JP7493257B2 - 電動弁 - Google Patents

Description

本発明は、電動弁に関する。

例えば、モータ駆動型の電動弁は、ステッピングモータにより回転駆動される弁軸の雄ねじ部を弁本体に設けられた雌ねじ孔に螺合させてなるねじ機構を有する。このねじ機構により、弁軸を軸線回りに回転させつつ軸線方向に変位させ、弁体と弁座の隙間を増減させて流量を制御している。

特許文献１に示す電動弁において、弁本体に固定された中空筒状のホルダに対して、相対移動可能なシート部材が配置され、該シート部材は、弁軸に連結されホルダに対して摺動可能なスリーブの下端に取り付けられている。弁軸が昇降することにより、シート部材に形成されたテーパ状のシート面が弁座に着座することにより閉弁状態となり、またシート面が弁座から離間することで開弁状態となる。

特開２０２１－１１０４５０号公報

特許文献１の電動弁によれば、開弁状態において、供給側円管から弁室内に進入した冷媒が、シート面と弁座との間の隙間を通して排出側円管へと冷媒が流れることとなる。このとき、シート部材がスリーブの下端にて片持ち状に支持され、また供給側円管に対向する位置に配置されているために、供給側円管から流入する冷媒がシート部材に直接当たり、シート部材の振動を引き起こし、それにより騒音が発生する恐れがある。このようなシート部材の振動を抑制するためには、各部の剛性を高めたり、スリーブとホルダとの隙間を小さくすることが一案であるが、各部の剛性を高めることにより重量増を招き、またスリーブとホルダとの隙間を小さくすると摺動抵抗が増大し、弁軸を駆動するために大きな力が必要となって、省エネを図れないという問題がある。

そこで本発明は、重量増を招くことなく省エネを図りつつも、騒音を抑制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、
モータにより回転駆動されるとともに軸線方向に移動する弁軸と、
弁室内に弁座及びガイド部材を備え、前記弁軸を回転可能に保持する弁本体と、
前記弁軸に接続された弁体ユニットと、を有し、
前記弁体ユニットは、前記ガイド部材の中空筒部に対して前記弁本体の軸線方向に沿って摺動可能なスリーブ、及び前記スリーブに連結され前記弁座に着座し又は離間するシート部材を有し、
前記弁軸と前記スリーブとの間に、前記弁軸に対して前記スリーブを閉弁方向に付勢するばねを配設し、
少なくとも前記シート部材が前記弁座から最大距離で離間したときは、前記シート部材は前記ガイド部材の中空筒部内に引き込まれる、ことを特徴とする。

本発明によれば、重量増を招くことなく省エネを図りつつも、騒音を抑制できる電動弁を提供することができる。

図１は、閉弁状態における本実施形態に係る電動弁を示す縦断面図である。 図２は、開弁状態における本実施形態に係る電動弁を示す縦断面図である。 図３は、開弁状態における膨張弁の弁体ユニット付近を拡大して示す縦断面図である。

以下、図面を参照して、本発明にかかる実施形態について説明する。

図１は、閉弁状態における本実施形態に係る電動弁を示す縦断面図である。図２は、開弁状態における本実施形態に係る電動弁を示す縦断面図である。ここで、上方とは、電動弁１におけるロータ側をいい、下方とは、ロータに対する弁座側をいう。

（電動弁の構成）
電動弁１は、上端が開口した有底円筒状の弁本体１０と、弁本体１０の上端面に下端部が溶接等により密封接合された有頂円筒状のキャン４５と、弁本体１０の内側に固定されたガイドステム（ガイド部材）１５と、ガイドステム１５の内側に配設された弁軸２１と、弁軸２１に対し一体的に回動可能に連結固定されたロータ３０と、ロータ３０を回転駆動すべくキャン４５の外周に外嵌されたステータ５０とを備えている。ここでは、ロータ３０とステータ５０とでステッピングモータが構成される。電動弁１の軸線をＬとする。

弁本体１０は、中空円筒部１０ａと底壁部１０ｂとを連設してなる。中空円筒部１０ａと底壁部１０ｂの肉厚は、略等しい。

底壁部１０ｂにおいて、その中央に円形の開口１０ｄが形成されており、開口１０ｄには、弁座部材１１がロウ付け等で固定されている。弁座部材１１は、それぞれ中空である縮径円筒部１１ａと拡径円筒部１１ｂとを軸線Ｌ方向に連設してなり、縮径円筒部１１ａの肉厚は拡径円筒部１１ｂの肉厚より薄い。縮径円筒部１１ａが開口１０ｄに嵌合する。拡径円筒部１１ｂの下端に形成された環状凹部１１ｃに第１の配管Ｔ１の端部が嵌挿され、ロウ付けなどにより接続されている。

