JP6889685B2

JP6889685B2 - 電動弁及び冷凍サイクルシステム

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Publication number: JP6889685B2
Application number: JP2018116926A
Authority: JP
Inventors: 剛竹田
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2018-06-20
Filing date: 2018-06-20
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2038-06-20
Also published as: CN110617337B; CN114233879A; CN114233878B; CN114233878A; JP2019219007A; CN110617337A

Description

本発明は、電動弁及び冷凍サイクルシステムに関する。

従来、冷凍サイクルシステム等に使用される電動弁、特に圧力バランス型の電動弁は、弁部材に加わる差圧力をキャンセルするために、弁部材の上部の背圧室を、弁部材に設けた均圧路により弁部材下部の弁ポート側に導通し、弁部材の上部と下部を同圧にさせることで、弁部材に加わる正味の差圧力をキャンセルさせるという設計思想である。このような電動弁として、例えば、特許第３６７２３８０号公報（特許文献１）及び特開２０１７−２０３５０９号公報（特許文献２）に開示されたものがある。

この従来の電動弁は、電動モータのロータとのネジ送り機構により上下する連結棒により弁部材を駆動している。一方、圧力バランス型の電動弁では、弁部材をガイドするガイド面の部分でシール部により弁部材に対する背圧室を弁室等から封止する必要がある。このため、弁部材には常時シール部による摺動抵抗が生じ、作動時においても弁部材は回転しない構造となる。そこで、ベアリング等の回転軸受により弁部材を保持するようにしている。

特許第３６７２３８０号公報特開２０１７−２０３５０９号公報

前記従来の電動弁では、回転軸受としてベアリングを使用することで、軸受け部分のトルクロスが減り作動性が良くなる。しかし、特許文献１のものにおいては弁ポート側からベアリングを流路としてケース内の背圧室側へと流体を流す構造となっている。このため、流体中の異物やスラッジ等がベアリングの内部に侵入する可能性がある。ベアリング内に異物が侵入した場合、回転時の摺動ロスが生じ、電動弁の作動性に影響を及ぼす可能性がある。また、特許文献２のものにおいては、弁軸（連結棒）に均圧流路を設けているが、流路上にベアリングが直接配置されており、特に弁ポート側（下側）の継手管から弁室側（横側）の継手管へと流体を流す場合に、異物が侵入する可能性がある。

本発明は、回転軸受を介して弁部材を保持するようにした圧力バランス型の電動弁において、流体内の異物等が回転軸受に侵入するのを防止して、高作動性を確保することを課題とする。

請求項１の電動弁は、弁ハウジングの弁室内で作動軸に連動する弁部材により弁ポートを開閉する電動弁であって、前記作動軸に連結される回転軸受を有するとともに該回転軸受とは反対側に前記弁部材を保持する弁ホルダ部と、前記弁ホルダ部をガイドするホルダガイド部と、を備え、前記弁ホルダ部が、前記ホルダガイド部のガイド孔内に内挿されるとともに前記回転軸受を内包する円筒状のカバー部材を備え、前記作動軸には雄ねじ部が形成され、該雄ねじ部は、前記ガイド孔と同軸のねじ孔が形成されたネジホルダ部の雌ねじ部に螺合され、前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とで前記作動軸を軸線方向に移動させるネジ送り機構が構成され、前記回転軸受は、前記作動軸の弁ポート側に設けられたフランジ部の弁ポート側に接続され、該作動軸に嵌合する内輪と、該内輪を周方向に囲む外輪と、前記内輪と前記外輪との間に介在する複数のボールと、を備え、前記弁部材と、前記回転軸受の前記外輪との間に付勢ばねが介装されていることを特徴とする。

請求項２の電動弁は、請求項１に記載の電動弁であって、前記弁部材に対する背圧室の流体圧力と前記弁ポートの流体圧力とが均一にされる圧力バランス型であることを特徴とする。

