JP5627188B2 - 可逆式電動弁 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機、給湯システム等に組み込まれて使用される電動弁に係り、特に、流体（冷媒）を一方向だけでなく逆方向に流すことも可能な可逆式電動弁に関する。

空気調和機等に組み込まれる電動弁の従来例を図５に示す。図示の電動弁１’は、下部大径部２５ａと上部小径部２５ｂを有し、前記下部大径部２５ａの下端部に弁体２４が一体に設けられた弁軸２５と、前記弁体２４が接離する弁座２２が設けられるとともに、この弁座２２に形成された弁口２２ａを介して冷媒が導入される弁室２１を有する弁本体２０と、この弁本体２０にその下端部が密封接合されたキャン４０と、このキャン４０の内周に所定の間隙αをあけて配在されたロータ３０と、このロータ３０を回転駆動すべく前記キャン４０に外嵌されたステータ５０と、前記ロータ５０と前記弁体２４との間に配在され、前記ロータ５０の回転を利用して前記弁体２４を前記弁座２２に接離させるねじ送り機構とを備え、前記弁座２２に対する弁体２４のリフト量を変化させることにより冷媒の通過流量を制御する。

前記ステータ５０は、ヨーク５１、ボビン５２、ステータコイル５３，５３、及び樹脂モールドカバー５６等で構成され、前記ロータ３０やステータ５０等でステッピングモータが構成される。

前記ロータ３０には、支持リング３６が一体的に結合されるとともに、この支持リング３６に、前記弁軸２５及びガイドブッシュ２６の外周に配在された下方開口で筒状の弁軸ホルダ３２の上部突部がかしめ固定され、これにより、ロータ３０、支持リング３６及び弁軸ホルダ３２が一体的に連結されている。

前記ねじ送り機構は、弁本体２０にその下端部２６ａが圧入固定されるとともに、弁軸２５（の下部大径部２５ａ）が摺動自在に内挿された筒状のガイドブッシュ２６の外周に形成された固定ねじ部（雄ねじ部）２８と、前記弁軸ホルダ３２の内周に形成されて前記固定ねじ部２８に螺合せしめられた移動ねじ部（雌ねじ部）３８とから構成されている。ここでは、固定ねじ部２８と移動ねじ部３８（送りねじ）の呼び径はＤａ、ピッチはＰａとする。

また、前記ガイドブッシュ２６の上部小径部２６ｂが弁軸ホルダ３２の上部に内挿されるとともに、弁軸ホルダ３２の天井部３２ａの中央（に形成された通し穴）に弁軸２５の上部小径部２５ｂが挿通せしめられている。弁軸２５の上部小径部２５ｂの上端部にはプッシュナット３３が圧入固定されている。

また、前記弁軸２５は、該弁軸２５の上部小径部２５ｂに外挿され、かつ、弁軸ホルダ３２の天井部３２ａと弁軸２５における下部大径部２５ａの上端段丘面との間に縮装された外径Ｃａの圧縮コイルばねからなる閉弁ばね３４によって、常時下方（閉弁方向）に付勢されている。

弁軸ホルダ３２の天井部３２ａ上でプッシュナット３３の外周には、コイルばねからなる復帰ばね３５が設けられている。この復帰ばね３５は、実質的に全開状態となった後もロータ３０と共に弁軸ホルダ３２がさらに回転しながら上昇せしめられた際、キャン４０の天井部４０ａの内面に圧接して弁軸ホルダ３２を下方に付勢するようになっており、これにより、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２８と弁軸ホルダ３２の移動ねじ部３８との螺合が外れた（所謂ねじ抜けした）場合に、ロータ３０を逆回転（下降）させることで、再び固定ねじ部２８と移動ねじ部３８との螺合を復帰させるように働く。

ガイドブッシュ２６には、前記ロータ３０が所定の閉弁位置まで回転下降せしめられた際、それ以上の回転下降を阻止するための回転下降ストッパ機構の一方を構成する下ストッパ体（固定ストッパ）２７が固着され、弁軸ホルダ３２には前記ストッパ機構の他方を構成する上ストッパ体（移動ストッパ）３７が固着されている。

