JPH04302784A - 流量制御弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はカーエアコン、車載用エ
アコン、ルームエアコン、パッケージエアコンおよびこ
れらのヒートポンプエアコン等の冷凍サイクルに使用す
る流量制御弁に関するもので、電気入力信号に比例して
、冷媒の流量を任意に設定でき、冷媒の種類に関係なく
、幅広い制御を行うに適する流量制御弁に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電磁弁の技術を利用して冷媒
流量を電気入力信号に応じて連続的に制御可能とした流
量制御弁は、種々提案されている。以下種々の従来例を
引用し、説明する。

【０００３】１．第１の従来例は図１１に示す特開昭６
２−４５６５１「膨張弁」を引用して記述する。

【０００４】この膨張弁は、電磁コイル１に印加する電
気入力信号を矩形流電流として、１周期内の通電比率を
可変させるデューティ駆動方式である。

【０００５】この方式は、膨張弁本体２に摺動可能に配
設された弁体３が、入力信号に応じて上下動し、側壁に
配設された弁オリフィス６を単位時間当りで開閉するこ
とにより、高圧冷媒流路４から低圧冷媒流路５へ連続的
に冷媒の流量を制御するもので流量ヒステリシスがなく
、構造が簡単で小形・軽量・安価であるという長所を有
する。

【０００６】２．第２の従来例を図１２に示す特開平２
−３８７７８「冷却回路における電磁膨張弁」を引用し
て記述する。

【０００７】この膨張弁は電磁コイル１に印加する電気
入力信号を直流電流とした、電流値制御方式である。こ
の方式は、スプリング１５によって弁オリフィス６に当
接しているプランジャ１３と一体となった弁体３が、膨
張弁本体２に摺動可能に配設されておりこの弁体が、直
流電流によって発生する磁力により吸引子１０側にスプ
リング１５の押圧力とバランスする位置まで吸引され、
弁オリフィス６を開放する。つまり、電流値を変化させ
て、弁体３を移動させ弁オリフィス６に対する弁体３の
位置制御（ストローク制御）を行う方式である。

【０００８】３．第３の従来例は図１３に示す特開昭和
６２−１９４０８１「可逆膨張弁」である。

【０００９】第３の従来例においては、高圧冷媒流路４
と直交した２つの孔があり、図中上方が差圧消去ロッド
２５の摺動孔９で、下方が弁オリフィス６となっている
。また、低圧冷媒流路５とプランジャ室２６を連通する
均圧孔８が配設されている。従って力のつり合いは、差
圧消去ロッド２５の断面積：Ａ１　、弁オリフィスの断
面積Ａ０　、高圧圧力：ＰＨ　、低圧圧力：ＰＬ　、電
磁力：Ｆ、スプリング１５の押圧力：Ｋ１　、スプリン
グ１６の押圧力：Ｋ２　とすると、 Ｆ＋（ＰＨ　×Ａ１　）＋（ＰＬ　×Ａ０　）−（ＰＬ
　×Ａ１　）−（ＰＨ　×Ａ０　）−Ｋ１　＋Ｋ２　＝
０となる。

【００１０】ここでＡ１　＝Ａ０　となっているのでＦ
＝Ｋ１　−Ｋ２　となることから、冷媒の圧力変動に影
響されることなくして弁体３の位置制御（ストローク制
御）が直流電流値に応じて行えるため、冷媒の流量精度
が良い。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】第１の従来例は、弁体
が流通口を数十Ｈｚの高速で開閉をくり返すことから、
液冷媒がウォータハンマ現象を生じこれにより配管が共
振し異音が発生すること及び閉弁時の弁ストップ性能が
悪いという短所がある。また弁体は高速で上下動するこ
とから摩耗等の問題を生じ耐久性が劣る。

【００１２】又第２の従来例においては、弁体に（高圧
圧力ＰＨ　−低圧圧力ＰＬ　）×弁オリフィス断面積Ａ
０　＝ＦＢ　（ｋｇｆ）の力が図中上方に常に加わるこ
とになる。冷凍サイクル中の高圧圧力は常に変動してい
るため、これによってＦＢ　も変動するので、弁体３の
位置（ストローク）は、電流値に応じて定まらなくなる
ので正確な流量制御が出来ない。更に本方式では、周知
の如く流量ヒステリシスが存在するので、増々流量制御
の精度が悪化する。

