JP6815061B2

JP6815061B2 - 流路切換弁

Info

Publication number: JP6815061B2
Application number: JP2016180106A
Authority: JP
Inventors: 義人佐合
Original assignee: 株式会社ダンレイ
Priority date: 2016-09-15
Filing date: 2016-09-15
Publication date: 2021-01-20
Anticipated expiration: 2036-09-15
Also published as: JP2018044615A

Description

本発明は、流路切換弁に関するものである。

複数の弁孔が形成された平坦な弁座と、弁座に摺接する内部に流路が形成された弁体と、弁体回転駆動用の軸部材と、弁座と弁体と軸部材とを外部環境に対して気密に収容するケーシングとを備え、軸部材の往復回転に連動して弁体が所定角度で往復回転摺動し二つの流路切換状態を実現する流路切換弁が、特許文献１に開示されている。
特許文献１の流路切換弁においては、弁体内部流路とケーシング内部空間とを弁体に形成した連通孔を介して連通させ、弁体内圧と弁体背圧とのアンバランスを緩和して、弁体のスムーズな摺動を実現している。

特開２０１４−１１４８６５号公報

特許文献１の流路切換弁には、弁体内部流路がケーシング内部空間と常時連通しているので、軸部材のケーシング貫通部のシール部や、複数の部材からなるケーシングの継ぎ目のシール部を介して、弁体内部流路を流れる流体が外部環境に漏洩する危険性があるという問題がある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、複数の弁孔が形成された平坦な弁座と、弁座に摺接する内部に流路が形成された弁体と、弁体回転駆動用の軸部材と、弁座と弁体と軸部材とを外部環境に対して気密に収容するケーシングとを備え、軸部材の往復回転に連動して弁体が所定角度で往復回転摺動し二つ以上の流路切換状態を実現する流路切換弁であって、弁体のスムーズな摺動を実現でき、且つ弁体内部流路を流れる流体が外部環境に漏洩する危険性が少ない流路切換弁を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明においては、複数の弁孔が形成された平坦な弁座と、弁座に摺接する内部に流路が形成された弁体と、弁体回転駆動用の軸部材と、弁座と弁体と軸部材とを外部環境に対して気密に収容するケーシングとを備え、軸部材の往復回転に連動して弁体が所定角度で往復回転摺動し二つ以上の流路切換状態を実現する流路切換弁であって、弁体内部流路とケーシング内部空間との間の連通孔が弁体に形成されており、軸部材は弁体の回転中心部に挿通され、軸部材は弾性体の第１腕部と第１腕部に固定された連通孔閉鎖用突起と軸部材を横断して放射状に延びる第２腕部とを有し、軸部材と弁体とは軸部材の回転方向に係合離脱可能であり、弁体の回転中心部を横断して放射状に弁体に形成された凹部と軸部材の第２腕部とが形成する軸部材と弁体の係合部には軸部材の回転方向に所定角度に亘る遊び領域が形成されており、軸部材が遊び領域内で回転する時は軸部材は弁体と係合せず軸部材の回転は弁体に伝達されず、軸部材が遊び領域を越えて回転すると軸部材の第２腕部の長手方向一端部が弁体凹部の長手方向一端部側面に係合し第２腕部の長手方向他端部が弁体凹部の長手方向他端部側面に係合して軸部材が弁体に係合し、軸部材の回転が弁体に伝達され、軸部材が遊び領域内の基準回転位置に在る時に連通孔閉鎖用突起が連通孔に嵌合して連通孔を閉鎖することを特徴とする流路切換弁を提供する。

