JP7329848B2 - パイロット式電気的駆動弁 - Google Patents

Description

本発明は、パイロット式電気的駆動弁に関する。

従来から、電磁式アクチュエータによりパイロット弁体を開閉駆動し、このパイロット弁体に応動して主弁体を開閉することによって、流体の流路の開閉を行うパイロット式電気的駆動弁が知られている。

特許文献１には、コイルの通電により、吸引子にプランジャが引き寄せられて吸着し、これに伴いパイロット弁体が開弁方向に移動して、背圧室の流体がパイロット通路を通じて排出されることにより背圧室が減圧され、主弁体が開弁ばねの付勢力によりリフトせしめられ開弁するパイロット式電気的駆動弁が開示されている。

特開２００７－９２８２６号公報

特許文献１の電動弁においては、パイロット弁体の開弁方向への移動後に、直ちに主弁体が移動を開始するため、高圧の流入口と低圧の流出口との間の弁座を通過する流体において大きな圧力損失が生じ、それにより大きな騒音を発生させる場合がある。

本発明は、開弁時に発生する騒音を有効に抑制できるパイロット式電気的駆動弁を提供することを目的とする。

本発明にかかるパイロット式電気的駆動弁は、
入口開口と出口開口とに連通する弁室を備えた弁本体と、
前記弁本体に対して相対移動可能なパイロット弁体と、
前記弁本体に対して相対移動可能であって、前記弁室内の弁座に対し着座または離間する主弁体と、
前記パイロット弁体が当接または離間可能に配置され、前記主弁体に対して相対移動可能である副弁体と、を有し、
前記パイロット弁体と前記副弁体との間に、流体を含む背圧室が形成され、
前記主弁体と前記副弁体との間に、流体を含む均圧室が形成されており、
前記弁本体に対して前記主弁体を、前記弁座から離間する方向に付勢する第１弾性部材を有することを特徴とする。

本発明によれば、開弁時に発生する騒音を有効に抑制できるパイロット式電気的駆動弁を提供することができる。

図１は、第１実施形態のパイロット式電気的駆動弁を示す縦断面図である。 図２は、主弁体と副弁体とを分解した状態で示す断面図である。 図３は、パイロット式電気的駆動弁の動作を説明するための主要部断面図であり、閉弁状態を示している。 図４は、パイロット式電気的駆動弁の動作を説明するための主要部断面図であり、パイロット弁体が副弁体から離間した状態を示している。 図５は、パイロット式電気的駆動弁の動作を説明するための主要部断面図であり、副弁体が主弁体から離間を開始した状態を示している。 図６は、パイロット式電気的駆動弁の動作を説明するための主要部断面図であり、副弁体がガイドパイプに当接した状態を示している。 図７は、パイロット式電気的駆動弁の動作を説明するための主要部断面図であり、開弁状態を示している。 図８は、第２実施形態のパイロット式電気的駆動弁を示す縦断面図である。

以下、本発明に係る電動弁の実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書では、パイロット弁体から吸引子に向かう方向を上方とし、その逆方向を下方とする。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態のパイロット式電気的駆動弁１を示す縦断面図であり、閉弁時の状態で示している。
図示例のパイロット式電気的駆動弁１は、例えば冷却機等の冷凍サイクルに使用されるものであり、電磁式アクチュエータ２０と組み合わされて使用される。

パイロット式電気的駆動弁１は、弁本体１０と、弁本体１０に摺動自在に嵌挿された主弁体１５と、主弁体１５に摺動自在に嵌挿された副弁体１６とを備える。パイロット式電気的駆動弁１の軸線をＬとする。

弁本体１０は、その内部に弁室ＣＡを備え、側壁１２と底壁１３とを連設した有底円筒形状を有する。底壁１３の中央には出口開口１３ａが形成され、出口開口１３ａの上端が、弁座１４を構成する。出口開口１３ａに連通するようにして、流出管ＯＴが底壁１３にロウ付けなどにより接続固定されている。

