JP2010139031A - 逆止弁 - Google Patents

Abstract

【課題】逆止弁における異物の噛み込みを防止してその弁部の円滑な開閉を保持する。
【解決手段】ある態様の逆止弁は、弁体１２におけるスプール部４４の上流側端面と、ボディ１０におけるスプール部４４との摺動面とがなす接面角度が、直角または鈍角となるように構成されている。また、導出孔２４が、第２の弁部の開度が大きくなるように弁体１２が変位するにしたがってボディ１０の内外を連通させる開口面積を大きくする形状を有する。さらに、ボディ１０の内周面と弁体１２のガイド部４６との間に、背圧室４８と導出孔２４とを連通させる連通路が形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、冷媒通路に配設されて冷媒の流れを一方向に規制する逆止弁に関する。

自動車用空調装置は、一般に、エンジンの回転数によらず一定の冷房能力が維持されるように、冷媒の吐出容量を可変できる可変容量圧縮機（単に「圧縮機」ともいう）を備えている。この圧縮機は、エンジンによって回転駆動される回転軸に取り付けられた揺動板に圧縮用のピストンが連結され、揺動板の角度を変化させてピストンのストロークを変えることにより冷媒の吐出量を調整する。揺動板の角度は、密閉されたクランク室内に吐出冷媒の一部を導入し、ピストンの両面にかかる圧力の釣り合いを変化させることで連続的に変えられる。

このような圧縮機はエンジンの大きな負荷になり得るため、車両の急加速時や登坂走行時などエンジンの動力を車両の推進力に振り向けたい高負荷時には、その圧縮機の負荷トルクを低減する必要がある。従来はこの負荷トルクを一時的にカットできるようにエンジンの駆動力を伝達または遮断する電磁クラッチを備えた圧縮機が広く採用されていたが、低コスト化等の観点から近年ではエンジンと回転軸とを直結したいわゆるクラッチレス式の圧縮機が主流になりつつある。エンジンの高負荷時にはクランク室内の圧力を高くして揺動板の角度を極小にし、圧縮機を最小容量運転状態へ移行させる。それにより圧縮機の負荷トルクを最小状態とするものである。

しかし、このようにして圧縮機が最小容量運転に移行しても、揺動板に若干の傾きがあるため、通常はその吐出容量を完全にゼロにすることはできない。このため、特に冬場などの低温環境下においてはその僅かな冷媒の流れによって圧縮機の下流側に位置する蒸発器が凍結する可能性もある。また、圧縮機の吐出容量が急激に低下すると、一時的にその圧縮機出口の圧力が吐出室の圧力よりも高くなり、吐出冷媒が吐出室へ逆流する可能性がある。そこで、一般には圧縮機の出口と吐出室との間の通路に逆止弁を設け、最小容量運転時における圧縮機からの吐出冷媒の流出や、吐出室への冷媒の逆流を防止している。

ところで、このように最小容量運転状態において逆止弁が吐出室の出口を閉塞しても、圧縮機はその最小容量の圧縮を行っているため、吐出室の圧力（吐出圧力）は徐々に高まっていく。そして、逆止弁の弁体に作用する吐出圧力による開弁方向の力がスプリングによる閉弁方向の力を上回ると、逆止弁は開き始める。一方、そのようにして逆止弁が開くと、冷媒が下流側に流れて吐出室の圧力が低下するため、逆止弁は閉じ始める。つまり、圧縮機が最小容量運転状態にあるとき、逆止弁には、微少開度の開閉を繰り返すというハンチング現象が発生し、それが異音を発生させる原因となる。

そこで、漸増する吐出圧力によって逆止弁が開弁するときの開口面積を可変にしてその寸開時に下流側へ流出する冷媒流量を制限する流量調整機能を持たせることによりハンチング現象を抑える技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、逆止弁の上流側から第１の弁部とそれより受圧径が大きい第２の弁部とが段階的に設けられ、第２の弁部の弁体には第１の弁部に向かってテーパ部が形成されている。これにより、第１の弁部が開いて第２の弁部が寸開するときにその第２の弁部の開度が漸増するようになり、冷媒の流量が絞られてハンチング減少が抑制される。
特開２００５−２４９１５４号公報

