JP4810647B2 - 差圧弁 - Google Patents

Description

本発明は、差圧弁に関し、特に自動車用空調装置にて車両用エンジンと直結して駆動されるクラッチレス方式の可変容量コンプレッサに用いて好適な差圧弁に関する。

自動車用空調装置は、車両用エンジンを動力源とする冷媒圧縮用のコンプレッサを備えている。このコンプレッサは、車両の走行状態によって車両用エンジンの回転数が大幅に変動するため、その回転数に関係なく吐出容量を設定した容量に保持することができるように吐出容量を可変することができる可変容量コンプレッサが用いられている。この可変容量コンプレッサは、電磁クラッチを介して車両用エンジンに連結されており、自動車用空調装置を使用していないときには、電磁クラッチを切断して車両用エンジンの動力を可変容量コンプレッサへ伝達しないようにし、自動車用空調装置の動作中は、電磁クラッチを繋いで可変容量コンプレッサを車両用エンジンによって駆動するようにしている。

一般に、車両に電磁クラッチを設けると、その分だけ車両の重量が増加し、製造コストが上昇することになる。また、電磁クラッチの作動時には、大きな電力を消費する。このことから、電磁クラッチの搭載を廃止し、車両用エンジンと直結する構成にした、いわゆるクラッチレス方式の可変容量コンプレッサが知られている。このクラッチレス方式の可変容量コンプレッサは、車両用エンジンが回転しているときは常時回転駆動されているため、特に自動車用空調装置を起動していないときには、吐出容量が最小となるような運転状態に制御されていることが必要である。

しかしながら、可変容量コンプレッサが最小容量の運転状態に制御されるといっても、吐出容量はゼロではない。そのため、可変容量コンプレッサは、最小容量分の冷媒を吐出し続けることになって、冷凍サイクル内での冷媒の循環が継続的に行われることになる。自動車用空調装置の停止中は、蒸発器に車室内の空気を送って熱交換させるためのブロワが動作していないので、蒸発器では熱交換が行われない。そのため、蒸発器は、膨張弁から冷えた冷媒が送り込まれても蒸発することなく中に溜まったり、外表面に霜が付着して凍結したりすることが生じていた。また、冷媒には冷凍機オイルが含まれていて冷凍サイクルを循環するようにしているが、最小容量の運転状態では、コンプレッサ内部の冷凍機オイルが吐出されたままとなって、凝縮器、蒸発器などに溜まってコンプレッサに戻ってこなくなり、コンプレッサが焼き付いてしまうことがあった。

そこで、クラッチレス方式の可変容量コンプレッサでは、その吐出室から冷媒が吐出される通路に逆止弁構造の差圧弁を設けるようにしている。逆止弁は、一般に弁座に対して冷媒流れの下流側に弁体を配し、その弁体をスプリングによって閉弁方向に付勢する構成がとられているので、開弁方向の流れに対してはできるだけ圧力損失を生じさせないように閉弁方向に作用するスプリングをばね荷重の弱いものにしている。これに対し、可変容量コンプレッサに用いられる差圧弁は、逆止弁よりもばね荷重の強いスプリングを用いており、自動車用空調装置が停止中のときのように吐出圧力が低いときには閉弁し、吐出圧力がある程度以上高くなったときに、開弁して冷媒を吐出するようにしている。

このような差圧弁においては、可変容量コンプレッサがその最小容量で運転されているときに、差圧弁が吐出室の出口を閉塞した状態で最小容量の圧縮を行っているため、吐出室の圧力は、徐々に高くなっていく。差圧弁の弁体に対して吐出圧力により開弁方向に作用する荷重が閉弁方向に作用しているスプリングの荷重を超えると差圧弁は開き始める。そして差圧弁が開くと、冷媒が下流側に流れて吐出室の圧力が低下するため、弁体がスプリングの荷重に押されて差圧弁は閉じ始める。

このように、可変容量コンプレッサが最小容量で運転しているとき、差圧弁は微少開度の開閉を繰り返すというハンチング現象が発生する。このハンチング現象とは、冷媒流量がほとんど変化しないで、差圧が大きく増減する現象であって、これが発生すると弁体が弁座を叩くことになって、その叩き音が振動音、騒音を発生させることになる。

こうしたハンチング現象を抑えるようにした差圧弁は、すでに提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この差圧弁では、弁が開き始めるときは、吐出室から冷媒が吐出されていく通路の開口面積を小さくし、吐出圧力に押されて弁体のリフト量が大きくなるに従って、通路の開口面積を大きくなるような流量制御を実現している。これにより、弁が開き始めるときと弁が閉じ終えるときの通路の開口面積が小さくなって、吐出室の圧力が急減しないため、ハンチング現象の発生が抑えられている。

