JP7354384B2 - 電動弁および冷凍サイクルシステム - Google Patents

Description

本発明は、電動弁、および該電動弁を用いた冷凍サイクルシステムに関する。

従来、パッケージエアコン、ルームエアコン、冷凍機などに用いられる電動弁が知られている（たとえば、特許文献１参照）。この電動弁１００においては、図６に示すように、ステッピングモータが駆動してロータ１０３が回転すると、雌ネジ１３１ａと雄ネジ１２１ａのネジ送り作用により、弁体１１４が中心軸Ｌ方向に移動する。これにより、弁ポート１２１を開閉する調整がなされ、管継手１１１から流入して管継手１１２から流出する冷媒の流量が制御される。

特開２０１２－１７２８３９号公報

ところで、上述の電動弁１００においては、雄ネジ１２１ａと雌ネジ１３１ａとの間の隙間に起因して電動弁１００の良好な作動性が得られなくなる恐れがあった。

たとえば、ブッシュ部材１３３の貫通孔１３３ａに弁軸１４１を溶接した際に、図７に示すように、弁軸１４１が軸芯からずれ、偏った位置に固定されることもあり得る。この場合、雄ネジ１２１ａと雌ネジ１３１ａの噛み合いの隙間が大きければ、ロータ１０３が偏った軸を中心に回転するため、電動弁１００の作動性が阻害され、ロータ１０３を高い精度で回転させ難くなる。

本発明の目的は、ロータを適正に回転させることができ、高い作動性を有する電動弁、および該電動弁を用いた冷凍サイクルシステムを提供することである。

本発明の電動弁は、
ケースの内周に収容されたロータの回転運動を、雄ネジ部材の雄ネジと雌ネジ部材の雌ネジとのネジ螺合により直線運動に変換し、この直線運動に基づいて弁本体内に収容された弁体を軸方向に移動させる電動弁であって、
前記雌ネジ部材は、樹脂で形成され、
前記ロータは、磁性粉を含有する樹脂で形成され、
前記雄ネジ部材が貫通して固定される貫通孔が形成され、前記ロータの回転を前記雄ネジ部材に伝達する円筒状のブッシュ部材を備え、
前記雄ネジ部材は、前記ブッシュ部材の前記貫通孔に対して前記ロータ側の一端が自由な状態で前記雌ネジ部材とネジ螺合され、
前記ブッシュ部材と前記雄ネジ部材との間には隙間が形成され、かつ前記ブッシュ部材は、溶接して前記雄ネジ部材に固定されており、
前記貫通孔の内周径と前記雄ネジ部材の外周径との差が、
前記雄ネジ部材の前記雄ネジの山径と前記雌ネジ部材の前記雌ネジの谷径との差と、
前記雄ネジ部材の前記雄ネジの谷径と前記雌ネジ部材の前記雌ネジの山径との差のうちいずれか小さい方よりも小さいことを特徴とする。

このように、ブッシュ部材の貫通孔と雄ネジ部材の間の隙間を狭くすることにより、ロータ回転時にロータが軸芯に対して偏芯することを抑制することができる。よって、ロータを適正に回転させることができ、高い作動性を有する電動弁を提供することができる。また、前記雌ネジ部材が樹脂で形成されているため、雌ネジ部材の摩擦係数を低くすることができ、耐久性を向上させることができる。

また、本発明による電動弁は、
前記雄ネジ部材の前記弁体が位置する側に配置された筒状の弁ガイドを備え、
前記ブッシュ部材は、前記弁体が位置する側と反対側の端部が前記雄ネジ部材に溶接されていることを特徴とする。

また、本発明による電動弁は、
前記ブッシュ部材の外径および前記弁ガイドの外径が、前記雌ネジ部材の雌ネジの山径よりも大きく、
前記雄ネジ部材と前記弁ガイドを繋ぐ部分が、前記雌ネジ部材において前記弁ガイドを収容する収容室内に収容されていることを特徴とする。

また、本発明の電動弁は、
前記ケースの内周径と前記ロータの外周径との差が、
前記雄ネジ部材の雄ネジの山径と前記雌ネジ部材の雌ネジの谷径との差と、前記雄ネジ部材の雄ネジの谷径と前記雌ネジ部材の雌ネジの山径との差のうちいずれか大きい方よりも大きいことを特徴とする。

