JP7425719B2

JP7425719B2 - ロータリー式切換弁

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Publication number: JP7425719B2
Application number: JP2020216483A
Authority: JP
Inventors: 宏光木村
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2020-12-25
Publication date: 2024-01-31
Anticipated expiration: 2040-12-25
Also published as: JP2022102022A; CN114688304B; CN114688304A

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）として例えば特開２００５－２５６８５３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、主弁の上部の空間（弁室）の圧力を低減させて弁座の高圧ポートからの圧力により主弁を弁座から上昇させ、主弁を回転させて所定位置で弁座に着座させるよう構成されている。そして、この主弁を浮かせるとき、主弁に接する副弁を弁本体に当接させるようにしている。

特開２００５－２５６８５３号公報

特許文献１のものでは、主弁を上昇して回転するとき、主弁の上昇力を副弁を介して本体の広い面で受けることとなるため、大きな摩擦トルクが発生し、大きな駆動トルクを確保する必要がある。このため駆動部も大型化するという問題がある。

本発明は、流路切換時に主弁を上昇して回転するロータリー式切換弁において、主弁の上昇力を受ける部位での摩擦トルクを低減し、消費電力を低減するとともに駆動部の小型化を図ることを課題とする。

本発明のロータリー式切換弁は、弁室を有するケース部材と、前記弁室に対向して設けられた弁座と、前記弁室内で前記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、前記ケース部材と前記弁座との間に配設されるとともに、前記主弁を前記軸線上に保持して前記主弁と共に回転可能に配設された前記主弁と別体の主軸とを備え、前記主弁を前記弁座から上昇させて回転させることで、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、前記主弁の上昇時の上昇力を、前記主軸で受けるとともに該主軸の前記ケース部材側の端部を介して前記ケース部材で受けるよう構成されていることを特徴とする。

この際に、前記主軸の前記ケース部材側の端部が、点接触により前記上昇力を前記ケース部材側に伝達するよう構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。

また、前記主軸の前記ケース部材側の端部において、球面により前記点接触を構成し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。

また、前記主軸の中央部の段差部にて前記主弁を受けるよう構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。

また、前記主軸の段差部と前記主弁との間にワッシャが配設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。

本発明のロータリー式切換弁によれば、主弁の上昇力を受ける部位での摩擦トルクが低減し、消費電力を低減できるとともに駆動部の小型化を図ることができる。

本発明の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。実施形態におけるロータリー式切換弁の均圧孔開状態の要部縦断面図である。実施形態におけるロータリー式切換弁の中心軸端部の拡大図である。実施形態におけるロータリー式切換弁の初期状態を示す図である。実施形態におけるロータリー式切換弁の流路切換中の前段の状態を示す図である。実施形態におけるロータリー式切換弁の流路切換中の後段の状態を示す図である。実施形態におけるロータリー式切換弁の流路切換の完了状態を示す図である。実施形態におけるロータリー式切換弁の中心軸端部の変形例を示す図である。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は本発明の実施形態におけるロータリー式切換弁の均圧孔閉状態（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均圧孔開状態（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中心軸端部の拡大図、図４乃至図７は同ロータリー式切換弁の流路切換時の動作に応じた状態変化を示す図である。図４（Ｃ）乃至図７の（Ｃ）図において斜線（ハッチング）を付けた部位は主弁が弁座に着座して接触している部分を示している。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、「主軸」としての中心軸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との間に配設されている。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とを一体に形成して構成され、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。また、主弁１の軸受け部１３の上端には、中心軸６を挿通してワッシャ１４が配設されている。そして、主弁１が軸線Ｘ方向に上昇すると、主弁１はワッシャ１４を介して中心軸６の上下方向長さの中央部の段差部６ａに当接する。したがって、この主弁１が上昇するときの上昇力は、ワッシャ１４を介して中心軸６に伝達される。

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の天井の中央より軸線Ｘ寄りには、ピストン部１２の内側の副弁収容室１２Ａに連通する均圧孔１１ａが形成されている（貫通孔１１ｂを介して均圧孔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は弁座３１に設けられたストップピン３１ａに当接する。