縮径円筒部１１ａと拡径円筒部１１ｂの中央にオリフィス１１ｄが形成され、オリフィス１１ｄの上端（縮径円筒部１１ａの上端内周）に弁座１１ｅが形成されている。オリフィス１１ｄの内径は、弁座１１ｅ側よりも下端側で縮径している。本実施形態では、ガイドステム１５及び弁座部材１１は、弁本体１０に固定されて、その一部となる。

弁本体１０の中空円筒部１０ａには、入口開口１０ｅが形成されており、入口開口１０ｅに第２の配管Ｔ２の端部が嵌挿され、ロウ付けなどにより接続されている。入口開口１０ｅの軸線をＯとする。

弁本体１０の上端には、キャン４５の下端が突き当てられており、溶接により接合されることで、弁本体１０とキャン４５とが密閉した状態で一体化される。また、弁本体１０の上端において、キャン４５の下端内側に鍔状円盤１８が配置されている。鍔状円盤１８は、弁本体１０とキャン４５の溶接時に同時に溶接されると好ましい。鍔状円盤１８には複数の貫通孔が設けられ、弁本体１０の内部とキャン４５の内部との間で冷媒（流体）が流出入することを可能にしている。

図１において、キャン４５の外側において、ヨーク５１、ボビン５２、及びステータコイル５３が配置されてステータ５０が形成され、その外周が樹脂モールドカバー５８によって覆われている。本実施形態では、樹脂モールドカバー５８は、キャン４５の上部を含めてステータ５０全体を覆っているが、ヨーク５１の周囲のみを覆うようにしてもよい。ロータ３０とステータ５０とによりステッピングモータを構成している。

ステータコイル５３は、基板ＣＢ、コネクタＣＮ、及び配線ＨＮを介して、外部の電源回路（不図示）に接続されている。基板ＣＢ及びコネクタＣＮは、別の樹脂カバー５７により覆われている。ステータコイル５３の通電励磁によって、キャン４５内に配設されたロータ３０を軸線Ｌ回りに回転可能となっている。樹脂カバー５７の内部には、モールド樹脂が充填されている。

ロータ３０の内側に配設されたガイドステム１５は、中実円筒状の本体１５ａと、中空円筒部１５ｂとを連設してなる。本体１５ａには、その中央を軸線Ｌ方向に貫通するようにして雌ねじ孔１５ｃが形成されている。中空円筒部１５ｂの外周には、鍔状円盤１８が固着されており、上述したように鍔状円盤１８が弁本体１０の上端に溶接されることで、ガイドステム１５は弁本体１０に対して固定される。中空円筒部１５ｂには、均圧穴１５ｄが内外周を貫通して形成されている。中空円筒部１５ｂの下端は、第２の配管Ｔ２の少なくとも内周上端より下方（弁座側）に位置し、好ましくは第２の配管Ｔ２の中心より下方に位置する。

また、ロータ３０及び弁軸２１の制御用原点位置を設定すべく、ガイドステム１５の本体１５ａの上面には、断面矩形状の閉弁方向用固定ストッパ５５が上向きに突設されており、またガイドステム１５の本体１５ａの下面には、断面矩形状の開弁方向用固定ストッパ５６が下向きに突設されている。ここで、ロータ３０及び弁軸２１の制御用原点位置とは、閉弁方向用可動ストッパ３５が閉弁方向用固定ストッパ５５に当接して係止され、ロータ３０及び弁軸２１が最下降位置に達した時の位置のことである。

弁軸２１は、ロータ３０に取り付けられた環状の連結体３２が外嵌した第１円筒部２１ａと、ガイドステム１５の雌ねじ孔１５ｃに螺合する雄ねじ部２１ｂと、雄ねじ部２１ｂより下側に形成された鍔状部２１ｃと、鍔状部２１ｃの下方に連設された第２円筒部２１ｄと、第２円筒部２１ｄより小径の第３円筒部２１ｅと、第３円筒部２１ｅより小径の第４円筒部２１ｆと、下方に向かうにつれて縮径するテーパ部２１ｇとを同軸に連設してなる。

