KR101467124B1 - 압력 제어 밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는, 다이어프램식 파워 엘리먼트를 갖는 압력 제어 밸브에 있어서, 다이어프램의 내구성을 향상시키는 것이다.
파워 엘리먼트(2)를 구성하는 어퍼 하우징(13), 다이어프램(14) 및 로워 하우징(12)에 있어서, 어퍼 하우징(13)의 플랜지에서 다이어프램(14)에 밀착하는 평면부(21)의 반경 방향 내측의 종단부(변곡점 P1)와, 로워 하우징(12)의 플랜지에서 다이어프램(14)에 밀착하는 평면부(24)의 반경 방향 내측의 종단부(변곡점 P3)를 용접 열의 영향을 받는 열영향부(27)보다도 반경 방향 내측에 설정하고 있다. 이에 의해, 동작시의 다이어프램(14)은 용접 열의 영향을 받고 있지 않은 위치에 있어서, 용접 열의 영향을 받고 있지 않은 평면부(21, 24)의 반경 방향 내측의 종단부에 의해 지지되어 있으므로, 다이어프램(14)의 내구성을 대폭 향상시킬 수 있다.

Description

압력 제어 밸브 {PRESSURE CONTROL VALVE}

본 발명은 압력 제어 밸브에 관한 것으로, 특히 자동차용 공조 장치의 가변 용량 압축기 내에 장착되어 파워 엘리먼트가 감지한 압력이 미리 설정한 압력을 유지하도록 유체 유량을 피드백 제어하는 압력 제어 밸브에 관한 것이다.

자동차용 공조 장치에서는, 그 압축기의 동력원인 엔진의 회전수가 일정하지 않으므로, 엔진의 회전수에 관계없이 냉동 능력이 일정해지는 제어를 행할 필요가 있다. 이 요구에 대해, 일반적으로는 냉매의 토출 용량을 가변으로 하도록 하는 가변 용량 압축기가 사용되고 있다. 토출 용량을 변화시키는 데에는, 경사판식의 가변 용량 압축기로 크랭크실 내의 압력을 제어하는 것이 행해지고 있고, 그 크랭크실 내의 압력을 제어하는 데 압력 제어 밸브가 사용되고 있다.

압력 제어 밸브는, 압축기에 의해 압축된 고압의 냉매의 일부를 크랭크실 내로 도입하는 냉매의 유량을 제어하는 밸브부와, 흡입실의 압력을 감지하여 밸브부를 구동 제어하는 파워 엘리먼트를 구비한 내부 가변 제어식의 것이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 이 압력 제어 밸브는, 압축기에 장착되었을 때에, 밸브부가 압축기의 토출실과 크랭크실을 연통시키는 통로 내에 배치되고, 파워 엘리먼트가 압축기의 흡입실에의 통로에 연통되도록 되어 있다.

파워 엘리먼트는, 진공실을 형성하는 케이스와, 이 케이스의 플랜지와 동일 형상의 링 부재와, 외주부가 이들 케이스의 플랜지와 링 부재에 의해 끼움 지지되는 다이어프램을 구비하고 있다. 케이스의 플랜지, 다이어프램 및 링 부재는, 그 외주연부가 용접에 의해 고정되어, 일체로 되어 있다. 케이스 내에는, 다이어프램을 밸브부측으로 가압하는 스프링이 배치되어 있다. 파워 엘리먼트는, 밸브부의 보디에 코킹(caulking) 가공에 의해 결합되고, O링에 의해 밀봉되어 있다. 다이어프램의 밸브부측의 면은, 샤프트의 단부면에 접촉되어 있고, 다이어프램의 변위를 샤프트를 통해 밸브부에 전달하도록 되어 있다.

