JP2006153262A - 流量調整弁 - Google Patents

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Abstract

【課題】 雄ねじ部と、この雄ねじ部と螺合する雌ねじ部との間に生じるバックラッシュを低減もしくはなくすことができるとともに、流量のヒステリシスを防止することができる流量調整弁を提供する。
【解決手段】 流体入口41および流体出口42を有するボディ12と、このボディ12に取り付けられるカバーと、これらボディ12およびカバーにより形成される空間内に配置されるモータ15と、このモータ15の回転軸15aに対して、ネジ部16c,17aを介して接続される弁体14とを具備してなる流量調整弁であって、前記弁体14を前記モータ15の側、あるいは前記モータ15と反対の側に付勢する付勢手段21が設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図2

Description

本発明は、例えば、化学工場、半導体製造、食品、バイオ等の各種産業分野における流体輸送配管に用いられて、流体の流量を制御する流量調整弁に関するものである。
流量調整弁としては、モータの回転軸を正逆回転させることにより、押止体が下端に設けられた昇降体を上下させて、押止体によって流量調整チューブが径方向に押圧されたりあるいは押圧力が開放されることで流体の流量を調整するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2004−52797号公報
しかしながら、このような流量調整弁では、モータの回転軸に設けられた雄ねじ部と、昇降体とともに昇降するナット部に設けられて雄ねじ部と螺合する雌ねじ部との間にバックラッシュ(がたつき)が生じてしまい、流量にヒステリシスが出てしまうといった問題点があった。
また、モータの回転軸と弁体とをネジ部を介して接続し、これによって回転軸の回転を弁体の回転軸に沿った方向の変位に変換する構成の流量調整弁では、弁体を可動範囲内で移動させる分には問題が生じないが、弁体の可動範囲を超えてさらにモータの回転軸を回転させると、例えばネジ部が噛み込んでしまい、この噛み込みの程度によっては、モータを動作させることができなくなるといった問題が生じる場合がある。
また、流量調整弁が、制御装置によって弁体(ニードル)の位置調整が行われるモータ駆動式のニードルバルブである場合には、流量の正確な制御を行うために、制御装置に現在の弁体の位置(すなわちニードルバルブの開度)を正確に把握させておく必要がある。
弁体の位置は、例えば、流量調整弁の動作開始時点における弁体の位置情報と、流量調整弁が動作を開始した時点から位置検出を行った時点までの間のモータの回転軸の回転量の情報とに基づいて特定することができるが、モータの回転軸の回転量を検出するためには、モータよりも高価なロータリーエンコーダを設ける必要があるので、流量調整弁が非常に高価になってしまう。また、ロータリーエンコーダを設けることで、流量調整弁が大型化してしまう。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、雄ねじ部と、この雄ねじ部と螺合する雌ねじ部との間に生じるバックラッシュを低減もしくはなくすことができるとともに、流量のヒステリシスを防止することができ、弁体を駆動するネジ部の噛み込み等の問題が確実に防止でき、高価なロータリーエンコーダを用いずに、弁体の位置を正確に把握することができる流量調整弁を提供することを目的としている。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項1に記載の流量調整弁は、流体入口および流体出口を有するボディと、このボディに取り付けられるカバーと、これらボディおよびカバーにより形成される空間内に配置されるモータと、このモータの回転軸に対して、ネジ部を介して接続される弁体とを具備してなる流量調整弁であって、前記弁体を前記モータの側、あるいは前記モータと反対の側に付勢する付勢手段が設けられていることを特徴とする。
このような流量調整弁によれば、付勢手段により弁体がモータの側、あるいはモータと反対の側に常に付勢されることになり、ネジ部における当たりが常に片当たりの状態となるので、ネジ部に生じるバックラッシュ(がたつき)を低減あるいはなくすことができて、流量のヒステリシスを防止あるいはなくすことができる。
請求項2に記載の流量調整弁は、前記弁体の周りを通過する流体が当該弁体に作用する力の方向と、前記付勢手段による付勢力との方向が略一致するように、前記付勢手段が設けられていることを特徴とする。
このような流量調整弁によれば、弁体の周りを通過する流体が弁体に作用する力と、付勢手段による付勢力との合力がネジ部に作用することとなり、ネジ部における片当たりの力(摩擦力)をさらに高めることができるので、ネジ部に生じるバックラッシュ(がたつき)をさらに低減あるいはなくすことができて、流量のヒステリシスをさらに防止あるいはなくすことができる。
請求項3に記載の流量調整弁は、前記空間内において前記モータの側と前記弁体の側とを分離するパッキンが設けられているとともに、気化した薬液が透過しない材質で前記パッキンが作られていることを特徴とする。
このような流量調整弁によれば、例えば、フッ素ゴム(FKM)で作られたパッキンによりモータ側の空間と弁体側の空間とが分離されるとともに、弁体側の空間からモータ側の空間への流体の流入、例えば、気化したフッ酸、塩酸、硝酸等の流入を遮断することができるので、モータ側の空間内に配置されたモータの腐食等を防止することができる。
また、このようなパッキンを採用することにより、気化したフッ酸、塩酸、硝酸等がモータ側の空間に流入することがなくなるので、モータ側の空間に配置される部品を金属製にすることができる。
請求項4に記載の流量調整弁は、前記パッキンよりも弁体側に滞留した流体を排出する排出路が設けられていることを特徴とする。
このような流量調整弁によれば、パッキンよりも弁体側に滞留した流体を、すみやかに流量調整弁の外に排出させることができる。
請求項5に記載の流量調整弁は、前記排出路内に、逆止弁が設けられていることを特徴とする。
このような流量調整弁によれば、周りの雰囲気が排出路を通って内部に逆流することが防止される。
請求項6に記載の流量調整弁は、前記モータに位置決め基準面が設けられ、前記ボディに前記モータを固定する固定部材が設けられ、該固定部材が、前記モータの前記位置決め基準面を受けて前記回転軸の位置と向きとのうちの少なくともいずれか一方を前記弁体の駆動に適した状態にして前記モータを位置決めする位置決め面を有していることを特徴とする。