請求項３の電動弁は、弁ハウジングの弁室内で作動軸に連動する弁部材により弁ポートを開閉する電動弁であって、前記作動軸に連結される回転軸受を有するとともに該回転軸受とは反対側に前記弁部材を保持する弁ホルダ部と、前記弁ホルダ部をガイドするホルダガイド部と、を備え、前記弁ホルダ部が、前記ホルダガイド部のガイド孔内に内挿されるとともに前記回転軸受を内包する円筒状のカバー部材を備え、前記弁部材に対する背圧室の流体圧力と前記弁ポートの流体圧力とが均一にされる圧力バランス型であり、電動モータのロータが密閉ケース内に収容されて該密閉ケースが前記弁ハウジングに気密に組み付けられ、前記ロータの回転によりネジ送り機構を介して前記作動軸を軸線方向に移動させるよう構成されるとともに、前記弁部材が内挿されて前記弁室内に配設された弁ガイド部と、前記弁ガイド部と前記弁部材との間で前記弁室と前記背圧室とを封止するシール部と、を備え、前記弁ホルダ部が、前記シール部によって前記弁室から封止された前記背圧室内で前記ホルダガイド部によってガイドされるよう構成されるとともに、前記ホルダガイド部の外周に、前記背圧室から前記密閉ケースへ流体を流す流路が設けられていることを特徴とする。

請求項４の電動弁は、請求項３に記載の電動弁であって、前記ホルダガイド部が、前記作動軸と共に前記ネジ送り機構を構成していることを特徴とする。

請求項５の冷凍サイクルシステムは、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、を含む冷凍サイクルシステムであって、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電動弁が、前記膨張弁として用いられていることを特徴とする。

請求項１〜４の電動弁によれば、弁ホルダ部のカバー部材が、ホルダガイド部のガイド孔内に内挿されるとともに回転軸受を内包しているので、弁部材に対する背圧室へ流入する流体が回転軸受へ流れるのをカバー部材により阻止することができ、流体内の異物等が回転軸受に侵入するのを防止でき、高作動性を確保することができる。

請求項５の冷凍サイクルシステムによれば、請求項１〜４と同様な効果が得られる。

本発明の実施形態の電動弁の縦断面図である。実施形態の電動弁の要部拡大図及び流体の流れの一例を示す図である。図１のＡ−Ａ拡大断面図である。実施形態の冷凍サイクルシステムを示す図である。

次に、本発明の電動弁及び冷凍サイクルシステムの実施形態を図面を参照して説明する。図１は実施形態の電動弁の縦断面図、図２は実施形態の電動弁の要部拡大図及び流体の流れの一例を示す図、図３は図１のＡ−Ａ拡大断面図である。なお、以下の説明における「上下」の概念は図１及び図２の図面における上下に対応する。

この電動弁１００は、弁ハウジング１と、弁部材２と、弁ホルダ部３と、「ホルダガイド部」としての支持部材４と、「電動モータ」としてのステッピングモータ５と、密閉ケース６と、弁ガイド部７と、を備えている。

弁ハウジング１は例えば、黄銅、ステンレス等の金属により略円筒形状に形成されており、その内側に弁室１Ａを有している。また、弁ハウジング１には、側面から弁室１Ａに連通する継手管１１が取り付けられるとともに、下端部に弁座部材１３が取り付けられている。弁座部材１３の中央には円形の弁ポート１３ａが形成されるとともに、弁ポート１３ａの開口周囲にすり鉢状のテーパ面１３ｂが形成され、弁閉時に弁部材２の先端に形成されたテーパ状の流量制御部２１ａと弁ポート１３ａの開口上端とが当接する。また、弁座部材１３には弁ポート１３ａに連通するように弁室１Ａの軸線Ｘ方向に継手管１２が取り付けられている。

弁部材２は、全体としてピストン状の略円筒形状に形成されており、この弁部材２は、内空間２１Ａを有する中空円筒形状の弁体部２１と、弁体部２１から弁ホルダ部３側に突出するボス部２２と、ボス部２２より径の小さな連結部２３とを有している。弁体部２１の上天部とボス部２２との中央には、内空間２１Ａから上方に延びる縦均圧路２ａが形成され、ボス部２２にはこの縦均圧路２ａに連なってボス部２２の外周に開口する横均圧路２ｂとが形成されている。

