JP2017203509A - 電動弁 - Google Patents

Abstract

【課題】弁部材３を回転軸受としてのシールドベアリング４を介して連結棒５に取り付け、ステッピングモータのロータの回転とネジ送り機構により連結棒５を上下させる圧力バランス型の電動弁において、弁部材３の背圧室２Ａに対する圧力供給を速やかにする。【解決手段】弁部材３の内空間３Ａ、連結棒５の縦均圧路５ｂ及び横均圧路５ｃ、連結棒５を貫通する弁部材３の導通路３ａにより、弁ポート１１と背圧室２Ａとを導通する「均圧流路」を構成する。シールドベアリング４と弁部材３との間に「均圧流路」を構成してもよい。【選択図】図２

Description

本発明は、冷凍サイクルなどに使用する電動弁に関し、詳細には圧力バランス型の電動弁に関する。

従来、この種の圧力バランス型の電動弁は、弁部材に加わる差圧力をキャンセルするために、弁部材の上部の背圧室を、弁部材に設けた均圧路により弁部材下部の弁ポート側に導通し、弁部材の上部と下部を同圧にさせることで、弁部材に加わる正味の差圧力をキャンセルさせるという設計思想である。このような電動弁として、例えば、特開平１０−２４５０号公報（特許文献１）及び特開２０１３−２２４７０８号公報（特許文献２）に開示されたものがある。

この従来の電動弁は、電動モータのロータとのネジ送り機構により上下する連結棒に対して、ベアリング等の回転軸受により弁部材を保持し、弁部材により弁ポートを開閉するものである。また、特許文献１のものでは、弁部材の内部を均圧流路として流体を通し、弁部材に対する背圧室を弁ポートに導通するようにしている。これに対して特許文献２のものは、上記の弁部材の内部の均圧流路とは別に背圧室（背空間）に連通する均圧路を設けたものである。

特開平１０−２４５０号公報 特開２０１３−２２４７０８号公報

上述した特許文献２のものでは、均圧路を設ける分だけ電動弁が大型化してしまう。これに対して、特許文献１のものは弁部材の内部を均圧流路としているので、大型化することはない。しかし、均圧流路を流れる流体（例えば冷媒）は、弁部材を保持するためのベアリング等の回転軸受の中を流れる。このため、背圧室が均圧するのに時間がかかってしまい、流量制御の応答性能が悪くなる。

本発明は、回転軸受を介して弁部材を保持するようにした圧力バランス型の電動弁において、弁部材の背圧室に対する圧力供給を速やかにして流量制御の応答性能を高くすることを課題とする。

請求項１の電動弁は、弁ハウジング内に配設された円筒形状のガイド部と、流体が流入する流入口と流体が流出する流出口との間に形成された弁ポートと、前記ガイド部内に摺動可能に配設されるとともに前記弁ポートを開閉する弁部材と、電動モータのロータの回転とネジ送り機構により軸線方向に移動する連結棒と、前記連結棒に固定される回転軸受と、を備え、前記弁部材が前記回転軸受を介して前記連結棒に保持されるとともに、前記弁部材に対する前記弁ポートとは反対側の背圧室と該弁ポートとが均圧流路で導通されて、該背圧室の流体圧力と前記弁ポートの流体圧力とが均一にされる電動弁であって、前記均圧流路が前記連結棒の内部に設けられていることを特徴とする。

請求項２の電動弁は、弁ハウジング内に配設された円筒形状のガイド部と、流体が流入する流入口と流体が流出する流出口との間に形成された弁ポートと、前記ガイド部内に摺動可能に配設されるとともに前記弁ポートを開閉する弁部材と、電動モータのロータの回転とネジ送り機構により軸線方向に移動する連結棒と、前記連結棒に固定される回転軸受と、を備え、前記弁部材が前記回転軸受を介して前記連結棒に保持されるとともに、前記弁部材に対する前記弁ポートとは反対側の背圧室と該弁ポートとが均圧流路で導通されて、該背圧室の流体圧力と前記弁ポートの流体圧力とが均一にされる電動弁であって、前記回転軸受が前記弁部材の内空間に配置され、前記均圧流路が前記回転軸受と前記弁部材との間に設けられていることを特徴とする。

