制御弁
【課題】作動流体が流れる流体通路を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。
【解決手段】制御弁１は、作動流体を順方向または逆方向に流通させる共用の内部通路が形成されたボディ１０４と、内部通路に設けられた弁部の開度を電気的に制御するためのモータユニット１０２と、モータユニット１０２の軸線方向の駆動力を弁部に伝達する弁作動体１３６と、モータユニット１０２による弁作動体１３６の軸線方向への駆動量に対して、作動流体が順方向に流れる場合と逆方向に流れる場合とで弁部の大きさが異なるように切り替える作動切替機構と、を備える。
【解決手段】制御弁１は、作動流体を順方向または逆方向に流通させる共用の内部通路が形成されたボディ１０４と、内部通路に設けられた弁部の開度を電気的に制御するためのモータユニット１０２と、モータユニット１０２の軸線方向の駆動力を弁部に伝達する弁作動体１３６と、モータユニット１０２による弁作動体１３６の軸線方向への駆動量に対して、作動流体が順方向に流れる場合と逆方向に流れる場合とで弁部の大きさが異なるように切り替える作動切替機構と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は制御弁に関し、特に作動流体が流れる流体通路の切り替えに好適な制御弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２４０２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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、その各種機能を確保する必要がある。
【０００６】
本発明の目的は、作動流体が流れる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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、作動流体を順方向または逆方向に流通させる共用の内部通路が形成されたボディと、内部通路に設けられた弁部の開度を電気的に制御するためのアクチュエータと、アクチュエータの軸線方向の駆動力を弁部に伝達する弁作動体と、アクチュエータによる弁作動体の軸線方向への駆動量に対して、作動流体が順方向に流れる場合と逆方向に流れる場合とで弁部の大きさが異なるように切り替える作動切替機構と、を備える。
【０００８】
この態様によると、ボディに作動流体の双方向の流れを許容する内部通路が形成される。そして、作動流体の流れが順方向から逆方向または逆方向から順方向へ変化することにより、作動切替機構が動作して弁部の大きさを切り替える。すなわち、弁部の順方向および逆方向のいずれの開度も弁作動体の駆動量により調整されるところ、同じ駆動量に対して弁部の大きさが異なるようになる。この態様の制御弁は、流れ方向により流量を異ならせるシステムに好適であり、弁機能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。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、作動流体が流れる流体通路を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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。
【図２】第１実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。
【図３】第１実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。
【図４】第１実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。
【図５】制御弁による比例制御を示す図である。
【図６】第２実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。
【図７】第２実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。
【図８】第２実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。
【図９】第２実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。
【図１０】第２実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。
【図１１】制御弁による比例制御を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
［第１実施形態］
図１〜図４は、第１実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。なお、本実施形態の制御弁は、例えば電気自動車に搭載されるヒートポンプ式の冷暖房装置への適用を想定して構成されたものである。
【００１２】
すなわち、車両用冷暖房装置には、圧縮機、室内凝縮器、室外熱交換器、蒸発器およびアキュムレータ等を配管にて接続した冷凍サイクル（冷媒循環回路）が設けられ、冷媒が冷凍サイクル内を状態変化しながら循環する過程でなされる熱交換により車室内の空調が行われる。冷媒循環回路には冷暖房を適切に制御するための各種制御弁が配設されており、制御弁１はその一つを構成する。制御弁１は、例えば複数の冷媒循環通路の共用通路に設けられ、その冷媒循環通路が切り替えられることにより冷媒の流れ方向が切り替わるシステムに適用される。
【００１３】
図１に示すように、制御弁１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１０１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１０１は、有底筒状のボディ１０４に大口径の比例弁５１（「第１弁」を構成する）と、小口径の比例弁５２（「第２弁」を構成する）とを同軸状に収容して構成される。比例弁５１および比例弁５２は、１つのモータユニット１０２により開閉駆動される。
【００１４】
ボディ１０４の一方の側部には導入出ポート１１０が設けられ、他方の側部には導入出ポート１１２が設けられている。これらの導入出ポート１１０，１１２は、その一方が冷媒を導入する導入ポートとして機能するときに他方が冷媒を導出する導出ポートとして機能する。すなわち、導入出ポート１１０と導入出ポート１１２とをつなぐ内部通路は、冷媒を導入出ポート１１０から導入出ポート１１２へ向かう順方向、または導入出ポート１１２から導入出ポート１１０へ向かう逆方向に流通させる共用の通路となっている。
【００１５】
ボディ１０４の上半部には、有底円筒状の区画部材１２０が配設されている。区画部材１２０は、その上底部が弁本体１０１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１２０の底部中央には、円ボス状の軸受部１２２が設けられている。軸受部１２２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１２０は、下方に延出する円筒状のガイド部１２４を有し、そのガイド部１２４の内周面によりガイド孔１２６が形成されている。ボディ１０４の下部には弁孔１２８が設けられ、その上端開口端縁により弁座１３０が形成されている。
【００１６】
ボディ１０４の内方には、弁体１３２、弁体１３４、弁作動体１３６が同軸状に配設されている。弁体１３２は、大径の本体に弁座１３０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１３２の下端部には弁孔１２８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１３２は、弁孔１２８に接離して比例弁５１の開度を調整する。
【００１７】