上記構成の流路切換弁においては、流路切換状態が二つの場合、前記二つの流路切換状態の時に軸部材の回転位置を遊び領域内の基準回転位置に合わせ、連通孔閉鎖用突起を連通孔に嵌合させて連通孔を閉鎖し、弁体内部流路を流れる流体のケーシング内部空間への流出を阻止する。第１流路切換状態から第２流路切換状態へ向けて軸部材を回転させると、軸部材は基準回転位置から遊び領域の一方の終点まで微小角度回転した後、弁体に係合する。この間に連通孔閉鎖用突起の連通孔への嵌合が解除されて弁体内部流路とケーシング内部空間とが連通し、弁体内部流路を流れる流体がケーシング内部空間へ流出する。この結果、弁体内圧と弁体背圧とのアンバランスが緩和され、或いは解消する。軸部材を更に回転させ、軸部材に係合した弁体を摺動回転させて第２流路切換状態を実現する。軸部材を逆方向へ微小角度回転させて軸部材の回転位置を遊び領域内の基準回転位置に合わせ、連通孔閉鎖用突起を連通孔に嵌合させて連通孔を閉鎖し、弁体内部流路を流れる流体のケーシング内部空間への流出を阻止する。
第２流路切換状態から第１流路切換状態へ向けて軸部材を回転させると、軸部材は基準回転位置から遊び領域の他方の終点まで微小角度回転した後弁体に係合する。この間に連通孔閉鎖用突起の連通孔への嵌合が解除されて弁体内部流路とケーシング内部空間が連通し、弁体内部流路を流れる流体がケーシング内部空間へ流出して、弁体内圧と弁体背圧とのアンバランスが緩和され、或いは解消する。軸部材を更に回転させ、軸部材に係合した弁体を摺動回転させて第１流路切換状態を実現する。軸部材を逆方向へ微小角度回転させて軸部材の回転位置を遊び領域内の基準回転位置に合わせ、連通孔閉鎖用突起を連通孔に嵌合させて連通孔を閉鎖し、弁体内部流路を流れる流体のケーシング内部空間への流出を阻止する。
本流路切換弁において、流路切換状態が三つの場合、第１流路切換状態から第２流路切換状態を経て第３流路切換状態へ向けて軸部材を回転させ、或いは第１流路切換状態から直接第３流路切換状態へ向けて軸部材を回転させる。第３流路切換状態を実現した後、軸部材を逆方向へ微小角度回転させて軸部材の回転位置を遊び領域内の基準回転位置に合わせ、連通孔閉鎖用突起を連通孔に嵌合させて連通孔を閉鎖し、弁体内部流路を流れる流体のケーシング内部空間への流出を阻止する。流路切換状態が４つ以上の場合も同様の操作で流路切換を行う。
上記説明から分かるように、本発明に係る流路切換弁においては、二つ以上の流路切換状態の間で弁体を回転駆動する時は、弁体内部流路とケーシング内部空間とを連通させて弁体内圧と弁体背圧とのアンバランスを緩和し、或いは解消し、流路切換弁が二つ以上の流路切換状態に在る時は、弁体内部流路とケーシング内部空間との連通を遮断するので、弁体のスムーズな回転摺動を実現でき、且つ弁体内部流路を流れる流体が外部環境に漏洩する危険性が少ない。

本発明の実施例に係る流路切換弁の分解斜視図である。本発明の実施例に係る流路切換弁の外観斜視図である。本発明の実施例に係る流路切換弁の断面図である。（ａ）は図２の矢印Ａ−Ａに沿った断面図であり、（ｂ）は（ａ）の破線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。本発明の実施例に係る流路切換弁のケーシング上半部を取り除いた状態の斜視図である。本発明の実施例に係る流路切換弁の軸部材の斜視図である。本発明の実施例に係る流路切換弁のケーシング上半部と軸部材とを取り除いた状態の斜視図である。本発明の実施例に係る流路切換弁の弁体の斜視図である。本発明の実施例に係る流路切換弁のケーシング上半部とＯリングと軸部材と弁体とを取り除いた状態の斜視図である。

