JP2014035006A - 流量制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】弁閉状態にある弁部材を弁座部から引き離すように軸心方向に移動させたときに該弁部材の軸心方向に加わる力のバランスが変化してしまうことを抑制できる流量制御弁を提供する。
【解決手段】均圧路３６によって背圧室と第２開口とを連通した圧力バランス型の電動弁１は、弁部材３０と着座面１７との最短距離を結ぶ直線が弁体テーパ面３３の上端箇所３３ａを通過する状態となる範囲内で弁部材３０を移動させる弁部材駆動部を有している。
【選択図】図５

Description

本発明は、冷凍サイクルなどに使用する流量制御弁に関し、詳細には圧力バランス型の流量制御弁に関する。

従来、このような圧力バランス型の流量制御弁として、例えば特開２０００−３２０７１１号公報（特許文献１）及び特開昭６３−２４３５８１号公報（特許文献２）に開示されたものがある。図１４に、従来の圧力バランス型の流量制御弁の一例としての電動膨張弁の縦断面図を示す。

図１４に示す電動膨張弁（図中、符号８００で示す）は、弁本体８０１と、弁部材８０４と、ばね８０５と、弁棒８０６と、パッキン８０７と、電動アクチュエータ８０９と、を備えている。

弁本体８０１は、略円筒形に形成されている。弁本体８０１の側壁８０１ａには、第１流体通路Ａ１と連通する第１開口８１１が設けられ、底壁８０１ｂには、第２流体通路Ａ２と連通する第２開口８１２が設けられている。第２開口８１２の周りには、弁座部８１３が設けられている。また、弁本体８０１の上部には上蓋８１６が取り付けられており、上蓋８１６には、雄ねじ筒８１７が植立されている。雄ねじ筒８１７には、弁棒８０６の上端が貫通されている。

弁部材８０４は、円筒状に形成されており、弁本体８０１内にピストン状に移動可能に収容されている。弁部材８０４は、弁本体８０１の内部空間を弁室８１４と背圧室８１５とに区画している。弁室８１４は、第１開口８１１と連通されている。弁部材８０４の下端は、弁座部８１３に対向している。また、弁部材８０４には、第２開口８１２と背圧室８１５とを連通する均圧路８４１が設けてある。弁部材８０４は、ばね８０５によって弁座部８１３に向かって常時押圧されている。弁部材８０４は、その上部に弁棒８０６の下端がストッパ８０６ａにより係止可能に貫入されており、当該弁棒８０６が上方に引き上げられるとストッパ８０６ａが弁部材８０４に係止して、弁部材８０４も共に引き上げられる。環状のパッキン７は、弁本体８０１と弁部材８０４との間で流体の漏洩を阻止し、かつ相互に摺動することを妨げないように設けられている。

電動アクチュエータ８０９は、弁本体８０１の上部に取り付けられており、ロータ８９２と、ステータコイル８９３と、シールドチューブ８９４と、を有している。ロータ８９２は、シールドチューブ８９４の内側に設けられている。ロータ８９２は、雄ねじ筒８１７に回転自在に螺着され、かつ弁棒８０６の上端部８６３と回転自在に結合している。ステータコイル８９３は、シールドチューブ８９４の外側に取り付けられている。

ロータ８９２は、回転されることによって雄ねじ筒８１７の軸心方向（図中、上下方向）に移動する。そして、ロータ８９２の移動は、ばね８９５によって遊びがないように弁棒８０６に伝えられて、弁棒８０６はロータ８９２の回転量に比例して進退する。つまり、電動アクチュエータ８０９の駆動により、弁棒８０６及び弁部材８０４が上下動し、第２開口８１２の周囲の弁座部８１３に対して弁部材８０４が離座／着座する。

この電動膨張弁８００において、第２開口８１２と背圧室８１５とは、均圧路８４１によって連通されている。そのため、弁部材８０４の背圧室８１５側の上端面８０４ｂに作用する流体圧力と、弁部材８０４の第２開口８１２側の下端面８０４ａに作用する流体圧力との圧力バランスがとれ、弁部材８０４を上下動させるときの電動アクチュエータ８０９の駆動力が軽減される。

具体的には、弁部材８０４の上端面８０４ｂの面積をＳ１、下端面８０４ａの面積をＳ２、第２開口８１２における流体圧力をＰ２、上向きの力を正とすると、弁閉時の圧力バランス、即ち、弁部材８０４に対してその軸心方向（図中上下方向）に加わる力Ｆは、次の（ｉ）式で表され、
Ｆ＝Ｐ２（Ｓ２−Ｓ１） ・・・（ｉ）
つまり、弁部材８０４の上端面８０４ｂの面積Ｓ１と下端面８０４ａの面積Ｓ２とを同一（略同一含む）にすることで、弁閉時に軸心方向に加わる力を相殺又は軽減することができる。

また、上述した電動膨張弁８００では、弁部材８０４が円柱状であったため上端面８０４ｂの面積Ｓ１及び下端面８０４ａの面積Ｓ２のみ考慮したものであったが、例えば、図１５に示すような、弁部材が円柱状以外の形状の場合についても、同様に考えることができる。

図１５に示す流量制御弁（図中、符号９００で示す）において、９０１が略円筒状の弁本体、９０４が略円柱状の弁部材、９１１が第１開口、９１２が第２開口、９１３が弁座部、９１５が背圧室、９４１が均圧路である。また、Ｄ１〜Ｄ６は、弁部材９０４の各部分の径を示し、以下のＳ１〜Ｓ６は、弁部材９０４をその軸心方向（図中上下方向）から見たときのＤ１〜Ｄ６のそれぞれに対応する部分の面積を示す。

