JP2006153204A - ニードルバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクト化と優れた軸封性、耐久性を実現すると共に、組立容易性を実現して、長期に亘って、安全に使用できる経済性にも優れたニードルバルブを提供する。
【解決手段】流入口２と流出口３を有する弁本体１内の弁室４に弁座６を設け、この弁座６とニードル７で流量制御を行うニードルバルブである。前記ニードル７に設けた軸部８にＯリング１１を装入し、且つ、このＯリング１１を介在させた状態で、前記軸部８に筒体１３と保持体１４を軸装する。前記筒体１３に突部（或は嵌合溝）１３ａを、保持体１４に嵌合溝（或は突部）１４ａを形成しており、この突部（或は嵌合溝）１３ａと嵌合溝（或は突部）１４ａとを嵌合することで装着溝１２が形成され、この装着溝１２に前記Ｏリング１１を装着したニードルバルブである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流量調整式のニードルバルブに関し、特に、コンパクト化と優れた軸封性、耐久性を実現すると共に、組立容易性を実現したニードルバルブに関する。

従来より、この種のバルブには、ステムと弁本体内の軸装部との接触面に弾性部材から成るＯリングを配置して軸封状態とし、この状態でステムを昇降自在に支持している。このＯリングは、ステムの外周面に形成された溝部、或は軸装部の内周面に形成された溝部に装着され、ステムと軸装部との接触面に軸封されて、ステムと軸装部とが軸封されている。一例として、この方式を具体的に示すと、例えば、特開昭６３−６７４８３号公報（特許文献１）記載の圧力調整弁では、ステム外周に設けた溝部にＯリングを装着して軸封が行われている。また、特許第２７６２９２０号公報（特許文献２）記載の流量制御弁には、ケーシングの内周面に設けた溝部に軸封パッキンを装着して軸封が行われている。

ところで、現在、半導体、液晶等の製造分野をはじめ、各種分野において、省スペース化や省力化などの観点から、小型の駆動手段を搭載し、且つ、小さな力で弁体を駆動させる流量調整弁の開発が要求されている。これを実現すべく、バルブを構成する各部品の小型化が図られており、特に、ステムにいたってはその径が極めて細いもの（例えば、φ３ｍｍ）となり、これを収容する弁本体の収容口径も同様である。しかも、受圧面積を軽減し、シール部材との摩擦抵抗を軽減する必要があるため、このような小型化される部品の製造には、当然、高精度な微細加工が要求される。
特開昭６３−６７４８３号公報 特許第２７６２９２０号公報

しかしながら、特開昭６３−６７４８３号公報（特許文献１）のように、ステムにＯリング装着用の溝部を形成したり、或は特許第２７６２９２０号公報（特許文献２）のように、軸装部にＯリング装着用の溝部を形成するには、小型化を図ったステムはあまりに細く、また、これを収容する弁本体の収容口はあまりに狭く、これら部品に高精度な微細加工を施すことは困難である。従って、これら部品を内蔵する流量調整弁に軸封性を要求することはできない。また、軸封性を確保すべく、シール構造を二重にするなども考えられるが、部品点数は勿論、加工工数や製造コストが増大する。

本発明は、上記の課題点に鑑み、鋭意研究の結果開発に至ったものであり、その目的とするところは、コンパクト化と優れた軸封性、耐久性を実現すると共に、組立容易性を実現して、長期に亘って、安全に使用できる経済性にも優れたニードルバルブを提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、流入口と流出口を有する弁本体内の弁室に弁座を設け、この弁座とニードルで流量制御を行うニードルバルブにおいて、前記ニードルに設けた軸部にＯリングを装入し、且つ、このＯリングを介在させた状態で前記軸部に筒体と保持体を軸装すると共に、この筒体と保持体の何れか一方に突部を、他方に嵌合溝を形成し、この突部を嵌合溝に嵌合して形成した装着溝に前記Ｏリングを装着したニードルバルブである。

請求項２に係る発明は、前記筒体に突部を、前記保持体に嵌合溝を形成し、この突部を嵌合溝に嵌合してＯリング装着用の装着溝を形成したニードルバルブである。

請求項３に係る発明は、前記軸部に筒体とＯリングを介して保持体を組付け、且つ、この保持体の上部に、軸部に設けた係合片に係止させたスプリングの下端部を装着したニードルユニットを、前記弁本体に形成した軸装穴に装入したニードルバルブである。

