WO2018062376A1 - 電動弁 - Google Patents

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taper
motor
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operated valve
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PCT/JP2017/035189
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Inventor
大樹 中川
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株式会社鷺宮製作所
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    • F16K1/00—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces
    • F16K1/32—Details
    • F16K1/34—Cutting-off parts, e.g. valve members, seats
    • F16K1/36—Valve members
    • F16K1/38—Valve members of conical shape
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K1/00—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces
    • F16K1/32—Details
    • F16K1/52—Means for additional adjustment of the rate of flow
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    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/02—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic
    • F16K31/04—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a motor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2600/00—Control issues
    • F25B2600/25—Control of valves
    • F25B2600/2513—Expansion valves
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Definitions

  • the present invention relates to an electric valve used in a refrigeration cycle system or the like.
  • Patent Document 1 motor-operated valves used for package air conditioners, room air conditioners, refrigerators, and the like are known (for example, Patent Document 1).
  • this electric valve 100 for example, as shown in FIG. 7, when the stepping motor is driven and the rotor 103 rotates, the valve body 114 moves in the direction of the central axis L ′ by the screw feeding action of the female screw 131a and the male screw 121a. To do. Thereby, adjustment which opens and closes the valve port 121 is made, and the flow rate of the refrigerant flowing in from the pipe joint 111 and flowing out from the pipe joint 112 is controlled.
  • the first taper 114a seated on the valve seat 120 and the third taper 114c are relatively large.
  • FIG. 8B is a graph showing the flow rate characteristics of the motor-operated valve 100 in the low opening range.
  • the horizontal axis of the graph represents the amount of pulse applied to the stepping motor to move the valve body 114
  • the vertical axis of the graph represents the flow rate.
  • the origin of the graph represents the valve closed state at the time of 0 pulse.
  • a broken line A in the figure represents a change in flow rate when the valve body 114 is used.
  • a fold line B representing a change in flow rate when using a valve body 114 ′ in which the second taper 114 b is not formed as shown in FIG. 9 is shown as being proportional to the fold line A. .
  • the broken line B rapidly changes from the rising flow area 201 determined by the first taper 114′a to the flow area 203 determined by the third taper 114′c.
  • the flow rate characteristic is rapidly increased in the low opening range because the second taper 114b having a small angle controls the flow rate increase rate in the flow rate region 202 for a while. It can suppress changing.
  • FIG. 11A it is conceivable to reduce the rising flow rate by bringing the diameter D1 of the boundary between the first taper 314a and the second taper 314b closer to the inner diameter D2 of the valve seat 320.
  • the second taper 314b that controls the flow rate due to variations in processing of the valve body 314.
  • the valve body 314 bites into the valve seat 320 as described above.
  • a corner R315 is actually formed at such a boundary during processing, when the valve body 314 is seated on the valve seat 320, the portion of the corner R315 may come into contact with the valve seat 320. . Since the size and shape of the corner R315 are likely to vary in processing of the valve body 314, when the corner R315 contacts the valve seat 320 during seating, the rising flow rate characteristic differs for each motor-operated valve. Problems can occur.
  • An object of the present invention is to provide a motor-operated valve that can accurately control a minute flow rate in a low opening range.
  • the motor operated valve of the present invention is This is an electric valve that converts the rotational motion of the rotor into a linear motion by screwing the male screw member and the female screw member, and moves the valve element accommodated in the valve body in the axial direction based on this linear motion.
  • the valve body is A first taper abutting against the seating portion in the valve closed state; A second taper positioned ahead of the first taper; In a state where the first taper is in contact with the seating portion, a space wider than the clearance width formed between the valve port and the second taper is a width of the seating portion and the clearance. It is characterized by being formed between.
  • the first taper function is limited to the seating function as much as possible, the flow rate can be controlled mainly by the second taper, and the minute flow rate in the low opening range can be accurately controlled.
  • the motor operated valve of the present invention is On the rotor side of the valve port, a receding region that recedes from the valve body side is formed, In the valve closed state, the first taper abuts on the rotor-side edge of the retracted region as a seating portion, The space is formed between the receding region and the first taper in contact with the edge.
  • the motor operated valve of the present invention is The second taper is formed so that a height thereof is higher than a height of the receding region.
  • the motor operated valve of the present invention is The receding region is a chamfer that widens toward the rotor side.
  • the motor operated valve of the present invention is The taper angle of the tapered surface of the first taper with respect to the central axis of the valve body is larger than the inclination angle of the chamfered surface with respect to the central axis of the motor-operated valve.
  • the motor operated valve of the present invention is The receding region is a notch formed on the rotor side of the valve port.
  • the motor operated valve of the present invention is A constriction is formed between the first taper and the second taper; The space is formed between the constriction and the valve port in a state where the first taper is in contact with the seating portion.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an electric valve 2 according to an embodiment.
  • “upper” or “lower” is defined in the state of FIG. That is, the rotor 4 is positioned above the valve body 17.
  • the “height” in the present specification is also defined in the state of FIG. That is, the “height” indicates the length in the vertical direction in FIG.
  • valve main body 30 is integrally connected to the lower side of the opening side of the case 60 made of a non-magnetic material and having a cylindrical cup shape by welding or the like.
  • valve body 30 is made of a metal such as stainless steel and has the valve chamber 11 therein.
  • the valve body 30 is fixedly mounted with a first pipe joint 12 made of stainless steel or copper that communicates directly with the valve chamber 11.