弁軸２１における雄ねじ部２１ｂの上端部には、閉弁方向用可動ストッパ３５が螺合し、ロータ３０の上壁下面に係止されている。閉弁方向用可動ストッパ３５の下面には、断面矩形状のストッパ部３５ａが形成されている。

また、弁軸２１の雄ねじ部２１ｂの下端部には、開弁方向用可動ストッパ３６が螺合し、鍔状部２１ｃの上面に係止されている。開弁方向用可動ストッパ３６の上面には、断面矩形状のストッパ部３６ａが形成されている。

弁本体１０内の空間を弁室ＶＣとする。弁室ＶＣには、弁体ユニット７０が軸線Ｌ方向に沿って変位可能に配置されている。弁軸２１に接続された弁体ユニット７０は、ガイドステム１５の中空円筒部１５ｂ内に挿入されたスリーブ７１と、スリーブ７１の下端に接合された円盤状のシート部材７２とを有する。

図３は、開弁状態における膨張弁の弁体ユニット７０付近を拡大して示す縦断面図である。図３において、有頂円筒状のスリーブ７１は、側壁７１ａと頂壁７１ｂとを連設してなる。側壁７１ａの下端近傍に、４つの連通孔７１ｃが周方向に等間隔に形成され、また頂壁７１ｂの中央に円形開口７１ｄが形成されている。

シート部材７２は、円盤部７２ａと、それより小径の短円筒部７２ｂとを連設してなる。円盤部７２ａの下面外周には、下方に向うにつれて縮径するテーパ状のシート面７２ｃが形成されており、弁座部材１１の弁座１１ｅに着座可能となっている。

円盤部７２ａの上面に突き当てるようにして、スリーブ７１の下端が溶接により同軸に固定されている。ただし、シート部材７２の短円筒部７２ｂを大径化して、スリーブ７１の内周に圧入により固定してもよい。

シート部材７２の中央には、上端側の円筒孔７２ｄと下端側のテーパ孔７２ｅとを連設してなる貫通孔７２ｆが形成されている。円筒孔７２ｄに続いて漸次拡径するテーパ孔７２ｅを設けることで、ここを通過する冷媒の通過音を減少させ、電動弁１の静穏化を図れる。ここでは、円筒孔７２ｄが弁口を構成する。

本実施形態では、シート部材７２の最大径は、中空円筒部１５ｂの内径に等しいか、それよりわずかに小さい。これによりシート部材７２は、中空円筒部１５ｂ内に収容可能となる。またスリーブ７１の外径は、円盤部７２ａの外径に等しいか、それよりわずかに大きい。これにより、シート部材７２を中空円筒部１５ｂ内に引き込む際に、シート部材７２が中空円筒部１５ｂの端部に引っかかることが抑制される。

弁軸２１の鍔状部２１ｃの下面に当接するようにして、環状のワッシャ７３が配置され、ワッシャ７３とスリーブ７１の頂壁７１ｂとの間には、第２円筒部２１ｄの周囲においてコイルばね７４が配置されており、鍔状部２１ｃに対してスリーブ７１を下方に付勢する。ワッシャ７３は、摺動性の高い素材から形成されており、弁軸２１の回転時にトルクをコイルばね７４に伝達しにくくし、それにより弁体ユニット７０の回転を抑制するよう機能する。

弁軸２１の第３円筒部２１ｅは、スリーブ７１の円形開口７１ｄに対して、摺動可能に挿通されている。スリーブ７１内において、第３円筒部２１ｅと第４円筒部２１ｆとの間の下方段部に突き当てるようにして、環状部材７５が圧入により取り付けられている。

（電動弁の動作）
次に、電動弁１の開閉弁動作を、具体的に説明する。
まず、第２の配管Ｔ２から弁室ＶＣ内に冷媒（流体）が進入しているものとし、電動弁１は図１に示す閉弁状態にあるものとする。閉弁状態で、圧縮されたコイルばね７４の弾発力がスリーブ７１を介してシート部材７２に伝達され、シート面７２ｃが弁座１１ｅに着座する。

