JP5404456B2 - 多方切換弁 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクルに用いられる多方切換弁に係り、特に、アクチュエータで冷媒の流れ方向を切り換える多方切換弁の改良に関する。

一般に、空気調和機、冷凍装置等の冷凍サイクルは、圧縮機、気液分離器、室外熱交換器、室内熱交換器及び膨張弁等に加えて、流路（流れ方向）切換手段としての多方切換弁を備えている。

この多方切換弁を備えた冷凍サイクルの一例を図４、図５を参照しながら説明する。図示例の冷凍サイクル３００は、空気調和機のもので、運転モード（冷房運転と暖房運転）の切り換えを多方切換弁３２０で行うようになっている。すなわち、圧縮機３１０、気液分離器３１２、室外熱交換器３１４、室内熱交換器３１６及び膨張弁３１８を備え、前記の圧縮機３１０、気液分離器３１２、室外熱交換器３１４及び室内熱交換器３１６の四者の間に、第１〜第４の４つのポート（入出口）ａ、ｂ、ｃ、ｄを有する多方切換弁３２０が配在されている。

前記各機器類間は配管（パイプ）で形成される流路で接続されている。具体的には、気液分離器３１２内の冷媒を圧縮機３１０に導く吸入流路３２１、圧縮機３１０から吐出された高圧冷媒を多方切換弁３２０の第１ポートａに導く吐出流路３２２、多方切換弁３２０の第２ポートｂと室外熱交換器３１４の第１流通口３１４ａとを接続する流路３２３、多方切換弁３２０の第３ポートｃと室内熱交換器３１６の第１流通口３１６ａとを接続する流路３２４、多方切換弁３２０の第４ポートｄと気液分離器３１２の戻し口３１２ａとを接続する流路３２５、室外熱交換器３１４の第２流通口３１４ｂと膨張弁３１８とを接続する流路３２６、膨張弁３１８と室内熱交換器３１６の第２流通口３１６ｂとを接続する流路３２７が設けられている。

このような構成の冷凍サイクル３００においては、冷房運転モードが選択されたときには、多方切換弁３２０が、図５（Ａ）に示される如くに、吐出流路３２２と流路３２３とを連通させるとともに、流路３２４と戻し流路３２５とを連通させる状態に切り換えられる。このときには、図４において実線矢印で示される如くに、気液分離器３１２内の低圧冷媒が吸入流路３２１を介して圧縮機３１０に吸入されるとともに、圧縮機３１０の吐出口３１０ａから高温高圧の冷媒が吐出流路３２２、多方切換弁３２０及び流路３２３を介して室外熱交換器３１４に導かれ、室外熱交換器３１４において室外空気と熱交換して凝縮し、高圧の二相冷媒となって流路３２６を介して膨張弁３１８に導入される。この膨張弁３１８により高圧の冷媒が減圧され、減圧された低圧の冷媒は、流路３２７を介して室内熱交換器３１６に導入され、ここで室内空気と熱交換（冷房）して蒸発し、室内熱交換器３１６からは低温低圧の冷媒が流路３２４、多方切換弁３２０及び流路３２５を介して気液分離器３１２に戻される。

それに対し、暖房運転モードが選択されたときには、多方切換弁３２０が、図５（Ｂ）に示される如くに、吐出流路３２２と流路３２４とを連通させるとともに、流路３２３と流路３２５とを連通させる状態に切り換えられる。このときには、図４において破線矢印で示される如くに、気液分離器３１２内の冷媒が吸入流路３２１を介して圧縮機３１０に吸入されるとともに、圧縮機３１０の吐出口３１０ａから高温高圧の冷媒が吐出流路３２２、多方切換弁３２０及び流路３２４を介して室内熱交換器３１６に導かれ、室内熱交換器３１６において室内空気と熱交換（暖房）して凝縮し、高圧の二相冷媒となって流路３２７を介して膨張弁３１８に導入される。この膨張弁３１８により高圧の冷媒が減圧され、減圧された低圧の冷媒は、流路３２６を介して室外熱交換器３１４に導入され、ここで室外空気と熱交換して蒸発し、室外熱交換器３１４からは低温低圧の冷媒が流路３２３、多方切換弁３２０及び流路３２５を介して気液分離器３１２に戻される。

