JP2021196001A - 流量調整弁 - Google Patents

Abstract

【課題】金属の不純物による電気的な短絡やバネの劣化による影響を受けることなく全閉位置の検出ができる流量調整弁を提供すること。【解決手段】アクチュエータ４の作動によって移動するスライダ５と、このスライダ５の反アクチュエータ４側に取り付けられ、付勢部材６によって弁座２３側に付勢されるとともに、先端に弁体３０を形成するステム３とを備え、ステム３の後端部は、電流の印加によって磁界を発生するコイル７内に挿通されるコア部３１を形成し、コイルのインピーダンスを、計測手段によって計測するようにしている。【選択図】 図１

Description

本発明は流量調整弁に関し、より詳しくは、全閉位置の検出を正確に行うことのできる流量調整弁に関する。

流量調整弁、特に精密な流量制御が必要な電子バルブでは、弁体が弁座に着座した全閉位置を全閉検知信号から検知し、マイコン等の制御手段でモータ(例えば、ステッピングモータ）を制御し、広範囲のＣｖ値制御を可能としている（例えば、特許文献１参照）。

そして、この種の流量調整弁は、アクチュエータの作動によって、移動するスライダと、スライダと共に移動するも、先端の弁体が着座することでその移動が停止するステムとから構成される。ステムとスライダの間には弾性体が介在し、ステムが停止した後は弾性体が圧縮され、ステムとスライダの間には反弾性体側で間隙が生じる。全閉位置の検出は、この間隙を電気的な短絡からの開放で検知することで行われている。

また、全閉位置の検出の別の方法としては、アクチュエータとして用いるモータのトルクを検知・計測し、ステム先端の弁体が着座することによって上昇し、閾値を越えたことで全閉位置を検知する技術も公開されている（例えば、特許文献２参照）。

特公平０７−０５８４４４号公報 国際公開第２０１８−１９９０６３号

特許文献１記載の電気信号の遮断を検知する方法では、間隙に金属の不純物が介在すると電気的に短絡してしまい正確な開閉位置が検知できないという問題があった。また、特許文献２に記載のモータトルクから全閉位置を検知する場合、経年変化などでバネ定数が変動したとき、例えば、バネ定数が小さくなると発生するトルクは正規の全閉位置で閾値を越えない場合がある等の問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、金属の不純物による電気的な短絡やバネの劣化による影響を受けることなく全閉位置の検出ができる流量調整弁を提供することである。

上記課題を解決するためになされた本発明に係る流量調整弁は、ボディ内部に形成される流入口と流出口とを連通する流路と、この流路に形成される弁座と、弁座に当接離間し、流路を連通遮断する弁体と、弁体を移動させるアクチュエータとを備える流体調整弁であって、アクチュエータの作動によって移動するスライダと、スライダの反アクチュエータ側に取り付けられ、付勢部材によって弁座側に付勢されるとともに、先端に弁体を形成するステムとを備え、このステムの後端部は、電流の印加によって磁界を発生するコイル内に挿通されるコア部を形成し、コイルのインピーダンスを、計測手段によって計測するようにしている。

この流量調整弁は、ステムの後端部を電流の印加によって磁界を発生するコイル内に挿通し、コイルのインピーダンスを、計測手段によって計測し、インピーダンスの変化によって弁体が弁座に着座した全閉位置を検出ようにしている。

この場合において、付勢手段を、コイル兼用スプリングとすることができる。

コイル兼用スプリングとすることで、構造を簡素化し、装置の低廉化を図ることができる。

本発明に係るバルブによれば、弁体が弁座に着座した全閉位置から、さらにアクチュエータにより弁座側への押圧によりコイル内へのステム後端部分の侵入距離が変動する事によって生じるコイルのインピーダンス変化を検知することで正確な全閉位置を検出することができる。

本発明に係る流量調整弁の全閉状態を示す一部切り欠きの正面断面図である。 同流量調整弁の全開状態を示す一部切り欠きの正面断面図である。 同流量調整弁の全閉位置を検知するコイル部分の一部切り欠きの拡大図である。 同流量調整弁の全開状態から全閉状態の偏移を示す説明図で、（ａ）は全閉状態を、（ｂ）はスライダが下降し、全閉状態となった全閉位置未検知状態を（ｃ）はさらにスライダが下降し、コイルインピーダンスが変化して全閉位置が検知された状態を示す。 差動トランスの概要を説明する回路図である。 本発明に係る流量調整弁の別の実施例の全閉位置を検知するコイル部分の一部切り欠きの拡大図である。 同流量調整弁のコイル兼用スプリングの別の実施例を示す概略平面図である。

