JP2017137961A - 四方弁およびこれを備えた冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内部における熱移動を抑制し、冷媒流路に組み付けることを考慮した四方弁を提供する。【解決手段】本体２と、高温高圧の流体が流入する高圧側の導管１１と、低温低圧の液体が流出する低圧側の導管１２と、冷凍サイクル装置に適用された場合に室内機の室内熱交換器に連通する室内側の導管１３と、冷凍サイクル装置に適用された場合に室外機の室外熱交換器に連通する室外側の導管１４と、を備え、前記低圧側の導管と、室内側の導管と、室外側の導管のうち少なくとも１つは、ステンレス又はステンレス合金からなり、前記導管の断面積をＡ（ｍｍ２）とした場合に、前記低圧側の導管、前記室内側の導管、及び、前記室外側の導管のうちステンレス又はステンレス合金からなる管の長さＬ１はＬ１≧０．３３Ａ（ｍｍ）である。【選択図】図１

Description

本発明は、四方弁およびこれを備えた冷凍サイクル装置に関する。

圧縮機、室内熱交換器、膨張弁、室外熱交換器等を配管で接続した冷媒流路を切り替えることにより冷房運転と暖房運転とを可能とした冷凍サイクル装置が知られている。冷暖房運転が可能な冷凍サイクル装置は、冷媒流路を切り替えて冷媒の循環方向を変更する部品として、冷媒流路上に四方弁を備える装置が多い。

四方弁は、圧縮機の吐出側に連通する高圧側の導管と、圧縮機の吸込側に連通する低圧側の導管と、室内側熱交換器に連通する室内側の導管と、室外側熱交換器に連通する室外側の導管と、弁体とを備え、弁体を移動させることにより選択的に導管を連通させて冷媒流路の切り替えを可能とする。四方弁の構造上、四方弁内には、高温高圧の冷媒と低温低圧の冷媒が同時に流れるため、四方弁の筺体を経由して高温高圧の冷媒から低温低圧の冷媒へ熱が移動することにより、冷凍サイクル装置の冷房能力や暖房能力が低下し、仕事量の増加につながることが知られている。

四方弁内での冷媒間の熱移動を抑制することで、冷凍サイクル装置の冷房能力、暖房能力、省エネ性能等を向上させる四方弁として、銅製配管よりも熱伝導率の低い材料とした配管接続部を備える四方弁が開示されている（特許文献１参照）。
又、導管が挿入される弁座を熱伝導率の低い材料とした四方弁が開示されている（特許文献２参照）。更に、四方弁の筺体及び弁座と接続配管との間に熱伝導率の低い材料からなる熱抵抗部材を備える四方弁が開示されている（特許文献３参照）。

特開平１‐３１４８７０号公報 特許第５３００６５７号公報 特開２００９−１０９０６２号公報

特許文献１〜３で開示された発明は、冷凍サイクル装置の冷媒配管として一般的に使用される銅管よりも熱伝導率の低い材料によって、四方弁内における冷媒間の熱伝導経路となり得る部材を構成しているため、熱移動の抑制が図られている。

ところで、熱移動の抑制を図るため、四方弁内の冷媒流路は銅よりも熱伝導率が低い材料で構成される。又、冷媒が冷媒流路からわずかでも大気中に漏れることは好ましくないため、接続部を含む四方弁内の冷媒流路には高いバリア性が要求される。そして、冷凍サイクル装置において使用されるほとんどの冷媒は、常時大気圧よりも高い圧力で冷媒流路内に存在するため、接続部を含む四方弁内の冷媒流路には耐圧性を維持可能な強度が要求される。

しかし、特許文献１〜３で開示された発明として前記条件を満たす材料であるステンレス合金を接続配管等に採用した四方弁は、従来行われてきたりん銅ろうを使用したろう付け接合に不向きであり、冷凍サイクル装置の冷媒流路に組み付けることを考慮した発明ではなかった。

本発明は、前記課題を解決するものであり、内部における熱移動を抑制し、冷媒流路に組み付けることを考慮した四方弁を提供すること、並びに、内部における熱移動を抑制し、冷媒流路に組み付けることを考慮した四方弁を備える冷凍サイクル装置を提供することを課題とする。

本発明は、本体と、高温高圧の流体が流入する高圧側の導管と、低温低圧の液体が流出する低圧側の導管と、冷凍サイクル装置に適用された場合に室内機の室内熱交換器に連通する室内側の導管と、冷凍サイクル装置に適用された場合に室外機の室外熱交換器に連通する室外側の導管と、を備え、前記低圧側の導管と、室内側の導管と、室外側の導管のうち少なくとも１つは、ステンレス又はステンレス合金からなり、前記導管の断面積をＡ（ｍｍ^２）とした場合に、前記低圧側の導管、前記室内側の導管、及び、前記室外側の導管のうちステンレス又はステンレス合金からなる管の長さＬ１はＬ１≧０．３３Ａ（ｍｍ）である。

本発明は、本体と、高温高圧の流体が流入する高圧側の導管と、低温低圧の液体が流出する低圧側の導管と、冷凍サイクルに適用された場合に室内機の室内熱交換器に連通する室内側の導管と、冷凍サイクルに適用された場合に室外機の室外熱交換器に連通する室外側の導管と、を備え、前記低圧側の導管と、室内側の導管と、室外側の導管のうち少なくとも１つは、ステンレス又はステンレス合金からなり、前記低圧側の導管と、前記室内側の導管と、前記室外側の導管の開放端のうち少なくとも１つには銅製又は銅合金製の接続管が接続され、前記導管の断面積をＡ（ｍｍ^２）とした場合に、前記低圧側の導管、前記室内側の導管、及び、前記室外側の導管のうちステンレス又はステンレス合金からなる管の長さＬ１はＬ１≦３．３Ａ（ｍｍ）である。

