JP5677349B2

JP5677349B2 - 電動弁

Info

Publication number: JP5677349B2
Application number: JP2012071064A
Authority: JP
Inventors: 直樹日下; 大樹中川
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: CN103363122A; JP2013204613A; CN103363122B

Description

本発明は、冷凍サイクルの膨張弁などに使用する流量制御弁に関し、詳細には弁座に対するニードル部の位置を制御して弁ポートを流れる冷媒の流量を制御する流量制御弁に関する。

従来、この種の流量制御弁として、例えば特開２００１−１２６３３号公報（特許文献１）及び特開２００９−５２７４２号公報（特許文献２）に開示されたものがある。これらの流量制御弁は、弁体のニードル部を弁ポート内に進退させることにより、ニードル部の径と弁ポートの隙間量を調節し、弁ポートを流れる流体の流量を制御している。

また、特許文献２の流量制御弁は、弁体を保持駆動する雄ネジ軸と弁ホルダ及び圧縮コイルばねにより、弁体が弁座に当接したときに、弁体が雄ネジ軸に対して相対的に変位可能となっている。

特開２００１−１２６３３号公報特開２００９−５２７４２号公報

従来の流量制御弁において、弁体が弁座に対して着座すると弁体のニードル部が弁ポートを閉状態にする。しかし、着座を繰り返すと、ニードル部や弁座部材が摩耗し、両者の隙間が徐々に大きくなり、弁体の変位量である弁リフト量と流量との関係を示す流量特性が変化してしまう。なお、この流量特性の変化については後述実施形態と対比して説明する。

図９は従来の弁座部材の摩耗の一例を示す図であり、破線は摩耗のない初期状態、実線は摩耗した状態を示している。図９に示すように、ニードル部１０は角度が鋭角な形状であり弁座部材２０の弁ポート２０ａの開口部分が摩耗し易いという問題がある。このため、ニードル部１０は弁ポート２０ａ内に下降してしまい、流量特性が変化してしまう。流量特性が大きく変化すると制御が困難になるので、弁座部材の摩耗を抑制する必要がある。また、摩耗が進行すると弁漏れの原因にもなる。

本発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたものであり、流量制御弁のニードル部や弁座部材の摩耗の進行を抑制することを課題とする。

請求項１の流量制御弁は、弁本体に設けられ断面形状が円形の弁ポートが形成された弁座部材と、前記弁ポートの軸線と同軸となるニードル部を有する弁体と、前記弁体を前記弁座方向に付勢して該弁体を保持するとともに、該弁体と共に前記軸線方向の制御範囲において変位可能な弁体保持部と、を備え、前記弁体保持部を変位させることにより、前記ニードル部を前記弁ポートに対して進退させて該弁ポートを通る流体の流量を制御するようにした流量制御弁において、前記弁体保持部が前記制御範囲内で、かつ、前記弁体が前記弁体保持部に対して前記軸線方向に相対的に変位可能な範囲内において、前記弁座部材または前記弁ポートの開口に当接するストッパ部を前記弁体に形成し、初期状態での前記ストッパ部のストッパ面と前記弁座部材との距離［Ｌ１］としたとき、
Ｌ１＞０
であることを特徴とする。なお、「相対的に変位可能な範囲内」とは、範囲の端点は含まない概念である。
請求項２の流量制御弁は、請求項１に記載の流量制御弁であって、前記弁体が前記弁体保持部に対して前記軸線方向に相対的に変位可能な範囲を［Ｈ］としたとき、
Ｈ＞Ｌ１
であることを特徴とする。

請求項３の流量制御弁は、請求項１または２に記載の流量制御弁であって、前記ストッパ部の前記ストッパ面が、前記弁座部材に当接するストッパ面であって前記軸線と直角なストッパ面であることを特徴とする。

請求項４の流量制御弁は、請求項１または２に記載の流量制御弁であって、前記ストッパ部の前記ストッパ面が、前記弁ポートの開口に当接するストッパ面であって前記ニードル部の角度より大きな角度をなすストッパ面であることを特徴とする。

