JP4111782B2 - 比例弁 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は比例弁に関し、特にソレノイドに供給する電流値に比例してリフト量が変化する電磁式の比例弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば自動車用エアコンシステムの冷凍サイクルにおいて、コンプレッサによって圧縮された高温・高圧のガス冷媒をコンデンサまたはガスクーラで凝縮または冷却し、凝縮または冷却された冷媒を減圧装置にて低温・低圧の冷媒にし、この低温の冷媒をエバポレータで蒸発させ、蒸発された冷媒をアキュムレータで気液分離し、分離されたガス冷媒をコンプレッサに戻すような構成が知られている。このようなシステムの減圧装置として外部から供給される電流値によって弁開度を比例的に制御できる電磁制御式の比例弁が使用されている。
【０００３】
従来の比例弁は、一般にソレノイドに供給する電流値に比例してリフトする弁体と弁座の弁孔に等しい断面積を有し弁体と反対側の端面に弁体の上流側の圧力がかかるようにしたピストンとが一体に動くようにして構成されている。これにより、弁体およびピストンにかかる圧力は、大きさが同じで互いに反対方向に向いているため互いにキャンセルされ、弁体は、その上流側の圧力の大きさに関係なく、ソレノイドによる付勢力によってのみ動かすことができる。
【０００４】
ピストンは、一方の端面に弁体の上流側の圧力を受け、他方の端面には弁体の下流側の圧力を受けながら弁体とともに移動する構成になっている。このため、ピストンは、両端面間の摺動部を流体的にシールする必要がある。このようなシールには、ラビリンスシールが用いられている（たとえば、特許文献１参照。）。ラビリンスシールは、摺動抵抗が低いため、背圧キャンセルを行うピストンのシール方法としてよく採用されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１３０８７０号公報（図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の比例弁では、一般に弁体のリフト量に応じて弁部の受圧面積は変化することが知られており、一方、ピストンの受圧面積は一定であることから、背圧キャンセルが正しく機能せず、受圧面積の差により弁体が勝手に動いて自開または自閉することがあるという問題点があった。
【０００７】
また、ピストンは、ラビリンスシールにより弁部の上流側の空間と下流側の空間との間をシールしているが、ラビリンスシールは完全なシールを行うことはできないので、たとえば弁部が全閉時にそのラビリンスシールの部分から冷媒が漏れ、この内部漏れにより制御性が低下するという問題点があった。
【０００８】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、自開または自閉することがなく、内部漏れのない比例弁を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記問題を解決するために、ソレノイドに供給する電流値によって弁体のリフト量が比例的に変化され、前記弁体のリフト量に応じて弁部の受圧面積が変化する比例弁において、前記弁体と一体に動くよう弁座を挟んで前記弁体の反対側に配置され、入口ポートに連通される前記弁座より上流側の第１の部屋にて前記弁体が弁閉方向に受ける流体圧力と同じ圧力を受けて前記弁体を弁開方向へ付勢するピストンと、前記ピストンの受圧部分に配置され、前記弁体のリフト量に応じて変位することにより受圧面積が前記弁部と同じ方向に変化するダイヤフラムと、を備え、前記ピストンは前記ダイヤフラムを介して受圧していることを特徴とする比例弁が提供される。
【００１０】
このような比例弁によれば、ピストンの受圧部分にダイヤフラムを配置したことにより、弁体のリフト量に対する受圧面積の変化をダイヤフラムの変位量に対する受圧面積の変化で相殺することで、弁体およびピストンの受圧面積を弁体のリフト量に拘らず同じにすることができ、弁部が自開または自閉してしまうことがなくなる。また、ピストンの摺動部は、ダイヤフラムにより遮断されるので、内部漏れを完全に防止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、自動車用エアコンシステムの減圧装置に適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１は第１の実施の形態に係る比例弁の非通電時の状態を示す縦断面図、図２は図１の要部拡大断面図、図３はダイヤフラムの受圧面積の変化を示す説明図、図４は第１の実施の形態に係る比例弁の通電時の状態を示す縦断面図である。
【００１３】
本発明による比例弁は、そのボディ１の側面に高圧の冷媒を受ける入口ポート２と出口ポート３とが設けられている。入口ポート２は、共通の通路４に接続され、この通路は、一方では通路５を介して冷媒が導入される第１の部屋６に連通し、他方では通路７を介して第２の部屋８に連通している。第１の部屋６は、ボディ１に穿設された弁孔および通路９を介して出口ポート３に連通しており、第１の部屋６に面している弁孔の周縁部が弁座１０を構成している。この弁座１０に対向して上流側から弁体１１が接離自在に配置されている。この弁体１１は、弁孔の延長線上に形成されたシリンダ１２内に摺動自在に配置されたピストン１３と一体に形成されている。シリンダ１２の下端部は、ダイヤフラム１４によって閉止されており、そのダイヤフラム１４の外周縁部は、リング状のホルダ１５がボディ１に圧入されることによってボディ１に固着されている。ダイヤフラム１４の図の上側の面は、ピストン１３の下端面に当接され、下側の面にはスプリング１６によってストッパ１７が当接されている。第２の部屋８は、プラグ１８によって区画され、このプラグ１８は、ストッパ１９をボディ１にねじ込むことにより、ガスケット２０を介してボディ１に圧着されている。
