(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を双方向に流すことができる双方向弁において、
ボディに同軸に貫通形成された大径の第１シリンダ、小径の第２シリンダおよび流体の出入口を構成する第２ポートと、
前記第１シリンダと前記第２シリンダとの境界をなす前記ボディの段差部に対して軸線方向に対向する側の端面が前記段差部から離れて位置するように前記第１シリンダに嵌合されていて内径が前記第２シリンダの内径に等しいスリーブと、
前記スリーブの前記端面と前記ボディの前記段差部との間に位置する前記第１シリンダの空間に連通するよう前記ボディに形成されて流体の出入口を構成する第１ポートと、
前記スリーブおよび前記第２シリンダ内に進退自在に嵌挿配置され、前記第２ポートと連通した同軸の通路を有し、軸線方向の中間部に環状の空間を成すように周設されるとともにその境界を成す段差が前記スリーブの前記端面または前記ボディの前記段差部と平行に形成された縮径部を有し、前記通路に連通するように前記縮径部に穿設された穴を有する筒状の弁体と、
前記弁体の軸線方向両側から等しい力で付勢する第１および第２スプリングと、
前記第２スプリングを前記弁体とともにその軸線方向に進退動作するプランジャと前記ボディに関して固定されているコアとの間に配置し、電流値に応じて前記第２スプリングを前記弁体の軸線方向に圧縮駆動することにより前記スリーブの前記端面または前記ボディの前記段差部と前記縮径部の前記段差との間の隙間である円環状の絞り部の開口面積を直線的に変えて前記第１ポートと前記穴との間の弁開度を制御するソレノイドと、
を備えていることを特徴とする双方向弁。
【請求項２】
前記ソレノイドは、前記プランジャの軸線位置に挿通されて前記プランジャの動作位置を前記弁体に伝えるシャフトを両端でガイドして前記プランジャと前記プランジャの外側に設けられたスリーブとを摺動させないようにしたことを特徴とする請求項１記載の双方向弁。
【請求項３】
前記第１スプリングは、前記弁体を直接付勢するよう前記第２ポート内に配置されていることを特徴とする請求項１記載の双方向弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は双方向弁に関し、特にカーエアコンのヒートポンプサイクルにて冷媒を断熱膨張させる膨張弁として使用することができる双方向弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カーエアコンは、一般的に、冷媒がコンプレッサ、コンデンサ、レシーバ／ドライヤ、膨張弁、エバポレータを介して流れ、コンプレッサに戻るような冷凍サイクルから構成されている。このような冷凍サイクルで使われる膨張弁は、その代表例として、たとえば特開平１１−３１６０６８号公報に開示されている構成のものが知られている。すなわち、高圧冷媒を開弁方向に受圧する弁体と、その弁体を閉弁方向に付勢する圧縮コイルスプリングと、その圧縮コイルスプリングのばね荷重を調節するソレノイドとから構成されている。
【０００３】
その膨張弁は、入口側にコンプレッサからの高圧の冷媒を受けることによって弁体が開く方向に作用され、一方、圧縮コイルスプリングによって弁体が閉じる方向に作用され、それらがバランスする位置で弁開度が決定される。高圧の冷媒は、その決定された弁開度の膨張弁を通過することにより、断熱膨張され、低温低圧の冷媒となって出口側よりエバポレータへ供給され、そこで、車室内の空気と熱交換することで冷房が行われる。このように、従来の膨張弁は、冷媒の流れ方向が決まっていて、冷媒の入口および出口が決められている。
【０００４】
また、ソレノイドは、弁体の軸線上に配置されて弁体をその軸線方向に進退移動させるプランジャを備え、そのプランジャは、スリーブ内に進退自在に嵌挿配置され、スリーブ内を摺動しながら弁体を駆動するよう構成されている。
【０００５】
ところで、近年、エンジンの燃焼効率が向上したことに伴い、エンジンの冷却水の水温が低くなっているため、冷却水を暖房用の熱源として利用することが困難になってきている。そのため、冷凍サイクルを利用して冷房運転を行い、冷却水を利用して暖房運転を行うことが難しいため、冷暖房運転が可能なヒートポンプ方式のエアコンシステムが提案されている。
【０００６】