また、ピストン部１２の内側は略円柱状の副弁収容室１２Ａとなっており、この副弁収容室１２Ａの底部には、軸線Ｘ周りの周上で副弁２側に凸となる主弁凸部１２１が形成されている。この主弁凸部１２１が円周回りの断面形状が台形状であり、円周回り方向の左右両方の端部はテーパ面となっている。そして、この主弁凸部１２１には、副弁収容室１２Ａに開口する前記均圧孔１１ａが形成されている。この主弁凸部１２１は一つでもよいが、この実施形態では、この主弁凸部１２１の他に、外形が主弁凸部１２１と同様で均圧孔のない主弁凸部が３つ、円周回りに等間隔（等角度）で形成されいる。また、副弁収容室１２Ａの内周面の２カ所には軸線Ｘ側に突出する副弁ストッパ１２２，１２２が形成されている。

副弁２は、主弁１のピストン部１２の副弁収容室１２Ａ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の中心には上から見て略長方形の角孔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、主弁凸部１２１と同一円周上で主弁１側に凸となる２つの副弁凸部２１１，２１１が形成されている。この２つの副弁凸部２１１，２１１は、円周回りの断面形状が台形状であり、円周回り方向の左右両方向の端部はテーパ面となっている。そして、この２つの副弁凸部２１１，２１１は、主弁凸部１２１を挟みうるように円周回りで離間して形成されている。そして、この２つの副弁凸部２１１，２１１の間（中間位置）には、主弁１の均圧孔１１ａに連通可能な均圧流路２１ａが形成されている。また、副弁凸部２１１，２１１の軸線Ｘ方向の端部は、主弁１の主弁凸部１２１の均圧孔１１ａを封止する副弁シール部となっている。さらに、フランジ部２１の軸線Ｘ回りの端部は、主弁当接部２１２，２１２となっており、この主弁当接部２１２，２１２は主弁１の副弁ストッパ１２２，１２２に択一的に当接する。

図４乃至図７の（Ｃ）図に示すように、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。

図４は流路切換の初期状態を示し、図５は流路切換中の前段の状態、図６は流路切換中の後段の状態、図７は流路切換の完了状態をそれぞれ示している。また、図４乃至図７において、（Ｂ）図は（Ａ）図に示す矢印Ａの方向から見た一部破砕図である。

まず、図１及び図４の状態では、副弁２の副弁凸部２１１が主弁凸部１２１の均圧孔１１ａを閉じている。そして、駆動部５が作動（図１の上から見て反時計回りに回転）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周りの反時計回りに回転する。なお、このときは均圧孔１１ａが閉じられて主弁１は圧力差により弁座３１に押しつけられた状態であるため副弁２が回転しても主弁１は弁座３１との摩擦力により回転できず、副弁２だけが回転する。副弁２が回転すると、副弁凸部２１１が主弁凸部１２１上をスライドして、主弁凸部１２１の均圧孔１１ａが均圧流路２１ａにより開かれる。これにより、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の上部側が低圧となるため、高圧空間１１Ｂと弁室４Ａの高圧との差圧により、主弁１には上向きの力が発生し、図２及び図５に示すように主弁１が弁座３１から浮上し、副弁凸部２１１と主弁凸部１２１が互い違いに噛み合う。

そして、さらに反時計回りに回転させることで、副弁２の他方の副弁凸部２１１が軸線Ｘ回りの周方向の左右両端部であるテーパ面（斜面）の一方（反時計回転の為、右端部のテーパ面）が主弁凸部１２１の周方向の左右両端部であるテーパ面（斜面）の一方（反時計回転の為、左端部のテーパ面）に当接し、主弁１が副弁２と共に回転し、図６のように、主弁１のストップピン当接部１１３がストップピン３１ａに当接する。この状態で副弁２をさらに反時計回転で回転させると、主弁1はストップピン３１ａと当接している為、これ以上反時計回り方向に回転できない為、副弁凸部２１１が、主弁凸部１２１と当接している互いのテーパ面の傾斜を使って主弁凸部１２１に乗り上がり、さらに回転させることにより、図７のように、副弁２の主弁当接部２１２は主弁１の副弁ストッパ１２２に周方向に当接し副弁２が回転停止するとともに、他方の副弁凸部２１１が主弁凸部１２１の均圧孔１１ａを閉じる。これにより、ピストンリング１２ａ（及びピストン部１２）とガイド孔４１とのクリアランスを介して高圧の流体がピストン部１２の上部へ流れ込んだ流れが、均圧孔１１ａから低圧流路１１Ａに逃げることが出来ない為、主弁1の上側が高圧となり、図７のように、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。

