JP2012062961A - 電動弁 - Google Patents

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Abstract

【課題】小型かつ簡単な構成で、両閉弁ストッパの当接時にステータコイルの所定の励磁極とロータの所定の磁極とを正対(対向)させる磁極合わせを確実に行う電動弁を提供する。
【解決手段】ステータコイル21への励磁により回転するロータ7と、ロータの回転に伴って回転するねじ部材10と、ねじ部材の回転により弁座4に接離する弁体12と、ロータの回転に伴って回転する可動側ストッパ(全閉上ストッパ部)7aと、弁体の最下降時に、可動側ストッパに当接してねじ部材の弁閉方向の回転を規制する固定側ストッパ(全閉下ストッパ部)11dとを備え、ロータの所定の磁極7bと、可動側ストッパの固定側ストッパとの当接面7cとを上面視一致させ、固定側ストッパの可動側ストッパとの当接面11gと、ステータコイルの所定の励磁極21aとを、ステータ及びねじ部材を弁室に連通する導管2に係合させることにより上面視一致させた電動弁1。
【選択図】図1

Description

本発明は、冷凍サイクルシステムにおける冷媒の流量制御等に使用される電動弁に関する。
上記電動弁の一例として、特許文献1等に記載された電動弁51は、図8に示すように、弁室52及び該弁室52に形成された弁孔52aを有する弁本体54と、弁孔52aを開閉する弁体53とを備え、弁本体54から上方に突出するキャン57の内部に設けられた駆動機構59により、弁体53を上下方向に駆動して冷媒等の流体の流量制御を行う。
上記駆動機構59による弁体53の駆動は、キャン57の内部に設けられたロータ56と、キャン57に外嵌されたステータ58とで構成されるステッピングモータによって行う。ロータ56が回転すると、これに伴って止環60及びかしめ部61aにより固定された弁軸ホルダ61が回転し、弁軸ホルダ61と、弁本体54に固定された雄ねじ管62とのねじ送り作用で、弁体53を昇降させて弁孔52aを開閉する。符号63は、弁軸ホルダ61に取り付けられた可動ストッパであり、閉弁時において、雄ねじ管62にかしめられた固定ストッパ55に当接するように構成されている。
また、上記電動弁に用いる電磁コイルとして、特許文献2には、ボビン本体にコイルを巻線してコイルの外周部分を樹脂モールドで覆ったボビン部を2つ備え、これらの間に磁極板を有し、ボビン部又は樹脂モールドに突出部を形成し、この突出部で両ボビン部に各々ステータカバーを被せて固定することで、小型で、溶接部に錆止めの対策が不要な電磁コイルが開示されている。
また、上述のような電動弁は、閉弁時にロータに設けられた可動ストッパを弁本体側に設けられた固定ストッパに当接させるように構成され、例えば、特許文献3には、弁体を弁座に接離させる雄ねじ管に固定ストッパを一体的に形成したり、ロータのスリーブに可動ストッパを一体成形する技術が記載されている。
一方、上記ストッパを有する電動弁では、両ストッパの当接時のロータ位置のずれや、騒音の発生を防止するため、特許文献4には、両ストッパの当接時にステータコイルの所定の励磁極とロータの所定の磁極とを正対(対向)させる(以下、「磁極合わせ」という)技術が開示されている。
特開2004−353679号公報 特開2005−287152号公報 特許第3310042号公報 特開昭63−73864号公報
しかし、上記特許文献4に記載の電動弁は、ストッパとしてロータの上部に螺旋状の案内リングや、該リングに沿って上下動するスライダ等を備えるため、電動弁が大型化するとともに、螺旋状の案内リングの両端に配置されるストッパの位置決め手法について開示がなく、該ストッパの位置決めの巧拙によっては磁極合わせが良好に行われない虞があった。
