JP2999410B2 - 流量制御弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、弁の開閉によって
流量を制御する流量制御弁に関し、特に、必要とする流
量に正確かつ迅速にオープン制御可能な流量制御弁に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ガス供給器やファンコイルユ
ニット等の熱交換器内を流れる水等を制御するのに流量
制御弁が使用されている。図８は、従来の流量制御弁の
構造を示す断面図である。流量制御弁５１の全体構成
は、弁本体５２内に弁棒５５に接続された弁体５３が配
設され、駆動装置５４が弁棒５５を矢印Ａに示す軸方向
に往復移動させるよう構成されている。次に、その構成
を詳細に説明する。

【０００３】弁本体５２の中心には、中空状の空間であ
る弁室５６が形成され、弁室５６に対して右側部から入
力ポート５７が開口し、弁室５６の中心下部に形成され
た開口通路である弁口５８を介して下方に出力ポート５
９が開口している。弁口５８の上端部には、弁室５６側
に突設した環状の弁座６０が形成されている。また、弁
室５６内上部には、案内部材６２が固設されている。案
内部材６２の中心には、軸方向に貫通する軸穴６１が形
成され、弁棒５５が矢印Ａの方向に摺動自在に保持され
ている。また、案内部材６２の外周には、下端部に段差
を有し、その段差部に弁体５３が固設された中空状の円
筒体６３が軸方向に摺動可能に保持されている。図に示
すように、弁体５３の段差の小径部は、弁口５８に挿入
された状態となる。

【０００４】弁棒５５の下端部は、円筒体６３の先端を
貫通して伸び、弁棒５５は、円筒体６３に関して相対的
に移動可能に構成されている。弁棒５５の先端部には、
ストッパ部材６４が取り付けられている。弁棒５５のス
トッパ部材６４の取り付けられている上部には、バネ受
６５が取り付けられ、バネ受６５と円筒体６３との間に
は圧縮バネ６６が配設されて、弁棒５５が、バネ受け６
５、圧縮バネ６６及びストッパ部材６４を介して、弁体
５３が弁座６０に当接する方向に付勢している。一方、
弁棒５５の上部は、弁本体５２の上部に取付られた駆動
装置５４に接続されている。本従来例の駆動装置５４に
は、駆動モータであるＤＣモータ、その回転出力を伝達
するための複数の減速ギヤを噛合させた図示しない減速
機構、及びその回転出力を弁棒５５の軸方向への直線運
動に変換させるべく回転運動を直線運動に変換して伝達
する図示しないネジ等の変換機構によって構成されてい
る。

【０００５】このような構成の流量制御弁５１は、次の
ように作用する。弁棒５５が駆動装置５４により最下端
位置まで押し下げられているとき、図８に示すように、
円筒体６３は圧縮バネ６６によって下方へ押し下げら
れ、弁体５３が弁座６０に当接した閉弁状態になってい
る。従って、入力ポート５７から入った流体は、出力ポ
ート５９側へは流れず弁室５６内に停止する。次に、駆
動装置５４により弁棒５５を徐々に上昇させると、すな
わち、ＤＣモータの回転出力を減速機構によって減速
し、変換機構によって回転運動を直線運動へ変換して、
弁棒５５を上方向に摺動させる。

【０００６】徐々に上昇する弁棒５５によって、先ずス
トッパ部材６４が円筒体６３下端に当接して弁体５３を
弁座６０から離間される。これにより、流量制御弁５１
は、開弁状態となる。従って、弁口５８が開通し、入力
ポート５７から流入した流体は、弁室５６を通って出力
ポート５９から流出する。一方、ＤＣモータを逆方向へ
回転させれば、弁棒５５を下降させ、同時に圧縮バネ６
６によって円筒体６３を下降させて弁座５３を弁座６０
へ当接させ、流量制御弁５１を閉弁状態にする。ここ
で、ＤＣモータを任意の位置で停止させることにより、
弁口５８を通過する流量を制御することができる。通常
は、出力ポートから流れる流量を計測し、その値をフィ
ードバックしてＤＣモータの停止位置を変化させること
により、必要な流量が得られるように制御している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような構
成からなる従来の流量制御弁５１によれば、次のような
問題があった。 （１）駆動装置５４からの回転出力を弁棒５３の直線運
動に変換する直線変換機構が、駆動装置５４とは別に必
要となるため、装置自体が大型化したり、機構が複雑な
ため故障も生じ易く、またコスト高となる問題があっ
た。 （２）また、駆動装置５４に使用したＤＣモータは、使
用条件の変動、例えば、周囲温度、印加電圧、使用頻度
それに負荷変動等の変化により、出力される回転数が変
動するため、安定した弁の開閉を行なうことができな
い。特に、弁体と弁座とが気密に当接しない場合には、
流体の漏れが生じてしまい大きな問題であった。