  • a valve seat member 30 ⁇ / b> A in which a valve port 16 having a circular cross section is formed is provided on the lower inner side of the valve body 30.
  • a second pipe joint 15 made of stainless steel or copper, etc., communicating with the valve chamber 11 via the valve port 16 is fixedly attached to the valve seat member 30A.
  • Rotating rotor 4 is accommodated in the inner periphery of case 60, and valve shaft 41 is disposed on the shaft core portion of rotor 4 via a bush member (not shown).
  • the valve shaft 41 and the rotor 4 coupled by the bush member move integrally in the vertical direction while rotating.
  • a male screw 41 a is formed on the outer peripheral surface near the middle portion of the valve shaft 41.
  • the valve shaft 41 functions as a male screw member.
  • a stator made up of a yoke, bobbin, and coil (not shown) is disposed on the outer periphery of the case 60, and the rotor 4 and the stator constitute a stepping motor.
  • a guide support 52 is fixed to the ceiling surface of the case 60.
  • the guide support body 52 has a cylindrical portion 53 and an umbrella-shaped portion 54 formed on the upper end side of the cylindrical portion 53.
  • the entire guide support body 52 is integrally formed by press working.
  • the umbrella-shaped portion 54 is molded in substantially the same shape as the inside of the top portion of the case 60.
  • a cylindrical member 65 that also serves as a guide for the valve shaft 41 is fitted in the cylindrical portion 53 of the guide support 52.
  • the cylindrical member 65 is made of a material containing a lubricant or a surface-treated member made of metal or synthetic resin, and rotatably holds the valve shaft 41.
  • valve shaft holder 6 that has a function of forming a screw thread A with the valve shaft 41 and suppressing the inclination of the valve shaft 41, as will be described later, with respect to the valve body 30. It is fixed relatively unrotatable.
  • valve shaft holder 6 is fixed to the valve main body 30 by welding or the like, and a through hole 6h is formed inside the valve shaft holder 6.
  • a female screw 6d is formed downward from the upper opening 6g of the valve shaft holder 6 to a predetermined depth. For this reason, in this embodiment, the valve shaft holder 6 functions as a female screw member.
  • a screw thread A shown in FIG. 1 is constituted by a male screw 41 a formed on the outer periphery of the valve shaft 41 and a female screw 6 d formed on the inner periphery of the valve shaft holder 6.
  • a cylindrical valve guide 18 is disposed below the valve shaft 41 so as to be slidable with respect to the through hole 6 h of the valve shaft holder 6.
  • the valve guide 18 is bent at a substantially right angle on the ceiling 21 side by press molding.
  • a through hole 18 a is formed in the ceiling portion 21.
  • a flange 41 b is further formed below the valve shaft 41.
  • valve shaft 41 is inserted into the through hole 18a of the valve guide 18 so as to be rotatable with respect to the valve guide 18 and displaceable in the radial direction. It arrange
  • valve shaft 41 is inserted through the through hole 18 a and is arranged so that the upper surface of the flange portion 41 b faces the ceiling portion 21 of the valve guide 18.
  • the flange 41b is larger in diameter than the through hole 18a of the valve guide 18 so that the valve shaft 41 is prevented from coming off.
  • valve shaft 41 and the valve guide 18 are movable in the radial direction with respect to each other, the valve guide 18 and the valve guide 18 and the valve shaft 41 are not required to have a high degree of concentric mounting accuracy with respect to the arrangement positions of the valve shaft holder 6 and the valve shaft 41. Concentricity with the valve body 17 is obtained.
  • a washer (not shown) having a through-hole formed in the central part is installed.
  • the washer is preferably a metal washer having a highly slippery surface, a highly slippery resin washer such as a fluororesin, or a metal washer having a highly slippery resin coating.
  • valve guide 18 Furthermore, a compressed valve spring 27 and a spring receiver 35 are accommodated in the valve guide 18.
  • the valve body 17 is made of stainless steel, brass, or the like, and has a cylindrical rod-shaped needle portion 17n, a first taper 17a, a second taper 17b, and a third taper 17c.
  • the central axis of the valve element 17 is arranged so as to overlap the central axis L of the motor-operated valve 2.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a main part that affects the flow rate characteristics of the motor-operated valve 2.
  • the valve seat member 30A is formed with a valve seat top surface 30A1, a receding region 99, a valve port 16, an inclined surface 30A2, an edge portion 19a, an upper edge portion 16a, and a lower edge portion 16b. .
  • the valve seat top surface 30A1 is a flat surface that directly contacts the valve chamber 11 on the upper side (rotor 4 side) of the valve seat member 30A.
  • the retreat area 99 is a portion located between the valve seat top surface 30A1 and the valve port 16 and retreated from the valve body 17 side.
  • a chamfer 19 that is an inclined surface extending upward is formed in the receding region 99.
  • the valve port 16 is a part that directly affects the flow rate determination, as will be described later.
  • the inner peripheral surface of the valve port 16 is arranged so as to be parallel to the central axis L of the motor-operated valve 2.
  • the inclined surface 30A2 is located below the valve port 16, and is formed so that the inner diameter of the valve seat member 30A increases downward.
  • the edge portion 19 a is a portion that forms the upper edge of the chamfer 19, and constitutes a boundary between the valve seat top surface 30 A 1 and the chamfer 19.
  • the first taper 17a is seated on the valve seat member 30A with the edge portion 19a as a seating portion.
  • the upper edge portion 16 a is an upper edge portion of the valve port 16 and also serves as a lower edge portion of the chamfer 19, and constitutes a boundary between the chamfer 19 and the valve port 16.
