JP2005240909A - 遊星歯車機構を用いた回転式電動弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 流量制御を行うためにステッピングモータで弁体を回転させて弁開度を変更する回転式電動弁において、モータによって回転される弁体の回転角度分解能を向上して、弁開度の分解能を高める。
【解決手段】 回転式電動弁１のステッピングモータ２の出力は、出力回転軸１２から遊星歯車機構３を介することで減速された回転として弁体４に伝達される。ステッピングモータ２の角度分解能が変わらなくても、遊星歯車機構３の減速作用によって弁体４の回転角分解能は高くなり、弁開度を高精度に制御することができる。弁体４の螺旋壁面４３を持つ通路壁部４２と弁座シート５のシート壁面２０とで弁路４０が形成されており、弁体４の回転によって、弁路４０を通じて両弁口２６,２７を繋ぐ流路断面積が変更され、全閉から全開までの弁開度を高精度に制御することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、弁体を回転させるによって弁開度を変更可能な回転式電磁弁に関する。

従来、全開から全閉までのどの弁口開度においても、正・逆の方向に流れにおいて略同一の流量特性を実現することができる回転式電動弁が提案されている（特許文献１参照）。この回転式電動弁によれば、弁本体側に形成された上弁座シートと下弁座シートとの間に弁体が配置され、両弁座シートの相対する上下位置にそれぞれ上弁口と底弁口を設け、弁体にはその回転位置に応じて上弁口と底弁口に連通可能な貫通孔が穿設されている。更に、弁体の上面分に貫通孔に連通してその断面積を順次変化させた円弧状溝を弁体の上下面の対応位置において断面積を一致させて形成されている。

このように構成されている回転式電動弁は、弁体の回転角をステッピングモータで制御することで、弁の全閉時には弁体のフラット部が弁底口及び上弁口を塞ぎ、全開時には弁体の貫通孔が弁底口及び上弁口と完全に一致して開口する。また、弁体を回転させて、弁底口及び上弁口に対して円弧状溝の形状を変更することにより、円弧状溝の断面積の大きさに応じて、全開時と全閉時との間の望みの流量が得られる。流れの方向がいずれであっても流圧が弁体に及ぼす力は略同一であるので、正逆流れの方向による流量のバラツキを抑制することが図られている。

このような回転式電動弁においては、ステッピングモータの出力部材であるロータの回転がロータに固着されている弁軸に直接に伝達されるので、電動弁の弁開度の分解能はステッピングモータの回転角度分解能に直接に依存している。したがって、回転式電動弁においては、弁開度をステッピングモータの回転角分解能以上に高精度に制御することには困難である。また、ステッピングモータの回転角分解能を高めるにはロータの径を大きくして極数を多くすることが考えられるが、そうした対策では、モータの径を小さくすることが困難であるので、電動弁の大きさが必然的に大きくなる傾向がある。
特開２００２−２９５６９４号公報（段落［００１０］〜［００１７］、図１〜図３）

そこで、流量制御を行うためにステッピングモータで弁体を回転させて弁開度を変更する回転式電動弁において、モータによって回転される弁体の回転角度分解能を向上して、弁開度の分解能を高める点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、モータの１回転を弁体の１回転に直に伝達する従来の回転式電動弁の分解能を直動ねじ式の電動弁の分解能にまで引き上げると共に、駆動源であるモータのコイルやロータを小型化することができる回転式電動弁を提供することである。

上記の課題を解決するため、この発明による回転式電動弁は、ステッピングモータ及び当該ステッピングモータの出力回転によって回転することで弁開度を変更する弁体を備えている回転式電動弁において、前記ステッピングモータの出力回転軸の回転を遊星歯車機構を介することで減速して前記弁体に伝達することから成っている。

この回転式電動弁によれば、ステッピングモータの出力回転軸の回転は、遊星歯車機構を介することで減速された回転として弁体に伝達される。遊星歯車機構は大きな減速比を得ることができる歯車減速機として機能するので、ステッピングモータの角度分解能が変わらなくても、弁体の回転角分解能は減速の程度に応じて高くなり、弁開度を高精度に制御することが可能になる。

