の最小径部分を含む面で弁部４３を切断したときの断面積（π・ｒ２）との差すなわち開口面積が、弁部位置の指数関数として表されていることを示す。この式は（１）式と同じである。すなわち、（４）式の側面を有する弁部４３は、弁部４３の位置に関わらず、開度比が一定である。
【００６４】
図７を参照して、弁部４３の他の例を挙げる。
本例の弁部４３は、側面が次の５つの領域に区別される。
第１領域ＲＡは、開度が０％以上〜２０％未満となるところに対応する。第２領域ＲＢは、開度が２０％以上〜４０％未満となるところに対応する。第３領域ＲＣは、開度が４０％以上〜６０％未満となるところに対応する。第４領域ＲＤは、開度が６０％以上〜８０％未満となるところに対応する。第５領域ＲＥは、開度が８０％以上〜１００％以下となるところに対応する。
【００６５】
各領域の側面は円錐台の側面形態とされている。
そして、各領域の側面境界線ＬＳは、開度比が一定となる仮想曲面Ｖ上に設けている。具体的には、仮想曲面Ｖは、上記（３）および（４）を満たす曲面である。すなわち、弁部４３の側面は仮想曲面Ｖに近似する。このような構成とする場合、各領域の弁軸方向の長さ（区間長Ｌ）は弁部４３の先端部に向けて順に小さくなる。また、第１領域ＲＡの側面の角度θは、弁部４３の弁軸に対し、０＜ｔａｎθ＜０．２の関係を満たす。
【００６６】
図８を参照して、弁部４３の他の例を挙げる。
本例の弁部４３は、側面が次の４つの領域に区別される。
第１領域ＲＡは、開度が０％以上〜２５％未満となるところに対応する。第２領域ＲＢは、開度が２５％以上〜５０％未満となるところに対応する。第３領域ＲＣは、開度が５０％以上〜７５％未満となるところに対応する。第４領域ＲＤは、開度が７５％以上〜１００％以下となるところに対応する。
【００６７】
各領域の側面は円錐台の側面形態とされている。
そして、各領域の側面境界線ＬＳは、開度比が一定となる仮想曲面Ｖ上に設けている。具体的には、仮想曲面Ｖは、上記（３）および（４）を満たす曲面である。すなわち、この弁部４３の側面は仮想曲面Ｖに近似する。このような構成とする場合、各領域の弁軸方向の長さ（区間長Ｌ）は弁部４３の先端部に向けて順に小さくなる。また、第１領域ＲＡの側面の角度θは、弁部４３の弁軸に対し、０＜ｔａｎθ＜０．２の関係を満たす。
【００６８】
［冷媒流量制御］
冷媒流量制御について説明する。
空気調和機１では、冷媒圧力、冷媒温度等に基づいて冷媒流量が調整される。冷媒流量の調整は、電子膨張弁３０の開度調整により行われる。すなわち、冷媒圧力、冷媒温度等に基づいて制御装置７０により要求開度が計算される。そして、要求開度に対応するように電子膨張弁３０の開度が調整される。なお、要求開度はＰＩＤ制御により逐次更新され、この更新毎に開度が調整される。
【００６９】
要求開度が決定したとき、制御装置７０は、電子膨張弁３０の開度を要求開度に調整する。具体的には、制御マップを用いて、要求開度に応じたパルス積算値（以下、補正パルス値）を決定する。次に、要求開度の指令時におけるパルス積算値（以下、実パルス値）を読み取るとともに、補正パルス値と実パルス値との差を算出する。そして、この差に対応するパルス信号をステッピングモータ３６に出力して弁部４３を駆動して、開度を要求開度と一致させる。
【００７０】
図９を参照して上記制御マップについて説明する。
制御マップは、図５（ａ）に示したマップと実質的に同じである。すなわち、制御マップはパルス積算値の大きさに関係なく、開度比が一定になる。但し、横軸を要求開度とし、縦軸をパルス積算値としている。
【００７１】
従来構造の電子膨張弁と比較して、本実施形態の電子膨張弁３０にかかる制御マップについて説明する。
図９に、従来構造の電子膨張弁の制御マップを破線で示した。
【００７２】
従来構造の電子膨張弁は、円錐状または円錐台状の弁部を有する。この種の弁部の場合、パルス積算値に対応して弁部が弁孔から出る方向に移動するとき、弁部の移動量の２乗に比例して開度が大きくなる。このため、要求開度が小さいとき、かつ要求開度を微小量変更させることは難しい。すなわち、図９に示すように、小開度領域（例えば、要求開度の０〜１０％以下の範囲）に対応するパルス積算値は、最大パルス積算値の１／１０以下である。
【００７３】
一方、本実施形態の電子膨張弁３０では、開度が指数関数的に増大するように構成されているため、図９に示すように、小開度領域に対応するパルス積算値は、最大パルス積算値の１／２程度を占める。すなわち、小開度領域において、従来構造よりも、多くのパルス数を用いて弁部４３を制御することが可能である。このため、開度を微調整することができる。これにより、冷媒流量の精緻な制御が可能となる。
【００７４】
以下、本実施形態の効果を説明する。
（１）本実施形態では、弁部４３の側面は、当該側面と弁座３３との間で隙間（開口部）を形成するとき開度比が一定となるように形成されている。
【００７５】
この構成によれば、弁部４３の側面は、開度比が一定となるように形成されている。すなわち、弁部４３を移動させたとき、一定比で開口面積が増大する。このため、冷媒流量の変化比が一定となる。これにより冷媒流量の微調整をすることができる。
【００７６】
（２）本実施形態では、弁部４３の側面が弁軸方向に３以上の領域に区分され、各領域の境界線が、開度比が一定となる仮想曲面Ｖ上にある。この構成によれば、開度比が一定となる仮想曲面Ｖ上に沿うように各領域の側面が形成される。すなわち、弁部４３の側面は、上記仮想曲面Ｖに近似されている。これにより、弁部４３の移動範囲にわたって冷媒流量の変化比が略一定になるため、冷媒流量の微調整をすることができる。
【００７７】
（３）本実施形態の変形例では、弁部側面の各領域の区間長Ｌが弁部４３の先端部に向けて順に小さい。この構成によれば、各領域の区間長Ｌが弁部４３の先端部に向けて順に小さいため、開度が大きい程、弁部４３の移動量に対する変化量が大きく、開度が小さい程、弁部４３の移動量に対する変化量が小さくなる。すなわち、小開度領域においては、大開度領域に比べてより冷媒流量を高精度に調整することができる。なお、このような構成によれば、各領域の区間長Ｌを弁部４３の先端部に向けて順に小さくしない構成に比べて、弁部４３が短くなる。
