JP5172276B2 - 四方切換弁及びこれを用いた冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクルに用いられる四方切換弁とこれを備えた冷凍サイクル装置に係わり、特に、高温冷媒から低温冷媒への熱移動を抑制するのに好適な四方切換弁に関する。

冷凍サイクル内に設けた四方切換弁を用いて冷媒流路を切換える冷凍サイクル装置、例えば図１３に示す構造のものが従来から知られている。図１３は従来技術に関する空気調和機とこれに備えられた四方切換弁を示す構成図である。

図１３に示す四方切換弁１は、シリンダ状の弁本体１の、一方の側面に高圧側接続口６を配置し、その反対側の側面に低圧側接続口７と、第二の熱交換器３につながる接続口８と、第一の熱交換器４につながる接続口９と、を隣接して配置する構成となっており、椀状部１０ｂとフランジ部１０ａとからなる弁体１０を弁台座１２上で摺動させることで、低圧側接続口７と連通する接続口を、第二の熱交換器３につながる接続口８と第一の熱交換器４につながる接続口９との間で任意に選択可能としている。これにより冷媒の流れを可逆的に切換えて冷房運転と暖房運転を可能としている。四方切換弁内では高温の吐出冷媒と低温の吸込冷媒の流路とが近接して配置されているため、高温の吐出冷媒と低温の吸込冷媒との間で熱交換か生じる。これにより、例えば冷房能力が低下するなどの不具合が生じる。

上述したような課題に対する解決手段として、高温冷媒の流路の入口に邪魔板を設けるとする技術や、弁体１０の椀状部１０ｂ内部に整流板を設けるとする技術や、弁台座１２に溝を設けるとする技術が、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１によると、高温冷媒の流路の入口に邪魔板を設けることにより、流路幅の変化の大きい高温冷媒出口付近の弁シート面１３での乱流を抑制し、熱伝達を抑える旨が記載されている。また、流れの向きが大きく変化する弁体１０の椀状部１０ｂ内部に整流板を設けることにより乱流を整流し、熱伝達を抑制することができる旨が記載されている。また、金属製の弁台座の弁シート面に環状の溝を設けることにより、弁台座の熱伝導を抑制することができる旨が記載されている。
特開２００６−１９４３３８号公報

一般的に云って、四方切換弁内では、構成部品を介して高温冷媒から低温冷媒へ熱移動があり、熱損失の原因となっている。四方切換弁へ流入した高温冷媒はまず、弁台座もしくは弁本体のどちらかに熱を伝える。弁台座へ伝わった熱は低温冷媒へ熱を伝える。また、弁本体へ伝わった熱は弁台座に伝わり、さらにその熱は弁台座から低温冷媒へと伝わる。四方切換弁の熱損失を低減するためには、高温冷媒から弁台座への熱移動と弁本体への熱移動とを抑制することが必要である。

高温冷媒から弁台座への熱移動は、高圧側接続口から高温冷媒が流入し、弁台座の弁シート面（弁台座のシート状上面）に直接接触することにより生じていた。弁シート面に接触した高温冷媒は、高温冷媒の出口となる接続口付近で縮流され流れが乱れて伝熱が促進された状態となる。そのため、高温冷媒の出口となる接続口付近の弁シート面やその接続口につながる配管では熱移動が生じやすい。

弁シート面や高温冷媒の出口につながる配管に移動した熱は、熱伝導率の高い金属性の弁台座を介し、隣接する低温冷媒へ熱を移動させていた。また、弁体により形成される低温冷媒の流路でも、流れの方向の変化が大きいことから流れが乱れ、低温冷媒の出口となる接続口付近やその接続口につながる配管では熱移動が生じやすくなっていた。そのため、低温冷媒の出口となる接続口周辺は、弁台座を介して移動してきた高温冷媒の熱を吸熱しやすい構成となっていた。また、高温冷媒から弁本体への熱移動は、高温冷媒が弁本体に対し衝突流となることにより生じる。高圧冷媒は高圧側接続口から高温冷媒が流入した後、弁体の椀状部の頂点付近に衝突する。弁体との衝突により高温冷媒の流れの向きは拡散され、流れの一部が弁本体の壁面に向かって流れ、高温冷媒から弁本体へ熱が移動していた。

これらの熱移動に対して、例えば、上記特許文献１に開示されたような従来技術では、高温冷媒から弁台座への熱移動を抑制するために、高温冷媒入口に邪魔板を設けるとした例や、弁台座へ伝わった熱が低温冷媒へ移動することを抑制するために、弁体の椀状部内部に整流板を設けるとした例が開示されている。このような構成により、高温冷媒の流路においては、四方弁内に流入した高温冷媒が弁台座に直接接触することを抑制し、高温冷媒出口やその周辺の弁台座の弁シート面で高温冷媒の流速が増加することによる伝熱の促進を抑えている。また、低温冷媒の流路では弁体の椀状部内部を流れる低温冷媒の乱流を抑制し、弁台座から低温冷媒への伝熱の促進を抑えている。しかし、上記特許文献１に開示されたような従来技術のように高温冷媒の流路入口に邪魔板をつける場合、邪魔板に衝突した後の高温冷媒は流れの向きを変え、近傍にある弁本体に向かって流れる。そのため邪魔板を設けることは高温冷媒から弁本体への伝熱が促進されてしまう可能性があった。

また、上記特許文献１に開示されたような従来技術では流路内に邪魔板や整流板を設けることにより、弁本体内の冷媒の流れの乱れを抑制し、冷媒の熱伝達を抑制することに効果があるとしている。しかし、高温冷媒も低温冷媒も冷媒出口にあたる接続口（冷房運転時においては低圧側接続口と室外側接続口）付近では、流路の幅が狭まるため、冷媒は縮流される。そのため冷媒出口となる接続口付近の台座の弁シート面においては、冷媒の流れは乱れ、流速が上がるため熱伝達は促進されてしまう可能性がある。