この回転式電動弁において、前記遊星歯車機構は、太陽歯車、当該太陽歯車を取り囲んで配置された固定内歯車、及び前記太陽歯車と前記固定内歯車との間に前記両歯車に噛み合い配置された遊星歯車を備えており、前記弁体が前記遊星歯車を自転可能に支持し且つ前記遊星歯車と共に公転するキャリヤとして用いられている。遊星歯車機構によって高い効率の減速機構が得られるが、構成部品が多くなる傾向があるので、回転式電動弁の構造の簡素化を図ることが望まれる。遊星歯車機構の遊星歯車を自転可能に支持し且つ遊星歯車と共に公転するキャリヤそれ自体を弁体として用いることで、回転式電動弁の部品点数の減少を図り、構造の簡素化が可能となる。

遊星歯車機構のキャリヤを弁体として用いた上記回転式電動弁において、前記弁体は前記出力回転軸の軸心を中心とし且つ前記遊星歯車と並列に整列した円柱体状に形成されており、前記弁体には前記遊星歯車に面する側の反対側においてシート壁面に流入出用の二つの弁口が開口して形成された弁座シートが添設されていると共に、前記弁体と前記弁座シートとの間には前記両弁口間を繋ぎ前記弁体の回転に応じて弁開度を全閉から全開の間で変更可能な周方向に延びる弁路を形成することができる。電動弁の構造簡素化のため、弁開度を変更するために弁体を回転させる機構が配置される領域と、電動弁によって流量が制御される流体が流れる領域とを区分することが望まれる。円柱体状に形成した弁体の遊星歯車に面する側の反対側において、流入出用の二つの弁口が形成された弁座シートを添設することで、弁体と弁座シートとの間には、出力回転軸によって弁体が回転するときに弁開度が全閉から全開の間で変更可能な周方向の弁路が形成されるので、円柱体状の弁体の各側で機能分担を図り、構造の簡素化を図ることができる。

弁体と弁座シートとの間に弁路が形成されている上記回転式電動弁において、前記両弁口は互いに大きさが異なる弁口として形成されており、前記弁体には、小さい方の前記弁口のみを閉鎖可能な閉鎖壁部と、前記閉鎖壁部に連なると共に前記弁座シートの前記シート壁面と協働して前記弁路を定める通路壁部とを備えており、前記通路壁部は、前記弁体の回転に伴って前記両弁口に対する相対位置が変更されることによって、前記弁路について定められる流路断面積を次第に変化させる形状を有することができる。弁体が回転するときに弁開度が全閉から全開の間で変更可能にする弁体と弁座シートの具体的な組合せ構造として、製造が容易になる簡単な構造が好ましい。そこで、弁座シートについては、シート壁面に開口する態様で互いに大きさが異なる二つの弁口を形成するだけの簡単な構造に構成することができる。また、弁座シートと組み合わされる弁体についても、弁体には、弁体が回転するときに小さい方の弁口のみを閉鎖可能な大きさに形成した閉鎖壁部と、閉鎖壁部から連なると共に弁座シートのシート壁面と協働して弁路を定める通路壁部とを備える構造としたので、複雑な孔形状ではなく外側に開いた壁面のみの簡単な構造に構成することができる。弁体を回転するとき、通路壁部は両弁口に対する相対位置が変更され、弁路について定められる通路断面積、即ち、弁開度を全閉から全開までを含めて次第に変化させることができる。

遊星歯車機構のキャリヤを弁体として用いた上記回転式電動弁において、前記太陽歯車を前記出力回転軸の一部に形成し、前記固定内歯車を前記弁座シートに当接している筒本体の一部として形成することができる。太陽歯車を出力回転軸の一部とし、固定内歯車を筒本体の一部として形成することによって、部品点数の減少を図ることができ、構造を簡素化し、部品管理や組立て工数を減少することに有効である。

固定内歯車を筒本体の一部として形成した上記回転式電動弁において、前記筒本体は前記弁体の周筒面に液密状に摺接する内周壁面を備えており、内周壁面は前記弁体の通路壁部及び前記弁座シートの前記シート壁面と共に協働して前記弁路を定めることができる。筒本体の内周壁面を弁体の周筒面を円筒面に形成することで、弁体が回転しても常に液密状に摺接させることができ、そうすることにより、内周壁面を弁体の通路壁部及び弁座シートのシート壁面と共に協働させて、弁路を定めることができる。

