JP5771800B2 - 制御弁 - Google Patents

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Description

本発明は制御弁に関し、特に車両用冷暖房装置の冷媒通路の切り替えに好適な制御弁に関する。
近年、内燃機関を搭載した車両においてはエンジンの燃焼効率が向上したこともあり、熱源として利用してきた冷却水が暖房に必要な温度にまで上昇し難くなっている。一方、内燃機関と電動機を併用したハイブリッド車両においては内燃機関の稼働率が低いため、そのような冷却水の利用がさらに難しい。電気自動車に至っては内燃機関による熱源そのものがない。このため、冷房のみならず暖房にも冷媒を用いたサイクル運転を行い、車室内を除湿暖房可能なヒートポンプ式の車両用冷暖房装置が提案されている(例えば特許文献1参照)。
このような車両用冷暖房装置は、圧縮機、室外熱交換器、蒸発器、室内熱交換器等を含む冷凍サイクルを有し、暖房運転時と冷房運転時とで室外熱交換器の機能が切り替えられる。暖房運転時においては室外熱交換器が蒸発器として機能する。その際、冷凍サイクルを冷媒が循環する過程で室内熱交換器が放熱し、その熱により車室内の空気が加熱される。一方、冷房運転時においては室外熱交換器が凝縮器として機能する。その際、室外熱交換器にて凝縮された冷媒が蒸発器にて蒸発し、その蒸発潜熱により車室内の空気が冷却される。その際、除湿も行われる。そして、このように暖房運転時と冷房運転時とで装置の機能を切り替えるために、冷凍サイクルには複数の冷媒循環通路が設けられ、各冷媒循環通路の冷媒の流れを切り替えるための種々の制御弁が設けられる。
特開平9−240266号公報
ところで、車室内の快適性を維持するとともに、寒冷下においても車両運転中の視界を良好に維持するために、このような車両用冷暖房装置においては特に除湿運転が重要視される。そのため、複数の熱交換器が比較的複雑な経路で配管されることが多く、冷媒通路の切り替えのために二方向弁や三方向弁といった制御弁が数多く用いられる。二方向弁は、その開閉により冷媒通路を開放または遮断したり、その開度調整により冷媒通路の開度を調整したりする。三方向弁は、1つの共用通路と2つの個別通路との接続点に設けられ、共用通路と連通させる個別通路を切り替える。これらの制御弁は、ソレノイドやステッピングモータなどのアクチュエータを用いる電気駆動弁として構成されることが多い。
しかしながら、このような制御弁が数多く用いられると、当然にコストが嵩み、車両の設置スペース上の問題も生じる。このため、このような制御弁を冷媒通路を切り替えるだけの切替弁としてだけではなく、その開度を比例的に変化させて冷媒流量の調整を行う比例弁として機能させたり、その開度を絞ることで冷媒を膨張させて状態遷移させる膨張弁として機能させるなど、複数種の制御弁の機能を兼用させることもある。しかし、その制御弁の複数の弁部の開度を外部から調整可能とする場合には、その弁部の数に応じたアクチュエータが必要となり、依然として改善の余地があった。
本発明の目的は、複数の冷媒通路を切り替えて運転がなされる車両用冷暖房装置において、その冷媒通路の切り替える制御弁に嵩むコストをトータル的に抑制することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の制御弁は、第1内部通路および第2内部通路が形成され、第1内部通路の作動流体の流れを調整するために開度が制御される第1弁と、第2内部通路の作動流体の流れを調整するために開度が制御される第2弁とを収容する共用のボディと、第1弁と第2弁の開度を電気的に調整するための共用のアクチュエータと、アクチュエータにより軸線方向に駆動される弁作動体と、第1弁を開閉する第1弁体と第2弁を開閉する第2弁体とを一体に含み、弁作動体と一体変位可能に作動連結されることにより第1弁および第2弁の開閉方向に駆動される弁駆動体と、第1弁または第2弁の開度の制御状態において弁作動体と弁駆動体とを作動連結し、第1弁および第2弁の一方の開度の制御状態において他方を全開状態に維持可能な作動切替機構と、を備える。
この態様によると、複数の冷媒通路の開度をそれぞれ調整するために複数の弁が設けられるところ、その複数の弁が共用のボディに収容されて共用のアクチュエータにより開閉駆動される制御弁(複合弁)として構成される。そして、一方の弁による冷媒の流量制御がなされている状態において、他方の弁を全開させて流量飽和状態とする配置構成を有することで、その他方の弁の状態が一方の弁の流量制御に実質的に影響を及ぼさないようにしている。言い換えれば、このように第1弁と第2弁とがその弁配置によって制御上影響を及ぼさないようにすることで、一つのアクチュエータによる複数の弁の駆動が可能とされている。それにより、弁の数に対してボディやアクチュエータの数を抑えることができる。さらに、第1弁体と第2弁体とを弁駆動体に一体に形成することで、弁構造の簡素化および低コスト化を実現することも可能となる。
本発明によれば、複数の冷媒通路を切り替えて運転がなされる車両用冷暖房装置において、その冷媒通路の切り替える制御弁に嵩むコストをトータル的に抑制できる。
実施形態に係る車両用冷暖房装置のシステム構成を表す図である。 車両用冷暖房装置の動作を表す説明図である。 第1実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。 第1実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。 第1実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。 第2実施形態に係る制御弁の構成を表す断面図である。 第1実施形態の変形例に係る制御弁の構成を表す断面図である。
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。
[第1実施形態]
まず、本発明の第1実施形態について説明する。図1は、実施形態に係る車両用冷暖房装置のシステム構成を表す図である。本実施形態は、本発明の車両用冷暖房装置を電気自動車の冷暖房装置として具体化したものである。