請求項１または２の流量制御弁によれば、弁体のストッパ部は、弁体保持部が制御範囲内で、かつ、弁体が弁体保持部に対して軸線方向に相対的に変位可能な範囲内において、弁座部材または弁ポートの開口に当接するので、弁体の形状を工夫するだけという簡単な構成により、弁ポートを閉状態としたとき、このストッパ部により弁座部材あるいはニードル部の摩耗の進行を抑制することができる。

請求項３の流量制御弁によれば、請求項１または２の効果に加えて、ストッパ面を軸線に直角な面とすればよいので、弁体（ストッパ部）の加工が容易になる。

請求項４の流量制御弁によれば、請求項１または２の効果に加えて、ストッパ面が弁ポートの開口に当接するので、ストッパ部の一部が弁ポート内に浸入し、弁ポートの閉状態のシール性を高めることもできる。

本発明の実施形態の流量制御弁の流量の制御範囲から弁閉となった時点の縦断面図である。本発明の実施形態の流量制御弁の弁座部材の摩耗が進行してストッパ部が弁座部材に当接した状態の縦断面図である。本発明の実施形態の流量制御弁の流量の制御範囲にある時の縦断面図である。本発明の実施形態におけるニードル部及びストッパ部の各実施例を示す図である。本発明の実施形態における弁体のリフト量と弁ポートを流れる流体の流量の関係を示す図である。本発明の実施形態における弁体の変形例１及び変形例２の形状と寸法及び角度を示す図である。本発明の実施形態における弁体の変形例３及び変形例４の形状と寸法及び角度を示す図である。本発明の実施形態における弁体の変形例５及び変形例６の形状と寸法及び角度を示す図である。従来の流量制御弁における弁座部材の摩耗の様子を説明する図である。

次に、本発明の流量制御弁の実施形態を図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、弁座部材が摩耗するものとして説明するが、ニードル部が摩耗する場合、弁座部材とードル部の両方が摩耗する場合でも同様である。図１は実施形態の流量制御弁の流量の制御範囲から弁閉となった時点の縦断面図、図２は同流量制御弁の弁座部材の摩耗が進行してストッパ部が弁座部材に当接した状態の縦断面図、図３は同流量制御弁の流量の制御範囲にある時の縦断面図である。

この実施形態の流量制御弁は、円筒形状の弁本体１を有し、弁本体１には円筒シリンダ状の弁室１Ａが形成されている。また、弁本体１には、側面側から弁室１Ａに連通する継手管１１が取り付けられるとともに、弁室１Ａの軸線Ｌ方向の片側端部に継手管１２が取り付けられている。さらに、弁本体１には、継手管１２の弁室１Ａ側に弁座部材２が配設されている。弁座部材２はステンレスあるいは真鍮等により形成され、弁室１Ａと継手管１２とを連通する断面形状が円形の弁ポート２１と弁ポート２１より径の大きな副ポート２２を有している。

弁本体１の上部から弁室１Ａ内には下端を弁座部材２に結合するようにして支持部材３が取り付けられている。支持部材３は弁本体１の上部開口に設けられた取付金具３ａによって弁本体１に固定されている。支持部材３の上端には上に突出した固定下端ストッパＳＤが形成され、支持部材３の上端の外周縁には半径方向に突出した固定上端ストッパＳＵが形成されている。また、支持部材３の中心には、弁ポート２１の軸線Ｌと同軸の雌ネジ３１とそのネジ孔が形成されるとともに、雌ネジ３１のネジ孔の外周よりも径の大きな円筒状のガイド孔３２が形成されている。そして、この雌ネジ３１のネジ孔とガイド孔３２の中に円筒状の「弁体保持部」としてのオネジ軸４が配設されている。なお、支持部材３には、弁室１Ａと弁ポート２１を導通する通路３３と後述の弁体５が挿通される挿通孔３４が形成されている。

