KR20160074449A

KR20160074449A - 제어 밸브 및 밸브 작동 록 방지 방법

Info

Publication number: KR20160074449A
Application number: KR1020160076336A
Authority: KR
Inventors: 아키히코 야마모토; 모리타카 마츠우라; 유조 이시베
Original assignee: 가부시키가이샤 테지케
Priority date: 2014-02-12
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2016-06-28
Also published as: JP2015166625A; JP6281105B2

Abstract

<과제>
유체에 포함되는 이물이 슬라이딩부에 침입하는 것에 의한 밸브 작동의 록을 방지 또는 억제 가능한 제어 밸브를 제공한다.
<해결 수단>
일 실시형태에 따른 제어 밸브는, 밸브 구멍(18)에 접리하여 밸브부를 개폐하는 밸브체(33)와, 밸브체(33)가 일체로 마련되고, 가이드 구멍(26)에 슬라이딩 가능하게 지지된 작동 로드(50)와, 작동 로드(50)에 대해 밸브부의 개폐 방향의 구동력을 부여 가능한 액추에이터를 구비한다. 작동 로드(50)에 있어서의 가이드 구멍(26)과의 슬라이딩면에, 금속보다 부드러운 재질로 이루어지는 코팅이 실시된다. 가이드 구멍(26)의 반경 R과 작동 로드(50)의 반경 r의 차를 s, 코팅막(100)의 두께를 t로 했을 경우에, s/2≤t<s의 관계를 갖는다.

Description

제어 밸브 및 밸브 작동 록 방지 방법{CONTROL VALVE AND LOCK PREVENTING METHOD FOR VALVE OPERATING}

본 발명은 제어 밸브에 관한 것으로서, 특히 슬라이딩부로의 이물의 침입에 의한 밸브 작동의 록을 방지하기 위한 구조 및 방법에 관한 것이다.

자동차용 공조 장치는, 일반적으로, 압축기, 응축기, 증발기 등을 냉매 순환 통로에 배치하여 구성된다. 이 냉매 순환 통로의 전환이나 냉매 유량의 조정 등을 위해, 다양한 제어 밸브가 마련되어 있다. 이와 같은 제어 밸브로서, 보디에 슬라이딩 가능하게 지지되는 샤프트를 구비하고, 그 샤프트의 일단에 밸브체가 마련되는 것이 있다(예를 들면 특허문헌 1 참조). 샤프트는, 보디에 일체로 마련된 액추에이터에 의해 축선 방향으로 구동되어, 밸브체를 밸브부의 개폐 방향으로 작동시킨다. 밸브 개방시에는 샤프트를 향해 냉매가 도입되고, 그 냉매의 대부분은 샤프트의 외주를 따라 일 방향으로 가이드되어 밸브 구멍을 통과한다.

하지만, 그 냉매의 일부는 타 방향에 있는 샤프트와 보디의 슬라이딩부에도 유입되기 때문에, 그에 의해 샤프트의 원활한 슬라이딩이 방해될 가능성이 있다. 즉, 이와 같은 공조 장치에 있어서는, 압축기의 토출 냉매에 금속 가루 등의 이물이 포함되는 경우가 있다(예를 들면, 압축기의 피스톤 주변의 마모 등에 의해 발생하는 경우가 있다). 이 이물이 제어 밸브의 슬라이딩부에 유입하면, 그 이물의 끼어듦에 의해 샤프트 나아가서는 밸브체의 작동을 록시켜버릴 가능성이 있다. 여기서, 특허문헌 1에 기재된 구성에서는, 샤프트와 보디의 슬라이딩부에 래버린스(labyrinth) 구조를 마련하고, 그 슬라이딩부로의 냉매의 유입을 억제하는 수법이 채용되어 있다.

일본국 특허공개공보 H11-287354호 공보

하지만, 이와 같은 래버린스 구조는, 샤프트와 보디의 슬라이딩부에 있어서의 냉매의 흐름을 억제할 수 있지만, 일단 슬라이딩부에 침입해버린 이물의 끼어듦을 회피시키는 것이 아니었다. 한편, 이와 같은 문제는 자동차용 공조 장치에 한정되지 않고, 제어 밸브를 탑재하는 장치에서는 동일하게 발생할 수 있다.

본 발명의 목적은, 유체에 포함되는 이물이 슬라이딩부에 침입하는 것에 의한 밸브 작동의 록을 방지 또는 억제 가능한 제어 밸브를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 일 실시형태는, 대상 장치를 흐르는 유체의 흐름을 조정하기 위한 제어 밸브이다. 이 제어 밸브는, 밸브 구멍과 가이드 구멍이 중간 압력실을 통해 축선 방향으로 연통하도록 형성되고, 중간 압력실에 유체를 도입하기 위한 도입 포트와, 밸브 구멍을 통과한 유체를 도출하기 위한 도출 포트가 형성된 보디; 밸브 구멍에 접리하여 밸브부를 개폐하는 밸브체; 밸브체가 일체로 마련되고, 가이드 구멍에 슬라이딩 가능하게 지지된 작동 로드; 및 작동 로드에 대해 밸브부의 개폐 방향의 구동력을 부여 가능한 액추에이터를 구비한다. 작동 로드에 있어서의 가이드 구멍과의 슬라이딩면에, 대상 장치의 유체 통로를 형성하는 금속보다 부드러운 재질로 이루어지는 코팅이 실시된다. 가이드 구멍의 반경과 작동 로드의 반경의 차를 s, 코팅막의 두께를 t로 했을 경우에, s/2≤t<s의 관계를 갖는다.

