JP7187428B2 - ロータリー式切換弁及び冷凍サイクルシステム - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ式の冷凍サイクル等に用いられ、冷媒の流路を切り換えるロータリー式切換弁及び冷凍サイクルシステムに関する。

従来、この種のロータリー式切換弁（四方切換弁）として例えば特許第４６０２５９３号公報（特許文献１）に開示されたものがある。特許文献１のものは、冷房から暖房または暖房から冷房に切り換えるとき、弁座上の主弁を回転させるものであるが、この主弁を回転させる際に、副弁により主弁の均圧孔を開とし、主弁にかかる圧力差を軽減するような構造が用いられている。すなわち、副弁が回転して均圧孔を開いて、主弁を圧力差にて弁座から浮かせた状態で回転させた後、副弁が反回転することにより均圧孔を閉じ、主弁を着座させるものである。

特許第４６０２５９３号公報

特許文献１のものは、弁座に対する主弁のシール性を確保するため、主弁は弾性体であるＰＡやＰＰＳ等の高分子材料により形成されている。すなわち、副弁が摺動する副弁座も高分子材料となっている。しかし、切換弁本体内に流れる高温冷媒の影響により、以下のような問題がある。ＰＡやＰＰＳ等の高分子材料は高温冷媒や冷凍機油により膨潤してしまう。膨潤すると副弁座の弁座面が歪んでしまうため、副弁による均圧孔のシール性が悪化し、システム効率が低下してしまう。なお、膨潤は高分子材料の溶解の際に見られ、高分子鎖の間に溶媒分子が入り込むことで体積膨張する現象である。

また、切換弁本体内の高温冷媒により主弁が高温になることがあり、さらに副弁は圧力差により主弁（副弁座）に押しつけられているため、ＰＡやＰＰＳ等の高分子材料ではクリープにより副弁座の弁座面が変形してしまう。この変形によりシール性が悪化するとともに、さらにクリープが進むと切換動作時に副弁が引っ掛かって作動不良を起こすという問題がある。

本発明は、主弁の均圧路を開閉する副弁を備えたロータリー式切換及び冷凍サイクルシステムにおいて、膨潤やクリープによる変形を抑制し、副弁による均圧孔の安定したシール性と作動性を確保することを課題とする。

本発明のロータリー式切換弁は、ケース部材の弁室内で弁座上に軸線を中心として回転可能に配設された主弁と、前記主弁の上部に設けられた副弁座に形成された均圧孔を開閉する副弁とを備え、前記均圧孔を開として該主弁を回転させることで、前記弁座のポートに連通する流路を切り換えるロータリー式切換弁において、前記主弁の前記副弁座の部位が高分子材料でない材質となっており、前記主弁が主弁本体と該主弁本体の前記副弁座側に設けられた副弁座板とから構成され、前記副弁座板が前記高分子材料でない材質でなる前記副弁座の部位を構成し、前記主弁本体に低圧流路に連通する均圧路が形成されるとともに、前記副弁座板に前記均圧孔が形成され、前記主弁本体および／または前記副弁座板に、前記均圧路と前記均圧孔とを連通する連通溝が形成されていることを特徴とする。

この際、前記副弁座の高分子材料でない材質は、融点が９７０℃以上であることを特徴とするロータリー式切換弁が好ましい。

また、前記副弁座の高分子材料でない材質は、金属またはセラミックスであることを特徴とするロータリー式切換弁が好ましい。

また、前記主弁が主弁本体と該主弁本体の前記副弁座側に設けられた副弁座板とから構成され、前記副弁座板が前記高分子材料でない材質でなる前記副弁座の部位を構成していることをするロータリー式切換弁が好ましい。

また、前記主弁本体に低圧流路に連通する均圧路が形成されるとともに、前記副弁座板に前記均圧孔が形成され、前記主弁本体および／または前記副弁座板に、前記均圧路と前記均圧孔とを連通する連通溝が形成されていることを特徴とするロータリー式切換弁が好ましい

