電動弁
【課題】エンジンを始動して電源のオンの時から瞬時に冷媒を大量に流して、エアコンから冷気を吹き出して車内温度を早期に低下させることを可能にする電動弁を提供する。
【解決手段】第１弁体５１が第１弁座５３に着座している状態で第２弁体５２が第２弁座５４又は第３弁座５６に着座することで、電動弁１０は閉じた状態になる。電動弁１０の電源オンのとき、第２弁体５２が第２弁座５４から離間することで、大径の環状開口を通じて流れる流量は大流量となる。更に、第２弁体５２が第３弁座５６に着座している状態では流れは遮断され、その後、第１弁体５１が第１弁座５３から離間するときには流れる流量を小流量とすることができる。電動弁１０を車両用のエアコンに適用した場合には、電動弁１０の電源オンの際、短時間で大流量の冷媒を流すことができる状態になり、エアコンが早期に大量の冷気を吹き出すことが可能になる。
【解決手段】第１弁体５１が第１弁座５３に着座している状態で第２弁体５２が第２弁座５４又は第３弁座５６に着座することで、電動弁１０は閉じた状態になる。電動弁１０の電源オンのとき、第２弁体５２が第２弁座５４から離間することで、大径の環状開口を通じて流れる流量は大流量となる。更に、第２弁体５２が第３弁座５６に着座している状態では流れは遮断され、その後、第１弁体５１が第１弁座５３から離間するときには流れる流量を小流量とすることができる。電動弁１０を車両用のエアコンに適用した場合には、電動弁１０の電源オンの際、短時間で大流量の冷媒を流すことができる状態になり、エアコンが早期に大量の冷気を吹き出すことが可能になる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、カーエアコン等の空調システムに用いられる電動弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、屋外の駐車場等の場合、炎天下で駐車される車両においては、太陽光が車内に差し込んで車内温度が相当の高さになる。そうした特別環境下に置かれた車両において、車両のエンジンを始動しエアコンを運転しても、エアコンの空気吹き出し口からは当初、高温空気が吹き出す現象が見られ、エアコンが通常の運転状態になって冷気が送風されるようになっても、車内温度が快適な温度にまで低下するには相当の時間を要している。
【０００３】
エアコンを循環する冷媒の流量を制御するには流量制御弁が設けられるが、上記の状況を考慮して、エンジン始動時に大流量が流れるように流量制御弁を制御することが考えられる。
【０００４】
本出願人は、全長を短くして電動弁を小型化し、また、弁口を開閉させるロータの回転を安定させ、更にロータがストッパにより規制されたときもロータが傾斜することが少なく、安定して作動するための電動弁を提案している（特許文献１参照）。
【０００５】
当該文献記載の電動弁は、弁室内の弁座に弁軸によって接離する弁体で通過流量を調整する弁本体と、該弁本体に固着され弁体を弁座に接離させるロータを内蔵するキャンと、該キャンに外嵌されロータを回転駆動するステータとを備えており、弁体を弁座に接離させる駆動機構は、弁本体よりロータ方向に延出して固定され固定ねじ部が形成されたガイドブッシュと、ロータを支持し該ガイドブッシュの固定ねじ部に螺合する移動ねじ部を有する弁軸ホルダとから構成されるねじ送り機構であり、弁軸ホルダとロータの上端部とは支持リングを介してかしめ固定され、支持リングはかしめ固定部の外周に溝部を有している。ねじ送り機構がロータ内に配置されているため、キャン全長及び弁本体の外径が小さくなり電動弁の小型化を図っている。また、ステータに通電励磁してロータを回転させると、ロータを支持駆動するねじ送り機構がロータ内に配置されているため、ロータの回転が安定してロータが回転軸に対して振れることが少ない。
【０００６】
かかる電動弁では、ロータの回転制御は、閉弁状態を基準位置として開始されるようになっている。また、モータの回転をねじ作用によってニードルの昇降運動に変換しているので、ニードル弁が上昇してニードル先端が弁座から完全に抜けた状態にならないと、当該弁を流れる流量が最大流量とならない。ニードル弁が弁座から完全に抜けるまでの時間を要するので、こうした電動弁では状況に応じて機敏な対応を取ることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４２２４１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電動弁においては、電源をオンにすると同時に、大きな流量が即座に確保されることが好ましい。本発明の目的は、閉弁状態から制御を開始する電動弁において、電源をオン等、駆動後に瞬時に流れる流量を大きくすることが可能な電動弁を提供することにより、例えばエンジンを始動後、瞬時にエアコンから冷気を吹き出して車内温度を早期に低下させることを可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、本発明による電動弁は、モータの出力を受ける昇降機構により昇降駆動される第１弁体と、前記第１弁体が当接可能な第１弁座を備えると共に、該第１弁体により前記第１弁座を介して押圧され昇降可能とされた第２弁体と、前記第１弁座よりも大径で、前記第２弁体が当該第２弁体の下降又は上昇に応じてそれぞれ当接可能な第２弁座及び第３弁座とを備え、前記第２弁体に対する前記第１弁体の押圧により該第１弁体が前記第１弁座に当接し、その状態で行われる前記第２弁座及び前記第３弁座に対する前記第２弁体の接離動作により該第２弁座及び第３弁座を流れる流体の流量制御を行い、前記第２弁体が前記第３弁座に当接し、その状態で行われる前記第１弁座に対する前記第１弁体の接離動作により、該第１弁座を流れる流体の流量制御を行うことを特徴としている。
【００１０】
本電動弁によれば、第１弁体が第１弁座に当接して第２弁体を押圧し、第２弁体が第２弁座に当接することにより、第１弁体及び第２弁体はそれぞれ第１弁座と第２弁座に着座状態となる。次いで、第１弁体が第１弁座に当接した状態で第２弁体とともに上昇し、第２弁体が第２弁座から離間すると、第２弁体と第２弁座（又は第３弁座）との間に生じる開口（隙間）を通して流体が流れる。第１弁体が第１弁座に当接した状態で第２弁体が更に上昇すると、第２弁体は第３弁座に着座状態となる。その状態から第１弁体が更に上昇すると、第２弁体は第３弁座に当接したまま第１弁体が第１弁座から離間してその開口（隙間）を通じて流体が流れる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による電動弁は、上記のように構成されているので、第１弁体が第１弁座に着座している状態で第２弁体が第２弁座又は第３弁座に着座することで、電動弁は所謂、閉じた状態（微小流量を流す手段を備えるときに当該微小流量が流れるのを許容する場合を含む。）になる。また、第２弁体が第２弁座から離間して両者間に開く開口（隙間）を広くすることで、この状態で電動弁を流れる流量を大流量とすることができる。更に、第２弁体が第３弁座に着座している状態では上記の大流量の流れは遮断され、その後、第１弁体が第１弁座から離間するときの両者間に開く（開口）隙間を狭くすることで、この状態で電動弁を流れる流量を小流量とすることができる。
この結果、第１弁体が第１弁座に着座し、かつ第２弁体が第２弁座に着座した状態を当該電動弁の制御開始となる閉弁状態とすれば、該閉弁状態から第２弁体が第２弁座から離間するとき、即座に大流量とすることができる。
そして、本電動弁を車両用のエアコンに適用した場合には、電動弁の電源オンで、第２弁体が第２弁座から離間することで、短時間で大流量の冷媒を流すことができる状態になり、エアコンが早期に大量の冷気を吹き出すことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による電動弁の一実施例を示す縦断面図であって、第１弁体及び第２弁体がそれぞれ第１弁座、第２弁座に着座している状態を示す。
