JP2012026525A - 多方切換弁 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化やコストアップを招くことなく、流路切換用モータの発生トルクを増大させ得るようにされた多方切換弁を提供する。
【構成】弁ハウジング２０内に低温低圧冷媒を充満させるとともに、流路切換用モータを構成するロータ１６及びステータコイル１７を前記弁ハウジング２０内に配在してそれら双方を前記低温低圧冷媒中に浸すようにされ、かつ、ロータとステータコイルとの間にキャン等の遮蔽物を配在しない。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクル（ヒートポンプ）等に用いられる三方切換弁や四方切換弁等の多方切換弁に係り、特に、流路の切り換えをモーター等のアクチュエータで弁体を回動させることにより行うロータリ式の多方向切換弁に関する。

この種の多方切換弁として、本願の出願人は、先に、図３、図４に示される如くの多方切換弁を提案している（特許文献１、２等を参照）。以下、図示の多方切換弁を簡単に説明する。

図示例の多方切換弁１０’は、高圧流体導入ポート１１、第１入出ポート１２、第２入出ポート１３、及び低圧流体導出ポート１４を有する、ヒートポンプ装置等に用いられるロータリー式の四方切換弁であり、流体として冷媒が使用されるもので、流路切換用アクチュエータとしてのステッピングモータ１５と、該ステッピングモータ１５により回動せしめられる弁体５０と、この弁体５０を回動可能に保持する弁ハウジング６０と、を備えている。

モータ１５は、冷媒密封用のキャン１８と、このキャン１８の内周側に配在されたロータ１６と、キャン１８の外周に外嵌固定されたステータコイル１７とからなっており、ステータコイル１７とロータ１６との間には、キャン１８の肉厚分を含むエアギャップαが形成されている。なお、モータ１５内には、遊星歯車式減速機構４０が付設され、モータ１５の出力軸（遊星歯車式減速機構４０の出力軸４５）の回転が前記弁体５０に直接伝達されるようになっている。符号４９は、出力軸４５及び後述の小径軸部５１を挿通すると共に、遊星歯車式減速機構４０の固定内歯ギアを支持する厚肉円筒状のガイド部である。

弁ハウジング６０は、例えば、３本のボルト９３により気密的に締結された上側箱状体（上側分割体）６０Ａと下側蓋状体（下側分割体）６０Ｂとからなり、これら上側箱状体６０Ａと下側蓋状体６０Ｂとで円筒状の弁室６１が画成されている。

上側箱状体６０Ａは、概略凸状の上側基体部６０ａと該上側基体部６０ａの下面外周部から下側に突出する主として弁室６１の周壁部を画成する円筒状壁部６０ｂとからなり、上側基体部６０ａには、横穴と縦穴とからなる断面逆Ｌ形状の第１入出ポート１２と第２入出ポート１３（図４参照、図３には仮想位置が示されている）が設けられ、また、円筒状壁部６０ｂの上部の前面側には、前記弁室６１に連なる低圧流体導出ポート１４が設けられている。

一方、下側蓋状体６０Ｂは、上記円筒状壁部６０ｂの下端部が外嵌される段付き厚板状とされ、その中央（回転軸線Ｏ上）には、それを貫通して前記弁室６１に開口する高圧流体導入ポート１１が設けられている。なお、軽量化等を図るため、弁ハウジング６０（上側箱状体６０Ａと下側蓋状体６０Ｂ）の材料にはアルミニウムが使用されている。

前記弁室６１の天井部には、第１入出ポート１２と第２入出ポート１３の下端開口部が形成された、円形板状の弁シート６５が配設（ねじ止め）されている。

前記弁体５０は、上から順に、モータ１５内の遊星歯車式減速機構４０の出力軸４５に一体回転可能に連結された小径軸部５１、上側箱状体６０Ａに形成された中央挿通穴６７及び弁シート６５の中央に形成された開口６９に挿通せしめられた中央軸部５２、及び高圧流体導入ポート１１内に挿入された大径円筒軸部５３を有するステンレス（ＳＵＳ）製の弁軸部材５０Ａと、該弁軸部材５０Ａの、前記弁室６１内に位置する中央軸部５２の下端部から大径円筒軸部５３の中央肉厚部５３ａ上端に至る段付き部分に外嵌固定された軸外部材５４とからなり、弁室６１内に位置する部分（中央軸部５２の下部、大径円筒軸部５３及び軸外部材５４）が逆Ｌ形ないしクランク状の切換弁体部５０Ｂとなっている。

