JP2015105666A

JP2015105666A - 差圧駆動式四方弁、及び、空調装置

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Publication number: JP2015105666A
Application number: JP2013246373A
Authority: JP
Inventors: 聡小窪; Satoshi Kokubo; 正利浦川; Masatoshi Urakawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2015-06-08
Anticipated expiration: 2033-11-28
Also published as: JP6147173B2

Abstract

【課題】空調装置における冷媒制御用差圧駆動式切換弁において、弁体の作動異常の検出精度を向上させ、省スペース性能が向上する弁機構を提供する。
【解決手段】四方弁１２は、弁室３１を有する本体２１と、弁室３１内を摺動するピストン部材２２と、ピストン部材２２の両端部の間に固定された主弁２３と、ピストン部材２２の両端部に差圧を生じさせて、主弁２３の位置を切り替える差圧駆動機構２４と、弁室３１におけるピストン部材２２又は主弁２３の位置を検知する近接センサと、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、差圧駆動式四方弁と、空調装置と、に関するものである。

従来の差圧駆動式四方弁として、弁室を有する本体と、弁室内を摺動するピストン部材と、ピストン部材の両端部の間に固定された主弁と、ピストン部材の両端部に差圧を生じさせて主弁の位置を切り替える差圧駆動機構と、を備えたものがある。そのような差圧駆動式四方弁では、弁室の開口に接続された配管に、圧力センサが取り付けられ、その圧力センサを用いてその配管を通過する流体の圧力が検知されることで、主弁の位置の切替動作の異常が検出される。特に、差圧駆動式四方弁では、主弁の位置が、ピストン部材の両端部に生じる差圧によって切り替えられることに起因して、例えば、電磁駆動式四方弁等の、他の駆動方式の四方弁と比較して、主弁の位置の切替動作の異常が生じ易いため、その異常は、確実に検出される必要がある（例えば、特許文献１を参照。）。

特開平６−５０６４２号公報（段落［００２３］〜段落［００４９］、図１〜図８）

従来の差圧駆動式四方弁では、配管が、圧力センサが取り付けられる分だけ余分に長くなる必要があり、また、配管の周囲に、圧力センサが取り付けられるためのスペースが確保される必要があるため、省スペース性能が低いという問題点があった。また、例えば、配管を通過する流体の圧力が、差圧駆動式四方弁が組み込まれた装置の運転状態に依存して刻一刻と変化する場合等では、主弁の位置の切替動作の異常の検出精度が低下してしまうという問題点があった。

本発明は、上記のような課題を背景としてなされたものであり、省スペース性能が向上された差圧駆動式四方弁を得るものである。また、主弁の位置の切替動作の異常の検出精度が向上された差圧駆動式四方弁を得るものである。また、そのような差圧駆動式四方弁を備えた空調装置を得るものである。

本発明に係る差圧駆動式四方弁は、第１開口、第２開口、第３開口、及び第４開口が形成された弁室を有する本体と、前記弁室内を摺動するピストン部材と、前記ピストン部材の両端部の間に固定された主弁と、前記ピストン部材の両端部に差圧を生じさせて、前記主弁の位置を、前記第１開口と前記第３開口とが連通し、且つ、前記第２開口と前記第４開口とが連通する第１位置と、前記第１開口と前記第４開口とが連通し、且つ、前記第２開口と前記第３開口とが連通する第２位置と、に切り替える差圧駆動機構と、前記弁室における前記ピストン部材又は前記主弁の位置を検知する近接センサと、を備えたものである。

本発明に係る差圧駆動式四方弁は、弁室におけるピストン部材又は主弁の位置を検知する近接センサを備えたものである。そのため、主弁の位置の切替動作の異常を、弁室の開口に接続された配管に、圧力センサが取り付けられない状態で、検出することができるため、省スペース性能が向上される。また、配管を通過する流体の圧力の変化の影響を直接受けない、近接センサの出力に基づいて、主弁と一体的に摺動するピストン部材の位置又は主弁の位置を、直接検知できるため、主弁の位置の切替動作の異常の検出精度が向上される。

