JP2014196785A - 流量制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】差圧バランス型の流量制御弁において、弁部材から弁ポート側に流れる流体の流れによる圧力の背圧室への影響を低減して、圧力バランスを確保する。
【解決手段】弁体４１にザグリ部１０を形成する。ザグリ部１０内に遮蔽部材としての突起部４２を設ける。突起部４２の均圧路４２ａと弁体４１の均圧路４１ａと貫通路４１ｂにより弁ポート２１側と背圧室３Ａとを導通する。弁室１Ａから弁ポート２１側に流れる流体をザグリ部１０内で膨張させて均一な圧力にし、均圧路４２ａの弁ポート２１側の開口周囲に高圧を作らない。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷凍サイクルなどに使用する流量制御弁に関し、詳細には圧力バランス型の流量制御弁に関する。

従来の差圧バランス型の流量制御弁は、弁体に加わる差圧力をキャンセルするために、弁体上部の受圧面積を弁ポートの径と等しくするとともに、弁体の中央に均圧路を設け、この均圧路により弁体の上部に弁体下部（弁ポート側）の圧力を導入し、上部と下部を同圧にさせることで、弁体に加わる正味の差圧力をキャンセルさせるという設計思想である。このような流量制御弁として、例えば、特開２０００−３２０７１１号公報（特許文献１）に開示されたものがある。

特開２０００−３２０７１１号公報

図１０は従来の差圧バランス型の流量制御弁の要部概略構成とその問題点を説明する図である。図１０において、弁体ａは弁ガイドｂ内に上下に摺動自在に配設されている。弁室ｃには弁ポートｄが開口され、その弁ポートｄの開口部の周囲に弁座面ｅが形成されている。弁体ａの中央には均圧路ｆ１，ｆ２が形成され、弁体ａに対する背圧室ｇと弁ポートｄ側とが均圧路ｆ１，ｆ２により導通される。この例では、弁体ａの上部の均圧室ｇにおける弁体ａの受圧面積はパッキンｈが摺接する弁ガイドｂの内径の面積である。一方、弁ポートｄ側の受圧面積は、弁体ａが弁座面ｅに当接するシール部の内径の面積である。そして、この両受圧面積が等しくなっている。一次側から流入した流体は、弁座面ｅと弁体４１との隙間である絞り部から弁ポートｄの二次側に流れる。このとき、弁ポートｄと背圧室ｇとを略同じ圧力とすることで、弁体ａに加わる差圧をバランスさせて、弁体ａに作用する差圧力を低減させている。

しかし、実際の弁体ａの下部の圧力分布は、弁体ａの下部中央部に流体が集まり密度が高くなって圧力が高くなる。均圧路ｆ１の開口部が弁体ａの下端中央にあるため、その高い圧力が弁体ａの上部の背圧室ｇに導入される。一方、弁体ａの下部中央部以外の大部分は下部中央部より圧力が低い。例えば、図１０に示したように、弁室ｃの流体は高圧（高）であるが、絞り部を通った流体の圧力は低下する。しかし、弁体ａの下部中央部は流体が集まって密度が増加し、圧力が増加する。したがって、この下部中央部の圧力は下部中央部近傍以外の大部分の圧力よりも高く、かつ、一次側から流入した流体の圧力より低い圧力である中圧（中）となる。背圧室ｇは均圧路ｆ１，ｆ２によりこの下部中央付近と導通しているため、この背圧室ｇも弁体ａの下部中央部とほぼ同じ中圧（中）となる。すなわち弁体ａの下部の大部分は低圧（低）であるのに背圧室ｇも弁体ａの下部中央部とほぼ同じ中圧（中）であるから、弁体ａの上部と下部とに差圧が発生し、弁体ａを駆動させるために大きな駆動力が必要となるという問題がある。このように従来の流量制御弁では、十分に差圧バランスがとれないという点で、改善の余地がある。

本発明は、差圧バランス型の流量制御弁において、弁部材から弁ポート側に流れる流体の流れによる圧力の背圧室への影響を低減して、圧力バランスを確保することを課題とする。

請求項１の流量制御弁は、前記弁ハウジング内に配設された円筒形状の弁ガイドと、前記弁ガイド内に摺動可能に配設されるとともに弁座により画定される弁ポートを開閉する弁部材とを備え、前記弁部材を軸線方向に移動して前記弁部材で前記弁ポートを開閉するとともに、前記弁部材に対する背圧室と前記弁ポート側とを均圧路で導通して、該背圧室の流体圧力と弁ポートの流体圧力との圧力バランスをとるようにした流量制御弁において、弁部材に前記弁ポート側に開口するザグリ部を設けるとともに、ザグリ部の中央で前記弁ポートに対向する遮蔽部材を設けたことを特徴とする。