請求項４に係る発明は、前記ニードルユニットを軸装穴に装入したとき、ニードルユニットの筒体で弁座の上端面を押圧したニードルバルブである。

請求項１又は２に係る発明によると、従来のように、一体加工を行うことなく、Ｏリング装着用の装着溝を形成することが可能となり、小さいサイズのバルブであっても、優れた軸封性能が実現され、しかも、Ｏリング位置の移動を伴わない箇所にＯリングを装着させた構造であるので、従来のように、ステムにＯリングを装着させた構造に比べ、耐久性能は格段に優れており、長期に亘って、安全に使用できるニードルバルブとして、半導体、液晶等の製造分野をはじめ、各種分野に提供することができる。更に、加工費用や組立費用などの製造コストの削減を可能にした。

請求項３又は４に係る発明によると、弁本体に内蔵される構成部品をユニットして、着脱可能であるので、組立性、メンテナンス性を飛躍的に向上させることが可能となった。しかも、本発明によれば、ニードルの昇降動を直ちに駆動手段、例えば、直動型電動モータの駆動に追随させることが可能となり、電動モータのバックラッシュの影響を受けることなく、正確な流路コントロールが実現可能となった。これにより、極めて高精度な微少流量制御を実現したニードルバルブとして、半導体、液晶等の製造分野をはじめ、各種分野に提供することができる。

以下に、本発明におけるニードルバルブの実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明におけるニードルバルブの一例を示した断面図であり、図２は、本発明におけるニードルバルブの一例を示した分離斜視図である。図１、図２において、図中１は、弁本体であり、図中２，３は、弁本体１に設けた流入口と流出口、図中４は、流出入口２，３の流路に設けた弁室、図中５は、弁室４と連通させて設けた軸装穴である。図中６は、弁室４内に装着される環状弁座であり、図中７は、環状弁座６に着座するニードル、図中８は、ニードル７の軸部、図中９は、ニードル７に装着されるＯリング、図中１０は、Ｏリング９を装着する外周溝、図中１１は、軸部８に装入されるＯリング、図中１２は、Ｏリング１１の装着溝、図中１３、１４は、軸装する筒体と保持体、図中１５は、スプリング、図中１６は、軸部８に設けた係合片（本例では座金）、図中１７は、筒状のブッシュである。なお、同図に示すように、弁本体１とブッシュ１７には、外部と連通させる連通孔１ａ，１７ａが設けてある。図中１８は、直動型電動モータであり、図中１９は、前記電動モータ１８の出力軸であり、また、図中２０は、前記電動モータ１８を内蔵したアクチュエータである。

本発明における軸封構造は、前記筒体１３と前記保持体１４との組み合わせにより実現される。図１に示すように、筒体１３（本例では樹脂製）には、円筒状の突部１３ａが設けてあり、内部に軸部挿通孔１３ｂが形成されている。一方、保持体１４（本例では樹脂製）には、前記筒体１３の突部１３ａを嵌合させる嵌合溝１４ａが設けてあり、内部にこの嵌合溝１４ａを貫通して軸部挿通孔１４ｂが形成されている。この筒体１３に設けた突部１３ａを保持体１４に設けた嵌合溝１４ａに嵌合させると、筒体１３と保持体１４との間にＯリング１１を装着させる装着溝１２が形成される。これにより、装着溝１２は、予め高精度に加工した上で、弁本体１に内挿することができる。

従って、軸部８に装入されたＯリング１１は、軸装した筒体１３の突部１３ａと保持体１４の嵌合溝１４ａとの嵌合によって、装着溝１２内に装着されるように構成されている。また、図示しないが、この装着溝１２は、筒体１３に嵌合溝を形成して、保持体１４に突部を形成した場合にも同様に形成される。なお、前記筒体１３には、その周壁の一部を切り欠いて連通部１３ｃを設け、内部に流出入口２，３の流路を有している。