このような流量調整弁では、ボディに設けられた固定部材の位置決め面に対してモータの位置決め基準面を当接させることで、モータの回転軸の位置または向き、もしくは位置と向きとの双方が弁体の駆動に適した状態となるので、ボディに対するモータの位置調整作業または向きの調整作業、もしくは位置調整作業と向きの調整作業との双方が不要となる。
このため、この流量調整弁は、製造時やメンテナンス時において組立作業者の技術レベルによらずに高精度な組み付けを容易かつ迅速に行うことができ、生産性、作業性に優れるとともに、製品ごと、またはメンテナンス作業ごとの組立精度のばらつきを低減して、流量調整弁としての性能を高水準に保つことができる。
ここで、位置決め基準面は、一つ以上の曲面、もしくは、少なくとも一つの面が他の面とは異なる方向に向けられた複数の平面によって構成することができる。位置決め基準面が曲面である場合には、位置決め面はこの曲面と同じ曲率でかつ曲率の向きが逆向きとなる曲面によって構成される。位置決め基準面が複数の平面である場合には、位置決め面も各位置決め基準面に対応する複数の平面によって構成される。
請求項7に記載の流量調整弁は、前記モータの前記位置決め基準面が前記回転軸に平行な筒状面または筒状内面をなし、前記固定部材の前記位置決め面が、前記弁体の駆動方向に平行かつ前記位置決め基準面と同形状の筒状内面または筒状面をなしていて、前記位置決め面が前記位置決め基準面を受けた状態では前記回転軸の位置と向きとが位置決めされることを特徴とする。
このような流量調整弁では、モータの位置決め基準面が筒状面である場合には、固定部材の位置決め面は位置決め基準面と略同形状の筒状内面とされ、モータの位置決め基準面を固定部材の位置決め面の内周側に挿入してモータと固定部材とを係合させることで、ボディに対するモータの位置と向きとの双方について位置決めが行われる。
また、この流量調整弁では、モータの位置決め基準面が筒状内面である場合には、固定部材の位置決め面は位置決め基準面と略同形状の筒状面とされ、固定部材の位置決め面をモータの位置決め基準面の内周側に挿入してモータと固定部材とを係合させることで、ボディに対するモータの位置と向きとの双方について位置決めが行われる。
すなわち、この流量調整弁では、モータと固定部材とがいわゆるインローによって結合されるので、モータと固定部材とを接続するだけで、ボディに対するモータの位置と向きとの双方について位置決めを行うことができ、製造が容易である。
請求項8記載の流量調整弁は、予め設定した動作範囲内での前記弁体の移動を許容しつつ前記動作範囲の端部に到達した前記弁体を受けて前記動作範囲外への移動を規制するストッパを有していることを特徴とする。
本発明にかかる流量調整弁では、弁体の動作範囲が予め定められており、弁体が動作範囲の端部(動作範囲と動作範囲外との境界)に達すると、ストッパによって弁体が受けられて、それ以上の弁体の移動が規制されるので、ネジ部の噛み込み等の問題が確実に防止される。
なお、この流量調整弁では、予め設定した動作範囲が、弁体の実質的な可動範囲となる。
請求項9記載の流量調整弁は、前記モータの動作を制御する制御装置を有しており、該制御装置は、少なくとも前記弁体がその可動範囲の端部近傍で該端部に向って移動する場合には前記モータを第一駆動トルクで動作させ、前記弁体が前記可動範囲の端部から離間する場合には、前記モータを前記第一駆動トルクよりも大きい第二駆動トルクで動作させることを特徴とする。
このように構成される流量調整弁では、弁体を可動範囲の端部から離間させるにあたって、モータの動作を制御する制御装置が、弁体をその可動範囲の端部まで移動させる際の駆動トルク(第一駆動トルク)よりも大きい第二駆動トルクでモータを動作させる。
これにより、この流量調整弁では、弁体が可動範囲の端部まで移動した際にネジ部の噛み込みが生じたとしても、この噛み込みを容易に解消することができる。
ここで、モータの駆動トルクは、モータに入力される駆動電流の大きさに比例する。
そこで、制御装置を、弁体を可動範囲の端部まで移動させる際にはモータの駆動電流の出力制限値を第一制限値に設定し、弁体を可動範囲の端部から離間させる際には出力制限値を第一制限値よりも大きい第二制限値に設定する構成とすることで、弁体を可動範囲の端部から離間させる際のモータの駆動トルクを、弁体をその可動範囲の端部まで移動させる際のモータの駆動トルクよりも大きくすることができる。
また、モータは、一般的に、回転軸の回転が低速であるほど回転軸を駆動するトルクが増大する。
そこで、制御装置を、弁体を可動範囲の端部まで移動させる際にはモータの回転軸を第一回転速度で回転させ、弁体を可動範囲の端部から離間させる際には第一回転速度よりも低速の第二回転速度で回転させる構成とすることで、弁体を可動範囲の端部から離間させる際のモータの駆動トルクを、弁体をその可動範囲の端部まで移動させる際のモータの駆動トルクよりも大きくすることができる。
請求項10記載の流量調整弁は、前記弁体がニードルバルブのニードルを構成しており、前記モータが、入力されたパルス信号のパルス数に比例した角度だけ前記回転軸を回転させるステッピングモータとされており、前記モータの動作を制御して前記弁体の位置制御を行う制御装置が設けられ、該制御装置は、前記弁体の位置校正にあたって、前記回転軸を、前記弁体がその可動範囲の一端から他端まで移動するのに必要な角度回転させるだけのパルス数のパルス信号を前記モータに入力し、前記回転軸が停止した位置で前記弁体が前記可動範囲の前記他端に位置していると判定して、以降は前記可動範囲内で前記弁体の位置制御を行うことを特徴とする。
本発明にかかる流量調整弁では、ロータリーエンコーダを用いて弁体の位置を特定する代わりに、電源投入時等の適宜時期に、弁体を一旦可動範囲の他端に移動させてその位置校正を行い、これ以降にモータに入力されたパルス信号のパルス数に基づいて位置校正後の回転軸の回転量を得て、この回転量の情報に基づいて可動範囲の他端からの弁体の変位量を求めて、現在の弁体の位置を特定する。
具体的には、本発明にかかる流量調整弁では、制御装置が、弁体の位置校正にあたって、弁体がその可動範囲の一端から他端まで移動するのに必要な角度(この角度は流量調整弁の設計情報から得られる)だけモータの回転軸を回転させるよう、所定パルス数のパルス信号をモータに入力する。
