JP2016080243A - 電動膨張弁 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍サイクルに設置される電動膨張弁について、弁部およびその周辺の耐摩耗性を向上させる。
【解決手段】制御弁１は、導入ポート１０と、導出ポート１２と、両ポートを連通させる弁孔２４とを有するボディ５と、弁部の上流側から弁孔２４に接離して弁部を開閉する弁体３４と、先端部にて弁体３４を支持するシャフト６０と、ロータ３１の回転運動をシャフト６０の並進運動に変換する作動変換機構と、を備える。シャフト６０は、先端側に開口する内部空間Ｓを有し、その内部空間Ｓに弁体３４を部分的に収容しつつ、弁体３４を軸線方向に摺動可能に支持する。内部空間Ｓには、弁体３４をシャフト６０の先端開口部から突出させる方向に付勢するスプリング６３が配設されている。内部空間Ｓと導入ポート１０とをシャフト６０の先端開口部とは異なる位置にて連通させる連通路３０が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクルに設置される電動膨張弁の構造に関する。

自動車用空調装置の冷凍サイクルには一般に、循環する冷媒を圧縮するコンプレッサ、圧縮された冷媒を凝縮するコンデンサ、凝縮された液冷媒を絞り膨張させて霧状の気液混合冷媒にして送出する膨張弁、その霧状の冷媒を蒸発させてその蒸発潜熱により車室内の空気を冷却するエバポレータ等が設けられている。膨張弁としては、エバポレータの出口側の冷媒の温度および圧力を感知して弁部が自律的に開閉する機械式の膨張弁が広く用いられている。一方、近年の電気自動車やハイブリッド車両の普及に伴い、駆動部にモータを用いて弁開度の精密な制御を実現する電動膨張弁も採用されつつある。

このような電動膨張弁は、ロータの回転運動をシャフトの並進運動に変換して弁体を駆動する（例えば特許文献１参照）。弁体はシャフトの先端に支持され、冷媒通路の途中に形成された弁座に着脱して弁部を開閉する。弁体が弁座に着座するときの衝撃を緩和するために、弁体はシャフトに相対変位可能に支持される。具体的には、シャフトの先端部が中空形状とされ、弁体が部分的に挿通される形で摺動可能に支持される。シャフトの内部空間には、弁体を閉弁方向、つまり弁体をシャフトから突出させる方向に付勢するスプリングが配設されている。このような構成により、弁体が着座する際にそのスプリングが弾性変形して衝撃を吸収することができる。

特開２０１２−６２９５２号公報

しかしながら、このような膨張弁は、一般に弁体およびその支持構造が金属からなるため、弁体が開閉作動するごとに金属同士の摺動による摩擦が生じ、摩耗によって寿命を短くする可能性があった。また、弁体が着座を開始すると、シャフトの回転に対して弁体が追従できなくなるため、そのシャフトの内壁と弁体との間に介装されたスプリングが捻れ、破断に到る可能性があった。

本発明の目的の一つは、冷凍サイクルに設置される電動膨張弁について、弁部およびその周辺の耐摩耗性を向上させることにある。

本発明のある態様は、冷凍機油を含む冷媒が循環する冷凍サイクルに設置され、上流側から導入される液冷媒を弁部にて膨張させ、気液混合冷媒として下流側に導出可能な電動膨張弁である。この膨張弁は、上流側から液冷媒を導入する導入ポートと、下流側へ気液混合冷媒を導出する導出ポートと、導入ポートと導出ポートとを連通させる弁孔と、を有するボディと、弁部の上流側に設けられ、弁孔に接離して弁部を開閉する弁体と、弁体を弁部の開閉方向に駆動するためのロータを含むモータと、ロータに接続され、先端部にて弁体を支持するシャフトと、ロータの回転運動をシャフトの並進運動に変換する作動変換機構と、を備える。

シャフトは、先端側に開口する内部空間を有し、その内部空間に弁体を部分的に収容しつつ、先端部にて弁体を軸線方向に摺動可能に支持し、内部空間には、弁体をシャフトの先端開口部から突出させる方向に付勢するスプリングが配設され、内部空間と導入ポートとをシャフトの先端開口部とは異なる位置にて連通させる連通路が形成されている。

この態様によると、弁体がシャフトに挿通されて摺動可能に支持されるところ、シャフトの内部空間と導入ポートとを連通させる連通路が設けられる。この連通路は、その内部空間を介してシャフトの先端開口部につながる。このため、導入ポートに導入された液冷媒を連通路を介してシャフトの内部空間に積極的に導入し、シャフトの先端開口部から導出することが可能となる。その結果、冷媒に含まれる冷凍機油により、その内部空間に位置する金属部材間の摺動部の潤滑を促進することができる。すなわち、弁部およびその周辺の耐摩耗性を向上させることができる。

