JP2006234132A

JP2006234132A - ニードルバルブ

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Publication number: JP2006234132A
Application number: JP2005052857A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Asakawa; 芳比古浅川
Original assignee: Kitz Corp
Current assignee: Kitz Corp
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2025-02-28
Also published as: JP4583974B2

Abstract

【課題】流量計を取付けたバルブであっても、その総合流量特性がリニア流量特性を満たし、安定した流量制御を可能にすると共に、流量計を含む装置全体の小型化とコストの削減化をも可能にしたニードルバルブを提供する。
【解決手段】弁座部５の最大開口面積Ａ１と弁本体１の流入口２の流路面積Ａ２を、バルブ単体での制御においてリニア流量特性を満たす面積比に設定すると共に、当該バルブ単体の最大Ｃｖ_１値と流量計単体のＣｖ_２値を、流量計Ｍを含むバルブの総合流量特性がリニア流量特性と成るＣｖ値比に設定したニードルバルブである。
【選択図】図１

Description

本発明は、流量計を取付けた流量調整式のニードルバルブに関し、特に、リニア流量特性やイコールパーセント特性等、所望の流量特性を満たす流量制御を可能にしたニードルバルブに関する。

通常、この種のバルブは、弁体の昇降動によって弁体と弁座との流通の開口面積を順次変化させることで流量制御を行う弁として、半導体、液晶等の製造分野をはじめ、各種分野で使用されている。この種のバルブでは、特に、弁体のリフト量に対応した安定流量の確保が重要であり、例えば、実開平６−８３９４６号公報には、バルブシートの流通孔の流入口側をテーパ部に形成して、弁体全開時の流量低下を防止したニードルバルブが開示されている。

ところで、流量測定用の流量計はバルブとは別に用意されるため、実開平６−８３９４６号公報をはじめ、従来技術では、流量計とバルブとを合成した総合流量特性については何ら考慮されておらず、このため、バルブに流量計を取付けた場合、総合流量特性が悪化して、安定した流量調整が行えないなどの問題を起こしていた。これを解決するために、流量コントローラを用いて、流量計が検出した計測流量と設定流量とを比較し、バルブの開度調整をフィードバック制御して、計測流量が設定流量に一致するように自動修正することも考えられる。
実開平６−８３９４６号公報

しかしながら、上記流量コントローラを用いたとしても、流量計を取り付けたことが、バルブを含む総合流量特性にどのような影響を与えるかを正確に把握した上で、バルブの製造を行わなければ、総合流量特性を所望の流量特性にできず、安定した流量調整の実現は不可能である。

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、流量計を取付けたバルブであっても、その総合流量特性がリニア流量特性を満たし、安定した流量制御を可能にすると共に、流量計を含む装置全体の小型化とコストの削減化をも可能にし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、流量計を取付けたニードルバルブにおいて、バルブの流量特性を弁座部の最大開口面積と弁本体の流入口の流路面積との面積比の設定によって決定したニードルバルブである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のニードルバルブにおいて、弁座部の最大開口面積と弁本体の流入口の流路面積を、バルブ単体での制御においてリニア流量特性を満たす面積比に設定すると共に、当該バルブ単体の最大Ｃｖ_１値と流量計単体のＣｖ_２値を、流量計を含むバルブの総合流量特性がリニア流量特性と成るＣｖ値比に設定したニードルバルブである。

請求項１に係る発明によると、流量計を取付けたバルブの流量特性を確実に把握して、所望の流量制御を行い得るニードルバルブとして提供可能である。また、請求項２に係る発明によると、流量計を取付けたバルブであっても、リニア流量特性を満たし、安定した流量制御の実現を可能にしたので、例えば、半導体の純水供給制御装置をはじめ、各種分野の制御装置に適用しうるニードルバルブとして提供することができ、しかも、流量計を含む装置全体の小型化とコストの削減化が可能になった。

以下に、本発明におけるニードルバルブの一実施形態を図面に基づいて説明する。図１には、本発明の原理に基づくニードルバルブの一例が示されている。図１において、ニードルバルブの一次側には、ボルト等の固定部材を介して流量計Ｍが取付けられている。この流量計Ｍは、その先端部を弁本体１の流入口２内に挿入固定されており、弁本体１と一体を成している。従って、ニードルバルブと流量計Ｍとの間に、別途の配管や継手を接続する必要がないので、小型化とコストの削減化を図った流量計付きニードルバルブを得ることができる。図中３は、弁本体１の二次側に位置する流出口であり、図中４は、流出入口２，３の流路に設けた弁室である。なお、流量計Ｍはニードルバルブの二次側に取付けてもよいが、ニードルバルブ流下後の乱流体の影響を受けないようにするためには、ニードルバルブの一次側に取付けるのが好ましい。

