JP2024001696A - 弁装置 - Google Patents

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宏光 木村
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Abstract

【課題】本発明は、ウォームとウォームを支持する部分との摩擦を低減することによって、ウォームロックを防止することができ、主弁による弁ポートの切換動作の安定性を向上させる弁装置を得ることを目的とする。【解決手段】弁装置としてのロータリー式切換弁100は、弁本体1と主弁3と駆動部5とを備えている。主弁3は、駆動部5により回転駆動され、弁本体1の主弁ストッパ9により回転停止される。駆動部5は、電動モータ51によって回転されるウォーム52と、ウォーム52に噛合するウォームホイール54と、を備えている。ウォーム52は、少なくとも1箇所の回転支持部53によって軸線Aまわりに回転可能かつ軸線A方向に移動可能に支持されている。回転支持部53は、ウォーム52のロックを防止するロック防止機構を有している。【選択図】図2

Description

本発明は、弁装置に関する。
流体の流量を制御する弁装置として、弁ハウジングと、主弁と、副弁と、駆動部と、を備えたロータリー式切換弁が知られている(例えば、特許文献1、2参照)。これらのロータリー式切換弁では、電動モータによって回転されるウォームと、ウォームに噛合するウォームホイールと、を有したウォームギアによって副弁を回転駆動し、副弁の回転が主弁に伝達されることで弁ポートが切り換えられる構成になっている。主弁は、弁ハウジングの弁ストッパに当接することで所定の切換位置で回転が停止され、副弁は、主弁の副弁ストッパに当接することでその回転が停止されるが、その後も同回転方向へ電動モータへ回転信号が送られると、ウォームがウォームの軸方向であるスラスト方向に移動し、ウォーム支持部に当接して停止することとなる。
特開2009-270639号公報 特開2021-124119号公報
ところが、上述のウォームギアでは、ウォームとウォーム支持部とが当接することで、ウォームホイールの噛合い部とウォーム支持部との間でウォームが突っ張るとともに、噛合い部やウォーム支持部の各々に摩擦力が生じることで、ウォームが逆回転できなくなる現象(本明細書中では、この現象を「ウォームロック」と定義して使用する)が生じることがあり、主弁、すなわち弁体による弁ポートの切換動作の安定性を阻害する可能性がある。
本発明は、ウォームとウォームを支持する部分との摩擦を低減することによって、ウォームロックを防止することができ、弁体による弁ポートの切換動作の安定性を向上させる弁装置を得ることを目的とする。
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の弁装置は、弁本体と弁体と駆動部とを備え、前記駆動部により前記弁体が回転駆動されるとともに、前記弁本体のストッパにより前記弁体が回転停止される弁装置であって、前記駆動部は、電動モータによって回転されるウォームと、前記ウォームに噛合するウォームホイールと、を備え、前記ウォームは、少なくとも1箇所の回転支持部によって軸まわりに回転可能かつ軸方向に移動可能に支持され、前記回転支持部は、前記ウォームのロックを防止するロック防止機構を有していることを特徴とする。
このような本発明によれば、ウォームは、ロック防止機構を有する回転支持部によって軸まわりに回転可能かつ軸方向に移動可能に支持されている。このため、弁体の回転停止後に、同回転方向への回転信号により電動モータの回転が継続された場合に、ウォームがウォームの軸方向に移動し、回転支持部に当接したとしても、ロックを防止されたウォームが軸まわりに回転する等することで、ウォームの突っ張りや、ウォームとウォームホイールの噛合い部の摩擦力、およびウォームと回転支持部の摩擦力を低減することができる。したがって、ウォームとウォームを支持する部分との摩擦を低減することによって、ウォームロックを防止することができ、弁体による弁ポートの切換動作の安定性を向上させる弁装置を得ることができる。
また、この際、前記ロック防止機構は、前記回転支持部に設けられた軸受けにより構成され、前記軸受けの端面に当接することで前記ウォームの軸方向の移動が規制されることが好ましい。このような構成によれば、回転支持部に設けられた軸受けによりロック防止機構を構成し、上述のウォームロックを防止するとともに、この軸受けの端面でウォームの軸方向の移動を規制することができる。
また、前記ウォームと前記軸受けの内径との間には径方向のガタが設けられていることが好ましい。このような構成によれば、弁体の回転停止後に、同回転方向への回転信号により電動モータの回転が継続された場合に、ウォームがウォームの軸方向であるスラスト方向に移動し、軸受けの端面に当接したとしても、ウォームは、径方向のガタの分、変位することや、軸受けの内径に沿って摺動することができる。このため、ウォームの変位または摺動により上述の噛合い部と軸受けとの間でウォームが突っ張ることを防止し、噛合い部または軸受けに生じる摩擦力を低減することができる。
また、前記ウォームは、軸部と段部と縮径部とを有し、前記縮径部が前記軸受けに挿通され、前記弁体が回転停止した状態では、前記段部と前記軸受けの端面との間に軸方向のガタが設けられていることが好ましい。このような構成によれば、弁体が回転停止した状態で、ウォームの段部と軸受けの端面との間には、軸方向のガタが設けられているので、弁体の回転停止後に、同回転方向への回転信号により電動モータの回転が継続された場合に、ウォームがウォームの軸方向に移動することができる。また、これにより、ウォームが軸方向に移動し、軸受けに当接した場合、ウォームを逆回転させることで、上述の軸方向のガタの分、ウォームだけを移動させることができる。このため、噛合い部に生じる摩擦力を低減し、ウォームロックを防止しやすくすることができる。
