JP6643450B2

JP6643450B2 - 電動弁

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Publication number: JP6643450B2
Application number: JP2018222343A
Authority: JP
Inventors: 大樹中川
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2020-02-12
Anticipated expiration: 2036-03-07
Also published as: JP2019032085A

Description

本発明は、空気調和機や冷凍機などの冷凍回路の膨張弁など冷媒等の流体の流量を制御する電動弁に関する。

従来、空気調和機や冷凍機などの冷凍回路に用いられる電動弁として、例えば、特開２０１３−２０４６１３号公報（特許文献１）及び特許第５６９７９０９号公報（特許文献２）に開示された流量制御弁がある。この流量制御弁（電動弁）は、ステッピングモータ（電動モータ）のケース内にマグネットロータを配設し、マグネットロータに固着した雄ネジ軸の中心に、下部にニードル部（弁体部）を有する弁体が嵌挿されている。また、雄ネジ軸は弁本体側の支持部材の雌ネジとともにネジ送り機構を構成している。

そして、マグネットロータを回転させてネジ送り機構によりニードル部で弁ポートを開閉するように構成されている。また、特許文献１のものでは、支持部材の上端の固定下端ストッパとマグネットロータ側の可動下端ストッパによりマグネットロータの回転範囲を規制するようにしている。また、特許文献２のものでは、ガイドブッシュと全閉下ストッパを組み合わせることでストッパ機構を構成し、全閉下ストッパがガイドブッシュの下方段部に当接させることで、マグネットロータの（及び弁体部）の下端位置を設定している。

特開２０１３−２０４６１３号公報特許第５６９７９０９号公報

近年、空気調和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、その冷凍回路に使用される電動弁にも同様の性能が求められている。電動弁に求められる性能としては、例えば微小流量域の制御性の向上や、流量ばらつきの低減化などが挙げられる。

特に大型の空気調和機（ＰＡＣ、ビルマルチ等）では、電動弁を閉じなければならない用途がある。この場合、電動弁は弁閉状態から所定のパルス（弁開点）で弁開しなければならないが、電動弁の組立精度及び使用部品の精度により、弁開点が大きくばらつくことがある。空気調和機は省エネ性の向上を目的とした運転を行う場合、圧縮機やファン等の制御でこのばらつきを考慮して対処するしかない。弁開点が大きくばらつく場合、指定の弁開度における流量も大きくばらつくため、細かい制御性を損なうことが考えられる。このようなばらつきを解消することは、特に空気調和機で微小流量域での制御を行うにあたり、非常に重要な課題であり、空気調和機に使用する電動弁としても大きな課題となっている。

本発明は、電動弁において、組立精度や使用部品の精度に影響されずに、弁開点のばらつきを低減して細かい制御性を確保することを課題とする。

請求項１の電動弁は、弁ポートを有する弁室に対して該弁ポートと反対側に配置され該弁ポートの軸線と同軸に雄ネジ部が形成された支持部材と、前記支持部材に形成された弁ガイド孔に挿通されるとともに、前記弁ポート側に弁体部が設けられたロータ軸と、前記支持部材の前記雄ネジ部に螺合された雌ネジ部を有するとともに、前記ロータ軸に固定されて電動モータを構成するマグネットロータと、前記支持部材に対する前記マグネットロータの下端位置を規制するストッパ機構と、を備え、前記電動モータにて前記マグネットロータを回動し、該マグネットロータの前記雌ネジ部と前記支持部材の前記雄ネジ部とのネジ送り機構により、前記弁体部を前記弁ポートに対して進退させて、該弁ポートを通る流体の流量を制御する電動弁であって、前記ストッパ機構が、前記支持部材の前記雄ネジ部に螺合されて前記軸線回りに回動可能で該軸線方向に移動可能な固定側ストッパ部材と、前記マグネットロータ側に設けられて、前記固定側ストッパ部材の円周上の一箇所に突出するストッパ当接部に、前記マグネットロータの下端位置にて当接可能な可動側ストッパとで構成され、前記固定側ストッパ部材が前記支持部材の前記雄ネジ部の中間位置にて該支持部材に接合され、前記中間位置は当該電動弁に設定された所定の弁開度に応じた位置であるとともに、前記マグネットロータが、前記雄ネジ部に螺合する前記雌ネジ部が形成され摺動性を向上させる添加材が添加されたＰＰＳ樹脂からなるロータ本体と、外周部を多極に着磁されたマグネットと、を備えて構成されていることを特徴とする。