なお、前記閉弁ばね３４は、弁体２４が弁座２２に着座する閉弁状態において所要のシール圧を得るため（弁洩れ防止）、及び、弁体２４が弁座２２に衝接した際の衝撃を緩和するために配備されている。

このように構成された電動弁１’にあっては、ステータコイル５３，５３に第１の態様で通電励磁パルスを供給することにより、弁本体２０に固定されたガイドブッシュ２６に対し、ロータ３０及び弁軸ホルダ３２が一方向に回転せしめられ、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２８と弁軸ホルダ３２の移動ねじ部３８とのねじ送りにより、例えば弁軸ホルダ３２が下方に移動して弁体２４が弁座２２に押し付けられて弁口２２ａが閉じられる（全閉状態）。

弁口２２ａが閉じられた時点では、上ストッパ体３７は未だ下ストッパ体２７に衝接しておらず、弁体２４が弁口２２ａを閉じたままロータ３０及び弁軸ホルダ３２はさらに回転下降する。この場合、弁軸２５（弁体２４）は下降しないが、弁軸ホルダ３２は下降するため、閉弁ばね３４が所定量圧縮せしめられ、その結果、弁体２４が弁座２２に強く押し付けられるとともに、弁軸ホルダ３２の回転下降により、上ストッパ体３７が下ストッパ体２７に衝接し、その後ステータコイル５３，５３に対するパルス供給が続行されても弁軸ホルダ３２の回転下降は強制的に停止される。

一方、ステータコイル５３，５３に第２の態様で通電励磁パルスを供給すると、弁本体２０に固定されたガイドブッシュ２６に対し、ロータ３０及び弁軸ホルダ３２が前記と逆方向に回転せしめられ、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２８と弁軸ホルダ３２の移動ねじ部３８とのねじ送りにより、今度は弁軸ホルダ３２が上方に移動する。この場合、弁軸ホルダ３２の回転上昇開始時点（パルス供給開始時点）では、閉弁ばね３４が前記のように所定量圧縮せしめられているので、閉弁ばね３４が前記所定量分伸長するまでは、前記弁体２４が弁座２２からは離れず閉弁状態（リフト量＝０）のままである。そして、閉弁ばね３４が前記所定量分伸長した後、弁軸ホルダ３２がさらに回転上昇せしめられると、前記弁体２４が弁座２２から離れて弁口２２ａが開かれ、冷媒が弁口２２ａを通過する。この場合、ロータ３０の回転量により弁口２２ａの実効開口面積、すなわち冷媒の通過流量を調整することができ、ロータ３０の回転量は供給パルス数により制御されるため、冷媒通過流量を高精度に制御することができる（詳細は、下記特許文献１等を参照）。

特開２００１−５０４１５号公報

前記した電動弁１’は、通常、冷媒を一方向（導管６１→弁室２１→弁口２２ａ→導管６２）にのみ流すことを前提として設計されているが、それに対し、冷媒を一方向だけでなく逆方向（導管６２→弁口２２ａ→弁室２１→導管６１）に流すことも可能とする可逆式の電動弁が考えられている。この可逆式電動弁では、次のような解決すべき課題があった。

すなわち、可逆式電動弁では、冷媒が逆方向に流されるときには、弁口２２ａの上側（下流側）より下側（上流側）の方が冷媒圧力が高いので、閉弁ばね３４の付勢力に抗して弁体２４（弁軸２５）を開弁方向に押し上げるような力が加わる。このため、前記従来例で使用されている外径Ｃａの閉弁ばね３４では、ばね荷重が足りず、弁体２４が不所望に開弁方向に押し上げられて弁洩れ等の不具合を生じるおそれがある。かかる不具合は、弁口上下の差圧が大きい（高差圧の可逆式電動弁）ほど生じやすく、これを回避するには、ばね荷重の大きな、端的に言えば、外径の大きな閉弁ばねを使用することが要求される。

