JP3645438B2 - 流体の流量制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステッピングモータなどを弁の開閉駆動源として用いた流体の流量制御装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷蔵庫や空調機の冷媒の流量を制御するものとして、従来は、電磁弁を用いたものやニードル弁を用いたものがある。
【０００３】
しかし、電磁弁を用いた流量制御装置は、一般には、開か閉のいずれかの設定を行うものであり、流量を微調整するには不向きである。また、開閉動作時の音が大きいいことも問題点の一つであり、さらに、開あるい閉のいずれの状態にあっても、その状態を保持するには電磁弁を通電状態にしておく必要があり、消費電力の面でも問題がある。
【０００４】
一方、ニードル弁を用いた流量制御装置は、たとえば、ステッピングモータなどを駆動源として用い、そのステッピングモータの回転力をニードル弁の推力に変えて流体の流量を制御するものであり、電磁弁によるものに比べると、動作音の問題も少なく、また、流量を微調整することも可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このニードル弁を用いた流量制御装置は、駆動源としてのモータのサイズが一般に大きなサイズのものが多い。これは、主に、空調機などの冷媒の流量制御に用いられているものが多いためと考えられる。つまり、空調機の場合は、冷媒の流入側の圧力と、その冷媒を遮断したときの流出側の圧力差が大きいため、大きな推力でニードル弁を動かす必要がある。これによって、必然的に弁を駆動するためのモータサイズが大きいものとなる。
【０００６】
しかし、冷蔵庫などにおける冷媒の流量制御装置に、このニードル弁を用いたものをそのまま使うには、スペース的に問題がある。冷蔵庫の場合、特に、食品庫内のスペースを大きくとるため、できる限り各部品を小さくすることが要求される。したがって、冷媒の流体制御装置も当然のことながら最大限の小型化が要求される。ただし、モータサイズを小さくすれば、確実な流量制御を行うために必要なトルクが得られないという問題が生じてくる。
【０００７】
さらに、ニードル弁は、高精度な制御を行わせるために、ニードル弁の移動方向の中心軸とこのニードル弁が挿入される流路の中心軸の位置関係などが微妙なものとなってくるため、高精度な設計技術や組立時における経験的なノウハウが必要となってくるという問題点もある。
【０００８】
また、この種の冷媒バルブは、低ノイズ、低コストが要求され、さらに、冷媒遮断時は完全な閉状態を得ることが要求される。その他、冷媒の流れを閉または開の２つの制御だけではなく、冷媒の流量を数段階に制御できることが必要とななる場合もある。
【０００９】
そこで本発明は、構造が簡単かつ小型で、確実な流体の流量制御を可能とできる流体の流量制御装置を提供することを目的とする。また、完全開状態と完全閉状態さらには開状態における流量の調整をも可能とし、しかも、開閉動作時における動作音についての改善も図れる流体の流量制御装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、本発明の流体の流量制御装置は、流体の流通経路上に設けられ、側面には側面側流体流通パイプが接合され、先端面には先端面側流体流通パイプが接続され、内部に中空部を有する筒状の本体部と、側面側流体流通パイプと本体部との接合部に設けられ、当該側面側流体流通パイプと本体部との間で流体を流通させるための側面側流体流通孔を有する仕切板と、表面の一部が上記本体部内の中空部に突出し、それとは反対側の表面の一部が仕切板の側面側流体流通孔に当接可能に設けられた閉鎖部材と、本体部内中空部の中心軸方向に沿って挿入され、その中心軸を中心として回動可能な流体制御用回動部材と、この流体制御用回動部材に設けられ、当該流体制御用回動部材が予め設定された初期状態を基点に所定角度回動した時点で閉鎖部材に対し側面側流体流通孔側への押圧力を与える弾性部材と、先端面側流体流通パイプと本体部との接合部に設けられ、当該先端面側流体流通パイプと本体部との間で流体を流通させるための先端面側流体流通孔に、その表面が当接可能に配置され、流体制御用回動部材の回動に伴って上記先端面側流体流通孔の開度を変化させることが可能な流通孔開度設定部と、流体制御回動部材を回動させる駆動源とを有する構成としている。
【００１４】
また、他の発明は、上述の流体の流量制御装置に加え、弾性部材の閉鎖部材に対する押圧力付与動作と流通孔開度設定部の先端側流体流通孔に対する開度設定動作は、流体の流れが全開状態であるときを初期状態としたとき、その初期状態から、駆動源により流体制御用回動部材を回動させ、この流体制御用回動部材が予め定めた回動角度に達すると、流通孔開度設定部が先端面側流体流通孔を覆い始めて徐々にその開度を小さくし、流体制御用回動部材がさらに回動して予め定めた回動角度に達すると、先端面側流体流通孔を全閉状態とするとともに、弾性部材が閉鎖部材を押圧して、この閉鎖部材によって側面側流体流通孔を閉状態として、その後、流体制御用回動部材がさらに回動することによって、側面側流体流通孔を全閉状態とするようにしている。
【００１５】
さらに、他の発明では、上述の各発明の流体の流量制御装置に加え、閉鎖部材を球体とし、弾性部材は、リーフスプリングであって、そのリーフスプリングの一端部は流体制御用回動部材の側面部に接合され、その他端部が当該流体制御用回動部材の側面部と本体部の内側面との間に形成される空間内にフリー端として位置するようにしている。
【００１６】
さらに、他の発明では、上述の各発明の流体の流量制御装置に加え、流通孔開度設定部は、流体制御用回動部材の先端面の断面形状がほぼ半円状をなすようにその流体制御用回動部材を切り欠くことで形成され、当該流体制御用回動部材の回動に伴い、その回動角度によってその先端面が先端面側流体流通孔を覆う動作を行うことで、当該先端面側流体流通孔の開度を変化せるようにしている。
【００１７】
