JP2005098197A - 可変容量圧縮機用容量制御弁 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ソレノイド電流のステップ変化に対して吐出圧力Pdと吸入圧力Psとの差圧の変化時に生じるオーバシュートを抑制したPd−Ps差圧制御式可変容量圧縮機のための容量制御弁を提供する。
【解決手段】 吐出室からクランク室への冷媒流量を制御するPd−Pc弁およびこれに連動してクランク室内から吸入室への冷媒流量を制御するPc−Ps弁を有する弁部1とソレノイド部2とを備え、Pc−Ps弁の弁体11にスプール弁体11aを設けて、Pd−Pc弁の全閉側のストローク領域でスプール弁体11aと弁孔との間のクリアランスに冷媒を通過させる構造にすることにより、ストローク変化に対して開口面積の変化しない特性にした。これにより、ソレノイド電流をステップ状に急変させても、クリアランスの存在によってクランク室内の圧力Pcが急変するのを抑えることができる。
【選択図】 図1

Description

本発明は可変容量圧縮機用容量制御弁に関し、特に自動車用空気調和装置の冷凍サイクルの中で冷媒ガスを圧縮する可変容量圧縮機に使用される可変容量圧縮機用容量制御弁に関する。
自動車用空調装置の冷凍サイクル中で冷媒を圧縮するために用いられる圧縮機は、エンジンを駆動源としているので、回転数制御を行うことができない。そこで、エンジンの回転数に制約されることなく適切な冷房能力を得るために、冷媒の圧縮容量を変えることができる可変容量圧縮機が用いられている。
このような可変容量圧縮機においては、エンジンによって回転駆動される軸に取り付けられた揺動板に圧縮用ピストンが連結され、揺動板の角度を変えることによってピストンのストロークを変え、これによって冷媒の吐出量、すなわちコンプレッサの容量を変えるようにしている。
揺動板の角度は、密閉されたクランク室内に圧縮された冷媒の一部を導入し、そのクランク室内の圧力Pcを変化させ、ピストンの両面にかかる圧力の釣り合いを変化させることによって連続的に変えている。
可変容量圧縮機のクランク室内の圧力Pcは、可変容量圧縮機の吐出室とクランク室との間およびクランク室と吸入室との間にそれぞれ冷媒通路を形成し、吐出室からクランク室を介して吸入室へ流れる冷媒の流量をクランク室の前後で制御することによって変化させることができる。具体的には、吐出室とクランク室との間およびクランク室と吸入室との間の冷媒通路の一方に容量制御弁を設け、他方の冷媒通路にオリフィスを設けて、容量制御弁がその冷媒通路を連通または閉塞させるよう制御して、クランク室内の圧力Pcを制御している。
さらに、吐出室とクランク室との間およびクランク室と吸入室との間の冷媒通路にそれぞれ配置されて相互に連動する2つの制御弁を備えた容量制御弁も知られている(たとえば、特許文献1参照。)。この特許文献1に記載の可変容量圧縮機用容量制御弁は、可変容量圧縮機の吐出圧力Pdと吸入圧力Psとの差圧(Pd−Ps)を所定値に保つように吐出容量を制御するものであって、吐出室からクランク室へ流れる冷媒の流量を制御する高圧の第1の制御弁(以下、Pd−Pc弁ということもある)と、クランク室から吸入室へ流れる冷媒の流量をPd−Pc弁に連動して制御する低圧の第2の制御弁(以下、Pc−Ps弁ということもある)と、吐出圧力Pdと吸入圧力Psとの間の所定の差圧(Pd−Ps)を電流値によって外部から設定することができるソレノイドとを備えている。
図7は従来の容量制御弁の特性を示す図、図8は従来の容量制御弁を用いた可変容量圧縮機の特性を示す図である。
高圧および低圧用の2つの制御弁を備えた容量制御弁は、図7に示したように、Pd−Pc弁が閉じている状態から開口面積が大きくなる方向に変化するとき、これに連動してPc−Ps弁が全開の状態から開口面積が小さくなる方向に変化し、逆に、Pd−Pc弁が全開状態から開口面積が小さくなる方向に変化するとき、これに連動してPc−Ps弁が全閉の状態から開口面積が大きくなる方向に変化する特性を有している。
