控制阀的制作方法

本发明涉及控制阀，涉及用于抑制阀部的磨损的构造。

背景技术

一般来说，机动车用空调装置通过将压缩机、冷凝器、蒸发器等配置在制冷剂循环通路中而构成。为了进行该制冷剂循环通路的切换、制冷剂流量的调节等而设有各种控制阀(例如，参照专利文献1)。这样的控制阀具有能够滑动地支承于主体的工作杆，并且与该工作杆一体地设置有阀芯。通过与主体一体设置的执行机构在轴线方向上驱动工作杆，使阀芯在阀部的开闭方向上动作。在开阀时导入的制冷剂的大部分会沿着工作杆的外周面而在轴线方向上被引导而通过阀孔。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)特开平11-287354号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

然而，在压缩机的排出制冷剂中有时会包含有金属粉末等异物。会在压缩机的活塞周边产生磨损等。若这样的异物流入控制阀，则该异物会沿着工作杆的壁面流动而容易与阀座碰撞。特别是，在异物与阀芯向阀座的接触分离点直接碰撞时，会在该接触分离点周边产生侵蚀，存在引起闭阀时的阀泄漏这样的问题。另外，也存在在高速的液制冷剂通过阀部时会产生气穴，该气穴引发侵蚀的问题。需要说明的是，这样的问题不限于空调装置用的控制阀，只要是在工作流体中含有固体颗粒的装置中使用的控制阀，就有可能产生这样的问题。

本发明的目的之一在于提供一种能够抑制控制阀的阀部的磨损的构造。

用于解决技术问题的技术方案

本发明的一个方案的控制阀具备：主体，其具有阀室、与阀室在轴线方向上连通的阀孔、以及用于将流体导入阀室的导入端口；阀座，其设置在阀孔的开口端部；阀芯，其具有沿轴线方向延伸的外周面，并且从阀室侧与阀座接触或分离而开闭阀部。

阀座具有相对于阀孔的轴线倾斜的锥状的阀座面。阀芯具有与阀座面在轴线方向上相对的阀部面，并且在与阀座面的内端分离的位置与阀座面接触或分离。阀部面与阀座面所成的角度在比阀芯的接触分离点靠下游侧的位置为10度以下。

该方案的控制阀的阀芯的接触分离点位于阀部面的外端附近，并且与阀座面的内端分开。在这样的结构中，阀部面与阀座面所成的角度在比该接触分离点靠下游侧的位置为10度以下。由此，如后述实施方式所示的那样，能够在定常控制状态下抑制该接触分离点附近的流速。其结果是，能够抑制接触分离点处的侵蚀的产生，能够防止或抑制阀泄漏。

发明效果

根据本发明，能够提供能抑制控制阀的阀部的磨损的构造。

附图说明

图1是表示实施方式的控制阀的结构的剖视图。

图2是与图1的上半部分对应的局部放大剖视图。

图3是表示阀部的详细结构的图。

图4是表示阀部面及阀座面的角度与侵蚀抑制的关系的图。

图5是表示通过阀部的制冷剂的流速与阀的损伤情况的关系的实验结果的图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。需要说明的是，为了方便，在以下的说明中，有时以图示的状态为基准来表现各构造的位置关系。

图1是表示实施方式的控制阀的结构的剖视图。

控制阀1作为对在机动车用空调装置的制冷循环中设置的可变容量压缩机(简称为“压缩机”)的排出容量进行控制的电磁阀而构成。该压缩机压缩在制冷循环中流动的制冷剂，使其成为高温、高压的气体制冷剂而排出。该气体制冷剂在冷凝器(外部热交换器)中被冷凝，而且由膨胀装置进行绝热膨胀而成为低温、低压的雾状的制冷剂。该低温、低压的制冷剂在蒸发器中蒸发，利用其蒸发潜热来冷却车室内空气。在蒸发器中被蒸发的制冷剂再次返回压缩机而在制冷循环中循环。

