JP4113003B2 - 流量制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種流体の流量を制御するための流量制御装置に関するものである。さらに詳しくは、流量制御装置の弁機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＰガス、都市ガス、冷蔵庫やエアコン内の冷媒、あるいは液体の流量を制御する流量制御装置に用いられている弁機構は、弁体をソレノイドで駆動するのが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ソレノイドではオン・オフの繰り返しによる弁開閉制御を行うため、高精度の流量制御を行う際にはオン・オフ動作が頻繁に行われる結果、異音が発生するという問題点がある。また、ソレノイドがもっている固有の問題としてチャタリングの発生があり、このような状態に陥ると、高精度の制御が不可能になってしまう。
【０００４】
以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、新たな弁機構、および弁駆動機構の採用によって、異音やチャタリングを発生することなく、かつ、流量を広い範囲にわたって高い精度で制御可能な流量制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、流体流路の上流側と下流側とを繋ぐ開口部と、弁体と、該弁体を前記開口部に向かう閉方向、および前記開口部から離間する開方向に駆動する弁駆動装置とを有する流量制御装置において、前記弁駆動装置は、駆動源としてのモータと、前記モータの出力を前記弁体が前記開方向および前記閉方向に移動する力として当該弁体に伝達する伝達機構とを備え、前記弁体上には、前記開口部の開度を調整可能な大流量制御用弁体と、前記開口部の周囲壁と密着可能に形成され、かつ、前記開口部より小さな開口面積の弁孔が形成されたシール部材と、前記弁孔の開度を調整可能な小流量制御用弁体とが構成され、前記弁駆動装置による前記弁体の開方向への駆動に伴って、前記シール部材が前記周囲壁に密着して前記開口部が閉塞されるとともに前記小流量制御用弁体によって前記弁孔が閉塞される閉状態と、前記シール部材が前記周囲壁に密着して前記開口部が閉塞された状態で、前記小流量制御用弁体によって前記弁孔の開度が調節される小流量領域と、前記シール部材が前記周囲壁から離間して、前記大流量制御用弁体によって前記開口部の開度が調節される大流量領域とがこの順番で実現されることを特徴とする。
【０００６】
本発明では、弁体を開口部に対して相対移動させる弁駆動装置の駆動源としてモータを用いているため、ソレノイドをオン・オフ制御する構成と違って、異音やチャタリングの発生が起こらない。また、弁体上に大流量制御用弁体、弁孔が形成されたリング状のシール部材、および小流量制御用弁体が構成されており、小流量領域では、シール部材が開口部を閉塞した状態のまま、小流量制御用弁体によって弁孔の開度が調節され、大流量領域では、シール部材が周囲壁から離間し、大流量制御用弁体によって開口部の開度が調節される。それ故、小流量領域および大流量領域のいずれにおいても、高い精度で流量を制御できる。
【０００７】
本発明において、前記小流量制御用弁体は、前記弁体の駆動方向に延びて前記弁孔内を移動可能に当該弁孔内に嵌められた棒状弁体であり、該棒状弁体は、先端に前記弁孔の内径よりも大きな径の前記大流量制御用弁体が連結されて当該大流量制御用弁体と一体に移動可能であるとともに、前記小流量領域では前記弁孔内に対する侵入深さによって当該弁孔の内壁との隙間面積を調節し、かつ、前記小流量領域から前記大流量領域に移行した以降は、前記シール部材とともに前記開方向に移動するように構成することが好ましい。このように構成すると、簡素な構成で、かつ、少ない部品数で、小流量領域および大流量領域のいずれにおいても、高い精度で流量を制御できる弁体を構成することができる。
【０００８】
本発明において、前記小流量制御用弁体は、少なくとも長さ方向における途中部分が前記弁孔を閉塞可能な外径寸法を有するとともに、当該途中部分から先端側は、先端側に向かって径が細くなっていることが好ましい。このように構成すると、簡素な構成で小流量領域での流量制御を高い精度で行うことができる。
【０００９】
本発明において、前記弁体上には、前記シール部材を前記周囲壁に向けて押圧するバネ部材が配置されていることが好ましい。このように構成すると、閉状態および小流量領域において、シール部材を周囲壁に確実に密着させておくことができる。
【００１０】
本発明において、前記シール部材と前記大流量制御用弁体とが当接した状態で当該シール部材と当該大流量制御用弁体との間には、前記開口部の開度を前記大流量制御用弁体によって最小としたときの流量と等しい流量を確保する溝状流路が形成されていることが好ましい。小流量領域から大流量領域に切り換る瞬間、シール部材と大流量制御用弁体とが完全に当接し、流路が急激に絶たれることがあるが、シール部材と大流量制御用弁体との間に、開口部の開度を大流量制御用弁体によって最小としたときの流量と等しい流量を確保する溝状流路を形成しておけば、小流量領域から大流量領域に切り換る瞬間であっても、流量の急激な変動を防止することができる。
【００１１】
本発明において、前記大流量制御用弁体は、前記開口部に向かって径が細くなった先端形状を備え、先細りの先端部分が前記開口部の内側に侵入することにより当該開口部の開度を調節することが好ましい。このように構成すると、簡素な構成で大流量領域での流量制御を高い精度で行うことができる。
【００１２】
本発明において、前記弁体は、前記弁駆動装置によって円弧状の軌跡を描くように駆動され、前記開口部は、前記大流量制御用弁体を受け入れる入口が周方向に開口していることが好ましい。このように構成すると、モータの出力を回転運動のまま弁体に伝達すればよいので、弁体を直動させる方式と比較して、伝達機構の構成を簡素化でき、かつ、エネルギーロスも少ない。
【００１３】
