JP2019138445A - 多方切換弁 - Google Patents

Abstract

【課題】流路全体の最大流動可能流量の低下を効果的に抑制できる多方切換弁を提供する。【解決手段】四方切換弁１は、Ｓポート２２、Ｅポート２３およびＣポート２４が設けられた弁座面２１を有する弁座２０と、弁座面２１上に設けられた弁体３０と、各ポートに連通された直線状の第２導管６２、第３導管６３および第４導管６４と、を有している。弁体３０は、第１の停止位置にあるとき、Ｅポート２３とＳポート２２と連通するようにＵ字状に曲がる流路３１を構成する。Ｓポート２２および第２導管６２は直線状の流路７２を構成する。Ｅポート２３および第３導管６３は直線状の流路７３を構成する。そして、Ｕ字状に曲がる流路３１の高さをＨとし、この流路３１によって連通される直線状の流路７２、７３の最小径部の径をＤとしたとき、以下の式（１）を満足する。（１）１．０５≦Ｈ／Ｄ≦１．７５【選択図】図２

Description

本発明は、流路の切り換えに用いられる多方切換弁に関する。

多方切換弁は、例えば、空気調和機で使用される冷凍サイクルシステムにおいて冷媒流路の切り換えに用いられる。

従来の多方切換弁の一例が特許文献１に開示されている。この多方切換弁は、４つのポートの接続を切り換える四方切換弁である。この四方切換弁は、シリンダ状の弁本体を有している。弁本体には、その内部と連通された第１導管が設けられている。また、弁本体の内部には３つのポートが開口された弁座面を有する弁座が設けられている。弁座面の各ポートを通じて弁本体の内部と連通された直線状の第２導管、第３導管および第４導管が設けられている。この四方切換弁は、弁座面上をスライドされる弁体を有している。弁体は、Ｕ字状に曲がる流路を構成し、この流路によって弁座面のポートおよび導管で構成される直線状の２つの流路を連通する。

特開２０１３−２２７９８９号公報

流路に流すことができる最大の流量（本明細書において「最大流動可能流量」という）は、流路の形状や流路の径によって決まる。上記四方切換弁は、直線状の２つの流路をＵ字状に曲がる流路で連通する構成を有しており、直線状の流路に比べてＵ字状に曲がる流路では、流動抵抗が増加したり乱流が生じたりするおそれがある。これにより、直線状の流路における最大流動可能流量に対して、流路全体の最大流動可能流量が低下してしまうことがあった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、流路全体の最大流動可能流量の低下を効果的に抑制できる多方切換弁を提供することにある。

本発明者らは、多方切換弁の流路に着目し、弁体の内側の壁面と弁座面とで構成されたＵ字状に曲がる流路の形状と最大流動可能流量との関係について鋭意検討を重ねた。その結果、Ｕ字状に曲がる流路における弁座面から弁体の内側の壁面までの高さとこの曲がる流路で連通される直線状の流路の径との比が所定の数値範囲内となるように各流路を構成することで、流路全体の最大流動可能流量の低下を抑制できることを見出し、本発明に至った。

上記課題を解決するため、本発明の多方切換弁は、複数のポートが設けられた弁座面を有する弁座と、前記弁座面上に設けられた弁体と、前記複数のポートに連通された複数の直線状の導管と、を有する多方切換弁であって、前記弁体の内側の壁面は、前記弁座面とともに、停止位置に応じて前記複数のポートのうちの２つのポートを連通するようにＵ字状に曲がる流路を構成し、前記曲がる流路の中央部における前記弁座面から前記壁面までの高さをＨとし、当該曲がる流路によって連通される、前記導管および前記ポートで構成される直線状の２つの流路の最小径部の径をＤとしたとき、以下の式（１）を満足することを特徴とする。
（１）１．０５≦Ｈ／Ｄ≦１．７５

本発明によれば、弁体の内側の壁面は、弁座面とともに、停止位置に応じて複数のポートのうちの２つのポートを連通するようにＵ字状に曲がる流路を構成する。そして、Ｕ字状に曲がる流路の中央部における弁座面から弁体の内側の壁面までの高さをＨとし、Ｕ字状に曲がる流路によって連通される、導管およびポートで構成される直線状の２つの流路の最小径部の径をＤとしたとき、上記式（１）を満足する。このようにしたことから、Ｕ字状に曲がる流路とこの流路によって連通される直線状の流路との関係を最適化することができ、最大流動可能流量の低下割合を１０％以下に抑制できる。そのため、効率よく流体を流動させることができる。