本発明の実施例に係る流路切換弁を説明する。以下の説明において、図１、３（ａ）の矢印Ｉの方向を上方、矢印ＩＩの方向を下方と定義する。
図１〜８に示すように、流路切換弁１は四方弁であり、上面視円形の平坦な弁座２を備えている。弁座２には、中心部に形成された円形凹部２ａと、同心円上に互いに周方向に等間隔を隔てて配設された４個の弁孔２ｂ_１、２ｂ_２、２ｂ_３、２ｂ_４とが形成されている。弁座２は、上面視正方形の弁座形成体２’の上面に形成されている。弁座形成体２’の下面には、４個の弁孔２ｂ_１、２ｂ_２、２ｂ_３、２ｂ_４に連通する４個の管路２ａ_１’、２ａ_２’、２ａ_３’、２ａ_４’が形成されている。図３（ｂ）に示すように、管路２ａ_１’は図示しないヒートポンプ回路の圧縮機の吐出ポートに接続し、管路２ａ_２’は前記ヒートポンプ回路の室外熱交換器に接続し、管路２ａ_３’は前記ヒートポンプ回路の圧縮機の吸入ポートに接続し、管路２ａ_４’は前記ヒートポンプ回路の室内熱交換器に接続している。室内熱交換器と室外熱交換器とは図示しない膨張弁を介して接続している。
流路切換弁１は弁体３を備えている。弁体３は、開放端を下方へ差し向けた上面視湾曲長円形の一対のカップ形状体３ａ、３ｂを、内径側の側壁を互いに当接させて一体化した構成を有している。カップ形状体３ａ、３ｂは、下面側に互いに独立した弁体内部流路３ａ_１、３ｂ_１を形成している。弁体３の下端面は弁座２に摺接している。上面視で弁体３の中心部に、上面視略菱形の上下貫通孔３ｃが形成されている。貫通孔３ｃの上端部は、上面視長径対角線上で、扇形に径方向外方へ延在する一対の凹部３ｃ’を形成している。凹部３ｃ’はカップ形状体３ａ、３ｂの上端壁融合部に形成されている。カップ形状体３ａ、３ｂの上端壁にそれぞれ一対の貫通孔３ａ_２、３ｂ_２が同心円上に形成されている。貫通孔３ａ_２、３ｂ_２は弁体内部流路３ａ_１、３ｂ_１に連通している。

流路切換弁１は弁体回転駆動用の軸部材４を備えている。軸部材４は、下部４ａ’が弁体３の上下貫通孔３ｃに上方から進入し、下端部が弁座２の円形凹部２ａに回転摺動可能に嵌合する円柱状軸部４ａと、下部４ａ’の上端に形成され径方向外方へ延びて貫通孔３ｃ上端部の一対の凹部３ｃ’に上方から進入する直方体部４ｂと、直方体部４ｂの直上に形成され弁体３の直上で径方向外方へ延びる円板部４ｃとを有している。円板部４ｃの下面外周縁部には、同心円上に互いに周方向に等間隔を隔てて配設された４個の円錐体状突起４ｃ_１が形成されている。円柱軸部４ａの上端部にはセレーション４ｄが形成されている。
弁体３の貫通孔３ｃと一対の凹部３ｃ’とは、軸部材４と弁体３との間の軸部材４回転方向の係合部を形成している。図６（ｂ）に一点鎖線と二点鎖線とで示すように、直方体部４ｂは、貫通孔３ｃと一対の凹部３ｃ’内で所定の微小回転角度領域内で遊動回転可能である。当該遊動回転可能な角度領域が、軸部材４と弁体３との軸部材４回転方向の係合部の遊び領域を形成している。前記遊び領域内で軸部材４が回転する場合には、直方体部４ｂは一対の凹部３ｃ’の側壁に当接せず、ひいては軸部材４と弁体３とは軸部材４の回転方向に係合せず、弁体３は回転しないが、前記遊び領域を超えて軸部材４が回転すると、直方体部４ｂが一対の凹部３ｃ’の側壁に当接し、ひいては軸部材４と弁体３とが軸部材４の回転方向に係合して、弁体３が回転する。直方体部４ｂが図６（ｂ）に実線で示すように遊動領域内の基準回転位置、より具体的には中心回転位置に在る時、即ち軸部材４が遊び領域内の基準回転位置、より具体的には中心回転位置に在る時、円板部４ｃの下面外周縁部に形成された４個の円錐体状突起４ｃ_１が弁体３の上端壁に形成された４個の貫通孔３ａ_２、３ａ_２、３ｂ_２、３ｂ_２に上方から嵌合して貫通孔３ａ_２、３ａ_２、３ｂ_２、３ｂ_２を閉鎖している。

