JP4550528B2 - 電動弁 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機、冷蔵庫等に組み込まれて使用される電動弁に係り、高圧の冷媒が用いられる場合でも、冷媒の通過流量を微少量まで精確に調整することができる電動弁に関する。

この種の電動弁の従来例を図３に示す。図示の電動弁１０’は、弁室２１、弁座２２（弁口２２ａ）、鍔状部材２３等を有する弁本体２０を備えている。弁本体２０は、弁座２２に接離する弁体２４ａ（弁軸２４）により冷媒等の流体の通過流量を調整するようになっており、弁本体２０の鍔状部材２３（に形成された段差部２３ａ）に、下方開口の有底円筒状のキャン４０の下端部４０ｂが突き合わせ溶接により密封接合されている。

前記弁本体２０の弁室２１の一側方には冷媒導入管６１が連結されるとともに、弁室２１の下方には、冷媒導出管６２が連結されている。

前記キャン４０の内周には、所定の間隙をあけてロータ３０が配在され、該ロータ３０を回転駆動すべく前記キャン４０の外周には、ヨーク５１、ボビン５２、ステータコイル５３，５３、及び樹脂モールドカバー５６等からなるステータ５０が配置され、前記ロータ３０と前記ステータ５０とでステッピングモータが構成されている。

そして、ロータ３０と弁軸２４との間には、ロータ３０の回転を利用して前記弁体２４ａを前記弁座２２に接離させる駆動機構が設けられている。この駆動機構は、弁本体２０にその下端部２６ａが固定されるとともに、弁軸２４が摺動自在に内挿された筒状のガイドブッシュ２６（の外周に形成された固定ねじ部２５）と、前記弁軸２４及びガイドブッシュ２６の外周に配在された下方開口の筒状の弁軸ホルダ３２（の内周に形成されて前記固定ねじ部２５に螺合せしめられた可動ねじ部３１）と、からなるねじ送り機構１５とされている。

より詳細には、弁軸２４の上部は、弁軸ホルダ３２の天底に遊挿せしめられて、その上端部にはナット部材３３が固定されており、前記ねじ送り機構１５により、弁軸ホルダ３２が回転しながら昇降せしめられると、弁軸２４はそれに伴って昇降せしめられる（共回りはしない）。

かかる構成の電動弁１０’においては、弁体２４ａが弁座２２から離れて（リフトして）いる状態（弁口２２ａが開状態）で、ステータコイル５３，５３に一方向の通電を行って励磁すると、弁本体２０に固定されたガイドブッシュ２６に対し、ロータ３０及び弁軸ホルダ３２が一方向に回転し、前記ねじ送り機構１５により、弁軸ホルダ３２が下降し、弁体２４ａが弁座２２に着座圧接して弁口２２ａが閉じられる。

弁体２４ａが弁座２２に着座した時点では、弁軸ホルダ３２の下端に設けられた可動ストッパ３７は未だ弁本体２０側に固定された固定ストッパ２７に当接しておらず、弁体２４ａが弁口２２ａを閉じたままロータ３０及び弁軸ホルダ３２はさらに回転しながら下降する。このときは、弁軸２４に対して弁軸ホルダ３２が下降するため、弁軸ホルダ３２と弁軸２４との間に配在された緩衝用のコイルばね３４が圧縮され、これにより、弁軸２４の弁体２４ａは、弁座２２に強く押圧され、閉弁される。その後、ロータ３０がさらに回転して弁軸ホルダ３２が下降すると、可動ストッパ３７が固定ストッパ２７に衝接し、ステータコイル５３，５３に対する通電が続行されても弁軸ホルダ３２の回転及び下降が強制的に停止せしめられる。

かかる停止状態から、ステータコイル５３，５３に他方向の通電を行って励磁すると、ガイドブッシュ２６に対し、ロータ３０及び弁軸ホルダ３２が前記と逆方向に回転し、前記ねじ送り機構１５により、今度は弁軸ホルダ３２が上昇して弁体２４ａが弁座２２から離れて弁口２２ａが開かれ、導入管６１から弁室２１に導入された冷媒が弁口２２ａを通過して導出管６２に流出し、弁体２４ａのリフト量に応じて冷媒の通過流量が調整される（詳細は、下記特許文献１等を参照）。

