JP2019124318A - 電動弁 - Google Patents

Abstract

【課題】従前の電動弁に対して大きな変更を加えることなく、トルクの低下を抑えつつ、ロータ回転時の摺動抵抗を確実に低減することのできる電動弁を提供する。【解決手段】ロータ５０の上下長（昇降方向の長さ）がフルリフト量分長く設定される。ロータ５０の太陽ギヤ部材５２がねじ駆動部材２２上に載置される。【選択図】図１

Description

本発明は、電動弁に係り、例えば冷暖房システム等において流体（冷媒）の流量を制御する電動弁に関する。

この種の電動弁の従来例を図４に示す。図示従来例の電動弁１’は、基本的に、弁室１４及びその内部に形成された弁座１５を有する弁本体１０と、ベースプレート３１を介して弁本体１０に固着された天井部付き円筒形状のキャン３０と、キャン３０の外部に装備されるステータ４０及びキャン３０の内部に装備されるロータ５０からなるステッピングモータ６３と、ロータ５０の回転数を減速する遊星歯車減速機構６０と、前記弁座１５に接離して流体の通過量を制御する弁体２１と、遊星歯車減速機構６０の出力ギヤ５７の回転運動をねじ送り機構２７を介して直線運動に変換して弁体２１を駆動するねじ駆動部材２２と、から構成される。

弁本体１０には、弁室１４に連通する弁口１６が形成されるとともに、その弁口１６側にパイプ１１が接続され、弁室１４の側面に形成された開口に連通するようにパイプ１２が接続されている。また、弁本体１０の弁室１４の上部には、中心部下半部に雌ねじ部１３ａが形成されたねじ軸受部材１３が嵌挿され、かしめにより弁本体１０に固定されている（かしめ部１７）。

キャン３０の外周部に嵌着されたステータ４０は、ヨーク４１、ボビン４２、コイル４３、樹脂モールド４４等からなり、キャン３０の内部に（上下動せずに）回転自在に支持されるロータ５０は、磁性材料で作製された円筒形状のロータ部材５１と樹脂材料で作製された太陽ギヤ部材（ピニオンギヤともいう）５２とが一体に連結されて構成されている。太陽ギヤ部材５２の中心部にはシャフト６２が挿入され、そのシャフト６２の上部は、キャン３０の頂部内側に配置された支持部材６１により支持されている。

太陽ギヤ部材５２の太陽ギヤ５３は、出力ギヤ５７の底面上に載置されたキャリア５４に設けられたシャフト５６に回転自在に支持される複数の遊星ギヤ５５に噛み合う。遊星ギヤ５５の上半分は、弁本体１０の上部に固定された円筒部材１８の上部にかしめにより取り付けられた環状のリングギヤ（内歯固定ギヤ）５８に噛み合い、遊星ギヤ５５の下半分は、環状の出力ギヤ５７の内歯ギヤ５７ａに噛み合っている。リングギヤ５８の歯数と出力ギヤ５７の内歯ギヤ５７ａの歯数とはわずかに異なる歯数とされ、これにより、太陽ギヤ５３の回転数が大きな減速比で減速されて出力ギヤ５７に伝達される（このような歯車構成を、いわゆる不思議遊星歯車減速機構６０という）。

出力ギヤ５７の底部中央には、ねじ駆動部材（ドライバともいう）２２の上部に形成された段付き円筒形状の出力軸部２９の上部が圧入され、この出力軸部２９の上部には、シャフト６２の下部が嵌め込まれている。また、ねじ駆動部材２２の出力軸部２９の上部上には、キャリア５４が載置されている。