請求項２の流量制御弁は、請求項１に記載の流量制御弁であって、前記遮蔽部材が前記ザグリ部に設けた円柱状の突起部であり、該突起部の側面に、前記均圧路を前記ザグリ部に導通させるための貫通孔を設けたことを特徴とする。

請求項３の流量制御弁は、請求項１または２に記載の流量制御弁であって、前記遮蔽部材が前記ザグリ部に設けた円柱状の突起部であり、該突起の前記弁ポート側の端部が、軸線方向で前記弁部材のシール部と同程度の位置であるか、または、該シール部よりも前記弁ポート側の位置にあることを特徴とする。

請求項１の流量制御弁によれば、弁部材から弁ポート側に流れる流体がザグリ部において膨張して流体の速度分布が略一定となる。したがって、ザグリ部及び弁ポートの流体の圧力が略均一になるので、均圧路により導通する背圧室の圧力との圧力バランスを十分保つことができるとともに、弁ポートから弁室側に流体を流すときに、流体が遮蔽部材によりザグリ部を避ける方向に流れるので、流量を確保することができる。

請求項２の流量制御弁によれば、請求項１の効果に加えて、弁ポート側の圧力がザグリ部と、貫通孔及び均圧路を介して背圧室に導入されるので、突起部の弁ポート側の端部に均圧路の開口を設ける必要がなく、この端部にテーパ面等を設けることができ、弁ポートから弁室に流体を流すときに、流体がテーパ面によりザグリ部を避ける方向に流れるのをより促すことができる。

請求項３の流量制御弁によれば、請求項１または２の効果に加えて、遮蔽部材である突起部の弁ポート側の端部が、軸線方向で弁部材のシール部と同程度の位置であるか、または、該シール部よりも前記弁ポート側の位置にあるので、弁ポートから弁室に流体を流すときに、より流体がザグリ部を避ける方向に流れる。

本発明の実施形態の流量制御弁の弁閉状態の縦断面図である。 実施形態におけるザグリ部の作用効果を説明する図である。 実施形態における突起部（遮蔽部材）の作用効果を説明する図である。 実施形態における弁部材の第２実施例を示す図である。 実施形態における弁部材の第３実施例を示す図である。 実施形態における弁部材の第４実施例を示す図である。 実施形態における弁座部材と弁体の第５実施例を示す図である。 実施形態における弁座部材と弁体の第６実施例を示す図である。 実施形態における弁部材の第７実施例を示す図である。 従来の差圧バランス型の流量制御弁の要部概略構成とその問題点を説明する図である。

次に、本発明の流量制御弁の実施形態を図面を参照して説明する。図１は実施形態の流量制御弁の弁閉状態の縦断面図である。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。この実施形態の流量制御弁は、円筒形状の弁ハウジング１を有しており、弁ハウジング１には円筒状の弁室１Ａが形成されている。また、弁ハウジング１には、側面側から弁室１Ａに連通する継手管１１が取り付けられるとともに、下端部に弁座部材２が取り付けられている。弁座部材２の中央には円形の弁ポート２１が形成されるとともに、弁ポート２１の開口周囲にすり鉢状の着座面２２が形成されている。また、弁座部材２には弁ポート２１に連通するように弁室１Ａの軸線Ｌ方向に継手管１２が取り付けられている。

弁室１Ａ内には、弁ハウジング１の上端の小径部１ａから内挿された中空円筒状の弁ガイド３が配設されており、この弁ガイド３内に弁部材４が軸線方向に摺動可能に配設されている。弁部材４は、弁ガイド３内にピストン状に移動可能に収容されており、弁部材４は、弁ガイド３内に収容されることにより、弁ガイド３の内空間が区画され、弁ガイド３内に弁部材４に対する背圧室３Ａが形成される。

弁部材４は、弁体４１と「遮蔽部材」としての突起部４２とを有している。弁体４１は、外径が弁ガイド３の内径と同一の外径を有する円筒形状の弁体本体部４１Ａと、弁体本体部４１Ａより径の小さな中径ボス部４１Ｂと、中径ボス部４１Ｂより径の小さな小径ボス部４１Ｃとから構成されている。

