JP6559100B2

JP6559100B2 - 弁体、切換弁、弁体の製造方法および冷凍サイクルシステム

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Publication number: JP6559100B2
Application number: JP2016146679A
Authority: JP
Inventors: 知之上野; 宏光木村; 岡田　聡; 岡田　　聡; 怜小泉
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2016-07-26
Filing date: 2016-07-26
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2036-07-26
Also published as: JP2018017274A; CN107654694A; CN107654694B

Description

本発明は、切換弁の弁体、この弁体を備えた切換弁、この弁体を製造する弁体の製造方法および冷凍サイクルシステムに関する。

従来、冷凍サイクルシステム等に用いられる切換弁として、円筒状の弁ハウジングの内部で、弁座上に弁体を配置するとともにこの弁体を一対のピストンに連結し、ピストンに加わる流体の圧力で弁体をスライドさせるものがある。そして、このような切換弁において、合成樹脂製の弁体を用いたものが、例えば特許第３２９５７１０号公報（特許文献１）及び特開２００９−４１６３６号公報（特許文献２）に開示されたものがある。

特許第３２９５７１０号公報特開２００９−４１６３６号公報

上述した特許文献１における弁体は、椀状の椀部に金属板体を一体成型することで、弁体の強度を確保している。しかしながら、このように金属板体を設けると弁体の製造工程が複雑になるという問題がある。また、この特許文献１の弁体は、弁体の射出成型時に、弁体の椀部の頂部（上端）にゲートを設けるようにしている。このように椀部の頂部にゲートを設けると、成型金型に対する樹脂の注入時に、樹脂の流れが頂部から椀部の周囲に拡がる。このため、図１０（Ａ）に示すように椀部の内側の凹部９１の周囲のフランジ部９２の４箇所にウェルドが生じてしまう。この種の弁体は、椀部の内側の凹部９１は長円の形状である。また、弁体には高圧と低圧の圧力差により応力が加わり、例えば図１０（Ｂ）に示すように、その凹部９１の長手方向の中央部分が変形し易い。このため、前記フランジ部９２の中央に生じるウェルドにより、弁体の強度が弱くなるという問題がある。

本発明は、樹脂成形品である弁体において射出成型時のゲート位置を改善して、弁体の強度を確保することを課題とする。

請求項１の弁体は、筒状の弁ハウジング内で、弁座の複数のポートに椀状凹部を対向させるとともに、前記弁座上をスライドさせて前記椀状凹部により前記複数のポートを連通する、切換弁用の弁体であって、当該弁体は合成樹脂製であり、前記椀状凹部を前記弁座のポートに向かって開口する椀部と、前記椀部の周囲に外形を長方形状に形成されたフランジ部と、を備え、前記椀状凹部は、スライド方向を長径として該長径方向のストレート部と両端の半円部を縁とするオーバル状の開口を有し、前記フランジ部の側面で、かつ、前記椀状凹部の前記ストレート部と前記半円部との境界を跨ぐ位置を含み前記半円部を囲う範囲のうち、前記フランジ部の側面の長辺の部分にゲート痕を有することを特徴とする。

請求項２の切換弁は、筒状の弁ハウジングと、該弁ハウジングの内部にスライド自在に設けられた弁体と、前記弁ハウジング内に前記弁体のスライド方向に並んで複数のポートを開口する弁座と、を備え、前記弁体によって前記複数のポートを連通して、前記弁ハウジングに接続される配管を流れる流体の流路を切り換えるようにした切換弁であって、前記弁体として請求項１に記載の弁体を備えたことを特徴とする。

請求項３の弁体の製造方法は、請求項１の弁体を製造する弁体の製造方法であって、前記弁体に対応する空洞部とゲートとを有するとともに、前記ゲートが、前記空洞部の前記弁体の前記フランジ部の側面で、かつ、前記椀状凹部の前記ストレート部と前記半円部との境界を跨ぐ位置を含み前記半円部を囲う範囲のうち、前記フランジ部の側面の長辺の部分に対応する位置に設けられた成形金型を用い、前記ゲートから前記空洞部内に合成樹脂を注入して射出成型により前記弁体を形成することを特徴とする。