このような容量制御弁では、ソレノイドに供給する電流の値に対応してストローク位置が変化した場合、Pd−Pc弁およびPc−Ps弁の開口面積が互いに逆方向に変化するため、可変容量圧縮機の吐出室とクランク室との間およびクランク室と吸入室との間の一方に開口面積が一定のオリフィスを設ける構成にした場合に比較して、同じストローク変化に対するクランク室内の圧力Pcの変化が大きくなり、可変容量の変化をより迅速に行わせることができる。
特開2003−35269号公報(段落番号〔0023〕〜〔0034〕,図2)
しかしながら、従来の容量制御弁を用いた可変容量圧縮機では、図8にその特性を示したように、ソレノイド電流をステップ状に変化させたとき、電流変化に対するクランク室内の圧力Pcが大きく変動し、これに伴って制御対象圧力である吐出圧力Pdと吸入圧力Psとの差圧(Pd−Ps)も大きく変動して大きなオーバシュートが生じるため、ソレノイド電流を変えた瞬間だけ可変容量圧縮機が消費するトルクの変動が大きくなり、結果としてエンジンの負荷変動も大きくなるという問題点があった。
すなわち、ソレノイド電流をたとえば図8に示したようにステップ増加させた場合に、Pd−Pc弁が閉じ方向に変化し、Pc−Ps弁が開き方向に変化するが、それによるクランク室内の圧力Pcの低下が急激過ぎるために、クランク室内の圧力Pcは一時的に急減してから所定の圧力Pcに整定するように変化する。可変容量圧縮機は、クランク室内の圧力Pcの急激な低下に反応して吐出容量が大きくなり過ぎ、結果的に、可変容量圧縮機の消費するトルクが急増してオーバシュートが生じてしまうことになるのである。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、ソレノイド電流のステップ変化に対して吐出圧力と吸入圧力との差圧の変化時に生じるオーバシュートを抑制した可変容量圧縮機用容量制御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、クランク室内の圧力を制御して吐出室の吐出圧力と吸入室の吸入圧力との差圧を所定の差圧に保つように可変容量圧縮機の吐出容量を変化させる可変容量圧縮機用容量制御弁において、前記吐出室から前記クランク室に導入する冷媒の流量を制御する第1の制御弁と、前記クランク室から前記吸入室に導出する冷媒の流量を制御するものであって前記第1の制御弁に連動して開口面積が大きくなる方向に動作するときに所定値以上ストロークしても開口面積の変化しない流量規制手段を有している第2の制御弁と、前記第1および第2の制御弁に対して前記所定の差圧に対応したソレノイド力を与えるソレノイド部と、を備えていることを特徴とする可変容量圧縮機用容量制御弁が提供される。
このような可変容量圧縮機用容量制御弁によれば、第2の制御弁が流量規制手段を有していることにより、ソレノイド部に供給するソレノイド電流をステップ状に変化させた場合、それによってクランク室内の圧力が急変するが、第2の制御弁の流量規制手段がクランク室内の圧力の低下し過ぎまたは上昇し過ぎを抑制する作用をする。これにより、制御対象圧力である吐出圧力と吸入圧力との差圧もオーバシュートしなくなるため、可変容量圧縮機が消費するトルクの変動が小さくなる。
本発明の可変容量圧縮機用容量制御弁は、第2の制御弁に流量規制手段を設けてソレノイド電流のステップ変化時に起きるクランク室内の圧力のオーバシュートを抑えることができるため、制御対象圧力および可変容量圧縮機が消費するトルクの変動も小さくできるので、結果として、可変容量圧縮機を駆動するエンジンの負荷変動を小さくできるという利点がある。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図1は第1の実施の形態に係る容量制御弁を示す中央縦断面図、図2は第1の実施の形態に係る容量制御弁の特性を示す図、図3は第1の実施の形態に係る容量制御弁を用いた可変容量圧縮機の特性を示す図である。
