JP4865703B2 - 容量制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、容量制御弁に関する。特に、弁体が、開弁時に弁口を流れる作動流体の圧力によりハンティングするのを防止する容量制御弁に係わる。

本発明の関連技術として可変容量圧縮機用の容量制御弁が存在する。この容量制御弁は、開弁時に、弁体がソレノイドに流れる電流に応じて弁座との正確な移動位置に開弁しながら作動流体を制御する。しかし、この弁体が作動流体の圧力によりハンティングする問題が生じている。このため、作動流体の制御が不完全となって可変容量圧縮機等の作動が設定通りにならない問題が存する。図４は、この技術に属する容量制御弁の全断面図である（例えば、下記に記載する特許文献１参照）。この容量制御弁は、例えば、空調機などの作動流体の圧力と容量とを制御する。この空調機などでＣＯ_２の作動流体を用いた冷媒サイクルでは、一般に、使用圧力領域が従来の冷媒に比較して１０倍以上の圧力で使用する。このため、作動流体により種々の問題が惹起する。つまり、ＣＯ_２の作動流体に限らず、高圧作動流体では、今までの低圧の作動流体に比較して作動流体の制御が困難になるので、機器の性能に影響する。

図4において、１００は容量制御弁である。容量制御弁１００は、弁本体１０１とソレノイド部１２０から構成されている。ソレノイド部１２０は弁本体１０１と一体に結合している。そして、ソレノイド部１２０に電流が印加されると、その電流に応じて軸受１２３に案内されたソレノイドロッド１２２が作動する。次に、弁本体１０１には、軸方向に貫通する孔が設けられている。この孔に軸１１２が移動自在に配置されている。また、軸１１２に連結した弁体１０２の摺動部が孔と移動自在に嵌合している。この摺動部の寸法はＢである。この弁体１０２は、図示上部側が高圧用弁体１０２Ａに形成されているとともに、ソレノイド部１２０側が低圧用弁体１０２Ｂに形成されている。この高圧用弁体１０２Ａと低圧用弁体１０２Ｂは、各直径の寸法がＤである。また、高圧用弁体１０２Ａと低圧用弁体１０２Ｂとの先端の円錐面に第１弁面１０２Ｃと第２弁面１０２Ｄとが形成されている。

弁本体１０１には、吸入圧力Ｐｓの流体が流れる吸入ポート１０６が設けられており、図示省略の制御室（調圧室）に対して図示省略の通路に設けた吸入用リリーフ弁とオリフィスとを介して連通可能にされている。また、その図示上部には、制御室と第２弁室とに連通可能な第２制御ポート１０５が設けられている。この第２制御ポート１０５は制御圧力Ｐｃ２の流体が流れる。さらに、その図示上部には、第１弁室１０７と制御室とに連通可能な第１制御ポート１０４が設けられている。この第１制御ポート１０４は制御圧力Ｐｃ１の流体が流れる。なお、第２弁室と吸入通路１０６とはバイパス通路を通して連通している。また、弁本体１０１には、第１弁室１０７の吐出ポート１０３と連通する境の第１弁口の周りには第１弁座が設けられており、第１弁座と第１弁面１０２Ｃとが離接して吐出ポート１０３を開閉する。そして、吐出圧力Ｐｄの流体を吐出ポート１０３から第１弁室１０７側へ流入させる。また、流通ポートの第２弁口の周りにも第２弁座が設けられており、第２弁座と第２弁面１０２Ｄとが離接して開閉し第２弁室と吸入ポート１０６とを連通したり遮断したりする。なお、吐出ポート１０３の直径寸法Ａと流通ポートの直径寸法Ｃとは同一寸法である。