이 실시형태에 의하면, 대상 장치에서 발생한 금속 가루가 유체와 함께 작동 로드와 가이드 구멍 사이의 간극에 침입해도, 그 금속 가루가 부드러운 코팅막에 파고드는 형태로 안정하게 잡아두기 쉬워진다. 그 코팅막이 쿠션이 되기 때문에, 작동 로드와 가이드 구멍 사이에 그 금속 가루가 끼어드는 상황을 방지 또는 억제할 수 있게 된다. 그 결과, 밸브체의 작동 록을 방지 또는 억제할 수 있게 된다.

또한, 후술하는 실험 결과로부터, 가이드 구멍의 반경과 작동 로드의 반경의 차를 s, 코팅막의 두께를 t로 했을 경우에, 2s/3≤t<s의 관계를 갖도록 구성하면, 밸브체의 작동 록을 매우 양호하게 방지할 수 있다.

본 발명이 다른 실시형태는, 밸브 작동 록 방지 방법이다. 이 방법은, 제어 밸브의 슬라이딩부로의 이물의 침입에 의한 밸브 작동의 록을 방지하기 위한 방법에 있어서, 슬라이딩부로의 침입 가능성이 있는 이물보다 부드러운 재질로 이루어지는 코팅을, 슬라이딩부의 슬라이딩면에 소정의 두께로 실시하고, 슬라이딩부에 침입해 온 이물을 그 코팅막에 파고들게 하는 것에 의해, 그 이물에 의한 밸브 작동의 록을 방지한다.

이 실시형태에 의하면, 가령 제어 밸브의 슬라이딩부에 이물이 침입했다고 해도, 그 이물을 코팅막에 파고들게 하는 형태로 잡아둘 수 있게 된다. 이와 같이 이물이 잡혀지면, 코팅막이 쿠션이 되어, 이물이 그 슬라이딩부에 끼어드는 상황을 방지 또는 억제할 수 있게 된다. 그 결과, 밸브 작동의 록을 방지 또는 억제할 수 있게 된다.

본 발명에 의하면, 유체에 포함되는 이물이 슬라이딩부에 침입하는 것에 의한 밸브 작동의 록을 방지 또는 억제 가능한 제어 밸브를 제공할 수 있다.

도 1은 실시형태에 따른 제어 밸브의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 밸브 작동 록 방지 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 실시형태에 의한 작용 효과를 예시하는 사진을 나타내는 도면이다.
도 4는 이물에 의한 작동 록의 유무를 검증한 실험 결과를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시형태를, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 한편, 이하의 설명에 있어서는 편의상, 도시한 상태를 기준으로 각 구조의 위치 관계를 상하로 표현하는 경우가 있다.

도 1은, 실시형태에 따른 제어 밸브의 구성을 나타내는 단면도이다.

제어 밸브(1)는, 자동차용 공조 장치의 냉동 사이클에 설치되는 도시하지 않는 가변 용량 압축기(단순히 "압축기"라고 한다)를 제어하는 제어 밸브로서 구성되어 있다. 이 압축기는, 냉동 사이클을 흐르는 냉매를 압축하여 고온 고압의 가스 냉매로 하여 토출한다. 그 가스 냉매는 응축기(외부 열교환기)에 의해 응축되고, 더욱이 팽창 장치에 의해 단열 팽창되어 저온 저압의 안개 상태의 냉매가 된다. 이 저온 저압의 냉매가 증발기에 의해 증발되고, 그 증발 잠열에 의해 차량 실내 공기를 냉각한다. 증발기에 의해 증발된 냉매는, 다시 압축기로 되돌려져 냉동 사이클을 순환한다.

압축기는, 압축용 피스톤이 연결된 요동판을 구비하고, 그 요동판의 각도를 변화시켜 피스톤의 스트로크를 바꾸는 것에 의해 냉매의 토출량을 조정한다. 제어 밸브(1)는, 그 압축기의 토출실로부터 크랭크실에 도입하는 냉매 유량을 제어하는 것에 의해 요동판의 각도를 변화시킨다. 냉매에는 예를 들면 대체 프레온(HFC-134a)이 사용되지만, 다른 냉매(HFO-1234yf 등)를 사용해도 좋다. 혹은, 이산화탄소와 같이 작동 압력이 높은 냉매를 사용해도 좋다. 그 경우에는, 냉동 사이클에 응축기 대신에 가스 쿨러 등의 외부 열교환기를 배치해도 좋다.

제어 밸브(1)는, 압축기의 토출실과 크랭크실을 연통시키는 냉매 통로에 밸브부를 구비하고, 토출실로부터 크랭크실에 도입하는 냉매 유량을 제어하는 전자 밸브로서 구성되어 있다. 제어 밸브(1)는, 압축기의 흡입 압력(Ps)을 설정 압력으로 유지하도록, 토출실로부터 크랭크실에 도입하는 냉매 유량을 제어하는 이른바 Ps 감지 밸브로서 구성되어 있다.

