JP7438565B2

JP7438565B2 - 電動弁

Info

Publication number: JP7438565B2
Application number: JP2022029546A
Authority: JP
Inventors: 力樹小城; 威菅沼; 秀柳澤
Original assignee: Fujikoki Corp
Current assignee: Fujikoki Corp
Priority date: 2022-02-28
Filing date: 2022-02-28
Publication date: 2024-02-27
Anticipated expiration: 2042-02-28
Also published as: JP2023125446A; EP4234996A1; CN116658627A

Description

本発明は、電動弁に関する。

従来から、電動弁は、例えば流体の配管系統の途中に組み付けられて、流体の流路の開閉や流量制御を行うために使用されている。例えば、特許文献１に示すような電動弁においては、遊星歯車減速機構を用いて、弁本体に装着されたステッピングモータのトルクを減速して弁体に伝達することで、精度良い流量制御と閉弁時の密封性を実現している。

特開２０２１－１４８２８０号公報

特許文献１の電動弁において、ロータ及び太陽歯車を回転自在に支持する支持軸が、弁体の開閉動作のため、ロータの回転に応じて上下動する構成となっている。支持軸の上端は、キャンの内側に取り付けられた支持部材の中央開口に対して、軸線方向に摺動可能に嵌合している。該中央開口は、支持部材を貫通している。

ここで、特許文献1の電動弁において、弁体の通常使用されるストローク範囲内では、キャンに対して支持軸の上端が当接することはない。しかしながら、例えば電動弁を制御する制御装置において脱調などが生じた場合、通常使用されるストローク範囲を超えて支持軸が移動し、支持軸がキャンに当接することがある。

このような当接が一時的なものであれば、支持軸もキャンも金属で形成されているため、直ちに破損が生じることはない。しかしながら、長期間の使用にわたって支持軸がキャンに頻繁に当接したときには、摩耗や変形等が懸念される。また、減速比が比較的高い遊星歯車機構などを用いて弁体を駆動するタイプの電動弁の場合、支持軸とキャンとの当接部の面圧が高まるため、両者に生じる摩耗や変形等が生じやすくなる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであって、コストを抑えつつ信頼性を確保できる電動弁を提供することを目的とする。

本発明の電動弁は、
弁体を収容する弁室を含む弁本体と、
前記弁本体に連結されるキャンと、
モータのロータを回転自在に支持する支持軸と、
前記ロータの回転角度に応じて、前記弁体及び前記支持軸を軸線方向に変位させる変換機構と、
前記ロータの回転を減速して前記変換機構に伝達する減速機構と、
前記キャンに対して、前記支持軸を少なくとも軸線方向に移動可能に支持する軸支持部と、
軸線方向に沿って前記支持軸の端部と前記キャンとの間に配置される緩衝部と、を有し、
通常の使用範囲を超えて前記支持軸が変位したときに、前記支持軸が前記緩衝部に当接し、前記減速機構により増幅された軸力が前記支持軸から前記緩衝部に伝達される、ことを特徴とする。

本発明によれば、コストを抑えつつ信頼性を確保できる電動弁を提供することができる。

図１は、第１の実施形態に係る電動弁の閉弁状態を示す縦断面図である。図２は、第１の実施形態に係る電動弁の開弁状態を示す縦断面図である。図３は、第１の実施形態の変形例に係る電動弁の閉弁状態を示す縦断面図である。図４は、第２の実施形態に係る電動弁の閉弁状態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、図面を参照しつつ説明する。なお、本明細書では、ロータ側を上方として説明し、弁体側を下方として説明する。不思議遊星歯車減速機構は、遊星歯車減速機構の一タイプであるとする。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電動弁１の閉弁状態を示す縦断面図であり、図２は、第１の実施形態に係る電動弁１の開弁状態を示す縦断面図であるが、キャンの外側に配置されるステータは省略する。本実施形態の電動弁１は、例えば冷凍サイクルにおいて冷媒流量を調整するために用いられる。電動弁１の軸線をＬとする。