また、前記軸受けは、内輪と外輪と転がり部材とを有したベアリングであり、前記内輪の端面に当接することで前記ウォームの軸方向の移動が規制されることが好ましい。このような構成によれば、ベアリングで構成された軸受けにより、ウォームロックを防止することができる。
また、前記軸受けは、摺動抵抗の低い材質を有し円筒状に形成されたブッシュであってもよい。このような構成によれば、摺動抵抗の低い材質を有し円筒状に形成されたブッシュで構成された軸受けにより、ウォームロックを防止することができる。
また、前記回転支持部は、前記ウォームの軸方向における前記電動モータのある側である一方側に配置されていることが好ましい。このような構成によれば、弁体の回転停止後に、同回転方向への回転信号により電動モータの回転が継続され、ウォームが軸方向一方側に移動したとしても、ウォームの軸方向一方側に配置された回転支持部によってウォームロックを防止することができる。
また、前記駆動部は、前記ウォームを前記軸方向一方側に付勢する付勢部材を備え、前記付勢部材による付勢力は、前記ウォームホイールとの噛み合いにより前記ウォームの軸方向他方側に向かって前記ウォームに作用する軸方向の力であるスラスト力よりも大きいことが好ましい。このような構成によれば、弁体の回転停止後に、同回転方向への回転信号により電動モータの回転が継続され、ウォームが軸方向他方側に移動しようとしても、軸方向他方側に向かってウォームに作用するスラスト力よりも大きな付勢力を備える付勢部材によってその移動を抑制することができる。
また、前記回転支持部は、前記ウォームの軸方向他方側にも配置されていることが好ましい。このような構成によれば、ウォームの軸方向一方側と軸方向他方側とに配置された回転支持部によりウォームを支持することができるので、ウォームが軸方向に交差する方向に振れることを、ウォームの軸方向両端側に配置された回転支持部により抑制することができる。
また、本発明のロータリー式切換弁は、上述のいずれかに記載の弁装置であって、前記弁本体の内部に設けられる弁室と、前記弁室に開口する複数の弁ポートを有する弁座部と、前記弁本体の内部で前記弁座部に交差する中心軸まわりに回転可能に設けられる主弁と、前記中心軸まわりに回転可能に設けられて前記主弁の均圧孔を開閉する副弁と、を備え、前記駆動部に回転駆動された前記副弁の回転が前記主弁に伝達されることで前記弁ポートが切り換えられることを特徴とする。このような構成によれば、ウォームとウォームを支持する部分との摩擦を低減することによって、ウォームロックを防止することができ、主弁による弁ポートの切換動作の安定性を向上させるロータリー式切換弁を得ることができる。
本発明によれば、ウォームとウォームを支持する部分との摩擦を低減することによって、ウォームロックを防止することができ、弁体による弁ポートの切換動作の安定性を向上させる弁装置を得ることができる。
本発明の一実施形態に係る弁装置の組立断面図。 弁装置の駆動部の断面図。 副弁と主弁の中心軸まわりの回転が規制された状態を示す断面図。 副弁と主弁の中心軸まわりの回転が規制された際のウォームを示す図。 回転支持部に当接した状態のウォームを示す図。 第一変形例における回転支持部を示す断面図。 第二変形例における駆動部およびウォームを示す断面図。 (A)は、冷房運転時の状態を示す冷凍サイクルシステムの概略図であり、(B)は、暖房運転時の状態を示す冷凍サイクルシステムの概略図。
以下、本発明における弁装置であるロータリー式切換弁100の実施形態を図1~5および図8に基づいて説明する。なお、図1において矢印X、矢印Yは、互いに直交する方向であり、矢印Xを弁本体1および中心軸6の軸線方向とし、「軸線X方向」と記す。また、軸線X方向の一方側を「上側X1」とし、他方側を「下側X2」と記す。また、軸線X方向に交差する交差方向を矢印Yで示し、「径方向Y」と記す。そして、特に径方向Yにおいて中心軸6のある側を「内側」とし、内側の反対側を「外側」とする。これは、あくまでも説明の便宜のためであり、必ずしもロータリー式切換弁100の実際の使用状態における方向と一致するとは限らず、ロータリー式切換弁100の実際の使用状態における方向を限定するものではない。
ロータリー式切換弁100は、弁本体1と、弁座部材2と、主弁3(弁体)と、副弁4と、駆動部5と、中心軸6と、を備えている。弁本体1は、軸線X方向に延びる筒状の第一円筒部10と、第一円筒部10に連続し第一円筒部10よりも縮径した有底筒状の第二円筒部11と、を備え、主弁3、副弁4、駆動部5、および中心軸6を収容している。第一円筒部10の内部は、弁室10aを構成している。第二円筒部11の内部は、主に駆動部5等を収容する収容部11aを構成している。
弁座部材2は、円柱状の弁座部20と、弁座部20の外周に形成されたフランジ部21と、を備えている。弁座部20は、外周面が第一円筒部10の内周面に接するようにして弁本体1に嵌め込まれており、その上面は、径方向Yに延びる弁座面20aを構成している。図8(A)、(B)に示すように、弁座部20には、弁座部20の下端部から弁座面20aまで貫通して弁室10aに開口する4個の弁ポート20D、20S、20C、20Eが設けられている。各弁ポート20D、20S、20C、20Eは、それぞれ90°離間する位置に開口している。
図8(A)、(B)に示すように、4個の弁ポートは、弁室10aと圧縮機Pの冷媒の吐出側に連通されるDポート20Dと、圧縮機Pの冷媒の吸入側に連通されるSポート20Sと、室外熱交換器60側に連通されるC切換ポート20Cと、室内熱交換器80側に連通されるE切換ポート20Eと、で構成されている。各ポート20D、20S、20C、20Eには、それぞれ継手管8(図1にのみ図示)が接続されて冷媒の流路を構成している。フランジ部21は、上面が第一円筒部10の下端面に接触した状態で、溶接により弁本体1に固定されている。