さらに、駆動源としてのモータは、フリクション機構を有するモータとしてもよく、そのフリクション機構はモータのロータ部と流体制御用回動部材との間に設けられ、流体の流量制御を予め定めた所定の状態とした以降の上記ロータの回転力を前記流体制御用回動部材に伝達しないようにするのが好ましい。また、上述の側面側流体流通パイプを、流体の流入パイプとし、先端面側流体流通パイプを、流体の排出パイプとしても良い。
【００１８】
このように、本発明の流体の流量制御装置は、閉鎖部材に対する押圧力の付与とその解除によって流路を閉鎖したり開口したりする。また、本発明では、側面側流体流通孔の開閉を行い、流体制御用回動部材の回動に伴って先端面側流体流通孔の開度を変化させるようにしている。このため、流体の流れを制御する弁を、全開状態または全閉状態のいずれかの状態に設定できることは勿論、流体を流す開状態においては、その流量の調整をも可能としている。
【００１９】
しかも、本発明は、電磁弁のように流体の流れを制御する際に大きな衝撃音が発生することなく、静かな動作を行うことができる。また、ニードル弁のように、ニードル弁の先端と流体流出路の中心軸を同軸上に位置させるというような微妙な調整の必要がないため、組立時における調整作業などが軽減され、生産性の向上を図ることができる。
【００２０】
また、駆動源としてモータを用い、ロータの回転力をそのまま受けて流体の流れを制御する構造とすると、回転力の伝達効率が高く、小さいトルクでも確実な動作が可能となり、しかも、部品点数が少なく構造も簡単なものとすることができ、組立工数の削減やコストの低減をも図れる。
【００２１】
このように、本発明の流体の流量制御装置は、構造が簡単かつ小型で確実な流体の流量制御が行える。特に、確実な全閉状態と全開状態が可能となるとともに、流量調整をも可能となり、これらの制御を１つの駆動源で行うことができるのが特徴である。しかも、制御時における動作音を殆ど生じることなく、また、コスト面や組立のし易さなどの面で優れたものとすることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を図１から図１４に基づき説明する。
【００２３】
本発明の実施の形態である流体の流量制御装置１は、その外観上の構成を大きく分けて説明すると、内部に中空部２ａを有し真鍮製でなる円筒状の本体部２と、この本体部２の後端側に取り付けられ、弁（詳細は後述する）の開閉を駆動する駆動源としてのモータ（この実施の形態ではステッピングモータを用いているので、以下ではステッピングモータという）３と、本体部２の側面に設けられた側面側流体流通パイプ４と、本体部２の先端面に設けられた先端面側流体流通パイプ５により構成されている。
【００２４】
なお、この実施の形態では、側面側流体流通パイプ４は流体を流入させるためのパイプであるため、以下では、単に流入パイプ４といい、先端面側流体流通パイプ５は流体を排出させるためのパイプであるため、以下では、単に排出パイプ５という。また、この実施の形態での流体は、冷蔵庫用の冷媒となっている。
【００２５】
ステッピングモータ３は、コイル３１が巻装されたステータ部３２、このステータ部３２の内側にステータ部３２と対向配置されたロータ部３３を有した構成となっている。ロータ部３３は、合成樹脂製の円筒部材３３１と、その周囲に装着されたマグネット３３２からなる。円筒部材３３１の端面中心部からは細長い棒状で樹脂製（ＰＢＴ製）の円筒体３４が突出し、この棒状の円筒体３４は本体部２の中空部２ａに挿入された状態で設けられ、ロータ部３３の回動とともに回動して流体の流れを制御する働きを行うものであるため、以下では、流体制御用回動部材３４という。
【００２６】
そして、このロータ部３３は、その中心軸方向に設けられた中心軸３５を中心にして回動自在となっている。この中心軸３５は、一端３５ａが本体部２に圧入されることにより固定され、他端３５ｂがロータ収納ケース３６の底面に設けられた軸受け部３６ａによって支持されている。
【００２７】
また、ロータ部３３の下端部とロータ収納ケース３６の底面との間には、流体制御用回動部材３４の先端面３４ａを本体部２の内部先端面に押し付けるためのコイルバネ３７が介在される。なお、流体制御用回動部材３４の先端面３４ａを本体部２の内部先端面に押し付けるのは、流体の流量調整を行う際、確実な流量調整動作を行うためである。この流体の流量調整については後に説明する。
【００２８】
そして、本体部２の後端部分には、本体部２に対して水素還元炉による銀ロウ付けにより接合された鍔状プレート２１が設けられ（接合部分をＷとして示す）、その鍔状プレート２１には前述のロータ収納ケース３６がＴＩＧ溶接などによって接合されるようになっている。なお、この鍔状プレート２１とロータ収納ケース３６は、ＳＵＳ（サス）と呼ばれるステンレス材で形成されている。
【００２９】
また、本体部２の側面に取り付けられる流入パイプ４は、本体部２に対し流入パイプ取付体２２によって取り付けられる。この流入パイプ取付体２２は、真鍮製でなり円筒形状をなし、その縦断面は、Ｈ型状となっている。つまり、流入パイプ取付体２２の内部中央部付近には仕切板２３が存在する形状となっている。そして、この仕切板２３の中心部には、流入パイプ４を流れる流体を本体部２内へ導くための側面側流体流通孔２４（この実施の形態では、この側面側流体流通孔２４は、流体の流入孔であるため、以下では、単に流体流入孔２４という）が設けられている。
【００３０】
そして、この流入パイプ取付体２２は、その外側面の約半分が本体部２に挿入されて本体部２に固定される。そして、流入パイプ取付体２２の先端方向の内部には流入パイプ４が仕切板２３に当接する位置まで挿入され、本体部２と流入パイプ取付体２２、さらには、流入パイプ４と流入パイプ取付体２２はそれぞれ水素還元炉による銀ロウ付けによって接合される。これら各銀ロウ付け部分を符号Ｙとして示す。
【００３１】
