JP5901960B2 - 電動弁 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ式冷暖房システム等に使用するのに好適な電動弁に係り、特に、流体が双方向（第１流れ方向とその逆の第２流れ方向）に流され、かつ、少なくとも一方向には大流量が流される流路に対応した電動弁に関する。

この種の電動弁として、従来、例えば、弁室、該弁室に開口する横向きの第１入出口、前記弁室に開口する縦向きの弁口、及び該弁口に連なる第２入出口を有する弁本体と、前記弁口を開閉すべく前記弁室に昇降可能に配在された弁体と、前記弁体を開弁方向に付勢する開弁ばねと、該開弁ばねの弾発力に抗するように前記弁体を下降制御し、この結果、該弁体を昇降させるための電動モータを有する昇降駆動手段と、を備えたものが考えられている（例えば特許文献１参照）。

また、電動弁において、前記弁口の口径と前記弁体の上方に画成される背圧室の室径とを略同一に設定するとともに、弁口ないし第２入出口と前記背圧室とを連通させるべく、前記弁体を上下に貫通するように均圧通路を設け、弁口ないし第２入出口の圧力を前記均圧通路を介して背圧室に導入することにより、閉弁状態において弁体に作用する押し下げ力（閉弁方向に働く力）と押し上げ力（開弁方向に働く力）とをバランス（差圧をキャンセル）させ、もって、弁体の駆動トルクを低減して、電動弁の小型化、大容量化、省電力化等を図ろうとしたものも考えられている（例えば特許文献２参照）

特開２００８−２６７４６４号公報 特開２０００−３２０７１１号公報

しかしながら、前記特許文献２に所載の電動弁のように、弁口の口径と背圧室の室径とを略同一に設定するとともに、差圧をキャンセルすべく弁体を上下に貫通するように均圧通路を設けたものにおいては、流体が第１流れ方向（第１入出口→第２入出口）に流される場合は、開弁時において弁体を押し下げる力よりも弁体を押し上げる力が上回り、弁体には上方向荷重が発生し、流体が第２流れ方向（第２入出口→第１入出口）に流される場合は、開弁時において弁体を押し上げる力よりも弁体を押し下げる力が上回り、弁体に下方向荷重が発生し、流体が第１の方向に流されるときと第２の方向に流されるときとでは、開弁時に弁体に作用する荷重の方向が変化する。

したがって、このような圧力バランス構造を、開弁ばねを備えた電動弁に適用しようとした場合、下方向荷重は、弁体を閉弁方向に押し下げる力となるので、より小さなばね荷重の開弁ばねを使用できるようにするには、流体が第２流れ方向に流されるときにおいて、弁体に作用する下方向荷重（閉弁方向に働く力）可及的に小さくすることが望まれる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、流体が第２流れ方向に流されるときにおいて、下方向荷重（閉弁方向に働く力）を可及的に小さくし得、もって、より小さなばね荷重の開弁ばねを使用できるようにして、更なる小型化、大容量化、省電力化等を図ることのできる電動弁を提供することにある。

前記の目的を達成すべく、本発明に係る電動弁は、基本的には、弁室、該弁室に開口する横向きの第１入出口、前記弁室に開口する縦向きの弁座付き弁口、及び該弁口に連なる第２入出口を有する弁本体と、前記弁口を開閉すべく前記弁室に昇降可能に配在された弁体と、該弁体を昇降させるための電動モータを有する昇降駆動手段と、前記弁体を開弁方向に付勢する開弁ばねと、を備え、前記弁口の口径と前記弁体の上方に画成される背圧室の室径とが略同一に設定されるとともに、前記弁体内に、前記弁口と前記背圧室とを連通させるべく下端面が開口した均圧通路が設けられ、前記均圧通路の下端開口面積を前記弁口面積で除した値が０.５以上で１.０未満となるように各部の寸法が設定されていることを特徴としている。

好ましい態様では、前記弁体における前記弁座に接離するシール面が、所要のシール性が得られるように、前記弁座に対して実質的に線接触する円錐面、球面、楕円を長軸又は短軸に周りに回転させた楕球面で構成される。

