JP5995528B2

JP5995528B2 - 流量制御弁

Info

Publication number: JP5995528B2
Application number: JP2012122652A
Authority: JP
Inventors: 直樹日下
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2032-05-30
Also published as: JP2013249847A

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、詳細には弁ポートが大口径でモータ部の回転運動とねじ送り機構を利用して弁体を移動させ、さらに遊星歯車減速機構によりねじ送り機構のトルクを大きくするようにした流量制御弁に関する。

従来、流量制御弁は、弁体の全開位置と全閉位置を規制するためのストッパ機構が設けられている。例えば特開２００６−９７８９２号公報（特許文献１）に開示されたものは、モータ部のロータの回転とともに螺旋状のスライドガイドに沿って可動ストッパが上下に移動し、上端部及び下端部でストッパが働く構造となっている。

また、特開２０１２−７６８３号公報（特許文献２）に開示されたものは、ロータとロータガイドにストッパが付けられており、ロータがねじ送り作用により上下移動し、上端位置と下端位置でストッパ機能を果たすようにしたものである。

また、流量制御弁において、弁ポートが大口径の場合、流体による差圧が大きくなるのでより駆動力の強いモータ部（アクチュエータ）を必要とする。このため、例えば特開２００８−２７５１２０号公報（特許文献３）に開示されているように、遊星歯車減速機構によりロータのトルクを増幅させる技術がある。

特開２００６−９７８９２号公報特開２０１２−７６８３号公報特開２００８−２７５１２０号公報

特許文献３のように、遊星歯車減速機構を用いた場合、ロータの回転は遊星歯車により減速されるので、弁体を必要量移動させるためには、遊星歯車減速機構がない場合に比べて、ロータを減速比分だけ多く回転させなければならない。このため、特許文献１のようなストッパ機構を設けると、このロータの回転数に応じてスライドガイドが長くなってしまい、流量制御弁自体に非常に大きなスペースが必要となる。このように、特許文献３のように、遊星歯車減速機構を用いることでロータのトルクを増大させることができるが、ストッパ機構を設けるには工夫が必要であり、改良の余地を残している。なお、特許文献３にはストッパ機構に関する記載はない。

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、流量制御弁において遊星歯車減速機構を設けるとともに、簡単な構成のストッパ機構を設けることを課題とする。

請求項１の流量制御弁は、モータ部のロータ軸に固定された太陽歯車と、リング内歯車と、前記太陽歯車と前記リング内歯車とに噛合された遊星歯車と、出力軸とからなり、前記出力軸の回転速度を前記ロータ軸の回転速度より減速する遊星歯車減速機構と、雌ねじ部材と該雌ねじ部材に螺合された雄ねじ部材とからなり、雄ねじ部材と雌ねじ部材の一方部材が固定され、雄ねじ部材と雌ねじ部材の他方部材の回転により該他方部材を軸線方向に移動するねじ送り機構と、前記ねじ送り機構の前記他方部材に連結された弁体であって、前記遊星歯車減速機構と前記ねじ送り機構により軸線方向に移動して該弁体の総変位量の範囲で弁ポートの開度を制御する弁体とを備えた流量制御弁であって、前記ねじ送り機構の雄ねじ部材及び雌ねじ部材の駆動ねじピッチＰと、前記弁体の総変位量Ｑとの関係が、Ｐ＞Ｑとなるように設定され、前記遊星歯車減速機構の前記出力軸に固定された可動ストッパであって前記軸線と離間した平行線上に位置する可動ストッパと、前記弁ポートと固定関係にある固定ストッパであって前記可動ストッパの回転軌道上に位置する固定ストッパと、を備え、前記遊星歯車減速機構の前記出力軸と、前記ねじ送り機構の前記他方部材とが、前記軸線方向において相対的に変位可能となっていることを特徴とする。

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、前記ねじ送り機構が、前記弁ポートと固定関係にある雌ねじ部材と、前記遊星歯車減速機構の前記出力軸に連結された雄ねじ部材とからなり、該雄ねじ部材に前記弁体が連結され、該雄ねじ部材の回転により該雄ねじ部材を軸線方向に移動することを特徴とする。

