(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケースとしてのキャンと、該キャンの内部に配設される弁室及び弁座を備えた弁本体と、該弁本体に取り付けられたステッピングモータのロータと、該ステッピングモータのロータにより前記弁座に接離する方向に駆動されてニードル弁として機能するニードルを備えた電動式コントロールバルブであって、前記ステッピングモータのロータと一体に成形し、外周面に雄ねじを形成した雄ねじ部材を設け、該雄ねじに螺合する雌ねじを内周面に形成した円筒状の雌ねじ部材が前記弁室内に取付ばねと共に設けられ、前記雌ねじ部材の内部に、ニードル弁を設け、弁閉行程時に、前記雌ねじ部材の平坦状の下端面が弁座を形成する弁室底面に当接して前記ニードル弁を完全弁閉状態にする前に前記ニードル弁が前記弁座に当接して該ニードル弁を弁閉状態にするように構成され、且つ、前記ステッピングモータのロータと、前記キャンの上凸部とロータ軸の間に設けられた軸受けとの間に波形板ばねが介設され、前記ニードル弁の完全弁閉状態時に前記波形板ばねが弾性変形して前記ステッピングモータのロータ回転トルクを吸収するように構成されていることを特徴とする電動式コントロールバルブ。
【請求項２】
前記弁室内に雌ねじ部材の回転を防止し、上下摺動可能にするガイドを弁本体に固定した請求項１に記載の電動式コントロールバルブ。
【請求項３】
前記ニードル弁を前記弁座方向に付勢する弱いばね力の弁ばねが雌ねじ部材の内部に設けられている請求項１又は請求項２に記載の電動式コントロールバルブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプ式エアコンや冷凍機などの冷凍、冷蔵、空調設備に組み込まれ、冷媒流量制御に使用される電動式コントロールバルブに関し、特に駆動源としてステッピングモータを備えるとともに流量制御弁としてニードル弁を備えた電動式コントロールバルブとその組み立て方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、前記のような電動式コントロールバルブとして、図５に示すようなものが提案されている。
図５において、符号１４は電動式コントロールバルブの弁本体を示しており、この弁本体１４には、その軸線方向直下に第１継手２１ａの流路に接続する第１開口２２が設けられ、その近傍の側部に第２継手２１ｂの流路に接続する第２開口２３が設けられて、弁本体１４の上方から第１開口２２と第２開口２３とを接続するように弁室１５が形成されている。弁本体１４の上部は蓋体９を下部に設けられたキャン１で被覆され、キャン１の内部には、ステッピングモータ２０のロータ１０が設けられている。ロータ１０は合成樹脂製でその中心にピン２４が設けられており、ピン２４は下方に延びて弁室１５に挿入されている。ピン２４の下端にニードル弁１３が設けられ、このニードル弁１３は、弁座としての第１開口２２と協働して制御弁を構成している。符号３３は回り止め用段部を示している。
【０００３】
ロータ１０の下方に延びる突出部１０ｓの外周に雄ねじ２５が形成され、この雄ねじ２５に螺合する雌ねじ２６が弁本体１４の内壁に形成されている。したがって、ロータ１０が回転すると、雌ねじ２６は固定されているので、ロータ１０即ち、ニードル弁１３が第１開口２２内を上下動し、冷媒流量の制御を行うことができる。
【０００４】
キャン１の上蓋部２７の中心に支持凹部２８が設けられ、この支持凹部２８にガイド部材２９の上部突起３０が嵌合し、また、ガイド部材２９の中心孔２９ａとピン２４の上端部とは上下動且つ回転可能に嵌合されている。
【０００５】
ガイド部材２９の外周にスプリング受け３１が形成され、このスプリング受け３１とロータ１０の凹嵌部の下面との間にスプリング３２が縮設されている。更に、キャン１の円筒状外周に、ステッピングモータ２０のステータコイル１７が固定され、コネクタ３４により外部と接続されている。ステータコイル１７は上側コイル１７ａと下側コイル１７ｂとにより形成されている。
【０００６】
前記の構成のニードル弁タイプの電動膨張弁において、ステータコイル１７への通電によリロータ１０が回転する。ロータ１０の突出部１０ｓに形成された雄ねじ２５と弁本体内壁に形成された雌ねじ２６との螺合により、ロータ１０と一体形成のピン２４も共に回転しながら上下動する。それにより、ピン２４に形成されたニードル弁１３が上下動し、第１開口２２内を上下動し、冷媒流量の制御を行う。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記の従来の電動式コントロールバルブでは、冷媒流量の制御に電動式のニードル弁を使用している。
