JP7175035B2 - 流量制御弁 - Google Patents

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Description

本発明は、流量制御弁に関する。
冷凍サイクルにおいて流量制御弁として使用されるモータ駆動型の電動弁は、モータにより回転駆動される弁軸の雄ねじ部を弁本体に設けられた雌ねじ孔に螺合させてなるねじ機構を有し、このねじ機構により回転運動を軸線方向運動に変換することによって、弁軸を軸線方向に変位させ、流量を制御している。
例えば特許文献1に示すような流量制御弁において、内部に弁室を画成する弁本体と、モータのロータ及びねじ機構を収容する有底円筒状のキャンとが接合されている。かかる流量制御弁において、ロータに連結されたロータ軸の雄ねじ部が、雌ねじ孔に対して回転することによりロータ軸を軸線方向に移動させ、ニードル弁を保持する弁ホルダを軸線方向に移動させることができる。また、密閉された弁本体及びキャン内は冷媒で満たされている。
特開2018-119595号公報
ところで、冷凍サイクル内を循環する冷媒には、コンプレッサなどの稼働中に異物が混入することがある。このため、異物が混入した冷媒が配管を通って流量制御弁の弁本体及びキャン内に進入し、ねじ機構付近に到達することも予想される。かかる場合、特許文献1の流量制御弁においては、雄ねじ部の端部が雌ねじ孔から外部に露出しているため、雄ねじ部に付着した異物が、ロータ軸の軸線方向移動に伴い雌ねじ孔内に進入し、それによりねじ間で噛み込みなどが生じ、ねじ機構の円滑な動作が阻害されるおそれがある。
これに対し、流量制御弁の冷媒の入口に目の細かいフィルタなどを配置して、冷媒に混入した異物を捕獲することも一案である。しかしながら、流量制御弁にフィルタなどを設置すると、流量制御弁のコスト増を招来し、また定期的にフィルタの清掃が必要になりメンテナンスの手間も増える。
そこで本発明は、コストやメンテナンスの手間を抑制しつつ、円滑な動作を確保できる流量制御弁を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の流量制御弁は、
キャンと、
前記キャンに接合される弁本体と、
前記キャンと前記弁本体とで囲われた空間内に配置され、前記弁本体に対して回転可能な弁軸と、前記弁本体に対して固定されたガイドステムと、を有し、
前記弁軸は、一体の部材から構成され、雄ねじ部、前記雄ねじ部の上側に配置された上部円筒部、及び前記雄ねじ部の下側に配置された下部円筒部を有し、
前記ガイドステムは、前記雄ねじ部に螺合する雌ねじ孔、前記雌ねじ孔の上側に配置され、前記上部円筒部に対向する上端ガイド部、及び前記雌ねじ孔の下側に配置され、前記下部円筒部に対向する下端ガイド部を有し、
前記上端ガイド部と前記上部円筒部との径方向の隙間、及び前記下端ガイド部と前記下部円筒部との径方向の隙間はいずれも、前記雌ねじ孔と前記雄ねじ部との径方向の隙間より小さい、ことを特徴する。
本発明によれば、コストやメンテナンスの手間を抑制しつつ、円滑な動作を確保できる流量制御弁を提供することができる。
図1は、本発明の実施形態に係る流量制御弁を示す縦断面図である。 図2は、流量制御弁の雌ねじ孔と雄ねじ部の一部を拡大して示す断面図である。 図3は、比較例にかかる流量制御弁を示す縦断面図である。
以下、図面を参照して、本発明にかかる実施形態について説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る流量制御弁1を示す縦断面図である。ここで、流量制御弁1におけるロータ側を上方といい、ニードル弁側を下方という。
(流量制御弁の構成)