弁ホルダ部３は、「回転軸受」としてのベアリング３１と、「カバー部材」としての筒状の円筒ケース３２と、ベアリング３１と円筒ケース３２との間に配設されたガイド３３と、円筒ケース３２の下端に固着された固定金具３４と、固定金具３４に当接される弁側スリーブ３５と、弁側スリーブ３５とベアリング３１との間に配設されたコイルばね３６と、軸側スリーブ３７と、を備えている。

ベアリング３１は、内輪３１ａと、外輪３１ｂと、複数のボール３１ｃとで構成されており、コイルばね３６は外輪３１ｂに当接されている。また、後述のロータ軸５１が内輪３１ａ内に嵌合され、この内輪３１ａにロータ軸５１のフランジ部５１ｂが当接されるとともに、ロータ軸５１の下端部に軸側スリーブ３７が溶接により固定されている。また、コイルばね３６の付勢力によりベアリング３１の外輪３１ｂが上方に付勢され、ガイド３３が円筒ケース３２の上端の内側フランジ部に圧接されている。これにより、円筒ケース３２とロータ軸５１とは軸線Ｘ回りに相互に相対回転自在となっている。

また、弁部材２のボス部２２が固定金具３４の挿通孔３４ａ内に挿通され、弁部材２の連結部２３に弁側スリーブ３５が嵌め込まれている。そして、弁側スリーブ３５と連結部２３とが溶接により固着されている。そして、コイルばね３６の付勢力により、弁側スリーブ３５が固定金具３４に圧接されている。これにより、弁部材２が、弁ホルダ部３のベアリング３１とは反対側に保持されている。

「ホルダガイド部」としての支持部材４は弁ガイド部７の上端の開口部に取り付けられている。支持部材４は、弁ガイド部７の内周面内に圧入される圧入部４１と、圧入部４１の内側に位置する略円柱状のガイド部４２と、ガイド部４２の上部に延設されたネジホルダ部４３と、ガイド部４２の外周に位置するリング状のフランジ部４４とを有している。なお、圧入部４１は軸線Ｘ回りで四方に突出するように形成されたものであるが、図１及び図２では４５°回転した位置に仮想線で図示してある。圧入部４１、ガイド部４２、ネジホルダ部４３は樹脂製の一体品として構成されている。また、フランジ部４４は、例えば、黄銅、ステンレス等の金属板であり、軸線Ｘを中心とするドーナツ盤状の平板である。また、フランジ部４４は、インサート成形により樹脂製の圧入部４１、ガイド部４２及びネジホルダ部４３と共に一体に設けられている。

そして、支持部材４は弁ガイド部７に組み付けられ、フランジ部４４を介して弁ガイド部７の上端部に溶接により固定されている。また、支持部材４において、ガイド部４２には軸線Ｘと同軸の円筒形状のガイド孔４２ａが形成されるとともに、ネジホルダ部４３の中心には、ガイド孔４２ａと同軸の雌ねじ部４３ａとそのねじ孔が形成されている。さらに、図３に示すように、隣接する２つの圧入部４１，４１の間は弁ガイド部７から離間して流路４１ａを形成するとともに、フランジ部４４には、流路４１ａに対応する位置に流路４４ａが形成されている。この流路４１ａ，４４ａは、弁ガイド部７の内側から密閉ケース６内へ流体を流すための流路である。

ステッピングモータ５は、「作動軸」としてのロータ軸５１と、密閉ケース６の内部に回転可能に配設されたマグネットロータ５２と、密閉ケース６の外周においてマグネットロータ５２に対して対向配置されたステータコイル５３と、その他、図示しないヨークや外装部材等により構成されている。ロータ軸５１はブッシュを介してマグネットロータ５２の中心に取り付けられ、このロータ軸５１の支持部材４側の外周には雄ねじ部５１ａが形成されている。そして、この雄ねじ部５１ａが支持部材４の雌ねじ部４３ａに螺合されている。これにより、支持部材４はロータ軸５１を軸線Ｘ上に支持している。