本発明によれば、冷凍サイクルに設置される電動膨張弁について、弁部およびその周辺の耐摩耗性を向上させることができる。

第１実施形態に係る制御弁の構成を表す一断面図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 ロータおよび作動ロッドの構成部品を表す分解斜視図である。 弁体およびばね受けの各構成の詳細を表す図である。 制御弁の動作を表す断面図である。 連通路を設けたことによる作用効果を表す図である。 第２実施形態に係る制御弁の構成を表す一断面図である。 第２実施形態の主要部の構成および作用効果を表す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明においては便宜上、図示の状態を基準に各構造の位置関係を表現することがある。また、以下の実施形態およびその変形例について、ほぼ同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜省略することがある。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る制御弁の構成を表す一断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面図である。本実施形態は、本発明の電動膨張弁を自動車用空調装置の冷凍サイクルに適用される制御弁として具体化している。この冷凍サイクルには、循環する冷媒を圧縮するコンプレッサ、圧縮された冷媒を凝縮するコンデンサ、凝縮された液冷媒を絞り膨張させて霧状の気液混合冷媒にして送出する膨張弁、その霧状の冷媒を蒸発させてその蒸発潜熱により車室内の空気を冷却するエバポレータ等が設けられている。この冷凍サイクルを循環する冷媒には潤滑用のオイル（冷凍機油）が含まれ、循環路に配置された各機器の摺動部に適度な潤滑がなされる。なお、以下では便宜上、主要構成である膨張弁の構造を中心に説明し、それ以外の詳細な説明については省略する。

図１に示すように、制御弁１は、ステッピングモータ駆動式の電動膨張弁として構成され、弁本体２とモータユニット４とを組み付けて構成されている。弁本体２は、弁部を収容するボディ５を有する。モータユニット４は、ボディ５の上端開口部を封止するように取り付けられている。ボディ５は、角柱状の第１ボディ６の上半部に段付円筒状の第２ボディ８を組み付けて構成される。第１ボディ６はアルミニウム合金からなり、第２ボディ８は銅合金からなる。なお、変形例においては、第２ボディ８をステンレス鋼（以下「ＳＵＳ」と表記する）にて構成してもよい。

第１ボディ６の一側面の上部には上流側から冷媒を導入する導入ポート１０が設けられ、反対側面の下部には下流側へ冷媒を導出する導出ポート１２が設けられている。第１ボディ６の中央には上下方向の接続通路１４が形成され、その上流側通路１６が導入ポート１０に連通し、下流側通路１８が導出ポート１２に連通している。第１ボディ６の上半部には、上方に向けて段階的に拡径する段付円孔状の取付孔２０が形成されている。接続通路１４は、取付孔２０の一部を構成する。

一方、第２ボディ８は、その外径および内径が下方に向けて段階的に縮径する段付円筒状をなし、取付孔２０と相補形状の外形を有する。第２ボディ８は、第１ボディ６の上方から取付孔２０に嵌合させるようにして取り付けられる。第１ボディ６と第２ボディ８との間には、接続通路１４の位置にシール用のＯリング２２が介装されている。

第２ボディ８の下端部には弁孔２４が設けられ、その上端開口部に弁座２６が形成されている。第２ボディ８における導入ポート１０との対向面には、内外を連通する連通孔２８が設けられている。弁孔２４は、この連通孔２８を介して上流側通路１６と連通する。また、連通孔２８の外側には第２ボディ８を上下に貫通する連通路３０が設けられ、上流側通路１６の冷媒をモータユニット４側にも導入できるようにされている。

第２ボディ８の内方には、モータユニット４のロータ３１から同軸状に延びる作動ロッド３２（主軸）が挿通されている。作動ロッド３２は、一端部（下端部）にニードル状の弁体３４を支持している。弁体３４が弁座２６に上流側から着脱することにより弁部を開閉する。

第２ボディ８の軸線方向中段には円筒状の滑り軸受３６が圧入され、その直上段には円筒状のガイド部材３８（「円筒部材」として機能する）が圧入されている。本実施形態では滑り軸受３６として、筒状の金属メッシュを芯材として補強した樹脂軸受を用いている。滑り軸受３６は、その樹脂材としてポリテトラフルオロエチレン（以下「ＰＴＦＥ」と表記する）を用いた無給油軸受（自己潤滑性を有する軸受）である。滑り軸受３６は、サイジング加工を施すことにより、内径の寸法精度および第２ボディ８との同軸性が高められている。このような工夫により、滑り軸受３６の低摩擦および耐摩耗性を維持するとともに、耐荷重性能を高めている。なお、変形例においては、金属メッシュに代えて鋼板材を芯材としてもよい。

ガイド部材３８の内周面には雌ねじ３９（「雌ねじ部」として機能する）が形成されている。ガイド部材３８は、ＳＵＳからなる管材の内周面に雌ねじ３９を切削加工して得られる。本実施形態では、雌ねじ３９を推力が大きく耐摩耗に優れた台形ねじにて構成している。変形例においては、雌ねじ３９を三角ねじにて構成してもよい。ガイド部材３８の軸線方向中央には半径方向外向きに突出するフランジ部４０が設けられ、そのフランジ部４０の下面が第２ボディ８の段部に係止されることにより、その圧入量が規制されている。より詳細には、ガイド部材３８は第２ボディ８に対して軽圧入されており、第２ボディ８の上端に締結される小径のリングねじ４２によって上方から押さえられるように固定されている。なお、変形例においては、ガイド部材３８を第２ボディ８に対して圧入のみにより固定してもよい。

