JP6657348B2 - 電気的駆動弁 - Google Patents

Description

本発明は、電気的駆動弁に係り、例えばヒートポンプ式冷暖房システム等に使用される電動弁や電磁弁等の電気的駆動弁に関する。

従来から、小型化、大容量化、省電力化を目指した電動弁の開発が進められている。そのような従来の電動弁の一例として、特許文献１には、閉弁方向に働く力を可及的に小さくし、より小さなばね荷重の開弁ばねを使用できるようにした技術が開示されている。

特許文献１に開示されている電動弁は、弁室、該弁室に開口する横向きの第１入出口、前記弁室に開口する縦向きの弁座付き弁口、及び該弁口に連なる第２入出口を有する弁本体と、前記弁口を開閉すべく前記弁室に昇降可能に配在された弁体と、該弁体を昇降させるための電動モータを有する昇降駆動手段と、前記弁体を開弁方向に付勢する開弁ばねと、を備え、前記弁口の口径と前記弁体の上方に画成される背圧室の室径とが略同一に設定されるとともに、前記弁体内に、前記弁口と前記背圧室とを連通させるべく下端面が開口した均圧通路が設けられ、前記均圧通路の下端開口面積を前記弁口面積で除した値が所定範囲内となるように各部の寸法が設定されているものである。

特開２０１３−１３０２７１号公報

ところで、この種の電動弁においては、流体（冷媒）が第１入出口から第２入出口に向かう第１流れ方向と第２入出口から第１入出口に向かう第２流れ方向との双方向に流されるが、極低差圧で第２流れ方向に流体が流される場合、弁座付き弁口が形成された弁座部材の弁座の外周（特に第１入出口から離間する側の弁座部材の上端の外縁近傍）から渦が発生し、弁座部材と弁体との間に乱流が発生して異音が生じるといった問題があった。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、極低差圧で第２流れ方向に流体が流される場合に生じる異音を低減することのできる電気的駆動弁を提供することにある。

本発明者等は、鋭意研究の結果、弁座部材の形状を適正に設計することにより、電動弁や電磁弁等の電気的駆動弁において極低差圧で第２流れ方向に流体が流される場合に生じる異音を有効に低減し得ることを見出した。

すなわち、上記する課題を解決するために、本発明に係る電気的駆動弁は、内部に弁室が画成され、側部に前記弁室に開口する第１開口が形成され、底部に前記弁室に開口する第２開口が形成され、前記第２開口に連通する弁口と弁座とを有して前記弁室内に突出した弁座部材が固着されている弁本体と、前記弁室に昇降可能に配置された弁体と、該弁体を前記弁座に対して昇降させる昇降駆動部と、前記弁体の昇降方向に沿って且つ前記弁体から前記弁体の昇降方向と直交する方向に間隔を有するように前記弁室内に立設された流体案内壁と、を備え、前記流体案内壁は、前記弁室内で前記弁座部材よりも前記弁体の上昇方向に突出し、且つ前記弁体に当接しないように設けられており、前記弁座の外周のうち前記弁本体の前記第１開口に対応する位置には設けられていないことを特徴としている。

更に好ましい形態では、前記弁室内に立設された前記流体案内壁は１つだけであり、前記流体案内壁は、前記弁本体の前記第１開口へ向かって高さが低くなっていることを特徴としている。

本発明の電気的駆動弁によれば、弁体の昇降方向に沿って流体案内壁が立設されていることによって、極低差圧で第２流れ方向に流体が流される場合に、弁座部材の弁座の外周、特に弁座部材の上端の外縁近傍を起点とする渦発生を抑制することができ、弁座部材と弁体との間の乱流の発生を抑制することができ、電気的駆動弁に生じる異音を効果的に低減することができる。

本発明に係る電気的駆動弁としての電動弁の実施形態１の閉弁状態を示す縦断面図。 図１に示す電動弁の開弁状態を示す縦断面図。 図１に示す電動弁の内部を視認できるように上部を切り欠いて示す切欠き斜視図。 図１に示す電動弁の弁座部材を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図。 従来構造による電動弁の開弁時における異音の有無を測定した実験結果を示す図。 図１に示す電動弁の開弁時における異音の有無を測定した実験結果を示す図。 本発明に係る電気的駆動弁としての電動弁の実施形態２の閉弁状態を示す縦断面図。 図７に示す電動弁の開弁状態を示す縦断面図。 図７に示す電動弁の弁座部材を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図。

