JP2017145923A - 電動弁 - Google Patents

Abstract

【課題】電動弁において、ネジ送り機構に対する流体の圧力差の影響を防止して、弁開点及び流量特性の変動を防止する。
【解決手段】ステッピングモータ６のマグネットロータ６２にロータ軸４を固定する。ロータ軸４で弁体５を保持する。弁ハウジング１側の支持部材３でロータ軸４を支持する。支持部材３の雌ネジ部３２ａと、ロータ軸４の雄ネジ部４２ａとでネジ送り機構を構成する。マグネットロータ６２の回転により弁体５を軸線Ｌ方向に移動して弁ポート２１を開閉する。マグネットロータ６２の上部にコイルばね７を配設する。コイルばね７によって、雄ネジ部４２ａと雌ネジ部３２ａに対して常時当接させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機や冷凍機などの冷凍サイクルの膨張弁など冷媒等の流体の流量を制御する電動弁に関する。

従来、空気調和機や冷凍機などの冷凍サイクルに用いられる電動弁として、例えば、特開２００１−２７１９５６号公報（特許文献１）及び特開２００６−３２２５３５号公報（特許文献２）に開示された電動弁（流量制御弁）がある。これらの電動弁は、ステッピングモータ（電動モータ）のケース内にマグネットロータを配設し、マグネットロータに取り付けた雄ネジ軸の下部にニードル部を有している。また、雄ネジ軸は弁本体側の支持部材の雌ネジとともにネジ送り機構を構成し、マグネットロータを回転させてネジ送り機構によりニードル部で弁ポートを開閉するように構成されている。

特開２００１−２７１９５６号公報 特開２００６−３２２５３５号公報

近年、空気調和機や冷凍機には省エネ性の向上が盛んに検討されており、その冷凍サイクルに使用される電動弁にも同様の性能が求められている。電動弁に求められる性能としては、例えば微小流量域の制御性の向上や、流量ばらつきの低減化などが挙げられる。

特に大型の空気調和機（ＰＡＣ、ビルマルチ等）では、電動弁を閉じなければならない用途がある。この場合、電動弁は弁閉状態からステッピングモータに対する所定のパルス（弁開点）で弁開しなければならない。

図６は、前記従来の電動弁と同様にネジ送り機構を備えた電動弁の一例を示す図、図７は従来の電動弁の問題点を説明する図であり、同図に基づいて電動弁のネジ送り機構における問題点について説明する。この電動弁は、弁ハウジング１００の側面に弁室１００Ａに連通する一次側継手管１０１が取り付けられ、弁ハウジング１００の下端部に二次側継手管１０２と弁座部材１０３が取り付けられ、この弁座部材１０３には軸線Ｐを中心とする弁ポート１０３ａが形成されている。また、弁ハウジング１００の上部には支持部材１０４が取り付けられ、支持部材１０４には雌ネジ部１０４ａが形成されている。また、雌ネジ部１０４ａ内には、図示しないステッピングモータのマグネットロータに連結されたロータ軸１０５が、雄ネジ部１０５ａを螺合させて配設されている。さらに、ロータ軸１０５には弁体１０６が取り付けられている。そして、弁体１０６は、ロータ軸１０５の回転による雌ネジ部１０４ａと雄ネジ部１０５ａのネジ送り機構により、ロータ軸１０５と共に軸線Ｐ方向に移動し、弁体１０６のニードル部１０６ａが弁ポート１０３ａを開閉する。

一方、この種の電動弁は、冷凍サイクルの冷房モードと暖房モードの切り換えに対応して冷媒の流路方向が双方向となるように使用される。すなわち、冷媒の流れは、一次側継手１０１から二次側継手１０２に流れる正方向（実線の矢印）と、二次側継手１０２から一次側継手１０１に流れる逆方向（破線の矢印）とに切り換えられる。このとき、冷媒の流れの正方向と逆方向とで冷媒の圧力差による負荷が、弁体１０６を介してロータ軸１０５に対して互いに逆方向に作用する。また、上記ネジ送り機構は、その構造上、雌ネジ部１０４ａと雄ネジ部１０５ａとの間に僅かなクリアランスを持たせている。このため、冷媒の流れが正方向のときは、図７（Ａ）に示すように、ロータ軸１０５に対して正方向負荷が加わる。また、冷媒の流れが逆方向のときは、図７（Ｂ）に示すように、ロータ軸１０５に対して逆方向負荷が加わる。このため、正方向と逆方向とで、雄ネジ部１０５ａの雌ネジ部１０４ａに対する軸線Ｐ方向の位置が変位する。この変位量はクリアランスによるねじガタに対応する。