【００７８】
（４）本実施形態では、弁部４３の弁軸を含む断面の外形線が上記（３）式および上記（４）式で示される関係を満たす。この構成によれば、側面が曲面で形成され、弁部４３の移動範囲において開度比がβとされる。このため、弁部４３の移動範囲にわたって冷媒の流量変化を略一定にすることができる。
【００７９】
（５）本実施形態の変形例では、弁部４３の移動において開度が２５％増大するごとに、弁部４３の側面形態が変えられている。そして、各境界線が、開度比が一定となる仮想曲面Ｖ上にある。このため、弁部４３の側面を曲面として形成する場合に比べて、容易に弁部４３を形成することができる。また、弁部４３の移動範囲にわたって流量変化比を略一定とすることができる。
【００８０】
（６）本実施形態の変形例では、弁部４３の移動において開度が２０％増大するごとに、弁部４３の側面形態が変えられている。そして、各境界線が、開度比が一定となる仮想曲面Ｖ上にある。このため、弁部４３の側面を曲面として形成する場合に比べて、容易に弁部４３を形成することができる。また、弁部４３の移動範囲にわたって流量変化比を略一定とすることができる。
【００８１】
（７）本実施形態の変形例では、第１領域の側面の角度θが、弁部４３の弁軸に対し、０＜ｔａｎθ＜０．２の関係を満たす。すなわち、弁部４３の移動に対して、開口面積が微小ずつ増減する構成とされている。このため、小開度領域において、冷媒流量の微調整をすることができる。
【００８２】
（８）本実施形態の空気調和機１は、電子膨張弁３０を備えている。この構成によれば冷媒流量の微調整をすることができるため、空気調和機１における空調が安定する。
（その他の実施形態）
なお、本発明の実施態様は上記実施形態にて示した態様に限られるものではなく、これを例えば以下に示すように変更して実施することもできる。また以下の各変形例は、異なる変形例同士を互いに組み合わせて実施することもできる。
【００８３】
・本実施形態では、弁部４３の側面全体が、上記（３）式および上記（４）式を満たす。このような構成に代えて、側面の一部だけが上記（３）式および上記（４）式を満たす構成としてもよい。この場合においても、少なくとも当該一部の側面において、開口比が一定となるため、当該側面に対応する弁部４３の駆動範囲において、冷媒流量を高精度に制御することができる。
【００８４】
例えば、弁部４３の基部４４から先端部までの長さを１００とし基部の位置を０とする場合において、１〜２５の範囲で、上記（３）式および（４）式を満たす構成とすることもできる。位置０においては殆ど流量が０であって極小開度領域では開度制御を行わないこと、また位置２５〜１００の範囲では開度の微調整を行うことが少ないことから、所定領域のみ開度比一定とすることに技術的意義がある。
【００８５】
・本実施形態では、（１）式のマップに実現するように弁部４３の側面形状の最適化を行っているが、弁座形状の最適化により、（１）式のマップを実現してもよい。また、弁部４３および弁座３３の両者の形状を考慮して、（１）式のマップを実現してもよい。
【００８６】
・本実施形態の変形例では、弁部４３の側面を５つまたは４つの面により構成しているが、６以上の面により構成してもよい。また、３つの面で構成してもよい。なお、いずれの構成の場合でも、各領域の面により構成される多面体は、弁部４３の底面と先端部とにより構成される仮想円錐形状に対し、弁部４３の全体側面が膨出する形態となる。
【符号の説明】
【００８７】
１…空気調和機、１０…圧縮機、２０…室外熱交換器、３０…電子膨張弁、３１…第１配管、３２…第２配管、３３…弁座、３４…弁孔、３５…円筒状部材、３６…ステッピングモータ、３７…弁室、４０…弁体、４１…弁棒、４２…テーパ部、４３…弁部、４４…基部、５０…室内熱交換器、６０…四路切換弁、７０…制御装置、７１…温度センサ、７２…圧力センサ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気調和機の冷媒回路に設けられる電子膨張弁および空気調和機に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記電子膨張弁として、特許文献１に記載の技術が知られている。
この技術では、小流量範囲での冷媒流量の制御性を向上させるため、弁体に、冷媒通路と略平行な面を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１４８４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
空気調和機の動作が安定期にあるとき、冷媒流量の僅かな調整が必要となる。しかし、弁体の最小移動幅に対する開口面積増大量が大きいとき、冷媒流量を微小量だけ増大または減少させることが難しい。冷媒流量が制御上の許容範囲内を超えて変動するときは、開度の微調整が行われるため、弁体が進退を繰り返す。
【０００５】
そこで、従来の電子膨張弁では、上記構成により、小流量範囲における冷媒流量の制御を可能とする。しかし、次のような課題がある。弁本体の基部を冷媒通路の側面に対し所定距離にわたって平行にしているため、この範囲内で弁体が移動するときは開口面積が殆ど変わらない。このため冷媒流量が殆ど変わらず、結果的に、冷媒流量の微調整ができない場合もあると考えられる。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、冷媒流量の微調整を行うことのできる電子膨張弁および空気調和機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、先端に弁部（43）が形成された弁体（40）と、この弁体（40）が弁軸方向に移動することにより前記弁部（43）との間に可変絞り部を形成する弁座（33）と、パルス数に応じて前記弁体（40）を移動させるステッピングモータ（36）とを備えた電子膨張弁において、前記弁部（43）と前記弁座（33）との間に形成される隙間で前記弁軸方向に直交する断面の面積を開口面積とし、前記パルス数の増減前の前記開口面積と前記パルス数の増減後の前記開口面積との面積比を開度比として前記弁部（43）の側面の少なくとも一部分は前記開度比が一定となる形状に形成されていることを要旨とする。
