JP6563441B2

JP6563441B2 - パイロット式電磁弁

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Publication number: JP6563441B2
Application number: JP2017124690A
Authority: JP
Inventors: 真介加藤; 伊東　雅晴; 雅晴伊東
Original assignee: Fujikoki Corp
Current assignee: Fujikoki Corp
Priority date: 2017-06-26
Filing date: 2017-06-26
Publication date: 2019-08-21
Anticipated expiration: 2037-06-26
Also published as: CN109114289A; CN109114289B; KR20190001499A; KR102502869B1; JP2019007572A; US20180372129A1; EP3421848A1

Description

本発明は、パイロット式電磁弁に関し、特に、自動車用空調機の冷凍サイクル等に用いられ、幅広い温度仕様領域においても動作が良好なパイロット式電磁弁に関する。

流体の流れを制御する弁の一種として電磁弁がある。電磁弁は、流路を開閉する弁体を備えており、ソレノイドにより駆動されるプランジャと呼ばれる可動子を駆動し、その動きによって、弁体を動作させて流路を開閉制御するものである。

さらに、この電磁弁を弁体の駆動方式によって分類すれば、直動式電磁弁とパイロット式電磁弁に分類される。主弁の弁体が駆動プランジャに直結しているタイプを「直動式」と呼び、流体の圧力により主弁の弁体をダイヤフラムやピストンを介して駆動し、それを制御するタイプを「パイロット式」と呼ぶ。ここで、パイロット式は、ソレノイドを動作させる電力を小さくすることが可能であり、小形・軽量化の要求が厳しい自動車用空調機の冷凍サイクル等にも用いられている。

このように、自動車用空調機の冷凍サイクルに用いることのできるパイロット式電磁弁が従来知られており、例えば、特許文献１には、パイロット式電磁弁が組み込まれた複合弁が開示されている。この複合弁は、構成を簡単にして弁形状を小型化でき、更に、製造工数を少なくして製造コストを抑制することができる。また、複合弁の構成を簡略化することでシステムとしての軽量化を図るようにしている。

電磁弁の軽量化対策は、自動車用空調機の冷凍サイクルに用いる機器においては大きな課題の一つである。そして、この軽量化のためには、主要な部材である弁本体（電磁弁ボディ）等にアルミニウム材を採用するのが効果的である。

特開２００４−３４０５６０号公報

特許文献１記載のパイロット式電磁弁においては、パイロット弁を作動させる吸引子に、主弁体を収容し摺動させる摺動部（主弁体収容部）が一体形成されている。このような構成を有する場合、吸引子は磁性材料で形成する必要があるが、その他の弁本体や主弁体などは上述のようにアルミニウム材で形成すると、当該パイロット式電磁弁の軽量化に繋げることが可能となる。

ここで、パイロット式電磁弁は、パイロット弁を電磁力により動作させ、これにより主弁体の前後の差圧を生じさせて該主弁体を動作させるという構造を有している。そのため、特に主弁体とこれと摺接する部材とがそれぞれ線膨張係数の相違した材料で構成されている場合、例えば自動車用として適用される際には、−４０℃〜８０℃程度の温度仕様範囲内での摺動部材間の適切なクリアランスの維持が課題とされる。

この課題は、主弁体をアルミニウム材料で構成し、吸引子を例えば磁性ステンレス材料で構成する際には、磁性ステンレスの線膨張係数は約１０．４×１０^−６／℃であるのに対し、アルミニウムの線膨張係数は約２３．６×１０^−６／℃であるので、主弁と吸引子との摺動部分で顕著に現れる。

本発明は、電磁弁の主弁体をアルミニウム材料で構成し、該主弁体を収容し摺動可能とする主弁体収容部を備えた吸引子を磁性ステンレスで構成する場合において、アルミニウム製の主弁体の摺動部分にアルマイト処理を施すことによって、主弁体の摺動部分の線膨張係数を吸引子の主弁体収容部の線膨張係数に近づけて、このような課題を解決するものである。つまり、電磁弁の使用環境による大きな温度変化（例えば−４０℃〜８０℃程度）においても、アルミニウム製の主弁体と磁性ステンレス製の吸引子の間のクリアランスの変動を小さく保つことができ、クリアランスに異物が入り込んで主弁の動作がロックされることを防止でき、主弁体の表面強度も増すことによって、耐異物性及び作動耐久性を向上させることができるものである。

