(57)【要約】［課題］作動性の良い電動弁、および該電動弁を用いた冷凍サイクルシステムを提供する。［解決手段］ロータの回転運動を、雄ネジ部材と雌ネジ部材とのネジ結合により直線運動に変換し、この直線運動に基づいて弁本体内に収容された弁体を弁体案内部材の案内によって軸方向に移動させるとともに、弁開状態における複数の内部空間の圧力差による力をキャンセルする方式の電動弁であって、前記弁体を着座させる弁座と、前記内部空間同士を連通する複数の連通流路とを備え、前記弁座から遠い位置に位置する前記連通流路の有効断面積が前記弁座に近い位置に位置する前記連通流路の有効断面積よりも小さくならないように形成されている。
2017169319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータの回転運動を、雄ネジ部材と雌ネジ部材とのネジ結合により直線運動に変換し、この直線運動に基づいて弁本体内に収容された弁体を弁体案内部材の案内によって軸方向に移動させるとともに、弁開状態における複数の内部空間の圧力差による力をキャンセルする方式の電動弁であって、
前記弁体を着座させる弁座と、
前記内部空間同士を連通する複数の連通流路とを備え、
前記弁座から遠い位置に位置する前記連通流路の有効断面積が前記弁座に近い位置に位置する前記連通流路の有効断面積よりも小さくならないように形成されていることを特徴とする電動弁。
【請求項２】
前記弁座から遠い位置に位置する前記連通流路ほど有効断面積が大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の電動弁。
【請求項３】
該電動弁は、
前記弁軸の傾斜を抑制する弁軸ホルダと、
前記弁座と反対側に前記弁軸が挿入され、前記弁座側に前記弁体が装着された弁ガイドと、を備え、
前記連通流路は、
前記弁軸ホルダに形成された通路、
前記弁軸ホルダと前記弁ガイドとの間の隙間に形成された通路、
前記弁体内に形成された通路、の中の少なくとも二つを含むことを特徴とする請求項１または２記載の電動弁。
【請求項４】
前記弁体内に形成された通路は、前記弁体内において縦方向に形成された通路と、前記縦方向に形成された通路を横断して横方向に形成された通路を含むことを特徴とする請求項３記載の電動弁。
【請求項５】
前記連通流路の有効断面積は、前記弁体内において縦方向に形成された通路、前記弁体内において横方向に形成された通路、前記弁軸ホルダと前記弁ガイドとの間の隙間に形成された通路、前記弁軸ホルダに形成された通路の順に大きくなることを特徴とする請求項４記載の電動弁。
【請求項６】
圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器を含む冷凍サイクルシステムであって、請求項１〜５の何れか一項に記載の電動弁を前記膨張弁として用いることを特徴とする冷凍サイクルシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍サイクルなどに使用される電動弁、および該電動弁を用いた冷凍サイクルシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、大型のパッケージエアコンや冷凍機に用いられる流量制御弁が知られている（たとえば、特許文献１参照）。この流量制御弁においては、流量制御用として複数使用されていた電動弁を１つにまとめるなどの制御機器合理化等の背景から、大口径かつ高圧力差が生じた際にも良好な作動性を発揮できる性能が望まれるが、比較的大口径の流量制御は、マグネットのトルクにより発生するねじの推力に対し圧力差によって発生する弁体への負荷が大きく、弁体を作動させるために大きな駆動力が必要となる。【０００３】