第１開口９１１における流体圧力をＰ１、第２開口９１２における流体圧力をＰ２とすると、弁部材９０４について、Ｐ１によって図中上向きに加えられる力Ｆ１及び下向きに加えられる力Ｆ２、並びに、Ｐ２によって図中上向きに加えられる力Ｆ３及び下向きに加えられる力Ｆ４は、次の（ｉｉ）式〜（ｖ）式で表される。
Ｆ１＝Ｐ１（（Ｓ１−Ｓ３）＋（Ｓ６−Ｓ２）） ・・・（ｉｉ）
Ｆ２＝Ｐ１（（Ｓ５−Ｓ３）＋（Ｓ６−Ｓ５）） ・・・（ｉｉｉ）
Ｆ３＝Ｐ２（Ｓ２−Ｓ４） ・・・（ｉｖ）
Ｆ４＝Ｐ２（Ｓ１−Ｓ４） ・・・（ｖ）

そして、上向きの力を正とすると、弁部材９０４に対してその軸心方向（図中上下方向）に加わる力Ｆ’は、
Ｆ’＝（Ｆ１−Ｆ２）＋（Ｆ３−Ｆ４）
＝Ｐ１（Ｓ１−Ｓ２）−Ｐ２（Ｓ１−Ｓ２）
＝（Ｐ１−Ｐ２）（Ｓ１−Ｓ２） ・・・（ｖｉ）
として表され、つまり、上記と同様に、弁部材９０４において弁閉時に第２開口における流体圧力が加わる部分について、背圧室９１５側の部分の平面視面積Ｓ１と第２開口９１２側（弁座部９１３側）の部分の平面視面積Ｓ２とを同一（略同一含む）にすることで、弁閉時に弁部材９０４の軸心方向に加わる力を相殺又は軽減することができる。

特開２０００−３２０７１１号公報 特開昭６３−２４３５８１号公報

しかしながら、このような圧力バランス型の流量制御弁９００は、図１６（ａ）に示すように、弁部材９０４における弁閉時に第２開口９１２の流体圧力Ｐ２が加わる部分について、背圧室９１５側の部分の平面視面積Ｓ１と第２開口９１２側の部分の平面視面積Ｓ２とを同一にすることによって、弁閉時に弁部材９０４の軸心方向に加わる力を相殺又は軽減するように構成しているものであるところ、図１６（ｂ）に示すように、弁開時に第１開口９１１と第２開口９１２とが連通された場合に、弁部材９０４と弁座部９１３とが比較的近い位置にあると、弁部材９０４と弁座部９１３との最短距離を結ぶ線が、第１開口９１１の流体圧力Ｐ１と第２開口の流体圧力Ｐ２との境界線Ｋとなるが、弁部材９０４を弁座部９１３から徐々に引き離すように軸心方向に移動させていくと、流体圧力Ｐ２が加わる第２開口側の部分の平面視面積がＳ２からＳ２’に小さくなり、そのため、弁部材９０４の軸心方向に加わる力のバランスが崩れてしまい、弁部材９０４の移動に大きな力が必要となってしまうという問題があった。

そこで、本発明は、弁閉状態にある弁部材を弁座部から引き離すように軸心方向に移動させたときに該弁部材の軸心方向に加わる力のバランスが変化してしまうことを抑制できる流量制御弁を提供することを目的としている。

請求項１に記載された発明は、上記目的を達成するために、第１開口及び第２開口が形成された弁ハウジングと、前記弁ハウジング内に前記第２開口と連通して設けられ、すり鉢形状の着座面を有する環状の弁座部と、前記弁座部の軸心を通る軸線上に軸心が配置され、当該弁座部と一方の端部が間隔をあけて対向するように前記弁ハウジング内に設けられたシリンダ部と、前記弁座部の着座面に対して離座及び着座するように前記シリンダ部内にピストン状に移動可能に収容された弁部材と、前記シリンダ部内の空間が前記弁部材に区画されて形成された当該シリンダ部内における他方の端部側の背圧室と前記第２開口とを連通するように、前記弁ハウジング又は前記弁部材に設けられた均圧路と、前記弁部材と前記着座面との最短距離を結ぶ直線が前記弁部材における前記着座面に接する箇所を通過する状態となる範囲内で前記弁部材を移動させる弁部材移動手段と、を有していることを特徴とする流量制御弁である。

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記弁部材の前記弁座部側の端部に、テーパ面が設けられ、前記軸線に対する前記弁部材のテーパ面の角度が、前記軸線に対する前記着座面の角度より大きくされていることを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明は、請求項１又は２に記載された発明において、前記着座面が、前記軸線に対する角度の異なる複数のすり鉢状の環状面部分を有していることを特徴とするものである。

本発明によれば、均圧路によって背圧室と第２開口とを連通した圧力バランス型の流量制御弁において、弁部材と着座面との最短距離を結ぶ直線が当該弁部材における前記着座面に接する箇所を通過する状態となる範囲内で弁部材を移動させる弁部材移動手段を有しているので、このような範囲内で弁部材を移動した場合、弁部材における着座面に接する箇所が常に着座面と最も近くなり、そのため、当該箇所と着座面との間に第１開口側の流体圧力と第２開口側の流体圧力との境界が生じる。これにより、弁部材を移動しても、弁部材における当該箇所より内側の部分に常に第２開口の流体圧力が加わるので、弁部材における第２開口の流体圧力が加わる第２開口側の部分の平面視面積が変化せず、弁閉状態にある弁部材を弁座部から引き離すように軸線方向に移動させたときに当該弁部材の軸線方向に加わる力のバランスが変化してしまうことを抑制できる。

請求項２に記載された発明によれば、弁部材の弁座部側の端部に、テーパ面が設けられ、弁座部の軸心を通る軸線に対する弁部材のテーパ面の角度が、この軸線に対する着座面の角度より大きくされているので、弁部材のテーパ面における弁座部側と反対側の端部を、弁部材における着座面に接する箇所とすることができ、圧力バランスを確実に維持できる。

請求項３に記載された発明によれば、着座面が、軸線に対する角度の異なる複数のすり鉢状の環状面部分を有しているので、各環状面部分における軸線に対する角度を調整することにより、弁部材の移動距離、即ち、弁開度合に対する流量（流量特性）を容易に設定することができる。

