JP6567336B2

JP6567336B2 - 電動弁

Info

Publication number: JP6567336B2
Application number: JP2015124706A
Authority: JP
Inventors: 裕介荒井
Original assignee: Fujikoki Corp
Current assignee: Fujikoki Corp
Priority date: 2015-06-22
Filing date: 2015-06-22
Publication date: 2019-08-28
Anticipated expiration: 2035-06-22
Also published as: EP3109526A1; US20160369911A1; CN106257116B; EP3109526B1; JP2017009025A; CN106257116A; US9765900B2

Description

本発明は、電動弁に係り、例えば冷暖房システム等において流体（冷媒）の流量を制御する電動弁に関する。

この種の電動弁の従来例を図２に示す。図示従来例の電動弁１’は、基本的に、弁室１４及びその内部に形成された弁座１５を有する弁本体１０と、ベースプレート３１を介して弁本体１０に固着された天井部付き円筒形状のキャン３０と、キャン３０の外部に装備されるステータ４０及びキャン３０の内部に装備されるロータ５０からなるステッピングモータ６３と、ロータ５０の回転数を減速する遊星歯車減速機構６０と、前記弁座１５に接離して流体の通過量を制御する弁体２１と、遊星歯車減速機構６０の出力ギヤ５７の回転運動をねじ送り機構２７を介して直線運動に変換して弁体２１を駆動するねじ駆動部材２２と、から構成される。

弁本体１０には、弁室１４に連通する弁口１６が形成されるとともに、その弁口１６側にパイプ１１が接続され、弁室１４の側面に形成された開口に連通するようにパイプ１２が接続されている。また、弁本体１０の弁室１４の上部には、中心部下半部に雌ねじ部１３ａが形成されたねじ軸受部材１３が嵌挿され、かしめにより弁本体１０に固定されている（かしめ部１７）。

キャン３０の外周部に嵌着されたステータ４０は、ヨーク４１、ボビン４２、コイル４３、樹脂モールド４４等からなり、キャン３０の内部に（上下動せずに）回転自在に支持されるロータ５０は、磁性材料で作製された円筒形状のロータ部材５１と樹脂材料で作製された太陽ギヤ部材５２とが一体に連結されて構成されている。太陽ギヤ部材５２の中心部にはシャフト６２が挿入され、そのシャフト６２の上部は、キャン３０の頂部内側に配置された支持部材６１により支持されている。

太陽ギヤ部材５２の太陽ギヤ５３は、出力ギヤ５７の底面上に載置されたキャリア５４に設けられたシャフト５６に回転自在に支持される複数の遊星ギヤ５５に噛み合う。遊星ギヤ５５の上半分は、弁本体１０の上部に固定された円筒部材１８の上部にかしめにより取り付けられた環状のリングギヤ（内歯固定ギヤ）５８に噛み合い、遊星ギヤ５５の下半分は、環状の出力ギヤ５７の内歯ギヤ５７ａに噛み合っている。リングギヤ５８の歯数と出力ギヤ５７の内歯ギヤ５７ａの歯数とはわずかに異なる歯数とされ、これにより、太陽ギヤ５３の回転数が大きな減速比で減速されて出力ギヤ５７に伝達される（このような歯車構成を、いわゆる不思議遊星歯車減速機構６０という）。

出力ギヤ５７は、ねじ軸受部材１３の上面に摺動接触しており、その出力ギヤ５７の底部中央には段付き円筒形状の出力軸５９の上部が圧入され、出力軸５９の下部がねじ軸受部材１３の中心部上半部に形成された嵌挿穴１３ｂに回転自在に挿入されている。また、出力軸５９の上部には、シャフト６２の下部が嵌め込まれている。