図中５は、弁室４内に装着される環状の弁座部（本例では金属製）であり、該弁座部５の弁口には上方に向って拡がる傾斜面が形成されている。図中６は、前記弁座部５に着座するニードル（本例では金属製）であり、該ニードル６の外周部にはテーパ面が形成されている。このテーパ面の上方位置に外周溝７が設けてあり、着座時にニードル６と弁座部５との間を密封するＯリング８が装着されている。本例で示す外周溝７には、一次側を拡げた空隙部が形成され、また、Ｏリング当接面側をＯリング８の半径と略一致しうるアールを呈した円弧面とし、弁微開時のＯリング８の飛び出しを防いだ構造としている。勿論、弁座部５やニードル６等の形状・構造は、これに限定されない。

図１において、前記ニードル６は、流量制御のための移動範囲の最上位にあり、当該バルブを流れる流量が最も多い全開状態にある。この全開状態において、ニードル６の外周テーパ面と弁座部５の最小口径傾斜面（本例では円筒状縮径部５ａ）との面間で構成される開口面積を、弁座部５の最大開口面積Ａ１とした場合、この最大開口面積Ａ１と流入口２の流路面積Ａ２とは、後述するが、バルブ単体での制御においてリニア流量特性を満たす面積比に設定されており、且つ、前記面積比を有したバルブ単体の最大Ｃｖ_１値と流量計ＭのＣｖ_２値は、後述するが、バルブ＋流量計の総合流量特性がリニア流量特性と成るＣｖ値比に設定されている。

図中９は、弁室４と連通させて設けた軸装穴であり、図中１０は、ニードル６の軸部である。図中１１は、ニードル６の軸部１０に装入されるＯリングであり、図中１２は、Ｏリング１１の装着溝、図中１３、１４は、軸装する筒体（軸装体）と保持体（軸装体）である。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。この軸封構造は一例であって、これに限定されない。

図中１５は、コイルスプリングであり、図中１６は、軸部１０に設けた座金、図中１７は、筒状のブッシュである。なお、図示しないが、弁本体１とブッシュ１７には、外部と連通させる連通孔が設けてある。図中１８は、直動型電動モータ（ステッピングモータ）であり、図中１９は、前記電動モータ１８の出力軸、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。

図２は、図１におけるニードルバルブの分離斜視図であり、同図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９から、シールリング２１を装着した環状弁座５を弁本体１に装入して、これを弁室４の流入側に設けた段部１ａに配置する。このとき、環状弁座５は遠心方向に適宜の間隙を有した状態で環状の弁室４内に装着される。保持体１４と軸装穴９との間をシールするシールリング２２を配置する。

続いて、ニードル６に設けた外周溝７にＯリング８を装着する。このニードル６の軸部１０に筒体（軸装体）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保持体（軸装体）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、従来のようなステムにＯリングを装着させた構造と比べ、格段に優れた耐久性能を備えている。しかも、ニードル６の軸部１０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。

前記保持体（軸装体）１４を組付けた筒体（軸装体）１３は、前記弁室４に装入して環状弁座５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１０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６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。しかも、前記ニードル６の軸部１０と前記直動型電動モータ１８の出力軸１９とは別体であり、芯ずれを起こし難い構造が実現されている。

更に、本例に示すニードルバルブは、前記軸部１０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１０に設けた座金１６に係止させて、これをユニットとして構成しており、図２において、下側からＯリング８、ニードル６、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ており、優れた組立容易性を実現している。

上述のごとく、仮組み状態にある前記ユニットを、弁室４と連通形成した軸装穴９から弁本体１に装入し、前記環状弁座５の上面に位置させた後、軸装穴９から筒状のブッシュ１７を装入して前記保持体１４の上面に位置させる。弁本体１とブッシュ１７には外部と連通させる図示しない連通孔が設けてあるので、ユニットを弁本体１に装入する際、弁本体１内の気体が前記連通孔から排出され、円滑な装入が可能である。

続いて、軸部１０の押し下げ動作によって、前記ニードル６を介して環状弁座５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６のテーパ面の拡径部が、前記環状弁座５の傾斜面の縮径部の一部を押圧しながら調芯するように構成され、軸部１０の押し下げ動作は複数回行ってもよく、また、本例では軸部１０がスプリング１５の弾発力で旧位に復帰する構造を採用しているので、複数回の押し下げ動作が容易である。押し下げの手段は手動の他、弁本体１に装着されるアクチュエータや別途装置を用いてもよい。

