JP5156418B2 - 減速歯車装置付き電動弁 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機の冷媒の流量を制御する電動弁、特に気密容器であるキャン内にギア式の減速機構を備える減速歯車装置付き電動弁に関する。

電動モータを介して弁の開閉を行ういわゆる電動弁としては、大きく分けて次の二つのタイプが知られている。第１のタイプは、ロータの回転を直接にねじ機構に伝達して弁の開閉を行うようにしたもので、例えば特許文献１に開示されている。第２のタイプは、ロータの回転を減速装置で減速してねじ機構に伝達する減速歯車装置を備えたもので、例えば特許文献２や特許文献３等に開示されている。

前記第１のタイプの電動弁は、比較的コンパクトに構成できるものの、用途が低負荷の場合に限られ、また１駆動パルス当たりの弁開度の分解能を高くすることは困難である不都合を有している。
前記第２のタイプの電動弁は、負荷が大きい場合にも使用でき、１駆動パルス当たりの弁開度の分解能を高くすることはできるが、減速歯車装置のためのギヤボックスがモータ部分と別個に構成されるために電動弁全体が大型化してしまう問題を有している。

ところで、減速歯車装置付き電動弁として、本出願人は、弁室及び弁座を有する弁本体と、弁室内で弁座の開口を開閉可能に配置される弁体と、弁体を操作する弁棒と、弁本体に固着される有底円筒状のキャンと、キャンの外周部に装着されるモータ励磁装置と、キャンの内周部に回転自在に支持され励磁装置によって回転駆動されるロータ組立体と、ロータ組立体の回転を減速する減速歯車装置と、減速歯車装置の出力回転が入力されて弁体を弁座に対し進退させるねじ機構とを備え、ロータ組立体と減速歯車装置とは弁本体とキャンとによって区画形成される空間に配置されているものを、既に提案している（特許文献４参照）。減速歯車装置は、ロータ組立体の内部空間内に配置され、かつロータ組立体と一体の太陽ギアと、弁本体側に固定されるリングギアを有する固定ギアと、キャリアに支持されて太陽ギアと固定ギアに同時に噛合う遊星ギアと、遊星ギアに噛合うリングギアを有する出力ギアとを備えるものとして構成されている。

この種の減速歯車装置付き電動弁においては、減速歯車装置を金属射出成形、金属ダイキャスト又は硬質プラスチックで構成した場合は特に、ギアの噛み合い時摩耗粉が発生することがある。そうした摩耗粉は、通常の摩耗粉よりも硬く、弁室側の高圧冷媒との均圧のために均圧孔を通じて減速歯車装置内に導入される潤滑油を含む冷媒によってキャン内を浮遊する。こうした摩耗粉は減速歯車装置を構成する各ギアの噛み合い部分に介在すると、モータにとって負荷抵抗となり、正確な動作を維持する上での障害や噛み合いロックの原因となるとともに、更なる摩耗粉の発生原因となることがある。
特開２０００−３５６２７８号公報 特開２００２−８４７３２号公報 特開２００３−２３２４６５号公報 特開２００７−２４２０６号公報

本発明の目的は、減速歯車装置等で発生した摩耗粉に起因したモータの負荷抵抗の増大、減速歯車装置の各ギアでの噛み合いロックの発生や更なる摩耗粉の発生を防止し、長期間安定して作動する減速歯車装置付き電動弁を提供することである。