前記弁軸部材５０Ａの中央軸部５２と大径円筒軸部５３の下端部は、それぞれスリーブ状の軸受部材８１、８２により摺動回転自在に支持されている。また、大径円筒軸部５３における中央肉厚部５３ａの下部円錐面部と高圧流体導入ポート１１の内周面との間には、テフロン（登録商標）製のリップシール８３が介装されている。

前記切換弁体部５０Ｂ内には、その外形に相似する逆Ｌ形ないしクランク状の弁体内通路５５が設けられている。

この弁体内通路５５の出口側端部には、弁シート６５に気密的に圧接するように、シール材としてのＯリング７４と角形リング７５とが装着されている。Ｏリング７４は、弁体内通路５５を流れる高圧流体により半径方向外方に押圧されて断面が円形から楕円状に変化するが、このＯリング７４の形状変化を利用して角形リング７５の一端面を弁シート６５に押し付けてシール効果を得る構成となっている。

なお、前記下側蓋状体６０Ｂの上面中央部に突設された円筒状突壁部６０ｄの外周には、前記弁体内通路５５の出口側端部（角形リング７５）を弁シート６５に押し付けるべく、前記弁体５０を上向きに付勢するコイルばね９２が縮装されている。また、流体の不所望な漏れが生じないようにすべく、各部材の対接面間等の要所、例えば、上側箱状体６０Ａの円筒状壁部６０ｂの下部内周面と下側蓋状体６０Ｂの上部外周面との間には、Ｏリング９５等のシール材が装着されている。

かかる構成を有する多方切換弁（四方切換弁）１０’では、弁体５０がモータ１５により回動せしめられて、弁体内通路５５の出口側端部（角形リング７５）が弁シート６５の第１入出ポート１２（の下端）の真下位置に達すると（図４（Ｂ）に示される状態）、高圧流体導入ポート１１と第１入出ポート１２とが弁体内通路５５を介して連通し、高温高圧の流体は、弁体内通路５５を介して第１入出ポート１２へと流れ、一方、第２入出ポート１３からの低温低圧の流体は、弁室６１を介して低温流体導出ポート１４へと流れる。

上記とは逆に、弁体内通路５５の出口側端部（角形リング７５）が弁シート６５の第２入出ポート１３（の下端）の真下位置に回動せしめられると（図４（Ａ）に示される状態）、高圧流体導入ポート１１と第２入出ポート１３とが弁体内通路５５を介して連通し、高温高圧の流体は、弁体内通路５５を介して第２入出ポート１３へと流れ、一方、第１入出ポート１２からの低温低圧の流体は、弁室６１を介して低圧流体導出ポート１４へと流れる。

このように図示例の多方切換弁１０’は、弁体５０を回動させることによって、弁体内通路５５及び弁室６１を介して第１入出ポート１２及び第２入出ポート１３のいずれかと高圧流体導入ポート１１及び低圧流体導出ポート１４のいずれかとを選択的に連通させることにより、流路の切り換えを行うようになっている。

なお、上記四方切換弁１０’では、第１入出ポート１２及び第２入出ポート１３を介して弁室６１に導入される低温低圧の冷媒は、弁シート６５に形成された開口６９、中央挿通穴６７に部分に形成された連通孔７６、ホルダ４７やガイド４９に形成された開口７７や均圧孔７８等を介して前記キャン１８内にも導入され、キャン１８内は低温低圧の冷媒が充満するようになっている。

特願２０１０−０１０３０９号 特願２００９−２０３９２６号

上記した如くのロータリ式の多方切換弁が用いられる冷凍サイクル（ヒートポンプ）においては、回路内を同時に流される高温高圧の冷媒と低温低圧の冷媒との温度差、圧力差を大きくすればするほど、その熱効率（冷凍能力）を高めることができるが、圧力差が大きくなると、弁体を回動させるための駆動トルクを増大させることが必要となる。つまり、圧力差が大きくなればなるほど、弁体（弁体内通路の出口側端部）を弁シートに強く押し付けることが要求され（漏出防止のため）、弁体を弁シートに強く押し付けると、弁体と弁シートとの間の摩擦抵抗が増大するため、弁体を円滑に回動させるためには、流路切換用モータとして発生トルクがより大きなものを採用する必要がある。

しかしながら、一般に、モータの発生トルクの大きさは、ステータコイル部分の大きさに比例するので、発生トルクを増大させるには、流路切換用モータの大型化、ひいては、装置（多方切換弁）の大型化やコストアップを招いてしまう。

