以下、本発明を実施するための形態(以下「実施形態」という)について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
≪第1実施形態≫
≪冷媒切替弁を用いる機器(冷蔵庫)の構成≫
まず、第1実施形態に係る冷媒切替弁60(図8等参照)を説明する前に、第1実施形態に係る冷媒切替弁60(図8等参照)を備える機器として、冷蔵庫を例に、図1から図4を用いて説明する。
図1は、本実施形態の冷蔵庫を前方から見た正面外形図である。図2は、冷蔵庫の庫内の構成を表す図1におけるE−E断面図である。図3は、冷蔵庫の庫内の構成を表す正面図である。図4は、図2の要部拡大説明図である。
図3に示すように、本実施形態の冷蔵庫本体1は、上方から、冷蔵室2と、左右に並べた製氷室3および上段冷凍室4と、下段冷凍室5と、野菜室6と、を有している。なお、一例として、冷蔵室2および野菜室6は、およそ3〜5℃の冷蔵温度帯の貯蔵室である。また、製氷室3、上段冷凍室4および下段冷凍室5は、およそ−18℃の冷凍温度帯の貯蔵室である。
図1に示すように、冷蔵室2は、前方側に、左右に分割された観音開き(いわゆるフレンチ型)の冷蔵室扉2a、2bを備えている。また、製氷室3、上段冷凍室4、下段冷凍室5、野菜室6は、それぞれ引き出し式の製氷室扉3a、上段冷凍室扉4a、下段冷凍室扉5a、野菜室扉6aを備えている。なお、以下の説明において、冷蔵室扉2a、2b、製氷室扉3a、上段冷凍室扉4a、下段冷凍室扉5a、野菜室扉6aを、単に扉2a、2b、3a、4a、5a、6aと称する場合がある。
また、冷蔵庫本体1は、扉2a、2b、3a、4a、5a、6aの開閉状態をそれぞれ検知する扉センサ(図示せず)と、各扉2a、2b、3a、4a、5a、6aが開放していると判定された状態が所定時間(例えば、1分間以上)継続された場合に、使用者に報知するアラーム(図示せず)と、冷蔵室2の温度設定や上段冷凍室4や下段冷凍室5の温度設定をする温度設定器(図1の操作部および表示部を備えるコントロールパネル40)等を備えている。
図2に示すように、冷蔵庫本体1の庫外と庫内は、内箱10aと外箱10bとの間に発泡断熱材(発泡ポリウレタン)を充填することにより形成される断熱箱体10により隔てられている。また、冷蔵庫本体1の断熱箱体10は複数の真空断熱材14を実装している。
庫内は、温度帯の異なる上下方向に配置された複数の貯蔵室が、断熱仕切壁11a、11bで断熱的に区画されている。即ち、上断熱仕切壁11aにより、冷蔵温度帯の貯蔵室である冷蔵室2と、冷凍温度帯の貯蔵室である上段冷凍室4および製氷室3(図1参照、図2中で製氷室3は図示されていない)とが隔てられている。また、下断熱仕切壁11bにより、冷凍温度帯の貯蔵室である下段冷凍室5と、冷蔵温度帯の貯蔵室である野菜室6とが隔てられている。
図2に示すように、冷蔵室扉2a、2bの庫内側には複数の扉ポケット13が備えられている。また、冷蔵室2は複数の棚12により縦方向に複数の貯蔵スペースに区画されている。
また、上段冷凍室4、下段冷凍室5および野菜室6は、それぞれの貯蔵室の前方に備えられた扉4a、5a、6aの後方に、収納容器4b、5b、6bがそれぞれ設けられている。そして、扉4a、5a、6aの図示しない取手部に手を掛けて手前側に引き出すことにより、収納容器4b、5b、6bが引き出せるようになっている。図1に示す製氷室3にも同様に、扉3aの後方に、収納容器(図2中(3b)で表示)が設けられ、扉3aの図示しない取手部に手を掛けて手前側に引き出すことにより、収納容器3bが引き出せるようになっている。
図2に示すように、扉2a、2b、3a、4a、5a、6aは、周囲にドアパッキン15が設けられており、各扉を閉じた際、冷蔵庫本体前面16の開口周縁部と密着することで貯蔵空間(冷蔵室2、製氷室3、上段冷凍室4、下段冷凍室5、野菜室6)内部を閉塞して密閉し、貯蔵空間から外部への冷気の漏れを防止している。
<結露防止>
ここで、冷蔵庫本体1の各扉2a、2b、3a、4a、5a、6aを開くと、外気が冷蔵庫本体前面16の開口周縁部と接する。特に、製氷室3、上段冷凍室4、下段冷凍室5内は氷点下の冷凍温度帯(例えば、−18℃)であるため、扉3a、4a、5aを開いた場合、冷蔵庫本体前面16の開口周縁部に外気が触れて冷却されることで露点以下となり、冷蔵庫本体前面16に結露しやすい状態となる。さらに、冷蔵庫本体前面16に結露した状態で扉3a、4a、5aを閉じると、ドアパッキン15と冷蔵庫本体前面16との間の水滴が氷点下に冷却され、凍結するおそれがある。
そこで、図2および図3に示すように、製氷室3、上段冷凍室4、下段冷凍室5の開口周縁部には、後述する凝縮器52を通過した後の冷媒を通過させる冷媒配管17が埋設されている。ここで、冷媒配管17を流れる冷媒の温度(後述する凝縮器52を通過した後の冷媒の温度)は、庫外温度よりも高温であり、例えば、庫外温度が30℃の際に33℃程度となるようにしている。このため、冷媒配管17は、冷蔵庫本体前面16の開口周縁部を加熱して結露および凍結を防止する機能を有しており、以下の説明において「結露防止配管17」と称する。
なお、本実施形態において、結露防止配管17は、製氷室3、上段冷凍室4、下段冷凍室5の開口周縁部に設ける構成としてしたが、冷蔵室2、野菜室6の開口周縁部に設ける構成であってもよく、同様に、結露防止の効果が得られる。
<冷気循環>
図2に示すように(適宜図3参照)、冷却器7は、下段冷凍室5の略背部に備えられた冷却器収納室8内に設けられている。冷却器7は、冷却器配管7aに多数のフィンが取り付けられて構成され、冷却器配管7a内の冷媒と空気との間で熱交換することができるようになっている。
また、冷却器7の上方には、庫内送風機9(例えば、モータ駆動するファン。)が設けられている。冷却器7で熱交換して冷やされた空気(以下、冷却器7で熱交換した低温の空気を「冷気」という。)は、庫内送風機9によって冷蔵室送風ダクト22、野菜室送風ダクト25、製氷室送風ダクト26a、上段冷凍室送風ダクト26bおよび下段冷凍室送風ダクト27を介して、冷蔵室2、野菜室6、製氷室3、上段冷凍室4および下段冷凍室5の各貯蔵室へ送られるようになっている。ちなみに、冷蔵室2、製氷室3、上段冷凍室4、下段冷凍室5および野菜室6への各送風ダクトは、図3に破線で示すように冷蔵庫本体1の各貯蔵室の背面側に設けられている。
冷却器7の冷気がどの貯蔵室へ送られるかは、冷蔵温度帯室冷気制御手段20および冷凍温度帯室冷気制御手段21により制御されるようになっている。
ここで、冷蔵温度帯室冷気制御手段20は、独立した2つの開口部を備える所謂ツインダンパであり、第一の開口20aは冷蔵室送風ダクト22への送風を制御し、第二の開口20bは野菜室送風ダクト25への送風を制御するようになっている。また、冷凍温度帯室冷気制御手段21は、単独の開口部を備えたシングルダンパであり、製氷室送風ダクト26a、上段冷凍室送風ダクト26bおよび下段冷凍室送風ダクト27への送風を制御するようになっている。
具体的には、冷蔵温度帯室冷気制御手段20の第一の開口20aが開状態のとき、冷気は、冷蔵室上流ダクト23(後述)および冷蔵室送風ダクト22を経て、多段に設けられた吹出口2cから冷蔵室2に送られる。なお、冷蔵室2を冷却した冷気は、冷蔵室2の下部に設けられた戻り口2dから冷蔵室戻りダクト24を経て、冷却器収納室8の側方下部から冷却器収納室8に流入し、冷却器7と熱交換するようになっている。
また、冷蔵温度帯室冷気制御手段20の第二の開口20bが開状態のとき、冷気は、冷蔵室上流ダクト23(後述)および野菜室送風ダクト25を経て、吹出口6cから野菜室6に送られる。なお、野菜室6を冷却した冷気は、戻り口6dを経て、冷却器収納室8の下部から冷却器収納室8に流入し、冷却器7と熱交換するようになっている。ちなみに、野菜室6を循環する風量は、冷蔵室2を循環する風量や後述する冷凍温度帯室を循環する風量に比べて少なくなっている。
冷凍温度帯室冷気制御手段21が開状態のとき、冷気は、製氷室送風ダクト26aや上段冷凍室送風ダクト26bを経て、吹出口3c、4cからそれぞれ製氷室3、上段冷凍室4に送られる。また、下段冷凍室送風ダクト27を経て、吹出口5cから下段冷凍室5に送られる。このように、冷凍温度帯室冷気制御手段21は、後述する送風機カバー31の上方に取り付けられ、製氷室3への送風を容易にしている。
なお、製氷室3に製氷室送風ダクト26aを介して送風された冷気および上段冷凍室4に上段冷凍室送風ダクト26bを介して送風された冷気は、下段冷凍室5に下降する。そして、下段冷凍室5に下段冷凍室送風ダクト27を介して送風された冷気とともに、下段冷凍室5の奥下方に設けられた冷凍室戻り口28を介して、冷却器収納室8に流入し、冷却器7と熱交換するようになっている。
