JP2006242413A - 定流量膨張弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 定流量膨張弁のパイロット弁に対する前後の差圧の影響度を小さくする。
【解決手段】 冷媒入口２から導入される冷媒の流量を絞る絞り通路１６と、この絞り通路１６を出た冷媒の流量を制御して冷媒出口３へ導出する主弁３２と、この主弁３２の入口側の中間圧力（Ｐ２）とその主弁３２と反対側に形成された圧力室９の圧力（Ｐｘ）との差圧により主弁３２を開閉方向に駆動するピストン７と、ソレノイドで設定された圧力室９の圧力（Ｐｘ）を絞り通路１６の流量に比例した前後差圧（Ｐ１−Ｐ２）を感知して制御するパイロット弁３３とを備え、主弁３２と並列に、パイロット弁３３、圧力室９および固定オリフィス３４を冷媒の流れ方向に直列にしたものを配置する。これにより、パイロット弁３３には、ピストン７の両端面にかかる小さな差圧と同じ差圧しかからなくなり、差圧の影響度を小さくすることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は定流量膨張弁に関し、特に自動車用空調装置の冷凍サイクルにおいて高温・高圧の冷媒を断熱膨張させることにより低温・低圧にして蒸発器に一定の流量で送り出すようにした定流量膨張弁に関する。

自動車用空調装置の冷凍サイクルは、一般に、圧縮機、凝縮器またはガスクーラ、膨張弁、蒸発器、およびアキュムレータで構成されるが、この中で、冷媒の流量を制御しているのは、圧縮機および膨張弁である。可変容量圧縮機では、冷媒の流量を制御するのに圧縮機の吐出圧力と吸入圧力との差が冷媒の流量に関係なく一定になるように差圧制御を行う電子制御弁が用いられていることがある。この場合、電子制御の膨張弁としては、可変容量圧縮機の電子制御弁が行っている差圧制御と制御の競合を起こさないようにするために、冷媒の流量が膨張弁の前後の差圧に関係なく一定になるように制御する定流量膨張弁の採用が推奨されている。

定流量膨張弁としては、たとえば、特許文献１に記載の膨張弁が知られている。この膨張弁によれば、冷媒を断熱膨張させる部分の冷媒通路の流路断面積を可変することができるソレノイドと、そのソレノイドによって設定された流路断面積を有する冷媒通路の前後の差圧を一定にする定差圧弁とを組み合わせた構成になっている。したがって、ソレノイドによって流路断面積が決められた冷媒通路の前後差圧を定差圧弁が一定に維持されるように制御することから、冷媒通路を流れる冷媒の流量は、一定に制御されることになる。そして、その流量は、ソレノイドに供給する電流の値によって自由に設定することができる。

また、差圧弁は、冷媒通路の前後差圧を両端で感知し、差圧に応じて開弁または閉弁方向に動くピストンを備えているが、そのピストンの摺動部を介して冷媒が微少に漏れてしまうことによる特性悪化を改善した定流量膨張弁も知られている（たとえば、特許文献２参照。）。

この定流量膨張弁によれば、冷媒の流れ方向に、主弁と、ソレノイドに連動する絞り装置とを直列に配置し、これらと並列に、固定オリフィスを持った主弁体駆動用のピストンと、圧力室と、ソレノイドにより可変オリフィスを構成しているパイロット弁とを直列にしたものを配置した構成にしている。これにより、ピストンは、その摺動部が圧力室に繋がっているので、摺動部を介して漏れる冷媒は、圧力室に漏れ、さらに漏れた冷媒は、圧力室から導出される冷媒と一緒になってパイロット弁により制御されることになるため、ピストンの摺動部における冷媒漏れの影響を実質的になくすことができる。