実施の形態１に係る空調装置の、構造及び動作を説明するための図である。実施の形態１に係る空調装置の、四方弁の構造及び動作を説明するための図である。実施の形態１に係る空調装置の、四方弁の構造及び動作を説明するための図である。実施の形態２に係る空調装置の、四方弁の構造及び動作を説明するための図である。実施の形態２に係る空調装置の、四方弁の構造及び動作を説明するための図である。

以下、本発明に係る差圧駆動式四方弁について、図面を用いて説明する。
なお、以下では、本発明に係る差圧駆動式四方弁が、冷房運転と暖房運転とが切り替えられる空調装置に適用される場合を説明しているが、そのような場合に限定されず、本発明に係る差圧駆動式四方弁が、例えば、暖房運転と除霜運転とが切り替えられる空調装置等の、他の冷凍サイクル装置に適用されてもよい。また、各図において、同一の又は類似する部材又は部分には、同一の符号を付している。また、細かい構造については、適宜図示を簡略化又は省略している。また、重複する説明については、適宜簡略化又は省略している。

実施の形態１．
以下に、実施の形態１に係る空調装置を説明する。
（空調装置の構造及び動作）
実施の形態１に係る空調装置の構造及び動作について説明する。
図１は、実施の形態１に係る空調装置の、構造及び動作を説明するための図である。なお、図１では、冷房運転時の冷媒の流れが実線の矢印で示され、暖房運転時の冷媒の流れが点線の矢印で示される。また、冷房運転時の四方弁１２の流路が実線で示され、暖房運転時の四方弁１２の流路が点線で示される。

図１に示されるように、空調装置１は、圧縮機１１と、四方弁１２と、室外熱交換器（熱源側熱交換器）１３と、膨張弁１４と、室内熱交換器（負荷側熱交換器）１５と、アキュムレータ１６と、が配管で接続された、冷媒循環流路を有する。圧縮機１１の吐出側とアキュムレータ１６の入口側との間は、油戻しのための流路１７によって接続される。空調装置１は、制御部１８を有する。制御部１８には、例えば、圧縮機１１、四方弁１２、膨張弁１４等が接続される。制御部１８は、空調装置１の空調動作を司る。制御部１８は、例えば、マイクロプロセッサユニット等で構成されてもよく、また、ファームウェア等の更新可能なもので構成されてもよく、また、ＣＰＵ等からの指令によって実行されるプログラムモジュール等であってもよい。

四方弁１２は、差圧駆動式四方弁である。四方弁１２の構造及び動作は、後に詳述される。四方弁１２は、制御部１８からの指令に基づいて流路の切替動作を行う。制御部１８は、空調装置１に冷房運転を行わせる、つまり、室外熱交換器１３を凝縮器として作用させ、室内熱交換器１５を蒸発器として作用させる際は、圧縮機１１から吐出された高圧の冷媒が室外熱交換器１３に流入し、室内熱交換器１５から流出した低圧の冷媒が圧縮機１１に吸入されるように、流路を切り替える。制御部１８は、空調装置１に暖房運転を行わせる、つまり、室外熱交換器１３を蒸発器として作用させ、室内熱交換器１５を凝縮器として作用させる際は、圧縮機１１から吐出された高圧の冷媒が室内熱交換器１５に流入し、室外熱交換器１３から流出した低圧の冷媒が圧縮機１１に吸入されるように、流路を切り替える。四方弁１２によって、空調装置１の冷房運転と暖房運転とが切り替えられることで、空調装置１の省エネ性能が向上される。

（四方弁の構造及び動作）
実施の形態１に係る空調装置の、四方弁の構造及び動作について説明する。
図２及び図３は、実施の形態１に係る空調装置の、四方弁の構造及び動作を説明するための図である。なお、図２は、空調装置１が冷房運転する場合を示し、図３は、空調装置１が暖房運転する場合を示している。また、図２以降の図では、アキュムレータ１６及び流路１７の図示が省略されている。

