JP2006057739A - 制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 流体が流れる向きに依らず、安定して流体の流量を制御することが可能な制御弁を提供する。
【解決手段】 本発明の制御弁１０によれば、弁体５１が直動することで、それらオリフィス２１，２１の開放部面積が変更され、流体の流量が制御される。ここで、１対のオリフィス２１，２１は、弁室２３の内側面における対向位置に配置されているので、流体が何れの方向に流れても流体抵抗は変わらず、安定して流体の流量を制御することが可能になる。また、弁体５１がオリフィス２１を閉じた状態では、弁体５１にはその直動方向と直交する方向に流体圧力がかかるので、弁体５１を直動させるための駆動力を従来より低減することができ、制御弁１０の小型・軽量化が図られる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、管路に流れる流体の流量を制御する制御弁に関する。

従来の制御弁として、図９に示したニードル式の制御弁が知られている。この制御弁では、弁可動室３Ａを備えたボディ３の側部４と底部５とに管路１，２がそれぞれ連結され、弁可動室３Ａを通してそれら管路１，２が連通可能となっている。また、弁口６は、底部５側の管路２と弁可動室３Ａとの間に設けられている。さらに、ニードル弁７は、ボディ３内の支持部材７Ａにスライド可能に保持されかつコイルバネ７Ｂにより弁口６側に付勢されている。そして、モーターを駆動源にして支持部材７Ａを直動させてニードル弁７を弁口６に接離することで、弁口６が開閉される（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−３１７９２２号公報（段落［０００９］〜［００１１］、第１図）

しかしながら、上記した従来の制御弁は、流体が流れる方向により、ニードル弁７から受ける流体抵抗が異なり、流体の正逆両方向を同じように制御することが困難であった。また、弁口６からニードル弁７に向かう流体圧力に抗してニードル弁７を駆動させるためには、モーター容量を大きくする必要が生じる。さらに、ニードル弁７にて弁口６を閉じた状態に保持するためには、コイルバネ７Ｂのバネ剛性を高くする必要がある一方、コイルバネ７Ｂのバネ剛性を高くすると、ニードル弁７と弁口６の縁部との当接による衝撃を吸収することが困難になる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、流体が流れる向きに依らず、安定して流体の流量を制御することが可能な制御弁の提供を目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１の発明に係る制御弁（１０）は、流路（１１Ａ）の途中に連結され、その流路（１１Ａ）に流れる流体の流量を制御する制御弁（１０）であって、弁体（５１）と、弁体（５１）を直動可能に収容した弁室（２３）を有するボディ（３６）と、ボディ（３６）のうち弁室（２３）の内側面に開口しかつ略対向する位置に対をなして形成された１対のオリフィス（２１）と、ボディ（３６）に形成され、各オリフィス（２１）を介して弁室（２３）に連通しかつ、流路（１１Ａ）が連結される１対の流路連結部（１３Ａ）と、弁室（２３）におけるオリフィス（２１）の開口部分を横切るように弁体（５１）を直動させる弁体駆動部（１２）とを備えたところに特徴を有する。

請求項２の発明は、請求項１に記載の制御弁（１０）において、弁体駆動部（１２）としてのモーター（１２）と、モーター（１２）の一部を構成し、ボディ（３６）の外側に嵌合されたステーター（１２Ｓ）と、モーター（１２）の一部を構成し、ボディ（３６）の内側に回転可能に収容され、ステーター（１２Ｓ）との間の磁力により回転するローター（１２Ｒ）と、ローター（１２Ｒ）の中心部に設けられて、先端部に弁体（５１）を保持した弁体保持軸（５０）と、弁体保持軸（５０）が挿入された軸挿入孔（２５）を有する軸挿通部（１３）と、軸挿入孔（２５）の内面と弁体保持軸（５０）の外面とに形成されて互いに螺合する推進用螺子部（２５Ｂ，５０Ｂ）とを備えたところに特徴を有する。