流量制御弁1は、上端が開口した有底円筒状の弁本体10と、弁本体10の上端面に下端部が溶接等により密封接合された有頂円筒状のキャン45と、弁本体10の内側に固定されたガイドステム15と、ガイドステム15の内側に配設された弁軸21と、弁軸21に対し一体的に回動可能に連結固定されたロータ30と、ロータ30を回転駆動すべくキャン45の外周に外嵌されたステータ50とを備えている。ここでは、ロータ30とステータ50とでステッピングモータが構成される。流量制御弁1の軸線をLとする。
弁本体10は、中空円筒部10aと底壁部10bとを連設してなる。弁本体10はSUS製の板材をプレス成形することによって形成できるが、SUS素材を圧造することによって形成してもよい。
底壁部10bにおいて、その中央に円形の開口10dが形成されており、開口10dには、弁座部材11がロウ付け等で固定されている。弁座部材11は、開口10dに嵌合した小径円筒部11aと、小径円筒部11aより大径の大径円筒部11bとを連設してなる。大径円筒部11bの内周に第1の配管T1の端部が嵌挿され、ロウ付けなどにより接続されている。
弁座部材11は、その中央に貫通したオリフィス11dを有し、オリフィス11dの上端に弁座11eが形成されている。オリフィス11dは下端側に向かうにしたがって拡径している。
弁本体10の中空円筒部10aには、入口開口10eが形成されており、入口開口10eに第2の配管T2の端部が嵌挿され、ロウ付けなどにより接続されている。入口開口10eの軸線をOとする。
弁本体10の上端にキャン45の下端が突き当てられた状態で、キャン45の下端内周に鍔状円盤18が嵌合しており、これらは溶接により接合されている。これにより、弁本体10とキャン45とが密閉した状態で一体化される。
鍔状円盤18は、複数の貫通孔18aを備えており、この貫通孔18aを介して、冷媒が弁本体10側とキャン45側との間で移動することを可能とする。
図1において、キャン45の外側において、ヨーク51、ボビン52、ステータコイル53、及び樹脂モールドカバー(不図示)等からなるステータ50が配置されている。ステータコイル53は、不図示のリード線を介して外部の制御装置に接続され、ステータコイル53の通電励磁によって、キャン45内に配設されたロータ30を軸線L回りに回転可能となっている。
ロータ30の内側に配設された樹脂製のガイドステム15は、中実円筒状の本体15aと、中空円筒部15bとを連設してなる。本体15aは、その中央を貫通する貫通開口15eを有する。貫通開口15eは、上端側の円筒状である上端ガイド部15fと、下端側の円筒状である下端ガイド部15gと、上端ガイド部15fと下端ガイド部15gとの間に形成された雌ねじ孔15cとを有する。下端ガイド部15gの内径は、弁軸21の雄ねじ部21bのねじ山外径より大きいため、ガイドステム15に対して弁軸21を下方より挿入して組み付けることができる。また上端ガイド部15fの内径が、雄ねじ部21bのねじ山外径より小さいため、その段部を利用して閉弁方向用可動ストッパ35を設置できる。
中空円筒部15bの中間部外周には、弁本体10の上端に溶接された鍔状円盤18が固定されており、この鍔状円盤18を介して、ガイドステム15は弁本体10に対して固定されている。中空円筒部15bには、均圧穴15dが形成されている。
また、ロータ30及び弁軸21の制御用原点位置を設定すべく、ガイドステム15の本体15aの上面には、断面矩形状の閉弁方向用固定ストッパ55が上向きに突設されており、またガイドステム15の本体15aの下面には、断面矩形状の開弁方向用固定ストッパ56が下向きに突設されている。ここで、ロータ30及び弁軸21の制御用原点位置とは、閉弁方向用可動ストッパ35が閉弁方向用固定ストッパ55に当接して係止され、ロータ30及び弁軸21が最下降位置に達した時の位置のことである。
金属製の弁軸21は、ロータ30に取り付けられた環状の連結体32が外嵌した端部21aと、ガイドステム15の上端ガイド部15fに嵌合する上部円筒部21fと、雌ねじ孔15cに螺合する雄ねじ部21bと、下端ガイド部15gに嵌合する下部円筒部21gと、下端連結部21dとを同軸に連設してなる。