図２及び図３に示されるように、四方弁１２は、内部に弁室３１が形成された本体２１と、弁室３１内を摺動するピストン部材２２と、ピストン部材２２に固定された主弁２３と、ピストン部材２２の両端部に差圧を生じさせて、主弁２３の位置を切り替える差圧駆動機構２４と、弁室３１におけるピストン部材２２の位置を検知する位置検知手段２５と、を有する。

弁室３１の側部には、第１開口３２と、第２開口３３と、第３開口３４と、第４開口３５と、が形成される。第１開口３２には、第１継手４１を介して、圧縮機１１の吐出側に連通する配管が接続される。第２開口３３には、第２継手４２を介して、圧縮機１１の吸入側に連通する配管が接続される。第３開口３４には、第３継手４３を介して、室外熱交換器１３に連通する配管が接続される。第４開口３５には、第４継手４４を介して、室内熱交換器１５に連通する配管が接続される。第１開口３２、第２開口３３、第３開口３４、又は第４開口３５に、配管が直接接続されてもよい。

ピストン部材２２の両端部の外周面は、弁室３１の内周面に摺接する。つまり、ピストン部材２２の両端部の間は、密閉される。ピストン部材２２が、摺動範囲のうちのいずれの位置に移動しても、第１開口３２と、第２開口３３と、第３開口３４と、第４開口３５と、が、ピストン部材２２の両端部の間に位置する。

主弁２３は、ピストン部材２２の両端部の間に固定され、ピストン部材２２とともに摺動する。主弁２３は、平面部を有し、その平面部に流路が形成される。

差圧駆動機構２４は、例えば、ソレノイド等の電磁駆動機構５１と、電磁駆動機構５１の鉄心の先端部に固定された弁５２と、第１継手４１の側部と弁５２との間を接続する接続配管５３と、第２継手４２の側部と弁５２との間を接続するキャピラリーチューブ５４と、弁室３１の一方の端部と弁５２との間を接続する接続配管５５と、弁室３１の他方の端部と弁５２との間を接続する接続配管５６と、を有する。

空調装置１が、冷房運転する際は、制御部１８が、電磁駆動機構５１の鉄心が吸引されるように、電磁駆動機構５１を制御して、図２に示されるように、接続配管５３と接続配管５５とが連通され、且つ、接続配管５６とキャピラリーチューブ５４とが連通される。その際、第１継手４１を通過する高圧の冷媒が、接続配管５３と弁５２と接続配管５５とを介して、弁室３１の一方の端部とピストン部材２２の一方の端部との間に導かれ、弁室３１の他方の端部とピストン部材２２の他方の端部との間の冷媒が、接続配管５６と弁５２とキャピラリーチューブ５４とを介して、第２継手４２に導かれる。その結果、ピストン部材２２の両端部に差圧が生じることとなって、ピストン室３６が拡がる方向に、ピストン部材２２が摺動する。

ピストン部材２２が、摺動範囲の限界である第１位置まで摺動すると、主弁２３の流路が、第２開口３３に接続された第２継手４２と、第４開口３５に接続された第４継手４４と、の間を連通し、主弁２３の外側で、第１開口３２に接続された第１継手４１と、第３開口３４に接続された第３継手４３と、の間が連通される。その結果、圧縮機１１から吐出された高圧の冷媒が室外熱交換器１３に流入し、室内熱交換器１５から流出した低圧の冷媒が圧縮機１１に吸入されることとなる。

また、空調装置１が、暖房運転する際は、制御部１８が、電磁駆動機構５１の鉄心が開放されるように、電磁駆動機構５１を制御して、図３に示されるように、接続配管５３と接続配管５６とが連通され、且つ、接続配管５５とキャピラリーチューブ５４とが連通される。その際、第１継手４１を通過する高圧の冷媒が、接続配管５３と弁５２と接続配管５６とを介して、弁室３１の他方の端部とピストン部材２２の他方の端部との間に導かれ、弁室３１の一方の端部とピストン部材２２の一方の端部との間の冷媒が、接続配管５５と弁５２とキャピラリーチューブ５４とを介して、第２継手４２に導かれる。その結果、ピストン部材２２の両端部に差圧が生じることとなって、ピストン室３７が拡がる方向に、ピストン部材２２が摺動する。