이와 같이 감압 부재에 다이어프램을 사용한 파워 엘리먼트로서는, 자동차용 공조 장치의 냉동 사이클에 사용되는 온도식 팽창 밸브의 파워 엘리먼트도 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 2 참조). 이 특허문헌 2의 파워 엘리먼트는, 어퍼 하우징과 로워 하우징에 의해 다이어프램의 외주연부를 끼움 지지하고, 어퍼 하우징 및 로워 하우징의 외주의 플랜지의 단부면을 다이어프램의 외주연부와 함께 용접에 의해 접합하고 있다. 이 파워 엘리먼트에 따르면, 어퍼 하우징 및 로워 하우징을 용접에 의해 접합하고 있지만, 그 열영향에 의해 다이어프램 외주부의 경도가 저하되어 있는 것에 의한 문제를 개선하고 있다. 즉, 어퍼 하우징 및 로워 하우징의 다이어프램을 끼움 지지하는 부분보다 내측의 대향면에 다이어프램을 끼움 지지하는 돌기를 설치하고, 다이어프램의 구동 지지점을, 용접시의 열영향에 의해 약해진 부분으로부터 돌기에 의한 끼움 지지 위치로 변경하고 있다. 이에 의해, 다이어프램은, 경도가 저하되어 있지 않은 부분으로 구동 지지점을 옮김으로써 다이어프램의 내구성을 향상시키고 있다.

일본 특허 공개 제2004-52737호 공보 일본 실용신안 출원 공개 평6-32973호 공보

그러나 다이어프램을 사용한 파워 엘리먼트는, 용접 열에 의한 열영향이 미치지 않는 내측 위치에서 돌기에 의한 끼움 지지에 의해 1점에서 지지되어 있으므로, 그 위치에 변위 동작시의 응력이 집중되어, 내구성이 저하되어 버린다는 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 점에 비추어 이루어진 것으로, 다이어프램의 내구성을 향상시킨 파워 엘리먼트를 갖는 압력 제어 밸브를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서는 상기한 과제를 해결하기 위해, 압력을 감지하는 다이어프램과, 이 다이어프램을 끼움 지지하도록 배치되어 각각의 외주에 있어서의 플랜지의 외주 단부면이 다이어프램의 외주연부와 함께 용접에 의해 고정되는 제1 지지 부재 및 제2 지지 부재를 구비한 압력 제어 밸브가 제공된다. 이 압력 제어 밸브에서는, 제1 지지 부재 및 제2 지지 부재의 플랜지는, 각각 다이어프램에 면하는 측에 다이어프램과 밀착하는 제1 평면부 및 제2 평면부를 갖고, 제1 평면부의 반경 방향 내측의 종단부 및 제2 평면부의 반경 방향 내측의 종단부는, 용접에 의한 열영향부보다도 반경 방향 내측에 위치하고 있는 것을 특징으로 한다.

상기 구성의 압력 제어 밸브에서는, 다이어프램이 변위되었을 때에 다이어프램이 지지되는 위치는 제1 평면부 또는 제2 평면부의 반경 방향 내측의 종단부로 된다. 제1 평면부 및 제2 평면부의 반경 방향 내측의 종단부가 각각 열영향부보다도 반경 방향 내측에 있으므로, 열의 영향을 받고 있지 않은 위치의 제1 지지 부재, 제2 지지 부재 및 다이어프램은, 각각 본래의 경도를 갖고 있게 된다. 이에 의해, 이 압력 제어 밸브에서는, 다이어프램은, 경도가 저하되어 있지 않은 위치에서 경도가 저하되어 있지 않은 제1 평면부 또는 제2 평면부의 반경 방향 내측의 종단부에 의해 지지되므로, 다이어프램의 내구성이 대폭 향상된다고 하는 효과를 발휘한다.

도 1은 실시 형태에 관한 압력 제어 밸브의 중앙 종단면도.
도 2는 실시 형태에 관한 압력 제어 밸브의 주요부를 부분적으로 확대하여 도시한 도 1의 A부 확대 설명도.
도 3은 다이어프램의 내구성을 설명하는 도면이며, (A)는 저압 감지시의 상태를 나타내고, (B)는 고압 감지시의 상태를 나타내고, (C)는 다이어프램에 걸리는 응력의 변화를 나타내는 도면.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해, 자동차용 공조 장치의 가변 용량 압축기에 장착되어 그 토출 용량을 제어하는 데 사용되는 압력 제어 밸브에 적용한 경우를 예로 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 실시 형태에 관한 압력 제어 밸브의 중앙 종단면도, 도 2는 실시 형태에 관한 압력 제어 밸브의 주요부를 부분적으로 확대하여 도시한 도 1의 A부 확대 설명도, 도 3은 다이어프램의 내구성을 설명하는 도면이며, (A)는 저압 감지시의 상태를 나타내고, (B)는 고압 감지시의 상태를 나타내고, (C)는 다이어프램에 걸리는 응력의 변화를 나타내는 도면이다.

