电动阀的制作方法
【专利摘要】要抑制电机驱动式的电动阀中的流量特性的变化。电动阀(1)包括：接触/分离于阀座(26)来开闭阀部的阀芯(34)；在内空部(S)以部分插通的方式可沿轴线方向滑动地支承阀芯(34)的轴(60)；被配置于内空部(S)的弹簧(63)；被配置于内空部(S)，且被夹装在弹簧(63)与阀芯(34)之间，一端侧承受弹簧(63)，另一端侧与阀芯(34)的端部抵接的弹簧架(65)；以及将转子的旋转运动变换成轴(60)的平移运动的动作变换机构。阀芯(34)与弹簧架(65)彼此的抵接面分别被制成球面，一者的抵接面为凸球面(S1)，另一者的抵接面为曲率半径比凸球面(S1)大的凹球面(S2)。阀芯(34)的球面的中心位于阀芯(34)的轴线上。
【专利说明】
电动阀
技术领域
[0001]本发明涉及电机驱动式的电动阀。
【背景技术】
[0002]汽车用空调装置的制冷循环中一般设有对循环的冷媒进行压缩的压缩机、使压缩后的冷媒冷凝的冷凝器、使冷凝的液态冷媒节流膨胀而成为雾状的气液混合冷媒并送出的膨胀阀、以及使该雾状的冷媒蒸发而利用其蒸发潜热冷却车室内的空气的蒸发器等。作为膨胀阀，感测蒸发器的出口侧的冷媒的温度和压力地自动开闭阀部的机械式的膨胀阀被广泛采用。另一方面，随着近年的电动汽车和混合动力车辆的普及，在驱动部中利用步进电机来实现阀开度的精密控制的电动膨胀阀也正被采用。
[0003]这样的电动膨胀阀为使阀体中所设的小口径的阀孔开闭而具有例如针状的阀芯，并且具有将转子的旋转运动转换成轴的平移运动来驱动该阀芯的动作变换机构(例如参照专利文献I ) O该动作变换机构例如由被设在阀体与轴之间的螺纹机构构成。轴随转子一起旋转时，通过该螺纹机构，轴被沿轴线方向驱动。阀芯被支承在轴的前端，落座/脱离于阀孔的开口端部所形成的阀座来开闭阀部。为确保阀芯的落座性能，阀芯被弹性地可相对变位地支承于轴。
[0004]具体来说，轴的前端部被制成中空形状，阀芯被以可部分插入的方式可滑动地支承。在轴的内空部配设有沿使阀芯向闭阀方向、即使阀芯从轴突出的方向赋予势能的弹簧。在阀芯落座时，该弹簧发生弹性形变，由其弹性反作用力将阀芯向阀座推压，故能得到良好的落座性能。此外，通过像这样弹性地支承阀芯，能在阀芯落座后使轴停止，故能吸收与阀芯相连的部件的公差及部件间的组装误差。需要说明的是，在轴的前端部设有能卡定阀芯的后端部的支承部，故阀芯不会从轴上脱落。
[0005]通过这样的构成，阀芯与轴基本成为一体地进行旋转和平移运动，但由于阀芯在开始落座后会从阀座受到摩擦力，故在闭阀时，在弹簧发生弹性形变的期间，阀芯与轴会相对变位。由于该相对变位，弹簧会扭曲，若该扭曲力作用于阀芯，则有可能使落座后的阀芯的姿势改变。因此，在专利文献I的构成中，在阀芯与弹簧之间夹装球状的弹簧架(球)。由此，即使弹簧扭曲了，其扭曲力也会因球的旋转而被释放，难以传递到阀芯，能实现稳定的闭阀状态。
[0006][在先技术文献]
[0007][专利文献]
[0008][专利文献I]日本特开2014-196810号公报
【发明内容】
[0009]〔发明所要解决的课题〕
[0010]然而，通过发明人们的验证，发现在上述构成的情况下，由于球的自由度较高，故其中心容易从阀芯的轴线上偏离，容易使阀芯进行旋进运动。并且，其会因阀芯的局部摩擦而导致阀座的偏摩耗。这样的阀座的偏摩耗有可能使阀孔的剖面形状变得不规则(V、邙O)，使当初对该电动阀设定的流量特性发生变化。
[0011]需要说明的是，这样的问题并不限于上述电动膨胀阀，在阀芯被弹性地支承于轴、将转子的旋转运动变换成该轴的平移运动来驱动阀芯的电动阀中同样可能发生。
[0012]本发明的目的之一在于，抑制电机驱动式的电动阀中的流量特性的变化。
[0013]〔用于解决课题的手段〕
[0014]本发明的一个方案是电机驱动式的电动阀。该电动阀包括:阀体，具有从上游侧导入流体的导入口、向下游侧导出流体的导出口、以及使所述导入口和所述导出口连通的阀孔；阀芯，通过接触/分离于阀孔的开口端部所形成的阀座来开闭阀部；电机，包含用于沿阀部的开闭方向驱动阀芯的转子;轴，连动于转子地旋转，并具有向前端侧开口的内空部，以在该内空部部分插通的方式可沿轴线方向滑动地支承阀芯;弹簧，被配置在内空部，用于向使阀芯从轴的前端开口部突出的方向赋予势能;弹簧架，被配置于内空部，且被夹装在弹簧与阀芯之间，其一端侧承受弹簧，另一端侧与阀芯的端部抵接；以及动作变换机构，将转子的旋转运动变换成轴的轴线方向的平移运动。
[0015]阀芯与弹簧架彼此的抵接面分别被制成球面，且一者的抵接面被制成凸球面、另一者的抵接面被制成曲率半径比凸球面大的凹球面；阀芯的球面的中心位于阀芯的轴线上。
[0016]根据该方案，通过使阀芯和弹簧架彼此的抵接面分别为球面，能使两者的轴线不易偏离。此外，通过使阀芯和弹簧架的一者的抵接面为凸球面、使另一者的抵接面为曲率半径比它大的凹球面，能缓解球面形状彼此的构造上的拘束，使阀芯发挥适度的调心功能。其结果，能抑制阀座的摩耗导致的流量特性的变化。
[0017]〔发明效果〕
[0018]通过本发明，能抑制电机驱动式的电动阀中的流量特性的变化。
【附图说明】
[0019]图1是表不实施方式的电动阀的构成的一个剖视图。
