以下、本発明を実施するための形態である実施形態について添付図面を参照して説明する。なお、各図において、同様の部分には同様の符号を付して示し、重複した説明を省略する。
≪第1実施形態≫
図1は、第1実施形態の冷蔵庫を前方から見た正面外観図である。図2は、冷蔵庫の庫内の構成を表す図1のE−E断面図である。図3は、冷蔵庫の庫内の機能構成を表す正面図である。図4は、図2の冷却器近傍を拡大して示す要部拡大説明図である。
<冷媒切替弁60を用いる機器(冷蔵庫1)の構成>
第1実施形態に係る冷媒切替弁60(図9等参照)を説明する前に、まず、冷媒切替弁60(図9等参照)を備える機器として、冷蔵庫1を例として挙げ、図1から図4を用いて説明する。
図1、図3に示すように、冷蔵庫1は、その本体の冷蔵庫本体1Hに、上方から、冷蔵室2と、左右に並べた製氷室3および上段冷凍室4と、下段冷凍室5と、野菜室6とを備えている。なお、冷蔵室2および野菜室6は、冷蔵温度帯の貯蔵室であり、例えば、約3〜5℃の温度とされている。また、製氷室3、上段冷凍室4および下段冷凍室5は、冷凍温度帯の貯蔵室であり、例えば、約−18℃の温度とされている。
図1に示すように、冷蔵室2は、前方側に、左右に分割された観音開き(いわゆるフレンチ型)の冷蔵室扉2a、2bを備えている。また、製氷室3、上段冷凍室4、下段冷凍室5、野菜室6は、それぞれ引き出し式の製氷室扉3a、上段冷凍室扉4a、下段冷凍室扉5a、野菜室扉6aを備えている。なお、以下の説明において、冷蔵室扉2a、2b、製氷室扉3a、上段冷凍室扉4a、下段冷凍室扉5a、野菜室扉6aを、単に扉2a、2b、3a、4a、5a、6aと称する場合がある。
扉2a、2b、3a、4a、5a、6aは、内側の周囲にゴム製のドアパッキン15(図2参照)が設けられている。ドアパッキン15は、各扉2a、2b、3a、4a、5a、6aを閉じた際、弾性変形して冷蔵庫本体前面16の開口周縁部1H2と密着することで貯蔵空間(冷蔵室2、製氷室3、上段冷凍室4、下段冷凍室5、野菜室6)を外部空間に対して閉塞して密閉し、貯蔵空間から外部への冷気の漏れを抑制している。
冷蔵庫1は、扉開閉検知・報知手段として、冷蔵庫本体1Hに、扉2a、2b、3a、4a、5a、6aの開閉状態をそれぞれ検知する扉センサ(図示せず)と、各扉2a、2b、3a、4a、5a、6aが開放していると判定された状態が所定時間(例えば、1分間以上)継続された場合に、使用者に報知音で報知するアラーム(図示せず)とを有している。
その他、冷蔵庫1は、冷蔵室2の温度設定や上段冷凍室4や下段冷凍室5の温度設定をユーザが行うための温度設定器を有している。温度設定器とは、操作部および表示部を有する図1に示すコントロールパネル40である。
図2に示すように、冷蔵庫本体1Hは、庫外と庫内とが、樹脂製の内箱10aと鋼板製の外箱10bとの間に発泡断熱材(発泡ポリウレタン)を充填することにより形成される断熱箱体10により、断熱して隔てられている。また、冷蔵庫本体1Hの断熱箱体10は、断熱性能を向上するため、熱伝達率がより低い複数の真空断熱材14を、外箱10bの内面に沿って実装している。
冷蔵庫1の庫内は、冷蔵温度帯と冷凍温度帯との温度帯の異なる上下方向に配置された複数の貯蔵室が、熱漏洩を抑制するため、断熱仕切壁11a、11bにより断熱的に区画されている。
すなわち、上断熱仕切壁11aにより、冷蔵温度帯の貯蔵室である冷蔵室2と、冷凍温度帯の貯蔵室である上段冷凍室4および製氷室3(図1参照、図2中で製氷室3は図示せず)とが断熱して隔てられている。また、下断熱仕切壁11bにより、冷凍温度帯の貯蔵室である下段冷凍室5と、冷蔵温度帯の貯蔵室である野菜室6とが断熱して隔てられている。
冷蔵室扉2a、2bの庫内側には、図2に示すように、飲み物などを収容(貯蔵)するための複数の扉ポケット13が庫内側に突出して備えられている。また、冷蔵室2は、食品などを載置する複数の棚12により鉛直方向に複数の貯蔵スペースに区画されている。
引き出し式の扉をもつ製氷室3、上段冷凍室4、下段冷凍室5および野菜室6は、各貯蔵室の前方に備えられた各扉3a、4a、5a、6aの後方に一体に、収納容器3b、4b、5b、6bがそれぞれ設けられている。そして、扉3a、4a、5a、6aの図示しない取手部に手を掛けて手前側に引き出すことにより、収納容器3b、4b、5b、6bが引き出せるようになっている。
<結露防止>
ここで、冷蔵庫本体1Hの各扉2a、2b、3a、4a、5a、6aを開くと、温かい外気が冷蔵庫本体前面16の開口周縁部1H2と接触する。特に、製氷室3、上段冷凍室4、下段冷凍室5内は氷点下の冷凍温度帯(例えば、−18℃)であるため、扉3a、4a、5aを開いた場合、冷蔵庫本体前面16の開口周縁部1H2に外気が触れて冷却されることで露点以下となり、冷蔵庫本体前面16に、外気中の水分が結露しやすい状態となる。
さらに、冷蔵庫本体前面16に結露した状態で扉3a、4a、5aを閉じると、ドアパッキン15と冷蔵庫本体前面16との間の水滴が氷点下に冷却され、凍結するおそれがある。
そこで、図2、図3に示すように、製氷室3、上段冷凍室4、下段冷凍室5の開口周縁部1H2には、結露防止を目的に開口周縁部1H2を温め露点の温度を上げるため、後記する凝縮器52を通過した後の高温の冷媒を通過させる冷媒配管17が埋設されている。ここで、冷媒配管17を流れる冷媒の温度(後記の凝縮器52を通過した後の冷媒の温度)は、庫外温度(外部空間の温度)よりも高温であり、例えば、庫外温度が30℃の際に33℃程度となるように設定している。
このように、冷媒配管17は、流れる冷媒の熱により冷蔵庫本体前面16の開口周縁部1H2を加熱して、外気中の水分の結露および凍結を抑制する機能を有している。以下の説明においては、冷媒配管17を「結露防止配管17」と称する。
なお、本第1実施形態において、結露防止配管17は、製氷室3、上段冷凍室4、下段冷凍室5の開口周縁部1H2に設ける構成としたが、冷蔵室2、野菜室6の開口1H2に設ける構成であってもよく、この場合、同様に、結露防止の効果が得られる。
<冷気循環>
図2、図3に示すように、冷却器7は、下段冷凍室5のほぼ奥側に備えられる冷却器収納室8内に配設されている。冷却器7は、冷却器配管7dに伝熱面積を広げるための多数のフィンが取り付けられて構成され、冷却器配管7d内の冷媒と空気との間の熱交換が行われている。
また、冷却器7の上方には、庫内送風機9(例えば、モータ駆動するファン)が設けられている。冷却器7で熱交換して冷やされた空気(以下、冷却器7で熱交換した低温の空気を「冷気」と称す)は、庫内送風機9によって、冷蔵室送風ダクト22、野菜室送風ダクト25、製氷室送風ダクト26a、上段冷凍室送風ダクト26bおよび下段冷凍室送風ダクト27を介して、冷蔵室2、野菜室6、製氷室3、上段冷凍室4および下段冷凍室5の各貯蔵室へ送られる。ちなみに、冷蔵室2、製氷室3、上段冷凍室4、下段冷凍室5および野菜室6への各送風ダクト(22、26a、26b、27、25)は、図2で示すように、冷蔵庫本体1Hの各貯蔵室の背面側に設けられている。
庫内送風機9が取り付けられている送風機支持部30は、冷却器収納室8と冷凍温度帯室背面仕切29との間を区画する。
図4に示すように、製氷室3、上段冷凍室4、下段冷凍室5にそれぞれ冷気を吹き出す吹出口3c、4c、5cが形成されている冷凍温度帯室背面仕切29は、上段冷凍室4、製氷室3および下段冷凍室5と、冷却器収納室8との間を区画する。
送風機カバー31は、庫内送風機9の前面を覆うように配置されている。送風機カバー31と冷凍温度帯室背面仕切29との間には、庫内送風機9によって送風された冷気を吹出口3c、4c、5cに導くための、製氷室送風ダクト26a、上段冷凍室送風ダクト26bおよび下段冷凍室送風ダクト27が形成されている。
また、送風機カバー31の上部には、吹出口31aが形成されており、吹出口31a近くに冷凍温度帯室冷気制御手段21が設けられている。
さらに、送風機カバー31は、庫内送風機9によって送風された冷気を冷蔵温度帯室冷気制御手段20側に送風する役目も果たしている。即ち、送風機カバー31に設けられた冷凍温度帯室冷気制御手段21側に流れない冷気は、図4に示すように、冷蔵室上流ダクト23を経由して冷蔵温度帯室冷気制御手段20側に導かれる。
また、送風機カバー31は、庫内送風機9の前面に整流部31bを備えている。整流部31bは、吹き出す冷気が引き起こす乱流を整流して、騒音の発生を防止するようになっている。
<ダンパ>
冷却器7の冷気が何れの貯蔵室へ送られるかは、図2、図3に示す冷蔵温度帯室冷気制御手段20および冷凍温度帯室冷気制御手段21の開閉により制御される。
ここで、冷蔵温度帯室冷気制御手段20は、独立した2つの第一・第二の開口部20a、20b(図3参照)を備える所謂ツインダンパであり、第一の開口20aを開閉することで、冷蔵室送風ダクト22への送風を制御し、第二の開口20bを開閉することで、野菜室送風ダクト25への送風を制御する。
図4に示すように、冷凍温度帯室冷気制御手段21は、単独の開口部を備えたシングルダンパであり、開口部を開閉することで、製氷室送風ダクト26a、上段冷凍室送風ダクト26bおよび下段冷凍室送風ダクト27への送風を制御する。
<ダンパによる冷蔵室2の冷却>
冷蔵室2の冷却に際しては、冷蔵温度帯室冷気制御手段20の第一の開口20aを開状態とすると、冷気は、冷蔵室上流ダクト23(図4参照)および冷蔵室送風ダクト22を経て、多段に設けられた吹出口2c(図3参照)から冷蔵室2に送られる。そして、冷蔵室2を冷却した冷気は、冷蔵室2の下部に設けられた戻り口2dから冷蔵室戻りダクト24を経て、冷却器収納室8内にその側方下部から流入し、冷却器7と熱交換され冷却される。
<ダンパによる野菜室6の冷却>
野菜室6の冷却に際しては、冷蔵温度帯室冷気制御手段20の第二の開口20bを開状態とすると、冷気は、冷蔵室上流ダクト23および野菜室送風ダクト25(図3参照)を経て、吹出口6c(図3参照)から野菜室6に送られる。そして、野菜室6を冷却した冷気は、戻り口6dを経て、冷却器収納室8内にその下部から流入し、冷却器7と熱交換され冷却される。
ちなみに、野菜室6を循環する風量は、冷蔵室2より冷蔵温度がやや高めのため、冷蔵室2を循環する風量や冷凍温度帯室(3、4、5)を循環する風量に比べて少なくなっている。
<ダンパによる冷凍室(3、4、5)の冷却>
冷凍室(3、4、5)の冷却に際しては、冷凍温度帯室冷気制御手段21を開状態とすると、冷気は、製氷室送風ダクト26aや上段冷凍室送風ダクト26bを経て、吹出口3c、4cからそれぞれ製氷室3、上段冷凍室4に送られる。また、冷気は、下段冷凍室送風ダクト27(図2参照)を経て、吹出口5cから下段冷凍室5に送られる。このように、冷凍温度帯室冷気制御手段21は、送風機カバー31(図4参照)の上方に取り付けられ、その下方に配置される冷凍室(3、4、5)への送風を容易にしている。
製氷室送風ダクト26aを介して製氷室3に送風された冷気、および、上段冷凍室送風ダクト26bを介して上段冷凍室4に送風された冷気は、下方に配置される下段冷凍室5に下降する。そして、下段冷凍室送風ダクト27を介して、下段冷凍室5に送風される冷気とともに、下段冷凍室5の奥下方に設けられた冷凍室戻り口28を介して、冷却器収納室8内に流入し、冷却器7と熱交換され冷却される。
ちなみに、冷凍室戻り口28の横幅寸法は、冷却器7の幅寸法とほぼ等しい横幅である。
