JP2012207796A - ニードルバルブ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明にかかるニードルバルブは、流入口と流出口を有する弁本体内の弁室に傾斜面を有する弁座を設け、この弁座に離接するニードルによって流量制御を行うニードルバルブである。ニードルは、傾斜面に対し離接するOリングを有する。Oリングは、エラストマー中にカーボンナノファイバーを含む炭素繊維複合材料で形成される。そこで、Oリングのつぶし率を11%以下に設定することができた。
【選択図】図1
Description
流入口と流出口を有する弁本体内の弁室に傾斜面を有する弁座を設け、この弁座に離接するニードルによって流量制御を行うニードルバルブにおいて、
前記ニードルは、前記傾斜面に対し離接するOリングを有し、
前記Oリングは、エラストマー中にカーボンナノファイバーを含む炭素繊維複合材料で形成され、
前記Oリングのつぶし率を11%以下に設定したことを特徴とする。
ても確実に弁閉状態とすることができ、且つ、優れた微小流量制御特性を得ることができる。
前記Oリングが前記弁座から離れた直後の開弁動作時における微小流量特性グラフと、前記Oリングが前記弁座に接触する直前の閉弁動作時における微小流量特性グラフとの間に形成されたヒステリシスループで閉じられた面積が低減されたニードルバルブとすることができる。
前記エラストマーは、3元系フッ素ゴムであることができる。
前記傾斜面の傾斜角度は、35度〜55度であることができる。
前記ニードルと前記弁座とが接触して閉弁したとき、前記Oリングが前記弁座に対し前記傾斜面にのみ接触することができる。
通孔31aによって軸部8が案内される。筒体13と保持体14は、軸部8の周囲にダストシール33、ガイド体31及びOリング11を装着するための取付溝12を形成する。なお、筒体13、ガイド体31、及び保持体14は、樹脂製とすることができる。ニードル7は、弁本体1に組み付けられる前に、軸部8に筒体13とダストシール部材33とガイド体31とOリング11とを介して保持体14を組付け、さらに、この保持体14の上部に、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16によって圧縮しながら係止させて、ニードルユニット23として組み立てることができる。
Pa以上、30.0MPa以下とすることができる。50%伸び時の応力が7.0MPa以上の炭素繊維複合材料のOリング9を用いることでニードルバルブVにおける微小流量特性が改善され、また、50%伸び時の応力が30.0MPa以下であれば成形性に支障を来すことなく高い剛性を有するOリング9を得ることができる。特に、炭素繊維複合材料は、50%伸び時の応力が8.0MPa以上、22.0MPa以下とすることができる。
k=100×(a−b)/a・・・(1)
斜角度を大きく設定して、Oリングを傾斜面に面接触させることにより、Oリング自体の損傷を防止することができる。本実施の形態において、傾斜面6aの傾斜角度は、45度であるが、35度〜55度であることができ、特に40度〜50度であることができる。
1.ニードル7のフランジ部7bと弁座6との当接位置を変更する。
2.直動型電動モータ18の出力軸19における先端19aの位置を変更する。
3.弁座6の傾斜面6aの形状(例えば角度)を変更する。
4.ニードル7の外周溝10の形状(例えば深さ)を変更する。
5.Oリング9の太さを変更する。
本発明の一実施の形態にかかる炭素繊維複合材料は、エラストマー中にカーボンナノファイバーを含む。
媒気相合成法(Catalytic Chemical Vapor Deposition:CCVD)とも呼ばれ、炭化水素等のガスを金属系触媒の存在下で気相熱分解させて未処理のカーボンナノファイバーを製造する方法である。より詳細に気相成長法を説明すると、例えば、ベンゼン、トルエン等の有機化合物を原料とし、フェロセン、ニッケルセン等の有機遷移金属化合物を金属系触媒として用い、これらをキャリアーガスとともに高温例えば400℃〜1000℃の反応温度に設定された反応炉に導入し、浮遊状態あるいは反応炉壁にカーボンナノファイバーを生成させる浮遊流動反応法(Floating Reaction Method)や、あらかじめアルミナ、酸化マグネシウム等のセラミックス上に担持された金属含有粒子を炭素含有化合物と高温で接触させてカーボンナノファイバーを基板上に生成させる触媒担持反応法(Substrate Reaction Method)等を用いることができる。例えば、平均直径が9nm〜20nmのカーボンナノファイバーは触媒担持反応法によって得ることができ、平均直径が60nm〜110nmのカーボンナノファイバーは浮遊流動反応法によって得ることができる。カーボンナノファイバーの直径は、例えば金属含有粒子の大きさや反応時間などで調節することができる。