本実施形態の電動弁１は、弁室ＶＣの内部に形成された弁座１５を有する弁本体２と、ベースプレート３１を介して弁本体２に固着された金属製で有頂円筒形状のキャン３と、キャン３の外部に装備されるステータ（不図示）及びキャン３の内部に装備されるロータ５７からなるステッピングモータと、ロータ５７の回転トルクを減速して伝達する減速機構６と、前記弁座１５に接離して流体の通過量を制御する弁体４と、減速機構６の出力ギヤの回転運動をねじ送り機構（変換機構）２７を介して直線運動に変換して弁体４を駆動するねじ駆動部材２２と、から構成される。

弁本体２には、弁室ＶＣに連通する弁口１６が軸線Ｌに沿って形成されるとともに、その弁口１６側に第１配管Ｔ１がロウ付け等により接続され、弁室ＶＣの側面に形成された開口１８に連通するように第２配管Ｔ２がロウ付け等により接続されている。第２配管Ｔ２の軸線をＯとする。軸線Ｏは、軸線Ｌと直交する。

また、弁本体２の弁室ＶＣの上部には、中央下端側に雌ねじ部１３ａが形成されたねじ軸受部材１３が嵌挿され、圧入等により弁本体２に固定されている。

キャン３の上端内側に、樹脂製の軸支持部８１が取り付けられている。より具体的に、軸支持部８１は、上端面をキャン３の下面に当接させた円筒部８１ａと、円筒部８１ａの周囲に配置されキャン３の内周に外周を当接させたフランジ部８１ｂとを連設してなり、円筒部８１ａの下面中央には、上端が閉じた袋孔８１ｃが軸線Ｌと同軸に形成されている。袋孔８１ｃの内径は、支持軸８の外径に略等しい。キャン３に当接する円筒部８１ａの上端面の外径（当接面積）は、袋孔８１ｃの外径（軸線直交方向断面積）より大きく、例えば３倍以上の径であると好ましい。袋孔８１ｃの底面と円筒部８１ａの上端面との距離は、キャン３の厚みの２倍以上であると好ましい。軸支持部８１とロータ支持部材５６との間には、コイルばね８２が配置され、ロータ支持部材５６を下方に付勢している。本実施形態では、軸支持部８１が緩衝部を兼ねており、すなわち軸支持部８１と緩衝部とが一つの部材として構成されている。

減速機構６は、同軸に配置され直列に接続された、第１段減速部６１と、第２段減速部６２とを有する。第１段減速部６１は、ロータ５７の内周側において、ロータ支持部材５６に一体に形成された太陽歯車６１１と、弁本体２の上部に固着され上方に延在する薄肉筒状体６４を介して固定された固定リング歯車６１２の上部と、太陽歯車６１１と固定リング歯車６１２との間に配置されてそれぞれに歯合する遊星歯車６１３と、遊星歯車６１３を回転自在に支持するキャリア６１４とを有し、これらにより第１遊星歯車減速機構を構成する。

第２段減速部６２は、キャリア６１４と一体であって支持軸８に対して回転可能に支持された太陽歯車６２１と、固定リング歯車６１２の下部と、太陽歯車６２１と固定リング歯車６１２との間に配置されてそれぞれに歯合する遊星歯車６２３と、遊星歯車６２３を回転自在に支持するキャリア６２４と、遊星歯車６２３に歯合する歯を内周に備えた有底筒状の出力歯車部材６２５とを有し、これらにより不思議遊星歯車減速機構（第２遊星歯車減速機構）を構成する。固定リング歯車６１２の歯数は、出力歯車部材６２５の歯数とは異なるように設定されている。

金属製の支持軸８は、ロータ支持部材５６及び太陽歯車６２１を貫通して、これらと共に回転可能に保持されている。支持軸８の上端は、キャン３に取り付けられた軸支持部８１の袋孔８１ｃに嵌合し、回転方向及び軸線Ｌ方向に移動可能に支持されている。

出力歯車部材６２５の底部中央には、ねじ駆動部材（出力軸）２２の上部に形成された段付き円筒形状の出力軸部２９の上部が圧入されている。この出力軸部２９の上部開口には、支持軸８の下端が圧入により嵌合し、出力歯車部材６２５と支持軸８と出力軸部２９とは一体的に回転するように構成されている。