この容量制御弁は、弁部1とソレノイド部2とから構成されている。弁部1は、図の上部が開口したボディ3を有し、その開口部にはプラグ4が嵌合されている。このプラグ4は、その軸線方向に貫通する穴を有し、図の上端開口部が可変容量圧縮機の吐出室から吐出圧力Pdの冷媒を受けるポート5を構成し、図の下端部が弁座6を構成している。この弁座6に対向してボール弁体7が接離自在に配置されており、このボール弁体7が配置されている空間は、ボディ3に形成されたポート8を介して可変容量圧縮機のクランク室に連通するようになっている。したがって、ボール弁体7および弁座6は、吐出圧力Pdの冷媒の流量を制御して圧力Pcの冷媒をクランク室に供給するPd−Pc弁(第1の制御弁)を構成している。
ボディ3は、また、可変容量圧縮機の吸入室に連通するポート9が設けられ、ポート8とポート9との間の通路には、弁座10がボディ3と一体に形成され、その弁座10に対向してPd−Pc弁のボール弁体7を保持している弁体11が接離自在に配置されている。この弁体11とプラグ4との間には、スプリング12が配置され、ボール弁体7を開弁方向に付勢しているとともに、弁体11を閉弁方向に付勢している。弁体11および弁座10は、クランク室の圧力Pcの冷媒の流量を制御して吸入圧力Psの冷媒を吸入室に供給するPc−Ps弁(第2の制御弁)を構成している。
ここで、この容量制御弁の特徴的なところは、Pd−Pc弁の全閉側の領域で開口面積の変化しないスプール弁構造を有していることである。このため、弁体11は、その弁座10に対向する端面に弁孔内に配置されるスプール弁体11aが一体に形成されている。したがって、このPc−Ps弁は、弁体11がその軸線方向に進退移動してPd−Pc弁が開き始めるストローク領域では、スプール弁体11aと弁孔との間のクリアランスによって決まる開口面積が変化せず、Pd−Pc弁の全開側のストローク領域では、弁体11と弁座10との間の開口面積が変化する、スプール弁を構成している。この開口面積が変化しないクリアランスが本発明の流量規制手段を構成している。
さらに、ボディ3は、その図の上端にストレーナ13が冠着され、ポート9には、吸入圧力Psをソレノイド部2の内部に伝達する通路14が形成されている。なお、この弁部1では、Pc−Ps弁は、Pd−Pc弁よりも弁孔の径を大きくして、開いたときに大流量の冷媒を一気に流すことができるようにしている。
ソレノイド部2は、その中心に上端部がボディ3の下端部に螺着されたコア15を有し、これを取り囲むようにヨーク16の上端部がボディ3の下端部に螺着されている。ヨーク16の内側には、スリーブ17が配置され、ヨーク16およびスリーブ17の図の下端部には中空のホルダ18が設けられている。ホルダ18の開口部には、アジャストねじ19が螺着されている。
コア15は、その中央に貫通孔を有し、その間通孔を貫通してシャフト20が配置されている。このシャフト20は、その一端がボディ3に形成された貫通孔に支持され、他端部がアジャストねじ19に形成された凹部に支持されている。シャフト20は、また、その一端に縮径されて一体に形成されたシャフト21を有し、弁体11に嵌入されて、弁体11およびこれに保持されているボール弁体7を芯決めしている。シャフト20は、Pd−Pc弁の弁孔と同じ径を有し、ボール弁体7が吐出圧力Pdを受ける受圧面積とシャフト20の図の下端面が通路14を介してソレノイド部2の中に導入された吸入圧力Psを受ける受圧面積と同じになるようにしている。
ソレノイド部2は、また、コア15とアジャストねじ19との間にてシャフト20に固定されたプランジャ22と、コア15とプランジャ22との間に配置されたスプリング23と、プランジャ22とアジャストねじ19との間に配置されたスプリング24と、スリーブ17とヨーク16との間に配置されたコイル25とを有し、このコイル25は、防水カプラ26を介して外部に引き出されたハーネス27に電気的に接続されている。
