JP4781010B2 - 電動弁 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機、冷蔵庫等に組み込まれて使用される電動弁に係り、高圧の冷媒が用いられる場合でも、冷媒の通過流量を微少量まで精確に調整することができる電動弁に関する。

例えば、下記の特許文献１は、従来の一般的な電動弁を示し、キャンの外側に設けたステータによりキャンの内側に配設したロータを回転駆動し、ロータの回転運動をねじ機構により直線運動に変換して弁体の弁座に対する弁開度を制御する機構を備える。
特開２００１−５０４１５号公報

前記した如くの従来の電動弁においては、冷媒の通過流量は、弁口の実効開口面積、つまり、弁体の弁座からのリフト量により決まり、弁体のリフト量は、前記ねじ機構のピッチとロータの回転数（ステッピングモータのステップ数）により定まる。

ここで、一般に、この種の電動弁においては、所望する最大通過流量が得られるように、予め弁体の最大リフト量（全開状態）、言い換えれば、ステッピングモータの最大ステップ数が定められる。つまり、ロータを最大で例えば５回転させるようにステータへの通電制御が行われる。この場合、前記ねじ機構のピッチが、例えば、０．６［ｍｍ］とされている場合、前記ロータ及び弁軸ホルダが１回転、２回転、３回転、４回転、５回転すると、前記弁体のリフト量は０．６、１．２、１．８、２．４、３．０［ｍｍ］と０．６［ｍｍ］間隔で変化する。

ところが、特に、冷蔵庫等に使用される電動弁（膨張弁として使用）にあっては、制御冷媒流量が非常に微量であるにも拘らず公知技術では制御がラフになる。殊に、二酸化炭素（ガス）等を用いる場合には、冷媒圧を高圧（従来比で１０倍程度）にする必要があり、高圧の冷媒を用いると、前記のように０．６［ｍｍ］間隔で弁体をリフトさせると、冷媒の通過流量の変化が大きくなり過ぎるという問題があった。

かかる問題を解消するための一つの方策として、例えば、前記弁口の口径や弁角度（実効開口面積）を小さくすることが考えられる。しかし、実効開口面積を小さくするにも限界があり、それだけでは、かかる問題を完全には解消できない。

また他の方策として、前記ねじ機構のピッチを小さくすること（例えば、０．６［ｍｍ］から０．２［ｍｍ］に）が考えられる。しかしながら、ねじ機構のピッチを小さくすると、高精細加工が求められて加工コストが上昇し、これに加えてロータ一回転当たりのリフト量が小さく、回転規制用の固定ストッパと可動ストッパとの衝接・離間が適切に行われなくなる等の問題が生じる。

本発明は、このような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、既存の電動弁に用いられているステータ等の部品を共用しながら、高圧の冷媒が用いられる場合でも、回転規制等に支障を来すことなく、冷媒の通過流量を細かく適切に調整することができる新規構造の電動弁を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の電動弁は、キャンの内側に収容されるモータのロータと、キャンの外側に配設される励磁コイルを含むステータと、前記ロータの回転運動をねじ機構により進退運動に変換して弁体の弁座に対する弁開度を制御するもので、前記ねじ機構は、同一方向でかつピッチが異なる２つのねじ部を有する差動ねじにより構成され、前記ロータと一体に回転し第１の雌ねじ部とその上部に第２の雌ねじ部を有するねじ送り部材と、前記弁座を収容する弁本体に固定され第１の雄ねじ部を有するステム部材と、前記ステム部材の内側に摺動自在に挿入されて前記弁体を下方で支持する弁軸と、該弁軸の上部に固着され第２の雄ねじ部を有する雄ねじ部材と、前記弁軸に固定される回り止め部材と、該回り止め部材と当接して前記弁軸の回り止めとなり前記弁本体に固定されるストッパ部材とを備え、前記ねじ送り部材の第１の雌ねじ部と前記ステム部材の第１の雄ねじ部が螺合し、前記ねじ送り部材の第２の雌ねじ部と前記雄ねじ部材の第２の雄ねじ部が螺合し、前記第１の雌ねじ部及び第１の雄ねじ部は、前記第２の雌ねじ部及び第２の雄ねじ部に対して大なるピッチを備えるものである。さらに、前記ねじ部におけるバックラッシュを除去する付勢ばねを備えるものである。さらに、前記付勢ばねは、前記雄ねじ部材と前記キャンの内面との間に介在するコイルばねである。さらに、前記ストッパ部材は、前記弁本体に固着されるオリフィス部材である。

