JP4881137B2 - 流量制御弁及び冷凍サイクル - Google Patents

Description

本発明は、流量制御弁に係り、特に、流量制御が必要とされないときでも少量の冷媒を一方向に流しておくことが要求される、例えば空気調和機等の冷凍サイクルに組み込まれて使用され、冷媒として二酸化炭素（ガス）を用いるのに好適な流量制御弁及び該流量制御弁を用いた冷凍サイクルに関する。

空気調和機等に組み込まれて使用される流量制御弁の従来例を図５に示す。図示の流量制御弁１０’は、下部大径部２５ａと上部小径部２５ｂを有し、前記下部大径部２５ａの下端部に弁体２４が一体に設けられた弁軸２５と、前記弁体２４が接離する弁座２２が設けられるとともに、この弁座２２に形成された弁口２２ａを介して冷媒が導入される弁室２１を有する弁本体２０と、この弁本体２０にその下端部が密封接合されたキャン４０と、このキャン４０の内周に所定の間隙αをあけて配在されたロータ３０と、このロータ３０を回転駆動すべく前記キャン４０に外嵌されたステータ５０と、前記ロータ３０と前記弁体２４との間に配在され、前記ロータ３０の回転を利用して前記弁体２４を前記弁座２２に接離させる駆動機構とを備え、前記弁座２２に対する弁体２４のリフト量を変化させることにより冷媒の通過流量を制御するようになっている。

前記ステータ５０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等で構成され、前記ロータ３０やステータ５０等でステッピングモータが構成される。

前記駆動機構は、弁本体２０にその下端部２６ａが圧入固定されるとともに、弁軸２５（の下部大径部２５ａ）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（雄ねじ部）２８と、前記弁軸２５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２８に螺合せしめられた移動ねじ部（雌ねじ部）３８とからなるねじ送り機構で構成されている。

また、前記ガイドブッシュ２６の上部小径部２６ｂが弁軸ホルダ３２の上部に内挿されるとともに、弁軸ホルダ３２の天井部３２ａ中央に弁軸２５の上部小径部２５ｂが挿通せしめられている。弁軸２５の上部小径部２５ｂの上端部にはプッシュナット３３が圧入固定されている。

また、前記弁軸２５は、該弁軸２５の上部小径部２５ｂに外挿され、かつ、弁軸ホルダ３２の天井部３２ａと弁軸２５における下部大径部２５ａの上端段丘面との間に縮装された圧縮コイルばね３４によって、常時下方（閉弁方向）に付勢されている。弁軸ホルダ３２の天井部３２ａ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。

弁軸ホルダ３２とロータ３０とは支持リング３６を介して結合されるとともに、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、前記ロータ３０が所定の閉弁位置まで回転下降せしめられた際、それ以上の回転下降を阻止するための回転下降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）２７が固着され、弁軸ホルダ３２には前記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）３７が固着されている。

なお、前記圧縮コイルばね３４は、弁体２４が弁座２２に着座する閉弁状態において所要のシール圧を得るため、及び、弁体２４が弁座２２に衝接した際の衝撃を緩和するために配備されている。

このような構成とされた流量制御弁１０’にあっては、ステータコイル５３，５３に第１の態様で通電励磁パルスを供給することにより、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が一方向に回転せしめられ、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２８と弁軸ホルダ３２の移動ねじ部３８とのねじ送りにより、例えば弁軸ホルダ３２が下方に移動して弁体２４が弁座２２に押し付けられて弁口２２ａが閉じられる。

弁口２２ａが閉じられた時点では、上ストッパ体３７は未だ下ストッパ体２７に衝接しておらず、弁体２４が弁口２２ａを閉じたままロータ３０及び弁軸ホルダ３２はさらに回転下降する。この場合、弁軸２５（弁体２４）は下降しないが、弁軸ホルダ３２は下降するため、圧縮コイルばね３４が所定量圧縮せしめられ、その結果、弁体３４が弁座２２に強く押し付けられるとともに、弁軸ホルダ３２の回転下降により、上ストッパ体３７が下ストッパ体２７に衝接し、その後ステータコイル５３，５３に対するパルス供給が続行されても弁軸ホルダ３２の回転下降は強制的に停止される。

