JP5740596B2 - 制御弁 - Google Patents

Description

本発明は制御弁に関し、特に作動流体が流れる複数の流体通路の切り替えに好適な制御弁に関する。

近年、内燃機関を搭載した車両においてはエンジンの燃焼効率が向上したこともあり、熱源として利用してきた冷却水が暖房に必要な温度にまで上昇し難くなっている。一方、内燃機関と電動機を併用したハイブリッド車両においては内燃機関の稼働率が低いため、そのような冷却水の利用がさらに難しい。電気自動車に至っては内燃機関による熱源そのものがない。このため、冷房のみならず暖房にも冷媒を用いたサイクル運転を行い、車室内を除湿暖房可能なヒートポンプ式の車両用冷暖房装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。

このような車両用冷暖房装置は、圧縮機、室外熱交換器、蒸発器、室内熱交換器等を含む冷凍サイクルを有し、暖房運転時と冷房運転時とで室外熱交換器の機能が切り替えられる。暖房運転時においては室外熱交換器が蒸発器として機能する。その際、冷凍サイクルを冷媒が循環する過程で室内熱交換器が放熱し、その熱により車室内の空気が加熱される。一方、冷房運転時においては室外熱交換器が凝縮器として機能する。その際、室外熱交換器にて凝縮された冷媒が蒸発器にて蒸発し、その蒸発潜熱により車室内の空気が冷却される。その際、除湿も行われる。そして、このように暖房運転時と冷房運転時とで装置の機能を切り替えるために、冷凍サイクルには複数の冷媒循環通路が設けられ、各冷媒循環通路の冷媒の流れを切り替えるための種々の制御弁が設けられる。

特開平９−２４０２６６号公報

ところで、このような車両用冷暖房装置において制御弁が数多く用いられると、当然にコストが嵩み、また設置スペース上の問題も生じる。このため、制御弁のトータルの数や部品コストをできる限り少なくするのが望ましい。一方、そのように制御弁の数やコストを抑えつつも、運転状態に応じた空調性能を良好に確保する必要がある。

本発明の目的は、作動流体が流れる複数の流体通路の切り替える制御弁に嵩むコストをトータル的に抑制することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の制御弁は、作動流体を導入する導入ポートと、作動流体を導入または導出する導入出ポートと、作動流体を導出する導出ポートと、導入ポートと導出ポートとを連通させる第１弁孔と、第１弁孔と同一軸線上に配置され導入出ポートと導出ポートとを連通させる第２弁孔とを有する共用のボディと、第１弁孔に接離して第１弁の開度を調整する第１弁体と、第２弁孔に接離して第２弁を開閉する一方、導入出ポートと導出ポートとを連通させる、第２弁孔よりも小径の第３弁孔が形成された第２弁体と、第１弁体と一体変位可能に設けられ、第３弁孔に接離して第３弁の開度を調整する第３弁体と、第２弁体を第２弁の閉弁方向であって第３弁の開弁方向に付勢する付勢部材と、第１弁、第２弁および第３弁の開度を電気的に制御するための共用のアクチュエータと、アクチュエータにより軸線方向に駆動され、第１弁体に各弁の開閉方向の駆動力を伝達する弁作動体と、を備える。

この態様によると、複数の流体通路を切り替える第１弁、第２弁および第３弁が設けられるところ、それらの弁が共用のボディに収容されて共用のアクチュエータにより開閉駆動される制御弁（複合弁）として構成される。第１弁の開度は弁作動体の駆動により直接的に調整される。第２弁は逆止弁としても機能し、作動流体の流れ方向に応じて導入出ポートが導入ポートとして機能する場合には開弁するが、流れ方向の切り替えにより導入出ポートが導出ポートとして機能する場合には閉弁する。一方、そのように導入出ポートが導出ポートとして機能する場合には第３弁が開弁される。第３弁体は第１弁体に連動するように駆動され、第３弁の開度は弁作動体の駆動により調整される。第３弁は第２弁よりも小さく、膨張装置として構成することもできる。また、第２弁の開弁状態においては第２弁体が第３弁体に係止される形で第３弁が閉弁状態となる。このとき、第２弁体は第１弁体に連動するように駆動される。このように、この態様によれば、複数の流体通路を切り替える複数の弁が共用のボディに収容され、共用のアクチュエータにより開閉駆動されるため、弁の数に対してボディやアクチュエータの数を抑えることができる。

本発明によれば、作動流体が流れる複数の流体通路の切り替える制御弁に嵩むコストをトータル的に抑制できる。

実施形態に係る車両用冷暖房装置のシステム構成を表す図である。 車両用冷暖房装置の動作を表す説明図である。 車両用冷暖房装置の動作を表す説明図である。 第２制御弁の構成および動作を表す断面図である。 第２制御弁の構成および動作を表す断面図である。 第２制御弁の構成および動作を表す断面図である。 第２制御弁の構成および動作を表す断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、実施形態に係る車両用冷暖房装置のシステム構成を表す図である。この車両用冷暖房装置は、電気自動車の冷暖房装置として具体化されたものである。

車両用冷暖房装置２００は、圧縮機２、補助凝縮器３、室外熱交換器５、蒸発器７およびアキュムレータ８を配管にて接続した冷凍サイクル（冷媒循環回路）を備える。車両用冷暖房装置２００は、冷媒としての代替フロン（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ）が冷凍サイクル内を状態変化しながら循環する過程で、その冷媒の熱を利用して車室内の空調を行うヒートポンプ式の冷暖房装置として構成されている。

圧縮機２、室外熱交換器５およびアキュムレータ８は、車室外（エンジンルーム）に設けられている。一方、車室内には空気の熱交換が行われるダクトが設けられ、そのダクトにおける空気の流れ方向上流側に蒸発器７が配設され、下流側に補助凝縮器３が配設されている。補助凝縮器３は、室内凝縮器として構成されている。