【図２】図１に示す電動弁が、第１弁体が第１弁座に着座している状態で、第２弁体が第２弁座から離座した状態を示す図である。
【図３】図２に示す電動弁が、第１弁体が第１弁座に着座している状態で、第２弁体が上昇し第３弁座に着座した状態を示す図である。
【図４】図３に示す電動弁が、第２弁体が第３弁座に着座している状態で、第１弁体が上昇し第１弁座から離座した状態を示す図である。
【図５】本発明による電動弁の一実施例の要部を示す拡大断面図である。
【図６】本発明による電動弁の一実施例の弁開度に応じた流量の特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付した図面に基づいて、本発明による電動弁の実施例を説明する。図１は、本発明に係る電動弁の一実施形態の縦断面図である。自動車等の冷凍サイクル等における冷媒の流量制御を行う電動弁１０は、弁室２１内の弁座２２に接離する弁体２３により冷媒の通過流量を調整する弁本体２０と、弁本体２０に固着され弁体２３を接離させるロータ３０を内蔵するキャン４０と、キャン４０に外嵌されロータ３０を回転駆動するステータ（図示せず）とを備えている。ロータ３０とステータによりステッピングモータを構成している。なお、ステータの具体的な構造としては、前に掲げた特許文献１に開示のものとし、例えば、磁性材より構成されるヨークと、このヨークにボビンを介して巻回される上下のステータコイルとから構成され、キャン４０に外嵌されるものとすることができる。
また、弁体２３は、図５に関して詳細に説明する第１弁体５１及び第２弁体５２の総称であり、また弁座２２は、同図に関して詳細に説明する第１弁座５３、第２弁座５４及び第３弁座５６の総称である。
【００１４】
キャン４０はステンレス等の非磁性の金属から形成される有底円筒状をしており、弁本体２０の上部に固着されたステンレス製の鍔状板４１に溶接等により固着され、内部は気密状態に保たれている。弁本体２０には、垂直方向の流体流入管２０ａと水平方向の流体流出管２０ｂとが延出されている。なお、流体の流れる方向は逆としてもよい（管２０ａを流体流出管として用い、管２０ｂを流体流入管として用いる）。
【００１５】
ニードル弁から構成される弁体２３の第１弁体５１は黄銅製の弁軸２４の下端に形成されている。弁体２３を弁座２２に接離させる駆動機構は、弁本体２０よりロータ３０方向に延出して固定され固定ねじ部（雄ねじ部）２５が形成される筒状のガイドブッシュ２６と、該ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２５に螺合する移動ねじ部（雌ねじ部）３１を有する弁軸ホルダ３２とから構成されるねじ送り機構であり、このねじ送り機構をロータ３０内の軸方向全長の略中央部に配置している。
【００１６】
本実施例に示す電動弁は、従来の電動弁のようにロータの下方にねじ送り機構が位置するものと比較すると、軸方向の長さ及び弁本体の外径が大幅に低減されており、電動弁の小型化を図ることができる。固定ねじ部２５はガイドブッシュ２６の外周に雄ねじで構成され、移動ねじ部３１は弁軸ホルダ３２の内周に雌ねじで構成されている。なお、ガイドブッシュ２６及び弁軸ホルダ３２は、ともに黄銅製の円筒状材から形成されている。
【００１７】
弁軸ホルダ３２はガイドブッシュ２６の外側に位置する下方開口の円筒状をしており、前記のように内面に移動ねじ部３１を形成してあり、弁軸ホルダ３２の中心に弁軸２４の上部縮径部が嵌合してプッシュナット３３により連結されている。弁体２３を下端に形成した弁軸２４は、黄銅より構成され、弁軸ホルダ３２の中心に上下動可能に嵌挿されており、弁軸ホルダ３２内に縮装された圧縮コイルばね３４によって常時下方に付勢されている。ガイドブッシュ２６の側面には弁室２１とキャン４０内の均圧を図る均圧孔３２ａが形成してある。
【００１８】
弁軸２４の上端に圧入固定されたプッシュナット３３の外周に円筒状の圧縮コイルばねで構成される復帰ばね３５を取付け、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２５と弁軸ホルダ３２の移動ねじ部３１との螺合が外れたときに、復帰ばね３５がキャン４０の頂部内面に当接して固定ねじ部２５と移動ねじ部３１との螺合を復帰させるように付勢する。復帰ばね３５はプッシュナット３３の外周に緩く嵌合して載置した状態で取り付けてもよく、またプッシュナット３３の外周に弾接するように取り付けてもよい。
【００１９】
弁本体２０は黄銅等の金属から構成され、キャン４０との接合は、弁本体２０に溶接等により固着された鍔状板４１の段差部にキャンの端部を突き合わせ溶接することにより行っている。なお、突き合わせ溶接に限らず、キャン４０の端部を外周に平坦に折り曲げて鍔状部として形成し、この鍔状部と鍔状板４１とをいわゆる拝み溶接により固定するようにしてもよい。
【００２０】
弁軸ホルダ３２とロータ３０とは支持リング３６を介して結合されており、支持リング３６は本実施形態ではロータ３０の成形時にインサートされた黄銅製の金属リングで構成されている。支持リング３６の内周孔部に弁軸ホルダ３２の上部突部が嵌合し、上記突部の外周をかしめ固定してロータ３０、支持リング３６及び弁軸ホルダ３２を結合している。弁本体２０、弁軸２４、ガイドブッシュ２６、弁軸ホルダ３２、支持リング３６は、前記したように全て黄銅より構成し、リサイクルを考慮した構成としている。さらに、それぞれの部品は圧入・かしめで結合されているので、たとえば、弁軸ホルダ３２と支持リング３６のかしめを除去することでロータ３０を再利用することができる。なお、黄銅以外の金属、例えば、ステンレスを用いることができるのは勿論である。また、黄銅以外の金属、例えば、ステンレスを弁軸２４のみに用いることができるのは勿論である。
【００２１】
ガイドブッシュ２６にはストッパ機構の一方を構成する下ストッパ体（固定ストッパ）２７が固着されており、下ストッパ体２７はリング状のプラスチックより構成され、上方に板状の下ストッパ片２７ａが突設されている。また、弁軸ホルダ３２にはストッパ機構の他方を構成する上ストッパ体（移動ストッパ）３７が固着されており、上ストッパ体３７もリング状のプラスチックより構成され、下方に向けて板状の上ストッパ片３７ａが突設され前記した下ストッパ片２７ａと係合可能である。
【００２２】
下ストッパ体２７はガイドブッシュ２６の外周に形成された螺旋溝部分２６ａに射出成形により固着され、上ストッパ体３７は弁軸ホルダ３２の外周に形成された螺旋溝部分３２ｂに射出成形により固着されている。なお、下ストッパ体２７、上ストッパ体３７の固着は射出成形に限らず、接着や圧入等により固着してもよいのは勿論である。
【００２３】
このように構成された電動弁１０の動作について説明する。ステータのコイルに通電を行い励磁すると、弁本体２０に固着されたガイドブッシュ２６に対しロータ３０及び弁軸ホルダ３２が回転され、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２５と弁軸ホルダ３２の移動ねじ部３１とのねじ送り機構により、弁軸ホルダ３２がその軸線方向に昇降する。通電方向に応じて、弁軸ホルダ３２が、例えば下方に移動して弁体２３が弁座２２に着座又は離座する。
【００２４】
弁体が着座した時点（第１弁体５１が第２弁体５２を押圧し、かつ該第２弁体５２が第２弁座５４に着座した時点）では上ストッパ体３７は未だ下ストッパ体２７に当接しておらず、弁体２３が着座したままロータ３０及び弁軸ホルダ３２はさらに回転下降する。このときは弁軸２４に対する弁軸ホルダ３２の相対的な下降変位は、圧縮コイルばね３４が圧縮されることにより吸収される。その後、ロータ３０が更に回転して弁軸ホルダ３２が下降して上ストッパ体３７のストッパ片３７ａが下ストッパ体２７のストッパ片２７ａに当接する。このストッパ片２７ａ，３７ａ同士の当接によって、ステータへの通電が継続されても、弁軸ホルダ３２の下降は強制的に停止される。