前記保持体１４を組付けた筒体１３は、前記弁室４に装入して環状弁座６の上端面を押圧し、一方、前記保持体１４の上部には、弾発付勢するスプリング１５の一端が取り付けられており、このスプリング１５の他端はニードル７の軸部８に設けた係合片、本例では座金１６に係止させている。図１、図２に示すように、前記ニードル７の軸部８と前記直動型電動モータ１８の出力軸１９とは別体であり、後述するが、前記弁本体１の軸装穴５に挿通した出力軸１９の半球状を呈した先端１９ａが、ニードル７の軸部８の上端部８ａを押圧し、しかも、前記スプリング１５の弾発力で旧位に復帰する構造としている。即ち、本例では直動型電動モータ１８のバックラッシュの影響を受けることなく、ニードル７の昇降動が直ちに前記電動モータ１８の駆動に追随可能となり、正確な流路コントロールを実現させている。

なお、本例における直動型電動モータ１８は、図示しないロータと、ネジ部が形成されたスクリューシャフト（出力軸）１９と、ロータの回転力をスクリューシャフト１９に伝達する図示しない回転伝達機構などから成り、このロータの回転力は、スクリューシャフト１９によって直線運動に変換され、このスクリューシャフト１９が軸方向に摺動するように構成されている。図中２４は、流入側に配設された流量計であり、本例ではネジ固定して一体的に設けている。この流量計２４により、弁本体１を通過する流体の現在流量（瞬間流量）が測定される。

また、本発明のニードルバルブは、前記軸部８に筒体１３とＯリング１１を介して保持体１４を組付け、且つ、この保持体１４の上部に、弾発付勢するスプリング１５の一端を取り付け、このスプリング１５の他端を軸部８に設けた係合片、本例では座金１６に係止させて、これをユニット（以下、ニードルユニット２３という）として構成している。図２において、下側からＯリング９、ニードル７（軸部８）、筒体１３、Ｏリング１１、保持体１４、スプリング１５、座金１６、割りリング１６ａが一連の仮組み状態となり、この仮組み状態からの組立てを可能にしている。

更に、本実施形態で示すニードルバルブでは、組立時に調芯調整が容易、且つ、確実に行われる構造を採用している。弁本体１の環状の弁室４内に環状弁座６を遠心方向に適宜の間隙を有して装着し、前記ニードルユニット２３を弁室４と連通形成した軸装穴５から弁本体１に装入し、前記環状弁座６の上面に位置させた後、軸装穴５からブッシュ１７を装入して前記保持体１４の上面に位置させ、軸部８の押し下げ動作によって、前記ニードル７を介して環状弁座６を求遠心方向に調整して調芯がなされる。本例では前記ニードル７のテーパ面７ａの拡径部７ｃが、前記環状弁座６の傾斜面６ａ下方の縮径部６ｃの一部を押圧しながら調芯するように構成されている。環状弁座６の調芯が完了したら、ボルト等の取付部品を用いて、アクチュエータ２０の筐体２０ａを弁本体１に固定すれば、ブッシュ１７を介して軸装体である筒体１３と保持体１４が押圧され、環状弁座６も弁本体１に固定される。従って、本例ではアクチュエータ２０の設置が完了したとき、ニードル７の軸芯と環状弁座６の軸芯とが一致した状態となる。

図３は、図１における一部拡大断面図であり、図４は、図３における弁微開状態を示した断面図である。本例で示す環状弁座６は、環状の弁室４の流入口２側に設けた段部１ｂにシールリング２１を介して装着されており、この環状弁座６の弁口には、上方に向って拡がる傾斜面６ａが形成されている。なお、本例では金属製の環状弁座６を採用しているが、樹脂製、或はその他材料から成るものでもよく、実施に応じて任意である。勿論、その他の構成部品も同様である。

また、本例で示すニードル７（本例では金属製）の外周部にはテーパ面７ａが形成されている。このテーパ面７ａの上方位置には外周溝１０が設けてあり、着座時にこのニードル７と環状弁座６との間を密封するＯリング９が装着されている。同図に示すように、この外周溝１０には、外周溝１０の一次側を拡げて空隙部１０ａを形成しており、且つ、この外周溝１０のＯリング当接面側を円弧面１０ｂに形成し、この円弧面１０ｂのアールをＯリング９の半径と略一致させている。この構造によって、弁微開状態における流体圧の影響を軽減させ、所謂ブローアウト現象の発生を防ぐ機能が発揮される。