ここで、上端ガイド部15fと上部円筒部21fとの径方向の隙間、及び下端ガイド部15gと下部円筒部21gとの径方向の隙間は、雌ねじ孔15cと雄ねじ部21bとの径方向の隙間より小さくなっている。
ここで、上端ガイド部15fと上部円筒部21fとの径方向の隙間は、上端ガイド部15fの内径と、上部円筒部21fの外径との差をいい、また下端ガイド部15gと下部円筒部21gとの径方向の隙間は、下端ガイド部15gの内径と、下部円筒部21gの外径との差をいう。雌ねじ孔15cと雄ねじ部21bとの径方向の隙間については、以下に説明する。
図2は、雌ねじ孔15cと雄ねじ部21bの一部を拡大して示す断面図である。雌ねじ孔15cと雄ねじ部21bとの間には、所定のガタが軸線方向に存在する。このガタがあるために、雌ねじ孔15cと雄ねじ部21bとは径方向にも相対的に動きうる。
図2において、雌ねじ孔15cに対して径方向に最も近接した雄ねじ部21bを実線で示し、雌ねじ孔15cに対して径方向に最も離間した雄ねじ部21bを点線で示す。明らかであるが、雌ねじ孔15cと雄ねじ部21bの近接または離間状態は、軸線Lを挟んだ反対側では逆になる。
図2において、雌ねじ孔15cと、雌ねじ孔15cから最も離間した雄ねじ部21bとの径方向の距離Δ(図2中のΔMax)を、ここでは雌ねじ孔15cと雄ねじ部21bとの径方向の隙間と定義する。上端ガイド部15fと上部円筒部21fとの径方向の隙間、及び下端ガイド部15gと下部円筒部21gとの径方向の隙間は、いずれも距離ΔMax未満である。
距離ΔMaxを持つ雌ねじ孔15cと雄ねじ部21bとの間の空間Sは、雄ねじ部21bの周囲を螺旋状に延在して、上端ガイド部15fと上部円筒部21fとの間の隙間、及び下端ガイド部15gと下部円筒部21gとの間の隙間につながっている。
図1において、弁軸21の端部21aに圧入により固定された閉弁方向用可動ストッパ35が、端部21aと上部円筒部21fとの間の段部に突き当てるようにして配設され、ロータ30の上壁下面に係止されている。閉弁方向用可動ストッパ35の下面には、断面矩形状のストッパ部35aが形成されている。
また、弁軸21の下部円筒部21gの下端部には、鍔状部21cの上面に突き当てるようにして、開弁方向用可動ストッパ36が圧入により嵌合している。開弁方向用可動ストッパ36の上面には、断面矩形状のストッパ部36aが形成されている。なお、開弁方向用可動ストッパ36の内周に雌ねじを形成し、下部円筒部21gの外周に雄ねじを形成し、これらねじ同士を螺合させることにより両者の固定を行ってもよい。
弁軸21の下方において、弁ホルダ23が、弁ホルダ23の内側に摺動可能に嵌合して配設されている。弁ホルダ23は、中空円筒部23aと、上壁23bとを連設した有頂円筒形状を有している。上壁23bの中央には、段付き開口23cが形成されており、中空円筒部23aは連通穴23dを有する。弁ホルダ23の中空円筒部23aの開放した下端は、第2の配管T2より下方に配設され、カシメ固定された環状部材27により閉止されている。
段付き開口23cの段部に弁軸21の鍔状部21cが当接した状態で、下端連結部21dが段付き開口23cを貫通しており、この下端連結部21dを拡径するようにカシメ加工することで、弁軸21と弁ホルダ23とが固定連結されている。弁本体10と弁ホルダ23との間に、弁室29が画成される。
環状部材27を通して弁ホルダ23から先端を突出させるようにして、ニードル弁25が配置されている。ニードル弁25は、弁鍔部25aと、円筒部25bと、下方に向かうにしたがって縮径する円錐部25cとを連設してなる。
弁鍔部25aの外径は、環状部材27の内径より大きいため、弁ホルダ23からニードル弁25が脱落することが阻止される。弁鍔部25aと環状部材27との間には、ワッシャ28が配設されている。
