JP2011220448A - 制御弁 - Google Patents

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Abstract

【課題】外部環境の変化によらず、流路を速やかに切り替え可能な制御弁を提供する。
【解決手段】制御弁1は、導入ポート20と導出ポート22とをつなぐ第1通路と、導入ポート20と導出ポート24とをつなぐ第2通路とが形成されるボディ5と、第1通路に設けられた弁孔28に接離して第1通路を開閉する弁体48と、第2通路に設けられた弁孔36に接離して第2通路を開閉する弁体50と、第1通路と背圧室60とを区画するフランジ部54とを一体に備えた弁駆動体42と、導入ポート20と導出ポート24とを背圧室60を介してつなぐ第3通路に設けられたパイロット弁孔69に接離して第3通路を開閉する電磁駆動のパイロット弁体70と、弁駆動体42における弁体48の下流側に作用する下流側圧力P2の影響をキャンセルするキャンセル構造とを備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、冷凍サイクルにおける冷媒循環通路の分岐点に設けられ、上流側通路から分岐された各下流側通路への冷媒の流れを切り替える制御弁に関する。
自動車用空調装置は、一般に、圧縮機、凝縮器、蒸発器等を冷媒循環通路に配置して構成される(例えば特許文献1参照)。例えば、圧縮機と凝縮器との間には、冷媒を凝縮器を通過させる通路と迂回させる通路との分岐点が設けられる。そして、冷房運転時には主として凝縮器を通過させる通路を形成し、暖房運転時には主として凝縮器を迂回させる通路を形成するなどして蒸発器に送り込む冷媒の状態(温度)を変化させ、空調制御を行っている。このような制御を行うために、その分岐点には冷房運転時と暖房運転時とで冷媒の流れを切り替える切替弁が設けられている。
特許文献1に記載の空調装置においては、上流側通路を2つの下流側通路の一方に選択的に連通させる三方向切替弁が設けられている。この切替弁は、1つのソレノイドで一方の弁部を開放させると同時に他方の弁部を閉弁させる主弁体を有する。また、その主弁体をパイロット作動式とすることで、弁全体のコンパクト化が実現されている。
特開平11−287354号公報
ところで、このような切替弁を構成する場合、一方の弁部を開弁させた状態で他方の弁部の閉弁状態を確実に維持しなければならない。また、その開閉状態を切り替える際には各弁部が速やかに動作する必要がある。しかしながら、例えば車両がおかれる外部環境の変化等によって主弁体の上流側と下流側との差圧が過大になった場合、その差圧が主弁体の開閉動作の抵抗となり、弁部の開閉状態を速やかに切り替えることが困難となることが想定される。そうなると、空調装置としての機能を低下させてしまうことになる。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、外部環境の変化によらず、流路を速やかに切り替え可能な制御弁を提供することを目的とする。
本発明のある態様の制御弁は、上流側通路と第1下流側通路と第2下流側通路との間に設けられ、上流側通路から各下流側通路への冷媒の流れを切り替え可能なパイロット作動式の制御弁として構成される。この制御弁は、上流側通路につながる導入ポートと、第1下流側通路につながる第1導出ポートと、第2下流側通路につながる第2導出ポートとを有し、導入ポートと第1導出ポートとをつなぐ第1通路と、導入ポートと第2導出ポートとをつなぐ第2通路とが形成されるボディと、第1通路に設けられた第1弁孔に接離して第1通路を開閉する第1弁体と、第2通路に設けられた第2弁孔に接離して第2通路を開閉する第2弁体と、第1通路と背圧室とを区画する区画部とを一体に備えた弁駆動体と、上流側通路と第2下流側通路とを背圧室を介してつなぐ第3通路に設けられたパイロット弁孔に接離して第3通路を開閉する電磁駆動のパイロット弁体と、弁駆動体における第1弁体の下流側に作用する下流側圧力の影響をキャンセルするキャンセル構造とを備える。
