JP2011202510A - 可変容量圧縮機の容量制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、可変容量圧縮機を効果的に動作させることができる容量制御弁を提供することを課題とする。
【解決手段】カークーラーの冷凍サイクルに組み込まれる可変容量圧縮機に取り付けられる容量制御弁１は、圧縮機の調圧室と吐出室を連絡した流路を開閉する弁体１２を有し、圧縮機の吸入室の圧力Ｐｓが予め設定したしきい値より低くなった場合、または圧縮機の吐出室の圧力Ｐｄが予め設定した別のしきい値を超えて高くなった場合、弁体１２を開いて調圧室の圧力Ｐｃを吐出室の圧力Ｐｄと同じ圧力まで上昇させる。
【選択図】 図２

Description

この発明は、例えば、カークーラーの冷凍サイクルの途中で冷媒ガスを圧縮する可変容量圧縮機に使用される容量制御弁に関する。

従来、容量制御弁として、例えば、自動車用空調装置の冷凍サイクルの途中で冷媒ガスを圧縮する可変容量圧縮機に取り付けられた容量制御弁が知られている。

可変容量圧縮機は、その圧力を調整することで揺動板の傾斜角度を制御する調圧室、冷凍サイクルの蒸発器から送り込まれる低温・低圧の冷媒を受け入れる吸入室、および高温・高圧の冷媒を凝縮器へ送り出す吐出室を有する。吸入室および吐出室は、それぞれ、揺動板の回転運動を往復運動に変えるピストンを収容配置したシリンダーに接続されている。

エンジンの駆動力により可変容量圧縮機の揺動板が回転されると、ピストンが往復運動して、蒸発器から送り込まれた低温・低圧の冷媒が吸入室を介してシリンダー内に流入し、加圧された高温・高圧の冷媒として吐出室を介して凝縮器へ流出される。可変容量圧縮機の能力（容量）、すなわちピストンのストロークは、揺動板の傾斜角度を大きくすると高く（長く）なり、傾斜角度を小さくすると低く（短く）なる。

この可変容量圧縮機は、自動車のエンジンによって駆動されるため、その回転数がエンジンの回転数に依存し、回転数を制御することができない。このため、エンジンの回転数が上がると圧縮機も高速運転され、回転数が下がると圧縮機も低速にされる。可変容量圧縮機の能力をエンジンの回転数によらずに所望する値に制御するため、可変容量圧縮機の容量（ピストンのストローク、すなわち揺動板の傾斜角度）をコントロールするための容量制御弁が必要となる。

この種の容量制御弁の一例として、可変容量圧縮機の調圧室と吐出室を連通した冷媒の流路を開閉する弁体と、非通電状態のときに弁体を全開にするソレノイドと、吸入室の圧力Ｐｓがソレノイドにより与えられたしきい値より小さくなったときに弁体を開く方向に付勢するバネと、を有する制御弁が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この制御弁は、ソレノイドを非通電状態にしたときに弁体を開き易くするため、弁体を一体に備えた感圧ピストンの外径より弁孔の内径をわずかに大きくした構造を特徴としている。

このように、感圧ピストンの外径より弁孔の内径を大きくすることにより、吐出室の圧力Ｐｄが弁体を開く方向に作用する力が弁体を閉じる方向に作用する力より大きくなり、ソレノイドＯＦＦのときに弁体を開き易くできる。

特開２００５−６１２５３号公報（［００２０］段落）

しかし、この特許文献１に開示された制御弁によると、単に、感圧ピストンの外径より弁孔の内径を大きくしているに過ぎず、［発明の詳細な説明］では、［００２０］段落に「弁孔の内径Ａを感圧ピストン２０の外径よりもたとえば３％程度大きくし」と記載があるだけで、その差は極僅かなものであり、径の大小関係を規定しているに過ぎない。

このため、この特許文献１に記載の発明の効果も、ソレノイドＯＦＦのとき弁体を僅かに開き易くできるだけであり、カークーラーによって車室内温度を設定温度に保持するための通常制御では、特許文献１の制御弁は、特別な効果を奏することはない。

この発明の目的は、可変容量圧縮機を効果的に動作させることができる容量制御弁を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の容量制御弁は、その圧力を調整することによって冷媒の圧縮容量を変化させる調圧室、冷凍サイクルの蒸発器から送り込まれる低温・低圧の冷媒を受け入れる吸入室、および上記冷凍サイクルの凝縮器へ高温・高圧の冷媒を送り出す吐出室を有する可変容量圧縮機に取り付けられるものであって、上記吐出室を上記調圧室に連通する流路に設けられた弁座と、この弁座の開口部を上記調圧室側から開閉する弁体と、この弁体を一端に備え上記開口部を通って該弁体の開閉方向に沿って移動可能に延設された可動ロッドと、上記弁体を上記弁座に押し付ける方向に上記可動ロッドを付勢する電磁アクチュエーターと、この電磁アクチュエーターによる付勢力を消失させた状態で上記弁体を上記弁座から離間する方向に付勢して開く付勢部材と、上記吸入室の圧力Ｐｓが予め設定した第１のしきい値Ｔ１を下回ったときに、上記電磁アクチュエーターによる付勢力に抗して上記弁体を開く第１の開き手段と、上記吐出室の圧力Ｐｄが予め設定した第２のしきい値Ｔ２を超えたときに、上記弁体を開く第２の開き手段と、を有する。

上記発明によると、吸入室の圧力Ｐｓが予め設定した第１のしきい値Ｔ１を下回ったときに弁体を開くとともに、吐出室の圧力Ｐｄが予め設定した第２のしきい値Ｔ２を超えたときに弁体を開くため、可変容量圧縮機をより効果的に動作させることができる。