このように構成された容量制御弁１００は、弁体１０２の第１弁面１０２Ｃと第２弁面１０２Ｄが離接する第１弁口と第２弁口との直径の寸法が同一寸法である。このため、制御流体Ｐｃ１および制御流体Ｐｃ２が弁体１０２に作用する力は、互いに消し合う。そして、弁体１０２は、吸入圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄだけで動くことになる。また、吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの圧力差がソレノイド部１２０に流れる電流の大きさによって決まる吸引力よりも大きくなったときに、高圧用弁体１０２Ａが開弁して容量制御を行う。このような弁体１０２の作動において、高圧用弁体１０２Ａの直径寸法Ｄが吐出ポート１０３の直径寸法Ａより大きいために、吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの圧力差が小さくなると、圧力による弁体の保持力も小さくなるために、吐出圧力Ｐｄの流体の脈動もしくは乱流により発生する荷重の影響を受けやすくなって弁体１０２が軸方向に脈動する現象のハンティングが惹起する。弁体１０２に、このハンティング現象が惹起すると容量制御が困難になる。そして、ソレノイド部１２０に印加する電流の大きさ（強さ）と弁体１０２の開閉する作動速度が比例しなくなるので、弁体１０２により吐出圧力Ｐｄの流体の容量制御が悪化するおそれがある。

特開２００３−３２８９３６公報（図２および図３）

本発明は、上述のような問題点に鑑み成されたものであって、その発明が解決しようとする課題は、弁体に吐出圧力が作用して開弁したときに弁体にハンティングが惹起するのを防止することにある。また、吐出圧力の容量制御を正確にすることにある。

本発明は、上述のような技術的課題を解決するために成されたものであって、その技術的解決手段は以下のように構成されている。

本発明に係わる容量制御弁は、吐出圧力流体の流れを調節して制御室の圧力又は容量を制御する容量制御弁であって、弁本体に有する弁室と、弁室に連通して吐出圧力の流体を流入させる第１流通路と、第１弁室の第１流通路との間の弁口の周りに有する弁座と、弁室に連通して吐出圧力の流体を流出させる第２流通路と、弁室と案内孔を介して連通する第２弁室と、第２弁室と連通して吸入圧力の流体を流入と流出とが可能な第３流通路と、第１弁室内に配置され、且つ弁座と離接し吐出圧力の流体を流入させる弁部を有するとともに、案内孔と移動自在に嵌合する軸部を有する弁体と、弁体と連結するソレノイドロッドを有するとともに、電流の大きさに応じてソレノイドロッドを移動させるソレノイドとを具備し、弁部と弁座との接合面内の吐出圧力の受圧面積を軸部の受圧面積より大きくしたものである。

この本発明の容量制御弁では、弁室に連通して吐出圧力の流体を流入させる第１流通路と、第１弁室の第１流通路との間の弁口の周りに有する弁座と、弁室に連通して吐出圧力の流体を流出させる第２流通路と、第１弁室内に配置されて弁座と離接し吐出圧力の流体を流入させる弁部を有するとともに、案内孔と移動自在に嵌合する軸部を有する弁体とを具備し、弁部と弁座との接合面内の吐出圧力の受圧面積を軸部の受圧面積より大きくしたものである。このため、弁体に作用する力は、Ｆ＝Ｐｄ×Ｂ−Ｐｓ×Ａ＋Ｐｃ（Ｂ−Ａ）となって、常に弁体を開弁する方向へ作用するために、弁体にハンティング現象が生じるのを防止できる。又、吐出圧力の受圧面積を大きくできることは、第１流体通路の流量を大きくできるので、小型の容量制御弁であっても、制御室の制御能力が優れる。

図１は、第１実施例に係わる容量制御弁の全断面図である。 図２は、本発明の第２実施例に係わる容量制御弁の全断面図である。 図３は、図１に示す容量制御弁における弁部の周りの拡大断面図である 図４は、本発明に類似する関連技術の容量制御弁の全断面図である。

符号の説明

１ 容量制御弁
２ バルブ
２Ａ バルブハウジング（弁本体）
３ 第1弁室
４ 第２弁室
５ 第１流体通路
６ 第２流体通路
７ 第３流体通路
８ 流入空間
９ 弁座
１０ 案内孔
１０Ａ 連結面
２２ 弁体
２２Ａ 外周面
２２Ｂ 弁部
２２Ｃ 弁面
３０ ソレノイド
３１ 可動吸引子
３２ 固定吸引子
３２Ａ 内周面
３３ コイル部
３６ スリーブ
３７ 結合部
３８ ソレノイドロッド

