JP3222093U - 流量制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成でニードル弁体の食い込みを効果的に防止できる流量制御弁を提供する。【解決手段】流量制御弁１０は、ニードル弁体１６に当接するスライドシャフト４８を出力軸とするリニアアクチュエータ１８を含み、ニードル弁体を制御通路から抜け出す方向に付勢するばね４０が設けられ、ニードル弁体は、ばねの付勢力に抗して、リニアアクチュエータの駆動力によりスライドシャフトを介して制御通路に挿入する方向に移動せしめられ、ニードル弁体の先端部には第１テーパ面が形成されるとともに第１テーパ面の基端側に第２テーパ面が形成され、第２テーパ面は第１テーパ面よりも傾斜角が大きく、第２テーパ面が連通路２４に形成されたテーパ面と面接触することでニードル弁体の挿入深さが制限される。【選択図】図２

Description

本考案は、流量制御弁、特に、先細り形状のニードル弁体を有する流量制御弁に関する。

従来から、先細り形状の弁体を弁本体の弁座に接近・離間せしめ、流路面積を変更することで流量を制御する流量制御弁が知られている。例えば、特許文献１には、ねじ送り機構を備え、ロータの回転に伴って円錐弁部を有する弁体を弁シート部に対して接離させるようにした電動弁が記載されている。

このような先細り形状の弁体を所定の押圧力で弁座に接触させる場合、弁体が弁本体に食い込み、ロックするおそれがある。また、食い込んだ弁体を弁座から離間させるためには、大きな駆動力で弁体を弁座から離間する方向に駆動する必要がある。

特許文献２には、ニードル弁部を有する流量制御弁体を弁リフト方向に移動させ弁ポートの実効開口面積を増減させることで流量制御を行う電動式コントロールバルブが記載されている。この電動式コントロールバルブでは、弁ポートを全閉遮断するボール弁が設けられており、噛み込み（食い込み）防止に寄与するとされている。

特開２００８−３２２１５号公報 特開２００６−１２５７５１号公報

本考案は、上記事情に鑑みてなされたもので、ボール弁等の格別な部材を用いることなく、簡単な構成でニードル弁体の食い込みを効果的に防止できる流量制御弁を提供することを目的とする。

本考案に係る流量制御弁は、入力ポートと出力ポートを相互に接続する連通路が内部に設けられるバルブハウジングと、先端部が連通路の一部である制御通路に挿入されて連通路の実効流路面積を制御可能なニードル弁体と、ニードル弁体に当接するスライドシャフトを出力軸とするリニアアクチュエータとを含む。そして、ニードル弁体を制御通路から抜け出す方向に付勢するばねが設けられ、ニードル弁体は、ばねの付勢力に抗して、リニアアクチュエータの駆動力によりスライドシャフトを介して制御通路に挿入する方向に移動せしめられ、ニードル弁体の先端部には第１テーパ面が形成されるとともに第１テーパ面の基端側に第２テーパ面が形成され、第２テーパ面は第１テーパ面よりも傾斜角が大きく、第２テーパ面が連通路に形成されたテーパ面と面接触することでニードル弁体の挿入深さが制限されるというものである。

本考案に係る流量制御弁によれば、ニードル弁体に形成された第２テーパ面が連通路に形成されたテーパ面に比較的大きな傾斜角同士で面接触するので、ニードル弁体が連通路に食い込むことが確実に防止される。

本考案の実施形態に係る流量制御弁の正面図である。 図１に示す流量制御弁のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 図２のＡ部拡大図である。 図１に示す流量制御弁が異なる動作状態にあるときの図２に対応する図である。 図１に示す流量制御弁がさらに異なる動作状態にあるときの図３に対応する図である。

以下、本考案に係る流量制御弁について、好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

本考案の実施形態に係る流量制御弁１０は、例えば、ピストン速度を調整するため、流体圧シリンダの圧力室に接続される配管に介在されるスピードコントローラとして使われる。この種のスピードコントローラは、通常、流量をゼロにすることが要求されない流量制御弁である。

