JP6954855B2

JP6954855B2 - 電動弁

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Publication number: JP6954855B2
Application number: JP2018036409A
Authority: JP
Inventors: 大樹中川
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2018-03-01
Filing date: 2018-03-01
Publication date: 2021-10-27
Anticipated expiration: 2038-03-01
Also published as: CN110220008A; CN110220008B; JP2019152246A

Description

本発明は、流体の流路の切り換えなど、流体の流れ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おいて冷媒配管の流路を切り換える切換弁には様々な構造のものがある。例えば、特開２００２−１９５６９４号公報（特許文献１）及び特開２０１０−８４９３９号公報（特許文献２）に開示されたものがある。これらの切換弁は、弁ポートが形成された弁座に対して主弁を回転させることで流路を切り換えるロータリー式の切換弁である。そして、このような切換弁は、通常、弁ハウジング内で主弁の外側が高圧で内側が低圧され、この差圧によって主弁を弁座に圧着させて流路を保持している。このため、仮に冷媒の流れを停止させたとしても、流路の切換時に主弁を回転させるために大きなトルクを必要とする。

特開２００２−１９５６９４号公報特開２０１０−８４９３９号公報

特許文献１のものは、主弁を回転させるための大きなトルクを得るために比較的大型の電動モータを必要とする、これに対して特許文献２のものは、遊星歯車機構等の減速機構を備えているので電動モータの小型化が可能であるが、遊星歯車機構等の複雑な減速機構を必要とするとともに、この減速機構の分だけサイズが大きくなるという問題がある。

本発明は、簡単な機構で大きな駆動力が得られるとともに、弁体と弁座とのシール性を高くした電動弁を提供することを課題とする。

請求項１の電動弁は、筒状の弁室を有する弁ハウジングと、前記弁室に開口する弁ポートを有するとともに前記弁室の軸線と平行な平面内に弁座シール面を有する弁座と、前記弁室内に配設されて前記弁座シール面に対向する弁体シール面を有する弁体と、モータ部のロータ軸を軸線上に支持する支持部材と、を備え、前記弁体が前記ロータ軸に保持され、前記モータ部の駆動により前記ロータ軸と前記支持部材とのねじ送り機構を介して前記弁体を前記軸線方向に移動し、前記弁ポートを開閉する電動弁であって、前記弁体を前記軸線側から前記弁座の方向に付勢する板バネを備え、前記弁ハウジングに複数の前記弁座を備えるとともに、前記各弁座に対応する複数の前記弁体を備え、前記複数の弁体と前記板バネとが前記ロータ軸に弁体アッセンブリとして構成されていることを特徴とする。

請求項２の電動弁は、請求項１に記載の電動弁であって、前記複数の弁体が前記軸線回りに配置されるとともに、前記板バネが前記複数の弁体に囲われるように該複数の弁体の内側に配置されていることを特徴とする。

請求項３の電動弁は、請求項１または２に記載の電動弁であって、前記板バネが、前記複数の弁体を前記弁座の方向にそれぞれ独立に付勢するよう構成されていることを特徴とする。

請求項１乃至３の電動弁によれば、モータ部の駆動によりねじ送り機構を介して弁体が軸線Ｌ方向に移動するとともに、弁ポートを有する弁座に対して、弁体が板バネ及び流体の圧力により付勢されるので、簡単な構造で弁体を移動できるとともに、弁座の弁座シール面に対して弁体の弁体シール面を確実に当接させることができ、シール性を高めることができる。

また、弁体アッセンブリにより複数の弁体を備えているので、例えば弁ハウジングに複数の出口継手管を備えていて、この複数の出口継手管に対応する複数の弁座に対して、複数の弁体を一つのねじ送り機構により移動することができる。

