JP4615693B2 - 電動式コントロールバルブ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプ式エアコンや冷凍機などの冷凍、冷蔵、空調設備に組み込まれ、冷媒流量制御に使用される電動式コントロールバルブに関し、特に駆動源としてステッピングモータを備えるとともに流量制御弁としてニードル弁を備えた電動式コントロールバルブとその組み立て方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、前記のような電動式コントロールバルブとして、図5に示すようなものが提案されている。
図5において、符号14は電動式コントロールバルブの弁本体を示しており、この弁本体14には、その軸線方向直下に第1継手21aの流路に接続する第1開口22が設けられ、その近傍の側部に第2継手21bの流路に接続する第2開口23が設けられて、弁本体14の上方から第1開口22と第2開口23とを接続するように弁室15が形成されている。弁本体14の上部は蓋体9を下部に設けられたキャン1で被覆され、キャン1の内部には、ステッピングモータ20のロータ10が設けられている。ロータ10は合成樹脂製でその中心にピン24が設けられており、ピン24は下方に延びて弁室15に挿入されている。ピン24の下端にニードル弁13が設けられ、このニードル弁13は、弁座としての第1開口22と協働して制御弁を構成している。符号33は回り止め用段部を示している。
【0003】
ロータ10の下方に延びる突出部10sの外周に雄ねじ25が形成され、この雄ねじ25に螺合する雌ねじ26が弁本体14の内壁に形成されている。したがって、ロータ10が回転すると、雌ねじ26は固定されているので、ロータ10即ち、ニードル弁13が第1開口22内を上下動し、冷媒流量の制御を行うことができる。
【0004】
キャン1の上蓋部27の中心に支持凹部28が設けられ、この支持凹部28にガイド部材29の上部突起30が嵌合し、また、ガイド部材29の中心孔29aとピン24の上端部とは上下動且つ回転可能に嵌合されている。
【0005】
ガイド部材29の外周にスプリング受け31が形成され、このスプリング受け31とロータ10の凹嵌部の下面との間にスプリング32が縮設されている。更に、キャン1の円筒状外周に、ステッピングモータ20のステータコイル17が固定され、コネクタ34により外部と接続されている。ステータコイル17は上側コイル17aと下側コイル17bとにより形成されている。
【0006】
前記の構成のニードル弁タイプの電動膨張弁において、ステータコイル17への通電によリロータ10が回転する。ロータ10の突出部10sに形成された雄ねじ25と弁本体内壁に形成された雌ねじ26との螺合により、ロータ10と一体形成のピン24も共に回転しながら上下動する。それにより、ピン24に形成されたニードル弁13が上下動し、第1開口22内を上下動し、冷媒流量の制御を行う。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
前記の従来の電動式コントロールバルブでは、冷媒流量の制御に電動式のニードル弁を使用している。
【0008】
ところで、ニードル弁タイプの電動式コントロールバルブでは、全閉機能を有する場合は、ニードル弁のテーパ部を弁座に当接させる必要があり、ニードル弁が垂直方向の力によって弁座に食い込みを防ぐためには、そのテーパ部を例えば60度と充分大きくする必要がある。さらに、ニードル付け根径D1は弁孔の径D0よりも小さくしなければならない(D0>D1)。
【0009】
その結果、ニードル弁タイプのものでは、弁開き始めの弁特性は急激な立ち上がりとなってしまう。また、前記食い込みを防ぐために、ニードルと弁座との間に若干のクリアランスを設けると、そのクリアランスだけで、微小冷媒流量の制御範囲を越えてしまうおそれがある。このような理由から、ニードル弁タイプのものは、微小冷媒流量制御を必要とする冷凍サイクルには適用できないという問題点がある。
