JPWO2003006860A1 - バルブ駆動装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流体の流路を開閉制御するバルブ駆動装置に関し、例えば、ヒートポンプ式冷凍サイクルの冷媒流量制御や通路切換に係わる多方弁(電動膨張弁)の構造に関する。
背景技術
ステッピングモータを使用してマイコン制御する電動膨張弁は各種考案されている。図11にモータ式冷媒用三方弁の一例の概略を部分断面で示し、図12に弁の開閉態様を図11のXII−XII線に沿った平面図で示す。三方弁100は、符号200で示すステッピングモータの直下に同心で構成され、ステータ201の電流制御によって駆動されるロータ202と一体の回転軸101の下端に一体で回転する樹脂製の弁体102が同軸上で軸方向に摺動自在に連結されている。弁体102は下面に突設したリブ103が圧縮スプリング104によって弁座105に圧接されている。
弁座105には2本のパイプ106a,106bへの連通孔107a,107bが弁室109内に開口し、弁室109内で弁体102を介して流入口110と選択的に連通する。リブ103は図12に示されるように半月状の凹部111を囲む形状で、回転軸101の回転角度に応じて、一個の弁体102が連通孔107a,107bの仕切を4モードに切替える。すなわち、近接する二か所に設けた連通孔107a,107bのいずれかまたは両方が半月状凹部111に囲まれることによって、流入孔110との流通が遮断(閉)され、回転軸101の回転角度により、二か所の連通孔107a,107bについて、図12に示す4モードの開閉態様を選択することができる。
図12(a)は連通孔107a:閉−連通孔107b:開、図12(b)は連通孔107a,107bともに閉、図12(c)は連通孔107a:開、連通孔107b:閉、図12(d)は連通孔107a,107bともに開を示す。このように、モータ回転軸101と同軸上に弁体102を設け、回転軸101と同速で弁座105に圧接回転させ、2個の連通孔107a,107bに対する上記4モードの切替えを行う構成である。
ところで、弁体102は、ロータ回転軸101と同軸上で弁体102が回転されるように構成されており、この弁体102が、媒体の漏洩防止のためのスプリング104による圧着負荷に対抗して強制的に回動される。そのため、弁体102の材料は耐摩耗性が優れた材料に限定されてしまうし、弁体102の強度確保のため厚みも厚くせざるを得ない。即ち、弁体102は、弁座への密着性を最優先させた設計ができないので、密着し易い材料の選択が十分に行えず、また弁体102を樹脂等により形成する場合には成型によるひけが大きくなって、密着面の精度の確保ができない。
以上の問題点に鑑みて、本発明の目的は、開口部周縁に密着して開口部を開閉することにより流体の流動を継断する弁体の弁座への密着性を最優先した設計を可能にし、弁圧着負荷を増加させることなく弁座に密着可能な弁体を備えたバルブ駆動装置を提供することである。
発明の開示
上記の目的を達成するために、本発明に係わるバルブ駆動装置は、流体を流入させる流入パイプおよび流体を流出させる流出パイプを有して前記流体の流路の一部をなし、内部に前記流入パイプまたは前記流出パイプに連結する開口部と、この開口部周縁に密着し回転により前記開口部を開閉して前記流体の流動を継断するディスク状の弁体と、この弁体を駆動する駆動手段とを有するバルブ駆動装置であって、前記弁体は、前記駆動手段の出力を伝達する歯車輪列後段歯車の軸方向端面に、前記後段歯車とは別体で形成されて保持され、前記後段歯車を回転駆動して前記弁体により前記流体流路の開閉操作を行う。本発明によれば、弁体を従動歯車と別体で形成したことにより、弁体の弁座への密着性を最優先させた設計が可能になる。即ち、密着し易い材料の選択や、樹脂やゴムで形成する場合には、成形によるひけを考慮した形状の選択が可能になり、接触部分を均一な形状と肉厚に形成することができるため、密着面の精度が確保できる。