本発明において、前記大流量制御用弁体および前記小流量制御用弁体は、前記弁体の円弧状の軌跡に沿って湾曲していることが好ましい。このように構成すると、弁体が他の部分と干渉することがないので、弁体のストロークを長く設定でき、このように設定すれば、流量の調整を容易に行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した流量制御装置を説明する。
【００１５】
（全体構成）
図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ、本発明を適用した流量制御装置の平面図、正面図、および底面図である。図２および図３はそれぞれ、本発明を適用した流量制御装置のケース内に配置された歯車列などの展開図、およびケース内に配置された機構部品のレイアウトを示す平面図である。
【００１６】
図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、および図２において、本発明を適用した流量制御装置１は、ＬＰガス、都市ガス、冷蔵庫やエアコン内の冷媒などの流量制御に用いられるものである。
【００１７】
流量制御装置１では、カップ状のケース２１、蓋材２２、およびシール材（図示せず）によって密閉したハウジング２が形成されている。蓋材２２からは、ステッピングモータ３０のロータ３１などを配置する円筒部２４が上方に突出し、円筒部２４の外側にステッピングモータ３０のステータ３３が配置されている。ハウジング２の側面部には流体入口２６が開口している一方、底部には流体出口２７が開口している。
【００１８】
図２および図３に示すように、ハジジング２の内部は、プレート４の一部を隔壁４０として、流体入口２６が位置する上流側１１と、円筒状の流体出口２７が位置する下流側１２とに仕切られており、隔壁４０には、上流側１１と下流側１２とを繋ぐ開口部５が形成されている。この開口部５は、上流側１１に位置する入口が横方向（周方向）に開口している。また、開口部５の周りの周囲壁５０は、面取りされている。
【００１９】
開口部５の上流側１１には、後述する弁体６が配置されており、図３において、矢印Ａで示す方向が閉方向であり、矢印Ｂで示す方向が開方向である。
【００２０】
図２および図３において、弁体６を矢印Ａおよび矢印Ｂで示す方向に駆動するための弁駆動装置３は、双方向への回転が可能なステッピングモータ３０と、歯車列からなる伝達機構７０とを備えており、伝達機構７０は、カップ状のケース２１内に配置されている。
【００２１】
弁駆動装置３において、ステッピングモータ３０の出力軸３５は、プレート４の受け部によって回転可能に支持されている。また、出力軸３５の側方位置において、伝達機構７０は、出力軸３５に固着されたピニオンと噛み合う外歯を備えた第１車７１を備えているとともに、この第１車７１の側方位置には、第１車７１の回転軸に固着されたピニオンと噛み合う外歯を備えた第２車７２を備えている。
【００２２】
プレート４の内周壁に沿ってその底部には、周方向にガイド溝４４が形成され、このガイド溝４４の上には、移動体８が配置されている。移動体８は、その内周側面に、第２車７２の回転軸に固着されたピニオンと噛み合う内歯を備え、かつ、その端部８０には弁体６が構成されている。従って、弁体６は、矢印Ａおよび矢印Ｂで示す方向にように、ステッピングモータ３０の出力軸３５と交差する方向に駆動され、ステッピングモータ３０の出力軸３５の周りにおいて円弧状の軌跡を描くことになる。
【００２３】
（弁体６の構成）
弁体６上には、開口部５の開度を調整可能な大流量制御用弁体６１と、開口部５の周囲壁５０と密着可能に形成され、かつ、開口部５より小さな開口面積の弁孔６２０が形成されたリング状のシール部材６２と、弁孔６２０の開度を調整可能な小流量制御用弁体６３とが構成されている。ここで、弁孔６２０の開口縁は、面取りされている。
【００２４】
小流量制御用弁体６３は、弁体６の駆動方向に延びて弁孔６２０内を移動可能に弁孔６２０内に嵌められた棒状弁体であり、小流量制御用弁体６３の先端側には、大流量制御用弁体６１が連結されている。このため、小流量制御用弁体６３は、大流量制御用弁体６１と一体に移動可能である。ここで、小流量制御用弁体６３は、弁体６の円弧状の軌跡に対応して湾曲している。
【００２５】
また、弁体６上において、小流量制御用弁体６３の周りには、移動体８の端部８０とシール部材６２とを離間させる方向の付勢力を発揮するコイルバネ６４が配置されている。
【００２６】
ここで、小流量制御用弁体６３は、少なくとも長さ方向における途中部分６３１が弁孔６２０を閉状態とする外径寸法を有するとともに、途中部分６３１から先端側６３２は、先端に向かって径がわずかに細くなっている。このため、小流量制御用弁体６３は、弁孔６２０内に対する侵入深さによって弁孔６２０の内壁との隙間面積を調節可能である。本形態において、例えば、弁孔６２０の内径は３．０ｍｍであり、小流量制御用弁体６２の途中部分６３１の径は２．９ｍｍであるため、弁孔６２０の最小隙間断面積は０．４６ｍｍ2となる。
【００２７】
大流量制御用弁体６１は、弁孔６２０の内径よりも大きな径を有している。このため、小流量制御用弁体６３が移動体８とともに開方向にわずかに移動しただけでは、シール部材６２は、流体圧およびコイルバネ６４に押圧されて開口部５の周囲壁５０に密着して開口部５を閉塞した状態のままであるが、小流量制御用弁体６３が移動体８とともにさらに開方向に移動すると、シール部材６２は、大流量制御用弁体６１と干渉して、小流量制御用弁体６３や大流量制御用弁体６１とともに開方向に移動し、周囲壁５０から離れることになる。
【００２８】
大流量制御用弁体６１は、開口部５に向かって径が細くなった先端形状を備えており、先細りの先端部分が開口部５の内側に侵入することにより開口部５の開度を調節可能である。また、大流量制御用弁体６１は、弁体６の円弧状の軌跡に対応して湾曲している。本形態において、例えば、開口部５の内径は８．０ｍｍであり、大流量制御用弁体６１の最大径は７．９ｍｍであるため、開口部５の最小隙間断面積は１．２５ｍｍ2となる。
【００２９】
（動作）
図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ、本発明を適用した流量制御装置の閉状態を示す説明図、小流量領域を示す説明図、小流量領域から大流量領域に移行した直後の状態を示す説明図、および大流量領域を示す説明図である。図５は、本形態の流量制御装置における弁体位置と流量との関係を示すグラフである。