また、以下の式（２）を満足することで、最大流動可能流量の低下を３％以下に抑制できる。
（２）１．２≦Ｈ／Ｄ≦１．６

また、以下の式（３）を満足することで、最大流動可能流量の低下を１％以下に抑制できる。
（３）１．３≦Ｈ／Ｄ≦１．５

本発明の第１実施例に係る多方切換弁を説明する図である。 図１の多方切換弁の流路の構成を説明する図である。 弁体内の曲がる流路の中央部における高さＨおよびこの曲がる流路で連通される直線状の２つの流路の最小径部の径Ｄとの比（Ｈ／Ｄ）と、直線状の流路の最大流動可能流量に対する流路全体の最大流動可能流量の割合との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施例に係る多方切換弁の斜視図である。 図４の多方切換弁の縦断面図である。 図５のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 図４の多方切換弁の弁体付近の断面図である。

（第１実施例）
以下、本発明の第１実施例に係る多方切換弁としての四方切換弁について図１〜図３を参照して説明する。本実施例の四方切換弁は、一例として、空気調和機で使用される冷凍サイクルシステムにおいて冷媒流路の切り換えに用いられる。もちろん、この四方切換弁の用途は、冷媒流路の切り換えに限られず、各種流体の流路の切り換えに用いることができる。第２実施例も同様である。

図１は、本発明の第１実施例に係る多方切換弁（四方切換弁）を説明する図であって、一部を断面図で示している。図２は、図１の多方切換弁の流路の構成を説明する図である。図２（ａ）は、弁体近傍の拡大図であり、図２（ｂ）は、弁体の弁座面の平面図であり、図２（ｃ）は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図２（ａ）において、二点鎖線で示す矢印は流体（冷媒）の流れを模式的に示す。図３は、弁体内のＵ字状に曲がる流路の中央部における高さＨおよびこのＵ字状に曲がる流路で連通される直線状の２つの流路の最小径部の径Ｄとの比（Ｈ／Ｄ）と、直線状の流路の最大流動可能流量に対する流路全体の最大流動可能流量の割合との関係を示すグラフである。本実施例の説明において、「上下」は、図１および図２（ａ）、（ｃ）の上下方向に一致する。

本実施例の四方切換弁１は、弁体が弁座面上を直線的にスライドされることにより流路の接続を切り換える流路切換弁である。図１、図２に示すように、四方切換弁１は、弁本体１０と、弁座２０と、弁体３０と、ピストン部４０と、パイロット部５０と、を有している。

弁本体１０は、円筒形状を有している。弁本体１０の周壁部１１には開口部１２が設けられている。開口部１２には、第１導管６１が嵌められており、第１導管６１と弁本体１０の内部とが連通されている。第１導管６１は、図示しない圧縮機の吐出部に接続されており、高温高圧の冷媒が流れる。

弁座２０は、弁本体１０の内部に配置されている。弁座２０は、開口部１２側を向く弁座面２１を有している。弁座面２１には、円形の開口部であるＳポート２２、Ｅポート２３およびＣポート２４が設けられている。Ｓポート２２、Ｅポート２３およびＣポート２４には、弁本体１０の周壁部１１を貫通する直線状の第２導管６２、第３導管６３および第４導管６４が連通されている。本実施例において、各ポートの径および各導管における最も細い部分（最小径部）の内径は同一（径Ｄ）である。第２導管６２は、図示しない圧縮機の吸込部に接続されている。第３導管６３は、図示しない熱交換器に接続されている。第４導管６４は、図示しない熱交換器に接続されている。

弁体３０は、ドーム形状を有しており、図１の左右方向にスライド可能なように弁座面２１上に設けられている。

弁体３０の内側の壁面３２は弁座面２１とともにＵ字状に曲がる流路３１を構成している。流路３１は、流動方向の中央部に対して２回対称（または鏡像対称でもある）となる形状を有している。また、流路３１は、全体にわたって、流動方向に直交する断面の形状が略半円形状または略半楕円形状となる。弁体３０の内側の壁面３２は、流路３１の壁面３２でもある。