弁本体１０の側壁１２は、底壁１３側の下方側壁部１２ａと、下方側壁部１２ａよりも内径が大きな中間側壁部１２ｂと、中間側壁部１２ｂよりも内径が大きな上方側壁部１２ｃとを連設してなる。上方側壁部１２ｃは、カシメ可能な程度に薄肉形状となっている。また、下方側壁部１２ａには入口開口１２ｄが形成されており、入口開口１２ｄに連通するようにして、流入管ＩＴがロウ付けなどにより下方側壁部１２ａに接続固定されている。流入管ＩＴの軸線をＯとする。

図２は、主弁体１５と副弁体１６とを分解した状態で示す断面図であり、第１コイルバネ（第２弾性部材）１７及び第２コイルばね（第１弾性部材）１８と共に示している。
図２において、主弁体１５は、下端に向かうにつれて外径が段階的に減少する円管形状を備えている。より具体的には、主弁体１５は、その下端より第１外周部１５ａと、第１外周部１５ａより大径の第２外周部１５ｂと、第２外周部１５ｂより大径の第３外周部１５ｃと、第３外周部１５ｃより大径の第４外周部１５ｄとを有する。

また主弁体１５は、その下端より第１内周部１５ｅと、第１内周部１５ｅより大径の第２内周部１５ｆと、第２内周部１５ｆより大径の第３内周部１５ｇと、第３内周部１５ｇより大径の第４内周部１５ｈとを有する。

第１内周部１５ｅは、第１外周部１５ａの径方向内側に形成され、第２内周部１５ｆと第３内周部１５ｇは、第２外周部１５ｂの径方向内側に形成され、第４内周部１５ｈは、第３外周部１５ｃと第４外周部１５ｄの径方向内側に形成されている。第１外周部１５ａと、主弁体１５の下端との間には、テーパー部１５ｉが形成され、第１内周部１５ｅと、主弁体１５の下端との間には、第１内周部１５ｅよりも内径が小さな縮径開口（第２パイロットポート）１５ｊが形成されている。

さらに、第１内周部１５ｅと第１外周部１５ａとの間を貫通するようにして、第１均圧孔１５ｋが形成され、また第２内周部１５ｆと第２外周部１５ｂとの間を貫通するようにして、第２均圧孔１５ｍが形成されている。本実施形態では、第１均圧孔１５ｋの内径は、第２均圧孔１５ｍの内径よりも大きいが、これに限られることはない。

副弁体１６は、軸部１６ａと、軸部１６ａの上端にて同軸に連設された円板部１６ｂとを有する。円板部１６ｂの上面には、周囲より一段下がるようにして、座繰り面１６ｃが軸部１６ａと同軸に形成されている。軸部１６ａの内部に形成された連通孔１６ｄは、軸部１６ａの下端と、円板部１６ｂの上面にて開口している。連通孔１６ｄの上端には、それ以外の部位よりも縮径した縮径部（第１パイロットポート）１６ｅが形成されている。

図１、２を参照して、弁本体１０の弁室ＣＡ内に主弁体１５が組み付けられたとき、中間側壁部１２ｂの内周に対して第４外周部１５ｄが摺動可能に嵌合する。このとき、弁本体１０の下方側壁部１２ａと、主弁体１５の第２外周部１５ｂとの間にはわずかな隙間が形成される。

図１の閉弁状態では、主弁体１５のテーパー部１５ｉが弁座１４に着座して、出口開口１３ａを閉じている。

図１、２を参照して、第２コイルバネ１８の下端は、弁本体１０の下方側壁部１２ａと中間側壁部１２ｂとの間の段差面１２ｅ（図１）に当接し、その上端は、主弁体１５の第３外周部１５ｃと第４外周部１５ｄとの間の段差面１５ｐ（図２）に当接し、第２コイルバネ１８は弁本体１０に対して主弁体１５を上方に付勢している。

また、主弁体１５内に副弁体１６が組み付けられたとき、第４内周部１５ｈに対して円板部１６ｂの外周が摺動可能に嵌合する。このとき、主弁体１５の第１内周部１５ｅと副弁体１６の軸部１６ａとの間にはわずかな隙間が形成される。