特開２００１−５０４１５号公報

前記した如くの従来の電動弁１０’においては、冷媒の通過流量は、弁口２２ａの実効開口面積、つまり、弁体２４ａの弁座２２からのリフト量により決まり、弁体２４ａのリフト量は、前記ねじ送り機構１５のピッチとロータ３０の回転数（ステッピングモータのステップ数）により定まる。

ここで、一般に、この種の電動弁においては、所望する最大通過流量が得られるように、予め弁体の最大リフト量（全開状態）、言い換えれば、ステッピングモータの最大ステップ数が定められる。つまり、ロータを最大で例えば５回転させるようにステータへの通電制御が行われる。この場合、前記ねじ送り機構１５のピッチが、例えば、０．６［ｍｍ］とされている場合、前記ロータ３０及び弁軸ホルダ３２が１回転、２回転、３回転、４回転、５回転すると、前記弁体２４ａのリフト量は、０．６、１．２、１．８、２．４、３．０［ｍｍ］と、０．６［ｍｍ］間隔で変化する。

ところが、特に、冷蔵庫等に使用される電動弁（膨張弁として使用）にあっては、制御冷媒流量が非常に微量であるので、制御がラフとなり、又、二酸化炭素（ガス）を用いる場合には、冷媒圧を高圧（従来比で１０倍程度）にする必要がある。しかし、高圧の冷媒を用いると、前記のように０．６［ｍｍ］間隔で弁体をリフトさせると、冷媒の通過流量の変化が大きくなり過ぎるという問題があった。

かかる問題を解消するための一つの方策として、例えば、前記弁口の口径や弁角度（実効開口面積）を小さくすることが考えられる。しかし、実効開口面積を小さくするにも限界があり、それだけでは、かかる問題を完全には解消できない。

また、他の方策として、前記ねじ送り機構１５のピッチを小さくすること（例えば、０．６［ｍｍ］から０．２［ｍｍ］に）が考えられる。しかしながら、ねじ送り機構１５のピッチを小さくすると、ロータ一回転当たりのリフト量が小さく、前記回転規制用の固定ストッパ２７と可動ストッパ３７との衝接・離間が適切に行われなくなる等の問題が生じる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、既存の電動弁に用いられているステータ等の部品を共用しながら、高圧の冷媒が用いられる場合でも、回転規制等に支障を来すことなく、冷媒の通過流量を細かく適切に調整することができる電動弁を提供することにある。

前記の目的を達成すべく、本発明に係る電動弁は、弁体を有する弁軸と、前記弁体が接離する弁座を有する弁本体と、該弁本体に接合されたキャンと、該キャンの内周に配在されたロータと、該ロータを回転駆動すべく前記キャンに外嵌されたステータと、前記弁本体に固定され、前記弁軸が内挿されたガイドブッシュと、前記弁軸及びガイドブッシュの外周に配在され、前記ロータに一体回転可能に連結された弁軸ホルダと、を備え、前記弁軸は、前記弁軸ホルダと一体回転可能とされるとともに、前記弁軸ホルダに対して軸方向に相対移動可能とされ、かつ、前記弁体を前記弁座に接離させるべく、前記ガイドブッシュの内周に形成された第１固定ねじ部と、前記弁軸の外周に形成されて、前記第１固定ねじ部に螺合せしめられる第１可動ねじ部と、からなる流量調整用ねじ送り機構が設けられており、前記ガイドブッシュの外周に形成された第２固定ねじ部と、前記弁軸ホルダの内周に形成されて、前記第２固定ねじ部に螺合せしめられる第２可動ねじ部と、からなる回転規制用ねじ送り機構が設けられており、前記ガイドブッシュもしくは前記弁本体に設けられた固定ストッパと、該固定ストッパに衝接可能とされ前記弁軸ホルダに設けられた可動ストッパと、からなる回転規制用ストッパ機構を備えており、前記回転規制用ねじ送り機構は、前記回転規制用ストッパ機構により前記弁軸の回転が規制される。

