JP2005147363A - 流量制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 ニードル弁のヒステリシスを防止して流量の制御を容易にすることが可能な流量制御弁を提供する。
【解決手段】 流量制御弁１０は、図示しない上流側配管と下流側配管との間に接続されて流体の通過量を調整するものであり、ケーシング２０に対して弁部材３０と弁座部材４０とを組付けてなるものである。この流量制御弁１０では、開弁動作と閉弁動作とのいずれの場合も、弁部材３０は押し上げばね６０から上方への付勢力が作用してクリアランスによって生ずる微小変位の発生が規制されているので、螺合部３１Ｂにおいて雄ねじの上側面と雌ねじの下側面とが常に当接した状態で弁部材３０の上下動が行われていて、回動部３１の回転位置と弁部材３０の高さ位置との間に差異が生じない。これにより、弁部材３０の上昇時と下降時との間に生ずるヒステリシスの抑制が可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流量制御弁に関する。

例えば特許文献１に示すように、弁体を上下動させて弁体の先端に設けられたニードル弁をケーシングの弁座に接離させることで、流量を調整する流量制御弁がある。このような流量制御弁では、ケーシング側にねじ孔（雌ねじ）が設けられると共に、弁体側には、ねじ孔に螺合可能な雄ねじが設けられた動略伝達機構が用いられている。そして、ケーシングに螺合させた弁体を回動させると、ねじ孔と雄ねじとのねじ送り作用により、弁体の上下動が行われるようになっている。
特開平８−２１５５６号公報（第１図）

このようなねじ送りを利用した流量制御弁は、ねじのピッチ間の隙間のため、ニードル弁をねじ送りする場合、行き（ねじ込み）と帰り（ねじ抜き）とで弁体の回動位置が同じであったとしても、ニードル弁の高さ位置がずれてしまう、いわゆるヒステリシスが生じてしまう。このため、流量の制御が困難になるという問題があった。
また、上記のようなねじ送り作用を利用しないものであっても、弁体を上下動させる動力伝達機構を備えたものでは寸法誤差等に起因して上下動の軸方向に沿ったクリアランス（いわゆる「遊び」）が保有されることで、上記のようなヒステリシスに起因する流量の制御が困難になる問題があった。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、ニードル弁のヒステリシスを防止して流量の制御を容易にすることが可能な流量制御弁を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明は、内部に流体の流路が形成されたケーシングと、前記流路の途中に形成された弁座と、この弁座に対し接近あるいは離間することにより前記流体の通過面積を調整可能なニードル弁を備えた弁部材と、この弁部材を軸方向に沿って往復動可能な駆動源とを備え、この駆動源から前記弁部材に対する動力伝達機構中に前記軸方向に沿ったクリアランスが保有されることで前記弁部材に前記クリアランス分に起因した微小変位が発生するものにおいて、前記弁部材に対し前記軸方向の一方向に作用して前記クリアランスを解消させる付勢手段が設けられているところに特徴を有する。

請求項２の発明は、請求項１に記載のものにおいて、前記動力伝達機構は、前記ケーシングに前記軸方向に沿って形成されたねじ孔と前記ねじ孔に対し前記クリアランスを保有しつつねじ込まれ前記駆動源によってねじ孔内を螺進あるいは螺退可能な移動体とからなるとともに、前記弁部材はこの移動体とは前記軸方向に沿って連動可能であるところに特徴を有する。

請求項３の発明は、請求項２に記載のものにおいて、前記ケーシングの内部には前記流路に連通し前記軸方向に沿った装着孔が形成される一方、前記弁部材には同弁部材の軸方向の移動を許容しつつ前記装着孔内を前記ニードル弁を収容する弁収容室と前記移動体側を収容する機構室とに区画するシール手段が備えられているところに特徴を有する。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のものにおいて、前記弁座は前記ケーシングと別体に設けられると共に、前記ケーシングに対して前記弁部材の軸方向に移動可能に組みつけられるところに特徴を有する。