車両用冷暖房装置100は、圧縮機2、室内凝縮器3、室外熱交換器5、蒸発器7およびアキュムレータ8を配管にて接続した冷凍サイクル(冷媒循環回路)を備える。車両用冷暖房装置100は、冷媒としての代替フロン(HFO−1234yf)が冷凍サイクル内を状態変化しながら循環する過程で、その冷媒の熱を利用して車室内の空調を行うヒートポンプ式の冷暖房装置として構成されている。
車両用冷暖房装置100は、また、冷房運転時と暖房運転時とで複数の冷媒循環通路を切り替えるように運転される。この冷凍サイクルは、室内凝縮器3と室外熱交換器5とが凝縮器として並列に動作可能に構成され、また、蒸発器7と室外熱交換器5とが蒸発器として並列に動作可能に構成されている。すなわち、冷房運転時に冷媒が循環する第1冷媒循環通路、暖房運転時に冷媒が循環する第2冷媒循環通路、除湿運転時に冷媒が循環する第3冷媒循環通路が形成される。
第1冷媒循環通路は、圧縮機2→室外熱交換器5→蒸発器7→アキュムレータ8→圧縮機2のように冷媒が循環する通路である。第2冷媒循環通路は、圧縮機2→室内凝縮器3→室外熱交換器5→アキュムレータ8→圧縮機2のように冷媒が循環する通路である。第3冷媒循環通路は、圧縮機2→室内凝縮器3→蒸発器7→アキュムレータ8→圧縮機2のように冷媒が循環する通路である。室外熱交換器5を流れる冷媒の流れは、第1冷媒循環通路と第2冷媒循環通路とで逆方向となっている。
具体的には、圧縮機2の吐出室につながる通路が分岐し、その一方である第1通路21が室外熱交換器5の一方の出入口につながり、他方である第2通路22が室内凝縮器3の入口につながっている。室外熱交換器5の他方の出入口は、第3通路23を介して蒸発器7の入口につながっている。室内凝縮器3の出口につながる第4通路24は、その下流側にて第1分岐通路25と第2分岐通路26とに分岐しており、それぞれ第3通路23に接続されている。蒸発器7の出口は第5通路27(戻り通路)を介してアキュムレータ8の入口に接続されている。また、第1通路21の中間部においてバイパス通路28が分岐し、アキュムレータ8ひいては圧縮機2につながっている。
第1通路21と第2通路22との分岐点には第1制御弁4が設けられている。第1分岐通路25と第2分岐通路26との分岐点には第2制御弁6が設けられている。さらに、第5通路27とバイパス通路28との合流点には第3制御弁9が設けられている。
圧縮機2は、ハウジング内にモータと圧縮機構を収容する電動圧縮機として構成され、図示しないバッテリからの供給電流により駆動され、モータの回転数に応じて冷媒の吐出容量が変化する。
室内凝縮器3は、車室内に設けられ、室外熱交換器5とは別に冷媒を放熱させる補助凝縮器として機能する。すなわち、圧縮機2から吐出された高温・高圧の冷媒が室内凝縮器3を通過する際に放熱する。車室内に導入された空気は、室内凝縮器3を通過する過程で温められる。
室外熱交換器5は、車室外に配置され、冷房運転時に内部を通過する冷媒を放熱させる室外凝縮器として機能する一方、暖房運転時には内部を通過する冷媒を蒸発させる室外蒸発器として機能する。室外熱交換器5が蒸発器として機能する際には、膨張装置(後述する比例弁32)の通過により低温・低圧となった冷媒が、室外熱交換器5を通過する際に蒸発する。
蒸発器7は、車室内に配置され、内部を通過する冷媒を蒸発させる室内蒸発器として機能する。すなわち、膨張装置(後述する比例弁31や比例弁33)の通過により低温・低圧となった冷媒は、蒸発器7を通過する際に蒸発する。車室内に導入された空気は、その蒸発潜熱によって冷却され、除湿される。このとき冷却・除湿された空気は、室内凝縮器3の通過過程で加熱される。
アキュムレータ8は、蒸発器から送出された冷媒を気液分離して溜めておく装置であり、液相部と気相部とを有する。このため、仮に蒸発器7から想定以上の液冷媒が導出されたとしても、その液冷媒を液相部に溜めおくことができ、気相部の冷媒を圧縮機2に導出することができる。
第1制御弁4は、共用のボディに比例弁34(「第4比例弁」に対応する)と比例弁37(「第7比例弁」に対応する)とを収容し、それらを1つのアクチュエータにて駆動する複合弁として構成されている。比例弁34は大口径の弁であり、第1通路21の開度を調整する。比例弁37は大口径の弁であり、第2通路22の開度を調整する。本実施形態では、第1制御弁4として、ステッピングモータの駆動により各弁の開度を調整可能な電動弁が用いられるが、ソレノイドへの通電によって各弁の開度を調整可能な電磁弁を用いるようにしてもよい。
第2制御弁6は、共用のボディに比例弁31(「第1比例弁」に対応する)、比例弁32(「第2比例弁」に対応する)および比例弁33(「第3比例弁」に対応する)を収容する複合弁として構成されている。比例弁31と比例弁32は共用のアクチュエータにて駆動され、比例弁33はもう1つのアクチュエータにて駆動される。比例弁31は、第3通路23における第1分岐通路25との合流点と第2分岐通路26との合流点との間に設けられている。
比例弁31は小口径の弁であり、第3通路23の開度を調整する。比例弁32は小口径の弁であり、第1分岐通路25の開度を調整する。比例弁33小口径の弁であり、第2分岐通路26の開度を調整する。これら比例弁31,比例弁32および比例弁33は、膨張装置としても機能する。本実施形態では、第2制御弁6として、ステッピングモータの駆動により各弁の開度を調整可能な電動弁が用いられるが、ソレノイドへの通電によって各弁の開度を調整可能な電磁弁を用いるようにしてもよい。
第3制御弁9は、共用のボディに比例弁35(「第5比例弁」に対応する)と比例弁36(「第6比例弁」に対応する)とを収容し、それらを1つのアクチュエータにて駆動する複合弁として構成されている。比例弁35は大口径の弁であり、バイパス通路28の開度を調整する。比例弁36は大口径の弁であり、第5通路27の開度を調整する。本実施形態では、第3制御弁9として、ステッピングモータの駆動により各弁の開度を調整可能な電動弁が用いられるが、ソレノイドへの通電によって各弁の開度を調整可能な電磁弁を用いるようにしてもよい。第3制御弁9の具体的構成については後述する。