제어 밸브(1)는, 밸브 본체(2)와 솔레노이드(3)를 일체로 조립하여 구성된다. 밸브 본체(2)는, 압축기의 운전시에 토출 냉매의 일부를 크랭크실에 도입하기 위한 냉매 통로를 개폐하는 메인 밸브와, 압축기의 기동시에 크랭크실의 냉매를 흡입실로 풀어주는 이른바 블리드 밸브(bleed valve)로서 기능하는 서브 밸브를 포함한다. 솔레노이드(3)는, 메인 밸브를 개폐 방향으로 구동하여 그 개도를 조정하고, 크랭크실에 도입하는 냉매 유량을 제어한다. 밸브 본체(2)는, 단차를 갖는 원통 형상의 보디(5), 보디(5) 내에 마련된 메인 밸브 및 서브 밸브를 구비하고 있다.

보디(5)는, 본 실시형태에서는 황동으로 이루어지지만, 알루미늄 합금으로 이루어지는 것으로 해도 좋다. 보디(5)의 상단 개구부에는 포트(12)가 마련되고, 측부에는 포트(14)이 마련되어 있다. 보디(5)의 하단 개구부는, 후술하는 접속 부재(47)와의 사이에 마련된 포트(16)에 연통한다. 포트(12)는 크랭크실에 연통하는 "크랭크실 연통 포트"로서 기능하고, 포트(14)는 토출실에 연통하는 "토출실 연통 포트"로서 기능하고, 포트(16)는 흡입실에 연통하는 "흡입실 연통 포트"로서 기능한다. 보디(5) 내에는, 포트(12)와 포트(14)를 연통시키는 메인 통로와, 포트(12)와 포트(16)를 연통시키는 서브 통로가 형성되어 있다. 메인 통로에는 메인 밸브가 마련되고, 서브 통로에는 서브 밸브가 마련되어 있다. 메인 통로를 구성하는 보디(5)의 일부에는 밸브 구멍(18)(메인 밸브 구멍)이 마련되고, 그 상단 개구부에 밸브 시트(20)(메인 밸브 시트)이 형성되어 있다.

포트(14)는, 토출실로부터 토출 압력(Pd)의 냉매를 도입하는 "도입 포트"로서 기능한다. 포트(12)는, 압축기의 정상 동작시에 메인 밸브를 경유한 크랭크 압력(Pc)의 냉매를 크랭크실을 향해 도출하는 "도출 포트"로서 기능하고, 압축기의 기동시에는 크랭크실로부터 배출된 크랭크 압력(Pc)의 냉매를 도입하는 "도입 포트"로서 기능한다. 이 때 도입된 냉매는, 서브 밸브에 가이드된다. 포트(16)는, 압축기의 정상 동작시에 흡입 압력(Ps)의 냉매를 도입하는 "도입 포트"로서 기능하고, 압축기의 기동시에는 서브 밸브를 경유한 흡입 압력(Ps)의 냉매를 흡입실을 향해 도출하는 "도출 포트"로서 기능한다.

밸브 구멍(18)의 포트(12)와는 반대측에는 중간 압력실(24)이 형성된다. 중간 압력실(24)은, 포트(14)와 반경 방향으로 연통되어 있다. 중간 압력실(24)의 밸브 구멍(18)과는 반대측에는, 밸브 구멍(18)과 동축 형태로 가이드 구멍(26)이 형성되어 있다. 가이드 구멍(26)의 중간 압력실(24)과는 반대측에는 작동실(28)이 형성되고, 포트(16)와 연통되어 있다.

포트(14)에는 고리 모양의 스트레이너(15)가 장착되어 있다. 스트레이너(15)는, 보디(5)의 내부로의 이물의 침입을 억제하기 위한 필터를 포함한다. 한편, 포트(12)에는 저부를 갖는 원통 형상의 스트레이너(13)가 장착되어 있다. 스트레이너(13)는, 보디(5)의 내부로의 이물의 침입을 억제하기 위한 필터를 포함한다.

보디(5)의 축선을 따라, 밸브 구멍(18)과 가이드 구멍(26)이 동축 형태로 마련되어 있다. 그리고, 그 밸브 구멍(18) 및 가이드 구멍(26)을 축선 방향으로 관통하도록 긴 막대 모양의 작동 로드(50)가 배치되어 있다. 작동 로드(50)는 스테인리스강으로 이루어진다.

작동 로드(50)는, 단차를 갖는 원주 형상으로 되어 있고, 가이드 구멍(26)에 슬라이딩 가능하게 지지되고, 그 상단부가 지름이 축소되어 밸브 구멍(18)을 관통하고, 그 선단부에 밸브체(33)(메인 밸브체)가 일체로 마련되어 있다. 즉, 작동 로드(50)는, 축경부(51)를 통해 밸브체(33)와 연결되어 있다. 밸브체(33)는, 포트(12)측에서 밸브 시트(20)에 탈착하여 메인 밸브(밸브부)를 개폐한다. 작동 로드(50)에는, 축선 방향으로 관통하는 내부 통로(35)가 마련되어 있다. 작동 로드(50)의 하단부가 밸브체(38)(서브 밸브체)를 형성하고 있다. 작동 로드(50)의 슬라이딩면에는, 냉매의 유통을 억제하기 위한 복수의 고리 모양의 홈으로 이루어지는 래버린스시일(labyrinth seal)(84)이 마련되어 있다.