図２にも示すように、第２ボディ８の上面にはラックガイド４４（「ガイド部材」として機能する）が立設されている。ラックガイド４４は、下半部が大径部４６、上半部が小径部４８とされており、下端部が第２ボディ８の上面に固定されている。より詳細には、第２ボディ８の上面に環状の嵌合溝５０を成形することにより得られた円ボス部５２にラックガイド４４の下端部を外挿嵌合させ、第２ボディ８の上端に締結される大径のリングねじ５４によって上方から押さえるように固定している。円ボス部５２は、弁孔２４と同軸に形成された「嵌合部」として機能する。なお、変形例においては、ラックガイド４４を第２ボディ８に対して圧入又は加締めにより固定してもよい。

本実施形態では、第２ボディ８を旋盤による旋削加工により成形しているため、弁孔２４（弁座２６）、滑り軸受３６が圧入される段部の嵌合孔、ガイド部材３８が圧入される段部の嵌合孔、および円ボス部５２が同軸となる。このため、滑り軸受３６、ガイド部材３８およびラックガイド４４の弁孔２４（弁座２６）に対する同軸度が高い。滑り軸受３６は、シャフト６０の下端部を支持する「支持部」として機能する。

図１に示すように、作動ロッド３２は、シャフト６０、ウォーム６２およびストッパ６４を組み付けて構成される。シャフト６０は、ＳＵＳからなる棒材を切削加工して得られ、下半部が拡径されて円筒状に形成されており、その外周面に雄ねじ６６が形成されている。本実施形態では、雄ねじ６６を推力が大きく耐摩耗性に優れた台形ねじにて構成している。変形例においては、雄ねじ６６を三角ねじにて構成してもよい。この雄ねじ６６は、ガイド部材３８の雌ねじ３９と螺合する。すなわち、シャフト６０の下半部が「雄ねじ部」として機能する。なお、本実施形態では、雄ねじ６６および雌ねじ３９に対してＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）処理を施してその耐荷重性能を高めている。なお、変形例においては、ＤＬＣ処理に代えて耐荷重性能、耐摩耗性、摺動抵抗低減に優れた他の表面処理を採用してもよい。あるいは、析出硬化型のステンレスを採用してもよい。

シャフト６０の上半部にストッパ６４およびウォーム６２が外挿されている。シャフト６０の上半部の断面が非円形に構成され、ストッパ６４およびウォーム６２も同形状の挿通孔を有する。このため、ストッパ６４およびウォーム６２がシャフト６０に挿通嵌合された後にそれらが相対変位することが防止されている。ストッパ６４は、シャフト６０の下半部とウォーム６２との間に挟持されている。

シャフト６０の下半部は、下方（つまりシャフト６０の先端側）に向けて開口する内部空間Ｓが形成された中空構造となっている。内部空間Ｓには、上方からスプリング６３（「付勢部材」として機能する）、ばね受け６５、弁体３４が収容されている。すなわち、シャフト６０の下半部は、それらを収容する「収容部」として機能する。シャフト６０の下端開口部には、円筒状のブッシュ６７（圧入ブッシュ）が同心状に圧入され、弁体３４を摺動可能に下方から支持する。弁体３４はＳＵＳからなり、ばね受け６５およびブッシュ６７は銅合金からなる。なお、シャフト６０とブッシュ６７が一体であるため、両者を合わせて広義に「シャフト」と捉えることもできる。ブッシュ６７の下端開口部は、そのシャフトの「先端開口部」を構成する。

弁体３４は、ブッシュ６７を貫通するが、その上端部に半径方向外向きに突出するフランジ部６９を有する。そのフランジ部６９の下面がブッシュ６７の上面に係止されることにより、弁体３４の下方への脱落が防止されている。ばね受け６５は、スプリング６３による下方（閉弁方向）への付勢力を弁体３４に伝達する。なお、弁体３４の上端は半球状の曲面となっており、ばね受け６５の底面に点接触状態となる。このような構成により、ばね受け６５が多少傾いたとしても弁体３４の軸線方向の動きに影響が及ばないようにされている。また、弁体３４は、弁座２６に接触していない状態においてはブッシュ６７およびばね受け６５と一体に回転するが、弁座２６に接触した状態においては回転が規制される。弁体３４の曲面形状は、このようなときにばね受け６５との間に摩耗が発生することを抑制する。

ラックガイド４４は、小径部４８における周方向の１箇所が半径方向外向きに凹状に窪み、所定幅にて上下にフラットに延びるガイド部６８となっている。ガイド部６８は、ウォーム６２の軸線と平行に延在し、小片状のラック７０が収容されている。ラック７０は角柱状の本体７１を有する。その本体７１は、ガイド部６８と相補形状となる断面長方形状をなし、その内面側においてウォーム６２と噛合する。ラック７０は、ウォーム６２の回転に伴ってガイド部６８にガイドされつつ上下方向に並進する。本体７１の上面にはラック７０が上死点に位置したときに係止される係止部７２が突設され、下面にはラック７０が下死点に位置したときに係止される係止部７４が突設されている。このラック７０の構成および動作の詳細については後述する。