压缩机具备连结有压缩用的活塞的摆盘，通过使该摆盘的角度变化而改变活塞的冲程，由此对制冷剂的排出量进行调节。控制阀1通过控制从该压缩机的排出室导入控制室的制冷剂流量，从而使摆盘的角度变化，进而使该压缩机的排出容量变化。需要说明的是，本实施方式的控制室由曲轴室构成，但在变形例中，也可以是另行设置于曲轴室内或曲轴室外的压力室。在制冷剂中例如使用氟利昂替代品(hfc-134a)，但也可以使用其他制冷剂(hfo-1234yf等)。或者，也可以使用二氧化碳那样工作压力高的制冷剂。在该情况下，也可以代替冷凝器而在制冷循环中配置气体冷却器等外部热交换器。

控制阀1在使压缩机的排出室与控制室连通的制冷剂通路中具有阀部，对从排出室导入控制室的制冷剂流量进行控制。在控制室与吸入室之间设有用于使控制室内的制冷剂向吸入室泄漏的孔口等，但省略对它们的图示以及详细的说明。控制阀1作为对从排出室导入控制室的制冷剂流量进行控制以便将压缩机的吸入压力ps保持为设定压力的所谓的ps感应阀构成。控制阀1通过将阀主体2与螺线管3一体地组装而构成。阀主体2具备带阶梯的圆筒状的主体10、在主体10的内部设置的阀部等。

在主体10，从其上端侧起设有端口12、14、16。端口14是与排出室连通的“排出室连通端口”，作为从排出室导入排出压力pd的“导入端口”发挥作用。在端口14的内方形成有阀室18。端口12是与控制室连通的“控制室连通端口”，作为向控制室导出经由阀部的控制压力pc的制冷剂的“导出端口”发挥作用。在端口12的内方形成有压力室20。在阀室18的与压力室20相反的一侧形成有中间室22。中间室22经由后述工作杆36的内部通路40与压力室20连通。在中间室22的上端开口部形成有阀孔24。端口16是与吸入室连通的“吸入室连通端口”，导入吸入室的吸入压力ps。在端口16的内方形成有工作室26。

以覆盖端口14的方式设置有过滤构件25。过滤构件25包含抑制排出制冷剂中含有的金属粉末等异物流入阀室18的网眼。另外，以覆盖端口12的方式设有过滤构件27。过滤构件27包含抑制控制室的制冷剂中含有的异物流入压力室20网眼。

在主体10，将阀室18与压力室20相连的第一引导孔28和将中间室22与工作室26相连的第二引导孔30在轴线方向上呈同轴状地设置。中间室22的下部呈锥状地缩径并与第二引导孔30连通。在阀孔24的阀室18侧的开口端部，阀座32一体地形成于主体10。并且，沿着主体10的轴线插通有长条状的工作杆36。

工作杆36呈带阶梯的圆柱状，其一端侧能够滑动地支承于第一引导孔28，另一方面，另一端侧能够滑动地支承于第二引导孔30。在工作杆36的轴线方向中间部一体地设置有阀芯38。阀芯38呈圆筒状，具有沿轴线方向延伸的外周面。通过使阀芯38从阀室18侧与阀座32接触或分离来开闭阀部。在工作杆36的上半部分形成有内部通路40，该内部通路40的下端部与中间室22连通。从端口14导入并通过了阀孔24(阀部)的制冷剂被内部通路40引导，并被导出到压力室20。

在主体10的上端开口部螺纹安装有弹簧支座44，在该弹簧支座44与工作杆36之间安装有弹簧46。弹簧46沿闭阀方向对阀芯38施力。弹簧46的载荷能够通过使弹簧支座44向主体10的旋入量变化而进行调节。

阀主体2与螺线管3经由筒状的连接构件48连接。连接构件48由磁性材料构成。主体10的下端部被压入到连接构件48的上端部，壳体50的上端部被压入到连接构件48的下端部。在被主体10、连接构件48以及螺线管3包围的空间形成有工作室26。

螺线管3包括：圆筒状的壳体50、配设在壳体50内的模制线圈52、被插通在模制线圈52内的有底圆筒状的套筒54、被固定在套筒54内的芯部56、以及与芯部56在轴线方向上相对配置的柱塞58。模制线圈52包括圆筒状的绕线管60和卷绕于绕线管60的电磁线圈62。在模制线圈52的下端部模制有环状的板64。板64由磁性材料构成，与壳体50一起形成磁轭。壳体50的下端部被紧固而固定模制线圈52，壳体50的上端部被紧固而固定于连接构件48。