また、上記特許文献１に開示されたような従来技術では、弁台座へ伝わった熱が低温冷媒へ移動することを抑制するために、弁台座の弁シート面に弁台座に設けられた接続口をそれぞれ囲むように環状の溝を設けるとした例が開示されている。この構成により、金属製の弁台座に対し環状の溝は熱抵抗体となるため弁台座全体の熱伝導率を抑制するとされている。しかし、弁台座を介して高温冷媒と低温冷媒との熱移動を抑制するために、弁台座に設けられた接続口をそれぞれ囲むように環状の溝を設ける場合、この環状の溝には冷媒が常に流れる構成となっている。このため、高温冷媒の流路と低温冷媒の流路とが隣接している場所（冷房運転時においては低圧側接続口と第一の接続口との間）では高温冷媒と低温冷媒との流路が近づくことになり（第一の接続口に設けた環状溝の弁本体中心軸側の内方溝と低圧側接続口との距離が接近する）、かえって高温冷媒から低温冷媒への伝熱が促進されてしまう可能性があった。

本発明の目的は、上記課題を解決するために、高温冷媒と低温冷媒との熱移動を効果的に抑制可能な四方切換弁およびこれを用いた冷凍サイクル装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
圧縮機と第一の熱交換器と減圧手段と第二の熱交換器とを、冷媒が充填された冷媒配管で接続して冷凍サイクルを形成し、かつ、前記冷媒配管には、前記第一の熱交換器が放熱器となり前記第二の熱交換器が蒸発器となる運転と、前記第二の熱交換器が放熱器となり前記第一の熱交換器が蒸発器となる運転とを、相互に切換えるための四方切換弁を備えた冷凍サイクル装置であって、
前記四方切換弁は、円筒状の両端を密閉した弁本体と、圧縮機の吐出口に連通する高圧側接続配管と、前記圧縮機の吸込口に連通する低圧側接続配管と、前記低圧側接続配管の一方の側に隣接して配置された前記第一の熱交換器に連通する第一の接続配管と、前記低圧側接続配管の他方の側に隣接して配置された前記第二の熱交換器に連通する第二の接続配管と、前記弁本体内の内側に設置され、前記第一の接続配管と前記低圧側接続配管と前記第二の接続配管との、開口部が順に配置される平面状の弁シート面を有する略蒲鉾状の弁台座と、前記弁シート面を摺動することにより、前記第一の接続配管の接続口と前記第二の接続配管の接続口のうちの一方の接続口が、前記低圧側接続配管の接続口と連通状態となり、他方の接続口が前記高圧側接続配管の接続口と連通状態となるように切換える弁体と、前記弁シート面上に位置し、前記弁シート面を構成する素材よりも熱伝導率の低い素材と、を備え、前記熱伝導率の低い素材は、二つ又は三つの穴を有し、少なくとも、前記第一の接続配管の接続口の周辺の内で前記低圧側接続配管側とは反対の側に位置する前記弁シート面を覆うとともに、前記第二の接続配管の接続口の周辺の内で前記低圧側接続配管側とは反対の側に位置する前記弁シート面を覆い、冷房又は暖房運転時、前記弁シート面に形成される、前記第一の接続配管の接続口及び前記第二の接続配管の接続口の開口部は、前記弁シート面上に位置する前記熱伝導率の低い素材に形成された前記二つ又は三つの穴と重なる四方切換弁を備えた冷凍サイクル装置。

また、前記四方切換弁を備えた冷凍サイクル装置において、前記弁シート面上に位置する熱伝導率の低い素材は、前記弁体の一部で構成され、前記弁体は椀状部とフランジ部とを有し、前記フランジ部は前記椀状部の両側に高温冷媒の流路となる二つの穴が設けられて前記弁シート面を摺動する四方切換弁を備えた冷凍サイクル装置。

また、前記四方切換弁を備えた冷凍サイクル装置において、前記弁シート面上に位置する熱伝導率の低い素材は、前記低圧側接続配管の接続口と前記第一の接続配管の接続口と前記第二の接続配管の接続口とを開口させる３つの穴を有するシート状部材で構成され、前記シート状部材を前記弁シート面に設置し、前記弁体は前記シート状部材の上を摺動する四方切換弁を備えた冷凍サイクル装置。

また、前記四方切換弁を備えた冷凍サイクル装置において、前記弁体の椀状部の頂点周辺の、弁体の短辺方向における断面形状が、弁体の底面と平行又は凹形状である構成とする。このように、弁台座の弁シート面を熱伝導率の低い素材で覆い、弁体の椀状部外周囲の頂点周辺を平面もしくは凹状にすることにより、四方切換弁内の高温冷媒から低温冷媒への熱移動を抑制し、熱損失を低減することができる。

本発明によれば、四方切換弁における、高温冷媒から低温冷媒への熱移動を効果的に抑制することができるので、この四方切換弁を用いた冷凍サイクル装置の効率を向上させ、省エネルギー性を高めることができる。

本発明の第一〜第五の実施形態に係る四方切換弁について、図１〜図１４を参照しながら以下詳細に説明する。本発明の第一の実施形態については図１〜図６を用いて、第二の実施形態については図７を用いて、第三の実施形態については図８と図９を用いて、第四の実施形態については図１０と図１１を用いて、第五の実施形態については図１２を用いて説明するが、第二の実施形態以降のものは適宜に第一の実施形態の構造を援用する。

「第一の実施形態」
本発明の第一の実施形態に係る四方切換弁について、図１〜図６および図１３と図１４を参照しながら以下詳細に説明する。本実施形態では冷凍サイクル装置として空気調和機を想定した場合を示す。

図１は本発明の実施形態に係る四方切換弁とこれを用いた空気調和機の冷房運転時の構成を示す図である。図２は本実施形態に係る四方切換弁とこれを用いた空気調和機の暖房運転時の構成を示す図である。図３は本実施形態における弁体１０と弁台座１２と弁台座１２内部に設けられた接続口とを示す斜視図である。図４は本実施形態における弁台座１２と弁体１０とを示す断面図であり、弁シート面１３に開口部を形成する、弁台座１２に設けた環状の溝を示す上面図である。図５は図１のＡ−Ａ線における断面図を示したものである。図６は本実施形態に係る四方切換弁の弁体１０と弁体椀状部１０ｂの内方側に設けられた部材１５とを、弁シート面１３の方向から見た図である。

また、図１３は、本実施形態と対比して説明するために用いる従来技術に関する四方切換弁とこれを用いた冷凍サイクル装置の冷房運転時の構成を示す図である。図１４は図１３のＢ−Ｂ線における断面図を示したものである。

