JP5921821B2 - 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組み込まれて使用される電動弁に係り、特に、正流れ時（小流量流通時）は流量を高精度に制御し得、逆流れ時（大流量流通時）には圧力損失を可及的に低減できるようにした電動弁に関する。

図８にヒートポンプ式冷暖房システムの一例を示す。この冷暖房システム１００は、圧縮機１０１、流路切換器１０２、室外熱交換器（凝縮器）１０３、室内熱交換器（蒸発器）１０４の他、省エネ効率等を向上させるため、通常は１つでよい膨張弁を二つを備えている（ディストリビュータ等は図示省略）。すなわち、室外熱交換器１０３の近くに第１膨張弁１０５が配置され、室内熱交換器１０４の近くに第２膨張弁１０６配置されている。膨張弁１０５、１０６としては感温式（機械式）のものが用いられている。また、圧力損失を可及的に低減するため、これらの第１及び第２膨張弁１０５、１０６に並列に第１及び第２逆止弁１０８、１０９が配置されている。

この冷暖房システム１００においては、冷房時には、圧縮機１０１で圧縮された冷媒ガスは、図の実線矢印で示される如くに、例えば四方弁等からなる流路切換器１０２から室外熱交換器１０３に導入され、ここで外気と熱交換して凝縮し、この凝縮した冷媒が第１逆止弁１０８を通って（第１膨張弁１０５をバイパスして）、第２膨張弁１０６に流入し、ここで断熱膨張した後、蒸発器１０４に流入し、蒸発器１０４にて室内空気と熱交換して蒸発し、室内を冷房する。

それに対し、暖房時には、圧縮機１０１で圧縮された冷媒ガスは、図の破線矢印で示される如くに、流路切換器１０２から室内熱交換器１０４に導入され、ここで室内空気と熱交換して凝縮し、室内を暖房した後、第２逆止弁１０９を通って（第２膨張弁１０６をバイパスして）、第１膨張弁１０５に流入し、ここで減圧された後、ディストリビュータを介して室外熱交換器１０３に導入され、ここで蒸発して圧縮機１０１に戻る。

このように、冷暖房システム１００では、正流れ時（冷房時）は、冷媒を第１膨張弁１０５を通さずに第１逆止弁１０８を通じて第２膨張弁１０６に導き、この第２膨張弁１０６で流量を調整し、逆流れ時（暖房時）は、冷媒を第２膨張弁１０６を通さずに第２逆止弁１０９を通じて第１膨張弁１０５に導き、この第１膨張弁１０５で流量を調整するようにされており、逆止弁１０８、１０９を膨張弁１０５、１０６に並列に組み込むことにより、圧力損失を可及的に低減するようにしている。

ところで、近年、上記した如くの冷暖房システム１００においては、省エネ効率等を一層向上させるべく、上記感温式（機械式）の膨張弁１０５、１０６に代えて、リフト量、すなわち、弁口の実効開口面積を任意に制御可能な電子制御式電動弁を用いることが検討されている。

以下、電子制御式電動弁の一例を図９を参照しながら説明する。図示例の電動弁１０’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が接離する弁口２３が形成された弁座２２が設けられるとともに、導管（継手）からなる第１入出口１１及び第２入出口１２が接続された弁室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５０Ａと、前記ロータ３０と前記弁体２４との間に配在され、前記ロータ３０の回転を利用して前記弁体２４を前記弁口２３に接離させるねじ送り機構とを備え、前記弁口２３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ようになっている。

前記ステータ５０Ａ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５０Ａ等でステッピングモータ５０が構成され、該ステッピングモータ５０やねじ送り機構等で前記弁口２３に対する前記弁体２４のリフト量を調整するための昇降駆動機構が構成される。

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。

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。

前記ガイドブッシュ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が弁口２３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（漏れ防止）、及び、弁体２４が弁口２３に衝接した際の衝撃を緩和するために配備されている。

