JP4812601B2 - 電動弁 - Google Patents

Description

この発明は、冷房または暖房もしくは除湿を行う空調機に用いられる冷媒のような流体の流量制御を行なう電動弁に関する。

従来、冷房または暖房もしくは除湿を行う空調機においては、その使い勝手の良さから、冷媒の流量制御のために、モ−タにより弁の開閉もしくは開度を制御する電動弁が使用されている。

電動弁を用いた空調機では、除湿運転を深夜に行う場合、電動弁のオンオフを繰り返す作動音が出るのは、ユーザには好まれないので、電動弁を全閉にすることなく冷媒量を絞った状態で運転することが望まれる。そこで、弁座にノッチや楔形の傷を付けることにより、弁が全閉位置にある状態においても、弁座と弁体との間に微小なクリアランスを持たせて、僅かな流量を確保するブリードポートを形成したものがある（特許文献１）。しかしながら、この電動弁の場合、弁体が弁座に接触する動作が繰り返し行われるためブリードポートが摩耗して冷媒流量が変化しやすいという問題があった。

また、冷凍サイクルに適用される電動弁では、コイルに通電することにより、ロータが回転して、一端部にニードル状の弁体を備えた弁軸が弁座に接離動作して、流量制御を行う。流量の正しい制御のため、弁軸の移動に関して、弁体がどの地点で開弁しどの地点で閉弁するかという基点出しを行うストッパ構造が必要になる。冷凍サイクルの大容量化に伴い、正確な基点出しがずれてくるのを長期に渡って防止可能とした電動式コントロールバルブのストッパ構造が提案されている（特許文献２）。しかしながら、このストッパ構造は摩耗しやすく、耐久性が低いという問題がある。
特開平１１−５１５１４号公報 特開２００３−６５４５４号公報

コンプレッサの焼付き防止や起動時の負荷の軽減を目的として、弁の全閉位置でも少量の流量を確保する必要があり、その少量流量の確保の手法として、従来、オリフィスと弁体との間に、（イ）ブリードポートの形成、（ロ）ノッチの形成、或いは（ハ）隙間の形成が提案されている。しかしながら、これらの提案には、次のような技術的な問題がある。即ち、（イ）のブリードポートの形成は、固定孔であるので詰まりが懸念される。また、（ロ）のノッチの形成は、高負荷機種ではオリフィス部の摩耗により流量変化が懸念される。そして、（ハ）隙間の形成は、オリフィスと弁体を当接させない構造となるため、弁体にコイルばねの圧縮を作用させることができないので、イニシャライズ時のストッパ衝突音が大きくなる。
この発明の目的は、上記問題点を解決し、イニシャライズ音を増長することなく、オリフィスや弁体の摩耗を抑制し、耐久性の向上を図った電動弁を提供することにある。

上記の課題を解決するため、この発明による電動弁は、内部に弁室と前記弁室に開口するオリフィスが形成されている弁本体、前記弁本体に軸線方向に移動可能に装着されており前記弁室側から前記オリフィスに接離可能な弁体を先端部に有する弁軸、及び前記オリフィスを通る流体の通過流量を制御するために前記弁本体に付設されており、ステッピングモータと前記ステッピングモータの回転を前記弁軸の軸方向の移動に変換する変換手段を有する駆動機構を備えた電動弁であって、前記オリフィスはスロート部で前記弁室に開口する先窄まりのテーパ孔として形成されており、前記弁体は断面同一の軸状部分と前記軸状部分の先端側に繋がるとともに先端に向かって縮径した先細部分とを有しており、前記弁軸は、前記弁体の閉弁位置で前記弁本体に形成されているストッパに係止して前記弁軸の閉弁方向の移動を規制する係止部を軸方向中間部に有しており、前記弁体は、前記閉弁位置で、前記軸状部分における前記先細部分寄りの部位が前記スロート部に位置し、前記オリフィスとの間に僅かな隙間を形成してブリードポートを構成することを特徴としている。

