JP7491856B2

JP7491856B2 - 流量制御弁

Info

Publication number: JP7491856B2
Application number: JP2021017330A
Authority: JP
Inventors: 聡藤本; 輝聖見津
Original assignee: Pacific Industrial Co Ltd
Current assignee: Pacific Industrial Co Ltd
Priority date: 2021-02-05
Filing date: 2021-02-05
Publication date: 2024-05-28
Anticipated expiration: 2041-02-05
Also published as: EP4040086B1; US20220252160A1; EP4040086A1; JP2022120432A; US11761544B2; CN114877108A

Description

本開示は、流路に設けられ、流体の流量を制御する流量制御弁に関する。

従来、この種の流量制御弁として、弁体をその軸方向に移動して弁体の外側面と弁孔の内側面との間を通過する流体の流量を制御するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平８－１７０７５３号公報（図３等）

上述した従来の流量制御弁においては、弁体の外側面と弁孔の内側面とが対向している状態で弁体が径方向で振動すると、弁体の外側面と弁孔の内側面との一方又は両方が摩耗し、流量制御に不具合が生じることがあった。

本開示の流量制御弁は、流路を途中部分で仕切る仕切壁に備えた弁孔にニードル形の弁体が嵌合され、前記弁体をその軸方向に移動して前記弁体の外側面と前記弁孔の内側面との間を通過する流体の流量を制御する流量制御弁であって、前記弁孔の前記内側面に含まれるテーパ内側面と、前記弁体の前記外側面に含まれ、前記テーパ内側面に対して内側から対向し、前記テーパ内側面に沿って傾斜したテーパ外側面と、を有し、前記テーパ外側面の大径側端部の外径は、前記テーパ内側面の大径側端部の内径より小さく、前記弁体の前記外側面のうち前記テーパ外側面の大径側端部の隣には、前記テーパ外側面の大径側端部と同一外径かそれより外径が大きい円筒外側面が備えられていて、前記弁孔の前記内側面のうち前記テーパ内側面の大径側端部の隣には、前記テーパ内側面の大径側端部と同一内径かそれより内径が大きく、前記テーパ外側面に外側から対向する円筒内側面が備えられている流量制御弁である。

本開示に係る流量制御弁の断面図弁体近傍の断面図弁体近傍の断面図弁体近傍の断面図ＰＬＳと開口断面積との関係を示すグラフ弁体近傍の断面図弁体近傍の断面図弁体近傍の断面図

以下、図１から図８を参照して本開示の流量制御弁１０について説明する。図１に示される流量制御弁１０は、所謂、「電動膨張弁」であって、モータ１１（ステッピングモータ）により、弁体２７を有するシャフト部材２５を駆動する。以下、便宜上、図１における上下方向を流量制御弁１０及びその構成部品の上下方向とするが、流量制御弁１０はどのような姿勢で用いられてもよい。

モータ１１は、ステータ１２とロータ２０とから構成されている。ステータ１２は、概円筒状のバルブボディ１３の中間部分に、電磁コイル１２Ａを複数収容する環状ケース１２Ｃが取り付けられてなる。バルブボディ１３は、一端有底の円筒ケース１３Ａと、円筒ケース１３Ａの底壁１３Ｂに形成された貫通孔１３Ｄを貫通して延びた内筒部１３Ｎと、を有している。円筒ケース１３Ａの上端開口１３Ｃは蓋体１３Ｆにより閉塞されている。環状ケース１２Ｃは円筒ケース１３Ａの下端部に配されている。なお、円筒ケース１３Ａは、両端が開放され、円筒ケース１３Ａと内筒部１３Ｎとの間が別の部材により閉塞される構成であってもよい。

