KR20160100829A

KR20160100829A - 전동 밸브

Info

Publication number: KR20160100829A
Application number: KR1020160015425A
Authority: KR
Inventors: 카즈시 타카하시; 토모히로 유아사; 유토 오오에
Original assignee: 가부시키가이샤 테지케
Priority date: 2015-02-16
Filing date: 2016-02-11
Publication date: 2016-08-24
Also published as: JP6518910B2; EP3056778A1; EP3056778B1; JP2016151284A; CN105889531A

Abstract

<과제>
모터 구동식의 전동 밸브에 있어서의 유량 특성의 변화를 억제한다.
<해결 수단>
전동 밸브(1)는, 밸브 시트(26)에 접리하여 밸브부를 개폐하는 밸브체(34); 중공부(S)에 밸브체(34)를 부분적으로 삽통하도록 하여 축선 방향으로 슬라이딩 가능하게 지지하는 샤프트(60); 중공부(S)에 배치된 스프링(63); 중공부(S)에 배치되어 스프링(63)과 밸브체(34) 사이에 개재되어, 일단측에서 스프링(63)을 받고, 타단측에서 밸브체(34)의 단부와 당접하는 스프링 베어링(65); 및 로터의 회전 운동을 샤프트(60)의 병진 운동으로 변환하는 작동 변환 기구를 구비한다. 밸브체(34)와 스프링 베어링(65)의 서로의 당접면이 각각 구면으로 되어 있고, 그 중의 한 당접면이 볼록 구면(S1)으로 되어 있고, 다른 한 당접면이 볼록 구면(S1)보다 곡률반경이 큰 오목 구면(S2)로 되어 있다. 밸브체(34)의 구면 중심이, 밸브체(34)의 축선상에 위치한다.

Description

전동 밸브{MOTOR OPERATED VALVE}

본 발명은, 모터 구동식의 전동 밸브에 관한 것이다.

자동차용 공조 장치의 냉동 사이클에는 일반적으로, 순환하는 냉매를 압축하는 컴프레서, 압축된 냉매를 응축하는 콘덴서, 응축된 액냉매를 교축 팽창시켜 안개 형태의 기액 혼합 냉매로 하여 송출하는 팽창 밸브, 그 안개 형태의 냉매를 증발시켜 그 증발 잠열에 의해 차량 실내의 공기를 냉각하는 증발기 등이 마련되어 있다. 팽창 밸브로서는, 증발기의 출구측의 냉매의 온도 및 압력을 감지하여 밸브부가 자율적으로 개폐하는 기계식의 팽창 밸브가 널리 사용되고 있다. 한편, 최근의 전기자동차나 하이브리드 차량의 보급에 따라, 구동부에 스테핑 모터를 사용하여 밸브 개도의 정밀한 제어를 실현하는 전동 팽창 밸브도 채용되고 있다.

이와 같은 전동 팽창 밸브는, 보디에 마련된 소구경의 밸브 구멍을 개폐하기 위해 예를 들면 니들 형상의 밸브체를 구비하고, 또한, 로터의 회전 운동을 샤프트의 병진 운동으로 변환하여 그 밸브체를 구동하는 작동 변환 기구를 구비한다(예를 들면 특허문헌 1 참조). 이 작동 변환 기구는, 예를 들면 보디와 샤프트 사이에 마련된 나사 기구로 이루어진다. 로터와 함께 샤프트가 회전하면, 그 나사 기구에 의해 샤프트가 축선 방향으로 구동된다. 밸브체는 샤프트의 선단에 지지되어, 밸브 구멍의 개구 단부에 형성된 밸브 시트에 탈착하여 밸브부를 개폐한다. 밸브체의 착석 성능을 확보하기 위해, 밸브체는 샤프트에 탄성적으로 상대 변위 가능하게 지지된다.

구체적으로는, 샤프트의 선단부가 중공 형상으로 되어 있고, 밸브체가 부분적으로 삽통되는 형태로 슬라이딩 가능하게 지지된다. 샤프트의 중공부에는, 밸브체를 밸브 폐쇄 방향, 즉 밸브체를 샤프트로부터 돌출시키는 방향으로 부세하는 스프링이 배치된다. 밸브체가 착석할 때는 그 스프링이 탄성 변형하고, 그 탄성 반력에 의해 밸브체를 밸브 시트에 가압하기 때문에, 양호한 착석 성능이 얻어진다. 또한, 이와 같이 밸브체를 탄성적으로 지지하는 것에 의해, 밸브체의 착석후에 샤프트를 정지시킬 수 있기 때문에, 밸브체에 연결되는 부품의 공차나 부품간의 조립 오차를 흡수할 수 있다. 한편, 샤프트의 선단부에는 밸브체의 후단부를 계지 가능한 지지부가 마련되어 있기 때문에, 밸브체가 샤프트로부터 탈락하지 않는다.

이와 같은 구성에 의해, 밸브체와 샤프트는 기본적으로 일체가 되어 회전 및 병진 운동을 하지만, 밸브체가 착석을 시작하면 밸브 시트로부터 마찰력을 받기 때문에, 밸브 폐쇄시에 스프링이 탄성 변형하는 기간에 밸브체와 샤프트가 상대 변위한다. 그 상대 변위에 의해 스프링이 꼬이고, 그 꼬임력이 밸브체에 작용하면, 착석후의 밸브체의 자세를 무너뜨릴 가능성이 있다. 여기서, 특허문헌 1의 구성에서는, 밸브체와 스프링 사이에 구형상의 스프링 베어링(ball)이 개재된다. 그에 의해, 설사 스프링이 꼬였다고 해도, 그 꼬임력이 볼의 회전에 의해 개방되어 밸브체에는 전달되기 어려워져, 안정된 밸브 폐쇄 상태의 실현이 가능해진다.

일본국 특허공개공보 2014-196810호 공보

하지만, 발명자들의 검증에 의해, 상술한 구성에서는 볼의 자유도가 높기 때문에 그 중심이 밸브체의 축선상에서 벗어나, 밸브체에 세차운동을 시키기 쉬워지는 것을 알았다. 그리고, 그것이 밸브체의 국소적인 스침에 의한 밸브 시트의 편마모를 진행시키는 것을 알았다. 이와 같은 밸브 시트의 편마모는, 밸브 구멍의 단면 형상을 찌그러지게 하여, 해당 전동 밸브에 당초 설정된 유량 특성을 변화시킬 가능성이 있다.

한편, 이와 같은 문제는, 상기 전동 팽창 밸브에 한정되지 않고, 밸브체가 샤프트에 탄성적으로 지지되어, 로터의 회전 운동을 그 샤프트의 병진 운동으로 변환하여 밸브체를 구동하는 전동 밸브에는 동일하게 발생할 수 있다.

본 발명의 일 목적은, 모터 구동식의 전동 밸브에 있어서의 유량 특성의 변화를 억제하는 것에 있다.

본 발명의 일 실시예는, 모터 구동식의 전동 밸브이다. 이 전동 밸브는, 상류측으로부터 유체를 도입하는 도입 포트와, 하류측으로 유체를 도출하는 도출 포트와, 도입 포트와 도출 포트를 연통시키는 밸브 구멍을 구비하는 보디; 밸브 구멍의 개구 단부에 형성된 밸브 시트에 접리하여 밸브부를 개폐하는 밸브체; 밸브체를 밸브부의 개폐 방향으로 구동하기 위한 로터를 포함하는 모터; 로터에 연동하여 회전하고, 선단측으로 개구되는 중공부를 구비하고, 그 중공부에 밸브체를 부분적으로 삽통하도록 하여 축선 방향으로 슬라이딩 가능하게 지지하는 샤프트; 중공부에 배치되어, 밸브체를 샤프트의 선단 개구부로부터 돌출시키는 방향으로 부세(energizing)하기 위한 스프링; 중공부에 배치되어 스프링과 밸브체 사이에 개재되어, 일단측에서 스프링을 받고, 타단측에서 밸브체의 단부와 당접하는 스프링 베어링; 및 로터의 회전 운동을, 샤프트의 축선 방향의 병진 운동으로 변환하는 작동 변환 기구를 구비한다.

밸브체와 스프링 베어링의 서로의 당접면이 각각 구면으로 되어 있고, 그 중의 한 당접면이 볼록 구면으로 되어 있고, 다른 한 당접면이 볼록 구면보다 곡률반경이 큰 오목 구면으로 되어 있다. 밸브체의 구면의 중심이, 밸브체의 축선상에 위치한다.

이 실시예에 의하면, 밸브체와 스프링 베어링의 서로의 당접면을 각각 구면으로 한 것에 의해, 양자의 축선을 어긋나기 어렵게 할 수 있다. 또한, 밸브체 및 스프링 베어링 중의 한 당접면을 볼록 구면으로 하고, 다른 한 당접면을 그보다 곡률반경이 큰 오목 구면으로 하는 것에 의해, 구면 형상끼리의 구조상의 구속을 완화하고, 밸브체에 적당한 조심(aligning) 기능을 발휘시킬 수도 있다. 그 결과, 밸브 시트의 마모에 의한 유량 특성의 변화를 억제할 수 있다.

