JP2005076840A - 流路切換弁及び冷凍サイクル - Google Patents

Abstract

【課題】主弁体を回動させて冷凍サイクルの流路を切り換える流路切換弁において、流路の切換時に主弁体を回動し易くする。
【解決手段】本体ケース１内に主弁体２を収容し、主弁体２をステータ８、ロータ６及びシャフト７からなるステッピングモータで回動して、流路を切り換える。主弁体２に副弁２３を配設する。高圧空間Ｒ１と導通空間Ｒ２との差圧により主弁体２を弁座３に押しつけて、主弁体２の着座状態を確実に保持する。圧縮機を停止して高圧空間Ｒ１と導通空間Ｒ２との差圧を減少させ、副弁用バネ２４により副弁２３をポート２１ａから離座させ、高圧空間Ｒ１と導通空間Ｒ２を早く均圧する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ式空気調和機等において冷媒の流路を運転モードに応じて切り換える流路切換弁及び該流路切換弁を含む冷凍サイクルに関する。

従来、冷暖房ユニットなどの冷凍サイクルにおいて、圧縮機からの高圧冷媒の供給先を、室内側熱交換器と室外側熱交換器との一方から他方に切り換えることで、室内の冷房と暖房とを行えるようにしている。そして、このような高圧冷媒の流路を切り換える流路切換弁として四方弁が用いられている。このような冷凍サイクルに関連する技術として、例えば、特開平１１−１３９２３号公報、特開２００１−５０４０５号公報に開示されたロータリー式の流路切換弁がある。

特開平１１−１３９２３号公報の流路切換弁は、主弁体を円筒状の弁ハウジング内に回転可能に収容し、弁ハウジングの底部に弁座が固定されている。弁座には、圧縮機の吐出口側に配管接続される高圧側ポート、圧縮機の吸入口側に配管接続される低圧側ポート、室内熱交換器に配管接続される第１切換ポート、室外熱交換器に配管接続される第２切換ポートが、それぞれ円周上に形成されている。そして、主弁体の弁座側に高圧側連絡溝と低圧側連絡溝を形成し、電磁コイルと磁石で主弁体を回動させることにより隣接するポートを切換接続して、冷凍サイクルの冷媒の流路を切り換えるものである。また、この流路切換弁は、弁座と反対側に形成された高圧空間の冷媒圧力により主弁体の着座状態を保持するものであるが、主弁体の中心にパイロット弁を設け、このパイロット弁を開いて高圧空間と低圧側ポートを連通することにより主弁体を浮上（離座）させ、主弁体の回動が容易になるようにしている。

特開２００１−５０４０５号公報の流路切換弁も、上記同様に主弁体を回動させることにより隣接するポートを切換接続して、冷凍サイクルの冷媒の流路を切り換えるものである。また、この流路切換弁は、前記パイロット弁と同様に主弁体の回動時に高圧空間を低圧にするための逃し弁を備えていて、この逃し弁の作動棒をプレート等の回動によって作動させて逃し弁の開閉を行うようにしている。
特開平１１−１３９２３号公報 特開２００１−５０４０５号公報

特開平１１−１３９２３号公報のものは、一つの電磁コイルに通電してパイロット弁と主弁とを駆動するのでコンパクトになっているが、流路の切換（主弁体の駆動）のためだけでなくパイロット弁の駆動にも電力を必要としている。また、特開２００１−５０４０５号公報のものは、ステッピングモータにより主弁体とプレートを回動し、流路の切換と逃し弁の駆動を行うようにしているが、この場合に逃し弁を作動させる（プレートを回動させる）ために電力を必要とすることは同様である。

本発明は、主弁体の回動を容易にするための均圧機構を電力を用いないで駆動できるようにした流路切換弁、及びこの流路切換弁を用いた冷凍サイクルを提供することを課題とする。

