JP2005156146A - Expansion valve - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、膨張弁であって、弁ハウジングに設けられた弁室内で軸方向に移動可能な絞り体が設けられており、該絞り体がアクチュエータによって弁ばねの力に抗して運転パラメータおよび周辺パラメータに関連して調節され得ることにより、前記絞り体が流入部と流出部との間で当該膨張弁を通る通流量を絞るか、または遮断するようになっている形式のものに関する。 The present invention is an expansion valve, and is provided with a throttle body that is movable in the axial direction within a valve chamber provided in a valve housing. It can be adjusted in relation to the peripheral parameters, so that the throttle body is adapted to throttle or block the flow through the expansion valve between the inlet and outlet.
欧州特許出願公開第0945291号明細書に基づき、自動車の有効室の暖房および冷房のための装置および方法が公知である。冷媒は暖房運転時ではコンプレッサにより圧縮されて、3ポート2位置弁を介して室内熱交換器へ流入し、この室内熱交換器において冷媒は、圧縮により形成された熱の一部を、低温の車両室内空気へ引き渡す。室内熱交換器から冷媒は膨張装置へ流入し、この膨張装置において冷媒は、後続配置されたエバポレータ(蒸発器)において周辺空気から熱を吸収し得るようになる程度にまで冷却される。膨張装置は少なくとも1つの膨張弁を有している。 An apparatus and method for heating and cooling an automobile's effective room is known from EP-A-0945291. During the heating operation, the refrigerant is compressed by the compressor and flows into the indoor heat exchanger through the three-port two-position valve. In this indoor heat exchanger, the refrigerant removes a part of the heat formed by the compression at a low temperature. Delivered to vehicle interior air. The refrigerant flows from the indoor heat exchanger into the expansion device, and in this expansion device, the refrigerant is cooled to such an extent that heat can be absorbed from the surrounding air in an evaporator (evaporator) arranged subsequently. The expansion device has at least one expansion valve.
ドイツ連邦共和国特許第10125789号明細書に基づき、膨張弁を備えた弁装置が公知である。この膨張弁には高圧側で冷媒が流入し、低圧側ではこの膨張弁から冷媒が流出する。高圧側から低圧側への通流量は絞り体によって制御される。この絞り体はハウジング固定の弁座と協働し、かつ作動装置によって軸方向に移動可能である。操作ユニットを備えた膨張弁は極めて複雑に形成されていて、大きな手間がかかる。弁が完全に閉鎖された状態における座弁の高いシール性は有利である。これによって原理的には、最小の容積流においてなお規定された高圧を入力制御することも可能となる。遮断機能は、たとえば安全上の理由から望ましいとされており、これにより、管路破断時に膨張弁の下流側で過度に大量の冷媒が流出してしまうことが回避される。しかし、特に振動時に絞り体が弁座に衝突すると、座弁はしばしば不都合な騒音を発生させる。 A valve device with an expansion valve is known from DE 10125789. The refrigerant flows into the expansion valve on the high pressure side, and the refrigerant flows out from the expansion valve on the low pressure side. The flow rate from the high pressure side to the low pressure side is controlled by the throttle body. This throttle body cooperates with a valve seat fixed to the housing and can be moved axially by means of an actuating device. The expansion valve provided with the operation unit is extremely complicated and takes a lot of time and effort. The high sealing performance of the seat valve when the valve is completely closed is advantageous. In principle, this also makes it possible to control the input of the high pressure that is still defined with a minimum volume flow. The shut-off function is desirable for safety reasons, for example, and this prevents an excessive amount of refrigerant from flowing out downstream of the expansion valve when the pipe line is broken. However, when the throttle body collides with the valve seat, particularly during vibration, the seat valve often generates inconvenient noise.
