JP5175135B2

JP5175135B2 - 流量制御弁

Info

Publication number: JP5175135B2
Application number: JP2008130279A
Authority: JP
Inventors: 健一望月
Original assignee: Fujikoki Corp
Current assignee: Fujikoki Corp
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2028-05-19
Also published as: JP2009275895A

Description

本発明は、冷凍サイクルの冷媒流量の制御等を行うために用いられ、電動機等によって弁体の開閉操作を行う流量制御弁に関する。

冷凍サイクルにおいて、高圧かつ大流量用の流量制御弁が必要となる場合がある。かかる用途の流量制御弁として、弁ハウジングに２つの弁ポートを備え、２つの弁ポートを弁体に形成された２つの弁部によって各々開閉を行う複座弁が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。この複座弁は、弁の上流側と下流側との圧力差によって生じる弁開閉方向の力を上記２つの弁部の双方に作用させることで、弁開閉方向の力を相殺し、弁開閉に必要な駆動力を低減しながら大流量を制御することができる。

特開２００５−２０１４０７号公報特開２００４−３５３８６２号公報

しかし、上記複座弁は、弁ハウジングに各弁ポート毎に流路を形成する必要があるため、全体構造が複雑となり、部品点数が増える結果、製造コストが高くなるとともに、作動不良や弁もれを生じ易く、装置の信頼性に欠けるという問題があった。

そこで、本発明は、上記従来の流量制御弁における問題点に鑑みてなされたものであって、部品点数を低減し、構造を簡単にすることで、組立が容易で製造コストが低く、装置の信頼性も高い大流量の流量制御弁を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、流量制御弁であって、第１流路に連通するとともに、弁座を介して第２流路に連通する第１弁室と、該第１弁室内に配置され、前記弁座に接離する弁体と、軸線方向に移動することにより、前記弁体を前記弁座に接離させて前記第１流路と前記第２流路との間の流量制御を行う弁棒と、該弁棒を貫通し、前記第２流路と第２弁室とを連通させる貫通孔と、前記弁棒と連動して前記第１弁室と前記第２弁室とを区画しながら該弁棒の軸線方向に移動する移動体と、前記弁棒の軸線回りに回転し、一端に該軸線方向に延設されるすり割り部を有するドライバに連結されたロータと、該ロータを、前記弁棒の軸線方向への移動が制限された状態で支持する支持部材と、一端に異形断面部を有し、該一端が前記ロータとともに回転しながら前記すり割り部内を摺動し、中央部において、前記支持部材と螺合しながら前記弁棒の軸線方向に移動するとともに、他端において、前記弁棒と、前記支持部材との螺合とは逆方向に螺合しながら、該弁棒を該弁棒の軸線回りの回転が制限された状態で、該弁棒を該弁棒の軸線方向で、かつ前記一端の移動方向と同方向に移動させる伝達ねじとを備えることを特徴とする。

そして、本発明によれば、弁棒を貫通する貫通孔によって第２流路と第２弁室とを連通させるため、第２流路の流体圧が第２弁室を介して移動体に加わり、弁棒には、弁体及び移動体を介して、第２流路の流体圧と、この流体圧と同一の第２弁室の流体圧が加わることとなり、第２流路の流体圧のみが付加される従来の単座弁に比較して、弁棒の移動、すなわち弁開閉に必要な駆動力を低減することができる。また、本発明によれば、単座弁にて流量制御弁を構成しているため、複座弁と比較して部品点数を低減し、構造を簡単にすることができ、組立が容易となり、製造コストの低減、装置の信頼性の向上を図ることができる。

加えて、本発明によれば、ロータが回転すると、伝達ねじの前記一端が回転しながら弁棒の軸線方向に移動し、さらに伝達ねじの回転により弁棒を該弁棒の軸線方向で、かつ前記一端の移動方向と同方向に移動させることができ、ロータ一回転当たりの弁のリフト量を大きくすることができ、小さなリフト量で大流量を賄うことができる。また、ロータ自身は上下動をしないため、モータとしてステータとの位置関係が不変であるため、常に最大のトルクで弁駆動を行うことができる。

上記流量制御弁において、前記弁座の開口面積と、前記第２弁室を前記弁棒の軸線方向に垂直な面で切断した開口断面の面積とを等しくすることができる。これにより、第２流路の流体圧によって弁体に加わる力と、前記第２弁室の流体圧によって移動体に加わる力が等しくなり、弁棒に加えられる弁開閉方向の力を相殺し、弁開閉に必要な駆動力を低減することができる。

