JP4163087B2 - 可変容量圧縮機の容量制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用空調装置の冷凍サイクルに使用される可変容量圧縮機の容量制御弁に関し、特に、弁開度の設定を行うソレノイドをデューティ比制御する可変容量圧縮機の容量制御弁に関する。

自動車用空調装置では、その動力源であるエンジンの回転数が一定でないことから、エンジンの回転数に関係なく冷凍能力が一定に維持されるような制御を行う必要がある。この要求に対して、一般には、冷媒の吐出容量を可変にする斜板式の可変容量圧縮機が用いられている。この可変容量圧縮機は、クランク室内に傾斜角度可変に設けられた斜板が回転軸の回転によって揺動運動をし、その揺動運動によって複数のピストンが回転軸と平行な方向に往復運動することにより、冷媒の吸入、圧縮、吐出を行う。このとき、クランク室内の圧力Ｐｃを容量制御弁で変化させることにより、斜板の傾斜角度を変え、これによってピストンのストロークが変化して冷媒の吐出容量を可変するようにしている。

このような容量制御弁は、一般に、吐出室とクランク室とを連通させる冷媒通路に配置されて、吐出室からクランク室へ導入する吐出圧力Ｐｄの冷媒の流量を制御することによってクランク室内の圧力Ｐｃを制御している。

容量制御弁は、ソレノイドの電磁コイルに設定容量に対応した値の電流を供給することによって容量制御を行っているが、４００Ｈｚ程度のパルス電流を供給し、そのデューティ比を変えることによって容量制御を行う場合もある。このデューティ比制御の容量制御弁は、デューティ比に応じたソレノイドへの平均電流値によってセット荷重が設定され、可変容量圧縮機から吐出される冷媒の容量を制御することができる（たとえば特許文献１参照。）。

図８は従来の容量制御弁の弁部の一構造例を示す部分断面図である。
従来の容量制御弁の代表的な弁部は、ボール弁構造を有している。この構造例によれば、容量制御弁のボディ１００の先端には、可変容量圧縮機の吐出室に連通されて吐出圧力Ｐｄを受けるポート１０１が設けられ、ボディ１００の側面には、可変容量圧縮機のクランク室に連通されて制御された圧力Ｐｃをクランク室に供給するポート１０２が設けられている。ポート１０１とポート１０２との間には、弁座１０３がボディ１００と一体に形成されており、その弁座１０３に対向して吐出圧力Ｐｄを受けるポート１０１の側にボール形状のたとえばステンレス製の弁体１０４が配置されている。この弁体１０４は、スプリング１０５の一端が当接されており、そのスプリング１０５によって弁座１０３に着座される方向に付勢されている。そのスプリング１０５の他端は、ポート１０１内に螺着されたアジャストねじ１０６によって受けられており、そのアジャストねじ１０６の螺入量によってスプリング１０５の荷重が調節されている。

弁体１０４は、また、弁孔内に延びるシャフト１０７の先端が当接されている。このシャフト１０７は、ソレノイドからのソレノイド力によって弁体１０４を弁座１０３から離れる方向に付勢するもので、その弁体１０４のリフト量は、ソレノイドに供給するパルス電流の平均値によって決定される。

このようなデューティ比制御の容量制御弁において、可変容量圧縮機を最少容量で運転したいときには、デューティ比を最大にしてリフト量を最大にし、吐出室からクランク室へ流れる冷媒の流量を最大に制御する。可変容量圧縮機を最大容量で運転したいときには、デューティ比を最小にしてリフト量を最小、つまり閉弁にし、吐出室からクランク室へ流れる冷媒の流量をゼロに制御する。

ソレノイドによって弁体１０４があるリフト量に制御されているときには、たとえばソレノイドとシャフトとの間に配置された感圧部材が可変容量圧縮機の吸入圧力Ｐｓを感知して、この吸入圧力Ｐｓが低くなるよう変化したときには、弁体１０４をリフト量が大きくなる方向にシャフトを駆動し、これにより、吐出容量を下げて、所定の吸入圧力に戻すようにする。逆に、吸入圧力が高くなったときは、弁体１０４をリフト量が小さくなる方向にシャフトを駆動し、これにより、吐出容量を上げて、所定の吸入圧力に戻すようにする。
特開２００１−３４２９４６号公報（段落番号〔００１９〕）