【００３０】
本形態の流量制御装置１において、図４（Ａ）に示す閉状態では、移動体８および弁体６が最も閉方向に位置する。この状態で、シール部材６２は、流体圧およびコイルバネ６４に押圧されて周囲壁５０に密着し、開口部５は閉塞状態にある。また、小流量制御用弁体６３は、長さ方向における中間部分６３１が弁孔６２０内に位置し、この中間部分６３１の径は弁孔６２０の内径と等しいので、小流量制御用弁体６３は、弁孔６２０との隙間面積を最小とした状態にある。このような状態は、図５における閉状態Ｌ０に相当する。なお、ガスの場合、閉状態でもガスがわずかに流れるように設定されるが、流量を０に設定してもよい。
【００３１】
この状態からステッピングモータ３０の出力軸３５が反時計周りＣＣＷの方向に回転すると、第１車７１が時計周りＣＷの方向に回転し、第２車７２が反時計周りＣＣＷの方向に回転する。その結果、移動体８も反時計周りＣＣＷの方向に回転し、弁体６は、矢印Ｂで示すように開方向に駆動される（図４（Ｂ）を参照）。その結果、小流量制御用弁体６３および大流量制御用弁体６１がわずかに矢印Ｂで示すように開方向に移動する。このような駆動が行われても、シール部材６２は、流体圧およびコイルバネ６４の付勢力によって周囲壁５０に向けて押圧され、周囲壁５０に密着した状態のままであるので、開口部５は閉塞状態のままである。但し、小流量制御用弁体６３が弁孔６２０内で移動した際、弁孔６２０内に位置する部分は、小流量制御用弁体６３の先端側６３２であり、この先端側６３２はわずかに先細り形状になっているため、矢印Ｃで示すように、小流量制御用弁体６３と弁孔６２０の内面壁との隙間面積に応じた流量で流体が上流側から下流側に流れることになる。このような状態は、図５における小流量領域Ｌ１に相当する。
【００３２】
この状態からステッピングモータ３０の出力軸３５が反時計周りＣＣＷの方向にさらに回転すると、第１車７１が時計周りＣＷの方向にさらに回転し、第２車７２が反時計周りＣＣＷの方向にさらに回転する。その結果、移動体８も反時計周りＣＣＷの方向にさらに回転し、弁体６は、矢印Ｂで示すように開方向にさらに駆動される（図４（Ｃ）を参照）。その結果、小流量制御用弁体６３および大流量制御用弁体６１がさらに矢印Ｂで示すように開方向に移動する。その際、シール部材６２も、大流量制御用弁体６１と干渉して、矢印Ｂで示すように開方向に駆動され、周囲壁５０から離れる。このため、矢印Ｄで示すように、大流量制御用弁体６１によって開口部５の開度が調節された流量で開口部５から流体が上流側１１から下流側１２に流れる。この状態からステッピングモータ３０の出力軸３５が反時計周りＣＣＷの方向にさらに回転すると、弁体６は、矢印Ｂで示すように開方向にさらに駆動される（図４（Ｄ）を参照）。その結果、小流量制御用弁体６３および大流量制御用弁体６１がさらに矢印Ｂで示すように開方向に駆動される結果、矢印Ｄで示すように、大流量制御用弁体６１によって開口部５の開度が拡大され、この状態に開度に対応する流量で開口部５から流体が上流側１１から下流側１２に流れる。このような状態は、図５における大流量領域Ｌ２に相当する。
【００３３】
なお、図４（Ｄ）に示す開状態からステッピングモータ３０の出力軸３５が時計周りＣＷの方向に回転していくと、第１車７１が反時計周りＣＣＷの方向に回転し、第２車７２が時計周りＣＷの方向に回転する。その結果、移動体８は時計周りＣＷの方向に回転し、弁体６は、上記の順序とは逆方向（閉方向／矢印Ａで示す方向）に駆動される。このとき、弁駆動装置３は、シール部材６２と開口部５の周囲壁５０が密着した閉状態よりもさらにコイルバネ６４が圧縮される方向に駆動し、この状態を閉状態の原点位置とする。
【００３４】
（本形態の効果）
以上説明したように、本形態では、弁体６を開口部５に対して移動させる弁駆動装置３の駆動源としてモータを用いているため、ソレノイドをオン・オフ制御する構成と違って、異音やチャタリングの発生が起こらない。
【００３５】
また、弁体６上に大流量制御用弁体６１、弁孔６２０が形成されたリング状のシール部材６２、および小流量制御用弁体６３が構成されており、小流量領域では、弁体６の駆動に伴って、シール部材６２が周囲壁５０に密着して開口部５が閉塞状態のまま、小流量制御用弁体６３によって弁孔６２０の開度が調節され、大流量領域では、弁体６の駆動に伴って、シール部材６２が周囲壁５０から離間し、大流量制御用弁体６１によって開口部５の開度が調節される。それ故、小流量領域および大流量領域のいずれにおいても、高い精度で流量を制御できる。
【００３６】
しかも、弁体６の先細りの先端部分６２が開口部の内側に侵入することにより、開口部５の開度を調整するので、簡素な構成でありながら、高い精度で大流量の制御を行うことができる。
【００３７】
また、小流量制御用弁体６３は、長さ方向における途中部分６３１が弁孔６２０を閉塞可能な外径寸法を有するとともに、途中部分６３１から先端側６３２は、先細り形状になっているため、簡素な構成で小流量領域での流量制御を高い精度で行うことができる。
【００３８】
また、モータの出力軸３５の回転を回転運動のまま弁体６に伝達しているので、弁体６を直動させる方式と比較して、伝達機構７０の構成を簡素化でき、かつ、エネルギーロスも少ない。
【００３９】
さらに、大流量制御用弁体６１および小流量制御用弁体６３が、弁体６の円弧状の軌跡に沿って湾曲しているため、大流量制御用弁体６１および小流量制御用弁体６３が他の部分と干渉することがない。それ故、大流量制御用弁体６１および小流量制御用弁体６３のストロークを長く設定できるので、流量の調整を高い精度で行うことができる。
【００４０】
さらに、伝達機構７０は、弁体６が駆動されるときの回転中心軸線からみて弁体６の閉位置とは反対側に配置されている。このため、弁体６や開口部５を配置する領域や、伝達機構７０を配置する領域が広い。それ故、各構成要素のレイアウトを容易に行うことができる。
【００４１】
［その他の実施の形態］