【００１３】また、冷凍サイクル中の高圧圧力は最大で
３０ｋｇｆ／ｃｍ２　Ｇ程度まで増大するので、Ａ０　
＝０．１ｃｍ２　の場合の計算によるとＦＢ　＝３０×
０．１＝３ｋｇｆとなる。このため弁体が閉弁状態を保
持しかつ弁の封止機能を有するためにはスプリング１５
の押圧力を３．５ｋｇｆ程度に設定する必要があるため
、弁体３を開弁させるのには大きな電磁力を要する。し
たがって電磁コイルが大型となるので実用に適さない。

【００１４】更に第３の従来例は、プランジャ１３と吸
引子１０間の空隙２４（磁路の空隙）が構成上、製品間
で同一に出来ないため、この空隙に大きな影響を受ける
電磁力が製品間で異なることになるので、均一な流量精
度が得られない。またこの空隙が弁フルストロークとな
るので、均一な流量精度が得られず品質上の観点から問
題である。

【００１５】更に弁体３を完全に弁オリフィス６に密着
させるために、プランジャ１３のストロークを弁体３の
ストローク以上に設定（あそび）する必要があること及
び最大電流印加時には、プランジャ１３と吸引子１０が
密着する構成となっていることから、流量ヒステリシス
が大きくなる欠点も有している。

【００１６】また閉弁時には、高圧冷媒が差圧消去ロッ
ド２５を摺動孔９のすきまを通り、均圧孔８から低圧冷
媒流路５へ流れ出てしまう。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明においては、膨張弁本体に高圧側流通孔と直交
する低圧側流通孔を含む貫通孔を配設し、一方を弁体の
摺動孔、一方を弁オリフィスとして用い、この貫通孔に
上下動可能に円筒軸状と円錐状を有し、かつ軸芯に均圧
孔が貫通された弁体を配設する。

【００１８】更に弁本体に固定されたハウジング内に設
けられた電磁機構により弁体を駆動し、電磁機構に電磁
力の使用範囲を調節するためにプランジャ内に非磁性体
からなる円柱軸状のロッドとスプリングピンを配設し、
弁体の移動量を規定するための非磁性体からなる中空薄
肉円板のスペーサをプランジャと吸引子の対向面間に配
設した。

【００１９】以上のように構成された弁体に作用する冷
媒圧力による影響は、 ＰＨ　は冷媒の凝縮温度における飽和圧力ＰＬ　は冷媒
の蒸発温度における飽和圧力Ｃ１　は流量係数 θは弁体円錐部の上部の頂角の円錐の中心軸を含む断面
３角形の半頂角 Ｌは弁体が閉弁点から軸方向に開弁する際移動する距離
（弁ストローク） Ｄ１　は弁オリフィスの直径 Ｄ２　は弁体円筒軸の直径 ＦＯ　は弁体に開弁方向に作用する力 ＦＣ　は弁体に閉弁方向に作用する力 とすると となる。

【００２０】ここでＤ１　＝Ｄ２　としてあるので、閉
弁時はＬ＝０であるから、ＦＯ　＝ＦＣ　となり、弁体
は全く冷媒圧力の影響を受けないことになる。

【００２１】 　　この式により、軸推力を低減させるためには、弁体
の円錐部の半頂角θと、弁ストロークＬを小さく設定す
る必要がある。

【００２２】図３は弁体に作用する軸推力が弁ストロー
クへ与える影響度を弁体の円錐半頂角θをパラメータと
して実験した例である。

【００２３】これによると、弁ストローク減少率は円錐
半頂角θが４５°で最大となり１９°で０となる。なお
ストローク減少率は高圧圧力印加時の弁ストローク減少
量において無加圧時弁ストローク量を１００とした時の
比率をあらわすものである。

【００２４】この関係は図２に示す、すきまＳによって
も変化するので、冷凍システムの能力に合わせて、これ
ら円錐半頂角θ、弁ストロークＬ、すきまＳを設定すれ
ば、開弁時の軸推力の発生を押えられるので、弁体は、
何らの力も受けないことになる。

