JP2012172749A - バルブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストアップや大型化を招くことなく、全閉状態において弁室内の流体圧力が所定圧以上となった場合は、該流体を自動的に逃がすことのできる電動弁等のバルブ装置を提供する。
【解決手段】弁本体２０には、第１入出口１１及び弁口２２ａが開口する弁室２１及び前記弁口２２ａに連なる第２入出口１２が設けられ、また、弁軸２５の下端部（弁室２１内）には、弁口２２ａを開閉するための弁体部２４が設けられており、この弁体部２４内に、該弁体部２４により弁口２２ａが閉じられている全閉状態で、弁室２１内の冷媒圧力が所定圧以上となった場合に、弁室２１の圧力を第２入出口１２へ逃がす逃がし弁６０が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ式冷暖房システム等に組み込まれて使用される電動弁や電磁弁等のバルブ装置に係り、特に、閉弁状態において弁室内の流体が高圧となった場合に、該流体を逃がすことのできる逃がし弁の機能を備えたバルブ装置に関する。

従来より、ヒートポンプ式冷暖房システムとして、圧縮機、室外熱交換器、室内熱交換器、四方切換弁等の他、省エネ効率等を向上させるため、通常は一つでよい膨張弁を二つ備え、さらに、圧力損失を可及的に低減するため、それら二つの膨張弁にそれぞれ並列に逆止弁を組み込んだもの（逆止弁付き膨張弁としたもの）が知られている（例えば、下記特許文献１の図６を参照）。

また、最近では、その二つの逆止弁付き膨張弁のうちの少なくとも一方を電子制御式電動弁に置き換えることが考えられている（下記特許文献２を参照）。

かかる逆止弁付き膨張弁として働く電子制御式電動弁を備えたヒートポンプ式冷暖房システムの一例を図４に示す。図示例のヒートポンプ式冷暖房システム１００は、圧縮機１０１、四方切換弁１０２、室外熱交換器１０３、室内熱交換器１０４の他、上記二つの逆止弁付き膨張弁の一方である逆止弁１０６Ｂ付き膨張弁１０６、上記二つの逆止弁付き膨張弁の他方として働く電子制御式電動弁１０’、ディストリビュータ１０８、冷媒回収用タンク１２０、メンテナンス用のサービスバルブ（手動操作）１２１、１２２を備えている。

詳細には、二つのサービスバルブ１２１、１２２（通常は全開状態）より右側の室外側（室外熱交換器１０３側）に電動弁１０’及び冷媒回収用タンク１２０が配置され、二つのサービスバルブ１２１、１２２より左側の室内側（室内熱交換器１０４側）に逆止弁１０６Ｂ付き膨張弁１０６配置されている。逆止弁付き膨張弁１０６の膨張弁１０６Ａとしては感温式（機械式）のものが用いられており、この膨張弁１０６Ａに並列に逆止弁１０６Ｂが配置されている。

この冷暖房システム１００においては、冷房運転時には、圧縮機１０１で圧縮された冷媒は、図の実線矢印で示される如くに、四方切換弁１０２（のポートａ→ｄ）を介して室外熱交換器１０３に導入され、ここで外気と熱交換して凝縮し、この凝縮した冷媒がディストリビュータ１０８、電動弁１０’（このときは最大開度）、及びサービスバルブ１２１を介して膨張弁１０６に流入し、ここで断熱膨張した後、室内熱交換機１０４に流入し、室内熱交換機１０４にて室内空気と熱交換して蒸発し、室内を冷房する。室内熱交換機１０４を出た冷媒は、サービスバルブ１２２及び四方切換弁１０２（のポートｂ→ｃ）を介して圧縮機１０１に吸入される。

それに対し、暖房運転時には、圧縮機１０１で圧縮された冷媒は、図の破線矢印で示される如くに、四方切換弁１０２（のポートａ→ｂ）、サービスバルブ１２２を介して室内熱交換器１０４に導入され、ここで室内空気と熱交換して凝縮し、室内を暖房した後、逆止弁１０６Ｂを通って（膨張弁１０６Ａをバイパスして）、電動弁１０’（このときは冷媒温度に応じて開度調整）に流入し、ここで減圧された後、ディストリビュータ１０８を介して室外熱交換器１０３に導入され、ここで蒸発した後、四方切換弁１０２（のポートｄ→ｃ）を介して圧縮機１０１に吸入される。

