JPH08502575A - 比例ソレノイドを備えた空気調節装置用膨張弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 空調装置などの伝熱装置のための膨張弁（１０）は、膨張弁を通る作業流体の流量を制御する制御素子（２０）を有している。制御素子はステム部材（２８）とステム部材上を動くことができる可動部材（４２）を有している。ステム部材内の内部通路（３０）に通じる開口部（３８）は、膨張弁を通過する冷媒の流量を調整するために、可動部材の位置を変えることにより調整されている。制御素子の可動部材は比例ソレノイド（２２）のプランジャー（２４）によって動かされる。比例ソレノイドはプランジャーを囲む低パーミアンスのアイソレーション・チューブ（６２）を含む磁束回路を備えており、それはソレノイドのコイル（７６）及びフレーム（７８）を膨張弁から取り外すことを可能にしている。ソレノイドはさらに、プランジャーの位置により通る磁束が変化する可変パーミアンス・フラックス・ワッシャー（６９）を有しており、それは磁束飽和領域を作るギャップ（８２）から配列されている。比例ソレノイドは、制御素子の正確な制御を可能にし、膨張弁を通過する冷媒の流量の正確な規制を可能にする力／変位特性を生じさせる。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 比例ソレノイドを備えた空気調節装置用膨張弁 技術分野 本発明は伝熱システム（heat transfer system）に関するものである。特に本 発明は車両用の空気調節装置（air conditioning system）などの伝熱システム に用いられる膨張弁（expansione valve）に関するものである。 技術背景 空気調節装置及びヒートポンプ装置などの伝熱システムは従来からよく知られ ている。それらの装置の中で、ある領域から他の領域へ熱を伝達するために多く の冷媒の中のいずれか１つの冷媒が作業流体として用いられている。 作業流体は一般的に蒸発器（evaporator）、圧縮機（COMPRESSOR）、凝縮器（ condensor）及び膨張装置（expansion system）を含む装置を通って流れる。勿 論、この装置は、アキュムレータや受液器（receiver）／ドライヤーなどのその 他の構成要素を含んでいてもよい。 空気調節装置では、蒸発器が冷却されるべき空間に配置され、凝縮器は冷却さ れる空間から取り去った熱が伝達される領域に配置されている。蒸気状態（vapo r stale）の作業流体は圧縮機によって凝縮器に入れられる。凝縮器では、作業 流体は熱を捨て、液体に凝縮される。 液状の作業流体は凝縮器の出口を経て膨張弁に入る。従来知られている膨張装 置は、固定オリフィス、毛細管及び膨張弁を備えている。 作業流体は膨張装置から蒸発器に流れ、そこで作業流体は熱を吸収し、液体か ら蒸気に相状態を変える。蒸気になった冷媒は次に圧縮機に戻り、再度空気調整 装置を廻り始める。 膨張装置は空気調整装置の重要な要素である。膨張装置を通過する作業流体の 量は、目的とする冷却量の１つの制御因子である。しかしながら、冷却される空 間と、熱が伝達される空間の両方の温度がしばしば変化するため、膨張装置に入 る液状の作業流体の圧力及び温度も変化する。これは空気調節装置の冷却能力に 影響を与え、最適な冷却効果を達成するために膨張装置を通らなければならい流 量（flow rate）に影響が生じる。車両に搭載される空気調節装置や冷房装置と して用いられる装置などの移動する装置では、膨張装置に送られる作業流体の特 性が大幅に変化することがある。 車両用の伝熱装置では、オリフィス及び毛細管などのような開口が固定された 膨張装置が価格を下げるためにときおり用いられるが、運転状況が変動するため 、好ましくはない。冷媒の流量を変化させることのできる膨張弁がより望ましい 。 従来の膨張弁では、これまで流体を膨張弁内の内部開口部を通して流し、その 開口部のごく近傍に可動制限体または他の要素を配置することにより流れを制御 してきた。制限体を開口部により接近させることにより流れを減少させる。逆に 、制限体を開口部から遠ざけることにより膨張弁を通る流れを増大させる。 従来の膨張弁では制限体の位置はアクチュエーターによって制御されていた。 一般的なアクチュエーターは膨張弁に取り付けられたダイアフラム・タイプのも のであった。アクチュエーターは、膨張弁（valve）内部の流体圧力と制御源か らの流体圧力との両方に応じて、膨張弁を通る流路を開いたり閉じたりする。制 限体の位置決めをする流体圧力のための制御源は、注意深く定められた流体の装 入量を保持するシールされたバルブ（bulb）から伝えられる。通常このバルブ（ bulb）は蒸発器からの出口ラインの近くに配置される。冷却されるべき空間から 出る作業流体の温度が上昇しはじめると、バルブ（bulb）の温度もまた上昇する 。バルブ（bulb）内の流体の圧力が上昇すると、それによりダイヤフラムと膨張 弁の中の制限体が動かされ、蒸発器に向かって流れる作業流体の流量を増加させ る。増量した作業流体の流れは更に冷却をもたらし、その結果として蒸発器の出 口の温度を下げる。これが起こると、バルブ（valve）を通過する作業流体の流 量を減少させるようにダイヤフラム及び制限体が動き、バルブ（bulb）内の圧力 が下がる。バルブ（bulb）内の装入量は、蒸発器を出る冷媒の過熱量をわずかに するように工夫されている。 このタイプの従来のアクチュエーターの問題点は、膨張装置が常に最適な流量 を捜し求める点にある。このための応答時間が、変化する状況に対して膨張装置 を迅速に反応できないようにしている。