JP4983956B2 - 流量制御バルブ - Google Patents

Description

本発明は、バルブ開度を調整することにより流体の流量を制御する流量制御バルブに関するものである。

従来の流量制御バルブとしては、例えば特許文献１に開示されたものが知られており、図６はその流量制御バルブの要部を簡略化して示している。

この流量制御バルブ１は、弁体２と弁座３を備えたバルブ本体４と、弁体２を駆動するアクチュエータ５とにより構成されている。

このバルブ本体４は、上部に流体（例えば、液体・気体）を導入する導入口（図示せず）が穿設されていると共に、下部に流体を排出する排出口６が穿設されている。

一方、アクチュエータ５としては、モータ５ａが使用され、当該モータ５ａのロータ内部が中空に形成されるとともに、その内壁に雌ねじが形成されている。そして、モータ５ａは，上記ロータの内部に、上記雌ねじと螺合する雄ねじを側部に形成した弁軸７が挿入されており、これにより、ロータが回転すると、弁軸７が軸線方向へと移動するようになっている。

そして、この弁軸７の先端には、先端を排出口６に向けた円錐状の弁体２が取り付けられている。また、排出口６の縁部が、弁体２を着座させるための弁座３となっている。

以上の構成からなる流量制御バルブ１は、モータ５ａにより弁軸７を軸線方向下方側に移動させて、弁軸７の先端に設けた弁体２を排出口６の弁座３に着座させることにより排出口６を閉塞するとともに、弁軸７を軸線方向上方側に移動させて、弁体２を弁座３から離座させることにより排出口６を開放している。

そして、モータ５ａによって弁軸７の軸線方向の動きを調整して、弁体２と弁座３との間隔を変化させることにより、排出口６からバルブ本体４外へと排出する流体の流量を調整している。

ところで、このような円錐状の弁体２を弁軸７の軸線方向へと移動させて排出口６を開放・閉塞する流量制御バルブ１は、バルブ本体４の内部空間に高圧流体が導入されると、 当該高圧流体が弁体２を弁座３方向へと押圧する力も高くなることから、排出口を開放する時に弁体２を軸線方向上方へと移動させるのに大きなトルクが必要であった。

さらに、流量制御バルブ１は、排出口を閉塞している時に、高圧流体により弁体２が排出口６の縁部の弁座３に押し込まれ、弁体２と弁座３とに食い付き現象が生じてしまうため、弁座３と弁体２との食い付きを外すのに大きなトルクが必要であった。これらのため、アクチュエータ５が大型化してしまうという問題点があった。

特開２００３−２４７６５４号公報

本発明は、この問題点を解決すべくなされたもので、弁体と弁座との食い付き現象による不具合を防止するとともに、アクチュエータを小型化することが可能な流量制御バルブを提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の流量制御バルブは、内部空間に弁体および弁座面を備えたバルブ本体と、上記弁体を駆動させるアクチュエータとからなり、上記バルブ本体に、当該バルブ本体の内部空間に開口し、当該内部空間に流体を導入する導入口と、上記内部空間から流体を排出する排出口とが設けられるとともに、上記バルブ本体の内部空間の上記排出口が設けられた面が上記弁座面とされ、当該弁座面上に、上記弁体が上記弁座面に沿って上記排出口を塞ぐ方向・上記排出口から離間する方向へとスライド移動するように配置された流量制御バルブにおいて、上記排出口が円形状に形成され、上記弁体が上記排出口を閉塞可能な方形状の平板によって構成されると共に、上記アクチュエータとして、ステッピングモータが使用され、当該ステッピングモータの出力軸の回転速度を駆動ステップ数により制御するモータ制御装置を備え、且つ上記モータ制御装置は、上記弁体が上記排出口を塞ぐ方向あるいは上記排出口から離間する方向へと移動する際、上記弁体の上記排出口を通過する側部が、上記排出口の外周部から中央部側に移動するに連れて、駆動ステップ数を低減していくことにより、上記ステッピングモータの出力軸の回転速度が遅くなっていくように調整し、上記排出口の中央部から外周部側に移動するに連れて、駆動ステップ数を増加していくことにより、上記ステッピングモータの出力軸の回転速度が速くなっていくように調整することを特徴とするものである。