製氷室3、上段冷凍室4および下段冷凍室5を冷却した冷気は、下段冷凍室5の奥下方に設けられた冷凍室戻り口28を介して、冷却器収納室8に戻る。ちなみに、冷凍室戻り口28の横幅寸法は、冷却器7の幅寸法とほぼ等しい横幅である。
図4に示すように、吹出口3c、4c、5cが形成されている冷凍温度帯室背面仕切29は、上段冷凍室4、製氷室3および下段冷凍室5と、冷却器収納室8との間を区画する。
庫内送風機9が取り付けられている送風機支持部30は、冷却器収納室8と冷凍温度帯室背面仕切29との間を区画する。
送風機カバー31は、庫内送風機9の前面を覆うように配置されている。送風機カバー31と冷凍温度帯室背面仕切29との間には、庫内送風機9によって送風された冷気を吹出口3c、4c、5cに導くための、製氷室送風ダクト26a、上段冷凍室送風ダクト26bおよび下段冷凍室送風ダクト27が形成されている。また、送風機カバー31の上部には、吹出口31aが形成されており、この吹出口31aに冷凍温度帯室冷気制御手段21が設けられている。
さらに、送風機カバー31は、庫内送風機9によって送風された冷気を冷蔵温度帯室冷気制御手段20側に送風する役目も果たしている。即ち、送風機カバー31に設けられた冷凍温度帯室冷気制御手段21側に流れない冷気は、図4に示すように、冷蔵室上流ダクト23を経由して冷蔵温度帯室冷気制御手段20側に導かれる。
また、送風機カバー31は、庫内送風機9の前面に整流部31bを備えている。整流部31bは、吹き出す冷気が引き起こす乱流を整流して、騒音の発生を防止するようになっている。
そして、冷蔵温度帯室冷気制御手段20および冷凍温度帯室冷気制御手段21が開状態のとき、大部分の冷気が冷凍温度帯室冷気制御手段21側に送られて、残りの他の冷気が冷蔵温度帯室冷気制御手段20側に導かれるように各送風ダクト等が構成されている。これにより、温度帯の異なる貯蔵室である冷凍温度帯室(製氷室3、上段冷凍室4および下段冷凍室5)および冷蔵温度帯室(冷蔵室2および野菜室6)に、1つの冷却器7で冷気を供給することができるようになっている。
以上説明したように、冷蔵庫本体1の各貯蔵室へ送風する冷気の切り替えは、冷蔵温度帯室冷気制御手段20および冷凍温度帯室冷気制御手段21それぞれを適宜に開閉制御することにより行うことができるようになっている。
また、図4に示すように、冷却器7の下方には、除霜手段である除霜ヒータ35が設置されており、除霜ヒータ35の上方には、除霜水が除霜ヒータ35に滴下することを防止するために、上部カバー36が設けられている。
冷却器7およびその周辺の冷却器収納室8の壁に付着した霜の除霜(融解)によって生じた除霜水は、冷却器収納室8の下部に備えられた樋32に流入した後に、排水管33を介して機械室50に配された蒸発皿34に達し、後述する圧縮機51や凝縮器52の熱により蒸発させられ、冷凍機外に排出されるようになっている。
<機械室>
図2および図3に示すように、断熱箱体10の下部背面側には、機械室50が設けられている。図3に示すように、機械室50には、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機51と、冷媒と空気とを熱交換させる凝縮器52と、凝縮器52における冷媒と空気の熱交換を促進させる庫外送風機53と、細管である減圧手段54と、冷媒切替弁60と、が配置されている。
なお、圧縮機51、凝縮器52、減圧手段54、および、冷媒切替弁60は、冷却器7や結露防止配管17と配管で接続され、冷媒が流通する冷媒経路(冷媒回路)が形成されるようになっている。なお、冷媒経路(冷媒回路)については、図5から図7を用いて後述する。
<センサ・制御系>
図2に示すように、冷蔵庫本体1の天井壁上面側には、制御手段として、CPU、ROMやRAM等のメモリ、インターフェース回路等を搭載した制御手段である制御基板41が配置されている。冷蔵庫には、庫外の温度環境(外気温度)を検知する外気温度センサ42、庫外の湿度環境(外気湿度)を検知する外気湿度センサ43、冷蔵室2の温度を検出する冷蔵室温度センサ44、野菜室6の温度を検出する野菜室温度センサ45、冷凍温度帯室(製氷室3、上段冷凍室4および下段冷凍室5)の温度を検出する冷凍室温度センサ46、冷却器7の温度を検出する冷却器温度センサ47等の温度センサが設けられ、検出した温度が制御基板41に入力されるようになっている。また、制御基板41は、扉2a、2b、3a、4a、5a、6aの開閉状態をそれぞれ検知する扉センサ(図示せず)、冷蔵室扉2aに設けたコントロールパネル40(図1参照)と接続されている。
そして、制御基板41は、前述のROMに予め搭載されたプログラムにより、圧縮機51のON/OFFや回転速度の制御、冷蔵温度帯室冷気制御手段20および冷凍温度帯室冷気制御手段21を個別に駆動するそれぞれの駆動モータ(図示せず)の制御、庫内送風機9のON/OFFや回転速度の制御、庫外送風機53のON/OFFや回転速度等の制御、扉開放状態を報知するアラーム(図示せず)のON/OFF、冷媒切替弁60の切替動作、等の制御を行うことにより、冷蔵庫全体の運転を制御することができるようになっている。
<冷媒経路(冷媒回路)>
次に、第1実施形態に係る冷媒切替弁60(図8等参照)を備える冷蔵庫の冷媒経路(冷媒回路)について、図5から図7を用いて説明する。
図5は、第1実施形態に係る冷媒切替弁60を用いた冷媒経路の第1モードを示す図である。図6は、第1実施形態に係る冷媒切替弁60を用いた冷媒経路の第2モードを示す図である。図7は、第1実施形態に係る冷媒切替弁60を用いた冷媒経路の第3モードを示す図である。
冷媒切替弁60は、4つの連通管(図8等を用いて後述する流入管68、連通管69b、69c、69d)を備え、1つの流入口Aと、3つの連通口B、C、Dを備える、所謂、四方弁である。
図5に示すように、流入口Aの上流側には、第一冷媒配管55が接続され、凝縮器52と、さらにその上流側には圧縮機51の高圧側吐出口が接続されている。連通口Bには、第二冷媒配管56の一端が接続され、結露防止配管17を経由して、連通口Cに第二冷媒配管56の他端が接続されている。連通口Dの下流側には、第三冷媒配管57が接続され、細管である減圧手段54、蒸発器である冷却器7を経由して圧縮機51の低圧側吸入口に接続されている。ちなみに、冷媒経路(冷媒回路)の冷媒としては、例えば、イソブタンを用いることができる。
図5から図7に示すように、第1モードから第3モードは、それぞれ冷媒切替弁60の開閉状態(連通状態)が異なっており、冷媒の経路(回路)が異なっている。
(第1モード)
図5に示すように、第1モードにおいて、冷媒切替弁60は、流入口Aと連通口Bとが連通し(冷媒流れL1)、連通口Cと連通口Dとが連通する(冷媒流れL2)ようになっている。
圧縮機51により圧縮された高温高圧の冷媒は、凝縮器52に流入し、凝縮器52で空気(庫外空気)と熱交換することにより冷却される。凝縮器52から流出した冷媒は、第一冷媒配管55を経て、冷媒切替弁60の流入口Aに流入し、冷媒流れL1に示すように、連通口Bから流出して、第二冷媒配管56の一部を経て、結露防止配管17に流入する。
ここで、結露防止配管17に流入した冷媒の温度(即ち、凝縮器52から流出した冷媒の温度)は、庫外空気よりも高温であるため、結露防止配管17に流入した冷媒は、冷蔵庫本体1の開口周縁部を加熱する。
そして、開口周縁部に放熱して結露防止配管17に流入時よりも低温となった冷媒は、結露防止配管17から流出して、第二冷媒配管56の残部を経て、冷媒切替弁60の連通口Cに流入し、冷媒流れL2に示すように、連通口Dから流出して、第三冷媒配管57を経て、細管である減圧手段54を通過した後、断熱膨張して低温低圧となり、蒸発器である冷却器7(冷却器配管7a)に流入する。冷却器7(冷却器配管7a)に流入した低温の冷媒は、冷却器7で周囲空気と熱交換して圧縮機51に戻る。
このように、第1モードでは、結露防止配管17を通る冷媒温度は、冷蔵庫本体1が設置された外気温度よりも高くなるので、外気が高温高湿な場合であっても、冷蔵庫本体1の開口周縁部の結露を防止することができる。
(第2モード)
図6に示すように、第2モードにおいて、冷媒切替弁60は、流入口Aと連通口Cとが連通し(連通L3)、連通口Bおよび連通口Dは、他と連通しないようになっている。また、第2モードにおいて、圧縮機51は停止している状態となっている。
第2モードにおいては、冷媒が循環する回路を遮断するようになっている。即ち、冷媒切替弁60の連通口Dが遮断されていることにより、第一冷媒配管55や凝縮器52、第二冷媒配管56や冷媒結露防止配管17内の比較的高温な冷媒が、第三冷媒配管57や冷却器7に流れ込むことを遮断して冷却器7の温度上昇を防止できるようになっている。
ここで、冷蔵庫は、冷凍サイクルによって貯蔵室を冷却する運転の場合、貯蔵室が所定温度以下となるまで圧縮機51を動作させて、貯蔵室が所定温度以下まで低下すると圧縮機51を停止させるようになっている。そして、貯蔵室が所定温度より上昇すると圧縮機51を再起動して貯蔵室を冷却するようになっている。