このような構成とされた電動弁１０’にあっては、ステータコイル５３，５３に第１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が弁口２３に押し付けられて弁口２３が閉じられる（全閉状態）。

弁口２３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２３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が弁口２３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が弁口２３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が弁口２３から離れて弁口２３が開かれ、冷媒が弁口２３を通過する。この場合、ロータ３０の回転量により弁体２４のリフト量、言い換えれば、弁口２３の実効開口面積を任意に細かく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、冷媒流量を高精度に制御することができる（詳細は、特許文献１、２等を参照）。

ところが、前記冷暖房システム１００に上記した如くの電動弁１０’を採用した場合においても、次のような改善すべき課題がある。すなわち、前記冷暖房システム１００では、正流れ時（冷房時）は、冷媒を第１膨張弁１０５を通さずに第１逆止弁１０８を通じて第２膨張弁１０６に導き、この第２膨張弁１０６で流量を調整し、逆流れ時（暖房時）は、冷媒を第２膨張弁１０６を通さずに第２逆止弁１０９を通じて第１膨張弁１０５に導き、この第１膨張弁１０５で流量を調整するようにされている関係上、逆止弁１０８、１０９を膨張弁１０５、１０６に並列に組み込むことが不可欠であるが、逆止弁二つを冷媒回路に組み込むことは、その分、継手類などの部品の点数が増大するとともに、配管接続作業にも余計に手間と時間がかかる。

そこで、特許文献２には、前記した膨張弁と逆止弁の両機能を併せ持つ電動弁、すなわち、冷媒が一方向に流されるとき（正流れ時＝小流量流通時）は、流量制御を行なうべくリフト量（実効開口面積）を所定値以下の特定範囲で細かく制御するようにし、冷媒が他方向に流されるとき（逆流れ時＝大流量流通時）は、圧力損失を可及的に低減すべくリフト量（実効開口面積）を最大にするようにしたものが提案されている。

しかしながら、かかる提案の電動弁においては、大流量流通時における圧力損失を低減すべく、弁口の口径を大きくすると、小流量流通時において流量制御を高精度に行なえなくなってしまうという問題がある。

そこで、本発明の発明者等は、大流量流通時における圧力損失の低減と小流量流通時の流量制御精度の向上の両立を図るべく、特許文献３に所載のように、ニードル型の主弁体を有する弁軸と、前記主弁体により開閉される主弁口（オリフィス）が形成された弁座を有する弁本体と、前記主弁口の実効開口面積（主弁体部のリフト量）を調整するための昇降駆動手段としてのモータとを備え、小流量流通時には、流量制御を高精度に行なうべく、流体を前記主弁体と主弁口との間からのみ流し、大流量流通時には、圧力損失を可及的に低減すべく、流体の全部ないし大半を前記主弁口を介することなく流すように構成された電動弁を提案している。

この電動弁は、より詳細には、前記主弁口をバイパスする大流量用流路が形成されるとともに、該大流量用流路を小流量流通時（正流れ時）には閉じ、大流量流通時（逆流れ時）には開く逆止弁体が前記主弁座を挟んで前記主弁体部とは反対側に配備された逆止弁付きの電動弁となっている（特許文献３の図１、図２に示される第１実施例）。

特開２００１-５０４１５号公報 特開２００９-１４０５６号公報 特開２０１０-２４９２４６号公報

上記提案の逆止弁付き電動弁では、小流量流通時には、ニードル型の主弁体部のみで流量制御を行い、大流量流通時には逆止弁体が大流量用流路（バイパス流路）を自動的に開くようにされているので、小流量流通時の流量制御精度の向上と大流量流通時における圧力損失の低減の両立を図ることができるが、逆止弁体が主弁座を挟んで主弁体部とは反対側（反弁室側）に配備されているため、弁本体の大型化、弁座等の内部構造の複雑化、加工組み立てコストの増大等を招きやすく、費用対効果が課題となっている。