そこで、本発明は、上記従来の電動弁における問題点に鑑みてなされたものであって、小型かつ簡単な構成で上記磁極合わせを確実に行うことのできる電動弁を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、電動弁であって、弁室及び弁座を備えた弁本体と、該弁本体に支持され、ステータ内のステータコイルに励磁することにより回転するロータと、該ロータの回転に伴って回転する第1ねじ部材と、前記弁本体に支持され、前記第1ねじ部材に螺合する第2ねじ部材と、前記第1ねじ部材が回転することにより、前記弁座に接離する弁体と、前記ロータの回転に伴って回転する可動側ストッパと、前記弁体の最下降時において、前記可動側ストッパに当接して前記第1ねじ部材の弁閉方向の回転を規制する、前記第2ねじ部材に設けられた固定側ストッパとを備え、前記ロータの所定の磁極及び前記可動側ストッパの前記固定側ストッパとの当接面を、それぞれがロータの中心に対して所定の角度となるように配置し、前記ステータ及び前記第2ねじ部材を前記弁室に連通する導管を基準として配置することにより、前記固定側ストッパの前記可動側ストッパとの当接面及び前記ステータコイルの所定の励磁極を、それぞれがロータの中心に対して前記所定の角度となるように配置したことを特徴とする。
そして、本発明によれば、小型かつ簡単な構成で、可動側と固定側の両ストッパの当接時に、ステータコイルの励磁極とロータの磁極とを正対させる磁極合わせを確実に行うことができ、磁極合わせを行わない場合に比較して、電動弁のイニシャライズ時の振動当接音及び開弁パルス公差を低減することができる。
上記電動弁において、前記第1ねじ部材を雄ねじ部材とし、前記第2ねじ部材を雌ねじ部材とすることができる。
上記電動弁において、前記可動側ストッパを前記ロータに一体化することができ、部品点数の削減を図ることができる。
上記電動弁において、前記導管を前記弁室内に突出させ、前記第2ねじ部材を、前記弁室内において、前記導管に係合する係合溝を備えるように構成することができる。
また、上記電動弁において、前記ステータを、前記導管に係合可能なパイプ固定金具を備えるように構成し、該パイプ固定金具が前記導管に係合することにより、前記ロータの周囲にステータが配置されるように構成することができる。
以上のように、本発明によれば、小型かつ簡単な構成で磁極合わせを確実に行うことのできる電動弁を提供することができる。
本発明にかかる電動弁の一実施の形態の全閉状態を示す全体断面図である。 図1の電動弁のステータコイルのコイル励磁極(励磁歯)とパイプ固定金具との位相合わせについて説明するための図であって、(a)は一部破断正面図、(b)は上面図である。 図1の電動弁のロータの着磁相とストッパの当たり面との位相合わせについて説明するための図であって、(a)は一部破断正面図、(b)は上面図である。 図1の電動弁の弁軸ホルダのストッパの当たり面と弁軸ホルダのパイプ位置合わせ部との位相合わせについて説明するための図であって、(a)は正面図、(b)は上面図である。 図1の電動弁の磁極合わせを行うための構成を説明するための分解図及び組立図である。 図1の電動弁の全開状態を示す全体断面図である。 本発明にかかる電動弁の磁極合わせの手法を説明するための図で、(a)は図1〜図6の一実施の形態を説明する図、(b)は他の実施の形態を説明する図である。 従来の電動弁の一例を示す全体断面図である。
次に、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下の説明においては、本発明にかかる電動弁の一実施の形態について、まず全体構成について説明し、その後、小型かつ簡単な構成で磁極合わせを可能とした詳細構成について説明する。
図1に示すように、本発明にかかる電動弁1は、2本の導管2、3と弁座4とを備える弁本体5と、弁本体5に接合されたキャン6と、キャン6の内部に配置され、電動モータの一部を構成するロータ7と、キャン6の外周部に固定され、ロータ7を回転駆動するステータコイル21と、ロータ7に一体に連結された弁軸(雄ねじ部材)10と、弁本体5に下端部が接合リング19を介して固定され、弁軸10が内挿された弁軸ホルダ(雌ねじ部材)11と、弁軸10の下端部にかしめ固定された弁ホルダ13と、弁ホルダ13の下端部にコイルばね14及び椀状部材18を介して下方に押圧される弁体12等で構成される。