ヒートポンプ方式のエアコンシステムは、室外に設けられた外部熱交換器と室内に設けられた内部熱交換器を備え、冷房運転時は外部熱交換器をコンデンサ、内部熱交換器をエバポレータとして機能させ、暖房運転時には外部熱交換器をエバポレータ、内部熱交換器をコンデンサとして機能させることにより冷暖房運転を行うものである。そのため、冷暖房運転の切り換え時には、コンプレッサから圧送された冷媒を、外部熱交換器、膨張弁および内部熱交換器を通過して流れるようにするか、内部熱交換器、膨張弁および外部熱交換器を通過して流れるようにするかの切り換えが行われる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ヒートポンプ方式のエアコンシステムでは、冷房運転時と暖房運転時とでは膨張弁を通過する冷媒の流れが逆になるため、外部熱交換器と内部熱交換器との間に配置される膨張弁として、冷媒の流れに方向性を持つ従来の膨張弁をそのまま使用することができないという問題点があった。
【０００８】
また、従来の膨張弁では、スリーブ内に進退自在に嵌挿配置されたプランジャは、スリーブ内を摺動しながら弁体を駆動する構成になっていたため、ソレノイド電流を増加する場合と減少する場合とで異なる特性が得られる、いわゆるヒステリシスが生じてしまい、制御性が悪いという問題点があった。
【０００９】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、流体を双方向に流すことができ、制御性を改善した双方向弁を提供することを目的とする。
【００１０】
【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、流体を双方向に流すことができる双方向弁において、ボディに同軸に貫通形成された大径の第１シリンダ、小径の第２シリンダおよび流体の出入口を構成する第２ポートと、前記第１シリンダと前記第２シリンダとの境界をなす前記ボディの段差部に対して軸線方向に対向する側の端面が前記段差部から離れて位置するように前記第１シリンダに嵌合されていて内径が前記第２シリンダの内径に等しいスリーブと、前記スリーブの前記端面と前記ボディの前記段差部との間に位置する前記第１シリンダの空間に連通するよう前記ボディに形成されて流体の出入口を構成する第１ポートと、前記スリーブおよび前記第２シリンダ内に進退自在に嵌挿配置され、前記第２ポートと連通した同軸の通路を有し、軸線方向の中間部に環状の空間を成すように周設されるとともにその境界を成す段差が前記スリーブの前記端面または前記ボディの前記段差部と平行に形成された縮径部を有し、前記通路に連通するように前記縮径部に穿設された穴を有する筒状の弁体と、前記弁体の軸線方向両側から等しい力で付勢する第１および第２スプリングと、前記第２スプリングを前記弁体とともにその軸線方向に進退動作するプランジャと前記ボディに関して固定されているコアとの間に配置し、電流値に応じて前記第２スプリングを前記弁体の軸線方向に圧縮駆動することにより前記スリーブの前記端面または前記ボディの前記段差部と前記縮径部の前記段差との間の隙間である円環状の絞り部の開口面積を直線的に変えて前記第１ポートと前記穴との間の弁開度を制御するソレノイドと、を備えていることを特徴とする双方向弁が提供される。
【００１１】
このような双方向弁によれば、筒状の弁体にしたことによりその軸線方向両端の端面には流体の圧力が等しく受圧されるため、弁開度を可変にする方向へ圧力がかからない。したがって、弁体の動きが第１ポートまたは第２ポートにおける入口圧力および出口圧力に依存されないため、双方向に流体を流すことが可能になる。また、第１ポートが接続される空間として弁体の周囲に環状の空間を形成し、縮径部がスリーブの端面またはボディの段差部と平行に形成されていることで、弁体の移動に応じた環状の空間と縮径部との間の開口面積を直線的に変化させることができる。
【００１２】
また、本発明によれば、ソレノイドは、プランジャの軸線位置に挿通されてプランジャの動作位置を弁体に伝えるシャフトを両端でガイドし、プランジャとこの外側に設けられたスリーブとを摺動させないように構成した。
【００１３】
これにより、プランジャの動作時の摺動抵抗が大幅に低減され、ヒステリシスがなく制御性のよい双方向弁にすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、ヒートポンプサイクルの膨張弁に適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明の第１の実施の形態に係る膨張弁の全開時の状態を示す縦断面図、図２は弁体を示す図、図３はソレノイドの電流値に対する膨張弁の開口面積の変化を示す図である。
【００１６】
この膨張弁は、下部に設けられた弁部１と上部に設けられたソレノイド２とから構成される。弁部１は、ボディ３の側面に設けられてヒートポンプサイクルの外部熱交換器または内部熱交換器への冷媒配管に接続される第１ポート４とボディ３の下面に設けられて内部熱交換器または外部熱交換器への冷媒配管に接続される第２ポート５とを備えている。