流路切換弁１は弁座２と弁体３とセレーション４ｄが形成された上端部を除く軸部材４とを外部環境に対して気密に収容するケーシング５を備えている。ケーシング５は、弁体３の上方から弁体３に対峙する蓋部５ａと、弁体３の径方向外方から弁体３に対峙する円環状の周壁部５ｂとから形成されている。周壁部５ｂは弁座形成体２’の上部の一部で形成されている。軸部材４は蓋部５ａを摺動回転可能に貫通して蓋部５ａの上方へ延びており、蓋部５ａの上方で延在する部位にセレーション４ｄが形成されている。蓋部５ａは周壁部５ｂに外嵌合して、弁座形成体２’に固定されている。蓋部５ａの軸部材４貫通部はＯリング６によりシールされ、蓋部５ａと周壁部５ｂの嵌合部はＯリング７によりシールされている。
軸部材４は、ケーシングの蓋部５ａに固定されてセレーション４ｄに噛合する図示しないギャボックスを介して図示しないステッピングモータに接続されると共に、ギャボックスにより上方への移動が規制されている。弁体３の貫通孔３ｃ内に収容され、上端が軸部材４の直方体部４ｂ下面に当接し下端が貫通孔３ｃの下端部に形成された環状段部３ｃ”に当接するコイルバネ８によって、弁体３は下方へ付勢され、弁体３の下端が弁座２に摺接している。
弁体３の上方と側方外方とにケーシング内部空間５’が形成されている。

流路切換弁１の作動を説明する。
流路切換弁１は、図３（ｂ）に示す第１流路切換状態にある。第１流路切換状態においては、管路２ａ_１’と管路２ａ_４’とが弁孔２ｂ_１と弁体内部流路３ａ_１と弁孔２ｂ_４とを介して連通し、管路２ａ_２’と管路２ａ_３’とが弁孔２ｂ_２と弁体内部流路３ｂ_１と弁孔２ｂ_３と介して連通している。軸部材の直方体部４ｂは図６（ｂ）で実線で示すように遊動領域内の中心位置に在り、即ち軸部材４が遊び領域内の中心の回転位置に在り、図３（ａ）に示すように、円板部４ｃの下面外周縁部に形成された４個の円錐体状突起４ｃ_１が弁体３の上端壁に形成された４個の貫通孔３ａ_２、３ａ_２、３ｂ_２、３ｂ_２に上方から嵌合して貫通孔３ａ_２、３ａ_２、３ｂ_２、３ｂ_２を閉鎖している。この結果、弁体３の内部流路３ａ_１、３ｂ_１とケーシング内部空間５’との連通が阻止されている。
流路切換弁１が第１流路切換状態に在る時は、弁体内部流路３ａ_１をヒートポンプ回路の高圧冷媒が流れ、弁体内部流路３ｂ_１をヒートポンプ回路の低圧冷媒が流れる。ヒートポンプ回路を備える空気調和装置は暖房モードになっている。