これは冷却負荷の変動と冷媒特性の変化 がよくある車両用の装置において特に問題である。その結果、制御の正確さがま た理想よりも低いものとなる。 また以前から伝熱装置内の作業流体の流れの制御に、電気的に制御される膨張 弁が用いられている。これらの装置は、一般的に全開または全閉のいずれかにな るバルブ（valve）を用いている。制御された時間の間バルブが定期的に開けた り閉めたりされて、蒸発器における伝熱負荷を処理するために設計された総括平 均流量（overall average flow rate）を得ている。 このようなパルス幅変調膨張弁の深刻な問題点は、非常に頻繁に開閉を行わな ければならないことである。これはバルブを構成する部材を早く磨耗させること になる。また、開閉動作は装置内に『ハマリング』（hammering）をしばしば発 生させる。ハマリングに伴う振動は、バルブと接続配管の疲労と早期破損を起こ しかねない。それはまた正確な圧力測定を不可能にする。 従来の膨張弁で用いられる作業流体の流れを制御または規制する制御素子にも また欠点がある。流れを計測するバルブは、作業流体がバルブを通過する際に作 業流体が引き起こす静的及び動的な圧力の影響に対処するように作られていなけ ればならない。いくつかの設計では、釣り合い力（balancing forces）を作り出 すために作業流体の圧力を用いる試みがなされている。これらの釣り合い力は、 制限体またはその他の制御素子のより正確な動きを可能にする。これはより正確 な流量の制御を可能にすることを意図としている。 このような釣り合い力を用いる膨張弁を設計する試みの問題点は、その力が流 体の状態や流量に応じて実質的に変化することである。その結果、広範囲の運転 状況に亘って流体の流れを正確に制御できる膨張弁を作ることが困難であった。 したがって、広範囲の運転状況及び流動状況の下で、作業流体の正確な流動制 御を行える伝熱装置用の膨張弁が必要とされている。 発明の開示 本発明の目的は、通過する作業流体の流れを正確に制御する膨張弁を提供する ことにある。 本発明のさらに他の目的は、流れ及び圧力効果の影響を最小限にする制御素子 を含む膨張弁を提供することにある。 本発明のさらに他の目的は制御素子を通過する流れを正確に制御する比例電磁 アクチュエーターを含む膨張弁を提供することにある。 本発明のさらに他の目的は、振動を最小にし且つ寿命の長い膨張弁を提供する ことにある。 本発明のさらに他の目的は、少しの作動部品しか持たず、製造するのに経済的 で容易に修理できる膨張弁を提供することにある。 本発明のさらに他の目的は、いずれの方向にも流れるように動作できる膨張弁 を提供することにある。 本発明のその他の目的は、以下に詳述する発明を実施するための最適な実施態 様の記載及び添付の特許請求の範囲の記載から明らかになるであろう。 前述の目的は本発明の好ましい実施例に記載された、車両用空気調節装置など の伝熱装置の蒸発器を流れる冷媒の流れを制御するための膨張弁によって達成さ れる。膨張弁は液状の冷媒を受け入れる入口と膨張した冷媒を放出する出口を有 する本体を備えている。 膨張弁は、膨張弁を通過する冷媒の流量を制御するために入口と出口の間に制 御素子を備えている。制御素子は内部通路を有する筒状のステム部材を有してい る。ステム部材は筒状の外面を有している。この外面は、好ましくは一対の対向 する長手方向に延びる開口を有している。 制御素子はさらにステム部材の外側に沿って動くように配置された可動部材を 含んでいる。この可動部材は膨張弁が全開となる第１の位置と、膨張弁が全閉と なる第２の位置との間の範囲を動くことができる。 第１の実施例では、制御素子の形態は常閉部材である。しかしながら他の実施 例ではバルブは常開にも形成される。制御素子は流動力及び圧力に余り影響され ず、したがってこれにより、選択的に位置決めされた可動部材を通過する正確な 流量を提供することができる。また、制御素子を通る流れをいずれの方向にも調 整することができる。 制御素子の可動部材は比例電磁アクチュエーターによって位置決めされる。比 例電磁アクチュエーターは米国特許第５，２５９，９３９号に記載された新規の 低摩擦プランジャーで構成されている。比例電磁アクチュエーターはアクチュエ ーターの修理や交換を容易にする新規の取り外し自在のコイル形状を有している 。電磁アクチュエーターはまた、可変パーミアンス素子と共に、低パーミアンス で且つ非磁性のアイソレーション・チューブを含む新規の磁束回路を備えている 。この構造は、比例電磁アクチュエーターに伝達される電気信号に応じた制御素 子の可動部材の正確な位置決めを達成できる比例ソレノイドを提供する。 比例アクチュエーターの動きを通じてバルブの制御素子を正確に位置決めする ことは、膨張弁を通過する正確な流動制御を可能にし、膨張弁が用いられている 装置の冷却効果の正確な制御を可能にする。 図面の簡単な説明 第１図は本発明の膨張弁の第１の実施例の断面図である。 第２図は第１図に示す常閉の制御素子の側面図である。 第３図は第２図に示す制御素子の断面図である。 第４図は本発明の膨張弁の他の実施例の常開の制御素子の側面図である。 第５図は第４図に示す制御素子の断面図である。 第６図は第１図に示す膨張弁の比例電磁アクチュエーターの断面図である。 第７図は本発明の膨張弁を組み込んだ伝熱装置の概略図である。 発明の最適な実施態様 図面、特に第１図を参照すると、符号１０で示したものが本発明の膨張弁（ex pansion valve）の第１の実施例である。この膨張弁は本体１２を有している。 この本体１２は液状冷媒作業流体（liquid refrigerant working fluid）を受け 入れる入口１６を備えている。