以上のように構成された車両用冷暖房装置100は、図示しない制御部により制御される。制御部は、車両の乗員によりセットされた室温を実現するために各アクチュエータの制御量を演算し、各アクチュエータの駆動回路に制御信号を出力する。制御部は、車室内外の温度、蒸発器7の吹き出し空気温度等、各種センサにて検出された所定の外部情報に基づいて各制御弁の制御量(弁開度や開閉状態)を決定し、その制御量が実現されるようアクチュエータに電流を供給する。本実施例ではアクチュエータとしてステッピングモータを用いるため、制御部は、各制御弁の制御量が実現されるようステッピングモータに制御パルス信号を出力する。このような制御により、圧縮機2は、その吸入室を介して吸入圧力Psの冷媒を導入し、これを圧縮して吐出圧力Pdの冷媒として吐出する。なお、本実施形態ではこのような制御を実現するために、室内凝縮器3の出口、室外熱交換器5の一方の出入口と他方の出入口、蒸発器7の入口と出口のそれぞれの温度を検出するための複数の温度センサが設置されている。
次に、本実施形態の冷凍サイクルの動作について説明する。図2は、車両用冷暖房装置の動作を表す説明図である。(A)は特殊冷房運転時の状態を示し、(B)は通常冷房運転時の状態を示し、(C)は特定暖房運転時の状態を示し、(D)は通常暖房運転時の状態を示し、(E)は特殊暖房運転時の状態を示している。なお、「特殊冷房運転」は、冷房運転において室内凝縮器3を機能させない運転状態である。「特定暖房運転」は、暖房運転において特に除湿の機能を高めた運転状態である。「特殊暖房運転」は、室外熱交換器5を機能させない運転状態である。なお、図中の太線および矢印が冷媒の流れを示し、「×」は冷媒の流れが遮断されていることを示している。
図2(A)に示すように、特殊冷房運転時においては、第1制御弁4において比例弁34が開弁状態とされ、比例弁37が閉弁状態とされる。また、第2制御弁6において比例弁31が開弁状態とされ、比例弁32および比例弁33が閉弁状態とされる。さらに、第3制御弁9において比例弁35が閉弁状態とされ、比例弁36が開弁状態とされる。それにより第1冷媒循環通路が開放され、第2冷媒循環通路および第3冷媒循環通路は遮断される。このため、圧縮機2から吐出された冷媒は、室外熱交換器5を経て蒸発器7に導かれる。このとき、室外熱交換器5は室外凝縮器として機能する。
すなわち、圧縮機2から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、室外熱交換器5を経ることで凝縮される。そして、室外熱交換器5を経由した冷媒が比例弁31にて断熱膨張されて冷温・低圧の気液二相冷媒となり、蒸発器7に導入される。蒸発器7の入口に導入された冷媒は、その蒸発器7を通過する過程で蒸発し、車室内の空気を冷却する。蒸発器7から導出された冷媒は、比例弁36を経てアキュムレータ8に導入される。制御部は、室外熱交換器5の出口側の温度に基づき、その出口側の過冷却度が適正となるよう比例弁31の開度を制御する。
図2(B)に示すように、通常冷房運転時においては、第1制御弁4において比例弁34および比例弁37がともに開弁状態とされる。また、第2制御弁6において比例弁31および比例弁33が開弁状態とされ、比例弁32が閉弁状態とされる。さらに、第3制御弁9において比例弁35が閉弁状態とされ、比例弁36が開弁状態とされる。それにより第1冷媒循環通路および第3冷媒循環通路が開放され、第2冷媒循環通路は遮断される。このため、圧縮機2から吐出された冷媒は、一方で室外熱交換器5を経て蒸発器7に導かれ、他方で室内凝縮器3を経て蒸発器7に導かれる。このとき、室外熱交換器5は室外凝縮器として機能する。
すなわち、圧縮機2から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、一方で室内凝縮器3を、他方で室外熱交換器5を経ることで凝縮される。そして、室内凝縮器3を経由した冷媒が比例弁33にて断熱膨張され、冷温・低圧の気液二相冷媒となって蒸発器7に導入される。また、室外熱交換器5を経由した冷媒が比例弁31にて断熱膨張され、冷温・低圧の気液二相冷媒となって蒸発器7に導入される。そして、その蒸発器7を通過する過程で蒸発し、車室内の空気を冷却する。このとき、蒸発器7から導出された冷媒は、アキュムレータ8を経て圧縮機2に導入される。制御部は、室内凝縮器3の出口側の温度に基づき、その出口側の過冷却度が適正となるよう比例弁33の開度を制御する。制御部は、また、室外熱交換器5の出口側の温度に基づき、その出口側の過冷却度が適正となるよう比例弁31の開度を制御する。
図2(C)に示すように、特定暖房運転時においては、第1制御弁4の比例弁34が閉弁状態とされ、比例弁37が開弁状態とされる。また、第2制御弁6において比例弁31が閉弁状態とされ、比例弁32および比例弁33が開弁状態とされる。さらに、第3制御弁9において比例弁35および比例弁36がともに開弁状態とされる。それにより第1冷媒循環通路が遮断され、第2冷媒循環通路および第3冷媒循環通路が開放される。このため、圧縮機2から吐出された冷媒は、室内凝縮器3にて凝縮され、一方で室外熱交換器5に導かれ、他方で蒸発器7に導かれる。このとき、室外熱交換器5は室外蒸発器として機能する。
すなわち、圧縮機2から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、室内凝縮器3を経て凝縮される。室内凝縮器3から導出された冷媒は、一方で比例弁32にて断熱膨張されて冷温・低圧の気液二相冷媒となり、室外熱交換器5を通過する際に蒸発される。室外熱交換器5から導出された冷媒は、比例弁35を経てアキュムレータ8に導入される。また、室内凝縮器3から導出された冷媒は、他方で比例弁33にて断熱膨張されて冷温・低圧の気液二相冷媒となり、蒸発器7を通過する際に蒸発される。蒸発器7から導出された冷媒は、比例弁36を経てアキュムレータ8に導入される。
このとき、制御部は、室外熱交換器5による熱吸収と蒸発器7による除湿とを適正に行うべく、室外熱交換器5における冷媒の蒸発量と蒸発器7における冷媒の蒸発量との比率を適正に調整する。このとき、室外熱交換器5および蒸発器7の両蒸発器にて蒸発される比率は、比例弁32と比例弁33の弁開度の比率により制御される。制御部は、比例弁32の開度と比例弁33の開度を調整することにより室内凝縮器3の出口側の過冷却度が設定値SCとなるように調整するとともに、その開度比率を調整することにより両蒸発器における蒸発量を調整する。その際、制御部は、蒸発器7が凍結することがないよう、蒸発器7の出口側の温度が適正範囲に保たれるように制御する。