【００２５】
上ストッパ体３７と下ストッパ体２７とから構成されるストッパ機構は、ロータ３０の軸方向の全長内に配置されているので、ストッパ機構が機能しているときでもロータ３０や弁軸ホルダ３２が大きく傾いたりすることが少なく作動が安定し、次にロータ３０を逆転するときでも円滑に行うことができる。
【００２６】
ステータへの通電を逆方向に行うと、ガイドブッシュ２６に対しロータ３０及び弁軸ホルダ３２が上記と逆方向に回転され、上記のねじ送り機構により、弁軸ホルダ３２が上方に移動して弁軸２４の下端の弁体２３が弁座２２から離れ、冷媒が通過可能となる。ロータ３０の回転量によって弁開度を変更することで、冷媒の通過量が調整される。ロータ３０の回転量は、パルスモータへの入力パルス数にて規制されるため、冷媒通過量の正確な調整が可能である。
【００２７】
このように、ロータ３０の回転は、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２５と弁軸ホルダ３２の移動ねじ部３１とから成るねじ送り機構により、ロータ３０、弁軸ホルダ３２及び弁軸２４の軸方向移動に変換される。ねじ送り機構がロータ３０内の特に中央部に位置し、ロータ３０の支持及び駆動がロータ３０の全長内で行われているため、回転時にロータ３０が振れることが少なく安定して回転させることができる。
【００２８】
図５には、電動弁の本実施例の要部が拡大断面図として示されている。図１と図５とを併せて参照すると、弁体２３は、モータの出力を受けて昇降機構としてのねじ送り機構により昇降駆動される第１弁体５１と、第１弁体５１により押圧され昇降可能とされた第２弁体５２とから成っている。第１弁体５１は弁軸２４から軸線方向に一体的に延びていて、その先端側にテーパ状に形成されたニードル部が付設されたニードル弁体である。また、第２弁体５２は、当該ニードル弁体が嵌入可能なリング状の弁体である。リング状の第２弁体５２の内周上縁部５２ｃ、即ち、第２弁体５２の貫通孔５２ｄとそのテーパ開口面５２ｅとが交差する縁部分が、ニードル弁体である第１弁体５１が当接可能な第１弁座５３としての機能を奏している。
【００２９】
弁本体２０に形成された弁室２１には、第１弁座５３よりも大径に形成された第２弁座５４と第３弁座５６とが設けられている。弁室２１の段差部の環状角部２１ａが第２弁座５４となっており、リング状の第２弁体５２が下降するときにその外周下縁部５２ａが第２弁座５４に着座可能となっている。弁室２１にはまた、第２弁体５２の上方位置においてリング状の弁座体５５が圧入等の手段によって固定されている。弁座体５５の中心部分はリングを構成するための貫通孔５５ａとなっており、弁軸２４及びニードル弁が貫通孔５５ａに対して隙間を介して挿通可能となっている。弁座体５５の内周下縁部５５ｂが第３弁座５６となっており、第２弁体５２が上昇するときに、その外周上縁部５２ｂが弁座体５５の内周下縁部５５ｂに着座可能となっている。
【００３０】
弁室２１の底部１５には弁本体２０の底面に開口するオリフィス１６が形成されており、オリフィス１６と干渉しないように、当該底部１５と第２弁体５２との間にはコイルばね５７が圧縮状態に配置されている。第１弁体５１が下降移動をするときに第２弁体５２を押圧することによって、第１弁体５１が第２弁体５２上の第１弁座５３に当接（着座）する。その状態で、第１弁体５１の下降又は上昇に応じて第２弁体５２が下降又は上昇移動することで該第２弁体５２が第２弁座５４又は第３弁座５６に対して接離動作をし、第１弁体５１及び第２弁体５２（換言すれば閉塞された第２弁体５２の外周部分）と第２弁座５４及び第３弁座５６との間で流体流量制御が行われる。
また、第１弁体５１及び第２弁体５２が当接した状態から第１弁体５１を引き上げると、コイルばね５７の弾発力により第２弁体５２が上昇して該第２弁体５２が第３弁座５６に当接し、それ以降は、第１弁体５１のみが上昇可能となり、これにより第１弁体５１と第１弁座５３との間で流量制御が行われる。
なお、第２弁体５２のオリフィス部となる貫通孔５２ｄは、第２弁座５４及び第３弁座５６よりも小径に形成されている。また、この例においては第１弁座５３は、オリフィス１６とほぼ同径である。
【００３１】
図１は、第１弁体５１及び第２弁体５２が共にそれぞれ第１弁座５３と第２弁座５４に着座した状態（Ａ）を示している。この状態は、モータの駆動によって、弁軸２４を下降移動させ、第１弁体５１が第２弁体５２上の第１弁座５３に当接（着座）し、その状態でモータの更なる駆動によって、第１弁体５１及び第２弁体５２がコイルばね５７を圧縮しながら更に下降して、第２弁体５２が弁室２１に設けられた第２弁座５４に着座して、開口面積がゼロとなったときを示しており、当該電動弁１０の制御開始状態である閉弁状態（制御開始閉弁状態）である。なお、「閉弁状態」に関して、流体回路を所謂完全に「閉」となる状態で放置すると、冷凍サイクルの回路内に流体が高圧で溜まる危険性がある。各弁体及び弁座にブリード溝・孔のような工夫をしなければ電動弁１０は閉弁状態にあるが、このような工夫を施すことで、全閉状態で電源を切ったときにも微小流量を流し続けるようにして、閉弁時にも少しずつ流体を漏らすようにして圧力を下げていくことが考えられる。本電動弁においては、閉弁状態とは、こうしたブリード溝・孔などを形成して、閉弁時においても微小流量を許容する状態も含むものとして説明をする。
【００３２】
電動弁１０は、この制御開始閉弁状態のとき、すなわち第１弁体５１が第２弁体５２に当接、押圧し、かつ第２弁体５２が第２弁座５４に着座したときに、ステッピングモータの回転を停止することが好ましい。しかしながら、部品や組立品にはバラツキがあるので、そうしたバラツキを吸収させるために圧縮コイルばね３４を入れている。両ストッパ２７，３７が当たる手前で必ず上記の閉弁状態となるようにし、その後、両ストッパ２７、３７が当接するまで、圧縮コイルばね３４を圧縮しながら継続してロータを動かすことで閉弁状態となってから電動弁１０を停止させている。またこの結果、ステッピングモータを逆回転させて制御開始閉弁状態から開弁状態へ移行する際には、電源がオンとなってから最初の数パルス分は、両ストッパ２７、３７は互いの当接状態から離脱するが閉弁状態は維持されることとなる。
【００３３】
図２は、図１に示す状態から弁軸２４を引き上げ、第１弁体５１及び第２弁体５２がコイルばね５７の弾発力により当接を維持しながら上昇し、該第２弁体５２が第２弁座５４と第３弁座５９との間に位置した状態（Ｂ）を示している。モータの逆方向の駆動によって弁軸２４が上昇するとき、コイルばね５７の復元力によって第１弁体５１が第１弁座５３に着座した状態が維持されているので、第１弁体５１と第２弁体５２とが一緒に上昇する。この上昇のとき、ニードル弁である第１弁体５１は第１弁座５３に着座したままであるが、第２弁体５２は第２弁座５４から離座するので、第２弁体５２について開いた周状の開口面積ｃ（図５）を通じて、流体流入管２０ａから流体流出管２０ｂへの大流量の流体が流れる。このとき、第２弁体５２について開口面積ｃは大径の環状に形成されているので、第２弁体５２の僅かな上昇でも開口面積ｃが大きくなり、短時間で（第１弁体５１のわずかな上昇で）大流量の流れが得られる。この状態（Ｂ）は、次の図３に示す状態に移行するまで継続される。
【００３４】
図３は、図２に示す状態から第１弁体５１及び第２弁体５２が更に上昇し、第１弁体５１が第２弁体５２に当接したままの状態で該第２弁体が第３弁座５６に着座した状態（Ｃ）を示している。モータの更なる逆方向の駆動によって弁軸２４が上昇すると、第２弁体５２は、コイルばね５７の復元力に基づいて、上昇する第１弁体５１に追従して上昇する。図３には、第１弁体５１の第１弁座５３に対する着座状態は維持され、第２弁体５２が第３弁座５６に着座して開口面積ｂ（図５）がゼロとなっている状態が示されており、電動弁１０は図１と同様に閉弁状態にある。即ち、電動弁１０は、図２に示すように、一旦、大流量となるように開弁した後、流量ゼロになるまで閉弁する。