しかしながら、デューティ比制御の容量制御弁では、弁体にシャフトが当接された構造になっているため、ソレノイドに印加されるパルス電流によってシャフトはその長手方向に微少振動していることで、弁体も微少振動し、これによって弁体が弁座近傍に制御されているときに弁座に衝突して弁座から浮いてしまうので、弁体が弁座に着座していないときの作動値と弁座に衝突を始める瞬間の作動値が変化するという共振現象が生じる問題点があった。この共振現象は、部品のばらつき、ソレノイドに印加されるパルス電流の周波数の違い、さらにはデューティ比によって変化するため、ソレノイドによる作動値が定まりにくく、また、閉弁位置近傍では弁体が弁座に繰り返し衝突していることで耐久性を低下させる原因にもなっている。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、弁体が弁座の近傍での共振現象を起こしにくくした可変容量圧縮機のためのデューティ比制御の容量制御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、ソレノイドに供給するパルス電流のデューティ比を制御することで弁開度の設定を行う可変容量圧縮機の容量制御弁において、冷媒が導入される第１ポートと冷媒が導出される第２ポートとの間の通路を開閉制御する弁部の弁体と、前記弁体を閉弁方向に付勢するスプリングの付勢力に抗して前記ソレノイドの付勢力を前記弁体に伝達する伝達部材とが、前記パルス電流の周波数による振動では実質的に互いに密着されるように半径方向の微少クリアランスをもって嵌合されていることを特徴とする可変容量圧縮機の容量制御弁が提供される。

このような可変容量圧縮機の容量制御弁によれば、弁体が伝達部材にある程度密着された状態になっていて弁体がフリーに動く状態になっていないので、伝達部材の軸方向の振動が抑えられるようになる。これにより、全閉近傍における共振現象が抑えられるため、容量制御弁の特性が改善され、耐久性を向上させることができる。

本発明の可変容量圧縮機の容量制御弁は、弁体をフリーに動くことができない状態にしたので、弁体の着座近傍における共振現象を抑えることができ、特性および耐久性を向上させ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容量制御弁の全体を示す中央縦断面図、図２は第１の実施の形態に係る容量制御弁の弁部を示す部分拡大断面図である。

この容量制御弁は、弁部１と、ソレノイド２と、これらの間に配置された感圧部材のダイヤフラム３とを備え、図示しない可変容量圧縮機に組み込まれたときに、弁部１が吐出室およびクランク室にそれぞれ連通する連通路に接続され、ダイヤフラム３の受圧する空間が吸入室に連通する連通路に接続される。

弁部１は、そのボディ４の長手方向一端部に可変容量圧縮機の吐出室に連通されて吐出圧力Ｐｄを受けるポート５が設けられ、ボディ４の側面には可変容量圧縮機のクランク室に連通されて制御された圧力Ｐｃをクランク室に供給するポート６が設けられている。ポート５とポート６との間には、弁座７がボディ４と一体に形成されており、その弁座７に対向して吐出圧力Ｐｄを受けるポート５の側に弁体８が配置されている。この弁体８は、Ｒ形状の弁座７に対向する着座面がテーパ形状に形成されており、外周に設けられた段部にスプリング９の一端が当接され、そのスプリング９によって弁座７に着座される方向に付勢されている。弁体８は、軽量かつ硬度の高い材質で作られており、たとえば硬質のアルミニウムまたはセラミックスとすることができる。スプリング９の他端は、ポート５内に螺着されたアジャストねじ１０によって受けられており、そのアジャストねじ１０の螺入量によってスプリング９の荷重が調節されている。弁部１は、また、ポート５の開口部にストレーナ１１が取り付けられている。