請求項３の発明は、請求項２に記載の制御弁（１０）において、軸挿入孔（２５）の内面と弁体保持軸（５０）の外面とに形成されて互いに摺動可能に嵌合し、かつ、推進用螺子部（２５Ｂ，５０Ｂ）を軸方向で挟んだ両側に配置された１対の摺動嵌合部（２５Ａ，２５Ｃ，５０Ａ，５０Ｃ）を備えたところに特徴を有する。

請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の制御弁（１０）において、弁体（５１）の端部に、弁体（５１）から離れるに従って先細りになったテーパー部（５０Ｅ）を設けたところに特徴を有する。

請求項５の発明は、請求項１乃至４の何れかに記載の制御弁（１０）において、弁体（５１）は、両端が開放した筒形をなしかつ弁体保持軸（５０）の先端部に挿通した状態に保持されたところに特徴を有する。

請求項６の発明は、請求項５に記載の制御弁（１０）において、弁体保持軸（５０）に形成されて、弁体（５１）が直動可能に挿通された弁体挿通部（５０Ｄ）と、弁体挿通部（５０Ｄ）に弁体（５１）と共に嵌合され、弁体（５１）を弁体挿通部（５０Ｄ）の先端側に付勢する圧縮コイルバネ（５２）と、弁体保持軸（５０）の先端側に配置され、弁体（５１）が突き当てられる弁体係止部（５０Ｅ）とを備えたところに特徴を有する。

［請求項１の発明］
請求項１の制御弁（１０）では、弁体（５１）が１対のオリフィス（２１）の開口部分を横切るように直動することで、弁室（２３）におけるオリフィス（２１）の開放した部分の面積が変更され、流体の流量が制御される。ここで、１対のオリフィス（２１）は、弁室（２３）の内側面における対向位置に配置されているので、一方から他方のオリフィス（２１）に流体が流れる場合と、その逆方向に流体が流れる場合とで流体抵抗は変わらない。従って、本発明によれば、流体が流れる向きに依らず、安定して流体の流量を制御することが可能になる。また、弁体（５１）がオリフィス（２１）を閉じた状態では、弁体（５１）にはその直動方向と直交する方向に流体圧力がかかるので、弁体（５１）を直動させるための駆動力を従来より低減することができ、制御弁（１０）の小型・軽量化が図られる。

［請求項２の発明］
請求項２の制御弁（１０）では、ローター（１２Ｒ）と共に弁体保持軸（５０）が回転すると、推進用螺子部（２５Ｂ，５０Ｂ）の螺合位置が変化して弁体保持軸（５０）が直動し、弁体保持軸（５０）の直動に伴って弁体（５１）が直動する。

［請求項３の発明］
請求項３の制御弁（１０）では、１対の摺動嵌合部（２５Ａ，２５Ｃ，５０Ａ，５０Ｃ）が推進用螺子部（２５Ｂ，５０Ｂ）を挟んだ２箇所で弁体保持軸（５０）を支持しているので、弁体保持軸（５０）の軸心の振れを確実に規制することができる。これにより、推進用螺子部（２５Ｂ，５０Ｂ）の螺合動作がスムーズになり、弁体（５１）が安定して直動する。

［請求項４の発明］
請求項４の制御弁（１０）では、弁体（５１）の端部がテーパー形状になっているので、弁体（５１）の端部に沿って流体が横切って流れる際に、その流体がスムーズに流れ、渦流及び乱流の発生を規制することができる。

［請求項５の発明］
請求項５の制御弁（１０）では、弁体（５１）は筒状をなしかつ弁体保持軸（５０）に挿通されているので、弁体保持軸（５０）と弁室（２３）との間で軸芯がずれていても、弁体（５１）を弁室（２３）の内面に摺接させ、弁体（５１）と弁室（２３）の軸芯を一致させることができる。