オネジ軸４はガイド孔３２に整合する大径部４１とこの大径部４１より径の小さな小径部４２とを有している。大径部４１には円筒状のばね収容部４１ａが形成され、小径部４２の中央にはスライド孔４２ａが形成されている。そして、ばね収容部４１ａからスライド孔４２ａにかけて弁体５が嵌挿されている。また、ばね収容部４１ａ内には、ばね受４３と、コイルばね４４が配設され、ばね収容部４１ａの上端にばね受金具４５をネジ止めすることにより、コイルばね４４は圧縮された状態で配設されている。また、小経部４２の外周には雄ネジ４２ｂが形成されており、この雄ネジ４２ｂは支持部材３の雌ネジ３１に螺合されている。さらに、オネジ軸４の大径部４１にはフランジ部４１ｂが形成され、このフランジ部４１ｂの一部には半径方向に切り欠かれた切り欠き部４１ｃが形成されている。また、フランジ部４１ｂの下面には可動下端ストッパＭＤが形成されている。

弁本体１の上端には、ステッピングモータ６のケース６１が溶接等によって気密に固定されている。ケース６１内には外周部を多極に着磁されたマグネットロータ６２が回転可能に設けられている。また、ケース６１の外周には、ステータコイル６３が配設されており、ステッピングモータ６は、ステータコイル６３にパルス信号が与えられることにより、そのパルス数に応じてマグネットロータ６２を回転させる。マグネットロータ６２は嵌合孔６２ａと回転止め部６２ｂを有している。そして、嵌合孔６２ａをオネジ軸４の大径部４１に嵌合するとともに、オネジ軸４のフランジ部４１ｂの切り欠き部４１ｃに回転止め部６２ｂを係合させ、さらに、前記ばね受金具４５を大径部４１の端部に圧入することにより、マグネットロータ６２がオネジ軸４に固着されている。

弁体５は、ステンレスあるいは真鍮等により形成され、下端のニードル部５１と、ストッパ部５２と、円柱棒状のロッド部５３と、ロッド部５３より径が大きくばね収容部４１ａ内に配置される係止部５４とを有している。ニードル部５１及びストッパ部５２については後述の各実施例で説明する。弁体５は、係止部５４及びばね受４３を介してコイルばね４４により常時下方に付勢されている。また、弁体５はロッド部５３が支持部材３の挿通孔３４から通路３３を通して弁座部材２まで延設されている。これにより弁体５は、弁座方向に付勢した状態でオネジ軸４に保持されている。また、弁体５はコイルばね４４の付勢力に抗してオネジ軸４に対して軸線Ｌ方向に相対的に変位可能となっている。この相対的に変位可能な範囲は、係止部５４がばね収容部４１ａの底部に当接してコイルばね４４が伸びきった位置から、係止部５４がばね収容部４１ａの底部から上方に僅かに離間する位置までの範囲である。

以上の構成により、マグネットロータ６２の回転によってマグネットロータ６２と共にオネジ軸４が回転し、オネジ軸４の雄ネジ４２ｂと支持部材３の雌ネジ３１のネジ送り作用により、オネジ軸４が軸Ｌ方向（上下）に変位して弁体５のニードル部５１が弁座部材２の弁ポート２１に対して進退する。これにより、弁ポート２１の開度を変化させ、例えば継手管１１から継手管１２へ流れる冷媒の流量が制御される。また、ニードル部５１が弁座部材２の弁ポート２１の開口縁に当接し、弁ポート２１が閉状態となる。

なお、図３のように、オネジ軸４が流量を制御する制御範囲にあって、マグネットロータ６２とオネジ軸４が回動して下降するときは、可動下端ストッパＭＤは固定下端ストッパＳＤの上を通過する。さらに下降すると、ニードル部５１が弁ポート２１を全閉とする。さらにオネジ軸４が回動すると、可動下端ストッパＭＤが固定下端ストッパＳＤに係合し、オネジ軸４の回動が規制される。また、マグネットロータ６２及びオネジ軸４が回動して上昇して流量を制御する制御範囲では、可動上端ストッパＭＵは固定上端ストッパＳＵの下を通過し、制御範囲の上限になると、可動上端ストッパＭＵが固定上端ストッパＳＵに係合し、オネジ軸４の回動が規制される。