弁体本体部４１Ａには、弁座部材２側からの切削により円柱空間をなすザグリ部１０が形成されている。弁体４１と突起部４２の中心には均圧路４１ａ，４２ａがそれぞれ形成されている。また、弁体４１の均圧路４１ａは小径ボス部４１Ｃに形成された貫通孔４１ｂにより背圧室３Ａに導通されている。突起部４２はザグリ部１０の底部に固着され、その下端部は弁体本体部４１Ａの下端のシール部４１ｃよりも弁ポート２１側に突出している。また、突起部４２の弁ポート２１側の端部にはテーパ面４２ｂが形成されている。弁体４１の中径ボス部４１Ｂには、当該弁部材４の周面と弁ガイド３のガイド面との間をシールするシール部材である椀型パッキン４ａが装着されており、弁ガイド３内を弁部材４が移動する際に、弁ガイド２内を摺動する。弁部材４の上部の背圧室３Ａにおける弁部材４の受圧面積はパッキン４ａの外径の面積（背圧室３Ａの内径の面積）であり、一方、弁ポート２１側の受圧面積は、弁部材４のシール部４１ｃの外径の面積である。そして、この背圧室３Ａの内径の面積とシール部４１ｃの内径の面積は等しくなっている。

弁ガイド３の上部には固定金具５１によって支持部材５が固着されている。支持部材５には軸Ｌ方向に長いガイド孔５２が形成され、ガイド孔５２には円筒状の弁ホルダ６が軸Ｌ方向に摺動可能に挿通されている。弁ホルダ６は弁室１Ａと同軸に取り付けられ、この弁ホルダ６の下端部に。弁体４１の小径ボス部４１Ｃが固着されている。

また、弁ホルダ６は、ステッピングモータ７のロータ軸７１に係合している。すなわち、ロータ軸７１の下端部にはフランジ部７１ａが一体形成され、このフランジ部７１ａが弁ホルダ６の上端部と共にワッシャ６２を挟み込み、このロータ軸７１の下端部が弁ホルダ６の上端部で回転可能に係合している。この係合により、弁ホルダ６がロータ軸７１によって回転可能に吊り下げた状態で支持されている。また、弁ホルダ６内には、バネ受け６３が軸Ｌ方向に移動可能に設けられ、バネ受け６３と弁体４１の小径ボス部４１Ｃとの間には圧縮コイルバネ６４が所定の荷重を与えられた状態で取り付けられている。これにより、バネ受け６３は、上側に付勢され、ロータ軸７１の下端部に当接係合している。ロータ軸７１には雄ねじ部７１ｂが形成されており、この雄ねじ部７１ｂは支持部材５に形成された雌ねじ部５ａに螺合している。これにより、ロータ軸７１は回転に伴って軸Ｌ線方向に移動する。

弁ガイド３の上端には、ステッピングモータ７のケース７２が溶接等によって気密に固定されている。ケース７２内には、外周部を多極に着磁されたマグネットロータ７３が回転可能に設けられ、このマグネットロータ７３にはロータ軸７１が固着されている。なお、ケース７２の天井部にはマグネットロータ７３の回転を規制する回転ストッパ機構７４が設けられている。また、ケース７２の外周には、ステータコイル７５が配設されており、ステッピングモータ７は、ステータコイル７５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マグネットロータ７３を回転させる。そして、このマグネットロータ７３の回転によってマグネットロータ７３と一体のロータ軸７１が回転し、この回転に伴うロータ軸７１の軸Ｌ方向移動によって弁ホルダ６と共に弁部材４が軸Ｌ方向に移動する。

以上の構成により、ステッピングモータ７の駆動により、弁部材４が軸Ｌ方向に移動し弁部材４が弁ガイド３にガイドされ、弁座部材２の着座面２２に対して離座／着座する。これにより、弁ポート２１が開閉される。この弁部材４のシール部４１ｃと弁座部材２の着座面２２との距離で決まる弁開度に応じて冷媒流量が制御される。流体（冷媒）が継手管１１から流入して継手管１２から流出する第１の流れのとき、弁ポート２１側の低圧が均圧路４２ａ，４１ａ及び貫通孔４１ｂを介して背圧室３Ａに導入される。また、流体（冷媒）が継手管１２から流入して継手管１１から流出する第２の流れのとき、弁ポート２１側の高圧が均圧路４２ａ，４１ａ及び貫通孔４１ｂを介して背圧室３Ａに導入される。