図１に示すように、冷房運転時には、圧縮機２で圧縮された冷媒（図示せず）は、高圧側接続口６から弁本体１へ流入し、室外接続口９から流出する。その後、室外熱交換器４にて室外空気に放熱することによって凝縮・液化し、膨張弁５によって減圧される。減圧されて、低温・低圧となった冷媒は、室内側熱交換器３へ流れ、室内空気から熱を奪い、蒸発・ガス化するので、このとき室内空気は冷やされ冷房運転を行うことができる。その後低温・低圧の冷媒は室内接続口８から弁本体１に流入する。流入後に椀状の弁体１０の内側を通り、低圧側接続口７を通って圧縮機２の吸込側へ戻り、再度圧縮される。

本実施形態と対比するために、図１３に示す従来技術を説明する。図１３には従来技術における四方切換弁とこれを用いた冷凍装置の冷房運転時の構成を示す。図１３に示す従来の四方切換弁の弁体１０は、椀状部１０ｂとフランジ部１０ａとからなっている。この四方切換弁では、高圧側接続口６から流入した高温冷媒は、弁本体１へ流れ込み、その後に室外側接続口９へ流出する。室外側接続口９の流路は弁本体１の内側の流路に比べ断面積が小さいため、高温冷媒は室外側接続口９の入口付近で縮流される。そのため、室外側接続口９付近の弁シート面１３では高温冷媒の表面流速が増加し、温度境界層が薄くなるので、高温冷媒から弁台座１２へ熱が伝わりやすい伝熱経路となる。

これに対して、図１に示すように本実施形態では、弁シート面１３の全体を、弁体１０のフランジ部１０ａで覆う構成としている（図３を参照）。弁体１０は弁台座１２の素材よりも熱伝導率の低い素材からできており、本実施形態では樹脂を想定している。この弁体１０は椀状部１０ｂと、その椀状部１０ｂの両側に配置された２つの穴１４ａと１４ｂとをもったフランジ部１０ａとからなっている。このフランジ部１０ａの穴１４ａと１４ｂは、弁本体１から室内熱交換器３もしくは室外熱交換器４へつながる接続口へ冷媒を流すための流路となっている。図１は冷房運転時であるため、フランジ部の穴１４ｂは室外側接続口９の開口部と重なるように配置されている。

本発明の第一の実施形態における構成にすることにより、弁本体１内に流入した高圧冷媒は、弁体１０のフランジ部の穴１４ｂを通り、室外側接続口９へ流れる。このとき室外側接続口９付近の弁シート面１３（弁座１２の上表面）はフランジ部１０ａに覆われているため、高温冷媒が弁シート面１３と直接接触する面積が抑制される。また、フランジ部１０ａは熱伝導率の低い樹脂製であるため、縮流し熱伝達が促進されている高温冷媒からの熱が弁シート面１３に伝わることを抑制する。

さらに、本実施形態においては、フランジ部の穴１４ａおよび穴１４ｂの開口部の径が、冷媒流入側で（高圧接続口に向かって）径が徐々に拡大するＲ形状となっている。この形状により、本実施形態の弁体１０は冷媒の出口となる接続口周辺において、冷媒の乱流を抑制することができる。これにより接続口付近の弁シート面１３では熱伝達は促進されないので、弁シート面１３に開口した接続口を通過した後、弁台座と接している接続配管内においても伝熱を抑制できる。

また、本実施形態の四方切換弁は弁体１０の椀状部１０ｂ内側に樹脂製の部材１５が設けられている（図６を参照）。この樹脂製の部材１５は弁台座１０に接する底面部分が平面となっていて、弁体１０の椀状部１０ｂの内部にある弁シート面１３（図１に示す冷房運転時の例では、低圧側接続口７と室内側接続口８との間の弁座１２における弁シート面）を覆っている。また、部材１５の上面の形状は弁体１０の椀状部１０ｂの凹形状に向かって滑らかな凸形状をしている。この樹脂製の部材１５は弁体１０の椀状部１０ｂの開口端面部で接合され、弁体１０と一体化された構成となっている。

図１３に示す従来の四方切換弁においては、低温冷媒と弁シート面が接する部分では、室内側接続口８から流入した低温冷媒が弁体１０の椀状部１０ｂ内側の凹部に沿ってＵターンする流れとなるため、流れが乱れて低温冷媒の伝熱が促進される。そのため弁体１０の椀状部１０ｂ内部の弁シート面１３と低温冷媒とが接触する部分は、熱が伝わりやすい伝熱経路となっている。

これに対して、本実施形態の四方切換弁は、弁体１０の椀状部１０ｂの内側にある弁シート面１３が、部材１５の底面部分により覆われているため低温冷媒と弁シート面１３との接触面積は抑制される。これにより弁台座１２から低温冷媒への熱移動は抑制される。

さらに、本実施形態では部材１５の上面の形状が弁体１０の椀状部１０ｂの凹形状に向かって滑らかな凸形状をしている。この凸形状により、部材１５は弁体１０の椀状に沿ってＵターンする低温冷媒の流れが、椀状部１０ｂ内部で剥離して乱れることを抑えるので、低温冷媒の熱伝達を抑制することができる。これにより低温冷媒は弁体１０の椀状部１０ｂを通過した後の熱交換器へ向かう配管内でも熱伝達が抑制されるため弁台座１２を介した高温冷媒と低温冷媒との熱移動を抑制することに対しても効果的である。

また、本実施形態では部材１５は金属製のピン２０を中に備えている。この金属製のピン２０の両端部は、弁体１０の椀状部１０ｂの開口端面部に差し渡されている（図６を参照）。開口端面部に設けられた溝にこの金属ピン２０を押し込むことで部材１５は弁体１０と一体的に取り付けられている。本実施形態ではこの金属製のピン２０はステンレス鋼を想定している。部材１５は樹脂製であるのでピン２０に比べ柔らかく、柔軟性がある。そのため本実施形態のピン２０を備えた部材１５は弁体１０の椀状部１０ｂの開口端面部の溝にピンを押し込むことで、部材１５と弁体１０とを容易に一体化することができる。また、部材１５内に金属製のピン２０を設けることにより、部材１５の強度が増し、変形を予防できるというメリットもある。

