JP2020197240A - 制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】弁座におけるエロージョンの発生を抑制しつつ、制御性能を良好に維持可能な制御弁を提供する。【解決手段】制御弁１は、弁孔２４と、弁孔２４の開口端部に設けられた弁座３２と、弁孔２４と同軸状のガイド孔２８，３０と、を有するアルミニウム合金製のボディ１０と、弁座３２に着脱して弁部を開閉する弁体３８と、ガイド孔２８，３０に挿通されてボディ１０に摺動可能に支持され、弁体３８と軸線方向に一体変位可能な作動ロッド３６と、作動ロッド３６に対して軸線方向の駆動力を付与するアクチュエータ３と、を備える。ボディ１０において作動ロッド３６を摺動させる支持面、および作動ロッド３６のボディ１０に対する摺動面の少なくとも一方が、耐摩耗性が高められた表面処理層を有する。【選択図】図２

Description

本発明は制御弁に関し、特に流体に含まれる異物による制御性能低下を抑制する技術に関する。

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。この冷媒循環通路の切り替えや冷媒流量の調整等のために、種々の制御弁が設けられる（例えば特許文献１参照）。このような制御弁は、ボディに摺動可能に支持される作動ロッドを有し、その作動ロッドと一体変位可能に弁体が設けられる。作動ロッドは、アクチュエータにより軸線方向に駆動され、弁体を弁部の開閉方向に作動させる。

特開２０１６−８４９４３号公報

ところで、圧縮機の吐出冷媒には金属粉などの異物が含まれることがある。圧縮機のピストン周辺の摩耗等で発生するものである。この異物が弁座に衝突することでエロージョンが発生し、閉弁時の冷媒漏れを引き起こす可能性がある。また、高速の液冷媒が弁部を通過する際にキャビテーションを生じさせ、それがエロージョンにつながる可能性もある。このような問題は、空調装置用の制御弁に限らず、作動流体に固体粒子が含まれる装置に適用される制御弁であれば生じ得る。

本発明の目的の一つは、弁座におけるエロージョンの発生を抑制しつつ、制御性能を良好に維持可能な制御弁を提供することにある。

本発明のある態様の制御弁は、弁孔と、弁孔の開口端部に設けられた弁座と、弁孔と同軸状のガイド孔と、を有するアルミニウム合金製のボディと、弁座に着脱して弁部を開閉する弁体と、ガイド孔に挿通されてボディに摺動可能に支持され、弁体と軸線方向に一体変位可能な作動ロッドと、作動ロッドに対して軸線方向の駆動力を付与するアクチュエータと、を備える。ボディにおいて作動ロッドを摺動させる支持面、および作動ロッドのボディに対する摺動面の少なくとも一方が、耐摩耗性が高められた表面処理層を有する。

この態様によれば、ボディがアルミニウム合金からなるため、例えば真鍮等の材料からなる場合よりもエロージョンへの耐性が高い。このため、弁座におけるエロージョンの発生を抑制できる。一方、アルミニウム合金は、真鍮等の材料と比較して凝着等による磨耗が生じやすく、磨耗に伴う摺動抵抗の増大が問題になることがある。この点、この態様では作動ロッドとボディとの摺動部に耐摩耗性の表面処理層が設けられるため、ボディのアルミニウム合金が作動ロッドに凝着する等の問題は生じ難い。そのため、作動ロッドの円滑な摺動を維持でき、制御弁の制御性能を良好に維持し易い。

本発明によれば、弁座におけるエロージョンの発生を抑制しつつ、制御性能を良好に維持可能な制御弁を提供できる。

実施形態に係る制御弁の構成を示す断面図である。 図１の上半部に対応する部分拡大断面図である。 弁部および摺動部を表す部分拡大図である。 実施形態の作用効果を表す図である。 実施形態の作用効果を表す図である。 めっき層の厚みの上限値を検討するために行った実験および解析の結果を表す図である。

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各構造の位置関係を表現することがある。

図１は、実施形態に係る制御弁の構成を示す断面図である。
制御弁１は、自動車用空調装置の冷凍サイクルに設置される可変容量圧縮機（単に「圧縮機」という）の吐出容量を制御する電磁弁として構成されている。この圧縮機は、冷凍サイクルを流れる冷媒を圧縮して高温・高圧のガス冷媒にして吐出する。そのガス冷媒は凝縮器（外部熱交換器）にて凝縮され、さらに膨張装置により断熱膨張されて低温・低圧の霧状の冷媒となる。この低温・低圧の冷媒が蒸発器にて蒸発し、その蒸発潜熱により車室内空気を冷却する。蒸発器で蒸発された冷媒は、再び圧縮機へと戻されて冷凍サイクルを循環する。