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、弁本体の大型化、弁座等の内部構造の複雑化、加工組み立てコストの増大等を招くことなく、小流量流通時には流量を高精度に制御し得、大流量流通時には可及的に圧力損失が生じないように流体を流すことのできる費用対効果に優れた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、第１入出口、弁室、及び第２入出口が設けられた弁本体と、主弁口が形成され、前記弁本体における前記弁室と第２入出口との間に設けられた弁座と、前記弁室から前記主弁口を介して前記第２入出口へ流れる流量を調整すべく前記弁室内に配在されたニードル型の弁体部を有する弁軸と、該弁軸を昇降させるためのモータと、逆止弁体と、を備え、前記弁本体内に、前記主弁口をバイパスする大流量用流路が形成され、前記逆止弁体は、前記弁軸に外嵌するとともに前記弁室内に摺動自在に内嵌されてフロート型をなし、前記大流量用流路を正流れ時には閉じ、逆流れ時には開くことを特徴としている。

前記大流量用流路は、好ましくは、前記弁座における前記主弁口の外周側に形成された複数個の逆止弁口を含んで構成される。

前記逆止弁体は、好ましくは、上段大径部と下段小径部とを有する段付き筒状とされ、前記上段大径部と前記弁室の天井部との間に、前記逆止弁体に形成された流路を介して前記弁室に連通する背圧室が画成される。

前記逆止弁体は、好ましくは、その下端面で前記複数個の逆止弁口を同時に開閉するようにされる。

前記逆止弁体に、好ましくは、前記弁軸が挿通せしめられる縦貫孔と該縦貫孔と前記弁室とを連通する連通孔とが設けられる。

他の好ましい態様では、前記逆止弁体により前記大流量用流路が閉じられている正流れ時には、前記第１入出口から前記弁室に導入された流体は前記逆止弁体内に形成された流路を介して前記主弁口に導かれるようにされる。

前記逆止弁体は、好ましくは、プラスチック製もしくはアルミニウム等の軽量金属製とされる。

他の好ましい態様では、前記逆止弁体を常時閉方向に付勢するばね部材が配備される。

本発明に係る電動弁では、主弁口をバイパスする大流量用流路が形成されるとともに、該大流量用流路を正流れ時には閉じ、逆流れ時には開くフロート型の逆止弁体が弁室に配備されるので、弁本体の大型化、弁座等の内部構造の複雑化、加工組み立てコストの増大等を招くことがなく、小流量流通時には流量を高精度に制御し得、大流量流通時には可及的に圧力損失が生じないように流体を流すことができ、費用対効果に優れるものとなる。

本発明に係る電動弁の第１実施例の構成並びに正流れ時の動作説明に供される主要部縦断面図。 本発明に係る電動弁の第１実施例の構成並びに逆流れ時の動作説明に供される主要部縦断面図。 （Ａ）は図１のＡ-Ａ矢視線に従う断面図、（Ｂ）は図１のＢ-Ｂ矢視線に従う断面図。 本発明に係る電動弁の第２実施例の構成並びに正流れ時の動作説明に供される主要部縦断面図。 本発明に係る電動弁の第２実施例の構成並びに逆流れ時の動作説明に供される主要部縦断面図。 （Ａ）は図４のＡ-Ａ矢視線に従う断面図、（Ｂ）は図４のＢ-Ｂ矢視線に従う断面図。 本発明に係る電動弁の第３実施例の構成並びに動作説明に供される主要部縦断面図。 従来のヒートポンプ式冷暖房システムの一例を示す図。 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２は、本発明に係る電動弁の一実施形態（第１実施例）の主要部縦断面図であり、図１は正流れ時（小流量流通時）、図２は逆流れ時（大流量流通時）を示している。図示実施例の電動弁１０Ａのステッピングモータ５０等の基本構成は、前述した図９に示される従来例の電動弁１０’と略同じであるので、ここでは、図９に示される従来例の電動弁１０’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、以下は、主要部（特徴部分）を重点的に説明する。

