JP4845875B2 - 微小流量調節機構を有する常閉弁 - Google Patents

Description

本発明は、微小流量の調節が可能な常閉弁に関する。

常閉弁は一般に、流路を開閉する弁ステムと、この弁ステムを流路閉塞方向に付勢する圧縮ばねと、シリンダに気密に移動可能に嵌められ、圧縮ばねに抗して弁ステムを開弁方向に移動させる圧力室を画成するピストン体とを備えている。このような常閉弁における最大開度は、ピストン体の開弁方向への移動位置を規制することで調節可能である。しかし、従来品では、単にシリンダにねじ結合されたストッパの軸方向位置を調節することで流量調節を行っているため、ねじピッチとストッパの回転角によって開度が決定されてしまい、流量の微調節が難しかった。

本発明は、流量をより細かく調節することができる微小流量調節機構を有する常閉弁を得ることを目的とする。

本発明は、流路を開閉する弁ステム；この弁ステムを流路閉塞方向に付勢する付勢手段；シリンダに気密に移動可能に嵌められ、上記付勢手段に抗して弁ステムを開弁方向に移動させる圧力室を画成するピストン体；及びシリンダに設けられた、上記ピストン体の開弁方向への最大移動位置を規制するストッパ機構；を備えた常閉弁において、ストッパ機構を、シリンダに弁ステムと同軸にして位置調節可能に螺合させた、先端部に上記ピストン体に臨む先細の環状テーパ面を有するストローク調節部材；ピストン体に、上記先細環状テーパ面より径方向外方に位置させて設けた可動開弁規制面；シリンダと一体に設けた、この可動開弁規制面と対向する固定開弁規制面；この可動開弁規制面と固定開弁規制面は、少なくとも一方が、両規制面の間隔を外周にいくに従って狭めるテーパ面からなること；及び先細環状テーパ面、可動開弁規制面及び固定開弁規制面の全てに同時に接触可能な複数のボール；を有することを特徴としている。

シリンダの端部には、該シリンダの端部を閉塞する端部キャップを固定することができる。この態様では、この端部キャップに、ストローク調節部材を螺合させ、かつ固定開弁規制面を形成することができる。

あるいは、ストローク調節部材を、シリンダの端部を閉塞するように螺合させた端部キャップから構成することもできる。この態様では、シリンダに、このストローク調節部材の内側に先細環状テーパ面の外周側に位置させて、固定開弁規制面を有する固定部材を固定することができる。

可動開弁規制面と固定開弁規制面は、双方をテーパ面としてもよいが、一方を円錐面の一部から構成し、他方を弁ステムの軸線と直交する平面から構成するのが実際的である。

シリンダ内には、複数のボールの移動方向を径方向に規制するガイド溝を設けることができる。このガイド溝（ボール）の数は、周方向の等分位置に３個とするのがよい。

本発明の常閉弁によると、先細環状テーパ面と、可動開弁規制面及び固定開弁規制面のテーパ面の角度の設定により、ストローク調節部材の軸方向移動量とピストン体の軸方向移動量の比を自由に設定することができる。例えば、この比を１対１／２〜１対１／５０に設定し、微小開度を実現することができる。

本発明の第１実施形態による二段階作動常閉弁を示す、図３のI-I線に沿う断面図である。 同常閉弁の一対の開弁規制面とボールの関係を示す一部を断面とした斜視図である。 図１のIII-III線に沿う断面図である。 本発明の第２実施形態による二段階作動常閉弁を示す、図３のII-II線に沿う断面図である。