ピストン部材２２が、摺動範囲の限界である第２位置まで摺動すると、主弁２３の流路が、第２開口３３に接続された第２継手４２と、第３開口３４に接続された第３継手４３と、の間を連通し、主弁２３の外側で、第１開口３２に接続された第１継手４１と、第４開口３５に接続された第４継手４４と、の間が連通される。その結果、圧縮機１１から吐出された高圧の冷媒が室内熱交換器１５に流入し、室外熱交換器１３から流出した低圧の冷媒が圧縮機１１に吸入されることとなる。

なお、差圧駆動機構２４は、上述の形態に限定されない。つまり、ピストン部材２２の両端部に差圧を生じさせることができるものであれば、他の形態であってもよい。

位置検知手段２５は、例えば、磁石６１と、磁気センサ６２と、を有する。磁石６１は、ピストン部材２２の両端部のそれぞれに設けられる。磁石６１は、ピストン部材２２の外面に設けられてもよく、また、ピストン部材２２の端部に埋め込まれてもよい。磁気センサ６２は、本体２１の、磁石６１と対向する位置に設けられる。磁気センサ６２は、弁室３１の内側に露出していてもよく、また、露出していなくてもよい。

磁気センサ６２は、デジタル出力のものであってもよく、また、アナログ出力のものであってもよい。磁気センサ６２が、デジタル出力のものである場合には、検知される磁界の強さが閾値以上であるか、それとも、閾値未満であるかに応じて、その検知範囲内に磁石６１が有るか、それとも、その検知範囲内に磁石６１が無いかが、検知されるとよい。そのような場合には、位置検知手段２５が簡素化される。また、磁気センサ６２が、アナログ出力のものである場合には、検知される磁界の強さに応じて、磁石６１までの距離が検知されるとよい。そのような場合には、主弁２３の位置の切替動作の異常が生じた際等に、位置検知手段２５によって、主弁２３の位置の詳細な情報を得ることができる。磁気センサ６２が、アナログ出力のものであり、その検知範囲が、ピストン部材２２の摺動距離と比較して充分に長い場合には、ピストン部材２２及び弁室３１の両端部のうちの片側のみに、磁石６１及び磁気センサ６２が設けられてもよい。

また、磁気センサ６２は、本体２１の外面に設けられてもよい。そのような場合には、磁気センサ６２が、本体２１の内側に設けられる場合と比較して、省スペース性能が低下してしまう場合があるものの、例えば、四方弁１２を分解することなく、磁気センサ６２を交換すること等が可能となり、メンテナンス性能が向上される。

磁気センサ６２の出力は、制御部１８に入力される。制御部１８は、その出力に基づいて、弁室３１におけるピストン部材２２の位置を認識し、空調装置１が冷房運転する際には、ピストン部材２２、つまり主弁２３が、第１位置に切り替えられているか否かを判別し、空調装置１が暖房運転する際には、ピストン部材２２、つまり主弁２３が、第２位置に切り替えられているか否かを判別する。制御部１８は、切り替えられていないことを判別すると、主弁２３の位置の切替動作の異常が生じていると判断し、例えば、空調装置１の運転を停止する等の、所定の処理を行う。

なお、磁気センサ６２は、ピストン部材２２の位置を無接点で検知できるものであれば、他の近接センサであってもよい。例えば、発光部と受光部を有する光センサ等であってもよい。その光センサも、磁気センサ６２と同様に、デジタル出力のものであってもよく、また、アナログ出力のものであってもよい。その光センサが、デジタル出力のものである場合には、例えば、ピストン部材２２自体又はピストン部材２２に取り付けられた部材で反射して、受光部に入射する光の有無が検知されてもよく、また、ピストン部材２２自体又はピストン部材２２に取り付けられた部材の遮光によって、受光部に入射する光の量が低下することの有無が検知されてもよい。また、その光センサが、アナログ出力のものである場合には、例えば、ピストン部材２２自体又はピストン部材２２に取り付けられた部材で反射して、受光部に入射する光の位置、等が検知されればよい。近接センサが磁気センサ６２である場合には、位置検知手段２５の故障の発生頻度が低減される。