【０００８】
この発明によれば、弁部（43）の側面の少なくとも一部は、開度比が一定となるように形成されている。すなわち、弁体（40）を移動させたとき、一定比で開口面積が増大する。このため、冷媒流量の変化比が一定となる。これにより、冷媒流量の微調整をすることができる。
【０００９】
なお、「開度比が一定」には「実質的一定」も含まれる。すなわち、開度比を精確に一定とする曲面形状のみならず、この曲面以外にも複数の面に置換したものであって、各面の境界線が前記曲面に配置されるものも含まれる。また、この曲面に近似した近似曲面も含まれる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電子膨張弁（30）において、前記弁部（43）の側面が前記弁軸方向に３以上の領域に区分され、前記各領域の境界線が、前記開度比が一定となる仮想曲面上にあることを要旨とする。
【００１１】
この発明によれば、開度比が一定となる仮想曲面上に沿うように各領域の側面が形成される。すなわち、弁部（43）の側面は、上記仮想曲面に近似されている。これにより、弁部（43）の移動範囲にわたって冷媒流量の変化比が略一定になるため、冷媒流量の微調整をすることができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の電子膨張弁（30）において、前記領域の前記弁軸方向の長さを区間長として、前記各領域の区間長は前記弁部（43）の先端部に向けて順に小さいことを要旨とする。
【００１３】
この発明によれば、開度比が一定となる仮想曲面上に沿うように各領域の側面が形成され、かつ各領域の区間長が弁部（43）の先端部に向けて順に小さくしているため、開度が大きい程、弁部（43）の移動量に対する開度の変化量が大きく、開度が小さい程、弁部（43）の移動量に対する開度の変化量が小さくなる。すなわち、小開度領域においては、大開度領域に比べてより冷媒流量を高精度に調整をすることができる。大開度領域では、冷媒流量の高精度調整は必要とされていないため、この構成は、電子膨張弁（30）の動作安定化に寄与する。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子膨張弁（30）において、前記開口面積の最大値を最大開口面積とし、前記最大開口面積に対する前記開口面積の割合を開度として、前記弁部（43）の側面は、前記開度が０％以上〜２５％未満となるところに対応する第１領域、前記開度が２５％以上〜５０％未満となるところに対応する第２領域、前記開度が５０％以上〜７５％未満となるところに対応する第３領域、および前記開度が７５％以上〜１００％以下となるところに対応する第４領域の４つの領域に区分されるとともに前記各領域が円錐台側面形態とされ、前記各領域の境界線が、前記開度比が一定となる仮想曲面上にあることを要旨とする。
【００１５】
この発明によれば、弁部（43）の移動において開度が２５％増大するごとに、弁部（43）の側面形態が変えられている。そして、各境界線が、開度比が一定となる仮想曲面上にある。このため、弁部（43）の側面を曲面として形成する場合に比べて、容易に弁部（43）を形成することができるとともに、弁部（43）の移動範囲にわたって流量変化比を略一定とすることができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子膨張弁（30）において、前記開口面積の最大値を最大開口面積とし、前記最大開口面積に対する前記開口面積の割合を開度として、前記弁部（43）の側面は、前記開度が０％以上〜２０％未満となるところに対応する第１領域、前記開度が２０％以上〜４０％未満となるところに対応する第２領域、前記開度が４０％以上〜６０％未満となるところに対応する第３領域、前記開度が６０％以上〜８０％未満となるところに対応する第４領域、および前記開度が８０％以上〜１００％以下となるところに対応する第５領域の５つの領域に区分されるとともに前記各領域が円錐台側面形態とされ、前記各領域の側面境界線が、前記開度比が一定となる仮想曲面上にあることを要旨とする。
【００１７】
この発明によれば、弁部（43）の移動において開度が２０％増大するごとに、弁部（43）の側面形態が変えられている。そして、各境界線が、開度比が一定となる仮想曲面上にある。このため、弁部（43）の側面を曲面として形成する場合に比べて、容易に弁部（43）を形成することができるとともに、弁部（43）の移動範囲にわたって流量変化比を略一定とすることができる。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の電子膨張弁（30）において、前記弁部（43）の弁軸を含む断面の外形線が次の２つの式で示される関係、
【００１９】
【数１】
【００２０】
ｘは、前記弁部（43）の前記弁軸方向において、弁座（33）の基部から半径ｒに対応する部分までの長さ、ｘｍａｘは、前記弁部（43）の基部から先端までの長さ、βは、開度比、Ｓｍａｘは、最大開口面積、ｒは、前記弁部（43）の前記弁軸から側面までの長さ（半径）、を満たすことを要旨とする。
【００２１】
この発明によれば、側面が曲面で形成され、弁部（43）の移動範囲において開度比がβとされている。このため、弁部（43）の移動範囲にわたって冷媒の流量変化を略一定にすることができる。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、先端に弁部（43）が形成された弁体（40）と、この弁体（40）が弁軸方向に移動することにより前記弁部（43）との間に可変絞り部を形成する弁座（33）と、パルス数に応じて前記弁体（40）を移動させるステッピングモータ（36）とを備えた電子膨張弁において、前記弁部（43）の側面のうち基部から先端までの少なくとも基部から１／５までの領域は、前記弁部（43）の弁軸に対する角度θについて次式を満たすことを要旨とする。
【００２３】
【数２】
【００２４】