弁本体5は、円筒状に形成され、また導管2は、弁本体5を貫通し、導管2の先端2bが弁室5a内に突出された状態で溶接にて弁本体5に固定される。導管3は、弁座4を介して弁本体5の底部に固定される。弁室5aは、2本の導管2、3によって形成される2つの流路2a、3aに連通する。弁室5aと流路3aとの間に弁座4が位置し、弁体12を弁座4に接離させることで電動弁1が開閉する。
キャン6は、下部が開口し、上部が閉じた円筒状に形成され、弁本体5の上部に接合される。キャン6の内部には、ロータ7等の主要部品が収容される。
ロータ7は、円筒状に形成され、キャン6の内部に回転可能に配置される。このロータ7の上部は弁軸10と一体に連結され、ロータ7には、全閉上ストッパ部7aが弁軸ホルダ11の上面に向かって突出するように一体に形成される。このロータ7は、キャン6の外側に配置されたステータコイル21を含むステータとでステッピングモータを構成し、ステータコイル21への通電励磁によって回転する。ステータコイル21は、パイプ固定金具22によって導管2に固定される。
弁軸10は、略全長にわたって雄ねじ部10aが螺刻され、上部にロータ7が一体に連結され、下端部10bに弁ホルダ13がかしめ固定される。
弁ホルダ13は、下方に開口し、上部が閉じた円筒状に形成され、上部天井部が弁軸10の下端部10bにかしめ固定される。弁ホルダ13の内部にはコイルばね14が縮装され、下方に凸状に形成された椀状部材18を介して弁体12を押圧する。弁ホルダ13の上方には、弁軸10の雄ねじ部10aに螺嵌されて固定される全開下ストッパ17が設けられる。
弁軸ホルダ11は、上部に雌ねじ部11aが螺刻されるとともに、下部には、弁ホルダ13の外周に配在され、下端部11cが下方に向かって開口し、天井部11eを備える筒状の嵌挿部11bを備える。嵌挿部11bの下端部11cは、接合リング19を介して弁本体5の上部に固定される。そして、弁軸ホルダ11の雌ねじ部11aと弁軸10の雄ねじ部10aとが螺合し、弁軸ホルダ11の内部を弁軸10が上下方向に案内される。また、弁軸ホルダ11の上面には、全閉下ストッパ部11dが設けられ、天井部11eの弁ホルダ13側の面には、全開上ストッパ部11fが設けられる。弁ホルダ13の側面には、弁室5aと弁ホルダ13の内部との均圧を図る均圧孔15が穿設される。
弁体12は、下部に円錐状部分を有し、全体的に円柱状に形成される。弁体12の上部12aは、弁ホルダ13に内挿されるとともに、係止リング16により抜け止め係止される。
次に、上記構成を有する電動弁1の磁極合わせ行うための詳細な構成について説明する。
(1)ステータコイル21のコイル励磁極(励磁歯)21aとパイプ固定金具22との位相合わせ
ステータコイル21のコイル励磁極21aは、図2(b)に示すように、1段当たり12等配で磁極をずらして上下4段配置されている。従って、1−2相励磁とした場合には、12×2×4=96となり、96パルスでロータ7が1回転する。ここで、図2に示すように、ステータコイル21の所定のコイル励磁極21aと、パイプ固定金具22の中心22aとを半径方向に同一直線上に配置する。
(2)ロータ7の着磁相と全閉上ストッパ部7aの当たり面7cとの位相合わせ
図3に示すように、ロータ7は、例えばボンド磁石によって成形されて周方向に交互に異極となるように着磁された円筒状のマグネットロータであって、全周で24極着磁されている。ここで、ロータ7の所定の磁極7bと、全閉上ストッパ部7aの当たり面(当接面)7cとを半径方向に同一直線上に配置する。
(3)弁軸ホルダ11の全閉下ストッパ部11dの当たり面11gと弁軸ホルダ11のパイプ位置合わせ部11hとの位相合わせ