［請求項６の発明］
請求項６の制御弁（１０）では、弁体（５１）を直動させてオリフィス（２１）を閉じていく動作の途中で、オリフィス（２１）の開口縁と弁体（５１）との間に異物が挟まった場合、圧縮コイルバネ（５２）を押し縮めるようにして弁体（５１）が弁体保持軸（５０）に対して相対的に後退する。これにより、異物がオリフィス（２１）の開口縁と弁体（５１）との間に食い込んで弁体（５１）が動かなくなるような事態を防ぐことができる。また、弁体（５１）がオリフィス（２１）を閉じた状態では、その弁体（５１）に対しては、その軸方向と直交する方向から流体圧力がかかるので、従来のもののように、流体圧力により圧縮コイルバネ（５２）が縮められるような事態は生じない。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図８に基づいて説明する。本実施形態の制御弁１０は、本発明に係る「弁体駆動部」としてステッピングモーター１２を備えている。このステッピングモーター１２は、ローター１２Ｒとステーター１２Ｓとから構成されている。ローター１２Ｒは、上端有底円筒状の永久磁石１２Ｍと、永久磁石１２Ｍの上端壁に貫通固定された弁体保持軸５０とからなる。一方、ステーター１２Ｓは、環状構造のケース１２Ｃ内に複数の電磁コイル１２Ａを備えている。そして、ローター１２Ｒが、一端有底円筒形の円筒ボディ１４の内側に回転可能に収容される一方、その円筒ボディ１４の外側にステーター１２Ｓが嵌合固定されている。なお、ステーター１２Ｓの側面からは、図示しない電源に電磁コイル１２Ａを接続するためのコネクタ部１２Ｄ（図２参照）が突出している。

図１に示すように、弁体保持軸５０のうち永久磁石１２Ｍへの固定部分より上側部分と円筒ボディ１４との間には、ローター１２Ｒの回転量を規制するためのストッパー機構１５が備えられている。このストッパー機構１５は、以下に説明する螺旋ガイド３０とストッパーリング３１とストッパー突壁３２とからなる。

螺旋ガイド３０は、弁体保持軸５０の上端部に線材を螺旋状に巻回してなり、例えば、その線材の上端部を弁体保持軸５０に貫通させることで、螺旋ガイド３０が弁体保持軸５０に固定されている。

ストッパーリング３１は、螺旋ガイド３０のうち軸方向で隣り合った線材同士の隙間３０Ｂの一部に収まったリング状をなしかつ側方にストッパーアーム３１Ａを張り出して備えられている。

ストッパー突壁３２は、円筒ボディ１４の内面から突出しかつ弁体保持軸５０と平行に延びている。そして、ストッパーアーム３１Ａがこのストッパー突壁３２に当接して回転が規制されている。これにより、ローター１２Ｒが回転すると、ストッパーリング３１が螺旋ガイド３０に対して相対回転して上下動し、螺旋ガイド３０の上端部又は下端部まで移動したときにローター１２Ｒが回転不能となる。以上により、ローター１２Ｒの回転量が規制されている。

弁体保持軸５０のうち永久磁石１２Ｍへの固定部分より下側には、上から順番に、第１摺動嵌合部５０Ａと推進用螺子部５０Ｂと第２摺動嵌合部５０Ｃと弁体挿通部５０Ｄと弁体係止部５０Ｅとが並べて備えられている。第１摺動嵌合部５０Ａと推進用螺子部５０Ｂと第２摺動嵌合部５０Ｃと弁体挿通部５０Ｄとは、上から下に向かうに従って徐々に外径が小さくなっている。弁体係止部５０Ｅは、下端側に向かうに従って徐々に先細りになった、所謂、円錐台形状になっている。そして、その弁体係止部５０Ｅの上端の外径は、第２摺動嵌合部５０Ｃの外径より僅かに小さく、弁体挿通部５０Ｄの外径より大きくなっている。また、弁体保持軸５０は、第２摺動嵌合部５０Ｃと弁体挿通部５０Ｄとの境界部分を分割面とした別部品（図３参照）を抵抗溶接してなる。そして、これら別部品の抵抗溶接を行う前に、弁体挿通部５０Ｄに円筒形樹脂製の弁体５１と圧縮コイルバネ５２とが嵌合され、その後これら別部品が抵抗溶接されて、圧縮コイルバネ５２の弾発力により弁体５１が弁体係止部５０Ｅに押し付けられた状態になっている。