これにより、回転軸の回転が終了した時点では、弁体は、位置校正作業の開始時点における位置(初期位置)によらず、可動範囲の他端に位置することになる。なお、弁体の位置校正開始時点で弁体が可動範囲の一端以外に位置している場合には、回転軸がモータに入力されたパルス信号の全てのパルスに対応する角度だけ回転する前に、弁体が可動範囲の他端に到着してそれ以上移動できなくなるので、以降は残りのパルス数によらず、回転軸が回転しない。
このように弁体を可動範囲の他端に位置させた以降は、制御装置は、弁体が可動範囲の他端に位置していると判断して、可動範囲内で弁体の位置制御が行われる。
可動範囲内では、モータに入力されたパルス信号の全てのパルスに対応する角度で回転軸が回転するので、パルス信号のパルス数と弁体の位置との間に一定の関係が成立する。
これにより、本発明にかかる流量調整弁では、一旦弁体を可動範囲の他端に位置させたのちは、以降にモータに入力したパルス信号のパルス数に基づいて弁体の位置を特定することが可能となり、ロータリーエンコーダを用いずに、弁体の位置を正確に把握することができる。
請求項11記載の流量調整弁は、前記制御装置が、前記弁体の位置校正にあたって、前記回転軸を前記弁体が前記可動範囲のうちの開放側に向けて移動する向きに回転させることを特徴とする。
このように構成される流量調整弁では、弁体の位置校正にあたって、ニードルバルブのニードルを構成する弁体が、可動範囲のうちの開放側、すなわちニードルバルブを構成する他の部材との干渉を避ける方向に向けて移動させられるので、弁体の位置校正を繰り返しても、弁体やニードルバルブ本体に損耗が生じにくい。
請求項12記載の流量調整弁は、前記制御装置が、少なくとも前記弁体がその可動範囲の端部近傍で該端部に向って移動する場合には前記モータの前記回転軸を第一駆動トルクで回転させ、前記弁体が前記可動範囲の端部から離間する場合には、前記モータの前記回転軸を前記第一駆動トルクよりも大きい第二駆動トルクで回転させることを特徴とする。
このように構成される流量調整弁では、弁体を可動範囲の端部から離間させるにあたって、モータの動作を制御する制御装置が、弁体をその可動範囲の端部まで移動させる際の駆動トルク(第一駆動トルク)よりも大きい第二駆動トルクでモータを動作させる。
これにより、この流量調整弁では、弁体が可動範囲の端部まで移動した際にネジ部の噛み込みが生じたとしても、この噛み込みを容易に解消することができる。
請求項13記載の流量調整弁は、前記モータのモータ本体外部に、前記回転軸に加わるスラスト荷重を受けるスラスト軸受を設けたことを特徴とする。
このように構成される流量調整弁では、弁体が流体の圧力を受けた際に弁体及びネジ部を介して回転軸に伝達されたスラスト荷重が、モータ本体外部に設けられたスラスト軸受によって受けられて、モータ本体に逃がされるので、モータ内の回転軸の支持構造に加わる負担が軽減され、長期にわたってモータの性能を維持することができる。
本発明による流量調整弁によれば、雄ねじ部と、この雄ねじ部と螺合する雌ねじ部との間に生じるバックラッシュを低減もしくはなくすことができるとともに、流量のヒステリシスを防止することができるという効果を奏する。
また、本発明にかかる流量調整弁によれば、弁体を駆動するネジ部の噛み込み等の問題が確実に防止される。
また、本発明にかかる流量調整弁では、高価なロータリーエンコーダを用いずに、弁体の位置を正確に把握することができる。
[第1実施形態]
以下、本発明による流量調整弁の第1実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図1に示すように、本実施形態における流量調整弁(以下、「ニードルバルブ」という。)10は、駆動部11と、ボディ12と、ベース13と、ダイヤフラムニードル(弁体)14とを主たる要素として構成されたものである。
駆動部11は、モータ15と、カップリング16と、スライダ17と、ストッパ18と、パッキン19と、ダイヤフラムカバー20と、スプリング(付勢手段)21、カバーフランジ22と、カバー23とを備えたものである。
モータ15は、例えば、ステッピングモータからなり、このモータ15の下面中央部には、下方に突出するとともにケーブル29を介して供給された電力により正逆回転させられる回転軸15aが設けられている。回転軸15aの一部には平坦な座面15bが形成されており、この座面15bには後述する六角穴付止メネジ30の先端面が当接するようになっている。
図2に示すように、カップリング16は、その中央部に回転軸15aを受け入れる凹部16aが形成されているとともに、その下端部から下方に向かって突出する凸部16bが形成された、断面視略T字状を有する円筒形の部材である。また、凸部16bの外表面には雄ネジ部16cが形成されており、後述するスライダ17の雌ネジ部17aと螺合するようになっている。
カップリング16の凹部16aを形成する側壁には、六角穴付止メネジ30を受け入れる貫通穴16dが設けられており、この貫通穴16dの表面には、六角穴付止メネジ30の表面に形成された雄ネジ部と螺合する雌ネジ部が形成されている。そして、六角穴付止メネジ30の雄ネジ部が貫通穴16dの雌ネジ部と螺合するとともに、六角穴付止メネジ30の先端面が回転軸15aの座面15bと当接するように、六角穴付止メネジ30が貫通穴16dにねじ込まれることにより、カップリング16がモータ15の回転軸15aに固定されるようになっている。
スライダ17は、モータ15の下端面から下方に延びるモータシャフト31に沿って昇降するもので、その両端部(図において左右の端部)17bには、モータシャフト31の外周面と接する内周面を有する二股部(図示せず)が設けられている。
スライダ17の上側中央部には、カップリング16の凸部16bを受け入れる第1の凹部17cが形成されているとともに、その表面には、凸部16bの雄ネジ部16cと螺合する雌ネジ部17aが形成されている。また、この雌ネジ部17aの半径方向外側には、周方向にわたって平面視輪状の凹溝17dが設けられており、スプリング21の一端面(図において下側の端面)が収容されるようになっている。
一方、スライダ17の下側中央部には、ストッパ18の凸部18aを受け入れる第2の凹部17eが形成されているとともに、その表面には、凸部18aの雄ネジ部18bと螺合する雌ネジ部17fが形成されている。
このように構成されたスライダ17は、モータ15の回転軸15aとともに回転するカップリング16により、モータシャフト31に沿って昇降するようになっている。
なお、モータシャフト31は、ネジ32を介してカバーフランジ22に固定されている。