本発明の電動弁は、差動ねじ機構を備えることにより、ロータの回転角度に対する弁開度の分解能を向上させ、より精度の高い制御が可能である。

図１は本発明の電動弁の全体構造を示す。
全体を符号１で示す電動弁は、弁本体１０を有し、弁本体１０内には弁座部材１６が挿入される。弁本体１０には配管２０，２２が接続される。
弁本体１０の上部には、円筒形状の圧力容器であるキャン３０が受け部材５０を介して固着される。キャン３０の外側には駆動モータの一例としてのステッピングモータのステータユニット４０が装備される。
キャン３０の内部には、ロータユニット６０が回転自在に配設される。ロータユニット６０は、磁性材料が樹脂に混入されて成形されたプラスチックマグネットからなるロータ６２と、ロータ６２に対してリング部材６４を介して連結されるねじ送り部材７０を備える。

ねじ送り部材７０は、同一巻き方向に形成された第１のねじ部Ｓ_１と第２のねじ部Ｓ_２を有し、第１のねじ部Ｓ_１のピッチは第２のねじ部のピッチより大きく設定される。
弁本体１０に固定されるステム部材１１０は第１のねじ部Ｓ_１に螺合する雄ねじ部を備える。ねじ送り部材７０の外側には回転ストッパ部材８０が固着され、ロータユニット６０が最下端に下降したときに、回転ストッパ部材８０の突部が固定側のストッパ部材１１２の突部に当接することにより、ロータユニット６０の下端位置が規制される。

ステム部材１１０内には、弁軸１２０が摺動自在に挿入される。弁軸１２０の先端には弁体１３０がとりつけられ、コイルバネ１５０により与圧が与えられる。弁体１３０は弁座部材１６との間で流路開口面積を制御する。
弁軸１２０の上部にとりつけられる雄ねじ部材１６０は、ねじ送り部材７０の第２のねじ部Ｓ_２に螺合する雄ねじ部を有する。雄ねじ部材１６０の上部にはねじ部のバックラッシュを除去するための付勢ばね１７０がとりつけられる。

ロータユニット６０がステータユニット４０からのパルス信号を受けて回転すると、ロータユニット６０はステム部材１１０と螺合する第１のねじ部Ｓ_１のねじピッチに対応して上下動する。
ロータユニット６０が回転すると、ねじ送り部材７０の第２のねじ部Ｓ_２の雌ねじ側も回転し、弁軸１２０にとりつけられた雄ねじ部材１６０のねじ作用により弁軸１２０を送る。
弁軸１２０の送り量（ピッチ）は、第１のねじ部Ｓ_１のピッチから第２のねじ部Ｓ_２のピッチを差し引いたものとなる。すなわち、第１のねじ部Ｓ_１と第２のねじ部Ｓ_２は、いわゆる差動ねじ機構を構成する。この差動ねじ機構を用いることにより、本発明の電動弁は、ステッピングモータの分解能を同じとしたままで、弁開度の分解能を向上させることができる。

図２は、ステータユニット４０，キャン３０，配管２０，２２等を取り外した状態の電動弁の構成を示す説明図である。
ロータユニット６０を構成するロータ６２は、リング部材６４を介してねじ送り部材７０に固着される。固着手段としてカシメ手段Ｋ_１が採用されて弁軸１２０の上端部は小径部１２２を有し、小径部１２２は、断面形状が平坦面を有する。いわゆるＤカット面に加工される。

雄ねじ部材１６０は、このＤカット面を利用して弁軸１２０に嵌装され、カシメ加工手段Ｋ_２により固着される。この構成により、雄ねじ部材１６０は回り止め機能を備えて弁軸１２０に固着される。ねじ送り部材７０と雄ねじ部材１６０は、第２のねじ部Ｓ_２を介して螺合する。ロータ６２とともにねじ送り部材７０が回転すると第２のねじ部Ｓ_２の作用によって弁軸１２０は上下動する。

一方、ねじ送り部材７０は、内ねじ部を有し、ステム部材１１０の外ねじ部に対して第１のねじ部Ｓ_１で螺合する。
第１のねじ部Ｓ_１と第２のねじ部Ｓ_２は、同じ向きのねじ部が加工されており、例えば、第１のねじ部Ｓ_１は、呼び径が６ｍｍでピッチが０．６ｍｍのねじに加工される。第２のねじ部Ｓ_２は、呼び径が３．５ｍｍでピッチが０．５ｍｍのねじに加工される。

この構成により、ロータ６２が１回転すると、ねじ送り部材７０は０．６ｍｍ上下動する。同時に、ねじ送り部材７０に螺合する弁軸１２０は、ねじ送り部材７０に対して０．５ｍｍ上下動する。ねじ部Ｓ_１，Ｓ_２は同じ向きのねじ部であるので、弁軸１２０は、ロータ６２の１回転に対して、０．１ｍｍだけ移動することとなる。
そこで、送りねじ部として、例えば第１のねじ部Ｓ_１のみを有する電動弁は、ロータの１回転当り０．６ｍｍの送り量をもつので、その電動弁に対して６倍の制御精度（分解能）を備えることができる。
また、この電動弁にあっては、弁軸１２０を軸線まわりに回転させることなく、軸線方向に摺動させる機構を必要とする。

