JP2016023711A - 電動弁 - Google Patents

Abstract

【課題】上下方向に移動する弁体を常に安定した姿勢で弁座に当接させることができる電動弁を提供する。【解決手段】ロータ２の回転運動を直線運動に変換するネジ送り機構Ａを備えた電動弁１０であって、弁軸４の雄ネジ部４ａの外径をＣ１、前記コイルバネ２７の下端側のバネ受け部３２ａに対する着座部分の内径をＣ２としたとき、Ｃ１＜Ｃ２であることを特徴としている。【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクル等の冷媒流量を制御するステッピングモータ駆動型の電動弁に関する。

可変絞り弁や流量制御弁などとして使用されるステッピングモータ駆動型の電動弁では、電動モータのロータの回転運動を雌ネジと雄ネジとから構成されるネジ送り機構によって弁軸の直線運動に変換し、弁軸の下方に配置された弁体を弁座に対して移動させることにより弁の開閉を行っている（例えば、特許文献１）。

図５（Ａ）、（Ｂ）はこのような従来の電動弁２０Ａを示したものである。
この電動弁２０Ａでは、弁軸３の外周に形成された雄ネジ部５（可動ネジ部）と、弁軸ホルダ７の内周に形成された雌ネジ部８（固定ネジ部）とにより弁軸３に対するネジ送り機構９が構成されている。そして、この電動弁２０Ａでは、ロータ１１の回転運動をネジ送り機構９によって弁軸３の直線運動に変換し、この直線運動により弁軸３の直下方に配置された弁体１２を弁座１３に対して接離させ、これにより、冷媒等の流体の流量を調整するようにしている。

なお、この弁体１２は、弁ポート１３ａに当接する部位の上方部に、筒状の弁ホルダ１２ａが一体に具備されている。
ところで、このような電動弁２０Ａでは、図６に拡大して示したように、弁軸３の雄ネジ部５の上部側に、所定長さの筒状の軸部分３ａが形成されている。

また、弁軸ホルダ７は、上部側に筒状小径部７ａを有し、下部側に筒状大径部７ｂを有している。さらに、上部側の筒状小径部７ａの内周面下部に雌ネジ部８が形成され、内周面上部に筒状の軸受部１８が形成されている。

このように、弁軸ホルダ７に軸受部１８を設けているため、弁軸３の傾き（振れ）を抑制することができる。
上記のように形成された弁軸ホルダ７は、図５（Ａ）に示したように、筒形のカップ形状をなすケース４０の下端部４０ａと、弁室形成部材３１の上端部３１ａとの突き合わせ部に回転不能に固定されている。また、弁軸ホルダ７の下端部は、弁室形成部材３１内に配置されている。

さらに、弁室形成部材３１の軸方向の下部に設けた入出力ポート３１ｂ内には、第１の継手１７が接続されているとともに、弁室形成部材３１の側方には、第２の継手１９が接続されている。また、入出力ポート３１ｂ内には、上下方向に貫通した略筒状の弁ガイド部材３４１が移動不能に固設されている。なお、この弁ガイド部材３４の下方に弁座１３が設けられている。

また、弁軸３の下端部には大径部３ｂが設けられ、この大径部３ｂには、図５（Ｂ）に拡大して示したように、弁体固定部材５６が遊嵌されている。
弁座１３に対して着離座する弁体１２は、直接的な弁機能を呈する先端側の弁部と、弁部の上方に配置された筒状の弁ホルダ１２ａとから構成されている。そして、弁体固定部材５６には、筒状の弁ホルダ１２ａが固定されている。また、弁体１２と一体の弁ホルダ１２ａ内には、圧縮状態のコイルバネ５４と、凸形状のバネ受け部材５５とが収容されている。

このバネ受け部材５５には、コイルバネ５４からの付勢力が作用している。
これにより、弁座１３に形成された弁ポート１３ａに弁体１２が当接され、さらに弁軸３が弁閉方向に移動すると、コイルバネ５４が圧縮される。そして、バネ力により弁体１２が押し付けられ、弁ポート１３ａが閉塞される。

