JP2005221115A5 - - Google Patents

Description

流量制御弁

本発明は空気調和装置、冷凍装置等の冷凍サイクルに用いられる冷媒用の流量制御弁に関する。

空気調和機、冷凍機等に組み込まれて使用される流量制御弁は、冷媒等の流体の流動量を制御して冷媒の膨張量等を制御する機器であり、通常、弁室および弁座を備えた弁本体と、前記弁本体の上部に固着された有底円筒状のキャンとを備えており、該キャンの内側にはロータが内蔵され、前記キャンの外部には中央部に挿通孔を有するステータが外嵌されているものである。

図４は、公知の下記の特許文献１に示された膨張弁の縦断面図を示しており、先ず、この技術について説明する。
膨張弁１を構成する弁本体２は、弁室２ｃと、ガイドブッシュ固定部２ｄと、キャン固着部２ｅとを備え、弁室２ｃには冷媒等の流体が出入する流体流入管２ａ及び流体流出管２ｂが設けられるとともに、その内部には弁軸３の先端に形成された弁体３ａであるニードル弁が接離する弁座２ｆが配設されている。

前記ガイドブッシュ固定部２ｄは、弁室の上方に位置し、弁本体２とガイドブッシュ４とを固定しており、また、該ガイドブッシュ４の内周には雌ねじ部４ａが形成され、該雌ねじ部４ａには弁軸ホルダ５の外周に形成された雄ねじ部５ａと螺合され、これら雌ねじ部と雄ねじ部とによりねじ送り機構が構成されている。そして、この弁軸ホルダ５内には、下端部に弁体３ａを形成している弁軸３が摺動可能に嵌挿されており、該弁軸３は弁軸ホルダ５内に縮装された圧縮コイルばね３ｂによって常時下方に付勢されている。

キャン固着部２ｅは弁本体２の上端に位置し、内周面をかしめ固定されるとともに下端面を溶接により接合されているリング状金属板で構成され、その外周部にてキャン６の鍔状部と溶接され弁本体２にキャン６を固定している。弁軸３とロータ７との結合は、弁軸３に弁軸ホルダ５と一体成形されるスリーブ５ｄを外嵌させるとともに、これを永久磁石付きのロータ７に内嵌させることによって行われている。弁軸３の上端にはプッシュナット３ｃが圧入固定され、その鍔部が弁軸３に若干の上下動を許容してロータ７に結合している。また、弁軸３およびロータ７の上方移動の最上限は、ロータ７の上部に設けられているばね７ｂとキャン６の内面との接触によって行われる。弁軸ホルダ５に固定される下ストッパ４ｂとスリーブ５ｄに形成される上ストッパ５ｂとによりストッパ機構が構成される。

キャン６の内部にはロータ７が内蔵され、キャン６の外部にはステータ８が外嵌されている。ステータ８の内部には上下にステータコイル８ａおよびヨーク８ｂが格納されており、ステータコイル８ａはリード線８ｃおよびステータ８の外周に設けられたコネクタ８ｄを通じて通電される。ステータコイル８ａの通電によりヨーク８ｂが励磁されてロータ７を回転させ、ねじ送り機構により弁軸ホルダ５と弁軸３を摺動させることにより弁体３ａを開閉作動させて冷媒流量の制御を行っている。ステータ８にはコネクタのカバー８ｅが接着されている。

ステータ８の下方に金属製のリング状の取付板９を固定し、この取付板９と一体に形成された回り止め片９ａを、弁本体２から水平方向に突出する流体流入管２ａに係合させるとともに、弁本体２とキャン６とのリング状溶接部の一辺に係合孔９ｂを係合させ、リング状溶接部の他辺には取付板９と一体に形成された押圧片９ｃを押圧させてステータ８を固定している。

特開２００１−５０４１５号公報

しかしながら、従来技術に係る前記膨張弁は、弁体を開閉するための大きな開閉力を要し、そのために、ステ−タ等からなる大型の弁体駆動部が必要になるという問題があり、また、冷媒の少流量領域での正確な流量制御と大流量領域での流量制御との両方を満足させることが困難であった。

