JP6359593B2

JP6359593B2 - 電動弁

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Publication number: JP6359593B2
Application number: JP2016117840A
Authority: JP
Inventors: 大樹中川; 宏樹傳田
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2016-06-14
Filing date: 2016-06-14
Publication date: 2018-07-18
Anticipated expiration: 2036-06-14
Also published as: CN109219716A; CN113494619A; CN109219716B; CN113494619B; WO2017217114A1; JP2017223263A

Description

本発明は、冷凍サイクルなどに使用される電動弁に関する。

従来、パッケージエアコン、ルームエアコン、冷凍機などに用いられる電動弁が知られている（例えば、特許文献１）。この電動弁においては、図７に示すように、ステッピングモータが駆動してロータ１０３が回転すると、雌ねじ１３１ａと雄ねじ１２１ａのねじ送り作用により、動軸１０２を介して弁体１１４が軸Ｌ方向に移動する。これにより、弁体１１４を開閉する調整がなされ、管継手１１１から流入して管継手１１２から流出する冷媒の流量が制御される。

なお、この電動弁においては、弁体１１４を弁閉方向に最大限移動させた状態においても、図８に示すように、弁ポート１２１と弁体１１４との間に僅かな隙間１２３が形成され、この時が最小弁開状態となるように設計がなされている。このため、最小弁開状態においても、流体がわずかに隙間１２３を通じて流れることが許容され、圧縮機の低周波数運転に追従した流量を確保することができる。また、冷媒が冷凍サイクル中を常に循環することが可能となるため、圧縮機の焼損を防止することができる。

特開２００７−２０５５６５号公報

ところで、現在、空調機や冷凍機には、省エネ性の向上が盛んに検討されており、冷凍回路に使用する電動弁においても同様の性能が求められている。ここで、省エネ性を向上させるために求められる性能としては、流路方向の正逆差の抑制、流量や弁開点のばらつきの低減などが挙げられる。特に空調機に用いられる電動弁は、上述した性能を考慮して制御する必要があるため、省エネ運転を実現するための制御が非常に難しくなってきている。

なお、上述の特許文献１に記載された電動弁では、流体を正方向に通過させた場合と逆方向に通過させた場合とで流量特性が異なり、ネジガタｈ分（図２参照）だけ流量に差が生じる。具体的には、図８（ａ）に示すように、最小弁開状態において正方向に流体が流れた場合に比較して、図８（ｂ）に示すように、最小弁開状態において逆方向に流体が流れた場合の方が、ネジガタｈ分だけ弁体１１４の位置が高くなり、隙間１２３が広くなる。

ここで、図９は、パルスの印加量に対する流量の変化の関係を表すグラフである。図９において、グラフの横軸は、弁体１１４を移動させるためにステッピングモータに印加するパルスの印加量を表し、グラフの縦軸は、流量を表している。また、グラフの原点は、最小弁開状態を表している。図９によれば、逆方向に流体を通過させた場合の方が、正方向に流体を通過させた場合よりも最小弁開状態における流量がネジガタｈ分だけ増加することがわかる。

このように、従来の電動弁においては、逆方向に流体を通過させた場合に最小弁開状態の流量が増加するため、流量増加によって大きく省エネ性が低下するという問題があった。
本発明の目的は、最小弁開状態における流量の差が小さく省エネ性の高い電動弁を提供することである。

上記目的を達成するための本発明の電動弁は、
ロータの回転運動を、雄ネジ部材と雌ネジ部材とのネジ螺合により直線運動に変換し、この直線運動に基づいて弁本体内に収容された弁体を軸方向に移動させる電動弁であって、
前記弁本体内に形成された空間である弁室と、
前記弁本体の側面に設けられ、流体の前記弁室への出入口となる第１継手管と、
前記弁本体の前記ロータと反対方向に設けられ、流体の前記弁室への出入口となる第２継手管と、
前記弁室と第２継手管とを連通する弁ポートと
を備え、
前記弁体は、
前記弁ポートに挿入した場合に前記弁ポートの内周面との間に微小なクリアランスを形成し、前記弁ポートの軸線と平行な外周面を有する不感態部と、
前記不感態部と連続して形成されたテーパー状の外周面を有する先端部と
を備え、
前記弁ポートに挿入された前記不感態部の高さは、前記ネジ螺合時のネジガタ分の高さよりも高く形成され、
かつ前記弁体を前記ロータと反対方向に最大限移動させた場合における前記不感態部の軸方向の位置が、流体を前記第１継手管から前記第２継手管に向けて正方向に通過させた場合、および流体を前記第２継手管から前記第１継手管に向けて逆方向に通過させた場合のいずれにおいても前記弁ポートの前記内周面内に位置することを特徴とする。

