JPH0372870B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈技術分野〉 本発明は、ガス等の流体等の流路切換えに使用
される空気調和機等の四方切換弁等の切替弁装置
に関し、特に除霜および能力可変のヒートポンプ
式空気調和機に適した切替弁装置に関するもので
ある。

〈従来技術〉 従来、電磁石の励磁力により弁部材を上下動し
て開閉動作を行う電磁弁や圧力差を利用した摺動
弁形電磁弁については周知である。従来、空気調
和機に使用される四方切替弁Ｚ１は、熱媒サイク
ルにおける冷媒の流れを基本的には第１０図の如
く切替えて流す。すなわち暖房サイクルにおいて
は、室内側熱交換器Ａから室外側熱交換器Ｂへ、
冷房サイクルにおいては、室外側熱交換器Ｂから
室内側熱交換器Ａへ流すよう切替え、室内を暖房
または冷戻する。

一般的な構造は第１０図に示す如く、密閉され
た円筒状弁体１の周面の一端に圧縮機Ｆの吐出管
に接続する高圧ガス用接続管Ｄを接続し、他端に
圧縮機Ｆの吸入管に接続する低圧冷媒用接続管Ｓ
を中央にしてその両側に室内側熱交換器Ａに接続
する接続管Ｅと、室外側熱交換器Ｂに接続する接
続管Ｃとを並設する。前記接続管Ｄ，Ｓ，Ｅ，Ｃ
はそれぞれ円筒形弁本体１内に開口しており、並
設した接続管Ｓ，Ｅ，Ｃの三接続管の開口端は弁
本体長軸方向に面一にシート３で弁本体１に固定
されている。

弁本体１の内部には前記弁シート３の開口面上
を長軸方向に摺動し接続管ＳとＥ、およびＳとＣ
を択一的に連通せしめるＵ字型状の摺動弁４が内
装される。摺動弁４は、その両側に配されたピス
トン５，６に連結板７で連結され、弁本体１の端
面を密閉する部材８とピストン体５との空間Ｒ
１、および部材９とピストン体６との間の空間Ｒ
２にはそれぞれ高圧ガス、または低圧ガスを択一
的に切替えて導入する毛細管１０，１１が連結さ
れる。また接続管Ｓには低圧ガス用毛細管１２が
連結されており、この三毛細管１０，１１，１２
は小さな電磁弁装置Ｇのニードルバルプ用空間Ｒ
３，Ｒ４およびその中間に連通されている。

今、圧縮機Ｆから吐出された高圧ガスは接続管
Ｄを通り、ピストン体５および６に設けられた小
さな穴を通り空間Ｒ１，Ｒ２に流れる。電磁弁装
置Ｇのコイル１３が無通電の時はニードルバルブ
１４がスプリングにより小空間Ｒ４を密閉し、互
いにピン１５Ａを介して相対する反対側のニード
ルバルブ１５が開き、小空間Ｒ３は解放される。
したがつて空間Ｒ１と小空間Ｒ４の圧力は高圧と
なり、空間Ｒ２は低圧となる。この圧力差によつ
てピストン体５，６は空間２の方に移動する。こ
のとき摺動弁４も連結板７により同一方向に移動
して接続管Ｅ，Ｓの流路が連通する。この状態で
回路は冷房状態となつている。

コイル１３に通電した時は励磁力でニードルバ
ルブ１４，１５を上記と逆に移動させることにな
り、ピストン体５，６は空間Ｒ１方向へ移動して
摺動弁４により接続管Ｃ，Ｓの流路が連通して回
路は暖房状態となる。但しこのときは運転中は連
続通電である。

以上が従来例の四方切替電磁弁の動作原理であ
るが、第１０図に示す如く、非常に複雑精巧な構
造となつており、部品点数も約60〜70点にもおよ
び高価な電磁弁となつている。