ストッパ18は、その中央部にダイヤフラムニードル14の中央部を受け入れる凹部18cが形成されているとともに、その上端部から上方に向かって突出する凸部18aが形成された、断面視略T字状を有する円筒形の部材である。また、凸部18aの外表面には雄ネジ部18bが形成されており、スライダ17の雌ネジ部17fと螺合するようになっている。
すなわち、ストッパ18は、その凸部18aがスライダ17の第2の凹部17eにねじ込まれることによりスライダ17に固定され、スライダ17とともに昇降するようになっている。
なお、ストッパ18の凸部18aをスライダ17の第2の凹部17eにねじ込む際にはパッキン19の内周端部がストッパ18とスライダ17との間に挟み込まれて固定されるようになっている。
パッキン19は、その中央部にストッパ18の凸部18aが貫通する丸穴を有する平面視ドーナツ状の部材であり、例えば、フッ素ゴム(FKM)から作られたものである。このパッキン19は、その内周端部がストッパ18とスライダ17との間に挟み込まれるとともに、その外周端部がダイヤフラムカバー20とカバーフランジ22との間に挟み込まれることにより固定されている。
なお、これらダイヤフラムカバー20およびカバーフランジ22は、ナベ小ネジ33を介してボディ12およびベース13に固定されている(図1参照)。
ダイヤフラムカバー20は、その中央部にストッパ18の凹部18cを形成する側壁の外周面を案内する貫通穴20aを有し、かつその上面中央部に窪み部20bを有するとともに、その上面と下面とを連通する連通路20cを有するものである。
また、ダイヤフラムカバー20の下面には、ダイヤフラムニードル14の外周端部に上方に向かって輪状に形成された凸部14aを収容する凹溝20dが設けられている。
スプリング21は、モータ15の下端面に設けられたバネ受け34と、スライダ17の凹溝17dとの間に配置されるとともに、スライダ17を常に下方(カバーフランジ22の方)に付勢する圧縮コイルバネであり、これによりスライダ17の雌ネジ部17aとカップリング16の雄ネジ部16cとのバックラッシュが低減される(あるいは消滅する)ようになっている。
カバーフランジ22は、その中央部にスライダ17の第1の凹部17cを形成する側壁の外周面を案内する貫通穴22aを有するとともに、その下面とダイヤフラムカバー20の上面とでパッキン19の外周端部を挟み込むように構成されたものである。また、カバーフランジ22の下端部にはネジ32の頭部を収容する凹所22bが設けられている。
図1に示すように、カバー23は、ボディ12の上方に接して配置されるとともに、その内部に上述した駆動部11を収容するものである。また、カバー23とケーブル29との間にはケーブルパッキン35が設けられており、かつカバー23とボディ12およびダイヤフラムカバー20との間にはOリング36が設けられている。これらケーブルパッキン35およびOリング36は、例えば、フッ素ゴム(FKM)から作られたものである。
ボディ12は、略直方体状に形成されたものであり、例えば、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PCTFE(ポリクロロトリフルオロエチレン)、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)等のフッ素樹脂材料からなるものである。
また、ボディ12の一側面(図において左側の面)には流体入口部41が設けられており、流体入口部41の反対側に位置する他側面(図において右側の面)には流体出口部42が設けられている。
図2に示すように、ボディ12の上面中央部には、流体入口部41および流体出口部42と連通するポート43が設けられている。このポート43は、ダイヤフラムニードル14が閉じている状態(図において実線で示す状態)でダイヤフラムニードル14のニードル部14bを受け入れるニードル収容部43aと、同じくダイヤフラムニードル14が閉じている状態でダイヤフラムニードル14のダイヤフラム部14cの下面と接するダイヤフラム収容部43bとを有するものである。
ニードル収容部43aは平面視円形を呈する凹所からなり、その底面は水平面を形成しているとともに、その中央部には流体入口部41と連通する流体入口41aが形成されている。また、ダイヤフラム収容部43bはニードル収容部43aの半径方向外側で、かつニードル収容部43aの底面よりも上方に形成されているとともに、半径方向内側から半径方向外側に向かって漸次その深さが浅くなるように形成された、平面視ドーナツ状を呈するすり鉢状の空間である。さらに、ダイヤフラム収容部43bには流体出口42aが形成されている。
そして、ボディ12の上面には、ダイヤフラムニードル14の外周端部に下方に向かって輪状に形成された凸部14dを収容する凹溝12aが設けられている。
図1に示すように、ボディ12の別の側面(図において紙面奥側の面)には、図示しない排出口が設けられているとともに、ボディ12の別の側面側には、この排出口とダイヤフラムカバー20に形成された連通路20cと連通する排出路44が設けられている。また、この排出路44内にはダックビル45が配置されている。このダックビル45は、例えば、フッ素ゴム(FKM)から作られた、いわゆる逆止弁である。
ベース13は、ボディ12の下面に当接して配置される板状の部材であり、その下端部にはナベ小ネジ33の頭部を収容する凹所13aが設けられている。
本実施形態のように構成されたニードルバルブ10によれば、使用者がモータ15を操作して、モータ15の回転軸15aを一方向(例えば、図1を上方から見て時計方向)に回転させていくと、この回転軸15aとともにカップリング16も一方向に回転する。カップリング16が回転すると、カップリング16の雄ネジ部16cとスライダの雌ネジ部17aとを介して連結されたスライダ17がモータシャフト31に沿って上方へ移動する(上昇する)。スライダ17が上昇すると、ストッパ18を介してスライダ17に連結されたダイヤフラムニードル14のニードル部14bおよびダイヤフラム部14cが、全開状態(図2において二点鎖線で示す状態)に向かって一緒に上昇する。ニードル部14bが上昇することにより、流体入口41aとニードル部14bとの間に隙間ができ、バルブが開状態(オープン)となってポート43内に流体が流入してくるとともに、ポート43内を満たした流体が順次流体出口42aを通って流体出口部42の方へ流れ出すこととなる。
なお、流体の流量を減らしたい場合や、バルブ自体を閉じたい場合には、モータ15を操作して、モータ15の回転軸15aを他方向(例えば、図1を上方から見て反時計方向)に回転させていけばよい。