これにより、最小弁開状態において流体を正方向に通過させたときと、流体を逆方向に通過させたときの流量の差を抑制すことができる。したがって、逆方向に流体を通過させた場合に最小弁開状態の流量が増加して省エネ性が低下するという省エネ性の問題を改善することができる。

また、本発明の電動弁は、
前記不感態部の前記外周面と前記弁ポートの前記内周面が平行であることを特徴とする。

これにより、最小弁開状態において流体を正方向に通過させたときと、流体を逆方向に通過させたときの流量の差をなくすことができ、省エネ性の問題を解決することができる。
また、本発明の電動弁は、
前記弁体を前記ロータと反対方向に最大限移動させた場合における前記不感態部と前記先端部の境界の軸方向の位置が、前記不感態部と平行な前記弁ポートの前記内周面の高さの範囲内に位置することを特徴とする。
また、本発明の電動弁は、
前記弁体がステンレスまたは真鍮で形成されていることを特徴とする。
また、本発明の電動弁は、
前記弁本体に固定され、前記雌ネジ部材として機能する支持部材と、
前記ロータに固着され、前記雄ネジ部材として機能するオネジ軸とを備え、
前記弁体は、前記弁本体に配設された弁座部材の方向に付勢した状態で前記オネジ軸に保持されていることを特徴とする。

本発明に係る発明によれば、最小弁開状態における流量の差が小さく省エネ性の高い電動弁を提供することができる。

実施の形態に係る電動弁の断面図である。実施の形態に係る電動弁における雄ネジと雌ネジの螺合状態を示す図である。実施の形態に係る電動弁の要部拡大断面図である。実施の形態に係る電動弁の流量特性を比較した結果を示すグラフである。他の実施の形態に係る電動弁の要部拡大断面図である。他の実施の形態に係る電動弁の流量特性を比較した結果を示すグラフである。特開２００７−２０５５６５号公報に開示されている従来の電動弁の断面図である。従来の電動弁の要部拡大断面図である。従来の電動弁の流量特性を比較した結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して、実施の形態に係る電動弁について説明する。図１は、実施の形態に係る電動弁を示した断面図である。なお、本明細書内で表記される、「上」、「下」とは、図１に示された状態における上下の方向を意味する。また、本明細書内に表記される、「正方向」とは、流体を継手管１１から継手管１２に向けて通過させた場合の方向を意味し、「逆方向」とは、流体を継手管１２から継手管１１に向けて通過させた場合の方向を意味する。

この実施形態の電動弁１００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、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を溶着することにより、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。なお、雄ネジ４２ｂと雌ネジ３１が螺合した場合、図２に示すように、雄ネジ４２ｂのネジ山と雌ネジ３１のネジ山との隙間にネジガタｈが発生する。このネジガタについては、後に詳しく説明する。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（図示せず）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、図示しないステッピングモータのケース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、図示しないステータコイルが配設されており、ステッピングモータは、ステータコイル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（図示せず）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の切り欠き部に回転止め部を係合させ、さらに、ばね受金具４５を大径部４１の端部に圧入し、溶着することにより、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、下端の先端部５１と、不感態部５２と、円柱棒状のロッド部５４とを有している。先端部５１及び不感態部５２については後に詳しく説明する。なお、本発明の電動弁１００においては、可動下端ストッパＭＤと固定下端ストッパＳＤとが当接することによってマグネットロータ６２の回動が規制されるため、弁体５を弁閉方向に最大限移動させた状態においても、弁体５と弁ポート２１との間に僅かなクリアランスが形成される。