この電動弁によれば、ステッピングモータが駆動され、ステッピングモータの回転を弁軸の軸方向の移動に変換することで、弁軸が弁本体内を軸方に移動する。弁軸の先端部に備わる弁体がオリフィスに接離して、オリフィスの開口量を変更することでオリフィスを通る流体の通過流量を制御することができる。弁体の閉弁位置で、弁軸が軸方向中間部に有する係止部が弁本体に形成されているストッパに係止する。弁体は、閉弁位置で、オリフィスとの間に僅かな隙間を形成してブリードポートを構成するので、弁の全閉位置でも、僅かに流体はオリフィスとの間に形成される隙間を通じて流れる。したがって、除湿に必要な冷媒流路を確保できるとともに圧縮機の起動時などのように、流路に大きな圧力変動が生じるのを遅延・緩和させることができ、所謂イニシャライズ音を軽減することができる。また、オリフィスはスロート部で弁室に開口する先窄まりのテーパ孔として形成されており、弁体は断面同一の軸状部分と軸状部分の先端側に繋がるとともに先端に向かって縮径した先細部分とを有しており、弁体は、閉弁位置で、軸状部分における先細部分寄りの部位がスロート部に位置しているので、弁軸を全閉位置から弁開方向に駆動すると、弁体の先細部分は、直ちにオリフィスのスロート部から離れ、テーパ孔として形成されたオリフィスとの間で弁開度の応答性を高めることができる。

本発明によれば、弁体とオリフィスの間の隙間によってブリードポートが形成され、弁体がオリフィスに接触しないため、ブリードポートが摩耗しにくい耐久性の高い電動弁を得ることができる。また、イニシャライズ音を増長することなく、オリフィスや弁体の摩耗も抑制することができる。

以下、添付した図面に基づいて、この発明による電動弁の実施例を説明する。図１はこの発明による電動弁の一実施例の全体を示す縦断面図、図２は図１に示す電動弁の要部拡大断面図である。

図１において、全体を符号１で示す電動弁は、弁本体１０を有し、その内部には弁室１１と弁室１１に開口するオリフィス１２とが形成されている。また、弁本体１０には、配管２０，２２が接続されている。配管２０は、弁本体１０の弁室１１の一側方に接続され、冷媒としての二酸化炭素（ガス）を弁室１１に導入するための冷媒導入管であり、弁室１１の下方に接続されている配管２２は、冷媒導出管である。弁本体１０の上部には、弁を開閉駆動する駆動機構１３が付設されている。

駆動機構１３においては、円筒形状の圧力容器であるキャン３０が、その下端部３１において、弁本体１０の上部に固着されているステンレス製の鍔状の受け部材２３に形成された段差郡２３ａに突き合わせ溶接により密封接合されることで、弁本体１０の上部に取り付けられている。キャン３０は、ステンレス等の非磁性の金属板を素材として、深絞り加工等により半球状の天底３２を有する有底円筒状に形成されており、内部は気密状態に保たれている。キャン３０の外側には、ステッピングモータ４０のステータユニット４１が装備されており、キャン３０の内側には、所定の間隙αをあけて、ステッピングモータ４０のロータユニット４２が回転自在に配設されている。

ロータユニット４２は、磁性材料が樹脂に混入されて成形されたプラスチックマグネットから成るロータ４３と、ロータ４３に対してリング部材４４を介して連結された下方開口の筒状形状を有するねじ送り部材４５とを備えている。ロータ３０の材料の例として、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系等の希土類プラスチックマグネットが挙げられる。ねじ送り部材４５は、後述する弁軸１６を保持する弁軸ホルダとしての機能も有する。リング部材４４は、本実施形態ではロータ４３の成形時にインサートされた黄銅製の金属リングで構成されている。リング部材４４にねじ送り部材４５の上部突部がかしめ部４６によって固定され、これにより、ロータ４３、リング部材４４及びねじ送り部材４５が一体的に連結されている。

