JP6871313B2

JP6871313B2 - 電動弁

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Publication number: JP6871313B2
Application number: JP2019122767A
Authority: JP
Inventors: 大樹中川
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2019-07-01
Filing date: 2019-07-01
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2036-06-22
Also published as: JP2019158153A

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）及び特開２０１１−１７４５８７号公報（特許文献２）に開示されたものがある。

特許文献１の電動弁は、ステッピング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）を有するニードル弁が嵌挿されている。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、マグネットロータの回転とネジ送り機構によりニードル弁を進退駆動し、弁口（弁ポート）の開度を制御する。特許文献２の電動弁では、弁体はニードル弁ではないが、マグネットロータの回転とネジ送り機構により弁体を進退駆動するよう構成されている。

特開２０１３−２０４６１３号公報特開２０１１−１７４５８７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。例えば、省エネ性を向上するために圧縮機を低周波数で運転し、冷凍サイクルの冷媒の循環量を少なくすることが行われる。この場合、この循環量に併せて電動弁の弁開度を極めて小さくして流量を絞る必要があり、電動弁にはこの微小流量域での高い制御性が要求される。

しかしながら、弁開度を極めて小さくすると、弁口とニードル弁の先端部（ニードル部）との間に異物が噛み込むことがあり、このニードル弁をガイドするガイド部（孔等）との摩擦抵抗が増大し、ニードル弁の動きが悪くなったり、ニードル弁が拘束され、動作不良につながるという問題がある。特に、低流量の場合、ニードル弁のストレート部（又は、ニードル部）と弁口との隙間を細かく制御するため異物の影響が大きくなる。

本発明は、電動弁において、弁口への異物噛み込みの際にニードル弁とガイド孔との摩擦抵抗を抑制し、ニードル弁の拘束を防止して進退移動を円滑に行わせることを課題とする。

請求項１の電動弁は、弁本体の内部に設けられるとともに弁口を有する弁室と、前記弁口に対して先端のニードル部が挿入される、中間部が円柱状又はテーパ円柱状に形成された棒状のニードル弁と、前記ニードル弁の前記中間部を挿通させてガイドするガイド孔と、前記ニードル弁を進退駆動する駆動部と、前記弁本体に固定されて前記ガイド孔の少なくとも一部である駆動部ガイド孔が設けられた支持部材と、前記ニードル弁における前記ニードル部とは反対側に、前記ニードル弁と共に進退移動するように設けられ、前記支持部材の一部を内側に収める円筒状のロータ本体及び回転するマグネットを有し、前記ロータ本体が前記マグネットと一緒に回転するマグネットロータと、を備え、前記弁口と前記ニードル弁の前記ニードル部とのクリアランスよりも、前記ガイド孔の内径と前記ニードル弁の前記中間部の外径との最小差であるクリアランスが大きく設定されており、前記ニードル部には、前記中間部側から、円柱状のストレート部、当該ストレート部に隣接するとともに前記ニードル部の先端側へと第１テーパ角で先細りとなったニードル中間テーパ部、及び、当該ニードル中間テーパ部に隣接するとともに前記先端側へと前記第１テーパ角よりも大きな第２テーパ角で先細りとなったニードル先端テーパ部、が形成され、前記駆動部が、前記支持部材の外周の雄ネジ部と、前記ロータ本体の内周の、前記雄ネジ部と螺合する雌ネジ部と、を有するネジ送り機構を介して前記ニードル弁を進退駆動するものであり、前記ニードル弁が、前記中間部から見て前記マグネットロータ側となる部分に、前記中間部よりも外径の小さいロッド部を有し、当該ロッド部にて前記マグネットロータと接続されていることを特徴とする。なお、ニードル弁の中間部あるいはガイド孔が多少テーパ状になっている場合もあり得るが、ガイド孔とニードル弁の中間部とのクリアランスとは、このガイド孔と中間部との間における最少のクリアランスのことである。
請求項２の電動弁は、請求項１に記載の電動弁において、前記ストレート部の長さが、当該ストレート部の外径よりも小さいことを特徴とする。
請求項３の電動弁は、請求項１に記載の電動弁において、前記ニードル弁における前記ニードル部と前記中間部との間には、前記ニードル部に向かって先細りとなった弁中間テーパ部が形成され、前記ニードル部の前記ストレート部が前記弁中間テーパ部に隣接していることを特徴とする。
請求項４の電動弁は、請求項１に記載の電動弁において、前記ニードル弁の前記中間部が円柱状に形成されており、当該中間部の外径が前記ガイド孔の内径よりも小さく、かつ、前記中間部の前記ニードル部側の先端が前記弁室の内部へと突出していることを特徴とする。
請求項５の電動弁は、請求項１に記載の電動弁において、前記ストレート部の長さが、前記ニードル中間テーパ部の長さよりも短いことを特徴とする。
請求項６の電動弁は、請求項１に記載の電動弁において、前記ニードル弁が前記弁口の側へと最も移動した弁閉時には、前記ストレート部の少なくとも一部が前記弁口の内部に位置することを特徴とする。

