JP6194403B2 - 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６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が配置されている。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、室内熱交換器１０４に流入し、室内熱交換器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７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２３Ａ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１５と、この弁本体１５に環状連結具４４を介してその下端部が溶接により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（後述）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１５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１５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（弁座２３Ａ）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１５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。

一方、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、第１入出口、弁室、下部室、及び第２入出口が設けられた弁本体と、前記弁室内に配在され、前記第１入出口から第２入出口へ向かう小流量用流路を形成するための主弁口が形成されるとともに、前記第２入出口から第１入出口へ向かう大流量用流路を開通・遮断するためのフロート型の逆止弁体としても機能する可動弁座体と、前記主弁口を通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、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、前記可動弁座体により前記大流量用流路を閉じて、流体を前記弁体部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、前記可動弁座体（逆止弁体）を浮上させて前記大流量用流路を開くように構成された双方向流通型の電動弁が提案されている。

特開２００１-５０４１５号公報 特開２００９-１４０５６号公報 特開２００９-２８７９１３号公報

しかしながら、上記特許文献３に所載の電動弁では、小流量流通時には、ニードル型の弁体部のみで流量制御を行い、大流量流通時には可動弁座体（逆止弁体）が大流量用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、可動弁座体（逆止弁体）が弁軸が配在された弁室に配備され、可動弁座体は弁室の内周壁面を摺動案内面として昇降するようにされているので、可動弁座体が大きなものとなる嫌いがあるとともに、弁室に可動弁座体を昇降させるための比較的大きなスペースが必要となり、その結果、弁本体の大型化、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。

また、この電動弁では、小流量流通時においてニードルによる流量特性に影響を与えない程度の大きさの連通孔を、可動弁座体の側面に設けなければならない。

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、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。また構成が簡単であり、流通方向の変更を速やかに安定して行うことができ、動作状態が安定して信頼性を向上させ得る電動弁を提供することにある。

前記目的を達成すべく、本発明に係る電動弁は、基本的には、第１入出口、該第１入出口が開口する弁室、該弁室に連なる下部室、及び前記下部室に連なる第２入出口が設けられた弁本体と、前記弁室と下部室との間に配在され、前記第１入出口から第２入出口へ向かう小流量用流路を形成するための主弁口が形成された可動弁座体と、前記主弁口を通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、を備え、前記可動弁座体は、その下部が前記下部室に摺動自在に嵌挿され、前記第２入出口から第１入出口へ向かう大流量用流路を開通・遮断するためのフロート型の逆止弁体としても機能するようにされ、前記可動弁座体は、前記大流量用流路を開通・遮断すべく、前記下部室における前記弁室側の開口端縁部にその外周部が接離する弁座板部を有し、該弁座板部は前記弁室内に配置されていることを特徴としている。

前記弁座板部は、好ましくは、前記弁本体の上部開口の内径よりも小さい外径に形成されたものである。

本発明に係る電動弁では、フロート型の逆止弁体としても機能する可動弁座体は、大流量用流路を閉じているとき、その大半（嵌挿部）が下部室に摺動自在に嵌挿されており、大流量用流路を開くとき、弁室側に浮上するようにされるので、従来のように可動弁座体の全体が弁室２１に配在される場合に比して、構成の簡素化を図ることができる上、最大流通量を減らすことなく、可動弁座体を小さくすることができるとともに、弁室内に可動弁座体の弁座板部を配置するため、可動弁座体を昇降させるための大きなスペースは不要となる。

そのため、弁本体の小型化、部品コスト、加工組み立てコストの削減等を効果的に図ることができる。また、弁座板部は、弁本体の上部開口の内径よりも小さい外径に形成することで、弁本体内への可動弁座体の組込みを容易に行うことができ、組立性を向上できる。

本発明に係る電動弁の一実施例の主要部の非流通時（全閉時）の状態を示す部分切欠断面図。 本発明に係る電動弁の一実施例の主要部の正流れ時（小流量用流通時）の状態を示す部分切欠断面図。 本発明に係る電動弁の一実施例の主要部の逆流れ時（大流量用流通時）の状態を示す部分切欠断面図。 図１から図３に示される電動弁に使用された可動弁座体の一例を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は側面図、（Ｄ）は底面図。 図１から図３に示される電動弁に使用される可動弁座体の他の例を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は側面図、（Ｄ）は底面図。 従来のヒートポンプ式冷暖房システムの一例を示す構成図。 従来の電動弁の一例を示す縦断面図。

