JP4653518B2

JP4653518B2 - 三方弁

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Publication number: JP4653518B2
Application number: JP2005059312A
Authority: JP
Inventors: 英樹外園
Original assignee: Fujikoki Corp
Current assignee: Fujikoki Corp
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2025-03-03
Also published as: JP2006242291A

Description

本発明は、冷凍サイクル等に用いるのに好適な三方弁に係り、特に、構造の簡素化、コンパクト化、低コスト化等を効果的に図ることができる三方弁に関する。

例えば、空気調和機、冷凍装置等の冷凍サイクルにおいて、熱損失の低減等を図るべく、流路切換手段として、従来から用いられている四方弁に代えて三方弁を使用することが考えられている。

このような用途で使用される三方弁としては、例えば、下記特許文献１に所載のように、高圧の冷媒が導入される入口と、該入口からの冷媒が第１主弁又は第２主弁を介して選択的に導かれる第１出口及び第２出口と、を有し、前記入口と前記第１出口との間に前記第１主弁が設けられるとともに、前記入口と前記第２出口との間に前記第２主弁が設けられ、前記第１主弁に作用する背圧と前記第１出口側の圧力との差圧を小さくするための電磁弁が設けられるとともに、前記差圧が小さくされたとき、前記第１主弁が開となるとともに前記第２主弁が閉、あるいは、前記第１主弁が閉となるとともに前記第２主弁が開、となるようにされてなるものがあり、また、これとは別に、例えば、第１出口及び第２出口を弁本体に設けられた平坦弁座に開口させるとともに、その第１出口及び第２出口を前記平坦弁座上に摺動回転可能に乗せられた回転弁体により選択的に開閉するようにしたものがある。

特開２００４−９２７５１号公報

しかしながら、前記特許文献１に所載の三方弁では、第１主弁と第２主弁とが異なる軸線上に配置され、それらの間を複数本の連通路で結ぶ構造となっているので、構造が複雑となり、加工組立コストが高くなる嫌いがあり、コンパクト化、低コスト化等を図ることが難しいという問題があり、また、平坦弁座に第１出口及び第２出口を開口させてこれを回転弁体で選択的に開閉するようにしたものでは、前記問題の他、回転弁体と弁座（第１出口及び第２出口）との間のシール性が低い等の問題もある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、構造の簡素化、コンパクト化、低コスト化等を効果的に図ることができるとともに、シール性等を充分に確保できるようにされた三方弁を提供することにある。

前記の目的を達成すべく、本発明に係る三方弁は、第１弁体部を有する主弁体、該主弁体により開閉されるパイロット通路が設けられた第１スライド弁体、該第１スライド弁体により開閉される第１弁座が設けられた第１弁室、副弁体部及び第２弁体部を有する第２スライド弁体、該第２スライド弁体の副弁体部により開閉される副弁座が設けられた副弁室、前記第２スライド弁体の第２弁体部により開閉される第２弁座が設けられた第２弁室、前記第１スライド弁体を前記第１弁座を閉じる方向に付勢する第１付勢部材、及び、前記第２スライド弁体を前記第２弁座を閉じる方向に付勢する第２付勢部材、が共通軸線上に配置され、前記主弁体と前記第１スライド弁体との間に背圧室が形成され、前記第１弁座より下流の第１弁室下流部と前記副弁室とが第１連通路で連通せしめられるとともに、前記第１弁室と前記第２弁室とが第２連通路を介して連通せしめられ、前記第２弁室に入口が連通せしめられるとともに、前記第２弁座より下流側に第１出口が設けられ、かつ、前記第１弁室下流部に第２出口が連通せしめられていることを特徴としている。

好ましい態様では、前記主弁体を開閉駆動するための電動式アクチュエータあるいは電磁式アクチュエータを備える。この場合、前記電磁式アクチュエータとしては、汎用型のＤＣまたはＡＣソレノイドの他、該ソレノイドと永久磁石を組み合わせたキープソレノイド（省エネタイプ）を用いることができる。

また、他の好ましい態様では、前記第１弁体部、前記第２弁体部、及び前記副弁体部のうちの少なくとも一つは、ボールで構成される。

また、前記電動式アクチュエータを備えた三方弁の好ましい態様では、主弁体が、回転しながら昇降せしめられる回転昇降部と、該回転昇降部に伴って昇降せしめられるが回転はしないようにされた、弁体部を有する非回転昇降部と、からなる二分割構成とされる。

