JP4602593B2 - 電動モータ式切換弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動モータ式切換弁に係り、特に、主弁に吐出圧力の逃し弁を副弁として備えた電動モータ式切換弁に関する。
【０００２】
一般に、ルームエアコン等に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季節に応じて行うことができ、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９は、該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Ｅ１，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、弁本体内において前記吐出圧力導通孔及び前記導通孔、前記吸入圧力導通孔及び前記導通孔における相互間の冷媒流路の切換えを前記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号として、冷媒流路の切換え動作の容易性及び敏捷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容易性及び敏捷性の一層の向上を図るとともに、切換弁の信頼性を一層向上させることができる電動モータ式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モータ式切換弁は、ケース内の弁室に備わっている弁座を開閉する主弁を有する弁本体部と、該弁本体部の前記主弁の開閉駆動するステータとロータからなるモータ式駆動部とを備えてなる電動モータ式切換弁において、前記弁座は、圧力導通孔と、二つの導通孔とを備え、前記主弁は、前記圧力導通孔と前記二つの導通孔に選択的に連通する連通部と、該連通部と前記弁室とを連通する均圧孔とを備え、前記主弁上には前記ロータの回転に連動して回転する副弁を備え、前記副弁は均圧孔閉塞部を有し、前記副弁は前記主弁に対して一定角度だけ遊動可能に設けてあり、前記ロータが回転すると、それに連動して前記副弁が回転して、前記均圧孔閉塞部によって閉塞されていた前記均圧孔を解放し、さらに前記副弁が回転して前記遊動角を超えたとき前記副弁が前記主弁と一緒に回転し、前記導通孔の連通を切換えることを特徴とする。
【０００７】
さらに、本発明に係る電動モータ式切換弁は、前記主弁は、上記の移動において、前記弁座上面から離れた状態となることを特徴とする。さらに、本発明に係る電動モータ式切換弁は、前記副弁の回転手段として、前記ロータと一体的に回転する駆動歯部と前記副弁側に設けた受動歯部とから前記副弁の駆動部を形成し、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。
【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、本発明の実施例における四方切換弁の外観斜視図、図２は、図１の四方切換弁の縦断面図、図３は、同四方切換弁の要部の斜視図、図４は、同四方切換弁の主弁の平面図（ａ）、縦断面図（ｂ）及び底面図（ｃ）、図５は、同四方切換弁の副弁の平面図（ａ）、縦断面図（ｂ）及び底面図（ｃ）、図６は、同四方切換弁の軸ピンの平面図（ａ）、縦断面図（ｂ）及び底面図（ｃ）、図７の（ａ）乃至（ｄ）は、同四方切換弁の動作を示す平面図、図８の（ａ）乃至（ｄ）は、同四方切換弁の作動を示す説明図である。
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】
図示の実施例の四方切換弁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、本実施例の四方切換弁１００は、主弁７０を、前記ステッピングモータ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とから構成され、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には、リード線が束ねられたケーブル２３及びステータ２０の外周に設けられたコネクタ２４が接続されている。
【００１１】
本体部５０は、キャンであるケース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上に配置される副弁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。なお、ケース３０及び本体ケース５１は、例えば、ステンレスを素材として形成される。
【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が一体的に且つ支持軸４２に沿って固定されている。 駆動部４７の下部外周には一定高さにわたって駆動歯部４８が、例えば合成樹脂を素材として形成されている。
【００１３】
