JP7587828B2 - 制御弁 - Google Patents

Description

本発明は制御弁に関し、特に弁部の開閉構造に関する。

自動車用空調装置は、一般に、圧縮機、凝縮器、膨張装置、蒸発器等を冷凍サイクルに配置して構成される。冷凍サイクルには、膨張装置としての膨張弁など、冷媒の流れを制御するために各種制御弁が設けられている。近年の電気自動車等の普及に伴い、駆動部としてモータを備える電動弁が広く採用されつつある。

電動弁は、ロータと同軸状に設けられたシャフトと、シャフトと一体変位可能な弁体と、ロータの回転運動をシャフトの並進運動に変換するねじ送り機構を備える。ロータの回転により、弁体を弁部の開閉方向に作動させることができる。このような電動弁として、閉弁状態において弁体に適度な閉弁荷重を付与する構造を採用するものがある（例えば特許文献１参照）。それにより、良好な閉弁性能を確保することができる。

特開２０２０－４１５９６号公報

しかしながら、特許文献１の電動弁では後述のように、開弁開始時に弁体の受圧径が変化することでその閉弁荷重が増加し、これが開弁時の抵抗となり、モータの回転トルクを増大させる可能性がある。すなわち、開弁時にモータ負荷が大きくなる点で改善の余地があった。このような問題は、冷凍サイクルに用いられる電動弁に限らず、開弁時に閉弁荷重が増大する制御弁であれば同様に生じ得る。

本発明の目的の一つは、制御弁の開弁時においてアクチュエータへの負荷を低減させる構造を提供することにある。

本発明のある態様の制御弁は、流体を導入する導入ポートと、流体を導出する導出ポートと、導入ポートと導出ポートとを連通させる弁孔と、弁孔に設けられた弁座とを有するボディと、弁座に下流側から着脱して弁部を開閉する弁体と、弁体を弁部の開閉方向に駆動するアクチュエータと、を備える。弁部の開閉構造は、弁体の先端部が弁孔に同軸状に挿抜される挿抜構造と、弁体の先端部が弁孔に挿入された状態で、弁体および弁座の一方のエッジ部と他方のテーパ面とが着脱する着脱構造と、を含む。

この態様によると、弁体の先端部が弁孔に挿入された状態で、弁体および弁座の一方のエッジ部と他方のテーパ面とが着脱する構成としたことで、弁部の閉弁および寸開状態において弁体の先端部と弁孔との間にクリアランスが形成される。それにより、開弁時における弁体の受圧径の変化を抑制でき、弁体に作用する閉弁方向の荷重の増大を抑制できる。その結果、アクチュエータの負荷を抑えることができる。

本発明によれば、制御弁の開弁時においてアクチュエータへの負荷を低減させる構造を提供できる。

実施形態に係る電動弁を表す断面図である。 図１のＡ部拡大図である。 第１弁体の内部通路の構成を表す図である。 第１弁体周辺の要部拡大図である。 電動弁の動作過程を表す図である。 シールリングによる摺動抵抗低減構造を表す部分拡大図である。 第１弁の構造による差圧低減作用を表す図である。 第１弁の構造による差圧低減作用を表す図である。 第１弁体が開弁作動に応じて受ける閉弁方向荷重の変化を表す図である。 変形例に係るシールリングの構造を表す部分拡大図である。 他の変形例に係るシールリングの構造を表す部分拡大図である。 差圧によるシールリングの変形を解析した結果を表す図である。 他の変形例に係るシール構造を表す部分拡大図である。 他の変形例に係る第１弁の構成を表す部分拡大図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明においては便宜上、図示の状態を基準に各構造の位置関係を表現することがある。また、以下の実施形態およびその変形例について、ほぼ同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。

図１は、実施形態に係る電動弁を表す断面図である。
電動弁１は、図示しない車両用冷暖房装置の冷凍サイクルに適用される。電動弁１は、大口径の第１弁２と小口径の第２弁４を同軸状に備え、これらの弁を共用のアクチュエータで駆動する複合弁である。第１弁２および第２弁４はそれぞれ弁開度を調整可能な比例弁である。第１弁２は、冷媒循環通路を開閉する開閉弁としても機能し得る。第２弁４は、上流側からの冷媒を絞り膨張させる膨張弁としても機能し得る。

電動弁１は、弁本体６とモータユニット８とを組み付けて構成される。弁本体６とモータユニット８とは、接続部材９を介して固定される。弁本体６は、第１弁２および第２弁４を収容する共用のボディ１０を有する。ボディ１０は、第１ボディ１２、第２ボディ１４およびガイド部材１６を同軸状に組み付けて構成される。本実施形態では、いずれのボディもステンレス鋼（以下「ＳＵＳ」と表記する）からなる。

第１ボディ１２は、有底筒状（ブロック状）をなし、その一側面下部に導入ポート１８が開口し、その反対側面上部に導出ポート２０が開口する。第１ボディ１２には、導入ポート１８と導出ポート２０とを連通させる冷媒通路２２が形成されている。上流側からの冷媒は、導入ポート１８を介して冷媒通路２２に導入され、弁部を経由した後に導出ポート２０を介して下流側へ導出される。第１ボディ１２の上半部中央に段付円孔状の取付孔２６が設けられ、冷媒通路２２の中間部と連通している。取付孔２６は上方に向けて段階的に拡径し、ガイド部材１６、第２ボディ１４が順次挿通され、組み付けられている。

冷媒通路２２の中間部に設けられた段部に、環状の弁座形成部材２８が圧入されている。弁座形成部材２８の内方には、取付孔２６と同軸状の第１弁孔３０が形成されている。第１弁孔３０の下流側開口部に第１弁座３２が形成されている。弁座形成部材２８の内周面には、第１弁孔３０および第１弁座３２に沿ってゴムの焼き付けがなされ、シール性の向上が図られている（詳細後述）。

第２ボディ１４は、段付円筒状をなし、その下半部が取付孔２６に挿入され、第１ボディ１２に組み付けられている。取付孔２６の内周面に雌ねじ３３が形成され、第２ボディ１４の下部外周面に雄ねじ３５が形成されている。第２ボディ１４は、それらのねじにより第１ボディ１２に締結されている。第２ボディ１４の外周面（雄ねじ３５のやや上方）には環状溝からなるシール収容部３４が形成され、シールリング３６（Ｏリング）が嵌着されている。シールリング３６が取付孔２６と第２ボディ１４との間に介装されることにより、弁本体６の内部から外部への冷媒を漏洩が防止されている。