ラックガイド４４の大径部４６と小径部４８との境界である段部には、内外を連通する連通孔７６が設けられている。また、ラックガイド４４の下端部の内周面には、内外を連通するための連通溝７７が形成されている。この連通溝７７は、連通路３０の一部を構成する。このような構成により、上流側通路１６の冷媒がモータユニット４側にも導入される。また、シャフト６０の軸線方向中間部には、内外を連通させる連通孔１５０が形成されている。連通孔１５０は、連通路３０の一部を構成し、導入ポート１０と内部空間Ｓとを連通させる。導入ポート１０から連通路３０に導入された液冷媒は、連通孔１５０、内部空間Ｓ、弁体３４とブッシュ６７との間隙を通り、ブッシュ６７の下端開口部から導出される。すなわち、連通孔１５０を含む連通路３０は、内部空間Ｓに液冷媒を導入する「冷媒導入通路」として機能する。大径部４６は、ロータ３１の下端部に小さなクリアランスをあけて挿通されている。そのクリアランスは、ロータ３１の触れ回りを防止できる程度に設定されている。

一方、モータユニット４は、ロータ３１とステータコイル３３とを含むステッピングモータとして構成されている。モータユニット４は、有底円筒状のキャン３５を有し、そのキャン３５の内方にロータ３１を配置し、外方にステータコイル３３を配置して構成されている。キャン３５は、弁体３４およびその駆動機構が配置される空間を覆うとともにロータ３１を内包する筒状部材であり、冷媒の圧力が作用する内方の圧力空間と作用しない外方の非圧力空間とを画定する。

キャン３５は、非磁性である円筒状の本体８０と、本体８０の上端開口部を閉止する円板状の端部材８２と、本体８０の下端に連設された環状の接続部材８４とを含む。接続部材８４は、その下端部に雄ねじが形成されており、リングねじとしても機能する。第１ボディ６の上端部にはこの雄ねじと螺合可能な雌ねじが形成されており、接続部材８４を第１ボディ６に螺合して締結することにより、モータユニット４をボディ５に対して固定することができる。図示のように、接続部材８４は、第２ボディ８の上半部に外挿されるようにして組み付けられる。第１ボディ６の上端部と接続部材８４との間にはシール用のＯリング８６が介装され、導入ポート１０から導入された冷媒が、キャン３５とボディ５との間を通って外部に漏洩することが防止されている。なお、変形例においては、キャン３５（接続部材８４）を第１ボディ６に対して圧入、加締め、溶接等により固定してもよい。

ステータコイル３３は、励磁コイル８８を収容し、キャン３５の外周に配設されている。ステータコイル３３は、ボディ５に対して固定されている。なお、ステータコイル３３のボディ５に対する接続は、例えばねじ止めや溶接、蝋付け、カシメ等により行うことができる。ステータコイル３３は、冷媒の圧力の影響を受けない大気中に配置されるため、制御弁１が適用される環境、例えば自動車搭載環境下での振動に耐え得る強度で固定されれば十分であり、耐圧固定が必要なキャン３５ほどの固定強度は必要ない。

ロータ３１は、シャフト６０を軸線とする円筒状のロータコア９０と、ロータコア９０の外周に沿って設けられたマグネット９２を備える。ロータコア９０の内方にはそのほぼ全長にわたる内部空間が形成されている。ロータコア９０の内周面には、軸線に平行に延びるガイド部９４が周方向に４５度おきに設けられている。ガイド部９４は、軸線に平行に延びる突条（リブ）により構成されている。

複数のガイド部９４の上端部が半径方向内向きに延出し、円筒軸９６にて連結されている。この円筒軸９６が、作動ロッド３２の上端部に同軸状に固定されている。この固定は、円筒軸９６を作動ロッド３２の上端部に嵌合させ、ナット９８を締結することにより行われる。円筒軸９６の所定箇所には、ラック７０の上死点を規定するためのストッパ９９が設けられている。

以上のような構成により、ロータ３１は、その回転軸となる作動ロッド３２がラックガイド４４の小径部４８と滑り軸受３６とにより２点支持される。また、ラックガイド４４の大径部４６とガイド部９４とのクリアランスがロータ３１の振れを制限可能となるように設定されている。このため、制御弁１が車両に搭載されても、ロータ３１は、振動の影響を受け難く、軸線周りに安定に回転することができる。なお、作動ロッド３２は、ウォーム６２の位置においてラックガイド４４に軸支されることになるが、ウォーム６２とラックガイド４４とがいずれも自己潤滑性の樹脂材からなるため、両者間に摩耗の問題が生じることはない。

ロータ３１の回転に伴ってラック７０は上下に並進する。ロータ３１の一方向への回転に伴ってラック７０が上昇し、予め定める上死点に到達すると、ラック７０とストッパ９９とが互いを係止することによりシャフト６０の回転を規制する。それにより、シャフト６０の下方（閉弁方向）への変位が規制される。また、ロータ３１の他方向（反対方向）への回転に伴ってラック７０が下降し、予め定める下死点に到達すると、ラック７０とストッパ６４とが互いを係止することによりシャフト６０の回転を規制する。それにより、シャフト６０の上方（開弁方向）への変位が規制される。すなわち、本実施形態において、ストッパ９９が「第１ストッパ」として機能し、ストッパ６４が「第２ストッパ」として機能する。そして、ウォーム６２、ラック７０、ストッパ６４およびストッパ９９が、シャフト６０の一方向および他方向への回転量を制限するための「ストッパ機構」として機能する。