好ましい態様では、前記流量調整用ねじ送り機構のピッチは、前記回転規制用ねじ送り機構のピッチより小もである。

更に好ましい態様では、前記弁体は、前記弁軸の下端部に設けられた筒状部に軸方向に移動可能に嵌挿されるとともに、前記筒状部に設けられた係止部により抜け止め係止され、かつ、前記筒状部には、前記弁体を下方に付勢する緩衝用のばねが配在される。

本発明に係る電動弁は、既存の電動弁に用いられている電動モータ等の部品を共用しながら、高圧の冷媒が用いられる場合でも、回転規制等に支障を来すことなく、冷媒の通過流量を微少流量まで精確に調整することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１に、本発明に係る電動弁の一実施形態を示す。なお、図１においては、前述した図３に示される電動弁１０’の各部に対応する部分には同一の符号が付されている。

図１に示される電動弁１０は、弁室２１、弁座２２（弁口２２ａ）、鍔状部材２３等を有し、前記弁座２２に接離するニードル状の弁体２４Ａにより冷媒の通過流量を調整する弁本体２０と、この弁本体２０にその下端部４０ｂが溶接により密封接合されるキャン４０と、このキャン４０の内周に所定の間隙をあけて配在されるロータ３０と、該ロータ３０を回転駆動すべくキャン４０に外嵌されたステータ５０と、を備えている。

前記弁本体２０の弁室２１の一側方には、冷媒としての高圧の二酸化炭素（ガス）を弁室２１に導入するための冷媒導入管６１が連結されるとともに、弁室２１の下方には、冷媒導出管６２が連結されている。

ステータ５０は、磁性材からなるヨーク５１と、このヨーク５１にボビン５２を介して巻回される上下のステータコイル５３，５３と、樹脂モールドカバー５６と、からなり、ロータ３０とステータ５０とステータコイル５３，５３とによりモータ（この実施例ではステッピングモータ）が構成される。ここで、本実施形態のステータ５０は、図３に示される従来のものと同じ（共用）であり、ロータ３０を最大で例えば５回転させるようにステータ５０への通電制御が行われる。

前記ロータ３０の材料として、例えば、Ｎｄ-Ｆｅ-Ｂ系等の希土類プラスチックマグネットが用いられている。

前記キャン４０は、ステンレス等の非磁性の金属を素材として、深絞り加工等により半球状の天底４０ａを有する有底円筒状に形成されている。

キャン４０の下端部（開口端縁部）４０ｂは、弁本体２０の上部に固着されているステンレス製の鍔状部材２３に形成された段差部２３ａに突き合わせ溶接により密封接合され（溶接部分Ｋ）、内部は気密状態に保たれている。

前記キャン４０内には、弁体２４Ａを有する黄銅製の弁軸２４と、弁本体２０に設けられた嵌合穴４２にその下端部２６ａが圧入（又は螺合）固定され、前記弁軸２４が内挿されたガイドブッシュ２６と、前記弁軸２４及びガイドブッシュ２６の外周に配在され、前記ロータ３０に一体回転可能に連結された弁軸ホルダ３２と、が備えられている。

前記弁体２４Ａは、弁軸２４の下部に形成された筒状部２４Ｂに軸方向に摺動可能に嵌挿され、前記筒状部２４Ｂ内に圧入固定されているカラー３８により抜け止め係止されている。前記筒状部２４Ｂ内には、弁体２４Ａを下方に付勢する緩衝用のコイルばね３４が縮装されている。

本実施形態では、弁体２４Ａの先端部（下端部）は、図３に示される従来の弁体２４ａより細くされ、それに応じて弁口２２ａの径も小さく（従来は１．５［ｍｍ］程度であったものを例えば０．５［ｍｍ］程度に）されている。

前記弁体２４Ａを前記弁座２２に接離させるべく、前記ガイドブッシュ２６の上端部近くの内周には第１固定ねじ部２８が形成され、また、前記弁軸２４の大径部２４ｂの上端部外周には、前記第１固定ねじ部２８に螺合せしめられる第１可動ねじ部２９が形成されており、それら固定ねじ部２８と可動ねじ部２９とで流量調整用ねじ送り機構１１が構成されている。