【０００８】
ところで、ニードル弁タイプの電動式コントロールバルブでは、全閉機能を有する場合は、ニードル弁のテーパ部を弁座に当接させる必要があり、ニードル弁が垂直方向の力によって弁座に食い込みを防ぐためには、そのテーパ部を例えば６０度と充分大きくする必要がある。さらに、ニードル付け根径Ｄ１は弁孔の径Ｄ０よりも小さくしなければならない（Ｄ０＞Ｄ１）。
【０００９】
その結果、ニードル弁タイプのものでは、弁開き始めの弁特性は急激な立ち上がりとなってしまう。また、前記食い込みを防ぐために、ニードルと弁座との間に若干のクリアランスを設けると、そのクリアランスだけで、微小冷媒流量の制御範囲を越えてしまうおそれがある。このような理由から、ニードル弁タイプのものは、微小冷媒流量制御を必要とする冷凍サイクルには適用できないという問題点がある。
本発明は、従来例のこのような問題点の解決を図ろうとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するために、ケースとしてのキャンと、該キャンの内部に配設される弁室及び弁座を備えた弁本体と、該弁本体に取り付けられたステッピングモータのロータと、該ステッピングモータのロータにより前記弁座に接離する方向に駆動されてニードル弁として機能するニードルを備えた電動式コントロールバルブであって、前記ステッピングモータのロータと一体に成形し、外周面に雄ねじを形成した雄ねじ部材を設け、該雄ねじに螺合する雌ねじを内周面に形成した円筒状の雌ねじ部材が前記弁室内に取付ばねと共に設けられ、前記雌ねじ部材の内部に、ニードル弁を設け、弁閉行程時に、前記雌ねじ部材の平坦状の下端面が弁座を形成する弁室底面に当接して前記ニードル弁を完全弁閉状態にする前に前記ニードル弁が前記弁座に当接して該ニードル弁を弁閉状態にするように構成され、且つ、前記ステッピングモータのロータと、前記キャンの上凸部とロータ軸の間に設けられた軸受けとの間に波形板ばねが介設され、前記ニードル弁の完全弁閉状態時に前記波形板ばねが弾性変形して前記ステッピングモータのロータ回転トルクを吸収するように構成されている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図１乃至図５により本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかる電動式コントロールバルブの全体を示しており、この電動式コントロールバルブも、前記従来のものと同様に、キャン１、ステータコイル１７、第１継手２１ａ、第２継手２１ｂ、弁本体１４、ニードル弁１３、弁座１９、雄ねじ１２ａ、雌ねじ１１ａ、コネクタ３４などを備えて構成されている。
【００１３】
この実施形態の電動式コントロールバルブは、次の構成で前記従来のものと相違する。雄ねじ１２ａはステッピングモータのロータ１０にインサート成形して一体化されている軸状の雄ねじ部材１２の外周に設けられている。雌ねじ１１ａはステッピングモータのロータ１０の中心部に設けた円筒状の雌ねじ部材１１の内面に形成されている。図２に示す雌ねじ部材１１の雌ねじ１１ａの下端には前記雌ねじ１１ａより小径のニードル弁１３、弁ばね７を収納する空間１１ｂを設けている。
【００１４】
この雌ねじ部材１１をステッピングモータのロータ１０と共に回転させずに、上下摺動可能にするガイド６が、雌ねじ部材１１の頭部外面２個所に形成された凹部１１ｃに摺動自在に設けられ、ガイド６の他端部６ａは弁本体１４に固定されている。雌ねじ部材１１と弁本体１４の間には、雌ねじ部材１１をステッピングモータのロータ１０方向に押し上げる取付ばね８が挿入されている。ニードル弁１３は雌ねじ部材１１の中心孔１１ｄに挿通され、雄ねじの先端とニードル弁１３の上部の間に弁ばね７を設け、この弁ばね７の力によリニードル弁１３の上部に設けた段部１３ａと雌ねじ部材１１の中心孔１１ｄの段部にニードル弁１３を押し付けるようにしている。雌ねじ部材１１の弁本体１４と当接する先端部１１ｅには冷媒が通過しやすいように数箇所の溝１１ｆが設けられている。
【００１５】