このように、ケースとロータの間の隙間の間隔を広げることにより、ロータ回転時にロータがケースの内側に接触し、ロータがケースの内周面に摺動することを防止することができる。

また、本発明の冷凍サイクルシステムは、
圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器等を含む冷凍サイクルシステムであって、上述の電動弁を前記膨張弁として用いることを特徴とする。

本発明に係る発明によれば、ロータを適正に回転させることができ、高い作動性を有する電動弁、および該電動弁を用いた冷凍サイクルシステムを提供することができる。

実施の形態に係る電動弁の断面図である。 実施の形態に係る電動弁のネジ結合部分の拡大断面図である。 実施の形態に係るブッシュ部材の弁軸の間の隙間の拡大断面図である。 実施の形態に係るケースとロータの間の隙間の拡大断面図である。 電動弁において、回転軸の軸芯が傾斜した状態を示す図である。 従来の電動弁の断面図である。 電動弁において、弁軸が軸芯からずれてブッシュ部材に固定された状態を説明する断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る電動弁について説明する。図１は、実施の形態に係る電動弁２を示した断面図である。なお、本明細書において、「上」あるいは「下」とは図１の状態で規定したものである。すなわち、ロータ４は弁体１７より上方に位置している。
この電動弁２では、非磁性体の金属により筒状のカップ形状をなすケース６０の開口側の下方に、弁本体３０が溶接などにより一体的に接続されている。

ここで、弁本体３０は、ステンレス等の金属から成り、内部に弁室１１を有している。また、弁本体３０には、弁室１１に直接連通するステンレス製や銅製の第１の管継手１２が固定装着されている。さらに、弁本体３０の下方内側には、断面円形の弁ポート１６ａが形成された弁座部材１６が組み込まれている。弁座部材１６には、弁ポート１６ａを介して弁室１１に連通するステンレス製や銅製の第２の管継手１５が固定装着されている。

ケース６０の内周には、回転可能なロータ４が収容され、ロータ４の軸芯部分には、ブッシュ部材３３を介して弁軸４１が配置されている。ブッシュ部材３３で結合されたこの弁軸４１とロータ４とは、回転しながら上下方向に一体的に移動する。なお、この弁軸４１の中間部付近の外周面には雄ネジ４１ａが形成されている。本実施の形態では、弁軸４１が雄ネジ部材として機能している。

ここで、ブッシュ部材３３は、ステンレス等の金属から成り、中央に弁軸４１が貫通する貫通孔３３ａが形成された円筒状の部材である。ロータ４は、磁性粉を含有するポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の樹脂材料やフェライト磁石等の磁性を有する素材で形成されている。また、ブッシュ部材３３は、ロータ４にインサート成形により固定されている。なお、弁軸４１は、ブッシュ部材３３の貫通孔３３ａに弁軸４１を貫通させて溶接４１ｃすることにより、ブッシュ部材３３に固定される。このように、ロータ４とブッシュ部材３３、ブッシュ部材３３と弁軸４１がそれぞれ固定されることにより、ロータ４の回転が弁軸４１に伝達される。

ケース６０の外周には、図示しないヨーク、ボビン、およびコイルなどからなるステータが配置され、ロータ４とステータとでステッピングモータが構成されている。
ケース６０の天井面にはガイド支持体５２が固定されている。ガイド支持体５２は、円筒部５３と、円筒部５３の上端側に形成された傘状部５４とを有し、全体をプレス加工により一体成形されている。傘状部５４はケース６０の頂部内側と略同形状に成形されている。

弁軸４１のブッシュ部材３３より下方には、後述するように弁軸４１との間でネジ結合Ａを構成するとともに弁軸４１の傾きを抑制する機能を有する弁軸ホルダ６が、弁本体３０に対して相対的に回転不能に固定されている。

弁軸ホルダ６は、たとえば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の樹脂材料で形成されており、摩擦係数を低減させるため添加剤が含有されている。添加材としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂やカーボンファイバー等が用いられる。

この弁軸ホルダ６は、上部側の筒状小径部６ａと下部側の筒状大径部６ｂと弁本体３０の内周部側に収容される嵌合部６ｃとリング状のフランジ部６ｆとからなる。そして、弁軸ホルダ６のフランジ部６ｆは、弁本体３０の上端に溶接などで固定されている。また、弁軸ホルダ６の内部には、後述する弁ガイド１８を収容する収容室６ｈが形成されている。