一方、近年においては、冷媒の流通量を多くできる弁口が大口径の可逆式電動弁が要望されている。これに応えるためには、ねじ送り機構の推力を増大させることが要求される。ねじ送り機構の推力を増大させるには、それを構成する固定ねじ部２８と移動ねじ部３８（送りねじ２８、３８と称す）の呼び径（Ｄａ）を小さくすればよいが、送りねじ２８、３８の呼び径を小さくするには、弁軸ホルダ３２（ガイドブッシュ２６）の内径も小さくする必要が生じ、その内周側に所要のばね荷重を持つ（外径の大きな）閉弁ばねを配在するスペースが無くなってしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ねじ送り機構の推力を増大させることができるとともに、ばね荷重の大きな閉弁ばねを用いることができるという相反する条件を満足する可逆式電動弁を提供することにある。

前記の目的を達成すべく、本発明に係る可逆式電動弁は、基本的には、下端部に弁体が設けられた弁軸と、前記弁体が接離する弁座が設けられるとともに、前記弁座に形成された弁口を介して流体が導入される弁室を有する弁本体と、該弁本体にその下端部が密封接合されたキャンと、該キャンの内周に所定の間隙をあけて配在されたロータと、該ロータを回転駆動すべく前記キャンに外嵌されたステータと、前記ロータと前記弁体との間に配在され、前記ロータの回転を利用して前記弁体を前記弁座に接離させるねじ送り機構とを備え、前記ねじ送り機構は、前記弁本体にその下端部が固定されるとともに、前記弁軸が摺動自在に内挿された筒状のガイド部材の外周に形成された固定ねじ部と、前記ロータに一体に連結されて前記弁軸及びガイド部材の外周に配在された下方開口の筒状の弁軸ホルダの内周に形成された移動ねじ部とからなり、前記弁軸ホルダの上側に、前記弁体を前記弁座に押し付ける方向に付勢する圧縮コイルばねからなる閉弁ばねが配備されており、前記閉弁ばねは、前記弁軸の上部に設けられた下側ばね受け部と前記弁軸ホルダに連結固定された上側ばね受け部との間に縮装されているとともに、前記弁軸の上端に実質的に点接触若しくは面接触の状態で乗せられた断面概略ハット形の下側ばね受け体と前記弁軸ホルダに連結固定された上側ばね受け部との間に縮装されており、前記弁軸ホルダが回転上昇せしめられるとき、前記固定ねじ部と移動ねじ部の螺合状態が解かれる前に、前記キャンの天井部に接当して前記弁軸ホルダの回転上昇を停止させるための全開ストッパを備えており、前記全開ストッパは、前記閉弁ばねの上端を受け止めるとともに、前記上側ばね受け部に抜け止め係止される副ばね受け部と、該副ばね受け部から前記上側ばね受け部よりも上方に突出する突出部とを有する凸状可動部材で構成されているか、あるいは、前記上側ばね受け部に突設された上向き突起で構成されていることを特徴としている。

好ましい態様では、前記閉弁ばねの外径Ｃｂ及び前記固定ねじ部と移動ねじ部とからなる送りねじの呼び径Ｄｂは、該送りねじのピッチをＰｂとすれば、下記の関係式（１）を満足するように設定される。
Ｃｂ＞Ｄｂ−１.０８３×Ｐｂ・・・・（１）

本発明に係る可逆式電動弁では、閉弁ばねが従来例のように弁軸ホルダ（ガイドブッシュ）内ではなく、弁軸ホルダの上側（例えば、弁軸の上部に設けられた下側ばね受け部と弁軸ホルダに連結固定された上側ばね受け部との間）に配備されるので、従来例のように外径が厳しく制限されることはなく、そのため、閉弁ばねとして、ばね荷重の大きな（外径の大きな）圧縮コイルばねを採用することが可能となる。

したがって、本発明によれば、ねじ送り機構の推力を増大させるために送りねじの呼び径を小さくした場合でも、ばね荷重の大きな閉弁ばねを用いることができ、そのため、高差圧大口径であっても、弁洩れ等の不具合が生じにくい信頼性の高い可逆式電動弁を提供することが可能となる。

なお、弁本体内やキャンの下部（弁ホルダの下側等）に閉弁ばねを配在することも考えられるが、この場合は、閉弁ばねが流体（流動）の影響を受けやすく、振動・異音の発生源となるおそれがある。それに対し、本発明の可逆式電動弁では、流体（流動）の影響が比較的少ない弁軸ホルダの上側（キャンの上部）に閉弁ばねを配備するので、振動・異音の発生を心配する必要はない。