ねじ軸受部材１３の雌ねじ部１３ａには、弁軸２０を構成するねじ駆動部材（ドライバともいう）２２の雄ねじ部２２ａが螺合されており、そのねじ駆動部材２２は、出力ギヤ５７（すなわち、ロータ５０）の回転運動を雄ねじ部２２ａと雌ねじ部１３ａとからなるねじ送り機構２７により軸線Ｏ方向（昇降方向）の直線運動に変換する。ここで、出力ギヤ５７は軸線Ｏ方向の一定位置で上下動せずに回転運動しており、出力ギヤ５７に連結された出力軸５９の下端部に設けたスリット状の嵌合溝５９ｂにねじ駆動部材２２の上端部に設けた平ドライバ形状の板状部２２ｂを挿入して出力ギヤ５７の回転運動をねじ駆動部材２２側に伝達する。ねじ駆動部材２２に設けた板状部２２ｂが出力軸５９の嵌合溝５９ｂ内で軸線Ｏ方向に摺動することにより、出力ギヤ５７（ロータ５０）が回転すれば該出力ギヤ５７はその回転軸方向に移動しないにも関わらず、ねじ駆動部材２２は前記ねじ送り機構２７で軸線Ｏ方向に直線運動する。ねじ駆動部材２２の直線運動は、ボール２３とボール受座２４とからなるボール状継手２５を介して軸状の弁体２１に伝達され、弁体２１は弁本体１０の内部に固定された段付き円筒形状のばねケース１９により案内されて軸線Ｏ方向に移動する。また、ばねケース１９と弁体２１との間には、圧縮コイルばね２６が縮装されており、弁体２１を常時開弁方向に付勢している。

かかる構成により、弁体２１と弁座１５との間の流路面積（弁開度）が変化し、弁口１６を通過する冷媒の流量を制御することができる。

ところで、このねじ駆動部材の円滑な直線運動を許容するために、前述のねじ駆動部材に板状部と出力軸の嵌合溝と係合部分には、ある程度の隙間が必要となる。ロータ（出力ギヤに連結された出力軸）は両方向に回転してねじ駆動部材を介して弁体の軸線方向の位置を制御するが、上記した隙間の存在により、図３に示すように、出力軸の回転とねじ駆動部材の回転には回転方向が変化する際にヒステリシスが必然的に発生する。

かかる問題に対処する従来技術が、特許文献１、２に提案されている。

特許文献１に所載の従来技術では、軸方向（昇降方向）で見たときの嵌合溝の側面と板状部の側面とが互いに重なり合う重複幅を、ねじ軸受部材の雌ねじ部の内径よりも大きくしている。

また、特許文献２に所載の従来技術では、出力ギヤを遊星歯車減速機構内において昇降自在とし、出力軸とねじ駆動部材とを一体に成形して出力ギヤとねじ駆動部材とを一体に形成している。

特開２０１５−０１４３０６号公報特開２０１２−１９７８４９号公報

しかしながら、特許文献１に所載の従来技術では、出力軸の嵌合溝とねじ駆動部材の板状部との係合（噛み合わせ）により、出力ギヤ（ロータ）の回転運動をねじ駆動部材側に伝達する構成であるため、前述のヒステリシスの問題を十分に解消し得ない。

また、特許文献２に所載の従来技術では、出力ギヤが遊星歯車減速機構内において下降した際の歯車強度を確保するために、全高が増加する可能性があるとともに、ロータの軸方向の位置を規制する皿ばね等を追加する必要があるため、構成が煩雑になる可能性がある。

本発明は、前記課題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、従前の電動弁に対して大きな変更を加えることなく、簡単な構成で回転方向が変わる際に発生するヒステリシスを解消することのできる電動弁を提供することにある。