보디(5)의 상단 개구부에는 스프링 베어링(34)이 나사로 체결되어 있고, 그 스프링 베어링(34)과 작동 로드(50) 사이에는, 밸브체(33)를 메인 밸브의 밸브 폐쇄 방향으로 부세하는 스프링(37)("부세 부재"로서 기능한다)이 배치되어 있다. 스프링(37)의 하중은, 스프링 베어링(34)의 보디(5)에 대한 나사 체결 깊이를 변화시키는 것에 의해 조정할 수 있다.

밸브 본체(2)와 솔레노이드(3)는, 자성 재료로 이루어지는 통형상의 접속 부재(47)를 통해 접속되어 있다. 즉, 보디(5)의 하단부가 접속 부재(47)의 상단부에 압입되고, 솔레노이드(3)의 케이스(52)의 상단부에 접속 부재(47)의 하단부가 압입되어 있다. 그리고, 보디(5)의 하단 측부에 포트(16)가 마련되고, 밸브 본체(2)와 솔레노이드(3)에 둘러싸이는 공간에 작동실(28)이 형성되어 있다.

한편, 솔레노이드(3)는, 요크로서도 기능하는 원통 형상의 케이스(52)와, 케이스(52) 내에 삽통된 원통 형상의 슬리브(44)와, 슬리브(44)의 하단부에 고정된 단차를 갖는 원통 형상의 코어(42)와, 코어(42)와 축선 방향으로 대향 배치된 플런저(46)와, 코어(42) 및 슬리브(44)에 외측에서 삽입된 원통 형상의 보빈(48)과, 보빈(48)에 권취되고, 통전에 의해 자기 회로를 생성하는 전자 코일(53)과, 케이스(52)의 하단 개구부를 봉지하도록 마련된 단부 부재(54)를 구비한다. 한편, 본 실시형태에 있어서는, 보디(5), 접속 부재(47), 케이스(52) 및 단부 부재(54)가 제어 밸브(1) 전체의 보디를 형성하고 있다.

플런저(46)는, 박막 형태의 다이어프램(65)을 끼고 분할된 2개의 플런저로 이루어지고, 그 중의 하나인 제1플런저(66)가 슬리브(44)의 내부에 배치되고, 그 중의 다른 하나인 제2플런저(68)가 보디(5)와 접속 부재(47)에 의해 둘러싸이는 공간에 배치되어 있다. 다이어프램(65)은, 슬리브(44)의 상단 개구부를 봉지하고, 슬리브(44)의 내방에 기준 압력실을 형성한다. 본 실시형태에 있어서, 이 기준 압력실에는 대기가 채워지지만, 진공 상태로 해도 좋다. 다이어프램(65)은, 가요성을 갖는 감압 부재이고, 폴리이미드 필름을 여러 장 겹쳐서 구성되어 있다. 다이어프램(65)은, 기준 압력실과는 반대측면에서 흡입 압력(Ps)을 감지하고, 그 외주 에지부를 지점으로 하여 변위하는 것에 의해, 플런저(46)에 대해 밸브 개방 방향 또는 밸브 폐쇄 방향의 구동력을 부여한다. 한편, 변형예에 있어서는, 다이어프램(65)으로서 금속 다이어프램을 채용해도 좋다.

제2플런저(68)의 상면 중앙에는 요부(70)가 형성되고, 그 중앙의 평평한 면에 작동 로드(50)의 하단면이 접리 가능하게 지지되어 있다. 즉, 제2플런저(68)의 상면 중앙이 밸브 시트(36)(서브 밸브 시트)를 형성하고 있고, 밸브체(38)가 밸브 시트(36)에 탈착하여 서브 밸브를 개폐한다. 제2플런저(68)의 측부에는, 요부(70)의 내외를 연통시키는 연통 구멍(21)이 마련되어 있다.

또한, 제2플런저(68)의 상단부에는, 반경 방향 외측으로 연장되는 플랜지부(22)가 마련되어 있고, 그 플랜지부(22)의 하면을 접속 부재(47)의 상면과 대응시키도록 하고 있다. 이에 의해, 솔레노이드(3)의 통전시에 플랜지부(22)와 접속 부재(47) 사이에 축선 방향의 흡인력을 발생시켜, 밸브체(38)가 밸브 폐쇄 방향으로 신속히 이동할 수 있도록 하고 있다. 제2플런저(68)는, 접속 부재(47) 내에 형성된 단차부와의 사이에 배치된 스프링(74)("부세 부재"에 해당)에 의해 상방으로 부세되어 있다. 이 스프링(74)은, 밸브체(38)를 부세하는 스프링(37)보다 큰 하중을 갖는다.