弁体３０は、図１、図２に示す第１の停止位置（例えば、冷房運転時の停止位置）および図示しない第２の停止位置（例えば、暖房運転時の停止位置）を有している。弁体３０は、弁座面２１上でスライドされ、第１の停止位置および第２の停止位置に位置づけられる。流路３１は、停止位置に応じて、弁座面２１に開口した複数のポートのうちの２つのポートを連通する。

弁体３０は、第１の停止位置において、流路３１によりＥポート２３とＳポート２２との２つのポートを連通する。すなわち、Ｕ字状に曲がる流路３１によって、Ｅポート２３および第３導管６３によって構成される直線状の流路７３と、Ｓポート２２および第２導管６２によって構成される直線状の流路７２と、を連通する。

弁体３０は、第２の停止位置において、流路３１によりＣポート２４とＳポート２２との２つのポートを連通する。すなわち、Ｕ字状に曲がる流路３１によって、Ｃポート２４および第４導管６４によって構成される直線状の流路７４と、Ｓポート２２および第２導管６２によって構成される直線状の流路７２と、を連通する。

ピストン部４０は、第１ピストン４１と、第２ピストン４２と、これらを連結する連結部材４３と、を有している。第１ピストン４１は、弁本体１０の一方の端部（図１の左端部）に設けられたエンドカバー１３と弁体３０との間に配置され、エンドカバー１３との間に作動室４５を形成する。第２ピストン４２は、弁本体１０の他方の端部（図１の右端部）に設けられたエンドカバー１４と弁体３０との間に配置され、エンドカバー１４との間に作動室４６を形成する。連結部材４３は、弁体３０が共に移動するように弁体３０に接続されている。

パイロット部５０は、作動室４５および作動室４６と、第１導管６１および第２導管６２との接続を切り換えて、作動室４５および作動室４６内の冷媒圧力を制御する。これにより、作動室４５および作動室４６内の冷媒圧力の差によってピストン部４０をいずれか一方の側へ移動させる。ピストン部４０の移動に伴って、連結部材４３と接続された弁体３０が弁座面２１上でスライドされ、第１の停止位置または第２の停止位置に位置づけられる。

弁体３０が第１の停止位置にあるとき、圧縮機の吐出部から吐出された冷媒は、第１導管６１から弁本体１０内に流入し、弁体３０の外部を通ってＣポート２４から第４導管６４へ流れ込む。そして、冷媒は、第４導管６４から熱交換器を通過して第３導管６３に流れ、Ｅポート２３、流路３１およびＳポート２２を順に通って第２導管６２へ流れ込み、圧縮機の吸込部へもどる。

弁体３０が第２の停止位置にあるとき、圧縮機の吐出部から吐出された冷媒は、第１導管６１から弁本体１０内に流入し、弁体３０の外部を通ってＥポート２３から第３導管６３へ流れ込む。そして、冷媒は、第３導管６３から熱交換器を通過して第４導管６４に流れ、Ｃポート２４、流路３１およびＳポート２２を順に通って第２導管６２へ流れ込み、圧縮機の吸込部へもどる。

本発明者らは、Ｕ字状に曲がる流路３１の中央部における弁座面２１から弁体３０の壁面３２までの高さＨと、直線状の流路７２、７３の最小径部の径Ｄとの比（Ｈ／Ｄ）が異なる複数の上記四方切換弁１を作製した。そして、弁体３０を第１の停止位置として、上記比（Ｈ／Ｄ）と、直線状の流路７２、７３の最大流動可能流量に対する流路全体（流路７３、流路３１および流路７２が順に連なってなる流路）の最大流動可能流量の割合［％］について計測した。この計測結果を図３のグラフに示す。なお、弁体３０を第２の停止位置とした場合も同じ結果となる。また、図３のグラフにおいて、割合が１００％超える測定値は、高さＨおよび径Ｄの製造上の誤差により生じたものと推測される。

図３から明らかなように、上記比（Ｈ／Ｄ）を１．０５以上でかつ１．７５以下とすることで、流路全体の最大流動可能流量の割合を９０％以上とすることができ、低下割合を１０％以下に抑制できることが判った。この数値範囲を式（１）で示す。

（１）１．０５≦Ｈ／Ｄ≦１．７５

また、上記比（Ｈ／Ｄ）を１．２以上でかつ１．６以下とすることで、全体の最大流動可能流量の割合を９７％以上とすることができ、低下割合を３％以下に抑制できることが判った。この数値範囲を式（２）で示す。