[0020]图2是图1的A-A箭头方向剖视图。
[0021 ]图3是表示转子和工作杆的构成部件的分解立体图。
[0022]图4是表示阀芯和弹簧架的各结构的详细情况的图。
[0023]图5是表示控制阀的动作的剖视图。
[0024]图6是表示阀芯和弹簧架的支承构造的部分放大图。
[0025]图7是表示阀芯与弹簧架的抵接状态的说明图。
[0026]图8是表示凸球面与凹球面的半径比、最大接触应力、接触面半径之间的关系的图。
[0027]图9是表示实施方式的作用效果的图。
[0028]图1O是表示比较例中的阀芯的调心功能的示意图。
[0029]图11是表示球面接触的作用的图。
[0030]图12是表示变形例的电动阀的主要部分的图。
[0031 ]图13是表不另一变形例的电动阀的主要部分的图。
【具体实施方式】
[0032]以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。需要说明的是，在以下的说明中，为说明方便，有时以图示的状态为基准表述各构造的位置关系。
[0033]图1是表示实施方式的电动阀的构成的一个剖视图。图2是图1的A-A箭头方向剖视图。本实施方式的电动阀被具体化为适用于汽车用空调装置的制冷循环的电动膨胀阀。该制冷循环中设有对循环的冷媒进行压缩的压缩机、使压缩后的冷媒冷凝的冷凝器、使冷凝的液态冷媒节流膨胀而成为雾状的气液混合冷媒并送出的膨胀阀、以及使该雾状的冷媒蒸发而利用其蒸发潜热冷却车室内的空气的蒸发器等。在该制冷循环中循环的冷媒中含有润滑用的油(冷冻机油)，对循环路径中所配置的各机器的滑动部施以适度的润滑。需要说明的是，以下为说明方便，重点说明作为主要结构的膨胀阀的构造，并省略这以外的详细情况的说明。
[0034]如图1所示，电动阀I被构成为步进电机驱动式的电动膨胀阀，是将阀本体2和电机单元4组装而构成的。阀本体2具有收容阀部的阀体5。电机单元4被以密封阀体5的上端开口部的方式安装。阀体5是在棱柱状的第I阀体6的上半部组装阶梯圆筒状的第2阀体8而构成的。第I阀体6由铝合金构成，第2阀体8由铜合金构成。需要说明的是，在变形例中，也可以用不锈钢(以下记作“SUS” )构成第2阀体8。
[0035]在第I阀体6的一个侧面的上部设有用于从上游侧导入冷媒的导入口10，在相反侧面的下部设有用于向下游侧导出冷媒的导出口 12。在第I阀体6的中央形成有上下方向的连接通路14，其上游侧通路16连通于导入口 10，下游侧通路18连通于导出口 12。在第I阀体6的上半部形成有朝上方阶段性地扩径的阶梯圆孔状的安装孔20。连接通路14构成安装孔20的一部分。
[0036]另一方面，第2阀体8呈其外径和内径朝下方阶段性地缩径的阶梯圆筒状，具有与安装孔20互补形状的外形。第2阀体8被以从第I阀体6的上方嵌合于安装孔20的方式安装。在第I阀体6与第2阀体8之间，在连接通路14的位置夹装有密封用的O环22。
[0037]在第2阀体8的下端部设有阀孔24，在其上端开口部形成有阀座26。在第2阀体8的与导入口 10的相对面，设有连通内外的连通孔28。阀孔24介由该连通孔28与上游侧通路16连通。另外，在连通孔28的外侧设有使第2阀体8上下贯通的连通路30，使得能够将上游侧通路16的冷媒也导入到电机单元4侧。
[0038]在第2阀体8的内部，插通有从电机单元4的转子31同轴状地延伸出的工作杆32(主轴)。工作杆32在一端部(下端部)支承有针状的阀芯34。阀芯34通过从上游侧落座/脱离于阀座26来开闭阀部。
[0039]在第2阀体8的轴线方向中段压入了圆筒状的滑动轴承36，在其正上段压入了圆筒状的引导部件38(作为“圆筒部件”发挥功能)。在本实施方式中，作为滑动轴承36，采用了以筒状的金属网为芯材进行了补强的树脂轴承。滑动轴承36是采用聚四氟乙烯(以下记作“PTFE”)作为该树脂材料的无油轴承(具有自润滑性的轴承)。滑动轴承36通过施以尺寸精(sizing)加工而提高了内径的尺寸精度和与第2阀体8的同轴性。通过这样的作业，维持滑动轴承36的低摩擦和耐摩耗性，并提高了耐荷重性能。需要说明的是，在变形例中，也可以取代金属网而以钢板材作为芯材。
[0040]在引导部件38的内周面形成有雌螺纹部39(作为“雌螺纹部”发挥功能)。引导部件38是通过在由SUS制成的管材的内周面切削加工出雌螺纹部39而得到的。在本实施方式中，以推力大、耐摩耗性优异的梯形螺纹构成雌螺纹部39。在变形例中，也可以以三角螺纹构成雌螺纹部39。在引导部件38的轴线方向中央设有沿半径方向向外突出的法兰部40，该法兰部40的下面被卡定于第2阀体8的阶梯部，由此限制其压入量。更详细来说，引导部件38被相对于第2阀体8轻压入，并被紧固于第2阀体8的上端的小径的环螺钉42从上方压住而固定。需要说明的是，在变形例中，也可以仅通过向第2阀体8压入来固定引导部件38。
[0041]也如图2所示的那样，在第2阀体8的上面立设有齿条导轨44(作为“引导部件”发挥功能)。齿条导轨44的下半部为大径部46，上半部为小径部48，下端部被固定在第2阀体8的上面。更详细来说，使齿条导轨44的下端部外插嵌合于通过在第2阀体8的上面成型出环状的嵌合槽50而得到的浮雕(emboss)部52，并利用被紧固于第2阀体8的上端的大径的环螺钉54从上方按压来进行固定。浮雕部52作为与阀孔24同轴地形成的“嵌合部”来发挥功能。需要说明的是，在变形例中，也可以通过压入或铆接来将齿条导轨44固定于第2阀体8。