また、本実施形態では弁台座１２内の熱移動抑制のために、弁台座１２内部に設けられた低圧側接続口７と、室内側接続口８と、室外側接続口９との周囲に、それぞれ環状の溝（１１ａ〜１１ｃ）を、弁台座１２の弁シート面１３に開口する形状で設けている。図４は本実施形態における弁台座１２とその弁シート面１３に設けた環状の溝（１１ａ〜１１ｃ）の上面図を示す。図４の弁体１０と部材１５と弁台座１２とを示した断面図に示される溝（１１ａ〜１１ｃ）は弁台座に設けられた３つの接続口それぞれを囲う環状の溝である。

次に、上述した環状の溝（１１ａ〜１１ｃ）が弁台座１２の熱移動を抑制することについて説明する。弁台座１２内部に設けられた各接続口７，８，９の断面積は弁本体１内部の流路断面積よりも小さいため、弁台座１２に設けられた接続口付近では冷媒は縮流され表面流速が速くなるため、熱伝達が促進される。したがって、熱伝達率の高い金属性の弁台座１２の上面側に溝（１１ａ〜１１ｃ）を設けることで、これらの溝（１１ａ〜１１ｃ）は熱抵抗体となる。

しかしながら、弁シート面１３が、弁本体１内もしくは弁体１０の椀状部１０ｂ内部に開口している場合、これらの環状の溝（１１ａ〜１１ｃ）は冷媒の流れの中に開口していることになる。そのため高温冷媒と低温冷媒の流路が隣接した室外側接続口９と低圧側接続口７を囲んでいる環状の溝１１ｃと１１ｂでは、環状の溝１１ｂは低温冷媒が、環状の溝１１ｃは高温冷媒が、常時出入りすることとなり、高温冷媒と低温冷媒との流路が接近することとなる。

弁台座を介した高温冷媒と低温冷媒との熱伝導は、熱伝導率の高い弁台座の中に高温冷媒と低温冷媒の流路が、隣接して設けられていることにより生じる。そのため前述したように環状の溝（１１ａ〜１１ｃ）を設け熱抵抗体とした効果が、高温冷媒と低温冷媒との流路が近づくことで熱移動が促進されることにより、弱まる可能性がある。

そこで、本実施形態では弁体１０のフランジ部１０ａにより環状の溝（１１ａ〜１１ｃ）の開口部をそれぞれふさぐ構成としている。この構成にすることで、環状の溝（１１ａ〜１１ｃ）には、常時冷媒が出入りすることができないので、冷媒の流路となることがない。このように本実施形態の構成とすることで、弁台座１２に設けられた環状の溝（１１ａ〜１１ｃ）は、高温冷媒と低温冷媒との流路の距離を近づけることなく、弁台座の内部で熱抵抗体なるので、弁台座１２の熱伝導性を抑え、隣接した高温冷媒流路と低温冷媒との熱移動を抑制することができる。

また、本実施形態では弁体１０の椀状部１０ｂの外表面の頂点周辺に凹状部を設ける構造としている（図５に示す本実施形態における四方切換弁の断面図を参照）。図５は図１のＡ−Ａ線における断面図である。弁体１０の椀状部１０ｂ外表面の頂点周辺は弁体１０の短辺方向においては凹形状（弁体の底面と平行な平面であってもよい）をしている。この凹状部の幅ｄ２は、高圧側接続口の径ｄ１よりも長い構成としている。

本実施形態における上述した弁体椀状部１０ｂの頂点周辺凹状部の機能乃至作用を説明するために、その対比として図１４に従来の四方切換弁の断面図を示す。図１４は図１３のＢ−Ｂにおける断面図である。高圧冷媒は高圧側接続口６から流入するとまず弁体１０の椀状部１０ｂに衝突する。その際、図１４に示される従来技術の四方切換弁ように椀状部１０ｂの頂点周辺が凸状である場合、衝突した高温冷媒はでは、流れの向きが拡散し、図の矢印が示すようにその一部が弁本体１の方向に向かう。このため高温冷媒から弁本体への熱移動が生じる。

これに対して、本実施形態の四方切換弁の椀状部１０ｂの外表面の凹状部の幅ｄ２が、高圧側接続口６の径ｄ１より大きい凹形状となっている。このため高圧側接続口６から弁本体１へ流入した高温冷媒は、弁体１０の椀状部１０ｂに衝突した際、弁体１０の椀状部１０ｂの凹状部により、フランジ部の穴１４ａ，１４ｂに向かうように誘導され、高温冷媒が弁本体１の方向に向かうことを抑制される。これにより本実施形態の四方切換弁は高温冷媒から弁本体１への熱移動を抑制することができる。

空気調和機の運転を、冷房運転から暖房運転へ切換える場合には、図２に示す位置へ弁体１０を移動し、弁体１０の椀状部１０ｂが室外側接続口９と低圧側接続口７とを連通させる。

弁本体１内にはピストン１７ａとピストン１７ｂとがあり、これにより弁本体１の内部は３つの隔てられた空間が形成されている。３つの空間は、栓体１６ａとピストン１７ａとの間に形成される空間Ｒ３と、栓体１６ｂとピストン１７ｂとの間に形成される空間Ｒ２と、ピストン１７ａとピストン１７ｂとの間に形成される空間Ｒ１である。空間Ｒ１は、高圧側接続口６から流入する高温冷媒に満たされるため常に高圧である。パイロット弁１８により空間Ｒ２もしくは空間Ｒ３のどちらか一方は高圧冷媒が流れこみ、高圧となる。そのとき他方は減圧され低圧となる。そのためＲ２とＲ３とに圧力差が生じる。ピストン１７ａと１７ｂとは連結板１９により一体化されているため、Ｒ２とＲ３とに圧力差が生じると低圧の空間の方向にピストン１７ａと１７ｂと、連結板１９とが移動する。連結板１９には中央に楕円の穴が開いており、その穴に弁体１０の椀状部１０ｂの外表面が組み込まれ、連結板１９と弁体１０とは接続されている。そのためパイロット弁によりＲ２とＲ３とに圧力差が生じると、連結板１９と共に弁体１０も低圧の空間の方向に移動し、図２に示す位置に配置されるので、冷房運転と暖房運転の切替えを行うことができる。