なお、弁体５１は、例えば、テフロン（登録商標）を含むＰＰＳ（ポリエチレンサルファイド）で構成されている。

図１に示すように、円筒ボディ１４の端部開口は、下端ボディ１３（本発明における「軸挿通部」に相当する）によって塞がれている。また、これら円筒ボディ１４と下端ボディ１３とにより本発明に係るボディ３６が構成されている。下端ボディ１３は、例えば円筒ボディ１４と同心軸上に延びかつ、軸方向の中間部分にフランジ部２２を備え、そのフランジ部２２が円筒ボディ１４の端部開口に鑞付けされている。そして、下端ボディ１３のうちフランジ部２２より上方部分が、円筒ボディ１４内の中間位置まで延びている。

下端ボディ１３の軸芯部分には、上端部から下端寄り位置に亘って軸挿入孔２５が形成され、この軸挿入孔２５に前記した弁体保持軸５０が挿入されていると共に、軸挿入孔２５の下端部が本発明に係る弁室２３になっている。また、下端ボディ１３の下端寄り位置には、弁室２３を挟むようにして下端ボディ１３の周方向に１８０度の間隔を空けて１対の流路連結部１３Ａ，１３Ａが形成されている。また、各流路連結部１３Ａの奥部の中心にはそれぞれオリフィス２１が形成され、これらオリフィス２１を介して流路連結部１３Ａの内部空間と弁室２３とが連通している。

下端ボディ１３における軸挿入孔２５の内面には、上端側から順番に第１摺動嵌合部２５Ａと推進用螺子部２５Ｂと第２摺動嵌合部２５Ｃとが並べて備えられている。そして、弁体保持軸５０と下端ボディ１３との間で、両推進用螺子部２５Ｂ，５０Ｂ同士が螺合している。これにより、永久磁石１２Ｍと共に弁体保持軸５０が回転すると、弁体保持軸５０が上下方向に直動する。また、それら両推進用螺子部２５Ｂ，５０Ｂが螺合部分を挟むようにして、弁体保持軸５０及び下端ボディ１３の第１の摺動嵌合部２５Ａ，５０Ａ同士と、第２の摺動嵌合部２５Ｃ，５０Ｃ同士とが摺動可能に嵌合されている。これにより、弁体保持軸５０が螺合部分を挟んで２点支持されてスムーズに回転し、弁体保持軸５０の先端に備えた弁体５１が弁室２３内を直動する。

本実施形態の制御弁１０の構成は以上であって、次に作用効果について説明する。
弁体５１が直動可能なストロークの一端に位置すると、図４に示すように両オリフィス２１，２１の開口部分の全体が、弁体５１の外周面と対向し、それらオリフィス２１，２１が閉じた状態になる。即ち、弁室２３におけるオリフィス２１，２１の開放部分の面積（以下、これを「開放部面積」という）が０になり、パイプ１１Ａ，１１Ａには流体が流れない。

この状態からステッピングモーター１２により弁体保持軸５０を一方向に回転させると、両推進用螺子部２５Ｂ，５０Ｂの螺合により、弁体保持軸５０が図１における上方に回転しながら直動し、これに伴って弁体５１も弁室２３内を上方に直動する。ここで、本実施形態の制御弁１０では、第１の摺動嵌合部２５Ａ，２５Ｃと第２の摺動嵌合部５０Ａ，５０Ｃとが推進用螺子部２５Ｂ，５０Ｂを挟んだ２箇所で弁体保持軸５０を支持しているので、弁体保持軸５０の軸心の振れを確実に規制することができる。これにより、推進用螺子部２５Ｂ，５０Ｂの螺合動作がスムーズになり、弁体５１が安定して直動する。また、弁体５１は筒状をなして弁体保持軸５０の弁体挿通部５０Ｄに挿通されているので、弁体保持軸５０と弁室２３との間で軸芯がずれていても、弁体５１を弁室２３の内面に摺接させながら、弁体５１と弁室２３の軸芯を一致させることができ、弁体５１によるオリフィス２１，２１の封止を確実に行うことができる。