ガイド部材１６は、ＳＵＳからなる円筒状部材に潤滑めっきを施して得られる。ガイド部材１６の下部がやや拡径され、取付孔２６の下部に圧入されている。それにより、ガイド部材１６が第１ボディ１２に対して固定されている。ガイド部材１６の内周面によりガイド孔３８が形成されている。取付孔２６の内周面とガイド部材１６の外周面との間に形成される環状の空間に第２ボディ１４の下半部が挿入されている。第２ボディ１４とガイド部材１６との間には所定のクリアランスが設けられ、両者は当接しない。

ガイド部材１６の内方に第１弁体４０が配設されている。第１弁体４０は、有底円筒状をなし、ガイド孔３８に摺動可能に支持される。第１弁体４０が第１弁座３２に下流側から着脱することにより第１弁２を開閉する。一方、第１弁体４０には内部通路４２が形成され、その内部通路４２の中間に第２弁孔４４が形成されている。第２弁孔４４の上流側開口部に第２弁座４６が形成されている。

ボディ１０の内方には、モータユニット８のロータ６０から延びる作動ロッド４８が挿通されている。作動ロッド４８の下部は、第１弁体４０に同軸状に挿通される。作動ロッド４８は、非磁性金属からなる棒材を切削加工して得られ、その下部にニードル状の第２弁体５０が一体に設けられている。第２弁体５０が上流側から第２弁座４６に着脱することにより第２弁４を開閉する。

第２ボディ１４の上部中央には、ガイド部材５２が立設されている。ガイド部材５２は、非磁性金属からなる管材を段付円筒状に切削加工して得られ、その軸線方向中央部の外周面に雄ねじ５４が形成されている。ガイド部材５２の下端部が大径となっており、その大径部５６が第２ボディ１４の上部中央に圧入され、同軸状に固定されている。ガイド部材５２は、その内周面により作動ロッド４８を軸線方向に摺動可能に支持する一方、その外周面によりロータ６０の回転軸６２を回転摺動可能に支持する。

ガイド部材５２と第１弁体４０との間には、第１弁体４０を閉弁方向に付勢するスプリング５８（「付勢部材」として機能する）が介装されている。作動ロッド４８における第２弁体５０のやや上方に、半径方向に突出した係止部５９が設けられている。係止部５９は、例えばＥリングからなる。この係止部５９を第１弁体４０に引っ掛けることにより、スプリング５８の付勢力に抗して第１弁体４０を開弁方向に引き上げることができる。この第１弁体４０と第２弁体５０とを作動ロッド４８を介して一体変位可能に作動連結する機構を「作動連結機構」という。その詳細については後述する。

一方、モータユニット８は、ロータ６０とステータ６４とを含むステッピングモータとして構成されている。モータユニット８は、有底円筒状のキャン６６を有し、そのキャン６６の内方にロータ６０を配置し、外方にステータ６４を配置して構成されている。キャン６６は、第２弁体５０およびその駆動機構が配置される空間を覆うとともにロータ６０を内包する有底円筒状の部材であり、冷媒の圧力が作用する内方の圧力空間（内部空間）と作用しない外方の非圧力空間（外部空間）とを画定する。

キャン６６は、非磁性金属（本実施形態ではＳＵＳ）からなり、その下部が第２ボディ１４の上端部に外挿されるようにして同軸状に組み付けられている。キャン６６の下端部と第２ボディ１４との境界に沿って全周溶接が施されることにより（図示略）、ボディ１０とキャン６６との固定およびシールが実現されている。ボディ１０とキャン６６とに囲まれた空間が、上記圧力空間を形成している。

ガイド部材１６を第２ボディ１４とは別部材としたことで、溶接部品（第２ボディ１４）と潤滑コーティング部品（ガイド部材１６）とを分けて作製できる。このため、ガイド孔３８にめっき膜を塗装したり蒸着させる等の手間をかけることなく、ガイド部材１６の素材全体をめっき液に浸漬させるだけで足り、製造工程が簡素化される。

ステータ６４は、コイル６８が巻回されたボビン７０を、複数の極歯を有するヨーク７２に組み付けて構成される。ステータ６４は、モータユニット８のケース７６と一体に設けられている。すなわち、ケース７６は、耐食性を有する樹脂材の射出成形（「インサート成形」又は「モールド成形」ともいう）により得られる。ステータ６４は、その射出成形によるモールド樹脂によって被覆されている。ケース７６は、そのモールド樹脂からなる。以下、ステータ６４とケース７６とのモールド成形品を「ステータユニット７８」とも称する。

ステータユニット７８は、中空構造を有し、キャン６６を同軸状に挿通しつつボディ１０に組み付けられている。第２ボディ１４の上部外周面には、環状溝からなるシール収容部８０が形成され、シールリング８２（Ｏリング）が嵌着されている。第２ボディ１４とケース７６とに間にシールリング８２が介装されることにより、キャン６６とステータ６４との間隙への外部雰囲気（水など）の侵入が防止されている。

ロータ６０は、回転軸６２に組み付けられた円筒状のロータコア８４と、ロータコア８４の外周面に設けられたロータマグネット８６を備える。ロータコア８４は、回転軸６２に組み付けられている。ロータマグネット８６は、その周方向に複数極に磁化（着磁）されている。

回転軸６２は、有底円筒状の円筒軸であり、その開口端を下にしてガイド部材５２に外挿されている。回転軸６２の下部内周面に雌ねじ８８が形成され、ガイド部材５２の雄ねじ５４と噛合している。これらのねじ部によるねじ送り機構９０によって、ロータ６０の回転運動が作動ロッド４８の軸線運動に変換される。それにより第２弁体５０が軸線方向、つまり弁部の開閉方向に移動（昇降）する。