このとき、ガイドステム１５の中空円筒部１５ｂの下端から下方に、シート部材７２及びスリーブ７１の一部が突き出た状態（露出した状態）となる。スリーブ７１の一部が突き出た状態で、連通孔７１ｃも中空円筒部１５ｂの下端から露出する。これによりスリーブ７１の内部空間は、弁室ＶＣと連通するとともに、スリーブ７１と中空円筒部１５ｂとの間の隙間等を介して、頂壁７１ｂを挟んで隔てた中空円筒部１５ｂの内部空間とも連通する。また、弁軸２１のテーパ部２１ｇが、シート部材７２の円筒孔７２ｄ内に進入して、円筒孔７２ｄを塞いでおり、これにより弁室ＶＣから第１の配管Ｔ１側へ向かう冷媒の流れが制限される。
なお、本実施形態では、弁軸２１の最下動位置でも円筒孔７２ｄとテーパ部２１ｇとの間に隙間があり僅かな流量を確保する構成（これを閉弁レス構成とする）であるが、テーパ部２１ｇをシート部材７２に着座させて完全閉弁できる構成（これを閉弁構成とする）としてもよいことはもちろんである。

かかる閉弁状態から、外部の電源回路よりステータ５０にパルス給電が行われると、ロータ３０及び弁軸２１が一方向に回転駆動され、それに応じて雌ねじ孔１５ｃと雄ねじ部２１ｂからなるねじ送り機構を介して、弁軸２１が回転しながら上昇する。ただし、弁軸２１が所定距離まで上昇するまで、コイルばね７４の弾発力がシート部材７２に伝達され続けるので、シート面７２ｃが弁座１１ｅに着座した状態が維持され、オリフィス１１ｄに向かう冷媒は遮断されたままである。

弁軸２１が上昇することにより、弁軸２１のテーパ部２１ｇがシート部材７２の円筒孔７２ｄから離脱するため、スリーブ７１内の冷媒が、弁軸２１と円筒孔７２ｄとの間の隙間を通過し、さらに貫通孔７２ｆ及び弁座部材１１のオリフィス１１ｄを通過して、第１の配管Ｔ１に向かって流出する。これによりスリーブ７１内及び中空筒部１５ｂ内の圧力が低下し、弁体ユニット７０が上昇しやすくなる。

コイルばね７４の弾発力に抗して弁軸２１がさらに上昇し、環状部材７５がスリーブ７１の頂壁７１ｂの下面に当接したときから、スリーブ７１及びシート部材７２が上昇を開始する。これにより、シート面７２ｃと弁座１１ｅとの間の隙間を介して、弁室ＶＣ内の冷媒がオリフィス１１ｄを通って第１の配管Ｔ１へと流れる。

ステータ５０にパルス給電を続けることで、弁軸２１が回転し続け、シート部材７２が弁座１１ｅから最も離間した開弁状態となる。このとき、図２、３に示すように、ガイドステム１５の中空円筒部１５ｂの径方向内方に、スリーブ７１及びシート部材７２が引き込まれた状態となる。「引き込まれる」とは、閉弁状態でスリーブ７１を軸線直交方向におけるいずれの方向から見ても、シート部材７２が中空円筒部１５ｂの内側に隠れて見えないことをいう。このため、第２の配管Ｔ２から冷媒が勢いよく弁室ＶＣに流入しても、シート部材７２に直接当たることはなく、弁体ユニット７０が振動しない。したがって、各部の剛性を増大させたり摺動部の隙間を小さくすることなく騒音の発生を効果的に抑制でき、省エネに優れた電動弁１を提供できる。少なくとも開弁状態で、中空円筒部１５ｂの径方向内方にシート部材７２が引き込まれていれば足りる。

さらにパルス給電が継続された場合、開弁方向用可動ストッパ３６が開弁方向用固定ストッパ５６に当接して係止され、これにより、ロータ３０及び弁軸２１の回転及び上昇が強制的に停止せしめられる。

これに対し、かかる開弁状態から、外部の電源回路よりステータ５０に逆特性のパルス給電が行われると、ロータ３０及び弁軸２１が他方向に回転駆動され、雌ねじ孔１５ｃと雄ねじ部２１ｂからなるねじ送り機構を介して、弁軸２１及び弁体ユニット７０が回転しながら下降する。

弁軸２１とともに環状部材７５が下方に変位すると、コイルばね７４によって下方に付勢されたスリーブ７１が追従して下降し、シート部材７２のシート面７２ｃが、弁座部材１１の弁座１１ｅに着座する。この状態からさらに弁軸２１を下方に変位させると環状部材７１が頂壁７１ｂから離れ、その後、弁軸２４のテーパ部２１ｇが円筒孔７２ｄに進入して閉弁状態となる。これにより、弁室ＶＣから第１の配管Ｔ１側へ向かう冷媒の流れが制限される。
なお、上述のように本実施形態は閉弁レス構成であるが、完全閉弁する構成（閉弁構成）としてもよい。

