JP4081290B2 - 四方切換弁 - Google Patents

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    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、四方切換弁に係り、特に、主弁の切換動作時に主弁を弁座から浮上させて主弁の切換動作を容易に行わせることができる四方切換弁に関する。
【従来の技術】
【0002】
一般に、ルームエアコン等として用いられる空気調和機は、冷媒の流れる方向を切換えて冷房運転又は暖房運転を行うことができ、この冷媒の流れ方向の切換えは切換弁によって行っている。
図11は、切換弁を用いた空気調和機の冷暖房サイクルの一例を示したものである。該冷暖房サイクルは、圧縮機Cと、切換弁SVと、熱交換器(凝縮器)E1,熱交換器(蒸発器)E2と、電子リニア制御弁Tとが接続され、冷房運転時の冷媒は、実線矢印で示すように、圧縮機C、切換弁SV、室外熱交換器E1、電子リニア制御弁T、室内熱交換器E2の順に流れ、切換弁SVを経て、再び圧縮機Cに戻って循環する。
暖房運転時の冷媒は、一点鎖線矢印で示すように、圧縮機C、切換弁SV、室内熱交換器E2、電子リニア制御弁T、室外熱交換器E1の順に流れ、切換弁SVを経て、再び圧縮機Cに戻って循環する。
【0003】
前記切換弁の一例として、四方切換弁の技術が種々提案されている。
例えば、実用新案登録第2523031号公報記載の四方切換弁の技術は、弁本体内において吐出圧力導通孔及び導通孔、吸入圧力導通孔及び導通孔における相互間の冷媒流路の切換えを主弁の内側と外側とで行っている。
【0004】
しかし、この技術においては、主弁の内側では低圧の吸入圧力が生じ、主弁の外側では高圧の吐出圧力が生じるので、主弁を挟んで圧力差が発生することから切換え動作が重くなる傾向があり、この点で、この四方切換弁は冷媒流路の切換え動作の容易性・敏捷性については特に考慮がなされていない。
また、特公平1−32389号公報記載の四方切換弁の技術は、弁本体の圧力差をなくした後に、主弁による冷媒通路の切換え動作が行われるものであるが、弾性部材の伸縮によって主弁の回動を行っているので、冷媒流路の切換え動作の敏捷性、及び四方切換弁の信頼性については格別の配慮がなされていない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本出願人は、上記問題を解決するために、先に特願2000−330377号(特開2002−013843号)、特願2001−147265号(特開2002−340446号)として、冷媒流路の切換え動作の円滑性の向上を課題とした四方切換弁を提供している。
本発明は、更にこれを改良したもので、その課題とするところは、冷媒流路の切換え動作の円滑性及び敏捷性の一層の向上を図るとともに、切換弁としての信頼性を一層向上させることができる四方切換弁を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
前記課題を達成すべく本発明に係る電動弁は、下記の手段からなるものである。
請求項1記載の四方切換弁は、ステータとロータからなるモータ部と、ケースと該ケース内の弁室に配置された主弁と弁座とからなる本体部と、を備えた四方切換弁において、弁座は、圧縮機の吸入圧力側と吐出圧力側とにそれぞれ連通する吸入圧力導通孔と吐出圧力導通孔とを備え、且つ、室内及び室外の各熱交換器にそれぞれ連通する二つの導通孔とを備え、主弁は、前記吸入圧力導通孔と前記二つの導通孔に選択的に連通する低圧連通凹部と、前記吐出圧力導通孔と前記二つの導通孔に選択的に連通する高圧連通凹部とを備え、更に、前記低圧連通凹と前記弁室とを連通する均圧孔と、前記高圧連通凹部と前記弁室とを連通する連通孔とを備えるとともに、主弁上には、ロータの回転に連動する閉止弁支持体を設け、該閉止弁支持体には、第1閉止弁と第2閉止弁とを具備させ、該第1閉止弁と第2閉止弁とにより、均圧孔と連通孔とを選択的に開閉可能とすると共に、連通孔が閉で且つ均圧孔が開状態において、主弁を流路切換えのために移動させることを特徴とする。