以下、本発明に係る電気的駆動弁の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、以下では、電気的駆動弁として電動弁を使用した形態について説明するが、電磁弁等を使用してもよいことは勿論である。

［実施形態１］
図１は、本発明に係る電気的駆動弁としての電動弁の実施形態１の縦断面図、図２は、図１に示す電動弁の開弁状態を示す縦断面図である。

図示する電動弁１は、例えばヒートポンプ式冷暖房システム等において膨張弁として使用され、流体（冷媒）が双方向（第１流れ方向とその逆の第２流れ方向）に流動し、かつ、少なくとも一方向には大流量が流動する流路に対応した双方向流通型の電動弁である。

電動弁１は、主として、板金製の筒状基体６を有する弁本体５と、弁本体５に固着されたキャン５８と、弁本体５及びキャン５８によって画成された内部空間で弁本体５に固定配置された支持部材１９と、支持部材１９により支持されて前記内部空間に昇降可能に配置された弁体２０と、弁体２０を昇降させるべく弁本体５の上方に取り付けられたステッピングモータ（昇降駆動部）５０と、を備えている。

弁本体５の筒状基体６は、その内部に弁室７が画成されると共に、その側部に弁室７に開口する横向きの第１開口１１ａが形成され、その底部に弁室７に開口する縦向きの第２開口１２ａが形成されている。弁本体５の筒状基体６の底部に形成された第２開口１２ａには、弁室７に開口する縦向きの弁口９と弁座８ａとを有する段付きの弁座部材８が固着されている。そして、筒状基体６の側部に形成された第１開口１１ａに横向きの導管継手１１が取り付けられ、弁座部材８の底部８ｃ側に形成された弁口９よりも大径の接続口１２ｂに、弁座部材８の弁口９に連通する縦向きの導管継手１２が取り付けられている。

より具体的には、段付きの弁座部材８は、その底部８ｃが第２開口１２ａに嵌合されて弁本体５の筒状基体６に固着され、その底部８ｃ側に形成された前記接続口１２ｂに導管継手１２が嵌挿されて取り付けられている。また、弁座部材８の上端部には、弁座８ａに連接する傾斜面８ｂが形成され、この傾斜面８ｂの上端が第１開口１１ａに取り付けられた導管継手１１の略中央近傍もしくは導管継手１１の中央よりも僅かに下方に位置するように、弁座部材８と導管継手１１とが配設されている。また、弁座部材８の上端部には、傾斜面８ｂの上端から外側へ向かって僅かに平坦面８ｄが形成され、その平坦面８ｄの外縁、すなわち弁座８ａの外周であって弁座部材８の上端側の外縁には、弁体２０の昇降方向（上下方向）に沿って流体案内壁４が立設されている。この流体案内壁４は、図３及び図４に示すように、弁座８ａの外周のうち弁本体５の第１開口１１ａから離間する半分の部分（中心軸心Ｌに対して弁本体５の第１開口１１ａ側と反対側の部分）に設けられ、側面視で視た際に弁本体５の第１開口１１ａ側へ向かって高さが直線的に低くなっている。ここで、弁座部材８の平坦面８ｄ（水平面）に対する流体案内壁４の上面の傾斜角θは適宜に設計することができるが、約３０度〜３５度であることが好ましいことが本発明者等による数値解析によって確認されている。また、流体案内壁４は、弁座部材８の平坦面８ｄの径方向の幅の約半分の厚さを有している。

なお、流体案内壁４の厚さは、弁室７を流れる流体の圧力に耐え得る剛性を有していれば適宜に設計することができ、例えば流量を確保するために上方に向かって先細となるように形成してもよい。また、流体案内壁４の高さは、弁本体５の第１開口１１ａ側へ向かって曲線的に低くなるように形成してもよいし、その一部に一定の高さを有する部分を形成してもよい。さらに、流体案内壁４は、図示するように弁座部材８と一体に成形してもよいし、例えば弁座部材８と別体に形成して溶着等により弁座８ａの外周で弁座部材８の上部や周囲に接合してもよい。