ねじ軸受部材１３の雌ねじ部１３ａには、ねじ駆動部材２２の下部に形成された雄ねじ部２２ａが螺合されており、そのねじ駆動部材２２は、出力ギヤ５７（すなわち、ロータ５０）の回転運動を雄ねじ部２２ａと雌ねじ部１３ａとからなるねじ送り機構２７により軸線Ｏ方向（昇降方向）の直線運動（昇降運動）に変換する。ここで、出力ギヤ５７はねじ駆動部材２２に一体に連結され、出力ギヤ５７（ロータ５０）が回転すれば、出力ギヤ５７とねじ駆動部材２２は一体となって回転及び軸線Ｏ方向に直線運動（昇降）するとともに、出力ギヤ５７の昇降に応じて、出力ギヤ５７の底面上に載置されたキャリア５３及び遊星ギヤ５５も昇降する。ねじ駆動部材２２の直線運動は、ボール２３とボール受座２４とからなるボール状継手２５を介して軸状の弁体２１に伝達され、弁体２１は弁本体１０の内部に固定された段付き円筒形状のばねケース１９により案内されて軸線Ｏ方向に移動する。また、ばねケース１９と弁体２１との間には、圧縮コイルばね２６が縮装されており、弁体２１を常時開弁方向に付勢している。

一方、固定部材であるリングギヤ５８と太陽ギヤ部材５２の間には、皿ばね７０が装備されている。この皿ばね７０は、固定部材であるリングギヤ５８に支持されて太陽ギヤ部材５２を常時シャフト６２の支持部材６１側に向けて押し上げ、該支持部材６１に当接させているので、出力ギヤ５７が下降してもロータ５０自体は下降することがなく、ロータ５０とステータ４０との間の軸線Ｏ方向の位置が変化しない。

かかる構成により、弁体２１と弁座１５との間の流路面積（弁開度）が変化し、弁口１６を通過する冷媒の流量を制御することができる（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２０１６−１０６２０５号公報

しかしながら、上記特許文献１に所載の従来の電動弁では、ロータとステータとの間の位置関係が変化せず、トルクの低下が抑えられるものの、ロータが回転したときに、固定部材であるリングギヤに支持された皿ばねとロータの太陽ギヤ部材とが常時摺動するため、ロータ回転時の摺動抵抗が大きくなる懸念がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、従前の電動弁に対して大きな変更を加えることなく、トルクの低下を抑えつつ、ロータ回転時の摺動抵抗を確実に低減することのできる電動弁を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る電動弁は、基本的に、弁室及び弁座を有する弁本体と、前記弁室に昇降可能に配在された弁体と、前記弁本体に固着されたキャンと、前記キャンの外部に装備されたステータ、及び、前記キャンの内部に回転可能に装備されたロータを有するモータと、前記ロータの回転運動を前記弁体の昇降運動に変換するねじ送り機構と、を備え、前記ねじ送り機構によって前記ロータが回転しながら昇降せしめられ、前記ロータの上下長が、前記ステータのヨークの上下長に、前記ロータの最下降位置から最上昇位置までのフルリフト量を加えた長さ以上に設定されていることを特徴としている。

好ましい態様では、前記ねじ送り機構が、前記弁本体に固定されたねじ軸受部材に設けられた雌ねじ部と、前記ロータの回転数を減速する遊星歯車減速機構に連結されたねじ駆動部材に設けられた雄ねじ部とで構成され、前記ロータが前記ねじ駆動部材上に載置される。

更に好ましい態様では、前記ねじ駆動部材又は前記ねじ駆動部材の前記ロータとの当接部分が金属製であり、前記ねじ駆動部材上に載置される前記ロータの太陽ギヤ部材が樹脂製である。

他の好ましい態様では、前記ロータを前記キャンの内部で回転可能に支持する支持部材が設けられ、前記支持部材は、前記キャンに圧入されて固定される。

更に好ましい態様では、前記支持部材は、前記ロータの上側に位置せしめられ、前記ロータの中心部に挿入されたシャフトの上部を支持する。

更に好ましい態様では、前記支持部材は、前記ロータから隙間をあけて配在される。

更に好ましい態様では、前記支持部材は樹脂製である。

本発明によれば、ロータの上下長（昇降方向の長さ）がフルリフト量分長く設定されるので、例えば、固定部材であるリングギヤと太陽ギヤ部材との間に皿ばねを装備した従来のものと比べて、部品点数を増やすことなく、トルクの低下が抑えられるとともに、ロータ回転時の摺動抵抗を確実に低減することでき、もって、回転（つまり、弁体の昇降）に要する駆動トルクを小さくできるとともに、体格の小型化を図ることができる。