主弁3は、樹脂で形成された部材であり、弁本体1の内部で中心軸6まわりに回転可能および軸線X方向に変位可能に設けられている。図1に示すように、主弁3は、下側X2(弁座部20側)に開口する椀状の椀部30と、椀部30に連続して上側X1に延びる円柱状のピストン部31と、を備えている。椀部30には、弁座面20aに向かって開口する低圧流路30Lおよび高圧流路30Hと、低圧流路30Lの天井から収容部11aに連通する均圧孔30aと、が形成されている。
低圧流路30Lは、上述の各弁ポート20D、20S、20C、20Eのうち隣り合う2個のポートを連通させる弁通路であり、中心軸6を挟んで高圧流路30Hと対向して設けられている。低圧流路30Lには、その開口端縁から下側X2に向かって突出するリブ32が設けられており、リブ32の下端面は低圧シール面32aを構成している。低圧シール面32aは、弁座面20aに摺接可能となっており、低圧シール面32aと弁座面20aと、で囲まれて弁室10aと隔てられた空間によって上述の4個のポート20D、20S、20C、20Eのうち2個が連通されるようになっている。
低圧流路30Lには、その径方向Yの内側の壁から径方向Y外側の壁に亘って補強部材7が設置されている。補強部材7は、主弁3内外の圧力差による応力により、低圧流路30Lが変形することを防止するための部材であり、金属材料や、樹脂等の材料で棒状に形成され、圧入等によって低圧流路30L内に固定されている。
高圧流路30Hは、各弁ポート20D、20S、20C、20Eのうち、隣り合う2個のポートを連通させる弁通路である。高圧流路30Hの径方向Y外側の壁には、図における断面視で径方向Y内側に向かって切欠き部30H1が形成されている。これにより、高圧流路30Hは、弁室10aと隔てられない常時開放した空間となっている。
椀部30の底面には、下側X2に突出する一対の摺動リブ30bが形成されている。摺動リブ30bは、図8(A)、(B)に示すように、椀部30の底面において高圧流路30Hが形成される側の半円部に、周方向に間隔をあけて形成されている。
ピストン部31は、その周囲にピストンリングRを嵌め込むように形成されており、ピストンリングRは、図1に示すように、主弁3が軸線X方向に変位する際に第二円筒部11の内周面に摺接するようになっている。ピストン部31の中心部には、上側X1に開口する円筒状の凹部が形成されており、この凹部は、副弁4を収容する副弁収容室31aを構成している。
副弁収容室31aの内周面には、図1に示すように、径方向Y内方に突出し軸線X方向に延びる柱状の副弁ストッパ31a1(ストッパ)が形成されている。副弁ストッパ31a1は、図3に示すように、中心軸6まわり(軸線Xまわり)の周上で周方向に間隔をあけて2個形成されている。副弁ストッパ31a1は、後述する副弁4の拡径部40aに当接して副弁4の回転を停止させる部分である。
副弁収容室31aの底面には、主弁側クラッチ部33が形成されている。主弁側クラッチ部33は、図1に示すように、上側X1に凸となり中心軸6まわりの周上で周方向に等しい間隔をあけて3個形成された主弁凸部33aにより構成されている。各主弁凸部33aは、中心軸6まわりの断面形状が台形状であり、中心軸6まわりの左右両端部がそれぞれ、上側X1に向かうほど互いに近づく方向に傾斜するテーパ面となっている。これら主弁凸部33aのうち、1個には、上述の均圧孔30aの上側X1の端部が開口している。この均圧孔30aが開口する主弁凸部33aの上面は、後述する副弁凸部42aの下端面に接する面を構成している。
副弁収容室31aの底面中央部は、中心軸6の軸受部を構成し、この軸受部の中心には、軸線X方向に沿って椀部30の下端部まで貫通する軸挿入孔3aが形成されている。軸挿入孔3aには、中心軸6の後述する下側部分6bが挿入されており、これによって、主弁ストッパ9(ストッパ)に当接する第一切換位置(切換位置、図8(A)が示す位置)と、第二切換位置(切換位置、図8(B)が示す位置)と、の間で、主弁3が中心軸6まわりに回転可能および軸線X方向に変位可能に支持されている。
副弁4は、金属で形成された部材であり、主弁3と同様に、中心軸6まわりに回転可能および軸線X方向に変位可能に設けられている。図1に示すように、副弁4は、副弁収容室31aに収容される略円板状のフランジ部40と、フランジ部40の中央に形成され軸線X方向に延びるボス部41と、を備えている。フランジ部40の周方向略半分の部分には、図3に示すように、他の部分よりも径方向Y外側に突出した拡径部40aが形成されており、拡径部40aの周方向一端部は、上述の副弁ストッパ31a1のうちの一方に当接し、拡径部40aの周方向他端部は、副弁ストッパ31a1のうち他方に当接するように構成されている。
具体的には、拡径部40aの周方向一端部または周方向他端部は、上述の主弁3が第一切換位置または第二切換位置で主弁ストッパ9に当接し回転を規制された状態(回転停止した状態)で、副弁4が中心軸6まわりに回転した際に、上述の副弁ストッパ31a1に当接するようになっている。そして、この当接によって副弁4の中心軸6まわりの回転が規制されるようになっている。なお、本実施形態では、図3に示すように、主弁3の各副弁ストッパ31a1の位置関係(周方向に何°離れているか)により、副弁4の中心軸6まわりの弁本体1に対する最大回転量は約210°に設定されている。
フランジ部40の下面には、図1に示すように、副弁側クラッチ部42が形成されている。副弁側クラッチ部42は、主弁凸部33aと同一円周上で下側X2に凸となり、中心軸6まわりの周上で周方向に等しい間隔をあけて3個形成された副弁凸部42aにより構成されている。一の副弁凸部42aと、他の副弁凸部42aと、の間には、上述の主弁凸部33aの1個が位置することができるようになっており、これによって、上述の主弁側クラッチ部33と副弁側クラッチ部42とが互いに噛み合うようになっている。副弁凸部42aは、中心軸6まわりの断面形状が台形状であり、中心軸6まわりの左右両端部がそれぞれ、下側X2に向かうほど互いに近づく方向に傾斜するテーパ面となっている。