この構成の定流量膨張弁では、ソレノイドが供給される電流値に応じた弁リフトにパイロット弁を制御しているとき、圧力室がパイロット弁による可変オリフィスの大きさに相当する圧力になっているので、ピストンは、主弁を圧力室の圧力と入口圧力との差圧に応じた弁リフトに制御し、所定の流量の冷媒が主弁および絞り装置を流れることになる。ここで、冷媒の流量が増えると、ソレノイドに連動する絞り装置の前後差圧が大きくなるので、その差圧が可変オリフィスを小さくする方向にパイロット弁を制御する。可変オリフィスが小さくなる分、上流側の圧力室の圧力が上昇するので、ピストンは、主弁を閉じ方向に制御して冷媒の流量を減らすようにする。逆に、冷媒の流量が減ると、主弁は、開き方向に制御されて冷媒の流量を増やすようにする。この結果、定流量膨張弁を流れる冷媒の流量は、ソレノイドによって決められた一定の流量に制御されることになる。
特開２００１−１５３４９５号公報（図１） 特開２００４−５３１９２号公報（図１）

圧力室の圧力を出口側に配置したパイロット弁で制御するようにした従来の定流量制御弁においては、パイロット弁の弁体が出口圧力と圧力室の圧力との差圧を開弁方向に受けているが、圧力室の圧力が入口圧力に近い圧力であることから、パイロット弁の弁体にかかる差圧が非常に大きくなっている。この差圧は、絞り装置を通過する冷媒の流量を感知して動作するパイロット弁にとって外乱になるため、ない方が良い。パイロット弁にこの差圧をキャンセルする機構を付加すれば良いが、構成が非常に複雑になるため、可変オリフィスの受圧面積を小さくすることで、差圧の影響度を少なくしている。それでも、受圧面積を小さくするには限界があるため、パイロット弁が冷媒の流量を感知してその弁体を閉弁方向に作用する力に対向して差圧が開弁方向に影響する割合が大きく、この差圧を無視することができないことから定差圧弁のような動きをする傾向があるという問題点があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、パイロット弁に対する前後の差圧の影響度を小さくした定流量膨張弁を提供することを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、冷媒の流量を制御する主弁と、前記主弁の上流側の圧力と前記主弁と反対側に形成された圧力室の圧力との差圧により前記主弁を開閉方向に駆動するピストンと、前記圧力室の圧力がソレノイドにより設定されかつ流量の変化を感知して一定になるよう制御されるパイロット弁とを備えた定流量膨張弁において、流量に比例した差圧を生じさせてその差圧により前記パイロット弁を制御する絞り通路と前記主弁とを冷媒の流れ方向に直列にして冷媒入口と冷媒出口との間に配置し、前記パイロット弁と、前記圧力室と、固定オリフィスとを冷媒の流れ方向に直列にしたものを前記主弁に並列に配置して構成されていることを特徴とする定流量膨張弁が提供される。

このような定流量膨張弁によれば、パイロット弁の入口が主弁の入口に連通し、パイロット弁の出口が圧力室に連通するようになるので、パイロット弁には、主弁駆動用のピストンの両端面にかかる小さな差圧と同じ差圧しかかからなくなり、パイロット弁に対する前後差圧の影響度を小さくすることができる。

本発明の定流量膨張弁は、パイロット弁にかかる差圧をピストンの両端面にかかる小さな差圧と同じ差圧まで小さくすることができるので、この差圧をキャンセルするための機構が実質的に不要になり、制御の精度を高めることができるという利点がある。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は第１の実施の形態に係る定流量膨張弁の構成を閉弁状態で示す縦断面図、図２は第１の実施の形態に係る定流量膨張弁の構成を開弁状態で示す縦断面図である。

第１の実施の形態に係る定流量膨張弁は、そのボディ１の側面に高圧の冷媒が導入される冷媒入口２と、低圧の冷媒が蒸発器に向けて導出される冷媒出口３とが設けられている。冷媒入口２から冷媒出口３に通じる冷媒通路の途中には、主弁座４が圧入されている。この主弁座４に下流側から対向してスプリング５により閉弁方向に付勢された主弁体６が配置され、主弁座４とともに主弁を構成している。