【００２５】したがって、弁ストロークは冷媒圧力に無
関係で、電磁力とスプリングの押圧力のみによって決定
されることになる。

【００２６】そこで正確な位置制御を行わせるために、
スプリングの押圧力を調節可能とし、バネ定数Ｋは、極
力変動を防止したものを用いる。

【００２７】しかし、電磁コイルから発生する磁力は、
図４に示すように、プランジャと吸引子との間の空隙の
大きさにより、磁力が大きく変化するので、この空隙寸
法を均一になるよう調整構造を設ける必要がある。

【００２８】図４は各電流値における磁力の変化を空隙
をパラメータとしてあらわしたものである。

【００２９】図５は、図４に記入したスプリングの変位
荷重線図と各電流値の空隙に対する磁力曲線と交差する
点（この点がプランジャの位置制御点（弁リフト点））
をプロットしたものである。

【００３０】このように図４で空隙寸法が変動すると（
Ｐ１　，Ｐ２　，Ｐ３　）電流一弁リフト特性が図５で
示すように大きく変動するので、流量制御精度が悪化す
る。

【００３１】従って本発明では図６（ａ）（ｂ）に示す
方法により空隙の調整を行うものである。具体的には図
６（ａ）に示すように弁体円錐部と弁座２７を密着させ
た状態にして、吸引子１０の端面に厚さｔ１　なる治具
を配設した後、プランジャ１３をこの治具上に配設する
。 更にロッド１１を弁体３の上端面に接触する位置まで挿
入し、スプリングピン１４を圧入する。

【００３２】この状態は図４のＰ２　点を決定するもの
である。その後図６（ｂ）に示すように厚さｔ１　なる
治具を取りはずし、この治具より薄く厚さｔ２　なる非
磁性体からなるスペーサ１２を配設する。これにより図
４のＰ４　点が決定される。つまり、治具とスペーサの
厚さの差（ｔ１　−ｔ２　）が、弁ストロークＬとして
設定されることになる。

【００３３】したがって、このような構成によれば、空
隙の変動がなくなり、しかも弁フルストロークが変動し
ないので、高い流量制御精度が可能となる。

【００３４】

【作用】本発明の流量制御弁は次のように作用する。

【００３５】弁オリフィスの直径：Ｄ１　と弁体円筒部
の直径Ｄ２とが同径に形成され、かつ、弁体に均圧孔が
配設されているので、高圧冷媒流路内の圧力と低圧冷媒
流路内の圧力は、弁体に対して、軸方向にあい反する方
向に均等に作用する。また弁体の円錐部の半頂角θを３
０°以下に設定してあるので、弁体は、これらの圧力の
影響を静的状態はむろん動的状態においても受けない。

【００３６】したがって弁体は、開弁方向に作用する吸
引力とバネ１５の押圧力及び閉弁方向に作用するバネ１
６の押圧力によって、その位置（弁開度）が決定される
。また吸引力及びバネの押圧力の設定は、それぞれ調整
可能な構造となっているので、高精度の位置制御（弁ス
トローク制御）を可能にしたものである。

【００３７】

【実施例】図１において、２は弁の本体で、高圧冷媒流
路４とこれに直交する、同径の摺動孔９と弁オリフィス
孔６が配設されている。３は、摺動孔９に極めてわずか
なすきまで軸方向に摺動可能に挿入される円筒軸形状部
分と、弁座２７に当接する円錐軸形状部分から成る弁体
で、中心部には、均圧孔８が配設されている。

【００３８】７は、摺動孔９と弁体円筒軸の形成する極
めてわずかなすきまから流れ出る冷媒を封止する低摩擦
材料（例えばテフロンなど）で成形されたパッキンであ
り、ブッシュ２２によって固定される。

【００３９】弁の本体２の低圧冷媒流路５内には、弁体
３を閉弁方向に駆動させるためのバネ１６が配設され、
このバネ１６の押圧力を調整するために調節ネジ１７を
設けてある。

【００４０】１３は磁性体からなる円筒軸状のプランジ
ャで、磁性体からなる吸引子１０と非磁性体からなるパ
イプ１９とバネウケ２１によって形成された低圧室に軸
方向に摺動可能に配設されている。