弁本体５の筒状基体６の上方開口部には、図１及び図２に示すように、上方に向かって縮径する段付きの筒状基台１３が取り付けられている。筒状基台１３の上端部には、天井部を有する円筒状のキャン５８の下端部が溶接等によって接合されている。また、支持部材１９は、隔壁１４ｃ付き筒状保持部材１４及び雌ねじ１５ｉ付き軸受部材１５を有し、筒状基台１３の内側に、前記筒状保持部材１４が圧入等により固定され、筒状保持部材１４の上部に、内周面下方に雌ねじ１５ｉが螺設された筒状の雌ねじ付き軸受部材１５がかしめ等により固定されている。なお、雌ねじ付き軸受部材１５の下面の中心側には突設部１５ａが形成され、該突設部１５ａにも雌ねじ１５ｉが螺設されている。また、筒状保持部材１４の隔壁１４ｃと雌ねじ付き軸受部材１５との間にばね室１４ａが画成され、該ばね室１４ａに弁体２０を開弁方向に付勢する開弁ばねが収納されている。

また、弁体２０は、弁座部材８の弁座８ａに接離して弁口９を開閉する下方に向かって円錐台状の弁体部２０ａと、弁体部２０ａよりも内径の小さい弁胴部２０ｂと、を有し、弁胴部２０ｂの上部が前記筒状保持部材１４における隔壁１４ｃよりも下側の弁体ガイド穴１４ｂに摺動自在に嵌挿されている。なお、弁胴部２０ｂの上部の中心部には、推力伝達部材２３の小径下部２３ｃが嵌合固定される嵌合穴２０ｄが形成されている。

一方、ステッピングモータ５０は、ヨーク５１、ボビン５２、コイル５３、樹脂モールドカバー５４等からなるステータ５５と、キャン５８の内部に該キャン５８に対して回転自在に配置され、ロータ支持部材５６がその上部内側に固着されたロータ５７と、を有している。ステータ５５は、キャン５８に外嵌固定されている。また、ロータ５７の内周側には、ロータ支持部材５６に一体に形成された太陽歯車４１、筒状保持部材１４の上部に固着された筒状体４３の上端に固定された固定リング歯車４７、太陽歯車４１と固定リング歯車４７との間に配置されてそれぞれに歯合する遊星歯車４２、遊星歯車４２を回転自在に支持するキャリア４４、遊星歯車４２に外側から歯合する有底リング状の出力歯車４５、出力歯車４５の底部に形成された孔にその上部が圧入等によって固着された出力軸４６等からなる不思議遊星歯車式減速機構４０が設けられている。ここで、固定リング歯車４７の歯数は、出力歯車４５の歯数とは異なるように設定されている。

出力軸４６の上部の中心部には孔が形成され、該孔には太陽歯車４１（ロータ支持部材５６）とキャリア４４の中心部を挿通した支持軸４９の下部が挿通されている。この支持軸４９の上部は、キャン５８の内径と略同一の外径を有し、ロータ支持部材５６の上側でキャン５８に内接して配置される支持部材４８の中心部に形成された孔に挿通されている。ロータ５７自体は、支持部材４８等によってキャン５８の内部で上下動しないようになっており、キャン５８に外嵌固定されたステータ５５との位置関係が常に一定に維持されている。

減速機構４０の出力軸４６の下部は、該出力軸４６等を支持する支持部材１９を構成する筒状の雌ねじ付き軸受部材１５の上部に回転自在に嵌挿され、出力軸４６の下部には、その中心を通るように横方向に延びるスリット状の嵌合部４６ａが形成されている。雌ねじ付き軸受部材１５の内周面下方に螺設された雌ねじ１５ｉと螺合する雄ねじ１７ａが螺設された回転昇降軸１７の上端には板状部１７ｃが突設され、板状部１７ｃがスリット状の嵌合部４６ａに摺動自在に嵌合されている。出力軸４６がロータ５７の回転に応じて回転すると、出力軸４６の回転が回転昇降軸１７に伝達され、軸受部材１５の雌ねじ１５ｉと回転昇降軸１７の雄ねじ１７ａのねじ送りによって回転昇降軸１７が回転しながら昇降する。