ところで、冷蔵温度帯室冷気制御手段20および冷凍温度帯室冷気制御手段21が開状態のとき、大部分の冷気が冷凍温度帯室冷気制御手段21側に送られて、残りの他の冷気が冷蔵温度帯室冷気制御手段20側に導かれるように各送風ダクト等が構成されている。これにより、温度帯の異なる貯蔵室である冷凍温度帯室(製氷室3、上段冷凍室4および下段冷凍室5)および冷蔵温度帯室(冷蔵室2および野菜室6)に、1つの冷却器7で冷気を供給することができる。
以上説明したように、冷蔵庫本体1Hの各貯蔵室へ送風する冷気の切り替えは、冷蔵温度帯室冷気制御手段20および冷凍温度帯室冷気制御手段21をそれぞれ適宜開閉制御することにより行われる。
<霜取装置の除霜ヒータ35>
図4に示すように、冷却器7の下方には、除霜手段である除霜ヒータ35が設置されている。除霜ヒータ35の上方には、除霜水が除霜ヒータ35に滴下することを防止するため、上部カバー36が設けられている。
冷却器7およびその周辺の冷却器収納室8の壁に付着した霜の除霜(融解)によって生じた除霜水は、冷却器収納室8の下部に備えられた樋32に流入した後に、排水管33を介して機械室50に配設された蒸発皿34に達して貯留され、後記の圧縮機51(図3参照)や凝縮器52で発生する熱により蒸発させられ、冷蔵庫1外に排出される。
<機械室>
図3に示すように、断熱箱体10の下部背面(奥)側には、機械室50が設けられている。
機械室50には、冷媒を圧縮して高温、高圧にして吐出する圧縮機51と、冷媒と空気とを熱交換させる凝縮器52と、凝縮器52における冷媒と空気の熱交換を促進させる庫外送風機53と、細管である減圧手段54と、冷媒切替弁60とが配置されている。
なお、圧縮機51、凝縮器52、減圧手段54、および、冷媒切替弁60は、冷却器7や結露防止配管17と配管で接続され、冷媒が流通する冷媒経路(冷媒回路)(図5から図8を用いて後記)が形成されている。
<センサ・制御系>
図2に示すように、冷蔵庫本体1Hの天井壁1H1の上面奧側には、制御手段として、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)等のメモリなどを有するマイクロコンピュータや、インターフェース回路等を実装した制御手段である制御基板41が配置されている。
冷蔵庫1には、庫外の温度環境(外気温度)を検知する外気温度センサ42、庫外の湿度環境(外気湿度)を例えば水分吸着型の固体電解質を用いて検知する外気湿度センサ43、冷蔵室2の温度を検出する冷蔵室温度センサ44、野菜室6の温度を検出する野菜室温度センサ45、冷凍温度帯室(製氷室3、上段冷凍室4および下段冷凍室5)の温度を検出する冷凍室温度センサ46、冷却器7の温度を検出する冷却器温度センサ47等の温度センサが設けられている。これらセンサで検出された温度が検出信号として制御基板41に入力される。
また、制御基板41は、扉2a、2b、3a、4a、5a、6aの開閉状態をそれぞれ検知する扉センサ(図示せず)、冷蔵室扉2aに設けたコントロールパネル40(図1参照)と電気的に接続されている。
そして、制御基板41は、前記ROMに予め搭載された制御プログラムを実行することにより、圧縮機51のON/OFFや回転速度の制御、冷蔵温度帯室冷気制御手段20および冷凍温度帯室冷気制御手段21を個別に開閉駆動するそれぞれの駆動モータ(図示せず)の制御、庫内送風機9のON/OFFや回転速度の制御、庫外送風機53(図3参照)のON/OFFや回転速度等の制御、扉開放状態を報知するアラーム(図示せず)のON/OFF、冷媒切替弁60の切替動作等の制御を行い、冷蔵庫1全体の運転を統括的に制御している。
以上が、機器である冷蔵庫1の構成である。
<冷媒経路(冷媒回路)>
次に、第1実施形態に係る冷媒切替弁60(図3、図9等参照)を備える冷蔵庫1の冷媒経路(冷媒回路)、運転モードについて、図5から図8を用いて説明する。
図5は、第1実施形態に係る冷媒切替弁60を用いた冷媒経路の第1モードを示す図である。図6は、第1実施形態に係る冷媒切替弁60を用いた冷媒経路の第2モードを示す図である。図7は、第1実施形態に係る冷媒切替弁60を用いた冷媒経路の第3モードを示す図である。図8は、第1実施形態に係る冷媒切替弁60を用いた冷媒経路の第4モードを示す図である。
図5の第1モードは通常のモードであり、結露防止配管17(図2、図3参照)に高温の冷媒を送り、結露を抑制する結露防止モードである。
図6の第2モードは、結露の可能性がない環境において、結露防止配管17を冷媒がバイパスするバイパスモードである。
図7の第3モードは、圧縮機51を停止する停止モードである。
図8の第4モードは、結露防止配管17から冷媒を回収して省エネを図る冷媒回収モードである。
冷媒切替弁60は、4つの連通管(図9等を用いて後記する流入管68、連通管69b、69c、69d)が接続されており、1つの流入口Aと、3つの連通口B、C、Dを備える、所謂、四方弁である。
すなわち、流入口Aには、流入管68が接続され、3つの連通口B、C、Dには、それぞれ連通管69b、69c、69dが接続されている。
図5に示すように、流入口Aの上流側には、第一冷媒配管55が接続されている。第一冷媒配管55には、上流側に凝縮器52が接続され、さらにその上流側に圧縮機51の高圧側吐出口51oが接続されている。連通口Bには、第二冷媒配管56の一端が接続され、結露防止配管17を経由して、連通口Dに第二冷媒配管56の他端が接続されている。連通口Cの下流側には、第三冷媒配管57が接続されている。
第三冷媒配管57は、下流側の細管である減圧手段54を経由して、冷却器7と接続される。冷却器7の下流側は、圧縮機51の低圧側吸入口51iに接続されている。ちなみに、冷媒経路(冷媒回路)の冷媒としては、例えば、処理時のCO2の排出が少ないイソブタンを用いることができる。
図5から図8に示す第1モードから第4モードは、それぞれモードが異なるので、冷媒切替弁60の開閉状態(連通状態)が異なり、冷媒の経路(回路)が異なっている。
(図5の第1モード)結露防止モード
図5に示す第1モード(結露防止モード)においては、冷媒切替弁60は、流入口Aと連通口Bとが連通し(冷媒流れL1)、連通口Cと連通口Dとが連通(冷媒流れL2)する。
圧縮機51によって圧縮された高温高圧の冷媒は、凝縮器52に流入し、凝縮器52で空気(庫外空気)と熱交換して冷却される。凝縮器52から流出した冷媒は、第一冷媒配管55を通って、冷媒切替弁60の流入口Aに流入し、冷媒流れL1に示すように、連通口Bから流出する。そして、第二冷媒配管56を通って、結露防止配管17に流入する。
結露防止配管17に流入した冷媒の温度(即ち、凝縮器52から流出した冷媒の温度)は、庫外空気よりも高温であるため、結露防止配管17に流入した冷媒は、冷蔵庫本体1Hの開口周縁部1H2(図2、図3参照)を加熱する。これにより、冷蔵庫本体1Hの開口周縁部1H2の温度が上昇し、露点温度が上昇し結露が抑制される。
そして、開口周縁部1H2に放熱して、結露防止配管17への流入時よりも低温となった冷媒は、結露防止配管17から流出して、第二冷媒配管56の下流側を経て、冷媒切替弁60の連通口Dに流入する。そして、冷媒は、冷媒流れL2に示すように、連通口Cから流出し、第三冷媒配管57を経て、細管である減圧手段54を通過した後、断熱膨張して低温低圧となる。
減圧手段54を通過した後の冷媒は、蒸発器である冷却器7(冷却器配管7d)(図4参照)に流入する。冷却器7(冷却器配管7d)に流入した低温の冷媒は、冷却器7で周囲空気と熱交換して蒸発し、圧縮機51に戻る。
このように、第1モード(結露防止モード)では、結露防止配管17を通る冷媒温度は、冷蔵庫本体1Hが設置された外気温度よりも高くなるので、外気が高温高湿な場合であっても、冷蔵庫本体1Hの開口周縁部1H2の温度が上昇し、冷蔵庫本体1Hの開口周縁部1H2の結露を抑制することができる。
(図6の第2モード)バイパスモード
図6に示すように、第2モード(バイパスモード)においては、冷媒切替弁60は、流入口Aと連通口Cとが連通し(冷媒流れL3)、連通口Bおよび連通口Dは、他と連通しない。
圧縮機51により圧縮された高温高圧の冷媒は、凝縮器52に流入し、凝縮器52で空気(庫外空気)と熱交換することにより冷却される。凝縮器52から流出した冷媒は、第一冷媒配管55を通って、冷媒切替弁60の流入口Aに流入し、冷媒流れL3に示すように、連通口Cから流出して、第三冷媒配管57を通って、細管である減圧手段54を通過した後、断熱膨張して低温低圧となり、蒸発器である冷却器7(冷却器配管7d)に流入する。冷却器7(冷却器配管7d)(図2参照)に流入した低温の冷媒は、冷却器7で周囲空気と熱交換して蒸発し、圧縮機51に戻る。
第1モード(結露防止モード)(図5参照)で運転すると、結露防止配管17に外気よりも高温の冷媒が流れるため、その熱で貯蔵室(製氷室3、上段冷凍室4、下段冷凍室5)(図3参照)等を温めてしまうおそれがある。そこで、外気が低湿など結露のおそれが低い場合、第2モード(バイパスモード)で運転することにより、結露防止配管17に冷媒を流さないようにすることができる。
これにより、冷蔵庫本体1Hの開口周縁部1H2の結露防止の効果はないものの、結露の可能性が低い場合には、結露防止配管17から冷蔵庫本体1H内部への熱漏洩を防止でき、冷蔵庫1の省エネルギ性能を向上することができる。
冷媒切替弁60の第1モード(結露防止モード)と第2モード(バイパスモード)は、図2に示す外気温度センサ42や外気湿度センサ43の検知結果に基づいて結露のおそれがあるか否かを判定する。
例えば、外気湿度センサ43で検出した外気の湿度から露点が求められ、外気温度センサ42で検出した外気温度から、結露しそうな環境か否かが求められる。或いは、外気温度センサ42で検出した外気温度から飽和湿度が求められ、外気湿度センサ43で検出した外気の湿度から、結露しそうな環境か否かが求められる。
そして、結露の可能性がある場合は第1モード(結露防止モード)とし、結露のおそれがない場合には第2モード(バイパスモード)とするようモードを切り替えると、結露しそうな必要な時だけ結露を防止でき、それ以外の時、つまり結露しそうでない時は熱漏洩を抑制でき、消費電力を低減するのに効果的である。
(図7の第3モード)停止モード
図7に示す第3モード(停止モード)において、圧縮機51は停止している状態となっており、冷媒切替弁60は連通口Cを閉塞している。
第3モードにおいては、連通口Cを閉塞することで、冷媒が循環する回路を遮断するようになっている。すなわち、冷媒切替弁60の連通口Cが遮断されていることにより、第一冷媒配管55や凝縮器52、第二冷媒配管56や冷媒結露防止配管17内の比較的高温な冷媒が、第三冷媒配管57や冷却器7に流れ込むことを遮断する。これにより、冷却器7の温度上昇を防止できる。
ここで、冷蔵庫1は、冷凍サイクルによって貯蔵室(2、3、4、5、6)を冷却する運転の場合、貯蔵室が所定温度以下となるまで圧縮機51を動作させて、貯蔵室が既設定の所定温度以下まで低下すると圧縮機51を停止させるようになっている。そして、貯蔵室が既設定の所定温度より上昇すると圧縮機51を再起動して貯蔵室を冷却する。
圧縮機51の停止時に冷媒切替弁60を第3モード(停止モード)とすることにより、冷却器7内の冷媒を低温で維持することができる。そのため、圧縮機51の再起動時には、冷却器7内の冷媒が低温であることから、熱交換効率が高い状態にあり、冷蔵庫1の省エネルギ性能を向上できる。
(図8の第4モード)冷媒回収モード