本発明の冷凍サイクルシステムは、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、流路切換弁とを含む冷凍サイクルシステムであって、前記ロータリー式切換弁が、前記流路切換弁として用いられていることを特徴とする。

本発明のロータリー式切換弁及び冷凍サイクルシステムによれば、主弁の副弁座の部位が高分子材料でない材質となっているので、副弁座に膨潤やクリープによる変形が生じず、副弁による均圧孔の安定したシール性を確保することができる。

本発明の第１実施形態におけるロータリー式切換弁の主弁の着座状態の要部縦断面図である。 第１実施形態におけるロータリー式切換弁の主弁の浮上状態の要部縦断面図である。 第１実施形態におけるロータリー式切換弁の主弁の上面図である。 第１実施形態におけるロータリー式切換弁の主弁の底面図である。 第１実施形態におけるロータリー式切換弁の副弁の底面図である。 第１実施形態におけるロータリー式切換弁の弁座の上面図である。 第１実施形態におけるロータリー式切換弁の切換途中の状態を説明する図である。 本発明の第２実施形態におけるロータリー式切換弁の主弁の着座状態の要部縦断面図である。 第２実施形態におけるロータリー式切換弁の主弁の上面図である。 第２実施形態におけるロータリー式切換弁の副弁の底面図である。 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。

次に、本発明のロータリー式切換弁及び冷凍サイクルシステムの実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１実施形態におけるロータリー式切換弁の主弁の着座状態の要部縦断面図、図２は同ロータリー式切換弁の主弁の浮上状態の要部縦断面図、図３は同ロータリー式切換弁の主弁の上面図、図４は同ロータリー式切換弁の主弁の底面図、図５は同ロータリー式切換弁の副弁の底面図、図６は同ロータリー式切換弁の弁座の上面図である。なお、以下の説明における「上下」の概念は図１及び図２の図面における上下に対応する。

この第１実施形態のロータリー式切換弁１００は、主弁１と、副弁２と、弁座部材３と、ケース部材４と、駆動部５と、中心軸６とを有している。弁座部材３は薄型円柱状の弁座３１とこの弁座３１の外周に形成されたフランジ部３２とで構成されている。また、ケース部材４には略円筒状の弁室４Ａが形成されている。弁室４Ａ内には、主弁１、副弁２、駆動部５及び中心軸６が収容されており、中心軸６が、主弁１、副弁２及び駆動部５を貫通して、弁座部材３とケース部材４との間に固定されている。そして、ケース部材４の弁室４Ａの開口部に弁座３１が嵌合され、フランジ部３２をケース部材４の下端に当接させるようにして、弁座部材３がケース部材４に取り付けられている。

主弁１は一部が樹脂で形成された外周が円形の部材であり、弁座３１側の袴部１１と円筒状のピストン部１２と軸受け部１３とを一体に形成した「主弁本体」と、「副弁座の部位」である後述の副弁座板１４と、を備えて構成されている。ピストン部１２の周囲にはピストンリング１２ａが配設されている。そして、中心の軸受け部１３を中心軸６が貫通することで、主弁１は中心軸６の軸線Ｘの回りに回動自在に配設されている。また、弁室４Ａの上部のピストン部１２が収容される空間は円柱状のガイド孔４１となっており、主弁１はピストンリング１２ａをガイド孔４１の側面に摺動させて中心軸６の軸線Ｘ方向に移動可能となっている。そして、ガイド孔４１の上端の下面は、後述のように主弁１が弁座部材３の弁座３１から浮上したときに、ピストン部１２の上端面１２１が当接するストッパ部４１１となっている。また、ピストン部１２の上端の４か所には連通溝１２Ａが形成されている。