本発明の電動弁にあっては、弁軸１２０の先端に回り止め部材１４０を圧入し、弁本体１０に圧入したガイド部材１４４に当接することで、回転を停止し、軸線方向に摺動する機構を構成している。

図３は、弁本体１０に組込む前の主要な部材を示す。
回転ストッパ部材８０の下端部の突部がステム部材１１０に固定されたストッパ部材１１２の突部１１２ａに当接して、ロータユニットの下端位置が規制された状態が示されている。

図４は、ロータユニット６０の全体の構成を示す。第１のねじ部Ｓ_１の雌ねじ部と第２のねじ部Ｓ_２の雌ねじ部及び回転ストッパ部材８０の下端部に形成される突起８０ａが示されている。

図５は、弁軸ユニット１００の全体構成を示す。
弁軸１２０は、ステム部材１１０内に摺動自在に挿入されるとともに、回り止め部材１４０が圧入される。回り止め部材１４０は、大径部１４０ａに一部に設けた平坦面又は溝部を有する。
弁本体１０側に固定されるストッパ部材１４４は、内側へ突出する突部１４４ａを有し、回り止め部材１４０の平坦面又は溝部に当接して弁軸１２０の回り止めを構成する。

図６は、弁軸の組立体を示し、小径部１２２にとりつけられる雄ねじ部材１６０の詳細を示す。弁軸１２０の小径部１２２の上端部は、円筒面１２２ａに加工された平坦面１２２ｂを有する。雄ねじ部材１６０を弁軸１２０の小径部に嵌合し、外側からカシメ加工を施す（図２及び図３に示すＫ_２部分）ことにより弁軸１２０に固着される。カシメ加工部の内側は平坦面１２２ｂに圧接され、回り止めを兼ねる。

図７は、ステム部材の全体構成を示す。ステム部材１１０は、内径部１１０ａが弁軸１２０を摺動自在に受け入れる。外周部には、ストッパ部材１１２が固着される。ストッパ部材１１２は、ストッパ用の突部１１２ａを有する。

図８は、本発明の電動弁の他の実施例を示す。
弁軸の先端部１２４に回り止め部材１４０が挿入される構成は、先の実施例と同様である。
弁本体１０に固定される案内部材にかえてオリフィス２００が弁本体１０に固定される。オリフィス２００は、通過する冷媒中の気泡の通過を阻止する機能を有するとともに、先端部が回り止め部材１４０に当接して弁軸の回り止めとして機能する。

本発明の電動弁の全体構造を示す説明図。 ステータユニット，キャン，配管等を取り外した状態の電動弁の構成を示す説明図。 主要な部材の説明図。 ロータユニットの全体の構成を示す説明図。 弁軸ユニットの全体構成を示す説明図。 弁軸の組立体を示す説明図。 ステム部材の全体構成を示す説明図。 本発明の電動弁の他の実施例を示す説明図。

符号の説明

１ 電動弁
１０ 弁本体
１６ 弁座部材
３０ キャン
４０ ステータユニット
６０ ロータユニット
７０ ねじ送り部材
８０ 回転ストッパ部材
１００ 弁軸ユニット
１１０ ステム部材
１２０ 弁軸
１６０ 雄ねじ部材
Ｓ_１ 第１のねじ部
Ｓ_２ 第２のねじ部

Claims (4)

1. キャンの内側に収容されるモータのロータと、キャンの外側に配設される励磁コイルを含むステータと、前記ロータの回転運動をねじ機構により進退運動に変換して弁体の弁座に対する弁開度を制御する電動弁であって、
   前記ねじ機構は、同一方向でかつピッチが異なる２つのねじ部を有する差動ねじにより構成され、
   前記ロータと一体に回転し第１の雌ねじ部とその上部に第２の雌ねじ部を有するねじ送り部材と、前記弁座を収容する弁本体に固定され第１の雄ねじ部を有するステム部材と、前記ステム部材の内側に摺動自在に挿入されて前記弁体を下方で支持する弁軸と、該弁軸の上部に固着され第２の雄ねじ部を有する雄ねじ部材と、前記弁軸に固定される回り止め部材と、該回り止め部材と当接して前記弁軸の回り止めとなり前記弁本体に固定されるストッパ部材とを備え、
   前記ねじ送り部材の第１の雌ねじ部と前記ステム部材の第１の雄ねじ部が螺合し、前記ねじ送り部材の第２の雌ねじ部と前記雄ねじ部材の第２の雄ねじ部が螺合し、前記第１の雌ねじ部及び第１の雄ねじ部は、前記第２の雌ねじ部及び第２の雄ねじ部に対して大なるピッチを備える電動弁。
2. 前記ねじ部におけるバックラッシュを除去する付勢ばねを備える請求項１記載の電動弁。
3. 前記付勢ばねは、前記雄ねじ部材と前記キャンの内面との間に介在するコイルばねである請求項２記載の電動弁。
4. 前記ストッパ部材は、前記弁本体に固着されるオリフィス部材である請求項１記載の電動弁。

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