[0042]在本实施方式中，是通过车床的旋削加工成形出第2阀体8的，故阀孔24(阀座26)、滑动轴承36所被压入的阶梯部的嵌合孔、引导部件38所被压入的阶梯部的嵌合孔、以及浮雕部52是同轴的。因此，滑动轴承36、引导部件38和齿条导轨44相对于阀孔24(阀座26)的同轴度较高。滑动轴承36作为支承轴60的下端部的“支承部”来发挥功能。
[0043]如图1所示，工作杆32是组装轴60、蜗杆62和挡块64而构成的。轴60是通过对由SUS制成的棒状材料进行切削加工而得到的，其下半部被扩径而形成为圆筒状，并在其外周面形成有雄螺纹部66。在本实施方式中，以推力大、耐摩耗性优异的梯形螺纹构成雄螺纹部66。在变形例中，也可以以三角螺纹构成雄螺纹部66。该雄螺纹部66与引导部件38的雌螺纹部39螺合。雄螺纹部66和雌螺纹部39是使轴60相对于阀体5沿轴线方向相对变位的丝杠，构成后述的“螺纹机构” ο即，轴60的下半部作为“雄螺纹部”发挥功能。需要说明的是，在本实施方式中，对雄螺纹部66和雌螺纹部39施以DLC(类金刚石膜)处理而提高了其耐荷重性能。需要说明的是，在变形例中，也可以取代DLC处理而采用耐荷重性能、耐摩耗性、降低滑动阻抗优异的其它表面处理。或者，也可以采用析出硬化型的不锈钢。
[0044]在轴60的上半部外插有挡块64和蜗杆62。轴60的上半部的剖面被构成为非圆形，挡块64和蜗杆62也具有相同形状的插通孔。因此，防止了挡块64和蜗杆62被插通嵌合于轴60后它们相对变位的情况。挡块64被夹在轴60的下半部与蜗杆62之间。
[0045]在轴60的下半部设有朝下方(即轴60的前端侧)开口的内空部S。在内空部S，从上方起收容有弹簧63(作为“赋予势能部件”发挥功能)、弹簧架65、阀芯34。在轴60的下端开口部，圆筒状的衬套67(压入衬套)被同心状地压入，可滑动地从下方支承阀芯34。阀芯34由SUS制成，弹簧架65和衬套67由铜合金制成。衬套67作为“支承部”发挥功能。需要说明的是，轴60与衬套67成为一体，故也可以将两者一并广义地看作“轴”。衬套67的下端开口部构成该轴的“前端开口部”。
[0046]阀芯34贯通于衬套67，在其上端部具有沿半径方向向外突出的法兰部69。该法兰部69的下面被卡定于衬套67的上面，由此防止阀芯34向下方的脱落。弹簧架65将弹簧63向下方(闭阀方向)赋予的势能力传递给阀芯34。需要说明的是，阀芯34的上端被制成半球状的凸球面，弹簧架65的底面被制成凹球面，两者以各自的球面抵接。通过这样的构成，阀芯34与弹簧架65的轴线难以偏移，即使偏移了，也能得到两者间的调心作用。另外，阀芯34在未与阀座26接触的状态下是与衬套67和弹簧架65—体地旋转的，但在接触于阀座26的状态下，由于摩擦，旋转被限制。阀芯34的曲面形状抑制在这样的时候与弹簧架65之间的摩耗的发生。并且，通过阀芯34与弹簧架65的球面接触，阀芯34相对于阀孔24和阀座26的自动调心功能被适度发挥。关于其详细情况，将在后面说明。
[0047]齿条导轨44的小径部48的周向的I处沿半径方向向外凹状地凹陷，成为按预定宽度上下平直地延伸的引导部68。引导部68与蜗杆62的轴线平行地延伸，收容有小片状的齿条70。齿条70具有棱柱状的本体71。该本体71呈与引导部68互补形状的剖面长方形状，在其内面侧与蜗杆62啮合。齿条70随着蜗杆62的旋转而被引导部68引导着地沿上下方向平移。在本体71的上面突设有在齿条70处于上止点时被卡定的卡定部72，在下面突设有在齿条70处于下止点时被卡定的卡定部74。该齿条70的构成和动作的详细情况将在后面说明。
[0048]在作为齿条导轨44的大径部46与小径部48的分界的阶梯部，设有使内外连通的连通孔76。此外，在齿条导轨44的下端部的内周面，形成有用于使内外连通的连通槽77。该连通槽77构成连通路30的一部分。通过这样的构成，上游侧通路16的冷媒也被导入电机单元4侦U。另外，在轴60的轴线方向中间部，形成有使内外连通的连通孔150。连通孔150构成连通路30的一部分，使导入口 10与内空部S连通。从导入口 1导入连通路30的液态冷媒通过连通孔150、内空部S、阀芯34与衬套67的间隙后，被从衬套67的下端开口部导出。即，包含连通孔150的连通路30作为向内空部S导入液态冷媒的“冷媒导入通路”发挥功能。大径部46被空有小间隙地插通于转子31的下端部。该间隙被设定为能防止转子31的振摆回转的程度。
[0049]另一方面，电机单元4是作为含有转子31和定子线圈33的步进电机而构成的。电机单元4具有有底圆筒状的壳体35，是在该壳体35的内部配置转子31，并在外侧配置定子线圈33而构成的。壳体35是覆盖配置阀芯34及其驱动机构的空间、并内包转子31的筒状部件，划分出冷媒的压力进行作用的内部的压力空间和不进行作用的外部的非压力空间。