圧縮機は、圧縮用のピストンが連結された斜板を備え、その斜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。制御弁１は、圧縮機の吐出室から制御室へ導入する冷媒流量を制御することで斜板の角度、ひいては圧縮機の吐出容量を変化させる。なお、本実施形態の制御室はクランク室からなるが、変形例においてはクランク室内又はクランク室外に別途設けられた圧力室であってもよい。冷媒には例えば代替フロン（ＨＦＣ−１３４ａ）が使用されるが、他の冷媒（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ等）を使用してもよい。あるいは、二酸化炭素のように作動圧力が高い冷媒を用いてもよい。その場合には、冷凍サイクルに凝縮器に代わってガスクーラなどの外部熱交換器を配置してよい。

制御弁１は、圧縮機の吐出室と制御室とを連通させる冷媒通路に弁部を有し、吐出室から制御室に導入する冷媒流量を制御する。制御室と吸入室との間には制御室内の冷媒を吸入室へ漏洩させるためのオリフィス等も設けられるが、それらの図示および詳細な説明については省略する。制御弁１は、圧縮機の吸入圧力Ｐｓを設定圧力に保つように、吐出室から制御室に導入する冷媒流量を制御するいわゆるＰｓ感知弁として構成されている。制御弁１は、弁本体２とソレノイド３とを一体に組み付けて構成される。弁本体２は、段付円筒状のボディ１０、ボディ１０の内部に設けられた弁部等を備えている。

ボディ１０は、アルミニウム合金からなる素材を切削加工して得られる。ボディ１０には、その上端側からポート１２，１４，１６が設けられている。ポート１４は吐出室に連通する「吐出室連通ポート」であり、吐出室から吐出圧力Ｐｄを導入する「導入ポート」として機能する。ポート１４の内方には弁室１８が形成されている。ポート１２は制御室に連通する「制御室連通ポート」であり、弁部を経た制御圧力Ｐｃの冷媒を制御室に向けて導出する「導出ポート」として機能する。ポート１２の内方には圧力室２０が形成されている。弁室１８の圧力室２０とは反対側には中間室２２が形成されている。中間室２２は、後述する作動ロッド３６の内部通路４０を介して圧力室２０と連通している。中間室２２の上端開口部に弁孔２４が形成されている。ポート１６は吸入室に連通する「吸入室連通ポート」であり、吸入室の吸入圧力Ｐｓを導入する。ポート１６の内方には作動室２６が形成されている。

ポート１４を覆うようにフィルタ部材２５が設けられている。フィルタ部材２５は、吐出冷媒に含まれる金属粉等の異物が弁室１８へ流入することを抑制するメッシュを含む。また、ポート１２を覆うようにフィルタ部材２７が設けられている。フィルタ部材２７は、制御室の冷媒に含まれる異物が圧力室２０へ流入することを抑制するメッシュを含む。

ボディ１０には、弁室１８と圧力室２０とをつなぐ第１ガイド孔２８と、中間室２２と作動室２６とをつなぐ第２ガイド孔３０とが、軸線方向に同軸状に設けられている。中間室２２の下部がテーパ状に縮径して第２ガイド孔３０に連通している。弁孔２４の弁室１８側の開口端部には、弁座３２がボディ１０に一体に形成されている。そして、ボディ１０の軸線に沿って長尺状の作動ロッド３６が挿通されている。

作動ロッド３６は、ステンレス鋼（以下「ＳＵＳ」と表記する）からなる素材を切削加工して得られる。作動ロッド３６は、段付円柱状をなし、その一端側が第１ガイド孔２８に摺動可能に支持される一方、他端側が第２ガイド孔３０に摺動可能に支持されている。作動ロッド３６の軸線方向中間部には弁体３８が一体に設けられている。弁体３８は円筒状をなし、軸線方向に延びる外周面を有する。弁体３８が弁室１８側から弁座３２に着脱することにより弁部を開閉する。作動ロッド３６の上半部には内部通路４０が形成され、その内部通路４０の下端部が中間室２２に連通している。ポート１４から導入されて弁孔２４（弁部）を通過した冷媒は、内部通路４０に導かれ、圧力室２０に導出される。

ボディ１０の上端開口部にはばね受け４４が螺着されており、ばね受け４４と作動ロッド３６との間にスプリング４６が介装されている。スプリング４６は、弁体３８を閉弁方向に付勢する。スプリング４６の荷重は、ばね受け４４のボディ１０への螺入量を変化させることで調整できる。

弁本体２とソレノイド３とは、筒状の接続部材４８を介して接続されている。接続部材４８は磁性材料からなる。ボディ１０の下端部が接続部材４８の上端部に圧入され、さらに接続部材４８の上端部が加締められることにより、ボディ１０と接続部材４８とが固定されている。接続部材４８の上面とボディ１０の下面との間には、環状のスペーサ７７が介装される。ケース５０の上端部が接続部材４８の下端部に圧入され、さらに加締められることにより、ケース５０と接続部材４８とが固定されている。ボディ１０、接続部材４８およびソレノイド３に囲まれる空間に作動室２６が形成されている。

