JP4389905B2

JP4389905B2 - 流体制御弁

Info

Publication number: JP4389905B2
Application number: JP2006179145A
Authority: JP
Inventors: 行則尾崎; 茂岩永; 正樹山口; 紀夫新村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-06-29
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2019-04-14
Also published as: JP2006313018A

Description

本発明は、流路中を流れるガス流体の流れを開閉制御する流体遮断弁に関する。

従来この種の流体制御弁としては、特開平９−６０７５２号公報に示すようなものがあった。以下、その構成について図面を参照して説明する。図７において、１は弁筐体、こ
の弁筐体１の中にはガス流体が流れる主流路２が構成されており、その一部には弁座３が設けられている。４は主流路開閉手段であり、駆動部であるモータ５の回転子６の回転運動を上下運動に変換する変換手段７と、この変換手段７に連結され上下移動する主流路開閉弁８で構成されている。この変換手段７は回転子６の回転運動をネジ機構（図示せず）を介して主流路開閉弁８の上下移動に変換している。９は回転子６に固定された磁石である。１０は回転子６を一定位置に支持する軸受である。この軸受１０は主流路２内に設けられた支持板１１に固定されている。主流路２内に設けられた回転子６はカバー１２で覆われており主流路２内のガス流体が漏れない構成となっている。１３はモータ５を構成する固定子でありコイルで構成されている。
特開平９−６０７５２号公報

しかしながら、従来の流体制御弁は、モータ５の出力を有効に主流路開閉弁８の開成力として利用していなかった。即ち、図７においてガス流体が主流路開閉弁８を閉成する方向に流れる場合、閉成している主流路開閉弁８を開成する時はガス流体の圧力が主流路開閉弁８を閉成するガス背圧に打ち勝って弁開する必要がある。主流路開閉弁８を弁開する時には、回転子６は主流路開閉弁８を引き上げるため、下部の軸受１０に押し付けられることになる。その結果、回転子６と下部の軸受１０による摩擦抵抗の影響で回転子６の回転力が有効に主流路開閉弁８の開成力として得られなかった。

本発明は上記課題を解決するために、コイルを有するステータと、前記コイルへの通電によって励磁され回転するロータと、前記ロータの回転軸と、前記ステータとロータの間に介在し前記ロータを収納してガス流路との気密性を保持する有底筒状の気密隔壁と、前記気密隔壁の底部に設け前記回転軸の一方を受ける第２の軸受と、前記気密隔壁の開口側に挿入され前記回転軸の他方を受ける第１の軸受と、前記気密隔壁の外周に配しベース板との間で気密性を保持するシール材と、前記ロータの回転を直動に変換する変換手段と、前記変換手段を介してガス流路に配設した弁座への当接、離反により流路の開閉を行う弁体と、前記ロータが回転する際に前記弁体が回転しないように規制する回転防止手段と、前記弁体を弁座側に付勢する付勢手段とを備え、前記変換手段は、回転軸に形成したねじ部と弁体側に形成したナット部の係合により回転運動を直進運動に変換し、前記回転防止手段は、前記ベース板側に設けた回転規制部を前記変換手段のナット部に作用させることで前記弁体の回転を防止する構成とし、前記第１の軸受と第２の軸受は、異なる材質を用いて構成すると共に、それぞれ前記回転軸に接触するラジアル軸受部と前記ロータと当接するスラスト軸受部を有し、弁開動作時に当接する前記ロータと前記スラスト軸受部との摺動抵抗に対し、弁閉状態時に当接する前記ロータと前記スラスト軸受部との摺動抵抗を大きくしたものである。

上記発明によれば、回転軸及びロータを受ける２つの軸受の材質をそれぞれ異なる材質を用いて構成したことにより、トルクの異なる出力をもつ電動機が得られ、この電動機を開閉弁の駆動手段として用いることにより、出力を選択的に開閉弁の開成力として利用することが出来る。

本発明の流体制御弁は、コイルを有するステータと、コイルへの通電による励磁により回転するロータと、ロータの回転軸と、回転軸の一方に設けられた第１の軸受と、回転軸の他方に設けられ第１の軸受と材質を異にする第２の軸受とで構成することにより、回転軸及びロータと摺動抵抗の異なる軸受となり、接触方向を選定して使用することにより、トルクの異なる電動機出力が得られ、この電動機を開閉弁の駆動手段として用いることに
より、出力を選択的に開閉弁の開成力として利用することが出来る。