このように構成された本実施形態によるニードルバルブ10によれば、スプリング21によりスライダ17に常に下向き(ダイヤフラムニードル14のニードル部14bが閉じる方向)の付勢力が加わるようになり、スライダ17の雌ネジ部17aとカップリング16の雄ネジ部16cとのバックラッシュが低減される(あるいは消滅する)ようになっているので、流量にヒステリシスが出てしまうのを防止(あるいはなくす)ことができる。
図4(a)は、本実施形態によるニードルバルブ10を閉じた状態から回転軸15aを開く方向に3回転させて全開状態とした後、回転軸15aを閉じる方向に回転させていったときの流量を回転軸15aの回転角度毎に測定したグラフであり、グラフ中の×印は閉じた状態から開いていくときの測定値、グラフ中の△印は開いた状態から閉じていくときの測定値を示している。
図4(b)は、スライダ17に下向きの付勢力を与えるスプリング21を具備していないニードルバルブを閉じた状態から回転軸15aを開く方向に3回転させて全開状態とした後、回転軸15aを閉じる方向に回転させて、図4(a)と同様の測定を行った結果を示すグラフであり、グラフ中の*印は閉じた状態から開いていくときの測定値、グラフ中の●印は開いた状態から閉じていくときの測定値を示している。
このように、スプリング21によりスライダ17に常に下向きの付勢力が加わるようにしたニードルバルブ10によれば、バルブの開閉による流量差、すなわち、流量のヒステリシスを大幅に低減あるいはほとんどなくすことができる。
また、流体出口42aがポート43の上方、すなわち、流体入口41aよりも上方に設けられているので、ポート43内における気泡の発生を低減あるいはほとんどなくすことができる。
さらに、ダイヤフラムニードル14の外周端部には、上方に向かって凸部14aが設けられ、下方に向かって凸部14dが設けられているとともに、これら凸部14a,14dがそれぞれ、ダイヤフラムカバー20の凹溝20d、ボディ12の凹溝12aにそれぞれ密着して収容されるようになっているので、ダイヤフラムニードル14の下方から上方への(液状)流体の流通を防止することができる。
さらにまた、スライダ17とストッパ18との間にその内周端部が挟み込まれ、かつダイヤフラムカバー20とカバーフランジ22との間にその外周端部が挟み込まれる、パッキン19が設けられているので、パッキン19の一面側(図において下側)と他面側(図において上側)、すなわち、ダイヤフラムニードル14側とモータ15側とを完全分離することができて、モータ15が納められている空間内に、気化した(液状あるいはガス状)流体(例えば、フッ酸などの薬液)が浸入することを確実に防止することができる。
さらにまた、ボディ12には、ニードルバルブ10の外側と連通する連通路20cが設けられているため、パッキン19の一面側に溜まってしまったガス状流体(フッ酸、塩酸、硝酸などの薬液が気化したガス)を速やかに外部へ排出することができ、ダイヤフラムニードル14の動きを妨げるのを防止することができる。また、連通路20cが呼吸口となり、ダイヤフラムニードル14の動きを、スムーズにすることができる。
[第2実施形態]
本発明によるニードルバルブの第2実施形態を、図3を用いて説明する。
本実施形態におけるニードルバルブ50は、スプリング21の代わりにスプリング51が設けられているという点で前述した第1実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した第1実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
本実施形態におけるスプリング51は、スライダ17とカバーフランジ22との間に設けられた圧縮コイルバネであり、スライダ17を常に上方(モータ15の方)に付勢するものである。これによりスライダ17の雌ネジ部17aとカップリング16の雄ネジ部16cとのバックラッシュが低減される(あるいは消滅する)ようになっている。
このように構成された本実施形態によるニードルバルブ50によれば、ポート43内を通過する流体がダイヤフラムニードル14に及ぼす力の方向と、スプリング51がスライダ17を付勢する方向とが一致するため、流体の圧力差による雌ネジ部17aと雄ネジ部16cとのバックラッシュの変動を略なくすことができるので、バルブの開閉による流量差、すなわち、流量のヒステリシスを略なくすことができる。
その他の効果については前述した第1実施形態のものと同じであるのでここではその説明を省略する。
なお、上述した各実施形態ではカップリング16を介して回転軸15aとスライダ17とを連結するようにしているが、本発明はこのようなものに限定されるものではなく、回転軸15aの外表面に直接雄ネジ部を設けるようにして、カップリング16をなくすようにすることもできる。
これによりモータ15とスライダ17との間の距離を短くすることができて、ニードルバルブ10,50の長手方向長さ(縦方向の長さ)を短くすることができ、バルブの小型化を図ることができる。
[第3実施形態]
以下、本発明によるニードルバルブの第3実施形態を、図5及び図6を参照しながら説明する。
本実施形態に示すニードルバルブ60は、第2実施形態に示すニードルバルブ50において、ボディ12に対するモータ15の取付構造を変更したことを主たる特徴とするものである。以下、第2実施形態に示すニードルバルブ50と同様または同一の部材については同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。
本実施形態に示すニードルバルブ60では、モータ15をボディ12に固定する固定部材として、ダイヤフラムカバー20、カバーフランジ22、及びモータシャフト31の代わりに、これらの一部構成を変更した、ダイヤフラムカバー70、カバーフランジ72、及びハウジング81が用いられている。
本実施形態では、モータ15の下端には、回転軸15aと同軸にして下面15cから下方に突出する円柱部62が設けられており、円柱部62の外周面が第1位置決め基準面63とされている。
また、モータ15の下面15cは、回転軸15aと略直交する平面とされている。
ハウジング81は、内部にモータ15の回転軸15aが挿通されて内部でのスライダ17の上下変位を許容する略円筒形状の部材である。
ハウジング81には、上端に、モータ15の円柱部62が挿入される内フランジ82が設けられており、下端には、下端面から下方に向けて突出する円環状の突条83が設けられている。本実施形態では、内フランジ82及び突条83は、ハウジング81の軸線と同軸とされている。