内筒部１３Ｎの上部には、内側に延長管１５が圧入されている。延長管１５の下部の内面には、雌螺子部１５Ｎが形成されている。

内筒部１３Ｎの下端部には、弁孔３１が形成された仕切壁３０が備えられている。内筒部１３Ｎのうち仕切壁３０寄り位置には、側壁を貫通する貫通孔２９が形成され、その貫通孔２９に、第１接続管１４Ａが取り付けられている。また、仕切壁３０の下面には、下方に延びる第２接続管１４Ｘが取り付けられている。これにより仕切壁３０の弁孔３１を介して、第２接続管１４Ｘから第１接続管１４Ａへ（又はその逆方向へ）流体の流動が可能となる。つまり、仕切壁３０は、第２接続管１４Ｘから第１接続管１４Ａへの流路１００を途中部分で仕切っている。

図１に示すように、ロータ２０は、上端有底円筒状の永久磁石２０Ａと、永久磁石２０Ａの上端壁に貫通固定されたシャフト部材２５とからなり、円筒ケース１３Ａの内側に回転可能に収容されている。シャフト部材２５のうち永久磁石２０Ａへの固定部分より下側には、下方へ開放した弁体収容部屋２５Ｕが形成されている。弁体収容部屋２５Ｕには、内筒部１３Ｎの軸方向に延びるニードル形の弁体部材２６の基端部と、弁体部材２６の基端部より奥側に配された圧縮コイルバネ２５Ｄと、が収容され、弁体収容部屋２５Ｕの開口側端部には、筒状の弁体抜止部材２５Ｔが固定されている。弁体部材２６の基端部は、弁体抜止部材２５Ｔの内径よりも側方に張り出していて、弁体部材２６は圧縮コイルバネ２５Ｄにより下方へ付勢され、弁体抜止部材２５Ｔに押し当てられている。弁体部材２６の下端部（先端部）は、弁体２７となっている。

シャフト部材２５の外側面の下部には、雄螺子部２５Ａが形成されていて、この雄螺子部２５Ａは、延長管１５の雌螺子部１５Ｎと螺合している。これにより、永久磁石２０Ａと共にシャフト部材２５が回転する（即ち、ロータ２０が回転する）と、シャフト部材２５（即ち、ロータ２０）が上下方向に移動し、弁体２７が弁孔３１を開閉する（図２及び図３参照）。なお、弁体部材２６は、シャフト部材２５と共に回転してもよいし、バルブボディ１３に対して回転しないように構成されていてもよい。例えば、弁体部材２６の一部の断面を非円形にして、バルブボディ１３にその非円形の断面に対応した非円形の貫通孔を形成する等してもよい。

シャフト部材２５のうち永久磁石２０Ａへの固定部分より上側には、螺旋ガイド２２が固定されている。螺旋ガイド２２は、シャフト部材２５の上端部に線材を螺旋状に巻回してなる。なお、シャフト部材２５の上端部がスリット加工され、その間に線材のストレート部が挿入されてカシメ固定されることで、螺旋ガイド２２は、シャフト部材２５に固定される。また、螺旋ガイド２２の固定を、線材の上端部をシャフト部材２５の上端部に側方から貫通させることにより行ってもよい。

螺旋ガイド２２にはスライダ２３が係合している。スライダ２３は、螺旋ガイド２２のうち軸方向で隣り合った線材同士の隙間の一部に収まったリング状をなしかつ側方にスライダアーム２３Ａを張り出して備えている。また、円筒ケース１３Ａの上端開口を閉塞する蓋体１３Ｆからは、シャフト部材２５と平行にストッパ１７が垂下されている。そして、スライダアーム２３Ａがこのスライダ２３に当接した状態で、ロータ２０が回転するとスライダ２３が螺旋ガイド２２に対して相対回転して上下動し、螺旋ガイド２２の上端部又は下端部まで移動したときに回動不能となる。これにより、ロータ２０の回転量（即ち、弁体２７の直動量）が規制される。