請求項１に記載の本発明によれば、弁体を弁座面に沿って、流体の弁体を押圧する力が低い弁座面に対する水平方向へとスライド移動させていることから、高圧流体がバルブ本体の内部空間内に導入されても、上記弁体を弁座面に対して垂直方向へと移動させるより弱い力で移動させることが可能となっている。

さらに、従来のように弁体を上記排出口の縁部の弁座に押し付けて排出口を閉塞するのではなく、上記排出口を覆い塞ぐことにより上記排出口を閉塞している。このため、弁体に高圧流体の弁座面方向の押圧力が付与されても、弁体が弁座面に食い付くことが無くなり、排出口を開放させる際に確実に弁座面から弁体を離座させることが可能となる。

これらの結果、食い付き現象による不具合を防止することが可能となるとともに、アクチュエータを小型化することが可能となる。

ところで、近年、空調機器分野等において、製造工場、印刷工場、試験室等では、より精密な温度制御が必要とされていることから、バルブ開度に対して上記排出口から排出される流体の流量を比例的に制御することにより、より精密に流量制御をすることが可能な、流量制御バルブが要求されている。

ところが、方形状の平板によって構成された弁体を弁座面に沿って移動させる流量制御バルブは、上記アクチュエータとして、一定のスピードで回転するモータを使用すると、通常、上記排出口が円形状であることから、上記弁体が上記排出口を塞ぐ方向あるいは上記排出口から離間する方向へと移動する際、上記弁体の上記排出口を通過する側部が、上記排出口の外周部から中央部側に移動するに連れて、開放された排出口の円弧が徐々に大きくなっていくため、上記弁体の単位移動量当たりの排出口から排出される流体の流量の増加率も大きくなっていく。そして、上記弁体の上記排出口を通過する側部が、上記排出口の中央部に達するとともに、開放された排出口の円弧が最も大きくなり、上記弁体の単位移動量当たりの排出口から排出される流体の流量の増加率も最大となった後に、上記弁体の上記排出口を通過する側部が、上記排出口の中央部からに移動するに連れて、開放される排出口の円弧が再度小さくなっていくため、上記弁体の単位移動量当たりの排出口から排出される流体の流量の増加率も小さくなっていく。このため、バルブ開度に対して上記排出口から排出される流体の流量を比例的に制御することが困難であった。

これに対し、請求項１に記載の本発明によれば、上記アクチュエータとして、ステッピングモータを使用するとともに、当該ステッピングモータの出力軸の回転速度を駆動ステップ数により制御するモータ制御装置を備えていることから、上記弁体の単位移動量に応じて、上記ステッピングモータの出力軸の回転速度を調整することにより、弁体の回転速度を変化させることが可能となっている。

そして、上記モータ制御装置は、上記弁体が上記排出口を塞ぐ方向あるいは上記排出口から離間する方向へと移動する際に、上記弁体の排出口を通過する側部が、上記排出口の外周部から中央部側に移動するに連れて、駆動ステップ数を低減していくことにより、上記ステッピングモータの出力軸の回転速度が遅くなっていくように調整するために、上記弁体の排出口を通過する側部が上記排出口の外周部から中央部側に移動するに連れて、上記弁体の単位移動量当たりの排出口から排出される流体の流量の増加率が大きくなっていく時に、上記弁体の回転速度を遅くしていくことが可能となる。

さらに、上記モータ制御装置は、上記弁体の排出口を通過する側部が、上記中央部から外周部に移動するに連れて、駆動ステップ数を増加していくことにより、上記ステッピングモータの出力軸の回転速度が速くなっていくように調整するために、上記弁体の排出口を通過する側部が上記中央部から外周部側に移動するに連れて、上記弁体の単位移動量当たりの排出口から排出される流体の流量の増加率が小さくなっていく時に、上記弁体の回転速度を速くしていくことが可能となる。