【0007】
請求項2記載の四方切換弁は、請求項1記載の手段に加えて、主弁は、上記の移動時において弁座上面から離れた状態となることを特徴とする。
請求項3記載の四方切換弁は、請求項1又は2記載の手段に加えて、閉止弁支持体の回転手段として、ロータと一体に回転する駆動歯部と閉止弁支持体側に設けた受動歯部とから駆動部を形成し、該駆動部はトルク増幅可能に形成することを特徴とする。
【0008】
請求項4記載の四方切換弁は、請求項1〜3記載のいずれかの手段に加えて、第1閉止弁と第2閉止弁とは、主弁側に弾圧状態で閉止弁支持体に支持させることを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の四方切換弁100の実施形態について説明する。図1は本発明の実施形態における四方切換弁の外観斜視図、図2(A)は図1の縦断面図、図2(B)は図2(A)のA−A断面図、図3は同四方切換弁の本体部の斜視図、図4は同四方切換弁の主弁の底面図である。
なお、以下の説明において、「上下左右」の意味は、図面の記載における上下左右であり、実際に使用状態においては、必ずしも上下左右になるとは限らない。
【0010】
図示の実施形態の四方切換弁100は、ステッピングモータを備えたモータ部10と、主弁70を備えた本体部50とからなり、主弁70を前記モータ部10への通電に伴って弁座80上で回動させ、冷媒流路の切換えを行わせる。
モータ部10は、ステータ20とロータ40とを具備し、ステータ20は上下に格納されたステータコイル21及びヨーク22を備え、ステ一タコイル21はリード線が束ねられたケーブル23を備え、ステータ20の外周にはコネクタ24が接続されている。
【0011】
本体部50は、ケース30と、ケース30の下端部に気密状に連結固定された本体ケース51と、主弁70と、主弁70上に配置される閉止弁支持体60と、弁座80と、導管群90と、から構成される。ケース30にはモータ部10が外嵌されるとともに、ロータ40等が内嵌される。
【0012】
ロータ40は支持軸42に挿設され、その外周には磁石を具備している。また、ロータ40下部には連結リング枠41を介して駆動部47が一体的に固定されている。駆動部47の下部外周には所定高さにわたって駆動歯部48が形成されている。
【0013】
支持軸42は、その下部が主弁70の支持軸孔71に回転可能に支持されており、また、主弁70側と支持軸42側との間に取り付けられた押しばね46により弾性的に上方に支持されている。また、支持軸42の上端部はケース30に回転可能に支持されている。
【0014】
ケース30の下部には、一体接合された本体ケース51が形成され、該本体ケース51の下部には、ステンレス等からなる弁座80が内嵌され、本体ケース51と弁座80とが一体に固定される。
弁座80は弁室73の底部を構成しており、本体ケース51の下端に接合部81により連結され、圧縮機の吸入圧力を導入する吸入圧力導通孔82、吐出圧力を導入する吐出圧力導通孔83、室外及び室内の熱交換器に連通される室外熱交換器用の導通孔84、及び、室内熱交換器用の導通孔85が設けられ、これらの孔82〜85は上下に貫通して形成されている。
【0015】
また、それぞれの孔82〜85の下面に、導管群90として、銅合金等からなる吸入圧力導通管92、吐出圧力導通管93、室外熱交換器用の導通管94、及び、室内交換機用の導通管95が連結されている。なお、吐出圧力導通管93の上端部は弁座80の上面より上方に、即ち高圧連通凹部74内に突出しており、主弁70の動きに対するストッパの機能を有している。弁座80の上面は平面状をなし、その上面で主弁70の下端面と接している。
【0016】