本発明によれば、内部における熱移動を抑制し、冷媒流路に組み付けることを考慮した四方弁を提供すること、並びに、内部における熱移動を抑制し、冷媒流路に組み付けることを考慮した四方弁を備える冷凍サイクル装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、明細書中において説明する。

本発明の第１実施形態に係る四方弁の暖房サイクル時の動作状態を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る四方弁の冷房サイクル時の動作状態を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る四方弁の導管の長さに対する四方弁の本体側に流れ込む熱量の関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る四方弁の暖房サイクル時の動作状態を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る四方弁の冷房サイクル時の動作状態を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る四方弁の導管の温度分布とそれに伴う熱交換量を計算するにあたり使用したモデルの図である。 本発明の第２実施形態に係る四方弁の導管の長さに対する熱移動量抑制効果の関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る四方弁の接続管のろう付け時の配管接続側の温度と、導管接続側の計算結果を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る四方弁の暖房サイクル時の動作状態を示す断面図である。 本発明の第４実施形態に係る四方弁の暖房サイクル時の動作状態を示す断面図である。 本発明の第５実施形態に係る四方弁の暖房サイクル時の動作状態を示す断面図である。 本発明の第６実施形態に係る第２実施形態に係る四方弁を含む冷凍サイクル装置の暖房サイクル時の動作状態を示す図である。 本発明の第６実施形態に係る第２実施形態に係る四方弁を含む冷凍サイクル装置の冷房サイクル時の動作状態を示す図である。

本発明の実施形態について、適宜、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態は以下の内容に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内において適宜変更して実施可能であり、種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。

各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

＜第１実施形態＞
図１は、本実施形態に係る四方弁１の暖房サイクル時の動作状態を示す断面図である。
図１に示す様に、四方弁１は、高温高圧の流体が流入する高圧側の導管１１、低温低圧の液体が流出する低圧側の導管１２、冷凍サイクルに適用された場合に室内機の室内熱交換器に連通する室内側の導管１３、冷凍サイクルに適用された場合に室外機の室外熱交換器に連通する室外側の導管１４が四方弁１の本体２にそれぞれ接続されている。高圧側の導管１１の周方向の反対側には、室内側の導管１３、低圧側の導管１２、及び、室外側の導管１４がこの順に四方弁１の本体２の軸方向に並んで配置されている。高圧側の導管１１は、室内側の導管１３に対向し、略一直線状となる様に配置されている。

四方弁１は、両端が閉じられた筒状の金属製の四方弁１の本体２と、この四方弁１の本体２内に軸方向に延在して配置され、平面状のシート面４ａを有する金属製の弁座４と、弁座４のシート面４ａ上を軸方向に沿って摺動可能に設けられた樹脂製の弁体３と、四方弁１の本体２内の両側に移動可能に設けられた金属や樹脂からなるピストン板５、５と、このピストン板５と弁体３とを連結する金属や樹脂からなる連結板６とを備えて構成される。

四方弁１の本体２は、円筒状の筒部と、この筒部の両端を閉塞する円板状の壁部とからなるステンレス合金（ステンレスを含む、以下同じ）の部材で構成されている。四方弁１の本体２としては、例えば、外径２８ｍｍ、肉厚１ｍｍ、容積約１００００ｍｍ^３、密度７８９０ｋｇ／ｍ^３、比熱５１１Ｊ／ｋｇ・Ｋの四方弁本体が挙げられる。

弁座４には、軸方向に沿って順に、室内側の導管１３に連通する室内側連通路と、低圧側の導管１２に連通する低圧側連通路と、室外側の導管１４に連通する室外側連通路とが形成されている。室内側連通路、低圧側連通路、及び、室外側連通路は、それぞれシート面４ａに開口されている。
弁座４としては、例えば、容積約３４００ｍｍ^３であり、銅合金（ニッケルシルバー、Ｃｕ−２０Ｚｎ−１５Ｎｉ）製、密度８７００ｋｇ／ｍ^３、比熱３８０Ｊ／ｋｇ・Ｋの弁座が挙げられる。又、弁座４は、同様の形状の銅、鉄、鉄系合金で形成することも可能である。

弁体３は、シート面４ａ上を摺動する摺動面と、この摺動面に形成された窪みを有している。又、摺動面の反対面側は窪みに対応して半球状に形成されている。この反対面の半球は四方弁１の本体２の筒部と間隔を有するように形成されている。
弁体３は、ポリフェニレンサルファイドやナイロン等の樹脂で形成される。

弁体３には連結板６の中央部が嵌合されて固定されている。この連結板６の両端はピストン板５、５に固定されている。連結板６は、弁体３とピストン板５、５とを連結するものである。連結板６の左右両側には、冷凍サイクル装置に適用された場合において、暖房時に高圧側の導管１１と室内側の導管１３とを連通する連通孔と、冷房時に高圧側の導管１１と室外側の導管１４とを連通する連通孔とが形成されている。連結板６は、例えば、ステンレス合金で形成することが可能である。