柱塞58由隔着薄膜状的膜片65而被分割的两个柱塞构成。其中一方的第一柱塞66配置在模制线圈52的内部，另一方的第二柱塞68配置在工作室26。膜片65将套筒54的上端开口部封堵，并在套筒54内形成基准压力室。在本实施方式中，该基准压力室处于真空状态，但例如也可以填满大气。膜片65是具有挠性的压敏构件，通过重叠多张聚酰亚胺膜而构成。需要说明的是，在变形例中，作为膜片65，可以采用金属膜片。

在第二柱塞68的上表面中央形成有凹部70，该中央的平坦的面与工作杆36的下端面抵接。第二柱塞68以能够接近或离开的方式从下方支承工作杆36。在第二柱塞68的上端部设有向半径方向外向延伸的凸缘部72。凸缘部72的下表面与连接构件48的上表面在轴线方向上相对。由此，在螺线管3的通电时，能够在凸缘部72与连接构件48之间产生轴线方向的吸引力，使阀芯38迅速地向闭阀方向位移。在连接构件48的内方形成有台阶，在该台阶部与第二柱塞68之间安装有弹簧74。弹簧74具有比弹簧46大的弹簧力，向开阀方向对阀芯38施力。

在第二柱塞68的下方配置有在套筒54中收纳第一柱塞66、芯部56以及弹簧75并利用膜片65封堵该套筒54开口部而成的组件。即，在套筒54的上端开口部设有向半径方向外向延伸的凸缘部76，膜片65夹在该凸缘部76与圆环状的板78之间。凸缘部76与板78通过外周焊接而被接合。通过在将上述组件的上端部插入到连接构件48的下端开口部之后，从下方压入环状构件80，从而将上述组件固定于连接构件48，进而固定于主体10。在连接构件48的下端面与板78之间安装有密封用的o型环82。

套筒54通过将由非磁性材料构成的上半部分84与由磁性材料构成的下半部86焊接而构成。在套筒54内，芯部56压入到下半部86侧，第一柱塞66沿轴线方向进退自如地配置在上半部分84侧。

轴88设置为使芯部56的中心沿轴线方向延伸，在该轴88的一端压入有第一柱塞66。轴88的另一端被压入到芯部56的下端部的轴承构件90支承。在轴88的中途嵌合有挡圈92，并且设有弹簧支座94，从而利用该挡圈92来限制向上方的移动。在弹簧支座94与轴承构件90之间安装有弹簧75。弹簧75经由轴88对第一柱塞66向离开芯部56的方向施力。弹簧75的载荷能够通过以下方式调节：在螺线管3的组装阶段从外部按压套筒54的底部而使该弹簧75变形，改变轴承构件90的轴线方向位置。

端部件96设置为从下方封堵螺线管3的内部。端部件96由具有耐腐蚀性的树脂材料构成，并与模制线圈52一体设置。端部件96也作为使与电磁线圈62相连的端子98的一端露出的连接器部发挥作用。端子98与未图示的外部电源连接。另外，为了防止来自外部的异物的侵入，在端部件96与壳体50之间也配设有密封用的o型环99。

图2是与图1的上半部分对应的局部放大剖视图。图3是表示阀部的详细结构的图，表示的是图2的a部放大图。图3(a)表示阀部的闭阀状态，图3(b)表示阀部的开阀状态。

如图2所示，工作杆36呈从其上部朝向下部具有大径部100、中径部102、小径部104的带阶梯的圆柱状。大径部100能够滑动地支承于第一引导孔28，小径部104能够滑动地支承于第二引导孔30。在大径部100一体地设有阀芯38。中径部102贯通阀孔24。在中径部102以向侧方开口的方式形成有连通孔42。连通孔42使内部通路40与中间室22连通。

即，工作杆36通过其上下的两点支承被稳定地支承。而且，由于成为将阀芯38设置在该两点的支承部的中间部的结构，所以能够防止或抑制阀芯38相对于阀孔24的轴线倾斜，使阀部的开阀特性产生滞后的可能性极低。另外，能够防止或抑制由阀芯的倾斜引起的在阀部的制冷剂泄漏。其结果是，能够良好地维持阀部的开阀特性。