弁体８は、また、弁孔を介して図の上方へ延びていてボディ４に軸線方向に摺動自在に保持されているシャフト１２に嵌合されている。このとき、シャフト１２は、半径方向のクリアランスを小さくした状態で弁体８に嵌め込まれている。これにより、微少クリアランス内のガス冷媒を介してシャフト１２の軸線方向の振動を弁体８に伝達することになるので、軸線方向の振動を抑制することになる。しかも、弁体８は軽量化されていることにより、その慣性を小さくすることができるので、スプリング９のばね定数を大きく設定することにより、弁体８の軸線方向の振動を実用上抑えることができる。弁体８とシャフト１２との間のクリアランスには、必要に応じて、オイルを入れても良い。なお、この例では、弁体８に設けられた穴にシャフト１２を挿入するよう構成したが、弁体８をシャフトに設けた穴に挿入するように構成してもよい。

ボディ４の図の下方には、可変容量圧縮機の吸入室に連通されて吸入圧力Ｐｃを受けるポート１３が形成され、その吸入圧力Ｐｓは、ボディ４とソレノイド２とによって外周縁部が挟持されたダイヤフラム３によって感知されるようにしている。吸入圧力Ｐｓが導入される空間には、ダイヤフラム３の中央部に当接するようディスク１４が配置されており、そのディスク１４には、シャフト１２の下端部が当接されている。

ソレノイド２は、コイル１５が周設されたスリーブ１６を有し、その下端部よりコア１７が圧入されている。そのコア１７とダイヤフラム３との間には、プランジャ１８がスリーブ１６内に摺動自在に配置されている。このプランジャ１８には、コア１７を貫通して配置されたシャフト１９の一端が圧入されている。シャフト１９の他端は、軸受部２０によって支持されている。シャフト１９は、また、ばね受け部２１が設けられていて、そのばね受け部２１と軸受部２０との間に配置されたスプリング２２によってプランジャ１８をダイヤフラム３に当接するよう付勢している。

これにより、コイル１５が通電されてプランジャ１８がコア１７に吸引されたときには、弁体８がスプリング９によって弁座７に着座されて閉弁状態になる。一方、コイル１５が非通電状態では、プランジャ１８にはスプリング２２の押圧力が作用して、ダイヤフラム３からディスク１４を介してシャフト１２が押圧されるので、弁体８を所定の距離だけ開弁方向に押圧するようになっている。このように、この容量制御弁は、弁部１のリフト量がソレノイド２によるソレノイド力によって設定される。

このソレノイド２では、コイル１５に流すパルス電流をデューティ比制御することによって、容量制御弁の作動値を外部から自由に変えることができる。すなわち、デューティ比を大きくして平均電流値を増やすと、プランジャ１８をコア１７に吸引する力が強くなって、リフト量が小さく設定され、デューティ比を小さくして平均電流値を減らすと、リフト量は大きく設定される。

ここで、たとえば、吸入圧力Ｐｓが低くなると、ダイヤフラム３が図の上方へ変位して弁体８を開弁方向に駆動し、リフト量が大きくなる。これにより、クランク室に供給される冷媒流量が増えて中の圧力Ｐｃが高くなり、吐出容量を減らして、吸入圧力Ｐｓを高くしようとする。反対に、吸入圧力Ｐｓが高くなると、ダイヤフラム３が図の下方へ変位して弁体８を閉弁方向に移動し、リフト量が小さくなる。これにより、クランク室に供給される冷媒流量が減少して中の圧力Ｐｃが低くなり、吐出容量を増やして、吸入圧力Ｐｓを低くしようとする。これにより、この容量制御弁は、吸入圧力Ｐｓを感知して可変容量圧縮機の吸入圧力Ｐｓが一定になるようにクランク室内の圧力Ｐｃを制御する。

図３は第２の実施の形態に係る容量制御弁の弁部を示す部分拡大断面図である。この図３において、図２に示した構成要素と同じ要素には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

この第２の実施の形態に係る容量制御弁は、第１の実施の形態に係る容量制御弁に比較して、弁座７の構造をＲ形状から平形状に変更した点で異なる。この第２の実施の形態に係る容量制御弁は、弁座７の構造以外、第１の実施の形態に係る容量制御弁と同じであり、作用も同じであるので、その説明は省略する。

図４は第３の実施の形態に係る容量制御弁の弁部を示す部分拡大断面図である。この図４において、図２に示した構成要素と同じ要素には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