請求項１の電動弁によれば、固定側ストッパ部材は、そのストッパ当接部がマグネットロータの可動側ストッパに当接して、マグネットロータ及び弁体部を下端位置で停止させ、所定の弁開度が得られる。また、固定側ストッパ部材は、支持部材の雄ネジ部の中間位置にて接合されているので、この接合前は、固定側ストッパ部材は軸線方向に移動可能となっている。したがって、弁閉状態から設定開度だけ弁開となった位置にこの固定側ストッパ部材を固着することが可能となり、弁開度の設定が容易になる。この弁開度は、固定側ストッパ部材の軸線方向の位置のみによって設定されるので、部品精度の影響を受けずに弁開度を設定できる。

本発明の一実施形態の製造方法によって製造された電動弁の縦断面図である。実施形態の電動弁の製造方法における本体アッセンブリの組立工程を示す図である。実施形態の電動弁の製造方法における弁体アッセンブリの組立工程を示す図である。実施形態の電動弁の製造方法における本体アッセンブリを弁体アッセンブリに装着する装着工程を示す図である。実施形態の電動弁の製造方法における弁閉工程と開仕様弁の設定工程を示す図である。実施形態の電動弁の製造方法におけるケースの組み付け工程を示す図である。実施形態の電動弁の製造方法における開仕様弁の設定工程を示す図である。実施形態における可動側ストッパの変形例を示す図である。

次に、本発明の電動弁及びその製造方法の実施形態を図面を参照して説明する。図１は実施形態の製造方法によって製造された実施形態の電動弁の縦断面図である。なお、以下の説明における「上下」の概念は図１の図面における上下に対応する。また、「右回り（時計回り）」及び「左回り（反時計回り）」の表現は、電動弁を上から見た状態での回転方向を示す。

この電動弁は、ステンレスや真鍮等で金属部材の切削加工により形成された弁ハウジング１を有しており、弁ハウジング１はその内側に弁室１Ａを有している。弁ハウジング１の外周片側には弁室１Ａに導通される第１継手管１１が接続されている。また、弁ハウジング１の下端には第２継手管１２が接続されるとともに、弁ハウジング１の内底面には弁ポート１３が形成されており、第２継手管１２は弁ポート１３を介して弁室１Ａに導通される。なお、第１継手管１１及び第２継手管１２は、弁ハウジング１に対してろう付け等により固着されている。弁ハウジング１の弁ポート１３と反対側には上端に開口する取り付け孔１４が形成されており、この取り付け孔１４には支持部材２が圧入により取り付けられている。

支持部材２は略円柱状のホルダ部２１と、このホルダ部２１の弁ハウジング１寄りに形成されたフランジ部２２とを有している。支持部材２のホルダ部２１の外周には略中間部からフランジ部２２にかけて雄ネジ部２１ａが形成されており、この雄ネジ部２１ａより上部には後述のマグネットロータ６２をガイドする円筒状のロータガイド２１ｂが形成されている。さらに、支持部材２の中心には、弁ポート１３の軸線Ｌと同軸の弁ガイド孔２１ｃが形成されており、このガイド孔２１ｃ内に「ロータ軸」としての弁棒３が挿通されている。また、支持部材２のホルダ部２１には固定側ストッパ部材４が配設されている。