とのできるカーボンブラック、シリカ、クレー、タルクなどから少なくともひとつを選択することができる。カーボンブラックは、平均粒径が10nm〜300nmであることができる。シリカ、タルク及びクレーは、平均粒径が5nm〜50nmであることができる。充填剤をエラストマーに配合することによって、エラストマーのマトリックス領域を充填剤によって微小サイズに分割することができ、その微小サイズに分割されたマトリックス領域はカーボンナノファイバーによって補強すればよいので、充填剤を配合することでカーボンナノファイバーの配合量を少なくすることができる。充填剤は、カーボンナノファイバーの配合量に合わせて、エラストマー100質量部に対し、0質量部〜50質量部を含むことができる。
05〜1.2であることができる。このような表面速度比を用いることにより、所望の剪断力を得ることができる。このように狭いロール間から押し出された炭素繊維複合材料は、エラストマーの弾性による復元力で大きく変形し、その際にエラストマーと共にカーボンナノファイバーが大きく移動する。この薄通しの工程では、できるだけ高い剪断力を得るために、ロール温度を例えば0〜50℃、より好ましくは5〜30℃の比較的低い温度に設定して行われ、エラストマーの実測温度も0〜50℃に調整されることができる。このようにして得られた剪断力により、エラストマーに高い剪断力が作用し、凝集していたカーボンナノファイバーがエラストマー分子に1本ずつ引き抜かれるように相互に分離し、エラストマー中に分散される。特に、エラストマーは、弾性と、粘性と、カーボンナノファイバーとの化学的相互作用と、を有するため、カーボンナノファイバーを容易に分散することができる。そして、カーボンナノファイバーの分散性および分散安定性(カーボンナノファイバーが再凝集しにくいこと)に優れた炭素繊維複合材料を得ることができる。なお、薄通しして得られた炭素繊維複合材料は、さらにロールで圧延されて所定厚さのシート状に分出しすることができる。
できる。配合剤としては、例えば、架橋剤、加硫剤、加硫促進剤、加硫遅延剤、軟化剤、可塑剤、硬化剤、補強剤、充填剤、老化防止剤、着色剤、受酸剤などを挙げることができる。これらの配合剤は、混合の過程の適切な時期にエラストマーに投入することができる。
密閉式混練機ブラベンダーに、3元系含フッ素ゴム(表1〜5では「FKM−1」、「FKM−2」、「FKM−3」、「FKM−4」、「FKM−5」で示した)を投入し素練り後、表1、2に示す所定量のカーボンナノファイバー(表1,2,4,5では「CNT−1」、「CNT−2」、「CNT−3」、「CNT−4」、「CNT−5」で示した)及びカーボンブラック(表1〜5では「MT」で示した)を3元系含フッ素ゴムに投入しチャンバー温度150℃〜200℃で混練りの後、第1の混練工程を行いロールから取り出した。さらに、その混合物をオープンロール(ロール温度10℃〜20℃、ロール間隔0.3mm)に巻きつけ、薄通しを繰り返し5回行なった。このとき、2本のロールの表面速度比を1.1とした。さらに、ロール間隙を1.1mmにセットして、薄通しして得られたゴム組成物を投入し、分出しした。分出ししたシートを120℃、2分間圧縮成形して厚さ1mmの未架橋体のサンプルを得た。さらに、薄通しして得られた未架橋体のサンプルに表1〜5に示した量のパーオキサイド(表1〜5では「PO」で示した)、トリアリルイソシアヌレート(表1〜5では「TAIC」で示した)、酸化亜鉛(表1〜5では「ZnO」で示した)及び可塑剤(サンプル7,15,16,19)を加えて分出ししたシートをプレス加硫(170℃/10分)、二次加硫(200℃/24時間)で成形して厚さ1mmのシート状の架橋体のサンプル1〜19を得た。サンプル1は具体的な配合が不明の従来品のOリングと同等のゴム組成物であり、サンプル2〜8は炭素繊維複合材料であり、サンプル9はカーボンブラックで補強していない3元系含フッ素ゴムであり、サンプル10〜12はカーボンブラックの量を変化させたゴム組成物であり、サンプル13〜19は嵩密度の低いカーボンナノファイバーで補強することで圧縮永久ひずみを改善したゴム組成物である。
イバーであり、「CNT−5」は平均直径18.6nm、剛直度指数3.1、嵩密度45〜95kg/m3の多層カーボンナノファイバーであった。