一方、ステータコイル５３，５３に第２の態様で通電励磁パルスを供給すると、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が前記と逆方向に回転せしめられ、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２８と弁軸ホルダ３２の移動ねじ部３８とのねじ送りにより、今度は弁軸ホルダ３２が上方に移動する。この場合、弁軸ホルダ３２の回転上昇開始時点（パルス供給開始時点）では、圧縮コイルばね３４が前記のように所定量圧縮せしめられているので、圧縮コイルばね３４が前記所定量分伸長するまでは、前記弁体２４が弁座２２からは離れず閉弁状態（リフト量＝０）のままである。そして、圧縮コイルばね３４が前記所定量分伸長した後、弁軸ホルダ３２がさらに回転上昇せしめられると、前記弁体２４が弁座２２から離れて弁口２２ａが開かれ、冷媒が弁口２２ａを通過する。この場合、ロータ３０の回転量により弁口２２ａの実効開口面積、すなわち冷媒の通過流量を調整することができ、ロータ３０の回転量は供給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制御することができる（詳細は、下記特許文献１等を参照）。

特開２００１−５０４１５号公報

前記のような従来の流量制御弁１０’においては、次のような解決すべき課題があった。

すなわち、前記構成のままでは、ロータ３０が最下降位置（所定の閉弁位置）にあってその回転も停止せしめられている状態（上ストッパ体３７が下ストッパ体２７に当接係止されている状態）においては、冷媒を流すことができないが、前記のように、流量制御が必要とされないときでも少量の冷媒を一方向に流しておくことが要求される場合がある。例えば冷媒として二酸化炭素（ガス）が用いられる給湯システムの冷凍サイクル等では、特開平１０−２７４３５２号公報に記載のように、弁体にノッチを設けたり、あるいは弁座にノッチを設けたりしている。

また、弁体２４は、閉弁時（弁座２２に着座時）には圧縮コイルばね３４の付勢力により弁座２２に強く押し付けられて静止状態にあるので、この状態でロータ３０及び弁軸ホルダ３２が回転せしめられると、弁軸ホルダ３２の回転に伴って前記圧縮コイルばね３４にも回転力が加えられる。そのため、ロータ３０及び弁軸ホルダ３２が上昇し、弁軸ホルダ３２がプッシュナット３３と接触して開弁しようする瞬間においては、弁軸ホルダ３２とプッシュナット３３の間、固定ねじ部２８と移動ねじ部３８との間、及び、圧縮コイルばね３４とその上端を受けるばね受けとなっているワッシャ３９との間に大きな摩擦抵抗が発生する。したがって、この摩擦抵抗、つまり、弁体２４が弁座２２から離れる時（開弁する時）に弁体２４と弁軸ホルダ３２との間で発生する摩擦抵抗を小さくすることで、弁開閉動作に必要とされる駆動力を小さくすることができる。言い換えれば、前記摩擦抵抗を低減できれば、ステッピングモータとして出力トルクの小さなもの、すなわち、小型で価格の安いものを使用することができる。

さらに、従来の流量制御弁１０’では、閉弁状態から開弁するまで（流量制御可能時点まで）に時間がかかり、応答性が悪かった。詳しくは、縦軸に流量、横軸に回転量（供給パルス数）がとられた図６において仮想線（二点鎖線）で示される如くに、閉弁時、すなわち、弁軸ホルダ３２の回転上昇開始時点（＝パルス供給開始時点：流量及び回転量が共に０）では、圧縮コイルばね３４が前記のように所定量圧縮せしめられているので、圧縮コイルばね３４が前記所定量分伸長してその付勢力が弱くなるまで、つまり、回転量（供給パルス数）がＰａとなるまでは、前記弁体２４が弁座２２からは離れず（リフト量＝０）閉弁状態のままであり、回転量（供給パルス数）がＰａ以上となってから開弁し始めて流量制御可能となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、流量制御が必要とされないときでも少量の冷媒を一方向に流しておくことができるとともに、弁開閉動作に必要とされる駆動力を小さく抑えることができてステッピングモータを含む流量制御弁全体の小型化を図ることができ、さらに、応答性等も向上できて素早く流量制御を行うことのできる流量制御弁を提供することにある。

前記の目的を達成すべく、本発明に係る流量制御弁は、基本的には、下端部に弁体が設けられた弁軸と、前記弁体が接離する弁座が設けられるとともに、前記弁座に形成された弁口を介して流体が導入される弁室を有する弁本体と、前記弁口に連結された流体導入口と、前記弁室の一側方に連結された流体導出口と、前記弁本体にその下端部が密封接合されたキャンと、該キャンの内周に所定の間隙をあけて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、前記ロータと前記弁体との間に配在され、前記ロータの回転を利用して前記弁体を前記弁座に接離させる駆動機構とを備える。

