JP6503033B2 - 電動弁 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクル等の冷媒流量を制御するステッピングモータ駆動型の電動弁に関する。

可変絞り弁や流量制御弁などとして使用されるステッピングモータ駆動型の電動弁では、電動モータのロータの回転運動を雌ネジと雄ネジとから構成されるネジ送り機構によって弁軸の直線運動に変換し、弁軸の下方に配置された弁体を弁座に対して移動させることにより弁の開閉を行っている。

図３はこのような従来の電動弁１０Ａを示したものである。
この電動弁１０Ａでは、弁軸６３の外周に形成された雄ネジ部２９（可動ネジ部）と、弁軸ホルダ８６の内周に形成された雌ネジ部２８（固定ネジ部）とにより弁軸６３に対するネジ送り機構１６が構成されている。

そして、この電動弁１０Ａでは、ロータ３０の回転運動をネジ送り機構１６によって弁軸６３の直線運動に変換し、この直線運動により弁軸６３の下方に配置された弁体６１を弁座７２ｂに対して接離させ、これにより、冷媒等の流体の流量を調整するようにしている。

ところで、このような電動弁１０Ａでは、弁軸ホルダ８６の雌ネジ部２８が形成された部分の長さが弁軸６３の雄ネジ部２９が形成された部分に対して短く形成されている。そして、このように短く形成された弁軸ホルダ８６の下部側の一部を構成する小径筒部８５の外方に、円筒状に形成されたガイドステム８０の上側部分が装着され、このガイドステム８０の円筒部分８１に弁軸６３の先端大径部６２が案内されるように構成されている。なお、このガイドステム８０の凸状底面部８２は、カップ形状をなすケース４０と、弁室形成部材７４との間で移動不能に固定されている。

このような電動弁１０Ａでは、弁軸６３の上下方向への案内は、上部側が弁軸ホルダ８６により、下部側がガイドステム８０により行われ、さらに、ガイドステム８０により、弁軸６３が移動する際の弁軸６３の傾き（振れ）を規制している。

しかしながら、このような構成の電動弁１０Ａでは、弁軸ホルダ８６とガイドステム８０とが別部材であるととともに、これら弁軸ホルダ８６とガイドステム８０とが互いに離間して配置されるため、これらを同芯状に配置することが困難であった。これらの軸芯がずれてしまった場合には、結果として、弁軸６３の上下方向の移動が電動弁１０Ａの中心軸からずれる虞がある。このため、弁軸６３の下方に配置された弁体６１が弁座７２ｂに対して斜めに当接したり、不安定な姿勢で当接してしまうという問題があった。このような場合には、弁体６１と弁座７２ｂにより流量制御を正確に行う上で問題が生じる。

また、図４は、他の従来の電動弁２０Ａを示したものである。
この電動弁２０Ａでは、弁軸３の外周に形成された雄ネジ部５（可動ネジ部）と、弁軸ホルダ７の筒状小径部７ａの内周に形成された雌ネジ部８（固定ネジ部）とによりネジ送り機構９が構成されている。

そして、この電動弁２０Ａでは、ロータ１１の回転運動をネジ送り機構９によって弁軸３の直線運動に変換し、この直線運動により弁軸３の下方に配置された弁体１２を弁座１３に対して接離させ、これにより、冷媒等の流量を制御するようにしている。

ところで、このような電動弁２０Ａでは、弁軸ホルダ７が筒状小径部７ａと筒状大径部７ｂとからなり、図３に示した弁軸ホルダ８６に比べて、弁軸６３に対して軸方向に長く形成されている。また、この電動弁２０Ａの弁軸ホルダ７は、その内周に形成された雌ネジ部８が、筒状小径部７ａの中間部付近から、その下端部に至るまで形成されている。そして、弁軸３の直下方に、コイルバネ５４と弁体１２とが配置されている。

