JP7144994B2 - 電動弁及び冷凍サイクルシステム - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクルなどに使用する電動弁及び冷凍サイクルシステムに関する。

従来、この種の電動弁として、モータ部の作動軸に連結された弁部材で弁ポートを開閉するものがある。このような電動弁は例えば特開２０１７－１６１０５２号公報（特許文献１）に開示されている。また、この特許文献１の電動弁は、弁部材を保持する弁ホルダ部（弁ガイド）と作動軸（弁軸）とを連結するために、弁ホルダ部内に作動軸のフランジ部を設け、弁ホルダ部の端部とフランジ部との間にワッシャを介在させるようにしている。なお、このワッシャは、作動軸が回動することから、この作動軸と弁ホルダ部とを相互に回動自在とするために設けたものである。

特開２０１７－１６１０５２号公報

上述した特許文献１の技術は、ワッシャを設ける構造により、作動軸（弁軸）の回転駆動力を弁ホルダ部（弁ガイド）に加えないようにしてる。しかし、この特許文献１の技術では、例えば以下のような点で改良の余地がある。作動中に作動軸（弁軸）と弁ホルダ部（弁ガイド）の同軸にずれが生じると、摺動性の悪い部材同士がラジアル方向（軸回りの径方向）に接触する。このため、作動性の悪化と耐久性の低下の原因となる。

本発明は、弁部材を保持して作動軸のフランジ部に連結される弁ホルダ部を備えた電動弁において、ワッシャと弁ホルダ部のガイド管とのクリアランスを適正に保つことで、作動性の悪化防止と耐久性の向上を図ることを課題とする。

請求項１の電動弁は、モータ部の作動軸に連動する弁部材により弁ポートを開閉する電動弁であって、前記作動軸の端部の外周にフランジ部が形成されるとともに、前記弁部材を保持して前記作動軸の前記フランジ部に連結される弁ホルダ部を備えた電動弁において、前記弁ホルダ部は、前記作動軸を嵌挿する挿通孔を有するワッシャを、円筒状のガイド管の端部に形成された環状の天井部と前記フランジ部との間に配設して構成され、前記ワッシャは、前記モータ部側の面が前記天井部の前記弁ポート側の面と当接し、且つ、前記弁ポート側の面が前記フランジ部の前記モータ部側の面と当接し、前記ワッシャと前記作動軸の前記挿通孔におけるクリアランスを［Ａ２］、前記ワッシャと前記ガイド管の内面とのクリアランスを［Ａ１］、前記作動軸の前記フランジ部と前記ガイド管の内面とのクリアランスを［Ｂ］、前記作動軸と前記ガイド管の前記天井部の挿通孔とのクリアランスを［Ｃ］、としたとき、
Ａ１＋Ａ２＜Ｂ…（１）
Ａ１＋Ａ２＜Ｃ…（２）
Ｂ＜Ｃ …（３）
の（１）かつ（２）かつ（３）の関係に設定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、前記弁ホルダ部が前記ガイド管をガイドするガイド孔を有する支持部材に支持されるとともに、前記作動軸の雄ねじ部と前記支持部材の雌ねじ部とがねじ送り機構を構成しており、前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とのクリアランス（有効径の差）を［Ｅ］、前記ガイド管と前記ガイド孔とのクリアランスを［Ｄ］、としたとき、
Ｄ＋Ｅ＜Ａ１＋Ａ２…（４）
の関係に設定されていることを特徴とする。

請求項３の冷凍サイクルシステムは、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、を含む冷凍サイクルシステムであって、請求項１または２に記載の電動弁が、前記膨張弁として用いられていることを特徴とする。

請求項１の電動弁によれば、ワッシャと作動軸、ワッシャとガイド管とのクリアランスを適正に保つことで、例えばＳＵＳからなる作動軸とＳＵＳからなるガイド管が接触しなくなり、作動性の悪化防止と耐久性の向上が図れる。