そして、前記弁軸に、前記弁体を前記弁座に押し付ける方向に付勢する圧縮コイルばねが配備されるとともに、該圧縮コイルばねは前記弁口を挟んだ流体入口側と前記弁室側との圧力差によって前記弁体が前記圧縮コイルばねの付勢力に抗して前記弁座からリフトせしめられるのを許容するように形成され、前記弁口を挟んだ流体導入口側と弁室側との圧力差によって前記弁体をプレリフトして少量の流体を流すために、該弁体のリフト量が所定量以上になるのを阻止するためのプレリフト用ストッパ手段が備えられ、前記ロータの回転による流量制御は、プレリフト状態から成されることを特徴としている。

前記駆動機構は、好ましくは、前記弁本体にその下端部が固定されるとともに、前記弁軸が摺動自在に内挿された筒状のガイドブッシュの外周に形成された固定ねじ部と、前記ロータに一体に連結されて前記弁軸及びガイドブッシュの外周に配在された下方開口の筒状の弁軸ホルダの内周に形成された移動ねじ部とからなるねじ送り機構で構成される。

前記弁軸は、好ましくは、上から順に、前記弁軸ホルダの天井部に形成された挿通穴に通される上部小径部、該上部小径部より大径の上部大径部、該上部大径部より大径の下部大径部を有しており、前記圧縮コイルばねは、前記上部大径部に外挿されるとともに、実質的に前記弁軸ホルダの天井部と前記下部大径部の上端段丘面との間に介装される。

好ましい態様では、前記圧縮コイルばねの上端と前記弁軸ホルダの天井部との間にばね受けワッシャが介装される。

他の好ましい態様では、前記弁体が前記弁座に着座している閉弁状態では、前記天井部もしくは前記ばね受けワッシャと前記上部大径部の上端段丘面との間に所定の間隙が形成されるようになっており、前記天井部の挿通穴周縁部もしくは前記ばね受けワッシャと前記上部大径部の上端段丘面とで前記プレリフト用ストッパ手段が構成される。

上記とは別の好ましい態様では、前記弁軸は、前記ロータに一体回転可能に連結された上部軸体と該上部軸体の下端部に連結固定された天井部及び底部を有する有底円筒状の弁体ホルダとを備え、前記弁体は、前記弁座に着座する弁部、該弁部に連なる胴部、前記弁体ホルダの底部に形成された挿通穴に通される、前記胴部より小径の上部小径部を有し、前記弁体ホルダ内に、前記弁体を前記弁座に押し付ける方向に付勢する前記圧縮コイルばねが配備される。

この場合、前記駆動機構は、好ましくは、前記弁本体にその下端部が固定されるとともに、前記弁軸が摺動自在に内挿された筒状のガイドブッシュの内周に形成された固定ねじ部と、前記弁軸の上部軸体の外周に形成された移動ねじ部とからなるねじ送り機構で構成される。

好ましい態様では、前記弁体が前記弁座に着座している閉弁状態では、前記弁体ホルダの底部と前記弁体の胴部の上端との間に所定の間隙が形成されるようになっており、前記底部の挿通穴周縁部と前記胴部の上端段丘面とで前記プレリフト用ストッパ手段が構成される。

別の好ましい態様では、前記駆動機構に、前記ロータが所定の閉弁位置まで回転下降せしめられた際、それ以上の回転下降を阻止するための回転下降ストッパ手段が設けられる。
また、本発明に係る冷凍サイクルは、圧縮機と、該圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器で凝縮した冷媒の通過流量を制御する流量制御弁と、該流量制御弁で流量制御された冷媒を蒸発させる蒸発器と、を配管で接続してなる冷媒サイクルであって、前記流量制御弁が本願の発明に係る流量制御弁で構成されると共に、前記流量制御弁の弁室側が低圧側、前記流量制御弁の弁座側が高圧側となるように前記流量制御弁に配管を接続したことを特徴としている。

本発明に係る流量制御弁では、ロータが最下降位置（所定の閉弁位置）にあって回転下降ストッパ手段によりその回転下降も停止せしめられている状態においても、弁口を挟んだ流体入口側と弁室側との圧力差によって弁体が圧縮コイルばねの付勢力に抗して弁座からリフト（プレリフト）せしめられるとともに、このプレリフト時において、そのリフト量が所定量以上になるのを阻止するためのプレリフト用ストッパ手段が備えられているので、ロータが最下降位置（所定の閉弁位置）にあるときにも少量の冷媒を流すことができるとともに、前記プレリフト状態からロータを回転させれば、このロータ及び弁軸ホルダの回転上昇に伴って弁体のリフト量が増大するので、弁口を通過する冷媒流量を制御することができる。

したがって、本発明の流量制御弁は、流量制御を行わないときでも少量の冷媒を一方向に流しておくことが必要とされる、例えば冷媒として二酸化炭素（ガス）が用いられる給湯システムの冷凍サイクル等にも使用することができる。また、常に冷媒を流しておくことができるので、配管系が異常に高圧になることを防止できる等の利点も得られる。