【００１４】
ボディ１の上部には、フランジ２１を介してソレノイドが設けられている。このソレノイドは、下端部がフランジ２１に嵌入されたスリーブ２２と、弁体１１と一体に形成されてスリーブ２２の中に軸線方向に進退自在に配置されたプランジャ２３と、スリーブ２２の上端部に嵌合された筒状のコア２４と、スリーブ２２の外側に配置された電磁コイル２５と、その外側を囲繞するよう形成されたヨーク２６とを備えている。プランジャ２３は、その軸線位置にシャフト２７の下端部が固定されており、そのシャフト２７の上端部は、コア２４の中空部にねじ込まれたアジャストねじ２８によって支持されている。なお、プランジャ２３は、これと一体に形成された下端部のピストン１３がシリンダ１２によって支持されているため、電磁コイル２５へ供給する電流値に対する弁開度の変化特性において、弁体１１の開閉動作時にスリーブ２２の内壁に摺接することによる摺動抵抗を原因とするヒステリシスの発生をなくすことができる。アジャストねじ２８とプランジャ２３との間には、第２の部屋８に配置されたスプリング１６よりもばね力の大きなスプリング２９が配置されていて、プランジャ２３およびこれと一体の弁体１１を弁閉方向に付勢している。その付勢力は、アジャストねじ２８のねじ込み量によって調整される。そして、コア２４の中空部は、その上端部に設けられたボール形状の止め栓３０および止めねじ３１によって封止されている。
【００１５】
ここで、ピストン１３が当接しているダイヤフラム１４の特性について、図３を参照して説明する。ダイヤフラム１４は、円形の薄いゴム、樹脂または金属製のシートからなり、その平面に対して直角方向に変位できるように断面が円弧状の屈曲部１４ａが環状に形成されている。ダイヤフラム１４は、その円の中心を通る断面で示した図３に示したように、周縁部１４ｂが固定されているため、圧力を受けていないとき、つまり、ダイヤフラム１４の両面にかかる圧力に差がないときには、（Ａ）に示すように、中央部１４ｃは周縁部１４ｂと同じ高さにある。しかし、図の上から圧力が加わると、（Ｂ）に示すように、中央部１４ｃは下方へ変位し、図の下から圧力が加わると、（Ｃ）に示すように、中央部１４ｃは上方へ変位する。
【００１６】
このように、圧力によって変位するダイヤフラム１４は、圧力がかかっていない（Ａ）の状態では、それぞれ屈曲部１４ａの中央点ａにおける曲率半径の基点を表す曲率中心ｂの間を直径Ｒとした円の面積が有効受圧面積となる。なお、有効受圧面積とは、受けた圧力がダイヤフラム１４の変位のために実際に作用する理論上の面積を意味する。図の上から圧力が加わった場合、それぞれの屈曲部１４ａの中央点ａは内側に来るため、曲率中心ｂは外側に移動し、そのときの有効受圧面積は、直径Ｒ１（＞Ｒ）とする円の面積となって大きくなる。逆に、図の下から圧力が加わった場合、それぞれの屈曲部１４ａの中央点ａは外側に来るため、曲率中心ｂは内側に移動し、そのときの有効受圧面積は、直径Ｒ２（＜Ｒ）とする円の面積となって小さくなる。つまり、ダイヤフラム１４は、圧力による中央部１４ｃの変位量に応じて有効受圧面積が変化するのである。ここで、有効受圧面積の変化についてさらに詳細に説明する。ダイヤフラム１４の有効受圧面積は、ピストン１３と同じ径を有する中央部１４ｃの面積と、屈曲部１４ａに対してピストン１３を移動させる力が実際に作用する面積との和で表される。屈曲部１４ａだけを注目すると、屈曲部１４ａの中央部１４ｃとの接続部は、中央部１４ｃによってピストン１３の移動方向の力が加えられていて、屈曲部１４ａを変形させようとしている。この力は、接続部の接線方向に働く引張応力と、その接続部における接線とピストン１３の移動方向の軸線とのなす角度の余弦とによって表される。その引張応力は、薄肉円筒容器の接線方向の破壊荷重を求める数式から、屈曲部１４ａに対してその半径方向内側から作用する圧力と屈曲部１４ａの曲率半径との積で表される。このときの曲率中心ｂは、ダイヤフラム１４の半径方向で見たとき、中央部１４ｃとの接続部から、その曲率半径に上記角度の余弦を掛けた値だけ離れた位置にあり、これが屈曲部１４ａの有効受圧径となる。この長さを２倍した値が中央部１４ｃの直径に加えられて、ダイヤフラム１４の有効受圧径になる。以上のように、屈曲部１４ａの有効受圧径は、その曲率半径と上記角度の余弦との積であるので、上記角度の関数になっている。この角度は、屈曲部１４ａが図３の（Ａ）から（Ｂ）のように変形すると小さくなるので、屈曲部１４ａの有効径が大きくなり、したがって、ダイヤフラム１４の有効受圧径が大きくなって、有効受圧面積が大きくなる。逆に、屈曲部１４ａが図３の（Ａ）から（Ｃ）のように変形すると、上記角度は、大きくなるので、屈曲部１４ａの有効径が小さくなり、したがって、ダイヤフラム１４の有効受圧径が小さくなって、有効受圧面積が小さくなる。
【００１７】
