JP6442424B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明はヒートポンプ装置に関し、詳しくは、全自動洗濯機の乾燥手段などに適用して好適なヒートポンプ装置に関する。

全自動洗濯機の乾燥手段に、ヒートポンプを利用したシステムの一つであるヒートポンプ式の乾燥システムを用いた例として、図６に示す全自動洗濯機の乾燥システム４０が知られている（特許文献１）。

この乾燥システム４０は、全自動洗濯機の乾燥室５２（または洗濯槽）に接続された循環風路３０を有し、この循環風路３０内に、循環風路３０内の空気を加熱する熱交換機としての凝縮器４２と、循環風路３０内の空気を除湿する熱交換機としての蒸発器４１と、凝縮器４２と蒸発器４１との間に設けられた減圧装置４４と、循環風路３０外に設けられ冷媒を供給する圧縮機４３とを環状に接続して構成されている。

そして、この乾燥システム４０において、電磁弁４８によって圧縮機停止中の冷媒の遮断を行っている。
このヒートポンプ式の乾燥システム４０では、減圧装置４４が、毛細管状のキャピラリーチューブ４４Ａにより構成されている。

特開２０１４−２０４８８３号公報

ところで、上記のヒートポンプ式の乾燥システム４０のように膨張手段としてキャピラリーチューブ４４Ａを採用したヒートポンプ装置には、以下のような問題があった。
すなわち、
１）キャピラリーチューブ４４Ａでは、ヒートポンプ装置の運転開始時のように負荷が大きいときは冷媒を多く流し、一方負荷が小さい時に冷媒を少なく流すという調整を行うことができない。そのため、乾燥の運転開始から、負荷が比較的小さくなるまでの時間を制御することができない。

２）キャピラリーチューブ４４Ａは特殊仕様のため、ヒートポンプ装置として最適の製品を提供するための設定を繰り返し行わなければならず、結果として、ヒートポンプ装置が割高となる。

３）キャピラリーチューブ４４Ａを、例えば全自動洗濯機の乾燥システム４０に組み込む場合に、狭い場所での溶接作業あるいはろう付け作業が必要となるため、その接続作業に多大な手間が必要になる。

４）キャピラリーチューブ４４Ａの接続部では、配管の縮径または拡径が必要となるため、それらの接続部分に高価な配管部材が必要になる。
一方、上記１）の問題を考慮し、システムの運転開始から負荷が比較的小さくなるまでの時間を制御するために、毛細管状のキャピラリーチューブに代えて、電子膨張弁を採用し、この電子膨張弁のステッピングモータの回転数により流路の弁開度を調整することも考えられるが、この場合は、流量や温度条件などにより複雑な制御を行うコントローラが必要となり、システム全体の価格が大幅に上昇するという問題があった。

本発明は、このような実情に鑑み、キャピラリーチューブでは困難とされていた運転開始から負荷が小さくなるまでの時間を短くなるように制御することができ、しかも、運転開始時のように負荷が大きいときは冷媒を多く流し、一方負荷が小さい時に冷媒を少なく流すという調整を行うことができ、加えてキャピラリーチューブを使用する場合に比べてコストダウンに寄与することができ、また接続作業に労を要さず、さらには、高価な配管部材を特に必要としない、ヒートポンプ装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明に係るヒートポンプ装置は、
凝縮器と、蒸発器と、凝縮器と蒸発器との間に設けられた減圧装置と、冷媒を圧縮する圧縮機と、を環状に接続して構成されるヒートポンプ装置であって、
前記減圧装置として構成されたスライド弁を備え、
前記スライド弁は、
切り換えスイッチがオンの時に通電し、オフの時に非通電となるソレノイドと、
前記スライド弁の中心軸方向に移動する弁体と、
前記弁体と一体に動くプランジャと、
前記ソレノイドの通電時に前記プランジャを磁力で引き寄せる吸引子と、
前記プランジャと前記吸引子を互いに離間する方向に付勢するコイルバネと、
上流側流路に連通する入口側ポート、および下流側流路に連通する開口面積の異なる２つの出口側ポートと
を備え、
前記中心軸方向において、開口面積が大きい方の前記出口側ポートから視た開口面積が小さい方の前記出口側ポートの位置は、前記プランジャから視た前記吸引子の位置と同方向であり、
前記ソレノイドの非通電時には、前記プランジャと前記吸引子の間の前記磁力の消滅により、前記コイルバネの付勢力によって前記弁体を前記吸引子から離間する方向に移動させて開口面積の大きい方の前記出口側ポートを閉じ、かつ開口面積の小さい方の前記出口側ポートを開くことにより、開口面積の小さい方の前記出口側ポートが、該ヒートポンプ装置の負荷が小さい時の膨張手段として前記入口側ポートに連通され、
前記ソレノイドの通電時には、前記吸引子が前記プランジャを前記磁力で引き寄せることで前記弁体を移動させて開口面積の小さい方の前記出口側ポートを閉じ、かつ開口面積の大きい方の前記出口側ポートを開くことにより、開口面積の大きい方の前記出口側ポートが、該ヒートポンプ装置の負荷が大きい時の膨張手段として、前記入口側ポートに連通されることを特徴としている。