圧縮機51の停止時に冷媒切替弁60を第2モードとすることにより、冷却器7内の冷媒を低温で維持することができる。圧縮機51の再起動時には、冷却器7内の冷媒が低温であることから、熱交換効率が高い状態であり、冷蔵庫の省エネルギ性能を高くすることができる。
(第3モード)
図7に示すように、第3モードにおいて、冷媒切替弁60は、流入口Aと連通口Dとが連通し(冷媒流れL4)、連通口Bおよび連通口Cは、他と連通しないようになっている。
圧縮機51により圧縮された高温高圧の冷媒は、凝縮器52に流入し、凝縮器52で空気(庫外空気)と熱交換することにより冷却される。凝縮器52から流出した冷媒は、第一冷媒配管55を経て、冷媒切替弁60の流入口Aに流入し、冷媒流れL4に示すように、連通口Dから流出して、第三冷媒配管57を経て、細管である減圧手段54を通過した後、断熱膨張して低温低圧となり、蒸発器である冷却器7(冷却器配管7a)に流入する。冷却器7(冷却器配管7a)に流入した低温の冷媒は、冷却器7で周囲空気と熱交換して圧縮機51に戻る。
第1モード(図5参照)で運転すると、結露防止配管17に外気よりも高温の冷媒が流れるため、その熱が貯蔵室を暖めてしまうおそれがある。そこで、外気が低湿など結露のおそれが低い場合、第3モードで運転することにより、結露防止配管17に冷媒を流さないようにすることができる。これにより、冷蔵庫本体1の開口周縁部の結露防止の効果はないものの、結露のおそれが低い場合には、結露防止配管17から冷蔵庫本体1内部への熱漏洩を防止でき、冷蔵庫の省エネルギ性能を高くすることができる。
冷媒切替弁60の第1モードと第3モードは、外気温度センサ42や外気湿度センサ43の検知結果に基づいて結露のおそれがあるか否かを判定し、結露のおそれがある場合は第1モードとし、結露のおそれがない場合には第3モードとするようモードを切り替えると、必要な時だけ結露を防止するとともに、それ以外の時は熱漏洩を防止できるので、消費電力を低減するのに効果的である。
≪冷媒切替弁60≫
次に、第1実施形態に係る冷媒切替弁60の構成と動作について、図8から図12を用いて説明する。
図8は、第1実施形態に係る冷媒切替弁60の外観を示す斜視図である。図9は、図8のF−F断面図である。図10は、図8のG方向矢視図である。図11は、冷媒切替弁60の内部構成を示す斜視図であり、冷媒切替弁60からステータケース61と弁ケース66とを仮想的に取り外して透視した斜視図である。図12は、ロータピニオンギヤ75とアイドラギヤ79と弁体80の構成を示す斜視図であり、ロータ70から弁体80に至るまでのギヤを用いた駆動力の伝達手段の構成を説明する。
図8から図9に示すように、略円筒形状のステータケース61の内部には、コイルを設けたモータの固定子である略円筒形状のステータ62が形成されている。また、ステータケース61の一部は、外方に凸形状となるコネクタケース63を形成しており、コネクタケース63内には、ステータ62からの配線を外部に接続するコネクタピン64を有するコネクタ65が設けられている。
弁ケース66は、例えばステンレス材などの非磁性体金属で一体に形成されており、上端が閉じられて下端が開放した有底円筒形状である。弁ケース66の上側は、ステータ62の内周に嵌合し、弁ケース66の下側は、直径が上側よりも拡大された開口端となっている。この開口端には、円形の弁座プレート67が嵌合して、全周を溶接あるいはロウ付けによって密封接合されている。
図9および図10に示すように、弁座プレート67は、弁座プレート67の外周の外郭を構成する円盤形状の第一の弁座プレート67aと、第一の弁座プレート67aよりも直径が小さくかつ厚さが厚く、第一の弁座プレート67aの中心位置を内包する円盤形状の第二の弁座プレート67bと、を互いにロウ付けによって接合部を密封するように接合している。
図9に示すように、第一の弁座プレート67aには、1つの流入管68が、ロウ付けによって接合部を密封するように結合されて弁ケース66内部と連通している。また、第二の弁座プレート67bには、3つの連通管69である連通管69b、連通管69cおよび連通管69dが、ロウ付けによって接合部を密封するように結合されて弁ケース66内部と連通している。そして、図10に示すように、流入管68と連通管69b、連通管69c、連通管69dの一端は、弁座プレート67の一面に弁ケース66内側に向けて開口した流入口A、連通口B、連通口C、連通口Dに接続している。
図9に示すように、ロータ70は、マグネットを有するモータの回転子である。コネクタピン64を駆動回路(図示せず)に接続して通電すると、ステータ62に磁界が生じ、弁ケース66を介して磁力をロータ70に伝達してロータ70を回転するモータを構成する。このようなモータの構成の一例は、一般的なステッピングモータであり詳細な説明は省略するが、一定の角度毎に回転するようになっている。
弁体軸71は、ロータ70の回転中心軸であるとともに、後述する弁体80の揺動中心軸である。
第一の弁座プレート67aと第二の弁座プレート67bとは、同軸に配置されており、第一の弁座プレート67aと第二の弁座プレート67bの中心位置には、弁体軸71の嵌合孔であるロータ軸穴72が第二の弁座プレート67bを貫通しないよう形成されている。また、弁ケース66上部の円筒有底部の略中央には、凹部であるロータ軸受73が形成されている。弁体軸71は、一端がロータ軸穴72に嵌合して支持されるとともに、他端がロータ軸受73と嵌合して支持される。
ここで、図10に示すように、連通口B、連通口Cおよび連通口Dは、弁体軸71(ロータ軸穴72)を中心した同一円状に、90°の間隔で配置されている。連通口Cは、弁体軸71(ロータ軸穴72)に対して流入口Aの反対側の位置(弁体軸71(ロータ軸穴72)と後述するアイドラ軸78の間の位置)に設けられている。連通口Bおよび連通口Dは、連通口Cを挟んで対向した位置に設けられている。
図9および図10に示すように、第一の弁座プレート67aにおいて、弁体軸71(ロータ軸穴72)に対して流入管68(流入口A)の反対側には、後述するアイドラギヤ79の回転中心であるアイドラ軸78の嵌合孔が形成されており、アイドラ軸78の一端がロウ付けによって第二の弁座プレート67bに接合部を密封するように結合されている。なお、図9に示すように、アイドラ軸78の他端は固定されておらず、所謂、片持ちの構造となっている。
ロータ70は、ロータ駆動部74に支持され、弁体軸71を回転中心軸として、ロータ70とロータ駆動部74とが一体として回転するようになっている。また、ロータ駆動部74の下側の一部にロータピニオンギヤ75が形成されている。即ち、ロータ70が回転すると、ロータ駆動部74およびロータピニオンギヤ75も一体として回転するようになっている。
弁体80は、一面を弁体摺接面81(図12参照)として弁座プレート67と接しながら、弁体軸71を中心として揺動するようになっている。弁体80が揺動することで、弁座プレート67に設けられた連通口B、C、Dを開閉する構成である。また、弁体80の弁座プレート67と接する面である弁体摺接面81(図12参照)には、部分的に凹部である連通凹部82(図12参照)が設けられている。なお、連通凹部82の位置や連通口B、C、Dの開閉動作との関係は後述する。また、弁体80の弁座プレート67から離れた側には、弁体ギヤ83が設けられている。
図12に示すように、ロータ駆動部74と一体に形成されたロータピニオンギヤ75は、ロータピニオンギヤ75の下端部の回転軸周囲に設けられた凸部であるロータ駆動部先端76が弁体80の上面に載置され(図9参照)、共通の中心軸である弁体軸71のまわりにそれぞれロータ駆動軸穴77と弁体軸穴85を介して回転自在に配置されている。
図9および図11に示すように、弁ケース66の上面内側に向けて一部を放射状に腕を伸長した付勢手段である板バネ86がロータ70を支持し一体として回転するロータ駆動部74の上面に配置され、板バネ86の腕が弁ケース66の上面内側から受ける弁体軸71方向の反力をロータ駆動部74、ロータピニオンギヤ75を介して弁体80に加え、弁体80を弁座プレート67に対して押圧する。また、弁体80にはさらにロータ70の自重も併せて加わる。
ここで、ロータ駆動部先端76が弁体80と接触する位置は、弁体軸71の近傍であるため、弁体80は回転軸近傍で弁座プレート67に対して軸方向に押圧されるので、均一でバランスよく押圧されるようになっている。
アイドラ軸78にはアイドラ大歯車79bとアイドラピニオン79aとを有するアイドラギヤ79が回転自在に軸支されている。アイドラ大歯車79bはロータピニオンギヤ75と噛み合い、アイドラピニオン79aは弁体ギヤ83と噛み合って減速する。ロータ70からの回転トルクは、ロータピニオンギヤ75、アイドラ大歯車79b、アイドラピニオン79a、弁体ギヤ83の順に減速しながら伝達される。