したがって、本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、全体形状の小形化と、主弁の開閉度を正確にコントロールでき、少流量領域での正確な流量制御が容易で、併せて大流量の冷媒制御が可能な流量制御弁を提供することにある。

前記目的を達成すべく、本発明の請求項１記載の流量制御弁は、主弁本体と、この主弁本体に一体的に設けられた副弁本体と、を備え、前記主弁本体は、主弁室と、この主弁室に連通した流体流入管と、前記主弁室内に形成された主弁座と、この主弁座の開口を介して前記主弁室に連通した流体流出管と、前記主弁室内に配置され、前記主弁座に接離して前記主弁座の開口を開閉するとともに前記流体流入管と前記流体流出管との間の差圧により閉方向に付勢される主弁体と、を有し、
前記副弁本体は、前記主弁室及び前記流体流出管に連通した副弁室と、前記副弁室内における前記流体流出管との連通部に設けられた副弁座と、この副弁座の開口を開閉する副弁体と、この副弁体を駆動する駆動部と、を有し、
前記流体流入管と前記流体流出管との間の差圧が所定値以上の場合には、前記主弁体が閉じるとともに前記主弁室内の冷媒が前記副弁室及び前記副弁座を介して前記流体流出管に供給され、前記差圧が所定値未満の場合には、前記主弁体が開いて前記主弁室内の冷媒が前記主弁座を介して前記流体流出管に供給されることを特徴とする。

請求項２記載の流量制御弁は、請求項１記載の膨張弁において、前記駆動部が、ステッピングモータと、このステッピングモータのロータの回転を前記副弁体の前記副弁座に対する接離動作に変換するねじ送り機構と、を有するものであることを特徴とする。

請求項３記載の流量制御弁は、請求項１又は請求項２記載の膨張弁において、前記主弁体が前記副弁本体側に向けて突出した被ガイド部を有し、前記副弁本体が前記被ガイド部を前記主弁体の開閉方向に摺動自在に案内するガイド部を有することを特徴とする。

本発明の流量制御弁は、上記構成により、流入側の一定程度の冷媒圧まで主弁体を閉のままとし、この間は電動部又は電磁部からなる小さな駆動部で副弁体の開閉制御をコントロールして、少流量領域での正確な流量制御を実現させ、併せて大流量の冷媒制御を可能としている。また、ガイド部と被ガイド部を設けたことで、簡単な構成で主弁体の横ぶれを防止することができる。また、流入側冷媒のショック高圧に対しても主弁体を逃がす（上動させる）ことで、流量の急変動に対応させることができる。

以下、図面により本発明に係る流量制御弁の実施形態について説明する。図１は本発明に係る実施例の流量制御弁の閉状態を示す縦断面図、図２は同流量制御弁の開閉の途中段階を示す縦断面図、図３は同流量制御弁の開状態を示す縦断面図である。

実施形態の流量制御弁１０は膨張弁として使用されるもので、図１に示すように、主弁室６１内の主弁座６２に接離する主弁体６３により冷媒の通過流量を制御する主弁本体６０と、主弁本体６０と一体の副弁本体２０に固着され副弁体２３を作動させるロータ３０を内蔵するキャン４０と、該キャン４０に外嵌されロータ３０を回転駆動するステータ５０と主弁本体６０のパイロット弁として副弁室２１内の副弁座２２に接離して主弁体６３の開閉度を制御する副弁体２３と、を備えている。前記主弁体６３の開度の増減は、副弁体２３による主弁体６３の背圧の増減によって行われる。なお、ロータ３０とステータ５０によりステッピングモータを構成している。

キャン４０は、ステンレス等の非磁性の金属から形成される有底円筒状をしており、副弁本体２０の上部に固着されたステンレス製の鍔状板４１に溶接等により固着され、内部は気密状態に保たれている。ステータ５０は磁性材より構成されるヨーク５１と、このヨーク５１にボビン５２を介して巻回される上下のステータコイル５３とから構成され、キャン４０に外嵌する嵌合穴５０ａが形成されている。なお、ステータ５０は中心に下面開口の嵌合穴５０ａを有し、この嵌合穴にキャン４０が嵌合し、キャン４０に固定される。

