JP2011241929A - 電動切換弁 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で複数の出口ポートを選択的に切り換えるとともに小型化と微小流量制御とが可能な電動切換弁を提供する。
【解決手段】電動切換弁は、弁本体１０の円周上に１個の入口ポート１１と３個の出口ポート１２を有し、各出口ポートに対向して３本の弁体１２０が配置される。キャン２０内外には、それぞれ回転自在なロータ３０とステータとして機能するコイルユニット４０が取り付けられる。ロータ３０の回転は不思議遊星歯車機構９３を介して減速されて回転カム部材８１に伝達される。回転カム部材８１の下端部外側に付設されたカム部１４０の一部に凸部１４０ａを有し、３本の弁体１２０を選択して押し上げて開弁するので、微小流量制御が可能である。カム部１４０を備えた回転カム部材８１は、弁体１２０に囲まれて中心寄りに配置されているので、省スペースとなり小型化を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、流路の切換えと流量の制御が可能な切換弁に係り、特に、冷蔵庫、空調機等の冷媒循環系に組み込んで使用するのに好適な、ステッピングモータを用いた電動切換弁に関する。

一般に、１本の流路Ａを流れる流体を２本の流路Ｂ及び流路Ｃのいずれかに任意に切り換えて流すようにする場合、通常、流路Ａと流路Ｂ、Ｃとの間に三方切換弁を介装する。

具体的には、例えば、冷蔵庫においては、圧縮機からの冷媒が導入される流路Ａと、冷媒を冷凍室側の蒸発器に導く流路Ｂと、冷媒を冷蔵室側の蒸発器に導く流路Ｃとの間に三方切換弁を介装し、流路Ａに導入された冷媒を、三方切換弁により流路Ｂと流路Ｃのいずれか一方のみに択一的に流すように構成されている。この場合、前記三方切換弁においては、流路Ａ（流入口）は常時開かれ、流路Ｂ（第１の流出口）が開けられているときは、流路Ｃ（第２の流出口）が閉じ、逆に、流路Ｂが閉じられているときは、流路Ｃが開くように構成されている。

特開２００２−３５７２７５号公報

近年、例えば、冷蔵庫においては、冷凍室、冷蔵室及び野菜室にそれぞれ蒸発器を設けてそれぞれの室の冷却を確実に行わせるようにする傾向にあり、このような冷蔵庫では上記のような従来の三方弁、或いは四方弁のような切換弁では対応できない。また、飲料等の自動販売機の冷凍システムにおいては、季節に応じて運転モードの変更に伴って流路や流量を切り換える必要があるが、従来の切換弁では対応できない。更に、電動切換弁は、モータの回転出力を、ねじ機構のような回転運動を軸方向運動に変換する運動変換機構を介して弁体のリフトに変換しているが、モータの回転（制御用パルス）に対するリフト量の制御が粗いので、出力トルクが小さくなるとともに精密な弁開度制御ができず、例えば二酸化炭素のような差圧の大きな作動流体を用いる場合や大容量の作動流体を扱う場合には微小流量での高精度な流量制御が困難になる、という問題がある。

また、切換先の流出口数が増加すると、各弁のリフトを制御するためのモータ出力の分解能が低下して精密な弁開度制御が更に困難になるとともに、流出口とその流出口を開閉する弁体とを配置するためのスペースが増大して切換弁が大型化する傾向がある、という問題がある。

そこで、本発明の課題は、上記問題を解消できる切換弁として、冷凍室、冷蔵室及び野菜室にそれぞれ蒸発器を設けてそれぞれの室の冷却を確実に行わせる冷蔵庫等に対応可能であって、差圧の大きな作動流体を用いる場合や大容量の作動流体を扱う場合であっても微小流量での制御性を確保することができ、更に小型化が可能でもある四方弁等の電動切換弁を提供することにある。

本発明の電動切換弁は、流体が流入する入口ポート及び流体が流出する複数の出口ポートを有する弁本体と、弁本体に取り付けられる非磁性金属材料製の円筒形状のキャンと、キャンの内側に配置され、複数の出口ポートをそれぞれ開閉するように進退動可能な複数の棒状の弁体と、キャンの内側に回転自在に支持されるロータと、ロータの回転力が伝達されて回転し、複数の弁体を駆動するカム部材と、ステータとして機能するコイルユニットとを備えて、入口ポートを複数の出口ポートに選択的に連通するように流路を切換える電動切換弁であって、ロータの回転を減速して伝達する遊星歯車機構を備え、前記カム部材には、遊星歯車機構の出力軸の回転により前記弁体を選択的に押し上げる凸部が前記遊星歯車機構の側へ突出するように形成されている。ロータの回転を遊星歯車機構によって減速してカム部材に伝達しているので、ステータに入力される制御用パルスに対する弁体のリフトの制御が高精度になるとともに、出力トルクが大きくなり、差圧の大きな作動流体を用いる場合や大容量の作動流体を扱う場合であっても微小流量での制御性を確保することができる。