一方、弁体１１についても、そのリフト量によって有効受圧面積が変化する。すなわち、弁体１１がその弁座１０に着座しているときには、弁孔の径に対応する面積が有効受圧面積となる。この有効受圧面積は、弁体１１が弁座１０から離れるに連れて小さくなる。詳述すれば、開弁時の有効受圧面積は、弁体１１と弁座１０との間の最短距離の中間点を円周方向に結んで形成される円の面積で表すことができる。したがって、閉弁時に弁孔の断面積に等しかった有効受圧面積は、開弁時には、それより小さく変化してしまうことになる。本発明では、この弁体１１の有効受圧面積の変化を、同様に有効受圧面積が変化するダイヤフラム１４によって相殺するようにしている。
【００１８】
すなわち、ダイヤフラム１４は、図２に詳細に示したように、弁体１１が弁座１０に着座しているときに、有効受圧面積が最も大きくなる図３の（Ｂ）の状態、つまり屈曲部１４ａがピストン１３側に来るよう配置して中央部１４ｃが屈曲部１４ａ側と反対側に変位した状態で取り付けられている。もちろん、このときのダイヤフラム１４の有効受圧面積は、弁座１０に着座しているときの弁体１１の有効受圧面積と等しくしてある。この状態から、弁体１１が弁座１０からリフトすることによって有効受圧面積が小さくなると、ダイヤフラム１４の有効受圧面積も小さくなる方向に変化することになる。
【００１９】
このように構成された比例弁において、まず、電磁コイル２５が通電されていなく、入口ポート２に冷媒が導入されていないときには、弁体１１は、ソレノイドのスプリング２９によって弁座１０に着座され、比例弁は閉じた状態を維持している。
【００２０】
ここで、コンデンサまたはガスクーラから入口ポート２に高圧の冷媒が導入されると、その冷媒は、第１の部屋６と第２の部屋８とに等しく供給されるが、弁体１１およびダイヤフラム１４の有効受圧面積は等しいため、導入された冷媒の圧力によって弁体１１が勝手に自開してしまうことはなく、比例弁は閉じたままである。
【００２１】
次に、電磁コイル２５が通電されると、その電流値に応じた距離だけプランジャ２３がコア２４の方へ吸引され、弁体１１もその移動距離だけリフトし、比例弁は図４に示したような状態になる。このとき、入口ポート２に導入された冷媒は、通路４および通路５を通って第１の部屋６に供給されるとともに、通路４および通路７を通って第２の部屋８にも供給される。第１の部屋６および第２の部屋８の圧力は等しく、かつ、弁体１１およびダイヤフラム１４の有効受圧面積はほぼ等しくて等しい圧力が互いに逆方向にかかるため、弁体１１に作用する冷媒圧力の影響はキャンセルされる。したがって、弁体１１は、ソレノイドに供給される電流値とスプリング１６，２９のばね力とによってのみ作用する。つまり、スプリング１６，２９のばね力はあらかじめ設定されているので、弁体１１のリフト量はソレノイドに供給される電流値によって設定されることになる。
【００２２】
このようにして弁体１１のリフト量が設定された比例弁は、第１の部屋６に供給された冷媒を弁座１０と弁体１１との間の隙間を通り、通路９を介して出口ポート３へ通過させる。弁座１０と弁体１１との間の隙間を通過するとき、高温・高圧の冷媒は断熱膨張して、低温・低圧の冷媒となり、冷凍サイクルの蒸発器へと送られる。
【００２３】
図５は第２の実施の形態に係る比例弁の非通電時の状態を示す縦断面図、図６は第２の実施の形態に係る比例弁の通電時の状態を示す縦断面図である。なお、これら図５および図６において、図１および図４に示した構成要素と同じまたは同等の機能を有する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。
【００２４】
この第２の実施の形態に係る比例弁は、第２の部屋８に冷媒を導入する経路を第１の実施の形態に係る比例弁ではボディ１に形成した通路７で構成したのに対し、弁体１１、ピストン１３、ダイヤフラム１４およびストッパ１７に形成した通路３２で構成している。
【００２５】
すなわち、弁体１１には、第１の部屋６に連通するよう側方から連通孔を穿設し、さらに、一体となった弁体１１、ピストン１３およびこれらを連結するシャフトの軸線位置に通路３２を形成している。ダイヤフラム１４は、中心に穴が開設されたドーナツダイヤフラムが用いられる。このダイヤフラム１４の外周部は、ボディ１とホルダ１５とによって挾持され、内周部は、やはり軸線位置に穴が穿設されたストッパ１７をピストン１３の下端部に圧入することによって固定されている。もちろん、この場合も、ダイヤフラム１４は、図２に示したように、弁体１１が弁座１０に着座しているときに、有効受圧面積が最も大きく、かつ、弁座１０に着座しているときの弁体１１の有効受圧面積と等しくなるように変位した状態で取り付けられている。
【００２６】
この第２の実施の形態に係る比例弁は、コンデンサまたはガスクーラから入口ポート２に導入された高圧の冷媒が、一旦、第１の部屋６に入った後、ここから通路３２を介して第２の部屋８に導入されることにより、第１の部屋６と第２の部屋８とが均圧になる。それ以外のこの比例弁の動作は、第１の実施の形態に係る比例弁の動作と同じであり、電磁コイル２５へ制御電流が供給された場合は、図６に示したような状態になる。
【００２７】
図７は第３の実施の形態に係る比例弁の非通電時の状態を示す縦断面図である。なお、この図７において、図１および図４に示した構成要素と同じまたは同等の機能を有する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。
【００２８】