この態様によると、弁駆動体に作用する下流側圧力(第1通路における第1弁体より下流側の冷媒圧力)の影響がキャンセルされる。このため、弁駆動体は、上流側通路と第1下流側通路との差圧を実質的に受けることなく、パイロット弁体の開閉動作により調整される上流側通路と背圧室との差圧を感知して動作することができる。すなわち、外部環境等に応じて下流側圧力が変化したとしても、弁駆動体がパイロット弁体の開閉制御による背圧室の圧力変化を速やかに感知して動作でき、各弁体の開閉状態を速やかに切り替えられるようになる。
本発明によれば、外部環境の変化によらず、流路を速やかに切り替え可能な制御弁を提供することができる。
第1実施形態に係る制御弁の構成を表す断面図である。 制御弁の動作状態を表す説明図である。 第2実施形態に係る制御弁の構成を表す断面図である。 制御弁の動作状態を表す説明図である。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明においては便宜上、図示の状態を基準に位置関係を表現することがある。
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態に係る制御弁の構成を表す断面図である。
本実施形態の制御弁1は、自動車用空調装置の冷媒循環通路の分岐点に設けられ、上流側通路から下流側の各分岐通路への冷媒の流れを切り替える切替弁として構成されている。この自動車用空調装置は、圧縮機、凝縮器、蒸発器のほか、受液器やアキュムレータなどが配管により接続されて構成されている。
冷媒循環通路は、冷媒が圧縮機→凝縮器→受液器→蒸発器→アキュムレータ→圧縮機と循環する第1循環通路のほか、圧縮機と凝縮器との間の分岐点と、受液器と蒸発器との間の合流点とを接続するバイパス通路を有する。このバイパス通路により、圧縮機→蒸発器→アキュムレータ→圧縮機と循環する第2循環通路が構成される。制御弁1は、その圧縮機と凝縮器との間の分岐点に設けられ、冷房運転時と暖房運転時とで冷媒の流れを切り替える。すなわち、制御弁1は、圧縮機につながる上流側通路から導入された冷媒を、凝縮器につながる第1下流側通路または凝縮器を迂回する第2下流側通路のいずれか一方に導くものである。なお、このような冷凍サイクルそのものについては特許文献1にも開示されているように公知であるため、その詳細な説明については省略する。
図1に示すように、制御弁1は、内部に弁機構を収容した弁本体2と、その弁機構を駆動するソレノイド4とを組み付けて構成される。弁本体2のボディ5には、上流側通路からの冷媒の流れを第1下流側通路または第2下流側通路へ切り替える主弁6と、主弁6の開閉状態を制御するパイロット弁8が組み込まれている
ボディ5は、金属製の第1ボディ12の上半部に樹脂製の第2ボディ14を同軸状に嵌合して構成されている。第1ボディ12の一方の側面には、その中央部に上流側通路につながる導入ポート20が設けられている。第1ボディ12の反対側の側面には、その上部に第1下流側通路につながる導出ポート22(「第1導出ポート」に該当する)が設けられ、下部に第2下流側通路につながる導出ポート24(「第2導出ポート」に該当する)が設けられている。
第2ボディ14は、下方に向けて小径化する段付円筒状の本体を有し、第1ボディ12に同心状に圧入されている。第2ボディ14の上端部外周面にはOリング25が嵌着され、下端部外周面にはOリング27が嵌着されている。これにより、第1ボディ12と第2ボディ14との間隙を介した冷媒の漏洩が防止されている。第2ボディ14の下半部の内周面がガイド孔26を形成し、その下端部が弁孔28(「第1弁孔」に該当する)を形成している。また、第2ボディ14の下端開口縁により弁座30(「第1弁座」に該当する)が形成されている。第2ボディ14の下端開口部は、導入ポート20に連通している。また、第2ボディ14の導出ポート22との対向面には、内外を連通させる連通孔32が形成されている。導入ポート20、弁孔28、連通孔32および導出ポート22をつなぐ内部通路により、上流側通路と第1下流側通路とをつなぐ第1通路が形成されている。
第1ボディ12における導入ポート20と導出ポート24との連通部には、第2ボディ14側に突出する円ボス状の弁座形成部34が設けられ、その内方に弁孔36(「第2弁孔」に該当する)が形成されている。また、弁座形成部34の上端開口縁により弁座38(「第2弁座」に該当する)が形成されている。また、弁座形成部34の弁座38とは反対側には、後述する定差圧弁10を構成する弁座40(「第3弁座」に該当する)が形成されている。導入ポート20、弁孔36および導出ポート24をつなぐ内部通路により、上流側通路と第2下流側通路とをつなぐ第2通路が形成されている。