また、主弁１の袴部１１には、軸線Ｘの片側においてドーム状に穿たれた低圧流路１１Ａが形成されるとともに、低圧流路１１Ａの天井の中央には、ピストン部１２の内側に連通する均圧路１１ａが形成されている。また、袴部１１の弁座部材３側の底面には低圧流路１１Ａの外周を囲うように摺動リブ１１１が形成されるとともに、摺動リブ１１１の軸線Ｘとは反対側の２か所に摺動リブ１１２，１１２が形成されている。さらに、袴部１１は、低圧流路１１Ａに対して軸線Ｘの反対側に後述のＤポート３１Ｄが常時開放している高圧空間１１Ｂが形成され、この高圧空間１１Ｂの外側は略９０°の範囲において開口されており、この開口部分の軸線Ｘ周り方向の両端は、それぞれストップピン当接部１１３となっている。このストップピン当接部１１３は後述の弁座３１に設けられたストップピン３１ａに当接する。

また、図３に示すように、ピストン部１２の内側の底部には、金属板（この例ではＳＵＳ）からなる副弁座板１４が配設されている。この副弁座板１４は「副弁座の部位」であり、この副弁座板１４は高分子材料でない材質となっている。この例では金属板（ＳＵＳ）であるが、セラミックス製でもよい。副弁座板１４には、均圧路１１ａに対応する位置に均圧孔１４ａが形成されている。また、ピストン部１２の内周面の一部は略９０°の範囲において軸線Ｘ側に突出した突出部１５が形成され、この突出部１５の軸線Ｘ周り方向の両端は、それぞれ副弁係止部１５ａとされている。なお、この副弁係止部１５ａは後述する副弁２の主弁係止部２１ａに当接する。

図５に示すように、副弁２は、主弁１のピストン部１２の副弁収容室内に収納される略半円盤状のフランジ部２１とその中央のボス部２２とを有しており、このボス部２２の中心には略長方形の角孔２２ａが形成されている。また、フランジ部２１の主弁１側の面には円環状に突出したスライド弁部２３が形成されている。このスライド弁部２３の軸線Ｘからの距離は、前記主弁１における副弁座板１４の均圧孔１４ａの軸線Ｘからの距離と等しくなっている。さらに、フランジ部２１の軸線Ｘ周りの周上には半径方向の端面をなす主弁係止部２１ａとなっており、この２つの主弁係止部２１ａは、前記主弁１の２つの副弁係止部１５ａに対して択一的に係止する。

図６に示すように、弁座３１には、弁室４Ａと圧縮機の冷媒の吐出側に連通されるＤポート３１Ｄ、低圧流路１１Ａと圧縮機の冷媒の吸入側に連通されるＳポート３１Ｓ、室外熱交換器側に連通されるＣ切換ポート３１Ｃ及び室内熱交換器側に連通されるＥ切換ポート３１Ｅが、それぞれ形成されている。なお、これらのポートはそれぞれ９０°づつ離間する位置に開口されている。

図１に示すように、駆動部５は、中心軸６に回動可能に配置されたウォームホイール５１と、このウォームホイール５１に歯合されたウォーム歯車５２とを有し、このウォーム歯車５２は図示しないモータの駆動軸に固定されている。ウォームホイール５１は副弁２側に突出するカム部５１ａを有しており、ウォームホイール５１は、このカム部５１ａによって中心軸６に回転可能に配置されている。また、このカム部５１ａは副弁２の前記略長方形の角孔２２ａに嵌合されている。これにより、副弁２はウォームホイール５１に対して軸線Ｘ周りの回動が規制された状態で軸線Ｘ方向にのみ摺動可能となり、この副弁２はウォームホイール５１と共に協働して回動する。また、ウォームホイール５１と副弁２との間には、副弁２を主弁１側に付勢するコイルバネ５３が配設されている。