導通孔82〜85について更に詳しく説明すると、図2(A)(B)に示すように、吸入圧力導通孔82及び吐出圧力導通孔83は、弁座80の中心部に対して対称位置に設けられているとともに、室外熱交換器用の導通孔84及び室内熱交換器用の導通孔85は、前記弁座80の中心部に対して対称位置で吸入圧力導通孔82と吐出圧力導通孔83とから所定角度離してそれぞれ設けられている。
【0017】
導管群90は、前記吸入圧力導通孔82に接続される吸入圧力導通管92と、前記吐出圧力導通孔83に接続される吐出圧力導通管93と、前記導通孔84に接続される室外熱交換器用の導通管94と、前記導通孔85に接続される室内交換機用の導通管95の四本からなり、前記弁座80の下部にそれぞれ接続・固定される。
【0018】
主弁70は、例えば合成樹脂を素材として形成され、ケース30内の弁室73に収容され、弁座80の上面で支持軸42に軸支されて回転・摺動可能に載置されている。主弁70は、図2〜4に示すように、平面視円形で、所定高さを有し、その中心部の中央凹部72には支持軸孔71が穿設され、下面には円周方向に沿って湾曲し所定深さを有する高圧連通凹部74と低圧連通凹部75とが形成される。
【0019】
そして、高圧連通凹部74には、上方の弁室73に連通する連通孔76が穿設され、低圧連通凹部75には、上方の弁室73に連通する均圧孔77が穿設される。本実施例では、上記均圧孔77の孔径は連通孔76の孔径よりも大としている。また、上記主弁70の上面には、閉止弁支持体60を軸支する軸ピン78が立設されるとともにその近傍には、後述の凹孔60bに遊嵌させる連動突部79が立設されている。
【0020】
前記主弁70の上面には閉止弁支持体60が配置されている。閉止弁支持体60は、特に図2,3に示されるように、円柱状に形成され、その側面には所定角度にわたって受動歯部65が形成され、該受動歯部65は駆動歯部48と噛み合うように配置される。
【0021】
上記閉止弁支持体60の中心には、回転軸孔(符号なし)が形成されるとともに、その周部には前記受動歯部65に近接して所定幅を有する凹孔60bが上下に貫通状態で形成されている。閉止弁支持体60は軸ピン78に回転自在に軸支される。また、前記のように、凹孔60bには連動突部79が遊嵌され、閉止弁支持体60が主弁70に対して所定角度だけ回転可能に構成されている。
上記閉止弁支持体60の二箇所に設けられた孔には、上下に摺動可能な第1閉止弁63及び第2閉止弁64が嵌挿され、両閉止弁63,64はそれぞれ閉止弁ばね66及び閉止弁ばね67により下方に押圧されるように装着されている。
そして、閉止弁支持体60は、主弁70に対して凹孔60bにより所定範囲の角度で回動可能に形成され、閉止弁支持体60の前記回転により、第1閉止弁63は連通孔76又は均圧孔77を選択的に開閉するように配置され、第2閉止弁64は閉止弁支持体60の回転により、連通孔76を開閉するように配置される。換言すれば、主弁70に対する閉止弁支持体60の回転により、連通孔76または均圧孔77が選択的に開閉されることになる。
【0022】
次に、四方切換弁100の具体的な作動について説明する。
図5は、同四方切換弁の冷房状態を示す説明図(A),(B)、図6は、同冷房状態から暖房への切換動作1を示す説明図(A),(B)、図7は、同冷房状態から暖房への切換動作2を示す説明図(A),(B)である。
図8は、同四方切換弁の暖房状態を示す説明図(A),(B)、図9は、同暖房状態から冷房への切換動作1を示す説明図(A),(B)、図10は同暖房状態から冷房への切換動作2を示す説明図(A),(B)、図11は、冷暖房運転時のサイクル構成図である。
【0023】
四方切換弁100を用いて冷媒流路の切換(冷暖房の切換)を行うには、切換スイッチ(図示せず)によりケーブル23及びコネクタ24を通じてステータコイル21に通電して励磁させることによりモータ部10を駆動させ、ロータ40を回転させ、該ロータ40の回転を介して支持軸42を回転させる。