【００３５】
図４は、図３に示す状態から第１弁体５１のみが更に上昇した状態（Ｄ）を示している。第２弁体５２は、コイルばね５７の復元力に基づいて、第３弁座５６に着座した状態となっているので、モータの更なる逆方向の駆動によって弁軸２４が上昇すると、第１弁体５１のみが上昇し、第１弁座５３から離座してニードル弁が開く。第１弁体５１の上昇程度に応じてニードル弁の開度が変更されて、流量を調整することができる。開口面積ｃは最大に開いても開口面積ｂがゼロであるので、第２弁体５２の周りを流れる流れは遮断される。
第１弁座５３は第２弁座５４及び第３弁座５６と異なり弁座口径が小さく、また第１弁体５１にはその先端にニードル部が付設されているため、第１弁体５１のみが第１弁座５３から上昇した場合における単位パルス（ステッピングモータ駆動用パルス１パルス）当たりの開口面積の変化を微小とすることが出来る。特許文献１の様な従来の電動弁で行う細かい流量制御は、本状態の第１弁体５１で行う。
【００３６】
図６には、本発明による電動弁の弁開度に応じた流量の特性を示すグラフが示されている。図６において、横軸が弁開度、縦軸が流量を示しており、（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ図１〜図４に示す状態を指している。図１に示す弁開度がゼロの状態（Ａ）では、第１弁体５１も第２弁体５２も着座しており、流量はゼロである。モータの駆動が開始されて弁軸２４が上昇をすると、第２弁体５２が第２弁座５４から離座し開口面積ｃの急激な増加によって流量が急増する。その後、第２弁体５２が更に上昇するとそれに伴って開口面積ｃが増加し開口面積ｂが減少していくが、開口面積ｂと開口面積ｃとのいずれか一方がオリフィス１６の開口面積ａよりも小さければ、流量はその小さい方の開口面積で定まる流量となる。この状態は第２弁体５２の第２弁座から離座した上昇量が小さいとき、及び第２弁体５２が第３弁座５６に近づいたときに生じる。これらの状態の中間では、開口面積ｂと開口面積ｃとのいずれもがオリフィス１６の開口面積ａよりも大きいときがあり、流量は、最も開口面積の小さいオリフィス１６の開口面積ａで定まるフラットで且つ最大流量となる状態（Ｂ’）を取る。即ち、開口面積ｃが開口面積ａより大きくなったときに、フラットな部分（弁開度に関わらず流量が一定な領域）が始まる。開口面積ｃが増えるにしたがって開口面積ｂは小さくなるので、開口面積ａと比較して開口面積ｂが開口面積ａよりも小さくなると、流量が減少する部分になる。
【００３７】
電動弁１０においては、最大流量に達するまでのパルス位置は製品毎（或いは用いる部品）の精度によりバラツキがある。そこで、弁開度が多少ずれていても最大流量がフラットになる弁開度の範囲を設けて、最大流量のばらつきを緩和することが好ましい。即ち、最大流量特性がフラットにならずに急峻な三角状の山の特性を示すものであると、ある弁開度で弁の昇降動作を停止してもそのときの流量が最大流量になっている確証がない。最大流量がフラットになる特性を持たせることで、最大流量を狙った弁開度制御を行うことができる。
要するに、このようなフラットな最大流量部分（Ｂ’）を設けることにより、ステッピングモータに入力されるパルス数により想定される弁開度と、実際の弁開度とに若干の差異が生じても、確実に領域（Ｂ）における最大流量を確保することが出来る。
【００３８】
図３に示す状態（Ｃ）では、第１弁体５１及び第２弁体５２は、それぞれ第１弁座５３と第３弁座５６に着座して流量がゼロになる。その後、更に弁軸２４が上昇すると、その上昇程度に応じて弁開度が増加し、流量が次第に増加する通常制御の状態（Ｄ）に移行する。この実施例においては、図５に示されるように、オリフィス１６の開口面積と第１弁座の５３の開口面積（貫通孔５２ｄの開口面積）とはほぼ同一とされているので、状態（Ｂ）で示す大流量制御領域のフラットな最大流量（Ｂ’）と状態（Ｄ）で示す通常流量制御領域の最大流量とは、ほぼ一致している。なお、状態（Ｂ）のフラットな最大流量領域（Ｂ’）を狭い範囲とすれば、状態（Ｃ）にまで短時間で移行出来、通常制御に素早く移行できることは明らかである。
【００３９】
上記の実施例ではコイルばね５７を設けた例として説明したが、流体が第２弁座５４側（流体流入管２０ａ側）から流入する場合、その流体圧により、第２弁体５２が第３弁座５６側に押圧されるので、そのように当該電動弁１０を使用する場合は、このコイルばね５７は不要とすることができる。
また、第１弁座５３、第２弁座５４、第３弁座５６及びオリフィス１６の口径については、当該電動弁に要求される仕様に基づき、適宜設定可能であることは同然である。
【符号の説明】
【００４０】
１０ 電動弁 １５ 底部
１６ オリフィス ２０ 弁本体
２０ａ 流体流入管 ２０ｂ 流体流出管
２１ 弁室 ２１ａ 環状角部
２２ 弁座
２３ 弁体 ２４ 弁軸
２４ａ スリット ２５ 固定ねじ部（雄ねじ部）
２６ ガイドブッシュ ２６ａ 螺旋溝部分
２７ 下ストッパ体（固定ストッパ） ２７ａ 下ストッパ片
３０ ロータ ３１ 移動ねじ部（雌ねじ部）
３２ 弁軸ホルダ ３２ａ 均圧孔
３２ｂ 螺旋溝部分
３３ プッシュナット
３４ 圧縮コイルばね ３５ 復帰ばね
３６ 支持リング ３７ 上ストッパ体（移動ストッパ）
３７ａ 上ストッパ片
４０ キャン ４１ 鍔状板
５１ 第１弁体
５２ 第２弁体 ５２ａ 外周下縁部
５２ｂ 外周上縁部 ５２ｃ 内周上縁部
５２ｄ 貫通孔 ５２ｅ テーパ開口面
５３ 第１弁座 ５４ 第２弁座
５５ 弁座体 ５５ａ 貫通孔
５５ｂ 内周下縁部 ５６ 第３弁座
５７ コイルばね
ａ，ｂ，ｃ 開口面積
【技術分野】
【０００１】
この発明は、カーエアコン等の空調システムに用いられる電動弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、屋外の駐車場等の場合、炎天下で駐車される車両においては、太陽光が車内に差し込んで車内温度が相当の高さになる。そうした特別環境下に置かれた車両において、車両のエンジンを始動しエアコンを運転しても、エアコンの空気吹き出し口からは当初、高温空気が吹き出す現象が見られ、エアコンが通常の運転状態になって冷気が送風されるようになっても、車内温度が快適な温度にまで低下するには相当の時間を要している。
【０００３】
エアコンを循環する冷媒の流量を制御するには流量制御弁が設けられるが、上記の状況を考慮して、エンジン始動時に大流量が流れるように流量制御弁を制御することが考えられる。
【０００４】
本出願人は、全長を短くして電動弁を小型化し、また、弁口を開閉させるロータの回転を安定させ、更にロータがストッパにより規制されたときもロータが傾斜することが少なく、安定して作動するための電動弁を提案している（特許文献１参照）。
【０００５】
当該文献記載の電動弁は、弁室内の弁座に弁軸によって接離する弁体で通過流量を調整する弁本体と、該弁本体に固着され弁体を弁座に接離させるロータを内蔵するキャンと、該キャンに外嵌されロータを回転駆動するステータとを備えており、弁体を弁座に接離させる駆動機構は、弁本体よりロータ方向に延出して固定され固定ねじ部が形成されたガイドブッシュと、ロータを支持し該ガイドブッシュの固定ねじ部に螺合する移動ねじ部を有する弁軸ホルダとから構成されるねじ送り機構であり、弁軸ホルダとロータの上端部とは支持リングを介してかしめ固定され、支持リングはかしめ固定部の外周に溝部を有している。ねじ送り機構がロータ内に配置されているため、キャン全長及び弁本体の外径が小さくなり電動弁の小型化を図っている。また、ステータに通電励磁してロータを回転させると、ロータを支持駆動するねじ送り機構がロータ内に配置されているため、ロータの回転が安定してロータが回転軸に対して振れることが少ない。