また、この弁軸ホルダ６の筒状小径部６ａの上部開口部６ｇから所定の深さまで下方に向かって雌ネジ６ｄが形成されている。このため、本実施の形態では、弁軸ホルダ６が雌ネジ部材として機能している。そして、弁軸４１の外周に形成された雄ネジ４１ａと、弁軸ホルダ６の筒状小径部６ａの内周に形成された雌ネジ６ｄとにより、ネジ結合Ａが構成されている。

さらに、弁軸ホルダ６の筒状大径部６ｂの側面には、均圧孔５１が穿設され、この均圧孔５１により、筒状大径部６ｂ内の弁軸ホルダ室８３と、ロータ収容室６７（第２の背圧室）との間が連通している。このように均圧孔５１を設けることにより、ケース６０のロータ４を収容する空間と、弁軸ホルダ６内の空間とを連通することにより、弁軸ホルダ６の移動動作をスムーズに行うことができる。

また、弁軸４１の下方には、筒状の弁ガイド１８が弁軸ホルダ６の収容室６ｈに対して摺動可能に配置されている。この弁ガイド１８は天井部２１側がプレス成形により略直角に折り曲げられている。そして、この天井部２１には貫通孔１８ａが形成されている。また、弁軸４１の下方には、さらに鍔部４１ｂが形成されている。

ここで、弁軸４１は、弁ガイド１８に対して回転可能、かつ径方向に変位可能となるように弁ガイド１８の貫通孔１８ａに遊貫状態で挿入されており、鍔部４１ｂは、弁ガイド１８に対して回転可能、かつ、径方向に変位可能となるように弁ガイド１８内に配置されている。また、弁軸４１は貫通孔１８ａを挿通し、鍔部４１ｂの上面が、弁ガイド１８の天井部２１に対向するように配置されている。なお、鍔部４１ｂが弁ガイド１８の貫通孔１８ａより大径であることにより、弁軸４１の抜け止めがなされている。

弁軸４１と弁ガイド１８とが互いに径方向に移動可能であることにより、弁軸ホルダ６および弁軸４１の配置位置に関して、さほど高度な同芯取付精度を求められることなく、弁ガイド１８および弁体１７との同芯性が得られる。

弁ガイド１８の天井部２１と弁軸４１の鍔部４１ｂとの間には、中央部には貫通孔が形成されたワッシャ７０が設置されている。ワッシャ７０は、高滑性表面の金属製ワッシャ、フッ素樹脂等の高滑性樹脂ワッシャあるいは高滑性樹脂コーティングの金属製ワッシャ、高滑性樹脂を含有する各種樹脂ワッシャなどであることが好ましい。
さらに、弁ガイド１８内には、圧縮された弁バネ２７とバネ受け３５とが収容されている。

次に、本発明の要点となる電動弁２を構成する部品の寸法関係について説明する。図２は、実施の形態に係る電動弁２のネジ結合Ａ部分の拡大断面図である。図２に示すように、結合Ａ部分における弁軸４１の外周には、雄ネジ４１ａが形成され、弁軸ホルダ６の筒状小径部６ａの内周には、雌ネジ６ｄが形成されている。なお、雌ネジ６ｄの内径は、雄ネジ４１ａの外径よりも大きくなるように設計されており、雄ネジ４１ａのネジ山４１ｍ、ネジ谷４１ｖと雌ネジ６ｄのネジ山６ｍ、ネジ谷６ｖとの間には、それぞれ径方向にクリアランス６６が形成されている。

また、図３は、実施の形態に係る電動弁２において、図１の円Ｂ内に示された部分の拡大断面図である。図３に示すように、貫通孔３３ａに貫通する部分の弁軸４１の外周４１ｏにネジは形成されておらず、ブッシュ部材３３の貫通孔３３ａの内周３３ｉと弁軸４１の外周４１ｏとの間には隙間３４が存在する。この隙間３４は、クリアランス６６よりも狭く形成されている。すなわち、貫通孔３３ａの内周径と弁軸４１（雄ネジ部材）の外周径との差は、以下の（１）、（２）に示す差のうちいずれか小さい方よりも小さくなるように形成されている。

