(57)【要約】【課題】フロン代替冷媒使用の冷凍サイクル装置で用いられる電動膨張弁等、弁体の駆動に大きい駆動力（推力）が必要なものでも、電動モータの大出力化によらずに、弁開閉を適切に行う電動弁を提供すること。【解決手段】ステッピングモータ４０のロータ径に対する雄ねじ部３３、雌ねじ部材３１のねじ有効径の比率、ねじ有効径に対するねじピッチの比率を各々、ねじ機構によるトルク−推力変換率が最適値になるよう、設定ねじ有効径設定係数、ねじピッチ設定係数に従って最適値に設定する。【選択図】      図１
2004197800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動モータの回転を雄ねじと雌ねじとのねじ係合によるねじ機構によって直線運動に変換し、弁開閉を行う電動弁において、
前記ねじ機構のねじ有効径とねじピッチが下式を満足する値に設定されている電動弁。
Ｄｓ＝ｋ・Ｄｒ
Ｓｐ＝ｍ・Ｄｓ
ｋ＝０．１０〜０．２５
ｍ＝０．０５〜０．２０
但し、Ｄｓ：ねじ有効径
Ｄｒ：電動モータのロータ径
Ｓｐ：ねじピッチ
ｋ：ねじ有効径設定係数
ｍ：ねじピッチ設定係数
【請求項２】
電動モータのロータ径Ｄｒが１０〜３５ｍｍである請求項１記載の電動弁、
【請求項３】
電動モータの回転を雄ねじと雌ねじとのねじ係合によるねじ機構によって直線運動に変換し、弁開閉を行う電動弁において、
前記電動モータのロータ径が１０〜３５ｍｍ、前記ねじ機構のねじ有効径が２．５〜６．０ｍｍ、ねじピッチが０．３５〜０．６０ｍｍである電動弁。
【請求項４】
Ｒ４１０、ＣＯ2 等のフロン代替冷媒を使用する冷凍サイクル装置の電動膨張弁である請求項１〜３の何れか１項記載の電動弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電動弁に関し、特に、冷凍サイクル装置の電動膨張弁等として使用される電動弁に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍サイクル装置の電動膨張弁として、ステッピングモータ等の電動モータの回転を雄ねじと雌ねじとのねじ係合によるねじ機構によって直線運動に変換し、弁開閉を行う電動式のものがある（特許文献１、２、３、４）。
【０００３】
【特許文献１】
特公平４−６８５１０号公報
【特許文献２】
特開平１−１８２６８０号公報
【特許文献３】
特開平１１−６５７７号公報
【特許文献４】
特開２０００−３４６２２５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、自然環境に与える影響を考慮し、空気調和装置等ので使用する冷媒として、従来のＲ２２等のフロン冷媒に代えて、Ｒ４１０、ＣＯ2 等のフロン代替冷媒が使用されつつある。これらフロン代替冷媒を使用した冷凍サイクル装置は、超臨界域での使用により、Ｒ２２等のフロン冷媒による冷凍サイクル装置に比して高圧側の圧力が高く、膨張弁の弁体に大きい差圧が作用することになる。
【０００５】
このため、フロン代替冷媒使用の冷凍サイクル装置では、フロン冷媒によるものに比して膨張弁の弁体の駆動（弁開閉）に大きい駆動力が必要なる。従来の電動膨張弁では、弁開閉のための必要駆動力の増大に伴い、大出力の電動モータの必要になり、電動膨張弁が大型化する。
【０００６】