また膨張弁は膨張した（expanded）作業流体を蒸 発器（evaporator）または他の発熱式熱交換器（exothermic heat exchanger） に送り出す出口１４を備えている。後述するように本発明の膨張弁は、何れの方 向にも流れるように動作できるので、入口と出口の接続は逆にすることができる 。 本体１２はさらにチャンバ１８を備えている。制御素子２０はチャンバ１８内 に位置している。膨張弁の入口１６から出口１４へ流れる流体は必ず制御素子２ ０を通る。 膨張弁１０はさらに比例ソレノイド２２（proportional solenoid）を含んで いる。ソレノイド２２は可動のプランジャー・エレメント２４を有している。プ ランジャー・エレメント２４はアメリカ特許第５，２５９，９３９号に記載され たタイプの低摩擦型プランジャーである。後に詳述するように、プランジャー・ エレメント２４は比例ソレノイド２２に供給される電気信号に応じて下方に動く ように制御される。 また膨張弁１０の本体１２は、もどり流路２６（return passage）を備えてい る。このもどり流路２６は蒸発器を出た作業流体が圧縮機や装置（第７図参照） の残りの部分に戻るための通路を提供している。もどり流路２６はまた蒸発器を 離れる冷媒の特質や特性を検出するセンサーを設置するのに都合のよい場所とな っている。しかしながら本発明の別の実施例では、膨張弁が本体１２を通過する もどり流路を含んでいることを必要としない。 制御素子２０はより詳細に第２図及び第３図に示されている。制御素子２０は 内部通路３０を有するステム部材２８（stem member）を備えている。このステ ム部材は、ねじ付が形成された下部３２を有しており、この下部３２は同様にね じが形成されて出口１６と連通する本体１２の開口部（別途図示しない）に取り 付けられるようになっている。ステム部材２８は、膨張弁への制御素子の取り付 けや、膨張弁からの制御素子の取り外しを容易にするために、ヘクス・エリア３ ４（hex area）を備えている。 ステム部材２８は円筒形の外面３６を有している。一対の対向する長手方向に 伸びる開口部３８が外面３６上に延びている。これらの開口部３８は複数のダク ト４０を介して内部通路３０と連通している。これらのダクト４０は開口部３８ と同じような形状に形成されている。制御素子２０はさらに可動部材４２を備え ている。可動部材４２はステム部材２８の外面３６よりも僅かに直径が大きい管 状の内面４４を有している。その結果、この可動部材はステム部材２８に沿って 軸線方向に動くことができる。 可動部材４２は広がったフランジ部（flange area）４６を備えている。フラ ン ジ部４６は、第２図及び第３図に示すようにその下側側面と圧縮バネ４８とが当 接する関係にある。圧縮バネ４８は図面に示すように可動部材４２を付勢してい る。 フランジ部４６の上面は可動部材のキャップ部５０を支持している。キャップ 部５０は開口領域５２を有しており、この開口領域は、キャップ部がステム部材 の閉じられた上部領域５４と係合することなくかなりの距離ステム部材に沿って 下方に移動することを可能にしている。キャップ部５０はまた丸みの付けられた プランジャー係合部５６を有している。バネ４８によって可動部材がプランジャ ーに対して付勢されているので、可動部材４２のプランジャー係合部５６は第１ 図に示すようにプランジャー２４と係合する。 可動部材４２はまたテーパーの付いた外周面５８を有している。外周面５８は 第２図及び第３図に示すように、開口部３８の領域では比較的厚みが薄く、鋭利 な角部６０で終端するようにテーパーが付けられている。 第２図及び第３図に示すように、バネ４８は可動部材４２を上方に付勢してお り、アクチュエーターのプランジャーによって下方向への力が加えられないとき には可動部材の外周面５８がステム部材２８の外面の開口部３８を覆っている。 制御素子は、開口部３８が覆われる位置に向かって付勢されているので常閉素子 （normally closed element）である。第５図、第６図に示す制御素子の実施例 の記載と関連して後述するように、本発明の膨張弁のその他の実施例では常開の 制御素子を有していてもよい。 第２図及び第３図に示すように可動部材４２が下方に動くと、外周面５８及び 角部６０はステム部材２８の外面の開口部３８を解放するように動く。その結果 、チャンバ１８内の制御素子の外側の領域は、ダクト４０を介して制御素子の内 部通路３０と、また膨張弁の出口１４と連通する。開口部３８が開かれる範囲に よって制御素子を通過する冷媒の流量（flow rate）、即ち膨張弁の入口から出 口まで通過する冷媒の流量が決定される。 制御素子のテーパーの付いた外周面５８と鋭利な角部６０は、膨張弁による正 確な流動制御を達成するために重要である。この鋭利な角部６０は、ステム部材 の開口部３８から流出する高速の流体の流れに直接晒される可動部材４２の表面 積を最小にしている。この表面積を最小にすることで、動く流体の推進力（monm entum）やベルヌーイの法則（Bernoulli's Principles）に従ってできる吸引力 によって、速く動く流体が可動部材に力を加える傾向を除去している。厚みが薄 くてテーパーの付いた外周面の形状は、高速流に晒される表面を小さくすること により、更にこのような力を最小限にしている。可変流誘導力（variable flow induced forces）を最小にすることにより、可動部材はステム部材の外側に長手 方向に安定して位置することができる。これは高速流に晒される表面積が大きく なる制御素子において重要な改良である。従来の膨張弁におけるより大きな表面 は、かなりの流体推進力（fluid momentum）及び速度誘導吸引力（velocity ind uced suction forces）による作用を受けやすくしている。