この第３の実施の形態に係る容量制御弁は、第１の実施の形態に係る容量制御弁に比較して、弁体８の形状をテーパ形状からＲ形状に変更した点で異なる。この第３の実施の形態に係る容量制御弁は、弁体８の形状以外、第１の実施の形態に係る容量制御弁と同じであり、作用も同じであるので、その説明は省略する。

図５は第４の実施の形態に係る容量制御弁を示す中央縦断面図である。この図５において、図１に示した構成要素と同じ要素には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
この第４の実施の形態に係る容量制御弁は、第１ないし第３の実施の形態に係る容量制御弁がシャフト１２の先端と弁体８とを嵌合しているのに対し、弁体８と一体に形成されたシャフト１２とディスク１４とを嵌合している。この場合も、シャフト１２は、半径方向のクリアランスを小さくした状態でディスク１４に嵌め込まれている。これにより、微少クリアランス内のガス冷媒を介してディスク１４の軸線方向の振動をシャフト１２に伝達することになるので、ディスク１４の軸線方向の振動による共振現象を抑制することになる。なお、この容量制御弁は、スプリング２３によってディスク１４を開弁方向に付勢する構成を有している。これにより、ソレノイド２の非通電時は、常に弁部１が全開することになり、可変容量圧縮機は最少容量で運転するよう制御される。

図６は本発明を三方弁構造の容量制御弁に適用した場合を示す中央縦断面図である。この図６において、図１に示した構成要素と同じ要素には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

この容量制御弁は、第１ないし第４の実施の形態に係る容量制御弁が、吐出室からクランク室へ導入する冷媒の流量を制御しているのに対し、吐出室からクランク室へ導入する冷媒の流量とクランク室から吸入室へ抽気する冷媒の流量とを連動して制御するタイプである。このため、弁部１は、吐出室に連通されて吐出圧力Ｐｄを受けるポート５、クランク室に連通されて制御された圧力Ｐｃ１をクランク室に供給するポート６ａ、弁座７および弁体８を含む第１の弁と、クランク室に連通されて圧力Ｐｃ２を受けるポート６ｂ、吸入室に連通されて吸入圧力Ｐｓを受けるポート１３、ボディ４に形成された弁座２４および弁体２５を含むスプール弁構造の第２の弁とを備え、第１の弁の弁体８と第２の弁の弁体２５とをシャフト１２によって連結されている。もちろん、そのシャフト１２は、半径方向のクリアランスを小さくした状態で第１の弁の弁体８に嵌め込まれている。第２の弁の弁体２５とシャフト１２とは一体に形成され、スプリング２６によってダイヤフラム３の方向へ付勢されている。なお、この容量制御弁では、ソレノイド２の自由端側にヨーク２７とコア１７との間で磁気回路を形成するキャップ２８が配置され、その中にシャフト１９の軸受部２０の機能を持った、スプリング２２の荷重調整用のアジャストねじ２０ａが螺着されている。

この容量制御弁においては、第１の弁が開弁方向に制御されるとき、第２の弁は閉弁方向に制御され、逆に、第１の弁が閉弁方向に制御されるとき、第２の弁は開弁方向に制御されるため、クランク室内の圧力Ｐｃを迅速に変化させることができ、可変容量圧縮機を最少容量の運転または最大容量の運転へ応答よく移行させることができる。

図７は第５の実施の形態に係る容量制御弁を示す中央縦断面図である。この図７において、図６に示した構成要素と同じ要素には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
この第５の実施の形態に係る容量制御弁は、ソレノイド側でも軸線方向の振動を抑制する構造を持たせるようにしている。容量制御弁のデューティ比制御は、本来、開弁移行時の特性と閉弁移行時の特性に差が出ないように、つまり、ヒステリシスのない弁特性にすることが目的であるので、軸線方向の振動を完全になくすことはできない。