弁体１０を図２の位置へ移動させることで、圧縮機２から吐出された高温冷媒は高圧側接続口６から弁本体１に流入して、室内接続口８から流出し、室内側熱交換器３へ流れることになるので、室内空気へ放熱することによって暖房運転を行うことができる。その後、膨張弁５で減圧された冷媒は室外熱交換器４で室外空気との熱交換により蒸発・ガス化し、室外接続口９から弁本体１に流入する。そして椀状の弁体１０の内側を通った後、圧縮機２に再度吸込まれる。

暖房運転時においても高圧側接続口６から流入した高温冷媒は、弁体１０の椀状部１０ｂの外表面の凹状部により、流れの向きを弁本体１の方向に拡散することなく室内側接続口８へ向かって流れる。これにより、高温冷媒が弁本体１へ衝突することが抑制されるため、高温冷媒から弁本体１への熱移動を抑制することができる。またこのときフランジ部の穴１４ａは室外側接続口８の開口部と同軸配置となるように配置される。これにより高温冷媒から弁台座１２への伝熱経路は弁体１０のフランジ部１０ａにより阻害される。また、部材１５は弁体１０の椀状部１０ｂ内側に固定されているため、弁体１０と同時に移動し、弁体１０の椀状部１０ｂ内側にある弁台座１２の弁シート面１３を覆う。これにより低温冷媒から弁台座１２への熱移動は部材１５により抑制される。さらに弁台座１２の内側に設けられた環状の溝（１１ａ〜１１ｃ）の開口部は弁体１０のフランジ部１０ａにより全て塞がれるため、高温冷媒と低温冷媒との流路が近づくことがなく弁台座の内部で熱抵抗体なるので、弁台座１２の熱伝導を抑えることができる。これにより弁台座１２を介した高温冷媒から低温冷媒への熱移動を抑制することができる。

これまで述べてきたように、本実施形態の構成にすることにより、四方切換弁は、高温冷媒から弁台座への熱伝達と、弁台座から低温冷媒への熱伝導と、弁台座を介した高温冷媒と低温冷媒との熱伝導と、高温冷媒から弁本体への熱伝達とを抑制することができる。

「第二の実施形態」
本発明の第二の実施形態に係る四方切換弁について、図７を参照しながら以下説明する。図７は本発明の第二の実施形態に係る四方切換弁を示す図である。本実施形態の四方切換弁は、弁本体１の中に弁台座１２と、弁体１０と、弁台座１２の弁シート面１３を覆う熱伝導率の低い樹脂製の板材２３と、から成り立っている。

本実施形態の弁体１０のフランジ部１０ａは図１３の従来技術と同様の構造であり、第一の実施形態と比較して短いものである。また、弁体１０の椀状部１０ｂは第一の実施形態と同様ものを用いていて、その形状は、弁体１０の短辺方向において外表面に凹状部（図５に示す凹部と同一構造）を備えたものである。この凹状部の幅はｄ２であり、高圧側接続口の径ｄ１よりも長い構成としている。弁体１０は、冷房運転から暖房運転へ切換える際、弁シート面１３を覆う樹脂製の板材２３上を摺動する。

第二の実施形態では、弁シート面１３を覆う樹脂製の板材２３を設けることにより、弁台座１２と冷媒との接触面積を従来技術（図１３を参照）に比べて抑制できるため、本実施形態の四方切換弁は弁台座１２を介した高温冷媒から低温冷媒への熱移動を抑制することができる。

ところで、第一の実施形態においては、弁体１０は連結板１９に設けられた穴に椀状部１０ｂの外周囲を組み込むことで接続されていて、連結板１９に設けられた穴と椀状部１０ｂの外周囲との間には若干の隙間が存在する。そのため、冷房運転と暖房運転との切り替えのためにパイロット弁１８によりピストン１７ａ，１７ｂとそれに連結される連結板１９が移動しても、この隙間のために弁体１０が目的の位置に配置されない可能性がある。そうすると、図１に示す構成では、弁体１０のフランジ部１０ａに設けられた穴１４ａと１４ｂとが接続口の開口部と同軸配置にならず、弁シート面１３と高温冷媒との接触を抑制できない部分ができてしまう。

これに対して、本実施形態ではめ弁体１０と弁シート面１３を覆う樹脂製の板材２３とを分けることにより、弁体１０がずれた位置に配置されても、確実に弁シート面を熱伝導率の低い樹脂で覆うことができる。これにより高温冷媒から弁台座１２への熱移動を確実に抑制することができる。

「第三の実施形態」
次に、本発明の第三の実施形態に係る四方切換弁について、図８と図９を参照しながら以下説明する。図８は第一の実施形態に係る四方切換弁との対比で、弁体１０のフランジ部の穴１４ａと１４ｂの径を縮小したものである。そのため、弁体１０のフランジ部１０ａは、弁台座の内部に設けられた接続口の弁シート面１３に開口した開口部の椀状部１０ｂに近い側の一部分を覆っている（フランジ部の穴がその径を縮小しているので、開口部を形成する接続口の一部分を覆っている）。

冷房運転と暖房運転の切換えは、前述の通り弁本体１の内部をピストンで高圧室Ｒ１とその両端の空間Ｒ２とＲ３との圧力を制御することにより行う。パイロット弁１８は低圧室Ｒ２もしくはＲ３のどちらか一方には高圧冷媒を流し、加圧することにより高圧室とし、他方は減圧して低圧室とする。パイロット弁１８により空間Ｒ２とＲ３には圧力差が生じ、ピストン１７ａと１７ｂと、それに接続された連結板は低圧側に向かって移動する。このとき連結板１９の中央にある楕円の穴には弁体１０の椀状部１０ｂが接合されている。そのため、連結板の移動に伴い弁体１０は弁シート面上で摺動し、冷房運転と暖房運転とを切替えることができる。

しかし、この切換えが確実に行われない場合、図９に示すように、弁体１０の長辺方向の中心と弁台座の長辺方向の中心とが重なるような、暖房運転でも冷房運転でもない位置で弁体１０が止まってしまう可能性がある。このとき、フランジ部の穴１４ａと１４ｂの径が第一の実施形態で示したように、弁台座１２の内側に設けられた接続口の開口部と同じ径の大きさである場合、高温側接続口６から流入した高温冷媒が、室外側接続口９と室内側接続口８とに同時に流れ込む。こうなると、弁本体１の内部では高温冷媒と低温冷媒との流路をそれぞれ構成することができなくなるため、冷凍サイクルが成立しなくなり、圧縮機２が故障する可能性がある。