弁棒３はステンレス等により形成され、下端の「弁体部」としてのニードル部３１と、支持部材２のガイド孔２１ｃに挿通される円柱部３２と、円柱部３２より径が小さい棒状のロッド部３３とを有している。ロッド部３３の周囲には円柱部３２の段部３２ａとマグネットロータ６２との間に付勢バネ５が圧縮した状態で配置されている。これにより、弁棒３は、マグネットロータ６２に対して常時弁ポート１３側に付勢されている。

固定側ストッパ部材４は、ドーナツ盤状の形状をしており、その内側には弁ポート１３の軸線Ｌと同軸の雌ネジ部４ａが形成されている。また、固定側ストッパ部材４の軸線Ｌを中心とする円周上の一箇所には、マグネットロータ６２側に突出するストッパ当接部４ｂが形成されている。そして、この固定側ストッパ部材４は、雌ネジ部４ａが支持部材２側の雄ネジ部２１ａに螺合され、フランジ部２２との間に隙間Ｇを設けて、例えば溶接等により支持部材２に接合（固着）されている。すなわち、この隙間Ｇがあることで、固定側ストッパ部材４は雄ネジ部２１ａの中間位置に接合されている。なお、この「中間位置」とは隙間Ｇができれば、雄ネジ部２１ａに対して軸線Ｌ方向のどの位置でもよく、この位置は設定する弁開度に応じて決まる。

弁ハウジング１の上端には蓋１５が取り付けられ、この蓋１５に「電動モータ」としてのステッピングモータ６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、ステータコイル６３が配設されており、このステッピングモータ６は、ステータコイル６３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はロータ本体６２１とその外周に固着されたマグネット６２２とから構成されている。なお、ロータ本体６２１は摺動性を向上させる添加材が添加されたＰＰＳ樹脂からなる。マグネット６２２は、ＰＰＳ等からなる母材に磁性粉を混入して型成形したものである。なお、マグネット６２２はフェライトからなる永久磁石でもよい。

ロータ本体６２１の中心下方には、弁ポート１３の軸線Ｌと同軸の雌ネジ部６２１ａとそのネジ孔が形成されるとともに、ロータ本体６２１の中央には雌ネジ部６２１ａのネジ孔の内周よりも径の小さな円筒状のスライド孔６２１ｂが形成されている。さらに、スライド孔６２１ｂの上方中心には、弁棒挿通孔６２１ｃが形成されている。また、マグネット６２２の下部一箇所には下に突出する可動側ストッパ６２ａが形成されている。

弁棒３は支持部材２のガイド孔２１ｃに挿通され、ロータ本体６２１の弁棒挿通孔６２１ｃに弁棒３の端部３ａ（ロッド部３３の端部）が挿通されている。また、マグネットロータ６２は、スライド孔６２１ｂに支持部材２のロータガイド２１ｂを挿通されるとともに、このマグネットロータ６２側の雌ネジ部６２１ａが支持部材２側の雄ネジ部２１ａに螺合されている。そして、弁棒３の端部３ａに、固定部材７が圧入され、固定部材７は溶接により弁棒３と一体に固着されている。

なお、雄ネジ部２１ａと雌ネジ部６２１ａはネジ送り機構であるが、この実施形態では、雄ネジ部２１ａと雌ネジ部６２１ａは右ネジである。また、ケース６１とマグネットロータ６２との間には、マグネットロータ６２を弁閉方向に付勢する圧縮バネ６４が配設されているが、雄ネジ部２１ａと雌ネジ部６２１ａとのバックラッシュを除去することで、マグネットロータ６２の作動音を低減する役割をする。