そこで、かかる弁体の作動性を向上させるべく、以下に説明するような構造が採用される。たとえば、図３に示す流量制御弁１０１では、筒状保持部材１１４の内周面に摺接する弁体１２０にシール部材１３７を装着して弁室１０７の上方側に背圧室３０１、３０２、３０３を画成するとともに、導通路２０１、２０２、２０３、２０４によって各背圧室間を連通している。このため、弁体１２０が開かれると、上昇する弁ポート１１９内の圧力が導通路２０１、２０２を介して背圧室３０１内に導入される。続けて背圧室３０１内の圧力が導通路２０３を介して背圧室３０２内に導入され、そして、背圧室３０２内の圧力が導通路２０４を介して背圧室３０３内に導入される。このように、各背圧室内の圧力（背圧）を利用することで、閉弁状態における弁体１２０に作用する押し下げ力（閉弁方向に作用する力）と押し上げ力（開弁方向に作用する力）との圧力差による力をキャンセルし、弁体１２０に対する負荷を小さくしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１３０２７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の流量制御弁において、各背圧室内の圧力が均圧される際の均圧速度は、導通路の断面積によって異なるため、開弁状態において流量制御弁内の圧力分布に偏りが生じるおそれがある。圧力分布に偏りが生じた場合、作動ねじ１３４に圧力差が加わり、作動ねじ１３４が回転し難くなるなどの作動不具合が発生する可能性がある。
本発明の目的は、作動性の良い電動弁、および該電動弁を用いた冷凍サイクルシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明の電動弁は、
ロータの回転運動を、雄ネジ部材と雌ネジ部材とのネジ結合により直線運動に変換し、この直線運動に基づいて弁本体内に収容された弁体を弁体案内部材の案内によって軸方向に移動させるとともに、弁開状態における複数の内部空間の圧力差による力をキャンセルする方式の電動弁であって、
前記弁体を着座させる弁座と、
前記内部空間同士を連通する複数の連通流路とを備え、
前記弁座から遠い位置に位置する前記連通流路の有効断面積が前記弁座に近い位置に位置する前記連通流路の有効断面積よりも小さくならないように形成されていることを特徴とする。【０００７】
これにより、電動弁内の圧力分布に偏りが生じることを抑制し、圧力差によって作動ねじが回転し難くなる事態などを防止することができるため、電動弁の作動性を向上させることができる。【０００８】
また、本発明の電動弁は、
前記弁座から遠い位置に位置する前記連通流路ほど有効断面積が大きくなるように形成されていることを特徴とする。【０００９】
これにより、電動弁内の圧力分布に偏りが生じることをさらに的確に抑制することができるため、作動性の良い電動弁を提供することができる。したがって、小さな駆動力かつ低電力で電動弁を作動させることができる。【００１０】
また、本発明の電動弁は、
前記弁軸の傾斜を抑制する弁軸ホルダと、
前記弁座と反対側に前記弁軸が挿入され、前記弁座側に前記弁体が装着された弁ガイドと、を備え、
前記連通流路が、
前記弁軸ホルダに形成された通路、
前記弁軸ホルダと前記弁ガイドとの間の隙間に形成された通路、
前記弁体内に形成された通路の中の少なくとも二つを含むことを特徴とする。【００１１】
また、本発明の電動弁は、
前記弁体内に形成された通路が、前記弁体内において縦方向に形成された通路と、前記縦方向に形成された通路を横断して横方向に形成された通路を含むことを特徴とする。【００１２】
また、本発明の電動弁は、
前記連通流路の有効断面積が、前記弁体内において縦方向に形成された通路、前記弁体内において横方向に形成された通路、前記弁軸ホルダと前記弁ガイドとの間の隙間に形成された通路、前記弁軸ホルダに形成された通路の順に大きくなることを特徴とする。
また、本発明の冷凍サイクルシステムは、
圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器等を含む冷凍サイクルシステムであって、上述の電動弁を前記膨張弁として用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る発明によれば、作動性の良い電動弁、および該電動弁を用いた冷凍サイクルシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態に係る電動弁の断面図である。