この第３の実施の形態に係る比例弁は、第１および第２の実施の形態に係る比例弁がソレノイドの非通電時に全閉しているノーマルクローズタイプであるのに対し、ソレノイドの非通電時に全開しているノーマルクオープンタイプのものである。
【００２９】
弁体１１はピストン１３と一体に形成され、そのピストン１３の受圧部分の構成は、第１の実施の形態に係る比例弁と同じになっている。ただし、ダイヤフラム１４に当接しているホルダ１５は、スプリング３３によって弁開方向に付勢されており、ソレノイドの非通電時には、ソレノイドからの付勢力はないので、この比例弁は、全開している。そのスプリング３３のばね力は、ボディ１に螺入されたアジャストねじ３４によって調整される。
【００３０】
ダイヤフラム１４は、弁体１１が弁座１０に着座しているときの弁体１１の有効受圧面積と等しい最大の有効受圧面積となり、図７に示した全開時では、弁体１１の有効受圧面積に対応した有効受圧面積となるように変位された状態で取り付けられている。したがって、この全開状態で、冷媒が導入されたとしても、この比例弁は、その冷媒圧力によって弁体１１が勝手に自閉してしまうことはない。
【００３１】
ソレノイドは、第１および第２の実施の形態に係る比例弁と比較して、プランジャ２３およびコア２４の軸線方向の位置が逆になっている。コア２４は、ソレノイドをボディ１に固定するフランジ２１と一体に形成され、スリーブ２２に固定されている。コア２４は、その中央部が中空になっていて、その下端部には、プランジャ２３を固定しているシャフト２７の軸受を構成している。シャフト２７の上端部は、スリーブ２２の上端部を閉止しているプラグ３５により軸支されている。この比例弁が図７のように全開状態にあるときには、スプリング３３による付勢によりプランジャ２３がプラグ３５に当接することによって、弁体１１の最大リフト量が規制されている。
【００３２】
以上の構成の比例弁においても、電磁コイル２５が通電されると、その電流値に応じた距離だけプランジャ２３がコア２４の方へ吸引され、その分、弁体１１はシャフト２７によりスプリング３３の付勢力に抗して押し下げられ、所定の弁開度に設定されて、比例弁は図４に示したような状態になる。このときの冷媒の流れおよび弁体１１にかかる圧力がダイヤフラム１４にかかる圧力によってキャンセルされていることは、第１および第２の実施の形態に係る比例弁と同じであって、同じ動作をする。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、弁体がリフト量によって変化する有効受圧面積の変化量を、変位量によって有効受圧面積が変化するダイヤフラムによって相殺するように構成した。これにより、弁体のリフト量に関係なく弁体およびダイヤフラムにかかる圧力がキャンセルされるため、有効受圧面積の差による比例体の自開または自閉を防止することができ、ソレノイドに供給する制御電流の値のみで弁体のリフト量を制御することができる。
【００３４】
また、ダイヤフラムは、ピストンの摺動部を完全にシールするように配置されることから、その摺動部を介して流体が漏れることがないため、全閉したときの内部漏れを完全に防止することができ、制御性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る比例弁の非通電時の状態を示す縦断面図である。
【図２】図１の要部拡大断面図である。
【図３】ダイヤフラムの受圧面積の変化を示す説明図である。
【図４】第１の実施の形態に係る比例弁の通電時の状態を示す縦断面図である。
【図５】第２の実施の形態に係る比例弁の非通電時の状態を示す縦断面図である。
【図６】第２の実施の形態に係る比例弁の通電時の状態を示す縦断面図である。
【図７】第３の実施の形態に係る比例弁の非通電時の状態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ ボディ
２ 入口ポート
３ 出口ポート
４ 通路
５ 通路
６ 第１の部屋
７ 通路
８ 第２の部屋
９ 通路
１０ 弁座
１１ 弁体
１２ シリンダ
１３ ピストン
１４ ダイヤフラム
１４ａ 屈曲部
１４ｂ 周縁部
１４ｃ 中央部
１５ ホルダ
１６ スプリング
１７ ストッパ
１８ プラグ
１９ ストッパ
２０ ガスケット
２１ フランジ
２２ スリーブ
２３ プランジャ
２４ コア
２５ 電磁コイル
２６ ヨーク
２７ シャフト
２８ アジャストねじ
２９ スプリング
３０ 止め栓
３１ 止めねじ
３２ 通路
３３ スプリング
３４ アジャストねじ
３５ プラグ
【発明の属する技術分野】
本発明は比例弁に関し、特にソレノイドに供給する電流値に比例してリフト量が変化する電磁式の比例弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば自動車用エアコンシステムの冷凍サイクルにおいて、コンプレッサによって圧縮された高温・高圧のガス冷媒をコンデンサまたはガスクーラで凝縮または冷却し、凝縮または冷却された冷媒を減圧装置にて低温・低圧の冷媒にし、この低温の冷媒をエバポレータで蒸発させ、蒸発された冷媒をアキュムレータで気液分離し、分離されたガス冷媒をコンプレッサに戻すような構成が知られている。このようなシステムの減圧装置として外部から供給される電流値によって弁開度を比例的に制御できる電磁制御式の比例弁が使用されている。
【０００３】