【００４１】プランジャ１３内には、吸引子１０との対
向面に適当な空隙を設けるために、非磁性体からなるロ
ッド１１が、吸引子１０の内部孔を通り、弁体３の円筒
軸上端面に当接する位置で、スプリングピン１４によっ
て固定される。

【００４２】このプランジャ１３とロッド１１の位置決
め及び固定は、ロッドをプランジャに圧入してもよい。 または、ネジによる結合でもよい。

【００４３】１２は、弁体３のリフト量を設定するため
の非磁性体からなる中空薄肉円板状のスペーサである。

【００４４】１５は、プランジャ１３を押圧するバネで
、バネ１６とによって合成される合成バネ定数Ｋを調整
する目的を合わせもつ。

【００４５】１８は、磁性体からなる中空円筒形状のハ
ウジングで、弁の本体２に機械的に結合される。このハ
ウジング１８内には、電磁コイル１が配設され、磁性体
からなるキャップ２０をハウジング１８に機械的に結合
することにより固定される。

【００４６】２３は、低圧冷媒が外部に洩れる出ること
を防止するＯリングである。

【００４７】図１の状態では、バネ１６の押圧力によっ
て、弁体３が、弁座２７に押圧されているので、高圧冷
媒流路４から弁オリフィス６を通り、低圧冷媒流路５へ
流れる冷媒は遮断されている。

【００４８】以下、上記の様に構成される流量制御弁の
動作について説明する。電磁コイル１に電気入力信号（
電流）を印加すると、プランジャ１３−吸引子１０−ハ
ウジング１８−キャップ２０による磁気回路が構成され
るためその磁束（吸引力）が、プランジャ１３を吸引子
１０に吸引する。従ってプランジャ１３に機械的に結合
されたロッド１１が、弁体３を、バネ１６の押圧力に打
ち勝って、開弁方向に移動させる。この弁体３の移動量
は、バネ１６とバネ１５の合成バネ定数Ｋに移動量Ｌを
かけた荷重とバランスする位置まで移動する。これによ
って、弁座２７が開口するので、高圧冷媒が弁オリフィ
ス６を通り低圧冷媒流路５へ流れる。すなわち、電流値
に対応して、吸引力とＫ×Ｌによる荷重のバランス位置
が連続的に変化するので、弁座２７と弁体３の円錐部が
形成する開口面積が連続的に可変できる。

【００４９】従って、冷媒の流量制御は電磁コイル１に
印加する電流値の制御によって行えるものである。電磁
コイル１に印加する電流の制御は、パルス幅変調方式（
Ｐ，Ｗ，Ｍ方式）が、流量ヒステリシスを極力小さくで
きるので、最適である。

【００５０】電磁コイル１への印加を止めたとき、バネ
１６の押圧力によって弁体３の円錐部が弁座２７に瞬時
に押圧されるので、瞬時に冷媒の流れが止まる。また従
来例の弁構造では、すきまから洩れを生じたが、本実施
例では、パッキンによって、すきまからの洩れを封止し
ているので、冷媒の封止機能が高い。尚本発明によると
吸引子１０上に非磁性体のスペーサ１２が設けられてい
るので電流値がＩＭＡＸ　以上になっても吸引子１０と
プランジャ１３との密着が防止できる。

【００５１】また流量の制御精度に関しては、図２に示
すように、弁オリフィスの直径Ｄ１　と弁体３の円筒軸
の直径Ｄ２　を均しくし、かつ弁体３に均圧孔８が設け
てあり、高圧冷媒圧力及び低圧冷媒圧力は弁体３に対し
て軸方向にあい反する方向に均等に作用するので、これ
ら圧力によって弁体３が受ける荷重は０となる。

【００５２】さらに、冷媒が弁オリフィス６を流れ出る
時に発生する、弁体３を閉弁方向に 弁体３の円錐部半頂角θが４５°で最大となり、１９°
で０となる。（一実験例）従って本実施例では、このθ
を１５°〜３０°にすることで、軸推力をも０としてい
る。