本発明に係る電動弁の一実施形態の全閉状態を示す縦断面図。 本発明に係る電動弁の一実施形態の全開状態を示す縦断面図。 図１及び図２に示される電動弁の要部拡大縦断面図。 従来の電動弁を示す縦断面図。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１及び図２は、本発明に係る電動弁の一実施形態を示す縦断面図であり、図１は全閉状態、図２は全開状態を示している。また、図３は、図１及び図２に示される電動弁の要部拡大縦断面図である。

なお、各図面において、部材間に形成される隙間や部材間の離隔距離等は、発明の理解を容易にするため、また、作図上の便宜を図るため、誇張して描かれている場合がある。

また、以下に示される本実施形態の電動弁において、前述した図４に示される従来例の電動弁１’の各部に対応する部分には同一の符号を付して詳細な説明を省略し、以下では、相異点を重点的に説明する。

本実施形態の電動弁１は、その基本構成は図４に示される従来例の電動弁１’とほぼ同様であるが、主として、弁室１４及び弁座１５を有する弁本体１０と、弁室１４に昇降可能に配在された弁体２１と、ベースプレート３１を介して弁本体１０に固着された天井部付き円筒形状のキャン３０と、キャン３０の外部に装備されるステータ４０及びキャン３０の内部に回転可能に装備されるロータ５０からなるステッピングモータ６３と、ロータ５０の回転数を減速する遊星歯車減速機構６０と、遊星歯車減速機構６０の出力ギヤ５７の回転運動を弁体２１の直線運動（昇降運動）に変換するねじ送り機構２７と、を備える。

前記ねじ送り機構２７は、前述のように、弁本体１０の弁室１４の上部に固定されたねじ軸受部材１３の内周に形成された雌ねじ部１３ａと、ねじ駆動部材２２の外周に形成された雄ねじ部２２ａとから構成される。

前述した従来例の電動弁１’では、固定部材であるリングギヤ５８と太陽ギヤ部材５２の間に皿ばね７０が装備され、太陽ギヤ部材５２を常時シャフト６２の支持部材６１側に向けて押し上げ、出力ギヤ５７が下降してもロータ５０自体は下降しないようになっている。つまり、ロータ５０が、皿ばね７０によって、キャン３０の内部に上下動せずに回転自在に支持されている。

一方、本実施形態の電動弁１では、前記した皿ばね７０が設置されておらず、図３に拡大図示されているように、ロータ５０の太陽ギヤ部材５２の下端部が、ねじ軸受部材１３の上面から若干浮かせて配置された出力ギヤ５７の底面上に載置されたキャリア５４に設けられた貫通穴５４ａを通して、出力ギヤ５７の底部中央に圧入されたねじ駆動部材２２の出力軸部２９の上部上に載置されている。

そのため、出力ギヤ５７（ロータ５０）が回転すれば、出力ギヤ５７とねじ駆動部材２２は一体となって回転及び昇降するとともに、出力ギヤ５７及びねじ駆動部材２２の昇降に応じて（出力ギヤ５７及びねじ駆動部材２２と一体となって）、出力ギヤ５７の底面上に載置されたキャリア５３及び遊星ギヤ５５とともに、ロータ５０も昇降する。

この場合、ロータ５０（太陽ギヤ部材５２）が回転したときに、太陽ギヤ部材５２の下端面と出力ギヤ５７に連結されたねじ駆動部材２２の出力軸部２９の上面とが相対的に回転して摺動するが、例えば、ねじ駆動部材２２をＳＵＳ等の金属製とする、あるいは、ねじ駆動部材２２の太陽ギヤ部材５２との当接部分（摺動面）を金属で構成することで（太陽ギヤ部材５２は樹脂製）、摺動面の面精度向上や、太陽ギヤ部材５２の樹脂材料の自己潤滑作用等の理由から、摺動抵抗を抑えることができる。