[0050]壳体35包括非磁性的圆筒状的本体80、封闭本体80的上端开口部的圆板状的端部件82、以及连设于本体80的下端的环状的连接部件84。连接部件84在其下端部形成有雄螺纹，也作为环螺钉发挥功能。在第I阀体6的上端部形成有能与该雄螺纹螺合的雌螺纹，通过将连接部件84螺合紧固于第I阀体6，能将电机单元4相对于阀体5固定。如图所示，连接部件84被以外插于第2阀体8的上半部的方式组装。在第I阀体6的上端部与连接部件84之间夹装密封用的O环86，防止从导入口 10导入的冷媒从壳体35与阀体5之间通过而向外部泄漏。需要说明的是，在变形例中，也可以通过压入、铆接、熔接等将壳体35(连接部件84)固定于第I阀体6。
[0051 ]定子线圈33收容励磁线圈88，被配设在壳体35的外周。定子线圈33被相对于阀体5固定。需要说明的是，定子线圈33对阀体5的连接可以通过例如螺固、熔接、钎焊、铆接等来实现。定子线圈33被配置在不受冷媒压力影响的大气中，故电动阀I只要以能耐受所适用的环境、例如汽车安装环境下的振动的强度固定就足够了，无需将壳体35耐压固定那样的固定强度。
[0052]转子31具有以轴60为轴线的圆筒状的转子芯90、和沿转子芯90的外周而设的磁体92 ο在转子芯90的内部形成有几乎遍及其全长的内部空间。在转子芯90的内周面，沿周向每隔45度地设有平行于轴线地延伸的引导部94。引导部94由平行于轴线地延伸的突条(肋)构成。
[0053]多个引导部94的上端部沿半径方向向内延伸，与圆筒轴96连接。该圆筒轴96被同轴地固定于工作杆32的上端部。该固定是通过使圆筒轴96嵌合于工作杆32的上端部、并紧固螺母98来进行的。在圆筒轴96的预定位置设有用于规定齿条70的上止点的挡块99。
[0054]通过以上这样的构成，转子31的旋转轴的工作杆32被齿条导轨44的小径部48和滑动轴承36两点支承。并且，齿条导轨44的大径部46与引导部94的间隙被设定得能防止转子31的振动。因此，S卩使将电动阀I安装于车辆，转子31也难以受到振动的影响，能绕轴线稳定地旋转。需要说明的是，工作杆32在蜗杆62的位置是被齿条导轨44轴支承的，但蜗杆62和齿条导轨44都是由自润滑性的树脂材料制成的，故两者间不会发生摩耗的问题。
[0055]随着转子31的旋转，齿条70上下平移。随着转子31朝一个方向的旋转，齿条70上升，在到达预先规定的上止点时，齿条70与挡块99彼此卡定，从而限制轴60的旋转。由此，轴60向下方(闭阀方向)的变位被限制。此时，轴60位于其下止点。另外，随着转子31向另一方向(相反方向)的旋转，齿条70下降，在到达预先规定的下止点时，齿条70和挡块64彼此卡定，从而限制轴60的旋转。此时，轴60位于其上止点。由此，轴60向上方(开阀方向)的变位被限制。即，在本实施方式中，挡块99作为“第I挡块”发挥功能，挡块64作为“第2挡块”发挥功能。并且，蜗杆62、齿条70、挡块64和挡块99作为用于限制轴60向一方向和另一方向的旋转量的“挡块机构”发挥功能。
[0056]接下来说明构成电动阀I的各部分的详细情况。
[0057]图3是表示转子31和工作杆32的构成部件的分解立体图。轴60具有从下方向上方阶段性地小径化的阶梯圆柱状的外形。在轴60的挨着雄螺纹部66的上段，设有具有非圆形剖面(所谓的D形加工构造)的嵌合部102。在雄螺纹部66的内部形成有内空部S，在成形嵌合部102的平坦面时，以内空部S的一部分露出的方式形成连通孔150。此时，如图示那样雄螺纹部66的上端部的一部分形成缺口。但该缺口部152被形成在雄螺纹部66的不与雌螺纹部39啮合的位置(参照图1、图2)。即，连通孔150被形成在轴60的雄螺纹部66与引导部件38的雌螺纹部39不相啮合的部分。在轴60的上端部形成有雄螺纹104。从轴60的下端开口部依次插入弹簧63、弹簧架65、阀芯34，并通过压入衬套67来将它们保持在轴60内。
[0058]工作杆32从该轴60的上方依次插通挡块64、蜗杆62来进行组装。挡块64和蜗杆62分别是通过将含有玻璃纤维的聚苯硫醚(以下记作“PPS”)等树脂材料(玻璃纤维强化树脂)射出成形而得到的，设有与嵌合部102互补形状的插通孔。因此，挡块64和蜗杆62在向轴60组装的同时被定位，并且被防止组装后的偏移。连通孔150以在挡块64与雄螺纹部66的间隙处开口的方式形成。
[0059]在组装电动阀I时，如图1所示，向第2阀体8依次组装滑动轴承36和引导部件38，并通过环螺钉42固定。从该状态起将如上述那样组装好的工作杆32螺合于引导部件38，同轴地组装。然后，在使齿条70啮合于蜗杆62的状态下从上方组装齿条导轨44。此时，一边定位齿条70使其收容在引导部68内，一边使齿条导轨44的下端部嵌合于浮雕部52，并通过环螺钉54固定于第2阀体8。从该状态起使转子芯90以外插于齿条导轨44的方式进行组装，并将螺母98紧固于从转子芯90突出的雄螺纹104，从而将转子31固定于工作杆32。需要说明的是，在变形例中，也可以通过基于挡圈或防松螺母(push nut)的接合来进行转子芯90与轴60的固定。