更に、図３及び図４に示すように、ニードル７の弁座着座時から離脱する所定リフト域までの間、本例では少なくとも弁微開状態の間（開度１０％）、ニードル７に装着したＯリング９の飛び出しを防止する飛出し防止部位２２が設けてある。この飛出し防止部位２２は、環状弁座６の内周上端部６ｂとニードル７の拡径外周部７ｂとの隙間Ｌ１を、Ｏリング９の直径より小さく設定されて構成され、弁微開状態において、Ｏリング９がニードル７から離脱し、環状弁座６の内周上端部６ｂとニードル７の拡径外周部７ｂとの間からの飛び出しを防ぐように機能する。なお、本例で採用するＯリング９は拡縮自在であり、特に、求心方向への縮径力が高く、変形し難い硬度の高いものが好ましい。

次に、上記実施形態の作用を説明する。図１及び図２に基づいて組立手順を説明すると、先ず、環状の弁室４と連通形成した軸装穴５から、シールリング２１を装着した環状弁座６を弁本体１に装入して、これを弁室４の流入口２側に設けた段部１ｂに配置すると共に、保持体１４と軸装穴５との間をシールするシールリング２５を配置する。

続いて、ニードル７に設けた外周溝１０にＯリング９を装着する。このニードル７の軸部８に筒体１３を軸装後、Ｏリング１１を装入し、且つ、このＯリング１１を介在させた状態で、前記軸部８に保持体１４を軸装する。図１に示すように、筒体１３に設けた突部１３ａを保持体１４に設けた嵌合溝１４ａに嵌合させると、筒体１３の上面１３ｄと保持体１４の下面１４ｃが当接すると共に、筒体１３と保持体１４との間にＯリング１１を装着させる装着溝１２が形成される。従って、従来のように、Ｏリング装着用の溝部をステムや軸装部に一体加工する必要がないので、小さいサイズのバルブであっても、優れた軸封性能が実現され、しかも、Ｏリング位置の移動を伴わない箇所にＯリング１１を装着させた構造であるので、従来のように、ステムにＯリングを装着させた構造に比べ、格段に優れた耐久性能を備えている。しかも、ニードル７の軸部８に装入されたＯリング１１は、筒体１３の突部１３ａと保持体１４の嵌合溝１４ａとを嵌合すれば、装着溝１２内に装着された状態となり、優れた密封機能が効果的に発揮されうる状態となる。

また、前記保持体１４を組付けた筒体１３は、前記弁室４に装入して環状弁座６の上端面を押圧し、一方、前記保持体１４の上部には、弾発付勢するスプリング１５の一端を取付け、このスプリング１５の他端を軸部８に設けた座金１６に係止して、前記スプリング１５の弾発力で旧位に復帰する構造としているので、直動型電動モータ１８のバックラッシュの影響を受けることなく、ニードル７の昇降動が直ちに前記電動モータ１８の駆動に追随可能となり、正確な流路コントロールを実現することができる。

更に、本発明のニードルバルブは、前記軸部８に筒体１３とＯリング１１を介して保持体１４を組付け、且つ、この保持体１４の上部に、弾発付勢するスプリング１５の一端を取り付け、このスプリング１５の他端を軸部８に設けた係合片、本例では座金１６に係止させて、これをニードルユニット２３として構成しているので、図２に示すように、Ｏリング９、ニードル７（軸部８）、筒体１３、Ｏリング１１、保持体１４、スプリング１５、座金１６、割りリング１６ａを一連の仮組み状態として、この仮組み状態からの組立てを可能にし、優れた組立容易性を実現している。