図8に示すように、第4モード(冷媒回収モード)において、冷媒切替弁60は、流入口Aと連通口Dは閉塞されて他と連通しないようになっており、連通口Bと連通口Cは互いに連通し、冷媒が、冷媒流れL4のように流れる。
流入口Aはいずれの連通口B、C、Dとも連通しないので、圧縮機51を運転しても冷媒は流れることはなく、圧縮機51の高圧側吐出側51oよりも下流側の凝縮器52、第一冷媒配管55は圧縮機51の高圧側吐出口51oと連通して高圧の状態となる。
一方、連通口Bと連通口Cは互いに連通しているので第二冷媒配管56と第三冷媒配管57は連通する。そして、連通口Dは閉塞されているので、圧縮機51を運転しても冷媒は流れず、連通口Dより下流側となる第二冷媒配管56と結露防止配管17、連通口Cの下流側から圧縮機51の吸入側に接続された第三冷媒配管57、細管である減圧手段54、および冷却器7は、圧縮機51の運転により、圧縮機51の低圧側吸入口51iと等しく低圧の状態となる。
すなわち、第4モード(冷媒回収モード)で圧縮機51を運転すると、第二冷媒配管56と結露防止配管17内の冷媒を圧縮機51の低圧側吸入口51iの低圧によって冷却器7内に吸引することができる。そして、圧縮機51の再起動時には、第二冷媒配管56と結露防止配管17内の冷媒量は少ない状態となる一方、冷却器7内に十分に冷媒があって熱交換効率が高い状態であり、冷蔵庫1の省エネルギ性能を向上することができる。
以上が冷蔵庫1の冷媒回路と第1〜第4モードの運転モードである。
≪冷媒切替弁60≫(連通口B、C、Dの配置)
次に、第1実施形態に係る冷媒切替弁60の構成と動作について、図9から図16を用いて説明する。
図9は、第1実施形態に係る冷媒切替弁60の外観を示す斜視図である。図10は、図9のG方向矢視図である。図11は、図10のF−F断面図である。図12は、冷媒切替弁60の内部構成を示す斜視図であり、冷媒切替弁60からステータケース61と弁ケース66とを仮想的に取り外して透視した斜視図である。図13は、ロータピニオンギヤ75とアイドラギヤ79と弁体80の構成を示す斜視図であり、ロータ70から弁体80に至るまでのギヤを用いた駆動力の伝達手段の構成を示す。
図9、図11に示すように、冷媒切替弁60の外装を成す略円筒形状のステータケース61の内部には、コイルを巻回したモータの固定子である略円筒形状のステータ62が形成されている。また、ステータケース61の一部に、外方に凸形状に突出するコネクタケース63が形成されており、コネクタケース63内には、ステータ62のコイルからの配線を、外部の駆動回路に接続するコネクタピン64を有するコネクタ65が設けられている。
冷媒切替弁60の弁体80を覆う弁ケース66は、例えばステンレス材などの非磁性体金属で深絞り加工などで一体に形成されており、上端が閉じて下端が開口し、上端側より下端側の径が大きい有底円筒形状に形成されており、開口した下端はフランジ状に拡大されている。
図11に示すように、弁ケース66の上側は、ステータ62の内周部に嵌合する一方、弁ケース66の下側は、その直径が上側よりも拡大された開口端とされている。この開口端には、円盤状の弁座プレート67が嵌合して、全周を溶接によって密封して接合されている。
図10から図12に示すように、弁座プレート67は、互いに厚さの異なる同心円状の3つの部分からなり、弁座プレート67の一部を構成する円盤形状の第一の弁座プレート部67aと、第一の弁座プレート部67aよりも径が小さくかつ厚さが厚く、連通管69の側に一方向に凸して第一の弁座プレート部67aの中心を内包する円盤形状の第二の弁座プレート部67bと、第一の弁座プレート部67aより厚さが薄く、弁座プレート67の最外周の外郭を構成する第三の弁座プレート部(外周弁座プレート部)67cとを一体として有している。また、弁座プレート67の弁体80と当接する側の面は、好ましくは研磨仕上面90となっている。弁座プレート67の構成の詳細については後述する。
図11から図12に示すように、第一の弁座プレート部67aには、1つの流入管68が、ロウ付けによって接合部を密封するように結合され、弁ケース66の内部と連通している。
図10から図12に示すように、最も厚い第二の弁座プレート部67bには、3つの連通管69である連通管69b、連通管69c、および連通管69dが、ロウ付けによって接合部を密封するように結合され、弁ケース66の内部と連通している。そして、図10および図11に示すように、流入管68と連通管69b、連通管69c、連通管69dの一端はそれぞれ、弁座プレート67の一面に弁ケース66内側に向けて開口した流入口A、連通口B、連通口C、連通口Dに接続されている。
図11に示すロータ70は、マグネットを有するモータの回転子である。コネクタピン64を駆動回路(図示せず)に接続してステータ62のコイルに通電すると、ステータ62に磁界が生じ、弁ケース66を介して磁界がロータ70のマグネットに加わり、ロータ70が弁体軸71の回りに回転する。このモータの構成の一例は、一般的なステッピングモータであり、詳細な説明は省略するが一定の角度毎に回転するようになっている。
弁体軸71は、ロータ70の回転中心軸であるとともに、後記する弁体80の回動中心となる軸である。
第一の弁座プレート部67aないし第二の弁座プレート部67bの略中止、好ましくは中心位置には、弁体軸71の嵌合孔であるロータ軸穴72が第二の弁座プレート部67bを貫通しないよう有底穴として形成されている。そして、第一の弁座プレート部67aと第二の弁座プレート部67bとは、ロータ軸穴72に同軸に配置されている。
図11に示すように、弁ケース66上部の円筒有底部の略中央には、凹部であるロータ軸受73が形成されている。弁体軸71は、一端部がロータ軸穴72に嵌合して支持されるとともに、他端部がロータ軸受73と嵌合して支持される。
弁体軸71は、弁座プレート67に設けられた一端部のロータ軸穴72に圧入固定され、他端部のロータ軸受73に、緩み嵌めで組み立てられている。つまり、一端部のロータ軸穴72は弁体軸71より若干小さい径を有しており、他端部のロータ軸受73は弁体軸71より若干大きな径を有している。
しかし、弁体軸71はロータ軸穴72とはガタなく一体として圧入固定されているので、ロータ軸穴72とロータ軸受73との同軸度が高精度でなくても、弁体軸71を弁座プレート67に対して直角に精度よく植立させることができる。これにより、弁座プレート67と弁ケース66、弁ケース66とロータ70及びロータ70とステータ62の同軸度が向上する。従って、モータ性能が向上する。
(冷媒切替弁60の流入口A、連通口B、C、Dの位置)
図10に示すように、冷媒切替弁60の下面に開口される連通口B、連通口C、および連通口Dは、弁体軸71(ロータ軸穴72)を中心した同一円上に配置されている。
連通口B、連通口C、および連通口Dの好適な配置角度については、後に詳述する。
本第1実施形態では、連通口Dは、弁体軸71(ロータ軸穴72)に対して流入口Aに近接した位置に設けられている。連通口Bは弁体軸71(ロータ軸穴72)を挟んで連通口Bとは反対側に設けられている。
連通口Cは、弁体軸71(ロータ軸穴72)に対して側方の、連通口Bと連通口Dに対して互いに略90゜の関係にあり、アイドラ軸78の近傍位置に設けられている。
なお、連通口B、連通口C、および連通口Dの位置は、弁体軸71まわりの互いの配置関係を満たすものであれば、流入口Aないしアイドラ軸78に対しては本例の位置関係に限られるものではない。
図10、図12に示すように、第一の弁座プレート部67aにおいて、弁体軸71(ロータ軸穴72)に対して連通口Cに近接した側には、後記するアイドラギヤ79の回転中心であるアイドラ軸78の嵌合孔78aが形成されている。嵌合孔78aには、アイドラ軸78の一端部がロウ付けによって第一の弁座プレート部67aに接合部を密封して結合されている。
図11、図12、図13に示すように、アイドラ軸78の他端部は固定されておらず、アイドラ軸78は、所謂、片持ち支持の構造となっている。
ロータ70は、ロータ駆動部74に一体に支持され、弁体軸71を回転中心軸として、ロータ70とロータ駆動部74とが一体として回転するようになっている。図12に示すように、ロータ駆動部74の下部にロータピニオンギヤ75が形成されている。すなわち、ロータ70が回転すると、ロータ駆動部74およびロータピニオンギヤ75が一体に回転するようになっている。
(弁体80の弁体摺接面81)
弁体80は、一面を弁体摺接面81(図13参照)として弁座プレート67の研磨仕上面90と接しながら、弁体軸71を中心として回動するようになっている。
弁体80が回動することで、弁座プレート67に設けられた連通口B、C、D(図10参照)を開閉する構成である。
また、弁体80の弁座プレート67と接する面である弁体摺接面81(図13参照)には、後述するように、連通する2つの連通口を選択可能とする、部分的に凹部である連通凹部82(図13参照)が設けられている。なお、連通凹部82の位置や連通口B、C、Dの開閉動作との関係は後記する。また、弁体80における弁座プレート67(図11参照)から離れた側の外周には、弁体ギヤ83が設けられている。
(ロータピニオンギヤ75と弁体80の関係)
ロータ駆動部74と一体に形成されたロータピニオンギヤ75は、ロータピニオンギヤ75の下端部の回転軸周囲に設けられた凸部であるロータ駆動部先端76が弁体80の上面に載置されている。そして、ロータピニオンギヤ75と弁体80とは、共通の中心軸である弁体軸71のまわりにそれぞれロータ駆動軸穴77と弁体軸穴85を介して回転自在に配置されている。
(弁体80の押圧)
図11、図12に示すように、弁ケース66の上面内側に向けて一部を放射状に腕を伸長した付勢手段である板バネ86が、ロータ70を支持し一体として回転するロータ駆動部74の上面に配置されている。
図12に示す如く、板バネ86の腕が弁ケース66の上面内側から受ける弁体軸71方向の反力を、ロータ駆動部74、ロータピニオンギヤ75を介して弁体80に加え、弁体80を弁座プレート67に対して押圧する。さらに、弁体80にはロータ70の自重も併せて加わる。
ここで、図13に示すように、ロータ駆動部先端76が弁体80と接触する位置は、弁体軸71の近傍であるため、弁体80は回転軸(弁体軸71)の近傍、つまり回転中心近傍で弁座プレート67に対して軸方向に押圧されることとなり、均一でバランスよく押圧されるようになっている。
(アイドラギヤ79)
図11、図12に示すように、アイドラ軸78には、アイドラ大歯車79bとアイドラピニオンギヤ79aとを有するアイドラギヤ79が回転自在に軸支されている。アイドラ大歯車79bはロータピニオンギヤ75と噛み合い、アイドラピニオンギヤ79aは弁体ギヤ83と噛み合って減速する。ロータ70からの回転トルクは、ロータピニオンギヤ75、アイドラ大歯車79b、アイドラピニオンギヤ79a、弁体ギヤ83の順に減速しながら伝達される。なお、ロータ70からの回転トルクは、弁体ギヤ83までに減速される分、大きくなる。
ここで、ロータピニオンギヤ75の歯数をZ1、アイドラ大歯車79bの歯数をZ2、アイドラピニオンギヤ79aの歯数をZ3、弁体ギヤ83の歯数をZ4とすれば、全てのギヤのモジュールが同一であれば、Z1+Z2=Z3+Z4なる関係を満たせばロータピニオンギヤ75とアイドラ大歯車79bとの間の軸間距離と、アイドラピニオンギヤ79aと弁体ギヤ83との間の軸間距離とは等しくなるので、ロータピニオンギヤ75と弁体ギヤ83とを同軸に配置することができる。例えば、Z1=12、Z2=34、Z3=13、Z4=33、とすれば、Z1+Z2=Z3+Z4=46となるのでこの関係を満たすことができる。