これは制御素子を所 望の位置に保持することを難しくしており、したがって正確に流れを制御をする ことを困難にしている。さらに、本発明の好ましい実施例では、動く流体によっ て可動部材に加えられる力はバランスがとれている。これが側面負荷を最小にし ステム部材上の可動部材の動きに対する摩擦抵抗を減少させている。これがまた 正確な流れの制御を可能にしている。 本発明の好ましい実施例ではテーパーの付いた部分のテーパーは最大で約１５ 度であり、角部は厚さが約０．０１２７ｃｍより小さい。ステム部材２８は好ま しくは直径が約０．３８１ｃｍである。好ましい実施例では可動部材及びステム 部材は非磁性のステンレス鋼により作られている。後述するように制御素子の非 磁性特性は本発明の実施において有利に働く。別の実施例では、真鍮、セラミッ クスなどの非磁性材料や、十分な寸法安定性と変形することなく流体の力に耐え る剛性とを備え且つそれらによって耐摩耗性を持つその他の材料を用いることが できる。 膨張弁の比例ソレノイド２２をより詳しく第６図に示す。比例ソレノイド２２ はアイソレーション・チューブ（isolation tube）６２を備えている。アイソレ ーション・チューブ６２はほぼ円筒形で、閉じた先端部６４を有している。アイ ソレーション・チューブ６４はまた本体１２の凹部（別途図示しない）に収納さ れるフランジの付いた底部６６を有している。本発明の好ましい形態ではアイソ レーション・チューブ６６はおよそ１．２７ｃｍの外径と０．０３０５ｃｍの厚 さ の壁を有する非磁性のステンレス鋼で作られている。本体１２は好ましくは非磁 性のアルミ合金で作られている。 弾性シール（resilient seal）６８はアイソレーション・チューブ６２のフラ ンジの付いた底部６６の下に位置している。このシール６８はチャンバ１８内の 作業流体がアイソレーション・チューブ付近で凹部から漏れ出すことを阻止する 液密シール（fluid tight seal）を提供する。アイソレーション・チューブは締 結手段（fastening means）（図示しない）によって、図示の位置に固定されて いる。磁性材料で作られたフラックス・ワッシャー（flux washer）６９はアイ ソレーション・チューブのフランジの付いた底部６６の上の凹部内に位置してい る。フラックス・ワッシャーの好ましい形態は、アイソレーション・チューブを 受け入れる開口を備えるように寸法が定められており、外径が２．５４ｃｍであ り、厚さが０．４５７２ｃｍである。フラックス・ワッシャ−６９の目的は詳し く後述する。 アイソレーション・チューブ６２は筒状の面７０を有している。プランジャー ２４はアイソレーション・チューブの内空部７２の内側を動くことができる。内 部エリア７２は内面７０によって画定されている。米国特許第５，２５２，９３ ９号に記載の通り、プランジャー２４は磁性材料からなり、非磁性の複数の回転 体７４がプランジャーの表面とアイソレーション・チューブの内面７０の間を回 転する。さらにアイソレーション・チューブは、プランジャーとフレームの下部 との間に磁性材料のないラジアル・ギャップ（radial gap）を備えている。この ラジアル・ギャップはおよそ０．５０８ｃｍである。この構造はプランジャー２ ４が垂直方向に摩擦抵抗無しに動くことを可能にしている。 比例ソレノイド２２は電流が供給されたときに磁界を作る巻線コイル７６を有 している。コイル７６は磁性材料で作られ、断面形状がＵ字形のフレーム７８内 に保持されている。筒状のスリーブ８０がコイル７６の中心を通って途中まで延 びている。第６図に示すように、縦ギャップ（longitudinal gap）８２はスリー ブ８０の底部とフレーム７８の下部との間を延びている。好ましい実施例では、 この縦ギャップの長さは０．７６２ｃｍである。 本発明の好ましい実施例では、スリーブ８０の内径はアイソレーション・チュ ーブ６２の外径より僅かに大きい。さらに、好ましい実施例ではフレーム７８が 膨張弁の本体１２に取り外し自在に取り付けられている。これによって少しの冷 媒作業流体２０も装置から流出させることなく、コイル及びフレーム部分を膨張 弁から取り外すことができる。これにより電磁アクチュエーターのコイルの修理 及び取り替えが容易になされる。 膨張弁の動作として、コイル７６に電流が供給されていないときには、制御素 子２０のバネ４８がプランジャー２４を第１図及び第６図に示す位置に向けて上 方に付勢している。コイル７６に電流を供給すると磁界が発生する。磁界はソレ ノイド２２の周囲に磁束回路（flux circuit）を作る。この磁束回路はスリーブ ８０）フレーム７８及びフラックス・ワッシャー６９を通る。しかしながらこの ギャップ８２は、このギャップの領域において磁気飽和（magnetic saturation ）を起こす。 磁気プランジャーは磁束回路を完成させる部材として機能する。フラックス・ ワッシャー６９は可変パーミアンス素子（variable permeance element）として 機能し、そのパーミアンスはプランジャー２４が下方に移動する距離に応じて変 化する。電磁アクチュエーターのコイルに送られる電力が増加するにしたがって 、ギャップ８２における磁気飽和も増大する。これによりプランジャーは、力が 制御素子のバネの付勢力と釣り合うまで下方に動く。 比例ソレノイドに供給される電力量を変化させることにより、プランジャー及 び制御素子の可動部材４２の位置を正確に制御することができる。可動部材は流 体が膨張弁を通過する結果生じるかなりの流力に影響されないので、膨張弁を通 る作業流体の流量は予測どおりに正確に調整される。 