本発明は、前記した如くの事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、大型化やコストアップを招くことなく、流路切換用モータの発生トルクを増大させ得るようにされた多方切換弁を提供することにある。

前記目的を達成すべく、本発明に係る多方切換弁の一つは、基本的には、複数個の流体入出ポートが開口する弁シート及び低圧流体導出ポートが開口する弁室を有する弁ハウジングと、前記弁シートに接触しながら回動せしめられる弁体と、該弁体を回転駆動する流路切換用モータとを備え、前記弁ハウジングに高圧流体導入ポートが設けられるとともに、前記弁体内に、前記高圧流体導入ポートと前記複数個の流体入出ポートとを選択的に連通させるための通路が形成され、前記流路切換用モータにより前記弁体を回動させて、前記高圧流体導入ポートと前記複数個の入出ポートのいずれかとを前記弁体内通路を介して選択的に連通させることにより流路の切り換えを行なうようにされ、前記弁ハウジング内に低圧流体が充満するようにされるとともに、前記流路切換用モータを構成するロータ及びステータコイルが前記弁ハウジング内に配在されてそれら双方が前記低圧流体中に浸されるようにされていることを特徴としている。

好ましい態様では、前記ロータとステータコイルとの間にキャン等の遮蔽物が配在されないようにされる。

他の好ましい態様では、前記弁ハウジング内は、前記弁シートを挟んで一方側に前記弁体が配在される弁室が形成され、他方側に前記モータが配在されるモータ室が形成され、前記弁室と前記モータ室とは前記弁シートに形成された開口を介して連通するようにされる。

他の好ましい態様では、前記弁体の回転軸線は、前記モータの出力軸の回転軸線から側方に所定の距離だけ偏心せしめられる。

他の好ましい態様では、前記モータの回転駆動力は、歯車列を介して前記弁体に伝達されるように構成される。

本発明に係る多方切換弁では、弁ハウジング内に低圧流体が充満するようにされるとともに、流路切換用モータを構成するロータ及びステータコイルが弁ハウジング内に配在されてそれら双方が前記低圧流体中に浸されるようにされるので、キャンが不要となって、エアギャップをキャンの肉厚相当分狭くすることが可能となり、エアギャップを狭くすることにより、大型化やコストアップを招くことなく、モータの発生トルクを増大させることができる。

本発明に係る多方切換弁（四方切換弁）の一実施例を示す縦断面図。 図１に示される四方切換弁の底面図。 先に提案されている多方切換弁（四方切換弁）の一例を示す縦断面図。 図４のＸーＸ矢視線に従う断面図。

以下、本発明の多方切換弁の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る多方切換弁の一実施例を示す縦断面図、図２は、図１に示される多方切換弁の底面図である。各図において、前述した図３、図４に示される多方切換弁１０’の各部に対応する部分には同一の符号を付してその説明を簡略にする。

図示例の多方切換弁１０も、図３、図４に示されるものと同様に、高圧流体導入ポート１１、第１入出ポート１２、第２入出ポート１３、及び低圧流体導出ポート１４を有する、ヒートポンプに使用されるロータリー式の四方切換弁であり、流体として冷媒が用いられるもので、流路切換用モータ１５’と、該モータ１５’により回動せしめられる弁体３０と、この弁体３０を回動可能に保持する弁ハウジング２０と、を備えている。

弁ハウジング２０は、円筒状本体２０Ａとこの円筒状本体２０Ａの上下に密封結合された上蓋体２０Ｃ及び下蓋体２０Ｂとからなり、その上下方向中央付近には円板状の弁シート２５が適宜の手法（ろう付け、ねじ止め、溶接、圧入等）で固定されている。弁ハウジング２０内は、第１入出ポート１２と第２入出ポート１３の上端開口１２ａ、１３ａが形成された弁シート２５を挟んで一方側（上側）に弁体３０が配在される弁室２１が形成され、他方側（下側）にモータ１５が配在されるモータ室２２が形成され、それら弁室２１とモータ室２２とは弁シート２５の中央に形成された開口２９を介して連通するようにされている。また、弁室２１には低圧流体導入ポート１４が開口せしめられている。

弁ハウジング２０の上蓋体２０Ｃの中央には、弁体３０を回動可能に支持する段付き円筒状の弁体支持部材２５が取付けられている。この弁体支持部材２５は、上側小径部２５ａ、中間大径部２５ｂ、下側大径部２５ｃを有しており、上側小径部２５ａには、高圧冷媒導入ポート１１が連結されている。