そして、前記弁体はゴムまたは同等の合成樹脂で構成し、特に本発明によれば、弁体の容積を小さくできるので、弁体に冷媒の種類や使用圧力の変更に対処できるNBRまたは水素化NBR(H−NBR)を用いることができる。また、前記開口部はリブによって閉鎖しているので、リブの凸面と弁体との摺接面積を減少して加圧を増大させ密着性を増大させることができる。さらに、前記開口部は複数個設けて、各開口部にそれぞれ対応させて配設した複数の前記弁体がそれぞれ歯車を備え、この複数個の歯車が全て共通に常時噛合する共通歯車の回転軸を中心として周方向に前記複数個の歯車を点対称に展開配置するとともに各歯車を共通に付勢する弾性部材を設けて均一に付勢し易くし、共通歯車の偏向荷重を避け円滑な回転を図った。さらにまた、前記弁体は支軸の外径より拡径された中央空間部を有しているので、支軸圧入に伴うプレートの盛り上がりや、ロー付け材料のしみだしに干渉されることなく摺動面の密着性を維持できる。
発明を実施するための最良の形態
以下に、本発明に係わるバルブ駆動装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明に係わるバルブ駆動装置11の実施例として、三方弁12に対する適用例を拡大図して縦断面で示した側面図である。バルブ駆動装置11は金属板をプレス成形した弁座プレート13上に構成されて密閉ケース14で気密に封止され、密閉ケース14内のロータ15を密閉ケース14の外側に密着させて周設したステータ16(二点鎖線による概略図示)に図示しないコンピュータから駆動信号を入力して、ロータ15の所定角度における回転/停止を制御する。
ロータ15は外周にマグネット15aが一体に固設され、弁座プレート13側の端部にはピニオン17が形成されて、固設したロータ支軸18に回転自在に支持される。密閉ケース14は、ロータ15のマグネット15aの外周面とステータ16の内周面が近接するように縮径されて、閉端側にロータ15の支軸18の一端に嵌合して中心位置に安定に支持する凹部14aが設けられる。密閉ケース14の開端14b側は拡径してステータ16を載置する段部14cを設け、拡径された開端14bの内面は、プレス成形した弁座プレート13の段付き外周の縮径周縁部13aと密に嵌合する。密閉ケース14の開端14bを弁座プレート13の縮径周縁部13aに嵌入すると、弁座プレート13の中心孔13bと密閉ケース14の固定軸支持凹部14aとは同一軸線上に整合する。
弁座プレート13の中心孔13bの両側でほぼ対称の二か所に、ロータピニオン17を共通歯車として噛合する二個の従動歯車(図5参照)20A,20Bの支軸21A,21Bの固設孔13cが穿設される。従動歯車20A,20Bは支軸21A,21Bによって回転自在に支持される。また、弁座プレート13にはプレス成形で、従動歯車支軸固設孔13cを中心とし従動歯車20A,20Bの外径より僅かに大きな円周を境に段13dを設けて円内に平滑な平面13eが凹設され弁座23を形成する(図1参照)。これにより、従動歯車20A,20Bの下面に連結した弁体24に凸設された所定パターンの摺接面24aと当接する弁座23の面粗度を限定した範囲内に確保することができる。
二つの弁座23を画定する円内の所要位置にそれぞれ連通孔25A,25Bが穿設され弁口を形成する。また、この連通孔(弁口)25A,25Bを結ぶ線と直交する半径線上の適当位置に、流入パイプ26に通じる別の連通孔27が穿設される(図5参照)。これらの連通孔25A,25Bは弁座23と反対のパイプ取付面13fに浅く凹設した、第一、第二流出パイプ28A,28Bおよび流入パイプ26を嵌入する有底穴29にそれぞれ連通させる。
弁座プレート13の弁座23と反対側の有底穴29を設けたパイプ取付面13fにパイプ支持板30を固着する。プレス成形されたパイプ支持板30は薄い金属板で、流入パイプ26および第一、第二流出パイプ28A,28Bを含む三か所のパイプ嵌入用有底穴29の対応位置に折曲げによる段部30aを設けて弁座プレート13のパイプ取付面13fから離間する面30bを形成し、それぞれのパイプ嵌入用有底穴29との整合位置には、流入パイプ26、第一、第二流出パイプ28A,28Bそれぞれの外径に密着してパイプを支持する突起をそれぞれに備えた貫通孔30cが穿設される。また、弁座プレート13の中心孔13bおよび支軸固設孔13cとの対応位置には、各支軸18,21A,21Bの外径に遊嵌する貫通孔30dが穿設される。
弁座プレート13のパイプ取付面13f側から、中心孔13bおよび支軸固設孔13cにロータ支軸(共通歯車支軸)18と2本の従動歯車支軸21A,21Bの計3本をそれぞれ圧入する。さらに、流入パイプ26および第一、第二流出パイプ28A,28Bの計3本を、パイプ支持板30の各対応貫通孔30cに嵌挿して直立させ端面を弁座プレート13のパイプ取付面13fに凹設した有底孔29に着座させる。上記総計6本の部材を外付する6か所に対して、弁座23と反対側のパイプ取付面13fから溶接またはロー付けを行い気密を確保する。このように、パイプ間距離が長くとれ、かつ同一のパイプ取付面13fに流入パイプ26および流出パイプ28A,28Bが全て配置されることによって、同一方向からの組立およびロー付作業が容易となり、作業性が向上するので品質が安定する。