従来の比例弁は、一般にソレノイドに供給する電流値に比例してリフトする弁体と弁座の弁孔に等しい断面積を有し弁体と反対側の端面に弁体の上流側の圧力がかかるようにしたピストンとが一体に動くようにして構成されている。これにより、弁体およびピストンにかかる圧力は、大きさが同じで互いに反対方向に向いているため互いにキャンセルされ、弁体は、その上流側の圧力の大きさに関係なく、ソレノイドによる付勢力によってのみ動かすことができる。
【０００４】
ピストンは、一方の端面に弁体の上流側の圧力を受け、他方の端面には弁体の下流側の圧力を受けながら弁体とともに移動する構成になっている。このため、ピストンは、両端面間の摺動部を流体的にシールする必要がある。このようなシールには、ラビリンスシールが用いられている（たとえば、特許文献１参照。）。ラビリンスシールは、摺動抵抗が低いため、背圧キャンセルを行うピストンのシール方法としてよく採用されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１３０８７０号公報（図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の比例弁では、一般に弁体のリフト量に応じて弁部の受圧面積は変化することが知られており、一方、ピストンの受圧面積は一定であることから、背圧キャンセルが正しく機能せず、受圧面積の差により弁体が勝手に動いて自開または自閉することがあるという問題点があった。
【０００７】
また、ピストンは、ラビリンスシールにより弁部の上流側の空間と下流側の空間との間をシールしているが、ラビリンスシールは完全なシールを行うことはできないので、たとえば弁部が全閉時にそのラビリンスシールの部分から冷媒が漏れ、この内部漏れにより制御性が低下するという問題点があった。
【０００８】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、自開または自閉することがなく、内部漏れのない比例弁を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記問題を解決するために、ソレノイドに供給する電流値によって弁体のリフト量が比例的に変化され、前記弁体のリフト量に応じて弁部の受圧面積が変化する比例弁において、前記弁体と一体に動くよう弁座を挟んで前記弁体の反対側に配置され、入口ポートに連通される前記弁座より上流側の第１の部屋にて前記弁体が弁閉方向に受ける流体圧力と同じ圧力を受けて前記弁体を弁開方向へ付勢するピストンと、前記ピストンの受圧部分に配置され、前記弁体のリフト量に応じて変位することにより受圧面積が前記弁部と同じ方向に変化するダイヤフラムと、を備え、前記ピストンは前記ダイヤフラムを介して受圧していることを特徴とする比例弁が提供される。
【００１０】
このような比例弁によれば、ピストンの受圧部分にダイヤフラムを配置したことにより、弁体のリフト量に対する受圧面積の変化をダイヤフラムの変位量に対する受圧面積の変化で相殺することで、弁体およびピストンの受圧面積を弁体のリフト量に拘らず同じにすることができ、弁部が自開または自閉してしまうことがなくなる。また、ピストンの摺動部は、ダイヤフラムにより遮断されるので、内部漏れを完全に防止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、自動車用エアコンシステムの減圧装置に適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１は第１の実施の形態に係る比例弁の非通電時の状態を示す縦断面図、図２は図１の要部拡大断面図、図３はダイヤフラムの受圧面積の変化を示す説明図、図４は第１の実施の形態に係る比例弁の通電時の状態を示す縦断面図である。
【００１３】
本発明による比例弁は、そのボディ１の側面に高圧の冷媒を受ける入口ポート２と出口ポート３とが設けられている。入口ポート２は、共通の通路４に接続され、この通路は、一方では通路５を介して冷媒が導入される第１の部屋６に連通し、他方では通路７を介して第２の部屋８に連通している。第１の部屋６は、ボディ１に穿設された弁孔および通路９を介して出口ポート３に連通しており、第１の部屋６に面している弁孔の周縁部が弁座１０を構成している。この弁座１０に対向して上流側から弁体１１が接離自在に配置されている。この弁体１１は、弁孔の延長線上に形成されたシリンダ１２内に摺動自在に配置されたピストン１３と一体に形成されている。シリンダ１２の下端部は、ダイヤフラム１４によって閉止されており、そのダイヤフラム１４の外周縁部は、リング状のホルダ１５がボディ１に圧入されることによってボディ１に固着されている。ダイヤフラム１４の図の上側の面は、ピストン１３の下端面に当接され、下側の面にはスプリング１６によってストッパ１７が当接されている。第２の部屋８は、プラグ１８によって区画され、このプラグ１８は、ストッパ１９をボディ１にねじ込むことにより、ガスケット２０を介してボディ１に圧着されている。
【００１４】