본 발명에 의하면, 모터 구동식의 전동 밸브에 있어서의 유량 특성의 변화를 억제할 수 있다.

도 1은 실시형태에 따른 전동 밸브의 구성을 나타내는 일 단면도이다.
도 2는 도 1의 A-A선 단면도이다.
도 3은 로터 및 작동 로드의 구성 부품을 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는 밸브체 및 스프링 베어링의 각 구성의 상세를 나타내는 도면이다.
도 5는 제어 밸브의 동작을 나타내는 단면도이다.
도 6은 밸브체 및 스프링 베어링의 지지 구조를 나타내는 부분 확대도이다.
도 7은 밸브체와 스프링 베어링의 당접 상태를 나타내는 설명도이다.
도 8은 볼록 구면과 오목 구면의 반경비와, 최대 접촉 응력, 접촉면 반경과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 실시형태에 의한 작용 효과를 나타내는 도면이다.
도 10은 비교예에 있어서의 밸브체의 조심 기능을 나타내는 모식도이다.
도 11은 구면 접촉에 의한 작용을 나타내는 도면이다.
도 12는 변형예에 따른 전동 밸브의 주요부를 나타내는 도면이다.
도 13은 다른 변형예에 따른 전동 밸브의 주요부를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시형태를, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 한편, 이하의 설명에 있어서는 편의상, 도시한 상태를 기준으로 각 구조의 위치 관계를 표현하는 경우가 있다.

도 1은, 실시형태에 따른 전동 밸브의 구성을 나타내는 일 단면도이다. 도 2는, 도 1의 A-A선 단면도이다. 본 실시형태의 전동 밸브는, 자동차용 공조 장치의 냉동 사이클에 적용되는 전동 팽창 밸브로서 구체화되어 있다. 이 냉동 사이클에는, 순환하는 냉매를 압축하는 컴프레서, 압축된 냉매를 응축하는 콘덴서, 응축된 액냉매를 교축 팽창시켜 안개 형태의 기액 혼합 냉매로 하여 송출하는 팽창 밸브, 그 안개 형태의 냉매를 증발시켜 그 증발 잠열에 의해 차량 실내의 공기를 냉각하는 증발기 등이 마련되어 있다. 이 냉동 사이클을 순환하는 냉매에는 윤활용의 오일(냉동기유)이 포함되어, 순환로에 배치된 각 기기의 슬라이딩부에 적당한 윤활이 이루어진다. 한편, 이하에서는 편의상, 주요 구성인 팽창 밸브의 구조를 중심으로 설명하고, 그 이외의 상세한 설명에 대해서는 생략한다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 전동 밸브(1)는, 스테핑 모터 구동식의 전동 팽창 밸브로서 구성되고, 밸브 본체(2)와 모터 유닛(4)을 조립하여 구성되어 있다. 밸브 본체(2)는, 밸브부를 수용하는 보디(5)를 구비한다. 모터 유닛(4)은, 보디(5)의 상단 개구부를 봉지하도록 장착되어 있다. 보디(5)는, 각주형상의 제1보디(6)의 상반부에 단차가 있는 원통 형상의 제2보디(8)를 조립하여 구성된다. 제1보디(6)는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 제2보디(8)는 구리 합금으로 이루어진다. 한편, 변형예에 있어서는, 제2보디(8)를 스테인리스강(이하 "SUS"로 표기한다)으로 구성해도 좋다.

제1보디(6)에 일측면의 상부에는 상류측으로부터 냉매를 도입하는 도입 포트(10)가 마련되고, 반대측면의 하부에는 하류측으로 냉매를 도출하는 도출 포트(12)가 마련되어 있다. 제1보디(6)의 중앙에는 상하 방향의 접속 통로(14)가 형성되고, 그 상류측 통로(16)가 도입 포트(10)에 연통되고, 하류측 통로(18)가 도출 포트(12)에 연통되어 있다. 제1보디(6)의 상반부에는, 상방을 향해 단계적으로 지름이 확대되는 단차가 있는 원형구멍 형상의 장착 구멍(20)이 형성되어 있다. 접속 통로(14)는, 장착 구멍(20)의 일부를 구성한다.

한편, 제2보디(8)는, 그 외경 및 내경이 하방을 향해 단계적으로 지름이 축소되는 단차가 있는 원통 형상으로 되어 있고, 장착 구멍(20)과 상보 형상의 외형을 갖는다. 제2보디(8)는, 제1보디(6)의 상방으로부터 장착 구멍(20)에 감합하도록 하여 장착된다. 제1보디(6)와 제2보디(8) 사이에는, 접속 통로(14)의 위치에 실링용의 O링(22)이 개재되어 있다.

제2보디(8)의 하단부에는 밸브 구멍(24)이 마련되고, 그 상단 개구부에 밸브 시트(26)가 형성되어 있다. 제2보디(8)에 있어서의 도입 포트(10)와의 대향면에는, 내외를 연통하는 연통 구멍(28)이 마련되어 있다. 밸브 구멍(24)은, 이 연통 구멍(28)을 통해 상류측 통로(16)와 연통한다. 또한, 연통 구멍(28)의 외측에는 제2보디(8)를 상하로 관통하는 연통로(30)가 마련되고, 상류측 통로(16)의 냉매를 모터 유닛(4)측에도 도입할 수 있도록 되어 있다.

제2보디(8)의 내방에는, 모터 유닛(4)의 로터(31)로부터 동축 형태로 연장되는 작동 로드(32)(메인축)가 삽통되어 있다. 작동 로드(32)는, 일단부(하단부)에 니들 형상의 밸브체(34)를 지지하고 있다. 밸브체(34)가 밸브 시트(26)에 상류측에서 탈착하는 것에 의해 밸브부를 개폐한다.

제2보디(8)의 축선 방향 중간단에는 원통 형상의 슬라이딩 베어링(36)이 압입되고, 그 바로 상단에는 원통 형상의 가이드 부재(38)("원통 부재"로서 기능한다)가 압입되어 있다. 본 실시형태에서는 슬라이딩 베어링(36)으로서, 통형상의 금속 메쉬를 심재로 하여 보강한 수지 베어링을 사용하고 있다. 슬라이딩 베어링(36)은, 그 수지재로서 폴리테트라플루오로에틸렌(이하 "PTFE"로 표기한다)을 사용한 무급유 베어링(자기 윤활성을 갖는 베어링)이다. 슬라이딩 베어링(36)은, 사이징 가공을 하는 것에 의해, 내경의 치수 정밀도 및 제2보디(8)와의 동축성이 향상되어 있다. 이와 같은 연구에 의해, 슬라이딩 베어링(36)의 저마찰 및 내마모성을 유지하면서, 내하중 성능을 높이고 있다. 한편, 변형예에 있어서는, 금속 메쉬 대신에 강판재를 심재로 해도 좋다.

가이드 부재(38)의 내주면에는 암나사(39)("암나사부"로서 기능한다)가 형성되어 있다. 가이드 부재(38)는, SUS로 이루어지는 관재의 내주면에 암나사(39)를 절삭 가공하여 얻어진다. 본 실시형태에서는, 암나사(39)를 추진력이 크고 내마모에 우수한 사다리꼴 나사로 구성하고 있다. 변형예에 있어서는, 암나사(39)를 3각 나사로 구성해도 좋다. 가이드 부재(38)의 축선 방향 중앙에는 반경 방향 외측으로 돌출하는 플랜지부(40)가 마련되고, 그 플랜지부(40)의 하면이 제2보디(8)의 단부에 계지되는 것에 의해, 그 압입량이 규제되고 있다. 더욱 상세하게는, 가이드 부재(38)는 제2보디(8)에 대해 가볍게 압입되어 있고, 제2보디(8)의 상단에 체결되는 소경의 링 나사(42)에 의해 상방으로부터 가압되도록 고정되어 있다. 한편, 변형예에 있어서는, 가이드 부재(38)를 제2보디(8)에 대해 압입만에 의해 고정해도 좋다.

도 2에도 나타내는 바와 같이, 제2보디(8)의 상면에는 랙 가이드(44)("가이드 부재"로서 기능한다)이 수직으로 마련되어 있다. 랙 가이드(44)는, 하반부가 대경부(46), 상반부가 소경부(48)로 되어 있고, 하단부가 제2보디(8)의 상면에 고정되어 있다. 더욱 상세하게는, 제2보디(8)의 상면에 고리 모양의 감합홈(50)을 성형하는 것에 의해 얻어진 원형 보스부(52)에 랙 가이드(44)의 하단부를 외측으로 삽입하여 감합시키고, 제2보디(8)의 상단에 체결되는 지름이 큰 링 나사(54)에 의해 상방으로부터 가압하도록 고정하고 있다. 원형 보스부(52)는, 밸브 구멍(24)과 동축으로 형성된 "감합부"로서 기능한다. 한편, 변형예에 있어서는, 랙 가이드(44)를 제2보디(8)에 대해 압입 또는 코킹에 의해 고정해도 좋다.