支持軸４２は、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、後述の主弁７０側と支持軸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おり、その上部は上からケース３０の支持凹部３１に回転可能に支持されている。即ち、前記支持軸４２の上端は、前記ケース３０の球状内面の頂点に突き当てられて点接触している。
【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には下部にステンレス等からなる弁座８０が内嵌され、ケース３０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、室内及び室外の熱交換器に連通される室外熱交換器用導通孔８４及び室内熱交換器用導通孔８５が設けられ、これらの孔は、上下に連通している。
【００１５】
また、それぞれの孔の下面に、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、吸入圧力導通管９２、及び、吐出圧力導通管９３の上端部は弁座８０の上面より上方に突出しており、主弁７０の動きにおけ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】
導通孔について更に詳しく説明すると、前記吸入圧力導通孔８２及び前記吐出圧力導通孔８３（図７）は、前記支持軸４２を中心としてその対称位置に設けられているとともに、室外熱交換器用導通孔８４及び室内熱交換器用導通孔８５（図７）は、前記下面側支持軸４２を中心としてその対称位置で前記吸入圧力導通孔８２と前記吐出圧力導通孔８３とから所定角度位置を異にしてそれぞれ設けられている。
【００１７】
前記導管群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、前記室外熱交換器用導通孔８４に接続される室外熱交換器用導通管９４と、前記室内熱交換器用導通孔８５に接続される室内交換機用導通管９５の四本からなり、前記弁座８０の下端側にそれぞれ接続固定される。
【００１８】
前記主弁７０は、例えば、合成樹脂を素材として形成され、前記ケース３０内の弁室７３に収容され、弁座８０の上面で支持軸４２に回転・摺動可能に載置されている。主弁７０は、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、平面視円形で、一定高さを有し、その中心部の中央凹部７２には、支持軸孔７１が穿設され、更に、その下面には、２つの連通部７４ａ，７４ｂが形成される。
上記一方の連通部７４ａは、図７（ａ），（ｂ）の状態では、吸入圧力導通孔８２と室内熱交換器用の導通孔８５とを連通させている。また、他方の連通部７４ｂは、図７（ａ），（ｂ）の状態では、吐出圧力導通孔８３と室外熱交換器用の導通孔８４とを連通させている。
また、図７（ｃ），（ｄ）の状態では、吸入圧力導通孔８２と室外熱交換器用の導通孔８４とを連通させている。また、他方の連通部７４ｂは、図７（ａ），（ｂ）の状態では、吐出圧力導通孔８３と室内熱交換器用の導通孔８５とを連通させている。
更に、一方の連通部７４ａには、上方の弁室７３に連通する均圧孔７７が穿設され、他方の連通部７４ｂには、上方の弁室７３に連通する連通孔７５が穿設される。
【００１９】
本実施例では、上記均圧孔７７の孔径は、連通孔７５の孔径よりも大としている。この構成により、均圧孔７７を開としたとき、他方の連通部７４ｂから弁室７３への冷媒の流量より、弁室７３から一方の連通部７４ａへの流量が大となり、結局、一時的に弁室７３より一方の連通部７４ａの方が流体圧が大となって、その結果、図８（ｂ）、（ｃ）に示すように、弁座８０に対して、主弁７０が浮き上がる。この状態において、主弁７０を回動させることで、主弁７０の回動がスムースに成り、その結果、冷媒の切り換えが円滑、迅速、且つ、容易になる。
なお、主弁７０の外周には、リング溝７６が形成されており、該リング溝７６にはシールリング５２が嵌合されている。このシールリング５２は、本体ケース５１の内側に摺接して、主弁７０と本体ケース５１との間の封止（シール）を実現している。
【００２０】
前記主弁７０の上面には副弁６０が配置されている。副弁６０は、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、主弁７０に形成されている均圧孔７７を開閉し、以って、主弁７０に形成されている連通部７４と本体ケース５１内の弁室７３との間を連通又は閉鎖して圧力の移動・遮断を図り、弁座８０に対する主弁７０の押圧力を調整する（減少させる）作用を有するものである。
副弁６０は、平面視円形で一定厚みを有し、その下面には、図５（ｃ）に示すように、下方に一定角度、例えば、１５０度の角度において扇形の凹溝６４が形成される。また、副弁６０の外周部における凹溝６４の両側（半径方向）延長線の範囲に亘って受動歯部６５が形成される。また、その中央部には回転軸孔６１が穿設され軸支される。この前記駆動歯部４８の歯数比を適宜選択することで、受動歯部６５側のトルクを増幅させるように設定することができる。なお、副弁６０の少なくとも主弁７０との当接面には、回転抵抗を低減させるために、テフロン含有樹脂などを用いことが好ましい。また、逆に、主弁７０上面に同様の樹脂を用いても良い。
【００２１】