本発明に係る可逆式電動弁の第１実施例を示す縦断面図。 本発明に係る可逆式電動弁の第２実施例を示す縦断面図。 本発明に係る可逆式電動弁の第３実施例を示す縦断面図。 本発明に係る可逆式電動弁の第４実施例を示す縦断面図。 従来の電動弁の一例を示す縦断面図。

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〜図４は、本発明に係る可逆式電動弁の一実施形態（第１〜第４実施例）の縦断面図である。なお、図１〜図４に示される第１〜第４実施例の可逆式電動弁１〜４の基本構成は、前述した図５に示される従来例の電動弁１’と略同じであるので、各実施例については、前述した図５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重複説明を省略し、以下、相異点（特徴部分）を重点的に説明する。

また、図１〜図４に示される第１〜第４実施例の可逆式電動弁１〜４では、高差圧大口径に対応させるため、ねじ送り機構の推力を増大させるべく、送りねじ（固定ねじ部２８、移動ねじ部３８）の呼び径Ｄｂが従来例の呼び径Ｄａよりも小さくされている。そのため、従来例のように弁軸ホルダ３２（ガイドブッシュ２６）内にばね荷重の大きな閉弁ばねを配在するスペースが無くなっている。そこで各実施例では、閉弁ばね６１〜６４を弁軸ホルダ３２の上側に配在している。以下、各実施例を詳細に説明する。

図１に示される第１実施例の可逆式電動弁１では、第１弁軸２５の上部２５ｂに、従来例のスリーブ状のプッシュナット３３に代えて、円筒状の嵌合圧入固定部７３ａ、鍔状下側ばね受け部７３ｂ、及び上部円筒部７３ｃからなるプッシュナット７３が圧入固定されている。また、従来例の円環状の支持リング３６に代えて、段付き円環状部７６ａと上側に突出する円筒状部７６ｂとからなる連結支持体７６が用いられている。この連結支持体７６の円筒状部７６ｂの上端に半断面逆Ｌ形の円環状の上側ばね受け部材７７が圧入固定されており、この上側ばね受け部材７７と前記プッシュナット７３の鍔状下側ばね受け部７３ｂとの間に、従来例の閉弁ばね３４の外径Ｃａよりも大きな外径Ｃｂを持つ閉弁ばね６１が縮装されている。

より詳細には、前記閉弁ばね６１の外径Ｃｂ及び前記固定ねじ部２８と移動ねじ部３８とからなる送りねじの呼び径Ｄｂは、該送りねじのピッチをＰｂとすれば、下記の関係式（１）を満足するように設定されている。
Ｃｂ＞Ｄｂ−１.０８３×Ｐｂ ・・・・（１）

また、プッシュナット７３の嵌合圧入固定部７３ａ上で上部円筒部７３ｃの内周側には、復帰ばね３５が乗せられており、この復帰ばね３５の概略上半分は、上側ばね受け部材７７の中央通し穴７７ａを介して上方に突出せしめられている（復帰ばね３５の機能は、従来例の説明を参照）。

このような構成とされた本第１実施例の可逆式電動弁１では、閉弁ばね６１が従来例のように弁軸ホルダ３２（ガイドブッシュ２６）内ではなく、弁軸ホルダ３２の上側（弁軸２５の上部に設けられた下側ばね受け部７３ｂと弁軸ホルダ３２に連結固定された上側ばね受け部材７７との間）に配備されるので、従来例のように外径が厳しく制限されることはなく、そのため、閉弁ばねとして、ばね荷重の大きな（外径の大きな）圧縮コイルばねを採用することが可能となる。

したがって、ねじ送り機構の推力を増大させるために送りねじ２８、３８の呼び径を小さくした場合でも、ばね荷重の大きな閉弁ばねを用いることができ、そのため、高差圧大口径であっても、弁洩れ等の不具合が生じにくくなり、信頼性の高い可逆式電動弁を提供することが可能となる。