【０００６】
かかる電動弁では、ロータの回転制御は、閉弁状態を基準位置として開始されるようになっている。また、モータの回転をねじ作用によってニードルの昇降運動に変換しているので、ニードル弁が上昇してニードル先端が弁座から完全に抜けた状態にならないと、当該弁を流れる流量が最大流量とならない。ニードル弁が弁座から完全に抜けるまでの時間を要するので、こうした電動弁では状況に応じて機敏な対応を取ることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４２２４１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電動弁においては、電源をオンにすると同時に、大きな流量が即座に確保されることが好ましい。本発明の目的は、閉弁状態から制御を開始する電動弁において、電源をオン等、駆動後に瞬時に流れる流量を大きくすることが可能な電動弁を提供することにより、例えばエンジンを始動後、瞬時にエアコンから冷気を吹き出して車内温度を早期に低下させることを可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、本発明による電動弁は、モータの出力を受ける昇降機構により昇降駆動される第１弁体と、前記第１弁体が当接可能な第１弁座を備えると共に、該第１弁体により前記第１弁座を介して押圧され昇降可能とされた第２弁体と、前記第１弁座よりも大径で、前記第２弁体が当該第２弁体の下降又は上昇に応じてそれぞれ当接可能な第２弁座及び第３弁座とを備え、前記第２弁体に対する前記第１弁体の押圧により該第１弁体が前記第１弁座に当接し、その状態で行われる前記第２弁座及び前記第３弁座に対する前記第２弁体の接離動作により該第２弁座及び第３弁座を流れる流体の流量制御を行い、前記第２弁体が前記第３弁座に当接し、その状態で行われる前記第１弁座に対する前記第１弁体の接離動作により、該第１弁座を流れる流体の流量制御を行うことを特徴としている。
【００１０】
本電動弁によれば、第１弁体が第１弁座に当接して第２弁体を押圧し、第２弁体が第２弁座に当接することにより、第１弁体及び第２弁体はそれぞれ第１弁座と第２弁座に着座状態となる。次いで、第１弁体が第１弁座に当接した状態で第２弁体とともに上昇し、第２弁体が第２弁座から離間すると、第２弁体と第２弁座（又は第３弁座）との間に生じる開口（隙間）を通して流体が流れる。第１弁体が第１弁座に当接した状態で第２弁体が更に上昇すると、第２弁体は第３弁座に着座状態となる。その状態から第１弁体が更に上昇すると、第２弁体は第３弁座に当接したまま第１弁体が第１弁座から離間してその開口（隙間）を通じて流体が流れる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による電動弁は、上記のように構成されているので、第１弁体が第１弁座に着座している状態で第２弁体が第２弁座又は第３弁座に着座することで、電動弁は所謂、閉じた状態（微小流量を流す手段を備えるときに当該微小流量が流れるのを許容する場合を含む。）になる。また、第２弁体が第２弁座から離間して両者間に開く開口（隙間）を広くすることで、この状態で電動弁を流れる流量を大流量とすることができる。更に、第２弁体が第３弁座に着座している状態では上記の大流量の流れは遮断され、その後、第１弁体が第１弁座から離間するときの両者間に開く（開口）隙間を狭くすることで、この状態で電動弁を流れる流量を小流量とすることができる。
この結果、第１弁体が第１弁座に着座し、かつ第２弁体が第２弁座に着座した状態を当該電動弁の制御開始となる閉弁状態とすれば、該閉弁状態から第２弁体が第２弁座から離間するとき、即座に大流量とすることができる。
そして、本電動弁を車両用のエアコンに適用した場合には、電動弁の電源オンで、第２弁体が第２弁座から離間することで、短時間で大流量の冷媒を流すことができる状態になり、エアコンが早期に大量の冷気を吹き出すことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による電動弁の一実施例を示す縦断面図であって、第１弁体及び第２弁体がそれぞれ第１弁座、第２弁座に着座している状態を示す。
【図２】図１に示す電動弁が、第１弁体が第１弁座に着座している状態で、第２弁体が第２弁座から離座した状態を示す図である。
【図３】図２に示す電動弁が、第１弁体が第１弁座に着座している状態で、第２弁体が上昇し第３弁座に着座した状態を示す図である。
【図４】図３に示す電動弁が、第２弁体が第３弁座に着座している状態で、第１弁体が上昇し第１弁座から離座した状態を示す図である。
【図５】本発明による電動弁の一実施例の要部を示す拡大断面図である。
【図６】本発明による電動弁の一実施例の弁開度に応じた流量の特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付した図面に基づいて、本発明による電動弁の実施例を説明する。図１は、本発明に係る電動弁の一実施形態の縦断面図である。自動車等の冷凍サイクル等における冷媒の流量制御を行う電動弁１０は、弁室２１内の弁座２２に接離する弁体２３により冷媒の通過流量を調整する弁本体２０と、弁本体２０に固着され弁体２３を接離させるロータ３０を内蔵するキャン４０と、キャン４０に外嵌されロータ３０を回転駆動するステータ（図示せず）とを備えている。ロータ３０とステータによりステッピングモータを構成している。なお、ステータの具体的な構造としては、前に掲げた特許文献１に開示のものとし、例えば、磁性材より構成されるヨークと、このヨークにボビンを介して巻回される上下のステータコイルとから構成され、キャン４０に外嵌されるものとすることができる。
また、弁体２３は、図５に関して詳細に説明する第１弁体５１及び第２弁体５２の総称であり、また弁座２２は、同図に関して詳細に説明する第１弁座５３、第２弁座５４及び第３弁座５６の総称である。
【００１４】
キャン４０はステンレス等の非磁性の金属から形成される有底円筒状をしており、弁本体２０の上部に固着されたステンレス製の鍔状板４１に溶接等により固着され、内部は気密状態に保たれている。弁本体２０には、垂直方向の流体流入管２０ａと水平方向の流体流出管２０ｂとが延出されている。なお、流体の流れる方向は逆としてもよい（管２０ａを流体流出管として用い、管２０ｂを流体流入管として用いる）。
【００１５】
ニードル弁から構成される弁体２３の第１弁体５１は黄銅製の弁軸２４の下端に形成されている。弁体２３を弁座２２に接離させる駆動機構は、弁本体２０よりロータ３０方向に延出して固定され固定ねじ部（雄ねじ部）２５が形成される筒状のガイドブッシュ２６と、該ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２５に螺合する移動ねじ部（雌ねじ部）３１を有する弁軸ホルダ３２とから構成されるねじ送り機構であり、このねじ送り機構をロータ３０内の軸方向全長の略中央部に配置している。
【００１６】
本実施例に示す電動弁は、従来の電動弁のようにロータの下方にねじ送り機構が位置するものと比較すると、軸方向の長さ及び弁本体の外径が大幅に低減されており、電動弁の小型化を図ることができる。固定ねじ部２５はガイドブッシュ２６の外周に雄ねじで構成され、移動ねじ部３１は弁軸ホルダ３２の内周に雌ねじで構成されている。なお、ガイドブッシュ２６及び弁軸ホルダ３２は、ともに黄銅製の円筒状材から形成されている。
【００１７】