しかしながら、圧縮機の吐出冷媒には摺動部の摩耗等で発生した金属粉などの異物が含まれることがあり、このように逆止弁の弁体にテーパ部を設けた結果、その閉弁時においてその異物の噛み込みが発生しやすくなる。すなわち、そのテーパ部によって弁体の摺動端部に形成される鋭角状の隙間に異物が侵入した場合、弁体が閉弁方向へ移動するにつれてその異物を隙間の基端部に巻き込むようになる。その結果、異物が弁体に固着するなどして、弁部の円滑な開閉に支障をきたすという別の問題が懸念された。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、逆止弁における異物の噛み込みを防止してその弁部の円滑な開閉を保持することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の逆止弁は、冷媒通路に配設されて冷媒の流れを一方向に規制するための逆止弁において、上流側に冷媒の導入口を有し、側部に冷媒の導出孔が設けられた筒状のボディと、ボディ内の導入口と導出孔との間に設けられた段部に形成された弁座と、ボディ内に摺動可能に収容されるとともに、弁座に着脱して第１の弁部を開閉する着脱部と、ボディの内周面との摺接位置によって第１の弁部よりも受圧径の大きい第２の弁部を開閉して導出孔を開閉させるスプール部と、スプール部の着脱部とは反対側でボディに摺動しつつガイドされるガイド部とを有し、第１の弁部が所定量開弁された後に第２の弁部が開弁されるように構成された弁体と、ボディにおける弁体の背部に区画形成された背圧室と、背圧室に配設されて弁体を閉弁方向に付勢する付勢部材と、を備える。

そして、弁体におけるスプール部の上流側端面と、ボディにおけるスプール部との摺動面とがなす接面角度が、直角または鈍角となるように構成されている。また、導出孔が、第２の弁部の開度が大きくなるように弁体が変位するにしたがってボディの内外を連通させる開口面積を大きくする形状を有する。さらに、ボディの内周面と弁体のガイド部との間に、背圧室と導出孔とを連通させる連通路が形成されている。

この態様では、スプール部の上流側端面とボディの摺動面とがなす接面角度が、直角または鈍角となるように構成されている。ここでいう「直角」とは実質的に直角であればよく、いわゆる加工上等の誤差範囲を含んでもよい。この態様によれば、接面角度が実質的に鋭角とならないため、弁体が第２の弁部を閉弁するように変位したときに、冷媒中の異物がスプール部に巻き込まれることを防止または抑制することができる。異物は、スプール部の上流側端面に滞留するなどして一時的に保持され、再度第２の弁部が開弁したときに、冷媒とともに導出孔の下流側へと押し流されるようになる。その結果、逆止弁における異物の噛み込みを防止してその弁部の円滑な開閉動作を維持することができる。一方、第２の弁部が、第１の弁部が所定量開弁されてからさらに開弁するまでの間、冷媒通路の開口面積が連続的に変化するように構成されているため、第２の弁部の寸開状態におけるその前後差圧の変化を小さく保持することができる。すなわち、第２の弁部を通過する冷媒に対して安定した流量調整機能を担保することができ、弁体の自励振動による異音の発生を防止または抑制することができる。

また、背圧室と導出孔とを連通させる連通路が形成されることで、背圧室内外の差圧を小さくすることができ、その結果、ガイド部側で異物を吸引することを防止することができる。すなわち、ガイド部側の摺動部に異物の噛み込みが発生することを防止することもできる。なお、そのような効果を高めるためには、背圧室内外の差圧がゼロとなるよう連通路の大きさや形状が選択されるのが好ましい。

なお、上述のように接面角度を直角または鈍角とすることで異物の巻き込みを抑制することができるが、異物の大きさによってはその巻き込みを完全に防止できない可能性がある。このため、仮に異物の巻き込みが発生したとしてもこれを速やかに除去できるよう、スプール部の長さを短くするのが好ましい。このため、例えばスプール部の軸線方向の長さが第１の弁部が上記所定量開弁するときの弁体の変位量と実質的に等しくなるように形成し、その長さを最小限に抑えるようにしてもよい。