본 실시형태에서는, 제2보디(8)를 선반에 의한 선삭 가공에 의해 성형하고 있기 때문에, 밸브 구멍(24)(밸브 시트(26)), 슬라이딩 베어링(36)이 압입되는 단차부의 감합 구멍, 가이드 부재(38)가 압입되는 단차부의 감합 구멍, 및 원형 보스부(52)가 동축이 된다. 이 때문에, 슬라이딩 베어링(36), 가이드 부재(38) 및 랙 가이드(44)의 밸브 구멍(24)(밸브 시트(26))에 대한 동축도가 높다. 슬라이딩 베어링(36)은, 샤프트(60)의 하단부를 지지하는 "지지부"로서 기능한다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 작동 로드(32)는, 샤프트(60), 웜(62) 및 스토퍼(64)를 조립하여 구성된다. 샤프트(60)는, SUS로 이루어지는 봉재를 절삭 가공하여 얻어지고, 하반부가 확경되어 원통 형상으로 형성되어 있고, 그 외주면에 수나사(66)가 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 수나사(66)를 추진력이 크고 내마모성에 우수한 사다리꼴 나사로 구성하고 있다. 변형예에 있어서는, 수나사(66)를 3각 나사로 구성해도 좋다. 이 수나사(66)는, 가이드 부재(38)의 암나사(39)와 나사 결합된다. 수나사(66)와 암나사(39)는, 보디(5)에 대해 샤프트(60)를 축선 방향으로 상대 변위시키는 리드 나사이고, 후술하는 "나사 기구"를 구성한다. 즉, 샤프트(60)의 하반부가 "수나사부"로서 기능한다. 한편, 본 실시형태에서는, 수나사(66) 및 암나사(39)에 대해 DLC(diamond like carbon) 처리를 하여 그 내하중 성능을 향상시키고 있다. 한편, 변형예에 있어서는, DLC 처리 대신에 내하중 성능, 내마모성, 슬라이딩 저항 저감에 우수한 다른 표면 처리를 채용해도 좋다. 혹은, 석출 경화형의 스테인리스를 채용해도 좋다.

샤프트(60)의 상반부에 스토퍼(64) 및 웜(62)이 외측으로 삽입되어 있다. 샤프트(60)의 상반부의 단면이 비원형으로 구성되고, 스토퍼(64) 및 웜(62)도 동일 형상의 삽통 구멍을 구비한다. 이 때문에, 스토퍼(64) 및 웜(62)이 샤프트(60)에 삽통되어 감합된 후에 그들이 상대 변위하는 것이 방지되고 있다. 스토퍼(64)는, 샤프트(60)의 하반부와 웜(62) 사이에 끼워져 유지되어 있다.

샤프트(60)의 하반부에는, 하방(즉 샤프트(60)의 선단측)을 향해 개구되는 중공부(S)가 마련되어 있다. 중공부(S)에는, 상방으로부터 스프링(63)("부세 부재"로서 기능한다), 스프링 베어링(65), 밸브체(34)가 수용되어 있다. 샤프트(60)의 하단 개구부에는, 원통 형상의 부시(67)(압입 부시)가 동심 형태로 압입되어, 밸브체(34)를 슬라이딩 가능하게 하방에서 지지한다. 밸브체(34)는 SUS로 이루어지고, 스프링 베어링(65) 및 부시(67)는 구리 합금으로 이루어진다. 부시(67)는 "지지부"로서 기능한다. 한편, 샤프트(60)와 부시(67)가 일체이기 때문에, 양자를 합쳐서 넓은 의미에서 "샤프트"로 취급할 수도 있다. 부시(67)의 하단 개구부는, 그 샤프트의 "선단 개구부"를 구성한다.

밸브체(34)는, 부시(67)를 관통하지만, 그 상단부에 반경 방향 외측으로 돌출하는 플랜지부(69)를 구비한다. 그 플랜지부(69)의 하면이 부시(67)의 상면에 계지되는 것에 의해, 밸브체(34)의 하방으로의 탈락이 방지되고 있다. 스프링 베어링(65)은, 스프링(63)에 의한 하방(밸브 폐쇄 방향)으로의 부세력을 밸브체(34)에 전달한다. 한편, 밸브체(34)의 상단이 반구 형상의 볼록 구면으로 되어 있고, 스프링 베어링(65)의 저면이 오목 구면으로 되어 있고, 양자는 서로의 구면으로 당접한다. 이와 같은 구성에 의해, 밸브체(34)와 스프링 베어링(65)의 축선이 어긋나기 어려워져, 설사 어긋났다고 해도 양자간의 조심 작용이 얻어지게 된다. 또한, 밸브체(34)는, 밸브 시트(26)에 접촉하지 않고 있는 상태에 있어서는 부시(67) 및 스프링 베어링(65)과 일체로 회전하지만, 밸브 시트(26)에 접촉한 상태에 있어서는 마찰에 의해 회전이 규제된다. 밸브체(34)의 곡면 형상은, 이와 같을 때에 스프링 베어링(65)과의 사이에 마모가 발생하는 것을 억제한다. 그리고, 밸브체(34)와 스프링 베어링(65)의 구면 접촉에 의해, 밸브 구멍(24) 및 밸브 시트(26)에 대한 밸브체(34)의 자율 조심 기능이 적당하게 발휘되도록 하고 있다. 그 상세에 대해서는 후술한다.

랙 가이드(44)는, 소경부(48)에 있어서의 둘레 방향의 1군데가 반경 방향 외측으로 오목하게 함몰되고, 소정 폭으로 상하로 평평하게 연장되는 가이드부(68)로 되어 있다. 가이드부(68)는, 웜(62)의 축선과 평행하게 연장되고, 작은 편형상의 랙(70)이 수용되어 있다. 랙(70)은 각주형상의 본체(71)를 구비한다. 그 본체(71)는, 가이드부(68)와 상보 형상이 되는 장방형의 단면 형상으로 되어 있고, 그 내면측에 있어서 웜(62)과 치합된다. 랙(70)은, 웜(62)의 회전에 따라 가이드부(68)에 가이드되면서 상하 방향으로 병진한다. 본체(71)의 상면에는 랙(70)이 상사점에 위치했을 때에 계지되는 계지부(72)가 돌출되고, 하면에는 랙(70)이 하사점에 위치했을 때에 계지되는 계지부(74)가 돌출되어 있다. 이 랙(70)의 구성 및 동작의 상세에 대해서는 후술한다.

랙 가이드(44)의 대경부(46)와 소경부(48)의 경계인 단차부에는, 내외를 연통하는 연통 구멍(76)이 마련되어 있다. 또한, 랙 가이드(44)의 하단부의 내주면에는, 내외를 연통하기 위한 연통홈(77)이 형성되어 있다. 이 연통홈(77)은, 연통로(30)의 일부를 구성한다. 이와 같은 구성에 의해, 상류측 통로(16)의 냉매가 모터 유닛(4)측에도 도입된다. 또한, 샤프트(60)의 축선 방향 중간부에는, 내외를 연통시키는 연통 구멍(150)이 형성되어 있다. 연통 구멍(150)은, 연통로(30)의 일부를 구성하고, 도입 포트(10)와 중공부(S)를 연통시킨다. 도입 포트(10)로부터 연통로(30)에 도입된 액냉매는, 연통 구멍(150), 중공부(S), 밸브체(34)와 부시(67)의 간격을 통과하여, 부시(67)의 하단 개구부로부터 도출된다. 즉, 연통 구멍(150)을 포함하는 연통로(30)는, 중공부(S)에 액냉매를 도입하는 "냉매 도입 통로"로서 기능한다. 대경부(46)는, 로터(31)의 하단부에 작은 클리어런스를 두고 삽통되어 있다. 그 클리어런스는, 로터(31)의 휘둘림(whirling)을 방지할 수 있는 정도로 설정되어 있다.

한편, 모터 유닛(4)은, 로터(31)와 스테이터 코일(33)을 포함하는 스테핑 모터로서 구성되어 있다. 모터 유닛(4)은, 저부가 있는 원통 형상의 캔(35)을 구비하고, 그 캔(35)의 내방에 로터(31)를 배치하고, 외방에 스테이터 코일(33)을 배치하여 구성되어 있다. 캔(35)은, 밸브체(34) 및 그 구동 기구가 배치되는 공간을 덮으면서 로터(31)를 내포하는 통형상 부재이고, 냉매의 압력이 작용하는 내방의 압력 공간과 작용하지 않는 외방의 비압력 공간을 획정한다.