以上の構成により、マグネットロータ６２が回転すると、雌ネジ部６２１ａと雄ネジ部２１ａのネジ送り作用により、マグネットロータ６２が軸線Ｌ方向（上下）に移動する。ニードル部３１が弁ポート１３に着座していない状態では、付勢バネ５の付勢力により固定部材７がマグネットロータ６２に当接する状態となり、弁棒３がマグネットロータ６２と共に移動し、弁棒３のニードル部３１が弁ポート１３に対して進退する。これにより、弁ポート１３の開度を変化させ、第１継手管１１から第２継手管１２へ流れる冷媒の流量、または第２継手管１２から第１継手管１１へ流れる冷媒の流量が制御される。

また、ニードル部３１が流量を制御する制御範囲にあって、マグネットロータ６２が回転して下降するときは、可動側ストッパ６２ａは固定側ストッパ部材４のストッパ当接部４ｂの上を通過する。さらに、マグネットロータ６２が回転して下降し、可動側ストッパ６２ａが固定側ストッパ部材４のストッパ当接部４ｂに当接すると、回転が規制される。すなわち、この可動側ストッパ６２ａと固定側ストッパ部材４のストッパ当接部４ｂがマグネットロータ６２の下端位置を規制するストッパ機構を構成している。以上のように、ストッパ機構によりマグネットロータ６２の回動が停止され、可動側ストッパ６２ａが固定側ストッパ部材４のストッパ当接部４ｂに当接した瞬間位置を「ロータ起点」という。

ここで、実施形態の電動弁は、概略以下の２通りの仕様に設定できる。第１に、マグネットロータ６２が右回りして可動側ストッパ６２ａが固定側ストッパ部材４のストッパ当接部４ｂに当接したとき、すなわち「ロータ起点」で、ニードル部３１が弁ポート１３を閉じないような仕様、これを「開仕様弁」という。第２に、上記「ロータ起点」で、ニードル部３１が弁ポート１３を閉じてさらに付勢バネ５が圧縮された状態となる仕様、これを「閉仕様弁」いう。勿論、「ロータ起点」で丁度弁閉となるようにもできる。

図２乃至図７は実施形態の電動弁の製造方法及び組立工程を示す図である。なお、図２乃至図７において、符号は要部部材のみに付してその他の部材は符号を省略する。また、断面を示す斜線を一部省略するとともに、各工程で動作に関する部位及び組立られた部品につては斜線で示している。

まず、図２（Ａ）に示すように、第１継手管１１、第２継手管１２及び蓋１５を取り付けた弁ハウジング１に対して、その取り付け孔１４に支持部材２を圧入し、ハウジング１に支持部材２を取り付ける。次に、図２（Ｂ）に示すように、支持部材２のホルダ部２１の雄ネジ部２１ａに対して、固定側ストッパ部材４を適宜の位置までねじ込む。これにより、図２（Ｃ）に示す本体アッセンブリ１０とする。

一方、図３（Ａ）に示すように、付勢バネ４を装着した弁棒３のロッド部３３にマグネットロータ６２と、固定部材７を装着し、図３（Ｂ）に示すように、固定部材７を弁棒３の端部３ａに溶接、圧入等により接合する。これにより、マグネットロータ６２と弁棒３を一体にした弁体アッセンブリ２０とする。

次に、図４（Ａ）に示すように、弁体アッセンブリ２０を本体アッセンブリ１０に装着する。すなわち、支持部材２の雄ネジ部２１ａに対して、マグネットロータ６２の雌ネジ部６２１ａをねじ込み、弁体アッセンブリ２０を右回りさせる。この右回りは「第１回転方向」である。これにより、図４（Ｂ）に示すように、マグネットロータ６２の可動側ストッパ６２ａを固定側ストッパ部材４のストッパ当接部４ｂに当接させた状態とする。