駆動機構１３によって、黄銅製の弁軸１６が弁本体１０内を昇降する。弁軸１６の下端にはニードル状の弁体１７が形成されている。オリフィス１２の弁室１１側に開く開口は弁口１５となっている。弁体１７がオリフィス１２に接近又は後退して弁口１５を開閉することによって、オリフィス１２を通過する流体（冷媒）の通過流量が制御される。

駆動機構１３は、更に、弁軸１６が摺動自在に嵌挿された筒状のガイドブッシュ４７を有しており、その外周に上記したねじ送り部材４５が嵌まり合い、且つねじ係合している。ガイドブッシュ４７の下端部４７ａは大径に形成されており、弁本体１０に設けられた嵌合穴２４に圧入（又は螺合）固定される。ガイドブッシュ４７の中央部付近には雄ねじ部４８が形成されている。ねじ送り部材４５には、ガイドブッシュ４７の雄ねじ部（固定ねじ部）４８に螺合する雌ねじ部（移動ねじ部）４９が形成されている。ねじ送り部材４５とガイドブッシュ４７によってロータ４３の回転を弁軸１６の軸方向の移動に変換する変換手段が構成されている。

ねじ送り部材４５の天底５０の中央部に弁軸１６の上部小径部１８が挿通せしめられている。上部小径部１８の上端部は、ねじ送り部材４５の天底上面に乗せられた規制部材としてのナット１９に圧入固定されている。

弁軸１６は、ねじ送り部材４５の天底５０と弁軸１６の中間段差部５１との間に縮装されたばね部材としての緩衝用のコイルばね５２によって常時下方、即ち、閉弁方向に付勢されている。弁軸１６のねじ送り部材４５に対する閉弁方向の移動はナット１９がねじ送り部材４５に当接することによって規制される。ガイドブッシュ４７の側面には弁室１１とキャン３０内の均圧を図る均圧孔５３が形成されている。ねじ送り部材４５の天底５０上には、コイルばねからなる復帰ばね５４が設けられている。復帰ばね５４は、ガイドブッシュ４７の固定ねじ部４８とねじ送り部材４５の移動ねじ部４９との螺合が外れたときに、キャン３０の内面に当接して固定ねじ部４８と移動ねじ部４９との螺合を復帰させるように働く。

キャン３０に外装されたステータユニット４１は、磁性材からなるヨーク６１と、ヨーク６１にボビン６２を介して巻回される上下のステ一タコイル６３，６３と、樹脂モールドカバー６６とから成っている。

ガイドブッシュ４７には、ストッパ機構の一方を構成する下ストッパ体（固定ストッパ）６７が固着され、ねじ送り部材４５にはストッパ機構の他方を構成する上ストッパ体（移動ストッパ）６８が固着されている。

図２は、図１に示す電動弁の要部を拡大して示す断面図である。図２において、弁軸１６は、図示されている弁体１７の閉弁位置で弁本体１０に形成されているストッパ７０に係止する係止部７１を軸方向中間部に有している。弁体１７は、閉弁位置で、オリフィス１２との間に僅かな隙間７２を形成してブリードポートを構成しており、弁体１７は弁口１５の周縁部に接触しない。弁体１７は、図示の全閉位置でも、僅かに流体が隙間７２を通じて流れるのを許容する。したがって、除湿時に必要な冷媒流量を確保できるとともに、冷凍サイクルの圧縮機の起動時などのように、流路に大きな圧力変動が生じるのを遅延・緩和させることができ、所謂イニシャライズ音を軽減することができる。また、弁軸１６がストッパ７０に当接する停止位置は、それよりも更に弁軸１６が降下しない限界位置（弁軸の上下リフトの基点）であるので、弁軸１６をその位置から更に降下させるためのステッピングモータ４０の駆動力を必要としないので、ステッピングモータ４０に不要な負荷が課されることがない。