ところで、このような構成の電動弁２０Ａでは、図６に示したように、弁軸ホルダ７の内周に設けた雌ネジ部８の上方に所定長さの軸受部１８が形成されている。そして、弁軸ホルダ７の内周に弁軸３を螺合させたときに、弁軸３の軸部分３ａが軸受部１８内に配置される。この状態で、弁軸３が上下方向に移動したとしても、弁軸３の軸部分３ａが軸受部１８内に配置されているため、弁軸３の傾き（振れ）が抑制されて、弁軸３は安定した姿勢で上下方向に案内される。

しかしながら、このような電動弁２０Ａであっても、以下のような問題が生じ易い。この問題は、例えば、弁軸３の雄ネジ部５の有効径が２〜３ｍｍのように、細い場合に生じ易い。

すなわち、従来の電動弁２０Ａでは、図７（Ａ）、（Ｂ）に示したように、弁軸３の雄ネジ部５の外径をＣ１、コイルバネ５４の下端側のバネ受け部に対する着座部分の内径をＣ２としたとき、Ｃ１＞Ｃ２に設定されている。

上述のようなＣ１＞Ｃ２の関係に設定されているため、弁軸ホルダ７の筒状小径部７ａの下端部７ｃから、弁軸３の下方に延びる延出部分４１を包含し、さらに凸形状のバネ受け部材５５の受け面５５ａまでを結ぶ仮想空間Ｂは、下方に向かう程、次第に径が細くなる逆円錐台形状になっている。

また、この仮想空間Ｂの重心位置Ｇは、上面と下面の直径が等しい円筒体（円柱体）である場合に比べて、受け面５５ａからの高さは高くなる。
このため、Ｃ１＞Ｃ２の関係に設定されていると、バネの座りが悪い。すなわち、コイルバネ５４は、弁軸３が下方に押圧されて圧縮されてきたときに左右に座屈し易い。

このように、コイルバネ５４の座りが悪い場合には、図５（Ｂ）のように、弁閉時に弁体１２が傾いた姿勢で弁座１３に当接したり、弁体１２が弁座１３に当接する途中で左右に揺れ動いてしまう。

このような場合には、弁軸３の下方に配置された弁体１２が弁座１３に対して斜めに当接したり、不安定な姿勢で当接してしまうという問題があった。このような場合には、弁体１２と弁座１３とにより流量制御を正確に行う上で問題が生じる。

特表２０１３−５３９８４９号公報

本発明は、このような従来の実情に鑑み、上下方向に移動する弁体を常に安定した姿勢で弁座に当接させることができる電動弁を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明に係る電動弁１０は、
雌ネジ部６ｄと軸受部６ｅが形成され、ロータ２の回転に対して回転不能であり、かつ上下方向に移動不能な弁軸ホルダ６と、
上部側の外周部に雄ネジ部４ａが形成され、下部側の外周部に筒状の軸部分４ｂが形成され、前記ロータ２と一体的に回転するとともに、その回転に伴って上下方向に移動する弁軸４と、
前記弁軸４の雄ネジ部４ａと前記弁軸ホルダ６の雌ネジ部６ｄとから構成されるネジ送り機構Ａと、
前記弁軸４の下端部に抜け止めされているとともに、弁体３２が一体的に具備された筒状の弁ホルダ２５と、
前記筒状の弁ホルダ２５内に設けられ、閉弁時に前記弁体３２を弁閉方向に付勢するコイルバネ２７と、
前記弁軸ホルダ６が回転不能に、かつそれ自身上下方向に移動不能に固定されており、軸方向の下部に設けられた入出力ポート１４に、弁座部２１が設けられ、内部に弁室７０ａが画成された弁室形成部材７０と、を備えた電動弁１０であって、
前記弁軸ホルダ６は一体形成されたものであるとともに、
前記弁軸４の雄ネジ部４ａの外径をＣ１、前記コイルバネ２７の下端側のバネ受け部３２ａに対する着座部分の内径をＣ２としたとき、
Ｃ１＜Ｃ２に設定されていることを特徴としている。

このような構成の電動弁によれば、コイルバネの座屈が安定することから、弁体を弁座に対して傾かせることなく着座させることができる。これにより、弁体の弁座に対する着座安定性が向上する。これにより、着座時の流体の漏れを減少させることができ、加えて弁部の耐久性を向上させることができる。