この主弁の上流側には、ピストン７がボディ１に形成されたシリンダ孔内に主弁と同一軸線方向に進退自在に配置されており、そのピストン７は、主弁の弁孔を貫通して延出されたシャフトによって主弁体６と結合されている。ピストン７の図の下方には、ボディ１の開口部が圧入部材８によって閉止された圧力室９が形成されている。ピストン７と圧入部材８との間には、ピストン７を主弁の開弁方向に付勢するスプリング１０が配置されている。このスプリング１０は、その荷重が圧入部材８の圧入量で調整され、その調整後に、圧入部材８の図の下端部がボディ１に溶接されて圧力室９が外部から気密にシールされている。

圧力室９は、ボディ１に形成されたパイロット通路１１を介して主弁の上流側に連通する部屋に連通されており、その部屋への開口部がパイロット弁座１２になっている。このパイロット弁座１２に対向して上流側からニードル形状のパイロット弁体１３が配置されており、パイロット弁座１２とともに可変オリフィス機能を有するパイロット弁を構成している。圧力室９は、また、ボディ１に形成された冷媒通路１４を介して主弁の下流側、すなわち、冷媒出口３に連通する部屋に連通されており、その冷媒通路１４には、固定オリフィスとして機能するオリフィス形成部材１５が圧入されている。もちろん、このオリフィス形成部材１５は、その貫通孔と同じ内径の冷媒通路１４をボディ１に形成できる場合には不要なものである。

このパイロット弁の入口と冷媒入口２との間の通路には、パイロット弁体１３が配置されており、これによって冷媒入口２から流入した冷媒が絞られる絞り通路１６を構成している。この絞り通路１６は、ここで冷媒流量が絞られることにより、冷媒入口２とパイロット弁の入口との間に差圧が発生し、これがパイロット弁体１３を閉弁方向に付勢する力となるので、冷媒流量を感知してパイロット弁を制御する機能を有している。

ボディ１の上部には、パイロット弁を制御するソレノイドが設けられている。このソレノイドは、下端部がボディ１の上部に形成された穴に嵌入されたスリーブ２０と、そのスリーブ２０の中に軸線方向に進退自在に配置されたプランジャ２１と、スリーブ２０の上端部に嵌合された中空形状のコア２２と、プランジャ２１の軸線位置に貫通して固定配置され、下方部がボディ１に圧入された軸受２３によって支持され、上端部がコア２２の軸線位置に貫通形成された開口部に圧入されている軸受２４によって支持されたシャフト２５と、プランジャ２１と軸受２４との間に配置され、シャフト２５を介してパイロット弁体１３をその閉弁方向に付勢するスプリング２６と、スリーブ２０の外周に配置されたコイル２７と、さらにその外側を囲繞するよう形成されたヨーク２８と、このヨーク２８とスリーブ２０との間に磁気回路を形成するよう配置されたプレート２９とから構成されている。

ボディ１の上部に形成された穴の底部には、リング状のパッキン３０が配置され、スリーブ２０の嵌入時に鋭角に形成された先端部によって圧着されることで外部シールを行っている。コア２２の上部開口端部は、圧入部材３１によって閉止された後、それらの先端部は溶接によって気密にシールされている。

ソレノイドのシャフト２５は、パイロット弁体１３と一体に形成されている。また、ボディ１に形成されたパイロット通路１１、軸受２３が圧入される孔、およびスリーブ２０が嵌入される穴は同一軸線上に形成されている。これにより、これらの軸線は、実質的に同一軸線上となり、別部品であるシャフト２５の先端に一体に形成されたパイロット弁体１３を実質的に同一軸線上にあるパイロット弁座１２に案内することができる。

プランジャ２１と軸受２４との間に配置されたスプリング２６の荷重は、軸受２４のコア２２への圧入量を調節することにより調整される。また、ソレノイドのボディ１への固定は、ボディ１の上部に形成されたフランジにヨーク２８の下端部をかしめ加工することで行っている。

次に、このように構成された定流量膨張弁の動作について説明する。まず、コイル２７へ制御電流が供給されていない非通電状態で、冷媒入口２に冷媒が導入されていないときには、ピストン７を付勢しているスプリング１０のばね荷重を主弁体６を付勢しているスプリング５のそれよりも大きく設定してあるので、主弁は、全開状態になっている。また、パイロット弁は、パイロット弁体１３がソレノイドに内蔵されたスプリング２６によって閉弁方向に付勢されていてパイロット弁座１２に着座されているので、全閉状態にある。