副弁凸部42a下端面は、上述のとおり主弁凸部33aの上面に接するように構成され、この面は、副弁4の回転に合わせて主弁凸部33aの上面に摺接しながら均圧孔30aを開閉するように構成されている。
フランジ部40の下面において、一の副弁凸部42aと、他の副弁凸部42aと、の間には、均圧孔30aと連通可能な、不図示の均圧流路が形成されている。このため、副弁凸部42aの下端面が均圧孔30aを閉じた状態では、高圧の弁室10aと低圧の低圧流路30L内と、が区画されることとなるが、均圧流路と均圧孔30aが連通した状態では、主弁3の外部の上側X1の流体の圧力が低圧流路30L内(低圧側)へ逃げることで、主弁3の上側X1と、低圧流路30Lと、の圧力が均一となる。
ボス部41の中心には、上側X1に開口する角孔41aが形成されている。角孔41aは、副弁4と、後述するウォームホイール54と、が互いに中心軸6まわりの回転力を伝達可能な部分であり、図1に示すように、ウォームホイール54のカム部54bを嵌め込み可能に形成されている。角孔41aの底部の中心には、軸線X方向に沿ってフランジ部40の下端まで貫通する軸挿入孔4aが形成されている。軸挿入孔4aには、中心軸6の後述する上側部分6aが挿入されており、これによって副弁4が中心軸6まわりに回転可能および軸線X方向に変位可能に支持されている。
駆動部5は、副弁4を回転駆動する部分であり、図2に示すように、ケース部50と、電動モータ51と、ウォーム52と、回転支持部53と、ウォームホイール54と、第一コイルばね55(付勢部材)と、第二コイルばね56(図1にのみ図示)と、を備えている。なお、以降の駆動部5の説明において参照する図2、図4、図5では、ロータリー式切換弁100を平面視した際の平面において径方向Yに直交する方向に延びる方向をウォーム52の軸方向とし、特に軸線A方向と記す。また、軸線A方向において電動モータ51のある側を一方側A1とし、その反対側を他方側A2とする。また、径方向Yは、ウォーム52の径方向をも表している。
ケース部50は、上述の弁本体1の第二円筒部11の一部を構成し、軸線A方向に延びる収容部50aと、収容部50aの一方側A1に固定される接続部50bと、接続部50bの一方側A1に固定されるキャン50cと、を備えている。収容部50aは、軸線A方向に延びる円筒状に形成され、内部にウォーム52を収容している。接続部50bは、筒状に形成され、他方側A2の部分が収容部50aの一方側A1内に嵌合した状態で、収容部50aに溶接固定されている。キャン50cは、一方側A1に凸のキャップ状に形成され、他方側A2の開口端縁が接続部50bの一方側A1の端部に溶接により固定されており、これによって、収容部50aの内部の空間は密閉されている。
電動モータ51は、本実施形態では、ステッピングモータを用いており、キャン50cの内部に設置され、軸線Aまわり(軸まわり)に回転可能に設けられたマグネットロータ51aと、キャン50cを挟んでマグネットロータ51aの外周に固定されたステータコイル51bと、を備えている。この電動モータ51は、不図示の制御部によってウォーム52の回転方向および回転量を調整可能となっている。例えば、本実施形態では、制御部から所定のパルスを送ることで、副弁4を中心軸6まわりに左回転させる方向である第一方向と、第一方向の逆方向である第二方向にウォーム52が回転される。所定のパルスと副弁4の回転角度との関係は、例えば、1400パルスで210°であり、上述のように、副弁4の中心軸6まわりの弁本体1に対する最大回転量が約210°であることから、理論上は、1400パルスで副弁4が最大回転量分、回転するようになっている。
ウォーム52は、電動モータ51に回転駆動される金属製の部材であり、マグネットロータ51aの中心に固定され、軸線A方向に延び、マグネットロータ51aと一体となって軸線Aまわりに回転可能に設けられている。このウォーム52は、一方側A1から他方側A2に向かって、駆動軸52a、第一縮径部52b(縮径部)、第一段部52c(段部)、軸部52d、歯車部52e、第二段部52f(段部)、第二縮径部52g(縮径部)を備えている。駆動軸52aは、ウォーム52の一方側A1の端部を構成する部分であり、マグネットロータ51aの中心に貫通した状態でマグネットロータ51aに固定されている。
第一縮径部52bは、駆動軸52aよりも直径寸法が大きく形成され、接続部50bの一方側A1の端部付近まで延びている。第一段部52cは、第一縮径部52bに連続し、ウォーム52の径方向Y外方に向かって形成されている。軸部52dは、第一段部52cに連続し、軸線A方向に延び、第一縮径部52bよりも大径に形成されている。歯車部52eは、ウォームホイールの歯部54aと噛合う部分であり軸部52dの軸線A方向中間部から他方側A2に亘って形成されている。第二段部52fは、軸部52dの他方側A2の端部に連続し、ウォーム52の径方向Y内方に向かって形成されている。第二縮径部52gは、第二段部52fに連続し、軸線A方向に延び、第一縮径部52bと略同じ直径を有して形成されている。
回転支持部53は、ウォーム52を軸線Aまわりに回転可能かつ軸線A方向に移動可能に支持する軸受けであり、本実施形態では、内輪53aと、外輪53bと、内輪53aと外輪53bに挟まれるボール状の転がり部材53cと、を備えたボールベアリングで構成されている。本実施形態では、回転支持部53は、ウォーム52の一方側A1と、他方側A2と、にそれぞれ設けられている。一方側A1に配置される回転支持部53は、接続部50bの一方側A1の端部内に外輪53bが嵌め込まれることで固定されており、この回転支持部53の内輪53a内には、ウォーム52の第一縮径部52bが挿通している。他方側A2に配置される回転支持部53は、収容部50aの他方側A2の端部内に外輪53bが嵌め込まれることで固定されており、この回転支持部53の内輪53a内には、第二縮径部52gが挿通している。