また、他の発明によると、上記弁体が開く方向に上記吐出室の圧力を受ける第１の受圧面の直径をＤ１とし、上記開口部を通る上記可動ロッドの外径をＤ２とし、上記弁体が閉じる方向に上記吸入室の圧力を受ける第２の受圧面の直径をＤ３とした場合、Ｄ１^２＝（Ｐｓ−Ｔ１）・Ｄ３^２／（Ｔ２−Ｐｃ）＋Ｄ２^２を満たすように上記第２のしきい値Ｔ２を設定する。この発明によると、吐出室の圧力Ｐｄの変化に基づいて弁体を開く第２のしきい値Ｔ２を所望する値に設定できる。

また、他の発明によると、上記第１の受圧面は、上記弁座の開口部の直径より大きい直径で、上記弁体が上記弁座に対向する面に形成された環状凹部に設けられている。この発明によると、弁座の開口部の内径に関係なく、圧力Ｐｄを受ける受圧面の大きさを設定することができるため、設計変更の際に、弁体の構造のみを変更すれば良い。

更に、他の発明によると、上記可動ロッドは磁性材料によって形成されており、上記電磁アクチュエーターのプランジャーに磁着される。

この発明の容量制御弁は、上記のような構成および作用を有しているので、可変容量圧縮機を効果的に動作させることができる。

図１は、この発明の実施の形態に係る容量制御弁を備えた可変容量圧縮機を組み込んだ冷凍サイクルを示すブロック図である。 図２は、図１の容量制御弁を示す断面図である。 図３は、図２の要部を部分的に拡大した部分拡大断面図である。 図４は、図３の弁体を簡略化した部分拡大断面図である。

以下、図面を参照しながらこの発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、この発明の実施の形態に係る容量制御弁１を備えた可変容量圧縮機１０を含むカークーラーの冷凍サイクル１００を示すブロック図である。ここでは、本発明をカークーラーの冷凍サイクルに適用した実施形態について説明するが、本発明は、これに限らず、他の熱交換サイクルにも適用可能である。なお、ここでは、説明を分かり易くするため、容量制御弁１を可変容量圧縮機１０と別体に図示したが、容量制御弁１は、可変容量圧縮機１０に組み込まれるのが一般的である。

本実施の形態の冷凍サイクル１００は、可変容量圧縮機１０（コンプレッサー）の他に、液体容器１０２（レシーバータンク）、膨張弁１０４（エキスパンションバルブ）、蒸発器１０６（エバポレーター）、および凝集器１０８（コンデンサー）を有する。

液体容器１０２は、冷凍サイクルを循環していない余分な冷媒を液体の状態で一時的に貯蔵する。冷媒は、気体、液体、或いは両方が混ざった状態で冷凍サイクル１００を流れる。冷凍サイクル１００を循環する冷媒の量は、エンジンの回転数や外気温度によって変動するため、この変動を吸収するための冷媒の一時貯蔵庫が必要となる。

膨張弁１０４は、蒸発器１０６内を低圧にするため、液体容器１０２で貯蔵した冷媒を高圧で小さな孔から噴射させて、低圧・低温の霧状の冷媒にする。これにより、蒸発器１０６では、冷媒を気化（蒸発）し易くなる。

蒸発器１０６は、膨張弁１０４を通して霧状にされた冷媒を図示しないパイプに流通させて、パイプの外側から熱を奪ってパイプ内を通る冷媒を急激に気化させる。この際、ファン１０７を用いてパイプの外側で空気を流通させることで、パイプによって熱を奪われた冷気を作ることができる。この冷気を車室内に送り込んで車室内を冷房する。

可変容量圧縮機１０は、蒸発器１０６から送り込まれた低温・低圧の冷媒ガスを図示しないエンジンの駆動力を利用して圧縮し、高温・高圧の冷媒ガスにして凝集器１０８へ送り出す。エンジンの駆動力は、プーリー１０１を介して可変容量圧縮機１０に伝達される。この可変容量圧縮機１０については、後で説明する。

凝集器１０８は、可変容量圧縮機１０から送り込まれた高温・高圧の冷媒ガスを冷やして液化する。このとき、凝集器１０８は、パイプを通して高温・高圧の冷媒ガスを流通させ、パイプの外側を通して空気を流通させてパイプを冷やす。つまり、ファン１０９を用いてパイプに空気をあてて、パイプ内を流れる冷媒を冷やす。凝集器１０８で冷やされた冷媒は、液体容器１０２に戻されて再利用に供される。

可変容量圧縮機１０として、一般に、斜板の回転運動をピストンの往復運動に変えて出力を取り出す斜板式のコンプレッサーが知られている。本実施の形態では、可変容量圧縮機１０として、この斜板式のコンプレッサーを用いた。この可変容量圧縮機１０は、プーリー１０１を介して伝達されるエンジンの駆動力によって図示しない斜板を回転し、この回転によって図示しないピストンを往復移動させ、図示しないシリンダーに蒸発器１０６からの低温・低圧の冷媒ガスを送り込んで圧縮し、シリンダーで圧縮した高温・高圧の冷媒ガスを凝集器１０８へ送り出すよう機能する。

この可変容量圧縮機１０の運転能力、すなわち容量を変える場合、この圧縮機１０の図示しない調圧室内における冷媒の圧力Ｐｃを変化させて、斜板の傾斜角度を変化させ、ピストンのストロークを変化させる。自動車のエンジンによって駆動される圧縮機は、回転数を制御することができないため、このように冷媒の流れを利用して容量を変えることで、冷媒の単位時間当りの圧縮量をコントロールする。