また、本発明の電動切換弁は、流体が流入する入口ポート及び流体が流出する複数の出口ポートを有する弁本体と、弁本体に取り付けられる非磁性金属材料製の円筒形状のキャンと、キャンの内側に配置され、複数の出口ポートをそれぞれ開閉するように進退動可能な複数の棒状の弁体と、キャンの内側に回転自在に支持されるロータと、ロータの回転力が伝達されて回転し、複数の弁体を駆動するカム部材と、ステータとして機能するコイルユニットを備えて入口ポートを複数の前記出口ポートに選択的に連通するように流路を切換える電動切換弁であって、前記複数の弁体はカム部材の外側に配置され、前記カム部材の外側には当該カム部材の回転に応じて前記弁体を選択的に押し上げる可能とする凸部が形成されている。カム部材は弁体で取り囲まれる配置とされているので、弁体の内側のスペースを利用してカム部材を配置することができ、カム部材が回転するときにその外側の形成されている凸部が弁体をリフトさせることができ、電動切換弁の小型化を図ることができる。

更に、本発明による電動切換弁は、流体が流入する入口ポート及び流体が流出する複数の出口ポートを有する弁本体と、弁本体に取り付けられる非磁性金属材料製の円筒形状のキャンと、複数の出口ポートをそれぞれ開閉するように進退動可能な複数の棒状の弁体と、キャンの内側に回転自在に支持されるロータと、ロータの回転力が伝達されて回転し、複数の弁体を駆動するカム部材と、ステータとして機能するコイルユニットとを備えて入口ポートを複数の前記出口ポートに選択的に連通するように流路を切換える電動切換弁であって、ロータの回転を減速して伝達する遊星歯車機構を備え、前記複数の弁体は前記カム部材の周囲に配置され、前記カム部材の外側には、前記遊星歯車機構の出力軸の回動により前記弁体を選択的に押し上げ可能とする凸部が形成されている。ロータの回転が遊星歯車機構を介してカム部材に伝達されるので、ステータに入力される制御用パルスに対する弁体のリフトを高精度に制御することができるとともに、弁体をリフトさせるカム部材が弁体によって囲まれる内側に配置されるので、カム部材を弁体の外側に配設させる場合と比較して小型化を図ることができる。

上記電動切換弁において、前記遊星歯車機構を、サンギアと、当該サンギアと噛み合う遊星ギアと、当該遊星ギアに噛み合う固定リングギアと、前記遊星ギアに噛み合うとともに前記固定リングギアの歯数と僅かに相違する歯数を有する出力リングギアとを備えた不思議遊星歯車機構とし、前記サンギアを前記ロータに連結し、前記出力リングギアを前記カム部材に連結することができる。不思議遊星歯車機構を用いる場合には、モータの回転に対するカム部材の減速比が極めて大きくなり、弁体のリフトをより一層高精度に制御することができ、且つステータに入力される制御用パルス当たりの出力トルクを一層大きくすることができる。

上記電動切換弁において、前記カム部材を筒状の回転カム部材として前記凸部を前記回転カム部材の外面に設け、前記弁体と前記出口ポートとを前記弁本体において前記カム部材の前記凸部の円弧状軌跡に沿って並んで配置することができる。弁体、出口ポート及びカム部材についてこのような配置及び構造を採ることで、省スペースを図ることができる。また、前記弁体及び前記出口ポートは、前記ロータの回転軸の回りにほぼ等間隔の角度で隔置して配設することができる。

各弁での流量を制御するため、カム部材には、周方向に隔置した複数個の凸部を形成することができる。また、カム部材の凸部は、カム部材の回転方向に複数の段面を有する多段カム面に形成することができる。複数の段面は段高さが異なるように、また回転方向順次高さを増減させることができ、各段に応じて不連続で且つ段階的な流量制御を行う形状とすることができる。また、カム部材の凸部は、カム部材の回転方向に傾斜した傾斜カム面に形成することができる。傾斜カム面は連続的な斜面であるので、弁体との係合位置に応じて連続的且つ無段階な流量制御を行うことができる。多段カム面の最大段高さや傾斜カム面の最大高さは、当該弁体が開閉する出口ポートを通じる流れに求められる最大流量に応じて、弁体が押し上げ可能な最大高さ又はそれ以下の高さに設定することができる。
また、弁体はロータの回転軸に平行な軸線方向に配設される２本以上の棒状の弁体であって、各弁体に対向して配設される出口ポートは、弁体の軸線と同一軸線を備える。弁体の本数は、好ましくは２本〜５本である。多数本の場合には、弁の径を大きくして、各弁に対して作用するカムの範囲を確保することが好ましい。
更に、弁体の頂部に配設されて弁体を出口ポートに向けて付勢する付勢手段を備えることができる。
更に、弁体を摺動自在に支持する弁ガイド孔は、弁本体に形成されることが望ましい。その場合、弁本体にキャン内に連通する空間を形成し、弁ガイド孔と出口ポートとをその空間内に開口するように形成することができる。
更に、入口ポートは、出口ポートと平行に弁本体に形成することができる。
更にまた、前記凸部は、弁体の押し上げ量を変更可能とすることもできる。