また一般に外気を熱源とするヒートポンプ式空
気調和機では、暖房時に外気温度が低下すると室
外熱交換器Ｂの表面に着霜現象が生じ、付着した
霜の断熱作用と通風抵抗の増大により通風量が減
少して外均気からの吸熱が阻害され、暖房能力が
急激に低下する欠点がある。

そこで室外側熱交換器に着霜現象が生じたと
き、この霜を溶かすため、一時的に暖房サイクル
を冷房サイクルに切り換えて室外側熱交換器Ｂに
圧縮機Ｆからの高温高圧冷媒を送り、霜を溶かし
た後、再び暖房サイクルに切り換えるのが一般的
である。

しかし、室内温度の低下をまねくので、その改
善として、圧縮機吐出からの高圧高温冷媒を着霜
状態にある室外側熱交換器Ｂの入口に上記とは別
の電磁弁を用いたバイパス回路によつて冷媒を流
し、暖房運転を停止することなく除霜できる方式
もある。しかしこの方式では高価な電磁弁等を使
用しなければならない欠点がある。

〈目 的〉 本発明は、上記の点に鑑み、電動機の原理によ
つて得られるトルクを利用して回転弁体を回動さ
せるこにより流動体の流路の切換えおよび流路に
影響を与えることなく、一個もしくは、複数のバ
イパス回路を順次もしくは同時に主流路と並列に
回路を開閉することが可能で、ヒートポンプ式空
気調和機に適用し得る切替弁装置を提供しようと
するものである。

〈課題を解決するための手段〉 本発明による課題解決手段は、 第一接続管Ｄ、第二接続管Ｃ、第三接続管Ｅお
よび第四接続管Ｓが夫々連通接続された弁箱１６
と、 該弁箱１６に回転自在に内装された永久磁石１
９付の回転弁子１８と、 前記弁箱１６の外部に配された極性変換可能な
第一磁極発生部２２および第二磁極発生部２３を
有する電磁石２４と を具え、 前記弁箱１６にバイパス接続管２８が形成さ
れ、前記回転弁子１８を、前記永久磁石１９の第
一磁極発生部２２との第一吸着位置、第二磁極発
生部２３との第二吸着位置、および第一磁極発生
部２２と第二磁極発生部２３の中間位置で回転停
止させるための回転停止手段３０が設けられ、 前記回転弁子１８には、 前記第一吸着位置で第四接続管Ｓと第三接続管
Ｅを連通しかつ第二吸着位置で第四接続管と第二
接続管Ｃとを連通する第一連通孔２５と、 第一吸着位置で第二接続管Ｃと第一接続管Ｄと
を連通しかつ第二吸着位置で第一接続管Ｄと第三
接続管Ｅとを連通する第二連通孔２７と が形成され、 前記回転弁子１８に、前記中間位置で前記第一
接続管Ｄとバイパス接続管２８とを連通させるた
めのバイパス用孔２９（実施例ではバイパス貫通
孔２９）が形成され、 前記各連通孔２５，２７は、前記中間位置で、
第二吸着位置での各接続管Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｓの連通
状態を維持するよう、その形状が設定されたもの
である。

〈作 用〉 上記構成の切替弁装置を、ヒートポンプ式空気
調和機の冷媒サイクル中の四方切替弁として使用
する。この際、圧縮機Ｆの吐出口に第一接続管Ｄ
を接続し、圧縮機Ｆの吸入管に第四接続管Ｓを接
続する。また、第三接続管Ｅを室内側熱交換器Ａ
に、第二接続管Ｃを室内側熱交換器Ｂにそれぞれ
接続する。さらに、バイパス接続管２８を、例え
ば室外熱交換器Ｂの膨張弁Ｂ１側に接続する。

そうすると、圧縮機Ｆから吐出された高圧ガス
は、第一接続管Ｄを通り、弁箱１６内の回転弁子
１８から第二接続管Ｃを通つて室外側熱交換器Ｂ
へ流れ、その後、室内側熱交換器Ａ、第三接続管
Ｅから弁箱１６内へ通り、第一連通孔２５を経て
第四接続管Ｓから圧縮機Ｆに吸入される。