ソレノイド３は、円筒状のケース５０と、ケース５０内に配設されたモールドコイル５２と、モールドコイル５２内に挿通された有底円筒状のスリーブ５４と、スリーブ５４内に固定されたコア５６と、コア５６と軸線方向に対向配置されたプランジャ５８とを含む。モールドコイル５２は、円筒状のボビン６０と、ボビン６０に巻回された電磁コイル６２を含む。モールドコイル５２の下端部には、リング状のプレート６４がモールドされている。プレート６４は磁性材料からなり、ケース５０とともにヨークを形成する。ケース５０は、その下端部が加締められてモールドコイル５２を固定している。

プランジャ５８は、薄膜状のダイヤフラム６５を挟んで分割された２つのプランジャからなる。その一方の第１プランジャ６６がモールドコイル５２の内部に配置され、他方の第２プランジャ６８が作動室２６に配置されている。ダイヤフラム６５は、スリーブ５４の上端開口部を封止し、スリーブ５４内に基準圧力室を形成する。本実施形態において、この基準圧力室は真空状態とされているが、例えば大気を満たすようにしてもよい。ダイヤフラム６５は、可撓性を有する感圧部材であり、金属ダイヤフラムである。なお、基準圧力室が大気圧となる場合には、ダイヤフラム６５としてポリイミドフィルムを複数枚重ねて構成されるダイヤフラムを採用してもよい。

第２プランジャ６８の上面中央には凹部７０が形成され、その中央のフラットな面が作動ロッド３６の下端面に当接する。第２プランジャ６８は、作動ロッド３６を下方から接離可能に支持する。第２プランジャ６８の上端部には、半径方向外向きに延びるフランジ部７２が設けられている。フランジ部７２の下面は、接続部材４８の上面と軸線方向に対向する。それにより、ソレノイド３の通電時にフランジ部７２と接続部材４８との間に軸線方向の吸引力を発生させ、弁体３８が閉弁方向に迅速に変位できるようにしている。接続部材４８の内方には段差が形成されており、その段差部と第２プランジャ６８との間にスプリング７４が介装されている。スプリング７４は、スプリング４６よりも大きなばね力を有し、弁体３８を開弁方向に付勢する。

第２プランジャ６８の下方には、スリーブ５４の中に第１プランジャ６６、コア５６およびスプリング７５を収容し、その開口部をダイヤフラム６５で封止したアセンブリが配置されている。すなわち、スリーブ５４の上端開口部には半径方向外向きに延出するフランジ部７６が設けられ、そのフランジ部７６と円環状のプレート７８との間にダイヤフラム６５が挟持されている。フランジ部７６とプレート７８とは、外周溶接により接合されている。上記アセンブリは、その上端部が接続部材４８の下端開口部に挿入された後に下方から環状部材８０を圧入することにより、接続部材４８ひいてはボディ１０に対して固定される。接続部材４８の下端面とプレート７８との間にはシール用のＯリング８２が介装されている。

スリーブ５４は、非磁性材料からなる上半部８４と、磁性材料からなる下半部８６とを溶接して構成されている。スリーブ５４内には、下半部８６側にコア５６が圧入され、上半部８４側に第１プランジャ６６が軸線方向に進退自在に配置されている。

コア５６の中心を軸線方向に延びるようにシャフト８８が設けられ、そのシャフト８８の一端に第１プランジャ６６が挿入（遊嵌）されている。シャフト８８の他端は、コア５６の下端部に圧入された軸受部材９０によって支持されている。シャフト８８の途中には止輪９２が嵌合され、その止輪９２によって上方への移動が規制されるようにばね受け９４が設けられている。ばね受け９４と軸受部材９０との間には、スプリング７５が介装されている。スプリング７５は、シャフト８８を介して第１プランジャ６６をコア５６から離れる方向へ付勢する。スプリング７５の荷重は、ソレノイド３の組み付け段階においてスリーブ５４の底部を外部から押して変形させ、軸受部材９０の軸線方向位置を変えることにより調整できる。

ソレノイド３の内部を下方から封止するように端部材９６が設けられている。端部材９６は、耐食性を有する樹脂材からなり、モールドコイル５２と一体に設けられている。端部材９６は、電磁コイル６２につながる端子９８の一端を露出させるコネクタ部としても機能する。端子９８は、図示しない外部電源に接続される。また、外部からの異物の侵入を防止するために、端部材９６とケース５０との間にもシール用のＯリング９９が配設されている。

図２は、図１の上半部に対応する部分拡大断面図である。図３は、弁部および摺動部を表す部分拡大図である。（Ａ）は図２のＡ部拡大を示し、（Ｂ）は図２のＢ部拡大を示し、（Ｃ）は図２のＣ部拡大を示す。