캔(35)은, 비자성인 원통 형상의 본체(80)와, 본체(80)의 상단 개구부를 폐지하는 원판 형상의 단부 부재(82)와, 본체(80)의 하단에 연결된 고리 모양의 접속 부재(84)를 포함한다. 접속 부재(84)는, 그 하단부에 수나사가 형성되어 있고, 링 나사로서도 기능한다. 제1보디(6)의 상단부에는 이 수나사와 나사 결합 가능한 암나사가 형성되어 있고, 접속 부재(84)를 제1보디(6)에 나사 결합하여 체결하는 것에 의해, 모터 유닛(4)을 보디(5)에 대해 고정할 수 있다. 도시한 바와 같이, 접속 부재(84)는, 제2보디(8)의 상반부에 외측으로 삽입되도록 하여 조립된다. 제1보디(6)의 상단부와 접속 부재(84) 사이에는 실링용의 O링(86)이 개재되어, 도입 포트(10)로부터 도입된 냉매가, 캔(35)과 보디(5) 사이를 통과하여 외부로 누설되는 것이 방지되고 있다. 한편, 변형예에 있어서는, 캔(35)(접속 부재(84))을 제1보디(6)에 대해 압입, 코킹, 용접 등에 의해 고정해도 좋다.

스테이터 코일(33)은, 여자 코일(88)을 수용하고, 캔(35)의 외주에 배치되어 있다. 스테이터 코일(33)은, 보디(5)에 대해 고정되어 있다. 한편, 스테이터 코일(33)의 보디(5)에 대한 접속은, 예를 들면 나사 체결이나 용접, 납땜, 코킹 등에 의해 할 수 있다. 스테이터 코일(33)은, 냉매의 압력 영향을 받지 않는 대기중에 배치되기 때문에, 전동 밸브(1)가 적용되는 환경, 예를 들면 자동차 탑재 환경하에서의 진동을 견딜 수 있는 강도로 고정되면 충분하고, 내압 고정이 필요한 캔(35) 정도의 고정 강도는 필요 없다.

로터(31)는, 샤프트(60)를 축선으로 하는 원통 형상의 로터 코어(90)와, 로터 코어(90)의 외주를 따라 마련된 마그넷(92)을 구비하는 로터 코어(90)의 내방에는 거의 그 전체 길이에 걸치는 내부 공간이 형성되어 있다. 로터 코어(90)의 내주면에는, 축선에 평행하게 연장되는 가이드부(94)가 둘레 방향으로 45도 간격으로 마련되어 있다. 가이드부(94)는, 축선에 평행하게 연장되는 돌출바(리브)에 의해 구성되어 있다.

복수의 가이드부(94)의 상단부가 반경 방향 내측으로 연장되어, 원통축(96)으로 연결되어 있다. 이 원통축(96)이, 작동 로드(32)의 상단부에 동축 형태로 고정되어 있다. 이 고정은, 원통축(96)을 작동 로드(32)의 상단부에 감합시키고, 너트(98)를 체결하는 것에 의해 이루어진다. 원통축(96)의 소정 개소에는, 랙(70)의 상사점을 규정하기 위한 스토퍼(99)가 마련되어 있다.

이상과 같은 구성에 의해, 로터(31)는, 그 회전축이 되는 작동 로드(32)가 랙 가이드(44)의 소경부(48)와 슬라이딩 베어링(36)에 의해 2점 지지된다. 또한, 랙 가이드(44)의 대경부(46)와 가이드부(94)의 클리어런스가 로터(31)의 진동을 제한할 수 있도록 설정되어 있다. 이 때문에, 전동 밸브(1)가 차량에 탑재되어도, 로터(31)는, 진동의 영향을 받기 어렵고, 축선을 중심으로 안정하게 회전할 수 있다. 한편, 작동 로드(32)는, 웜(62)의 위치에 있어서 랙 가이드(44)에 축지되게 되지만, 웜(62)과 랙 가이드(44)가 모두 자기 윤활성의 수지재로 이루어지기 때문에, 양자간에 마모의 문제가 발생하지 않는다.

로터(31)의 회전에 따라 랙(70)은 상하로 병진한다. 로터(31)에 일방향으로의 회전에 따라 랙(70)이 상승하여, 미리 정하는 상사점에 도달하면, 랙(70)과 스토퍼(99)가 서로를 계지하는 것에 의해 샤프트(60)의 회전을 규제한다. 그에 의해, 샤프트(60)의 하방(밸브 폐쇄 방향)으로의 변위가 규제된다. 이 때, 샤프트(60)는 그 하사점에 위치한다. 또한, 로터(31)의 타방향(반대 방향)으로의 회전에 따라 랙(70)이 하강하여, 미리 정하는 하사점에 도달하면, 랙(70)과 스토퍼(64)가 서로를 계지하는 것에 의해 샤프트(60)의 회전을 규제한다. 이 때, 샤프트(60)는 그 상사점에 위치한다. 그에 의해, 샤프트(60)의 상방(밸브 개방 방향)으로의 변위가 규제된다. 즉, 본 실시형태에 있어서, 스토퍼(99)가 "제1스토퍼"로서 기능하고, 스토퍼(64)가 "제2스토퍼"로서 기능한다. 그리고, 웜(62), 랙(70), 스토퍼(64) 및 스토퍼(99)가, 샤프트(60)의 일방향 및 타방향으로의 회전량을 제한하기 위한 "스토퍼 기구"로서 기능한다.

다음으로, 전동 밸브(1)를 구성하는 각 부의 상세에 대해 설명한다.

도 3은, 로터(31) 및 작동 로드(32)의 구성 부품을 나타내는 분해 사시도이다. 샤프트(60)는, 하방에서 상방을 향해 단계적으로 지름이 촉소되는 단차가 있는 원주형상의 개략적인 형상을 구비한다. 샤프트(60)에 있어서의 수나사(66)의 바로 상단에는, 비원형의 단면을 구비하는(이른바 D컷 구조) 감합부(102)가 마련되어 있다. 수나사(66)의 내방에 중공부(S)가 형성되어 있고, 감합부(102)의 평탄면을 성형할 때에 중공부(S)의 일부가 노출되는 형태로 연통 구멍(150)이 형성된다. 그 때, 도시한 바와 같이 수나사(66)의 상단부가 일부 절삭된다. 다만, 그 절삭부(152)는, 수나사(66)에 있어서 암나사(39)와는 치합되지 않는 위치에 형성되어 있다(도 1, 도 2 참조). 즉, 연통 구멍(150)은, 샤프트(60)에 있어서의 수나사(66)와, 가이드 부재(38)의 암나사(39)가 치합되지 않는 부분에 형성되어 있다. 샤프트(60)의 상단부에는 수나사(104)가 형성되어 있다. 샤프트(60)의 하단 개구부로부터 스프링(63), 스프링 베어링(65), 밸브체(34)가 차례로 삽입되고, 이들이 부시(67)를 압입하는 것에 의해 샤프트(60) 내에 유지된다.

작동 로드(32)는, 이 샤프트(60)의 상방으로부터 스토퍼(64), 웜(62)을 차례로 삽통하여 조립된다. 스토퍼(64) 및 웜(62)은, 각각 유리 섬유를 함유한 폴리페닐렌 설파이드(이하 "PPS"로 표기한다) 등의 수지재(유리 섬유 강화 수지)을 사출 성형하는 것에 의해 얻어지고, 감합부(102)와 상보 형상의 삽통 구멍이 마련되어 있다. 이 때문에, 스토퍼(64) 및 웜(62)은, 샤프트(60)로의 조립과 동시에 위치 결정이 이루어지고, 또한 조립후의 어긋남이 방지된다. 연통 구멍(150)은, 스토퍼(64)와 수나사(66)의 간격에 개구되도록 형성된다.

전동 밸브(1)의 조립시에는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 제2보디(8)에 대해 슬라이딩 베어링(36) 및 가이드 부재(38)가 차례로 조립되고, 링 나사(42)에 의해 고정된다. 이 상태에서 상기한 바와 같이 조립된 작동 로드(32)를 가이드 부재(38)에 나사 결합하여 동축 형태로 조립한다. 그 후, 랙(70)을 웜(62)에 치합시킨 상태로 랙 가이드(44)를 상방으로부터 조립한다. 이 때, 랙(70)이 가이드부(68)에 수용되도록 위치 맞춤을 하면서, 랙 가이드(44)의 하단부를 원형 보스부(52)에 감합시키고, 링 나사(54)에 의해 제2보디(8)에 고정한다. 이 상태에서 로터 코어(90)를 랙 가이드(44)에 외측으로 삽입되도록 하여 조립하고, 로터 코어(90)로부터 돌출된 수나사(104)에 너트(98)를 체결하는 것에 의해, 로터(31)를 작동 로드(32)에 고정한다. 한편, 변형예에 있어서는, 로터 코어(90)와 샤프트(60)의 고정을 멈춤링이나 푸쉬너트에 의한 접합으로 해도 좋다.