ちなみに、このときのロータ70から弁体80にいたるまでの減速比は、(Z1×Z3)/(Z2×Z4)となり、前記した例では(12×13)/(34×33)=約1/7.2となる。
(回転トルク)×(減速比)=一定 の関係から、弁体80はロータ70により生じるトルクの7.2倍のトルクで回転する。そのため、弁体80の回転トルクに余裕があり、弁体80の切替動作を確実に駆動することができる。
<流入管68と、第二の弁座プレート部67bないし弁体80と、アイドラ軸78ないしアイドラギヤ79との好適な配置>
次に、図10〜図12を用いて、流入管68と、第二の弁座プレート部67bないし弁体80と、アイドラ軸78ないしアイドラギヤ79との好適な配置関係について説明する。
図10〜図12に示すように、流入管68は弁ケース66の内部に連通しており、弁ケース66内には流入口Aから冷媒が高速に噴出する。冷媒は、流入管68を通って、弁ケース66内に流入した際には流路面積が拡大されて流速は低下し、弁体80の切替状態に応じて開放された流出口B、C、Dの何れかから連通管69へと流出される。
ここで、流入管68が接続される流入口Aから噴出する冷媒により生じる流体力がアイドラギヤ79に作用すると、アイドラギヤ79が浮上したり、振動してアイドラギヤ79が噛み合う弁体80に力が作用し、弁体80の第二の弁座プレート部67bに対する押圧力が変化し、第二の弁座プレート部67bに対する封止性が低下する可能性がある。
そこで、本第1実施形態では、弁ケース66の中心軸の弁体軸71と同軸に配置された弁体80に対して、流出口Dを挟んで他方側に流入口A(流入管68)を設け、流出口Cの近傍にアイドラ軸78とアイドラギヤ79とを設けた。
あるいは本第1実施形態に限られるものではなく、弁体80に対して一方側に流入口A(流入管68)を設け、弁体80を挟んで他方側にアイドラ軸78とアイドラギヤ79とを設ける構成であってもよい。
この配置により、流入口Aの近傍にアイドラギヤ79が配置されないので、アイドラギヤ79が弁ケース66内に流入する冷媒による流体力を受けることがなく、アイドラギヤ79が浮上したり振動することがない。そのため、弁体80の弁座プレート67に対する押圧力が変化しないので、弁座プレート67に対する安定した封止性が得られ、信頼性の高い冷媒切替弁60が得られる。
(弁体80のストッパ84)
また、図13に示すように、弁体80の一部は弁体ギヤ83の外周よりも凸形状のストッパ84が形成されている。この構成により、弁体80が時計まわりまたは反時計まわりに最大角度回転した際には、凸形状のストッパ84が、アイドラギヤ79のアイドラピニオンギヤ79aよりも下側に突出した円筒状のアイドラストッパ79cに当接して弁体ギヤ83の回転角度を所定の角度範囲に制限する。
なお、弁体ギヤ83の回転角度は、必要な回動角度の範囲を確保するため、後記する弁体80の切替動作に必要な回動角度の範囲に加えて、所定の角度例えば8°程度の角度を余分に回動してから当接して回動を停止するよう構成されている。
(片持ちのアイドラギヤ79の脱落防止)
図12に示すように、アイドラギヤ79には、アイドラ大歯車79bの上面に円周状の突起部79sが形成されている。また、図11に示すように、ロータ駆動部74には、円周状に突起部74sが形成されている。アイドラギヤ79のアイドラ軸78は、片持ちの構造であるが、アイドラギヤ79の軸方向の位置が上方向にずれた場合、アイドラギヤ79の突起部79sがロータ駆動部74の突起部74sに当接してそれ以上移動することができないようになっている。これにより、アイドラギヤ79が片持ちのアイドラ軸78から脱落することが防止される。
<冷媒切替弁60の動作>
次に、弁体80による連通口B、C、Dの開閉動作について図14〜図16を用いて説明する。
弁座プレート67の連通口B、C、Dの配置として、仮想的な正方形91のうち3つの頂点に連通口を配置するのが、連通口B、C、Dを弁体80により開閉する点、弁体80の回動制御の容易性等から、より好適である。
図14は、図9の矢印G方向から見た弁体80の弁体摺接面81と、第1実施形態における連通口B、C、Dの位置関係を説明する図である。なお、図14〜図16において、理解を容易にするために弁座プレート67と接する弁体摺接面81にはハッチングを付加して図示している。
(弁体80の回動ピッチ)
隣接する連通口B、C、D同士において、それぞれの連通口B、C、Dと弁体軸71を結んだ中心線のなす角は90゜となる。
ここで、連通口Bと連通口Cと連通口Dとはそれぞれ90゜毎に隣接して配置され、連通口Bから連通口Dまでの配置される範囲は180゜となる。
弁体80の弁体摺接面81もまた、180゜の範囲を覆うものとすれば、弁体80は連通口B、C、Dを同時に覆うことができる。本実施形態においては、加えて、弁体80の弁体摺接面81に連通凹部82を90゜の範囲のみを連通するように設け、連通口Bと連通口Cとの間が連通するように配置する。すなわち、連通口B、Cは連通凹部82と連通し、連通口Dは弁体摺接面81で覆われた状態となる。
弁体80は、図14に示す状態を角度0として、角度0から本実施形態では反時計方向に回動する。
本実施形態では反時計方向に270゜回動するものとし、それぞれの方向に90゜回動する毎に連通口B、C、Dの開閉状態が変化する。
上述の連通口B、C、Dの開閉状態を、図15により説明する。
図15は連通口の配置と弁体の回動と開閉状態を示した説明図であって、図17と同様に図示している。
図15は、弁体80の弁体摺接面81が弁体軸71のまわりに反時計方向に
(1)は図14と同じく角度=0の第1状態、
(2)は90゜回動した第2状態、
(3)は180゜回動した第3状態、
(4)は270゜回動した第4状態
を図示している。
弁体80は、(1)の第1状態から(4)の第4状態まで回動するとともに、可逆的に(4)の第4状態から(1)の第1状態に回動できる構成である。
図16は、冷媒切替弁60が図15(1)の第1状態から(4)の第4状態に対応して弁体80が90゜ずつ順次回動した際の冷媒回路を説明する模式図である。図16において、連通口Bおよび連通口Dは第二冷媒配管56の両端が接続されており、結露防止配管17は連通口Bと連通口Dの間に設けられる。連通口Cは第三冷媒配管57に接続されている。
ここで、図9に示すように、流入口Aには、第一冷媒配管55に接続される流入管68が固定されている。
連通口Bには、第二冷媒配管56の一端に接続される連通管69bが固定されている。
連通口Cには、第三冷媒配管57に接続される連通管69cが固定されている。
連通口Dには、第二冷媒配管56の他端に接続される連通管69dが固定されている。
<冷媒回収モード>
図16(1)の第1状態は、図8に示す第4モードであり、冷媒回収モードである。
図16(1)の第1状態(冷媒回収モード)では、連通口Bと連通口Cが連通凹部82によって互いに連通しており、連通口Dは弁体摺接面81によって閉塞されている。
連通口B、連通口Cおよび連通口Dは全て弁体80によって覆われているので、流入口Aから弁ケース66内に流入した冷媒は、弁ケース66内から連通口B、連通口Cおよび連通口Dの何れにも流れない。そのため、流入口Aから弁ケース66内に流入した冷媒は連通口B、C、Dの何れからも流出できず、流入口Aが閉塞された状態である。
一方、第二冷媒配管56と第三冷媒配管57とは連通口Bと連通口Cが連通凹部82によって互いに連通している。そのため、この状態で圧縮機51を運転すれば、連通口Dより下流側となる第二冷媒配管56と結露防止配管17と、連通口Cの下流側から圧縮機51の吸入側に接続された第三冷媒配管57、細管である減圧手段54、冷却器7は、圧縮機51の低圧側吸入口51iと等しく低圧の状態となり、結露防止配管17等から冷媒が冷却器7内に回収される。
<停止モード>
図16(2)の第2状態は、図7に示す第3モードであり、圧縮機51が停止する停止モードである。
図16(2)の第2状態では、流入口Aと連通口Dとは弁ケース66の内部空間を介して連通しており、連通口C、Bは閉塞されている。この場合、圧縮機51は停止しており、冷媒は流れない。
<バイパスモード>
図16(3)の第3状態は、図6に示す第2モードであり、結露防止配管17に冷媒が流れないバイパスモードである。
図16(3)の第3状態では、連通口Bおよび連通口Dは閉塞されている。
連通口B、Dに接続される第二冷媒配管56の両端は閉塞されているから、圧縮機51で圧縮され凝縮器52を経て冷媒切替弁60の流入口Aから流入した冷媒は弁ケース66内を介して連通口Cへと流れる。そして、冷媒は連通口Cから第三冷媒配管57を経て細管である減圧手段54を通過した後、断熱膨張して低温低圧となり、冷却器7に流入する。冷却器7(冷却器配管7d)に流入した低温の冷媒は、周囲空気と熱交換して圧縮機51に戻る。
<結露防止モード>
図16(4)の第4状態は、図5に示す第1モードであり、結露防止配管17に冷媒が流れる通常モードである結露防止モードである。
図16(4)の第4状態では、連通口Bが開口し、連通口Cおよび連通口Dは連通凹部82に開口して互いに連通している。圧縮機51で圧縮され凝縮器52を経て冷媒切替弁60の流入口Aから流入した冷媒は弁ケース66(図11参照)内を介して連通口Bから第二冷媒配管56に流出する。
冷媒は結露防止配管17を経由して連通口Dから連通凹部82に流入し、連通口Cから流出して第三冷媒配管57を経て細管である減圧手段54を通過した後、断熱膨張して低温低圧となり、冷却器7に流入する。冷却器7(冷却器配管7d)に流入した低温の冷媒は、周囲空気と熱交換して圧縮機51に戻る。
ここで、本実施形態においては冷媒回収モードと、停止モードと、バイパスモードと、結露防止モードと、の4つのモードを切替可能に備えた形態を説明したが、冷媒回収モードを用いずに、停止モードと、バイパスモードと、結露防止モードと、の3つのモードを切替可能に備えた形態であってもよい。このような3つのモードを備えた実施形態は、弁体80が図15と図16における(2)第2状態から(4)第4状態までの180゜のみを回動可能となるように、弁体80の回転角度を制限する位置にストッパ84を設けることで実現できる。
なお、連通口B,C,Dの弁体軸71を中心とする角度や連通凹部82の寸法は、上記4つのモードを実現できれば特に制限はなく、必ずしも上記位置関係に限られない。
≪弁座構造≫
次に、第1実施形態に係る冷媒切替弁60の弁座構造について、図17から図22を用いて更に説明する。
図17は、冷媒切替弁60の第二の弁座プレート部67bと弁体80と連通管69の断面を示す拡大部分断面図である。
図18は冷媒切替弁60の弁座プレート67と連通管69と流入管68とアイドラ軸78の図10におけるF−F断面を示す拡大部分断面図である。図19は弁座プレート67に弁体軸71を圧入する状態を仮想的に示す分解斜視図である。図20は第一の弁座プレート部67aと流入管68の断面形状を示す拡大部分断面図である。図21は弁座プレートの一面を研磨した後の形状を示す図18と同様な断面図である。図22は第三の弁座プレート部67cと弁ケース66の断面を示す拡大部分断面図である。
図17に示すように、第二の弁座プレート部67bは外周の第一の弁座プレート部67aより直径が小であり、一体で同心であって、段差が設けられている。