접속 부재(47)의 하단면에는, 실링용 O링(80)이 배치되어 있다. 슬리브(44)의 상단 개구부에는, 반경 방향 외측으로 연장되는 플랜지부(25)가 마련되어 있다. 그리고, 플랜지부(25)와 접속 부재(47) 사이에 다이어프램(65)의 외주 에지부 및 O링(80)을 끼우도록 하여 다이어프램(65)을 고정하고 있다. 접속 부재(47)의 하단부에는 고리 모양의 플레이트(78)가 압입되어, 플랜지부(25)를 하방에서 지지하고 있다. 즉, 슬리브(44)는, 플레이트(78)의 압입에 의해 접속 부재(47) 나아가서는 보디(5)에 대해 고정되어 있다.

슬리브(44)와 코어(42)는, 압입 및 코킹에 의해 축선 방향으로 접합되어 있다. 슬리브(44)의 내방에는, 제1플런저(66)가 축선 방향으로 진퇴 자유롭게 배치되어 있다. 제1플런저(66)에는, 코어(42)의 중심을 축선 방향으로 연장되는 샤프트(58)의 일단이 압입되어 있다. 샤프트(58)는, 그 일단부의 축선 방향의 위치가 제1플런저(66)에 있어서의 슬리브(44)와의 슬라이딩부 67의 축선 방향의 위치와 겹치도록 위치 결정되어 있다.

샤프트(58)의 타단은, 코어(42)의 하단부에 나사 결합된 베어링 부재(90)에 의해 지지되어 있다. 샤프트(58)의 도중에는 리테이닝 링(92)이 끼워지고, 그 리테이닝 링(92)에 의해 상방으로의 이동이 규제되도록 스프링 베어링(94)이 마련되어 있다. 스프링 베어링(94)과 베어링 부재(90) 사이에는, 제1플런저(66)를 샤프트(58)를 통해 코어(42)로부터 멀어지는 방향으로 부세하는 스프링(75)이 배치되어 있다. 이 스프링(75)의 하중은, 베어링 부재(90)의 코어(42)에 대한 나사 체결 깊이를 바꾸는 것에 의해 조정할 수 있다.

이상의 구성에 있어서, 밸브체(33)와 밸브 시트(20)에 의해 메인 밸브가 구성되고, 그 메인 밸브의 개도에 의해 토출실로부터 크랭크실에 도입되는 냉매 유량이 조정된다. 또한, 밸브체(38)와 밸브 시트(36)에 의해 서브 밸브가 구성되고, 그 서브 밸브의 개폐에 의해 크랭크실로부터 흡입실로의 냉매의 도출이 허용 또는 차단된다. 즉, 제어 밸브(1)는, 메인 밸브와 서브 밸브 중의 어느 하나를 개방시키는 것에 의해 냉매의 흐름을 전환하는 3방 밸브로서도 기능한다.

본 실시형태에 있어서는, 작동 로드(50)의 메인 밸브에 있어서의 유효 수압 지름 A(실링부 지름), 작동 로드(50)의 슬라이딩부에 있어서의 유효 수압 지름 B(실링부 지름), 작동 로드(50)의 서브 밸브에 있어서의 유효 수압 지름 C(실링부 지름)가 동일하게 설정되어 있다. 이 때문에, 작동 로드(50)와 플런저(46)가 작동 연결된 상태에 있어서는, 밸브체(33)에 작용하는 토출 압력(Pd) 및 크랭크 압력(Pc)의 영향이 캔슬된다. 다이어프램(65)은, 그 유효 수압 면적에 흡입 압력(Ps)만 받게 된다. 그 결과, 메인 밸브의 제어 상태에 있어서, 밸브체(33)는, 작동실(28)에서 받는 흡입 압력(Ps)에 기초하여 개폐 동작하게 된다. 즉, 제어 밸브(1)는, 이른바 Ps 감지 밸브로서 기능한다.

다음으로, 제어 밸브(1)의 동작에 대해 설명한다.

제어 밸브(1)에 있어서, 솔레노이드(3)가 비통전일 때는, 코어(42)와 플런저(46) 사이에 흡인력이 작용하지 않는다. 또한, 흡입 압력(Ps)이 높기 때문에, 다이어프램(65)에 당접한 제1플런저(66)는, 스프링(75)의 하중에 저항하여 하방으로 변위한다. 한편, 제2플런저(68)는, 스프링(74)에 의해 제1플런저(66)로부터 멀어지도록 상방으로 부세되어 있기 때문에, 작동 로드(50)를 통해 밸브체(33)를 그 전체 개방 위치로 부세한다. 이 때, 작동 로드(50)와 제2플런저(68)의 당접 상태, 즉 서브 밸브의 폐쇄 상태는 유지된다. 압축기의 토출실로부터 포트(14)에 도입된 토출 압력(Pd)의 냉매는, 전체 개방 상태의 밸브부를 통과하고, 포트(12)로부터 크랭크실로 흐르게 된다. 따라서, 크랭크 압력(Pc)이 상승하고, 압축기는 최소 용량 운전을 진행한다.

한편, 자동차용 공조 장치가 기동되었을 때와 같이, 솔레노이드(3)에 제어 전류가 공급되면, 제1플런저(66)가 다이어프램(65)을 통해 스프링(74)의 부세력에 저항하여 제2플런저(68)를 흡인한다. 이 때문에, 제2플런저(68)가 다이어프램(65)에 당접하여 하방으로 이동하고, 이에 따라, 밸브체(33)가 스프링(37)에 의해 밀려서 하강하여 밸브 시트(20)에 착석하고, 메인 밸브가 폐쇄 상태가 된다. 이 때, 작동 로드(50)가, 제2플런저(68)로부터 이격된 상태가 된다. 즉, 서브 밸브가 개방되어 블리드 기능이 발휘된다.