また、流量制御を行わないときでも弁体は弁座から離れているので、流量制御を行うべくロータ及び弁軸ホルダを回転させる際、このときの摩擦抵抗はねじ送り機構（固定ねじ部と移動ねじ部との間）で発生するものだけとなり、従来より摩擦抵抗を格段に低減できる。そのため、弁開閉動作に必要とされる駆動力を小さく抑えることができてステッピングモータを含む流量制御弁全体の小型化を図ることができる。

加えて、流量制御を行わないときでも弁体は弁座から離れていることから、かかる状態でパルス供給を行ってロータ及び弁軸ホルダを回転させれば、直ちに弁体のリフト量が変化する（従来例のように圧縮コイルばね３４が所定量伸長するのを待つ必要はない）ので、素早く流量を制御することができ、従来例のものより応答性が格段に向上する。

また、プレリフト量を調節することで、弁閉時における冷媒流量を容易に所望の値に設定できるとともに、弁閉時の冷媒流量を従来よりも大きくとることが可能である。また、プレリフトする際の圧力差は圧縮コイルばねの付勢力を変更することにより自由に設定可能である。

以下、本発明の流量制御弁の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る流量制御弁の第１実施形態の縦断面図である。なお、図１においては、前述した図３に示される従来例の流量制御弁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に示される流量制御弁１０は、空気調和機等の冷凍サイクルに組み込まれるものである。この冷凍サイクルは、圧縮機１０１と、圧縮機１０１により圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器１０２と、該凝縮器１０２で凝縮した冷媒の通過流量を制御する流量制御弁１０と、該流量制御弁１０で流量制御された冷媒を蒸発させる蒸発器１０３とを配管で接続したものである。なお、必要に応じてレシーバや、その他の機器が接続されることもある。

流量制御弁１０は、上から順に、上部小径部２５ｃ、該上部小径部２５ｃより大径の上部大径部２５ｂ、該上部大径部２５ｂより大径の下部大径部２５ａを有し、この下部大径部２５ａの下端部に弁体２４が一体に設けられた弁軸２５と、前記弁体２４が接離する弁座２２が設けられるとともに、この弁座２２に形成された弁口２２ａを介して冷媒が導入される弁室２１を有する弁本体２０とを備え、前記弁口２２ａの下方には、冷媒導入口となる導管（配管）６２が連結固定され、前記弁室２１の一側方には、冷媒導出口となる導管（配管）６１が連結固定されている。したがって、本実施形態の流量制御弁１０において、冷媒の流れは、図１の仮想線矢印で示されているように、図５に示される従来例のものとは逆に、導管６２（冷媒導入口）→弁口２２ａ→弁室２１→導管６１（冷媒導出口）となり、前記弁座２２に対する弁体２４のリフト量を変化させることにより冷媒の通過流量を制御するようになっている。なお、弁口２２ａの口径は従来例のものより大きくされており、冷媒通過流量の増大（大容量化）に対応できるようになっている。

前記弁本体２０の鍔状部材２３（に形成された段差部）には、皿状の天井部４０ａを有する下方開口の円筒状のキャン４０の下端部が突き合わせ溶接により密封接合されている。

前記キャン４０の内周には、所定の間隙α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の円筒状部分４０ａ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が外嵌されている。ここでは、前記ロータ３０やステータ５０によりステッピングモータが構成されている。

そして、前記ロータ３０と弁軸２５との間には、ロータ３０の回転を利用して前記弁体２４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が圧入固定されるとともに、弁軸２５が摺動自在に内挿された筒状のガイドブッシュ２６の中間部外周に形成された固定ねじ部２８と、前記弁軸２５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の下部内周に形成されて前記固定ねじ部２８に螺合せしめられた移動ねじ部３８とからなるねじ送り機構で構成されている。

また、前記ガイドブッシュ２６の上部小径部２６ｂが弁軸ホルダ３２の上部に内挿されるとともに、弁軸ホルダ３２の天井部３２ａ中央に形成された挿通穴３２ｃには弁軸２５の上部小径部２５ｃが通されている。この上部小径部２５ｃの上部には、プッシュナット３３が圧入固定されている。なお、ガイドブッシュ２６の下部大径部２６ａ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。

弁軸ホルダ３２の天井部３２ａ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、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２８と弁軸ホルダ３２の移動ねじ部３８との螺合が外れたときに、キャン４０の天井部４０ａに当接して固定ねじ部２８と移動ねじ部３８と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、回転下降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）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上ストッパ体（移動ストッパ）３７が固着されている。