請求項１の流路切換弁は、弁室内に該弁室の軸回りに回動可能に主弁体を収容するとともに、該主弁体に対向する弁座に少なくとも低圧ポートと２つの切換ポートを形成し、該主弁体に形成された導通空間により低圧ポートを一方の切換ポートに連通するとともに、高圧ポートに通じる高圧空間を他方の切換ポートに連通するように、該主弁体を回動して２つの切換ポートの連通先を切り換えるようにした流路切換弁において、前記主弁体に、前記導通空間と前記高圧空間とを導通する通路を開閉する副弁を設け、当該流路切換弁を用いる冷凍サイクルの運転時における高圧冷媒の圧力と低圧冷媒の圧力との差圧より小さい所定の差圧を閾値とし、前記副弁が、該閾値より大きな差圧で閉、該閾値より小さな差圧で開となるように設定されていることを特徴とする。

請求項２の流路切換弁は、請求項１の構成を備え、前記主弁体を、前記導通空間となる窪みを持った金属製の補強金具を樹脂でインサート成型して、該樹脂による本体部と補強金具とで形成したことを特徴とする。

請求項３の流路切換弁は、請求項２の構成を備え、前記主弁体の本体部の材質にフッ素樹脂（ＰＴＦＥ：ポリテトラフルオロエチレン）を（例えば５％以上）配合した樹脂を使用したことを特徴とする。

請求項４の冷凍サイクルは、請求項１、２、または３記載の流路切換弁を用いた冷凍サイクルであって、該冷凍サイクルの圧縮機の運転能力を制御することにより前記副弁の開閉を制御することを特徴とする。

請求項１の流路切換弁によれば、冷凍サイクルの圧縮機の制御により冷媒圧力を運転時の冷媒圧力より小さくして、高圧ポートに通じる高圧空間の冷媒圧力と導通空間の冷媒圧力との差圧が閾値より小さくなると副弁が開となるので、高圧空間と導通空間との均圧が進み、主弁の回動を容易に行うことができる。

請求項２の流路切換弁によれば、請求項１と同様な効果が得られるとともに、補強金具により主弁体がＣＯ₂ 冷媒等の超高圧にも耐えられる。

請求項３の流路切換弁によれば、請求項１及び２と同様な効果が得られるとともに、弁座に対する主弁体の滑りがよく、動作がよりスムースになる。

請求項４の冷凍サイクルによれば、請求項１と同様な効果が得られる。

次に、本発明による流路切換弁及び冷凍サイクルの実施形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態に係る流路切換弁の断面図、図２は同流路切換弁の副弁部とその動作を示す一部断面図、図３は同流路切換弁の底面図である。また、図４は運転時の主弁体の状態と冷凍サイクルの要部を示す図であり、図４(A) は冷房モード時、図４(B) は暖房モード時を示している。なお、図４における流路切換弁の構造は概念的に図示したものであり、流路切換弁を底部側から見た状態を示している。

図１に示したように、流路切換弁１０は、大別すると弁本体１０Ａと駆動部１０Ｂとで構成されている。弁本体１０Ａは、弁室を形成する円筒状の本体ケース１、該本体ケース１内に収容された主弁体２、該本体ケース１の下端開口部に溶接等によって密閉固定された弁座３を有している。

主弁体２は、厚みを持った円盤状の回転部２Ａと、この回転部２Ａの中心から偏心した位置に形成された楕円柱状の低圧導通部２Ｂとを有している。回転部２Ａには、その中心を挟んで低圧導通部２Ｂと反対側に該回転部２Ａを上下に貫通する貫通孔２ａが形成され、さらに、この貫通孔２ａの両脇には弁座３側に垂下されたストッパ２ｂ１，２ｂ２（図１，図４参照）が形成されている。そして、本体ケース１内において、低圧導通部２Ｂの周囲、回転部２Ａと本体ケース１との間は後述の高圧冷媒が導入される高圧空間Ｒ１を形成している。