本発明に係る電動弁では、均圧通路開口面積を弁口面積で除した値が０.５以上となるように各部の寸法が設定されるので、流体が第２流れ方向に流されるときにおいて、下方向荷重（閉弁方向に働く力）を許容範囲に抑えることができ、これにより、より小さなばね荷重の開弁ばねを使用できるようになり、その結果、小型化、大容量化、省電力化等を図ることができる。

本発明に係る電動弁の第１実施例の閉弁状態を示す縦断面図。 図１に示される第１実施例の開弁状態を示す縦断面図。 本発明に係る電動弁の第２実施例の閉弁状態を示す縦断面図。 本発明に係る電動弁の作用効果の説明に供されるグラフであり、弁体に作用する荷重と均圧通路開口面積との関係を示す。

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、本発明に係る電動弁の第１実施例の閉弁状態を示す縦断面図、図２は、図１に示される第１実施例の電動弁の開弁状態を示す縦断面図である。

図示の電動弁１は、例えばヒートポンプ式冷暖房システムにおいて膨張弁として使用するのに好適なもので、流体（冷媒）が双方向（第１流れ方向とその逆の第２流れ方向）に流され、かつ、少なくとも一方向には大流量が流される流路に対応した双方向流通型の電動弁である。

図において、電動弁１は、板金製の筒状基体６を有する弁本体５と、この弁本体５内に昇降可能に配在された弁体２０と、この弁体２０を昇降させるべく、弁本体５の上側に取り付けられたステッピングモータ５０とを備える。

弁本体５の筒状基体６には、弁室７が形成されるとともに、この弁室７に開口する横向きの第１入出口（導管継手）１１が取り付けられ、さらに、その底部には下側から弁室７に開口する縦向きの弁口９及び弁座８ａが形成された弁座部材８が固着され、この弁座部材８には、前記弁口９に連なる第２入出口（導管継手）１２が取り付けられている。

筒状基体７の上面開口部には、段付き筒状基台１３が取着され、この基台１３の上端部には、モータ５０の一部を構成するキャン５８の下端部が溶接等により接合されている。筒状基台１３の内周側には隔壁１４ｃ付き筒状保持部材１４が圧入等により固定され、この筒状保持部材１４の上部には、下部内周にめねじ１５ｉが設けられためねじ付き軸受部材１５がかしめ係止固定されている。筒状保持部材１４の隔壁１４ｃの直上は、圧縮コイルばねからなる開弁ばね２５が収納されるばね室１４ａとされている。

また、前記弁体２０は、前記弁座部材８の弁座８ａに接離して弁口９を開閉する下部が逆円錐台状の弁体部２０Ａと、これより小径の胴部２０Ｂとを有し、胴部２０Ｂの上部が筒状保持部材１４における隔壁１４ｃより下側の弁体ガイド穴１４ｂに摺動自在に嵌挿されている。上記弁体部２０Ａの下面は、所要のシール性が得られるように、前記弁座８ａに対して実質的に線接触する円錐面からなるシール面２０ａとなっている。

一方、ステッピングモータ５０は、ヨーク５１、ボビン５２、コイル５３、樹脂モールドカバー５４等からなる、キャン５８に外嵌固定されたステータ５５と、キャン５８内に回転自在に配在され、ロータ支持部材５６がその上部内側に固着されたロータ５７とを有している。また、ロータ５７の内周側には、ロータ支持部材５６に一体的に設けられた太陽歯車４１、筒状保持部材１４に固着された筒状体の先端に固定された固定リング歯車４７、前記太陽歯車４１及び固定リング歯車４７に歯合する遊星歯車４２、該遊星歯車４２を回転自在に支持するキャリア４４、前記遊星歯車４２に歯合するリング状の出力歯車４５、該出力歯車４５に固着された出力軸４６等からなる不思議遊星歯車式減速機構４０が付設されている。前記固定リング歯車４７の歯数は、前記出力歯車４５の歯数とは異なるようにされている。