この状態で冷媒入口２に冷媒が導入されると、その冷媒は、絞り通路１６を介してピストン７の上部の部屋に導入される。主弁体６の受圧面積がピストン７の受圧面積よりも小さく、圧力室９がオリフィス形成部材１５を介して冷媒出口３に連通していることで低圧になっているので、ピストン７は、高圧の冷媒圧力によりスプリング１０の付勢力に打ち勝って押し下げられ、図１に示したように、主弁は全閉状態になる。これにより、この定流量膨張弁としては、全閉状態になっている。

ここで、コイル２７へ適当な制御電流が供給されると、プランジャ２１がコア２２に吸引されるので、パイロット弁体１３は、プランジャ２１の吸引力とスプリング２６の荷重とがバランスした位置で静止し、パイロット弁は、あるリフト量に設定される。これにより、ピストン７の下部の圧力室９には、ソレノイドによって設定されたオリフィスを有するパイロット弁およびパイロット通路１１を介して高圧の冷媒が供給され、オリフィス形成部材１５からは導入される流量よりも少ない一定の流量で冷媒が冷媒出口３へ抜けていくので、圧力室９は、ある値まで昇圧する。これにより、ピストン７は、その上部の部屋の圧力と下部の圧力室９の圧力との差圧とスプリング５，１０の荷重とがバランスした位置まで移動するので、ピストン７に結合された主弁体６も、そのピストン７の移動量だけ主弁座４から離れ、図２に示したように、主弁は開弁状態になり、この定流量膨張弁は、制御電流の電流値に応じた所定の流量の冷媒が流れることになる。このとき、パイロット弁体１３には、絞り通路１６にて流量に応じてその前後に発生する差圧により、閉弁方向の付勢力が作用している。

この状態で、冷媒の流量が変化した場合には、絞り通路１６の前後に発生する差圧が変化するので、これに伴ってパイロット弁のリフト量が変化する。その結果、パイロット弁の下流側の圧力室９の圧力が変化し、主弁のリフト量が変化することになる。たとえば、冷媒の流量が増加したときには、絞り通路１６で発生した差圧の増加によりパイロット弁体１３が閉弁方向に付勢される。これにより、圧力室９の圧力が低下し、ピストン７が図の下方へ移動されて、主弁を閉弁方向に駆動し、主弁を流れる冷媒の流量を減少させる。逆に、冷媒の流量が減少したときには、絞り通路１６の前後の差圧が低下するので、パイロット弁の可変オリフィスが大きくなり、圧力室９の圧力が増加して主弁が開弁方向に駆動され、冷媒の流量を増加させる。このようにして、この定流量膨張弁から導出される冷媒は、ソレノイドの制御電流の電流値に応じた一定の流量に維持されることになる。

この一定の流量に維持されている状態からコイル２７へ供給する制御電流の電流値を変化した場合には、パイロット弁の可変オリフィスが変化し、その下流側の圧力室９の圧力が変化することにより、主弁のリフト量が変化することになる。たとえば、制御電流の電流値が増加すると、可変オリフィスが大きくなるので、圧力室９の圧力が上昇し、ピストン７の両端面にかかる差圧が小さくなるので、ピストン７は図の上方へ移動され、主弁は、より多くの流量を流すことができるリフト位置に設定される。逆に、制御電流の電流値が減少すると、可変オリフィスが小さくなるので、圧力室９の圧力が減少し、ピストン７の両端面にかかる差圧が大きくなるので、ピストン７は図の下方へ移動され、主弁は、より少ない流量を流すことができるリフト位置に設定される。

次に、本発明による定流量膨張弁の構成上の特徴を上記の特許文献２に記載の従来のものと対比して説明する。
図３はパイロット弁の圧力状態を説明する図であって、（Ａ）は従来の定流量膨張弁の要部を部分拡大して示し、（Ｂ）は本発明の定流量膨張弁の要部を部分拡大して示している。