流量制御弁１０は、例えば、カーエアコンの冷媒用の流路１００に組み込まれていて、第１接続管１４Ａと第２接続管１４Ｘとの間の冷媒の流量を制御する。具体的には、図１に示すように、スライダ２３が螺旋ガイド２２の上端部で回転規制されている状態では、図２に示すように、弁体部材２６の弁体２７が仕切壁３０の弁孔３１内に進入して弁座３２に当接することで、弁孔３１を閉塞して第１接続管１４Ａと第２接続管１４Ｘとの間の流動を規制する。そして、図３に示すように、弁体２７が上方に移動し、弁孔３１を開放することで、第１接続管１４Ａと第２接続管１４Ｘとの間の流動が可能となる。

以下、弁体２７と弁孔３１とについて説明する。図１及び図２に示すように、弁体２７の外側面２７Ｘは、上から順に、シャフト部２７Ａと、第１ニードルテーパ部２７Ｂ（特許請求の範囲中の「当接部」に相当する）と、ニードルストレート部２７Ｃ（特許請求の範囲中の「円筒外側面」に相当する）と、第２ニードルテーパ部２７Ｄ（特許請求の範囲中の「テーパ外側面」に相当する）と、第３ニードルテーパ部２７Ｅと、を有している。シャフト部２７Ａは、弁孔３１の最小内径よりも大きい一定の外径を有した円筒面をなしている。第１ニードルテーパ部２７Ｂは、シャフト部２７Ａの下端から縮径して延びている。ニードルストレート部２７Ｃは、第１ニードルテーパ部２７Ｂの下端から垂下し、その軸方向の長さは、第１ニードルテーパ部２７Ｂの軸方向の長さの１／３～１／５程になっている。第２ニードルテーパ部２７Ｄは、ニードルストレート部２７Ｃの下端から縮径して延び、その軸方向の長さは、第１ニードルテーパ部２７Ｂの軸方向の長さの２～５倍程になっている。

第１ニードルテーパ部２７Ｂと第２ニードルテーパ部２７Ｄとはテーパ角が異なっており、第２ニードルテーパ部２７Ｄは、第１ニードルテーパ部２７Ｂよりもテーパ角が小さくなっている。例えば、第１ニードルテーパ部２７Ｂのテーパ角（全角）は４０～６０度である一方、第２ニードルテーパ部２７Ｄのテーパ角（全角）は１～１０度となっている。

第３ニードルテーパ部２７Ｅは、第２ニードルテーパ部２７Ｄの下端から第１ニードルテーパ部２７Ｂのテーパ角より大きい角度で縮径していて、その軸方向の長さは、ニードルストレート部２７Ｃの軸方向の長さと略同一になっている。

図２～図４に示すように、弁孔３１は、仕切壁３０を貫通しており、仕切壁３０の内側面の上端部が弁座３２（特許請求の範囲中の「当接部」に相当する）となっている。弁座３２は、第１ニードルテーパ部２７Ｂに対応して第１ニードルテーパ部２７Ｂと同じか第１ニードルテーパ部２７Ｂより僅かに（差が１０度未満）大きい角度で傾斜している。この弁座３２に対して、弁体２７の第１ニードルテーパ部２７Ｂが接離することで弁孔３１が閉開される。

仕切壁３０の内側面３０Ｘ（弁孔３１の内側面３０Ｘ）は、弁座３２の下方に、上部ストレート部３０Ａと、上部テーパ部３０Ｂと、流量制御ストレート部３０Ｃ（特許請求の範囲中の「円筒内側面」に相当する）と、対向テーパ部３０Ｄ（特許請求の範囲中の「テーパ内側面」に相当する）と、下部テーパ部３０Ｅと、を有している。上部テーパ部３０Ｂは、上部ストレート部３０Ａの下端から縮径して延びている。流量制御ストレート部３０Ｃは、上部テーパ部３０Ｂの下端から下方へ垂下している。対向テーパ部３０Ｄは、流量制御ストレート部３０Ｃの下端から縮径していて、第２ニードルテーパ部２７Ｄに沿って傾斜している。例えば、対向テーパ部３０Ｄのテーパ角（全角）は、第２ニードルテーパ部２７Ｄと同じか、第２ニードルテーパ部２７Ｄより僅かに（差が１．０度未満。より好ましくは０．５度未満）小さくなっている。対向テーパ部３０Ｄの軸方向の長さは、例えば、流量制御ストレート部３０Ｃの軸方向の長さの１．２～２倍程の長さになっている。