次に、制御弁１を構成する各部の詳細について説明する。
図３は、ロータ３１および作動ロッド３２の構成部品を表す分解斜視図である。シャフト６０は、下方から上方に向けて段階的に小径化する段付円柱状の概形を有する。シャフト６０における雄ねじ６６の直上段には、非円形の断面を有する（いわゆるＤカット構造）嵌合部１０２が設けられている。雄ねじ６６の内方に内部空間Ｓが形成されており、嵌合部１０２の平坦面を成形する際に内部空間Ｓの一部が露出する形で連通孔１５０が形成される。その際、図示のように雄ねじ６６の上端部が一部切り欠かれる。ただし、その切欠部１５２は、雄ねじ６６において雌ねじ３９とは噛合しない位置に形成されている（図１，図２参照）。すなわち、連通孔１５０は、シャフト６０における雄ねじ６６と、ガイド部材３８の雌ねじ３９とが噛合しない部分に形成されている。シャフト６０の上端部には雄ねじ１０４が形成されている。シャフト６０の下端開口部からスプリング６３、ばね受け６５、弁体３４が順次挿入され、これらがブッシュ６７を圧入することによりシャフト６０内に保持される。

作動ロッド３２は、このシャフト６０の上方からストッパ６４、ウォーム６２を順次挿通して組み付けられる。ストッパ６４およびウォーム６２は、それぞれガラス繊維を含有したポリフェニレンサルファイド（以下「ＰＰＳ」と表記する）等の樹脂材（ガラス繊維強化樹脂）を射出成形することにより得られ、嵌合部１０２と相補形状の挿通孔が設けられている。このため、ストッパ６４およびウォーム６２は、シャフト６０への組み付けと同時に位置決めがなされ、また組み付け後のずれが防止される。連通孔１５０は、ストッパ６４と雄ねじ６６との間隙に開口するように形成される。

制御弁１の組み付けの際には、図１に示したように、第２ボディ８に対して滑り軸受３６およびガイド部材３８が順次組み付けられ、リングねじ４２により固定される。この状態から上記のように組み付けられた作動ロッド３２をガイド部材３８に螺合して同軸状に組み付ける。その後、ラック７０をウォーム６２に噛合させた状態でラックガイド４４を上方から組み付ける。このとき、ラック７０がガイド部６８に収まるよう位置合わせをしながら、ラックガイド４４の下端部を円ボス部５２に嵌合させ、リングねじ５４により第２ボディ８に固定する。この状態からロータコア９０をラックガイド４４に外挿させるようにして組み付け、ロータコア９０から突出した雄ねじ１０４にナット９８を締結することにより、ロータ３１を作動ロッド３２に固定する。なお、変形例においては、ロータコア９０とシャフト６０との固定を止め輪やプッシュナットによる接合としてもよい。

図４は、弁体３４およびばね受け６５の各構成の詳細を表す図である。図４（Ａ）〜（Ｃ）は弁体３４の構成を示す。（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は正面図である。（Ｃ）は弁体３４がシャフト６０内に挿通されたときの状態を示す。図４（Ｄ）〜（Ｇ）はばね受け６５の構成を示す。（Ｄ）は平面図であり、（Ｅ）は（Ｄ）のＣ−Ｃ矢視断面図であり、（Ｆ）は（Ｄ）のＤ−Ｄ矢視断面図である。（Ｇ）はばね受け６５がシャフト６０内に挿通されたときの状態を示す。

図４（Ａ）および（Ｂ）に示すように、弁体３４のフランジ部６９には、その周縁部に複数の平坦面１６０（本実施形態では３つ）が等間隔で設けられている。それにより、図４（Ｃ）に示すように、シャフト６０の内壁と各平坦面１６０との間隙が形成され、それらの間隙が連通路３０の一部を構成する。同様に、図４（Ｄ）〜（Ｆ）に示すように、ばね受け６５の周縁部に複数の平坦面１６２（本実施形態では４つ）が等間隔で設けられている。それにより、図４（Ｇ）に示すように、シャフト６０の内壁と各平坦面１６２との間隙が形成され、それらの間隙が連通路３０の一部を構成する。

以上のように構成された制御弁１は、モータユニット４の駆動制御によってその弁開度を調整可能なステッピングモータ作動式の制御弁として機能する。以下、制御弁１の全体動作について説明する。図５は、制御弁の動作を表す断面図である。既に説明した図１は閉弁状態を示し、図５は全開状態を示している。

制御弁１の流量制御において、車両用冷暖房装置の図示しない制御部は、設定開度に応じたステッピングモータの駆動ステップ数を演算し、励磁コイル８８に駆動電流（駆動パルス）を供給する。それによりロータ３１が回転すると、それに伴ってシャフト６０も回転する。このとき、シャフト６０は、ガイド部材３８との間のねじ機構により上下方向、つまり弁部の開閉方向に並進し、弁部の開度が設定開度に調整される。すなわち、このねじ機構は、ロータ３１の軸線周りの回転運動をシャフト６０（作動ロッド３２）の軸線方向の並進運動（直進運動）に変換することにより弁体３４を弁部の開閉方向に駆動する「作動変換機構」として機能する。

また、ラック７０がガイド部６８にそって駆動されることにより、弁体３４の動作範囲は、図１に示される下死点と図５に示される上死点との範囲に規制される。すなわち、図１に示す閉弁状態からロータ３１が一方向に回転駆動（正転）されることにより、弁体３４が開弁状態となる。すなわち、ロータ３１とともに回転するシャフト６０がねじ機構によって上昇し、ブッシュ６７が弁体３４を吊り上げるようにして開弁方向に変位させる。このとき、シャフト６０と一体に上昇するウォーム６２に対し、ラック７０は反対方向（つまり下方）に並進する。ロータ３１が一方向に回転されるにつれて弁部の開度が大きくなり、ラック７０が下死点に到達すると、図５に示すように、ストッパ６４ひいてはロータ３１の回転が係止され、弁体３４は全開位置に停止される。

