JP6651437B2 - 電動弁 - Google Patents

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（たとえば、特許文献１参照）。この電動弁１００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、雌ネジ１３１ａと雄ネジ１２１ａのネジ送り作用により、弁体１１４が中心軸Ｌ方向に移動する。これにより、弁ポート１２１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。

特開２０１６−１５６４４７号公報

ところで、上述の電動弁１００において、雄ネジ１２１ａは、ロータ１０３に一体成形されているブッシュ１３３と溶接固定されているため、ロータ１０３の回転と雄ネジ１２１ａの回転とは同期する。そのため、ブッシュ１３３がロータ１０３から外れたり、ブッシュ１３３を囲むロータ１０３が割れたりするとロータ１０３の回転が雄ネジ１２１ａに伝わらず、電動弁１００が機能しなくなるおそれがある。

ここで、ブッシュ１３３がロータ１０３から外れたり、ロータ１０３が割れるのは、次の理由によるものである。すなわち、空調に用いられる冷凍サイクルにおいて、電動弁１００は、−３０°くらいの低温から８０°くらいの高温の冷媒に曝されるが、ブッシュ１３３とロータ１０３は異種材質であり、線膨張係数が異なる。

よって、図８（ａ）に示すように、冷媒の温度が−３０°くらいの低温から８０°くらいの高温に上昇した場合には、線膨張係数の低いブッシュ１３３よりも線膨張係数の高いロータ１０３の方が大きく膨張し、図８（ｂ）に示すように、ブッシュ１３３とロータ１０３との間に隙間１３８が生じる原因となる。

また、図９（ａ）に示すように、冷媒の温度が８０°くらいの高温から−３０°くらいの低温に低下した場合には、線膨張係数の低いブッシュ１３３よりも線膨張係数の高いロータ１０３の方が大きく収縮する。この場合、図９（ｂ）に示すように、ロータ１０３の収縮がブッシュ１３３によって妨げられるため、ロータ１０３は応力の逃げ場を失って自身の材料強度に負け、ロータ１０３にクラック１３９が生じる原因となる。

このような幅広い温度帯における冷媒の低温から高温、高温から低温への変化が繰り返して電動弁１００に作用すると、上述したように、隙間１３８やクラック１３９によってロータ１０３が破壊されてロータ１０３の回転が的確に雄ネジ１２１ａに伝わらなくなり、電動弁１００が機能しなくなるという問題が生じる。
本発明の目的は、ロータの回転を確実に雄ネジに伝えることができ、良好に機能する電動弁を提供することである。

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、
前記ロータよりも線膨張係数が低く、かつ前記雄ネジ部材が貫通して固定される貫通孔が形成されたブッシュ部材を備え、
前記ロータは、回転する略円筒形状のマグネット部と前記マグネット部を支持する略円盤形状の支持部が一体に形成され、かつ前記支持部の軸心部分に前記ブッシュ部材が固定され、
前記支持部には、該支持部の軸方向において前記弁体と反対側に突出する緩衝部が形成され、該支持部を均一な肉厚とせず段差を設けることで応力を緩和することを特徴とする。

このように、ロータとブッシュ部材の線膨張係数が異なる場合、ロータの支持部に段差を設けて応力を緩和する緩衝部を形成することにより、温度変化に伴う支持部に発生する応力を分散することができ、隙間の発生やクラックの発生を防止することができる。よって、ロータの回転を的確に雄ネジに伝えることができ、良好に機能する電動弁を提供することができる。

また、支持部を均一な肉厚とせず、緩衝部を軸方向に突出させることにより、上記と同様の効果とともに、さらにロータ成形時の型抜きに有利なものとなる。

また、緩衝部を上方に突出させることにより、緩衝部を下方に突出させた場合と比較して、支持部の下方に形成される空間に余裕ができ、弁軸ホルダ等の部品を収容しやすくなる。

また、本発明の電動弁は、
前記緩衝部の内周から外周までの幅（Ｌ２）が、前記ブッシュ部材が固定される前記支持部の内周面から前記マグネット部の外周までの幅（Ｌ１）よりも小さいことを特徴とする。
これにより、ロータ幅に対する緩衝部の幅を、応力を分散することが可能な的確な幅にすることができる。