更に、本実施形態で示したニードルバルブは、組立時に調芯調整が容易、且つ、確実に行われる構造を実現している。仮組み状態にあるニードルユニット２３を、弁室４と連通形成した軸装穴５から弁本体１に装入し、遠心方向に適宜の間隙を有した状態で弁室４内に装着された環状弁座６の上面に位置させる。続いて、軸装穴５から筒状のブッシュ１７を装入して前記保持体１４の上面に位置させ、軸部８の押し下げ動作によって、前記ニードル７を介して環状弁座６を求遠心方向に調整して調芯がなされる。本例では前記ニードル７のテーパ面７ａの拡径部７ｃが、前記環状弁座６の傾斜面６ａ下方の縮径部６ｃの一部を押圧しながら調芯するように構成されている。

環状弁座６の調芯が完了したら、ボルト等の取付部品を用いて、アクチュエータ２０の筐体２０ａを弁本体１に固定する。これにより、ブッシュ１７を介して軸装体である筒体１３と保持体１４が押圧され、環状弁座６も弁本体１に固定される。従って、本例ではアクチュエータ２０の設置が完了したとき、ニードル７の軸芯と環状弁座６の軸芯とが一致した状態となっている。

組立てが完了すれば、環状弁座６は弁室４内に強固に固定されるので、この調芯固定された状態は、アクチュエータ２０の筐体２０ａを取り外さない限り、確実に維持される。このように、ニードルバルブの組立時に環状弁座６の調芯を完了しているので、バルブ作動時の弁座・弁体の調芯に伴う摺動抵抗が抑制され、軸部８を細くしたり（本例では約φ３ｍｍ）、アクチュエータを出力の小さいものとすることができ、バルブ全体をコンパクトにし、バルブ内部に滞留する流体量を低減することもできる。

また、本実施形態で示したニードルバルブは、高精度な微少流量制御と完全遮断をも実現している。図３に示した状態は、最下降位置にあるニードル７のテーパ面７ａが環状弁座６の傾斜面６ａに近接した状態で、Ｏリング９が環状弁座６の傾斜面６ａに着座した全閉状態にある。同図に示されるように、Ｏリング９は、求心方向への縮径力を働かせた状態で、ニードル７に設けた外周溝１０の円弧面１０ｂに密着した状態にある。従って、この状態において、Ｏリング９の密封機能が効果的に発揮され、流体の完全遮断が実現されている。

次いで、直動型電動モータ１８（アクチュエータ２０）を駆動させると、電動モータ１８の出力軸１９が上昇し、同時に、該出力軸１９の先端１９ａで押圧されていたニードル７の軸部８が上昇する。このとき、スプリング１５の弾発力で旧位に復帰する構造を採用しているので、ニードル７の昇降動が直ちに直動型電動モータ１８の駆動に追随し、前記電動モータ１８のバックラッシュの影響を受けることなく、正確な流路コントロールが行われる。ニードル７の上昇に伴って、ニードル７と環状弁座６との流路開口面積が順次拡がっていく。

図４に示した状態は、例えば、約１０％弁開した弁微開状態であり、ニードル７が環状弁座６から離脱した直後、狭い流路が形成されることから、流体の流速が高まり水圧が低下する。このとき、Ｏリング９が流体圧に影響されたとしても、外周溝１０には、外周溝１０の一次側を拡げて空隙部１０ａを形成しており、且つ、この外周溝１０のＯリング当接面側を円弧面１０ｂに形成し、この円弧面１０ｂのアールをＯリング９の半径と略一致させているで、流体圧を空隙部１０ａからスムーズに逃がすことができ、Ｏリング９を外周溝１０から離脱させるような圧力は生じない。しかも、このＯリング９は、ニードル７のテーパ面７ａに装着された状態にあるので、Ｏリング９の求心方向への縮径力が効果的に働いて、Ｏリング９の飛び出し難い状態を実現している。

また、図３及び図４に示すように、環状弁座６の内周上端部６ｂとニードル７の拡径外周部７ｂとの隙間Ｌ１が、Ｏリング９の直径より小さく設定され、且つ、この隙間Ｌ１はニードル７の弁座着座時から離脱する所定リフト域まで、即ち、本例では弁微開状態の間確保されているので、この飛出し防止部位２２により、流体の流速が高まった弁微開状態にあっても、前記隙間Ｌ１からＯリング９が飛び出すことはない。