このようなヒートポンプ装置によれば、キャピラリーチューブを使用せずに、開口面積の異なる２つの出口側ポートＢ，Ｃの選択により冷媒流量を調整することができる。

本発明に係るヒートポンプ装置によれば、キャピラリーチューブを使用していないことから、キャピラリーチューブを使用した場合に係わる問題が発生しない。また、本発明によれば、開口面積の異なる２つの出口側ポートを備えたスライド弁を用いて流量を大または小となるように調整することができる。また、キャピラリーチューブを使用していないことから、コスト的にも安価となり、さらにはヒートポンプ装置自体をコンパクトにすることができる。

また、本発明に係るヒートポンプ装置によれば、冷媒の大流量と小流量との調整を選択的に行うことができるので、運転開始時のように大きな負荷となる場合に冷媒を多く流すことができ、運転開始から所定時間経過後など、小さな負荷の場合は冷媒を少なく流すことが可能になる。

さらに、本発明では、ＯＮ／ＯＦＦ信号のみで冷媒流量の制御を行うことができるので、複雑なコントローラが不要であり、コスト安に寄与することができる。

図１は本発明の一実施例に係るスライド弁を示した断面図である。 図２は図１に示したスライド弁の弁体アッセンブリの斜視図である。 図３は図２に示した弁体アッセンブリの断面図である。 図４（ａ）は図１に示したスライド弁における弁体の平面図、図４（ｂ）はその弁体の正面断面図、図４（ｃ）はその弁体の底面図、図４（ｄ）はその弁体と板バネとの関係を示す側面図である。 図５は本発明の一実施例に係るヒートポンプ装置の模式図である。 図６は従来の全自動洗濯機に搭載された乾燥システムの模式図である。

以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施の形態（実施例）に係るヒートポンプ装置について説明する。
先ず、図１〜図４を参照しながら、スライド弁１について説明する。

このスライド弁は、本実施例に係るヒートポンプ装置としての乾燥システムに適用されるものであり、後述するようにヒートポンプ装置の膨張手段として適用される。また図２は、図１のスライド弁１に組み込まれている弁体アッセンブリを示したものである。

本実施例のスライド弁１は、例えば、全自動洗濯機の乾燥システムに組み込まれる二方弁であり、弁体１１は電磁石により駆動されるものである。
このスライド弁１は、図１、図２において上下方向垂直に延在する中心軸Ｏ−Ｏを有し、概略、弁本体５、弁体アセンブリ１０、ソレノイド１８を備えている。

スライド弁１を構成する弁本体５は、入口側ポート２ａを介して上流側流路に連通する入口側継手２に連結され、出口側ポート８および出口側ポート９を介して下流側流路に連通する出口側継手３に連結される弁室６を画定している。弁室６内には出口側継手３の開口端部が差し込まれている弁座７が設けられ、弁座７の弁座面７ａには、出口側継手３に連通する出口側ポート８および出口側ポート９が開口するように形成されている。なお、入口側継手２、出口側継手３は、限定されるものではないが、それぞれの軸がスライド弁１の中心軸Ｏ−Ｏに対して直交するように配置され、弁座７の弁座面７ａは、中心軸Ｏ−Ｏに対して平行に配置されることが好ましい。