図示しないステッピングモータが作動し、図６（ｂ）で一点鎖線で示す方向に軸部材４を回転駆動する。軸部材４は先ず遊び領域内で回転する。軸部材４と一体に形成された円板部４ｃが回転し、４個の円錐体状突起４ｃ_１が円板部４ｃを上方へ弾性変形させつつ弁体３の上端壁に形成された４個の貫通孔３ａ_２、３ａ_２、３ｂ_２、３ｂ_２から離脱する。貫通孔３ａ_２、３ａ_２、３ｂ_２、３ｂ_２の閉鎖が解除され、弁体３の内部流路３ａ_１、３ｂ_１とケーシング内部空間５’とが連通する。この結果、弁体３の内部流路３ａ_１、３ｂ_１の内圧と弁体背圧のアンバランスが緩和されて弁体３の摺動回転がスムーズになる。また、内部流路３ａ_１を高圧冷媒が流れ内部流路３ｂ_１を低圧冷媒が流れることにより生ずる弁体３の傾きによって惹起される弁座２に対する弁体３の片当たりが解消されて、弁体３の摺動回転がスムーズになる。

軸部材の直方体部４ｂが一対の凹部３ｃ’の側壁に当接すると、即ち軸部材４が遊び領域内の一方の端部まで到達すると、軸部材４は弁体３に係合する。軸部材４は更に回転し、弁体３を回転駆動する。その結果、弁体内部流路３ａ_１が弁孔２ｂ_３と２ｂ_４とに連通し、弁体内部流路３ｂ_１が弁孔２ｂ_１と２ｂ_２とに連通し、流路切換弁１は第２切換状態となる。
次いでステッピングモータは軸部材４を逆方向へ微小角度回転させて、軸部材４を遊び領域内の中心位置まで戻す。円板部４ｃの下面外周縁部に形成された４個の円錐体状突起４ｃ_１が弁体３の上端壁に形成された４個の貫通孔３ａ_２、３ａ_２、３ｂ_２、３ｂ_２に上方から嵌合して貫通孔３ａ_２、３ａ_２、３ｂ_２、３ｂ_２を閉鎖し、弁体内部流路３ａ_１、３ｂ_１とケーシング内部空間５’との連通を遮断する。
流路切換弁１が第２流路切換状態に在る時は、弁体内部流路３ａ_１をヒートポンプ回路の低圧冷媒が流れ、弁体内部流路３ｂ_１をヒートポンプ回路の高圧冷媒が流れる。ヒートポンプ回路を備える空気調和装置は冷房モードになっている。

第２流路切換状態に在る流路切換弁１を第１流路切換状態に戻す場合は、図６（ｂ）で二点鎖線で示す方向に軸部材４を回転駆動する。前記と同様の過程を経て流路切換弁１は第１流路切換状態に戻る。流路切換弁１が第１流路切換状態に戻った後、軸部材４を逆方向へ微小角度回転させて、軸部材４を遊び領域内の中心位置まで戻す。

上記説明から分かるように、流路切換弁１においては、二つの流路切換状態の間で弁体３を回転駆動する時は、弁体内部流路３ａ_１、３ｂ_１とケーシング内部空間５’とを連通させて弁体内圧と弁体背圧とのアンバランスを緩和し、流路切換弁が二つの流路切換状態にある時は、弁体内部流路３ａ_１、３ｂ_１とケーシング内部空間５’との連通を遮断するので、弁体３のスムーズな回転摺動を実現でき、且つ弁体内部流路３ａ_１、３ｂ_１を流れる流体が外部環境に漏洩する危険性が少ない。

