JP7410580B2 - 電動弁 - Google Patents

Description

本発明は、電動弁に関する。

従来から、例えば流体の配管系統の途中に介在させて、流体の流路の開閉や流量制御を行う機器として電動弁が使用されている。このような電動弁においては、流量制御を正確に行わせるために、弁本体に装着されたステッピングモータなどの駆動源により弁体を駆動させている。

特許文献１には、ステッピングモータにより弁体を駆動して弁座から離間させることで、第１ポートと第２ポートとの間で冷媒等の流体の流れを許容し、また弁体を弁座に着座させることで、第１ポートと第２ポートとの間の流体の流れを阻止する電動弁が開示されている。

特開２０１９－１７３８７７号公報

特許文献１の電動弁においては、ステッピングモータの回転運動を弁体の直線運動に変化するために、ねじを用いた変換機構を使用している。このため、構造が複雑であることに加え、ねじの摺動抵抗が比較的大きいため、ステッピングモータの容量を大きくする必要があり、電動弁の大型化やコスト増を招いている。

また、特許文献１の電動弁においては、弁体に連結された弁軸が弁座の中心軸線に沿って延在するため、弁軸との干渉を回避すべく、第１ポートと第２ポートのうちいずれか一方を、弁座の軸線に対して交差する方向に配置する必要がある。したがって、第１ポートと第２ポートとの間の流体の流れは方向転換を強制され、それに起因して圧損などの問題が生じることとなる。また、特許文献１の電動弁では、その構造上、両方向流れを実現することが困難である。

本発明は、簡素な構造で小型化を図ることができ、圧損などを極力抑えることができる電動弁を提供することを目的とする。

本発明にかかる電動弁は、
モータと、
フランジ部を備え、前記モータにより回転駆動される被駆動部と、
流体の高圧側の流入路と低圧側の排出路とを備え、前記被駆動部を収容する筐体と、を有し、
前記フランジ部は、貫通開口と遮蔽壁と、前記貫通開口及び前記遮蔽壁の周囲に形成された円形リブとを有しており、前記被駆動部の回転位置に応じて、前記貫通開口または前記遮蔽壁が前記流入路と前記排出路の間に配置され、
前記流入路の流体と前記排出路の流体との圧力差に従って、前記フランジ部が前記筐体に対して変位し、前記円形リブが前記筐体の環状部に全周で当接する、ことを特徴とする。

本発明によれば、簡素な構造で小型化を図ることができ、圧損などを極力抑えることができる電動弁を提供することができる。

図１は、本実施形態の電動弁を、モータ部側から見た斜視図である。 図２は、本実施形態の電動弁を、ギヤ部側から見た斜視図であるが、ギヤケースの一部を除去して示している。 図３は、ギヤの軸線を通る面でギヤ部を切断して示す断面図であり、モータ部の一部を省略している。 図４は、本実施形態の第２ギヤ部の斜視図である。 図５は、変形例の第２ギヤ部の斜視図である。

以下、本発明に係る電動弁の実施形態を、図面を参照しながら説明する。本実施形態の電動弁１は、例えば冷凍サイクルの配管に連結されて、冷媒の流れを制御するために用いることができる。

（電動弁の構造）
図１は、本実施形態の電動弁１を、モータ部側から見た斜視図である。図２は、本実施形態の電動弁１を、ギヤ部３側から見た斜視図であるが、ギヤケースの一部を除去して示している。図３は、駆動ギヤ及び従動ギヤの軸線を通る面でギヤ部を切断して示す断面図であり、モータ部２の一部を省略している。

電動弁１は、モータ部２とギヤ部３とを有する。モータ部２は、金属板製のモータ基部２１と、モータ基部２１に連結される有底円筒状の樹脂製のカバー２２とを有する。モータ基部２１とカバー２２により形成される内部空間に、図示しないステッピングモータが収容されている。

カバー２２の外周の一部は、径方向外方に延伸して中空のボックス２３に連結されており、ボックス２３内には、ボックス２３を貫通する端子ピン２４に接続された基板が配置されている。ステッピングモータは、基板及び端子ピン２４を介して、外部の制御装置から給電を受ける。