請求項４の冷凍サイクルシステムは、請求項２に記載の切換弁を備えた冷凍サイクルシステムであって、前記弁ハウジングに対して、圧縮機の吐出側に接続されるＤ継手と、該圧縮機の吸入側に接続されるＳ継手と、一方の熱交換器に接続されるＥ継手と、他方の熱交換器に接続されるＣ継手と、がそれぞれ導通され、前記弁体により、前記Ｓ継手に対してＥ継手またはＣ継手を択一的に切換導通するとともに、Ｓ継手に対して非導通となるＣ継手またはＥ継手を前記弁ハウジング内を介して前記Ｄ継手に導通することを特徴とする。

請求項１乃至３の発明によれば、弁体の樹脂成形によるウェルドが、ゲート痕に対して正反対側の部分に生じる傾向にあるので、ウェルドが弁体の椀状凹部におけるストレート部やその中心に生じることがなく、弁体、切換弁における弁体、製造される弁体、のそれぞれについて耐圧性を確保することができる。

また、請求項１乃至３の発明によれば、ゲート痕が弁体の長辺の部分にあるので、この弁体の端部の形状を所望の形状に形成することができる。

請求項４の発明によれば、耐圧性を確保した弁体により信頼性の高い冷凍サイクルシステムを得ることができる。

本発明の実施形態の切換弁の縦断面図である。本発明の実施形態における弁体の４面図である。本発明の実施形態における弁体を成形するための成形金型の一部破砕側面図である。本発明の実施形態における弁体の作用を説明する図である。本発明の実施形態の弁体の他の例を示す図である。本発明の実施形態の弁体のゲート痕の他の例とその作用を説明する図である。本発明の実施形態の弁体のゲート痕のさらに他の例とその作用を説明する図である。本発明の実施形態におけるゲート痕を設けるのに適した範囲を説明する図である。本発明の実施形態の冷凍サイクルシステムを示す図である。従来の弁体の問題点を説明する図である。

次に、本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態の切換弁の断面図である。なお、以下の説明における「上下」の概念は図１の図面における上下に対応する。この実施形態に係る切換弁１００は四方切換弁であり、後述のようにパイロット弁２００により切り換えられる。この切換弁１００は、弁ハウジング１内に、弁座２、一対のピストン３，３、連結板４、弁部材５を備えている。なお、後述のように、弁部材５は本発明を適用した弁体５Ａを備えている。

弁ハウジング１は筒状であり、円筒形状の円筒部１ａと２つの栓体１ｂ，１ｂとで構成されている。栓体１ｂ，１ｂはそれぞれ円筒部１ａの端部を塞ぐように円筒部１ａにろう付けや溶接等により取り付けられており、円筒部１ａ及び栓体１ｂ，１ｂの中心軸が弁ハウジング１の軸線Ｌとなっている。この軸線Ｌは後述の弁部材５（弁体５Ａ）のスライド方向である。弁ハウジング１の側部の一箇所にはバーリング加工により接続筒１ｃが形成されており、この接続筒１ｃにはＤ継手１１が取り付けられている。このＤ継手１１は溶接やろう付け等により円筒部１ａに固着されている。これにより、Ｄ継手１１は弁ハウジング１内に導通されている。

弁座２は、弁座面２１を弁ハウジング１の軸線Ｌと平行にして弁ハウジング１内の中間部に配設されている。この弁座２には、弁ハウジング１の軸線Ｌ方向に一直線上に並んでその中心にＳポート２２が，Ｓポート２２の両脇にＥポート２３及びＣポート２４がそれぞれ形成されている。そして、弁座２及び弁ハウジング１には、Ｓポート２２、Ｅポート２３、Ｃポート２４にそれぞれ対応するＳ継手１２、Ｅ継手１３、Ｃ継手１４が取り付けられている。Ｓ継手１２、Ｅ継手１３及びＣ継手１４は、その端部を円筒部１ａの壁を貫通させて弁座２に嵌合され、溶接やろう付け等により弁ハウジング１及び弁座２に固着されている。これにより、Ｓ継手１２、Ｅ継手１３、Ｃ継手１４が弁ハウジング１内に導通されている。