上記する課題を解決するために、本発明に係る電動弁は、弁室及び弁座を有する弁本体と、前記弁座に対して昇降する弁体を有する弁軸と、前記弁本体に対して昇降不能に回転するロータと該ロータを回転させるためのステータとからなるモータと、前記ロータと前記弁軸との間に介在された減速機構と、前記ロータの回転に伴って前記弁軸を前記弁本体に対して昇降させるべく前記弁軸と前記弁本体との間に設けられたねじ送り機構と、前記弁本体に対する前記弁軸の昇降移動を許容すべく前記弁軸と前記減速機構との間に設けられたスライド機構と、前記弁軸と前記弁本体との間に介装された付勢部材と、を備え、前記ロータを一方向に回転させることにより、前記ねじ送り機構によって前記弁軸が前記弁本体に対して回転しながら上昇する上動行程と、前記ロータを他方向に回転させることにより、前記ねじ送り機構によって前記弁軸が前記弁本体に対して回転しながら下降する下動行程と、をとるようにされた電動弁であって、前記上動行程及び前記下動行程において、前記弁軸を前記弁本体に対して一方向もしくは他方向に回転する方向に常時付勢するように、前記ねじ送り機構におけるねじ部の摩擦角、リード角、及び、前記付勢部材の付勢力が設定されていることを特徴としている。

好ましい態様では、前記スライド機構には、前記ロータの回転に伴って前記弁軸を回転させるための係合機構が備えられる。

更なる好ましい態様では、前記係合機構は、前記弁軸に設けられた板状部と、前記減速機構の出力軸に設けられ、前記板状部が昇降可能に嵌挿される嵌合溝とから構成される。

本発明によれば、上動行程及び下動行程の両行程において、ねじ送り機構を構成する弁軸を弁本体に対して一方向もしくは他方向に回転する方向に常時付勢するように、前記ねじ送り機構におけるねじ部の摩擦角、リード角、及び、弁軸と弁本体との間に介装された付勢部材の付勢力が設定されているので、例えば嵌合溝と板状部との係合部分に存在する隙間を常に詰めることができる。そのため、回転方向が変わる際（すなわち、上動行程と下動行程とが切り替わる際）にその隙間の影響を受けることなく、出力ギヤ（ロータ）の回転運動をねじ駆動部材側に直ちに伝達できるため、回転方向が変化する際に発生する流量特性のヒステリシスを確実に解消することができる。

本発明に係る電動弁の一実施形態における係合機構の状態変化を説明する要部拡大斜視図。従来の電動弁を示す縦断面図。図２の従来の電動弁における係合機構の状態変化を説明する要部拡大斜視図。

以下、本発明に係る電動弁の実施形態を図面を参照して説明する。なお、図面において、部材間に形成される隙間や部材間の離隔距離等は、発明の理解を容易にするため、また、作図上の便宜を図るため、誇張して描かれている場合がある。

また、以下に示される本実施形態の電動弁については、前述した図２、図３に示される従来例の電動弁１’の各部に対応する部分には同一の符号を付して詳細な説明を省略し、以下においては、相異点を重点的に説明する。

図１は、本発明に係る電動弁の一実施形態における係合機構の状態変化を説明する要部拡大斜視図である。

本実施形態の電動弁は、その基本構成は図２に示される従来例の電動弁１’とほぼ同様であるので、図示は省略するが、主として、弁室１４及び弁座１５を有する弁本体１０と、弁室１４内に配在されて弁座１５に対して昇降する弁体２１及びボール状継手２５を介して前記弁体２１に連結されるねじ駆動部材２２を有する弁軸２０と、弁本体１０に対して昇降不能に（上下動せずに）回転するロータ５０と該ロータ５０を回転させるためのステータ４０とからなるステッピングモータ６３と、ロータ５０と弁軸２０との間に介在される遊星歯車減速機構６０と、ロータ５０の回転に伴って弁軸２０を弁本体１０に対して回転させながら昇降させるべく弁軸２０と弁本体１０との間に設けられたねじ送り機構２７と、弁本体１０に対する弁軸２０の昇降移動を許容すべく弁軸２０と遊星歯車減速機構６０との間に設けられたスライド機構と、弁軸２０と弁本体１０との間に介装された圧縮コイルばね２６と、を備えている。

前記ねじ送り機構２７は、前述のように、弁本体１０の弁室１４の上部に固定されたねじ軸受部材１３の内周に形成された雌ねじ部１３ａと、ねじ駆動部材２２の外周に形成された雄ねじ部２２ａとから構成される。