（１）弁軸４１（雄ネジ部材）の雄ネジ４１ａの山径（ネジ山４１ｍの外周径）と弁軸ホルダ６（雌ネジ部材）の雌ネジ６ｄの谷径（ネジ谷６ｖの内周径）との差
（２）弁軸４１（雄ネジ部材）の雄ネジ４１ａの谷径（ネジ谷４１ｖの外周径）と弁軸ホルダ６（雌ネジ部材）の雌ネジ６ｄの山径（ネジ山６ｍの内周径）との差
さらに、図４は、実施の形態に係る電動弁２において、図１の円Ｃ内に示された部分の拡大断面図である。図４に示すように、電動弁２において、ケース６０の内周６０ｉとロータ４の外周４ｏの間には、クリアランス６６よりも広い隙間６８が存在する。すなわち、ケース６０の内周径とロータ４の外周径との差は、上述の（１）、（２）に示す差のうちいずれか大きい方よりも大きくなるように形成されている。

この実施の形態に係る電動弁２によれば、ブッシュ部材３３の貫通孔３３ａと弁軸４１の間の隙間３４を、雄ネジ４１ａと雌ネジ６ｄとの間のクリアランス６６よりも狭くすることにより、ロータ４の回転時にロータ４が軸芯に対して偏芯することを抑制することができる。よって、ロータ４を適正に回転させることができ、高い作動性を有する電動弁２を提供することができる。

なお、上述したように、弁軸ホルダ６（雌ネジ部材）は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の樹脂で形成されているため、摩擦係数が低く耐久性に優れている。一方、一般に射出成形により成形される樹脂製の部品は、射出成形によるヒケや反り等の寸法変形や、線膨張、膨潤等の樹脂成形特有の寸法変化を考慮すると、精密な成形は困難である場合が多い。

このため、樹脂製の弁軸ホルダ６を採用した場合には、雄ネジ４１ａと雌ネジ６ｄの噛み合いに生じるクリアランス６６が大きくなりやすくなる傾向がある。クリアランス６６が大きくなると、図５に示すように、ロータ４だけでなく弁軸４１（雄ネジ部材）までもが偏った軸を中心に回転するおそれがある。

しかしながら、ブッシュ部材３３の貫通孔３３ａと弁軸４１の間の隙間３４を、雄ネジ４１ａと雌ネジ６ｄとの間のクリアランス６６よりも狭くすることにより、ロータ４が偏心することを抑制できる。このため、電動弁２において弁軸ホルダ６（雌ネジ部材）を樹脂製とした場合における、作動性に対する影響を低減することができる効果は顕著なものとなる。

また、実施の形態に係る電動弁２によれば、ケース６０の内周とロータ４の外周の間の隙間６８を広げ、クリアランス６６よりも大きくすることにより、ロータ４の回転時にロータ４がケース６０の内側に接触し、ロータ４がケース６０の内周面に摺動することを防止することができる。したがって、ロータ４を高い精度で適正に回転させることができる。

ここで、樹脂製の弁軸ホルダ６を採用した場合、雄ネジ４１ａと雌ネジ６ｄとの間のクリアランス６６が大きくなることで、図５に示すように、回転軸の軸芯が傾斜し、ロータ４がケース６０と接触して（円Ｆ内参照）、ロータ４の回転が阻害されることも考えられる。

しかしながら、ケース６０の内周とロータ４の外周の間の隙間６８（図４参照）を広げ、隙間６８をクリアランス６６よりも大きくすることにより、弁軸ホルダ６（雌ネジ部材）を樹脂製とした場合であってもロータ４がケース６０と接触しないようにすることができる。

なお、ロータ４とケース６０との隙間６８の間隔は、過剰に広くする必要性がない。このため、ロータ４とケース６０との隙間６８を広げても、隙間６８を所定の間隔以下に維持することができれば、ロータ４とコイルとのエアギャップを小さく抑えることができ、トルクの減少を低減することができる。

また、本実施の形態の電動弁２においては、ブッシュ部材３３がロータ４とは別々の部材である場合を例に説明しているが、ロータ４とブッシュ部材３３は、一つの部材として形成されていてもよい。この場合においても、ロータ４の回転は弁軸４１に伝達される。

また、本実施の形態の電動弁２においては、弁軸ホルダ６（雌ネジ部材）が樹脂で形成されている場合を例に説明しているが、弁軸ホルダ６は、金属で形成されていてもよい。弁軸ホルダ６が金属製であっても、雄ネジ４１ａと雌ネジ６ｄとの間のクリアランス６６が大きければ、ブッシュ部材３３の貫通孔３３ａと弁軸４１の間の隙間３４を狭くすることにより、ロータ回転時にロータ４が軸芯に対して偏芯することを抑制することができる。