本発明に係る流量制御弁の第１実施形態である電動弁の縦断面図である。 図１の電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、弁部材が着座位置（弁閉状態）にある図である。 図１の電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、弁部材が弁座部から離座した位置（弁半開状態）にある図である。 図１の電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、図３の状態より弁部材が弁座部からさらに離れた位置（弁半開状態）にある図である。 図１の電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、弁部材が弁開上限位置（弁開上限状態）にある図である。 図１の電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、弁部材が弁開上限位置を超えた位置にある図である。 本発明に係る流量制御弁の第２実施形態である電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、弁部材が着座位置（弁閉状態）にある図である。 第２実施形態である電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、弁部材が弁座部から離座した位置（弁半開状態）にある図である。 第２実施形態である電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって図８の状態より弁部材が弁座部からさらに離れた位置（弁半開状態）にある図である。 第２実施形態である電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、弁部材が弁開上限位置（弁開上限状態）にある図である。 第２実施形態である電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、弁部材が弁開上限位置を超えた位置にある図である。 第２実施形態である電動弁の弁座部の変形例の構成を示す拡大断面図である。 弁座部の環状面部分における軸線に対する角度と流量との関係を模式的に示すグラフである。 従来の流量制御弁の縦断面図である。 従来の他の流量制御弁を模式的に示す拡大断面図である。 図１５の流量制御弁を模式的に示す拡大断面図であって、（ａ）は、弁閉状態を示す図であり、（ｂ）は、弁開状態を示す図である。

（本発明の第１実施形態）
以下に、本発明の流量制御弁の第１実施形態としての電動弁を、図１〜図６を参照して説明する。

図１は、本発明に係る流量制御弁の第１実施形態である電動弁の縦断面図である。なお、以下の説明における「上下」の概念は、各図における上下に対応しており、各部材の相対的な位置関係を示すものであって、絶対的な位置関係を示すものではない。

この実施形態の電動弁（各図中、符号１で示す）は、弁ハウジングとしての弁本体１０と、弁座部１６と、シリンダ部としての弁ガイド２０と、弁部材３０と、均圧路３６と、弁部材移動手段としての弁部材駆動部４０と、を有している。

弁本体１０は、略円筒形状に形成されており、その内側には弁室１０Ａが形成されている。弁本体１０は、その周壁１０ａに円形の第１開口１１が形成され、その下端の底壁１０ｂに円形の第２開口１２が形成されている。第１開口１１には、一次側継手管Ａ１が固定して取り付けられて、当該一次側継手管Ａ１と弁室１０Ａ内の一次側ポート１３とが連通されている。また、第２開口１２には、二次側継手管Ａ２が固定して取り付けられて、この二次側継手管Ａ２と後述する弁座部１６内の二次側ポート１４とが連通されている。

弁座部１６は、円形環状に形成されて、弁本体１０内に第２開口１２と連通して設けられている。弁座部１６は、上方から下方に向かうにしたがって内径が徐々に小さくなる単一のすり鉢形状の着座面１７と、着座面１７の下端に連接された弁座部内周面１８と、を有している。この着座面１７は、後述する弁部材３０が弁座部１６に着座したときに当該弁部材３０が当接される。また、弁座部内周面１８は、二次側継手管Ａ２の内径と略同一径に形成されており、二次側ポート１４を画定している。

弁ガイド２０は、弁ガイド本体部２１と、弁ガイド蓋部２２と、を有している。弁ガイド本体部２１は、両端部が開口された略円筒形状に形成されている。弁ガイド本体部２１は、その下端部２１ａと弁座部１６とが間隔をあけて対向するように配置されて、弁本体１０内に固定して取り付けられている。弁ガイド蓋部２２は、弁ガイド本体部２１の上端部２１ｂを塞ぐように当該弁ガイド本体部２１に固定金具２３によって固定して取り付けられている。弁ガイド蓋部２２には、それを上下方向に貫通するように形成された雌ねじ部２２ａが設けられている。

弁部材３０は、全体として略円柱形状に形成されており、弁ガイド２０内に上下方向に摺動移動可能に配設されている。つまり、弁部材３０は、弁ガイド２０内にピストン状に移動可能に収容されている。弁部材３０は、弁ガイド２０内に収容されることにより、弁ガイド２０内の空間を区画して、弁ガイド２０内における上端部２１ｂ側に背圧室２５が形成される。

弁部材３０は、弁体３１と、連結金具３４と、パッキン部３７と、を有している。

弁体３１は、下端部３１ａが開口されかつ上端部３１ｂが上壁３２で塞がれた略円筒形状に形成されている。弁体３１は、その外周面３１ｃが弁ガイド本体部２１の内周面２１ｃに摺動可能に接して配置されている。弁体３１の下端部３１ａには、下方に向かうにしたがって径が小さくなる先細りの弁体テーパ面３３が設けられている。

連結金具３４は、弁体３１より外径の小さい略円筒形状に形成されている。連結金具３４は、下端部３４ａが開口されかつ上端部３４ｂにばね受け部３５が設けられている。連結金具３４の周壁３４ｃにおける上端部３４ｂ寄りの箇所には、連結金具３４の内外を連通する貫通孔３４ｄが形成され、この貫通孔３４ｄの下方の箇所には、フランジ部３４ｅが設けられている。

連結金具３４は、その下端部３４ａが弁体３１の上壁３２に当該上壁３２を貫通して固定して取り付けられている。これにより、弁体３１の内側空間、連結金具３４の内側空間及び貫通孔３４ｄが互いに連通されて、均圧路３６を構成する。この均圧路３６によって、弁体３１の下方の空間と背圧室２５とが連通される。

パッキン部３７は、円形環状に形成されており、その外縁が弁ガイド本体部２１の内周面２１ｃに気密状態で摺動可能に接するよう構成されている。パッキン部３７は、連結金具３４のフランジ部３４ｅと弁体３１の上面３１ｄとの間に、皿ばね受け３８及び皿ばね３９とともに狭持されている。