作動ロッド４８の上部が縮径され、その縮径部９２が回転軸６２の底部９４を貫通している。縮径部９２の先端部には環状のストッパ９６が固定されている。一方、縮径部９２の基端と底部９４との間には、作動ロッド４８を下方（つまり閉弁方向）に付勢するスプリング９８が介装されている。このような構成により、開弁時には、ストッパ９６が底部９４に係止される態様で作動ロッド４８がロータ６０と一体変位する。一方、閉弁時には、第２弁体５０が第２弁座４６から受ける反力によりスプリング９８が押し縮められる。このときのスプリング９８の弾性反力により第２弁体５０を第２弁座４６に押し付けることができ、第２弁体５０の着座性能（弁閉性能）を高められる。

モータユニット８は、キャン６６の外側に回路基板１００を有する。回路基板１００は、ケース７６の内方に固定されている。本実施形態では、回路基板１００の下面に制御部や通信部として機能する各種回路が実装されている。具体的には、モータを駆動するための駆動回路、駆動回路に制御信号を出力する制御回路（マイクロコンピュータ）、制御回路が外部装置と通信するための通信回路、各回路およびモータ（コイル）に電力を供給するための電源回路等が実装されている。ケース７６の上端は、蓋体７７により閉止されている。ケース７６における蓋体７７の下方の空間に回路基板１００が配設されている。

ボビン７０からはコイル６８につながる端子１０２が延出し、回路基板１００に接続されている。回路基板１００からは電源端子、グランド端子および通信端子（これらを総称して「接続端子１０４」ともいう）が延出し、それぞれケース７６の側壁を貫通して外部に引き出されている。ケース７６の側部にコネクタ部１０６が一体に設けられ、そのコネクタ部１０６の内方に接続端子１０４が配置されている。

図２は、図１のＡ部拡大図である。図３は、第１弁体４０の内部通路の構成を表す図である。図３（Ａ）は図２のＢ－Ｂ矢視断面に対応し、図３（Ｂ）は図２のＣ方向矢視に対応する。図４は、第１弁体４０周辺の要部拡大図である。図４（Ａ）は図２のＤ部拡大図であり、図４（Ｂ）は図２のＥ部拡大図である。

図２に示すように、第１弁体４０は、底部が十分な厚みを有する有底円筒状をなしている。第１弁体４０の上方には背圧室１０８が形成されている。背圧室１０８は、ガイド部材５２、第２ボディ１４、ガイド部材１６および第１弁体４０に囲まれる空間である。第１弁体４０の内方（底部の上方）に弁室１１０が形成されている。第１弁体４０の上部には、有底段付円筒状の作動連結部材１１２が同軸状に挿通され固定されている。作動連結部材１１２は、真鍮などの第１弁体４０よりも軟らかく加工性に優れた材質からなる。

作動連結部材１１２は、その底部中央に挿通孔１１４を有する。作動ロッド４８がその挿通孔１１４を同軸状に貫通している。作動連結部材１１２の側部には、内外を連通させる複数の連通孔１１６が設けられている。連通孔１１６は、弁室１１０と背圧室１０８とを連通させる。作動連結部材１１２は、その上部が第１弁体４０の上端開口部に圧入されることで第１弁体４０に固定されている。

作動連結部材１１２の上端には、半径方向外向きに延出するフランジ部１１８が設けられている。一方、第１弁体４０の上端外周縁に沿って環状の段差１２０が設けられている。第１弁体４０の上部には、これらフランジ部１１８と段差１２０とによる環状のシール収容部１２２が形成されている。そのシール収容部１２２に、シールリング１２４が嵌着されている。そのシールリング１２４により、第１弁体４０とガイド部材１６との間隙を介した冷媒の流通が規制されている。シールリング１２４およびその周辺の詳細については後述する。

作動連結部材１１２の底部は、スプリング５８を支持するばね受けとしても機能する。すなわち、スプリング５８は、作動ロッド４８に同軸状に外挿され、ガイド部材５２の底部と作動連結部材１１２の底部との間に介装されている。スプリング５８の付勢力は、作動連結部材１１２を介して第１弁体４０に伝達される。また、第２弁体５０の開弁作動により係止部５９が第１弁体４０に対して相対変位し、作動連結部材１１２の底面に当接してこれを押し上げることにより、第１弁体４０を開弁方向に作動させることができる。

ガイド孔３８における第１弁体４０の外周面との対向面には、部分的に微小に拡径された拡径部１２６が設けられている。拡径部１２６は、ガイド孔３８の軸線方向中央部から下部にかけて設けられ、第１弁体４０との間にクリアランスを形成する。ただし図示のように、第１弁体４０は、その上部と下部においてガイド孔３８に当接し、安定した摺動が可能となっている。このように拡径部１２６を設けることで、第１弁体４０とガイド孔３８との摺動面積を制限することで、第１弁体４０の摺動抵抗を低減している。

また上述のように、ガイド孔３８には潤滑めっきが施されている。潤滑めっきの材質としては、ポリテトラフルオロエチレン（以下、「ＰＴＦＥ」と表記することがある。）を含んだニッケル－リン（Ｎｉ－Ｐ）等既知の潤滑めっき材を用いることができる。このような摺動面の表面処理によっても摺動抵抗の低減が図られている。

第１弁体４０の底部を軸線と平行に貫通する複数（本実施形態では５つ）の連通孔１３０（小孔）が設けられている（図３（Ａ），（Ｂ））。これらの連通孔１３０の下端開口部が入口ポート１３２となっている。連通孔１３０は、第１弁孔３０における第１弁座３２よりも上流側と弁室１１０とを連通させる。連通孔１３０、弁室１１０および連通孔１１６が、第１弁座３２の上流側と背圧室１０８とを連通させる「連通路」を構成する。また、第１弁体４０の底部には、軸線と直角方向に延びる下流側通路１３４が設けられている。下流側通路１３４は、導出ポート２０側に向けて開口する出口ポート１３６を有する。

第２弁孔４４は、弁室１１０と下流側通路１３４とを連通させる。連通孔１３０は、下流側通路１３４とは交差しないように配設されている。下流側通路１３４の流路断面は、連通孔１３０の流路断面よりも十分に大きい。複数の連通孔１３０、弁室１１０、第２弁孔４４および下流側通路１３４が、第１弁体４０の内部通路４２を構成する。第２弁体５０は、その先端部が第２弁孔４４を貫通し、テーパ面にて第２弁座４６に着脱する。