【図２】他の実施の形態に係る電動弁の断面図である。
【図３】特開２０１３−１３０２７１号公報に開示されている従来の流量制御弁の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る電動弁について説明する。図１は、実施の形態に係る電動弁２を示した断面図である。なお、本明細書において、「上」あるいは「下」とは図１の状態で規定したものである。すなわち、ロータ４は弁体１７より上方に位置している。また、本明細書において、弁座部材３０Ａは電動弁２の最も下方に配置されている。そして、弁体１７は、下方に配置された弁座部材３０Ａの近くに位置し、弁軸ホルダ６は、弁体１７よりも弁座部材３０Ａから遠い位置に位置している。
【００１６】
この電動弁２では、非磁性体製で筒状のカップ形状をなすケース６０の開口側の下方に、弁本体３０が溶接などにより一体的に接続されている。
ここで、弁本体３０は、ステンレス鋼板のプレス加工により製作されたプレス成型品であり、内部に弁室１１を有している。また、弁本体３０には、弁室１１に直接連通するステンレス製や銅製の第１の管継手１２が固定装着されている。さらに、弁本体３０の下方内側には、断面円形の弁ポート１６が形成された弁座部材３０Ａが組み込まれている。弁座部材３０Ａには、弁ポート１６を介して弁室１１に連通するステンレス製や銅製の第２の管継手１５が固定装着されている。
【００１７】
ケース６０の内周には、回転可能なロータ４が収容され、ロータ４の軸芯部分には、ブッシュ部材３３を介して弁軸４１が配置されている。ブッシュ部材３３で結合されたこの弁軸４１とロータ４とは、回転しながら上下方向に一体的に移動する。なお、この弁軸４１の中間部付近の外周面には雄ネジ４１ａが形成されている。本実施の形態では、弁軸４１が雄ネジ部材として機能している。
【００１８】
ケース６０の外周には、図示しないヨーク、ボビン、およびコイルなどからなるステータが配置され、ロータ４とステータとでステッピングモータが構成されている。
ケース６０の天井面にはガイド支持体５２が固定されている。ガイド支持体５２は、円筒部５３と、円筒部５３の上端側に形成された傘状部５４とを有し、全体をプレス加工により一体成型されている。傘状部５４はケース６０の頂部内側と略同形状に成型されている。
【００１９】
ガイド支持体５２の円筒部５３内には、弁軸４１のガイドを兼ねる筒部材６５が嵌合されている。筒部材６５は、金属あるいは合成樹脂による潤滑材入り素材あるいは表面処理を施された部材により構成され、弁軸４１を回転可能に保持している。
【００２０】
弁軸４１のブッシュ部材３３より下方には、後述するように弁軸４１との間でネジ結合Ａを構成するとともに弁軸４１の傾きを抑制する機能を有する弁軸ホルダ６が、弁本体３０に対して相対的に回転不能に固定されている。
【００２１】
弁軸ホルダ６は、上部側の筒状小径部６ａと下部側の筒状大径部６ｂと弁本体３０の内周部側に収容される嵌合部６ｃとリング状のフランジ部６ｆとからなる。そして、弁軸ホルダ６のフランジ部６ｆは、弁体案内部材７２のフランジ部７２ｃの上面に溶接などで固定されている。また、弁軸ホルダ６の内部には、後述する弁ガイド１８を収容する収容室６ｈが形成されている。
【００２２】
さらに弁軸ホルダ６には、筒状小径部６ａの上部開口部６ｇから所定の深さまで下方に向かって雌ネジ６ｄが形成されている。そして、弁軸４１の外周に形成された雄ネジ４１ａと、弁軸ホルダ６の筒状小径部６ａの内周に形成された雌ネジ６ｄとにより、ネジ結合Ａが構成されている。このため、本実施の形態では、弁軸ホルダ６が雌ネジ部材として機能している。
【００２３】