このときの状態が冷房サイクルであり、弁箱１
６内の配置は第５図ａの状態となり、電磁石２４
の磁極発生部２２，２３は無通電状態で単に磁性
体と吸引状態にあるだけである。

次に冷房サイクルへの切替は、同図ａに示す無
通電の電磁石２４に瞬時連通するとともに、磁極
の変換を行ない、永久磁石１９に相対する第一磁
極発生部２２は永久磁石１９の同極となして反発
させる。

そうすると、回転弁子１８は反時計回りに回転
する。また第二磁極発生部２３も永久磁石１９と
異極とすれば、永久磁石１９は第二磁極発生部２
３側へ吸引されて回転し、第５図ｂの如き、暖房
サイクルとなる。

この暖房状態で、圧縮機Ｆから吐出された高圧
ガスが第一接続管Ｄ→第二連通孔２７→第三接続
管Ｅ→室内側熱交換器Ａ→室外側熱交換器Ｂ→第
二接続管Ｃを経て弁箱１６内の第一連通孔２５を
通り、第四接続管Ｓへと流れ、圧縮機Ｆに吸入さ
れる。

但し、前記した冷房、暖房いずれの状態に於い
ても、バイパス用接続管２８が回転弁子１８によ
り閉口している。

以上述べた基本動作とは別に、第６図に示すよ
うに、第一磁極発生部２２、第二磁極発生部２３
の磁極を永久磁石１９の極性と反発する極性とす
ると、回転弁子１８は中間位置に保持される。

この時に、回転弁子１８のバイパス用孔２９と
バイパス接続管２８の開口端が合致し連通する。

なお、この状態でも回転弁子１８の第一連通孔
２５および第二連通孔２７が、流路を正常に保持
する形状となつているため、暖・冷房運転に何ら
支障はなく一部の高圧・高温の吐出ガスが、バイ
パス接続管２８より熱交換器へ流入する構造とな
る。

そのため、例えば、暖房運転中に外気温度の低
下により室外熱交換器Ｂに着霜現象を生じた時
に、第７図に示す暖房サイクルによれば、暖房運
転を継続しつつ、バイパス用接続管２８より高
温・高圧のガスを着霜している室外側熱交換器Ｂ
の入口より流入させる。そうすれば、その熱・圧
力により除霜し、着霜以前の暖房能力まで機器を
回復させるとともに、室内温度の変化を最小限に
抑え、快適性増大する。

〈実施例〉 以下、本発明の一実施例をロータリー式四方切
替弁装置を例にして説明する。第１図は本発明に
よるロータリー四方切替弁装置の正面図、第２図
は同平面図、第３図は同断面図であり、第４図は
切替弁装置を空気調和機に用いた場合のヒートポ
ンプサイクル図、第５図は動作原理図、第６図は
本発明実施例における除霜時の切替弁装置の状態
を示す図である。

この切替弁装置Ｚ１は、内部を密閉された円筒
状の非磁性弁箱１６の一端に圧縮機Ｆの吐出管に
接続する第一接続管Ｄが接続され、他端に圧縮機
Ｆの吸入管に接続する第四接続管Ｓ、室内側熱交
換器Ａに接続する第三接続管Ｅおよび室外側熱交
換器Ｂに接続する第二接続管Ｃが並設されてい
る。弁箱１６は内部形状が突起１７を有する円筒
形（または単なる円筒形）とされている。接続管
Ｄ，Ｓ，Ｅ，Ｃは全て弁箱１６の中に開口してお
り、並設した第二ないし第四接続管Ｇ，Ｅ，Ｃの
開口端は弁箱１６の円形断面に直角となる同一面
上に開口しており、これに相対する面に接続管Ｄ
が開口している。

弁箱１６内には接続管Ｓ，Ｅ，Ｃの開口端を平
滑に面を接し、かつ円筒形空間Ｒ５に内装して円
周方向に回動する回転弁子１８が配設されてい
る。この回転弁子１８には１個以上の永久磁石１
９が装着されている。