また、本実施形態の電動弁１では、ロータ５０がキャン３０の内部で回転しながら上下動（昇降）するので、ロータ５０とステータ４０との間の相対位置の変化によるトルクの低下を抑えるために、ロータ５０のロータ部材５１の上下長（昇降方向（軸線Ｏ方向）の長さ）ｂが、ステータ４０のヨーク（極歯）４１の上下長ａより、ロータ５０（弁体２１）の最下降位置（全閉位置、図１参照）から最上昇位置（全開位置、図２参照）までのフルリフト量以上長く設定されている。すなわち、ロータ５０のロータ部材５１の上下長ｂが、ステータ４０のヨーク（極歯）４１の上下長ａに、ロータ５０（弁体２１）の最下降位置から最上昇位置までのフルリフト量を加えた長さ以上に設定されている。更に言い換えれば、ロータ５０の最下降位置において、ロータ５０のロータ部材５１の上端がステータ４０のヨーク４１の上端より高く、ロータ５０の最上昇位置において、ロータ５０のロータ部材５１の下端がステータ４０のヨーク４１の下端より低くなるように、ロータ５０のロータ部材５１の上下長ｂが設定されている。

かかる構成により、ロータ５０が回転しながら最下降位置から最上昇位置まで移動する間、ステータ４０のヨーク４１（の上下全長）の内側に、ロータ５０のロータ部材５１（の一部）が位置せしめられるので、トルクの低下が抑えられる。

また、前述した従来例の電動弁１’では、ロータ５０を構成する太陽ギヤ部材５２の中心部に挿入されたシャフト６２の上部を支持する支持部材６１は、シャフト６２の上部に外挿されてロータ５０の太陽ギヤ部材５２の上面上に載置されてキャン３０の内側に配置されている。

一方、本実施形態の電動弁１では、前記支持部材６１は、キャン３０の頂部内側に圧入されて（相対移動不能及び相対回転不能に）固定されている。

詳しくは、前記支持部材６１は、例えば樹脂材料で作製された厚肉円板で構成され、組付前の状態においてキャン３０の内径より若干大きく設定されており、キャン３０との嵌め合い代（圧入代）を若干潰すようにして板金製のキャン３０の頂部内側に圧入されて配置固定される。前記ロータ５０は、支持部材６１の中央部に設けられた通し穴６１ａにシャフト６２の上部を（回転可能に）内挿して、当該支持部材６１の下側に配置される。その際、前記支持部材６１は、ロータ５０の上側（詳細には、最上昇位置にあるロータ５０の上側）で当該ロータ５０（の太陽ギヤ部材５２）から所定の隙間Ｇをあけて（浮かせて）配置固定される。なお、前記支持部材６１の位置決めを容易にするために、図示例のように、支持部材６１をキャン３０の天井部に当接させて配置してもよい。

また、ロータ５０に挿入されたシャフト６２の下部は、弁本体１０に固定されたねじ軸受部材１３によって、詳細には、その上部が出力ギヤ５７の底部中央に圧入され、その下部が弁本体１０に固定されたねじ軸受部材１３に挿入されたねじ駆動部材２２の出力軸部２９の上部に嵌め込まれることによって支持されている。

なお、前記ねじ駆動部材２２は、ＳＵＳ等の金属製、セラミックス製、ガラス製等とすることができる。また、本例では、出力ギヤ５７にねじ駆動部材２２の出力軸部２９が圧入されているが、インサート成形によって出力ギヤ５７とねじ駆動部材２２とを一部品として構成してもよい。

かかる構成により、前記ロータ５０は、太陽ギヤ部材５２の上面が支持部材６１の下面に摺接することなく、キャン３０の内部で回転可能に支持される。

かかる構成を有する本実施形態の電動弁１においても、前述した従来例の電動弁１’と同様、弁体２１と弁座１５との間の流路面積（弁開度）が変化し、弁口１６を通過する冷媒の流量を制御することができる。

このように、本実施形態の電動弁１では、ロータ５０の上下長（昇降方向の長さ）がフルリフト量分長く設定されるので、例えば、固定部材であるリングギヤと太陽ギヤ部材との間に皿ばねを装備した従来のものと比べて、部品点数を増やすことなく、トルクの低下が抑えられるとともに、ロータ回転時の摺動抵抗を確実に低減することでき、もって、回転（つまり、弁体の昇降）に要する駆動トルクを小さくできるとともに、体格の小型化を図ることができる。