この発明によれば、弁部（43）の側面のうち基部から先端までの少なくとも基部から１／５までの領域は、上記式を満たす形状に形成されている。すなわち、弁部（43）の移動に対して、開口面積が微小ずつ増減する構成とされている。このため、小開度領域において、冷媒流量の微調整をすることができる。
【００２５】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電子膨張弁（30）を備える空気調和機である。
この発明によれば冷媒流量の微調整をすることができるため、空気調和機（1）における空調が安定する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、電子膨張弁（30）により、冷媒流量の微調整を行うことができる。また、冷媒流量の微調整が可能となるため、空気調和機（1）の動作が安定する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】一実施形態の空気調和機について、その全体構造を示す模式図。
【図２】電子膨張弁の一部を断面で示した全体構成図。
【図３】同電子膨張弁の弁体を示し、（ａ）は電子膨張弁が全閉状態にあるときの弁周りの断面図、（ｂ）は電子膨張弁が絞り状態にあるときの断面図。
【図４】図３（ｂ）のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図５】同電子膨張弁のマップを示し、（ａ）はパルス積算値と開度との関係を示すマップ、（ｂ）はパルス積算値と開度比との関係を示すマップ。
【図６】同電子膨張弁における弁部の側面図。
【図７】同電子膨張弁における弁部の変形例の側面図。
【図８】同電子膨張弁における弁部の変形例の側面図。
【図９】同電子膨張弁の制御に用いられる制御マップ。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１を参照して、本実施形態の空気調和機の構成を示す。
空気調和機１は、冷媒を圧縮する圧縮機１０と、室外に設けられる室外熱交換器２０と、冷媒を膨張させる電子膨張弁３０と、室内に設けられる室内熱交換器５０と、四路切換弁６０と、各装置を管理および制御する制御装置７０とを備えている。
【００２９】
図２を参照して、電子膨張弁３０について説明する。
電子膨張弁３０は、冷媒の出入口をなす第１配管３１と、第２配管３２と、棒状の弁体４０と、弁座３３と、弁孔３４を有する円筒状部材３５と、弁体４０を弁軸方向に駆動するステッピングモータ３６とを備えている。
【００３０】
第１配管３１は、電子膨張弁３０の一方の出入口を構成する。第２配管３２は、電子膨張弁３０の他方の出入口を構成する。第２配管３２は、第１配管３１に対して垂直に交叉する。円筒状部材３５は、第１配管３１と弁室３７とを接続する。弁孔３４の弁室３７側には、テーパ部が形成されている。このテーパ部は弁座３３を構成する。
【００３１】
図３を参照して、弁体４０について説明する。
弁体４０は、弁棒４１と、テーパ部４２と、弁棒４１の先端にテーパ部４２を介して形成された弁部４３により構成されている。
【００３２】
弁棒４１は、ステッピングモータ３６の回転軸に固定されている。
テーパ部４２は、弁座３３に当接することにより、電子膨張弁３０を全閉状態にする。弁部４３は、弁孔３４に挿入される。弁部４３の外径は、弁孔３４の内径よりも小さく、かつ先端に向けて径が小さくなっている。可変絞り部は、弁部４３が弁軸方向に移動することにより、弁部４３と弁座３３との間に形成される。
【００３３】
弁体４０とステッピングモータ３６の回転軸とは、ねじまたはギア等の回転変換機構を介して接続されている。回転変換機構は、ステッピングモータ３６の回転軸の回転運動を弁体４０の直線運動に変換する。
【００３４】
ステッピングモータ３６は、制御装置７０から出力されるパルス信号により駆動する。パルス数と回転角とは相関する。すなわち、ステッピングモータ３６に入力されるパルス数に比例してステッピングモータ３６の回転軸の回転角が大きくなる。
【００３５】
弁体４０は弁軸方向に移動する。
弁体４０の移動量は、ステッピングモータ３６の回転角に比例する。すなわち、弁体４０の移動量すなわち弁部４３の移動量は、制御装置７０からステッピングモータ３６に出力されるパルス数に比例する。
【００３６】
図１に示すように、制御装置７０には、温度センサ７１および圧力センサ７２が接続されている。温度センサ７１は冷媒の温度（以下、冷媒温度）を検出し、冷媒温度に対応する冷媒温度信号を制御装置７０に出力する。圧力センサ７２は冷媒の圧力（以下、冷媒圧力）を検出し、冷媒圧力に対応する冷媒圧力信号を制御装置７０に出力する。
【００３７】
また、制御装置７０は、ステッピングモータ３６に出力するパルス数をカウントする。また、カウントしたパルス数を積算して、パルス積算値を計算し、かつパルス積算値を記憶する。なお、パルス数は、正負の符号が付与されている。すなわち、弁部４３が弁孔３４に挿入する方向（以下、進入方向）にステッピングモータ３６の回転軸が回転（以下、負回転）するとき、パルス数は負の値とされる。一方、弁部４３が弁孔３４から出る方向（以下、退出方向）にステッピングモータ３６の回転軸が回転（以下、正回転）するとき、パルス数は正の値とされる。すなわち、ステッピングモータ３６の回転軸が正回転して弁部４３が退出方向に移動するとき、パルス積算値は増大する。一方、ステッピングモータ３６の回転軸が負回転して弁部４３が進入方向に移動するとき、パルス積算値は減少する。
【００３８】
図３を参照して、弁部４３の位置について説明する。
図３（ａ）に示すように、弁体４０のテーパ部４２が弁座３３に接触するとき、このときの弁部４３の位置が基準位置に設定される。なお、弁部４３が基準位置にあるとき、制御装置７０のパルス積算値がリセットされ、パルス積算値は「０」となる。
【００３９】
図３（ｂ）に示すように、弁部４３が基準位置から離れたとき、弁部４３と弁座３３の最小径部分との間に隙間が形成される。
弁部４３の位置は、基準位置からの弁部４３の移動距離に等しい。このため、弁部４３の位置はパルス積算値との関係で特定される。すなわち、基準位置からの弁部４３の移動量は、基準位置から所定位置まで移動する間におけるパルス数の総和に対応する。すなわち、弁部４３の位置はパルス積算値に対応する。
【００４０】
