JP3150885B2

JP3150885B2 - 制御弁

Info

Publication number: JP3150885B2
Application number: JP26500895A
Authority: JP
Inventors: 和彦武藤
Original assignee: Pacific Industrial Co Ltd
Current assignee: Pacific Industrial Co Ltd
Priority date: 1995-09-18
Filing date: 1995-09-18
Publication date: 2001-03-26
Anticipated expiration: 2015-09-18
Also published as: JPH0979409A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ヒートポンプ式
冷媒回路における冷房時と暖房時の冷媒の流路を切り換
える四方弁と、膨張弁の機能を果たす電動弁とを複合一
体化した制御弁に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】先ず最初に図５は、特願平６−２７０３
８１号に開示された従来技術の制御弁Ｚの構造を示す。
制御弁Ｚの構造は、六方弁であり、大きく分けて電動弁
Ａ部、四方弁Ｂ部及び前記電動弁Ａ部と四方弁Ｂ部とを
連結する伝達装置Ｃ部の３つに分けられる。

【０００３】第１番目に電動弁Ａ部の構造は、上部を大
径部１ａとした非磁性体からなる円筒状ケース１の下端
部に弁ボディ６が配置されおり、該弁ボディ６は、中央
にチャンバー１７を備えチャンバーの中心上部に推進軸
受７が設けられると共に下部に弁口８が設けられ、チャ
ンバー側部には開口１８が設けられている。又、前記開
口１８には出入口パイプ１９が、又、下部の弁口８下方
の開口２０には出入口パイプ２１が設けられている。

【０００４】そして、ケース１の下部外周に固定子コイ
ル２が設けられ、前記ケース１の内部には先端部に針状
弁３を備えたねじ軸４の上部と一体的に成形されたモー
タの回転子５が設けられ、このねじ軸４が前記推進軸受
７により直進運動に変換されて弁ボディ６の下部の弁口
８に前記針状弁３を接離させることにより、弁口８の開
口度を制御させるようになっており、回転子５の上半部
内周面には、一箇所だけ中心方向にリブ状の凸部９が突
出状に形成されているものである。

【０００５】第２番目に四方弁Ｂ部の構造は、非磁性体
からなる前記円筒状ケース１上部の大径部１ａの上端
に、図６に示す如く、４つの開口３３、３４、３５、３
６を同心円上でかつ、等間隔に有する金属円板状の弁座
３７が固定され、この弁座３７の下面にプラスチック製
の肉厚円板状の弁体３９が摺動回転可能に配設されたも
のである。

【０００６】前記弁座３７の４つの開口３３、３４、３
５、３６は、その開口３３を導入口、これと対向位置の
開口３４を導出口、又これらと直交的に配置した開口３
５と３６を通孔としており、それぞれ導入口３３の上面
には導入管４０が、導出口３４には導出管４１が、又通
孔３５と３６には通孔管４２と４３が設けられ、前記導
入口３３の下部にのみパイプによるストッパー４４が少
量突出状に設けられている。

【０００７】又、前記肉厚円板状の弁体３９には、図６
に示す如く、前記弁座３７の導入口３３と通孔３５と対
応する位置に貫通孔４５と４６を設けると共に、その上
半部に両貫通孔４５、４６をつなぐ連通孔４７（図７
（Ａ）参照）を設け、導出口３４及び通孔３６と対応す
る位置に導出口３４及び通孔３６を気密的につなぐ気密
連通孔４８（図７（Ｂ）参照）が設けられ、これら両連
通孔４７、４８の上部は平面円弧状に形成されていて、
隣接する各開口において連通状態が切り換わるようにな
っている。

【０００８】又、肉厚円板状の弁体３９には、図５に示
す如く、その上面中心に孔２２が設けられ、この孔２２
に運転時冷媒の圧力により弁体３９を弁座３７に押圧す
る圧力よりも弱い圧力の圧縮コイルばね２３が設けら
れ、反対側の弁体３９の下面中心にはボス２４を設け、
その中心部に多数の内歯２５が形成されている。