このような構成の従来の電動弁２０Ａでは、弁軸３を上下方向に案内する部材は、２部材ではなく、長尺で一体物の弁軸ホルダ７のみである。したがって、「同芯のずれ」が生じにくい。

しかしながら、電動弁２０Ａの場合には、以下のような問題が生じる虞がある。
図５（Ａ）は、弁閉時の弁軸３と弁軸ホルダ７との位置関係を示したものであり、図４の状態に対応している。一方、図５（Ｂ）は、完全に弁開時となったときの弁軸３と弁軸ホルダ７との位置関係を示したものである。

図５（Ａ）、（Ｂ）から明らかなように、図５（Ａ）（弁閉状態）のときのネジ送り機構９の螺合長さＬ１と、図５（Ｂ）（弁開状態）のときのネジ送り機構９の螺合長さＬ２とを比べると、Ｌ１＜Ｌ２となる。

このように、従来の電動弁２０Ａの場合には、ネジ送り機構９の螺合長さが一定でなく、また動作中に螺合長さが変化してしまうとネジ送り機構９の動作安定性が損なわれ、耐久性が低下してしまうという問題があった。また、弁閉時の螺合長さＬ１が短いため、その短い部分に負荷が集中してしまう。結果として、ネジ送り機構９を高強度に設計する必要があった。

また、従来の電動弁２０Ａでは、図４に示したように、第１の継手１５と第２の継手１７とが弁室形成部材３１に接続されているが、いずれか一方の継手からいずれか他方の継手に供給される途中で弁室形成部材３１内に導入された流体の一部は、弁室１９を通り、図４において矢印で示したように、弁軸ホルダ７に設けられた均圧孔４１を介して弁軸ホルダ７の筒状大径部７ｂ内に導入されてくる。

しかしながら、弁軸ホルダ７の筒状大径部７ｂ内には、ネジ送り機構９の下端部が露出しているため、流体中に存在する異物がネジ送り機構９の内部に進入し、結果として、ネジ送り機構９の作動性を阻害してしまうという問題があった。

特開２０１０−９６２０３号公報 特表２０１３−５３９８４９号公報

本発明は、このような従来の実情に鑑み、上下方向に移動する弁体を常に安定した姿勢で弁座に当接させることができる電動弁を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明は、
カップ形状をなすケース６０と、
前記ケース６０の開口側の下端部に一体的に接続される弁室形成部材７０と、
前記ケース６０の内周に収容された回転可能なロータ２と、
前記弁室形成部材７０に対して相対的に回転不能に固定され、その筒状部６ａの内周に雌ネジ部６ｄが形成され、かつ前記筒状部６ａの下方の内部に弁軸ホルダ室８３が形成された弁軸ホルダ６と、
前記弁軸ホルダ６の内方に装着されて前記ロータ２と一体的に回転し、外周部に雄ネジ部４ａが形成され、さらに下方に配置された弁体３２を弁座部２１に対して上下方向に移動して弁の開閉動作を行う弁軸４と、
前記弁軸ホルダ６の前記雌ネジ部６ｄおよび前記弁軸４の前記雄ネジ部４ａから構成されるネジ送り機構Ａと、
前記弁軸４の下方に配置され、コイルバネ２７を収容する筒状の弁ホルダ２５と
を備えた電動弁であって、
前記弁軸４は、上部側の外周に前記雄ネジ部４ａが形成されるとともに、前記雄ネジ部４ａの下方側にネジ溝が形成されていない軸部分４ｂが形成され、
前記弁軸ホルダ６は、前記筒状部６ａの内周面上部開口部６ｇから下方に向かって前記雌ネジ部６ｄが設けられるとともに、前記筒状部６ａの内周面の下端部側に前記弁軸４の前記軸部分４ｂを案内するネジ溝が形成されていない軸受部６ｅが設けられ、かつ前記弁軸ホルダ６は一体形成されたものであり、さらに前記弁軸ホルダ６の前記雌ネジ部６ｄの内径Ｄ１は、前記軸受部６ｅの内径Ｄ２より小さく設定され、
前記ネジ送り機構Ａは、前記弁軸ホルダ室８３に接しておらず、前記弁軸ホルダ６の前記筒状部６ａの内方に位置し、
前記軸部分４ｂが軸方向において前記雄ネジ部４ａと前記弁ホルダ２５との間に位置し、かつ前記軸受部６ｅが軸方向において前記雌ネジ部６ｄと前記弁軸ホルダ室８３との間に位置することを特徴としている。