そして、本実施形態では、前記弁軸２５に、弁体２４を弁座２２に押し付ける方向に付勢する圧縮コイルばね３４が配備されるとともに、前記弁口２２ａを挟んだ流体入口側（導管６２側）と前記弁室２１側との圧力差によって前記弁体２４が前記圧縮コイルばね３４の付勢力に抗して前記弁座２２からリフト（プレリフト）せしめられるようにされ、このプレリフト時におけるリフト量が所定量以上になるのを阻止するためのプレリフト用ストッパ手段が備えられている。

詳細には、前記圧縮コイルばね３４は、弁軸２５の上部大径部２５ｂに外挿されて、前記弁軸ホルダ３２の天井部３２ａの下側に配在されたばね受けワッシャ３９と前記弁軸２５の下部大径部２５ａの上端段丘面２５ｆとの間に縮装されており、図２（Ａ）に示される如くに、弁体２４が弁座２２に着座している閉弁状態では、前記ばね受けワッシャ３９（の下面）と上部大径部２５ｂの上端段丘面２５ｄとの間に所定の間隙Δａが形成されるとともに、弁軸ホルダ３２の天井部３２ａ上面と前記プッシュナット３３の下端面との間に間隙Δｂが形成されるようになっている。

また、ここでは、前記ばね受けワッシャ３９（の内周端縁部）と前記弁軸２５の上部大径部２５ｂの上端段丘面２５ｄとが前記プレリフト用ストッパ手段を構成している。

かかる構成のもとで、図２（Ａ）に示される如くの閉弁状態（ロータ３０が最下降位置にあって回転下降ストッパ手段を構成する下ストッパ体２７と上ストッパ体３７によりその回転下降も停止せしめられている状態）から、導管６２（冷媒導入口）に冷媒を流し込むと、図２（Ｂ）に示される如くに、前記弁口２２ａを挟んだ冷媒入口側（導管６２側）と前記弁室２１側との間に圧力差が生じ、この圧力差によって前記弁体２４が前記圧縮コイルばね３４の付勢力に抗して前記弁座２２からリフト（プレリフト）せしめられるとともに、前記弁軸２５の上部大径部２５ｂの上端段丘面２５ｄが前記ばね受けワッシャ３９（の内周端縁部）に衝接して係止される。したがって、このプレリフト時においては、弁体２４のリフト量が前記間隙Δａ分以上となるのは阻止されるが、弁体２４が弁座２２から離れて開弁するので、少量の冷媒が、導管６２（冷媒導入口）→弁口２２ａ→弁室２１→導管６１（冷媒導出口）へと流れる。なお、このときには、弁軸ホルダ３２の天井部３２ａ上面と前記プッシュナット３３の下端面との間に間隙Δａ＋Δｂが形成される。

そして、図２（Ｂ）に示される如くのプレリフト状態から、ステータコイル５３，５３に所定の態様で通電励磁パルスを供給すると、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が一方向に回転せしめられ、図２（Ｃ）に示される如くに、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２８と弁軸ホルダ３２の移動ねじ部３８とのねじ送りにより、弁軸ホルダ３２が回転上昇し、それに伴い、弁軸２５及び弁体２４も引き上げられて、そのリフト量が増大せしめられる。この場合、弁体のリフト量（＝弁口２２ａの実効開口面積＝冷媒の通過流量）は、ロータ３０の回転量、すなわち、供給パルス数に応じたものとなるため、冷媒通過流量を高精度に制御することができる。

このように、本実施形態の流量制御弁１０では、ロータ３０が最下降位置（所定の閉弁位置）にあってその回転下降も停止せしめられている状態においても、弁口２２ａを挟んだ冷媒入口（導管６２）側と弁室２１側との圧力差によって弁体２４が圧縮コイルばね３４の付勢力に抗して弁座２２からリフト（プレリフト）せしめられるとともに、このプレリフト時において、そのリフト量が所定量以上になるのを阻止するようにされるので、ロータ３０が最下降位置（所定の閉弁位置）にあるときにも図６においてＱａで示される少量の冷媒を流すことができるとともに、前記プレリフト状態からロータ３０を回転させれば、このロータ３０及び弁軸ホルダ３２の回転上昇に伴って弁体２４のリフト量が増大するので、弁口２２ａを通過する冷媒流量を制御することができる。

したがって、本実施形態の流量制御弁１０は、流量制御を行わないときでも少量の冷媒を一方向に流しておくことが必要とされる、例えば冷媒として二酸化炭素（ガス）が用いられる給湯システムの冷凍サイクル等にも使用することができる。また、常に冷媒を流しておくことができるので、配管系が異常に高圧になることを防止できる等の利点も得られる。