以上のようなPd−Pc弁およびPc−Ps弁を有する容量制御弁において、自動車用空気調和装置が運転停止している、若しくは冷凍負荷が最小状態で運転している場合のように、ソレノイド部2のコイル25にソレノイド電流が供給されていないときには、プランジャ22はスプリング23によってコア15から離れる方向に付勢され、ボール弁体7および弁体11はスプリング12によってソレノイド部2の側に付勢されているので、高圧用のPd−Pc弁は全開、低圧用のPc−Ps弁は全閉状態になっている。このときに、可変容量圧縮機の吐出室から吐出圧力Pdが導入されると、その吐出圧力PdはPd−Pc弁を介してクランク室に導入される。クランク室から吸入室に抜ける冷媒流路はPc−Ps弁により閉塞されているので、クランク室の圧力Pcは吐出圧力Pdに近い値になり、可変容量圧縮機のピストンの両面にかかる圧力差が最も小さくなって、揺動板はピストンのストロークが最も小さくなるような傾斜角になり、これにより、可変容量圧縮機は最小容量の運転に制御されていることになる。
ここで、ソレノイド部2のコイル25に供給されるソレノイド電流が増加していくと、プランジャ22はコア15に吸引されて図の上方へ移動していき、プランジャ22に固定されたシャフト20も図の上方へ移動していく。これにより、この容量制御弁は、図2に示したように、Pd−Pc弁についてはボール弁体7がその弁座6に向かって移動するため、開口面積が最大から小さくなる方向へ変化し、Pc−Ps弁については弁体11がその弁座10から離れる方向へ移動するため、開口面積がゼロから大きなる方向へ変化していく特性を示す。これに伴い、クランク室の圧力Pcが次第に小さくなっていくので、可変容量圧縮機はソレノイド電流に応じた容量の運転に制御されていくことになる。
引き続きソレノイド電流を増加させていくと、Pd−Pc弁は開口面積を小さくしていくが、Pc−Ps弁については、ボール弁体7と弁座6との間の開口面積がスプール弁体11aと弁孔との間のクリアランスによって決まる開口面積よりも大きくなった時点で、開口面積の増加は止まる。これ以降、ソレノイド電流を増加させても、Pc−Ps弁は、その開口面積がスプール弁体11aと弁孔との間の開口面積によって規制されるため、ストロークに対する開口面積の変化がないフラットな特性を有することになる。
所定のソレノイド電流が供給されている制御の場合、Pd−Pc弁およびPc−Ps弁は、それぞれソレノイド電流に対応したストローク位置に制御されている。このとき、エンジンの回転数、すなわち可変容量圧縮機の回転数が変化することによって、ボール弁体7が受圧する吐出圧力Pdとシャフト20が受圧する吸入圧力Psとの差圧が変化した場合、容量制御弁は、その差圧の変化がPd−Pc弁およびPc−Ps弁のストロークを変えて可変容量圧縮機の容量を可変させ、吐出圧力Pdと吸入圧力Psとの差圧がソレノイド電流によって設定される所定の差圧に保たれるように制御する。
以上のように、Pc−Ps弁は、Pd−Pc弁の開口面積が小さい領域で、開口面積が変化しないフラットな特性を持たせたことにより、ソレノイド電流をステップ状に変化させたとき、図3に示したように、電流変化に対するクランク室内の圧力Pcが大きく変動しなくなる。Pc−Ps弁の開口面積が変化する領域で、ソレノイド電流をたとえばステップ増加させた場合、同じストローク量に対してPd−Pc弁が閉じ方向に変化する変化率よりもPc−Ps弁が開き方向に変化する変化率の方が大きいため、クランク室内の圧力Pcを急減させようとするが、その変動幅は大きくてもフラットな特性により規制されるため、クランク室内の圧力Pcがオーバシュートすることがなくなる。この結果、制御対象圧力である吐出圧力Pdと吸入圧力Psとの差圧(Pd−Ps)もオーバシュートしないため、可変容量圧縮機が消費するトルクの変動が小さくなり、エンジンの負荷変動も小さくなる。
同様に、Pc−Ps弁の開口面積が変化しない領域で、ソレノイド電流をたとえばステップ増加させた場合、同じストローク量に対してPd−Pc弁が閉じ方向に変化してもPc−Ps弁は変化しないので、クランク室内の圧力Pcの変動幅は小さい。このため、クランク室内の圧力Pc、吐出圧力Pdと吸入圧力Psとの差圧(Pd−Ps)および可変容量圧縮機が消費するトルクの変動が小さくなり、エンジンの負荷変動を小さくすることができる。もちろん、ソレノイド電流をステップ減少させた場合にも、同じようにオーバシュートの発生を抑えることができる。
