JP6772210B2 - 電動弁 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機、冷凍機等の冷凍サイクルに組み込まれて使用され、流量制御等を行う電動弁に関する。

電動弁は、第１ポートと第２ポートとを弁室を介して繋ぎつつ、弁室内の弁体によって第１ポートの開口断面積を変化させ、以て流量を制御する。第１ポートにはオリフィスが設置されている。一方、弁体は漸次縮径して先細りしている。そのため、オリフィスへの弁体の差込量に応じて、弁体とオリフィスとの間の隙間の断面積が変わるものである。

弁体は、先端がオリフィスに達する弁軸に形成されている。弁軸を軸方向に移動させることで、オリフィスへの弁体の差込量が可変となる。弁軸は、ガイドブッシュによって周面を周方向に沿って支持されている（例えば特許文献１参照）。即ち、ガイドブッシュは、円筒形状を有し、円筒内に弁軸を挿通させることにより、弁軸の半径方向の変動や軸の傾きを内周面で規制している。ガイドブッシュは、弁室を有する弁本体に固定されることで、電動弁に組み付けられる。ガイドブッシュの固定方式としては、弁本体にガイドブッシュの外周と概略同径の支持穴を形成しておき、ガイドブッシュの端部を支持穴に圧入する方式が知られている。

特開２０１８−０２５３０８号公報

ガイドブッシュの内周面と弁軸との間は、弁軸が移動できるようにクリアランスが設けられている。近年は、電動弁による流量制御を高精度化する観点から、このクリアランスは狭められる方向に進展している。一方、ガイドブッシュを支持穴に圧入すると、ガイドブッシュには軸中心方向に膨出するように変形が生じる。そうすると、ガイドブッシュに挿通されている弁軸にガイドブッシュの内周面が圧接し、弁軸の移動を妨げる虞があった。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたもので、弁軸を高精度で移動させることのできる電動弁を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る電動弁は、流量を制御する電動弁であって、弁室を有する弁本体と、前記弁本体に接続され、前記弁室を介して連通する複数のポートと、前記ポートの一つに設けられるオリフィスと、前記オリフィスに達する端部に弁体が形成され、軸方向移動可能に支持されて、軸方向移動によって前記オリフィスに対する前記弁体の差込量を変化させる弁軸と、概略円筒形状を有して前記弁軸が挿通されて、内周面で当該弁軸を移動可能に支持するガイドブッシュと、を備え、前記ガイドブッシュは、前記弁軸の挿通域の一部を含み、前記弁本体に圧入される圧入部と、前記圧入部内の内周面の少なくとも一部に形成され、前記圧入部の内周面を拡径して成る段差部と、を有する。

前記段差部は、前記圧入部の前記内周面に一周に亘って形成されているようにしてもよい。

前記段差部は、圧入された際に前記弁本体の最深まで差し込まれる、前記圧入部の先端まで及んで形成されているようにしてもよい。

前記弁本体に重ね合わせられ、内部が密閉される円筒状部材と、前記弁室と前記円筒状部材とを均圧にする均圧孔と、を備え、前記均圧孔は、前記段差部の内周面に形成されているようにしてもよい。

前記弁本体に接続された円筒部材と、前記円筒部材に外装されたステータと、を備えるようにしてもよい。

本発明によれば、ガイドブッシュを圧入により弁本体に固定する方式であっても、弁軸の良好な移動性を確保することができる。

本実施形態の電動弁の構成を示す断面図である。 本実施形態のガイドブッシュに設けられた段差部を示し、段差部の存在する高さの断面図であり、弁室側から円筒部材側へ見ている。 本実施形態のガイドブッシュの圧入部が弁本体に圧入された状態を示す図である。 本実施形態の段差部の第２の例を示し、ガイドブッシュの圧入部が弁本体に圧入された状態を示す図である。 本実施形態の段差部の第３の例を示し、ガイドブッシュの圧入部の内周面を展開した図である。 本実施形態の段差部の第４の例を示し、ガイドブッシュの圧入部の内周面を展開した図である。 本実施形態の段差部の第５の例を示し、ガイドブッシュの圧入部の内周面を展開した図である。 本実施形態の段差部の第６の例を示し、ガイドブッシュの圧入部の内周面を展開した図である。