図３は図２に「Ｐ」で示す一点鎖線の丸の部分（中心軸６の端部）の拡大図である。ケース部４の天部の中央には中心軸６の外径に整合する内径を有する円筒孔４２が形成されている。また、中心軸６の端部には、円環状のリム部をかしめることによりボール６１が固着されている。ケース部４の円筒孔４２の底面４２ａは研磨等により平面状に形成されており、前記主弁１及び中心軸６が上昇したとき、ボール６１が底面４２ａに当接する。すなわち、ボール６１が円筒孔４２の底面４２ａに点接触することで、主弁１の上昇力を中心軸６を介してケース部材４で受けるようになっている。したがって、この中心軸６のボール６１とケース部材４（底面４２ａ）の間の軸線Ｘ回りの摩擦力が殆どなく、主弁１を回転させるための回転トルクが小さくてよい。したがって、駆動部５を小型化することができる。

図８は中心軸６の端部の変形例を示す図である。図８（Ａ）の変形例１は、ケース部４の円筒孔４２の底面４２ａに研磨等を施さずに円筒孔４２の切削加工によりできたバリを削除したものであり、底面４２ａにバリの削除により凹部４２ｂが形成されている。そして、この変形例１では中心軸６のボール６１を円錐状の凹部４２ｂの開口円周上部に線状に当接させたものである。従って、前記点接触時よりも多少摩擦力が大きくなる。これに対し、図８（Ｂ）の変形例２は、円筒孔４２の奥にさらに円筒孔４２′を形成し、この円筒孔４２′内の凹部４２ｂ′と中心軸６のボール６１との間に第２のボール６１′を配設したものである。この変形例２ではボール６１と第２のボール６１′とが軸線Ｘ上で点接触する。点接触となる為、変形例1の円錐状凹部４２ｂを形成したときの線接触よりも摩擦力が少なく、回転トルクも小さくなる。

また、図３の点接触の実施形態のものでは、ケース４は通常は硬度の高い（ＳＵＳ４４０Ｃ等）ボール６１よりも硬度が低い材質で作られている為、使用時間の増加につれて、ケース４側が摩耗、変形し、ボール６１とケース４の接触面積が増加し、摩擦力が大きくなっていくが、この変形例２の構成では、通常、硬度の高いボール同士での点接触であり、図３の実施形態のものよりも摩耗しにくく、耐久性に優れ、回転トルク小を維持できる。なお、主弁１及び中心軸６が軸線X方向に上昇したとき、中心軸６の上下方向長さの中央部の段差部６ａにて、主弁１を受ける様に構成されているため、中心軸６の下方部(の段差部等)で主弁１を受ける構成の場合よりも中心軸６の左右へのふらつきがなく、安定した回転作動となる。また、中心軸６の段差部６ａと主弁１との間にワッシャ１４が配設されていることにより、主弁１及び中心軸６が軸X方向に上昇したときの上昇力を、中心軸６の段差部６ａよりも面積の広いワッシャ面で受け、中心軸６に伝達する事が出来る。従って、主弁１の上昇力を中心軸６に伝える当接面の面圧が、ワッシャなしの段差部６ａとの面圧よりも下がり、主弁１の表面当接部の食い込みが防止でき、作動安定性向上となる。また、安価なワッシャ１４を間に配設するだけで食い込み防止となる為、ワッシャなしで中心軸６の段差部６ａの面積を広くする為の軸の大径化や、軸にフランジ部加工を施すなどの切削加工等によるコストアップを回避する事が出来る。