なお、請求項１及び請求項２の電動弁は、均圧流路が、連結棒の内部、または、回転軸受と弁部材との間という、回転軸受の内部以外に設けられている点で、構成が共通している。

請求項３の電動弁は、請求項１に記載の電動弁であって、前記均圧流路が、前記軸線に沿って形成された縦均圧路と、該縦均圧路に交差する横均圧路とを備えていることを特徴とする。

請求項４の電動弁は、請求項３に記載の電動弁であって、前記横均圧路が前記背圧室に直接開口していることを特徴とする。

請求項５の電動弁は、請求項２に記載の電動弁であって、前記均圧流路が、前記回転軸受の外周の流路と、前記弁部材の前記連結棒が貫通する導通路と、前記流路と前記導通路とを常時導通する径方向流路と、を備えていることを特徴とする。

請求項１の電動弁によれば、均圧流路が前記連結棒の内部に設けられているので、弁部材の背圧室に対する圧力供給を速やかにして流量制御の応答性能を高くすることができる。

請求項２の電動弁によれば、均圧流路が前記回転軸受と前記弁部材との間に設けられているので、弁部材の背圧室に対する圧力供給を速やかにして流量制御の応答性能を高くすることができる。

請求項３の電動弁によれば、請求項１の効果に加えて、均圧流路が縦均圧路と横均圧路を主な構成とするので、製造が容易である。

請求項４の電動弁によれば、請求項３の効果に加えて、横均圧路が背圧室に直接開口しているので、背圧室に対する圧力供給がより速やかになる。

請求項５の電動弁によれば、請求項２の効果に加えて、回転軸受の外周の流路と、連結棒が貫通する導通路とが、径方向流路により常時導通されるので、背圧室に対する圧力供給を常時安定させることができる。

本発明の第１実施形態の電動弁の弁閉状態の縦断面図である。 図１の要部拡大図及び要部平断面図である。 第１実施形態の変形例の要部拡大図である。 本発明の第２実施形態の電動弁の弁閉状態の縦断面図である。 図４の要部拡大図及び要部平断面図である。 本発明の第３実施形態の電動弁の弁閉状態の縦断面図である。 図６の要部拡大図及び要部平断面図である。

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実施形態の電動弁の弁閉状態の縦断面図、図２は図１の要部拡大図及び要部平断面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）におけるＡ−Ａ断面、図２（Ｃ）は図２（Ａ）におけるＢ−Ｂ断面である。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、弁ハウジング１を有しており、弁ハウジング１には弁室１Ａが形成されている。また、弁ハウジング１には、下端部に軸線Ｘを中心とする断面円形の弁ポート１１と、弁室１Ａの上部に貫通する円筒状のガイド嵌合孔１２が形成されている。弁ポート１１の弁室１Ａ側の端部は弁シート１１ａを構成している。そして、弁ハウジング１には、側面側から弁室１Ａに連通する継手管１３が取り付けられるとともに、弁ポート１１に連通するように継手管１４が取り付けられている。なお、継手管１３，１４はろう付けにより弁ハウジング１に固着されている。

ガイド嵌合孔１２には円筒状の弁ガイド２が取り付けられている。弁ガイド２は、ガイド嵌合孔１２内に嵌合し、ガイド嵌合孔１２の内周上部にねじ込むとともに弁ハウジング１の上端をかしめることにより弁ハウジング１に固着されている。この弁ガイド２は、軸線Ｘを中心軸とする円筒形状のガイド部２１と、ガイド部２１の上端を蓋する蓋部２２と、蓋部２２の中央に形成された小径円筒状の雄ネジ保持部２３とを、一体に形成したものである。ガイド部２１は円柱状空間を囲うガイド面２ａを有している。また、蓋部２２には導通路２２ａが形成され、雄ネジ保持部２３には後述の連結棒５を挿通する挿通孔２３ａが形成されている。また、雄ネジ保持部２３には雄ネジ軸２４が固着されている。ガイド部２１内にはピストン状の弁部材３が配設されている。