以下、本発明に係わる実施の形態の容量制御弁を図面に基づいて詳述する。尚、以下に説明する各図面は、設計図を基にした正確な図面である。

図１は、本発明に係わる第１実施の形態を示す容量制御弁の全断面図である。また、図３は図１における弁部の周りを示す部分拡大断面図である。図１に於いて（図３も参照する）、１は容量制御弁である。容量制御弁１はバルブ２とソレノイド３０から構成する。バルブ２には、外形の本体を形成するバルブハウジング（弁本体とも言う）２Ａを設ける。このバルブハウジング２Ａは、軸心に第１弁室３を設ける。この第１弁室３に対して外部から吐出圧力Ｐｄの流体を流入させる第１流体通路５を設ける。第１弁室３の第１流体通路５との連通する弁口の受圧面積（弁面と弁座との接合するシール面の受圧面積）がＢである。この第１流体通路５の上流（外部）に設けられた流入空間８には、フィルターを設けてダスト等を除去できるようにする。また、第１弁室３の第１流体通路５との境には弁座９を形成する。

さらに、第１弁室３には、吐出圧力Ｐｄの流体を図示省略の制御室へ流入させる第２流体通路６を設ける。この第２流体通路６を通り制御室へ流れる流体は、制御圧力Ｐｃである。この第２流体通路６は、第１弁室３の中心から放射状に複数個を設けると良い。さらに、第１弁室３の軸心を通る案内孔１０を介して連通する第２弁室４を設ける。第２弁室４には、吸入圧力Ｐｓの流体を流入と流出とを可能にした第３流体通路７を設ける。この第３流体通路７は、第２弁室４の中心から放射状に複数個を設けると良い。このバルブハウジング２Ａの案内孔１０は、軸部の外周面２２Ａの直径寸法よりやや大きい直径寸法にして外周面２２Ａとの間に通路１３Ａを設けて流体が通過できるようにしても良い。このため、吸入圧力Ｐｓと制御圧力Ｐｃとの圧力差により通路１３Ａを一方の流体が他方へ流れることができる。なお、この微少な環状を成す軸部の周りの通路１３Ａは、流体が流れるとき、軸部の外周面２２Ａと案内孔１０との間を均等に流れて軸部を軸芯に保持することができる。

第１弁室３と第２弁室４内に配置する弁体２２は、軸部の受圧面積がＡになる断面積に形成するとともに、軸部の端部に直径Ｃの弁部２２Ｂを設ける。さらに、この弁部２２Ｂの先端は、裁頭円錐状に形成して第１弁座９と離接する弁面２２Ｃに形成する。また、弁体２２の弁部２２Ｂと反対側の端部は凹んだ円錐状に形成して連結面１０Ａにする。この連結面１０Ａの受圧面積もＡである。この弁体２２の軸部と案内孔１０との間の間隙の通路１３Ａを通して第１弁室３の吐出圧力Ｐｄの流体を第２弁室４へ流入可能にする。また、弁体２２の軸部は案内孔１０に案内されて移動するとともに、弁部２２Ｂは第１弁座９と離接させて開閉弁する。そして、この開閉弁により第１流体通路５から吐出圧力Ｐｄの流体を第１弁室３へ流入可能にする。

ソレノイド３０には、バルブハウジング２Ａの端部と嵌着する穴状の凹部を設けた結合部３７を設ける。この結合部３７には、ケース３５が固定されて内部にコイル部３３を配置する。また、コイル部３３の内周部には、スリーブ３６の一端部が固定吸引子３２と結合部３７との間に嵌着するとともに、他端部がケース３５の内周面に結合する。さらに、スリーブ３６の内周面に移動自在に嵌合する可動吸引子３１を設ける。この可動吸引子３１には、ソレノイドロッド３８の一端部を結合する。そして、ソレノイドロッド３８の他端面は弁体２２の連結面１０Ａと接続する。また、可動吸引子３１と対向して配置した固定吸引子３２は、スリーブ３６と結合部３７との内部に嵌着する。