前記弁軸ホルダ３２の天底３２ｃの中央部に形成された穴３２ｅには、図２に示される如くに、Ｄカット（面取り部４２ａ）が施された弁軸回転用スリーブ４２の下端部が相対移動可能に遊挿され、前記弁軸回転用スリーブ４２に弁軸２４の上部小径部２４ｃが圧入固定されている。したがって、前記弁軸２４は、前記弁軸ホルダ３２と一体回転可能とされるとともに、前記弁軸ホルダ３２に対して軸方向に相対移動可能とされている。

また、前記ガイドブッシュ２６の中間部外周には第２固定ねじ部２５が形成され、前記弁軸ホルダ３２の下端部内周には、前記第２固定ねじ部２５に螺合せしめられる第２可動ねじ部３１が形成され、それら固定ねじ部２５と可動ねじ部３１とで回転規制用ねじ送り機構１２が構成されている。

なお、ガイドブッシュ２６の側面には弁室２１とキャン４０内の均圧を図る均圧孔３２ａが形成されている。また、弁軸ホルダ３２の天底３２ｃ上には、コイルばねからなる復帰ばね３５が設けられている。復帰ばね３５は、回転規制用ねじ送り機構１２におけるねじ部の螺合が解けたとき、その螺合を復帰させるように働く。

弁軸ホルダ３２とロータ３０とは支持リング３６を介して結合されており、支持リング３６は、本実施形態ではロータ３０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。支持リング３６に弁軸ホルダ３２の上部突部がかしめ固定され、これにより、ロータ３０、支持リング３６及び弁軸ホルダ３２が一体的に連結されている。

ガイドブッシュ２６には、回転規制用ストッパ機構の一方を構成する固定ストッパ２７が固着され、弁軸ホルダ３２にはストッパ機構の他方を構成する可動ストッパ３７が固着されている。

そして、本実施形態では、前記回転規制用ねじ送り機構１２のピッチは、例えば、０．６［ｍｍ］とされ（従来のねじ送り機構１５と同じ）、前記流量調整用ねじ送り機構１１のピッチは、例えば、０．２［ｍｍ］とされている。

このような構成とされた電動弁１０にあっては、弁体２４Ａが弁座２２から離れて（リフトして）いる状態（弁口２２ａが開状態）で、ステータコイル５３，５３に一方向の通電を行って励磁すると、弁本体２０に固定されたガイドブッシュ２６に対し、ロータ３０及び弁軸ホルダ３２が一方向に回転し、回転規制用のねじ送り機構１２により弁軸ホルダ３２が１回転につき例えば０．６［ｍｍ］ずつ下降するとともに、流量調整用ねじ送り機構１１により弁軸２４が１回転につき例えば０．２［ｍｍ］ずつ下降し、弁体２４Ａが弁座２２に着座圧接して弁口２２ａが閉じられる。

弁口２２ａが閉じられた時点では、弁軸ホルダ３２の下端に設けられた可動ストッパ３７は未だ弁本体２０側に固定された固定ストッパ２７に衝接しておらず、弁体２４Ａが弁口２２ａを閉じたままロータ３０及び弁軸ホルダ３２はさらに回転しながら下降するとともに、前記弁軸２４も下降する。このときは、弁体２４Ａに対して弁軸２４が下降するため、弁軸２４と弁体２４Ａとの間に配在された緩衝用のコイルばね３４が圧縮され、これにより、弁軸２４の下降力は吸収される。その後、ロータ３０がさらに回転して弁軸ホルダ３２が下降すると、可動ストッパ３７が固定ストッパ２７に衝接し、ステータコイル５３，５３に対する通電が続行されても弁軸ホルダ３２及び弁軸２４の回転及び下降が強制的に停止せしめられる。