[0060]图4是表示阀芯34和弹簧架65的各构成的详细情况的图。图4的(A)?(C)表示阀芯34的构成。(A)是俯视图，(B)是主视图。(C)表示阀芯34被插通于轴60内时的状态。图4的(D)?(G)表示弹簧架65的构成。(D)是俯视图，(E)是(D)的C-C箭头方向剖视图，(F)是(D)的D-D箭头方向剖视图。(G)表示弹簧架65被插通于轴60内时的状态。
[0061 ]如图4的(A)和(B)所示，阀芯34呈针状，具有长条状的本体110、被设在本体110的前端侧的阀形成部112、以及在本体110的后端侧沿半径方向突出的法兰部69。阀芯34的凸球面SI被设在法兰部69的后端侧。如图1所示，本体110被衬套67可沿其内周面滑动地支承。阀形成部112具有剖面朝着前端逐渐缩小的锥形状。随着阀形成部112插入阀孔24，阀芯34落座于阀座26。法兰部69作为“卡定部”发挥功能，通过其下面被卡定于衬套67的上面，来防止阀芯34从轴60脱落。在阀芯34的法兰部69的周缘部等间隔地设有多个平坦面160(在本实施方式中为3个)。由此，如图4的(C)所示那样，形成轴60的内壁与各平坦面160的间隙，这些间隙构成连通路30的一部分。
[0062]另一方面，如图4的(D)?(F)所示，弹簧架65呈上半部缩径的阶梯圆柱状，其下面被制成能与凸球面SI抵接的凹球面S2。在弹簧架65的周缘部等间隔地设有多个平坦面162(在本实施方式中是4个)。由此，如图4的(G)所示那样，形成轴60的内壁与各平坦面162的间隙，这些间隙构成连通路30的一部分。弹簧架65被可沿轴60的内空部S的内周面在轴线方向上滑动地支承。
[0063]如上那样构成的电动阀I作为能根据电机单元4的驱动控制来调整其阀开度的步进电机动作式的控制阀来发挥功能。以下说明电动阀I的整体动作。图5是表示控制阀的动作的剖视图。已说明的图1表示了闭阀状态，图5表示了全开状态。
[0064]在电动阀I的流量控制中，车辆用冷暖气装置的未图示的控制部计算与设定开度相应的步进电机的驱动步数，并向励磁线圈88提供驱动电流(驱动脉冲)。由此，在转子31旋转时，轴60也随之旋转。此时，轴60通过与引导部件38间的螺纹机构(丝杠)沿上下方向、SP阀部的开闭方向平移，阀部的开度被调整为设定开度。即，该螺纹机构作为通过将转子31的绕轴线的旋转运动变换成轴60 (工作杆32)的轴线方向的平移运动(直线运动)来沿阀部的开闭方向驱动阀芯34的“动作变换机构”发挥功能。
[0065]此外，由于齿条70被沿引导部68驱动，阀芯34的动作范围被限制在图1所示的下止点与图5所示的上止点之间的范围内。即，通过从图1所示的闭阀状态起、转子31被沿一方向旋转驱动(正转)，阀芯34成为开阀状态。即，随转子31—起旋转的轴60通过螺纹机构而上升，衬套67以托起的方式使阀芯34向开阀方向变位。此时，相对于与轴60—体地上升的蜗杆62，齿条70向相反方向(即下方)平移。随着转子31向一方向旋转，阀部的开度变大，在齿条70到达下止点时，如图5所示那样，挡块64被卡定、进而转子31的旋转被卡定，阀芯34停止在全开位置。
[0066]另一方面，当转子31被向另一方向(相反方向)旋转驱动(逆转)时，阀部的开度变小。即，随着转子31逆旋转的轴60通过螺纹机构而下降，阀芯34被衬套67支承着地向闭阀方向变位。此时，弹簧63的赋予势能力介由弹簧架65而传递至阀芯34，故阀芯34与衬套67—体地稳定变位。此时，相对于与轴60—体地下降的蜗杆62，齿条70向相反方向(即上方)平移。由此，当齿条70到达上止点时，如图1所示那样，挡块99被卡定、进而转子31的旋转被卡定，阀芯34停止在闭阀位置。需要说明的是，阀芯34在落座于阀座26的同时，与衬套67的卡合状态被解除，故不会对阀芯34与阀座26之间作用绕轴线的较大旋转力。
[0067]这样，随着转子31的旋转，轴60和齿条70在轴线方向上向彼此相反的方向平移，齿条70被限定在转子31的内部空间内地变位。因此，能将电动阀I的内部机构整体的轴线方向的平移行程抑制得较小，能使电动阀I构成得紧凑。
[0068]转子31的转速是与作为控制指令值的驱动步数对应的，故未图示的控制部能将电动阀I控制在任意的开度。在本实施方式中，针对转子31的每I转，阀芯34行程0.5mm。
[0069]电动阀I被输入与基于蒸发器的出口温度等计算出的阀开度相应的指令信号。电动阀I基于该指令信号控制阀开度。从冷凝器侧介由导入口 10导入电动阀I的液态冷媒随着通过该阀部而被节流膨胀(隔热膨胀)，成为雾状的气液混合冷媒，并从导出口 12向蒸发器
B山寸出O
[0070]图6是表示阀芯34和弹簧架65的支承构造的部分放大图。本图表示相对于图1和图2所示的各剖面、绕轴线转了 45度的剖面。图7是表示阀芯34与弹簧架65的抵接状态的说明图。图7的(A)表示荷重作用于彼此的抵接面的状态。图7的(B)是图7的(A)的B部放大图。
[0071]如图6所示，阀芯34的本体110被衬套67可沿轴线方向滑动地支承。在本实施方式中，为确保阀芯34的顺滑滑动，本体110的外径dl与衬套67的内径d2的差被设定得满足
0.0lmm^d2-dl ^0.03mm的公差。此外，为确保阀芯34的稳定的滑动，使在衬套67中插通阀芯34的部分的轴线方向的长度L比阀芯34的本体110的直径大。具体来说，将在衬套67中支承本体110的部分的长度L设定为满足I SL/dl S 1.5的值。这是考虑到，若支承长度L小于上述范围，则阀芯34容易相对于轴60的轴线(阀孔24的轴线)倾斜，若大于上述范围，则难以进行满足上述公差的加工。