이와 같이 하여 흡입실의 흡입 압력(Ps)이 충분히 낮아지면, 다이어프램(65)이 그 흡입 압력(Ps)을 감지하여 상방으로 변위하고, 제2플런저(68)가 작동 로드(50)에 당접한다. 이 때, 솔레노이드(3)에 공급되는 제어 전류를 공조의 설정 온도에 상응하여 작게 하면, 제2플런저(68) 및 제1플런저(66)는 흡착 상태인 채로 일체로 되어, 흡입 압력(Ps)에 의한 힘과, 스프링(37, 74, 75)의 합력과, 솔레노이드(3)의 흡인력이 균형해지는 위치까지 상방으로 이동한다. 이에 의해, 밸브체(33)가 제2플런저(68)에 의해 밀려서 상승하여, 밸브 시트(20)로부터 멀어져서 소정의 개도로 설정된다. 따라서, 토출 압력(Pd)의 냉매가 개도에 상응한 유량으로 제어되어 크랭크실에 도입되고, 압축기는, 제어 전류에 대응한 용량의 운전으로 이행하게 된다.

솔레노이드(3)의 전자 코일(53)에 공급되는 제어 전류가 일정한 경우, 다이어프램(65)이 흡입 압력(Ps)을 감지하여 밸브 개도를 제어한다. 예를 들면 냉동 부하가 커져서 흡입 압력(Ps)이 높아진 경우에는, 밸브체(38)가 작동 로드(50), 제2플런저(68), 다이어프램(65) 및 제1플런저(66)와 일체로 되어 하방으로 변위하기 때문에, 밸브 개도가 작아지고, 압축기는, 토출 용량을 늘리도록 동작한다. 그 결과, 흡입 압력(Ps)이 저하되어 설정 압력에 접근하게 된다. 반대로, 냉동 부하가 작아져 흡입 압력(Ps)이 낮아진 경우는, 밸브체(38)가 상방으로 변위하여 밸브 개도를 크게 하기 때문에, 압축기는, 토출 용량을 줄이도록 동작한다. 그 결과, 흡입 압력(Ps)이 상승하여 설정 압력에 접근하게 된다. 이와 같이하여, 제어 밸브(1)는, 흡입 압력(Ps)이 솔레노이드(3)에 의해 설정된 설정 압력(Pset)이 되도록 압축기의 토출 용량을 제어한다.

다음으로, 밸브 작동의 록을 방지하기 위한 구조 및 방법에 대해 설명한다.

도 2는, 밸브 작동 록 방지 구조를 나타내는 도면이다. (A)는 도 1의 D부 확대도를 나타내고 있다. (B) 및 (C)는 (A)의 B부 확대도를 모식적으로 나타내고 있다. (B)는 작동 로드(50)가 가이드 구멍(26)과 동심 상태에 있는 상태를 나타내고, (C)는 작동 로드(50)가 가이드 구멍(26)의 한쪽측에 당접할 때까지 치우쳐진 상태를 나타내고 있다.

도 2(A)에 굵은 선으로 나타내는 바와 같이, 작동 로드(50)의 외주면에는, 불소 수지(예를 들면, 폴리테트라플루오로에틸렌: PTFE)에 의한 소정 두께의 코팅이 실시되어 있다. 본 실시형태에서는, 그에 의한 코팅막(100)이 작동 로드(50)에 있어서의 가이드 구멍(26)과의 슬라이딩이면 전체에 형성되어 있다. 이 코팅막(100)은, 공조 장치(대상 장치)의 냉매 통로를 형성하는 금속(냉매 통로에 있어서 슬라이딩부를 형성하는 금속 등)보다 부드러운 재질로 이루어진다.

본 실시형태에서는, 압축기의 토출 냉매에 금속 가루가 포함되어, 가령 작동 로드(50)와 가이드 구멍(26) 사이의 간극에 그 금속 가루가 침입해도, 이를 금속보다 부드러운 코팅막(100)에 파고들게 하여 잡아두도록 한다. 그리고, 그 코팅막(100)의 쿠션성을 이용하여, 금속 가루가 슬라이딩부에 끼어들어 작동 로드(50) 나아가서는 밸브체(33)의 작동을 록시키는 것을 방지한다. 본 실시형태에서는, 코팅막(100)에 잡아둔 금속 가루가 용이하게 탈락하지 않도록, 코팅막(100)의 두께를, 침입이 상정되는 금속 가루의 최대 지름(최대 폭)의 절반 이상이 되도록 설정한다.