これら結果、バルブ開度に対して上記排出口から排出される上記流体の流量を比例的に制御することが可能となる。

本発明の流量制御バルブの一実施形態を示す外観斜視図である。 図１の要部の一実施形態の弁体の動きを示す説明図であり、（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図である。 （ａ）は図２（ｂ）の破線Ａの状態を示す詳細図であり、（ｂ）は図２（ｂ）の破線Ｂの状態を示す詳細図であり、（ｃ）は図２（ｂ）の破線Ｃの状態を示す詳細図である。 図１の要部の他の実施形態の弁体の動きを示す説明図であり、（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）および（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ矢視断面図であって、（ｂ）は弁体が離座している状態を示す図であり、（ｃ）は弁体が着座している状態を示す図である。 （ａ）は実施例の流量特性を示すグラフであり、（ｂ）は比較例の流量特性を示すグラフである。 従来の流量制御バルブを示す概略構成図である。

以下、図１および図２に基づいて本発明に係る流量制御バルブの一実施形態を説明する。
本実施形態の流量制御バルブは、図１に示すように、内部空間に弁体と弁座面とを備えたバルブ本体１０と、上記弁体を駆動させるステッピングモータ１１（アクチュエータ）とにより概略構成されている。

このバルブ本体１０は、図２（ａ）に示すように、上部にバルブ本体１０の内部空間に開口し、当該内部空間に流体（例えば液体・気体等）を導入する導入口１２と、下部にバルブ本体１０の内部空間に開口し、当該内部空間から上記流体を排出する円形状の排出口１３とが設けられている。

一方、バルブ本体１０の内部空間の排出口１３が設けられた下面が弁座面９とされ、この弁座面９上に弁体８が配置されている。

この弁体８は、排出口１３を閉塞可能な直方形状の平板により構成され、長手方向の一端部１６に、ステッピングモータ１１の出力軸１４が取り付けられている。これにより、弁体８は、出力軸１４を中心に弁座面９に沿って排出口１３を塞ぐ方向および排出口１３から離間する方向へと回転摺動するようになっている。

他方、ステッピングモータ１１は、バルブ本体１０の上部に取り付けられ、図２（ａ）に示すように、ステッピングモータ１１の出力軸１４の回転速度を駆動ステップ数により制御するモータ制御装置１５が備えられている。

そして、このモータ制御装置１５は、弁体８で排出口１３を閉塞した状態から排出口１３を開放する際に、弁体８の排出口１３を通過する側部２４が、図２（ｂ）の破線Ａおよび図３（ａ）に示すように、排出口１３の外周部の図中右側から、図２（ｂ）の破線Ｂおよび図３（ｂ）に示すように、排出口１３の中央部に移動するに連れて、駆動ステップ数を低減していくことにより、ステッピングモータ１１の出力軸１４の回転速度が遅くなっていくように調整し、排出口１３の中央部から、図２（ｂ）の破線Ｃおよび図３（ｃ）に示すように、排出口１３の外周部の図中左側に移動するに連れて、駆動ステップ数を増加していくことにより、ステッピングモータ１１の出力軸１４の回転速度が速くなっていくように調整する。

さらに、このモータ制御装置１５は、排出口１３を開放した状態から弁体８で排出口１３を閉塞する際に、弁体８の排出口１３を通過する側部２４が、図２（ｂ）の破線Ｃおよび図３（ｃ）に示すように、排出口１３の外周部の図中左側から、図２（ｂ）の破線Ｂおよび図３（ｂ）に示すように、排出口１３の中央部に移動するに連れて、駆動ステップ数を低減していくことにより、ステッピングモータ１１の出力軸１４の回転速度が遅くなっていくように調整し、排出口１３の中央部から、図２（ｂ）の破線Ａおよび図３（ａ）に示すように、排出口１３の外周部の図中右側に移動するに連れて、駆動ステップ数を増加していくことにより、ステッピングモータ１１の出力軸１４の回転速度が速くなっていくように調整する。

以上の構成からなる流量制御バルブは、排出口１３を開放した状態から弁体８で排出口１３を閉塞する時に、モータ制御装置１５からの駆動パルスにより、ステッピングモータ１１の出力軸１４を一方向に回転させると、図２（ｂ）に示すように、弁体８が出力軸１４を中心に弁座面９に沿って排出口１３を塞ぐ方向へと回転摺動する。そして、弁体８の長手方向の他端部１７が排出口１３を覆う位置まで回転摺動すると、ステッピングモータ１１が停止されて、排出口１３が閉塞される。