第二の弁座プレート部67bの中央には、弁体80が配置される側から貫通しない有底のロータ軸穴72が穿設され、弁体軸71を圧入で固定支持するようになっている。また、ロータ軸穴72に隣接して、連通管69(69b,69c,69d)がそれぞれ接続される連通孔88(連通管穴87)が開口されている。なお、図17では、連通管69(69b,69c,69d)がそれぞれ接続される3つの連通孔88(連通管穴87)の一つを示している。
ここで、連通孔88、連通管穴87は、弁体80が配置される側は、直径d0(例えば、φ1mm程度)の連通孔88が開口され、弁体80が配置される側の反対側の連通管穴87は、直径d1が拡大(d1>d0)されている。連通管穴87の直径d1の部分に、連通管69が嵌合されてロウ付けされて接合される。
これら連通管69の接続される連通孔88、連通管穴87は、弁体80の回動によって弁体摺接面81に設けられた連通凹部82と重なり得るように配置する。
一方、連通管69は冷媒配管として銅管を用いるのが一般的であり、連通管69を嵌合してロウ付けする連通管穴87は、連通孔88の内径より太い直径d1(例えば、φ3mm程度)であり、ロウ付けする際に第二の弁座プレート部67bに対して位置決めするために、ある程度の深さt2(例えば、2mm程度)が必要となる。
ここで、第二の弁座プレート部67bの厚さをt0、有底のロータ軸穴72の深さをt1、連通管69b、連通管69c、連通管69dが嵌合される深さをt2とすれば、t0>(t1+t2)なる関係を満たせば、ロータ軸穴72と連通管穴87とが干渉して穴が開くことがない。したがって、連通管69をロウ付けする際にロータ軸穴72にロウが流れ込むことがないので、好適である。これは、例えば、t0=5mm、t1=t2=2mmとして実現できる。
連通管穴87とロータ軸穴72とは、図17の様に、研磨仕上面90の正面視において重ならないことが、両者の干渉がさらに抑制されて好ましい。
ロータ軸穴72を、厚みのある第二の弁座プレート部67bに設けることで、弁体軸71をより深く圧入できるため好ましい。
次に、図17、図19を用いて弁座プレート67と弁体軸71の好適な構成について説明する。
弁体軸71は、有底のロータ軸穴72に深さt1まで圧入で嵌合されて固定されるものであってロウ付けされないので、弁体軸71と第二の弁座プレート部67bの接合部にロウが侵入することがなく、表面張力によって隅部にフィレット状にはみ出すことがないとともに、はみだしたロウによって弁体80が第二の弁座プレート部67bへの密着を妨げられることがない、という効果がある。またさらに、ロウ付けで軸を固定する場合には軸と軸穴との間にロウが流れ込むための例えば0.05〜0.1mm程度の隙間が必要なので、その隙間によって軸と軸穴との間には直角度の誤差を生じる。すなわち、ロータ軸穴72を第二の弁座プレート部67bの弁体80との摺接面に対して高い直角度で穴あけ加工を行ったとしても、弁体軸71のロウ付け後の直角度は穴あけ加工の直角度より劣る。
一方、本実施形態においては、弁体軸71はロータ軸穴72に圧入されるので、弁体軸71はロータ軸穴72に対して位置ずれを生じることなく、弁体軸71はロータ軸穴72の穴あけ加工精度と同等の精度が得られるので、弁体軸71は弁座プレート67に対して誤差なく固定されて高い直角精度が得られる、という効果がある。
次に、連通溝82の好適な寸法を図17により説明する。
図15に示す第1実施形態の(1)第1状態や(4)第4状態において、冷媒は連通凹部82を通って流れるようになっている。
ここで、連通凹部82の断面寸法として、図17に示す連通凹部82の幅wを、概ね連通孔88の直径d0と等しいかやや大きい値とし、図17に示す連通凹部82の深さhを概ねwと等しい寸法とすることが望ましい。
このような寸法とすることで、冷媒が連通口B、C、Dから連通凹部82に流入する際に、流路面積が急拡大することによる圧力損失を抑制できる効果がある。
図18ないし図19に示すように、流入管68ないし流入管穴89は、弁座プレート67のうち中間の厚さt4を備えた第一の弁座プレート部67aに設けるのが好適である。すなわち、流入管68と流入管穴89との位置関係には高い直角精度は必要ないものの、ロウ付けした後の強度を確保するためには第一の弁座プレート部67aは外周の第三の弁座プレート部67cほど薄肉ではない方が望ましい。
一方、流入管68と流入管穴89との間に溶融したロウが確実に侵入するためには、第一の弁座プレート部67aは連通管69が設けられる最厚部である第二の弁座プレート部67bほどは厚くないことが望ましい。またさらに、流入管68と流入管穴89との隙間はたかだか0.05〜0.1mmに過ぎないので、流入管穴89に流入管68を貫通する際には第一の弁座プレート部67aは過度に厚くない方が組立性が良好である。したがって、流入管68ないし流入管穴89は、弁座プレート67のうち中間の厚さt4を備えた第一の弁座プレート部67aに設けるのが最も好適である。
次に、図20により第一の弁座プレート部67aに穿設された流入管穴89と流入管68との関係について説明する。
図20は流入管68を第一の弁座プレート部67aに穿設された流入管穴89に通した後に流入管68先端を拡幅して仮固定した、ロウ付け前の状態を示す図であり、図20(a)は図19のJ矢視図であり、図20(b)は図20(a)のK−K断面図であって、図示上方が弁ケース66内部であり、冷媒は図示下方から流入管68を通って弁ケース66内部に流入する。
流入管穴89の内径は、流入管68の外径よりも0.05〜0.1mm大きく、隙間が生じるよう構成されている。この隙間はロウ付けの際に溶融したロウが流入管68と流入管穴89との間に侵入するために必要であり、隙間が小さすぎるとロウが侵入せず、流入管68が流入管穴89とが密封されない、という問題が生じる。
一方、ロウ付け以前の状態では、流入管68と流入管穴89とは単に嵌合されただけの状態なので、隙間が生じたままの状態だとロウ付け時に流入管68の位置がずれる、という問題が生じる。したがって、流入管68と流入管穴89との間にはロウが流れ込むのに必要な隙間は保持しつつ、かつ互いに圧接してロウ付けが完了するまでは位置がずれない構成が望ましい。
このような構成の一例としては、図20に示すように、流入管68を第一の弁座プレート部67aから内側に所定の凸量97だけ突き出して配置した後、流入管68の端面円周上の矢印方向に2箇所を拡幅部94として拡幅するよう流入管68の端部を部分的に変形させて、拡幅部94に対応した圧接部95において流入管穴89内側と圧接することで、流入管68と第一の弁座プレート部67aとの位置ずれを防止しつつ、かつ流入管68と流入管穴89との間にはロウが流れ込むのに必要な隙間96を確保できる。
本実施形態においては、流入管68は2箇所を拡幅する構成を示したが、2箇所に限定されるものではなく3箇所を拡幅してもよく、流入管68と流入管穴89との間にロウが流れ込むのに必要な隙間96を確保できればよい。
2箇所を拡幅すれば流入管68の内側の端面は概ね楕円形ないし長円形となり、3箇所を拡幅すれば所謂「おむすび形状」となる。
なお、流入管穴89内側と圧接部95との間にも、ロウが表面張力によって回り込むように構成する。
(弁体80の中心配置の効果)
図9から図12に示す弁ケース66と弁座プレート67の外周である第三の弁座プレート部67cとは、最外周の溶接部98において、例えばTIG溶接(タングステン・不活性ガス溶接)やレーザ溶接によって密封される構成である。一方、弁体80やアイドラギヤ79(図11、図13参照)は、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド樹脂)などの耐熱性樹脂で製作されるものの、温度上昇に対しては限界がある。特に、弁体80の弁体摺接面81は、わずかな熱変形が生じても冷媒を封止できなくなるおそれがあるため、弁体80の温度上昇を抑制する構成が望ましい。
本第1実施形態に係る冷媒切替弁60の構成では、弁体80は、ロータ70と同軸に配置され、弁ケース66の中心かつ弁座プレート67の中心に設けられた弁体軸71のまわりに回動するように配置される構成である。そのため、弁体80は、図11に示すように、溶接部98からは最も遠い位置に配置される。
これにより、溶接時の熱が最も伝わりにくく温度上昇しにくい中心位置に弁体80が配置されるので、弁ケース66と弁座プレート67との接合時における弁体80の熱変形を抑制できるという効果がある。
またさらに図18ないし図19に示すように、弁座プレート67の外周である第三の弁座プレート部67cは第一の弁座プレート部67aよりも薄く、弁座プレート67では最も薄い、厚さt3としている。弁ケース66と第三の弁座プレート部67cとを溶接する際には、溶接部の温度は弁ケース66と第三の弁座プレート部67cとが溶融する温度まで上昇する必要があるが、内部の弁体80やアイドラギヤ79の温度上昇は抑制しなければならない。そのためには、溶接時に溶融する外周部の厚さを薄くして、少量の熱量で十分に温度上昇させるとともに、その熱が弁座プレート67の内周に向けて伝導する熱量を低減することが望ましい。
そのためには、外周の最も薄い第三の弁座プレート部67cの厚さt3と、内周の最も厚い厚さt0の第二の弁座プレート部67bとの間に設けられた第一の弁座プレート部67aの厚さt4を、t3<t4<t0の関係とすることで、外周部である第三の弁座プレート部67cと弁ケース66外周部とは少量の熱量で溶融して確実に溶接するとともに、第一の弁座プレート部67aの厚さを第二の弁座プレート部67bより薄くすることで熱伝導を抑制し、弁体80やアイドラギヤ79の温度上昇を抑制することができるので好適である。
次に、弁座プレート67のうち、弁体80の弁体摺接面81と摺接する表面形状の詳細について図21により説明する。図21は図10に示したF−F断面図において弁座プレート67のみを示す断面図である。
第一の弁座プレート部67aと第二の弁座プレート部67bの弁体80の側を向いた面、すなわち図11、図12及び図17から図19においては図示上方の面は同一平面であり、かつ第二の弁座プレート部67bは弁体80の回動動作によって連通口B、連通口C、連通口Dを開放ないし閉鎖する摺動面であって、高い平面精度が必要であるため、研磨仕上面90としている。
図18等に示すように、第二のプレート部67bに設けられた連通管穴87が設けられた面に対向する一面は、連通管穴87と連通する連通孔88が設けられた研磨仕上面90であり、第一のプレート部67aは、一面が研磨仕上面90と平坦に連続するよう設けられている。第三のプレート部67cは、第一のプレート部67aの一面と対向する面と平坦に連続するよう設けられている。なお、第三のプレート部67cは、第一のプレート部67aの一面と対向する面の側に設けられていても良い。
研磨仕上げ作業は例えば砥石を用いた研削盤や、スラリー状の研磨剤を用いたラッピング研磨盤などによって行われるが、研磨仕上面90のうち外周縁部は中央部よりも砥石との圧接力が大となって研磨されやすいため、所謂「ダレ」が生じる。すなわち弁座プレート67の弁体80側の面においては、図21に示すように研磨仕上面90の外周からeの範囲において深さs程度のダレが生じ、これは例えばeが1〜2mm程度、sが5〜10μm程度である。
外周からeの範囲を除いた内側の範囲においては、ダレが生じないために面精度の高い面が得られる。ここで、弁体摺接面81の直径をdとすれば、直径dの範囲を外周からeの範囲よりも十分に内周に設けることによって、研磨によるダレの影響が無く、弁体摺接面81と弁座プレート67とを高い精度で隙間なく摺接することができるので、封止性を向上して冷媒のもれを低減し、弁の切替精度を向上できる効果がある。
