JP6841443B2 - 弁装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、可変容量型圧縮機用の制御弁や感温機構内蔵型の膨張弁などの弁装置に関する。

本出願人は、特許文献１に可変容量型圧縮機用の制御弁を開示している。図４に従来の制御弁１０１の拡大断面図を示す。この制御弁１０１は、圧縮機の吐出流体（圧力Ｐｄ）が導入される弁室１１５が設けられた弁ハウジング１１１を有する。弁室１１５の壁面１１５ａに弁ポート１１７が設けられている。弁室１１５には弁ポート１１７を開閉する球状のボール弁１２０が収容されている。ボール弁１２０は、コイルばね１１４によって弁ポート１１７を画定する弁座部１１８に向けて押されている。また、ボール弁１２０は、弁ポート１１７に挿入された弁棒１５０を介して図示しないベローズに接続されている。ベローズは圧縮機の吸入流体の圧力Ｐｓの変動に伴って伸縮する。これにより、ボール弁１２０と弁座部１１８との距離が変化して弁ポート１１７の開度が決まり、開度に応じた圧力（Ｐｃ）に調整された流体が弁室１１５から弁ポート１１７を通じて圧縮機のクランク室に導入される。

特開２００４−１６２５６７号公報

上記制御弁１０１は、弁室１１５の平面状の壁面１１５ａに孔をあけて弁ポート１１７を設けている。弁ポート１１７を画定する弁座部１１８が、壁面１１５ａと弁ポート１１７の内面１１７ａとが直角に交わる角部によって構成されている。そして、流体は主にボール弁１２０の表面に沿って流れるところ、上記制御弁１０１では、弁ポート１１７の径より若干大きい径を有するボール弁１２０を有しているので、ボール弁１２０における弁座部１１８と接する箇所の接線と壁面１１５ａとがなす角が比較的大きくなる。これにより、流体が比較的大きい角度で弁座部１１８に当たる。そのため、流体に含まれる異物の衝突により弁座部１１８が削られてしまう現象（エロージョン）が生じやすい。

そこで、本発明は、弁座部の損傷を効果的に抑制できる弁装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る弁装置は、弁室および円形の弁ポートが設けられた弁ハウジングと、前記弁室に収容され、前記弁ポートを開閉する弁体と、を有し、前記弁ポートが、前記弁室の平面状の壁面に設けられ、前記弁ポートを画定する弁座部が、前記壁面と前記弁ポートの内面とが直角に交わる角部によって構成され、前記弁体における前記弁座部と接する接触面が球面状に形成され、前記弁ポートの半径をｄとし、前記接触面の曲率半径をＤとしたとき、以下の式（１）を満たすことを特徴とする。
Ｄ≧ｄ／（ｓｉｎθ） ・・・（１）
ただし、０＜θ≦１０度

本発明によれば、弁ポートを画定する弁座部が、弁室の壁面と弁ポートの内面とが直角に交わる角部によって構成されている。弁体における弁座部と接する接触面が球面状に形成されている。そして、弁ポートの半径をｄとし、接触面の曲率半径をＤとしたとき、上記式（１）を満たす。すなわち、弁体の接触面の曲率半径Ｄを弁ポートの半径ｄより十分に大きくして接触面における弁座部と接する箇所の接線と壁面とがなす角θを小さくし、接触面と壁面とを平行に近づけた構成としている。このようにしたことから、流体が壁面に当たる角度を小さくすることができる。そのため、エロージョンによって弁座部が削られてしまうことを抑制できる。

本発明において、前記弁体が、柱状または板状に形成され、前記接触面が、前記弁体における前記弁ポート側を向く面に設けられていることが好ましい。例えば、ボール状の弁体を採用すると、接触面の曲率半径を大きくするためには弁体自体を大きなものとしなければならないが、弁体を柱状または板状としてその弁ポート側を向く面を接触面とすることで、接触面の曲率半径を大きくしつつ弁体を小さくすることができる。