そして、この流入パイプ取付体２２の本体部２側には、弁としての働きをする閉鎖部材となる球体２５が収納される。この球体２５は、その表面で流体流入孔２４を開状態または閉状態とするものである。そして、流体流入孔２４の流体流出側（球体２５が接する側の面）には、球体２５の球面と同じ曲率を有する曲面（凹面）が形成され、球体２５が流体流入孔２４に押しつけられた状態となったとき、高い密封度が得られるようにしてある。
【００３２】
また、この球体２５の外径と流入パイプ取付体２２の内径はほぼ同じとしている。これは、流体が流れる状態となったとき、球体２５が流体の流れによって流入パイプ取付体２２内で振動するのを防止するためである。しかし、球体２５の外径と流入パイプ取付体２２の内径をほぼ同じとすると、流体の通り道がなくなるため、図２で示すように、流入パイプ取付体２２の内側面の少なくとも１箇所に流体の流通が可能となる溝２２ａが流入パイプ取付体２２の開口面側から仕切板２３までの間に設けられている。
【００３３】
球体２５は、流体制御用回動部材３４に設けられた弾性部材（付勢手段ともなる）としてのリーフスプリング２６によって仕切板２３方向への押圧力が与えらるようになっている。つまり、このリーフスプリング２６は、図３に示すように、その一端部２６ａが流体制御用回動部材３４の側面部に接合され、その他端部２６ｂが当該流体制御用回動部材３４の側面部と本体部２の内側面との間に形成される空間内にフリー端として位置するようになっていて、一端部２６ａと本体部２の内側面との間隙に対し、フリー端である他端部２６ｂと本体部２の内側面との間隙の方が小さくなるような円弧を描いている。なお、このリーフスプリング２６は、閉鎖部ともなっている。
【００３４】
そして、このリーフスプリング２６は、流体制御用回動部材３４の回動とともに回動し、流体制御用回動部材３４が予め定めた回動角度に達すると、球体２５に対して押圧力を与えて、球体２５が流体流入孔２４を閉状態とする。この具体的な動作については後に詳細に説明する。
【００３５】
このように、球体２５の動きによって、本体部２内部への流体の流入が阻止されたり、流入状態となったりするが、流体が流入状態となって、本体部２内に流入された流体は、本体部２の先端部分に設けられた先端面側流体流通孔２７（この実施の形態では、この先端面側流体流通孔２７は、流体の流出孔であるため、以下では、単に流体流出孔２７という）を通って排出パイプ５に出るようになっている。この流体流出孔２７は、本体部２の内部先端面の中心位置ではなく、中心位置より外側に位置する部分に設けられている。
【００３６】
そして、この流体流出孔２７は、流体制御用回動部材３４の先端面３４ａによって、その開度が変化させられる。つまり、流体制御用回動部材３４の先端面３４ａは、流通孔開度設定部としての働きを行うもので、その断面形状は、図３からもわかるように、円形ではなくほぼ半円形をなすように形成され、流体制御用回動部材３４の回動によって、流体流出孔２７の孔を完全に塞ぐ状態（全閉状態）から、完全に解放する状態（全開状態）まで徐々にのその開度を変化させることができるようになっている。この動作については後に詳細に説明する。
【００３７】
また、流体制御用回動部材３４のロータ部３３側の端部付近には、翼状のストッパ３８が設けられている。このストッパ３８は、流体制御用回動部材３４の一定以上の回動を規制するためのもので、本体部２の後端面側に突出して設けられたピン２８に当接することによってその動きが規制されるようになっている。
【００３８】
ところで、ステータ部３２は、ステータ収納体３９に収納された状態で本体部２に取り付けられる。なお、ステータ収納体３９を本体部２に取り付ける際、ステータ収納体３９は、ホルダ４０によって本体部２に対し着脱自在に保持されるようになっている。
【００３９】
すなわち、ステータ収納体３９には、ホルダ４０に設けられた係止爪４０ａが引っかかるような段部３９ａが形成されており、ステータ部３２が収納されたステータ収納体３９を本体部２に取り付ける際は、本体部２に既に接合されたロータ収納ケース３６をステータ収納体３９の中央の空間部に挿入するようにしてステータ収納体３９を本体部２方向にスライドさせて行く。これにより、そのステータ収納体３９に設けられた段部３９ａに、ホルダ４０の係止爪４０ａがその弾性力によって落ち込み、ステータ収納体３９は本体部２に保持される。なお、このステータ収納体３９を本体部２から取り外す際は、ステータ収納体３９を本体部２から引き離す方向に強く引っ張ることにより外すことができる。
【００４０】
このように、ステータ収納体３９は、本体部２に対してワンタッチで着脱できるので、ステータ部３２やコイル３１部分、さらには、これらに接続された電源供給部４１部分などのメンテナンス時には便利なものとなる。このように構成された状態で、電源供給部４１からコイル３１に電源を供給することにより、ロータ部３３が中心軸３４を中心に回転するようになっている。
【００４１】
次に、流体制御用回動部材３４、球体２５、リーフスプリング２６、流体流通孔２４、流体流出孔２７などの関係について図３を参照しながら説明する。
【００４２】
この図３は、図１のＡ−Ａ線矢視断面図であるが、説明の都合上、流体制御用回動部材３４の先端面３４ａ部分、本体部２の中空部先端面に設けられた流体流出孔２７、さらには、ストッパ３８やピン２８など、図１のＡ−Ａ線断面図では本来見えない部分についても重ね合わせた状態で図示されている。
【００４３】
この図３からもわかるように、流体制御用回動部材３４は、ロータ部３３の付け根部分とそれより先端側とが異なった形状をしている。つまり、流体制御用回動部材３４を先端面３４ａから中心軸に沿って縦方向にほぼ半割り状態とし、半割りされて残った部分の１／２に相当する部分の側面をさらに切り欠く。これを先端面３４ａ側から見た平面図として説明すると、図３からもわかるように、半割りされて残った部分の１／２（元の円周の１／４の部分）は元の円の半径と同じで、あとの半分は、半径を小さくしながら中心に向かう渦巻きの一部を形成するような形状となっている。この径が小さくなる渦巻き部は、開口部を形成している。
【００４４】