【０００８】（３）また、ＤＣモータは、電圧供給停止
直後にただちに停止せず慣性力によって回転してしまう
ので、予定された位置で弁体を位置決めすることが困難
であり、流量の調整が困難であった。 （４）通常、流量制御弁を使用する目的は、必要な流量
を正確に得るためであるが、弁体が弁座から離間してい
る距離と流量とがリニアな関係にないため、実際の流量
を計測してフィードバック制御することが行われてい
る。しかし、フィードバック制御では時間遅れが発生す
るため、素早くかつ正確な流量制御を必要とする場合に
は、問題であった。また、複雑な制御回路を必要とし、
コストアップとなる問題があった。

【０００９】そこで、本発明は、上記問題点を解決すべ
く、簡易な構成からなり、かつ任意の必要流量に対して
正確に設定することの可能な流量制御弁を提供すること
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の流量制御弁は、弁座を備えた弁室及びその
弁座の弁口を介して連通する入力ポートと出力ポートと
が形成された弁本体と、その弁室内に配設され弁座に対
する弁体と、その弁体を弁座に対して当接及び離間させ
る駆動手段と、その駆動手段を制御する制御手段とを有
する流量制御弁であって、前記駆動手段が、回転体に螺
設した出力軸に前記弁体を連設し、回転体の回転によっ
て出力軸を上下させて当該弁体を前記弁座に対して当接
及び離間させるステップモータで、前記制御手段が、前
記ステップモータへの通電時間と前記出力ポートから出
力する流量とをリニアに変化させるためのテーブルを記
憶し、そのテーブルに基づいて通電時間当りのパルス数
を変化させて前記ステップモータをオープン制御するも
のであることを特徴とする。

【００１１】次に、上記構成を有する流量制御弁の作用
を説明する。本発明の流量制御弁は、駆動手段を構成す
るステップモータの外周に位置するコイルにパルスが供
給されると、回転体であるロータは、供給されたパルス
に対応する分だけ回転する。ロータの回転出力は、ロー
タの中心孔の内周に形成された雌ねじと、ロータを軸線
方向に貫き外周に雄ねじが形成された出力軸とにより、
直線運動に変換される。そして、その直線運動によって
出力軸が上下方向に摺動し、出力軸に連設された弁体を
弁座に対して当接または離間させる方向に移動させる。
ここで、ロータの内側に雄ねじを形成し、出力軸に雌ね
じを形成しても、機構は大きくなるが、原理は同じであ
る。

【００１２】弁体と弁座とが離間している距離である弁
ストロークと流量制御弁を流れる流量とは、リニアな関
係にはないが、制御手段が、その関係データに基づいて
ステップモータへの通電時間と流量とがリニア関係とな
るように構成されているので、必要な流量を流すのに必
要な位置に、通電時間を変化させるだけで、流量を計測
してフィードバックをかけることのないオープン制御に
より、容易に弁体を停止させることができる。このと
き、ステップモータは、出力軸の停止位置を正確に制御
できるので、弁体の停止位置も正確に制御でき、流量制
御弁を流れる流量も正確に制御できる。従って、ステッ
プモータの回転出力を簡易な構成によって出力軸すなわ
ち弁体の直線運動に変換することができる。ここで、通
電時間と流量とをリニア関係とせずに、ステップモータ
へ供給するパルス数と流量とをリニア関係として、パル
ス数で流量制御弁を制御しても同様である。また、弁ス
トロークと流量の関係データを直接データベースとして
記憶して、それに基づいて換算を行い、ステップモータ
の停止位置を演算しても同様である。また、これらの関
係データは、流量制御弁本体が記憶していても良いし、
マイコン等の流量制御弁制御手段が記憶していても良
い。また、複数の流量制御弁を制御するパソコン等の中
央制御装置が記憶していても良い。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、本発明を具体化した流量制
御弁の一実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１に流量制御弁１の全体構成を断面図で示す。図１
は、弁が閉鎖状態にある時を示している。流量制御弁１
は、弁本体２等から構成される弁部３と、弁部３の上部
に固設された駆動装置４とで構成されている。弁本体２
は、中空円筒形状をなし、円筒内部に形成された弁室５
に連通して、弁本体右側部から貫通する入力ポート６が
開口されている。また、円筒形状下端開口部には出力ポ
ート７が形成されている。また、弁本体２の出力ポート
７側には、円筒内部が縮径して構成された弁口８が形成
されている。また弁口８の上端部には、図面上方に突設
した環形状の弁座９が形成されている。従って、入力ポ
ート６と出力ポート７とは、弁室５及び弁口８を介して
連通されている。