以下、本発明に係る電動弁の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る電動弁１００の構成を示す断面図である。但し、円筒部材１より外側に設けられるステッピングモータのステータは省略している。

図１に示すように、電動弁１００では、冷媒等の流体の経路である第１ポート３と第２ポート４の各々が弁室２ａに接続され、弁室２ａを介して第１ポート３と第２ポート４とが連通している。第１ポート３にはオリフィス５が設置されている。また弁室２ａには弁体７が収容されている。弁体７は、オリフィス５に向かって先細りし、先端からの高さによって胴囲が異なる。この弁体７は、軸方向に移動可能な弁軸６の先端に形成されている。弁軸６は、ステッピングモータを駆動源とし、ねじ送り機構１８によってオリフィス５に向けて、またはオリフィス５から離れるように、軸方向移動する。これにより弁体７のオリフィス５への差込量が可変となり、差込量に応じて第１ポート３と第２ポート４の間の流量が制御されている。

このような電動弁１００は、円筒部材１と弁本体２とを重ねて合わせて接続することにより構成される。円筒部材１は、ねじ送り機構１８を含む、弁軸６の移動機構を収容する気密容器である。弁本体２は、その内部空間が弁室２ａとなって弁体７が収容されている。この円筒部材１は、キャンとも称され、例えばステンレス等の非磁性の金属板を素材とし、一端面が半球状に閉じたカップ型形状を有し、電動弁１００が備えるステッピングモータのステータ（不図示）が外装されている。弁本体２は、バルブボディとも称され、内部空間を有する概略円筒であり、一端面には開口が設けられている。円筒部材１と弁本体２とは、円筒部材１の開口と弁本体２の開口とを合わせて重ねられている。典型的には、弁本体２には、円筒部材１側に半径方向外方に拡がる鍔状部材２ｄが設けられ、円筒部材１と弁本体２との接続は鍔状部材２ｄを介する。鍔状部材２ｄは、弁本体２と一体であってもよく、即ち弁本体２から延長して形成されてもよい。

第１ポート３は、円筒部材１に向く弁本体２の開口とは反対の端面に接続されて弁室２ａに通じ、円筒部材１の中心軸と同軸に延びる。第２ポート４は、弁本体２の側周面に接続されて弁室２ａに通じ、第１ポート３の延び方向と直交して延びる。オリフィス５は、第１ポート３の開口端面に設置されている。

弁軸６は、円筒部材１の中心軸と同軸に配置され、棒形状を有する。この弁軸６は、円筒部材１の開口と弁本体２の開口を通って、円筒部材１内から弁室内に突き出し、先端が第１ポート３のオリフィス５に達する。弁体７は、オリフィス５に達した弁軸６の先端に形成されている。この弁体７は、この弁軸６を先端に向けて縮径させて形成される。

弁軸６は、両端域を除き、円筒部材１に配置されたガイドブッシュ８によって回転かつ昇降可能に支持されている。ガイドブッシュ８は、弁軸６の周面を軸方向に沿って支持している。ガイドブッシュ８の外周には、雄ねじである固定ねじ８ａが形成されている。一方、ガイドブッシュ８には、円筒部材１内に配置された弁軸ホルダ９が螺合している。即ち、弁軸ホルダ９は、円筒部材１の有底側の端面に穴空きの天井部９ｂを有する円筒体であり、弁軸ホルダ９の内周には、雌ねじである可動ねじ９ａが形成されている。そして、ガイドブッシュ８の固定ねじ８ａと弁軸ホルダ９の可動ねじ９ａとがねじ合わせされている。