さらに、上記流量制御弁において、前記移動体とともに前記第１弁室と前記第２弁室とを区画するとともに、該移動体に摺接するリップシールを備えることができる。リップシールはシール性とともに摺動性にも優れるため、第１弁室と第２弁室を安定かつ確実に区画することができ、安定した弁の動作を維持することができる。

以上説明したように、本発明によれば、部品点数が少なく、構造が簡単で、組立が容易で、製造コストが低く、装置の信頼性も高い流量制御弁を提供することができる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１及び図２は、本発明にかかる流量制御弁の一実施の形態を示し、この流量制御弁１は、大別して、配管接続部３、４が接続され、内部に弁座５ａを有する第１弁室５を備えた弁本体２と、この弁本体２内に収容され、弁体６及び移動体７を一体に備える弁棒８と、弁本体２の上方に位置し、移動体７とともに第２弁室１４を形成するホルダ１１と、ホルダ１１と移動体７との間に介装され、第１弁室５と第２弁室１４との間をシールするリップシール１２及びＯリング１３と、パルスモータ組立体３４の構成要素であって弁棒８の軸線回りに回転するロータ１８と、上部がロータ１８にドライバ２５を介して連結され、下部が弁棒８に連結される伝達ねじ２２等で構成される。

弁本体２は、上方が開口する有底円筒状に形成され、配管接続部３、４が側面の開口部に装入固定される。弁本体２の内部には、第１弁室５が形成される。第１弁室５は、配管接続部３内の流路（以下、「第１流路」という）３ａに連通するとともに、弁座５ａを介して配管接続部４内の流路（以下、「第２流路」という）４ａに連通する。

弁本体２の内部には、弁棒８が配置され、弁棒８の上部に位置する移動体７と、弁本体２の上部に螺着されるホルダ１１との間に第２弁室１４が形成される。ホルダ１１の下部内壁と、移動体７の外周面との間には、第１弁室５と第２弁室１４との間をシールするため、リップシール１２とＯリング１３とが配置される。リップシール１２は、全体がフッ素樹脂等で一体に形成されるとともに、リップ部１２ａを備え、このリップ部１２ａの先端が移動体７の外周面に押圧されながら摺動することによりシールを行う。リップシール１２は、シール性とともに摺動性にも優れるため、第１弁室５と第２弁室１４を安定かつ確実に区画することができる。このリップシール１２には、例えば、米国のＦＵＲＯＮ社製のダイナリップシール等を用いることができる。

弁棒８は、弁本体２内に収容され、軸線方向の中央部に弁体６を、上部に移動体７を一体に有する。弁棒８は、弁体６及び移動体７の部分を除き、全長にわたって外径Ｄ３を有する。弁体６は、円板状に形成され、下面の縁部が弁座５ａに接離することにより、第１流路３ａと第２流路４ａとの間を開放又は遮断する。移動体７は、上方に開口する有底円筒状に形成され、その底面がコイルばね２３によって下方に付勢されている。これにより、弁体６が第１弁室５内の弁座５ａに当接し、第１流路３ａと第２流路４ａとの間を遮断することができる。また、弁棒８の内部には、貫通孔８ａが穿設され、貫通孔８ａを介して第２流路４ａと第２弁室１４とが連通する。弁座５ａの開口断面の直径Ｄ１と、第２弁室１４を弁棒８の軸線方向に垂直な面で切断した開口断面の直径Ｄ２とが同一寸法に設定される。

図２に明示されるように、弁棒８の上端部には雌ねじ加工が施され、この雌ねじ部８ｂが伝達ねじ２２の下端の右ねじとして螺設された雄ねじ部２２ａと螺合する。また、弁棒８の上部には、ピン３５が固定され、ドライバガイド２０の下端に形成されたすり割り部２０ｂに沿って上下動可能に構成される。これによって、伝達ねじ２２がロータ１８とともに回転した際に、弁棒８が伝達ねじ２２と供回りすることなく、上下動することができる。

伝達ねじ２２の上部は、異形断面部（俗には、Ｄカット、小判形カット、二面幅カット等と称されることがある）２２ｃが形成され、ドライバ２５のすり割り部２５ａ内を摺動して上下動可能に構成される。また、伝達ねじ２２の上側には、雄ねじ部２２ｂが左ねじとして螺設され、ホルダ１１に固定されたドライバガイド２０の雌ねじ部２０ａと螺合する。この伝達ねじ２２の雄ねじ部２２ｂ（左ねじ）は、下部の雄ねじ部２２ａ（右ねじ）とは逆ねじになるように螺設される。