図４を参照して、電子膨張弁３０の開口面積および開度について説明する。
開口面積は、弁座３３の最小径部分と弁部４３との間の隙間部分において弁軸方向に直交する断面の面積（隙間面積）として定義される。具体的には、開口面積は、弁座３３の最小径部分の面積ＳＡ（弁軸方向に直交する断面の面積）と、弁座３３の最小径部分を含む面で弁部４３を切断したときの断面積ＳＢ（弁軸方向に直交する断面の面積）との差により定義される。
【００４１】
弁部４３の全体が第１配管３１から出たとき、開口面積は弁座３３の最小径部分の面積ＳＡに一致する。すなわち。弁座３３の最小径部分の面積は、最大開口面積Ｓｍａｘに対応する。
【００４２】
開度は、弁部４３が所定位置にあるときの開口面積と最大開口面積Ｓｍａｘとの比（％）として定義される。すなわち、弁部４３のテーパ部４２と弁座３３とが接触して全閉状態にあるとき、開度は０％であり、弁部４３の全体が第１配管３１から出ているとき、開度は１００％である。
【００４３】
弁部４３と開度との関係について説明する。
開度は、近似的に、冷媒流量に比例関係にある。冷媒流量を制御するときは、開度が調整される。開度調整は、パルス積算値を用いて行われる。
【００４４】
開度は、パルス積算値の増大に従って増大する。一方、パルス積算値に伴う開度の増大態様は、弁部４３の側面構造に依存する。このため、制御装置７０は、開度調整を行うとき、開度とパルス積算値との関係を示すマップを用いる。
【００４５】
例えば、形成しやすい形状である円錐状の弁部４３を採用している場合、パルス積算値Ｘａに対して、開度がＣ−Ｄ・（Ｅ−Ｘａ）２関数として表されるマップが用いられる。このような構成の場合、小開度領域において開度調整を行うとき、開度に対してＸａ２の寄与が大きく、パルス積算値Ｘａの微小変化における開度の変化量が大きいため、開度の微調整が難しい。すなわち、小流量領域における流量微調整が困難である。
【００４６】
そこで、本実施形態では、開度を高精度に制御することを目的として、開度調整が行いやすいマップを想定した。そして、このマップに基づいた弁構造を考案した。まず、このマップについて説明する。
【００４７】
図５は、パルス積算値と開度との関係を示すマップを示す。
このマップは、開度が、パルス積算値すなわち弁部４３の位置に対して指数関数的に大きくなる関係にある。すなわち、次の（１）式を満たす。
【００４８】
【数３】
【００４９】
・Ｙ：開度
・Ａ：定数
・Ｘ：パルス積算値
・β：Ｘ＝最大パルス積算値ＸｍａｘとしたときＹ＝１００となる値。
・Ｘｍａｘ：パルス積算値の最大値。すなわち、基準位置から最も離れた弁部４３の位置に対応するパルス積算値。
【００５０】
なお、Ｘ＝０のとき、すなわちパルス積算値が０のとき、実際には開度が０％となるが、計算上の簡略のため、Ｘ＝０のとき、開度が所定値をとることとする。
開度Ｙ（Ｘ）によれば、パルス積算値Ｘの所定値δ（パルス数の所定増減値）だけ異なる２点において、次の関係が成立する。
【００５１】
【数４】
【００５２】
所定値δを１（１パルス）とする場合、パルス積算値Ｘが１異なる２点における開度比（Ｙ（Ｘ＋１）／Ｙ（Ｘ））は「β」となる。この開度比は、パルス積算値Ｘの値に関わらず、一定値である。なお、所定値δを大きくすると開度比（Ｙ（Ｘ＋δ）／Ｙ（Ｘ））も大きくなるが、パルス積算値Ｘの値に対しては一定値である。
【００５３】
上記（１）式を満たすことは、上記（２）式を満たすことと同値である。
すなわち、上記（１）を満たすマップを用いれば、パルス積算値すなわち弁部４３の位置に対して開度比が一定となる。パルス積算値の全体にわたって開度比が一定であるとき、パルス積算値にわたって冷媒流量の変化比も一定であるため、冷媒流量の制御が行いやすくなる。特に、小開度領域において、開度が確実に微小量増大するため、冷媒流量の微調整が可能となる。
【００５４】
なお、開度比が一定とは、パルス積算値の増分に対して開度が所定値ずつ増大することを示す。例えば、開度比を１．０５かつ開度の初期値を１％とするとき、パルス積算値の１ずつの増大に対して、開度は、１．０％、１．０５％、１．１０２５％、１．１５７６３％・・・と順に増大する。
【００５５】
この種のマップによれば、冷媒流量は、パルス積算値の増大とともに指数関数的に増大する。すなわち、パルス積算値が小さいとき、冷媒流量は小さくかつパルス積算値の増大にともなう冷媒流量の増分も小さい。一方、パルス積算値が大きいとき、冷媒流量は大きくかつパルス積算値の増大にともなう冷媒流量の増分も大きい。
【００５６】
図６を参照して、上記（１）式を満たす弁部４３の一例を挙げる。
弁部４３の外形線の形状について説明する。
弁部４３において弁軸を含む断面の外形線は以下の式を満たす。
【００５７】
【数５】
【００５８】
【数６】
【００５９】
・ｘ：弁部４３において基部４４から半径ｒに対応する部分までの長さ。
・ｘｍａｘ：弁部４３において基部４４から先端までの長さ。
・β：開度比。
・Ｓｍａｘ：最大開口面積。
・ｒ：弁部４３の弁軸から側面までの長さ（半径）。
・Ｂ：定数。
【００６０】
なお、ｘｍａｘは、１パルスについて弁部４３が弁軸方向に移動する単位距離として、この単位距離と最大パルス積算値Ｘｍａｘとの積に対応する。また、テーパ部４２の幅を微小であるとみなして、弁部４３の基部４４の断面積と最大開口面積Ｓｍａｘとが一致することとした。
【００６１】
以上の式を満たす側面を有する弁部４３は、パルス駆動により、上記（１）式および（２）式を満たす。すなわち、上記（３）式によれば、（５）式が成立する。
【００６２】
【数７】
【００６３】
上記（５）式は、弁部４３が基準位置から距離ｘの位置まで離れたときの距離ｘとｒとの関係を示す。上記（５）式は、開口面積を示す。すなわち、上記（５）式は、弁部４３の所定位置における開度を示す。すなわち、（５）式は、最大開口面積Ｓｍａｘと、弁座３３の最小径部分を含む面で弁部４３を切断したときの断面積（π・ｒ２）との差すなわち開口面積が、弁部位置の指数関数として表されていることを示す。この式は（１）式と同じである。すなわち、（４）式の側面を有する弁部４３は、弁部４３の位置に関わらず、開度比が一定である。
【００６４】
図７を参照して、弁部４３の他の例を挙げる。
