JP6087397B2

JP6087397B2 - 電動弁

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Publication number: JP6087397B2
Application number: JP2015131103A
Authority: JP
Inventors: 裕正高田; 直樹日下
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2030-02-25
Also published as: JP2015178908A

Description

本発明は、ヒートポンプ式の冷凍サイクル等の冷媒流量を制御する電動弁に関する。

従来、電動弁として、例えば、特開２００４−１９７８００号公報（特許文献１）及び特開２００２−３９４１７号公報（特許文献２）に開示されたものがある。特許文献１のものは、電動モータのロータ軸側に雄ねじが形成され、このロータ軸が貫通する雌ねじが配置され、ロータ軸の下端に弁体を備えている。また、特許文献２のものは、電動モータのロータ側に雌ねじが形成され、このロータの中心を貫通する雄ねじが配置され、作動軸の下端部に弁体を備えている。そして、電動モータのロータの回転運動を雌ねじと雄ねじとのねじ送り機構によって作動軸の直線運動に変換し、弁体を弁シートに対して移動して弁の開閉を行う。また、これらの電動弁は、例えば特開平５−４５０２７号公報（特許文献３）に開示されているような冷却装置の冷凍サイクル（冷媒配管系）に用いられる。

特開２００４−１９７８００号公報特開２００２−３９４１７号公報特開平５−４５０２７号公報

特許文献３のような冷凍サイクルのホットガスバイパス路では、冷媒の温度は１２０℃程度まで上昇する。このため従来の電動弁をホットガスバイパス路に用いると、雌ねじを構成する部材と雄ねじを構成する部材のそれぞれの線膨張率の違いにより、この雌ねじと雄ねじの噛み合い部分（ねじ部）の縦横のガタが小さくなり、ねじ送り機構の作動性が悪化するという問題がある。また、繰り返しの作動により発生するねじ部や他の摺動部の摩耗粉等が堆積し、実際のねじ部のクリアランスが、規定されたクリアランスより小さくなってしまう。さらに高温時にはマグネットの減磁やコイルの電気抵抗が増加するためモータトルクが減少する為、適正なクリアランスの確保が重要になる。また、一般的に高温時では材料の強度が落ちるためホットガスバイパス路に用いる電動弁においては、ねじの噛み合い長さを大きくする必要がある為、ねじ間のピッチのずれの影響が大きくなる、これらの問題点により所望の作動性が得られなくなる。

本発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたものであり、高温環境で使用されても、電動弁のねじ送り機構におけるねじ部のガタを確保し、安定した作動性を確保することを課題とする。

請求項１の電動弁は、電動モータのロータの回転運動をこのロータ側に形成された雌ねじとこのロータの中心に該雌ねじと同軸に配置された雄ねじとのねじ送り機構によって、作動軸を直線運動に変換し、この作動軸に配置された弁体を弁シートに対して移動して弁の開閉を行う電動弁において、前記雌ねじを構成する部材と前記雄ねじを構成する部材とが、前記雌ねじの軸方向に垂直な方向の線膨張率が、前記雄ねじの軸方向に垂直な方向の線膨張率より大きくなるような材質によりそれぞれ形成されるとともに、前記雌ねじの軸方向の線膨張率と前記雄ねじの軸方向の線膨張率とが同等となる材質により、前記雌ねじを構成する部材と前記雄ねじを構成する部材とがそれぞれ形成されていることを特徴とする。

請求項２の電動弁は、電動モータのロータの回転運動をこのロータ側に形成された雌ねじとこのロータの中心に該雌ねじと同軸に配置された雄ねじとのねじ送り機構によって、作動軸を直線運動に変換し、この作動軸に配置された弁体を弁シートに対して移動して弁の開閉を行う電動弁において、前記雌ねじを構成する部材と前記雄ねじを構成する部材とが、前記雌ねじの軸方向に垂直な方向の線膨張率が、前記雄ねじの軸方向に垂直な方向の線膨張率より大きくなるような材質によりそれぞれ形成されるとともに、前記雌ねじを構成する部材が、樹脂材料を基材としてこの樹脂材料に繊維状のフィラーが前記雌ねじの軸方向と同一の方向となるように混入されていることを特徴とする。

請求項１または２の電動弁によれば、雄ねじ部材の軸方向と垂直な方向の線膨張率よりも、雌ねじ部材の軸方向と垂直な方向の線膨張率のほうが大きくなるように、雄ねじ部材及び雌ねじ部材が構成されているので、高温環境で雄ねじ部材よりも雌ねじ部材のほうが外側により多く膨張するので、この雄ねじ部材と雌ねじ部材のガタを確保することができ、ねじ送り機構の安定した作動性を確保することができる。