さらに、騒音の少ない運転を有するスプール弁が知られている。しかし、スプール弁は一般に完全に密には閉鎖されない。なぜならば、とりわけ冷媒として二酸化炭素が使用されるエアコンディショナにおいて発生するような特に高い圧力差において、弁スプールとハウジングとの間の運動ギャップを介して冷媒が流出してしまうからである。この冷媒体積流量はエアコンディショナの運転のためには大き過ぎてしまう。さらに、このような漏れに基づき、低い圧力では、エアコンディショナを効率および出力に関して好都合な運転領域において運転するために十分な圧力を形成することができなくなる。
本発明の課題は、冒頭で述べた形式の膨張弁を改良して、座弁の持つ騒音問題と、スプール弁の持つ漏れ問題とが十分に解消されるような膨張弁を提供することである。 An object of the present invention is to provide an expansion valve that sufficiently improves the noise problem of the seat valve and the leakage problem of the spool valve by improving the expansion valve of the type described at the beginning. .
この課題を解決するために本発明の構成では、前記絞り体が中空円筒状の弁スプールであり、該弁スプールの一方の端部が端面壁により閉鎖されており、前記弁スプールの周面が少なくとも1つの制御孔を有しており、該制御孔が、弁ハウジングに設けられた少なくとも1つの流入孔と協働するようになっており、前記弁スプールの開いた方の端面側に皿形の弁ヘッドが設けられており、該弁ヘッドが弁ステムを介して前記弁スプールに結合されており、さらに前記弁ヘッドが弁座に向けられており、該弁座が、弁ハウジングに設けられた流出開口を取り囲んでおり、ただし前記制御孔は軸方向で前記弁ヘッドに対して相対的に、前記弁ヘッドが前記弁座に載着する前に前記流入孔が既に閉鎖されているように配置されているようにした。 In order to solve this problem, in the configuration of the present invention, the throttle body is a hollow cylindrical valve spool, one end of the valve spool is closed by an end face wall, and the peripheral surface of the valve spool is At least one control hole, and the control hole cooperates with at least one inflow hole provided in the valve housing. The valve head is coupled to the valve spool via a valve stem, the valve head is directed to the valve seat, and the valve seat is disposed on the valve housing. The control hole is axially relative to the valve head, so that the inflow hole is already closed before the valve head is mounted on the valve seat. It was arranged.
本発明によれば、スプール弁と座弁とを組み合わせることにより、膨張弁を一方では密に閉鎖し、他方では弁スプールによって比例的な開放のために使用することが可能となる。この場合、皿形の弁ヘッドと弁スプールとは、同じアクチュエータによって同時に操作される。アクチュエータが作動させられていない状態で膨張弁を開放しておきたいのか、または閉鎖しておきたいのかに応じて、弁ばねは弁スプールを、ひいてはそれと同時に弁ヘッドを開放方向または閉鎖方向に負荷することができる。重要となるのは、弁ばねと駆動装置とが、弁ヘッドにおける圧力差に基づいた力を克服し得るように弁ばねと駆動装置とが設計されかつ互いに調和されていることである。さらに、弁ヘッドが閉鎖する前に、弁スプールが既に閉鎖されていることが望ましい。この場合、流入孔に対する弁スプールの十分に大きなオーバラップが配慮されなければならない。これにより、振動および騒音を回避することができる。なぜならば、弁スプールに存在する、ほとんど閉鎖された環状ギャップに基づき、弁ヘッドを取り囲む流れはもはやほとんど存在しなくなり、したがって弁ヘッドにおいて、もはや騒音は形成されなくなるからである。弁ヘッドはほぼ騒音なしに弁座に載着する。 According to the invention, the combination of the spool valve and the seat valve allows the expansion valve to be closed tightly on the one hand and on the other hand to be used for proportional opening by the valve spool. In this case, the dish-shaped valve head and the valve spool are simultaneously operated by the same actuator. Depending on whether the expansion valve is to be opened or closed when the actuator is not actuated, the valve spring loads the valve spool and thus simultaneously the valve head in the opening or closing direction. can do. What is important is that the valve spring and the drive device are designed and harmonized with each other so that the valve spring and the drive device can overcome the force based on the pressure difference in the valve head. Furthermore, it is desirable that the valve spool is already closed before the valve head is closed. In this case, a sufficiently large overlap of the valve spool with respect to the inlet hole must be taken into account. Thereby, vibration and noise can be avoided. This is because, based on the almost closed annular gap present in the valve spool, there is no longer any flow surrounding the valve head and therefore no more noise is formed in the valve head. The valve head rests on the valve seat with almost no noise.