請求項３の流量制御弁は、請求項１に記載の流量制御弁であって、前記ねじ送り機構が、前記弁ポートと固定関係にある雄ねじ部材と、前記遊星歯車減速機構の前記出力軸に連結された雌ねじ部材とからなり、該雌ねじ部材に前記弁体が連結され、該雌ねじ部材の回転により該雌ねじ部材を軸線方向に移動することを特徴とする。

請求項４の流量制御弁は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の流量制御弁であって、前記可動ストッパが、前記遊星歯車を前記出力軸に対して軸支する遊星歯車の自転軸に形成されていることを特徴とする。

請求項１の流量制御弁によれば、遊星歯車減速機構により、モータ部の駆動力を大きくしなくても、ねじ送り機構に大きなトルクを与えることができ、かつ、ねじ送り機構の駆動ねじピッチＰと弁体の総変位量ＱがＰ＞Ｑとなるよう設定されているので、遊星歯車減速機構の例えば遊星歯車の公転範囲内に固定ストッパを設けることができ、ストッパ機構を簡単に構成することができる。

請求項２の流量制御弁によれば、請求項１と同様な効果が得られる。

請求項３の流量制御弁によれば、請求項１と同様な効果が得られる。

請求項４の流量制御弁によれば、請求項１乃至３の効果に加えて、遊星歯車を支持する自転軸に可動ストッパが形成されているので、可動ストッパと固定ストッパにより、遊星歯車の公転運動を直接規制することができ、正確な位置で停止させることができる。

本発明の実施形態の流量制御弁の全閉状態の縦断面図及び一部平断面図である。本発明の実施形態の流量制御弁の全開状態の縦断面図及び一部平断面図である。本発明の実施形態の流量制御弁の遊星歯車減速機構の概略構成を示す要部平面図である。本発明の実施形態の流量制御弁の変形例を示す全閉状態の縦断面図及び一部平断面図である。

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。図１は実施形態の流量制御弁の全閉状態の縦断面図（(A) ）及び一部平断面図（(B) ）、図２は同流量制御弁の全開状態の縦断面図（(A) ）及び一部平断面図（(B) ）、図３は同流量制御弁の遊星歯車減速機構の概略構成を示す要部平面図である。なお、図１(A) 及び図２(A) では、要素の一部を外観側面図として図示してある。

この実施形態の流量制御弁は、円筒形状の弁ハウジング１を有している。弁ハウジング１内には、弁室２Ａが形成された弁体ガイド２が収容されており、弁室２Ａは弁ハウジング１の側面側に取り付けられた継手管１１に連通されている。また、弁体ガイド２には軸線Ｘを中心として弁室２Ａに連通する円筒形状の弁ポート２１が形成されており、この弁ポート２１は、弁ハウジング１の軸線Ｘ方向の片側端部に取り付けられた継手管１２に連通されている。さらに、弁体ガイド２の弁ポート２１と反対側には円筒形状のガイド孔２２が形成されており、このガイド孔２２内には弁体３が軸線Ｘ方向に摺動可能に挿通されている。そして、弁体３は後述のステッピングモータ６の駆動により軸線Ｘ方向に移動し、弁ポート２１の周囲の弁座部２１ａに対して離間／着座することにより、弁ポート２１を開閉する。また、弁体３はその軸線Ｘ方向の変位量に応じて図１の状態と図２の状態の間で弁ポート２１の弁開度を制御する。

弁ハウジング１内には、雌ねじ部材４１と雄ねじ部材４２を有するねじ送り機構４を備えている。雌ねじ部材４１は弁体ガイド２の上端に結合するように配設され、弁ハウジング１の上部開口に設けられた取付金具４ａによって弁ハウジング１に固定されている。雌ねじ部材４１の中央には、ねじ孔４１ａと軸受け孔４１ｂが形成されており、ねじ孔４１ａ内の内周には雌ねじ４１ｃが形成されている。雄ねじ部材４２は、その外周に形成された雄ねじ４２ａを雌ねじ４１ｃに螺合させてねじ孔４１ａ内に配設されている。雄ねじ部材４２の中央には、雄ねじ部材４２を上下に貫通するように雄ねじ軸４３が固着されている。雄ねじ軸４３の下端にはフランジ部４３ａが形成されており、このフランジ部４３ａが弁体３の中空孔３１内に嵌合されている。そして、中空孔３１内でフランジ部４３ａに当接されるばね受け３２とワッシャ３３との間にコイルばね３４が取り付けられている。これにより、弁体３が雄ねじ軸４３を介して雄ねじ部材４２に連結されている。