また、制御部は、第3制御弁9における比例弁35および比例弁36の一方の全開状態を維持したまま他方の開度を調整する。本実施形態では、室外熱交換器5よりも蒸発器7の温度が低い場合には比例弁36を全開状態にして比例弁35の開度を制御する。一方、蒸発器7よりも室外熱交換器5の温度が低い場合には比例弁35を全開状態にして比例弁36の開度を制御する。
例えば、前者のように室外熱交換器5よりも蒸発器7の温度が低く、室外熱交換器5の出口側に過熱度(スーパーヒート)が発生している場合、比例弁35の開度を絞ることによりその過熱度が設定値(ゼロまたは小さな適正値)に近づくように制御する。このとき、室外熱交換器5における外部からの熱吸収量は、その比例弁35の絞り量により調整される。すなわち、比例弁36を全開状態に維持しつつ比例弁35の開度を絞ることで、室外熱交換器5の蒸発圧力Poと蒸発器7の出口の圧力Peとの差圧ΔP=Po−Peが適正となり、循環する冷媒を室外熱交換器5と蒸発器7とで蒸発させる比率を調整することができる。すなわち、差圧ΔPが大きくなると、室外熱交換器5における蒸発量が相対的に小さくなる(蒸発器7における蒸発量が相対的に大きくなる)。逆に、差圧ΔPが小さくなると、室外熱交換器5における蒸発量が相対的に大きくなる(蒸発器7における蒸発量が相対的に小さくなる)。制御部は、室外熱交換器5の出口側に過熱度に応じて比例弁35の開度を制御して差圧ΔPを適正に調整することで、特定暖房運転時における除湿機能を確保する。なお、室外熱交換器5の出口側の過熱度の有無およびその大きさは、室外熱交換器5の入口側の温度と出口側の温度を検出することで特定することができる。
逆に、後者のように蒸発器7よりも室外熱交換器5の温度が低く、蒸発器7の出口側に過熱度が発生している場合、比例弁36の開度を絞ることによりその過熱度が設定過熱度(ゼロまたは小さな適正値)に近づくように制御する。すなわち、比例弁35を全開状態に維持しつつ比例弁36の開度を絞ることで、蒸発器7の出口の圧力Peと室外熱交換器5の蒸発圧力Poとの差圧ΔP=Pe−Poが適正となり、特定暖房運転時における除湿機能を確保することができる。なお、蒸発器7の出口側の過熱度の有無およびその大きさは、蒸発器7の入口側の温度と出口側の温度を検出することで特定することができる。
図2(D)に示すように、通常暖房運転時においては、第1制御弁4の比例弁34が閉弁状態とされ、比例弁37が開弁状態とされる。また、第2制御弁6において比例弁31および比例弁33が閉弁状態とされ、比例弁32が開弁状態とされる。さらに、第3制御弁9において比例弁35が開弁状態とされ、比例弁36が閉弁状態とされる。それにより、第1冷媒循環通路および第3冷媒循環通路が遮断され、第2冷媒循環通路が開放される。このため、室内凝縮器3から導出された冷媒は、室外熱交換器5に導かれる。このとき、蒸発器7には冷媒が供給されないため、蒸発器7は実質的に機能しなくなり、室外熱交換器5のみが蒸発器として機能するようになる。制御部は、室内凝縮器3の出口側の温度に基づき、その出口側の過冷却度が適正となるよう比例弁32の開度を制御する。
図2(E)に示すように、特殊暖房運転時においては、第1制御弁4の比例弁34が閉弁状態とされ、比例弁37が開弁状態とされる。また、第2制御弁6において比例弁31および比例弁32が閉弁状態とされ、比例弁33が開弁状態とされる。さらに、第3制御弁9において比例弁35が閉弁状態とされ、比例弁36が開弁状態とされる。それにより、第1冷媒循環通路および第2冷媒循環通路が遮断され、第3冷媒循環通路が開放される。このため、室内凝縮器3から導出された冷媒は、蒸発器7に導かれる。つまり、冷媒が室外熱交換器5を迂回するため室外熱交換器5が実質的に機能しなくなる。蒸発器7に導入された冷媒は、その蒸発器7を通過する過程で蒸発し、車室内の空気を除湿する。このような特殊冷暖房運転は、外部からの吸熱が困難な場合、例えば車両が極寒状況におかれた場合などに有効に機能する。
次に、本実施形態の制御弁の具体的構成について説明する。図3〜図5は、第1実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。
図3に示すように、第3制御弁9は、ステッピングモータ駆動式の電動弁として構成され、弁本体101とモータユニット102とを組み付けて構成されている。弁本体101は、有底筒状のボディ104に大口径の比例弁35と大口径の比例弁36とを同軸状に収容して構成され、一方の弁の全開状態を維持しつつ他方の弁の開度を設定開度に調整する比例弁として構成されている。
ボディ104の一方の側部には第1導入ポート110および第2導入ポート112が設けられ、他方の側部には導出ポート114が設けられている。第1導入ポート110は第5通路27に連通し、第2導入ポート112はバイパス通路28に連通し、導出ポート114は下流側通路に連通する。その下流側通路はアキュムレータ8の入口につながっている。すなわち、ボディ104には、第1導入ポート110と導出ポート114とをつなぐ内部通路(「第2内部通路」に対応する)と、第2導入ポート112と導出ポート114とをつなぐ内部通路(「第1内部通路」に対応する)が形成される。
ボディ104は、その上端開口部から底部に向けてその上部、中央部、下部の内径が段階的に小さくなる穴形状を有し、その上部に第2導入ポート112が設けられ、中央部に導出ポート114が設けられ、下部に第1導入ポート110が設けられている。そして、下部の上端開口部に弁孔120が設けられている。
ボディ104の上部には、円筒状の区画部材130が内挿されている。区画部材130は、ボディ104に同心状に組み付けられており、その第2導入ポート112との対向面には内外を連通する連通孔が形成されている。また、区画部材130の下端面とボディ104との間に挟まれるようにシール部材としてのOリング122が設けられている。