また、流量制御を行わないときでも弁体２４は弁座２２から離れているので、流量制御を行うべくロータ３０及び弁軸ホルダ３２を回転させる際、このときの摩擦抵抗はねじ送り機構（固定ねじ部２８と移動ねじ部３８との間）で発生するものだけとなり、従来より摩擦抵抗が格段に低減できる。そのため、弁開閉動作に必要とされる駆動力を小さく抑えることができてステッピングモータを含む流量制御弁全体の小型化を図ることができる。

加えて、流量制御を行わないときでも弁体２４は弁座２２から離れていることから、かかる状態でパルス供給を行ってロータ３０及び弁軸ホルダ３２を回転させれば、図６において実線で示される如くに、ロータ３０の回転開始後直ちに弁体２４のリフト量が変化する（従来例のように圧縮コイルばね３４が所定量伸長するまで、つまり、回転量（供給パルス数）がＰａとなるまで待つ必要はない）ので、素早く流量を制御することができ、従来例のものより応答性が格段に向上する。

図３は、本発明に係る流量制御弁の第２実施形態の縦断面図である。図３に示される第２実施形態の流量制御弁１１において、前述した図１に示される第１実施形態の流量制御弁１０の各部に対応する部分には同一の符号を付して、それらの重複説明を省略し、以下においては、第１実施形態との相違点を重点的に説明する。

本実施形態の流量制御弁１１において、弁軸７０は、ロータ３０及び弁軸ホルダ３２にナット部材３３’を介して一体回転可能に連結された上部軸体７１と該上部軸体７１の下端部に連結固定された天井部７２ａ及び底部７６を有する有底円筒状の弁体ホルダ７２とを備え、この弁体ホルダ７２の底部７６に弁体２４が係止されている。

詳細には、図４（Ａ）に示される如くに、前記弁体２４は、下から順に、前記弁座２２に着座する段付き円錐台状の弁部２４ａ、該弁部２４ａに連なる短円柱状の胴部２４ｂ、前記弁体ホルダ７２の底部７６に形成された挿通穴７６ａに通される、前記胴部２４ｂより小径の上部小径部２４ｃ、該上部小径部２４ｃより小径で、円筒状部７５ａ及び鍔状ばね受け部７５ｂからなるばね受けナット部材７５が圧入固定された上方突出部２４ｄからなっている。

また、前記弁体ホルダ７２内の天井部７２ａ側にばね受けボール７３が配在され、このばね受けボール７３と前記ばね受けナット部材７５の鍔状ばね受け部７５ｂとの間に、前記弁体２４を弁座２２に押し付ける方向に付勢する圧縮コイルばね７４が縮装されている。

また、ロータ３０の回転を利用して弁体２４を弁座２２に接離させる駆動機構は、弁本体２０にその下端部が固定されるとともに、前記弁体ホルダ７２が摺動自在に内挿された筒状のガイドブッシュ２６の上部内周に形成された固定ねじ部６８と、前記弁軸７０の上部軸体７１の外周に形成された移動ねじ部７８とからなるねじ送り機構で構成されている。

また、ここでは、図４（Ａ）に示される如くに、弁体２４が弁座２２に着座している閉弁状態では、前記弁体ホルダ７２の底部７６と弁体２４の胴部２４ｂの上端段丘面２４ｅとの間に所定の間隙Δｃが形成されるとともに、前記弁体ホルダ７２の底部７６の上面と前記ばね受けナット部材７５の下端面との間に間隙Δｄが形成され、前記底部７６の挿通穴７６ａ周縁部と前記胴部２４ｂの上端段丘面２４ｅとで前記プレリフト用ストッパ手段が構成される。

かかる構成のもとで、図４（Ａ）に示される如くの閉弁状態（ロータ３０が最下降位置にあって回転下降ストッパ手段を構成する下ストッパ体２７と上ストッパ体３７によりその回転下降も停止せしめられている状態）から、導管６２（冷媒導入口）に冷媒を流し込むと、図４（Ｂ）に示される如くに、前記弁口２２ａを挟んだ冷媒入口側（導管６２側）と前記弁室２１側との間に圧力差が生じ、この圧力差によって前記弁体２４が前記圧縮コイルばね７４の付勢力に抗して前記弁座２２からリフト（プレリフト）せしめられるとともに、前記弁体２４の胴部２４ｂの上端段丘面２４ｅが前記底部７６の挿通穴７６ａ周縁部に衝接して係止される。したがって、このプレリフト時においては、弁体２４のリフト量が前記間隙Δｃ分以上となるのは阻止されるが、弁体２４が弁座２２から離れて開弁するので、少量の冷媒が、導管６２（冷媒導入口）→弁口２２ａ→弁室２１→導管６１（冷媒導出口）へと流れる。なお、このときには、底部７６の上面と前記ばね受けナット部材７５の下端面との間に間隙Δｃ＋Δｄが形成される。