次に、例えば第１継手管１１側に流量計（または圧力計）を設置しておき、図５（Ａ）に示すように、第２継手管１２から弁ポート１３を介して第１継手管１１に空気（流体）を流しながら、可動ストッパ６２ａをストッパ当接部４ｂに当接させた状態で、弁体アッセンブリ２０を右回りさせる。そして、第１継手管１１から流れ出る空気の流量（または圧力）が０となった点で、弁棒３のニードル部３１が弁ポート１３に着座した状態、すなわち弁閉状態を保持する。次に、図５（Ｂ）に示すように、第２継手管１２から弁ポート１３を介して第１継手管１１に空気（流体）を流しながら、固定側ストッパ部材４を左に回す。この左回りは「第２回転方向」である。このとき、固定側ストッパ部材４はマグネットロータ６２の可動ストッパ６２ａに当接しているため、弁体アッセンブリ２０も追従して回り、ニードル部３１が弁ポート１３から上昇し、弁が開き始める。

そして、第１継手管１１から流れ出る空気の流量（または圧力）が所定設定値となった時点で弁体アッセンブリ２０及び固定側ストッパ部材４を止め、図５（Ｃ）に示すように、その位置で固定側ストッパ部材４を支持部材２に対して溶接等により接合する。これにより、マグネットロータ６２の可動ストッパ６２ａが固定側ストッパ部材４に当接する最下端位置での弁開度を設定することができる。この設定は、「開仕様弁」の設定である。なお、この固定側ストッパ部材４の接合には、溶接や接着等、支持部材２に対して接合する方法であれば、どのような方向でもよい。

そして、固定側ストッパ部材４の接合が完了したら、図６のように、弁体アッセンブリ２０の上部に圧縮バネ６４を配設してケース６１を被せ、溶接等によりケース６１と弁ハウジング１とを接合する。これにより、図１に示す電動弁が完成する。

以上の例では、第１継手管１１側に流量計（または圧力計）を設置し、流体（例えば空気）を第２継手管１２から流入させるようにしているが、第２継手管１２側に流量計（または圧力計）を設置し、流体（例えば空気）を第１継手管１１から流入させるようにしてもよい。また、ニードル部３１が弁ポート１３に着座した状態、すなわち弁閉状態を、流量や圧力が０となることで検出しているが、例えば弁棒３と弁ポート１３（弁ハウジング１）との間の電気的な導通状態を検出することで、弁閉状態をを検出するようにしてもよいし、その他の方法でもよい。

また、上記の例では、空気の流量（または圧力）が所定設定値となるまで、弁体アッセンブリ２０と共に固定側ストッパ部材４を回転させる例について説明したが、以下のようにしてもよい。空気の流量（または圧力）が所定設定値となるまで、弁体アッセンブリ２０だけを回転させ、この所定設定値になった後、弁体アッセンブリ２０を弁ハウジング１に対して固定した状態で、固定側ストッパ部材４を回転させる。そして、この固定側ストッパ部材４のストッパ当接部４ｂが可動ストッパ６２ａに当接した位置で、固定側ストッパ部材４を支持部材２に対して溶接等により接合するようにしてもよい。

次に、「閉仕様弁」の設定は以下のようにする。まず、弁閉状態とするまでは前記同様に弁体アッセンブリ２０を右回り（第１回転方向に回転）させる。弁閉状態となったら、その回転位置を基準として、図７（Ａ）に示すように、固定側ストッパ４をさらに右回りさせ、図７（Ｂ）に示すように、所定回転量だけ回転した位置で、固定側ストッパ部材４を支持部材２に対して溶接等により接合する。なお、図７（Ｂ）は固定側ストッパ部材４を支持部材２に対して接合した状態で、弁体アッセンブリ２０を右回りさせて、可動ストッパ６２ａが固定側ストッパ部材４のストッパ当接部４ｂに当接した状態を示している。また、弁閉状態から弁体アッセンブリ２０を右回りさせると、弁体アッセンブリ２０において固定部材７とマグネットロータ６２のロータ本体６２１との間に隙間ができる。

以上の例では、固定側ストッパ４を所定回転量だけ回転させる場合について説明したが、この固定側ストッパ４を所定回転量だけ回転させるとき、弁体アッセンブリ２０を回転させることで、この弁体アッセンブリ２０に追従させて固定側ストッパ４を回転させるようにしてもよい。