ロータ１８は、パルスモータ組立体３４の構成要素であって、外部から付与されたパルス数に応じて弁棒８の軸線回りに回転する。このロータ１８は、円筒状に形成され、キャン３３内においてインサートメタル２６を介してドライバ２５に連結される。

ドライバ２５は、上部が大径の円柱状、下部がすり割り部２５ａを有する小径の円柱状に形成され、上部には円柱状のストッパ３１が固定されるとともに、上面が、キャン３３に固定されたコイルばね３２によって下方に付勢されている。また、ドライバ２５とドライバガイド２０との間にはブッシュ１９が介装され、ドライバ２５とドライバガイド２０とは相対回転可能に構成される。

ドライバガイド２０は、全体的に円筒状に形成され、下部にすり割り部２０ｂを備える。ドライバガイド２０の中間部がホルダ１１の上部に装入固定される。ドライバガイド２０の雌ねじ部２０ａは、伝達ねじ２２の雄ねじ部２２ｂに螺合する。また、ドライバガイド２０のすり割り部２０ｂ内を弁棒８に固定されたピン３５が上下動する。

ロータ１８及びキャン３３等を備えるパルスモータ組立体３４は、固定用パイプ２１によってホルダ１１に固定される。

上記構成により、ロータ１８は、上下動することなく定位置を回転する。一方、ロータ１８の回転に伴って、インサートメタル２６及びドライバ２５を介して伝達ねじ２２が回転すると、伝達ねじ２２の異形断面部２２ｃがドライバ２５のすり割り部２５ａ内を上昇又は下降しながら回転し、伝達ねじ２２全体がロータ１８の回転に伴い上下動することができる。

次に、上記流量制御弁１の動作について説明する。

図１及び図２に示す閉弁時に、第１流路３ａ内に低圧流体が封入され、第２流路４ａに高圧流体が封入されているものとする。第２流路４ａ内の高圧流体は、弁棒８の貫通孔８ａを通って第２弁室１４に入り、第２弁室１４に充満する。この状態で、両流体の差圧により弁棒８に負荷がかかる。例えば、高圧流体の圧力をＰＨ、低圧流体の圧力をＰＬとすると、弁棒８に一体化された弁体６と移動体７に各々上下方向に上記流体圧による力が付与される。

具体的には、弁棒８の外径が全長にわたって（弁体６及び移動体７の部分を除く）Ｄ３であり、弁座５ａの開口断面の直径がＤ１であるため、弁体６には、以下の式１で示される力Ｆ１が上方に作用する。
Ｆ１＝（ＰＨ−ＰＬ）×｛π（Ｄ１／２）²−π（Ｄ３／２）²｝
＝（ＰＨ−ＰＬ）×π×（Ｄ１²−Ｄ３²）／４・・・（式１）

一方、第２弁室１４を弁棒８の軸線方向に垂直な面で切断した際の開口断面の直径はＤ２であるため、移動体７には、以下の式２で示される力Ｆ２が下方に作用する。
Ｆ２＝（ＰＨ−ＰＬ）×｛π（Ｄ２／２）²−π（Ｄ３／２）²｝
＝（ＰＨ−ＰＬ）×π×（Ｄ２²−Ｄ３²）／４・・・（式２）

ここで、上述のように、Ｄ１＝Ｄ２に設定しているため、Ｆ１＝Ｆ２となり、弁体６及び移動体７を介して弁棒８に付加される弁棒８の軸線方向、すなわち弁開閉方向の力が相殺され、弁開閉に必要な駆動力を低減することができる。

次に、パルスモータ組立体３４に外部からパルスを付与してロータ１８を回転させると、ドライバ２５が回転し、さらに伝達ねじ２２がロータ１８と同方向に回転する。ここで、ドライバ２５の上面が、キャン３３に固定されたコイルばね３２によって下方に付勢されているとともに、ドライバガイド２０がホルダ１１に固定されているため、ロータ１８及びドライバ２５は、上下方向には移動せず、定位置を回転する。一方、伝達ねじ２２は、左ねじとして螺設された雄ねじ部２２ｂにおいてホルダ１１に固定されたドライバガイド２０の雌ねじ部２０ａと螺合するとともに、その異形断面部２２ｃがドライバ２５のすり割り部２５ａ内を上下方向に移動可能に構成されているため、ロータ１８及びドライバ２５とともに伝達ねじ２２が、図１及び図２の上方から見て時計回りに回転すると、伝達ねじ２２全体が上方に移動する。