そして、固定吸引子３２は、コイル部３３に流れる電流の大きさに応じて可動吸引子３１を吸引する。この固定吸引子３２の内周面３２Ａはソレノイドロッド３８と間隙を設けて嵌合する。この固定吸引子３２の内周面３２Ａとソレノイドロッド３８との間隙に吸入圧力Ｐｓの流体を流入させて吸入圧力Ｐｓによりソレノイド内で圧力による不釣り合いが作用しないようにする。また、固定吸引子３２の内周面３２Ａの図示上部は、大径にされてばね３４を配置する。このばね３４により常に可動吸引子３１を固定吸引子３２から離れるように弾発状態に押圧している。そして、可動吸引子３１の固定吸引子３２と協働する吸引力と、ばね３８のばね力とが相反する力を加減してソレノイドロッド３８を押圧する力Ｆとなる。

前述のように構成された容量制御弁１は、弁体２２の連結面１０Ａとソレノイドロッド３８の端部とを接合状態に連結する。そして、コイル部３３に流れる電流の大きさに応じて可動吸引子３１を固定吸引子３２に吸引する。一方、可動吸引子３１は、ばね３４により吸引力と反対方向へ弾発に押圧されている。この弁体２２は、コイル部３３に流れる電流の大きさにより可動吸引子３１に生じる吸引力と、反力のばね力との設定力により弁座９と離接して弁口を開閉する。今、コイル部３３に流れる電流が小さくなると、弁体２２が弁座９から離脱して弁口を開弁する。そして、吐出圧力Ｐｄの流体が第１流体通路５から第１弁室３を通り第２流体通路６に流出して制御圧力Ｐｃの流体となる。このとき、第１弁室３の弁口の受圧面積Ｂより軸部の受圧面積Ａが小さく形成されているから、図１又は図３から明らかなように、弁体２２は、下記の（数１）のような力関係により作動する。

（数１）
Ｆ＝Ｐｄ×Ｂ−Ｐｓ×Ａ＋Ｐｃ（Ｂ−Ａ）
ただし、Ｆは、弁体を閉弁する力、
Ｐｄは、吐出圧力、
Ｐｃは、制御圧力、
Ｐｓは、吸入圧力、
Ａは、軸部の受圧面積、
Ｂは、弁口の受圧面積、
なお、弁体２２が開弁するとき、吐出圧力Ｐｄは、制御圧力Ｐｃおよび吸入圧力Ｐｓより大きい。

そして、弁体２２に対して、ソレノイド３０からの力Ｆと弁口から作用する力が対抗する。このため、弁体２２の開弁時には、弁体２２に対して作動流体によりハンティングが惹起するのを防止できる。従来のように、軸部の受圧面積Ａと弁口の受圧面積Ｂとを同一面積にすると、Ｆ２＝Ａ（Ｐｄ−Ｐｓ）となるから、吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓの圧力変動により、弁体２２がハンティングする原因になる。この弁口の受圧面積Ｂは、軸部の受圧面積Ａに対して、１％から２０％の範囲で大きくすると良い。この弁口の受圧面積Ｂは軸部の受圧面積Ａに対して吐出圧力Ｐｄの大きさと、ばね３４のばね力の大きさも考慮して決定する。

図２は、本発明の第２実施の形態を示す容量制御弁１の全断面図である。図２において、図１の容量制御弁１と相違する点は、弁体２２の軸部の外周面２２Ａに円周面の一部を切り欠いて平面１３Ｂを設ける。この外周面２２Ａから平面１３Ｂまでの寸法はＡ−Ｄとなる。この平面１３Ｂを設けることにより、平面１３Ｂと案内面１０との間に通路１３Ａを形成する。そして、軸部の直径と案内孔１０の直径は摺動できる微少な寸法差にして案内孔１３Ａにより軸部の軸芯を保持する。この通路１３Ａは、第２流体通路６と第３流体通路７とを連通して流量を確実に流通させることが可能になる。この通路１３Ａを設けることにより、軸部２２は、作動時に、案内孔１０により軸方向へのみ案内されて径方向へ揺動するのが防止される。このために、弁体２２の弁面２２Ｃは弁座と確実に閉弁することが可能になる。