本発明の比例ソレノイドは従来のソレノイドと違って、プランジャーがそのス トロークの終わりに近づくとき、比例ソレノイドが作り出す力が指数的に（expo nentially）増大しないという点で新規である。これにより電磁アクチュエータ ーは、正確で反復可能な動きを可能にする力対ストローク特性（a force versus stroke characteristic）を得ることができる。これと流体から受ける力を最小 限にする素子との組み合わせにより、これまでの膨張弁ではなし得なかった流動 制御の正確な膨張弁を提供する。 ソレノイド２２は、比例ソレノイドであるにも拘らず膨張弁の本体から取り外 し自在であるという点でもまた新規である。これは修理や交換を容易にする。従 来のタイプの比例ソレノイドは、コイル・スリーブとプランジャーとの間の低パ ーミアンス構造を容認することができなかったために、膨張弁には一般に用いら れていなかった。しかしながら、本発明では低パーミアンスの非磁性アイソレー ション・チューブが磁性スリーブとプランジャー・エレメントとの間に位置して いる。この低パーミアンスのチューブの存在が、プランジャーの動作能力を実際 的に高めている。これは低パーミアンスの素子が、プランジャーを他の磁気素子 から離しており、しかもプランジャーに引きつけられる磁気素子がプランジャー のすぐ隣にあると発生する動きに対する抵抗を減少させるために起こると思われ る。 当業者には理解されると思うが、本発明の好ましい実施例では飽和領域を得る ために空気のギャップを用いているが、その他の実施例では非磁性のスペーサー を用いたり、スリーブの一部に厚みの薄い部分を用ることができる。同様に好ま しい実施例では可変パーミアンス素子としてフラックス・ワッシャーを用いてい るが、他の実施例ではプランジャーのストロークに応じてパーミアンスの増大を 示すその他のタイプの素子を用いてもよい。 比例ソレノイドの動作では、コイル７６に大きい電力が供給されるとプランジ ャー２４は第１図に示すように下方に動く。可動部材４２はプランジャー２４と 係合しているので可動部材４２も同じように下方に動く。これによりステム部材 ２８の外面の複数の開口部３８が開き開口部を通って流れ始める。その結果ステ ム部材の中の作業流体はチャンバ１８内に流れて膨張する。これらの開口部３８ は長いので可動部材が下方に動けば動くほど制御素子を通る流れは増大する。 制御素子の形状は、可動部材の変位に応じて制御素子を通過する流れの正確な 制御ができるようになっている。前述のように可動部材の外周面５８のテーパー と鋭利な角部６０は、高速で流れる流体に晒される可動部材の面積を最小限に減 少させている。可動部材の移動方向と直交し、可動部材に横方向の力を及ぼす傾 向にある複数の力は釣合いがとれている。その結果、流れ及び圧力の影響は最小 となっている。 流動制御素子の非磁性特性及び形態は、膨張弁の動作にさらに利点をもたらす 。流れの回路内の作業流体中に磁性粒子が流れることがよくある。このような不 純物が入るのは、装置の構成部品が汚染されていたり、手入れが悪いことが原因 となっている。このような磁性粒子は、磁性プランジャーや磁性材料でできた制 御素子に付着することがある。制御素子を非磁性にし、流れの開口部３８から遠 く離してプランジャーをプランジャー係合部５６と係合させることによって、複 数の開口部の付近あるいは、制御素子の相対的に動く複数の部分の付近にこれら の磁性粒子が集まらないようにする。さもなければ、これらの磁性粒子は、そこ で流れを制限したり、摩耗を生じさせかねないのである。これはまた正確な流動 制御を確実にし、膨張弁の寿命を長いものにする。プランジャー係合面を開口部 から遠く離す可動部材の形態は、膨張弁本体内でのより均一な膨張を可能にする 内部スペースを形成する。これはまた流動の均一性及び正確な制御を達成するの を助けている。 制御素子は比例ソレノイドに供給される電力に応じて正確で予測できる流動制 御を提供している。その結果、本発明の膨張弁は空調装置またはその他の伝熱装 置において、冷却特性のより正確な制御を行うために用いられている。 本発明の膨張弁１０が用いられる典型的な装置について、第７図に図でその概 略を示す。液状作業流体は膨張弁の入口１６を入る。膨張した冷媒が出口１４か ら出て、適宜の導管で蒸発器８４に運ばれる。作業流体は蒸発器を通過するとき にＱ−ｉｎと表示された矢印で示すように熱を吸収する。本発明の好ましい態様 では、車両用の空調装置であるため、当然蒸発器は車内あるいはその他の冷却す べき空間にある。概略図示するファン８６は熱伝達を助けるために蒸発器を通し て空気を引いている。 蒸発器を出た作業流体は膨張弁１０のもどり流路２６を通り適宜の導管を通っ て戻る。先に述べた通り膨張弁を通るもどり流路は、蒸発器を出る冷媒の特性を 検出する温度センサーや、圧力センサーの好適な設置場所となっている。 蒸発させられた作業流体は圧縮機９０によって圧縮され、適宜の導管によりコ ンデンサ９２に運ばれる。凝縮器９２ではＱ−ｏｕｔと表示された矢印で表すよ うに作業流体は熱を失う。凝縮器９２では作業流体が液体に凝縮される。概略図 示するファン９４は凝縮器を通して空気を引き出し、作業流体が凝縮器を通過す るときに作業流体からの熱伝達を助ける。本発明の好ましい実施例では、車両用 の空調装置なので、熱は作業流体から大気中へ伝達される。 液状化した作業流体は凝縮器から最初に受液器ドライヤー８８を経由した後、 膨張弁の入口１６に戻る。受液器ドライヤー８８は不純物を取り除くために用い られる。このような受液器ドライヤーは当業者にとって公知である。 比例ソレノイド２２は符号９６で概略図示する電気制御モジュールによって駆 動されている。