図２は実施形態におけるザグリ部１０の作用効果を説明する図である。図２では流体は継手管１１から流入して継手管１２から流出する第１の流れの状態を示している。このとき弁室１Ａに流入した流体は、図に矢印で示すように、弁体４１のシール部４１ｃと着座面２２との隙間で絞られるが、その絞られた流体はザグリ部１０内に膨張して勢いがなくなる。したがって、弁ポート２１及びザグリ部１０内の圧力が略均一の低圧になり、均圧路４１ａ，４２ａ及び貫通孔４１ｂを介して導通する背圧室３Ａの低圧との圧力バランスが保たれる。

図３は実施形態における突起部４２（遮蔽部材）の作用効果を説明する図である。図２３では流体は継手管１２から流入して継手管１１から流出する第２の流れの状態を示している。このとき弁ポート２１から流入する流体は、図に矢印で示すように、突起部４２のテーパ面４２ｂに倣ってシール部４１ｃと着座面２２との開放部分の方に流れやすくなる。あるいは、流体が突起部４２のテーパ面４２ｂで跳ね返って、ザグリ部１０内に流れるのを阻止する。したがって、ザグリ部１０が流体の流れを阻害することなく、圧力損失が抑制され、十分な流量が得られる。

以上説明した弁部材４は第１実施例である。以下、弁部材４の他の実施例について説明する。なお、各実施例で同様な部材、同様な要素には同符号を付記して重複する説明は省略する。

図４は弁部材４の第２実施例を示す図である。この第２実施例では、弁体４１に対して、ザグリ部１０の底部に「遮蔽部材」としての突起部４３が固着されている。突起部４３の下端部は弁体本体部４１Ａの下端のシール部４１ｃよりも弁ポート２１側に突出している。また、突起部４３の弁ポート２１側の端部にはテーパ面４３ｂが形成されている。

突起部４３の中心には弁体４１の均圧路４１ａと導通し、該突起部４３の中程まで延びる均圧路４３ａが形成されている。また、突起部４３の側面には、均圧路４３ａをザグリ部１０に導通する貫通孔４３ｃが形成されている。これにより、ザグリ部１０は貫通孔４３ｃ、均圧路４３ａ、均圧路４１ａ及び貫通孔４１ｂを介して背圧室３Ａに導通されている。

この第２実施例では、突起部４３の弁ポート２１側の端部に均圧路による開口が無いので、前記図３で説明した第２の流れのときの第１実施例のテーパ面４２ｂによる作用効果よりも、この第２実施例のテーパ面４３ｂの方がさらに高い作用効果が得られる。

図５は弁部材４の第３実施例を示す図である。この第３実施例と第２実施例との違いは突起部４４に形成した均圧路４４ａと、ザグリ部１０とを導通するために一つの貫通路４４ｃを形成した点である。テーパ面４４ｂの作用効果は第２実施例と同様である。

図６は弁部材４の第４実施例を示す図である。この第４実施例と第１実施例との違いは突起部４５に対して、均圧路４５ａとザグリ部１０とを直接導通する貫通孔４５ｃを形成した点である。テーパ面４５ｂの作用効果は第１実施例と同様である。

図７の第５実施例と図８の第６実施例は弁座部材と弁体の変形例である。図７の第５実施例では、弁座部材８の着座面８２を平坦とし、弁体４６の端部にテーパ面４６ｂを形成したものである。弁体４６のテーパ面４６ｂが弁ポート８１の開口縁に対して接離することで、弁ポート８１が閉／開される。この例では、弁ポート８１の径と、弁体４６の軸部４６ｃの径、すなわち、弁ガイド３内に配設された前記第１実施例と同様な図示しないパッキンの外径とが同径であり、これにより圧力バランスが取れるものである。弁体４６にはザグリ部１０が形成されており、このザグリ部１０の底部に突起部４７が固着されている。弁体４６と突起部４７にはそれぞれ均圧路４６ａ，４７ａが形成されている。突起部４７と第１実施例の突起部４２との違いは太さの違いであり、弁ポート８１側の端部のテーパ面４７ｂの作用効果は第１実施例よりも小さい。しかし、弁体４６のテーパ面４６ｂがその作用効果を補うように働く。