次に、第一の弁座プレート部67aと第三の弁座プレート部(外周弁座プレート部)67cと弁ケース66との好適な形状について図22により説明する。
図22は弁座プレート67と弁ケース66の外周の溶接部98近傍を示す断面図である。
厚さt4かつ直径D1の第一の弁座プレート部67aと、外周部の厚さt3の第三の弁座プレート部(外周弁座プレート部)67cにおいて、第一の弁座プレート部67aと第三の弁座プレート部67cの図示下面を同一面となるように配置すれば、第一の弁座プレート部67aの図示上面と第三の弁座プレート部67cの図示上面との間に段差Hが生じる。ここで、H=(t4−t3)である。
弁ケース66は、直径D1で開口した下端はフランジ状又は鍔状にD1よりも拡大された拡大部を形成しており、その外周直径は第三の弁座プレート部67cの外周と同一かほぼ等しい。弁ケース66の外周と第三の弁座プレート部67cの外周との境界部の全周の溶接部98を溶接によって密封して接合する。
溶接の際には弁ケース66と弁座プレート67とを同軸に精度よく溶接しなければならない。弁ケース66は深絞り加工などで一体に成型されているために、直径D1の円筒形状からフランジ状に拡大された拡大部の内周の稜線部は、弁ケース66の板厚と等しいか板厚よりやや大なる曲げRがついた断面形状となる。
そこで、第一の弁座プレート部67aの図示上面と第三の弁座プレート部67cの図示上面との間の段差Hを、弁ケース66の曲げRより大、すなわちH>Rとする。換言すると、段差Hの高さ寸法内に曲げRによって形成した拡大部が位置する。これにより、第一の弁座プレート部67aの図示上面から(H−R)の範囲、すなわち、拡大部の上部位置においては、弁ケース66の内周と第一の弁座プレート部67aの外周が直径D1の円筒部で互いに嵌合するので、弁ケース66の内周と第一の弁座プレート部67aの外周とが同軸に精度よく位置決めでき、溶接後も高い同軸度が確保できて好適である。
<作用・効果>
1.冷媒切替弁60は、弁体80を切り替えることで、冷媒の切替性能が向上する。
図14〜図16に示すように、第1実施形態に係る冷媒切替弁60は、弁体80を切り替えることにより、図16(1)に示す流入管68(流入口A)は連通管69b(連通口B)と連通管69c(連通口C)と連通管69d(連通口D)のいずれとも連通することなく、かつ連通管69b(連通口B)と連通管69c(連通口C)とが互いに連通し連通管69d(連通口D)が閉塞する第1状態(冷媒回収モード)と、図16(2)に示す流入管68(流入口A)と連通管69d(連通口D)が連通するとともに、連通管69b(連通口B)と連通管69c(連通口C)が閉塞される第2状態(停止モード)と、図16(3)に示す流入管68(流入口A)と連通管69c(連通口C)が連通するとともに、連通管69b(連通口B)と連通管69d(連通口D)が閉塞する第3状態(バイパスモード)と、図16(4)に示す流入管68(流入口A)と連通管69b(連通口B)とが連通するとともに、連通管69c(連通口C)と連通管69d(連通口D)が互いに連通する第4状態(結露防止モード)とを切り替えることができる。
これにより、冷媒の切替性能が向上した冷媒切替弁60を提供することができる。また、冷媒切替弁60を備える機器(冷蔵庫1)の実使用状態に即した冷媒の切り替えが可能となる。
2.冷媒切替弁60により機器の冷蔵庫1のモードを切替可能である。
図5〜図8および図14〜図16により説明したように、第1実施形態に係る冷媒切替弁60を備える機器(冷蔵庫1)は、結露防止配管17に外気よりも高温の冷媒を供給して結露を防止する第1モード(図5、図16(4)参照)と、結露防止配管17からの熱漏洩を低減する第2モード(図6、図16(3)参照)と、圧縮機51を停止する際に冷却器7内の冷媒の温度を低温で維持する第3モード(図7、図16(2)参照)と、結露防止配管17内の冷媒量を低減する第4モード(図8、図16(1)参照)との4つの冷媒経路(冷媒回路)のモードを、唯一の冷媒切替弁60の動作で切り替えることができる。
これにより、機器(冷蔵庫1)の冷媒経路(冷媒回路)に設けられる弁は、冷媒切替弁60のみであり、その他の弁を追加せず冷凍サイクルを構成できるため、安価に構成できる。また、冷媒切替弁60の切替制御や配置が複雑化しないため、冷媒切替弁60を備える機器(冷蔵庫1)の信頼性を向上できる。
または、結露防止配管17内の冷媒量を低減する第4モードを備えず、結露を防止する第1モード(図5、図16(4)参照)と、結露防止配管17からの熱漏洩を低減する第2モード(図6、図16(3)参照)と、圧縮機51を停止する際に冷却器7内の冷媒の温度を低温で維持する第3モード(図7、図16(2)参照)のみを備える構成であってもよい。
3.結露防止モードとバイパスモード(結露防止配管17に冷媒が流れないモード)との切り替えが行える。
冷媒切替弁60を備える機器(冷蔵庫1)は、図2に示す外気湿度センサ43、外気温度センサ42の測定結果に応じて、外気が高温高湿であって結露のおそれがある場合、冷媒経路(冷媒回路)を第1モード(結露防止モード)(図5、図16(4)参照)となるように切り替え、外気が低湿で結露のおそれがない場合、冷媒経路(冷媒回路)を第2モード(バイパスモード)(図6、図16(3)参照)となるように切り替えることができる。なお、このモードの切り替えは、前記したように、冷媒切替弁60の動作で切り替えることができる。
これにより、結露のおそれがある場合、結露防止配管17に高温の冷媒を通過させ、貯蔵室(3、4、5)の開口前面周縁部1H2の温度を、貯蔵室温度よりも高く設定して露点を上げて結露を防止することができる。また、結露のおそれがない場合、結露防止配管17の冷媒の通過を停止させ、結露防止配管17からの熱が貯蔵室内部に漏洩して消費エネルギが増加することを抑制することができる。よって、省エネ効果があり、運転コストを低減できる。
4.モードの切り替えの高速化が可能である。
第1モード(結露防止モード)(図5、図16(4)参照)と第2モード(バイパスモード)(図6、図16(3)参照)とは、弁体80の回転角度を互いに90゜回転することで切り替えることができる。そのため、結露防止配管17を経由する第1モードと、結露防止配管17を経由しない第2モードとの切換が極めて短時間に行える。
5.チョーク運転の防止の効果がある。
ここで、結露防止配管17を経由する第1モード(結露防止モード)(図5、図16(4)参照)と、結露防止配管17を経由しない第2モード(バイパスモード)(図6、図16(3)参照)とを切り替える際に、圧縮機51を停止する第3モード(停止モード)(図7、図16(2)参照)ないし結露防止配管17内の冷媒量を低減する第4モード(冷媒回収モード)(図8、図16(1)参照)を一旦経由してから切替える構成の問題点について説明する。
第3モード(停止モード)と第4モード(冷媒回収モード)はいずれも圧縮機51の高圧側吐出口51oに連通した流入口Aと、圧縮機51の低圧側吸入口51iに連通した連通口Cとが連通しておらず、冷媒回路は閉塞されている。そのため、この状態で圧縮機51を運転すると高圧側吐出口51oの圧力は上昇し、低圧側吸入口51iの圧力は低下するが、冷媒は流れないので、圧縮機51は空転するだけの所謂チョーク状態となる。このような状態で圧縮機51を運転することは過大な圧力上昇を生じて好ましくない。
したがって、結露防止配管17を経由する第1モード(結露防止モード)(図5、図16(4)参照)と、結露防止配管17を迂回する第2モード(バイパスモード)(図6、図16(3)参照)とを切り替える際に、第3モード(停止モード)(図7、図16(2)参照)ないし第4モード(冷媒回収モード)(図8、図16(1)参照)を一旦経由する構成の場合には、その都度圧縮機51を停止することが望ましいものの、第1モード(結露防止モード)と第2モード(バイパスモード)とを切り替える都度、圧縮機51の停止と再起動との工程が必要となるのでモードの切替動作に時間がかかるという問題がある。
一方、圧縮機51を運転したままで第1モードと第2モードとを切替ると、切替動作の間に圧縮機51を運転したまま第3モード(停止モード)ないし第4モード(冷媒回収モード)を経由することになるので、チョーク状態での運転となって圧縮機51にとって好ましくないという問題がある。
第1実施形態によれば、結露防止配管17を経由する第1モード(結露防止モード)と、結露防止配管17を経由しない第2モード(バイパスモード)を切り替える際に他のモードを経由しない。そのため、圧縮機51を運転したまま切り替え動作を行ってもチョークした状態で運転することがなく、短時間で切り替え動作ができるとともに、圧縮機51の過大な圧力上昇を生じることがないので、冷媒切替弁60を備える機器(冷蔵庫1)の信頼性を向上できる。
なお、本第1実施形態では、図14〜図16に示しように、連通口Bと連通口Cと連通口Dとを順に図示時計方向に90゜に配置する場合を例示したが、逆に図示と反対の反時計方向に90゜ごとに配置した場合であっても、弁体摺接面81の形状と回転動作方向を図示とは左右対称の鏡像とすれば、図15、図16に示したと同様な連通口B、C、Dの切り替えと冷媒回路の切り替え動作が可能である。
6.配管の簡素化が可能である。
従来、結露防止配管17を経由する結露防止モード(第1モード)と結露防止配管17を迂回するバイパスモード(第2モード)とを切り替えるために冷媒切替弁と冷媒逆流防止弁とを設けた構成の場合、四方弁である冷媒切替弁は1本の流入管と3本の連通管を備え、冷媒逆流防止弁は1本の流入管と1本の出口管を備えるので、冷媒回路に接続するためには少なくとも6か所をロウ付けによって接続する必要がある。
これに対して、第1実施形態(本発明)に係る冷媒切替弁60において、冷媒切替弁60は、図9、図10に示すように、1本の流入管68と、3本の連通管69(69a、69b、69c)の計4本の管を備えており、他に冷媒逆流防止弁を要さないので、冷媒切替弁60を冷媒回路に接続するためには4か所をロウ付けすればよく、ロウ付け個所を低減でき低コスト化が図れる。
さらに、従来の冷媒切替弁と冷媒逆流防止弁とを備えた構成の場合には、冷媒配管の一部を冷媒逆流防止弁の一端と他端に接続するために、冷媒逆流防止弁が無い場合と比較して冷媒配管の長さが長くなる。第1実施形態(本発明)においては、冷媒逆流防止弁は設けられていないため、冷媒配管の長さを長くする必要が無く、冷媒配管の材料を節約して資源保護にも効果がある。
なお、上述の説明においては、従来の冷媒切替弁と冷媒逆流防止弁とを備えた構成と、第1実施形態とを比較して説明したが、冷媒逆流防止弁を設けた構成との比較に限定されるものではなく、従来の電磁弁である冷媒切換弁を2式備えた構成と比較しても本第1実施形態はロウ付け個所を低減できるとともに冷媒配管の長さを長くする必要は無く、冷媒配管の材料を節約して資源保護にも効果があることは明らかである。
7.冷媒の圧力により密着性が向上する。
第1実施形態の冷媒切替弁60において、圧縮機51からの高圧の冷媒が、第一冷媒配管55(図5参照)、流入管68(図11参照)、流入口A(図10参照)を介して、弁ケース66内の空間に流入するようになっている。
このため、図11に示す弁ケース66内の弁体80には、冷媒の圧力が弁体80を弁座プレート67に押圧する方向の力として加わる。これにより、弁体80の弁体摺接面81と弁座プレート67との間の密着性が向上して、冷媒の漏洩を低減できる。