図4に示すように、弁軸ホルダ11の天井部には全閉下ストッパ部11dが突設され、その下部には、弁本体5内に突出した導管2の先端2bを挿入、係合して位置合わせを行うパイプ位置合わせ部(切欠き部)11hが形成される。このパイプ位置合わせ部11hの幅は、導管2の直径とほぼ同一寸法とされている。ここで、全閉下ストッパ部11dの当たり面(当接面)11gとパイプ位置合わせ部(係合溝)11hの中心11jとを半径方向に同一直線上に配置する。尚、弁軸ホルダ11に一体化されている接合リング19には、3つの貫通孔19aが穿設されると共に、弁軸ホルダ11には、これら3つの貫通孔19aのそれぞれと対向するように、連通溝11kがその軸芯方向に形成されている。これらの連通孔11k及び貫通孔19aは、弁室5a内の流体をキャン6の内部へ導入して、該キャン6内部を均圧する作用を成す。
以上をまとめて説明すると、図1及び図5に示すように、まず、弁ホルダ13に弁軸10を取り付けると共に、弁ホルダ13内にコイルばね14、椀状部材18及び弁体12を挿入し、それらを係止リング16にて弁ホルダ13の内部に配置する。そして弁軸10に全開下ストッパ17を螺合させる。
つぎに、弁軸ホルダ11の雌ねじ部11aに弁軸10を螺合させて、弁軸ホルダ11内に弁ホルダ13を収容し、この状態で弁室5a内に突出した導管2の先端部2bにパイプ位置合わせ部11hを係合させ、その後、弁軸ホルダ11を弁本体5に固定する。これにより、導管2と当たり面11gとが半径方向同一直線上に配置される。
そして、弁軸10にロータ7を固定する。弁軸10に対するロータ7の固定は、弁体12が全閉状態となる位置(すなわち弁体12が最下降位置にあり、かつコイルばね14が若干圧縮された状態)において、全閉上ストッパ部7aの当り面7cと全閉下ストッパ部11dの当り面11gとが当接した状態で成される。その後、キャン6を弁本体5に取り付ける。
このようにして弁本体5側の組立が終了したら、その後、ステータコイル21を備えたステータをキャン6に被せ、パイプ固定金具22を介して導管2に固定する。
このような構成により、図5(b)及び図5(d)(右列の一連の図)に示すように、ステータコイル21の所定のコイル励磁極21aと、弁軸ホルダ11の全閉下ストッパ部11dの当たり面11gとが、パイプ固定金具22、導管2及びパイプ位置合わせ部11hを介して半径方向に同一直線上に配置(上面視で一致)するように固定される。また前述のように、ロータ7の所定の磁極7bと、全閉上ストッパ部7aの当たり面7cとは半径方向に同一直線上に配置されているから、これによって、図5(b)に示されるように、弁軸ホルダ11の全閉下ストッパ部11dの当たり面11gと、ロータ7の全閉上ストッパ部7aの当たり面7cとが当接した時(すなわち弁体12の最下降時)に、ロータ7の所定の磁極7bと、ステータコイル21の所定のコイル励磁極21aとを正対させることができ、磁極合わせを確実に行うことができる。
次に、上記構成を有する電動弁1の動作について、図1及び図6を中心に参照しながら説明する。
電動弁1を閉じる場合には、例えば図6の状態で、ステータコイル21に一方向の通電を行い励磁すると、ロータ7が上面視時計方向に回転すると同時に弁軸10も回転下降し、弁体12が弁座4内に挿入される。
弁体12が弁座4内の所定位置まで挿入された後、ロータ7がさらに回転して、弁体12と弁座4とが互いに当接し、弁体12がコイルばね14によって弁座4に付勢された状態で、ロータ7の全閉上ストッパ部7aが弁軸ホルダ11の全閉下ストッパ部11dに当接し、弁軸10の下降が強制的に停止され、図1に示す姿勢で動作が終了する。
上記ロータ7の全閉上ストッパ部7aが弁軸ホルダ11の全閉下ストッパ部11dに当接した時には、図5に示した磁極合わせ構造により、ロータ7の所定の磁極7bと、ステータコイル21の所定のコイル励磁極21aとが一致する。
一方、電動弁1を開く場合には、例えば図1の状態で、ステータコイル21に上記とは逆方向の通電を行い励磁すると、ロータ7が上面視反時計方向に回転すると同時に弁軸10も回転上昇し、弁体12が弁座4から離れて電動弁1が開弁する。
尚、本発明は、上記のように弁体12が弁座4を閉塞するタイプのものに適用されるのみでなく、その閉弁時に、弁体が弁座を完全に閉塞しないタイプのものに適用することもできる。