環状弁座５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５も弁本体１に固定される。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６の軸芯と環状弁座５の軸芯とが一致した状態となっている。なお、軸部１０を押し下げた状態で、アクチュエータ２０の筐体２０ａを弁本体１に固定することにより、環状弁座５を調芯状態に保持したまま、弁本体１に固定することもできる。

組立てが完了すれば、環状弁座５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５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１０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、バルブ全体を更にコンパクトにし、バルブ内部に滞留する流体量を低減することも可能である。

本願発明者の鋭意研究によって、一次側に流量計Ｍを取付けたバルブの流量特性は、弁座部５の最大開口面積Ａ１と流入口２の流路面積Ａ２との面積比、並びにこのバルブ単体の最大Ｃｖ_１値と流量計ＭのＣｖ_２値の比によって決まることを見出した。これを実証すべく、以下の試験を行った。リニア流量特性の許容範囲は、ＪＩＳＢ２００５−２−４に基づき、後述する「弁体リフト量−容量係数（Ｃｖ値）特性グラフ」において、供試品の流量特性の「傾きの最大偏り」が、理想のリニア特性の傾きに対して２倍以下の範囲とした。

ここで言う「傾きの最大偏り」とは、供試品の「弁体リフト量−容量係数（Ｃｖ値）特性グラフ」において、隣接する各測定値を結ぶ直線の傾きが、理想のリニア特性（制御範囲の最大・最小開度におけるＣｖ値を直線で接続した特性）に対して、最も大きい差となる測定値間の直線の傾きと理想直線の傾きとの比をいう。例えば、後述する図３中、供試品Ｎｏ．１において、理想のリニア特性に対して最も大きい差となる測定値間はＨ−Ｇ区間であり、その傾きは０．００１６６６７である。理想のリニア特性の傾き（Ｈ−Ａ区間）は０．１６０６１９であるので、傾きの最大偏りは、Ｈ−Ａ区間の傾き／Ｈ−Ｇ区間の傾き＝９６．３７となる。

（試験１）
バルブ単体でのリニア特性の実現：
バルブ＋流量計でのリニア流量特性の実現を図るには、先ず、バルブ単体でリニア流量特性を実現する必要がある。本試験では、呼び径１０Ａのバルブを用い、原則としてバルブの一次側流入口の流路面積Ａ２を一定とし、弁座部の最大開口面積Ａ１を変えることで、開口面積比Ａ２／Ａ１の値が異なる５種類の供試品Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５を作成し、流量特性試験を行った。なお、供試品Ｎｏ．４は流路面積Ａ２の値も変更の上、開口面積比を調整した。試験結果を表１に示し、開口面積比別の流量特性データを図３に示す。

本試験結果から、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３は、「傾きの最大偏り」が２より大きく、リニア特性は得られていない。一方、Ｎｏ．４とＮｏ．５は、「傾きの最大偏り」が２以下であり、弁体のリフト開始から最大に至るまでの移動範囲全域にわたって、リフト量の等量増分がＣｖ値の等量増分を生じるリニア流量特性が得られている。

図４は、表１及び図３のデータに基づき、開口面積比に対する「傾きの最大偏り」を示したものである。供試品Ｎｏ．５の「傾きの最大偏り」は２未満であり、リニア特性が得られるものの、開口面積比（Ａ２／Ａ１）は口径１段落ちに相当する値５．５を上回る開口面積比（１５．４）であるため、バルブの大きさ（呼び径）が実際の流量に対して過剰となる。従って、供試品Ｎｏ．４であれば、バルブの大きさが過剰となることなく、リニア流量特性を得ることができる。

次に、「傾きの最大偏り」上限２に相当する流入口の流路面積Ａ２と弁座部の最大開口面積Ａ１との面積比、即ち、最小の開口面積比は図４より約３．５であり、これを上回る比となるように、弁座部の最大開口面積Ａ１と流入口の流路面積Ａ２を設定することで、バルブ単体としてリニア特性を満たす制御が可能となる。一方、リニア特性は満たすものの、前述のように、Ｃｖ値を配管口径１段落ち（例えば、口径を呼び径１０Ａから８Ａに下げる）に相当する値まで低下させるような開口面積比の設定はバルブに対する実流量が極めて少ないものとなり、バルブの大きさが過剰なものとなる。１段落ちに相当する開口面積比、即ち、最大の開口面積比は、口径を１０Ａから８Ａに下げる例として、以下のように算出される。