ここで、ロータピニオンギヤ75の歯数をZ1、アイドラ大歯車79bの歯数をZ2、アイドラピニオン79aの歯数をZ3、弁体ギヤ83の歯数をZ4とすれば、全てのギヤのモジュールが同一であれば、Z1+Z2=Z3+Z4なる関係を満たせばロータピニオンギヤ75とアイドラ大歯車79bとの間の軸間距離と、アイドラピニオン79aと弁体ギヤ83との間の軸間距離とは等しくなるので、ロータピニオンギヤ75と弁体ギヤ83とを同軸に配置することができる。例えば、Z1=12、Z2=34、Z3=13、Z4=33、とすれば、Z1+Z2=Z3+Z4=46となるのでこの関係を満たすことができる。
ちなみに、このときのロータ70から弁体80に至るまでの減速比は、(Z1×Z3)/(Z2×Z4)となり、前記した例では(12×13)/(34×33)=約1/7.2となる。即ち、弁体80はロータ70により生じるトルクの7.2倍のトルクで回転するので、回転トルクに余裕があり、弁体80の切替動作を確実にすることができる。
また、図12に示すように、弁体80の一部は弁体ギヤ83の外周よりも凸形状のストッパ84が形成されており、弁体80が時計まわりまたは反時計まわりに最大角度回転した際には、アイドラギヤ79のアイドラピニオン79aよりも下側に突出した円筒状のアイドラストッパ79cに当接して弁体ギヤ83の回転角度を所定の角度範囲に制限するようになっている。なお、弁体ギヤ83の回転角度は、後述する弁体80の切替動作に必要な回動角度の範囲に加えて、所定の角度(例えば8°程度の角度)を余分に回動してから当接して回動を停止するよう構成される。
また、図9に示すように、アイドラギヤ79には、アイドラ大歯車79bの上面に円周状に突起部79sが形成されている。また、ロータ駆動部74には、円周状に突起部74sが形成されている。アイドラギヤ79のアイドラ軸78は、片持ちの構造であるが、アイドラギヤ79の軸方向の位置が上方向にずれた場合、突起部79sが突起部74sに当接してそれ以上移動することができないようになっている。これにより、アイドラギヤ79が片持ちのアイドラ軸78から脱落することを防止するようになっている。
<冷媒切替弁60の動作>
次に、弁体80による連通口B、C、Dの開閉動作について図13から図15を用いて説明する。なお、図13から図15において、説明のために弁座プレート67と接する弁体摺接面81にはハッチングを付加して図示している。
図13(A)、図14(A)および図15(A)は、図8の矢印G方向から見たアイドラギヤ79、弁体80、流入口A、連通口B、連通口C、連通口Dの位置関係を説明する図である。図13(A)は、弁体80で覆われた連通口Cおよび連通口Dが連通凹部82で連通するとともに、連通口Bが弁ケース66内部に開口した第1状態である。図14(A)は、連通口Bおよび連通口Dが弁体80で覆われるとともに、連通口Cが弁ケース66内部に開口した第2状態である。図15(A)は、連通口Bおよび連通口Cが弁体80で覆われるとともに、連通口Dが弁ケース66内部に開口した第3状態である。
弁体80は、図13(A)に示す第1状態から図14(A)に示す第2状態を経て図15(A)に示す第3状態に至り、さらに図14(A)に示す第2状態を経て図13(A)に示す第1状態に復帰する動作を可逆的に行うことができるようになっている。
流入管68の流入口Aは、弁体ギヤ83を挟んでアイドラギヤ79とは反対側に設けられ、弁体80が揺動しても閉鎖されずに、常時弁ケース66内部に開放されている。
連通管69cの連通口Cは、弁体軸71とアイドラ軸78とを結んだ直線の延長線上にあって、弁体軸71に対して流入口Aと反対側に弁体軸71に近接して設けられる。
連通管69bの連通口Bと連通管69dの連通口Dとは、弁体軸71を中心とした連通管69cの連通口Cを通る円弧上に配置され、弁体軸71を中心とした同一円弧上に連通管69cの連通口Cの位置を挟んでそれぞれ角度90°の位置に設けられる。
弁体80に設けられた弁体摺接面81は、第1状態(図13(A)参照)における弁体軸71から連通口Bの方向を0°として、反時計回りに90°から270°の範囲内に配置された連通口を覆うことができるような寸法で設けられ、0°の位置に配置された連通口を弁ケース66内部に開口することができるようになっている。
また、弁体摺接面81に形成された連通凹部82は、第1状態(図13(A)参照)における弁体軸71から連通口Bの方向を0°として、反時計回りに90°から180°の範囲内に配置された連通口を連通させることができるように形成されている。
図13(B)は冷媒切替弁60が第1状態(図13(A)参照)における冷媒経路を説明する模式図である。
冷媒切替弁60が第1状態(図13(A)参照)において、流入口Aから流入した冷媒は弁ケース66内を介して連通口Bへと流れることができるようになっている。また、連通口Cから流入した冷媒は、連通凹部82を介して連通口Dへと流れることができるようになっている。
即ち、冷媒切替弁60を第1状態(図13(A)参照)とすることにより、冷媒経路を第1モード(図5参照)とすることができる。
図14(B)は冷媒切替弁60が第2状態(図14(A)参照)における冷媒経路を説明する模式図であり、第1状態(図13(A)参照)から弁体80を反時計回りに90°揺動させた状態である。
冷媒切替弁60が第2状態(図14(A)参照)において、流入口Aと連通口Cとは弁ケース66内を介して連通するようになっている。また、連通口Bは弁体摺接面81で閉塞された状態となっている。また、連通口Cは連通凹部82と連通するものの、他の連通口とは接続されておらず、閉塞された状態となっている。
即ち、冷媒切替弁60を第2状態(図14(A)参照)とすることにより、冷媒経路を第2モード(図6参照)とすることができる。
図15(B)は冷媒切替弁60が第3状態(図15(A)参照)における冷媒経路を説明する模式図であり、第2状態(図14(A)参照)から弁体80を反時計回りに90°揺動させた状態である。
冷媒切替弁60が第3状態(図15(A)参照)において、流入口Aと連通口Dとは弁ケース66内を介して連通するようになっている。また、連通口Bは連通凹部82と連通するものの、他の連通口とは接続されておらず、閉塞された状態となっている。また、連通口Cは弁体摺接面81で閉塞された状態となっている。
即ち、冷媒切替弁60を第3状態(図15(A)参照)とすることにより、冷媒経路を第3モード(図7参照)とすることができる。
<作用・効果>
図13から図15により説明したように、第1実施形態に係る冷媒切替弁60は、弁体80を切り替えることにより、流入管68(流入口A)と連通管69b(連通口B)が連通するとともに、連通管69c(連通口C)と連通管69d(連通口D)が連通する第1状態(図13(A)参照)と、流入管68(流入口A)と連通管69c(連通口C)が連通するとともに、連通管69b(連通口B)と連通管69d(連通口D)が閉塞する第2状態(図14(A)参照)と、流入管68(流入口A)と連通管69d(連通口D)が連通するとともに、連通管69b(連通口B)と連通管69c(連通口C)が閉塞する第3状態(図15(A)参照)と、切り替えることができる。これにより、冷媒の切替性能が向上した冷媒切替弁60を提供することができる。また、この冷媒切替弁60を備える機器(冷蔵庫)の実使用状態に即して、冷媒の切り替えが可能となる。
また、図5から図7および図13から図15により説明したように、第1実施形態に係る冷媒切替弁60を備える機器(冷蔵庫)は、結露防止配管17に外気よりも高温の冷媒を供給して結露を防止する第1モード(図5、図13(B)参照)と、圧縮機51を停止する際に冷却器7内の冷媒の温度を低温で維持する第2モード(図6、図14(B)参照)と、結露防止配管17からの熱漏洩を低減する第3モード(図7、図15(B)参照)と、の3つの冷媒経路(冷媒回路)のモードを、唯一の冷媒切替弁60の動作で切り替えることができる。これにより、機器(冷蔵庫)の冷媒経路(冷媒回路)に設けられる弁は、冷媒切替弁60のみであり、その他の弁を追加することを必要とせず冷凍サイクルを構成できるので、安価に構成することができる。また、弁の切替制御や配置が複雑化しないため、冷媒切替弁60を備える機器(冷蔵庫)の信頼性を向上できる。
また、第1実施形態に係る冷媒切替弁60を備える機器(冷蔵庫)は、外気湿度センサの測定結果に応じて、外気が高温高湿であって結露のおそれがある場合、冷媒経路(冷媒回路)を第1モード(図5、図13(B)参照)となるように切り替え、外気が低湿で結露のおそれがない場合、冷媒経路(冷媒回路)を第3モード(図7、図15(B)参照)となるように切り替えることができる。なお、このモードの切り替えは、前述したように、冷媒切替弁60の動作で切り替えることができる。これにより、結露のおそれがある場合、結露防止配管17に高温の冷媒を通過させ、貯蔵室の開口前面周縁部の温度を、貯蔵室温度よりも高く設定して結露を防止することができる。また、結露のおそれがない場合、結露防止配管17の冷媒の通過を停止させ、結露防止配管17からの熱が貯蔵室内部に漏洩して消費エネルギが増加することを抑制することができる。
