JP4297584B2 - 電動切換弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流路の切り換えを行う切換弁に係り、特に、空調機や冷蔵庫等の冷媒循環系に組み込んで使用するのに好適な、ステッピングモータを用いた電動切換弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、１本の流路Ａを流れる流体を２本の流路Ｂ及び流路Ｃのいずれかに任意に切り換えて流すようにする場合、通常、流路Ａと流路Ｂ、Ｃとの間に三方切換弁を介装する。
【０００３】
具体的には、例えば、冷蔵庫においては、圧縮機からの冷媒が導入される流路Ａと、冷媒を冷凍室側のエバポレータに導く流路Ｂと、冷媒を冷蔵室側のエバポレータに導く流路Ｃと、の間に、三方切換弁が介装され、流路Ａに導入された冷媒は、三方切換弁により流路Ｂと流路Ｃのいずれか一方のみに択一的に流される。つまり、前記三方切換弁においては、流路Ａ（流入口）は常時開かれ、流路Ｂ（第１の流出口）が開けられているときは、流路Ｃ（第２の流出口）が閉じられ、逆に、流路Ｂが閉じられているときは、流路Ｃが開けられる。
従来、前記三方切換弁としては、電磁式の開閉弁を２個組み合わせたものを用いることが多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電磁式の三方切換弁は、少なくとも、２本の流出口のうちの一方を開けている期間は、それに備えられるソレノイドを通電励磁しておかなければならないので、消費電力が大きいという問題があった。
また、流路切換時には、金属製の弁体（スプール等）が勢い良く弁座（弁ケース等）に衝突して停止せしめられる構造となっているので、大きな騒音が発生するという問題等もあった。
【０００５】
上記した如くの問題を解消できる切換弁として、弁シート部材のシート面（弁座）に１本の流入口と複数本の流出口を開口させるとともに、弁体を押圧ばねにより前記シート面に押し付けながらステッピングモータにより回転させて、前記複数本の流出口を択一的に開閉するようにしたものが考えられる。
【０００６】
このように、ステッピングモータにより弁体をシート面に摺接させながら回転させるようにした電動切換弁では、ステッピングモータを用いたことで、弁体を正確に所要の角度だけ回転させることができるとともに、起動、停止、逆転の応答性がよくなり、しかも、停止時に高い保持トルクを持つことから、切り換え時以外は、通電することを要さない。そのため、消費電力を従来の電磁式のもの等に比して大幅に抑えることができ、また、オープンループ制御を行えるので、回転位置を検出するセンサ類が必要なフィードバック制御を行う場合に比して、トータルシステムが簡素となり、調整、保守、点検等が容易となる、といった効果が期待できる。
【０００７】
かかる効果に加えて、上記した電動切換弁では、前記流出口に対する前記弁体のシール性の向上が要求されている。
本発明は、上記ような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ステッピングモータにより弁体をシート面に摺接させながら回転させるようにして、消費電力を低減できるとともに、騒音がほとんど発生せず、かつ、部品点数を削減して、装置コスト、製造コストを低く抑えることのでき、しかも、流出口に対する弁体のシール性を向上した信頼性の高い電動切換弁を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成すべく、本発明に係る電動切換弁は、基本的には、キャンと、このキャンの外周に取り付けられたステータ及び前記キャンの内周の加圧室に配在されたロータ等からなるステッピングモータと、前記ロータの内周側にそれと一体回動可能に遊嵌された回転弁体と、この回転弁体の一端面側に対向配置された弁シートを有する弁シート部材と、を備え、前記弁シート部材には、前記シート面に１本の流入口と複数本の流出口が形成され、前記回転弁体の一端面側には、前記シート面に摺接しながら回転せしめられるとともに、その回転停止位置に応じて前記複数本の流出口を択一的に閉じる閉成用凸部が設けられている。