請求項２の電動弁によれば、請求項１の効果に加え、さらに、雄ねじ部と雌ねじ部のクリアランス、ガイド管と支持部材のガイド孔とのクリアランスを適正に保つことで、内部部品もラジアル方向（軸回りの径方向）に接触しなくなり、さらに作動性悪化防止と耐久性向上を図れる。

請求項３の冷凍サイクルシステムによれば、請求項１または２と同様な効果が得られることで、安定した冷凍サイクルシステムとなる。

本発明の第１実施形態の電動弁の縦断面図である。 第１実施形態の電動弁の要部拡大図である。 第１実施形態の電動弁の作用を説明する図である。 第２実施形態の電動弁の要部を示す断面図である。 第２実施形態の電動弁の作用を説明する図である。 実施形態の冷凍サイクルシステムを示す図である。

次に、本発明の電動弁及び冷凍サイクルシステム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縦断面図、図２は第１実施形態の電動弁の要部拡大図、図３は第１実施形態の電動弁の作用を説明する図である。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１００は、「作動軸」としてのロータ軸１と、弁ホルダ部２と、「弁部材」としてのニードル弁３と、「モータ部」としてのステッピングモータ１０と、弁ハウジング２０と、非磁性体からなる密閉ケース３０と、支持部材４０とを備えている。弁ハウジング２０と密閉ケース３０とは気密に固着され、ステッピングモータ１０は密閉ケース３０の内外に構成されている。ステッピングモータ１０は、密閉ケース３０の内部に回転可能に配設されたマグネットロータ１０ａと、密閉ケース３０の外周においてマグネットロータ１０ａに対して対向配置されたステータコイル１０ｂ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１はステンレス（ＳＵＳ）製でブッシュを介してマグネットロータ１０ａの中心に取り付けられ、このロータ軸１の支持部材４０側の外周には雄ねじ部１ａが形成されている。そして、このロータ軸１の下端に後述の弁ホルダ部２が取り付けられている。なお、密閉ケース３０内の上部にはマグネットロータ１０ａの突起に連動してマグネットロータ１０ａの回転を規制する回転ストッパ機構３０ａが設けられている。

弁ハウジング２０はステンレス等で略円筒形状に形成されており、その内側に弁室２０Ｒを有している。弁ハウジング２０の外周片側には弁室２０Ｒに導通される第１継手管５０が接続されるとともに、下端から下方に延びる筒状部に第２継手管６０が接続されている。また、第２継手管６０の弁室２０Ｒ側には弁座部材７０が嵌合されている。弁座部材７０の内側は弁ポート７０ａとなっており、第２継手管６０は弁ポート７０ａを介して弁室２０Ｒに導通される。

支持部材４０は例えば合成樹脂製で略円柱形状に形成されており、その外周にはインサート成形により一体に設けられたステンレス製のフランジ部４１を介して弁ハウジング２０の上端部に溶接等により固定されている。支持部材４０の中心には、ロータ軸１の軸線Ｘと同軸の雌ねじ部４０ａとそのねじ孔が形成されるとともに、雌ねじ部４０ａのねじ孔よりも径の大きな円筒状のガイド孔４０ｂが形成されている。そして、支持部材４０及び弁室２０Ｒ内には、弁ホルダ部２とニードル弁３とが設けられ、弁ホルダ部２はロータ軸１の下端に取り付けられている。