以上のように、「開仕様弁」の設定時には、弁体アッセンブリ２０のマグネットロータ６２に対して固定側ストッパ部材４を当接させた状態で、固定側ストッパ部材４を回転させ、弁ポート１３を流れる流体の流量が設定流量となる時点で、固定側ストッパ部材４と弁体アッセンブリ２０の位置を設定している。また、「閉仕様弁」の設定時には、弁閉状態から固定側ストッパ４（あるいは弁体アッセンブリ２０）を所定回転量だけ回転させて、固定側ストッパ部材４の位置を設定している。したがって、部品精度への依存性を低減して、弁開度の調整を正確に行うことができる。また、部品精度をラフにできるので、部品コストも低減できる。

なお、「開仕様弁」の設定工程では、弁閉工程により弁閉状態としてから、弁開方向に調整するようにしているので、微小な弁開度の設定を迅速に行うことができるが、ある程度の弁開状態から弁閉方向に調整して弁開度を設定することもできる。

以上の実施形態では、マグネットロータ６２側の可動側ストッパ６２ａを、マグネット６２２の下部に形成するようにしているが、例えば、図８に示すように、ロータ本体６２１の下部に可動側ストッパ６２ａを形成するようにしてもよい。この場合も、可動側ストッパ６２ａは、マグネットロータ６２が回転して下降すると、固定側ストッパ部材４のストッパ当接部４ｂに当接する。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

１弁ハウジング
１Ａ弁室
１１第１継手管
１２第２継手管
１３弁ポート
２支持部材
２１ホルダ部
２１ａ雄ネジ部
３弁棒（ロータ軸）
３１ニードル部（弁体部）
４固定側ストッパ部材（ストッパ機構）
４ａ雌ネジ部
４ｂストッパ当接図
６ステッピングモータ（電動モータ）
６２マグネットロータ
６２ａ可動側ストッパ（ストッパ機構）
６２１ａ雌ネジ部
１０本体アッセンブリ
２０弁体アッセンブリ
Ｌ軸線

Claims

弁ポートを有する弁室に対して該弁ポートと反対側に配置され該弁ポートの軸線と同軸に雄ネジ部が形成された支持部材と、
前記支持部材に形成された弁ガイド孔に挿通されるとともに、前記弁ポート側に弁体部が設けられたロータ軸と、
前記支持部材の前記雄ネジ部に螺合された雌ネジ部を有するとともに、前記ロータ軸に固定されて電動モータを構成するマグネットロータと、
前記支持部材に対する前記マグネットロータの下端位置を規制するストッパ機構と、を備え、
前記電動モータにて前記マグネットロータを回動し、該マグネットロータの前記雌ネジ部と前記支持部材の前記雄ネジ部とのネジ送り機構により、前記弁体部を前記弁ポートに対して進退させて、該弁ポートを通る流体の流量を制御する電動弁であって、
前記ストッパ機構が、前記支持部材の前記雄ネジ部に螺合されて前記軸線回りに回動可能で該軸線方向に移動可能な固定側ストッパ部材と、前記マグネットロータ側に設けられて、前記固定側ストッパ部材の円周上の一箇所に突出するストッパ当接部に、前記マグネットロータの下端位置にて当接可能な可動側ストッパとで構成され、
前記固定側ストッパ部材が前記支持部材の前記雄ネジ部の中間位置にて該支持部材に接合され、前記中間位置は当該電動弁に設定された所定の弁開度に応じた位置であるとともに、前記マグネットロータが、前記雄ネジ部に螺合する前記雌ネジ部が形成され摺動性を向上させる添加材が添加されたＰＰＳ樹脂からなるロータ本体と、外周部を多極に着磁されたマグネットと、を備えて構成されていることを特徴とする電動弁。