低圧導通部２Ｂ内には、楕円状お椀形の窪みを持った金属製の補強金具２１が配設されている。すなわち、この主弁体２は、本体２２にフッ素樹脂（ＰＴＦＥ：ポリテトラフルオロエチレン）を５％以上配合した樹脂を使用し、この樹脂に補強金具２１を填め込むようにインサート成型し、回転部２Ａと低圧導通部２Ｂを一体に形成したものである。そして、この低圧導通部２Ｂの補強金具２１は、楕円状お椀形の窪みにより、開口形状が楕円形（図４参照）のドーム状の導通空間Ｒ２を形成している。また、低圧導通部２Ｂの弁座３側の端部には弁座３に着座する着座面２２ａが形成されている。この着座面２２ａは、補強金具２１の周囲を楕円状に囲って補強金具２１の弁座３側の端部よりも僅かに突出しており、主弁体２が弁座３に着座していても補強金具２１は弁座３に接触することなく、この樹脂製の着座面２２ａが弁座３上を摺動するので、弁座３に対する主弁体２の滑りがよく、動作性能が良い。

図２に詳細に示したように、補強金具２１には、導通空間Ｒ２に連通するポート２１ａが形成され、さらに、このポート２１ａから主弁体２の上部の高圧空間Ｒ１に導通する通路２１ｂが形成されている。通路２１ｂ内には副弁２３が配設され、この副弁２３は副弁用バネ２４によって上方に付勢されている。また、通路２１ｂの上端近傍にはリング状のストッパ２５が配設され、このストッパ２５により副弁２３の上端位置が規制される。なお、ストッパ２５は、その組み付け時に通路２１ｂ内に嵌合した後、補強金具２１の端部２１ｃを加締めることで固定されている。

そして、後述のように高圧空間Ｒ１と導通空間Ｒ２の冷媒圧力の差圧により副弁２３が押し下げられると、この副弁２３の先端部２３ａがポート２１ａの開口端部に着座して高圧空間Ｒ１と導通空間Ｒ２が隔絶される（図２(A) ）また、圧縮機の停止等により上記差圧が小さくなると、副弁用バネ２４によって副弁２３の先端部２３ａがポート２１ａから離座し、高圧空間Ｒ１と導通空間Ｒ２とが均圧される（図２(B) ）。なお、副弁２３のストッパ２５側の部位にはその端部から切り込むとともに直径方向に切り通した縦溝が形成されており、図２(B) のように、副弁２３の上端がストッパ２５に当接している状態でも、この縦溝及び副弁２３と通路２１ｂとのクリアランス（隙間）を介して、ポート２１ａと高圧空間Ｒ１とは導通している。

図３に示すように、弁座３には、Ｓポート３ｓ、Ｄポート３ｄ、Ｃポート３ｃ及びＥポート３ｅが形成されている。なお、図４においてはＳポート３ｓを「Ｓ」、Ｄポート３ｄを「Ｄ」、Ｃポート３ｃを「Ｃ」、Ｅポート３ｅを「Ｅ」として図示してある。Ｓポート３ｓには冷凍サイクルの圧縮機２０の冷媒吸入口に通じる低圧側のＳ継手管４ｓが取り付けられ、Ｄポート３ｄには圧縮機２０の冷媒吐出口に通じる高圧側のＤ継手管４ｄが取り付けられている。また、Ｅポート３ｅには室内熱交換器３０Ａに通じるＥ継手管４ｅが取り付けられ、Ｃポート３ｃには室外熱交換器３０Ｂに通じるＣ継手管４ｃが取り付けられている。そして、図１に示すように、Ｄポート３ｄには主弁体２側に貫通するとともにＤ継手管４ｄの先端に係合する補助管４１が配設されており、この補助管４１は弁室内に突出している。

