JP7320853B2 - 流量制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、流量制御弁に関する。

一般に、ヒートポンプ式冷暖房システム等において流路制御弁として、弁体を回転させることにより流路の切り換を行うロータリー式の流路切換弁を備えている。

この種の流路切換弁としては、特許文献１に示す四方切換弁がある。特許文献１の四方切換弁は、主弁ハウジングに配在された回転弁体を有し主弁ハウジング内に高圧の冷媒を導入し、回転弁体内の流路に低圧の冷媒を導入することにより、回転弁体の弁シート面を対接する弁シート面に押し付けてシール性を確保している。

特開２０１８－１９４０３２号公報

しかしながら、接続された２つのポート内で高圧と低圧とを交互に切り替える切換弁以外に回転弁体を用いる場合は、高圧の冷媒を弁体のシールに利用することが難しいため、閉弁時のシール性を確保する必要がある。また、閉弁状態から開弁状態まで、精度よく流量制御を行いたいという要請もある。

本発明の目的は、流体の逆流を抑制しつつ、高精度な流量制御を行える流量制御弁を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明による流量制御弁は、
第１オリフィスと第２オリフィスとを備えた弁シートを有する弁本体と、
前記弁シートに接離する方向に移動可能に保持された第１弁体および第２弁体とを備え、前記第１弁体および前記第２弁体と前記弁シートとの接触位置が変化するように回転する回転弁体と、を有し、
前記回転弁体は、前記回転弁体の回転軸に沿った方向から見て、前記第１弁体が前記第１オリフィスと重なるとともに、前記第２弁体が前記第２オリフィスと重なる第１の回転位置に回転可能であり、
前記弁シートは前記回転軸に直交する面に平行な平面を有し、
前記回転弁体は、前記平面に対して傾斜したテーパ面と、前記テーパ面に接続されるとともに前記弁シートの平面に当接する平坦面とを有し、
前記平坦面には、前記第１弁体が配置される拡径円筒部が形成されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、流体の逆流を抑制しつつ、高精度な流量制御を行える流量制御弁を提供することができる。

図１は、本実施の形態にかかる流量制御弁を示す縦断面図である。 図２は、図１に示す流量制御弁に用いられている遊星ギヤ式減速機構を分解して示す斜視図である。 図３は、回転弁体と弁シートとを組み合わせた状態で示す斜視図である。 図４は、回転弁体を下面側から見た斜視図である。 図５は、回転弁体と弁シートの断面一部を示す側面図であり、閉弁状態を示している。 図６は、回転弁体と弁シートの断面一部を示す側面図であり、中間開度を示している。 図７は、回転弁体と弁シートの断面一部を示す側面図であり、全開状態を示している。 図８は、最大間隔を縦軸に、回転弁体の回転角度を横軸にとって示す、開弁特性のグラフである。

以下、図面を参照して、本発明にかかる実施形態の流量制御弁について説明する。
図１は、本実施の形態にかかる流量制御弁を示す縦断面図である。図２は、図１に示す流量制御弁に用いられている遊星ギヤ式減速機構を分解して示す斜視図であるが、理解しやすいように一部をカットして示している。なお、本明細書で上方というときは、駆動部側を意味し、下方とは弁シート側を意味するものとする。

（流量制御弁の構成）
流量制御弁１は、駆動部１１と、当該駆動部１１による回転駆動力が入力されて歯車減速を行う遊星ギヤ式減速機構（以下、「減速部」とする）４０と、弁シート１０と、キャン３０とを備えている。流量制御弁１の軸線をＬとする。

キャン３０は、受け部材６８を介して弁シート１０に固着された気密容器であって、薄肉の有頂円筒状を有する。駆動部１１は、ステータ２と、ステータ２によって回転駆動される永久磁石型のロータ組立体８とを有している。ステータ２は、キャン３０の外周部に固定配設されボビンに巻き付けられた一対のコイル１４０が樹脂と一体にモールドされて構成された電動モータの励磁装置である。ロータ組立体８は、キャン３０の内部において回転自在に支持されている。ステータ２とロータ組立体８とにより、電動モータの一例としてのステッピングモータが構成される。