従来の代表的な容量制御弁では、車の振動によってソレノイド２の駆動系が勝手に動いてしまわないよう駆動系の質量を小さくすることが行われてきた。この場合、プランジャ１８とコア１７との間のギャップ中心からプランジャ１８の吸引中心（すなわち、ヨーク２７のうち、プランジャ１８と磁気回路を形成する部分の軸線方向の厚み中心）までの距離をＡ、ギャップ中心からコア１７の吸引中心（すなわち、ヨーク２７とコア１７との間で磁気回路を形成するキャップ２８の軸線方向の厚み中心）までの距離をＢとするとき、ＢはＡの２．５倍から３倍程度の寸法比にしていた。このときのプランジャ１８を含む駆動系の質量がたとえば１０．９グラムであった場合、駆動系の軸線方向の振動幅は、２０マイクロメートルないし３０マイクロメートルであった。

これに対し、第５の実施の形態に係る容量制御弁では、ＢはＡの１．２倍から０．５倍程度の寸法比にしている。このときのプランジャ１８を含む駆動系の質量はたとえば１２．５グラムないし１８．２グラムになる。ここで、ＢがＡの１．５倍に設定した図示の容量制御弁では、駆動系の軸線方向の振動幅は、数マイクロメートルに抑えられた。ＢがＡの１．５倍より小さくしていくと、駆動系の軸線方向の振動幅はさらに小さくなっていき、ＢがＡの０．５倍程度にすると、ほとんどゼロになる。

このように、ソレノイド２の駆動系の質量を上げていくことにより、弁部１における共振現象軽減効果に加えて、駆動系の軸線方向の振動幅を実用上問題のないレベルまで軽減させることができる。これにより、容量制御弁の全使用領域に渡り、常に安定した作動値を得ることができるようになる。

第１の実施の形態に係る容量制御弁の全体を示す中央縦断面図である。 第１の実施の形態に係る容量制御弁の弁部を示す部分拡大断面図である。 第２の実施の形態に係る容量制御弁の弁部を示す部分拡大断面図である。 第３の実施の形態に係る容量制御弁の弁部を示す部分拡大断面図である。 第４の実施の形態に係る容量制御弁を示す中央縦断面図である。 本発明を三方弁構造の容量制御弁に適用した場合を示す中央縦断面図である。 第５の実施の形態に係る容量制御弁を示す中央縦断面図である。 従来の容量制御弁の弁部の一構造例を示す部分断面図である。

符号の説明

１ 弁部
２ ソレノイド
３ ダイヤフラム
４ ボディ
５，６，６ａ，６ｂ ポート
７ 弁座
８ 弁体
９ スプリング
１０ アジャストねじ
１１ ストレーナ
１２ シャフト
１３ ポート
１４ ディスク
１５ コイル
１６ スリーブ
１７ コア
１８ プランジャ
１９ シャフト
２０ 軸受部
２０ａ アジャストねじ
２１ ばね受け部
２２，２３ スプリング
２４ 弁座
２５ 弁体
２６ スプリング
２７ ヨーク
２８ キャップ

Claims (4)

1. ソレノイドに供給するパルス電流のデューティ比を制御することで弁開度の設定を行う可変容量圧縮機の容量制御弁において、
   冷媒が導入される第１ポートと冷媒が導出される第２ポートとの間の通路を開閉制御する弁部の弁体と、前記弁体を閉弁方向に付勢するスプリングの付勢力に抗して前記ソレノイドの付勢力を前記弁体に伝達する伝達部材とが、前記パルス電流の周波数による振動では実質的に互いに密着されるように半径方向の微少クリアランスをもって嵌合されていることを特徴とする可変容量圧縮機の容量制御弁。
2. 前記伝達部材は、前記ソレノイドの付勢力を前記弁体に伝達するシャフトであり、前記シャフトの先端が前記弁体と嵌合されていることを特徴とする請求項１記載の可変容量圧縮機の容量制御弁。
3. 前記伝達部材は、前記ソレノイドの付勢力を前記弁体に伝達するディスクであり、前記ディスクが前記弁体と一体に形成されたシャフトと嵌合されていることを特徴とする請求項１記載の可変容量圧縮機の容量制御弁。
4. 前記弁体は、軽量かつ硬度の高い材質のアルミニウムまたはセラミックスであることを特徴とする請求項１記載の可変容量圧縮機の容量制御弁。
   
   

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