ボディ104の上端部には、段付円筒状の区画部材123が配設されている。区画部材123は、弁本体101の内部とモータユニット102の内部とを区画する。区画部材123の中央部には軸受部126が設けられている。軸受部126の内周面には雌ねじ部が設けられ、軸受部126の外周面は滑り軸受として機能する。区画部材123の下端部には、リング状の弁座部材136が嵌着されている。弁座部材136は、ゴム等の弾性体からなり、シール部材としても機能する。区画部材123の内方にはガイド孔138が形成されている。
ボディ104の内方には、弁駆動体140および弁作動体134が同軸状に(同一軸線上に)配設されている。弁駆動体140は、有底筒状の本体142と導入管144とを含む二重管構造を有する。導入管144は、本体142を軸線に沿って貫通するように配置され、その下端部が本体142の底部中央に固定されている。導入管144の上部には区画部146が一体に設けられている。区画部146は、導入管144の上部から半径方向外向きに延出し、その外周面がガイド孔138に摺動可能に支持されている。区画部146、区画部材123およびモータユニット102に囲まれる空間により背圧室148が形成される。
導入管144は、その上端部が小径化されて弁作動体134の底部を貫通し、その先端部が外方に加締められて係止部150となっている。弁作動体134の底部と係止部150との間には、導入管144を上方に付勢するスプリング152(「付勢部材」として機能する)が介装されている。このため、通常の状態においては、弁作動体134と区画部146とが互いを係止し、弁作動体134と弁駆動体140とが一体動作可能に作動連結した状態となる(図4参照)。導入管144は、第1導入ポート110と背圧室148とを連通させ、第1導入ポート110から導入される上流側圧力Pin1を背圧室148に導入する。
弁駆動体140は、その開口端部に設けられた第1弁体154と、底部に設けられた第2弁体156とを一体に含む。第1弁体154が弁座部材136に接離することにより比例弁35の開度が調整される。また、第2弁体156が弁孔120に接離することにより比例弁36の開度が調整される。本体142の側部には、その内部と導出ポート114とを連通させる連通孔が設けられている。本体142の外周部のシールは、Oリング122により実現されている。Oリング122は、本体142を摺動可能に支持するガイド部を構成する。
なお、スプリング152は、その荷重が弁駆動体140とOリング122との間の摺動抵抗(弁駆動体140の摺動力)よりも大きくなるように設定されている。それにより、弁作動体134と弁駆動体140とが一体動作しているときにスプリング152が縮むことなく、比例弁35および比例弁36の弁開度を正確に制御できるようになっている。
ここで、本実施形態においては、第1弁体154の有効受圧径Aと弁駆動体140の摺動部の有効受圧径Bとが等しく設定され、また、弁孔120の有効径C(第2弁体156の有効受圧径)とガイド孔138の有効径D(区画部146の有効受圧径)とがほぼ等しく設定されているため、弁駆動体140に作用する冷媒圧力の影響がほぼキャンセルされる。このため、冷媒圧力の変化によりモータユニット102に過度な負荷がかかることがなく、弁開度の制御を安定に行うことができる。なお、本実施形態では、弁孔120の有効径Cをガイド孔138の有効径Dよりも若干(予め定める微少量)大きくすることで、第2弁体156の前後差圧が若干開弁側に作用するようにし、比例弁36が不用意に閉弁することを防止している。変形例においては、弁孔120の有効径Cとガイド孔138の有効径Dとを等しく設定してもよい。
一方、モータユニット102は、ロータ172とステータ173とを含むステッピングモータとして構成されている。モータユニット102は、有底円筒状のスリーブ170の内方にロータ172を回転自在に支持するようにして構成されている。スリーブ170の外周には、励磁コイル171を収容したステータ173が設けられている。スリーブ170は、その下端開口部がボディ104に組み付けられており、ボディ104とともに第1制御弁4のボディを構成する。
ロータ172は、円筒状に形成された回転軸174と、その回転軸174の外周に配設されたマグネット176を備える。本実施形態では、マグネット176は24極に磁化されている。回転軸174の内方にはモータユニット102のほぼ全長にわたる内部空間が形成されている。回転軸174の内周面の特定箇所には、軸線に平行に延びるガイド部178が設けられている。ガイド部178は、後述する回転ストッパと係合するための突部を形成するものであり、軸線に平行に延びる一つの突条により構成されている。
回転軸174の下端部はやや縮径され、その内周面に軸線に平行に延びる4つのガイド部180が設けられている。ガイド部180は、軸線に平行に延びる一対の突条により構成され、回転軸174の内周面に90度おきに設けられている。この4つのガイド部180には、上述した弁作動体134の4つの脚部153が嵌合し、ロータ172と弁作動体134とが一体に回転できるようになっている。ただし、弁作動体134は、ロータ172に対する回転方向の相対変位は規制されるものの、そのガイド部180にそった軸線方向の変位は許容される。すなわち、弁作動体134は、ロータ172とともに回転しつつ弁駆動体140の開閉方向に駆動される。
ロータ172の内方には、その軸線に沿って長尺状のシャフト182が配設されている。シャフト182は、その上端部がスリーブ170の底部中央に圧入されることにより片持ち状に固定され、ガイド部178に平行に内部空間に延在している。シャフト182は、弁作動体134と同一軸線上に配置されている。シャフト182には、そのほぼ全長にわたって延在する螺旋状のガイド部184が設けられている。ガイド部184は、コイル状の部材からなり、シャフト182の外面に嵌着されている。ガイド部184の上端部は折り返されて係止部186となっている。