弁座のシール面としては、たとえば円形ゴムリング(Oリング)、金属製パッキン等のようなシール技術を種々のバリエーションで使用することができる。騒音特性に関しては、弁座が弾性的なエレメントによって形成されていると有利である。 As a sealing surface of the valve seat, for example, a sealing technique such as a circular rubber ring (O-ring), metal packing or the like can be used in various variations. With regard to noise characteristics, it is advantageous if the valve seat is formed by an elastic element.
さらに、本発明の有利な構成では、アクチュエータが電磁石であり、該電磁石のアーマチュアがアーマチュアプランジャを介して前記弁スプールもしくは前記弁ステムに作用するようになっている。電磁石はパルス幅変調された信号により制御され得ると有利である。この信号は特定の信号領域において弁スプールを比例弁として運動させ、その他の信号領域においては膨張弁の閉鎖を生ぜしめる。特定の閉鎖度が超えられると、弁スプールと弁ヘッドとは弁座における圧力差により自動的に閉鎖される。 Furthermore, in an advantageous configuration of the invention, the actuator is an electromagnet, and the armature of the electromagnet acts on the valve spool or the valve stem via an armature plunger. Advantageously, the electromagnet can be controlled by a pulse width modulated signal. This signal causes the valve spool to move as a proportional valve in certain signal regions and causes the expansion valve to close in other signal regions. When a certain degree of closure is exceeded, the valve spool and the valve head are automatically closed due to the pressure difference in the valve seat.
弁スプールの軸方向の運動により、弁ハウジングとピストンスプールの端面壁との間に封入されている容積が変化する。端面壁の両側の圧力が補償され得るようにするために、この端面壁には補償孔が設けられている。 The axial movement of the valve spool changes the volume enclosed between the valve housing and the end wall of the piston spool. In order to be able to compensate the pressure on both sides of the end face wall, the end face wall is provided with compensation holes.
弁ヘッドの閉鎖範囲では、この弁ヘッドに一方では高圧側の圧力が作用し、他方では低圧側の圧力が作用する。電磁石の所要の作動力を小さく保持するためには、弁ヘッドと弁スプールとに作用する圧力を少なくとも部分的に補償することが有利である。このためには、弁ハウジング内に、アクチュエータ寄りの側で第2の弁室が設けられている。この第2の弁室は接続開口を介して第1の弁室に接続されている。この接続開口は流出開口と同時に第2の弁ヘッドによって閉鎖される。この第2の弁ヘッドは閉鎖された状態で、第1の弁ヘッドと同じ有効面積を有している。第2の弁室と膨張弁の流出部との間の接続管路の働きにより、第1の弁ヘッドに作用する定圧側の圧力は、逆方向で第2の弁ヘッドに作用し、これにより相殺される。閉鎖された状態で両弁ヘッドが同じ有効面積を有している限り、同じく、第1の弁室内部で両弁ヘッドに作用する圧力も互いに相殺される。有効面積が互いに異なっていると、面積差に相当する合成力が一方の方向または他方の方向へ生ぜしめられる。 In the closed range of the valve head, the pressure on the high pressure side acts on this valve head on the one hand and the pressure on the low pressure side acts on the other. In order to keep the required actuation force of the electromagnet small, it is advantageous to at least partially compensate for the pressure acting on the valve head and the valve spool. For this purpose, a second valve chamber is provided in the valve housing on the side closer to the actuator. The second valve chamber is connected to the first valve chamber via a connection opening. This connection opening is closed by the second valve head simultaneously with the outflow opening. The second valve head is closed and has the same effective area as the first valve head. Due to the action of the connecting line between the second valve chamber and the outflow part of the expansion valve, the constant pressure side pressure acting on the first valve head acts on the second valve head in the reverse direction, thereby Offset. As long as both valve heads have the same effective area in the closed state, the pressure acting on both valve heads in the first valve chamber is also canceled out. When the effective areas are different from each other, a resultant force corresponding to the area difference is generated in one direction or the other direction.