弁軸ホルダ６の筒状大径部６ｂの側面には、筒状大径部６ｂ内の弁軸ホルダ室８３と、ロータ収容室６７（第２の背圧室）との間を連通する連通流路５１が均圧路として穿設されている。このように、弁軸ホルダ６に連通流路５１を穿設することにより、弁軸ホルダ室８３内の圧力Ｐ３とロータ収容室６７内の圧力Ｐ４が均圧され、弁軸ホルダ６の移動動作をスムーズに行うことができる。なお、弁軸ホルダ室８３とロータ収容室６７との間の均圧速度は、連通流路５１の有効断面積Ｓ４によって支配される。
【００２４】
また、弁軸４１の下方には、筒状の弁ガイド１８が弁軸ホルダ６の収容室６ｈに対して摺動可能に配置されている。ここで、弁ガイド１８と弁軸ホルダ６の筒状大径部６ｂの内周面との隙間には、背圧室２８と弁軸ホルダ室８３との間を連通する略円筒状の連通流路８８が均圧路として形成されている。この連通流路８８により、背圧室２８内の圧力Ｐ２と弁軸ホルダ室８３内の圧力Ｐ３が均圧される。なお、連通流路５１の有効断面積Ｓ４は、連通流路８８の円環状の断面の有効断面積Ｓ３（以下、連通流路８８の有効断面積Ｓ３と略す。）よりも大きくなるように形成されている（Ｓ４＞Ｓ３）。
【００２５】
また、弁ガイド１８は天井部２１側がプレス成型により略直角に折り曲げられ、天井部２１には貫通孔１８ａが形成されている。さらに、弁軸４１の下方には、鍔部４１ｂが形成されている。
【００２６】
ここで、弁軸４１は、弁ガイド１８に対して回転可能、かつ径方向に変位可能となるように弁ガイド１８の貫通孔１８ａに遊貫状態で挿入されており、鍔部４１ｂは、弁ガイド１８に対して回転可能、かつ、径方向に変位可能となるように弁ガイド１８内に配置されている。また、弁軸４１は貫通孔１８ａを挿通し、鍔部４１ｂの上面が、弁ガイド１８の天井部２１に対向するように配置されている。なお、鍔部４１ｂが弁ガイド１８の貫通孔１８ａより大径であることにより、弁軸４１の抜け止めがなされている。
【００２７】
弁軸４１と弁ガイド１８とが互いに径方向に移動可能であることにより、弁軸ホルダ６および弁軸４１の配置位置に関して、さほど高度な同芯取付精度を求められることなく、弁ガイド１８および弁体１７との同芯性が得られる。
【００２８】
弁ガイド１８の天井部２１と弁軸４１の鍔部４１ｂとの間には、中央部には貫通孔が形成されたワッシャ７０が設置されている。ワッシャ７０は、高滑性表面の金属製ワッシャ、フッ素樹脂等の高滑性樹脂ワッシャあるいは高滑性樹脂コーティングの金属製ワッシャなどであることが好ましい。
【００２９】
さらに、弁ガイド１８内には、圧縮された弁バネ２７とバネ受け３５とが収容されている。そして、弁ガイド１８の下端は、弁体１７の基部側外周面に溶接などにより固着されている。
また、弁本体３０の内側には、弁体１７の軸方向への移動を案内する弁体案内部材７２が配置され、弁体１７と弁体案内部材７２との間には、シール部材４８が介装されている。
【００３０】
ここで、弁体１７内には、弁体１７の下端側から上端側に向かって縦方向の連通流路１７ｂが均圧路として形成され、さらに、この連通流路１７ｂを横断するように横方向の連通流路１７ｃが均圧路として形成されている。この連通流路１７ｂと連通流路１７ｃによって弁体１７の下部の空間と背圧室２８との間が連通され、弁体１７の下部の空間内（弁ポート１６内）の圧力Ｐ１と背圧室２８内の圧力Ｐ２が均圧される。なお、弁閉状態における弁ポート１６の圧力は第２の管継手１５と同じ圧力の低圧であるが、弁開状態にしても、弁ポート１６の第２の管継手１５側の圧力は第２の管継手１５内の圧力と概ね等しい。
【００３１】
また、連通流路８８の有効断面積Ｓ３は、連通流路１７ｃの有効断面積Ｓ２よりも大きく形成され、そして、連通流路１７ｃの有効断面積Ｓ２は、連通流路１７ｂの有効断面積Ｓ１よりも大きく形成されている（Ｓ３＞Ｓ２＞Ｓ１）。すなわち、電動弁２は、複数の連通流路の中で最も下方に位置する連通流路１７ｂの有効断面積Ｓ１を最小断面積とし、上方（弁座部材３０Ａから遠い位置）に位置する連通流路ほど有効断面積が大きくなるように、Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３＜Ｓ４の順に有効断面積が大きくなるように設計されている。ここで、連通流路１７ｃは連通流路１７ｂを挟んで二つ設けられているが、本実施の形態において連通流路１７ｃの有効断面積Ｓ２とは、二つの連通流路１７ｃの有効断面積Ｓ２を合計（和）した断面積である。