請求項２の電動弁によれば、複数の弁体を一つの板バネで付勢することができる。

請求項３の電動弁によれば、板バネが、複数の弁体を弁座の方向にそれぞれ独立に付勢するので、各弁体の弁座に対するシール作用を確実にすることができる。

本発明の第１実施形態の電動弁の弁閉状態の縦断面図である。第１実施形態の電動弁の弁開状態の縦断面図である。図１のＡ−Ａ矢視断面図及びシール面の関係を示す図である。図２のＡ−Ａ矢視断面図及びシール面の関係を示す図である。第１実施形態の電動弁における弁体アッセンブリの分解斜視図及び組立斜視図である。第１実施形態の弁体の変形例を示す図である。第２実施形態の電動弁の弁閉状態の縦断面図である。

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は第１実施形態の電動弁の弁閉状態の縦断面図、図２は同電動弁の弁開状態の縦断面図、図３は図１のＡ−Ａ矢視断面図及びシール面の関係を示す図、図４は図２のＡ−Ａ矢視断面図及びシール面の関係を示す図である。なお、以下の説明における「上下」の概念は図１及び図２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、弁ハウジング１と、支持部材２と、「モータ部」としてのステッピングモータ３と、「弁体」を備えた弁体アッセンブリ４と、密閉ケース５と、を備えている。

弁ハウジング１は、例えば、黄銅、ステンレス等の金属により略円筒形状に形成されており、その内側に軸線Ｌを中心軸とする円柱形状の弁室１Ｒを有している。弁ハウジング１の下端には弁室１Ｒに導通する入口継手管１０が接続され、この入口継手管１０の弁室１Ｒ側の内側端部は軸線Ｌと同軸な入口ポート１０ａとなっている。また、弁ハウジング１の側部には、３つの出口継手管１１が接続されており、各出口継手管１１の弁室１Ｒ側端部には、この弁室１Ｒに開口する例えばステンレス等の金属製の弁座１２が嵌合されている。各弁座１２の内側は、軸線Ｌと直交する軸を中心とする弁ポート１２１となっている。そして、各出口継手管１１は、それぞれ弁ポート１２１を介して弁室１Ｒに導通可能となっている。また、弁座１２の弁室１Ｒ側の端面は、弁ポート１２１の外周を囲う軸線Ｌと平行な面内に位置する弁座シール面１２ａとなっており、この弁座シール面１２ａに弁体アッセンブリ４における弁体４１の弁体シール面４１ａが摺接される。なお、入口継手管１０及び出口継手管１１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。また、弁体４１の材質としては、摺動性を向上させるための添加剤が添加されたＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）樹脂等の高滑性樹脂であることが好ましい。

支持部材２は、ステッピングモータ３側の中央に立設された樹脂製のホルダ部２１と、ホルダ部２１の一部に一体成形された固定金具２２とを有している。固定金具２２はステンレス製の板金のプレス加工により形成されており、下端部がハウジング１の上端部に溶接により固定されている。

支持部材２の中心には、弁室１Ｒの軸線Ｌと同軸の雌ねじ部２ａとそのねじ孔が形成されるとともに、雌ねじ部２ａのねじ孔よりも径の大きな円筒形状の挿通孔２ｂが形成されている。また、支持部材２のホルダ部２１には、その外周に螺旋状の突条からなるガイド雄ネジ２１ａが形成されている。また、ガイド雄ネジ２１ａの下側一端（固定金具２２側一端）には、このガイド雄ネジ２１ａより半径方向に突出した下端ストッパ２１１が形成され、上端部の外周縁には半径方向に突出した上端ストッパ２１２が形成されている。そして、このガイド雄ネジ２１ａ、下端ストッパ２１１及び上端ストッパ２１２は支持部材２のホルダ部２１と一体に形成されている。また、ホルダ部２１の外周にはコイル状の可動スライダ２３が螺合されている。可動スライダ２３は、ばね性を有する鋼材などの針金を屈曲させて形成されており、半径方向外向きに突出する爪部２３ａを有している。なお、雌ねじ部２ａとガイド雄ネジ２１ａは右ネジであり、ガイド雄ネジ２１ａのピッチは雌ねじ部２ａのピッチよりも大きく設定されている。