このような事態に備え、第三の実施形態では、弁体１０のフランジ部の穴１４ａと１４ｂの径を接続口の開口部の径よりも縮小し、フランジ部が弁シート面１３に開口した開口部の弁体１０の椀状部１０ｂに近い側の一部を覆う。弁体１０のフランジ部１０ａの穴径を縮小し、図８に示すように室外側接続口９と室内側接続口８とが連通することがない形状とすることで、弁体１０の長辺方向の中心と弁台座の長辺方向の中心とが重なるような位置に弁体１０が止まっても、高温冷媒が室外側接続口９と室内側接続口８の両方に流れ込むことはなくなり、圧縮機２の故障を防ぐことができる。

「第４の実施形態」
次に、本発明の第四の実施形態に係る四方切換弁について、図１０と図１１を参照しながら以下説明する。図１０は本発明の第四の実施形態に係る四方切換弁における弁体とピストンとの関係を示す斜視図である。図１１は図１０に示すＣ−Ｃ線における断面図である。

本実施形態に係る四方切換弁は、弁体１０が２つの穴をもったフランジ部１０ａと、椀状部１０ｂと、弁本体を高圧室と低圧室に形成するピストンとの接続部１０ｃと、からなっている。フランジ部１０ａに設けられた２つの穴は、弁本体から室内熱交換器３もしくは室外熱交換器４へつながる接続口８，９へ冷媒を流す流路となっている。弁体１０の椀状部１０ｂはフランジ部１０ａに設けられた２つの穴の間に配置されている。椀状部１０ｂの内側は低温冷媒の流路となるため空洞となっていて弁シート面に対して開口している。弁体１０とピストン１７ａと１７ｂとの接続部１０ｃは、フランジ部１０ａの長辺方向の両端に設けられ、弁体１０が直接ピストン１７ａおよび１７ｂに固定される構成としている。接合部１０ｃの形状はフランジ部１０ｂの長辺方向の両端部を二つに分割し、それぞれフランジ部１０ｂに対し対称にリブを立てた形状をしている。また、フランジ部の短辺方向の両端部はそれぞれ高圧側接続口６に向かって凸状のリブを備えている。

図１３の従来技術に示される四方切換弁においては、弁体１０の椀状部１０ｂとフランジ部１０ａとの接合部の外周囲が連結板１９により覆われている。連結板１９は弁体１０とフランジ部１０ａとの接合部を覆う楕円の穴の両側に室内側接続口８と、室外側接続口９にそれぞれ同軸配置される穴を備えている。連結板１９の両端は、連結板１９の長辺方向の両端部を二つに分割し、それぞれ連結板１９の平板部に対し対称にリブを立てた形状をしている。このリブの一方が接続部（図１０の１０ｃに対応するもの）となり、ピストンに接続された構成となっている。また、連結板１９のフランジ部１０ａの短辺方向の両端部は、それぞれ高圧側接続口６に向かって凸状のリブ（図１４に示す符号１９）を備えている。

本実施形態では弁体１０を直接ピストン１７ａと１７ｂとに接続させ、連結板１９を無くすことで、部品数を減らすことができるというメリットがある（弁体とピストンとを連結板を介在させずに直結する）。また、本実施形態において弁体１０は樹脂製であるため、金属製の連結板１９に比べ、複雑な形状の成型が容易である。図１１は図１０のＣ−Ｃにおける断面を示した図である。図１１に示されるように弁体１０のフランジ部１０ａは弁本体１の長手方向に沿うように端部を反り上げることが可能である。この形状にすることで、高温冷媒が弁本体１へ接触する面積を抑制し、高温冷媒から弁本体１への熱伝達を抑制することができる。

また、この弁体１０は中心に金属製の芯材を配し、その周囲を樹脂でコーティングすることで形成してもよい。こうすることで樹脂のメリットである複雑な形状を容易に成型できることと、金属のメリットである強度を増すこととを両立した弁体を形成することが可能となる。

「第五の実施形態」
次に、本発明の第五の実施形態に係る四方切換弁及びこれを備えた冷凍サイクル装置について、図１２を参照しながら以下説明する。図１２は本発明の第五の実施形態に係る四方切換弁とこれを用いた冷凍サイクル装置の構成を示す図である。本実施形態では冷凍サイクル装置としてヒートポンプ式の給湯器を想定した場合を示す。

図１２に示すように、圧縮機２で圧縮された冷媒（図示せず）は、高圧側接続口６から弁本体１へ流入し、第一の接続口９から流出する。その後、第一の熱交換器４にて放熱することによって凝縮・液化し、膨張弁５によって減圧される。減圧されて、低温・低圧となった冷媒は、第二の熱交換器３へ流れ、周辺空気から熱を奪い、蒸発・ガス化する。その後低温・低圧の冷媒は第二の接続口８から弁本体１に流入する。そこから弁体の椀状部１０ｂの内側を通り、低圧側接続口７を通って圧縮機２の吸込側へ戻り、再度圧縮される。

この過程で、周囲の気温および湿度の関係で、第一の熱交換器４に着霜すると、四方切換弁によって第一の熱交換器４と第二の熱交換器３の機能を逆転させるように冷媒の循環経路を切換え、除霜運転を行う。除霜が終わると再び冷媒の循環経路を切換え、元の循環経路に戻る。

一方、水回路においては、貯水槽２１に貯められた水がポンプ２２によって第一の熱交換器４へ送り込まれる。第一の熱交換器４は貯水槽２１とポンプ２２と水熱交換器とからなる水回路の一部であり、第一の熱交換器４はここに送り込まれた水に、冷媒が凝縮された時に発生する熱を吸収させることで放熱する。一方熱を吸収した水は湯となり、再び貯水槽２１に戻される。貯水槽２１に蓄えられた湯は、必要に応じて浴槽やキッチンなどに給湯される。