図２に示すように、作動ロッド３６は、大径部１００と小径部１０２を有する段付円柱状をなす。大径部１００は第１ガイド孔２８に摺動可能に支持され、小径部１０２は第２ガイド孔３０に摺動可能に支持されている。大径部１００には弁体３８が一体に設けられている。弁室１８に位置する大径部１００の外周面に所定深さの凹部１０４が周設されている。凹部１０４は、ポート１４から侵入した異物を受け止めるための「段差部」として機能する。ポート１４から直進してきた異物を凹部１０４により受け止めて減速させることで、異物がその後に弁座３２に導かれたときのエロージョンの発生を抑制するものである。小径部１０２は弁孔２４を貫通する。小径部１０２には、連通孔４２が側方に開口するように形成されている。連通孔４２は、内部通路４０と中間室２２とを連通させる。

すなわち、作動ロッド３６は、その上下の２点支持により安定に支持される。さらに、弁体３８をその２点の支持部の中間部に設ける構成としたため、弁体３８が弁孔２４の軸線に対して傾くことが防止または抑制される。

第１ガイド孔２８，弁孔２４および第２ガイド孔３０をつなぐ通路は、作動ロッド３６の形状に対応して下方に向けて内径が段階的に小さくなるよう段付円孔状に形成されている。弁孔２４の上端開口部には上方に向かって拡径するテーパ面が形成され、そのテーパ面が弁座３２となっている。弁孔２４と第２ガイド孔３０との間にも上方に向かって拡径するテーパ面が形成されている。

第１ガイド孔２８の下部には、円環状の凹溝からなる第１シール収容部１１０が設けられ、Ｏリング１１２が嵌着されている。Ｏリング１１２は、作動ロッド３６と第１ガイド孔２８との間隙をシールし、弁室１８から圧力室２０への冷媒の漏洩を規制する。一方、作動ロッド３６の小径部１０２には、円環状の凹溝からなる第２シール収容部１１４が設けられ、Ｏリング１１６が嵌着されている。Ｏリング１１６は、作動ロッド３６と第２ガイド孔３０との間隙をシールし、中間室２２から作動室２６への冷媒の漏洩を規制する。

図３（Ａ）に示すように、第１シール収容部１１０の軸線方向の幅は、Ｏリング１１２の断面の幅よりもやや大きい。一方、作動ロッド３６と第１ガイド孔２８との間には第１シール収容部１１０の上下に隣接してクリアランスが形成されるところ、第１シール収容部１１０の下側の高圧側クリアランスＣＬ１のほうが上側の低圧側クリアランスＣＬ２よりも大きい。本実施形態において、高圧側クリアランスＣＬ１は、フィルタ部材２５のメッシュの幅よりも大きい。一方、低圧側クリアランスＣＬ２は５〜１０μｍ程度であり、そのメッシュの幅よりも小さい。

図３（Ｂ）に示すように、弁座３２は、テーパ状（逆円錐状）の座面を有する。弁体３８は、弁座３２の内端から離れた位置にて座面に着脱する。

図３（Ｃ）に示すように、第２シール収容部１１４の軸線方向の幅は、Ｏリング１１６の断面の幅よりもやや大きい。一方、作動ロッド３６と第２ガイド孔３０との間には第２シール収容部１１４の上下に隣接してクリアランスが形成されるところ、第２シール収容部１１４の上側の高圧側クリアランスＣＬ３のほうが下側の低圧側クリアランスＣＬ４よりも大きい。本実施形態において、高圧側クリアランスＣＬ３は、フィルタ部材２５のメッシュの幅よりも大きい。一方、低圧側クリアランスＣＬ４は５〜１０μｍ程度であり、そのメッシュの幅よりも小さい。

上述のように、ボディ１０はアルミニウム合金を素材とするが、その素材表面には耐摩耗性を高める表面処理としてニッケルめっきが施されている。本実施形態では、無電解めっき処理によりボディ１０の表面全体にめっき層が形成される（図中太線部参照）。無電解めっきとしては、例えば特開２０００−３０３９８０号公報に記載の潤滑めっき処理を採用できる。この潤滑めっき処理は、ボディ１０の表面にポリテトラフルオロエチレン（以下「ＰＴＦＥ」と表記する）を含んだニッケル−リン（Ｎｉ−Ｐ）のめっき処理を施すものである。このめっき処理によれば、ＰＴＦＥの潤滑作用により、ガイド孔２８，３０の摩擦係数を顕著に小さくできる。さらに、熱処理を施してそのめっきの被膜を硬化させることにより、めっきの耐摩耗性を向上させることができる。このようなめっき処理を施すことにより、作動ロッド３６がガイド孔２８，３０を摺動することによる焼き付き（作動ロッド３６の表面へのアルミニウムの凝着）を生じ難くしている。その結果、後述のように制御弁１における制御ヒステリシスを抑制でき、その制御性能を良好に維持できる。なお、ボディ１０のように比較的複雑な孔形状を有するものの内周面にめっき層を形成する場合、電気めっきを採用すると膜厚の制御が難しい。そこで本実施形態では、複雑な表面形状でも均一な膜厚を得やすい無電解めっきを採用している。