一対のピストン３，３は互いに対向配置され、この一対のピストン３，３はパッキン３１，３１を円筒部１ａの内周面に押圧しながら往復移動可能となっている。これにより、弁ハウジング１の内部は、２つのピストン３，３により、中央部の主弁室１Ａと主弁室１Ａの両側の２つの作動室１Ｂ，１Ｂとに仕切られている。

連結板４は金属板からなり、この連結板４は、弁ハウジング１の軸線Ｌ上に配置されるようにピストン３，３の間に架設されている。また、連結板４には、その中央に弁部材５を保持する保持孔４１と、弁部材５の両側に位置する透孔４２，４３と、が形成され、弁部材５は後述の椀部５１が保持孔４１内に嵌め込まれて連結板４に保持されている。そして、弁部材５は、ピストン３，３が移動すると連結板４に連動して弁座２の弁座面２１上を軸線Ｌ方向（スライド方向）に摺動し、予め定められた左右の位置で停止する。

弁部材５には後述のように椀部５１の内側に椀状凹部５１ａが形成されている。そして、弁部材５は、図１の左側の端部位置において、Ｓポート２２とＥポート２３とを椀状凹部５１ａにより導通する。このとき、Ｃポート２４は主弁室１Ａ内で主に透孔４３を介してＤ継手１１に導通する。また、弁部材５は、図１の右側の端部位置において、Ｓポート２２とＣポート２４とを椀状凹部５１ａにより導通する。このとき、Ｅポート２３は主弁室１Ａ内で主に透孔４２を介してＤ継手１１に導通する。

Ｄ継手１１は後述の圧縮機１１０の吐出側に接続され、Ｓポート２２はＳ継手１２を介して圧縮機１１０の吸入側に接続される。また、Ｅポート２３はＥ継手１３を介して後述の室内熱交換器１２０に接続され、Ｃポート２４はＣ継手１４を介して後述の室外熱交換器１３０に接続される。このようにして、実施形態の切換弁は冷凍サイクルシステムに接続される。

弁部材５は、合成樹脂からなる弁体５Ａとステンレス製の補助ピン５Ｂとで構成されている。図２は実施形態における弁体５Ａの４面図であり、図２（Ａ）は上面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＡ−Ａ断面図、図２（Ｃ）は底面図、図２（Ｄ）は図２（Ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。弁体５Ａは、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂やＰＡ（ポリアミド）樹脂等の合成樹脂製の射出成型品である。そして、弁体５Ａは、前記弁座２に向かって椀状凹部５１ａを凹状に開口した椀部５１と、この椀状凹部５１ａの開口縁から外方に延びるフランジ部５２と、を有して形成されている。椀部５１は、平面視で長円形状を有したドーム状に形成され、この椀部５１が連結板４の保持孔４１に挿入される。椀部５１の内部には、前記椀状凹部５１ａが形成されるとともに、この椀状凹部５１ａの内面で、軸線Ｌと直行する方向の両端２箇所には、補助ピン５Ｂを嵌合する縦溝５１ｂ，５１ｂが形成されている。

フランジ部５２は、平面視で外形が長方形状に形成され、弁座２の弁座面２１と摺接する摺接面５２ａ有しており、この摺接面５２ａの内側に前記椀状凹部５１ａが開口している。このフランジ部５２は、弁座２と連結板４との間に配置される。そして、弁部材５に作用する高圧と低圧の圧力差により摺接面５２ａが弁座２の弁座面２１に密接され、椀部５１の椀状凹部５１ａが弁座２に対して閉じられるようになっている。また、フランジ部５２の外周１箇所にはゲート痕５２Ａが形成されている。

図２（Ｃ）に示すように、摺接面５２ａに開口する椀状凹部５１ａの開口形状は、軸線Ｌ方向（長手方向）のストレート部５１ａ１と、軸線Ｌを跨ぐ円弧部５１ａ２とを有する長円形状となっている。そして、上記ゲート痕５２Ａは、フランジ部５２の側面において、ストレート部５１ａ１よりも円弧部５１ａ２側、すなわちストレート部５１ａ１の端部から軸線Ｌと平行な方向に離れて位置している。この実施形態では、ゲート痕５２Ａの位置はストレート部５１ａ１と円弧部５１ａ２との境界近傍の位置である。

