JP4975017B2

JP4975017B2 - 制御弁および該制御弁を用いた可変容量型圧縮機用制御弁

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Publication number: JP4975017B2
Application number: JP2008507386A
Authority: JP
Inventors: 英樹東堂園; 訓右上村; 康平福留
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2027-01-31
Also published as: CN101365903A; WO2007111039A1; EP2000720A4; CN101365903B; EP2000720B1; US8182239B2; EP2000720A2; JPWO2007111039A1; EP2000720A9; US20090179164A1

Description

本発明は、感圧部と、ソレノイド部と、移動部材に設けた弁体から成るバルブ部とを備え、前記弁体の弁開度は、前記移動部材に与えられる付勢力に基づく移動部材の移動により調整される制御弁および該制御弁を可変容量型圧縮機の吐出容量に用いた可変容量型圧縮機用制御弁に関する。

感圧部に導入された圧力に応じて移動部材に付勢力を与える感圧部を有し、前記付勢力により前記移動部材を移動させて弁開度を調整する制御弁として、例えば、車両の空調装置の冷媒圧縮に用いられる可変容量型圧縮機のための制御弁（特許文献１参照）が知られている。この制御弁は感圧部にベローズ組立体を用いたもので、図６はこのような可変容量型圧縮機用制御弁の概略断面図である。

図６に示すように制御弁１はソレノイド部２とバルブ部３とベローズ組立体４により構成されている。ソレノイド部２は円筒状のバルブボディ５の一端に配置され、電流をコイル６に供給することにより磁力を発生し、可動鉄芯７をスプリング８に抗して左方に配置した固定鉄芯９側に移動させ、バルブロッド１０に電流値の二乗に比例した大きさの付勢力を与える。そしてバルブボディ５には可変容量型圧縮機の吐出圧力Ｐｄ領域と連通するポート１１と可変容量型圧縮機の内室（室圧Ｐｃ）と連通するポート１２が形成されており、バルブ部３は、バルブロッド１０の端部に形成した弁体１３の弁座１４に対する弁開度に基づき、吐出冷媒ガスの圧縮機の内室へ向かって流れる流量が調整できるように構成されている。

一方、バルブボディ５のソレノイド部２と反対側の他方端部には、ケース１５とバルブボディ５とで構成した感圧室１６にベローズ組立体４が配置され、この感圧室１６には圧縮機の吸入圧力Ｐｓが作用している。ベローズ組立体４は両端をホルダ１７，１８により紳縮自在に保持されたベローズ１９を有し、両ホルダ間にはスプリング２０が装架され、ホルダ１８とバルブロッド１０の左端１０ａ間には、両部材に当接接続した接続ロッド２１が配置されている。したがって、感圧室１６に導入されている吸入圧力Ｐｓの変化によってベローズ１９が伸縮し、バルブロッド１０に作用する付勢力が変わり、弁開度位置が可変となる。

このようにして構成した制御弁１の開弁時のバルブロッド１０に作用する力のバランス式は、Ｆ１をスプリング２０の付勢力、Ｆ２をスプリング８の付勢力、Ｆをソレノイド推力、Ａをベローズの有効受圧面積とすると、Ｐｓ＝（Ｆ１＋Ｆ２−Ｆ）／Ａが成立する。この式からも解るように、ソレノイド推力Ｆを増大させると吸入圧力Ｐｓが低い値でバランスし、逆にソレノイド推力Ｆを減少させると吸入圧力Ｐｓは高い値でバランスするので、空調装置の冷媒圧縮に用いられる可変容量型圧縮機のための制御弁として多く利用されている。