本発明による減速歯車装置付き電動弁は、本出願人が提案している上記の構成に加えて、前記減速歯車装置には、当該減速歯車装置の各ギアの噛み合いによって生じる摩耗粉による噛み合いロックを防止するための噛み合いロック防止手段が設けられ、前記噛み合いロック防止手段は、前記リングギア部が内周面に形成された有底の筒状部材である前記出力ギアの前記筒状部材の底部に形成され、前記摩耗粉を冷媒と一緒に通過させ得る孔であり、前記遊星ギアを支持する前記キャリアと前記出力ギアの底部との間には、前記冷媒通過用孔が連通する隙間が形成されていることを特徴としている。減速歯車装置に噛み合いロック防止手段を設けることにより、減速歯車装置を構成する各ギアが噛み合いながら駆動されること等に起因して発生する摩耗粉は、噛み合いロック防止手段によって、減速歯車装置を構成する各ギアの噛み合い部分に介在することがなくなり、減速歯車装置内の所定の位置に滞留する、或いは減速歯車装置から速やかに排出されるなどして、減速歯車装置を巡って流れる冷媒中に浮遊することがない。

この減速歯車装置付き電動弁において、前記出力ギアと当該出力ギアに連結された出力軸とを支える軸受には、前記冷媒通過用孔が形成される前記出力ギアの径方向位置と対応する径方向位置に、軸線方向に延びる冷媒通路が形成されている。

この減速歯車装置付き電動弁によれば、減速歯車装置には、当該減速歯車装置の各ギアの噛み合いによって生じる摩耗粉による噛み合いロックを防止するための噛み合いロック防止手段を設けており、当該噛み合いロック防止手段によって、減速歯車装置等から発生する摩耗粉が減速歯車装置内のギア間に噛み込まれることに起因した噛み合いロックが発生するのを防止することができる。摩耗粉は、減速歯車装置内で捕捉・滞留される、或いは減速歯車装置から速やかに排出されるので、モータの負荷抵抗の増大や更なる摩耗粉の発生を防止することができ、電動弁としての正確な動作を長期間に亘って安定的に維持・確保することができる。
また、噛み合いロック防止手段を出力ギアや遊星ギアに設けた凹部とし、この凹部に摩耗粉を捕捉・滞留させることができる。或いは、噛み合いロック防止手段を出力ギアの底部に形成した摩耗粉を冷媒と一緒に通過させ得る孔とすることで、当該孔を通して摩耗粉を減速歯車装置から速やかに排出させることができる。

以下、添付図面を参照して、この発明による減速歯車装置付き電動弁の実施形態を説明する。図１は、本発明による減速歯車装置付き電動弁の全体構造を示す断面図である。全体を符号１で示す減速歯車装置付き電動弁は、気密容器である有底円筒状のキャン３０内に回転自在に支持されるロータ組立体４０を有する。キャン３０の外周部には、モータのステータを構成するコイル３が樹脂と一体にモールドされたモータ励磁装置２が装着されており、板ばねにより製作された取付具５によりキャン３０に対して着脱自在に嵌装される。コイル３は電気回路４を介して外部の電源に連結される。

キャン３０は、受け部材２０を介して弁本体１０に固着される。弁本体１０は弁室１２と弁座１５とを有している。弁本体１０には冷媒の配管１８ａ，１８ｂが固着されている。弁本体１０の下端にはオリフィス１４が形成されており、オリフィス１４を通じて配管１８ｂと連通している。弁本体１０の弁室１２は側方に開口しており、配管１８ａと連通している。弁本体１０の弁室１２には、モータ励磁装置２によってロータ組立体４０が回転駆動されるとき、詳細を後述する減速歯車装置５０及びねじ移動機構６０を介して上下方向に移動して弁軸１３が配設されている。弁軸１３の先端部は弁体１６となっており、弁体１６は、弁軸１３の移動に伴って弁座１５に接離可能である。弁室１２の上部は室１７となっており、弁軸１３及び上記のねじ移動機構６０が収容されているが、弁室１２からは冷媒が進入可能である。

キャン３０の内部に装備されるロータ組立体４０は、キャン３０の外側に嵌装されたモータ励磁装置２のコイル３に駆動信号を供給することにより生じる磁界作用によって回転駆動される。