車両用冷暖房装置２００の冷凍サイクルは、補助凝縮器３と室外熱交換器５とが凝縮器として並列に動作可能に構成され、蒸発器７と室外熱交換器５とが蒸発器として並列に動作可能に構成されている。車室内に導入された空気は、補助凝縮器３を通過する過程で温められる。そして、冷房運転時に冷媒が循環する第１冷媒循環通路、暖房運転時に冷媒が循環する第２冷媒循環通路、除湿時に冷媒が循環する第３冷媒循環通路が形成される。

第１冷媒循環通路は、圧縮機２→室外熱交換器５→蒸発器７→アキュムレータ８→圧縮機２のように冷媒が循環する通路である。第２冷媒循環通路は、圧縮機２→補助凝縮器３→室外熱交換器５→アキュムレータ８→圧縮機２のように冷媒が循環する通路である。第３冷媒循環通路は、圧縮機２→補助凝縮器３→蒸発器７→アキュムレータ８→圧縮機２のように冷媒が循環する通路である。室外熱交換器５を流れる冷媒の流れは、第１冷媒循環通路と第２冷媒循環通路とで逆方向となっている。

具体的には、圧縮機２の吐出室につながる通路が分岐し、その一方である第１分岐通路２２１が室外熱交換器５の一方の出入口につながり、他方である第２分岐通路２２３が補助凝縮器３の入口につながっている。室外熱交換器５の他方の出入口は第３通路２３を介して蒸発器７の入口に接続され、蒸発器７の出口は第４通路２４（戻り通路）を介してアキュムレータ８の入口に接続されている。補助凝縮器３の出口は第２通路２２を介して第３通路２３に接続されている。第１分岐通路２２１からバイパス通路２７が分岐し、アキュムレータ８の入口に接続されている。

第４通路２４におけるバイパス通路２７との合流点よりも下流側は、第１冷媒循環通路、第２冷媒循環通路および第３冷媒循環通路の共用の通路である第１共用通路４１となっている。また、第３通路２３における第２通路２２との合流点よりも下流側は、第１冷媒循環通路と第３冷媒循環通路との共用の通路である第２共用通路４２となっている。そして、第１共用通路４１と第２共用通路４２を部分的に挿通するように内部熱交換器１０が配設されている。

第１分岐通路２２１と第２分岐通路２２３との分岐点には第１制御弁２０４が設けられている。第２通路２２と第３通路２３との合流点には第２制御弁２０６が設けられている。第４通路２４とバイパス通路２７との合流点には第３制御弁９が設けられている。

圧縮機２は、ハウジング内にモータと圧縮機構を収容する電動圧縮機として構成され、図示しないバッテリからの供給電流により駆動され、モータの回転数に応じて冷媒の吐出容量が変化する。

補助凝縮器３は、室外熱交換器５とは別に冷媒を放熱させる補助的な凝縮器として機能する。すなわち、圧縮機２から吐出された高温・高圧の冷媒が補助凝縮器３を通過する際に放熱する。車室内に導入された空気は、補助凝縮器３を通過する過程で温められる。すなわち、ダクトに取り込まれて蒸発器７にて冷却および除湿された空気のうち、図示しないエアミックスドアにて振り分けられた空気が補助凝縮器３を通過することにより適度に加熱される。補助凝縮器３を通過した空気と迂回した空気とが補助凝縮器３の下流側にて混合されて目標の温度に調整される。

室外熱交換器５は、冷房運転時に内部を通過する冷媒を放熱させる室外凝縮器として機能する一方、暖房運転時には内部を通過する冷媒を蒸発させる室外蒸発器として機能する。室外熱交換器５が蒸発器として機能する際には、膨張装置（後述の比例弁５２）の通過により低温・低圧となった冷媒が、室外熱交換器５を通過する際に蒸発する。

蒸発器７は、車室内に配置され、内部を通過する冷媒を蒸発させる室内蒸発器として機能する。すなわち、膨張装置（後述の比例弁３３）の通過により低温・低圧となった冷媒は、蒸発器７を通過する際に蒸発する。車室内に導入された空気は、その蒸発潜熱によって冷却され、除湿される。このとき冷却・除湿された空気は、補助凝縮器３の通過過程で加熱される。

アキュムレータ８は、蒸発器から送出された冷媒を気液分離して溜めておく装置であり、液相部と気相部とを有する。このため、仮に蒸発器７から想定以上の液冷媒が導出されたとしても、その液冷媒を液相部に溜めおくことができ、気相部の冷媒を圧縮機２に導出することができる。

第１制御弁２０４は、共用のボディに比例弁３４と比例弁３７とを収容し、それらを１つのアクチュエータにて駆動する複合弁として構成されている。比例弁３４は大口径の弁であり、第１分岐通路２２１の開度を調整する。比例弁３７は大口径の弁であり、第２分岐通路２２３の開度を調整する。本実施形態では、第１制御弁２０４として、ステッピングモータの駆動により各弁の開度を調整可能な電動弁が用いられるが、ソレノイドへの通電によって各弁の開度を調整可能な電磁弁を用いるようにしてもよい。

第２制御弁２０６は、共用のボディに比例弁５１と比例弁５２を収容する複合弁として構成されている。比例弁５１と比例弁５２は共用のアクチュエータにて駆動される。なお、比例弁３３は、本実施形態においても膨張装置として機能するが、第２制御弁２０６とは別体で構成されている。比例弁５１は大口径の弁であり、第２通路２２の開度を調整する。比例弁５２は大口径の弁と小口径の弁とを有する複合弁であり、第３通路２３の開度を調整する。比例弁５２は膨張装置としても機能する。本実施形態では、第２制御弁２０６として、ステッピングモータの駆動により各弁の開度を調整可能な電動弁が用いられるが、ソレノイドへの通電によって各弁の開度を調整可能な電磁弁を用いるようにしてもよい。第２制御弁２０６の具体的構成については後述する。なお、変形例においては、比例弁３３に代えて、例えば蒸発器７の出口側の温度を感知してその出口側の過熱度が適正となるよう冷媒流量を調整する温度式膨張弁を設けてもよい。あるいは、オリフィスその他の膨張装置を設けてもよい。