そして、前記弁シート部材の中央に形成された前記流入口に、前記回転弁体の回転支軸としての管軸が圧入固定されており、前記管軸は、前記流入口に導入された流体を前記加圧室に導く導出路を兼ねることを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の好ましい態様では、前記回転弁体が、前記加圧室からの流体を前記複数本の流出口に択一的に導く導入路を備えている。
【００１０】
更に、本発明の好ましい具体的な態様では、前記回転弁体が、断面扇形状の前記閉成用凸部によって連結される内筒部と外筒部とを有し、前記内筒部に前記管軸が内嵌されるとともに、前記内筒部と前記外筒部との間が前記導入路とされ、前記ロータと前記回転弁体のうちのいずれか一方に、キー状凸部が突設されるとともに、他方に前記キー状凸部が遊嵌されるキー溝が形成されていることを特徴としている。
【００１１】
前記した如くの構成とされた本発明に係る電動切換弁は、前記弁シート部材のシート面に、例えば、１本の流入口と２本の流出口とが開口せしめられ、前記回転弁体が前記シート面に摺接しながら回転せしめられるとともに、前記回転弁体にその回転停止位置に応じて前記２本の流出口を閉じるための閉成用凸部が突設され、かつ、必要に応じて、前記弁シート部材に、前記閉成用凸部が接当せしめられる回転停止用ストッパが設けられているので、初期状態（第１の回転停止位置）では、例えば、前記閉成用凸部が２本の流出口のうちの一方（第２の流出口）の上に乗ってこれを閉じた状態で回転停止用ストッパに接当して停止せしめられており、かつ、２本の流出口のうちの他方（第１の流出口）及び流入口上には前記閉成用凸部が位置せず、これらを閉じてはいない状態となる。
【００１２】
そのため、かかるときには、流入口に導入された流体は、前記弁シート部材のシート面上に流出することなく、前記回転弁体に形成された導出路（管軸）を通じてその上方に設けられた加圧室に導かれ、この加圧室の流体の圧力により前記回転弁体が前記弁シート部材側に押圧されてそのシート面に前記閉成用凸部が圧接せしめられ、かつ、前記加圧室の流体は前記回転弁体に設けられた導入路を通じて、第１の流出口に流れ込む。
【００１３】
前記初期状態（第１の回転停止位置）から、ステッピングモータ（の巻線）に所定数のパルス信号を通電すると、前記ロータ及び回転弁体が前記パルス数に応じた角度分、一方向に回転（正転）せしめられ、これと一緒に、前記閉成用凸部も同角度分、前記ロータ及び回転弁体の回転軸線を中心として、前記シート面に摺接しながら回転せしめられ、回転停止用ストッパに接当して停止せしめられる。
【００１４】
これにより、閉成用凸部が２本の流出口のうちの他方（第１の流出口）の上に乗ってこれを閉じた状態となるとともに、第２の流出口及び流入口上には位置していない状態（第２の回転停止位置）となる。
そのため、かかるときには、前記加圧室の流体が前記導入路を通じて、第２の流出口に流れ込む。
【００１５】
この第２の回転停止位置から、ステッピングモータ（の巻線）に所定のパルス数のパルス信号を前記とは逆順序で通電すると、前記ロータ及び回転弁体が前記パルス数に応じた角度分、他方向に回転（逆転）せしめられ、これと一緒に、前記閉成用凸部も同角度分、前記ロータ及び回転弁体の回転軸線を中心として、前記シート面に摺接しながら回転（逆転）せしめられ、回転停止用ストッパに接当して停止せしめられ、これにより、前記弁体及び閉成用凸部が前記第１の回転停止位置に切り換えられる。
【００１６】
このように本発明の電動切換弁では、ステッピングモータにより回転弁体に設けられた閉成用凸部を弁シート部材のシート面に摺接させながら所定角度回転させて、複数本の流出口を択一的に閉じるようにされる。この場合、ステッピングモータを用いたことで、弁体を正確に所要の角度だけ回転させることができるとともに、起動、停止、逆転の応答性がよくなり、しかも、停止時に高い保持トルクを持つことから、切り換え時以外は、通電することを要さない。そのため、消費電力を従来の電磁式のもの等に比して大幅に抑えることができる。