ここで、本発明が対象としている差圧弁は、特許文献１に記載のものと構造が異なるものなので、対象としている従来の差圧弁について説明する。
図５は、従来の差圧弁における弁体形状を示す斜視図である。この弁体１００には、円周上に切り欠きによって形成された３つの開口部１００ａ〜１００ｃを有し、その開口部１００ａ〜１００ｃが先端方向に向かって大きくなるような形状に変化しているので、これを筒状の弁座と組み合わせることで、上述した特許文献１のものと同様の流量制御が実現できる。

図６には、弁体１００をボディ内に配置してコイルスプリング１０２でハウジング１０１と一体の筒状の弁座１０３の座面１０３ａに押し付けた閉弁状態の差圧弁が示されている。ここでは、上方に開いた入口ポート１０４から、図示しない可変容量コンプレッサによって圧縮された冷媒が導入される。コイルスプリング１０２は、弁体１００を弁座１０３の座面１０３ａ方向に押圧するように配置される。弁体１００には、座面１０３ａに着座するシール面１０５の外側に筒状突起部１０６が形成されている。弁体１００に筒状突起部１０６を形成したことにより、弁体１００が軸線方向に進退移動するとき、弁座１０３の外周面１０３ｂがガイド面として機能する。入口ポート１０４で圧縮された冷媒の圧力が高くなり、出口ポート１０７側との差圧がコイルスプリング１０２のばね荷重より大きくなると、弁体１００が図の下方に移動を始める。

図７は、３つの開口部の位置関係を示す弁体の平面図である。弁体１００の開口部１００ａ〜１００ｃは、この図に示すように、筒状突起部１０６の円周上にそれぞれ１２０°の等間隔で、互いに同じ大きさに形成されている。弁体１００が軸線方向に進退移動するとき、３つの開口部１００ａ〜１００ｃが均等に、かつ連続的に開口面積が漸増するように開く。したがって、弁が開き始めるときと弁が閉じ終えるときの開口部１００ａ〜１００ｃが形成する通路面積は小さく、弁体１００に作用する圧力が急減しないため、ハンチング現象の発生が抑えられている。

しかも、この筒状突起部１０６を構成する３つの突起１０６ａ〜１０６ｃは、１２０°の等間隔で均等に配置されているため、弁体１００に対して、その軸線方向には、冷媒の圧力に対応した荷重がかかるが、軸線周りの半径方向には圧力が均等にかかって釣り合った状態になっているので、弁体１００は開閉方向にスムーズに動作することになる。
特開２０００−３４６２１７号公報（段落番号［００１９］〜［００４６］）

しかし、弁体１００に対する軸線周り半径方向の圧力は１２０°間隔で均等に荷重がかかってバランスが取れているため、微少に開いているときには、弁体１００は何らかの拍子でふらふらしてしまい、それが筒状の弁座１０３の外周面１０３ｂに当たることになるので、開閉に伴うノイズをまったく無くしてしまうことはできなかった。

また、コイルスプリング１０２は、その構造上、弁体１００を弁座１０３の座面１０３ａ方向に均一に付勢しているとは限らないので、図８に示すように弁体１００のシール面１０５が斜め方向に付勢することになり、したがって、微少に開いているときには、開口部１００ａ〜１００ｃの開口面積が均等にならないため、弁体１００は揺動してしまい、弁座１０３を繰り返し衝打することで発生するノイズは益々大きくなるという問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、可変容量コンプレッサがその最小容量で運転されているときのノイズの発生を抑制できる差圧弁を提供することを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、可変容量コンプレッサの吐出室に連通する通路に配置されて入口および出口における圧力差が所定の圧力を超えると開弁するものであって、前記吐出室からの冷媒が導入される入口ポートと、前記入口ポートの周縁部から下流側に延出された筒状の弁座と、前記弁座の端面に対して接離するシール面、このシール面の外周縁部から前記弁座を囲撓するように延出された筒状突起部、および、前記筒状突起部に先端方向に向かって大きくなるような形状に形成された複数の開口部を有する弁体と、前記弁体を閉弁方向に付勢するスプリングと、を備えた差圧弁において、前記弁体の前記筒状突起部を筒状の前記弁座の外周面に押し付けるような荷重を発生させる荷重発生手段を有していることを特徴とする差圧弁が提供される。

このような差圧弁によれば、荷重発生手段が弁体を弁座の外周面に押し付けながら開閉動作をする。これにより、微少開度で繰り返し開閉するときに、弁体がふらついたり傾斜状態で揺動したりすることなく、弁体が常に弁座に摺接状態で開閉するので、弁体が弁座に衝打されることに伴うノイズの発生が抑制される。

本発明の差圧弁では、弁体の筒状突起部を弁座の外周面に押し付ける荷重を発生させるようにしたので、常に弁体が弁座に摺接した状態で開閉動作するから、微少開度で繰り返し開閉しても、弁体が弁座を衝打することはないので、それによるノイズの発生を大幅に抑制することができ、静謐性を保持できる。