そして、支持軸42と一体の駆動部47を介して、閉止弁支持体60を主弁70上で回動(自転)させる。この閉止弁支持体60の回転により、前記連通孔76又は均圧孔77を開閉させると共に、更なる支持軸42の回転により、閉止弁支持体60と一体状態の主弁70を支持軸42中心に弁座80上で回動させ(主弁70は自転、閉止弁支持体60は公転)、後述するように冷媒流れの切換えを行う。
【0024】
(冷房から暖房への切換)
次に、具体的な冷暖房の切換について、図5〜8を用いて説明する。先ず、冷房から暖房への切換について説明する。
(冷房状態・図5)
図5は、冷房から暖房への切換前の状態(冷房状態)を示しており、主弁70に対する閉止弁支持体60の位置により、均圧孔77は第1閉止弁63により「閉」、連通孔76は「開」となっている。この状態において、主弁70の高圧連通凹部74を介して、圧縮機Cからの吐出圧力導通孔83と室外熱交換器E1への導通孔84とは連通している。
また、主弁70の低圧連通凹部75を介して、圧縮機Cへの吸入圧力導通孔82と、室内熱交換器E2からの導通孔85は連通している(図11の実線矢印参照)。また、連動突部79は凹孔60bの中央位置にあり、高圧連通凹部74の一側端は吐出圧力導通管93の上端部に当接している。
【0025】
この状態において、四方切換弁100では、連通孔76の「開」により、高圧連通凹部74と弁室73とは連通し、弁室73内の冷媒圧は高圧連通凹部74内の冷媒圧と略同一となっている。一方、低圧側の低圧連通凹部75は、第2閉止弁64により「閉」となっているから低圧状態である。その結果、閉止弁支持体60は弁室73からの高い冷媒圧により、主弁70側に押圧され、主弁70と閉止弁支持体60とは高い気密性が保たれており、円滑な冷媒の移動が実現している。
【0026】
(切換動作・図6)
図5における冷房状態から暖房に切り換えるに当たっては、モータ部10のスイッチをオンする。このオンにより、ロータ40が回転し、駆動部47の所定角度の回転により、駆動歯部48と受動歯部65とが噛み合い回転し、図6(B)の矢印に示すように、閉止弁支持体60が所定角度回転する。主弁70は吐出圧力導通管93に当接しているから移動(回動)しない。
この閉止弁支持体60の回転後の状態は図6に示されており、主弁70は回転に至らず、連動突部79が凹孔60bの壁面に係合せず、連動突部79が凹孔60bの一端部に当接するまで閉止弁支持体60のみ回転する。この状態において、第2閉止弁64が連通孔76を「閉」とするとともに均圧孔77を「開」とする。
【0027】
連通孔76が閉止される結果、高圧連通凹部74内の高圧冷媒が弁室73に供給されなくなるばかりでなく、弁室73内の高圧冷媒が均圧孔77を介して低圧連通凹部75に流れることになり、結果として弁室73内の冷媒圧が低下する。そのため、主弁70に対して、下からの冷媒圧が弁室73からの冷媒圧より大となり、主弁70は弁座80から浮き上がって隙間86が形成されることになる。この隙間86の形成により、閉止弁支持体60の回転はスムースになる。
【0028】
(主弁移動・図7)
このスムースな回転状態において、連動突部79は凹孔60bの壁面に当接しており、閉止弁支持体60の更なる回転によって、主弁70は閉止弁支持体60とともに支持軸42を中心に弁座80に対して、図7(B)の矢印に示すように、回転することになる(閉止弁支持体60は公転、主弁70は自転)。この回転後の状態が図7である。そして、高圧連通凹部74の他端部は吐出圧力導通管93に当接して、閉止弁支持体60及び主弁70の回転は停止する。
【0029】
この結果、高圧連通凹部74を介して、吐出圧力導通孔83と導通孔85とが連通するとともに、低圧連通凹部75を介して、導通孔84と吸入圧力導通孔82が連通するようになる。即ち、冷媒流路の切換が行われたことになる。そしてこの切換において、主弁70は弁座80から浮き上がった状態で回転することになり、主弁70の回転がスムースに行われる。
【0030】
(暖房状態・図8)