本実施形態では、ニッケルめっき層の厚みを１０μｍ以下（具体的には３μｍ程度）に設定している。それにより、摺動部における耐摩耗性を確保するとともに、閉弁時の冷媒漏れを抑制している。

すなわち、ニッケルめっきの厚みを必要最低限確保することで、摺動部の耐摩耗性を向上できる。一方、冷媒に含まれる異物（金属粉等）が弁座３２に衝突すると、めっき層にエロージョンを発生させ、弁座３２の表面にアルミニウム合金を露出させる可能性がある。しかし、アルミニウム合金のエロージョンへの耐性が高いため、それ以上のエロージョンの進行を抑制し、冷媒漏れの発生を抑制できる。この点、仮にめっき層の厚みが大きすぎると、めっき層の欠陥部を通じて冷媒漏れが生じる可能性があるが、本実施形態では上記のように必要最低限としたため、そのような問題は生じ難い。

次に、図１を参照しつつ、制御弁１の動作について説明する。
制御弁１において、ソレノイド３が非通電のとき、つまり空調装置が動作していないときには、コア５６とプランジャ５８との間に吸引力が作用しない。また、吸入圧力Ｐｓが比較的高くなるため、ダイヤフラム６５が差圧を受けて第１プランジャ６６を押し下げる。第１プランジャ６６は、スプリング７５の荷重に抗して下方へ変位する。一方、第２プランジャ６８は、スプリング７４によって第１プランジャ６６から離れるよう上方へ付勢されているため、作動ロッド３６を介して弁体３８をその全開位置に付勢する。このとき、圧縮機の吐出室からポート１４に導入された吐出圧力Ｐｄの冷媒は、全開状態の弁部を通過し、ポート１２から制御室へと流れることになる。したがって、制御圧力Ｐｃが上昇し、圧縮機は最小容量運転を行う。

一方、空調装置が起動されると、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation ）方式によるソレノイド３への通電制御がなされる。電磁コイル６２に制御電流が供給されると、磁気回路の形成により第１プランジャ６６が第２プランジャ６８を吸引する。第２プランジャ６８は、ダイヤフラム６５を挟んで第１プランジャ６６と一体となり、スプリング７４の付勢力に抗して下方へ移動する。これに伴い、弁体３８がスプリング４６により押し下げられて弁座３２に着座し、弁部は全閉状態になる。このとき、作動ロッド３６は、第２プランジャ６８から離間した状態となる。

こうして吸入室の吸入圧力Ｐｓが十分に低くなると、ダイヤフラム６５がその吸入圧力Ｐｓを感知して上方へ変位し、第２プランジャ６８が作動ロッド３６に当接する。このとき、電磁コイル６２に供給される制御電流を空調の設定温度に応じて小さくすると、第２プランジャ６８および第１プランジャ６６は吸着状態のまま一体となって、吸入圧力Ｐｓとスプリング４６，７４，７５の荷重とソレノイド３の吸引力とがバランスした位置まで上方へ移動する。その結果、弁体３８が第２プランジャ６８により押し上げられて弁座３２から離れ、弁部が所定開度に設定される。吐出圧力Ｐｄの冷媒が開度に応じた流量に制御されて制御室に導入され、圧縮機は、制御電流に対応した容量運転に移行する。

電磁コイル６２に供給される制御電流が一定の場合、ダイヤフラム６５が吸入圧力Ｐｓを感知して弁開度を制御する。例えば冷凍負荷が大きくなって吸入圧力Ｐｓが高くなった場合、弁体３８が作動ロッド３６，第２プランジャ６８，ダイヤフラム６５及び第１プランジャ６６と一体となって下方へ変位するので、弁開度が小さくなり、圧縮機は、吐出容量を増やすよう動作する。その結果、吸入圧力Ｐｓが低下して設定圧力に近づく。逆に、冷凍負荷が小さくなって吸入圧力Ｐｓが低くなった場合、弁体３８が上方へ変位して弁開度を大きくするので、圧縮機は、吐出容量を減らすよう動作する。その結果、吸入圧力Ｐｓが上昇して設定圧力に近づく。このようにして、制御弁１は、吸入圧力Ｐｓがソレノイド３によって設定された設定圧力になるよう圧縮機の吐出容量を制御する。