ロータ組立体４０の回転は、遊星歯車を備える減速歯車装置５０により減速される。減速歯車装置５０は、ロータ組立体４０と一体の太陽ギア５１と、弁本体１０側に固定されるリングギア部５３を有する固定ギア５２と、キャリア５５に支持されて太陽ギア５１と固定ギア５２とに同時に噛合う遊星ギア５４と、遊星ギア５４に噛合うリングギア部５７を有する出力ギア５６とを備えており、ロータ組立体４０がその内部に定めるロータ空間に配置されている。減速歯車装置５０をロータ空間に配置するため、減速歯車装置５０を構成する各歯車はそれに見合う小さいサイズとなっている。

太陽ギア５１はロータ組立体４０とともに回転し、太陽ギア５１と噛み合う遊星ギア５４は固定ギア５２とも噛み合っているので、キャリア５５に支持されて公転しながら自転をする。遊星ギア５４と噛み合う出力ギア５６の歯数は固定ギア５２の歯数と僅かに異なっているので、出力ギア５６には、減速比の大きい回転出力が出力軸５８に伝達される。このような遊星歯車機構は、不思議遊星歯車機構と称されている。

固定ギア５２は、この実施例では、キャン３０内の空間に固定されるホルダ部６４（後述する）に固着される円筒状のギアケース５９の上端部に支持されている。減速歯車装置５０を構成する各ギアは、硬質プラスチック（例えば、エンジニアリングプラスチックの一つであるＰＰＳ樹脂等）にて形成される。各ギアは、硬質プラスチックに代えて金属射出成形（ＭＩＭ）や金属ダイキャスト（一例としては亜鉛ダイキャスト）にて形成されることもある。ロータ組立体４０と減速歯車装置５０とは、弁本体１０とキャン３０とによって区画形成される空間に配置されている。

出力軸５８の回転は、ねじ移動機構６０に伝達される。ねじ移動機構６０は、軸方向の相対変位を吸収しながら回転を伝達可能な継ぎ手部６１と、雄ねじ部を有し継ぎ手部６１からの回転力を受けて回転するねじ軸６２と、ねじ軸６２の雄ねじ部とねじ係合する雌ねじ部を有する軸受６３とを備えている。軸受６３は、弁本体１０の上端部であるホルダ部６４に固定支持されており、減速歯車装置５０の出力軸５８を回転自在に支持しているとともに出力ギア５８の底部を回転自在に支持している。出力軸５８及び継ぎ手部６１を経て回転力が伝達されるねじ軸６２は、軸受６３とのねじ作用によって軸線方向に移動する。なお、軸受６３はホルダ部６４と一体に形成されることもあり、この場合には出力ギア５６（出力軸５８）はホルダ部６４に直接的に支持される。

ねじ軸６２の移動量は、ボール６５、ボール受け部材６６を介して弁軸１３へ伝達される。弁軸１３の先端に設けられている弁体１６は、弁室１２内にあって、ねじ移動機構６０の作用によって上下動するように操作され、弁座１５に対し進退して弁座１５の開口を開閉可能である。弁体１６の弁座１５に対する位置は、減速装置５０によって高い分解能で位置決めできるので、弁体１６と弁座１５間の流路面積は高精度に制御され、通過する冷媒流量を高精度で調節することができる。

ねじ移動機構６０におけるバックラッシュを除去するため、弁本体１０には、弁軸１３を開弁方向に付勢するコイルばね６８が設けられている。コイルばね６８を支持するため、弁室１２には金属製の有底筒状のばね受け６９（ばね覆い部材）が配設されている。ばね受け６９は、筒状の周壁によってコイルばね６８と弁軸１３の外周面をその下端部を残して覆うとともに、その上端に外側に屈曲する外向きフランジ部で弁本体１０の段部に係止されており、下端側は内向きのフランジ部となっていてコイルばね６８の下端を支持している。ばね受け６９の最下部分は延長ガイド部６９ａとなっており、弁軸１３を軸方向にガイドするのに充分な長さを有しており、弁軸１３との隙間を通してキャン３０の内部へ冷媒が流れる流体通路の一部を形成している。ばね受け６９は、コイルばね６８を弁体１６との間で圧縮状態に保持している。圧縮状態に保持されたコイルばね６８のばね力によって、弁軸１３は常に開弁方向に付勢されており、軸受６３に対してねじ軸６２が上方に寄せられることでガタツキが吸収されている。閉弁時のモータの駆動力は、このコイルばね６８のばね力に打ち勝って弁軸１３を押し下げ、ねじ部でのガタツキを吸収するという無効な行程を経ることなく直ちに反力が軸受６３に伝達される。また、開弁の際には、弁体１６が弁座１５から離れたときに、弁軸１３はねじ軸６２に追従して移動する。