また、上記ステータ５０から、ステータコイル５３に接続された複数のリード端子５４が突出しており、このリード端子に複数のリード線５５が接続されたコネクタ５６が連結されている。そして、コネクタ５６を覆うカバー５７がステータ５０に溶着され、カバー５７内はシリコーン樹脂又はエポキシ樹脂等の充填材５８で充填されている。

副弁体２３は黄銅製の弁軸２４の下端に形成されている。副弁体２３を副弁座２２に接離させる駆動機構は、副弁本体２０よりロータ３０方向に延出して固定され、固定ねじ部２５が形成される筒状のガイドブッシュ２６と、該ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２５に螺合する移動ねじ部３１を有する弁軸ホルダ３２とから構成されるねじ送り機構であり、前記ねじ送り機構をロータ３０内の軸方向全長の略中央部に配置している。

固定ねじ部２５はガイドブッシュ２６の外周に雄ねじで構成され、移動ねじ部３１は弁軸ホルダ３２の内周に雌ねじで構成され、また、ガイドブッシュ２６および弁軸ホルダ３２は、ともに黄銅製の円筒状材から形成されている。
弁軸ホルダ３２はガイドブッシュ２６の外側に位置する下方開口の円筒状をしており、前記のように内面に移動ねじ部３１が形成してあり、弁軸ホルダ３２の中心に弁軸２４の上部縮径部が嵌合してプッシュナット３３により連結されている。副弁体２３を下端に形成した弁軸２４は、弁軸ホルダ３２の中心に上下動可能に嵌挿されており、弁軸ホルダ３２内に縮装された圧縮コイルばね３４によって常時下方に付勢されている。ガイドブッシュ２６の側面には副弁室２１とキャン４０内の均圧を図る均圧孔３２ａが形成してある。

弁軸２４の上端に圧入固定されたプッシュナット３３の外周に円筒状の圧縮コイルばねで構成される復帰ばね３５を取付け、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２５と弁軸ホルダ３２の移動ねじ部３１との螺合が外れたときに、復帰ばね３５がキャン４０の内面に当接して固定ねじ部２５と移動ねじ部３１との螺合を復帰させるように付勢する。復帰ばね３５はプッシュナット３３の外周に緩く嵌合して載置した状態で取付けてもよく、またプッシュナット３３の外周に弾接するように取付けてもよい。

副弁本体２０とキャン４０との接合は、副弁本体２０に溶接等により固着された鍔状板４１の段差部にキャンの端部を突き合わせ溶接することにより行っている。副弁本体２０の上部にはガイドブッシュ２６が連結・固定されており、その下部には副弁室２１が形成され、該副弁室２１内に弁軸２４の下部が配置される。また、前記副弁室２１の底部は副弁座２２を構成している。また、副弁本体２０の下部外周部には雄ねじ部２０ａが形成されると共に、副弁本体２０の下部は下方に延設されガイド部２０ｂが形成される。また、該ガイド部２０ｂ外空間（後述の上部主弁室６１ａ）と前記副弁室２１とは連通流入孔２１ａにより連通されており、また、副弁座２２の下部には下部副弁室２１ｂが形成され、該下部副弁室２１ｂは後述の連通流出孔６０ｄに連通している。

上記弁軸ホルダ３２とロータ３０とは支持リング３６を介して結合されており、支持リング３６はロータ３０の成形時にインサートされた黄銅製の金属リングで構成されている。そして、支持リング３６の内周孔部に弁軸ホルダ３２の上部突部が嵌合され、上記突部の外周をかしめ固定してロータ３０、支持リング３６および弁軸ホルダ３２を結合している。

上記ガイドブッシュ２６には、ストッパ機構の一方を構成する下ストッパ体(固定ストッパ)２７が固着されており、下ストッパ体２７はリング状のプラスチックより構成され、その上方には板状の下ストッパ片２７ａが突設されている。また、弁軸ホルダ３２にはストッパ機構の他方を構成する上ストッパ体(移動ストッパ)３７が固着されており、上ストッパ体３７もリング状のプラスチックより構成され、下方に向けて板状の上ストッパ片３７ａが突設され、前記下ストッパ片２７ａと係合可能である。