本発明は、従来例のこのような問題点の解決を図ろうとするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するために、ケースとしてのキャンと、該キャンの内部に配設される弁室及び弁座を備えた弁本体と、該弁本体に取り付けられたステッピングモータのロータと、該ステッピングモータのロータにより前記弁座に接離する方向に駆動されてニードル弁として機能するニードルを備えた電動式コントロールバルブであって、前記ステッピングモータのロータと一体に成形し、外周面に雄ねじを形成した雄ねじ部材を設け、該雄ねじに螺合する雌ねじを内周面に形成した円筒状の雌ねじ部材が前記弁室内に取付ばねと共に設けられ、前記雌ねじ部材の内部に、ニードル弁を設け、弁閉行程時に、前記雌ねじ部材の平坦状の下端面が弁座を形成する弁室底面に当接して前記ニードル弁を完全弁閉状態にする前に前記ニードル弁が前記弁座に当接して該ニードル弁を弁閉状態にするように構成され、且つ、前記ステッピングモータのロータと、前記キャンの上凸部とロータ軸の間に設けられた軸受けとの間に波形板ばねが介設され、前記ニードル弁の完全弁閉状態時に前記波形板ばねが弾性変形して前記ステッピングモータのロータ回転トルクを吸収するように構成されている。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図1乃至図5により本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の実施形態にかかる電動式コントロールバルブの全体を示しており、この電動式コントロールバルブも、前記従来のものと同様に、キャン1、ステータコイル17、第1継手21a、第2継手21b、弁本体14、ニードル弁13、弁座19、雄ねじ12a、雌ねじ11a、コネクタ34などを備えて構成されている。
【0013】
この実施形態の電動式コントロールバルブは、次の構成で前記従来のものと相違する。雄ねじ12aはステッピングモータのロータ10にインサート成形して一体化されている軸状の雄ねじ部材12の外周に設けられている。雌ねじ11aはステッピングモータのロータ10の中心部に設けた円筒状の雌ねじ部材11の内面に形成されている。図2に示す雌ねじ部材11の雌ねじ11aの下端には前記雌ねじ11aより小径のニードル弁13、弁ばね7を収納する空間11bを設けている。
【0014】
この雌ねじ部材11をステッピングモータのロータ10と共に回転させずに、上下摺動可能にするガイド6が、雌ねじ部材11の頭部外面2個所に形成された凹部11cに摺動自在に設けられ、ガイド6の他端部6aは弁本体14に固定されている。雌ねじ部材11と弁本体14の間には、雌ねじ部材11をステッピングモータのロータ10方向に押し上げる取付ばね8が挿入されている。ニードル弁13は雌ねじ部材11の中心孔11dに挿通され、雄ねじの先端とニードル弁13の上部の間に弁ばね7を設け、この弁ばね7の力によリニードル弁13の上部に設けた段部13aと雌ねじ部材11の中心孔11dの段部にニードル弁13を押し付けるようにしている。雌ねじ部材11の弁本体14と当接する先端部11eには冷媒が通過しやすいように数箇所の溝11fが設けられている。
【0015】
図1において、雄ねじ部材12の雄ねじ部の反対側はロータ軸12bが設けられ、キャンの上凸部1aとロータ軸12bの間に軸受け2が設けられている。この軸受け2の中心孔にロータ軸12bが上下摺動可能に挿入されており、軸受け2とステッピングモータのロータ10の間には波形板ばね3が設けられている。
【0016】
雌ねじ部材11のニードル弁13側の溝11fは、ロータ10の回転力により雌ねじ部材11と弁本体14との間で摩擦力により雌ねじ部材11のストッパーとして作用する。
【0017】
ステッピングモータのステータ17は、上下1組のコイル17a,17bと、各コイルにより磁化される複数の磁極17c,17dを備えている。なおコイル17a,17b及び磁極17c,17dは、ステッピングモータの組み立て時、予め外函4と一体構造化されている。
【0018】
前記の構成において、ステッピングモータのロータ10が回転すると、ロータ10に一体成形した雄ねじ部材12が回転し、ガイド6により回転をしない雌ねじ部材11とのねじ作用により取付ばね8の力に抗して雌ねじ部材11、ニードル弁13が下に移動してニードル弁13と弁座19の間隔を制御し、弁開口面積が変化する。
【0019】