従来の定流量膨張弁は、図３の（Ａ）に示したように、冷媒の流れ方向に、主弁１０１と、ソレノイドに連動する絞り装置１０２とを直列に配置し、これらと並列に、固定オリフィス１０３を持った主弁体駆動用のピストン１０４と、圧力室１０５と、ソレノイドにより可変オリフィスを構成しているパイロット弁１０６とを冷媒の流れ方向に直列にしたものを配置した構成になっている。これに対し、本発明の定流量膨張弁は、図３の（Ｂ）に示したように、冷媒入口２と冷媒出口３との間に絞り通路１６と主弁３２とを冷媒の流れ方向に直列に配置し、この主弁３２と並列に、パイロット弁３３と、圧力室９と、固定オリフィス３４とを冷媒の流れ方向に直列にしたものを配置して構成されている。

図中、要部の圧力については、入口圧力をＰ１、中間圧力をＰ２、出口圧力をＰ３とし、圧力室１０５，９の圧力をＰｘで示している。そして、これら圧力の具体例として、たとえば、入口圧力Ｐ１を１２ＭＰａ、出口圧力Ｐ３を３ＭＰａと想定し、主弁１０１，３２の前後差圧が８．５ＭＰａ、ピストン１０４，７の両端にかかる差圧が１ＭＰａ、絞り装置１０２および絞り通路１６の前後の差圧が０．５ＭＰａであると想定する。

ここで、パイロット弁１０６，３３にかかる圧力に注目してみると、従来の定流量膨張弁では、圧力室１０５の圧力が１１ＭＰａであるので、差圧（Ｐｘ−Ｐ３）は、８ＭＰａになっているのに対し、本発明の定流量膨張弁では、圧力室９の圧力が１０．５ＭＰａであることから、差圧（Ｐ２−Ｐｘ）は、１ＭＰａしかないことが分かる。つまり、他の圧力条件が同じであれば、パイロット弁３３に対する前後の差圧の影響度を大幅に低減することができるのである。この差圧は、上述のように、絞り装置１０２または絞り通路１６で流量を感知して動作するパイロット弁にとって外乱となるものなので、できるだけ小さい方が望ましいが、本発明の定流量膨張弁では、特に、差圧をキャンセルするような機構を設けることなく、差圧を十分に小さくすることを可能にしている。

図４は第２の実施の形態に係る定流量膨張弁の構成を示す縦断面図である。この図４において、図１および図２に示した構成要素と同じまたは同等の機能を有する構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

第２の実施の形態に係る定流量膨張弁は、第１の実施の形態に係る定流量膨張弁と比較して、構成的にパイロット弁の差圧をキャンセルする手段を追加している点で異なる。すなわち、この定流量膨張弁では、ソレノイドのシャフト２５を軸線方向に進退自在に支持している軸受２３のクリアランスを十分に小さく設定することによってソレノイドの内部を十分に密閉された状態にしている。そして、シャフト２５およびパイロット弁体１３の中心に均圧孔３５を設けて、圧力室９に連通するパイロット通路１１と密閉されたソレノイドの内部とを連通させるようにしている。

これにより、ソレノイドの内部は、圧力室９の圧力とほぼ等しくなるので、パイロット弁体１３には、圧力室９の圧力が開弁方向にかかり、同じ圧力がパイロット弁体１３と一体になったシャフト２５の端面に閉弁方向にかかるので、パイロット弁は差圧がキャンセルされ、絞り通路１６で発生する冷媒流量に比例した差圧のみによって動作することになる。その他の構成および作用については、第１の実施の形態にかかる定流量弁と同じである。

図５は第３の実施の形態に係る定流量膨張弁の構成を示す縦断面図、図６は図５のＡ−Ａ矢視断面図である。この図５および図６において、図４に示した構成要素と同じまたは同等の機能を有する構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。なお、図６においては、図示が煩雑にならないようにピストン７を付勢しているスプリング１０は省略して示してある。