また、ロータ５０（出力軸５９）が回転したときに、ねじ駆動部材２２に突設した板状部２２ｂが出力軸５９の嵌合溝５９ｂ内で軸線Ｏ方向（昇降方向）に摺動することにより、ねじ駆動部材２２は弁本体１０等に対して昇降方向に直線運動するようになっており、これにより、ロータ５０の回転に伴う弁本体１０に対する弁軸２０の昇降移動を許容する前記スライド機構が構成される。なお、このスライド機構としては、例えば特許文献２に示されるような、遊星歯車減速機構６０における出力ギヤ５７等をその遊星歯車減速機構６０内で遊星ギヤ５５等に対して昇降方向に移動させる機構を採用してもよい。また、従来例では、出力ギヤ５７に連結された出力軸５９に嵌合溝５９ｂを設け、ねじ駆動部材２２に板状部２２ｂを設けているが、逆に、出力軸５９に板状部を設け、ねじ駆動部材２２に嵌合溝を設けるようにしてもよい。

かかる構成の電動弁では、ロータ５０を一方向（例えば反時計回り）に回転させることにより、遊星歯車減速機構６０の出力軸５９を介してロータ５０の回転が減速されて弁軸２０に伝達され、前記ねじ送り機構２７によって弁軸２０（のねじ駆動部材２２）が弁本体１０（のねじ軸受部材１３）に対して回転しながら上昇して弁体２１が弁座１５から離れる上動行程と、ロータ５０を他方向（例えば時計回り）に回転させることにより、遊星歯車減速機構６０の出力軸５９を介してロータ５０の回転が減速されて弁軸２０に伝達され、前記ねじ送り機構２７によって弁軸２０（のねじ駆動部材２２）が弁本体１０（のねじ軸受部材１３）に対して回転しながら下降して弁体２１が弁座１５に近づく（例えば、最終的に着座する）下動行程と、がとられる。

ここで、本実施形態の電動弁では、図１に示されるように、前述の上動行程及び下動行程の両行程において、ねじ送り機構２７を構成する弁軸２０を弁本体１０に対して一方向（例えば反時計回り）に回転する方向に常時付勢するように、ねじ送り機構２７における雄ねじ部２２ａ及び雌ねじ部１３ａの摩擦角、リード角（言い換えれば、雄ねじ部２２ａ及び雌ねじ部１３ａの接触面の摩擦係数、ねじピッチ）、並びに、弁軸２０と弁本体１０との間に介装された圧縮コイルばね２６の付勢力が設定されている。図示例では、圧縮コイルばね２６の付勢力により、弁軸２０が弁本体１０に対して開弁方向（圧縮コイルばね２６の付勢力が働く方向）に常時付勢され、ねじ駆動部材２２の板状部２２ｂが出力軸５９の嵌合溝５９ｂの内面に開弁方向（例えば反時計回りの方向）で常に押し付けられて当接（係合もしくは噛合）するようになっている。

そのため、上動行程（閉弁から開弁）では、ロータ５０が回転すると、弁軸２０のねじ駆動部材２２に付与される付勢力の方向と同じ方向に出力軸５９は回転するが、弁軸２０に付与された付勢力により、弁軸２０のねじ駆動部材２２は、当該ねじ駆動部材２２の板状部２２ｂが出力軸５９の嵌合溝５９ｂの内面に当接した状態で出力軸５９の回転に追従するように回転しながら上昇する。

一方、下動行程（開弁から閉弁）では、ロータ５０が回転すると、弁軸２０のねじ駆動部材２２に付与される付勢力の方向と反対方向に出力軸５９は回転するが、弁軸２０に付与される付勢力に打ち勝つ回転力が出力軸５９からねじ駆動部材２２の板状部２２ｂに伝達されるため、弁軸２０のねじ駆動部材２２は弁軸２０に付与される付勢力に抗して回転する。その際、弁軸２０のねじ駆動部材２２は、弁軸２０に付与された付勢力（回転方向とは反対向きの力）により、当該ねじ駆動部材２２の板状部２２ｂが出力軸５９の嵌合溝５９ｂの内面に当接した状態で出力軸５９の回転と一体に回転しながら下降する。