また、下蓋体２０Ｂの右寄り部分には、第１入出ポート１２を形成する管材１２ｂ、１２ｃ並びに第２入出ポート１３を形成する管材１３ｂ、１３ｃが取付固定されている。管材１２ｂ、１３ｂは、弁シート２５に垂直となるようにモータ室２２内に挿入されてその上端部が弁シート２５に形成された第１入出ポート１２、第２入出ポート１３の上端開口１２ａ、１３ａの外周端縁部にろう付け等により接合されている。

前記弁体３０は、上から順に、前記弁体支持部材２５の上側小径部２５ａにスリーブ状の軸受部材８２を介して回動自在に支持された上端部３０ａ、弁体支持部材２５の中間大径部２５ｂないし下側大径部３０ｂにリップシール８３を介して支持された中間部３０ｂ、横突出部３０ｃを有し、その内部には、その外形に相似するＬ形ないしクランク状の弁体内通路３５が形成されている。また、弁体３０の底部（回転軸線Ｏ上）には下向きに軸部３０ｄが突設されている。この軸３０ｄは、弁シート２５に形成された中央開口２９を介してモータ室２２内に挿入されており、その外周には、後述するモータ１５’の出力軸４５に外嵌固定された駆動歯車３１に噛合する従動歯車３２が外嵌固定されている。

前記弁体内通路３５の出口側端部（下端部）には、弁シート２５に気密的に圧接するように、シール材としてのＯリング７４と角形リング７５とが装着されている。また、弁体３０の中間部３０ｂにはばね受け部材３３が固着され、該ばね受け部材３３と弁体支持部材２５との間には、弁体内通路５５の出口側端部（角形リング７５）を弁シート２５に強く押し付けるべく、弁体５０を下向きに付勢するコイルばね９２が縮装されている。

一方、弁体３０を回転駆動するための流路切換用モータ１５’は、モータ室２２の左寄り部分にその出力軸４５を上向きにして配設固定されている。言い換えれば、弁体３０の回転軸線Ｏ’は、モータ１５’の出力軸４５の回転軸線Ｏから側方に所定の距離だけ偏心せしめられている。

また、本実施例のモータ１５’は、図３に示される従来例のモータ１５からキャン１８を取り除いた構成となっている。すなわち、モータ１５’は、ロータ１６とその外周に配在されたを含むステータコイル１７とからなっており、ロータ１６とステータコイル１７との間にはキャン等の遮蔽物は配在されておらず、したがって、ロータ１６とステータコイル１７との間に形成されるエアギャップαは、前述した従来例のものより相当（キャン１８の肉厚相当分）狭くなっている。そのため、モータ１５’の発生トルクを従来例のものより大きくすることができる。

また、モータ１５内には、従来例と同様に遊星歯車式減速機構４０が付設され、モータ１５の出力軸４５の回転は、駆動歯車３１及び従動歯車３２からなる平歯車列を介して弁体３０に伝達されるようになっている。

遊星歯車式減速機構４０の固定内歯ギアを支持するガイド部４９には、駆動歯車３１の外周側へ延びるように脚部４９ａが複数設けられており、この脚部４９ａが弁シート２５に適宜の手法により固定されている。

支持プレート１５ｐは、ヨーク１７ａにスポット溶接等により固定されると共に、ロータ１６や遊星歯車式減速機構４０の太陽ギアを支持するシャフト４０ａを支持し、弁ハウジング内壁に溶接等の適宜の手法により取付られている。前記ヨーク１７ａは、必要に応じてスポット溶接等により、弁ハウジング内壁に固着されてもよい（符号Ｐ）。符号１５ｔは、ステータコイル１７から弁ハウジング２０の外部へ引出されたターミナルである。

かかる構成を有する四方切換弁１０では、モータ１５の回転駆動力が遊星歯車式減速機構４０→駆動歯車３１と従動歯車３２からなる平歯車列を介して弁体３０に伝達され、これにより弁体３０が回動せしめられて、弁体内通路３５の出口側端部（角形リング７５）が弁シート２５の第１入出ポート１２の真上位置に達すると、高圧流体導入ポート１１と第１入出ポート１２とが弁体内通路３５を介して連通し、高温高圧の流体（冷媒）は、弁体内通路３５を介して第１入出ポート１２へと流れ、一方、第２入出ポート１３からの低温低圧の冷媒は、弁室２１を介して低温流体導出ポート１４へと流れる。