弁箱１６外には極性変換可能な第一磁極発生部
２２および第二磁極発生部２３を有する電磁石２
４が配されている。第一磁極発生部２２および第
二磁極発生部２３の位置は前記永久磁石１９の回
動する角度より鈍角で永久磁石１９に対する効果
を失なわない位置に配設されている。すなわち回
転弁子１８を任意の角度α回転させる時、磁極発
生部２２，２３はα＜βとなる如く配設されると
ともに磁極発生部２３は永久磁石１９と吸引状態
となる磁極とし、前記α＜βの位に永久磁石１９
が保持される様にストツパー１７をして回転弁子
１８が反発−吸引で発生したトルクにより回転し
た後の接続管との位置を正しく保持可能となして
いる。

第一接続管Ｄ、第二接続管Ｃ、第三接続管Ｅお
よび第四接続管Ｓは第５図の如く、平面視で、回
転弁子１８の中心から等角度（90℃）でかつ、第
一接続管Ｄと第四接続管Ｓとが、第二接続管Ｃと
第三接続管Ｅとが回転弁子１８の中心に対して
夫々対称位置に配される。

そして前回転弁子１８には、前記永久磁石１９
の第一磁極発生部２２との第一吸着位置（冷房姿
勢Ｘ）で第四接続管Ｓと第三接続管Ｅを連通しか
つ永久磁石１９の第二磁極発生部２３との第二吸
着位置（暖房姿勢Ｙ）で第四接続管Ｓと第二接続
管Ｃとを連通する弧状でかつ凹状の第一連通孔２
５と、第一吸着位置（冷房姿勢Ｘ）で第二接続管
Ｃと第一接続管Ｄとを連通しかつ第二吸着位置
（暖房姿勢Ｙ）で第一接続管Ｄと第三接続管Ｅと
を連通する主貫通孔２６付の弧状でかつ凹状の第
二連通孔２７とが形成される。

前記第一磁極発生部２２は、第一接続管Ｄと第
三接続管Ｅとの中央部と回転弁子１８の中心とを
結ぶ直線の延長線上に配され、前記第二磁極発生
部２３は第三接続管Ｅと第四接続管Ｓの中央部と
回転弁子１８の中心とを結ぶ直線の延長線上に配
される。

そして永久磁石１９は、前記第二連通孔２７の
第三接続管Ｅ側の回転弁子１８外周部に配され、
外側がＮ極に設定されている。

更に前記弁箱１６の他側には、前記室外熱交換
器Ｂの膨張弁Ｂ１側に連通するバイパス接続管２
８が連通接続される。このバイパス接続管２８は
第二接続管Ｃ、第三接続管Ｅおよび第四接続管Ｓ
よりも弁箱１６の中心側に配されている。

また回転弁子１８には、第二連通孔２７よりも
回転弁子１８の中央側でバイパス貫通孔２９が形
成される。このバイパス用貫通孔２９およびバイ
パス用接続管２８は、永久磁石１９が第一磁極発
生部２２と第二磁極発生部２３の中間に位置した
ときに連通するよう設定されている。

また、永久磁石１９の第一磁極発生部２２との
第一吸着位置、第二磁極発生部２３との第二吸着
位置、および第一磁極発生部２２と第二磁極発生
部２３の中間位置で、回転弁子１８を停止させる
ための回転停止手段が設けられる。この回転停止
手段は第一磁極発生部２２および第二磁極発生部
２３とを通電制御する制御装置３１から構成され
る。回転弁子１８の冷房姿勢Ｘと暖房姿勢Ｙの中
間位置では、第６図の如く、暖房サイクルを依然
として維持するよう前記第一、第二連通孔２５，
２７の形状が設定される。