【００１７】
弁部１は、また、その中央位置に貫通形成された同軸の上部シリンダ６および下部シリンダ７を有している。上部シリンダ６は、第１ポート４に連通していて大径に形成され、下部シリンダ７は、第２ポート５に連通していて小径に形成されている。上部シリンダ６には、内径が下部シリンダ７の内径に等しいスリーブ８が圧入されている。
【００１８】
このスリーブ８および下部シリンダ７には、弁体９が軸線方向に進退自在に嵌挿配置されている。下部シリンダ７の内径とスリーブ８の内径とが等しいため、第２ポート５に高圧の冷媒が導入された場合に弁体９の軸線方向両端面に受圧する圧力が等しく、かつ方向が逆でキャンセルされるため、弁体９が冷媒の圧力の影響をまったく受けない構造になっている。また、第１ポート４に高圧の冷媒が導入された場合にも、冷媒の圧力が弁体９に対してその軸線方向へ付勢するような力は働かないため、冷媒の圧力の影響を受けることがない。したがって、第１ポート４および第２ポート５のいずれかを高圧側にしてもよく、冷媒を双方向に流すことができる。
【００１９】
弁体９は、その軸線方向中央位置に冷媒通路１０が貫通する筒状体を有し、その頂部は閉止されている。また、図２に示したように、弁体９の上部および中間部に縮径部１１，１２が形成されている。特に、縮径部１２の下側の段差部は、上部シリンダ６と下部シリンダ７との間の段差部と対向するスリーブ８の端面と平行になっている。縮径部１１には、冷媒通路１０と連通する穴１３が穿設され、縮径部１２には、冷媒通路１０と連通する穴１４が穿設されていて、それぞれスリーブ８および上部シリンダ６内に位置しているときには、縮径部１１，１２の環状空間は、その外側の空間と穴１３，１４を介して冷媒通路１０に連通するようになっている。弁体９の下部には、３条の溝１５ａ〜１５ｃが周設されており、下部シリンダ７の内壁との間でラビリンスシールを構成している。
【００２０】
第２ポート５内には、弁体９をソレノイド２の側に付勢する圧縮コイルスプリング１６が配置されており、その圧縮コイルスプリング１６は、ばね力を調節することができるアジャストねじ１７によって受けられている。
【００２１】
ソレノイド２は、コイル１８と、コア１９と、プランジャ２０とを備え、プランジャ２０は、シャフト２１によって保持されている。そのシャフト２１は、弁部１との間に配置されたフランジ２２に嵌合されているガイド２３とコア１９に形成されたガイド２４とによって両端が軸線方向に進退自在に支持され、ガイド２３を貫通したシャフト２１の端面は、弁体９の頂部端面に当接している。プランジャ２０の周りには、これと接触しない状態でスリーブ２５が配置されている。このスリーブ２５は上端がコア１９に溶接などにより固着され、下端はフランジ２２に固着されて、ソレノイド２側での冷媒漏れがないようにしている。ソレノイド２には、また、シャフト２１に設けられたＥリング２６によって弁体９の方向への移動が規制されたプランジャ２０を弁体９の方向へ付勢する圧縮コイルスプリング２７が設けられている。この圧縮コイルスプリング２７は、圧縮コイルスプリング１６と同じばね力を有し、ソレノイド２が通電されていないときには、弁体９をその両側から等しいばね力で付勢していることになる。
【００２２】
また、フランジ２２に設けられたガイド２３には、弁部１の上部シリンダ６とソレノイド２のスリーブ２５とを連通させる通路２８が設けられ、上部シリンダ６内の冷媒がコア１９に設けられたガイド２４まで流れるようにしている。これにより、プランジャ２０の軸線方向における進退移動がスムーズになる。
【００２３】
ここで、図１に示したように、ソレノイド２が通電されていない状態では、圧縮コイルスプリング２７，１６によって弁体９の縮径部１２は、スリーブ８の外側に出た位置にある。したがって、第１ポート４は、スリーブ８の下端と縮径部１２の下端の段差との間の隙間である円環状の絞り部、縮径部１２の環状空間、穴１４、冷媒通路１０を介して第２ポート５と連通し、膨張弁は絞り部の絞りが最も大きい全開状態になっている。
【００２４】
次に、ソレノイド２のコイル１８に電流を流したときの膨張弁の動作について説明する。コイル１８に電流を流すと、プランジャ２０がコア１９に吸引されるようになるため、プランジャ２０は圧縮コイルスプリング２７のばね力に抗して弁体９から離れる方向へ移動する。このとき、プランジャ２０はスリーブ２５と接触していないので、スリーブ２５との摺動抵抗はなく、コア１９の方向へスムーズに移動する。このプランジャ２０の移動に追従して、弁体９が圧縮コイルスプリング１６によってソレノイド２の側へ移動される。この結果、スリーブ８と弁体９との間の開口面積が減り、膨張弁は弁閉方向に推移していく。