図4は第2の実施の形態に係る容量制御弁を示す中央縦断面図である。この図4において、図1に示した構成要素と同じ構成要素については、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
第1の実施の形態に係る容量制御弁がPc−Ps弁のフラットな特性をスプール弁構造にすることによって達成したが、この第2の実施の形態に係る容量制御弁は、Pc−Ps弁の下流側に、開口面積が変化しない流量規制手段としてのオリフィス28を設けることにより達成している。
すなわち、Pc−Ps弁は、弁座10に対向する面がテーパ形状に形成された弁体11を有し、その下流側とポート9および通路14との間にオリフィス28を設けるようにしている。クランク室から吸入室への冷媒の流れに対して、Pc−Ps弁に直列にオリフィス28が配置されることになるため、Pc−Ps弁の開口面積がオリフィス28の開口面積よりも大きくなると、それ以上、Pc−Ps弁の開口面積が大きくなる方向にストロークしたとしても、その開口面積は開口面積が変化しないオリフィス28によって規制されるため、この容量制御弁は、図2に示したものと同じ特性を有することになる。したがって、この第2の実施の形態に係る容量制御弁の動作も、第1の実施の形態に係る容量制御弁の動作と同じになるので、図3に示したものと同様に、クランク室内の圧力Pc、吐出圧力Pdと吸入圧力Psとの差圧(Pd−Ps)および可変容量圧縮機が消費するトルクの変動が小さくなり、エンジンの負荷変動を小さくすることができる。
図5は第3の実施の形態に係る容量制御弁を示す中央縦断面図である。この図5において、図1に示した構成要素と同じ構成要素については、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
この第3の実施の形態に係る容量制御弁は、図1に示した第1の実施の形態に係る容量制御弁に比較して、Pc−Ps弁がその動作時にクランク室の圧力Pcの圧力の影響を受けない構成を有している。
すなわち、この容量制御弁は、Pd−Pc弁とPc−Ps弁との間にてポート8を介してクランク室に接続される空間をソレノイド部内に連通させる通路14を備え、クランク室の圧力Pcをソレノイド部2の内部に伝達する構成にしている。これにより、Pc−Ps弁の弁体11は、その閉弁方向にクランク室の圧力Pcを受圧し、開弁方向に通路14を介してソレノイド部2に導入されたクランク室の圧力Pcをシャフト20を介して受圧することになるので、弁体11が受けるクランク室の圧力Pcがキャンセルされ、クランク室の圧力Pcが変化しても、その圧力変化がPc−Ps弁の動作に影響を与えることはない。
なお、この容量制御弁のPc−Ps弁では、弁体11が開弁方向に受ける圧力は、ソレノイド部2から受けるクランク室の圧力Pcと吸入圧力Psとの和である。このとき、クランク室の圧力Pcの受圧面積は、シャフト20の断面積に等しく、吸入圧力Psの受圧面積は、弁孔の開口面積からシャフト20の断面積を差し引いた面積に等しく、かつ、Pd−Pc弁が吐出圧力Pdを受ける受圧面積、すなわちPd−Pc弁の弁孔の開口面積に等しくしてある。
この第3の実施の形態に係る容量制御弁も、第1および第2の実施の形態に係る容量制御弁と同様に、図2に示した弁特性を有し、ソレノイド電流をステップ状に変化させたときに、スプール弁体11aと弁孔との間のクリアランスがステップ状に変化しようとする冷媒の流量を規制することにより、図3に示したように、クランク室内の圧力Pcの変動が抑えられ、この結果、吐出圧力Pdと吸入圧力Psとの差圧(Pd−Ps)および可変容量圧縮機が消費するトルクの変動が小さくなり、エンジンの負荷変動を小さくすることができる。