密閉ケース６は、上端部が塞がれた略円筒形状に形成されており、弁ガイド部７の上端に溶接によって気密に固定されている。密閉ケース６の内部天井にはスリーブ６１が設けられ、このスリーブ６１の中央にガイド６２が設けられている。そして、ロータ軸５１の上端部がガイド６２により支持されている。なお、スリーブ６１の外周には回転ストッパ機構６３が設けられている。

弁ガイド部７は、軸線Ｘを中心軸として、弁ハウジング１の上半部に嵌合固定された円筒部７１と、円筒部７１の弁ポート１３ａ側に固着されたガイド部７２と、円筒部７１とガイド部７２とに挟持されて固定されたシール部７３とを有している。そして、弁部材２の弁体部２１は、主にガイド部７２内に配置され、シール部７３に密着して嵌挿されている。シール部７３は、薄手で円環状の金属板からなる一対の板ばね７３ａと、フッ素樹脂、例えばＰＴＦＥ、ＰＦＡ製で円環状の一対のＬパッキン７３ｂと、金属板からなる円環状の補強板７３ｃとで構成されている。そして、Ｌパッキン７３ｂの間に補強板７３ｃを挟み込んで、Ｌパッキン７３ｂに重ねて板ばね７３ａが嵌め込まれている。そして、円筒部７１とガイド部７２とで板ばね７３ａを押さえ付けるようにして、シール部７３が取り付けられている。

以上のように、シール部７３が弁体部２１の外周に密接された状態で弁部材２の一部が弁ガイド部７内に収容されることにより、弁ガイド部７の内部の空間が区画され、円筒部７１内に弁部材３に対する背圧室７Ａが形成されている。

なお、背圧室７Ａ内にはコイルばね７４が配設されており、このコイルばね７４は、弁体部２１の肩部に配設されたばね受け７５と支持部材４の圧入部４１との間で圧縮した状態で配設されている。そして、コイルばね７４の付勢力により、支持部材４（その雌ねじ部４３ａ）に対して弁ホルダ部３及びロータ軸５１（その雄ねじ部５１ａ）が常時弁ポート１３ａ側に付勢される。これにより、弁閉から弁開となる時の流量特性と弁開から弁閉となるときの流量特性の差である、ヒステリシスを低減できる。

以上の構成により、ステッピングモータ５の駆動により、マグネットロータ５２及びロータ軸５１が回転し、雄ねじ部５１ａと雌ねじ部４３ａとのネジ送り機構によりロータ軸５１、弁ホルダ部３及び弁部材２が軸線Ｘ方向に上下動する。これにより、弁部材２が弁ガイド部７にガイドされて弁座部材１３のテーパ１３ｂに対して離座／着座する。これにより、弁ポート１３ａが開閉される。なお、このネジ送り機構によりロータ軸５１は軸線Ｘ回りに回動するが、この回転力は、「回転軸受」としてのベアリング３１の作用により、弁部材２に伝達されることはない。

この実施形態の電動弁は、例えば流体（冷媒）が継手管１１から流入して継手管１２から流出する第１の流れと、流体が継手管１２から流入して継手管１１から流出する第２の流れとの、２通りの流れの制御に用いられる。すなわち、第１の流れでは継手管１１が流入口、継手管１２が流出口であり、第２の流れでは継手管１２が流入口、継手管１１が流出口である。ここで、弁部材２の内空間２１Ａ、縦均圧路２ａ及び横均圧路２ｂが、弁ポート１３ａと背圧室７Ａとを導通して均圧する「均圧流路」を構成している。これにより、第１の流れのときは、弁ポート１３ａの低圧が前記「均圧流路」を介して背圧室７Ａに導入される。また、第２の流れのときは、弁ポート１３ａ側の高圧が「均圧流路」を介して背圧室７Ａに導入される。したがって、弁部材２に対して弁ポート１３ａと背圧室７Ａとの両側から同じ圧力が作用する。これにより、流体の高圧と低圧との差圧による力は弁部材２に対して軸線Ｘ方向で相殺され、圧力バランスが保たれる。