【０００９】第３番目に伝達装置Ｃ部は、図５に示す如
く、前記電動弁Ａ部の回転子５と四方弁Ｂ部の弁体２９
との間の前記非磁性体からなる円筒状ケース１の中間部
に設けられ、電動弁Ａ部の弁口８が全開直前の位置と全
閉直前の位置において、回転を伝えるようにしたもので
ある。

【００１０】即ち、円筒状ケース１内にガイドブッシュ
２６をかしめ固定し、このガイドブッシュ２６の中心
に、上部に鍔２７を有する連結棒２８を気密的、かつ回
転自在に支持し、この連結棒２８の上端部には前記弁体
３９下面中心の内歯２５と噛み合う外歯２９が形成さ
れ、この内歯２５と外歯２９とにより係合手段３０を形
成している。

【００１１】また、上記の連結棒２８の下方は、ガイド
ブッシュ２６を貫通し、上下に突出片１４、１５を有す
るコイルによる遅延伝達手段１６が設けられている。即
ち、連結棒２８の下端は前記回転子５の上半部内面にま
で延び、その先端にフランジ１１を備えている。

【００１２】そして、連結棒２８のガイドブッシュ２６
より少し下方に、垂下状のストッパー片１３ａを外方先
端に備えたストッパー１３を固定し、このストッパー１
３と下端のフランジ１１との間に、図５および図１０、
図１１に示す如く、所定長さのコイルの上下端を上方の
突出片１４と下方の突出片１５として接線方向にほぼ平
行的に延長させた遅延伝達手段１６を回転可能に設け、
この遅延伝達手段１６の上方の突出片１４の先端が前記
ストッパー片１３ａと当接可能となっており、下方の突
出片１５の先端が前記回転子５の上半部内面に形成され
た内向きの凸部９と当接可能となっている。

【００１３】引き続いて、従来技術の制御弁の作用（作
動）について説明する。図５に示す如く、電動弁Ａ部の
針状弁３が閉弁状態で、図７、図８に示す如く、四方弁
Ｂ部の弁体３９における貫通孔４５と４６が弁座３７の
導入孔３３と通孔３５に対応して暖房状態となっている
時は、図１０、図１１（Ａ）に示す如く、平面的にみ
て、回転子５の凸部９の一側面（上面）が遅延伝達手段
１６の下方の突出片１５の外面（下面）に、また、上方
の突出片１４の外面（上面）がストッパー片１３ａの外
側（下面）に当接して、上下の突出片１４、１５を凸部
９とストッパー片１３ａにより挟んだ状態となってい
る。

【００１４】この状態においては、弁座３７と弁体３９
の位置関係が図８に示す如く、四方弁Ｂ部の弁座３７の
導入口３３の下面に突出状に設けたストッパー４４は、
弁体３９の貫通孔４５と対応した位置にある。従って、
図７（Ａ）に示す如く、連通孔４７により導入口３３と
通孔３５とが連通された状態になり、図９で示すよう
に、圧縮機Ｆの吐出口から出た冷媒は、導入管４０→導
入口３３→連通孔４７→通孔管４２を経て室内熱交換器
Ｅに入り、制御弁Ａの出入口パイプ１９→弁口８→出入
口パイプ２１を経て、室外熱交換器Ｄを通り、図６
（Ｂ）に示す如く、通孔管４３→通孔３６→気密連通孔
４８→導出口３４→導出管４１を経て圧縮機Ｆに戻る。

【００１５】この暖房状態において、電動弁Ａの固定子
コイル２に閉弁方向に回転するように通電されると、図
１０、図１１（Ａ）に示すモータの回転子５は上面から
みて矢印の如く左方向に一回転し、回転子５の凸部９が
遅延伝達手段１６の下方の突出片１５から離れ、約１周
回転したところで図１１（Ｂ）のように下方の突出片１
５の内側（上面）に当たる。

【００１６】続いて回転子５が回転すると、前記遅延伝
達手段１６下方の突出片１５が回転子５の凸部９に押さ
れて上方の突出片１４と共に左方向に回動し、やがて、
図１１（Ｃ）のように上方の突出片１４が前記スッパー
片１３ａの後面（上面）と当接するまで回転子５が回転
する。上記図１１（Ａ）〜（Ｃ）間の回転子５の約２回
転の間は遅延伝達手段１６におけるコイルの空転によ
り、連結棒２８には伝わらない。従って、この間、ねじ
軸４による針状弁３の上下作用により弁口８の開口面積
を変化させることができ、最適絞り度の位置で、暖房運
転が可能となる。