【００２５】
ソレノイド２の電流値に対する膨張弁の開口面積の変化は、図３に示したように直線的であり、電流値に反比例して円環状の絞り部の絞りが小さくなる。
図４は本発明の第２の実施の形態に係る膨張弁の全開時の状態を示す縦断面図、図５はソレノイドの電流値に対する膨張弁の開口面積の変化を示す図である。図４において、図１に示した構成要素と同じ要素については、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００２６】
この第２の実施の形態の膨張弁では、第１の実施の形態の膨張弁と比較して、弁体９ａだけが異なる。すなわち、第１の実施の形態における弁体９を逆さまにしたような弁体９ａを使用し、上部シリンダ６と下部シリンダ７との境界を成すボディ３の段差部と弁体９ａとによって膨張弁の円環状の絞り部を構成している。
【００２７】
弁体９ａは、図示のように、ソレノイド２が通電されていない状態では、縮径部１２の環状空間が下部シリンダ７の中にほとんど入った位置にあり、膨張弁としては、ほぼ全閉状態になっている。
【００２８】
ここで、ソレノイド２のコイル１８に電流を流すと、プランジャ２０がコア１９に吸引されるようになるため、プランジャ２０は圧縮コイルスプリング２７のばね力に抗して弁体９ａから離れる方向へ移動する。このプランジャ２０の移動に追従して、弁体９ａが圧縮コイルスプリング１６によってソレノイド２の側へ移動される。この結果、スリーブ８と弁体９ａとの間の開口面積が増加し、膨張弁は弁開方向に推移していく。
【００２９】
ソレノイド２の電流値に対する膨張弁の開口面積の変化は、図５に示したように直線的であり、電流値に比例して絞り部の絞りが大きくなる。  
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、筒状の弁体を有する弁部と、その弁体の軸線方向位置を制御して弁開度を調節するソレノイドとを備え、弁体を軸線方向両側からスプリングで付勢する構成にした。これにより、弁体に連通する第１ポートおよび第２ポートを流れる流体の圧力の影響を受けない弁が構成され、流体を双方向に流すことができる。
【００３８】
流体を双方向に流すことができることによって、この双方向弁をヒートポンプサイクルの膨脹弁として使用することができる。
弁体が流体の圧力の影響を受けないため、カーエアコンのサイクルの冷媒としてフロンＨＦＣ−１３４ａを使用した冷凍サイクルで使用することができのはもちろん、圧力が非常に高い、たとえば炭酸ガス（ＣＯ2）を冷媒とする冷凍サイクルにも同じように適用することが可能である。
【００３９】
また、ソレノイドでは、プランジャにシャフトを通し、そのシャフトの両端をガイドにより支持することにより、プランジャの軸線方向の移動の際にプランジャがその外側に配置されたスリーブと摺動させない構造としたことにより、摺動抵抗を大幅に軽減することができ、ヒステリシスがなく制御性のよい双方向弁にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態に係る膨張弁の全開時の状態を示す縦断面図である。
【図２】  弁体を示す図である。
【図３】  ソレノイドの電流値に対する膨張弁の開口面積の変化を示す図である。
【図４】  本発明の第２の実施の形態に係る膨張弁の全開時の状態を示す縦断面図である。
【図５】  ソレノイドの電流値に対する膨張弁の開口面積の変化を示す図である。
【符号の説明】
１  弁部
２  ソレノイド
３  ボディ
４  第１ポート
５  第２ポート
６  上部シリンダ
７  下部シリンダ
８  スリーブ
９，９ａ  弁体
１０  冷媒通路
１１，１２  縮径部
１３，１４  穴
１５ａ〜１５ｃ  溝
１６  圧縮コイルスプリング
１７  アジャストねじ
１８  コイル
１９  コア
２０  プランジャ
２１  シャフト
２２  フランジ
２３，２４  ガイド
２５  スリーブ
２６  Ｅリング
２７  圧縮コイルスプリング
２８  通路
【図１】
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【図２】
0004025006.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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