以下、本発明に係るバルブの好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。この実施例に記載されている構成部品の形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。また、便宜的に図面上での方向によって部材等の方向を上下左右と指称することがあるが、これらは本発明の範囲を限定するものではない。

＜実施形態１＞
本発明に係る流量調整弁１の第１実施形態を、図１〜図４に示す。

本発明に係る流量調整弁１は、ボディ２内部に形成される流入口２１と流出口２２とを連通する流路２０と、この流路２０に形成される弁座２３と、弁座２３に当接離間し、流路２０を連通遮断する弁体３０と、弁体３０を移動させるアクチュエータ４とを備えている。

そして、アクチュエータ４の作動によって移動するスライダ５と、このスライダ５の反アクチュエータ４側に取り付けられ、付勢部材６によって弁座２３側に付勢されるとともに、先端に弁体３０を形成するステム３とを備え、ステム３の後端部は、電流の印加によって磁界を発生するコイル７内に挿通されるコア部３１を形成するようにしている。

コイル７は、そのインピーダンスをコイル７のインピーダンスは計測手段（図示省略）によって計測される。そして、計測された値は、アクチュエータ４を制御する制御装置（図示省略）に送信される。

［アクチュエータ］
アクチュエータ４は、弁体３０を弁座２３に対し当接離間するようにステム３を上下動させるものであれば特に限定するものではないが、本実施形態ではステッピングモータを採用している。アクチュエータ４のステッピングモータの回転軸４１は、筒状の上部カバー４０Ａ内に上下動可能に備えられたスライダ５に配設されるボールねじ４２と接続されている。このボールねじ４２によって、ステッピングモータの回転運動をスライダ５の直進運動に変換する。

スライダ５の反アクチュエータ４側には、弁座２３側に突設し、底面に貫通孔５０aを有する底板５１を備えた筒状部材５０が形成される。貫通孔５０ａには、先端に弁体３０を形成するステム３が挿通されている。ステム３は、筒状部材５０内に位置する鍔部３ａを備え、筒状部材５の上面に一端を当接させる付勢部材６（スプリング６）の他端が鍔部３ａと当接し、ステム３を、弁座２３側へを押圧する。これによって、鍔部３ａは貫通孔５０ａが開口される底板５１と当接している。筒状部材５０のスライダ５に対しての固定手段は特に限定するものではなく、溶接などを用いても構わないが、本実施形態では、スライダ５の下面に雌ねじ孔、筒状部材５０の底板５１に貫通孔設け、底板５１側からボルト等の締結手段（図示省略）を用いて締結固定するようにしている。

［ボディ］
流入口２１、流出口２２及びこれらを連通する流路２０を形成するボディ２は、その上部に、ステム３が挿通されるボンネット４３が配置される。ボンネット４３は、ボンネットナット４４によって固定される。ボンネット４３内にはボディ２内を流通する流体が外部に漏洩することを防止する環状のシール部材が配設され、ボンネット４３の上部に螺合するグランドナット４５によってシール部材は固定されている。

ボンネット４３の外周面中央部には雄ねじが形成され、上部カバー４０Ａから延設される脚部４０Ｂの下部に形成された内周面に雌ねじを備えた環状の取付部が螺合され、ロックナット４０Ｃによって固定される。脚部４０Ｂは、２本のバー形状で、上部カバー４０Ａと環状の取付部と一体構造、例えば鋳物構造であっても構わない。

流路２０に形成される弁座２３は、ボンネット４３と同心上の適所に形成されるもので、ボディ２の内部に直接形成しても構わないが、本実施形態では、ボディ２に螺合するよう外周面に雄ねじを刻設した筒状体の内周端面に形成するようにしている。

ボディ２に螺合される弁座２３を形成する筒状体の適所にはＯリング等のシール部材を配設し、流入口２１側からの流体が流出口２２側に漏洩することを防止するようにしている。

［コイル］
コイル７（励磁コイル）は、絶縁性を有する素材、例えば、樹脂からなる円柱状の巻き線保持部材であるボビン７０の外周面にに巻き付けられて装着されている。本実施形態では、図３に示すように、２つの独立した励磁コイル７が同軸に装着されている。なお、コイル７への配線については図示を省略する。