第1実施形態に係る冷媒切替弁60において、圧縮機51からの高圧の冷媒が、第一冷媒配管55(図5参照)、流入管68(図9参照)、流入口A(図10参照)を介して、弁ケース66内の空間に流入するようになっている。このため、弁ケース66内の弁体80には、弁体80を弁座プレート67に押圧する方向の力が加わる。これにより、弁体摺接面81と弁座プレート67との間の密着性能が向上して、冷媒の漏洩を低減することができる。
また、第1実施形態に係る冷媒切替弁60において、ロータ70およびロータ駆動部74と一体で回転するロータピニオンギヤ75を弁体80の上に重ねて、ロータピニオンギヤ75と弁体80とを同軸に共通の回転軸である弁体軸71のまわりに回転自在に配置し、弁体軸71と別に設けたアイドラ軸78のまわりにアイドラ大歯車79bとアイドラピニオン79aとを一体で設けたアイドラギヤ79を配置している。そして、ロータピニオンギヤ75とアイドラ大歯車79bとを噛み合わせて減速し、さらにアイドラピニオン79aと弁体ギヤ83とを噛み合わせてさらに減速させるようになっている。これにより、ロータピニオンギヤ75、アイドラギヤ79、弁体ギヤ83の3つのギヤを、弁体軸71とアイドラ軸78の2本の軸のまわりに配置することができるので、2枚のギヤの投影面積に3枚のギヤを配置でき、冷媒切替弁60を小型化することができる。
さらに、ロータピニオンギヤ75から弁体ギヤ83までは2段階の減速を行うので、減速比が大きくなり、弁体80に伝達される回転トルクを大きくすることができるので、弁体80の切替動作を確実にすることができる。また、弁体80と弁座(第二の弁座プレート67b)との摩擦が増加しても回転トルクが不足することがないようになっているので、弁体80に特段の低摩擦材料を用いる必要がなく、また、回転トルクの低いステータとロータの組み合わせであっても動作できるので、冷媒切替弁60の製造原価を低減することができる。
また、図9に示すように、第1実施形態に係る冷媒切替弁60において、ロータ70(ロータ駆動部74、ロータピニオンギヤ75)と弁体80を共通の弁体軸71で同軸に配置し、ロータ70(ロータ駆動部74、ロータピニオンギヤ75)を弁体80の上に載置して、板バネ86でロータ70(ロータ駆動部74、ロータピニオンギヤ75)を付勢するようになっている。これにより、弁体80は、板バネ86の付勢力とロータ70(ロータ駆動部74、ロータピニオンギヤ75)の自重により、弁座(第二の弁座プレート67b)に対して付勢されるので、適度な押圧力とすることで、弁体摺接面81において冷媒を確実に封止する押圧力を得ることができる。
また、図9に示すように、第1実施形態に係る冷媒切替弁60において、弁体80を支持する弁体軸71は、弁体80と弁体摺接面81で接する弁座(第二の弁座プレート67b)に設けられたロータ軸穴72と、弁ケース66の上端に設けられた凹部であるロータ軸受73とで両端を支持される両持ち構造であり、弁体80の支持剛性や精度が得やすく、弁体摺接面81において冷媒を確実に封止することができる。加えて、弁体軸71の周りをロータ70(ロータ駆動部74、ロータピニオンギヤ75)が回転する構成であるため、ロータ軸穴72やロータ軸受73に高精度な軸受を設ける必要がなく、冷媒切替弁60の製造原価を低減することができる。
加えて、ロータ70(ロータ駆動部74、ロータピニオンギヤ75)と弁体80を同軸とすることにより、弁体軸71を長くすることができる。弁体軸71が支持されるロータ軸穴72とロータ軸受73との距離が長くなることで、弁体軸71の傾きによる弁体80への影響を低減できる。すなわち、ロータ軸穴72やロータ軸受73の加工誤差に対する弁体軸71の傾きを小さくして、第二の弁座プレート67bに対する弁体軸71の直角度の精度を向上させることができるので、弁体80の精度が得やすく、弁体摺接面81において冷媒を確実に封止することができる。
また、図9に示すように、第1実施形態に係る冷媒切替弁60において、アイドラ軸78は片持ち構造となっており、冷媒切替弁60の組み立て性が向上する。なお、アイドラギヤ79が、上方向に移動した場合でも、アイドラ大歯車79bがロータ駆動部74と当接するので、アイドラギヤ79の脱落を防止することができるようになっている。また、ロータ駆動部74に突起部74sを形成し、アイドラギヤ79に突起部79sを形成することにより、接触面積を小さくすることが望ましい。
≪第2実施形態≫
次に、第2実施形態に係る冷媒切替弁およびこれを備える機器について、図16から図21を用いて説明する。
(第1モード)
図16は、第2実施形態に係る冷媒切替弁を用いた冷媒経路の第1モードを示す図である。
図16に示すように、第1モードにおいて、冷媒切替弁60は、流入口Aと連通口Bとが連通し(冷媒流れL1)、連通口Cと連通口Dとが連通する(冷媒流れL2)ようになっている。即ち、図5に示す第1実施形態の第1モードと同様であり、説明を省略する。
(第2モード)
図17は、第2実施形態に係る冷媒切替弁を用いた冷媒経路の第2モードを示す図である。
図17に示すように、第2モードにおいて、冷媒切替弁60は、連通口Bと連通口Cとが連通し(連通L5)、流入口Aおよび連通口Dは、他と連通しないようになっている。また、第2モードにおいて、圧縮機51は停止している状態となっている。即ち、図6に示す第1実施形態の第2モードとは、連通する位置が異なっている。
第2実施形態における第2モード(図17参照)についても、第1実施形態における第2モード(図6参照)と同様に、冷媒が循環する回路を遮断するようになっている。即ち、冷媒切替弁60の連通口Dが遮断されていることにより、第一冷媒配管55や凝縮器52、第二冷媒配管56や結露防止配管17内の比較的高温な冷媒が、第三冷媒配管57や冷却器7に流れ込むことを遮断して冷却器7の温度上昇を防止でき、冷蔵庫の省エネルギ性能を高くすることができる。
(第3モード)
図18は、第2実施形態に係る冷媒切替弁を用いた冷媒経路の第3モードを示す図である。
図18に示すように、第3モードにおいて、冷媒切替弁60は、流入口Aと連通口Dとが連通し(冷媒流れL4)、連通口Bおよび連通口Cは、他と連通しないようになっている。即ち、図7に示す第1実施形態の第3モードと同様であり、説明を省略する。
<第2実施形態に係る冷媒切替弁>
次に、第2実施形態に係る冷媒切替弁の弁体80による連通口B、C、Dの開閉動作について図19から図21を用いて説明する。なお、図19から図21において、説明のために弁座プレート67と接する弁体摺接面81にはハッチングを付加して図示している。図19(A)、図20(A)および図21(A)は、図8の矢印G方向から見たアイドラギヤ79、弁体80、流入口A、連通口B、連通口C、連通口Dの位置関係を説明する図である。図19(A)は、弁体80で覆われた連通口Cおよび連通口Dが連通凹部82で連通するとともに、連通口Bが弁ケース66内部に開口した第1状態である。図20(A)は、連通口B、連通口Cおよび連通口Dが弁体80で覆われるとともに、連通口Bおよび連通口Cが連通凹部82で連通する第2状態である。図21(A)は、連通口Bおよび連通口Cが弁体80で覆われるとともに、連通口Dが弁ケース66内部に開口した第3状態である。
第2実施形態に係る冷媒切替弁は、第1実施形態に係る冷媒切替弁(図13(A)参照)と比較して、図19(A)に示すように、連通口B、連通口Cおよび連通口Dの位置が異なっている。即ち、連通口Cの位置は、連通口Cは、弁体軸71(ロータ軸穴72)に対して流入口Aと同じ側の位置(弁体軸71(ロータ軸穴72)と流入口Aとの間)に設けられている。連通口Bおよび連通口Dは、連通口Cを挟んで対向した位置に設けられている。また、連通口B、連通口Cおよび連通口Dは、弁体軸71(ロータ軸穴72)を中心した同一円状に、90°の間隔で配置され、図19(A)において、反時計回りにB,C,Dの順になるように配置されている。
また、第1実施形態に係る冷媒切替弁は、第1状態(図13(A)参照)から第2状態(図14(A)参照)を経て、第3状態(図15(A)参照)に至る際、弁体80が反時計回りに回転するのに対し、第2実施形態に係る冷媒切替弁は、第1状態(図19(A)参照)から第2状態(図20(A)参照)を経て、第3状態(図21(A)参照)に至る際、弁体80が時計回りに回転する点で異なっている。
図19(B)は冷媒切替弁が第1状態(図19(A)参照)における冷媒経路を説明する模式図である。