次に、上記電動弁1のイニシャライズ時の動作について説明する。
電動弁1の開度制御を正確に行うため、開度制御の開始時に弁体12を一旦閉弁状態とし、この閉弁位置を原点として電動弁1の開度制御を開始する。原点出しの手法としては、まず、ステッピングモータのステータコイル21に対して、全開から全閉に至るまでに必要なパルス数に、種々の誤差を勘案したパルス数を加算して通電する。
全閉時に弁体12が弁座4を閉塞する上記電動弁1においては、上記の原点出しのためにステータコイル21に対して供給されるパルス数は、弁体12が弁座4に当接した後、両ストッパ7a、11dが当接してロータ7の回転が停止するまでの間に必要とされるパルス数に種々の誤差を勘案したパルス数を加算したものとなる。この際、磁極合わせが適切になされていれば、電動弁1のイニシャライズ時の振動当接音の発生が少なくなる。
また、このように全閉時に弁体12が弁座4を閉塞する電動弁1においては、原点出しのための、開弁方向へのパルス供給は、弁体12が弁座4に当接した後、全閉上ストッパ部7aが全閉下ストッパ部11dに当接するまでのコイルばね14の圧縮分を解除するためのものである。
ここで、上記パルス供給が停止された相をコイル励磁極21a(図2(b)の磁極S)とすると、上記の磁極合わせが適切になされていない場合は、コイル励磁極21aとロータ7の磁極7b(図3(b)の磁極N)との釣り合いが磁極の僅かなずれで変わり、釣り合いのとれる方向(例えば開弁方向)へロータ7が回転してしまうことがある。
このため、場合によっては、開弁方向へ所定数のパルスを供給する前にコイルばね14の圧縮が解除されていたり、あるいは開弁方向へ所定数のパルスを供給してもコイルばね14の圧縮が解除されなかったりする場合があるので、このロータ7が開弁方向に回転してしまう分のパルスを考慮して、開弁方向へのパルス数を設定する必要がある。
ここで、上記磁極合わせが適切になされていれば、両ストッパ部7a、11dは当接した状態で必ず停止するので、開弁方向に所定数のパルスが供給されれば、確実に流量制御が開始される。このように、余分なパルスの考慮なく、開弁方向へのパルス供給を設定できるので、流量制御開示時の弁体12の位置精度が向上する。
一方、全閉時に弁体が弁座を閉塞しない電動弁においても、磁極合わせが適切になされていれば、電動弁のイニシャライズ時の振動当接音の発生が少なくなる。
また、上記パルス供給が停止された後、電動弁の開弁方向に所定数のパルスが供給され、該パルスの供給が停止した位置が流量制御の開始位置(原点出し)とされ、この位置から流量制御が開始される。この開弁方向への所定数のパルス供給は、磁極合わせを適切に行うことで、余分なパルスの考慮なく設定することができるので、流量制御開始時の弁位置精度が向上する。
さて次に、本発明の他の実施の形態を、図7を用いて説明する。
図7(a)及び(b)は、ステータコイル21の励磁極及び全閉下ストッパ部11dの当たり面11g、並びにロータ7の磁極及び全閉上ストッパ部7aの磁極を、ロータの中心軸方向から見た図である。
上述の一実施の形態においては、図7(a)に示されるように、ロータ7の所定の磁極7b(の中央部)と、全閉上ストッパ部7aの当たり面7cとが半径方向に同一直線上に配置されるように(すなわち、ロータの中心及び所定の磁極7b(の中央部)を結ぶ直線と、ロータの中心及び当たり面7cを結ぶ直線との成す角度が“0”度となるように)、前記所定の磁極7b及び当たり面7cが配置されると共に、全閉下ストッパ部11dの当たり面11gと、ステータコイル21の所定の励磁極21a(の中央部)とが、半径方向に同一直線上に配置されるように(すなわち、ロータの中心及び当たり面11gを結ぶ直線と、ロータの中心及び励磁極21a(の中央部)を結ぶ直線との成す角度が“0”度となるように)、当たり面11g及び励磁極21aが配置されるものとした。