【００１７】次に、冷房運転に切り換えたい時は、図１
１（Ｃ）の状態から回転子５を、さらに左方向に回転さ
せると上方の突出片１４により連結棒２８と一体的に固
定されたストッパー片１３ａを押しつつ、図１１（Ｄ）
の状態まで回転するので、連結棒２８は回転を始め、上
部の四方弁Ｂ部の弁体３６に回転を伝える。これによ
り、弁体３９が図８の状態から図９の状態まで９０°回
転し、冷房運転に切り換わる。

【００１８】この暖房運転から冷房運転に切り換える
際、弁体３９を９０°回転させるが、この時、弁体３９
における連通孔４７の貫通孔４５側の内縁外端部に当接
していたストッパー４４が連通孔４７の貫通孔４６側の
内縁外端部に図９の如く当接することにより確実に停止
する。

【００１９】この弁体３９の切り換えにより、気密連通
孔４８は導出孔３４と通孔３５の間を気密的に連通させ
ることになるため、圧縮機Ｆの吐出口から出た冷媒は、
導入管４０→導入口３３→連通孔４７→通孔３６→導孔
管４３を経て室外熱交換器Ｄに入り、制御弁の出入口パ
イプ２１→弁口８→出入口パイプ１９を経て室内熱交換
器Ｅを通り、通孔管４２→通孔３５→連通孔４８→導出
口３４→導出管４１を経て圧縮機Ｆに戻る。

【００２０】この冷房運転、即ち、図１１（Ｄ）の状態
で最適絞り度を得ようとする時は、針状弁３が閉弁方向
に回転するように固定子コイル２に通電する。それによ
り、前記とは逆の原理にて、モータの回転子５は遅延伝
達手段とは接触することなく上面から見て矢印とは逆の
右方向に一回転し、回転子の凸部９が遅延伝達手段１６
の下方の突出片１５の反対側に当たる。続いて回転子５
が回転すると、遅延伝達手段１６の下方の突出片１５が
ロータースリーブの凸部９に押されて右方向に回転し、
やがて上方の突出片１４が前記ストッパー片１３と当接
するまで、回転子５が回転する。この間ねじ軸４による
針状弁３の上下作用により弁口８の開口面積を変化させ
ることができ、最適絞り度の位置で冷房運転が可能とな
る。

【００２１】再び暖房運転に切り換えたい時は、針状弁
３が更に閉弁方向に回転するように固定子コイル２に通
電すると、遅延伝達手段１６の上方の突出片１４がスト
ッパー片１３ａと当接し連結棒２８が図１１において反
時計方向に回転し、弁体３９は図９の状態から図８の状
態に９０°回動して暖房運転に切り換わる。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術で
は、弁口８の内径を大口径（例えば、φ３ｍｍ→φ６ｍ
ｍ）にし、かつ、大流量高差圧の冷媒を流量制御（絞り
制御）する場合には、回転子５の上部と下部に高差圧が
作用し、針状弁３の受圧面積と圧力差に比例して増大す
る作動抵抗力により以下のような問題点があった。針状弁３を開閉弁させるのに大型のモータ（固定子コ
イル２や回転子５など）が必要であり、配管スペースに
無駄が生じた。大型モータは、部品コストを高くした。大型のモータを駆動させると、消費電力がアップし、
エアコンの運転コストを高くした。

【００２３】

【問題点を解決するための手段】本発明の制御弁は、膨
張弁の機能を果たす電動弁Ａ部と、冷房時と暖房時の冷
媒の流路を切り換える機能を果たす四方弁Ｂ部からなる
従来の制御弁において、回転子５と一体化された弁体５
１の外周面におねじ５２と円筒状のシール部５３及び弁
部５５のを設けると共に中心部に均圧孔５６を設けるこ
とにより、回転子５を回転させ上下動させるときに圧力
差によって発生する作動抵抗力をなくすことにより、小
さな駆動力（小型モータ）で大流量の冷媒の流量制御
（絞り制御）可能とすることを特徴とするものである。