本実施例において、スライド弁１を構成する弁体アセンブリ１０は、図２および図３に示されるように、概略、弁体１１、板バネ１３、連結杆１２およびプランジャ１５を備える。また、図２および図３に示されるように、スライド弁１の中心軸Ｏ−Ｏが、連結杆１２およびプランジャ１５の中心を通っている。

弁体アセンブリ１０を構成するプランジャ１５は、図１において、ソレノイド１８にリード線２５を介して電流が流れたとき、コイルバネ１６の付勢力に抗して移動し、弁体１１をスライドさせる部材である。図１において、弁体１１が上方にスライドすると、出口側ポート８が開けられ、出口側ポート９が閉じられることで流路が切り換えられる。

プランジャ１５には、図１〜図３に示されるように、中心軸Ｏ−Ｏに沿って、上下に貫通する中心孔１５ａが形成されている。該中心孔１５ａは、断面円形であり、中間に上から第１段部１５ｂおよび第２段部１５ｃを備え、直径を変化させている。第１段部１５ｂでは、直径を小さくすることで、コイルバネ１６の一端部を保持する。なお、コイルバネ１６の他端部は、吸引子１７に保持される。第２段部１５ｃでは、直径を大きくすることで、連結杆１２の基端部１２ｂを収容する。さらに、プランジャ１５の中心孔１５ａの下端部には、中心孔１５ａを閉じるように開口縁１５ｄが形成され、中心孔１５ａ内に収容された連結杆１２の基端部１２ｂに対して開口縁１５ｄを変形させてカシメ固定することで、連結杆１２をプランジャ１５に装着する。

弁体アセンブリ１０を構成する連結杆１２は、弁体１１を保持する扁平な板状部材であって、基端部１２ｂおよび末端部１２ｃを備えている。連結杆１２の末端部１２ｃにおいて断面長円形の貫通孔１２ａが形成され、この貫通孔１２ａに弁体１１を保持する。貫通孔１２ａは、連結杆１２を含む弁体アセンブリ１０がスライド弁１として組み立てられたとき、弁体１１の中心軸Ａ−Ａがスライド弁１の中心軸Ｏ−Ｏに対して直角を成すように、連結杆１２の末端部１２ｃに形成される。貫通孔１２ａの断面形状は、弁体１１の基部１１ａの断面形状と概略同じであって、本実施例では、貫通孔１２ａの断面形状は長円形である。貫通孔１２ａの大きさは、少なくとも、弁体１１の基部１１ａが（図３において左右方向に）出入り可能な大きさに所望の寸法公差の範囲内で設定されればよい。なお、本実施例においては、貫通孔１２ａの長さ（図３において、貫通孔１２ａの上下方向の長さ）は、弁体１１の長さ（図４（ａ）において、基部１１ａの左右の長さ）に対して若干の隙間が存在するように、弁体１１の長さより大きく形成されている。このように貫通孔１２ａの長さを弁体１１の長さより若干大きく形成すると、図１において、プランジャ１５と一体に形成されている連結杆１２が上下方向に移動するとき、先に連結杆１２が移動した後、弁体１１が移動するように構成することができる。したがって、弁体１１の移動（スライド）が円滑に行われる。

弁体アセンブリ１０を構成する板バネ１３は、基端部１３ａおよび末端部１３ｂを備え、基端部１３ａにおいて固定金具１４により連結杆１２に固定され、末端部１３ｂにおいて、突起１３ｃを介して弁体１１の溝部１１ｅの底面１１ｆを押圧する。本実施例では、突起１３ｃの断面形状は、円弧状である。板バネ１３は、基端部１３ａと末端部１３ｂとの間に弾性変形部としての傾斜部１３ｅが形成されている。