将第一引导孔28、阀孔24以及第二引导孔30相连的通路形成为内径与工作杆36的形状对应地朝向下方阶梯性地变小的带阶梯圆孔状。在阀孔24的上端开口部形成有朝向上方扩径的锥形面，该锥形面成为阀座32的阀座面35。在阀孔24与第二引导孔30之间也形成有向上方扩径的锥形面。

在第一引导孔28的下部设有由圆环状的凹槽构成的第一密封收纳部110，并且嵌装有o型环112。o型环112将工作杆36与第一引导孔28的间隙密封，限制制冷剂从阀室18向压力室20的泄漏。另一方面，在工作杆36的小径部104设有由圆环状的凹槽构成的第二密封收纳部114，并且嵌装有o型环116。o型环116将工作杆36与第二引导孔30的间隙密封，限制制冷剂从中间室22向工作室26的泄漏。

如图3所示，阀座32具有锥状(倒圆锥状)的阀座面35。该阀座面35相对于轴线方向具有第一倾斜角θ1。另一方面，阀芯38具有与阀座面35在轴线方向上相对的锥状(圆锥状)的阀部面39。该阀部面39相对于轴线方向具有第二倾斜角θ2。第二倾斜角θ2比第一倾斜角θ1稍大。通过这样的结构，阀芯38能够在与阀座面35的内端分开的位置与阀座面35接触或分离。阀部面39的外端附近的位置成为阀芯38与阀座32的接触分离点p。

在本实施方式中，将第一倾斜角θ1设为60度，将第二倾斜角θ2设为65度。由此，将第一倾斜角θ1与第二倾斜角θ2的角度差(即，阀部面39与阀座面35所成的角度)设定为5度。更详细地说，作为尺寸公差，考虑2度左右，将第一倾斜角θ1设为58度以上62度以下，将第二倾斜角θ2设为63度以上67度以下。由此，将该角度差设为10度以下(优选为3度以上8度以下)。通过这样的角度设定，如后述那样，能够有效地防止或抑制阀座32的接触分离点p处的侵蚀。

接着，参照图1，对控制阀1的动作进行说明。

在控制阀1中，在螺线管3的非通电时，即在机动车用空调装置未动作时，吸引力不会作用在芯部56与柱塞58之间。另外，由于吸入压力ps高，所以与膜片65抵接的第一柱塞66克服弹簧75的载荷而向下方位移。另一方面，由于第二柱塞68被弹簧74向上方施力而离开第一柱塞66，所以经由工作杆36对阀芯38向其全开位置施力。此时，从压缩机的排出室导入到端口14的排出压力pd的制冷剂通过全开状态下的阀部，从端口12向控制室流动。因此，控制压力pc上升，压缩机进行最小容量运转。

另一方面，在如机动车用空调装置起动时那样向电磁线圈62供给控制电流时，第一柱塞66克服弹簧74的作用力而经由膜片65吸引第二柱塞68。因此，第二柱塞68被吸引而与膜片65抵接，所以向下方移动，伴随于此，阀芯38被弹簧46压下而抵靠于阀座32，阀部处于全闭状态。此时，工作杆36处于从第二柱塞68离开的状态。

这样，在吸入室的吸入压力ps变得充分低时，膜片65感知该吸入压力ps而向上方位移，第二柱塞68与工作杆36抵接。此时，在根据空调的设定温度而减小向电磁线圈62供给的控制电流时，第二柱塞68以及第一柱塞66保持着吸附状态而成为一体，并向上方移动，直至吸入压力ps、弹簧46、74、75的载荷及螺线管3的吸引力平衡的位置。由此，阀芯38被第二柱塞68推起并从阀座32离开而被设定为预定的开度。因此，排出压力pd的制冷剂被控制为与开度相应的流量并向控制室导入，压缩机过渡到与控制电流对应的容量的运转。