弁ホルダ23の上壁23bと、ニードル弁25との間に、下端鍔部26aを有する円筒状のばね受け部材26が配設されている。さらに上壁23bと下端鍔部26aとの間には、コイルバネ24が配設され、弁ホルダ23に対してばね受け部材26を下方に向かって付勢している。
円錐部25cが弁座部材11の弁座11eに着座して、上方に向かう押圧力を受けたときに、ニードル弁25により上向きに付勢されたばね受け部材26が弁ホルダ23の上壁23bの下面(または下端連結部21d)に当接することで、ニードル弁25は弁軸21に対して軸線方向に係止される。
上記した弁軸21、弁ホルダ23、ニードル弁25、及びコイルバネ24は、ニードル弁25が弁座11eから離隔している状態(開弁状態)においては、ガイドステム15に対して実質的に一体的に回転しながら昇降する。
(流量制御弁の動作)
流量制御弁1の動作を、具体的に説明する。
ここで、第2の配管T2から弁室29内に冷媒(流体)が進入しているものとする。
外部の制御装置からステータ50にパルス給電が行われることにより、ロータ30及び弁軸21が一方向に回転駆動され、雌ねじ孔15cと雄ねじ部21bからなるねじ送り機構により、弁軸21及び閉弁方向用可動ストッパ35が回転しながら下降し、ニードル弁25が弁座11eに着座してオリフィス11dが閉止される。これにより、弁室29から第1の配管T1側へ向かう冷媒の流れを遮断する。
この時点では、可動ストッパ35は未だ固定ストッパ55に当接しておらず、ロータ30及び弁軸21の回転下降は停止されず、コイルバネ24が所定量圧縮されるまでパルス給電が継続される。それにより、ニードル弁25が弁座11eに着座したまま回転が制止される一方、ロータ30、弁軸21、弁ホルダ23等はさらに回転しながら下降する。
このとき、着座したニードル弁25に対して弁軸21及び弁ホルダ23が下降するため、コイルバネ24が縮長圧縮され、これにより弁軸21及び弁ホルダ23の下降力が吸収される。その後、コイルバネ24の圧縮量が所定量となったとき、可動ストッパ35が固定ストッパ55に当接して係止され、ロータ30及び弁軸21が最下降位置に達し、ステータ50に対しパルス給電が継続されてもロータ30及び弁軸21の下降は強制的に停止される。
このように、ニードル弁25が弁座11eに着座してオリフィス11dが閉止された後においても、可動ストッパ35が固定ストッパ55に当接して係止される制御用原点位置に達するまでは、ロータ30、弁軸21、及び弁ホルダ23の回転下降が継続されることにより、コイルバネ24が圧縮される。そのため、コイルバネ24の付勢力によりニードル弁25が弁座11eに強く押し付けられ、冷媒漏れ等を確実に防止できる。
一方、上記制御用原点位置からステータ50に、逆極性のパルス給電を行うと、ロータ30及び弁軸21が閉弁時とは逆方向に回転駆動され、雌ねじ孔15cと雄ねじ部21bからなるねじ送り機構により、ロータ30、弁軸21、弁ホルダ23及び開弁方向用可動ストッパ36が回転しながら上昇する。これに伴い、ニードル弁25に対する押圧力が弱められ、コイルバネ24が伸張して、ニードル弁25が弁座11eから離れると、オリフィス11dが開放される。これにより、第2の配管T2から弁室29内へと進入した冷媒は、円錐部25cと弁座11e他との間の隙間を通過して、オリフィス11dを通って第1の配管T1へと流れる。
この場合、ステータ50へのパルス給電に応じてニードル弁25のリフト量が定まるため、冷媒の流量制御を行える。さらにパルス給電を続けることで、最終的にニードル弁25が全開状態となる。さらにパルス給電が継続された場合、可動ストッパ36が開弁方向用固定ストッパ56に当接して係止され、これにより、ロータ30、弁軸21、及び弁ホルダ23の回転及び上昇が強制的に停止せしめられる。