比例弁３３は、第２内部通路の下流側に設けられ、室外熱交換器５から第３通路２３を介して導入された冷媒、または補助凝縮器３から第２通路２２を介して導入された冷媒を絞り膨張させて下流側に導出する「膨張装置」としても機能する。

第３制御弁９は、共用のボディに比例弁３５と比例弁３６とを収容し、それらを１つのアクチュエータにて駆動する複合弁として構成されている。第３制御弁９のボディには、第４通路２４を構成する第１内部通路とバイパス通路２７を構成する第２内部通路が設けられている。比例弁３５は大口径の弁であり、第２内部通路に設けられてその開度を調整する。比例弁３６は大口径の弁であり、第１内部通路に設けられてその開度を調整する。本実施形態では、第３制御弁９として、ステッピングモータの駆動により各弁の開度を調整可能な電動弁が用いられるが、ソレノイドへの通電によって各弁の開度を調整可能な電磁弁を用いるようにしてもよい。

内部熱交換器１０は、第１共用通路４１と第２共用通路４２を部分的に挿通して両共用通路を流れる冷媒の熱交換をさせる。これにより、補助凝縮器３または室外熱交換器５から蒸発器７に向かって流れる冷媒が、アキュムレータ８から圧縮機２に向かって流れる冷媒によって冷却される一方、アキュムレータ８から圧縮機２に向かって流れる冷媒が、補助凝縮器３または室外熱交換器５から蒸発器７に向かって流れる冷媒によって加熱され、冷凍サイクルの熱交換率が高められる。なお、図示のように、第３通路２３と第２通路２２との合流点は、内部熱交換器１０の入口の上流側に設けられている。また、比例弁３３は、内部熱交換器１０の出口の下流側に設けられている。

以上のように構成された車両用冷暖房装置２００は、図示しない制御部により制御される。制御部は、車両の乗員によりセットされた室温を実現するために各アクチュエータの制御量を演算し、各アクチュエータの駆動回路に制御信号を出力する。制御部は、車室内外の温度、蒸発器７の吹き出し空気温度等、各種センサにて検出された所定の外部情報に基づいて各制御弁の制御量（弁開度や開閉状態）を決定し、その制御量が実現されるようアクチュエータに電流を供給する。本実施例ではアクチュエータとしてステッピングモータを用いるため、制御部は、各制御弁の制御量が実現されるようステッピングモータに制御パルス信号を出力する。このような制御により、圧縮機２は、その吸入室を介して吸入圧力Ｐｓの冷媒を導入し、これを圧縮して吐出圧力Ｐｄの冷媒として吐出する。なお、本実施形態ではこのような制御を実現するために、補助凝縮器３の出口、室外熱交換器５の出入口、蒸発器７の入口と出口、内部熱交換器１０の入口と出口のそれぞれの温度を検出するための複数の温度センサが設置されている。

次に、本実施形態の冷凍サイクルの動作について説明する。図２および図３は、車両用冷暖房装置の動作を表す説明図である。図２は冷房運転時の状態を示し、（Ａ）は通常冷房運転時の状態を示し、（Ｂ）は特定冷房運転時の状態を示している。図３は暖房運転時の状態を示し、（Ａ）は特定暖房運転時の状態を示し、（Ｂ）は通常暖房運転時の状態を示し、（Ｃ）は特殊暖房運転時の状態を示している。なお、「特定冷房運転」は、冷房運転において特に除湿の機能を高めた運転状態である。「特定暖房運転」は、暖房運転において特に除湿の機能を高めた運転状態である。「特殊暖房運転」は、室外熱交換器５を機能させない運転状態である。

各図の上段には冷凍サイクルの動作を説明するモリエル線図が示されている。その横軸がエンタルピーを表し、縦軸が各種圧力を表している。各図の下段には、冷凍サイクルの動作状態が示されている。図中の太線および矢印が冷媒の流れを示し、符号ａ〜ｉはモリエル線図のそれと対応している。また、図中の「×」は冷媒の流れが遮断されていることを示している。

図２（Ａ）に示すように、通常冷房運転時においては、第１制御弁２０４において比例弁３４が開弁状態とされ比例弁３７が閉弁状態とされる。このとき、比例弁３４は全開状態とされる。また、第２制御弁２０６において比例弁５１が閉弁状態とされ比例弁５２が開弁状態とされる。比例弁３３は開弁状態とされる。さらに、第３制御弁９において比例弁３５が閉弁状態とされ比例弁３６が開弁状態とされる。それにより、第１冷媒循環通路のみが開放される。このため、圧縮機２から吐出冷媒は室外熱交換器５および蒸発器７に導かれる。このとき、室外熱交換器５は室外凝縮器として機能する。

すなわち、圧縮機２から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、室外熱交換器５を経ることで凝縮され、比例弁３３にて断熱膨張されて冷温・低圧の気液二相冷媒となり、蒸発器７に導入される。蒸発器７の入口に導入された冷媒は、その蒸発器７を通過する過程で蒸発し、車室内の空気を冷却する。蒸発器７から導出された冷媒は、比例弁３６を経てアキュムレータ８に導入される。制御部は、室外熱交換器５の出口側の温度に基づき、その出口側の過冷却度が適正となるよう比例弁３３の開度を制御するか、または圧縮機２の入口側の温度に基づき、その入口側の過熱度が適正となるよう比例弁３３の開度を制御する。前者の場合、比例弁３３の入口または内部熱交換器１０の入口の温度に基づいてその過冷却度を調整するようにしてもよい。