以上のように、主弁１の上昇時の上昇力を、中心軸６（主軸）で受けるとともに中心軸６（主軸）のケース部材４側の端部で受けるよう構成されているので、ボール６１がある場合は勿論であるが、ボール６１をなくした場合の中心軸６と円筒孔４２の底面４２ａとの接触面積は、少なくとも中心軸６の軸線Ｘと直交する面の断面積以下の大きさしかなく、かつその接触面積は軸線Ｘに極めて近い範囲にあるので、摩擦トルクを極めて小さく低減できる。

なお、図１のように、均圧孔１１ａは貫通孔１１ｂの上部で導通しており、主弁凸部１２１の均圧孔１１ａは低圧流路１１Ａから軸線Ｘ方向（上方向）に開いた貫通孔１１ｂに対して軸線Ｘに近い位置（軸線Ｘ側にシフトした位置）に形成されている。すなわち、主弁凸部１２１と副弁凸部２１１も軸線Ｘに近い位置（軸線Ｘ側にシフトした位置）に形成されている。したがって、貫通孔１１ｂの位置（軸線Ｘからの位置）に均圧孔を開けた場合よりも、副弁凸部２１１が主弁凸部１２１に乗り上げる際の回転トルクが小さくなり、駆動部５の動力を小さくできる。また、図１等の実施形態では、貫通孔１１ｂは軸線方向（上方向）に開いた孔としたが、軸線方向に開く穴に限定するものではなく、軸線方向に対し、傾いた斜め孔としても良い。また、本実施形態に於いて、副弁２における２つの副弁凸部２１１の間に、主弁凸部１２１の均圧孔１１ａに連通可能な均圧流路２１ａが形成されていることによる効果は以下の通りである。均圧流路２１ａが形成されていない場合でも、均圧孔１１ａが開いた時に、主弁と副弁の狭い隙間を流れ、低圧流路１１Ａと副弁収容室１２Ａとを均圧することは可能ではあるが、均圧流路２１ａが形成されていることで、より確実に、早く、低圧流路１１Ａと副弁収容室１２Ａとを均圧をすることができる。

図９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、冷房運転時には主弁１を上記説明のように反時計回りに回転させることで、図９（Ａ）の状態となり、暖房運転時には主弁１を上記説明とは逆の時計回りに回転させることで、図９（Ｂ）の状態となる。なお、この図９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９（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９（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。

以上の実施形態では、中心軸（主軸）の端部にボールを設けることで点接触を実現しているが、中心軸の端部を単に球面加工したものでもよい。また、実施形態では、主弁凸部と副弁凸部との係合により主弁を回転させるようにした例を説明したが、主弁を回転させる構造は他の構成でもよい。

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
１１Ａ低圧流路
１１Ｂ高圧空間
１１ａ均圧孔
１１ｂ貫通孔
１１３ストップピン当接部
１２ピストン部
１２１主弁凸部
２副弁
２１フランジ部
２１１副弁凸部
３弁座部材
３１弁座
３１ＤＤポート
３１ＳＳポート
３１ＥＥ切換ポート
３１ＣＣ切換ポート
３１ａストップピン
４ケース部材
４Ａ弁室
４２円筒孔
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
６１ボール
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

弁室を有するケース部材と、前記弁室に対向して設けられた弁座と、前記弁室内で前記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、前記ケース部材と前記弁座との間に配設されるとともに、前記主弁を前記軸線上に保持して前記主弁と共に回転可能に配設された前記主弁と別体の主軸とを備え、前記主弁を前記弁座から上昇させて回転させることで、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、
前記主弁の上昇時の上昇力を、前記主軸で受けるとともに該主軸の前記ケース部材側の端部を介して前記ケース部材で受けるよう構成されていることを特徴とするロータリー式切換弁。
前記主軸の前記ケース部材側の端部が、点接触により前記上昇力を前記ケース部材側に伝達するよう構成されてい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。
前記主軸の前記ケース部材側の端部において、球面により前記点接触を構成してい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。
前記主軸の中央部の段差部にて前記主弁を受けるよう構成されていることを特徴とする請求項１乃至３に記載のロータリー式切換弁。
前記主軸の段差部と前記主弁との間にワッシャが配設されていることを特徴とする請求項４に記載のロータリー式切換弁。