また、流量制御ストレート部３０Ｃの軸方向の長さは、弁体２７のニードルストレート部２７Ｃの軸方向の長さより大きく（本実施形態では、１．２倍程）なっていて、対向テーパ部３０Ｄの軸方向の長さは、弁体２７の第２ニードルテーパ部２７Ｄの軸方向より小さく（本実施形態では、１／４～１／５倍程）なっている。

下部テーパ部３０Ｅは、対向テーパ部３０Ｄの下端から拡径して延びている。この下部テーパ部３０Ｅの軸方向の長さは、対向テーパ部３０Ｄの軸方向の長さの４～５倍程となっている。

図２に示すように、閉弁時には、弁座３２に弁体２７の第１ニードルテーパ部２７Ｂが当接して弁孔３１を閉塞する。このとき、弁体２７のニードルストレート部２７Ｃの下部が、弁孔３１の流量制御ストレート部３０Ｃの上端部と隙間を有して対向すると共に、弁体２７の第２ニードルテーパ部２７Ｄの上部が、弁孔３１の流量制御ストレート部３０Ｃ及び対向テーパ部３０Ｄと隙間を有して対向している。

図５には、流量制御弁１０が全閉状態（図２参照）から全開状態（図４参照）になるまでの開口断面積の変化が示されている。図５のグラフの横軸は、弁体２７の直動位置（弁開度）をモータ１１（ステッピングモータ）の入力パルス数によって表現したものである。このグラフにおいて、入力パルス数が「０」のとき、弁体２７の先端部は弁孔３１に対して最も突入した位置（弁開度が最小）となり、入力パルス数が大きくなるに従って、弁体２７の先端部は弁孔３１から後退する。また、開口断面積とは、弁孔３１と弁体２７との間の最も小さい隙間の断面積を指しており、この開口断面積の変化に応じて、流体の流量が変化する。本実施形態では、モータ１１の１ステップの動作角に対する弁体２７の移動する距離が０．５～２０［μｍ］となっていて、弁体２７の位置を細やかに制御可能となっている。

まず、全閉状態（図２参照）から開弁し、弁座３２と弁体２７の第１ニードルテーパ部２７Ｂとの間の隙間が大きくなるにつれて開口断面積が徐々に大きくなる（図５中の※１）。弁座３２と弁体２７の第１ニードルテーパ部２７Ｂとの間の隙間の断面積が弁体２７のニードルストレート部２７Ｃと弁孔３１の流量制御ストレート部３０Ｃとの間の隙間の断面積を超えると、ニードルストレート部２７Ｃが流量制御ストレート部３０Ｃを抜けるまで（図６参照）、開口断面積は一定となる（図５中の※２）。

そして、ニードルストレート部２７Ｃが流量制御ストレート部３０Ｃを抜けると、弁体２７の第２ニードルテーパ部２７Ｄと流量制御ストレート部３０Ｃとの間の隙間が徐々に大きくなっていき（図３参照）、再び、開口断面積が徐々に大きくなる（図５中の※３）。この部分の開口断面積の変化により、小流量域での流量制御が可能となる。この区間の弁体２７の移動距離をＬ１とし、第２ニードルテーパ部２７Ｄと流量制御ストレート部３０Ｃとの間の最短距離の変位量をＬ２とすると、０＜Ｌ２／Ｌ１＜０．１８となっていて、第２ニードルテーパ部２７Ｄのテーパ角を小さくすることにより開口断面積を細やかに制御可能となっている。