また、上記伝達ねじ２２の回転により、伝達ねじ２２の右ねじとして螺設された雄ねじ部２２ａと、弁棒８の雌ねじ部８ｂとが螺合するが、弁棒８の上部に固定されたピン３５が、ドライバガイド２０の下端に形成されたすり割り部２０ｂに沿って上下動可能に構成されているため、弁棒８が伝達ねじ２２と供回りすることなく上方に移動する。弁棒８の上方向への移動により、弁体６も上方へ移動し、弁体６が弁座５ａから離間することにより、第２流路４ａから第１流路３ａへ流体が流れる。弁体６が弁座５ａとの間の間隙幅を調整し、この間隙を流れる流体の流量を調整することができる。

上述のように、ロータ１８が図１及び図２の上方から見て時計回りに回転すると、伝達ねじ２２が回転しながら上昇し、さらに伝達ねじ２２の回転により弁棒８を上昇させることができるため、ロータ１８一回転当たりの弁体６のリフト量を大きくすることができ、少ないロータ１８の回転数で大流量を賄うことが可能となる。

また、上記構成において、ロータ１８は、上下方向に移動することなく定位置を回転するため、常にロータ１８を最適な磁場に位置させることができ、効率のよい運転を行うことができる。

尚、上記実施の形態においては、ロータ１８がパルスモータ組立体３４の一部である場合を例にとって説明したが、油圧モータで回転されるものであってもよく、その駆動手段の種類は問わない。

本発明にかかる流量制御弁の一実施の形態を示す全体断面図である。図１の流量制御弁の伝達ねじ及びその近傍を示す拡大断面図である。

符号の説明

１流量制御弁
２弁本体
３配管接続部
３ａ第１流路
４配管接続部
４ａ第２流路
５第１弁室
５ａ弁座
６弁体
７移動体
８弁棒
８ａ貫通孔
１１ホルダ
１２リップシール
１２ａリップ部
１３Ｏリング
１４第２弁室
１８ロータ
１９ブッシュ
２０ドライバガイド
２０ａ雌ねじ部
２０ｂすり割り部
２１固定用パイプ
２２伝達ねじ
２２ａ雄ねじ部（右ねじ）
２２ｂ雄ねじ部（左ねじ）
２２ｃ異形断面部
２３コイルばね
２５ドライバ
２５ａすり割り部
２６インサートメタル
３１ストッパ
３２コイルばね
３３キャン
３４パルスモータ組立体
３５ピン

Claims

第１流路に連通するとともに、弁座を介して第２流路に連通する第１弁室と、
該第１弁室内に配置され、前記弁座に接離する弁体と、
軸線方向に移動することにより、前記弁体を前記弁座に接離させて前記第１流路と前記第２流路との間の流量制御を行う弁棒と、
該弁棒を貫通し、前記第２流路と第２弁室とを連通させる貫通孔と、
前記弁棒と連動して前記第１弁室と前記第２弁室とを区画しながら該弁棒の軸線方向に移動する移動体と、
前記弁棒の軸線回りに回転し、一端に該軸線方向に延設されるすり割り部を有するドライバに連結されたロータと、
該ロータを、前記弁棒の軸線方向への移動が制限された状態で支持する支持部材と、
一端に異形断面部を有し、該一端が前記ロータとともに回転しながら前記すり割り部内を摺動し、中央部において、前記支持部材と螺合しながら前記弁棒の軸線方向に移動するとともに、他端において、前記弁棒と、前記支持部材との螺合とは逆方向に螺合しながら、該弁棒を該弁棒の軸線回りの回転が制限された状態で、該弁棒を該弁棒の軸線方向で、かつ前記一端の移動方向と同方向に移動させる伝達ねじとを備えることを特徴とする流量制御弁。
前記弁座の開口面積と、前記第２弁室を前記弁棒の軸線方向に垂直な面で切断した開口断面の面積とが等しいことを特徴とする請求項１に記載の流量制御弁。
前記移動体とともに前記第１弁室と前記第２弁室とを区画するとともに、該移動体に摺
接するリップシールを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の流量制御弁。