次に、比較例となる弁本体を参照して、本実施形態の流量制御弁1の作用効果について説明する。図3は、比較例にかかる流量制御弁1Aを示す縦断面図であるが、ステータは省略している。
比較例においては、上記実施形態に対して弁軸21A,ガイドステム15A,閉弁方向用可動ストッパ35A、開弁方向用可動ストッパ36Aの形状が異なる。それ以外の共通する構成については、同じ符号を付して重複説明を省略する。
図3において、弁軸21Aは、雄ねじ部21Abの両側に上端円筒部と下端円筒部を有しておらず、またガイドステム15Aは、上端ガイド部と下端ガイド部を有しておらず、本体15Aaを貫通して、雌ねじ孔15Acが形成されている。雄ねじ部21Abは、雌ねじ孔15Acの両端から突き出て、キャン45内の空間に露出しており、閉弁方向用可動ストッパ35A、開弁方向用可動ストッパ36Aは、露出した雄ねじ部21Abに螺合している。
流量制御弁1Aにおいて、第2の配管T2から弁室29内に進入した冷媒は、鍔状円盤18の貫通孔18aを介して、弁本体10側からキャン45側に流れる。冷媒の一部は均圧穴15Adを介してガイドステム15Aの中空円筒部15Ab内に向かい、残りの冷媒は、ロータ30と本体15Aaとの間を通過して、弁軸21Aの上部に至る。ここで、冷媒内に混入する金属粉などの異物は、冷媒と共にキャン45の内部へと移動する。
図3に示す流量制御弁1Aにおいては、雄ねじ部21Abは、雌ねじ孔15Acの両端から露出するように突き出ているため、キャン45の内部へと移動した異物がねじ表面に付着する場合がある。かかる場合、弁軸21Aの移動に伴って、異物が雌ねじ孔15Ac内へと引き込まれ、雄ねじ部21Abと雌ねじ孔15Acとの間で噛み込まれるおそれがある。この異物の噛み込みにより、弁軸21Aとガイドステム15Aとの円滑な相対移動が阻害されることが懸念される。
これに対し、図1に示す本実施形態の流量制御弁1によれば、弁軸21の雄ねじ部21bが、ガイドステム15の雌ねじ孔15cの両側から露出していない。より具体的には、弁軸21の雄ねじ部21bの上側に、上部円筒部21fが上端ガイド部15fに対向して形成され、またその下側に、下部円筒部21gが下端ガイド部15gに対向して形成されている。さらに、上端ガイド部15fと上部円筒部21fとの径方向の隙間、及び下端ガイド部15gと下部円筒部21gとの径方向の隙間は、雌ねじ孔15cと雄ねじ部21bとの径方向の隙間(距離ΔMax)より小さくなっている。
このため、比較的大きな異物は、上端ガイド部15fと上部円筒部21fとの隙間、または下端ガイド部15gと下部円筒部21gとの隙間を通過できず、雌ねじ孔15cと雄ねじ部21bとの間に進入できないため、異物の噛み込みが生じることがない。
一方、比較的小さな異物は、上端ガイド部15fと上部円筒部21fとの隙間、または下端ガイド部15gと下部円筒部21gとの隙間を通過して、雌ねじ孔15cと雄ねじ部21bとの間に進入する可能性がある。しかしながら、このような異物は、距離Δ(ΔMax)より小さな寸法を有することとなるため、図2に示す螺旋状の空間Sにとどまり、雌ねじ孔15cと雄ねじ部21bとの間で噛み込まれるおそれは少ない。
ここで、距離Δと異物のサイズについてさらに説明する。図2に示すように、雄ねじ部21bは雌ねじ孔15cに対して径方向に移動できるため距離Δは変動する。雌ねじ孔15cに対して雄ねじ部21bが径方向に最も近接した実線位置の距離ΔをΔMinとし、雌ねじ孔15cに対して雄ねじ部21bが径方向に最も離間した点線位置の距離ΔをΔMaxとし、ΔMinとΔMaxの中間距離となる隙間をΔMid(=(ΔMin+ΔMax)/2)とする。この場合、異物が隙間ΔMidのときに形成される空間Sに収まるサイズであれば、異物が空間Sに留まった状態でも、雄ねじ部21bは雌ねじ孔15cの中心軸と同軸で回転できるため摺動に悪影響を与えない。つまり、雌ねじ孔15cと雄ねじ部21bの間への異物の噛み込みは抑制される。すなわち、ガイド部と円筒部(上部円筒部、下部円筒部)との径方向の隙間は、雌ねじ孔15cと雄ねじ部21bとの径方向の隙間ΔMidより小さいことが望ましい。