[0072]在本实施方式中，如图示那样，阀孔24的开口端被制成相对于轴线成直角的平坦面，阀芯34的锥状的阀形成部112相对于阀孔24插拔。阀座26原本是边沿状的，但在反复进行阀芯34的落座/脱离的初期阶段，会与阀形成部112的锥面相磨合地适度摩耗，通过该初期摩耗而稳定成微小的锥面。该阀座26的锥面是相对于轴线几乎对称的形状。在本实施方式中，为抑制该初期摩耗变成偏摩耗的情况，如上述那样使阀芯34和弹簧架65两者的抵接面为球面。在这样的构成中，选定各部件的形状和材质，使得阀芯34落座于阀座26时的阀芯34与阀座26的摩擦力比阀芯34与弹簧架65的摩擦力更大。
[0073]如图7的(A)所示，凸球面SI的中心01位于阀芯34的轴线LI上(参照单点划线)。另一方面，凹球面S2的中心02位于弹簧架65的轴线L2上(参照双点划线)。在图示的例子中，阀芯34与弹簧架65彼此的轴线是几乎一致的。在本实施方式中，使凹球面S2的曲率半径(以下也称作“球座半径R”)比凸球面SI的曲率半径(以下也称作“球半径r”)大。具体来说，以满足1.4r SRS4r的方式设定两球面的形状和大小。
[0074]其理由如下。即，在本实施方式中，为精细地控制阀芯34从阀座26的抬起量，使图6等所示的丝杠(雄螺纹部66、雌螺纹部39)的节距尽可能地小。但考虑到丝杠的齿型加工性精度、耐久性、强度等，该小节距化也是有限度的。因此，将该节距设定为0.5?0.6mm。进而考虑到导程角和螺纹的效率，使雄螺纹部66的外径为3.5?6.0mm程度。考虑到要在该雄螺纹部66的内部配置弹簧63、弹簧架65、阀芯34等，将轴60的内空部S的内径设定为2.5?4.5mm程度。并且，为使凸球面SI收容在该内径内而使其球半径r为ImmSr S 2mm。此外，将与该凸球面SI抵接的凹球面S2的球座半径R设定为满足1.4r S R S 4r。
[0075]另外，关于上述设定，还考虑到了与接触应力相关的赫兹理论。即，也如图7的(B)所示那样，认为阀芯34落座时，荷重F作用于阀芯34与弹簧架65之间，接触应力σ的应力分布出现在凸球面SI与凹球面S2的接触面CS。此时，接触面CS相对于轴线L1、L2是几乎垂直的，成为半径rc(也称“接触面半径rc”)的圆形状。接触应力σ在接触面CS的中心处成为最大接触应力omax，沿半径方向向外逐渐变小。
[0076]图8是表示凸球面SI与凹球面S2的半径比R/r同最大接触应力omax、接触面半径rc的关系(解析结果)的图。该图的横轴表示半径比R/r，纵轴分别表示最大接触应力omax、接触面半径rc ο图中的粗线表示最大接触应力_ax，细线表示接触面半径rc。该图中分别表示了凸球面SI的球半径r为1.0mm(细点线)、1.2mm(粗点线)、1.4mm(实线)、1.6mm(单点划线)、1.8mm(双点划线)、2.0mm(虚线)时的情况。在此，假定阀芯34和弹簧架65为同种金属，设它们的纵弹性系数K为195MPa、屈服应力osS320MPa进行了试算。
[0077]由该解析结果可知以下结论。即，球半径r与球座半径R的比、即半径比R/r越大，接触面半径rc就越小，最大接触应力omax就越大。但半径比R/r超过4时成为收敛趋势。需要说明的是，根据赫兹理论，当最大接触应力omax超过屈服应力Os的2倍时(omax>2os)，接触面CS在其全面上屈服，由于塑性形变和摩耗而形成永久的平面。考虑到初期摩耗导致的阀芯34与阀座26的磨合，优选0maxS2.40s(参照双点划线框)。另一方面，当半径比R/r接近I时，凸球面SI与凹球面S2的抵接状态成为接近嵌合的形状，成为阀芯34和弹簧架65容易被其抵接部的形状拘束的状态。其结果，可能无法得到阀芯34的自动调心功能。因此，在本实施方式中，将能既确保阀芯34的适度的调心功能，又能抑制阀芯34与弹簧架65的摩耗的范围定为上述设定范围(1.4rSRS4r:参照粗线箭头)。
[0078]图9是表示实施方式的作用效果的图。图9的(A)表示本实施方式的阀部的耐摩耗试验的结果。即，针对阀芯和弹簧架以彼此的球面抵接、且球面半径比R/r处于上述设定范围的构造，计测了使阀部反复开闭动作时的开阀位置。另一方面，图9的(B)表示比较例的阀部的耐摩耗试验的结果。该比较例是如专利文献I所示那样使阀芯侧的抵接面为平坦面、使弹簧架侧的抵接面为球面的例子。各图的横轴表示距原点的驱动脉冲数，纵轴表示阀部的开口面积。需要说明的是，这里的所谓“原点”，是表示轴60位于下止点、转子31的旋转停止的位置。
[0079]在该下止点附近，如图6所示那样，阀芯34的法兰部69从衬套67分离，阀芯34与轴60的动作连接被解除。即，在开阀时，是通过介由弹簧架65传递的弹簧63的赋予势能力来保持法兰部69抵接于衬套67的上端面的状态的，但在闭阀时，由于阀芯34从阀座26受到的反作用力，弹簧63被压缩，法兰部69从衬套67的上端面(后端面)分离。