次に、上記した如くの冷暖房システム１００に用いられる電子制御式電動弁１０’の一例を図３を参照しながら説明する。図示例の電動弁１０’は、下部大径部２５ａと上部小径部２５ｂを有し、前記下部大径部２５ａの下端部に特定形状（それぞれ所定の中心角を持つ二段の逆円錐台状）の弁体部２４が一体に設けられた弁軸２５と、弁室２１を有する弁本体２０と、この弁本体２０にその下端部が密封接合されたキャン４０と、このキャン４０の内周に所定の間隙αをあけて配在されたロータ３０と、このロータ３０を回転駆動すべく前記キャン４０に外嵌されたステータ５０と、前記ロータ３０と前記弁体部２４との間に配在され、前記ロータ３０の回転を利用して前記弁体部２４を弁口２２ａに接離させるねじ送り機構とを備え、弁体部２４のリフト量を変化させることにより冷媒の通過流量を調整するようになっている。

前記弁本体２０の弁室２１には、前記弁体部２４が接離する弁口（オリフィス）２２ａが形成された弁座２２が設けられ、側方に導管継手からなる第１入出口１１が設けられ、また、弁本体２０の下部には、前記弁口２２ａに連なって導管継手からなる第２入出口１２が設けられている。

前記ステータ５０は、ヨーク５１、ボビン５２、ステータコイル５３，５３、及び樹脂モールドカバー５６等で構成され、前記ロータ３０やステータ５０等でステッピングモータが構成され、該ステッピングモータやねじ送り機構等で前記弁口２２ａに対する前記弁体部２４のリフト量（＝弁開度）を調整するための昇降駆動機構が構成される。なお、ステータ５０の下端部には回り止め具４６が設けられるとともに、弁本体２０の側部には前記回り止め具４６を係止するため管状係止具４７が固着されている。

前記ロータ３０には、支持リング３６が一体的に結合されるとともに、この支持リング３６に、前記弁軸２５及びガイドブッシュ２６の外周に配在された下方開口で筒状の弁軸ホルダ３２の上部突部がかしめ固定され、これにより、ロータ３０、支持リング３６及び弁軸ホルダ３２が一体的に連結されている。

前記ねじ送り機構は、弁本体２０に設けられた嵌合穴４２にその下端部２６ａが圧入固定されるとともに、弁軸２５（の下部大径部２５ａ）が摺動自在に内挿された筒状のガイドブッシュ２６の外周に形成された固定ねじ部（雄ねじ部）２８と、前記弁軸ホルダ３２の内周に形成されて前記固定ねじ部２８に螺合せしめられた移動ねじ部（雌ねじ部）３８とから構成されている。

また、前記ガイドブッシュ２６の上部小径部２６ｂが弁軸ホルダ３２の上部に内挿されるとともに、弁軸ホルダ３２の天井部中央（に形成された通し穴）に弁軸２５の上部小径部２５ｂが挿通せしめられている。弁軸２５の上部小径部２５ｂの上端部にはプッシュナット３３が圧入固定されている。

また、前記弁軸２５は、該弁軸２５の上部小径部２５ｂに外挿され、かつ、弁軸ホルダ３２の天井部と弁軸２５における下部大径部２５ａの上端段丘面との間に縮装された圧縮コイルばねからなる閉弁ばね３４によって、常時下方（閉弁方向）に付勢されている。弁軸ホルダ３２の天井部上でプッシュナット３３の外周には、コイルばねからなる復帰ばね３５が設けられている。

前記ガイドブッシュ２６には、前記ロータ３０が所定の閉弁位置まで回転下降せしめられた際、それ以上の回転下降を阻止するための回転下降ストッパ機構の一方を構成する下ストッパ体（固定ストッパ）２７が固着され、弁軸ホルダ３２には前記ストッパ機構の他方を構成する上ストッパ体（移動ストッパ）３７が固着されている。

なお、前記閉弁ばね３４は、弁体部２４が弁口２２ａに着座する閉弁状態において所要のシール圧を得るため（漏れ防止）、及び、弁体部２４が弁口２２ａに衝接した際の衝撃を緩和するために配備されている。

このような構成とされた電動弁１０’にあっては、ステータコイル５３，５３に第１態様で通電励磁パルスを供給することにより、弁本体２０に固定されたガイドブッシュ２６に対し、ロータ３０及び弁軸ホルダ３２が一方向に回転せしめられ、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２８と弁軸ホルダ３２の移動ねじ部３８とのねじ送りにより、例えば弁軸ホルダ３２が下方に移動して弁体部２４が弁口２２ａに押し付けられて弁口２２ａが閉じられる（全閉状態）。