特開２００１−１４１０８６号公報（段落００１５〜００１８及び図１、図４）

しかしながら、特許文献１における制御弁１は、吸入圧力Ｐｓが感圧室１６に配置したベローズ１９に作用するように構成されており、ベローズ１９が受ける有効受圧面積は、その成形技術から０．２ｃｍ^２が限界であるため、前記バランス式からも解るように、小さなソレノイド推力の変化に対して吸入圧力Ｐｓは高い値でバランスさせることができず、例えば吸入圧力の高いＣＯ２を冷媒とするエアコンに適用した場合には、必然的に有効受圧面積が大きいベローズを使用しなければ成らず、装置の小型化を困難としていた。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、感圧部に導入した圧力がソレノイドによる小さな推力の変化に応じて弁開度を調整することができる小型の制御弁を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の制御弁は、感圧部と、ソレノイド部と、移動部材に設けた弁体と弁座から成るバルブ部とを備え、前記弁体の前記弁座に対する弁開度は、前記移動部材に与えられる付勢力に基づく移動部材の移動により調整される制御弁であって、前記感圧部を構成するバルブボディとケースとで構成した感圧室にはダイアフラム保持体とダイアフラム組立体が配置され、前記ダイアフラム保持体は、該保持体の外周に配置したスプリング部材に係合保持され、前記ダイアフラム組立体は、同形の２枚のダイアフラム単体を対称に配置して張り合わせて内部に密閉した圧力室を形成した少なくとも一つのダイアフラム体で構成され、該ダイアフラム体の外周部は前記ダイアフラム保持体に隙間を持って囲繞され、該ダイアフラム体の中央部は前記ケースと前記ダイアフラム保持体とに当接接続して、感圧部に導入された圧力に応じて生じたダイアフラム体の推力を前記ダイアフラム保持体を介して前記移動部材に付勢力として与えると共に、前記ソレノイド部からの入力信号によるソレノイド推力を前記付勢力と協働する付勢力として前記移動部材に与えることを特徴としている。
この特徴によれば、ソレノイド推力による移動部材に与える付勢力に応じて、感圧部に導入された圧力による移動部材の移動位置を決めて弁開度の開度量を調整することが可能であり、かつダイアフラム組立体を、２枚のダイアフラムを張り合わせて内部に密閉した圧力室を形成した少なくとも一つのダイアフラム体で構成できるので、ベローズでは製作し得ない小さな受圧面積のダイアフラム体を使用することで、感圧部に導入された圧力が比較的大きな場合であっても、小さなソレノイド推力の変化で制御可能で制御弁の小型化が図れる。また、ダイアフラム組立体は複数のダイアフラム体を連設することで、必要とするストローク量を調整できる。更に、２枚のダイアフラムを張り合わせて形成した圧力室にガスを封入することにより、感圧部に導入された圧力に対するダイアフラム体が発生する推力を調整できる。更に又ダイアフラム保持体の外周に配置したスプリング部材によりダイアフラム保持体が係合保持されているので、ダイアフラム組立体が伸縮時に傾くような偏倚力を受けても、スプリング部材によってその傾きを抑えることができるので、感圧部に導入した圧力によりダイアフラム組立体に生起した推力は安定した状態で移動部材に伝達される。

本発明の請求項２に記載の可変容量型圧縮機用制御弁は、請求項１に記載の制御弁を用いて可変容量型圧縮機の吐出容量を変更するようにした可変容量型圧縮機制御弁であって、前記可変容量型圧縮機は圧縮機内圧と吸入圧力との差圧により吐出容量が変更されるものであり、前記制御弁の感圧部には圧縮機の吸入圧力が導入され、圧縮機の吐出圧領域と圧縮機内室とは連通路を介して連通され、該連通路は前記移動部材によって設定される弁開度に基づいて流量が調整されることを特徴としている。
この特徴によれば、ソレノイドの移動部材に与える付勢力により、圧縮機内圧と吸入圧力との差圧を速やかに変化させて、可変容量型圧縮機の吐出量を迅速に変更させることが可能であり、吸入圧が高いエアコンにも適用することができる。

本発明の実施例における可変容量型圧縮機の冷房サイクルの制御フロー図である。図１で用いられている制御弁の断面図である。感圧室の拡大断面図である。バルブロッドに掛かる付勢力のバランス状態模式図である。ダイアフラム体の構造を示し、（ａ）は、ダイアフラム体を構成するダイアフラム単体の正面図であり、（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は２つのダイアフラム単体を接合して成るダイアフラム体の側断面図である。従来の可変容量型圧縮機用制御弁の概略断面図である。

符号の説明

２０可変容量型圧縮機
２２蒸発器
２４凝縮器
２６膨張弁
２８制御弁
３０温度センサ
３２制御器
３４温度設定器
３６ソレノイド部
３８バルブ部
４０感圧部
４２バルブボディ
４４コイル
４６可動鉄芯
４８スプリング
４９固定鉄芯
５０バルブロッド（移動部材）
５２，５４ポート
５６弁体
５８弁座
６０ケース
６２感圧室
６４ダイアフラム組立体
６６ダイアフラム保持体
６８ダイアフラム体
６９ダイアフラム単体
７０スペーサ
７２スプリング
７４接続ロッド
Ｐｓ吸入圧力
Ｐｄ吐出圧力
Ｐｃ圧縮機の室圧

本発明の実施例を以下に説明する。

図１は、本発明の実施例における可変容量型圧縮機の冷房サイクルの制御フロー図であり、図２は、図１で用いられている制御弁の断面図であり、図３は、感圧室の拡大断面図であり、図４はバルブロッドに掛かる付勢力のバランス状態模式図であり、図５はダイアフラム体の構造を示し、（ａ）は、ダイアフラム体を構成するダイアフラム単体の正面図であり、（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は２つのダイアフラム単体を接合して成るダイアフラム体の側断面図である。