太陽歯車と固定内歯車とを部品の一部として形成した上記回転式電動弁において、前記出力回転軸を前記弁体を貫通した端部において前記弁座シートに回転支持し、前記弁体を前記出力回転軸との間に配置された付勢手段によって前記弁座シートに押し付けて配置することができる。弁体を貫通した出力回転軸の端部を弁座シートに回転支持することで、弁座シートの軸支持との兼用を図って、出力回転軸の支持構造を簡素化することができる。また、弁体を出力回転軸との間に配置された付勢手段によって弁座シートに押し付けることによって、流体の流れの遮断や流量制御としての安定した弁機能を確保することができる。

この発明による回転式電動弁は、上記のように、遊星歯車機構を用いてステッピングモータの出力回転を減速した回転として弁体に伝達しているので、従来のような、モータの１回転が弁体の１回転に直に伝達されている構造と異なり、弁開度の分解能をモータの回転角分解能以上にするのが困難であるといった不都合を解消し、回転式電動弁の分解能を直動ねじ式の電動弁の分解能にまで引き上げることができる。また、遊星歯車機構を用いてステッピングモータの出力回転を減速して弁体に伝達しているので、減速による分解能の向上の効果が十分であれば、モータの極数を少なくしても弁体の回転を十分減速でき、駆動源であるステッピングモータのコイルやロータを小型化することができる回転式電動弁を提供することができる。

以下、添付した図面に基づいて、この発明による回転式電動弁に係る実施の形態をその実施例と共に詳細に説明する。図１はこの発明による回転式電動弁の一例を示す図であり、（ａ）図は（ｂ）図の矢印Ａ−Ａで見た断面図、（ｂ）図は（ａ）図の矢印Ｂ−Ｂで見た横断面図である。

この発明による回転式電動弁（以下、簡単のため「電動弁」と略す。）１は、図１に示すように、ステッピングモータ２と、ステッピングモータの出力回転を減速する遊星歯車機構３と、流体が流入出する弁口（後述する二つの弁口２６，２７）が形成されている弁座シート５と、弁開度を制御するため遊星歯車機構３によって減速された速度で回転されると共に弁座シート５と協働する弁体４とを備えている。弁座シート５は、弁体４の遊星歯車３に面する側の反対側において添設されている。電動弁１は内部全体を囲むハウジング６を備えており、ハウジング６に弁座シート５が取り付けられている。更に、弁座シート５には、各弁口２６，２７に接続した流入出用の配管７，８が取り付けられている。

ステッピングモータ２は、ハウジング６の外側を取り巻くように設けられた電磁コイル１０と、電磁コイル１０が生じる電磁作用で回転力を受けるロータ１１とから成っており、ロータ１１には電動弁１の中心に一致する位置において出力回転軸１２が固定されている。出力回転軸１２は、中心軸１３に回転自在に支持されている。

遊星歯車機構３は、太陽歯車１５と、太陽歯車１５を取り囲んで配置された固定内歯車１６と、太陽歯車１５と固定内歯車１６との間に両歯車１５，１６に噛み合い配置された遊星歯車１７とを備えている。太陽歯車１５は、出力回転軸１２の下部に形成されている。また、固定内歯車１６は、ハウジング６に内嵌されている筒本体１８の上部に、筒本体１８の一部として形成されている。図示の例では、遊星歯車１７は、４つ配置されている。太陽歯車１５を出力回転軸１２の一部とし、固定内歯車１６を筒本体１８の一部として形成することによって、電動弁１の部品点数の減少を図ることができ、構造の簡素化と共に部品管理や組立て工数の減少に寄与している。

遊星歯車機構３において、弁体４は、遊星歯車１７を自転自在に支持すると共に遊星歯車１７と共に公転するためのキャリヤとして用いられている。太陽歯車１５と固定内歯車１６とにおける兼用と合わせて、弁体４がキャリヤを兼ねることにより、構成部品が多くなる傾向にある遊星歯車機構３を用いる電動弁の構造について一層の簡素化を図ることができる。弁体４の詳細については、特に図３を参照して後述する。