ねじ軸受部材１３の雌ねじ部１３ａには、ねじ駆動部材２２の下部に形成された雄ねじ部２２ａが螺合されている。出力歯車部材６２５（すなわち、ロータ５７）の回転運動は、雄ねじ部２２ａと雌ねじ部１３ａとからなるねじ送り機構（変換機構）２７により、軸線Ｌに沿って直線運動に変換される。

出力歯車部材６２５は、ねじ駆動部材２２に一体に連結され、出力歯車部材６２５（ロータ５７）が回転すれば、出力歯車部材６２５とねじ駆動部材２２は一体となって回転するとともに、弁本体２に対して軸線Ｌに沿って直線運動する。出力歯車部材６２５の昇降に応じて、出力歯車部材６２５の底面上に載置されたキャリア６２４及び遊星歯車６２３も支持軸８と一体となって昇降する。

ボール２３とボール受座２４とからなるボール状継手２５の下端が、弁体４の上端に同軸に圧入された円筒状のばね支持部材２８の上端に当接している。弁体４及びばね支持部材２８の周囲に配置された筒状のばねケース１９は、拡径部１９ａと、縮径部１９ｂと、拡径部１９ａの上端から径方向外側に延在する上端フランジ部１９ｃとを連設してなる。上端フランジ部１９ｃが弁本体２の内周段部に係合し、ねじ軸受部材１３により固定保持されている。縮径部１９ｂは、弁体４の外周を摺動可能に保持している。

圧縮コイルばね２６が、拡径部１９ａと縮径部１９ｂの間の段部に下端を当接させ、ばね支持部材２８に上端を係合させて、圧縮した状態で配置されており、それにより弁体４を常時開弁方向に付勢している。

ねじ駆動部材２２の直線運動は、ボール状継手２５及びばね支持部材２８を介して軸状の弁体４に伝達され、それにより弁体４は、ばねケース１９により案内されて、軸線Ｌ方向に移動する。弁体４の下端は膨径した円盤状となっており、その下面にテーパ状の円錐面４ａを形成している。

弁体４が上昇したときに、互いに当接する可能性のある個所は、軸支持部８１における袋孔８１ｃの底面と支持軸８の上端、軸支持部８１の下面とロータ支持部材５６の上面、及び固定リング歯車６１２の下面と出力歯車部材６２５の上面である。

図１に示す閉弁状態において、軸支持部８１における袋孔８１ｃの底面と支持軸８の上端との軸線方向最小間隔をＡとし、軸支持部８１の下面とロータ支持部材５６の上面との軸線方向最小間隔をＢとし、固定リング歯車６１２の下面と出力歯車部材６２５の上面との軸線方向最小間隔をＣとしたときに、以下の関係式が成立する。
Ａ＜Ｃ（１）
Ａ＜Ｂ（２）
Ｂ≦Ｃ（３）

関係式（１）を満たすことで、弁体４が上昇したときに、固定リング歯車６１２と出力歯車部材６２５とが当接する前に、袋孔８１ｃの底面に支持軸８の上端が底付きする。このため、過大なトルクで固定リング歯車６１２と出力歯車部材６２５とが当接し合うことが阻止され、部材同士の噛み込みなどを抑制できる。

関係式（２）を満たすことで、弁体４が上昇したときに、軸支持部８１の下面とロータ支持部材５６の上面とが当接する前に、袋孔８１ｃの底面に支持軸８の上端が底付きする。このため、軸支持部８１とロータ支持部材５６とが当接し合うことが阻止され、当接部の摩耗などを抑制できる。

関係式（３）を満たすことで、弁体４が上昇したときに、固定リング歯車６１２と出力歯車部材６２５とが当接すると同時、またはその前に軸支持部８１とロータ支持部材５６とが当接する。このため、過大なトルクで固定リング歯車６１２と出力歯車部材６２５とが当接し合うことが阻止され、部材同士の噛み込みなどを抑制できる。すなわち、本実施形態においては、弁体４が上昇したときに、軸支持部８１における袋孔８１ｃの底面と支持軸８の上端とが最先に当接する構成である。