弁軸ホルダ９の外周には、ステッピングモータのロータ１０が同軸に設けられる。ロータ１０は、例えばＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系等の希土類プラスチックマグネットを素材とし、円筒形状を有し、内周面に、弁軸ホルダ９を支持する支持体１０ｂが延設されている。この支持体１０ｂには、弁軸ホルダ９の装着孔１０ａが開口しており、この装着孔１０ａに弁軸ホルダ９が嵌まり込むことで、ロータ１０と弁軸ホルダ９とが固定されている。

また、円筒部材１の有底部に向かう弁軸６の後端は、ガイドブッシュ８から突出し、更に弁軸ホルダ９の天井部９ｂの開口からも突出している。その突出部分には、円筒部材１の半径方向に拡がるワッシャ状のロータ押さえ１１を介してプッシュナット１２が圧入や溶接などの手段で固定されている。更に、弁軸６は、軸の途中から後端まで一段細径となって段部６ａが形成されており、この段部６ａと弁軸ホルダ９の天井部９ｂとの間に、弁軸６に嵌め込まれた圧縮コイルばね１４が設置されている。

圧縮コイルばね１４は、弁軸ホルダ９をプッシュナット１２側へ付勢する。そのため、圧縮コイルばね１４とプッシュナット１２とによってロータ押さえ１１及び弁軸ホルダ９の天井部９ｂが弾力的に挟み込まれ、ロータ１０に固定された弁軸ホルダ９、ロータ押さえ１１、プッシュナット１２及び弁軸６がロータ１０と共に一体となる。

尚、プッシュナット１２の外周には復帰ばね１３が嵌め込まれている。この復帰ばね１３は、弁軸６が円筒部材１の有底部側に移動した場合において、復帰ばね１３が円筒部材１の有底部に接触し圧縮され、弁軸６と一体となった弁軸ホルダ９の可動ねじ９ａとガイドブッシュ８の固定ねじ８ａとが噛み合う方向に付勢する。

また、ガイドブッシュ８における弁軸ホルダ９のはめ込み部分の下方には、下部ストッパ１５が固定される。下部ストッパ１５は、例えばその内側に設けられた雌ねじを固定ねじ８ａにねじ込むことにより、ガイドブッシュ８に固定される。弁軸ホルダ９の下部には、ストッパ９ｃが一体に設けられる。ストッパ９ｃは、弁軸ホルダ９が最下降位置に達した場合に下部ストッパ１５に当接し、弁軸ホルダ９のそれ以上の回転と下降を規制する。

このような電動弁１００では、外部からのパルス信号がステッピングモータに入力されてロータ１０が回転する。ロータ１０の回転量は、パルス数に比例する。圧縮コイルばね１４とプッシュナット１２とによって作出される一体性により、ロータ１０が回転すると、弁軸ホルダ９もガイドブッシュ８の周りを軸回転する。

ここで、ガイドブッシュ８は、図１に示すように、円筒部材１に配置され、円筒部材１の内部から一部突き出ている。弁本体２の開口は、弁室２ａに到る段付き孔であり、ガイドブッシュ８を固定する大径の支持穴２ｂと、この支持穴２ｂの底面に貫設され、弁軸６が通る小径の貫通孔２ｃとから成る。ガイドブッシュ８のうち、円筒部材１から突き出した部分は、圧入部８ｂとなっている。この圧入部８ｂは、ガイドブッシュ８を弁本体２に固定するため、支持穴２ｂに圧入される。即ち、圧入部８ｂ及び支持穴２ｂは、ほぞ及びほぞ穴の関係を有する。

そのため、ガイドブッシュ８は位置が固定されている。そうすると、弁軸ホルダ９とガイドブッシュ８とは、固定ねじ８ａと可動ねじ９ａとによって螺合関係にあるため、弁軸ホルダ９は、ガイドブッシュ８の周りを軸回転しながら、軸方向に移動する。弁軸ホルダ９が軸方向に移動すると、圧縮コイルばね１４とプッシュナット１２とによって作出される一体性により、弁軸６もガイドブッシュ８に支持されながら軸方向に移動する。