本発明の請求項１に係る流体制御弁は、コイルを有するステータと、前記コイルへの通電によって励磁され回転するロータと、前記ロータの回転軸と、前記ステータとロータの間に介在し前記ロータを収納してガス流路との気密性を保持する有底筒状の気密隔壁と、前記気密隔壁の底部に設け前記回転軸の一方を受ける第２の軸受と、前記気密隔壁の開口側に挿入され前記回転軸の他方を受ける第１の軸受と、前記気密隔壁の外周に配しベース板との間で気密性を保持するシール材と、前記ロータの回転を直動に変換する変換手段と、前記変換手段を介してガス流路に配設した弁座への当接、離反により流路の開閉を行う弁体と、前記ロータが回転する際に前記弁体が回転しないように規制する回転防止手段と、前記弁体を弁座側に付勢する付勢手段とを備え、前記変換手段は、回転軸に形成したねじ部と弁体側に形成したナット部の係合により回転運動を直進運動に変換し、前記回転防止手段は、前記ベース板側に設けた回転規制部を前記変換手段のナット部に作用させることで前記弁体の回転を防止する構成とし、前記第１の軸受と第２の軸受は、異なる材質を用いて構成すると共に、それぞれ前記回転軸に接触するラジアル軸受部と前記ロータと当接するスラスト軸受部を有し、弁開動作時に当接する前記ロータと前記スラスト軸受部との摺動抵抗に対し、弁閉状態時に当接する前記ロータと前記スラスト軸受部との摺動抵抗を大きくしたものである。

そして、異なる材質を用いることで回転軸及びロータに対して異なる摺動抵抗を有する軸受となり、摺動する軸受によってトルクの異なるモータ出力を有する電動機が実現できると共に、開閉弁を組み合わせることにより開閉弁の開成および閉成動作時に、各々異なる出力特性を有する流体制御弁を実現することができる。

また請求項２に係る流体制御弁は、第１の軸受と第２の軸受は、回転軸を受けるラジアル軸受部とロータを受けるスラスト軸受部を有する構成としたものである。

そして、弁開閉時は開閉弁の負荷が、スラスト軸受とロータの接触部に最も作用するため、効果的に摺動抵抗を制御することができる。

また請求項３に係る流体制御弁は、弁開動作時は、第１の軸受のスラスト軸受部とロータが当接する構成としたものである。

そして、ロータの回転出力を低摺動抵抗の第１の軸受により、効率良く開閉弁を開閉することができる。

また請求項４に係る流体制御弁は、弁閉状態時は、第２の軸受のスラスト軸受部とロータが当接する構成としたものである。

そして、付勢手段の付勢力の反力によりロータが回転することを防止できる。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

（実施例１）
図１は本発明の実施例１の電動機構成図である。また図２は同電動機を用いた流体制御弁の弁開時の断面図である。また図３は同流体制御弁の弁閉時の断面図である。図４は同流体制御弁の完全弁閉時の断面図である。図５は同流体制御弁が利用されたガス流路の構成図である。図６は電動機の電気系統図である。

図１において、１４はコイル１５を有するステータであり、１６はコイル１５への通電による励磁により回転するロータである。ロータ１６は円筒形状をしており、その外周には磁石１７が設けられている。ロータ１６には回転軸１８が設けられている。回転軸１８の一方には軸受１９があり、この軸受１９は回転軸１８に接触するラジアル軸受部２０と、ロータ１６に当接するスラスト軸受部２１で構成されている。

また、回転軸の他方には軸受２２があり、この軸受２２は回転軸１８に接触するラジアル軸受部２３と、ロータ１６に当接するスラスト軸受部２４で構成されている。軸受１９のスラスト軸受部２１の先端形状は、曲面形状でロータ１６に当接可能な状態に構成されている。また軸受２２のスラスト軸受部２４の方が軸受１９のスラスト軸受部２１に比べ、ロータ１６への接触面積が大きく構成されている。この構成により摺動抵抗に差が生じるものである。また軸受１９、２２の材質は、図１のように接触面積が異なる場合は、同じ材質でも良い。しかし、軸受１９と軸受２２の接触面積が同じ場合、例えば同じ形状の軸受（図示せず）を使用する場合には、小さい摺動抵抗を必要とする軸受には、摺動摩擦抵抗の小さい材質を選択する。例えば、図１において、軸受１９の摺動抵抗を小さくする必要がある場合は、軸受１９側の材質は摺動摩擦抵抗の小さい材質を選択することになる。