弁ホルダ部２は、挿通孔２１ａを有する円環状のステンレスよりも摺動性の良い材質製のワッシャ（スラストワッシャ）２１と、円筒状の部材からなるステンレス（ＳＵＳ）製のガイド管２２と、樹脂製のバネ受け２３と、コイルバネ２４とを備えている。ガイド管２２は、上端部を内側に曲げることで、挿通孔２２ａを有する円環状の天井部２２ｂを有している。一方、ロータ軸１は、雄ねじ部１ａより下端側の端部にボス部１１を有するとともに、このボス部１１にはフランジ部１２が一体に形成されている。そして、ボス部１１に挿通孔２１ａを嵌め込んでワッシャ２１が取り付けられている。また、ロータ軸１が挿通孔２２ａに嵌め込まれることで、ガイド管２２内に、ワッシャ２１、ボス部１１及びフランジ部１２が収容されている。これにより、ワッシャ２１はガイド管２２の天井部２２ｂとフランジ部１２との間に配設されている。さらに、ガイド管２２内には、バネ受け２３が軸線Ｘ方向に移動可能に設けられ、このバネ受け２３とコイルバネ２４が収容された状態で、このガイド管２２の下端部にニードル弁３が固着されている。

以上のようにニードル弁３を有する弁ホルダ部２は、支持部材４０のガイド孔４０ｂ内に嵌合されて軸線Ｘ方向に摺動可能に配設されている。また、ロータ軸１の雄ねじ部１ａが支持部材４０の雌ねじ部４０ａに螺合されており、支持部材４０のガイド孔４０ｂ内で、弁ホルダ部２の上端部がロータ軸１の下端部に係合保持され、弁ホルダ部２及びニードル弁３はロータ軸１によって回転可能に吊り下げた状態で支持されている。

以上の構成により、ステッピングモータ１０の駆動により、マグネットロータ１０ａ及びロータ軸１が回転し、ロータ軸１の雄ねじ部１ａと支持部材４０の雌ねじ４０ａとのねじ送り機構により、ロータ軸１が軸線Ｘ方向に移動する。そして、ニードル弁３が軸線Ｘ方向に移動して弁座部材７０に対して近接又は離間する。これにより、弁ポート７０ａが開閉され、第１継手管５０から第２継手管６０へ、あるいは第２継手管６０から第１継手管５０へ流れる冷媒の流量が制御される。

図２に示すように、この第１実施形態では、ワッシャ２１の２１ａにおいて、この挿通孔２１ａの内面とボス部１１（ロータ軸１：作動軸）の側面とはクリアランス［Ａ２］を有している。また、ワッシャ２１の外周面とガイド管２２の内面とはクリアランスは［Ａ１］を有している。また、ロータ軸１のフランジ部１２の外周面とガイド管２２の内面とはクリアランス［Ｂ］を有している。また、ロータ軸１とガイド管２２の天井部２２ｂの挿通孔２２ａの内面とはクリアランス［Ｃ］を有している。そして、
Ａ１＋Ａ２＜Ｂ…（１）
かつ、
Ａ１＋Ａ２＜Ｃ…（２）
の関係に設定されている。

これにより、図３に示すように、ロータ軸１とガイド管２２（弁ホルダ部２）との間で横ずれが生じたとしても、ロータ軸１のボス部１１とガイド管２２との間にワッシャ２１が挟み込まれるだけである。すなわち、ボス部１１とワッシャ２１とが接触し、ワッシャ２１とガイド管２２とが接触する。これにより、例えばステンレス製のフランジ部１２とステンレス製のガイド管２２とが接触しなくなる。また、ロータ軸１とガイド管２２の天井部２２ｂの挿通孔２２ａの内面とも接触しなくなる。したがって、ロータ軸１とガイド管２２との軸ずれが生じても、安定した作動性を確保できて作動性悪化防止できるとともに、耐久性が向上する。

図４は第２実施形態の電動弁の要部を示す断面図である。第２実施形態において、第１実施形態と同様な要素には図１乃至図３と同符号を付記して重複する説明は適宜省略する。また、この第２実施形態で図示していない部材は第１実施形態と同様な構成となっている。