図１において、雄ねじ部材１２の雄ねじ部の反対側はロータ軸１２ｂが設けられ、キャンの上凸部１ａとロータ軸１２ｂの間に軸受け２が設けられている。この軸受け２の中心孔にロータ軸１２ｂが上下摺動可能に挿入されており、軸受け２とステッピングモータのロータ１０の間には波形板ばね３が設けられている。
【００１６】
雌ねじ部材１１のニードル弁１３側の溝１１ｆは、ロータ１０の回転力により雌ねじ部材１１と弁本体１４との間で摩擦力により雌ねじ部材１１のストッパーとして作用する。
【００１７】
ステッピングモータのステータ１７は、上下１組のコイル１７ａ，１７ｂと、各コイルにより磁化される複数の磁極１７ｃ，１７ｄを備えている。なおコイル１７ａ，１７ｂ及び磁極１７ｃ，１７ｄは、ステッピングモータの組み立て時、予め外函４と一体構造化されている。
【００１８】
前記の構成において、ステッピングモータのロータ１０が回転すると、ロータ１０に一体成形した雄ねじ部材１２が回転し、ガイド６により回転をしない雌ねじ部材１１とのねじ作用により取付ばね８の力に抗して雌ねじ部材１１、ニードル弁１３が下に移動してニードル弁１３と弁座１９の間隔を制御し、弁開口面積が変化する。
【００１９】
この状態からステッピングモータのロータ１０を弁閉方向に回転させると、雌ねじ部材１１とニードル弁１３は下降し、弁座１９に当接して「弁閉」状態となる。この時、弁ばね７の弱い荷重がニードル弁１３の弁座１９に作用することになるが、この実施形態のものでは、その荷重は、ニードルの角度が鋭角であっても弁座１９に食い付き現象が生じないように設計されている。そして、この荷重は、ニードル弁１３が弁座１９に当接後、更に、ステッピングモータのロータ１０の回転を停止させるまでの間、弁閉状態を保つように作用する。雌ねじ部材１１のニードル弁１３との当接部１３ｈとニードル弁１３の弁ばね受け段部１３ａとの間に若干の間隙Ｌｃが形成されるようになっている。
【００２０】
ニードル弁１３が、「弁閉」状態となった後、更にステッピングモータのロータ１０を弁閉方向に回転させると、雌ねじ部材１１の下端面が弁座１９を形成する弁室底面１５ｅに当接して、「完全弁閉」の状態となる。ついで、波形板ばね３が変形してステッピングモータのロータ１０と軸受け２に強い荷重を付与し、ロータ１０の回転を停止する状態に至る。
【００２１】
次に、電動式コントロールバルブの組立方法について説明する。弁本体１４には流体の第１継手２１ａ、第２継手２１ｂ、ニードル弁１３と雌ねじ部材１１とガイド６と取付ばね８、及び弁ばね７を収納する弁室１５を弁座１９の中心軸上に設けている。また、ステッピングモータのステータコイル１７を定位置に固定する取付孔５を外周面に予め設けている。
【００２２】
図２において、雌ねじ部材１１の中心孔１１ｂにニードル弁１３を挿入し、次に弁ばね７を挿入する。次いで雌ねじ部材１１の大径部１１ｇの２個所の回転止め凹部１１ｃにガイド６の回転止め部６ｂを挿入して雌ねじ部材１１にガイド６を取り付ける。その後、取付ばね８を雌ねじ部材１１の小径部１１ｈに下部よりガイド６との間に挿入する。そしてガイド６のかしめ部６ａと弁室１５のかしめ部２０ａとをかしめる。雄ねじ部材１２を弁室１５にかぶせるように載置して手で雄ねじ部材１２を回転し、雌ねじ部材１１の中心孔１１ｄに設けた雌ねじ１１ａと雄ねじ部材１２の雄ねじ１２ａとを螺合させる。次いで、雄ねじ部材１２の軸部１２ｂに波形板ばね３、軸受２を挿入する。最後にキャン１をかぶせて下端部を弁本体１４の蓋体９と密閉溶接する。
【００２３】
ステッピングモータのロータ１０には、雄ねじ部材１２が一体にインサート成形されているが、この雄ねじ部材１２のねじ部１２ａを前記ガイド６の中心より雌ねじ部材１１のねじ部１１ａにステッピングモータのロータ１０を手で回転しながら挿入する。次に雄ねじ部材１２の軸部１２ｂに波形板ばね３、軸受け２を挿入しキャン１を弁本体１４に組合わせる。
【００２４】
冶具によリステッピングモータのロータ１０をキャン１の外部より回転し、電動式コントロールバルブの閉基点を設定し、本体１４のガイド６とのカシメ部２０ａをカシメ固定する。その後、キャン１を弁本体１４に取付けた蓋体９に気密に溶接する。
【００２５】
このような組立て手段で電動式コントロールバルブを組立てることにより、弁閉基点の設定を、雌ねじ部材１１を弁座１９に当接させた状態で行うことができその結果、従来のガイドとのガタツキが大きいこと等の理由による誤差や、ねじ機構のガタに伴う基点誤差の発生をなくすことが可能となる。