（電動弁の動作）
図１に示す閉弁状態では、弁体４の円錐面４ａが弁座１５に着座しており、弁室ＶＣから流体が弁口１６へと向かうことが阻止される。このため第２配管Ｔ２と第１配管Ｔ１との間における流体の移動が制限される。

閉弁状態から、ステータに給電することにより、ステッピングモータのロータ５７を回転駆動させると、ロータ５７の回転トルクがロータ支持部材５６を介して第１段減速部６１の太陽歯車６１１に伝達され、第１の減速比で減速された回転トルクがキャリア６１４から出力される。

さらに、キャリア６１４の受けた回転トルクが、第２段減速部６２の太陽歯車６２１に伝達され、第２の減速比で減速された回転トルクが出力歯車部材６２５から出力される。出力歯車部材６２５の回転トルクは、出力軸部２９に伝達される。

出力軸部２９の回転運動は、ねじ送り機構２７により直線運動に変換され、それにより出力軸部２９は弁体４と共に軸線方向に上昇し、円錐面４ａが弁座１５から離間して、図２に示す開弁状態となる。開弁状態では、円錐面４ａと弁座１５の隙間に応じた流量により、弁室ＶＣから弁口１６に向かって流体が流れる。このため第２配管Ｔ２と第１配管Ｔ１との間における流体の移動が許容される。

開弁状態から、ステータに逆特性の給電を行うことにより、ロータ５７が逆方向に回転するため、上述とは逆の動作で弁体４を下降させ、弁体４の円錐面４ａを弁座１５に着座させることにより閉弁状態とすることができる。

仮に、制御装置の脱調などにより、通常の使用範囲を超えて弁体４が上昇した場合、上記関係式（１）～（３）に従い、固定リング歯車６１２と出力歯車部材６２５とが当接する前、および軸支持部８１の下面とロータ支持部材５６の上面とが当接する前に、袋孔８１ｃの底面に支持軸８の上端が底付きすることとなる。袋孔８１ｃの底面に支持軸８の上端が底付きした場合、その押圧力が軸支持部８１を介してキャン３に伝達される。特に、電動弁１は第１段減速部及び第２段減速部により大きな減速比を有するため、支持軸８が相手部材に付与する力は過大となる。

本実施形態によれば、キャン３に当接する円筒部８１ａの外径が、支持軸８の外径よりも大きいため、たとえ袋孔８１ｃの底面に支持軸８の上端が底付きして過大な力を付与した場合でも、キャン３との当接面の面圧が大幅に低下することからキャン３の変形や破損を抑制でき、それによりコストを抑えつつ電動弁１のフェイルセーフ機能を確保できる。さらに、軸支持部８１が樹脂製であることから、金属製であるキャン３及び支持軸８のいずれに対しても緩衝機能を発揮でき、破損などの不具合を回避できる。

（変形例）
図３は、第１の実施形態の変形例に係る電動弁１Ａの閉弁状態を示す縦断面図であり、同様にキャンの外側に配置されるステータは省略する。図３に示すように、本変形例においても、軸支持部８１Ａは、円筒部８１Ａａと、円筒部８１Ａａの周囲に配置されキャン３の内周に外周を当接させたフランジ部８１Ａｂとを連設してなる。ただし、円筒部８１Ａａを上下方向に貫通する貫通孔８１Ａｃが形成されている点が、第１実施形態と異なる。

また、キャン３の下面と軸支持部８１Ａの上端との間には、緩衝部８３Ａが軸支持部８１Ａとは別体として、貫通孔８１Ａｃを遮蔽するように配設されている。緩衝部８３Ａは、キャン３の下面と軸支持部８１の上面との間に挟持される円盤部８３Ａａと、円盤部８３Ａａに同軸に植設された短円筒部８３Ａｂとを連設してなり、短円筒部８３Ａｂは貫通孔８１Ａｃの上部に嵌挿されている。円盤部８３Ａａの外径（当接面積）は、支持軸８及び短円筒部８３Ａｂの外径（軸線直交方向断面積）よりも大きく、例えば３倍以上の径であると好ましい。また、短円筒部８３Ａｂの長さは、円盤部８３Ａａの厚みの２倍以上であると好ましい。軸支持部８１Ａ及び緩衝部８３Ａ以外の構成は、上述した実施形態と同様であるため、同じ符号を付して重複説明を省略する。