下ストッパ体２７はガイドブッシュ２６の外周に形成された螺旋溝部分２６ａに射出成形により固着され、上ストッパ体３７は弁軸ホルダ３２の外周に形成された螺旋溝部分３２ｂに射出成形により固着されている。

主弁本体６０は概略円柱状に形成され、その上部には副弁本体２０を装着するための取付凹部６０ｇが形成され、該取付凹部６０ｇの内周面の上部には雌ねじ部６０ｃが形成される。また、上記取付凹部６０ｇの下部に連続して形成される上部主弁室６１ａには、副弁本体２０側のガイド部２０ｂが配置されると共に、更にその下部には主弁室６１が形成される。そして、この主弁室６１の下部側方には流入孔６０ｅが形成され、また、この下部には下部主弁室６１ｂ及び該下部主弁室６１ｂに連通する流出孔６０ｆが形成される。そして、流入孔６０ｅには、流体流入管６０ａが装着され、流出孔６０ｆには流体流出管６０ｂが装着される。
更に、主弁本体６０には主弁室６１と並行して連通流出孔６０ｄが形成される。該連通流出孔６０ｄは、下部副弁室２１ｂと流出孔６０ｆとを連通させるものである。また、主弁体６３における主弁室６１内部分には、所定の隙間をもって均一径の径大部６３ｂが配置される。

上記主弁室６１内における主弁体６３の上動により、流体流入管６０ａから流体流出管６０ｂに流れる冷媒量を短時間の内に全開とすることができる。即ち、主弁体６３は主弁座６２に離接する主弁座当接部６３ａと、径大部６３ｂと、被ガイド部６３ｄとからなり、前記径大部６３ｂの下部には段部６３ｆが形成されると共に、径大部６３ｂの外周は横断面同一径で形成され（したがって、上下の全断面における隙間は同一面積）、更に、被ガイド部６３ｄには連通孔６３ｅが穿設される。また、被ガイド部６３ｄは、ガイド部２０ｂの内面に上下に摺動可能に配置される。

更に、被ガイド部６３ｄ内にバネ室（符号なし）が形成され、該バネ室底部と副弁本体２０の下面との間には主弁体６３を閉方向に弾圧するコイルばね６４が配置される。上記被ガイド部６３ｄをガイド部２０ｂにより案内させる構成は、必ずしも必要でないが、この構成により、主弁体６３の振動（横移動）を防止することができる。

次に、前記の如く構成された流量制御弁１０の動作について説明する。
図１に示すように、弁軸２４が最下位置では、副弁体２３は副弁座２２に当接して「閉」状態となるように設定されており、この状態において、主弁体６３も「閉」となって、冷媒は遮断（流動・膨張なしの状態）されている。即ち、この状態は、主弁体６３に上（閉方向）から作用する中間圧は流入側冷媒圧に等しいので、流入側冷媒圧と流出側冷媒圧との差圧力及びコイルばね６４のバネ圧により「閉」となる。

そして、上記副弁体２３が「閉」状態において、ステータコイル５３に所定の電流を印加して励磁すると、副弁本体２０に固着されたガイドブッシュ２６に対しロータ３０および弁軸ホルダ３２が回転され、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２５と弁軸ホルダ３２の移動ねじ部３１とのねじ送り機構により、弁軸ホルダ３２が上方に移動して弁軸２４の下端の副弁体２３が副弁座２２から離れて弁口が開かれ、冷媒は弁口を通過することができる。そして、ロータ３０の回転量により冷媒の通過量を制御することができ、ロータの回転量はパルス数にて規制されるため正確な制御を行うことができる。