図１ないし図３は、本発明の常閉弁を、小流量（例えば数ｃｃ／分）と大流量（同数Ｌ／分）を切り換えることができる二段階切換常閉弁に適用した実施形態を示している。図１の下方に位置する流路ブロック１１には、流体通路１２が設けられ、その一部に、図の上下方向の軸を有する弁座１３が形成されている。流路ブロック１１には、弁座１３と同軸の弁ステム２０を摺動自在に案内するロッドホルダ１４がコネクタスリーブ１５を介して固定されており、このロッドホルダ１４の下端部と流路ブロック１１との間に、弁座１３を開閉する円板状の金属ダイアフラム１６の周縁が挟着されている。ロッドホルダ１４と弁ステム２０のフランジ２０ａとの間には、弁ステム２０を図の下方に移動付勢し、該弁ステム２０を介して金属ダイアフラム１６を弁座１３に向けて押圧する圧縮ばね１７が挿入されている。従って、弁ステム２０は、金属ダイアフラム１６を介して弁座１３を閉じる方向に常時付勢されている。

ロッドホルダ１４の図１の上端部には、抜け止めリング２１を介してシリンダ２２が固定されている。シリンダ２２は下端部がロッドホルダ１４によって閉塞されており、弁ステム２０はロッドホルダ１４からシリンダ２２内に延びている。

弁ステム２０には、下から順に、大流量用ピストン体２３Ｌと小流量用ピストン体２３Ｓとが相対摺動自在に嵌められている。小流量用ピストン体２３Ｓの図の上端部には、該小流量用ピストン体２３Ｓと一体に摺動する遊動ピストン体２３Ｓ'が嵌合されている。この遊動ピストン体２３Ｓ'は、小流量用ピストン体２３Ｓと一体に形成されていてもよい。以下では、特に断りがない限り、一体で摺動する遊動ピストン体２３Ｓ'と小流量用ピストン体２３Ｓをまとめて、小流量用ピストン体２３Ｓということにする。

弁ステム２０にはまた、大流量用ピストン体２３Ｌと小流量用ピストン体２３Ｓの図の上方への摺動端を規制するストッパリング２４、２５が嵌着されている。このストッパリング２４、２５は、大流量用ピストン体２３Ｌ、小流量用ピストン体２３Ｓがそれぞれ、圧縮ばね１７による弁ステム２０の移動方向と反対の開弁方向（図の上方）に移動したときには、弁ステム２０を大流量用ピストン体２３Ｌ、小流量用ピストン体２３Ｓと一緒に開弁方向に移動させる作用をする。一方、このストッパリング２４、２５は、大流量用ピストン体２３Ｌ、小流量用ピストン体２３Ｓが弁ステム２０に対して図の下方に移動するのは妨げない。

シリンダ２２の図の上端には、該シリンダの上端を閉塞する端部キャップ４０が螺合され固定ねじ４１により固定されている。端部キャップ４０には、その軸部に、雌ねじ４０ａ（図２も参照）が形成されており、この雌ねじ４０ａに、弁ステム２０と同軸のストローク調節ねじ（ストローク調節部材）４２が螺合されている。ストローク調節ねじ４２には、小流量用ピストン体２３Ｓの上面に臨む先端部（下端部）外周に先細の環状テーパ面４２ａが形成されており、螺合位置を調節することで軸方向位置が変化する。端部キャップ４０には、雌ねじ４０ａと同軸にテーパ雄ねじが形成されており、このテーパ雄ねじに雌ねじ４０ａに貫通するスリット４０ｃが形成されている。端部キャップ４０のテーパ雄ねじには、対応するテーパ雌ねじを有するロックナット４５が螺合されている。ロックナット４５を緩めると、ストローク調節ねじ４２の回転操作が可能であり、締めるとロックされる。

端部キャップ４０と小流量用ピストン体２３Ｓの互いの対向面はそれぞれ、環状テーパ面４２ａの周囲に位置する開弁規制面４０ｂと開弁規制面２３Ａを構成している。この実施形態では、開弁規制面２３Ａは、小流量用ピストン体２３Ｓ（遊動ピストン体２３Ｓ'）上端に位置し、該小流量用ピストン体２３Ｓ（シリンダ２２）の軸線と直交する平面からなり、開弁規制面４０ｂは、この開弁規制面２３Ａとの距離を外周にいくに従い狭める円錐面の一部からなっている。この開弁規制面４０ｂを、円錐状凹面と呼ぶ。