8.冷媒切替弁60(の投影面積)の小型化が可能である。
図11に示すように、第1実施形態の冷媒切替弁60において、ロータ70およびロータ駆動部74と一体で回転するロータピニオンギヤ75を弁体80の上に重ねて、ロータピニオンギヤ75と弁体80とを同軸に共通の回転軸である弁体軸71のまわりに回転自在に配置している。また、弁体軸71と別に設けたアイドラ軸78の回りにアイドラ大歯車79bとアイドラピニオンギヤ79aとを一体で設けたアイドラギヤ79を配置している。
そして、ロータピニオンギヤ75とアイドラ大歯車79bとを噛み合わせて減速し、さらにアイドラピニオンギヤ79aと弁体ギヤ83とを噛み合わせてさらに減速させるようになっている。これにより、ロータピニオンギヤ75、アイドラギヤ79、弁体ギヤ83の3つのギヤを、弁体軸71とアイドラ軸78の2本の軸のまわりに配置することができる。
従って、2枚のギヤの投影面積に3枚のギヤを配置でき、冷媒切替弁60を小型化することができる。
9.弁体80の回転トルクを増加できる。
ロータピニオンギヤ75から弁体ギヤ83までは2段階の減速を行うので、減速比が大きくなり、弁体80に伝達される回転トルクを大きくすることができる。そのため、弁体80の切替動作を確実に行うことができる。
また、弁体80と弁座(第二の弁座プレート部67b)との摩擦が増加しても回転トルクが不足することがないようになっている(回転トルクが大きい)ので、弁体80に特段の低摩擦材料を用いる必要がない。また、回転トルクの低いステータとロータの組み合わせであっても、回転トルクを大きくして動作できるので、冷媒切替弁60を低価格化することができる。
10.弁体80の第二の弁座プレート部67bへの適度な押圧力を確保できる。
図11に示すように、冷媒切替弁60において、ロータ70(ロータ駆動部74、ロータピニオンギヤ75)と弁体80を共通の弁体軸71で同軸に配置し、ロータ70(ロータ駆動部74、ロータピニオンギヤ75)を弁体80の上に載置して、板バネ86でロータ70(ロータ駆動部74、ロータピニオンギヤ75)を付勢している。
これにより、弁体80は、板バネ86の付勢力とロータ70(ロータ駆動部74、ロータピニオンギヤ75)の自重により、弁座(第二の弁座プレート部67b)に対して付勢されるので、適度な押圧力で弁体摺接面81が弁座(第二の弁座プレート部67b)に押圧され、冷媒を確実に閉塞する押圧力を得ることができる。
11.弁体軸71を簡易な両持ち構造にできる。
図11に示すように、冷媒切替弁60において、弁体80を支持する弁体軸71は、弁体80と弁体摺接面81で接する弁座の第二の弁座プレート部67bに設けられた有底のロータ軸穴72に圧入支持され、さらに弁ケース66の上端に設けられた凹部であるロータ軸受73とで両端を支持される両持ち構造である。
そのため、弁体80の支持剛性や精度が得やすく、弁体摺接面81において冷媒を確実に閉塞することができる。加えて、弁体軸71の周りをロータ70(ロータ駆動部74、ロータピニオンギヤ75)が回転する構成であるため、ロータ軸穴72やロータ軸受73に高精度な軸受を設ける必要がなく、冷媒切替弁60の低価格化が可能である。
また、弁体軸71のまわりに回転精度を要するロータ70と弁体80とを設け、ロータ70と弁体80とが同一の軸のまわりに回動する構成なので、同軸度が得やすく回転精度が高い。
12.アイドラ軸78は片持ち構造であるので、冷媒切替弁60の組立性が向上する。
図11に示すように、第1実施形態に係る冷媒切替弁60において、アイドラ軸78は片持ち構造となっており、冷媒切替弁60の組立性が向上する。なお、アイドラギヤ79が、上方向に移動した場合でも、アイドラ大歯車79bがロータ駆動部74と当接するので、アイドラギヤ79の脱落を防止することができる。
なお、前記したように、ロータ駆動部74に突起部74sを形成し、アイドラギヤ79に突起部79sを形成することにより、ロータ駆動部74とアイドラ大歯車79bとの接触面積を小さくすることが望ましい。これにより、余計な摩擦力の増加を回避できる。
13.弁座プレート67を一体とし、連通管69を最厚部に設けた。
第一の弁座プレート部67aと第二の弁座プレート部67bとを別体として互いにロウ付けで接合した場合の問題点について説明すると、その接合部からロウが第二の弁座プレート部67bの表面すなわち弁体80との摺動面に滲出することがあり、そのような場合には弁体摺接面81が連通口B、C、Dを密閉封止できない、という課題がある。
一方、本実施形態においては、第一の弁座プレート部67aと第二の弁座プレート部67bとは一体なので、弁座プレート67表面へのロウの滲出を防止して、冷媒を確実に封止できる、という効果がある。
またさらに、弁体摺接面81の直径をdとすれば、直径dの範囲を外周からの研磨ダレの生じる範囲よりも十分に内周に設けることによって、研磨によるダレの影響が無く、弁体摺接面81と弁座プレート67とを高い精度で隙間なく摺接することができるので、封止性を向上して冷媒のもれを低減し、弁の切替精度を向上できる効果がある。
また、図11ないし図17に示すように、第1実施形態に係る冷媒切替弁60において、弁座プレート67は中央部の厚さが最大の第二の弁座プレート部67bに連通管69を設けた。弁座プレート67の最厚部に連通管穴87を設けたことにより、連通管69の連通管穴87への差し込み深さを確保できる。
14.ロータ軸は有底のロータ軸穴72に圧入することで精度が向上する。
第二の弁座プレート部67bの中央に設けられたロータ軸穴72は有底穴とし、弁体軸71を隙間なく圧入固定する。
第二の弁座プレート部67bの厚さをt0、有底のロータ軸穴72の深さをt1、連通管69b、連通管69c、連通管69dが嵌合される深さをt2とすれば、t0>(t1+t2)なる関係を満たせば、ロータ軸穴72と連通管穴87とが干渉して穴が開くことがない。したがって、連通管69をロウ付けする際にロータ軸穴72にロウが流れ込むことがないので、好適である。また、弁体軸71をロータ軸穴72に対して隙間なく圧入固定したので、弁体軸71は第二の弁座プレート部67bに対して直角度が確保しやすく、高精度が得られる。
15.弁座プレート67は、外周部を最も薄く、連通管を設けた中央部を最も厚く、外周部と中央部の間を中間厚さ、と同心円状に構成して、溶接時の弁体の熱変形を防止できる。
弁ケース66と溶接するために加熱される外周部(第三の弁座プレート部67c)を最も薄くすることで溶接に要する熱量を低減し、連通管69を差し込んでロウ付けするための連通管穴87を設けた中央部(第二の弁座プレート部67b)を最も厚くすることで、連通管69の固定を確実にするとともに有底のロータ軸穴72に弁体軸71を圧入支持し、外周部と中央部の間(第一の弁座プレート部67a)を中間の厚さとしたことで、中央部にある弁体80に対して溶接時の熱が伝わりにくく、弁体80の熱変形を防止できるので、弁体80の弁体摺接面81を高精度に維持することで弁座プレート67との間の密着性が向上して、冷媒の漏洩を低減できる。
16.流入管を中間厚さ部に設けたので組立性が良好である。
流入管穴89を弁座プレート67のうち中間の厚さt4を備えた第一の弁座プレート部67aに設けたので、流入管68と流入管穴89との隙間に確実にロウが侵入して確実に封止できるとともに、ロウ付けした後の強度を十分に確保できる。
またさらに、流入管穴89に流入管68を貫通する際の作業性も良好である。
17.流入管を部分的に拡幅して仮止めした。
流入管68を第一の弁座プレート部67aから所定の凸量97だけ突き出して配置した後、端面円周上の2箇所ないし3箇所を拡幅するよう流入管68の端部を部分的に変形させて圧接部95において流入管穴89と圧接することで、流入管68と第一の弁座プレート部67aを圧接して位置ずれを防止しつつ、かつ流入管68と流入管穴89との間にはロウが流れ込むのに必要な隙間を確保できる、という効果がある。
またさらに、流入管68を第一の弁座プレート部67aから所定の凸量97だけ突き出して配置しているので、第一の弁座プレート表面に滲みでたロウが、流入管68の内部に侵入することを防止できるという効果もある。
またさらに、流入管68を第一の弁座プレート部67aから所定の凸量97だけ突き出して配置しているので、流入管68から吐出される流体がより上方へ流れるため、流体により弁体80を上方から下方へ押しつけることが出来るという効果もある。尚、この際の所定の凸量97は弁体摺接面81よりも高い位置とすることが望ましい。
18.弁座プレートの段差により弁ケースとの溶接精度が向上できる。
第一の弁座プレート部67aと第三の弁座プレート部67cとの間に生じる弁ケース66側の段差Hを弁ケース66の曲げRより大、すなわちH>Rとすれば、弁体80との摺接面から(H−R)の範囲においては、弁ケース66の内周と第一の弁座プレート部67aの外周が直径D1の円筒部で互いに嵌合するので、弁ケース66の内周と第一の弁座プレート部67aの外周とが同軸に精度よく位置決めでき、溶接後も高い同軸度が確保できて好適である。
次に、第2実施形態に係る冷媒切替弁について図23を用いて説明する。なお、図23において、説明のために弁座プレート67と接する弁体摺接面81Aにはハッチングを付加して図示している。図23(A)は第2実施形態に係る冷媒切替弁の第1状態の内部構成を示す説明図であり、図23(B)は第2実施形態に係る冷媒切替弁の第2状態の内部構成を示す説明図であり、図23(C)は第2実施形態に係る冷媒切替弁の第3状態の内部構成を示す説明図である。
第1実施形態に係る冷媒切替弁は四方弁であるのに対し、第2実施形態に係る冷媒切替弁は三方弁であり、弁座プレート67に流入口A、連通口Bおよび連通口Dが形成され、連通口Cが形成されていない点で異なっている。
また、第1実施形態の弁体80は、弁体摺接面81に連通凹部82が形成されているのに対し、第3実施形態の弁体80Aは、弁体摺接面81Aに連通凹部が形成されていない点で異なっている。
図23(A)は、連通口Bが弁ケース66内部に開口するとともに、連通口Dが弁体80Aで覆われた第1状態である。この第1状態において、流入口Aは連通口Bと連通し、連通口Dは閉塞した状態である。
図23(B)は、連通口Bおよび連通口Dが弁体80Aで覆われた第2状態であり、第1状態(図23(A)参照)から弁体80Aを反時計回りに90°揺動させた状態である。この第2状態において、連通口Bおよび連通口Dは閉塞し、流入口Aとはいずれも連通しない状態である。
図23(C)は、連通口Bが弁体80Aで覆われるとともに、連通口Dが弁ケース66内部に開口した第3状態であり、第2状態(図23(B)参照)から弁体80Aを反時計回りに90°揺動させた状態である。この第3状態において、流入口Aは連通口Dと連通し、連通口Bは閉塞した状態である。
流入口Aと連通する状態を「開」、流入口Aと連通しない状態を「閉」とし、連通口Bおよび連通口Dの状態を「連通口B/連通口D」の形式で表現すると、第2実施形態に係る冷媒切替弁は、「開/閉」、「閉/閉」、「閉/開」の3つの状態をとることができる。即ち、連通口Bのみが開状態(図23(A)参照)から、連通口Dのみが開状態(図23(C)参照)に切り替える際、連通口Bおよび連通口Dが閉状態(図23(B)参照)を経由して切り替える三方弁とすることができる。