斜板式の容量可変のコンプレッサーについては、一般によく知られているため、ここでは、これ以上の詳細な説明は省略するが、具体的には、調圧室の圧力Ｐｃを高くすると、斜板の傾斜角度が小さくなってピストンのストロークが短くなり、エンジンの負荷となる可変容量圧縮機１０の負荷および容量が小さくなる。一方、調圧室の圧力Ｐｃを低くすると、斜板の傾斜角度が大きくなってピストンのストロークが長くなり、エンジンの負荷となる可変容量圧縮機１０の負荷および容量が大きくなる。

つまり、自動車の運転中、急な上り坂などでエンジンの回転数が上がって可変容量圧縮機１０の回転数が高くなった場合、エンジンの力を自動車の駆動力としてフルに使うため、可変容量圧縮機１０の負荷を軽くするとともに、必要以上にカークーラーが利き過ぎないようにするため、調圧室の圧力Ｐｃを高めて可変容量圧縮機１０の容量を小さくし、単位時間当りに圧縮する冷媒の量を少なくする。これにより、エンジンの回転数に関係なく、冷凍サイクルを循環する冷媒の量をコントロールでき、カークーラーを所望する温度で運転できるとともに、自動車の駆動力を低下させることがない。

この種の可変容量圧縮機１０は、一般に、調圧室の圧力Ｐｃを所望する圧力範囲に制御するための容量制御弁１を備えている。以下、本実施の形態の容量制御弁１について、図２および図３を参照して説明する。なお、以下の説明では、可変容量圧縮機１０の図示しないピストンシリンダーに低圧・低温の冷媒ガスを送り込む図示しない吸入室の圧力をＰｓとし、シリンダーで圧縮された高温・高圧の冷媒ガスを送り出す吐出室の圧力をＰｄとする。

本実施の形態の容量制御弁１は、可変容量圧縮機１０に取り付けた状態で、可変容量圧縮機１０の調圧室と吐出室を連通する冷媒のための流路を有するとともに、この流路を開閉する弁体１２を有する。カークーラーの温度を設定する場合、この容量制御弁１の後述するソレノイド２１に給電する電流値を調節して、弁体１２を開くためのしきい値Ｔ１（第１のしきい値）をコントロールする。

つまり、この容量制御弁１は、基本的に、吸入室の圧力Ｐｓが後述するソレノイド２１によって与えられる圧力のしきい値Ｔ１（本実施の形態では、１．５ｂａｒ）より低くなった場合に、吐出室を調圧室に連通するように弁体１２を開き、調圧室の圧力Ｐｃを吐出室の圧力Ｐｄに近付くように上昇させる。ソレノイド２１によって与えられる上述した吸入側のしきい値Ｔ１は、ソレノイド２１に給電する電流値を変えることで任意に変更可能である。

なお、この吸入側のしきい値Ｔ１は、カーエアコンによる車室内温度を決めるものであり、このしきい値Ｔ１を高目に設定（すなわち、ソレノイド２１に給電する電流値を小さく）すると、車室内温度を高目にコントロールすることができ、このしきい値Ｔ１を低目に設定（すなわち、ソレノイド２１に給電する電流値を大きく）すると、車室内温度を低目にコントロールすることができる。

また、この容量制御弁１は、吐出室の圧力Ｐｄが予め設定された別のしきい値Ｔ２（第２のしきい値）（本実施の形態では、２０ｂａｒ）を超えた場合にも、吐出室を調圧室に連通するように弁体１２を開き、調圧室の圧力Ｐｃを吐出室の圧力Ｐｄに近付くように上昇させる。なお、この吐出側のしきい値Ｔ２は、後述する計算式に基づいて、容量制御弁１の要部の寸法を設計することで、所望する値に設定することができる。

なお、吸入室の圧力Ｐｓが上述した吸入側のしきい値Ｔ１以上で且つ吐出室の圧力Ｐｄが上述した吐出側の別のしきい値Ｔ２以下である通常の制御をしているときには、弁体１２は、閉じられて調圧室の圧力Ｐｃが維持される。この状態で、車室内温度が、ソレノイド２１に給電する電流値に基づいて決定される温度に調節される。

図２に示すように、容量制御弁１は、略円柱形の非磁性材料によって形成された本体２を有する。本実施の形態では、本体２を真鍮によって形成した。本体２の外形は、その中心軸を横切る断面が、図中上方に向かって段々に小さくなっており、可変容量圧縮機１０側の図示しない取り付けスロットに対して、図中上端側を先頭にして挿入して取り付け可能となっている。

本体２の外周上には、容量制御弁１の後述する各圧力室を区画してシールするための複数本のＯリング３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄをそれぞれ取り付けるための複数本の円環状の取り付け溝２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが互いに軸方向に離間して設けられている。これらＯリング３ａ〜３ｄは、容量制御弁１を可変容量圧縮機１０の取り付けスロットに装着した状態で、スロットの図示しない内壁に密着し、容量制御弁１をスロット内に気密に装着するよう機能する。

本体２の図中上端側には、可動体１１を挿通して本体２内に取り付けるための略円筒形の圧力室３１が形成されている。この圧力室３１は、本体２と同軸に設けられている。また、この圧力室３１は、容量制御弁１を可変容量圧縮機１０に取り付けた状態で、可変容量圧縮機１０の調圧室に連通するため、調圧室の圧力Ｐｃと同じ圧力になる。

図３にも拡大して示すように、可動体１１は、上述した弁体１２を可動ロッド１３の図中上端に一体且つ同軸に取り付けた構造を有する。可動ロッド１３は、鉄などの磁性材料によって形成されている。可動体１１は、可動ロッド１３の図中下端側から圧力室３１内に挿通されることで本体２内に装着される。つまり、磁性材料でできた可動体１１の可動ロッド１３の大部分は、後述する弁座４１の開口部４２を通って、圧力室３１の図中下方に突出する。