また、本発明では、
前記弁軸ホルダ６の前記雌ネジ部６ｄの内径Ｄ１は、前記軸受部６ｅの内径Ｄ２より小さく設定され、
前記ロータ２の回転に伴って前記弁軸４が回転しながら上下方向に移動することにより、前記弁軸４が上から下、または下から上へ移動した際に、前記ネジ送り機構Ａの螺合長さＬが一定であることが好ましい。

このような構成の電動弁によれば、弁軸を常に安定した姿勢で上下方向に案内することができるので流量制御を正確に行うことができる。
さらに、本発明では、前記弁軸ホルダ６の外周側部には、前記弁室形成部材７０の内周側部に圧入される圧入部３４が設けられ、
前記圧入部３４が前記弁室形成部材７０内に圧入されることにより、前記弁室形成部材７０に対して前記弁体３２の芯出しが行われるよう構成されていることが好ましい。

このように弁軸ホルダ６の外周側部に圧入部３４が設けられていれば、弁室形成部材７０に対する弁体３２の芯出しを簡単かつ高精度に行うことができる。しかも、構造も簡素であるため、誰でも確実に組み立て作業を行うことができる。しかも既存の構成部材で芯出しが可能であり治具を用いる必要もなく、電動弁の製造コストを従来よりも抑えることができる。
ここで、本発明では、前記弁軸４の雄ネジ部の有効径が２〜３ｍｍであっても良い。
このように本発明は、弁軸４の小径化に対応することができる。

本発明に係る電動弁によれば、コイルバネの座屈が安定することから、弁体を弁座に対して傾かせることなく着座させることができ、これにより、弁体の弁座に対する着座安定性が向上する。また、着座時の流体の漏れを減少させることができ、加えて弁部の耐久性を向上させることができる。

また、本発明に係る電動弁は、弁閉時の密閉性が向上しての縮小化に寄与することができ、例えば、弁軸の雄ネジ部の有効径が２〜３ｍｍであっても良好に適用することができる。

図１は本発明に係る電動弁の好ましい一実施形態を示す断面図である。 図２は図１に示した弁軸と弁軸ホルダとの組付態様を拡大して示す概略図である。 図３（Ａ）、（Ｂ）は、図１に示した弁軸と弁軸ホルダとの組付態様を示す断面図である。 図４（Ａ）、（Ｂ）は図１に示した電動弁のコイルバネの形状を示すための概略断面図である。 図５（Ａ）は従来の電動弁の断面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）の一部拡大図である。 図６（Ａ）、（Ｂ）は、図５（Ａ）、（Ｂ）に示した従来の電動弁の弁軸と弁軸ホルダとの組付態様を拡大して示す概略図である。 図７（Ａ）は、従来の電動弁におけるコイルバネと弁軸との関係を示す断面図、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示したコイルバネの外形を示す概略図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。
図１は、本発明の好ましい実施形態の電動弁を示した断面図で、図２は、図１に示した電動弁における弁軸と弁軸ホルダとの組付け態様を示す概略図である。

なお、本明細書において、「上」あるいは「下」とは図１の状態で規定したものである。
この電動弁１０では、非磁性体製で筒形のカップ形状をなすケース６０の開口側の下端部に弁室形成部材７０が溶接により一体的に接続されている。

弁室形成部材７０の弁室７０ａ内には、下方向（軸方向）に第１の継手３８が接続され、側方に第２の継手３７が接続され、第１の継手３８が接続される弁室形成部材７０の入出力ポート１４の上部に、弁座部２１が設けられている。

なお、この弁座部２１は、ケース６９の下端側に配置される弁室形成部材７０と別部材であるが、弁座部２１は、弁室形成部材７０に直接形成されていても良い。
ケース６０の内周には、回転可能なロータ２が収容されている。