도 4는, 밸브체(34) 및 스프링 베어링(65)의 각 구성의 상세를 나타내는 도면이다. 도 4(A)~(C)는 밸브체(34)의 구성을 나타낸다. (A)는 평면도이고, (B)는 정면도이다. (C)는 밸브체(34)가 샤프트(60) 내에 삽통되었을 때의 상태를 나타낸다. 도 4(D)~(G)는 스프링 베어링(65)의 구성을 나타낸다. (D)는 평면도이고, (E)는 (D)의 C-C선 단면도이고, (F)는 (D)의 D-D선 단면도이다. (G)는 스프링 베어링(65)이 샤프트(60) 내에 삽통되었을 때의 상태를 나타낸다.

도 4의 (A) 및 (B)에 나타내는 바와 같이, 밸브체(34)는, 니들 형상으로 되어 있고, 길이가 긴 본체(110)와, 본체(110)의 선단측에 마련된 밸브 형성부(112)와, 본체(110)의 후단측에서 반경 방향으로 돌출하는 플랜지부(69)를 구비한다. 밸브체(34)의 볼록 구면(S1)은, 플랜지부(69)의 후단측에 마련되어 있다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본체(110)는, 부시(67)의 내주면을 따라 슬라이딩 가능하게 지지된다. 밸브 형성부(112)는, 선단을 향해 단면이 작아지는 테이퍼 형상을 구비한다. 밸브 형성부(112)가 밸브 구멍(24)에 삽입되는 것에 의해, 밸브체(34)가 밸브 시트(26)에 착석한다. 플랜지부(69)는, "계지부"로서 기능하고, 그 하면이 부시(67)의 상면에 계지되는 것에 의해, 밸브체(34)의 샤프트(60)로부터의 탈락이 방지된다. 밸브체(34)의 플랜지부(69)에는, 그 주변부에 복수의 평탄면(160)(본 실시형태에서는 3개)이 등간격으로 마련되어 있다. 그에 의해, 도 4(C)에 나타내는 바와 같이, 샤프트(60)의 내벽과 각 평탄면(160)의 간격이 형성되고, 그들의 간격이 연통로(30)의 일부를 구성한다.

한편, 도 4(D)~(F)에 나타내는 바와 같이, 스프링 베어링(65)은, 상반부가 지름이 축소된 단차가 있는 원주형상으로 되어 있고, 그 하면이 볼록 구면(S1)과 당접 가능한 오목 구면(S2)으로 되어 있다. 스프링 베어링(65)의 주변부에 복수의 평탄면(162)(본 실시형태에서는 4개)이 등간격으로 마련되어 있다. 그에 의해, 도 4(G)에 나타내는 바와 같이, 샤프트(60)의 내벽과 각 평탄면(162)의 간격이 형성되고, 그들의 간격이 연통로(30)의 일부를 구성한다. 스프링 베어링(65)은, 샤프트(60)의 중공부(S)의 내주면을 따라 축선 방향으로 슬라이딩 가능하게 지지된다.

이상과 같이 구성된 전동 밸브(1)는, 모터 유닛(4)의 구동 제어에 의해 그 밸브 개도를 조정 가능한 스테핑 모터 작동식의 제어 밸브로서 기능한다. 이하, 전동 밸브(1)의 전체 동작에 대해 설명한다. 도 5는, 제어 밸브의 동작을 나타내는 단면도이다. 이미 설명한 도 1은 밸브 폐쇄 상태를 나타내고, 도 5는 전개 상태를 나타내고 있다.

전동 밸브(1)의 유량제어에 있어서, 차량용 냉난방 장치의 도시하지 않는 제어부는, 설정 개도에 따른 스테핑 모터의 구동 스텝수를 연산하고, 여자 코일(88)에 구동 전류(구동 펄스)를 공급한다. 그에 의해 로터(31)가 회전하면, 그에 동반하여 샤프트(60)도 회전한다. 이 때, 샤프트(60)는, 가이드 부재(38)와의 사이의 나사 기구(리드 나사)에 의해 상하 방향, 즉 밸브부의 개폐 방향으로 병진하여, 밸브부의 개도가 설정 개도로 조정된다. 즉, 이 나사 기구는, 로터(31)의 축선을 중심으로 하는 회전 운동을 샤프트(60)(작동 로드(32))의 축선 방향의 병진 운동(직진 운동)으로 변환하는 것에 의해 밸브체(34)를 밸브부의 개폐 방향으로 구동하는 "작동 변환 기구"로서 기능한다.

또한, 랙(70)이 가이드부(68)를 따라 구동되는 것에 의해, 밸브체(34)의 동작 범위는, 도 1에 도시되는 하사점과 도 5에 도시되는 상사점의 범위로 규제된다. 즉, 도 1에 나타내는 밸브 폐쇄 상태에서 로터(31)가 일방향으로 회전 구동(정방향 회전)되는 것에 의해, 밸브체(34)가 밸브 개방 상태가 된다. 즉, 로터(31)와 함께 회전하는 샤프트(60)가 나사 기구에 의해 상승하여, 부시(67)가 밸브체(34)를 달아 올리도록 하여 밸브 개방 방향으로 변위시킨다. 이 때, 샤프트(60)와 일체로 상승하는 웜(62)에 대해, 랙(70)은 반대 방향(즉 하방)으로 병진한다. 로터(31)가 일방향으로 회전됨에 따라 밸브부의 개도가 커지고, 랙(70)이 하사점에 도달하면, 도 5에 나타내는 바와 같이, 스토퍼(64) 나아가서는 로터(31)의 회전이 계지되고, 밸브체(34)는 전개 위치에 정지된다.

한편, 로터(31)가 타방향(반대 방향)으로 회전 구동(역방향 회전)되면, 밸브부의 개도는 작아진다. 즉, 로터(31)와 함께 반대 회전하는 샤프트(60)가 나사 기구에 의해 하강하여, 밸브체(34)가 부시(67)에 지지된 채 밸브 폐쇄 방향으로 변위한다. 이 때, 스프링(63)의 부세력이 스프링 베어링(65)을 통해 밸브체(34)에 전달되기 때문에, 밸브체(34)는 부시(67)와 일체로 안정하게 변위한다. 이 때, 샤프트(60)와 일체로 하강하는 웜(62)에 대해, 랙(70)은 반대 방향(즉 상방)으로 병진한다. 그에 의해, 랙(70)이 상사점에 도달하면, 도 1에 나타내는 바와 같이, 스토퍼(99) 나아가서는 로터(31)의 회전이 계지되고, 밸브체(34)는 밸브 폐쇄 위치에 정지된다. 한편, 밸브체(34)가 밸브 시트(26)에 착석함과 동시에 부시(67)와의 계합 상태가 해제되기 때문에, 밸브체(34)와 밸브 시트(26) 사이에 축선을 중심으로 하는 큰 회전력이 작용하지 않는다.

이와 같이, 로터(31)의 회전에 의해 샤프트(60)와 랙(70)이 축선 방향에 대해 서로 반대 방향으로 병진하도록 구성되고, 랙(70)이 로터(31)의 내부공간에 수용되도록 변위한다. 이 때문에, 전동 밸브(1)의 내부 기구 전체로서의 축선 방향의 병진 스트로크를 작게 억제할 수 있고, 전동 밸브(1)를 콤팩트하게 구성할 수 있다.

로터(31)의 회전수는 제어 지령값으로서의 구동 스텝수에 대응하기 때문에, 도시하지 않는 제어부는, 전동 밸브(1)를 임의의 개도로 제어할 수 있다. 본 실시형태에서는, 로터(31)에 1회전당, 밸브체(34)가 0.5mm 스트로크한다.

전동 밸브(1)에는, 증발기의 출구 온도 등에 기초하여 연산된 밸브 개도에 기초하는 지령 신호가 입력된다. 전동 밸브(1)는, 그 지령 신호에 기초하여 밸브 개도를 제어한다. 콘덴서측에서 도입 포트(10)를 통해 전동 밸브(1)에 도입된 액냉매는, 그 밸브부를 통과하는 것에 의해 교축 팽창(단열 팽창)되어 안개 형태의 기액 혼합 냉매가 되고, 도출 포트(12)로부터 증발기를 향해 도출된다.

도 6은, 밸브체(34) 및 스프링 베어링(65)의 지지 구조를 나타내는 부분 확대도이다. 본 도면은 도 1 및 도 2에 도시되는 각 단면에 대해 축선을 중심으로 45도를 이루는 단면을 나타낸다. 도 7은, 밸브체(34)와 스프링 베어링(65)의 당접 상태를 나타내는 설명도이다. 도 7(A)는 서로의 당접면에 하중이 작용한 상태를 나타낸다. 도 7(B)는 도 7(A)의 B부 확대도이다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 밸브체(34)는, 그 본체(110)가 부시(67)에 의해 축선 방향으로 슬라이딩 가능하게 지지된다. 본 실시형태에서는, 밸브체(34)의 원활한 슬라이딩을 확보하기 위해, 본체(110)의 외경(d1)과 부시(67)의 내경(d2)의 차가, 0.01mm≤d2-d1≤0.03mm의 공차를 만족하도록 설정되어 있다. 또한, 밸브체(34)의 안정된 슬라이딩을 확보하기 위해, 부시(67)에 있어서 밸브체(34)를 삽통하는 부분의 축선 방향의 길이(L)가, 밸브체(34)의 본체(110)의 지름보다 커지도록 하고 있다. 구체적으로는, 부시(67)에 있어서 본체(110)를 지지하는 부분의 길이(L)를, 1≤L/d1≤1.5를 만족하는 값으로 설정하고 있다. 지지 길이(L)가 상기 범위보다 작으면, 밸브체(34)가 샤프트(60)의 축선(밸브 구멍(24)의 축선)에 대해 기울기 쉬워지고, 상기 범위보다 크면, 상기 공 차이를 만족하는 가공이 곤란해지는 것을 고려한 것이다.