この発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたもので、フロン代替冷媒使用の冷凍サイクル装置で用いられる電動膨張弁等、弁体の駆動に大きい駆動力（推力）が必要なものでも、電動モータの大出力化によらずに、弁開閉を適切に行う電動弁を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明による電動弁は、電動モータの回転を雄ねじと雌ねじとのねじ係合によるねじ機構によって直線運動に変換し、弁開閉を行う電動弁において、前記ねじ機構のねじ有効径とねじピッチが下式を満足する値に設定されている。
Ｄｓ＝ｋ・Ｄｒ
Ｓｐ＝ｍ・Ｄｓ
ｋ＝０．１０〜０．２５
ｍ＝０．０５〜０．２０
但し、Ｄｓ：ねじ有効径
Ｄｒ：電動モータのロータ径
Ｓｐ：ねじピッチ
ｋ：ねじ有効径設定係数
ｍ：ねじピッチ設定係数
【０００８】
この発明による電動弁によれば、ロータ径に対するねじ機構のねじ有効径の比率、ねじ有効径に対するねじピッチの比率が、ねじ機構によるトルク−推力変換率が最適値になるよう、設定ねじ有効径設定係数、ねじピッチ設定係数に従って最適値に設定され、Ｒ４１０、ＣＯ2 等のフロン代替冷媒を使用する冷凍サイクル装置の電動膨張弁等で、弁開閉に必要な推力が、モータ出力を増加することなく得られる。
【０００９】
実用的な電動弁は、電動モータのロータ径Ｄｒが１０〜３５ｍｍ程度の小型のものであり、ねじ機構のねじ有効径が２．５〜６．０ｍｍ、ねじピッチが０．３５〜０．６０ｍｍ程度ものになる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１はこの発明による電動弁の一つの実施形態を示している。
【００１１】
電動弁は弁ハウジング（本体）１０を有している。弁ハウジング１０は、内部に弁室１１を画定している。弁ハウジング１０には、弁室１１に直接連通する第１の管継手１２と、弁ポート１３を画定する弁座部材１４と、弁ポート１３を介して弁室１１に連通する第２の管継手１５とが、各々溶接、ろう付け等によって固定装着されている。
【００１２】
弁室１１には弁体１６が設けられている。弁体１６は、弁座部材１４に対する軸線方向（上下方向）移動によって弁ポート１３の開閉および実効開口面積を定量的に増減するニードル弁部１７を有し、基部を円筒状の弁ホルダ１８の一端部（下端）に溶接等によって固着されている。
【００１３】
弁ハウジング１０には取付具１９によって円筒部材３０が固定されている。円筒部材３０のガイド筒部３０Ａには弁ホルダ１８が軸線方向（弁開閉方向）に移動可能に嵌合している。
【００１４】
弁ホルダ１８には、高滑性表面のスラストベアリング２６を挟んで、ステッピングモータ４０のロータ軸４１の下端に形成されたフランジ部２５が係合している。
【００１５】
弁ホルダ１８の下端は弁体１６によって閉じられている。フランジ部２５は弁ホルダ１８内の上側にあり、弁ホルダ１８内にはフランジ部２５に係合するばね受け部材２８と弁体１６との間に圧縮コイルばね２９が所定の予荷重を与えられた状態で装着されている。
【００１６】
この構造により、ロータ軸４１は、ばね受け部材２８、圧縮コイルばね２９、弁体１６と弁ホルダ１８との連結体に対して低摩擦抵抗で回転できる。
【００１７】
円筒部材３０には中央部に雌ねじ孔３２を貫通形成された雌ねじ部材３１が固定されている。雌ねじ部材３１は、焼結金属、固体潤滑材入りの焼結金属、含油焼結金属、あるいは合成樹脂、フッ素樹脂、カーボン、グラファイト等の潤滑性がよい機能性充填剤を充填されたＰＰＳ樹脂等の合成樹脂等に構成されている。その他、必要に応じて、雌ねじ面（雌ねじ孔３２）に、潤滑めっき、フッ素樹脂入り潤滑めっき、フッ素樹脂入りコーティング処理、窒化皮膜処理を施され、低摩擦抵抗化を図られている。
【００１８】