２５はステータ１４とロータ１６の間に構成された気密隔壁である。２６は気密隔壁２５とベース板２７の間をシールするＯリングである。以上のようにして電動機であるステッピングモータ２８が構成されている。

図２〜図４によりステッピングモータ２８を用いた流体制御弁について説明する。図において１４から２８までは図１と同様であり説明は省略する。２９は流体制御弁であり、３０は入口、３１は出口である。流体制御弁２９は、流路３２と、この流路３２を開閉する弁体３３と、弁体３３に係止され弁体３３の直動を回転に変換する変換手段であるナット３４と、ナット３４に接続されたステッピングモータ２８の回転軸１８と、弁体３３が当接する弁座３５と、ナット３４と弁体３３の間に設けられた付勢手段であるスプリング３６とで構成されている。３７はロータ１６が回転した際にナット３４の回転を防止する回転防止ピンである。ナット３４の先端３８と弁体３３の先端３９はスプリング３６が圧縮された状態で係止されており、ナット３４と弁体３３はスプリング３６を圧縮する方向に摺動自在に構成されている。４０は弁体３３に設けられた弁ゴム、４１はＯリングである。４２は回転軸に設けられたネジである。

図４において、４３はナット３４の先端３８と弁体３３の先端３９の間に構成された隙間である。他は図２、図３と同様であり説明は省略する。

図５、図６において、４４はガス流路のハウジングであり、ハウジング４４の内部には、入口４５と出口４６を連通する流路４７が構成されている。流路４７には流路４７を開閉する流体制御弁２９と、この流体制御弁２９を駆動する駆動手段であるステッピングモータ２８と、演算処理部４８と、演算処理部４８からの信号を入力してステッピングモータ２８へ駆動回路部４９からの出力を制御する駆動制御手段５０と、電池電源部５１とで構成されている。５２は流量検出手段、５３は圧力センサ、５４は感震器を示す。

次に以上の構成における動作，作用について図１により説明する。軸受１９は回転軸１８に接触するラジアル軸受部２０と、ロータ１６に当接するスラスト軸受部２１で構成されている。また、回転軸の他方には軸受２２があり、この軸受２２は回転軸１８に接触するラジアル軸受部２３と、ロータ１６に当接するスラスト軸受部２４で構成されている。軸受２２のスラスト軸受部２４の方が軸受１９のスラスト軸受部２１に比べ、ロータ１６
への接触面積が大きく構成されている。従って、図１のようにスラスト軸受部２４とロータ１６が当接した状態でロータ１６が回転する場合、この当接した箇所の摺動抵抗は大きくなり回転軸１８の出力トルクは小さくなる。一方、ロータ１６が図１において、下方向に移動し（図示せず）、スラスト軸受部２１とロータ１６が当接した状態でロータ１６が回転した場合、この当接した箇所の摺動抵抗は小さくなり回転軸１８の出力トルクは大きくなる。

また軸受１９、２２の材質は、図１のように接触面積が異なる場合は、同じ材質でも摺動抵抗の差ができる。しかし、軸受１９と軸受２２の接触面積が同じ場合、即ち、同じ形状の軸受（図示せず）を使用する場合には、小さい摺動抵抗を必要とする軸受には、摺動摩擦抵抗の小さい材質を選択する。例えば、図１においては、軸受１９の摺動抵抗を小さくするために、軸受１９側の材質は摺動摩擦抵抗の小さい材質を選択することになる。また逆に、軸受２２の摺動抵抗を小さくする必要がある場合、軸受２２側の材質は摺動摩擦抵抗の小さい材質を選択することになる。

また、軸受２２のスラスト軸受部２４の方が、軸受１９のスラスト軸受部２１に比べ、ロータ１６へ接触する直径が大きく、結果的に軸受２２のスラスト軸受部２４の方が軸受１９のスラスト軸受部２１に比べ、接触面積が大きく構成されている。この構成により軸受１９と軸受２２の摺動抵抗に差が生じるものである。