軸ピン６２は、主弁７０に対して副弁６０を一定角度の範囲内において、回転可能に支持する機能とともに、一定角度の範囲外においては、副弁６０と一体となって主弁７０を支持軸４２を中心に回転させさせる機能を有する。
そのために、軸ピン６２は、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、鉛直方向で副弁６０の回転中心に配置される軸部６２ａと、軸部６２ａの下端部に連結され水平に配置される水平部６２ｂと、該水平部６２ｂの他端部において立設される突部６２ｃとからなる。
そして、軸部６２ａは、副弁６０を遊転可能に軸支し、水平部６２ｂは主弁７０の溝部７８に圧入固定され、更に、突部６２ｃは、副弁６０の下面に扇形に形成された凹溝６４内において一定角度の範囲において揺動可能に配置されている。換言すれば、突部６２ｃが凹溝６４内で遊動している範囲においては、主弁７０に回転力は作用しない。
なお、本実施例の軸ピン６２は、主弁７０と別体形成したから、種々の形状の軸ピン６２を準備することで、副弁６０の汎用性を高め、均圧孔７７の開閉のタイミングを微妙に調整することができる。
【００２２】
次に、本実施例の四方切換弁の作動について図７，８を用いて説明する。
モータ部１０において、ケーブル２３及びコネクタ２４を通じてステータコイル２１を通電励磁させることにより、ロータ４０の回転を介して前記副弁６０が主弁７０上を回動して前記均圧孔７７を開閉すると共に、更なるロータ４０の回転により、主弁７０が前記軸ピン６２によって弁座８０上を回動し、後述する冷媒流れの切換えが図られる。
主弁７０が、前記軸ピン６２を介して前記ステッピングモータの単位パルス当りの回転角度に応じて回動され、その動きが規制されるべく最適な制御曲線又は制御直線等の制御が得られる。
【００２３】
次に、前記四方切換弁１００具体的な作動について説明する。
図７の（ａ）乃至（ｄ）及び図８の（ａ）乃至（ｄ）は、四方切換弁１００の動作を説明するための動作説明図であり、図７の（ａ）乃至（ｄ）の各々が図８の（ａ）乃至（ｄ）の各々と同じ作動状態を示している。
【００２４】
図７（ａ），図８（ａ）は、冷房運転時のセット状態を示しており、吸入圧力導通管９２（吸入圧力導通孔８２）と室内熱交換器用の導通管９５（導通孔８５）とが主弁７０の連通部７４を介して連通し、吐出圧力導通管９３と室外熱交換器用の導通管９４とが主弁７０の外側、すなわち弁室７３に連通している。
この状態では、弁室７３内の圧力と連通部７４内の圧力との間に大きな圧力差があり、主弁７０はこの圧力差によって弁座８０に押え付けられていて容易には移動しない。そこで、本実施例の四方切換弁１００は、この状態から冷媒流路の切換えを行う場合に、逃し弁である副弁６０を用いることで弁室７３と連通部７４の各圧力の均衡を図り、主弁７０を押え付ける力を除いた後に主弁７０の回動動作を行うようにしている。
【００２５】
まず、図７（ａ），図８（ａ）の状態において、ステッピングモータに対するパルス入力により、ロータ４０を介して回動される歯車筒が回転し、この歯車と噛み合う副弁６０が回転することで、副弁６０の均圧孔閉塞部６３によって閉塞されていた主弁７０の均圧孔７７が解放され、弁室７３の冷媒が均圧孔７７を介して連通部７４内に導入されて弁室７３内の圧力と連通部７４内の圧力との均衡が図られる。
【００２６】
図７（ｂ）、図８（ｂ）の状態の如く、副弁６０が一定角度回転して、均圧孔７７の閉止が解かれ、開状態となると、弁室７３と連通部７４との圧力均衡が図られ、その後、軸ピン６２の突部６２ｃに副弁６０の凹溝６４が当接（衝突）し、前記突部６２ｃで、主弁７０を押して弁座８０上を時計の針の方向に一定の角度、即ち、図７（ｃ）、図８（ｃ）の状態の如くなるまで回動・摺動させる。
この動作により、主弁７０の連通部７４ａによる吸入圧力導通管９２と室内熱交換器用導通管９５との連通が、該吸入圧力導通管９２と室外熱交換器用の導通管９４との連通に切換わり、同時に、主弁７０の連通部７４ｂを介した吐出圧力導通管９３と室外熱交換器用の導通管９４との連通が、該吐出圧力導通管９３と室内熱交換器用の導通管９５との連通に切換わる。
【００２７】
図７（ｃ）、図８（ｃ）の状態の如く、吸入圧力導通管９２と室外熱交換器用の導通管９４とが連通部７４ａにより連通後、ステッピングモータを反対の方向に回動作動させることで、前記軸ピン６２及び副弁６０が、図７（ｄ）のように反時針方向に、副弁６０の均圧孔閉塞部６３によって主弁７０の均圧孔７７が閉塞されるまで（図７（ｄ）、図８（ｄ）位置まで）回動される。
この動作により、暖房運転時のセット状態、すなわち、吸入圧力導通管９２と室外熱交換器用導通管９４とが主弁７０の連通部７４を介して連通し、吐出圧力導通管９３と室内熱交換器用導通管９５とが弁室７３内を介して連通することになる。
なお、図７（ｄ）、図８（ｄ）の状態から図７（ａ）、図８（ａ）の冷房運転時のセット状態に切換える場合には、例えば、前記副弁６０の均圧孔閉塞部６３による前記均圧孔７７の閉塞を解き、主弁７０を回動させることになる。
【００２８】
以上のように、本発明の実施例は、前記構成によって次の効果を奏するものである。