  • the lower edge part 16b is a part which comprises the lower edge of the valve port 16, and comprises the boundary of the valve port 16 and inclined surface 30A2. That is, the valve port 16 is formed between the upper edge portion 16a and the lower edge portion 16b.
  • the taper angle ⁇ 2 of the first taper 17a in the valve body 17 is the inclination angle ⁇ 1 of the chamfer 19 (the inclination of the surface of the chamfer 19 with respect to the central axis L of the motor-operated valve 2). ( ⁇ 1 ⁇ 2). Therefore, a space 87 having a width wider than the width of the clearance 66 described later is formed between the first taper 17a and the chamfer 19 in a state where the first taper 17a is in contact with the edge portion 19a.
  • the corner R59 is a portion in which variations in processing are particularly likely to occur in size, shape, and the like.
  • the second taper 17 b can be seated on the valve seat member 30 ⁇ / b> A to prevent the valve body 17 from biting into the valve port 16.
  • the inclination angle ⁇ 1 is preferably an angle of 10 ° to 75 °
  • the taper angle ⁇ 2 is preferably an angle of 12.5 ° to 77.5 °.
  • the corner R59 is located within a range in which the chamfer 19 is formed in the axial direction in the valve closed state. Specifically, it is formed at a position that falls within the range of the height H1 of the chamfer 19 in FIG.
  • the taper angle of the second taper 17b is much smaller than the taper angle of the first taper 17a, and the outer diameter of the second taper 17b is formed to be slightly smaller downward.
  • the taper angle of the second taper 17 b is preferably an angle of 1.5 ° or more and 10 ° or less with respect to the central axis L of the motor-operated valve 2.
  • the third taper 17c is further formed below the second taper 17b.
  • main flow rate control is performed in the second taper 17b and the third taper 17c formed below the first taper 17a seated on the valve seat member 30A.
  • the height H2 of the second taper 17b is formed to be higher than the height H1 of the chamfer 19 (H1 ⁇ H2). For this reason, in the motor operated valve 2 according to the present embodiment, the flow rate can be controlled in a wide area corresponding to the height H2 of the second taper 17b.
  • the taper angle of the third taper 17c is much smaller than the taper angle ⁇ 2 of the first taper 17a, but is larger than the taper angle of the second taper 17b.
  • the outer diameter of the third taper 17c is tapered so as to decrease downward.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the flow rate change and the pulse application amount.
  • the horizontal axis of the graph represents the amount of pulses applied to the stepping motor to move the valve body 17, and the vertical axis of the graph represents the flow rate.
  • the origin of the graph represents the valve closed state at the time of 0 pulse.
  • a broken line C in the figure represents a change in flow rate when the valve element 17 is used.
  • a broken line B representing a change in the flow rate when the valve body 114 ′ without the second taper 17b is used is shown, as shown in FIG. .
  • the clearance 66 between the second taper 17b and the valve port 16 becomes narrower than the gap between the first taper 17a and the edge portion 19a, and the clearance 66 is formed between the valve body 17 and the valve port. 16 is the minimum width of the gap generated between the two. For this reason, the flow rate region 62 in the low opening range until the second taper 17 b passes through the valve port 16 is determined by the width of the clearance 66.
  • the degree of increase is suppressed, and the second taper 17b rises and gradually increases as the clearance 66 increases.
  • the width of the clearance 66 is preferably 1 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less.
  • the function of the first taper 17a is limited to the seating function as much as possible, and mainly by controlling the flow rate with the second taper 17b, The flow rate can be accurately controlled. Further, by forming the taper angle ⁇ 2 of the first taper 17a to be larger than the inclination angle ⁇ 1 of the chamfer 19 ( ⁇ 1 ⁇ 2), the boundary between the first taper 17a and the second taper 17b is the valve port 16. Therefore, it is possible to prevent the flow characteristics at the time of rising from being different for each motor-operated valve 2 due to the variation in processing for each valve element 17.
  • the upper edge 16a of the valve port 16 is always close to the second taper 17b or the third taper 17c when the valve body 17 is raised or lowered, so that the flow rate control in the flow rate region 62 shown in FIG. Is performed by the upper edge 16a.
  • the clearance 66 between the upper edge portion 16a of the valve port 16 and the second taper 17b or the third taper 17c gradually increases and the flow rate increases.
  • the receding region 99 may be a notch.
  • a notch 79 having an L-shaped cross section may be formed above the valve port 16.
  • the notch 79 is formed with an edge 79a, a wall 79c, a floor 79d, and an upper edge 16a. Due to this notch 79, the upper side of the valve seat member 30A is notched annularly.
  • the edge portion 79a is a portion that forms the upper edge of the wall portion 79c, and constitutes the boundary between the valve seat top surface 30A1 and the notch 79.
  • the first taper 17a is seated with the edge 79a of the notch 79 as a seat.
  • variety of the clearance 66 between the 1st taper 17a and the notch 79 is provided.
  • a space 87 is formed.
  • the wall portion 79 c is a side wall that defines the outer periphery of the notch 79, and is disposed so as to be parallel to the central axis L of the motor-operated valve 2.
  • the floor portion 79 d is a portion that defines the bottom surface of the notch 79, and is orthogonal to the central axis L of the motor-operated valve 2.
  • the wall portion 79c does not have to be strictly parallel to the central axis L, and may be slightly inclined.
  • the floor portion 79d does not need to be strictly orthogonal to the central axis L and may be slightly inclined.