この状態からステッピングモータのロータ10を弁閉方向に回転させると、雌ねじ部材11とニードル弁13は下降し、弁座19に当接して「弁閉」状態となる。この時、弁ばね7の弱い荷重がニードル弁13の弁座19に作用することになるが、この実施形態のものでは、その荷重は、ニードルの角度が鋭角であっても弁座19に食い付き現象が生じないように設計されている。そして、この荷重は、ニードル弁13が弁座19に当接後、更に、ステッピングモータのロータ10の回転を停止させるまでの間、弁閉状態を保つように作用する。雌ねじ部材11のニードル弁13との当接部13hとニードル弁13の弁ばね受け段部13aとの間に若干の間隙Lcが形成されるようになっている。
【0020】
ニードル弁13が、「弁閉」状態となった後、更にステッピングモータのロータ10を弁閉方向に回転させると、雌ねじ部材11の下端面が弁座19を形成する弁室底面15eに当接して、「完全弁閉」の状態となる。ついで、波形板ばね3が変形してステッピングモータのロータ10と軸受け2に強い荷重を付与し、ロータ10の回転を停止する状態に至る。
【0021】
次に、電動式コントロールバルブの組立方法について説明する。弁本体14には流体の第1継手21a、第2継手21b、ニードル弁13と雌ねじ部材11とガイド6と取付ばね8、及び弁ばね7を収納する弁室15を弁座19の中心軸上に設けている。また、ステッピングモータのステータコイル17を定位置に固定する取付孔5を外周面に予め設けている。
【0022】
図2において、雌ねじ部材11の中心孔11bにニードル弁13を挿入し、次に弁ばね7を挿入する。次いで雌ねじ部材11の大径部11gの2個所の回転止め凹部11cにガイド6の回転止め部6bを挿入して雌ねじ部材11にガイド6を取り付ける。その後、取付ばね8を雌ねじ部材11の小径部11hに下部よりガイド6との間に挿入する。そしてガイド6のかしめ部6aと弁室15のかしめ部20aとをかしめる。雄ねじ部材12を弁室15にかぶせるように載置して手で雄ねじ部材12を回転し、雌ねじ部材11の中心孔11dに設けた雌ねじ11aと雄ねじ部材12の雄ねじ12aとを螺合させる。次いで、雄ねじ部材12の軸部12bに波形板ばね3、軸受2を挿入する。最後にキャン1をかぶせて下端部を弁本体14の蓋体9と密閉溶接する。
【0023】
ステッピングモータのロータ10には、雄ねじ部材12が一体にインサート成形されているが、この雄ねじ部材12のねじ部12aを前記ガイド6の中心より雌ねじ部材11のねじ部11aにステッピングモータのロータ10を手で回転しながら挿入する。次に雄ねじ部材12の軸部12bに波形板ばね3、軸受け2を挿入しキャン1を弁本体14に組合わせる。
【0024】
冶具によリステッピングモータのロータ10をキャン1の外部より回転し、電動式コントロールバルブの閉基点を設定し、本体14のガイド6とのカシメ部20aをカシメ固定する。その後、キャン1を弁本体14に取付けた蓋体9に気密に溶接する。
【0025】
このような組立て手段で電動式コントロールバルブを組立てることにより、弁閉基点の設定を、雌ねじ部材11を弁座19に当接させた状態で行うことができその結果、従来のガイドとのガタツキが大きいこと等の理由による誤差や、ねじ機構のガタに伴う基点誤差の発生をなくすことが可能となる。
【0026】
この実施形態の場合、ニードル弁の「完全弁閉」状態時、雌ねじ部材11の先端(下端)平坦面が弁本体14の弁座19を形成する弁室底面15eに当接する構成となっている。したがって、ニードル弁13の先端弁部13eの角度θs(図3参照)を小さく,例えば6度に設定して、微少流量制御が行えるようにしても、弁座への食い込みを防止することが可能となる。
【0027】
この実施形態では、ニードル弁13の「完全弁閉」状態時、雌ねじ部材11が弁本体14の弁座19を形成する弁室底面15eに当接してニードル弁13と弁座に作用する荷重を雌ねじ部材11が負担する構成であるため、ニードル弁13の「完全弁閉」状態時のニードル弁荷重を小さな荷重(「冷媒の導入圧」−「冷媒の吐出圧」十「弁ばね7のばね力」)に抑えることができ、その結果、ニードル弁13の弁座19への食い込みを防止することが可能となる。
【0028】
図4に示す曲線▲1▼は、θn=6°の場合のニードル弁の荷重特性を示しており線▲2▼は「ニードル弁当接荷重」Wi=「弁引抜き荷重」W0を示している。また線▲3▼はステッピングモータの発生推力を、線▲4▼はニードル弁への当接(負荷)荷重をそれぞれ示している。ここで、ニードル弁への当接(角荷)荷重は、「冷媒の導入圧」−「冷媒の吐出圧」+「弁ばねのばね力」である。点▲5▼は変曲点を示している。