四方切換弁内では高温冷媒と低温冷媒とが隣接しているため、熱移動が生じる。ヒートポンプ給湯器は、高温のお湯を貯めておく必要があるため、高温冷媒の温度が高い。例えば冷媒がＣＯ２である場合、圧縮機２から吐出される高温冷媒の温度は、高い時には１００℃以上にもなる。そのときの第二の熱交換器３から四方切換弁に流れ込む低温冷媒の温度はおよそ０℃である。上述したように本実施形態では、第一の実施形態の空気調和機の場合に比べ、高温冷媒と低温冷媒との温度差は大きい。高温冷媒と低温冷媒との温度差が大きいほど四方切換弁内の熱移動は多くなる。

本実施形態では、四方弁切換弁内での高温冷媒から低温冷媒への熱移動を抑制するために、第一の実施形態の四方切換弁と同様のものをヒートポンプ給湯器の冷媒の循環経路の切換えに用いる。この構成とすることにより、高圧側接続口６から流入した高温冷媒は、弁体１０の椀状部１０ｂの外周部の形状により、流れの向きを弁本体１の方向に拡散することなく第一の熱交換器４へ向かって流れる。これにより、高温冷媒が弁本体１へ衝突することが抑制されるため、高温冷媒から弁本体への熱移動を抑制することができる。またこのとき、フランジ部の穴１４ｂは第一の接続口９の開口部と同軸配置となるように配置される。これにより高温冷媒から弁台座１２への熱移動は弁体１０のフランジ部１０ａにより抑制される。

また、部材１５は椀状部１０ｂ内側にある弁台座１２の弁シート面１３を覆っている。これにより低温冷媒から弁台座１２への伝熱経路は部材１５により抑制される。さらに、弁台座１２の内側に設けられた環状の溝（１１ａ〜１１ｃ）の開口部は弁体１０のフランジ部１０ａにより全て塞がれるため、高温冷媒と低温冷媒との流路が近づくことがなく弁台座の内部で熱抵抗体となるので、弁台座１２の熱伝導性を抑えることができる。上述したように、第五の実施形態に係る四方切換弁を用いたヒートポンプ給湯器は、高温冷媒から低温冷媒への熱移動を抑制する効果を奏することができる。

本発明の第一の実施形態に係る四方切換弁とこれを用いた冷凍サイクル装置の冷房運転時の構成を示す図である。 本発明の第一の実施形態に係る四方切換弁とこれを用いた冷凍サイクル装置の暖房運転時の構成を示す図である。 本発明の第一の実施形態に係る四方切換弁の弁体と弁台座と弁台座内部に設けられた接続口を示す斜視図である。 本発明の第一の実施形態における弁台座１２に設けた、弁シート面１３に開口部を形成する環状の溝を示す上面図である。 本発明の第一の実施形態に係る四方切換弁を示す図１のＡ−Ａ線における断面図である。 本発明の第一の実施形態に係る四方切換弁の弁体と弁体椀状部内部に設けた部材との関係を示す図である。 本発明の第二の実施形態に係る四方切換弁を示す断面図である。 本発明の第三の実施形態に係る四方切換弁を示す断面図である。 本発明の第三の実施形態に係る四方切換弁を示す断面図である。 本発明の第四の実施形態に係る四方切換弁の弁体とピストンとの関係を示す斜視図である。 本発明の第四の実施形態における四方切換弁の、図１０のＣ−Ｃ線における断面図である。 本発明の第五の実施形態に係るに係る四方切換弁とこれを用いた冷凍サイクル装置の構成を示す図である。 従来技術に関する四方切換弁とこれを用いた冷凍サイクル装置の構成を示す図である。 従来技術に関する四方切換弁を示す図１３におけるＢ−Ｂ線からみた断面図である。

符号の説明

１ 弁本体
２ 圧縮機
３ 室内側熱交換器（第二の熱交換器）
４ 室外側熱交換器（第一の熱交換器）
５ 膨張弁
６ 高圧側接続口
７ 低圧側接続口
８ 室内側接続口（第二の接続口）
９ 室外側接続口（第一の接続口）
１０ 弁体
１０ａ 弁体のフランジ部
１０ｂ 弁体の椀状部
１１ 環状溝
１２ 弁台座
１３ 弁シート面
１４ フランジ部の穴
１５ 部材
１６ 栓体
１７ ピストン
１８ パイロット弁
１９ 連結板
２０ ピン
２１ 貯水槽
２２ ポンプ
２３ 板材

Claims (13)