図４および図５は、実施形態の作用効果を表す図である。図４は、制御弁の制御特性に関する実験結果を表すグラフである。図４（Ａ）は本実施形態の結果を示し、図４（Ｂ）は比較例の実験結果を示す。本実施形態ではボディに上述しためっき処理を施している。一方、比較例ではめっき処理を施していない。各図の横軸はソレノイドへの供給電流（Ａ）を示し、縦軸は制御対象である吸入圧力Ｐｓ（ＭＰａＧ）を示す。図５は、本実験に際して行った振動試験後の制御弁を斜め上方からみた写真である。

本実験は、ボディへのめっき処理の有無が制御弁の制御特性に与える影響を検証したものである。本実験は、本実施形態および比較例の制御弁をそれぞれ用意し、加振器による振動試験前後において吸入圧力Ｐｓに関する制御特性の変化を確認した。振動試験では、制御弁を作動させつつ（開弁状態を維持）、加振器により軸線方向の振動を付与した。ソレノイドには４００ＨｚのＰＷＭ制御信号を継続的に出力した。加振器による振動は、周波数を３００Ｈｚと６００Ｈｚとの間でリニアに上昇および下降させるサイクル（１サイクルあたり６０秒）を１４０時間行った。その間、各ポートの圧力を０．２２ＭＰａでほぼ一定とした。

各図において、破線は振動試験前の制御特性を示し、実線は振動試験後の制御特性を示す。振動試験前後で摺動部の摩耗状態に変化が生じ、それが制御特性に与える影響を検証するものである。制御特性の検証試験では、制御弁への供給電流をゼロから０．８Ａ程度まで徐々に増加させた後にゼロまで徐々に減少させ、吸入圧力Ｐｓの変化を測定した。

図４（Ａ）に示すように、本実施形態では、振動試験後に制御ヒステリシスが若干大きくなっているものの、振動試験前後の変化は小さく抑えられている。一方、図４（Ｂ）に示すように、比較例では、振動試験後に制御ヒステリシスがかなり大きくなっている。これは、比較例において作動ロッドとボディとの間に焼き付き（作動ロッドへのアルミニウムの凝着）が生じたことによると考えられる。言い換えれば、本実施形態によれば、ボディにニッケルめっき（潤滑めっき）を施したことで作動ロッドの円滑な摺動が維持され、制御弁の制御特性を維持できることが分かる。

図５（Ａ）に示すように、本実施形態については、振動試験前後で制御弁の外観に特に変化はみられなかった。一方、比較例については、ボディの開口端からアルミ粉の流出がみられた。このアルミ粉は、作動ロッドへの凝着により摩耗したアルミニウムの摩耗粉が押し出されたものである。言い換えれば、本実施形態によれば、ボディにめっきを施したことで、アルミニウムの凝着による摩耗が防止又は抑制されている。

図６は、めっき層の厚みの上限値を検討するために行った実験および解析の結果を表す図である。ここでは、仮に弁座のめっき層にエロージョンが生じても、閉弁時に弁部からの冷媒漏れを抑制して最大容量運転を維持できるような厚みを検証した。弁座の素材であるアルミニウム合金は実質的にエロージョンの影響を受けない一方、エロージョンによる欠陥の深さはめっき層の厚み全体に達し、素材表面を露出させる。そこで、エロージョンによるめっき層の欠陥の深さを、弁体の弁座（素材表面）からのリフト量（ストローク）と等価とみなす実験を行って評価を行った。めっき層の厚みが大きいほど、エロージョンが生じた場合に冷媒の漏れ量が大きくなり、最大容量運転の維持が困難となる。言い換えれば、最大容量運転を維持可能な最大ストローク（最大リフト量）がめっき層の厚みの上限値と考えることができる。最大容量運転時には圧縮機の負荷トルクが最大となるため、最大容量運転を維持できるかどうかについては、その負荷トルクを最大に維持できるか否かにより判断した。

図６（Ａ）は実験結果を表し、最大容量運転時における冷媒の漏れ量と圧縮機の負荷トルクとの関係を示す。横軸は弁部からの漏れ量（Ｌ／ｍｉｍ）を示し、縦軸は負荷トルク（Ｎｍ）を示す。本実験結果によれば、冷媒の漏れ量が３６Ｌ／ｍｉｍよりも大きくなると、負荷トルクが減少し始め、最大容量運転の維持が困難となることが分かる。

図６（Ｂ）は解析結果を表し、弁体の開弁ストロークと冷媒の漏れ量との関係を示す。横軸は弁体の閉弁状態から開弁方向へのストローク（ｍｍ）を示し、縦軸は弁部から漏れる冷媒の流量（Ｌ／ｍｉｍ）を示す。本解析結果によれば、開弁ストロークにほぼ比例して漏れ量が大きくなることが分かる。冷媒の漏れ量が３６Ｌ／ｍｉｍとなるのは２３μｍであった。

以上より、本実験および解析結果によれば、めっき層の厚みを２３μｍ以下に設定すれば、エロージョンが発生したとしても最大容量運転を維持できると考えられる。なお、摺動部の耐摩耗性を維持するために、めっき層の厚みは２μｍ以上とするのが好ましい。

