JP5275948B2 - 四方切換弁 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍機器、空調機器等の可逆冷凍サイクルを利用した機器等に用いられる四方切換弁に関する。

従来、冷凍サイクルシステムの冷媒通路に四方切換弁を配置して冷媒通路を切り換え、室内の冷房と暖房とを切り換えることが行なわれている。このような四方切換弁として、特許文献１には、図４に示すような四方切換弁が提案されている。

この四方切換弁３１は、密閉中空のシリンダ状の弁本体３２を有し、弁本体３２には、圧縮機３３の吐出管に連結され、高圧の冷媒が流入する高圧管３４と、圧縮機３３の吸入管に連結され、低圧の冷媒が流出する低圧管３５と、低圧管３５を挟んで両側に配置され、熱交換機３６、３７に連結された一対の導管３８、３９とが接続される。

また、弁本体３２内には、密閉空間内を往復移動するピストン４１、４２が収容され、これらの間に椀状の弁体４３が配置される。ピストン４１、４２は、それらの内側に位置する第１室（高圧室）４５と、外側に位置する第２室（低圧室）４６との差圧に応じて動作し、それに伴って弁体４３が弁座４７上を摺動する。尚、高圧室４５及び低圧室４６間の差圧は、パイロット弁４８によって制御される。

そして、図示のように、弁体４３を左端に摺動させた場合には、弁体４３の外側で高圧管３４と右側の導管３９を連通させつつ、弁体４３の内側で低圧管３５と左側の導管３８を連通させることができ、逆に、弁体４３を右端に摺動させた場合には、高圧管３４を左側の導管３８と、低圧管３５を右側の導管３９と連通させることができる。

特開平１１−２８７３５２号公報

上記従来の四方切換弁においては、弁体位置の切り換え途中で、図５に示すように、弁体４３が中間位置を経由することになる。図５は、右端に位置させた弁体４３を左端に向けて摺動させた場合の途中状態を示したものであるが、この際、左側の導管３８では、接続口３８ａの中央部のみが弁体４３の鍔部４３ａによって塞がれ、接続口３８ａの両側に開口部５１、５２が形成される状態となる。その結果、開口部５１、５２を通じて高圧室４５、導管３８及び低圧管３５が連通し、高圧側から低圧側への流れが発生する。

このときの流量（以下、適宜「バイパス流量」という）が多くなると、高圧室４５の内圧が大きく低下するため、低圧室４６との間の差圧が小さくなり、ピストン４１、４２が移動するのに必要な差圧を維持できなくなる虞がある。また、バイパス流量によっては、高圧室４５から低圧管３５への冷媒の流れが壁となって、弁体４３の摺動を妨げる抵抗成分として作用し、弁体４３を円滑に摺動させるのがより困難となる。このため、高圧管３４からの冷媒の流入圧を高めることが求められ、容量の大きな圧縮機が必要になるなどの問題が生じる。

そこで、本発明は、上記従来の四方切換弁における問題点に鑑みてなされたものであって、低作動差圧で弁体を摺動させることができ、弁体の位置を円滑に切り換えることが可能な四方切換弁を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、密閉空間を有する弁本体と、該弁本体に接続された高圧管、低圧管及び一対の導管と、前記低圧管及び一対の導管の各々に連通する接続口が設けられた弁座と、該弁座上を摺動する弁体とを備えるとともに、該弁体が、内側に流体の流通空間を形成する膨出部と、該膨出部を囲繞し、前記弁座上を摺動する鍔部とを有し、該弁体を摺動させることにより、前記高圧管、低圧管及び一対の導管の連通状態が切り換えられる四方切換弁において、前記弁体が摺動する過程で、該弁体の鍔部により、前記一対の導管の一方の接続口に、該導管を前記弁本体の密閉空間に連通させる第１の開口部と、該導管を前記膨出部の流通空間に連通させる第２の開口部とが形成され、かつ、該第１及び第２の開口部の開口面積が同一となるときに、該開口面積が前記導管の弁口径面積の１％以上、１０％以下となることを特徴とする。