次に図２〜図６により流体制御弁２８の弁閉動作について説明すると、図２のように通常、ガス流路４７に設けられた流体制御弁２９の弁体３３は開成状態にある。この状態で流路４７をガスが流れ各種器具（図示せず）が使用される。ガス流量は流量検出手段５２により検出され、演算処理部４８にあらかじめ登録された流量データと比較され、その結果によっては駆動手段であるステッピングモータ２８を作動し、弁体３３を閉止状態にする。登録された流量データとは、例えば家庭のガスメータで規定されている最大通過量のデータ（この値を超える時はガス栓の開放などが考えられる）、一定流量で経過時間がその流量で規定さた時間を超えた時のデータ（器具の消し忘れが考えられる）がある。流量検出手段５２としては、超音波式、ゴム膜式の何れであっても良い。

そして比較の結果、例えば最大通過量データを超えた場合には、演算処理部４８が判断し、遮断信号により駆動制御手段５０、駆動回路部４９を介してステッピングモータ２８を駆動し、弁体３３を閉成しガスの流れを遮断しガスの流出を防止する。弁閉動作時にステッピングモータ２８は、駆動回路部４９から起動周波数が入力されることで起動する。即ちロータ１６が一方向に回転するとネジ４２を有する出力軸１８が回転し、ネジ４２に勘合され回転防止ピン３７により回転防止されたナット３４は弁閉方向に移動する。またナット３４の先端３８と弁体３３の先端３９はスプリング３６が圧縮された状態で係止されているため、弁体３３も同様に弁閉方向に移動する。ステッピングモータ２８は、起動した後は、速い周波数で駆動可能であり、閉成動作時には、弁体３３への流路３２を流れるガスの圧力の影響をあまり受けないため、起動周波数より速い閉成動作時の周波数で駆動され、弁体３３は図３の状態まで移動し弁閉時の状態となる。

この動作時には、弁体３３に自重によりロータ１６は軸受１９のスラスト軸受部２１に当接して回転するため、ロータ１６の回転を効率良く弁体３３の駆動に変換することができる。そして弁体３３が弁座３５に当接した後には閉成動作時周波数に比べ遅い周波数で駆動され、弁体３３は図４の状態まで移動し完全弁閉の状態となる。即ちこの弁体３３が弁座３５に当接した後の出力は閉成動作時トルクに比べ大きいトルクで駆動されることになる。

また、弁体３３が弁座３５に当接した後の周波数を、弁体３３が弁座３５に当接した後
、図４に示すように、隙間４３ができるまでナット３４が、スプリング３６を圧縮して、弁体３３が弁座３５を付勢する状態となるまで、閉成動作時より遅い周波数で駆動することにより、弁体３３を確実に付勢でき弁体３３の閉止性能をさらに確実にするものである。この時の出力は、付勢手段であるスプリング３６を圧縮できる大きいトルクである。

この動作時には、ロータ１６はスプリング３６を圧縮することによるスプリング３６の反力により、軸受２２のスラスト軸受部２４に当接している。この時摺動抵抗は大きくなるが、駆動周波数を閉成動作時より遅い周波数で駆動することにより、スプリング３６を圧縮することが出来るものである。図４が示す弁閉状態時でステッピングモータ２８への通電が停止されると、圧縮されたスプリング３６がナット３４を図４において上方向に押すように作用する。このナット３４を押す力は、ネジ４２を介してロータ１６を弁閉動作時と反対方向に回転させる力として作用する。

しかし本実施例においては、弁閉状態時は高摺動抵抗の軸受２２とロータ１６が当接する構成であり、スプリング３６の反力によりロータ１６が回転することはない。また弁体３３を弁座３５に付勢するように作用するスプリング３６の反力がネジ４２を介してロータ１６を回転させる力に比べ、ロータ１６とステータ１４間の非通電時吸引力と軸受２２の摺動抵抗の和を大きくした結果、スプリング３６の反力によるロータ１６の回転を確実に防止することができる。更に、圧縮されたスプリング３６の付勢力により、弁体３３のシール性能を確保することが出来るものである。

この様にして、弁閉動作時には、起動時の出力、閉成動作時の出力、付勢手段であるスプリング３６を圧縮できる大きい出力で駆動することにより、最大通過量データを超えた場合には、ガスの流れを遮断しガスの流出を防止することにより安全を確保する。