ガイド部184には、螺旋状の回転ストッパ188が回転可能に係合している。回転ストッパ188は、ガイド部184に係合する螺旋状の係合部190と、回転軸174に支持される動力伝達部192とを有する。係合部190は一巻きコイルの形状をなし、その下端部に半径方向外向きに延出する動力伝達部192が連設されている。動力伝達部192の先端部がガイド部178に係合している。すなわち、動力伝達部192は、ガイド部178の一つの突条に当接して係止される。このため、回転ストッパ188は、回転軸174により回転方向の相対変位は規制されるが、ガイド部178に摺動しつつその軸線方向の変位が許容される。
すなわち、回転ストッパ188は、ロータ172と一体に回転し、その係合部190がガイド部184にそってガイドされることで、軸線方向に駆動される。ただし、回転ストッパ188の軸線方向の駆動範囲はガイド部178の両端に形成された係止部により規制される。同図には、回転ストッパ188が上死点にて係止された状態が示されている。回転ストッパ188が上方へ変位して係止部186に係止されると、その位置が上死点となる。
ロータ172は、その上端部がシャフト182に回転自在に支持され、下端部が軸受部126に回転自在に支持されている。具体的には、回転軸174の上端開口部を封止するように有底円筒状の端部部材194が設けられている。そして、その端部部材194の中央に設けられた円筒軸196の部分が、スリーブ170の底部に突設された円ボス部に支持されている。すなわち、軸受部126が一端側の軸受部となり、スリーブ170における円筒軸196との摺動部が他端側の軸受部となっている。
以上のように構成された第3制御弁9は、モータユニット102の駆動制御によってその弁開度を調整可能なステッピングモータ作動式の制御弁として機能する。すなわち、車両用冷暖房装置の運転状態に応じて比例弁35を閉弁状態とし、比例弁36を全開状態とする場合、図3に示す状態とされる。第3制御弁9は、例えば特殊冷房運転時、通常冷房運転時、特殊暖房運転時などにおいてこのような状態をとる。
一方、特定暖房運転時のように比例弁35または比例弁36の開度を調整する場合、図3の状態からロータ172を一方向に回転駆動(正転)する。それにより、図4に示すように、ロータ172とともに回転する弁作動体134がねじ機構によって下降し、弁駆動体140(つまり第1弁体154および第2弁体156)を押し下げるようにして変位させ、比例弁35が開弁状態となる。
なお、図4には比例弁35および比例弁36の双方が全開となる中立状態が示されているが、いずれか一方の開度を小さくしてその開度を制御することにより、その小さくした側の弁を流れる冷媒の流量を調整することができる。このとき、開度が大きくなる側の弁は、その開度が大きくなっても冷媒の流量は飽和状態となり、図4に示す状態と実質的に変わらない全開状態を維持する。すなわち、第1弁体154が図3に示す全閉状態と図4に示す全開位置との間の範囲で駆動されることにより比例弁35の開度が調整される。
また、比例弁36の開度を調整する場合、図4の状態からロータ172をさらに同方向に回転駆動する。それにより、弁駆動体140がさらに押し下げられ、第2弁体156が弁孔120に近接する方向に動作し、比例弁36の開度が調整される。このとき、第1弁体154が図4の状態からさらに開弁方向に駆動されるが、比例弁35は、その開度が大きくなっても冷媒の流量は飽和状態となり、図4に示す状態と実質的に変わらない全開状態を維持する。
通常暖房運転時のように比例弁36を閉弁させる場合、ロータ172をさらに同方向に回転駆動する。それにより、図5に示すように比例弁36を閉弁させることができる。本実施形態では比例弁36がいわゆるスプール弁として構成されており、その閉弁時には第2弁体156が弁孔120に挿入される。すなわち、第2弁体156が弁孔120に挿抜されることにより比例弁36が開閉される。第2弁体156が図5の全閉状態と図4の全開位置との間の範囲で駆動されることにより比例弁36の開度が調整される。
なお、本実施形態では、比例弁36をスプール弁としたため、比例弁36の閉弁と同時にロータ172が停止しなくとも、モータユニット102に過大な負荷がかかることはない。また、比例弁35の閉弁と同時にロータ172が停止しなくとも、図3に示したようにスプリング152が押し縮められて弁作動体134が弁駆動体140に対して相対変位することで、モータユニット102に過大な負荷をかけることがない遊び機構が設けられている。
なお、本実施形態では図示のように、比例弁35については弁座部材136やOリング122を配置して閉弁時のシール性を厳密に確保するのに対し、比例弁36についてはそのような構成としていない。これは、図2(D)に示したように、比例弁36を閉弁させるのは通常暖房運転時のみであるところ、その場合には図示のように蒸発器7が休止状態にあり、また、比例弁31および比例弁33が閉弁状態であるため、比例弁36には実質的に冷媒が流れ込んでこないためである。また、この運転は室外熱交換器5が低温状態で低圧となるときに行われるため、室外熱交換器5側からの逆流の心配も少ないためである。なお、このようにOリング122を比例弁35側のみに設け、比例弁36側には設けないようにすることで、弁駆動体140に作用するシール部材からの摺動抵抗を抑えることができ、モータユニット102に過度な負荷をかけずに済むといったメリットもある。
このように、比例弁35と比例弁36は、共用のモータユニット102により駆動され、一方の開度の制御状態において他方の全開状態が維持される。それにより、複合弁でありながら、その一方の比例弁の開度を正確に制御することが可能となっている。
[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、弁機構の構成が第1実施形態と異なるが、その他の部分に共通の構成を有する。このため、第1実施形態とほぼ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6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。
第3制御弁209は、第1実施形態の第3制御弁9に置き換えて適用される。図6に示すように、第3制御弁209は、ステッピングモータ駆動式の電動弁として構成され、弁本体201とモータユニット102とを組み付けて構成されている。