図４はニードル部５１及びストッパ部５２の各実施例を示す図である。なお、この図４及び以下の図面では弁座部材２が摩耗していない初期状態を示している。図４(A) 及び図４(B) はストッパ部５２が、弁座部材２に当接するストッパ面５２ａであって軸線Ｌと直角なストッパ面５２ａを有する例である。図４(C) 及び図４(D) はストッパ部５２が、弁ポート２１の開口に当接するストッパ面５２ｂであってニードル部５１の角度より角度の大きな鈍角をなすストッパ面５２ｂを有する例である。なお、図４(A) 及び図４(B) のストッパ面５２ａと弁座部材２の弁座との距離は０．３ｍｍ以下が適している。また、図４(C) 及び図４(D) のストッパ面５２ｂと弁ポート２１の開口との距離は０．３ｍｍ以下が適している。なお、図４(B) 及び図４(D) は流量制御特性を細かく設定するための第２のニードル部５１ａを備えた例である。

このように、ストッパ部５２を設けているので、弁閉状態を繰り返すことによりニードル部５１が弁ポート２１の開口に頻繁に当接し、この弁ポート２１の開口が摩耗したとしても、オネジ軸４（弁体保持部）が流量の制御範囲内にあり、かつ、弁体５がオネジ軸４に対して軸線Ｌ方向に相対的に変位可能な範囲内にある状態で、ストッパ部５２が弁座部材２または弁ポート２１の開口に当接するので、弁座部材２の摩耗の成長を抑えることができる。

図５は弁体５のリフト量と弁ポート２１を流れる流体の流量の関係を示す図である。図において、「下限点」とは、可動下端ストッパＭＤが固定下端ストッパＳＤに係合し、オネジ軸４の回動が下端で規制される点である。「ストッパ当接点」とは、弁座部材２の摩耗が進行して、例えばストッパ部５２が弁座部材２に当接した点である。「初期弁開点」とは弁座部材２に摩耗が生じていない初期状態での弁開となる点（または弁閉となる点）である。また、Ｌ１は初期状態でのストッパ部５２のストッパ面５２ａと弁座部材２との距離、Ｈは弁体５がオネジ軸４（弁体保持部）に対して相対的に変位可能となる範囲である。

弁座部材２に摩耗が生じていない初期状態の特性は実線のようになり、摩耗が進行したときの特性は破線のようになる。このように弁座部材２の摩耗により特性線はシフトするが、ストッパ当接点からは特性が進行していない。すなわち摩耗の進行が抑制されている。なお、従来の例では、ストッパ部がないので一点鎖線で示すように摩耗がさらに進行し、下限点においても、誤差等により弁座部材とニードル部との間に隙間が派生し漏れが生じる場合がある。

図６乃至図８は実施形態の弁体の変形例の形状と寸法及び角度を示す図であり、前記同様に符号５１はニードル部、符号５２はストッパ部、符号２１は弁ポートを示す。また、L１は初期状態でのストッパ部５２のストッパ面５２ａと弁座部材２との距離である。

図６(A) の変形例１の寸法及び角度の関係は以下のとおりである。
Ｄ１＜Ｄ２、θ１＜θ２＜１８０°
ｔａｎ（θ１／２）＝（Ｄ２−Ｄ１）／（２×Ｌ１）
Ｌ１＝（Ｄ２−Ｄ１）／（２×ｔａｎ（θ１／２））

図６(B) の変形例２の寸法及び角度の関係は以下のとおりである。
Ｄ１＜Ｄ２、θ１＜θ２＝１８０°
ｔａｎ（θ１／２）＝（Ｄ２−Ｄ１）／（２×Ｌ１）
Ｌ１＝（Ｄ２−Ｄ１）／（２×ｔａｎ（θ１／２））