本発明のその他の利点は以下の実施例の説明から明らかになる。図面には本発明の実施例が図示されている。図面、発明の詳細な説明および特許請求の範囲には、多数の特徴が組み合わされた形で含まれている。当業者であれば、これらの特徴を有利には個々に考察して、別の有利な組合せを形成することもできる。 Other advantages of the present invention will become apparent from the description of the following examples. The drawings illustrate embodiments of the invention. The drawings, the detailed description, and the claims include numerous features in combination. Those skilled in the art can advantageously consider these features individually to form other advantageous combinations.
以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。 In the following, the best mode for carrying out the invention will be described in detail with reference to the drawings.
空調設備もしくはエアコンディショナ10では、コンプレッサ(圧縮機)12が矢印14の方向で冷媒を搬送し、そしてこのときに冷媒の圧力および温度を増大させる。この冷媒はオイルセパレータ32を介してガスクーラ16に流入し、このガスクーラ16内では冷媒が、圧縮時に発生した熱の一部を周辺環境へ放出する。この場合、ブロワ20が空気流18を空気側でガスクーラ16に通して搬送する。その後に、この冷媒は内部熱交換器22を通流し、この内部熱交換器22では、コンプレッサ12に戻る冷たい冷媒に熱が伝達される。冷却された冷媒は流入部34を介して膨張弁24に流入する。この膨張弁24では、膨張によって冷媒からさらに熱が取り出される。膨張弁24の流出部36はエバポレータ(蒸発器)26に接続されている。このエバポレータ26内では、冷媒が周辺環境から熱を吸収する。このためには、別のブロワ28が空気流30を空気側でエバポレータ26を通じて搬送する。エバポレータ26から冷媒は内部熱交換器22を介してコンプレッサ12の吸込側に戻り、これによりこの冷凍回路は閉じられている。
In the air conditioner or the
図2に示した膨張弁24は弁ハウジング38を有している。この弁ハウジング38はその周面に設けられた少なくとも1つの流入部34と、カバー40に設けられた流出部36とを有している。カバー40は弁ハウジング38内に設けられた円筒状の弁室50を閉鎖している。弁室50内には、中空円筒状の弁スプール52が支承されている。この弁スプール52の周面は少なくとも1つの制御孔54を有している。この制御孔54は弁ハウジング38に設けられた流入孔42と協働して、膨張弁24を通る通流量を制御する。弁スプール52の一方の端面側は端面壁60によって閉鎖されており、この端面壁60には圧力補償孔58が設けられている。弁スプール52は弁ばね56によって開放方向に負荷されており、この場合、弁ばね56は一方ではカバー40に、他方では端面壁60にそれぞれ支持されている。膨張弁24の開放された状態では、流入部34が流入孔42と制御孔54とによって完全に開放されている。
The
弁スプール52の開いた端面側には、皿形の弁ヘッド64が設けられている。この弁ヘッド64は弁ステム62によって弁スプール52に結合されている。この弁ヘッド64はカバー40に設けられた流出孔44に向けられており、この流出孔44は流出部36に通じている。弁室50の側でカバー40には環状溝48が設けられており、この環状溝48は流出孔44を取り囲んでいる。さらに環状溝48内には、円形ゴムリング(Oリング)が嵌め込まれている。
On the open end face side of the
