JP4173073B2 - 可変容量圧縮機用制御弁 - Google Patents

Description

本発明は可変容量圧縮機用制御弁に関し、特に自動車用空調装置の冷凍サイクルを構成する可変容量圧縮機の吐出容量を制御するのに用いられる可変容量圧縮機用制御弁に関する。

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圧縮用ピストンのストロークを変えることで冷媒の吐出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、その導入する冷媒の圧力を変化させ、圧縮用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。

クランク室内の圧力は、可変容量圧縮機の吐出室とクランク室との間またはクランク室と吸入室との間に制御弁を設け、吐出室からクランク室に導入する冷媒の流量を変えるか、クランク室から吸入室に導出する冷媒の流量を変えることにより調整している。たとえば、特許文献１に記載の制御弁は、可変容量圧縮機の吐出室とクランク室との間に配置され、クランク室と吸入室との間にはオリフィスを設けて吐出室から吸入室へ冷媒が流れる経路を形成し、制御弁は、開弁方向に吐出圧力（Ｐｄ）を受ける弁体の背面側に弁孔とほぼ同じ径を有するピストンロッドを一体に備え、そのピストンロッドの端面に閉弁方向に吸入圧力（Ｐｓ）およびソレノイド力を受けるように構成されている。制御弁は、また、その弁体の下流側の空間、つまり、弁体とピストンロッドとの接続部の周囲に設けられた空間を可変容量圧縮機のクランク室に連通するようにしている。これにより、この制御弁は、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室とクランク室との間の通路を連通または閉塞させる制御をし、その差圧の所定値をソレノイドに供給する電流の値によって外部から設定できるようになっている。これにより、エンジンの回転数が上昇したときには、クランク室に導入する圧力（Ｐｃ）を増加させて吐出できる容量を小さくし、回転数が低下したときには、クランク室に導入する冷媒流量よりもオリフィスを介して吸入室へ逃がす流量を増やし、クランク室の圧力（Ｐｃ）を減少させて吐出できる容量を大きくするようにし、これによって可変容量圧縮機の吐出容量を一定に保つようにしている。

このとき、この制御弁は、その上流側から吐出圧力（Ｐｄ）を受けており、下流側は、可変容量圧縮機のクランク室に供給されるべき圧力（Ｐｃ）になっている。その際、弁体には、その閉弁方向に圧力（Ｐｃ）を受け、弁体と一体のピストンロッドには、弁体の開弁方向に圧力（Ｐｃ）を受けている。弁孔の内径とピストンロッドの外形とは、ほぼ同じであるため、弁体およびピストンロッドには、同じ大きさの圧力（Ｐｃ）が逆方向にかかることになり、その結果、クランク室の圧力（Ｐｃ）は、キャンセルされて、制御弁は、純粋に吐出圧力（Ｐｄ）と吸入圧力（Ｐｓ）との差圧（Ｐｄ−Ｐｓ）によって弁体が開閉制御されるようになっている。
特開２００１−１３２６５０号公報（段落番号〔００４３〕〜〔００４５〕，図４）

従来の可変容量圧縮機用制御弁では、可変容量圧縮機をその吐出容量が最小となる最小運転にしようとするとき、クランク室へ導入する冷媒流量を最大にする必要がある。しかしながら、そのとき制御弁の大きさが小さいと、導入される冷媒流量が少ないため、最小運転への移行に時間がかかり制御性が悪化したり、流量不足により最小運転へ移行できない場合があった。また、導入される冷媒流量を増やそうと弁の大きさを大きくすると、弁体の受圧面積が大きくなるため、吐出圧力に対抗する方向に与える大きなソレノイド力が必要になって、コイルの大型化を招き、コストアップに繋がるという問題点があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、弁サイズを大きくして冷媒流量を増やし最小運転移行時間を短縮するとともに、大きなソレノイド力を必要とせずに動作させることができる可変容量圧縮機用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、吸入室の吸入圧力と吐出室の吐出圧力との差圧を所定値に保つように前記吐出室からクランク室に導入する冷媒流量を制御して可変容量圧縮機からの冷媒の吐出容量を変化させる可変容量圧縮機用制御弁において、前記吐出室と前記クランク室とに連通する冷媒通路の間に前記クランク室の側から着座するように配置されて前記冷媒通路を開閉する弁体と、前記弁体より小さな受圧面積を有し、一端が弁孔を介して前記弁体に固定されるとともに前記吐出圧力を受け、他端には前記クランク室へ導出される圧力を前記クランク室に連通する側の前記冷媒通路に連通する通路を介して受けるピストンロッドと、前記弁体の受圧面積と前記ピストンロッドの受圧面積との差に等しい受圧面積を有し、一端が弁体に当接して前記クランク室へ導入される圧力を受け、他端には前記吸入圧力を受けるシャフトと、前記所定値の差圧に対応したソレノイド力を前記シャフトを介して前記弁体に与えるソレノイドと、を備えていることを特徴とする可変容量圧縮機用制御弁が提供される。