上記環状テーパ面４２ａと、端部キャップ４０の円錐状凹面４０ｂと、小流量用ピストン体２３Ｓの開弁規制面２３Ａとにより囲まれた空間には、硬質材料からなる複数のボール（硬球）４３が挿入されている。この複数のボール４３は、ストローク調節ねじ４２が深くねじ込まれる程、環状テーパ面４２ａにより外周側に押し出される。一方、一対の円錐状凹面４０ｂと開弁規制面２３Ａは、外周に行くほど間隔を狭めるので、ボール４３が外周側に移動する程、相対移動可能距離が小さくなる。つまり、ボール４３が外側に押し出される程小流量用ピストン体２３Ｓの端部キャップ４０に対する移動可能距離が短くなり、ボール４３が内側に移動可能であれば、小流量用ピストン体２３Ｓの移動可能距離が大きくなる。この移動可能距離は、ボール４３と円錐状凹面４０ｂの距離ｄとして図では誇張して描いている。要は、この距離ｄが、ボール４３が環状テーパ面４２ａによって外周側に押し出される程、小さくなる。

小流量用ピストン体２３Ｓ、より具体的には遊動ピストン体２３Ｓ'には、１２０゜間隔で径方向の３本のボールガイド溝４４が形成されており、このガイド溝４４の底部が上記開弁規制面２３Ａとなっている。ガイド溝４４を形成することなく、複数のボール４３を円周方向に隙間無く並べることも可能であるが、実用上ボール４３は３個とするのが好ましい。なお、図１では、同一断面に２個のボール４３を描いているが、実際には、１２０゜間隔に３個設けられている。

本実施形態では、上記円錐状凹面４０ｂ、環状テーパ面４２ａ（ストローク調節ねじ４２）、複数のボール４３、開弁規制面２３Ａにより、小流量用ピストン体２３Ｓの最大移動位置を規制するストッパ機構が構成されている。

一方、大流量用ピストン体２３Ｌの上方への移動端は、大流量用ピストン体２３Ｌ（厳密にはストッパリング２４）が小流量用ピストン体２３Ｓに当接する位置で規制される。この大流量用ピストン体２３Ｌと小流量用ピストン体２３Ｓの間隔Ｄは、間隔ｄに対して非常に大きい（Ｄ）ｄ）。

上記シリンダ２２、大流量用ピストン体２３Ｌ、小流量用ピストン体２３Ｓ及び弁ステム２０の間には、小流量用パイロット圧室２８が形成されており、大流量用ピストン体２３Ｌ及び弁ステム２０の間には、大流量用パイロット圧室２９が形成されている。小流量用パイロット圧室２８は、シリンダ２２に形成した小流量用パイロット圧通路３０及び接続口３１（図３、図４参照）に連通しており、小流量用パイロット圧接続口３１は、制御弁３２を介しパイロット圧源３３に接続されている。同様に、大流量用パイロット圧室２９は、大流量用パイロット圧通路３４及び接続口３５に連通しており、大流量用パイロット圧接続口３５は、制御弁３２を介しパイロット圧源３３に接続されている（図１、図３参照）。なお、図１、図２において、Ｏは気密を保持するＯリングを示している。

上記構成の本装置は、次のように作動する。小流量用、大流量用のパイロット圧接続口３１、３５のいずれにもパイロット圧を導入しない状態では、圧縮ばね１７の力により閉弁方向に付勢されている弁ステム２０は、金属ダイアフラム１６を弁座１３に押圧して流体通路１２を閉じている。この閉弁状態において、小流量を流したいときには、制御弁３２を介して小流量用パイロット圧接続口３１にパイロット圧力を及ぼす。すると、小流量用パイロット圧通路３０を介して小流量用パイロット圧室２８にパイロット圧が導入され、小流量用ピストン体２３Ｓには図の上方への力が及ぼされ、大流量用ピストン体２３Ｌには図の下方への力が及ぼされる。従って、小流量用ピストン体２３Ｓはストッパリング２５を介して弁ステム２０を共に上昇させ、その上昇端は、小流量用ピストン体２３Ｓが複数のボール４３に当接する位置で規制される。