内フランジ82の内周面は、その内径がモータ15の円柱部62の外径とほぼ同径の円筒内面形状とされており、この内周面が、モータ15の第1位置決め基準面63を受けてモータ15を内フランジ82の軸線と同軸となるように位置決めする第1位置決め面86とされている。
また、突条83の内周面は、第1位置決め面86と同軸の円筒内面形状をなす第2位置決め基準面87とされている。
カバーフランジ72には、その上面に、上方に突出する円柱部73が貫通穴22aと同軸にして設けられており、下面には、下方に突出する円環状の突条74が設けられている。
円柱部73は、ハウジング81の突条83の内周側に挿入されるものであって、その外周面は、ハウジング81の突条83の内径とほぼ同径の円筒面をなしており、この外周面が、ハウジング81の第2位置決め基準面87を受けてハウジング81を貫通穴22aと同軸となるように位置決めする円筒形状の第2位置決め面75とされている。
ここで、カバーフランジ72の上面において、円柱部73の外周側に位置する円環状部は、貫通穴22aと略直交する平面とされている。
また、突条74の内周面は、第2位置決め面75と同軸の円筒内面形状をなす第3位置決め基準面76とされており、突条74の先端面(下端面)は、貫通穴22aと略直交する平面とされている。
ダイヤフラムカバー70には、その上面に、上方に突出する円柱部77が貫通穴20aと同軸にして設けられている。
円柱部77は、カバーフランジ72の突条74の内周側に挿入されるものであって、その外周面は、カバーフランジ72の突条74の内径とほぼ同径の円筒面をなしており、この外周面が、カバーフランジ72の第3位置決め基準面76を受けてカバーフランジ72を貫通穴20aと同軸となるように位置決めする第3位置決め面79とされている。
ここで、ダイヤフラムカバー70の上面において、円柱部77の外周側に位置する円環状部は、貫通穴20aと略直交する平面とされている。
なお、ダイヤフラムカバー70の外周面は、ボディ12に装着されるカバー23の内面によって受けられて、貫通穴20aがダイヤフラムニードル14と同軸になるように位置決めされている。
また、カバーフランジ72の上面には、モータ15の回転軸15aの軸線に略平行にしてガイドピン84が設置されており、スライダ17は、二股部の内周面が、モータシャフト31の外周面の代わりに、ガイドピン84の外周面に接するようになっていて、これによって回転軸15aとスライダ17との供回りが防止されている。
このガイドピン84の上端には、スライダ17の上面に張り出して、スライダ17の上面を受けるストッパ85が設けられている。
ストッパ85は、モータ15の回転軸15aを回転させてスライダ17を上昇させた際に、スライダ17がカップリング16の凸部16bの付け根に当接する前にスライダ17を受けて、それ以上のスライダ17の上昇を規制するものである。
このように構成されたニードルバルブ60では、ボディ12に対するモータ15の組付けの際に、モータ15の円柱部62をハウジング81の内フランジ82に挿入することで、モータ15の第1位置決め基準面63がハウジング81の第1位置決め面86によって受けられて、モータ15の回転軸15aが、ハウジング81の内フランジ82の軸線及び突条83と同軸となる。
この状態で、ハウジング81の突条83の内周側に、カバーフランジ72の円柱部73を挿入することで、ハウジング81の第2位置決め基準面87がカバーフランジ72の第2位置決め面75によって受けられて、ハウジング81の突条83がカバーフランジ72の円柱部73、突条74、及び貫通穴22aと同軸となる。すなわち、モータ15の回転軸15aが、カバーフランジ72の円柱部73、突条74、及び貫通穴22aと同軸となる。
この状態で、カバーフランジ72の突条74の内周側に、ダイヤフラムカバー70の円柱部77を挿入することで、カバーフランジ72の第3位置決め基準面76がダイヤフラムカバー70の第3位置決め面79によって受けられて、カバーフランジ72の突条74がダイヤフラムカバー70の円柱部77及び貫通穴20aと同軸となる。すなわち、モータ15の回転軸15aが、ダイヤフラムカバー70の円柱部77及び貫通穴20aと同軸となる。
ダイヤフラムカバー70は、ボディ12に対して、貫通穴20aがダイヤフラムニードル14と同軸になるように位置決めされるので、モータ15の回転軸15aも、ダイヤフラムニードル14と同軸となる。
このように、本実施形態に示すニードルバルブ60では、モータ15、ハウジング81、カバーフランジ72、及びダイヤフラムカバー70が、それぞれいわゆるインローによって結合されるので、これらの部材を接続するだけで、ボディ12に対するモータ15の位置と向きとの双方について位置決めされて、ダイヤフラムニードル14の駆動に適した状態となるので、ボディ12に対するモータ15の位置調整作業及び向きの調整作業が不要となる。
このため、このニードルバルブ60は、製造時やメンテナンス時において組立作業者の技術レベルによらずに高精度な組み付けを容易かつ迅速に行うことができるので、生産性、作業性に優れるとともに、製品ごと、またはメンテナンス作業ごとの組立精度のばらつきを低減して、流量調整弁としての性能を高水準に保つことができる。
ここで、上記の各位置決め基準面は、上記のような筒状面や筒状内面に限らず、一つ以上の曲面、もしくは、少なくとも一つの面が他の面とは異なる方向に向けられた複数の平面によって構成することができる。位置決め基準面が曲面である場合には、対応する位置決め面はこの曲面と同じ曲率でかつ曲率の向きが逆向きとなる曲面によって構成される。
モータや固定部材に設けられた位置決め基準面が複数の平面である場合には、これに結合される部材の位置決め面も各位置決め基準面に対応する複数の平面によって構成される。
また、このニードルバルブ60では、スライダ17の供回りを防止するガイドピン84にストッパ85が設けられているので、スライダ17を上昇させる際にスライダ17とカップリング16の凸部16bの付け根との干渉が防止されて、これらの噛み込み等の問題が確実に防止され、常に良好な動作を行うことができる。
なお、本実施形態の特徴的な構成は、第2実施形態に示したニードルバルブ50に限らず、第1実施形態に示したニードルバルブ10に適用することができる。
[第4実施形態]
以下、本発明によるニードルバルブの第4実施形態を、図7を参照しながら説明する。