本発明はパルスモータを用いて、１個の入口ポートから流入する流体を複数の出口ポートに選択的に切り換え可能とした簡素な構成を有する電動切換弁を得ることができる。即ち、パルスモータの出力を制御してカム部材の回転に応じて弁体を選択的に押し上げることで、出口ポートを選択的に切り換えることができる。更に、その選択した弁体において、カム部材の回転に応じてカム部材の凸部が各弁体に対して占める位置を制御することで、弁体のリフト量、即ち、弁の出口ポートを通る流量を制御することができる。しかも、ロータの回転を遊星歯車機構によって大きく減速してカム部材に伝達しているので、モータ出力の分解能を高め、微小流量のときでも、回転するカム部材の凸部が弁体に作用するときの弁体のリフト量、即ち、弁の出口ポートを通る流量を高精度に制御することができる。更にまた、カム部材を弁体で取り囲む配置としているので、カム部材が回転するときにその外側に形成されている凸部が弁体をリフトさせることができ、弁体の内側のスペースを利用してカム部材を配設することができ、省スペース、小型化を図ることができる。

本発明による電動切換弁の一実施例の全体構造を示す断面図。 図１に示す電動切換弁の動作パターンを概念的に示す説明図。 本発明による電動切換弁に用いられるカム部の例を示す斜視図。

図１は、本発明の電動切換弁の全体構造を示す断面図であり、図２は図１に示す本発明の電動切換弁の動作パターンを、四方弁を例に取って概念的に示す説明図である。
全体を符号１で示す電動切換弁は、複数の直径を有する段付きの柱状体である弁本体１０を有し、弁本体１０には後述する冷媒等の入口となる常時開放された入口側のポート１１（図２）と複数の出口側のポート１２がロータ３０の回転軸に平行な軸線方向に設けられる。図１及び図２に示す実施例は四方弁であるので、一つの入口側のポート１１と三つの出口側のポート１２とが設けられている。なお、入口側ポート１１は、ロータ３０の回転軸に平行な軸線方向以外の方向に設けられても良い。
図に示す各ポートには配管１４が接続される。弁本体１０の上部には、入口ポート１１と各出口ポート１２とを連通する環状の連通空間（空隙部）２００を介して弁支持部１００が一体に形成され、出口側のポート１２の上端に３個の弁シート１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ（１１０で総称する）が形成される。この例においては、入口ポート１１と３本の出口ポート１２はほぼ９０度間隔で配置されている。また、前記環状の連通空間２００は、キャン２０の内部に連通している。
弁支持部１００は３本の出口ポート１２のそれぞれと同軸（即ちロータ３０の回転軸に平行）でかつ上下に貫通する３つの弁ガイド孔２１０を備え、各弁ガイド部２１０内において３本の棒状の弁体１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ（１２０で総称する）がその軸方向に摺動自在に支持される。すなわち、３本の出口ポート１２（すなわち各弁シート１１０ａ〜１１０ｃ）は、３つの弁体１２０ａ〜１２０ｃ（各弁体１２０ａ〜ｃが挿入された各弁ガイド孔２１０）の軸線と同一の軸線を備えている。
上述のように、弁本体１０の外周面から内側に向かって環状の連通空間２００が形成され、この連通空間２００内の上下相対向する面に各弁シート１１０ａ〜ｃと各弁ガイド孔２１０が開口するように該弁本体１０が形成されているため、弁シート１１０ａ〜ｃと弁ガイド孔２１０とをそれぞれ別部材に構成して配置する場合に比較して、各出口ポート１２の中心軸と各弁ガイド孔２１０の中心軸がずれことがなく、それぞれの同軸度が確保され、各弁による流体の制御を極めて良好に行うことができる。また、弁シート１１０ａ〜ｃと弁ガイド孔２１０とをそれぞれ別部材に構成して配置する場合では、弁体１２０が複数であるときに同心度のずれが累積して生じるおそれがあるが、この実施例ではそのような懸念もない。
また、入口ポート１１も、出口ポート１２と同様に（出口ポート１２と平行に）弁本体１０に形成されているので、その加工や成形も出口ポート１２の場合と同様に行うことができ、弁本体１０の製作が複雑化することがない。
なお、図１の例においては、弁本体１０にはさらに配管１４が挿入される孔が形成されているが、該孔は弁本体とは別の部品に形成し、該部品に弁本体１０を固定する構成をとっても良い。