請求項５の発明は、請求項４にきさいのものにおいて、前記弁座は前記ケーシングに設けられたねじ孔との螺合動作によって前記弁部材の軸方向に移動可能となるところに特徴を有する。

＜請求項１の発明＞
弁部材のクリアランスを解消させる付勢手段が設けられているので、弁部材の行きと帰りとニードル弁の位置がずれてしまう、いわゆるヒステリシスが生ずることを防止して、流量の制御を容易にすることが可能となる。

＜請求項２の発明＞
ケーシングに設けられたねじ孔内を螺進あるいは螺退可能な移動体と連動可能である弁部材をそなえたものにおいて、ねじ孔と移動体との間のクリアランスを解消しながら弁部材の移動ができるので、ヒステリシスを解消して流量の制御が容易に可能となる。

＜請求項３の発明＞
移動体を収容する機構室とニードル弁を収容する弁収容室との間のシールが可能となる。

＜請求項４の発明＞
ケーシングに対して別体の弁座が弁部材の軸方向に移動可能に組付けられるので、弁部材と弁座との位置の調整が容易にできる。

＜請求項５の発明＞
弁座と弁部材との位置の調整が、弁座をケーシングのねじ孔へのねじ込み動作で可能となるので、調整が容易となる。

本発明の一実施形態を図１ないし図７によって説明する。
本実施形態の流量制御弁１０は、図示しない上流側配管と下流側配管との間に接続されて流体の通過量を調整するものであり、ケーシング２０に対して弁部材３０と弁座部材４０とを組付けてなるものである。

ケーシング２０は弁部材装着孔２１と弁座部材装着孔２２とが上下方向に貫通形成されると共に、ケーシング２０の側面から穿孔されて弁部材装着孔２１に通じる上流側配管接続孔２３とケーシング２０の側面において前記上流側配管接続孔２３とは反対側から穿孔されて弁座部材装着孔２２に通じる下流側配管接続孔２４とが形成されている。
また、弁部材装着孔２１は、後述のナット部材２５が嵌入される機構室２１Ａとニードル部３５が嵌入される弁収容室２１Ｂとからなっている。

弁部材３０は駆動装置Ｍによって回動及び軸方向（図１の上下方向）に沿って移動可能となる回動部３１と、回動部３１からは軸方向に沿った押圧力のみを受ける受部３２と、受部３２からの押圧を受けてケーシング２０に組み付けられた弁座部材４０の開閉量の調整を行うニードル部３５とから構成される。

回動部３１は、全体略円柱状で、上半部がその外周面にセレーションが設けられた嵌合部３１Ａをなす一方、駆動装置Ｍの駆動軸Ｓも、内周面に嵌合部３１Ａのセレーション形状に合わせた溝が上下方向に亘って形成された略円筒形状をなしていて、これらがかみ合わされることにより回動部３１は、駆動軸Ｓと一体回転可能でかつ上下方向に移動可能となっている。
また、回動部３１の下半部がその外周面に雄ねじが螺設された螺合部３１Ｂをなす構成であり、螺合部３１Ｂはケーシング２０に固定されるナット部材２５に螺合されるようになっている。ナット部材２５は、内周に螺合部３１Ｂの雄ねじと螺合可能なねじ孔（雌ねじ）が形成された略筒状をなしていると共に、水平断目がＤ字形状に形成されてケーシング２０の機構室２１Ａ内に回転不能に固定されている。従って、回動部３１が回転すると螺合部３１Ｂはナット部材２５のねじ溝に沿って上下方向に螺旋移動されることで、回動部３１全体が上下動されるようになっている。
ところで、螺合部３１Ｂ及びナット部材２５にもうけた雄ねじ及び雌ねじはリード角を大きくした多条ねじとすることで、螺合部３１Ｂの軸方向の荷重を受けるとその荷重方向に沿って容易に螺進或いは螺退可能となっている。本実施形態では、リード角が１５度に設定されていると共に、後述の押し上げばね６０からの付勢力によって螺合部３１Ｂは上方への螺退動作が可能となっている。
その一方、駆動装置Ｍはブレーキ機構を備えたモータ（例えばギヤードモータ）が用いられており、駆動装置Ｍを停止させると駆動軸Ｓは回転不能に保持される。そして、回動部３１は嵌合部３１Ａがこの駆動軸Ｓと嵌合されて、駆動軸Ｓが回転しない限り嵌合部３１Ａの回転が規制されるようになっており、すなわち回動部３１は駆動装置Ｍによって回り止めされるようになっている。
尚、回動部３１を螺合したナット部材２５は、ケーシング２０の弁部材装着孔２１に挿入されてからビス止めされた蓋板２６によって抜止がされるようになっている（図１参照）。