図2、4、5においては、第一縮径部52bの外周面と、回転支持部53の内輪53aの内周面と、は当接しているように見えるが、当該外周面と内周面との間には、径方向Yの隙間である第一ガタS1が生じるように設定されている。同様に、第二縮径部52gの外周面と、内輪53aの内周面と、の間には、第一ガタS1が生じるようになっている。すなわち、ウォーム52と回転支持部53の内径(軸受けの内径)との間には径方向Yのガタが設けられている。
ウォームホイール54は、ウォーム52と噛合、すなわち噛合って回転する円柱状の部材であり、歯車部52eと噛合う歯部54aと、副弁4に接続されるカム部54bと、を備えている。歯部54aは、図2に示すように、ウォームホイール54の外周面の全周に渡って形成されている。カム部54bは、図1に示すように、下側X2に突出する部分であり、副弁4の角孔41aに嵌合されている。すなわち、ウォームホイール54と副弁4とは、角孔41aおよびカム部54bによって接続されている。これにより副弁4とウォームホイール54とは、一体となり、共に協働して中心軸6まわりに回転する。
第一コイルばね55は、図2に示すように、マグネットロータ51aと、2個の回転支持部53のうち一方側A1に配置された回転支持部53との間に設置される引張コイルばねである。この第一コイルばね55は、ウォーム52の第一縮径部52bを周方向に囲むように配置され、一方側A1の端部がマグネットロータ51aに当接し、他方側A2の端部が回転支持部53の内輪53aの端面に当接している。第一コイルばね55は、ウォーム52を一方側A1(軸方向一方側)に付勢している。
第二コイルばね56は、図1に示すように、ウォームホイール54と、副弁4との間に配置される圧縮コイルばねである。この第二コイルばね56は、副弁4のボス部41を周方向に囲むように配置され、上側X1の端部がウォームホイール54に当接し、下側X2の端部が副弁4のフランジ部40に当接している。第二コイルばね56は、副弁4を下側X2、すなわち主弁3に向かって付勢している。
中心軸6は、軸線X方向に延びる主軸である。図1に示すように、中心軸6は、ウォームホイール52の中心部および副弁4の軸挿入孔4aに挿通される上側部分6aと、上側部分6aよりも小径に形成され、主弁3の軸挿入孔3aに挿通される下側部分6bと、を備えている。上側部分6aの上端部には、円環状のリムをかしめることによりボール6cが固定されており、このボール6cを介して上側部分6aが、弁本体1の第二円筒部11の天井壁の中心に設けられた軸受溝に支持されている。下側部分6bの下端部は、弁座部材2の弁座部20の中心に設けられた軸受溝に支持されている。上側部分6aと下側部分6bとの連続部分には、ワッシャ61が嵌め込まれており、このワッシャ61を介して主弁3が上側X1に上昇する際の力が中心軸6に伝達されるようになっている。
次に、主弁3による流路の切り換え、すなわち弁ポート20D、20S、20C、20Eの切り換え動作について説明する。まず、図8(A)に示すように、主弁3の低圧流路30LがE切換ポート20EとSポート20Sとを連通させ、高圧流路30HがDポート20DとC切換ポート20Cとを連通させた第一切換位置に主弁3がある状態を初期状態とし、この状態から、駆動部5が作動する。そうすると、マグネットロータ51aが回転するとともにウォーム52が軸線Aまわりの第一方向に回転する。そして、ウォーム52の回転に伴い、ウォーム52と噛合っているウォームホイール54が中心軸6まわりの左方向である反時計回り方向D1に回転する。この際、ウォーム52およびウォームホイール54の回転力は、カム部54bを介して副弁4に伝達され、副弁4も反時計回り方向D1に回転する。
なお、この際は、副弁凸部42aの下面と、主弁凸部33aの上面が図1に示すように当接しているため、主弁凸部33aに開口する均圧孔30aが副弁凸部42aによって閉じられている。このため、主弁3は、内外の圧力差により弁座部20に押しつけられた状態であり、副弁4が回転しても主弁3は弁座部20との摩擦力により回転できず、副弁4だけが回転する。
副弁4が回転すると、副弁凸部42aが主弁凸部33a上をスライドして、均圧孔30aが、副弁4のフランジ部40下面に形成された上述の均圧流路により開かれる。これにより、主弁3の外部の上側X1の流体の圧力が低圧流路30L内(低圧側)へ逃げる。そして、主弁凸部33aは、一対の副弁凸部42aの間の位置に移動し、主弁凸部33aと、一対の副弁凸部42aと、が互い違いに噛み合う。この状態では、主弁3の上側X1と低圧流路30L内は均圧となるため、上述のように主弁3を弁座部20に押し付ける力は小さくなり、主弁3と、弁座部20と、の摩擦力が、主弁凸部33aと一対の副弁凸部42aとが噛み合う力よりも小さくなる。
このため、副弁4を軸線Xまわりに回転させることで、主弁凸部33aと、副弁凸部42aと、が当接しながら一体となって反時計回り方向D1に回転する。これにより、図8(B)に示すように、主弁3は、低圧流路30LがC切換ポート20CとSポート20Sとを連通させ、高圧流路30HがDポート20DとE切換ポート20Eとを連通させる第二切換位置に移動する。この際、図3に示すように、高圧流路30Hの壁が主弁ストッパ9に当接することで、主弁3はそれ以上軸線Xまわりに回転することが規制され、回転停止した状態となる。
この状態でさらに副弁4を軸線Xまわりに回転させると、回転を規制されていない副弁4のみが、図3に示すように、上述の副弁ストッパ31a1に当接するまで反時計回り方向D1に回転する。これにより、副弁凸部42aが主弁凸部33aに乗り上がり、副弁凸部42aの下面により均圧孔30aが閉じられる。したがって、高圧の流体は、均圧孔30aから低圧流路30Lに逃げることができないため、主弁3の外部の上側X1が高圧となり、主弁3の上側X1と低圧流路30Lとの圧力差によって主弁3が弁座部20に押し付けられる。これにより、主弁3による弁ポート20D、20S、20C、20Eの切り換え動作が完了する。このように、弁装置としてのロータリー式切換弁100では、駆動部5に回転駆動された副弁4の回転が主弁3に伝達されることで、弁ポート20D、20S、20C、20Eが切り換えられるようになっている。