[0080]由图9的(A)所示可知，根据本实施方式，即使使阀部进行10万次开闭动作，以原点为基准的闭阀位置(阀芯34完全落座于阀座26、开口面积成为零的位置)几乎没有变化。考虑这是由于通过如上述那样使阀芯34和弹簧架65进行球面接触，两者的轴不容易偏离，且能适度地发挥阀芯34的调心功能，抑制偏摩耗，阀座26稳定于微小的初期摩耗。需要说明的是，在原点位置和闭阀位置之间存在预定脉冲量的控制。这表示在阀芯34落座于阀座26后，至轴60到达下止点的期间(例如从落座时起经过1/3?I转的期间)，弹簧63被压缩且轴60会继续旋转。
[0081]与此不同，在比较例中，随着阀部反复开闭，闭阀位置接近原点。认为这是由于阀芯和弹簧架以球面和平坦面相抵接，故两者的轴容易偏离。即，由该轴偏对阀芯施加横向力，反复出现阀芯以偏心的状态落座于阀座的单端接触。此外，由于该轴偏，在落座后引起阀芯的旋进运动。认为由于这些主要原因，阀座产生偏摩耗，在每次落座时都会增进该偏摩耗。换言之，通过本实施方式能避免这样的事态，能抑制阀座的摩耗导致的流量特性的变化。
[0082]在此考察本实施方式和比较例中的落座机构。图10是表示比较例中的阀芯的调心功能的示意图。图10的(A)?(G)例示了从开阀状态向闭阀状态的移行过程中的阀芯动作。图11是表示球面接触的作用的图。图11的(A)和(B)表示阀芯与弹簧架以平面和球面接触的情况。图11的(C)表示阀芯与弹簧架彼此以球面接触的情况。各图的上方部分表示落座后的阀芯与弹簧架的动作，中间部分表示该阀芯与弹簧架的抵接部附近，下方部分表示从下方看弹簧架的抵接面的摩耗状态的样子。
[0083]如图10的(A)所示，设想在阀芯134与弹簧架165以平面和球面接触的构成中，两者的轴线偏离了。在图示的例子中，阀芯134的轴线LI与阀座26(阀孔24)的轴线L3偏离了，其结果，阀芯134的轴线LI和弹簧架165的轴线L2相偏离。在如图示那样阀芯134从阀孔24完全分离的状态下，阀芯134和弹簧架165—体地旋转。
[0084]从该状态起轴60下降时，如图1O的(B)所示，成为阀芯134相对于阀座26以偏离了轴线的状态进行接触的单端接触的状态，阀芯134以局部接触于阀座26的状态一边滑动一边旋转。轴60进一步下降时，如图1O的(C)所示，阀芯134受到来自阀座26的抵抗力而倾斜，并且阀芯134和弹簧架165开始滑动，阀芯134进行旋进运动。由此，在阀座26产生局部的摩耗(偏摩耗)。但如图10的(D)和(E)所示那样，随着阀芯134的锥面插入阀孔24，阀芯134自动地进行调心动作，使得与阀孔24轴线相一致。像这样，如图10的(F)所示，在阀芯134落座于阀座26时，成为阀芯134停止旋转、相对于弹簧架165完全滑动的状态。由于落座后轴60也要下降预定量，故如图10的(G)所示那样，阀芯134从衬套167分离。阀芯134在反复进行闭阀动作时，每次都会进行上述的旋进运动，从而会增进阀座26的偏摩耗，成为电动阀的流量特性发生变化的原因。
[0085]图11的(A)和(B)中表示了弹簧架167的抵接面为平面的另一比较例。在该比较例中，也容易发生上述的旋进运动。如图11的(A)所示，若能保持阀芯34和弹簧架167的轴线相一致的理想状态，则即使反复落座，也能将弹簧架167的摩耗面FS抑制得较小，能将接触面CS维持得较小。其结果，落座时弹簧架167的旋转力难以传至阀芯34，能抑制阀座26的偏摩耗。然而，实际上由于平面与球面之间不存在拘束力，是很难维持两者的轴线一致的。即，如图11的(B)所示那样，阀芯34和弹簧架167彼此的轴线容易偏离，容易发生阀芯34的旋进运动。因此，在反复进行落座的过程中，弹簧架167的摩耗面FS逐渐变大，从而接触面CS也变大。其结果，在落座后弹簧架167的旋转力也会较大地传至阀芯34，容易增进偏摩耗。
[0086]关于此点，在本实施方式中如图11的(C)所示那样使阀芯34和弹簧架65的抵接面都成为球面，故不易发生轴偏，即使反复落座，也能将弹簧架65的摩耗面FS维持得较小，能将接触面CS维持得较小。其结果，能抑制在落座后弹簧架65的旋转力传至阀芯34的情况，能抑制阀座26的偏摩耗。
[0087]以上说明了本发明的优选实施方式，但本发明并不限定于该特定的实施方式，当然可以在本发明的技术思想的范围内进行各种各样的变形。
[0088]图12是表示变形例的电动阀的主要部分的图。图12的(A)是表示阀芯和弹簧架的支承构造的部分放大图。图12的(B)是图12的(A)的C部放大图。在本变形例中，在阀孔224的开口端部设置锥面230，并将阀座26设定为其内周端。通过这样的构成，阀芯34侧的锥面与阀孔224侧的锥面230早期容易磨合，能抑制阀座26的偏摩耗。
[0089]图13是表示另一变形例的电动阀的主要部分的图。在本变形例中，与上述实施方式相反，对阀芯234设置凹球面S2，对弹簧架265设置凸球面SI。通过这样的构成，也能得到球面彼此的调心作用(轴偏抑制作用)，通过使两球面的半径比R/r处于上述设定范围内，能得到与上述实施方式同样的效果。
[0090]在上述实施方式中，表示了使上述电动阀的电机为步进电机的例子，但也可以采用DC电机等其它电机。
[0091]在上述实施方式中，将上述电动阀构成为小口径的膨胀阀，但也可以构成为不具有膨胀功能的控制阀。例如也可以构成为大口径的开闭阀或流量调整阀。