このように、本実施形態の電動弁では、上動行程及び下動行程の両行程において、前記スライド機構における係合機構を構成する出力軸５９の嵌合溝５９ｂと弁軸２０のねじ駆動部材２２の板状部２２ｂとの係合部分に存在する隙間を常に詰めることができる。そのため、回転方向が変わる際（すなわち、上動行程と下動行程とが切り替わる際）にその隙間の影響を受けることなく、出力ギヤ５７（ロータ５０）の回転運動をねじ駆動部材２２側に直ちに伝達できるため、回転方向が変化する際に発生する流量特性のヒステリシスを確実に解消することができる。

なお、本発明は、図示例のような、ポペット型もしくはピストン型の弁体が最下降位置にあるとき、その弁体が弁座に着座して流体の流れが遮断されるタイプ以外に、様々なタイプの電動弁に採用し得ることは言うまでも無い。例えば、弁体が最上昇位置にあるとき、その弁体が弁口の裏面側に設けた弁座に着座して流体の流れが遮断される閉弁タイプの電動弁（この場合、弁軸と弁本体との間には弁体を閉弁方向に付勢する圧縮コイルばねが介装される）であってもよい。また、弁体が弁座に着座しつつ、弁体に設けられた連通穴や弁座に設けられたブリード溝等を介して所定量の通過流量が確保されるタイプの電動弁であってもよいし、弁体が最下降位置（通常なら全閉状態となる）にあるときに、弁体と弁座との間に所定の大きさの間隙が形成されて所定量の通過流量が確保される閉弁レスタイプの電動弁であってもよい。

１’ 電動弁
１０弁本体
１３ねじ軸受部材
１３ａ雌ねじ部
１４弁室
１５弁座
１６弁口
１８円筒部材
１９ばねケース
２０弁軸
２１弁体
２２ねじ駆動部材
２２ａ雄ねじ部
２２ｂ板状部
２６圧縮コイルばね（付勢部材）
２７ねじ送り機構
３０キャン
３１ベースプレート
４０ステータ
５０ロータ
５７出力ギヤ
５９出力軸
５９ｂ嵌合溝
６０不思議遊星歯車減速機構
６１支持部材
６２シャフト
６３ステッピングモータ

Claims

弁室及び弁座を有する弁本体と、前記弁座に対して昇降する弁体を有する弁軸と、前記弁本体に対して昇降不能に回転するロータと該ロータを回転させるためのステータとからなるモータと、前記ロータと前記弁軸との間に介在された減速機構と、前記ロータの回転に伴って前記弁軸を前記弁本体に対して昇降させるべく前記弁軸と前記弁本体との間に設けられたねじ送り機構と、前記弁本体に対する前記弁軸の昇降移動を許容すべく前記弁軸と前記減速機構との間に設けられたスライド機構と、前記弁軸と前記弁本体との間に介装された付勢部材と、を備え、
前記ロータを一方向に回転させることにより、前記ねじ送り機構によって前記弁軸が前記弁本体に対して回転しながら上昇する上動行程と、前記ロータを他方向に回転させることにより、前記ねじ送り機構によって前記弁軸が前記弁本体に対して回転しながら下降する下動行程と、をとるようにされた電動弁であって、
前記上動行程及び前記下動行程において、前記弁軸を前記弁本体に対して一方向もしくは他方向に回転する方向に常時付勢するように、前記ねじ送り機構におけるねじ部の摩擦角、リード角、及び、前記付勢部材の付勢力が設定されていることを特徴とする電動弁。
前記スライド機構には、前記ロータの回転に伴って前記弁軸を回転させるための係合機構が備えられていることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
前記係合機構は、前記弁軸に設けられた板状部と、前記減速機構の出力軸に設けられ、前記板状部が昇降可能に嵌挿される嵌合溝とから構成されることを特徴とする請求項２に記載の電動弁。