本発明において、前記弁体を前記弁座部に向けて押す弾性部材と、前記弁室と別に設けられた感圧室に収容され、前記感圧室に導入される流体の圧力に応じて伸縮する感圧部材と、前記弁体に一端が接しかつ前記感圧部材に他端が接して配置された弁棒と、をさらに有することが好ましい。このようにすることで、流体の圧力に応じて弁ポートの開度を自動的に決定する弁装置を比較的簡易な構成で実現できる。

本発明によれば、弁座部が削られてしまうことを抑制して、弁座部の損傷を効果的に抑制できる。

本発明の一実施例に係る制御弁の縦断面図である。 図１の制御弁の拡大断面図である。 弁ポートの径と弁体の接触面の曲率半径との関係を説明する図である。 従来の制御弁の拡大断面図である。

以下、本発明の一実施例に係る弁装置としての制御弁について、図１〜図３を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る制御弁の縦断面図である。図２は、図１の制御弁の弁室およびその近傍の拡大断面図である。図３は、弁ポートの径と弁体の接触面の曲率半径との関係を説明する図である。

本実施例の制御弁１は、例えば、自動車に搭載される可変容量型圧縮機に用いられる制御弁である。この制御弁１は、圧縮機の吐出流体の圧力Ｐｄを吸入流体の圧力Ｐｓに応じて調整し、圧力調整後（圧力Ｐｃ）の流体を圧縮機のクランク室に導入するものである。

制御弁１は、図１、図２に示すように、弁本体１０と、弁体２０と、ベローズケース３０と、感圧部材としてのベローズ４０と、弁棒５０と、を有している。

弁本体１０は、弁ハウジング１１と、エンドキャップ１２と、ばね受け部材１３と、弾性部材としてのコイルばね１４と、を有している。

弁ハウジング１１は、全体的に円筒状に形成されている。エンドキャップ１２は弁ハウジング１１の下端に取り付けられている。弁ハウジング１１の下部とエンドキャップ１２とで弁室１５が形成されている。エンドキャップ１２には、フィルター１２ａが一体に設けられている。

弁ハウジング１１における弁室１５より上方の部分には、横方向に貫通する第１ポート１６が設けられている。弁室１５の上寄りにある平面状の壁面１５ａには、弁室１５と第１ポート１６とを接続する円形の弁ポート１７が設けられている。弁ポート１７は、弁室１５に開口している。壁面１５ａと弁ポート１７の内面１７ａとが直角に交わる角部が弁座部１８を構成している。弁座部１８は、弁ポート１７を画定している。また、弁ハウジング１１には、弁ポート１７と同軸で第１ポート１６から弁ハウジング１１の上端面１１ａまで上下方向に貫通する弁棒支持孔１１ｂが設けられている。

ばね受け部材１３は、弁室１５を介して弁ポート１７と上下方向に対向して配置されている。ばね受け部材１３は、弁ハウジング１１の下端にかしめにより取り付けられた環状円板部１３ａと、環状円板部１３ａの内縁に連なり上方に延びる円筒部１３ｂと、円筒部１３ｂの上端を塞ぐ天井部１３ｃと、を一体に有している。天井部１３ｃには、第２ポート１９が設けられている。円筒部１３ｂおよび天井部１３ｃは、コイルばね１４の下部に挿入されている。コイルばね１４は、環状円板部１３ａと後述する弁体２０との間に圧縮状態で配置されている。コイルばね１４は、弁体２０を弁座部１８に向けて押している。

弁体２０は、全体的に円柱状に形成されている。弁体２０は、柱状または板状に形成されていることが好ましい。弁体２０は、弁室１５に収容されている。弁体２０の下部には、コイルばね１４の上部に挿入される小径部２０ａが設けられている。弁体２０の上面（すなわち弁ポート１７を向く面）は弁座部１８と接する接触面２１となる。