弁軸６の移動の際、ガイドブッシュ８は、弁軸６の周面を軸方向に沿って支持することで、半径方向の変動や軸の傾きを規制しながら、弁体７をオリフィス５に案内する。即ち、ガイドブッシュ８は、弁軸６と同軸に配置され、内周面で弁軸６を覆う円筒形状を有する。ガイドブッシュ８の内周面と弁軸６の間にはクリアランスが設けられている。クリアランスは、半径方向の変動や軸の傾きを高精度に規制しつつ、弁軸６が軸方向移動可能となる程度である。

図１及び図２に示すように、弁軸６は圧入部８ｂを通り抜けて弁室２ａに到るものである。圧入部８ｂの内周面には段差部１６が形成されている。段差部１６は、圧入部８ｂの内周面が拡径された領域であり、圧入部８ｂの内周面の全周及び全域に亘って一繋ぎに形成される。例えば、この段差部１６は、弁本体２の最深まで差し込まれる圧入部８ｂの先端から固定ねじ８ａ側に向けて、圧入部８ｂの圧入長に亘って形成される。圧入部８ｂの先端が面取りされる場合、段差部１６は少なくとも、この面取りより長い。

支持穴２ｂへの圧入前においては、段差部１６と弁軸６の外周面との間のクリアランスＣａは、段差部１６の無いガイドブッシュ８の内周面と弁軸６の外周面とのクリアランスＣｂよりも、大きく設定されていることになる。一方、圧入部８ｂを支持穴２ｂに圧入した状態では、図３に示すように、圧入部８ｂは内周面が膨出するように変形し、圧入部８ｂの内周面と弁軸６との間のクリアランスは減少する。しかし、段差部１６と弁軸６との間のクリアランスＣａは大きくなっている。そのため、圧入部８ｂが変形しても、段差部１６と弁軸６との間にはクリアランスＣｃが残り、圧入部８ｂの内周面が弁軸６に圧接せず、弁軸６の軸方向への移動は妨げられていない。

従って、弁軸６は、段差部１６の存在によって、外部からのパルス信号に良好に応答して精度良く移動し、弁体７のオリフィス５への差込量は良好に変化する。先細りした弁体７の差込量が変化すると、弁体７の外周面とオリフィス５の内周面とが画成する隙間の断面積は、差込量に応じて変化する。以上により、電動弁１００は、第１ポート３と第２ポート４の流量を精度良く制御できる。

尚、この電動弁１００においては、図１及び図４に示すように、ガイドブッシュ８には均圧孔１７が穿設加工されている。均圧孔１７は、ガイドブッシュ８と弁軸６との間の隙間及び弁軸６と貫通孔２ｃとの間の隙間を介して、弁室２ａと円筒部材１の内部を繋ぎ、弁室２ａと円筒部材１の内部空間とを均圧に保つ。

均圧孔１７は段差部１６に穿設加工される。即ち、穿設加工された均圧孔１７には、突起であるバリＢが生じる虞がある。バリＢが弁軸６に届くと、弁軸６の軸方向への移動を阻害する。しかしながら、均圧孔１７は、一段拡径された段差部１６に形成されている。そのため、バリＢが弁軸６に届き難くなり、弁軸６の軸方向への移動を妨げる虞が低減される。しかも、段差部１６の存在により、圧入部８ｂが変形しても均圧孔１７が弁軸６の外周面で閉蓋されず、弁室２ａと円筒部材１の内部空間とを均圧を良好に保っている。均圧孔１７を段差部１６に設ける場合、図４に示すように、段差部１６は、圧入部８ｂの範囲を脱して固定ねじ８ａ側へ向けて及ぶ。