受部３２は全体略円柱状をなすと共に、上端面中央部には、円形断面の凹部３４Ａが設けられ、ここには金属製のボール３３が収容されている。尚、凹部３４Ａの開口端には、ボールを収容する前には円筒状に押え壁３４Ｂが形成されていて、ボール３３が収容された後に、この押え壁３４Ｂがかしめられることにより、ボール３３は遊転が可能な状態で抜止がなされている。従って、受部３２は回転しながら下降する回動部３１から押圧されると、ボール３３が回転することにより回動部３１からは押圧力のみを受けるため、受部３２は回転せずにケーシング２０の下方へ移動するようになっている。

受部３２は、ニードル部３５（詳細後述）のニードル保持部３６との間にシール手段（ベロフラム５０）を挟み込んでいる。
ベロフラム５０は、外周縁部が肉厚となってナット部材２５の下端とケーシング２０との間で圧縮状態で挟み付けられている。また、この肉厚部分より内周側は薄膜状となっており、機構室２１Ａと弁収容室２１Ｂとを水密状態で区画することができる。さらに、この薄膜部分は受部３２の外周部に十分な弛みが保有されていて、受部３２の上下動に追従した変位が許容されるようになっている。
一方、ニードル保持部３６の上端面には上面凹部３６Ａが凹設されていて、ベロフラム５０と共に受部３２の下端部が嵌め込まれている。
そして、ニードル保持部３６は、その下端側に配された後述する押し上げばね（付勢手段）６０の付勢力によって、ベロフラム５０及び受部３２と分離しないよう、一体的な関係（連動可能な関係）が保たれるようになっている。

ニードル部３５は、ニードル保持部３６内にニードル弁３７を組付けて構成される。
ニードル保持部３６は上部側を閉じた円筒形状をなし、内部が下方へ向けて開口する収容部３６Ｂとなっていて、収容部３６Ｂはその内部にニードル弁３７を収容可能となっている。
ニードル弁３７は、先端部に針状の弁部３７Ａが形成され、弁部３７Ａの上方には中央やや上方にフランジ３７Ｃを備えた円柱状部３７Ｂが連なる形状となっている。ニードル保持部３６内には衝撃吸収用即ちニードル弁３７が弁座４１Ａに突き当てられたときの衝撃を吸収するためのニードルバネ３８が収容されている。ニードルバネ３８はフランジ３７Ｃとニードル保持部３６の奥壁との間に介在されていて、ニードル弁３７を下方へ付勢している。
尚、ニードル保持部３６はニードル弁３７を収容後、中央にニードル弁３７の挿通孔３９Ａが穿設された抑板３９でもって閉じられ、ニードル弁３７の抜止がなされるようになっている。具体的には、抑板３９はニードル保持部の下端面から下方に延出形成された円筒状の先端縁をかしめ付けることによって固着されるようになっている。