弁体１３２の内方には、小径の弁孔１３８が設けられ、その上端開口端縁により弁座１４０が形成されている。また、弁体１３２には上方に延出する円筒状のガイド部１４２を有し、そのガイド部１４２の内周面によりガイド孔１４４が形成されている。弁体１３２と区画部材１２０との間には、弁体１３２を閉弁方向に付勢するスプリング１４６（「付勢部材」として機能する）が介装されている。
【００１８】
弁体１３４は段付円筒状をなし、いわゆるニードル弁体として構成されている。弁体１３４の尖った先端部が弁孔１３８に挿抜されて比例弁５２を開閉する。弁体１３４は、弁座１４０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１３８に接離して比例弁５２の開度を調整する。弁体１３４の中間部には半径方向外向きに突出したガイド部１４８が設けられ、ガイド孔１４４に摺動可能に支持されている。弁体１３４の上端部は弁作動体１３６に連結されている。
【００１９】
弁体１３２と区画部材１２０との間には背圧伝達部材１５０が配設されている。背圧伝達部材１５０は段付円筒状をなし、ガイド孔１２６に摺動可能に内挿される一方、弁体１３４の上半部を貫通させている。背圧伝達部材１５０の外周面および内周面には、シール部材としてのＯリング１５２，１５４がそれぞれ嵌着されている。弁体１３４の上半部はＯリング１５４に摺動可能に支持されている。すなわち、弁体１３４は、Ｏリング１５４およびガイド孔１４４に摺動しつつ軸線方向に安定に動作することができる。
【００２０】
背圧伝達部材１５０と区画部材１２０との間には背圧室１５６が形成される。また、弁体１３４を軸線方向に貫通する連通路１５８が形成されている。連通路１５８は、導入出ポート１１０に連通している。このため、背圧室１５６には常に、導入出ポート１１０から導入または導出される圧力Ｐ１が満たされる。
【００２１】
本実施形態においては、弁孔１２８の有効径Ａとガイド孔１２６の有効径Ｂとが等しく設定されている。また、弁孔１３８の有効径Ｃと背圧伝達部材１５０の内側摺動部の有効径Ｄ（Ｏリング１５４の内径）とが等しく設定されている。このため、弁体１３２および弁体１３４に作用する冷媒圧力の影響がそれぞれキャンセル可能となっている。この背圧キャンセル構造の機能の詳細については後述する。
【００２２】
弁作動体１３６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１２２の雌ねじ部に螺合する。弁作動体１３６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１６０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。
【００２３】
弁作動体１３６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１３６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１３６が軸線方向に変位し、各弁体を開閉方向に駆動する。弁体１３４の上端部は弁作動体１３６の底部を貫通し、その先端部が外方に加締められて係止部１６２となり、その係止部１６２にて弁作動体１３６に係止されるように連結されている。
【００２４】
なお、図示のように、弁作動体１３６の底部と係止部１６２との間には、所定量の相対変位を許容する遊びが形成されている。弁作動体１３６の上端部と係止部１６２との間には、弁体１３４を下方に付勢するスプリング１６４（「付勢部材」として機能する）が介装されている。すなわち、弁体１３４と弁作動体１３６とは、比例弁５１および比例弁５２の少なくとも一方が開弁状態であるときはスプリング１６４の付勢力により突っ張った状態で一体変位するが、比例弁５１および比例弁５２が共に閉弁状態になれば軸線方向に所定量相対変位可能となる。比例弁５１の閉弁状態において弁作動体１３６が下方に動作して比例弁５２が閉弁する際、弁体１３４が弁座１４０に着座すると、弁体１３４の下方への変位は規制される。このため、弁作動体１３６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１６４が縮むことによりその反力が緩和される。
【００２５】
なお、スプリング１６４は、その荷重が弁体１３４とＯリング１５４との間の摺動抵抗（弁体１３４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１３６と弁体１３４とが一体動作しているときにスプリング１６４が縮むことなく、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。
【００２６】
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１０４に組み付けられており、ボディ１０４とともに制御弁１のボディを構成する。
【００２７】
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はその円周方向に複数極（本実施形態では２４極）に磁化（着磁）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。
【００２８】
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、弁作動体１３６の４つの脚部１６０が嵌合し、ロータ１７２と弁作動体１３６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１３６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１３６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。
【００２９】
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１３６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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。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。
【００３２】
ロータ１７２は、その上端部がスリーブ１７０に回転自在に支持され、下端部が軸受部１２２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１２２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。なお、本実施形態ではこのように、スリーブ１７０の底部を軸受部としているが、シャフト１８２の端部を軸受部として構成してもよい。
【００３３】
ステータ１７３は、例えば特開２０００−１５２５９３号公報に記載された構成またはそれに類似した構成を有する。すなわち、ステータ１７３は、ロータ１７２をスリーブ１７０を介して周囲から包囲するように軸線方向に並設された複数相のヨーク１７５と、各相のヨーク１７５に画成される巻回部に巻回される励磁コイル１７１（１７１ａ〜１７１ｄ）とを含む。この複数相のヨーク１７５は導電性金属材料からなるが、樹脂モールドにより一体化され、金属製のケース１７７に収容されている。
【００３４】
各相のヨーク１７５は、一対のヨーク部材を組み合わせて構成される。すなわち、ヨーク部材１７５ａとヨーク部材１７５ｂとを組み合わせて第１相のヨーク１７５が構成され、ヨーク部材１７５ｃとヨーク部材１７５ｄとを組み合わせて第２相のヨーク１７５が構成され、ヨーク部材１７５ｅとヨーク部材１７５ｆとを組み合わせて第３相のヨーク１７５が構成され、ヨーク部材１７５ｇとヨーク部材１７５ｈとを組み合わせて第４相のヨーク１７５が構成されている。第１相のヨーク１７５には励磁コイル１７１ａが巻回され、第２相のヨーク１７５には励磁コイル１７１ｂが巻回され、第３相のヨーク１７５には励磁コイル１７１ｃが巻回され、第４相のヨーク１７５には励磁コイル１７１ｄが巻回されている。
【００３５】