回転昇降軸１７の下方には、該回転昇降軸１７の下方への推力がボール１８、ボール受座１６を介して伝達される段付き筒状の推力伝達部材２３が配置されている。なお、回転昇降軸１７と推力伝達部材２３との間にボール１８を介在させることにより、例えば回転昇降軸１７が回転しながら下降しても、回転昇降軸１７から推力伝達部材２３へ下方への推力のみが伝達され、回転力は伝達されない。

推力伝達部材２３は、上方から、内周に前記ボール受座１６が嵌め込まれる大径上部２３ａ、前記筒状保持部材１４の隔壁１４ｃに形成された孔に摺動自在に挿通される中間胴部２３ｂ、該中間胴部２３ｂよりも小径の小径下部２３ｃから構成され、その内部には、後述する均圧通路３２の上部を構成する縦向きの貫通孔３２ｄ及び後述する背圧室３０に開口する複数個の横孔３２ｅが形成されている。なお、貫通孔３２ｄの上端開口はボール受座１６によって閉塞されている。

推力伝達部材２３の小径下部２３ｃは、上記したように、弁体２０の嵌合穴２０ｄに圧入等により嵌合固定されており、弁体２０と推力伝達部材２３は一体に昇降される。なお、弁体２０の上端面と推力伝達部材２３の中間胴部２３ｂの下端段差部との間には、小径下部２３ｃの圧入時において押さえ部材２４が挟み込まれて固定され、この押さえ部材２４と弁体２０の上端部に形成された環状溝と弁体ガイド穴１４ｂとの間にＯリング等のシール部材３８が装着されている。

また、筒状保持部材１４の隔壁１４ｃよりも上側のばね室１４ａには、上記したように、圧縮コイルばねからなる開弁ばね２５がその下端を隔壁１４ｃに当接させた状態で配置されると共に、この開弁ばね２５の付勢力（引き上げ力）を推力伝達部材２３を介して弁体２０に伝達すべく、上下に鍔状の引っ掛け部２８ａ、２８ｂを有する引き上げばね受け体２８が配在されている。引き上げばね受け体２８の上側の引っ掛け部２８ａは開弁ばね２５の上部に載置され、下側の引っ掛け部２８ｂは推力伝達部材２３の大径上部２３ａの下端段差部に掛止される。また、筒状保持部材１４には、前記ばね室１４ａとキャン５８の内部を連通する連通孔１４ｄが形成されている。

したがって、モータ５０のロータ５７を一方向に回転駆動させると、減速機構４０の出力軸４６を介してロータ５７の回転が回転昇降軸１７に減速されて伝達され、雌ねじ付き軸受部材１５の雌ねじ１５ｉと回転昇降軸１７の雄ねじ１７ａによるねじ送りによって回転昇降軸１７が回転しながら例えば下降され、回転昇降軸１７の推力により推力伝達部材２３及び弁体２０が開弁ばね２５の付勢力に抗して押し下げられ、最終的には弁体２０の弁体部２０ａが弁座８ａに着座して弁口９が閉じられる（図１参照）。それに対し、モータ５０のロータ５７を他方向に回転駆動させると、減速機構４０の出力軸４６を介してロータ５７の回転が回転昇降軸１７に減速されて伝達され、前記雌ねじ１５ｉと雄ねじ１７ａによるねじ送りによって回転昇降軸１７が回転しながら例えば上昇され、それに伴い推力伝達部材２３及び弁体２０が開弁ばね２５の付勢力によって引き上げられ、弁体部２０ａが弁座８ａから離間して弁口９が開かれる（図２参照）。

なお、前記弁体２０の上方で押さえ部材２４と筒状保持部材１４の隔壁１４ｃとの間に背圧室３０が画成されている。また、弁体２０内には、該弁体２０の下端部と背圧室３０とを連通させるべく、下方から、下端が開口したスカート部３２ａ、太通路部３２ｂ、及び細通路部３２ｃ（嵌合穴２０ｄ）を有する均圧通路３２が形成され、細通路部３２ｃが推力伝達部材２３の貫通孔３２ｄ及び横孔３２ｅを介して背圧室３０に連通している。ここでは、閉弁状態において弁体２０に作用する押し下げ力（閉弁方向に働く力）と弁体２０に作用する押し上げ力（開弁方向に働く力）とをバランス（差圧をキャンセル）させるべく、背圧室３０の室径と弁口９の口径とは略同一に設定されている。