図１および図２に示されるように、流量制御弁１０は、第１ボデイ１２および第２ボデイ１４から構成されるバルブハウジングと、ニードル弁体１６と、リニアアクチュエータ１８を含む。

第１ボデイ１２の下方には、制御対象流体の入口である入力ポート２０が設けられ、第１ボデイ１２の側方には、制御対象流体の出口である出力ポート２２が設けられている。第１ボデイ１２の内部には、入力ポート２０と出力ポート２２を相互に接続する連通路が設けられている。この連通路は、入力ポート２０と同軸状に形成されるとともに第１ボデイ１２の上面にまで延びる第１通路部分２４および出力ポート２２と同軸状に形成される第２通路部分２６からなる。

図３に示されるように、第１通路部分２４は、上方側の大径孔部２４ａと、一様な内径を有する制御通路としての下方側の小径孔部２４ｂを含む。大径孔部２４ａと小径孔部２４ｂとの間に形成される段差部の内径寄りの部位には、小径孔部２４ｂに連なるテーパ面２４ｃが設けられている。第１通路部分２４にはニードル弁体１６の先端部が挿通される。第１ボデイ１２の上面には環状凹部２８が設けられ、第１通路部分２４は環状凹部２８の底面に開口する。

第２ボデイ１４は、第１ボデイ１２の上方に配置され、図示しないボルト等の手段により第１ボデイ１２に連結される。第２ボデイ１４の下面には、第１ボデイ１２の環状凹部２８に嵌入する環状凸部３０が設けられている。

第２ボデイ１４の内部には、フランジ状の水平壁部３２を間に挟んで、上方に開口する第１収容孔３４と下方に開口する第２収容孔３６が設けられている。水平壁部３２の中央には、ニードル弁体１６が挿通される挿通孔が設けられている。第１収容孔３４の開口部にはリニアアクチュエータ１８が取り付けられ、第２収容孔３６にはニードル軸受３８が取り付けられる。

ニードル弁体１６は、第１ボデイ１２と第２ボデイ１４とに跨ってバルブハウジングの内部に配設され、ニードル軸受３８によって軸方向に摺動可能に支持される。ニードル弁体１６の先端部には先細り状の第１テーパ面１６ａが形成され、第１テーパ面１６ａの基端側には第２テーパ面１６ｂが形成されている（図３参照）。

ニードル弁体１６の軸線ＣＬに対する第２テーパ面１６ｂの傾斜角は、ニードル弁体１６の軸線ＣＬに対する第１テーパ面１６ａの傾斜角よりも大きい。第２テーパ面１６ｂの傾斜角は、６０度より大きい値に設定されるのが好ましく、第１通路部分２４のテーパ面２４ｃの傾斜角もこれと同じ値に設定される。この傾斜角が６０度より小さいと、ニードル弁体１６の食い込みを抑制する作用を十分に期待することができない。なお、制御対象流体の流量をゼロにすることが要求される場合は、該傾斜角は１１８度より小さい値に設定されるのが好ましい。

ニードル弁体１６の第１テーパ面１６ａは、第１通路部分２４の小径孔部２４ｂと協同して、連通路の実効流路面積を制御する。すなわち、ニードル弁体１６が下方に移動して第１テーパ面１６ａが形成された部分が小径孔部２４ｂに深く挿入されるほど実効流路面積が小さくなる。この挿入深さは、ニードル弁体１６の第２テーパ面１６ｂが第１通路部分２４のテーパ面２４ｃと接触することにより制限される（図３参照）。