ホルダ部６４には、径方向に貫通する均圧孔６７が形成されている。均圧孔６７は、弁室１２に連通する室１７側に存在する冷媒の高圧圧力とキャン３０内側の冷媒圧力とを均圧させるものである。均圧孔６７が形成されていないと、減速歯車装置５０やねじ移動機構６０に対して上方へ引き上げるような力が作用する。均圧孔６７を形成することで弁室１２側とキャン３０内側とで均圧させることにより、特に、ねじ移動機構６０の雄ねじ部と雌ねじ部とが係合するねじ面に作用する力を緩和させることができ、電動弁にとってのモータ負荷を軽減することができる。

本発明によれば、減速歯車装置５０には、減速歯車装置５０の作動中にその噛み合い時に発生する摩耗粉の噛み込みに起因した噛み合いロックを防止する噛み合いロック防止手段が設けられている。減速歯車装置５０の、特に、遊星ギア５４が金属射出成形（ＭＩＭ：Metal Injection Mold）又はダイキャスト成形（実際は亜鉛ダイキャスト成形）、プラスチック成形（硬質のＰＰＳ成形）によって成形されたものである場合に、その噛み合い時に発生する摩耗粉が通常のものよりも硬く、そのため、そうした摩耗粉が歯車間に介在すると噛み合いロックを生じやすい。そこで、摩耗粉に起因した歯車の噛み合いロックを防止する手段が求められる。

図２は、噛み合いロック防止手段を減速歯車装置５０の出力ギア５６に設けた実施例を示した縦断面図である。出力ギア５６は、底部７０の中央部分に出力軸５８との結合用の孔７１が形成された有底の筒状部材であり、筒状部７２の内周面には上記したリングギア部５７が形成されている。噛み合いロック防止手段は、筒状部材の底部７０の内側に設けられた摩耗粉滞留用の凹部７３である。凹部７３は、好ましくは、底部７０の筒状部７２と交差する最外隅部に形成されている周溝によって構成されている。なお、凹部７３は摩耗粉を滞留させるだけであれば、周方向に部分的であってもよい。

減速歯車装置５０において、特にギア同士の噛み合いに起因して生じた摩耗粉は、出力ギア５６の底部７０に形成された凹部７３に滞留される。摩耗粉は、出力ギア５６の回転による遠心力で外側へ移動する傾向があるので、凹部７３は底部７０の最も外径よりに形成しておく。こうすることで、凹部７３に一端捕捉された摩耗粉は、再度、外へ出ることが殆ど無くすることができる。

図３は、噛み合いロック防止手段を減速歯車装置５０の遊星ギア５４に設けた実施例を示した縦断面図である。この噛み合いロック防止手段は、遊星ギア５４の長手方向の中間部分、即ち、太陽ギア５１（図１参照）と噛み合う上側部分８０と、星ギア５４の出力ギア５６（図１参照）と噛み合う下側部分８１との間の非噛み合い部分８２に設けられた摩耗粉滞留用の凹部８３である。凹部８３は、遊星ギア５４の歯底部８４に達する周溝８５とすることができる。周溝８５は、特に、上側部分８０で生じた摩耗粉を滞留させることができる。