ボディ5の内方には弁駆動体42が配設されている。弁駆動体42は、ボディ5の中央部を弁孔28,36を貫通するように延びる段付円筒状の本体を有する。弁駆動体42の長手方向中央部には半径方向外向きに突出するフランジ部44が設けられ、そのフランジ部44の外周面にリング状の弾性体(本実施例ではゴム)からなる弁体形成部材46が嵌着されている。弁体形成部材46の上端部が弁体48(「第1弁体」に該当する)を構成し、弁座30に着脱して第1通路を開閉する。また、弁体形成部材46の下端部が弁体50(「第2弁体」に該当する)を構成し、弁座38に着脱して第2通路を開閉する。フランジ部44からは下方に向けて複数の脚部52が延設されており(同図には1つのみ表示)、弁孔36の内周面によって摺動可能に支持されている。
弁駆動体42の上端部には半径方向外向きに延出するフランジ部54が設けられ、第2ボディ14の上半部内周面に摺動可能に支持されている。フランジ部54の外周面にはシール用のOリング56が嵌着されている。フランジ部54は、第2ボディ14の内部を高圧室58と背圧室60とに区画する「区画部」として機能する。また、フランジ部54から上方に向けて複数の脚部62が延設されており(同図には1つのみ表示)、ソレノイド4の内部まで延出している。また、フランジ部54には、高圧室58と背圧室60とを連通する微小断面のリーク通路64が設けられている。
フランジ部54の中央部には背圧室60側に突出するボス部66が設けられ、そのボス部66の上端面によりパイロット弁座68が形成されている。また、そのボス部66を軸線方向に貫通するようにパイロット弁孔69が形成されている。また、背圧室60には、ソレノイド4により駆動されるパイロット弁体70が配設されている。パイロット弁体70は、弾性体(本実施例ではゴム)からなり、パイロット弁座68に着脱してパイロット弁8を開閉する。パイロット弁孔69は、弁駆動体42を軸線方向に貫通するパイロット通路72の一部を形成する。
また、弁駆動体42のフランジ部54とフランジ部44との間には、半径方向外向きに延出するフランジ部74が設けられ、第2ボディ14のガイド孔26に摺動可能に支持されている。フランジ部74の外周面にはシール用のOリング76が嵌着されている。フランジ部74は、第2ボディ14の下半部を区画する「区画部」として機能するとともに、弁体48に対向配置された「受圧部」としても機能する。一方、第2ボディ14の外周近傍には、導入ポート20と高圧室58とを連通させる連通路78が形成されている。
弁孔36の下流側の圧力室には、有底円筒状の差圧弁体80が配設されている。差圧弁体80は、弁座40に下流側から着脱して第2通路を開閉する定差圧弁10として機能する。差圧弁体80は、二重管構造を有し、その内管部に弁駆動体42の下端部を摺動可能に挿通する一方、その外管部がボディ5の内周面に沿って摺動する。差圧弁体80の底部とボディ5との間には、差圧弁体80を閉弁方向に付勢するスプリング82が介装されている。差圧弁体80は、その前後差圧が設定差圧以上となったときに開弁して第2通路を開放する。その設定差圧は、スプリング82の荷重により設定されている。
以上のような構成により、上流側の圧力P1(「上流側圧力P1」という)は、第1通路において主弁6を経ることで圧力P2(「下流側圧力P2」という)となる一方、第2通路において主弁6および定差圧弁10を経ることで圧力P3(「下流側圧力P3」という)となる。また、上流側圧力P1は、連通路78を通って高圧室58に導入され、リーク通路64を通過することで背圧室60にて中間圧力Ppとなり、さらにパイロット弁8を経ることで下流側圧力P3となる。ここで、本実施形態では図示のように、弁孔28の内径Aとガイド孔26の内径Bとが等しく構成されている。すなわち、弁体48の有効受圧径とフランジ部74の有効受圧径とが等しく、弁駆動体42に作用する下流側圧力P2の影響が実質的にキャンセルされる。