そして、本発明によれば、バイパス流量が最大となる（第１及び第２の開口部の開口面積が同一となる）ときの開口部の開口面積を導管の弁口径面積の１％以上、１０％以下としたため、弁体位置の切り換え時のバイパス流量を適度に制限することができる。これにより、異常高圧による破損等を回避しつつ、低作動差圧で弁体を摺動させることができ、弁体の位置を円滑に切り換えることが可能になる。

上記四方切換弁において、前記開口面積が前記導管の弁口径面積の３％以上、７％以下とすることができ、これによれば、より低い作動差圧で弁体を摺動させることが可能になる。

また、該四方切換弁を、冷凍サイクルシステムの冷媒通路を切り換えるために用い、前記高圧管に圧縮機の吐出管を接続し、前記低圧管に該圧縮機の吸入管を接続することができる。これによれば、大きな容量の圧縮機を使用せずとも円滑に冷媒通路を切り換えることができ、システムコストを低減することが可能になる。

以上のように、本発明によれば、低作動差圧で弁体を摺動させることができ、弁体の位置を円滑に切り換えることが可能になる。

本発明にかかる四方切換弁の一実施の形態を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。 図１（ａ）の部分拡大図である。 第１及び第２の開口部の開口面積と弁体の最低作動差圧との関係を示したグラフである。 従来の四方切換弁の一例を示す断面図である。 四方切換弁の弁体位置を切り換える際の途中状態を示す断面図である。

次に、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。尚、以下の説明においては、本発明にかかる四方切換弁を冷凍サイクルの冷媒通路の切り換えに用いた場合を例にとって説明する。

図１は、本発明にかかる四方切換弁の一実施の形態を示し、この四方切換弁１は、図４に示した四方切換弁３１と同様の基本構成を備え、密閉中空のシリンダ状の弁本体２を有する。

弁本体２には、圧縮機（不図示）の吐出管に連結され、高圧の冷媒が流入する高圧管３と、圧縮機の吸入管に連結され、低圧の冷媒が流出する低圧管４と、低圧管４を挟んで両側に配置され、熱交換機（不図示）に連結された一対の導管５、６とが接続される。低圧管４及び導管５、６上には、各管４〜６の接続口７、８、９が穿設された弁座１０が配置される。尚、接続口７〜９は、同一の開口径を有する。

また、弁本体２には、密閉空間２ａ内を往復移動するピストン１１、１２が収容され、これらピストン１１、１２は、それらの内側に位置する高圧室１３と、外側に位置する低圧室１４との差圧に応じて動作する。ピストン１１、１２の間には、連結板１５が架設されるとともに、椀状の弁体１６が配置される。弁体１６は、内側に冷媒の流通空間１６ｃを形成する膨出部１６ａと、膨出部１６ａを囲繞するように形成され、弁座１０上を摺動する環状の鍔部１６ｂとで構成される。

上記四方切換弁１においては、弁体１６の位置を変更することで、高圧管３、低圧管４及び導管５、６の連通状態を切り換えることができるが、弁体１６を移動させる過程で、弁体１６が中間位置を経由することになり、高圧側から低圧側への流れが発生する。図１は、右端に位置させた弁体１６を左端に向けて摺動させた場合の途中状態を示したものであるが、図示のように、左側の導管５の接続口７の両側において、導管５を高圧室１３に連通させる第１の開口部１７と、導管５を膨出部１６ａの流通空間１６ｃと連通させる第２の開口部１８とが形成される。この場合、第１及び第２の開口部１７、１８を通じて高圧室１３から低圧管４に冷媒が流れるようになり、高圧室１３の内圧が低下して弁体位置の切り換え動作に影響を及ぼすようになる。

そこで、本実施の形態においては、高圧室１３の内圧が低下するのを抑制すべく、第１及び第２の開口部１７、１８の開口面積Ａ１、Ａ２を適度に縮小化して、高圧室１３から低圧管４に向けて流れる冷媒の流量（バイパス流量）を制限する。具体的には、第１及び第２の開口部１７、１８の開口面積Ａ１、Ａ２が一致してバイパス流量が最大となる状態で、開口面積Ａ１（＝Ａ２）が導管５の弁口径面積Ｂ（接続口７の開口面積）の１０％以下となるように構成し、好ましくは、７％以下となるように構成する。