본 실시형태에서는 도시한 바와 같이, 밸브 구멍(24)의 개구단이 축선에 대해 직각인 평탄면으로 되어 있고, 밸브체(34)의 테이퍼 형태의 밸브 형성부(112)가 밸브 구멍(24)에 대해 삽입/인출된다. 밸브 시트(26)는, 당초에는 각진 형상이지만, 밸브체(34)의 탈착이 반복되는 초기 단계에서 밸브 형성부(112)의 테이퍼면에 적응되도록 적절히 마모하고, 이 초기 마모에 의해 미소한 테이퍼면으로서 안정되게 된다. 이 밸브 시트(26)의 테이퍼면은, 축선에 대해 거의 대칭인 형태로 된다. 본 실시형태에서는, 이 초기 마모가 편마모가 되는 것을 억제하기 위해, 상술한 바와 같이, 밸브체(34)와 스프링 베어링(65)의 양자의 당접면을 구면으로 하고 있다. 이와 같은 구성에 있어서, 밸브체(34)가 밸브 시트(26)에 착석했을 때의 밸브체(34)와 밸브 시트(26)의 마찰력이, 밸브체(34)와 스프링 베어링(65)의 마찰력보다 커지도록 각 부재의 형상이나 재질의 선정이 이루어지고 있다.

도 7(A)에 나타내는 바와 같이, 볼록 구면(S1)의 중심(O1)은, 밸브체(34)의 축선(L1) 상로 위치한다(1점 쇄선 참조). 한편, 오목 구면(S2)의 중심(O2)은, 스프링 베어링(65)의 축선(L2) 상에 위치한다(2점 쇄선 참조). 도시한 예에서는, 밸브체(34)와 스프링 베어링(65)의 서로 축선이 거의 일치하고 있다. 본 실시형태에서는, 오목 구면(S2)의 곡률반경(이하 "내측 곡률반경(R)"이라고도 한다)을 볼록 구면(S1)의 곡률반경(이하 "외측 곡률반경(r)"이라고도 한다)보다 크게 하고 있다. 구체적으로는, 1.4r≤R≤4r이 충족되도록 두 구면의 형상 및 크기가 설정되어 있다.

이는 이하의 이유에 따른다. 즉, 본 실시형태에서는, 밸브체(34)의 밸브 시트(26)로부터의 리프트량을 세밀하게 제어하기 위해, 도 6 등에 나타내는 리드 나사(수나사(66), 암나사39)의 피치를 가능한 작게 하고 있다. 다만, 리드 나사의 치형 가공성 정밀도, 내구성, 강도 등을 고려하면, 그 피치의 소형화에도 한도가 있다. 여기서, 그 피치를 0.5~0.6mm로 설정하고 있다. 더욱이 리드 각이나 나사의 효율을 고려하여, 수나사(66)의 외경을 3.5~6.0mm 정도로 하고 있다. 이 수나사(66)의 내방에 스프링(63), 스프링 베어링(65), 밸브체(34) 등을 배치하는 것을 고려하여, 샤프트(60)의 중공부(S)의 내경을 2.5~4.5mm 정도로 설정한다. 그리고, 이 내경에 수용되도록 볼록 구면(S1)의 외측 곡률반경(r)을 1mm≤r≤2mm가 되도록 했다. 또한, 그 볼록 구면(S1)에 당접하는 오목 구면(S2)의 내측 곡률반경(R)을, 1.4r≤R≤4r을 만족하도록 설정했다.

또한, 상기 설정에 대해서는, 접촉 응력에 관한 헤르츠의 이론도 고려했다. 즉, 도 7(B)에도 나타내는 바와 같이, 밸브체(34)가 착석했을 때에 밸브체(34)와 스프링 베어링(65) 사이에 하중(F)이 작용하여, 볼록 구면(S1)과 오목 구면(S2)의 접촉면(CS)에 접촉 응력(σ)의 응력 분포가 일어나는 것을 생각한다. 이 때, 접촉면(CS)은, 축선(L1, L2)에 대해 거의 수직이 되고, 반경 rc("접촉면 반경(rc)"라고도 한다)의 원형상이 된다. 접촉 응력(σ)은, 접촉면(CS)의 중심에 있어서 최대 접촉 응력(σmax)이 되고, 반경 방향 외측으로 작아진다.

도 8은, 볼록 구면(S1)과 오목 구면(S2)의 반경비(R/r)와, 최대 접촉 응력(σmax), 접촉면 반경(rc)의 관계(해석 결과)를 나타내는 도면이다. 도 8의 횡축은 반경비(R/r)를 나타내고, 종축은 최대 접촉 응력(σmax), 접촉면 반경(rc)을 각각 나타낸다. 도면중의 굵은 선이 최대 접촉 응력(σmax)을 나타내고, 가는 선이 접촉면 반경(rc)을 나타낸다. 도 8에는, 볼록 구면(S1)의 외측 곡률반경(r)이 1.0mm(가는 점선), 1.2mm(굵은 점선), 1.4mm(실선), 1.6mm(1점 쇄선), 1.8mm(2점 쇄선), 2.0mm(파선)인 경우가 각각 도시되어 있다. 여기서는, 밸브체(34)와 스프링 베어링(65)을 동종의 금속으로 가정하고, 그들의 종탄성계수 K를 195MPa, 항복 응력(σs)을 320MPa로 하여 시산하고 있다.

이 해석 결과로부터 이하를 알 수 있다. 즉, 외측 곡률반경(r)과 내측 곡률반경(R)의 비인 반경비(R/r)가 커질수록 접촉면 반경(rc)이 작아지고, 최대 접촉 응력(σmax)은 커진다. 다만, 반경비(R/r)가 4를 초과하면 수렴 경향이 있다. 한편, 헤르츠의 이론에 의하면, 최대 접촉 응력(σmax)이 항복 응력(σs)의 2배를 상회하면(σmax>2σs), 접촉면(CS)이 그 전체면으로 항복하고, 소성변형과 마모에 의한 영구적인 평면이 형성된다. 초기 마모에 의한 밸브체(34)와 밸브 시트(26)의 적응을 고려하면, σmax≤2.4σs로 하는 것이 바람직하다(2점 쇄선 틀 참조). 한편, 반경비(R/r)가 1에 근접하면, 볼록 구면(S1)과 오목 구면(S2)의 당접 상태가 감합에 가까운 형태가 되어, 밸브체(34)와 스프링 베어링(65)이 그 당접부의 형상에 의해 서로를 구속하기 쉬운 상태가 된다. 그 결과, 밸브체(34)의 자율 조심 기능이 얻어지지 않게 될 가능성이 있다. 여기서, 본 실시형태에서는, 밸브체(34)의 적당한 조심 기능을 확보하면서, 밸브체(34)와 스프링 베어링(65)의 마모를 억제할 수 있는 범위를 상기 설정 범위(1.4r≤R≤4r; 굵은 선 화살표 참조)로 했다.

도 9는, 실시형태에 의한 작용 효과를 나타내는 도면이다. 도 9(A)는, 본 실시형태에 의한 밸브부의 내마모 시험의 결과를 나타낸다. 즉, 밸브체와 스프링 베어링이 서로의 구면에서 당접하고, 또한 구면 반경비(R/r)가 상기 설정 범위가 되는 구조에 대해, 밸브부를 반복하여 개폐 작동시켰을 때의 밸브 개방 위치를 계측했다. 한편, 도 9(B)는, 비교예에 의한 밸브부의 내마모 시험의 결과를 나타낸다. 이 비교예는, 특허문헌 1에 제시되는 바와 같이 밸브체측의 당접면을 평탄면으로 하고, 스프링 베어링측의 당접면을 구면으로 한 것이다. 각 도면의 횡축은 원점으로부터의 구동 펄스수를 나타내고, 종축은 밸브부의 개구 면적을 나타낸다. 한편, 여기서 말하는 "원점"이란, 샤프트(60)가 하사점에 위치하여 로터(31)의 회전이 정지하는 위치를 의미한다.