（空調装置の作用）
実施の形態１に係る空調装置の作用について説明する。
差圧駆動式の四方弁１２が、弁室３１におけるピストン部材２２の位置を無接点で検知する近接センサを有する。そのため、主弁２３の位置の切替動作の異常を、配管に圧力センサが取り付けられない状態で、検出することができるため、省スペース性能が向上される。また、冷媒の圧力の変化の影響を直接受けずに、主弁２３と一体的に摺動するピストン部材２２の位置を検知できるため、主弁２３の位置の切替動作の異常の検出精度が向上される。また、無接点であるため、故障の発生頻度が低減される。

また、近接センサが、ピストン部材２２の端部の位置を検知する。そのため、近接センサとその検知対象との間の距離を短くすることができ、主弁２３の位置の切替動作の異常の検出精度が更に向上される。

実施の形態２．
以下、実施の形態２に係る空調装置について説明する。
なお、実施の形態１に係る空調装置と重複する説明は、適宜簡略化又は省略している。
（四方弁の構造及び動作）
実施の形態２に係る空調装置の、四方弁の構造及び動作について説明する。
図４及び図５は、実施の形態２に係る空調装置の、四方弁の構造及び動作を説明するための図である。なお、図４は、空調装置１が冷房運転する場合を示し、図５は、空調装置１が暖房運転する場合を示している。

図４及び図５に示されるように、位置検知手段２５は、例えば、磁石６１と、磁気センサ６２と、を有する。磁石６１は、主弁２３の側部に設けられる。磁石６１は、主弁２３の外面に設けられてもよく、また、主弁２３に埋め込まれてもよい。磁気センサ６２は、本体２１の、主弁２３が第１位置に位置する状態での磁石６１と対向する位置と、主弁２３が第２位置に位置する状態での磁石６１と対向する位置と、に設けられる。磁気センサ６２は、弁室３１の内側に露出していてもよく、また、露出していなくてもよい。

磁気センサ６２は、デジタル出力のものであってもよく、また、アナログ出力のものであってもよい。磁気センサ６２が、デジタル出力のものである場合には、検知される磁界の強さが閾値以上であるか、それとも、閾値未満であるかに応じて、その検知範囲内に磁石６１が有るか、それとも、その検知範囲内に磁石６１が無いかが、検知されるとよい。そのような場合には、位置検知手段２５が簡素化される。また、磁気センサ６２が、アナログ出力のものである場合には、検知される磁界の強さに応じて、磁石６１までの距離が検知されるとよい。そのような場合には、主弁２３の位置の切替動作の異常が生じた際等に、位置検知手段２５によって、主弁２３の位置の詳細な情報を得ることができる。磁気センサ６２が、アナログ出力のものであり、主弁２３が第１位置に位置する状態での磁石６１までの距離と、主弁２３が第２位置に位置する状態での磁石６１までの距離と、の両方を検知できる場合には、磁気センサ６２が１つだけ設けられてもよい。

磁気センサ６２の出力は、制御部１８に入力される。制御部１８は、その出力に基づいて、弁室３１における主弁２３の位置を認識し、空調装置１が冷房運転する際には、主弁２３が、第１位置に切り替えられているか否かを判別し、空調装置１が暖房運転する際には、主弁２３が、第２位置に切り替えられているか否かを判別する。制御部１８は、切り替えられていないことを判別すると、主弁２３の位置の切替動作の異常が生じていると判断し、例えば、空調装置１の運転を停止する等の、所定の処理を行う。