【００１７】
また、オープンループ制御を行えるので、回転位置を検出するセンサ類が必要なフィードバック制御を行う場合に比して、トータルシステムが簡素となり、調整、保守、点検等が容易となる。
【００１８】
さらに、供給パルス数に応じて回転角度が設定されることから、回転停止用ストッパは、必ずしも必要ではないが、これを設けることにより、回転弁体の回転を確実に停止させることができ、しかも、たとえ、回転停止用ストッパを設けたとしても、閉成用凸部がストッパに接当したとき、騒音はほとんど発生しない。
【００１９】
上記に加え、本発明の電動切換弁では、前記流入口に導入された流体が前記弁シート部材のシート面上に流出することなく、前記回転弁体に形成された導出路を通じてその上方に設けられた加圧室に導かれるとともに、前記加圧室から前記回転弁体に設けられた導入路を通じて、前記複数本の流出口に択一的に導かれるようにされていて、前記加圧室の圧力により前記回転弁体を前記弁シート部材側に押圧するようにされているので、前記弁シート部材と前記弁体との間に流体（冷媒）が噴出せしめられることはなく、そのため、回転弁体が浮き上がり難くされて、流出口に対する弁体のシール性が損なわれ難くされ、信頼性が高められるとともに、押圧ばね等が不要となるので、部品点数が削減され、装置コスト、製造コストを低く抑えることができる。
【００２０】
さらに、例えば、前記ロータにキー状凸部を突設するとともに、前記回転弁体に前記キー状凸部が遊嵌されるキー溝を形成する等して、前記ロータと前記回転弁体との間に、遊び間隙を有する嵌合部を設けてそれらを一体回動可能に連結することにより、ロータに作用する磁力の強弱に起因して、ロータの回転軸線が振れる場合が生じたとしても、前記嵌合部の遊び間隙で吸収され、その結果、前記振れが回転弁体に伝わり難くされ、そのため、弁体の前記流体入出口に対する前記弁体のシール性を一層向上させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に係る電動切換弁の一実施形態を示している。図示実施形態の電動切換弁１０は、逆立有底円筒状のキャン１１と、ステッピングモータ１２と、を備えている。前記ステッピングモータ１２は、前記キャン１１の外周に取り付けられたステータヨーク１３、このヨーク１３内に配設されたボビン１４、このボビン１４に巻装された巻線（コイル）１５を有し、前記ステータヨーク１３、ボビン１４及び巻線１５の外周は樹脂モールド１６によりモールドされ、前記キャン１１の内周には、後述する中心軸線Ｏ回りに正逆両方向に回転せしめられるフェライト系プラスチックマグネットからなるロータ１７が配在されている。
【００２２】
また、前記キャン１１の下面開口側（下端鍔状部）には、有底短円筒状の受け部材４２（の鍔状部）が溶接（溶接部４４）により密封接合されており、この受け部材４２内に、テフロン等の合成樹脂材料からなる断面凸字状の弁シート部材３０が収容固定されている。
【００２３】
前記弁シート部材３０には、図２、図３を参照すればよくわかるように、扇形状の回転停止用ストッパ３５が設けられ、そのシート面３０ａには、その中央部に段付きの流入口３１が開穿されるとともに、前記流入口３１を挟んでその両側に１８０度間隔をあけて第１の流出口３２及び第２の流出口３３が開穿されている。前記第１の流出口３２及び第２の流出口３３は、前記回転軸線Ｏを中心とした同一円周上に位置せしめられている。
【００２４】
また、前記流入口３１、第１の流出口３２、及び第２の流出口３３は、前記弁シート部材３０の上半部を厚み方向（上下方向）に貫くように形成されており、前記弁シート部材３０の下半部は、図４に図１のIV−IV矢視断面図が示されているように、断面概略Ｙ字状の仕切り壁３９により３つの部屋６１、６２、６３に仕切られており、各部屋６１、６２、６３にそれぞれ前記流入口３１、第１の流出口３２、及び第２の流出口３３が開口せしめられている。