かかる停止状態から、ステータコイル５３，５３に他方向の通電を行って励磁すると、ガイドブッシュ２６に対し、ロータ３０、弁軸ホルダ３２、及び弁軸２４が前記と逆方向に回転し、前記ねじ送り機構１２により、今度は弁軸ホルダ３２が１回転につき例えば０．６［ｍｍ］ずつ上昇して（最大リフト量は５回転時の３．０［ｍｍ］）可動ストッパ３７が固定ストッパ２７から離間するとともに、前記ねじ送り機構１１により、弁軸２４が１回転につき例えば０．２［ｍｍ］ずつ上昇し（最大リフト量は５回転時の１．０［ｍｍ］）、弁体２４Ａが弁座２２から離れて弁口２２ａが開かれ、導入管６１から弁室２１に導入された冷媒が弁口２２ａを通過して導出管６２に流出し、弁体２４Ａのリフト量に応じて冷媒の通過流量が調整される。

このように、本実施形態では、流量調整用のねじ送り機構１１と回転規制用のねじ送り機構１２とを設け、流量調整用のねじ送り機構１１のピッチを回転規制用のねじ送り機構１２のピッチの１／３程度にしたので、高圧の冷媒が用いられる場合でも、回転規制等に支障を来すことなく、冷媒の通過流量を微少流量まで精確に調整することができる。

本発明に係る電動弁の一実施形態を示す縦断面図。 図１のＡ−Ａ矢視拡大断面図。 従来の電動弁の一例を示す縦断面図。

符号の説明

１０ 電動弁
１１ 流量調整用ねじ送り機構
１２ 回転規制用ねじ送り機構
２０ 弁本体
２１ 弁室
２２ 弁座
２２ａ 弁口
２４ 弁軸
２４Ａ 弁体
２５ 第２固定ねじ部
２６ ガイドブッシュ
２７ 固定ストッパ
２８ 第１固定ねじ部
３０ ロータ
２９ 第２可動ねじ部
３１ 第１可動ねじ部
３２ 弁軸ホルダ
３４ 緩衝用コイルバネ
３７ 可動ストッパ
４０ キャン
４２ 弁軸回転用スリーブ
５０ ステータ

Claims (3)

1. 弁体を有する弁軸と、前記弁体が接離する弁座を有する弁本体と、該弁本体に接合されたキャンと、該キャンの内周に配在されたロータと、該ロータを回転駆動すべく前記キャンの外周に配在されたステータと、前記弁本体に固定され前記弁軸が内挿されたガイドブッシュと、前記弁軸及びガイドブッシュの外周に配在され前記ロータに一体回転可能に連結された弁軸ホルダと、を備えた電動弁であって、
   前記弁軸は、前記弁軸ホルダと一体回転可能とされるとともに、前記弁軸ホルダに対して軸方向に相対移動可能とされ、かつ、前記弁体を前記弁座に接離させるべく、前記ガイドブッシュの内周に形成された第１固定ねじ部と、前記弁軸の外周に形成されて、前記第１固定ねじ部に螺合せしめられる第１可動ねじ部と、からなる流量調整用ねじ送り機構が設けられており、
   前記ガイドブッシュの外周に形成された第２固定ねじ部と、前記弁軸ホルダの内周に形成されて、前記第２固定ねじ部に螺合せしめられる第２可動ねじ部と、からなる回転規制用ねじ送り機構が設けられており、
   前記ガイドブッシュもしくは前記弁本体に設けられた固定ストッパと、該固定ストッパに衝接可能とされ前記弁軸ホルダに設けられた可動ストッパと、からなる回転規制用ストッパ機構を備えており、
   前記回転規制用ねじ送り機構は、前記回転規制用ストッパ機構により前記弁軸の回転が規制されることを特徴とする電動弁。
2. 前記流量調整用ねじ送り機構のピッチが、前記回転規制用ねじ送り機構のピッチよりも小であることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
3. 前記弁体は、前記弁軸の下端部に設けられた筒状部に軸方向に移動可能に嵌挿されるとともに、前記筒状部に設けられた係止部により抜け止め係止され、かつ、前記筒状部には、前記弁体を下方に付勢する緩衝用のばねが配在されていることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。

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