図４に示すように、この第２実施形態でも、ワッシャ２１の挿通孔２１ａの内面とボス部１１の側面とはクリアランス［Ａ２］、ワッシャ２１の外周面とガイド管２２の内面とはクリアランス［Ａ１］、フランジ部１２の外周面とガイド管２２の内面とはクリアランス［Ｂ］、ロータ軸１と天井部２２ｂの挿通孔２２ａの内面とのクリアランス［Ｃ］は、
Ａ１＋Ａ２＜Ｂ…（１）
かつ、
Ａ１＋Ａ２＜Ｃ…（２）
の関係に設定されている。したがって、第１実施形態と同様に、ロータ軸１とガイド管２２との軸ずれが生じても、安定した作動性を確保できて作動性悪化防止できるとともに、耐久性が向上する。

さらに、この第２実施形態では、図４の二点鎖線で囲った拡大図に示すように、ロータ軸１の雄ねじ部１ａと支持部材４０の雌ねじ部４０ａとはクリアランス［Ｅ］を有している。さらに、ガイド管２２の外周面と支持部材４０のガイド孔４０ｂの内面とはクリアランス［Ｄ］を有している。そして、
Ｄ＋Ｅ＜Ａ１＋Ａ２…（４）
の関係に設定されている。

これにより、図５に示すように、ロータ軸１の雄ねじ部１ａと支持部材４０の雌ねじ部４０ａのクリアランスや、ガイド管２２と支持部材４０のガイド孔４０ｂとのクリアランスを適正に保つことができる、したがって、弁ホルダ部２の内部の内部部品もラジアル方向（軸回りの径方向）に接触しなくなり、ロータ軸１とガイド管２２との軸ずれが生じても、安定した作動性を確保できて作動性悪化防止できるとともに、耐久性が向上する。

なお、ロータ軸１のフランジ部１２の外周面とガイド管２２の内面とのクリアランス［Ｂ］と、ロータ軸１とガイド管２２の天井部２２ｂの挿通孔２２ａの内面とのクリアランス［Ｃ］は、Ｂ＜Ｃの関係にある。

第１実施形態では、Ｂ＜Ｃの関係にあるので、ワッシャ２１が摩耗等により小さくなり、ロータ軸１とガイド管２２とが当接する状態となっても、ロータ軸１のフランジ部１２がガイド管２２の内周に当接し、ロータ軸１が天井部２２ｂの挿通孔２２ａの内面には当接しない。このフランジ部１２とガイド管２２の内周とは、ロータ軸１と天井部２２ｂの挿通孔２２ａよりも削れ難いので、Ｂ＞Ｃの関係でのロータ軸１と天井部２２ｂの挿通孔２２ａで接触するよりも耐久性を確保できる。これは、フランジ部１２の外周とガイド管２２の内周との径方向接触部における上下方向の接触長さの方が、ロータ軸１の外周と天井部２２ｂの挿通孔２２ａとの径方向接触部における上下方向の接触長さよりも長い為、フランジ部１２とガイド管２２の内周の接触抵抗が大きくなる為、削れ難いものである。

なお、ばね受け２３は、ガイド管２２に対して、通常回転するわけではないので接触しても回転摺動による作動性悪化の影響はない。ただし、ばね受け２３の外径とガイド管２２の内径とのクリアランスは適正に保ってあるため、接触しにくい関係にある。また、ばね受け２３は前述の様に樹脂製である為、ステンレス製のガイド管２２に対して接触しても、摺動抵抗がステンレス同士よりも低く、作動性悪化の影響はない。

図６は実施形態の冷凍サイクルシステムを示す図である。図において、符号１００は膨張弁を構成する本発明の各実施形態の電動弁、２００は室外ユニットに搭載された室外熱交換器、３００は室内ユニットに搭載された室内熱交換器、４００は四方弁を構成する流路切換弁、５００は圧縮機である。電動弁１００、室外熱交換器２００、室内熱交換器３００、流路切換弁４００、及び圧縮機５００は、それぞれ導管によって図示のように接続され、ヒートポンプ式の冷凍サイクルを構成している。なお、アキュムレータ、圧力センサ、温度センサ等は図示を省略してある。