【００３２】
なお、連通流路１７ｃの数は、連通流路１７ｃの断面積の合計である有効断面積Ｓ２が、連通流路１７ｂの有効断面積Ｓ１よりも大きくなるように設計されていれば、一つでもよく、また、三つ以上でもよい。
【００３３】
弁体案内部材７２は、内部が貫通した筒体であり、最上位に位置するフランジ部７２ｃと、その下方の大径部７２ａと、その下方の小径部７２ｂとを有したもので、プレス成形によって形成されている。また、弁体案内部材７２の大径部７２ａの外周面側の直径は、弁本体３０の内周面側の直径より若干大きく形成されている。すなわち、このように寸法を設定することにより、弁体案内部材７２を弁本体３０に組み合わせた場合に、弁体案内部材７２の大径部７２ａを弁本体３０の内周面に密に係止させることができる。
【００３４】
シール部材４８は、断面Ｌ字状の環状パッキン４８ａの間に環状の補強板４８ｂを挟んで形成された環状の部材である。なお、シール部材４８においては、上方に配置された環状パッキン４８ａの上側、および下方に配置された環状パッキン４８ａの下側に、それぞれ環状パッキン４８ａを常に外側に付勢する板バネが配置されるのが好ましい。
【００３５】
以上、本発明に係る電動弁２の構成について説明したが、以下に、電動弁２の動作について説明する。電動弁２は、ステッピングモータに駆動パルス信号が与えられることにより、パルス数に応じてロータ４が回転し、これに伴い弁軸４１が回転し、弁軸４１の雄ネジ４１ａと、固定配置の弁軸ホルダ６の雌ネジ６ｄからなるネジ結合Ａにより、弁軸４１が回転しつつ軸方向に移動する。
【００３６】
弁軸４１の降下移動（弁閉方向移動）は、バネ受け３５、鍔部４１ｂ、ワッシャ７０、天井部２１、弁バネ２７の当接によって弁ガイド１８に伝達され、弁ガイド１８および弁体１７が降下移動することにより行われる。
【００３７】
弁軸４１の上昇移動（弁開方向移動）もまた、バネ受け３５、鍔部４１ｂ、ワッシャ７０、天井部２１の当接によって弁ガイド１８に伝達され、弁ガイド１８および弁体１７が上昇移動することにより行われる。
【００３８】
弁閉状態から弁開状態に移行した場合、電動弁２内の圧力は、弁体１７の開度が大きくなるにつれて上昇する。電動弁２内の圧力が上昇する過程においては、まず、開度が大きくなるにつれて上昇する弁ポート１６の圧力が、連通流路１７ｂ、連通流路１７ｃを介して背圧室２８に導かれる。このため、弁開直後において弁体１７下端の中間圧力（後述）を背圧室２８に導入しやすくなり、弁閉状態時に低圧だった背圧室２８内の圧力Ｐ２を高くしやすくなる。なお、弁ポート１６内の圧力Ｐ１は、弁閉状態においては第２の管継手１５と同じ圧力の低圧であるが、弁開状態になると、第１の管継手１２内の高圧の流体が流れ込むことにより、高圧と低圧の中間程度の圧力になる。
【００３９】
次に、背圧室２８を通過した流体が、連通流路８８を介して弁軸ホルダ室８３に導かれ、さらに弁軸ホルダ室８３内の流体が、連通流路５１を介してロータ収容室６７に導かれる。これにより、連通流路１７ｂ、１７ｃ、８８、５１を介して、背圧室２８内の圧力Ｐ２、弁軸ホルダ室８３内の圧力Ｐ３、ロータ収容室６７内の圧力Ｐ４が徐々に均圧されてゆく。
【００４０】
なお、背圧室２８内の圧力Ｐ２、弁軸ホルダ室８３内の圧力Ｐ３、及びロータ収容室６７内の圧力Ｐ４が均圧される際の均圧速度は、電動弁２内の上方に位置する連通流路ほど有効断面積が大きくなるようにすることにより（Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３＜Ｓ４）、背圧室２８内の上方に進むほど低下の度合を小さくできる。
【００４１】
これにより、開弁状態における電動弁２内の圧力分布に偏りが生じることが抑制される。したがって、雄ネジ４１ａに圧力差が加わって回転し難くなるなどの作動不具合を解消することができる。