図４において弁体５１が弁室２３内を上方に移動すると、図５及び図６に示すように、オリフィス２１，２１の下側から開放されていき、オリフィス２１，２１の開放部面積が徐々に大きくなっていく。そして、これに伴い弁室２３を通過してパイプ１１Ａ，１１Ａ間に流れる流体の流量が変化する。即ち、弁体５１の直動位置をステッピングモーター１２によって変更することで、制御弁１０を通過する流量を制御することができる。

具体的には、図６に示すように、弁体５１がオリフィス２１，２１の対向位置から完全に外れて、オリフィス２１，２１が完全に開放した状態（全開状態）で、制御弁１０を通過する流体の流量が最大になる。また、図５に示すように、オリフィス２１，２１の一部が開放した状態（半開状態）では、弁体５１により流体の流れが規制され、流量が抑えられる。この際、弁体保持軸５０の先端側の弁体係止部５０Ｆが、図８に示すように、単なる鍔状になっていたとすると、オリフィス２１を通過して弁室２３内に流れ込んだ流体が、渦流又は乱流になり得る。しかしながら、本実施形態の制御弁１０では、弁体５１の端部に備えた弁体係止部５０Ｅがテーパー形状になっているので、図５に示すように、弁体５１の端部に沿って流体が横切って流れる際に、その流体がスムーズに流れ、渦流及び乱流の発生を規制することができる。

ところで、弁体５１を直動させてオリフィス２１を閉じていく動作の途中で、図７に示すように、流体に混入していた異物Ｇ（例えば、金属粉等）がオリフィス２１の開口縁と弁体５１との間に異物Ｇが挟まる事態が生じ得る。このような場合、本実施形態の制御弁１０では、圧縮コイルバネ５２を押し縮めるようにして弁体５１が弁体保持軸５０に対して相対的に後退する。これにより、異物Ｇがオリフィス２１の開口縁と弁体５１との間に食い込んで弁体５１が動かなくなるような事態を防ぐことができる。そして、例えば、ステッピングモーター１２が指令値通りに動作しないことに基づいて、異物Ｇの挟み込みを検出し、弁体５１を図７の上下方向に往復するように直動させることで異物Ｇを制御弁１０の下流に流して排除してから、オリフィス２１を閉じることができる。

このように本実施形態の制御弁１０によれば、弁体５１が１対のオリフィス２１，２１の開口部分を横切るように直動することで、それらオリフィス２１，２１の開放部面積が変更され、流体の流量が制御される。ここで、１対のオリフィス２１，２１は、弁室２３の内側面における対向位置に配置されているので、一方から他方のオリフィス２１に流体が流れる場合と、その逆方向に流体が流れる場合とで流体抵抗は変わらない。従って、本実施形態の制御弁１０によれば、流体が流れる向きに依らず、安定して流体の流量を制御することが可能になる。また、弁体５１がオリフィス２１を閉じた状態では、弁体５１にはその直動方向と直交する方向に流体圧力がかかるので、弁体５１を直動させるための駆動力を従来より低減することができ、制御弁１０の小型・軽量化が図られる。

［他の実施形態］
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明する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）前記実施形態の制御弁１０は、弁体５１が筒状をなして弁体保持軸５０の弁体挿通部５０Ｄに挿通されていたが、弁体５１を円柱形状にして、弁体保持軸５０の端部に固定してもよい。

（２）前記実施形態の弁体駆動部としてステッピングモーター１２を備えていたが、ステッピングモーターとは異なる構造のモーター（例えば、ＤＣモーター、ＡＣモーター）であってもよいし、圧縮エアー又は圧縮オイルによって駆動されるアクチュエータであってもよい。