ギヤ部３は、ねじＳＣ（図１）を介してモータ基部２１に連結されるケース基部３１と、ケース基部３１に連結されるギヤケース３２と、ケース基部３１とギヤケース３２の間に形成されるギヤ室ＧＣ内に配置される第１ギヤ部３３及び第２ギヤ部３４を有する。ケース基部３１とギヤケース３２とで筐体を構成する。

ケース基部３１には、厚さ方向に貫通する軸孔３１１と、ギヤ室ＧＣに向いた面に形成された第１凹部３１２と、ギヤ室ＧＣに向いた面とは反対側の面に形成された第１配管接続部３１３が配設されている。第１凹部３１２の第１底面３１４は、球状となっている。不図示の配管に接続された第１配管接続部３１３の内側に、断面円形状の第１流路３１５が形成されている。第１流路３１５の内径は、後述する円形リブ３４Ａ～３４Ｆの内径に等しい。ケース基部３１のギヤ室ＧＣに向いた面には、第１流路３１５の周囲にて突出するように第１環状部３１６が形成されている。

ギヤケース３２は、ケース基部３１と平行に延在する板状部３２１と、板状部３２１の外周からケース基部３１に向かって延在する筒状部３２２とを有する。筒状部３２２の端部をケース基部３１に突き当てて固定することで、その内部に密閉されたギヤ室ＧＣが形成される。

板状部３２１のギヤケース３２のギヤ室ＧＣに向いた面には、軸孔３１１に対向して第２凹部３２３が形成され、また第１凹部３１２に対向して第３凹部３２４が形成されている。第２凹部３２３の第２底面３２５、及び第３凹部３２４の第３底面３２６は、それぞれ球状となっている。

板状部３２１のギヤ室ＧＣに向いた面とは反対側の面には、第１配管接続部３１３に対向して第２配管接続部３２７が形成されている。不図示の配管に接続された第２配管接続部３２７の内側に、断面円形状の第２流路３２８が形成されている。第２流路３２８の内径は、後述する円形リブ３４Ａ～３４Ｆの内径に等しい。板状部３２１のギヤ室ＧＣに向いた面には、第２流路３２８の周囲にて突出するように第２環状部３２９が形成されている。第２環状部３２９は、第１環状部３１６に対して間隔をあけて対向する。

第１ギヤ部３３は、ステッピングモータの出力軸と一体となった第１軸３３１と、第１軸３３１の周囲に同軸に形成された駆動ギヤ３３２とを連設してなる。第１軸３３１の先端３３３は、板状部３２１の第２凹部３２３の第２底面３２５に対応して、球面形状を有する。第１軸３３１は、軸孔３１１と第２凹部３２３に対して相対回転可能に嵌合し、第２底面３２５は、第１軸３３１の軸受部となる。

被駆動部である第２ギヤ部３４は、円筒状の第２軸３４１と、第２軸３４１の周囲に同軸に形成された円盤状のフランジ部３４２と、フランジ部３４２の外周に形成された従動ギヤ３４３とを連設してなる。従動ギヤ３４３は、駆動ギヤ３３２に噛合している。

第２軸３４１の一端３４４は、ケース基部３１の第１凹部３１２の第１底面３１４に対応して、球面形状を有し、その他端３４５は、板状部３２１の第３凹部３２４の第３底面３２６に対応して、球面形状を有する。第２軸３４１は第１凹部３１２及び第３凹部３２４に対して相対回転可能に嵌合し、第１底面３１４または第３底面３２６は、第２軸３４１の軸受部となる。

図４は、第２ギヤ部３４の斜視図である。図において、フランジ部３４２の両側面には、第２軸３４１に対して同心円状に小径リブ３４２１及び大径リブ３４２２（一方のみ図示）が同一の高さ（フランジ部３４２の面からの距離）にて形成されている。

フランジ部３４２の両側面において、小径リブ３４２１及び大径リブ３４２２の間にはフランジ部３４２を挟んで対向する位置に、６つの円形リブ３４Ａ～３４Ｆ（一方のみ図示）が周方向に等間隔で形成されている。６つの円形リブ３４Ａ～３４Ｆは、互いに同径であり、また小径リブ３４２１及び大径リブ３４２２と同一の高さ（フランジ部３４２の面からの距離）を有する。円形リブ３４Ａ～３４Ｆの一部は、小径リブ３４２１及び大径リブ３４２２と融合している。