なお、本実施形態では、図8(A)に示すように、主弁3が第一切換位置にある状態を初期状態としたが、これとは逆に、図8(B)に示すように、主弁3が第二切換位置にある状態から、弁ポート20D、20S、20C、20Eの切り換え動作が行われる場合は、主弁3の低圧流路30LがC切換ポート20CとSポート20Sとを連通させ、高圧流路30HがDポート20DとE切換ポート20Eとを連通させた第二切換位置に主弁3がある状態を初期状態とし、上述の説明とはウォーム52の回転方向を逆(すなわち、第二方向)にすることで、主弁3および副弁4を反時計回り方向D1とは反対の不図示の時計回り方向に回転させることになることは言うまでもない。
そして、図3に示すように、主弁3が主弁ストッパ9により回転を規制され(回転停止し)、副弁4が副弁ストッパ31a1により回転を規制された状態では、図4に示すようにウォーム52の第一段部52c(段部)または第二段部52f(段部)と、回転支持部53の内輪53aの端面と、の間(図4では、第二段部52fと、2個の回転支持部53のうち他方側A2に配置された回転支持部53の内輪53aの一方側A1の端面との間)に、軸線A方向の隙間である第二ガタS2(軸方向のガタ)が生じるようになっている。このため、主弁3が主弁ストッパ9により回転を規制された状態であっても、ウォーム52は、上述の第一ガタS1の分、径方向Yに変位可能となるとともに、第二ガタS2の分、軸線A方向に変位可能となっている。
ここで、主弁3および副弁4を反時計回り方向D1および時計回り方向に回転させる際のいずれについても、主弁3および副弁4の回転が停止した状態で、さらに電動モータ51に回転信号を送ることがある。これは、上述のように、副弁4の中心軸6まわりの弁本体1に対する最大回転量が約210°であり、理論上は、1400パルスで副弁4が最大回転量分、回転する構成であったとしても、1400パルス以上のパルスを電動モータ51に加えて、副弁4の拡径部40aを副弁ストッパ31a1に確実に当てるためである。
すなわち、ロータリー式切換弁100には、例えば、ウォーム52とウォームホイール54との噛合い部におけるバックラッシュや、中心軸6と主弁3および副弁4との間のガタが生じており、これらのガタや、その他の要因を考慮すると、副弁4を確実に最大回転量の分、回転させて、主弁3を主弁ストッパ9に当接させ、副弁4を主弁3の副弁ストッパ31a1に当接させるために、回転信号としては余裕をもって、1400パルス+α(例えば、1500パルス)のパルスを送ることで、副弁4を確実に最大回転量分、回転させることができるようになっているからである。
この場合、副弁4の回転が停止した状態、すなわちウォームホイール54の回転が規制された状態でウォーム52がさらに回転することとなるため、図5に他方側A2に向かう矢印で示すように、ウォーム52に軸線A方向の力(スラスト力)が加わり、同方向にウォーム52が移動しようとする。この際、図4に示すように、本実施形態では、第二段部52fと回転支持部53の内輪53aの端面との間に第二ガタS2が設けられていることで、ウォーム52が、軸線A方向に移動することができる。
そして、このように移動したウォーム52は、図5に示すように、内輪53aの端面に当接することで軸線A方向の移動が規制されることとなるが、ここで、さらにウォーム52に回転力が加わった場合、図5に径方向Yに向かう矢印で示すように、ウォーム52がウォームホイール54との噛合い部に向かって滑り込むこととなる。この際、従来のように、ウォーム52がウォーム支持部に当接する構成では、噛合い部と内輪53aの端面間S3に、反力が生じ、これによりウォーム52が突っ張り、噛合い部やウォーム支持部の各々に摩擦力が生じることで、ウォーム52が逆回転できなくなるウォームロックという現象が生じる。
しかしながら、本実施形態では、ウォーム52は、内輪53aに当接した後も、転がり部材53cを介して軸線Aまわりに回転することができる。また、上述の第一ガタS1の分、径方向Yに変位することや、内輪53aの内周面に沿って摺動することができる。このため、上述のようなウォーム52の噛合い部への滑り込みが回避され、これによってウォームロックが防止される。このように、回転支持部53(軸受け)は、ウォーム52のロックを防止するロック防止機構を有している。
次に、ロータリー式切換弁100を流路切換弁に用いた冷凍サイクルシステムについて説明する。図8(A)、(B)は実施形態の冷凍サイクルシステムを示す図であり、空気調和機の冷凍サイクルシステムの例である。空気調和機は、圧縮機P、室外熱交換器60(凝縮器または蒸発器)、膨張弁70、室内熱交換器80(凝縮器または蒸発器)、流路切換弁としてのロータリー式切換弁100を有しており、これらの各要素は、それぞれ導管によって図示のように接続され、ヒートポンプ式の冷凍サイクルシステムを構成している。
冷凍サイクルシステムの流路は、ロータリー式切換弁100の主弁3を上記説明のように回転させることで、冷房運転および暖房運転の2通りの流路に切換えられるようになっている。図8(A)の冷房運転時には、ロータリー式切換弁100において主弁3の低圧流路30LによりSポート20SがE切換ポート20Eに接続され、高圧流路30HによりDポート20DがC切換ポート20Cに接続される。そして、図に矢印で示すように、圧縮機Pで圧縮された流体としての冷媒がロータリー式切換弁100のDポート20Dに流入してC切換ポート20Cから室外熱交換器60に流入し、室外熱交換器60から流出する冷媒が、膨張弁70に流入する。そして、この膨張弁70で冷媒が膨張され、室内熱交換器80に供給される。室内熱交換器80から流出する冷媒は、ロータリー式切換弁100でE切換ポート20EからSポート20Sに流れ、Sポート20Sから圧縮機Pへ循環される。