なお、このとき、内部熱交換器１０により、アキュムレータ８から圧縮機２に送られる冷媒と室外熱交換器５から比例弁３３に送られる冷媒との熱交換が行われる。その結果、蒸発器７の入口と出口とのエンタルピの差が大きくなり、冷凍サイクルの成績係数を大きくできるため、システムの効率および冷凍能力を向上させることができる。

図２（Ｂ）に示すように、特定冷房運転時においては、第１制御弁２０４において比例弁３４および比例弁３７が共に開弁状態とされる。また、第２制御弁２０６において比例弁５１および比例弁５２が共に開弁状態とされる。比例弁３３は開弁状態とされる。さらに、第３制御弁９において比例弁３５が閉弁状態とされ比例弁３６が開弁状態とされる。それにより第１冷媒循環通路および第３冷媒循環通路が開放され、第２冷媒循環通路は遮断される。このため、圧縮機２から吐出された冷媒は、一方で室外熱交換器５を経て蒸発器７に導かれ、他方で補助凝縮器３を経て蒸発器７に導かれる。このとき、室外熱交換器５は室外凝縮器として機能する。

すなわち、圧縮機２から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、一方で補助凝縮器３を、他方で室外熱交換器５を経ることで凝縮される。そして、補助凝縮器３を経由した冷媒と室外熱交換器５を経由した冷媒とが合流して比例弁３３にて断熱膨張され、冷温・低圧の気液二相冷媒となって蒸発器７に導入される。そして、その蒸発器７を通過する過程で蒸発し、車室内の空気を冷却する。このとき、蒸発器７から導出された冷媒は、アキュムレータ８を経て圧縮機２に導入される。制御部は、比例弁３３の入口または内部熱交換器１０の入口の温度に基づいてその過冷却度が適正となるよう比例弁３３の開度を制御するか、または圧縮機２の入口側の温度に基づき、その入口側の過熱度が適正となるよう比例弁３３の開度を制御する。

図３（Ａ）に示すように、特定暖房運転時においては、第１制御弁２０４の比例弁３４が閉弁状態とされ比例弁３７が開弁状態とされる。また、第２制御弁２０６において比例弁５１および比例弁５２が共に開弁状態とされる。比例弁３３は開弁状態とされる。このとき、比例弁５２は、小口径の弁が開弁状態、大口径の弁が閉弁状態となり、膨張装置として機能する。さらに、第３制御弁９において比例弁３５および比例弁３６が共に開弁状態とされる。それにより、第１冷媒循環通路が遮断され、第２冷媒循環通路および第３冷媒循環通路が開放される。このため、補助凝縮器３から導出された冷媒は、一方で室外熱交換器５に導かれ、他方で蒸発器７に導かれる。このとき、室外熱交換器５は室外蒸発器として機能する。

すなわち、圧縮機２から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、補助凝縮器３を経て凝縮される。補助凝縮器３から導出された冷媒は、一方で比例弁５２にて断熱膨張されて冷温・低圧の気液二相冷媒となり、室外熱交換器５を通過する際に蒸発される。室外熱交換器５から導出された冷媒は、比例弁３５を経てアキュムレータ８に導入される。また、補助凝縮器３から導出された冷媒は、他方で比例弁３３にて断熱膨張されて冷温・低圧の気液二相冷媒となり、蒸発器７を通過する際に蒸発される。蒸発器７から導出された冷媒は、比例弁３６を経てアキュムレータ８に導入される。

このとき、制御部は、室外熱交換器５による熱吸収と蒸発器７による除湿とを適正に行うべく、室外熱交換器５における冷媒の蒸発量と蒸発器７における冷媒の蒸発量との比率を適正に調整する。室外熱交換器５および蒸発器７の両蒸発器にて蒸発される比率は、比例弁５２と比例弁３３の弁開度の比率により制御される。制御部は、比例弁５２の開度と比例弁３３の開度との比率を調整することにより両蒸発器における蒸発量を調整する。その際、制御部は、蒸発器７が凍結することがないよう、蒸発器７の出口側の温度が適正範囲に保たれるように制御する。

また、制御部は、比例弁３５および比例弁３６の一方の全開状態を維持したまま他方の開度を調整する。本実施形態では、図３（Ａ）の左上段のモリエル線図に示すように、室外熱交換器５よりも蒸発器７の温度が低い場合には比例弁３６を全開状態にして比例弁３５の開度を制御する。一方、図３（Ａ）の右上段のモリエル線図に示すように、蒸発器７よりも室外熱交換器５の温度が低い場合には比例弁３５を全開状態にして比例弁３６の開度を制御する。

例えば、前者のように室外熱交換器５よりも蒸発器７の温度が低く、室外熱交換器５の出口側に過熱度（スーパーヒート）が発生している場合、比例弁３５の開度を絞ることによりその過熱度が設定値（ゼロまたは小さな適正値）に近づくように制御する。このとき、室外熱交換器５における外部からの熱吸収量は、その比例弁３５の絞り量により調整される。すなわち、比例弁３６を全開状態に維持しつつ比例弁３５の開度を絞ることで、室外熱交換器５の蒸発圧力Ｐｏと蒸発器７の出口の圧力Ｐｅとの差圧ΔＰ＝Ｐｏ−Ｐｅが適正となり、循環する冷媒を室外熱交換器５と蒸発器７とで蒸発させる比率を調整することができる。すなわち、差圧ΔＰが大きくなると、室外熱交換器５における蒸発量が相対的に小さくなる（蒸発器７における蒸発量が相対的に大きくなる）。逆に、差圧ΔＰが小さくなると、室外熱交換器５における蒸発量が相対的に大きくなる（蒸発器７における蒸発量が相対的に小さくなる）。制御部は、室外熱交換器５の出口側に過熱度に応じて比例弁３５の開度を制御して差圧ΔＰを適正に調整することで、特定暖房運転時における除湿機能を確保する。なお、室外熱交換器５の出口側の過熱度の有無およびその大きさは、室外熱交換器５の入口側の温度と出口側の温度を検出することで特定することができる。