円形リブ３４Ａ～３４Ｆの内側は、異なる形状を有する。具体的に、円形リブ３４Ａの内側には、開口３４Ａ１が形成されている。開口３４Ａ１の内径は、円形リブ３４Ａの内径に等しい。

円形リブ３４Ａに隣接する円形リブ３４Ｂの内側は、遮蔽壁３４Ｂ１により遮蔽されている。

円形リブ３４Ｂに隣接する円形リブ３４Ｃの内側には、壁３４Ｃ１と、壁３４Ｃ１を貫通する５つの第１円形開口３４Ｃ２が形成されている。第１円形開口３４Ｃ２の合計の断面積は、開口３４Ａ１の断面積よりも小さい。

円形リブ３４Ｃに隣接する円形リブ３４Ｄの内側には、壁３４Ｄ１と、壁３４Ｄ１を貫通する１３個の第２円形開口３４Ｄ２が形成されている。第２円形開口３４Ｄ２の内径は、第１円形開口３４Ｃ２の内径より小さい。

円形リブ３４Ｄに隣接する円形リブ３４Ｅの内側には、壁３４Ｅ１と、壁３４Ｅ１を貫通する第３円形開口３４Ｅ２が形成されている。第３円形開口３４Ｅ２の内径は、第２円形開口３４Ｄ２の内径より小さく、また第３円形開口３４Ｅ２の数は、第２円形開口３４Ｄ２の数より多い。

円形リブ３４Ｅに隣接する円形リブ３４Ｆの内側には、壁３４Ｆ１と、壁３４Ｆ１を貫通する第４円形開口３４Ｆ２が形成されている。第４円形開口３４Ｆ２の内径は、第３円形開口３４Ｅ２の内径より小さく、また第４円形開口３４Ｆ２の数は、第３円形開口３４Ｅ２の数より多い。第１円形開口３４Ｃ２～第４円形開口３４Ｆ２の合計断面積は、互いに異なっていると好ましい。開口３４Ａ１，及び第１円形開口３４Ｃ２～第４円形開口３４Ｆ２が貫通開口を構成する。

電動弁１を組付けた状態で、第２ギヤ部３４の回転位置に応じて、フランジ部３４２の両側に形成された円形リブ３４Ａ～３４Ｆは、第１環状部３１６及び第２環状部３２９に対向する。第１環状部３１６及び第２環状部３２９の間隙は、対向する円形リブ３４Ａ～３４Ｆの軸線方向端部間距離よりわずかに大きくなっている。

（電動弁の動作）
ここでは、モータ部２のステッピングモータは、出力軸すなわち第１ギヤ部３３の回転角度を検出するエンコーダを内蔵しており、エンコーダからの信号に基づいてクローズドループで第１ギヤ部３３の回転角度を制御できるものとするが、オープンループ制御にてステッピングモータを制御してもよい。

不図示の制御装置から、端子ピン２４を介してモータ部２のステッピングモータに対して制御信号を送信することで、第１ギヤ部３３の駆動ギヤ３３２に噛合する従動ギヤ３４３を介して、第２ギヤ部３４が回動する。

なお、制御装置は、第１ギヤ部３３と第２ギヤ部３４のギヤ比を考慮して、円形リブ３４Ａ～３４Ｆのいずれかが第１環状部３１６及び第２環状部３２９に対向する角度位置まで移動できる第１ギヤ部３３の角度位置を予め記憶しているものとする。円形リブ３４Ａ、３４Ｃ～３４Ｆが第１環状部３１６及び第２環状部３２９に対向する位置が開弁位置であり、円形リブ３４Ｂが第１環状部３１６及び第２環状部３２９に対向する位置が閉弁位置である。