【００２４】すなわち、本発明に係る制御弁は、非磁性
体からなるケース１外周部の固定子コイル２への通電に
よるケース１内の回転子５の回転により、この回転子５
の中心下方に一体的に設けられたおねじを介しておねじ
の下端に設けられた弁を上下動させ、ケース１の下端に
設けた弁ボディ６下部の弁口８の開度を制御する電動弁
Ａ部と、少なくとも３つの開口を同心円上に設けた金属
円板状の弁座３７を前記ケース１の上端に設け、この弁
座３７の下面を摺動回転して前記３つの開口の少くとも
２つを気密的に連通させ、他の１つの開口は開放状態と
する弁体３９とからなる四方弁Ｂ部と、前記電動弁Ａ部
の回転子５と四方弁Ｂ部の弁体３９との間に設けた、電
動弁Ａ部の弁口８が全開直前の位置と全閉直前の位置に
おいて回転を伝える伝達装置Ｃ部とにより構成され、前
記電動弁Ａ部の回転子５の回転力を利用して、電動弁Ａ
部の弁口８の絞り開閉と四方弁Ｂ部の弁体３９の回転に
よる流路切換とを連動して行なう制御弁において、前記
回転子５の中心部には弁体５１を一体的に設け、該弁体
５１の外周部にはおねじ５２と円筒状のシール部５３及
び弁部５５のを設けると共に中心部に均圧孔５６を設け
て前記ケース１内に形成しているチャンバー６２と前記
弁口８の下に形成している開口２０とを連通させ、前記
弁ボディ６には、中央上部にめねじ６０を有する推進軸
受７を設けると共に、その下方に前記弁体５１のシール
部５３を気密シールするパッキン６１を設けた制御弁で
ある。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明の一実施例を図１、図２に
基づき詳細に説明する。なお、従来技術の制御弁Ｚと同
じ部品については同一の符号を用いている。本発明の制
御弁は、図１に示す如く、伝達装置Ｃ部及び四方弁Ｂ部
については、従来技術の制御弁と構造が同一のため従来
技術と重複ので詳細な説明は省略する。

【００２６】本発明の制御弁の電動弁Ａ部の構造は、ケ
ース１と固定子コイル２と回転子５および回転子に固着
された弁体５１と弁ボテディ６とにより構成されてい
る。前記弁ボディ６は、上部を大径部１ａとした非磁性
体からなる円筒状ケース１の下端部に取り付けられるも
のであり、図２に示すように、該弁ボディ６の中央上部
には、めねじ６０を有する推進軸受７を固定保持してい
る軸受座部５７が設けられ、その下方に弾性体でできて
いるリング状のパッキン６１をはめ込むためのパッキン
溝５８が設けられ、続いて内径φＤ１を有するガイド部
５９、チャンバー１７、内径φＤ２を有する弁口８が設
けられるとともに、チャンバー１７の側部には開口１８
が設けられている。又、弁口８の下部には開口２０が設
けられており、さらに、開口１８には出入口パイプ１９
を、開口２０には出入口パイプ２１が取り付けられてい
る。

【００２７】一方、ケース１の下部外周には固定子コイ
ル２が設けられ、該ケース１内にはチャンバー６２が形
成されている。又、前記チャンバー６２内に配置された
回転子５の中心部には弁体５１が一体的に設けられてお
り、該弁体５１の外周には、上から順に前記めねじ６０
と螺合するおねじ５２、前記ガイド部５９の内径φＤ１
より小さい外径で前記パッキン６１とにより気密保持す
る円筒状のシール部５３、同じく前記ガイド部５９の内
径φＤ１より小さい内径φＤ３を有する小径部５４及び
前記弁口８の内径φＤ２より小さい外径で弁口８と接離
することにより弁口８の開口度を制御するストレート円
筒状の弁部５５が形成されている。又、前記弁体５１の
中心部には、前記チャンバー６２と前記開口２０とを連
通する内径φＤ４を有する均圧孔５６が形成されてい
る。