各弁体１２０は、弁シート１１０に当接する先端部がテーパー状に形成されており、それぞれ弁支持部１００の上面よりも上方に突出する部分にフランジ部１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ（１２２で総称する）を有している。この実施例では、弁体１２０ａ及び弁シート１１０ａを備える第１の弁と、弁体１２０ｂ及び弁シート１１０ｂを備える第２の弁との間、及び第２の弁と弁体１２０ｃ及び弁シート１１０ｃを備える第３の弁との間は、弁本体１０の中心（シャフト６０の中心軸線）の回りでほぼ９０度の角度で離れている。

弁本体１０の上部には、非磁性の金属材料で製作される円筒形状のキャン２０がリング状の受部材１０ａを介して取り付けられる。このキャン２０のキャン内部２０ａには、入口ポート１１から流入する冷媒等が充満される。なお、前記受部材１０ａは弁本体１０に直接形成されても良く、その場合、キャン２０については直接弁本体に取り付ることができる。
キャン２０内には磁性材料で製作されるロータ３０が回転自在に配設される。ロータ３０は連結部材３２と一体に形成されるサンギア９４に連結されている。サンギア９４は後述する遊星歯車機構の要素の一つであり、その中心にはシャフト６０が貫通され、シャフト６０の下端部は弁本体１０に設けた穴に差し込まれている。シャフト６０の上部は、キャン２０の頂部近傍に設けた受け部材６２により支持されている。遊星歯車機構の固定のリングギア９６を支持する筒体９６ａが弁支持部１００に固定されており、筒体９６ａの内周部にはキャップ状のばね受け９９が固定され、ばね受け９９と３本の弁体１２０との間にそれぞれスプリング９２が圧縮状態に配置されている。各スプリング９２は、弁体１２０を弁シート１１０に向けて付勢している。

キャン２０の外周部にはステータとして機能するコイルユニット４０が着脱自在に取り付けられる。このコイルユニット４０は巻線４２を巻き付けたボビン４４を樹脂４６で覆った構造を有する。
巻線４２は電線５０を介してターミナル５４に接続され、リード線５２を介して外部の給電装置に接続される。ステータとして機能するコイルユニット４０とキャン２０の内部のロータ３０は、ステッピングモータを構成する。このステッピングモータはコイルユニット４０に入力される制御用パルスとして、例えば９６パルスでロータが３６０度回転する仕様を備える。

電動切換弁１のマグネットロータ３０の回転は、不思議遊星歯車機構９３によって大きく減速され且つ中心軸に近い寄りの出力ギアに出力される。不思議遊星歯車機構９３は、連結部材３２と一体に構成され且つロータ３０の回転が連結部材３２を介して入力されるサンギア９４と、サンギア９４に噛み合う複数の遊星ギア９５と、筒体９６ａに支持されており且つ遊星ギア９５の上半分と噛み合う固定のリングギア９６と、遊星ギア９５の下半分と噛み合い且つ固定リングギア９６と歯数が僅かに異なる出力リングギア９７とを備えている。
出力リングギア９７にはその中心側に円柱状の回転カム部材８１が固定されており、出力リングギア９７は回転カム部材８１を介してシャフト６０の回りに回転可能と支持されている。また回転カム部材８１の下端部の外周には、弁体リフト用のカム部１４０が取り付けられている。このように、出力リングギア９７、回転カム部材８１及びカム部１４０は、一体的に構成されている。
遊星ギア９５の回転を支持しながら自らも回転するキャリア９８が出力リングギア９７に相対回転可能に支持されている。
カム部１４０は弁本体１０の上面に回転可能に載置されており、また、出力リングギア９７と、スプリング９２の上端を受けるばね受け９９との間に微小な隙間が形成されるように、該ばね受け９９が筒体９６ａの内部に固定されている。

弁本体１０における弁体１２０の配置は、回転カム部材８１の外側を円形状に取り囲むように並んだ配置となっている。弁体リフト用のカム部１４０は、回転カム部材８１の下端部の外側に付設されており、カム部１４０のリング状上面の一部には上方へ突出する凸部１４０ａが形成されている。本例では、凸部１４０ａは一つであって、弁体１２０のフランジ部１２２ａ〜１２２ｃ（１２２で総称する）は、カム部１４０の凸部１４０ａの回転軌跡（円弧）に沿って等間隔（例えば９０度毎）に配置されている。したがって、カム部１４０の凸部１４０ａは弁体１２０のフランジ部１２２に対してマグネットロータ３０の回転中心寄り側から選択的に係合する。リフトしている弁体１２０では、カム部１４０が弁体１２０のフランジ部１２２に当接して、弁体１２０を押し上げている。また、リフトしていない弁体１２０は、弁シート１１０に着座しているので、カム部１４０とフランジ部１２２との間には隙間がある。