また、本発明の電動弁は、
前記緩衝部の高さ（Ｈ２）が、前記緩衝部と前記支持部を合わせた高さ（Ｈ１）の３／４以下であることを特徴とする。
これにより、支持部の高さが低く（薄く）なりすぎて、応力に対する強度不足により支持部にクラックが入ることなどを防止できる。

また、本発明の電動弁は、
前記緩衝部の内周から外周までの幅（Ｌ２）が、前記ブッシュ部材の内周から外周までの幅（Ｌ３）以下であることを特徴とする。
これにより、ブッシュ部材の幅に対する緩衝部の幅を、応力を分散することが可能な的確な幅に設定することができる。

また、本発明の電動弁は、
前記緩衝部の内周から外周までの幅（Ｌ２）が、前記緩衝部の高さ（Ｈ２）よりも小さいことを特徴とする。
このように、緩衝部の軸方向の断面を縦長形状にすることにより、緩衝部による応力分散をしやすくすることができる。

本発明に係る発明によれば、ロータの回転を確実に雄ネジに伝えることができ、良好に機能する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の要部拡大断面図である。 実施の形態に係る電動弁における応力の分散を示す図である。 実施の形態に係る電動弁の要部の変形例を示す図である。 実施の形態に係る電動弁の要部の変形例を示す図である。 実施の形態に係る電動弁の要部の変形例を示す図である。 従来の電動弁の断面図である。 従来の電動弁において、冷媒の温度が上昇してロータが膨張した場合の状況を説明する図である。 従来の電動弁において、冷媒の温度が低下してロータが収縮する状況を説明する図である。

以下、図面を参照して、本発明の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２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。すなわち、ロータ４は弁部材１７より上方に位置している。

この電動弁２では、非磁性体製で筒状のカップ形状をなすケース６０の開口側の下方に、弁本体３０が溶接などにより一体的に接続されている。
ここで、弁本体３０は、ステンレス等の金属から成り、内部に弁室１１を有している。また、弁本体３０には、弁室１１に直接連通するステンレス製や銅製の第１の管継手１２が固定装着されている。さらに、弁本体３０の下方内側には、断面円形の弁ポート１６ａが形成された弁座部材１６が組み込まれている。弁座部材１６には、弁ポート１６ａを介して弁室１１に連通するステンレス製や銅製の第２の管継手１５が固定装着されている。

ケース６０の内周には、回転可能なロータ４が収容され、ロータ４の軸芯部分には、ブッシュ部材３３を介して弁軸４１が配置されている。ブッシュ部材３３で結合されたこの弁軸４１とロータ４とは、回転しながら上下方向に一体的に移動する。なお、この弁軸４１の中間部付近の外周面には雄ネジ４１ａが形成されている。本実施の形態では、弁軸４１が雄ネジ部材として機能している。また、ロータ４は、回転するマグネット部４ａ、ブッシュ部材３３を固定すると共にマグネット部４ａを支持する支持部４ｂ、軸方向に突出する緩衝部４ｃを備えている。ロータ４やブッシュ部材３３の構成については後に詳しく説明する。

なお、ロータ４を成形する際には、まず金型の中の所定の位置にブッシュ部材３３を配置し、その後金型内の空間に樹脂を流し込む。空間に流し込まれた樹脂は、ブッシュ部材３３の外周と接触したまま固化し、ロータ４にブッシュ部材３３が固定される。次に、貫通孔３３ａに弁軸４１を貫通させて溶接することにより、ブッシュ部材３３に弁軸４１が固定される。

ケース６０の外周には、図示しないヨーク、ボビン、およびコイルなどからなるステータが配置され、ロータ４とステータとでステッピングモータが構成されている。
ケース６０の天井面にはガイド支持体５２が固定されている。ガイド支持体５２は、円筒部５３と、円筒部５３の上端側に形成された傘状部５４とを有し、全体をプレス加工により一体成形されている。傘状部５４はケース６０の頂部内側と略同形状に成形されている。

ガイド支持体５２の円筒部５３内には、弁軸４１のガイドを兼ねる筒部材６５が嵌合されている。筒部材６５は、金属あるいは合成樹脂による潤滑材入り素材あるいは表面処理を施された部品により構成され、弁軸４１を回転可能に保持している。