1. 圧縮機と第一の熱交換器と減圧手段と第二の熱交換器とを、冷媒が充填された冷媒配管で接続して冷凍サイクルを形成し、かつ、前記冷媒配管には、前記第一の熱交換器が放熱器となり前記第二の熱交換器が蒸発器となる運転と、前記第二の熱交換器が放熱器となり前記第一の熱交換器が蒸発器となる運転とを、相互に切換えるための四方切換弁を備えた冷凍サイクル装置であって、
   前記四方切換弁は、円筒状の両端を密閉した弁本体と、圧縮機の吐出口に連通する高圧側接続配管と、前記圧縮機の吸込口に連通する低圧側接続配管と、前記低圧側接続配管の一方の側に隣接して配置された前記第一の熱交換器に連通する第一の接続配管と、前記低圧側接続配管の他方の側に隣接して配置された前記第二の熱交換器に連通する第二の接続配管と、前記弁本体内の内側に設置され、前記第一の接続配管と前記低圧側接続配管と前記第二の接続配管との、開口部が順に配置される平面状の弁シート面を有する略蒲鉾状の弁台座と、前記弁シート面を摺動することにより、前記第一の接続配管の接続口と前記第二の接続配管の接続口のうちの一方の接続口が、前記低圧側接続配管の接続口と連通状態となり、他方の接続口が前記高圧側接続配管の接続口と連通状態となるように切換える弁体と、前記弁シート面上に位置し、前記弁シート面を構成する素材よりも熱伝導率の低い素材と、を備え、
   前記熱伝導率の低い素材は、二つ又は三つの穴を有し、少なくとも、前記第一の接続配管の接続口の周辺の内で前記低圧側接続配管側とは反対の側に位置する前記弁シート面を覆うとともに、前記第二の接続配管の接続口の周辺の内で前記低圧側接続配管側とは反対の側に位置する前記弁シート面を覆い、
   冷房又は暖房運転時、前記弁シート面に形成される、前記第一の接続配管の接続口及び前記第二の接続配管の接続口の開口部は、前記弁シート面上に位置する前記熱伝導率の低い素材に形成された前記二つ又は三つの穴と重なる
   ことを特徴とする四方切換弁を備えた冷凍サイクル装置。
2. 請求項１において、
   前記弁シート面上に位置する熱伝導率の低い素材は、前記弁体の一部で構成され、
   前記弁体は椀状部とフランジ部とを有し、前記フランジ部は前記椀状部の両側に高温冷媒の流路となる二つの穴が設けられて前記弁シート面を摺動する
   ことを特徴とする四方切換弁を備えた冷凍サイクル装置。
3. 請求項１において、
   前記弁シート面上に位置する熱伝導率の低い素材は、前記低圧側接続配管の接続口と前記第一の接続配管の接続口と前記第二の接続配管の接続口とを開口させる３つの穴を有するシート状部材で構成され、前記シート状部材を前記弁シート面に設置し、
   前記弁体は前記シート状部材の上を摺動する
   ことを特徴とする四方切換弁を備えた冷凍サイクル装置。
4. 請求項２において、
   前記弁シート面上に位置する熱伝導率の低い素材は、前記弁体の椀状部に覆われている内部に配置されるとともに前記弁体に固定された部材からなり、
   前記部材は、前記弁シート面を覆う側の面が平面形状であり、その反対側の面が凸形状である
   ことを特徴とする四方切換弁を備えた冷凍サイクル装置。
5. 請求項４において、
   前記部材は、前記弁体にピンで固定されて前記弁体と一体的に移動することを特徴とする四方切換弁を備えた冷凍サイクル装置。
6. 請求項２または４において、
   前記四方切換弁は、前記弁本体を三つの空間に隔て、中央の空間が高圧室であってその両側の空間の圧力を可変とする二つのピストンを備え、
   前記弁体を前記ピストンに固定し、前記ピストンを可動させることに連動して前記弁体が前記弁シート面上を摺動する
   ことを特徴とする四方切換弁を備えた冷凍サイクル装置。
7. 請求項２または４において、
   前記弁体のフランジ部に設けられた穴の開口部は、前記高圧側接続配管の接続口に向かって徐々に径が拡大していることを特徴とする四方切換弁を備えた冷凍サイクル装置。
8. 請求項２または３において、
   前記弁台座の弁シート面には、前記弁台座内部に設けられた前記第一の接続配管の接続口と前記第二の接続配管の接続口と前記低圧側接続配管の接続口とをそれぞれ囲む、弁シート面に開口した環状の溝を設けており、
   前記熱伝導率の低い素材は前記環状の溝の開口部を覆っている
   ことを特徴とする四方切換弁を備えた冷凍サイクル装置。
9. 請求項１，２または３において、
   前記弁体は、その中央部に前記高圧側接続配管の接続口に向かって凸形状をなす椀状部と、前記椀状部の両側に設けたフランジ部とからなり、
   前記弁体を前記高圧側接続配管の接続口から見たとき、前記椀状部の頂点を含むその周辺における、前記弁体の短辺方向の断面形状が、前記弁体の底面と平行又は凹形状である ことを特徴とする四方切換弁を備えた冷凍サイクル装置。
10. 請求項９において、
    前記弁体の前記短辺方向の断面形状が前記弁体の底面と平行又は凹形状である部分の幅が、前記高圧側接続配管の接続口の内径よりも長いことを特徴とする四方切換弁を備えた冷凍サイクル装置。
11. 冷媒を充填した冷媒配管で接続された、圧縮機、第一の熱交換器、減圧手段、第二の熱交換器を備えた冷凍サイクル装置に用いられる四方切換弁であって、
    前記四方切換弁は、前記第一の熱交換器が放熱器となり前記第二の熱交換器が蒸発器となる運転と、前記第二の熱交換器が放熱器となり前記第一の熱交換器が蒸発器となる運転とを、相互に切換える機能を有し、
    前記四方切換弁は、円筒状の両端を密閉した弁本体と、圧縮機の吐出口に連通する高圧側接続配管と、前記圧縮機の吸込口に連通する低圧側接続配管と、前記低圧側接続配管の一方の側に隣接して配置された前記第一の熱交換器に連通する第一の接続配管と、前記低圧側接続配管の他方の側に隣接して配置された前記第二の熱交換器に連通する第二の接続配管と、前記弁本体内の内側に設置され、前記第一の接続配管と前記低圧側接続配管と前記第二の接続配管との、開口部が順に配置される平面状の弁シート面を有する略蒲鉾状の弁台座と、前記弁シート面を摺動することにより、前記第一の接続配管の接続口と前記第二の接続配管の接続口のうちの一方の接続口が、前記低圧側接続配管の接続口と連通状態となり、他方の接続口が前記高圧側接続配管の接続口と連通状態となるように切換える弁体と、前記弁シート面上に位置し、前記弁シート面を構成する素材よりも熱伝導率の低い素材と、を備え、
    前記熱伝導率の低い素材は、二つ又は三つの穴を有し、少なくとも、前記第一の接続配管の接続口の周辺の内で前記低圧側接続配管側とは反対の側に位置する前記弁シート面を覆うとともに、前記第二の接続配管の接続口の周辺の内で前記低圧側接続配管側とは反対の側に位置する前記弁シート面を覆い、
    冷房又は暖房運転時、前記弁シート面に形成される、前記第一の接続配管の接続口及び前記第二の接続配管の接続口の開口部は、前記弁シート面上に位置する前記熱伝導率の低い素材に形成された前記二つ又は三つの穴と重なる
    ことを特徴とする四方切換弁。
12. 請求項１１において、
    前記弁シート面上に位置する熱伝導率の低い素材は、前記弁体の一部で構成され、
    前記弁体は椀状部とフランジ部とを有し、前記フランジ部は前記椀状部の両側に高温冷媒の流路となる二つの穴が設けられて前記弁シート面を摺動する
    ことを特徴とする四方切換弁。
13. 請求項１１において、
    前記弁シート面上に位置する熱伝導率の低い素材は、前記低圧側接続配管の接続口と前記第一の接続配管の接続口と前記第二の接続配管の接続口とを開口させる３つの穴を有するシート状部材で構成され、前記シート状部材を前記弁シート面に設置し、
    前記弁体は前記シート状部材の上を摺動する
    ことを特徴とする四方切換弁。

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