アルマイト処理とは、アルミニウムを電解処理してアルミニウム表面に人工的に酸化被膜を形成する表面処理であり、アルミニウムの耐食性・耐候性を高めるために行われるものである。しかし、このアルマイト処理は、処理層の母材内部への浸透（例えば１０μｍ程度）があると同時にアルミ表面よりも外側へ同等深さの酸化被膜の成長もあるために、部品の寸法管理が難しいものである。したがって、耐食性について考慮する必要がない場合にはアルマイト処理を実施することはしない。つまり、自動車用空調機の冷凍サイクルに用いられるパイロット式電磁弁の弁本体の内面においては、冷媒が通過するだけの部分であるのでアルマイト処理をしないのが普通である。

本発明のパイロット式電磁弁は、流体の流入口及び流出口が形成され、その間に主弁座及び主弁室が形成された弁本体と、パイロット通路及び均圧孔が形成され、前記主弁座と接離可能となるように前記主弁室内に配置された主弁体と、前記パイロット通路の端部に設けられたパイロット弁座と接離可能となるようにされたパイロット弁体と、前記パイロット弁体を駆動するための、コイルが巻回されたソレノイド及び前記主弁体を摺動可能に収容する主弁体収容部を有する吸引子と、前記パイロット弁体に連結され、前記吸引子に吸引されるプランジャと、を備え、前記ソレノイドへの通電により前記パイロット弁体を駆動して前記パイロット通路内の流体の流れを制御することにより前記主弁体を駆動するパイロット式電磁弁において、前記主弁体はアルミニウム材料で構成されると共に、前記吸引子は磁性材料によって構成され、前記主弁体の、少なくとも前記吸引子と摺動する面は、アルマイト加工処理層で構成されたことを特徴とする。

さらに、本発明のパイロット式電磁弁は、前記吸引子を構成する磁性材料は、磁性ステンレスであることを特徴とする。

本発明においては、アルミニウム製主弁体における磁性材料製吸引子との摺動部分がアルマイト加工処理層で構成されているので、主弁体の線膨張係数が吸引子の線膨張係数に近くなり、温度変化による主弁体と吸引子間のクリアランスの変化が小さくなる。そのため、パイロット式電磁弁の幅広い温度領域での良好な摺動動作が可能となる。さらに、環境温度の変化による、クリアランス部の流量変化が小さくなり、開閉動作の応答性が向上する。また、主弁体の摺動部分の表面硬度も向上し、耐コンタミ性、耐摩耗性も向上する。

本発明の実施形態に係るパイロット式電磁弁の構成を説明する縦断面図であり、パイロット弁及び主弁の両方を開いた全開状態（ソレノイドに通電しない状態）を示すものである。本発明の実施形態に係るパイロット式電磁弁の構成を説明する縦断面図であり、パイロット弁及び主弁の双方を閉じた全閉状態（ソレノイドに通電した状態）を示すものである。本発明の実施形態に係るパイロット式電磁弁の構成を説明する縦断面図であり、ソレノイドへの通電を解除した直後における、パイロット弁のみが開いた状態を示すものである。

以下、本発明の実施形態に係る電磁弁について図１〜図３を参照して説明する。ここで、図１は、本発明の実施形態に係る電磁弁の構成を説明する図で、全開状態を示すものであり、図２は、全閉状態を示すものであり、図３は、パイロットポートのみ開状態を示すものである。なお、以下の実施形態の説明においては、上下・左右・内外の方向は、図１乃至図３の紙面内における方向を示すものであり、これによって本発明の技術的範囲を狭める解釈が為されるものではない。

本発明の実施形態のパイロット式電磁弁１００は、弁本体３０内に主弁部１０及びパイロット弁部２０を備えた自動車用空調機の冷凍サイクル等に用いることのできるパイロット式電磁弁であり、主弁部１０の開閉により、流体の流入口３１と流出口３２間の流体の流れを開閉制御する。流入口３１と流出口３２はバルブボディとしての弁本体３０に形成されており、流入口３１と流出口３２との間には、主弁室３３が設けられている。主弁室３３内には、後述のように主弁体４０が上下に摺動可能に収容されている。当該主弁体４０の摺動方向の一方側（図示の実施例では下方）には主弁部１０が構成され、他方側（図示の実施例では上方）にはパイロット弁部２０が構成されている。弁本体３０には、雌ねじ３０ｂ、３０ｃが形成されている。弁本体３０及び主弁体４０は、アルミニウムあるいはアルミニウム合金等のアルミニウム材料により作成されている。