以上の構成により、図１の状態では、図７（Ａ）に示すように、副弁２のスライド弁部２３は副弁座板１４の均圧孔１４ａを閉じている。そして、駆動部５が作動すると、ウォーム歯車５２とウォームホイール５１の駆動力が、ウォームホイール５１のカム部５１ａを介して副弁２に回転力が加わり、副弁２が軸線Ｘ周りに回転する。副弁２が回転すると、スライド弁部２３が主弁１の副弁座板１４上を摺動し、図７（Ｂ）の位置でスライド弁部２３が副弁座板１４の均圧孔１４ａから外れ、この均圧孔１４ａが開く。これにより、主弁１における均圧路１１ａが開き、主弁１の上部の流体の圧力が低圧流路１１Ａ内（低圧側）へ逃げる。これにより、主弁１にかかる圧力差が軽減され、圧力差による押しつけ力が軽減され、主弁１の回転（流路切換）が容易になる。

ここで、主弁１のピストンリング１２ａ（及びピストン部１２）とガイド孔４１とのクリアランス及び、中心軸６と軸受け部１３のクリアランスを介して高圧の流体がピストン部１２の上部へ流れ込むが、このピストン部１２の上部へ流れ込む流量を、均圧孔１４１ａから逃げる流量よりも小さく設定することで、ピストンリング１２ａの上下に圧力差が発生し、主弁１をが弁座３１から浮上させ、主弁１の回転を更に容易にすることもできする。そして、主弁１が浮上すると、主弁１のピストン部１２の上端面１２１がケース部材４のストッパ部４１１に当接する。

副弁２を更に回転させると、副弁２の主弁係止部２１ａが主弁１の副弁係止部１５ａに当接し、副弁２と主弁１とが一体となって回転する。そして、弁座３１の上面に設けたストップピン３１ａに主弁１のストップピン当接部１１３が当接し、この所定位置で回転が止まる。次に、駆動部５のウォームホイール５１を反回転させると、副弁２が反回転し、この副弁２のスライド弁部２３が副弁座板１４上を摺動し、この副弁座板１４の均圧孔１４ａを閉じる。これにより、均圧路１１ａが閉じられ、主弁１の上部に圧力が溜まり、主弁１の上部と低圧流路１１Ａ内（低圧側）との圧力差により、主弁１が弁座３１に着座する。

また、ピストン部１２の上端の４か所の連通溝１２Ａの開口面積は、ピストンリング１２ａとガイド孔４１とのクリアランスの面積より大きくなっており、このような連通溝１２Ａを設けることで、主弁１が浮上してピストン部１２の上端面１２１がケース部材４のストッパ部４１１に当接した状態で、ピストン部１２の外周とガイド孔４１とのクリアランスの高圧がピストン部１２の背空間（主弁１の主な上部空間）にも供給されるようになる。したがって、ピストンリング１２ａの上下の圧力差が軽減され、主弁１（上端面１２１）のストッパ部４１１への押圧力を軽減できる。したがって、上端面１２１とストッパ部４１１との摩擦力を確実に確保でき、主弁１の切換動作に必要な動力を削減でき、安定した切り換え動作が得られる。なお、上記のような連通溝はケース部材４のストッパ部４１１側に設けてもよい。

また、以上のような切換動作時には、副弁２のスライド弁部２３が副弁座板１４上を摺動するが、この副弁座板１４は切換弁本体内の高温冷媒に晒されるとともに、圧力差による荷重とコイルばねによる荷重がかかり、副弁シール部が副弁座板１４に押し付けられる。しかし、この副弁座板１４は、前記のように「高分子材料でない材質」となっているので、この副弁座板１４に膨潤やクリープによる変形が生じず、副弁２による均圧孔１４１ａの安定したシール性と作動性を確保することができる。

また、一般に、クリープは使用温度が材料の融点（絶対温度）の３０％を超えると発生する為、切換弁本体内に１００℃程度の高温冷媒が流れることを考慮すると、副弁座板１４には融点が９７０℃以上である材質を用いるのが好ましい。なお、高分子材料と、高分子材料でない金属及びセラミックスの、各融点の例を次表１に示す。