本発明に係る三方弁は、主弁体、第１弁室、スライド弁体、副弁室、第２弁室、及び、付勢部材等が共通軸線上に配置されるので、それらが異なる軸線上に配置された従来の三方弁に比して、構造の簡素化、コンパクト化、低コスト化等を効果的に図ることができ、また、平坦弁座に第１出口及び第２出口を開口させてこれを回転弁体で選択的に開閉するようにしたものに比して、シール性等を充分に確保できる。

以下、本発明の三方弁の実施形態を図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係る三方弁の第一実施形態の縦断面図である。
図１に示される三方弁１０Ａは、例えば冷凍サイクルに用いられるもので、弁本体２０と、電動式アクチュエータ（電動モータ）１５と、を備えている。電動式アクチュエータ１５は、弁本体２０（のキャン受け部材２８）にその下端部４０ｂが溶接により密封接合されるキャン４０と、このキャン４０の内周に所定の間隙をあけて配在されるロータ３０と、該ロータ３０を回転駆動すべくキャン４０に外嵌されたステータ５０と、を備えている。ステータ５０は、磁性材からなるヨーク５１と、このヨーク５１にボビン５２を介して巻回される上下のステータコイル５３，５３と、からなっている。

前記弁本体２０においては、前記電動式アクチュエータ１５により昇降せしめられる円錐状の第１弁体部２１ａを有する段付き円柱状の主弁体２１、該主弁体２１により開閉される第１弁座２２ａが設けられた第１弁室２２、円錐状の副弁体部６１及び第２弁体部６２を有するスライド弁体６０、該スライド弁体６０の副弁体部６１により開閉される副弁座６４ａが設けられた副弁室６４、前記スライド弁体６０の第２弁体部６２により開閉される第２弁座６６ａが設けられた第２弁室６６、及び、前記スライド弁体６０を前記第２弁座６６ａを閉じる方向（図の下方）に付勢する付勢部材としてのコイルばね６７、が共通軸線Ｏ上に配置されている。

また、前記第１弁室２２と副弁室６４とが、副弁室６４に圧入保持された断面Ｔ字形の弁座兼ばね受け部材６８に形成された第１連通路７１を介して連通せしめられるとともに、前記第１弁室２２と前記第２弁室６６とが第２連通路７２を介して連通せしめられ、さらに、前記第２弁室６６に高圧の冷媒としての二酸化炭素（ガス）が導入される入口１１が連通せしめられるとともに、前記第２弁座６６ａより下流側に第１出口１２が設けられ、かつ、前記第１連通路７１に第２出口１３が連通せしめられている。

主弁体２１を昇降させて第１弁座２２ａに接離させる駆動機構は、主弁体２１が摺動自在に嵌挿された筒状のガイドブッシュ２６と、その外周に配在された下方開口の筒状の弁軸ホルダ３２と、から構成されるねじ送り機構とされ、前記ガイドブッシュ２６は、弁本体２０に設けられた嵌合穴４２にその下端部２６ａが圧入（又は螺合）固定されるとともに、その中央部付近に雄ねじ部２５が形成され、前記弁軸ホルダ３２は、ガイドブッシュ２６の雄ねじ部（固定ねじ部）２５に螺合する雌ねじ部（移動ねじ部）３１が形成され、また、その天底中央部に主弁体２１の上部小径部が挿通せしめられている。主弁体２１の上部小径部の上端部は、弁軸ホルダ３２の天底上面に乗せられたナット３３に圧入固定されている。

また、前記主弁体２１は、弁軸ホルダ３２の天底と主弁体２１の中間段差部との間に縮装された緩衝用のコイルばね３４によって常時下方に付勢されている。ガイドブッシュ２６の側面には弁室２２とキャン４０内の均圧を図る均圧孔３２ａが形成されている。

弁軸ホルダ３２の天底上には、コイルばねからなる復帰ばね３５が設けられている。復帰ばね３５は、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２５と弁軸ホルダ３２の移動ねじ部３１との螺合が外れたときに、キャン４０の内面に当接して固定ねじ部２５と移動ねじ部３１との螺合を復帰させるように働く。

弁軸ホルダ３２とロータ３０とは支持リング３６を介して結合されており、支持リング３６は、本実施形態ではロータ３０の成形時にインサートされた黄銅製の金属リングで構成されている。支持リング３６に弁軸ホルダ３２の上部突部がかしめ固定され、これにより、ロータ３０、支持リング３６及び弁軸ホルダ３２が一体的に連結されている。

ガイドブッシュ２６には、ストッパ機構の一方を構成する下ストッパ体（固定ストッパ）２７が固着され、弁軸ホルダ３２にはストッパ機構の他方を構成する上ストッパ体（移動ストッパ）３７が固着されている。また、ガイドブッシュ２６の上部には、前記第１弁室２２と前記第２弁室６６とを第２連通路７２を介して連通させるための横穴７３が形成されている。