軸部材４の駆動源はステッピングモータに限定されない。サーボモータでも良く、或いは手動でも良い。
流路切換弁１は四方弁に限定されない。カップ形状体３ｂを内部流路を持たない中実体とし弁孔２ｂ_２と管路２ａ_２’とを塞げば流路切換弁１は、三方弁になり、更に弁孔２ｂ_３と管路２ａ_３’とを塞げば流路切換弁１は二方弁になる。流路切換弁１が三方弁或いは二方弁の場合には、弁体回転駆動時に弁体内圧と弁体背圧とがバランスする。
円錐体状突起４ｃ_１に代えて半球体状突起を使用しても良い。
４個の円錐体状突起４ｃ_１が弁体３の上端壁に形成された４個の貫通孔３ａ_２、３ａ_２、３ｂ_２、３ｂ_２に上方から嵌合する時の軸部材４の回転位置、即ち軸部材４の遊び領域内での基準回転位置は、遊び領域内の中心位置に限定されない。中心近傍でも良い。
軸部材４とギャボックスとの係合部の回り止め機構はセレーション結合に限定されない。他の任意の機構で良い。
貫通孔３ｃの上端部に形成した凹部３ｃ’の形状は扇形に限定されない。例えば図６（ｂ）に破線で示すように長方形でも良い。軸部材４が遊び領域をこえて回転した時に係合できる側壁を有する形状であれば良い。
流路切換弁１の用途は、ヒートポンプ回路の高圧冷媒と低圧冷媒の切換に限定されない。冷却水回路や循環水回路の水路切換、温水や冷水を用いる冷暖房装置や風呂や給湯装置の水回路の水路切換等にも利用可能である。
流路切換弁１においては流路切換状態は二つであったが、本願発明は流路切換状態が三つ以上の場合にも適用できる。流路切換状態が三つの場合、第１流路切換状態から第２流路切換状態を経て第３流路切換状態へ向けて軸部材を回転させ、或いは第１流路切換状態から直接第３流路切換状態へ向けて軸部材を回転させる。第３流路切換状態を実現した後、軸部材を逆方向へ微小角度回転させて軸部材の回転位置を遊び領域内の中心位置まで戻し、連通孔閉鎖用突起を連通孔に嵌合させて連通孔を閉鎖し、弁体内部流路を流れる流体のケーシング内部空間への流出を阻止する。流路切換状態が４つ以上の場合も同様の操作で流路切換を行う。

本発明は、流路切換弁に広く利用可能である。

１流路切換弁
２弁座
３弁体
３ａ_１、３ｂ_１弁体内部流路
３ａ_２、３ｂ_２貫通孔
３ｃ上下貫通孔
３ｃ’凹部
４軸部材
４ｂ直方体部
４ｃ_１円錐体状突起
５ケーシング
５’ ケーシング内部空間
６、７Ｏリング
８コイルバネ

Claims

複数の弁孔が形成された平坦な弁座と、弁座に摺接する内部に流路が形成された弁体と、弁体回転駆動用の軸部材と、弁座と弁体と軸部材とを外部環境に対して気密に収容するケーシングとを備え、軸部材の往復回転に連動して弁体が所定角度で往復回転摺動し二つ以上の流路切換状態を実現する流路切換弁であって、弁体内部流路とケーシング内部空間との間の連通孔が弁体に形成されており、軸部材は弁体の回転中心部に挿通され、軸部材は弾性体の第１腕部と第１腕部に固定された連通孔閉鎖用突起と軸部材を横断して放射状に延びる第２腕部とを有し、軸部材と弁体とは軸部材の回転方向に係合離脱可能であり、弁体の回転中心部を横断して放射状に弁体に形成された凹部と軸部材の第２腕部とが形成する軸部材と弁体の係合部には軸部材の回転方向に所定角度に亘る遊び領域が形成されており、軸部材が遊び領域内で回転する時は軸部材は弁体と係合せず軸部材の回転は弁体に伝達されず、軸部材が遊び領域を越えて回転すると軸部材の第２腕部の長手方向一端部が弁体凹部の長手方向一端部側面に係合し第２腕部の長手方向他端部が弁体凹部の長手方向他端部側面に係合して軸部材が弁体に係合し、軸部材の回転が弁体に伝達され、軸部材が遊び領域内の基準回転位置に在る時に連通孔閉鎖用突起が連通孔に嵌合して連通孔を閉鎖することを特徴とする流路切換弁。