なお、磁気センサ６２は、主弁２３の位置を無接点で検知できるものであれば、他の近接センサであってもよい。例えば、発光部と受光部を有する光センサ等であってもよい。その光センサも、磁気センサ６２と同様に、デジタル出力のものであってもよく、また、アナログ出力のものであってもよい。その光センサが、デジタル出力のものである場合には、例えば、主弁２３自体又は主弁２３に取り付けられた部材で反射して、受光部に入射する光の有無が検知されてもよく、また、主弁２３自体又は主弁２３に取り付けられた部材の遮光によって、受光部に入射する光の量が低下することの有無が検知されてもよい。また、その光センサが、アナログ出力のものである場合には、例えば、主弁２３自体又は主弁２３に取り付けられた部材で反射して、受光部に入射する光の位置、等が検知されればよい。近接センサが磁気センサ６２である場合には、位置検知手段２５の故障の発生頻度が低減される。

（空調装置の作用）
実施の形態２に係る空調装置の作用について説明する。
差圧駆動式の四方弁１２が、弁室３１における主弁２３の位置を無接点で検知する近接センサを有する。そのため、主弁２３の位置の切替動作の異常を、配管に圧力センサが取り付けられない状態で、検出することができるため、省スペース性能が向上される。また、冷媒の圧力の変化の影響を直接受けずに、主弁２３の位置を検知できるため、主弁２３の位置の切替動作の異常の検出精度が向上される。また、無接点であるため、故障の発生頻度が低減される。

また、近接センサが、ピストン部材２２の摺動方向の側方から（ピストン部材２２のラジアル方向から）、主弁２３の位置を検知する。そのため、近接センサとその検知対象との距離を短くすることができ、主弁２３の位置の切替動作の異常の検出精度が更に向上される。加えて、実施の形態１に係る空調装置と比較して、磁石６１の数量を削減することができ、位置検知手段２５が更に簡素化される。

以上、実施の形態１及び実施の形態２について説明したが、本発明は各実施の形態の説明に限定されない。例えば、実施の形態の全て又は一部を組み合わせることも可能である。

１空調装置、１１圧縮機、１２四方弁、１３室外熱交換器（熱源側熱交換器）、１４膨張弁、１５室内熱交換器（負荷側熱交換器）、１６アキュムレータ、１７流路、１８制御部、２１本体、２２ピストン部材、２３主弁、２４差圧駆動機構、２５位置検知手段、３１弁室、３２第１開口、３３第２開口、３４第３開口、３５第４開口、３６ピストン室、３７ピストン室、４１第１継手、４２第２継手、４３第３継手、４４第４継手、５１電磁駆動機構、５２弁、５３接続配管、５４キャピラリーチューブ、５５接続配管、５６接続配管、６１磁石、６２磁気センサ。

Claims

第１開口、第２開口、第３開口、及び第４開口が形成された弁室を有する本体と、
前記弁室内を摺動するピストン部材と、
前記ピストン部材の両端部の間に固定された主弁と、
前記ピストン部材の両端部に差圧を生じさせて、
前記主弁の位置を、
前記第１開口と前記第３開口とが連通し、且つ、前記第２開口と前記第４開口とが連通する第１位置と、
前記第１開口と前記第４開口とが連通し、且つ、前記第２開口と前記第３開口とが連通する第２位置と、
に切り替える差圧駆動機構と、
前記弁室における前記ピストン部材又は前記主弁の位置を検知する近接センサと、
を備えたことを特徴とする差圧駆動式四方弁。
前記近接センサは、検知対象の有無を検知するスイッチである、
ことを特徴とする請求項１に記載の差圧駆動式四方弁。
前記近接センサは、検知対象までの距離を検知する距離センサである、
ことを特徴とする請求項１に記載の差圧駆動式四方弁。
前記近接センサは、前記ピストン部材の端部の位置を検知する、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の差圧駆動式四方弁。
前記ピストン部材の端部に、磁石が設けられ、
前記近接センサは、前記本体に設けられた磁気センサである、
ことを特徴とする請求項４に記載の差圧駆動式四方弁。
前記近接センサは、前記ピストン部材の摺動方向の側方から、前記主弁の位置を検知する、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の差圧駆動式四方弁。
前記主弁に、磁石が設けられ、
前記近接センサは、前記本体に設けられた磁気センサである、
ことを特徴とする請求項６に記載の差圧駆動式四方弁。
請求項１〜７のいずれか一項に記載の差圧駆動式四方弁を備えた、
ことを特徴とする空調装置。