이는 이하의 생각에 근거한다. 즉 도 2(B)에 나타내는 바와 같이, 가이드 구멍(26)의 반경을 R, 작동 로드(50)의 반경을 r, 반경 R과 반경 r의 차를 s, 코팅막(100)의 두께를 t, 작동 로드(50)와 가이드 구멍(26) 사이의 간극으로의 침입이 상정되는 이물 W(금속 가루)의 최대 지름(최대 폭)을 Dmax로 한다. 여기서, 최대 지름 Dmax는, 도 2(C)에 나타내는 바와 같이, 작동 로드(50)가 가이드 구멍(26)의 한쪽측에 치우쳐졌을 때의 반대측 간극의 크기에 상당한다. 이 때문에, 하기의 식 (1)이 성립된다.

Dmax=2(s-t) …(1)

여기서, 코팅막(100)의 두께 t를, 침입이 상정되는 이물 W의 최대 지름(최대 폭)의 절반 이상으로 하기 위해, 하기의 식 (2)를 만족하도록 한다.

t≥Dmax/2 …(2)

다만, 작동 로드(50)의 코팅후의 외경이 가이드 구멍(26)의 내경보다 작아질 필요가 있기 때문에, 하기의 식 (3)을 만족할 필요가 있다.

2(r+t)<2R …(3)

상기한 식 (1)~(3)을 풀고, R-r=s를 대입하면, 하기의 식 (4)가 성립된다.

s/2≤t<s …(4)

상기 식 (4)의 관계를 갖도록 코팅막(100)의 두께 t를 설정하는 것에 의해, 이물 W의 침입에 의한 작동 록을 방지 또는 억제할 수 있게 된다. 즉, 이와 같은 두께 t로 설정하면, 가령 작동 로드(50)와 가이드 구멍(26) 사이의 간극에 이물 W가 침입해도, 이를 코팅막(100)에 충분히 파고들게 하여 유지할 수 있게 된다. 충분히 파고든 이물 W는, 그 코팅막(100)로부터 탈락할 가능성도 낮다. 코팅막(100)이 이물 W(금속 가루)보다 부드럽기 때문에, 금속간과 같은 압접력이 작용하기 어렵고, 그 이물 W의 끼어듦에 의한 슬라이딩부의 록도 발생하기 어렵다. 즉, 본 실시형태에 의하면, 작동 로드(50) 나아가서는 밸브체(33)의 작동 록을 방지 또는 억제할 수 있게 된다.

도 3은, 본 실시형태에 의한 작용 효과를 예시하는 사진을 나타낸다. (A)는 작동 로드(50)의 상부를 나타낸다. 도면 중 1점 쇄선으로 둘러싸이는 부분에 이물 W(금속 가루)가 잡혀진 모습이 도시되어 있다. (B)는 (A)의 이물 W 근방을 확대한 것이고, (C)는 (B)에 있어서의 이물 W 근방을 더욱 확대한 것이다.

상술한 바와 같이 작동 로드(50)에 코팅막(100)을 형성하여 얻어진 제어 밸브(1)를 압축기에 설치하여 냉동 사이클을 운전한 결과, 도시한 결과가 얻어졌다. 즉, 이물 W가 코팅막(100)에 파고들어가도록 하여 잡혀지는 예를 확인할 수 있었다. 또한, 그에 의해 이물 W의 끼어듦에 의한 록이 발생하지 않는 것도 확인할 수 있었다.

도 4는, 이물에 의한 작동 록의 유무를 검증한 실험 결과를 나타내는 도면이다. 횡축은 가이드 구멍(26)과 코팅막(100)의 지름 방향의 클리어런스(clearance)의 합계값: 2(s-t)(㎛)을 나타내고, 종축은 코팅막(100)의 두께 t(㎛)을 나타낸다. 도면 중의 "○"은 록의 발생 없음을 나타내고, "×"는 록의 발생 있음을 나타낸다.

이 실험은, 자동차용 공조 장치를 모방한 시험 장치의 유체 순환로에 제어 밸브(1)를 설치하고, 그 유체 순환로에 인위적으로 이물을 흘려보내는 것에 의해 진행했다. 구체적으로는, 이물로서 표준적인 입경이 20~40㎛인 금속 가루(알루미나: Al₂O₃)를 준비하고, 그 28mg분량을 냉매 순환로에 투입했다. 토출 압력(Pd)과 흡입 압력(Ps)의 관계가 정상 운전시와 근사한 관계가 되도록 시험 장치를 운전하는 한편, 제어 밸브(1)에 대해 소정의 구동 제어를 했다. 즉, 솔레노이드(3)에 대해, 제어상 취할 수 있는 전류값 범위(최소 용량 운전의 전류값에서 최대 용량 운전의 전류값까지의 범위)의 2점에서 공급 전류값을 전환하는 사이클(제1전류값으로 20초의 통전 후에 제2전류값으로 20초의 통전을 하는 사이클)을 100사이클 진행하고, 그 통전 전환에 의해 작동 로드(50)를 반복 작동시켰다. 그리고, 그 100사이클 동안에 작동 록이 발생하는지 여부를 검증했다.

이 실험 결과로부터, t≥s-t가 되는 범위(1점 쇄선을 경계로 하는 범위)에 있어서는 작동 록이 거의 발생하지 않고, t≥2(s-t)의 범위(2점 쇄선을 경계로 하는 범위)에 있어서는 작동 록이 전혀 발생하지 않았다. 전자의 범위는 t≥2/s가 되고, 상기 식 (4)와 일치한다. 후자의 범위에서는 t≥2s/3이 도출된다. 따라서, 하기의 식 (5)의 범위가 매우 양호한 결과가 얻어지는 것을 알았다.