図１の閉弁状態では、副弁体１６の軸部１６ａの下端が主弁体１５に底付きして、縮径開口１５ｊを閉じている。

ここで、副弁体１６の円板部１６ｂの下面（頂面）と、軸部１６ａの外周面（内側内周面）と、主弁体１５の第２内周部１５ｆ、第３内周部１５ｇ及び第４内周部１５ｈ（外側内周面）と、主弁体１５の第１内周部１５ｅと第２内周部１５ｆとの間の段差面１５ｒ（底面）とで、内部均圧室ＣＢが形成される。

また、主弁体１５の第３外周部１５ｃと第４外周部１５ｄとの間の段差面１５ｐ（頂面）と、主弁体１５の第２外周部１５ｂ及び第３外周部１５ｃ（内側内周面）と、弁本体１０の中間側壁部１２ｂの内周面（外側内周面）と、弁本体１０の下方側壁部１２ａと中間側壁部１２ｂとの間の段差面１２ｅ（底面）とで、外部均圧室ＣＣが形成される。

第１コイルバネ１７の下端は、主弁体１５の第２内周部１５ｆと第３内周部１５ｇとの間の段差面１５ｑ（図２）に当接し、その上端は、副弁体１６の円板部１６ｂの下面に当接し、第１コイルバネ１７は、軸線Ｌ方向に沿って副弁体１６と主弁体１５とが互いに離間するように付勢している。

図１において、電磁式アクチュエータ２０は、通電励磁用のコイルユニット２２、このコイルユニット２２の外周を覆うように配在されたハウジング２１、コイルユニット２２の上部内周側に配在されてボルト２８によりハウジング２１に固定された有底円筒状ないし円柱状の吸引子２５、この吸引子２５に対向配置されたプランジャ３０を備えている。

プランジャ３０の先端には、保持穴３１が設けられている。この保持穴３１にボールからなるパイロット弁体３５が収容されている。パイロット弁体３５は、その下面の一部を露出させた状態で、プランジャ３０下端から筒状に突出したカシメ部３１ａを内側にカシメることで固定されている。

プランジャ３０が下方に移動したとき、パイロット弁体３５を閉弁方向に移動させ、プランジャ３０が上方に移動したとき、パイロット弁体３５を開弁方向に移動させる。プランジャ３０と副弁体１６との間に、背圧室ＣＤが形成されている。

プランジャ３０の上部には、コイルばねからなる閉弁ばね２６が挿入係止される縦穴（ばね室）３０ａと横穴（均圧穴）３０ｂが形成されている。

コイルユニット２２と吸引子２５との間に、ガイドパイプ３２が配置されている。ガイドパイプ３２内に、プランジャ３０が摺動自在に嵌挿されている。ガイドパイプ３２の上端３２ａは、吸引子２５の外周段差部にＴＩＧ溶接などによって固定されている。ガイドパイプ３２の下端鍔状部３２ｂの外周部分が、弁本体１０の中間側壁部１２ｂと上方側壁部１２ｃとの間の段差面に当接している。

ガイドパイプ３２の下端鍔状部３２ｂは、その上面にリング状部材２７を載置した状態で、弁本体１０の上方側壁部１２ｃを内側にカシメることにより、リング状部材２７を挟むようにして固定されている。さらに上方側壁部１２ｃとリング状部材２７とガイドパイプ３２とは、はんだ付けにより密封固定されている。

（パイロット式電気的駆動弁の動作）
パイロット式電気的駆動弁１の動作について説明する。ここで、流入管ＩＴ内の閉弁時流体圧をＰ１とし、弁室上部空間ＣＦ（図６参照）の圧力をＰ２とする。なお、流出管ＯＴ内の閉弁時流体圧（出口開口１３ａ内の圧力）をＰ３とする。
弁室上部空間ＣＦは副弁体１６の上昇時に区画される空間となるが、本明細書においては便宜上、主弁体１５上端部を軸方向に挟んで外部均圧室ＣＣと逆側の空間を弁室上部空間ＣＦとして説明する。また、以下の説明では簡略化のため、出口圧力（出口開口１３ａ内の圧力）Ｐ３はゼロと仮定して行う。