【００２８】

【作用】本発明の制御弁の回転子５が上下動する際に、
圧力差によって回転子５に加わる作動抵抗力を、いかに
無くすことができるかについて説明する。ここで、開口
１８での内圧を圧力Ｐ1 、開口部２０での内圧をＰ2 と
すると、圧力損失がほとんどなく開口１８と連通してい
るチャンバー１７の内圧はＰ1 となり、さらに、同じく
圧力損失がほとんどなく均圧孔５６と連通しているチャ
ンバー６２の内圧はＰ2 となる。次ぎに、各室の内圧に
よって回転子５に加わる力は、それぞれ以下のようにな
る。チャンバー６２内において回転子５に加わる下向き
の力Ｒ1 は、Ｒ1 ＝１／４×π・（Ｄ1²−Ｄ4²）・Ｐ2 となり、チャンバー１７内において回転子５に加わる上
向きの力Ｒ2 は、Ｒ2 ＝１／４×π・（Ｄ1²−Ｄ3²）・Ｐ1 となり、チャンバー１７内において回転子５に加わる下
向きの力Ｒ3 は、Ｒ3 ＝１／４×π・（Ｄ2²−Ｄ3²）・Ｐ1 となり、開口２０内において回転子５に加わる上向きの
力Ｒ4 は、Ｒ4 ＝１／４×π・（Ｄ2²−Ｄ4²）・Ｐ2 となる。よって、圧力差によって回転子５に発生する作
動抵抗力Ｒ（下向きの力を＋とする）は、Ｒ＝Ｒ1 −Ｒ2 ＋Ｒ3 −Ｒ4 ＝１／４×π・（Ｄ1²−Ｄ2²）・（Ｐ2 −Ｐ1 ）となり、ここで、Ｄ1 ＝Ｄ2 とすると、Ｒ＝０となり、
弁口８の内径φＤ2 や圧力差（Ｐ2 −Ｐ1 ）が、いくら
大きくなっても、弁口８の内径φＤ2 をガイド部５９の
内径φＤ1 と等しく設計すれば、均圧孔５６とパッキン
シールの働きにより圧力差によって回転子５に発生する
作動抵抗力Ｒがゼロとなり、大きなモータは不要とな
る。

【００２９】なお、上述の実施例では、おねじ５２及び
めねじ６０が上側で、シール部５３及びパッキン６１が
下側となる取付関係で説明したが、その取付関係が上下
逆に取り付いても同様な効果が得られることは明白であ
る。

【００３０】さらに、上述の実施例では、弁部５５の外
周形状をストレート状として説明したが、図３に示すよ
うに、様々な流量特性（回転子５の回転位置＜ステップ
数＞と流量との関係）の弁を設計するために弁部５５の
外周形状をテーパー面６３を形成させたり、弁部５５の
側面の一部にスリット６４を設けたりするが、この場合
においても同様な効果が得られる。

【００３１】

【発明の効果】本発明の制御弁は、膨張弁の機能を果た
す電動弁Ａ部と、冷房時と暖房時の冷媒の流路を切り換
える機能を果たす四方弁Ｂ部からなる従来の制御弁にお
いて、回転子５と一体化された弁体５１の外周部にシー
ル部５３を形成するとともに、中心部に均圧孔５６を形
成することにより、回転子５を回転させ上下動させると
きに冷媒の圧力差によって発生する作動抵抗力をなくす
ことを可能とするものである。

【００３１】したがって、大流量高差圧の冷媒を流量制
御（絞り制御）する場合でも下述のような効果が得られ
る。大型のモータ（固定子コイル２や回転子５など）は不
要となり、配管スペースに無駄が生じない。小型モータにより、部品コストを安くできる。小型モータにより駆動時の消費電力がダウンし、エア
コンの運転コストを安くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の制御弁の一実施例の暖房状態におけ
る縦断面図。