図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、大流量制御用弁体６１のシール部材６２と対向する側の面に溝６６を形成しておき、大流量制御用弁体６１とシール部材６２とが当接した状態でシール部材６２と大流量制御用弁体６１との間に、開口部５の開度を大流量制御用弁体６１によって最小としたときの流量と等しい流量を確保する溝状流路を確保しておくことが好ましい。小流量領域から大流量領域に切り換る際、シール部材６２と大流量制御用弁体６１とが当接し、小流量領域で確保されていた流路が急に絶たれると、図５に一点鎖線Ｌ１１で示すような流量の急激な変動が発生するおそれがあるが、溝６６によって溝状流路を確保しておけば、小流量領域から大流量領域に切り換る際の急激な流量変化を防止することができる。なお、溝状流路については、シール部材６２の大流量制御用弁体６１と対向する側の面に形成してもよい。
【００４２】
また、溝状流路（溝６６）を形成した場合には、図７（Ａ）に示すように、小流量領域から大流量領域に切り換る際、大流量制御用弁体６１の周囲に周囲壁５０などがないと、小流量領域のときの流量（矢印Ｃの流れ）に大流量領域に移行した直後の流量（矢印Ｄの流れ）が加算されて急激な流量増加が起こるおそれがある。このような現象を確実に防止するには、図７（Ｂ）に示すように、小流量領域から大流量領域に切り換る際、大流量制御用弁体６１の周囲に周囲壁５０などで絞りとなる隙間５５を構成し、この隙間５５によって小流量領域から大流量領域に切り換る際の流量を制限すればよい。
【００４３】
なお、弁体６の駆動方法については、上記形態のように、回転方式に限らず、直動方式、あるいは、ネジ状の弁体６が回転しながらネジ溝内を移動する構成であってもよい。また、上記形態では、駆動源としてステッピングモータ３０を用いたが、ＤＣモータやＡＣモータを用いてもよく、このようなモータを用いる場合には、ステップ制御に代えて、時間制御、あるいは位置認識を行いながらの時間制御を行えばよい。
【００４４】
また、流量の制御対象となる流体としては気体に限らず、液体であってもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の流量制御装置では、弁体を開口部に対して相対移動させる弁駆動装置の駆動源としてモータを用いているため、ソレノイドをオン・オフ制御する構成と違って、異音やチャタリングの発生が起こらない。また、弁体上に大流量制御用弁体、弁孔が形成されたリング状のシール部材、および小流量制御用弁体が構成されており、小流量領域では、弁体の駆動に伴って、シール部材が開口部の周囲壁に密着した状態のまま、小流量制御用弁体によって弁孔の開度が調節され、大流量領域では、弁体の駆動に伴って、シール部材が周囲壁から離間し、大流量制御用弁体によって開口部の開度が調節される。それ故、小流量領域および大流量領域のいずれにおいても、高い精度で流量を制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明を適用した流量制御装置の平面図、正面図、および底面図である。
【図２】本発明を適用した流量制御装置のケース内に配置された歯車列などの展開図である。
【図３】本発明を適用した流量制御装置のケース内に配置された機構部品のレイアウトを示す平面図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ、本発明を適用した流量制御装置の閉状態を示す説明図、小流量領域を示す説明図、小流量領域から大流量領域に移行した直後の状態を示す説明図、および大流量領域を示す説明図である。
【図５】本発明を適用した流量制御装置における弁体位置と流量との関係を示すグラフである。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、本発明を適用した流量制御装置の改良例に係る弁体の説明図、および大流量制御用弁体の基端面側の説明図である。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、本発明を適用した流量制御装置の別の改良点を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１ 流量制御装置
２ ハウジング
３ 弁駆動機構
５ 開口部
６ 弁体
８ 移動体
１１ 上流側
１２ 下流側
２６ 流体入口
２７ 流体出口
３０ ステッピングモータ（駆動源）
３５ ステッピングモータの出力軸
６１ 大流量制御用弁体
６２ リング状のシール部材
６３ 小流量制御用弁体
７０ 伝達機構
７１ 第１車
７２ 第２車
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種流体の流量を制御するための流量制御装置に関するものである。さらに詳しくは、流量制御装置の弁機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＰガス、都市ガス、冷蔵庫やエアコン内の冷媒、あるいは液体の流量を制御する流量制御装置に用いられている弁機構は、弁体をソレノイドで駆動するのが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ソレノイドではオン・オフの繰り返しによる弁開閉制御を行うため、高精度の流量制御を行う際にはオン・オフ動作が頻繁に行われる結果、異音が発生するという問題点がある。また、ソレノイドがもっている固有の問題としてチャタリングの発生があり、このような状態に陥ると、高精度の制御が不可能になってしまう。
【０００４】