図３は弁体５Ａを成形するための成形金型の一部破砕側面図であり、この金型は、下金型１０と上金型２０とで構成されている。下金型１０には椀状凹部５１ａに対応するコア１０ａとフランジ部５２に対応するキャビティ１０ｂとが形成されている。上金型２０には、椀部５１に対応するキャビティ２０ａとフランジ部５２に対応するキャビティ２０ｂとが形成されている。そして、下金型１０と上金型２０を合わせることにより、コア１０ａ、キャビティ１０ｂ、キャビティ２０ａ及びキャビティ２０ｂに囲われた空洞部３０が形成される。

また、上金型２０の側部には、下金型１０との合わせ面（あるいはパーティング面）を窪ませたゲート溝２０ｃが形成されている。このゲート溝２０ｃの位置は、弁体５Ａの椀状凹部５１ａの長手方向のストレート部５１ａ１よりも円弧部５１ａ２側（軸線Ｌ方向で中心から離れた位置）に位置している。そして、このゲート溝２０ｃが下金型１０の合わせ面に重なることにより、空洞部３０に連通するゲート４０が構成される。なお、図３は下金型１０と上金型２０の要部のみを図示したものであり、実際の金型では例えば上記ゲート４０に連通するランナー溝及びスプール溝等も備えている。

弁体５Ａの成型時には、ゲート４０を介し空洞部３０に溶融樹脂を注入し、冷却後、下金型１０と上金型２０を分けて、コア１０ａ、キャビティ１０ｂ、キャビティ２０ａ及びキャビティ２０ｂから樹脂成型品を取り出す。そして、ゲート４０に対応するゲート部の樹脂部を切除して適宜整形する。以上のように、弁体５Ａは射出成型により形成する。これにより弁体５Ａのフランジ部５２の一箇所に前記ゲート痕５２Ａが残る。このように、下金型１０及び上金型２０によるゲート４０は、弁体５Ａのフランジ部５２の側部であって椀状凹部５１ａのストレート部５１ａ１よりも円弧部５１ａ２側となる位置に対応して設けられ、これにより、ゲート痕５２Ａは、弁体５Ａのフランジ部５２の側部であってストレート部５１ａ１よりも円弧部５１ａ２側となる位置に残る。

ここで、弁体５Ａは、ゲート痕５２Ａを除いて、図２及び図３に示す軸線Ｖ回りの２回対称（１８０度対称）の対称性を有している。すなわち、空洞部３０を、ゲート４０と軸線Ｖを含む面で２分割したとき、分割された空洞部３０の２つの空間の体積は同じになる。したがって、ゲート４０から空洞部３０に注入された樹脂は、一旦、コア１０ａで分流して流れ、空洞部３０内でゲート４０から軸線Ｖを中心とする正反対側で合流する傾向にある。例えば、この樹脂の流れを弁体５Ａにおける概念的な流れとして図示すると図４の矢印のようになる。このように、弁体５Ａには、樹脂の流れが合流する場所において、ウェルドが生じるが、このウェルドは、ゲート痕５２Ａの軸線Ｖを中心とする略正反対側の部分に生じる傾向にある。したがって、ウェルドが弁体５Ａの椀状凹部５１ａにおけるストレート部５２ａ１やその中心に生じることがなく、弁体５Ａ（弁部材５）の耐圧性を確保することができる。

また、この実施形態では、ゲート痕５２Ａは弁体５Ａのフランジ部５２の端部（短辺部）に残ることもないので、例えば図５に示すように、弁体５Ａの端部の形状を所望の形状に形成することができる。図５（Ａ）の弁体５Ａは、フランジ部５２の端部に凹部５２１を形成することにより、弁部材５の切換え途中にＤ継手１１から椀状凹部５１ａを介してＳポート２２に流れる中間流量を調整し、切換え時の切換弁の作動性を良好にするとともに冷凍サイクルシステムの運転状態に支障をきたさないようにするものである。また、図５（Ｂ）の弁体５Ａは、フランジ部５２の端部にテーパ部５２２を形成することで、ポートに流れる高圧流体の圧損を低減するようにしたものである。このように、ゲート痕５２Ａをフランジ部５２の長辺の部分に設けるようにしたので、流量への影響を防止することができる。