弁体アセンブリ１０を構成する弁体１１は、シール面１１ｃが弁座７の弁座面７ａに面接触しながらスライドし、出口側ポート８および出口側ポート９を開閉し、通路を切り換える部材である。弁体１１は、中心軸Ａ−Ａを有し、上述したように、連結杆１２に保持される。本実施例に係る弁体１１は、図４（ａ）〜（ｄ）に示されるように、断面長円形の基部１１ａ、断面略正方形の突出部１１ｂを備えている。弁体１１の基部１１ａは、平坦な背面１１ｄに、該背面１１ｄに対して段部を形成する溝部１１ｅが形成される。また、弁体１１の突出部１１ｂは、基部１１ａから上方に突出し、その上面は、基部１１ａの背面１１ｄに対向し、平坦なシール面１１ｃとして形成される。

弁体１１は、スライド弁１として組み立てられたとき、図１に示されるように、弁体１１の中心軸Ａ−Ａがスライド弁１の中心軸Ｏ−Ｏに対して、すなわち、弁座面７ａに対して、直角を成すように連結杆１２に保持される。弁体１１の基部１１ａの背面１１ｄに形成される段部としての溝部１１ｅの底面１１ｆには、板バネ１３の末端部１３ｂに形成される円弧状の突起１３ｃが当接する。それにより、弁体１１のシール面１１ｃが、弁座７の弁座面７ａに押し付けられる。したがって、弁体１１は、出口側ポート８または出口側ポート９のいずれか一方のポートを開閉するとともに、シールする。なお、図１では、出口側ポート８が閉、出口側ポート９が開とされている。

なお、本実施例に係るスライド弁１を、図５に示したように全自動洗濯機の乾燥室５２を乾燥させるための乾燥システム７０に適用する場合には、図１に示したように、出口側ポート９を開とするモードを、運転開始から所定時間経過後などの負荷変動の少ない運転時に設定し、出口側ポート８を開とするモードを、運転開始時に設定することが好ましい。

なお、弁体１１の背面１１ｄに形成される溝部１１ｅは、本実施例では、図４（ｃ）に示されるように、背面１１ｄを左右方向に横切って延在するように形成されているが、これに限定されるものではない。例えば、図４（ｃ）において、溝部１１ｅが左右両端を基部１１ａにより塞がれている状態、すなわち、断面矩形状の凹部として形成されていてもよい。該凹部は、背面１１ｄに対して段部を成している。本実施例においては、凹部で段部を形成するとき、凹部の長さ（図４（ｃ）において、凹部の左右方向の長さ）は、貫通孔１２ａの長さと弁体１１の長さとの間の差（貫通孔１２ａと弁体１１との間に形成される隙間の長さ）より大きく設定される。このように設定する理由は、以下の通りである。すなわち、本実施例では、上述したように、板バネ１３が連結杆１２と一体にされており、また、連結杆１２とプランジャ１５も同様に一体にされている。したがって、プランジャ１５が移動を開始した瞬間は、弁体１１は停止したままであり、連結杆１２のみが貫通孔１２ａと弁体１１との間の隙間分先に移動する。同様に、連結杆１２と一体である板バネ１３の突起１３ｃは、停止している弁体１１の背面１１ｄに形成されている凹部の底面上を移動する。貫通孔１２ａと弁体１１との関係をこのように構成することで、弁体１１の移動が円滑に実行され得る。

本実施例では、また、板バネ１３の末端部１３ｂは、該末端部１３ｂに形成された突起１３ｃが弁体１１の溝部１１ｅの底面１１ｆに当接するように構成される。また、板バネ１３の突起１３ｃを除く平坦な末端部１３ｂが弁体１１の背面１１ｄの少なくとも一部を覆うように配置されることが好ましい。このように配置することで、例えば、図１に示されるように閉じていた出口側ポート８から弁体１１が逆圧で浮き上がったとき、弁体１１の背面１１ｄが、該背面１１ｄを覆っている板バネ１３の平坦な末端部１３ｂに当接する。それにより、弁体１１の回転が妨げられ、弁体１１が中心軸Ａ−Ａに対して傾斜したり、弁体１１がずれたりする度合いが抑えられる。そのため、逆圧が解消されたときには、弁体１１は、傾斜状態にロックされること無く、当初の位置、すなわち出口側ポート８を閉じ、これをシールする位置に速やかに戻ることができる。