ステータ２は、キャン３０に対して着脱自在に嵌装され、取付用金具１８０により所定位置でキャン３０に固定される。この例では、キャン３０の下端近傍に形成されたドーム部３１が取付用金具１８０に形成された穴１８２に弾性的に嵌合し、それによりステータ２がキャン３０に対して位置決めされる。ステータ２の励磁のため、コイル１４０に対し不図示のリードを介して外部の電源から給電が行われる。

弁シート１０は、略円盤状の本体１０ａと、円管部１０ｂとを同軸に連設してなる。本体１０ａの内部には、軸線Ｌに対し平行にかつ等距離で、円筒状の第１オリフィス１４と、円筒状の第２オリフィス１６が配設される。本体１０ａに、第１オリフィス１４に連通するようにして第１配管２０が接続され、また第２オリフィス１６に連通するようにして第２配管２２が接続されている。円管部１０ｂには、内外周を連通する一対の横穴１８が形成されている。

さらに弁シート１０の外周には、段部１３が形成され、この段部１３に受け部材６８の内周が突き当てられて嵌合している。これにより、弁シート１０とキャン３０との軸線Ｌ方向の位置決めがなされる。弁シート１０とキャン３０との間に弁室５が形成される。

減速部４０は、図２に示すように、ロータ組立体８と一体の太陽ギヤ４１と、例えばプラスチックを成形加工して形成されているキャリヤ４２に回転自在に支持され且つ太陽ギヤ４１と噛み合う複数（この例では３個）の軸線方向に長い遊星ギヤ４３と、太陽ギヤと同心に配置されていて各遊星ギヤ４３の一部分（上側部分）と噛み合うリングギヤ４４と、リングギヤ４４の歯数と僅かに歯数が異なる内歯が内周に形成された（即ち、リングギヤ４４とは転位関係にある）出力ギヤ部４５ａを備えた回転弁体４５とを備えている。太陽ギヤ４１、キャリヤ４２、リングギヤ４４及び回転弁体４５は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）から形成されていると好ましい。

図２から明らかなように、各遊星ギヤ４３は、リングギヤ４４と噛み合うと同時に、一部分（下側部分）において、回転弁体４５の出力ギヤ部４５ａと噛み合っている。

ロータ組立体８は、磁性材料を含有するプラスチック材料（ここではＰＰＳ）によって、周壁としての筒体２０２と中央に配設される太陽ギヤ部材２０４とが一体に有頂筒状に成形されている。またロータ組立体８は、太陽ギヤ部材２０４を軸線方向に貫通するシャフト２０１(図１）によって、キャン３０内部において回転自在に支持されている。

図２に示すように、太陽ギヤ部材２０４の中心に植設された円筒の外周に太陽ギヤ４１が形成されている。リングギヤ４４は、例えばプラスチックを成形加工して作られたリング状のギヤである。

このような構成によれば、電動モータの出力回転が入力される太陽ギヤ４１が自転回転をすると、太陽ギヤ４１とリングギヤ４４とに噛み合う遊星ギヤ４３が自転しながら太陽ギヤ４１の回りを公転回転する。遊星ギヤ４３は、リングギヤ４４との関係で転位した関係にある回転弁体４５と噛み合っているので、遊星ギヤ４３のこの回転により、回転弁体４５は、転位の程度（歯数差）に応じてリングギヤ４４に対して例えば５０対１程度の相対的に非常に高い減速比で回転する。遊星ギヤ４３が転位した関係にあるリングギヤ４４と出力ギヤ部４５ａとに噛み合っている遊星ギヤ機構は、不思議遊星ギヤ機構と称されている。

キャリヤ４２は、３つの柱部４２ａを平行に上面外周に植設してなる下部円盤４２ｂと、環状のプレート４２ｃとを有し、柱部４２ａを介して下部円盤４２ｂとプレート４２ｃとが平行に固定されている。下部円盤４２ｂは、シャフト２０１が回転可能に嵌合する嵌合孔４２ｈを備える。

一方、周方向に隣接する柱部４２ａの間において、亜鉛合金から形成された遊星ギヤ４３の両端が、下部円盤４２ｂとプレート４２ｃとに対して回転自在に保持されており、これにより遊星ギヤ４３はキャリヤ４２に対して回転可能となっている。