また、ニードル保持部３６の断面形状は、図５に示すように四隅が面取りされた形状となっていると共に、ケーシング２０の弁収容室２１Ｂのうちニードル部３５が収容される箇所の断面形状は図５の左右両面をニードル保持部３６の面取り形状に合わせて内周側に突出させた平面部分が設けられているので、ニードル保持部３６はケーシング２０内で回転不能でかつ上下動のみ許容された状態で収容される。

弁座部材４０はケーシング２０への取付のための支持部４２とその上部側に連設された円筒部４１とからなっている。
支持部４２は弁座部材装着孔２２に対しシール用のＯリング４６を介して挿入されると共に、下端部に形成されたねじ部にロックナット４５を締め込むことによって弁座部材４０全体の固定がなされている。
また、円筒部４１の上端から軸心に沿って支持部４２に至るまでの所定深さ範囲に亘り、軸孔４１Ｍが穿孔されている。さらに、円筒部４１は支持部４２より小径に形成されていて、支持部４２との境界部周りには下流側配管接続孔２４に連通する下部連通空間２４Ａが環状に形成されている。これによって円筒部４１において等間隔毎に貫通して形成された４つの挿通孔部４４を介して、下部連通空間２４Ａと軸孔４１Ｍとがそれぞれ連通される。
また、円筒部４１において挿通孔部４４より上部側には案内管部４３が形成されている。ケーシング２０における案内管部４３の外周には上流側配管接続孔２３に連通する上部連通空間２３Ａが環状に設けられており、これによって、案内管部４３において等間隔毎に貫通して形成された４つの貫孔４３Ａを介して上部連結孔空間２３Ａとが連通している。

ところで、軸孔４１Ｍの上端からはニードル弁３７が同心で挿入されている。そして、案内管部４３はニードル弁３７の円柱状部３７Ｂがほぼ隙間なく挿入可能に形成され、このことによって、ニードル弁３７の昇降動作がガイドされるようになっている。
また、軸孔４１Ｍは貫孔４３Ａの下端部側に設けられた環状の段差面４１Ａによって径が大小変化している。ここには、ニードル弁３７の弁部３７Ａが挿入されるようになっており、ニードル弁３７の昇降動作がなされると、弁部３７Ａと段差面４６との間の環状の隙間の面積が変化する。即ち、上記した段差面４１Ａがニードル弁３７の弁座４１Ａを構成することになり、ニードル弁３７の昇降により、弁部３７Ａは弁座４１Ａの円周面と密着する状態と径方向内側へ所定間隔だけ離れた状態との間を変位して流体流量を制御する。

ここで、前述したように、螺合部３１Ｂとナット部材２５とはねじによる嵌め合いがなされている。
具体的には螺合部３１Ｂの外周面に雄ねじが形成され、ナット部材２５の内周面に雌ねじが形成されているが、厳密には雄ねじと雌ねじとの間には軸方向（上下方向）にクリアランスが保有されている。一方螺合部３１Ｂには、ニードル保持部３６、ベロフラム５０、受部３２及びボール３３を介して押し上げばね６０の付勢力が作用している。
このため、螺合部３１Ｂは常に上方へ押し上げられた状態に付勢されていることから、上記した雌雄のねじ間では下側にクリアランス（図７中符号Ｃにて示す箇所）を保有し、上側が密着した状態に常に保持される（図７参照）。また、螺合部３１Ｂのねじ込み方向（図７中矢印Ｐにて示す方向）に関してみれば、雄ねじのねじ込み方向の前面側が当接した状態となり、ねじ込み方向後面側にクリアランスを保有することとなる。さらに、螺合部３１Ｂに上方への付勢力が作用すると螺合部３１Ｂは上方への螺退動作を行うようになっているが、回動部３１の嵌合部３１Ａは駆動装置Ｍの駆動軸Ｓによって回り止めされていて、嵌合部３１Ａのセレーションは、図８に示すように駆動軸Ｓの図示Ｑの方向（螺合部３１Ｂを螺進動作させるための回転方向）側の面が当接した状態に常に保持される。従って、駆動装置Ｍの正逆転による螺合部３１Ｂの螺進・螺退のいずれの動作時においても、雌雄ねじ同士上下の位置関係は常に一定となる。
このことが、ひいては、駆動装置Ｍの正逆転に伴なってニードル弁３７の昇降動作にヒステリシスを生じさせない結果を生む。