在向电磁线圈62供给的控制电流恒定的情况下，膜片65感知吸入压力ps而对阀开度进行控制。例如，在制冷负荷变大而吸入压力ps变高的情况下，阀芯38与工作杆36、第二柱塞68、膜片65以及第一柱塞66成为一体并向下方位移，所以阀开度变小，压缩机以增加排出容量的方式动作。其结果是，吸入压力ps下降而接近设定压力。相反，在制冷负荷变小而吸入压力ps变低的情况下，由于阀芯38向上方位移而增大阀开度，所以压缩机以减少排出容量的方式动作。其结果是，吸入压力ps上升并接近设定压力。这样，控制阀1以使吸入压力ps成为由螺线管3设定的设定压力的方式对压缩机的排出容量进行控制。

图4是表示阀部面及阀座面的角度与侵蚀抑制的关系的图。图4(a)表示阀座面35的角度与接触分离点p附近的侵蚀的关系。该图的横轴表示阀座面35的角度(°)，纵轴表示由侵蚀引起的该接触分离点p附近的损伤程度。需要说明的是，如图3(a)所示，在此所说的“角度”为相对于轴线的角度(第一倾斜角θ1)。图4(b)表示阀部面39与阀座面35的角度差(θ2-θ1)与在定常控制时在接触分离点p附近流动的制冷剂的流速的关系。该图的横轴表示角度差(°)，纵轴表示流速(m/s)。

如本实施方式那样，在为从端口14(导入端口)导入的制冷剂沿着阀芯38(工作杆36)的侧面在阀孔24的轴线方向上流动的结构的情况下，能够得到图4(a)所示那样的关系。即，阀座面35的倾斜角度(第一倾斜角θ1)越小，则由侵蚀引起的损伤程度变得越大，该角度越大(越接近90度左右)，则损伤程度变得越小。可以认为，该侵蚀的产生的主要原因在于，在高速地通过阀部的制冷剂中包含金属粉末等异物。这是因为，该异物(固体颗粒)碰撞到阀座面而产生粉体磨损。根据“侵蚀、腐蚀入门/流动所带来的材料劣化现象”(日本工业出版)，关于这种由侵蚀引起的损伤，最有决定性的因素被视为固体颗粒的碰撞角度。在金属粉末那样的延伸性材料中，在20～30度的碰撞角度的情况下损伤程度最大，且越接近90度，则损伤程度越小。这是因为，金属材料容易被以小角度碰撞的颗粒的角部切削。

在本实施方式的情况下，从端口14导入的制冷剂的大部分会撞到阀芯38的侧面上而方向转变90度，并沿轴线方向流动。因此，能够得到基于上述理论的结果。因此，在仅考虑侵蚀时，阀座面35的角度越接近90度越为优选。另外，若考虑到为了确保开阀时的制冷剂的流量而较高地维持开阀性能，优选增大阀座面35的角度。另一方面，若考虑到为了防止闭阀时的制冷剂的泄漏(阀泄漏)而应当较高地维持阀芯38向阀座32的抵靠性能，优选使阀座面35的角度比90度小。以往，考虑到该抵靠性能，大多设定为45度左右。在本实施方式中，考虑到以上情况，采用由侵蚀引起的损伤程度倾向于收敛的60度附近(58度以上62度以下)。

另外，本发明发明人着眼于有可能通过减小阀座面35与阀部面39所成的角度而在相对的面间整体产生压力下降并使阀部的流速下降这一情况，进行了以下的评价。图4(b)是将阀座面35的倾斜角度(第一倾斜角θ1)设为60度并使阀座面35与阀部面39所成的角度(第一倾斜角θ1与第二倾斜角θ2的角度差(θ2-θ1))变化而得到的图。根据该图，可知使角度差(θ2-θ1)越小，则定常控制时(即，阀部打开时)的接触分离点p附近的流速变得越低。这意味着，能够使阀座面35的接触分离点p处的异物的碰撞速度下降，并且能够抑制气穴的产生，其结果是，能够抑制侵蚀的产生。