一方、ロータ３１が他方向(反対方向）に回転駆動（逆転）されると、弁部の開度は小さくなる。すなわち、ロータ３１とともに逆回転するシャフト６０がねじ機構によって下降し、弁体３４がブッシュ６７に支持されたまま閉弁方向に変位する。このとき、スプリング６３の付勢力がばね受け６５を介して弁体３４に伝達されるため、弁体３４はブッシュ６７と一体に安定に変位する。このとき、シャフト６０と一体に下降するウォーム６２に対し、ラック７０は反対方向（つまり上方）に並進する。それにより、ラック７０が上死点に到達すると、図１に示すように、ストッパ９９ひいてはロータ３１の回転が係止され、弁体３４は閉弁位置に停止される。なお、弁体３４が弁座２６に着座すると同時にブッシュ６７との係合状態が解除されるため、弁体３４と弁座２６との間に過度な押圧力が作用することもない。

このように、ロータ３１の回転によりシャフト６０とラック７０とが軸線方向に対して互いに反対向きに並進するように構成され、ラック７０がロータ３１の内部空間に収まるように変位する。このため、制御弁１の内部機構全体としての軸線方向の並進ストロークを小さく抑えることができ、制御弁１をコンパクトに構成することができる。

ロータ３１の回転数は制御指令値としての駆動ステップ数に対応するため、図示しない制御部は、制御弁１を任意の開度に制御することができる。本実施形態では、ロータ３１の１回転あたり、弁体３４が０．５ｍｍストロークする。

制御弁１には、エバポレータの出口温度等に基づいて演算された弁開度に基づく指令信号が入力される。制御弁１は、その指令信号に基づいて弁開度を制御する。コンデンサ側から導入ポート１０を介して制御弁１に導入された液冷媒は、その弁部を通過することにより絞り膨張（断熱膨張）されて霧状の気液混合冷媒となり、導出ポート１２からエバポレータに向けて導出される。

図６は、連通路３０を設けたことによる作用効果を表す図である。本図は図１のＢ部拡大図である。本実施形態によれば、弁体３４がシャフト６０に挿通されて摺動可能に支持されるところ、シャフト６０の内部空間Ｓと導入ポート１０とを連通させる連通路３０が設けられる。この連通路３０は、その内部空間Ｓを介してシャフト６０の先端開口部（正確にはブッシュ６７の先端開口部）につながる。このため、図中矢印にて示すように、導入ポート１０に導入された液冷媒を連通路３０を介してシャフト６０の内部空間Ｓに積極的に導入し、シャフト６０の先端開口部から導出することができる。その結果、冷媒に含まれるオイルが内部空間Ｓを流れるようになり、その内部空間Ｓに位置する金属部材間の摺動部の潤滑を促進することができる。すなわち、弁体３４とブッシュ６７との摺動部、弁体３４とばね受け６５との摺動部、ばね受け６５とスプリング６３との摺動部などの潤滑を促進でき、弁部およびその周辺の耐摩耗性を向上させることができる。

［第２実施形態］
本実施形態の膨張弁は、ロータとシャフトとの取付構造が第１実施形態と特に異なる。図７は、第２実施形態に係る制御弁の構成を表す一断面図である。

制御弁２０１は、弁本体２０２とモータユニット２０４とを組み付けて構成される。モータユニット２０４は、ボディ２０５の上端開口部を封止するように取り付けられている。ボディ２０５は、第１ボディ２０６の上半部に第２ボディ２０８を組み付けて構成される。

第１ボディ２０６の一側面には導入ポート１０が設けられ、反対側面には導出ポート１２が設けられている。第２ボディ２０８の下端部には弁孔２４が設けられ、その上端開口部に弁座２６が形成されている。連通孔２８の外側には連通路３０が設けられ、後述のように、上流側通路１６の冷媒をモータユニット２０４側にも導入可能とされている。

第２ボディ２０８の内方には、モータユニット２０４のロータ２３１から同軸状に延びるシャフト２６０が挿通されている。シャフト２６０は、一端部（下端部）にニードル状の弁体２３４を支持している。弁体２３４が弁座２６に上流側から着脱することにより弁部を開閉する。

第２ボディ２０８の上半部には円筒状のガイド部材２３８が組み付けられている。ガイド部材２３８の内周面には雌ねじ３９が形成されている。ガイド部材２３８の軸線方向中央には半径方向外向きに突出するフランジ部２４０が設けられ、そのフランジ部２４０が複数のボルト２４２を介して第２ボディ２０８に固定されている。

シャフト２６０は、下半部が拡径されて段付円筒状に形成されており、その外周面に雄ねじ６６が形成されている。雄ねじ６６は、ガイド部材２３８の雌ねじ３９と螺合する。シャフト２６０の上半部は、ロータ２３１に同軸状に接続されている。そのシャフト２６０の上半部を軸線方向に貫通するように連通孔２５０が設けられている。シャフト２６０の下半部は、下方（つまりシャフト２６０の先端側）に向けて開口する内部空間Ｓが形成された中空構造となっている。連通孔２５０は、内部空間Ｓに連通し、後述のように連通路３０の一部を構成する。内部空間Ｓを形成する孔部と連通孔２５０とは、シャフト２６０を軸線方向に貫通する「貫通孔」を構成する。