【００４２】
この実施の形態に係る発明によれば、電動弁２内の上方に位置する連通流路ほど有効断面積が大きくなるように形成し（Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３＜Ｓ４）、開弁状態における電動弁２内の圧力分布に偏りが生じることが抑制することにより、電動弁の作動性を向上させることができる。このため、小さな駆動力かつ低電力で電動弁を作動させることができる。
【００４３】
なお、上述の実施の形態においては、電動弁２内の上方に位置する連通流路ほど有効断面積が大きくなるように形成する場合を例に説明しているが（Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３＜Ｓ４）、中には有効断面積が同等になる複数の連通流路が存在してもよい（Ｓ１≦Ｓ２≦Ｓ３≦Ｓ４）。すなわち、上方に位置する均圧路の有効断面積が下方に位置する均圧路の有効断面積よりも小さくならないように形成してもよい。
【００４４】
また、上述の実施の形態の連通流路は、均圧路としての機能を有していれば、必ずしも上述した位置や個数に限定されない。同様に、連通流路によって連通される内部空間も連通流路を介して均圧される空間であれば必ずしも背圧室２８、弁軸ホルダ室８３、ロータ収容室６７に限定されない。
【００４５】
また、上述の実施の形態においては、第１の管継手１２内の流体が第２の管継手１５に流れ込むことを前提としているが、これと反対に、第２の管継手１５内の流体が第１の管継手１２に流れ込むようにしてもよい。この場合、弁開直後に、弁体１７下端の高圧を背圧室２８に導入しやすくなり、弁閉状態時に高圧だった背圧室２８内の圧力を維持しやすくなる。このように、第２の管継手１５内の流体が第１の管継手１２に流れ込むようにした場合においても、電動弁２内の上方に位置する連通流路ほど有効断面積が大きくなるように形成し（Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３＜Ｓ４）、開弁状態における電動弁２内の圧力分布に偏りが生じることを抑制することにより、電動弁の作動性を向上させることができる。
また、上述の実施の形態においては、断面Ｌ字状の環状パッキン４８ａの間に環状の補強板４８ｂを挟んで形成された環状の部材をシール部材４８として用いる場合を例に説明しているが、シール部材４８の構成は必ずしもこれに限定されない。たとえば、図２に示すように、シール部材４８としてＯリング４８ｄとＰＴＦＥ等の高滑性樹脂材料からなる断面Ｃ字状を有する環状パッキン４８ｆを組み合わせた複合シール材を採用してもよい。
なお、上述の実施の形態の電動弁は、たとえば、圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器等から成る冷凍サイクルシステムにおいて、凝縮器と蒸発器との間に設けられる膨張弁として用いられる。
【符号の説明】
【００４６】
２     電動弁
６     弁軸ホルダ
６ｄ   雌ネジ
１６   弁ポート
１７   弁体
１７ｂ 連通流路
１７ｃ 連通流路
１８   弁ガイド
２８   背圧室
３０   弁本体
４１   弁軸
４１ａ 雄ネジ
４８   シール部材
５１   連通流路
７２   弁体案内部材
８３   弁軸ホルダ室
８８   連通流路
Ｐ１   弁ポート１６内の圧力
Ｐ２   背圧室２８内の圧力
Ｐ３   弁軸ホルダ室８３内の圧力
Ｐ４   ロータ収容室６７内の圧力
Ｓ１   連通流路１７ｂの有効断面積
Ｓ２   連通流路１７ｃの有効断面積
Ｓ３   連通流路８８の有効断面積
Ｓ４   連通流路５１の有効断面積
【図１】
2017169319.tif 000003
【図２】
2017169319.tif 000004
【図３】
2017169319.tif 000005
【国際調査報告】
2017169319.tif 000006
2017169319.tif 000007