続いて、本実施形態の流量制御弁１０の動作について説明する。
図１に示す状態から駆動装置Ｍの駆動軸Ｓを正転させると、回動部３０が駆動軸Ｓと共に正転し螺合部３１Ｂの螺進動作によって回動部３０が下方へ移動する。すると、回動部３０の下方への押圧力がボール３３、受部３２、ベロフラム５０及びニードル部３５へ伝達することで弁部材３０全体が下降する。そして、ニードル弁３７の弁部３７Ａが弁座へ当接するまで、弁部材を下降させる（図４参照）。このとき、弁部材３０が最下端の位置にあって、ニードル弁３７の弁部３７Ａが円筒部４１の弁座４１Ａに当接した状態では、上流側から下流側への流体の通過は不能となっており、この状態が「閉弁状態」である。尚、本実施形態の流量制御弁１０では、ニードル弁３７が円筒部４１に当接した状態でも、ニードルバネ３８の弾性により上方への移動が可能であるので、ニードル弁３７の弁部３７Ａが円筒部４１の弁座４１Ａに当接して機械的にロックしてしまう、いわゆるメカニカルロックの回避が可能となっている。
一方、閉弁状態から駆動装置Ｍの駆動軸Ｓを逆転させると、回動部３１が駆動軸Ｓと共に逆転し螺合部３１Ｂの螺退動作によって回動部３０が上方へ移動する。すると、押し上げばね６０が上方への付勢力をニードル部３５に作用させ、ニードル部３５と受部３１との間でベロフラム５０を挟み込んだ状態を保持したまま弁部材３０は一体となって上昇する。弁部材３０が上昇すると、ニードル弁３７の弁部３７Ａと弁座４１Ａとの間に隙間が生じて流体が上流側から下流側へ通過可能となる（このときの状態を「開弁状態」という）。

ここで、本実施形態の流量制御弁１０では、弁部材３０が上昇又は下降のいずれの場合にも、弁部材３０には押し上げばね６０から上方への付勢力が作用しているので、図７に示すように、螺合部３１Ｂとナット部材２５との螺合において、雄ねじの上側面（ねじ込み方向に関する前面）と雌ねじの下側面とが常に当接した状態で螺進又は螺退動作が行われ、雄ねじと雌ねじとの間では軸方向下側（ねじ込み方向に関する後面側）にのみクリアランスを保有した状態となり、軸方向上側（及びねじ込み方向に関する前面側）にはクリアランスがほぼない状態となっている。さらに、押し上げばね６０から上方への付勢力が作用した螺合部３１Ｂは上方への螺退動作を行うようになっているが、駆動装置Ｍが回り止めとなっているので、駆動装置Ｍの駆動軸Ｓと回動部３１の嵌合部３１Ａとのセレーションの回動方向に関する嵌合面にも図８に示すようにクリアランスがほぼない状態となる。
これにより、駆動装置Ｍの正転時、逆転時のいずれの場合においても、回動部３１の高さ位置に差異が生じないことになり、即ち、このことが駆動装置Ｍの正逆転とニードル弁３７の高さ位置が変化しないことを意味する。従って、弁部材３０の上昇時と下降時との間に生ずるヒステリシスの抑制が可能となる。