図８は本発明の第２実施形態におけるロータリー式切換弁の主弁の着座状態の要部縦断面図、図９は同ロータリー式切換弁の主弁の上面図、図１０は同ロータリー式切換弁の副弁の底面図であり、この第２実施形態において第１実施形態と同様な部材、同様な要素には第１実施形態と同じ符号を付記して詳細な説明は省略する。この第２実施形態において第１実施形態と異なる点は、主弁１の均圧路１１ａの部位と副弁２のスライド弁部２３′の位置及び副弁座板１４の均圧孔１４ａ′の位置である。

この第２実施形態では、副弁座板１４の裏側において、均圧路１１ａから中心軸６側に架けて連通溝１１ｃが形成されている。また、副弁座板１４の均圧孔１４ａ′は連通溝１１ｃの中心軸６側の端部に対応する位置（半径方向の位置）に形成されている。さらに、副弁２のスライド弁部２３′は、副弁座板１４の均圧孔１４ａ′に対応する位置に形成されている。すなわち、連通溝１１ｃは均圧路１１ａと均圧孔１４ａ′とを連通している。

この第２実施形態によれば、均圧孔１４ａを開閉するために、副弁２を回動するときスライド弁部２３′が副弁座板１４上を摺動するが、スライド弁部２３′が第１実施形態のスライド弁部２３よりも中心軸６に近い位置にあるため、副弁２を回動するためのトルクが第１実施形態の場合よりも小さくなる。

このように、実施形態のロータリー式切換弁１００では、主弁１が主弁本体を構成するピストン部１２と、このピストン部１２と別部材からなる副弁座板１４とから構成されている。したがって、第２実施形態のようにピストン部１２と副弁座板１４との間において均圧路１１ａと均圧孔１４ａ′とを連通する連通溝１１ｃを容易に形成することができる。なお、この第２実施形態では、「連通溝」をピストン部１２に形成しているが、この「連通溝」は副弁座板１４に形成してもよいし、この「連通溝」はピストン部１２と副弁座板１４との両方に形成してもよい。

図１１は実施形態の冷凍サイクルシステムを示す図であり、空気調和機の冷凍サイクルシステムの例である。空気調和機は、圧縮機５０、室外熱交換器６０，膨張弁７０、室内熱交換器８０、実施形態のロータリー式切換弁１００を有しており、これらの各要素は、それぞれ導管によって図示のように接続され、ヒートポンプ式の冷凍サイクルシステムを構成している。

冷凍サイクルシステムの流路は実施形態のロータリー式切換弁１００により冷房運転および暖房運転の２通りの流路に切換えられ、冷房運転時には図１１（Ａ）の状態となり、暖房運転時には図１１（Ｂ）の状態となる。なお、この図１１に示すロータリー式切換弁１００は弁座部３の裏側から見た状態として、要部の位置関係のみを示し、主弁１の一部の破線表示と実線は弁座と当接した部分を図示してある。また、前記Ｓポート３１Ｓ、Ｄポート３１Ｄ、Ｅ切換ポート３１Ｅ、Ｃ切換ポート３１Ｃは符号を省略し、それぞれ「Ｓ」、「Ｄ」、「Ｅ」、「Ｃ」の記号で示してある。

図１１（Ａ）の冷房運転時には、ロータリー式切換弁１００において主弁の低圧流路１１ＡによりＳポート「Ｓ」がＥ切換ポート「Ｅ」に接続され、高圧空間１１ＢによりＤポート「Ｄ」がＣ切換ポート「Ｃ」に接続される。そして、図に矢印で示すように、圧縮機５０で圧縮された流体としての冷媒がロータリー式切換弁１００のＤポート「Ｄ」に流入してＣ切換ポート「Ｃ」から室外熱交換器６０に流入され、室外熱交換器６０から流出する冷媒が、膨張弁７０に流入される。そして、この膨張弁７０で冷媒が膨張され、室内熱交換器８０に供給される。この室内熱交換器８０から流出する冷媒は、ロータリー式切換弁１００でＥ切換ポート「Ｅ」からＳポート「Ｓ」に流れ、Ｓポート「Ｓ」から圧縮機５０へ循環される。