（２）１．２≦Ｈ／Ｄ≦１．６

また、上記比（Ｈ／Ｄ）を１．３以上でかつ１．５以下とすることで、全体の最大流動可能流量の割合を９９％以上とすることができ、低下割合を１％以下に抑制できることが判った。この数値範囲を式（３）で示す。

（３）１．３≦Ｈ／Ｄ≦１．５

以上説明したように、本実施例の四方切換弁１によれば、弁体３０は、第１の停止位置においてＥポート２３およびＳポート２２を連通するようにＵ字状に曲がる流路３１を構成する。そして、Ｕ字状に曲がる流路３１の中央部における弁座面２１から壁面３２までの高さをＨとし、この流路３１によって連通される、直線状の流路７２および流路７３の最小径部の径をＤとしたとき、上記式（１）を満足する。このようにしたことから、Ｕ字状に曲がる流路３１とこの流路３１によって連通される直線状の流路７２および流路７３との関係を最適化することができ、流路全体の最大流動可能流量の低下割合を１０％以下に抑制できる。そのため、効率よく流体を流動させることができる

また、上記式（２）を満足することで、最大流動可能流量の低下を３％以下に抑制できる。さらに、上記式（３）を満足することで、最大流動可能流量の低下を１％以下に抑制できる。

（第２実施例）
以下、本発明の第２実施例に係る多方切換弁としての四方切換弁について図４〜図７を参照して説明する。

図４は、本発明の第２実施例に係る多方切換弁（四方切換弁）の斜視図である。図５は、図４の多方切換弁の縦断面図である。図６は、図５のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図６（ａ）は、第２実施例の多方切換弁において弁体が第１の停止位置にある状態を示し、図６（ｂ）は、第２実施例の多方切換弁において弁体が第２の停止位置にある状態を示す。図７は、図４の多方切換弁の弁体付近の断面図である。図７（ａ）は、図６（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う断面図を示し、図７（ｂ）は、図６（ａ）のＥ−Ｅ線に沿う断面図を示す。図７（ａ）において、二点鎖線で示す矢印は流体（冷媒）の流れを模式的に示す。本実施例の説明において、「上下」は、図４、図５および図７の上下方向に一致する。

本実施例の四方切換弁２は、平面視略扇形の弁体が円弧方向にスライドされることに流路の接続を切り換えるロータリー式の流路切換弁である。図４および図５に示すように、四方切換弁２は、弁本体１１０と、弁座１２０と、弁体１３０と、弁体駆動部１４０と、を有している。

弁本体１１０は、円筒形状を有している。弁本体１１０の上端開口を塞ぐように弁体駆動部１４０が設けられている。弁体駆動部１４０の駆動軸１４１は、弁体１３０の扇形状の要（かなめ）に相当する箇所に取り付けられている。弁本体１１０の下端開口を塞ぐように弁座１２０が設けられている。弁座１２０は上方を向く弁座面１２１を有している。図６に示すように、弁座面１２１には、円形の開口部であるＤポート１２５、Ｓポート１２２、Ｅポート１２３およびＣポート１２４が設けられている。

Ｄポート１２５、Ｓポート１２２、Ｅポート１２３およびＣポート１２４には、直線状の第１導管１６１、第２導管１６２、第３導管１６３および第４導管１６４が連通されている。各ポートの径および各導管における最も細い部分（最小径部）の内径は同一（径Ｄ）である。第１導管１６１は、図示しない圧縮機の吐出部に接続されており、高温高圧の冷媒が流れる。第２導管１６２は、図示しない圧縮機の吸込部に接続されている。第３導管１６３は、図示しない熱交換器に接続されている。第４導管１６４は、図示しない熱交換器に接続されている。

弁体１３０は、平面視略扇形の柱形状を有しており、扇形状の要（かなめ）に相当する箇所を回転軸Ｏとして円弧方向にスライド可能なように弁座面１２１上に設けられている。

弁体１３０の内側の壁面１３２は弁座面１２１とともにＵ字状に曲がる流路１３１を構成している。流路１３１は、流動方向の中央部に対して鏡像対称となる形状を有している。また、流路１３１は、全体にわたって、流動方向に直交する断面形状が略半円形状または略半楕円形状となる。弁体１３０の内側の壁面１３２は、流路１３１の壁面１３２でもある。