ステッピングモータ３は、例えばステンレス等の金属製のロータ軸３１と、密閉ケース５の内部に回転可能に配設されたマグネットロータ３２と、密閉ケース５の外周においてマグネットロータ３２に対して対向配置されたステータコイル３３と、その他、図示しないヨークや外装部材等により構成されている。ロータ軸３１はブッシュ３２１の箇所を溶接することによりマグネットロータ３２の中心に取り付けられている。また、ロータ軸３１の一部外周には雄ねじ部３１ａが形成されている。そして、この雄ねじ部３１ａが支持部材２の雌ねじ部２ａに螺合されている。これにより、支持部材２はロータ軸３１及びマグネットロータ３２を軸線Ｌ上に支持している。

弁アッセンブリ４は弁室１Ｒ内に配設されるとともに、３つの弁座１２に対応する３つの弁体４１と、板バネ４２と、結束リング４３とを備えている。そして、後述するように、この弁体アッセンブリ４は、軸線Ｌ上でロータ軸３１の弁室１Ｒ側に一体に形成されたフランジ部３１１の部分にて保持されている。また、弁体アッセンブリ４の結束リング４３と支持部材２の底部との間には圧縮コイルバネ６が所定の荷重を与えられた状態で配設されており、結束リング４３はばね受けの役割をして、圧縮コイルバネ６によりロータ軸３１に対して入口継手管１０側に常時付勢されている。結束リング４３の材質としては、上述の弁体４１同様に、摺動性を向上させるための添加剤が添加されたＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）樹脂等、高滑性樹脂であることが好ましい。

密閉ケース５は、上端部が塞がれた略円筒形状に形成されており、弁ハウジング１の上端に蓋部材５１を介して溶接によって気密に固定されている。なお、密閉ケース５内の外周下部には、ステッピングモータ３のステータコイル３３を内装した図示しないステータユニットを位置決め固定するためのディンプル５２が形成されている。

以上の構成により、ステッピングモータ３の駆動により、マグネットロータ３２及びロータ軸３１が回転し、ロータ軸３１の雄ねじ部３１ａと支持部材２の雌ねじ部２ａとのねじ送り機構により、ロータ軸３１と弁体アッセンブリ４が軸線Ｌ方向に移動する。すなわち、マグネットロータ３２の回転方向に応じて、弁体アッセンブリ４は軸線Ｌ上で上下に移動する。これにより、弁体アッセンブリ４の弁体４１が対向する弁座１２の弁ポート１２１を開閉し、入口継手管１０から流入する流体を、出口継手管１１へ流出させる弁開状態と、出口継手管１１への流出を遮断する弁閉状態とを、切り換え制御する。また、弁ポート１２１に対する弁体４１の軸線Ｌ方向の位置（リフト量）に応じて、弁ポート１２１を流れる流体の流量を制御することができる。また、弁ポート１２１の開状態を切り替えるために、弁体シール面４１ａ、あるいは開度が大きくなってからはスライド軸４１２と、弁座シール面１２ａとが、互いに平面同士で当接している。このため、マグネットロータ３２の回転に関わらず弁体４１は回転しないようになっている。これにより、弁体アッセンブリ４の回転を防止し、軸線Ｌ方向への移動のみとすることで弁ポート１２１の開度を可変にしている。さらに、このような平面同士で当接させていることにより、必要な箇所でのシール性が高くなり、高精度な流量制御が可能となる。

なお、マグネットロータ３２の内周面の一部には軸線Ｌと平行な突条３２ａが形成されており、この突条３２ａは、マグネットロータ３２の回転時に可動スライダ２３の爪部２３ａに当接し、可動スライダ２３を同方向に連れ回すように回転させる。これにより、ガイド雄ネジ２１ａに倣って可動スライダ２３が移動して、図１に示すように弁ポート１２１が全閉状態となる弁体アッセンブリ４の位置では、可動スライダ２３の爪部２３ａが下端ストッパ２１１に当接して回動が停止する。また、マグネットロータ３２及びロータ軸３１が左回りして上昇すると、図２に示すように、最終的に可動スライダ２３が上端ストッパ２１２に当接し、回動が停止する。