【００２５】
そして、前記３つの部屋６１、６２、６３及び前記流入口３１、第１の流出口３２、及び第２の流出口３３に連通するように、前記受け部材４２の底部に形成された３個の透孔４２ａ、４２ａ、４２ａにそれぞれ導管４６、４７、４８の先端部が挿入されている。
【００２６】
ここでは、前記導管４６、４７、４８の先端部付近に前記透孔４２ａ、４２ａ、４２ａに係止される膨出部４９、４９、４９が形成されている。この膨出部４９は、当該電動切換弁１０の組立て時に、前記導管４６、４７、４８を前記透孔４２ａに上から落とし込むようにして挿入した際に抜け落ちるのを阻止するために形成されているもので、前記導管４６、４７、４８が前記膨出部４９、４９、４９で前記透孔４２ａ、４２ａ、４２ａに係止されることにより、該導管４６、４７、４８を前記受け部材４２にロー付け等で接合固定する際に、他の管保持手段等が不要となるとともに、３本の導管４６、４７、４８を同時にロー付け等で接合固定できるので、組立て作業性が格段に向上する。なお、弁シート部材３０と受け部材４２の底部間にはパッキン３６が介装されている。
【００２７】
本実施形態においては、前記キャン１１と受け部材４２との溶接部（鍔状部）４４と前記弁シート部材３０との間には、金属製、例えばステンレス製のリング状部材３７が圧入されている。このリング状部材３７は、必要に応じて設けられ、前記弁シート部材３０を前記受け部材４２に押圧固定する固定手段として機能するとともに、、弁シート部材３０に前記キャン１１と受け部材４２との溶接時に熱による悪影響を及ぼさないようにするための断熱手段としても機能するのである。
【００２８】
前記樹脂モールド１６の下端部には固定用凸部１８が突設され、該固定用凸部１８は、前記ステータヨーク１３、ボビン１４、巻線１５、及び樹脂モールド１６からなる外装部の回り止め、位置決め、及び、当該電動切換弁１０の取り付けを行うための断面Ｌ形の取り付け板４５の上板部４５ａに挿入係止されている。
【００２９】
前記弁シート部材３０の中央部に形成されている前記流入口３１には、金属製、例えばステンレス製の管軸４０の下部が垂直に圧入固定されている。該管軸４０の中間部には、合成樹脂製の回転弁体２０が回転自在に外嵌されている。
【００３０】
この回転弁体２０は、内筒部２３と、外筒部２４と、それらを連結する断面扇形状の閉成用凸部２１とからなっており、それら内筒部２３、外筒部２４、及び閉成用凸部２１は同一高さ（上下端面が面一）となっている。 前記閉成用凸部２１は、前記弁シート部材３０のシート面３０ａに摺接しながら回転せしめられて前記回転停止用ストッパ３５に接当して停止せしめられ、その回転停止位置に応じて、前記第１の流出口３２及び前記第２の流出口３３を択一的に閉じるようになっている。
【００３１】
前記内筒部２３には、前記管軸４０が内嵌されるとともに、前記内筒部２３と前記外筒部２４との間に形成される空間（前記閉成用凸部２１以外の空隙）が導入路２９（後述）となっている。
【００３２】
前記回転弁体２０は、前記ロータ１７の下部に一体回動可能に緩く内嵌せしめられている。すなわち、前記ロータ１７の内周側にキー状凸部２７が突設されるとともに、前記回転弁体２０の前記閉成用凸部２１に前記キー状凸部２７が遊嵌されるキー溝２５が形成されている。
【００３３】
一方、前記ロータ１７の上部には、隔壁１８が形成されている。該隔壁１８には、その中央に前記管軸４０が遊挿される挿通穴１９が形成されるとともに、該挿通穴１９周りに複数個の透孔２６、２６が形成されている。
前記回転弁体２０の上端と前記隔壁１８との間及び前記隔壁１８と前記キャン１１との間の空間は後述するように加圧室５１、５２となっている。
【００３４】
このような構成とされた本実施形態の電動切換弁１０においては、前記閉成用凸部２１が図３（Ａ）に示される如くの第１の回転停止位置と図３（Ｂ）に示される如くの第２の回転停止位置との二位置をとるようにされる。