図１において、駆動部１０Ｂは、弁本体１０Ａの本体ケース１の上端に取付られた薄板製の円筒体からなる上ケース５、該上ケース５内に収容されたマグネット製のロータ６、該ロータ６の中心に固定されたシャフト７、本体ケース１の外周に固着されたステータ８を有している。シャフト７は、弁本体１０Ａの本体ケース１の軸受け１ａを貫通して軸支され、該シャフト７の下端部には主弁体２が取り付けられている。これによって、ロータ６と主弁体２は本体ケース１及び上ケース５に対して上下方向に僅かに摺動可能にして、且つ回転可能に支持されている。なお、シャフト７の回りの主弁体２と本体ケース１との間には、主弁体２を弁座３に押しつけて本体ケース１との間で所定の隙間（高圧空間Ｒ１）を保つとともに、振動を吸収するための押えバネ９が配設されている。ステータ８内にはコイル８ａが巻回されて配設されており、このコイル８ａ、ローター６及びシャフト７によりステッピングモータが構成されている。

なお、ロータ６は固定金具６ａによってシャフト７に固定されているが、この固定金具６ａ回りのロータ６の内周部６ｂは垂直板を放射状に配置したリブ状の構造になっており、上ケース５内でロータ６の上部と下部の空間は連通している。また、上ケース５の内部空間は、弁本体１０Ａの本体ケース１に形成された均圧孔１ｂによって、該本体ケース１の高圧空間Ｒ１と連通している。

以上の構成により、ステータ８のコイル８ａに駆動電流を流すことにより主弁体２を回動させ、冷房モードと暖房モードの流路が切り換えられる。冷房モードの場合には、図４(A) に示すように、補強金具２１の導通空間Ｒ２によりＥポート３ｅがＳポート３ｅに導通されると同時に、高圧空間Ｒ１によりＣポート３ｃがＤポート３ｄに導通される。そして、矢印で示したように、圧縮機２０で圧縮された冷媒は流路切換弁１０から室外熱交換器３０Ｂに流入され、この室外熱交換器３０Ｂは凝縮器として機能する。室外熱交換器３０Ｂから流出された冷媒液は絞り装置４０を介して室内熱交換器３０Ａに流入され、この室内熱交換器３０Ａは蒸発器として機能する。そして、室内熱交換器３０Ａで蒸発された冷媒は流路切換弁１０を介して圧縮機２０に流入される。

一方、暖房モードの場合には、図４(B) に示すように、導通空間Ｒ２によりＣポート３ｃがＳポート３ｅに導通されると同時に、高圧空間Ｒ１によりＥポート３ｅがＤポート３ｄに導通される。そして、圧縮機２０で圧縮された冷媒は流路切換弁１０から室内熱交換器３０Ａ、絞り装置４０、室外熱交換器３０Ｂ、流路切換弁１０、そして、圧縮機２０の順に循環され、室内熱交換器３０Ａが凝縮器として機能し、室外熱交換器３０Ｂが蒸発器として機能する。

このように、冷房モードと暖房モードとを切り換えるとき主弁体２を回動させるが、切換直前に圧縮機２０の運転能力を制御して、流路切換弁１０の弁室内で高圧空間Ｒ１と導通空間Ｒ２（低圧空間）を均圧させる。この圧縮機２０の運転制御、流路切換弁１０の切換制御及び流路切換弁１０の作用について説明する。

先ず、圧縮機２０の停止状態では、副弁２３は副弁用バネ２４の付勢力により上昇して高圧空間Ｒ１と導通空間Ｒ２が導通している（図２(B) ）。圧縮機２０の運転を開始すると、圧縮機２０から吐出される高圧冷媒が高圧空間Ｒ１に流入するとともに、圧縮機２０によって導通空間Ｒ２内の冷媒が吸入される。このとき、副弁２３の先端部２３ａとポート２１ａとの間隙により、高圧空間Ｒ１から導通空間Ｒ２に流れる冷媒の量は、圧縮機２０の吐出量よりも少なく制限される。したがって、高圧空間Ｒ１の圧力と導通空間Ｒ２の差圧が次第に大きくなり、この差圧が副弁用バネ２４の付勢力を勝ると副弁２３がポート２１ａに着座する。これにより、さらに差圧が発生し、主弁体２の着座面２２ａが弁座３にさらに強く押しつけられ、主弁体２の着座状態がより確実に保持され、冷房モードあるいは暖房モードの所定の流路が形成される。