逆に、後者のように蒸発器７よりも室外熱交換器５の温度が低く、蒸発器７の出口側に過熱度が発生している場合、比例弁３６の開度を絞ることによりその過熱度が設定過熱度（ゼロまたは小さな適正値）に近づくように制御する。すなわち、比例弁３５を全開状態に維持しつつ比例弁３６の開度を絞ることで、蒸発器７の出口の圧力Ｐｅと室外熱交換器５の蒸発圧力Ｐｏとの差圧ΔＰ＝Ｐｅ−Ｐｏが適正となり、特定暖房運転時における除湿機能を確保することができる。なお、蒸発器７の出口側の過熱度の有無およびその大きさは、蒸発器７の入口側の温度と出口側の温度を検出することで特定することができる。

図３（Ｂ）に示すように、通常暖房運転時においては、第１制御弁２０４の比例弁３４が閉弁状態とされ比例弁３７が開弁状態とされる。また、第２制御弁２０６において比例弁５１，５２が開弁状態とされる。比例弁３３は閉弁状態とされる。このとき、比例弁５２が膨張装置として機能する。さらに、第３制御弁９において比例弁３５が開弁状態とされ、比例弁３６が閉弁状態とされる。それにより第２冷媒循環通路のみが開放される。このため、補助凝縮器３から導出された冷媒は第３通路２３を介して室外熱交換器５に導かれる。このとき、蒸発器７には冷媒が供給されないため、蒸発器７は実質的に機能しなくなり、室外熱交換器５のみが蒸発器として機能するようになる。制御部は、補助凝縮器３の出口側の温度に基づき、その出口側の過冷却度が適正となるよう比例弁５２の開度を制御する。

図３（Ｃ）に示すように、特殊暖房運転時においては、第１制御弁２０４の比例弁３４が閉弁状態とされ、比例弁３７が開弁状態とされる。また、第２制御弁２０６において比例弁５１が開弁状態とされ、比例弁５２が閉弁状態とされる。比例弁３３は開弁状態とされる。さらに、第３制御弁９において比例弁３５が閉弁状態とされ、比例弁３６が開弁状態とされる。それにより第３冷媒循環通路のみが開放される。このため、補助凝縮器３から導出された冷媒は第２通路２２を介して蒸発器７に導かれる。室外熱交換器５は実質的に機能しなくなる。蒸発器７に導入された冷媒は、その蒸発器７を通過する過程で蒸発し、車室内の空気を除湿する。このような特殊冷暖房運転は、外部からの吸熱が困難な場合、例えば車両が極寒状況におかれた場合などに有効に機能する。制御部は、補助凝縮器３の出口側の温度に基づき、その出口側の過冷却度が適正となるよう比例弁３３の開度を制御するか、または圧縮機２の入口側の温度に基づき、その入口側の過熱度が適正となるよう比例弁３３の開度を制御する。

次に、本実施形態の制御弁の具体的構成について説明する。図４〜図７は、第２制御弁２０６の構成および動作を表す断面図である。
図４に示すように、第２制御弁２０６は、ステッピングモータ駆動式の電動弁として構成され、弁本体５０１とモータユニット１０２とを組み付けて構成されている。弁本体５０１は、有底筒状のボディ５０４に比例弁５１と比例弁５２とを同軸状に収容して構成される。比例弁５２は、大口径の弁５７１と小口径の弁５７２とを含む。比例弁５１は「第１弁」として機能し、弁５７１は「第２弁」として機能し、弁５７２は「第３弁」として機能する。比例弁５１および比例弁５２（弁５７１，弁５７２）は、１つのモータユニット１０２により開閉駆動される。

ボディ５０４の一方の側部には導入出ポート２１０および導入ポート２１２が設けられ、他方の側部には導出ポート２１６が設けられている。導入出ポート２１０は第３通路２３の上流側に連通し、導入ポート２１２は第２通路２２に連通し、導出ポート２１６は内部熱交換器１０の一方の入口に連通する。

ボディ５０４の上半部には、円筒状の区画部材５１６が配設されている。区画部材５１６は、シール部材を介してボディ５０４に同心状に組み付けられている。区画部材５１６の下端部は弁孔５２０を形成している。また、弁孔５２０の下端開口端縁により弁座５２２が形成されている。区画部材５１６における導入ポート２１２との対向面には、内外を連通する連通孔が設けられている。

ボディ５０４の上端部には、円板状の区画部材１２４が配設されている。区画部材１２４は、弁本体５０１の内部とモータユニット１０２の内部とを区画する。区画部材１２４の中央部には、円ボス状の軸受部１２６が設けられている。軸受部１２６の内周面には雌ねじ部が設けられ、外周面は滑り軸受として機能する。

区画部材１２４と区画部材５１６との間に挟まれるように円筒状のガイド部材５１７が設けられている。ガイド部材５１７と区画部材５１６との間には、シール用のＯリング５１９が設けられている。一方、ボディ５０４の下部には弁孔５２４が弁孔５２０と同軸状に設けられ、その弁孔５２４の上端開口端縁により弁座５２６が形成されている。