이 압력 제어 밸브는, 밸브부(1)와 이 밸브부(1)를 구동 제어하는 감압 액추에이터로서의 파워 엘리먼트(2)를 구비하고 있다. 밸브부(1)는 보디(3)를 갖고, 그 보디(3)에는 도면의 하방의 선단부에 가변 용량 압축기에의 장착시에 그 토출실에 연통되는 포트(4)와, 크랭크실에 연통되는 포트(5)와, 흡입실에 연통되는 포트(6)를 구비하고 있다. 포트(4)에는, 가변 용량 압축기의 토출실로부터 토출 압력 Pd가 도입되고, 포트(5)로부터는, 크랭크실에 제어된 압력의 크랭크실 내 압력 Pc가 출력되고, 포트(6)에는 흡입실의 흡입 압력 Ps가 도입된다.

토출 압력 Pd의 포트(4)와 크랭크실 내 압력 Pc의 포트(5) 사이를 연통하는 냉매 유로에는, 보디(3)와 일체로 형성된 밸브 시트(7)와, 이 밸브 시트(7)에 토출 압력 Pd의 포트(4)의 측으로부터 착좌하도록 배치된 볼 밸브체(8)를 갖고 있다. 이 볼 밸브체(8)는 스프링(9)에 의해 밸브 폐쇄 방향으로 가압되어 있고, 이 스프링(9)의 스프링 하중은, 포트(4)에 나사 장착된 어저스트 나사(10)에 의해 조정된다. 또한, 보디(3)의 축선 위치에는, 샤프트(11)가 축선 방향으로 진퇴 가능하게 보유 지지되어 있다. 이 샤프트(11)는 일단부가 파워 엘리먼트(2)에 접촉되고, 타단부가 볼 밸브체(8)에 접촉되어 있어, 파워 엘리먼트(2)에 의해 감지된 흡입 압력 Ps를 볼 밸브체(8)에 전달한다. 이에 의해, 이 압력 제어 밸브는, 흡입 압력 Ps의 값에 따라서 밸브부(1)의 개방도가 제어되게 된다.

파워 엘리먼트(2)는 밸브부(1)의 보디(3)에 나사 장착되는 로워 하우징(12)(제2 지지 부재)과, 진공실을 구성하는 어퍼 하우징(13)(제1 지지 부재)과, 이들 로워 하우징(12) 및 어퍼 하우징(13)에 의해 둘러싸이는 공간을 구획하도록 배치된 다이어프램(14)을 갖고 있다. 이 다이어프램(14)의 중앙 부분에는, 그 양면으로부터 끼움 지지하도록 2개의 디스크(15, 16)가 배치되어 있다. 밸브부(1)측의 디스크(15)에는, 샤프트(11)의 단부면이 접촉되어 있고, 어퍼 하우징(13) 내의 디스크(16)는 진공실 내에 설치된 스프링(17)에 의해 밸브부(1)측으로 가압되어 있다.

다이어프램(14), 로워 하우징(12) 밸브부(1)의 보디(3)에 의해 둘러싸인 공간은, 샤프트(11)가 삽입 관통되어 있는 보디(3)의 연통 구멍(18)을 통해 흡입 압력 Ps의 포트(6)에 연통되어 있어, 다이어프램(14)이 흡입 압력 Ps를 감지할 수 있도록 되어 있다.