図示のような第１弁２の閉弁時や寸開時には、第１弁座３２の上流側の圧力（上流側圧力Ｐ１）が、第１弁座３２の下流側の圧力（下流側圧力Ｐ２）よりも高くなる。一方、背圧室１０８は、弁室１１０および連通孔１３０を介して第１弁座３２の上流側と連通するため、背圧室１０８の圧力（「背圧」ともいう）は、上流側圧力Ｐ１とほぼ等しくなる。このため、第１弁体４０に作用する流体圧力がほとんどキャンセルされる。

本実施形態では、第１弁２の閉弁性能を高めるために、第１弁体４０の摺動部径ｄ１（ガイド孔３８の内径）をシール部径ｄ２（弁座の外径）よりもやや大きくしている。しかし、その径の差が微小であるため、上述のように、第１弁体４０に作用する流体圧力はほとんどキャンセルされる。このため、第１弁体４０を開弁方向に引き上げるときの抵抗を小さくでき、第１弁２の開弁に要するモータユニット８の回転トルク（回転駆動力）を抑えることができる。

一方、第１弁体４０とガイド孔３８との間隙には、上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２との差圧（Ｐ１－Ｐ２）が発生する。この点、本実施形態ではシールリング１２４が配設されたことで、その間隙を介した高圧側から低圧側への冷媒の漏れが規制される。

図４（Ａ）に示すように、シール収容部１２２は、底面１４０と高圧側面１４２と低圧側面１４４を有し、第１弁体４０の上部外周面に沿って設けられた環状の凹部である。一方、シールリング１２４は、三角形状の断面を有する三角リングであり、その一つの頂点においてガイド孔３８の内周面と当接する。

より詳細には、シールリング１２４の断面形状は、頂点がＲ面取りされた直角三角形状をなしている。シールリング１２４の内周面１４６が平坦面とされ、その内周面１４６と直角をなす下面１４８が、シール収容部１２２の低圧側面１４４に当接する。シールリング１２４の上面１５０が傾斜面（テーパ面）とされ、上面１５０と下面１４８とがつながる頂部によりシールリング１２４の外周面１５２が構成される。シールリング１２４は、その外周面１５２においてガイド孔３８に摺動することとなる。

このような構成のため、シールリング１２４は、ガイド孔３８の内周面との接触面積が、シール収容部１２２の低圧側面１４４との接触面積よりも小さくなる。言い換えれば、Ｏリング等の場合と比較してシールリング１２４とガイド孔３８との摺動面積を小さくでき、第１弁体４０の摺動抵抗を低減できる。

シール収容部１２２の幅（つまり高圧側面１４２と低圧側面１４４との間隔）は、シールリング１２４の軸線方向の幅（つまり第１弁体４０の軸線方向の幅）よりも大きい。第１弁２の閉弁又は寸開状態においては、シールリング１２４に差圧（Ｐ１－Ｐ２）が作用するため、図示のように、シールリング１２４が低圧側面１４４に密着する。シール収容部１２２の底面１４０とシールリング１２４の内周面１４６との間（底面１４０とシールリング１２４との対向面の間）に空隙Ｓが形成される。このため、差圧によりシールリング１２４が軸線方向に圧縮されて変形したとしても、その内周面１４６が底面１４０に当接することはない。このため、底面１４０からの反力によってシールリング１２４がガイド孔３８に押し付けられることもなく、摺動抵抗の上昇を回避できる。

図４（Ｂ）に示すように、弁座形成部材２８には、ＳＵＳからなる本体１６０の内周面に沿ってゴム１６２の焼き付けがなされている。弁座形成部材２８の上端開口部には、第１弁座３２（着脱面）として機能する第１テーパ面１６４と、第１弁孔３０の開口端を形成する第２テーパ面１６６が設けられている。第１弁孔３０は、第１テーパ面１６４と第２テーパ面１６６との間に第１弁体４０の軸線に平行なストレート部１６８を含む二段テーパ構造を有する。本体１６０において第１弁座３２に対応する部分は直角な段差部１７０が設けられ、第１テーパ面１６４との間にゴム１６２の厚肉部が設けられている。すなわち、第１弁座３２の位置においてゴム１６２の厚みが大きくされている。それにより、第１弁座３２の耐久性を高めている。

第１弁体４０は、その下端部（先端部）においてやや小径化された小径部１７２を有する。小径部１７２の下端外周縁がエッジ部１７４とされている。エッジ部１７４は、ほぼ直角な断面を有するが、第１弁座３２を傷つけない程度に微小なＲ面取りがなされている。第１弁２は、その開閉構造として、小径部１７２が第１弁孔３０に同軸状に挿抜される挿抜構造と、小径部１７２が第１弁孔３０に挿入された状態でエッジ部１７４が第１テーパ面１６４に着脱する着脱構造を有する。

次に、電動弁１の動作について説明する。
図５は、電動弁１の動作過程を表す図である。図５（Ａ）は、第１弁２および第２弁４の閉弁状態を示す。図５（Ｂ）は、第１弁２の閉弁状態かつ第２弁４の開弁状態を示す。図５（Ｃ）は、第１弁２および第２弁４の開弁状態を示す。

モータユニットを開弁方向に駆動して作動ロッド４８を上方へ作動させると、第２弁体５０が第２弁座４６から離脱する（図５（Ａ），（Ｂ））。それにより、連通孔１３０、弁室１１０、第２弁孔４４および下流側通路１３４が連通する。上流側からの冷媒は、第１弁体４０の内部通路４２を流れ、第２弁４を経由して下流側へ導出される。このとき、第２弁４を所定開度に調整することで膨張弁として機能させることができる。

さらに作動ロッド４８を開弁方向へ作動させると、係止部５９が作動連結部材１１２に係合し、作動ロッド４８と第１弁体４０とが作動連結する（図５（Ｃ））。そして、作動ロッド４８がスプリング５８の付勢力に抗して第１弁体４０を引き上げる。それにより、第１弁体４０が第１弁座３２から離脱し、第１弁２が開弁する。冷媒は、第１弁２および第２弁４の双方を経由して下流側へ流れる。このとき、大流量の冷媒を流すこともできるが、その流量は第１弁２の開度により調整できる。