ボディ１の上部には、フランジ２１を介してソレノイドが設けられている。このソレノイドは、下端部がフランジ２１に嵌入されたスリーブ２２と、弁体１１と一体に形成されてスリーブ２２の中に軸線方向に進退自在に配置されたプランジャ２３と、スリーブ２２の上端部に嵌合された筒状のコア２４と、スリーブ２２の外側に配置された電磁コイル２５と、その外側を囲繞するよう形成されたヨーク２６とを備えている。プランジャ２３は、その軸線位置にシャフト２７の下端部が固定されており、そのシャフト２７の上端部は、コア２４の中空部にねじ込まれたアジャストねじ２８によって支持されている。なお、プランジャ２３は、これと一体に形成された下端部のピストン１３がシリンダ１２によって支持されているため、電磁コイル２５へ供給する電流値に対する弁開度の変化特性において、弁体１１の開閉動作時にスリーブ２２の内壁に摺接することによる摺動抵抗を原因とするヒステリシスの発生をなくすことができる。アジャストねじ２８とプランジャ２３との間には、第２の部屋８に配置されたスプリング１６よりもばね力の大きなスプリング２９が配置されていて、プランジャ２３およびこれと一体の弁体１１を弁閉方向に付勢している。その付勢力は、アジャストねじ２８のねじ込み量によって調整される。そして、コア２４の中空部は、その上端部に設けられたボール形状の止め栓３０および止めねじ３１によって封止されている。
【００１５】
ここで、ピストン１３が当接しているダイヤフラム１４の特性について、図３を参照して説明する。ダイヤフラム１４は、円形の薄いゴム、樹脂または金属製のシートからなり、その平面に対して直角方向に変位できるように断面が円弧状の屈曲部１４ａが環状に形成されている。ダイヤフラム１４は、その円の中心を通る断面で示した図３に示したように、周縁部１４ｂが固定されているため、圧力を受けていないとき、つまり、ダイヤフラム１４の両面にかかる圧力に差がないときには、（Ａ）に示すように、中央部１４ｃは周縁部１４ｂと同じ高さにある。しかし、図の上から圧力が加わると、（Ｂ）に示すように、中央部１４ｃは下方へ変位し、図の下から圧力が加わると、（Ｃ）に示すように、中央部１４ｃは上方へ変位する。
【００１６】
このように、圧力によって変位するダイヤフラム１４は、圧力がかかっていない（Ａ）の状態では、それぞれ屈曲部１４ａの中央点ａにおける曲率半径の基点を表す曲率中心ｂの間を直径Ｒとした円の面積が有効受圧面積となる。なお、有効受圧面積とは、受けた圧力がダイヤフラム１４の変位のために実際に作用する理論上の面積を意味する。図の上から圧力が加わった場合、それぞれの屈曲部１４ａの中央点ａは内側に来るため、曲率中心ｂは外側に移動し、そのときの有効受圧面積は、直径Ｒ１（＞Ｒ）とする円の面積となって大きくなる。逆に、図の下から圧力が加わった場合、それぞれの屈曲部１４ａの中央点ａは外側に来るため、曲率中心ｂは内側に移動し、そのときの有効受圧面積は、直径Ｒ２（＜Ｒ）とする円の面積となって小さくなる。つまり、ダイヤフラム１４は、圧力による中央部１４ｃの変位量に応じて有効受圧面積が変化するのである。ここで、有効受圧面積の変化についてさらに詳細に説明する。ダイヤフラム１４の有効受圧面積は、ピストン１３と同じ径を有する中央部１４ｃの面積と、屈曲部１４ａに対してピストン１３を移動させる力が実際に作用する面積との和で表される。屈曲部１４ａだけを注目すると、屈曲部１４ａの中央部１４ｃとの接続部は、中央部１４ｃによってピストン１３の移動方向の力が加えられていて、屈曲部１４ａを変形させようとしている。この力は、接続部の接線方向に働く引張応力と、その接続部における接線とピストン１３の移動方向の軸線とのなす角度の余弦とによって表される。その引張応力は、薄肉円筒容器の接線方向の破壊荷重を求める数式から、屈曲部１４ａに対してその半径方向内側から作用する圧力と屈曲部１４ａの曲率半径との積で表される。このときの曲率中心ｂは、ダイヤフラム１４の半径方向で見たとき、中央部１４ｃとの接続部から、その曲率半径に上記角度の余弦を掛けた値だけ離れた位置にあり、これが屈曲部１４ａの有効受圧径となる。この長さを２倍した値が中央部１４ｃの直径に加えられて、ダイヤフラム１４の有効受圧径になる。以上のように、屈曲部１４ａの有効受圧径は、その曲率半径と上記角度の余弦との積であるので、上記角度の関数になっている。この角度は、屈曲部１４ａが図３の（Ａ）から（Ｂ）のように変形すると小さくなるので、屈曲部１４ａの有効径が大きくなり、したがって、ダイヤフラム１４の有効受圧径が大きくなって、有効受圧面積が大きくなる。逆に、屈曲部１４ａが図３の（Ａ）から（Ｃ）のように変形すると、上記角度は、大きくなるので、屈曲部１４ａの有効径が小さくなり、したがって、ダイヤフラム１４の有効受圧径が小さくなって、有効受圧面積が小さくなる。
【００１７】
一方、弁体１１についても、そのリフト量によって有効受圧面積が変化する。すなわち、弁体１１がその弁座１０に着座しているときには、弁孔の径に対応する面積が有効受圧面積となる。この有効受圧面積は、弁体１１が弁座１０から離れるに連れて小さくなる。詳述すれば、開弁時の有効受圧面積は、弁体１１と弁座１０との間の最短距離の中間点を円周方向に結んで形成される円の面積で表すことができる。したがって、閉弁時に弁孔の断面積に等しかった有効受圧面積は、開弁時には、それより小さく変化してしまうことになる。本発明では、この弁体１１の有効受圧面積の変化を、同様に有効受圧面積が変化するダイヤフラム１４によって相殺するようにしている。
【００１８】
すなわち、ダイヤフラム１４は、図２に詳細に示したように、弁体１１が弁座１０に着座しているときに、有効受圧面積が最も大きくなる図３の（Ｂ）の状態、つまり屈曲部１４ａがピストン１３側に来るよう配置して中央部１４ｃが屈曲部１４ａ側と反対側に変位した状態で取り付けられている。もちろん、このときのダイヤフラム１４の有効受圧面積は、弁座１０に着座しているときの弁体１１の有効受圧面積と等しくしてある。この状態から、弁体１１が弁座１０からリフトすることによって有効受圧面積が小さくなると、ダイヤフラム１４の有効受圧面積も小さくなる方向に変化することになる。