弁軸４１のブッシュ部材３３より下方には、後述するように弁軸４１との間でネジ結合Ａを構成するとともに弁軸４１の傾きを抑制する機能を有する弁軸ホルダ６が、弁本体３０に対して相対的に回転不能に固定されている。

弁軸ホルダ６は、上部側の筒状小径部６ａと下部側の筒状大径部６ｂと弁本体３０の内周部側に収容される嵌合部６ｃとリング状のフランジ部６ｆとからなる。そして、弁軸ホルダ６のフランジ部６ｆは、弁本体３０の上端に溶接などで固定されている。また、弁軸ホルダ６の内部には、後述する弁ガイド１８を収容する収容室６ｈが形成されている。

また、この弁軸ホルダ６の筒状小径部６ａの上部開口部６ｇから所定の深さまで下方に向かって雌ネジ６ｄが形成されている。
そして、弁軸４１の外周に形成された雄ネジ４１ａと、弁軸ホルダ６の筒状小径部６ａの内周に形成された雌ネジ６ｄとにより、ネジ結合Ａが構成されている。

さらに、弁軸ホルダ６の筒状大径部６ｂの側面には、均圧孔５１が穿設され、この均圧孔５１により、筒状大径部６ｂ内の弁軸ホルダ室８３と、ロータ収容室６７（第２の背圧室）との間が連通している。このように均圧孔５１を設けることにより、ケース６０のロータ４を収容する空間と、弁軸ホルダ６内の空間とを連通することにより、弁軸ホルダ６の移動動作をスムーズに行うことができる。

また、弁軸４１の下方には、筒状の弁ガイド１８が弁軸ホルダ６の収容室６ｈに対して摺動可能に配置されている。この弁ガイド１８は天井部２１側がプレス成形により略直角に折り曲げられている。そして、この天井部２１には貫通孔１８ａが形成されている。また、弁軸４１の下方には、さらに鍔部４１ｂが形成されている。

ここで、弁軸４１は、弁ガイド１８に対して回転可能、かつ径方向に変位可能となるように弁ガイド１８の貫通孔１８ａに遊貫状態で挿入されており、鍔部４１ｂは、弁ガイド１８に対して回転可能、かつ、径方向に変位可能となるように弁ガイド１８内に配置されている。また、弁軸４１は貫通孔１８ａを挿通し、鍔部４１ｂの上面が、弁ガイド１８の天井部２１に対向するように配置されている。なお、鍔部４１ｂが弁ガイド１８の貫通孔１８ａより大径であることにより、弁軸４１の抜け止めがなされている。

弁軸４１と弁ガイド１８とが互いに径方向に移動可能であることにより、弁軸ホルダ６および弁軸４１の配置位置に関して、さほど高度な同芯取付精度を求められることなく、弁ガイド１８および弁体１７との同芯性が得られる。

弁ガイド１８の天井部２１と弁軸４１の鍔部４１ｂとの間には、中央部には貫通孔が形成されたワッシャ７０が設置されている。ワッシャ７０は、高滑性表面の金属製ワッシャ、フッ素樹脂等の高滑性樹脂ワッシャあるいは高滑性樹脂コーティングの金属製ワッシャなどであることが好ましい。
さらに、弁ガイド１８内には、圧縮された弁バネ２７とバネ受け３５とが収容されている。

次に、実施の形態における電動弁２の要部について説明する。図２は、実施の形態に係る電動弁２の要部となる、ロータ４とブッシュ部材３３の結合部分を拡大した断面図である。図２に示すように、ブッシュ部材３３は、ステンレス等の金属から成り、中央に弁軸４１（ここでは図示せず。）が貫通する貫通孔３３ａが形成されている。また、ロータ４は、マグネット部４ａ、支持部４ｂ、および緩衝部４ｃを備えており、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）等の樹脂で形成されている。ブッシュ部材３３やロータ４を形成する部材は、上述したものに限定されないが、この電動弁２においては、ブッシュ部材３３の線膨張係数がロータ４の線膨張係数よりも低くなるように設定されている。