即ち、ロータの回転量の大小に伴なう上記副弁座当接部２３ａの開度に応じて冷媒の流量制御が行われる。換言すれば、副弁座当接部２３ａの開動作分（増加分）に応じて、副弁本体２０を流れる量が比例的に増大し、その結果、連通流入孔２１ａを流れる量が増大し、上部主弁室６１ａの冷媒圧が下降する。しかしながら、上部主弁室６１ａの冷媒圧が下降するが、主弁体６３は、冷媒圧が所定圧以下になるまで、流入側冷媒圧と流出側冷媒圧との差圧力及びコイルばね６４の設定により、開方向に動作しない。

副弁座当接部２３ａの開動作分（増加分）が所定以上になり、副弁本体２０を流れる量が増大し、その結果、連通流入孔２１ａを流れ出る量が増大して、上部主弁室６１ａの冷媒圧が所定以下に下降すると、主弁体６３は、一挙に開方向に動作する。
また、この間、流体流入管６０ａから流入する冷媒圧が急激に高くなっても、その冷媒圧は段部６３ｆに作用し、主弁体６３を瞬間的にコイルばね６４の弾発力及び上部主弁室６１ａの冷媒圧の力に抗して上動させることで、「開」とすることができ、流量制御弁１０及び冷凍サイクルの損傷を避けることができる。

また、本実施例においては、ステータコイル５３に他方向の通電を行い励磁すると、副弁本体２０に固着されたガイドブッシュ２６に対しロータ３０および弁軸ホルダ３２が反対方向に回転され、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２５と弁軸ホルダ３２の移動ねじ部３１とのねじ送り機構により、例えば弁軸ホルダ３２が下方に移動して副弁体２３が副弁座２２に着座圧接して弁口は閉じられる。

弁口が閉じられた時点では、上ストッパ体３７は未だ下ストッパ体２７に当接しておらず、副弁体２３が弁口を閉じたままロータ３０および弁軸ホルダ３２はさらに回転下降する。このときは弁軸２４に対して弁軸ホルダ３２が下降するため、圧縮コイルばね３４が圧縮されることにより弁軸ホルダ３２の下降力は吸収される。その後ロータ３０がさらに回転して弁軸ホルダ３２が下降すると、上ストッパ体３７の上ストッパ片３７ａが下ストッパ体２７の下ストッパ片２７ａに当接し、ステータコイル５３に対する通電が続行されても弁軸ホルダ３２の下降は強制的に停止される。

上ストッパ体３７と下ストッパ体２７とから構成されるストッパ機構は、ロータ３０の軸方向の全長内に配置されているので、ストッパ機構が機能しているときでもロータ３０や弁軸ホルダ３２が大きく傾いたりすることが少なく作動が安定し、つぎにロータ３０を逆転するときでも円滑に行うことができる。
上記副弁座当接部２３ａの閉動作により、上記主弁本体６０の閉動作が行われる。即ち、副弁座当接部２３ａの閉動作分（減少分）に応じて、副弁本体２０を流れる量が減少し、その結果、連通流入孔２１ａを流れる量が減少し、上部主弁室６１ａの冷媒圧が上昇し、主弁体６３を下方、即ち、主弁体６３を閉方向に動作させる。

なお、本実施形態では、本発明を膨張弁として使用する場合について説明したが、本発明は、冷凍サイクルにおいて設けられるエバポレータとエバポレータとの間の管路に用いてドライ運転用の流量制御弁としても使用できる。また、駆動部は、実施例の電動弁に代えて、電磁弁であってもよい。

本発明に係る実施例の流量制御弁（閉状態）を示す縦断面図。 同実施例の流量制御弁の開閉の途中段階を示す縦断面図。 同実施例の流量制御弁（開状態）を示す縦断面図。 従来技術に係る流量制御弁の縦断面図。