ここで、弁部材２が弁座部材１３に着座していて第２の流れの場合、弁ポート１３ａからの高圧の流体が内空間２１Ａ、縦均圧路２ａ及び横均圧路２ｂを介して背圧室７Ａに流れ込むが、この高圧の流体は、流路４１ａ，４４ａを介して密閉ケース６内に流れ込む。また、支持部材４のガイド孔４２ａ内にも円筒ケース３２とガイド部４２とのクリアランスを介して流れ込む。しかし、流路４１ａ，４４ａを介して密閉ケース６内に流れ込む流量の方がガイド孔４２ａ内に流れ込む流量よりも圧倒的に多い。これは密閉ケース６内は容積が大きいために、初期段階では密閉ケース６内と背圧室７Ａ内との圧力差が大きいためである。なお、ガイド孔４２ａ内にも高圧が加わることで、このガイド孔４２ａ内と背圧室７Ａとも均圧される。

このように、高圧の流体の流れは、図２に矢印で示すように、弁ホルダ部３を迂回してその外側を流れる。しかも、弁ホルダ部３において、ベアリング３１は「カバー部材」としての円筒ケース３２によって包含されている。したがって、ベアリング３１の内部に異物等が侵入するのを防止できる。

図４は実施形態の冷凍サイクルシステムを示す図である。図において、符号１００は膨張弁を構成する本発明の各実施形態の電動弁、２００は室外ユニットに搭載された室外熱交換器、３００は室内ユニットに搭載された室内熱交換器、４００は四方弁を構成する流路切換弁、５００は圧縮機である。電動弁１００、室外熱交換器２００、室内熱交換器３００、流路切換弁４００、及び圧縮機５００は、それぞれ導管によって図示のように接続され、ヒートポンプ式の冷凍サイクルを構成している。なお、アキュムレータ、圧力センサ、温度センサ等は図示を省略してある。

冷凍サイクルの流路は、流路切換弁４００により冷房運転時の流路と暖房運転時の流路の２通りに切換えられる。冷房運転時には、図に実線の矢印で示したように、圧縮機５００で圧縮された冷媒は流路切換弁４００から室外熱交換器２００に流入され、この室外熱交換器２００は凝縮器として機能し、室外熱交換器２００から流出された液冷媒は電動弁１００を介して室内熱交換器３００に流入され、この室内熱交換器３００は蒸発器として機能する。

一方、暖房運転時には、図に破線の矢印で示したように、圧縮機５００で圧縮された冷媒は流路切換弁４００から室内熱交換器３００、電動弁１００、室外熱交換器２００、流路切換弁４００、そして、圧縮機５００の順に循環され、室内熱交換器３００が凝縮器として機能し、室外熱交換器２００が蒸発器として機能する。電動弁１００は、冷房運転時に室外熱交換器２００から流入する液冷媒、または暖房運転時に室内熱交換器３００から流入する液冷媒を、それぞれ減圧膨張し、さらにその冷媒の流量を制御する。

以上の実施形態では、流路４１ａ，４４ａを支持部材４のガイド部４２の外周に設けるようにしているが、例えば、弁部材２の中心から、弁ホルダ部３の内側、ベアリング３１の内輪３１ａの内側及びロータ軸５１の中心に、弁ポート１３ａから密閉ケース６に流体を流すような流路を形成してもよい。

また、以上の実施形態では、支持部材４に雌ねじ部４３ａが形成され、ロータ軸５１に雄ねじ部５１ａが形成されて、この雄ねじ部５１ａが雌ねじ部４３ａに螺合されて、ネジ送り機構を構成しているが、このねじの組み合わせに限るものではなく、逆に、支持部材と同様な部材に雄ねじ部が形成され、マグネットロータ側に雌ねじ部が形成され、上記とは雌ねじと雄ねじとが逆配置の電動弁としてもよい。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