マグネット部４ａは、軸方向に延びる略円筒形状を有しており、ステータの電磁力によって回転する。支持部４ｂは、略円盤形状を有しており、内周側でブッシュ部材３３を固定すると共に、外周側でマグネット部４ａを支持している。緩衝部４ｃは、支持部４ｂの内周側において上方、すなわち、弁体１７の反対側に突出する段差の部分（図２の網掛け部分）である。

このように、ブッシュ部材３３の線膨張係数がロータ４の線膨張係数よりも低い状態では、ロータ４の支持部４ｂの内周側に段差をつけて緩衝部４ｃを設けることにより、支持部４ｂが膨張または収縮した場合に応力を分散させることができる。

具体的には、冷媒の温度が上昇した場合、図３（ａ）左側に示すように、従来のブッシュ部材１３３の高さとロータ１０３の支持部の高さが均一な肉厚の構造では、膨張時の応力が図の上下方向において均等に掛かり、ブッシュ１３３とロータ１０３との間に隙間１３８（図８（ｂ）参照）が生じる原因となる。これに対し、図３（ａ）右側に示すように、ロータ４の支持部４ｂの内周側に緩衝部４ｃを設けた本発明の構造では、膨張時の応力が図の上下方向で異なるように、応力を分散することができる。これにより、ブッシュ部材３３とロータ４との間に隙間ができることを防止することができ、ブッシュ部材３３とロータ４の線膨張係数が異なる場合における欠点を補うことができる。

同様に、冷媒の温度が低下した場合、図３（ｂ）左側に示すように、従来のブッシュ部材１３３の高さとロータ１０３の支持部の高さが均一な肉厚の構造では、膨張時の応力が図の上下方向において均等に掛かり、ロータ１０３にクラック１３９（図９（ｂ）参照）が生じる原因となる。これに対し、図３（ｂ）右側に示すように、ロータ４の支持部４ｂの内周側に緩衝部４ｃを設けた本発明の構造では、膨張時の応力が図の上下方向で異なるように、応力を分散することができる。これにより、ロータ４が応力の逃げ場を失って自身の材料強度に負け、ロータ４にクラックが生じることを防止することができる。

また、緩衝部４ｃを上方に突出させた場合は、緩衝部４ｃを下方に突出させた場合と比較して、支持部４ｂの下方に形成される空間に余裕ができるため、弁軸ホルダ６等の部品を収容しやすくなる。

さらに、この実施の形態に係る電動弁２においては、図２に示すように、緩衝部４ｃの内周から外周までの幅（Ｌ２）が、ブッシュ部材３３が固定される面の支持部４ｂの内周面からマグネット部４ａの外周までのロータ幅（Ｌ１）よりも小さくなるように構成されている（Ｌ２＜Ｌ１）。また、緩衝部４ｃの高さ（Ｈ２）は、緩衝部４ｃと支持部４ｂを合わせた高さ（Ｈ１）の３／４以下となるように構成されている（Ｈ２≦（３／４）×Ｈ１）。これにより、支持部４ｂの高さが低く（薄く）なりすぎて、応力に対する強度不足により支持部４ｂにクラックが入ることなどをさらに的確に防止できる。

また、緩衝部４ｃの内周から外周までの幅（Ｌ２）は、ブッシュ部材３３の内周から外周までの幅（Ｌ３）以下になるように構成されている（Ｌ２≦Ｌ３）。これにより、ブッシュ部材３３の幅に対する緩衝部４ｃの幅を、応力を分散することが可能な的確な幅に設定することができる。また、緩衝部の４ｃ内周から外周までの幅（Ｌ２）は、緩衝部４ｃの高さ（Ｈ２）よりも小さくなるように構成されている（Ｌ２＜Ｈ２）。このように、緩衝部４ｃの軸方向の断面を縦長形状にすることにより、緩衝部４ｃによる応力分散をしやすくすることができる。

この実施の形態に係る発明によれば、ブッシュ部材３３の線膨張係数がロータ４の線膨張係数よりも低い場合に、ロータ４の支持部４ｂの内周側に段差をつけて応力を緩和する緩衝部４ｃを形成し、支持部４ｂが膨張または収縮した場合に応力を分散させることにより、ブッシュ部材３３とロータ４の間に隙間が生じることや、ロータ４にクラックが生じることを防止することができる。よって、ロータ４の回転を確実に弁軸４１に伝えることができ、良好に機能する電動弁２を提供することができる。