一方、ソレノイド4は、ボディ5の上端開口部を封止するように取り付けられた有底円筒状のスリーブ90を有する。スリーブ90内には、第1プランジャ91(「第1の可動鉄心」に該当する)および第2プランジャ92(「第2の可動鉄心」に該当する)が軸線方向に対向配置されるように収容されている。スリーブ90の外周部にはボビン93が設けられ、そのボビン93に電磁コイル94が巻回されている。そして、電磁コイル94を外部から覆うようにケース96が設けられている。スリーブ90は、ケース96を軸線方向に貫通している。電磁コイル94からは通電用のハーネス98が引き出されている。
第1プランジャ91は、円柱状をなし、その外周部には軸線方向に延びる複数のスリット100(同図にはその1つを表示)が設けられている。前述の弁駆動体42の脚部62は、このスリット100を介して上方に延出している。パイロット弁体70は、第1プランジャ91の下端中央部に固定されている。すなわち、パイロット弁体70は、第1プランジャ91と一体的に動作する。
第2プランジャ92は、円筒状をなし、その内部中央に隔壁102が設けられている。第2プランジャ92は、その下端面にて脚部62の上端面に当接してこれを支持する。第1プランジャ91と第2プランジャ92との間には、第1プランジャ91を介してパイロット弁体70を閉弁方向に付勢するスプリング104(「付勢部材」に該当する)が介装されている。第2プランジャ92とスリーブ90との間には、第2プランジャ92を介して弁駆動体42を主弁6の開閉方向に付勢するスプリング106が介装されている。すなわち、弁駆動体42は、第2プランジャ92と一体的に動作可能となっている。
以上のように構成された制御弁1は、ソレノイド4への通電状態に応じて冷媒の流通路を切り替えるパイロット作動式の制御弁として機能する。以下、その動作について詳細に説明する。
図2は、制御弁の動作状態を表す説明図である。図2は、ソレノイド4がオンにされた通電状態を表している。なお、既に説明した図1は、ソレノイド4がオフにされた非通電状態を表している。
図1に示すように、ソレノイド4がオフにされた状態ではソレノイド力が作用しないため、スプリング104によってパイロット弁体70が閉弁方向に付勢され、パイロット弁8が閉弁状態となる。このとき、背圧室60には上流側からリーク通路64を介して冷媒が導入されるため、中間圧力Ppは、上流側圧力P1に等しくなる。それにより、上流側圧力P1と下流側圧力P3との差圧が大きくなり、弁駆動体42を下方に付勢する力が大きくなる。また、スプリング106によって第2プランジャ92を介して弁駆動体42が付勢されるため、主弁6については弁体48が開弁状態となり、弁体50が閉弁状態となる。その結果、図示のように第1通路が開放され、第2通路が閉じられた状態が実現される。すなわち、上流側通路から導入された冷媒は、導出ポート22から凝縮器へ向けて導出されるようになる。
一方、図2に示すように、ソレノイド4がオンにされた状態では、ソレノイド力によって第1プランジャ91と第2プランジャ92との間に吸引力が作用するため、パイロット弁体70が開弁方向に付勢され、パイロット弁8が開弁状態となる。それにより、中間圧力Ppが低下するため、弁駆動体42が上流側圧力P1と中間圧力Ppとの差圧(P1−Pp)により上方に付勢される。それにより、主弁6については弁体48が閉弁状態となり、弁体50が開弁状態となる。このとき、差圧弁体80は、当初は閉弁状態にあるが、上流側圧力P1と下流側圧力P3との差圧(P1−P3)が設定差圧よりも大きくなることで開弁する。その結果、図示のように第2通路が開放され、第1通路が閉じられた状態が実現される。すなわち、上流側通路から導入された冷媒は、導出ポート24からバイパス通路へ向けて導出されるようになる。
冷房運転時においては、図1に示すようにソレノイド4がオフにされる。このため、圧縮機からの冷媒が導入ポート20を介して導入されると、第1通路を介して導出ポート22から導出され、凝縮器へ導かれる。すなわち、冷凍サイクルの冷媒循環通路として凝縮器を経由する第1循環通路が構成されるようになる。一方、暖房運転時においては、図2に示すようにソレノイド4がオンにされる。このため、圧縮機からの冷媒が導入ポート20を介して導入されると、第2通路を介して導出ポート24から導出され、バイパス通路へ導かれる。すなわち、冷凍サイクルの冷媒循環通路として凝縮器を迂回する第2循環通路が構成されるようになる。