ボディ５０４の内方には、弁駆動体５３２、弁体５３３、弁作動体１３４、伝達部材５３６が同軸状に配設されている。弁駆動体５３２は段付円筒状をなし、その下半部に弁体部５３８が設けられ、上半部にガイド部５４０が設けられている。弁体部５３８とガイド部５４０は、縮径部を介して一体に設けられている。弁体部５３８は、弁孔５２０と弁孔５２４との間の圧力室に配置されている。一方、ガイド部５４０は、導入ポート２１２に連通する圧力室に配置され、Ｏリング５１９に摺動可能に支持されている。

弁体部５３８は、その上端部に大径の弁体５４１が設けられ、下端部に小径の弁体５４２が設けられている。弁体５４１は、弁座５２２に着脱可能な環状の弾性体（本実施形態ではゴム）を有し、弁孔５２０に接離して比例弁５１の開度を調整する。弁体５４２は、いわゆるニードル弁体として構成されている。一方、弁体５３３は、その大径の本体に弁座５２６に着脱可能な環状の弾性体（本実施形態ではゴム）を有する。弁体５３３の下端部には弁孔５２４に摺動しつつ支持される複数の脚部（同図には１つのみ表示）が延設されている。弁体５３３は、弁孔５２４に接離して弁５７１の開度を調整する。

弁体５３３の内方には、小径の弁孔５２８が設けられ、その上端開口端縁により弁座５２９が形成されている。弁体５４２の尖った先端部は弁孔５２８に挿抜される。つまり、弁体５４２は、弁座５２９に接離して弁５７２の開度を調整する。弁体５３３と弁体５４１との間には、弁体５３３を閉弁方向に付勢するスプリング５４４（「付勢部材」として機能する）が介装されている。スプリング５４４の荷重は比較的小さく、弁体５３３は逆止弁としても機能する。

ガイド部５４０と区画部材１２４との間には背圧室５４８が形成される。また、弁駆動体５３２を軸線方向に貫通する連通路５５０が形成されている。連通路５５０は、弁体部５３８の側部にて導出ポート２１６に連通している。このため、背圧室５４８には常に、導出ポート２１６から導出される下流側圧力Ｐoutが満たされる。

本実施形態においては、弁孔５２０の有効径Ａと、ガイド部５４０の摺動部の有効径Ｂ（Ｏリング５１９の内径）とが等しく設定されている。このため、弁駆動体５３２に作用する冷媒圧力の影響はキャンセルされる。特にＯリング５１９を設けたことにより、ガイド部５４０の摺動部のシール性が確保されるとともに、その摺動部にゴミなどが挟み込まれることが防止されている。

弁駆動体５３２のガイド部５４０の内方には、ばね受け５５２、伝達部材５３６、ばね受け５５３が同軸状に挿通されている。ばね受け５５２は円板状をなし、その中央部を伝達部材５３６が貫通している。ガイド部５４０の上端開口部とばね受け５５２との間には、スプリング５５４（「付勢部材」として機能する）が介装されている。一方、ガイド部５４０の下端部とばね受け５５３との間には、スプリング５５８（「付勢部材」として機能する）が介装されている。

そして、弁作動体１３４と弁駆動体５３２とが伝達部材５３６を介して作動連結可能に構成されている。すなわち、伝達部材５３６の上端部は弁作動体１３４の底部を貫通し、その先端部が外方に加締められて弁作動体１３４に連結されている。伝達部材５３６の側部には半径方向外向きに突出した係止部５６０が設けられ、その係止部５６０がばね受け５５２に係止されることで、弁作動体１３４と弁駆動体５３２とが上方に一体動作可能となるように構成されている。また、伝達部材５３６の下端がばね受け５５３に係止されることで、弁作動体１３４と弁駆動体５３２とが下方に一体動作可能となるように構成されている。

弁駆動体５３２と弁作動体１３４とは、比例弁５１と比例弁５２がともに開弁状態であるときはスプリング５５４，５５８の付勢力により突っ張った状態で一体変位するが、いずれか一方が閉弁状態になれば軸線方向に相対変位可能となる。弁作動体１３４が上方に動作して比例弁５１が閉弁する際、弁体５４１が弁座５２２に着座すると、弁駆動体５３２の上方への変位は規制される。このため、弁作動体１３４にはその閉弁時の反力が作用することになるが、スプリング５５４が縮むことによりその反力が緩和される。

また、弁５７１の閉弁状態において弁作動体１３４が下方に動作して弁５７２が閉弁する際、弁体５４２が弁座５２９に着座すると、弁駆動体５３２の下方への変位は規制される。このため、弁作動体１３４にはその閉弁時の反力が作用することになるが、スプリング５５８が縮むことによりその反力が緩和される。すなわち、ばね受け５５２、伝達部材５３６、ばね受け５５３、スプリング５５４およびスプリング５５８は、閉弁時の反力を緩和する「緩衝機構」を構成する。

なお、スプリング５５４，５５８は、いずれもその荷重が弁駆動体５３２とＯリング５１９との間の摺動抵抗（弁駆動体５３２の摺動力）よりも大きくなるように設定されている。それにより、弁作動体１３４と弁駆動体５３２とが一体動作しているときにスプリング５５４，５５８が縮むことなく、比例弁５１および比例弁５２の弁開度を正確に制御できるようになっている。

弁作動体１３４は、段付円筒状をなし、その外周部に雄ねじ部が形成されている。雄ねじ部は、軸受部１２６の雌ねじ部に螺合する。弁作動体１３４の上端部には半径方向外向きに延出する複数（本実施形態では４つ）の脚部１５２が設けられており、モータユニット１０２のロータに嵌合している。

弁作動体１３４は、モータユニット１０２の回転駆動力を受けて回転し、その回転力を並進力に変換する。すなわち、弁作動体１３４が回転すると、ねじ機構（「作動変換機構」として機能する）によって弁作動体１３４が軸線方向に変位し、各弁体を開閉方向に駆動する。