モータユニットを閉弁方向に駆動すると、上記とは逆に、作動ロッド４８が下方へ作動する。このとき、第１弁体４０は、スプリング５８の付勢力により作動ロッド４８との作動連結が維持されたまま閉弁方向へ作動する。そしてまず、第１弁体４０が第１弁座３２に着座し、第１弁２が閉弁状態となる。さらに作動ロッド４８を閉弁方向へ作動させると、係止部５９が作動連結部材１１２から離脱し、作動ロッド４８と第１弁体４０との作動連結は解除される。その後、第２弁体５０が第２弁座４６に着座し、第２弁４が閉弁状態となる。なお、第１弁体４０への閉弁方向の荷重は、第２弁４の開弁状態など電動弁１の特定の作動状態においてはモータユニットからは付与されず、スプリング５８により付与される。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。
図６は、シールリング１２４による摺動抵抗低減構造を表す部分拡大図である。図６（Ａ）は本実施形態の構造を示し、図６（Ｂ）は比較例１の構造を示す。比較例１は、シールリングとしてＯリングを採用する場合を示す。

本実施形態のシールリング１２４は、既に説明したように直角三角形状の断面を有し、その一つの頂部（外周面１５２）をガイド孔３８に密着させることでシール性を確保する（図６（Ａ））。シールリング１２４は、シール収容部１２２の低圧側面１４４と相補形状の平坦面で当接し、かつその接触面積が十分に大きい。このため、差圧（Ｐ１－Ｐ２）を受けても、シールリング１２４は変形し難く、その形状を安定に保持する。その結果、第１弁体４０は、摺動抵抗を小さく抑えつつ、ガイド孔３８に沿って安定に摺動できる。

これに対し、比較例１のＯリング２２４は、摺動部に装着するシールリングとして一般的ではあるが、ガイド孔３８の内周面との接触面積が、シール収容部１２２の低圧側面１４４との接触面積よりも大きい。Ｏリング２２４は、差圧（Ｐ１－Ｐ２）を受けると、軸線方向につぶされ、径方向に膨張する。このため、本実施形態と比較して、第１弁体４０の摺動抵抗が大きくなる。言い換えれば、本実施形態のシールリング１２４を採用することにより、摺動抵抗を効果的に低減できる。

図７および図８は、第１弁２の構造による差圧低減作用を表す図である。図７（Ａ）～（Ｄ）は、本実施形態の弁構造を採用した場合の開弁時の受圧面積の変化を示す。図８（Ａ）～（Ｄ）は、比較例２の弁構造を採用した場合の開弁時の受圧面積の変化を示す。比較例２の弁構造は、本実施形態の挿抜構造（図４（Ｂ）参照）を有していない。

ここで、図中のφＡは第１弁体４０が受ける背圧の受圧径であり、図２の摺動部径ｄ１に等しい。図中のφＢは第１弁体４０のシール部の受圧径であり、閉弁時においては図２のシール部径ｄ２に等しい。本実施形態においてｄ１＞ｄ２となることは、既に説明したとおりである。第１弁２の開閉状態に応じて受圧径φＡは不変であるが、受圧径φＢは変化する。第１弁体４０には、これらの受圧径差（φＡ－φＢ）に相当する受圧面積に対し、差圧（Ｐ１－Ｐ２）が閉弁方向に作用することとなる。

本実施形態では、第１弁２の閉弁状態においては、第１弁体４０が第１弁座３２に着座するため、受圧径φＢは、エッジ部１７４の外径とほぼ等しくなる（図７（Ａ））。このとき、差圧（Ｐ１－Ｐ２）が最大となるが、上述した圧力キャンセル構造により、第１弁体４０には閉弁方向の適度な力が作用し、閉弁状態を安定に保つことができる。

第１弁体４０が開弁作動を開始しても、第１弁体４０の先端部が第１弁孔３０のストレート部１６８の内方に位置する間は両者間のクリアランスに上流側圧力Ｐ１の影響が及ぶ（図７（Ｂ），（Ｃ））。このため、受圧径φＢはほとんど変化しない。その結果、受圧径差（φＡ－φＢ）が小さいまま維持されるため、差圧（Ｐ１－Ｐ２）の影響、つまり閉弁方向の荷重の高まりは抑制される。

第１弁体４０の先端部がストレート部１６８を抜けると、受圧径φＢが徐々に小さくなるが、第２テーパ面１６６の内方に位置する間は、その変化は緩やかなものになる（図７（Ｄ））。また、第１弁２の開度が大きくなるとともに差圧（Ｐ１－Ｐ２）そのものが小さくなるため、閉弁方向の荷重の高まりは抑制される。

これに対し、比較例２では、第１弁孔２３０に本実施形態のようなストレート部が存在しないため、上流側圧力Ｐ１の影響が残りにくい。すなわち、第１弁体４０の開弁作動開始直後からその開度が大きくなるにつれて受圧径φＢが小さくなり（図８（Ａ）～（Ｄ））、受圧径差（φＡ－φＢ）が大きくなる。その結果、差圧（Ｐ１－Ｐ２）の低下を待たずに閉弁方向の荷重が大きくなる。このことが第１弁２０２の開弁時におけるモータへ負荷を大きくすることになる。

図９は、第１弁体４０が開弁作動に応じて受ける閉弁方向荷重の変化を表す図である。
同図の横軸は第１弁体４０の開弁方向へのストロークを示し、縦軸は第１弁体４０が受ける閉弁方向の荷重を示す。ここでいう「荷重」は、差圧（Ｐ１－Ｐ２）により第１弁体４０に作用する荷重であり、本図はその荷重を解析した結果を示す。図中において実線が本実施形態の解析結果を示し、一点鎖線が比較例２の解析結果を示す。

この解析結果から、本実施形態によれば、比較例２と比べて第１弁の開弁開始時の荷重の上昇を抑えることができ、また、その荷重のピークを小さくできることが分かる。これは、上述の差圧低減作用によるものと考えられる。寸開状態を抜けると、差圧（Ｐ１－Ｐ２）そのものが小さくなるため、荷重が小さくなることも分かる。