前記出力歯車４５には出力軸４６が固着されている。この出力軸４６の上部に設けられた穴に支持軸４９の下部が挿通されており、該支持軸４９に前記キャリア４４、太陽歯車４１（ロータ支持部材５６）が挿通されている。

支持部材４８はキャン５８の内径とほぼ同一径を有しており、キャン５８内部において、該キャン５８の上部とロータ支持部材５６との配置されている。そして前記支持軸４９の上部は、前記支持部材４８の中心部に設けられた穴に挿通されている。

前記減速機構４０の出力軸４６は、前記めねじ付き軸受部材１５の上部に回転自在に嵌挿され、この出力軸４６の回転が、前記軸受部材１５に設けられためねじ１５ｉに螺合するおねじ１７ｅが設けられたおねじ付き回転昇降軸１７に伝達される。出力軸４６の下部にはスリット状嵌合部４６ａが設けられ、回転昇降軸１７には前記スリット状嵌合部４６ａに摺動自在に嵌合する板状部１７ａが突設されており、出力軸４６が回転すると、前記めねじ１５ｉとおねじ１７ｅによるねじ送りにより回転昇降軸１７が回転しながら昇降せしめられる。

回転昇降軸１７の下方には、該回転昇降軸１７の下方への推力がボール１８、ボール受座１９を介して伝達される段付き筒状の推力伝達部材２３が配在されている。なお、ボール１８を介在させていることにより、回転昇降軸１７が回転しながら下降しても、回転昇降軸１７から推力伝達部材２３へは下方への推力のみが伝達され、回転力は伝達されない。

推力伝達部材２３は、上から順に、内周に前記ボール受座１９が嵌め込まれた大径上部２３ａ、前記筒状保持部材１４の隔壁１４ｃに摺動自在に挿通せしめられた中間胴部２３ｂ、該中間胴部２３ｂより小径の小径下部２３ｃからなっており、その内部には、後述する均圧通路３２の上部を構成する貫通孔３２ｄ及び後述する背圧室３０に開口する複数個の横孔３２ｅが設けられている。なお、貫通孔３２ｄの上端開口はボール受座１９により閉塞されている。

推力伝達部材２３の小径下部２３ｃは、弁体２０の上部嵌合穴２０ｄに圧入等により嵌合固定されており、弁体２０と推力伝達部材２３は一体に昇降せしめられる。弁体２０の上端面と推力伝達部材２３の中間胴部２３ｂの下端段差部との間には、前記小径下部２３ｃ圧入時において押さえ部材２４が挟み込まれて固定されており、この押さえ部材２４と弁体２０の上端部に設けられた環状溝と前記弁体ガイド穴１４ｂとの間にはＯリング等のシール部材３８が装着されている。

また、筒状保持部材１４の隔壁１４ｃより上側のばね室１４ａには、圧縮コイルばねからなる開弁ばね２５がその下端を隔壁１４ｃに当接させた状態で配在されるとともに、この開弁ばね２５の付勢力（引き上げ力）を推力伝達部材２３を介して弁体２０に伝達すべく、上下に鍔状引っ掛け部２８ａ、２８ｂを有する引き上げばね受け体２８が配在されている。引き上げばね受け体２８の上引っ掛け部２８ａは、開弁ばね２５の上に乗せられ、下引っ掛け部２８ｂは推力伝達部材２３の大径上部２３ａの下端段差部を掛止するようになっている。

したがって、モータ５０（ロータ５７）が一方向に回転せしめられるときには、前記めねじ１５ｉとおねじ１７ｅによるねじ送りにより回転昇降軸１７が回転しながら例えば下降せしめられ、回転昇降軸１７の推力により、推力伝達部材２３及び弁体２０が開弁ばね２５の付勢力に抗して押し下げられ、最終的には弁体２０の弁体部２０ａが弁座締切部８ａに着座して弁口９が閉じられる。それに対し、モータ５０（ロータ５７）が他方向に回転せしめられるときには、前記めねじ１５ｉとおねじ１７ｅによるねじ送りにより回転昇降軸１７が回転しながら例えば上昇せしめられ、それに伴い推力伝達部材２３及び弁体２０が開弁ばね２５の付勢力によって引き上げられて、弁体部２０ａが弁座締切部８ａからリフトして弁口９を開く。