図３は、回転弁体４５と弁シート１０とを組み合わせた状態で示す斜視図であり、回転弁体４５を軸線に沿った平面で切断して示している。

図１、３において、回転弁体４５は、上側が中空で下方が中実の略円筒形状を備える。具体的に回転弁体４５は、上述した出力ギヤ部４５ａと、中空円筒底面に形成された袋穴４５ｂと、上下方向に沿って平行に配置された第１連通孔４５ｃ及び第２連通孔４５ｄと、回転弁体４５の外周から第１連通孔４５ｃ及び第２連通孔４５ｄに対して、それぞれ連通するように形成された均圧孔４５ｅ、４５ｆと、下面中央に形成された小円筒部４５ｇとを有する。袋穴４５ｂには、シャフト２０１の下端が相対回転可能に嵌合する。

第１連通孔４５ｃ及び第２連通孔４５ｄの下端側には、それぞれ拡径した拡径円筒部４５ｈ，４５ｉが形成されており、その内部にコイルバネ５１，５３が配置されている。図１に示すように、拡径円筒部４５ｈ，４５ｉは、弁シート１０の第１オリフィス１４、第２オリフィス１６に対して、それぞれ同軸に配置されている。コイルバネ５１がボール５５を弁シート１０に向かって付勢する第１付勢部材を構成し，コイルバネ５３がボール５７を弁シート１０に向かって付勢する第２付勢部材を構成する。

図４は、回転弁体４５を下面側から見た斜視図である。図４に示すように、回転弁体４５には、小円筒部４５ｇの周囲において、周方向に向かうにしたがって上端側に変位する螺旋状面４５ｊが形成されている。さらに軸線Ｌに直交する平坦面４５ｋが、拡径円筒部４５ｈの周囲において螺旋状面４５ｊに接続するようにして形成されている。

図３に示すように、回転弁体４５の小円筒部４５ｇは、弁シート１０の本体１０ａの上面（軸線Ｌに直交する平面)１９に形成された係合孔１７に回転可能に嵌合している。螺旋状面４５ｊは、上面１９に対して傾斜したテーパ面を構成する。

回転弁体４５の平坦面４５ｋが、弁シート１０の本体１０ａの上面１９に当接した状態で、図１に示すように、拡径円筒部４５ｈのコイルバネ５１と第１オリフィス１４との間にボール５５が配置され、拡径円筒部４５ｉのコイルバネ５３と第２オリフィス１６との間にボール５７が配置される。拡径円筒部４５ｈとボール５５とは同径であり、拡径円筒部４５ｉとボール５７とは同径である。ボール５５が第１弁体を構成し、ボール５７が第２弁体を構成する。弁体としてはボールに限らず、先端に半球または円錐台などを形成した円柱でもよい。なお、弁シート１０に接離する方向に移動可能に保持された第１弁体および第２弁体をいずれもボールにすることにより、正逆両方向の流れ方向に対しても閉弁時の漏れ量を少なくできる。

図１において、弁シート１０の円管部１０ｂ内に、回転弁体４５の下端側外周が嵌合し、さらに円管部１０ｂの上端外周とリングギヤ４４の外周とが、薄肉円筒部材であるギアケース２２０により連結されている。このため、回転弁体４５と弁シート１０とは軸線Ｌ方向に離間することなく、相対回転可能となっており、相対回転によりボール５５およびボール５７と弁シート１０との接触位置が変化する。

（流量制御弁の動作）
図５～８を参照して、本実施形態にかかる流量制御弁１の動作を説明する。第１配管２０と第２配管２２は、冷凍サイクルに接続されているものとする。

（閉弁時）
まず、外部電源から給電されない状態では、ロータ組立体８の回転角度はゼロであり、図１，５に示す閉弁状態となる。なお、閉弁状態での回転弁体４５の回転位置を第１の回転位置とし、開弁状態（閉弁状態以外)での回転弁体４５の回転角度を第２の回転位置とする。第１の回転位置において、回転弁体４５の回転軸に沿った方向から見て、ボール５５が第１オリフィス１４と重なるとともに、ボール５７が第２オリフィス１６と重なる。