図7に示す均圧孔77が「開」、連通孔76が「閉」である状態から、モータ部10は、プログラム上、駆動部47を自動的に所定角度反転するように設定されている。その結果、図8に示すように、高圧連通凹部74の他端部が吐出圧力導通管93に当接して主弁70の回転が停止している状態において、閉止弁支持体60が反対方向に回転し(図8(B)参照)、第1閉止弁63は均圧孔77を「閉」とするとともに連通孔76を「開」とする。
この結果、弁室73内の冷媒圧が高くなり、主弁70は弁座80に押圧状態となって、冷媒が、高圧連通凹部74を介して吐出圧力導通管93から導通管95へ、また、低圧連通凹部75を介して導通管94から吸入圧力導通管92へ高い気密性を保持されながら円滑に流れることになる。
以上によって、冷房状態から暖房状態への切換が完了する。
【0031】
(暖房から冷房への切換)
次に、暖房から冷房への切換について、図8〜10及び図5を用いて説明する。
(暖房状態・図8)
図8(A)(B)は切換前の暖房状態を示しており、前述のように、弁座80、主弁70および閉止弁支持体60の位置関係により、連通孔76は「開」であり、均圧孔77は「閉」の状態である。また、この状態においては、連動突部79は、凹孔60bの中央部に位置し、また、高圧連通凹部74の他端部は、吐出圧力導通管93の上端部に当接している。
【0032】
(閉止弁支持体動作・図9)
暖房スイッチをオンすることにより、モータ部10により支持軸42が回転し、閉止弁支持体60が図9(A)(B)の矢印で示すように所定角度回転する。この間、回転する凹孔60bは連動突部79に係合しないから、主弁70に回転力は伝わらない。この閉止弁支持体60の回転の間、連通孔76は「閉」となり、均圧孔77は「開」となる。その結果、弁室73内の冷媒圧は低下するため、主弁70に対する冷媒圧は下部の方が大きくなり、該冷媒圧の差圧により、主弁70は弁座80から浮上することになる。
【0033】
(主弁移動・図10)
この浮上状態において、更なる支持軸42の回転(図10(B)に示す矢印)に伴って、凹孔60bは連動突部79に係合し、係合後は、閉止弁支持体60の回転(公転・図10(B)に示す矢印)により、連動して主弁70も回転する(図10(A)に示す矢印)。この間、主弁70は浮上状態にあることから、その回転に伴う流路切換がスムースに行われる。
そして、図10に示すように、第2閉止弁64が連通孔76を「閉」とし、均圧孔77を「開」とする。この主弁70の動きは、高圧連通凹部74の一端部が吐出圧力導通管93に当接することで停止する。
この状態において、冷媒流路は切り換えられ、図10に示すとおり、高圧連通凹部74を介して吐出圧力導通管93と導通管94が連通し、低圧連通凹部75を介して導通管95と吸入圧力導通管92が連通する。この時点で暖房から冷房への冷媒流路の切換がなされたことになる。
【0034】
(冷房状態・図5)
図10(A)(B)の状態から、閉止弁支持体60は支持軸42により自動的に逆回転(図5(A)(B)の矢印参照)し、図5に示す通り、均圧孔77が「閉」となると共に連通孔76が「開」となって、高圧連通凹部74は弁室73と連通させる。その結果、弁室73内の冷媒圧が高くなり、主弁70の浮上は冷媒流路の切り換えが終了した時点で消滅する。
主弁70は弁座80に押圧状態となって、冷媒が、高圧連通凹部74を介して吐出圧力導通管93から導通管94へ、また、低圧連通凹部75を介して、導通管95から吸入圧力導通管92へ高い気密性を保持されながら円滑に流れることになる。
【0035】
【発明の効果】
上記構成により、請求項1記載の発明によれば、冷媒の流路切換が主弁の浮上状態において行われるため極めて軽快に行われるようになった。
また、請求項2に記載の発明によれば、上記効果に加えて、主弁、弁座ともに互いに離れた状態で移動し摺接することがないため、前記両部材の磨耗が発生せず、耐久性が向上する。
【0036】
また、請求項3記載の発明によれば、上記いずれかの効果に加えて、駆動部においてトルク増幅効果があるから閉止弁支持体の駆動力が少なくて済み、装置全体の小型化・軽量化を実現することができるに至った。