したがって、この流体制御用回動部材３４の先端面３４ａの形状は、ほぼ半円形をなし、このほぼ半円形をなす先端面３４ａと中心軸３５の関係は、中心軸３５が、ほぼ半円形をなす先端面３４ａの中心位置から少し円周側にずれた位置に存在する。したがって、この先端面３４ａは中心軸３５を中心に偏心回動を行うようになっている。この流体制御用回動部材３４の先端面３４ａは、前述したように、流通孔開度設定部としての働きをするもので、ロータ部３３が回動することによって、流体流出孔２７を全開から全閉までその開度を少しづつ変化させる働きを行う。
【００４５】
また、リーフスプリング２６は、流体制御用回動部材３４の切り欠かれて残った部分の外周面から元の流体制御用回動部材３４の径よりも大きな径を有する円弧を描くように形成される。つまり、リーフスプリング２６の一端部２６ａは、流体制御用回動部材３４の側面部に接合され、その他端部２６ｂは、前述したように、当該流体制御用回動部材３４の側面部と本体部２の内側面との間に形成される空間内にフリー端として位置するようになっていて、本体部２内側面方向へ広がるような弾性力を有している。
【００４６】
このリーフスプリング２６は、ロータ部３３の回動に伴い、ロータ部３３が所定の回動角度に達すると、球体２５を押圧し始め、さらにある角度回動したところで、より一層、球体２５を強く押圧して球体２５の表面が流体流入孔２４を強い押圧力で塞ぐことによって、流体流入孔２４を完全閉状態とする。
【００４７】
次に、このように構成された流体の流量制御装置によって流体の流れを制御する動作について図４から図９を参照しながら説明する。
【００４８】
図４から図９は、図３と同じく、図１のＡ−Ａ線矢視断面図であり、前述したように、説明をわかりやすくするために便宜的に、流体制御用回動部材３４の先端面３４ａ部分や本体部２の内部先端面に設けられた流体流出孔２７、さらには、ストッパ３８、ピン２８など、図１のＡ−Ａ線矢視断面図では本来見えない部分についても重ね合わせた状態で図示されている。
【００４９】
まず、初期状態として、図４に示すように、球体２５は流体流入孔２４に当接していない状態であり、また、流体流出孔２７は流体制御用回動部材３４の先端面３４ａによって塞がれていない状態であるとし、この初期状態は、流体流入孔２４と流体流出孔２７は共に全開状態にあるものとする。
【００５０】
すなわち、この初期状態では、リーフスプリング２６は、球体２５を押圧していない位置にあり、また、流体制御用回動部材３４の先端面３４ａは、流体流出孔２７を全く塞いでいない位置にある。このときはまだステッピングモータは駆動されておらず、このときのステップ数を０（０ステップ）とする。この状態は、流体が最大量流入し、排出している状態である。なお、このとき、ストッパ３８は、当然のことながらピン２８から離れた位置にある。
【００５１】
このような初期状態からロータ部３３が１２ステップ回動した状態が図５である。この図５では、リーフスプリング２６は、まだ、球体２５を押圧していない位置にあり、流体の流入量は図４のときと同じ最大量が流入可能な状態である。一方、流体制御用回動部材３４の先端面３４ａは流体流出孔２７をわずかに塞ぐ位置となっている。したがって、この状態では本体部２から流出される流体の量はわずかに少なくなる状態である。
【００５２】
さらに、初期状態からロータ部３３が２４ステップ回動した状態が図６である。この図６では、リーフスプリング２６は、まだ、球体２５を押圧していない位置にあり、流体の流入量は図４のときと同じ最大量が流入可能な状態である。一方、流体制御用回動部材３４の先端面３４ａは、流体流出孔２７を１／２程度塞ぐ位置となっている。したがって、この状態では本体部２から流出される流体の量は１／２程度に制限された状態である。
【００５３】
さらに、初期状態からロータ部３３が３６ステップ回動した状態が図７である。この図７では、リーフスプリング２６は、球体２５に対し押圧力を与える状態となり、球体２５の表面で流体流入孔２４を塞いだ状態となる。しかし、流体となる冷媒の圧力が高いため、わずかに流入できる状態となっている。一方、流体制御用回動部材３４の先端面３４ａは、流体流出孔２７を殆ど塞いだ状態となっている。したがって、この状態では本体部２から流体はわずかに排出される状態である。
【００５４】
さらに、初期状態からロータ部３３が４８ステップ回動した状態が図８である。この図８では、リーフスプリング２６は、球体２５に対し、より強く押圧力を与える状態となり、球体２５の表面は流体流入孔２４に強く押しつけられる状態となる。一方、流体制御用回動部材３４の先端面３４ａは、流体流出孔２７を全閉状態とした状態となっている。したがって、この状態では、流体流入孔２４は完全閉状態となり、かつ、流体流出孔２７も完全閉状態となり。
【００５５】
さらに、初期状態からロータ部３３が５９ステップ回動した状態が図９である。この図９では、リーフスプリング２６は、球体に対し最大限の押圧力を与える状態となり、球体２５の表面が流体流入孔をより一層強く押しつけられる状態となる。このため、流入してくる冷媒の圧力が高い場合でも確実に流体流入孔２４が塞がれた状態となる。一方、流体制御用回動部材３４の先端面３４ａは、流体流出孔２７を全閉状態としたままの状態となっている。この状態で、ストッパ３８はピン２８に対当接しロータ部３３のそれ以上の回動が規制される。この状態では流体の流通は完全に遮断された状態である。
【００５６】
以上の動作例において、ステッピングモータ３のステップ数が０から２４ステップまでは、球体２５は流体流入孔２４を塞がない状態であり、流体流出孔２７のみがその開度を変化させている。したがって、この状態では、流入パイプ４から本体部２を通って排出パイプ５へと流れる流体の流出量を流体流出孔２７の開度によって調整することができる。そして、ステッピングモータ３のステップ数が２４から４８ステップまでは、球体２５が流体流入孔２４を塞ごうとするが、冷媒の圧力で、流体である媒体は依然として流入してくる。一方、流体流出孔２７は、徐々に開度が０となり、流量が減少していく。このように、０から４８ステップまでは流体流出孔２７の開度によって流体の排出量が調整される。
【００５７】