ここで、挿入深さＤとは、第１通路部分２４における小径孔部２４ｂとテーパ面２４ｃとの境界からニードル弁体１６の先端までの距離のことであって、ニードル弁体１６の軸線ＣＬに沿う方向の距離をいう（図５参照）。本実施形態では、ニードル弁体１６のうち第１テーパ面１６ａが形成された部分の軸方向長さが小径孔部２４ｂの軸方向長さよりも長くなっており、ニードル弁体１６の先端部が小径孔部２４ｂを超えて入力ポート２０側に突出したときは、該突出部分の長さも挿入深さＤに含まれる。

このように、ニードル弁体１６の第２テーパ面１６ｂが第１通路部分２４のテーパ面２４ｃと比較的大きな傾斜角同士で面接触してニードル弁体１６のそれ以上の挿入が制限されるので、ニードル弁体１６が第１通路部分２４に食い込むことが確実に防止される。なお、面接触による接触圧は線接触による接触圧よりも小さいため、ニードル弁体１６の第２テーパ面１６ｂと第１通路部分２４のテーパ面２４ｃとの接触領域ではシール性が低く、この領域で流路が完全に遮断され難い構造となっている。

ニードル弁体１６の基端部１６ｃは、第２ボデイ１４の第１収容孔３４内に突出し、その上端には外径側に突出するフランジ部１６ｄが形成されている。フランジ部１６ｄの下面と第２ボデイ１４の水平壁部３２との間には、ニードル弁体１６を上方に付勢するコイルばね４０が配設されている。

第２ボデイ１４の環状凸部３０の下面には、環状の凹溝を介して第１シールリング４２が取り付けられ、第１シールリング４２は、第１ボデイ１２の環状凹部２８の底面に当接する。第２ボデイ１４の水平壁部３２の下部内周には、凹溝を介して第２シールリング４４が取り付けられ、第２シールリング４４は、ニードル弁体１６の外周面に当接する。第１シールリング４２および第２シールリング４４により、第１ボデイ１２内の流体は、外部から確実にシールされる。連通路が完全に遮断されない場合、ニードル弁体１６は、ニードル軸受３８に支持される部位の断面積に相当する面積差により、連通路内の流体から圧力を受け、上方に付勢される。

リニアアクチュエータ１８は、ステッピングモータ４６を含み、第１収容孔３４に固定されるシャフト軸受５０を介して第２ボデイ１４に取り付けられる。ステッピングモータ４６は、図示しない複数の巻き線コイルと永久磁石からなるロータを備えている。

リニアアクチュエータ１８の出力軸であるスライドシャフト４８は、ロータに対して回転不能かつ軸方向移動可能に連結されている。また、スライドシャフト４８は、下方側において雄ねじ部４８ａを有し、この雄ねじ部４８ａがシャフト軸受５０の内部に設けられた図示しない雌ねじ部に螺合されることで、シャフト軸受５０に支持されている。したがって、ロータが回転すると、スライドシャフト４８は、ロータと一体的に回転しながら軸方向（上下方向）に移動する構成となっている。

ステッピングモータ４６の巻き線コイルに所定のパルス電力が供給されると、該パルス電力（パルス幅、パルス数）に応じた推進力と変位量で、ロータが正方向または逆方向に回転する。これに伴い、スライドシャフト４８は、回転しながら下方または上方に所定量移動する。スライドシャフト４８の下端４８ｂは球面状となっており、スライドシャフト４８は、その先端においてニードル弁体１６の平坦な上端面に点接触状態で当接する。

スライドシャフト４８の上方部分と下方部分は、ステッピングモータのケースから突出している。第２ボデイ１４の上面には、スライドシャフト４８の上端に当接することでスライドシャフト４８が上方へ移動する量を規制するストッパ５２が取り付けられている。ストッパ５２は、コ字状の板部材からなり、ボルト５４により第２ボデイ１４に固定されている。

本発明の実施形態に係る流量制御弁は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下、図２〜図５を参照しながら、その作用について説明する。なお、図４に示すように、スライドシャフト４８の上端がストッパ５２に当接している状態を初期状態とする。