本発明の制御弁は、例えば、カーエアコン等の車両用空調装置の冷媒圧縮に用いられる可変容量型圧縮機の出力制御を行うためのものであり、この制御弁の冷却サイクルにおける機能を図１に基づき説明する。図１に示す冷却サイクルは、可変容量型圧縮機２０で蒸発器２２から吸入した吸入圧力Ｐｓの冷媒ガスを高圧の吐出圧力Ｐｄまで圧縮し、この圧縮した冷媒ガスを凝縮器２４で液冷媒とし、その後、膨張弁２６で一気に気化させて蒸発器２２に導き、蒸発潜熱で車室内を冷房したあと再び可変容量型圧縮機２０に吸入される周知のサイクルであって、制御弁２８が冷房負荷に応じて可変容量型圧縮機２０の吐出容量を制御するように構成されている。

そして、図１に示されるように、蒸発器２２の近傍には温度センサ３０が配置され、蒸発器２２の温度情報が入力信号として制御器３２に送られる。またこの制御器３２には車室の温度を指定する温度設定器３４からの設定情報Ｘや車室内の温度情報Ｙが入力信号として入力され、これらの入力信号に基づき最適な値の出力信号Ｚを算出して制御弁２８に出力する。

可変容量型圧縮機２０から吐出された吐出圧力Ｐｄの冷媒ガスの一部（吐出圧領域）はこの制御弁２８を通り可変容量型圧縮機２０の内室へと流れている。制御弁２８の作用については後で詳述するが、出力信号Ｚを受けたときは、その信号の大きさに応じて制御弁２８の弁開度が変わり、この弁開度により可変容量型圧縮機２０の内室（クランクケース室）へ流れる冷媒ガスの流量が規定される。

可変容量型圧縮機２０は、その内室の圧力Ｐｃの大きさにより吐出容量が変更できる、例えば可変揺動傾斜板型の圧縮機が用いられる。図示していないが可変容量型圧縮機２０の室圧は絞り等の制限器を介して圧縮機の吸入側と連通しており、制御弁２８の弁開度が大きくて冷媒ガスの流量が大きくなると、吸入圧力Ｐｓとほぼ等しい状態の室圧Ｐｃが増大し斜板が立って圧縮機の吐出量が減じ、反対に、制御弁２８の弁開度が小さくなれば、室圧Ｐｃが減少し、斜板が傾斜して圧縮機の吐出量が増えるように作用する。この可変容量型圧縮機の室圧Ｐｃの変化により吐出量が変動する構成は、上述の如く、圧縮機の室圧が制限器を介して圧縮機の吸入側と連通するものに限らず、例えば、特開昭６３−１６１７７号公報に記載の従来公知の容量可変型圧縮機を採用することができる。

次に図２、図３により制御弁２８の具体的構造と作用について説明する。制御弁２８はソレノイド部３６とバルブ部３８と感圧部４０により構成されている。ソレノイド部３６は円筒状のバルブボディ４２の一端に配置され、制御器３２からの出力信号Ｚを電流値に変換してコイル４４に供給することにより磁力を発生し、可動鉄芯４６をスプリング４８に抗して左方に配置した固定鉄芯４９側に移動させ、バルブロッド５０に電流値の二乗に比例した大きさの付勢力を与える。

そしてバルブボディ４２には可変容量型圧縮機２０の吐出圧力Ｐｄ領域と連通するポート５２と可変容量型圧縮機２０の内室（室圧Ｐｃ）と連通するポート５４が形成されており、バルブ部３８は、移動部材として作用するバルブロッド５０の端部に形成した弁体５６の弁座５８に対する弁開度に基づき、吐出冷媒ガスの圧縮機２０の内室へ向かって流れる流量が調整できるように構成されている。

一方、感圧部４０を構成するバルブボディ４２のソレノイド部３６と反対側の他方端部側には、ケース６０とバルブボディ４２とで構成した感圧室６２にダイアフラム組立体６４が配置され、この感圧室６２には圧縮機の吸入圧力Ｐｓが作用している。図３に示すように、このダイアフラム組立体６４は、ケース６０の中心部とダイアフラム保持体６６の中心部間に挟持され紳縮自在に保持された３個のダイアフラム体６８で構成され、隣接のダイアフラム体間にはスぺーサ７０が配置されている。ダイアフラム保持体６６外周部にはスプリング７２が装架され、ダイアフラム保持体６６に左方向のばね力を与えて各ダイアフラム体６８が離間しないようにしている。