そして、４８〜５９ステップでは、リーフスプリング２６が球体２５を強く押しつけ流量は零となる。特に、ステップ数が５９まで進むとリーフスプリング２６は、球体２５に対し最大限の押圧力を与える状態となり、球体２５の表面が流体流入孔２４を強く押しつける状態となり、完全閉状態を得ることができる。
【００５８】
このように、この実施の形態による流量制御装置は、流体の流れを制御する弁としての働きを行うものと考えたとき、その弁の完全開状態と完全閉状態を得ることができるとともに、流体の流れる量の調整をも可能とすることができる。
【００５９】
なお、図９の完全閉状態からステッピングモータ３を逆回転させれば、図８、図７、図６、図５、図４という順序で開動作させることができる。すなわち、この逆回転では、図８を過ぎた当たりから流体が流入し始め、図６の状態で、流体流入孔２４が完全な全開状態となり、流体がスムーズに流入してくる。そして、このときの流体流出孔２７は、開度がほぼ１／２である。以降、流体流出孔２７の開度が徐々に大きくなって、図４で完全開状態とすることができる。
【００６０】
ところで、以上説明した実施の形態では、ステッピングモータ３としては、フリクション機構を設けていない例について示したが、フリクション機構を設けるようにしてもよい。このフリクション機構を設けた例を図１０によって説明する。なお、図１０に示す構成は、その殆どがこれまでの説明で用いた図１と同じであり、ロータ部３３と流体制御用回動部材３４との間にフリクション機構が設けられた点が異なるだけであるので、同一部分には同一符号を付し、同一部分の説明は省略する。
【００６１】
このフリクション機構について、図１０から図１２を参照しながら説明する。図１０に示されるロータ部３３を構成する合成樹脂製の円筒部材３３１は、その中心に中空軸４２が回転自在に設けられており、その中空軸４２の中心に中心軸３５が設けられる。そして、この中空軸４２の延長上に流体制御用回動部材３４が設けられている。この流体制御用回動部材３４は、中空軸４２とともに回動するようになっている。つまり、中空軸４２にはコイルバネ４３（以下ではフリクションバネ４３という）が巻着され、ロータ部３３の回転力をこのフリクションバネ４３を介して中空軸４２に伝達し、これによって流体制御用回動部材３４を回動させるようになっている。また、この場合は、ストッパ３８は流体制御用回動部材３４に取り付けられている。以下、このフリクション機構について説明する。
【００６２】
この場合のロータ部３３は、図１１（Ａ），（Ｂ）に示すように、合成樹脂製の円筒部材３３１と、その周囲に装着されたマグネット３３２からなり、円筒部材３３１の中心部には中空軸４２を回転自在に支持する中空軸支持孔３３ａが設けられ、その中空軸支持孔３３ａの端部３３ｃ側には、中空軸支持孔３３ａよりも内径の大きな大径部が形成されている。この大径部は、第１の大径孔３３３と、その第１の大径孔３３３と端部３３ｃとの間に形成された第１の大径孔３３３よりも大径の第２の大径孔３３４により構成されている。そして、これら第１の大径孔３３３と第２の大径孔３３４の側壁には、第２の大径孔３３４から第１の大径孔３３３を直線的に通るスリット３３５が形成されている。
【００６３】
一方、中空軸４２にはフリクションバネ４３が巻着される。このフリクションバネ４３は、図１２（Ａ）に示すように、一端部がフリクションバネ４３の円周の接線に対して直角方向に突出し（第１の突出部４３ａという）、他方の端部はフリクションバネ４３の接線方向に突出している（第２の突出部４３ｂという）。この第２の突出部４３ｂは、図１２（Ｃ）からもわかるように、わずかに下側（第１の突出部４３ａ側）に折れ曲がっている。
【００６４】
なお、このフリクションバネ４３の内径ｄは、中空軸４２の外径より小さいものとし、中空軸４２をフリクションバネ４３の第２の突出部４３ｂ側から、フリクションバネ４３の径を押し広げるようにして挿入することで、フリクションバネ４３を中空軸４２に巻着するものとなっている。そして、通常の状態では、フリクションバネ４３がもともと持っている所期の締め付け力によって中空軸４２とフリクションバネ４３とは一体化された状態となる。また、このフリクションバネ４３の中空軸４２に対する締め付け力は、ステッピングモータ３のトルク（ロータ部３３のトルク）よりも小さくしている。
【００６５】
また、図１１と図１２では図示されていないが、このフリクションバネ４３の第２の突出部４３ｂ側には、中空軸４２に固定されたＥリング４４によってフリクションバネ４３が中空軸４２の先端方向に動くのを規制している（図１０参照）。
【００６６】
そして、フリクションバネ４３が巻着された中空軸４２を、ロータ部３３の円筒部材３３１の貫通孔３３ａに挿入する際、フリクションバネ４３の第１の突出部４３ａがスリット３３５内に入り込むようにして、中空軸４２を中空軸支持孔３３ａに挿入して行く。これにより、フリクションバネ４３の第１の突出部４３ａは、スリット３３５をガイドとして第１の大径孔３３３の終端部まで進み、そこで中空軸４２のそれ以上の挿入が規制される。また、第２の突出部４３ｂは、ロータ部３３の円筒部材３３１には固定されることなく、第２の大径孔３３４の終端面上を自由に摺動可能となっている。
【００６７】
なお、ロータ部３３の円筒部材３３１に設けられたスリット３３５の溝の深さ（径方向の長さ）は、第１の突出部４３ａを先端から根本まで保持できる深さとしている。これは、ロータ部３３の回転力をフリクションバネ４３に伝達する際、第１の突出部４３ａ全体でロータ部３３の回転力を受けることにより、確実な回転力の伝達を行うためと、フリクションバネ４３の耐久性を向上させるためである。
【００６８】
また、スリット３３５の溝の幅は、第１の突出部４３ａの太さ（フリクションバネ４３を形成する部材の太さ）とほぼ同じとし、第１の突出部４３ａをスリット３３５に差し込んだ状態としたとき、ロータ部３３の回転方向にがたつきがないようにしている。これは、もし、第１の突出部４３ａがスリット３３５に対し、がたつきのある状態で差し込まれていると、ロータ部３３の回転に伴って、がたつきによる騒音が発生するおそれがあるからであり、それを防ぐためである。
【００６９】