接触面２１は球面状に形成されている。そして、弁ポート１７の半径をｄとし、接触面２１の曲率半径をＤとしたとき、以下の式（１）を満たす。
Ｄ≧ｄ／（ｓｉｎθ） ・・・（１）
ただし、０＜θ≦１０度

図３に示すように、弁ポート１７および弁体２０の中心を通る軸線Ｌ上に接触面２１の中心Ｏがある。中心Ｏと弁座部１８とを結ぶ直線Ｒ（すなわち、接触面２１の曲率半径）と、軸線Ｌとがなす角θは、接触面２１における弁座部１８と接する箇所の接線Ｔと壁面１５ａとがなす角と等しい。そして、三角関数の定義より、以下の式（２）が導かれる。
ｓｉｎθ＝ｄ／Ｄ ・・・（２）

上記式（２）から、弁ポート１７の半径ｄに対して接触面２１の曲率半径Ｄを十分に大きくすることで角θが小さくなり、壁面１５ａと接触面２１とを平行に近づけることができる。制御弁１では、角θが０より大きくかつ１０度以下となるように弁ポート１７の半径ｄおよび接触面２１の曲率半径Ｄを設定している。ｓｉｎ１０°＝０．１７４であるから、制御弁１は、接触面２１の曲率半径Ｄを弁ポート１７の半径ｄより約５．７倍以上大きくしている。

ベローズケース３０は、全体的に円筒状に形成されている。ベローズケース３０は、円柱状の胴部３１と、胴部３１の上端を塞ぐ上壁部３２と、を一体に有している。胴部３１の下端は、弁ハウジング１１の上端と、かしめにより結合されている。胴部３１と弁ハウジング１１とで、後述するベローズ４０を収容する感圧室３３を形成している。感圧室３３は、弁室１５と別に設けられている。胴部３１には、横方向に貫通して感圧室３３に通じる第３ポート３４が設けられている。上壁部３２には雌ねじ３２ａが設けられている。雌ねじ３２ａには、調整ねじ３５の雄ねじ３５ａが螺合される。調整ねじ３５は、感圧室３３を介して弁ハウジング１１の上端面１１ａと対向して配置されている。調整ねじ３５のねじ込み量により調整ねじ３５と弁ハウジング１１との距離が変化し、後述するベローズ４０における圧力に対する伸縮量を調整できる。

ベローズ４０は、ベローズ本体４１と、ばね受け部材４２、４３と、コイルばね４４と、を有している。ベローズ４０の内部は真空圧となっている。

ベローズ本体４１は、蛇腹状の周壁部４１ａと、周壁部４１ａの上端を塞ぐ上壁部４１ｂと、を一体に有している。

ばね受け部材４２、４３は、上下方向に対向して配置されており、ばね受け部材４２、４３の間にコイルばね４４が配置されている。

一方のばね受け部材４２は、一方のばね受け部材４２は、弁ハウジング１１の上端面１１ａに接する環状円板部４２ａと、環状円板部４２ａの内縁に連なり上方に延びる円筒部４２ｂと、円筒部４２ｂの上端を塞ぐ天井部４２ｃと、を一体に有している。環状円板部４２ａは、ベローズ本体４１の周壁部４１ａの下端を塞ぐように当該周壁部４１ａに溶接されている。円筒部４２ｂおよび天井部４２ｃは、コイルばね４４の下部に挿入されている。

他方のばね受け部材４３は、ベローズ本体４１の内部に配置されている。他方のばね受け部材４３は、ベローズ本体４１の上壁部４１ｂに接する環状円板部４３ａと、環状円板部４３ａの内縁に連なり下方に延びる円筒部４３ｂと、円筒部４３ｂの下端を塞ぐ底部４３ｃと、を一体に有している。底部４３ｃには、貫通孔４３ｄが設けられている。円筒部４３ｂおよび底部４３ｃは、コイルばね４４の上部に挿入されている。