電磁石の形のアクチュエータ66により、弁スプール52と弁ヘッド64とは同時に移動調節される。アクチュエータ66はアーマチュア70を有しており、このアーマチュア70は電磁コイル68の磁界により移動させられて、アーマチュアプランジャ72を介して弁スプール52もしくは弁ステム62に作用する。アーマチュアプランジャ72は弁スプール52または弁ステム62に固く結合されていてよいか、またはこれらの構成部分にルーズに接触していてもよい。その場合、弁ばね56がこれらの構成部分の間の接触を生ぜしめる。
The
電磁コイル68は制御ユニット(図示しない)によって、有利にはパルス幅変調された信号により制御されて、弁スプール52を弁ヘッド64と共に弁特性線88(図5)に相応して移動させる。このときに、流入部34はまず流入孔42と制御孔54とで絞られ、この場合、流入部34は、弁スプール52が流入孔42を覆い隠し、弁スプール52と弁ハウジング38との間の運動ギャップを介して最小容積流だけしか流出部36に到達しなくなるまで絞られる。この段階の間、電磁コイル68は、弁ストロークhと信号量S(%)との関係を示す弁特性線88が比例範囲84と、この比例範囲84に移行範囲を介して続いた閉鎖範囲86とを有するように制御される。閉鎖範囲86では、弁ヘッド64が弁座もしくは円形ゴムリング46に接触し、そして弁ばね56と、アクチュエータ66と、流入部34と流出部36との間の圧力差とからの合成力により、この弁座に保持される。膨張弁24はこの状態で密に閉鎖されている。この膨張弁24は、弁座への弁ヘッド64の載着時に騒音を発生させない。なぜならば、通流量が極めて小さく、したがって振動が回避されるからである。さらに、円形ゴムリング46の弾性材料が、弁ヘッド64の載着運動を緩衝する。弁スプール52の軸方向運動時では、端面壁60と弁ハウジング38との間に封入された容積が変化する。補償孔58を介して、相応する量補償および圧力補償が行われる。
The
図2に示した構成は、無電流状態の電磁コイル68において開放されている膨張弁を示している。それに対して、図4に示した構成では、無電流状態の電磁コイル68において膨張弁24が閉鎖されている。この場合には、弁スプール52を弁ヘッド64と共に弁ばね56の力に抗して開放するために、アクチュエータ66が作動されなければならない。
The configuration shown in FIG. 2 shows an expansion valve that is opened in the
図3に示した変化実施例は、アクチュエータ側に位置する第2の弁室74が設けられている点で、図2に示した実施例とは異なっている。第2の弁室74は接続開口80を介して第1の弁室50に接続されている。接続開口80はアクチュエータ側で弁座76によって取り囲まれる。この弁座76は弁座46と同様に形成されていてよく、皿形の弁ヘッド78と協働する。この弁ヘッド78は第1の弁ヘッド64と結合されているので、第1の弁ヘッド64が流出孔44を閉鎖すると同時に弁ヘッド78は接続開口80を閉鎖する。弁ヘッド64の有効面積と弁ヘッド78の有効面積とは等しいので、両弁ヘッド64,78に作用する押圧力は互いに相殺される。外部から両弁ヘッド64,78に作用する押圧力も互いに相殺されるようにするためには、流出部36の低圧側が接続管路82によって第2の弁室74に接続されている。弁スプール52もしくは弁ヘッド64,78における圧力補償に基づき、小さな作動力しか生ぜしめられないので、電磁石66を小さく設計することができる。
The modified embodiment shown in FIG. 3 is different from the embodiment shown in FIG. 2 in that a
10 エアコンディショナ
12 コンプレッサ
16 ガスクーラ
18 空気流
20 ブロワ
22 内部熱交換器
24 膨張弁
26 エバポレータ
28 ブロワ
30 空気流
32 オイルセパレータ
34 流入部
36 流出部
38 弁ハウジング
40 カバー
42 流入孔
44 流出孔
46 円形ゴムリング
48 環状溝
50 弁室
52 弁スプール
54 制御孔
56 弁ばね
58 圧力補償孔
60 端面壁
62 弁ステム
64 弁ヘッド
66 アクチュエータ
68 電磁コイル
70 アーマチュア
72 アーマチュアプランジャ
74 第2の弁室
76 弁座
78 弁ヘッド
80 接続開口
82 接続管路
84 比例範囲
86 閉鎖範囲
88 弁特性線
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