弁部材３は弁ガイド２の内周のガイド面２ａに摺接し、弁ガイド２に対して軸線Ｘ方向に摺動可能となっている。弁部材３は中空円筒形状の弁体３１と、弁体３１の上端を蓋する固定座３２と、固定座３２の上部中央に形成された上部円筒部３３とを、一体に形成したものである。弁体３１は弁ガイド２のガイド面２ａに摺接する外周面を有している。なお、弁体３１の外周の一箇所にはガイド溝３Ｇが形成され、弁ガイド２側のガイドボール２Ｇがガイド溝３Ｇに嵌合されている。これにより、弁部材３は軸線Ｘ回りの回動が規制され、軸線Ｘ方向の移動のみが可能となっている。

また、上部円筒部３３の外周には固定座３２に固定するようにシール部３４が取り付けられており、このシール部３４は、弁体３１の外周面と弁ガイド２のガイド面２ａとの間をシールするＬパッキン等を備えている。このシール部３４は、弁部材３が弁ガイド２内を移動する際にも弁ガイド２のガイド面２ａに常時摺接している。そして、弁部材３の一部が弁ガイド２内に収容され、シール部３４にて弁ガイド２の内空間が区画されることにより、弁ガイド２内に弁部材３に対する背圧室２Ａが形成されている。

弁部材３の内側の内空間３Ａ内の固定座３２寄りの位置には、「回転軸受」としてのシールドベアリング４を備えている。シールドベアリング４は、内輪４１と、外輪４２と、複数のボール４３と、シール板４４とで構成されており、内輪４１は、ナット５ａによって連結棒５の端部に固定されている。また、シールドベアリング４の外輪４２と弁体３１の内壁に嵌め込まれた止め輪３１ｂとの間には、コイルばね３５が装着され、このコイルばね３５はシールドベアリング４に対して弁体３１を弁ポート１１の方向に付勢している。これにより、図１の状態から連結棒５が上昇すると、シールドベアリング４も上昇し、外輪４２のみが弁部材３の固定座３２に当接し、弁部材３はベアリング４を介して連結棒５によって保持される。

弁ガイド２の雄ネジ保持部２３に固着された雄ネジ軸２４は、外周に雄ネジ部２４ａを有するとともに軸線Ｘ上に貫通孔２４ｂを有している。そして、連結棒５は、弁部材３の導通路３ａと、弁ガイド２の挿通孔２３ａと、雄ネジ軸２４の貫通孔２４ｂとを貫通し、「電動モータ」としてのステッピングモータ１０まで延設されている。連結棒５は、断面円形の棒状に形成されており、この連結棒５は雄ネジ軸２４の貫通穴２４ｂ内を軸線Ｘ方向に摺動可能となっている。また、連結棒５の上端部には固定金具５１が溶接等により固着されている。連結棒５には、その中央に、弁部材３の内空間３Ａ側から軸線Ｘに沿って上方に延びる縦均圧路５ｂと、軸線Ｘに交差して縦均圧路５ｂに連なり導通路３ａ内に開口する横均圧路５ｃとが形成されている。

弁ハウジング１の上部には皿状の蓋ケース１５がろう付けにより気密に固着されており、この蓋ケース１５にはステッピングモータ１０のケース１０Ａが溶接等によって気密に固定されている。ケース１０Ａ内にはロータ１０Ｂが回転可能に配置されている。ロータ１０Ｂは、内側から順に、雌ネジ部材１０ａ、雌ネジホルダ１０ｂ、連結金具１０ｃ、マグネット１０ｄにより構成されている。連結金具１０ｃは雌ネジホルダ１０ｂとマグネット１０ｄとを連結している。また、連結棒５に固着された前記固定金具５１と連結金具１０ｃとの間には、コイルばね１０ｅが装着され、連結棒５を雌ネジホルダ１０ｂ側に付勢している。