冷媒切替弁60が第1状態(図19(A)参照)において、流入口Aから流入した冷媒は弁ケース66内を介して連通口Bへと流れることができるようになっている。また、連通口Cから流入した冷媒は、連通凹部82を介して連通口Dへと流れることができるようになっている。
即ち、第2実施形態に係る冷媒切替弁60を第1状態(図19(A)参照)とすることにより、冷媒経路を第1モード(図16参照)とすることができる。
図20(B)は冷媒切替弁が第2状態(図20(A)参照)における冷媒経路を説明する模式図であり、第2状態(図19(A)参照)から弁体80を時計回りに90°揺動させた状態である。
冷媒切替弁60が第2状態(図20(A)参照)において、連通口Bと連通口Cとは連通凹部82を介して連通するようになっている。また、連通口Dは弁体摺接面81で閉塞された状態となっている。このように、連通口B、連通口Cおよび連通口Dは、弁体80で覆われており、流入口Aは連通口と接続されておらず、閉塞された状態となっている。
即ち、第2実施形態に係る冷媒切替弁60を第2状態(図20(A)参照)とすることにより、冷媒経路を第2モード(図17参照)とすることができる。
図21(B)は冷媒切替弁が第3状態(図21(A)参照)における冷媒経路を説明する模式図であり、第2状態(図20(A)参照)から弁体80を時計回りに90°揺動させた状態である。
冷媒切替弁60が第3状態(図20(A)参照)において、流入口Aと連通口Dとは弁ケース66内を介して連通するようになっている。また、連通口Bは連通凹部82と連通するものの、他の連通口とは接続されておらず、閉塞された状態となっている。また、連通口Cは弁体摺接面81で閉塞された状態となっている。
即ち、第2実施形態に係る冷媒切替弁60を第3状態(図21(A)参照)とすることにより、冷媒経路を第3モード(図18参照)とすることができる。
<作用・効果>
図19から図21により説明したように、第2実施形態に係る冷媒切替弁は、弁体80を切り替えることにより、流入管68(流入口A)と連通管69b(連通口B)が連通するとともに、連通管69c(連通口C)と連通管69d(連通口D)が連通する第1状態(図19(A)参照)と、連通管69b(連通口B)と連通管69c(連通口C)が連通するとともに、連通管69d(連通口D)が閉塞する第2状態(図20(A)参照)と、流入管68(流入口A)と連通管69d(連通口D)が連通するとともに、連通管69b(連通口B)と連通管69c(連通口C)が閉塞する第3状態(図21(A)参照)と、切り替えることができる。これにより、冷媒の切替性能が向上した冷媒切替弁を提供することができる。また、この冷媒切替弁を備える機器(冷蔵庫)の実使用状態に即して、冷媒の切り替えが可能となる。
≪第3実施形態≫
次に、第3実施形態に係る冷媒切替弁について図22を用いて説明する。なお、図22において、説明のために弁座プレート67と接する弁体摺接面81Aにはハッチングを付加して図示している。図22(A)は第3実施形態に係る冷媒切替弁の第1状態の内部構成を示す説明図であり、図22(B)は第3実施形態に係る冷媒切替弁の第2状態の内部構成を示す説明図であり、図22(C)は第3実施形態に係る冷媒切替弁の第3状態の内部構成を示す説明図である。
第1実施形態に係る冷媒切替弁は四方弁であるのに対し、第3実施形態に係る冷媒切替弁は三方弁であり、弁座プレート67に流入口A、連通口Bおよび連通口Dが形成され、連通口Cが形成されていない点で異なっている。
また、第1実施形態の弁体80は、弁体摺接面81に連通凹部82が形成されているのに対し、第3実施形態の弁体80Aは、弁体摺接面81Aに連通凹部が形成されていない点で異なっている。
図22(A)は、連通口Bが弁ケース66内部に開口するとともに、連通口Dが弁体80Aで覆われた第1状態である。この第1状態において、流入口Aは連通口Bと連通し、連通口Dは閉塞した状態である。
図22(B)は、連通口Bおよび連通口Dが弁体80Aで覆われた第2状態であり、第1状態(図22(A)参照)から弁体80Aを反時計回りに90°揺動させた状態である。この第2状態において、連通口Bおよび連通口Dは閉塞し、流入口Aとはいずれも連通しない状態である。
図22(C)は、連通口Bが弁体80Aで覆われるとともに、連通口Dが弁ケース66内部に開口した第3状態であり、第2状態(図22(B)参照)から弁体80Aを反時計回りに90°揺動させた状態である。この第3状態において、流入口Aは連通口Dと連通し、連通口Bは閉塞した状態である。
流入口Aと連通する状態を「開」、流入口Aと連通しない状態を「閉」とし、連通口Bおよび連通口Dの状態を「連通口B/連通口D」の形式で表現すると、第3実施形態に係る冷媒切替弁は、「開/閉」、「閉/閉」、「閉/開」の3つの状態をとることができる。即ち、連通口Bのみが開状態(図22(A)参照)から、連通口Dのみが開状態(図22(C)参照)に切り替える際、連通口Bおよび連通口Dが閉状態(図22(B)参照)を経由して切り替える三方弁とすることができる。
第3実施形態に係る冷媒切替弁によれば、第1実施形態に係る冷媒切替弁と同様の構成によって三方弁として機能させることができる。また、冷媒の流通および遮断の切り替えを迅速に行うことができ、弁体摺接面81Aと弁座プレート67との間の密着性能が向上して、冷媒の漏洩を抑制する信頼性を向上させることができる。
≪第4実施形態≫
次に、第4実施形態に係る冷媒切替弁について図23および図24を用いて説明する。なお、図24において、説明のために弁座プレート67と接する弁体摺接面81Bにはハッチングを付加して図示している。図23は、第4実施形態に係る冷媒切替弁が備える弁体80Bの斜視図である。図24(A)は第4実施形態に係る冷媒切替弁の第1状態の内部構成を示す説明図であり、図24(B)は第4実施形態に係る冷媒切替弁の第2状態の内部構成を示す説明図であり、図24(C)は第4実施形態に係る冷媒切替弁の第3状態の内部構成を示す説明図である。図24(D)は第4実施形態に係る冷媒切替弁の第4状態の内部構成を示す説明図である。
第1実施形態に係る冷媒切替弁は四方弁であるのに対し、第4実施形態に係る冷媒切替弁は三方弁であり、弁座プレート67に流入口A、連通口Cおよび連通口Dが形成され、連通口Bが形成されていない点で異なっている。
また、第1実施形態の弁体80は、弁体摺接面81の面積が3つの連通口を塞ぐことが可能な大きさ(図20(A)参照)であり連通凹部82が形成されているのに対し、第4実施形態の弁体80Bは、弁体摺接面81Bの面積が隣接した2つの連通口(連通口Cと連通口D)を塞ぐことが可能な大きさ(図24(A)参照)であり連通凹部が形成されていない点で異なっている。さらに、弁体80Bの揺動角度を拡大するよう弁体80Bのストッパ84Bの形状と弁体ギヤ83の配設角度を拡大した点で異なっている。
図24(A)は、連通口Cおよび連通口Dが弁体80Bで覆われた第1状態である。この第1状態において、連通口Cおよび連通口Dは閉塞し、流入口Aとはいずれも連通しない状態である。
図24(B)は、連通口Cが弁ケース66内部に開口するとともに、連通口Dが弁体80Bで覆われた第2状態であり、第1状態(図24(A)参照)から弁体80Bを反時計回りに90°揺動させた状態である。この第2状態において、流入口Aは連通口Cと連通し、連通口Dは閉塞した状態である。
図24(C)は、連通口Cおよび連通口Dが弁ケース66内部に開口する第3状態であり、第2状態(図24(B)参照)から弁体80Bを反時計回りに90°揺動させた状態である。この第3状態において、流入口Aは連通口Cおよび連通口Dと連通する状態である。
図24(D)は、連通口Cが弁体80で覆われるとともに、連通口Dが弁ケース66内部に開口した第4状態であり、第3状態(図24(C)参照)から弁体80Bを反時計回りに90°揺動させた状態である。この第4状態において、流入口Aは連通口Dと連通し、連通口Cは閉塞した状態である。
流入口Aと連通する状態を「開」、流入口Aと連通しない状態を「閉」とし、連通口Cおよび連通口Dの状態を「連通口C/連通口D」の形式で表現すると、第4実施形態に係る冷媒切替弁は、「閉/閉」、「開/閉」、「開/開」、「閉/開」の4つの状態をとることができる。
また、第4実施形態に係る冷媒切替弁は、第2状態から第4状態の間で動作させることにより、「開/閉」、「開/開」、「閉/開」の3つの状態をとることができる。即ち、連通口Cのみが開状態(図24(B)参照)から、連通口Dのみが開状態(図24(D)参照)に切り替える際、連通口Cおよび連通口Dが開状態(図24(C)参照)を経由して切り替える三方弁とすることができる。
第4実施形態に係る冷媒切替弁によれば、第1実施形態に係る冷媒切替弁と同様の構成によって三方弁として機能させることができる。また、冷媒の流通および遮断の切り替えを迅速に行うことができ、弁体摺接面81Bと弁座プレート67との間の密着性能が向上して、冷媒の漏洩を抑制する信頼性を向上させることができる。