図５（Ａ）は弁体アッセンブリ４の分解斜視図、図５（Ｂ）は弁体アッセンブリ４の組立斜視図である。弁体アッセンブリ４において、３つの弁体４１はそれぞれ同形状であり、各弁体４１は、軸線Ｌ回りの１２０°離間した位置に組み付けられている。弁体４１はロータ軸３１側の上部にボス部４１１を有するとともに、入口継手管１０側となる下部に一対で平行なスライド軸４１２を有している。そして、弁体４１において、ボス部４１１とスライド軸４１２の間の弁座１２側の面は平面状の弁体シール面４１ａとなっている。

また、一対のスライド軸４１２の間には弁ポート１２１の径に整合する開口部４１ｂとなっている。さらに、弁体４１の弁体シール面４１ａの裏側（軸線Ｌ側）には板バネ４２のバネ片４２ａを配置するバネ収容部４１ｃが形成されるとともに、ボス部４１１の裏側には係合溝４１ｄが形成されている。板バネ４２は弾性板から構成されており、各弁体４１に対応する３枚のバネ片４２ａを軸線Ｌ回りに１２０°離間した位置に備えている。そして、このバネ片４２ａは、弁体４１の弁体シール面４１ａの裏側すなわちバネ収容部４１ｃの内壁を押圧する。また、ロータ軸３１のフランジ部３１１上には例えば摺動性を向上させるための添加剤が添加されたＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）樹脂等の、高滑性樹脂からなるワッシャ３１２が配設されている。

以上の構成により、各弁体４１は、バネ収容部４１ｃ内に板バネ４２を配置するとともに、係合溝４１ｄをフランジ部３１１とワッシャ３１２に対して外周から係合させて組み付けられる。また、結束リング４３が各弁体４１のボス部４１１に嵌め込まれ、この結束リング４３は、前記圧縮コイルバネ６によりボス部４１１の付け根部４１１ａに当接された状態となる。すなわち、圧縮コイルバネ６の付勢力により、結束リング４３を介して弁体４１が入口継手管１０側に付勢され、係合溝４１ｄの内側天部とロータ軸３１のフランジ部３１１とによりワッシャ３１２が挟み付けられた状態で、各弁体４１がロータ軸３１に対して組み付けられている。なお、ワッシャ３１２は、弁体４１及びフランジ部３１１との間での摩擦を低減する部材で形成されており、ロータ軸３１の回転力が弁体アッセンブリ４に伝達するのを低減している。

ここで、図３及び図４に示すように、３つの弁体４１同士の間には隙間を有しており、各弁体４１は互いに干渉しない位置に配置されている。また、各弁体４１のボス部４１１には結束リング３２が嵌め込まれているが、この結束リング３２は弁体４１に対して軸線Ｌ方向に力を伝達するが、軸線Ｌに対する内径方向には弁体４１の位置を規制することがない。したがって、板バネ４２は各バネ片４２ａにより、各弁体４１を独立に弁座１２側に付勢している。また、入口継手管１０から流入する流体の圧力が各弁体４１の内側に作用するので、この流体の圧力も上記板バネ４２と共同して弁体４１を弁座１２側に付勢する。

以上のように、弁体アッセンブリ４はロータ軸３１の下端に取り付けられ、これにより弁体４１がロータ軸３１に保持されている。そして、「モータ部」としてのステッピングモータ３の駆動によりねじ送り機構を介して弁体４１が軸線Ｌ方向に移動し、弁ポート１２１を開閉して弁ポート１２１を流れる流体の流れを制御することができる。さらに、板バネ４２（バネ片４２ａ）の付勢力と流体の圧力により弁体４１が弁座１２側に付勢されるので、弁座１２の弁座シール面１２ａに対して弁体４１の弁体シール面４１ａを確実に当接させることができ、シール性を高めることができる。