また、前記ガイド孔は、前記弁本体の一部に設けられた本体ガイド孔と、前記駆動部の一部に形成された駆動部ガイド孔と、で構成され、前記本体ガイド孔と前記ニードル弁の前記中間部とのクリアランスよりも前記駆動部ガイド孔と前記ニードル弁の前記中間部とのクリアランスが大きく設定されていてもよい。

また、前記ガイド孔は、前記弁本体の一部に設けられた本体ガイド孔と、前記駆動部の一部に形成された駆動部ガイド孔と、で構成され、前記駆動部ガイド孔と前記ニードル弁の前記中間部とのクリアランスよりも前記本体ガイド孔と前記ニードル弁の前記中間部とのクリアランスが大きく設定されていてもよい。

また、前記ニードル弁の前記ニードル部は、前記中間部側の端部に前記弁口とのクリアランスを最少にするストレート部を備えていてもよい。

請求項１の電動弁によれば、弁口とニードル部との間への異物の噛み込みの際にも、ニードル弁の中間部とガイド孔との摩擦抵抗を抑制してニードル弁の拘束を防止し、ニードル弁の進退移動を円滑に行うことができる。すなわち、弁口とニードル部とのクリアランスが、ガイド孔とニードル弁の中間部とのクリアランスより大きいと、弁口とニードル部との間に異物の噛み込みが生じた場合、ニードル弁はガイド孔によって拘束されてしまうが、本発明ではこれを防止できる。

また、本体ガイド孔とニードル弁の中間部とのクリアランスよりも、駆動部ガイド孔とニードル弁の中間部とのクリアランスの方が大きく設定されていると、本体ガイド孔でのシール性を高めながら、かつ、中間部と駆動部ガイド孔との摺動抵抗を抑制することができる。

また、駆動部ガイド孔とニードル弁の中間部とのクリアランスよりも、本体ガイド孔とニードル弁３の中間部とのクリアランスの方が大きく設定されていると、組立て時の弁本体に対する例えば支持部材の圧入時に同心バラツキが生じても、この同心バラツキを吸収することができる。