すなわち、前記実施例の四方切換弁１００は、モータ部１０の入力パルスによって、副弁６０を主弁７０上で回動した後、主弁７０が弁座８０上を充分なトルクで回動するので、弁室７３と連通部７４との圧力の均衡を図った後に冷媒の流れの切換えを行うことができ、弾性部材を用いて主弁を回動させる場合に比して冷媒の流路の切換え動作を容易、かつ、迅速に行うことができ、さらに、四方切換弁１００の信頼性の向上を図ることができる。
【００２９】
また、前記副弁６０は、前記ロータ４０と前記主弁７０との間に位置し、該主弁７０上に載置されて、前記ロータ４０と一体に回転し、前記連通部７４と前記弁室７３との圧力差をなくす逃し弁として機能するので、冷媒流路の切換え動作を迅速に行うことができ、さらに、可動部品点数を減らして四方切換弁１００の製品コストの低減を図ることができる。
【００３０】
以上、本発明の一実施形態について詳説したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、また、空気調和機に限らず、流路の切換えを行うすべての機器に利用できるものである。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、このように構成された本発明の四方切換弁は、使用に当ってその切り換えが迅速にでき、構成が簡単で、耐久性も向上し、故障が少なく、部品交換が容易で汎用性にも優れているという効果がある。
また、副弁の回転手段として、ロータと一体的に回転する駆動歯部と副弁側に設けた受動歯部とから副弁の駆動部を形成し、該駆動部をトルク増幅可能に形成することで、副弁のトルクを大幅に増大させ、回転作動を円滑にすることができる。
また、凹溝を主弁側に設けた突部に遊嵌させ、凹溝側壁が突部に当接する状態において主弁を回動させることで、簡単な構成ながら、確実な回動力の伝達が可能となる。
【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】図１の四方切換弁の縦断面図。
【図３】同四方切換弁の要部の斜視図。
【図４】同四方切換弁の主弁の平面図（ａ）、縦断面図（ｂ）及び底面図（ｃ）。
【図５】同四方切換弁の副弁の平面図（ａ）、縦断面図（ｂ）及び底面図（ｃ）。
【図６】同四方切換弁の軸ピンの平面図（ａ）、縦断面図（ｂ）及び底面図（ｃ）。
【図７】（ａ）乃至（ｄ）は同四方切換弁の動作を示す平面図。
【図８】（ａ）乃至（ｄ）は同四方切換弁の作動を示す説明図。
【図９】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，Ｅ２・・熱交換器
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（キャン） ３１・・支持凹部
４０・・ロータ ４１・・連結リング枠 ４２・・支持軸
４５・・ばね受 ４６・・押しばね（弾性部材）
４７・・駆動部 ４８・・駆動歯部
５０・・本体部 ５１・・本体ケース ５２・・シールリング
６０・・副弁 ６１・・回転軸孔
６２・・軸ピン
６２ａ・・軸部 ６２ｂ・・水平部 ６２ｃ・・突部
６３・・均圧孔閉塞部 ６４・・凹溝 ６５・・受動歯部
７０・・主弁
７１・・支持軸孔 ７２・・中央凹部 ７３・・弁室
７４ａ，７４ｂ・・連通部 ７５・・連通孔 ７６・・リング溝
７７・・均圧孔 ７８・・溝部
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
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・・（室内熱交換機用の）導通管
１００・・四方切換弁

Claims (3)

1. ケース内の弁室に備わっている弁座を開閉する主弁を有する弁本体部と、該弁本体部の前記主弁の開閉駆動するステータとロータからなるモータ式駆動部とを備えてなる電動モータ式切換弁において、
   前記弁座は、圧力導通孔と、二つの導通孔とを備え、
   前記主弁は、前記圧力導通孔と前記二つの導通孔に選択的に連通する連通部と、該連通部と前記弁室とを連通する均圧孔とを備え、
   前記主弁上には前記ロータの回転に連動して回転する副弁を備え、前記副弁は均圧孔閉塞部を有し、前記副弁は前記主弁に対して一定角度だけ遊動可能に設けてあり、
   前記ロータが回転すると、それに連動して前記副弁が回転して、前記均圧孔閉塞部によって閉塞されていた前記均圧孔を解放し、さらに前記副弁が回転して前記遊動角を超えたとき前記副弁が前記主弁と一緒に回転し、前記導通孔の連通を切換えることを特徴とする電動モータ式切換弁。
2. 前記主弁は、上記の移動において、前記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記載の電動モータ式切換弁。
3. 前記副弁の回転手段として、前記ロータと一体的に回転する駆動歯部と前記副弁側に設けた受動歯部とから前記副弁の駆動部を形成し、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請求項１又は２記載の電動モータ式切換弁。

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