이 하사점의 근방에 있어서는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 밸브체(34)의 플랜지부(69)가 부시(67)로부터 이격하여, 밸브체(34)와 샤프트(60)의 작동 연결이 해제된다. 즉, 밸브 개방시에 있어서는, 스프링 베어링(65)을 통해 전달되는 스프링(63)의 부세력에 의해 플랜지부(69)가 부시(67)의 상단면에 당접하는 상태가 유지되지만, 밸브 폐쇄시에 있어서는, 밸브체(34)가 밸브 시트(26)로부터 받는 반력에 의해 스프링(63)이 가압되어 수축되고, 플랜지부(69)가 부시(67)의 상단면(후단면)으로부터 이격한다.

도 9(A)에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 밸브부를 10만회 개폐 작동시켜도, 원점을 기준으로 한 밸브 폐쇄 위치(밸브체(34)가 밸브 시트(26)에 완전히 착석하여 개구 면적이 제로가 되는 위치)는, 거의 변화되지 않는 것을 알 수 있다. 이는, 상술한 바와 같이 밸브체(34)와 스프링 베어링(65)을 구면 접촉으로 하는 것에 의해, 양자의 축이 어긋나기 어려워지고, 또한 밸브체(34)의 조심 기능이 적당하게 발휘되어 편마모가 억제되고, 밸브 시트(26)가 미소한 초기 마모로 안착된 것에 의한 것으로 생각된다. 한편, 원점 위치와 밸브 폐쇄 위치 사이에 소정 펄스분의 제어가 존재한다. 이는, 밸브체(34)가 밸브 시트(26)에 착석한 후, 샤프트(60)가 하사점에 도달할 때까지의 기간(예를 들면 착석으로부터 1/3~1회전의 기간), 스프링(63)이 가압되어 수축되면서 샤프트(60)의 회전이 계속되는 것을 의미한다.

이에 대해, 비교예에 있어서는, 밸브부의 개폐를 반복함에 따라 밸브 폐쇄 위치가 원점에 접근하고 있다. 이는, 밸브체와 스프링 베어링이 구면과 평탄면으로 당접하기 때문에, 양자의 축이 어긋나기 쉬워지는 것에 기인하는 것으로 생각된다. 즉, 그 축 어긋남에 의해 밸브체에 횡력이 가해져, 밸브체가 편심된 상태로 밸브 시트에 착석하는 한쪽만의 당접이 반복된다. 또한, 그 축 어긋남에 의해 착석후에 밸브체 세차운동이 발생된다. 그들의 요인에 의해, 밸브 시트에 편마모를 발생시키고, 착석 때마다 그 편마모를 진행시키는 것으로 생각된다. 즉, 본 실시형태에 의하면 그러한 사태를 회피할 수 있고, 밸브 시트의 마모에 의한 유량 특성의 변화를 억제할 수 있다.

여기서, 본 실시형태 및 비교예에 있어서의 착석 메커니즘에 관한 고찰을 나타낸다. 도 10은, 비교예에 있어서의 밸브체의 조심 기능을 나타내는 모식도이다. 도 10(A)~(G)는, 밸브 개방 상태에서 밸브 폐쇄 상태로의 이행 과정에 있어서의 밸브체의 동작을 예시한다. 도 11은, 구면 접촉에 의한 작용을 나타내는 도면이다. 도 11의 (A) 및 (B)는, 밸브체와 스프링 베어링이 평면과 구면으로 접촉하는 경우를 나타낸다. 도 11(C)는, 밸브체와 스프링 베어링이 구면끼리로 접촉하는 경우를 나타낸다. 각 도면의 상단은 착석후의 밸브체와 스프링 베어링의 동작을 나타내고, 중간단은 그 밸브체와 스프링 베어링의 당접부 근방을 나타내고, 하단은 스프링 베어링의 당접면의 마모 상태를 하방에서 본 상태를 나타낸다.

도 10(A)에 나타내는 바와 같이, 밸브체(134)와 스프링 베어링(165)이 평면과 구면으로 접촉하는 구성에 있어서, 양자의 축선이 어긋나 있는 경우를 상정한다. 도시의 예에서는, 밸브체(134)의 축선(L1)이 밸브 시트(26)(밸브 구멍(24))의 축선(L3)과 어긋나 있고, 그 결과, 밸브체(134)의 축선(L1)과 스프링 베어링(165)의 축선(L2)이 어긋나 있다. 도시한 바와 같이 밸브체(134)가 밸브 구멍(24)로부터 완전히 이격한 상태에 있어서는, 밸브체(134)와 스프링 베어링(165)은 일체로 회전한다.

이 상태에서 샤프트(60)가 하강하면, 도 10(B)에 나타내는 바와 같이, 밸브체(134)가 밸브 시트(26)에 대해 축선이 어긋난 상태로 접촉하는 한쪽만의 당접 상태가 되고, 밸브체(134)는, 밸브 시트(26)에 국부적으로 접촉한 상태로 슬라이딩하면서 회전한다. 더욱 샤프트(60)가 하강하면, 도 10(C)에 나타내는 바와 같이, 밸브체(134)가 밸브 시트(26)로부터의 저항력을 받아 기우는 동시에, 밸브체(134)와 스프링 베어링(165)이 슬라이딩하기 시작하여, 밸브체(134)가 세차운동을 하게 된다. 그에 의해, 밸브 시트(26)에 국소적인 마모(편마모)가 발생하게 된다. 다만, 도 10의 (D) 및 (E)에 나타내는 바와 같이, 밸브체(134)의 테이퍼면이 밸브 구멍(24)에 삽입되어 가는 것에 의해, 밸브체(134)가 밸브 구멍(24)과 축선을 맞추도록 자율적으로 조심 동작을 하게 된다. 이와 같이 하여, 도 10(F)에 나타내는 바와 같이, 밸브체(134)가 밸브 시트(26)에 착석하면, 밸브체(134)가 회전을 정지하는 동시에, 스프링 베어링(165)에 대해 완전히 슬라이딩하는 상태가 된다. 착석후에도 샤프트(60)가 소정량 하강하기 때문에, 도 10(G)에 나타내는 바와 같이, 밸브체(134)는 부시(167)로부터 이격한다. 밸브체(134)가 밸브 폐쇄 동작을 반복할 때마다 상술한 세차운동이 진행되면, 밸브 시트(26)의 편마모가 진행하여, 전동 밸브의 유량 특성이 변화되는 원인이 된다.

도 11의 (A) 및 (B)에는, 스프링 베어링(167)의 당접면이 평면으로 되어 있는 다른 비교예를 나타낸다. 이 비교예에 있어서도, 상술한 세차운동이 발생하기 쉽다. 도 11(A)에 나타내는 바와 같이, 밸브체(34)와 스프링 베어링(167)의 축선이 일치하는 이상적인 상태를 유지할 수 있으면, 착석을 반복해도 스프링 베어링(167)의 마모면(FS)을 작게 억제할 수 있고, 접촉면(CS)을 작게 유지할 수 있다. 그 결과, 착석시에 스프링 베어링(167)의 회전력이 밸브체(34)에 전달되기 어려워, 밸브 시트(26)의 편마모를 억제할 수 있다. 하지만, 실제로는, 평면과 구면 사이에 구속력이 없기 때문에 양자의 축선 일치를 유지하기는 어렵다. 즉, 도 11(B)에 나타내는 바와 같이, 밸브체(34)와 스프링 베어링(167)은 서로의 축선이 어긋나기 쉬어, 밸브체(34)의 세차운동이 발생하기 쉽다. 이 때문에, 착석을 반복하는 과정에서 스프링 베어링(167)의 마모면(FS)가 커지고, 그에 의해 접촉면(CS)도 커진다. 그 결과, 착석후에도 스프링 베어링(167)의 회전력이 밸브체(34)에 크게 전달되어, 편마모가 진행되기 쉽다.

이 점에 대해, 본 실시형태에서는 도 11(C)에 나타내는 바와 같이, 밸브체(34)와 스프링 베어링(65)의 당접면을 구면끼리로 했기 때문에, 축 어긋남이 발생하기 어려워, 착석을 반복해도 스프링 베어링(65)의 마모면(FS)을 작게 유지할 수 있고, 접촉면(CS)을 작게 유지할 수 있다. 그 결과, 착석후에 스프링 베어링(65)의 회전력이 밸브체(34)에 전달되는 것을 억제할 수 있고, 밸브 시트(26)의 편마모를 억제할 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이상의 특정 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형이 가능한 것은 물론이다.

도 12는, 변형예에 따른 전동 밸브의 주요부를 나타내는 도면이다. 도 12(A)는, 밸브체 및 스프링 베어링의 지지 구조를 나타내는 부분 확대도이다. 도 12(B)는 도 12(A)의 C부 확대도이다. 본 변형예에서는, 밸브 구멍(224)의 개구 단부에 테이퍼면(230)을 마련하고, 밸브 시트(26)를 그 내주단에 설정하고 있다. 이와 같은 구성에 의해, 밸브체(34)측의 테이퍼면과 밸브 구멍(224)측의 테이퍼면(230)이 빠른 시기에 적응하기 쉬워져, 밸브 시트(26)의 편마모를 억제할 수 있다.