また、ストレート部が弁口内にある範囲では、ニードル弁の進退位置が変動しても、最少の微小流量域を一定に確保することができる。

本発明の実施形態の電動弁の縦断面図である。実施形態におけるニードル部と弁口の近傍の拡大図である。実施形態における円柱部とガイド孔の部分の拡大図である。

次に、本発明の電動弁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。

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本体１を有しており、弁本体１はその内部に弁室１Ａを有している。弁本体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、弁本体１の下端には第２継手管１２が接続されるとともに、弁本体１の内底面には弁口１３が形成されており、第２継手管１２は弁口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、弁本体１に対してろう付け等により固着されている。弁本体１の弁口１３と反対側には上端に開口する「ガイド孔」の一部としての本体ガイド孔１４と、取り付け孔１５が形成されており、取り付け孔１５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「駆動部」の一部を構成しており、略円柱状のホルダ部２１と、このホルダ部２１の弁本体１寄りに形成されたフランジ部２２と、固定側ストッパ部２３とを有している。ホルダ部２１の外周には雄ネジ部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５２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、弁口１３の軸線Ｘと同軸の「ガイド孔」の一部としての駆動部ガイド孔２１ｃが形成されており、この駆動部ガイド孔２１ｃ内にニードル弁３が挿通されている。

ニードル弁３はステンレスや真鍮等の金属部材により形成され、下側の先端のニードル部３１と、円錐台形状のテーパ部３２とを有している。また、ニードル弁３は、弁本体１の本体ガイド孔１４と支持部材２の駆動部ガイド孔２１ｃとに挿通される「中間部」としての円柱部３３と、円柱部３３より径が小さい棒状のロッド部３４とを有している。ロッド部３４の周囲には円柱部３３の段部３３ａとマグネットロータ５２との間に付勢バネ４が圧縮した状態で配置されている。これにより、ニードル弁３は、マグネットロータ５２に対して常時、弁口１３側に付勢されている。

弁本体１の上端には蓋１６が取り付けられ、この蓋１６に「駆動部」の一部を構成するステッピングモータ５のケース５１が溶接等によって気密に固定されている。ケース５１内には外周部を多極に着磁されたマグネットロータ５２が回転可能に設けられている。また、ケース５１の外周には、ステータコイル５３が配設されており、このステッピングモータ５は、ステータコイル５３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５２を回転させる。マグネットロータ５２はロータ本体５２１とその外周に固着されたマグネット５２２とから構成されている。

ロータ本体５２１の中心下方には、弁口１３の軸線Ｘと同軸の雌ネジ部５２１ａとそのネジ孔が形成されるとともに、ロータ本体５２１の中央には雌ネジ部５２１ａのネジ孔の内周よりも径の小さな円筒状のスライド孔５２１ｂが形成されている。さらに、スライド孔５２１ｂの上方中心には、ニードル弁挿通孔５２１ｃが形成されている。また、マグネット５２２の下部一箇所には下に突出する可動側ストッパ５２ａが形成されている。

ニードル弁３の円柱部３３は、弁本体１の本体ガイド孔１４と支持部材２の駆動部ガイド孔２１ｃとに挿通されるとともに、ロータ本体５２１のニードル弁挿通孔５２１ｃにニードル弁３の端部３ａ（ロッド部３４の端部）が挿通されている。また、マグネットロータ５２は、スライド孔５２１ｂ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５２側の雌ネジ部５２１ａが支持部材２側の雄ネジ部２１ａに螺合されている。そして、ニードル弁３の端部３ａに、固定部材６が圧入され、溶接により（ニードル弁３と固定部材６が）一体に固着されている。

なお、雄ネジ部２１ａと雌ネジ部５２１ａ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５２１ａは右ネジである。また、ケース５１とマグネットロータ５２との間には、マグネットロータ５２を弁閉方向に付勢する圧縮バネ５４が配設されているが、雄ネジ部２１ａと雌ネジ部５２１ａ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５２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５２が回転すると、雌ネジ部５２１ａと雄ネジ部２１ａのネジ送り作用により、マグネットロータ５２が軸線Ｘ方向（上下）に移動する。また、ニードル弁３の上端の固定部材６は付勢バネ４の付勢力によりマグネットロータ５２に当接しており、ニードル弁３がマグネットロータ５２と共に移動し、ニードル弁３のニードル部３１が弁口１３に対して進退する。これにより、弁口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は、テーパ部３２側の端部に円柱状のストレート部３１ａを有しており、このストレート部３１ａと弁口１３とのクリアランスは微小であり、このストレート部３１ａが弁口１３内に位置するときに、微小流量域での制御を行う。なお、マグネットロータ５２の下端位置は固定側ストッパ部２３により規制される。すなわち、マグネットロータ５２は、回転して下降するときは可動側ストッパ５２ａは固定側ストッパ部２３の上を通過し、可動側ストッパ５２ａが固定側ストッパ部２３に当接すると、回転が規制される。