電磁弁１００の上部中央には、パイロット弁体６０を摺動させるプランジャ５０が、下方に開放したパイプ５１内に配置されている。パイロット弁体６０は、プランジャ５０に連結されており、プランジャ５０と共に上下にパイプ５１内を摺動可能に構成されている。つまり、プランジャ５０は、ソレノイド７０の作動によりパイプ５１内を上下に摺動する。ソレノイド７０の作動により、プランジャ５０を駆動する手段として、吸引子８０が設けられている。磁性ステンレス製の吸引子８０は、適宜な制御手段（図示せず）によりソレノイド７０に通電されると磁化し、スプリング５２の弾発力に打ち勝ってプランジャ５０を下方に吸引する。プランジャ５０を収容するパイプ５１は、下方に開放しており、かしめ又は溶接等の適宜手段により吸引子８０に固定されている。ソレノイド７０は、コイル７０ａが巻回されたボビン７０ｂの周囲を磁性材より形成されたヨーク７０ｃで囲繞することにより構成されている。ヨーク７０ｃの下側（弁本体側）には外側に張り出す張出部７０ｄが形成されている。

吸引子８０は、全体的には上下に貫通孔が形成された多段の筒形状をしており、パイプ５１が取り付けられる。この状態で、吸引子８０は弁本体３０に形成された上部大径穴部３０ａに挿入あるいは螺着され、その後、パイプ５１の外周に挿入されたソレノイド７０の張出部７０ｄに形成された貫通孔に雄ねじ７１を挿入し、これを弁本体３０に形成された雌ねじに螺合することにより、吸引子８０は弁本体３０に押え付けられ、固定される。吸引子８０の筒形状は概略では上部の小径部８１と下部の大径部８２とから成り、小径部８１にパイプ５１の下側開放端が固定されており、大径部８２は前述のように弁本体３０に固定されている。小径部８１に固定されたパイプ５１にはプランジャ５０が上下に摺動可能に収納される。

吸引子８０の大径部８２には、その内側に円筒状の主弁体収容部（空間部）８２ａが形成され、この主弁体収容部８２ａ内に主弁体４０が上下に摺動可能に収容されている。当該空間が主弁体４０により上下に分割されることにより、当該空間の下部が主弁室３３となり上部がパイロット弁室３４とされている。吸引子８０の大径部８２の外側は、適宜Ｏリング８３により弁本体３０との間がシールされ、大径部８２の内側は、大径部８２内を摺動する主弁体４０の外周面（吸引子８０と摺動する部分）との間が適宜主弁体シーリング４３によりシールされ、冷媒の漏出がないように構成されている。

本発明の図示した実施例においては、吸引子８０の小径部８１と大径部８２とを一つの部材として段差を介して一体構造の円筒形状部材を構成しているが、勿論、実施形態によっては、図示はしないが、小径部８１と大径部８２とを別部材により構成して、適宜手段により両者を固定するものでも良い。要は、ソレノイド７０への通電により、吸引子８０がプランジャ５０を吸引して駆動できれば良い。本発明においては、プランジャ５０を吸引駆動し、主弁体４０を上下摺動可能に収容する部材を吸引子として称している。吸引子８０が一つの部材により構成されているか、又は、複数の部材により構成されているかが問題ではない。

主弁部１０は、主弁体４０の下側に取り付けられた主弁パッキン４１と、弁本体３０の流入口３１と流出口３２との間に形成された主弁座３５により構成されており、パイロット弁部２０は、パイロット弁体６０の下方に取り付けられたパイロット弁パッキン６１と、主弁体４０の上側に形成されたパイロット弁座４２によって構成されている。主弁体４０には、パイロット通路４５と均圧孔４４が形成されている。パイロット通路４５の端部に、パイロット弁座４２が設けられている。均圧孔４４は、主弁室３３とパイロット弁室３４とを連通するものであり、該均圧孔４４の断面積はパイロット通路４５の断面積よりも小とされている。