このような状態において、例えば外部環境が極低温であり、下流側圧力P2が想定以上に低くなったとしても、弁駆動体42にはその影響が作用しない。すなわち、弁体48に対して上流側圧力P1と下流側圧力P2との差圧(P1−P2)による閉弁方向の力が実質的に作用しない。このため、ソレノイド4が再びオフにされると、スプリング106の付勢力等によって速やかに弁体48が開弁し、弁体50が閉弁する。つまり、上流側通路からの冷媒の流れを、第2下流側通路から第1下流側通路へ速やかに切り替えることができる。なお、差圧弁体80により上流側圧力P1と下流側圧力P3との差圧を一定に保つことで、冷媒流量が比較的少ない状態においても弁駆動体42を図示の状態に安定に維持することができる。
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態に係る制御弁は、弁駆動体および定差圧弁の構成を除けば第1実施形態とほぼ同様の構成を有する。このため、第1実施形態と同様の構成部分については同一の符号を付す等して適宜その説明を省略する。図3は、第2実施形態に係る制御弁の構成を表す断面図である。
図3に示すように、制御弁201は、弁本体202とソレノイド4とを組み付けて構成される。弁本体202のボディ205には、主弁206、パイロット弁8および定差圧弁210が組み込まれている。ボディ205は、金属製の第1ボディ212の上半部に樹脂製の第2ボディ14を嵌合して構成されている。また、第1ボディ212の下半部には、樹脂製の弁座形成部材234がOリング235を介して圧入されている。そして、弁座形成部材234の上端開口縁により弁座38が形成され、下端開口縁により弁座40が形成されている。
ボディ5の内方には弁駆動体242が配設されている。弁駆動体42の上端部には半径方向外向きに延出するフランジ部254が設けられ、第2ボディ14とソレノイド4との間に挟持された可撓性を有するダイヤフラム256に支持されている。ダイヤフラム256は、その中央部がフランジ部254の下部に嵌合されている。フランジ部254とダイヤフラム256との結合体が、高圧室58と背圧室60とを区画している。
また、弁駆動体242のフランジ部254とフランジ部44との間には、半径方向外向きに延出するフランジ部274が設けられ、第2ボディ14のガイド孔26に摺動可能に支持されている。フランジ部274は、第1実施形態のフランジ部74よりも軸線方向に長く形成されており、弁駆動体242の軸線方向のより安定した動作を実現している。弁孔36の下流側の圧力室には、有底円筒状の差圧弁体280が配設されている。差圧弁体280は、弁座40に下流側から着脱して第2通路を開閉する定差圧弁210として機能する。
以上のような構成により、上流側圧力P1は、第1通路において主弁206を経ることで下流側圧力P2となる一方、第2通路において主弁206および定差圧弁210を経ることで下流側圧力P3となる。また、上流側圧力P1は、連通路78を通って高圧室58に導入され、リーク通路64を通過することで背圧室60にて中間圧力Ppとなり、さらにパイロット弁8を経ることで下流側圧力P3となる。本実施形態においても、弁孔28の内径Aとガイド孔26の内径Bとが等しく構成されている。すなわち、弁体48の有効受圧径とフランジ部74の有効受圧径とが等しく、弁駆動体42に作用する下流側圧力P2の影響が実質的にキャンセルされる。
以上のように構成された制御弁201も、ソレノイド4への通電状態に応じて冷媒の流通路を切り替えるパイロット作動式の制御弁として機能する。図4は、制御弁の動作状態を表す説明図である。図4は、ソレノイド4がオンにされた通電状態を表している。既に説明した図3は、ソレノイド4がオフにされた非通電状態を表している。なお、この制御弁201の動作については、第1実施形態の制御弁1の動作と同様であるため、その詳細な説明については省略する。