本例の弁部４３は、側面が次の５つの領域に区別される。
第１領域ＲＡは、開度が０％以上〜２０％未満となるところに対応する。第２領域ＲＢは、開度が２０％以上〜４０％未満となるところに対応する。第３領域ＲＣは、開度が４０％以上〜６０％未満となるところに対応する。第４領域ＲＤは、開度が６０％以上〜８０％未満となるところに対応する。第５領域ＲＥは、開度が８０％以上〜１００％以下となるところに対応する。
【００６５】
各領域の側面は円錐台の側面形態とされている。
そして、各領域の側面境界線ＬＳは、開度比が一定となる仮想曲面Ｖ上に設けている。具体的には、仮想曲面Ｖは、上記（３）および（４）を満たす曲面である。すなわち、弁部４３の側面は仮想曲面Ｖに近似する。このような構成とする場合、各領域の弁軸方向の長さ（区間長Ｌ）は弁部４３の先端部に向けて順に小さくなる。また、第１領域ＲＡの側面の角度θは、弁部４３の弁軸に対し、０＜ｔａｎθ＜０．２の関係を満たす。
【００６６】
図８を参照して、弁部４３の他の例を挙げる。
本例の弁部４３は、側面が次の４つの領域に区別される。
第１領域ＲＡは、開度が０％以上〜２５％未満となるところに対応する。第２領域ＲＢは、開度が２５％以上〜５０％未満となるところに対応する。第３領域ＲＣは、開度が５０％以上〜７５％未満となるところに対応する。第４領域ＲＤは、開度が７５％以上〜１００％以下となるところに対応する。
【００６７】
各領域の側面は円錐台の側面形態とされている。
そして、各領域の側面境界線ＬＳは、開度比が一定となる仮想曲面Ｖ上に設けている。具体的には、仮想曲面Ｖは、上記（３）および（４）を満たす曲面である。すなわち、この弁部４３の側面は仮想曲面Ｖに近似する。このような構成とする場合、各領域の弁軸方向の長さ（区間長Ｌ）は弁部４３の先端部に向けて順に小さくなる。また、第１領域ＲＡの側面の角度θは、弁部４３の弁軸に対し、０＜ｔａｎθ＜０．２の関係を満たす。
【００６８】
［冷媒流量制御］
冷媒流量制御について説明する。
空気調和機１では、冷媒圧力、冷媒温度等に基づいて冷媒流量が調整される。冷媒流量の調整は、電子膨張弁３０の開度調整により行われる。すなわち、冷媒圧力、冷媒温度等に基づいて制御装置７０により要求開度が計算される。そして、要求開度に対応するように電子膨張弁３０の開度が調整される。なお、要求開度はＰＩＤ制御により逐次更新され、この更新毎に開度が調整される。
【００６９】
要求開度が決定したとき、制御装置７０は、電子膨張弁３０の開度を要求開度に調整する。具体的には、制御マップを用いて、要求開度に応じたパルス積算値（以下、補正パルス値）を決定する。次に、要求開度の指令時におけるパルス積算値（以下、実パルス値）を読み取るとともに、補正パルス値と実パルス値との差を算出する。そして、この差に対応するパルス信号をステッピングモータ３６に出力して弁部４３を駆動して、開度を要求開度と一致させる。
【００７０】
図９を参照して上記制御マップについて説明する。
制御マップは、図５（ａ）に示したマップと実質的に同じである。すなわち、制御マップはパルス積算値の大きさに関係なく、開度比が一定になる。但し、横軸を要求開度とし、縦軸をパルス積算値としている。
【００７１】
従来構造の電子膨張弁と比較して、本実施形態の電子膨張弁３０にかかる制御マップについて説明する。
図９に、従来構造の電子膨張弁の制御マップを破線で示した。
【００７２】
従来構造の電子膨張弁は、円錐状または円錐台状の弁部を有する。この種の弁部の場合、パルス積算値に対応して弁部が弁孔から出る方向に移動するとき、弁部の移動量の２乗に比例して開度が大きくなる。このため、要求開度が小さいとき、かつ要求開度を微小量変更させることは難しい。すなわち、図９に示すように、小開度領域（例えば、要求開度の０〜１０％以下の範囲）に対応するパルス積算値は、最大パルス積算値の１／１０以下である。
【００７３】
一方、本実施形態の電子膨張弁３０では、開度が指数関数的に増大するように構成されているため、図９に示すように、小開度領域に対応するパルス積算値は、最大パルス積算値の１／２程度を占める。すなわち、小開度領域において、従来構造よりも、多くのパルス数を用いて弁部４３を制御することが可能である。このため、開度を微調整することができる。これにより、冷媒流量の精緻な制御が可能となる。
【００７４】
以下、本実施形態の効果を説明する。
（１）本実施形態では、弁部４３の側面は、当該側面と弁座３３との間で隙間（開口部）を形成するとき開度比が一定となるように形成されている。
【００７５】
この構成によれば、弁部４３の側面は、開度比が一定となるように形成されている。すなわち、弁部４３を移動させたとき、一定比で開口面積が増大する。このため、冷媒流量の変化比が一定となる。これにより冷媒流量の微調整をすることができる。
【００７６】
（２）本実施形態では、弁部４３の側面が弁軸方向に３以上の領域に区分され、各領域の境界線が、開度比が一定となる仮想曲面Ｖ上にある。この構成によれば、開度比が一定となる仮想曲面Ｖ上に沿うように各領域の側面が形成される。すなわち、弁部４３の側面は、上記仮想曲面Ｖに近似されている。これにより、弁部４３の移動範囲にわたって冷媒流量の変化比が略一定になるため、冷媒流量の微調整をすることができる。
【００７７】
（３）本実施形態の変形例では、弁部側面の各領域の区間長Ｌが弁部４３の先端部に向けて順に小さい。この構成によれば、各領域の区間長Ｌが弁部４３の先端部に向けて順に小さいため、開度が大きい程、弁部４３の移動量に対する変化量が大きく、開度が小さい程、弁部４３の移動量に対する変化量が小さくなる。すなわち、小開度領域においては、大開度領域に比べてより冷媒流量を高精度に調整することができる。なお、このような構成によれば、各領域の区間長Ｌを弁部４３の先端部に向けて順に小さくしない構成に比べて、弁部４３が短くなる。
【００７８】
（４）本実施形態では、弁部４３の弁軸を含む断面の外形線が上記（３）式および上記（４）式で示される関係を満たす。この構成によれば、側面が曲面で形成され、弁部４３の移動範囲において開度比がβとされる。このため、弁部４３の移動範囲にわたって冷媒の流量変化を略一定にすることができる。
【００７９】