第２開口１２、弁座部１６、弁ガイド２０及び弁部材３０は、それぞれの軸心が軸線Ｐ上に位置づけられるように配置されている。

弁部材駆動部４０は、弁部材ホルダ５０と、モータ６０と、を有している。

弁部材ホルダ５０は、ホルダ部５１と、コイル状の圧縮ばね５３と、ばね受け部５４と、を有している。ホルダ部５１は、下端部５１ａが開口されかつ上端部５１ｂが上壁５２で塞がれた略円筒形状に形成されている。ホルダ部５１には、圧縮ばね５３が収容されており、さらに、この圧縮ばね５３の上端部を受けるようにしてばね受け部５４がホルダ部５１内を上下方向に移動可能に収容されている。また、ホルダ部５１の下端部５１ａには、弁部材３０の連結金具３４のばね受け部３５が圧縮ばね５３の下端部を受けるようにして固定して取り付けられている。これにより、圧縮ばね５３によってばね受け部５４がホルダ部５１の上壁５２に押しつけられている。ホルダ部５１の上壁５２は、後述するモータ６０のロータ軸６４の下方の先端６４ａが当該ホルダ部５１に対して回転可能に貫通しており、ホルダ部５１内で、この先端６４ａとばね受け部５４とが接している。

モータ６０は、ステッピングモータで構成されており、モータケース６１と、マグネットロータ６３と、ステータコイル６６と、回転ストッパ機構７０と、を有している。

モータケース６１は、下端部６１ａが開口されかつ上端部６１ｂが上壁６２で塞がれた略円筒形状に形成されている。モータケース６１は、その下端部６１ａが弁ガイド本体部２１の上端部２１ｂに固定して取り付けられている。

マグネットロータ６３は、モータケース６１内に同軸に収容されている。マグネットロータ６３は、ロータ軸６４と、ロータ軸６４に固定して取り付けられたマグネット部６５と、を有している。ロータ軸６４は、その軸心が軸線Ｐ上に位置づけられるように配置されている。ロータ軸６４の外周面の一部には雄ねじ部６４ｂが設けられており、弁ガイド蓋部２２の雌ねじ部２２ａと螺合されている。このように、マグネットロータ６３は、弁ガイド２０（具体的には弁ガイド蓋部２２）と螺合されているので、回転されることにより軸線Ｐ方向（即ち、上下方向）に移動する。

ステータコイル６６は、モータケース６１の外周面に固定して取り付けられている。このステータコイル６６は、パルス信号が与えられることにより、そのパルス信号に含まれるパルス数に応じてマグネットロータ６３を回転させる。

回転ストッパ機構７０は、モータケース６１の上壁５２の内面側に設けられている。回転ストッパ機構７０は、螺旋ガイド線体７１と、マグネットロータ６３のマグネット部６５に取り付けられた竿６５ａにより螺旋ガイド線体７１の各螺旋間を蹴り回される可動ストッパ部材７２と、を有している。回転ストッパ機構７０は、マグネットロータ６３が所定の上限位置（即ち、弁部材３０の弁開上限位置）まで移動したとき、可動ストッパ部材７２が、モータケース６１に設けられたストッパ（図示なし）に突き当たる。これにより、マグネットロータ６３の回転、即ち、上限位置を超えた移動が規制される。

次に、図２〜図６を参照して、上述した本実施形態の電動弁１における動作（作用）について説明する。

図２は、図１の電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、弁部材が着座位置（弁閉状態）にある図である。図３は、図１の電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、弁部材が弁座部から離座した位置（弁半開状態）にある図である。図４は、図１の電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、図３の状態より弁部材が弁座部からさらに離れた位置（弁半開状態）にある図である。図５は、図１の電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、弁部材が弁開上限位置（弁開上限状態）にある図である。図６は、図１の電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、弁部材が弁開上限位置を超えた位置にある図である。

電動弁１は、上述したように、弁座部１６に着座面１７が設けられており、弁体３１に弁体テーパ面３３が設けられている。また、図２に示すように、軸線Ｐに対する着座面１７の角度がαに設定され、軸線Ｐに対する弁体テーパ面３３の角度が、角度αより大きいβに設定されている（但し、α＜β＜９０度）。

また、弁体３１の外径がＤ１に設定され、着座面１７の上端部１７ａの径が、外径Ｄ１より大きいＤ２に設定されている。これにより、弁体３１が弁座部１６に着座した着座位置（弁閉状態）にあるときに、弁体テーパ面３３の上端箇所３３ａが着座面１７に接して、二次側ポート１４が閉じられる。即ち、上端箇所３３ａは、弁部材３０における着座面１７に接する箇所となる。

このように、弁体３１が着座位置にあるとき、上端箇所３３ａが着座面１７に接しているので、弁閉状態において、弁体３１における上端箇所３３ａより内側の部分に、二次側ポート１４の流体圧力（第２圧力Ｐ２）が加わる。

次に、弁体３１が着座位置から離れて軸線Ｐ方向に徐々に移動したとき、図３に示すように、弁体３１において、上端箇所３３ａが着座面１７と最も近い箇所となる状態を保ちながら移動する。換言すると、弁部材３０と着座面１７との最短距離を結ぶ直線が弁部材３０の上端箇所３３ａを通過するという状態を保ちながら移動する。そのため、この状態において、上端箇所３３ａと着座面１７との間に、第１開口１１側の流体圧力（第１圧力Ｐ１）と第２開口１２側の流体圧力（第２圧力Ｐ２）との境界線ｋが生じる。つまり、この弁半開状態においても、弁体３１における上端箇所３３ａより内側の部分に、二次側ポート１４の第２圧力Ｐ２が加わり、弁部材３０の軸線Ｐ方向に加わる力のバランスが維持される。弁部材３０が、このような弁半開状態となる位置にあるときに弁体テーパ面３３の上端箇所３３ａから着座面１７に垂線を下ろすと、垂線の足が着座面１７上に位置する。この垂線が、上記境界線ｋとなる。

弁部材３０における着座位置から弁半開状態の位置までの移動距離をｘとすると、弁体テーパ面３３の上端箇所３３ａと着座面１７との距離ｙは、次の（１）式で表され、
ｙ＝ｘｓｉｎα ・・・（１）
弁部材３０における着座位置からの移動距離ｘが大きくなるにつれて、弁体テーパ面３３の上端箇所３３ａと着座面１７との距離ｙが大きくなる。