符号の説明

１・・膨張弁（公知例） ２・・弁本体
２ａ・・流体流入管
２ｂ・・流体流出管 ２ｃ・・弁室 ２ｄ・・ガイドブッシュ固定部
２ｅ・・キャン固着部 ２ｆ・・弁座 ３・・弁軸 ３ａ・・弁体
３ｂ・・圧縮コイルばね ３ｃ・・プッシュナット
４・・ガイドブッシュ ４ａ・・雌ねじ部 ４ｂ・・下ストッパ
５・・弁軸ホルダ ５ａ・・雄ねじ部 ５ｂ・・上ストッパ
５ｄ・・スリーブ ６・・キャン ７・・ロータ ７ｂ・・ばね
８・・ステータ ８ａ・・ステータコイル
８ｂ・・ヨーク ８ｃ・・リード線
８ｄ・・コネクタ ８ｅ・・カバー ９・・取付板 ９ａ・・回り止め片
９ｂ・・係合孔 ９ｃ・・押圧片

１０・・流量制御弁（本発明）
２０・・副弁本体 ２０ａ・・雄ねじ部 ２０ｂ・・ガイド部 ２１・・副弁室
２１ａ・・連通流入孔 ２１ｂ・・下部副弁室 ２２・・副弁座
２３・・副弁体 ２３ａ・・副弁座当接部
２４・・弁軸 ２５・・固定ねじ部
２６・・ガイドブッシュ ２６ａ・・螺旋溝部分
２７・・下ストッパ体(固定ストッパ) ２７ａ・・下ストッパ片
３０・・ロータ ３１・・移動ねじ部 ３２・・弁軸ホルダ ３２ａ・・均圧孔
３２ｂ・・螺旋溝部分 ３３・・プッシュナット
３４・・圧縮コイルばね
３５・・復帰ばね ３６・・支持リング ３７・・上ストッパ体(移動ストッパ)
３７ａ・・上ストッパ片 ４０・・キャン
４１・・鍔状板 ５０・・ステータ
５０ａ・・嵌合穴 ５１・・ヨーク ５２・・ボビン ５３・・ステータコイル
５４・・リード端子 ５５・・リード線 ５６・・コネクタ ５７・・カバー
５８・・充填材 ６０・・主弁本体 ６０ａ・・流体流入管
６０ｂ・・流体流出管 ６０ｃ・・雌ねじ部 ６０ｄ・・連通流出孔
６０ｅ・・流入孔 ６０ｆ・・流出孔 ６０ｇ・・取付凹部 ６１・・主弁室
６１ａ・・上部主弁室 ６１ｂ・・下部主弁室 ６２・・主弁座
６３・・主弁体 ６３ａ・・主弁座当接部
６３ｂ・・径大部 ６３ｄ・・被ガイド部
６３ｅ・・連通孔 ６３ｆ・・段部 ６４・・コイルばね

Claims (3)

1. 主弁本体と、この主弁本体に一体的に設けられた副弁本体と、を備え、
   前記主弁本体は、主弁室と、この主弁室に連通した流体流入管と、前記主弁室内に形成された主弁座と、この主弁座の開口を介して前記主弁室に連通した流体流出管と、前記主弁室内に配置され、前記主弁座に接離して前記主弁座の開口を開閉するとともに前記流体流入管と前記流体流出管との間の差圧により閉方向に付勢される主弁体と、を有し、
   前記副弁本体は、前記主弁室及び前記流体流出管に連通した副弁室と、前記副弁室内における前記流体流出管との連通部に設けられた副弁座と、この副弁座の開口を開閉する副弁体と、この副弁体を駆動する駆動部と、を有し、
   前記流体流入管と前記流体流出管との間の差圧が所定値以上の場合には、前記主弁体が閉じるとともに前記主弁室内の冷媒が前記副弁室及び前記副弁座を介して前記流体流出管に供給され、前記差圧が所定値未満の場合には、前記主弁体が開いて前記主弁室内の冷媒が前記主弁座を介して前記流体流出管に供給されることを特徴とする流量制御弁。
2. 前記駆動部は、ステッピングモータと、このステッピングモータのロータの回転を前記副弁体の前記副弁座に対する接離動作に変換するねじ送り機構と、を有するものであることを特徴とする請求項１記載の流量制御弁。
3. 前記主弁体が前記副弁本体側に向けて突出した被ガイド部を有し、前記副弁本体が前記被ガイド部を前記主弁体の開閉方向に摺動自在に案内するガイド部を有することを特徴とする請求項１又は２記載の流量制御弁。