ロータ軸４１には弁ホルダ１８の外径より充分小径の雄ねじ部３３が形成されている。雄ねじ部３３は雌ねじ孔３２をねじ係合状態で貫通している。雄ねじ部３３を含むロータ軸４１は、焼結金属、固体潤滑材入りの焼結金属、含油焼結金属、あるいは合成樹脂、フッ素樹脂、カーボン、グラファイト等の潤滑性がよい機能性充填剤を充填されたＰＰＳ樹脂等の合成樹脂等に構成されている。その他、必要に応じて、雄ねじ面に、潤滑めっき、フッ素樹脂入り潤滑めっき、フッ素樹脂入りコーティング処理、窒化皮膜処理を施され、低摩擦抵抗化を図られている。
【００１９】
ロータ軸４１は、自身の中心軸線周りに回転することにより、雄ねじ部３３と雌ねじ孔３２とのねじ係合によって回転しつつ軸線方向（弁開閉方向）に移動する。
【００２０】
ロータ軸４１はステッピングモータ４０のロータ４３と固定連結されている。ロータ４３の外周部４３Ａは、フェライト焼結品、希土類の焼結磁石、或いはプラスチックマグネット等により構成されたＮ極Ｓ極交互の多極の永久磁石をなしている。
【００２１】
弁ハウジング１０の上部にはカップ形状のロータケース４４が気密に固定されている。ロータケース４４は内側にロータ４３を同心状態で回転可能に収容している。ロータケース４４の外側には円環形状のステータエレメント４５が固定配置されている。
【００２２】
ステータエレメント４５は、上下２段にステータコイル４６を有し、全体を電気絶縁性樹脂４７によりモールドされ、内周部全体に複数個の磁極歯（図示省略）を等間隔に有している。
【００２３】
ステータエレメント４５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４３が回転し、これに伴いロータ軸４１が回転し、ロータ軸４１の雄ねじ部３３と固定配置の雌ねじ部材３１とのねじ係合関係によってロータ軸４１が回転しつつ軸線方向に移動する。これにより、弁ホルダ１８および弁体１６が上下移動し、弁開閉が行われる。
【００２４】
弁開閉の推力Ｆは下式により表される。
Ｆ＝２Ｔ／（Ｄｓ・ｔａｎ（α＋ρ））
Ｔはトルク、Ｄｓは雄ねじ部３３と雌ねじ孔３２のねじ有効径、αはリード角、ρは摩擦角（ｄｅｇ）である。
【００２５】
この数式よりトルクＴが一定であると、ねじ有効径Ｄｓが小さい方が推力Ｆが増大する。
Ｒ４１０、ＣＯ2 等のフロン代替冷媒を使用する冷凍サイクル装置の電動膨張弁では、弁開閉に必要な推力Ｆは、最低でも９００ｇｆ程度になる。
【００２６】
ステッピングモータ４０のロータ径ＤｒはトルクＴと相関性があり、ロータ径Ｄｒが大きくなると、トルクＴが大きくなる傾向がある。このことから、ロータ径Ｄｒに関連して雄ねじ部３３と雌ねじ孔３２のねじ有効径Ｄｓ、ピッチＳｐが下式を満足する値に設定されている。
【００２７】
Ｄｓ＝ｋ・Ｄｒ
Ｓｐ＝ｍ・Ｄｓ
ｋ＝０．１０〜０．２５
ｍ＝０．０５〜０．２０
但し、ｋ：ねじ有効径設定係数、ｍ：ねじピッチ設定係数である。
【００２８】
ねじ有効径設定係数ｋが０．１０未満であると、雄ねじ部３３の外径が細くなり、雄ねじ部３３の強度不足を生じる。これに対し、有効径設定係数ｋが０．２５を超えた値であると、良好なねじ効率が得られなくなり、必要なトルク−推力変換効率が得られず、弁開閉に必要な推力Ｆを得ることができなくなる。
【００２９】
また、ねじピッチ設定係数ｍが０．１０未満であると、ねじ加工が困難になる。これに対し、ねじピッチ設定係数ｍが０．２５を超えた値であると、良好なねじ効率が得られなくなり、必要なトルク−推力変換効率が得られず、弁開閉に必要な推力Ｆを得ることができなくなる。
【００３０】
ステッピングモータ４０のロータ径Ｄｒが１０〜３５ｍｍであると、ねじ有効径Ｄｓは２．５〜６．０ｍｍ程度、ねじピッチＳｐは０．３５〜０．６０ｍｍになる。