なお、弁本体２０内やキャン４０の下部（弁ホルダ３２の下側等）に閉弁ばねを配在することも考えられるが、この場合は、閉弁ばねが冷媒（流動）の影響を受けやすく、振動・異音の発生源となるおそれがある。それに対し、本実施形態の可逆式電動弁１では、閉弁ばね６１が冷媒（流動）の影響が比較的少ない弁軸ホルダ３２の上側（キャン４０の上部）で、かつ、弁軸ホルダ３２、円筒状の連結支持体７６、上側ばね受け部材７７、及びプッシュナット７３等で囲まれた略閉鎖された空間内に配備されているので、振動・異音の発生を心配する必要はない。

図２に示される第２実施例の可逆式電動弁２では、支持リング３６上に半断面Ｌ形の円筒状連結体７５が載置されるとともに、その底辺部７５ａが弁軸ホルダ３２の上部突部で支持リング３６と共にかしめ固定（共締め）され、円筒状連結体７５の円筒状部７５ｂの上端に半断面が横倒しＬ形の上側ばね受け部７８が溶接等で固着されている。

また、弁軸２５の上端部には断面概略ハット形の下側ばね受け体７４が被せられている。詳しくは、弁軸２５の上端は半球状に形成されており、この半球状上端面２５ｔに下側ばね受け体７４における天底の球面凹部７４ａが実質的に点接若しくは小さな面接触の触状態で乗せられており、この下側ばね受け体７４における鍔状下側ばね受け部７４ｃと前記上側ばね受け部７８との間に、第１実施例と同様に外径（Ｃｂ）の大きな閉弁ばね６２が縮装されている。

このような構成とされた本第２実施例の可逆式電動弁２においても、第１実施例のものと略同様な作用効果が得られることに加えて、次のような利点が得られる。

すなわち、一般に、ばね荷重の大きな閉弁ばねを用いると、閉弁ばねの付勢力を受ける摺動面（上下端面）の摩擦抵抗が大きくなり、弁軸ホルダ３２等の回転昇降動作に悪影響を及ぼす。従来例のように、摺動面にワッシャ３９類等を噛まして摩擦抵抗を減じるようにしても、摺動面が面接触となるので、ばね荷重の大きな閉弁ばね６２を採用した場合には、摩擦抵抗の低減効果が不充分であったが、本第２実施形態のように、閉弁ばね６２の下端を、弁軸２５の半球状上端面２５ｔに実質的に点接触状態で乗せられた断面概略ハット形の下側ばね受け体７４で受け止めるようにすることにより、摩擦抵抗の増大を効果的に抑えることができる。

図３、図４に示される第３、第４実施例の可逆式電動弁３、４では、ロータ３０・弁軸ホルダ３２が回転上昇せしめられるとき、固定ねじ部２８と移動ねじ部３８の螺合状態が解かれる（所謂ねじ抜けする）前に、キャン４０の天井部４０ａに接当して弁軸ホルダ３２の回転上昇を停止させるための全開ストッパ８１、８２を備えている（復帰ばね３５は存在しない）。

詳細には、図に示される第３実施例の可逆式電動弁３では、閉弁ばね６３の上端を受け止めるとともに、前記上側ばね受け部７７に抜け止め係止される副ばね受け部８１ａと、この副ばね受け部８１ａから上側ばね受け部７７よりも上方に突出する上端面が半球状の突出部８１ｂとを有する凸状可動部材からなる全開ストッパ８１が配備されている。

ここで、従来例の電動弁１’では、ロータ３０・弁軸ホルダ３２が回転上昇し続けて、ある位置（全開状態になった位置より上側）に達すると、ねじ抜けするようになっているが、実施例の可逆式電動弁１〜４のように、高差圧大口径に対応すべく、送りねじ２８、３８の呼び径が小さくされている場合には、ねじの面圧が高くなるので、ねじ抜けするような構成にすると、ねじが破損したり、逆回転しても再螺合せずにロックするおそれがある。

本第３実施例のように、凸状可動部材からなる全開ストッパ８１を設けた場合には、ロータ３０・弁軸ホルダ３２が回転上昇せしめられるとき、固定ねじ部２８と移動ねじ部３８の螺合状態が解かれる（ねじ抜けする）前に、全開ストッパ８１の上端がキャン４０の天井部４０ａに接当して、閉弁ばね６３がさらに圧縮されてばね荷重が増大し、このばね荷重の増大により、ロータ３０・弁軸ホルダ３２の回転上昇が止まるようにされる。このようにされることにより、ねじ抜けせず、かつ、ねじの破損やロックしてしまう事態を招くことがないようにできる。