  • the upper edge portion 16 a is a portion forming the upper edge of the valve port 16 and a portion forming the edge portion of the floor portion 79 d on the valve body 17 side, and constitutes a boundary between the notch 79 and the valve port 16.
  • the second taper 17b can accurately control a minute flow rate in the low opening range. Further, by forming the second taper 17b so that the height H2 of the second taper 17b is higher than the height H3 of the notch 79 (H3 ⁇ H2), the flow rate is controlled in a wide area corresponding to the height H2 of the second taper 17b. It can be performed.
  • a constriction 89 may be provided between the first taper 17a and the second taper 17b.
  • the boundary portion between the first taper 17a and the second taper 17b is recessed from the surface of the valve body 17, when the first taper 17a is seated on the valve seat member 30A, the first taper 17a and the valve A space 87 wider than the clearance 66 is formed between the ports 16. Also by this, it can avoid that the boundary part of the 1st taper 17a and the 2nd taper 17b sits on the valve port 16, and it can prevent the flow volume characteristic at the time of start-up varying for every motor-operated valve 2.
  • the second taper 17b can accurately control a minute flow rate in the low opening range.
  • the second taper 17b has an extremely small taper angle that is substantially parallel to the central axis L has been described as an example.
  • FIG. 17b may have a predetermined taper angle ⁇ .
  • the main flow rate control is performed by the upper edge portion 16a. Is done by.
  • the clearance 66 between the upper edge part 16a of the valve port 16 and the 2nd taper 17b or the 3rd taper 17c becomes large gradually, and flow volume increases.
  • the taper angle ⁇ shown in FIG. 6 is preferably an angle between 1 ° and 30 °.
  • valve body 17 includes the third taper 17c
  • the valve body 17 does not necessarily include the third taper 17c.
  • the valve body 17 may include a further taper in addition to the first taper 17a, the second taper 17b, and the third taper 17c.
  • the motor operated valve 2 of the present embodiment is used as an electronic expansion valve provided between a condenser and an evaporator of a refrigeration cycle system, for example.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

［課題］低開度域における微小な流量の制御を的確に行うことができる電動弁を提供する。 ［解決手段］ロータの回転運動を、雄ネジ部材と雌ネジ部材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、弁閉状態において前記弁体を着座させる着座部および、前記弁体が挿入される弁ポートを有する弁座を有し、前記弁体は、弁閉状態において前記着座部と当接する第１テーパと、前記第１テーパよりも先方に位置する第２テーパとを備え、前記着座部に前記第１テーパを当接させた状態において、前記弁ポートと前記第２テーパとの間に形成されるクリアランスの幅よりも広い幅の空間が前記着座部と前記クリアランスの幅との間に形成される。

Description

電動弁
　本発明は、冷凍サイクルシステムなどに使用される電動弁に関する。