本実施形態に示すニードルバルブ90は、第3実施形態に示すニードルバルブ60において、モータ15のモータ本体15d外部に、回転軸15aに加わるスラスト荷重を受けるスラスト軸受91を設けたことを主たる特徴とするものである。以下、第3実施形態に示すニードルバルブ50と同様または同一の部材については同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。
本実施形態では、モータ15の円柱部62の下面とカップリング16の上面との間にスラスト軸受91を設けている。
このように構成されるニードルバルブ90では、ダイヤフラムニードル14が流体の圧力を受けた際に、本来はダイヤフラムニードル14、スライダ17、及びカップリング16を介して回転軸15aに伝達されるはずのスラスト荷重が、モータ本体15d外部に設けられたスラスト軸受91によって受けられて、モータ本体15dに逃がされるので、モータ15内の回転軸15aの支持構造に加わる負担が軽減され、長期にわたってモータ15の性能を維持することができる。
なお、本実施形態の特徴的な構成は、第3実施形態に示したニードルバルブ60に限らず、第1実施形態に示したニードルバルブ10や第2実施形態に示したニードルバルブ50に適用することができる。
[第5実施形態]
以下、本発明によるニードルバルブの第4実施形態を、図8及び図9を参照しながら説明する。
本実施形態に示すニードルバルブ101は、第1、第2、第3、第4実施形態のいずれかに示すニードルバルブにおいて、モータ15をステッピングモータとするとともに、モータ15の動作を制御する制御装置102を設けたことを主たる特徴とするものである。
制御装置102は、ダイヤフラムニードル14の位置校正にあたって、モータ15の回転軸15aを、ダイヤフラムニードル14がその可動範囲の一端から他端まで移動するのに必要な角度回転させるだけのパルス数のパルス信号をモータ15に入力し、回転軸15aが停止した位置でダイヤフラムニードル14が可動範囲の前記他端に位置していると判定して、以降は可動範囲内でダイヤフラムニードル14の位置制御を行う構成とされている。
具体的には、制御装置102は、ダイヤフラムニードル14の位置校正にあたって、ダイヤフラムニードル14がその可動範囲の一端から他端まで移動するのに必要な角度(この角度はニードルバルブ101の設計情報から得られる)だけモータ15の回転軸15aを回転させるよう、所定パルス数のパルス信号をモータ15に入力する。
本実施形態では、図9に示すように、制御装置102は、ダイヤフラムニードル14の位置校正にあたって、回転軸15aをダイヤフラムニードル14が可動範囲のうちの開放側(図1、図2、図3、図5及び図7における上方)に向けて移動する向きに回転させて、ダイヤフラムニードル14を全開位置まで移動させる。
これにより、回転軸15aの回転が終了した時点では、ダイヤフラムニードル14は、位置校正作業の開始時点における位置(初期位置)によらず、可動範囲の他端に位置することになる。なお、ダイヤフラムニードル14の位置校正開始時点でダイヤフラムニードル14が可動範囲の一端以外に位置している場合には、回転軸15aがモータ15に入力されたパルス信号の全てのパルスに対応する角度だけ回転する前に、ダイヤフラムニードル14が可動範囲の他端に到着してそれ以上移動できなくなるので、以降は残りのパルス数によらず、回転軸15aが回転しない。
このようにダイヤフラムニードル14を可動範囲の他端に位置させた以降は、制御装置102は、ダイヤフラムニードル14が可動範囲の他端に位置していると判断して、可動範囲内でダイヤフラムニードル14の位置制御が行われる。
本実施形態では、制御装置102は、回転軸15aが停止したのちに、ダイヤフラムニードル14を可動範囲の一端(全閉位置)まで移動させるだけのパルス数のパルス信号をモータ15に入力し、回転軸15aが停止した位置を、ダイヤフラムニードル14の位置制御の原点とし、以降はダイヤフラムニードル14を予め設定した動作範囲内に移動させて、必要な制御を行う。
ダイヤフラムニードル14が可動範囲内にある場合には、モータ15に入力されたパルス信号の全てのパルスに対応する角度で回転軸が回転するので、パルス信号のパルス数とダイヤフラムニードル14の位置との間に一定の関係が成立する。
これにより、本実施形態のニードルバルブ101では、一旦ダイヤフラムニードル14を可動範囲の他端に位置させたのちは、以降にモータ15に入力したパルス信号のパルス数に基づいてダイヤフラムニードル14の位置を特定することが可能となり、ロータリーエンコーダを用いずに、ダイヤフラムニードル14の位置を正確に把握することができる。
さらに、本実施形態では、ダイヤフラムニードル14の位置校正にあたって、ダイヤフラムニードル14が、可動範囲のうちの開放側、すなわちニードルバルブ101のニードル収容部43aとの干渉を避ける方向に向けて移動させられるので、ダイヤフラムニードル14の位置校正を繰り返しても、ダイヤフラムニードル14及びボディ12に損耗が生じにくい。
ここで、本実施形態に示す技術を、第1または第2実施形態に示すニードルバルブに適用した場合には、制御装置102を、少なくともダイヤフラムニードル14がその可動範囲の端部近傍で端部に向って移動する場合にはモータ15の回転軸15aを第一駆動トルクで回転させ、ダイヤフラムニードル14が可動範囲の端部から離間する場合には、モータ15の回転軸15aを第一駆動トルクよりも大きい第二駆動トルクで回転させる構成としてもよい。
この場合には、ダイヤフラムニードル14を可動範囲の端部から離間させるにあたって、モータ15の動作を制御する制御装置102が、ダイヤフラムニードル14をその可動範囲の端部まで移動させる際の駆動トルク(第一駆動トルク)よりも大きい第二駆動トルクでモータ15を動作させる。
これにより、このニードルバルブでは、ダイヤフラムニードル14が可動範囲の端部まで移動した際にネジ部の噛み込みが生じたとしても、この噛み込みを容易に解消することができる。
モータ15の駆動力は、モータ15に供給される駆動電流に比例する。
そこで、制御装置102を、ダイヤフラムニードル14を可動範囲の端部まで移動させる際にはモータ15の駆動電流の出力制限値を第一制限値V1に設定し、ダイヤフラムニードル14を可動範囲の端部から離間させる際には出力制限値を第一制限値V1よりも大きい第二制限値V2に設定する構成とすることで、上記の制御を実現することができる。
また、モータ15は、回転軸15aの回転が低速であるほど回転軸15aを駆動するトルクが増大する。
そこで、制御装置102を、ダイヤフラムニードル14を可動範囲の端部まで移動させる際にはモータ15の回転軸15aを第一回転速度R1で回転させ、ダイヤフラムニードル14を可動範囲の端部から離間させる際には第一回転速度R1よりも低速の第二回転速度R2で回転させる構成とすることで、上記の制御を実現することができる。