雌ネジ部材１０ａの内側には雌ネジ部１０ａ１が形成されている。そして、この雌ネジ部１０ａ１が、雄ネジ軸２４の外周の雄ネジ部２４ａに螺合されている。さらに、ロータケース１０Ａの外周には、ステータユニット１０Ｃが配設されており、ステッピングモータ１０は、ステータユニット１０Ｃのステータコイル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ロータ１０Ｂを回転させる。なお、ロータケース１０Ａの天井部には、螺旋ガイド線体２０ａと、ロータ１０Ｂの竿１０ｆにより蹴り回される可動ストッパ部材２０ｂによる回転ストッパ機構２０がが設けられている。

以上の構成により、ステッピングモータ１０の駆動により、ロータ１０Ｂが回転し、雄ネジ軸２４と雌ネジ部材１０ａのネジ送り機構により連結棒５及び弁部材３が軸線Ｘ方向に上下動する。これにより、弁部材３が弁ガイド２にガイドされ、弁ポート１１の周囲に形成された前記弁シート１１ａに対して離座／着座する。これにより、弁ポート１１が開閉される。なお、このネジ送り機構により連結棒５は軸線Ｘ回りに回動するが、この回転力は、「回転軸受」としてのシールドベアリング４の作用により、弁部材３に伝達されることはない。

この実施形態の電動弁は、流体（冷媒）が継手管１３から流入して継手管１４から流出する第１の流れと、流体が継手管１４から流入して継手管１３から流出する第２の流れとの、２通りの流れの制御に用いられる。すなわち、第１の流れでは継手管１３が流入口、継手管１４が流出口であり、第２の流れでは継手管１４が流入口、継手管１３が流出口である。ここで、弁部材３の内空間３Ａ、連結棒５の縦均圧路５ｂ及び横均圧路５ｃ、連結棒５が貫通する導通路３ａが、弁ポート１１と背圧室２Ａとを導通して均圧する「均圧流路」を構成している。なお、連結棒５と弁部材３の導通路３ａとの隙間は、導通路３ａの径が大きいことから、流体を十分に流すことができる。これにより、第１の流れのときは、弁ポート１１の低圧が前記「均圧流路」を介して背圧室２Ａに導入される。また、第２の流れのときは、弁ポート１１側の高圧が「均圧流路」を介して背圧室２Ａに導入される。したがって、弁部材３に対して弁ポート１１と背圧室２Ａとの両側から同じ圧力が作用する。これにより、流体の高圧と低圧との差圧による力は弁部材３に対して軸線Ｘ方向で相殺され、圧力バランスが保たれる。

この実施形態では、シールドベアリング４が「回転軸受」を構成しており、シール板４４は内輪４１と外輪４２との間に配設されており、このシール板４４は内輪４１と外輪４２との間のボール４３側への異物の流入を防止する。また、連結棒５に「均圧流路」を構成する縦均圧路５ｂ及び横均圧路５ｃが形成されているので、均圧流路により背圧室２Ａと弁ポート１１とを速やかに均圧することができ、流量制御の応答性能が高くなる。さらに、実施形態の電動弁では、連結棒５がシールドベアリング４の内輪４１と共に回転するので、横均圧路５ｃの開口部は導通路３ａ内で軸線Ｘ回りに回転する。このため、この導通路３ａ内にスラッジ等が付着するのを防止することができる。

図３は第１実施形態における連結棒５の変形例を示す図である。この変形例では、連結棒５′に、前記縦均圧路５ｂよりも更に上方に長く延設した縦均圧路５ｄと、軸線Ｘに交差して縦均圧路５ｄに連なって背圧室２Ａ内に開口する横均圧路５ｅとが形成されている。そして、弁部材３の内空間３Ａ、連結棒５′の縦均圧路５ｄ及び横均圧路５ｅが、弁ポート１１と背圧室２Ａとを導通して均圧する「均圧流路」を構成している。