≪第5実施形態≫
次に、第5実施形態に係る冷媒切替弁について図25を用いて説明する。なお、図25において、説明のために弁座プレート67と接する弁体摺接面81Aにはハッチングを付加して図示している。
図25(A)は第5実施形態に係る冷媒切替弁の第1状態の内部構成を示す説明図であり、図25(B)は第5実施形態に係る冷媒切替弁の第2状態の内部構成を示す説明図である。
第1実施形態に係る冷媒切替弁は四方弁であるのに対し、第5実施形態に係る冷媒切替弁は二方弁であり、弁座プレート67に流入口Aおよび連通口Dが形成され、連通口Bおよび連通口Cが形成されていない点で異なっている。
また、第5実施形態の弁体80Aは、第3実施形態の弁体80Aと同様であり、弁体摺接面81Aに連通凹部が形成されていない点で異なっている。
図25(A)は、連通口Dが弁体80Aで覆われた第1状態である。この第1状態において、連通口Dは閉塞した状態であり、流入口Aとは連通しない状態である。
図25(B)は、連通口Dが弁ケース66内部に開口した第2状態であり、第1状態(図25(A)参照)から弁体80Aを反時計回りに180°揺動させた状態である。この第2状態において、流入口Aは連通口Dと連通する状態である。
流入口Aと連通する状態を「開」、流入口Aと連通しない状態を「閉」とし、連通口Dの状態を「連通口D」の形式で表現すると、第5実施形態に係る冷媒切替弁は、「開」、「閉」の2つの状態をとることができる。
第5実施形態に係る冷媒切替弁によれば、第1実施形態に係る冷媒切替弁と同様の構成によって二方弁として機能させることができる。また、冷媒の流通および遮断の切り替えを迅速に行うことができ、弁体摺接面81Aと弁座プレート67との間の密着性能が向上して、冷媒の漏洩を抑制する信頼性を向上させることができる。
≪第6実施形態≫
次に、第6実施形態に係る冷媒切替弁について図26および図27を用いて説明する。なお、図26(A)および図27(A)において、説明のために弁座プレート67と接する弁体摺接面81Cにはハッチングを付加して図示している。
図26(A)は第6実施形態に係る冷媒切替弁の第1状態の内部構成を示す説明図であり、図27(A)は第6実施形態に係る冷媒切替弁の第2状態の内部構成を示す説明図である。
第6実施形態に係る冷媒切替弁は四方弁であり、流入口A、連通口B、連通口Cおよび連通口Dが形成されている。流入口A、連通口B、連通口Cおよび連通口Dの配置は、第2実施形態の冷媒切替弁(図19(A)参照)と同様であり説明を省略する。
また、第6実施形態の弁体80Cは、弁体摺接面81Cの面積が隣接した2つの連通口(連通口Bと連通口Cまたは連通口Cと連通口D)を塞ぐことが可能な大きさであり、隣接した2つの連通口を連通させる連通凹部82Cが形成されている点で他の実施形態の弁体と異なっている。さらに、弁体80Cの揺動角度がおよそ90°に縮小するよう弁体80Cのストッパ84の形状と弁体ギヤ83の配設角度を縮小した点で異なっている。
図26(A)は、連通口Bが弁ケース66内部に開口するとともに、連通口Cおよび連通口Dが弁体80Cで覆われた第1状態である。この第1状態において、流入口Aは連通口Bと連通し、連通口Cおよび連通口Dは連通凹部82Cで連通する状態である。
図27(A)は、連通口Dが弁ケース66内部に開口するとともに、連通口Bおよび連通口Cが弁体80Cで覆われた第2状態である。この第2状態において、流入口Aは連通口Dと連通し、連通口Bおよび連通口Cは連通凹部82Cで連通する状態である。
第6実施形態に係る冷媒切替弁を備える機器として、空気調和機を例に説明する。
図26(B)は第6実施形態に係る冷媒切替弁と冷媒回路の第1モードを説明する図であり、図27(B)は第6実施形態に係る冷媒切替弁と冷媒回路の第2モードを説明する図である。
空気調和機の冷媒回路は、圧縮機51と、減圧手段54と、室内機の第1熱交換器58と、室外機の第2熱交換器59と、四方弁(第6実施形態に係る冷媒切替弁)と、を備え、冷媒配管で接続されている。
流入口Aには、流入管68が接続され、冷媒配管を介して、圧縮機51の高圧側吐出口が接続されている。連通口Bには、連通管69bが接続され、冷媒配管を介して、第1熱交換器58、減圧手段54、第2熱交換器59、連通口Dに接続された連通管69dが接続されている。連通口Cには、連通管69cが接続され、冷媒配管を介して、圧縮機51の低圧側吸入口に接続されている。
第6実施形態に係る冷媒切替弁を第1状態(図26(A)参照)とすることにより、図26(B)に示すように、圧縮機51により圧縮された高温高圧の冷媒は、流入管68、流入口A、弁ケース66内部、連通口B、連通管69bを介して、凝縮器として機能する第1熱交換器58(室内機)に流入する。第1熱交換器58に流入した高温高圧の冷媒は、第1熱交換器58で空気(室内空気)と熱交換することにより放熱して、室内空気を加熱(暖房)する。第1熱交換器58を通過した冷媒は、減圧手段54を通過した後、断熱膨張して低温低圧となり、蒸発器として機能する第2熱交換器59(室外機)に流入する。第2熱交換器59に流入した低温低圧の冷媒は、第2熱交換器59で空気(室外空気)と熱交換することにより吸熱する。第2熱交換器59を通過した冷媒は、連通管69d、連通口D、連通凹部82C、連通口C、連通管69cを介して、圧縮機51に戻る。これにより、空気調和機は、暖房運転を行うことができるようになっている。
第6実施形態に係る冷媒切替弁を第2状態(図27(A)参照)とすることにより、図27(B)に示すように、圧縮機51により圧縮された高温高圧の冷媒は、流入管68、流入口A、弁ケース66内部、連通口D、連通管69dを介して、凝縮器として機能する第2熱交換器59(室外機)に流入する。第2熱交換器59に流入した高温高圧の冷媒は、第2熱交換器59で空気(室外空気)と熱交換することにより放熱する。第2熱交換器59を通過した冷媒は、減圧手段54を通過した後、断熱膨張して低温低圧となり、蒸発器として機能する第1熱交換器58(室内機)に流入する。第1熱交換器58に流入した低温低圧の冷媒は、第1熱交換器58で空気(室内空気)と熱交換することにより吸熱して、室内空気を冷却(冷房)する。第1熱交換器58を通過した冷媒は、連通管69b、連通口B、連通凹部82C、連通口C、連通管69cを介して、圧縮機51に戻る。これにより、空気調和機は、冷房運転を行うことができるようになっている。
第6実施形態に係る冷媒切替弁によれば、第1実施形態に係る冷媒切替弁と同様の構成によって空気調和機の四方弁として機能させることができる。即ち、弁体80Cを揺動させることで空気調和機の暖房運転と冷房運転とを切り替えることができる。
≪弁座構造≫
次に、第1実施形態から第6実施形態に係る冷媒切替弁60の弁座構造について、図28を用いて更に説明する。
図28は、冷媒切替弁の第二の弁座プレート67bと弁体80と連通管69の断面を示す拡大部分断面図である。
図28に示すように、第二の弁座プレート67bの外周の第一の弁座プレート67aと嵌合する部分は、直径が下部より上部が縮小されて段差が設けられ、第一の弁座プレート67aと嵌合されて互いにロウ付けされて接合される。
第二の弁座プレート67bの中央には、貫通しない有底のロータ軸穴72が穿設され、弁体軸71を支持するようになっている。また、ロータ軸穴72に隣接して、連通管69(69b,69c,69d)の接続される連通孔88(連通管穴87)が開口されている。ここで、連通孔88(連通管穴87)は、弁体80が配置される側は、直径d0(例えば、φ1mm程度)の連通孔88が開口され、弁体80が配置される側の反対側は、直径(直径d1)が拡大(d1>d0)されており、連通管69が嵌合されてロウ付けされて接合される。
これら連通管69の接続される連通孔88は、弁体80の弁体摺接面81に設けられた連通凹部82に対応して配置するために、弁体軸71に近接した距離r(例えば、3mm程度)の位置に設ける必要がある。
一方、連通管69は冷媒配管として銅管を用いるのが一般的であり、連通管69を嵌合してロウ付けする連通管穴87は、連通孔88の内径より太い直径d1(例えば、φ3mm程度)であり、ロウ付けする際に第二の弁座プレート67bに対して位置決めするために、ある程度の深さt2(例えば、2mm程度)が必要となる。
ここで、第二の弁座プレート67bの厚さをt0、有底のロータ軸穴72の深さをt1、連通管69b、連通管69c、連通管69dを嵌合される深さをt2とすれば、t0>(t1+t2)なる関係を満たせば、ロータ軸穴72と連通管穴87とが干渉して穴があいて連通管69をロウ付けする際にロータ軸穴72にロウが流れ込むことを防止でき、好適である。これは、例えば、t0=5mm、t1=t2=2mmとして実現できる。