各相のヨーク１７５は、一対のヨーク部材が互いの極歯を交互に組み合わされるようにして構成される。すなわち、ヨーク部材は、円環状の本体の内周部に周方向に等間隔に設けられた複数の極歯を有する。各極歯は、ヨーク部材の内端部を軸線方向に櫛歯状に切り起こすようにして形成されている。
【００３６】
そして、ヨーク１７５が二相一組となり、二組設けられている。すなわち、第１相のヨーク１７５と第２相のヨーク１７５が第１組を構成し、第３相のヨーク１７５と第４相のヨーク１７５が第２組を構成する。各組の二相のヨーク１７５は互いに逆位相となり、その各相のヨーク１７５に巻回される励磁コイル１７１は、互いに直列に且つ逆向きの磁界を発生させるように接続されている。また、隣接するヨーク１７５は、互いにそのヨーク部材の平坦面（極歯と反対側面）が対向するように配置されている。
【００３７】
一方、第１組のヨーク１７５と第２組のヨーク１７５とは、互いに位相が９０度ずれるように配設されている。第１組のヨーク１７５と第２組のヨーク１７５との間には所定間隔（本実施形態では１ｍｍ）の間隙１７９が形成され、その間隙１７９には樹脂材が満たされている。このため、第１組のヨーク１７５と第２組のヨーク１７５の対向部に互いに逆向きの磁界が形成される場合であっても、相互の磁気干渉が低減される。また、二相一組のヨーク１７５を複数組設けたため、軸線方向の比較的長い範囲にわたって磁力を均一化することができ、ロータ１７２を高速化しても高精度な回転制御が実現される。
【００３８】
以上のように構成された制御弁１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。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１３６が回転駆動されて比例弁５１，５２の開閉状態および開度が調整される。
【００３９】
図１は、冷媒の流れが順方向のときに比例弁５１，５２が共に閉弁状態となる場合を示している。すなわち、冷媒の流れが導入出ポート１１０から導入出ポート１１２へ向かう方向である場合に、図示のように弁作動体１３６が下死点となる位置に駆動されると、弁体１３４が弁座１４０に着座して比例弁５２が閉弁状態になると共に、弁体１３２が弁座１３０に着座して比例弁５１が閉弁状態となる。このとき、背圧室１５６には導入出ポート１１０から導入された高圧の冷媒が満たされるため、背圧伝達部材１５０は弁体１３２と一体化された状態となる。
【００４０】
図２は、冷媒の流れが順方向のときに比例弁５１が開弁状態となり、比例弁５２が閉弁状態となる場合を示している。すなわち、図１の状態からロータ１７２が一方向に回転駆動（正転）されると、弁作動体１３６により弁体１３２が吊り上げられる。このとき、その上方への駆動力がガイド部１４８を介して背圧伝達部材１５０に伝達され、背圧伝達部材１５０と一体化した弁体１３２が弁座１３０から離間し、比例弁５１を開弁させる。このとき、背圧室１５６の圧力が高いため、背圧伝達部材１５０と弁体１３２が一体化した状態を維持する。その結果、弁体１３４は弁体１３２と背圧伝達部材１５０とに挟まれる状態となり、比例弁５２の閉弁状態が維持される。この状態で弁作動体１３６の駆動量を制御することで、比例弁５１の開度を調整することができる。
【００４１】
図３は、冷媒の流れが逆方向のときに比例弁５１，５２が共に閉弁状態となる場合を示している。すなわち、冷媒の流れが導入出ポート１１２から導入出ポート１１０へ向かう方向である場合に、図示のように弁作動体１３６が下死点となる位置に駆動されると、弁体１３４が弁座１４０に着座して比例弁５２が閉弁状態になる。このとき、背圧室１５６には導入出ポート１１０から導入された低圧の冷媒が満たされるため、背圧伝達部材１５０はその前後差圧により上方に押し上げられて区画部材１２０に係止される。このため、弁体１３２は、背圧キャンセル機構が解除された状態となり、その前後差圧により弁座１３０に付勢されて比例弁５１の閉弁状態を維持する。
【００４２】
図４は、冷媒の流れが逆方向のときに比例弁５１が閉弁状態となり、比例弁５２が開弁状態となる場合を示している。すなわち、図３の状態からロータ１７２が一方向に回転駆動（正転）されると、弁作動体１３６により弁体１３２が吊り上げられる。その結果、弁体１３２が弁座１４０から離間して比例弁５２を開弁させる。このとき、背圧室１５６が低圧であるため、背圧伝達部材１５０は区画部材１２０に係止された状態を維持する。一方、弁体１３２は、その前後差圧により弁座１３０に付勢されて比例弁５１の閉弁状態を維持する。この状態で弁作動体１３６の駆動量を制御することで、比例弁５２の開度を調整することができる。比例弁５２は、膨張装置として機能する。
【００４３】
図５は、制御弁１による比例制御を示す図である。（Ａ）は冷媒の流れが順方向の場合の比例制御を示し、（Ｂ）は冷媒の流れが逆方向の場合の比例制御を示している。各図の横軸は基準位置からの駆動ステップ数を示し、縦軸は弁部の開口面積を示している。
すなわち、図１および図２に示したように冷媒の流れが順方向のときに比例弁５１の開度を制御すると、図５（Ａ）のようになり、図３および図４に示したように冷媒の流れが逆方向のときに比例弁５２の開度を制御すると図５（Ｂ）のようになる。いずれの場合もステップ数にほぼ比例して開口面積が大きくなるが、比例弁５１が大口径であり、比例弁５２が小口径であるため、弁部の開口面積は異なる。すなわち、弁作動体１３６の軸線方向への駆動量に対して、冷媒が順方向に流れる場合と逆方向に流れる場合とで弁部の大きさが異なり、弁開度（弁体の弁座からのリフト量）に対する冷媒流量も異なるようになる。言い換えれば、弁作動体１３６の軸線方向への駆動量に対して、冷媒が順方向に流れる場合と逆方向に流れる場合とで弁開度特性が異なるようになる。
【００４４】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態に係る制御弁は、弁部およびアクチュエータの構成が第１実施形態と若干異なる。以下、第１実施形態との相違点を中心に説明し、第１実施形態とほぼ同様の構成部分については同一の符号を付す等して適宜その説明を省略する。図６〜図１０は、第２実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。
【００４５】
図６に示すように、制御弁２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２０１とモータユニット２０２とを組み付けて構成されている。弁体１３２に設けられるガイド部２４２は、第１実施形態のガイド部１４２よりも軸線方向に大きく構成されている。一方、弁体１３４に設けられるガイド部２４８は、その厚みが第１実施形態のガイド部１４８よりも小さく構成されている。その結果、図示のように、比例弁５１，５２が閉弁状態にあっても背圧伝達部材１５０とガイド部２４８とが離間した状態となる。スプリング１４６は、弁体１３２と弁体１３４との間に介装されている。一方、モータユニット２０２においては、第１組のヨーク１７５と第２組のヨーク１７５との間に第１実施形態のような間隙１７９は設けられていない。
【００４６】
以上のように構成された制御弁２は、モータユニット２０２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。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１３６が回転駆動されて比例弁５１，５２の開閉状態および開度が調整される。
【００４７】
図６は、冷媒の流れが順方向のときに比例弁５１，５２が共に閉弁状態となる場合を示している。すなわち、冷媒の流れが順方向のときに弁作動体１３６が下死点となる位置に駆動されると、弁体１３４が弁座１４０に着座して比例弁５２が閉弁状態になると共に、弁体１３２が弁座１３０に着座して比例弁５１が閉弁状態となる。このとき、背圧室１５６には導入出ポート１１０から導入された高圧の冷媒が満たされるため、背圧伝達部材１５０は弁体１３２に一体化された状態となる。
【００４８】