冷凍サイクルの流路は、流路切換弁４００により冷房運転時の流路と暖房運転時の流路の２通りに切換えられる。冷房運転時には、図に実線の矢印で示したように、圧縮機５００で圧縮された冷媒は流路切換弁４００から室外熱交換器２００に流入され、この室外熱交換器２００は凝縮器として機能し、室外熱交換器２００から流出された液冷媒は電動弁１００を介して室内熱交換器３００に流入され、この室内熱交換器３００は蒸発器として機能する。

一方、暖房運転時には、図に破線の矢印で示したように、圧縮機５００で圧縮された冷媒は流路切換弁４００から室内熱交換器３００、電動弁１００、室外熱交換器２００、流路切換弁４００、そして、圧縮機５００の順に循環され、室内熱交換器３００が凝縮器として機能し、室外熱交換器２００が蒸発器として機能する。電動弁１００は、冷房運転時に室外熱交換器２００から流入する液冷媒、または暖房運転時に室内熱交換器３００から流入する液冷媒を、それぞれ減圧膨張し、さらにその冷媒の流量を制御する。

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 ロータ軸（作動軸）
１１ ボス部
１２ フランジ部
２ 弁ホルダ部
２１ ワッシャ
２１ａ 挿通孔
２２ ガイド管
２２ａ 挿通孔
２２ｂ 天井部
３ ニードル弁（弁部材）
１０ ステッピングモータ（モータ部）
１０ａ マグネットロータ
１０ｂ ステータコイル
２０ 弁ハウジング
２０Ｒ 弁室
３０ 密閉ケース
４０ 支持部材
４０ａ 雌ねじ部
４０ｂ ガイド孔
１ａ 雄ねじ部
５０ 第１継手管
６０ 第２継手管
７０ 弁座部材
７０ａ 弁ポート
１００ 電動弁
２００ 室外熱交換器
３００ 室内熱交換器
４００ 流路切換弁
５００ 圧縮機

Claims (3)

1. モータ部の作動軸に連動する弁部材により弁ポートを開閉する電動弁であって、前記作動軸の端部の外周にフランジ部が形成されるとともに、前記弁部材を保持して前記作動軸の前記フランジ部に連結される弁ホルダ部を備えた電動弁において、
   前記弁ホルダ部は、前記作動軸を嵌挿する挿通孔を有するワッシャを、円筒状のガイド管の端部に形成された環状の天井部と前記フランジ部との間に配設して構成され、
   前記ワッシャは、前記モータ部側の面が前記天井部の前記弁ポート側の面と当接し、且つ、前記弁ポート側の面が前記フランジ部の前記モータ部側の面と当接し、
   前記ワッシャと前記作動軸の前記挿通孔におけるクリアランスを［Ａ２］、前記ワッシャと前記ガイド管の内面とのクリアランスを［Ａ１］、前記作動軸の前記フランジ部と前記ガイド管の内面とのクリアランスを［Ｂ］、前記作動軸と前記ガイド管の前記天井部の挿通孔とのクリアランスを［Ｃ］、としたとき、
   Ａ１＋Ａ２＜Ｂ…（１）
   Ａ１＋Ａ２＜Ｃ…（２）
   Ｂ＜Ｃ …（３）
   の（１）かつ（２）かつ（３）の関係に設定されていることを特徴とする電動弁。
2. 前記弁ホルダ部が前記ガイド管をガイドするガイド孔を有する支持部材に支持されるとともに、前記作動軸の雄ねじ部と前記支持部材の雌ねじ部とがねじ送り機構を構成しており、
   前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とのクリアランス（有効径の差）を［Ｅ］、前記ガイド管と前記ガイド孔とのクリアランスを［Ｄ］、としたとき、
   Ｄ＋Ｅ＜Ａ１＋Ａ２…（４）
   の関係に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
3. 圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、を含む冷凍サイクルシステムであって、請求項１または２に記載の電動弁が、前記膨張弁として用いられていることを特徴とする冷凍サイクルシステム。

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