[0092]在上述实施方式中，表示了采用针状的阀芯34的例子，但作为阀芯，也可以采用这以外的形状。例如，可以在图4的(B)所示的本体110的前端部设置外径比该本体110还大的阀形成部。此时，可对阀形成部采用球状、圆柱状、锥状等各种各样的形状。通过加大阀形成部，能使阀部控制的流量更大。但在本体110的后端侧，要与上述实施方式或变形例一样地设置凸球面或凹球面。
[0093]在上述实施方式中，表示了阀孔24的内径比阀芯34 (阀形成部112)的外径小、阀芯34落座/脱离于阀座26的构成。在变形例中，也可以采用使阀孔的内径比阀芯(形成部)的外径大、阀芯不受到阀座的反作用力地插拔于阀孔的滑阀。即使是这样的电动阀，通过采用上述实施方式或变形例的球面抵接构造，也能提高阀芯的自动调心功能。
[0094]在上述实施方式中，表示了轴60与转子31同轴地设置的例子。在变形例中，也可以采用转子与轴彼此被设置在不同轴线上的构成。例如，可以采用两者的轴线平行的构成。并且，可以在转子轴与轴之间夹设齿轮机构。
[0095]上述实施方式的电动阀优选适用于采用替代制冷剂(HFC_134a)等作为冷媒的制冷循环，但也可以适用于采用二氧化碳那样工作压力高的冷媒的制冷循环。在该情况下，在制冷循环中取代冷凝器而设置气体冷却器等外部热交换器。
[0096]在上述实施方式中，表示了将上述电动阀适用于汽车用空调装置的制冷循环的例子，但并不限于车辆用，也可以适用于安装电动膨胀阀的空调装置。此外，还可以构成为控制冷媒以外的流体的流动的电动阀。
[0097]需要说明的是，本发明并不限定于上述实施方式和变形例，在不脱离发明思想的范围内可以使构成要素变形具体化。还可以通过将上述实施方式和变形例所公开的多个构成要素适当组合而形成各种发明。此外，也可以从上述实施方式和变形例所示的全部构成要素中删除几个构成要素。
[0098]〔标号说明〕
[0099]I电动阀、4电机单元、5阀体、10导入口、12导出口、24阀孔、26阀座、31转子、32工作杆、34阀芯、39雌螺纹、60轴、63弹簧、64挡块、65弹簧架、66雄螺纹、67衬套、69法兰部、70齿条、99挡块、110本体、112阀形成部、230锥面、234阀芯、265弹簧架、CS接触面、01中心、02中心、R球座半径、S内空部、SI凸球面、S2凹球面。
【主权项】
1.一种电动阀，其特征在于，包括: 阀体，具有从上游侧导入流体的导入口、向下游侧导出流体的导出口、以及使所述导入口和所述导出口连通的阀孔， 阀芯，通过接触/分离于所述阀孔的开口端部所形成的阀座来开闭阀部， 电机，包含用于沿所述阀部的开闭方向驱动所述阀芯的转子， 轴，连动于所述转子地旋转，并具有向前端侧开口的内空部，以在该内空部部分插通的方式可沿轴线方向滑动地支承所述阀芯， 弹簧，被配置在所述内空部，用于向使所述阀芯从所述轴的前端开口部突出的方向赋予势能， 弹簧架，被配置于所述内空部，且被夹装在所述弹簧与所述阀芯之间，其一端侧承受所述弹簧，另一端侧与所述阀芯的端部抵接，以及 动作变换机构，将所述转子的旋转运动变换成所述轴的轴线方向的平移运动； 其中，所述阀芯与所述弹簧架彼此的抵接面分别被制成球面，且一者的抵接面被制成凸球面、另一者的抵接面被制成曲率半径比所述凸球面大的凹球面； 所述阀芯的球面的中心位于所述阀芯的轴线上。2.如权利要求1所述的电动阀，其特征在于， 使得所述阀芯落座于所述阀座时的所述阀芯与所述阀座的摩擦力比所述阀芯与所述弹簧架的摩擦力大。3.如权利要求1或2所述的电动阀，其特征在于， 所述弹簧架被可沿所述轴的内周面在轴线方向上滑动地支承着。4.如权利要求1至3的任一项所述的电动阀，其特征在于， 所述阀芯包括被所述轴可滑动地支承的本体、被设置所述本体的前端侧而落座/脱离于所述阀座的阀形成部、以及在所述本体的后端侧沿半径方向突出的卡定部，所述阀芯的球面被设置在所述卡定部的后端侧； 所述轴包括支承部，该支承部使所述阀芯的本体可滑动地贯通，并通过以后端面沿轴线方向卡定所述卡定部，来防止所述阀芯脱落； 在开阀时，通过介由所述弹簧架传递来的所述弹簧的赋予势能力，保持所述卡定部抵接于所述支承部的后端面的状态； 在闭阀时，利用所述阀芯落座于所述阀座而产生的反作用力，介由所述弹簧架使所述弹簧压缩，所述卡定部从所述支承部的后端面分离。5.如权利要求4所述的电动阀，其特征在于， 所述阀芯的一端部具有剖面朝着其前端逐渐变小的形状，随着其前端部插入所述阀孔，所述阀芯落座于所述阀座。6.如权利要求4或5所述的电动阀，其特征在于， 在所述支承部插通所述阀芯的部分的轴线方向的长度比所述阀芯的本体的直径大。7.如权利要求1至6的任一项所述的电动阀，其特征在于， 所述动作变换机构具有螺纹机构，该螺纹机构包括一体地设于所述轴的雄螺纹部，和一体地设于所述阀体、与所述雄螺纹部啮合的雌螺纹部。
【文档编号】F16K1/36GK105889531SQ201610084078
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年2月6日
【发明人】高桥和司, 汤浅智宏, 大江勇人
【申请人】株式会社Tgk