この時、ボール５５は第１オリフィス１４の上端に位置してこれを閉止し、またボール５７は第２オリフィス１６の上端に位置してこれを閉止する。しかしながら、例えば第１配管２０側が高圧で、第２配管２２側が低圧であるとした場合、第１配管２０側の圧力がコイルバネ５１の付勢力に勝り、ボール５５を第１オリフィス１４から離間させる場合もある。

かかる場合、第１配管２０から第１オリフィス１４を介して弁室５内に進入した冷媒(流体)は、横穴１８及び円管部１０ｂと回転弁体４５との隙間、並びに均圧孔４５ｆを介して、第２連通孔４５ｄ内に至る。このとき、第２連通孔４５ｄ内の圧力は、ボール５７を挟んだ第２オリフィス１６内の圧力より高くなるため、ボール５７は第２オリフィス１６に向かって付勢され、これにより第１配管２０から第２配管２２に向かう冷媒の流れが阻止される。

これに対し、第２配管２２側が高圧で、第１配管２０側が低圧であるとした場合、第２配管２２側の圧力がコイルバネ５３の付勢力に勝り、ボール５７を第２オリフィス１６から離間させる場合もある。

かかる場合、第２配管２２から第２オリフィス１６を介して弁室５内に進入した冷媒は、横穴１８及び円管部１０ｂと回転弁体４５との隙間、並びに均圧孔４５ｅを介して、第１連通孔４５ｃ内に至る。このとき、第１連通孔４５ｃ内の圧力は、ボール５５を挟んだ第１オリフィス１４内の圧力より高くなるため、ボール５５は第１オリフィス１４に向かって付勢され、これにより第２配管２２から第１配管２０に向かう冷媒の流れが阻止される。

以上より明らかであるが、閉弁時において、第１配管２０と第２配管２２のいずれが高圧になった場合でも、ボール５５、５７が逆止弁となって、高圧側配管から低圧側配管に向かう冷媒の流れを阻止することができる。したがって、付勢力の弱いコイルバネ５１，５３を用いた場合でも、逆止弁の効果を発揮できるため、付勢力の強いコイルバネを用いた場合に比して各部の強度確保の必要がなく、また操作性の向上を図れる。

（開弁時）
次に、制御信号に応じて外部電源から給電が行われると、ステータ２が磁力を発生する。かかる磁力に応じた角度だけ、ロータ組立体８が回転駆動され、所定方向に回転力を発生する。かかる回転力は太陽ギヤ４１に伝達され、減速部４０を介して減速され、出力ギヤ部４５ａに伝達され、回転弁体４５が軸線Ｌ回りに回転する。

すると、図６に示すように、ボール５５は第１オリフィス１４の上端から離間し、弁シート１０の上面１９へと移動する。このとき、第１オリフィス１４の上端は、回転弁体４５の螺旋状面４５ｊに対向する。また図示していないが、ボール５７も第２オリフィス１６の上端から離間し、弁シート１０の上面１９へと移動するため、第２オリフィス１６の上端も、回転弁体４５の螺旋状面４５ｊに対向する。換言すれば、回転弁体４５が第１の回転位置と異なる回転位置に回転すると、ボール５５は、第１オリフィス１４から上面１９上へと移動し、ボール５７は、第２オリフィス１６から上面１９上へと移動する。図７に、回転弁体４５が最大角度回転した全開状態を示す。

回転弁体４５が回転すると、図６，７に示すように、弁シート１０の上面１９と螺旋状面４５ｊとの間に、回転弁体４５の回転角度に応じた隙間ができるため、この隙間を介して第１オリフィス１４と第２オリフィス１６のうち一方から他方へと冷媒が流れることとなる。

例えば第１配管２０側が高圧側で、第２配管２２側が低圧側であるとすると、第１配管２０から第１オリフィス１４を介して流量制御弁１内に進入した冷媒は、弁シート１０の上面１９と螺旋状面４５ｊとの間の隙間を通過して、横穴１８を抜け、弁室５に至る。さらに、冷媒は弁室５から、反対側の横穴１８を抜けて、弁シート１０の上面１９と螺旋状面４５ｊとの間の隙間を通過して、第２オリフィス１６を介して第２配管２２に至ることとなる。なお、第１配管２０側が低圧側で、第２配管２２側が高圧側である場合、以上とは逆の方向に冷媒が流れることとなる。