ケース６０の外周には、図示しないヨーク、ボビン、およびコイル等からなるステータが配置され、ロータ２とステータとでステッピングモータが構成されている。
また、ケース６０の下端部６０ａと弁室形成部材７０の上端部との間には、内部に貫通孔が形成された筒状の弁軸ホルダ６が、そのフランジ部６ｆを介して弁室形成部材７０に対し相対的に回転不能に固定されている。この弁軸ホルダ６は、一体形成された単一部材であり、好ましくは、適宜な樹脂により一体成形されている。この弁軸ホルダ６は、後述する弁軸４の傾きを抑制する機能を有している。

上記弁軸ホルダ６は、上部側の筒状小径部６ａと下部側の筒状大径部６ｂと、弁室形成部材７０の内周側部に圧入される圧入部３４と、リング状のフランジ部６ｆとからなる。
弁軸ホルダ６の圧入部３４は、図示しないが、弁軸ホルダ６の筒状大径部６ｂの外周側部に所定間隔離間して複数個設けられている。本実施形態では、周方向に離間して４箇所に圧入部３４が設けられているが、特に４箇所に限定されるものではなく、例えば１８０°の角度毎に設けられている場合には２箇所でもよい。ただし、１８０°の角度毎に２箇所に圧入部３４を設けた場合は、弁室形成部材７０に弁軸ホルダ６を圧入する際に、弁軸ホルダ６がずれて弁室形成部材７０に対して斜めに傾く虞がある。したがって、さらに確実に弁室形成部材７０に弁軸ホルダ６を固定するには、この圧入部３４を３箇所以上設けることが好ましい。このように圧入部３４を３箇所以上設ければ、弁室形成部材７０に対して弁軸ホルダ６を圧入する際に、弁軸ホルダ６が前後左右にずれる虞がなく、確実に芯出しを確実に行うことができる。

また、弁軸ホルダ６の筒状小径部６ａの外周には、ロータ２のストッパ部２ａが案内される螺旋溝が形成されている。さらに、弁軸ホルダ６の筒状大径部６ｂの側面には、弁軸ホルダ６の内部に形成された弁軸ホルダ室８３と弁軸ホルダ６の外部空間との均圧を図る均圧孔５１が穿設されている。このような均圧孔５１を設けることにより、弁軸ホルダ６の移動動作がスムーズに行われる。

さらに、この弁軸ホルダ６では、筒状小径部６ａの内周側上部開口部６ｇから所定の深さまで下方に向かって雌ネジ部６ｄが形成され、雌ネジ部６ｄの下方に、ネジ溝が形成されていない軸受部６ｅが形成されている。この軸受部６ｅにより、後述する弁軸４の傾き（振れ）が防止される。

ロータ２の軸芯部分には、ブッシュ部材３３を介して弁軸４が貫通して配置されている。弁軸４の主要部は弁軸ホルダ６の内方に装着されており、この弁軸４は、ロータ２と一体的に回転する。弁軸４の上部側の外周部には雄ネジ部４ａが形成され、この雄ネジ部４ａから縮径部４ｃを挟んで下方側に、軸部分４ｂが形成されている。

そして、弁軸４の外周に形成された雄ネジ部４ａと、弁軸ホルダ６の内周に形成された雌ネジ部６ｄとにより、ネジ送り機構Ａが構成されている。
また、弁軸４の下端側であって、かつ弁軸ホルダ６における筒状大径部６ｂの内方には、筒状の弁ホルダ２５が配置され、この弁ホルダ２５は上端部側がプレス成形により略直角に折り曲げられている。弁ホルダ２５はこの折り曲げられたフランジ部により、弁軸４に対する抜け止めがなされている。そして、弁ホルダ２５内には、圧縮されたコイルバネ２７とバネ受け３５とが収容されている。また、弁ホルダ２５の下端に、弁体３２が溶接などにより固着されている。

そして、この電動弁１０では、弁軸４と弁ホルダ２５とバネ受け３５とコイルバネ２７と弁体３２などは、１つの弁軸組立体５０として構成されている。なお、弁ホルダ２５の下端部に設けられた弁体３２は、弁軸４に対して軸方向の相対移動および相対回転が可能である。