また、弁体５は、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５４が支持部材３の挿通孔３４を介して弁座部材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、ロッド部５４の上端がばね収容部４１ａの底部に当接してコイルばね４４が伸長した位置から、ロッド部５４の上端がばね収容部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が軸方向（上下）に変位して弁体５の先端部５１と不感態部５２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。なお、本電動弁１００においては、弁体５によって弁ポート２１が完全に塞がれることはなく、不感態部５２が弁座部材２の弁ポート２１内に位置した場合には、不感態部５２と弁ポート２１の間に僅かなクリアランスが生じた最小弁開状態となる。このため、弁体５を弁閉方向に最大限移動させた状態においても、流体がわずかにクリアランスを介して流れることが許容される。

次に、実施の形態における電動弁１００の要部について説明する。図３は、実施の形態に係る電動弁１００の要部を拡大した断面図である。図３に示すように、弁体５の下端には、下方に向かって窄まるテーパー状の外周面を有する略円錐状の先端部５１が形成されている。また、先端部５１の上方には、弁ポート２１の内周面と平行な外周面を有する不感態部５２が先端部５１と連続して形成されている。なお、不感態部５２の高さは、図２に示す、ネジ螺合時のネジガタｈ分の高さよりも高くなるように形成されている。

ここで、図３（ａ）は、最小弁開状態において、流体を正方向に通過させた場合を示す図である。一方、図３（ｂ）は、最小弁開状態において、流体を逆方向に通過させた場合を示す図である。図３（ａ）に示すように、流体を正方向に通過させた場合には、流体の流れによる力や弁体５に作用する圧力差によって弁体５が下向きに押し下げられる。一方、図３（ｂ）に示すように、流体を逆方向に通過させた場合には、流体によって弁体５が上向きに持ち上げられ、流体を正方向に通過させた場合よりも弁体５の位置がネジガタｈ分だけ高くなる。

しかしながら、不感態部５２は、弁ポート２１の内周面と平行な外周面を有し、かつ高さがネジガタｈ分よりも高いことから、不感態部５２の最下端と弁ポート２１の上面との間の距離Ｈがネジガタｈよりも大きくなる深さまで（Ｈ＞ｈ）弁体５を弁ポート２１に挿入することにより（図３（ａ）参照）、最小弁開状態において流体を正方向に通過させた場合と、逆方向に通過させた場合とで、クリアランス２３の間隔を変化させないようにすることができる。したがって、最小弁開状態においてクリアランス２３を通過する流体の流量を一定にすることができる。

図４は、パルスの印加量に対する流量の変化の関係を表すグラフである。図４において、グラフの横軸は、弁体５を移動させるためにステッピングモータに印加するパルスの印加量を表し、グラフの縦軸は、流量を表している。また、グラフの原点は、最小弁開状態を表している。

最小弁開状態において、不感態部５２の最下端と弁ポート２１の上面との間の距離Ｈがネジガタｈよりも大きくなる深さまで（Ｈ＞ｈ）弁体５を弁ポート２１に挿入した場合、図４の円内に示すように、最小弁開状態においてクリアランス２３を通過する流体の流量は、流体を正方向に通過させたときと、流体を逆方向に通過させたときで同じ流量になる。

この実施の形態に係る電動弁１００によれば、不感態部５２の高さをネジ螺合時のネジガタｈ分の高さよりも高く形成することにより、最小弁開状態において流体を正方向に通過させたときと、流体を逆方向に通過させたときの流量の差を抑制することができる。かかる流量の差は、不感態部５２の外周面を弁ポート２１の内周面と平行になるように形成することによってなくすことができる。これにより、逆方向に流体を通過させた場合に最小弁開状態の流量が増加することによって大きく省エネ性が低下するという省エネ性の問題を解決することができる。

次に、他の実施の形態に係る電動弁について説明する。この他の実施の形態に係る電動弁は、実施の形態において、不感態部５２の外周面が若干の角度のテーパーを有するようにしたものである。従って、他の実施の形態では、実施の形態と異なる部分について詳細に説明し、重複する部分については説明を省略する。