　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（例えば、特許文献１）。この電動弁１００においては、たとえば、図７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、雌ねじ１３１ａと雄ねじ１２１ａのねじ送り作用により、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。
特開平１０－１４８４２０号公報
　ところで、現在、空調機や冷凍機などの技術分野においては、省エネ性能の向上が盛んに検討されており、このような冷凍サイクルシステムに使用する電動弁についても同様の省エネ性が要求されているという背景が存在する。ここで、電動弁に要求される性能としては、弁体が弁座から離れた直後における低開度域における微小な流量の制御性の向上や、流量のばらつきの低減化が挙げられる。
　特に、ルームエアコンや小型の業務用空調機等に使用される電動弁においては、低開度域における微小な流量の制御を行うためには最小開度における流量を極限まで低減することが望まれている。
　この点、上述の電動弁１００では、図８（ａ）に示すように、弁体１１４において、弁座１２０に着座する比較的角度の大きい第１テーパ１１４ａと、第３テーパ１１４ｃとの間に、テーパ角（テーパの傾斜面の中心軸Ｌ´に対する角度）が極めて小さな第２テーパ１１４ｂを形成することにより、低開度域の流量制御を向上させる試みがなされている。
　図８（ｂ）は、電動弁１００の低開度域における流量特性を示すグラフである。図８（ｂ）において、グラフの横軸は、弁体１１４を移動させるためにステッピングモータに印加するパルスの印加量を表し、グラフの縦軸は、流量を表している。また、グラフの原点は、０パルス時の弁閉状態を表している。ここで、図中の折線Ａは、弁体１１４を用いた場合の流量の変化を表すものである。なお、図中には、折線Ａとの対比例として、図９のように、第２テーパ１１４ｂが形成されていない弁体１１４´を用いた場合の流量の変化を表す折線Ｂを示してある。
　図８（ｂ）によれば、折線Ｂにおいては、第１テーパ１１４´ａによって決定される立上り流量領域２０１から第３テーパ１１４´ｃによって決定される流量領域２０３へと急激に変化するのに対し、折線Ａにおいては、立ち上がり流量領域２０１の後、しばらくの間、角度の小さな第２テーパ１１４ｂによって流量領域２０２の流量の増加度合が制御されるため、低開度域において流量特性が急激に変化することを抑制することができる。
　しかし、本来低開度域における微小な流量の制御性を向上させるには、弁体１１４が弁座１２０から離れた直後の立上り流量領域２０１における最大流量Ｘの値を抑制しなければならない。この点、電動弁１００では、第２テーパ１１４ｂを設けたとしても、この問題を解決することはできていなかった。
　ここで、図１０（ａ）に示すように、弁体２１４における流量制御を行うテーパ２１４ｃを弁座２２０に着座させることも考えられる。この場合、図１０（ｂ）に示すように、立上り流量領域２１０の流量を極めて小さくすることができるが、弁体２１４が弁座２２０に食い込んで弁開し難くなり、弁体２１４の作動性が阻害されるという問題が生じるおそれがある。
　また、図１１（ａ）に示すように、第１テーパ３１４ａと第２テーパ３１４ｂの境界の径Ｄ１を弁座３２０の内径Ｄ２に近づけることにより、立上り流量を低減させることも考えられる。しかしながら、図１１（ｂ）に示す拡大図のように、第１テーパ３１４ａと第２テーパ３１４ｂの境界を着座させた場合、弁体３１４の加工上のばらつきによって、流量制御を行う第２テーパ３１４ｂで着座してしまい、前述したように弁体３１４の弁座３２０に対する食い込みが生じてしまうおそれもある。
　また、このような境界には、実際には加工時に隅Ｒ３１５が形成されているため、弁体３１４を弁座３２０に着座させた場合、隅Ｒ３１５の部分が弁座３２０と当接することもある。隅Ｒ３１５の大きさや形状等には、弁体３１４の加工上のばらつきが生じやすいため、着座時に隅Ｒ３１５が弁座３２０と当接した場合、電動弁ごとに立上りの流量特性が異なってしまうという問題が発生しうる。
　本発明の目的は、低開度域における微小な流量の制御を的確に行うことができる電動弁を提供することである。
　本発明の電動弁は、
　ロータの回転運動を、雄ネジ部材と雌ネジ部材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、
　弁閉状態において前記弁体を着座させる着座部および、前記弁体が挿入される弁ポートを有する弁座を有し、
　前記弁体は、
　弁閉状態において前記着座部と当接する第１テーパと、
　前記第１テーパよりも先方に位置する第２テーパとを備え、
　前記着座部に前記第１テーパを当接させた状態において、前記弁ポートと前記第２テーパとの間に形成されるクリアランスの幅よりも広い幅の空間が前記着座部と前記クリアランスの幅との間に形成されることを特徴とする。
　これにより、極力第１テーパの機能を着座する機能のみに限定し、主に第２テーパで流量を制御することができ、低開度域における微小な流量の制御を的確に行うことができる。
　また、本発明の電動弁は、
　前記弁ポートの前記ロータ側に、弁体側から後退した後退領域が形成され、
　前記弁閉状態において前記第１テーパは、前記後退領域の前記ロータ側の縁部を着座部として当接し、
　前記後退領域と前記縁部に当接した前記第１テーパとの間に前記空間が形成されることを特徴とする。
　これにより、第１テーパと第２テーパの間の境界が弁ポートに着座することを回避することができるため、弁体ごとの加工上のばらつきに影響されて、立上り時における流量特性が電動弁ごとに異ならないようにすることができる。
　また、本発明の電動弁は、
　前記第２テーパの高さが、前記後退領域の高さよりも高くなるように形成されていることを特徴とする。
　これにより、第２テーパの高さ分の幅広い領域で流量制御を行うことができる。
　また、本発明の電動弁は、
　前記後退領域が、前記ロータ側に向かって広がる面取りであることを特徴とする。
　これにより、弁体ごとの加工上のばらつきに影響されて、立上り時における流量特性が電動弁ごとに異ならないようにすることができる。
　また、本発明の電動弁は、