以上説明したように、本実施形態では、シールリング１２４の断面形状を直角三角形状とし、その一つの頂部をガイド孔３８に密着させる一方、シール収容部１２２の低圧側面１４４と平坦面同士で当接させるようにした。それにより、シールリング１２４とガイド孔３８との接触面積が、シール収容部１２２の低圧側面１４４とシールリング１２４との接触面積よりも小さくなるようにした。このような構成により、第１弁体４０とガイド孔３８との間のシール性を確保しつつ、摺動抵抗を小さくできる。その結果、モータユニット８の回転トルクを低減できる。また、シールリング１２４の変形を抑制でき、第１弁体４０をガイド孔３８に沿って安定に摺動させることができる。

また、本実施形態では、第１弁２の開閉構造が、第１弁体４０の先端部が第１弁孔３０に挿抜される挿抜構造と、第１弁体４０のエッジ部が第１弁座３２のテーパ面に着脱する着脱構造とを含むようにした。すなわち、第１弁孔３０における第１弁座３２の近傍にストレート部１６８を設けることで、第１弁２の閉弁および寸開状態において第１弁体４０の先端部と第１弁孔３０との間に微小なクリアランスが形成されるようにした。それにより、開弁時における第１弁体４０の受圧径の変化を抑制でき、第１弁体４０に作用する閉弁方向の荷重を小さくできる。その結果、モータの負荷を抑えることができる。本実施形態ではその閉弁方向の荷重が開弁時に最も大きくなるところ、これを抑えることができるため、モータユニット８の小型化を図ることも可能となる。

さらに、本実施形態では、大口径の第１弁２について、第１弁座３２の位置を含むようにゴム１６２の焼き付けを施した。このため、第１弁２の閉弁時にそのゴムが適度に変形することで、弁部のシール性を向上させることができる。すなわち、モータユニット８の荷重を特に大きくしなくとも、必要な閉弁性能が得られる。その結果、モータユニット８の負荷を低減させることができる。また、第１弁座３２の位置においてゴム１６２の厚みを大きくしたことで、第１弁座３２の耐久性を高めることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はその特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能であることはいうまでもない。

［変形例］
図１０は、変形例に係るシールリングの構造を表す部分拡大図である。図１０（Ａ）は変形例１、図１０（Ｂ）は変形例２、図１０（Ｃ）は変形例３をそれぞれ示す。
これらの変形例に係るシールリングは、いずれも多角形状の断面を有する。いずれの変形例も、シールリングとガイド孔との接触面積が、シール収容部の低圧側面とシールリングとの接触面積よりも小さい。

変形例１のシールリング３１０は、段付長方形状の断面を有し、下部より上部の外径が小さくされている（図１０（Ａ））。すなわち、シールリング３１０は、小径部３１２（上部）と大径部３１４（下部）を有し、大径部３１４においてガイド孔３８に摺動する。小径部３１２を残すことでシールリング３１０の剛性を確保しつつ、摺動部を大径部３１４に制限することで、摺動抵抗を小さく抑えることができる。

変形例２のシールリング３２０は、変形例１の大径部３１４に対応し、高さが小さい長方形状の断面を有する（図１０（Ｂ））。このような構成としても、ガイド孔３８との摺動面積が小さいため、摺動抵抗を小さく抑えることができる。

変形例３のシールリング３３０は、概ね菱形形状であって外周部と内周部が径方向にやや突出した断面形状を有する。シール収容部３２２の低圧側面３３４には、シールリング３３０の下面と相補形状の環状溝が形成されている。菱形形状としたことで変形例１と同程度の断面積を有し、剛性を確保できる。また、シールリング３３０の下面と低圧側面３３４とを相補形状とすることで、シールリング３３０を安定に保持し、良好なシール性能を確保できる。

図１１は、他の変形例に係るシールリングの構造を表す部分拡大図である。図１１（Ａ）は変形例４、図１１（Ｂ）は変形例５をそれぞれ示す。各図において、上段はシールリングに差圧が作用していない状態を示す。下段はシールリングに差圧が作用したときの挙動を模式的に示す。

変形例４のシールリング３４０は、頂点がＲ面取りされた正三角形状の断面を有する（図１１（Ａ）上段）。シールリング３４０の上面３４２と下面３４４が傾斜面（テーパ面）とされている。シールリング３４０に差圧（Ｐ１－Ｐ２）が作用すると、その差圧の軸線方向成分が下方に作用する（図１１（Ａ）下段）。このため、シールリング３４０の断面に回転モーメント又は曲げモーメントが作用する（二点鎖線矢印参照）。その結果、シールリング３４０の断面が変形する。シールリング３４０とガイド孔３８との接触面積は、シール収容部１２２の低圧側面１４４とシールリング３４０との接触面積よりも小さくなる。それにより、第１弁体４０をその摺動抵抗を小さく抑えつつ、ガイド孔３８に沿って安定に摺動させることができる。

変形例５のシールリング３５０は、上記実施形態のシールリング１２４を上下反転させたものであり、直角三角形状の断面を有する（図１１（Ｂ）上段）。シールリング３５０に差圧（Ｐ１－Ｐ２）が作用すると、その差圧の軸線方向成分が下方に作用する（図１１（Ｂ）下段）。このため、変形例４と同様に、シールリング３５０の断面に回転モーメント又は曲げモーメントが作用する（二点鎖線矢印参照）。その結果、シールリング３５０とガイド孔３８との接触面積が、シール収容部１２２の低圧側面１４４とシールリング３５０との接触面積よりも小さくなる。それにより、第１弁体４０をその摺動抵抗を小さく抑えつつ、ガイド孔３８に沿って安定に摺動させることができる。

図１２は、差圧によるシールリングの変形を解析した結果を表す図である。図１２（Ａ）は変形例４の解析結果、図１２（Ｂ）は変形例５の解析結果をそれぞれ示す。各図において、上段から下段に向けて差圧（Ｐ１－Ｐ２）が大きくなっている。