このような構成とされた三方弁１０Ａにあっては、ステータコイル５３，５３に一方向の通電を行って励磁すると、弁本体２０に固定されたガイドブッシュ２６に対し、ロータ３０及び弁軸ホルダ３２が一方向に回転せしめられ、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２５と弁軸ホルダ３２の移動ねじ部３１とのねじ送りにより、例えば弁軸ホルダ３２が下方に移動して主弁体２１の第１弁体部２１ａが第１弁座２２ａに着座し、これを閉じる。

第１弁座２２ａが閉じられた時点では、上ストッパ体３７は未だ下ストッパ体２７に当接しておらず、主弁体２１が弁座２２ａを閉じたままロータ３０及び弁軸ホルダ３２はさらに回転下降する。このときは、主弁体２１に対して弁軸ホルダ３２が下降するため、緩衝用のコイルばね３４が圧縮せしめられることにより弁軸ホルダ３２の下降力は吸収される。その後、ロータ３０がさらに回転して弁軸ホルダ３２が下降すると、上ストッパ体３７が下ストッパ体２７に衝接し、ステータコイル５３，５３に対する通電が続行されても弁軸ホルダ３２の下降は強制的に停止される。

このように主弁体２１により第１弁座２２ａが閉じられると、入口１１から第２弁室６６に導入された高圧の冷媒によりスライド弁体６０がコイルばね６７の付勢力に抗して上昇せしめられ、第２弁体部６２が第２弁座６６ａから離れてこれを開くとともに、副弁体部６１が副弁座６４ａに着座してこれを閉じる。そのため、入口１１から第２弁室６６に導入された高圧の冷媒は、第１出口１２に流出する。

一方、ステータコイル５３，５３に他方向の通電を行って励磁すると、弁本体２０に固定されたガイドブッシュ２６に対し、ロータ３０及び弁軸ホルダ３２が前記と逆方向に回転せしめられ、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２５と弁軸ホルダ３２の移動ねじ部３１とのねじ送りにより、今度は弁軸ホルダ３２が上方に移動して主弁体２１の第１弁体部２１ａが弁座２２ａから離れて第１弁座２２ａが開かれる。

このように主弁体２１により第１弁座２２ａが開けられると、入口１１から第２弁室６６に導入された高圧の冷媒が、第２連通路７２→キャン４０内→横穴７３→第１弁室２２→第１連通路７１を介して副弁室６４に導入される。これにより、冷媒の圧力とコイルばね６７の付勢力とによってスライド弁体６０が下降し、第２弁体部６２が第２弁座６６ａに着座してこれを閉じる。そのため、入口１１から第２弁室６６に導入された高圧の冷媒は、第２連通路７２や第１弁室２２を介して第２出口１３に流出する。

以上のように、本実施形態の三方弁１０Ａでは、主弁体２１、第１弁室２２、スライド弁体６０、副弁室６４、第２弁室６６、及び、コイルばね６７等が共通軸線Ｏ上に配置されるので、それらが異なる軸線上に配置された従来の三方弁に比して、構造の簡素化、コンパクト化、低コスト化等を効果的に図ることができ、また、平坦弁座に第１出口及び第２出口を開口させてこれを回転弁体で選択的に開閉するようにしたものに比して、シール性等を充分に確保できる。

図２は、本発明に係る三方弁の第二実施形態を示す縦断面図である。図示の第二実施形態の三方弁１０Ｂは、第一実施形態の三方弁１０Ａにおける円錐状の第１弁体部２１ａ、第２弁体部６２、及び副弁体部６１をボール２１ａ’、６２’、６１’にしたものである。各ボール２１ａ’、６２’、６１’は、それぞれ主弁体２１、スライド弁体６０にかしめ固定されている。このように弁体部にボール２１ａ’、６２’、６１’を用いることにより、シール性が向上する。

図３は、本発明に係る三方弁の第三実施形態を示す縦断面図である。図示の第三実施形態の三方弁１０Ｃは、第１及び第２実施形態の三方弁１０Ａ、１０Ｂにおける主弁体２１が、回転しながら昇降せしめられる段付き棒状の回転昇降部２１Ａと、この回転昇降部２１Ａに伴って昇降せしめられるが回転はしないようにされた、弁体部（ボール２１ａ’）を有する非回転昇降部２１Ｂと、からなる二分割構成となっている。非回転昇降部２１Ｂは、回転昇降部２１Ａに伴って昇降する（回転しない）ようにコイルばね７４により上向きに付勢されている。このようにされることにより、弁体部２１ａ’にねじり力が加わらなくなり、弁体部２１ａ’の耐久性やシール性等が向上する。