遊星ギア５４の凹部８３の構造によって、技術的な効果として、遊星ギア５４や固定ギア５２及び出力ギア５６との噛み合い部分を潤滑し易くなる。潤滑が不足気味のギア歯があっても、周溝８５を通じて潤滑油が豊富な側から回って供給される。

遊星ギア５４において、非噛み合い部分８２の歯を切り欠くことで、次のような作用・効果を得ることもできる。遊星ギア５４は、上下の各部分８０，８１でそれぞれ別の歯車（固定ギア５２と出力ギア５６）に噛み合っている歯車である。遊星ギア５４は固定ギア５２と出力ギア５６との伝達トルクに差（通常、トルクの向きが異なる）があるので、遊星ギア５４には上下の各部分８０，８１の間で捩じるようなトルクが発生する。遊星ギア５４への上記捩じりトルクの影響は、結局のところ、固定ギア５２と出力ギア５６が最も接近している部分で最も大きくなり、非噛み合い部分８２でギア歯が連続しているとすると、この部分で曲げの応力が大きくなって遊星ギア５４の歯が欠損（欠け）する可能性がある。破損すると摩耗粉が生じ、生じた摩耗粉が研磨剤のような働きをし、更に摩耗を促進させる。非噛み合い部分８２を予め切り欠いておくことで、捩じり力が歯の部分に曲げとして作用することがなくなり、欠損の危険性も無くなる。

図４は、噛み合いロック防止手段を減速歯車装置５０の出力ギア５６に設けた別の実施例を示した縦断面図である。図１及び図２において既に示した要素や部位には、図１で使用した符号と同じ符号を付しているので、これらについては再度の説明を省略する。この実施例では、出力ギア５６はリングギア部５７が内周面に形成された有底の筒状部材（底部７０、筒状部７２）であり、噛み合いロック防止手段は、出力ギア５６の底部７０に形成された摩耗粉が冷媒と一緒に通過し得る孔９０である。この孔７０は、図４では１個が示されているが、周方向に隔置して複数個形成することができる。

出力ギア５６の底部７０に孔９０を形成することにより、冷媒は、一部の孔９０を通じて上昇して減速歯車装置５０に入り、また別の孔９０を通じて下降することにより、減速歯車装置５０に出入りする。減速歯車装置５０内で生じた摩耗粉は、その冷媒の流れによって減速歯車装置５０からその外部へと強制的に除去される。また、冷媒は潤滑オイルを含んでいるので、孔９０を通じた流れによって、潤滑オイルも減速歯車装置５０に出入りし、ギア部は強制的に潤滑される。

遊星ギア５４を支持するキャリア５５と出力ギア５６の底部７０との間には、摩耗粉が冷媒と一緒に通過し得る孔９０が連通する隙間９１が形成されている。また、軸受６３は、出力ギア５６と、出力ギア５６に連結された出力軸５８とを支えているが、軸受６３には、出力ギア５６において孔９０が形成される径方向位置と対応する径方向位置に、軸線方向に延びる冷媒通路９２が形成されている。冷媒通路９２についても、周方向に複数個形成することができる。冷媒通路９２は、実施例に示すように、軸受６３を貫通する貫通孔として形成しても良いが、外周面に軸線方向に延びる複数の連通溝を形成してその外側をホルダ部６４で覆うことによって形成してもよい。

弁室１２からの高圧冷媒は、固定されている軸受６３の冷媒通路９２を通じて上昇し、出力ギア５６の底部７０の底面に向かって吹き出す。大きな減速比で回転する出力ギア５６の底部７０には複数の孔９０が形成されているので、幾つかの冷媒通路９２からの冷媒は、孔９０を通ってキャリア５５と出力ギア５６の底部７０との間に形成されている隙間９１を通って、減速歯車装置５０の内部に進入する。進入した冷媒は、ギア部を流れて、逆の順に弁室１２の方向に流れ、減速歯車装置５０内で発生した摩耗粉を減速歯車装置５０外に排出する。冷凍システムにおいては、冷媒循環路中に他の異物除去手段が設けられているので、冷媒中の摩耗粉は異物として当該手段によって捕捉される。