この均圧孔４４の形成により、主弁室３３とパイロット弁室３４とを均圧化し、主弁体４０の開閉作動を容易・円滑化する。また、主弁部１０が閉状態において、当該電磁弁１００に接続された図示されない圧縮機からの急激な圧力変化、例えば圧縮機を起動させたときに対しても速やかに主弁室３３の冷媒をパイロット弁室３４に流出させ主弁部１０が開弁しないように、又は、開弁し難くする作用を奏するものである。

このパイロット式電磁弁１００においては、弁本体３０と主弁体４０とはアルミニウム又はアルミニウム合金等のアルミニウム材料で構成し、吸引子８０を磁性ステンレスで構成している。そして、主弁体４０の全体、あるいは主弁体４０の、少なくとも吸引子８０の主弁体収容部８２ａと摺動する面はアルマイト加工処理層で構成している。

主弁体４０をアルマイト処理する際には、電気的に陽極に接合した主弁体４０を電解液の中に浸漬して行う。この際、主弁体４０全体を電解液の中に浸漬して処理を行って、主弁体４０全体の表面にアルマイト処理層を形成しても良いし、図示された主弁体４０を上下反転して主弁体４０の吸引子８０と摺動する面のみにアルマイト加工処理層を形成しても良い。要は、吸引子８０の摺動内面と主弁体４０の摺動外面の相互の線膨張係数を近づけることができれば良い。

電解液には例えば希硫酸を用い、溶液の濃度、温度、浸漬時間等を管理することで目的とするアルマイト膜厚を得ることができる。また、この処理において表面に微細孔が発生した場合には、所定の封孔処理にてこの微細孔を封止することができる。

このアルマイト処理によって、例えば１０μｍのアルマイト処理層を形成する際には、処理前の主弁体４０のアルミニウム素材の内部に５μｍ程度の浸透膜が形成され、素材の外側に５μｍ程度の成長皮膜が形成される。従って、本発明の対象製品である筒状の主弁体４０の場合は最終製品の外径寸法Ｄに対して、約１０μｍ小さい製品（直径：Ｄ−１０μｍ）の製品を鋳造又は機械加工により得てから、それをアルマイト処理加工することにより、目的の寸法の主弁体４０を得ることができる。

次に、電磁弁１００の動作について、該電磁弁１００が冷凍サイクルに適用されている場合を例にとり、図１乃至図３を用いて説明する。図１は、ソレノイド７０（コイル７０ａ）へ通電されていない状態を示している。この場合、吸引子８０には吸引力は発生しないから、スプリング５２の弾発力により、プランジャ５０はパイプ５１内を上方に持ち上げられ、パイロット弁部２０は開状態とされている。また主弁体４０は、主弁体スプリング４６の弾発力により主弁室３３内で上方に持ち上げられ、主弁部１０は開状態とされている。

この状態で、圧縮機（図示なし）を運転すれば、流入口３１から、主弁室３３内で開いている主弁部１０を介し、流出口３２を通じて例えば高温高圧の冷媒が流れる。また、主弁室３３から均圧孔４４を経由してパイロット弁室３４に流れる冷媒の量よりも、パイロット弁室３４からパイロット通路４５を経由して主弁室３３に流れる冷媒の量の方が大きいので、パイロット弁室３４の圧力が主弁室３３の圧力よりも小さくなって主弁体４０には上方へ作用する力が発生し、主弁体スプリング４６の弾発力と共に主弁部１０は十分な開状態を保持し、流入口３１から流出口３２への流れが維持される。

次に、図１に示す状態でソレノイド７０に通電すると、吸引子８０及びプランジャ５０が磁化し、両者間に電磁吸引力が発生して、プランジャ５０がスプリング５２の弾発力に抗して引き下げられる。プランジャ５０には、下方に、パイロット弁体６０が一体的に固定されているので、パイロット弁体６０はプランジャ５０の移動と同じくパイプ５１内を上下に摺動する。吸引子８０による吸引力により、プランジャ５０が引き下げられ、それと共にパイロット弁体６０も下方に摺動される。これにより、パイロット弁体６０の下方に設けられたパイロット弁パッキン６１が主弁体４０の上方側に形成されたパイロット弁座４２に当接し、パイロット弁部２０を閉状態とする（すなわちパイロット通路４５を閉塞する）。