また、請求項4記載の発明によれば、上記いずれかの効果に加えて、第1閉止弁及び第2閉止弁が主弁側に弾圧状態となっているから、連通孔及び均圧孔への接離の動作が確実となり、冷媒の漏れ等の発生が少なくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例における四方切換弁の外観斜視図。
【図2】(A)は図1の縦断面図、(B)は図2(A)のA−A断面図。
【図3】同四方切換弁の本体部の斜視図。
【図4】同四方切換弁の主弁の底面図。
【図5】同四方切換弁の冷房状態を示す説明図(A),(B)。
【図6】同冷房状態から暖房への切換動作1を示す説明図(A),(B)。
【図7】同冷房状態から暖房への切換動作2を示す説明図(A),(B)。
【図8】同四方切換弁の暖房状態を示す説明図(A),(B)。
【図9】同暖房状態から冷房への切換動作1を示す説明図(A),(B)。
【図10】同暖房状態から冷房への切換動作2を示す説明図(A),(B)。
【図11】冷暖房運転時のサイクル構成図。
【符号の説明】
C・・・圧縮機 SV・・・切換弁 T・・・電子リニア制御弁
E1・・熱交換器(凝縮器) E2・・熱交換器(蒸発器)
10・・モータ部 20・・ステータ 21・・ステータコイル
22・・ヨーク 23・・ケーブル 24・・コネクタ
30・・ケース
40・・ロータ 41・・連結リング枠 42・・支持軸
46・・押しばね 47・・駆動部 48・・駆動歯部
50・・本体部 51・・本体ケース
60・・閉止弁支持体 60b・・凹孔
63・・第1閉止弁 64・・第2閉止弁 65・・受動歯部
66,67・・閉止弁ばね
70・・主弁 71・・支持軸孔 72・・中央凹部
73・・弁室 74・・高圧連通凹部 75・・低圧連通凹部
76・・連通孔 77・・均圧孔 78・・軸ピン
79・・連動突部 80・・弁座 81・・接合部
82・・吸入圧力導通孔 83・・吐出圧力導通孔
84・・(室外熱交換器用の)導通孔 85・・(室内熱交換器用の)導通孔
86・・隙間
90・・導管群 92・・吸入圧力導通管
93・・吐出圧力導通管 94・・(室外熱交換器用の)導通管
95・・(室内熱交換器用の)導通管 100・・四方切換弁

Claims (4)

  1. ステータとロータからなるモータ部と、ケースと該ケース内の弁室に配置された主弁と弁座とからなる本体部と、を備えた四方切換弁において、
    弁座は、圧縮機の吸入圧力側と吐出圧力側とにそれぞれ連通する吸入圧力導通孔と吐出圧力導通孔とを備え、且つ、室内及び室外の各熱交換器にそれぞれ連通する二つの導通孔とを備え、
    主弁は、前記吸入圧力導通孔と前記二つの導通孔に選択的に連通する低圧連通凹部と、前記吐出圧力導通孔と前記二つの導通孔に選択的に連通する高圧連通凹部とを備え、
    更に、前記低圧連通凹と前記弁室とを連通する均圧孔と、前記高圧連通凹部と前記弁室とを連通する連通孔とを備えるとともに、主弁上には、ロータの回転に連動する閉止弁支持体を設け、該閉止弁支持体には、第1閉止弁と第2閉止弁とを具備させ、該第1閉止弁と第2閉止弁とにより、均圧孔と連通孔とを選択的に開閉可能とすると共に、連通孔が閉で且つ均圧孔が開状態において、主弁を流路切換えのために移動させることを特徴とする四方切換弁。
  2. 主弁は、上記の移動時において弁座上面から離れた状態となることを特徴とする請求項1記載の四方切換弁。
  3. 閉止弁支持体の回転手段として、ロータと一体に回転する駆動歯部と閉止弁支持体側に設けた受動歯部とから駆動部を形成することを特徴とする請求項1又は2記載の四方切換弁。
  4. 第1閉止弁と第2閉止弁とは、主弁側に弾圧状態で閉止弁支持体に支持させることを特徴とする請求項1〜3記載のいずれかの四方切換弁。
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