また、第２の突出部４３ｂは、前述したように、動きが自由となっている。なお、この第２の突出部４３ｂは特に設ける必要性はないが、フリクションバネ４３の端部をそのままとしておくと、その端部が前述のＥリング４４に接触することによる摩擦などで、フリクショントルクに影響を与え、正常なフリクション動作が行えなくおそれがあるので、それを防止するために、フリクションバネ４３の端部を少し突出させ、しかもそれを下方にわずかに折り曲げている。
【００７０】
フリクション機構は、このような構造となっており、中空軸４２とロータ部３３は、このフリクション機構により係合されることになる。そして、中空軸４２とロータ部３３が係合された状態（このとき、球体２５など本体部２内に収納されるべき部品はすべて取り付けられている）で、前述したロータ収納ケース３６がロータ部３３を覆うようにして、本体部２に取り付けられた鍔状プレート２１に対し前述したようにＴＩＧ溶接などによって接合される。
【００７１】
このように、フリクションバネ４３は、中空軸４２に対し一定の力（フリクションバネ４３がもともと持っている所期の締め付け力）で締め付けた状態で巻着されており、また、第１の突出部４３ａがロータ部３３の円筒部材３３１のスリット３３５に差し込まれているので、ロータ部３３が回転することにより、その回転力が中空軸４２に伝達される。
【００７２】
これにより、中空軸４２は、ロータ部３３の回転とともに回転する。これによって、流体制御用回動部材３４も回動する。この流体制御用回動部材３４の回動による流体の制御については、図４から図９によってすでに説明したのでここではその説明については省略する。
【００７３】
なお、このようなフリクション機構が設けられている場合、図９の状態、つまり、ストッパ３８がピン２８に当接した状態となって、さらに、ロータ部３３が回転を続けようとした際に、フリクション機構が働く。すなわち、ストッパ３８がピン２８に当接した状態で、さらにロータ部３３が回転しようとすると、その回転力によってフリクションバネ４３の第１の突出部４３ａも一緒に回動し、それに伴いフリクションバネ４３も回動して、中空軸４２も回動しようとする。しかし、このとき、中空軸４２はストッパ３８がピン２８に当接していることによって、その動きが規制され、それ以上の回動ができない状態となっている。
【００７４】
このような状態でロータ部３３がさらに回転しようとすると、ロータ部３３の回転トルクは、フリクションバネ４３の中空軸４２に対する滑りトルクよりも大きいので、フリクションバネ４３は、中空軸４２上を滑って回転し、ロータ部３３は空回りの状態となり、中空軸４２をそれ以上回動させるのを防止できる。
【００７５】
これによって、ストッパ３８がピン２８に当接した以降は、ロータ部３３のみが空回りする状態となり、中空軸４２や流体制御用回動部材３４にはロータ部３３から回動力は伝達されないので、ストッパ３８がピン２８に当接した状態に対して、それ以上の無理な力が加わることがなくなる。これによって、ストッパ３８がピン２８に対して衝突を繰り返すことによる振動の発生がなくなり、静かな停止状態が得られる。
【００７６】
また、フリクション機構を設けない場合には、ストッパ３８がピン２８に当接した以降もモータの駆動が継続されていると、上述したように、ストッパ３８とピン２８の間で振動が生じたりして騒音の発生源ともなるおそれがあるため、これを防止するために、ストッパ３８がピン２８に当接するタイミングを予め検出して、ストッパ３８がピン２８に当接すると同時にモータの駆動を停止させるという制御を正確に行う必要がある。しかし、このようなフリクション機構を設けることで、モータの停止制御が多少遅れても大きな支障はなくなり、制御にそれほどの精度を出す必要がなくなる。
【００７７】
一方、このような流体の流れを全閉とした状態から今度は、流体の流れを全開状態とするために、ロータ部３３の回転を逆回転させるように、コイル３１に通電したとする。すると、ロータ部３３は、逆回転し始める。ロータ部３３が逆回転すると、その円筒部材３３１のスリット３３５に差し込まれたフリクションバネ４３の第１の突出部４３ａも共に逆回転方向に動こうとする。これによって、フリクションバネ４３がもともと持っている所期の締め付け力によって、ロータ部３３の回転力は、中空軸４２に伝達され、中空軸４２はロータ部３３とともに逆回転動作を行い、流体制御用回動部材３４も共に逆方向に回動し、やがて、図４の状態となる。
【００７８】
なお、上述のそれぞれの実施の形態は、本発明の好適な実施の形態の例であるが、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々変形実施可能である。たとえば、上述の実施の形態では、流入パイプ４と排出パイプ５をそれぞれ１本ずつとし、その間の流体の流れを制御する例について説明したが、本体部２の側面側に接合される側面側流体流通パイプを複数本設けた場合にも適用できる。
【００７９】
このように、側面側流体流通パイプを複数本設けた例を図１３により説明する。この図１３の例では、ステッピングモータ３にフリクション機構が設けられていない例について示されているが、フリクション機構を設けたものに対しても、側面側流体流通パイプを複数本設けることは勿論可能である。
【００８０】
図１３は、本体部２の側面側に接合される側面側流体流通パイプとして２本の流入パイプを設けた例を示すもので、図１の構成のものに、もう１本の流入パイプ５１を設けた例を示している。この流入パイプ５１側も流入パイプ４側と同じように、閉鎖部材となる球体５２と流入パイプ取付体５３から構成され、この流入パイプ取付体５３には、仕切板５４とこの仕切板５４に設けられた流体流入孔５５が設けられている。その他、これまでの説明に用いた図１と同じ部分には同一符号が付されている。
【００８１】
図１４は、図１３のＡ−Ａ線矢視図であり、この図１４に示される状態は、球体５２がリーフスプリング２６によって押圧された状態にあり、球体２５は押圧力が与えられていない状態にある。したがって、この状態では、流入パイプ４側は全開状態、流入パイプ５１側は全閉状態である。そして、この状態から、流体制御用回動部材３４が回動して行き、ほぼ１８０度回動すると、球体２５がリーフスプリング２６によって押圧された状態となり、球体５２は押圧力が解除された状態となる。したがって、この状態では、流入パイプ５１側は全開状態、流入パイプ４側は全閉状態となる。