図6は第4の実施の形態に係る容量制御弁を示す中央縦断面図である。この図6において、図4に示した構成要素と同じ構成要素については、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
この第4の実施の形態に係る容量制御弁は、図4に示した第2の実施の形態に係る容量制御弁に比較して、Pc−Ps弁がその動作時にクランク室の圧力Pcの圧力の影響を受けない構成を有している。
すなわち、この容量制御弁は、Pd−Pc弁とPc−Ps弁との間にてポート8を介してクランク室に接続される空間をソレノイド部内に連通させる通路14を備え、第3の実施の形態に係る容量制御弁と同様に、クランク室の圧力Pcをソレノイド部2の内部に伝達する構成にしている。これにより、弁体11が互いに逆方向から受けるクランク室の圧力Pcをキャンセルし、クランク室の圧力Pcが変化しても、それがPc−Ps弁の動作に影響を与えることはない。この第4の実施の形態に係る容量制御弁も、第1ないし第3の実施の形態に係る容量制御弁と同様の動作および作用効果を有している。
第1の実施の形態に係る容量制御弁を示す中央縦断面図である。 第1の実施の形態に係る容量制御弁の特性を示す図である。 第1の実施の形態に係る容量制御弁を用いた可変容量圧縮機の特性を示す図である。 第2の実施の形態に係る容量制御弁を示す中央縦断面図である。 第3の実施の形態に係る容量制御弁を示す中央縦断面図である。 第4の実施の形態に係る容量制御弁を示す中央縦断面図である。 従来の容量制御弁の特性を示す図である。 従来の容量制御弁を用いた可変容量圧縮機の特性を示す図である。
符号の説明
1 弁部
2 ソレノイド部
3 ボディ
4 プラグ
5 ポート
6 弁座
7 ボール弁体
8,9 ポート
10 弁座
11 弁体
11a スプール弁体
12 スプリング
13 ストレーナ
14 通路
15 コア
16 ヨーク
17 スリーブ
18 ホルダ
19 アジャストねじ
20,21 シャフト
22 プランジャ
23,24 スプリング
25 コイル
26 防水カプラ
27 ハーネス
28 オリフィス

Claims (5)

  1. クランク室内の圧力を制御して吐出室の吐出圧力と吸入室の吸入圧力との差圧を所定の差圧に保つように可変容量圧縮機の吐出容量を変化させる可変容量圧縮機用容量制御弁において、
    前記吐出室から前記クランク室に導入する冷媒の流量を制御する第1の制御弁と、
    前記クランク室から前記吸入室に導出する冷媒の流量を制御するものであって前記第1の制御弁に連動して開口面積が大きくなる方向に動作するときに所定値以上ストロークしても開口面積の変化しない流量規制手段を有している第2の制御弁と、
    前記第1および第2の制御弁に対して前記所定の差圧に対応したソレノイド力を与えるソレノイド部と、
    を備えていることを特徴とする可変容量圧縮機用容量制御弁。
  2. 前記流量規制手段は、前記第2の制御弁の弁体に設けられて弁孔との間に開口面積の変化しないクリアランスを形成するスプール弁体であることを特徴とする請求項1記載の可変容量圧縮機用容量制御弁。
  3. 前記流量規制手段は、前記第2の制御弁の下流側に設けられたオリフィスであることを特徴とする請求項1記載の可変容量圧縮機用容量制御弁。
  4. 前記クランク室に接続される空間を前記ソレノイド部内に連通させる通路を備え、
    前記第2の制御弁は、前記通路を介して前記ソレノイド部に導入された前記クランク室の圧力を弁体に対し開弁方向に受圧させることによって、前記弁体が閉弁方向に受圧する前記クランク室の圧力をキャンセルするようにしたことを特徴とする請求項1記載の可変容量圧縮機用容量制御弁。
  5. 前記第2の制御弁は、弁孔の開口面積から前記クランク室の圧力が前記ソレノイド部から受圧する面積を差し引いた前記吸入圧力の受圧面積を、前記第1の制御弁の弁孔の開口面積に等しくしたことを特徴とする請求項4記載の可変容量圧縮機用容量制御弁。

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