常態物性として、サンプル1〜19について、室温における硬度、引張強さ、破断伸び、50%及び100%モジュラス及び破壊エネルギーを測定した。
ゴム硬度(表1〜5において「Hs(JIS−A)」で示した。)は、JIS K 6253に基づいて測定した。
引張強さ(表1〜5において「TS(MPa)」で示した。)、破断伸び(表1〜5において「Eb(%)」で示した。)、50%伸び時の応力(表1〜5において「σ50(MPa)」で示した。)、100%伸び時の応力(表1〜5において「σ100(MPa)」で示した。)及び破壊エネルギー(表1〜5において「破壊E(J)」で示した。)は、JIS3号形もしくは6号形のダンベル形状に切り出した試験片について、島津製作所社製の引張試験機を用いて、23±2℃、引張速度500mm/minでJIS K6251に基づいて引張試験を行い測定した。なお、「σ50」及び「σ100」は、「50%モジュラス(M50)」及び「100%モジュラス(M100)」と呼ばれることがある。
前記(1)で作成したサンプル3、4、6、7及び13〜19の炭素繊維複合材料を用いてOリングを作製した。図13に示す従来のキッツ社製の電動比例制御ニードルバルブ(サイズ1/2B)と、サンプル1、3、4、6、7及び13〜19のOリングを組みつけた図1〜4に示すキッツ社製の電動比例制御ニードルバルブ(サイズ1/2B)について、弁の開度が0%〜100%におけるCv値を測定した。図1〜4に示す実施例のニードルバルブVの弁座6の傾斜面6aの角度が45度であるのに対し、図13に示す比較例(従来)のニードルバルブV’の弁座6’の傾斜面6a’の角度が30度であった。そして、図1〜4に示す実施例のニードルバルブVのOリング9が傾斜面6aに当接して押しつぶされるのに対し、図13に示す比較例のニードルバルブV’のOリング9’は拡径部6c’に当接して押しつぶされるように構成していた。実施例1〜4、6〜11及び比較例2、4におけるOリングのつぶし率は9.0%であり、比較例1におけるOリングのつぶし率は17.7%であった。図1〜4のニードルバルブV及び図13のニードルバルブV’における上記以外の構成は、同様であった。流体は、水道水を用いた。
開度0%)から開弁状態(開度7%)までのニードル7を弁座6から上昇させたときの流量特性であり、符号49で示した曲線が開弁状態(開度7%)から閉弁状態(開度0%)までのニードル7を弁座6へ下降させたときの流量特性である。
v値を測定した。その結果として、微小流量特性を示す弁の開度0〜7%に対するCv値の流量特性グラフを図16に示した。図16において、符号61で示した曲線が閉弁状態(開度0%)から開弁状態(開度7%)までのニードル7を弁座6から上昇させたときの流量特性であり、符号62で示した曲線が開弁状態(開度7%)から閉弁状態(開度0%)までのニードル7を弁座6へ下降させたときの流量特性である。
耐液性試験は、低温から高温まで幅広い温度範囲で使用でき、熱伝導性に優れたフッ素系流体であるパーフルオロポリエーテルを用いた。パーフルオロポリエーテルは、半導体製造装置のチャンバーの温度調節用の熱媒体として使用されているが、フッ素ゴム系のシール部材に対してパーフルオロポリエーテルが溶剤として作用し、シール部材を劣化させることがある。
Claims (5)
- 流入口と流出口を有する弁本体内の弁室に傾斜面を有する弁座を設け、この弁座に離接するニードルによって流量制御を行うニードルバルブにおいて、
前記ニードルは、前記傾斜面に対し離接するOリングを有し、
前記Oリングは、エラストマー中にカーボンナノファイバーを含む炭素繊維複合材料で形成され、
前記Oリングのつぶし率を11%以下に設定した、ニードルバルブ。 - 請求項1において、
前記Oリングが前記弁座から離れた直後の開弁動作時における微小流量特性グラフと、前記Oリングが前記弁座に接触する直前の閉弁動作時における微小流量特性グラフとの間に形成されたヒステリシスループで閉じられた面積が低減された、ニードルバルブ。 - 請求項1または2において、
前記エラストマーは、3元系フッ素ゴムである、ニードルバルブ。 - 請求項1〜3のいずれか一項において、
前記傾斜面の傾斜角度は、35度〜55度である、ニードルバルブ。 - 請求項1〜4のいずれか一項において、
前記ニードルと前記弁座とが接触して閉弁したとき、前記Oリングが前記弁座に対し前記傾斜面にのみ接触する、ニードルバルブ。
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