なお、弁体軸71は、有底のロータ軸穴72に嵌合されて固定されるものであり、ロウ付けされないので、弁体軸71と第二の弁座プレート67bの接合部にロウが表面張力によって隅部にフィレット状にはみ出すことがなく、はみだしたロウによって弁体が第二の弁座プレート67bへの密着を妨げられることがない、という効果がある。
また、図9に示す弁ケース66と第一の弁座プレート67aの外周とは、溶接、例えばTIG溶接(タングステン・不活性ガス溶接)やレーザ溶接によって密封される構成である。一方、弁体80やアイドラギヤ79は、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド樹脂)などの耐熱性樹脂で製作されるものの、温度上昇には限界がある。特に、弁体80の弁体摺接面81は、わずかな熱変形が生じても冷媒を封止できなくなるおそれがあるので、弁体80の温度上昇を抑制する構成が望ましい。
本実施形態(第1〜第6実施形態)に係る冷媒切替弁60の構成では、弁体80は、ロータ70と同軸に配置され、弁座プレート67(第一の弁座プレート67a、第二の弁座プレート67b)の中心に設けられた弁体軸71のまわりに揺動するように配置される構成であり、溶接される外周からは最も遠い位置に配置される。
これにより、溶接時の熱が最も伝わりにくく温度上昇しにくい位置に弁体80が配置されているので、弁ケース66と第一の弁座プレート67aの接合時における弁体80の熱変形を防止するという効果がある。
図13に示す第1実施形態の第1モードや、図19に示す第2実施形態の第1モードにおいて、冷媒は連通口Cから連通口Dに連通凹部82を通って流れるようになっている。
ここで、連通凹部82の断面寸法として、図28に示す連通凹部82の幅wを、概ね連通孔88の直径d0と等しいかやや大きい値とし、図28に示す連通凹部82の深さhを概ねwと等しい寸法とすることが望ましい。
このような寸法とすることで、冷媒が連通口Cから連通凹部82に流入する際に、流路が急拡大して圧力損失を生じることを防止でき、あるいは逆に、流路が縮小されて流速が高まり動圧が上昇して弁体80が浮上することを防止できるので好適である。
また、連通口Dに対応して第二の弁座プレート67bに開口した穴の直径を、連通口Cに対応した第二の弁座プレート67bに開口した穴の直径よりも大きくすることで、連通凹部82から連通口Dに冷媒が流出する際の圧力損失を低減することができる。また、連通凹部82の内部の圧力上昇を防止することで弁体80の浮上をさらに抑制することができ、弁体摺接面81が確実に第二の弁座プレート67bに当接され、密閉性が向上するという効果がある。
≪液封時の動作≫
次に、図29(適宜図7、図15(B)等)を用いて、冷媒経路(冷媒回路)に所謂液封が生じた場合について説明する。ここで、液封とは、両端が閉じられた冷媒回路、即ち閉回路が液体の冷媒で満たされ、その後温度上昇して冷媒が熱膨張することで冷媒回路配管内部や弁体内部に高圧が生じる現象である。
前述したように、第1実施形態に係る冷媒切替弁60における第3モード(図7、図15(B)参照)および、第2実施形態に係る冷媒切替弁60における第2モード(図17、図20(B)参照)、第3モード(図18、図21(B)参照)において、第二冷媒配管56(および結露防止配管17)は、両端を弁体80で封止された閉回路となる。
ちなみに、第1実施形態に係る冷媒切替弁60における第2モード(図8、図16(B)参照)は、冷媒切替弁60の流入口Aと連通口Cとが連通(連通L3)している。このため、第二冷媒配管56(および結露防止配管17)は、内部の体積が比較的大きな凝縮器52と連通する状態となっている。これにより、封入された総冷媒量の体積(液体時)よりも閉回路の体積(凝縮器52、第一冷媒配管55、第二冷媒配管56、結露防止配管17)を大きくすることができるので、液封を防止することができる。また、冷媒切替弁60の連通口Dと圧縮機51とで閉じられた第三冷媒配管57や冷却器7についても、蒸発器として機能する冷却器7の内部の体積が比較的大きいため、液封を防止することができるようになっている。
図29は、連通管69側の圧力が上昇した際の冷媒切替弁60の第二の弁座プレート67bと弁体80と連通管69の断面を示す拡大部分断面図である。
閉回路の内部が全て液体の冷媒で満たされて、その後温度上昇して冷媒が熱膨張すると、熱膨張した冷媒の圧力P2が、連通管69から弁体80に(図示下方から上方に)向けて加わる。
ところで、図9ないし図12により説明したように、弁体80は、ロータ70(ロータ駆動部74、ロータピニオンギヤ75)が弁体80に載置され、ロータ70(ロータ駆動部74、ロータピニオンギヤ75)の自重と板バネ86の付勢力によって、第二の弁座プレート67bに対して予圧される構成である。また、弁体80には、弁ケース66内部の冷媒の圧力P1に起因する押圧力が加わる。
ここで、冷媒の圧力P2により、ロータ70(ロータ駆動部74、ロータピニオンギヤ75)の自重、板バネ86の付勢力、および圧力P1に起因する押圧力の合計を上回る力を受けると、板バネ86が縮んで、図29に示すように、弁体軸71に沿って、弁体80およびロータ70(ロータ駆動部74、ロータピニオンギヤ75)が第二の弁座プレート67bから浮上する方向に移動する。弁体80が浮上することにより、連通管69内の冷媒は、弁体80と第二の弁座プレート67bの隙間から、弁ケース66内部に流出して、連通管69内の圧力が低下する。そして、連通管69内の圧力が低下すると、ロータ70(ロータ駆動部74、ロータピニオンギヤ75)の自重と板バネ86の付勢力によって、弁体80は、第二の弁座プレート67bに密着する。
このように、弁体80は第二の弁座プレート67bから浮上することができるので、連通管69内の圧力が異常に上昇することを防止することができるという効果がある。
なお、連通管69内の圧力が異常に上昇することを防止する効果は、連通管69内が液体冷媒で満たされる液封の状態に限られるものではなく、連通管69内部は気体のみまたは気体と液体の混合状態であって、温度上昇によって熱膨張して圧力が上昇した場合にも同様な効果がある。
≪弁体摺接面≫
次に、弁体80の弁体摺接面81について、図30を用いて更に説明する。
図30は、第1実施形態に係る冷媒切替弁60の弁体摺接面81と連通口B、C、Dとの関係を示す図であり、(A)は第1状態、(B)は第1状態から第2状態への遷移時の状態、(C)は第2状態、(D)は第2状態から第3状態への遷移時の状態、(E)は第3状態である。
図30(B)に示すように、弁体80が反時計回りに回転して、第1状態(図13(A)、図30(A)参照)から第2状態(図14(A)、図30(C)参照)に遷移する際、弁体摺接面81は、全ての連通口B、C、Dを塞ぐことがないようになっている。即ち、連通口Bが弁ケース66内部に開口した状態(図30(A)参照)から、連通口Bおよび連通口Cが弁ケース66内部に開口した状態(図30(B)参照)を経て、連通口Cが弁ケース66内部に開口した状態(図30(C)参照)となる。
また、図30(D)に示すように、弁体80が反時計回りに回転して、第2状態(図14(A)、図30(C)参照)から第3状態(図15(A)、図30(E)参照)に遷移する際、弁体摺接面81は、全ての連通口B、C、Dを塞ぐことがないようになっている。即ち、連通口Cが弁ケース66内部に開口した状態(図30(C)参照)から、連通口Cおよび連通口Dが弁ケース66内部に開口した状態(図30(D)参照)を経て、連通口Dが弁ケース66内部に開口した状態(図30(E)参照)となる。
第1状態(図13(A)、図30(A)参照)から第2状態(図14(A)、図30(C)参照)に遷移する際、連通口Bおよび連通口Cの少なくとも一方が弁ケース66内部に開口し、流入口A(第一冷媒配管55および凝縮器52)と連通するようになっているので、封入された総冷媒量の体積(液体時)よりも閉回路の体積(凝縮器52、第一冷媒配管55、第二冷媒配管56、結露防止配管17)を大きくすることができるので、第二冷媒配管56(および結露防止配管17)の液封を防止することができる。
また、第2状態(図14(A)、図30(C)参照)から第3状態(図15(A)、図30(E)参照)に遷移する際、または、第3状態(図15(A)、図30(E)参照)から第2状態(図14(A)、図30(C)参照)に遷移する際、流入口A、連通口Cおよび連通口Dが弁ケース66内部に開口し、連通するようになっているので、流入口Aと接続する第一冷媒配管55(および凝縮器52)、連通口Cと接続する第二冷媒配管56(および結露防止配管17)、連通口Dと接続する第三冷媒配管57(および冷却器7の冷却器配管7a)を連通させることができる。これにより、いずれかの冷媒配管に冷媒が偏ることを防止することができ、液封の発生を低減させることができる。