コイルばね４４は、一方のばね受け部材４２の環状円板部４２ａと、他方のばね受け部材４３の環状円板部４３ａと、の間に圧縮状態で配置されている。コイルばね４４は、環状円板部４２ａと環状円板部４３ａとを、互いの間を広げるように押している。

ベローズ４０は、弁ハウジング１１の上端面１１ａに埋設された圧縮状態のコイルばね４５により上方に押されている。ベローズ４０は、第３ポート３４から感圧室３３に導入される圧縮機の吸入流体の圧力Ｐｓに応じて上下方向に伸縮する。一方のばね受け部材４２の天井部４２ｃと他方のばね受け部材４３の底部４３ｃとは、ベローズ４０が大きく縮んだときに互いに突き当たり、ベローズ４０が縮み過ぎないように規制する。

弁棒５０は、弁ハウジング１１の弁棒支持孔１１ｂに挿通されることにより、上下方向に摺動可能に支持されている。弁棒５０の一端である下端は、弁ポート１７に挿入され、弁体２０の接触面２１に接している。弁棒５０の他端である上端は、ベローズ４０の一方のばね受け部材４２の円筒部４２ｂに挿入され、天井部４２ｃに接している。これにより、弁棒５０の下端が弁体２０に突き当たり、上端がベローズ４０の天井部４２ｃに突き当たることで、弁棒５０は弁体２０とベローズ４０とを接続している。制御弁１において、弁ポート１７、弁座部１８、弁体２０、ベローズ４０および弁棒５０は同軸に配置されている。

次に、上述した制御弁１の動作について説明する。

制御弁１の第１ポート１６には、圧縮機のクランク室が接続される。制御弁１の弁室１５には、エンドキャップ１２のフィルター１２ａおよび第２ポート１９を通じて、圧縮機の吐出流体（圧力Ｐｄ）が導入される。制御弁１の感圧室３３には、第３ポート３４を通じて、圧縮機の吸入流体（圧力Ｐｓ）が導入される。そして、感圧室３３に収容されたベローズ４０が吸入流体の圧力Ｐｓに応じて伸縮すると、ベローズ４０の伸縮が弁棒５０を通じて弁体２０に伝わり、弁体２０が上下方向（すなわち、弁ポート１７を開閉する開閉方向）に移動する。これにより、弁体２０の接触面２１と弁座部１８との距離が変化して弁ポート１７の開度が決まる。そして、開度に応じた圧力（Ｐｃ）に調整された流体が弁室１５から弁ポート１７および第１ポート１６を通じてクランク室に導入される。

また、弁体２０の接触面２１が弁座部１８から離れた弁開状態において、弁室１５内の流体は主に接触面２１に沿って流れる。そのため、流体が弁座部１８に当たる角度が１０度以下と小さくなる。

以上より、本実施例の制御弁１によれば、弁ポート１７を画定する弁座部１８が、弁室１５の壁面１５ａと弁ポート１７の内面１７ａとが直角に交わる角部によって構成されている。弁体２０における弁座部１８と接する接触面２１が球面状に形成されている。そして、弁ポート１７の半径をｄとし、接触面２１の曲率半径をＤとしたとき、上記式（１）を満たす。つまり、弁体２０の接触面２１の曲率半径Ｄを弁ポート１７の半径ｄより十分に大きくして接触面２１における弁座部１８と接する箇所の接線Ｔと壁面１５ａとがなす角θを小さくし、接触面２１と壁面１５ａとを平行に近づけた構成としている。このようにしたことから、流体が壁面１５ａに当たる角度を小さくすることができる。そのため、エロージョンによって弁座部１８が削られてしまうことを抑制できる。また、接触面２１と壁面１５ａとの間に形成される流路における流動方向と直交する断面積の変化が緩やかなものとなる。そのため、液体からなる流体において圧力の急激な変動に伴って気泡が生じる現象（キャビテーション）も抑制できる。