本発明による減速歯車装置付き電動弁の全体構造を示す断面図。 噛み合いロック防止手段の第１実施態様を示す要部断面図。 噛み合いロック防止手段の第２実施態様を示す要部断面図。 噛み合いロック防止手段の第３実施態様を示す要部断面図。

符号の説明

１ 減速歯車装置付き電動弁 ２ モータ励磁装置
３ コイル ４ 電気回路
５ 取付具
１０ 弁本体 １２ 弁室
１３ 弁軸 １４ オリフィス
１５ 弁座 １６ 弁体
１７ 室 １８ａ，１８ｂ 配管
３０ キャン ４０ ロータ組立体
５０ 減速歯車装置 ５１ 太陽ギア
５２ 固定ギア ５３ リングギア部
５４ 遊星ギア ５５ キャリア
５６ 出力ギア ５７ リングギア部
５８ 出力軸 ５９ ギアケース
６０ ねじ移動機構 ６１ 継ぎ手部
６２ ねじ軸 ６３ 軸受
６４ ホルダ部 ６５ ボール
６６ ボール受け部材 ６７ 均圧孔
６８ コイルばね ６９ ばね受け
６９ａ 延長ガイド部
７０ 底部 ７１ 孔
７２ 筒状部 ７３ 凹部（噛み合いロック防止手段）
８０ 上側部分 ８１ 下側部分
８２ 非噛み合い部分 ８３ 凹部（噛み合いロック防止手段）
８４ 歯底部 ８５ 周溝
９０ 摩耗粉を冷媒と一緒に通過させ得る孔（噛み合いロック防止手段）
９１ 隙間 ９２ 冷媒通路

Claims (2)

1. 弁室及び弁座を有する弁本体と、前記弁室内で前記弁座の開口を開閉可能に配置される弁体と、前記弁体を操作する弁棒と、前記弁本体に固着される有底円筒状のキャンと、該キャンの外周部に装着されるモータ励磁装置と、前記キャンの内周部に回転自在に支持され前記励磁装置によって回転駆動されるロータ組立体と、該ロータ組立体の回転を減速する減速歯車装置と、前記減速歯車装置の出力回転が入力されて前記弁体を前記弁座に対し進退させるねじ機構とを備え、前記ロータ組立体と前記減速歯車装置とは前記弁本体と前記キャンとによって区画形成される空間に配置されており、
   前記減速歯車装置は、前記ロータ組立体の内部空間内に配置され、かつ前記ロータ組立体と一体の太陽ギアと、前記弁本体側に固定されるリングギアを有する固定ギアと、キャリアに支持されて太陽ギアと前記固定ギアに同時に噛合う遊星ギアと、該遊星ギアに噛合うリングギアを有する出力ギアとで構成され、
   前記減速歯車装置には、当該減速歯車装置の各ギアの噛み合いによって生じる摩耗粉による噛み合いロックを防止するための噛み合いロック防止手段が設けられ、
   前記噛み合いロック防止手段は、前記リングギア部が内周面に形成された有底の筒状部材である前記出力ギアの前記筒状部材の底部に形成され、前記摩耗粉を冷媒と一緒に通過させ得る孔であり、
   前記遊星ギアを支持する前記キャリアと前記出力ギアの底部との間には、前記冷媒通過用孔が連通する隙間が形成されていることを特徴とする減速歯車装置付き電動弁。
2. 前記出力ギアと当該出力ギアに連結された出力軸とを支える軸受には、前記冷媒通過用孔が形成される前記出力ギアの径方向位置と対応する径方向位置に、軸線方向に延びる冷媒通路が形成されていることを特徴とする請求項１記載の減速歯車装置付き電動弁。

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