本解析により、変形例４において、その差圧によりシールリング３４０の変形が生じ、シールリング３４０のガイド孔３８との接触面積が、低圧側面１４４との接触面積よりも小さくなっていることが分かる。シールリング３４０の変形後の摺動面圧（摺動抵抗）も小さく抑えられている（図１２（Ａ））。変形例５においても同様に、その差圧によりシールリング３５０の変形が生じ、シールリング３５０のガイド孔３８との接触面積が、低圧側面１４４との接触面積よりも小さくなっている。シールリング３５０の変形後の摺動面圧（摺動抵抗）も小さく抑えられている（図１２（Ｂ））。

図１３は、他の変形例に係るシール構造を表す部分拡大図である。図１３（Ａ）はシールリングおよびその周辺の構成を表す部分拡大断面図であり、図１３（Ｂ）は図１３（Ａ）のＤ部拡大図である。

図１３（Ａ）に示すように、本変形例では、シール収容部４２２が第１弁体４４０の外周面ではなくガイド孔４３８の内周面に設けられ、シールリング４２４が嵌着されている。図１３（Ｂ）にも示すように、シール収容部４２２は、底面４４１と高圧側面４４２と低圧側面４４４を有する環状の凹部である。

一方、シールリング４２４は、頂点がＲ面取りされた直角三角形状の断面を有する。シールリング４２４の外周面４４６が平坦面とされ、その外周面４４６と直角をなす下面４４８が、シール収容部４２２の低圧側面４４４に当接する。シールリング４２４の上面４５０が傾斜面（テーパ面）とされ、上面４５０と下面４４８とがつながる頂部によりシールリング４２４の内周面４５２が構成される。第１弁体４４０がガイド孔４３８に沿って摺動する際、第１弁体４４０の外周面がシールリング４２４の内周面４５２に密着摺動することでシール性が確保される。シール収容部４２２の底面４４１とシールリング４２４の外周面４４６との間（底面４４１とシールリング４２４との対向面の間）には空隙Ｓが形成される。

このような構成においても、シールリング４２４は、第１弁体４４０の外周面との接触面積が、シール収容部４２２の低圧側面４４４との接触面積よりも小さくなる。すなわち、Ｏリング等の場合と比較してシールリング４２４と第１弁体４４０との摺動面積を小さくでき、第１弁体４４０の摺動抵抗を低減できる。

図１４は、他の変形例に係る第１弁の構成を表す部分拡大図である。図１４（Ａ）は第１弁およびその周辺の構成を表す部分拡大断面図であり、図１４（Ｂ）は図１４（Ａ）のＦ部拡大図である。

図１４（Ａ）に示すように、本変形例では、第１弁５０２における第１弁体５４０と弁座形成部材５２８との着脱構造が上記実施形態とは異なる。図１４（Ｂ）にも示すように、弁座形成部材２８の上端開口部がエッジ部５７４となっており、そのエッジ部５７４が第１弁座５３２を構成する。一方、第１弁体５４０の先端部がテーパ面５６４とストレート部５６８を有する。ストレート部５６８は、第１弁体５４０の軸線に平行である。

すなわち、第１弁５０２は、その開閉構造として、ストレート部５６８が第１弁孔５３０に同軸状に挿抜される挿抜構造と、ストレート部５６８が第１弁孔５３０に挿入された状態でテーパ面５６４がエッジ部５７４に着脱する着脱構造を有する。それにより、第１弁５０２の閉弁および寸開状態において第１弁体５４０の先端部と第１弁孔５３０との間に微小なクリアランスが形成される。

このため、上記実施形態と同様に、第１弁体５４０において開弁直後の受圧面の減少を抑制できる。その結果、第１弁体５４０に作用する閉弁方向の荷重を小さくでき、モータの負荷を抑えることができる。

なお、本変形例では図示しないが、第１弁体５４０における少なくともテーパ面５６４にゴムの焼き付けを施してもよい。また、弁座形成部材５２８における少なくともエッジ部５７４およびその近傍にゴムの焼き付けを施してもよい。それにより、第１弁座５３２の耐久性を高めることができ、第１弁５０２のシール性を向上させることができる。

［その他の変形例］
上記実施形態および変形例では、シールリングの断面形状について例示したが、上記以外の断面多角形状を採用してもよい。ただし、シールリングは、弁体の外周面およびガイド孔の内周面の一方に設けられた環状の凹部に嵌着され、弁体の外周面およびガイド孔の内周面の他方との接触面積が、シール収容部（凹部）の低圧側面との接触面積よりも小さくなるようにする。差圧により弁体の外周面およびガイド孔の内周面の他方との接触面積が、凹部の低圧側面との接触面積よりも小さくなるものでもよい。

上記実施形態では、第１弁孔３０として二段テーパ構造を例示したが、一段テーパとしつつストレート部を有する構造としてもよい。具体的には、図４（Ｂ）に示した第１テーパ面１６４を有するが、第２テーパ面１６６を有しない構造を採用してもよい。

上記実施形態では、複数の弁（第１弁および第２弁）を同軸状に備える複合弁を例示した。変形例においては、単一の弁を備える電動弁としてもよい。その場合も、シールリングは、弁体の外周面およびガイド孔の内周面の一方に設けられた環状の凹部に嵌着され、弁体の外周面およびガイド孔の内周面の他方との接触面積が、シール収容部（凹部）の低圧側面との接触面積よりも小さくなるようにする。

上記実施形態では、第１弁体４０を閉弁方向に付勢する付勢部材としてスプリング５８を例示したが、ゴムその他の弾性体としてもよい。

上記実施形態では、極歯を有するヨークを含むステータとした。変形例においては、積層コアを含むステータなどでもよい。

上記実施形態では、上記電動弁を膨張弁として構成したが、膨張機能を有しない開閉弁や電磁弁等制御弁であればよい。また、上記実施形態では、アクチュエータとしてモータを例示したが、ソレノイドその他のアクチュエータを採用してもよい。

上記実施形態の電動弁は、冷媒として代替フロン（ＨＦＣ－１３４ａ）など使用する冷凍サイクルに好適に適用されるが、二酸化炭素のように作動圧力が高い冷媒を用いる冷凍サイクルに適用することも可能である。その場合には、冷凍サイクルにコンデンサに代わってガスクーラなどの外部熱交換器が配置される。