このような構成の電動弁によれば、弁軸を常に安定した姿勢で上下方向に案内することができるので流量制御を正確に行うことができ、作動性を長期に渡り良好に維持することができる。

ここで、本発明では、
前記弁軸ホルダ６の外周側部には、前記弁室形成部材７０の内周側部に圧入される圧入部３４が設けられ、
前記圧入部３４が前記弁室形成部材７０内に圧入されることにより、前記弁室形成部材７０に対して前記弁体３２の芯出しが行われるよう構成されていることが好ましい。

このように弁軸ホルダ６の外周側部に圧入部３４が設けられていれば、弁室形成部材７０に対する弁体３２の芯出しを簡単かつ高精度に行うことができる。しかも、構造も簡素であるため、誰でも確実に組み立て作業を行うことができる。しかも既存の構成部材で芯出しが可能であり治具を用いる必要もなく、電動弁の製造コストを従来よりも抑えることができる。

本発明に係る電動弁によれば、弁軸を弁軸ホルダにより常に安定した姿勢で上下方向に移動させることができるので流量制御を正確に行うことができ、作動性を長期に渡り良好に維持することができる。
また、本発明に係る電動弁は、特に、弁軸の有効径の縮小化に寄与することができる。

図１は本発明に係る電動弁の好ましい一実施形態を示す断面図である。 図２（Ａ）は図１に示した電動弁が弁閉状態にあるときのネジ送り機構の位置を示す断面図、図２（Ｂ）は弁開状態にあるときのネジ送り機構の位置を示す断面図である。 図３は特開２０１０−９６２０３号公報に開示されている従来の電動弁の断面図である。 図４は特表２０１３−５３９８４９号公報に開示されている他の従来の電動弁の断面図である。 図５（Ａ）は、図４に示した他の従来の電動弁が弁閉状態にあるときのネジ送り機構の位置を示す断面図、図５（Ｂ）は、図４に示した他の従来の電動弁が弁開状態にあるときのネジ送り機構の位置を示す断面図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の好ましい一実施形態について説明する。
図１は、本発明の好ましい一実施形態の電動弁を示した断面図である。
なお、本明細書において、「上」あるいは「下」とは図１の状態で規定したものである。

この電動弁１０では、非磁性体製で筒形のカップ形状をなすケース６０の開口側の下端部に弁室形成部材７０が溶接により一体的に接続されている。
弁室形成部材７０の弁室７０ａ内には、下方向（軸方向）に第１の継手３８が接続され、側方に第２の継手３７が接続され、第１の継手３８が接続される弁室形成部材７０の入出力ポート１４の上部に、弁座部２１が固設されている。

なお、この弁座部２１は、ケース６０の下端側に配置される弁室形成部材７０と別部材であるが、弁座部２１は、弁室形成部材７０に直接形成されていても良い。
ケース６０の内周には、回転可能なロータ２が収容されている。

ケース６０の外周には、図示しないヨーク、ボビン、およびコイル等からなるステータが配置され、ロータ２とステータとでステッピングモータが構成されている。
また、ケース６０の下端部６０ａと弁室形成部材７０の上端部７０ｂとの間には、内部に貫通孔が形成された筒状の弁軸ホルダ６が、そのフランジ部６ｆを介して弁室形成部材７０に対し相対的に回転不能に固定されている。この弁軸ホルダ６は、一体形成された単一部材であり、好ましくは、適宜な樹脂により一体成形されている。そして、弁軸ホルダ６は、後述する弁軸４の傾きを抑制する機能を有している。