圧力室３１の底部には、圧力室３１内で軸方向に移動する弁体１２が離接する弁座４１が設けられている。弁座４１の開口部４２の内径、すなわち、弁座４１の開口径は、圧力室３１の内径より狭くされており、可動体１１の可動ロッド１３の外径より一周り大きくされている。当然のことながら、この弁座４１の開口径は、上述した弁体１２の外径より小さい。

すなわち、圧力室３１の図中上端側の開口部から挿通された可動体１１の可動ロッド１３は、その図中下端が弁座４１の開口部４２を通って差し込まれて装着される。そして、弁体４１の図中下端面が、弁座４１の図中上面に接触して、弁体１２が弁座４１に接触して密着される。この状態で、圧力室３１の下端にある弁座４１の開口部４２が閉じられて、可変容量圧縮機１０の調圧室と吐出室を連絡した流路が閉じられる。

上述した可動体１１を挿入配置した後、圧力室３１には、押さえバネ１４を介して、中心に孔が開いた略円筒形のネジ部材１５が螺合される。圧力室３１の図中上端寄りの内周壁には、ネジ部材１５の外周面のネジ山に螺合するネジ溝が形成されている。ネジ部材１５は、圧力室３１を調圧室に連通するための連通孔１５ａを同軸に有する。

ネジ部材１５は、押さえバネ１４が可動ロッド１３の弁体１２を弁座４１に押し付ける力を生じるように、押さえバネ１４を少なくとも僅かに押し縮めるまで圧力室３１内にねじ込まれる。しかし、この押さえバネ１４は、あくまでも弁体１２を押えるために設けられたものであり、弁体１２が開くときに弁座４１から図中上方に離間する動作を妨げるものではない。

圧力室３１の図中下方、すなわち弁座４１の下方には、容量制御弁１を可変容量圧縮機１０の図示しないスロットに装着した状態で、圧縮機の吐出室に連通する圧力室３２が設けられている。言い換えると、この圧力室３２は、弁座４１の開口部４２を介して、上述した圧力室３１に連通している。なお、この圧力室３２は、可変容量圧縮機１０の吐出室に連通しているため、弁体１２を閉じた状態（図示の状態）で、吐出室の圧力Ｐｄと同じ圧力になる。

すなわち、調圧室に連通した比較的大径の圧力室３１、弁座４１の開口部４２、および吐出室に連通した圧力室３２が、可変容量圧縮機１０の吐出室を調圧室に連絡する冷媒の流路として機能する。そして、可動体１１の弁体１２が、弁座４１の開口部４２を吐出室側から開閉するよう、弁座４１の図中上面に対して軸方向に離接可能に設けられている。

圧力室３２の図中下方には、可動体１１の可動ロッド１３をスライド可能に挿通する円筒形の長孔４３が設けられている。この長孔４３の内径は、可動ロッド１３の外径Ｄ２より僅かに大きい内径に設計されている。つまり、弁体１２を開閉移動させるため、可動ロッド１３が長孔４３に沿って軸方向にスライド可能になっている。

特に、この長孔４３は、本体２と同軸に形成されており、可動ロッド１３を本体２の中心軸に沿って真っ直ぐにスライド可能に、可動ロッド１３を気密に収容配置している。言い換えると、長孔４３の内周面と可動ロッド１３の外周面との間には殆ど隙間は無く、可動体１１に外力が加わった場合であっても、可動ロッド１３のスライド軸がぶれることはない。

このため、可動ロッド１３に一体に取り付けられた弁体１２が弁座４１に密着して閉じた状態で可動ロッド１３に外力が加わった場合であっても、弁体１２の下面と弁座４１の上面との間に隙間が形成されることがなく、開口部４２が密閉されて流路が確実に閉じられる。

長孔４３の図中下端は、可変容量圧縮機１０の吸入室に連通した圧力室３３（図２）に連絡している。この圧力室３３は、容量制御弁１を可変容量圧縮機１０に取り付けた状態で、圧縮機１０の吸入室に連通するため、吸入室の圧力Ｐｓと同じ圧力にされる。可動体１１の可動ロッド１３の図中下端は、長孔４３を通り抜けて、この圧力室３３まで延びている。

圧力室３３まで延びた可動ロッド１３の下端には、円筒形の磁性部材によって形成された磁着リング４４が略隙間の無い状態で環装されている。本実施の形態では、この磁着リング４４を鉄などの磁性材料によって形成した。この磁着リング４４は、可動ロッド１３に対して軸方向に移動可能に装着される。また、可動ロッド１３の下端は、磁着リング４４を貫通してさらに下方へ延びている。

一方、本体２の図中下側には、圧力室３３まで延びた可動ロッド１３の下端を磁着リング４４とともに図中下方に引っ張って弁体１２を弁座４１に押し付けるためのソレノイド２１（電磁アクチュエーター）が設けられている。このソレノイド２１は、後述するコイル２３に給電する電流値をコントロールすることで、後述するプランジャー２４による引っ張り力をコントロールし、吸入室の圧力低下に基づいて弁体１２を開く際の動作のしきい値Ｔ１を所望する値に設定する。

ソレノイド２１は、本体２に固定的に埋設された概ね円筒状の固定鉄心２２、この固定鉄心２２の外側に離間して取り付けられたコイル２３、および固定鉄心２２の図中上方で固定鉄心２２に対して軸方向に離接可能に配置された鉄などの磁性材料によって形成されたプランジャー２４（可動鉄心）を有する。