図４は、本発明に係る三方弁の第四実施形態を示す縦断面図である。図示の第四実施形態の三方弁１０Ｄは、第一〜第三実施形態の電動式アクチュエータ１５に代えて、電磁式アクチュエータ１６を用いたものであり、他の部分は前記実施形態と略同じ構成となっている。電磁式アクチュエータ１６は、固定鉄心８１、コイル８２、フレーム８３、第１弁体部（ボール２１ａ’）を有する主弁体（プランジャ）２１、弁体ガイド８４、この弁体ガイド８４を弁本体２０に連結する連結保持部２９、主弁体２１を下方に付勢するコイルばね８５等からなる汎用型のＤＣまたはＡＣソレノイドである。なお、本実施形態では、第１弁座形成部材として前記実施形態のガイドブッシュ２６に代えて縦穴７９ａ付き圧入部材７９が用いられている。かかる構成の三方弁１０Ｄにおいても前記した実施形態と略同様な作用効果が得られる。

図５は、本発明の係る三方弁の第五実施形態を示す縦断面図である。図示の第五実施形態の三方弁１０Ｅは、電磁式アクチュエータとして、キープソレノイド１７を用いたものであり、他の部分は前記第四実施形態と略同じ構成となっている。キープソレノイド１７は、前記汎用型のＤＣまたはＡＣソレノイドと永久磁石８６とを組み合わせたもので、固定鉄心８１、コイル８２、フレーム８３Ａ、８３Ｂ、第１弁体部（ボール２１ａ’）を有する主弁体（プランジャ）２１、弁体ガイド８４、この弁体ガイド８４を弁本体２０に連結する連結保持部２９、主弁体２１を下方に付勢するコイルばね８５、及び永久磁石８６等からなっている。かかるキープソレノイド１７を用いることにより、パルス入力（瞬時通電）のみで主弁体２１を吸引する（上昇させる）ことが可能であり、吸引後は永久磁石８６の吸引力で吸着保持することができ、その間は通電は不要となり、省エネを図ることができる。

図６は、本発明の係る三方弁の第六実施形態を示す縦断面図である。図示の第六実施形態の三方弁１０Ｆは、第四実施形態と同様な電磁式アクチュエータ１６を備えた電磁パイロット弁となっている。すなわち、三方弁１０Ｆは、第１弁体部（ボール２１ａ）を有する主弁体２１、この主弁体２１により開閉されるパイロット通路７５が設けられた第１スライド弁体９０、この第１スライド弁体９０により開閉される第１弁座２２ａが設けられた第１弁室２２、副弁体部６１及び第２弁体部８２を有する第２スライド弁体６０、この第２スライド弁体６０の副弁体部６１により開閉される副弁座６４ａが設けられた副弁室６４、第２スライド弁体６０の第２弁体部６２により開閉される第２弁座６６ａが設けられた第２弁室６６、第１スライド弁体９０を前記第１弁座２２ａを閉じる方向に付勢するコイルばね４８、及び、第２スライド弁体６０を第２弁座６６ａを閉じる方向に付勢する第コイルばね６７が共通軸線Ｏ上に配置され、主弁体２１と第１スライド弁体９０との間に背圧室９４が形成され、第１弁座２２ａより下流の第１弁室下流部９５と副弁室６４とが第１連通路７１で連通せしめられるとともに、第１弁室２２と第２弁室６６とが第２連通路７２を介して連通せしめられ、第２弁室６６に入口１１が連通せしめられるとともに、第２弁座６６ａより下流側に第１出口１２が設けられ、かつ、第１弁室下流部９５に第２出口１３が連通せしめられている。

なお、第１連通路７１が形成された円柱状の弁座兼ばね受け部材６８は、シール性を確保するため、副弁室６４に圧入されるとともに、かしめ固定（かしめ部６９）されている。この場合、弁座兼ばね受け部材６８の固定手法としては、上記の他、例えば、それを二分割構成として、一方を副弁室６４に螺合し、他方を圧入する、あるいは、一方を第１弁座２２ａの形成部材として第１弁室２２もしくは第１弁室下流部９５に圧入固定し、他方を副弁室６４に圧入固定する、等してもよい。