図７は、冷媒の流れが順方向のときに比例弁５１が閉弁状態となり、比例弁５２が開弁状態となる場合を示している。すなわち、図６の状態からロータ１７２が一方向に回転駆動（正転）されると、弁作動体１３６により弁体１３２が吊り上げられる。それにより、弁体１３４が弁座１４０から離間し、比例弁５２を開弁させる。
【００４９】
図８は、冷媒の流れが順方向のときに比例弁５１，５２が共に開弁状態となる場合を示している。すなわち、図７の状態からロータ１７２が一方向にさらに回転駆動されると、その上方への駆動力がガイド部２４８を介して背圧伝達部材１５０に伝達され、背圧伝達部材１５０と一体化した弁体１３２が弁座１３０から離間し、比例弁５１を開弁させる。このとき、背圧室１５６の圧力が高いため、背圧伝達部材１５０と弁体１３２が一体化した状態を維持する。ただし、この場合、比例弁５１の開口面積と比較して比例弁５２の開口面積は相当小さいため、実質的には比例弁５１の開度と考えることもできる。
【００５０】
図９は、冷媒の流れが逆方向のときに比例弁５１，５２が共に閉弁状態となる場合を示している。すなわち、冷媒の流れが逆方向のときに弁作動体１３６が下死点となる位置に駆動されると、弁体１３４が弁座１４０に着座して比例弁５２が閉弁状態になる。このとき、背圧室１５６には導入出ポート１１０から導入された低圧の冷媒が満たされるため、背圧伝達部材１５０はその前後差圧により上方に押し上げられる。このため、弁体１３２は、背圧キャンセル機構が解除された状態となり、その前後差圧により弁座１３０に付勢されて比例弁５１の閉弁状態を維持する。
【００５１】
図１０は、冷媒の流れが逆方向のときに比例弁５１が閉弁状態となり、比例弁５２が開弁状態となる場合を示している。すなわち、図９の状態からロータ１７２が一方向に回転駆動されると、弁作動体１３６により弁体１３２が吊り上げられる。その結果、弁体１３２が弁座１４０から離間して比例弁５２を開弁させる。このとき、背圧室１５６が低圧であるため、背圧伝達部材１５０は区画部材１２０に係止された状態を維持する。一方、弁体１３２は、その前後差圧により弁座１３０に付勢されて比例弁５１の閉弁状態を維持する。この状態で弁作動体１３６の駆動量を制御することで、比例弁５２の開度を調整することができる。比例弁５２は、膨張装置として機能する。
【００５２】
図１１は、制御弁２による比例制御を示す図である。（Ａ）は冷媒の流れが順方向の場合の比例制御を示し、（Ｂ）は冷媒の流れが逆方向の場合の比例制御を示している。各図の横軸は基準位置からの駆動ステップ数を示し、縦軸は弁部の開口面積を示している。
すなわち、図６〜図８に示したように冷媒の流れが順方向の場合、図１１（ａ）に示すように、まず小口径の比例弁５２の開度がステップ数にほぼ比例して大きくなる。そして、あるステップ数を超えると、大口径の比例弁５１も開弁するため、ステップ数に対する開口面積の増加割合が大きくなる。
【００５３】
一方、図９および図１０に示したように冷媒の流れが逆方向の場合、図１１（ｂ）に示すように、小口径の比例弁５２の開度がステップ数にほぼ比例して大きくなるが、全開状態となって以降は冷媒流量は飽和する。すなわち、弁作動体１３６の軸線方向への駆動量に対して、冷媒が順方向に流れる場合と逆方向に流れる場合とで弁部の大きさが異なり、弁開度に対する冷媒流量も異なるようになる。言い換えれば、弁作動体１３６の軸線方向への駆動量に対して、冷媒が順方向に流れる場合と逆方向に流れる場合とで弁開度特性が異なるようになる。
【００５４】
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。
【００５５】
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。また、車両以外の冷暖房装置に適用することも可能である。さらに、冷媒以外の作動流体の流れを双方向に制御する用途に適用することもできる。
【００５６】
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。
【００５７】
上記実施形態では、モータユニット１０２において、各相のヨーク１７５に巻回される励磁コイル１７１が、互いに直列に且つ逆向きの磁界を発生させるように接続される例を示した。変形例においては、各相のヨーク１７５に巻回される励磁コイル１７１が、互いに並列に且つ逆向きの磁界を発生させるように接続されるよう構成してもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１，２ 制御弁、 ５１，５２ 比例弁、 １０１ 弁本体、 １０２ モータユニット、 １０４ ボディ、 １１０，１１２ 導入出ポート、 １２８ 弁孔、 １３２，１３４ 弁体、 １３６ 弁作動体、 １３８ 弁孔、 １５０ 背圧伝達部材、 １５６ 背圧室、 １７０ スリーブ、 １７１ 励磁コイル、 １７２ ロータ、 １７３ ステータ、 １７４ 回転軸、 １７５ ヨーク、 １７６ マグネット、 １７９ 間隙、 １８２ シャフト、 １８８ 回転ストッパ、 ２０１ 弁本体、 ２０２ モータユニット。
【技術分野】
【０００１】
本発明は制御弁に関し、特に作動流体が流れる流体通路の切り替えに好適な制御弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２４０２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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、その各種機能を確保する必要がある。
【０００６】
本発明の目的は、作動流体が流れる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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、作動流体を順方向または逆方向に流通させる共用の内部通路が形成されたボディと、内部通路に設けられた弁部の開度を電気的に制御するためのアクチュエータと、アクチュエータの軸線方向の駆動力を弁部に伝達する弁作動体と、アクチュエータによる弁作動体の軸線方向への駆動量に対して、作動流体が順方向に流れる場合と逆方向に流れる場合とで弁部の大きさが異なるように切り替える作動切替機構と、を備える。
【０００８】
この態様によると、ボディに作動流体の双方向の流れを許容する内部通路が形成される。そして、作動流体の流れが順方向から逆方向または逆方向から順方向へ変化することにより、作動切替機構が動作して弁部の大きさを切り替える。すなわち、弁部の順方向および逆方向のいずれの開度も弁作動体の駆動量により調整されるところ、同じ駆動量に対して弁部の大きさが異なるようになる。この態様の制御弁は、流れ方向により流量を異ならせるシステムに好適であり、弁機能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。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、作動流体が流れる流体通路を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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。
【図２】第１実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。
【図３】第１実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。
【図４】第１実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。
【図５】制御弁による比例制御を示す図である。
【図６】第２実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。
【図７】第２実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。
【図８】第２実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。