ピストン板５、５は、四方弁１の本体２の壁部の内周面と同じ外周形状を有しており、四方弁１の本体２の両端部に圧力調整空間を形成している。
圧力調整空間の圧力を調整することにより、弁体３は弁座４のシート面４ａ上を軸方向に沿って摺動して移動される。弁体３が移動することにより、四方弁１を配設した冷凍サイクル装置の暖房サイクルと冷房サイクルが入れ替わる。
ピストン板５は、円板状のステンレス合金板と、円板状のステンレス合金板の外周部であり、四方弁１の本体２の壁部の内周面との摺動部分が樹脂（ポリフェニレンサルファイドやナイロン等）で形成される。

弁体３は、シート面４ａ上を軸方向に移動され、一方の移動端とされた状態において、室外側の導管１４と低圧側の導管１２とを弁の窪みを介して連通させて室外側の導管１４から弁の窪みを介して低圧側の導管１２へ冷媒を流通させると共に、高圧側の導管１１から室内側の導管１３へ冷媒を略一直線上に流通させる。この様に高圧側の導管１１と室内側の導管１３とを略一直線上に配置することにより、四方弁１を冷凍サイクルに適用した場合、高温高圧の冷媒の圧力損失を低減できるため、冷媒の温度低下を抑制できる。

又、冷媒の流れに乱れや渦が多い場合、撹乱効果によって冷媒の流れと四方弁１の壁面の温度境界層が小さくなりやすく、熱交換が起りやすくなる。しかし、前記のように冷媒を略一直線上に流すことによって、四方弁１の本体２との熱交換を抑制でき、冷媒の温度低下も抑制できる。

高圧側の導管１１は、銅合金（銅を含む、以下同じ）製の管である。高圧側の導管１１に適用可能な管として、例えば、外径９．５３ｍｍ、肉厚０．８０ｍｍの銅合金製の管が挙げられる。
低圧側の導管１２、室内側の導管１３、及び、室外側の導管１４に適用可能なステンレス合金製の管として、例えば、外径１２．７ｍｍ、肉厚０．８０ｍｍのステンレス合金製の管が挙げられる。

本実施形態では、四方弁１の内部での高温冷媒から低温冷媒への熱の移動を極力抑えるために、筒状（シリンダ状）の四方弁１の本体２、低圧側の導管１２、室内側の導管１３、及び、室外側の導管１４をステンレス合金製とする。本実施形態で使用するステンレス合金は、鉄（Ｆｅ）を主成分とし、クロム（Ｃｒ）を１０．５％以上含有する合金である。本実施形態で使用するステンレス合金は、鉄、クロムに加えて、ニッケル（Ｎｉ）やマンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）等の元素を更に含有してもよい。

高圧側の導管１１と室内側の導管１３とを略一直線上に配置することにより得られる２つの効果により、四方弁１を冷凍サイクルに適用した場合、圧縮機１０２（図１２参照）から吐出された冷媒のエネルギ損失を極力抑えて、室内機１１０の室内熱交換機１１２へ流通させることができるため、四方弁１を適用することにより冷凍サイクルの暖房時の性能を向上させることができる。

四方弁１が冷凍サイクル装置に適用された場合、暖房サイクル時、冷房サイクル時とも四方弁１の高圧側の導管１１には常に高圧の冷媒が流れ、低圧側の導管１２には常に低圧の冷媒が流れる。弁体３の外側を高圧の冷媒を流れ、弁体３の内側を低圧の冷媒が流れることで、弁体３の外側と内側とで圧力差が生じて、弁体３は常に弁座４に押しつけられる押圧力を受ける。

図２は、本実施形態に係る四方弁１の冷房サイクル時の動作状態を示す断面図である。
弁体３は、シート面４ａ上を軸方向に移動され、他方の移動端とされた状態において、室内側の導管１３と低圧側の導管１２とを弁の窪みを介して連通させて室内側の導管１３から弁の窪みを介して低圧側の導管１２へ冷媒を流通させると共に、高圧側の導管１１から弁体３の外面と四方弁１の本体２の内面とで形成される空間を介して室外側の導管１４へ冷媒を流通させる。

次に、高圧側の導管１１、低圧側の導管１２、室内側の導管１３、室外側の導管１４の最短長さの算出について説明する。本実施形態において、導管の長さＬ１は、四方弁１の本体２との接続部から導管の開放端までの距離とする。

四方弁１の内部に存在する弁体３は、ポリフェニレンサルファイドやナイロン等の樹脂で形成される。弁体３は、ガラス転移点以上の温度に加熱された場合、変形する可能性がある。そして、弁体３が変形した場合、弁体３のシール性（気密性）が低下する可能性もある。弁体３の変形を防ぐためには、導管と冷媒サイクルの配管の接合時に、弁体３の周囲の金属の温度は弁体３のガラス転移点未満である。ちなみに、ナイロンのガラス転移点は、８８℃である。
そこで、ステンレス合金製の導管の長さに対する、導管から四方弁１の本体２に流れ込む熱量を計算した。

四方弁の本体２、弁座４、ピストン板５、連結板６の体積、これらに使用する金属であるステンレス合金や銅合金の密度及び比熱に基づき、弁体３に熱伝導する弁座４や四方弁の本体２等の金属が２５℃から弁体３のガラス転移点温度（８８℃）になるために必要な熱量が求められる。本実施形態の四方弁１について計算すると、この熱量は、約３３００Ｊである。