弁口２２ａが閉じられた時点では、上ストッパ体３７は未だ下ストッパ体２７に衝接しておらず、弁体部２４が弁口２２ａを閉じたままロータ３０及び弁軸ホルダ３２はさらに回転下降する。この場合、弁軸２５（弁体部２４）は下降しないが、弁軸ホルダ３２は下降するため、閉弁ばね３４が所定量圧縮せしめられ、その結果、弁体２４が弁口２２ａに強く押し付けられるとともに、弁軸ホルダ３２の回転下降により、上ストッパ体３７が下ストッパ体２７に衝接し、その後ステータコイル５３，５３に対するパルス供給が続行されても弁軸ホルダ３２の回転下降は強制的に停止される。

一方、ステータコイル５３，５３に第２態様で通電励磁パルスを供給すると、弁本体２０に固定されたガイドブッシュ２６に対し、ロータ３０及び弁軸ホルダ３２が前記と逆方向に回転せしめられ、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２８と弁軸ホルダ３２の移動ねじ部３８とのねじ送りにより、今度は弁軸ホルダ３２が上方に移動する。この場合、弁軸ホルダ３２の回転上昇開始時点（パルス供給開始時点）では、閉弁ばね３４が前記のように所定量圧縮せしめられているので、閉弁ばね３４が前記所定量分伸長するまでは、前記弁体部２４が弁口２２ａからは離れず閉弁状態（リフト量＝０）のままである。そして、閉弁ばね３４が前記所定量分伸長した後、弁軸ホルダ３２がさらに回転上昇せしめられると、前記弁体部２４が弁口２２ａから離れて弁口２２ａが開かれ、冷媒が弁口２２ａを通過する。この場合、ロータ３０の回転量により弁体部２４のリフト量、言い換えれば、弁口２２ａの実効開口面積（＝弁開度）を任意に細かく調整することができ、ロータ３０の回転量は供給パルス数により制御されるため、冷媒流量を高精度に制御することができる（詳細は、下記特許文献１等を参照）。

したがって、かかる構成の電動弁１０’を前記ヒートポンプ式冷暖房システム１００に逆止弁付き膨張弁に代えて組み込む場合には、冷媒が一方向に流されるとき（冷房運転時）は、圧力損失を可及的に低減すべく最大開度（最大リフト量）とされ、冷媒が他方向に流されるとき（暖房運転時）は、流量制御を行なうべくその開度（リフト量）を所定値以下の特定範囲で細かく制御するようにされる（詳細は下記特許文献２を参照）。

ところで、上記した如くの電動弁１０’を備えたヒートポンプ式冷暖房システム１００では、メンテナンス時において冷媒が室内側へ漏洩すると、システム内の全冷媒が室内に洩れ、酸欠状態になるおそれがあるので、メンテナンス時には、次のような操作を行う。

すなわち、メンテナンス時には、サービスバルブ１２１を閉じ、サービスバルブ１２２を開いたままとし、四方切換弁１０２を冷房運転時と同じ状態（ａ→ｄ、ｂ→ｃ）、電動弁１０’を全閉状態（非通電状態）として、圧縮機１０１を起動し、室内側から冷媒を吸い出して室外側へ吐出させる。これにより、室外側配管内の冷媒圧力が大きくなり、この冷媒圧力（高圧）が電動弁１０’の第２入出口１２から弁軸２５（弁体部２４）に作用し、弁軸２５（弁体部２４）が閉弁ばね３４の付勢力に抗して押し上げられ、冷媒の一部は、電動弁１０’の第２入出口１２→弁口２２ａ→弁室２１→第１入出口１１を通って冷媒回収用タンク１２０に回収される（このとき電動弁１０’は逃がし弁のように働く）。略全冷媒がタンク１２０を含む室外側（サービスバルブ１２２と１２１との間）に集められたら、サービスバルブ１２２を閉じ、圧縮機１０１を停止し、所要のメンテナンス作業を行う。

特開２０１０−２４９２４６号公報 特開２００９−１４０５６号公報

上記した如くにして、メンテナンス時にタンク１２０に冷媒を回収した後において、外気温度が上昇すると、タンク１２０内の冷媒圧力が増大する。この場合、タンク１２０の出口側は、サービスバルブ１２１と電動弁１０’により閉塞されているため、タンク１２０内の冷媒圧力が増大すると、冷媒が外部に漏出する等の不具合が発生するおそれがある。これを避けるには、例えば、電動弁１０’をパイパスする流路を設け、該流路に所定圧以上で開く逃がし弁（リリーフ弁）を介装する方策が考えられるが、かかる方策では、配管や継手類などの部品の点数が増大するとともに、配管接続作業にも多大な手間と時間がかかり、システムのコストアップを招くとともに、その逃がし弁を含む電動弁の占有スペースが増大し、実質的に電動弁の大型化を招くことになる。