また、弁体８で排出口１３を閉塞した状態から排出口１３を開放する時に、モータ制御装置１５からの駆動パルスにより、ステッピングモータ１１の出力軸１４を他方向に回転させると、弁体８が出力軸１４を中心に弁座面９に沿って排出口１３から離間する方向へと回転摺動することにより、排出口１３が開放される。

ここで、弁体８を排出口１３を塞ぐ方向あるいは排出口１３から離間する方向へと回転摺動させる際、弁体８を弁座面９に沿って、流体の弁体８を押圧する力が低い弁座面９に沿う方向へと回転摺動させていることから、高圧流体がバルブ本体１０の内部空間内に導入されても、弁体８を弁座面９に対して垂直方向へと移動させるより弱い力で移動させることが可能となっている。

さらに、弁体８が排出口１３を覆い塞ぐことにより排出口１３を閉塞しているため、弁体８に流体の弁座面９方向の圧力が付与されても、弁体８が弁座面９に食い付くことが無くなり、排出口１３を開放する際に、確実に弁座面９から弁体８を離座させることが可能となる。

これらの結果、食い付き現象による不具合を防止することが可能となるとともに、ステッピングモータ１１を小型化することが可能となる。

また、弁体８を排出口１３を塞ぐ方向あるいは排出口１３から離間する方向に移動させることにより、排出口１３からバルブ本体１０外へと排出される流体の流量を制御する際、ステッピングモータ１１に、当該ステッピングモータ１１の出力軸１４の回転速度を駆動ステップ数により制御するモータ制御装置１５を備えていることから、弁体８の単位移動量に応じて、ステッピングモータ１１の出力軸１４の回転速度を調整することにより、弁体８の回転速度を変化させることが可能となっている。

そして、モータ制御装置１５は、弁体８が排出口１３を塞ぐ方向あるいは排出口１３から離間する方向へと移動する際に、弁体８の排出口１３を通過する側部２４が、排出口１３の外周部から中央部側に移動するに連れて、駆動ステップ数を低減していくことにより、ステッピングモータ１１の出力軸１４の回転速度が遅くなっていくように調整し、するために、弁体８の排出口１３を通過する側部２４が排出口１３の外周部から中央部側に移動するに連れて、弁体８の単位移動量当たりの排出口１３から排出される流体の流量の増加率が大きくなっていく時に、弁体８の回転速度を遅くしていくことが可能となる。

さらに、モータ制御装置１５は、弁体８の排出口１３を通過する側部２４が、上記中央部から外周部に移動するに連れて、駆動ステップ数を増加していくことにより、ステッピングモータ１１の出力軸１４の回転速度が速くなっていくように調整するために、さらに、弁体８の排出口１３を通過する側部２４が上記中央部から外周部側に移動するに連れて、弁体８の単位移動量当たりの排出口１３から排出される流体の流量の増加率が小さくなっていく時に、弁体８の回転速度を速くしていくことが可能となる。

これらの結果、バルブ開度に対して排出口１３から排出される上記流体の流量を比例的に制御することが可能となる。

なお、本実施形態の流量制御バルブにおいては、弁体８に直接ステッピングモータ１１の出力軸１４を取り付けたものを用いたが、図４（ａ）に示すように、ステッピングモータ１１の出力軸１４と、弁体１９との間に歯車機構２０を設けたものを用いた方が、より効果的に使用することが可能である。

この弁体１９は、直方体状の平板により構成され、長手方向の一端部に、当該弁体１９を回転摺動させるための軸となる中心軸１８が取り付けられている。さらに、弁体１９は、長手方向の他端部に、中心軸１８を中心に円弧状に形成されたアーム部２２が設けられている。

そして、歯車機構２０は、ステッピングモータ１１の出力軸１４の回転力を弁体１４へと付与するものであり、出力軸１４の先端に付けられたギヤ２１と、弁体１９のアーム部２２に穿設されたギヤ２３とにより構成されている。