モードを切り換える時は圧縮機２０を停止させる。これにより高圧空間Ｒ１の圧力と導通空間Ｒ２の圧力の差圧が減少する。この差圧が所定値（例えば０．２ＭＰａ（メガパスカル））以下になると副弁２３がポート２１ａから離座し、導通空間Ｒ２と高圧空間Ｒ１とが均圧される。次に、ステッピングモータ（ステータ８及びロータ６等）で主弁体２を回転させると、主弁体２のストッパ２ｂ１あるいはストッパ２ｂ２がＤポート３ｄの補助管４１に当接したところで停止する。そして、圧縮機２０を運転すると前記同様に副弁２３が着座し、さらに主弁体２が弁座３に押しつけられて、所定の流路が形成される。なお、主弁体２の回転時には、押えバネ９により主弁体２と弁座３との間に摩擦力が発生するが、差圧がないので問題なく回転する。言い換えると、そのように押さえバネ９の付勢力が設定されている。

このように、副弁２３を付勢する副弁用バネ２４の付勢力は、冷凍サイクルの運転時（圧縮機２０の運転時）における高圧の冷媒圧力と低圧の冷媒圧力との差圧より小さい所定の差圧（例えば０．２ＭＰａ）を閾値とし、副弁２３が、該閾値より大きな差圧で閉（着座）、該閾値より小さな差圧で開（離座）となるように設定されている。

以上の実施形態では流路切換弁１０で流路を切り換えるとき（モードを切り換えるとき）、圧縮機２０を停止するようにしているが、圧縮機２０は運転状態のままで圧縮能力を低くするようにしてもよい。

本発明の実施形態に係る流路切換弁の断面図である。 同流路切換弁の副弁部とその動作を示す拡大断面図である。 同流路切換弁の底面図である。 実施形態における運転時の主弁体の状態と冷凍サイクルの要部を示す図である。

符号の説明

１ 本体ケース
２ 主弁体
２ｂ１，２ｂ２ ストッパ
３ 弁座
３ｓ Ｓポート
３ｄ Ｄポート
３ｃ Ｃポート
３ｅ Ｅポート
４ｓ Ｓ継手管
４ｄ Ｄ継手管
４ｃ Ｃ継手管管
４ｅ Ｅ継手管
２０ 圧縮機
２１ 補強金具
２１ａ ポート
２３ 副弁
２４ 副弁用バネ
４１ 補助管
Ｒ１ 高圧空間
Ｒ２ 導通空間

Claims (4)

1. 弁室内に該弁室の軸回りに回動可能に主弁体を収容するとともに、該主弁体に対向する弁座に少なくとも低圧ポートと２つの切換ポートを形成し、
   該主弁体に形成された導通空間により低圧ポートを一方の切換ポートに連通するとともに、高圧ポートに通じる高圧空間を他方の切換ポートに連通するように、該主弁体を回動して２つの切換ポートの連通先を切り換えるようにした流路切換弁において、
   前記主弁体に、前記導通空間と前記高圧空間とを導通する通路を開閉する副弁を設け、
   当該流路切換弁を用いる冷凍サイクルの運転時における高圧冷媒の圧力と低圧冷媒の圧力との差圧より小さい所定の差圧を閾値とし、前記副弁が、該閾値より大きな差圧で閉、該閾値より小さな差圧で開となるように設定されていることを特徴とする流路切換弁。
2. 前記主弁体を、前記導通空間となる窪みを持った金属製の補強金具を樹脂でインサート成型して、該樹脂による本体部と補強金具とで形成したことを特徴とする請求項１記載の流路切換弁。
3. 前記主弁体の本体部の材質にフッ素樹脂を配合した樹脂を使用したことを特徴とする請求項２記載の流路切換弁。
4. 前記請求項１、２、または３記載の流路切換弁を用いた冷凍サイクルであって、
   該冷凍サイクルの圧縮機の運転能力を制御することにより前記副弁の開閉を制御することを特徴とする冷凍サイクル。

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