根据本发明发明人的解析可知，为了有效地抑制侵蚀的产生，优选将流速设为170m/s以下，更优选的是165m/s以下。但是，在将角度差(θ2-θ1)设为零时，阀芯38以面接触的方式抵靠于阀座32，阀芯38的受压面积不确定，作为上述ps感应阀的控制也有可能变得不稳定。因而，将角度差(θ2-θ1)设为10度以下，优选的是3度以上8度以下。因此，将阀部面39的倾斜角度(第二倾斜角θ2)设为63度以上67度以下。

图5是表示在阀部通过的制冷剂的流速与阀的损伤情况的关系的实验结果的图。该图的横轴表示在接触分离点附近流动的制冷剂的流速(m/s)，纵轴表示的是将接触分离点附近的规定时间内的阀座面的由侵蚀造成的损伤程度量化而得到的结果。

该实验结果与能够通过将制冷剂的流速设为170m/s以下来有效地抑制侵蚀的产生的上述解析结果一致。即，为了将流速设为170m/s以下，优选设为165m/s以下，将角度差(θ2-θ1)设为10度以下，由此，能够有效地抑制侵蚀的产生，能够确保压缩机的最大容量运转。

如以上说明的那样，在本实施方式中，阀芯38向阀座32的接触分离点p位于阀部面39的外端附近，并且远离阀座面35的内端。在这样的结构中，将阀座面35的倾斜角度设为60度前后，将阀部面39与阀座面35所成的角度在比该接触分离点p靠下游侧的位置设为10度以下。由此，如图3(b)所示，能够抑制定常控制时接触分离点p附近的流速。其结果是，能够抑制阀座32的接触分离点p处的侵蚀的产生，能够防止或抑制闭阀时的阀泄漏和由阀泄漏引起的控制不良。

以上，对本发明优选的实施方式进行了说明，但本发明并不限于特定的实施方式，显然，能够在本发明的技术思想的范围内进行各种变形。

在上述实施方式中，例示的是将阀芯设为中空构造并经由该阀芯的内部通路而将经过阀部的制冷剂向下游侧导出的结构。在变形例中，也可以成为使实心构造的阀芯与阀座接触或分离的结构，并采用上述阀部的结构(即，阀部面与阀座面的角度差为10度以下的结构)。

在上述实施方式中，例示的是导入端口在主体的侧方开口的结构。在变形例中，也可以将上述阀部的结构应用于导入端口在主体的端部开口的结构。只要是使导入到阀室的制冷剂沿着阀芯的外周面在轴线方向上流动的结构，就能够得到上述作用效果。

在上述实施方式中，例示的是控制阀作为以将可变容量压缩机的吸入压力ps保持为设定压力的方式进行容量控制的所谓的ps感应阀构成，但本发明的控制阀的控制方式、控制对象不限于此。例如，也能够作为从端口16导入控制压力pc，以将控制压力pc保持为设定压力的方式进行容量控制的所谓的pc感应阀构成。

在上述实施方式中，例示的是控制阀作为对从可变容量压缩机的排出室导入控制室的制冷剂流量进行控制的控制阀构成的例子，但也可以构成为对从控制室向吸入室导出的制冷剂流量进行控制的控制阀。

在上述实施方式中，作为螺线管3，例示的是柱塞分割型的螺线管，但也可以采用由单一的柱塞构成的螺线管。在该情况下，也可以将压敏部设置于工作杆与柱塞之间或相对于工作杆与柱塞相反的一侧。

在上述实施方式中，作为驱动阀部的致动器例示的是螺线管。在变形例中，也可以采用步进电机及其他电动机。或者，也可以不采用电气类的致动器，而采用压敏部感知压力并对阀部进行驱动等的机械类的致动器。

在上述实施方式中，例示的是以可变容量压缩机为控制对象、以制冷剂为工作流体而对其流动进行控制的控制阀。在变形例中，也可以将上述阀部的结构应用于膨胀阀及其他控制阀。或者，也可以将上述阀部的结构应用于对含有固体颗粒的其他工作流体的流动进行控制的控制阀。

需要说明的是，本发明并不限于上述实施方式、变形例，能够在不脱离主旨的范围内使构成要素变形并使其具体化。也可以通过将在上述实施方式、变形例中公开的多个构成要素适当组合来形成各种发明。另外，也可以从上述实施方式、变形例所示的全部构成要素中删除一些构成要素。