【図９】第２実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。
【図１０】第２実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。
【図１１】制御弁による比例制御を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
［第１実施形態］
図１〜図４は、第１実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。なお、本実施形態の制御弁は、例えば電気自動車に搭載されるヒートポンプ式の冷暖房装置への適用を想定して構成されたものである。
【００１２】
すなわち、車両用冷暖房装置には、圧縮機、室内凝縮器、室外熱交換器、蒸発器およびアキュムレータ等を配管にて接続した冷凍サイクル（冷媒循環回路）が設けられ、冷媒が冷凍サイクル内を状態変化しながら循環する過程でなされる熱交換により車室内の空調が行われる。冷媒循環回路には冷暖房を適切に制御するための各種制御弁が配設されており、制御弁１はその一つを構成する。制御弁１は、例えば複数の冷媒循環通路の共用通路に設けられ、その冷媒循環通路が切り替えられることにより冷媒の流れ方向が切り替わるシステムに適用される。
【００１３】
図１に示すように、制御弁１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１０１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１０１は、有底筒状のボディ１０４に大口径の比例弁５１（「第１弁」を構成する）と、小口径の比例弁５２（「第２弁」を構成する）とを同軸状に収容して構成される。比例弁５１および比例弁５２は、１つのモータユニット１０２により開閉駆動される。
【００１４】
ボディ１０４の一方の側部には導入出ポート１１０が設けられ、他方の側部には導入出ポート１１２が設けられている。これらの導入出ポート１１０，１１２は、その一方が冷媒を導入する導入ポートとして機能するときに他方が冷媒を導出する導出ポートとして機能する。すなわち、導入出ポート１１０と導入出ポート１１２とをつなぐ内部通路は、冷媒を導入出ポート１１０から導入出ポート１１２へ向かう順方向、または導入出ポート１１２から導入出ポート１１０へ向かう逆方向に流通させる共用の通路となっている。
【００１５】
ボディ１０４の上半部には、有底円筒状の区画部材１２０が配設されている。区画部材１２０は、その上底部が弁本体１０１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１２０の底部中央には、円ボス状の軸受部１２２が設けられている。軸受部１２２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１２０は、下方に延出する円筒状のガイド部１２４を有し、そのガイド部１２４の内周面によりガイド孔１２６が形成されている。ボディ１０４の下部には弁孔１２８が設けられ、その上端開口端縁により弁座１３０が形成されている。
【００１６】
ボディ１０４の内方には、弁体１３２、弁体１３４、弁作動体１３６が同軸状に配設されている。弁体１３２は、大径の本体に弁座１３０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１３２の下端部には弁孔１２８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１３２は、弁孔１２８に接離して比例弁５１の開度を調整する。
【００１７】
弁体１３２の内方には、小径の弁孔１３８が設けられ、その上端開口端縁により弁座１４０が形成されている。また、弁体１３２には上方に延出する円筒状のガイド部１４２を有し、そのガイド部１４２の内周面によりガイド孔１４４が形成されている。弁体１３２と区画部材１２０との間には、弁体１３２を閉弁方向に付勢するスプリング１４６（「付勢部材」として機能する）が介装されている。
【００１８】
弁体１３４は段付円筒状をなし、いわゆるニードル弁体として構成されている。弁体１３４の尖った先端部が弁孔１３８に挿抜されて比例弁５２を開閉する。弁体１３４は、弁座１４０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１３８に接離して比例弁５２の開度を調整する。弁体１３４の中間部には半径方向外向きに突出したガイド部１４８が設けられ、ガイド孔１４４に摺動可能に支持されている。弁体１３４の上端部は弁作動体１３６に連結されている。
【００１９】
弁体１３２と区画部材１２０との間には背圧伝達部材１５０が配設されている。背圧伝達部材１５０は段付円筒状をなし、ガイド孔１２６に摺動可能に内挿される一方、弁体１３４の上半部を貫通させている。背圧伝達部材１５０の外周面および内周面には、シール部材としてのＯリング１５２，１５４がそれぞれ嵌着されている。弁体１３４の上半部はＯリング１５４に摺動可能に支持されている。すなわち、弁体１３４は、Ｏリング１５４およびガイド孔１４４に摺動しつつ軸線方向に安定に動作することができる。
【００２０】
背圧伝達部材１５０と区画部材１２０との間には背圧室１５６が形成される。また、弁体１３４を軸線方向に貫通する連通路１５８が形成されている。連通路１５８は、導入出ポート１１０に連通している。このため、背圧室１５６には常に、導入出ポート１１０から導入または導出される圧力Ｐ１が満たされる。
【００２１】
本実施形態においては、弁孔１２８の有効径Ａとガイド孔１２６の有効径Ｂとが等しく設定されている。また、弁孔１３８の有効径Ｃと背圧伝達部材１５０の内側摺動部の有効径Ｄ（Ｏリング１５４の内径）とが等しく設定されている。このため、弁体１３２および弁体１３４に作用する冷媒圧力の影響がそれぞれキャンセル可能となっている。この背圧キャンセル構造の機能の詳細については後述する。
【００２２】
弁作動体１３６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１２２の雌ねじ部に螺合する。弁作動体１３６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１６０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。
【００２３】
弁作動体１３６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１３６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１３６が軸線方向に変位し、各弁体を開閉方向に駆動する。弁体１３４の上端部は弁作動体１３６の底部を貫通し、その先端部が外方に加締められて係止部１６２となり、その係止部１６２にて弁作動体１３６に係止されるように連結されている。
【００２４】
なお、図示のように、弁作動体１３６の底部と係止部１６２との間には、所定量の相対変位を許容する遊びが形成されている。弁作動体１３６の上端部と係止部１６２との間には、弁体１３４を下方に付勢するスプリング１６４（「付勢部材」として機能する）が介装されている。すなわち、弁体１３４と弁作動体１３６とは、比例弁５１および比例弁５２の少なくとも一方が開弁状態であるときはスプリング１６４の付勢力により突っ張った状態で一体変位するが、比例弁５１および比例弁５２が共に閉弁状態になれば軸線方向に所定量相対変位可能となる。比例弁５１の閉弁状態において弁作動体１３６が下方に動作して比例弁５２が閉弁する際、弁体１３４が弁座１４０に着座すると、弁体１３４の下方への変位は規制される。このため、弁作動体１３６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１６４が縮むことによりその反力が緩和される。
【００２５】