第2実施形態に係る冷媒切替弁によれば、第1実施形態に係る冷媒切替弁と同様の構成によって三方弁として機能させることができる。また、冷媒の流通および遮断の切り替えを迅速に行うことができ、弁体摺接面81Aと弁座プレート67との間の密着性能が向上して、冷媒の漏洩を抑制する信頼性を向上させることができる。
≪第3実施形態≫
次に、第3実施形態に係る冷媒切替弁について図24および図25を用いて説明する。なお、図25において、説明のために弁座プレート67と接する弁体摺接面81Bにはハッチングを付加して図示している。図24は、第3実施形態に係る冷媒切替弁が備える弁体80Bの斜視図である。図25(A)は第3実施形態に係る冷媒切替弁の第1状態の内部構成を示す説明図であり、図25(B)は第3実施形態に係る冷媒切替弁の第2状態の内部構成を示す説明図であり、図25(C)は第3実施形態に係る冷媒切替弁の第3状態の内部構成を示す説明図である。図25(D)は第3実施形態に係る冷媒切替弁の第4状態の内部構成を示す説明図である。
第1実施形態に係る冷媒切替弁は四方弁であるのに対し、第3実施形態に係る冷媒切替弁は三方弁であり、弁座プレート67に流入口A、連通口Cおよび連通口Dが形成され、連通口Bが形成されていない点で異なっている。
また、第1実施形態の弁体80は、弁体摺接面81の面積が3つの連通口を塞ぐことが可能な大きさ(図15(1)参照)であり連通凹部82が形成されているのに対し、第3実施形態の弁体80Bは、弁体摺接面81Bの面積が隣接した2つの連通口(連通口Cと連通口D)を塞ぐことが可能な大きさ(図25(A)参照)であり連通凹部が形成されていない点で異なっている。さらに、弁体80Bの揺動角度を拡大するよう弁体80Bのストッパ84Bの形状と弁体ギヤ83の配設角度を拡大した点で異なっている。
図25(A)は、連通口Cおよび連通口Dが弁体80Bで覆われた第1状態である。この第1状態において、連通口Cおよび連通口Dは閉塞し、流入口Aとはいずれも連通しない状態である。
図25(B)は、連通口Cが弁ケース66内部に開口するとともに、連通口Dが弁体80Bで覆われた第2状態であり、第1状態(図25(A)参照)から弁体80Bを反時計回りに90°揺動させた状態である。この第2状態において、流入口Aは連通口Cと連通し、連通口Dは閉塞した状態である。
図25(C)は、連通口Cおよび連通口Dが弁ケース66内部に開口する第3状態であり、第2状態(図25(B)参照)から弁体80Bを反時計回りに90°揺動させた状態である。この第3状態において、流入口Aは連通口Cおよび連通口Dと連通する状態である。
図25(D)は、連通口Cが弁体80で覆われるとともに、連通口Dが弁ケース66内部に開口した第4状態であり、第3状態(図25(C)参照)から弁体80Bを反時計回りに90°揺動させた状態である。この第4状態において、流入口Aは連通口Dと連通し、連通口Cは閉塞した状態である。
流入口Aと連通する状態を「開」、流入口Aと連通しない状態を「閉」とし、連通口Cおよび連通口Dの状態を「連通口C/連通口D」の形式で表現すると、第3実施形態に係る冷媒切替弁は、「閉/閉」、「開/閉」、「開/開」、「閉/開」の4つの状態をとることができる。
また、第3実施形態に係る冷媒切替弁は、第2状態から第4状態の間で動作させることにより、「開/閉」、「開/開」、「閉/開」の3つの状態をとることができる。即ち、連通口Cのみが開状態(図25(B)参照)から、連通口Dのみが開状態(図25(D)参照)に切り替える際、連通口Cおよび連通口Dが開状態(図25(C)参照)を経由して切り替える三方弁とすることができる。
第3実施形態に係る冷媒切替弁によれば、第1実施形態に係る冷媒切替弁と同様の構成によって三方弁として機能させることができる。また、冷媒の流通および遮断の切り替えを迅速に行うことができ、弁体摺接面81Bと弁座プレート67との間の密着性能が向上して、冷媒の漏洩を抑制する信頼性を向上させることができる。
≪第4実施形態≫
次に、第4実施形態に係る冷媒切替弁について図26を用いて説明する。なお、図26において、説明のために弁座プレート67と接する弁体摺接面81Aにはハッチングを付加して図示している。
図26(A)は第4実施形態に係る冷媒切替弁の第1状態の内部構成を示す説明図であり、図26(B)は第4実施形態に係る冷媒切替弁の第2状態の内部構成を示す説明図である。
第1実施形態に係る冷媒切替弁は四方弁であるのに対し、第4実施形態に係る冷媒切替弁は二方弁であり、弁座プレート67に流入口Aおよび連通口Dが形成され、連通口Bおよび連通口Cが形成されていない点で異なっている。
また、第4実施形態の弁体80Aは、第2実施形態の弁体80Aと同様であり、弁体摺接面81Aに連通凹部が形成されていない点で異なっている。
図26(A)は、連通口Dが弁体80Aで覆われた第1状態である。この第1状態において、連通口Dは閉塞した状態であり、流入口Aとは連通しない状態である。
図26(B)は、連通口Dが弁ケース66内部に開口した第2状態であり、第1状態(図26(A)参照)から弁体80Aを反時計回りに180°揺動させた状態である。この第2状態において、流入口Aは連通口Dと連通する状態である。
流入口Aと連通する状態を「開」、流入口Aと連通しない状態を「閉」とし、連通口Dの状態を「連通口D」の形式で表現すると、第4実施形態に係る冷媒切替弁は、「開」、「閉」の2つの状態をとることができる。
第4実施形態に係る冷媒切替弁によれば、第1実施形態に係る冷媒切替弁と同様の構成によって二方弁として機能させることができる。また、冷媒の流通および遮断の切り替えを迅速に行うことができ、弁体摺接面81Aと弁座プレート67との間の密着性能が向上して、冷媒の漏洩を抑制する信頼性を向上させることができる。
≪液封時の動作≫
次に、図27(適宜図17等)を用いて、冷媒経路(冷媒回路)に所謂液封が生じた場合について説明する。ここで、液封とは、両端が閉じられた冷媒回路、即ち閉回路が液体の冷媒で満たされ、その後に温度上昇して冷媒が熱膨張することで冷媒回路の配管内部や弁体内部に高圧が生じる現象である。
前記したように、例えば第1実施形態に係る冷媒切替弁60における第3状態(図16(3)参照)において、第二冷媒配管56(および結露防止配管17)は、両端を弁体80で閉塞された閉回路となる。
(第1実施形態の第3状態の液封防止)
ちなみに、例えば第1実施形態に係る冷媒切替弁60における第3状態(図16(3)参照)は、弁ケース66は内部の体積が比較的大きな凝縮器52と連通する状態となっているので、封入された総冷媒量の体積(液体時)よりも閉回路の体積(凝縮器52、第一冷媒配管55、弁ケース66)を大きくすることができるので、液封を防止することができる。
また、冷媒切替弁60の連通口Cと圧縮機51とで閉じられた第三冷媒配管57や冷却器7についても、蒸発器として機能する冷却器7の内部の体積が比較的大きいため、液封を防止することができるようになっている。
図27は、連通管69側の圧力が上昇した際の冷媒切替弁60の第二の弁座プレート部67bと弁体80と連通管69の断面を示す拡大部分断面図である。
閉回路の内部が全て液体の冷媒で満たされて、その後温度上昇して冷媒が熱膨張すると、熱膨張した冷媒の圧力P2が、連通管69から弁体80に(図示下方から上方に)向けて加わる。
ところで、図11ないし図12により説明したように、弁体80は、ロータ70(ロータ駆動部74、ロータピニオンギヤ75)が上に載置されることでロータ70(ロータ駆動部74、ロータピニオンギヤ75)の自重と板バネ86の付勢力によって、第二の弁座プレート部67bに対して予圧される構成である。また、弁体80には、弁ケース66内部の冷媒の圧力P1に起因する押圧力が加わる。
ここで、冷媒の圧力P2がP1より大となり、ロータ70(ロータ駆動部74、ロータピニオンギヤ75)の自重、板バネ86の付勢力、および圧力P1に起因する押圧力の合計を上回る力を受けると、板バネ86が縮んで、図27に示すように、弁体軸71に沿って、弁体80およびロータ70(ロータ駆動部74、ロータピニオンギヤ75)が第二の弁座プレート部67bから浮上する方向に移動する。弁体80が浮上することにより、連通管69内の冷媒は、弁体80と第二の弁座プレート部67bとの隙間から、弁ケース66の内部に流出し、連通管69内の圧力が低下する。そして、連通管69内の圧力が低下すると、ロータ70(ロータ駆動部74、ロータピニオンギヤ75)の自重と板バネ86の付勢力によって、弁体80は、第二の弁座プレート部67bに密着する。
このように、弁体80は第二の弁座プレート部67bから浮上することができるので、連通管69内の圧力が異常に上昇することを抑制することができるという効果がある。
なお、連通管69内の圧力が異常に上昇することを抑制する効果は、連通管69内が液体冷媒で満たされる液封の状態に限られるものではなく、連通管69内部が気体のみまたは気体と液体の混合状態であって、温度上昇によって熱膨張して圧力が上昇した場合にも同様な効果がある。
なお、第1実施形態においては、連通口B、C、Dの配置を正方形の頂点位置にあるとしたが、第1実施形態の弁体80の回動に伴う連通口の開閉動作が同様であれば、隣接する連通口の角度を90゜からずらした角度としてもよい。
≪第5実施形態≫
次に、第5実施形態に係る冷媒切替弁について図28を用いて説明する。
図28は第5実施形態による冷媒切替弁60の構成を示す図18と同様な断面図であり、図18と異なるところは第二の弁座プレート部67bの直径を拡大して略第一の弁座プレート部67aの直径に近づけ、流入管68を第一の弁座プレート部67aではなく第二の弁座プレート部67bに設けたことと、流入管68を第二の弁座プレート部67bに貫通することなく、弁体80が配置される側は、直径例えば、φ2mm程度の流入口Aが開口され、弁体80が配置される側の反対側の流入管穴89は、直径が拡大されている。流入管穴89の直径が拡大された部分に、流入管68が嵌合されてロウ付けされて接合される。
<<その他の実施形態>>
1.前記第1〜第5実施形態では、冷媒切替弁60において弁体80とロータ70とが同軸の場合や、ロータ駆動部74と弁体80との間で減速機構を有する場合等を例示して説明したが、冷媒切替弁60が前記第1〜第5実施形態で説明した機能、作用を果たせれば、換言すれば、特許請求の範囲に記載した冷媒切替弁の構成を満たせば、冷媒切替弁60の構成は前記第1〜第5実施形態で説明した構成以外の構成を採用してもよい。
2.前記第1〜第5実施形態では、冷媒切替弁60の弁体80を回動させる場合を例示したが、弁体80の開閉が説明したものを行えれば、回動に限定されず、直線運動等の回動以外の移動としてもよい。なお、前記した弁体80を回動させる場合には、動作信頼性が高く、構成が簡素でコンパクトにできるので、説明した弁体80を回動させる構成が望ましい。
3.前記第1〜第5実施形態では、切替弁として、冷媒の流れを制御する冷媒切替弁60を例示したが、その他の循環媒体の流れを制御する切替弁でもよい。
4.前記第1〜第5実施形態では、ロータの回転をピニオンギヤとアイドラギヤを介して弁体を減速して回転させる構成としたが、アイドラギヤをもたずにロータと弁体とを減速せずに直結し、ロータの回転を直接弁体に伝達する構造であってもよい。
5.前記第1〜第5実施形態では、機器として、冷蔵庫を例示したが、冷蔵庫以外の機器に適用してもよいのは勿論である。
以上、本発明の様々な実施形態を述べたが、本発明の範囲内で様々な修正と変更が可能である。すなわち、本発明の具体的形態は、発明の趣旨を変更しない範囲において適宜、任意に変更可能である。