図３は、導管の長さに対する、四方弁１の本体側に流れ込む熱量の関係であり、ろう付け作業を考慮して、９０秒間に接続管から四方弁の本体２に流れ込む熱量を示す。

図３に示す様に、導管の長さが１０ｍｍ以下では、四方弁１の本体２に流れ込む熱量が弁体３のガラス転移点に到達する（軟化を引き起こす）約３３００Ｊを超える。
従って、導管と冷媒サイクルの配管のろう付けによる接合を考慮した場合、ステンレス合金製の導管の長さは、１０ｍｍ以上必要である。

当該計算における想定条件は、家庭用の空気調和機に適用される四方弁を想定した条件であり、弁体３の軟化を引き起こす熱量は、四方弁を構成する金属の質量により変動するが、約３３００Ｊを基準とすることができる。

従って、前記想定条件における四方弁の導管に冷凍サイクル装置の配管等をろう付けにより接合する場合、導管の長さＬ１を１０ｍｍ以上とすることで、弁体３の保護が図られる。

そして、弁体３、弁座４、及び、導管１２等を変更した場合について説明する。

前記想定条件と異なり、弁体３、及び、弁座４が密度の小さい金属や組成の異なる合金で形成される場合、並びに、弁体３、及び、弁座４の質量を大きくした場合は、弁体３、及び、弁座４の体積が大きくなる可能性がある。弁座４等の体積が大きくなると、弁体３と弁座４との接触面積が増えるため熱伝導による導管１２等から弁体３への熱移動を促進させることになる。つまり、熱伝導抑制効果を小さくし、冷房・暖房の性能を低下させることになる。

一方、前記想定条件と異なり、弁体３、及び、弁座４が密度の大きい金属や組成の異なる合金で形成される場合、並びに、弁体３、及び、弁座４の質量を小さくした場合は、弁体３、及び、弁座４の体積が小さくなる可能性がある。弁座４等の体積が小さくなると、弁体３と弁座４との接触面積が減るため熱伝導による導管１２等から弁体３への熱移動を抑制させることになる。つまり、熱伝導抑制効果を大きくし、冷房・暖房の性能を向上させることになる。

又、弁座４に接続する導管１２、１３、１４がフィンの役割を果たす。このため、導管１２等が前記想定条件とは異なる合金組成や密度の材料で形成される場合は、熱伝導度が変化する可能性がある。導管１２等の熱伝導度が向上した場合は、導管から弁体３への熱移動を促進させることになる。つまり、熱伝導抑制効果を小さくし、冷房・暖房の性能を低下させることになる。導管１２等の熱伝導度が低下した場合は、導管から弁体３への熱移動を抑制させることになる。つまり、熱伝導抑制効果を大きくし、冷房・暖房の性能を向上させることになる。
熱伝導による導管１２等から弁体３への熱移動を抑制させるには、導管１２等を長くしてもよい。

更に、導管の外径や肉厚が異なる場合について説明する。

導管の外径をＤ（ｍｍ）、導管の肉厚をｔ（ｍｍ）、断面積をＡ（ｍｍ^２）と定義すると、以下の式１が成立する。

同様に、前記想定条件における導管の外径をＤ_０（ｍｍ）、導管の肉厚をｔ_０（ｍｍ）、断面積をＡ_０（ｍｍ^２）と定義すると、以下の式２が成立する。

従って、四方弁１の本体２の熱容量や弁体３の想定条件と同じであり、導管の外径や肉厚の条件が異なる場合の導管の長さＬ１は、次の式３で表わされる。

以上より、四方弁の導管に冷凍サイクル装置の配管等をろう付けにより接合する場合、導管の長さＬ１を０．３３Ａ（＝１０Ａ／Ａ_０）（ｍｍ）以上とすることで、弁体３を保護しつつ四方弁１の組み立てが可能となり、作業性が向上する。

＜第２実施形態＞
第２実施形態は、第１実施形態の四方弁１における低圧側の導管１２、室内側の導管１３、及び、室外側の導管１４のそれぞれに接続管２１を接続するように変更した実施形態である。本実施形態において、導管の開放端に導管の開放端の外径以上に内径が拡管された接続管２１が接続されている。

図４は、本実施形態に係る四方弁１Ａの暖房サイクル時の動作状態を示す断面図である。又、図５は、本実施形態に係る四方弁１Ａの冷房サイクル時の動作状態を示す断面図である。接続管２１を使用することにより、四方弁１Ａの内部での高温冷媒から低温冷媒への熱の移動を極力抑える。

本実施形態における、低圧側の導管１２、室内側の導管１３、及び、室外側の導管１４の長さの算出について説明する。
これら導管の長さを算出するにあたり、図４に示す四方弁１Ａを想定した。図６は、導管の温度分布とそれに伴う熱交換量を計算するにあたり使用したモデルを示す。本実施形態においては第１実施形態とは異なり、導管の長さＬ１は、四方弁１の本体２との接続部から接続管２１の末端までの距離とする。

これら導管の長さを算出するにあたり、導管上端の温度は，冷媒主流の温度とθ₀Ｋの温度差を有しており、管内面では熱伝導率ｈ（Ｗ/(ｍ^２・Ｋ)）で冷媒と熱交換が行なわれていると仮定する。冷媒側の温度変化は、冷媒循環量が多く、温度変化が小さいものとして無視する。