冷房運転時においては、図3に示すようにソレノイド4がオフにされる。このため、圧縮機からの冷媒は、第1通路を介して導出ポート22から導出され、凝縮器を経由する第1循環通路が構成されるようになる。一方、暖房運転時においては、図4に示すようにソレノイド4がオンにされる。このため、圧縮機からの冷媒は、第2通路を介して導出ポート24から導出され、凝縮器を迂回する第2循環通路が構成されるようになる。弁駆動体42には下流側圧力P2の影響が実質的にキャンセルされているため、このような状態においてソレノイド4が再びオフにされると、速やかに弁体48を開弁させ、弁体50を閉弁させることができる。つまり、上流側通路からの冷媒の流れを、第1下流側通路から第2下流側通路へ速やかに切り替えることができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はその特定の実施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。
例えば、各実施形態においては、主弁、パイロット弁、定差圧弁の構成として、いずれも弁体が弁座に着脱するタイプのものを示したが、弁体が弁孔に挿抜されて弁部を開閉させる構成としてもよい。
1 制御弁、 2 弁本体、 4 ソレノイド、 5 ボディ、 6 主弁、 8 パイロット弁、 10 定差圧弁、 20 導入ポート、 22,24 導出ポート、 26 ガイド孔、 28 弁孔、 30 弁座、 36 弁孔、 38,40 弁座、 42 弁駆動体、 46 弁体形成部材、 48,50 弁体、 54 フランジ部、 58 高圧室、 60 背圧室、 64 リーク通路、 66 ボス部、 68 パイロット弁座、 69 パイロット弁孔、 70 パイロット弁体、 72 パイロット通路、 74 フランジ部、 78 連通路、 80 差圧弁体、 82 スプリング、 201 制御弁、 202 弁本体、 205 ボディ、 206 主弁、 210 定差圧弁、 234 弁座形成部材、 242 弁駆動体、 254 フランジ部、 256 ダイヤフラム、 274 フランジ部、 280 差圧弁体。

Claims (3)

  1. 上流側通路と第1下流側通路と第2下流側通路との間に設けられ、前記上流側通路から各下流側通路への冷媒の流れを切り替え可能なパイロット作動式の制御弁において、
    前記上流側通路につながる導入ポートと、前記第1下流側通路につながる第1導出ポートと、前記第2下流側通路につながる第2導出ポートとを有し、前記導入ポートと前記第1導出ポートとをつなぐ第1通路と、前記導入ポートと前記第2導出ポートとをつなぐ第2通路とが形成されるボディと、
    前記第1通路に設けられた第1弁孔に接離して前記第1通路を開閉する第1弁体と、前記第2通路に設けられた第2弁孔に接離して前記第2通路を開閉する第2弁体と、前記第1通路と背圧室とを区画する区画部とを一体に備えた弁駆動体と、
    前記上流側通路と前記第2下流側通路とを前記背圧室を介してつなぐ第3通路に設けられたパイロット弁孔に接離して前記第3通路を開閉する電磁駆動のパイロット弁体と、
    前記弁駆動体における前記第1弁体の下流側に作用する下流側圧力の影響をキャンセルするキャンセル構造と、
    を備えることを特徴とする制御弁。
  2. 前記第1弁孔と前記第2弁孔とが同軸状に対向配置され、
    前記弁駆動体は、
    前記第1弁孔を貫通する長尺状の本体を有し、その本体の一端側に前記区画部が設けられる一方、他端側に前記第1弁体および前記第2弁体が設けられ、
    前記第1弁体が前記第2弁孔側から前記第1弁孔に接離する一方、前記第2弁体が前記第1弁孔側から前記第2弁孔に接離するように設けられ、
    前記区画部と前記第1弁体との間に、前記第1弁体と同じ有効受圧径を有する受圧部が設けられ、前記第1弁体と前記受圧部とにより前記キャンセル構造が構成されていることを特徴とする請求項1に記載の制御弁。
  3. 前記第2弁孔の下流側に、前後差圧が設定差圧以上となったときに開弁して前記第2通路を開放する定差圧弁が設けられ、
    前記弁駆動体の本体が前記第2弁孔および前記定差圧弁を貫通するように延設され、
    前記パイロット弁孔を含むパイロット通路が、前記弁駆動体の本体を軸線方向に貫通す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に記載の制御弁。
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