以下、本発明に係る電動弁の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１、図２、図３は、本発明に係る電動弁の一実施例の主要部の部分切欠断面図であり、図１は非流通時（全閉時）、図２は正流れ時（小流量流通時）、図３は逆流れ時（大流量流通時）を示している。なお、本実施例では、流体（冷媒）の流れ方向が第１入出口１１→第２入出口１２の場合を正流れ（図２）、第２入出口１２→第１入出口１１の場合を逆流れ（図３）と称す。

また、図示実施例の電動弁１０のステッピングモータ５０、弁軸２５等の基本構成は、前述した図７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７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。

本実施例の弁本体１５には、正流れ方向で見て、順次、第１入出口１１、この第１入出口が開口する弁室２１、この弁室２１に連なる円筒状の下部室２２、及び下部室２２に連なる第２入出口１２が設けられている。

より詳細には、弁本体１５の上部には、ガイドブッシュ２６の下部大径部２６ａが圧入固定される上面開口穴４２を有する蓋状部材１８が被着嵌合せしめられて溶接により接合されている。蓋状部材の下部には弁軸２５が摺動自在に嵌合される案内孔１９が設けられている。

弁室２１と下部室２２との間には、可動弁座体７０が配在されている。可動弁座体７０には、第１入出口１１から第２入出口１２へ向かう小流量用流路を形成するための主弁口２３が形成されている。

また、可動弁座体７０は、その下部が前記下部室２２に摺動自在に嵌挿され、前記第２入出口１２から第１入出口１１へ向かう大流量用流路を開通・遮断するためのフロート型の逆止弁体としても機能するようにされている。

より詳細には、可動弁座体７０は、図１から図３に加えて、図４を参照すればよくわかるように、弁座板部７２とこれに連なる円筒状の嵌挿部７５とからなっている。弁座板部７２は、大流量用流路を開通・遮断すべく、下部室２２における弁室２１側の開口端縁部２２ａ（これが逆止弁口の弁座に相当する）にその外周部下面側に形成された逆円錐面部からなる逆止弁体部７３が接離するようにされている。嵌挿部７５は、弁座板部７２における逆止弁体部７３の下端付近から立ち下がって下部室２２に摺動自在に嵌挿されている。そして、可動弁座体７０の弁座板部７２は弁室２１内に配置され、弁座板部７２の直径は、弁本体１５の上部開口よりも小さい外径に形成されている。弁本体１５の上部開口は、図１等に示されるように、ステッピングモータ５０の下方に突出するガイドブッシュ２６及び蓋状部材１８で閉じられている。

可動弁座体７０の弁座板部７２中央には、弁棒２５の下端部に設けられたニードル型の弁体部２４により開閉される主弁口２３が形成されるとともに、可動弁座体７０の嵌挿部７５における上部には、大流量用流路を形成すべく４個の円形の透孔７６が等角度（９０度）間隔で形成されている。

ここで、本実施例においては、大流量用流路は、前記下部室２２、可動弁座体７０の嵌挿部７５に形成された４個の透孔７６、及び弁室２１で構成されている。

このような構成とされた本実施例の電動弁１０においては、図２に示される如くの小流量流通時（正流れ時）には、弁室２１の圧力が下部室２２の圧力より大きいので、可動弁座体７０の逆止弁体部７３が下部室２２における弁室２１側の開口端縁部２２ａ（逆止弁口）に押し付けられ、これによって大流量用流路が閉じられ、第１入出口１１から弁室２１に導入された冷媒（流体）は、主弁口２３と弁体部２４との間に形成される隙間を介して下部室２２→第２入出口１２に流出する。