이상의 구성의 압력 제어 밸브는, 가변 용량 압축기에 장착되어 자동차용 공조 장치가 기동되어 있을 때, 파워 엘리먼트(2)가 흡입 압력 Ps를 감지하고, 그 흡입 압력 Ps에 기초하여 밸브부(1)의 밸브 개방도를 제어한다. 파워 엘리먼트(2)가 흡입 압력 Ps의 저하를 감지하면, 다이어프램(14)은 밸브부(1)측으로 변위되어, 볼 밸브체(8)를 밸브 개방 방향으로 밂으로써, 밸브 개방도가 커져, 크랭크실 내 압력 Pc를 상승시킨다. 이에 의해, 가변 용량 압축기는, 그 토출 용량이 저하되는 방향으로 제어되어, 흡입 압력 Ps가 상승한다. 반대로, 파워 엘리먼트(2)가 흡입 압력 Ps의 상승을 감지하면, 다이어프램(14)은 진공실측으로 변위됨으로써, 볼 밸브체(8)가 스프링(9)에 의해 밸브 폐쇄 방향으로 가압되어 밸브 개방도가 작아져, 크랭크실 내 압력 Pc를 저하시킨다. 이에 의해, 가변 용량 압축기는, 그 토출 용량이 증가하는 방향으로 제어되어, 흡입 압력 Ps가 저하된다. 이와 같이 하여, 이 압력 제어 밸브는, 파워 엘리먼트(2)가 감지한 흡입 압력 Ps가 미리 설정된 압력을 유지하도록 토출실로부터 크랭크실로 공급하는 냉매의 유량을 제어하게 된다.

다음에, 파워 엘리먼트(2)의 상세한 구성에 대해 설명한다. 도 1의 A부를 확대하여 도시한 도 2에는, 로워 하우징(12) 및 어퍼 하우징(13)의 외주에 있어서의 플랜지의 부분이 도시되어 있다. 파워 엘리먼트(2)는 디스크(15)를 수용한 로워 하우징(12)과, 디스크(16) 및 스프링(17)을 수용한 어퍼 하우징(13)에 의해 다이어프램(14)을 끼움 지지하고, 이들의 외주연부를 용접에 의해 서로 용착함으로써 구성되어 있다.

이때, 어퍼 하우징(13)의 플랜지는, 다이어프램(14)에 면하는 측에, 외주 단부로부터, 다이어프램(14)과 밀착되는 평면부(21)와, 다이어프램(14)으로부터 이격되는 방향으로 경사진 테이퍼부(22)와, 굴곡부(23)를 갖고 있다. 이에 의해, 어퍼 하우징(13)의 플랜지는, 평면부(21)와 테이퍼부(22) 사이에 변곡점 P1이 형성되고, 테이퍼부(22)와 굴곡부(23) 사이에 변곡점 P2가 형성되게 된다. 이들 변곡점 P1, P2는, 어퍼 하우징(13)의 플랜지의 면에 동심원 상에 형성되고, 모두 다이어프램(14)이 진공실측으로 변위 가능한 범위에 있어서 다이어프램(14)에 접촉되는 부분이다.

한편, 로워 하우징(12)의 플랜지는, 다이어프램(14)에 면하는 측에, 외주 단부로부터, 다이어프램(14)과 밀착하는 평면부(24)와, 굴곡부(25)를 갖고 있다. 이에 의해, 로워 하우징(12)의 플랜지는, 평면부(24)와 굴곡부(25) 사이에 변곡점 P3이 형성되게 된다. 이 변곡점 P3도, 로워 하우징(12)의 플랜지의 면에 원 상에 형성되고, 다이어프램(14)이 밸브부(1)측으로 변위 가능한 범위에 있어서 다이어프램(14)에 접촉되는 부분이다.

또한, 어퍼 하우징(13)의 측과 로워 하우징(12)의 측에서 변곡점 P1, P3의 위치를 어긋나게 하여 어퍼 하우징(13)의 평면부(21)에 있어서의 반경 방향의 길이는, 로워 하우징(12)의 평면부(24)에 있어서의 반경 방향의 길이에 일치하지 않도록 되어 있다. 본 실시 형태에서는, 어퍼 하우징(13)의 평면부(21)의 길이를, 로워 하우징(12)의 평면부(24)의 길이보다도 짧게 하여, 어퍼 하우징(13)의 변곡점 P1과 로워 하우징(12)의 변곡점 P3이 겹쳐지지 않는 위치로 하고 있다. 또한, 다이어프램(14)은 그 감압부인 외주의 끼움 지지부와 디스크(15, 16)에 의한 끼움 지지부 사이의 부분에 코루게이트부가 형성되어 있지 않은 편평한 것을 사용하고, 그 편평한 감압부가 변곡점 P1, P2, P3에 접촉하도록 되어 있다.