本発明によれば、逆止弁における異物の噛み込みを防止してその弁部の円滑な開閉を保持することができる。

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。
本実施の形態に係る逆止弁は、車両用空調装置の冷凍サイクルを循環する冷媒を圧縮する可変容量圧縮機（単に「圧縮機」という）に設置され、その圧縮機の出口と吐出室との間の冷媒通路に配設されて冷媒の逆流を規制するものである。この車両用空調装置は、その圧縮機のほか、凝縮器またはガスクーラ等の外部熱交換器、膨張装置および蒸発器等を備える。

圧縮機は、蒸発器側から吸入室に導入された冷媒ガスをシリンダに導入して圧縮し、吐出室から凝縮器側へ高温・高圧の冷媒を吐出する。この吐出冷媒の一部は可変容量圧縮機用制御弁（単に「制御弁」という）を介してクランク室内に導入され、圧縮機の容量制御に供される。制御弁は、ソレノイド駆動の電磁弁として構成され、図示しない制御部により所定の駆動回路を介して通電制御される。逆止弁は、圧縮機のハウジングに設けられた冷媒通路に固定される。なお、逆止弁を除く圧縮機の構成、また冷凍サイクルを構成するその他の装置の構成については一般的であるため、その説明については省略する。

図１は実施の形態に係る逆止弁の正面図であり、図２は逆止弁の平面図である。また、図３は図１のＡ−Ａ矢視断面図であり、図４は図３のＢ−Ｂ矢視断面図である。さらに、図５は逆止弁の全開状態を表す断面図である。

図３に示すように、逆止弁１は、有底円筒状のボディ１０に有底円筒状の弁体１２を摺動可能に収容するようにして構成されている。ボディ１０は、段付円筒状の第１ボディ１４と有底円筒状の第２ボディ１６とを、互いの開口部を突き合わせるように軸線方向に連設して構成されている。第１ボディ１４は、第２ボディ１６側に外径が縮径されており、その縮径部１８に第２ボディ１６の開口部が外挿されて外方から加締められることにより両ボディが接合されている。縮径部１８の開口端縁にはボス部２０が段部を形成するように突設されており、そのボス部２０の先端面により弁座２２が構成されている。第１ボディ１４のボス部２０とは反対側の開口部は導入口２３となっており、圧縮機の吐出室から吐出された冷媒を導入する。

第２ボディ１６の側部には、内外を連通する４つの導出孔２４が周方向に等間隔で（９０度おきに）形成されている。各導出孔２４は、図１および図５にも示すように、概ね三角形状をなし、その頂部が弁座２２側に位置するように形成されている。この導出孔２４の形状は、第２の弁部を通過する冷媒の流量調整のために有効に機能するが、その説明については後述する。また、第２ボディ１６の底部周縁部にも内外を連通する連通孔２６が等間隔で（９０度おきに）形成されている（図２および図４参照）。弁体１２と第２ボディ１６とに囲まれた空間により背圧室４８が形成されている。

また、図４にも示すように、第２ボディ１６の底部側半部の側部内周面には軸線方向に平行に延びる４つの連通溝２８（「凹部」に該当する）が等間隔で（９０度おきに）形成されており、その残余の部分により弁体１２を摺動可能に支持する４つの摺動面３０が形成されている。第２ボディ１６の内周面には、また、４つの導出孔２４に連通する環状溝３２（「凹溝」に該当する）が周設されており、その４つの導出孔２４と４つの連通溝２８とを連通させている。さらに、第２ボディ１６の底部中央には、内方に突出するボス部３４が設けられている。

本実施の形態では、比較的幅が大きい連通溝２８を導出孔２４から周方向にずれた位置に配置し、比較的幅の小さい環状溝３２にてそれら連通溝２８と導出孔２４とを連通させている。すなわち、第２ボディ１６において連通溝２８が形成される箇所はその肉厚が小さくなるため、その連通溝２８上に導出孔２４を設けると、第２ボディ１６の強度が部分的に低下することになる。本実施の形態では、そのような局部的な強度の低下を避けるべく、連通溝２８と導出孔２４とを第２ボディ１６の周方向にずらした位置に設けている。