１段落ちの開口面積比は、（１０÷８）^２＝１．５６であることから、最大開口面積比は、３．５（最小開口面積比）×１．５６＝５．４６となる。従って、一次側に流量計を取付けた呼び径１０Ａのバルブにおいて、弁座部の最大開口面積Ａ１と流入口の流路面積Ａ２との面積比（Ａ２／Ａ１）を３．５〜５．５に設定することで、バルブの大きさが過剰となることなく、リニア流量特性を得ることができる。なお、本実施形態のニードルバルブによれば、弁座部５やニードル６を交換することにより、弁座部の最大開口面積Ａ１の設定を変えることができるので、上記面積比（Ａ２／Ａ１）の調整を容易に行うことができる。

（試験２）
バルブ＋流量計でのリニア特性の実現：
本試験では、呼び径１０Ａのバルブを用い、バルブ単体と流量計単体とのＣｖ値比が異なる３種類の供試品Ｎｏ．４（１）〜Ｎｏ．４（３）を作成し、流量特性試験を行った。試験結果を表２に示し、Ｃｖ値比別の流量特性データを図５に示す。なお、本実施例においては、簡易的に下記計算式によってバルブと流量計との合成Ｃｖ値を算出することで評価した。

計算式

本試験結果から、Ｎｏ．４（１）とＮｏ．４（２）は、「傾きの最大偏り」が２以下であり、弁体のリフト開始から最大に至るまでの移動範囲全域にわたって、リフト量の等量増分がＣｖ値の等量増分を生じるリニア流量特性が得られている。一方、Ｎｏ．４（３）は、「傾きの最大偏り」が２より大きく、リニア特性は得られていない。

図６は、表２及び図５のデータに基づき、バルブ単体と流量計単体とのＣｖ値比に対する「傾きの最大偏り」を示したものである。供試品Ｎｏ．４（３）のＣｖ値が供試品Ｎｏ．４（２）に対して、最大約２割程度低いものとなる（最大リフト量４．８ｍｍにおけるＣｖ値を参照）が、本実施例の流量計付きバルブが取付けられる装置に応じて、「傾きの最大偏り」が２以下の範囲内で適切な流量特性が得られるよう、適宜選択すればよい。

上述した試験１、２の結果からも明らかであるように、一次側に流量計を設けたニードルバルブの流量特性は、弁座部の最大開口面積Ａ１と一次側流入口の流路面積Ａ２との面積比、並びにこのバルブ単体の最大Ｃｖ_１値と流量計のＣｖ_２値の比によって決まり、流量計付きバルブにおけるリニア流量特性を満たす制御の実現が可能となる。具体的には、一次側に流量計を取付けた呼び径１０Ａのバルブにおいて、弁座部の最大開口面積Ａ１と流入口の流路面積Ａ２との面積比（Ａ２／Ａ１）を３．５〜５．５に設定することに加え、このバルブ単体と流量計単体とのＣｖ値比（Ｃｖ_１：Ｃｖ_２）を１：２．５〜１：４に設定することにより、バルブと流量計とを合成した総合流量特性において、「傾きの最大偏り」を理想のリニア特性の傾きに対して２倍以下に抑制することができ、流量計付きニードルバルブを正確で安定したリニア特性に基づいて流量制御することができる。

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、特に、高精度な微少流量の制御を行う必要のある用途においても、高精度な微少流量制御と完全遮断を実現し、しかも、リニア流量特性やイコールパーセント特性等、所望の流量特性を満たす制御を実現したコンパクトな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。図１におけるニードルバルブの分離斜視図である。本発明のバルブ単体における開口面積比別の流量特性データを示したグラフである。図３における開口面積比と傾きの最大偏りの関係を示したグラフである。本発明のバルブ＋流量計におけるＣｖ値比別の流量特性データを示したグラフである。図５におけるＣｖ値比と傾きの最大偏りの関係を示したグラフである。

符号の説明

１弁本体
２流入口
５弁座部
Ａ１弁座部の最大開口面積
Ａ２流入口の流路面積
Ｍ流量計

Claims

流量計を取付けたニードルバルブにおいて、バルブの流量特性を弁座部の最大開口面積と弁本体の流入口の流路面積との面積比の設定によって決定したことを特徴とするニードルバルブ。
請求項１に記載のニードルバルブにおいて、弁座部の最大開口面積と弁本体の流入口の流路面積を、バルブ単体での制御においてリニア流量特性を満たす面積比に設定すると共に、当該バルブ単体の最大Ｃｖ_１値と流量計単体のＣｖ_２値を、流量計を含むバルブの総合流量特性がリニア流量特性と成るＣｖ値比に設定したニードルバルブ。