【００３５】
すなわち、初期状態では、図３（Ａ）に示される如くの第１の回転停止位置をとり、このときは、閉成用凸部２１が第２の流出口３３の上に乗ってこれを閉じた状態で回転停止用ストッパ３５の一側端面に接当して停止せしめられており、かつ、第１の流出口３２及び流入口３１上には位置せず、これらを閉じてはいない。
【００３６】
そのため、かかるときには、流入口３１に導入された流体は、前記弁シート部材３０のシート面３０ａ上に流出することなく、前記回転弁体２０の内筒部２３に内挿された、導出路としての管軸４０を通じてその上方に設けられた加圧室５２、５１に導かれ、この加圧室５２、５１の流体の圧力により前記回転弁体２０が前記弁シート部材３０側に押圧されてそのシート面３０ａに前記閉成用凸部２１が圧接せしめられ、かつ、前記加圧室５２、５１の流体は前記回転弁体２０に設けられた導入路２９を通じて、第１の流出口３２に流れ込む。
【００３７】
前記初期状態（第１の回転停止位置）から、ステッピングモータ（の巻線）１２に所定数のパルス信号を通電すると、前記ロータ１７及び回転弁体２０が前記パルス数に応じた角度α分、一方向に回転（正転）せしめられ、これと一緒に、前記閉成用凸部２１も同角度α分、前記ロータ１７及び回転弁体２０の回転軸線Ｏを中心として、前記シート面３０ａに摺接しながら回転せしめられ、回転停止用ストッパ３５に接当して停止せしめられる。
【００３８】
これにより、図３（Ｂ）に示される如くに、閉成用凸部２１が第１の流出口３２の上に乗ってこれを閉じた状態となるとともに、第２の流出口３３及び流入口３１上には位置していない状態（第２の回転停止位置）となる。
そのため、かかるときには、前記加圧室５２、５１の流体が前記導入路２９を通じて、第２の流出口３３に流れ込む。
【００３９】
この第２の回転停止位置から、ステッピングモータ（の巻線）１２に所定のパルス数のパルス信号を前記とは逆順序で通電すると、前記ロータ１７及び回転弁体２０が前記パルス数に応じた角度α分、他方向に回転（逆転）せしめられ、これと一緒に、前記閉成用凸部２１も同角度α分、前記ロータ１７及び回転弁体２０の回転軸線Ｏを中心として、前記シート面３０ａに摺接しながら回転（逆転）せしめられ、回転停止用ストッパ３５に接当して停止せしめられ、これにより、前記回転弁体２０及び閉成用凸部２１が前記第１の回転停止位置に切り換えられる。
【００４０】
このように本実施形態の電動切換弁１０では、ステッピングモータ１２により弁体２０の一端面側に突設した閉成用凸部２１を弁シート部材３０のシート面３０ａに摺接させながら所定角度回転させて、２本の流出口３２、３３を択一的に閉じるようにされる。この場合、ステッピングモータを用いたことで、回転弁体２０を正確に所要の角度だけ回転させることができるとともに、起動、停止、逆転の応答性がよくなり、しかも、停止時に高い保持トルクを持つことから、切り換え時以外は、通電することを要さない。そのため、消費電力を従来の電磁式のもの等に比して大幅に抑えることができる。
【００４１】
また、オープンループ制御を行えるので、回転位置を検出するセンサ類が必要なフィードバック制御を行う場合に比して、トータルシステムが簡素となり、調整、保守、点検等が容易となる。
【００４２】
さらに、供給パルス数に応じて回転角度が設定されることから、回転停止用ストッパ３５は、必ずしも必要ではないが、これを設けることにより、回転弁体２０の回転を確実に停止させることができ、しかも、たとえ、回転停止用ストッパを設けたとしても、閉成用凸部２１がストッパに接当したとき、騒音はほとんど発生しない。
【００４３】