弁体１２は、第２ボディ１６の内壁に沿って軸線方向に摺動する有底円筒状の本体４０を有する。本体４０の底部は、その外径がやや小径化された小径部となっており、その底面の周縁部が弁座２２に着脱して第１の弁部を開閉する着脱部４２を形成している。一方、その小径部につながる本体４０の底部近傍には部分的に拡径されて形成されたスプール部４４が設けられている。スプール部４４は、ボディ１０の内周面に対して摺動する摺動部にもなっており、第２ボディ１６において導出孔２４の上流側に位置する弁孔４５に挿抜されて第２の弁部を開閉する。

スプール部４４は、図示のような第１の弁部の閉弁状態においては、導出孔２４よりも上流側に位置して第２の弁部を閉弁状態に保持する。スプール部４４は、第１の弁部の開弁にともなって弁体１２が開弁方向に変位するとともに導出孔２４を上流側に対して開く方向、つまり第２の弁部の開弁方向に摺動し、導入口２３と導出孔２４とを連通させる。図示のように、弁体１２の第１の弁部における有効受圧径Ｃよりも、第２の弁部における有効受圧径Ｄのほうが大きくなっている。

スプール部４４の軸線方向の長さは、第１の弁部が所定量開弁してから第２の弁部が開弁を開始するまでの弁体１２の変位量とほぼ等しくなる程度に小さく設定されている。すなわち、スプール部４４は、第２ボディ１６の内周面との摺接位置によって第２の弁部を開閉するが、その第２の弁部は、第１の弁部が所定量開弁された後に開弁される。圧縮機の吐出室から吐出された冷媒の吐出室圧力Ｐｄｈは、特に各弁部の開弁当初においては第１の弁部および第２の弁部を経て減圧され、出口圧力Ｐｄｌとなって圧縮機の出口から導出される。各弁部が全開状態にあるとき、吐出室圧力Ｐｄｈは出口圧力Ｐｄｌと実質的に等しくなる。

弁体１２におけるスプール部４４の着脱部４２とは反対側はガイド部４６となっており、第２ボディ１６の摺動面３０に沿って摺動する。すなわち、弁体１２は、スプール部４４およびガイド部４６にてボディ１０に摺動可能に支持されている。ボディ１０における弁体１２の背部には、その弁体１２と第２ボディ１６とに囲まれるように背圧室４８が区画形成されている。背圧室４８における弁体１２の底部と第２ボディ１６の底部との間には、弁体１２を閉弁方向に付勢するスプリング５０（「付勢部材」に該当する）が介装されている。上述のように、第１の弁部の有効受圧径Ｃが第２の弁部の有効受圧径Ｄより小さく構成されているため、閉弁状態を保持するためのスプリング５０の荷重を小さく設定することができる。つまり、スプリング５０として荷重の小さなものを使用できる。

また、第１の弁部が、着脱部４２が弁座２２に着脱することにより開閉する弁として構成されているのに対し、第２の弁部は、スプール部４４が弁孔４５に挿抜されることにより開閉するスプール弁として構成されている。すなわち、第２の弁部は弁孔４５に対してオーバラップするラップ代を有するため、第１の弁部と第２の弁部は、その開閉タイミングに所定のずれがあり、弁体１２の弁座２２からのリフト量が小さい領域では異なった開閉動作をする。

すなわち、着脱部４２が弁座２２に着座して第１の弁部が閉弁状態にあるとき、第２の弁部もスプール部４４が弁孔４５に挿入された閉弁状態にある。このとき、スプール部４４は、その軸線方向の長さ分だけ弁孔４５に挿入された位置にある。したがって、弁体１２が弁座２２からリフトして第１の弁部が開弁しても、第２の弁部は、弁体１２がその軸線方向の長さ分だけリフトするまでは閉弁状態を維持し、それ以上リフトして開弁し始めるようになる。すなわち、圧縮機が最小容量運転をしているときなど、吐出室圧力Ｐｄｈが小さい間は弁体１２が小さな有効受圧径Ｃにてその圧力による荷重を受けるため、スプリング５０の付勢力によって第１の弁部を閉弁状態に保持でき、逆止弁１としての機能を有効に発揮することができる。一方、吐出室圧力Ｐｄｈがある程度大きくなって第１の弁部が開き始めると、弁体１２が大きな有効受圧径Ｄにてその圧力による荷重を受けるため、第２の弁部が速やかに開弁されるようになる。その結果、逆止弁１を速やかに全開状態へ移行させ、特に圧力損失を発生させることなく冷媒を流せるようになる。