遊星歯車機構、特に不思議遊星歯車機構９３を用いることにより、ロータ３０の回転が大きく減速されて回転カム部材８１に伝達される。したがって、出力ギア９７の制御用パルス当たりのトルクは大きくなるので、二酸化炭素のような差圧の大きな作動流体を扱うときを含めて、弁体１２０は大容量・高圧な作動流体に対応してもリフト可能であり、しかもそのリフト量を高精度に制御できるので微小流量制御が可能になっている。また、回転カム部材８１とそれに付設されているカム部１４０は、弁体１２０で囲まれた内側に配置されているので、弁体１２０の外側に回転カム部材を配置するよりも省スペースとなり、電動切換弁の小型化を図ることができる。

図２は、本発明の電動切換弁の動作パターンを概念的に示す説明図であり、図２の上部分は本発明の電動切換弁の要部の機構を概念的に示す説明図、図２の下部分は各弁体の動作を示す模式図である。図２を参照して本発明の作用を説明する。
図２の（ａ）は、カム部１４０の凸部１４０ａが第１の弁体１２０ａのフランジ部１２２ａの下側に当接して、第１の弁体１２０ａを第１の弁シート１１０ａから押し上げ、第１の弁を開いた状態を示す。入口側のポート１１から流入した冷媒は、連通空間２００（及びキャン内部２０ａ）を経由して第１の弁シート１１０ａに連通する出口側のポート１２を通り、電動切換弁１の外部に流出する。この間に第２の弁体１２０ｂは第２の弁シート１１０ｂに当接し、第２の弁は閉じた状態となっている。同様に第３の弁体１２０ｃも第３の弁シート１１０ｃに当接し、第３の弁は閉じた状態となっている。
なお、図１より明らかなように、凸部１４０ａにより押し上げられていない弁体（図２（ａ）の例においては、弁体１２０ｂ、１２０ｃ）は、弁シート１１０への当接時にはカム部１４０には当接しないようにされており、この結果、押し上げられていない弁体を弁シートに良好に密着させて弁が閉じるように十分にスプリング９２の弾発力を働かせるようにされている。

パルスモータにパルス指令が与えられて、ロータ３０とともにカム部１４０が矢印Ｒ_１方向に約９０度旋回動すると、カム部１４０の凸部１４０ａは第２の弁体１２０ｂを押し上げる位置に移動する（図２（ｂ））。第２の弁体１２０ｂは、第２の弁シート１１０ｂから引き上げられて、第２の弁は開弁する。第１の弁体１２０ａは、カム部１４０の凸部１４０ａが通過することにより、スプリング９２により押し下げられて第１の弁シート１１０ａを閉じ、第１の弁は閉弁する。この間に第３の弁体１２０ｃは第３の弁シート１１０ｃを閉じた状態を保ち、第３の弁は閉弁状態を維持する。

ロータ３０が更に約９０度回動すると、カム部１４０の凸部１４０ａは第３の弁体１２０ｃを押し上げる位置に移動し、第３の弁は開弁する。第２の弁は閉弁し、第１の弁は開弁状態を保つ（図２（ｃ））。カム部１４０の凸部１４０ａが３本の弁体１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃのいずれの弁体を押し上げない位置にあっては、３つの弁をいずれも閉弁状態とすることもできる。

本発明の電動切換弁１は以上のようにパルスモータでカム部１４０を約１８０度回動する間に３個の弁のうちの１個を選択的に開閉することができる。例えば、９６パルスでロータが１回転するパルスモータと、ギヤ比４５の不思議遊星歯車機構を使用するものであっては、０パルスで第１の弁を開弁させ、１０８０パルスで第２の弁を開弁させ、２１６０パルスで第３の弁を開弁させることができる。

図３は、本発明による電動切換弁に用いられるカム部の例を示す斜視図である。図３（ａ）〜図３（ｅ）には、図１に示す回転カム部材８０ととともにカム部材を構成し、回転カム部材８０の下部の内側に設けられるリング状のカム部の各種形態が示されている。図３（ｄ）は、図２において示したカム部と同じ基本形となるものであって、カム部８２は環状の上面が一様な高さのカム面８２ｄとなっており、周方向の一部に凸部８２ａが形成されている。凸部８２ａが弁体のフランジ部に当接して弁体を弁シートから押し上げると、そのリフト量に応じて弁が開く。この例では、凸部８２ａが弁体のフランジ部に当接するときに一つのリフト量が与えられ、弁の開閉、即ち、オン・オフの切換えが得られる。