なお、スプリング１６４は、その荷重が弁体１３４とＯリング１５４との間の摺動抵抗（弁体１３４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１３６と弁体１３４とが一体動作しているときにスプリング１６４が縮むことなく、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。
【００２６】
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１０４に組み付けられており、ボディ１０４とともに制御弁１のボディを構成する。
【００２７】
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はその円周方向に複数極（本実施形態では２４極）に磁化（着磁）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。
【００２８】
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、弁作動体１３６の４つの脚部１６０が嵌合し、ロータ１７２と弁作動体１３６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１３６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１３６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。
【００２９】
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１３６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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。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。
【００３２】
ロータ１７２は、その上端部がスリーブ１７０に回転自在に支持され、下端部が軸受部１２２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１２２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。なお、本実施形態ではこのように、スリーブ１７０の底部を軸受部としているが、シャフト１８２の端部を軸受部として構成してもよい。
【００３３】
ステータ１７３は、例えば特開２０００−１５２５９３号公報に記載された構成またはそれに類似した構成を有する。すなわち、ステータ１７３は、ロータ１７２をスリーブ１７０を介して周囲から包囲するように軸線方向に並設された複数相のヨーク１７５と、各相のヨーク１７５に画成される巻回部に巻回される励磁コイル１７１（１７１ａ〜１７１ｄ）とを含む。この複数相のヨーク１７５は導電性金属材料からなるが、樹脂モールドにより一体化され、金属製のケース１７７に収容されている。
【００３４】
各相のヨーク１７５は、一対のヨーク部材を組み合わせて構成される。すなわち、ヨーク部材１７５ａとヨーク部材１７５ｂとを組み合わせて第１相のヨーク１７５が構成され、ヨーク部材１７５ｃとヨーク部材１７５ｄとを組み合わせて第２相のヨーク１７５が構成され、ヨーク部材１７５ｅとヨーク部材１７５ｆとを組み合わせて第３相のヨーク１７５が構成され、ヨーク部材１７５ｇとヨーク部材１７５ｈとを組み合わせて第４相のヨーク１７５が構成されている。第１相のヨーク１７５には励磁コイル１７１ａが巻回され、第２相のヨーク１７５には励磁コイル１７１ｂが巻回され、第３相のヨーク１７５には励磁コイル１７１ｃが巻回され、第４相のヨーク１７５には励磁コイル１７１ｄが巻回されている。
【００３５】
各相のヨーク１７５は、一対のヨーク部材が互いの極歯を交互に組み合わされるようにして構成される。すなわち、ヨーク部材は、円環状の本体の内周部に周方向に等間隔に設けられた複数の極歯を有する。各極歯は、ヨーク部材の内端部を軸線方向に櫛歯状に切り起こすようにして形成されている。
【００３６】
そして、ヨーク１７５が二相一組となり、二組設けられている。すなわち、第１相のヨーク１７５と第２相のヨーク１７５が第１組を構成し、第３相のヨーク１７５と第４相のヨーク１７５が第２組を構成する。各組の二相のヨーク１７５は互いに逆位相となり、その各相のヨーク１７５に巻回される励磁コイル１７１は、互いに直列に且つ逆向きの磁界を発生させるように接続されている。また、隣接するヨーク１７５は、互いにそのヨーク部材の平坦面（極歯と反対側面）が対向するように配置されている。
【００３７】
一方、第１組のヨーク１７５と第２組のヨーク１７５とは、互いに位相が９０度ずれるように配設されている。第１組のヨーク１７５と第２組のヨーク１７５との間には所定間隔（本実施形態では１ｍｍ）の間隙１７９が形成され、その間隙１７９には樹脂材が満たされている。このため、第１組のヨーク１７５と第２組のヨーク１７５の対向部に互いに逆向きの磁界が形成される場合であっても、相互の磁気干渉が低減される。また、二相一組のヨーク１７５を複数組設けたため、軸線方向の比較的長い範囲にわたって磁力を均一化することができ、ロータ１７２を高速化しても高精度な回転制御が実現される。
【００３８】
以上のように構成された制御弁１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。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１３６が回転駆動されて比例弁５１，５２の開閉状態および開度が調整される。
【００３９】
図１は、冷媒の流れが順方向のときに比例弁５１，５２が共に閉弁状態となる場合を示している。すなわち、冷媒の流れが導入出ポート１１０から導入出ポート１１２へ向かう方向である場合に、図示のように弁作動体１３６が下死点となる位置に駆動されると、弁体１３４が弁座１４０に着座して比例弁５２が閉弁状態になると共に、弁体１３２が弁座１３０に着座して比例弁５１が閉弁状態となる。このとき、背圧室１５６には導入出ポート１１０から導入された高圧の冷媒が満たされるため、背圧伝達部材１５０は弁体１３２と一体化された状態となる。
【００４０】
図２は、冷媒の流れが順方向のときに比例弁５１が開弁状態となり、比例弁５２が閉弁状態となる場合を示している。すなわち、図１の状態からロータ１７２が一方向に回転駆動（正転）されると、弁作動体１３６により弁体１３２が吊り上げられる。このとき、その上方への駆動力がガイド部１４８を介して背圧伝達部材１５０に伝達され、背圧伝達部材１５０と一体化した弁体１３２が弁座１３０から離間し、比例弁５１を開弁させる。このとき、背圧室１５６の圧力が高いため、背圧伝達部材１５０と弁体１３２が一体化した状態を維持する。その結果、弁体１３４は弁体１３２と背圧伝達部材１５０とに挟まれる状態となり、比例弁５２の閉弁状態が維持される。この状態で弁作動体１３６の駆動量を制御することで、比例弁５１の開度を調整することができる。
【００４１】
図３は、冷媒の流れが逆方向のときに比例弁５１，５２が共に閉弁状態となる場合を示している。すなわち、冷媒の流れが導入出ポート１１２から導入出ポート１１０へ向かう方向である場合に、図示のように弁作動体１３６が下死点となる位置に駆動されると、弁体１３４が弁座１４０に着座して比例弁５２が閉弁状態になる。このとき、背圧室１５６には導入出ポート１１０から導入された低圧の冷媒が満たされるため、背圧伝達部材１５０はその前後差圧により上方に押し上げられて区画部材１２０に係止される。このため、弁体１３２は、背圧キャンセル機構が解除された状態となり、その前後差圧により弁座１３０に付勢されて比例弁５１の閉弁状態を維持する。
【００４２】
図４は、冷媒の流れが逆方向のときに比例弁５１が閉弁状態となり、比例弁５２が開弁状態となる場合を示している。すなわち、図３の状態からロータ１７２が一方向に回転駆動（正転）されると、弁作動体１３６により弁体１３２が吊り上げられる。その結果、弁体１３２が弁座１４０から離間して比例弁５２を開弁させる。このとき、背圧室１５６が低圧であるため、背圧伝達部材１５０は区画部材１２０に係止された状態を維持する。一方、弁体１３２は、その前後差圧により弁座１３０に付勢されて比例弁５１の閉弁状態を維持する。この状態で弁作動体１３６の駆動量を制御することで、比例弁５２の開度を調整することができる。比例弁５２は、膨張装置として機能する。