【００２６】
この実施形態の場合、ニードル弁の「完全弁閉」状態時、雌ねじ部材１１の先端（下端）平坦面が弁本体１４の弁座１９を形成する弁室底面１５ｅに当接する構成となっている。したがって、ニードル弁１３の先端弁部１３ｅの角度θｓ（図３参照）を小さく，例えば６度に設定して、微少流量制御が行えるようにしても、弁座への食い込みを防止することが可能となる。
【００２７】
この実施形態では、ニードル弁１３の「完全弁閉」状態時、雌ねじ部材１１が弁本体１４の弁座１９を形成する弁室底面１５ｅに当接してニードル弁１３と弁座に作用する荷重を雌ねじ部材１１が負担する構成であるため、ニードル弁１３の「完全弁閉」状態時のニードル弁荷重を小さな荷重（「冷媒の導入圧」−「冷媒の吐出圧」十「弁ばね７のばね力」）に抑えることができ、その結果、ニードル弁１３の弁座１９への食い込みを防止することが可能となる。
【００２８】
図４に示す曲線▲１▼は、θｎ＝６°の場合のニードル弁の荷重特性を示しており線▲２▼は「ニードル弁当接荷重」Ｗｉ＝「弁引抜き荷重」Ｗ０を示している。また線▲３▼はステッピングモータの発生推力を、線▲４▼はニードル弁への当接（負荷）荷重をそれぞれ示している。ここで、ニードル弁への当接（角荷）荷重は、「冷媒の導入圧」−「冷媒の吐出圧」＋「弁ばねのばね力」である。点▲５▼は変曲点を示している。
【００２９】
この実施形態では、前記のように、ニードル弁１３の「完全弁閉」状態時、雌ねじ部材１１が弁本体１４の弁座１９を形成する弁室底面１５ｅに当接してニードル弁１３に作用する荷重を雌ねじ部材１１が負担する構成であるため、ニードル弁１３の「完全弁閉」状態時のニードル弁１３荷重を、符号Ｓで示す点に設定することが可能となる。その結果、「弁引抜き荷重」Ｗ０を小さな荷重（「冷媒の導入圧」−「冷媒の吐出圧」＋「弁ばねのばね力」）に抑えることができ、ニードル弁１３の先端弁部を鋭角に設定して、微少流量制御が行えるようにしてもニードル弁１３の弁座１９への食い込みを防止することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、次のような効果が得られる。
（１）ニードルの先端弁部を鋭角に設定して、微少流量制御が行えるようにしても、ニードルの弁座への食い込みを防止することが可能となる。
（２）回転停止機構における衝突音を低減でき、また波形板ばねにより電動式コントロールバルブの騒音を更に低減できる。
（３）ステッピングモータの基点の設定時、雌ねじ部材の平坦面が基準となるため、耐久性に富み、劣化が極めて少ない。
（４）回転停止機構の停止位置合わせも同時に行うことができるので、組み立て工程を省略することができる。
（５）完全弁閉状態時に、ニードル弁と弁座に発生する押圧力が微少であるため弁座の変形が少ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の１実施の形態に係る電動式コントロールバルブの断面図、
（ｂ）はニードル弁の一部拡大図である。
【図２】図１の雌ねじ部材の要部拡大断面図である。
【図３】図１のニードル弁と弁座の部分の拡大断面図である。
【図４】図１の電動式コントロールバルブのニードル弁の当接荷重（横軸）と弁引抜き荷重（縦軸）との関係を示すグラフである。
【図５】従来の電動式コントロールバルブの断面図である。
【符号の説明】
１      キャン
２      軸受け
３      波形板ばね
４      外函
５      ステータコイル取付孔
６      ガイド
７      弁ばね
８      取付ばね
９      蓋体
１０    ステッピングモータのロータ
１１    雌ねじ部材
１１ａ  雌ねじ
１２    雄ねじ部材
１２ａ  雄ねじ
１３    ニードル弁
１４    弁本体
１５    弁室
１６ａ  下弁室
１７    ステータコイル
１７ａ  上側コイル
１７ｂ  下側コイル
１７ｃ  下向き磁極
１７ｄ  上向き磁極
１９    弁座
２０    筒部
２１ａ  第１継手
２１ｂ  第２継手
【図１ａ−ｂ】
0004615693.tif 000002
【図２】
0004615693.tif 000003
【図３】
0004615693.tif 000004
【図４】
0004615693.tif 000005
【図５】
0004615693.tif 000006