段差部１６に関し、段差部１６の形成範囲は、圧入部８ｂの全周及び全域としたが、少なくとも、圧入部８ｂの内周面と弁軸６とが接触する範囲であればよい。典型的には、圧入部８ｂの内周面と弁軸６とが接触する可能性のある範囲は、ガイドブッシュ８の変形が始まる基端から、弁室２ａに向かう圧入部８ｂの先端の範囲である。一方、ガイドブッシュ８の変形の基端からクリアランスの減少は始まるが、圧入部８ｂの根元付近では未だ十分なクリアランスが存在している場合もある。この場合、圧入部８ｂの根元にまで段差部１６を及ぼす必要はない。即ち、図５に示すように、段差部１６は、圧入部８ｂの途中の接触基点から先端にかけて、圧入部８ｂの圧入長Ｌａよりも短い範囲で形成されるようにしてもよい。もちろん、十分な余裕を確保するため、圧入部８ｂの圧入長Ｌａと同長で段差部１６を形成してもよい。

また、段差部１６は、圧入部８ｂの内周面と弁軸６とが接触する全範囲に限らず、圧入部８ｂの内周面と弁軸６とが接触する一部範囲に形成されるようにしてもよい。圧入部８ｂと弁軸６とは接触しているが、その接触圧が弁軸６の摺動性を妨げない範囲も存在し得るためである。この場合、低接触圧の範囲にまで段差部１６を形成する必要はない。例えば、圧入部８ｂの根元地点で接触は始まるが、根元地点での接触圧が弁軸６の摺動性を妨げるものではない場合、圧入部８ｂの根元地点まで及んで段差部１６を形成しなくてもよい。もちろん、弁軸６の移動性を確実に担保すべく、接触の虞のある範囲の全てに段差部１６を形成してもよい。

また、段差部１６の深さ、即ち段差部１６の内周面の径は、圧入部８ｂが変形しても、圧入部８ｂと弁軸６との間にクリアランスが存在する程度が望ましい。もっとも、弁軸６の摺動性が実用上耐え得る接触圧は許容できる。即ち、圧入部８ｂの深さは、非接触を目的として設定されてもよいし、接触圧の上限を定めて、この上限に接触圧が収まる程度に設定されてもよい。もちろん、弁軸６の移動性を確実に担保すべく、非接触となる深さまで段差部１６を形成してもよい。

更に、段差部１６を圧入部８ｂの全周及び全域に設けなくとも、接触面積の減少によって摺動性の悪化は抑制される。従って、例えば、図６に示すように、段差部１６は、圧入部８ｂの内周よりも円周方向に幅狭とし、周方向に間欠的に複数並設してもよい。隣り合う段差部１６間は、弁軸６の移動方向に沿って延びるリブ１６ａとなる。このリブ１６ａは、弁軸６の摺動方向に沿って延びるので、弁軸６と接触していても、弁軸６の摺動性の悪化度合いを減少させる。もちろん、弁軸６の移動性を確実に担保すべく、段差部１６を圧入部８ｂの全周及び全域に設けてもよい。

また、この幅狭の段差部１６は、図７に示すように、圧入部８ｂの先端ほど漸次幅広としてもよい。この段差部１６は、接触圧が高い圧入部８ｂの先端に行くに連れて、弁軸６とガイドブッシュ８との接触面積を減少させる。段差部１６の幅広箇所を圧入部８ｂの先端側で連結させ、圧入部８ｂの先端では、内周面の全周に亘って拡径領域が連続していてもよい。

また、段差部１６は、圧入部８ｂの先端に達するように形成されていてもよいし、図８に示すように、圧入部８ｂの内周面内に収まるように掘り込まれて形成されていてもよい。圧入部８ｂの内周面内に収まる段差部１６は、ガイドブッシュ８の軸方向及び内周方向に複数行列で並べてもよい。この場合、周方向に並ぶ段差部１６の数を、圧入部８ｂの先端の列ほど増加させてもよい。掘り込まれた段差部１６の形状は矩形であっても、円形であっても、楕円形であっても、多角形であっても、複雑な形状であってもよい。