なお、本実施の形態における弁軸４の雄ネジ部の有効径は２〜３ｍｍである。
また、弁座部２１の開口径は０．５〜４．５ｍｍであり、ネジ送り機構Ａの螺合長さＬは、２〜１０ｍｍである。
以下、上記のように構成された電動弁１０の動作について説明する。

電動弁１０を閉じるときには、図示しないコイルにパルス信号を与えることによりロータ２が上面視時計方向に回転すると同時に、ネジ送り機構Ａの作用により弁軸４も回転しながら下降し、弁体３２が弁座部２１内に挿入される。弁体３２が弁座形成部材７０内の所定位置まで挿入された後、ロータ２がさらに回転して弁体３２と弁座部２１とが互いに当接し、この状態でロータ２のストッパ部２ａが弁軸ホルダ６のストッパ部６ｈに当接し、弁軸４の下降が強制的に停止され、図１の姿勢で動作が終了する。

一方、電動弁１０を開く場合には、例えば、図１の状態でロータ２が反時計方向に回転するパルス信号を与え、ロータ２が反時計方向に回転すると、これと同時に弁軸４も回転上昇し、弁体３２が弁座部２１から離れて電動弁１０が開弁する。

上記のような動作を行う本実施形態の電動弁１０では、弁軸４の下方に配置された弁体３２を、常に安定した姿勢で弁座部２１に当接させるために、以下のような構成が採用されている。

すなわち、弁軸ホルダ６の軸受部６ｅは、筒状小径部６ａの下端部側に設けられており、弁軸４の雄ネジ部４ａは、筒状小径部６ａの上部側に設けられている。
このように、軸受部６ｅが筒状小径部６ａの下端部側に設けられ、かつ弁軸４の雄ネジ部４ａが筒状小径部６ａの上部側に設けられていると、弁軸４の振れ幅を少なくすることができる。

また、弁軸ホルダ６の雌ネジ部６ｄの内径Ｄ１は、弁軸ホルダ６の軸受部６ｅの内径Ｄ２より小さく設定されている。
このように、Ｄ１＜Ｄ２に設定すると、ネジ送り機構Ａの螺合長さＬを常に一定の長さに設定することができる。

このようにして流量制御を行う電動弁１０では、上述したように、弁閉時の状態を示す図３（Ａ）と、弁開時の状態を示す図３（Ｂ）では、ネジ送り機構Ａの螺合長さＬが常に一定になる。すなわち、図３（Ａ）のように、弁軸４が最大限下方に移動したときにも、図３（Ｂ）のように弁軸４が最大限上方に移動したときにも、弁軸ホルダ６の雌ネジ部６ｄの全域に亘って雄ネジ部４ａが螺合しているため、螺合長さＬが常に一定になる。

また、このような構成の電動弁１０では、図４に示したように、弁軸４の雄ネジ部４ａの外径Ｃ１は、コイルバネ２７の下端側のバネ受け部３２ａに対する着座部分の内径Ｃ２より小さく設定されている。このようにＣ１＜Ｃ２に設定すると、弁軸４の振れ幅が少なくなる。

また、Ｃ１＜Ｃ２に設定すると、仮想空間Ｂの重心位置Ｇは、図７の逆円錐台形状の場合に比べて低くなり、バネの座りが良好になる。
よって、図１に示した弁体３２は常に安定した姿勢で弁座部２１に当接または離反するので、流量調整を正確に行うことができる。

また、電動弁１０では、ネジ送り機構Ａの位置が、弁軸ホルダ室８３に接しておらず、弁軸ホルダ室８３の上方に位置している。
したがって、本実施形態の場合には、流体内に仮にゴミ等が混入されているとしても、ネジ送り機構Ａへの噛み込みが防止される。これにより、弁開度の調整に不調を来すことがない。

コイルバネ２７の座りが良い場合には、以下のような効果を奏する。
すなわち、コイルバネ２７の座りが良いと、図１のように、弁閉時に弁体３２が傾いたり弁体３２が左右に揺れ動いたりすることがなく、安定した姿勢で弁体３２を着座させることができる。したがって、流体の漏れなどを防止することができる。