図2(a)は、図1のII−II線に沿って弁座側から見た弁体24(A,B)を従動歯車20(A,B)と合体して共に示す平面図で、図2(b)は図2(a)のb−b線に沿った断面図である。図3(a)は従動歯車20(A,B)の平面図、図3(b)は、図3(a)のb−b線に沿った断面図である。そして、図3(c)は図3(b)のc−c線に沿った裏面図である。従動歯車20(A,B)は一部を欠歯して、共通歯車のロータピニオン17と噛合不能の突出部32が設けてある。これにより、従動歯車20(A,B)の回転を規制して起動の原点を設定することができる。
従動歯車20(A,B)の中心には支軸21(A,B)に遊嵌する貫通孔20aが穿設され、両端の開口部には支軸21(A,B)と回転自在に摺接する軸受ブッシュBが圧入されている。そして、弁体24(A,B)の環状溝24dに嵌合してラジアル方向を規制すると共に当接面で加圧する係合突縁20bと、弁体24(A,B)に立設した駆動ピン24bを受容する嵌合孔20cとを備える。従動歯車20(A,B)は弁体24(A,B)を弁座23に圧接しながら弁体24(A,B)と一体で支軸21(A,B)を中心に回転する。
さらに、図4(a)は弁体24(A,B)の平面図、図4(b)は、図4(a)のb−b線に沿った断面図である。そして、図4(c)は図4(b)のc−c線に沿った裏面図である。弁体24(A,B)の軸直角面と、クロスハッチで示した摺接面24a(−A,−B)とは段差が設けられ、摺接面24a(−A,−B)が弁座プレート13に凹設した平滑な弁座面13eに密着して摺動する。従って、摺接面24a(−A,−B)に完全に覆われた連通孔25A,25Bは、弁室22から流出パイプ28A,28Bに通ずる流路が閉鎖され、流入パイプ26とは完全に遮断される。摺接面24a(−A,−B)の段差パターンにおいて、符号sで示す領域は、支軸21(A,B)と同心の円弧であり、連通孔25A,25Bは全開のまま維持される。領域sの両側はハートカム曲線(アルキメデススパイラル)tで画定される領域で、連通孔25A,25Bが、従動歯車20(A,B)の回転角にほぼ比例して徐々に開閉される領域である。
弁体24(A,B)の中央は、支軸21(A,B)の外径より大きく拡径されて空間部Gが形成される。このため、弁体24(A,B)は、従動歯車20(A,B)から加圧を受けると、摺接面24a(−A,−B)が弁座面13との整合を保って密着を崩すことなく、従動歯車20(A,B)に追動して回転する。空間部Gは摺接面24a(−A,−B)を縮小して当接面圧を増大するが、外周の輪郭に沿ってリブ24c(二点鎖線図示)を設け、内側に弁座23と摺接しない面を凹設することによって、リブ24cの凸面と弁座23との摺接面積を縮小して加圧を増大させ密着性を向上させることができる。また、空間部Gは、支軸21(A,B)圧入時に生じる平面度の不具合や、支軸21(A,B)付根の溶接ローの滲出しに干渉されることなく、摺接面24a(−A,−B)における必要部分の密着性を維持することができる。
このように、弁体24(A,B)を従動歯車20(A,B)と分離することによって、摺接部分を均一な形状と肉厚に形成することができ、摺接面24a(−A,−B)に所要の平面度、面粗度が確保できる。また、従動歯車20(A,B)から弁体24(A,B)に対する加圧は、少なくとも係合突縁20bの点P1で、あるいはそれより外側の歯車の歯元近傍の点P2で効果的に行うことができる。しかも、弁体24(A,B)は平滑面の形成が容易なモールドによる製作が可能であり、材質選択は自由で、適正な硬度と弾性で成型できるから、自らの弾性による密着性の良好なゴム系のNBRまたはH−NBRで形成することができる。
図5に第一弁体(A)24Aと第二弁体(B)24Bとで制御する第一連通孔25Aと第二連通孔25Bの開閉モードが弁座プレート13を透視する態様で示される。図5(a)は第一連通孔25A、第二連通孔25Bともに開、図5(b)は、第一連通孔25A:開、第二連通孔25B:閉、図5(c)は第一連通孔25A、第二連通孔25Bともに閉、図5(d)は第一連通孔25A:閉、第二連通孔25B:開を示す。弁体24(A,B)の外形を従動歯車20A,20B側面との段差で画定する輪郭パターンには方向性があるから、第一連通孔25A、第二連通孔25Bに対して上記4モードの構成には、二つの弁体24A,24B相互の回転角度の相対位置関係を設定する必要がある。