また、弁体４１は、弁開状態でも一対のスライド軸４１２を弁座１２の弁座シール面１２ａ上に摺接されているので、リフト量が大きいときでも、弁体４１の回転を防止することができる。さらに、弁閉状態に移行するときにも、スライド軸４１２が弁座シール面１２ａ上にあるので、弁体４１の弁体シール面４１ａを弁座シール面１２ａ上にスムースに移動させることができる。

図６は第１実施形態の弁体４１の変形例を示す図であり、この変形例及び後述の第２実施形態において、第１実施形態と同様な要素は同様な作用効果を奏するものであり、変形例及び第２実施形態の図面における同様な部材には、図１乃至図５と同符号を付記して重複する説明は適宜省略する。この変形例の弁体４１は、弁体シール面４１ａに開口部４１ｂに通じる楔状のオリフィス溝４１Ａを形成したものである。第１実施形態においても、弁座シール面１２ａ（及び弁ポート１２１）に対する弁体４１の位置を制御することで、弁ポート１２１へ流れる流体の流量を絞るように制御できるが、この変形例では、オリフィス溝４１Ａによりさらに流量を絞るように制御することができる。

図７は本発明の第２実施形態の電動弁の弁閉状態の縦断面図である。この第２実施形態において第１実施形態と異なるところは、弁体アッセンブリ４′における一つの弁体４１′と出口継手管１１′である。この第２実施形態では、第１実施形態と同様な３つの出口継手管１１に加えて、一つの出口継手管１１と平行に配置された出口継手１１′を備えている。そして、弁体アッセンブリ４′における１つの弁体４１′は上記の平行な出口継手管１１と出口継手管１１′とに対応して設けられている。この弁体４１′は下部に出口継手管１１′及び弁座１２′に対応する第１実施形態と同様な弁体シール面４１ａと、開口部４１ｂと、一対のスライド軸４１２とを有している。また、弁体シール面４１ａとボス部４１１との間には、出口継手管１１に対応する弁体シール面４１ａ′を有している。この第２実施形態における弁体シール面４１ａ′は、弁座１２の弁座シール面１２ａとの間に隙間を形成するように構成されている。

そして、この第２実施形態では、弁体アッセンブリ４′が第１実施形態の図１における弁体アッセンブリ４と同様な位置（図６の状態）にあるとき、弁体４′の弁体シール面４１ａが弁座１２′の弁ポート１２１′を弁閉状態とするとともに、弁体シール面４１ａ′は弁座１２の弁ポート１２１を僅かに弁開状態とする。一方、弁体アッセンブリ４′が第１実施形態の図２の弁体アッセンブリ４と同様な位置にあるとき、弁体４１′の弁体シール面４１ａは弁座１２′の弁座シール面１２ａ′から離れて、弁ポート１２１′が弁開状態とる。また、このとき、弁体４１′の弁体シール面４１ａは上側の弁座１２の弁座シール面１２ａに当接して弁閉状態となる。また、弁体アッセンブリ４′の軸線Ｌ方向の位置（リフト量）に応じて、弁ポート１２１，１２１′を流れる流体の流量を制御することができ、出口継手管１１，１１′に対する異なる流量の制御を行うことができる。