上記弁軸ホルダ６は、上部側の筒状部６ａと下部側の筒状大径部６ｂと、弁室形成部材７０の内周側部に圧入される圧入部３４と、リング状のフランジ部６ｆとからなる。
弁軸ホルダ６の圧入部３４は、図示しないが、弁軸ホルダ６の筒状大径部６ｂの外周側部に所定間隔離間して複数個設けられている。本実施形態では、周方向に離間して４箇所に圧入部３４が設けられているが、特に４箇所に限定されるものではなく、例えば１８０°の角度毎に設けられている場合には２箇所でもよい。ただし、１８０°の角度毎に２箇所に圧入部３４を設けた場合は、弁室形成部材７０に弁軸ホルダ６を圧入する際に、弁軸ホルダ６がずれて弁室形成部材７０に対して斜めに傾く虞がある。したがって、さらに確実に弁室形成部材７０に弁軸ホルダ６を固定するには、この圧入部３４を３箇所以上設けることが好ましい。このように圧入部３４を３箇所以上設ければ、弁室形成部材７０に対して弁軸ホルダ６を圧入する際に、弁軸ホルダ６が前後左右にずれる虞がなく、確実に芯出しを確実に行うことができる。

また、弁軸ホルダ６の筒状部６ａの外周には、ロータ２のストッパ部２ａが案内される螺旋溝が形成されている。さらに、弁軸ホルダ６の筒状大径部６ｂの側面には、弁軸ホルダ６の内部に形成された弁軸ホルダ室８３と弁軸ホルダ６の外部空間との均圧を図る均圧孔５１が穿設されている。このような均圧孔５１を設けることにより、弁ホルダ２５の移動動作がスムーズに行われる。

さらに、この弁軸ホルダ６では、筒状部６ａの内周面上部開口部６ｇから下方に向かって雌ネジ部６ｄが形成され、雌ネジ部６ｄの下方に、ネジ溝が形成されていない軸受部６ｅが形成されている。この軸受部６ｅにより、後述する弁軸４の傾き（振れ）が防止される。

ロータ２の軸芯部分には、ブッシュ部材３３を介して弁軸４が貫通して配置されている。弁軸４の主要部は弁軸ホルダ６の内方に装着されており、この弁軸４は、ロータ２と一体的に回転する。弁軸４の上部側の外周部には雄ネジ部４ａが形成され、この雄ネジ部４ａから縮径部４ｃを挟んだ下方側に、軸部分４ｂが形成されている。

そして、弁軸４の外周に形成された雄ネジ部４ａと、弁軸ホルダ６の内周に形成された雌ネジ部６ｄとにより、ネジ送り機構Ａが構成されている。
また、弁軸４の下端側であって、かつ弁軸ホルダ６における筒状大径部６ｂの内方には、筒状の弁ホルダ２５が配置され、この弁ホルダ２５は上端部側がプレス成形により略直角に折り曲げられている。弁ホルダ２５はこの折り曲げられたフランジ部により、弁軸４に対する抜け止めがなされている。そして、筒状の弁ホルダ２５内には、圧縮されたコイルバネ２７とバネ受け３５とが収容されている。また、弁ホルダ２５の下端に、弁体３２が溶接などにより固着されている。

そして、この電動弁１０では、弁軸４と弁ホルダ２５とバネ受け３５とコイルバネ２７と弁体３２などは、一体的に上下動する１つの弁軸組立体５０として構成されている。なお、弁ホルダ２５の下端部に固設された弁体３２は、弁軸４に対して軸方向の相対移動および相対回転が可能である。

なお、本実施の形態における弁軸４の雄ネジ部の有効径は２〜３ｍｍである。
本実施形態では、弁軸４の下方に配置された弁体３２を、常に安定した姿勢で弁座部２１に当接させるために、以下のような特徴的な構成が採用されている。