ねじ送り機構４の上部には遊星歯車減速機構５と「モータ部」としてのステッピングモータ６を備えている。遊星歯車減速機構５は、弁ハウジング１の上部に取り付けられた円筒形状の歯車ケース５１と、ステッピングモータ６のロータ軸６３に固定された太陽歯車５２と、歯車ケース５１内に配置された固定リング内歯車５３と、太陽歯車５２と固定リング内歯車５３とに噛合する３つの遊星歯車５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃと、遊星歯車５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃをそれぞれ支持する自転軸５５Ａ，５５Ｂ，５５Ｃと、固定リング内歯車５３と同心に配置された出力軸５６と、歯車ケース５１に固定された遊星歯車ガイド板５７と、歯車ケース５１の一箇所に固定された固定ストッパ５８とで構成されている。

出力軸５６は円盤部５６Ａと円筒状の軸部５６Ｂとを有しており、遊星歯車５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃを支持する自転軸５５Ａ，５５Ｂ，５５Ｃは、円盤部５６Ａと遊星歯車ガイド板５７のガイド溝５７ａとの間に架設されている。また、一つの自転軸５５Ａには遊星歯車ガイド板５７から長く突出した可動ストッパ５５Ａ１が形成されている。なお、ガイド溝５７ａは軸線Ｘ回りに円弧状に形成されており、出力軸５６の回転時に自転軸５５Ａ，５５Ｂ，５５Ｃが円弧状に案内される。また、出力軸５６の軸部５６Ｂは、前記雌ねじ部材４１の軸受け孔４１ｂ内に挿通されており、この軸部５６Ｂの中心には嵌合孔５６ａが形成されている。図１(B) に示すように、嵌合孔５６ａは対向する平行面を有しており、前記雄ねじ部材４２に固着された雄ねじ軸４３の上端部が、嵌合孔５６ａの平行面で挟持されるようにこの嵌合孔５６ａ内に嵌合されている。また、雄ねじ軸４３の端部は嵌合孔５６ａ内で軸線Ｘ方向に移動可能となっている。

可動ストッパ５５Ａ１は、出力軸５６と固定関係にあり、軸線Ｘから離間した平行線上に位置している。そして、固定ストッパ５８は、弁ポート２１と固定関係にあり、この固定ストッパ５８は可動ストッパ５５Ａ１の回転軌道上に位置している。

歯車ケース５１には、ステッピングモータ６のロータケース６１が溶接等によって気密に固定されている。ロータケース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、このマグネットロータ６２の中心にはロータ軸６３が固着されている。ロータケース６１の天井部にはばね受部材６４が取り付けられ、このばね受部材６４とマグネットロータ６２との間にはコイルばね６５が設けられている。これにより、マグネットロータ６２は下側に付勢されている。また、ロータケース６１の外周には、ステータコイル６６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６６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及びロータ軸６３を回転させる。

以上の構成により、図１の全閉状態では、遊星歯車減速機構４は図３(A) の状態にある。すなわち、遊星歯車５４Ａを支持する自転軸５５Ａの可動ストッパ５５Ａ１は固定ストッパ５８の一方側面に当接している。この状態からステッピングモータ６の駆動によりロータ軸６３と太陽歯車５２が回転すると、遊星歯車５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃは、太陽歯車５２によって回転駆動される。これにより、遊星歯車５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃは固定リング内歯車５３の内周を自転しつつ公転し、出力軸５６も回転する。そして、固定リング内歯車５３の歯数Ｃに比べて太陽歯車５２の歯数Ａが少ないことにより、出力軸５６の回転速度は減速され、ロータ軸６３の回転速度のＡ／（Ａ＋Ｃ）となる。