図示第１実施例の電動弁１０Ａは、基本的には、第１入出口１１、弁室２１、及び第２入出口１２が設けられた弁本体２０と、主弁口２３が形成され、弁本体２０における弁室２１と第２入出口１２との間に設けられた弁座２２と、弁室２１から主弁口２３を介して第２流出口１２へ流れる流量を調整すべく弁室２１内に配在されたニードル型の弁体部としての主弁体２４を有する弁軸２５と、該弁軸２５を昇降させるためのモータ５０と、逆止弁体７５と、を備えている。

より詳細には、前記弁本体２０の下部には、主弁口２３がその中央に形成された厚肉円板状の弁座２２が配設され、弁本体２０（の基体部２０Ａ）の下端開口部には蓋状底部材２０Ｃが螺合せしめられている。蓋状底部材２０Ｃは、その上端面に突設された環状突起２０ｅが弁座２２に突き刺さるまで押し込まれており、その内周側が気密的に封止されている。この蓋状底部材２０Ｃに挿通口１２ａを介して導管継手からなる第２入出口１２が接合されている。

そして、本実施例の電動弁１０Ａでは、図３（Ｂ）を参照すればよくわかるように、弁座２２における主弁口２３の外周側の同一円周上に当角度間隔（６０度間隔）で６個の逆止弁口７２が形成されている。この６個の逆止弁口７２を含んで、前記主弁口２３をバイパスする大流量用流路７０（図２参照）が構成されるとともに、該大流量用流路７０を正流れ時には閉じ、逆流れ時には開くフロート型の逆止弁体７５が前記弁室２１に配備されている。

この逆止弁体７５は、プラスチックもしくはアルミニウム等の軽量金属を素材として作製されたもので、上段大径部７５ａと下段小径部７５ｂとを有する段付き円筒状とされ、上段大径部７５ａの外周面が弁室２１（の内壁面）に摺動自在に内嵌され、その下段小径部７５ｂの下端面で前記６個の逆止弁口７２を同時に開閉するようになっている。

逆止弁体７５には、図３（Ａ）を参照すればよくわかるように、弁軸２５が緩く挿通せしめられる縦貫孔７５ｃが形成されるとともに、該縦貫孔７５ｃと弁室２１とを連通するように、平面視十字状に４本の連通孔７５ｄとが形成されている。

また、逆止弁体７５の上端面と弁室２１の天井部２１ｄとの間に、前記縦貫孔７５ｃと４本の連通孔７５ｄを介して弁室２１に連通する背圧室７３が画成されている。

このような構成とされた本実施例の電動弁１０Ａにおいては、図１に示される如くの小流量流通時（第１入出口１１より冷媒（流体）が流入する正流れ時）には、弁室２１の圧力が第２入出口１２の圧力より大きいので、逆止弁体７５が押し下げられて、その下端面により６個の逆止弁口７２（大流量用通路７０）が閉じられ、第１入出口１１から弁室２１に導入された冷媒（流体）は、前記逆止弁体７５内の連通孔７５ｄと縦貫孔７５ｃとからなる流路を介して主弁口２３に導かれ、この主弁口２３と主弁体２４との間に形成される隙間を介して第２入出口１２に流出する。

一方、図２に示される如くの大流量流通時（第２入出口１２より冷媒（流体）が流入する逆流れ時）には、弁室２１の圧力が第２入出口１２の圧力より小さいので、逆止弁体７５が押し上げられて、前記６個の逆止弁口７２（大流量用通路７０）が開かれ、第２入出口１２からの冷媒（流体）は、６個の逆止弁口７２→弁室２１→第１入出口１１へと流れる。このとき、逆止弁体７５は弁軸２５の昇降位置に制限されることなく押し上げられるため、可及的に圧力損失が生じないように冷媒を流すことが出来る。

このように本実施例の電動弁１０Ａは、主弁口２３をバイパスする大流量用流路７０が形成されるとともに、該大流量用流路７０を正流れ時には閉じ、逆流れ時には開くフロート型の逆止弁体７５が弁室２１に配備されているので、弁本体の大型化、弁座等の内部構造の複雑化、加工組み立てコストの増大等を招くことがなく、小流量流通時には流量を高精度に制御し得、大流量流通時には可及的に圧力損失が生じないように流体を流すことができ、費用対効果に優れるものとなる。