以下、本発明に係る差圧弁の実施の形態について、クラッチレス方式の可変容量コンプレッサに適用した場合を例に図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る差圧弁の構成を閉弁状態で示す断面図であり、図２は、本発明による差圧弁の弁体形状を示す斜視図、図３は、本発明による差圧弁の開口部の配置を示す平面図である。

本発明による差圧弁１は、ハウジング２、ボディ３、弁体４、およびコイルスプリング５とから構成されている。ハウジング２は、可変容量コンプレッサの吐出室に通じる通路に嵌合される真鍮製のもので、その中央部に入口ポート６を有し、その入口ポート６の周縁部にはこれより垂下された筒状の弁座７が一体に形成されている。その弁座７は、弁体４に対向する先端部分に座面８が形成されている。ハウジング２にかしめ加工によって結合されたたとえば樹脂製のボディ３は、その底面に複数の出口ポート９が周設され、中央部には上向きの筒状部１０が一体に形成されている。この筒状部１０は、弁体４にその軸線方向に突設された筒状延出部１１を軸線方向に進退可能に保持している。ボディ３の筒状部１０と弁体４の筒状延出部１１とは、ダンパ室を構成し、弁体４が軸線方向に振動するのを抑制するようにしている。なお、冷媒に含まれる冷凍機オイルがダンパ室に溜まるのを防ぐために、ボディ３にオイル抜き孔１２が穿設されている。

弁体４は、座面８に着座するシール面１３の外側に弁座７の外周面を囲撓するように筒状に突設された筒状突起部１４が一体に形成されている。この筒状突起部１４は、弁座７の外周面がガイド面となって弁体４を軸線方向に進退移動させることができる。

また、コイルスプリング５は、ボディ３の筒状部１０に外挿され、弁体４を閉弁方向に付勢するように、その上端部が弁体４の背面と接触している。
こうして、弁体４は軸線方向に進退可能な状態でボディ３内に設けられ、コイルスプリング５によって弁座７の座面８方向に押圧されている。したがって、可変容量コンプレッサによって圧縮された冷媒が入口ポート６に導入されても、その圧力がコイルスプリング５のばね荷重を越えない範囲であれば、入口ポート６の端面が座面８となって弁体４が着座した状態となり、出口ポート９に冷媒は送られない。

次に、この発明に係る差圧弁の特徴である弁体４について詳述する。弁体４の筒状突起部１４には、図２に示すように、開口部として２つの窓１５，１６が同じ大きさで形成されている。この筒状突起部１４のうち、窓１５，１６が形成されていない部分は、ボディ３の弁座７の長さに略対応する高さに構成されている。それぞれの窓１５，１６は、弁体４の軸線方向にカットされた側面１５ａ，１６ａと、シール面１３に対して所定角度に傾斜された傾斜面１５ｂ，１６ｂと、シール面１３に平行な底面１５ｃ，１６ｃとを有しており、傾斜面１５ｂ，１６ｂの部分において、軸線方向の開口面積が徐々に変化するようにしている。

また、これらの窓１５，１６は、図３に示すように、弁体４の軸線周りで偏った位置に配置されている。この実施の形態では、窓１５，１６は、その底面１５ｃ，１６ｃの中心が弁体４の軸線周りで互いに１５０°離れて配置されている。

したがって、出口ポート９に連通する窓１５，１６の開口面積は、弁体４のリフト量に応じて連続的に漸増する。すなわち、可変容量コンプレッサによる冷媒圧力によって弁体４が開き始めるときには、弁体４のシール面１３が弁座７の座面８から離座した後、その冷媒通路の開口面積が徐々に大きくなり、反対に、弁体４が閉じ終えるときには開口面積が徐々に小さくなる。しかも、弁体４の開き始めから開き切るまでの間では、入口ポート６に導入された冷媒圧力を受ける弁体４の筒状突起部１４の内側壁面の面積が、窓１５と窓１６の間隔（１５０°と２１０°）に応じて異なっている。その結果、弁体４の軸線方向に対して横方向への荷重が全周で均一にならず、弁体４には偏った荷重がかかることになる。

次に、弁体４に作用する圧力について説明する。
図４は、弁体に対して横方向の荷重が発生する状態を示す説明図である。
まず、差圧弁１は、その前後の差圧が十分に小さく、弁体４のシール面１３が弁座７の座面８に着座していることによって閉じているとき、入口ポート６に導入された冷媒の圧力Ｐは、弁体４のシール面１３に対して垂直方向にかかっている。