また、上述したボス部３４は、スプリング５０の軸芯として機能している。弁体１２の開口端部の数カ所には、所定幅の切り欠き部５２が設けられている。このため、図５に示すように弁体１２が全開状態となり、その開口端部が第２ボディ１６の底部に係止されたとしても、背圧室４８の内外を連通孔２６を介して連通可能となっている。また、連通溝２８の端部も切り欠き部５２を介して背圧室４８に連通可能となっている。つまり、弁体１２の全開状態においても切り欠き部５２、連通溝２８および環状溝３２による連通路が形成され、導出孔２４と背圧室４８とが連通状態を保持できるようになっている。このように、背圧室４８が一方で連通孔２６を介して外部に連通し、他方で連通溝２８等による連通路を介して外部に連通しており、背圧室４８の内外の差圧が実質的にゼロとなるように導出孔２４および連通路の大きさが設定されている。その結果、外部から背圧室への異物の吸い込みが効果的に抑制されている。

次に、本実施の形態における異物の噛み込み防止構造および流量調整機能について説明する。図６は、逆止弁の弁部近傍を表す部分拡大断面図である。（Ａ）は本実施の形態の構造を示し、（Ｂ）はその比較例の構造を表している。

本実施の形態では同図（Ａ）に示すように、弁体１２におけるスプール部４４の上流側端面と、ボディ１０におけるスプール部４４との摺動面とがなす接面角度θが直角となるように構成されている。このため、仮に閉弁タイミングにて弁体１２の小径部とボディ１０との間隙に異物６０が介在したとしても、そのスプール部４４とボディ１０との小さな間隙にその異物６０が巻き込まれる可能性は低い。この異物６０は、次の第２の弁部の開弁時に上流側から流れてきた冷媒とともに導出孔２４の下流側へと押し流される。仮に異物６０が巻き込まれたとしても、スプール部４４の長さが短いため、その異物６０の噛み込みを抑制することができ、次の第２の弁部の開弁時に容易に剥離させて下流側へ押し流すことができるようになる。

これに対し、比較例では同図（Ｂ）に示すように、対応する接面角度θが鋭角となるように構成されている。その結果、閉弁タイミングにて弁体１１２の上流側端部とボディ１１０との間隙に異物６０が介在している場合、図中矢印で示すように弁体１１２が閉弁方向に動作する際に、その端面周縁部とボディ１１０との小さな間隙にその異物６０が巻き込まれる可能性が高い。この巻き込みの度合いによっては異物が弁体１１２の表面に圧接されて固着し、その後に第２の弁部が開弁されても剥離が困難となり、弁体１１２の円滑な作動に支障をきたすことが想定される。すなわち、本実施の形態では、接面角度θを直角とすることで異物の噛み込みが防止される点で比較例よりも利点がある。

逆に、比較例では接面角度θが鋭角とすることで、第２の弁部を徐々に開弁させていく流量調整を行うことができ、第２の弁部の寸開時の安定性を保持することができるのに対し、本実施の形態では接面角度θが直角であるためにその弁体１２の形状による流量調整機能を発揮させることができない。しかし、本実施の形態ではボディ１０側に設けた導出孔２４が、図１および図５に示されるように三角形状をなし、第２の弁部の開度が大きくなるように弁体が変位するにしたがってボディ１０の内外を連通させる開口面積を大きくする。このため、第２の弁部の寸開時にはその弁開度が漸増するような流量調整機能を発揮させることができ、弁体１２の自励振動によるハンチングを防止または抑制することができる。その結果、弁体１２の開弁動作を安定に維持することができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はその特定の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能であることはいうまでもない。