弁体１３０は、図６（ａ）に示す第１の停止位置（例えば、冷房運転時の停止位置）および図６（ｂ）に示す第２の停止位置（例えば、暖房運転時の停止位置）を有している。弁体１３０は、弁体駆動部１４０により回転され、弁座面１２１上でスライドされて、第１の停止位置および第２の停止位置に位置づけられる。流路１３１は、停止位置に応じて、弁座面１２１に開口した複数のポートのうちの２つのポートを連通する。

弁体１３０は、第１の停止位置において、流路１３１によりＥポート１２３とＳポート１２２との２つのポートを連通する。すなわち、Ｕ字状に曲がる流路１３１によって、Ｅポート１２３および第３導管１６３によって構成される直線状の流路１７３と、Ｓポート１２２および第２導管１６２によって構成される直線状の流路１７２と、を連通する。

弁体１３０は、第２の停止位置において、流路１３１によりＣポート１２４とＳポート１２２との２つのポートを連通する。すなわち、Ｕ字状に曲がる流路１３１によって、Ｃポート１２４および第４導管１６４によって構成される直線状の流路１７４と、Ｓポート１２２および第２導管１６２によって構成される直線状の流路１７２と、を連通する。

弁体１３０が、第１の停止位置および第２の停止位置にあるときの冷媒の流れは第１実施例と同様である。

第２実施例の四方切換弁２においても、弁体１３０が第１の停止位置にある場合に、Ｕ字状に曲がる流路１３１の中央部における弁座面１２１から壁面１３２までの高さＨおよび直線状の流路１７２、１７３の最小径部の径Ｄの比（Ｈ／Ｄ）と、直線状の流路１７２、１７３の最大流動可能流量に対する流路全体（流路１７３、流路１３１および流路１７２が順に連なってなる流路）の最大流動可能流量の割合［％］の計測結果は第１実施例の計測結果と同じである。また、弁体１３０が第２の停止位置にある場合の計測結果も第１実施例の計測結果と同じである。

すなわち、第２実施例の四方切換弁２においても、上記式（１）、（２）または（３）を満たすことにより、第１実施例と同様に、流路全体の最大流動可能流量の低下割合を効果的に抑制できる。そのため、効率よく流体を流動させることができる。

上記第１実施例および第２実施例では、本発明を四方切換弁に適用した構成を説明したが、これに限定されるものではない。本発明の目的に反しない限り、六方切換弁などの各種多方切換弁に適用可能である。

上記に本発明の実施例を説明したが、本発明はこれらの例に限定されない。前述の実施例に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、実施例の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の趣旨を逸脱しない限り、本発明の範囲に含まれる。

（第１実施例）
１…四方切換弁、１０…弁本体、１１…周壁部、１２…開口部、１３、１４…エンドカバー、２０…弁座、２１…弁座面、２２…Ｓポート、２３…Ｅポート、２４…Ｃポート、３０…弁体、３１…流路、３２…壁面、４０…ピストン部、４１…第１ピストン、４２…第２ピストン、４３…連結部材、４５、４６…作動室、５０…パイロット部、６１…第１導管、６２…第２導管、６３…第３導管、６４…第４導管、７２、７３、７４…直線状の流路
（第２実施例）
２…四方切換弁、１１０…弁本体、１２０…弁座、１２１…弁座面、１２２…Ｓポート、１２３…Ｅポート、１２４…Ｃポート、１２５…Ｄポート、１３０…弁体、１３１…Ｕ字状に曲がる流路、１３２…壁面、１４０…弁体駆動部、１６１…第１導管、１６２…第２導管、１６３…第３導管、１６４…第４導管、１７２、１７３、１７４…直線状の流路、Ｏ…弁体の回転軸

Claims (1)

1. 複数のポートが設けられた弁座面を有する弁座と、前記弁座面上に設けられた弁体と、前記複数のポートに連通された複数の直線状の導管と、を有する多方切換弁であって、
   前記弁体の内側の壁面は、前記弁座面とともに、停止位置に応じて前記複数のポートのうちの２つのポートを連通するようにＵ字状に曲がる流路を構成し、
   前記曲がる流路の中央部における前記弁座面から前記壁面までの高さをＨとし、当該曲がる流路によって連通される、前記導管および前記ポートで構成される直線状の２つの流路の最小径部の径をＤとしたとき、以下の式（１）を満足することを特徴とする多方切換弁。
   （１）１．０５≦Ｈ／Ｄ≦１．７５

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