このような構成とされた三方弁１０Ｆにおいては、電磁式アクチュエータ１６が通電されていないとき（無通電時）には、入口１１に高圧の冷媒が導入されるとともに、主弁体２１によりパイロット通路７５が閉じられる。このときには、入口１１に導入された高圧の冷媒の圧力が第２スライド弁体６０（の大径部）に作用し、これにより、第２スライド弁体６０がコイルばね６７の付勢力に抗して上昇し、第２弁座６６ａが開となるとともに、副弁座６４ａが閉となり、また、第１弁室下流部９５の内圧より背圧室９４の内圧（背圧）の方が高くなる（差圧が大となる）ので、第１スライド弁体９０により第１弁座２２ａが閉となる。このため、高圧の冷媒は第１出口１２に流出する。

それに対し、電磁式アクチュエータ１６が通電されたとき（通電時）には、入口１１に高圧の冷媒が導入されるとともに、主弁体２１が引き上げられてパイロット通路７５が開かれる。これにより、第１弁室下流部９５の圧力が上昇して第１背圧室９４との差圧が小さくなり、その上昇した第１弁室下流部９５の圧力が第１連通路７１を介して第２スライド弁体６０の副弁体部６１に作用するので、第２スライド弁体６０が下降して、第２弁座６６ａが閉となるとともに、副弁座６４ａが開となり、これによって、高圧の冷媒は、入口１１から第２連通路７２を介して第１弁室２２に導かれ、第１スライド弁体９０（の大径部）に作用し、これにより、第１スライド弁体９０がコイルばね４８の付勢力に抗して上昇し、第１弁座２２ａが開となる。このため、高圧の冷媒は第２出口１３に流出する。

このような構成とされた本実施形態の三方弁１０Ｆにおいても前述した実施形態と略同様な作用効果が得られる。

上記各実施例において、第１弁体部と第２弁体部の一方または両方の摺動部に、樹脂または低摩擦性を付与するめっき等を施したピストンリング等のシール部材を１個または複数個装着するようにしてもよい。または、各弁体部の摺接部に、耐磨耗性を有する部材または耐磨耗性めっき処理を施した部材を別部品として装着することもできる。このような構造をとることによって摩擦抵抗が小さくなり、低消費電力化をさらに図ることができる。

本発明に係る三方弁の第一実施形態を示す縦断面図。本発明に係る三方弁の第二実施形態を示す縦断面図。本発明に係る三方弁の第三実施形態を示す縦断面図。本発明に係る三方弁の第四実施形態を示す縦断面図。本発明に係る三方弁の第五実施形態を示す縦断面図。本発明に係る三方弁の第六実施形態を示す縦断面図。

符号の説明

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ三方弁
１１入口
１２第１出口
１３第２出口
１５電動式アクチュエータ
１６電磁式アクチュエータ
２０弁本体
２１主弁体
２１ａ第１弁体部
２２弁室
２２ａ弁座
６０スライド弁体
６１副弁体部
６２第２弁体部
７１第１連通路
７２第２連通路

Claims

第１弁体部を有する主弁体、該主弁体により開閉されるパイロット通路が設けられた第１スライド弁体、該第１スライド弁体により開閉される第１弁座が設けられた第１弁室、副弁体部及び第２弁体部を有する第２スライド弁体、該第２スライド弁体の副弁体部により開閉される副弁座が設けられた副弁室、前記第２スライド弁体の第２弁体部により開閉される第２弁座が設けられた第２弁室、前記第１スライド弁体を前記第１弁座を閉じる方向に付勢する第１付勢部材、及び、前記第２スライド弁体を前記第２弁座を閉じる方向に付勢する第２付勢部材、が共通軸線上に配置され、前記主弁体と前記第１スライド弁体との間に背圧室が形成され、前記第１弁座より下流の第１弁室下流部と前記副弁室とが第１連通路で連通せしめられるとともに、前記第１弁室と前記第２弁室とが第２連通路を介して連通せしめられ、前記第２弁室に入口が連通せしめられるとともに、前記第２弁座より下流側に第１出口が設けられ、かつ、前記第１弁室下流部に第２出口が連通せしめられていることを特徴とする三方弁。
前記主弁体を開閉駆動するための電動式アクチュエータを備えていることを特徴とする請求項１に記載の三方弁。
前記主弁体を開閉駆動するための電磁式アクチュエータを備えていることを特徴とする請求項１に記載の三方弁。
前記電磁式アクチュエータとして、キープソレノイドが用いられていることを特徴とする請求項３に記載の三方弁。
前記第１弁体部、前記第２弁体部、及び前記副弁体部のうちの少なくとも一つは、ボールで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の三方弁。
主弁体が、回転しながら昇降せしめられる回転昇降部と、該回転昇降部に伴って昇降せしめられるが回転はしないようにされた、弁体部を有する非回転昇降部と、からなる二分割構成とされていることを特徴とする請求項２に記載の三方弁。