弁座シート５は、筒本体１８の端部を閉じるように組み付けられている。図２は、弁座シート５の一例を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は下面図、（ｄ）は側断面図である。図２に示すように、弁座シート５は全体として略円板形状を呈しており、弁体４側のシート壁面２０は平坦面に形成されている。シート壁面２０には、その中心において、中心軸１３の先端部１３ａ（図１（ａ））が嵌入可能な軸受穴２２が形成されており、一方の端部がハウジング６に溶着にて固定され、出力回転軸１２を回転支持することができる。弁体４を貫通した中心軸１３の先端部１３ａを弁座シート５に固定支持することで、弁体４の支持構造を簡単化することができる。弁座シート５の周縁部には溝２３が形成されており、図１（ａ）に示すように、ハウジング６の端部が溝２３にいんろう嵌合可能である。また、弁座シート５のシート壁面２０には複数の係合穴３０が形成されており、筒本体１８はシート壁面２０に当接すると共に突起１９が係合穴３０に係合することで弁座シート５に対して回り止めされている。弁座シート５のシート壁面２０とは反対側の壁面２１には、配管７，８が嵌入される取り付け穴２４，２５が形成されている。

弁座シート５には、軸受穴２２を直径方向に挟んだ対称位置において、断面積の大きさが異なる二つの貫通した流入出用の弁口２６，２７が形成されている。弁口２６，２７は、シート壁面２０において流路として開口しており、壁面２１側においてはそれぞれ取り付け穴２４，２５内に開口している。

図３は弁体４の図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図、（ｄ）は下面図、（ｅ）は断面図である。弁体４は、遊星歯車側に第１壁面３１を、またその反対側に第２壁面３２を備えており、第１壁面３１及び第２壁面３２は中心軸１３の軸線に直交する平坦面に形成されている。第１壁面３１には、その中心位置において中心軸１３が挿通される中心孔３３が貫通形成されている。中心孔３３の上側には第１壁面３１に開口する同心大径のざぐり部３４が形成されており、ざぐり部３４には、中心軸１３の鍔部１３ｂとの間に中心軸１３を取り囲むように、付勢手段としてのばね（圧縮ばね）５１が配置されている。ばね５１は、ざぐり部３４において弁体４に作用して、弁体４を弁座シート５に向かって押し付ける力を及ぼしている。したがって、弁体４の第２壁面３２は、弁座シート５のシート壁面２０に面接触し、流体の流れの遮断や流量制御としての安定した弁機能を確保することができる。また、弁体４の第１壁面３１には、各遊星歯車１７の回転軸１７ａを回転自在に軸支持する軸受穴３５が周方向に９０度毎に隔置した位置に形成されている。

弁体４に備わる周筒面３６は、筒本体１８の筒状の内周壁面３７に液密状に摺接している。また、内周壁面３７は、弁体４の後述する各壁部と共に協働して後述する弁路４０を定めることができる。

弁体４は、中心軸１３を中心とし且つ遊星歯車１７と並列に整列した概略円柱体状に形成されている。弁体４と弁座シート５との間には、流路及び弁口２６，２７との間を繋ぐ弁路４０が形成されている。弁路４０は、弁体４と弁座シート５との周方向に延びており、出力回転軸１２によって弁体４が回転されるときにその回転角度に応じて弁開度を全閉から全開の間で変更可能である。弁体４によって、弁開度を変更するために弁体を回転させる機構が配置される一側（上側）の領域と、電動弁１によって流量が制御される液体が流れる他側（下側）の領域とで機能が明確に分担されるので、電動弁１の構造の簡素化が図られる。