パイロット通路４５が閉塞されると、パイロット弁室３４と主弁室３３とを連通する通路が均圧孔４４だけとなり、両弁室の圧力差がなくなる。そしてさらに、プランジャ５０が主弁体４０を下方に押し下げられてその最下点まで摺動すると、主弁体４０の下方側に形成した主弁パッキン４１が弁本体３０内に形成された主弁座３５に当接して主弁部１０を閉状態とする。これにより、図２に示すように、主弁部１０も閉状態とされ、冷媒等の流体は、流路が閉じられて流入口３１から流出口３２への流れが阻止される。

図２に示す状態で、ソレノイド７０への通電が停止させると、ソレノイド７０による吸引子８０の電磁吸引力が無くなり、プランジャ５０はスプリング５２の弾発力により上方へ押し上げられ、プランジャ５０と共にパイロット弁体６０が上方に移動して、パイロット弁パッキン６１が主弁体４０の上面側に設けたパイロット弁座４２から離れてパイロット弁部２０が開状態となり、図３に示す状態となる。

これにより、主弁体４０の中心部に設けたパイロット通路４５を介して、パイロット弁室３４が流出口３２と連通され、パイロット弁室３４内の圧力が高圧から低圧へ移行する。

これにより、主弁体４０は上方に移動して、主弁体４０の下面側に固定した主弁パッキン４１が主弁座３５から離れて、開弁状態となり、図１の状態となる。

さて、前述の説明においては、パイロット弁体６０の先端にはパイロット弁座４２を開閉するパイロット弁パッキン６１が設けられ、また主弁体４０の先端には主弁座３５を開閉する主弁パッキン４１が設けられるものとして説明したが、本発明はこれのみに限定されることはなく、パイロット弁座４２及び／あるいは主弁座３５を良好に閉鎖することができればパイロット弁パッキン６１及び／あるいは主弁パッキン４１は特に設けられなくても良いことは当然である。

また、主弁体４０の全体又は一部をアルマイト加工処理層で構成するものとして説明したが、弁本体３０にも例えば防錆効果を高める為にアルマイト加工処理層を形成しても良い。この場合、アルマイト加工処理層は弁本体３０の内外全体に亘って形成しても良いが、弁本体３０の、外気と接触する外周面だけにアルマイト加工層を形成しても良い。
さらに、吸引子８０は磁性ステンレスにより形成されるものとしたが、本発明はこれのみに限定されることはなく、磁性材料であればいかなる材料であっても良い。

１００・・・パイロット式電磁弁
１０・・・主弁部
２０・・・パイロット弁部
３０・・・弁本体
３１・・・流入口
３２・・・流出口
３３・・・主弁室
３４・・・パイロット弁室
３５・・・主弁座
４０・・・主弁体
４１・・・主弁パッキン
４２・・・パイロット弁座
４３・・・主弁体シーリング
４４・・・均圧孔
４５・・・パイロット通路
４６・・・主弁体スプリング
５０・・・プランジャ
５１・・・パイプ
５２・・・スプリング
６０・・・パイロット弁体
６１・・・パイロット弁パッキン
７０・・・ソレノイド
８０・・・吸引子
８１・・・小径部
８２・・・大径部
８３・・・Ｏリング

Claims

流体の流入口及び流出口が形成され、その間に主弁座及び主弁室が形成された弁本体と、
パイロット通路及び均圧孔が形成され、前記主弁座と接離可能となるように前記主弁室内に配置された主弁体と、
前記パイロット通路の端部に設けられたパイロット弁座と接離可能となるようにされたパイロット弁体と、
前記パイロット弁体を駆動するための、コイルが巻回されたソレノイド及び前記主弁体を摺動可能に収容する主弁体収容部を有する吸引子と、
前記パイロット弁体に連結され、前記吸引子に吸引されるプランジャと、を備え、
前記ソレノイドへの通電により前記パイロット弁体を駆動して前記パイロット通路内の流体の流れを制御することにより前記主弁体を駆動するパイロット式電磁弁において、
前記主弁体はアルミニウム材料で構成されると共に、前記吸引子は磁性材料によって構成され、
前記主弁体の、少なくとも前記吸引子と摺動する面は、アルマイト加工処理層で構成されたことを特徴とするパイロット式電磁弁。
前記吸引子を構成する磁性材料は、磁性ステンレスであることを特徴とする請求項１記載のパイロット式電磁弁。