ステム３の後端部に形成される鍔部３ａから延設されるコア部３１は、内部にコア３２を設けられている。コア３２は、鉄やアモルファス合金等の磁性体で構成されている。コア部３１を、鉄やアモルファス合金等の磁性体で構成する場合には内部にコア３２を内設する必要はない。また、ステム３は、鍔部３ａから弁体３０まで一体形状であっても構わないが、本実施形態では、適宜部分で分割し、ボルトナットを用いて接合するようにしている。

図５は、ステム３の後端部（コア部３１）の位置を検出する一例を示す回路図である。これはコイル７（励磁コイル）及びコア３２からなる差動トランスを示す簡易的な回路図で、各コイル７のインピーダンスＬ１、Ｌ２は、コア部３１の軸方向の移動（図例矢付方向）によって変化する。端子Ｂ、Ｃに逆位相の交流電流を印加すると、インピーダンスＬ１、Ｌ２の比に応じた信号が端子Ａに生成され、この信号の振幅と位相からコア部３１、つまりステム３の後端部の位置を判別することができる。

次に、本流量制御弁の全閉位置検知の流れを説明する。まず、弁体３０が弁座２３から離間した全開状態（図４（ａ）参照）から、アクチュエータ４を作動させ、ステム３を下降させる。

所定距離だけステム３が下降すると、弁体３０は弁座２３に着座する（図４（ｂ）参照）。このとき、ステム３の後端部のコア部３１は、コイル１２内の位置は全開状態の時と同様であり、コイル１２のインピーダンスに変化はなく、アクチュエータ４の作動は停止しない。

図４（ｂ）の状態から、さらにスライダ５が下降すると、ステム３の鍔部３aと筒状部材５０の底板５１との間に僅かな間隙Ｃが生じる。この位置関係は、コイル１２内のコア部３１も間隙Ｃと同距離移動することとなり、コイル１２のインピーダンスが変化する（図４（ｃ）参照）。

コイル１２のインピーダンスは、計測手段によって計測されており、インピーダンスの変化を検知すると制御装置に信号が印加され、全閉位置として記録し、アクチュエータ４（例えば、ステッピングモータ）の基本位置として流量調整弁１の運転制御行う。

＜実施形態２＞
本発明に係る流量調整弁の第２実施形態を、図６に示す。

この流量調整弁は、第１実施形態の付勢手段６であるスプリングを、コイル１２（励磁コイル）の役割を持たせるようにしたコイル兼用スプリング６０にしたものである。これ以外の構成は、第１実施例とどうようであり、説明は省略する。

このコイル兼用スプリング６０は、図６に示すように、鍔部７１ａを有するボビン７１の外周面に近接するように配設し、内部にコア３２が内接されるコア部３１をボビン７１の内周面に摺接するように配設している。

また、コイル兼用スプリング６０は、図７に示すように、ボビン７１を上方から平面視したとき、ボビン７１の円環状の鍔部７１ａ下に均等に複数（図例４個）配設することもできる。

複数のコイル兼用スプリング６０を配設することで、それぞれのスプリングとしての線径を細く、巻き数を多くすることができ、コイルとしての機能をより発揮することができる。

本発明の流量調整弁は、正確な全閉位置の検知を行い精密な流量制御を、ステッピングモータを用いて行うことができるから、エアー源が設置できない設備での流体の精密な制御用として、また、カロリーメータの冷媒制御、水素燃料、圧縮天然ガス等の流量制御を行うための流量調整弁として好適に用いることができる。さらに、位置検出となるコイル等の部品のみを用い、既設の流量調整弁の改造の用途にも用いることができる。

１ 流量調整弁
２ ボディ
２０ 流路
２１ 流入口
２２ 流出口
２３ 弁座
３ ステム
３０ 弁体
４ アクチュエータ
５ スライダ
５０ 円筒部材
６ 付勢手段（スプリング）
７ コイル
７０ ボビン

Claims (2)

1. ボディ内部に形成される流入口と流出口とを連通する流路と、
   該流路に形成される弁座と、
   該弁座に当接離間し、前記流路を連通遮断する弁体と、
   該弁体を移動させるアクチュエータとを備える流体調整弁であって、
   前記アクチュエータの作動によって移動するスライダと、
   該スライダの反アクチュエータ側に取り付けられ、付勢部材によって弁座側に付勢されるとともに、先端に前記弁体を形成するステムとを備え、
   該ステムの後端部は、電流の印加によって磁界を発生するコイル内に挿通されるコア部を形成し、
   前記コイルのインピーダンスを、計測手段によって計測するようにした流量調整弁。
2. 前記付勢手段は、コイル兼用スプリングである請求項１に記載の流量調整弁。

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