第１及び第２の開口部１７、１８の開口面積Ａ１、Ａ２は、図２に示す弁体１６の内堀寸法（流通空間１６ｃの長さ）Ｌ１を短くしたり、弁体１６の鍔部１６ｂの長さＬ２を長くすることで、縮小化することができる。但し、内堀寸法Ｌ１を短くし過ぎると、弁体１６を左端（又は右端）の作動位置に位置させた際に、導管５（又は導管６）から低圧管４への冷媒流路が狭くなって低圧側の流れに悪影響を及ぼすようになり、一方、鍔部１６ｂの長さＬ２を拡大し過ぎると、弁体１６の鍔部１６ｂが導管６（又は導管５）を部分的に塞いで高圧管３からの流れを妨げるようになるため、両者をバランスよく組み合わせることが好ましい。

尚、高圧室１３から低圧管４への冷媒の流れを完全に遮断してしまうと、弁体位置の切り換え時に急激な圧力上昇が発生し、異常高圧によるシステムの停止や四方切換弁１の破損を招くため、開口面積Ａ１、Ａ２の下限値は、弁口径面積Ｂの１％以上とすることが好ましく、３％以上とすることがさらに好ましい。

次に、本発明にかかる四方切換弁１の作用効果について試験例を挙げて説明する。図３は、第１及び第２の開口部１７、１８の開口面積と、弁体１６を作動させるのに必要な最低作動差圧との関係を示したグラフである。

ここで、「開口面積比率」は、開口面積Ａ１（又はＡ２）／弁口径面積Ｂ×１００（％）である。一方、「最低作動差圧」は、高圧管３の冷媒の流入圧と、低圧室１４に接続された導管１４ａ（図１参照）の流出圧との差圧であって、弁体１６が摺動するのに要した最低限の圧力差である。また、図中の折れ線Ａ〜Ｃは、各々、弁口径φを２５ｍｍ、２０ｍｍ、１６ｍｍとしたものに対応する。

図３に示されるように、Ａ〜Ｃの何れにおいても、開口面積比率を１０％以下とすることで、低い作動差圧で弁体１６を摺動させることができ、また、開口面積比率を７％以下とすることで、より低い作動差圧で弁体１６を摺動させることができている。このように、本実施の形態によれば、低作動差圧で弁体１６を摺動させることができ、弁体１６の位置を円滑に切り換えることが可能になる。

尚、上記実施の形態においては、本発明にかかる四方切換弁を冷凍サイクルの冷媒通路の切換に用いた場合を例示したが、本発明にかかる四方切換弁をその他の用途にも利用できることは勿論である。

１ 四方切換弁
２ 弁本体
２ａ 密閉空間
３ 高圧管
４ 低圧管
５、６ 導管
７、８、９ 接続口
１０ 弁座
１１、１２ ピストン
１３ 高圧室
１４ 低圧室
１４ａ 導管
１５ 連結板
１６ 弁体
１６ａ 膨出部
１６ｂ 鍔部
１６ｃ 流通空間
１７ 第１の開口部
１８ 第２の開口部

Claims (3)

1. 密閉空間を有する弁本体と、該弁本体に接続された高圧管、低圧管及び一対の導管と、前記低圧管及び一対の導管の各々に連通する接続口が設けられた弁座と、該弁座上を摺動する弁体とを備えるとともに、該弁体が、内側に流体の流通空間を形成する膨出部と、該膨出部を囲繞し、前記弁座上を摺動する鍔部とを有し、該弁体を摺動させることにより、前記高圧管、低圧管及び一対の導管の連通状態が切り換えられる四方切換弁において、
   前記弁体が摺動する過程で、該弁体の鍔部により、前記一対の導管の一方の接続口に、該導管を前記弁本体の密閉空間に連通させる第１の開口部と、該導管を前記膨出部の流通空間に連通させる第２の開口部とが形成され、かつ、該第１及び第２の開口部の開口面積が同一となるときに、該開口面積が前記導管の弁口径面積の１％以上、１０％以下となることを特徴とする四方切換弁。
2. 前記開口面積が前記導管の弁口径面積の３％以上、７％以下となることを特徴とする請求項１に記載の四方切換弁。
3. 該四方切換弁は、冷凍サイクルシステムの冷媒通路を切り換えるために用いられ、前記高圧管に圧縮機の吐出管が接続され、前記低圧管に該圧縮機の吸入管が接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載の四方切換弁。

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