ダイアフラム保持体６６とバルブロッド５０の左端５０ａ間には、両部材に当接接続した接続ロッド７４が配置されている。したがって、感圧室６２に導入されている吸入圧力Ｐｓの変化によって各ダイアフラム体６８が伸縮し、バルブロッド５０に作用する付勢力が変わり、弁開度位置が可変となる。

このようにして構成した制御弁２８の開弁時のバルブロッド５０に作用する力のバランス式は、Ｆ１をスプリング７２の付勢力、Ｆ２をスプリング４８の付勢力、Ｆ３をダイアフラム組立体６４の初期押し付け荷重、Ｆをソレノイド推力、Ａをダイアフラム体６８の有効受圧面積とすると、図４に示すように、バルブロッド５０に掛かる右向きの力は、スプリング４８の付勢力Ｆ２と、ダイアフラム組立体６４の初期押し付け荷重Ｆ３と、吐出圧力Ｐｄと室圧Ｐｃとの差圧に基づくバルブロッド５０に掛かる力（Ｐｄ−Ｐｃ）Ｂ２、（ただしＢ２は弁座部の有効受圧面積）となり、バルブロッド５０に掛かる左向きの力は、スプリング７２の付勢力Ｆ１と、吸入圧力Ｐｓがダイアフラム組立体６４に掛かる力ＰｓＡと、吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの差圧に基づく接続ロッド７４に掛かる力（Ｐｄ−Ｐｓ）Ｂ１、（ただしＢ１は接続ロッドの有効受圧面積）と、ソレノイド推力Ｆと成るので、Ｆ２＋Ｆ３＋（Ｐｄ−Ｐｃ）Ｂ２＝Ｆ１＋ＰｓＡ＋（Ｐｄ−Ｐｓ）Ｂ１＋Ｆとなり、Ｂ１とＢ２とをほぼ同じ大きさに設計し、閉弁時から開弁時までの開弁ポイントではＰｓ＝Ｐｃであることを考慮すると、Ｐｓ＝（Ｆ２＋Ｆ３−Ｆ１−Ｆ）／Ａが成立する。

この式からも解るように、ソレノイド推力Ｆを増大させると吸入圧力Ｐｓが低い値でバランスし、逆にソレノイド推力Ｆを減少させると吸入圧力Ｐｓは高い値でバランスするので、空調装置の冷媒圧縮に用いられる可変容量型圧縮機のための制御弁として多く利用されている。

即ち、可変容量型圧縮機の冷房能力の調整において、車室内の温度情報Ｙの値が温度設定器３４による設定情報Ｘの値を超える場合は、制御器３２よりソレノイド部３６のコイル４４にＹ−Ｘ＝Ｚの差分に相当する電流を加算供給し、スプリング４８の付勢力に抗して可動鉄芯４６を固定鉄芯４９側に吸引し、その推力はバルブロッド５０に対し左方向の付勢力として働く。この付勢力によりバルブロッド５０は、弁体５６が弁座５８に向けて弁開度が閉鎖する方向に移動し、可変容量型圧縮機２０の吐出領域からその圧縮機の内室に向かう冷媒ガスの流れが減少し室圧Ｐｃが低下する。

圧縮機内室の室圧Ｐｃが低下すると、斜板が傾斜して圧縮機２０の吐出量が増えるように作用し、吐出圧力Ｐｄが増大し吸入圧力Ｐｓが低下する。この低下した吸入圧力Ｐｓは感圧部４０にフィードバックされ、ダイアフラム組立体６４に作用して、接続ロッド７４を介してバルブロッド５０に右方向の付勢力を与える。吸入圧力Ｐｓが所定圧に低下すると、バルブロッド５０に右方向移動し始め制御が開始して弁開度が開方向に向かう。そしてソレノイド部３６で与えた推力と、低下した吸入圧力Ｐｓとが釣り合った弁開度位置でバルブロッド５０は保持される。したがって、制御器３２からの出力信号Ｚに応じた最適な吸入圧力Ｐｓを得て、車室内の温度が設定温度になるように低下させることができる。

次にダイアフラム体６８の構造について図５に基づき説明する。ダイアフラム体６８は２つのダイアフラム単体６９を接合したもので、ダイアフラム単体６９は図５（ａ）に示すように、円板状の外形を有し、中央部には図５（ｂ）に示すように外方に突出した凹部６９ａが形成されている。そしてダイアフラム体６８を製作するには、同形の２つのダイアフラム単体６９，６９を用意し、両単体を対称に配置して、図５（ｃ）に示すように、ダイアフラム単体６９，６９の平らなリング状の外周部６９ｂ、６９ｂを溶接等により接合する。このようにしてダイアフラム体６８を製作することにより、中央部に弾性力を有した空所６８ａが形成される。