（５）本実施形態の変形例では、弁部４３の移動において開度が２５％増大するごとに、弁部４３の側面形態が変えられている。そして、各境界線が、開度比が一定となる仮想曲面Ｖ上にある。このため、弁部４３の側面を曲面として形成する場合に比べて、容易に弁部４３を形成することができる。また、弁部４３の移動範囲にわたって流量変化比を略一定とすることができる。
【００８０】
（６）本実施形態の変形例では、弁部４３の移動において開度が２０％増大するごとに、弁部４３の側面形態が変えられている。そして、各境界線が、開度比が一定となる仮想曲面Ｖ上にある。このため、弁部４３の側面を曲面として形成する場合に比べて、容易に弁部４３を形成することができる。また、弁部４３の移動範囲にわたって流量変化比を略一定とすることができる。
【００８１】
（７）本実施形態の変形例では、第１領域の側面の角度θが、弁部４３の弁軸に対し、０＜ｔａｎθ＜０．２の関係を満たす。すなわち、弁部４３の移動に対して、開口面積が微小ずつ増減する構成とされている。このため、小開度領域において、冷媒流量の微調整をすることができる。
【００８２】
（８）本実施形態の空気調和機１は、電子膨張弁３０を備えている。この構成によれば冷媒流量の微調整をすることができるため、空気調和機１における空調が安定する。
（その他の実施形態）
なお、本発明の実施態様は上記実施形態にて示した態様に限られるものではなく、これを例えば以下に示すように変更して実施することもできる。また以下の各変形例は、異なる変形例同士を互いに組み合わせて実施することもできる。
【００８３】
・本実施形態では、弁部４３の側面全体が、上記（３）式および上記（４）式を満たす。このような構成に代えて、側面の一部だけが上記（３）式および上記（４）式を満たす構成としてもよい。この場合においても、少なくとも当該一部の側面において、開口比が一定となるため、当該側面に対応する弁部４３の駆動範囲において、冷媒流量を高精度に制御することができる。
【００８４】
例えば、弁部４３の基部４４から先端部までの長さを１００とし基部の位置を０とする場合において、１〜２５の範囲で、上記（３）式および（４）式を満たす構成とすることもできる。位置０においては殆ど流量が０であって極小開度領域では開度制御を行わないこと、また位置２５〜１００の範囲では開度の微調整を行うことが少ないことから、所定領域のみ開度比一定とすることに技術的意義がある。
【００８５】
・本実施形態では、（１）式のマップに実現するように弁部４３の側面形状の最適化を行っているが、弁座形状の最適化により、（１）式のマップを実現してもよい。また、弁部４３および弁座３３の両者の形状を考慮して、（１）式のマップを実現してもよい。
【００８６】
・本実施形態の変形例では、弁部４３の側面を５つまたは４つの面により構成しているが、６以上の面により構成してもよい。また、３つの面で構成してもよい。なお、いずれの構成の場合でも、各領域の面により構成される多面体は、弁部４３の底面と先端部とにより構成される仮想円錐形状に対し、弁部４３の全体側面が膨出する形態となる。
【符号の説明】
【００８７】
１…空気調和機、１０…圧縮機、２０…室外熱交換器、３０…電子膨張弁、３１…第１配管、３２…第２配管、３３…弁座、３４…弁孔、３５…円筒状部材、３６…ステッピングモータ、３７…弁室、４０…弁体、４１…弁棒、４２…テーパ部、４３…弁部、４４…基部、５０…室内熱交換器、６０…四路切換弁、７０…制御装置、７１…温度センサ、７２…圧力センサ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に弁部（43）が形成された弁体（40）と、この弁体（40）が弁軸方向に移動することにより前記弁部（43）との間に可変絞り部を形成する弁座（33）と、パルス数に応じて前記弁体（40）を移動させるステッピングモータ（36）とを備えた電子膨張弁において、
前記弁部（43）と前記弁座（33）との間に形成される隙間で前記弁軸方向に直交する断面の面積を開口面積とし、
前記パルス数の増減前の前記開口面積と前記パルス数の増減後の前記開口面積との面積比を開度比として、
前記弁部（43）の側面の少なくとも一部分は前記開度比が一定となる形状に形成されている
ことを特徴とする電子膨張弁。
【請求項２】
請求項１に記載の電子膨張弁（30）において、
前記弁部（43）の側面が前記弁軸方向に３以上の領域に区分され、
前記各領域の境界線が、前記開度比が一定となる仮想曲面上にある
ことを特徴とする電子膨張弁。
【請求項３】
請求項２に記載の電子膨張弁（30）において、
前記領域の前記弁軸方向の長さを区間長として、
前記各領域の区間長は前記弁部（43）の先端部に向けて順に小さい
ことを特徴とする電子膨張弁。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子膨張弁（30）において、
前記開口面積の最大値を最大開口面積とし、
前記最大開口面積に対する前記開口面積の割合を開度として、
前記弁部（43）の側面は、
前記開度が０％以上〜２５％未満となるところに対応する第１領域、
前記開度が２５％以上〜５０％未満となるところに対応する第２領域、
前記開度が５０％以上〜７５％未満となるところに対応する第３領域、および
前記開度が７５％以上〜１００％以下となるところに対応する第４領域の４つの領域に区分されるとともに前記各領域が円錐台側面形態とされ、
前記各領域の境界線が、前記開度比が一定となる仮想曲面上にある
ことを特徴とする電子膨張弁。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子膨張弁（30）において、
前記開口面積の最大値を最大開口面積とし、
前記最大開口面積に対する前記開口面積の割合を開度として、
前記弁部（43）の側面は、
前記開度が０％以上〜２０％未満となるところに対応する第１領域、
前記開度が２０％以上〜４０％未満となるところに対応する第２領域、
前記開度が４０％以上〜６０％未満となるところに対応する第３領域、
前記開度が６０％以上〜８０％未満となるところに対応する第４領域、および
前記開度が８０％以上〜１００％以下となるところに対応する第５領域の５つの領域に区分されるとともに前記各領域が円錐台側面形態とされ、