また、上記図示例とは逆に電動弁１０’の第２入出口１２をタンク１２０に接続し、第１入出口１１をディストリビュータ１０８に接続すれば、タンク１２０内の冷媒圧力が高くなったとき、電動弁１０’を自動的に開かせてタンク１２０内の冷媒（圧力）を室外側に逃がすことが可能となるが、このようにすると、冷媒回収時及び冷房運転時とは逆流れの暖房運転時において細やかな流量制御を行うことが難しくなる（低圧力で開弁してしまうため）。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、大きなコストアップや大型化を招くことなく、全閉状態において弁室内の流体圧力が所定圧以上となった場合は、該流体を自動的に逃がすことのできる電動弁や電磁弁等のバルブ装置を提供することにある。

前記の目的を達成すべく、本発明に係るバルブ装置は、基本的には、第１入出口及び弁口が開口する弁室及び該弁口に連なる第２入出口が設けられた弁本体と、前記弁口を開閉すべく前記弁室内に配在された弁体部を有する弁軸と、前記弁口を開閉するために前記弁体部を昇降させる昇降駆動機構とを備え、前記弁体部により前記弁口が閉じられている全閉状態で、前記弁室内の流体圧力が所定圧以上となった場合に、前記弁室内の圧力を前記第２入出口へ逃がす逃がし弁が前記弁体部内に設けられていることを特徴としている。

前記逃がし弁は、好ましくは、前記弁軸の弁体部内に設けられた空所と、該空所と前記弁室とを連通するための連通路及び逃がし弁口と、該逃がし弁口を開閉すべく前記空所に配在された逃がし弁体と、該逃がし弁体を前記逃がし弁口に押し付ける方向に付勢するばね部材と、を備える。

また、上記のバルブ装置において、前記昇降駆動機構は、前記弁体部のリフト量を制御するためのロータ及びステータ等からステッピングモータと、前記ロータの回転を弁軸の直線運動に変換するねじ送り機構と、を備えたことを特徴としている。

本発明に係るバルブ装置では、弁軸の弁体部内に逃がし弁が設けられているため、弁室の圧力が所定圧以上となったときは、逃がし弁が開き、第１入出口からの流体（冷媒）が第２入出口へ逃がされるので、当該バルブ装置が大型化することなく、逃がし弁の機能を当該バルブ装置に持たせることが出来る。

また、逃がし弁は弁体部内に設けられるので、電動弁をパイパスするように逃がし弁を設ける場合等に比して、逃がし弁を含む電動弁の大きさ（占有スペース）を小さくすることができるとともに、追加の配管部品や配管接続作業が不要となり、システムのコストを抑えることができる。

さらに、上記のバルブ装置において、前記弁体部のリフト量を制御するように前記昇降駆動機構を構成すれば、前述した図４に示されるヒートポンプ式冷暖房システムで採用されていた従来の電動弁に代えて用いることにより、メンテナンス時にタンクに冷媒を回収した後おいて、外気温度が上昇して、タンク内の冷媒圧力が増大しても、タンク内の冷媒圧力を電動弁内の逃がし弁で自動的に逃がすことができ、冷媒が外部に漏出する等の不具合の発生を未然に防ぐことができる。

本発明を電動弁に適用した場合の一実施例を示す部分切欠側面図。 図１に示される電動弁の主要部拡大図。 従来の電動弁の一例を示す縦断面図。 ヒートポンプ式冷暖房システムの一例を示す概略構成図。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明を電動弁に適用した場合の一実施例を示す部分切欠側面図、図２は、図１に示される電動弁の主要部拡大図である。図示実施例の電動弁１０は、図４に示されるヒートポンプ式冷暖房システム１００において従来例の電動弁１０’に代えて用いられるもので、その基本構成は、前述した図３に示される従来例の電動弁１０’と略同じであるので、ここでは、図３に示される従来例の電動弁１０’の各部に対応する部分には同一の符号を付して重複説明を省略し、以下は、主要部（特徴部分）である弁軸２５の下部及び弁本体を中心に説明する。