なお、本実施の形態の電動弁２は、たとえば、圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器等から成る冷凍サイクルシステムにおいて、凝縮器と蒸発器との間に設けられる膨張弁として用いられる。

２ 電動弁
４ ロータ
４ｏ ロータの外周
６ 弁軸ホルダ
６ａ 筒状小径部
６ｂ 筒状大径部
６ｃ 嵌合部
６ｄ 雌ネジ
６ｆ フランジ部
６ｇ 上部開口部
６ｈ 収容室
６ｍ 雌ネジのネジ山
６ｖ 雌ネジのネジ谷
１１ 弁室
１２ 管継手
１５ 管継手
１６ 弁座部材
１６ａ 弁ポート
１７ 弁体
１８ 弁ガイド
１８ａ 貫通孔
２１ 天井部
２７ 弁バネ
３０ 弁本体
３３ ブッシュ部材
３３ａ 貫通孔
３３ｉ 貫通孔の内周
３４ 隙間
４１ 弁軸
４１ａ 雄ネジ
４１ｂ 鍔部
４１ｃ 溶接
４１ｍ 雄ネジのネジ山
４１ｏ 弁軸の外周
４１ｖ 雄ネジのネジ谷
５１ 均圧孔
５２ ガイド支持体
５３ 円筒部
５４ 傘状部
６０ ケース
６０ｉ ケースの内周
６６ クリアランス
６７ ロータ収容室
６８ 隙間
７０ ワッシャ
８３ 弁軸ホルダ室
１００ 電動弁
１０３ ロータ
１１１ 管継手
１１２ 管継手
１１４ 弁体
１２１ 弁ポート
１２１ａ 雄ネジ
１３１ａ 雌ネジ
１３３ ブッシュ部材
１３３ａ 貫通孔
１４１ 弁軸

Claims (5)

1. ケースの内周に収容されたロータの回転運動を、雄ネジ部材の雄ネジと雌ネジ部材の雌ネジとのネジ螺合により直線運動に変換し、この直線運動に基づいて弁本体内に収容された弁体を軸方向に移動させる電動弁であって、
   前記雌ネジ部材は、樹脂で形成され、
   前記ロータは、磁性粉を含有する樹脂で形成され、
   前記雄ネジ部材が貫通して固定される貫通孔が形成され、前記ロータの回転を前記雄ネジ部材に伝達する円筒状のブッシュ部材を備え、
   前記雄ネジ部材は、前記ブッシュ部材の前記貫通孔に対して前記ロータ側の一端が自由な状態で前記雌ネジ部材とネジ螺合され、
   前記ブッシュ部材と前記雄ネジ部材との間には隙間が形成され、かつ前記ブッシュ部材は、溶接して前記雄ネジ部材に固定されており、
   前記貫通孔の内周径と前記雄ネジ部材の外周径との差が、
   前記雄ネジ部材の前記雄ネジの山径と前記雌ネジ部材の前記雌ネジの谷径との差と、
   前記雄ネジ部材の前記雄ネジの谷径と前記雌ネジ部材の前記雌ネジの山径との差のうちいずれか小さい方よりも小さいことを特徴とする電動弁。
2. 前記雄ネジ部材の前記弁体が位置する側に配置された筒状の弁ガイドを備え、
   前記ブッシュ部材は、前記弁体が位置する側と反対側の端部が前記雄ネジ部材に溶接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. 前記ブッシュ部材の外径および前記弁ガイドの外径が、前記雌ネジ部材の雌ネジの山径よりも大きく、
   前記雄ネジ部材と前記弁ガイドを繋ぐ部分が、前記雌ネジ部材において前記弁ガイドを収容する収容室内に収容されていることを特徴とする請求項２に記載の電動弁。
4. 前記ケースの内周径と前記ロータの外周径との差が、
   前記雄ネジ部材の雄ネジの山径と前記雌ネジ部材の雌ネジの谷径との差と、前記雄ネジ部材の雄ネジの谷径と前記雌ネジ部材の雌ネジの山径との差のうちいずれか大きい方よりも大きいことを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の電動弁。
5. 圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器を含む冷凍サイクルシステムであって、請求項１～４の何れか一項に記載の電動弁を前記膨張弁として用いることを特徴とする冷凍サイクルシステム。

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