第１流路（ここでは流入路）３１５側を冷媒の流入側（高圧側）とし、第２流路（ここでは流出路）３２８側を冷媒の流出側（低圧側）とする。第１流路３１５と第２流路３２８との間で、冷媒の流れを遮断したい場合、制御装置はステッピングモータを駆動して、円形リブ３４Ｂが第１環状部３１６及び第２環状部３２９に対向する位置まで、第２ギヤ部３４を回動させる。

円形リブ３４Ｂの内側は遮蔽壁３４Ｂ１によって閉止されているため、第１流路３１５から第２流路３２８に向かう冷媒の流れを遮断できる。

このとき、第２ギヤ部３４は、高圧側と低圧側との圧力差により軸線方向に変位して、低圧側の円形リブ３４Ｂが第２環状部３２９に全周で当接する。これにより、円形リブ３４Ｂと第２環状部３２９との間においてシールが確立され、冷媒漏れが生じない。

一方、高圧側の円形リブ３４Ｂと第１環状部３１６との間には隙間が生じるため、その隙間よりギヤ室ＧＣ内へと冷媒が流出する。この冷媒は、第１ギヤ部３３と第２ギヤ部３４、第１軸３３１、第２軸３４１の潤滑に用いることができる。ギヤ室ＧＣ内が冷媒で満たされても、低圧側の円形リブ３４Ｂと第２環状部３２９とは全周で当接しているため、かかる冷媒が第２流路３２８に流出することはない。

これに対し、第１流路３１５と第２流路３２８との間で、最大流量で冷媒を流したい場合、制御装置はステッピングモータを駆動して、円形リブ３４Ａが第１環状部３１６及び第２環状部３２９に対向する位置まで、第２ギヤ部３４を回動させる。

これにより、円形リブ３４Ａの内側に形成された、断面積が最大である開口３４Ａ１が、第１流路３１５と第２流路３２８とに対して段差を生じることなく接続されるため、第１流路３１５から第２流路３２８に向かう最大流量の冷媒の流れを確保できる。また、第１流路３１５から第２流路３２８に向かう冷媒は、開口３４Ａ１を淀みなくストレートに通過するため、圧損を抑制することができ、異音の発生を抑制できる。

さらに、第１流路３１５と第２流路３２８との間で、最大流量よりも少ない流量で冷媒を流したい場合、制御装置はステッピングモータを駆動して、円形リブ３４Ｃ～３４Ｆのいずれかが第１環状部３１６及び第２環状部３２９に対向する位置まで、第２ギヤ部３４を回動させる。

円形リブ３４Ｃ～３４Ｆの内側には、異なる断面積の開口３４Ｃ２～３４Ｆ２がそれぞれ形成されているため、選択される開口３４Ｃ２～３４Ｆ２に応じて第１流路３１５から第２流路３２８に向かう最大流量の冷媒の流れを制限することができる。

円形リブ３４Ｃ～３４Ｆは、冷凍サイクルにおけるモードに応じて、必要な流量の冷媒を確保するのに適したものを選択することができる。また、円形リブ３４Ｃ～３４Ｆは、冷媒の整流効果が互いに異なる。このため、円形リブ３４Ｃ～３４Ｆのいずれかを第１環状部３１６及び第２環状部３２９に対向させたときに異音が発生した場合、別の円形リブを第１環状部３１６及び第２環状部３２９に対向させるよう、第２ギヤ部３４を回動させることもできる。

本実施形態によれば、第２流路３２８側を冷媒の流入側（高圧側）とし、第１流路３１５側を冷媒の流出側（低圧側）とすることもできる。かかる場合、閉弁位置では、低圧側の円形リブ３４Ｂが第１環状部３１６に全周で当接する。これにより、パッキンなどを設けなくても、円形リブ３４Ｂと第１環状部３１６との間において冷媒漏れは生じないため、部品点数の削減を図ることができる。

さらに本実施形態によれば、回転運動を直線運動に変換する変換機構を設けておらず、第２ギヤ部３４を回転させるのみで、第１流路３１５と第２流路３２８との間における冷媒の通過と遮断とを制御できるため、部品点数も少なく簡素且つ低背な構造を有する、低コストの電動弁を実現できる。