弁軸ホルダ３２はガイドブッシュ２６の外側に位置する下方開口の円筒状をしており、前記のように内面に移動ねじ部３１を形成してあり、弁軸ホルダ３２の中心に弁軸２４の上部縮径部が嵌合してプッシュナット３３により連結されている。弁体２３を下端に形成した弁軸２４は、黄銅より構成され、弁軸ホルダ３２の中心に上下動可能に嵌挿されており、弁軸ホルダ３２内に縮装された圧縮コイルばね３４によって常時下方に付勢されている。ガイドブッシュ２６の側面には弁室２１とキャン４０内の均圧を図る均圧孔３２ａが形成してある。
【００１８】
弁軸２４の上端に圧入固定されたプッシュナット３３の外周に円筒状の圧縮コイルばねで構成される復帰ばね３５を取付け、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２５と弁軸ホルダ３２の移動ねじ部３１との螺合が外れたときに、復帰ばね３５がキャン４０の頂部内面に当接して固定ねじ部２５と移動ねじ部３１との螺合を復帰させるように付勢する。復帰ばね３５はプッシュナット３３の外周に緩く嵌合して載置した状態で取り付けてもよく、またプッシュナット３３の外周に弾接するように取り付けてもよい。
【００１９】
弁本体２０は黄銅等の金属から構成され、キャン４０との接合は、弁本体２０に溶接等により固着された鍔状板４１の段差部にキャンの端部を突き合わせ溶接することにより行っている。なお、突き合わせ溶接に限らず、キャン４０の端部を外周に平坦に折り曲げて鍔状部として形成し、この鍔状部と鍔状板４１とをいわゆる拝み溶接により固定するようにしてもよい。
【００２０】
弁軸ホルダ３２とロータ３０とは支持リング３６を介して結合されており、支持リング３６は本実施形態ではロータ３０の成形時にインサートされた黄銅製の金属リングで構成されている。支持リング３６の内周孔部に弁軸ホルダ３２の上部突部が嵌合し、上記突部の外周をかしめ固定してロータ３０、支持リング３６及び弁軸ホルダ３２を結合している。弁本体２０、弁軸２４、ガイドブッシュ２６、弁軸ホルダ３２、支持リング３６は、前記したように全て黄銅より構成し、リサイクルを考慮した構成としている。さらに、それぞれの部品は圧入・かしめで結合されているので、たとえば、弁軸ホルダ３２と支持リング３６のかしめを除去することでロータ３０を再利用することができる。なお、黄銅以外の金属、例えば、ステンレスを用いることができるのは勿論である。また、黄銅以外の金属、例えば、ステンレスを弁軸２４のみに用いることができるのは勿論である。
【００２１】
ガイドブッシュ２６にはストッパ機構の一方を構成する下ストッパ体（固定ストッパ）２７が固着されており、下ストッパ体２７はリング状のプラスチックより構成され、上方に板状の下ストッパ片２７ａが突設されている。また、弁軸ホルダ３２にはストッパ機構の他方を構成する上ストッパ体（移動ストッパ）３７が固着されており、上ストッパ体３７もリング状のプラスチックより構成され、下方に向けて板状の上ストッパ片３７ａが突設され前記した下ストッパ片２７ａと係合可能である。
【００２２】
下ストッパ体２７はガイドブッシュ２６の外周に形成された螺旋溝部分２６ａに射出成形により固着され、上ストッパ体３７は弁軸ホルダ３２の外周に形成された螺旋溝部分３２ｂに射出成形により固着されている。なお、下ストッパ体２７、上ストッパ体３７の固着は射出成形に限らず、接着や圧入等により固着してもよいのは勿論である。
【００２３】
このように構成された電動弁１０の動作について説明する。ステータのコイルに通電を行い励磁すると、弁本体２０に固着されたガイドブッシュ２６に対しロータ３０及び弁軸ホルダ３２が回転され、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２５と弁軸ホルダ３２の移動ねじ部３１とのねじ送り機構により、弁軸ホルダ３２がその軸線方向に昇降する。通電方向に応じて、弁軸ホルダ３２が、例えば下方に移動して弁体２３が弁座２２に着座又は離座する。
【００２４】
弁体が着座した時点（第１弁体５１が第２弁体５２を押圧し、かつ該第２弁体５２が第２弁座５４に着座した時点）では上ストッパ体３７は未だ下ストッパ体２７に当接しておらず、弁体２３が着座したままロータ３０及び弁軸ホルダ３２はさらに回転下降する。このときは弁軸２４に対する弁軸ホルダ３２の相対的な下降変位は、圧縮コイルばね３４が圧縮されることにより吸収される。その後、ロータ３０が更に回転して弁軸ホルダ３２が下降して上ストッパ体３７のストッパ片３７ａが下ストッパ体２７のストッパ片２７ａに当接する。このストッパ片２７ａ，３７ａ同士の当接によって、ステータへの通電が継続されても、弁軸ホルダ３２の下降は強制的に停止される。
【００２５】
上ストッパ体３７と下ストッパ体２７とから構成されるストッパ機構は、ロータ３０の軸方向の全長内に配置されているので、ストッパ機構が機能しているときでもロータ３０や弁軸ホルダ３２が大きく傾いたりすることが少なく作動が安定し、次にロータ３０を逆転するときでも円滑に行うことができる。
【００２６】
ステータへの通電を逆方向に行うと、ガイドブッシュ２６に対しロータ３０及び弁軸ホルダ３２が上記と逆方向に回転され、上記のねじ送り機構により、弁軸ホルダ３２が上方に移動して弁軸２４の下端の弁体２３が弁座２２から離れ、冷媒が通過可能となる。ロータ３０の回転量によって弁開度を変更することで、冷媒の通過量が調整される。ロータ３０の回転量は、パルスモータへの入力パルス数にて規制されるため、冷媒通過量の正確な調整が可能である。
【００２７】
このように、ロータ３０の回転は、ガイドブッシュ２６の固定ねじ部２５と弁軸ホルダ３２の移動ねじ部３１とから成るねじ送り機構により、ロータ３０、弁軸ホルダ３２及び弁軸２４の軸方向移動に変換される。ねじ送り機構がロータ３０内の特に中央部に位置し、ロータ３０の支持及び駆動がロータ３０の全長内で行われているため、回転時にロータ３０が振れることが少なく安定して回転させることができる。
【００２８】
図５には、電動弁の本実施例の要部が拡大断面図として示されている。図１と図５とを併せて参照すると、弁体２３は、モータの出力を受けて昇降機構としてのねじ送り機構により昇降駆動される第１弁体５１と、第１弁体５１により押圧され昇降可能とされた第２弁体５２とから成っている。第１弁体５１は弁軸２４から軸線方向に一体的に延びていて、その先端側にテーパ状に形成されたニードル部が付設されたニードル弁体である。また、第２弁体５２は、当該ニードル弁体が嵌入可能なリング状の弁体である。リング状の第２弁体５２の内周上縁部５２ｃ、即ち、第２弁体５２の貫通孔５２ｄとそのテーパ開口面５２ｅとが交差する縁部分が、ニードル弁体である第１弁体５１が当接可能な第１弁座５３としての機能を奏している。
【００２９】
弁本体２０に形成された弁室２１には、第１弁座５３よりも大径に形成された第２弁座５４と第３弁座５６とが設けられている。弁室２１の段差部の環状角部２１ａが第２弁座５４となっており、リング状の第２弁体５２が下降するときにその外周下縁部５２ａが第２弁座５４に着座可能となっている。弁室２１にはまた、第２弁体５２の上方位置においてリング状の弁座体５５が圧入等の手段によって固定されている。弁座体５５の中心部分はリングを構成するための貫通孔５５ａとなっており、弁軸２４及びニードル弁が貫通孔５５ａに対して隙間を介して挿通可能となっている。弁座体５５の内周下縁部５５ｂが第３弁座５６となっており、第２弁体５２が上昇するときに、その外周上縁部５２ｂが弁座体５５の内周下縁部５５ｂに着座可能となっている。
【００３０】
弁室２１の底部１５には弁本体２０の底面に開口するオリフィス１６が形成されており、オリフィス１６と干渉しないように、当該底部１５と第２弁体５２との間にはコイルばね５７が圧縮状態に配置されている。第１弁体５１が下降移動をするときに第２弁体５２を押圧することによって、第１弁体５１が第２弁体５２上の第１弁座５３に当接（着座）する。その状態で、第１弁体５１の下降又は上昇に応じて第２弁体５２が下降又は上昇移動することで該第２弁体５２が第２弁座５４又は第３弁座５６に対して接離動作をし、第１弁体５１及び第２弁体５２（換言すれば閉塞された第２弁体５２の外周部分）と第２弁座５４及び第３弁座５６との間で流体流量制御が行われる。