図２はニードル部３１と弁口１３の近傍の拡大図、図３は円柱部３３とガイド孔の部分の拡大図である。図２に示すように、弁口１３の径をＤ１、ニードル部３１のストレート部３１ａの径をＤ２とすると、径Ｄ２は径Ｄ１より僅かに小さく、
Ｄ１−Ｄ２＝ＣＬ１
が、弁口１３とニードル部３１（ストレート部３１ａ）とのクリアランスとなっている。

また、図３に示すように、本体ガイド孔１４の径をＤ３、駆動部ガイド孔２１ｃの径をＤ４、ニードル弁３の円柱部３３の径をＤ５とすると、Ｄ３及びＤ４はＤ５より僅かに大きく、かつ、
Ｄ３＜Ｄ４
となっている。そして、
Ｄ３−Ｄ５＝ＣＬ２
が、本体ガイド孔１４と円柱部３３とのクリアランスであり、
Ｄ４−Ｄ５＝ＣＬ３
が、駆動部ガイド孔２１ｃと円柱部３３とのクリアランスとなっている。したがって、
ＣＬ２＜ＣＬ３
となっている。

さらに、この実施形態では、
ＣＬ１＜ＣＬ２＜ＣＬ３
となっている。すなわち、弁口１３とニードル弁３の先端のニードル部３１とのクリアランス（ＣＬ１）よりも、本体ガイド孔１４及び駆動部ガイド孔２１ｃ（ガイド孔）と円柱部３３（中間部）とのクリアランス（ＣＬ２及びＣＬ３）が大きく設定されている。

これにより、弁口１３とニードル部３１との間への異物の噛み込みの際にも、ニードル弁３の円柱部３３と、本体ガイド孔１４及び駆動部ガイド孔２１ｃとの摩擦抵抗を抑制してニードル弁３の拘束を防止し、このニードル弁３の進退移動を円滑に行うことができる。すなわち、弁口１３とニードル部とのクリアランスが、ガイド孔とニードル弁３の円柱部３３とのクリアランスより大きいと、弁口１３とニードル部３との間に異物の噛み込みが生じた場合、ニードル弁３はガイド孔によって拘束されてしまうが、このようなことが防止できる。

また、本体ガイド孔１４とニードル弁３の円柱部３３（中間部）とのクリアランス（ＣＬ２）よりも、駆動部ガイド孔２１ｃとニードル弁３の円柱部３３（中間部）とのクリアランス（ＣＬ３）の方が大きく設定されている。したがって、本体ガイド孔１４でのシール性を高めながら、かつ、円柱部３３と駆動部ガイド孔２１ｃとの摺動抵抗を抑制することができる。

上記の実施形態とは逆に、駆動部ガイド孔２１ｃとニードル弁３の円柱部３３（中間部）とのクリアランス（ＣＬ３）よりも、本体ガイド孔１４とニードル弁３の円柱部３３（中間部）とのクリアランス（ＣＬ２）の方が大きく設定されていてもよい。この場合は、円柱部３３は本体ガイド孔１４に実質的に接触しないので、組立て時の弁本体１に対する支持部材２の圧入時に同心バラツキが生じても、この同心バラツキを吸収することができる。