【００４３】
図５は、制御弁１による比例制御を示す図である。（Ａ）は冷媒の流れが順方向の場合の比例制御を示し、（Ｂ）は冷媒の流れが逆方向の場合の比例制御を示している。各図の横軸は基準位置からの駆動ステップ数を示し、縦軸は弁部の開口面積を示している。
すなわち、図１および図２に示したように冷媒の流れが順方向のときに比例弁５１の開度を制御すると、図５（Ａ）のようになり、図３および図４に示したように冷媒の流れが逆方向のときに比例弁５２の開度を制御すると図５（Ｂ）のようになる。いずれの場合もステップ数にほぼ比例して開口面積が大きくなるが、比例弁５１が大口径であり、比例弁５２が小口径であるため、弁部の開口面積は異なる。すなわち、弁作動体１３６の軸線方向への駆動量に対して、冷媒が順方向に流れる場合と逆方向に流れる場合とで弁部の大きさが異なり、弁開度（弁体の弁座からのリフト量）に対する冷媒流量も異なるようになる。言い換えれば、弁作動体１３６の軸線方向への駆動量に対して、冷媒が順方向に流れる場合と逆方向に流れる場合とで弁開度特性が異なるようになる。
【００４４】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態に係る制御弁は、弁部およびアクチュエータの構成が第１実施形態と若干異なる。以下、第１実施形態との相違点を中心に説明し、第１実施形態とほぼ同様の構成部分については同一の符号を付す等して適宜その説明を省略する。図６〜図１０は、第２実施形態に係る制御弁の構成および動作を表す断面図である。
【００４５】
図６に示すように、制御弁２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２０１とモータユニット２０２とを組み付けて構成されている。弁体１３２に設けられるガイド部２４２は、第１実施形態のガイド部１４２よりも軸線方向に大きく構成されている。一方、弁体１３４に設けられるガイド部２４８は、その厚みが第１実施形態のガイド部１４８よりも小さく構成されている。その結果、図示のように、比例弁５１，５２が閉弁状態にあっても背圧伝達部材１５０とガイド部２４８とが離間した状態となる。スプリング１４６は、弁体１３２と弁体１３４との間に介装されている。一方、モータユニット２０２においては、第１組のヨーク１７５と第２組のヨーク１７５との間に第１実施形態のような間隙１７９は設けられていない。
【００４６】
以上のように構成された制御弁２は、モータユニット２０２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。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１３６が回転駆動されて比例弁５１，５２の開閉状態および開度が調整される。
【００４７】
図６は、冷媒の流れが順方向のときに比例弁５１，５２が共に閉弁状態となる場合を示している。すなわち、冷媒の流れが順方向のときに弁作動体１３６が下死点となる位置に駆動されると、弁体１３４が弁座１４０に着座して比例弁５２が閉弁状態になると共に、弁体１３２が弁座１３０に着座して比例弁５１が閉弁状態となる。このとき、背圧室１５６には導入出ポート１１０から導入された高圧の冷媒が満たされるため、背圧伝達部材１５０は弁体１３２に一体化された状態となる。
【００４８】
図７は、冷媒の流れが順方向のときに比例弁５１が閉弁状態となり、比例弁５２が開弁状態となる場合を示している。すなわち、図６の状態からロータ１７２が一方向に回転駆動（正転）されると、弁作動体１３６により弁体１３２が吊り上げられる。それにより、弁体１３４が弁座１４０から離間し、比例弁５２を開弁させる。
【００４９】
図８は、冷媒の流れが順方向のときに比例弁５１，５２が共に開弁状態となる場合を示している。すなわち、図７の状態からロータ１７２が一方向にさらに回転駆動されると、その上方への駆動力がガイド部２４８を介して背圧伝達部材１５０に伝達され、背圧伝達部材１５０と一体化した弁体１３２が弁座１３０から離間し、比例弁５１を開弁させる。このとき、背圧室１５６の圧力が高いため、背圧伝達部材１５０と弁体１３２が一体化した状態を維持する。ただし、この場合、比例弁５１の開口面積と比較して比例弁５２の開口面積は相当小さいため、実質的には比例弁５１の開度と考えることもできる。
【００５０】
図９は、冷媒の流れが逆方向のときに比例弁５１，５２が共に閉弁状態となる場合を示している。すなわち、冷媒の流れが逆方向のときに弁作動体１３６が下死点となる位置に駆動されると、弁体１３４が弁座１４０に着座して比例弁５２が閉弁状態になる。このとき、背圧室１５６には導入出ポート１１０から導入された低圧の冷媒が満たされるため、背圧伝達部材１５０はその前後差圧により上方に押し上げられる。このため、弁体１３２は、背圧キャンセル機構が解除された状態となり、その前後差圧により弁座１３０に付勢されて比例弁５１の閉弁状態を維持する。
【００５１】
図１０は、冷媒の流れが逆方向のときに比例弁５１が閉弁状態となり、比例弁５２が開弁状態となる場合を示している。すなわち、図９の状態からロータ１７２が一方向に回転駆動されると、弁作動体１３６により弁体１３２が吊り上げられる。その結果、弁体１３２が弁座１４０から離間して比例弁５２を開弁させる。このとき、背圧室１５６が低圧であるため、背圧伝達部材１５０は区画部材１２０に係止された状態を維持する。一方、弁体１３２は、その前後差圧により弁座１３０に付勢されて比例弁５１の閉弁状態を維持する。この状態で弁作動体１３６の駆動量を制御することで、比例弁５２の開度を調整することができる。比例弁５２は、膨張装置として機能する。
【００５２】
図１１は、制御弁２による比例制御を示す図である。（Ａ）は冷媒の流れが順方向の場合の比例制御を示し、（Ｂ）は冷媒の流れが逆方向の場合の比例制御を示している。各図の横軸は基準位置からの駆動ステップ数を示し、縦軸は弁部の開口面積を示している。
すなわち、図６〜図８に示したように冷媒の流れが順方向の場合、図１１（ａ）に示すように、まず小口径の比例弁５２の開度がステップ数にほぼ比例して大きくなる。そして、あるステップ数を超えると、大口径の比例弁５１も開弁するため、ステップ数に対する開口面積の増加割合が大きくなる。
【００５３】
一方、図９および図１０に示したように冷媒の流れが逆方向の場合、図１１（ｂ）に示すように、小口径の比例弁５２の開度がステップ数にほぼ比例して大きくなるが、全開状態となって以降は冷媒流量は飽和する。すなわち、弁作動体１３６の軸線方向への駆動量に対して、冷媒が順方向に流れる場合と逆方向に流れる場合とで弁部の大きさが異なり、弁開度に対する冷媒流量も異なるようになる。言い換えれば、弁作動体１３６の軸線方向への駆動量に対して、冷媒が順方向に流れる場合と逆方向に流れる場合とで弁開度特性が異なるようになる。
【００５４】
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。
【００５５】
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。また、車両以外の冷暖房装置に適用することも可能である。さらに、冷媒以外の作動流体の流れを双方向に制御する用途に適用することもできる。
【００５６】
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。
【００５７】