파워 엘리먼트(2)는 이상의 형상을 갖는 로워 하우징(12) 및 어퍼 하우징(13)의 플랜지에 의해 다이어프램(14)을 끼움 지지하고, 이들의 외주 단부면을 용접에 의해 기밀하게 접합함으로써 구성된다. 이 용접 공정에 의해, 파워 엘리먼트(2)의 외주부에는, 로워 하우징(12), 어퍼 하우징(13) 및 다이어프램(14)이 용융되어 발생된 모재 용융부(26)와, 그 용접열의 영향을 받은 열영향부(27)가 발생되어 있다.

여기서, 어퍼 하우징(13)의 제1 변곡점 P1 및 로워 하우징(12)의 제3 변곡점 P3은, 반드시 열영향부(27)보다도 반경 방향 내측에 위치하도록 하고 있다. 이 경우, 열영향부(27)가 모재 용융부(26)로부터 반경 방향 내측을 향해 어디까지 도달되어 있는지는, 반경 방향을 따라 플랜지 및 다이어프램(14)의 경도를 순차 측정하여, 경도가 크게 변화된 위치를 구함으로써 알 수 있다. 따라서, 다이어프램(14)이 그 외주에서 지지되는 위치는, 열영향부(27)의 반경 방향 내측의 종단부 위치 P0이고, 여기가 로워 하우징(12), 어퍼 하우징(13) 및 다이어프램(14)의 본래의 경도를 갖고 있는 최외주 위치로 된다.

다음에, 파워 엘리먼트(2)가 낮은 흡입 압력 Ps를 감지하고 있을 때 및 높은 흡입 압력 Ps를 감지하고 있을 때에, 다이어프램(14)에는 어떠한 응력이 걸리고 있는지에 대해 설명한다.

우선, 파워 엘리먼트(2)가 낮은 흡입 압력 Ps를 감지하고 있을 때, 다이어프램(14)은 도 3의 (A)에 나타낸 바와 같이, 밸브부(1)측으로 변위되어 있다. 이때, 다이어프램(14)은 도 3의 (C)에 나타낸 바와 같이, 변곡점 P1, P3이 구동 지지점이 되어, 이들에 의해 지지되어 있으므로 이들에 분산되어 응력 σ1이 걸리고 있다. 또한, 파워 엘리먼트(2)가 높은 흡입 압력 Ps를 감지하고 있을 때에는, 다이어프램(14)은 도 3의 (B)에 나타낸 바와 같이, 진공실측으로 변위되어 있다. 이때, 다이어프램(14)은 도 3의 (C)에 나타낸 바와 같이, 변곡점 P1, P2의 구동 지지점에 의해 지지되어 있으므로, 이들에 분산되어 응력 σ1이 걸리고 있다.

참고를 위해, 다이어프램과 밀착되는 평면부, 테이퍼부 및 굴곡부를 고려하지 않은 구성의 로워 하우징 및 어퍼 하우징을 사용한 통상의 파워 엘리먼트에서는, 경도가 저하되어 있는 열영향부 또는 그 근방의 동일한 겹쳐진 위치에 구동 지지점이 있다. 이로 인해, 다이어프램은, 예를 들어 도 3의 (C)에 1점 쇄선으로 나타낸 바와 같이, 구동 지지점의 1점에 집중되어 피크가 높은 응력 σ2가 걸리고 있게 된다.

이상과 같이, 이 압력 제어 밸브에서는, 다이어프램(14)을 끼움 지지하는 로워 하우징(12) 및 어퍼 하우징(13)의 플랜지가 겹쳐지지 않는 위치에 복수의 변곡점 P1, P2, P3을 형성하고, 이들에 분산되어 응력이 걸리도록 하였다. 이에 의해, 다이어프램(14)은 그 변형시에 응력이 1점에 집중되는 일이 없어지므로, 내구성(수명)을 대폭 향상시킬 수 있다.