図７(A) の変形例３の寸法及び角度の関係は以下のとおりである。
Ｄ１＜Ｄ２、Ｄ３＜Ｄ４、θ１＜１８０°＜θ２＜３６０°
ｔａｎ（θ１／２）＝（Ｄ２−Ｄ１）／（２×Ｌ１）
Ｌ１＝（Ｄ２−Ｄ１）／（２×ｔａｎ（θ１／２））

図７(B) の変形例４の寸法及び角度の関係は以下のとおりである。
Ｄ１＜Ｄ２、θ１＜θ２＝１８０°
ｔａｎ（θ１／２）＝（Ｄ２−Ｄ１）／（２×Ｌ１）
Ｌ１＝Ｌ２−Ｒ×（１−ｓｉｎ（θ１／２））

図８(A) の変形例５の寸法及び角度の関係は以下のとおりである。
Ｄ１＜Ｄ２、θ３＜θ１＜θ２＜１８０°

図８(B) の変形例６の寸法及び角度の関係は以下のとおりである。
Ｄ１＜Ｄ２、θ１＜θ２＜１８０°
θ１＜θ３≦θ２、または、θ１＜θ２≦θ３

以上のように、各実施例の弁体において、弁体がオネジ軸（弁体保持部）に対して相対的に変位可能となる範囲（Ｈ）＞初期状態でのストッパ部のストッパ面と弁座部材との距離（Ｌ１）となるように設定すれば、弁座部材の摩耗が進行しても弁漏れが生じる前に摩耗の進行を抑えることができる。なお、摩耗がある程度進行するとストッパ部が弁座部材に当接するので、このストッパ部が弁ポートをシールする補助的な役割もする。

１弁本体
１Ａ弁室
２弁座部材
２１弁ポート
３支持部材
ＳＤ固定下端ストッパ
ＳＵ固定上端ストッパ
３１雌ネジ３１
３２ガイド孔
４オネジ軸（弁体保持部）
４１大径部
４１ａばね収容部
４２小径部
４２ａスライド孔
４２ｂ雄ネジ
４３ばね受
４４コイルばね
４５ばね受金具
ＭＤ可動下端ストッパ
５弁体
５１ニードル部
５２ストッパ部
５２ａストッパ面
５２ｂストッパ面
５３ロッド部
５４係止部
６ステッピングモータ
６２マグネットロータ
Ｌ軸線

Claims

弁本体に設けられ断面形状が円形の弁ポートが形成された弁座部材と、
前記弁ポートの軸線と同軸となるニードル部を有する弁体と、
前記弁体を前記弁座方向に付勢して該弁体を保持するとともに、該弁体と共に前記軸線方向の制御範囲において変位可能な弁体保持部と、を備え、
前記弁体保持部を変位させることにより、前記ニードル部を前記弁ポートに対して進退させて該弁ポートを通る流体の流量を制御するようにした流量制御弁において、
前記弁体保持部が前記制御範囲内で、かつ、前記弁体が前記弁体保持部に対して前記軸線方向に相対的に変位可能な範囲内において、前記弁座部材または前記弁ポートの開口に当接するストッパ部を前記弁体に形成し、初期状態での前記ストッパ部のストッパ面と前記弁座部材との距離［Ｌ１］としたとき、
Ｌ１＞０
であることを特徴とする流量制御弁。
前記弁体が前記弁体保持部に対して前記軸線方向に相対的に変位可能な範囲を［Ｈ］としたとき、
Ｈ＞Ｌ１
であることを特徴とする請求項１に記載の流量制御弁。
前記ストッパ部の前記ストッパ面が、前記弁座部材に当接するストッパ面であって前記軸線と直角なストッパ面であることを特徴とする請求項１または２に記載の流量制御弁。
前記ストッパ部の前記ストッパ面が、前記弁ポートの開口に当接するストッパ面であって前記ニードル部の角度より大きな角度をなすストッパ面であることを特徴とする請求項１または２に記載の流量制御弁。