以上の各実施形態（及び変形例）の電動弁は以下のように冷媒の流れを制御するものとして利用できる。例えば、圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器等からなる冷凍サイクルシステムにおける蒸発器を効果的に作用させるために蒸発器内に独立させて設けられている複数の冷媒流路（パス）への冷媒の分配を制御できる。この場合、絞り装置と蒸発器との間に実施形態の電動弁を冷媒の分配を制御する分流器（可変分流器）として設ける。すなわち、実施形態の電動弁の前記入口継手管１０を絞り装置に接続し、前記３つの出口継手管１１を蒸発器の各冷媒流路にそれぞれ接続することで、運転状況に応じて蒸発器の各冷媒流路への冷媒の供給及び停止を制御したり、冷媒の流量の制御等を行うことができる。また、第２実施形態の電動弁では、３つの出口継手管１１への流体の流れや流量をそれぞれ異なるように制御することで、複数の独立した流路ごとに冷媒の制御が可能となる。例えば、蒸発器の独立した複数の冷媒流路のうち特定の一つの流路のみに冷媒を流し、このときの冷媒の流量を制御することができる。これにより複数の独立した冷媒流路に対応する蒸発器の部位に応じた最適な制御が可能となる。また、複数の冷蔵ケース（ショーケース）の制御を行う場合等、各実施形態（および変形例）の電動弁を複数の蒸発器に接続することもできる。この場合、絞り装置とその下流側にある複数の蒸発器との間に実施形態の電動弁を設ける。すなわち、実施形態の電動弁の前記入口継手管１０を絞り装置に接続し、前記３つの出口継手管１１を各蒸発器にそれぞれ接続し、冷媒の供給及び停止を制御したり、冷媒の流量制御することで３つの蒸発器の能力を運転状況に応じて制御することができる。

また、第１実施形態では、それぞれ同形状の開口部４１ｂを有する弁体４１を用いているが、これに限らず開口部４１ｂの形状を異ならせる等、各弁ポート１２１に対するそれぞれの弁体４１の形状を異ならせることで、弁体アッセンブリ４のリフト量に応じた出口継手配管１１への流体の流れや流量を異ならせるようにしてもよい。これにより、様々なパターンで冷媒を制御することができる。

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
１Ｒ弁室
Ｌ軸線
１０入口継手管
１０ａ入口ポート
１１出口継手管
１２弁座
１２ａ弁座シール面
１２１弁ポート
２支持部材
２ａ雌ねじ部
２１ホルダ部
２２固定金具
３ステッピングモータ（モータ部）
３１ロータ軸
３１ａ雄ねじ部
３１１フランジ部
３１２ワッシャ
３２マグネットロータ
３３ステータコイル
４弁体アッセンブリ
４１弁体
４１ａ弁体シール面
４１ｂ開口部
４１ｃバネ収容部
４１ｄ係合溝
４１１ボス部
４１２スライド軸
４１Ａオリフィス溝
４２板バネ
４２ａバネ片
４３結束リング
５密閉ケース
６圧縮コイルバネ
１１′ 出口継手管
１２′ 弁座
１２ａ′ 弁座シール面
１２１′ 弁ポート
４′ 弁体アッセンブリ
４１′ 弁体
４１ａ′ 弁体シール面
１００電動弁
２００室外熱交換器
３１０第１の室内熱交換器
３２０第２の室内熱交換器
４００四方弁
５００圧縮機
６００膨張弁

Claims

筒状の弁室を有する弁ハウジングと、前記弁室に開口する弁ポートを有するとともに前記弁室の軸線と平行な平面内に弁座シール面を有する弁座と、前記弁室内に配設されて前記弁座シール面に対向する弁体シール面を有する弁体と、モータ部のロータ軸を軸線上に支持する支持部材と、を備え、
前記弁体が前記ロータ軸に保持され、前記モータ部の駆動により前記ロータ軸と前記支持部材とのねじ送り機構を介して前記弁体を前記軸線方向に移動し、前記弁ポートを開閉する電動弁であって、
前記弁体を前記軸線側から前記弁座の方向に付勢する板バネを備え、前記弁ハウジングに複数の前記弁座を備えるとともに、前記各弁座に対応する複数の前記弁体を備え、前記複数の弁体と前記板バネとが前記ロータ軸に弁体アッセンブリとして構成されていることを特徴とする電動弁。
前記複数の弁体が前記軸線回りに配置されるとともに、前記板バネが前記複数の弁体に囲われるように該複数の弁体の内側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
前記板バネが、前記複数の弁体を前記弁座の方向にそれぞれ独立に付勢するよう構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電動弁。