また、請求項１の電動弁によれば、軸Ｌ方向の膨張が雄ねじ部材と雌ねじ部材とで同等となり、雄ねじの軸方向のピッチ変化と雌ねじの軸方向のピッチ変化とが同等になり、ピッチ変化によるねじ全体の軸方向のガタの低減を防止できる。

また、請求項２の電動弁によれば、フィラーの向き、強度を任意に選択できるため、雌ねじの軸方向の線膨張率と雄ねじの軸方向の線膨張率とを同等にできるとともに、雌ねじの軸方向とは垂直な方向の線膨張率を雄ねじの軸方向と垂直な方向の線膨張率よりも大きくすることができ、さらに基材として樹脂材料を用いるので製造が容易になる。

本発明の第１実施形態の電動弁の縦断面図である。本発明の第２実施形態の電動弁の縦断面図である。実施形態における雄ねじ部材と雌ねじ部材を繊維状のフィラーを混入した樹脂材料で形成する例を示す図である。

次に、本発明の電動弁の実施形態を図面を参照して説明する。図１は第１実施形態の電動弁縦断面図である。なお、以下の説明における「上下」の概念は図１の図面における上下に対応する。この実施形態の電動弁は、弁ハウジング１を有し、弁ハウジング１には、弁室１ａと、弁室１ａの片側内周面に開口した入口ポート１ｂと、弁室１ａの軸Ｌ方向の片側端部に開口した出口ポート１ｃと、出口ポート１ｃと弁室１ａを連通する弁ポート１ｄと、弁室１ａの上部に貫通する円筒状のガイド嵌合孔１ｅが形成されている。弁ポート１ｄの弁室１ａ側端部は弁シート１ｄ１を構成している。入口ポート１ｂは横孔として形成され、この入口ポート１ｂにはホットガスバイパス路に接続される継手管１１がろう付けにより固着されている。出口ポート１ｃは下穴として形成され、この出口ポート１ｃにはホットガスバイパス路に接続される継手管１２がろう付けにより固着されている。

弁室１ａの上部のガイド嵌合孔１ｅには円筒状のガイド１３が嵌合され、弁ハウジング１の上部をかしめることによりガイド１３は弁ハウジング１に固着されている。このガイド１３内には、円筒状の弁体１４とピストン１５が挿通され、弁体１４はベアリング１７を介して作動軸２の下端に取り付けられている。なお、弁体１４内には緩衝用のコイルばね１４ａが配設されている。ガイド１３の上端には雄ねじ受け部１３ａが形成されており、作動軸２はこの雄ねじ受け部１３ａにより軸Ｌ方向に摺動可能とされ、この作動軸２の上部は後述のステッピングモータ１０側に延設されている。作動軸２のステッピングモータ１０内の外周には雄ねじ２１ａが形成された雄ねじ部材２１が固着されている。

弁ハウジング１の上部には皿状の蓋ケース１６がろう付けにより気密に固着されており、この蓋ケース１６に電動モータとしてのステッピングモータ１０が取り付けられている。ステッピングモータ１０の円筒状のロータケース１０ａは蓋ケース１６に気密に固着されている。ロータケース１０ａの内側にはロータ３が回転可能に配置されている。ロータ３は、内側から順に、雌ねじ部材３１，雌ねじホルダ３２，連結金具３３、マグネット３４により構成されている。連結金具３３は雌ねじホルダ３２とマグネット３４とを連結している。また、雌ねじ部材３１の内側には雌ねじ３１ａが形成されている。そして、この雄ねじ３１ａが、雄ねじ部材２１の外周面の雄ねじ２１ａに螺合されている。また、ロータケース１０ａの外周には、ステータユニット１０ｂが配設されており、ステッピングモータ１０は、ステータユニット１０ｂのステータコイルにパルス信号が与えられることにより、そのパルス数に応じてロータ３を回転させる。

ロータケース１０ａの内側にはストッパ保持ロッド４１が垂下固定されている。ストッパ保持ロッド４１には螺旋ガイド４２が取り付けられており、螺旋ガイド４２には可動ストッパ４３が係合している。可動ストッパ４３は、ロータ３の連結金具３３に取り付けられたピン３３ａによって蹴り回されることにより、ロータ３の回転に伴って螺旋ガイド４２に案内されて旋回しつつ上下移動する。そして、可動ストッパ４３は、螺旋ガイド４２の下端のストッパ部４２ａあるいは上端のストッパ部４２ｂに当接することにより、弁閉方向、あるいは弁開方向のロータ３の回転を制限する。