図８は上記電動弁の流量特性図であり、横軸はステッピングモータのパルス数に対応する弁開度、縦軸は弁ポート１０３ａを流れる流体の流量を示す。弁が開き始める弁開点は流量０の場合であり、ステッピングモータの所定のパルス数の点として決められる。しかし、図７（Ａ）に示すような正方向の場合に対して、逆方向の場合は、図７（Ｂ）のようにロータ軸１０５（弁体１０６）がねじガタの分だけ浮き上がる。このため、図８に示すように、逆方向の場合には弁開度が小さくなる方向に特性がシフトしてしまう。したがって、正方向と逆方向とでは、同じ弁開度でも流量に差（流量正逆差）が生じる。このように、ネジ送り機構のクリアランスにより流体の正方向と逆方向とで圧力差の影響が流量特性に影響する。なお、特許文献１及び２には、ばねによりネジ送り機構のバックラッシュを除去することについて記載されているが、流体の圧力について考慮されておらず、この点で改良の余地がある。

本発明は、電動弁において、ネジ送り機構に対する流体の圧力差の影響を防止して、弁開点及び流量特性の変動を防止することを課題とする。

請求項１の電動弁は、電動モータを構成するマグネットロータの回転運動をネジ送り機構により弁体の直線運動に変換し、該弁体を弁ポートに対して進退させて該弁ポートを通る流体の流量を制御する電動弁において、前記マグネットロータのロータ軸として構成されて前記弁体を保持する弁体保持部と、該弁体保持部を前記軸線上に支持する支持部材と、を備え、前記弁体保持部と前記支持部材との一方に雄ネジ部が、他方に雌ネジ部が形成され、該雄ネジ部と該雌ネジ部とにより前記ネジ送り機構が構成され、前記弁ポートに対する流体の流入側の圧力と該弁ポートに対する流体の流出側の圧力との最高の圧力差である予め設定された最高作動圧力差によって前記弁体に作用する力より大きい荷重で、前記軸線方向に可動な前記弁体保持部または前記マグネットロータを該軸線方向に付勢する付勢手段を備えたことを特徴とする。

請求項２の電動弁は、請求項１に記載の電動弁であって、前記弁体が弁ばねを介して前記弁体保持部に保持され、前記弁対が前記弁ばねにより、前記弁体保持部に対して、前記最高作動圧力差によって前記弁体に作用する力より大きい荷重で前記弁ポート側に付勢されていることを特徴とする。

請求項３の電動弁は、請求項１または２に記載の電動弁であって、前記付勢手段は、前記軸線上で前記弁体保持部に対して前記支持部材とは反対側に配置され、前記弁体保持部を前記支持部材の方向に付勢することを特徴とする。

請求項４の電動弁は、請求項１または２に記載の電動弁であって、前記付勢手段は、前記軸線上で前記マグネットロータと前記支持部材との間に配置され、前記マグネットロータを前記弁ポートから離間する方向に付勢することを特徴とする。

請求項１の電動弁によれば、ネジ送り機構し、軸線方向に可動な弁体保持部またはマグネットロータは、付勢手段により最高作動圧力差によって弁体に作用する力より大きい荷重で軸線方向に付勢されているので、ネジ送り機構において、雄ネジ部と雌ネジ部は常時当接されている。最高作動圧力差による力は、流体がネジ送り機構に作用する力の最大の力であるので、流体の流れの正方向、逆方向のいずれの方向においても、雄ネジ部と雌ネジ部とが当接されている状態は常時変化しない。したがって、流体の圧力が最高作動圧力差を生じるような圧力となっても、マグネットロータの回転位置に対応する弁開度と弁ポートを流れる流体の流量との特性（流量特性）が変化しない。