上記構成において、圧縮機Ｆから吐出された高
圧ガスは第一接続管Ｄを通り、弁箱１６の円筒形
空間Ｒ５に流れ、回転弁子１８の主貫通孔２６を
経て室外側熱交換器Ｂ（凝縮器）、毛細管Ｂ１、室
内側熱交換器Ａ（蒸発器）、第三接続管Ｅから弁箱
１６内へ通り、第一連通孔２５を経て第四接続管
Ｓから圧縮機Ｆに吸入される。このとき、回転弁
子１８は第一接続管Ｄよりの高圧ガスにより、並
設する接続管Ｇ，Ｅ，Ｃの開口端と面を接して押
圧されている。この状態が冷房サイクルであり、
弁箱１６内の配置は第５図ａの状態となる。

なお、電磁石２４の磁極発生部２２，２３は無
通電状態で単に磁性体と吸引状態にあるだけであ
る。また、微少電流等を通電しても良いとはもち
ろんである。

次に暖房サイクルへの切替は、同図ａに示す無
通電の電磁石２４に瞬時（0.5秒程度）通電する
とともに、磁極の変換を行ない、永久磁石１９に
相対する第一磁極発生部２２は永久磁石１９の同
極となして反発させる。そうすると、回転弁子１
８は反時計回りに回転する。また第二磁極発生部
２３も永久磁石１９と異極とすれば、永久磁石１
９は第二磁極発生部２３側へ吸引されて回転し、
第５図ｂの如き、暖房サイクルとなる。

なお、第５図中ａ，ｂに記載の記号Ｓ，Ｅ，Ｃ
は接続管の開口端を示している。

この暖房状態で、圧縮機Ｆから吐出された高圧
ガスが第一接続管Ｄより空間Ｒ５、主貫通孔２６
→第三接続管Ｅ→室内側熱交換器Ａ（凝縮器）→
毛細管→室外側熱交換器Ｂ（蒸発器）→接続管Ｃ
を経て弁箱１６内の第一連通孔２５を通り、第四
接続管Ｓへと流れ、圧縮機Ｆに吸入される。

但し、前記した冷房、暖房いずれの状態に於い
ても接続管Ｓ，Ｅ，Ｃと同一面に開口端も持つバ
イパス接続管２８と、回転弁子１８に副次的に設
けられているバイパス貫通孔２９は合致せずに閉
口している。

以上述べた基本動作とは別に第６図に示すよう
に回転弁子１８に装着された永久磁石１９（もし
くは永久磁石から成る弁体）に相対する第一磁極
発生部２２、第二磁極発生部２３（即ち角度β位
置）の磁極の極性を永久磁石１９の極性と反発す
る極性とすることにより回転弁子１８は回転角α
の中間位置に保持される。この時に回転弁子１８
に副次的に設けられているバイパス貫通孔２９と
バイパス接続管２８の開口端が合致し連通する。

なお、この状態でも回転弁子１８の第一連通孔
２５および主貫通孔２６付第二連通孔２７が回転
角αの中間位置でも流路を正常に保持する形状と
なつているため、暖・冷房運転に何ら支障はなく
一部の高圧・高温の吐出ガスがバイパス接続管２
８より熱交換器へ流入する構造となる。

例えば、暖房運転中に外気温度の低下により室
外熱交換器Ｂに着霜現象を生じた時に、第７図に
示す冷凍サイクル図（暖房サイクル）によれば、
暖房運転を継続しつつ、バイパス接続管２８より
高温・高圧のガスを着霜している室外側熱交換器
Ｂ（蒸発器）入口より流入させる。そうすればそ
の熱・圧力により除霜し、着霜以前の暖房能力ま
で機器を回復させるとともに、室内温度の変化を
最小限に抑え、快適性増大する。また、本発明に
よれば他の高価な電磁弁等を不用となすため安価
に提供できる。なお、本発明は着霜寸前に採用す
れば着霜の遅延ともなる。