図３～７は、パイロット式電気的駆動弁１の動作を説明するための主要部断面図である。
図３は、主弁体１５が閉弁している状態を示す。このとき、パイロット弁体３５は、副弁体１６の連通孔１６ｄの縮径部１６ｅを閉止し、主弁体１５のテーパー部１５ｉが弁座１４に着座している。

閉弁状態では、流入管ＩＴから入口開口１２ｄを介して弁室ＣＡに導入された流体は、主弁体１５の外周面と弁本体１０の内周面との間（摺動面間）や、第１均圧孔１５ｋ、第２均圧孔１５ｍなどを通って、内部均圧室ＣＢ，外部均圧室ＣＣ及び背圧室ＣＤに導入される。また、背圧室ＣＤに導入された流体は、図１を参照して、プランジャ３０の外周面とガイドパイプ３２の内周面との間（摺動面間）及び横穴３０ｂ、縦穴３０ａを通って、吸引子２５の下端面とプランジャ３０との間に形成される間隙空間ＣＥにも導かれる。

閉弁状態のパイロット式電気的駆動弁１において、不図示の電源からコイルユニット２２に通電されると、吸引子２５にプランジャ３０が引き寄せられて吸着し、これにより図４に示すように、パイロット弁体３５が開弁方向に上昇する。背圧室ＣＤと間隙空間ＣＥの内圧は等しいため、プランジャ３０の動作を妨げることがない。

また、背圧室ＣＤは、流入管ＩＴ内の流体圧Ｐ１にほぼ等しい圧力の流体で満たされているため、その圧力により副弁体１６は下方に付勢されており、直ちにパイロット弁体３５に追従しない。

しかしながら、パイロット弁体３５の上昇によって、副弁体１６の縮径部１６ｅが開放されると、背圧室ＣＤ内の流体が連通孔１６ｄを介して出口開口１３ａへと流出する（図４参照）。このとき、内部均圧室ＣＢ内の流体圧Ｐ１と、第１コイルバネ１７の付勢力とにより円板部１６ｂが下方から付勢されているため、背圧室ＣＤの減圧に伴って、図５に示すように副弁体１６も上昇を開始する。さらに図６に示すように、副弁体１６は、円板部１６ｂの上面外周がガイドパイプ３２の下端鍔状部３２ｂの下面に当接することで係止される。

ここで、副弁体１６が上昇しても、主弁体１５は閉弁位置に留まる。その条件を以下に説明する。

副弁体１６が上昇を開始した時点（図５参照）では、弁室上部空間ＣＦは背圧室ＣＤと区別できる空間として区画されておらず、背圧室ＣＤと繋がっているため、圧力Ｐ２は背圧室ＣＤの圧力と等しい。また、背圧室ＣＤの圧力はＰ３とほぼ同じである。このとき主弁体１５を上方に付勢する力は、外部均圧室ＣＣ内の流体圧Ｐ１と弁室上部空間ＣＦの内圧Ｐ２（このときＰ２＝Ｐ３）の差圧と、第２コイルバネ１８の付勢力である。一方、主弁体１５を下方に付勢する力は、内部均圧室ＣＢ内の流体圧Ｐ１（Ｐ３がゼロでなければＰ１とＰ３の差圧）と、第１コイルバネ１７の付勢力である。

ここで、図６を参照して、外部均圧室ＣＣ及び弁室上部空間ＣＦの主弁体１５の受圧面積（軸線Ｌに沿って対向する面の面積、以下同じ）をＳ１とし、内部均圧室ＣＢの受圧面積をＳ２とすると、Ｓ１＜Ｓ２である。また、さらに、第１コイルバネ１７のばね力をＫ１とし、第２コイルバネ１８のばね力をＫ２とすると、Ｋ１＜Ｋ２である。主弁体１５を閉弁位置に留めるためには、以下の式（１）を満たせばよい。（１）式の左辺は上方に押す力、右辺は下方に押す力を表している。
（Ｐ１－Ｐ２）×Ｓ１＋Ｋ２ ＜ Ｐ１×Ｓ２＋Ｋ１ （１）