この小流量用ピストン体２３Ｓの開弁方向への最大移動位置は、ストローク調節ねじ４２により調節可能である。ロックナット４５を緩め、ストローク調節ねじ４２の端部キャップ４０に対する螺合位置を浅くすると、複数のボール４３に接触する環状テーパ面４２ａの径が細くなることから、複数のボール４３は円錐状凹面４０ｂを介してシリンダ２２の中心側に寄り、小流量用ピストン体２３Ｓの可動距離ｄは広がる。逆に、ストローク調節ねじ４２の端部キャップ４０に対する螺合位置を深くすると、環状テーパ面４２ａにより複数のボール４３はシリンダ２２の周縁側に押し出され、小流量用ピストン体２３Ｓとの可動距離ｄは狭まる。この可動距離ｄは、図では誇張して描いているが、実際には非常に小さく（することができ）、よって、このときの金属ダイアフラム１６と弁座１３との間に形成される隙間は、数ｃｃ／分程度、あるいはそれ以下の小流量を得るに必要な隙間とすることができ、しかもその隙間を細かく調節することができる。大流量用ピストン体２３Ｌは弁ステム２０に対して下方に相対移動してロッドホルダ１４に当接するが、この相対移動は、以上の小流量開弁に影響を与えない。ストローク調節ねじ４２の端面あるいは周面には、螺合位置の目安となる指標を設けることができる。

大流量を流したいときには、制御弁３２を介して、小流量用パイロット圧接続口３１へのパイロット圧を排気し、大流量用パイロット圧接続口３５へパイロット圧を供給する。すると、大流量用パイロット圧通路３４を介して大流量用パイロット圧室２９にパイロット圧が導入され、大流量用ピストン体２３Ｌに図の上方への力が及ぼされる。従って、大流量用ピストン体２３Ｌはストッパリング２４を介して弁ステム２０を共に上昇させ、その上昇端は、大流量用ピストン体２３Ｌが小流量用ピストン体２３Ｓに当接する位置、または、弁ステムのフランジ２０ａとロッドホルダ下方段部が当接する位置によって規制される。小流量用ピストン体２３Ｓが最大移動位置まで移動していても、大流量用ピストン体２３Ｌと弁ステム２０は上昇可能である。大流量用ピストン体２３Ｌと小流量用ピストン体２３Ｓとの間の距離Ｄは、間隔ｄより遙かに大きい（大きくすることができる）ため、このときの金属ダイアフラム１６と弁座１３との間に形成される隙間は、数Ｌ／分程度の大流量を得るに必要な隙間となる（隙間とすることができる）。

大流量を流すとき、小流量用パイロット圧接続口３１に対するパイロット圧の供給を停止する代わりに、大流量用パイロット圧接続口３５に、小流量用パイロット圧接続口３１への供給パイロット圧より大きいパイロット圧を導入してもよいことは明らかである。

以上の実施形態では、ストローク調節ねじ４２の環状テーパ面４２ａと、端部キャップ４０の円錐状凹面４０ｂ及び小流量用ピストン体２３Ｓの開弁規制面２３Ａの角度の設定により、ストローク調節ねじ４２の軸方向移動量と小流量用ピストン体２３Ｓの軸方向移動量の比を自由に設定することができる。具体的に例えば、ストローク調節ねじ４２の環状テーパ面４２ａのテーパ角度θ１（図１）を１５°に設定し、端部キャップ４０の円錐状凹面４０ｂのテーパ角度θ２を６９°（同）に設定し、小流量用ピストン体２３Ｓの開弁規制面２３Ａを小流量用ピストン体２３Ｓの軸線と直交する平面（０°）に設定した場合、弁ステム２０の移動量は、ストローク調節ねじ４２の単位移動量（１）に対して１／１０の移動量となる。このようにストローク調節ねじ４２の移動量に対して弁ステム２０の開弁方向の移動量が小さければ、容易に開弁時流量を細かく調節することができる。