そして、弁体３１がさらに着座位置から離れて軸線Ｐ方向に移動し、図４に示すように、弁体テーパ面３３の上端箇所３３ａから着座面１７に垂線を下ろしたときに垂線の足がその上端部１７ａに位置するようになっても、弁体３１において、上端箇所３３ａが着座面１７と最も近い箇所となる。つまり、この垂線が第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との境界線ｋとなり、この状態においても、弁体３１における上端箇所３３ａより内側の部分に、二次側ポート１４の第２圧力Ｐ２が加わり、弁部材３０の軸線Ｐ方向に加わる力のバランスが維持される。この垂線は、着座面１７の上端部１７ａにおける法線でもある。

そのあと、弁体３１がさらに着座位置から離れて軸線Ｐ方向に移動し、図５に示すように、上記とは逆に、着座面１７の上端部１７ａから弁体テーパ面３３に垂線を下ろしたときの垂線の足がその上端箇所３３ａに位置する弁開上限位置になっても、弁体３１において、上端箇所３３ａが着座面１７と最も近い箇所となる。つまり、この垂線が第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との境界線Ｋとなり、この弁開上限状態においても、弁体３１における上端箇所３３ａより内側の部分に、二次側ポート１４の第２圧力Ｐ２が加わり、弁部材３０の軸線Ｐ方向に加わる力のバランスが維持される。この垂線は、弁体テーパ面３３の上端箇所３３ａにおける法線でもある。

それから、仮に、弁体３１が上記弁開上限位置よりさらに着座位置から離れて軸線Ｐ方向に移動すると、図６に示すように、弁体テーパ面３３の上端箇所３３ａより下方の弁体テーパ面３３上の箇所３３ｂが、弁体３１における着座面１７と最も近い箇所となって、上記箇所３３ｂと着座面１７の上端部１７ａとを結ぶ線が、第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との境界線Ｋ’となる。そのため、この状態においては、弁体３１における、上端箇所３３ａより径の小さい箇所３３ｂより内側の部分に、二次側ポート１４の第２圧力Ｐ２が加わり、当該箇所３３ｂより外側の部分に一次側ポート１３の第１圧力Ｐ１が加わって、弁部材３０の軸線Ｐ方向に加わる力のバランスが変化する。

このように、本実施形態の電動弁１では、弁体３１における上端箇所３３ａより内側の部分に二次側ポート１４の第２圧力Ｐ２が加わる範囲内で、弁部材３０（具体的には弁体３１）を移動させることにより、弁部材３０の軸線Ｐ方向に加わる力のバランスを維持して、当該バランスが変化してしまうことを抑制できる。換言すると、電動弁１では、弁部材３０と着座面１７との最短距離を結ぶ直線が弁部材３０の上端箇所３３ａを通過する範囲内で弁部材３０を移動させる。

電動弁１においては、図５に示す弁部材３０の位置を弁開上限位置として、弁部材３０がこの弁開上限位置を超えて弁座部１６から離れないように、回転ストッパ機構７０によって弁部材３０の移動を規制するように構成している。これ以外にも、モータ６０のステータコイル６６に与えるパルス信号のパルス数をカウントすることにより、弁部材３０が弁開上限位置を超えないように制御する構成などとしてもよい。

図５に示すように、弁体３１の外径をＤ１、着座面１７の上端部１７ａの径をＤ２、軸線Ｐと着座面１７とのなす角をα、軸線Ｐと弁体テーパ面３３とのなす角をβとすると、弁部材３０における着座位置から弁開上限位置までの移動距離Ｌは次の（２）式で表される。
Ｌ＝ｈ１＋ｈ２
＝［｛（Ｄ２−Ｄ１）／２｝×ｔａｎ（９０−α）］
＋［｛（Ｄ２−Ｄ１）／２｝×ｔａｎβ］ ・・・（２）

ここで外径Ｄ１の半径（即ち、軸線Ｐから弁体テーパ面３３の上端箇所３３ａまでの距離）をＲ１、径Ｄ２の半径（即ち、軸線Ｐから着座面１７の上端部１７ａまでの距離）をＲ２、とすると、
Ｌ＝（Ｒ２−Ｒ１）／ｔａｎα＋（Ｒ２−Ｒ１）ｔａｎβ
＝（Ｒ２−Ｒ１）（１／ｔａｎα＋ｔａｎβ） ・・・（３）
となる。

そして、弁部材３０の移動距離ｘは、０からＬまでの範囲となるので、
０≦ｘ≦（Ｒ２−Ｒ１）（１／ｔａｎα＋ｔａｎβ） ・・・（Ａ）
となり、移動距離ｘが、上記（Ａ）式を満足する範囲であれば、弁部材３０と着座面１７との最短距離を結ぶ直線が弁部材３０における着座面１７の上端箇所３３ａを通過する範囲内で弁部材３０を移動させることとなり、弁部材３０の軸線Ｐ方向に加わる力のバランスを維持することができる。

上述した実施形態の電動弁１は、第１開口１１及び第２開口１２が形成された弁本体１０と、弁本体１０内に第２開口１２と連通して設けられ、すり鉢形状の着座面１７を有する環状の弁座部１６と、弁座部１６の軸心を通る軸線Ｐ上に軸心が配置され、当該弁座部１６と下端部２１ａが間隔をあけて対向するように弁本体１０内に設けられた弁ガイド２０と、弁座部１６の着座面１７に対して離座及び着座するように弁ガイド２０内にピストン状に移動可能に収容された弁部材３０と、弁ガイド２０内の空間が弁部材３０に区画されて形成された当該弁ガイド２０内における上端部２１ｂ側の背圧室２５と第２開口１２とを連通するように、弁部材３０に設けられた均圧路３６と、弁部材３０と着座面１７との最短距離を結ぶ直線が弁部材３０の弁体テーパ面３３の上端箇所３３ａを通過する状態となる範囲内で弁部材３０を移動させる弁部材駆動部４０と、を有している。

また、電動弁１は、弁部材３０における弁座部１６側の端部に、弁体テーパ面３３が設けられ、軸線Ｐに対する弁体テーパ面３３の角度βが、軸線Ｐに対する着座面１７の角度αより大きくされている。