図４は第２実施形態の電動弁の弁閉状態の縦断面図、図５は図４の要部拡大図及び要部平断面図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）におけるＡ−Ａ断面、図５（Ｃ）は図５（Ａ）におけるＢ−Ｂ断面である。なお、以下、第２実施形態及び第３実施形態において、第１実施形態と同様な要素には図１及び図２と同符号を付記して重複する説明は適宜省略する。

この第２実施形態では、弁部材３において、内空間３Ｂを、第１実施形態の内空間３Ａより内径を大きくしている。これにより、シールドベアリング４の周囲に流路３ｂを形成している。また、第１実施形態の連結棒５に代えて、弁部材３の導通路３ａに挿通される部分を細くした連結棒５″を用いている。さらに、この第２実施形態では、弁部材３の固定座３２の内側（内空間３Ｂ側）に４つの段部３２ａを形成し、シールドベアリング４が固定座３２側に移動したときにシールドベアリング４の外輪４２が段部３２ａに当接するようにしている。これにより、隣接する段部３２ａ，３２ａの間の空間が径方向流路３２Ａ（図５（Ｃ）参照）となる。すなわち、外輪４２が段部３２ａに当接したときも、径方向流路３２Ａの外周側の一部が流路３ｂ内に開口するので、この径方向流路３２Ａが上記流路３ｂを導通路３ａに常時連通し、「均圧流路」が確保される。その他の構造は第１実施形態と同様である。

このように、第２実施形態では、弁部材３の内空間３Ｂ、シールドベアリング４の外周の流路３ｂ、段部３２ａ，３２ａの間の径方向流路３２Ａ、連結棒５″が貫通する導通路３ａが、弁ポート１１と背圧室２Ａとを導通して均圧する「均圧流路」を構成している。

図６は第３実施形態の電動弁の弁閉状態の縦断面図、図７は図６の要部拡大図及び要部平断面図であり、図７（Ｂ）は図７（Ａ）におけるＡ−Ａ断面、図７（Ｃ）は図７（Ａ）におけるＢ−Ｂ断面である。

この第３実施形態では、第２実施形態のシールドベアリング４に代えて、「回転軸受」としてベアリング４′を用いている。また、この第３実施形態では、ベアリング４′の内輪４５とナット５ａとの間にワッシャ６を配設している。図７（Ａ）に示すように、ワッシャ６の外周縁６ａとコイルばね３５との間には間隔［ｄ］の隙間を有しており、この隙間を介しても流体はベアリング４′内に流入できる。しかし、この隙間の間隔［ｄ］は異物がベアリング４′内に侵入しない程度の間隔となっている。その他の構造は第２実施形態と同様であり、弁部材３において内径の大きな内空間３Ｂによりベアリング４′の周囲に流路３ｂを形成し、また、弁部材３の固定座３２の内側に４つの段部３２ａが形成されている。

ベアリング４′は、内輪４５と、外輪４６と、複数のボール４７とで構成されており、内輪４５は、ナット５ａによって連結棒５″の端部に固定されている。また、ベアリング４′の外輪４６と弁体３１の内壁に嵌め込まれた止め輪３１ｂとの間には、コイルばね３５が装着され、このコイルばね３５はベアリング４′に対して弁体３１を弁ポート１１の方向に付勢している。これにより、図６の状態から連結棒５″が上昇すると、ベアリング４′も上昇し、外輪４６のみが弁部材３の固定座３２に当接し、弁部材３はベアリング４′を介して連結棒５″によって保持される。なお、この第３実施形態でも、ベアリング４′が固定座３２側に移動したときにベアリング４′の外輪４５が段部３２ａに当接し、隣接する段部３２ａ，３２ａの間の径方向流路３２Ａが上記流路３ｂを導通路３ａに常時連通し、「均圧流路」が確保される。