なお、シート部材７２のシート面７２ｃが、弁座部材１１の弁座１１ｅに着座した時点では、閉弁方向用可動ストッパ３５が閉弁方向用固定ストッパ５５に未だ当接しておらず、弁軸２１及びロータ３０はさらに回転下降する。弁軸２１が下降しても、弁体ユニット７０は静止したままであるため、それに応じてコイルばね７４が圧縮され、シート面７２ｃと弁座１１ｅとの押圧力が増大する。

その後、ロータ３０が更に回転して弁軸２１が下降すると、閉弁方向用可動ストッパ３５のストッパ部３５ａが閉弁方向用固定ストッパ５５に当接する。これらのストッパ同士の当接によって、ステータ５０への通電が継続されても、弁軸２１の下降は強制的に停止させられる。

本明細書は、以下の発明の開示を含む。
（発明Ａ）
モータにより回転駆動されるとともに軸線方向に移動する弁軸と、
弁室内に弁座及びガイド部材を備え、前記弁軸を回転可能に保持する弁本体と、
前記弁軸に対して軸線方向に変位可能に配置された弁体ユニットと、を有し、
前記弁体ユニットは、前記ガイド部材の中空筒部に対して前記弁本体の軸線方向に沿って摺動可能なスリーブ、及び前記スリーブに連結され前記弁座に着座し又は離間するシート部材を有し、
少なくとも前記シート部材が前記弁座から最大距離で離間したときは、前記シート部材は前記ガイド部材の中空筒部内に引き込まれる、
ことを特徴とする電動弁。

（発明Ｂ）
前記弁本体は、流体が前記弁本体内に流入する配管を有し、前記弁本体の軸線方向において、前記中空筒部の弁座側の端部は、前記配管の内方端内周の上端より前記弁座側に配置されている、
ことを特徴とする発明Ａの電動弁。

（発明Ｃ）
前記シート部材が前記弁座に着座したときは、前記スリーブに形成した連通孔が前記中空筒部から露出する、
ことを特徴とする発明Ａ又はＢの電動弁。

前記モータは、前記弁軸に固定されたロータと、前記ロータを回転駆動可能なステータとを有する、
ことを特徴とする発明Ａ～Ｃのいずれかの電動弁。

１ 電動弁
１０ 弁本体
１１ 弁座部材
１１ｅ 弁座
１５ ガイドステム
１５ｂ 中空円筒部
２１ 弁軸
３０ ロータ
３５ 閉弁方向用可動ストッパ
３６ 開弁方向用可動ストッパ
５０ ステータ
５３ ステータコイル
５５ 閉弁方向用固定ストッパ
５６ 開弁方向用固定ストッパ
７０ 弁体ユニット
７１ スリーブ
７１ｃ 連通孔
７２ シート部材
７２ｃ シート面
７３ ワッシャ
７４ コイルばね
７５ 環状部材
ＶＣ 弁室
Ｔ１ 第１の配管
Ｔ２ 第２の配管

Claims (4)

1. モータにより回転駆動されるとともに軸線方向に移動する弁軸と、
   弁室内に弁座及びガイド部材を備え、前記弁軸を回転可能に保持する弁本体と、
   前記弁軸に接続された弁体ユニットと、を有し、
   前記弁体ユニットは、前記ガイド部材の中空筒部に対して前記弁本体の軸線方向に沿って摺動可能なスリーブ、及び前記スリーブに連結され前記弁座に着座し又は離間するシート部材を有し、
   前記弁軸と前記スリーブとの間に、前記弁軸に対して前記スリーブを閉弁方向に付勢するばねを配設し、
   少なくとも前記シート部材が前記弁座から最大距離で離間したときは、前記シート部材は前記ガイド部材の中空筒部内に引き込まれる、
   ことを特徴とする電動弁。
2. 前記弁本体は、流体が前記弁本体内に流入する配管を有し、前記弁本体の軸線方向において、前記中空筒部の弁座側の端部は、前記配管の内方端内周の上端より前記弁座側に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
3. 前記シート部材が前記弁座に着座したときは、前記スリーブに形成した連通孔が前記中空筒部から露出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
4. 前記モータは、前記弁軸に固定されたロータと、前記ロータを回転駆動可能なステータとを有する、
   ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の電動弁。

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