請求項２の電動弁によれば、請求項１の効果に加えて、弁ばねの緩衝作用により、ニードル部が弁ポートに食い込んでしまうのを防止しながら、弁体が弁ポートを全閉としているときでも、前記最高作動圧力差により弁体が浮き上がることもない。

請求項３の電動弁によれば、請求項１または２の効果に加えて、付勢手段は、軸線上で弁体保持部に対して支持部材とは反対側に配置され、弁体保持部を支持部材の方向に付勢するので、弁体を弁開とするような最高作動圧力差に対して効果的である。

請求項４の電動弁によれば、請求項１または２の効果に加えて、付勢手段は、軸線上でマグネットロータと支持部材との間に配置され、マグネットロータを弁ポートから離間する方向に付勢するので、弁体を弁閉とするような最高作動圧力差に対して効果的である。

本発明の第１実施形態に係る電動弁の縦断面図である。 第１実施形態におけるコイルばねの作用を説明する図である。 第１実施形態及び第２実施形態における電動弁の流量特性図である。 本発明の第２実施形態に係る電動弁の縦断面図である。 第２実施形態におけるコイルばねの作用を説明する図である。 従来のネジ送り機構を備えた電動弁の一例を示す図である。 従来の電動弁の問題点を説明する図である。 従来の電動弁の流量特性図である。

次に、本発明の電動弁の実施形態を図面を参照して説明する。図１は第１実施形態に係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」の概念は図１の図面における上下に対応する。

この実施形態の電動弁は、略円筒形状の弁ハウジング１を有しており、弁ハウジング１の内側は弁室１Ａとなっている。弁ハウジング１には、側面側から弁室１Ａに連通する一次側継手管１１が取り付けられるとともに、弁室１Ａの下端部に二次側継手管１２が取り付けられている。さらに、弁ハウジング１には、二次側継手管１２の弁室１Ａ側に弁座部材２が配設されている。弁座部材２は円柱形状でステンレスあるいは真鍮等により形成され、この弁座部材２には軸線Ｌを中心とする断面形状が円形の弁ポート２１が形成されている。

弁ハウジング１の弁室１Ａ内とその上部には支持部材３が取り付けられている。支持部材３は、弁ハウジング１の内径と同径の基部３１と、基部３１の上部に形成されたホルダ部３２と、基部３１の下部に形成された連結部３３とを有している。支持部材３は、連結部３３の端部を弁座部材２に結合するようにして、基部３１が弁ハウジング１に嵌合されている。そして、弁ハウジング１の上部開口に嵌め込まれた取付金具３ａにより基部３１の周囲が押さえ付けられ、支持部材３は弁ハウジング１に固定されている。

支持部材３の基部３１には、後述の弁体５が挿通される挿通孔３１ａが形成されている。また、ホルダ部３２の中心には、弁ポート２１の軸線Ｌと同軸の雌ネジ部３２ａとそのネジ孔が形成されるとともに、雌ネジ部３２ａのネジ孔の外周よりも径の大きな円筒状のガイド孔３２ｂが形成されている。さらに、連結部３３には、弁室１Ａと弁ポート２１とに連通する通路３３ａが形成されている。そして、ホルダ部３２の雌ネジ部３２ａのネジ孔とガイド孔３２ｂの中には、「弁体保持部」としてのロータ軸４が配設されている。

ロータ軸４は、支持部材３のガイド孔３２ｂに整合する大径部４１と、大径部４１より径の小さな小径部４２と、後述のマグネットロータ６２に当接するフランジ部４３と、マグネットロータ６２に嵌合するボス部４４とを有している。また、ボス部４４の端部に固定金具４５を有している。ロータ軸４は、フランジ部４３をマグネットロータ６２に当接させた状態でボス部４４がマグネットロータ６２の嵌合孔６２ａに嵌合され、固定金具４５がボス部４４に固着されている。そして、フランジ部４３と固定金具４５のフランジ部４５ａとでマグネットロータ６２を挟み込んでいる。これにより、ロータ軸４が、マグネットロータ６２に固定されている。