以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、新たな弁機構、および弁駆動機構の採用によって、異音やチャタリングを発生することなく、かつ、流量を広い範囲にわたって高い精度で制御可能な流量制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、流体流路の上流側と下流側とを繋ぐ開口部と、弁体と、該弁体を前記開口部に向かう閉方向、および前記開口部から離間する開方向に駆動する弁駆動装置とを有する流量制御装置において、前記弁駆動装置は、駆動源としてのモータと、前記モータの出力を前記弁体が前記開方向および前記閉方向に移動する力として当該弁体に伝達する伝達機構とを備え、前記弁体上には、前記開口部の開度を調整可能な大流量制御用弁体と、前記開口部の周囲壁と密着可能に形成され、かつ、前記開口部より小さな開口面積の弁孔が形成されたシール部材と、前記弁孔の開度を調整可能な小流量制御用弁体とが構成され、前記弁駆動装置による前記弁体の開方向への駆動に伴って、前記シール部材が前記周囲壁に密着して前記開口部が閉塞されるとともに前記小流量制御用弁体によって前記弁孔が閉塞される閉状態と、前記シール部材が前記周囲壁に密着して前記開口部が閉塞された状態で、前記小流量制御用弁体によって前記弁孔の開度が調節される小流量領域と、前記シール部材が前記周囲壁から離間して、前記大流量制御用弁体によって前記開口部の開度が調節される大流量領域とがこの順番で実現されることを特徴とする。
【０００６】
本発明では、弁体を開口部に対して相対移動させる弁駆動装置の駆動源としてモータを用いているため、ソレノイドをオン・オフ制御する構成と違って、異音やチャタリングの発生が起こらない。また、弁体上に大流量制御用弁体、弁孔が形成されたリング状のシール部材、および小流量制御用弁体が構成されており、小流量領域では、シール部材が開口部を閉塞した状態のまま、小流量制御用弁体によって弁孔の開度が調節され、大流量領域では、シール部材が周囲壁から離間し、大流量制御用弁体によって開口部の開度が調節される。それ故、小流量領域および大流量領域のいずれにおいても、高い精度で流量を制御できる。
【０００７】
本発明において、前記小流量制御用弁体は、前記弁体の駆動方向に延びて前記弁孔内を移動可能に当該弁孔内に嵌められた棒状弁体であり、該棒状弁体は、先端に前記弁孔の内径よりも大きな径の前記大流量制御用弁体が連結されて当該大流量制御用弁体と一体に移動可能であるとともに、前記小流量領域では前記弁孔内に対する侵入深さによって当該弁孔の内壁との隙間面積を調節し、かつ、前記小流量領域から前記大流量領域に移行した以降は、前記シール部材とともに前記開方向に移動するように構成することが好ましい。このように構成すると、簡素な構成で、かつ、少ない部品数で、小流量領域および大流量領域のいずれにおいても、高い精度で流量を制御できる弁体を構成することができる。
【０００８】
本発明において、前記小流量制御用弁体は、少なくとも長さ方向における途中部分が前記弁孔を閉塞可能な外径寸法を有するとともに、当該途中部分から先端側は、先端側に向かって径が細くなっていることが好ましい。このように構成すると、簡素な構成で小流量領域での流量制御を高い精度で行うことができる。
【０００９】
本発明において、前記弁体上には、前記シール部材を前記周囲壁に向けて押圧するバネ部材が配置されていることが好ましい。このように構成すると、閉状態および小流量領域において、シール部材を周囲壁に確実に密着させておくことができる。
【００１０】
本発明において、前記シール部材と前記大流量制御用弁体とが当接した状態で当該シール部材と当該大流量制御用弁体との間には、前記開口部の開度を前記大流量制御用弁体によって最小としたときの流量と等しい流量を確保する溝状流路が形成されていることが好ましい。小流量領域から大流量領域に切り換る瞬間、シール部材と大流量制御用弁体とが完全に当接し、流路が急激に絶たれることがあるが、シール部材と大流量制御用弁体との間に、開口部の開度を大流量制御用弁体によって最小としたときの流量と等しい流量を確保する溝状流路を形成しておけば、小流量領域から大流量領域に切り換る瞬間であっても、流量の急激な変動を防止することができる。
【００１１】
本発明において、前記大流量制御用弁体は、前記開口部に向かって径が細くなった先端形状を備え、先細りの先端部分が前記開口部の内側に侵入することにより当該開口部の開度を調節することが好ましい。このように構成すると、簡素な構成で大流量領域での流量制御を高い精度で行うことができる。
【００１２】
本発明において、前記弁体は、前記弁駆動装置によって円弧状の軌跡を描くように駆動され、前記開口部は、前記大流量制御用弁体を受け入れる入口が周方向に開口していることが好ましい。このように構成すると、モータの出力を回転運動のまま弁体に伝達すればよいので、弁体を直動させる方式と比較して、伝達機構の構成を簡素化でき、かつ、エネルギーロスも少ない。
【００１３】
本発明において、前記大流量制御用弁体および前記小流量制御用弁体は、前記弁体の円弧状の軌跡に沿って湾曲していることが好ましい。このように構成すると、弁体が他の部分と干渉することがないので、弁体のストロークを長く設定でき、このように設定すれば、流量の調整を容易に行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した流量制御装置を説明する。
【００１５】
（全体構成）
図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ、本発明を適用した流量制御装置の平面図、正面図、および底面図である。図２および図３はそれぞれ、本発明を適用した流量制御装置のケース内に配置された歯車列などの展開図、およびケース内に配置された機構部品のレイアウトを示す平面図である。
【００１６】
図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、および図２において、本発明を適用した流量制御装置１は、ＬＰガス、都市ガス、冷蔵庫やエアコン内の冷媒などの流量制御に用いられるものである。
【００１７】
流量制御装置１では、カップ状のケース２１、蓋材２２、およびシール材（図示せず）によって密閉したハウジング２が形成されている。蓋材２２からは、ステッピングモータ３０のロータ３１などを配置する円筒部２４が上方に突出し、円筒部２４の外側にステッピングモータ３０のステータ３３が配置されている。ハウジング２の側面部には流体入口２６が開口している一方、底部には流体出口２７が開口している。
【００１８】