このような可変容量圧縮機用制御弁によれば、吐出圧力を受圧する弁体およびピストンロッドの受圧面積に差を持たせ、その差の受圧面積を有するシャフトに吸入圧力を受圧させる構成にしたことにより、最小運転移行時に流す冷媒流量を増やすために弁のサイズを大きくしても、弁体にかかる実質的な受圧面積を小さくできるため、弁体を制御するソレノイド力は小さくて済み、ソレノイドを小型化することができる。

本発明の可変容量圧縮機用制御弁は、弁のサイズによらず受圧面積を小さくすることができるので、ソレノイド力は小さくて済み、そのため弁サイズを大きくしても小型化できるという利点がある。また、弁のサイズを任意に設定できるので、汎用性を持たせることができる。

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は本発明の可変容量圧縮機用制御弁を示す中央縦断面図である。
この可変容量圧縮機用制御弁１１は、ボディ１２の先端開口部に圧入された弁座形成部材１３を有し、その中央部には、弁孔を構成する穴とこの穴よりも小径のシリンダとが同一軸線上に配置されている。弁座形成部材１３は、その側部に、弁孔を構成する穴と連通して可変容量圧縮機の吐出室から吐出圧力Ｐｄの冷媒を弁孔に導入する通路１４が形成され、シリンダの側部には、その軸線と平行に延びる通路１５が貫通形成され、弁座形成部材１３の外側開口端は、プレートにより閉止されている。

ボディ１２は、可変容量圧縮機のクランク室に連通して制御された圧力Ｐｃを導出する通路１６が形成されており、その通路１６と弁座形成部材１３の弁孔との間に形成された空間には、弁座形成部材１３の弁座１７に対向して弁体１８が接離自在に配置されている。この弁体１８は、弁座形成部材１３のシリンダに摺動自在に配置されたピストンロッド１９と小径のシャフトによって連結されており、好ましくは、弁体１８、小径のシャフトおよびピストンロッド１９は一体に形成されている。また、弁体１８は、スプリング２０によって弁座１７から離れる方向へ付勢されている。ボディ１２の外側の先端開口部には、ストレーナ２１が冠着されている。

ボディ１２は、可変容量圧縮機の吸入室に連通して吸入圧力Ｐｓを受ける通路２２が形成され、弁体１８およびピストンロッド１９と同一の軸線上にシャフト２３を摺動自在に保持している。このシャフト２３は、弁孔の断面積とピストンロッド１９の断面積との差に一致する断面積を有し、その一端は、弁体１８に当接している。

ボディ１２は、ソレノイドのボディ２４に固着されている。このボディ２４の中央開口部には、ソレノイドのスリーブ２５の一端が固着され、ソレノイドの固定鉄芯２６がボディ１２に固着されている。スリーブ２５の他端は、ストッパ２７によって閉止され、その内側にはガイド２８が内設されている。このガイド２８は、固定鉄芯２６を貫通してその軸線方向に進退可能に配置されたシャフト２９の一端を保持するものであり、そのシャフト２９の他端は、ボディ１２に保持され、かつ、シャフト２３の他端に当接されている。ソレノイドのシャフト２９は、ガイド２８と固定鉄芯２６との間において可動鉄芯３０が固着されている。この可動鉄芯３０は、また、固定鉄芯２６との間にスプリング３１が配置され、反対側のガイド２８との間には、スプリング３２が配置されている。そして、スリーブ２５の外周には、コイル３３およびヨーク３４が配置されている。なお、ソレノイドのスリーブ２５は、ボディ１２の通路２２を介して可変容量圧縮機の吸入室に連通していて、吸入圧力Ｐｓにて充満されているため、この吸入圧力Ｐｓが可動鉄芯３０の動作に影響を与えることはない。

ここで、この可変容量圧縮機用制御弁１１の中の圧力関係について説明する。まず、可変容量圧縮機の吐出室から導入される冷媒の吐出圧力Ｐｄは、弁体１８とピストンロッド１９とに軸線方向逆向きにかかる。弁体１８の受圧面積をＡ、ピストンロッド１９の受圧面積をＢとすると、弁体１８には開弁方向にＰｄ・Ａの力が働き、ピストンロッド１９には閉弁方向にＰｄ・Ｂの力が働く。弁体１８の受圧面積Ａおよびピストンロッド１９の受圧面積Ｂは、Ａ＞Ｂの関係にしてあるため、弁体１８およびピストンロッド１９には、開弁方向にＰｄ（Ａ−Ｂ）の力が働く。この差（Ａ−Ｂ）が従来の弁体の受圧面積に相当するものであり、従来では、その受圧面積の大きさが冷媒を流す流量を直接制限していた。しかし、本発明では、Ａという大きな受圧面積を有し、冷媒流量を増やすことができるにも拘らず、その弁体１８に対して開弁方向に働く力は、Ｐｄ（Ａ−Ｂ）という小さな力とすることができる。