図５（ａ）は、流体を正方向に通過させた場合における、最小弁開状態の電動弁の要部を拡大した断面図であり、図５（ｂ）は、流体を逆方向に通過させた場合における、最小弁開状態の電動弁の要部を拡大した断面図である。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、不感態部５２´の外周面の傾斜角度βは、先端部５１の外周面の傾斜角度αよりも小さくなるように形成されている（β＜α）。

この場合、最小弁開状態において流体を正方向に通過させた場合と、最小弁開状態において流体を逆方向に通過させた場合とで、クリアランス２３の間隔が大きく変化しないようにすることができる。したがって、最小弁開状態においてクリアランス２３を通過する流体の流量の変化を抑制することができる。

図６は、他の実施の形態に係る電動弁を用いた場合のパルスの印加量に対する流量の変化の関係を表すグラフである。最小弁開状態において、不感態部５２´の最下端と弁ポート２１の上面との間の距離がネジガタｈよりも大きくなるように弁体５を弁ポート２１に挿入した場合（図５（ａ）参照）、図６に示すように、流体を正方向に通過させた場合と、流体を逆方向に通過させた場合とで生じる、最小弁開状態においてクリアランス２３を通過する流体の流量の差を抑制することができる。

この実施の形態に係る電動弁によれば、不感態部５２´の高さをネジ螺合時のネジガタｈ分の高さよりも高く形成することにより、最小弁開状態において流体を正方向に通過させたときと、流体を逆方向に通過させたときの流量の差を抑制することができる。かかる流量の差は、不感態部５２´の外周面が弁ポート２１の内周面と微小な傾斜を有するように形成することによってさらに低減することができる。これにより、逆方向に流体を通過させた場合に最小弁開状態の流量が増加することによって大きく省エネ性が低下するという省エネ性の問題を大幅に改善することができる。

１００電動弁
１弁本体
１Ａ弁室
２弁座部材
３支持部材
３ａ取付金具
４オネジ軸
５弁体
２１弁ポート
２３クリアランス
３１雌ネジ
４２ｂ雄ネジ
５１先端部
５２不感態部
５４ロッド部
６２マグネットロータ
ｈネジガタ
Ｈ不感態部の最下端と弁ポートの上面との距離
Ｌ軸

Claims

ロータの回転運動を、雄ネジ部材と雌ネジ部材とのネジ螺合により直線運動に変換し、この直線運動に基づいて弁本体内に収容された弁体を軸方向に移動させる電動弁であって、
前記弁本体内に形成された空間である弁室と、
前記弁本体の側面に設けられ、流体の前記弁室への出入口となる第１継手管と、
前記弁本体の前記ロータと反対方向に設けられ、流体の前記弁室への出入口となる第２継手管と、
前記弁室と第２継手管とを連通する弁ポートと
を備え、
前記弁体は、
前記弁ポートに挿入した場合に前記弁ポートの内周面との間に微小なクリアランスを形成し、前記弁ポートの軸線と平行な外周面を有する不感態部と、
前記不感態部と連続して形成されたテーパー状の外周面を有する先端部と
を備え、
前記弁ポートに挿入された前記不感態部の高さは、前記ネジ螺合時のネジガタ分の高さよりも高く形成され、
かつ前記弁体を前記ロータと反対方向に最大限移動させた場合における前記不感態部の軸方向の位置が、流体を前記第１継手管から前記第２継手管に向けて正方向に通過させた場合、および流体を前記第２継手管から前記第１継手管に向けて逆方向に通過させた場合のいずれにおいても前記弁ポートの前記内周面内に位置することを特徴とする電動弁。
前記不感態部の前記外周面と前記弁ポートの前記内周面が平行であることを特徴とする請求項１記載の電動弁。
前記弁体を前記ロータと反対方向に最大限移動させた場合における前記不感態部と前記先端部の境界の軸方向の位置が、前記不感態部と平行な前記弁ポートの前記内周面の高さの範囲内に位置することを特徴とする請求項２記載の電動弁。
前記弁体がステンレスまたは真鍮で形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の電動弁。
前記弁本体に固定され、前記雌ネジ部材として機能する支持部材と、
前記ロータに固着され、前記雄ネジ部材として機能するオネジ軸と
を備え、
前記弁体は、前記弁本体に配設された弁座部材の方向に付勢した状態で前記オネジ軸に保持されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の電動弁。