すなわち、弁軸ホルダ６の軸受部６ｅは、筒状部６ａの下端部側に設けられており、弁軸４の雄ネジ部４ａは、筒状部６ａの上部側に設けられている。
このように、軸受部６ｅが筒状部６ａの下端部側に設けられ、かつ弁軸４の雄ネジ部４ａが筒状部６ａの上部側に設けられていると、弁軸４の振れ幅を少なくすることができる。

また、弁軸ホルダ６の雌ネジ部６ｄの内径Ｄ１は、弁軸ホルダ６の軸受部６ｅの内径Ｄ２より小さく設定されている。
このように、Ｄ１＜Ｄ２に設定すると、ネジ送り機構Ａの螺合長さＬを常に一定の長さに設定することができる。
以下、上記のように構成された電動弁１０の動作について説明する。

電動弁１０を閉じるときには、図示しないコイルにパルス信号を与えることによりロータ２が上面視時計方向に回転すると同時に、ネジ送り機構Ａの作用により弁軸４も回転しながら下降し、弁体３２が弁座部２１内に挿入される。弁体３２が弁座部２１内の所定位置まで挿入された後、ロータ２がさらに回転して弁体３２と弁座部２１とが互いに当接し、この状態でロータ２のストッパ部２ａが弁軸ホルダ６のストッパ部６ｈに当接し、弁軸４の下降が強制的に停止され、図１の姿勢で動作が終了する。

一方、電動弁１０を開く場合には、例えば、図１の状態でロータ２が反時計方向に回転するパルス信号を与え、ロータ２が反時計方向に回転すると、これと同時に弁軸４も回転上昇し、弁体３２が弁座部２１から離れて電動弁１０が開弁する。

このようにして流量制御を行う電動弁１０では、上述したように、弁閉時の状態を示す図２（Ａ）と、弁開時の状態を示す図２（Ｂ）では、ネジ送り機構Ａの螺合長さＬが常に一定になる。すなわち、図２（Ａ）のように、弁軸４が最大限下方に移動したときにも、図２（Ｂ）のように弁軸４が最大限上方に移動したときにも、弁軸ホルダ６の雌ネジ部６ｄの全域に亘って雄ネジ部４ａが螺合しているため、螺合長さＬが常に一定になる。

よって、図１に示した弁体３２は常に安定した姿勢で弁座部２１に当接または弁座部２１から離反する。
したがって、電動弁１０では、流量調整を正確に行うことができる。

また、電動弁１０では、ネジ送り機構Ａは、弁軸ホルダ６の筒状大径部６ｂ内に形成された弁軸ホルダ室８３に接しておらず、内方に位置している。
したがって、本実施形態の場合には、弁軸ホルダ室８３内に導入された流体内に仮にゴミ等が混入されているとしても、ネジ送り機構Ａへの噛み込みが防止される。これにより、弁開度の調整に不調を来すことがない。

これにより、流量制御を正確に行うことができる。
以上、本発明に係る電動弁の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。

例えば、本実施形態では、弁軸４と弁ホルダ２５とバネ受け３５とコイルバネ２７と弁体３２などは１つの弁軸組立体５０として構成されているが、弁体３２は、他の構成で組み込まれていても良い。

また、本実施形態では、弁体３２と弁座部２１とが互いに当接した状態で、ロータ２のストッパ部２ａと弁軸ホルダ６のストッパ部６ｈとにより弁軸４の下降を停止するようにしたが、弁体３２と弁座部２１とが互いに当接する前に弁軸４の下降を停止するようストッパ部２ａとストッパ部６ｈとが当接するタイミングを設定してもよい。