以上に説明したように、本実施形態によれば、ボディ１０をアルミニウム合金製としたうえでその表面にニッケルめっきを施したため、弁座３４についてエロージョン対策を行いつつ、制御弁１の制御特性を良好に維持できる。ニッケルめっきの厚みを小さく抑えたため（１０μｍ以下）、弁座３４におけるニッケルめっきが剥がれたとしても、そのめっきの欠損による冷媒漏れなどは生じ難い。ニッケルめっきが剥がれることでアルミニウム合金が表れるため、エロージョンへの耐性についてはむしろ向上するとも言える。

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。

上記実施形態では、ＰＴＦＥを含んだＮｉ?Ｐの潤滑めっきを無電解めっき処理（皮膜形成処理）により得る例を示した。この無電解めっきは、ニッケル等の金属を溶解してイオン化し、その金属イオンをガイド孔２８，３０の素材表面上に金属として還元析出させるものである。上記潤滑めっきは、その無電解めっきの過程で潤滑作用のあるＰＴＦＥをめっき層に含めるものである。ニッケルは自己触媒性を有する金属であり、リンが還元剤として用いられる。めっき中の金属表面が負に帯電するため、正電荷をもつＰＴＦＥ粒子がその金属表面に吸着し、Ｎｉ?ＰマトリックスにＰＴＦＥ粒子が取り込まれた複合めっき被膜が形成される。

変形例においては、ＰＴＦＥに代えて潤滑性のある他のフッ素樹脂を含有したニッケルめっきを採用してもよい。フッ素樹脂の含有によりめっきによる耐摩耗性を向上させ、また硬度を確保できる。ニッケルめっきに代えて、クロムめっきその他の耐摩耗性を有するめっきを採用してもよい。あるいは、単層めっきではなく、ニッケルめっきとクロムめっきとを重ねるなどの複数層めっき（多層めっき）を採用してもよい。ニッケルとタングステンとの合金などによる合金めっきを採用してもよい。これらのめっきに対してフッ素樹脂等の潤滑材を含有させてもよい。

上記実施形態では、めっき処理後に熱処理を行ったが、その熱処理を省略してもよい。また、上記実施形態では、めっきに潤滑性のあるフッ素樹脂を含有させたが、フッ素樹脂を含まないニッケルめっきその他のめっきを採用してもよい。

上記実施形態では、ボディ１０の表面全体にめっきを施す例を示したが、部分的に施してもよい。ボディにおいて摺動部となるガイド孔にのみ、めっきを施してもよい。ボディの素材にアルミニウム合金を採用して素材表面にニッケルめっき等を施す場合、エロージョン対策の観点からは弁座におけるめっきの厚みは小さいほうが好ましい。このため、弁座におけるめっきの厚みを、ガイド孔におけるめっきの厚みよりも小さくしてもよい。あるいは、弁座へのめっきを省略してもよい。めっき処理後の切削等により弁座のめっきを除去してもよい。

上記実施形態では、めっき方法として無電解めっきを採用したが、電気めっきや気相めっきその他のめっき方法を採用してもよい。上記実施形態のように、ボディの開口部（ポート）からみてガイド孔よりも弁座が奥方にある場合、電気めっきを採用してめっきの膜厚に差をもたせることもできる。電気めっきにおいてボディの開口部近傍に電気接点を配置することで、ガイド孔におけるめっきの厚みを、弁座におけるめっきの厚みよりも大きくできる。言い換えれば、弁座におけるめっきの厚みを、ガイド孔におけるめっきの厚みよりも小さくする構成を容易に実現できる。

上記実施形態では、ボディにニッケルめっきを施し、作動ロッドにはめっきを施さない構成を示した。変形例においては逆に、作動ロッドにニッケル等のめっきを施し、ボディにはめっきを施さない構成としてもよい。あるいは、ボディおよび作動ロッドの双方にめっきを施してもよい。

上記実施形態では、ボディの耐摩耗性を高める表面処理としてめっきを例示した。変形例においては、アルマイト処理その他の表面処理によって耐摩耗性を高めてもよい。作動ロッドに表面処理を施す場合も同様である。

上記実施形態では、弁体を中空構造とし、弁部を経た冷媒をその弁体の内部通路を介して下流側に導出する構成を例示した。変形例においては、中実構造の弁体が弁座に着脱する構成としてもよい。

上記実施形態では、導入ポートがボディの側方に開口する構成を例示した。変形例においては、導入ポートがボディの端部に開口する構成に対し、上記弁部の構成を適用してもよい。