以上の構成により、ステッピングモータ１０を駆動すると、ロータ３は可動ストッパ４３及びストッパ部４２ａ，４２ｂで規制される範囲内で回動する。このロータ３の回転は、ロータ３側の雌ねじ３１ａと雄ねじ２１ａとのねじ送り作用により、作動軸２の直線運動に変換され、作動軸２を介して弁体１４が軸Ｌ方向に移動する。これにより、弁体１４が弁ポート１ｄの開度を調整し、継手管１１から流入して継手管１２から流出する冷媒の流量が制御される。

図２は第２実施形態の電動弁縦断面図であり、図１と同じまたは対応する要素には図１と同符号を付記して詳細な説明は省略する。この第２実施形態においては、弁体１４が作動軸２と一体に形成され、出口ポート１ｃと弁室１ａとの間には弁ポート部材１ｆが嵌め込まれている。弁ポート部材１ｆには弁ポート１ｇが形成され、この弁ポート部材１ｆの端部が弁シート１ｆ１を構成している。

この第２実施形態においても、ステッピングモータ１０の駆動によりロータ３が回動すると、このロータ３の回転は、ロータ３側の雌ねじ３１ａと作動軸２側の雄ねじ２１ａのねじ送り作用により、作動軸２の直線運動に変換され、作動軸２を介して弁体１４が軸Ｌ方向に移動する。これにより、弁体１４が弁ポート１ｇの開度を調整し、継手管１１から流入して継手管１２から流出する冷媒の流量が制御される。

雄ねじ部材２１と雌ねじ部材３１は、軸Ｌと垂直な方向の線膨張率を考慮してその材質が選ばれている。また、一般的に樹脂材料は、炭素繊維やガラス繊維等の強化材（フィラー）を混入させ、混入させるフィラーの量、強度によって線膨張率や熱伝導率といった性質を変化させることができる。次表１は雄ねじ部材２１と雌ねじ部材３１との材質とその線膨張率の各実施例を示している。

これらの材質を組み合わせて、「雄ねじ部材２１の軸Ｌ方向と垂直な方向の線膨張率よりも、雌ねじ部材３１の軸Ｌ方向と垂直な方向の線膨張率のほうが大きくなる」という条件を満たすように雄ねじ部材２１と雌ねじ部材３１の材質を決める。また、繊維状のフィラーを混入したＰＰＳ（ポリファニレンサルファイド）は繊維状のフィラーの方向性を変える事で線膨張率に異方性を持たせることができ、軸方向と垂直な方向とで異なる線膨張率を持たせることができる。例えば、炭素繊維をフィラーとした場合、ある方向では線膨張率が２．５×１０^-5となり、この方向に対して垂直な方向の線膨張率は３．５×１０^-5とすることができる。また、混入させるフィラーの量、強度によりある方向では線膨張率が１．０×１０^-5となり、この方向に対して垂直な方向の線膨張率は３．５×１０^-5となるものもある。そこで、線膨張率が小さい方向を軸Ｌ方向、線膨張率が大きい方向を軸Ｌ方向と垂直な方向となるように雌ねじ部材３１を形成する。そして、雄ねじ部材２１の軸Ｌ方向と垂直な方向の線膨張率を、この雌ねじ部材３１の軸Ｌ方向と垂直な方向の線膨張率より小さくなるように、雄ねじ部材２１を形成する。なお、雄ねじ部材２１がステンレスの場合と、雄ねじ部材２１が黄銅の場合について、それぞれ雌ねじ部材３１に採用できない材質について表１の下部に記載したが、これ以外で上記の条件を満足するように雄ねじ部材２１と雌ねじ部材３１の材質を組み合わせる。

例えば、雄ねじ部材２１をステンレスとし、雌ねじ部材３１を黄銅とする。あるいは、雄ねじ部材２１をステンレスとし、雌ねじ部材３１を軸Ｌ方向と垂直な方向の線膨張率が３．５×１０^-5となるように炭素繊維をフィラーとしたＰＰＳとする。あるいは、雄ねじ部材２１を黄銅とし、雌ねじ部材３１を、軸Ｌ方向と垂直な方向の線膨張率が３．５×１０^-5となるＰＰＳまたはＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）またはＰＩ（ポリイミド）またはＰＡＩ（ポリアミドイミド）とする。