2s/3≤t<s …(5)

이상, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 특정의 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형이 가능한 것은 물론이다.

상기 실시형태에서는, 작동 로드로서 속이 빈 구조인 것을 예시했다. 변형예에 있어서는, 작동 로드를 속이 찬 구조로 해도 좋다. 예를 들면, 블리드 기능과는 무관한 속이 찬 샤프트를 작동 로드로 하여, 그 외주면(슬라이딩이면)에 코팅을 실시하도록 해도 좋다. 블리드 기능을 구비하지 않는 제어 밸브에 대해 상기 밸브 작동 록 방지 구조를 적용해도 좋다.

상기 실시형태에서는, 코팅막(100)의 재질로서 불소 수지를 예시했지만, 예를 들면 나일론, 폴리페닐렌 설파이드 수지(PPS), 에폭시 수지 등의 재질을 채용할 수도 있다. 혹은, 불소 수지에 이황화몰리브덴을 혼합하여 얻어지는 고체 윤활제나 기타의 고체 윤활제를 코팅해도 좋다.

상기 실시형태에서는, 솔레노이드를 액추에이터로 하는 전자 밸브에 밸브 작동 록 방지 구조를 적용하는 예를 제시했다. 변형예에 있어서는, 스테핑 모터 등의 전동기를 액추에이터로 하는 제어 밸브에 대해 동일한 밸브 작동 록 방지 구조를 적용해도 좋다. 또한, 상기 실시형태에서는, 가변 용량 압축기용 제어 밸브에 밸브 작동 록 방지 구조를 적용하는 예를 제시했다. 변형예에 있어서는, 냉동 사이클에 마련되는 다른 제어 밸브에 적용해도 좋다. 혹은, 냉동 사이클에 한정하지 않고, 유체의 흐름을 제어하는 다른 제어 밸브에 적용해도 좋다.

또한, 본 발명은 상기 실시형태나 변형예에 한정되지 않고, 요지를 벗어나지 않는 범위에서 구성 요소를 변형하여 구체화할 수 있다. 상기 실시형태나 변형예에 개시되어 있는 복수의 구성 요소를 적절히 조합하는 것에 의해 다양한 발명을 형성해도 좋다. 또한, 상기 실시형태나 변형예에 개시되는 전체 구성 요소에서 몇 가지 구성 요소를 삭제해도 좋다.

1: 제어 밸브
2: 밸브 본체
3: 솔레노이드
5: 보디
12, 14, 16: 포트
18: 밸브 구멍
20: 밸브 시트
24: 중간 압력실
26: 가이드 구멍
28: 작동실
33: 밸브체
36: 밸브 시트
38: 밸브체
50: 작동 로드
65: 다이어프램
100: 코팅막

Claims

대상 장치를 흐르는 유체의 흐름을 조정하기 위한 제어 밸브에 있어서,
밸브 구멍과 가이드 구멍이 중간 압력실을 통해 축선 방향으로 연통하도록 형성되고, 상기 중간 압력실에 유체를 도입하기 위한 도입 포트와, 상기 밸브 구멍을 통과한 유체를 도출하기 위한 도출 포트가 형성된 금속제의 보디;
상기 밸브 구멍에 접리하는 밸브체;
상기 밸브체가 일체로 마련되고, 상기 가이드 구멍에 지지되는 금속제의 작동 로드; 및
상기 작동 로드에 구동력을 부여 가능한 솔레노이드를 구비하고,
상기 작동 로드에 있어서의 상기 가이드 구멍과의 슬라이딩면에, 상기 대상 장치의 유체 통로를 형성하는 금속보다 부드러운 수지로 이루어지는 코팅이 실시되고,
상기 가이드 구멍의 반경과 상기 작동 로드의 반경의 차를 s, 코팅막의 두께를 t로 했을 경우에, s/2≤t<s의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
제1항에 있어서,
상기 보디에는, 상기 가이드 구멍의 상기 중간 압력실과의 반대측에 작동실이 형성되고,
상기 중간 압력실의 압력은 상기 작동실의 압력보다 크고,
상기 가이드 구멍의 양단에 차압이 발생하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 솔레노이드가, 상기 보디에 대해 고정된 코어와, 상기 작동 로드의 상기 밸브체와의 반대측을 지지하는 플런저와, 통전에 의해 상기 플런저 및 상기 코어를 포함하는 자기 회로를 생성하는 전자 코일을 포함하고,
상기 플런저는, 상기 코어에 대항하는 제1플런저와, 상기 작동 로드를 지지하는 제2플런저를, 다이어프램을 끼고 축선 방향으로 직렬로 배치하여 구성되고,
상기 제2플런저를 밸브 개방 방향으로 부세하는 부세 부재가 마련되고,
상기 솔레노이드의 통전시에는, 상기 제1플런저와 상기 제2플런저가 상기 다이어프램을 통해 일체가 되어 작동하고, 상기 솔레노이드로의 비통전시에는, 상기 제2플런저가 상기 부세 부재의 부세력에 의해 상기 제1플런저로부터 이간 가능하게 구성되는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.