本発明の一実施形態に係る制御弁の側断面図 ステーターの底面図 回動軸部材の分解側面図 弁口が全閉した状態の側断面図 弁口が半開した状態の側断面図 弁口が全開した状態の側断面図 弁口と弁体との間に異物が挟まった状態の側断面図 弁室内に渦流が発生した状態の側断面図 従来の制御弁の側断面図

符号の説明

１０ 制御弁
１１Ａ パイプ（流路）
１２ ステッピングモーター（弁体駆動部）
１２Ｒ ローター
１２Ｓ ステーター
１３ 下端ボディ（軸挿通部）
１３Ａ 流路連結部
２１ オリフィス
２３ 弁室
２５ 軸挿入孔
２５Ａ，２５Ｃ，５０Ａ，５０Ｃ 摺動嵌合部
２５Ｂ，５０Ｂ 推進用螺子部
３６ ボディ
５０ 弁体保持軸
５０Ｄ 弁体挿通部
５０Ｅ 弁体係止部
５１ 弁体
５２ 圧縮コイルバネ

Claims (6)

1. 流路（１１Ａ）の途中に連結され、その流路（１１Ａ）に流れる流体の流量を制御する制御弁（１０）であって、
   弁体（５１）と、
   前記弁体（５１）を直動可能に収容した弁室（２３）を有するボディ（３６）と、
   前記ボディ（３６）のうち前記弁室（２３）の内側面に開口しかつ略対向する位置に対をなして形成された１対のオリフィス（２１）と、
   前記ボディ（３６）に形成され、前記各オリフィス（２１）を介して前記弁室（２３）に連通しかつ、前記流路（１１Ａ）が連結される１対の流路連結部（１３Ａ）と、
   前記弁室（２３）における前記オリフィス（２１）の開口部分を横切るように前記弁体（５１）を直動させる弁体駆動部（１２）とを備えたことを特徴とする制御弁（１０）。
2. 前記弁体駆動部（１２）としてのモーター（１２）と、
   前記モーター（１２）の一部を構成し、前記ボディ（３６）の外側に嵌合されたステーター（１２Ｓ）と、
   前記モーター（１２）の一部を構成し、前記ボディ（３６）の内側に回転可能に収容され、前記ステーター（１２Ｓ）との間の磁力により回転するローター（１２Ｒ）と、
   前記ローター（１２Ｒ）の中心部に設けられて、先端部に前記弁体（５１）を保持した弁体保持軸（５０）と、
   前記弁体保持軸（５０）が挿入された軸挿入孔（２５）を有する軸挿通部（１３）と、
   前記軸挿入孔（２５）の内面と前記弁体保持軸（５０）の外面とに形成されて、互いに螺合する推進用螺子部（２５Ｂ，５０Ｂ）とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の制御弁（１０）。
3. 前記軸挿入孔（２５）の内面と前記弁体保持軸（５０）の外面とに形成されて互いに摺動可能に嵌合し、かつ、前記推進用螺子部（２５Ｂ，５０Ｂ）を軸方向で挟んだ両側に配置された１対の摺動嵌合部（２５Ａ，２５Ｃ，５０Ａ，５０Ｃ）を備えたことを特徴とする請求項２に記載の制御弁（１０）。
4. 前記弁体（５１）の端部に、前記弁体（５１）から離れるに従って先細りになったテーパー部（５０Ｅ）を設けたこと特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の制御弁（１０）。
5. 前記弁体（５１）は、両端が開放した筒形をなしかつ前記弁体保持軸（５０）の先端部に挿通した状態に保持されたことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の制御弁（１０）。
6. 前記弁体保持軸（５０）に形成されて、前記弁体（５１）が直動可能に挿通された弁体挿通部（５０Ｄ）と、
   前記弁体挿通部（５０Ｄ）に前記弁体（５１）と共に嵌合され、前記弁体（５１）を前記弁体挿通部（５０Ｄ）の先端側に付勢する圧縮コイルバネ（５２）と、
   前記弁体保持軸（５０）の先端側に配置され、前記弁体（５１）が突き当てられる弁体係止部（５０Ｅ）とを備えたことを特徴とする請求項５に記載の制御弁（１０）。
   

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