第２ニードルテーパ部２７Ｄが流量制御ストレート部３０Ｃを抜けると（図７参照）、第２ニードルテーパ部２７Ｄの下端と、弁孔３１の上部テーパ部３０Ｂ、上部ストレート部３０Ａ及び弁座３２と、の間の隙間の断面積が開口断面積となり、その後、弁座３２の上端と弁体２７の第３ニードルテーパ部２７Ｅとの間が開口断面積となる（図８参照）。そして、弁体２７の全体が弁孔３１から抜けて、全開状態となる（図４参照）。

ところで、従来の流量制御弁では、例えば、ロータの偏心回転等により弁体が径方向で振動すると、弁体又は弁孔が摩耗することがあった。特に、本実施形態の流量制御弁１０の流量制御ストレート部３０Ｃと上部テーパ部３０Ｂとの境界部のように、小流量域で開口断面積を形成する部分がエッジになっている部分に弁体２７が線当りしてエッジが摩耗してしまうと、小流量域での流量制御に不具合が生じることがあった。

これに対して、本実施形態の流量制御弁１０によれば、弁孔３１の内側面に、弁体２７の第２ニードルテーパ部２７Ｄに略平行に対向する対向テーパ部３０Ｄを備えているので、弁体２７が径方向で振動したときに、弁体２７（第２ニードルテーパ部２７Ｄ）が弁孔３１の対向テーパ部３０Ｄに面当りする。これにより、弁体２７又は弁孔３１が摩耗しにくくなる。特に、弁孔３１のエッジへの線当りが抑制され、エッジが摩耗しにくくなる。

また、略同じテーパ角の弁孔３１の対向テーパ部３０Ｄと弁体２７の第２ニードルテーパ部２７Ｄとが当接して閉弁状態になる構成とすると、弁体２７の弁孔３１への食い込みが懸念されるところ、小流量域で開口断面積を形成する第２ニードルテーパ部２７Ｄとは別に、弁座３２に当接する第１ニードルテーパ部２７Ｂを設け、対向テーパ部３０Ｄと第２ニードルテーパ部２７Ｄとの間は常にクリアランスがあるように構成されているので、弁体２７の食い込みを防ぎつつ、閉弁時のシール性を保つことができる。

また、弁体２７や弁孔３１に、ニードルストレート部２７Ｃ及び流量制御ストレート部３０Ｃを設けることで、弁体２７が軸方向や径方向で多少振動しても開口断面積が変化しにくく、小流量域での流量のばらつきを小さくすることができる。

弁孔３１の内側面が弁体２７の第２ニードルテーパ部２７Ｄに略平行に対向する範囲が大きすぎると、流体の流動時に抵抗が大きくなり、流動制御に不具合が生じることも考えられる。これに対して、弁孔３１の対向テーパ部３０Ｄの軸方向の長さは、第２ニードルテーパ部２７Ｄの軸方向の長さより小さくなっているので、弁体２７（第２ニードルテーパ部２７Ｄ）が弁孔３１の対向テーパ部３０Ｄに面当りする構成にしつつも、流体の流動時の抵抗の増加が抑制される。

また、弁体２７の第２ニードルテーパ部２７Ｄのテーパ角と弁孔３１の対向テーパ部３０Ｄのテーパ角とが等しい場合、両者の間の接触面積が大きくなり、弁体２７又は弁孔３１の摩耗がより抑制される。一方、第２ニードルテーパ部２７Ｄのテーパ角より対向テーパ部３０Ｄのテーパ角が大きい場合、弁体２７の弁孔３１への当接が大径側（上側）よりも小径側（下側）で起こりやすくなるので、弁孔３１のエッジ（流量制御ストレート部３０Ｃと上部テーパ部３０Ｂとの境界部）が摩耗しにくくなり、流量制御弁１０を長く使用できるようになる。