なお、異物がΔMidのときに形成される空間Sに収まらないサイズであっても、ΔMaxのときに形成される空間Sに収まるサイズであれば、異物は空間Sに留まるため、雌ねじ孔15cと雄ねじ部21bの間に異物が噛み込んでねじの回転がロックするおそれを低減できる。すなわち、ガイド部と円筒部(上部円筒部、下部円筒部)との径方向の隙間は、雌ねじ孔15cと雄ねじ部21bとの径方向の隙間(距離ΔMax)より小さければ本発明の効果を発揮できる。
キャン45内の冷媒は、流量制御弁1の動作により弁室29へと循環し、第1の配管T1を介して流量制御弁1の外部へと排出されるため、それにより冷媒中の異物もキャン45内に留まることがなく、異物除去のためにキャン45内を定期的に清掃する必要もない。すなわち、本実施形態によれば、コストやメンテナンスの手間を抑制しつつ、円滑な動作を確保できる流量制御弁1を提供することができる。
1 流量制御弁
10 弁本体
11 弁座部材
11e 弁座
15 ガイドステム
21 弁軸
23 弁ホルダ
24 コイルバネ
25 ニードル弁
26 ばね受け部材
27 環状部材
29 弁室
30 ロータ
35 閉弁方向用可動ストッパ
36 開弁方向用可動ストッパ
50 ステータ
53 ステータコイル
55 閉弁方向用固定ストッパ
56 開弁方向用固定ストッパ

Claims (6)

  1. キャンと、
    前記キャンに接合される弁本体と、
    前記キャンと前記弁本体とで囲われた空間内に配置され、前記弁本体に対して回転可能な弁軸と、前記弁本体に対して固定されたガイドステムと、を有し、
    前記弁軸は、一体の部材から構成され、雄ねじ部、前記雄ねじ部の上側に配置された上部円筒部、及び前記雄ねじ部の下側に配置された下部円筒部を有し、
    前記ガイドステムは、前記雄ねじ部に螺合する雌ねじ孔、前記雌ねじ孔の上側に配置され、前記上部円筒部に対向する上端ガイド部、及び前記雌ねじ孔の下側に配置され、前記下部円筒部に対向する下端ガイド部を有し、
    前記上端ガイド部と前記上部円筒部との径方向の隙間、及び前記下端ガイド部と前記下部円筒部との径方向の隙間はいずれも、前記雌ねじ孔と前記雄ねじ部との径方向の隙間より小さい、
    ことを特徴とする流量制御弁。
  2. 少なくとも一方の前記ガイド部の内径は、前記雄ねじ部のねじ山外径より大きい、
    ことを特徴とする請求項1に記載の流量制御弁。
  3. 前記上端ガイド部の内径は、前記下端ガイド部の内径より小さい、
    ことを特徴とする請求項2に記載の流量制御弁。
  4. 前記弁軸には、前記上部円筒部に隣接して可動ストッパが圧入または螺合により固定されており、
    前記ガイドステムは、前記弁軸が所定量回転したときに、前記可動ストッパに当接する固定ストッパを有する、
    ことを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の流量制御弁。
  5. 前記弁軸は金属製であり、前記ガイドステムは樹脂製である、
    ことを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載の流量制御弁。
  6. 前記弁軸に対し一体的に回動可能に連結固定されたロータと、前記キャンの外周に外嵌されたステータと、をさらに備え、
    前記ロータと前記ステータとを有してステッピングモータが構成されることを特徴とする請求項1~5のいずれか一項に記載の流量制御弁。
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