【0029】
この実施形態では、前記のように、ニードル弁13の「完全弁閉」状態時、雌ねじ部材11が弁本体14の弁座19を形成する弁室底面15eに当接してニードル弁13に作用する荷重を雌ねじ部材11が負担する構成であるため、ニードル弁13の「完全弁閉」状態時のニードル弁13荷重を、符号Sで示す点に設定することが可能となる。その結果、「弁引抜き荷重」W0を小さな荷重(「冷媒の導入圧」−「冷媒の吐出圧」+「弁ばねのばね力」)に抑えることができ、ニードル弁13の先端弁部を鋭角に設定して、微少流量制御が行えるようにしてもニードル弁13の弁座19への食い込みを防止することができる。
【0030】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、次のような効果が得られる。
(1)ニードルの先端弁部を鋭角に設定して、微少流量制御が行えるようにしても、ニードルの弁座への食い込みを防止することが可能となる。
(2)回転停止機構における衝突音を低減でき、また波形板ばねにより電動式コントロールバルブの騒音を更に低減できる。
(3)ステッピングモータの基点の設定時、雌ねじ部材の平坦面が基準となるため、耐久性に富み、劣化が極めて少ない。
(4)回転停止機構の停止位置合わせも同時に行うことができるので、組み立て工程を省略することができる。
(5)完全弁閉状態時に、ニードル弁と弁座に発生する押圧力が微少であるため弁座の変形が少ない。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明の1実施の形態に係る電動式コントロールバルブの断面図、
(b)はニードル弁の一部拡大図である。
【図2】図1の雌ねじ部材の要部拡大断面図である。
【図3】図1のニードル弁と弁座の部分の拡大断面図である。
【図4】図1の電動式コントロールバルブのニードル弁の当接荷重(横軸)と弁引抜き荷重(縦軸)との関係を示すグラフである。
【図5】従来の電動式コントロールバルブの断面図である。
【符号の説明】
1 キャン
2 軸受け
3 波形板ばね
4 外函
5 ステータコイル取付孔
6 ガイド
7 弁ばね
8 取付ばね
9 蓋体
10 ステッピングモータのロータ
11 雌ねじ部材
11a 雌ねじ
12 雄ねじ部材
12a 雄ねじ
13 ニードル弁
14 弁本体
15 弁室
16a 下弁室
17 ステータコイル
17a 上側コイル
17b 下側コイル
17c 下向き磁極
17d 上向き磁極
19 弁座
20 筒部
21a 第1継手
21b 第2継手
Claims (3)
- ケースとしてのキャンと、該キャンの内部に配設される弁室及び弁座を備えた弁本体と、該弁本体に取り付けられたステッピングモータのロータと、該ステッピングモータのロータにより前記弁座に接離する方向に駆動されてニードル弁として機能するニードルを備えた電動式コントロールバルブであって、前記ステッピングモータのロータと一体に成形し、外周面に雄ねじを形成した雄ねじ部材を設け、該雄ねじに螺合する雌ねじを内周面に形成した円筒状の雌ねじ部材が前記弁室内に取付ばねと共に設けられ、前記雌ねじ部材の内部に、ニードル弁を設け、弁閉行程時に、前記雌ねじ部材の平坦状の下端面が弁座を形成する弁室底面に当接して前記ニードル弁を完全弁閉状態にする前に前記ニードル弁が前記弁座に当接して該ニードル弁を弁閉状態にするように構成され、且つ、前記ステッピングモータのロータと、前記キャンの上凸部とロータ軸の間に設けられた軸受けとの間に波形板ばねが介設され、前記ニードル弁の完全弁閉状態時に前記波形板ばねが弾性変形して前記ステッピングモータのロータ回転トルクを吸収するように構成されていることを特徴とする電動式コントロールバルブ。
- 前記弁室内に雌ねじ部材の回転を防止し、上下摺動可能にするガイドを弁本体に固定した請求項1に記載の電動式コントロールバルブ。
- 前記ニードル弁を前記弁座方向に付勢する弱いばね力の弁ばねが雌ねじ部材の内部に設けられている請求項1又は請求項2に記載の電動式コントロールバルブ。
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