또한, 상기한 실시 형태에서는, 어퍼 하우징(13)의 변곡점 P1과 로워 하우징(12)의 변곡점 P3이 겹쳐지지 않도록 하기 위해, 평면부(21)의 길이를 평면부(24)의 길이보다도 짧게 설정하고 있다. 이에 의해, 다이어프램(14)은 그 중립 위치로부터 진공실측으로 변위할 때의 다이어프램(14)의 수압 직경이 최대로 된다. 이때, 제어 동작시에 필요로 하는 수압 직경이 정해져 있으므로, 열영향부(27)가 어퍼 하우징(13)의 변곡점 P1에 가능한 한 근접하도록 어퍼 하우징(13) 및 로워 하우징(12)의 외경을 작게 설정할 수 있다. 이에 의해, 파워 엘리먼트(2)를 소직경화할 수 있으므로, 압력 제어 밸브를 보다 소형으로 할 수 있다. 이 구성은, 흡입 압력 Ps에 대한 볼 밸브체(8)의 리프트 특성에 있어서, 다이어프램(14)이 그 중립 위치로부터 진공실측으로 변위할 때의 다이어프램(14)의 수압 직경을 가능한 한 크게 하여 감도를 높이려고 하는 경우에 효과적이다. 물론, 어퍼 하우징(13)의 평면부(21)의 길이는, 필요에 따라서 평면부(24)의 길이보다도 길게 할 수도 있다. 이 경우에 있어서도, 내구성에 관해서는 평면부(21)의 길이를 평면부(24)의 길이보다도 짧게 한 경우와 다름없다.

또한, 상기한 실시 형태에서는, 어퍼 하우징(13)의 테이퍼부(22)는 1개이지만, 다른 경사각을 갖는 2개 이상의 테이퍼부를 설치하여 다이어프램(14)이 굴곡되는 변곡점의 수를 증가시키는 것도 가능하다.

본 발명은, 어퍼 하우징 및 로워 하우징의 플랜지가 특정 형상을 갖는 파워 엘리먼트를 구비한 가변 용량 압축기용 압력 제어 밸브에 대해 설명하였지만, 마찬가지의 구성을 갖는 파워 엘리먼트를 구비한 온도식 팽창 밸브 및 외부 제어 밸브의 용도에도 적용하는 것이 가능하다.

1 : 밸브부
2 : 파워 엘리먼트
3 : 보디
4, 5, 6 : 포트
7 : 밸브 시트
8 : 볼 밸브체
9 : 스프링
10 : 어저스트 나사
11 : 샤프트
12 : 로워 하우징
13 : 어퍼 하우징
14 : 다이어프램
15, 16 : 디스크
17 : 스프링
18 : 연통 구멍
21 : 평면부
22 : 테이퍼부
23 : 굴곡부
24 : 평면부
25 : 굴곡부
26 : 모재 용융부
27 : 열영향부
P1, P2, P3 : 변곡점
Pc : 크랭크실 내 압력
Pd : 토출 압력
Ps : 흡입 압력

Claims (3)

1. 압력을 감지하는 다이어프램과, 상기 다이어프램을 끼움 지지하도록 배치되어 각각의 외주에 있어서의 플랜지의 외주 단부면이 상기 다이어프램의 외주연부와 함께 용접에 의해 고정되는 제1 지지 부재 및 제2 지지 부재를 구비한 압력 제어 밸브에 있어서,
   상기 제1 지지 부재 및 상기 제2 지지 부재의 플랜지는, 각각 상기 다이어프램에 면하는 측에 상기 다이어프램과 밀착하는 제1 평면부 및 제2 평면부를 갖고,
   상기 제1 평면부의 반경 방향 내측의 종단부 및 상기 제2 평면부의 반경 방향 내측의 종단부는, 상기 용접에 의한 열영향부보다도 반경 방향 내측에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는, 압력 제어 밸브.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 지지 부재의 상기 제1 평면부에 있어서의 반경 방향 내측의 종단부는, 상기 제2 지지 부재의 상기 제2 평면부에 있어서의 반경 방향 내측의 종단부와 겹쳐지지 않는 위치에 설정되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 제어 밸브.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 지지 부재의 상기 제1 평면부에 있어서의 반경 방향의 길이는, 상기 제2 지지 부재의 상기 제2 평면부에 있어서의 반경 방향의 길이보다도 짧게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 제어 밸브.

Images