一方、図３に示される如くの大流量流通時（逆流れ時）には、弁軸２５が例えば最大リフト位置まで上昇せしめられる。この場合、弁室２１の圧力は下部室２２の圧力より小さいので、流体（冷媒）圧力により可動弁座体７０が蓋状部材１８の下端に接当するまで押し上げられる。これにより、可動弁座体７０の逆止弁体部７３が下部室２２における弁室２１側の開口端縁部２２ａ（逆止弁口）から離れるとともに、４個の透孔７６が弁室２１内へ移動して開口せしめられ、第２入出口１２からの冷媒（流体）は、大流量用流路を構成する下部室２２→可動弁座体７０の嵌挿部７５に形成された４個の透孔７６→弁室２１を通って第１入出口１１へと流れる。

このように本実施例の電動弁１０は、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、流通方向の変更を速やかに安定して行うことができ、動作状態が安定して信頼性を向上させ得る。

上記に加えて、フロート型の逆止弁体としても機能する可動弁座体７０は、大流量用流路を閉じているとき、その大半（嵌挿部７５）が下部室２２に摺動自在に嵌挿されており、大流量用流路を開くとき、弁室２１側に浮上するようにされるので、従来のように可動弁座体の全体が弁室２１に配在される場合に比して、構成の簡素化を図ることができる上、最大流通量を減らすことなく、可動弁座体を小さくすることができるとともに、弁室に可動弁座体を昇降させるための大きなスペースは不要となる。

そのため、弁本体の小型化、部品コスト、加工組み立てコストの削減等を効果的に図ることができる。また、可動弁座体７０の弁座板部７２は、弁本体１５の上部開口の内径よりも小さい外径に形成されているため、上部開口より挿入することができ、組立性の向上と構成の簡略化を達成できる。

なお、可動弁座体７０は、材料として、ステンレスや真鍮等の金属で作製されることができる。また可動弁座体７０は、プラスチック、アルミニウム等の軽量金属、セラミック、及びゴム等のうちの一つもしくは複数を用いて（例えば硬質プラスチック等で可動弁座体を形成し、その表面に弾力性を持つゴムを被覆するなどして）比較的軽量に作製することも可能である。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は、前記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行なうことができるものである。

例えば、上記実施例においては、可動弁座体７０の嵌挿部７５における上部に大流量用流路を形成すべく４個の円形の透孔７６が等角度（９０度）間隔で形成されているが、図５に示される如くに、前記透孔７６に代えて、嵌挿部７５に下側が開口する半レーストラック形の切欠７７を形成するようにしてもよい。透孔７６や切欠７７の個数や形状は適宜変更することができる。また、透孔７６や切欠７７に代えて縦溝等を形成するようにしてもよい。すなわち、嵌挿部７５には、可動弁座体７０が上昇したときに下部室２２と弁室２１とを連通する連通路が設けられれば良く、この連通路の形状は上記の透孔７６、切欠７７、縦溝等に限定されず、またその個数もいくつであっても良い。

また、本発明に係る電動弁は、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。

１０ 電動弁
１１ 第１入出口
１２ 第２入出口
１５ 弁本体
２１ 弁室
２２ 下部室
２２ａ 開口端縁部
２３ 主弁口
２４ 弁体部
２５ 弁軸
５０ モータ
７０ 可動弁座体
７２ 弁座板部
７３ 逆止弁体部
７５ 嵌挿部
７６ 透孔（連通路）
７７ 切欠（連通路）

Claims (2)

1. 第１入出口、該第１入出口が開口する弁室、該弁室に連なる下部室、及び前記下部室に連なる第２入出口が設けられた弁本体と、前記弁室と下部室との間に配在され、前記第１入出口から第２入出口へ向かう小流量用流路を形成するための主弁口が形成された可動弁座体と、前記主弁口を通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、を備え、
   前記可動弁座体は、その下部が前記下部室に摺動自在に嵌挿され、前記第２入出口から第１入出口へ向かう大流量用流路を開通・遮断するためのフロート型の逆止弁体としても機能するようにされ、
   前記可動弁座体は、前記大流量用流路を開通・遮断すべく、前記下部室における前記弁室側の開口端縁部にその外周部が接離する弁座板部を有し、該弁座板部は前記弁室内に配置されていることを特徴とする電動弁。
2. 前記弁座板部は、前記弁本体の上部開口の内径よりも小さい外径に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の電動弁。

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