図２および図３に示すように、ハジジング２の内部は、プレート４の一部を隔壁４０として、流体入口２６が位置する上流側１１と、円筒状の流体出口２７が位置する下流側１２とに仕切られており、隔壁４０には、上流側１１と下流側１２とを繋ぐ開口部５が形成されている。この開口部５は、上流側１１に位置する入口が横方向（周方向）に開口している。また、開口部５の周りの周囲壁５０は、面取りされている。
【００１９】
開口部５の上流側１１には、後述する弁体６が配置されており、図３において、矢印Ａで示す方向が閉方向であり、矢印Ｂで示す方向が開方向である。
【００２０】
図２および図３において、弁体６を矢印Ａおよび矢印Ｂで示す方向に駆動するための弁駆動装置３は、双方向への回転が可能なステッピングモータ３０と、歯車列からなる伝達機構７０とを備えており、伝達機構７０は、カップ状のケース２１内に配置されている。
【００２１】
弁駆動装置３において、ステッピングモータ３０の出力軸３５は、プレート４の受け部によって回転可能に支持されている。また、出力軸３５の側方位置において、伝達機構７０は、出力軸３５に固着されたピニオンと噛み合う外歯を備えた第１車７１を備えているとともに、この第１車７１の側方位置には、第１車７１の回転軸に固着されたピニオンと噛み合う外歯を備えた第２車７２を備えている。
【００２２】
プレート４の内周壁に沿ってその底部には、周方向にガイド溝４４が形成され、このガイド溝４４の上には、移動体８が配置されている。移動体８は、その内周側面に、第２車７２の回転軸に固着されたピニオンと噛み合う内歯を備え、かつ、その端部８０には弁体６が構成されている。従って、弁体６は、矢印Ａおよび矢印Ｂで示す方向にように、ステッピングモータ３０の出力軸３５と交差する方向に駆動され、ステッピングモータ３０の出力軸３５の周りにおいて円弧状の軌跡を描くことになる。
【００２３】
（弁体６の構成）
弁体６上には、開口部５の開度を調整可能な大流量制御用弁体６１と、開口部５の周囲壁５０と密着可能に形成され、かつ、開口部５より小さな開口面積の弁孔６２０が形成されたリング状のシール部材６２と、弁孔６２０の開度を調整可能な小流量制御用弁体６３とが構成されている。ここで、弁孔６２０の開口縁は、面取りされている。
【００２４】
小流量制御用弁体６３は、弁体６の駆動方向に延びて弁孔６２０内を移動可能に弁孔６２０内に嵌められた棒状弁体であり、小流量制御用弁体６３の先端側には、大流量制御用弁体６１が連結されている。このため、小流量制御用弁体６３は、大流量制御用弁体６１と一体に移動可能である。ここで、小流量制御用弁体６３は、弁体６の円弧状の軌跡に対応して湾曲している。
【００２５】
また、弁体６上において、小流量制御用弁体６３の周りには、移動体８の端部８０とシール部材６２とを離間させる方向の付勢力を発揮するコイルバネ６４が配置されている。
【００２６】
ここで、小流量制御用弁体６３は、少なくとも長さ方向における途中部分６３１が弁孔６２０を閉状態とする外径寸法を有するとともに、途中部分６３１から先端側６３２は、先端に向かって径がわずかに細くなっている。このため、小流量制御用弁体６３は、弁孔６２０内に対する侵入深さによって弁孔６２０の内壁との隙間面積を調節可能である。本形態において、例えば、弁孔６２０の内径は３．０ｍｍであり、小流量制御用弁体６２の途中部分６３１の径は２．９ｍｍであるため、弁孔６２０の最小隙間断面積は０．４６ｍｍ2となる。
【００２７】
大流量制御用弁体６１は、弁孔６２０の内径よりも大きな径を有している。このため、小流量制御用弁体６３が移動体８とともに開方向にわずかに移動しただけでは、シール部材６２は、流体圧およびコイルバネ６４に押圧されて開口部５の周囲壁５０に密着して開口部５を閉塞した状態のままであるが、小流量制御用弁体６３が移動体８とともにさらに開方向に移動すると、シール部材６２は、大流量制御用弁体６１と干渉して、小流量制御用弁体６３や大流量制御用弁体６１とともに開方向に移動し、周囲壁５０から離れることになる。
【００２８】
大流量制御用弁体６１は、開口部５に向かって径が細くなった先端形状を備えており、先細りの先端部分が開口部５の内側に侵入することにより開口部５の開度を調節可能である。また、大流量制御用弁体６１は、弁体６の円弧状の軌跡に対応して湾曲している。本形態において、例えば、開口部５の内径は８．０ｍｍであり、大流量制御用弁体６１の最大径は７．９ｍｍであるため、開口部５の最小隙間断面積は１．２５ｍｍ2となる。
【００２９】
（動作）
図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ、本発明を適用した流量制御装置の閉状態を示す説明図、小流量領域を示す説明図、小流量領域から大流量領域に移行した直後の状態を示す説明図、および大流量領域を示す説明図である。図５は、本形態の流量制御装置における弁体位置と流量との関係を示すグラフである。
【００３０】
本形態の流量制御装置１において、図４（Ａ）に示す閉状態では、移動体８および弁体６が最も閉方向に位置する。この状態で、シール部材６２は、流体圧およびコイルバネ６４に押圧されて周囲壁５０に密着し、開口部５は閉塞状態にある。また、小流量制御用弁体６３は、長さ方向における中間部分６３１が弁孔６２０内に位置し、この中間部分６３１の径は弁孔６２０の内径と等しいので、小流量制御用弁体６３は、弁孔６２０との隙間面積を最小とした状態にある。このような状態は、図５における閉状態Ｌ０に相当する。なお、ガスの場合、閉状態でもガスがわずかに流れるように設定されるが、流量を０に設定してもよい。
【００３１】
この状態からステッピングモータ３０の出力軸３５が反時計周りＣＣＷの方向に回転すると、第１車７１が時計周りＣＷの方向に回転し、第２車７２が反時計周りＣＣＷの方向に回転する。その結果、移動体８も反時計周りＣＣＷの方向に回転し、弁体６は、矢印Ｂで示すように開方向に駆動される（図４（Ｂ）を参照）。その結果、小流量制御用弁体６３および大流量制御用弁体６１がわずかに矢印Ｂで示すように開方向に移動する。このような駆動が行われても、シール部材６２は、流体圧およびコイルバネ６４の付勢力によって周囲壁５０に向けて押圧され、周囲壁５０に密着した状態のままであるので、開口部５は閉塞状態のままである。但し、小流量制御用弁体６３が弁孔６２０内で移動した際、弁孔６２０内に位置する部分は、小流量制御用弁体６３の先端側６３２であり、この先端側６３２はわずかに先細り形状になっているため、矢印Ｃで示すように、小流量制御用弁体６３と弁孔６２０の内面壁との隙間面積に応じた流量で流体が上流側から下流側に流れることになる。このような状態は、図５における小流量領域Ｌ１に相当する。