ボディ104の中央部および下部にわたって、有底段付円筒状の区画部材230が内挿されている。区画部材230は、ボディ104に同心状に組み付けられており、その第1導入ポート110との対向面および導出ポート114との対向面には、それぞれ内外を連通する連通孔が形成されている。また、区画部材130の下端面と区画部材230の上端面との間に挟まれるようにOリング122が設けられている。
ボディ104の上端部には、円板状の区画部材223が配設されている。区画部材223は、弁本体201の内部とモータユニット102の内部とを区画する。区画部材223の中央部には軸受部126が設けられている。区画部材223の下面には弁座部材136が嵌着されるとともに、ガイド部材238が固定されている。ガイド部材238は、複数の脚部(本実施形態では3本)がボディ104に同心状に立設されるようにして構成されている。ガイド部材238の底部が弁座部材136に部分的にオーバラップすることにより、弁座部材136の脱落が防止されている。
ボディ104の内方には、弁駆動体240、弁作動体134および伝達ロッド245が同軸状に(同一軸線上に)配設されている。弁作動体134の下端部には、伝達ロッド245が連結されている。弁駆動体240は段付円筒状をなし、大径の弁体部242と大径の区画部244とが小径の縮径部246を介して一体に設けられている。
弁体部242は、その開口端部に設けられた第1弁体154と、底部に設けられた第2弁体156とを一体に含む。弁体部242の側部には、その内部と導出ポート114とを連通させる連通孔が設けられている。弁体部242の外周部のシールは、Oリング122により実現されている。Oリング122は、弁体部242を摺動可能に支持するガイド部を構成する。区画部244は円板状をなし、その外周面が区画部材230の下半部に摺動可能に支持されている。すなわち、区画部材230の下半部は、区画部244を摺動可能に支持するガイド孔247を形成する。縮径部246は、弁孔120を貫通するように配設されている。弁孔120の上端開口縁により弁座225が形成されている。
伝達ロッド245は段付円柱状をなし、弁駆動体240を軸線方向に貫通している。伝達ロッド245の上端部は小径化されて弁作動体134の底部を貫通し、その先端部が外方に加締められて係止部150となっている。弁作動体134の底部と係止部150との間にはスプリング152が介装されている。このため、通常の状態においては図示のように、弁作動体134と伝達ロッド245とが互いを係止して一体化した状態となる。
伝達ロッド245の下半部は小径化されて弁駆動体240の縮径部246を貫通し、その先端部が半径方向外向きに加締められて係止部となっている。伝達ロッド245の下半部の基端と第2弁体156との間には、弁駆動体240を下方に付勢するスプリング249(「付勢部材」として機能する)が介装されている。このため、通常の状態においては図示のように、伝達ロッド245と弁駆動体240とが互いを係止して一体化した状態となる。
なお、スプリング152,249は、いずれもその荷重が弁駆動体240とOリング122との間の摺動抵抗(弁駆動体240の摺動力)よりも大きくなるように設定されている。それにより、弁作動体134と弁駆動体240とが一体動作しているときにスプリング152,249が縮むことなく、比例弁35および比例弁36の弁開度を正確に制御できるようになっている。
ここで、本実施形態においては、第1弁体154の有効受圧径Aと弁駆動体240の摺動部の有効受圧径Bとが等しく設定され、また、弁孔120の有効径C(第2弁体156の有効受圧径)とガイド孔247の有効径D(区画部244の有効受圧径)とが等しく設定されているため、弁駆動体240に作用する冷媒圧力の影響が実質的にキャンセルされる。このため、冷媒圧力の変化によりモータユニット102に過度な負荷がかかることがなく、弁開度の制御を安定に行うことができる。
以上のように構成された第3制御弁209は、モータユニット102の駆動制御によってその弁開度を調整可能なステッピングモータ作動式の制御弁として機能する。すなわち、車両用冷暖房装置の運転状態に応じて比例弁35を閉弁状態とし、比例弁36を全開状態とする場合、図6に示す状態とされる。
一方、比例弁35または比例弁36の開度を調整する場合、図6の状態からロータ172を一方向に回転駆動(正転)する。それにより、ロータ172とともに回転する弁作動体134がねじ機構によって下降し、弁駆動体240(つまり第1弁体154および第2弁体156)を押し下げるようにして変位させ、比例弁35が開弁状態となる。なお、第1実施形態と同様に、比例弁35および比例弁36の一方の開度を小さくしてその開度を制御することにより、その小さくした側の弁を流れる冷媒の流量を調整することができる。このとき、開度が大きくなる側の弁は、その開度が大きくなっても冷媒の流量は飽和状態となり、全開状態を維持する。
なお、本実施形態では、比例弁36の閉弁と同時にロータ172が停止しなくとも、スプリング249が押し縮められて伝達ロッド245が弁駆動体240に対して相対変位することで、モータユニット102に過大な負荷をかけることがない遊び機構が設けられている。同様に、比例弁35の閉弁と同時にロータ172が停止しなくとも、スプリング152が押し縮められて弁作動体134が伝達ロッド245に対して相対変位することで、モータユニット102に過大な負荷をかけることがない遊び機構が設けられている。
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。
上記第1実施形態では、図3等に示したように、第3制御弁9において比例弁35のシールを厳密に確保しつつ、比例弁36のシールについては緩和する例を示したが、第3制御弁9の用途によって比例弁35のシールも緩和してもよい。図7は、第1実施形態の変形例に係る制御弁の構成を表す断面図である。
本変形例の第3制御弁309は、弁本体301に図3に示した第3制御弁9のようなOリング122を備えていない。それにより、ボディ304における弁駆動体140の摺動部の摺動抵抗が小さくなるため、弁駆動体140と弁作動体134との間に遊び機構(図3に示したスプリング152)が不要になり、機構を簡素化することができる。導入管144と弁作動体134とは、区画部146を挟むようにして固定されている。区画部材323には、図3に示した弁座部材136は設けられていない。