本発明によるニードルバルブ(流量調整弁)の第1実施形態を示す縦断面図である。 図1の要部拡大図である。 本発明によるニードルバルブの第2実施形態を示す図であって、図2と同様の図である。 モータの回転軸の回転角度と流量との関係を示すグラフであって、(a)は図1および図2に示すニードルバルブを用いて測定した測定結果、(b)は従来のニードルバルブを用いて測定した測定結果である。 本発明によるニードルバルブの第3実施形態を示す縦断面図である。 図5の一部拡大図である。 本発明によるニードルバルブの第4実施形態を示す縦断面図である。 本発明によるニードルバルブの第5実施形態を示すブロック図である。 図8に示すニードルバルブの動作を示す図である。
符号の説明
10 ニードルバルブ(流量調整弁)
12 ボディ
14 ダイヤフラムニードル(弁体)
15 モータ
15a 回転軸
15d モータ本体
16c 雄ネジ部
17a 雌ネジ部
19 パッキン
21 スプリング(付勢手段)
23 カバー
41 流体入口
42 流体出口
44 排出路
45 ダックビル(逆止弁)
50 ニードルバルブ(流量調整弁)
51 スプリング(付勢手段)
60 ニードルバルブ(流量調整弁)
63 第一位置決め基準面
70 ダイヤフラムカバー(固定部材)
72 カバーフランジ(固定部材)
75 第二位置決め面
76 第三位置決め基準面
79 第三位置決め面
80 ハウジング(固定部材)
86 第一位置決め面
87 第二位置決め基準面
90 ニードルバルブ(流量調整弁)
91 スラスト軸受
101 ニードルバルブ(流量調整弁)
102 制御装置

Claims (13)

  1. 流体入口および流体出口を有するボディと、このボディに取り付けられるカバーと、これらボディおよびカバーにより形成される空間内に配置されるモータと、このモータの回転軸に対して、ネジ部を介して接続される弁体とを具備してなる流量調整弁であって、
    前記弁体を前記モータの側、あるいは前記モータと反対の側に付勢する付勢手段が設けられていることを特徴とする流量調整弁。
  2. 前記弁体の周りを通過する流体が当該弁体に作用する力の方向と、前記付勢手段による付勢力との方向が略一致するように、前記付勢手段が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の流量調整弁。
  3. 前記空間内において前記モータの側と前記弁体の側とを分離するパッキンが設けられているとともに、気化した薬液が透過しない材質で前記パッキンが作られていることを特徴とする請求項1または2に記載の流量調整弁。
  4. 前記パッキンよりも弁体側に滞留した流体を排出する排出路が設けられていることを特徴とする請求項3に記載の流量調整弁。
  5. 前記排出路内に、逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項4に記載の流量調整弁。
  6. 前記モータに位置決め基準面が設けられ、
    前記ボディに前記モータを固定する固定部材が設けられ、
    該固定部材が、前記モータの前記位置決め基準面を受けて前記回転軸の位置と向きとのうちの少なくともいずれか一方を前記弁体の駆動に適した状態にして前記モータを位置決めする位置決め面を有していることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の流量調整弁。
  7. 前記モータの前記位置決め基準面が前記回転軸に平行な筒状面または筒状内面をなし、
    前記固定部材の前記位置決め面が、前記弁体の駆動方向に平行かつ前記位置決め基準面と同形状の筒状内面または筒状面をなしていて、前記位置決め面が前記位置決め基準面を受けた状態では前記回転軸の位置と向きとが位置決めされることを特徴とする請求項6記載の流量調整弁。
  8. 予め設定した動作範囲内での前記弁体の移動を許容しつつ前記動作範囲の端部に到達した前記弁体を受けて前記動作範囲外への移動を規制するストッパを有していることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の流量調整弁。
  9. 前記モータの動作を制御する制御装置を有しており、
    該制御装置は、少なくとも前記弁体がその可動範囲の端部近傍で該端部に向って移動する場合には前記モータを第一駆動トルクで動作させ、
    前記弁体が前記可動範囲の端部から離間する場合には、前記モータを前記第一駆動トルクよりも大きい第二駆動トルクで動作させることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の流量調整弁。
  10. 前記弁体がニードルバルブのニードルを構成しており、
    前記モータが、入力されたパルス信号のパルス数に比例した角度だけ前記回転軸を回転させるステッピングモータとされており、
    前記モータの動作を制御して前記弁体の位置制御を行う制御装置が設けられ、
    該制御装置は、前記弁体の位置校正にあたって、前記回転軸を、前記弁体がその可動範囲の一端から他端まで移動するのに必要な角度回転させるだけのパルス数のパルス信号を前記モータに入力し、
    前記回転軸が停止した位置で前記弁体が前記可動範囲の前記他端に位置していると判定して、以降は前記可動範囲内で前記弁体の位置制御を行うことを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の流量調整弁。
  11. 前記制御装置が、前記弁体の位置校正にあたって、前記回転軸を前記弁体が前記可動範囲のうちの開放側に向けて移動する向きに回転させることを特徴とする請求項10記載の流量調整弁。
  12. 前記制御装置は、少なくとも前記弁体がその可動範囲の端部近傍で該端部に向って移動する場合には前記モータを第一駆動トルクで動作させ、
    前記弁体が前記可動範囲の端部から離間する場合には、前記モータを前記第一駆動トルクよりも大きい第二駆動トルクで動作させることを特徴とする請求項10または11に記載の流量調整弁。
  13. 前記モータのモータ本体外部に、前記回転軸に加わるスラスト荷重を受けるスラスト軸受を設けたことを特徴とする請求項1から12のいずれかに記載の流量調整弁。
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