以上の構成から成る流量制御バルブは、ステッピングモータ１１の出力軸１４を一方向に回転させることにより、図４（ｂ）に示すように、弁体１９を中心軸１８を中心に弁座面９に沿って排出口１３を塞ぐ方向へと回転摺動させることが可能となっており、他方向に回転させることにより、図４（ｃ）に示すように、弁体１９を中心軸１８を中心に弁座面９に沿って排出口１３から離間する方向へと回転摺動させることが可能となっている。

この流量制御バルブは、弁体１９を、ステッピングモータ１１の出力軸１４の先端に設けたギヤ２１と、中心軸１８に回転自在に支持された弁体１９の円弧状のアーム部２２に形成したギヤ２３とにより構成された歯車機構２０を介して、ステッピングモータ１１により回転摺動させているために、図２に示したステッピングモータ１１の出力軸１４に直接弁体８の一端１６を取り付け、他端１７を自由端とした流量制御バルブに比べて、ステッピングモータ１１のトルクを低減することが可能となっている。

実施例においては、本実施形態のアクチュエータとしてステッピングモータ１１とモータ制御装置１５を備えた流量制御バルブを使用して、バルブ開度に応じた排出口１３から排出される流体の流量を測定し、その流量特性を確認した。

その際、比較例として、アクチュエータとして一定の速度で回転するモータを備えた流量制御バルブを使用して、バルブ開度に応じた排出口１３から排出される流体の流量を測定し、その流量特性を確認した。

図５の（ａ）は、実施例の流量制御バルブの流量特性を示したグラフであり、図５の（ｂ）は、比較例の流量制御バルブの流量特性を示したグラフである。

これにより、比較例の流量制御バルブは、弁体８の排出口１３を通過する側部２４が排出口１３の外周部から中央部に移動するに連れて、弁体８の単位移動量当たりの排出口１３から排出される流体の流量の増加率が大きくなり、排出口１３の中央部から外周部に移動するに連れて、弁体８の単位移動量当たりの排出口１３から排出される流体の流量の増加率が小さくなっているのに対して、実施例の流量制御バルブは、バルブ開度に対して排出口１３から排出される流体の流量が比例的になっているのが確認できる。

この結果、本実施形態のステッピングモータ１１を備えた流量制御バルブを使用することにより、バルブ開度に対して流体の流量を比例的に制御することが可能であることが実証された。

８ 弁体
９ 弁座面
１０ バルブ本体
１１ ステッピングモータ（アクチュエータ）
１２ 導入口
１３ 排出口

Claims (1)

1. 内部空間に弁体および弁座面を備えたバルブ本体と、上記弁体を駆動させるアクチュエータとからなり、上記バルブ本体に、当該バルブ本体の内部空間に開口し、当該内部空間に流体を導入する導入口と、上記内部空間から流体を排出する排出口とが設けられるとともに、上記バルブ本体の内部空間の上記排出口が設けられた面が上記弁座面とされ、当該弁座面上に、上記弁体が上記弁座面に沿って上記排出口を塞ぐ方向・上記排出口から離間する方向へとスライド移動するように配置された流量制御バルブにおいて、
   上記排出口が円形状に形成され、上記弁体が上記排出口を閉塞可能な方形状の平板によって構成されると共に、上記アクチュエータとして、ステッピングモータが使用され、当該ステッピングモータの出力軸の回転速度を駆動ステップ数により制御するモータ制御装置を備え、
   且つ上記モータ制御装置は、上記弁体が上記排出口を塞ぐ方向あるいは上記排出口から離間する方向へと移動する際、上記弁体の上記排出口を通過する側部が、上記排出口の外周部から中央部側に移動するに連れて、駆動ステップ数を低減していくことにより、上記ステッピングモータの出力軸の回転速度が遅くなっていくように調整し、上記排出口の中央部から外周部側に移動するに連れて、駆動ステップ数を増加していくことにより、上記ステッピングモータの出力軸の回転速度が速くなっていくように調整することを特徴とする流量制御バルブ。

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