上記に加え、本実施形態の電動切換弁１０では、前記流入口３１に導入された流体が前記弁シート部材３０のシート面３０ａ上に流出することなく、前記回転弁体２０に形成された導出路（管軸４０）を通じてその上方に設けられた加圧室５２、５１に導かれるとともに、前記加圧室５２、５１から前記回転弁体２０に設けられた導入路２９を通じて、前記２本の流出口３２、３３に択一的に導かれるようにされていて、前記加圧室５２、５１の圧力により前記回転弁体２０を前記弁シート部材３０側に押圧するようにされているので、前記弁シート部材３０と前記弁体２０との間に流体（冷媒）が噴出せしめられることはなく、そのため、回転弁体２０が浮き上がり難くされて、流出口３２、３３に対する弁体２０のシール性が損なわれ難くされ、信頼性が高められるとともに、押圧ばね等が不要となるので、部品点数が削減され、装置コスト、製造コストを低く抑えることのできる。
【００４４】
さらに、前記ロータ１７にキー状凸部２７を突設するとともに、前記回転弁体２０に前記キー状凸部２７が遊嵌されるキー溝２５を形成して、前記ロータ１７と前記回転弁体２０との間に、遊び間隙を有する嵌合部を設けてそれらを一体回動可能に連結したことにより、ロータ１７の回転軸線が振れたとしても、前記嵌合部の遊び間隙で吸収され、その結果、前記振れが回転弁体２０に伝わり難くされ、そのため、弁体２０の前記流出口３２、３３に対するシール性を一層向上させることができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明の電動切換弁は、ステッピングモータにより弁体をシート面に摺接させながら回転させるようにして、複数本の流出口を択一的に閉じるようにされるので、消費電力を低減できるとともに、騒音の発生を抑えられ、さらに、回転弁体が浮き上がり難くされて、流出口に対する弁体のシール性が損なわれ難くされ、信頼性が高められるとともに、押圧ばね等が不要となるので、部品点数が削減され、装置コスト、製造コストを低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電動切換弁の一実施形態を示す断面図。
【図２】図１に示される電動切換弁の主要部の分解斜視図。
【図３】図１のIII−III矢視断面図。
【図４】図１のIV−IV矢視断面図。
【符号の説明】
１０ 電動切換弁
１１ キャン
１２ ステッピングモータ
１７ ロータ
２０ 回転弁体
２１ 閉成用凸部
２９ 導入路
３０ 弁シート部材
３０ａ シート面
３１ 流入口
３２ 第１の流出口
３３ 第２の流出口
３５ 回転停止用ストッパ
４０ 管軸（導出路）
５１、５２ 加圧室
Ｏ 回転軸線

Claims (4)

1. キャンと、このキャンの外周に取り付けられたステータ及び前記キャンの内周の加圧室に配在されたロータ等からなるステッピングモータと、前記ロータの内周側にそれと一体回動可能に遊嵌された回転弁体と、この回転弁体の一端面側に対向配置された弁シートを有する弁シート部材と、を備えた電動切換弁であって、
   前記弁シート部材には、前記シート面に１本の流入口と複数本の流出口が形成され、前記回転弁体の一端面側には、前記シート面に摺接しながら回転せしめられるとともに、その回転停止位置に応じて前記複数本の流出口を択一的に閉じる閉成用凸部が設けられており、
   前記弁シート部材の中央に形成された前記流入口に、前記回転弁体の回転支軸としての管軸が圧入固定されており、前記管軸は、前記流入口に導入された流体を前記加圧室に導く導出路を兼ねることを特徴とする電動切換弁。
2. 前記回転弁体は、前記加圧室からの流体を前記複数本の流出口に択一的に導く導入路を備えていることを特徴とする請求項１に記載の電動切換弁。
3. 前記回転弁体は、断面扇形状の前記閉成用凸部によって連結される内筒部と外筒部とを有し、前記内筒部に前記管軸が内嵌されるとともに、前記内筒部と前記外筒部との間が前記導入路とされていることを特徴とする請求項２に記載の電動切換弁。
4. 前記ロータと前記回転弁体のうちのいずれか一方に、キー状凸部が突設されるとともに、他方に前記キー状凸部が遊嵌されるキー溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電動切換弁。

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