以上のように、この電動弁１００は、概略円筒形状を有して弁軸６が挿通されて、内周面で当該弁軸６を移動可能に支持するガイドブッシュ８を備える。このガイドブッシュ８は、弁軸６の挿通域の一部を含み、弁本体２に圧入される圧入部８ｂを有している。そして、この圧入部８ｂ内の内周面の少なくとも一部には、圧入部８ｂの内周面を拡径して成る段差部１６を形成した。これにより、ガイドブッシュ８を圧入により弁本体２に固定しても、ガイドブッシュ８を通る弁軸６の良好な移動性を確保することができる。

この段差部１６は、圧入部８ｂの内周面を一周に亘って形成されているようにした。また、段差部１６は、圧入された際に弁本体２の最深まで差し込まれる、圧入部８ｂの先端まで及んで形成されているようにした。これにより、ガイドブッシュ８の内周面が弁軸６に圧接する箇所を排除でき、弁軸６はより精密に軸方向に移動することができる。

また、弁室２ａと円筒部材１とを均圧にする均圧孔１７を段差部１６に開口させるようにした。これにより、均圧孔１７をガイドブッシュ８内に開口させても、穿設加工によるバリが弁軸６に到達する虞は低くなり、弁軸６を精密に軸方向に移動することができる。

（他の実施形態）
以上のように本発明の実施形態を説明したが、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。そして、この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 円筒部材
２ 弁本体
２ａ 弁室
２ｂ 支持穴
２ｃ 貫通孔
２ｄ 鍔状部材
３ 第１ポート
４ 第２ポート
５ オリフィス
６ 弁軸
６ａ 段部
７ 弁体
８ ガイドブッシュ
８ａ 固定ねじ
８ｂ 圧入部
９ 弁軸ホルダ
９ａ 可動ねじ
９ｂ 天井部
９ｃ ストッパ
１０ ロータ
１０ａ 装着孔
１０ｂ 支持体
１１ ロータ押さえ
１２ プッシュナット
１３ 復帰ばね
１４ 圧縮コイルばね
１５ 下部ストッパ
１６ 段差部
１７ 均圧孔
１８ ねじ送り機構
１００ 電動弁

Claims (5)

1. 流量を制御する電動弁であって、
   弁室と当該弁室へ至る貫通孔とを有する弁本体と、
   前記弁本体に接続され、前記弁室を介して連通する複数のポートと、
   前記ポートの一つに設けられるオリフィスと、
   前記貫通孔を通り、前記オリフィスに達する端部に弁体が形成され、軸方向移動可能に支持されて、軸方向移動によって前記オリフィスに対する前記弁体の差込量を変化させる弁軸と、
   一重の概略円筒形状を有して前記弁軸が挿通されて、内周面で当該弁軸を移動可能に支持するガイドブッシュと、
   を備え、
   前記ガイドブッシュは、前記弁軸の挿通域の一部を含み、前記弁本体に圧入される圧入部と、
   前記圧入部内の前記内周面の少なくとも一部に形成され、前記弁軸の外周面に隙間を介して対向した前記圧入部の内周面を拡径して成る段差部と、
   を有し、
   前記貫通孔の内周面は、前記弁軸の外周面と隙間を介して対向し、
   前記弁軸と前記貫通孔との隙間よりも、前記弁軸と前記段差部との隙間が大きいこと、
   を特徴とする電動弁。
2. 前記段差部は、前記圧入部の前記内周面に一周に亘って形成されていること、
   を特徴とする請求項１記載の電動弁。
3. 前記段差部は、圧入された際に前記弁本体の最深まで差し込まれる、前記圧入部の先端まで及んで形成されていること、
   を特徴とする請求項１又は２記載の電動弁。
4. 前記弁本体に重ね合わせられ、内部が密閉される円筒部材と、
   前記弁室と前記円筒部材内とを均圧にする均圧孔と、
   を備え、
   前記均圧孔は、前記段差部の内周面に形成されていること、
   を特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の電動弁。
5. 前記弁本体に接続された円筒部材と、
   前記円筒部材に外装されたステータと、
   を備えること、
   を特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の電動弁。

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