内部空間Ｓには、上方からスプリング６３、ばね受け２６５、弁体２３４が収容されている。すなわち、シャフト２６０の下半部は、それらを収容する「収容部」として機能する。シャフト２６０の下端開口部には、円筒状のブッシュ２６７（圧入ブッシュ）が同心状に圧入され、弁体２３４を摺動可能に下方から支持する。なお、シャフト２６０とブッシュ２６７が一体であるため、両者を合わせて広義に「シャフト」と捉えることもできる。ブッシュ２６７の下端開口部は、そのシャフトの「先端開口部」を構成する。

弁体２３４は、その上端部に半径方向外向きに突出するフランジ部６９を有する。そのフランジ部６９の下面がブッシュ２６７の上面に係止されることにより、弁体２３４の下方への脱落が防止されている。ばね受け２６５は、スプリング６３による下方（閉弁方向）への付勢力を弁体２３４に伝達する。なお、弁体２３４の上端面は平坦面であるが、ばね受け２６５が球体であるため、両者は点接触状態となる。このような構成により、弁体２３４とばね受け２６５との間に摩耗が抑制される。

一方、モータユニット２０４は、ロータ２３１とステータコイル３３とを含むステッピングモータとして構成されている。モータユニット２０４は、キャン２３５の内方にロータ２３１を配置し、外方にステータコイル３３を配置して構成されている。ロータ２３１は、円筒状に形成されたロータコア２９０と、そのロータコア２９０の外周に配設されたマグネット９２を備える。

ロータコア２９０の内方にはキャン２３５の軸線と平行に延びるガイド部２７０が設けられている。ガイド部２７０は、後述する回転ストッパと係合するための突部を形成するものであり、軸線に平行に延びる一つの突条により構成されている。

ロータコア２９０の内方には、その軸線に沿って長尺状のシャフト２９２が配設されている。シャフト２９２は、その上端部がキャン２３５の端部材２８１に片持ち状に固定され、キャン２３５の内部空間に延在している。シャフト２９２は、シャフト２６０と同軸状に配置されている。シャフト２９２には、そのほぼ全長にわたって延在する螺旋状のガイド部２９４が設けられている。ガイド部２９４は、コイル状の部材からなり、シャフト２９２の外面に巻回されている。ガイド部２９４の上端部は折り返されて係止部２９８となっている。

ガイド部２９４には、螺旋状の回転ストッパ３００が回転可能に係合している。回転ストッパ３００は、ガイド部２９４に係合する螺旋状の係合部３０２と、ロータコア２９０に支持される動力伝達部３０４とを有する。係合部３０２は一巻きコイルの形状をなし、その下端部に半径方向外向きに延出する動力伝達部３０４が連設されている。動力伝達部３０４の先端部がガイド部２７０に係合している。すなわち、動力伝達部３０４は、ガイド部２７０の一つの突条に当接して係止される。このため、回転ストッパ３００は、ロータコア２９０により回転方向の相対変位は規制されるが、ガイド部２７０に摺動しつつその軸線方向の変位が許容される。

すなわち、回転ストッパ３００は、ロータ２３１と一体に回転し、その係合部３０２がガイド部２７０に沿ってガイドされることで、軸線方向に駆動される。ただし、回転ストッパ３００の軸線方向の駆動範囲はガイド部２７０の両端に形成された係止部により規制される。同図には、回転ストッパ３００が下死点に位置した状態が示されている。回転ストッパ３００が上方へ変位して係止部２９８に係止されると、その位置が上死点となる。

以上の構成において、シャフト２６０は、ガイド部材２３８との間のねじ機構により上下方向、つまり弁部の開閉方向に並進し、弁部の開度が設定開度に調整される。すなわち、このねじ機構は、ロータ２３１の軸線周りの回転運動をシャフト２６０の軸線方向の並進運動（直進運動）に変換することにより弁体２３４を弁部の開閉方向に駆動する「作動変換機構」として機能する。

図８は、第２実施形態の主要部の構成および作用効果を表す図である。図８（Ａ）は図７のＢ部拡大図であり、図８（Ｂ）は図７のＣ−Ｃ矢視断面図である。図８（Ｂ）に示すように、第２ボディ２０８をその軸線に対して平行に貫通するように複数の連通孔２８０が設けられている。また、ガイド部材２３８のフランジ部２４０をその軸線に対して平行に貫通するように複数の連通孔２８２が設けられている。そして図示のように、連通孔２８０と連通孔２８２とが同軸状に配置されるように、第２ボディ２０８とガイド部材２３８とが組み付けられている。さらに、ロータコア２９０の底部をそのその軸線に対して平行に貫通するように複数の連通孔２８４が設けられている。これらの連通孔２８０，２８２，２８４および連通孔２５０が、連通路３０を構成する。