以上より、本実施形態によれば、均圧路３６によって背圧室２５と第２開口１２とを連通した圧力バランス型の電動弁１において、弁部材３０と着座面１７との最短距離を結ぶ直線が弁部材３０の弁体テーパ面３３の上端箇所３３ａを通過する範囲内で弁部材３０を移動させる弁部材駆動部４０を有しているので、このような範囲内で弁部材３０を移動した場合、弁部材３０における弁体テーパ面３３の上端箇所３３ａが常に着座面１７と最も近くなり、そのため、当該上端箇所３３ａと着座面１７との間に第１開口１１側の流体圧力（第１圧力Ｐ１）と第２開口１２側の流体圧力（第２圧力Ｐ２）との境界が生じる。これにより、弁部材３０を移動しても、弁部材３０における当該上端箇所３３ａより内側の部分に常に第２開口１２の第２圧力Ｐ２が加わるので、弁部材３０における第２開口１２の第２圧力Ｐ２が加わる第２開口１２側の部分の平面視面積が変化せず、弁閉状態にある弁部材３０を弁座部１６から引き離すように軸線Ｐ方向に移動させたときに当該弁部材３０の軸線Ｐ方向に加わる力のバランスが変化してしまうことを抑制できる。

また、弁部材３０における弁座部１６側の端部（弁体３１の下端部３１ａ）に、弁体テーパ面３３が設けられ、弁座部１６の軸心を通る軸線Ｐに対する弁体テーパ面３３の角度βが、この軸線Ｐに対する着座面１７の角度αより大きくされているので、弁部材３０の先端（下端部３１ａ）が弁座部１６の内側にあるときに、弁体テーパ面３３と着座面１７とによって流路が形成されて、流体の流れる整えることができる。また、弁部材３０の弁体テーパ面３３の上端箇所３３ａを、弁部材３０における着座面１７に接する箇所とすることができる。

（本発明の第２実施形態）
以下に、本発明の流量制御弁の第２実施形態としての電動弁を、図７〜図１２を参照して説明する。

図７は、本発明に係る流量制御弁の第２実施形態である電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、弁部材が着座位置（弁閉状態）にある図である。図８は、第２実施形態である電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、弁部材が弁座部から離座した位置（弁半開状態）にある図である。図９は、第２実施形態である電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって図８の状態より弁部材が弁座部からさらに離れた位置（弁半開状態）にある図である。図１０は、第２実施形態である電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、弁部材が弁開上限位置（弁開上限状態）にある図である。図１１は、第２実施形態である電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、弁部材が弁開上限位置を超えた位置にある図である。図１２は、第２実施形態である電動弁の弁座部の変形例の構成を示す拡大断面図である。

第２実施形態の電動弁１Ａは、上述した第１実施形態の電動弁１において、弁座部１６が、単一のすり鉢形状の着座面１７に代えて、軸線Ｐに対する角度が互いに異なる複数のすり鉢形状の環状面部分が設けられた着座面１７Ａを有していること以外は、第１実施形態の電動弁１と同一であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。

弁座部１６の着座面１７Ａには、互いに軸線Ｐに対する角度の異なる２つのすり鉢形状の第１環状面部分１７１及び第２環状面部分１７２が設けられている。第１環状面部分１７１と第２環状面部分１７２とは、互いに連接するように軸線Ｐ方向に並べて配置されている。本実施形態では２つの環状面部分が設けられているものであるが、３つ以上の複数の環状面部分が軸線Ｐ方向に並べて配設されていてもよい。

次に、図７〜図１２を参照して、上述した本実施形態の電動弁１Ａにおける動作（作用）について説明する。

電動弁１Ａは、弁座部１６に第１環状面部分１７１及び第２環状面部分１７２を備えた着座面１７Ａが設けられており、弁体３１に弁体テーパ面３３が設けられている。また、図７に示すように、軸線Ｐに対する弁座部内周面１８寄りの第１環状面部分１７１の角度がα１に設定され、軸線Ｐに対する弁座部内周面１８から離れた第２環状面部分１７２の角度が、角度α１より大きいα２に設定されている。また、角度α１及び角度α２ともに、軸線Ｐに対する弁体テーパ面の角度βより小さくなるように設定されている（但し、α１＜α２＜β＜９０度）。

また、弁体３１の外径がＤ１に設定され、第１環状面部分１７１と第２環状面部分１７２との境界部分１７ｂの径が、外径Ｄ１より大きいＤ２に設定され、着座面１７Ａの上端部１７ａの径が、外径Ｄ２より大きいＤ３に設定されている。これにより、弁体３１が弁座部１６に着座した着座位置（弁閉状態）にあるときに、弁体テーパ面３３の上端箇所３３ａが着座面１７Ａの第１環状面部分１７１に接して、二次側ポート１４が閉じられる。即ち、上端箇所３３ａは、弁部材３０における着座面１７Ａに接する箇所となる。

このように、弁体３１が着座位置にあるとき、上端箇所３３ａが着座面１７Ａに接しているので、弁閉状態において、弁体３１における上端箇所３３ａより内側の部分に、二次側ポート１４の流体圧力（第２圧力Ｐ２）が加わる。

次に、弁体３１が着座位置から離れて軸線Ｐ方向に徐々に移動したとき、図８に示すように、弁体３１において、上端箇所３３ａが着座面１７Ａ（具体的は、第１環状面部分１７１又は第２環状面部分１７２）と最も近い箇所となる状態を保ちながら移動する。換言すると、弁部材３０と着座面１７Ａとの最短距離を結ぶ直線が弁部材３０の上端箇所３３ａを通過する状態を保ちながら移動する。そのため、この状態において、上端箇所３３ａと着座面１７Ａとの間に、第１開口１１側の流体圧力（第１圧力Ｐ１）と第２開口１２側の流体圧力（第２圧力Ｐ２）との境界線ｋが生じる。つまり、この弁半開状態においても、弁体３１における上端箇所３３ａより内側の部分に、二次側ポート１４の第２圧力Ｐ２が加わり、弁部材３０の軸線Ｐ方向に加わる力のバランスが維持される。弁部材３０が、このような弁半開状態となる位置にあるときに弁体テーパ面３３の上端箇所３３ａから着座面１７Ａに垂線を下ろすと、垂線の足が着座面１７Ａ（この場合において、第２環状面部分１７２について軸線Ｐ側に延長した仮想面を含む）上に位置する。この垂線が、上記境界線ｋとなる。図８では、この垂線の足が第１環状面部分１７１と第２環状面部分１７２との境界部分１７ｂ（即ち、第１環状面部分１７１の上端部）上となる位置まで弁体３１が移動した状態を示している。