図１１（Ｂ）の暖房運転時には、ロータリー式切換弁１００において主弁の低圧流路１１ＡによりＳポート「Ｓ」がＣ切換ポート「Ｃ」に接続され、高圧空間１１ＢによりＤポート「Ｄ」がＥ切換ポート「Ｅ」に接続される。そして、図に矢印で示すように、圧縮機５０で圧縮された冷媒がロータリー式切換弁１００のＤポート「Ｄ」に流入してＥ切換ポート「Ｅ」から室内熱交換器８０に流入され、室内熱交換器８０から流出する冷媒が、膨張弁７０に流入される。そして、この膨張弁７０で冷媒が膨張され、室外熱交換器６０に供給される。この室外熱交換器６０から流出する冷媒は、ロータリー式切換弁１００でＣ切換ポート「Ｃ」からＳポート「Ｓ」に流れ、Ｓポート「Ｓ」から圧縮機５０へ循環される。

なお、上記第１、第２実施形態においては、モータの駆動軸の回転を副弁の回転に伝える歯車機構として、ウォーム歯車５２とウォームホイール５１によるウォーム歯車機構で説明してきたが、ウォーム歯車機構に限定するものではなく、その他の歯車機構を使用しても良い。例えば、平歯車や、遊星歯車機構等としても良い。

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 主弁
１１ 袴部
１１Ａ 低圧流路
１１Ｂ 高圧空間
１１ａ 均圧路
１１１ 摺動リブ
１１２ 摺動リブ
１１３ ストップピン当接部
１２ ピストン部
１２Ａ 連通溝
１２ａ ピストンリング
１２１ 上端面
１３ 軸受け部
１４ 副弁座板
１４ａ 均圧孔
１５ 突出部
１５ａ 副弁係止部
２ 副弁
２１ フランジ部
２１ａ 主弁係止部
２２ ボス部
２２ａ 角孔
２３ スライド弁部
３ 弁座部材
３１ 弁座
３１Ｄ Ｄポート
３１Ｓ Ｓポート
３１Ｅ Ｅ切換ポート
３１Ｃ Ｃ切換ポート
３１ａ ストップピン
３２ フランジ部
４ ケース部材
４Ａ 弁室
４１ ガイド孔
４１１ ストッパ部
５ 駆動部
５１ ウォームホイール
５１ａ カム部
５２ ウォーム歯車
５３ コイルバネ
６ 中心軸
Ｘ 軸線
５０ 圧縮機
６０ 室外熱交換器
７０ 膨張弁
８０ 室内熱交換器
１００ ロータリー式切換弁

Claims (4)

1. ケース部材の弁室内で弁座上に軸線を中心として回転可能に配設された主弁と、前記主弁の上部に設けられた副弁座に形成された均圧孔を開閉する副弁とを備え、前記均圧孔を開として該主弁を回転させることで、前記弁座のポートに連通する流路を切り換えるロータリー式切換弁において、
   前記主弁の前記副弁座の部位が高分子材料でない材質となっており、
   前記主弁が主弁本体と該主弁本体の前記副弁座側に設けられた副弁座板とから構成され、前記副弁座板が前記高分子材料でない材質でなる前記副弁座の部位を構成し、
   前記主弁本体に低圧流路に連通する均圧路が形成されるとともに、前記副弁座板に前記均圧孔が形成され、前記主弁本体および／または前記副弁座板に、前記均圧路と前記均圧孔とを連通する連通溝が形成されていることを特徴とするロータリー式切換弁。
2. 前記副弁座の部位の高分子材料でない材質は、融点が９７０℃以上であることを特徴とする請求項１に記載のロータリー式切換弁。
3. 前記副弁座の部位の高分子材料でない材質は、金属またはセラミックスであることを特徴とする請求項２に記載のロータリー式切換弁。
4. 圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、流路切換弁とを含む冷凍サイクルシステムであって、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のロータリー式切換弁が、前記流路切換弁として用いられている
   ことを特徴とする冷凍サイクルシステム。
   

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