【００１９】
このように構成された比例弁において、まず、電磁コイル２５が通電されていなく、入口ポート２に冷媒が導入されていないときには、弁体１１は、ソレノイドのスプリング２９によって弁座１０に着座され、比例弁は閉じた状態を維持している。
【００２０】
ここで、コンデンサまたはガスクーラから入口ポート２に高圧の冷媒が導入されると、その冷媒は、第１の部屋６と第２の部屋８とに等しく供給されるが、弁体１１およびダイヤフラム１４の有効受圧面積は等しいため、導入された冷媒の圧力によって弁体１１が勝手に自開してしまうことはなく、比例弁は閉じたままである。
【００２１】
次に、電磁コイル２５が通電されると、その電流値に応じた距離だけプランジャ２３がコア２４の方へ吸引され、弁体１１もその移動距離だけリフトし、比例弁は図４に示したような状態になる。このとき、入口ポート２に導入された冷媒は、通路４および通路５を通って第１の部屋６に供給されるとともに、通路４および通路７を通って第２の部屋８にも供給される。第１の部屋６および第２の部屋８の圧力は等しく、かつ、弁体１１およびダイヤフラム１４の有効受圧面積はほぼ等しくて等しい圧力が互いに逆方向にかかるため、弁体１１に作用する冷媒圧力の影響はキャンセルされる。したがって、弁体１１は、ソレノイドに供給される電流値とスプリング１６，２９のばね力とによってのみ作用する。つまり、スプリング１６，２９のばね力はあらかじめ設定されているので、弁体１１のリフト量はソレノイドに供給される電流値によって設定されることになる。
【００２２】
このようにして弁体１１のリフト量が設定された比例弁は、第１の部屋６に供給された冷媒を弁座１０と弁体１１との間の隙間を通り、通路９を介して出口ポート３へ通過させる。弁座１０と弁体１１との間の隙間を通過するとき、高温・高圧の冷媒は断熱膨張して、低温・低圧の冷媒となり、冷凍サイクルの蒸発器へと送られる。
【００２３】
図５は第２の実施の形態に係る比例弁の非通電時の状態を示す縦断面図、図６は第２の実施の形態に係る比例弁の通電時の状態を示す縦断面図である。なお、これら図５および図６において、図１および図４に示した構成要素と同じまたは同等の機能を有する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。
【００２４】
この第２の実施の形態に係る比例弁は、第２の部屋８に冷媒を導入する経路を第１の実施の形態に係る比例弁ではボディ１に形成した通路７で構成したのに対し、弁体１１、ピストン１３、ダイヤフラム１４およびストッパ１７に形成した通路３２で構成している。
【００２５】
すなわち、弁体１１には、第１の部屋６に連通するよう側方から連通孔を穿設し、さらに、一体となった弁体１１、ピストン１３およびこれらを連結するシャフトの軸線位置に通路３２を形成している。ダイヤフラム１４は、中心に穴が開設されたドーナツダイヤフラムが用いられる。このダイヤフラム１４の外周部は、ボディ１とホルダ１５とによって挾持され、内周部は、やはり軸線位置に穴が穿設されたストッパ１７をピストン１３の下端部に圧入することによって固定されている。もちろん、この場合も、ダイヤフラム１４は、図２に示したように、弁体１１が弁座１０に着座しているときに、有効受圧面積が最も大きく、かつ、弁座１０に着座しているときの弁体１１の有効受圧面積と等しくなるように変位した状態で取り付けられている。
【００２６】
この第２の実施の形態に係る比例弁は、コンデンサまたはガスクーラから入口ポート２に導入された高圧の冷媒が、一旦、第１の部屋６に入った後、ここから通路３２を介して第２の部屋８に導入されることにより、第１の部屋６と第２の部屋８とが均圧になる。それ以外のこの比例弁の動作は、第１の実施の形態に係る比例弁の動作と同じであり、電磁コイル２５へ制御電流が供給された場合は、図６に示したような状態になる。
【００２７】
図７は第３の実施の形態に係る比例弁の非通電時の状態を示す縦断面図である。なお、この図７において、図１および図４に示した構成要素と同じまたは同等の機能を有する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。
【００２８】
この第３の実施の形態に係る比例弁は、第１および第２の実施の形態に係る比例弁がソレノイドの非通電時に全閉しているノーマルクローズタイプであるのに対し、ソレノイドの非通電時に全開しているノーマルクオープンタイプのものである。
【００２９】
弁体１１はピストン１３と一体に形成され、そのピストン１３の受圧部分の構成は、第１の実施の形態に係る比例弁と同じになっている。ただし、ダイヤフラム１４に当接しているホルダ１５は、スプリング３３によって弁開方向に付勢されており、ソレノイドの非通電時には、ソレノイドからの付勢力はないので、この比例弁は、全開している。そのスプリング３３のばね力は、ボディ１に螺入されたアジャストねじ３４によって調整される。
【００３０】
ダイヤフラム１４は、弁体１１が弁座１０に着座しているときの弁体１１の有効受圧面積と等しい最大の有効受圧面積となり、図７に示した全開時では、弁体１１の有効受圧面積に対応した有効受圧面積となるように変位された状態で取り付けられている。したがって、この全開状態で、冷媒が導入されたとしても、この比例弁は、その冷媒圧力によって弁体１１が勝手に自閉してしまうことはない。