そして、弁体３１がさらに着座位置から離れて軸線Ｐ方向に移動し、図９に示すように、弁体テーパ面３３の上端箇所３３ａから着座面１７Ａに垂線を下ろしたときに垂線の足がその上端部１７ａ（即ち、第２環状面部分１７２の上端部）に位置するようになっても、弁体３１において、上端箇所３３ａが着座面１７Ａと最も近い箇所となる。つまり、この垂線が第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との境界線Ｋとなり、この状態においても、弁体３１における上端箇所３３ａより内側の部分に、二次側ポート１４の第２圧力Ｐ２が加わり、弁部材３０の軸線Ｐ方向に加わる力のバランスが維持される。この垂線は、着座面１７Ａの上端部１７ａにおける法線でもある。

そのあと、弁体３１がさらに着座位置から離れて軸線Ｐ方向に移動し、図１０に示すように、上記とは逆に、着座面１７Ａの上端部１７ａから弁体テーパ面３３に垂線を下ろしたときの垂線の足がその上端箇所３３ａに位置する弁開上限位置になっても、弁体３１において、上端箇所３３ａが着座面１７Ａと最も近い箇所となる。つまり、この垂線が第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との境界線Ｋとなり、この弁開上限状態においても、弁体３１における上端箇所３３ａより内側の部分に、二次側ポート１４の第２圧力Ｐ２が加わり、弁部材３０の軸線Ｐ方向に加わる力のバランスが維持される。この垂線は、弁体テーパ面３３の上端箇所３３ａにおける法線でもある。

それから、仮に、弁体３１が上記弁開上限位置よりさらに着座位置から離れて軸線Ｐ方向に移動すると、図１１に示すように、弁体テーパ面３３の上端箇所３３ａより下方の弁体テーパ面３３上の箇所３３ｂが、弁体３１における着座面１７Ａと最も近い箇所となって、上記箇所３３ｂと着座面１７Ａの上端部１７ａとを結ぶ線が、第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との境界線Ｋ’となる。そのため、この状態においては、弁体３１における、上端箇所３３ａより径の小さい箇所３３ｂより内側の部分に、二次側ポート１４の第２圧力Ｐ２が加わり、当該箇所３３ｂより外側の部分に一次側ポート１３の第１圧力Ｐ１が加わって、弁部材３０の軸線Ｐ方向に加わる力のバランスが変化する。

このように、本実施形態の電動弁１Ａでは、弁体３１における上端箇所３３ａより内側の部分に二次側ポート１４の第２圧力Ｐ２が加わる範囲内で、弁部材３０（具体的には弁体３１）を移動させることにより、弁部材３０の軸線Ｐ方向に加わる力のバランスを維持して、当該バランスが変化してしまうことを抑制できる。換言すると、電動弁１Ａでは、弁部材３０と着座面１７Ａとの最短距離を結ぶ直線が弁部材３０の上端箇所３３ａを通過する範囲内で弁部材３０を移動させる。

電動弁１Ａにおいては、図１０に示す弁部材３０の位置を弁開上限位置として、上述した第１実施形態と同様に、弁部材３０がこの弁開上限位置を超えて弁座部１６から離れないように、回転ストッパ機構７０によって弁部材３０の移動を規制するように構成している。

図１０に示すように、弁体３１の外径をＤ１、着座面１７Ａの境界部分１７ｂの径をＤ２、着座面１７Ａの上端部の径をＤ３、軸線Ｐと第１環状面部分１７１とのなす角をα１、軸線Ｐと第２環状面部分１７２とのなす角をα２、軸線Ｐと弁体テーパ面３３とのなす角をβとすると、弁部材における着座位置から弁開上限位置までの移動距離は次の（４）式で表される。
Ｌ＝ｈ１＋ｈ２＝（ｈ１１＋ｈ１２−ｈ１３）＋ｈ２
＝［｛（Ｄ３−Ｄ１）／２｝×ｔａｎ（９０−α２）］
＋［｛（Ｄ２−Ｄ１）／２｝×ｔａｎ（９０−α１）］
−［｛（Ｄ２−Ｄ１）／２｝×ｔａｎ（９０−α２）］
＋［｛（Ｄ３−Ｄ１）／２｝×ｔａｎβ］ ・・・（５）

ここで外径Ｄ１の半径（即ち、軸線Ｐから弁体テーパ面３３の上端箇所３３ａまでの距離）をＲ１、径Ｄ２の半径（即ち、軸線Ｐから着座面１７Ａの境界部分１７ｂまでの距離）をＲ２、径Ｄ３の半径（即ち、軸線Ｐから着座面１７Ａの上端部１７ａまでの距離）をＲ３、とすると、
Ｌ＝（Ｒ３−Ｒ１）／ｔａｎα２
＋（Ｒ２−Ｒ１）／ｔａｎα１
−（Ｒ２−Ｒ１）／ｔａｎα２
＋（Ｒ３−Ｒ１）ｔａｎβ
＝（Ｒ３−Ｒ１）（１／ｔａｎα２＋ｔａｎβ）
＋（Ｒ２−Ｒ１）（１／ｔａｎα１−１／ｔａｎα２）｝ ・・・（６）
となる。

そして、弁部材３０の移動距離ｘは、０からＬまでの範囲となるので、
０≦ｘ≦（Ｒ３−Ｒ１）（１／ｔａｎα２＋ｔａｎβ）
＋（Ｒ２−Ｒ１）（１／ｔａｎα１−１／ｔａｎα２）｝ ・・・（Ｂ）
となり、移動距離ｘが、上記（Ｂ）式を満足する範囲であれば、弁部材３０と着座面１７Ａとの最短距離を結ぶ直線が弁部材３０の上端箇所３３ａを通過する範囲内で弁部材３０を移動させることとなり、弁部材３０の軸線Ｐ方向に加わる力のバランスを維持することができる。