本実施形態１の電動弁１においては、モータ５０のロータ５７を他方向に回転駆動させて弁口９を開弁した際、流体（冷媒）が第１流れ方向（第１開口１１ａに接続された導管継手１１から第２開口１２ａの弁座部材８に接続された導管継手１２へ向かう流れ方向）とその逆の第２流れ方向の双方向に流されるが（図２参照）、特に極低差圧で第２流れ方向に流体が流される場合に、弁座８ａの外周に立設された流体案内壁４により弁座部材８の弁座８ａの外周（特に第１開口１１ａから離間する側の弁座部材８の上端の外縁近傍）からの渦の発生が抑制されるため、電動弁１の開弁時に生じる異音を効果的に低減することができる。

図５及び図６は、弁座の外周に流体案内壁を設けていない従来構造による電動弁（特許文献１参照）と弁座８ａの外周に流体案内壁４を立設した図１に示す電動弁１の開弁時における異音の有無を測定した実験結果を示したものである。ここで、図５及び図６では、導管継手１１側と導管継手１２側との差圧が通常用いられる１．０ＭＰａから２．０ＭＰａよりも低い０．０５ｋＰａから１．０ｋＰａまでの範囲である極低差圧の状況下において、電動弁１のステッピングモータ５０への通電パルス量を１００パルス（弁開度：微小開度）から６０００パルス（弁開度：全開）まで変化させた場合の笛吹き音（異音）の聴感上の有無を示している。なお、図５及び図６中、〇は異音無し、×は笛吹き音（異音）有りを示している。

図６に示す本実施形態１の電動弁１の場合、図５に示す従来構造の電動弁の場合と比較して、笛吹き音有りと判定された条件（弁開度と差圧とに基づく条件）が７０％以上低減されたことがわかる。これにより、流体案内壁４ａを弁座８ａの外周に立設することにより、電動弁１の開弁時に生じる異音を７０％以上低減できることが確認された。

また、本実施形態１の電動弁１においては、流体案内壁４が弁座８ａの外周のうち弁本体５の第１開口１１ａから離間する半分の部分に設けられ、弁本体５の第１開口１１ａ側へ向かって高さが次第に低くなっていることによって、弁室７内での第１流れ方向や第２流れ方向への流体（冷媒）の流れを円滑化しつつその流量を確保することができる。

なお、上記した実施形態１においては、流体案内壁４が弁座８ａの外周のうち弁本体５の第１開口１１ａから離間する半分の部分に設けられている形態について説明したが、前記流体案内壁４は弁座８ａの外周の少なくとも一部に設けられていれば、その部分を起点とした渦の発生を抑制することができ、電動弁１に生じる異音を抑制することができる。

［実施形態２］
図７は、本発明に係る電気的駆動弁としての電動弁の実施形態２の閉弁状態を示す縦断面図であり、図８は、図７に示す電動弁の開弁状態を示す縦断面図である。本実施形態２の電動弁１Ａは、上記した実施形態１の電動弁１に対し、弁座部材の弁座の外周に設けられた流体案内壁の形状が相違しており、その他の構成は電動弁１とほぼ同様である。したがって、実施形態１の電動弁１と同様の構成については同様の符号を付してその詳細な説明は省略する。

本実施形態２の電動弁１Ａにおいては、弁座部材８Ａの平坦面８ｄＡの外縁、すなわち弁座８ａＡの外周であって弁座部材８Ａの上端側の外縁に弁体２０の昇降方向（上下方向）に沿って立設された流体案内壁４Ａが、図９に示すように、弁座８ａＡの外周の全周に設けられている。この流体案内壁４Ａの高さは全周に亘って略一定であり、閉弁状態において、弁体２０Ａの弁体部２０ａＡや弁胴部２０ｂＡの下部が該流体案内壁４Ａにより覆われるように設定され（図７参照）、開弁状態において、弁体２０Ａの弁体部２０ａＡの下部が該流体案内壁４Ａにより覆われるように設定されている（図８参照）。