一方、モータユニット１０２は、ロータ１７２とステータ１７３とを含むステッピングモータとして構成されている。モータユニット１０２は、有底円筒状のスリーブ１７０の内方にロータ１７２を回転自在に支持するようにして構成されている。スリーブ１７０の外周には、励磁コイル１７１を収容したステータ１７３が設けられている。スリーブ１７０は、その下端開口部がボディ５０４に組み付けられており、ボディ５０４とともに第２制御弁２０６のボディを構成する。

ロータ１７２は、円筒状に形成された回転軸１７４と、その回転軸１７４の外周に配設されたマグネット１７６を備える。本実施形態では、マグネット１７６は２４極に磁化されている。回転軸１７４の内方にはモータユニット１０２のほぼ全長にわたる内部空間が形成されている。回転軸１７４の内周面の特定箇所には、軸線に平行に延びるガイド部１７８が設けられている。ガイド部１７８は、後述する回転ストッパと係合するための突部を形成するものであり、軸線に平行に延びる一つの突条により構成されている。

回転軸１７４の下端部はやや縮径され、その内周面に軸線に平行に延びる４つのガイド部１８０が設けられている。ガイド部１８０は、軸線に平行に延びる一対の突条により構成され、回転軸１７４の内周面に９０度おきに設けられている。この４つのガイド部１８０には、上述した弁作動体１３４の４つの脚部１５２が嵌合し、ロータ１７２と弁作動体１３４とが一体に回転できるようになっている。ただし、弁作動体１３４は、ロータ１７２に対する回転方向の相対変位は規制されるものの、そのガイド部１８０にそった軸線方向の変位は許容される。すなわち、弁作動体１３４は、ロータ１７２とともに回転しつつ各弁体の開閉方向に駆動される。

ロータ１７２の内方には、その軸線に沿って長尺状のシャフト１８２が配設されている。シャフト１８２は、その上端部がスリーブ１７０の底部中央に圧入されることにより片持ち状に固定され、ガイド部１７８に平行に内部空間に延在している。シャフト１８２は、弁作動体１３４と同一軸線上に配置されている。シャフト１８２には、そのほぼ全長にわたって延在する螺旋状のガイド部１８４が設けられている。ガイド部１８４は、コイル状の部材からなり、シャフト１８２の外面に嵌着されている。ガイド部１８４の上端部は折り返されて係止部１８６となっている。

ガイド部１８４には、螺旋状の回転ストッパ１８８が回転可能に係合している。回転ストッパ１８８は、ガイド部１８４に係合する螺旋状の係合部１９０と、回転軸１７４に支持される動力伝達部１９２とを有する。係合部１９０は一巻きコイルの形状をなし、その下端部に半径方向外向きに延出する動力伝達部１９２が連設されている。動力伝達部１９２の先端部がガイド部１７８に係合している。すなわち、動力伝達部１９２は、ガイド部１７８の一つの突条に当接して係止される。このため、回転ストッパ１８８は、回転軸１７４により回転方向の相対変位は規制されるが、ガイド部１７８に摺動しつつその軸線方向の変位が許容される。

すなわち、回転ストッパ１８８は、ロータ１７２と一体に回転し、その係合部１９０がガイド部１８４にそってガイドされることで、軸線方向に駆動される。ただし、回転ストッパ１８８の軸線方向の駆動範囲はガイド部１７８の両端に形成された係止部により規制される。同図には、回転ストッパ１８８が中間位置にある状態が示されている。回転ストッパ１８８が上方へ変位して係止部１８６に係止されると、その位置が上死点となる。回転ストッパ１８８が下方へ変位すると、その下死点にて係止される。

ロータ１７２は、その上端部がシャフト１８２に回転自在に支持され、下端部が軸受部１２６に回転自在に支持されている。具体的には、回転軸１７４の上端開口部を封止するように有底円筒状の端部部材１９４が設けられている。そして、その端部部材１９４の中央に設けられた円筒軸１９６の部分が、スリーブ１７０の底部に突設された円ボス部に支持されている。すなわち、軸受部１２６が一端側の軸受部となり、スリーブ１７０における円筒軸１９６との摺動部が他端側の軸受部となっている。

以上のように構成された第２制御弁２０６は、モータユニット１０２の駆動制御によってその弁開度を調整可能なステッピングモータ作動式の制御弁として機能する。車両用冷暖房装置の図示しない制御部は、設定開度に応じたステッピングモータの駆動ステップ数を演算し、励磁コイル１７１に駆動電流（駆動パルス）を供給する。それによりロータ１７２が回転し、一方で弁作動体１３４が回転駆動されて比例弁５１および比例弁５２の開閉状態および開度が調整される。

図４は比例弁５１が閉弁状態となり、比例弁５２が全開状態となる場合を示している。第２制御弁２０６は、例えば図２（Ａ）に示した通常冷房運転時にこのような状態をとる。このとき、導入出ポート２１０から導入される高い冷媒圧力Ｐｐにより、弁体５３３がスプリング５４４の付勢力に抗して開弁方向に動作し、弁５７１が開弁状態となる。弁５７２は、弁座５２９が可動弁座として変位する結果、弁体５４２が弁座５２９に着座することで閉弁状態となる。

図５は、比例弁５１，５２が共に開弁状態となり、比例弁５２において弁５７１が開弁する場合を示している。第２制御弁２０６は、例えば図２（Ｂ）の特定暖房運転時においてこのような状態をとる。すなわち、図４の状態からロータ１７２が一方向に回転駆動（正転）されると、弁駆動体５３２が比例弁５１の開弁方向に変位し、比例弁５１と比例弁５２がともに開弁した状態となる。すなわち、ロータ１７２とともに回転する弁作動体１３４がねじ機構によって下降し、伝達部材５３６がばね受け５５３に係止された状態で、弁作動体１３４が弁体部５３８を押し下げるようにして変位させる。比例弁５１の開度は、弁作動体１３４ひいては弁体部５３８の駆動量により調整される。