この初期状態において、ステッピングモータ４６の巻き線コイルには電力が供給されていない。このとき、ニードル弁体１６は、コイルばね４０の付勢力および第１ボデイ１２内の流体の圧力によって、最も上方の位置まで移動せしめられている。ニードル弁体１６は、第１通路部分２４の小径孔部２４ｂから完全に抜け出ており、連通路の実効流路面積は最大となっている。したがって、入力ポート２０から流入する流体は、最大の流量となって出力ポート２２から流出する。

上記初期状態から、ステッピングモータ４６の巻き線コイルに所定のパルス電力を供給すると、該パルス電力に応じた推進力と変位量で、スライドシャフト４８が下方に移動せしめられる。そして、スライドシャフト４８に当接するニードル弁体１６は、コイルばね４０の付勢力および第１ボデイ１２内の流体の圧力に抗して押し下げられ、第１テーパ面１６ａが形成された部分が所定長さだけ小径孔部２４ｂに挿入される（図５参照）。これにより、連通路の実効流路面積は狭くなり、流量は絞られる。

スライドシャフト４８が下方に移動する際にスライドシャフト４８は回転運動を伴うが、ニードル弁体１６はスライドシャフト４８に点接触状態で当接しているので、ニードル弁体１６の連れ回りが抑制される。このようにニードル弁体１６の回転が抑制されることで、ニードル弁体１６の外周面に当接する第２シールリング４４の耐久性が向上する。また、ニードル弁体１６が回転しないことは、ニードル弁体１６の食い込み防止にも寄与する。

ステッピングモータ４６の巻き線コイルに一定以上のパルス電力を供給したときは、ニードル弁体１６の第２テーパ面１６ｂが第１通路部分２４のテーパ面２４ｃに当接するに至り、第１テーパ面１６ａが形成された部分が最も深く小径孔部２４ｂに挿入される（図２および図３参照）。これにより、連通路の実効流路面積は最も狭くなり、流量は最小になる。また、ニードル弁体１６の第２テーパ面１６ｂが第１通路部分２４のテーパ面２４ｃに比較的大きな傾斜角同士で面接触することで、ニードル弁体１６が第１通路部分２４に食い込むことが確実に防止される。

流量が絞られた状態から最大の流量に戻すときは、ステッピングモータ４６の巻き線コイルに所定のパルス電力を供給する。すると、該パルス電力に応じた推進力と変位量で、スライドシャフト４８が上方に移動せしめられる。これに伴い、ニードル弁体１６は、コイルばね４０の付勢力および第１ボデイ１２内の流体の圧力によって上方に移動する。そして、スライドシャフト４８の上端がストッパ５２に当接するに至ると、スライドシャフト４８およびニードル弁体１６の上方への移動が止まる。すなわち、初期状態に戻る。スライドシャフト４８に加わる上方への付勢力は、ストッパ５２に受け止められるので、シャフト軸受５０に加わる負担が軽減され、シャフト軸受５０の耐久性が向上する。

前記のとおり、流量が最小となった状態において、ニードル弁体１６が第１通路部分２４に食い込むことが確実に防止されているので、この状態からニードル弁体１６を上方に移動せしめるのに必要なコイルばね４０の付勢力は比較的小さなもので済む。すなわち、コイルばね４０の弾性力を可及的に小さなものとすることができる。

また、コイルばね４０の付勢力は小さいもので済むことから、該付勢力に抗してニードル弁体１６を押し下げるために必要なステッピングモータ４６への供給電力を可及的に小さなものとすることができる。さらに、ニードル弁体１６を押し下げるためのステッピングモータ４６による駆動力を小さくすれば、ニードル弁体１６の食い込みを一層確実に防止できる。

本実施形態に係る流量制御弁１０によれば、ニードル弁体１６の第２テーパ面１６ｂが第１通路部分２４のテーパ面２４ｃに比較的大きな傾斜角同士で面接触するので、ニードル弁体１６が第１通路部分２４に食い込むことが確実に防止される。