そして、図４（Ｂ）に示される如くのプレリフト状態から、ステータコイル５３，５３に所定の態様で通電励磁パルスを供給すると、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、弁軸ホルダ３２、及び弁軸７０が一方向に回転せしめられ、図４（Ｃ）に示される如くに、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部６８と弁軸７０の上部軸体７１に形成された移動ねじ部７８とのねじ送りにより、弁軸７０が回転上昇し、それに伴い、弁体２４も引き上げられて、そのリフト量が増大せしめられる。この場合、弁体のリフト量（＝弁口２２ａの実効開口面積＝冷媒の通過流量）は、ロータ３０の回転量、すなわち、供給パルス数に応じたものとなるため、冷媒通過流量を高精度に制御することができる。

このように、本実施形態の流量制御弁１１においても、第１実施形態と同様に、ロータ３０が最下降位置（所定の閉弁位置）にあってその回転下降も停止せしめられている状態においても、弁口２２ａを挟んだ冷媒入口（導管６２）側と弁室２１側との圧力差によって弁体２４が圧縮コイルばね３４の付勢力に抗して弁座２２からリフト（プレリフト）せしめられるとともに、このプレリフト時において、そのリフト量が所定量以上になるのを阻止するようにされるので、ロータ３０が最下降位置（所定の閉弁位置）にあるときにも少量の冷媒を流すことができるとともに、前記プレリフト状態からロータ３０を回転させれば、このロータ３０、弁軸ホルダ３２、及び弁軸７０の回転上昇に伴って弁体２４のリフト量が増大するので、弁口２２ａを通過する冷媒流量を制御することができる。

したがって、本実施形態の流量制御弁１１も、流量制御を行わないときでも少量の冷媒を一方向に流しておくことが必要とされる、例えば冷媒として二酸化炭素（ガス）が用いられる給湯システムの冷凍サイクル等にも使用することができる。また、常に冷媒を流しておくことができるので、配管系が異常に高圧になることを防止できる等の利点も得られる。

また、流量制御を行わないときでも弁体２４は弁座２２から離れているので、流量制御を行うべくロータ３０、弁軸ホルダ３２、及び弁軸７０を回転させる際、このときの摩擦抵抗はねじ送り機構（固定ねじ部６８と移動ねじ部７８との間）で発生するものだけとなり、従来より摩擦抵抗を格段に低減できる。そのため、弁開閉動作に必要とされる駆動力を小さく抑えることができてステッピングモータを含む流量制御弁全体の小型化を図ることができる。

加えて、流量制御を行わないときでも弁体２４は弁座２２から離れていることから、かかる状態でパルス供給を行ってロータ３０、弁軸ホルダ３２、及び弁軸７０を回転させれば、図６において実線で示される如くに、ロータ３０の回転開始後直ちに弁体２４のリフト量が変化する（従来例のように圧縮コイルばね３４が所定量伸長するまで、つまり、回転量（供給パルス数）がＰａとなるまで待つ必要はない）ので、素早く流量を制御することができ、従来例のものより応答性が格段に向上する。

本発明に係る流量制御弁の第１実施形態を示す縦断面図。 図１に示される流量制御弁の動作説明に供される要部拡大断面図。 本発明に係る流量制御弁の第２実施形態を示す縦断面図。 図３に示される流量制御弁の動作説明に供される要部拡大断面図。 従来の流量制御弁の一例を示す縦断面図。 本発明の流量制御弁と従来の流量制御弁の流量制御特性の説明に供されるグラフ。

符号の説明

１０、１１ 流量制御弁
２０ 弁本体
２１ 弁室
２２ 弁座
２２ａ 弁口
２４ 弁体
２５、７０ 弁軸
２５ａ 下部大径部
２５ｂ 上部大部部
２５ｃ 上部小径部
２５ｄ 上端段丘面
２６ ガイドブッシュ
２７ 下ストッパ
２８ 固定ねじ部（雄ねじ部）
３０ ロータ
３２ 弁軸ホルダ
３３ プッシュナット
３４、７４ 圧縮コイルバネ
３７ 上ストッパ体
３８ 移動ねじ部（雌ねじ部）
３９ ワッシャ
４０ キャン
５０ ステータ
７２ 弁体ホルダ

Claims (10)