各従動歯車20A,20Bと一体に形成された弁体摺接面24a−A,24a−Bを弁座23に密着させるために一枚の板バネ部材35が各従動歯車20A,20Bの上面に弾接するように装入される。板バネ部材35は、図6(a)に示されるような円板状で基体35aの中央にロータピニオン17が楽に挿通できる透孔35bを貫通し、外縁の一部から放射状に延在する帯状部分を根元から折曲げて、図6(b)に示すように弁座プレート13から離間した位置に基体35aを保持する脚部35cを形成している。透孔35bの中心を点対称軸とする円周に沿った切込み35dによって、基体35aからそれぞれ独立に弾性を示す2本の分岐腕35eを延在させる。
図7に示すように、各分岐腕35eの自由端に穿設された貫通孔35fにそれぞれ対応する支軸21A,21Bの先端を挿通する。次にロータピニオン17と一体に形成されたロータ15を弁座プレート13中央に固設した支軸18に挿通し、共通歯車であるロータピニオン17と各従動歯車20A,20Bとを確実に噛合させてロータ15を組付ける。そして、密閉ケース14でロータ15を含む弁座プレート13の弁座23側全体を覆い、密閉ケース14の開端14b内面に弁座プレート13の縮径周縁部13aを嵌入してTIG溶接で一体化し封止することによって気密な弁室22を形成する。
板バネ部材35は基体35aの外縁が密閉ケース14の拡開段部14cの内面で押圧されて下方に移動するので、各分岐腕35eの自由端は従動歯車20A,20Bをそれぞれ上面から弾性付勢し、一枚の板バネ部材で同時に各弁体摺接面24a−A,24a−Bを弁座23に密着させることができる。さらに密閉ケース14は、閉端側でロータ支軸18の一端を支持する凹部14aの外周に設けた座金36でロータ15の上端を押圧し、ロータピニオン17下面に嵌挿したカラー37を介してバネ座金38を押圧する。すなわち、バネ座金38の弾性変形でロータ15の軸方向の遊隙が吸収されるので、ロータ15にはガタのない円滑な回転が保証される。
図8は別の板バネ部材45の形状を示す。(a)は平面図、(b)は(a)のb−b線に沿った断面図である。板バネ部材45は、中央に透孔45bを穿設した環状基体45aの外周から放射状に分岐腕45cを備え、各分岐腕45cの自由端にはそれぞれ対応する支軸21(A,B)を挿通する貫通孔45dが穿設されている。環状基体45aの中央透孔45bの内径は、ロータピニオン17部分よりは大径でロータピニオン17を容易に挿通できるが、ロータピニオン17の上部に設けた拡径部17aよりは小径で拡径部17aは挿通できないように形成される。板バネ部材45を使用する実施例では、板バネ部材45は上記の板バネ部材35と同様に装入され、貫通孔45dにそれぞれ対応する支軸21(A,B)が挿通される。
それから、ロータピニオン17と一体に形成されたロータ15を弁座プレート13中央に固設した支軸18に挿通し、共通歯車であるロータピニオン17と各従動歯車20A,20Bとを確実に噛合させてロータ15を組付ける。すると、ロータピニオン17上部の拡径段部17aが、板バネ部材基体45a中央の透孔45bに係合して板バネ部材基体45aを下方に押動するので、各分岐腕45cの自由端は従動歯車20A,20Bを各上面から弾性付勢し、一枚の板バネ部材45で同時に各弁体摺接面24a−A,24a−Bを弁座23に密着させることができる(図9参照)。このように構成された駆動部材に密閉ケース14を被装し、開端14bの内面に弁座プレート13の縮径周縁部13aを嵌入してTIG溶接で一体化し封止することによって気密な弁室22を形成することは上記実施例と同様である。
この板バネ部材45の形状から、図10に示すように、四方弁(図示しない)に対応可能な板バネ部材55を推測することは容易である。図10(a)は平面図、(b)は(a)のb−b線に沿った断面図である。すなわち、板バネ部材55は上記板バネ部材45と同様に、環状基体55a中央にロータピニオン17は通すがピニオン上部の拡大段部17aは通さない透孔55bを備え、環状基体55aの外周から従動歯車支軸の配置に対応させて放射状に三本の分岐腕55cが突設され、各分岐腕55cの自由端に穿設した貫通孔55dに各従動歯車支軸の上端を挿通する。このように、四方弁の流出パイプに連通する連通孔を三方に放射状に等間隔で配設することによって、開閉制御を行う弁体それぞれを、一枚の板バネ部材55で各従動歯車を介して各弁座に向けて均等に加圧することができる。それから密閉ケース14によって気密な弁室22を形成することは上記実施例と同様であるから説明を省略する。