また、スライドシャフト４８に当接してスライドシャフト４８の上方への移動量を規制するストッパ５２が設けられているので、シャフト軸受５０に加わる負担が軽減され、シャフト軸受５０の耐久性が向上する。

さらに、ニードル弁体１６が食い込むことがないので、コイルばね４０の弾性力を可及的に小さなものとすることができるほか、該付勢力に抗してニードル弁体１６を押し下げるために必要なステッピングモータ４６への供給電力を可及的に小さなものとすることができる。

本実施形態では、スライドシャフト４８をロータに対して回転不能かつ軸方向移動可能に連結するとともにシャフト軸受５０に螺合する構成としたが、リニアアクチュエータ１８の出力軸が軸方向に移動可能なものであれば、他の構成でもよい。リニアアクチュエータの出力軸が回転しないで軸方向に移動可能な構成とするときは、ニードル弁体１６に当接する該出力軸の先端を球面状としなくてもよい。

本考案に係る流量制御弁は、上述の実施形態に限らず、本考案の要旨を逸脱することのない範囲で、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…流量制御弁 １２…第１ボデイ（バルブハウジング）
１４…第２ボデイ（バルブハウジング）
１６…ニードル弁体 １６ａ…第１テーパ面
１６ｂ…第２テーパ面 １８…リニアアクチュエータ
２０…入力ポート ２２…出力ポート
２４…第１通路部分（連通路） ２４ｂ…小径孔部（制御通路）
２４ｃ…テーパ面 ２６…第２通路部分（連通路）
４０…コイルばね（ばね） ４６…ステッピングモータ
４８…スライドシャフト ５０…シャフト軸受
５２…ストッパ

Claims (7)

1. 入力ポートと出力ポートを相互に接続する連通路が内部に設けられるバルブハウジングと、先端部が前記連通路の一部である制御通路に挿入されて前記連通路の実効流路面積を制御可能なニードル弁体と、前記ニードル弁体に当接するスライドシャフトを出力軸とするリニアアクチュエータとを含む流量制御弁であって、
   前記ニードル弁体を前記制御通路から抜け出す方向に付勢するばねが設けられ、前記ニードル弁体は、前記ばねの付勢力に抗して、前記リニアアクチュエータの駆動力により前記スライドシャフトを介して前記制御通路に挿入する方向に移動せしめられ、前記ニードル弁体の先端部には第１テーパ面が形成されるとともに第１テーパ面の基端側に第２テーパ面が形成され、前記第２テーパ面は前記第１テーパ面よりも傾斜角が大きく、前記第２テーパ面が前記連通路に形成されたテーパ面と面接触することで前記ニードル弁体の挿入深さが制限される流量制御弁。
2. 請求項１記載の流量制御弁において、
   前記ニードル弁体の軸線に対する前記第２テーパ面の傾斜角は６０度より大きい流量制御弁。
3. 請求項２記載の流量制御弁において、
   前記ニードル弁体の軸線に対する前記第２テーパ面の傾斜角は１１８度より小さい流量制御弁。
4. 請求項１記載の流量制御弁において、
   前記ニードル弁体が前記制御通路から抜け出すことを許容する方向に前記スライドシャフトを移動せしめるときの前記スライドシャフトの移動量を規制するストッパであって、前記スライドシャフトの端部が当接するストッパが設けられる流量制御弁。
5. 請求項１記載の流量制御弁において、
   前記リニアアクチュエータは、永久磁石からなるロータを備えたステッピングモータを含む流量制御弁。
6. 請求項５記載の流量制御弁において、
   前記スライドシャフトは、前記ロータに対して回転不能かつ軸方向移動可能に連結されるとともに、前記バルブハウジングに固定されたシャフト軸受に螺合される流量制御弁。
7. 請求項１記載の流量制御弁において、
   前記スライドシャフトは、前記ニードル弁体に点接触状態で当接する流量制御弁。

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