【００５３】したがって、弁体３を駆動する力が、バネ
力と吸引力の関係で決まり、かつこれらの力は安定した
力であることから、弁体の位置制御（弁ストローク制御
）が正確に行えるので流量の精度が良い。

【００５４】図４は第１実施例の吸引力特性であり、横
軸に空隙（吸引子１０とプランジャ１３の対向面間の距
離）縦軸に吸引力を示す。図中の実線は電流ＩＭＩＮ　
…，ＩＭＡＸ　に対応する吸引力を示し、点線及び一点
鎖線はバネの押圧力を示す。

【００５５】コイル１に印加する電流値ＩＭＩＮ　…Ｉ
ＭＡＸ　において吸引力とバネの押圧力の交点Ｐ１　…
Ｐ４　が、プランジャ１３が吸引子１０の方向へ移動す
る変位量となる。

【００５６】図５は、この関係を横軸にコイル１に印加
する電流値ＩＭＩＮ…ＩＭＡＸ　、縦軸に弁ストローク
Ｌ（プランジャ変位＝空隙）をとって示したもので、電
流値を制御することで弁ストロークを制御することがで
きることを示している。

【００５７】しかし、図４の交点Ｐ１　…Ｐ４　は、空
隙の大きさにより（部品寸法、組立精度から発生する誤
差）、ＰＢ１　…ＰＢ４　またはＰＣ１　…ＰＣ３　の
交点に変化するので、図５に示す一点鎖線の弁ストロー
ク特性となる。

【００５８】従って印加する電流値に対応した冷媒の流
量を得るためには、この空隙寸法を常に一定に調整出来
る精度が必要となってくる。

【００５９】したがって本実施例では、図６に示す空隙
ｔ１　なる治具２８と、弁座に密着させるための押し治
具３２を用いて、Ｐ１　点を決め次にスペーサ１２によ
りＰ４　点を決める空隙の調整を行えるように構成して
いる。 かかる状態によれば、より流量の制御精度が向上する。

【００６０】図７は本発明の第２実施例を示すもので、
その主要な部分である弁体構造の変形例である。

【００６１】本実施例は、弁の本体２に配設された弁オ
リフィス６に円錐形状の弁座２７を設け、この弁座２７
に着座する平面円板部と摺動孔９に嵌合する円筒軸部分
で形成された弁体３で構成されたものである。かかる構
成にすることにより、第１実施例の流量範囲を、同じ弁
ストロークで拡大させることが可能となる。

【００６２】つまり、第１の実施例は、円錐部の半頂角
を、弁体３に作用する軸推力をなくすために鋭角として
あることから、弁ストロークに対する開口面積は小さく
なるが、軸推力は半頂角を６０°以上とすることでもな
くすことが出来るので、本実施例では、同じ弁ストロー
クと同じ弁オリフィス径で得られる最大の開口面積を有
する平板形状としている。

【００６３】したがって、弁体構造を変えるだけて約２
倍に流量範囲が拡大する。

【００６４】図８は本発明の第３実施例を示すものでそ
の主要な部分であるプランジャと吸引子の対向面の変形
例である。

【００６５】本実施例は、吸引子特性を変形させること
により弁ストローク範囲を拡大させ流量の制御範囲を拡
大させる目的のものである。

【００６６】図９は本実施例の吸引力特性を表わしたも
のである。吸引力は空隙に対して変曲点を有し、変曲線
以降、空隙に対して吸引力は除々に変化する。

【００６７】すなわち、第１の実施例で得られる吸引力
が、大きな空隙の所で得られることからプランジャの移
動量を大きくすることができるので、したがって弁スト
ロークが拡大することになる。

【００６８】図１０は電流に対する弁ストロークＬを表
すもので点線が第１の実施例の弁ストロークで、実線が
本実施例の弁ストロークである。

【００６９】以上のことから、プランジャと吸引子の対
向面形状を変えるだけで、約１．５倍から２倍に流量範
囲を拡大することができる。

【００７０】バネ１５及びバネ１６を受ける各々の部材
との摩擦力（摺動抵抗）をなくし、流量ヒステリシスを
低減させる目的で、各々の部材と接触する部分にバネの
変位が生じないよう、両端面の座巻きを多重巻きとした
。