　前記弁体の中心軸に対する第１テーパのテーパ面のテーパ角が、該電動弁の中心軸に対する前記面取りの表面の傾斜角よりも大きいことを特徴とする。
　これにより、第１テーパと第２テーパの間の境界が弁ポートに着座することを的確に回避することができる。
　また、本発明の電動弁は、
　前記後退領域が、前記弁ポートの前記ロータ側に形成された切欠きであることを特徴とする。
　これにより、弁体ごとの加工上のばらつきに影響されて、立上り時における流量特性が電動弁ごとに異ならないようにすることができる。
　また、本発明の電動弁は、
　前記第１テーパと前記第２テーパとの間にくびれが形成され、
　前記着座部に前記第１テーパを当接させた状態において、前記くびれと前記弁ポートとの間に前記空間が形成されることを特徴とする。
　これにより、第１テーパと第２テーパの間の境界が弁ポートに着座することを回避し、弁体ごとの加工上のばらつきに影響されて、立上り時における流量特性が電動弁ごとに異ならないようにすることができる。
　本発明に係る発明によれば、低開度域における微小な流量の制御を的確に行うことができる電動弁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要部拡大断面図である。 実施の形態に係る電動弁の低開度域における流量特性を示すグラフである。 実施の形態に係る電動弁の変形例の要部拡大断面図である。 実施の形態に係る電動弁の変形例の要部拡大断面図である。 実施の形態に係る電動弁の変形例の要部拡大断面図である。 従来の電動弁の断面図である。 従来の電動弁の要部拡大断面図、および低開度域における流量特性を示すグラフである。 仮想の電動弁の要部拡大断面図である。 仮想の電動弁の要部拡大断面図、および低開度域における流量特性を示すグラフである。 仮想の電動弁の要部拡大断面図、および低開度域における流量特性を示すグラフである。
　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。また、本明細書における、「高さ」も図１の状態で規定したものである。すなわち、「高さ」とは、図１において上下方向の長さを示している。
　この電動弁２では、非磁性体製で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、ステンレス製等の金属から成り、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等の第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１６が形成された弁座部材３０Ａが設けられている。弁座部材３０Ａには、弁ポート１６を介して弁室１１に連通するステンレス製や銅製等の第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、図示しないブッシュ部材を介して弁軸４１が配置されている。ブッシュ部材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。
　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、本実施の形態では全体をプレス加工により一体成型されている。傘状部５４はケース６０の頂部内側と略同形状に成型されている。
　ガイド支持体５２の円筒部５３内には、弁軸４１のガイドを兼ねる筒部材６５が嵌合されている。筒部材６５は、金属あるいは合成樹脂による潤滑材入り素材あるいは表面処理を施された部材により構成され、弁軸４１を回転可能に保持している。
　弁軸４１の下方には、後述するように弁軸４１との間でネジ螺合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、弁本体３０に対して溶接などで固定されており、弁軸ホルダ６の内部には、貫通孔６ｈが形成されている。また、この弁軸ホルダ６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。なお、弁軸４１の外周に形成された雄ネジ４１ａと、弁軸ホルダ６の内周に形成された雌ネジ６ｄとにより、図１に示すネジ螺合Ａが構成されている。
　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の貫通孔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側がプレス成型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図示しないワッシャが設置されている。ワッシャは、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。
　弁体１７は、ステンレスや真鍮等により形成され、円柱棒状のニードル部１７ｎ、第１テーパ１７ａ、第２テーパ１７ｂ、および第３テーパ１７ｃを有している。なお、弁体１７の中心軸は電動弁２の中心軸Ｌと重なるように配置されている。
　図２は、電動弁２の流量特性に影響する要部の拡大断面図である。図２に示すように、弁座部材３０Ａには、弁座天面３０Ａ１、後退領域９９、弁ポート１６、傾斜面３０Ａ２、縁部１９ａ、上縁部１６ａ、下縁部１６ｂが形成されている。
　弁座天面３０Ａ１は、弁座部材３０Ａの上側（ロータ４側）において、直接弁室１１に接する平坦な面である。また、後退領域９９は、弁座天面３０Ａ１と弁ポート１６の間に位置し弁体１７側から後退した部分である。本実施形態においては、後退領域９９に、上方に向かって広がる傾斜面である面取り１９が形成されている。
　弁ポート１６は、後述するように、流量決定に直接影響する部分である。この弁ポート１６の内周面は、電動弁２の中心軸Ｌと平行になるように配置されている。
　傾斜面３０Ａ２は、弁ポート１６の下方に位置し、弁座部材３０Ａの内径が下方に向かって大きくなるように形成されている。
　縁部１９ａは、面取り１９の上縁を成す部分であり、弁座天面３０Ａ１と面取り１９の境界を構成している。なお、弁閉状態において、第１テーパ１７ａは、この縁部１９ａを着座部として弁座部材３０Ａに着座する。