上述した第２実施形態の電動弁１Ａでは、軸線Ｐに対する第２環状面部分の角度α２が、第１環状面部分１７１の角度α１より大きく設定されているものであったが、これとは逆に、図１２に示す電動弁１Ｂのように、角度α２の方が角度α１より小さく設定されていてもよい。

図１３に、弁座部の環状面部分における軸線に対する角度と流量との関係をグラフを用いて模式的に示す。

上述した第１実施形態の電動弁１では、図１３において点線で示すように、弁閉位置から弁開位置に至るまで弁部材３０の移動距離に対して着座面１７の角度α（α＝α１）に依存した一定割合で流量が増加していく。一方、第２実施形態の電動弁１Ａ及び電動弁１Ｂでは、図１３において実線で示すように、弁閉位置から途中までは、第１環状面部分１７１の角度α１に依存した一定割合で流量が増加し、途中から弁開上限位置までは、第２環状面部分１７２の角度α２に依存した一定割合で流量が増加する。これにより、弁部材３０の移動距離に対する流量の変化、即ち、流量特性を任意に変更することができる。

以上より、本実施形態によれば、上述した第１実施形態の電動弁１における効果に加えて、着座面１７Ａが、軸線Ｐに対する角度の異なる複数のすり鉢状の第１環状面部分１７１及び第２環状面部分１７２を有しているので、これら第１環状面部分１７１及び第２環状面部分１７２における軸線Ｐに対する角度α１、α２を調整することにより、弁部材３０の移動距離、即ち、弁開度合に対する流量（流量特性）を容易に設定することができる。本実施形態において２つの環状面部分が設けられているものであるが、３つ以上の複数の環状面部分を設けることにより、さらに細かい流量特性を容易に設定することができる。

上述した各実施形態において、弁部材３０（具体的には弁体３１）の下端部３１ａに、弁体テーパ面３３が設けられていたが、このような弁体テーパ面３３が設けられておらず、弁体３１の外周面と当該弁体３１の下端面とが直交して連接された構成であってもよい。または、弁体テーパ面３３は、面取りによって形成される微少なテーパ面などであってもよい。

また、各実施形態では、弁座部１６、弁ガイド２０及び弁部材３０が、それぞれ、円形環状、円筒形状及び円柱形状に形成されているものであったが、これに限定されるものではなく、弁座部１６、弁ガイド２０及び弁部材３０について軸線Ｐ方向から見た平面視形状が相似関係にあれば、円形以外にも、多角形形状などであってもよく、本発明の目的に反しない限り、弁座部１６、弁ガイド２０及び弁部材３０の形状は任意である。

また、各実施形態では、ステッピングモータによって弁部材を駆動する電動弁であったが、これに限定されるものではなく、手動により弁部材を駆動する流量制御弁などであってもよく、電磁コイルとプランジャにより弁部材を駆動する電磁弁式であってもよい。

また、各実施形態では、二次側ポート１４と背圧室２５とを連通する均圧路３６が弁部材３０に設けられていたが、弁部材３０に代えて、弁本体１０に設けられていてもよい。

また、各実施形態では、一次側継手管Ａ１を入口側とし、二次側継手管Ａ２を出口側とするものであったが、これに限らず、入口側と出口側とを逆にするものであってもよい。

なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１ 電動弁（流量制御弁）
１０ 弁本体（弁ハウジング）
１１ 第１開口
１２ 第２開口
１６ 弁座部
１７、１７Ａ 着座面
１７１ 第１環状面部分（環状面部分）
１７２ 第２環状面部分（環状面部分）
１７ａ 上端部
２０ 弁ガイド（シリンダ部）
２５ 背圧室
３０ 弁部材
３１ 弁体
３３ 弁体テーパ面（テーパ面）
３３ａ 上端箇所（弁部材における着座面に接する箇所）
３６ 均圧路
４０ 弁部材駆動部（弁部材移動手段）
５０ 弁ホルダ
６０ モータ
７０ 回転ストッパ機構
Ｐ 軸線
Ｒ１ 軸線から弁体テーパ面の上端箇所までの距離
Ｒ２ 軸線から着座面の上端部までの距離
α 軸線に対する着座面の角度
α１ 軸線に対する第１環状面部分の角度
α２ 軸線に対する第２環状面部分の角度
β 軸線に対する弁体テーパ面の角度
ｘ 弁部材における軸線Ｐ方向の移動距離

Claims (3)

1. 第１開口及び第２開口が形成された弁ハウジングと、
   前記弁ハウジング内に前記第２開口と連通して設けられ、すり鉢形状の着座面を有する環状の弁座部と、
   前記弁座部の軸心を通る軸線上に軸心が配置され、当該弁座部と一方の端部が間隔をあけて対向するように前記弁ハウジング内に設けられたシリンダ部と、
   前記弁座部の着座面に対して離座及び着座するように前記シリンダ部内にピストン状に移動可能に収容された弁部材と、
   前記シリンダ部内の空間が前記弁部材に区画されて形成された当該シリンダ部内における他方の端部側の背圧室と前記第２開口とを連通するように、前記弁ハウジング又は前記弁部材に設けられた均圧路と、
   前記弁部材と前記着座面との最短距離を結ぶ直線が前記弁部材における前記着座面に接する箇所を通過する状態となる範囲内で前記弁部材を移動させる弁部材移動手段と、を有していることを特徴とする流量制御弁。
2. 前記弁部材の前記弁座部側の端部に、テーパ面が設けられ、
   前記軸線に対する前記弁部材のテーパ面の角度が、前記軸線に対する前記着座面の角度より大きくされていることを特徴とする請求項１に記載の流量制御弁。
3. 前記着座面が、前記軸線に対する角度の異なる複数のすり鉢状の環状面部分を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の流量制御弁。

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