また、駆動トルクが少なくて済むため、ステッピングモータの容量を低減でき、それにより省エネを図ることもできる。

（変形例）
図５は、変形例にかかる第２ギヤ部４４の斜視図であり、第２流路との相対位置を点線または一点鎖線で示している。第２ギヤ部４４は、上記実施形態の電動弁１における第２ギヤ部３４の代わりに用いることができる。第２ギヤ部３４以外の構造については、上記実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。

被駆動部である第２ギヤ部４４は、円筒状の第２軸４４１と、第２軸４４１の周囲に同軸に形成された円盤状のフランジ部４４２と、フランジ部４４２の外周に形成された従動ギヤ４４３とを連設してなる。従動ギヤ４４３は、駆動ギヤ３３２に噛合する。

フランジ部４４２を貫通する長孔（貫通開口）４４Ａが、第２軸４４１回りに凡そ３００度の角度にわたって円弧状に延在するように形成されている。長孔４４Ａの一端は、第２流路３２８の内径と等しい半円形であり、一端から周方向に離間するにつれて幅が狭くなっている。

第２ギヤ部４４が回動するにつれて、長孔４４Ａは第２流路３２８に対して相対変位する。点線で示す第２流路３２８との相対位置になるよう、長孔４４Ａが変位したときは、第２環状部３２９（図３参照）の全周が、フランジ部（ここでは遮蔽壁）４４２に当接することで、第２流路３２８に向かう冷媒の流れを遮断する。

一方、一点鎖線で示す第２流路３２８との相対位置になるよう、長孔４４Ａが変位したときは、第２流路３２８の一部がフランジ部４４２に遮られることで流路断面積が減少し、それに応じて第２流路３２８に向かう冷媒の流れが制限される。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されない。本発明の範囲内において、上述の実施形態の任意の構成要素の変形が可能である。また、上述の実施形態において任意の構成要素の追加または省略が可能である。

１ 電動弁
２ モータ部
３ ギヤ部
３１ ケース基部
３１５ 第１流路
３１６ 第１環状部
３２ ギヤケース
３２８ 第２流路
３２９ 第２環状部
３３ 第１ギヤ部
３３１ 第１軸
３３２ 駆動ギヤ
３４，４４ 第２ギヤ部
３４１，４４１ 第２軸
３４３，４４３ 従動ギヤ
３４２，４４２ フランジ部
３４Ａ～３４Ｆ 円形リブ
３４Ａ１ 開口
３４Ｂ１ 遮蔽壁
３４Ｃ２ 第１円形開口
３４Ｄ２ 第２円形開口
３４Ｅ２ 第３円形開口
３４Ｆ２ 第４円形開口
ＧＣ ギヤ室

Claims (4)

1. モータと、
   フランジ部を備え、前記モータにより回転駆動される被駆動部と、
   流体の高圧側の流入路と低圧側の排出路とを備え、前記被駆動部を収容する筐体と、を有し、
   前記フランジ部は、貫通開口と遮蔽壁と、前記貫通開口及び前記遮蔽壁の周囲に形成された円形リブとを有しており、前記被駆動部の回転位置に応じて、前記貫通開口または前記遮蔽壁が前記流入路と前記排出路の間に配置され、
   前記流入路の流体と前記排出路の流体との圧力差に従って、前記フランジ部が前記筐体に対して変位し、前記円形リブが前記筐体の環状部に全周で当接する、
   ことを特徴とする電動弁。
2. 前記モータの出力軸に駆動ギヤが形成され、前記被駆動部は、前記フランジ部の外周に形成され前記駆動ギヤに噛合する従動ギヤと、前記フランジ部を支持する軸とを有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
3. 前記フランジ部は、互いに異なる断面積を備えた複数の前記貫通開口を有する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電動弁。
4. 前記円形リブは、前記フランジ部の両側面に、対向してそれぞれ一対形成され、前記環状部は、前記フランジ部を挟んで対向して一対形成されており、
   一方の前記円形リブが一方の前記環状部に全周で当接したときは、他方の前記円形リブと他方の前記環状部との間に隙間が形成され、前記流入路側の流体は、前記隙間を介して前記被駆動部を収容する空間に供給される、
   ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の電動弁。

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