　上縁部１６ａは、弁ポート１６の上側の縁部であると共に面取り１９の下側の縁部を兼ね、面取り１９と弁ポート１６の境界を構成している。また、下縁部１６ｂは、弁ポート１６の下縁を成す部分であり、弁ポート１６と傾斜面３０Ａ２の境界を構成している。すなわち、上縁部１６ａと下縁部１６ｂの間に弁ポート１６が形成されている。
　また、弁体１７における第１テーパ１７ａのテーパ角θ２（テーパ面の弁体１７の中心軸に対する角度）は、面取り１９の傾斜角θ１（電動弁２の中心軸Ｌに対する面取り１９の表面の傾斜角）よりも大きな角度になるように形成されている（θ１＜θ２）。このため、第１テーパ１７ａと面取り１９の間には、第１テーパ１７ａを縁部１９ａに当接させた状態において、後述するクリアランス６６の幅よりも広い幅の空間８７が構成される。
　これにより、第１テーパ１７ａと第２テーパ１７ｂとの間の境界に形成された隅Ｒ５９の部分が弁座部材３０Ａに着座することを回避することができ、弁体１７ごとの加工上のばらつきに影響されて、立上り時における流量特性が電動弁２ごとに異ならないようにすることができる。ここで、隅Ｒ５９は、大きさや形状等に特に加工上のばらつきが生じやすい部分である。また、第２テーパ１７ｂが弁座部材３０Ａに着座して弁体１７が弁ポート１６に食い込むことを防止することもできる。
　なお、傾斜角θ１は１０°以上７５°以下の角度であることが好ましく、テーパ角θ２は１２．５°以上７７．５°以下の角度であることが好ましい。
　なお、隅Ｒ５９は、弁閉状態で軸方向において面取り１９が形成される範囲内に位置している。具体的には、図２における面取り１９の高さＨ１の範囲に収まる位置に形成されている。
　また、第２テーパ１７ｂのテーパ角は、第１テーパ１７ａのテーパ角よりもはるかに小さな角度であり、第２テーパ１７ｂの外径は下方に向かって若干小さくなるように形成されている。この第２テーパ１７ｂのテーパ角は、電動弁２の中心軸Ｌに対して１．５°以上１０°以下の角度であることが好ましい。
　ここで、第２テーパ１７ｂの下方にはさらに第３テーパ１７ｃが形成されていることは上述したとおりである。本実施の形態に係る電動弁２においては、弁座部材３０Ａに着座する第１テーパ１７ａよりも下方に形成された第２テーパ１７ｂと第３テーパ１７ｃにおいて主たる流量制御が行われる。
　また、第２テーパ１７ｂの高さＨ２は、面取り１９の高さＨ１よりも高くなるように形成されている（Ｈ１＜Ｈ２）。このため、本実施の形態に係る電動弁２においては、第２テーパ１７ｂの高さＨ２分の幅広い領域で流量制御を行うことができる。
　また、第３テーパ１７ｃのテーパ角は、第１テーパ１７ａのテーパ角θ２よりもはるかに小さな角度であるが、第２テーパ１７ｂのテーパ角よりは大きくなっている。ここで、第３テーパ１７ｃの外径は下方に向かって小さくなるように先細り状に形成されている。
　ここで、図３は、パルスの印加量に対する流量の変化の関係を表すグラフである。図３において、グラフの横軸は、弁体１７を移動させるためにステッピングモータに印加するパルスの印加量を表し、グラフの縦軸は、流量を表している。また、グラフの原点は、０パルス時の弁閉状態を表している。また、図中の折線Ｃは、弁体１７を用いた場合の流量の変化を表すものである。なお、図中には、折線Ｃとの対比例として、図９のように、第２テーパ１７ｂが形成されていない弁体１１４´を用いた場合の流量の変化を表す折線Ｂを示してある。
　図３に示すように、電動弁２のステッピングモータに対してパルスが印加されると、まず、電動弁２へのパルスの印加量が弁開点に達して弁体１７が上昇し始め、第１テーパ１７ａが着座部である面取り１９の上側の縁部１９ａから離間する。ここで、流量は、弁ポート１６と弁体１７の間に生じた間隙の最小幅によって決定される。このため、第１テーパ１７ａが縁部１９ａから離間した直後の立ち上がり時の流量は、当初最小幅となる第１テーパ１７ａと縁部１９ａの間の間隙によって決定される。この流量領域６１の流量は一時的にではあるが急激に上昇する。
　さらに弁体１７が上昇すると、第１テーパ１７ａと縁部１９ａの間の間隙よりも第２テーパ１７ｂと弁ポート１６の間のクリアランス６６の方が狭くなり、クリアランス６６が弁体１７と弁ポート１６の間に生じる間隙の最小幅となる。このため、第２テーパ１７ｂが弁ポート１６を通過するまでの間における低開度域の流量領域６２は、クリアランス６６の幅によって決定される。ここで、流量領域６２の流量は、テーパ角が極めて小さな第２テーパ１７ｂによって調整されるため、上昇度合いが抑制され、第２テーパ１７ｂが上昇しクリアランス６６が広がるにつれてなだらかに上昇する。
　なお、第２テーパ１７ｂの高さＨ２は、面取り１９の高さＨ１よりも高くなるように形成されていることから（Ｈ１＜Ｈ２）、立上り時における流量領域６１の急激な上昇を確実に抑制することができる。また、クリアランス６６の幅は、１μｍ以上３０μｍ以下の幅であることが好ましい。
　この実施の形態に係る電動弁２によれば、極力第１テーパ１７ａの機能を着座する機能のみに限定し、主に第２テーパ１７ｂで流量を制御することにより、低開度域における微小な流量の制御を的確に行うことができる。また、第１テーパ１７ａのテーパ角θ２が面取り１９の傾斜角θ１よりも大きな角度になるように形成することにより（θ１＜θ２）、第１テーパ１７ａと第２テーパ１７ｂの境界が弁ポート１６に着座することを回避することができるため、弁体１７ごとの加工上のばらつきに影響されて、立上り時における流量特性が電動弁２ごとに異ならないようにすることができる。
　なお、本実施の形態においては、弁ポート１６の内周面が電動弁２の中心軸Ｌと平行である場合を例に説明しているが、弁ポート１６は、内径が下方に向かって大きくなる（広がる）ように形成されていてもよい。この場合、弁体１７が上昇または下降するに当たり、常に弁ポート１６の上縁部１６ａが第２テーパ１７ｂまたは第３テーパ１７ｃに近接することとなるため、図３に示す流量領域６２の流量制御は上縁部１６ａによって行われる。弁体１７が上昇する場合には、弁ポート１６の上縁部１６ａと第２テーパ１７ｂまたは第３テーパ１７ｃとの間のクリアランス６６が次第に大きくなり流量が増加する。
　また、上述の実施の形態においては、後退領域９９として、弁ポート１６の上側に面取り１９が形成されている場合を例に挙げているが、後退領域９９は、切欠きであってもよい。たとえば、図４に示すように、弁ポート１６の上側に断面Ｌ字型の切欠き７９が形成されていてもよい。ここで、切欠き７９には、縁部７９ａ、壁部７９ｃ、床部７９ｄ、上縁部１６ａが形成されている。この切欠き７９により、弁座部材３０Ａの上側が環状に切り欠かれている。