式（１）を変形して、式（２）が得られる。
Ｋ２－Ｋ１ ＜ Ｐ１×Ｓ２－（Ｐ１－Ｐ２）Ｓ１ （２）

本実施形態では、式（２）を満たすように、Ｓ１，Ｓ２，Ｋ１，Ｋ２が設定されているため、副弁体１６が上昇を開始しても、図５に示すように主弁体１５が閉弁位置に留まり、直ちにテーパー部１５ｉが弁座１４から離間しない。

しかし、副弁体１６が上昇することで、図６に示すように軸部１６ａの下端が縮径開口１５ｊを開放する。すると、弁室ＣＡから、第１均圧孔１５ｋ及び軸部１６ａと第１内周部１５ｅとの隙間を介して、出口開口１３ａに向かって限定された量の流体が流出する。

主弁体１５を閉弁位置に留める力の関係は、上述した式（２）で表される。したがって、式（２）を満たしている間は主弁体１５が上昇しないが、式（２）を満たさなくなれば、主弁体１５が上昇することとなる。

副弁体１６が上昇すると、弁室上部空間ＣＦは背圧室ＣＤが遮断され、副弁体１６の円板部１６ｂと主弁体１５の第４外周部１５ｄの隙間から弁室上部空間ＣＦ内と内部均圧室ＣＢとが連通するため、Ｐ２がＰ１に等しくなり、Ｐ１－Ｐ２＝０となる。そのため、式（２）は以下のようになる。
Ｋ２－Ｋ１ ＜ Ｐ１×Ｓ２ （３）

均圧が進みＰ１が小さくなると上式を満たせなくなるため、主弁体１５が上昇する。このとき（式（３）を満たせなくなるとき）のＰ１の値は、Ｓ２とＫ２－Ｋ１の設定で決まる。

主弁体１５が上昇すると、テーパー部１５ｉが弁座１４から離間するため、流入管ＩＴから弁室ＣＡに流入した流体は、弁座１４及び出口開口１３ａを介して流出管ＯＴへと流出する。図７に示すように、主弁体１５は、その上端がガイドパイプ３２の下端鍔状部３２ｂの下面に当接することで、開弁位置に係止される。

これに対し図７の開弁状態から、不図示の電源からコイルユニット２２に供給される電力がオフにされると、ばね２６の付勢力によりプランジャ３０が下降し、パイロット弁体３５が副弁体縮径部１６ｅを塞ぐと背圧室ＣＤおよび間隙空間ＣＥの圧力が上昇し、副弁体１６が下方向の荷重を受けて押し下げられると、軸部１６ａの下端が主弁体１５に底付きする。さらに主弁体上部の圧力が上昇すると、パイロット弁体３５、副弁体１６及び主弁体１５は一体となって下降し、テーパー部１５ｉが弁座１４に着座して、図３に示す閉弁位置へと復帰する。

本実施形態によれば、コイルユニット２２の通電により、パイロット弁体３５が上昇しても、主弁体１５は直ちに上昇せず、さらに内部均圧室ＣＢ内の圧力変化が生じた後に上昇して、弁座１４を開放する。このため、開弁時において流入管ＩＴから流出管ＯＴへと流れる流体の流量を緩やかに増加させることができ、それにより発生する騒音を効果的に抑制できる。

また、主弁体１５を上昇させるための条件は、式（２）を満たさないことであるから、第１コイルバネ１７のばね力Ｋ１に対し、第２コイルバネ１８のばね力Ｋ２を増減させることで、主弁体１５を上昇させるＰ１を任意に変更することができる。また、第１均圧孔１５ｋの直径を小さくすると内部均圧室ＣＢ及び外部均圧室ＣＣの圧力が低下する速度が遅くなり、主弁体１５を上昇させるタイミングを遅らせることができる。なお、パイロット式電気的駆動弁１において、第１コイルバネ１７は設けなくてもよく、その場合にはＫ１＝０となる。

なお、上述の説明ではＰ３をゼロとして説明したが、Ｐ３がゼロでなければ差圧（Ｐ１－Ｐ３）が所定値未満になると主弁体１５が上昇を始めることになる。主弁体が上昇を始める差圧を閾値ΔＰとすると、閾値が小さいと主弁体が上昇するタイミングを遅くできる。