制御モジュール９６はプロセッサーを含み、膨張弁を通る冷媒の 流量を選択的に制御するために機能している。制御モジュールにはさらに複数の センサー（図示しない）が電気的に接続されている。これらのセンサーは、蒸発 器を出る作業流体の特性や、装置の他の特性や、オペレータ・コントロールを検 出する。オペレータ・コントロールは、制御モジュールに膨張弁を通過する作業 流体の最適量を計算させ、その量を信号に変換させる。当業者は、膨張弁を通過 する流量を制御したり、また所望の流れを提供するために制御モジュール９６が 適切に膨張弁を駆動するために用いられる望ましいパラメーターを検出する様々 な方法を考案することができる。 本発明の好ましい実施例では、膨張弁を通過する流量を制御する制御素子を動 かすために比例ソレノイドを備えているが、他の実施例では他のタイプのアクチ ュエーターを用いることができる。それらのアクチュエーターは好ましい実施例 の比例ソレノイドほどは正確な流動制御を提供しないかもしれないが、本発明の 新規の制御素子はそれでもうまく用いることができる。 第１図に示す膨張弁の実施例は常閉の制御素子２０を有している。しかしなが ら本発明の他の実施例では常開の制御素子を含んでいてもよい。このような常開 の制御素子９８を第４図及び第５図に示す。この制御素子９８は、制御素子２０ と直接置き換えることができるように設計されており、制御素子９８は膨張弁の 構造を変えずに膨張弁１０で代替えできる。しかしながら制御モジュールによる 比例ソレノイドの駆動は、制御素子の異なる特性を反映させるために変える必要 がある。 制御素子９８は、膨張弁の制御素子２０のねじが形成された下部３２と同様に ねじが形成された下部１００を有している。また、先に述べた制御素子のように 制御素子９８は内部通路１０４を持つステム部材１０２を有している。制御素子 ９８はまた容易な取り付け及び取り外しのためにヘクス・エリア１０６（hex ar ea）を備えている。 制御素子９８はさらに円筒状の外面１０８を有している。外面１０８の一対の 開口部１１０はダクト１１２を介して内部通路１０４と接続されている。これら の開口部１１０は図示する通りステム部材の軸線に沿って長手方向に延びている 。 制御素子９８はまた可動部材１１４を含んでいる。可動部材１１４は外面１０ ８より僅かに大きい直径を持つ円筒状の内面１１６を有している。これにより可 動部材はステム部材の外側上を長手方向に動くことができる。ステム部材１０２ は第５図に示すように開口部１１０の上の領域に複数の隆起部（ridges）１１８ を有している。 可動部材１１４は、下方に向かってテーパーが付いた外周面１２０を更に有し ており、この外周面は下端近くの鋭利な角部１２３で終端する。可動部材１１４ は更にプランジャー２４と係合するプランジャー係合部１２４を有している。圧 縮バネ１２６が可動部材を第４図及び第５図に示すように上方向に付勢している 。ステム部材１０２は更にバネ１２６を所定の位置の中心に置くように補助する 移動止め１２８を含んでいる。 この制御素子９８を備えた膨張弁の動作では、可動部材１１４が最も上方の位 置に配置されたときに最大流が得られる。これは比例ソレノイドに電力が供給さ れずに、プランジャー２４が第１図に示すように上方位置いっぱいに配置された ときに起こる。 ソレノイドのコイルに供給される電力が増大すると、プランジャーが下方に動 き、可動部材１１４も同様にバネ１２６の力に抗して動く。可動部材が部分的に 開口部１１０を覆うと、制御素子を通過する流れは減少する。流れは、開口部を 覆うように可動部材を選択的に動かすことにより制御され、所望の流量が得られ る。 制御素子２０のように制御素子９８は通過する冷媒の流れによって生じる力に 実質的に影響を受けない。これは外周面１２０のテーパー及び鋭利な角部がステ ム部材から出る高速移動流体に晒される面積の量を最小にしているからである。 これは開口部１１０から出る流体が、第５図に示した制御素子の向きで見て上方 と外側の両方に速度を持つ傾向にあるので、制御素子の常開形態では特に重要で ある。好ましくは最大１５度の外周面のテーパー及び好ましくは約０．０１２７ ｃｍより小さい鋭利な角部が、流体の流れにより分け与えられる力を最小にする 。これにより、比例ソレノイドによる可動部材の位置に基づく正確で反復可能な 流動を可能にする。制御素子９８は、常閉の制御素子に関して述べた理由により 、ステンレス鋼またはその他の比較的剛性のある耐摩耗性の非磁性材料からなる ものが好ましい。 本発明の制御素子の構成の他の利点は、流体が膨張弁をいずれの方向にも流れ ることができるということである。これは特定の部分を入口及び出口として膨張 弁を接続する必要性をなくしている。またこれは定期的に冷媒の流れが逆になる ヒートポンプ装置で有用である。 制御素子２０及び９８の好ましい構成では、ステム部材に一対の対向する流体 の開口部が用いられている。これらの開口部は流量を広範囲にわたって制御でき るように長くなっている。開口部が対向する特徴は、制御素子の可動部材に加わ る力の釣合がとれるように機能し、正確な制御をもたらすものである。本発明の その他の実施例では、所望の流量の範囲によって、その他の数の開口部を用いる ことができ、またその他の形状の開口部を用いることができる。 当業者には理解されると思うが、本発明の膨張弁の比例ソレノイド２２は、制 御素子２０及び９８などの制御素子に使用されるように調整されているが、この 比例ソレノイドは他のタイプの流動制御素子を制御するために、本発明の別の実 施例で用いられてもよい。 従って、本発明の空調システムのための新規の膨張弁は上記の目的を達成し、 従来の装置やシステムの使用の際に遭遇する困難な点を取り除き、問題を解決し 、ここに述べた望ましい結果を獲得する。 