導管の外径をＤ（ｍｍ）、肉厚をt（ｍｍ）と定義した場合、導管の断面積Ｓ（ｍｍ^２）と、濡れぶちの長さＬ（ｍｍ）は、以下の式４、式５により求められる。

ここで、導管の縦方向の温度変化が、冷媒との熱交換量と等しいと仮定すれば、次の式６の微分方程式が得られる。

接続管側でも同様に微分方程式をたて、それぞれの解を以下のように仮定する。

ここで、m_SUS、ｍ_Cuは以下のとおりである。

ここで、境界条件より、導管上端で温度がθ₀なので、

又、導管と接続管のつなぎ目では、温度が同じであり、熱移動量も同じことから、

更に、接続管の下端では、熱の移動がなくなるとして、次の式１４が成り立つ。

これらより、定数Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４は、以下のように求められる。

この解（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）を用いて、導管の温度分布を求め、求めた導管の温度分布に導管内面積と熱伝導率を乗じることにより導管から冷媒への熱移動量が求められる。この熱移動量はステンレス合金管が長ければ長いほど小さくなる。そこで、導管の長さがゼロのときの熱移動量を熱移動量抑制率０％、導管の長さが２００ｍｍ時の熱移動量まで熱移動量が小さくなった時を熱移動量抑制率１００％として、導管の長さと熱移動抑制率の関係を算出した。その結果を図７に示す。

図７は、導管の長さに対する熱移動量抑制効果の関係を示す。
図７に示す様に、導管が長ければ長い程熱移動量抑制効果が高い。又、導管内部の熱伝達率が上昇すると、より短い地点で熱移動量抑制効果が飽和する。

四方弁に流入する冷媒はガス単相に近い状態であり、その熱伝達率は１０Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）以上１０００Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）未満と推定される。又、熱移動による冷媒の温度変化を考慮すると、実際の四方弁１Ａにおいては、今回のモデルよりも導管内面からの放熱量が小さくなるため、導管の温度分布としては熱伝達率が低い条件に近づくと推測される。
これらを考慮しても、図７より導管の長さは１００ｍｍ程度あれば熱伝導抑制効果が十分に得られる。

そして、本実施形態に係る四方弁１Ａと、冷凍サイクル装置の配管との接続について説明する。
冷凍サイクル装置の組み立てにおいて、熱交換器、圧縮機、アキュムレータや四方弁等の各部品と各配管を接続する際は、各部品の導管や各配管に銅合金管が採用されることが多いため、一般的に、りん銅ろうが使用される。りん銅ろうは、銅合金同士の接合においてフラックスを必要とせずにろう付けが可能であり、接合の作業効率が向上する。又、りん銅ろうを使用することにより、フラックスの準備や管理が不要となり、コスト削減にもつながる。このため、冷凍サイクル装置の組み立て作業は、一貫してりん銅ろうのみを使用して行うことが一般的である。

しかし、本実施形態に係る四方弁１Ａが導管としてステンレス合金管を採用しているため、冷凍サイクル装置の銅合金製の各配管とは材質が異なり、四方弁１Ａと各配管の接合は、異種金属の接合となる。ステンレス合金管と銅合金管の接合において、りん銅ろうを使用した接合は強度等の信頼性の面で課題が存在するため、銀ろう、炉中での銅及び銅合金ろう、ニッケルろう等によるろう付けにより接合を行うことが一般的である。

本実施形態においては、四方弁１Ａの各導管１２、１３、１４の先端に銅合金製の接続管２１を設けることで、接続管２１を介して四方弁１Ａと各配管（図示せず）を接続し、りん銅ろうを使用して接続管２１と各配管との接合を行う。
りん銅ろうを使用した接続管２１と冷凍サイクル装置の各配管との接合において、接続管２１をガスバーナで加熱すると、接続管２１の上部の四方弁１Ａの各導管との接続部も熱伝導により加熱される。
そこで、四方弁１Ａの各導管１２、１３、１４の適切な長さを求めた。

接続管２１と冷凍サイクル装置の配管との接合において、りん銅ろう（ＢＣｕＰ−２）を使用した場合を想定して、接続管２１の冷凍サイクル装置の配管側の温度を８４５℃、接続管２１の四方弁１Ａの導管との接続部の温度を２５℃と仮定した。又、接続管２１の長さを３５ｍｍ、外径１２．７ｍｍ、肉厚０．８０ｍｍと仮定した。

この仮定に基づき、接続管２１のろう付け時の配管接続側（図の下端側）の温度と、導管接続側（図の上端側）の温度について、熱抵抗のバランスから計算を行った。この計算結果について、求めた温度関係のグラフにして、図８に示す。図８に示される様に、ステンレス合金製の導管を長くすると、接続管の導管接続側の温度が上昇する。

接続管２１の上部において、導管接続側と導管のろう付けを銅ろう（ＢＣｕ−４）により行うと仮定した場合、銅ろうの最低溶融温度である８３０℃未満になる導管の長さは、図８に基づくと１００ｍｍ以下である。つまり、ステンレス合金製の導管の長さが１００ｍｍ以下とすることで、接続管２１と銅合金製の配管とのりん銅ろうによるろう付けが容易になる。

本実施形態において、使用可能なりん銅ろうとしては、例えば、ＢＣｕＰ−２の他に、ＢＣｕＰ−１、ＢＣｕＰ−３、ＢＣｕＰ−４、ＢＣｕＰ−５、ＢＣｕＰ−６（ＪＩＳ Ｚ ３２６４：１９９８）が挙げられる。本実施形態において、使用可能な銅及び銅合金ろうとしては、例えば、ＢＣｕ−４の他に、ＢＣｕ−１、ＢＣｕＰ−１Ａ、ＢＣｕ−２、ＢＣｕ−３（ＪＩＳ Ｚ ３２６２：１９９８）が挙げられる。