プランジャー２４は、固定鉄心２２に対向する図中下端に、円錐形の環状テーパー面２４ａを有する。一方、固定鉄心２２がプランジャー２４に対向する図中上端には、プランジャー２４の環状テーパー面２４ａに対向する円錐形の環状テーパー面２２ａが設けられている。これら２つの環状テーパー面２２ａ、２４ａは、互いに略同じ角度で傾斜している。

また、プランジャー２４の図中上面２４ｂには、可動ロッド１３の図中下端を遊びを介してゆるく受け入れる円形穴２４ｃが同軸に形成されている。言い換えると、円形穴２４ｃの内径は、可動ロッド１３の外径より一周り大きい。また、プランジャー２４の上面２４ｂは、上述した磁着リング４４の図中下面４４ａが面で接触可能な平らな面となっている。

しかして、ソレノイド２１のコイル２３に通電すると、固定鉄心２２が励磁されて、プランジャー２４の環状テーパー面２４ａが固定鉄心２２の環状テーパー面２２ａに吸引され、プランジャー２４も励磁される。一方、これら２つの環状テーパー面２２ａ、２４ａは、固定鉄心２２とプランジャー２４との間に配置された中間バネ２６（付勢部材）によって、互いに離間する方向に付勢されている。このため、ソレノイド２１の非通電状態からコイル２３に通電すると、プランジャー２４が固定鉄心２２に近付く方向（図中下方）に引っ張られる。

このとき、プランジャー２４が磁化されると同時に、磁性材料によって形成された可動ロッド１３と磁着リング４４もプランジャー２４に磁気的に吸引されて吸着される。このとき、磁着リング４４は、可動体１１のプランジャー２４に対する磁気的な吸着力を強める目的で設けられている。つまり、可動ロッド１３の比較的小さな下端面がプランジャー２４の円形穴２４ｃの底面に接触して磁着されるとともに、磁着リング４４の比較的広い下面４４ａがプランジャー２４の上面２４ｂに接触して磁着される。

このように、磁着リング４４の比較的広い下面４４ａをプランジャー２４の上面２４ｂに磁着させることで、可動ロッド１３とプランジャー２４の円形穴２４ｃとの間の比較的弱い吸着力を補うことができ、ソレノイド２１をＯＮにした状態で、可動ロッド１１の下端をプランジャー２４に対してより強固に吸着させることができる。

また、可動ロッド１１の下端とプランジャー２４の円形穴２４ｃとの間に遊びを設けることで、プランジャー２４の中心軸と可動ロッド１１の中心軸との間のズレを吸収することができる。

つまり、ソレノイド２１のコイル２３に通電すると、プランジャー２４が固定鉄心２２に吸引されて図中下方に引っ張られると同時に、プランジャー２４に一体に磁着された可動ロッド１３と磁着リング４４も図中下方に引っ張られる。この結果、弁体１２が弁座４１に押し付けられ、圧力室３１、３２を連絡する流路が閉じられる。

逆に、コイル２３への通電をやめると、中間バネ２６によって図中上方に付勢されているプランジャー２４が消磁されて固定鉄心２２から離間する図中上方に押し上げられ、プランジャー２４の円形孔２４ｃの底面に下端面を接触せしめている可動ロッド１３が図中上方に押し上げられる。これにより、弁体１２が弁座４１から離間して流路が開かれる。言い換えると、中間バネ２６は、ソレノイド２１をＯＦＦにしたとき、弁体１２を全開にできる程度のバネ定数を有する。

なお、可動体１１は、その上端に弁体１２を備えているため、圧力室３１から弁座４１の開口部４２に挿通して装着する必要がある。一方、プランジャー２４や磁着リング４４は、本体２を図２のように組み立てる前に圧力室３３内に挿入して取り付ける必要がある。このため、可動体１１の図中下端とプランジャー２４の円形穴２４ｃとの間は分離可能な構造にする必要がある。つまり、磁着リング４４は、このような理由で分離する必要がある可動体１１とプランジャー２４を必要に応じて強固に結合させるため、必要な磁力を発生させる。

この他に、ソレノイド２１の固定鉄心２２の内部には、吸入室の圧力低下を検知したことをトリガーとして、プランジャー２４を図中上方に押し上げるための非磁性材料によって形成されたプッシュバー２５が挿入配置されている。プランジャー２４は、その下端側からプッシュバー２５の図中上端を受け入れる長穴２４ｄを有する。長穴２４ｄの内径は、プッシュバー２５の外径より大きい。長穴２４ｄの図中上端は閉じている。プッシュバー２５は、上述した中間バネ２６の内部を通って取り付けられている。

プッシュバー２５の図中下端には、略円形のダイアフラム２７に比較的広い面で接触する略円形の受圧面２５ａが設けられている。ダイアフラム２７は、剛性を付与することで取り付け作業を容易にするための円環状のリブ２７ａを、加圧によって変形可能な円形の薄い金属板２７ｂの周縁部に溶接で接着した構造を有する。ダイアフラム２７の薄い金属板２７ｂは、例えば、０．０６ｍｍ〜０．０８ｍｍ程度の厚さを有するＳＵＳなどの金属箔によって形成されている。

ダイアフラム２７の図中下側には、リブ２７ａを図中下側から押える略円筒形のストッパー４５が取り付けられている。ストッパー４５は、その外周面から突出した円環状のフランジ４５ａを、本体２の外周に配置した円筒形のカバー４６で固定することで、本体２の図中下端に固定される。ダイアフラム２７を取り付ける場合、Ｏリング３ｅを介してダイアフラム２７を取り付けて、ストッパー４５で押さえた状態で、カバー４６でストッパー４５を本体２に固定する。