ロータ軸４の小径部４２の外周には雄ネジ部４２ａが形成されており、この雄ネジ部４２ａは支持部材３の雌ネジ部３２ａに螺合されている。また、ロータ軸４の大径部４１には円筒状のばね収容部４１ａが形成され、さらに、小径部４２の中央にはスライド孔４２ｂが形成されている。そして、ばね収容部４１ａからスライド孔４２ｂにかけて弁体５が嵌挿されている。

弁体５は、ステンレスあるいは真鍮等により形成され、下端のニードル部５１と、円柱棒状のロッド部５２と、ロッド部５２より径の大きなヘッド部５３とを有している。ヘッド部５３はロータ軸４のばね収容部４１ａ内に嵌め込まれるとともに、ロッド部５２はスライド孔４２ｂに挿通されている。また、ロッド部５２は支持部材３の挿通孔３１ａから通路３３ａを通して弁座部材２まで延設されている。そして、ロータ軸４のばね収容部４１ａ内には弁ばね４６が配設され、ボス部４４に固定金具４５が固着されることにより、弁ばね４６は固定金具４５と弁体５のヘッド部５３との間で圧縮された状態で配設されている。これにより、弁体５は、弁座部材２の方向に付勢した状態でロータ軸４に保持されている。

弁ハウジング１と取付金具３ａとの上端には、ステッピングモータ６のケース６１が溶接等によって気密に固定されている。ケース６１内には外周部を多極に着磁されたマグネットロータ６２が回転可能に設けられている。また、ケース６１の外周には、ステータコイル６３が配設されており、ステッピングモータ６は、ステータコイル６３にパルス信号が与えられることにより、そのパルス数に応じてマグネットロータ６２を回転させる。

ケース６１内でマグネットロータ６２の上部には、「付勢手段」としてのコイルばね７が配設されている。コイルばね７は一端をケース６１の天井部に当接させ、他端を固定金具４５のフランジ部４５ａに当接させ、このケース６１と固定金具４５（ロータ軸４の一部）との間で圧縮された状態で配設されている。これにより、コイルばね７は、軸線Ｌ上で弁体保持部としてのロータ軸４に対して支持部材３とは反対側に配置されている。そして、コイルばね７は、ロータ軸４及びロータ軸６２を支持部材３の方向に常時付勢した状態となっている。

以上の構成により、マグネットロータ６２の回転によってロータ軸４が回転し、ロータ軸４の雄ネジ部４２ａと支持部材３の雌ネジ部３２ａのネジ送り作用により、ロータ軸４が軸Ｌ方向（上下）に直線運動して変位し、弁体５のニードル部５１が弁座部材２の弁ポート２１に対して進退する。これにより、弁ポート２１の開度を変化させ、例えば一次側継手管１１から二次側継手管１２へ流れる冷媒の流量が制御される。また、ニードル部５１が弁座部材２の弁ポート２１の開口縁に当接し、弁ポート２１が閉状態となる。なお、弁ばね４６はニードル部５１が弁座部材２に当接するときに収縮して緩衝作用をし、ニードル部５１が弁ポート２１に食い込んでしまうのを防止できる。なお、図示は省略するが、支持部材３側に固定下端ストッパと固定上端ストッパが設けられ、マグネットロータ６２側に可動下端ストッパと可動上端ストッパが設けられている。これにより、マグネットロータ６２の回動範囲（弁体５のリフト範囲）が規制される。

ここで、電動弁１０は、冷凍サイクルの冷房モードと暖房モードの切り換えに対応して、図１に実線の矢印で示すように、一次側継手１１から流体（冷媒）が流入して二次側継手１２から流体が流出する正方向と、図１に破線の矢印で示すように、二次側継手１２から流体が流入して一次側継手１１から流体が流出する逆方向とがある。このいずれの方向でも、流体の圧力は流入側が高く流出側が低くなり、この圧力差による力が弁体５に作用する。