図６は、比例弁５１，５２が共に開弁状態となり、比例弁５２において弁５７２が開弁する場合を示している。第２制御弁２０６は、例えば図３（Ａ）の特定暖房運転時または（Ｂ）の通常暖房運転時においてこのような状態をとる。すなわち、弁駆動体５３２が図５と同様の駆動状態であっても冷媒の流れ方向が異なる場合、つまり導入出ポート２１０の冷媒が低圧となる場合には、弁体５３３が弁座５２６に着座して弁５７１が閉弁状態となる。一方、弁体５４２が弁作動体１３４により吊持されているため、弁座５２９から離間して弁５７２が開弁状態となる。弁５７１の開度は、弁作動体１３４ひいては弁体部５３８の駆動量により調整される。弁５７１は、膨張装置として機能する。

図７は、比例弁５１が全開状態となり、比例弁５２が閉弁状態となる場合を示している。第２制御弁２０６は、例えば図３（Ｃ）に示した特殊暖房運転時にこのような状態をとる。このとき、弁５７１が閉弁した状態で弁体部５３８が下死点まで駆動されることで弁体５４２が弁座５２９に着座し、弁５７１が閉弁状態となる。なお、このようにして弁体部５３８が係止された際、弁作動体１３４と弁駆動体５３２との間には、スプリング５５８等による緩衝機構（遊び）が機能するため、弁孔５２８と弁座５２９との間に過剰な圧力が作用することはない。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はその特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能であることはいうまでもない。

上記実施形態では、本発明の制御弁を電気自動車の車両用冷暖房装置に適用した例を示したが、内燃機関を搭載した自動車や、内燃機関と電動機を同載したハイブリッド式の自動車の車両用冷暖房装置に提供することが可能であることは言うまでもない。さらに、車両以外の冷暖房装置に適用することも可能である。

上記実施形態では、複合弁のアクチュエータとしてステッピングモータを採用する例を示したが、ソレノイド等により構成してもよい。

２ 圧縮機、 ３ 補助凝縮器、 ５ 室外熱交換器、 ７ 蒸発器、 ８ アキュムレータ、 ９ 第３制御弁、 １０ 内部熱交換器、 １２ 温水ヒータ、 １８ ＰＴＣヒータ、 ３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８，５１，５２ 比例弁、 １０２ モータユニット、 １３４ 弁作動体、 １７２ ロータ、 １７３ ステータ、 ２００ 車両用冷暖房装置、 ２０４ 第１制御弁、 ２０６ 第２制御弁、 ２１０ 導入出ポート、 ２１２ 導入ポート、 ２１６ 導出ポート、 ５０１ 弁本体、 ５０４ ボディ、 ５２０，５２４，５２８ 弁孔、 ５３２ 弁駆動体、 ５３３ 弁体、 ５３６ 伝達部材、 ５３８ 弁体部、 ５４０ ガイド部、 ５４１，５４２ 弁体、 ５４８ 背圧室、 ５５０ 連通路、 ５７１，５７２ 弁。

Claims (5)

1. 作動流体を導入する導入ポートと、作動流体を導入または導出する導入出ポートと、作動流体を導出する導出ポートと、前記導入ポートと前記導出ポートとを連通させる第１弁孔と、前記第１弁孔と同一軸線上に配置され前記導入出ポートと前記導出ポートとを連通させる第２弁孔とを有する共用のボディと、
   前記第１弁孔に接離して第１弁の開度を調整する第１弁体と、
   前記第２弁孔に接離して第２弁を開閉する一方、前記導入出ポートと前記導出ポートとを連通させる、前記第２弁孔よりも小径の第３弁孔が形成された第２弁体と、
   前記第１弁体と一体変位可能に設けられ、前記第３弁孔に接離して第３弁の開度を調整する第３弁体と、
   前記第２弁体を前記第２弁の閉弁方向であって前記第３弁の開弁方向に付勢する付勢部材と、
   前記第１弁、前記第２弁および前記第３弁の開度を電気的に制御するための共用のアクチュエータと、
   前記アクチュエータにより軸線方向に駆動され、前記第１弁体に各弁の開閉方向の駆動力を伝達する弁作動体と、
   を備えることを特徴とする制御弁。
2. 前記第１弁体と前記第３弁体とが一体に設けられた弁体部と、前記弁体部の前記アクチュエータの側に連設されて前記弁作動体に連結されるガイド部とを有する弁駆動体と、
   前記ガイド部と前記弁作動体との連結部に設けられ、前記第１弁体または前記第３弁体が閉弁状態となる際に前記弁作動体に作用する反力を緩和する緩衝機構と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の制御弁。
3. 前記緩衝機構は、前記弁作動体に設けられた係止部を軸線方向に挟むように対向配置された一対のスプリングを含み、
   各スプリングの前記係止部とは反対側の端部が前記ガイド部に支持されていることを特徴とする請求項２に記載の制御弁。
4. 前記ガイド部が前記ボディに摺動可能に支持されるとともに、前記ボディとの間に背圧室を形成し、
   前記弁駆動体を貫通する連通路が設けられ、
   前記連通路を介して前記第１弁の下流側の作動流体を前記背圧室に導入することにより、前記弁駆動体に作用する流体圧力の影響を小さくする背圧キャンセル構造が構成されることを特徴とする請求項２または３に記載の制御弁。
5. 前記アクチュエータとして、回転駆動されるロータを含むステッピングモータと、
   前記ロータとともに回転し、その軸線周りの回転運動を前記弁作動体の軸線方向の並進運動に変換する作動変換機構と、
   を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の制御弁。

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