また、ストッパー４５の内部であってダイアフラム２７の図中下側には、上述したプッシュバー２５の受圧面２５ａと同じ形の押圧面をその上端に有する支え部材２８が取り付けられている。支え部材２８は、その下面側に、略円筒形の脚部２８ａを有し、この脚部２８ａの外側に押圧バネ２９が環装されている。そして、この押圧バネ２９の図中下端側には、ストッパー４５内に螺合する調圧ネジ４７が取り付けられている。

しかして、調圧ネジ４７のねじ込み量を調節することで、押圧バネ２９の縮み量を調節でき、支え部材２８によるダイアフラム２７の金属板２７ｂに対する押圧力を調節できる。基本的に、この調圧ネジ４７のねじ込み量は、ダイアフラム２７の金属板２７ｂの図中上面側から付与される所定の圧力のとき、金属板２７ｂの図中下面側から付与される圧力がバランスするように決められる。

ダイアフラム２７の上面側には、金属板２７ｂの有効面積（直径Ｄ３の円の面積）に対し、圧力室３３と同じ圧力Ｐｓが加えられる。つまり、圧力室３３が、プランジャー２４の外周面とスリーブ４９の内周面との間の隙間、プランジャー２４の環状テーパー面２４ａと固定鉄心２２の環状テーパー面２２ａとの間の隙間、およびプッシュバー２５と固定鉄心２２の長孔との間の隙間を介して、ダイアフラム２７の上面側の空間に連通しているため、ダイアフラム２７の上面（第１の受圧面）側には、圧力室３３と同じ圧力Ｐｓが加えられる。

この他に、ダイアフラム２７の上面側には、調圧室の圧力Ｐｃが加えられる。しかし、ダイアフラム２７の有効面積、すなわち金属板２７ｂの直径Ｄ３は、圧力Ｐｃを受ける可動ロッド１３の直径Ｄ２より数倍大きく、圧力Ｐｃ自体も３ｂａｒ程度であるため、ダイアフラム２７に加えられる圧力Ｐｃに基づく力は動作説明時には省略して考えることができる程度のものである。例えば、本実施の形態では、Ｄ３が１３ｍｍであるのに対し、Ｄ２が２ｍｍであるため、圧力が加わる面積の比にすると、その差は４０倍ほどになる。

このため、本実施の形態では、可変容量圧縮機１０の吸入室の圧力Ｐｓが２ｂａｒ程度であるものとして、この圧力がちょうどバランスするように、調圧ネジ４７のねじ込み量を調節した。つまり、ソレノイド２１をＯＦＦにして、圧力室３１に圧力Ｐｃを加えて、圧力室３２に圧力Ｐｄを加えて、且つ、圧力室３３に圧力Ｐｓを加えた状態で、ダイアフラム２７の両面に加えられる圧力が同じになるように、調圧ネジ４７のねじ込み量を調節した。

上記のように組み立てられた容量制御弁１は、カークーラーの冷凍サイクル１００の可変容量圧縮機１０に取り付けられた状態で、以下のように機能する。

可変容量圧縮機１０に装着された容量制御弁１の圧力室３１は、圧縮機の調圧室と同じ圧力Ｐｃ（本実施の形態では約３ｂａｒ）にされ、圧力室３２は、吐出室と同じ圧力Ｐｄ（本実施の形態では約１０ｂａｒ）にされ、圧力室３３は、吸入室と同じ圧力Ｐｓ（本実施の形態では約２ｂａｒ）にされる。可変容量圧縮機１０の動作時には、これらの圧力Ｐｃ、Ｐｄ、Ｐｓは、ダイナミックに変動するが、以下の説明では、自動車が平らな道を一定速度で走行しているような定常状態で、Ｐｃ＝３ｂａｒ、Ｐｄ＝１０ｂａｒ、Ｐｓ＝２ｂａｒであるものとする。

上述した定常状態でソレノイド２１がＯＦＦの状態では、ダイアフラム２７の両面に加わる圧力がちょうどバランスしているため、吸入室の圧力Ｐｓが２ｂａｒを僅かでも下回ると、ダイアフラム２７両面の圧力バランスが崩れて、ダイアフラム２７の金属板２７ｂが図中上方に僅かに凸をなすように変形し、プッシュバー２５が図中上方に押し上げられる。

このとき、弁体１２は、ソレノイド２１をＯＦＦにした時点で、上述した中間バネ２６によって上方に既に押し上げられているため、プッシュバー２５の動作状態に関係なく、弁体１２は開いている。

一方、ソレノイド２１をＯＮにした状態では、コイル２３に流す電流値に応じて、Ｐｓの低下によって弁体１２が開くときの動作のしきい値Ｔ１を変えることができる。例えば、ダイアフラム２７の図中上面側に加わる圧力に換算して０．５ｂａｒに相当する圧力を生じるようにコイル２３に流す電流値をコントロールすると、Ｐｓが２ｂａｒからわずかに低下しただけでは弁体１２が開くことはない。つまり、この場合、ダイアフラム２７の上面側には、見かけ上、２．５ｂａｒの圧力が加えられているため、Ｐｓが０．５ｂａｒ以上下がらないと弁体１２が開くことはない。言い換えると、この場合、可変容量圧縮機１０の吸入圧Ｐｓが１．５ｂａｒを下回ったときに弁体１２が動作することになり、この場合の動作のしきい値Ｔ１は１．５ｂａｒとなる。

また、本実施の形態の容量制御弁１は、可変容量圧縮機１０の吐出室の圧力Ｐｄが別のしきい値Ｔ２（本実施の形態では２０ｂａｒとした）を超えて高くなった場合にも、弁体１２を開いて吐出室を調圧室に連通させるようにしている。以下、この場合の別のしきい値Ｔ２の設定方法について、図４の簡略化した構造の弁体１２を有する容量制御弁１を用いて説明する。