しかし、本発明はこれのみに限定されることはなく、 図7(b)に示されるように、ロータの中心及び所定の磁極7b(の中央部)を結ぶ直線と、ロータの中心及び当たり面7cを結ぶ直線との成す角度が所定の角度θとなるように、該所定の磁極7b及び当たり面7cを配置すると共に、ロータの中心及び当たり面11gを結ぶ直線と、ロータの中心及び所定の励磁極21a(の中央部)を結ぶ直線との成す角度が、前記所定の角度θとなるように、当たり面11g及び励磁極21aを配置するようにしても良い。
換言すれば、本発明においては、ロータの所定の磁極7b(の中央部)及び全閉上ストッパ部7aの当たり面7cを、それぞれがロータの中心に対して所定の角度θ(角度“0”度を含む)となるように配置し、全閉下ストッパ部11dの当たり面11g及びステータの所定の励磁極21a(の中央部)を、それぞれがロータの中心に対して前記所定の角度θとなるように配置されれば良い。
この図7(b)に示した他の実施の形態においても、図7(a)に示された実施形態と同様に、全閉下ストッパ部11dの当たり面11gと、全閉上ストッパ部7aの当たり面7cとが当接した時に、ロータ7の所定の磁極7bと、ステータコイル21の所定の励磁極21aとを正対させることができる。
1 電動弁
2 導管
2a 流路
2b 先端部
3 導管
3a 流路
4 弁座
5 弁本体
5a 弁室
6 キャン
7 ロータ
7a 全閉上ストッパ部
7b 磁極
7c 当たり面
10 弁軸
10a 雄ねじ部
10b 下端部
11 弁軸ホルダ
11a 雌ねじ部
11b 嵌挿部
11c 下端部
11d 全閉下ストッパ部
11e 天井部
11f 全開上ストッパ部
11g 当たり面
11h パイプ位置合わせ部(切欠き部)
11j 中心
12 弁体
12a 上部
13 弁ホルダ
14 コイルばね
15 均圧孔
16 係止リング
17 全開下ストッパ
18 椀状部材
19 接合リング
19a 貫通孔
21 ステータコイル
21a コイル励磁極
22 パイプ固定金具
22a 中心

Claims (5)

  1. 弁室及び弁座を備えた弁本体と、
    該弁本体に支持され、ステータ内のステータコイルに励磁することにより回転するロータと、
    該ロータの回転に伴って回転する第1ねじ部材と、
    前記弁本体に支持され、前記第1ねじ部材に螺合する第2ねじ部材と、
    前記第1ねじ部材が回転することにより、前記弁座に接離する弁体と、
    前記ロータの回転に伴って回転する可動側ストッパと、
    前記弁体の最下降時において、前記可動側ストッパに当接して前記第1ねじ部材の弁閉方向の回転を規制する、前記第2ねじ部材に設けられた固定側ストッパとを備え、
    前記ロータの所定の磁極及び前記可動側ストッパの前記固定側ストッパとの当接面を、それぞれがロータの中心に対して所定の角度となるように配置し、
    前記ステータ及び前記第2ねじ部材を前記弁室に連通する導管を基準として配置することにより、前記固定側ストッパの前記可動側ストッパとの当接面及び前記ステータコイルの所定の励磁極を、それぞれがロータの中心に対して前記所定の角度となるように配置したことを特徴とする電動弁。
  2. 前記第1ねじ部材は、雄ねじ部材であり、
    前記第2ねじ部材は、雌ねじで部材あることを特徴とする請求項1に記載の電動弁。
  3. 前記可動側ストッパは、前記ロータに一体化されたことを特徴とする請求項1又は2に記載の電動弁。
  4. 前記導管は、前記弁室内に突出し、
    前記第2ねじ部材は、前記弁室内において、前記導管に係合する切欠き部を備えていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の電動弁。
  5. 前記ステータは、前記導管に係合可能なパイプ固定金具を備え、
    該パイプ固定金具が前記導管に係合することにより、前記ロータの周囲にステータが配置されたことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の電動弁。
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