弁体４の弁座シート５に面する側においては、中心孔３３周りに環状に延びる第２壁面３２に小さい方の弁口２７のみを閉鎖可能な閉鎖壁部４１が繋がって延びている。閉鎖壁部４１は、第２壁面３２から外側に扇状に広がっており、弁口２７を覆う位置にきたときに、弁口２７を完全に閉鎖することができる。第２壁面３２の周りには、扇状の閉鎖壁部４１から連続して延びる通路壁部４２が形成されている。通路壁部４２は、閉鎖壁部４１から螺旋状に次第に立ち上がる螺旋壁面４３と、螺旋壁面４３の最上部に連なり且つ閉鎖壁部４１と平行な段壁面４４と、第２壁面３２と螺旋壁面４３との間において延び且つ展開したときに楔形状を呈する内側周壁面４５と、螺旋壁面４３の外側で交差し内側周壁面４５と平行に延びる外側周壁面４６と、周筒面３６と外側周壁面４６との間に延びており且つ両面に交差する最外側の環状壁面４７とから成っている。これらの壁面４３〜４７から成る通路壁部４２は、弁座シート５のシート壁面２０、及び筒本体１８の内周壁面３７と協働して弁路４０を定めている。

弁口２６,２７は互いに大きさが異なっているので、弁体４が回転するとき、閉鎖壁部４１は弁口２７を閉鎖可能であるが、弁口２６については閉鎖することはない。弁体４の回転に伴って、通路壁部４２の特に螺旋壁面４３の構造に基づいて、弁口２７に対する相対位置が変更されるので、弁路４０について定められる流路断面積が次第に変化する。流路断面積の変化によって、電動弁１の弁開度が変更される。弁体４には、閉鎖壁部４１に対応してその外側位置に係止部４９が形成されており、筒本体１８に形成されているストッパ５０と当接するときに弁体４の回転を規制する。

図４には、この発明による電動弁１の弁作用を説明する模式的な展開図と断面図とが示されている。図４（ａ）及び（ｂ）は係止部４９がストッパ５０と当接した電動弁１の全閉状態を示す図である。弁座シート５の弁口２６は螺旋壁面４３から離れているために弁路４０に通じているが、弁体４の閉鎖壁部４１が弁口２７を完全に閉鎖している。弁体４は付勢手段であるばね５１によって弁座シート５に押し付けられているので、電動弁１の全閉状態が維持される。図４（ｃ）及び（ｄ）は、全閉状態から弁体４が順次回転したときの状態を示す図である。弁体４が回転すると、閉鎖壁部４１は弁口２７から離れるので、弁体４の回転角度に応じて弁口２７は弁路４０に通じる程度、即ち、弁開度が次第に大きくなる。図４（ｅ）及び（ｆ）は、閉鎖壁部４１が、弁口２６が存在する角度位置に到達したときの状態を示す図である。図４（ｇ）及び（ｈ）は、更に弁体４が回転して、係止部４９がストッパ５０の反対側から当接した弁口２７の全開状態を示す図である。

弁機能を得るための構造として、弁座シート５については、平坦なシート壁面２０と、互いに径の異なる弁口２６,２７とを形成するのみであるので、構造が簡単になる。また、弁体４についても、平坦な閉鎖壁部４１、並びに環状壁面４７及び段壁面４４と、周壁面としての内側周壁面４５及び外側周壁面４６と、螺旋壁面４３とから成る通路壁部４２から成る構造であるので、複雑な孔形状ではなく、いずれも外側に開いた壁面のみの簡単な面構造である。したがって、弁開度が全閉から全開の間で変更可能にする弁体４と弁座シート５の具体的な組合せ構造として、面の形成のみによって製造が容易になる簡単な構造とすることができる。

このように、ステッピングモータ２の出力回転によって弁体４を回転するとき、通路壁部４２は弁口２７に対する相対位置が変更され、弁路４０について定められる通路断面積、即ち、弁開度を全閉から全開までを含めて次第に変化させて、流量を変更することができる。回転式の弁体４を備えている電動弁１において、ステッピングモータ２の出力回転軸１２の回転は遊星歯車機構３を介することで減速された回転として弁体４に伝達されるが、遊星歯車機構３は大きな減速比を得ることができる歯車減速機として機能しているので、ステッピングモータ１２の出力回転の角度分解能が変わらなくても、弁体４の回転角分解能は減速の程度に応じて高くなり、弁開度を高精度に制御することができる。また、減速による分解能の向上の効果が十分であれば、ステッピングモータ２として電極数が少なくそれだけ高速で回転する小型のモータを使用することもできる。