第２実施形態及び第３実施形態では、弁部材３の固定座３２の内側に段部３２ａを形成することにより、径方向流路３２Ａを設けるようにしているが、同様な径方向流路は、別の手段でも設けることができる。例えば、固定座３２と、シールドベアリング４の外輪４２（またはベアリング４′の外輪４６）とにのみ当接するような波形ワッシャなどの別部材を、固定座３２と外輪４２（または外輪４６）との間に介在させるようにしてもよい。また、このような別部材は固定座３２側に固定してもよいし、外輪４２（または外輪４６）側に固定してもよいし、固定座３２及び外輪４２（または外輪４６）に対して固定されていなくてもよい。

また、第３実施形態ではワッシャ６を設けているが、このワッシャ６は無くてもよい。さらに、第１実施形態、変形例、及び第２実施形態におけるシールドベアリング４に代えて、第３実施形態におけるベアリング４′を用いることもできる。いずれの場合も、「均圧流路」により背圧室２Ａと弁ポート１１とを速やかに均圧することができ、流量制御の応答性能が高くなる。

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 弁ポート
１２ ガイド嵌合孔
１３ 継手管
１４ 継手管
２ 弁ガイド部材
２Ａ 背圧室
２１ ガイド部
３ 弁部材
３ａ 導通路（均圧流路）
３ｂ 流路（均圧流路）
３１ 弁体
３２ 固定座
３２ａ 段部
３２Ａ 径方向流路（均圧流路）
３３ 上部円筒部
４ シールドベアリング
４′ ベアリング
５ 連結棒
５′ 連結棒
５″ 連結棒
５ａ ナット
５ｂ 縦均圧路（均圧流路）
５ｃ 横均圧路（均圧流路）
５ｄ 縦均圧路（均圧流路）
５ｅ 横均圧路（均圧流路）
１０ ステッピングモータ（電動モータ）
Ｘ 軸線

Claims (5)

1. 弁ハウジング内に配設された円筒形状のガイド部と、流体が流入する流入口と流体が流出する流出口との間に形成された弁ポートと、前記ガイド部内に摺動可能に配設されるとともに前記弁ポートを開閉する弁部材と、電動モータのロータの回転とネジ送り機構により軸線方向に移動する連結棒と、前記連結棒に固定される回転軸受と、を備え、前記弁部材が前記回転軸受を介して前記連結棒に保持されるとともに、前記弁部材に対する前記弁ポートとは反対側の背圧室と該弁ポートとが均圧流路で導通されて、該背圧室の流体圧力と前記弁ポートの流体圧力とが均一にされる電動弁であって、
   前記均圧流路が前記連結棒の内部に設けられていることを特徴とする電動弁。
2. 弁ハウジング内に配設された円筒形状のガイド部と、流体が流入する流入口と流体が流出する流出口との間に形成された弁ポートと、前記ガイド部内に摺動可能に配設されるとともに前記弁ポートを開閉する弁部材と、電動モータのロータの回転とネジ送り機構により軸線方向に移動する連結棒と、前記連結棒に固定される回転軸受と、を備え、前記弁部材が前記回転軸受を介して前記連結棒に保持されるとともに、前記弁部材に対する前記弁ポートとは反対側の背圧室と該弁ポートとが均圧流路で導通されて、該背圧室の流体圧力と前記弁ポートの流体圧力とが均一にされる電動弁であって、
   前記回転軸受が前記弁部材の内空間に配置され、前記均圧流路が前記回転軸受と前記弁部材との間に設けられていることを特徴とする電動弁。
3. 前記均圧流路が、前記軸線に沿って形成された縦均圧路と、該縦均圧路に交差する横均圧路とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
4. 前記横均圧路が前記背圧室に直接開口していることを特徴とする請求項３に記載の電動弁。
5. 前記均圧流路が、前記回転軸受の外周の流路と、前記弁部材の前記連結棒が貫通する導通路と、前記流路と前記導通路とを常時導通する径方向流路と、を備えていることを特徴とする請求項２に記載の電動弁。

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