図３（ａ）には、多段カム面を与えるカム部の例が示されている。即ち、このカム部１３１のリング状上面の一部には、凸部１３１ａが上方へ突出して形成されており、凸部１３１ａには、その上面に、カム部材の回転方向に沿って段高さが順次異なる多段カム面１３２が形成されている。多段カム面１３２は、最も段高さが高いカム面１３２ａと、最も段高さが低いカム面１３２ｃと、これら両段高さの中間の段高さを有するカム面１３２ｂとを有している。基本高さのカム面１３２ｄを含めて隣り合うカム面との間は斜面にて接続されており、カム面間の切換のために回転カム部材８０にとって必要な回転を定めているとともに、弁体のフランジ部が当接しながら移動し易くしている。回転カム部材８０の回転角度によって、カム面１３２ａ〜１３２ｃのうちいずれか一つのカム面が弁体のフランジ部と当接する面に選択され、その選択されたカム面の段高さに応じて弁体のリフト量が定められる。カム部１３１の凸部１３１ａの各カム面は各段高さに応じて不連続で且つ段階的な流量制御を与える。カム部１３１については、フランジ部が平らなカム面１３２ａ〜１３２ｃにどれかと係合するときに回転を停止して、その作動点で弁を作動させる使い方が好ましい。この例では、多段のカム面を３つの段高さとしたが、これに限る必要はなく、段数については流量に求められる段数に応じて適宜定めることができる。

図３（ｂ）には、傾斜カム面を与えるカム部の例が示されている。即ち、このカム部１３３のリング状上面の一部には、凸部１３３ａが上方へ突出して形成されており、凸部１３３ａには、その上面に、カム部材の回転方向に段高さが連続的に変化する傾斜カム面１３４が形成されている。傾斜カム面１３４は、基本高さのカム面１３４ｄから最も高さが高いカム面１３４ａまで滑らかに傾斜しており、最も高いカム面１３４ａと基本高さのカム面１３４ｄとを直接結ぶ斜面は比較的急な斜面で接続されている。回転カム部材８０の回転角度によって、弁体のフランジ部が当接することになるカム面は傾斜カム面１３４のいずれかの位置に選択され、その選択されたカム面の段高さに応じて弁体のリフト量が定められる。したがって、カム部１３３の凸部１３３ａの各カム面は、各段高さに応じて連続で且つ無段階な流量制御を与える。

図３（ａ）や図３（ｂ）に示すように、多段カム面の最大段高さや傾斜カム面の最大傾斜高さは、弁に求められる最大流量に応じて定めることができる。図３（ｃ）には、カムの傾斜を緩やかにして、傾斜の最大高さを低くして最大開度を小さくしたカム部の例が示されている。即ち、カム部１３５の凸部１３５ａの上面に形成される斜面１３６は図３（ｂ）に記載の例と比較して傾斜が緩く、最大高さのカム面１３６ａが低く抑えられている。このため、弁は全開にならず、したがって微小流量の範囲内でカムの回転に応じて弁開度、即ち、流量を高精度に制御することができる。この例では、傾斜カム面について示したが、多段カム面の場合でも同様である。

弁体はロータの回転軸に平行な軸線方向に配設される２本以上の棒状の弁体であって、各弁体に対向して配設される出口ポートは、弁体の軸線と同一軸線を備える。多数本の場合には、弁の径を大きくして、各弁に対して作用するカムの範囲を確保することが好ましい。図３（ｅ）には、弁体がロータ（回転カム部材）の回転軸を間に挟んで対向した位置にそれぞれ配置された場合の例としてのカム部１３７が示されている。カム部１３７は、二つの弁体に応じて、二つの凸部、即ち、凸部１３７ａと凸部１３７ｂとを備えている。凸部１３７ａと凸部１３７ｂとはカム部１３７の回転中心に対して点対称な形状を呈しているが、これに限らない。凸部１３７ａと凸部１３７ｂの上面には、傾斜面１３８，１３９（高さが最も高い面１３８ａ及び１３９ａ）が形成されており、カムの回転位置に応じて流量制御を行うものであって、冷凍サイクルに適用されたときには多数の熱交換機器に冷媒を供給することが可能である。

アクチュエータにおいては、ロータの回転方向の制御によってカムの回転方向を選択できるので、次第にリフトを増加する制御（図３に示す各カム部を反時計方向に回転）も、一度に全リフト（弁としては全開；図３に示す各カム部を時計方向に回転）としその後に次第にリフトを漸減させる制御も可能である。図２に示す例では１８０度の往復回転を行っている。図３に示す各カム部についてもそうしたカム作動であってもよい。

カム部について複数の凸部を形成する場合には、凸部の上面のカム面形状については異なる形状を組み合わせることも可能である。例えば、一方の弁体用に設けられる凸部のカム面は図３（ａ）に示すような階段状のカム面とし、他方の弁体用に設けられる凸部のカム面を図３（ｂ）（ｃ）に示すような斜面とする組合せも可能である。また、一方の弁が所定のカム部の回動範囲で全開までの開度で制御され、他方の弁が同じカム部の回動範囲で微小に変更するような制御も可能である。