図４は、本発明による微小流量調節機構を有する常閉弁の別の実施形態を示している。図４では、図１〜図３に示した実施形態と実質的に同一の構成要素に対し、図１〜図３と同一符号を付して示してある。この実施形態は、シリンダ２２の図の上端部を閉塞する端部キャップを、該シリンダ２２に螺合させたストローク調節キャップ４７から構成した実施形態である。このストローク調節キャップ４７の先端部には、先細の環状テーパ面４７ａが形成されている。ストローク調節キャップ４７には、径方向に薄肉部４７ｂが形成されており、この薄肉部４７ｂに軸線と平行な方向のロックねじ４７ｃが螺合されている。ロックねじ４７ｃをねじ込むと薄肉部４７ｂが弾性変形してストローク調節キャップ４７の回転を阻止し、ロックねじ４７ｃを緩めると、ストローク調節キャップ４７を回転させることができる。

シリンダ２２内には、ストローク調節キャップ４７の内側であって環状テーパ面４７ａより外周側に位置する固定リング４８が螺合されており、この固定リング４８は固定ねじ４９を介してシリンダ２２に固定されている。固定リング４８の小流量用ピストン体２３Ｓ側の端面は円錐状凹面（開弁規制面）４８Ａからなり、小流量用ピストン体２３Ｓの円錐状凹面４８Ａとの対向面はシリンダ２２の軸線と直交する開弁規制面２３Ｂからなっている。この円錐状凹面４８Ａと開弁規制面２３Ｂは、環状テーパ面４７ａの周囲に位置して外周に行くに従い間隔を狭める一対の開弁規制面を構成し、この円錐状凹面４８Ａ、開弁規制面２３Ｂ及び環状テーパ面４７ａで構成される空間内に、複数（円周方向に１２０゜間隔で３個）のボール４３が挿入されている。小流量用ピストン体２３Ｓには、ボール４３を案内する径方向のガイド溝４４'が形成されており、このガイド溝４４'の底部が上記開弁規制面２３Ｂとなっている。

この実施形態においても、ストローク調節キャップ４７の螺合位置を調節することで、第一の実施形態と同様に、小流量用ピストン体２３Ｓ（弁ステム２０）の開弁方向の最大移動位置（移動端）を細かく調節することができる。ストローク調節キャップ４７の軸方向の単位移動量に対する小流量用ピストン体２３Ｓ（弁ステム２０）の移動可能量は、環状テーパ面４７ａと円錐状凹面４８Ａのテーパ角度によって設定することができる。先の例と同様に、ストローク調節キャップ４７の単位移動量に対して小流量用ピストン体２３Ｓの移動可能量を１／１０に設定するには、例えば、環状テーパ面４７ａのテーパ角度θ３を１５゜、円錐状凹面４８Ａのテーパ角度θ４を６９゜に設定するとよい。

以上の実施形態では、開弁規制面４０ｂと開弁規制面４８Ａをそれぞれ円錐状凹面とし、これに対向する開弁規制面２３Ａと開弁規制面２３Ｂを軸線直交平面としたが、双方をテーパ面から構成してもよい。またボール４３との接触面だけをテーパ面としてもよいが、円錐状凹面４０ｂと円錐状凹面４８Ａを回転対称面とすれば、加工が容易であり、かつボール４３を均等に接触させることができる。