ストッパ７０は、弁本体１０において、オリフィス１２の開口に向かい合う弁室１１の壁部７３を貫通して形成され且つ弁軸１６が挿通される挿通孔７４の端縁部に形成されている。また、弁軸１６の係止部７１は、弁軸１６の周面に段差として形成されている。ストッパ７０と係止部７１とをこのような構造とすることにより、切削や鍛造等の簡単な機械加工で形成することができ、電動弁の製造コスト低減に寄与している。弁軸１６の係止部７１から弁体１７に至る部分は、先細のテーパ軸部７８となっており、挿通孔７４やオリフィス１２と干渉することがない。

この実施例では、オリフィス１２はスロート部７５で弁室１１に開口する先窄まりのテーパ孔として形成されている。また、弁体１７は、断面同一の軸状部分７６と軸状部分７６の先端側に繋がるとともに先端に向かって縮径した先細部分７７とを有する。弁体１７の閉弁位置で、軸状部分７６における先細部分７７寄りの部位をスロート部７５に位置させることで、駆動機構１３が弁軸１６を全閉位置から弁開方向に駆動すると、弁体１７の先細部分７７が直ちにオリフィス１２のスロート部７５から離れるので、弁開度の応答性を高めることができる。オリフィス１２のスロート部７５の開口周囲には、環状の形状を呈する座ぐり部７９が形成されている。スロート部７５の開口周囲に座ぐり部７９を形成することによって、スロート部７５の形成時のバリを取り除くことができ、弁体１７とスロート部７５の干渉を防止し、弁体１７のスムーズな開閉移動に寄与することができる。

このような構成とされた電動弁１にあっては、駆動機構１３において、ステッピングモータ４０が駆動され、ステッピングモータ４０の回転を弁軸１６の軸方向の移動に変換することで、弁軸１６が弁本体１０内を軸方に移動する。弁軸１６の先端部に備わる弁体１７がオリフィス１２に接近又は後退して、オリフィス１２の弁口１５の開口量を変更することでオリフィス１２を通る通過流量を制御することができる。即ち、ステ一タコイル６３，６３に一方向の通電を行って励磁すると、弁本体１０に固定されたガイドブッシュ４７に対し、ロータ４３及びねじ送り部材４５が一方向に回転せしめられ、ガイドブッシュ４７の固定ねじ部４８とねじ送り部材４５の移動ねじ部４９とのねじ送りにより、例えばねじ送り部材４５が下方に移動する。ねじ送り部材４５の下方移動は、コイルばね５２を介して弁軸１６を下降させるので、弁体１７がオリフィス１２内に侵入して、弁口１５は略閉じられる。弁体１７とオリフィス１２との間には隙間７２が存在してブリードポートとなっており、所謂、閉弁状態であっても僅かに流体が隙間７２を通じて流れることができる。

ストッパ７０に係止部７１が係止して弁口１５が閉じられた時点では、上ストッパ体６７は未だ下ストッパ体６８に当接しておらず、弁体１７が弁口１５を閉じたままロータ４３及びねじ送り部材４５は更に回転下降する。このときは、弁軸１６に対してねじ送り部材４５が下降するため、緩衝用のコイルばね５２が圧縮せしめられることによりねじ送り部材４５の下降力は吸収される。その後、ロータ４３が更に回転してねじ送り部材４５が下降すると、上ストッパ体６７が下ストッパ体６８に衝接し、ステ一タコイル６３，６３に対する通電が続行されてもねじ送り部材４５の下降は強制的に停止される。これにより、ステッピングモータの回転基点が与えられる。また、ストッパ体６７，６８はコイルばね５２で緩衝されつつ当接するので摩耗しにくく耐久性が高い。

一方、ステ一タコイル６３，６３に他方向の通電を行って励磁すると、弁本体１０に固定されたガイドブッシュ４７に対し、ロータ４３及びねじ送り部材４５が前記と逆方向に回転される。ガイドブッシュ４７の固定ねじ部４８とねじ送り部材４５の移動ねじ部４９とのねじ送りにより、ねじ送り部材４５が上方に移動する。弁軸１６の下端の弁体１７がオリフィス１２から離れて、弁口１５が開かれ冷媒が弁口１５を通過する。この場合、ロータ３０の回転量により弁口１５の実効開口面積、即ち冷媒の通過流量を調整することができる。ロータ３０の回転量はパルス数により制御されるため、冷媒通過流量を高精度に調整することができる。