前記した如くの冷凍サイクルに組み込まれるロータリー式の多方切換弁は、下記特許文献１にも見られるように、基本的には、流路切換用のアクチュエータと、該アクチュエータにより回動せしめられる弁体と、該弁体を回動可能に保持するとともに、弁シート部及び弁室が設けられた弁本体とを備え、この弁本体の弁シート部に、第１入出口（室外熱交換器連通口）及び第２入出口（室内熱交換器連通口）、並びに、圧縮機吐出側からの高圧冷媒を前記弁室に導入するための高圧入口及び圧縮機吸入側へ低圧冷媒を導出するための低圧出口が設けられ、前記弁体を回動させることによって、前記弁体内に設けられた通路部により前記第１入出口及び第２入出口のいずれかと前記高圧入口（弁室）及び低圧出口のいずれかとを選択的に連通させることにより、流路の切り換えを行うようになっている。

特開２００１−２９５９５１号公報

しかしながら、従来の多方切換弁は、高圧冷媒がアクチュエータ内部に作用するため、アクチュエータ内部の温度が高くなり、アクチュエータ内部の部品の耐久性が低下するという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、アクチュエータ内部を低温に保つことにより、耐久性及び信頼性の向上を図った多方切換弁を提供することにある。

前記目的を達成すべく、本発明は、基本的には、圧縮機、室外熱交換器、膨張弁及び室内熱交換器を環状に配管接続してなる冷凍サイクルに組み込まれ、冷凍サイクル内を循環する冷媒の流れ方向をアクチュエータにより選択的に切り換える多方切換弁であって、アクチュエータは、キャンの内周側に配在されたロータ及びキャンの外周に配在されたステータからなるモータであり、室内熱交換器及び室外熱交換器で蒸発した低圧冷媒をキャン内部に導入するように構成したことを特徴としている。

本発明によれば、室内熱交換器及び室外熱交換器で蒸発した低圧冷媒の圧力がアクチュエータ内部に作用してアクチュエータ内部が常に低圧となるため、従来のように高圧冷媒の圧力がアクチュエータ内部に作用する場合と比べてアクチュエータ内部の温度を低くすることができるので、アクチュエータ内部の部品が温度の影響を受けにくくなり、耐久性及び信頼性が向上する。

本発明の多方切換弁は、より具体的には、アクチュエータにより回動せしめられる弁体と、弁体を回動可能に保持する弁本体とを備え、弁体に高圧冷媒が導入される高圧通路部が形成され、弁本体に、高圧通路部の出口側に選択的に連通せしめられる第１入出口及び第２入出口と、第１入出口及び第２入出口のいずれかを介して選択的に低圧冷媒が導入される弁室とが設けられ、弁室とキャン内部とが連通しているものとすることができる。

本発明の多方切換弁では、アクチュエータが、キャンの内周側に配在されたロータ及びキャンの外周に配在されたステータからなるモータであり、圧力容器たるキャンの耐圧性を下げることができるため、キャンの肉厚を薄くでき、その分だけ、ロータとステータの間のエアーギャップを狭くでき、またはロータを大径化することができるので、ロータトルクを向上することができる。これによって、流路切換動作をより確実に行うことができるため、信頼性が向上する。

このような構造において、ロータと弁体との間に遊星歯車式減速機構が介装されている場合には、構造が複雑で且つ高い寸法精度が要求される遊星歯車式減速機構の耐久性及び信頼性が向上するので、特に有効である。

本発明に係る多方切換弁によれば、アクチュエータ内部の温度を低く保つことができるので、アクチュエータ内部の部品が温度の影響を受けにくくなり、耐久性及び信頼性が向上する。

本発明に係る多方切換弁の一実施形態の平面図。 図１の多方切換弁（冷房運転時）のＡーＡ矢視断面図。 図２のＢ−Ｂ矢視断面図であり、（Ａ）は冷房運転時、（Ｂ）は暖房運転時を示す。 多方切換弁が組み込まれた冷凍サイクルの一例を示す図。 従来の多方切換弁の動作説明図であり、（Ａ）は冷房運転時、（Ｂ）は暖房運転時を示す。

以下、本発明の多方切換弁の実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は本発明に係る多方切換弁の一実施形態の平面図、図２は図１の多方切換弁（冷房運転時）のＡーＡ矢視断面図、図３は図２のＢ−Ｂ矢視断面図であり、（Ａ）は冷房運転時、（Ｂ）は暖房運転時を示している。なお、本実施形態の多方切換弁が組み込まれる冷凍サイクルの構成は図４に示す冷凍サイクルと同様であるので、本実施形態においては図４と同一の符号を使用して再度の説明を省略する。