この発明による回転式電動弁の一例を示す図であり、（ａ）は（ｂ）の矢印Ａ−Ａで見た縦断面図、（ｂ）は（ａ）の矢印Ｂ−Ｂで見た横断面図。 図１に示す回転式電動弁に用いられる弁座シートの図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は下面図、（ｄ）は縦断面図。 図１に示す回転式電動弁に用いられる弁体の図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は上面図、（ｄ）は下面図、（ｅ）は縦断面図。 図１に示す回転式電動弁の作動を説明するため、弁体と弁座シートを周方向に展開して示す説明図。

符号の説明

１ 回転式電動弁
２ ステッピングモータ
３ 遊星歯車機構
４ 弁体
５ 弁座シート
６ ハウジング
７，８ 配管
１０ 電磁コイル
１１ ロータ
１２ 出力回転軸
１３ 中心軸
１３ａ 先端部分
１３ｂ 鍔部
１５ 太陽歯車
１６ 固定内歯車
１７ 遊星歯車
１７ａ 回転軸
１８ 筒本体
１９ 突起
２０ シート壁面
２２ 軸受穴
２３ 溝
２４，２５ 取り付け穴
２６，２７ 弁口
３０ 係合穴
３１ 第１壁面
３２ 第２壁面
３３ 中心孔
３４ ざぐり部
３５ 軸受穴
３６ 周筒面
３７ 内周壁面
４０ 弁路
４１ 閉鎖壁部
４２ 通路壁部
４３ 螺旋壁面
４４ 段壁面
４５ 内側周壁面
４６ 外側周壁面
４７ 環状壁面
４９ 係止部
５０ ストッパ
５１ ばね

Claims (7)

1. ステッピングモータ及び当該ステッピングモータの出力回転によって回転することで弁開度を変更する弁体を備えている回転式電動弁において、前記ステッピングモータの出力回転軸の回転を遊星歯車機構を介することで減速して前記弁体に伝達することから成る回転式電動弁。
2. 前記遊星歯車機構は、太陽歯車、当該太陽歯車を取り囲んで配置された固定内歯車、及び前記太陽歯車と前記固定内歯車との間に前記両歯車に噛み合い配置された遊星歯車を備えており、前記弁体が前記遊星歯車を自転可能に支持し且つ前記遊星歯車と共に公転するキャリヤとして用いられていることから成る請求項１に記載の回転式電動弁。
3. 前記弁体は前記出力回転軸の軸心を中心とし且つ前記遊星歯車と並列に整列した円柱体状に形成されており、前記弁体には前記遊星歯車に面する側の反対側においてシート壁面に流入出用の二つの弁口が開口して形成された弁座シートが添設されていると共に、前記弁体と前記弁座シートとの間には前記両弁口間を繋ぎ前記弁体の回転に応じて前記弁開度を全閉から全開の間で変更可能な周方向に延びる弁路が形成されていることから成る請求項２に記載の回転式電動弁。
4. 前記両弁口は互いに大きさが異なる弁口として形成されており、前記弁体には、小さい方の前記弁口のみを閉鎖可能な閉鎖壁部と、前記閉鎖壁部に連なると共に前記弁座シートの前記シート壁面と協働して前記弁路を定める通路壁部とを備えており、前記通路壁部は、前記弁体の回転に伴って前記両弁口に対する相対位置が変更されることによって、前記弁路について定められる流路断面積を次第に変化させる形状を有していることから成る請求項３に記載の回転式電動弁。
5. 前記太陽歯車は前記出力回転軸の一部に形成されており、前記固定内歯車は前記弁座シートに当接している筒本体の一部として形成されていることから成る請求項２に記載の前記回転式電動弁。
6. 前記筒本体は前記弁体の周筒面に液密状に摺接する内周壁面を備えており、内周壁面は前記弁体の通路壁部及び前記弁座シートの前記シート壁面と共に協働して前記弁路を定めていることから成る請求項５に記載の前記回転式電動弁。
7. 前記出力回転軸は前記弁体を貫通した端部において前記弁座シートに回転支持されており、前記弁体は前記出力回転軸との間に配置された付勢手段によって前記弁座シートに押し付けられていることから成る請求項５に記載の前記回転式電動弁。
   

Images