弁駆動体140は、第1弁体154が区画部材323の下端部に外挿される形で挿抜され、比例弁35を開閉する。すなわち、第2弁体156のみならず、第1弁体154についてもスプール弁とされている。すなわち、弁駆動体140に一体化された第1弁体154および第2弁体156の双方をスプール弁を構成するスプール弁体とすることにより、遊び機構を省略することができる。このような簡素な構成により、第3制御弁309を低コストに実現することが可能となっている。なお、図示の例では、第1弁体154を区画部材323に対して外挿する構成を示したが、第1弁体154が区画部材323に対して内挿するように挿抜されて比例弁35を開閉する構成としてもよい。
上記実施形態では、複合弁のアクチュエータとしてステッピングモータを採用する例を示したが、ソレノイド等により構成してもよい。
2 圧縮機、 3 室内凝縮器、 4 第1制御弁、 5 室外熱交換器、 6 第2制御弁、 7 蒸発器、 8 アキュムレータ、 9 第3制御弁、 31,32,33,34,35,36,37 比例弁、 100 車両用冷暖房装置、 101 弁本体、 102 モータユニット、 104 ボディ、 120 弁孔、 134 弁作動体、 136 弁座部材、 138 ガイド孔、 140 弁駆動体、 144 導入管、 148 背圧室、 152 スプリング、 154 第1弁体、 156 第2弁体、 172 ロータ、 173 ステータ、 201 弁本体、 209 第3制御弁、 225 弁座、 240 弁駆動体、 247 ガイド孔、 249 スプリング。

Claims (7)

  1. 第1内部通路および第2内部通路が形成され、前記第1内部通路の作動流体の流れを調整するために開度が制御される第1弁と、前記第2内部通路の作動流体の流れを調整するために開度が制御される第2弁とを収容する共用のボディと、
    前記第1弁と前記第2弁の開度を電気的に調整するための共用のアクチュエータと、
    前記アクチュエータにより軸線方向に駆動される弁作動体と、
    前記第1弁を開閉する第1弁体と前記第2弁を開閉する第2弁体とを一体に含み、前記弁作動体と一体変位可能に作動連結されることにより前記第1弁および前記第2弁の開閉方向に駆動される弁駆動体と、
    前記第1弁または前記第2弁の開度の制御状態において前記弁作動体と前記弁駆動体とを作動連結し、前記第1弁および前記第2弁の一方の開度の制御状態において他方を全開状態に維持可能な作動切替機構と、
    前記弁駆動体に作用する流体圧力の影響を小さくする背圧キャンセル構造と、
    を備えることを特徴とする制御弁。
  2. 前記弁駆動体は、
    前記アクチュエータ側の端部に前記第1弁体が形成され、前記アクチュエータとは反対側の端部に前記第2弁体が形成され、その第1弁体と第2弁体との中間部が前記ボディに摺動可能に支持される本体と、
    前記本体に一体に設けられて軸線方向に延びる管路部と、
    前記管路部の端部に設けられ、前記ボディとの間に背圧室を形成する区画部と、
    を含み、
    前記背圧キャンセル構造は、前記第1弁体の有効受圧径と前記本体の摺動部の有効受圧径とをほぼ等しくし、かつ前記第2弁体の有効受圧径と前記区画部の有効受圧径とをほぼ等しくすることにより実現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. 前記ボディの一端側に前記アクチュエータに近接するように設けられた弁座と、
    前記ボディの他端側に前記弁座と対向するように設けられた弁孔と、
    を備え、
    前記弁駆動体は、
    有底筒状の前記本体と、
    前記本体の開口端部により形成され、前記弁座に接離することにより前記第1弁の開度を調整する前記第1弁体と、
    前記本体の底部により形成され、前記弁孔に接離することにより前記第2弁の開度を調整する前記第2弁体と、
    前記第1内部通路と前記第2内部通路の共用通路と前記本体の内部とを連通させる連通孔と、
    前記管路部を構成し、一端側が前記本体の底部に固定され、他端側に前記区画部が設けられた導入管と、
    を含むことを特徴とする請求項2に記載の制御弁。
  4. 前記導入管が前記本体を軸線方向に貫通するように設けられ、
    前記区画部が前記アクチュエータとの間に前記背圧室を形成し、
    前記弁駆動体が前記弁孔の前記アクチュエータ側に配置されていることを特徴とする請求項3に記載の制御弁。
  5. 前記弁駆動体と前記ボディとの摺動部に設けられたシール部材をさらに備え、
    前記作動切替機構は、
    前記弁駆動体と前記弁作動体とを作動連結させる方向に付勢する付勢部材を含み、
    前記付勢部材の付勢力が前記シール部材の摺動力よりも大きく設定されることにより、前記第1弁および前記第2弁の一方の開度の制御状態においては前記弁駆動体と前記弁作動体とが互いに係止されつつ一体変位可能に作動連結する状態を維持し、
    前記第1弁の閉弁状態において前記付勢部材が前記弁駆動体からの反力により変形することにより、前記弁駆動体と前記弁作動体とが相対変位可能に連結解除されるように構成されていることを特徴とする請求項3または4に記載の制御弁。
  6. 前記弁座はシール性を有する部材からなり、
    前記シール部材は、前記第1内部通路の側に設けられ、
    前記第2弁体は、前記弁孔に挿抜されて前記第2弁を開閉するスプール弁として構成されていることを特徴とする請求項5に記載の制御弁。
  7. 前記アクチュエータとして、回転駆動されるロータを含むステッピングモータと、
    前記ロータとともに回転し、その軸線周りの回転運動を前記弁作動体の軸線方向の並進運動に変換する作動変換機構と、
    を備え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。
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