【００３２】
この状態からステッピングモータ３０の出力軸３５が反時計周りＣＣＷの方向にさらに回転すると、第１車７１が時計周りＣＷの方向にさらに回転し、第２車７２が反時計周りＣＣＷの方向にさらに回転する。その結果、移動体８も反時計周りＣＣＷの方向にさらに回転し、弁体６は、矢印Ｂで示すように開方向にさらに駆動される（図４（Ｃ）を参照）。その結果、小流量制御用弁体６３および大流量制御用弁体６１がさらに矢印Ｂで示すように開方向に移動する。その際、シール部材６２も、大流量制御用弁体６１と干渉して、矢印Ｂで示すように開方向に駆動され、周囲壁５０から離れる。このため、矢印Ｄで示すように、大流量制御用弁体６１によって開口部５の開度が調節された流量で開口部５から流体が上流側１１から下流側１２に流れる。この状態からステッピングモータ３０の出力軸３５が反時計周りＣＣＷの方向にさらに回転すると、弁体６は、矢印Ｂで示すように開方向にさらに駆動される（図４（Ｄ）を参照）。その結果、小流量制御用弁体６３および大流量制御用弁体６１がさらに矢印Ｂで示すように開方向に駆動される結果、矢印Ｄで示すように、大流量制御用弁体６１によって開口部５の開度が拡大され、この状態に開度に対応する流量で開口部５から流体が上流側１１から下流側１２に流れる。このような状態は、図５における大流量領域Ｌ２に相当する。
【００３３】
なお、図４（Ｄ）に示す開状態からステッピングモータ３０の出力軸３５が時計周りＣＷの方向に回転していくと、第１車７１が反時計周りＣＣＷの方向に回転し、第２車７２が時計周りＣＷの方向に回転する。その結果、移動体８は時計周りＣＷの方向に回転し、弁体６は、上記の順序とは逆方向（閉方向／矢印Ａで示す方向）に駆動される。このとき、弁駆動装置３は、シール部材６２と開口部５の周囲壁５０が密着した閉状態よりもさらにコイルバネ６４が圧縮される方向に駆動し、この状態を閉状態の原点位置とする。
【００３４】
（本形態の効果）
以上説明したように、本形態では、弁体６を開口部５に対して移動させる弁駆動装置３の駆動源としてモータを用いているため、ソレノイドをオン・オフ制御する構成と違って、異音やチャタリングの発生が起こらない。
【００３５】
また、弁体６上に大流量制御用弁体６１、弁孔６２０が形成されたリング状のシール部材６２、および小流量制御用弁体６３が構成されており、小流量領域では、弁体６の駆動に伴って、シール部材６２が周囲壁５０に密着して開口部５が閉塞状態のまま、小流量制御用弁体６３によって弁孔６２０の開度が調節され、大流量領域では、弁体６の駆動に伴って、シール部材６２が周囲壁５０から離間し、大流量制御用弁体６１によって開口部５の開度が調節される。それ故、小流量領域および大流量領域のいずれにおいても、高い精度で流量を制御できる。
【００３６】
しかも、弁体６の先細りの先端部分６２が開口部の内側に侵入することにより、開口部５の開度を調整するので、簡素な構成でありながら、高い精度で大流量の制御を行うことができる。
【００３７】
また、小流量制御用弁体６３は、長さ方向における途中部分６３１が弁孔６２０を閉塞可能な外径寸法を有するとともに、途中部分６３１から先端側６３２は、先細り形状になっているため、簡素な構成で小流量領域での流量制御を高い精度で行うことができる。
【００３８】
また、モータの出力軸３５の回転を回転運動のまま弁体６に伝達しているので、弁体６を直動させる方式と比較して、伝達機構７０の構成を簡素化でき、かつ、エネルギーロスも少ない。
【００３９】
さらに、大流量制御用弁体６１および小流量制御用弁体６３が、弁体６の円弧状の軌跡に沿って湾曲しているため、大流量制御用弁体６１および小流量制御用弁体６３が他の部分と干渉することがない。それ故、大流量制御用弁体６１および小流量制御用弁体６３のストロークを長く設定できるので、流量の調整を高い精度で行うことができる。
【００４０】
さらに、伝達機構７０は、弁体６が駆動されるときの回転中心軸線からみて弁体６の閉位置とは反対側に配置されている。このため、弁体６や開口部５を配置する領域や、伝達機構７０を配置する領域が広い。それ故、各構成要素のレイアウトを容易に行うことができる。
【００４１】
［その他の実施の形態］
図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、大流量制御用弁体６１のシール部材６２と対向する側の面に溝６６を形成しておき、大流量制御用弁体６１とシール部材６２とが当接した状態でシール部材６２と大流量制御用弁体６１との間に、開口部５の開度を大流量制御用弁体６１によって最小としたときの流量と等しい流量を確保する溝状流路を確保しておくことが好ましい。小流量領域から大流量領域に切り換る際、シール部材６２と大流量制御用弁体６１とが当接し、小流量領域で確保されていた流路が急に絶たれると、図５に一点鎖線Ｌ１１で示すような流量の急激な変動が発生するおそれがあるが、溝６６によって溝状流路を確保しておけば、小流量領域から大流量領域に切り換る際の急激な流量変化を防止することができる。なお、溝状流路については、シール部材６２の大流量制御用弁体６１と対向する側の面に形成してもよい。
【００４２】
また、溝状流路（溝６６）を形成した場合には、図７（Ａ）に示すように、小流量領域から大流量領域に切り換る際、大流量制御用弁体６１の周囲に周囲壁５０などがないと、小流量領域のときの流量（矢印Ｃの流れ）に大流量領域に移行した直後の流量（矢印Ｄの流れ）が加算されて急激な流量増加が起こるおそれがある。このような現象を確実に防止するには、図７（Ｂ）に示すように、小流量領域から大流量領域に切り換る際、大流量制御用弁体６１の周囲に周囲壁５０などで絞りとなる隙間５５を構成し、この隙間５５によって小流量領域から大流量領域に切り換る際の流量を制限すればよい。
【００４３】