以上の実施形態は、大流量用ピストン体２３Ｌと小流量用ピストン体２３Ｓとを有する二段階切換常閉弁に本発明を適用したものであるが、小流量のみを対象とする常閉弁であれば、大流量用ピストン体２３Ｌを省略した常閉弁とすることができる。小流量専用弁であれば、小流量用ピストン体２３Ｓを弁ステム２０に固定してもよい。

以上の実施形態では、弁ステム２０が弁座１３を開閉する金属ダイアフラム１６を押圧するタイプの常閉弁であるが、金属ベローズ弁や、弁ステム２０の下端部に直接弁体を設ける弁構造、あるいは弁ステム２０の動きを弁ステムとは別体の弁体に伝達する弁構造にも本発明は適用できる。

また、以上の実施形態では、ピストン体２３Ｌ、２３Ｓ、２３Ｓ'がいずれもシリンダ２２に摺動自在に嵌めたタイプであるが、周縁部がシリンダに固定され中心部がピストン本体に固定されたローリングダイアフラムを利用したタイプのピストン体も利用できる。

本発明によれば、弁ステムの開弁方向への移動位置を微小に調節できるので、流量を細かく調節することができる微小流量調節機構を有する常閉弁が得られ、各種の流量調節機器に適用することができる。

Claims (6)

1. 流路を開閉する弁ステム；
   この弁ステムを流路閉塞方向に付勢する付勢手段；
   シリンダに気密に移動可能に嵌められ、上記付勢手段に抗して弁ステムを開弁方向に移動させる圧力室を画成するピストン体；
   上記シリンダに設けられた、上記ピストン体の開弁方向への最大移動位置を規制するストッパ機構；を備えた常閉弁において、
   上記ストッパ機構が、
   上記シリンダに弁ステムと同軸にして位置調節可能に螺合させた、先端部に上記ピストン体に臨む先細の環状テーパ面を有するストローク調節部材；
   上記ピストン体に、上記先細環状テーパ面より径方向外方に位置させて設けた可動開弁規制面；
   上記シリンダと一体に設けた、この可動開弁規制面と対向する固定開弁規制面；
   この可動開弁規制面と固定開弁規制面は、少なくとも一方が、両規制面の間隔を外周にいくに従って狭めるテーパ面からなること；及び
   上記先細環状テーパ面、可動開弁規制面及び固定開弁規制面の全てに同時に接触可能な複数のボール；
   を有することを特徴とする微小流量調節機構を有する常閉弁。
2. 請求項１記載の微小流量調節機構を有する常閉弁において、上記シリンダの端部には、該シリンダの端部を閉塞する端部キャップが固定されており、この端部キャップに、上記ストローク調節部材が螺合され、かつ上記固定開弁規制面が形成されている微小流量調節機構を有する常閉弁。
3. 請求項１記載の微小流量調節機構を有する常閉弁において、上記ストローク調節部材は、上記シリンダの端部を閉塞するように螺合された端部キャップからなり、上記シリンダには、このストローク調節部材の内側に先細環状テーパ面の外周側に位置させて、上記固定開弁規制面を有する固定部材が固定されている微小流量調節機構を有する常閉弁。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の微小流量調節機構を有する常閉弁において、上記シリンダ内に、上記複数のボールの移動方向を径方向に規制するガイド溝を備えている微小流量調節機構を有する常閉弁。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の微小流量調節機構を有する常閉弁において、上記先細環状テーパ面と、可動開弁規制面及び固定開弁規制面のテーパ面とは、ストローク調節部材の軸方向移動量とピストン体の軸方向移動量の比を１対１／２〜１対１／５０にするように角度設定されている微小流量調節機構を有する常閉弁。
6. 請求項１記載の微小流量調節機構を有する常閉弁において、上記可動開弁規制面と固定開弁規制面の一方は、円錐面の一部からなり、他方は上記弁ステムの軸線と直交する平面からなる微小流量調節機構を有する常閉弁。

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