図４、図５、図６は、第２実施例の電動弁１０Ｂを示している。図４〜図６において、図１〜図３と同一の符号は、同一又は同等部分を示している。この電動弁１０Ｂでは、コスト削減を図るべく、弁本体２０の基体部２０Ａが金属板を素材とするプレス加工品とされ、第１実施例の電動弁１０Ａでは存在した蓋状底部材２０Ｃが無くされ、その代わりに、主弁口２３及び逆止弁口７２が形成された、第１実施例のものより厚みのある円柱状の弁座２２’が備えられている。弁座２２’は、第１入出口１１の挿入端を係止する係止部材の役目も果たす。

図７は、第３実施例の電動弁１０Ｃを示し、ている。図７において、図１〜図６と同一の符号は、同一又は同等部分を示している。この電動弁１０Ｃでは、第１実施例の電動弁１０Ａに、逆止弁体７５を常時閉方向（下方）に付勢するばね部材（圧縮コイルばね７７）を配備したものである。すなわち、圧縮コイルばね７７は、その上部側が径大に形成された縦貫孔７５ｃの段丘部と天井部２１ｄとの間に配置されている。このようにばね部材を配備することにより、逆流れ時において、逆止弁体７５が逆止弁口７２を開く圧力を任意に設定することができる。

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 電動弁
１１ 第１入出口
１２ 第２入出口
２０ 弁本体
２１ 弁室
２２ 弁座
２３ 主弁口
２４ 主弁体（弁体部）
２５ 弁軸
５０ モータ
７０ 大流量用流路
７２ 逆止弁口
７３ 背圧室
７５ 逆止弁体
７５ａ 上段大径部
７５ｂ 下段小径部
７５ｃ 縦貫孔
７５ｄ 連通孔

Claims (8)

1. 第１入出口、弁室、及び第２入出口が設けられた弁本体と、主弁口が形成され、前記弁本体における前記弁室と第２入出口との間に設けられた弁座と、前記弁室から前記主弁口を介して前記第２入出口へ流れる流量を調整すべく前記弁室内に配在されたニードル型の弁体部を有する弁軸と、該弁軸を昇降させるためのモータと、逆止弁体と、を備え、
   前記弁本体内に、前記主弁口をバイパスする大流量用流路が形成され、
   前記逆止弁体は、前記弁軸に外嵌するとともに前記弁室内に摺動自在に内嵌されてフロート型をなし、前記大流量用流路を正流れ時には閉じ、逆流れ時には開くことを特徴とする電動弁。
2. 前記大流量用流路は、前記弁座における前記主弁口の外周側に形成された複数個の逆止弁口を含ん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。
3. 前記逆止弁体は、上段大径部と下段小径部とを有する段付き筒状とされ、前記上段大径部と前記弁室の天井部との間に、前記逆止弁体に形成された流路を介して前記弁室に連通する背圧室が画成されていることを特徴する請求項１又は２に記載の電動弁。
4. 前記逆止弁体は、その下端面で前記複数個の逆止弁口を同時に開閉するようにされていることを特徴とする請求項２に記載の電動弁。
5. 前記逆止弁体に、前記弁軸が挿通せしめられる縦貫孔と該縦貫孔と前記弁室とを連通する連通孔とが設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電動弁。
6. 前記逆止弁体により前記大流量用流路が閉じられている正流れ時には、前記第１入出口から前記弁室に導入された流体は前記逆止弁体内に形成された流路を介して前記主弁口に導かれるようにされていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電動弁。
7. 前記逆止弁体は、プラスチック製もしくはアルミニウム等の軽量金属製であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電動弁。
8. 前記逆止弁体を常時閉方向に付勢するばね部材が配備されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電動弁。

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