また、出力軸５６の回転により、雄ねじ軸４３と雄ねじ部材４２が回転し、雄ねじ部材４２と雌ねじ部材４１のねじ送り作用により、雄ねじ部材４２は雌ねじ部材４１に対して移動（上昇）する。そして、雄ねじ軸４３のフランジ部４３ａに係合する弁体３が上昇し、弁体３が弁座部２１ａから離間し、図２の状態に移行する。このとき、遊星歯車５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃの公転が進み、図３(B) に示すように、可動ストッパ５５Ａ１が固定ストッパ５８の他方側面に当接し、遊星歯車５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃの公転と出力軸５６の回転が停止する。

このように、遊星歯車５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃの公転範囲は、１回転より小さな範囲であり、この実施形態では略３００°の角度である。ここで、ねじ送り機構４の雄ねじ部４２と雌ねじ部４１の駆動ねじピッチは、出力軸５６及び雄ねじ部材４２が３６０°回転したと仮定した場合の雌ねじ部材４１に対する雄ねじ部材４２の変位量である。また、弁体３の総変位量は図１の位置から図２の位置までの変位量であり、図１の状態から雄ねじ部材４２が上昇し始めて雄ねじ軸４３のフランジ部４３ａが弁体３に係合するまでは、弁体３は上昇しない。すなわち、駆動ねじピッチをＰ、弁体３の総変位量をＱとすると、Ｐ＞Ｑとなるように設定されている。

以上のように、遊星歯車減速機構５により、ステッピングモータ６の駆動力を大きくしなくても、ねじ送り機構４に大きなトルクを与えることができる。また、ねじ送り機構４の駆動ねじピッチＰと弁体３の総変位量ＱをＰ＞Ｑとなるように設定しているので、遊星歯車減速機構５の遊星歯車５４Ａの公転範囲内に固定ストッパ５８を設けることができ、ストッパ機構を簡単に構成することができる。

以上の実施形態では、遊星歯車５４Ａの自転軸５５Ａに可動ストッパ５５Ａ１を設けるようにしているので、可動ストッパ５５Ａ１と固定ストッパ５８により、遊星歯車５４ａの公転運動を直接規制することができ、正確な位置で停止させることができる。しかし、ストッパ機構は出力軸５６の回転を規制できればよいので、例えば図４に示したようにしてもよい。この図４の例では、歯車ケース５１の内部下側の一箇所に固定ストッパ５９を設け、出力軸５６の円盤部５６Ａの外周一箇所に突出する可動ストッパ５６Ａ１を設けるようにする。この場合も、可動ストッパ５６Ａ１は、出力軸５６と固定関係にあり、軸線Ｘから離間した平行線上に位置している。また、固定ストッパ５９は、弁ポート２１と固定関係にあり、この固定ストッパ５９も可動ストッパ５６Ａ１の回転軌道上に位置している。なお、図４において、図１と同様な要素には図１と同符号を付記してある。

遊星歯車減速機構及びねじ送り機構は実施形態以外の構成でもよい。例えば遊星歯車減速機構のリング内歯車が回転可能な可動リング内歯車であり、この可動リング内歯車に出力軸が固定された構造でもよい。この場合、ロータ軸の回転運動は遊星歯車を介して可動リング内歯車に伝達され、この可動リング内歯車の回転（公転運動）が出力軸の回転運動となり、ねじ送り機構に伝達される。なお、ロータ軸の回転運動を出力軸に伝達する機構として、多段の遊星歯車機構を用いても良い。また、ねじ送り機構は、雄ねじ部材が固定され、弁体を連結した雌ねじ部材が雄ねじ部材に対して軸線Ｘ方向に移動する構成でも良い。