一方、電動弁１０は冷凍サイクルにおいて絞り装置として機能するので、上記の流体の流入側は凝縮器側であり、流体の流出側は蒸発器側となる。さらに、凝縮器側の流体の圧力は圧縮機の吐出側の圧力であり、蒸発器側の流体の圧力は圧縮機の吸入側の圧力である。また、空気調和機の使用環境等に応じて、冷凍サイクルにおける圧縮機の運転条件は予め設定されているため、上記電動弁１０に対する流入側の圧力（高圧）と流出側の圧力（低圧）の最大の圧力差は予め決まっており、この最大の圧力差が「最高作動圧力差ΔＰｍａｘ」である。

この「最高作動圧力差ΔＰｍａｘ」によって弁体５に作用する負荷の最大値ｆｍａｘは、弁ポート２１の弁口径面積をＡとすると、
ｆｍａ＝Ａ×ΔＰｍａｘ
である。そして、コイルばね７の荷重Ｆ１（ばね力）は、
Ｆ１＞ｆｍａｘ
となるように設定されている。また、弁ばね４６の荷重ｆｆ（ばね力）も
ｆｆ＞ｆｍａｘ
となるように設定されている。

図２はコイルばね７の作用を説明する図である。なお、図示の例では、最高作動圧力差ΔＰｍａｘによる負荷の最大値ｆｍａｘはロータ軸４（小径部４２）に対して下から作用する場合を示している。ロータ軸４の雄ネジ部４２ａと支持部材３の雌ネジ部３２ａとの間には図２に示すように、ねじガタがあるが、コイルばね７の荷重Ｆ１により、ロータ軸４の雄ネジ部４２ａは支持部材３の雌ネジ部３２ａに対して、常時当接されている。コイルばね７の荷重Ｆ１は最高作動圧力差による負荷ｆｍａｘより大きいので、この雄ネジ部４２ａが雌ネジ部３２ａに当接されている状態は、流体の流れた正方向のときも逆方向のときも常時変化しない。したがって、図３に示すように、弁開度（マグネットロータ６２の回転位置）と弁ポート２１を流れる流体の流量との流量特性は、正方向でも逆方向でも同じであり、弁開点にも差が無くなる。なお、弁ばね４６の荷重ｆｆも（ばね力）も負荷ｆｍａｘより大きいので、弁閉状態において弁体５が浮き上がることはない。

図４は第２実施形態の電動弁の縦断面図である。第２実施形態において、第１実施形態と同じ要素及び対応する要素には同符号を付記する。これらの同符号を付記した要素は、同様な構造で同様な作用効果を奏するものであり、重複する説明は適宜省略する。この第２実施形態では、第１実施形態のコイルばね７に代えて、「付勢手段」としてのコイルばね８を備えている。コイルばね８は円錐台状の形状であり、軸線Ｌ上でマグネットロータ６２と支持部材３との間に配置されている。そして、コイルばね８は、マグネットロータ６２を弁ポート２１から離間する方向に付勢している。この第２実施形態でも、コイルばね８の荷重Ｆ２（ばね力）は、
Ｆ２＞ｆｍａｘ
となるように設定されている。

図５はコイルばね８の作用を説明する図である。なお、図示の例では、最高作動圧力差ΔＰｍａｘによる負荷の最大値ｆｍａｘはロータ軸４（小径部４２）に対して上から作用する場合を示している。この第２実施形態でも、コイルばね８の荷重Ｆ２により、ロータ軸４の雄ネジ部４２ａは支持部材３の雌ネジ部３２ａに対して、常時当接されている。コイルばね８の荷重Ｆ２は最高作動圧力差による負荷ｆｍａｘより大きいので、雄ネジ部４２ａが雌ネジ部３２ａに当接されている状態は、流体の流れた正方向のときも逆方向のときも常時変化しない。したがって、図３に示す第１実施形態と同様に、弁開度（マグネットロータ６２の回転位置）と弁ポート２１を流れる流体の流量との流量特性は、正方向でも逆方向でも同じであり、弁開点にも差が無くなる。なお、コイルばね８と支持部材３との間、または、コイルばね８とマグネットロータ６２との間、あるいはコイルばね８と支持部材３及びマグネットロータ６２の両方との間に、潤滑性のよいスラストワッシャ等を挟んでもよい。