したがって、このようなコイルバネ２７を備えた電動弁１０では、弁体３２を常に安定した姿勢で弁座部２１に当接または離反させることができるので、流量調整を正確に行うことができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されない。
例えば、上記実施形態では、弁軸４と弁ホルダ２５とバネ受け３５とコイルバネ２７と弁体３２などは、１つの弁軸組立体５０として構成されているが、弁体３２の係止手段は、他の構成であっても良い。

また、本発明は、弁軸４の雄ネジ部４ａの有効径は２〜３ｍｍのような小径の場合に適用が可能であるが、勿論それ以上の径に適用可能である。
さらに、弁座部２１の開口径は、０．５〜４．５ｍｍの場合に有効に可能であるが、勿論、それ以外の径にも適用可能である。

２ ロータ
２ａ ストッパ部
４ 弁軸
４ａ 雄ネジ部
４ｂ 軸部分
４ｃ 縮径部
６ 弁軸ホルダ
６ａ 筒状小径部
６ｂ 筒状大径部
６ｃ 下端部
６ｄ 雄ネジ部
６ｅ 軸受部
６ｆ フランジ部
６ｇ 上端開口部
６ｈ ストッパ部
１０ 電動弁
１４ 入出力ポート
２１ 弁座部
２５ 弁ホルダ
２７ コイルバネ
３２ 弁体
３２ａ バネ受け部
３３ ブッシュ部材
３７ 第２の継手
３８ 第１の継手
５０ 弁軸組立体
６０ ケース
６０ａ 下端部
７０ 弁室形成部材
７０ａ 弁室
７０ｂ 上端部
８３ 弁軸ホルダ室
Ａ ネジ送り機構

Claims (4)

1. 雌ネジ部（６ｄ）と軸受部（６ｅ）が形成され、ロータ（２）の回転に対して回転不能であり、かつ上下方向に移動不能な弁軸ホルダ（６）と、
   上部側の外周部に雄ネジ部（４ａ）が形成され、下部側の外周部に筒状の軸部分（４ｂ）が形成され、前記ロータ（２）と一体的に回転するとともに、その回転に伴って上下方向に移動する弁軸（４）と、
   前記弁軸（４）の雄ネジ部（４ａ）と前記弁軸ホルダ（６）の雌ネジ部（６ｄ）とから構成されるネジ送り機構（Ａ）と、
   前記弁軸（４）の下端部に抜け止めされているとともに、弁体（３２）が一体的に具備された筒状の弁ホルダ（２５）と、
   前記筒状の弁ホルダ（２５）内に設けられ、閉弁時に前記弁体（３２）を弁閉方向に付勢するコイルバネ（２７）と、
   前記弁軸ホルダ（６）が回転不能に、かつそれ自身上下方向に移動不能に固定されており、軸方向の下部に設けられた入出力ポート（１４）に、弁座部（２１）が設けられ、内部に弁室（７０ａ）が画成された弁室形成部材（７０）と、を備えた電動弁（１０）であって、
   前記弁軸ホルダ（６）は一体形成されたものであるとともに、
   前記弁軸（４）の雄ネジ部（４ａ）の外径をＣ１、前記コイルバネ（２７）の下端側のバネ受け部（３２ａ）に対する着座部分の内径をＣ２としたとき、
   Ｃ１＜Ｃ２に設定されていることを特徴とする電動弁。
2. 前記弁軸ホルダ（６）の前記雌ネジ部（６ｄ）の内径（Ｄ１）は、前記軸受部（６ｅ）の内径（Ｄ２）より小さく設定され、
   前記ロータ（２）の回転に伴って前記弁軸（４）が回転しながら上下方向に移動することにより、前記弁軸（４）が上から下、または下から上へ移動した際に、前記ネジ送り機構（Ａ）の螺合長さ（Ｌ）が一定であることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
3. 前記弁軸ホルダ（６）の外周側部には、前記弁室形成部材（７０）の内周側部に圧入される圧入部（３４）が設けられ、
   前記圧入部（３４）が前記弁室形成部材（７０）内に圧入されることにより、前記弁室形成部材（７０）に対して前記弁体（３２）の芯出しが行われるよう構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電動弁。
4. 前記弁軸（４）の雄ネジ部（４ａ）の外径が２〜３ｍｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電動弁。

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