図１〜図３に示される多方切換弁１は、冷凍サイクルに用いられるものであり、圧力容器であるキャン３８の内周側に配在されたロータ１６とキャン３８の外周に外嵌固定されたステータ１７とからなる流路切換用アクチュエータとしてのステッピングモータ１５と、該ステッピングモータ１５により回動せしめられる弁体５０と、この弁体５０を回動可能に保持する、入出口形成部６０Ａと弁室形成部６０Ｂからなる分割組付構造の弁本体６０とを備えており、キャン３８の頂部内周には、ロータ支軸部材４８が配設されている。なお、軽量化を図るため、弁本体６０等の材料にはアルミニウムが採用されている。

本実施形態の多方切換弁１では、モータ１５のロータ１６と弁体５０との間に、遊星歯車式減速機構４０が介装されており、ロータ１６の回転は相当減速されて弁体５０に伝達されるようになっている。なお、遊星歯車式減速機構４０の詳細構成は、必要なら、例えば本発明の出願人による特開２００８−１０１７６５号公報等を参照されたい。

前記弁本体６０のモータ１５側に位置する入出口形成部６０Ａは、低圧出口１２、第１入出口１３及び第２入出口１４が適宜の角度間隔（ここでは、１２０度、９０度、１５０度）をあけて設けられた弁シート部材６５が嵌合固定される凹部６０ａが形成されるとともに、前記低圧出口１２に連なる、周側部に開口する低圧接続口（継手）６２ａを持つ逆Ｌ形通路部６２、前記第１入出口１３に連なる、周側部に開口する第１接続口（継手）６３ａを持つ逆Ｌ形通路部６３、前記第２入出口１４に連なる、周側部に開口する第２接続口（継手）６４ａを持つ逆Ｌ形通路部６４が形成されている。

前記弁本体６０における前記入出口形成部６０Ａの下側に位置する弁室形成部６０Ｂには、弁室６１が形成されるとともに、該弁室６１の底部中央（回転軸線Ｏ上）には、高圧入口１１が設けられている。

前記弁体５０は、上から順に、前記モータ１５内の遊星歯車式減速機構４０に連結された小径軸部５１、中央軸部５２及び逆Ｌ形軸部５３からなり、逆Ｌ形軸部５３内には、高圧入口１１からの高圧冷媒を前記第１入出口１３及び第２入出口１４に選択的に導くための逆Ｌ形ないしクランク状の高圧通路部５５が形成されている。高圧通路部５５は、高圧入口１１側の逆Ｌ形状の小径通路部５５ａと弁シート部材６５側（第１入出口１３及び第２入出口１４側）の大径通路部５５ｂとからなり、大径通路部５５ｂの出口側端部５６にはシール材としてのリング７４、７５（後述）を装着するための内周溝（凹部）５８が形成されている。

前記弁体５０の小径軸部５１はモータ１５側に設けられた厚肉円筒状のガイド部４９に回動自在に嵌挿され、前記中央軸部５２は、前記入出口形成部６０Ａ及び弁シート部材６５の中央（回転軸線Ｏ上）に形成された挿通穴６６、６７に回動自在に嵌挿され、前記逆Ｌ形軸部５３の下端部は、前記弁室６１における底部中央の高圧入口１１上に連設された挿通穴６８に回動自在に挿入されている。

また、前記高圧冷媒が前記高圧通路部５５から前記弁室６１内に漏れ出ないように、前記逆Ｌ形軸部５３の下端部５４外周と前記挿通穴６８の内周との間には、シール材としてＶ形溝付きリング７３が介装され、また、前記高圧通路部５５における弁シート部材６５側の端部５６（出口側の端部）の内周溝（凹部）５８には、シール部材としてＯリング７４と角形リング７５が装着されている。さらに、弁シート部材６５と前記入出口形成部６０Ａとの間にもシール部材としてのＯリング７２、７２が介装されている。

かかる構成の多方切換弁１Ｂにおいては、弁体５０を図２及び図３（Ａ）に示される位置から９０度回転させて、図３（Ｂ）に示される位置へ移動させること、及びその逆方向に移動させることにより、流路の切り換え、言い換えれば、第１入出口１３と高圧通路部５５とを連通させるとともに、第２入出口１４と低圧出口１２とを連通させる冷房運転状態と、第２入出口１４と高圧通路部５５とを連通させるとともに、第１入出口１３と低圧出口１２とを連通させる暖房運転状態との間の切り換え行われる。