前述の記載の中でのいくつかの用語は簡潔、明解、理解のために用いられたが 、それらは不必要な限定をつけるものではなく、記述的な目的であり、広く解釈 されるように意図したものである。さらに記載及び図解は例証のためであり、示 さ れたまたは記載された詳細に限るものではない。 発明の特徴、発見及び原理、使用方法、得られる利点、有益な結果を記載して きたが、新規且つ有用な構造、装置、素子、調整、部品、組み合わせ、統合、備 品、作用、方法及び関係は付随の請求の範囲に記載する。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年１０月２６日 【補正内容】 膨張弁は、膨張弁を通過する冷媒の流量を制御するために入口と出口の間に制 御素子を備えている。制御素子は内部通路を有する筒状のステム部材を有してい る。ステム部材は筒状の外面を有している。この外面は、好ましくは一対の対向 する長手方向に延びる開口を有している。 制御素子はさらにステム部材の外側に沿って動くように配置された可動部材を 含んでいる。この可動部材は膨張弁が全開となる第１の位置と、膨張弁が全閉と なる第２の位置との間の範囲を動くことができる。 第１の実施例では、制御素子の形態は常閉部材である。しかしながら他の実施 例ではバルブは常開にも形成される。制御素子は流動力及び圧力に余り影響され ず、したがってこれにより、選択的に位置決めされた可動部材を通過する正確な 流量を提供することができる。また、制御素子を通る流れをいずれの方向にも調 整することができる。 制御素子の可動部材は比例電磁アクチュエーターによって位置決めされる。比 例電磁アクチュエーターは米国特許第５，２５２，９３９号に記載された新規の 低摩擦プランジャーで構成されている。比例電磁アクチュエーターはアクチュエ ーターの修理や交換を容易にする新規の取り外し自在のコイル形状を有している 。電磁アクチュエーターはまた、可変パーミアンス素子と共に、低パーミアンス で且つ非磁性のアイソレーション・チューブを含む新規の磁束回路を備えている 。 【図７】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＪＰ (72)発明者 ジェイン、ヴィレンダー アメリカ合衆国、カリフォルニア州92630、 レイク フォレスト、オウル コート 26161 (72)発明者 ケニヨン、リチャード エル アメリカ合衆国、カリフォルニア州92715、 アーヴィン、アーモンド トゥリー レー ン32 (72)発明者 マティーズ、アレン アメリカ合衆国、ウィスコンシン州53216、 ミルウォーキー、ウエスト キーフ アヴ ェニュー6209Ａ (72)発明者 リフラー、ロジャー ジー アメリカ合衆国、ミシシッピー州39042、 ブランドン、ベイ ビスタ ドライヴ1426 (72)発明者 ヤブキ、ロイ エム アメリカ合衆国、カリフォルニア州90029、 ロサンゼルス、ニュー ハンプシャー ア ヴェニュー1942 (72)発明者 ゾペイ、アショク アメリカ合衆国、カリフォルニア州92807、 アナハイム ヒルズ、サウス ロンデリー レーン709 【要約の続き】 させる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．伝熱装置の蒸発器に流れる膨張した冷媒の流れを制御するための膨張弁であ って、 本体と、磁性材料からなる可変パーミアンス素子と、非磁性材料からなるアイ ソレーション・メンバーと、駆動メンバーと、付勢手段と、前記アイソレーショ ン・メンバーを囲むスリーブ・メンバー手段と、前記スリーブ・メンバー手段を 取り囲む関係にある電気コイル手段と、磁性材料からなり前記コイル手段を支持 するためのフレーム手段と、磁束飽和手段とを具備し、 前記本体は液状の冷媒を受け入れる入口と、膨張した冷媒を伝熱装置の蒸発器 に放出する出口と、前記入口から前記出口への冷媒の流量を制御する制御素子手 段を含み、 前記本体はさらに開口を有し、前記制御素子手段は前記開口からアクセスが可 能であり、 前記可変パーミアンス素子は前記開口を取り囲む関係にあり、 前記アイソレーション・メンバーは前記本体上を前記開口を通って外側に延び て外側端部で終端し、前記アイソレーション・メンバーは閉じられた内部エリア を有し、前記内部エリアは前記アイソレーション・メンバー内を長手方向に延び ており、 前記駆動メンバーは前記アイソレーション・メンバーの前記内部エリア内に位 置してその内部を長手方向に動くことが可能であり、前記駆動メンバーは磁性材 料からなり前記開口に受け入れ可能な寸法を有しており、前記駆動メンバーは前 記制御素子手段と係合するように設けられており、前記制御素子手段を通る流れ が前記駆動メンバーの動きに応じて変わり、 前記付勢手段は前記駆動メンバーを前記アイソレーション・メンバーの前記外 側端部に向かって付勢し、 前記スリーブ・メンバー手段は磁性材料からなり、 前記電気コイル手段は電力の供給量に応じた電磁束を発生し、前記電気コイル 手段は前記アイソレーション・メンバーの前記外側端部近傍に第１の端部を有し 、 また前記可変パーミアンス素子の近傍に第２の対向端部を有しており、 前記フレーム手段は前記スリーブ手段に接続され、前記電気コイル手段の前記 両端部の間を延びており、 前記磁束飽和手段は磁束飽和領域を作るために、前記開口と前記スリーブ・メ ンバー手段との間に長手方向に配置されており、 前記コイル手段に供給された電力が前記駆動メンバーを前記付勢手段の力に抗 して前記開口へと動かし、それにより前記制御素子手段を通る流量を制御するこ とを特徴とする膨張弁。 ２．