図５は、図３における弁開状態を示した断面図である。前記電動モータ１８を駆動させ、出力軸１９と共にニードル７を上昇させると、ニードル７と環状弁座６との流路開口面積が更に拡がり、図５に示すような、例えば、約２５％弁開した弁開状態となる。Ｏリング９は、弁微開状態から弁開状態に移行する間に、その求心方向への縮径力を働かせて、円弧面１０ｂとの密着状態が再現されている。このとき、この部位に流体が滞留することはなく、優れた装着状態が常に再現される。

一方、弁閉操作を行う場合も同様であり、弁開状態から図４に示すような弁微開状態に移行したとき、即ち、ニードル７が環状弁座６に着座する直前、狭い流路が形成されることから、流体の流速が高まり水圧が低下するが、前述したように、外周溝１０の一次側を拡げて設けた空隙部１０ａと、Ｏリング９の半径と略一致させたアールから成る円弧面１０ｂと、テーパ面７ａに装着されたＯリング９の求心方向への縮径力と、更に飛出し防止部位２２とが効果的に機能するので、Ｏリング９が押し出されて装着位置がズレたり、完全に外れてしまう等の現象は起こらない。

図６は、本発明におけるニードルバルブの他例を示した断面図である。なお、前述した実施形態と同一部材には同一符合を付して、その説明を省略する。図６において、図中２６は、バルブの状態を表示可能に設けたインジケータであり、このインジケータ２６は、アクチュエータ２０の上部にボルト固定、或はスナップ嵌合等によって着脱自在に設けてある。また、前記電動モータ１８を内蔵したアクチュエータ２０内には、図示しない各種の基板を配設することが可能である。図中２７は、流入口２を有した上流側管接続部である。この上流側管接続部２７は、例えば、９０度毎に周方向への回転が可能であり、図７に示されるように、実施に応じて、流入口２と流出口３との位置関係を適宜設定することができる。

本発明に係るニードルバルブによれば、半導体製造装置、液晶製造装置、化学食品プラントなど、あらゆる分野の流量調整を行う調整弁として適用することが可能であり、例えば、冷熱媒、純水や薬液配送、又はその他の分野において、コンパクト化と優れた軸封性を実現し、長期に亘って、安全に使用できる経済性にも優れたニードルバルブとして、提供することが可能である。

本発明におけるニードルバルブの一例を示した断面図である。 本発明におけるニードルバルブの一例を示した分離斜視図である。 図１における一部拡大断面図である。 図３における弁微開状態を示した断面図である。 図３における弁開状態を示した断面図である。 本発明におけるニードルバルブの他例を示した断面図である。 図６におけるニードルバルブの上流側管接続部を１８０度回転させた状態を示した断面図である。

符号の説明

１ 弁本体
２ 流入口
３ 流出口
４ 弁室
５ 軸装穴
６ 弁座
７ ニードル
８ 軸部
１１ Ｏリング
１２ 装着溝
１３ 筒体
１３ａ 突部
１４ 保持体
１４ａ 嵌合溝
１５ スプリング
１６ 座金（係合片）
２３ ニードルユニット

Claims (4)

1. 流入口と流出口を有する弁本体内の弁室に弁座を設け、この弁座とニードルで流量制御を行うニードルバルブにおいて、前記ニードルに設けた軸部にＯリングを装入し、且つ、このＯリングを介在させた状態で前記軸部に筒体と保持体を軸装すると共に、この筒体と保持体の何れか一方に突部を、他方に嵌合溝を形成し、この突部を嵌合溝に嵌合して形成した装着溝に前記Ｏリングを装着したことを特徴とするニードルバルブ。
2. 前記筒体に突部を、前記保持体に嵌合溝を形成し、この突部を嵌合溝に嵌合してＯリング装着用の装着溝を形成した請求項１に記載のニードルバルブ。
3. 前記軸部に筒体とＯリングを介して保持体を組付け、且つ、この保持体の上部に、軸部に設けた係合片に係止させたスプリングの下端部を装着したニードルユニットを、前記弁本体に形成した軸装穴に装入した請求項１又は２に記載のニードルバルブ。
4. 前記ニードルユニットを軸装穴に装入したとき、ニードルユニットの筒体で弁座の上端面を押圧した請求項３に記載のニードルバルブ。
   

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