この空所６８ａ内は真空であっても良いし、ガスを封入して所定の圧を持たせても良い。空所６８ａの圧の大きさにより、外部からダイアフラム体６８に圧力が作用したときに、ダイアフラムが撓もうとする抗力として作用する。したがって、この空所６８ａ内の圧力を適宜選定することにより、感圧室に導入された吸入圧力Ｐｓに対するダイアフラム体６８が発生する推力を調整することができる。

このようにダイアフラム体６８は２つのダイアフラム単体６９，６９を接合するだけで製作できるので、外部からの圧力に対して応動する円形の有効受圧面積を小さく設計することが可能であり、本実施例においては、ダイアフラム体６８の有効受圧面積となる直径部分Ｄ（図４ｃ参照）が約２ｍｍとなるものを製作した。その結果、ダイアフラム体６８の有効受圧面積は３．１４×０．１×０．１＝０．０３ｃｍ^２のものが得られた。この値は、従来、感圧部に用いられているべローズ組立の有効受圧面積の製作限界値である０．２ｃｍ^２と比較して一桁低い小さなものとなっている。

そして先に示したバルブロッド５０に作用する力のバランス式、Ｐｓ＝（Ｆ２＋Ｆ３−Ｆ１−Ｆ）／Ａから解るように、ダイアフラム体６８の有効受圧面積Ａを小さくすることができれば、小さなソレノイド推力Ｆの変化で、大きな吸入圧力Ｐｓの変化をもって釣り合わせることができ、吸入圧力が高いＣＯ_２を冷媒とするエアコンであっても感圧部を小型に形成できる。

また、このダイアフラム体６８はダイアフラム保持体６６にその外周部が僅かな隙間を持って囲繞され、ダイアフラム保持体６６の外周部にはスプリング７２が配置されているので、ダイアフラム体６８が伸縮時に傾くような偏倚力を受けても、ダイアフラム保持体６６を介してスプリング７２によりその傾きを抑えることができるので、吸入圧力Ｐｓによりダイアフラム組立体６４に生起した推力を安定した状態でバルブロッド５０に伝達できる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれ、例えば上記実施例では、ダイアフラム体６８をスぺーサ７０を介して３連設したものを使用したが、ダイアフラム体６８の数は３つに限らず幾つでも良く、必要とするストローク量をダイアフラム体の数量で調整することができる。

また、上記実施例の制御弁を冷媒圧縮する可変容量型圧縮機の出力制御のために用いた例で説明したが、感圧部に導入した圧力により生じた推力とソレノイドによる推力とを移動部材に対向させ、感圧部に導入した圧力がソレノイドによる推力の大きさに応じて弁開度を調整するような制御弁にも適用可能である。

Claims

感圧部と、ソレノイド部と、移動部材に設けた弁体と弁座から成るバルブ部とを備え、前記弁体の前記弁座に対する弁開度は、前記移動部材に与えられる付勢力に基づく移動部材の移動により調整される制御弁であって、前記感圧部を構成するバルブボディとケースとで構成した感圧室にはダイアフラム保持体とダイアフラム組立体が配置され、前記ダイアフラム保持体は、該保持体の外周に配置したスプリング部材に係合保持され、前記ダイアフラム組立体は、同形の２枚のダイアフラム単体を対称に配置して張り合わせて内部に密閉した圧力室を形成した少なくとも一つのダイアフラム体で構成され、該ダイアフラム体の外周部は前記ダイアフラム保持体に隙間を持って囲繞され、該ダイアフラム体の中央部は前記ケースと前記ダイアフラム保持体とに当接接続して、感圧部に導入された圧力に応じて生じたダイアフラム体の推力を前記ダイアフラム保持体を介して前記移動部材に付勢力として与えると共に、前記ソレノイド部からの入力信号によるソレノイド推力を前記付勢力と協働する付勢力として前記移動部材に与えることを特徴とする制御弁。
請求項１に記載の制御弁を用いて可変容量型圧縮機の吐出容量を変更するようにした可変容量型圧縮機用制御弁であって、前記可変容量型圧縮機は圧縮機内圧と吸入圧力との差圧により吐出容量が変更されるものであり、前記制御弁の感圧部には圧縮機の吸入圧力が導入され、圧縮機の吐出圧領域と圧縮機内室とは連通路を介して連通され、該連通路の流量は前記移動部材の移動によって設定される前記弁開度に基づいて調整されることを特徴とする可変容量型圧縮機用制御弁。