加えて、本実施形態においては、前記高圧通路部５５における弁シート部材６５側の端部５６（角形リング７５）を前記弁シート部材６５に押し付ける方向の力が略キャンセルされるように、前記弁体５０における前記高圧入口１１側に位置する逆Ｌ形軸部５３の下端部５４の外径ΦＣ（押し付け方向にかかる圧力の受圧面積）が前記高圧通路部５５における弁シート部材６５側（出口側）端部に装着された角形リング７５の、弁シート部材６５に接触している部分の実効内径ΦＤ（反押し付け方向にかかる圧力の受圧面積）と略等しいかもしくは僅かに大きく設定されている。

このように、本実施形態の多方切換弁１Ｂにおいては、弁体５０内に圧縮機３１０で圧縮した高圧冷媒が導入される高圧通路部５５が形成されるとともに、弁室６１には室内熱交換器３１６及び室外熱交換器３１４で蒸発した低圧冷媒が導入されるようになっていて、高圧冷媒による弁体５０を弁シート部材６５に押し付ける方向の力が略キャンセルされるように、逆Ｌ形軸部５３の下端部５４の外径ΦＣや角形リング７５の実効内径ΦＤが設定されているので、流路切換動作を容易に軽やかに行うことができるとともに、弁体５０や弁シート部材６５が摩耗しにくくなり、その結果、耐久性及び信頼性が向上する。

そして、本実施形態の多方切換弁１Ｂでは、前記入出口形成部６０Ａに設けられた低圧出口１２に連なる逆Ｌ形通路部６２と弁体５０の挿通穴６６とを連通する横孔７７が形成されるとともに、前記ガイド部４９に前記挿通穴６６とモータ１５（キャン３８）内とを連通させる逆Ｌ形状の縦孔７８が形成されている。このため、前記弁室６１に導入される低圧冷媒の圧力がキャン３８内に作用し、キャン３８内が常に低圧に保たれる。

このように、モータ１５（キャン３８）内部が常に低圧に保たれるため、高圧に晒される場合よりも圧力容器たるキャン３８の耐圧性を下げることができる。具体的には、キャン３８の肉厚を薄くでき、その分だけ、ロータ１６とステータ１７の間のエアーギャップを狭くでき、またはロータ１６を大径化することができる。そのため、ロータトルクの向上が図られ、流路切換動作をより確実に行うことができるため、信頼性が向上する。

また、前記モータ１５内部が低圧に保たれることにより、従来のように高圧冷媒の圧力がモータ内に作用する場合に比して、モータ１５内部の温度を低くすることができるので、モータ１５内部の部品が温度の影響を受けにくくなり、これによっても、耐久性及び信頼性が向上する。特に、構造が複雑で且つ高い寸法精度が要求される遊星歯車式減速機構４０の耐久性及び信頼性の向上に大きく寄与するので、非常に有効である。

以上、本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に種々の改変を施すことができる。

１ 多方切換弁
１３ 第１入出口
１４ 第２入出口
１５ モータ（アクチュエータ）
１６ ロータ
１７ ステータ
３８ キャン
４０ 遊星歯車式減速機構
５０ 弁体
５５ 高圧通路部
６０ 弁本体
６１ 弁室
３００ 冷凍サイクル
３１０ 圧縮機
３１４ 室外熱交換器
３１６ 室内熱交換器
３１８ 膨張弁

Claims (3)

1. 圧縮機、室外熱交換器、膨張弁及び室内熱交換器を環状に配管接続してなる冷凍サイクルに組み込まれ、前記冷凍サイクル内を循環する冷媒の流れ方向をアクチュエータにより選択的に切り換える多方切換弁であって、
   前記アクチュエータは、キャンの内周側に配在されたロータ及び前記キャンの外周に配在されたステータからなるモータであり、
   前記室内熱交換器及び室外熱交換器で蒸発した低圧冷媒を前記キャン内部に導入するように構成したことを特徴とする多方切換弁。
2. 前記アクチュエータにより回動せしめられる弁体と、該弁体を回動可能に保持する弁本体とを備え、前記弁体に高圧冷媒が導入される高圧通路部が形成され、前記弁本体に、前記高圧通路部の出口側に選択的に連通せしめられる第１入出口及び第２入出口と、該第１入出口及び第２入出口のいずれかを介して選択的に低圧冷媒が導入される弁室とが設けられ、前記弁室と前記キャン内部とが連通していることを特徴とする請求項１記載の多方切換弁。
3. 前記ロータと前記弁体との間に遊星歯車式減速機構が介装されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の多方切換弁。

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