すなわち、図８（Ａ）に示すように、導入ポート１０に導入された液冷媒の一部は、連通路３０に導かれる。そして、図８（Ｂ）に示すように、連通孔２８０，２８２，２８４および連通孔２５０を経由してシャフト２６０の内部空間Ｓに積極的に導入される。この液冷媒は、その内部空間Ｓを通過してシャフト２６０の先端開口部から導出される。このようにして、冷媒に含まれるオイルが内部空間Ｓを流れるようになり、その内部空間Ｓに位置する金属部材間の摺動部の潤滑を促進することができる。すなわち、弁体２３４とブッシュ２６７との摺動部、弁体２３４とばね受け２６５との摺動部、ばね受け２６５とスプリング６３との摺動部などの潤滑を促進でき、弁部およびその周辺の耐摩耗性を向上させることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はその特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能であることはいうまでもない。

上記実施形態では、上記制御弁を、１つの導入ポートに対して１つの導出ポートを有する二方弁として構成する例を示した。変形例においては、１つの導入ポートに対して２つの導出ポートを有する三方弁、あるいは２つの導入ポートに対して２つの導出ポートを有する四方弁として構成することもできる。

上記実施形態では、上記制御弁のアクチュエータとしてステッピングモータを採用する例を示したが、ＤＣモータその他のアクチュエータを採用してもよい。

上記実施形態の制御弁は、冷媒として代替フロン（ＨＦＣ−１３４ａ）など使用する冷凍サイクルに好適に適用されるが、本発明の電動膨張弁は、二酸化炭素のように作動圧力が高い冷媒を用いる冷凍サイクルに適用することも可能である。その場合には、冷凍サイクルにコンデンサに代わってガスクーラなどの外部熱交換器が配置される。

上記実施形態では、上記制御弁を自動車用空調装置の冷凍サイクルに適用する例を示したが、車両用に限らず電動膨張弁を搭載する空調装置に適用可能であることはもちろんである。

なお、本発明は上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。上記実施形態や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成してもよい。また、上記実施形態や変形例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。

１ 制御弁、 ２ 弁本体、 ４ モータユニット、 ５ ボディ、 １０ 導入ポート、 １２ 導出ポート、 １６ 上流側通路、 １８ 下流側通路、 ２４ 弁孔、 ２６ 弁座、 ３０ 連通路、 ３１ ロータ、 ３２ 作動ロッド、 ３４ 弁体、 ３８ ガイド部材、 ３９ 雌ねじ、 ４４ ラックガイド、 ６０ シャフト、 ６２ ウォーム、 ６３ スプリング、 ６４ ストッパ、 ６６ 雄ねじ、 ７０ ラック、 ７７ 連通溝、 ９０ ロータコア、 １０２ 嵌合部、 １５０ 連通孔、 １５２ 切欠部、 ２０１ 制御弁、 ２０２ 弁本体、 ２０４ モータユニット、 ２０５ ボディ、 ２３１ ロータ、 ２３４ 弁体、 ２５０ 連通孔、 ２６０ シャフト、 ２８０，２８２，２８４ 連通孔、 ２９０ ロータコア。

Claims (6)

1. 冷凍機油を含む冷媒が循環する冷凍サイクルに設置され、上流側から導入される液冷媒を弁部にて膨張させ、気液混合冷媒として下流側に導出可能な電動膨張弁であって、
   上流側から液冷媒を導入する導入ポートと、下流側へ気液混合冷媒を導出する導出ポートと、前記導入ポートと前記導出ポートとを連通させる弁孔と、を有するボディと、
   前記弁部の上流側に設けられ、前記弁孔に接離して前記弁部を開閉する弁体と、
   前記弁体を前記弁部の開閉方向に駆動するためのロータを含むモータと、
   前記ロータに接続され、先端部にて前記弁体を支持するシャフトと、
   前記ロータの回転運動を前記シャフトの並進運動に変換する作動変換機構と、
   を備え、
   前記シャフトは、先端側に開口する内部空間を有し、その内部空間に前記弁体を部分的に収容しつつ、先端部にて前記弁体を軸線方向に摺動可能に支持し、
   前記内部空間には、前記弁体を前記シャフトの先端開口部から突出させる方向に付勢するスプリングが配設され、
   前記内部空間と前記導入ポートとを前記シャフトの先端開口部とは異なる位置にて連通させる連通路が形成されていることを特徴とする電動膨張弁。
2. 前記シャフトの軸線方向中間部に内外を連通させる連通孔が設けられ、その連通孔が前記連通路を構成することを特徴とする請求項１に記載の電動膨張弁。
3. 前記作動変換機構は、前記シャフトに一体に設けられた雄ねじ部と、前記ボディに一体に設けられて前記雄ねじ部と噛合する雌ねじ部とを含み、
   前記連通孔は、前記シャフトにおける前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とが噛合しない部分に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電動膨張弁。
4. 前記ボディに取り付けられ、前記シャフトが配置される空間を覆うとともに、内方に前記ロータが配置され、外方にステータコイルが配置されるキャンをさらに備え、
   前記連通路が、前記キャンの内方に冷媒を導くように形成されてい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膨張弁。
5. 前記シャフトを軸線方向に貫通する貫通孔が設けられ、その貫通孔が前記連通路を構成することを特徴とする請求項１に記載の電動膨張弁。
6. 前記内部空間に配置されて前記スプリングと前記弁体との間に介装され、一端側で前記スプリングを受け、他端側で前記弁体の端部と曲面にて当接するばね受けをさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電動膨張弁。

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