上述した定常状態（Ｐｃ＝３ｂａｒ、Ｐｄ＝１０ｂａｒ、Ｐｓ＝２ｂａｒ）で可変容量圧縮機１０が動作しているとき、吐出室の圧力Ｐｄの上昇に応じて容量制御弁１の弁体１２を開くためには、弁座の開口径Ｄ１を可動ロッド１３の外径Ｄ２より大きくする必要がある。しかし、単にＤ１＞Ｄ２としただけでは、弁体１２を開くための圧力Ｐｄのしきい値Ｔ２を所望する値に設定することはできないばかりか、他の条件によっては、吐出室の圧力Ｐｄが僅かに上昇しただけでは、弁体１２を開くことすらできない。

このため、本実施の形態では、容量制御弁１の要部の寸法Ｄ２、Ｄ３、各圧力室の定常状態における圧力Ｐｃ、Ｐｓ、所望するしきい値Ｔ１、Ｔ２などに合せて、弁座４１の開口径Ｄ１をコントロールすることで、上述したしきい値Ｔ２を所望する値に設定するようにした。

つまり、ソレノイド２１によって与えられる上述した吸入側の圧力Ｐｓのしきい値をＴ１とし、所望する吐出側の圧力Ｐｄのしきい値をＴ２とし、可動ロッド１３の外径をＤ２とし、上述したダイアフラム２７の金属板２７ｂの有効径をＤ３とした場合、弁座４１の開口径Ｄ１を、下式（１）を満たす最小の値に設定することで、しきい値Ｔ２を所望する値に設定できる。
Ｄ１^２＝（Ｐｓ−Ｔ１）・Ｄ３^２／（Ｔ２−Ｐｃ）＋Ｄ２^２・・・（１）
すなわち、弁体１２に図中上方から下向きに加えられる力は、圧力Ｐｓのしきい値Ｔ１を設定するためソレノイド２１によって与えられるＫ（Ｐｓ−Ｔ１）Ｄ３^２（Ｋは比例定数）であり、弁体１２に図中下方から上向きに加えられる力は、Ｋ（Ｐｄ−Ｐｃ）（Ｄ１^２−Ｄ２^２）（Ｋは比例定数）である。よって、吐出室の圧力Ｐｄを所望するしきい値Ｔ２に置き換えて、弁体１２の上下に加わる力をイコールで結ぶと、上述した式（１）が導かれる。

なお、上述した式（１）を満たすには、弁座４１の開口径Ｄ１を変える代りに、可動ロッド１３の外径Ｄ２やダイアフラム２７の有効径Ｄ３を変えても良い。また、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３をそれぞれ変更しても良い。いずれにしても、式（１）を満たすことで、圧力Ｐｄのしきい値Ｔ２を所望する値に設定することができる。

しかし、しきい値Ｔ２を設定するため、弁座４１の開口径Ｄ１、可動ロッド１３の外径Ｄ２、および／或いはダイアフラム２７の有効径Ｄ３を変更することは容易ではない。つまり、弁座４１の開口径Ｄ１を変更するためには容量制御弁１の本体の形状を変更する必要があり、可動ロッド１３の外径Ｄ２を変更するためには長孔４３の内径、すなわち本体２の構造を変更する必要があり、ダイアフラム２７の有効径Ｄ３を変更するためにはリブ２７ａの内径を変更するだけではなく、ストッパー４５の形状や本体２の形状を変更する必要がある。

このため、本実施の形態では、図３に示すような弁体１２の構造を採用した上で、弁座４１の開口径Ｄ１を変える代わりに弁体１２の構造を変更することで、しきい値Ｔ２を所望する値に設定するようにした。

つまり、本実施の形態の弁体１２は、弁座４１の図中上面に接触する下面側に、吐出室の圧力Ｐｄを受ける直径Ｄ１の環状凹部１２ａを有する。この場合、可動ロッド１３の図中上端は、この環状凹部１２ａ内に一体に接続している。

この構造の弁体１２を用いた場合、弁体１２を閉じた状態で、圧力室３２が弁座４１の開口部４２を介して環状凹部１２ａに連通し、吐出室の圧力Ｐｄが環状凹部１２ａの図中上面に作用することになる。この場合、環状凹部１２ａの上面の圧力Ｐｄを受ける面積（第２の受圧面）は、Ｄ１に依存することになる。言い換えると、環状凹部１２ａの直径を変更するだけで、弁体１２が図中下方から上向きに受ける力の大きさを変えることができる。

すなわち、本実施の形態の弁体１２を用いることで、弁座４１の開口径Ｄ１、可動ロッド１３の外径Ｄ２、ダイアフラム２７の有効径Ｄ３などを変更することなく、弁体１２の構造を変更（すなわち、可動体１１を交換）するだけで、吐出室の圧力Ｐｄのしきい値Ｔ２を設定することができ、大きな設計変更の必要がなく、設計変更に伴うコストを低減することができる。また、本実施の形態の弁体１２を用いる場合、弁座４１の開口部４２の寸法を適宜設定することができる。

つまり、この場合、弁座４１の開口部４２の内径は、可動ロッド１３の外径より僅かに大きい径にすれば良く、環状凹部１２ａの直径Ｄ１より少なくとも小さくすれば良い。見方を変えると、本実施の形態の弁体１２を用いる場合、弁座４１の開口部４２を比較的小さい内径にすることが有効であり、開口部４２の内径を小さくすることで、環状凹部１２ａの直径を短くする変更（すなわち、弁体１２が下方から上向きに受ける力を小さくする変更）にも対応できる。