【００７１】パッキン７は、弁体３の円筒軸外周をシー
ルするために、円筒軸径よりもわずかに小さな径となっ
ていることから、拘束力が発生する。この拘束力は高圧
圧力が高くなるに従い増加する傾向にあるので、高圧圧
力下ではわずかではあるが、このパッキンの拘束力が流
量の制御精度に影響する。

【００７２】したがって、摺動孔９と円筒軸の間で十分
に減圧させパッキンに印加する圧力を小さくするために
ラビリンスシール構造とした。

【００７３】合わせて、冷媒封止機能の向上もはかれる
。

【００７４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、電
気入力信号に比例して冷媒の流量を任意に設定でき、冷
媒の種類に関係なく幅広い制御を行うに適する流量量制
御弁を提供し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明流量制御弁の第１の実施例の断面図、

【
図２】第１の実施例の弁体部分の断面図、

【図３】弁体
の動特性を示す曲線図、

【図４】第１の実施例の空隙と磁力（吸引力）の関係を
示す曲線図、

【図５】図４における電流と弁ストロークの関係を示す
曲線図、

【図６】図４で示した吸引力の使用範囲を設定する為の
方法を示す断面図、

【図７】本発明の第２の実施例の弁体部分の断面図、

【
図８】本発明の第３の実施例のプランジャと吸引子の対
向面部分の断面図、

【図９】第３の実施例の空隙と磁力（吸引力）の関係を
示す曲線図、

【図１０】図９による電流と弁ストロークの関係を示す
曲線図、

【図１１】従来の流量制御弁の一例を示す断面図、

【図
１２】従来の流量制御弁の他の例を示す断面図、

【図１
３】従来の流量制御弁の更に他の例を示す断面図。

【符号の説明】

１…電磁機構、２…弁本体、３…弁体、４…高圧側流通
孔、５…低圧側流通孔、６…弁オリフィス、９…摺動孔
、１０…吸引子、１１…ロッド、１２…スペーサ、１３
…プランジャ、１４…スプリングピン。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　弁本体に高圧側流通孔と交差する低圧
   側流通孔を含む貫通孔を有し、一方には弁体の摺動孔を
   形成し、他方に弁オリフィスを設けると共に該摺動孔に
   軸方向に移動可能に挿入され弁オリフィスと接離する弁
   体を設け、前記弁本体に固定されたハウジング内に設け
   られた電磁機構により該弁体を駆動し、電磁機構に電磁
   力の使用範囲を調節するためにプランジャ内に非磁性体
   からなる円柱軸状のロッドとスプリングピンを配設し、
   更に弁体の移動量を規定するための非磁性体からなる中
   空薄肉円板のスペーサをプランジャと吸引子の対向面間
   に配設してなることを特徴とする流量制御弁。
2. 【請求項２】　　上記弁体の形状は弁オリフィス径と同
   径の円筒部と、３０°〜６０°の鋭角な円錐部から成り
   、更に均圧孔を配設し、高圧側及び低圧側の冷媒圧力の
   作用を排除したことを特徴とする請求項１記載の流量制
   御弁。
3. 【請求項３】　　上記弁本体の弁オリフィス部の周囲に
   弁座を配設し、弁体形状を弁オリフィス径と同径の円筒
   部と、弁座に着座する平面部を有する形状としたことを
   特徴とする請求項１記載の流量制御弁。
4. 【請求項４】　　高圧側から、弁体円筒部を通り、均圧
   孔から低圧側へ流出する冷媒を封止するために、摺動孔
   と円筒部で形成されたラビリンスシール構造とするとと
   もに、更に円筒部外周をパッキンシール構造としたこと
   を特徴とする請求項１記載の流量制御弁。
5. 【請求項５】　　プランジャと吸引子の対向面を平面形
   状としたことを特徴とする請求項１記載の流量制御弁。
6. 【請求項６】　　プランジャと吸引子の対向面を一方を
   凸とし他方を凹としたことを特徴とする請求項１記載の
   流量制御弁。
7. 【請求項７】　　吸引子及び弁体に配設されたスプリン
   グの両端面座巻きを完全密着多重巻きとしたことを特徴
   とする請求項１記載の流量制御弁。