第８図は本発明の他の実施例を示す熱媒サイク
ルを示す。これは、圧縮機Ｆの変化によらずに吐
出されたガスを吸入側にバイパスすることによ
り、その熱媒は熱交換しないため、能力は低下す
る。したがつて、能力可変機能を持つことにな
る。

本発明を更に進展させれば、第９図に示す如
く、第一、第二磁極発生部２２，２３の中間位置
で第三磁極発生部３３を、β＞δ，δ＝１／nβ
として任意の位置に設けることにより、その弁子
１８の回転角もα＞γ，γ＝１／nαとリニアに
することにより、図示する如く、バイパス接続管
２８の開口面積を変化させることができ、リニア
な流量制御が可能となる。

このことは能力のリニアな変化および、着霜の
状態によりバイパスさせる冷媒の流量の正確で適
当な制御を可能とするものである。なお、バイパ
ス用用開口部（孔）は複数個設けてもよいことは
勿論である。

〈効 果〉 以上の説明から明らかな通り、本発明による
と、弁箱内の永久磁石付の回転弁子を、弁箱外に
配された電磁石で、電動機の原理を利用して回転
させ、流路を切換えているから、構造が簡単にな
り、部品点数も少なくなる。

また、回転弁子の中間位置では、バイパス接続
管と第一接続管とが連通したとき、各接続管を連
通させる連通孔は、第二吸着位置での各接続管の
連通状態を維持する形状とされているので、流動
体の流路の切換えおよび流路に影響を与えること
なく、一個もしくは、複数のバイパス回路を順次
もしくは同時に主流路と並列に回路を開閉するこ
とが可能となる。

そのため、この切替弁装置を空気調和機に利用
すれば、熱媒の吐出量を可変とでき、また除霜等
にも使用できるといつた優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す切替弁装置の
正面図、第２図は同平面図、第３図は同断面図、
第４図は同熱媒圧縮サイクルの基本構成図、第５
図ａは冷房時の弁内部状態を示す平面図、第５図
ｂは暖房時の弁内部状態を示す平面図、第６図は
除霜時の弁内部状態を示す平面図、第７図は同熱
媒圧縮サイクル構成図、第８図は本発明の他の実
施例を示す熱媒圧縮サイクルを構成図、第９図は
本発明の実施例を示す弁内部状態平面図、第１０
図は従来の熱媒圧縮サイクルの構成図である。 １６：弁箱、１８：円盤状回転弁子、１９：永
久磁石、２２：第一磁極発生部、２３：第二磁極
発生部、２４：電磁石、２６：主貫通孔、２８：
バイパス接続管、２９：バイパス貫通孔、３０：
回転停止手段、Ｃ：第二接続管、Ｄ：第一接続
管、Ｅ：第三接続管、Ｓ：第四接続管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第一接続管、第二接続管、第三接続管および
   第四接続管が夫々連通接続された弁箱と、 該弁箱に回転自在に内装された永久磁石付の回
   転弁子と、 前記弁箱の外部に配された極性変換可能な第一
   磁極発生部および第二磁極発生部を有する電磁石
   と を具え、 前記弁箱にバイパス接続管が形成され、 前記回転弁子を、前記永久磁石の第一磁極発生
   部との第一吸着位置、第二磁極発生部との第二吸
   着位置、および第一磁極発生部と第二磁極発生部
   の中間位置で回転停止させるための回転停止手段
   が設けられ、 前記回転弁子には、 前記第一吸着位置で第四接続管と第三接続管を
   連通しかつ第二吸着位置で第四接続管と第二接続
   管とを連通する第一連通孔と、 第一吸着位置で第二接続管と第一接続管とを連
   通しかつ第二吸着位置で第一接続管と第三接続管
   とを連通する第二連通孔と が形成され、 前記回転弁子に、前記中間位置で前記第一接続
   管とバイパス接続管とを連通させるためのバイパ
   ス用孔が形成され、 前記各連通孔は、前記中間位置で、第二吸着位
   置での各接続管の連通状態を維持するよう、その
   形状が設定された ことを特徴とする切替弁装置。