上記実施形態では、モータユニット１０２において、各相のヨーク１７５に巻回される励磁コイル１７１が、互いに直列に且つ逆向きの磁界を発生させるように接続される例を示した。変形例においては、各相のヨーク１７５に巻回される励磁コイル１７１が、互いに並列に且つ逆向きの磁界を発生させるように接続されるよう構成してもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１，２ 制御弁、 ５１，５２ 比例弁、 １０１ 弁本体、 １０２ モータユニット、 １０４ ボディ、 １１０，１１２ 導入出ポート、 １２８ 弁孔、 １３２，１３４ 弁体、 １３６ 弁作動体、 １３８ 弁孔、 １５０ 背圧伝達部材、 １５６ 背圧室、 １７０ スリーブ、 １７１ 励磁コイル、 １７２ ロータ、 １７３ ステータ、 １７４ 回転軸、 １７５ ヨーク、 １７６ マグネット、 １７９ 間隙、 １８２ シャフト、 １８８ 回転ストッパ、 ２０１ 弁本体、 ２０２ モータユニット。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体を順方向または逆方向に流通させる共用の内部通路が形成されたボディと、
前記内部通路に設けられた弁部の開度を電気的に制御するためのアクチュエータと、
前記アクチュエータの軸線方向の駆動力を前記弁部に伝達する弁作動体と、
前記アクチュエータによる前記弁作動体の軸線方向への駆動量に対して、作動流体が順方向に流れる場合と逆方向に流れる場合とで前記弁部の大きさが異なるように切り替える作動切替機構と、
を備えることを特徴とする制御弁。
【請求項２】
前記ボディに設けられ、作動流体を導入または導出する第１導入出ポートと、
前記ボディに設けられて前記第１導入出ポートとの間に前記内部通路を形成し、前記第１導入出ポートが導入ポートとして機能するときには導出ポートとなり、前記第１導入出ポートが導出ポートとして機能するときには導入ポートとなる第２導入出ポートと、
前記内部通路に設けられた第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１弁孔よりも小さな第２弁孔に接離して第２弁の開度を調整する第２弁体と、
を備え、
前記作動切替機構は、
作動流体が順方向に流れる場合には、前記弁作動体と前記第１弁体とを一体変位可能に作動連結することにより前記第１弁の開度を調整可能とし、
作動流体が逆方向に流れる場合には、前記弁作動体と前記第２弁体とを作動連結する一方、前記弁作動体と前記第１弁体とを相対変位可能に連結解除することにより前記第２弁の開度を調整可能とすることを特徴とする請求項１に記載の制御弁。
【請求項３】
前記ボディに形成された背圧室に作動流体を導入することにより前記第１弁体に作用する流体圧力の影響をキャンセルする第１背圧キャンセル機構と、
前記ボディに形成された背圧室に作動流体を導入することにより前記第２弁体に作用する流体圧力の影響をキャンセルする第２背圧キャンセル機構と、
前記第１弁の開度が調整される際には前記第１背圧キャンセル機構を作動させる一方、前記第２弁の開度が調整される際には前記第１背圧キャンセル機構の作動を解除するとともに第２背圧キャンセル機構を作動させる背圧キャンセル切替機構と、
を備えることを特徴とする請求項２に記載の制御弁。
【請求項４】
前記背圧キャンセル切替機構は、前記ボディと前記第１弁体との間に配置され、前記ボディに摺動可能に支持されるとともに前記第２弁体を摺動可能に挿通し、前記第１弁体とは反対側にて前記ボディとの間に前記背圧室を形成する背圧伝達部材を含み、
前記背圧伝達部材は、
前記第１弁の開度が調整される際には、その前後差圧により前記第１弁体に近接する方向に付勢されることで前記第１弁体と一体変位可能に連結状態が維持され、
前記第２弁の開度が調整される際には、その前後差圧により前記第１弁体から離間する方向に付勢されることで前記第１弁体と相対変位可能に連結状態が解除されることを特徴とする請求項３に記載の制御弁。
【請求項５】
前記第１弁の開度が調整される際には、前記弁作動体の駆動力が前記第２弁体を介して前記背圧伝達部材に伝達されることにより、前記第１弁体が軸線方向に駆動され、前記第１弁の開度が調整されることを特徴とする請求項４に記載の制御弁。
【請求項６】
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１〜５のいずれかに記載の制御弁。
【請求項１】
作動流体を順方向または逆方向に流通させる共用の内部通路が形成されたボディと、
前記内部通路に設けられた弁部の開度を電気的に制御するためのアクチュエータと、
前記アクチュエータの軸線方向の駆動力を前記弁部に伝達する弁作動体と、
前記アクチュエータによる前記弁作動体の軸線方向への駆動量に対して、作動流体が順方向に流れる場合と逆方向に流れる場合とで前記弁部の大きさが異なるように切り替える作動切替機構と、
を備えることを特徴とする制御弁。
【請求項２】
前記ボディに設けられ、作動流体を導入または導出する第１導入出ポートと、
前記ボディに設けられて前記第１導入出ポートとの間に前記内部通路を形成し、前記第１導入出ポートが導入ポートとして機能するときには導出ポートとなり、前記第１導入出ポートが導出ポートとして機能するときには導入ポートとなる第２導入出ポートと、
前記内部通路に設けられた第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１弁孔よりも小さな第２弁孔に接離して第２弁の開度を調整する第２弁体と、
を備え、
前記作動切替機構は、
作動流体が順方向に流れる場合には、前記弁作動体と前記第１弁体とを一体変位可能に作動連結することにより前記第１弁の開度を調整可能とし、
作動流体が逆方向に流れる場合には、前記弁作動体と前記第２弁体とを作動連結する一方、前記弁作動体と前記第１弁体とを相対変位可能に連結解除することにより前記第２弁の開度を調整可能とすることを特徴とする請求項１に記載の制御弁。
【請求項３】
前記ボディに形成された背圧室に作動流体を導入することにより前記第１弁体に作用する流体圧力の影響をキャンセルする第１背圧キャンセル機構と、
前記ボディに形成された背圧室に作動流体を導入することにより前記第２弁体に作用する流体圧力の影響をキャンセルする第２背圧キャンセル機構と、
前記第１弁の開度が調整される際には前記第１背圧キャンセル機構を作動させる一方、前記第２弁の開度が調整される際には前記第１背圧キャンセル機構の作動を解除するとともに第２背圧キャンセル機構を作動させる背圧キャンセル切替機構と、
を備えることを特徴とする請求項２に記載の制御弁。
【請求項４】
前記背圧キャンセル切替機構は、前記ボディと前記第１弁体との間に配置され、前記ボディに摺動可能に支持されるとともに前記第２弁体を摺動可能に挿通し、前記第１弁体とは反対側にて前記ボディとの間に前記背圧室を形成する背圧伝達部材を含み、
前記背圧伝達部材は、
前記第１弁の開度が調整される際には、その前後差圧により前記第１弁体に近接する方向に付勢されることで前記第１弁体と一体変位可能に連結状態が維持され、
前記第２弁の開度が調整される際には、その前後差圧により前記第１弁体から離間する方向に付勢されることで前記第１弁体と相対変位可能に連結状態が解除されることを特徴とする請求項３に記載の制御弁。
【請求項５】
前記第１弁の開度が調整される際には、前記弁作動体の駆動力が前記第２弁体を介して前記背圧伝達部材に伝達されることにより、前記第１弁体が軸線方向に駆動され、前記第１弁の開度が調整されることを特徴とする請求項４に記載の制御弁。
【請求項６】
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１〜５のいずれかに記載の制御弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２３７３４２（Ｐ２０１２−２３７３４２Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０５４１９（Ｐ２０１１−１０５４１９）
【出願日】平成２３年５月１０日（２０１１．５．１０）
【出願人】（０００１３３６５２）株式会社テージーケー (280)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１０日（２０１１．５．１０）
【出願人】（０００１３３６５２）株式会社テージーケー (280)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]