上記の実施形態では、ゲート痕５２Ａ（ゲート４０）の位置が、ストレート部５１ａ１と円弧部５１ａ２との境界近傍の場合としているが、例えば図６に示すように、ゲート痕５２Ａを、フランジ部５２の長辺において、ストレート部５１ａ１からさらに外側に離した位置に設けるようにしてもよい。すなわち、ゲート痕５２Ａは、フランジ部５２の長辺の部分で、かつストレート部５１ａ１の端部よりも外側の位置となっている。

また、上記の実施形態では、ゲート痕（あるいはゲート）の位置をフランジ部５２の長辺の部分に設けているので、前記図５の形態とすることができるが、本発明はこれに限らず、ウェルドによる強度上の問題を解消するために、例えば樹脂成型時のゲートの位置をフランジ部の短手方向の短辺の部分に設けるようにしてもよい。例えば、図７に示す弁体５Ａのように、ゲート痕５２Ａがフランジ部５２の短手方向の短辺の部分に形成された例の場合、射出成型時の樹脂の流れは図７の矢印のようになる。そして、この場合も、ウェルドはゲート痕５２Ａの反対側の短辺の部分に生じる。この弁体５Ａにおいてフランジ部５２の短辺の部分は、椀状凹部５１ａの円弧部５１ａ２の近傍の、弁体の耐圧性に影響を与えにくい部位であり、ここにウェルドが生じても耐圧性の点で問題はない。また、この短辺の部分にゲート痕５２Ａが残る場合には、切削や研磨等によりゲート痕５２Ａを除去するのが好ましい。これにより、弁ハウジング１内からポートへの流体の流れに対する影響を低減できる。

図８はゲート痕５２Ａを設けるのに適した範囲を説明する図である。この適した範囲は図８に太線の矢印で示す範囲であり、前記各実施形態のゲート痕５２Ａは太線の矢印で示す範囲内に設けられている。すなわち、ゲート痕５２Ａは、椀状凹部５１ａのストレート部５１ａ１と半円部５１ａ２との境界を跨ぐ位置を含み半円部５１ａ２を囲う範囲に設けられている。なお、この「境界を跨ぐ位置」とは、この境界からフランジ部５２の長辺への垂線の足を中心とするゲート痕５２Ａの幅に対応する位置である。また、「半円部５１ａ２を囲う範囲」とは、境界を跨ぐ位置を含み、フランジ部５２の側面のうち、短辺とその両側の長辺の一部の範囲である。なお、成形金型においては、前記ゲート４０の位置を上記太線の矢印で示す範囲に対応する位置に設けるようにすればよい。

図９は実施形態に係る冷凍サイクルシステムの概略構成図である。なお、同図において、切換弁１００の詳細な符号は省略する。この冷凍サイクルシステムは、ルームエアコン等の空気調和機に利用されるものであって、冷媒を圧縮する圧縮機１１０と、冷却モード時に蒸発器として機能する室内熱交換器１２０と、冷却モード時に凝縮器として機能する室外熱交換器１３０と、室内熱交換器１２０と室外内熱交換器１３０との間にて冷媒を膨張させて減圧する膨張手段としての膨張弁１４０と、前記実施形態の切換弁１００と、パイロット弁２００と、を備え、これらが冷媒配管によって連結されている。なお、膨張手段としては、膨張弁１４０に限らず、キャピラリでもよい。

パイロット弁２００は、導管２０１〜２０４により切換弁１００に接続されている。パイロット弁２００は、例えば切換弁１００と同様な構造であり、電磁アクチュエータ２２０により本体２１０内のスライド弁を移動して流路を切り換える。そして、このパイロット弁２００は、本体２１０内において、Ｓ継手１２に連通する導管２０２の接続先を、切換弁１００の左側の作動室１Ｂに連通する導管２０３と、右側の作動室１Ｂに連通する導管２０４とで切り換える。また、これと同時にＤ継手１１に連通する導管２０１の接続先を導管２０４と導管２０３とで切り換える。