最後に、スライド弁１を構成するソレノイド１８は、中心に弁体アセンブリ１０のプランジャ１５を収容することができる空間１８ａを備えるように、外函１９内に電気絶縁性の合成樹脂でモールド成形されている。本実施例では、吸引子１７がプランジャチューブ２０に挿入され溶接により固定されており、外函１９が取り付けビス２１により吸引子１７に固定される。このとき、プランジャチューブ２０内には弁体アセンブリ１０のプランジャ１５が嵌め込まれており、プランジャ１５は、図１において、プランジャチューブ２０内を上下方向に移動することができる。また、上述したように、吸引子１７とプランジャ１５との間には、コイルバネ１６が装着される。該コイルバネ１６により、吸引子１７とプランジャ１５とは、互いに離れる方向に付勢されている。

本実施例では、上述したことから理解されるように、吸引子１７、プランジャチューブ２０、コイルバネ１６、弁体アセンブリ１０、弁本体５および入口側継手２、出口側継手３は、予め一体にされる。ソレノイド１８の空間１８ａ内を該一体化された弁部材（吸引子１７やプランジャ１５）に挿入することで、スライド弁１として容易に組み立てることができる。

以下、本発明の要部について説明する。
本実施例のスライド弁１は、入口側継手２の入口側ポート２ａの開口面積をＡ、出口側継手３の出口側ポート８の開口面積をＢ、出口側ポート９の開口面積をＣとしたとき、Ａ＞Ｂ＞Ｃに設定されている。

すなわち、出口側継手３の出口側ポート８の開口面積Ｂと、出口側ポート９の開口面積Ｃは、入口側ポート２ａの開口面積Ａに比べて小さく設定され、さらに出口側ポート９の開口面積Ｃは、出口側ポート８の開口面積Ｂに比べて小さく設定されている。

このように開口面積が設定されたスライド弁１は、図５に示した全自動洗濯機の乾燥システム７０の膨張手段として好ましく用いることができる。この場合、使用される流体は冷媒である。

スライド弁１では、図１に示した入口側継手２から、冷媒が導入され、出口側ポート８または出口側ポート９のうち弁体１１によって閉鎖されていない方の出口側ポートを冷媒が通過することによって、高温・高圧の液冷媒が、蒸発し易い状態に減圧され、低温・低圧で気体・液体混相状態の冷媒となって、出口側継手３から排出される。

なお、図５に示した乾燥システム７０において、図６の乾燥システム４０と同一要素については同一符号を付して、詳細な説明を省略する。
乾燥システム７０において、冷媒は、圧縮機４３を介して凝縮器４２へ送出され、その凝縮器４２から送出された高温・高圧の液冷媒が、スライド弁１の入口側継手２に供給され、この入口側継手２から出力側継手３に選択的に送出される。出力側ポート８、出力側ポート９のどちらに送出されるかの選択は、スライド弁１の制御スイッチのＯＮ，ＯＦＦで行われる。

なお、本発明では、スライド弁１の弁体１１を駆動させる手段としてマグネットラッチコイルを採用することが好ましい。このような構成であれば、安価で弁体の制御を行うことができる。

このようなスライド弁１が組み込まれた乾燥システム７０では、自動洗濯機の乾燥室５２内の温度が所定の温度に上昇すると、その状態が温度センサで検知され、スライド弁１を制御する図示しない切り換えスイッチがＯＦＦになる（図１の状態）。

このとき、ソレノイド１８に電流が流れておらず、プランジャ１５は、コイルバネ１６に付勢されて下方に位置している。すなわち、弁体１１は、開口面積の大きい出口側ポート８を閉じており、開口面積の小さい出口側ポート９が開いているので、小流量の冷媒が、入口側継手２から出口側ポート９に流れる。よって、運転開始から所定時間経過後など、熱交換量が比較的少なく済む時（負荷が小さくなった時）に好適である。