【００１４】また、弁本体２の弁室５内上部には、開口
部を塞ぐように案内部材１０が嵌装固設されている。案
内部材１０は、弁室５内の気密性を保つべく弁本体２と
の間にはＯリング３０を介して嵌装されている。また、
案内部材１０の中心には、弁室５内に貫通するように軸
方向に貫通孔１１が形成されている。そして、案内部材
１０は弁室５内に延設され、その下端には円柱形の支持
部１０ａが形成されている。支持部１１ａの外周には、
軸方向に摺動可能に中空の円筒体１２が保持されてい
る。貫通孔１１は、支持部１０ａの中心も貫いて形成さ
れている。また、円筒体１２の下端部には、弁口８に嵌
合するように縮径された小径部１２ａが形成されてい
る。また、小径部１２ａの上の段差部には、弁座９に当
接する環状の弾性部材であるゴム製の弁体１３が固設さ
れている。

【００１５】また、案内部材１０の貫通孔１１内には、
上下に貫通する出力軸１４と連結棒１５とが摺動可能に
嵌合挿入されている。ここで、出力軸１４と連結棒１５
とは、出力軸１４が連結棒１５に対して同軸上に一体に
連結されている。連結棒１５は、円筒体１２の下端部を
貫通し、その円筒体１２に関して相対的に移動可能に構
成されている。また、連結棒１５の下端にはストッパ部
材１６が取り付けられている。また、連結棒１５には、
円筒体１２内部側にバネ受１７が取り付けられ、そのバ
ネ受１７と円筒体１２の端部壁との間には圧縮バネ１８
が弾縮され取り付けられている。圧縮バネ１８は、弁体
１３が弁座９へ当接する方向へ円筒体１２を付勢してい
る。

【００１６】一方、このような構成からなる弁部３の弁
の開閉を制御するための駆動装置４はステップモータ３
１を駆動源として構成されている。図３に駆動装置４の
拡大断面図を示す。図３は、図１に対応する図面であ
り、流量制御弁１が閉鎖状態にある時を示している。具
体的には、中心部に保持されるロータ２１の軸芯部に
は、貫通孔２１ｂが形成されている。ロータ２１は、上
下を一対のメタル軸受２２，２３によって回転可能に支
持されている。ここで、出力軸１４は、ロータ２１に伴
って回転しないように図示しない回転防止部材により回
転が規制されている。そして、ロータ２１の周りにはコ
イルの巻かれたステータ２４が、カバー部材２５の内側
に固設されている。カバー部材２５は、弁本体２に固定
されている。ところで、本実施例の流量制御弁１は、駆
動装置４の駆動源としてステップモータを使用し、その
構成部品であるロータ２１に対し貫かれた出力軸１４が
螺設されている。すなわち、出力軸１４の外周には雄ネ
ジ１４ａが形成されており、一方、ロータ２１の貫通孔
には雌ネジ２１ａが形成され、それらが一体に螺設され
ている。

【００１７】次に、本発明の流量制御弁の制御回路につ
いて説明する。制御回路の構成を図５にブロック図で示
す。ステップモータ３１には、駆動パルスを供給するた
めの駆動回路３６が接続されている。駆動回路３６に
は、駆動パルスを制御するための分配回路部３５が接続
１えうされている。分配回路部３５には、基準パルスを
発振するための発振回路部３４が接続されている。ま
た、発振回路部３４と駆動回路部３６とが接続してい
る。発振回路部３４には、回転調整ボリューム３８が接
続している。また、ステップモータ３７、駆動回路部３
６にはＤＣ電源３７及び電源回路部３３が接続してい
る。また、駆動回路部３６、分配回路部３５、発振回路
部３４には、電源回路部３３が接続している。