ガスの流れを遮断した後、ガス回路の安全が確認されると弁体３３は弁開される。次に弁開動作時について説明する。開成信号により駆動制御手段５０、駆動回路部４９を介してステッピングモータ２８を駆動し、弁体３３を開成しガスが流れる状態とする。図４において、先ず起動時には起動周波数が入力されロータ１６が弁閉動作時と反対方向に回転するとネジ３３を有する出力軸１８が回転し、ネジ３３に勘合され回転防止ピン３７により回転防止されたナット３４は弁開方向に移動する。この時ナット３４の先端３８と弁体３３の先端３９はスプリング３６が圧縮された状態で隙間４３が形成されており、この隙間４３が密着する図３の状態まで起動周波数で駆動される。この起動時にはスプリング３６が圧縮された状態であるため、スプリング３６はナット３４を図４において上方向に押しており、ネジ４２の溝は傾き角度を有しているため出力軸１８を介してロータ１６を回転する方向に力が作用する。

従ってロータ１６は起動しやすくなる。図３まで弁体３３が移動すると、ナット３４の先端３８と弁体３３の先端３９は当接するため、スプリング３６は弁体３３を弁座３５に付勢する力として作用しない状態となる。図３から図２への弁開動作時には、流路３２を流れるガスの圧力は、弁体３３を付勢する付勢力として作用しているので、ガスが弁体３３を付勢する力に打ち勝って弁開することになる。この時には起動周波数より遅い弁開動作時の周波数で駆動され、弁体３３に設けられた弁ゴム４０は、弁座３５から離脱するまで動作される。

この弁開動作時の出力は起動時出力に比べ大きいトルクとなる。この弁開動作時は、閉成状態にある弁体３３を開成するためロータ１６は図３において下方向に移動し、ロータ１６は低摺動抵抗の軸受１９のスラスト軸受部２１に当接して回転する。従ってロータ１６の回転を効率良く弁体３３の駆動に変換することができる。そして弁体３３が弁座３５から離脱した後には弁開動作時の周波数に比べ速い周波数で駆動し、弁体３３は図２の状
態まで移動し弁開の状態となる。この弁体３３が弁座３５から離脱した後の出力は弁開動作時トルクに比べ小さいトルクで駆動される。この時は弁体３３には流路３２を流れるガスの流体圧は作用しないので小さいトルクで駆動可能である。

この様にして、弁開動作時には、起動時のトルク、弁開動作時は起動時に比べて大きいトルク、開成後は開成動作時のトルクより小さいトルクで駆動される。

本発明の実施例１の電動機の構成を示す断面図本発明の実施例１の流体制御弁の弁開時の構成を示す断面図同流体制御弁の弁閉時の構成を示す断面図同流体制御弁の完全弁閉時の構成を示す断面図同流体制御弁と制御系統との関係を示す構成図同電動機の電気系統図従来の流体制御弁の構成図

１４ステータ
１５コイル
１６ロータ
１８回転軸
１９、２２軸受
２８電動機

Claims

コイルを有するステータと、前記コイルへの通電によって励磁され回転するロータと、前記ロータの回転軸と、前記ステータとロータの間に介在し前記ロータを収納してガス流路との気密性を保持する有底筒状の気密隔壁と、前記気密隔壁の底部に設け前記回転軸の一方を受ける第２の軸受と、前記気密隔壁の開口側に挿入され前記回転軸の他方を受ける第１の軸受と、前記気密隔壁の外周に配しベース板との間で気密性を保持するシール材と、前記ロータの回転を直動に変換する変換手段と、前記変換手段を介してガス流路に配設した弁座への当接、離反により流路の開閉を行う弁体と、前記ロータが回転する際に前記弁体が回転しないように規制する回転防止手段と、前記弁体を弁座側に付勢する付勢手段とを備え、前記変換手段は、回転軸に形成したねじ部と弁体側に形成したナット部の係合により回転運動を直進運動に変換し、前記回転防止手段は、前記ベース板側に設けた回転規制部を前記変換手段のナット部に作用させることで前記弁体の回転を防止する構成とし、前記第１の軸受と第２の軸受は、異なる材質を用いて構成すると共に、それぞれ前記回転軸に接触するラジアル軸受部と前記ロータと当接するスラスト軸受部を有し、弁開動作時に当接する前記ロータと前記スラスト軸受部との摺動抵抗に対し、弁閉状態時に当接する前記ロータと前記スラスト軸受部との摺動抵抗を大きくした流体制御弁。