［第２実施形態］
図８は、第２実施形態のパイロット式電気的駆動弁１Ａを示す縦断面図であり、閉弁時の状態で示している。本実施形態のパイロット式電気的駆動弁１Ａが、第１の実施形態と異なる点は、第１均圧孔を有しないことである。

第１均圧孔１５ｋを有しない場合でも、副弁体１６が上昇したときに、軸部１６ａの下端が縮径開口１５ｊを開放すると、第２均圧孔１５ｍ、内部均圧室ＣＢ及び軸部１６ａと第１内周部１５ｅとの隙間を介して、弁室ＣＡから出口開口１３ａに向かって限定された量の流体が流出する。このため、Ｐ３と外部均圧室ＣＣの内圧Ｐ１との差圧（Ｐ１－Ｐ３）が閾値ΔＰ以下となるまで、主弁体１５を閉弁位置に留めることができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されない。本発明の範囲内において、上述の実施形態の任意の構成要素の変形が可能である。また、上述の実施形態において任意の構成要素の追加または省略が可能である。例えば、電磁式アクチュエータ２０に替えて、ネジ昇降機構を有するモータ式アクチュエータを用いてもよいし、また、ノーマルオープン式の電磁アクチュエータを用いてもよい。

１、１Ａ パイロット式電気的駆動弁
１０ 弁本体
１４ 弁座
１５ 主弁体
１６ 副弁体
１７ 第１コイルバネ（第２弾性部材）
１８ 第２コイルバネ（第１弾性部材）
２０ 電磁式アクチュエータ
３０ プランジャ
３５ パイロット弁体
ＣＡ 弁室
ＣＢ 内部均圧室
ＣＣ 外部均圧室
ＣＤ 背圧室

Claims (7)

1. 入口開口と出口開口とに連通する弁室を備えた弁本体と、
   前記弁本体に対して相対移動可能なパイロット弁体と、
   前記弁本体に対して相対移動可能であって、前記弁室内の弁座に対し着座または離間する主弁体と、
   前記パイロット弁体が当接または離間可能に配置され、前記主弁体に対して相対移動可能である副弁体と、を有し、
   前記パイロット弁体と前記副弁体との間に背圧室が形成され、
   前記主弁体と前記副弁体との間に均圧室が形成されており、
   前記弁本体に対して前記主弁体を、前記弁座から離間する方向に付勢する第１弾性部材を有することを特徴とするパイロット式電気的駆動弁。
2. 前記パイロット弁体が閉弁方向に移動したときは、前記副弁体を介して前記主弁体を前記弁室内の弁座に着座させることを特徴とする請求項１に記載のパイロット式電気的駆動弁。
3. 前記副弁体は、第１パイロットポートを有し、
   前記パイロット弁体が開弁方向に移動したときは、前記副弁体の前記第１パイロットポートを開放することにより、前記背圧室内の流体が、前記第１パイロットポートを介して前記出口開口に流出して、前記副弁体が開弁方向に移動することを特徴とする請求項１または２に記載のパイロット式電気的駆動弁。
4. 前記弁本体に対して前記主弁体を、前記弁座に接近する方向に付勢する第２弾性部材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パイロット式電気的駆動弁。
5. 前記出口開口と前記均圧室との差圧が閾値以下に低下するまで、前記主弁体は前記副弁体に追従して開弁方向に移動しないことを特徴とする請求項３に記載のパイロット式電気的駆動弁。
6. 前記主弁体は、第２パイロットポートを有し、
   前記副弁体が開弁方向に移動したときは、前記主弁体の前記第２パイロットポートを開放することにより、前記均圧室と前記出口開口とを連通させることを特徴とする請求項５に記載のパイロット式電気的駆動弁。
7. 前記均圧室と前記出口開口とが連通することにより、前記均圧室と前記出口開口との差圧が前記閾値以下に低下したときは、前記主弁体は開弁方向に移動して、前記弁室内の弁座から離間することを特徴とする請求項６に記載のパイロット式電気的駆動弁。

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