また、第１弁体５１及び第２弁体５２が当接した状態から第１弁体５１を引き上げると、コイルばね５７の弾発力により第２弁体５２が上昇して該第２弁体５２が第３弁座５６に当接し、それ以降は、第１弁体５１のみが上昇可能となり、これにより第１弁体５１と第１弁座５３との間で流量制御が行われる。
なお、第２弁体５２のオリフィス部となる貫通孔５２ｄは、第２弁座５４及び第３弁座５６よりも小径に形成されている。また、この例においては第１弁座５３は、オリフィス１６とほぼ同径である。
【００３１】
図１は、第１弁体５１及び第２弁体５２が共にそれぞれ第１弁座５３と第２弁座５４に着座した状態（Ａ）を示している。この状態は、モータの駆動によって、弁軸２４を下降移動させ、第１弁体５１が第２弁体５２上の第１弁座５３に当接（着座）し、その状態でモータの更なる駆動によって、第１弁体５１及び第２弁体５２がコイルばね５７を圧縮しながら更に下降して、第２弁体５２が弁室２１に設けられた第２弁座５４に着座して、開口面積がゼロとなったときを示しており、当該電動弁１０の制御開始状態である閉弁状態（制御開始閉弁状態）である。なお、「閉弁状態」に関して、流体回路を所謂完全に「閉」となる状態で放置すると、冷凍サイクルの回路内に流体が高圧で溜まる危険性がある。各弁体及び弁座にブリード溝・孔のような工夫をしなければ電動弁１０は閉弁状態にあるが、このような工夫を施すことで、全閉状態で電源を切ったときにも微小流量を流し続けるようにして、閉弁時にも少しずつ流体を漏らすようにして圧力を下げていくことが考えられる。本電動弁においては、閉弁状態とは、こうしたブリード溝・孔などを形成して、閉弁時においても微小流量を許容する状態も含むものとして説明をする。
【００３２】
電動弁１０は、この制御開始閉弁状態のとき、すなわち第１弁体５１が第２弁体５２に当接、押圧し、かつ第２弁体５２が第２弁座５４に着座したときに、ステッピングモータの回転を停止することが好ましい。しかしながら、部品や組立品にはバラツキがあるので、そうしたバラツキを吸収させるために圧縮コイルばね３４を入れている。両ストッパ２７，３７が当たる手前で必ず上記の閉弁状態となるようにし、その後、両ストッパ２７、３７が当接するまで、圧縮コイルばね３４を圧縮しながら継続してロータを動かすことで閉弁状態となってから電動弁１０を停止させている。またこの結果、ステッピングモータを逆回転させて制御開始閉弁状態から開弁状態へ移行する際には、電源がオンとなってから最初の数パルス分は、両ストッパ２７、３７は互いの当接状態から離脱するが閉弁状態は維持されることとなる。
【００３３】
図２は、図１に示す状態から弁軸２４を引き上げ、第１弁体５１及び第２弁体５２がコイルばね５７の弾発力により当接を維持しながら上昇し、該第２弁体５２が第２弁座５４と第３弁座５９との間に位置した状態（Ｂ）を示している。モータの逆方向の駆動によって弁軸２４が上昇するとき、コイルばね５７の復元力によって第１弁体５１が第１弁座５３に着座した状態が維持されているので、第１弁体５１と第２弁体５２とが一緒に上昇する。この上昇のとき、ニードル弁である第１弁体５１は第１弁座５３に着座したままであるが、第２弁体５２は第２弁座５４から離座するので、第２弁体５２について開いた周状の開口面積ｃ（図５）を通じて、流体流入管２０ａから流体流出管２０ｂへの大流量の流体が流れる。このとき、第２弁体５２について開口面積ｃは大径の環状に形成されているので、第２弁体５２の僅かな上昇でも開口面積ｃが大きくなり、短時間で（第１弁体５１のわずかな上昇で）大流量の流れが得られる。この状態（Ｂ）は、次の図３に示す状態に移行するまで継続される。
【００３４】
図３は、図２に示す状態から第１弁体５１及び第２弁体５２が更に上昇し、第１弁体５１が第２弁体５２に当接したままの状態で該第２弁体が第３弁座５６に着座した状態（Ｃ）を示している。モータの更なる逆方向の駆動によって弁軸２４が上昇すると、第２弁体５２は、コイルばね５７の復元力に基づいて、上昇する第１弁体５１に追従して上昇する。図３には、第１弁体５１の第１弁座５３に対する着座状態は維持され、第２弁体５２が第３弁座５６に着座して開口面積ｂ（図５）がゼロとなっている状態が示されており、電動弁１０は図１と同様に閉弁状態にある。即ち、電動弁１０は、図２に示すように、一旦、大流量となるように開弁した後、流量ゼロになるまで閉弁する。
【００３５】
図４は、図３に示す状態から第１弁体５１のみが更に上昇した状態（Ｄ）を示している。第２弁体５２は、コイルばね５７の復元力に基づいて、第３弁座５６に着座した状態となっているので、モータの更なる逆方向の駆動によって弁軸２４が上昇すると、第１弁体５１のみが上昇し、第１弁座５３から離座してニードル弁が開く。第１弁体５１の上昇程度に応じてニードル弁の開度が変更されて、流量を調整することができる。開口面積ｃは最大に開いても開口面積ｂがゼロであるので、第２弁体５２の周りを流れる流れは遮断される。
第１弁座５３は第２弁座５４及び第３弁座５６と異なり弁座口径が小さく、また第１弁体５１にはその先端にニードル部が付設されているため、第１弁体５１のみが第１弁座５３から上昇した場合における単位パルス（ステッピングモータ駆動用パルス１パルス）当たりの開口面積の変化を微小とすることが出来る。特許文献１の様な従来の電動弁で行う細かい流量制御は、本状態の第１弁体５１で行う。
【００３６】
図６には、本発明による電動弁の弁開度に応じた流量の特性を示すグラフが示されている。図６において、横軸が弁開度、縦軸が流量を示しており、（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ図１〜図４に示す状態を指している。図１に示す弁開度がゼロの状態（Ａ）では、第１弁体５１も第２弁体５２も着座しており、流量はゼロである。モータの駆動が開始されて弁軸２４が上昇をすると、第２弁体５２が第２弁座５４から離座し開口面積ｃの急激な増加によって流量が急増する。その後、第２弁体５２が更に上昇するとそれに伴って開口面積ｃが増加し開口面積ｂが減少していくが、開口面積ｂと開口面積ｃとのいずれか一方がオリフィス１６の開口面積ａよりも小さければ、流量はその小さい方の開口面積で定まる流量となる。この状態は第２弁体５２の第２弁座から離座した上昇量が小さいとき、及び第２弁体５２が第３弁座５６に近づいたときに生じる。これらの状態の中間では、開口面積ｂと開口面積ｃとのいずれもがオリフィス１６の開口面積ａよりも大きいときがあり、流量は、最も開口面積の小さいオリフィス１６の開口面積ａで定まるフラットで且つ最大流量となる状態（Ｂ’）を取る。即ち、開口面積ｃが開口面積ａより大きくなったときに、フラットな部分（弁開度に関わらず流量が一定な領域）が始まる。開口面積ｃが増えるにしたがって開口面積ｂは小さくなるので、開口面積ａと比較して開口面積ｂが開口面積ａよりも小さくなると、流量が減少する部分になる。
【００３７】
電動弁１０においては、最大流量に達するまでのパルス位置は製品毎（或いは用いる部品）の精度によりバラツキがある。そこで、弁開度が多少ずれていても最大流量がフラットになる弁開度の範囲を設けて、最大流量のばらつきを緩和することが好ましい。即ち、最大流量特性がフラットにならずに急峻な三角状の山の特性を示すものであると、ある弁開度で弁の昇降動作を停止してもそのときの流量が最大流量になっている確証がない。最大流量がフラットになる特性を持たせることで、最大流量を狙った弁開度制御を行うことができる。
要するに、このようなフラットな最大流量部分（Ｂ’）を設けることにより、ステッピングモータに入力されるパルス数により想定される弁開度と、実際の弁開度とに若干の差異が生じても、確実に領域（Ｂ）における最大流量を確保することが出来る。