도 13은, 다른 변형예에 따른 전동 밸브의 주요부를 나타내는 도면이다. 본 변형예에서는, 상기 실시형태와는 반대로, 밸브체(234)에 오목 구면(S2)이 마련되고, 스프링 베어링(265)에 볼록 구면(S1)이 마련되어 있다. 이와 같은 구성에 의해서도 구면끼리의 조심 작용(축 어긋남 억제 작용)을 얻을 수 있고, 두 구면의 반경비(R/r)를 상기 설정 범위 내로 하는 것에 의해, 상기 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

상기 실시형태에서는, 상기 전동 밸브 모터를 스테핑 모터로 하는 예를 제시했지만, DC모터나 기타의 모터로 해도 좋다.

상기 실시형태에서는, 상기 전동 밸브를 소구경의 팽창 밸브로 구성했지만, 팽창 기능을 구비하지 않는 제어 밸브로 해도 좋다. 예를 들면, 대구경의 개폐 밸브 또는 유량 조정 밸브로 구성해도 좋다.

상기 실시형태에서는, 니들 형상의 밸브체(34)를 채용하는 예를 제시했지만, 밸브체로서 그 이외의 형상을 채용해도 좋다. 예를 들면, 도 4(B)에 나타낸 본체(110)의 선단부에, 그 본체(110)보다 외경이 큰 밸브 형성부를 마련해도 좋다. 그 경우, 밸브 형성부에는 구형상, 원주형상, 테이퍼 형태 등 다양한 형상을 채용할 수 있다. 밸브 형성부를 크게 하는 것에 의해, 밸브부에 의해 제어하는 유량을 크게 할 수 있다. 다만, 본체(110)의 후단측에는, 상기 실시형태나 변형예와 동일하게 볼록 구면 또는 오목 구면을 마련하는 것으로 한다.

상기 실시형태에서는, 밸브 구멍(24)의 내경이 밸브체(34)(밸브 형성부(112))의 외경보다 작고, 밸브체(34)가 밸브 시트(26)에 탈착하는 구성을 제시했다. 변형예에 있어서는, 밸브 구멍의 내경을 밸브체(형성부)의 외경보다 크게 하고, 밸브체가 밸브 시트의 반력을 받지 않고 밸브 구멍에 삽입/인출되는 스풀 밸브로 해도 좋다. 이와 같은 전동 밸브여도, 상기 실시형태 또는 변형예의 구면 당접 구조를 채용하는 것에 의해, 밸브체의 자율 조심 기능을 향상시킬 수 있다.

상기 실시형태에서는, 샤프트(60)가 로터(31)와 동축 형태로 마련되는 예를 제시했다. 변형예에 있어서는, 로터와 샤프트가 서로 상이한 축선상에 마련되는 구성으로 해도 좋다. 예를 들면, 양자의 축선이 평행하게 어긋나는 구성으로 해도 좋다. 그리고, 로터의 축과 샤프트 사이에 기어 기구를 개재시켜도 좋다.

상기 실시형태의 전동 밸브는, 냉매로서 대체 프레온(HFC-134a) 등을 사용하는 냉동 사이클에 바람직하게 적용되지만, 이산화탄소와 같이 작동 압력이 높은 냉매를 사용하는 냉동 사이클에 적용하는 것도 가능하다. 그 경우에는, 냉동 사이클에 콘덴서 대신에 가스 쿨러 등의 외부 열교환기가 배치된다.

상기 실시형태에서는, 상기 전동 밸브를 자동차용 공조 장치의 냉동 사이클에 적용하는 예를 제시했지만, 차량용에 한정되지 않고 전동 팽창 밸브를 탑재하는 공조 장치에 적용 가능하다. 또한, 냉매 이외의 유체의 흐름을 제어하는 전동 밸브로 구성할 수도 있다.

한편, 본 발명은 상기 실시형태나 변형예에 한정되지 않고, 요지를 일탈하지 않는 범위에서 구성 요소를 변형하여 구체화할 수 있다. 상기 실시형태나 변형예에 개시되어 있는 복수의 구성 요소를 적절히 조합하는 것에 의해 다양한 발명을 형성해도 좋다. 또한, 상기 실시형태나 변형예에 제시되는 전체 구성 요소에서 몇개의 구성 요소를 삭제해도 좋다.

1: 전동 밸브
4: 모터 유닛
5: 보디
10: 도입 포트
12: 도출 포트
24: 밸브 구멍
26: 밸브 시트
31: 로터
32: 작동 로드
34: 밸브체
39: 암나사
60: 샤프트
63: 스프링
64: 스토퍼
65: 스프링 베어링
66: 수나사
67: 부시
69: 플랜지부
70: 랙
99: 스토퍼
110: 본체
112: 밸브 형성부
230: 테이퍼면
234: 밸브체
265: 스프링 베어링
CS: 접촉면
O1: 중심
O2: 중심
R: 내측 곡률반경
S: 중공부
S1: 볼록 구면
S2: 오목 구면

Claims

상류측으로부터 유체를 도입하는 도입 포트와, 하류측으로 유체를 도출하는 도출 포트와, 상기 도입 포트와 상기 도출 포트를 연통시키는 밸브 구멍을 구비하는 보디;
상기 밸브 구멍의 개구 단부에 형성된 밸브 시트에 접리하여 밸브부를 개폐하는 밸브체;
상기 밸브체를 상기 밸브부의 개폐 방향으로 구동하기 위한 로터를 포함하는 모터;
상기 로터에 연동하여 회전하고, 선단측으로 개구되는 중공부를 구비하고, 그 중공부에 상기 밸브체를 부분적으로 삽통하도록 하여 축선 방향으로 슬라이딩 가능하게 지지하는 샤프트;
상기 중공부에 배치되어, 상기 밸브체를 상기 샤프트의 선단 개구부로부터 돌출시키는 방향으로 부세하기 위한 스프링과,
상기 중공부에 배치되어 상기 스프링과 상기 밸브체 사이에 개재되어, 일단측에서 상기 스프링을 받고, 타단측에서 상기 밸브체의 단부와 당접하는 스프링 베어링; 및
상기 로터의 회전 운동을, 상기 샤프트의 축선 방향의 병진 운동으로 변환하는 작동 변환 기구를 구비하고,
상기 밸브체와 상기 스프링 베어링의 서로의 당접면이 각각 구면으로 되어 있고, 그 중의 한 당접면이 볼록 구면으로 되어 있고, 다른 한 당접면이 상기 볼록 구면보다 곡률반경이 큰 오목 구면으로 되어 있고,
상기 밸브체의 구면의 중심이, 상기 밸브체의 축선상에 위치하는 것을 특징으로 하는 전동 밸브.
제1항에 있어서,
상기 밸브체가 상기 밸브 시트에 착석했을 때의 상기 밸브체와 상기 밸브 시트의 마찰력이, 상기 밸브체와 상기 스프링 베어링의 마찰력보다 커지도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전동 밸브.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 스프링 베어링은, 상기 샤프트의 내주면을 따라 축선 방향으로 슬라이딩 가능하게 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 전동 밸브.
제1항에 있어서,
상기 밸브체는, 상기 샤프트에 슬라이딩 가능하게 지지되는 본체와, 상기 본체의 선단측에 마련되어 상기 밸브 시트에 탈착하는 밸브 형성부와, 상기 본체의 후단측에서 반경 방향으로 돌출하는 계지부를 포함하고, 상기 밸브체의 구면이 상기 계지부의 후단측에 마련되고,
상기 샤프트는, 상기 밸브체의 본체를 슬라이딩 가능하게 관통시키고, 후단면으로 상기 계지부를 축선 방향으로 계지하는 것에 의해 상기 밸브체의 탈락을 방지하는 지지부를 포함하고,
밸브 개방시에 있어서는, 상기 스프링 베어링을 통해 전달되는 상기 스프링의 부세력에 의해 상기 계지부가 상기 지지부의 후단면에 당접하는 상태가 유지되고,
밸브 폐쇄시에 있어서는, 상기 밸브체가 상기 밸브 시트에 착석하는 것에 의한 반력에 의해 상기 스프링 베어링을 통해 상기 스프링이 가압되어 수축되고, 상기 계지부가 상기 지지부의 후단면으로부터 이격하는 것을 특징으로 하는 전동 밸브.
제4항에 있어서,
상기 밸브체의 일단부가 그 선단을 향해 단면이 작아지는 형상을 구비하고, 그 선단부가 상기 밸브 구멍에 삽입되는 것에 의해, 상기 밸브체가 상기 밸브 시트에 착석하는 것을 특징으로 하는 전동 밸브.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 지지부에 있어서 상기 밸브체를 삽통하는 부분의 축선 방향의 길이가, 상기 밸브체의 본체의 지름보다 큰 것을 특징으로 하는 전동 밸브.
제1항에 있어서,
상기 작동 변환 기구는, 상기 샤프트에 일체로 마련된 수나사부와, 상기 보디에 일체로 마련되어 상기 수나사부와 치합되는 암나사부를 포함하는 나사 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 전동 밸브.