【００１８】分配回路部３５には、図６に示す弁ストロ
ークと流量との関係を示す関係データに基づいて、ステ
ップモータへの通電時間と流量とを図７に示すようにリ
ニア関係とするテーブルが記憶されている。図６に示す
関係データは、弁差圧毎に異なるデータとして各々記憶
されている。図６は、差圧が０．３Ｋｇｆ／ｃｍ² の時
のデータを示している。縦軸が、流量であり、横軸が弁
ストロークを示している。本実施の形態では、ステップ
モータへの通電時間と流量制御弁の流量とがリニアな関
係となるように、分配回路部３５が制御を行っている。
すなわち、通電時間当たりのパルス数を図６に示す関係
データに基づいて変化させることにより、通電時間と、
流量とがリニアとなるように制御しているのである。

【００１９】次に、本実施の形態の流量制御弁１は、以
上のような構成によって以下のように作用する。先ず、
図１に示す様に出力軸１４及び連結棒１５が降りてスト
ッパ部材１６が弁座９より下方に位置する場合には、圧
縮バネ１８によって円筒体１２が下方へ付勢されて、そ
の先端が弁口８へ入り込み、弁体１３が弁座９へ当接し
て閉弁状態となっている。従って、入力ポート６より弁
室５内へ流入した流体は、そこで停止して出力ポート７
から流出することはない。

【００２０】そこで、流量を変更する流量指令入力が制
御回路３２に入力された場合は、図７に基づいて指定さ
れた流量に対応する通電時間だけステップモータ３１に
通電する。すなわち、所定時間だけステータ２４の所定
のコイルへ電流が通電される。すなわち、ステータ２４
を構成する極歯に巻かれたコイルへの電流のＯＮーＯＦ
Ｆ制御され対となった各相のコイルが励磁されると、ロ
ータ２１とそのステータ２４の極歯との間に磁束が流
れ、両者の突極が対面し合うようにロータの位置が定ま
る。このような状態のときが磁気抵抗が最も小さく安定
点を与える。そして、ロータに外力を加えて安定点から
ずらそうとすると反抗トルクが現れ、その位置精度を確
保する。一方、その安定状態を保つコイルへの励磁を解
いて、隣のコイルへの励磁を変化させると、一定方向へ
隣合うコイル間の所定の角度だけロータ２１が回転する
（ステップする）こととなる。

【００２１】このようにしてロータ２１が回転すると、
そのロータ２１は軸受２２，２３によって上下方向の移
動が制限され回転するので、螺設された出力軸１４は、
回転が規制されているため直線方向にネジ送りされるこ
ととなる。そこで、ロータ２１の回転によって出力軸１
４が上方へ直線移動すると、出力軸１４に一体に連設さ
れた連結棒１５も上昇する。そして、連結棒１５が上昇
すれば、その下端のストッパ部材１６が円筒体１２下端
に当接して持ち上げることとなる。従って、連結棒１５
の上昇により円筒体１２が支持部１１ａを上方へ摺動す
るため、弁体１３が弁座９から離間することとなる。よ
って、開弁状態となり、入力ポート６から流入した流体
は、弁室５から開口した弁口８を通って出力ポート７か
ら流出することとなる。

【００２２】ロータ２１は、通電時間に比例するパルス
信号数によって一定のステップ角を正確に回転したとこ
ろで停止し、外力に対して強い抵抗力を発揮しその位置
を保持しようとする静止トルクがかかるため、出力軸１
４は所定距離上昇し弁体１３と弁座９とが希望する距離
をもって離間して停止する。これにより、必要とする流
量が正確に流される。流量制御弁１が開状態となってい
る場合を図２に示す。また、その時の駆動装置４の拡大
図を図４に示す。一方、ステータ２４のコイルに対して
逆方向のパルス信号を印加すれば、逆方向に励磁が生じ
てロータ２１が逆方向に回転し、出力軸１４が下方に直
線移動することとなる。従って、連結棒１５が下降すれ
ば、圧縮バネ１８に付勢された円筒体１２も支持部１１
ａを摺動しながら下降し、その先端が弁口８に入り込む
とともに弁体１３が弁座９に当接して再び閉弁状態とな
る。