前記各領域の側面境界線が、前記開度比が一定となる仮想曲面上にある
ことを特徴とする電子膨張弁。
【請求項６】
請求項１に記載の電子膨張弁（30）において、
前記弁部（43）の弁軸を含む断面の外形線が次の２つの式で示される関係、
【数１】
ｘは、前記弁部（43）の前記弁軸方向において、弁座（33）の基部から半径ｒに対応する部分までの長さ、
ｘｍａｘは、前記弁部（43）の基部から先端までの長さ、
βは、開度比、
Ｓｍａｘは、最大開口面積、
ｒは、前記弁部（43）の前記弁軸から側面までの長さ（半径）、を満たす
ことを特徴とする電子膨張弁。
【請求項７】
先端に弁部（43）が形成された弁体（40）と、この弁体（40）が弁軸方向に移動することにより前記弁部（43）との間に可変絞り部を形成する弁座（33）と、パルス数に応じて前記弁体（40）を移動させるステッピングモータ（36）とを備えた電子膨張弁において、
前記弁部（43）の側面のうち基部から先端までの少なくとも基部から１／５までの領域は、前記弁部（43）の弁軸に対する角度θについて次式を満たすこと
【数２】
を特徴とする電子膨張弁。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の電子膨張弁（30）を備える空気調和機。
【請求項１】
先端に弁部（43）が形成された弁体（40）と、この弁体（40）が弁軸方向に移動することにより前記弁部（43）との間に可変絞り部を形成する弁座（33）と、パルス数に応じて前記弁体（40）を移動させるステッピングモータ（36）とを備えた電子膨張弁において、
前記弁部（43）と前記弁座（33）との間に形成される隙間で前記弁軸方向に直交する断面の面積を開口面積とし、
前記パルス数の増減前の前記開口面積と前記パルス数の増減後の前記開口面積との面積比を開度比として、
前記弁部（43）の側面の少なくとも一部分は前記開度比が一定となる形状に形成されている
ことを特徴とする電子膨張弁。
【請求項２】
請求項１に記載の電子膨張弁（30）において、
前記弁部（43）の側面が前記弁軸方向に３以上の領域に区分され、
前記各領域の境界線が、前記開度比が一定となる仮想曲面上にある
ことを特徴とする電子膨張弁。
【請求項３】
請求項２に記載の電子膨張弁（30）において、
前記領域の前記弁軸方向の長さを区間長として、
前記各領域の区間長は前記弁部（43）の先端部に向けて順に小さい
ことを特徴とする電子膨張弁。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子膨張弁（30）において、
前記開口面積の最大値を最大開口面積とし、
前記最大開口面積に対する前記開口面積の割合を開度として、
前記弁部（43）の側面は、
前記開度が０％以上〜２５％未満となるところに対応する第１領域、
前記開度が２５％以上〜５０％未満となるところに対応する第２領域、
前記開度が５０％以上〜７５％未満となるところに対応する第３領域、および
前記開度が７５％以上〜１００％以下となるところに対応する第４領域の４つの領域に区分されるとともに前記各領域が円錐台側面形態とされ、
前記各領域の境界線が、前記開度比が一定となる仮想曲面上にある
ことを特徴とする電子膨張弁。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子膨張弁（30）において、
前記開口面積の最大値を最大開口面積とし、
前記最大開口面積に対する前記開口面積の割合を開度として、
前記弁部（43）の側面は、
前記開度が０％以上〜２０％未満となるところに対応する第１領域、
前記開度が２０％以上〜４０％未満となるところに対応する第２領域、
前記開度が４０％以上〜６０％未満となるところに対応する第３領域、
前記開度が６０％以上〜８０％未満となるところに対応する第４領域、および
前記開度が８０％以上〜１００％以下となるところに対応する第５領域の５つの領域に区分されるとともに前記各領域が円錐台側面形態とされ、
前記各領域の側面境界線が、前記開度比が一定となる仮想曲面上にある
ことを特徴とする電子膨張弁。
【請求項６】
請求項１に記載の電子膨張弁（30）において、
前記弁部（43）の弁軸を含む断面の外形線が次の２つの式で示される関係、
【数１】
ｘは、前記弁部（43）の前記弁軸方向において、弁座（33）の基部から半径ｒに対応する部分までの長さ、
ｘｍａｘは、前記弁部（43）の基部から先端までの長さ、
βは、開度比、
Ｓｍａｘは、最大開口面積、
ｒは、前記弁部（43）の前記弁軸から側面までの長さ（半径）、を満たす
ことを特徴とする電子膨張弁。
【請求項７】
先端に弁部（43）が形成された弁体（40）と、この弁体（40）が弁軸方向に移動することにより前記弁部（43）との間に可変絞り部を形成する弁座（33）と、パルス数に応じて前記弁体（40）を移動させるステッピングモータ（36）とを備えた電子膨張弁において、
前記弁部（43）の側面のうち基部から先端までの少なくとも基部から１／５までの領域は、前記弁部（43）の弁軸に対する角度θについて次式を満たすこと
【数２】
を特徴とする電子膨張弁。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の電子膨張弁（30）を備える空気調和機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１０８６４７（Ｐ２０１３−１０８６４７Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５２７３８（Ｐ２０１１−２５２７３８）
【出願日】平成２３年１１月１８日（２０１１．１１．１８）
【出願人】（０００００２８５３）ダイキン工業株式会社 (7,604)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１８日（２０１１．１１．１８）
【出願人】（０００００２８５３）ダイキン工業株式会社 (7,604)
【Ｆターム（参考）】
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