これまで、前記想定条件に従い、外径１２．７ｍｍ、肉厚０．８０ｍｍの導管の場合について説明を行ったが、更に、導管の外径や肉厚が異なる場合について説明する。

第１実施形態と同様に、導管の外径をＤ（ｍｍ）、導管の肉厚をｔ（ｍｍ）、断面積をＡ（ｍｍ^２）と定義すると、以下の式１が成立する。

同様に、前記想定条件における導管の外径をＤ_０（ｍｍ）、導管の肉厚をｔ_０（ｍｍ）、断面積をＡ_０（ｍｍ^２）と定義すると、以下の式２が成立する。

従って、四方弁１の本体２の熱容量や弁体３の想定条件と同じであり、導管の外径や肉厚の条件が異なる場合の導管の長さＬ１は、次の式２２で表わされる。

以上より、四方弁の導管に接続管２１を介して冷凍サイクル装置の配管等をろう付けにより接合する場合、導管の長さＬ１を３．３Ａ（＝１００Ａ／Ａ_０）（ｍｍ）以下とすることで、導管と接続管２１とのろう付け部分を保護しやすくなる。その結果、組立作業性が向上する。

加えて、接続管２１の長さについて説明する。

長さをＬ（ｍｍ）、断面積をＡ（ｍｍ^２）、熱伝導率をλ（Ｗ／ｍＫ）とすると、熱抵抗Ｒ（(ｍｍ・ｍＫ)/Ｗ）は、次の式２３で表わされる。

本実施形態における導管が、長さＬ＝１００（ｍｍ）、断面積Ａ＝２９．９１（ｍｍ^２）、熱伝導率λ＝１８（Ｗ／ｍＫ）であると仮定すると、式２３より、導管の熱抵抗は、次の式２４で表わされる。

又、本実施形態における接続管が、長さＬ＝３５（ｍｍ）、断面積Ａ＝２９．９１（ｍｍ^２）、熱伝導率λ＝３２０（Ｗ／ｍＫ）であると仮定すると、式２３より、接続管の熱抵抗は、次の式２５で表わされる。

接続管２１において、冷凍サイクル装置の配管側の温度が８４５℃、導管側の温度がｘ℃、であり、導管において、接続管側の温度がｘ℃、四方弁１の本体２側の温度が２５℃である、という関係が成立するには、接続管２１を流れる熱量と、導管を流れる熱量が釣り合う必要がある。
つまり、次式の関係が成立する。

従って、接続管２１の導管側の温度ｘは、次式で表される。そして、導管側の温度ｘが８３０℃より低ければよい。

式を整理すると、

従って、次の式２９の関係を満たせばよい。

例えば、銅合金製の接続管の熱伝導率を３２０Ｗ/ｍＫ、ステンレス合金製の導管の熱伝導率を１８Ｗ／ｍＫ、管の断面積が同じと仮定した場合、上記式２９の関係を満たすには、図４や図５に示す様に、接続管の長さＬ２は、導管の長さＬ１の１／３倍以下とすればよい。接続管２１の断面積が導管と異なる場合であっても、又、前記想定条件と異なる場合であっても同様に接続管の長さＬ２を求めることができる。

以上より、四方弁の導管に接続管を介して冷凍サイクル装置の配管を、りん銅ろうによるろう付け接合を行う場合、導管の長さＬ１を３．３Ａ（ｍｍ）以下とすることで、導管と接続管２１とのろう付け部分を保護しやすくなり、組立作業性が向上する。接続管の長さＬ２を導管の長さＬ１の１／３倍以下とすることで、導管と接続管２１とのろう付け部分を保護しやすくなり、組立作業性が向上する。

＜第３実施形態＞
第３実施形態は、第１実施形態の四方弁１における導管と接続管の接合部において、導管を拡管して、冷凍サイクルの配管や接続管２１が導管内に挿入されるように変更した実施形態である。

図９は、本実施形態に係る四方弁１Ｂの暖房サイクル時の動作状態を示す断面図である。
四方弁１の下部の低圧側の導管１２Ｂ、室内側の導管１３Ｂ、室外側の導管１４Ｂのうち、低圧側の導管１２と、残りの一方の導管には、低温、低圧の冷媒が流れる。低温、低圧の冷媒が流れる導管は、外気よりも温度が低くなることがあるため、導管外部に結露が発生することがある。

結露により生じた液滴は、導管の下方に垂れて、導管と接続管２１の接続部の段差（管外周の段差）に表面張力により保持される。保持された液滴が接する金属の面積は、接続管２１側が大きくなる。銅合金製の接続管２１は、ステンレス合金製の導管よりも耐食性が高いため、接続管２１が導管に挿入される構造とすることにより、四方弁１の本体２の耐食性を向上させることができる。
銅合金製の接続管２１の代わりに銅合金製の冷凍サイクルの配管が接続される場合であっても同様の効果が得られる。

＜第４実施形態＞
第４実施形態は、第３実施形態の四方弁１における導管と接続管の接合部において、導管の開放端の内周部に銅めっきを施した実施形態である。

図１０は、本実施形態に係る四方弁１Ｃの暖房サイクル時の動作状態を示す断面図である。
図１０に示す様に、四方弁の下部の低圧側の導管１２Ｃ、室内側の導管１３Ｃ、及び、室外側の導管１４Ｃの開放端に施す銅めっきの範囲は、少なくともこれら導管の開放端の内周部であって、冷凍サイクルの配管や接続管２１との接合強度が確保できる範囲とする。