図８の第６実施例では、弁座部材９の弁ポート９１の外周面に円錐台状の着座面９２を形成し、弁体４８の弁座部材９側の端部のシール部４８ｃを着座面９２に対して接離することで、弁ポート９１が閉／開される。この例では、シール部４８ｃの径と、弁体４８の軸部４８ｂの径、すなわち、弁ガイド３内に配設された前記第１実施例と同様な図示しないパッキンの外径とが同径であり、これにより圧力バランスが取れるものである。弁体４８にはザグリ部１０が形成されており、このザグリ部１０の底部に第４実施例と同様な突起部４５が固着されている。テーパ面４５ｂの作用効果は第４実施例と同様である。また、弁体４８には突起部４５の均圧路４５ａに導通する均圧路４８ａが形成されている。

図９は弁部材４の第７実施例を示す図である。第１実施例では「遮蔽部材」が突起部４２である例を説明したが、の第７実施例では弁部材４は遮蔽板５０を備えている。遮蔽板５０は、弁体４１のザグリ部１０内で弁体４１の弁ポート２１側の端部に嵌め込まれている。この遮蔽板３０は図９(B) に示すように４箇所に扇形の開口５０ａが形成されており、中央に遮蔽部材５０ｂを形成している。また、同様な遮蔽板は、図９(C) に示すように、４箇所に円形の開口５０ｃを形成したものでもよい。この場合も中央に遮蔽部材５０ｄを形成している。これらの遮蔽部材５０ｂ，５０ｄでも、第２の流れの時に、弁ポート２１から流入する流体をシール部４１ｃと着座面２２との開放部分の方に流れやすくし、前記図３で説明したテーパ面４２ｂと略同様な作用効果が得られる。この第７実施例の変形例として、遮蔽部材５０ｂ、５０ｄに、実施例１乃至第６実施例のような、弁ポート２１側の端部がシール部４１ｃよりも弁ポート２１側に突出した位置になるような突起を設けてもよい。

なお、以上の第２乃至第７実施例においても、第１の流れの時のザグリ部１０の作用効果は第１実施例と同様である。

１ 弁ハウジング
１Ａ 弁室
１１ 継手管
１２ 継手管
２ 弁座部材
２１ 弁ポート
２２ 着座面
３ 弁ガイド
３Ａ 背圧室
４ 弁部材
４１ 弁体
４１ａ 均圧路
４１ｂ 貫通孔
４１ｃ シール部
４２ 突起部（遮蔽部材）
４２ａ 均圧路
４２ｂ テーパ面
１０ ザグリ部
４３ 突起部
４３ａ 均圧路
４３ｃ 貫通孔
４４ 突起部
４４ａ 均圧路
４４ｃ 貫通路
４４ｂ テーパ面
４５ 突起部
４５ａ 均圧路
４５ｃ 貫通孔
４５ｂ テーパ面
８ 弁座部材
８２ 着座面
４６ 弁体
４６ａ 均圧路
４６ｂ テーパ面
４７ 突起部
４７ｂ テーパ面
９ 弁座部材
９１ 弁ポート
９２ 着座面
４８ 弁体
４８ａ 均圧路
４８ｃ シール部
５０ 遮蔽板
５０ｂ 遮蔽部材
５０ｄ 遮蔽部材

Claims (3)

1. 前記弁ハウジング内に配設された円筒形状の弁ガイドと、前記弁ガイド内に摺動可能に配設されるとともに弁座により画定される弁ポートを開閉する弁部材とを備え、前記弁部材を軸線方向に移動して前記弁部材で前記弁ポートを開閉するとともに、前記弁部材に対する背圧室と前記弁ポート側とを均圧路で導通して、該背圧室の流体圧力と弁ポートの流体圧力との圧力バランスをとるようにした流量制御弁において、
   弁部材に前記弁ポート側に開口するザグリ部を設けるとともに、ザグリ部の中央で前記弁ポートに対向する遮蔽部材を設けたことを特徴とする流量制御弁。
2. 前記遮蔽部材が前記ザグリ部に設けた円柱状の突起部であり、該突起部の側面に、前記均圧路を前記ザグリ部に導通させるための貫通孔を設けたことを特徴とする請求項１に記載の流量制御弁。
3. 前記遮蔽部材が前記ザグリ部に設けた円柱状の突起部であり、該突起の前記弁ポート側の端部が、軸線方向で前記弁部材のシール部と同程度の位置であるか、または、該シール部よりも前記弁ポート側の位置にあることを特徴とする請求項１または２に記載の流量制御弁。

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