なお、弁体６の駆動方法については、上記形態のように、回転方式に限らず、直動方式、あるいは、ネジ状の弁体６が回転しながらネジ溝内を移動する構成であってもよい。また、上記形態では、駆動源としてステッピングモータ３０を用いたが、ＤＣモータやＡＣモータを用いてもよく、このようなモータを用いる場合には、ステップ制御に代えて、時間制御、あるいは位置認識を行いながらの時間制御を行えばよい。
【００４４】
また、流量の制御対象となる流体としては気体に限らず、液体であってもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の流量制御装置では、弁体を開口部に対して相対移動させる弁駆動装置の駆動源としてモータを用いているため、ソレノイドをオン・オフ制御する構成と違って、異音やチャタリングの発生が起こらない。また、弁体上に大流量制御用弁体、弁孔が形成されたリング状のシール部材、および小流量制御用弁体が構成されており、小流量領域では、弁体の駆動に伴って、シール部材が開口部の周囲壁に密着した状態のまま、小流量制御用弁体によって弁孔の開度が調節され、大流量領域では、弁体の駆動に伴って、シール部材が周囲壁から離間し、大流量制御用弁体によって開口部の開度が調節される。それ故、小流量領域および大流量領域のいずれにおいても、高い精度で流量を制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明を適用した流量制御装置の平面図、正面図、および底面図である。
【図２】本発明を適用した流量制御装置のケース内に配置された歯車列などの展開図である。
【図３】本発明を適用した流量制御装置のケース内に配置された機構部品のレイアウトを示す平面図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ、本発明を適用した流量制御装置の閉状態を示す説明図、小流量領域を示す説明図、小流量領域から大流量領域に移行した直後の状態を示す説明図、および大流量領域を示す説明図である。
【図５】本発明を適用した流量制御装置における弁体位置と流量との関係を示すグラフである。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、本発明を適用した流量制御装置の改良例に係る弁体の説明図、および大流量制御用弁体の基端面側の説明図である。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、本発明を適用した流量制御装置の別の改良点を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１ 流量制御装置
２ ハウジング
３ 弁駆動機構
５ 開口部
６ 弁体
８ 移動体
１１ 上流側
１２ 下流側
２６ 流体入口
２７ 流体出口
３０ ステッピングモータ（駆動源）
３５ ステッピングモータの出力軸
６１ 大流量制御用弁体
６２ リング状のシール部材
６３ 小流量制御用弁体
７０ 伝達機構
７１ 第１車
７２ 第２車
Claims (8)
- 流体流路の上流側と下流側とを繋ぐ開口部と、弁体と、該弁体を前記開口部に向かう閉方向、および前記開口部から離間する開方向に駆動する弁駆動装置とを有する流量制御装置において、
前記弁駆動装置は、駆動源としてのモータと、前記モータの出力を前記弁体が前記開方向および前記閉方向に移動する力として当該弁体に伝達する伝達機構とを備え、
前記弁体上には、前記開口部の開度を調整可能な大流量制御用弁体と、前記開口部の周囲壁と密着可能に形成され、かつ、前記開口部より小さな開口面積の弁孔が形成されたシール部材と、前記弁孔の開度を調整可能な小流量制御用弁体とが構成され、
前記弁駆動装置による前記弁体の開方向への駆動に伴って、
前記シール部材が前記周囲壁に密着して前記開口部が閉塞されるとともに前記小流量制御用弁体によって前記弁孔が閉塞される閉状態と、
前記シール部材が前記周囲壁に密着して前記開口部が閉塞された状態で、前記小流量制御用弁体によって前記弁孔の開度が調節される小流量領域と、
前記シール部材が前記周囲壁から離間して、前記大流量制御用弁体によって前記開口部の開度が調節される大流量領域とがこの順番で実現されることを特徴とする流量制御装置。 - 請求項１において、前記小流量制御用弁体は、前記弁体の駆動方向に延びて前記弁孔内を移動可能に当該弁孔内に嵌められた棒状弁体であり、
該棒状弁体は、先端に前記弁孔の内径よりも大きな径の前記大流量制御用弁体が連結されて当該大流量制御用弁体と一体に移動可能であるとともに、前記小流量領域では前記弁孔内に対する侵入深さによって当該弁孔の内壁との隙間面積を調節し、かつ、前記小流量領域から前記大流量領域に移行した以降は、前記シール部材とともに前記開方向に移動することを特徴とする流量制御装置。 - 請求項２において、前記小流量制御用弁体は、少なくとも長さ方向における途中部分が前記弁孔を閉状態とする外径寸法を有するとともに、当該途中部分から先端側は、先端側に向かって径が細くなっていることを特徴とする流量制御装置。
- 請求項２または３において、前記弁体上には、前記シール部材を前記周囲壁に向けて押圧するバネ部材が配置されていることを特徴とする流量制御装置。
- 請求項２ないし４のいずれかにおいて、前記シール部材と前記大流量制御用弁体とが当接した状態で当該シール部材と当該大流量制御用弁体との間には、前記開口部の開度を前記大流量制御用弁体によって最小としたときの流量と略等しい流量を確保する溝状流路が形成されていることを特徴とする流量制御装置。
- 請求項１ないし５のいずれかにおいて、前記大流量制御用弁体は、前記開口部に向かって径が細くなった先端形状を備え、先細りの先端部分が前記開口部の内側に侵入することにより当該開口部の開度を調節することを特徴とする流量制御装置。
- 請求項１ないし６のいずれかにおいて、前記弁体は、前記弁駆動装置によって円弧状の軌跡を描くように駆動され、
前記開口部は、前記大流量制御用弁体を受け入れる入口が周方向に開口していることを特徴とする流量制御装置。 - 請求項７において、前記大流量制御用弁体および前記小流量制御用弁体は、前記弁体の円弧状の軌跡に沿って湾曲していることを特徴とする流量制御装置。
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