【００３８】
図３に示す状態（Ｃ）では、第１弁体５１及び第２弁体５２は、それぞれ第１弁座５３と第３弁座５６に着座して流量がゼロになる。その後、更に弁軸２４が上昇すると、その上昇程度に応じて弁開度が増加し、流量が次第に増加する通常制御の状態（Ｄ）に移行する。この実施例においては、図５に示されるように、オリフィス１６の開口面積と第１弁座の５３の開口面積（貫通孔５２ｄの開口面積）とはほぼ同一とされているので、状態（Ｂ）で示す大流量制御領域のフラットな最大流量（Ｂ’）と状態（Ｄ）で示す通常流量制御領域の最大流量とは、ほぼ一致している。なお、状態（Ｂ）のフラットな最大流量領域（Ｂ’）を狭い範囲とすれば、状態（Ｃ）にまで短時間で移行出来、通常制御に素早く移行できることは明らかである。
【００３９】
上記の実施例ではコイルばね５７を設けた例として説明したが、流体が第２弁座５４側（流体流入管２０ａ側）から流入する場合、その流体圧により、第２弁体５２が第３弁座５６側に押圧されるので、そのように当該電動弁１０を使用する場合は、このコイルばね５７は不要とすることができる。
また、第１弁座５３、第２弁座５４、第３弁座５６及びオリフィス１６の口径については、当該電動弁に要求される仕様に基づき、適宜設定可能であることは同然である。
【符号の説明】
【００４０】
１０ 電動弁 １５ 底部
１６ オリフィス ２０ 弁本体
２０ａ 流体流入管 ２０ｂ 流体流出管
２１ 弁室 ２１ａ 環状角部
２２ 弁座
２３ 弁体 ２４ 弁軸
２４ａ スリット ２５ 固定ねじ部（雄ねじ部）
２６ ガイドブッシュ ２６ａ 螺旋溝部分
２７ 下ストッパ体（固定ストッパ） ２７ａ 下ストッパ片
３０ ロータ ３１ 移動ねじ部（雌ねじ部）
３２ 弁軸ホルダ ３２ａ 均圧孔
３２ｂ 螺旋溝部分
３３ プッシュナット
３４ 圧縮コイルばね ３５ 復帰ばね
３６ 支持リング ３７ 上ストッパ体（移動ストッパ）
３７ａ 上ストッパ片
４０ キャン ４１ 鍔状板
５１ 第１弁体
５２ 第２弁体 ５２ａ 外周下縁部
５２ｂ 外周上縁部 ５２ｃ 内周上縁部
５２ｄ 貫通孔 ５２ｅ テーパ開口面
５３ 第１弁座 ５４ 第２弁座
５５ 弁座体 ５５ａ 貫通孔
５５ｂ 内周下縁部 ５６ 第３弁座
５７ コイルばね
ａ，ｂ，ｃ 開口面積
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータの出力を受ける昇降機構により昇降駆動される第１弁体と、
前記第１弁体が当接可能な第１弁座を備えると共に、該第１弁体により前記第１弁座を介して押圧され昇降可能とされた第２弁体と、
前記第１弁座よりも大径で、前記第２弁体が当該第２弁体の下降又は上昇に応じてそれぞれ当接可能な第２弁座及び第３弁座とを備え、
前記第２弁体に対する前記第１弁体の押圧により該第１弁体が前記第１弁座に当接し、その状態で行われる前記第２弁座及び前記第３弁座に対する前記第２弁体の接離動作により該第２弁座及び第３弁座を流れる流体の流量制御を行い、前記第２弁体が前記第３弁座に当接し、その状態で行われる前記第１弁座に対する前記第１弁体の接離動作により、該第１弁座を流れる流体の流量制御を行うことを特徴とする電動弁。
【請求項２】
請求項１記載の電動弁において、
前記第２弁体に対する前記第１弁体の押圧により該第２弁体が前記第２弁座に当接した状態から当該電動弁の制御が開始されることを特徴とする電動弁。
【請求項３】
請求項１又は２記載の電動弁において、
前記第２弁体に対して前記第１弁体と反対側に、前記第２弁座よりも小径のオリフィス部が形成されていることを特徴とする電動弁。
【請求項４】
請求項３記載の電動弁において、
前記第２弁体が前記第２弁座及び前記第３弁座の間を移動する区間内において、
前記第２弁体と前記第２弁座とにより画定される開口面積（ｃ）、及び前記第２弁体と前記第３弁座とにより画定される開口面積（ｂ）が、共に前記オリフィス部の開口面積（ａ）よりも大きくなるようにされたことを特徴とする電動弁。
【請求項５】
請求項３又は４記載の電動弁において、
前記第１弁座は、前記オリフィス部とほぼ同径であることを特徴とする電動弁。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一つに記載の電動弁において、
前記第２弁体を前記第３弁座の方向に対して付勢するばね手段を備え、
前記第１弁体は、前記第２弁体に対して前記第３弁座の方向から該第２弁体を押圧することを特徴とする電動弁。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一つに記載の電動弁において、
前記第１弁体の先端には、ニードル部が付設されたことを特徴とする電動弁。
【請求項１】
モータの出力を受ける昇降機構により昇降駆動される第１弁体と、
前記第１弁体が当接可能な第１弁座を備えると共に、該第１弁体により前記第１弁座を介して押圧され昇降可能とされた第２弁体と、
前記第１弁座よりも大径で、前記第２弁体が当該第２弁体の下降又は上昇に応じてそれぞれ当接可能な第２弁座及び第３弁座とを備え、
前記第２弁体に対する前記第１弁体の押圧により該第１弁体が前記第１弁座に当接し、その状態で行われる前記第２弁座及び前記第３弁座に対する前記第２弁体の接離動作により該第２弁座及び第３弁座を流れる流体の流量制御を行い、前記第２弁体が前記第３弁座に当接し、その状態で行われる前記第１弁座に対する前記第１弁体の接離動作により、該第１弁座を流れる流体の流量制御を行うことを特徴とする電動弁。
【請求項２】
請求項１記載の電動弁において、
前記第２弁体に対する前記第１弁体の押圧により該第２弁体が前記第２弁座に当接した状態から当該電動弁の制御が開始されることを特徴とする電動弁。
【請求項３】
請求項１又は２記載の電動弁において、
前記第２弁体に対して前記第１弁体と反対側に、前記第２弁座よりも小径のオリフィス部が形成されていることを特徴とする電動弁。
【請求項４】
請求項３記載の電動弁において、
前記第２弁体が前記第２弁座及び前記第３弁座の間を移動する区間内において、
前記第２弁体と前記第２弁座とにより画定される開口面積（ｃ）、及び前記第２弁体と前記第３弁座とにより画定される開口面積（ｂ）が、共に前記オリフィス部の開口面積（ａ）よりも大きくなるようにされたことを特徴とする電動弁。
【請求項５】
請求項３又は４記載の電動弁において、
前記第１弁座は、前記オリフィス部とほぼ同径であることを特徴とする電動弁。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一つに記載の電動弁において、
前記第２弁体を前記第３弁座の方向に対して付勢するばね手段を備え、
前記第１弁体は、前記第２弁体に対して前記第３弁座の方向から該第２弁体を押圧することを特徴とする電動弁。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一つに記載の電動弁において、
前記第１弁体の先端には、ニードル部が付設されたことを特徴とする電動弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−８７８４１（Ｐ２０１２−８７８４１Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３３５３６（Ｐ２０１０−２３３５３６）
【出願日】平成２２年１０月１８日（２０１０．１０．１８）
【出願人】（３９１００２１６６）株式会社不二工機 (451)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１８日（２０１０．１０．１８）
【出願人】（３９１００２１６６）株式会社不二工機 (451)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]