【００３１】
ここで、ロータ径Ｄｒが１０ｍｍ以下であると、ロータ４３が小径になりすぎ、製造、組み付けが困難になる。これに対し、ロータ径Ｄｒが３５ｍｍを超えた値であると、ステッピングモータ、弁装置が大きくなり、特に、車載用の空調装置部品として、不適切になる。
【００３２】
上述したように、ロータ径Ｄｒに対するねじ機構のねじ有効径Ｄｓの比率、ねじ有効径Ｄｓに対するねじピッチＳｐの比率が、設定ねじ有効径設定係数ｋ、ねじピッチ設定係数ｍに従って設定されているので、ねじ機構によるトルク−推力変換率が最適値になり、Ｒ４１０、ＣＯ2 等のフロン代替冷媒を使用する冷凍サイクル装置の電動膨張弁等で、弁開閉に必要な推力が、モータ出力を増加することなく得られる。
【００３３】
この発明による電動弁は、上述した実施形態のように、雌ねじ固定、雄ねじ回転のねじ機構によるものに限られることはなく、雌ねじ回転、雄ねじ固定のねじ機構による電動弁にも同様に適用できる。
【００３４】
図２は、雌ねじ回転、雄ねじ固定のねじ機構による電動弁の実施形態を示している。なお、図２において、図１に対応する部分は、図１に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００３５】
この実施形態では、ロータ４３に雌ねじ部材３１、弁体１６が固定接続され、雄ねじ部３３が中空軸部材で構成されて固定具２７によって弁ハウジング１０に固定されている。
【００３６】
この実施形態では、ステータエレメント４５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４３が回転し、これに伴いロータ４３と一体回転する雌ねじ部材３１と固定配置の雄ねじ部３３とのねじ係合関係によってロータ４３が回転しつつ軸線方向に移動する。これにより、弁体１６が上下移動し、弁開閉が行われる。
【００３７】
この実施形態でも、雌ねじ部材３１と雌ねじ部３３のねじ有効径Ｄｓ＝ｋ・Ｄｒ、ピッチＳｐ＝ｍ・Ｄｓ、ｋ＝０．１０〜０．２５、ｍ＝０．０５〜０．２０で、ねじ機構によるトルク−推力変換率が最適値になり、Ｒ４１０、ＣＯ2 等のフロン代替冷媒を使用する冷凍サイクル装置の電動膨張弁等で、弁開閉に必要な推力が、モータ出力を増加することなく得られる。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から理解される如く、この発明による電動弁によれば、トルクと相関性を有するロータ径に対するねじ機構のねじ有効径の比率と、ねじ有効径に対するねじピッチの比率が、各々設定ねじ有効径設定係数、ねじピッチ設定係数によって適切に設定されているので、ねじ機構によるトルク−推力変換率が最適値になり、Ｒ４１０、ＣＯ2 等のフロン代替冷媒を使用する冷凍サイクル装置の電動膨張弁等で、弁開閉に必要な推力が、モータ出力を増加することなく得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による電動弁の一つの実施形態を示す断面図である。
【図２】この発明による電動弁の他の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１０  弁ハウジング
１３  弁座部材
１６  弁体
１８  弁ホルダ
３１  雌ねじ部材
３３  雄ねじ部
４０  ステッピングモータ
４１  ロータ軸
４３  ロータ
４５  ステータエレメント
【図１】
2004197800.tif 000003
【図２】
2004197800.tif 000004