【図２】本発明の制御弁の電動弁Ａ部拡大縦断面図。

【図３】本発明の制御弁の他の実施例の弁口近傍拡大
図で、（Ａ）は弁部形状をテーパー状とした例の拡大
図、（Ｂ）は弁部にスリットを設けた例の拡大図。

【図４】制御弁を用いた冷凍サイクル図であり、実線
矢印は暖房運転時の冷媒の流れを示す。

【図５】従来技術の制御弁の暖房状態における縦断面
図。

【図６】従来技術の制御弁の弁座と弁体との分解斜視
図で、（Ａ）は弁座の斜視図、（Ｂ）は弁体の斜視図。

【図７】従来技術の制御弁の弁座と弁体とを組み合わ
せた状態における断面図で、（Ａ）は図６のＡ−Ａ断面
図、（Ｂ）は図６のＢ−Ｂ断面図。

【図８】従来技術の制御弁の暖房時における弁座と弁
体の位置関係を示す平面図。

【図９】従来技術の制御弁の冷房時における弁座と弁
体の位置関係を示す平面図。

【図１０】従来技術の制御弁の遅延連結手段の一部切
欠斜視図。

【図１１】冷・暖切換時における従来技術の制御弁の
遅延連結手段の作動状態を説明するための平面図であ
り、（Ａ）は暖房時、（Ｂ）〜（Ｃ）は弁口の絞り時、
（Ｄ）は冷房時の状態を示す平面図。

【符号の説明】

Ａ電動弁Ｂ四方弁Ｃ
伝達装置Ｄ室外側熱交換器Ｅ室内側熱交換器Ｆ
圧縮機Ｚ制御弁Ｒ作動抵抗力Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ3 、Ｒ4 力Ｐ1 、Ｐ2 内圧 φＤ1 、φＤ2 φＤ3 、φ
Ｄ4 内径１ケース２固定子コイル３
針状弁４ねじ軸５回転子６
弁ボディ７推進軸受８弁口９
凸部１０蓋１１フランジ部１３ａストッパー片１３ストッパー１
４上方の突出片１５下方の突出片１６遅延伝達手段１
７チャンバー１８開口１９パイプ２
０開口２１パイプ２２孔２
３圧縮コイルばね２４ボス２５内歯２
６ガイドブッシュ２７鍔２８連結棒２
９外歯３０係合手段３１弁本体３
２円筒状のケース３３開口（導入口）３４開口（導出口）３
５開口（通孔）３６開口（通孔）３７弁座３
８圧縮コイルばね３９弁体４０導入管４
１導出管４２通孔管４３通孔管４
４弁体ストッパー４５貫通孔４６貫通孔４
７連通孔４８連通孔５１弁体５２おねじ５
３シール部５４小径部５５弁部５
６均圧孔５７軸受座部５８パッキン溝５
９ガイド部６０めねじ６１パッキン６
２チャンバー６３テーパー面６４スリット

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】非磁性体からなるケース１外周部の固定子
コイル２への通電によるケース１内の回転子５の回転に
より、この回転子５の中心下方に一体的に設けられたお
ねじを介しておねじの下端に設けられた弁部を上下動さ
せ、ケース１の下端に設けた弁ボディ６下部の弁口８の
開度を制御する電動弁Ａ部と、少なくとも３つの開口を
同心円上に設けた金属円板状の弁座３７を前記ケース１
の上端に設け、この弁座３７の下面を摺動回転して前記
３つの開口の少くとも２つを気密的に連通させ、他の１
つの開口は開放状態とする弁体３９とからなる四方弁Ｂ
部と、前記電動弁Ａ部の回転子５と四方弁Ｂ部の弁体３
９との間に設けた、電動弁Ａ部の弁口８が全開直前の位
置と全閉直前の位置において回転を伝える伝達装置Ｃ部
とにより構成され、前記電動弁Ａ部の回転子５の回転力
を利用して、電動弁Ａ部の弁口８の絞り開閉と四方弁Ｂ
部の弁体３９の回転による流路切換とを連動して行なう
制御弁において、前記回転子５の中心部には弁体５１を
一体的に設け、該弁体５１の外周部にはおねじ５２と円
筒状のシール部５３及び弁部５５を設けると共に中心部
に均圧孔５６を設けて前記ケース１内に形成しているチ
ャンバー６２と前記弁口８の下に形成している開口２０
とを連通させ、前記弁ボディ６には、中央上部にめねじ
６０を有する推進軸受７を設けると共に、その下方に前
記弁体５１のシール部５３を気密シールするパッキン６
１を設けたことを特徴とする制御弁。