以上の実施形態では、マグネットロータ側のロータ軸（弁体保持部）に雄ネジ部が形成され、弁ハウジング側の支持部材側に雌ネジ部が形成されている場合について説明したが、この雄ネジ部と雌ネジ部を逆にしたネジ送り機構にも適用できる。例えば弁ハウジング側に外周に雄ネジ部を有する支持部材を設け、この雄ネジ部に螺合する雌ネジ部を有するロータ軸をマグネットロータ側に設ける。また、弁体は、この雄ネジ部を有する支持部材を貫通して弁ポートまで延設するとともに、この弁体の弁ポートとは反対側の端部を、雌ネジ部を有するロータ軸にて保持するようにする。そして、軸線方向に可動なロータ軸（弁体保持部）またはマグネットロータを付勢手段で付勢するようにしてもよい。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

１ 弁ハウジング
１Ａ 弁室
１１ 一次側継手管
１２ 二次側継手管
２ 弁座部材
２１ 弁ポート
３ 支持部材
３２ ホルダ部
３２ａ 雌ネジ部
４ ロータ軸（弁体保持部）
４１ 大径部
４２ 小径部
４２ａ 雄ネジ部
４２ｂ スライド孔
４３ フランジ部
４４ ボス部
４５ 固定金具
４５ａ フランジ部
５ 弁体
５１ ニードル部
５２ ロッド部
５３ ヘッド部
６ ステッピングモータ
６２ マグネットロータ
７ コイルばね（付勢手段）
８ コイルばね（付勢手段）
Ｌ 軸線

請求項２の電動弁は、請求項１に記載の電動弁であって、前記弁体が弁ばねを介して前記弁体保持部に保持され、前記弁体が前記弁ばねにより、前記弁体保持部に対して、前記最高作動圧力差によって前記弁体に作用する力より大きい荷重で前記弁ポート側に付勢されていることを特徴とする。

ケース６１内でマグネットロータ６２の上部には、「付勢手段」としてのコイルばね７が配設されている。コイルばね７は一端をケース６１の天井部に当接させ、他端を固定金具４５のフランジ部４５ａに当接させ、このケース６１と固定金具４５（ロータ軸４の一部）との間で圧縮された状態で配設されている。これにより、コイルばね７は、軸線Ｌ上で弁体保持部としてのロータ軸４に対して支持部材３とは反対側に配置されている。そして、コイルばね７は、ロータ軸４及びマグネットロータ６２を支持部材３の方向に常時付勢した状態となっている。

Claims (4)

1. 電動モータを構成するマグネットロータの回転運動をネジ送り機構により弁体の直線運動に変換し、該弁体を弁ポートに対して進退させて該弁ポートを通る流体の流量を制御する電動弁において、
   前記マグネットロータのロータ軸として構成されて前記弁体を保持する弁体保持部と、該弁体保持部を前記軸線上に支持する支持部材と、を備え、
   前記弁体保持部と前記支持部材との一方に雄ネジ部が、他方に雌ネジ部が形成され、該雄ネジ部と該雌ネジ部とにより前記ネジ送り機構が構成され、
   前記弁ポートに対する流体の流入側の圧力と該弁ポートに対する流体の流出側の圧力との最高の圧力差である予め設定された最高作動圧力差によって前記弁体に作用する力より大きい荷重で、前記軸線方向に可動な前記弁体保持部または前記マグネットロータを該軸線方向に付勢する付勢手段を
   備えたことを特徴とする電動弁。
2. 前記弁体が弁ばねを介して前記弁体保持部に保持され、前記弁対が前記弁ばねにより、前記弁体保持部に対して、前記最高作動圧力差によって前記弁体に作用する力より大きい荷重で前記弁ポート側に付勢されていることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
3. 前記付勢手段は、前記軸線上で前記弁体保持部に対して前記支持部材とは反対側に配置され、前記弁体保持部を前記支持部材の方向に付勢す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. 前記付勢手段は、前記軸線上で前記マグネットロータと前記支持部材との間に配置され、前記マグネットロータを前記弁ポートから離間する方向に付勢することを特徴とする請求項１または２に記載の電動弁。

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