この容量制御弁１を公知の可変容量圧縮機に取り付けた場合について説明する。可変容量圧縮機は周知であるので図示は省略する。第１流通路５は流入空間８側が図示省略の可変容量圧縮機の吐出室に連通する。また、吐出室は吐出用リード弁を介してシリンダ内に連通している。又、第２流体通路６は、連通路を介して制御室（調圧室）に連通する。さらに、第３流通路７は、吸入室に連通している。そして吸入室には、斜板が回転軸に対して傾斜可能に装着されている。この斜板は、各シリンダに往復自在に嵌合された各ピストンと連結している。そして、容量制御弁１により吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓと制御（調圧室）圧力Ｐｃとの圧力を調節して調圧室内の圧力を変化させ、斜板の角度を変化させてピストンを往復動させる。このピストンの往復によりシリンダ内の容積を変化させる。この容量変化により可変容量圧縮機は最大容量の運転と最小容量の運転をする。この可変容量運転において、弁体２２にハンティングが惹起すると容量制御が不正確になるが、本発明は、ハンティングを防止したので、可変容量圧縮機の正確な運転が可能になる。

以下、本発明に係わる実施態様の発明について、その構成と作用効果を説明する。

本発明に係わる第１発明の容量制御弁は、弁体の軸部と案内孔との間に第１弁室と第２弁室とに連通する流体の通路を有するものである。

この第１発明の容量制御弁では、通路１３Ａによって第１弁室３（第１流体通路５）と第２弁室４（第３流体通路７）とを流体が連通することができる。このため、弁体２２に作用する制御圧力Ｐｃに伴う不釣り合いの力はキャンセルされるので、第１流体通路５からの吐出圧力Ｐｄと、第３流体通路７からの吸入圧力Ｐｓとの差圧のみを弁体２２に作用させることが可能になる。又、吸入圧力Ｐｓはソレノイド３０の作動部側にあって、ソレノイドロッド３８と固定吸引子３２の内周面３２Ａとの間隙からソレノイド３０の作動部内に供給できるから、ソレノイドロッド３８が作動時に、吸入圧力Ｐｓによって不用な作用力が受けるのを防止できる。

本発明に係わる第２発明の容量制御弁は、案内孔が軸部と摺動自在に嵌合して案内するとともに、通路が軸部の外周面を切り欠いた間隙により形成されているものである。

この第２発明の容量制御弁では、弁体２２における軸部の外周面２２Ａを切り欠いて形成した通路１３Ａにより、切り欠きを除いて軸部と案内孔１０とを接合状態に摺動するので、軸部を案内孔１０により案内して軸芯の揺れが防止できる。このために、弁体２２の作動時に、弁体に作用する不釣り合いとなる力をキャンセルするとともに、弁部２２Ｂと弁座９とが正確に離接して開閉弁することを可能にする。このため、容量制御弁１の圧力制御及び容量制御が向上する。

以上のように、本発明の容量制御弁は、空気機械、圧縮機等に用いて有用である。特に、弁体のハンティングを防止して容量制御を確実にした容量制御弁として有用である。

Claims (2)

1. 吐出圧力流体の流れを調節して制御室の圧力又は容量を制御する容量制御弁であって、
   弁本体に有する第１弁室と、
   前記第１弁室に連通して前記吐出圧力の流体を流入させる第１流体通路と、
   前記第１弁室の前記第１流体通路との間の弁口の周りに有する弁座と、
   前記第１弁室に連通して前記吐出圧力の流体を流出させる第２流体通路と、
   前記第１弁室に案内孔を介して連通する第２弁室と、
   前記第２弁室と連通して吸入圧力の流体を流入又は流出させる第３流体通路と、
   前記第１弁室に配置され、且つ、一端には前記弁座と離接して前記吐出圧力の流体を流入させる弁部を有し他端には連結面を有するとともに 前記案内孔と移動自在に嵌合する軸部を有する弁体と、
   前記弁体の前記連結面と連結するソレノイドロッドを有するとともに、印可される電流に応じてソレノイドロッドを移動させるソレノイドとを具備し、
   前記弁部と前記弁座との接合面内の前記吐出圧力の受圧面積を前記軸部の前記連結面の受圧面積より大きくした容量制御弁。
2. 前記弁体の前記軸部の外周面と前記案内孔とを摺動自在に嵌合するとともに、前記軸部と前記案内孔との間に、前記第１弁室と前記第２弁室とに連通する流体の通路が、前記軸部の外周面の円周面の一部を切り欠いた間隙により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の容量制御弁。

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