【００８２】
このように、図１３および図１４に示す流量制御装置は３方弁として用いることもできる。また、この場合、流入パイプ４と流入パイプ５１を本体部２の中心軸方向に段違い設けることも可能であり、さらに、流入パイプを３本以上設けることも可能である。また、リーフスプリング２６は、それぞれの流入パイプ対応に設けるようにしてもよい。
【００８３】
また、前述の実施の形態で説明したフリクション機構は、前述の実施の形態で説明した機構に限られるものではなく、種々のフリクション機構が採用できる。
【００８４】
また、前述の実施の形態では、流体制御用回動部材３４の先端部３４ａそのものが流通孔開度設定部としての働きを行う例について説明したが、これは、先端部３４ａに違う部材を接着するなどして形成するようにしてもよい。さらに、その形状は、図３などに示されるような形状に限られるものではなく、要は、流体流流出孔２７の開度を徐々に変化できるような形状であればよい。
【００８５】
また、前述の実施の形態では、弁としての働きをする球体２５の駆動を行うモータとしてステッピングモータ３を使用した例について説明したが、ステッピングモータ以外のモータを採用したり、駆動源としてソレノイド等モータ以外の機構を採用してもよい。
【００８６】
さらにまた、前述の実施の形態では、側面側流体流通パイプ４，５１を流入パイプとし、先端面側流体流通パイプ５を排出パイプとして説明したが、これを反対とし、先端面側流体流通パイプ５を流入パイプとし、側面側流体流通パイプ４，５１を排出パイプとしてもよい。また、冷蔵庫用の冷媒制御ではなく、エアコン等の冷媒制御や他の流体の制御にも適用できる。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の流体の流量制御装置では、球体に対する押圧力の付与とその解除によって側面側流体流通孔の開閉を行い、流体制御用回動部材の回動に伴って先端面側流体流通孔の開度を変化させるようにしているので、１つの駆動源で、弁としての開閉動作を、全開状態と全閉状態のいずれかの状態とすることは勿論、流量を調整することも可能としている。しかも、この流体の流量制御装置は、部品点数も少なく、構造が簡単であるため、組立が容易で低コスト化が図れ、かつ確実な流体の流量制御を行うことができる。さらに、本発明は、電磁弁のように流体の流れを制御する際に大きな衝撃音が発生することなく、静かな動作を行うことができる。
【００９０】
また、請求項２記載の発明は、流体制御用回動部材が予め定めた回動角度に達すると、流通孔開度設定部が先端面側流体流通孔を覆い始めて徐々にその開度を小さくする。そして、流体制御用回動部材がさらに回動して予め定めた回動角度に達すると、先端面側流体流通孔を全閉状態とするとともに、弾性部材が球体を押圧して、閉鎖部材によって側面側流体流通孔を閉状態として、その後、流体制御用回動部材がさらに回動することによって、側面側流体流通孔を全閉状態とするようにしている。このため、流体の流れを全開状態から全閉状態にする際、あるいは、流体の流れを全閉状態から全開状態にする際、流体の流量の調整を可能としつつ、確実な全閉状態あるいは全開状態が得られる。特に、全閉状態においては、閉鎖部材が強く押圧されて流体流通孔を塞ぐ状態となるので、漏れのない完全閉状態を得ることができる。
【００９１】
また、請求項３記載の発明は、閉鎖部材となる球体に対して押圧力を与える弾性部材としてリーフスプリングを用いているので、構造が簡単で組み立てを容易なものとすることができ、しかも、球体に対して確実な押圧力を与えることができる。
【００９２】
また、請求項４記載の発明は、流通孔開度の設定は、流体制御用回動部材の先端面で行うようにしているので、それを行うための別な部品を必要とせず、部品点数の削減が図れ、これによっても組み立てを容易なものとすることができ、低コスト化をはかることができる。
【００９３】
また、請求項５記載の発明は、駆動源としてのモータにフリクション機構を設けるようにしている。このため、予め設定した所定の状態が得られたあと、モータが回転し続けても、その回転力は流体制御用回動部材に伝達されず、ロータ部が空回りするようになる。この結果、ストッパなどが設けられた場合、ストッパ部分での衝撃音などの発生を小さく抑えることが可能となると共に、モータの制御（特に停止のタイミング制御）を容易なものとすることができる。
【００９４】
また、請求項６記載の発明は、側面側流通パイプを流体の流入パイプとし、先端面側流通パイプを流体の排出パイプとしたので、球体による全開および全閉動作と流通開度設定部による流量制御が確実に行える。特に、全開状態とする際、球体への押圧力を解除すれば、流体の流れで球体が本体部の内部方向へ押されることにより容易に全開状態を作り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態である流体の流量制御装置の側断面図である。
【図２】図１のＢ−Ｂ線矢視断面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図４】図１のＡ−Ａ線矢視断面図であり、図１の流体の流量制御装置の動作をステッピングモータの複数段階（６段階）のステップ数ごとに説明する状態遷移図の１つであり、０ステップの状態を示す図である。
【図５】図１のＡ−Ａ線矢視断面図であり、図１の流体の流量制御装置の動作をステッピングモータの複数段階（６段階）のステップ数ごとに説明する状態遷移図の１つであり、１２ステップの状態を示す図である。
【図６】図１のＡ−Ａ線矢視断面図であり、図１の流体の流量制御装置の動作をステッピングモータの複数段階（６段階）のステップ数ごとに説明する状態遷移図の１つであり、２４ステップの状態を示す図である。