圧力Ｐが高くなって出口ポート９の圧力との差圧が所定値を超えると、弁体４が図の下方に押し下げられてリフトしていく。このとき、弁体４と弁座７との間のクリアランスを介して冷媒が全周から漏れ始めるが、その際に、弁体４の筒状突起部１４の内周面に荷重がかかることになる。

筒状突起部１４は、円周方向に異なる間隔で窓１５，１６が設けられているので、圧力Ｐを受ける筒状突起部１４の内周面において、窓１５，１６によって区切られた領域の面積が円周方向で不均一になっている。そのため、窓１５，１６によって区切られた領域のうち、円周方向に長い領域（２１０°の領域）が円周方向に短い領域（１５０°の領域）よりも大きな受圧面積を有しているため、円周方向に長い領域の方向に対してより大きな横荷重（図の左方向の荷重）が発生し、この結果、弁体４は、筒状の弁座７に横方向に押し付けられながら、軸線方向に開閉動作することになる。これにより、弁体４は、開閉動作時に横にふらついたり、傾斜した状態で揺動したりすることがなくなるので、弁体４が微少開度で繰り返し開閉するときに、弁体４は弁座７と摺接しながら開閉するので、弁体４が弁座７の側面に衝打されることがなくなり、それに伴うノイズの発生も抑制されることになる。

なお、上記の実施の形態では、弁体４の筒状突起部１４に形成される開口部（窓１５，１６）の数を２つとしたが、本発明は、その特定の実施の形態に限定されるものではない。すなわち、本発明の差圧弁は、弁体に横荷重を発生させることができればよいので、従来のように弁体の筒状突起部に３つの開口部を有する場合でも、その開口部の円周方向の配置が均等にならないようにすればよい。したがって、開口部の数は、３つ以上であってもよいし、１つでも良い。

また、筒状突起部を弁座の外周面に押し付けるようなスプリングを配置しても同様の効果を奏することができる。たとえば筒状突起部の内周面側に筒状突起部と一体または別体の板ばねを配置することで、弁体に横荷重を発生させることができる。

上記の実施の形態では、クラッチレス方式の可変容量コンプレッサに使用される差圧弁として詳述したが、電磁クラッチ方式の可変容量コンプレッサはもちろん、他の分野の機器にて所定の差圧以上で開弁するために設置される差圧弁においても同様に適用することができる。

本発明に係る差圧弁の構成を閉弁状態で示す断面図である。 本発明による差圧弁の弁体形状を示す斜視図である。 本発明による差圧弁の開口部の配置を示す平面図である。 弁体に対して横方向の荷重が発生する状態を示す説明図である。 従来の差圧弁における弁体形状を示す斜視図である。 従来の差圧弁の構成を閉弁状態で示す断面図である。 従来の差圧弁の３つの開口部の位置関係を示す弁体の平面図である。 従来の差圧弁の弁体に作用する圧力について説明する図である。

符号の説明

１ 差圧弁
２ ハウジング
３ ボディ
４ 弁体
５ コイルスプリング
６ 入口ポート
７ 弁座
８ 座面
９ 出口ポート
１０ 筒状部
１１ 筒状延出部
１２ 孔
１３ シール面
１４ 筒状突起部
１５，１６ 窓
１５ａ，１６ａ 側面
１５ｂ，１６ｂ 傾斜面
１５ｃ，１６ｃ 底面

Claims (4)

1. 可変容量コンプレッサの吐出室に連通する通路に配置されて入口および出口における圧力差が所定の圧力を超えると開弁するものであって、
   前記吐出室からの冷媒が導入される入口ポートと、
   前記入口ポートの周縁部から下流側に延出された筒状の弁座と、
   前記弁座の端面に対して接離するシール面、このシール面の外周縁部から前記弁座を囲撓するように延出された筒状突起部、および、前記筒状突起部に先端方向に向かって大きくなるような形状に形成された複数の開口部を有する弁体と、
   前記弁体を閉弁方向に付勢するスプリングと、
   を備えた差圧弁において、
   前記弁体の前記筒状突起部を筒状の前記弁座の外周面に押し付けるような荷重を発生させる荷重発生手段を有していることを特徴とする差圧弁。
2. 前記荷重発生手段は、前記筒状突起部の円周方向に複数の前記開口部が異なる間隔で配置することによって構成され、前記入口ポートに導入された冷媒の圧力によって前記筒状突起部を前記弁座の外周面に押し付ける荷重を発生させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の差圧弁。
3. 前記荷重発生手段は、前記筒状突起部を前記弁座の外周面に押し付けるスプリングであることを特徴とする請求項１記載の差圧弁。
4. 前記弁体の軸線方向に突設された筒状延出部と、前記弁体を収容するボディに一端が閉じるよう形成されていて前記筒状延出部を前記軸線方向に進退可能に保持する筒状部とを有するダンパ室を備えていることを特徴とする請求項１記載の差圧弁。
   

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