また、本実施形態に係る弁軸４の雄ネジ部４ａの有効径は２〜３ｍｍのような小径の場合に有効に適用可能できるが、勿論、それ以上の径にも適用可能である。

２ ロータ
２ａ ストッパ部
４ 弁軸
４ａ 雄ネジ部
４ｂ 軸部分
４ｃ 縮径部
６ 弁軸ホルダ
６ａ 筒状部
６ｂ 筒状大径部
６ｃ 下端部
６ｄ 雌ネジ部
６ｅ 軸受部
６ｈ ストッパ部
６ｆ フランジ部
６ｇ 内周面上部開口部
６ｈ ストッパ部
１０ 電動弁
１４ 入出力ポート
２１ 弁座部
２５ 弁ホルダ
２７ コイルバネ
３２ 弁体
３４ 圧入部
３５ バネ受け
３３ ブッシュ部材
３７ 第２の継手
３８ 第１の継手
５１ 均圧孔
６０ ケース
６０ａ 下端部
７０ 弁室形成部材
７０ａ 弁室
７０ｂ 上端部
８３ 弁軸ホルダ室
Ａ ネジ送り機構
Ｄ１ 弁軸ホルダの雌ネジ部の内径
Ｄ２ 弁軸ホルダの軸受部の内径
Ｌ 螺合長さ

Claims (2)

1. カップ形状をなすケース（６０）と、
   前記ケース（６０）の開口側の下端部に一体的に接続される弁室形成部材（７０）と、
   前記ケース（６０）の内周に収容された回転可能なロータ（２）と、
   前記弁室形成部材（７０）に対して相対的に回転不能に固定され、その筒状部（６ａ）の内周に雌ネジ部（６ｄ）が形成され、かつ前記筒状部（６ａ）の下方の内部に弁軸ホルダ室（８３）が形成された弁軸ホルダ（６）と、
   前記弁軸ホルダ（６）の内方に装着されて前記ロータ（２）と一体的に回転し、外周部に雄ネジ部（４ａ）が形成され、さらに下方に配置された弁体（３２）を弁座部（２１）に対して上下方向に移動して弁の開閉動作を行う弁軸（４）と、
   前記弁軸ホルダ（６）の前記雌ネジ部（６ｄ）および前記弁軸（４）の前記雄ネジ部（４ａ）から構成されるネジ送り機構（Ａ）と、
   前記弁軸（４）の下方に配置され、コイルバネ（２７）を収容する筒状の弁ホルダ（２５）と
   を備えた電動弁であって、
   前記弁軸（４）は、上部側の外周に前記雄ネジ部（４ａ）が形成されるとともに、前記雄ネジ部（４ａ）の下方側にネジ溝が形成されていない軸部分（４ｂ）が形成され、
   前記弁軸ホルダ（６）は、前記筒状部（６ａ）の内周面上部開口部（６ｇ）から下方に向かって前記雌ネジ部（６ｄ）が設けられるとともに、前記筒状部（６ａ）の内周面の下端部側に前記弁軸（４）の前記軸部分（４ｂ）を案内するネジ溝が形成されていない軸受部（６ｅ）が設けられ、かつ前記弁軸ホルダ（６）は一体形成されたものであり、さらに前記弁軸ホルダ（６）の前記雌ネジ部（６ｄ）の内径（Ｄ１）は、前記軸受部（６ｅ）の内径（Ｄ２）より小さく設定され、
   前記ネジ送り機構（Ａ）は、前記弁軸ホルダ室（８３）に接しておらず、前記弁軸ホルダ（６）の前記筒状部（６ａ）の内方に位置し、
   前記軸部分（４ｂ）が軸方向において前記雄ネジ部（４ａ）と前記弁ホルダ（２５）との間に位置し、かつ前記軸受部（６ｅ）が軸方向において前記雌ネジ部（６ｄ）と前記弁軸ホルダ室（８３）との間に位置することを特徴とする電動弁。
2. 前記弁軸ホルダ（６）の外周側部には、前記弁室形成部材（７０）の内周側部に圧入される圧入部（３４）が設けられ、
   前記圧入部（３４）が前記弁室形成部材（７０）内に圧入されることにより、前記弁室形成部材（７０）に対して前記弁体（３２）の芯出しが行われるよう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。

Images