【図７】図１のＡ−Ａ線矢視断面図であり、図１の流体の流量制御装置の動作をステッピングモータの複数段階（６段階）のステップ数ごとに説明する状態遷移図の１つであり、３６ステップの状態を示す図である。
【図８】図１のＡ−Ａ線矢視断面図であり、図１の流体の流量制御装置の動作をステッピングモータの複数段階（６段階）のステップ数ごとに説明する状態遷移図の１つであり、４８ステップの状態を示す図である。
【図９】図１のＡ−Ａ線矢視断面図であり、図１の流体の流量制御装置の動作をステッピングモータの複数段階（６段階）のステップ数ごとに説明する状態遷移図の１つであり、５９ステップの状態を示す図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態としてステッピングモータにフリクション機構を設けた流体の流量制御装置の側断面図である。
【図１１】図１０の流体の流量制御装置に用いられるステッピングモータのロータ部を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側断面図である。
【図１２】図１０の流体の流量制御装置に用いられるステッピングモータに使用されるフリクションバネを示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）の矢示Ｂ方向から見た側面図、（Ｃ）は（Ａ）の矢示Ｃ方向から見た正面図である。
【図１３】本発明の変形例として流入パイプを２本設けた流体の流量制御装置の側断面図である。
【図１４】図１３のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【符号の説明】
１ 流体の流量制御装置
２ 本体部
２ａ 中空部
３ ステッピングモータ（駆動源）
４ 流入パイプ（側面側流体流通パイプ）
５ 排出パイプ（先端面側流体流通パイプ）
２２ 流入パイプ取付体
２３ 仕切板
２４ 流体流入孔（側面側流体流通孔）
２５ 球体（閉鎖部材）
２６ リーフスプリング（弾性部材、付勢手段）
２７ 流体流出孔（先端面側流体流通孔）
２８ ピン
３１ コイル
３２ ステータ部
３３ ロータ部
３４ 流体制御用回動部材
３４ａ 流通孔開度設定部
３８ ストッパ
４２ 中空軸
４３ フリクションバネ

Claims (6)

1. 流体の流通経路上に設けられ、側面には側面側流体流通パイプが接合され、先端面には先端面側流体流通パイプが接続され、内部に中空部を有する筒状の本体部と、
   上記側面側流体流通パイプと本体部との接合部に設けられ、当該側面側流体流通パイプと本体部との間で流体を流通させるための側面側流体流通孔を有する仕切板と、
   表面の一部が上記本体部内の中空部に突出し、それとは反対側の表面の一部が上記仕切板の側面側流体流通孔に当接可能に設けられた閉鎖部材と、
   上記本体部内中空部の中心軸方向に沿って挿入され、その中心軸を中心として回動可能な流体制御用回動部材と、
   この流体制御用回動部材に設けられ、当該流体制御用回動部材が予め設定された初期状態を基点に所定角度回動した時点で上記閉鎖部材に対し上記側面側流体流通孔側への押圧力を与える弾性部材と、
   上記先端面側流体流通パイプと本体部との接合部に設けられ、当該先端面側流体流通パイプと本体部との間で流体を流通させるための先端面側流体流通孔に、その表面が当接可能に配置され、上記流体制御用回動部材の回動に伴って上記先端面側流体流通孔の開度を変化させることが可能な流通孔開度設定部と、
   上記流体制御回動部材を回動させる駆動源と、を有する流体の流量制御装置。
2. 前記弾性部材の前記閉鎖部材に対する押圧力付与動作と前記流通孔開度設定部の前記先端側流体流通孔に対する開度設定動作は、流体の流れが全開状態であるときを初期状態としたとき、その初期状態から、前記駆動源により前記流体制御用回動部材を回動させ、
   この流体制御用回動部材が予め定めた回動角度に達すると、前記流通孔開度設定部が前記先端面側流体流通孔を覆い始めて徐々にその開度を小さくし、
   前記流体制御用回動部材がさらに回動して予め定めた回動角度に達すると、前記先端面側流体流通孔を全閉状態とするとともに、前記弾性部材が前記閉鎖部材を押圧して、この閉鎖部材によって前記側面側流体流通孔を閉状態として、
   その後、前記流体制御用回動部材がさらに回動することによって、前記側面側流体流通孔を全閉状態とすることを特徴とする請求項１記載の流体の流量制御装置。
3. 前記閉鎖部材を球体とし、前記弾性部材は、リーフスプリングであって、そのリーフスプリングの一端部は前記流体制御用回動部材の側面部に接合され、その他端部が当該流体制御用回動部材の側面部と前記本体部の内側面との間に形成される空間内にフリー端として位置することを特徴とする請求項１または２記載の流体の流量制御装置。
4. 前記流通孔開度設定部は、前記流体制御用回動部材の先端面の断面形状がほぼ半円状をなすようにその流体制御用回動部材を切り欠くことで形成され、当該流体制御用回動部材の回動に伴い、その回動角度によってその先端面が前記先端面側流体流通孔を覆う動作を行うことで、当該先端面側流体流通孔の開度を変化せるようにしたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の流体の流量制御装置。
5. 前記駆動源としてのモータは、フリクション機構を有するモータであって、そのフリクション機構はモータのロータ部と前記流体制御用回動部材との間に設けられ、流体の流量制御を予め定めた所定の状態とした以降の上記ロータの回転力を前記流体制御用回動部材に伝達しないようにしたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の流体の流量制御装置。
6. 前記側面側流体流通パイプは、流体の流入パイプであって、前記先端面側流体流通パイプは、流体の排出パイプであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の流体の流量制御装置。

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