図示実施例の電動弁１０は、図３に示される従来例と同様に、弁本体２０には、第１入出口１１及び弁口２２ａが開口する弁室２１及び前記弁口２２ａに連なる第２入出口１２が設けられ、また、弁軸２５の下部（弁室２１内）には、弁口２２ａを開閉するための弁体部２４が設けられており、この弁体部２４内に、該弁体部２４により弁口２２ａが閉じられている全閉状態で、弁室２１内の冷媒圧力が所定圧以上となった場合に、弁室２１の圧力を第２入出口１２へ逃がす逃がし弁６０が設けられている。

前記逃がし弁６０は、弁軸２５の弁体部２４内に設けられた下面開口の空所６２と、該空所６２と弁室２１とを連通するための連通路（横孔）６３及び逃がし弁口６４と、該逃がし弁口６４を開閉すべく前記空所６２の上部に配在された逃がしボール弁体６５と、該逃がしボール弁体６５を前記逃がし弁口６４に押し付ける方向に付勢する円錐台状コイルばね６６と、を備えている。

前記空所６２の天井面は円錐面とされ、この円錐面の中央に前記逃がし弁口６４が形成されている。また、空所６２の下端部には、ばね受け部材６７が圧入等により嵌挿固定されている。ばね受け部材６７の中央には、逃がし出口６８が形成されている。

かかる構成とされた本実施例の電動弁１０においては、弁軸２５の弁体部２４内に上記構成の逃がし弁６０が設けられているため、弁室２１の圧力が所定圧以上となったときは、逃がし弁６０が開き、第１入出口１１からの冷媒が第２入出口１２へ逃がされるので、前述した図４に示されるヒートポンプ式冷暖房システム１００において、従来の電動弁１０’に代えて用いることにより、メンテナンス時にタンク１２０に冷媒を回収した後において、外気温度が上昇して、タンク１２０内の冷媒圧力が増大しても、タンク１２０内の冷媒圧力を弁軸２５内の逃がし弁６０で自動的に逃がすことができ、冷媒が外部に漏出する等の不具合の発生を未然に防ぐことができる。

また、逃がし弁６０は弁軸２５内に設けられるので、電動弁をバイパスするように逃がし弁を設ける場合等に比して、逃がし弁を含む電動弁の大きさ（占有スペース）を小さくすることができるとともに、追加の配管部品や配管接続作業が不要となり、システムのコストを抑えることができる。

さて、上記実施例では、本発明を適用した電動弁をヒートポンプ式冷暖房システムに組み込んだ場合を例示したが、その組み込み事例は、ヒートポンプ式冷暖房システムに限られないことは勿論である。

また、上記実施例は、本発明を電動弁に適用した事例を示しているが、本発明はこれのみに限定されることはなく、弁口を開閉する弁体部に逃がし弁を設けたものであれば電磁弁等、いかなるタイプのバルブ装置に適用されても良いことは当然である。

１０ 電動弁
１１ 第１入出口
１２ 第２入出口
２０ 弁本体
２１ 弁室
２２ 弁座
２２ａ 弁口
２４ 弁体部
２５ 弁軸
３０ ロータ
４０ キャン
５０ ステータ
６０ 逃がし弁
１００ ヒートポンプ式冷暖房システム

Claims (3)

1. 第１入出口及び弁口が開口する弁室及び該弁口に連なる第２入出口が設けられた弁本体と、前記弁口を開閉すべく前記弁室内に配在された弁体部を有する弁軸と、前記弁口を開閉するために前記弁体部を昇降させる昇降駆動機構とを備えたバルブ装置であって、
   前記弁体部により前記弁口が閉じられている全閉状態で、前記弁室内の流体圧力が所定圧以上となった場合に、前記弁室内の圧力を前記第２入出口へ逃がす逃がし弁が前記弁体部内に設けられていることを特徴とするバルブ装置。
2. 前記逃がし弁は、前記弁軸の弁体部内に設けられた空所と、該空所と前記弁室とを連通するための連通路及び逃がし弁口と、該逃がし弁口を開閉すべく前記空所に配在された逃がし弁体と、該逃がし弁体を前記逃がし弁口に押し付ける方向に付勢するばね部材と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載のバルブ装置。
3. 前記昇降駆動機構は、前記弁体部のリフト量を制御するためのロータ及びステータ等からなるステッピングモータと、前記ロータの回転を弁軸の直線運動に変換するねじ送り機構とより成ることを特徴とする請求項１又は２に記載のバルブ装置。

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