ここで、第１オリフィス１４の近傍における上面１９と、回転弁体４５の螺旋状面４５ｊとの最大間隔Ｈが、第２オリフィス１６の近傍における上面１９と、回転弁体４５の螺旋状面４５ｊとの間隔よりも小さいとすると、第１オリフィス１４と第２オリフィス１６との間を流れる冷媒の量は、最大間隔Ｈの大きさにより制御されることとなる。

また、第１オリフィス１４の近傍における上面１９と、回転弁体４５の螺旋状面４５ｊとの最大間隔Ｈは、回転弁体４５の回転量と、螺旋状面４５ｊの螺旋角度に応じて変化する。

図８は、最大間隔Ｈを縦軸に、回転弁体４５の回転角度を横軸にとって示す、開弁特性のグラフである。本実施の形態においては、螺旋状面４５ｊの螺旋角度が一定であるため、図８に実線Ａで示すように、回転弁体４５の回転角度に従って最大間隔Ｈはリニアに変化する。

なお、回転弁体４５の回転位置に応じて、螺旋状面４５ｊの螺旋角度を変化させることで、２次曲線を描いて流量が増減する図８の一点鎖線Ｂ、あるいは所定角度から急激に流量が増大する点線Ｃで示すような開弁特性などを得ることができる。

一方、逆特性の制御信号に応じて外部電源から給電が行われると、ロータ組立体８が逆方向に回転駆動され、それにより回転弁体４５も逆方向に回転し、図６，７に示す開弁状態から、図５に示す閉弁状態へと移行する。これにより、第１オリフィス１４と第２オリフィス１６との間で冷媒の流れが遮断される。

本実施の形態によれば、ステッピングモータの回転運動を減速部４０を介して回転弁体４５に伝達するため、高い分解能にて精度よく回転弁体４５を回転させることができる。このため、図８に従って、冷媒の流量制御を精度よく行うことができる。また、本発明は二方弁として説明を行ったが、同様に三方弁等の多方弁にも本発明は適用できる。

１ 流量制御弁
２ ステータ
５ 弁室
８ ロータ組立体
１０ 弁シート
１４ 第１オリフィス
１６ 第２オリフィス
２０ 第１配管
２２ 第２配管
３０ キャン
４０ 遊星ギヤ式減速機構(減速部)
４５ 回転弁体

Claims (6)

1. 第１オリフィスと第２オリフィスとを備えた弁シートを有する弁本体と、
   前記弁シートに接離する方向に移動可能に保持された第１弁体および第２弁体とを備え、前記第１弁体および前記第２弁体と前記弁シートとの接触位置が変化するように回転する回転弁体と、を有し、
   前記回転弁体は、前記回転弁体の回転軸に沿った方向から見て、前記第１弁体が前記第１オリフィスと重なるとともに、前記第２弁体が前記第２オリフィスと重なる第１の回転位置に回転可能であり、
   前記弁シートは前記回転軸に直交する面に平行な平面を有し、
   前記回転弁体は、前記平面に対して傾斜したテーパ面と、前記テーパ面に接続されるとともに前記弁シートの平面に当接する平坦面とを有し、
   前記平坦面には、前記第１弁体が配置される拡径円筒部が形成されている、
   ことを特徴とする流量制御弁。
2. モータの回転速度を減速して前記回転弁体を回転する減速部をさらに有する請求項１の流量制御弁。
3. 前記回転弁体が前記第１の回転位置と異なる回転位置にあるときに、前記第１弁体は、前記第１オリフィスから前記平面上へと移動し、前記第２弁体は、前記第２オリフィスから前記平面上へと移動することを特徴とする請求項１又は２に記載の流量制御弁。
4. 前記回転弁体の第１連通孔内に配置され、前記第１弁体を前記弁シートに向かって付勢する第１付勢部材と、前記回転弁体の第２連通孔内に配置され、前記第２弁体を前記弁シートに向かって付勢する第２付勢部材とを有することを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の流量制御弁。
5. 前記第１弁体及び前記第２弁体はボールであることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の流量制御弁。
6. 前記減速部は、遊星ギヤを有し、前記遊星ギヤと噛み合う出力ギヤ部が前記回転弁体と一体に形成されている請求項２に記載の流量制御弁。

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