この発明による電動弁の一実施例の全体を示す縦断面図。 図１に示す電動弁の要部を拡大して示す断面図。

符号の説明

１ 電動弁 １０ 弁本体
１１ 弁室 １２ オリフィス
１３ 駆動機構 １５ 弁口
１６ 弁軸 １７ 弁体
１８ 上部小径部 １９ ナット
２０，２２ 配管
２３ 受け部材 ２３ａ 段差郡
２４ 嵌合穴 ３０ キャン
３１ 下端部 ３２ 天底
４０ ステッピングモータ ４１ ステータユニット
４２ ロータユニット ４３ ロータ
４４ リング部材 ４５ ねじ送り部材
４６ かしめ
４７ ガイドブッシュ ４７ａ 下端部
４８ 雄ねじ部 ４９ 雌ねじ部
５０ 天底 ５１ 中間段差部
５２ コイルばね ５３ 均圧孔
５４ 復帰ばね
６１ ヨーク ６２ ボビン
６３ ステ一タコイル ６６ 樹脂モールドカバー
６７ 下ストッパ体 ６８ 上ストッパ体
７０ ストッパ ７１ 係止部
７２ 隙間 ７３ 壁部
７４ 挿通孔 ７５ スロート部
７６ 軸状部分 ７７ 先細部分
７８ テーパ軸部 ７９ 座ぐり部
α 間隙

Claims (4)

1. 内部に弁室と前記弁室に開口するオリフィスが形成されている弁本体、前記弁本体に軸線方向に移動可能に装着されており前記弁室側から前記オリフィスに接離可能な弁体を先端部に有する弁軸、及び前記オリフィスを通る流体の通過流量を制御するために前記弁本体に付設されており、ステッピングモータと前記ステッピングモータの回転を前記弁軸の軸方向の移動に変換する変換手段を有する駆動機構を備えた電動弁において、
   前記オリフィスはスロート部で前記弁室に開口する先窄まりのテーパ孔として形成されており、
   前記弁体は断面同一の軸状部分と前記軸状部分の先端側に繋がるとともに先端に向かって縮径した先細部分とを有しており、
   前記弁軸は、前記弁体の閉弁位置で前記弁本体に形成されているストッパに係止して前記弁軸の閉弁方向の移動を規制する係止部を軸方向中間部に有しており、
   前記弁体は、前記閉弁位置で、前記軸状部分における前記先細部分寄りの部位が前記スロート部に位置し、前記オリフィスとの間に僅かな隙間を形成してブリードポートを構成することを特徴とする電動弁。
2. 前記ストッパは、前記弁本体において、前記オリフィスの開口に向かい合う前記弁室の壁部を貫通して形成され且つ前記弁軸が挿通される挿通孔の端縁部に形成されており、前記弁軸の係止部は、前記弁軸の周面に段差として形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。
3. 前記オリフィスの前記スロート部の開口周囲に、座ぐり部が形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。
4. 前記変換手段は、前記弁本体に固定され且つ前記弁軸が摺動自在に嵌挿されているガイドブッシュと、前記ステッピングモータによって回転駆動され且つ前記ガイドブッシュとねじ係合しているねじ送り部材と、前記弁軸と前記ねじ送り部材との間に介装されており前記弁軸を閉弁方向に付勢するばね部材と、前記弁軸の前記ねじ送り部材に対する閉弁方向の移動を規制する規制部材とを備え、
   前記ねじ送り部材と前記弁本体との間には、前記ストッパに前記係止部が係止した状態で更に前記ねじ送り部材が前記弁軸の閉弁方向に継続して移動した後に前記ねじ送り部材を停止させるストッパ機構が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動弁。

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