すなわち、切換弁１００の左右の作動室１Ｂ，１Ｂに対して、一方を減圧するとともに他方を高圧にする状態を両作動室１Ｂ，１Ｂ間で切り換える。これにより、ピストン３，３、連結板４及び弁部材５が移動され、この弁部材５の位置が切り換えられて冷凍サイクルシステムの流路が切り換えられる。なお、圧縮機１１０で圧縮された高圧の冷媒はＤ継手１１から主弁室１Ａ内に流入し、冷房運転の状態では、高圧冷媒はＣ継手１４から室外熱交換器１３０に流入される。また、暖房運転の状態では、高圧冷媒はＥ継手１３から室内熱交換器１２０に流入される。

以上の実施形態における弁部材５は補強ピン５Ｂを備えているが、この補強ピン５Ｂを無くした弁体５Ａのみを用いてもよい。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

１弁ハウジング
Ｌ軸線
１ａ円筒部
１ｂ栓体
１Ａ主弁室
１Ｂ作動室
１１Ｄ継手
１２Ｓ継手
１３Ｅ継手
１４Ｃ継手
２弁座
２１弁座面
２２Ｓポート
２３Ｅポート
２４Ｃポート
３ピストン
４連結板
５弁部材
５Ａ弁体
５Ｂ補助ピン
５１椀部
５１ａ椀状凹部
５１ａ１ストレート部
５１ａ２円弧部
５２フランジ部
５２ａ摺接面
５２Ａゲート痕
１０下金型
１０ａコア
１０ｂキャビティ
２０上金型
２０ａキャビティ
２０ｂキャビティ
２０ｃゲート溝
３０空洞部
４０ゲート
１００切換弁
１１０圧縮機
１２０室内熱交換器
１３０室外熱交換器
１４０膨張弁
２００パイロット弁

Claims

筒状の弁ハウジング内で、弁座の複数のポートに椀状凹部を対向させるとともに、前記弁座上をスライドさせて前記椀状凹部により前記複数のポートを連通する、切換弁用の弁体であって、
当該弁体は合成樹脂製であり、前記椀状凹部を前記弁座のポートに向かって開口する椀部と、前記椀部の周囲に外形を長方形状に形成されたフランジ部と、を備え、
前記椀状凹部は、スライド方向を長径として該長径方向のストレート部と両端の半円部を縁とするオーバル状の開口を有し、前記フランジ部の側面で、かつ、前記椀状凹部の前記ストレート部と前記半円部との境界を跨ぐ位置を含み前記半円部を囲う範囲のうち、前記フランジ部の側面の長辺の部分にゲート痕を有する
ことを特徴とする弁体。
筒状の弁ハウジングと、該弁ハウジングの内部にスライド自在に設けられた弁体と、前記弁ハウジング内に前記弁体のスライド方向に並んで複数のポートを開口する弁座と、を備え、前記弁体によって前記複数のポートを連通して、前記弁ハウジングに接続される配管を流れる流体の流路を切り換えるようにした切換弁であって、
前記弁体として請求項１に記載の弁体を備えた
ことを特徴とする切換弁。
請求項１の弁体を製造する弁体の製造方法であって、
前記弁体に対応する空洞部とゲートとを有するとともに、前記ゲートが、前記空洞部の前記弁体の前記フランジ部の側面で、かつ、前記椀状凹部の前記ストレート部と前記半円部との境界を跨ぐ位置を含み前記半円部を囲う範囲のうち、前記フランジ部の側面の長辺の部分に対応する位置に設けられた成形金型を用い、
前記ゲートから前記空洞部内に合成樹脂を注入して射出成型により前記弁体を形成する
ことを特徴とする弁体の製造方法。
請求項２に記載の切換弁を備えた冷凍サイクルシステムであって、
前記弁ハウジングに対して、圧縮機の吐出側に接続されるＤ継手と、該圧縮機の吸入側に接続されるＳ継手と、一方の熱交換器に接続されるＥ継手と、他方の熱交換器に接続されるＣ継手と、がそれぞれ導通され、前記弁体により、前記Ｓ継手に対してＥ継手またはＣ継手を択一的に切換導通するとともに、Ｓ継手に対して非導通となるＣ継手またはＥ継手を前記弁ハウジング内を介して前記Ｄ継手に導通することを特徴とする冷凍サイクルシステム。