また、本実施形態の電動弁１では、ロータ５０をキャン３０の内部で回転可能に支持する支持部材６１がキャン３０に圧入されて固定されるので、ロータ５０と支持部材６１との摺動を抑制できるため、例えば、支持部材がロータの太陽ギヤ部材上に載置されてキャンの内側に配置された従来のものと比べて、ロータ回転時の摺動抵抗を確実に低減することでき、もって、回転（つまり、弁体の昇降）に要する駆動トルクを小さくできるとともに、体格の小型化を図ることができる。

なお、本発明は、図示実施形態のような、ポペット型もしくはピストン型の弁体が最下降位置にあるとき、その弁体が弁座に着座して流体の流れが遮断されるタイプ以外に、様々なタイプの電動弁に採用し得ることは言うまでも無い。例えば、弁体が最上昇位置にあるとき、その弁体が弁口の裏面側に設けた弁座に着座して流体の流れが遮断される閉弁タイプの電動弁（この場合、弁軸と弁本体との間には弁体を閉弁方向に付勢する圧縮コイルばねが介装される）であってもよい。また、弁体が弁座に着座しつつ、弁体に設けられた連通穴や弁座に設けられたブリード溝等を介して所定量の通過流量が確保されるタイプの電動弁であってもよいし、弁体が最下降位置（通常なら全閉状態となる）にあるときに、弁体と弁座との間に所定の大きさの間隙が形成されて所定量の通過流量が確保される閉弁レスタイプの電動弁であってもよい。

１ 電動弁
１０ 弁本体
１３ ねじ軸受部材
１３ａ 雌ねじ部
１４ 弁室
１５ 弁座
１６ 弁口
１８ 円筒部材
１９ ばねケース
２１ 弁体
２２ ねじ駆動部材
２２ａ 雄ねじ部
２６ 圧縮コイルばね
２７ ねじ送り機構
２９ 出力軸部
３０ キャン
３１ ベースプレート
４０ ステータ
５０ ロータ
５１ ロータ部材
５２ 太陽ギヤ部材
５７ 出力ギヤ
６０ 不思議遊星歯車減速機構
６１ 支持部材
６２ シャフト
６３ ステッピングモータ
ａ ステータのヨークの上下長
ｂ ロータのロータ部材の上下長

Claims (7)

1. 弁室及び弁座を有する弁本体と、
   前記弁室に昇降可能に配在された弁体と、
   前記弁本体に固着されたキャンと、
   前記キャンの外部に装備されたステータ、及び、前記キャンの内部に回転可能に装備されたロータを有するモータと、
   前記ロータの回転運動を前記弁体の昇降運動に変換するねじ送り機構と、を備え、
   前記ねじ送り機構によって前記ロータが回転しながら昇降せしめられる電動弁であって、
   前記ロータの上下長が、前記ステータのヨークの上下長に、前記ロータの最下降位置から最上昇位置までのフルリフト量を加えた長さ以上に設定されていることを特徴とする電動弁。
2. 前記ねじ送り機構が、前記弁本体に固定されたねじ軸受部材に設けられた雌ねじ部と、前記ロータの回転数を減速する遊星歯車減速機構に連結されたねじ駆動部材に設けられた雄ねじ部とで構成され、
   前記ロータが前記ねじ駆動部材上に載置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. 前記ねじ駆動部材又は前記ねじ駆動部材の前記ロータとの当接部分が金属製であり、前記ねじ駆動部材上に載置される前記ロータの太陽ギヤ部材が樹脂製であることを特徴とする請求項２に記載の電動弁。
4. 前記ロータを前記キャンの内部で回転可能に支持する支持部材が設けられ、
   前記支持部材は、前記キャンに圧入されて固定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電動弁。
5. 前記支持部材は、前記ロータの上側に位置せしめられ、前記ロータの中心部に挿入されたシャフトの上部を支持していることを特徴とする請求項４に記載の電動弁。
6. 前記支持部材は、前記ロータから隙間をあけて配在されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の電動弁。
7. 前記支持部材は樹脂製であることを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載の電動弁。

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