さらに、本実施形態では、弁座部材４０がケーシング２０の弁座部材装着孔２２に対して螺合された構成となっており、弁座部材４０が弁座部材装着孔２２内において、螺進或いは螺退させることで、弁座部材４０が軸方向に沿って上下動可能となっている。これにより、弁座部材４０の高さ位置の調整ができ、弁部３７Ａと弁座４１Ａとの当接具合の微調整が可能となっている。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記実施形態では、押し上げばね６０にコイルバネを用いたが、これに限らず、板バネやゴム等のような弾性を備えたものであればよい。
（２）上記実施形態ではシール部５０にベロフラム５０を用いた構成であったが、ゴムリングを用いたシール部５０であってもよい。
（３）上記実施形態では、ケーシング２０とは別体のナット部材２５を用いたが、ナット部材２５をケーシング２０と一体に形成したものであってもよい。
（４）上記実施形態では、弁座部材４０をケーシング２０と別体に設けたものであったが、弁座部材４０をケーシング２０に一体に形成したものであってもよい。
（５）上記実施形態では、螺合部３１Ｂの雄ねじとナット部材２５の雌ねじとのリード角が１５度に設定されていたが、これに限らず、螺合部３１Ｂに軸方向の荷重が作用た場合に荷重方向に沿って螺進或いは螺退可能なリード角であればよく、例えば、リード角が１５度以上のものであってもよい。

流量制御弁の断面図 流量制御弁の構成部品の断面図 流量制御弁の構成部品の断面図 流量制御弁の閉弁状態の断面図 図１のＸ−Ｘ’の断面図 弁座部材の部破断側面図 雄ねじと雌ねじの螺合状態を示す斜視図 駆動装置の駆動軸と回動部の嵌合部との嵌合状態を示す断面図

符号の説明

１０…流量制御弁
２０…ケーシング
２１…弁部材装着孔（装着孔）
２１Ａ…機構室
２１Ｂ…弁収容室
２２…弁座部材装着孔（弁座装着孔）
２５…ナット部材（動力伝達機構）
３０…弁部材
３１…回動部（移動体）
３７…ニードル弁
４０…弁座部材
４１Ａ…弁座
５０…ベロフラム（シール手段）
６０…押し上げばね（付勢手段）
Ｍ…駆動装置（駆動源）

Claims (5)

1. 内部に流体の流路が形成されたケーシングと、前記流路の途中に形成された弁座と、この弁座に対し接近あるいは離間することにより前記流体の通過面積を調整可能なニードル弁を備えた弁部材と、この弁部材を軸方向に沿って往復動可能な駆動源とを備え、この駆動源から前記弁部材に対する動力伝達機構中に前記軸方向に沿ったクリアランスが保有されることで前記弁部材に前記クリアランス分に起因した微小変位が発生するものにおいて、
   前記弁部材に対し前記軸方向の一方向に作用して前記クリアランスを解消させる付勢手段が設けられていることを特徴とする流量制御弁。
2. 前記動力伝達機構は、前記ケーシングに前記軸方向に沿って形成されたねじ孔と前記ねじ孔に対し前記クリアランスを保有しつつねじ込まれ前記駆動源によってねじ孔内を螺進あるいは螺退可能な移動体とからなるとともに、前記弁部材はこの移動体とは前記軸方向に沿って連動可能であることを特徴とする請求項１記載の流量制御弁。
3. 前記ケーシングの内部には前記流路に連通し前記軸方向に沿った装着孔が形成される一方、前記弁部材には同弁部材の軸方向の移動を許容しつつ前記装着孔内を前記ニードル弁を収容する弁収容室と前記移動体側を収容する機構室とに区画するシール手段が備えられていることを特徴とする請求項２記載の流量制御弁。
4. 前記弁座は前記ケーシングと別体に設けられると共に、前記ケーシングに対して前記弁部材の軸方向に移動可能に組みつけられることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の流量制御弁。
5. 前記弁座は前記ケーシングに設けられて軸方向に沿ってねじ孔が螺設された弁座装着孔との螺合動作によって前記弁部材の軸方向に移動可能となることを特徴とする請求項４に記載の流量制御弁。

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