［他の実施形態］
（１）上記実施形態では、弁体２７や弁孔３１が、ニードルストレート部２７Ｃ及び流量制御ストレート部３０Ｃを有していたが、これらを有していなくてもよい。

（２）上記実施形態では、弁孔３１の対向テーパ部３０Ｄの軸方向の長さが、第２ニードルテーパ部２７Ｄの軸方向の長さよりも小さくなっていたが、同じであってもよいし、第２ニードルテーパ部２７Ｄの軸方向の長さよりも大きくなっていてもよい。

（３）上記実施形態では、弁体２７が弁座３２に当接して閉弁する構成であったが、弁体２７が弁孔３１内に最も進入した状態でも両者の間にクリアランスがあり、流体が微小量流動する構成であってもよい。

なお、本明細書及び図面には、特許請求の範囲に含まれる技術の具体例が開示されているが、特許請求の範囲に記載の技術は、これら具体例に限定されるものではなく、具体例を様々に変形、変更したものも含み、また、具体例から一部を単独で取り出したものも含む。また、本明細書中の数値は例示であり、特許請求の範囲に記載の技術はこれら数値に限定されるものではない。

１０流量制御弁
１１モータ
２５シャフト部材
２７弁体
２７Ｂ第１ニードルテーパ部（当接部）
２７Ｃニードルストレート部（円筒外側面）
２７Ｄ第２ニードルテーパ部（テーパ外側面）
２７Ｘ外側面
３０仕切壁
３０Ｃ流量制御ストレート部（円筒内側面）
３０Ｄ対向テーパ部（テーパ内側面）
３０Ｘ内側面
３１弁孔
３２弁座（当接部）

Claims

流路を途中部分で仕切る仕切壁に備えた弁孔にニードル形の弁体が嵌合され、前記弁体をその軸方向に移動して前記弁体の外側面と前記弁孔の内側面との間を通過する流体の流量を制御する流量制御弁であって、
前記弁孔の前記内側面に含まれるテーパ内側面と、
前記弁体の前記外側面に含まれ、前記テーパ内側面に対して内側から対向し、前記テーパ内側面に沿って傾斜したテーパ外側面と、を有し、
前記テーパ外側面の大径側端部の外径は、前記テーパ内側面の大径側端部の内径より小さく、
前記弁体の前記外側面のうち前記テーパ外側面の大径側端部の隣には、前記テーパ外側面の大径側端部と同一外径かそれより外径が大きい円筒外側面が備えられていて、
前記弁孔の前記内側面のうち前記テーパ内側面の大径側端部の隣には、前記テーパ内側面の大径側端部と同一内径かそれより内径が大きく、前記テーパ外側面に外側から対向する円筒内側面が備えられている流量制御弁。
前記テーパ外側面より前記テーパ内側面のテーパ角が小さい請求項１に記載の流量制御弁。
前記弁体の移動距離をＬ１［ｍｍ］とし、前記テーパ外側面と前記テーパ内側面と間の最短距離の増加をＬ２［ｍｍ］とすると、
０＜Ｌ２／Ｌ１＜０．１８
である請求項１又は２に記載の流量制御弁。
駆動源としてステッピングモータを有し、
前記ステッピングモータの１ステップの動作角に対する前記弁体の移動する距離が０．５～２０［μｍ］である請求項３に記載の流量制御弁。
前記弁孔は、前記テーパ内側面より一端側に向かうに従って拡径すると共に、前記テーパ内側面より他端側に向かうに従って拡径し、
前記テーパ内側面の軸長は、前記テーパ外側面の軸長より小さくなっている請求項１から４の何れか１の請求項に記載の流量制御弁。
前記弁体及び前記弁孔のうち前記テーパ外側面及び前記テーパ内側面よりも大径側に配されて、互いに当接して流量制御弁を閉弁状態にする当接部を備え、
前記閉弁状態において、前記テーパ外側面と前記テーパ内側面との間に隙間がある請求項１から５の何れか１の請求項に記載の流量制御弁。