また、ピストンロッド１９の弁体１８と反対側の端面には、弁座形成部材１３に形成された通路１５を介してクランク室の圧力Ｐｃを受けているので、開弁方向にＰｃ・Ｂの力が働き、弁体１８の閉弁方向にはＰｃ・Ａの力が働き、シャフト２３の両端には、その受圧面積をＣとすると、開弁方向にＰｃ・Ｃ、閉弁方向にはＰｓ・Ｃの力がそれぞれ働くことになる。これから、ソレノイド力およびスプリング２０，３１，３２により閉弁方向に働く力をＦとし、これとバランスする開弁方向の力は、
Ｆ＝Ｐｄ（Ａ−Ｂ）＋Ｐｃ（Ｂ＋Ｃ−Ａ）−Ｐｓ・Ｃ ・・・（１）
で表すことができる。

ここで、弁体１８の受圧面積Ａとピストンロッド１９の受圧面積Ｂとの差（Ａ−Ｂ）をシャフト２３の受圧面積Ｃと等しくしてあるので、Ｃを（Ａ−Ｂ）に代入すると、
Ｆ＝Ｃ（Ｐｄ−Ｐｓ） ・・・（２）
となり、クランク室の圧力Ｐｃはキャンセルされることになる。したがって、弁体１８は、弁サイズが大きいにも拘らず、実質的に小さな受圧面積（Ａ−Ｂ）を持った弁を構成できることになる。

以上の可変容量圧縮機用制御弁１１において、ソレノイドのコイル３３に制御電流が供給されていないときには、吐出圧力Ｐｄがピストンロッド１９よりも受圧面積の大きな弁体１８を開弁方向へ押しているため、弁体１８は全開である。したがって、可変容量圧縮機では、クランク室の圧力Ｐｃは、吐出圧力Ｐｄに近い値になり、圧縮用ピストンの両端面にかかる圧力差が最も小さくなって、揺動板は圧縮用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、可変容量圧縮機は最小容量の運転になっている。

ソレノイドのコイル３３に最大の制御電流が供給されると、可動鉄芯３０が固定鉄芯２６に吸引され、シャフト２９，２３を介して弁体１８が閉弁方向に押されることにより、可変容量圧縮機用制御弁１１は全閉状態になる。これにより、可変容量圧縮機では、クランク室の冷媒がオリフィスを介して吸入室へ流れ、クランク室の圧力Ｐｃが吸入室の吸入圧力Ｐｓに近い値まで低下し、圧縮用ピストンの両端面にかかる圧力差が最も大きくなって、揺動板は圧縮用ピストンのストロークが最も大きくなるような傾斜角になり、可変容量圧縮機は、最大容量の運転に移行する。

ソレノイドのコイル３３に所定の制御電流が供給される通常の制御をしている場合は、その制御電流の大きさに応じて可動鉄芯３０が固定鉄芯２６に吸引されて閉弁方向へ移動するソレノイド力が生じる。これにより、弁体１８が閉じているときには、吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの差圧がソレノイド力によって設定された所定値より大きくなった場合にだけ、弁体１８が開く。つまり、通常の制御中、可変容量圧縮機用制御弁１１は差圧弁として動作する。したがって、この可変容量圧縮機用制御弁１１は、吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓとの差圧を感知し、その差圧がソレノイドによって設定された所定値の差圧に保つように、吐出室からクランク室へ流れる冷媒の流量を制御するように動作することになる。

本発明の可変容量圧縮機用制御弁を示す中央縦断面図である。

符号の説明

１１ 可変容量圧縮機用制御弁
１２ ボディ
１３ 弁座形成部材
１４，１５，１６ 通路
１７ 弁座
１８ 弁体
１９ ピストンロッド
２０ スプリング
２１ ストレーナ
２２ 通路
２３ シャフト
２４ ボディ
２５ スリーブ
２６ 固定鉄芯
２７ ストッパ
２８ ガイド
２９ シャフト
３０ 可動鉄芯
３１，３２ スプリング
３３ コイル
３４ ヨーク

Claims (2)

1. 吸入室の吸入圧力と吐出室の吐出圧力との差圧を所定値に保つように前記吐出室からクランク室に導入する冷媒流量を制御して可変容量圧縮機からの冷媒の吐出容量を変化させる可変容量圧縮機用制御弁において、
   前記吐出室と前記クランク室とに連通する冷媒通路の間に前記クランク室の側から着座するように配置されて前記冷媒通路を開閉する弁体と、
   前記弁体より小さな受圧面積を有し、一端が弁孔を介して前記弁体に固定されるとともに前記吐出圧力を受け、他端には前記クランク室へ導出される圧力を前記クランク室に連通する側の前記冷媒通路に連通する通路を介して受けるピストンロッドと、
   前記弁体の受圧面積と前記ピストンロッドの受圧面積との差に等しい受圧面積を有し、一端が弁体に当接して前記クランク室へ導入される圧力を受け、他端には前記吸入圧力を受けるシャフトと、
   前記所定値の差圧に対応したソレノイド力を前記シャフトを介して前記弁体に与えるソレノイドと、
   を備えていることを特徴とする可変容量圧縮機用制御弁。
2. 前記ピストンロッドは、前記弁体と同一軸線方向に延びていて前記弁体と一体に形成されていることを特徴とする請求項１記載の可変容量圧縮機用制御弁。
   

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