上記実施形態では、上記電動弁を自動車用空調装置の冷凍サイクルに適用する例を示したが、車両用に限らず電動膨張弁を搭載する空調装置に適用可能である。また、給湯装置や油圧制御装置など冷媒以外の流体の流れを制御する電動弁として構成してもよい。

なお、本発明は上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。上記実施形態や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成してもよい。また、上記実施形態や変形例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。

１ 電動弁、２ 第１弁、４ 第２弁、６ 弁本体、８ モータユニット、１０ ボディ、１６ ガイド部材、１８ 導入ポート、２０ 導出ポート、２８ 弁座形成部材、３０ 第１弁孔、３２ 第１弁座、３８ ガイド孔、４０ 第１弁体、４２ 内部通路、４４ 第２弁孔、４６ 第２弁座、４８ 作動ロッド、５０ 第２弁体、６０ ロータ、６２ 回転軸、６４ ステータ、９０ ねじ送り機構、１０８ 背圧室、１１０ 弁室、１１２ 作動連結部材、１２２ シール収容部、１２４ シールリング、１２６ 拡径部、１３０ 連通孔、１３２ 入口ポート、１３４ 下流側通路、１３６ 出口ポート、１４０ 底面、１４２ 高圧側面、１４４ 低圧側面、１４６ 内周面、１５２ 外周面、１６２ ゴム、１６４ 第１テーパ面、１６６ 第２テーパ面、１６８ ストレート部、１７０ 段差部、１７２ 小径部、１７４ エッジ部、２０２ 第１弁、２２４ Ｏリング、２３０ 第１弁孔、３１０ シールリング、３１２ 小径部、３１４ 大径部、３２０ シールリング、３２２ シール収容部、３３０ シールリング、３３４ 低圧側面、３４０ シールリング、３５０ シールリング、４２２ シール収容部、４２４ シールリング、４３８ ガイド孔、４４０ 第１弁体、４４２ 高圧側面、４４４ 低圧側面、４４６ 外周面、４５２ 内周面、５０２ 第１弁、５２８ 弁座形成部材、５３０ 第１弁孔、５３２ 第１弁座、５４０ 第１弁体、５６４ テーパ面、５６８ ストレート部、５７４ エッジ部、Ｓ 空隙。

Claims (6)

1. 流体を導入する導入ポートと、流体を導出する導出ポートと、前記導入ポートと前記導出ポートとを連通させる弁孔と、前記弁孔に設けられた弁座とを有するボディと、
   前記弁座に下流側から着脱して弁部を開閉する弁体と、
   前記弁体を前記弁部の開閉方向に駆動するアクチュエータと、
   を備え、
   前記弁部の開閉構造は、
   前記弁体の先端部が前記弁孔に同軸状に挿抜される挿抜構造と、
   前記弁体の先端部が前記弁孔に挿入された状態で、前記弁体および前記弁座の一方のエッジ部と他方のテーパ面とが着脱する着脱構造と、
   を含み、
   前記着脱構造は、前記弁座として機能する第１テーパ面と、前記弁体の先端に設けられた前記エッジ部とを含み、
   前記挿抜構造は、前記弁孔の開口端を形成する第２テーパ面を含み、
   前記弁孔は、前記第１テーパ面と前記第２テーパ面との間に前記弁体の軸線に平行なストレート部を含む二段テーパ構造を有することを特徴とする制御弁。
2. 流体を導入する導入ポートと、流体を導出する導出ポートと、前記導入ポートと前記導出ポートとを連通させる弁孔と、前記弁孔に設けられた弁座とを有するボディと、
   前記弁座に下流側から着脱して弁部を開閉する弁体と、
   前記弁体を前記弁部の開閉方向に駆動するアクチュエータと、
   を備え、
   前記弁部の開閉構造は、
   前記弁体の先端部が前記弁孔に同軸状に挿抜される挿抜構造と、
   前記弁体の先端部が前記弁孔に挿入された状態で、前記弁体および前記弁座の一方のエッジ部と他方のテーパ面とが着脱する着脱構造と、
   を含み、
   前記着脱構造は、前記弁孔の開口端に形成され前記弁座として機能する前記エッジ部と、前記弁体の先端部に形成された前記テーパ面とを含み、
   前記挿抜構造は、前記弁体の前記テーパ面よりも先端側に連続して形成され、前記弁体の軸線に平行なストレート部を含むことを特徴とする制御弁。
3. 前記弁体の前記弁孔とは反対側に背圧室が形成され、
   前記弁座の上流側と前記背圧室とを連通させる連通路が設けられることで、前記弁体に作用する流体の圧力の少なくとも一部がキャンセルされる一方、
   閉弁時に前記弁体に閉弁方向の差圧が作用するよう前記弁体のシール部径が設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の制御弁。
4. 前記アクチュエータによる軸線方向の駆動力を伝達する作動ロッドと、
   前記弁体を閉弁方向に付勢する付勢部材と、
   前記作動ロッドと前記弁体とを一体変位可能に作動連結する作動連結機構と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の制御弁。
5. 電動弁として構成され、
   前記弁孔と同軸状に設けられたガイド孔を有する前記ボディと、
   前記ガイド孔に摺動可能に支持され、前記弁座に着脱する前記弁体と、
   前記アクチュエータとして、前記弁体を駆動するためのロータを含むモータと、
   前記ロータの回転運動を前記作動ロッドの並進運動に変換するねじ送り機構と、
   を備えることを特徴とする請求項４に記載の制御弁。
6. 前記弁孔としての第１弁孔を有する前記ボディと、
   前記弁体として、前記導入ポートに連通する入口ポートと、前記導出ポートに連通する出口ポートと、前記入口ポートと前記出口ポートとをつなぐ通路に前記第１弁孔と同軸状に設けられた第２弁孔とを有し、前記ガイド孔に摺動可能に支持され、前記弁座に着脱して第１弁を開閉する第１弁体と、
   前記作動ロッドに一体に設けられ、前記第１弁体に同軸状に挿通され、前記第２弁孔に接離して第２弁を開閉する第２弁体と、
   を備え、
   前記作動連結機構は、前記第２弁体の前記第２弁孔からのリフト量が所定値以上となったときに前記第１弁体と前記第２弁体とを一体変位可能に作動連結することを特徴とする請求項５に記載の制御弁。

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