【００２３】以上詳細に説明したように、本実施の形態
の流量制御弁１によれば、駆動装置４が、ステップモー
タ３１のロータ２１と、ロータ２１を軸線方向に貫いて
弁体１３に連設される出力軸１４とが螺設されれたもの
であるので、流量制御弁１をコンパクト化することがで
き、同時に部品点数を減らしてコストダウンすることが
できる。また、ステップモータ３１を使用しているの
で、周囲温度の変化、使用頻度、負荷状態等により条件
変化が少ないため、常に正確に流量を制御することがで
きる。

【００２４】また、本実施の形態の流量制御弁１によれ
ば、出力ポートから出力する流量がリニアに変化するよ
うに、ステップモータ３１をオープン制御する制御手段
３２を有しているので、フィードバック制御と異なり、
迅速に流量を制御することができる。また、制御手段３
２が、ステップモータ３１への通電時間と流量とがリニ
アに変化する関係としているので、複雑な制御回路を別
に設けなくても、通電時間を変化させるだけで、容易に
必要とする流量を得ることができる。

【００２５】本発明は、上記実施の形態に限定されるこ
となく、色々な応用が可能である。例えば、本実施の形
態では、通電時間と流量とをリニア関係としているが、
パルス数と流量とをリニア関係としても同様である。

【００２６】

【発明の効果】本発明の流量制御弁は、駆動手段を、回
転体に螺設した出力軸に弁体を連設し、回転体の回転に
よって出力軸を上下させて当該弁体を弁座に対して当接
及び離間させるステップモータとし、制御手段を、ステ
ップモータへの通電時間と出力ポートから出力する流量
とをリニアに変化させるためのテーブルを記憶し、その
テーブルに基づいて通電時間当りのパルス数を変化させ
てステップモータをオープン制御するものとしたので、
流量制御弁をコンパクト化することができ、同時に部品
点数を減らしてコストダウンすることができる。また、
ステップモータを使用しているので、周囲温度の変化、
使用頻度、負荷状態等により条件変化が少ないため、常
に正確に流量を制御することができる。

【００２７】また、本発明の流量制御弁によれば、出力
ポートから出力する流量がリニアに変化するように、ス
テップモータをオープン制御する制御手段を有している
ので、フィードバック制御と異なり、迅速に流量を制御
することができる。また、制御手段が、ステップモータ
への通電時間と流量とがリニアに変化する関係としてい
るので、複雑な制御回路を別に設けなくても、通電時間
を変化させるだけで、容易に必要とする流量を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を具体化した流量制御弁１の全体構成を
示す断面図である。

【図２】流量制御弁１の開状態を示す断面図である。

【図３】図１の駆動装置４の拡大断面図である。

【図４】図２の駆動装置４の拡大断面図である。

【図５】流量制御弁１の制御回路図である。

【図６】弁ストロークと流量との関係を示すデータ図で
ある。

【図７】通電時間と流量との関係を示すデータ図であ
る。

【図８】従来の流量制御弁の全体構成を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 流量制御弁 ２ 弁本体 ５ 弁室 ６ 入力ポート ７ 出力ポート ８ 弁口 ９ 弁座 １２ 円筒体 １３ 弁体 １４ 出力軸 １４ａ 雄ネジ １８ 圧縮バネ ２１ ロータ ２１ａ 雌ネジ ３１ ステップモータ ３２ 制御回路 ３５ 分配回路部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−14596（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−75024（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−95316（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−120973（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−296758（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16K 31/04 F16K 1/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弁座を備えた弁室及びその弁座の弁口を
   介して連通する入力ポートと出力ポートとが形成された
   弁本体と、その弁室内に配設され弁座に対する弁体と、
   その弁体を弁座に対して当接及び離間させる駆動手段
   と、その駆動手段を制御する制御手段とを有する流量制
   御弁において、 前記駆動手段が、回転体に螺設した出力軸に前記弁体を
   連設し、回転体の回転によって出力軸を上下させて当該
   弁体を前記弁座に対して当接及び離間させるステップモ
   ータであって、 前記制御手段が、前記ステップモータへの通電時間と前
   記出力ポートから出力する流量とをリニアに変化させる
   ためのテーブルを記憶し、そのテーブルに基づいて通電
   時間当りのパルス数を変化させて前記ステップモータを
   オープン制御するものであること を特徴とする流量制御
   弁。