銅めっきは、これら導管の開放端の断面部分にも施されていることが好ましい。断面部分まで銅めっきを施すことにより、これら導管の表面で結露することにより生じた液滴が垂れて冷凍サイクル装置の配管との接合部の段差部に保持された場合であっても、これら導管の耐食性を向上させることができる。

これら導管の開放端の内周部に銅めっきを施すことにより、これら導管に炉中ろう付けではなくりん銅ろう（ＢＣｕＰ−２）等により拡管した冷凍サイクルの配管や接続管２１を接合することができる。

＜第５実施形態＞
第５実施形態は、第１実施形態の四方弁１の下部の低圧側の導管１２、室内側の導管１３、及び、室外側の導管１４の開放端の外周に銅めっきを施した実施形態である。

図１１は、本実施形態に係る四方弁１Ｄの暖房サイクル時の動作状態を示す断面図である。
図１１に示す様に、四方弁の下部の低圧側の導管１２Ｄ、室内側の導管１３Ｄ、及び、室外側の導管１４Ｄの開放端に施す銅めっきの範囲は、少なくともこれら導管の開放端の外周部であって、冷凍サイクルの配管や接続管２１との接合強度が確保できる範囲とする。銅めっきの量は、冷凍サイクル装置の配管との接合強度が確保できる量とする。

これら導管の開放端の外周部に銅めっきを施すことにより、炉中ろう付けではなくりん銅ろう（ＢＣｕＰ−２）等により拡管した冷凍サイクルの配管や接続管２１をこれら導管に接合することができる。

＜第６実施形態＞
第６実施形態は、第１〜５実施形態の四方弁を構成要件として含む冷凍サイクル装置である。
図１２に、例として、暖房サイクル状態の第２実施形態の四方弁１Ａを含む冷凍サイクル装置を示す。

本実施形態に係る冷凍サイクル装置は、室外機１０１の内部の四方弁１Ａ、圧縮機１０２、膨張弁１０３、室外熱交換器１０４、室外ファン１０５、アキュムレータ１０６を備え、室内機１１０の内部の室内熱交換器１１１、室内ファン１１２等を配管で接続して構成される。

圧縮機１０２は、低温低圧状態のガス冷媒を圧縮し、高温高圧状態のガス冷媒を四方弁１Ａに吐出する。圧縮機１０２から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁１Ａの高圧側の導管１１から四方弁１Ａに流入する。

四方弁１Ａは、図１２に示す様に、高圧側の導管１１と室内側の導管１３が連通する位置に弁体３が存在している。四方弁１Ａに流入した高温高圧状態のガス冷媒は、四方弁１Ａの内部を通過し、室内側の導管１３から流出する。

四方弁１Ａから流出した高温高圧状態のガスは、室内熱交換器１１１に到達する。室内熱交換器１１１に到達した高温高圧状態のガスは、室内ファン１１２により室内機１１０の内部に取り込まれた空気に熱エネルギを渡して温める。熱エネルギを失ったガス冷媒は凝縮して、低温高圧状態の液冷媒となる。暖められた空気は、室内ファン１１２により温風として室内に供給される。

室内熱交換器１１１において凝縮した低温高圧状態の液冷媒は、膨張弁１０３に流出する。
膨張弁１０３は、流体抵抗を変えることができる圧力調整弁である。膨張弁１０３に流入した低温高圧状態の液冷媒は、減圧、低温化されて気液混相の二相流となる。低温低圧状態の二相流の冷媒は、室外熱交換器１０４に流入する。

室外熱交換器１０４には、流入した冷媒よりも温度が高い外部空気が室外ファン１０５により送風されている。室外熱交換器１０４に流入した低温低圧状態の二相流の冷媒は、外部空気から熱エネルギを受け取り、液相が蒸発してガス冷媒となる。
室外熱交換器１０４においてガス化された低温低圧状態のガス冷媒は、再度四方弁１Ａに流入する。

四方弁１Ａは、室外側の導管１４と、低圧側の導管１２が連通する位置に弁体３が存在している。このため、四方弁１Ａに流入した低温低圧状態のガス冷媒は、アキュムレータ１０６に流入する。

アキュムレータ１０６は、圧縮機１０２に低温低圧状態のガス冷媒が一度に大量に流入しない様に、流量を制限する機能を備える。
アキュムレータ１０６から流出した低温低圧状態のガス冷媒は、圧縮機１０２に流入する。圧縮機１０２に流入した低温低圧状態のガス冷媒は、圧縮されて、再度冷凍サイクルを循環する。

図１３に、例として、冷房サイクル状態の第２実施形態の四方弁１Ａを含む冷凍サイクル装置を示す。暖房サイクルとは異なる点について説明する。

冷房サイクル状態における四方弁１Ａは、高圧側の導管１１と室外側の導管１４が連通する位置に弁体３が存在している。圧縮機１０２から四方弁１Ａに流入した高温高圧状態のガス冷媒は、室外熱交換器１０４に流出する。

室外熱交換器１０４に流入した高温高圧状態のガス冷媒は、室外ファン１０５により送風された外部空気に熱エネルギを渡すことにより冷却して液化する。

室外熱交換器１０４から流出した低温高圧状態の液冷媒は、室内熱交換器１１１に到達し、室内ファン１１２により室内機１１０の内部に取り込まれた空気から熱エネルギを受け取り、蒸発して高温高圧状態のガス冷媒となる。