本発明は、以上のようにカム部の形状を予め定めることにより、少ない部品点数で複数本の流出流路に通ずる複数の弁を選択的に開閉して流路を切り換え、しかも選択された弁について流量を制御する電動切換弁を得ることができる。
なお、上述した実施例にあっては３個の弁を９０度の間隔で配置した例を示したが、弁の個数及び間隔や出口ポートの口径等は自由に設定可能であることは当然である。
また、前述の説明においては、入口側のポート１１から流入した冷媒は、弁本体１０の外周方向に環状に形成された連通空間２００（及びキャン内部２０ａ）を経由して、開放した出口側のポート１２を通り、電動切換弁１の外部に流出するものとした。しかし、図１に示すように、連通空間２００はキャン２０の内部空間に開放しているので、該連通空間２００は必ずしも環状である必要はなく、少なくとも各弁ガイド孔の開口部とそれに対向する出口ポートの開口部（弁シート）とが連通するだけの幅（弁本体１０の外周方向の幅）を持ったものであれば良い。
本発明の電動切換弁は、各種の流体流路の切り換えに利用することができ、また例えば複数の熱交換器（例えば蒸発器）を有する冷凍サイクルにおいて、入口ポートに凝縮器の冷媒吐出口を接続すると共に、出口ポートに膨張手段を介して複数の蒸発器の冷媒流入口を接続し、各蒸発器に対する冷媒の供給を選択的に行うことができる。
さらに本発明の電動切換弁では、弁体の押し上げ量を制御することにより出口ポートより吐出される流体の流量制御が行えるので、上記したような冷凍サイクルに本発明を適用した場合に、各出口ポートからの冷媒吐出量を制御すれば、当該切換弁を冷媒の切り換えのみでなく、上記膨張手段の機能として利用することもできる。

１ 電動切換弁 １０ 弁本体
１１ 入口側のポート １２ 出口側のポート
１４ 配管
２０ キャン ２０ａ キャン内部
３０ ロータ
３２ 連結部材
４０ コイルユニット ４２ 巻線
４４ ボビン ４６ 樹脂
５０ 電線
５２ リード線 ５４ ターミナル
６０ シャフト ６２ 受け部材
８０，８１ 回転カム部材 ８２ カム部
８２ａ 凸部 ８２ｄ カム面
９０ キャップ ９２ スプリング
９３ 不思議遊星歯車機構 ９４ サンギア
９５ 遊星ギア ９６ 固定のリングギア
９６ａ 筒体 ９７ 出力ギア
９８ キャリア ９９ ばね受け
１００ 弁支持部
１１０，１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ 弁シート
１２０，１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ 弁体
１２２，１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ フランジ部
１３１ カム部 １３１ａ 凸部
１３２ 多段カム面 １３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄ カム面
１３３ カム部 １３３ａ 凸部
１３４ 傾斜カム面 １３４ａ，１３４ｄ カム面
１３５ カム部 １３５ａ 凸部
１３６ 斜面 １３６ａ カム面
１３７ カム部 １３７ａ，１３７ｂ 凸部
１３８，１３９ 傾斜面 １３８ａ及び１３９ａ 最も高い面
１４０ カム部 １４０ａ 凸部
２００ 連通空間

Claims (18)