［実施例］
可動ロッド１３の外径Ｄ２を２ｍｍに設計し、ダイアフラム２７の有効径Ｄ３を１３ｍｍに設計し、吸入室の圧力Ｐｓを２ｂａｒとし、調圧室の圧力Ｐｃを３ｂａｒとし、吸入室の圧力Ｐｓのしきい値Ｔ１を１．５ｂａｒとして、吐出室の圧力Ｐｄのしきい値Ｔ２を２０ｂａｒに設定するための弁体１２の環状凹部１２ａの直径Ｄ１を算出した。その結果、圧力Ｐｄのしきい値Ｔ２を２０ｂａｒにするための直径Ｄ１は、約３ｍｍとなった。

この直径Ｄ１は、可動ロッド１３の外径Ｄ２の１．５倍に相当し、面積比にして、環状凹部１２ａの面積は、可動ロッド１３の断面積の約２．２５倍になった。つまり、本実施例では、この面積比になるような大きさの環状凹部１２ａを有する弁体１２を用いることで、吐出室の圧力Ｐｄのしきい値を２０ｂａｒにできることがわかった。

なお、上述した計算式の圧力Ｐｓや圧力Ｐｃは、可変容量圧縮機１０の動作中ダイナミックに変動するものであるため、上述した面積比にも適正範囲が存在する。すなわち、このような圧力変動を吸収するための手段としては、ソレノイド２１による吸引力を調整する方法、すなわち電流値を調整する方法が考えられる。このため、ソレノイド２１による圧力の調節可能範囲から、適正な面積比は、２．２５ｂａｒ±３０％とすることができる。

以上のように、本実施の形態の容量制御弁１によると、可変容量圧縮機１０の吸入室の圧力Ｐｓがソレノイド２１によって与えられるしきい値Ｔ１を下回った場合に、弁体１２を開いて調圧室の容量を少なくするよう動作するとともに、吐出室の圧力Ｐｄが別のしきい値Ｔ２を超えた場合にも、弁体１２を開くように動作する。つまり、本実施の形態の容量制御弁１は、このように、２つのしきい値Ｔ１、Ｔ２を有することを特徴としており、可変容量圧縮機１０をより効果的に動作させることができる。

また、本実施の形態によると、しきい値Ｔ２を所望する値に設定するため、上述した式（１）を満たすように弁座１２の開口径Ｄ１、可動ロッド１３の外径Ｄ２、ダイアフラム２７の有効径Ｄ３のうち少なくともいずれか１つを変更するだけで良く、容量制御弁１の使用環境に応じて、しきい値Ｔ１、Ｔ２を任意且つ容易に所望する値に設定することができる。

また、本実施の形態によると、図３に示す構造の弁体１２を採用することで、上述したＤ１、Ｄ２、Ｄ３を変更する代りに環状凹部１２ａの直径Ｄ１を変更するだけで、しきい値Ｔ２を所望する値に設定することもできる。

なお、この発明は、上述した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、上述した実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。

この発明の容量制御弁は、例えば、カークーラーの冷凍サイクルに組み込まれる可変容量圧縮機に取り付けられる。

１…容量制御弁、２…本体、１０…可変容量圧縮機、１１…可動体、１２…弁体、１２ａ…環状凹部、１３…可動ロッド、２１…ソレノイド、２２…固定鉄心、２３…コイル、２４…プランジャー、２５…プッシュバー、２７…ダイアフラム、３１、３２、３３…圧力室、４１…弁座、４２…開口部、１００…冷凍サイクル、１０２…液体容器、１０４…膨張弁、１０６…蒸発器、１０８…凝集器。

Claims (4)

1. その圧力を調整することによって冷媒の圧縮容量を変化させる調圧室、冷凍サイクルの蒸発器から送り込まれる低温・低圧の冷媒を受け入れる吸入室、および上記冷凍サイクルの凝縮器へ高温・高圧の冷媒を送り出す吐出室を有する可変容量圧縮機に取り付けられる容量制御弁であって、
   上記吐出室を上記調圧室に連通する流路に設けられた弁座と、
   この弁座の開口部を上記調圧室側から開閉する弁体と、
   この弁体を一端に備え上記開口部を通って該弁体の開閉方向に沿って移動可能に延設された可動ロッドと、
   上記弁体を上記弁座に押し付ける方向に上記可動ロッドを付勢する電磁アクチュエーターと、
   この電磁アクチュエーターによる付勢力を消失させた状態で上記弁体を上記弁座から離間する方向に付勢して開く付勢部材と、
   上記吸入室の圧力Ｐｓが予め設定した第１のしきい値Ｔ１を下回ったときに、上記電磁アクチュエーターによる付勢力に抗して上記弁体を開く第１の開き手段と、
   上記吐出室の圧力Ｐｄが予め設定した第２のしきい値Ｔ２を超えたときに、上記弁体を開く第２の開き手段と、
   を有することを特徴とする容量制御弁。
2. 上記弁体が開く方向に上記吐出室の圧力を受ける第１の受圧面の直径をＤ１とし、上記開口部を通る上記可動ロッドの外径をＤ２とし、上記弁体が閉じる方向に上記吸入室の圧力を受ける第２の受圧面の直径をＤ３とした場合、
   Ｄ１^２＝（Ｐｓ−Ｔ１）・Ｄ３^２／（Ｔ２−Ｐｃ）＋Ｄ２^２
   を満たすように上記第２のしきい値Ｔ２を設定することを特徴とする請求項１に記載の容量制御弁。
3. 上記第１の受圧面は、上記弁座の開口部の直径より大きい直径で、上記弁体が上記弁座に対向する面に形成された環状凹部に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の容量制御弁。
4. 上記可動ロッドは磁性材料によって形成されており、上記電磁アクチュエーターのプランジャーに磁着されることを特徴とする請求項１に記載の容量制御弁。

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