一方、運転開始時のように乾燥に対する負荷が大きい場合には、先ず、乾燥室５２内の温度が低いことを図示しない温度センサが検知して、その検知信号に基いて、スライド弁１の切り換えスイッチがＯＮになる。そして、リード線２５を介してソレノイド１８に電流が流れる。ソレノイド１８に電流が流れると、吸引子１７がプランジャ１５を引き寄せることで、プランジャ１５が駆動され、上方に移動する。それにより、プランジャ１５と一体化されている弁体１１は、図１において、弁座面７ａ上を上方にスライドし、出口側ポート８が開けられ、出口側ポート９が閉じられる。この場合、開口面積の大きい出口側ポート８が開いているので、大流量の冷媒が、入口側継手２から出口側ポート８に流れる。

このように開口面積の大きい出口側ポート８が開いているときは、大流量の冷媒が下流側に流れる。このようにして、システムの立ち上げ時の熱交換量を大きくする必要がある場合は大流量の冷媒が下流側に流れる。

このように本発明では、スライド弁１の乾燥システム４０を全自動洗濯機の膨張手段として用いることができる。
また、乾燥システム７０の非通電時を、例えば、運転開始から所定時間経過後など、比較的、長時間使用される際の使用モードに設定すれば、ヒートポンプ式の乾燥システム７０における消費電力が削減され、省エネを図ることができる。

また、本実施例では、キャピラリーチューブを使用しないので、キャピラリーチューブを使用した場合の問題が発生しない。すなわち取付作業も容易であり、さらに高価な配管部材を用意する必要もない。また、気密性を特に注意しなくても接続することが可能である。

以上、本発明に係るヒートポンプ装置を、洗濯機に搭載されたヒートポンプ式の乾燥システムを例にして説明したが、本発明に係るヒートポンプ装置は、冷蔵庫、ショーケース、空気調和機等にも使用することができる。

１ スライド弁
２ 入口側継手
２ａ 入口側ポート
３ 出口側継手
８ 出口側ポート
９ 出口側ポート
３０ 循環風路
４１ 蒸発器
４２ 凝縮器
４３ 圧縮機
４４ 減圧装置
５２ 乾燥室
７０ 乾燥システム

Claims (1)

1. 凝縮器と、蒸発器と、凝縮器と蒸発器との間に設けられた減圧装置と、冷媒を圧縮する圧縮機と、を環状に接続して構成されるヒートポンプ装置であって、
   前記減圧装置として構成されたスライド弁を備え、
   前記スライド弁は、
   切り換えスイッチがオンの時に通電し、オフの時に非通電となるソレノイドと、
   前記スライド弁の中心軸方向に移動する弁体と、
   前記弁体と一体に動くプランジャと、
   前記ソレノイドの通電時に前記プランジャを磁力で引き寄せる吸引子と、
   前記プランジャと前記吸引子を互いに離間する方向に付勢するコイルバネと、
   上流側流路に連通する入口側ポート、および下流側流路に連通する開口面積の異なる２つの出口側ポートと
   を備え、
   前記中心軸方向において、開口面積が大きい方の前記出口側ポートから視た開口面積が小さい方の前記出口側ポートの位置は、前記プランジャから視た前記吸引子の位置と同方向であり、
   前記ソレノイドの非通電時には、前記プランジャと前記吸引子の間の前記磁力の消滅により、前記コイルバネの付勢力によって前記弁体を前記吸引子から離間する方向に移動させて開口面積の大きい方の前記出口側ポートを閉じ、かつ開口面積の小さい方の前記出口側ポートを開くことにより、開口面積の小さい方の前記出口側ポートが、該ヒートポンプ装置の負荷が小さい時の膨張手段として前記入口側ポートに連通され、
   前記ソレノイドの通電時には、前記吸引子が前記プランジャを前記磁力で引き寄せることで前記弁体を移動させて開口面積の小さい方の前記出口側ポートを閉じ、かつ開口面積の大きい方の前記出口側ポートを開くことにより、開口面積の大きい方の前記出口側ポートが、該ヒートポンプ装置の負荷が大きい時の膨張手段として、前記入口側ポートに連通されることを特徴とするヒートポンプ装置。

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