ここで、上述の実施の形態においては、緩衝部４ｃが、支持部４ｂの内周側において上側に突出している場合を例に説明したが、緩衝部４ｃは、図４（ａ）に示すように、支持部４ｂの下側に突出していてもよく、図４（ｂ）に示すように、支持部４ｂの内周側において上下に突出していてもよい。緩衝部４ｃの位置をこのように変化させた場合においても、ブッシュ部材３３とロータ４の間に隙間が生じることや、ロータ４にクラックが生じることを防止することができる。なお、図４以降の変形例においては、マグネット部４ａが支持部４ｂの上方に突出していない例を挙げて説明している。

また、緩衝部４ｃを支持部４ｂの内周側で軸高さ方向における中央に設けてもよい。この場合、たとえば、図５（ａ）に示すように、ブッシュ部材３３の高さ方向中央に、軸方向と垂直方向にロータ４の外周から軸心部に向けてブッシュ部材３３まで貫通しない孔４ｄを設ける。これにより、孔４ｄの底部４ｄ１からブッシュ部材３３の外周との間に緩衝部４ｃが疑似的に形成される。孔４ｄは、軸方向の同じ高さに少なくとも１つ以上、軸心部から放射状に形成される。

また、緩衝部４ｃを支持部４ｂの内周側で軸高さ方向における中央に設ける場合、図５（ｂ）に示すように、孔４ｄに代えて、ブッシュ部材３３の高さ方向中央部を一周する溝４ｅを設けてもよい。この場合においても、溝４ｅの幅を支持部４ｂの幅よりも小さくすることにより、溝４ｅとブッシュ部材３３の間に緩衝部４ｃが形成される。

また、上述の実施の形態において、図６（ａ）に示すように、支持部４ｂの上方から下方に貫通しない孔４ｆをブッシュ部材３３の周りに複数設けてもよい。この場合、孔４ｆの位置する部分において、孔４ｆの外周とブッシュ部材３３の外周との間に円環板状の緩衝部４ｃが形成される。

また、図６（ｂ）に示すように、孔４ｆに代えて、支持部４ｂの上方から下方に貫通しせず、かつブッシュ部材３３の周りを一周する溝４ｇを設けてもよい。この場合においても、円周溝４ｇの外周とブッシュ部材３３の外周との間に緩衝部４ｃが形成される。

２ 電動弁
４ ロータ
４ａ マグネット部
４ｂ 支持部
４ｃ 緩衝部
３３ ブッシュ部材
３３ａ 貫通孔
４１ 弁軸
４１ａ 雄ネジ

Claims (5)

1. 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、
   前記ロータよりも線膨張係数が低く、かつ前記雄ネジ部材が貫通して固定される貫通孔が形成されたブッシュ部材を備え、
   前記ロータは、回転する略円筒形状のマグネット部と前記マグネット部を支持する略円盤形状の支持部が一体に形成され、かつ前記支持部の軸心部分に前記ブッシュ部材が固定され、
   前記支持部には、該支持部の軸方向において前記弁体と反対側に突出する緩衝部が形成され、該支持部を均一な肉厚とせず段差を設けることで応力を緩和することを特徴とする電動弁。
2. 前記緩衝部の内周から外周までの幅（Ｌ２）は、前記ブッシュ部材が固定される前記支持部の内周面から前記マグネット部の外周までの幅（Ｌ１）よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の電動弁。
3. 前記緩衝部の高さ（Ｈ２）は、前記緩衝部と前記支持部を合わせた高さ（Ｈ１）の３／４以下であることを特徴とする請求項１または２記載の電動弁。
4. 前記緩衝部の内周から外周までの幅（Ｌ２）は、前記ブッシュ部材の内周から外周までの幅（Ｌ３）以下であ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。
5. 前記緩衝部の内周から外周までの幅（Ｌ２）は、前記緩衝部の高さ（Ｈ２）よりも小さい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。

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