本実施形態２の電動弁１Ａにおいても、上記した実施形態１と同様、特に極低差圧で第２流れ方向に流体が流される場合に、弁座８ａＡの外周に立設された流体案内壁４Ａにより弁座部材８Ａの弁座８ａＡの外周（特に弁座部材８Ａの上端側外縁近傍）からの渦の発生が抑制されるため、電動弁１Ａに生じる異音を効果的に低減することができる。また、流体案内壁４Ａが弁座８ａＡの外周の全周に設けられていることによって、当該流体案内壁４Ａの剛性を確保することができ、弁室７Ａを流れる流体による流体案内壁４Ａの振動を抑制して電動弁１Ａに生じる異音を低減することができる。

なお、流体案内壁４Ａの厚さは、弁室７Ａを流れる流体の圧力に耐え得る剛性を有していれば適宜に設計することができ、例えば上方に向かって先細となるように形成してもよい。また、流体案内壁４Ａの高さは、例えば弁室７Ａ内での流体（冷媒）の流れを円滑化するために、その一部又は全体を弁本体５Ａの第１開口１１ａＡ側へ向かって直線的もしくは曲線的に低くなるように形成してもよい。さらに、流体案内壁４Ａは、弁座部材８Ａと一体に成形してもよいし、例えば弁座部材８Ａと別体に形成して溶着等により弁座８ａＡの外周で弁座部材８Ａの上部や周囲に接合してもよい。

前述の説明において本実施形態１、２の電動弁は、例えばヒートポンプ式冷暖房システム等において膨張弁として使用され、流体が双方向に流動する双方向流通型の電動弁としたが、本発明の電気的駆動弁としての電動弁は、ヒートポンプ式冷暖房システム以外の他のシステムにも適用し得ることは言うまでもなく、また流体が一方向のみに流動する電動弁に適用されるものであってもよいことは当然である。

１ 電動弁
４ 流体案内壁
５ 弁本体
６ 筒状基体
７ 弁室
８ 弁座部材
８ａ 弁座
８ｂ 傾斜面
８ｃ 底部
８ｄ 平坦面
９ 弁口
１１ 導管継手
１１ａ 第１開口
１２ 導管継手
１２ａ 第２開口
１３ 筒状基台
１４ 筒状保持部材
１４ｃ 隔壁
１５ 筒状軸受部材
１５ｉ 雌ねじ
１７ 回転昇降軸
１７ａ 雄ねじ
１９ 支持部材
２０ 弁体
２０ａ 弁体部
２０ｂ 弁胴部
２３ 推力伝達部材
２４ 押さえ部材
２５ 開弁ばね
３０ 背圧室
４０ 不思議遊星歯車式減速機構
５０ ステッピングモータ（昇降駆動部）
５５ ステータ
５７ ロータ
５８ キャン

Claims (3)

1. 内部に弁室が画成され、側部に前記弁室に開口する第１開口が形成され、底部に前記弁室に開口する第２開口が形成され、前記第２開口に連通する弁口と弁座とを有して前記弁室内に突出した弁座部材が固着されている弁本体と、前記弁室に昇降可能に配置された弁体と、該弁体を前記弁座に対して昇降させる昇降駆動部と、前記弁体の昇降方向に沿って且つ前記弁体から前記弁体の昇降方向と直交する方向に間隔を有するように前記弁室内に立設された流体案内壁と、を備え、
   前記流体案内壁は、前記弁室内で前記弁座部材よりも前記弁体の上昇方向に突出し、且つ前記弁体に当接しないように設けられており、前記弁座の外周のうち前記弁本体の前記第１開口に対応する位置には設けられていないことを特徴とする電気的駆動弁。
2. 前記弁室内に立設された前記流体案内壁は１つだけであり、
   前記流体案内壁は、前記弁本体の前記第１開口側へ向かって高さが低くなっていることを特徴とする請求項１に記載の電気的駆動弁。
3. 前記流体案内壁は、前記弁本体の前記第１開口側へ向かって直線的に高さが低くなっていることを特徴とする請求項２に記載の電気的駆動弁。

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