一方、図４に示される第４実施例の可逆式電動弁４では、上側ばね受け部７７’の外周部に突設された先端が尖った上向き突起で構成される全開ストッパ８２が設けられている。

本第４実施例のように上向き突起で構成される全開ストッパ８２を設けた場合には、該全開ストッパ８２がキャン４０の天井部４０ａの内側面に接当することにより、ロータ３０・弁軸ホルダ３２の回転上昇が止まるようにされ、このような構成でも、第３実施例と同様に、ねじ抜けせず、かつ、ねじの破損やロックしてしまう事態を招くことがないようにできる。

１、２、３、４ 可逆式電動弁
２０ 弁本体
２１ 弁室
２２ 弁座
２２ａ 弁口
２４ 弁体
２５ 弁軸
２８ 固定ねじ部（雄ねじ部）
２６ ガイドブッシュ
２７ 下ストッパ
３０ ロータ
３２ 弁軸ホルダ
３３ プッシュナット
３５ 復帰ばね
３７ 上ストッパ体
３８ 移動ねじ部（雌ねじ部）
４０ キャン
５０ ステータ
６１、６２、６３、６４ 閉弁ばね
７３ｂ 鍔状下側ばね受け部
７４ 下側ばね受け体
７７、７８ 上側ばね受け部
８１、８２ 全開ストッパ

Claims (2)

1. 下端部に弁体が設けられた弁軸と、前記弁体が接離する弁座が設けられるとともに、前記弁座に形成された弁口を介して流体が導入される弁室を有する弁本体と、該弁本体にその下端部が密封接合されたキャンと、該キャンの内周に所定の間隙をあけて配在されたロータと、該ロータを回転駆動すべく前記キャンに外嵌されたステータと、前記ロータと前記弁体との間に配在され、前記ロータの回転を利用して前記弁体を前記弁座に接離させるねじ送り機構とを備えた可逆式電動弁であって、
   前記ねじ送り機構は、前記弁本体にその下端部が固定されるとともに、前記弁軸が摺動自在に内挿された筒状のガイド部材の外周に形成された固定ねじ部と、前記ロータに一体に連結されて前記弁軸及びガイド部材の外周に配在された下方開口の筒状の弁軸ホルダの内周に形成された移動ねじ部とからなり、
   前記弁軸ホルダの上側に、前記弁体を前記弁座に押し付ける方向に付勢する圧縮コイルばねからなる閉弁ばねが配備されており、
   前記閉弁ばねは、前記弁軸の上部に設けられた下側ばね受け部と前記弁軸ホルダに連結固定された上側ばね受け部との間に縮装されているとともに、前記弁軸の上端に実質的に点接触若しくは面接触の状態で乗せられた断面概略ハット形の下側ばね受け体と前記弁軸ホルダに連結固定された上側ばね受け部との間に縮装されており、
   前記弁軸ホルダが回転上昇せしめられるとき、前記固定ねじ部と移動ねじ部の螺合状態が解かれる前に、前記キャンの天井部に接当して前記弁軸ホルダの回転上昇を停止させるための全開ストッパを備えており、
   前記全開ストッパは、前記閉弁ばねの上端を受け止めるとともに、前記上側ばね受け部に抜け止め係止される副ばね受け部と、該副ばね受け部から前記上側ばね受け部よりも上方に突出する突出部とを有する凸状可動部材で構成されているか、あるいは、前記上側ばね受け部に突設された上向き突起で構成されていることを特徴とする可逆式電動弁。
2. 前記閉弁ばねの外径Ｃｂ及び前記固定ねじ部と移動ねじ部とからなる送りねじの呼び径Ｄｂは、該送りねじのピッチをＰｂとすれば、下記の関係式（１）を満足するように設定されることを特徴とする請求項１に記載の可逆式電動弁。
   Ｃｂ＞Ｄｂ−１.０８３×Ｐｂ・・・・（１）
   

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