また、雄ねじ部材２１を線膨張率が１．０５×１０^-5のセラミック（ジルコニア）とし、雌ねじ部材３１を軸Ｌ方向と垂直な方向の線膨張率が３．５×１０^-5で軸Ｌ方向の線膨張率が１．０×１０^-5となるように炭素繊維をフィラーとしたＰＰＳとする。このようにすると、前記条件を満足しながら、雌ねじ部材３１の軸Ｌ方向の線膨張率と雄ねじ部材の軸Ｌ方向の線膨張率とが同等となる。これにより、軸Ｌ方向の膨張が雄ねじ部材２１と雌ねじ部材３１とで同等となり、雄ねじ２１ａのピッチ変化と雌ねじ３１ａのピッチ変化が同等になり、ピッチ変化によるねじ全体の軸Ｌ方向のガタの低減を防止できる。

次表２は、雄ねじ部材２１と雌ねじ部材３１の両方の材質をＰＰＳとした例を示している。

すなわち、軸Ｌ方向の線膨張率を３．５×１０^-5で軸Ｌと垂直な方向の線膨張率が２．５×１０^-5となるように炭素繊維をフィラーとしたＰＰＳにより雄ねじ部材２１を形成する。そして、軸Ｌ方向の線膨張率を２．５×１０^-5で軸Ｌと垂直な方向の線膨張率が３．５×１０^-5となるように炭素繊維をフィラーとしたＰＰＳにより雌ねじ部材３１を形成する。これにより、前記の条件が満足される。

図３は、雄ねじ部材２１と雌ねじ部材３１を、炭素繊維をフィラーとした樹脂材料で形成する例を示す図である。雄ねじ部材２１は、樹脂材料からなる基材２１Ａに対して炭素繊維フィラー２１Ｂを軸Ｌと垂直な方向に配向して混入して形成されている。雌ねじ部材３１は、樹脂材料からなる基材３１Ａに対して炭素繊維フィラー３１Ｂを軸Ｌと平行な方向に配向して混入して形成されている。

このようにすることにより、雄ねじ部材２１では基材２１Ａの軸Ｌ方向と垂直な方向の線膨張率が炭素繊維フィラー２１Ａの強度により低減され、雌ねじ部材３１では基材３１Ａの軸Ｌ方向の線膨張率が炭素繊維フィラー２１Ａの強度により低減されるとともに、軸Ｌ方向と垂直な方向の線膨張率は炭素繊維フィラー３１Ｂの影響を殆どうけない。したがって、前記の条件を満足することができる。なお、この炭素繊維フィラーの配向方向は、例えば樹脂成形時のゲートの位置により設定することができる。

このように、雄ねじ部材２１の軸Ｌと垂直な方向の線膨張率よりも、雌ねじ部材３１の軸Ｌと垂直な方向の線膨張率のほうが大きくなるように、雄ねじ部材２１及び雌ねじ部材３１を形成しているので、高温環境で使用されても、雄ねじ部材２１と雌ねじ部材３１のガタを確保することができ、ねじ送り機構の安定した作動性を確保することができる。

１弁ハウジング
１ｄ１弁シート
１ｆ１弁シート
１４弁体
２作動軸
２１雄ねじ部材
２１ａ雄ねじ
３ロータ
３１雌ねじ部材
３１ａ雌ねじ
１０ステッピングモータ（電動モータ）

Claims

電動モータのロータの回転運動をこのロータ側に形成された雌ねじとこのロータの中心に該雌ねじと同軸に配置された雄ねじとのねじ送り機構によって、作動軸を直線運動に変換し、この作動軸に配置された弁体を弁シートに対して移動して弁の開閉を行う電動弁において、
前記雌ねじを構成する部材と前記雄ねじを構成する部材とが、前記雌ねじの軸方向に垂直な方向の線膨張率が、前記雄ねじの軸方向に垂直な方向の線膨張率より大きくなるような材質によりそれぞれ形成されるとともに、
前記雌ねじの軸方向の線膨張率と前記雄ねじの軸方向の線膨張率とが同等となる材質により、前記雌ねじを構成する部材と前記雄ねじを構成する部材とがそれぞれ形成されていることを特徴とする電動弁。
電動モータのロータの回転運動をこのロータ側に形成された雌ねじとこのロータの中心に該雌ねじと同軸に配置された雄ねじとのねじ送り機構によって、作動軸を直線運動に変換し、この作動軸に配置された弁体を弁シートに対して移動して弁の開閉を行う電動弁において、
前記雌ねじを構成する部材と前記雄ねじを構成する部材とが、前記雌ねじの軸方向に垂直な方向の線膨張率が、前記雄ねじの軸方向に垂直な方向の線膨張率より大きくなるような材質によりそれぞれ形成されるとともに、
前記雌ねじを構成する部材が、樹脂材料を基材としてこの樹脂材料に繊維状のフィラーが前記雌ねじの軸方向と同一の方向となるように混入されていることを特徴とする電動弁。