上記実施の形態では、図６（Ａ）に示したように、スプール部４４の上流側端面と、ボディ１０の摺動面とがなす接面角度θが直角となる構成例を示した。変形例においては、その接面角度θが９０度より大きい鈍角となるように構成してもよい。そのような構成によっても、スプール部４４とボディ１０との小さな間隙に異物が噛み込むことを防止または抑制することができる。

上記実施の形態では、逆止弁１をクラッチレス式の可変容量圧縮機のハウジング内に設置するものとして説明したが、クラッチ式の可変容量圧縮機に設置してもよいし、可変容量圧縮機以外の圧縮機に設置してもよい。あるいは、可変容量圧縮機と凝縮器とをつなぐ配管内など冷凍サイクルの他の部位に設置してもよい。また、自動車用空調装置の冷凍サイクルに限らず、屋内用その他の空調装置に設置してもよい。

実施の形態に係る逆止弁の正面図である。 逆止弁の平面図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 図３のＢ−Ｂ矢視断面図である。 逆止弁の全開状態を表す断面図である。 逆止弁の弁部近傍を表す部分拡大断面図である。

符号の説明

１ 逆止弁、 １０ ボディ、 １２ 弁体、 ２２ 弁座、 ２３ 導入口、 ２４ 導出孔、 ２６ 連通孔、 ２８ 連通溝、 ３０ 摺動面、 ３２ 環状溝、 ３４ ボス部、 ４２ 着脱部、 ４４ スプール部、 ４６ ガイド部、 ４８ 背圧室、 ５０ スプリング、 ６０ 異物。

Claims (5)

1. 冷媒通路に配設されて冷媒の流れを一方向に規制するための逆止弁において、
   上流側に冷媒の導入口を有し、側部に冷媒の導出孔が設けられた筒状のボディと、
   前記ボディ内の前記導入口と前記導出孔との間に設けられた段部に形成された弁座と、
   前記ボディ内に摺動可能に収容されるとともに、前記弁座に着脱して第１の弁部を開閉する着脱部と、前記ボディの内周面との摺接位置によって前記第１の弁部よりも受圧径の大きい第２の弁部を開閉して前記導出孔を開閉させるスプール部と、前記スプール部の前記着脱部とは反対側で前記ボディに摺動しつつガイドされるガイド部とを有し、前記第１の弁部が所定量開弁された後に前記第２の弁部が開弁されるように構成された弁体と、
   前記ボディにおける前記弁体の背部に区画形成された背圧室と、
   前記背圧室に配設されて前記弁体を閉弁方向に付勢する付勢部材と、
   を備え、
   前記弁体における前記スプール部の上流側端面と、前記ボディにおける前記スプール部との摺動面とがなす接面角度が、直角または鈍角となるように構成され、
   前記導出孔が、前記第２の弁部の開度が大きくなるように前記弁体が変位するにしたがって前記ボディの内外を連通させる開口面積を大きくする形状を有し、
   前記ボディの内周面と前記弁体のガイド部との間に、前記背圧室と前記導出孔とを連通させる連通路が形成されていることを特徴とする逆止弁。
2. 前記連通路の形成により、前記背圧室の内外の差圧が実質的にゼロとなるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の逆止弁。
3. 前記スプール部は、その軸線方向の長さが、前記第１の弁部が前記所定量開弁するときの前記弁体の変位量と実質的に等しくなるように形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の逆止弁。
4. 前記ボディに前記背圧室の内外を連通させる連通孔が形成され、
   前記連通路として、前記ボディにおいて前記導出孔と周方向にずれた位置にて軸線方向に延びる凹部が形成され、その凹部の一端側が前記連通孔に連通する一方、他端側が前記ボディの内周面に形成された凹溝を介して前記導出孔に連通するように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の逆止弁。
5. 可変容量圧縮機の出口と吐出室との間の冷媒通路に配設され、その出口側から吐出室への冷媒の逆流を規制することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の逆止弁。

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