以上、本発明に係わるバルブ駆動装置を適用した三方弁を主体とする実施例について説明したが、本発明は図示の実施例に限定されるものではなく、その形状や構成等について、本発明の必須の構成要件から逸脱しない範囲で、細部に関する多種多様な変更や部品の再構成等の改変をなし得ることが予期される。
産業上の利用可能性
以上の説明で明らかなように、発明に係わるバルブ駆動装置によれば、弁体を従動歯車と別体で形成し、この弁体が従動歯車に保持された構成になっている。弁体を従動歯車と別体で形成したことにより、弁体の弁座への密着性を最優先させた設計が可能になる。即ち、密着し易い材料の選択や、樹脂やゴムで形成する場合には、成形によるひけを考慮した形状の選択が可能になり、接触部分を均一な形状と肉厚に形成することができるため、密着面の精度が確保できる。さらに弁体の容積を小さくできるので、弁体に冷媒の種類や使用圧力の変更に対処できる高価な樹脂を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
図1は本発明に係わるバルブ駆動装置の一実施例を断面で示す側面図であり、図2は本発明に係わるバルブ駆動装置における従動歯車と弁体の関係を示す平面図であり、図3は本発明に係わるバルブ駆動装置における従動歯車の部品図で(a)は平面図、(b)は(a)のb−b線に沿った断面図、(c)は(b)のc−c線に沿った裏面図であり、図4は本発明に係わるバルブ駆動装置における弁体の部品図で(a)は平面図、(b)は(a)のb−b線に沿った断面図、(c)は(b)のc−c線に沿った裏面図であり、図5は本発明に係わるバルブ駆動装置における弁体開閉モードの説明図であり、図6は本発明に係わるバルブ駆動装置における板バネ部材の部品図で、(a)は平面図、(b)は側面図であり、図7は本発明に係わるバルブ駆動装置における板バネ部材と従動歯車の部分組立平面図であり、図8は本発明に係わるバルブ駆動装置における別の板バネ部材を示し、(a)は平面図、(b)は(a)のb−b線に沿った断面図であり、図9は本発明に係わるバルブ駆動装置において図8の板バネ部材を組立てた断面図であり、図10は本発明に係わるバルブ駆動装置において四方弁に適用される板バネ部材を示し、(a)は平面図、(b)は(a)のb−b線に沿った断面図であり、図11は従来の電動膨張弁の一例を示す概略の部分断面図であり、図12は図9に示す電動膨張弁の開閉モードの説明図である。
Claims (6)
- 流体を流入させる流入パイプおよび流体を流出させる流出パイプを有して前記流体の流路の一部をなし、内部に前記流入パイプまたは前記流出パイプに連結する開口部と、この開口部周縁に密着し回転により前記開口部を開閉して前記流体の流動を継断する弁体と、この弁体を駆動する駆動手段とを有するバルブ駆動装置であって、前記弁体は、前記駆動手段の出力を伝達する歯車輪列後段歯車の軸方向端面に、前記後段歯車とは別体で形成されて保持され、前記後段歯車を回転駆動して前記弁体により前記流体流路の開閉操作を行うことを特徴とするバルブ駆動装置。
- 前記開口部をリブによって閉鎖することを特徴とする請求の範囲第1項に記載のバルブ駆動装置。
- 前記開口部は複数個設けて、各開口部にそれぞれ対応させて配設した複数の前記弁体がそれぞれ歯車を備え、この複数個の歯車が全て共通に常時噛合する共通歯車の回転軸を中心として周方向に前記複数個の歯車を点対称に展開配置するとともに各歯車を共通に付勢する弾性部材を設けたことを特徴とする請求の範囲第1項に記載のバルブ駆動装置。
- 前記弁体は、ゴムまたは同等の合成樹脂で構成したことを特徴とする請求の範囲第1項に記載のバルブ駆動装置。
- 前記弁体は、NBRまたは水素化NBRであることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のバルブ駆動装置。
- 前記弁体は支軸の外径より拡径された中央空間部を有することを特徴とする請求の範囲第1項に記載のバルブ駆動装置。
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