＜変形例＞
第１〜５実施形態として示す様に、四方弁１の下部の低圧側の導管１２、室内側の導管１３、室外側の導管１４のうち、いずれか１つ、又は、２つを他よりも長く、例えば、中央に配置される低圧側の導管１２の長さを、左右に配置される室内側の導管１３、室外側の導管１４よりも長くすることで、ろう付け位置をずらすことができるため、ろう付け作業が容易となる。
又、四方弁１の下部の低圧側の導管１２、室内側の導管１３、室外側の導管１４の長さは、全て同じでもよく、それぞれ異なっていてもよい。

本発明に係る四方弁は、例えば、第１実施形態として示す接続管２１を構成要素としない四方弁、及び、第２実施形態として示す接続管２１を構成要素とする四方弁の両方の形態の四方弁を含むものである。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ 四方弁
２ 本体
３ 弁
４ 弁座
４ａ シート面
５ ピストン板
６ 連結板
１１ 導管
１２、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ 導管
１３、１３Ｂ、１３Ｃ、１２Ｄ 導管
１４、１４Ｂ、１４Ｃ、１２Ｄ 導管
２１ 接続管
５１ 冷媒の流れ方向
５２ 冷媒の流れ方向
５３ 冷媒の流れ方向
５４ 冷媒の流れ方向
６１ 冷媒の流れ方向
６２ 冷媒の流れ方向
６３ 冷媒の流れ方向
６４ 冷媒の流れ方向
７１ 銅メッキ
１０１ 室外機
１０２ 圧縮機
１０３ 膨張弁
１０４ 室外熱交換器
１０５ アキュムレータ
１０６ 室外ファン
１１０ 室内機
１１１ 室内熱交換器
１１２ 室内ファン

Claims (9)

1. 本体と、高温高圧の流体が流入する高圧側の導管と、低温低圧の液体が流出する低圧側の導管と、冷凍サイクル装置に適用された場合に室内機の室内熱交換器に連通する室内側の導管と、冷凍サイクル装置に適用された場合に室外機の室外熱交換器に連通する室外側の導管と、を備え、
   前記低圧側の導管と、室内側の導管と、室外側の導管のうち少なくとも１つは、ステンレス又はステンレス合金からなり、
   前記導管の断面積をＡ（ｍｍ^２）とした場合に、
   前記低圧側の導管、前記室内側の導管、及び、前記室外側の導管のうちステンレス又はステンレス合金からなる管の長さＬ１はＬ１≧０．３３Ａ（ｍｍ）である四方弁。
2. 本体と、高温高圧の流体が流入する高圧側の導管と、低温低圧の液体が流出する低圧側の導管と、冷凍サイクルに適用された場合に室内機の室内熱交換器に連通する室内側の導管と、冷凍サイクルに適用された場合に室外機の室外熱交換器に連通する室外側の導管と、を備え、
   前記低圧側の導管と、室内側の導管と、室外側の導管のうち少なくとも１つは、ステンレス又はステンレス合金からなり、
   前記低圧側の導管と、前記室内側の導管と、前記室外側の導管の開放端のうち少なくとも１つには銅製又は銅合金製の接続管が接続され、
   前記導管の断面積をＡ（ｍｍ^２）とした場合に、
   前記低圧側の導管、前記室内側の導管、及び、前記室外側の導管のうちステンレス又はステンレス合金からなる管の長さＬ１はＬ１≦３．３Ａ（ｍｍ）である四方弁。
3. 本体と、高温高圧の流体が流入する高圧側の導管と、低温低圧の液体が流出する低圧側の導管と、冷凍サイクルに適用された場合に室内機の室内熱交換器に連通する室内側の導管と、冷凍サイクルに適用された場合に室外機の室外熱交換器に連通する室外側の導管と、を備え、
   前記低圧側の導管と、前記室内側の導管と、前記室外側の導管のうち少なくとも１つは、ステンレス又はステンレス合金からなり、
   前記低圧側の導管と、前記室内側の導管と、前記室外側の導管の開放端のうち少なくとも１つには銅製又は銅合金製の接続管が接続され、
   前記導管の長さＬ１に対する前記接続管の長さＬ２は、１／３以下である四方弁。
4. 前記接続管は、内径が前記導管の開放端の外径以上に拡管して、前記導管と接続していることを特徴とする請求項２又は３に記載の四方弁。
5. 前記導管は、開放端の内径が接続管の外径以上に拡管しており、前記接続管が前記導管の拡管した開放端に挿入されていることを特徴とする請求項１に記載の四方弁。
6. 前記導管は、開放端の外周面、内周面のいずれか一方の面、又は、両方の面が銅めっきされていることを特徴とする請求項１又は５に記載の四方弁。
7. 前記導管と、前記接続管とがりん銅ろうよりも融点の高いろう材で接合されていることを特徴とする請求項２〜５、及び、請求項５を引用する請求項６のいずれか一項に記載の四方弁。
8. 前記低圧側の導管は、前記室内側の導管、前記室外側の導管のいずれか一方、又は、両方よりも長いことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の四方弁。
9. 冷媒を圧縮する圧縮機と、第一の熱交換器と、減圧手段と、第二の熱交換器を環状に冷媒配管で接続して形成されると共に内部に冷媒が充填された冷凍サイクルを形成し、
   請求項１〜８に記載の四方弁を前記冷媒配管に配設し、
   前記第一の熱交換器と前記第二の熱交換器のうち、一方の熱交換器が前記圧縮機の吐出口と連通状態となり、他方の熱交換器が前記圧縮機の吸込口と連通状態となるように、選択的に冷媒流路を切換え可能とすることを特徴とする冷凍サイクル装置。

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