第３の実施の形態に係る定流量膨張弁は、第２の実施の形態に係る定流量膨張弁と比較して、均圧孔３５の設置位置が変更されている。すなわち、この定流量膨張弁は、がシャフト２５および軸受２３が緊密に嵌合することによってソレノイドの内部が十分に密閉されている構成は同じであるが、均圧孔３５はボディ１に形成されている。図６に示したように、ピストン７が配置されるシリンダ壁３６は、ソレノイドの軸線方向に見て、スリーブ２０を嵌入するようボディ１の上部に形成された穴の内側と部分的に重なっているので、その重なり領域の中で軸受２３が圧入される軸受装着孔３７を避けた位置のシリンダ壁３６に均圧孔３５が貫通形成されている。

これにより、ソレノイドの内部は、均圧孔３５を介して圧力室９の圧力とほぼ等しくなるので、パイロット弁体１３にかかる差圧がキャンセルされ、パイロット弁は、絞り通路１６を流れる冷媒流量だけを感知して可変オリフィスを可変制御することになる。その他の構成および作用については、第１および第２の実施の形態にかかる定流量弁と同じである。

第１の実施の形態に係る定流量膨張弁の構成を閉弁状態で示す縦断面図である。 第１の実施の形態に係る定流量膨張弁の構成を開弁状態で示す縦断面図である。 パイロット弁の圧力状態を説明する図であって、（Ａ）は従来の定流量膨張弁の要部を部分拡大して示し、（Ｂ）は本発明の定流量膨張弁の要部を部分拡大して示している。 第２の実施の形態に係る定流量膨張弁の構成を示す縦断面図である。 第３の実施の形態に係る定流量膨張弁の構成を示す縦断面図である。 図５のＡ−Ａ矢視断面図である。

符号の説明

１ ボディ
２ 冷媒入口
３ 冷媒出口
４ 主弁座
５ スプリング
６ 主弁体
７ ピストン
８ 圧入部材
９ 圧力室
１０ スプリング
１１ パイロット通路
１２ パイロット弁座
１３ パイロット弁体
１４ 冷媒通路
１５ オリフィス形成部材
１６ 絞り通路
２０ スリーブ
２１ プランジャ
２２ コア
２３，２４ 軸受
２５ シャフト
２６ スプリング
２７ コイル
２８ ヨーク
２９ プレート
３０ パッキン
３１ 圧入部材
３２ 主弁
３３ パイロット弁
３４ 固定オリフィス
３５ 均圧孔
３６ シリンダ壁
３７ 軸受装着孔

Claims (5)

1. 冷媒の流量を制御する主弁と、前記主弁の上流側の圧力と前記主弁と反対側に形成された圧力室の圧力との差圧により前記主弁を開閉方向に駆動するピストンと、前記圧力室の圧力がソレノイドにより設定されかつ流量の変化を感知して一定になるよう制御されるパイロット弁とを備えた定流量膨張弁において、
   流量に比例した差圧を生じさせてその差圧により前記パイロット弁を制御する絞り通路と前記主弁とを冷媒の流れ方向に直列にして冷媒入口と冷媒出口との間に配置し、前記パイロット弁と、前記圧力室と、固定オリフィスとを冷媒の流れ方向に直列にしたものを前記主弁に並列に配置して構成されていることを特徴とする定流量膨張弁。
2. 前記主弁は主弁体が主弁座の冷媒出口側に配置され、前記ピストンは前記主弁の入口と前記圧力室との間にて前記主弁の軸線方向に摺動自在に配置され、前記主弁の弁孔を介して延出する前記主弁体と一体のシャフトに結合され、かつ前記主弁の開弁方向に付勢されていることを特徴とする請求項１記載の定流量膨張弁。
3. 前記パイロット弁にかかる前記冷媒入口の圧力と前記圧力室の圧力との差圧をキャンセルする差圧キャンセル手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の定流量膨張弁。
4. 前記差圧キャンセル手段は、前記ソレノイドのシャフトと一体になった前記パイロット弁の弁体に設けられた均圧孔であって、前記均圧孔の一端は前記圧力室に連通するパイロット通路に開口し、他端は密閉された前記ソレノイドの内部に開口していることを特徴とする請求項３記載の定流量膨張弁。
5. 前記差圧キャンセル手段は、前記ソレノイドの密閉された内部と前記圧力室との間を連通する均圧孔であることを特徴とする請求項３記載の定流量膨張弁。
   

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