以上の実施形態の電動弁は、ネジ送り機構を構成する雄ネジ部２１ａと雌ネジ部５２１ａとの関係は、雄ネジ部２１ａが弁本体１側に固定され、雌ネジ部５２１ａがマグネットロータ５２側に固定されているが、逆の構成でもよい。すなわち、本発明は、例えば特許文献１のように、マグネットロータに対して固定関係にある雄ネジ部を、弁本体に対して固定関係にある雌ネジ部に螺合させてネジ送り機構を構成するように電動弁にも適用できる。

また、以上の実施形態では、駆動部はネジ送り機能によりニードル弁を進退駆動するものであるが、駆動部はニードル弁を進退駆動するものであれば、他の構成でもよい。

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弁本体
１Ａ弁室
１１第１継手管
１２第２継手管
１３弁口
１４本体ガイド孔（ガイド孔）
２支持部材（駆動部）
２１ホルダ部
２１ａ雄ネジ部
２１ｂロータガイド
２１ｃ駆動部ガイド孔（ガイド孔）
３ニードル弁
３１ニードル部
３１ａストレート部
３２テーパ部
３３円柱部（中間部）
３４ロッド部
４付勢バネ
５ステッピングモータ（駆動部）
５１ケース
５２マグネットロータ
５２１ａ雌ネジ部
５３ステータコイル
Ｘ軸線

Claims

弁本体の内部に設けられるとともに弁口を有する弁室と、
前記弁口に対して先端のニードル部が挿入される、中間部が円柱状又はテーパ円柱状に形成された棒状のニードル弁と、
前記ニードル弁の前記中間部を挿通させてガイドするガイド孔と、
前記ニードル弁を進退駆動する駆動部と、
前記弁本体に固定されて前記ガイド孔の少なくとも一部である駆動部ガイド孔が設けられた支持部材と、
前記ニードル弁における前記ニードル部とは反対側に、前記ニードル弁と共に進退移動するように設けられ、前記支持部材の一部を内側に収める円筒状のロータ本体及び回転するマグネットを有し、前記ロータ本体が前記マグネットと一緒に回転するマグネットロータと、を備え、
前記弁口と前記ニードル弁の前記ニードル部とのクリアランスよりも、前記ガイド孔の内径と前記ニードル弁の前記中間部の外径との最小差であるクリアランスが大きく設定されており、
前記ニードル部には、前記中間部側から、円柱状のストレート部、当該ストレート部に隣接するとともに前記ニードル部の先端側へと第１テーパ角で先細りとなったニードル中間テーパ部、及び、当該ニードル中間テーパ部に隣接するとともに前記先端側へと前記第１テーパ角よりも大きな第２テーパ角で先細りとなったニードル先端テーパ部、が形成され、
前記駆動部が、前記支持部材の外周の雄ネジ部と、前記ロータ本体の内周の、前記雄ネジ部と螺合する雌ネジ部と、を有するネジ送り機構を介して前記ニードル弁を進退駆動するものであり、
前記ニードル弁が、前記中間部から見て前記マグネットロータ側となる部分に、前記中間部よりも外径の小さいロッド部を有し、当該ロッド部にて前記マグネットロータと接続されていることを特徴とする電動弁。
前記ストレート部の長さが、当該ストレート部の外径よりも小さいことを特徴とする電動弁。
前記ニードル弁における前記ニードル部と前記中間部との間には、前記ニードル部に向かって先細りとなった弁中間テーパ部が形成され、前記ニードル部の前記ストレート部が前記弁中間テーパ部に隣接していることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
前記ニードル弁の前記中間部が円柱状に形成されており、当該中間部の外径が前記ガイド孔の内径よりも小さく、かつ、前記中間部の前記ニードル部側の先端が前記弁室の内部へと突出していることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
前記ストレート部の長さが、前記ニードル中間テーパ部の長さよりも短いことを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
前記ニードル弁が前記弁口の側へと最も移動した弁閉時には、前記ストレート部の少なくとも一部が前記弁口の内部に位置することを特徴とする請求項１に記載の電動弁。