１弁ハウジング
１Ａ弁室
１１継手管
１３弁座部材
１３ａ弁ポート
１３ｂテーパ面
１２継手管
２弁部材
２ａ縦均圧路（均圧路）
２ｂ横均圧路（均圧路）
２１弁体部
２１ａ流量制御部
２１Ａ内空間
２２ボス部
２３連結部
３弁ホルダ部
３１ベアリング（回転軸受）
３１ａ内輪
３１ｂ外輪
３１ｃボール
３２円筒ケース（カバー部材）
３３ガイド
３４固定金具
３５弁側スリーブ
３６コイルばね
３７軸側スリーブ
４支持部材（ホルダガイド部）
４１圧入部
４１ａ流路
４２ガイド部
４２ａガイド孔
４３ネジホルダ部
４３ａ雌ねじ部
４４フランジ部
４４ａ流路
５ステッピングモータ（電動モータ）
５１ロータ軸（作動軸）
５１ａ雄ねじ部
５２マグネットロータ
５３ステータコイル
６密閉ケース
７弁ガイド部
７Ａ背圧室
７１円筒部
７２ガイド部
７３シール部
７３ａ板ばね
７３ｂＬパッキン
７３ｃ補強板
Ｘ軸線
１００電動弁
２００室外熱交換器
３００室内熱交換器
４００流路切換弁
５００圧縮機

Claims

弁ハウジングの弁室内で作動軸に連動する弁部材により弁ポートを開閉する電動弁であって、
前記作動軸に連結される回転軸受を有するとともに該回転軸受とは反対側に前記弁部材を保持する弁ホルダ部と、前記弁ホルダ部をガイドするホルダガイド部と、を備え、
前記弁ホルダ部が、前記ホルダガイド部のガイド孔内に内挿されるとともに前記回転軸受を内包する円筒状のカバー部材を備え、
前記作動軸には雄ねじ部が形成され、該雄ねじ部は、前記ガイド孔と同軸のねじ孔が形成されたネジホルダ部の雌ねじ部に螺合され、前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とで前記作動軸を軸線方向に移動させるネジ送り機構が構成され、
前記回転軸受は、前記作動軸の弁ポート側に設けられたフランジ部の弁ポート側に接続され、該作動軸に嵌合する内輪と、該内輪を周方向に囲む外輪と、前記内輪と前記外輪との間に介在する複数のボールと、を備え、
前記弁部材と、前記回転軸受の前記外輪との間に付勢ばねが介装されていることを特徴とする電動弁。
前記弁部材に対する背圧室の流体圧力と前記弁ポートの流体圧力とが均一にされる圧力バランス型であることを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
弁ハウジングの弁室内で作動軸に連動する弁部材により弁ポートを開閉する電動弁であって、
前記作動軸に連結される回転軸受を有するとともに該回転軸受とは反対側に前記弁部材を保持する弁ホルダ部と、前記弁ホルダ部をガイドするホルダガイド部と、を備え、
前記弁ホルダ部が、前記ホルダガイド部のガイド孔内に内挿されるとともに前記回転軸受を内包する円筒状のカバー部材を備え、
前記弁部材に対する背圧室の流体圧力と前記弁ポートの流体圧力とが均一にされる圧力バランス型であり、
電動モータのロータが密閉ケース内に収容されて該密閉ケースが前記弁ハウジングに気密に組み付けられ、前記ロータの回転によりネジ送り機構を介して前記作動軸を軸線方向に移動させるよう構成されるとともに、前記弁部材が内挿されて前記弁室内に配設された弁ガイド部と、前記弁ガイド部と前記弁部材との間で前記弁室と前記背圧室とを封止するシール部と、を備え、
前記弁ホルダ部が、前記シール部によって前記弁室から封止された前記背圧室内で前記ホルダガイド部によってガイドされるよう構成されるとともに、前記ホルダガイド部の外周に、前記背圧室から前記密閉ケースへ流体を流す流路が設けられていることを特徴とする電動弁。
前記ホルダガイド部が、前記作動軸と共に前記ネジ送り機構を構成していることを特徴とする請求項３に記載の電動弁。
圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、を含む冷凍サイクルシステムであって、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電動弁が、前記膨張弁として用いられていることを特徴とする冷凍サイクルシステム。