上記実施形態では、ボディに２つのガイド孔を有する構成を例示した。すなわち、ボディは、圧縮機の吐出室に連通する吐出圧力室（弁室１８）、制御室に連通する制御圧力室（圧力室２０）、および吸入室に連通する吸入圧力室（作動室２６）を備える。吐出圧力室と制御圧力室との間に第１ガイド孔が設けられ、制御圧力室（中間室２２）と吸入圧力室との間に第２ガイド孔が設けられる。変形例においては、ボディに１つのガイド孔を有する構成としてもよい。具体的には、吐出圧力室と吸入圧力室との間にのみガイド孔を設けてもよい。吐出圧力室と制御圧力室との間にのみガイド孔を設けてもよい。あるいは、制御圧力室と吸入圧力室との間にガイド孔を設けてもよい。いずれの場合も作動ロッドがガイド孔に挿通され、摺動可能に支持される。このような構成において、上記実施形態や変形例のめっきをガイド孔の内周面に施してもよい。ガイド孔に上記実施形態と同様のシール収容部を設け、シールリングを配置してもよい。めっきをガイド孔の全体に施してもよいし、部分的に施してもよい。後者の場合、ガイド孔において作動ロッドが摺動しうる部分のみ、あるいは摺動しうる部分およびその近傍にのみにめっきが施される。

上記実施形態では、制御弁を可変容量圧縮機の吸入圧力Ｐｓを設定圧力に保つように容量制御を行ういわゆるＰｓ感知弁として構成した例を示したが、本発明の制御弁の制御方式や制御対象はこれらに限られない。例えば、ポート１６から制御圧力Ｐｃを導入し、制御圧力Ｐｃを設定圧力に保つように容量制御を行ういわゆるＰｃ感知弁として構成することもできる。

上記実施形態では、制御弁を可変容量圧縮機の吐出室から制御室に導入する冷媒流量を制御する制御弁として構成した例を示したが、制御室から吸入室に導出する冷媒流量を制御する制御弁として構成してもよい。

上記実施形態では、ソレノイド３としてプランジャ分割型のものを例示したが、単一のプランジャからなるソレノイドを採用してもよい。その場合、感圧部を作動ロッドとプランジャとの間、または作動ロッドに対してプランジャと反対側に設けてもよい。

上記実施形態では、弁部を駆動するアクチュエータとしてソレノイドを例示した。変形例においては、ステッピングモータその他のモータを採用してもよい。あるいは、電気的なアクチュエータでなく、感圧部が圧力を感知して弁部を駆動するなど、機械的なアクチュエータを採用してもよい。

上記実施形態では、可変容量圧縮機を制御対象とし、作動流体として冷媒の流れを制御する制御弁を例示した。変形例においては、膨張弁その他の制御弁に上記弁部の構成を適用してもよい。あるいは、固体粒子を含む他の作動流体の流れを制御する制御弁に上記弁部の構成を適用してもよい。

なお、本発明は上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。上記実施形態や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成してもよい。また、上記実施形態や変形例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。

１ 制御弁、２ 弁本体、３ ソレノイド、１０ ボディ、１８ 弁室、２０ 圧力室、２２ 中間室、２４ 弁孔、２６ 作動室、２８ 第１ガイド孔、３０ 第２ガイド孔、３４ 弁座、３６ 作動ロッド、３８ 弁体、４０ 内部通路、５６ コア、５８ プランジャ、６２ 電磁コイル、６５ ダイヤフラム、８８ シャフト、１１２ Ｏリング、１１６ Ｏリング。

Claims (8)

1. 弁孔と、前記弁孔の開口端部に設けられた弁座と、前記弁孔と同軸状のガイド孔と、を有するアルミニウム合金製のボディと、
   前記弁座に着脱して弁部を開閉する弁体と、
   前記ガイド孔に挿通されて前記ボディに摺動可能に支持され、前記弁体と軸線方向に一体変位可能な作動ロッドと、
   前記作動ロッドに対して軸線方向の駆動力を付与するアクチュエータと、
   を備え、
   前記ボディにおいて前記作動ロッドを摺動させる支持面、および前記作動ロッドの前記ボディに対する摺動面の少なくとも一方が、耐摩耗性が高められた表面処理層を有することを特徴とする制御弁。
2. 前記表面処理層は、前記ボディにおいて前記支持面から前記弁座にわたって設けられた厚みが２３μｍ以下のめっき層であることを特徴とする請求項１に記載の制御弁。
3. 前記表面処理層が、無電解めっきによるめっき層であることを特徴とする請求項１又は２に記載の制御弁。
4. 前記表面処理層が、ニッケルめっき層を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の制御弁。
5. 前記表面処理層が、潤滑性を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の制御弁。
6. 前記表面処理層が、フッ素樹脂を含有するめっき層であることを特徴とする請求項５に記載の制御弁。
7. 前記作動ロッドが、ステンレス鋼からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の制御弁。
8. 前記弁座におけるめっき層の厚みが、前記支持面におけるめっき層の厚みよりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の制御弁。

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