1. 流体が流入する入口ポート及び流体が流出する複数の出口ポートを有する弁本体と、
   前記弁本体に取り付けられる非磁性金属材料製の円筒形状のキャンと、
   前記キャンの内側に配置され、前記複数の出口ポートをそれぞれ開閉するように進退動可能な複数の棒状の弁体と、
   前記キャンの内側に回転自在に支持されるロータと、
   前記ロータの回転力が伝達されて回転し、前記複数の弁体を駆動するカム部材と、
   ステータとして機能するコイルユニットとを備えて、
   前記入口ポートを複数の前記出口ポートに選択的に連通するように流路を切換える電動切換弁であって、
   前記ロータの回転を減速して伝達する遊星歯車機構を備え、
   前記カム部材には、前記遊星歯車機構の出力軸の回転により前記弁体を選択的に押し上げる凸部が前記遊星歯車機構の側へ突出するように形成されている電動切換弁。
2. 前記遊星歯車機構は、サンギアと、当該サンギアと噛み合う遊星ギアと、当該遊星ギアに噛み合う固定リングギアと、前記遊星ギアに噛み合うとともに前記固定リングギアの歯数と僅かに相違する歯数を有する出力リングギアとを備えた不思議遊星歯車機構であり、前記サンギアが前記ロータに連結されており、前記出力リングギアが前記カム部材に連結されている請求項１記載の電動切換弁。
3. 流体が流入する入口ポート及び流体が流出する複数の出口ポートを有する弁本体と、
   前記弁本体に取り付けられる非磁性金属材料製の円筒形状のキャンと、
   前記キャンの内側に配置され、前記複数の出口ポートをそれぞれ開閉するように進退動可能な複数の棒状の弁体と、
   当該キャンの内側に回転自在に支持されるロータと、
   前記ロータの回転力が伝達されて回転し、前記複数の弁体を駆動するカム部材と、
   ステータとして機能するコイルユニットとを備えて、
   前記入口ポートを複数の前記出口ポートに選択的に連通するように流路を切換える電動切換弁であって、
   前記複数の弁体は前記カム部材の外側に配置され、
   前記カム部材の外側には該カム部材の回転に応じて前記弁体を選択的に押し上げ可能とする凸部が形成されている電動切換弁。
4. 前記カム部材は筒状の回転カム部材であり、前記凸部は前記回転カム部材の外面に設けられており、前記弁体と前記出口ポートとは前記弁本体において前記カム部材の前記凸部の円弧状軌跡に沿って並んで配置されている請求項３記載の電動切換弁。
5. 流体が流入する入口ポート及び流体が流出する複数の出口ポートを有する弁本体と、
   前記弁本体に取り付けられる非磁性金属材料製の円筒形状のキャンと、
   前記キャンの内側に配置され、前記複数の出口ポートをそれぞれ開閉するように進退動可能な複数の棒状の弁体と、
   前記キャンの内側に回転自在に支持されるロータと、
   前記ロータの回転力が伝達されて回転し、前記複数の弁体を駆動するカム部材と、
   ステータとして機能するコイルユニットとを備えて、
   前記入口ポートを複数の前記出口ポートに選択的に連通するように流路を切換える電動切換弁であって、
   前記ロータの回転を減速して伝達する遊星歯車機構を備え、
   前記複数の弁体は前記カム部材の周囲に配置され、
   前記カム部材の外側には、前記遊星歯車機構の出力軸の回動により前記弁体を選択的に押し上げ可能とする凸部が形成されている電動切換弁。
6. 前記遊星歯車機構は、サンギアと、当該サンギアと噛み合う遊星ギアと、当該遊星ギアに噛み合う固定リングギアと、前記遊星ギアに噛み合うとともに前記固定リングギアの歯数と僅かに相違する歯数を有する出力リングギアとを備えた不思議遊星歯車機構であり、前記サンギアが前記ロータに連結されており、前記出力リングギアが前記カム部材に連結されている請求項５記載の電動切換弁。
7. 前記カム部材は筒状の回転カム部材であり、前記凸部は前記回転カム部材の外面に設けられており、前記弁体と前記出口ポートとは前記弁本体において前記カム部材の前記凸部の円弧状軌跡に沿って並んで配置されている請求項５又は６記載の電動切換弁。
8. 前記弁体及び前記出口ポートは、前記ロータの回転軸の回りにほぼ等間隔の角度で配設されている請求項４又は７記載の電動切換弁。
9. 前記カム部材には、周方向に隔置した複数個の前記凸部が形成されている請求項１〜８のいずれか一項記載の電動切換弁。
10. 前記カム部材の前記凸部は、前記カム部材の回転方向に複数の段面を有する多段カム面に形成されている請求項１〜９のいずれか一項記載の電動切換弁。
11. 前記カム部材の前記凸部は、前記カム部材の回転方向に傾斜した傾斜カム面に形成されている請求項１〜９のいずれか一項記載の電動切換弁。
12. 前記多段カム面の最大段高さ又は前記傾斜カム面の最大高さは、前記弁体の押し上げによって前記出口ポートを通じる流れに求められる最大流量に応じて、前記弁体が押し上げ可能な最大高さ又はそれ以下の高さに設定されている請求項１０又は１１記載の電動切換弁。
13. 前記弁体は前記ロータの回転軸に平行な軸線方向に配設される２本以上の棒状の弁体であって、各弁体に対向して配設される前記出口ポートは、前記弁体の軸線と同一軸線を備える請求項１〜１２のいずれか一項記載の電動切換弁。
14. 前記弁体の頂部に配設されて前記弁体を前記出口ポートに向けて付勢する付勢手段を備える請求項１〜１３のいずれか一項記載の電動切換弁。
15. 前記弁体を摺動自在に支持する弁ガイド孔は、前記弁本体に形成されたことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項記載の電動切換弁。
16. 前記弁本体は、前記キャン内に連通する空間を備え、
    前記弁ガイド孔と前記出口ポートとは、前記空間内に開口するように形成されたことを特徴とする請求項１５記載の電動切換弁。
17. 前記入口ポートは、前記出口ポートと平行に前記弁本体に形成されたことを特徴とする請求項１６記載の電動切換弁。
18. 前記凸部は、前記弁体の押し上げ量を変更可能とすることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項記載の電動切換弁。

Images