　縁部７９ａは、壁部７９ｃの上縁を成す部分であり、弁座天面３０Ａ１と切欠き７９の境界を構成している。弁閉状態において、第１テーパ１７ａは、切欠き７９の縁部７９ａを着座部として着座する。なお、第１テーパ１７ａと面取り１９の間には、第１テーパ１７ａを縁部７９ａに当接させた状態において、第１テーパ１７ａと切欠き７９の間にクリアランス６６の幅よりも広い幅の空間８７が構成される。
　壁部７９ｃは、切欠き７９の外周を画成する側壁であり、電動弁２の中心軸Ｌと平行になるように配置されている。また、床部７９ｄは、切欠き７９の底面を画成する部分であり、電動弁２の中心軸Ｌと直交している。なお、壁部７９ｃは、厳密に中心軸Ｌと平行である必要はなく、若干傾斜していてもよい。同様に、床部７９ｄもまた、厳密に中心軸Ｌと直交している必要はなく若干傾斜していてもよい。
　上縁部１６ａは、弁ポート１６の上縁を成す部分であると共に床部７９ｄの弁体１７側の縁部を成す部分であり、切欠き７９と弁ポート１６の境界を構成している。
　これによっても、第１テーパ１７ａと第２テーパ１７ｂの境界の部分が弁ポート１６に着座することを回避し、立上り時における流量特性が電動弁２ごとにばらつかないようにすることができる。また、第２テーパ１７ｂによって、低開度域における微小な流量の制御を的確に行うことができる。また、第２テーパ１７ｂの高さＨ２が、切欠き７９の高さＨ３よりも高くなるように形成することにより（Ｈ３＜Ｈ２）、第２テーパ１７ｂの高さＨ２分の幅広い領域で流量制御を行うことができる。
　また、上述の実施の形態において、図５に示すように、第１テーパ１７ａと第２テーパ１７ｂの間にくびれ８９を設けるようにしてもよい。この場合、第１テーパ１７ａと第２テーパ１７ｂとの間の境界の部分が弁体１７の表面から凹むため、第１テーパ１７ａが弁座部材３０Ａに着座した場合において、第１テーパ１７ａと弁ポート１６の間にクリアランス６６の幅よりも広い幅の空間８７が構成される。これによっても、第１テーパ１７ａと第２テーパ１７ｂの境界の部分が弁ポート１６に着座することを回避し、立上り時における流量特性が電動弁２ごとにばらつかないようにすることができる。また、第２テーパ１７ｂによって、低開度域における微小な流量の制御を的確に行うことができる。
　また、上述の実施の形態においては、第２テーパ１７ｂが中心軸Ｌとほぼ平行となる極めて小さなテーパ角を有している場合を例に説明したが、図６に示すように、第２テーパ１７ｂが所定のテーパ角αを有していてもよい。この場合においても、弁体１７が上昇または下降するに当たり、常に弁ポート１６の上縁部１６ａが第２テーパ１７ｂまたは第３テーパ１７ｃに近接することとなるため、主たる流量制御は上縁部１６ａによって行われる。そして、弁体１７が上昇する場合には、弁ポート１６の上縁部１６ａと第２テーパ１７ｂまたは第３テーパ１７ｃとの間のクリアランス６６が次第に大きくなり流量が増加する。
　なお、図６に示すテーパ角αは、１°以上３０°以下の間の角度であることが好ましい。
　また、上述の実施の形態においては、弁体１７が第３テーパ１７ｃを備える場合を例に説明したが、弁体１７は必ずしも第３テーパ１７ｃを備えていなくてもよい。また、上述の実施の形態において、弁体１７が第１テーパ１７ａ、第２テーパ１７ｂ、第３テーパ１７ｃの他に更なるテーパを備えていてもよい。
　また、本実施の形態の電動弁２は、たとえば、冷凍サイクルシステムの凝縮器と蒸発器との間に設けられる電子膨張弁として用いられる。
２     電動弁
４     ロータ
６     弁軸ホルダ
６ｄ   雌ネジ
１６   弁ポート
１６ａ 上縁部
１６ｂ 下縁部
１７   弁体
１７ａ 第１テーパ
１７ｂ 第２テーパ
１７ｃ 第３テーパ
１９   面取り
１９ａ 縁部
３０Ａ 弁座部材
６６   クリアランス
７９   切欠き
７９ａ 縁部
７９ｃ 壁部
７９ｄ 床部
８９   くびれ
８７   空間
９９   後退領域

Claims (7)

  1. 　ロータの回転運動を、雄ネジ部材と雌ネジ部材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、
    　弁閉状態において前記弁体を着座させる着座部および、前記弁体が挿入される弁ポートを有する弁座を有し、
    　前記弁体は、
    　弁閉状態において前記着座部と当接する第１テーパと、
    　前記第１テーパよりも先方に位置する第２テーパとを備え、
    　前記着座部に前記第１テーパを当接させた状態において、前記弁ポートと前記第２テーパとの間に形成されるクリアランスの幅よりも広い幅の空間が前記着座部と前記クリアランスの幅との間に形成されることを特徴とする電動弁。
  2. 　前記弁ポートの前記ロータ側には、弁体側から後退した後退領域が形成され、
    　前記弁閉状態において前記第１テーパは、前記後退領域の前記ロータ側の縁部を着座部として当接し、
    　前記後退領域と前記縁部に当接した前記第１テーパとの間に前記空間が形成されることを特徴とする請求項１記載の電動弁。
  3. 　前記第２テーパの高さは、前記後退領域の高さよりも高くなるように形成されていることを特徴とする請求項２記載の電動弁。
  4. 　前記後退領域は、前記ロータ側に向かって広がる面取りであることを特徴とする請求項２または３記載の電動弁。
  5. 　前記弁体の中心軸に対する第１テーパのテーパ面のテーパ角は、該電動弁の中心軸に対する前記面取りの表面の傾斜角よりも大きいことを特徴とする請求項４記載の電動弁。
  6. 　前記後退領域は、前記弁ポートの前記ロータ側に形成された切欠きであることを特徴とする請求項２または３記載の電動弁。
  7. 　前記第１テーパと前記第２テーパとの間にくびれが形成され、
    　前記着座部に前記第１テーパを当接させた状態において、前記くびれと前記弁ポートとの間に前記空間が形成されることを特徴とする請求項１記載の電動弁。
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