上記とは逆に、弁体内通路３５の出口側端部（角形リング７５）が弁シート２５の第２入出ポート１３の真上位置に回動せしめられると、高圧流体導入ポート１１と第２入出ポート１３とが弁体内通路３５を介して連通し、高温高圧の冷媒は、弁体内通路３５を介して第２入出ポート１３へと流れ、一方、第１入出ポート１２からの低温低圧の冷媒は、弁室２１を介して低温流体導出ポート１４へと流れる。

このように本例の多方切換弁１０は、弁体３０を回動させることによって、弁体内通路３５及び弁室２１を介して第１入出ポート１２及び第２入出ポート１３のいずれかと高圧流体導入ポート１１及び低温流体導出ポート１４のいずれかとを選択的に連通させることにより、流路の切り換えを行うようになっている。

また、本実施例の四方切換弁１０においては、弁室２１内の冷媒は、弁シート２５の中央開口２９を介してモータ室２２にも流れ込み、モータ室２２は低温低圧の冷媒で満たされる。そのため、モータ１５’のロータ１６だけでなくステータコイル１７も低温低圧の冷媒中に浸される。

ここで、一般に、ステータコイルを高温高圧の冷媒中に浸すと、コイル部分の電気抵抗が増大し、磁気特性が悪化して、モータの発生トルクが低下するが、本実施例では、上記のように、ステータコイル１７は低温低圧の冷媒中に浸されるので、ステータコイル１７を冷媒中に浸すことによる発生トルクの低下は生じない。

言い換えれば、本実施例のように、弁体内通路２５には高温高圧の冷媒を流し、弁室２１及びモータ室２２には低温低圧の冷媒を導入するようになすことにより、ステータコイル１７を冷媒中に浸すことが可能となり、これにより、前述したようにキャン１８が不要となって、エアギャップαをキャン１８の肉厚相当分狭くすることが可能となり、エアギャップαを狭くすることにより、大型化やコストアップを招くことなく、モータ１５’の発生トルクを増大させることができる。

なお、前述の説明においては、モータ１５には遊星歯車式減速機構が配置されるものとしたが、本発明は、これのみに限定されることはなく、ロータの回転が直接弁体に伝達されるようにしても良いことは当然である。

１０ 多方切換弁（四方切換弁）
１１ 高圧流体導入ポート
１２ 第１入出ポート
１３ 第２入出ポート
１４ 低圧流体導出ポート
１５’ 流路切換用モータ
１６ ロータ
１７ ステータコイル
２０ 弁ハウジング
３０ 弁体
３１ 駆動歯車
３２ 従動歯車
３５ 弁体内通路
４０ 遊星歯車式減速機構
４５ 出力軸

Claims (5)

1. 複数個の流体入出ポートが開口する弁シート及び低圧流体導出ポートが開口する弁室を有する弁ハウジングと、前記弁シートに接触しながら回動せしめられる弁体と、該弁体を回転駆動する流路切換用モータとを備え、前記弁ハウジングに高圧流体導入ポートが設けられるとともに、前記弁体内に、前記高圧流体導入ポートと前記複数個の流体入出ポートとを選択的に連通させるための通路が形成され、前記流路切換用モータにより前記弁体を回動させて、前記高圧流体導入ポートと前記複数個の入出ポートのいずれかとを前記弁体内通路を介して選択的に連通させることにより流路の切り換えを行なうようにされた多方切換弁であって、
   前記弁ハウジング内に低圧流体が充満するようにされるとともに、前記流路切換用モータを構成するロータ及びステータコイルが前記弁ハウジング内に配在されてそれら双方が前記低圧流体中に浸されるようにされていることを特徴とする多方切換弁。
2. 前記ロータとステータコイルとの間にキャン等の遮蔽物が配在されていないことを特徴とする請求項１に記載の多方切換弁。
3. 前記弁ハウジング内は、前記弁シートを挟んで一方側に前記弁体が配在される弁室が形成され、他方側に前記モータが配在されるモータ室が形成され、前記弁室と前記モータ室とは前記弁シートに形成された開口を介して連通するようにされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の多方切換弁。
4. 前記弁体の回転軸線は、前記モータの出力軸の回転軸線から側方に所定の距離だけ偏心せしめられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の多方切換弁。
5. 前記モータの回転駆動力は、歯車列を介して前記弁体に伝達されるようになっていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の多方切換弁。

Images