図8(B)の暖房運転時には、ロータリー式切換弁100において主弁3の低圧流路30LによりSポート20SがC切換ポート20Cに接続され、高圧流路30HによりDポート20DがE切換ポート20Eに接続される。そして、図に矢印で示すように、圧縮機Pで圧縮された冷媒がロータリー式切換弁100のDポート20Dに流入してE切換ポート20Eから室内熱交換器80に流入し、室内熱交換器80から流出する冷媒が、膨張弁70に流入する。そして、この膨張弁70で冷媒が膨張され、室外熱交換器60に供給される。室外熱交換器60から流出する冷媒は、ロータリー式切換弁100でC切換ポート20CからSポート20Sに流れ、Sポート20Sから圧縮機Pへ循環される。
以上、本実施形態によれば、ウォーム52は、ロック防止機構を有する回転支持部53によって軸線Aまわり(軸まわり)に回転可能かつ軸線A方向(軸方向)に移動可能に支持されている。このため、主弁3(弁体)の回転が停止された後に、同回転方向への回転信号により電動モータ51(電動モータ)の回転が継続された場合に、ウォーム52が軸線A方向に移動し、回転支持部53に当接したとしても、ロックを防止されたウォーム52が軸線Aまわりに回転する等することで、ウォーム52の突っ張りや、ウォーム52とウォームホイール54の噛合い部の摩擦力、およびウォーム52と回転支持部53との摩擦力を低減することができる。したがって、ウォーム52とウォーム52を支持する部分との摩擦を低減することによって、ウォームロックを防止することができ、主弁3(弁体)による弁ポート20D、20S、20C、20Eの切換動作の安定性を向上させるロータリー式切換弁100(弁装置)を得ることができる。
また、回転支持部53は、軸受けで構成したので、この軸受けによりロック防止機構を構成し、上述のウォームロックを防止するとともに、この軸受けの端面でウォーム52の軸線A方向の移動を規制することができる。
また、主弁3の回転停止後に、同回転方向への回転信号により電動モータ51の回転が継続された場合に、ウォーム52が軸線A方向であるスラスト方向に移動し、回転支持部53の端面に当接したとしても、ウォーム52は、第一ガタS1(径方向Yのガタ)の分、変位することや、回転支持部53の内径に沿って摺動するができる。このため、ウォーム52の変位または摺動により上述の噛合い部と回転支持部53との間でウォーム52が突っ張ることを防止し、噛合い部または回転支持部53に生じる摩擦力を低減することができる。
また、主弁3(弁体)が回転停止した状態で、ウォーム52の第一段部52c(段部)または第二段部52f(段部)と回転支持部53の内輪53aの端面(軸受けの端面)との間には、第二ガタS2(軸方向のガタ)が設けられているので、主弁3の回転停止後に、同回転方向への回転信号により電動モータ51の回転が継続された場合に、ウォーム52は軸線A方向に移動することができる。また、これにより、ウォーム52が軸線A方向に移動し、回転支持部53に当接した場合、ウォーム52を逆回転させることで、上述の第二ガタS2の分、ウォーム52だけを移動させることができる。このため、噛合い部に生じる摩擦力を低減し、ウォームロックを防止しやすくすることができる。
また、回転支持部53は、内輪53aと外輪53bと転がり部材53cとを備えるボールベアリング(ベアリング)で構成された軸受けとすることができるので、このボールベアリングで構成された軸受けにより、ウォームロックを防止することができる。
また、ウォーム52の一方側A1と他方側A2とに配置された回転支持部53によりウォーム52を支持することができるので、ウォーム52が軸線A方向に交差する方向に振れることをウォーム52の軸線A方向両端側に配置された回転支持部53により抑制することができる。
また、上述のように、第一ガタS1および第二ガタS2を設けたことで、ウォーム52を回転支持部53に挿通させてロータリー式切換弁100を組み立てる際に、当該ガタのない構成と比較して、その組立を容易にすることができる。
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。図6は、第一変形例における回転支持部53を示す図である。この変形例では、上述の回転支持部53が、円筒状のブッシュ57で構成されている点が、本実施形態と異なっている。すなわち、上述の実施形態における回転支持部53は、ボールベアリング、すなわち転がり軸受けで構成したが、第一変形例では、回転支持部53は、滑り軸受で構成されている。ブッシュ57は、摺動抵抗の低い(低摩擦係数)材質を有して形成されており、ウォーム52の一方側A1と他方側A2とにそれぞれ配置されている。ブッシュ57の具体的な材料としては、固体潤滑剤を含んだ焼結金属や、高強度の樹脂材、または金属素材に低摩擦係数のコーティング剤をコーティングしたもの等が挙げられる。ブッシュ57の内周面と、ウォーム52の第一縮径部52bおよび第二縮径部52gと、の間には、本実施形態と同様に第一ガタS1が設けられている。また、主弁3が主弁ストッパ9により回転を規制され、副弁4が副弁ストッパ31a1により回転を規制された状態では、ウォーム52の第一段部52c(段部)または第二段部52f(段部)と、ブッシュ57の端面と、の間(図6では、第二段部52fと、2個のブッシュ57のうち他方側A2に配置されたブッシュ57の一方側A1の端面との間)に、軸線A方向の隙間である第二ガタS2(軸方向のガタ)が生じるようになっている。このような構成によれば、本実施形態と同様に、ウォーム52とウォーム52を支持する部分との摩擦を低減することによって、ウォームロックを防止することができ、主弁3(弁体)による弁ポート20D、20S、20C、20Eの切換動作の安定性を向上させるロータリー式切換弁100(弁装置)を得ることができる。