1. 下端部に弁体が設けられた弁軸と、前記弁体が接離する弁座が設けられるとともに、前記弁座に形成された弁口を介して流体が導入される弁室を有する弁本体と、前記弁口に連結された流体導入口と、前記弁室の一側方に連結された流体導出口と、前記弁本体にその下端部が密封接合されたキャンと、該キャンの内周に所定の間隙をあけて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、前記ロータと前記弁体との間に配在され、前記ロータの回転を利用して前記弁体を前記弁座に接離させる駆動機構と、を備えた流量制御弁であって、
   前記弁軸に、前記弁体を前記弁座に押し付ける方向に付勢する圧縮コイルばねが配備されるとともに、該圧縮コイルばねは、前記弁口を挟んだ流体入口側と前記弁室側との圧力差によって前記弁体が前記圧縮コイルばねの付勢力に抗して前記弁座からリフトせしめられるのを許容するように形成され、
   前記弁口を挟んだ流体導入口側と弁室側との圧力差によって前記弁体をプレリフトして少量の流体を流すために、該弁体のリフト量が所定量以上になるのを阻止するためのプレリフト用ストッパ手段が備えられ、
   前記ロータの回転による流量制御は、プレリフト状態から成されることを特徴とする流量制御弁。
2. 前記駆動機構は、前記弁本体にその下端部が固定されるとともに、前記弁軸が摺動自在に内挿された筒状のガイドブッシュの外周に形成された固定ねじ部と、前記ロータに一体に連結されて前記弁軸及びガイドブッシュの外周に配在された下方開口の筒状の弁軸ホルダの内周に形成された移動ねじ部とからなるねじ送り機構で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の流量制御弁。
3. 前記弁軸は、上から順に、前記弁軸ホルダの天井部に形成された挿通穴に通される上部小径部、該上部小径部より大径の上部大径部、該上部大径部より大径の下部大径部を有しており、前記圧縮コイルばねは、前記上部大径部に外挿されるとともに、実質的に前記弁軸ホルダの天井部と前記下部大径部の上端段丘面との間に介装されていることを特徴とする請求項２に記載の流量制御弁。
4. 前記圧縮コイルばねの上端と前記弁軸ホルダの天井部との間にばね受けワッシャが介装されていることを特徴とする請求項３に記載の流量制御弁。
5. 前記弁体が前記弁座に着座している閉弁状態では、前記天井部もしくは前記ばね受けワッシャと前記上部大径部の上端段丘面との間に所定の間隙が形成されるようになっており、前記天井部の挿通穴周縁部もしくは前記ばね受けワッシャと前記上部大径部の上端段丘面とが前記プレリフト用ストッパ手段を構成していることを特徴とする請求項３又は４に記載の流量制御弁。
6. 前記弁軸は、前記ロータに一体回転可能に連結された上部軸体と該上部軸体の下端部に連結固定された天井部及び底部を有する有底円筒状の弁体ホルダとを備え、前記弁体は、前記弁座に着座する弁部、該弁部に連なる胴部、前記弁体ホルダの底部に形成された挿通穴に通される、前記胴部より小径の上部小径部を有し、前記弁体ホルダ内に、前記弁体を前記弁座に押し付ける方向に付勢する前記圧縮コイルばねが配備されていることを特徴とする請求項１に記載の流量制御弁。
7. 前記駆動機構は、前記弁本体にその下端部が固定されるとともに、前記弁軸が摺動自在に内挿された筒状のガイドブッシュの内周に形成された固定ねじ部と、前記弁軸の上部軸体の外周に形成された移動ねじ部とからなるねじ送り機構で構成されていることを特徴とする請求項６に記載の流量制御弁。
8. 前記弁体が前記弁座に着座している閉弁状態では、前記弁体ホルダの底部と前記弁体の胴部の上端との間に所定の間隙が形成されるようになっており、前記底部の挿通穴周縁部と前記胴部の上端段丘面とが前記プレリフト用ストッパ手段を構成していることを特徴とする請求項６又は７に記載の流量制御弁。
9. 前記駆動機構に、前記ロータが所定の閉弁位置まで回転下降せしめられた際、それ以上の回転下降を阻止するための回転下降ストッパ手段が設けられていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の流量制御弁。
10. 圧縮機と、該圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器で凝縮した冷媒の通過流量を制御する流量制御弁と、該流量制御弁で流量制御された冷媒を蒸発させる蒸発器と、を配管で接続してなる冷媒サイクルであって、
    前記流量制御弁が請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の流量制御弁で構成されると共に、前記流量制御弁の弁室側が低圧側、前記流量制御弁の弁座側が高圧側となるように前記流量制御弁に配管を接続したことを特徴とする冷凍サイクル。

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