本変形例においても、通常の使用範囲を超えて弁体４が上昇した場合、固定リング歯車６１２と出力歯車部材６２５とが当接する前、および軸支持部８１の下面とロータ支持部材５６の上面とが当接する前に、貫通孔８１Ａｃの内部において支持軸８の上端が短円筒部８３Ａｂに突き当たるため、キャン３の変形や破損を抑制できる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態の変形例に係る電動弁１Ｂの閉弁状態を示す縦断面図であり、同様にキャンの外側に配置されるステータは省略する。本実施形態においては、単一の遊星歯車減速機構を設けている。

より具体的に、減速機構６Ｂは、第１段減速部６１Ｂのみを有する。第１段減速部６１Ｂは、ロータ５７の内周側において、ロータ支持部材５６Ｂに一体に形成された太陽歯車６１１Ｂと、薄肉筒状体６４を介して弁本体２に固定された固定リング歯車６１２Ｂと、太陽歯車６１１Ｂと固定リング歯車６１２Ｂとの間に配置されてそれぞれに歯合する遊星歯車６１３Ｂと、遊星歯車６１３Ｂを回転自在に支持するキャリア６１４Ｂと、遊星歯車６１３Ｂに歯合する歯を内周に備えた有底筒状の出力歯車部材６１５Ｂとを有し、これらにより第１の減速比を有する不思議遊星歯車減速機構（第１遊星歯車減速機構）を構成する。固定リング歯車６１２Ｂの歯数は、出力歯車部材６１５Ｂの歯数とは異なるように設定されている。出力歯車部材６１５Ｂは、出力軸部２９に連結され一体的に回転する。減速機構６Ｂ以外の構成は、上述した実施形態と同様であるため、同じ符号を付して重複説明を省略する。

本実施形態においても、不図示のステータに給電することにより、ステッピングモータのロータ５７を回転駆動させると、ロータ５７の回転トルクがロータ支持部材５６Ｂを介して第１段減速部６１Ｂの太陽歯車６１１Ｂに伝達され、第１の減速比で減速された回転トルクが出力歯車部材６１５Ｂから出力される。出力歯車部材６１５Ｂの回転トルクは、出力軸部２９に伝達される。

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。例えば遊星歯車減速機構の代わりに、歯車対からなる減速機構を設けてもよい。

１、１Ａ、１Ｂ電動弁
２弁本体部
３キャン
４弁体
６、６Ｂ減速機構
８支持軸
８１、８１Ａ軸支持部
８３Ａ緩衝部
ＶＣ弁室
Ｔ１第１配管
Ｔ２第２配管

Claims

弁体を収容する弁室を含む弁本体と、
前記弁本体に連結されるキャンと、
モータのロータを回転自在に支持する支持軸と、
前記ロータの回転角度に応じて、前記弁体及び前記支持軸を軸線方向に変位させる変換機構と、
前記ロータの回転を減速して前記変換機構に伝達する減速機構と、
前記キャンに対して、前記支持軸を少なくとも軸線方向に移動可能に支持する軸支持部と、
軸線方向に沿って前記支持軸の端部と前記キャンとの間に配置される緩衝部と、を有し、
通常の使用範囲を超えて前記支持軸が変位したときに、前記支持軸が前記緩衝部に当接し、前記減速機構により増幅された軸力が前記支持軸から前記緩衝部に伝達される、
ことを特徴とする電動弁。
前記軸支持部及び前記緩衝部は一つの部材として構成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
前記軸支持部は、前記支持軸を少なくとも軸線方向に移動可能に支持する貫通孔を備え、前記軸支持部とは別体の前記緩衝部により、前記貫通孔を遮蔽する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
前記弁体が上昇したときに、前記支持軸の端部と前記緩衝部とが最先に当接する、
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の電動弁。
前記緩衝部の前記キャンに対する当接面積は、前記支持軸の軸線直交方向断面積よりも大きい、
ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の電動弁。
前記減速機構は、遊星歯車減速機構である、
ことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の電動弁。