前記弁体２０の上方で押さえ部材２４と筒状保持部材１４の隔壁１４ｃとの間には、背圧室３０が画成されている。また、弁体２０内には、該弁体２０の先端部と背圧室３０とを連通させるべく、下から順に、下端が開口したスカート部３２ａ、太通路部３２ｂ、及び細通路部３２ｃを有する均圧通路３２が設けられている。前記細通路部３２ｃは、貫通孔３２ｄ及び横孔３２ｅを介して背圧室３０に連通している。ここでは、閉弁状態において弁体に作用する押し下げ力（閉弁方向に働く力）と弁体に作用する押し上げ力（開弁方向に働く力）とをバランス（差圧をキャンセル）させるべく、背圧室３０の室径と弁口９の口径とは略同一に設定されている。

そして、本第１実施例の電動弁１においては、弁口９の口径がＤｃ（例えば１０から１５ｍｍ程度）で、その開口面積（以下、弁口面積）がＳｃとされている。また、前記均圧通路３２の下端通路径ＤＸがＤ５で、その開口面積（以下、均圧通路開口面積）ＳＸはＳ５とされており、該均圧通路開口面積Ｓ５を前記弁口面積Ｓｃで除した値Ｓ５／Ｓｃは、０.７となっている（Ｓ５／Ｓｃが０.７となるように各部の寸法が設定されている）。

一方、図３に示される第２実施例の電動弁２においては、第１実施例と同様に、弁口９の口径がＤｃ（例えば１０から１５ｍｍ程度）で、その開口面積（以下、弁口面積）がＳｃとされているのに対し、前記均圧通路３２の下端通路径ＤＸがＤ５より大きいＤ６で、均圧通路開口面積ＳＸはＳ５より大きいＳ６とされており、該均圧通路開口面積Ｓ６を前記弁口面積Ｓｃで除した値Ｓ６／Ｓｃは、０.９となっている（Ｓ６／Ｓｃが０.９となるように各部の寸法が設定されている）。図３において、図１及び図２と同一の符号は、同一又は同等部分をあらわしている。

ここで、弁体２０に作用する荷重（上方向荷重、下方向荷重）と均圧通路開口面積ＳＸを前記弁口面積Ｓｃで除した値ＳＸ／Ｓｃとの関係をより細密に調べるべく、前記均圧通路開口面積ＳＸがＳ５、Ｓ６のもの以外に、均圧通路開口面積ＳＸがＳ５より小さいＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４（以上小さい順）と、Ｓ６より大きいＳ７のものを用意した。この場合、Ｓ１／Ｓｃ＝０.０５、Ｓ２／Ｓｃ＝０.１０、Ｓ３／Ｓｃ＝０.３０、Ｓ４／Ｓｃ＝０.５０、Ｓ５／Ｓｃ＝０.７０、Ｓ６／Ｓｃ＝０.９０、Ｓ７／Ｓｃ＝０.９５とされ、これら７種の電動弁について、第１流れ方向（第１入出口１１→第２入出口１２）と第２流れ方向（第２入出口１２→第１入出口１１）の両方について弁体２０に作用する荷重の変化を解析した結果を図４に示す。

図４おいて、横軸は、弁開口面積Ｋｘを弁口面積Ｓｃで除した値Ｋｘ／Ｓｃとなっている。また、縦軸は、弁体に作用する荷重を示し、正の値は弁体に上向きに作用する荷重を表し、負の値は弁体に下向きに作用する荷重を表している。

弁開口面積Ｋｘは、開弁状態を示す図２おいて符号Ｋｘで示される如くに、弁座８ａとシール面２０ａとを結ぶ円錐台状部の最小側面積（流体の通過面積）を示しており、弁体２０のリフト量が大きくなるほど増大する。