また、弁体２０が、円柱状に形成され、接触面２１が、弁体２０における弁ポート１７側を向く面に設けられている。このようにすることで、接触面２１の曲率半径Ｄを大きくしつつ弁体２０を小さくすることができる。

また、弁体２０を弁座部１８に向けて押すコイルばね１４と、感圧室３３に収容され、流体の圧力に応じて伸縮するベローズ４０と、弁体２０に下端が接しかつベローズ４０に上端が接して配置された弁棒５０と、を有している。このようにすることで、流体の圧力に応じて弁ポート１７の開度を自動的に決定する制御弁１を比較的簡易な構成で実現できる。

上記では、自動車に搭載される可変容量型圧縮機に用いられる制御弁に本発明を適用した構成について説明したが、本発明の適用範囲は上記構成に限定されない。例えば、自動車に搭載される空調装置等の冷凍サイクルにおいて、冷媒の通過量を温度に応じて調整する感温機構内蔵型の膨張弁に本発明を適用してもよい。

上記に本発明の実施例を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。前述の実施例に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、実施例の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の趣旨に反しない限り、本発明の範囲に含まれる。

１…制御弁、１０…弁本体、１１…弁ハウジング、１１ａ…上端面、１１ｂ…弁棒支持孔、１２…エンドキャップ、１２ａ…フィルター、１３…ばね受け部材、１３ａ…環状円板部、１３ｂ…円筒部、１３ｃ…天井部、１４…コイルばね、１５…弁室、１５ａ…壁面、１６…第１ポート、１７…弁ポート、１７ａ…内面、１８…弁座部、１９…第２ポート、２０…弁体、２０ａ…小径部、２１…接触面、３０…ベローズケース、３１…胴部、３２…上壁部、３２ａ…雌ねじ、３３…感圧室、３４…第３ポート、３５…調整ねじ、３５ａ…雄ねじ、４０…ベローズ、４１…ベローズ本体、４１ａ…周壁部、４１ｂ…上壁部、４２…ばね受け部材、４２ａ…環状円板部、４２ｂ…円筒部、４２ｃ…天井部、４３…ばね受け部材、４３ａ…環状円板部、４３ｂ…円筒部、４３ｃ…底部、４３ｄ…貫通孔、５０…弁棒、ｄ…弁ポートの半径、Ｄ…接触面の曲率半径、Ｐｓ…吸入流体の圧力、Ｐｄ…吐出流体の圧力、Ｐｃ…クランク室に供給される流体の圧力

Claims (3)

1. 弁室および円形の弁ポートが設けられた弁ハウジングと、
   前記弁室に収容され、前記弁ポートを開閉する弁体と、を有し、
   前記弁ポートが、前記弁室の平面状の壁面に設けられ、
   前記弁ポートを画定する弁座部が、前記壁面と前記弁ポートの内面とが直角に交わる角部によって構成され、
   前記弁体における前記弁座部と接する接触面が球面状に形成され、
   前記弁ポートの半径をｄとし、前記接触面の曲率半径をＤとしたとき、以下の式（１）を満たすことを特徴とする弁装置。
   Ｄ≧ｄ／（ｓｉｎθ） ・・・（１）
   ただし、０＜θ≦１０度
2. 前記弁体が、柱状または板状に形成され、
   前記接触面が、前記弁体における前記弁ポート側を向く面に設けられている、請求項１に記載の弁装置。
3. 前記弁体を前記弁座部に向けて押す弾性部材と、
   前記弁室と別に設けられた感圧室に収容され、前記感圧室に導入される流体の圧力に応じて伸縮する感圧部材と、
   前記弁体に一端が接しかつ前記感圧部材に他端が接して配置された弁棒と、をさらに有する、請求項１または請求項２に記載の弁装置。

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