図7は、第二変形例における駆動部5およびウォーム52を示す図である。第二変形例では、第一コイルばね55の付勢力(図7において、一方側A1に向かう矢印で示す)が、ウォーム52とウォームホイール54との噛み合いによりウォーム52の他方側A2に向かってウォーム52に作用するスラスト力(図7において、他方側A2に向かう矢印で示す)よりも大きく設定されている点が、上述の実施形態および第一変形例と異なる。このような構成によれば、主弁3の回転停止後に、同回転方向への回転信号により電動モータ51の回転が継続され、ウォーム52が例えば、他方側A2に移動しようとしても、他方側A2に向かってウォーム52に作用するスラスト力よりも大きな付勢力を備える第一コイルばね55によってその移動を抑制することができる。なお、この場合、2個の回転支持部53のうち他方側A2に設けられた回転支持部53は、ウォーム52の軸線A方向に交差する方向への振れ防止が主な機能となることから、ウォームロックを防止する観点からは、省略することもできる。
また、上述の実施形態、および変形例では、弁装置はロータリー式切換弁100として説明したが、弁装置は、ロータリー式切換弁100以外であってもよい。例えば、電動モータと、ウォームギアと、を用いて駆動する弁体を、弁座面に対して弁座面と直交する中心軸の軸線方向に(すなわち上下方向に)移動させることで、弁ポートを開閉し、弁本体に設けられたストッパによって弁体の回転を停止させる電動流路制御弁に、本発明を適用することは可能である。また、同様に、中心軸の径方向に開口する複数の流路を備えるボールバルブを水平方向に回転駆動することで、各流路を切り換える電動式ボールバルブの流路開閉弁に、本発明を適用することは可能である。また、同様に、中心軸まわりに延在し、溝幅が漸次変化する凹溝部を有した弁座板と、凹溝部と整合するスリットを有する弁体と、を備え、弁体の中心軸まわりの回転変位に応じて絞り流量を制御する電動ロータリー式膨張弁に本発明を適用することは可能である。
また、本実施形態では、回転支持部53として、ベアリングの中でもとくにボールベアリング、すなわち玉軸受けを用いたが、回転支持部53としては、玉軸受けにかぎらず、転がり部材53cをローラ状の部材とした、ころ軸受け等の軸受けを用いてもよい。
また、本実施形態では、主弁3が、主弁ストッパ9により回転を規制されるタイプのロータリー式切換弁100について説明したが、主弁3の回転を規制する部分は、必ずしも主弁ストッパ9に限られない。例えば、弁本体1の天井部から下側X2に突出するストッパを設け、ウォームホイール54の上面から上側X1に突出するストッパを設け、このストッパ同士を当接させることでウォームホイール54の回転を規制し、これによって、副弁4の回転を規制し、これによって主弁3の回転を規制するような構成のロータリー式切換弁100にも、本発明を適用することは可能である。
1 弁本体
3 主弁(弁体)
5 駆動部
9 主弁ストッパ(ストッパ)
51 電動モータ
52 ウォーム
53 回転支持部
54 ウォームホイール
100 ロータリー式切換弁(弁装置)

Claims (10)

  1. 弁本体と弁体と駆動部とを備え、前記駆動部により前記弁体が回転駆動されるとともに、前記弁本体のストッパにより前記弁体が回転停止される弁装置であって、
    前記駆動部は、電動モータによって回転されるウォームと、前記ウォームに噛合するウォームホイールと、を備え、
    前記ウォームは、少なくとも1箇所の回転支持部によって軸まわりに回転可能かつ軸方向に移動可能に支持され、
    前記回転支持部は、前記ウォームのロックを防止するロック防止機構を有していることを特徴とする弁装置。
  2. 前記ロック防止機構は、前記回転支持部に設けられた軸受けにより構成され、前記軸受けの端面に当接することで前記ウォームの軸方向の移動が規制されることを特徴とする請求項1に記載の弁装置。
  3. 前記ウォームと前記軸受けの内径との間には径方向のガタが設けられていることを特徴とする請求項2に記載の弁装置。
  4. 前記ウォームは、軸部と段部と縮径部とを有し、前記縮径部が前記軸受けに挿通され、
    前記弁体の回転が停止した状態では、前記段部と前記軸受けの端面との間に軸方向のガタが設けられていることを特徴とする請求項3に記載の弁装置。
  5. 前記軸受けは、内輪と外輪と転がり部材とを有したベアリングであり、前記内輪の端面に当接することで前記ウォームの軸方向の移動が規制されることを特徴とする請求項4に記載の弁装置。
  6. 前記軸受けは、摺動抵抗の低い材質を有し円筒状に形成されたブッシュであることを特徴とする請求項4に記載の弁装置。
  7. 前記回転支持部は、前記ウォームの軸方向における前記電動モータのある側である一方側に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の弁装置。
  8. 前記駆動部は、前記ウォームを前記軸方向一方側に付勢する付勢部材を備え、
    前記付勢部材による付勢力は、前記ウォームホイールとの噛み合いにより前記ウォームの軸方向他方側に向かって前記ウォームに作用する軸方向の力であるスラスト力よりも大きいことを特徴とする請求項7に記載の弁装置。
  9. 前記回転支持部は、前記ウォームの軸方向他方側にも配置されていることを特徴とする請求項7に記載の弁装置。
  10. 前記弁本体の内部に設けられる弁室と、前記弁室に開口する複数の弁ポートを有する弁座部と、前記弁本体の内部で前記弁座部に交差する中心軸まわりに回転可能に設けられる主弁と、前記中心軸まわりに回転可能に設けられて前記主弁の均圧孔を開閉する副弁と、を備え、
    前記駆動部に回転駆動された前記副弁の回転が前記主弁に伝達されることで前記弁ポートが切り換えられることを特徴とする請求項1~9のいずれか一項に記載の弁装置としてのロータリー式切換弁。
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