前記スリーブ・メンバー手段は筒状のスリーブ内面を有し、前記アイソレー ション・メンバーは筒状のアイソレーション・メンバー外面を有し、前記両面は ごく接近して接触する関係で嵌まり合うがその嵌め合いを解くこともできるよう に寸法が定められ、それによって前記コイル手段は前記膨張弁の本体から取り外 し自在であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の膨張弁。 ３．前記スリーブ手段は前記開口から外側に配置された端部面で終端し、前記磁 束飽和手段は前記開口と前記端部面の間のギャップからなることを特徴とする請 求の範囲第２項に記載の膨張弁。 ４．前記アイソレーション・メンバーはアイソレーション・チューブからなり、 前記可変パーミアンス素子は前記アイソレーション・チューブを囲む関係にあっ て前記チューブの内端部と近接するフラックス・ワッシャーからなり、前記内端 部は前記外側端部と対向することを特徴とする請求の範囲第３項に記載の膨張弁 。 ５．前記アイソレーション・チューブは前記内端部近傍にフランジ・エリアを有 し、前記膨張弁はさらに内部チャンバを備え、前記制御素子手段は前記内部チャ ンバ内に収納され、前記膨張弁はさらに前記内部チャンバと前記フランジ・エリ アの間に弾性シール手段を有し、前記シール手段は前記内部チャンバから冷媒が 漏れ出すことを阻止していることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の膨張弁 。 ６．前記フラックス・ワッシャーは前記アイソレーション・チューブの前記フラ ンジ・エリア上に支持されていることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の膨 張弁。 ７．前記制御素子手段は可動部材を備え、前記可動部材の動きが前記制御素子手 段を通る流れを調整し、前記可動部材は前記アイソレーション・チューブの内部 エリアの前記フラックス・ワッシャーに近接して延びていることを特徴とする請 求の範囲第６項に記載の膨張弁。 ８．前記アイソレーション・チューブの前記内部エリアは、断面図で見て形状が 筒状であって、筒状のアイソレーション・チューブの内面によって画定され、前 記駆動メンバーは断面で見て形状がほぼ筒状であることを特徴とする請求の範囲 第７項に記載の膨張弁。 ９．前記駆動メンバーは前記駆動メンバーと前記アイソレーション・チューブの 前記内面との間を延びる複数の回転体を含み、前記回転体は前記駆動手段が動く と回転することを特徴とする請求の範囲第８項に記載の膨張弁。 １０．前記駆動メンバーは少なくとも３個の長手方向に延びるスロットを有し、 前記スロットは前記駆動メンバーの周囲に角度をもって、間隔を置いて配置され 、前記回転体は前記アイソレーション・チューブの前記内面と係合するように前 記スロットから外側に延びていることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の膨 張弁。 １１．伝熱装置の蒸発器に流れる膨張した冷媒の流れを制御するための膨張弁で あって、 本体と、磁性材料からなる駆動メンバーと、非磁性材料からなり前記駆動手段 を囲む関係にあるアイソレーション・メンバーと、付勢手段と、可変パーミアン ス素子と、前記アイソレーション・メンバーの上に添うスリーブ・メンバー手段 と、前記スリーブ・メンバー手段を取り囲む関係にある電気コイル手段と、磁性 材料からなり前記コイル手段を支持するフレーム手段と、磁束飽和手段とを具備 し、 前記本体は、液状の冷媒を受け入れる入口と、膨張した冷媒を伝熱装置の蒸発 器に放出する出口と、前記入口から前記出口への流量を制御する制御素子手段を 含んでおり、 前記駆動メンバーは前記制御素子手段と動作上接続関係にあり、前記駆動メン バーの位置決めにより前記膨張弁を通過する流量を調整し、 前記アイソレーション・メンバーは内部エリアを有し、前記駆動メンバーは前 記内部エリアを長手方向に移動可能であり、 前記付勢手段は前記駆動メンバーを前記内部エリアの第１の端部に向かって付 勢し、 前記可変パーミアンス素子は前記アイソレーション・メンバーの第２の対向す る端部において前記アイソレーション・メンバーを取り囲む関係にあり、 前記スリーブ・メンバー手段は前記第１の端部から前記第２の端部に向かうあ る距離だけ前記アイソレーション・メンバーに添っており、 前記電気コイル手段は、供給される電力量に応じた電磁束を作り、前記コイル 手段は前記アイソレーション・メンバーの前記外側端部近傍に第１の端部を有し 、且つ前記可変パーミアンス素子の近傍に第２のコイル端部を有し、 前記フレーム手段は前記コイル手段の前記第１の端部近傍で前記スリーブ・メ ンバー手段と係合し、前記フレーム手段は前記コイル手段の前記第２の端部近傍 まで延びており、 前記磁束飽和手段は磁束飽和領域を作るために、前記可変パーミアンス素子と 前記アイソレーション手段との間に長手方向に配置されており、 前記駆動メンバーは前記付勢手段の力に抗して動き、前記コイル手段に供給さ れる電力に応じて前記磁束飽和領域を通過し、前記駆動メンバーの変位量が前記 電力のレベルの関数である膨張弁。 １２．前記スリーブ・メンバー手段は前記アイソレーション手段上を動くことが でき且つごく近接する関係にあり、それによって、前記コイル手段は前記膨張弁 の前記本体から取り外し自在であることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載 の膨張弁。 １３．前記磁束飽和手段は前記スリーブ・メンバー手段の端部と前記可変パーミ アンス素子との間を延びるギャップからなることを特徴とする請求の範囲第１２ 項に記載の膨張弁。