遊星歯車減速機構が遊星歯車の公転運動を出力軸から出力するようなＡ１構造と、リング内歯車の公転運動を出力軸から出力するようなＡ２構造とがあり、ねじ送り機構は雄ねじ部材が移動するＢ１構造と、雌ねじ部材が移動するＢ２構造とがある。そして、これらの組み合わせとすることができる。すなわち、遊星歯車減速機構がＡ１構造でねじ送り機構がＢ１構造のもの（実施形態、請求項２）、遊星歯車減速機構がＡ１構造でねじ送り機構がＢ２構造のもの（請求項３）、遊星歯車減速機構がＡ２構造でねじ送り機構がＢ１構造のもの、遊星歯車減速機構がＡ２構造でねじ送り機構がＢ２構造のもの（請求項３）がそれぞれ可能である。遊星歯車減速機構がＡ１構造の場合、可動ストッパ及び固定ストッパして実施形態のものを採用することができる。

１弁ハウジング
２弁体ガイド
２Ａ弁室
２１弁ポート
２１ａ弁座部
２２ガイド孔
３弁体
４ねじ送り機構
４１雌ねじ部材
４１ａねじ孔
４１ｂ軸受け孔
４１ｃ雌ねじ
４２雄ねじ部材
４２ａ雄ねじ
４３雄ねじ軸
４３ａフランジ部
５遊星歯車減速機構
５１歯車ケース
５２太陽歯車
５３固定リング内歯車（リング内歯車）
５４Ａ遊星歯車
５４Ｂ遊星歯車
５４Ｃ遊星歯車
５５Ａ自転軸
５５Ａ１可動ストッパ
５５Ｂ自転軸
５５Ｃ自転軸
５６出力軸
５６Ａ円盤部
５６Ｂ軸部
５６ａ嵌合孔
５７遊星歯車ガイド板
５７ａガイド溝
５８固定ストッパ
６ステッピングモータ（モータ部）
６１ロータケース
６２マグネットロータ
６３ロータ軸
６４ばね受部材
６５コイルばね
６６ステータコイル
Ｘ軸線

Claims

モータ部のロータ軸に固定された太陽歯車と、リング内歯車と、前記太陽歯車と前記リング内歯車とに噛合された遊星歯車と、出力軸とからなり、前記出力軸の回転速度を前記ロータ軸の回転速度より減速する遊星歯車減速機構と、
雌ねじ部材と該雌ねじ部材に螺合された雄ねじ部材とからなり、雄ねじ部材と雌ねじ部材の一方部材が固定され、雄ねじ部材と雌ねじ部材の他方部材の回転により該他方部材を軸線方向に移動するねじ送り機構と、
前記ねじ送り機構の前記他方部材に連結された弁体であって、前記遊星歯車減速機構と前記ねじ送り機構により軸線方向に移動して該弁体の総変位量の範囲で弁ポートの開度を制御する弁体とを備えた流量制御弁であって、
前記ねじ送り機構の雄ねじ部材及び雌ねじ部材の駆動ねじピッチＰと、前記弁体の総変位量Ｑとの関係が、Ｐ＞Ｑとなるように設定され、
前記遊星歯車減速機構の前記出力軸に固定された可動ストッパであって前記軸線と離間した平行線上に位置する可動ストッパと、前記弁ポートと固定関係にある固定ストッパであって前記可動ストッパの回転軌道上に位置する固定ストッパと、
を備え、
前記遊星歯車減速機構の前記出力軸と、前記ねじ送り機構の前記他方部材とが、前記軸線方向において相対的に変位可能となっている
ことを特徴とする流量制御弁。
前記ねじ送り機構が、前記弁ポートと固定関係にある雌ねじ部材と、前記遊星歯車減速機構の前記出力軸に連結された雄ねじ部材とからなり、該雄ねじ部材に前記弁体が連結され、該雄ねじ部材の回転により該雄ねじ部材を軸線方向に移動することを特徴とする請求項１に記載の流量制御弁。
前記ねじ送り機構が、前記弁ポートと固定関係にある雄ねじ部材と、前記遊星歯車減速機構の前記出力軸に連結された雌ねじ部材とからなり、該雌ねじ部材に前記弁体が連結され、該雌ねじ部材の回転により該雌ねじ部材を軸線方向に移動することを特徴とする請求項１に記載の流量制御弁。
前記可動ストッパが、前記遊星歯車を前記出力軸に対して軸支する遊星歯車の自転軸に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の流量制御弁。