【００３１】
ソレノイドは、第１および第２の実施の形態に係る比例弁と比較して、プランジャ２３およびコア２４の軸線方向の位置が逆になっている。コア２４は、ソレノイドをボディ１に固定するフランジ２１と一体に形成され、スリーブ２２に固定されている。コア２４は、その中央部が中空になっていて、その下端部には、プランジャ２３を固定しているシャフト２７の軸受を構成している。シャフト２７の上端部は、スリーブ２２の上端部を閉止しているプラグ３５により軸支されている。この比例弁が図７のように全開状態にあるときには、スプリング３３による付勢によりプランジャ２３がプラグ３５に当接することによって、弁体１１の最大リフト量が規制されている。
【００３２】
以上の構成の比例弁においても、電磁コイル２５が通電されると、その電流値に応じた距離だけプランジャ２３がコア２４の方へ吸引され、その分、弁体１１はシャフト２７によりスプリング３３の付勢力に抗して押し下げられ、所定の弁開度に設定されて、比例弁は図４に示したような状態になる。このときの冷媒の流れおよび弁体１１にかかる圧力がダイヤフラム１４にかかる圧力によってキャンセルされていることは、第１および第２の実施の形態に係る比例弁と同じであって、同じ動作をする。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、弁体がリフト量によって変化する有効受圧面積の変化量を、変位量によって有効受圧面積が変化するダイヤフラムによって相殺するように構成した。これにより、弁体のリフト量に関係なく弁体およびダイヤフラムにかかる圧力がキャンセルされるため、有効受圧面積の差による比例体の自開または自閉を防止することができ、ソレノイドに供給する制御電流の値のみで弁体のリフト量を制御することができる。
【００３４】
また、ダイヤフラムは、ピストンの摺動部を完全にシールするように配置されることから、その摺動部を介して流体が漏れることがないため、全閉したときの内部漏れを完全に防止することができ、制御性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る比例弁の非通電時の状態を示す縦断面図である。
【図２】図１の要部拡大断面図である。
【図３】ダイヤフラムの受圧面積の変化を示す説明図である。
【図４】第１の実施の形態に係る比例弁の通電時の状態を示す縦断面図である。
【図５】第２の実施の形態に係る比例弁の非通電時の状態を示す縦断面図である。
【図６】第２の実施の形態に係る比例弁の通電時の状態を示す縦断面図である。
【図７】第３の実施の形態に係る比例弁の非通電時の状態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ ボディ
２ 入口ポート
３ 出口ポート
４ 通路
５ 通路
６ 第１の部屋
７ 通路
８ 第２の部屋
９ 通路
１０ 弁座
１１ 弁体
１２ シリンダ
１３ ピストン
１４ ダイヤフラム
１４ａ 屈曲部
１４ｂ 周縁部
１４ｃ 中央部
１５ ホルダ
１６ スプリング
１７ ストッパ
１８ プラグ
１９ ストッパ
２０ ガスケット
２１ フランジ
２２ スリーブ
２３ プランジャ
２４ コア
２５ 電磁コイル
２６ ヨーク
２７ シャフト
２８ アジャストねじ
２９ スプリング
３０ 止め栓
３１ 止めねじ
３２ 通路
３３ スプリング
３４ アジャストねじ
３５ プラグ
Claims (6)
- ソレノイドに供給する電流値によって弁体のリフト量が比例的に変化され、前記弁体のリフト量に応じて弁部の受圧面積が変化する比例弁において、
前記弁体と一体に動くよう弁座を挟んで前記弁体の反対側に配置され、入口ポートに連通される前記弁座より上流側の第１の部屋にて前記弁体が弁閉方向に受ける流体圧力と同じ圧力を受けて前記弁体を弁開方向へ付勢するピストンと、
前記ピストンの受圧部分に配置され、前記弁体のリフト量に応じて変位することにより受圧面積が前記弁部と同じ方向に変化するダイヤフラムと、
を備え、前記ピストンは前記ダイヤフラムを介して受圧していることを特徴とする比例弁。 - 前記ダイヤフラムは、その中央部の変位に応じて受圧面積が変化するものであり、前記弁体が着座位置にあって弁部の受圧面積が最も大きいとき、受圧面積が最も大きくなるよう変位された状態に設定されていることを特徴とする請求項１記載の比例弁。
- 前記ダイヤフラムを介して前記ピストンにより受圧される圧力が導入される第２の部屋がボディに形成された通路を介して前記入口ポートに連通されていることを特徴とする請求項１記載の比例弁。
- 前記ダイヤフラムは、前記ピストンが摺動するシリンダをシールするよう外周部がボディに固着されていることを特徴とする請求項３記載の比例弁。
- 前記ダイヤフラムを介して前記ピストンにより受圧される圧力が導入される第２の部屋が前記ダイヤフラムおよび前記弁体を貫通するように形成された通路を介して前記弁体の上流側の前記第１の部屋に連通されていることを特徴とする請求項１記載の比例弁。
- 前記ダイヤフラムは、前記ピストンが摺動する部分をシールするよう外周部がボディに固着され、内周部が前記ピストンに固着されていることを特徴とする請求項５記載の比例弁。
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