図４からは、第１流れ方向（第１入出口１１→第２入出口１２）時においては、均圧通路開口面積ＳＸ（Ｓ１〜Ｓ７）を弁口面積Ｓｃで除した値ＳＸ／Ｓｃが０．３０より小さくてかつ半開状態から全開状態に近い（Ｋｘ／Ｓｃが０．５を超えた）とき以外は、弁体に作用する荷重が０より大きくなり、弁体２０には上方向荷重が発生することがわかる。

それに対し、第２流れ方向（第２入出口１２→第１入出口１１）時には、均圧通路開口面積ＳＸ（Ｓ１〜Ｓ７）の大きさ如何に関わらず、弁体に作用する荷重が０より小さくなり、弁体２０には下方向荷重が発生する。この場合、特に、均圧通路開口面積ＳＸを弁口面積Ｓｃで除した値ＳＸ／Ｓｃが０.３０より小さいときは、Ｋｘ／Ｓｃが大きくなるにつれて弁体２０に許容できないほどの下方向荷重（４０［Ｎ］を越える力、図４において領域Ｅｚで示す）が作用し、これが開弁ばね２５のばね荷重をさほど小さくすることができない要因となっている。

この場合、均圧通路開口面積ＳＸを弁口面積Ｓｃで除した値ＳＸ／Ｓｃが大きいほど、弁体２０に作用する下方向荷重は小さくなり、ＳＸ／Ｓｃが０.５０以上（第１実施例の電動弁１では０.７０、第２実施例の電動弁２では０.９０）であれば、下方向荷重が４０［Ｎ］を越えることはなく、許容範囲内に抑えることができる。

このように、均圧通路開口面積ＳＸを弁口面積Ｓｃで除した値ＳＸ／Ｓｃが０.５０以上となるように各部の寸法を設定することにより、流体が第２流れ方向に流されるときにおいて、下方向荷重（閉弁方向に働く力）を許容範囲に抑えることができ、そのため、より小さなばね荷重の開弁ばねを使用でき、その結果、当該電動弁のさらなる小型化、大容量化、省電力化等を図ることができる。

なお、この種の電動弁においては、所要のシール性を得るため（接触圧を大きくするため）、弁体２０における弁座８ａに接離するシール面２０ａを、弁座８ａに対して実質的に線接触する円錐面、球面、楕円を長軸又は短軸に周りに回転させた楕球面で構成する必要があり、弁体として平型のものは採用できないので、均圧通路開口面積ＳＸを弁口面積Ｓｃで除した値ＳＸ／Ｓｃは最大でも０．９５程度となる。

また、本発明の電動弁は、ヒートポンプ式冷暖房システムに適用されるだけではなく、他のシステムにも適用できることは言うまでもない。

１、２ 電動弁
５ 弁本体
７ 弁室
８ 弁座部材
８ａ 弁座
９ 弁口
１１ 第１入出口
１２ 第２入出口
２０ 弁体
２０ａ シール面
２５ 開弁ばね
２８ 引き上げばね受け体
３０ 背圧室
３２ 均圧通路
５０ ステッピングモータ
５５ ステータ
５７ ロータ

Claims (2)

1. 弁室、該弁室に開口する横向きの第１入出口、前記弁室に開口する縦向きの弁座付き弁口、及び該弁口に連なる第２入出口を有する弁本体と、前記弁口を開閉すべく前記弁室に昇降可能に配在された弁体と、該弁体を昇降させるための電動モータを有する昇降駆動手段と、前記弁体を開弁方向に付勢する開弁ばねと、を備え、前記弁口の口径と前記弁体の上方に画成される背圧室の室径とが略同一に設定されるとともに、前記弁体内に、前記弁口と前記背圧室とを連通させるべく下端面が開口した均圧通路が設けられている電動弁であって、
   前記均圧通路の下端開口面積を前記弁口面積で除した値が０.５以上で１.０未満となるように各部の寸法が設定されていることを特徴とする電動弁。
2. 前記弁体における前記弁座に接離するシール面が、所要のシール性が得られるように、前記弁座に対して実質的に線接触する円錐面、球面、楕円を長軸又は短軸に周りに回転させた楕球面で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。

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