JP5190228B2 - 流量調節バルブ - Google Patents

Description

本発明は、流量調節バルブに関し、更に詳しくは、モータ駆動によって弁体を駆動することで、出力される流体流量を調節する流量調節バルブに関する。

一般に、ガス燃焼装置の燃料ガス等の流量を調節する流量調節バルブとして、モータを駆動源として弁体を駆動するものが知られている。例えば、特許文献１には、ニードル形状の弁体をステッピングモータの回転動力により所定方向に進退移動させて燃料ガス流量を調節するものが記載されている。このような流量調節バルブでは、駆動源であるモータの回転量を制御し、弁体と弁座に形成された開口部の隙間を変化させることにより燃料ガス流量の調節がなされる。

また、特許文献２には、弁体に小流通孔を設けて微小流量域における出力流量を安定させるようにしたボール弁が記載されている。

特開２００４−２１１７７２号公報 実開平４−７７７３号公報

特許文献１に示されるようなニードル弁を進退移動させて流量を調節する流量調節バルブでは、ガス燃焼装置において求められる流量調節範囲が大きい場合、流体流路である開口部を大きくする必要がある。ところが、このように開口部を大きくすると、微小流量域の正確な流量制御が困難となる問題がある。

この場合、ニードル弁を細長い形状として、そのストローク範囲を大きくすることにより、流量調節範囲が大きく、微小流量域の正確な流量調節が可能である。しかし、このような構成とすると、流量調節バルブが大型化し、製造コストが上昇してしまうという問題がある。

一方、特許文献２に示されるようなボール弁においては、弁体の開度の僅かな違いで開口面積が大幅に変化するため、このような形式の流量調節バルブであっても微小流量域の正確な流量制御が困難となる問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、小型かつ低コストで、要求される流量調節範囲が大きくとも、微小流量域の正確な流量調節が可能な流量調節バルブを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る流量調節バルブは、開口部が形成された弁座に
対して弁体を離間または接近させる方向に移動させることにより、該開口部を流れる流体
の流量を調節する流量調節バルブにおいて、前記弁体は、弾性部材で構成されるとともに
、その外周面に溝部が形成され前記開口部内に挿入される円筒部と該円筒部よりも大径の
鍔部とを有し、前記流体の流れを遮断する全閉状態は前記流量の全調節範囲の一端側にあ
り、前記流量の全調節範囲は、前記弁体の前記円筒部が前記開口部の内壁面と離れること
により前記弁体が前記弁座から離間した状態であって、前記開口部から出力される前記流
体の前記流量が相対的に大きく、かつ前記弁体の移動量に対する前記流量の変化量が相対
的に大きい多量調節範囲と、前記弁体の前記弾性部材で構成される前記円筒部の前記外周
面が前記開口部の前記内壁面と密着することにより前記溝部が前記開口部を流れる流体流
路を構成する状態であって、前記開口部から出力される前記流体の前記流量が相対的に小
さく、かつ前記弁体の移動量に対する前記流量の変化量が相対的に小さい微小調節範囲と
、からなり、前記全閉状態においては、前記円筒部の前記外周面が前記開口部の内壁面と
密着した状態で、前記鍔部が前記弁座に当接することにより、前記溝部による前記流体流
路を閉鎖し、前記流体の流れを遮断するようにしたことを要旨とするものである。

また、請求項２に記載のように、前記弁座は少なくとも前記開口部の前記内壁面が弾性部材で形成されていればさらに良い。

この場合、請求項３に記載のように、前記弁座には前記弾性部材の剛性を低下させるための孔が前記内壁面から開口しないように前記内壁面に沿って形成されていることが望ましい。

また、請求項４に記載のように、前記弁体を移動させる駆動源はステッピングモータであればよい。

本発明の請求項１に係る流量調節バルブによれば、この流量調節バルブにより調節される流量の調節範囲は、流量調節バルブから出力される流量が相対的に小さい微小調節範囲と、相対的に大きい多量調節範囲からなり、微小調節範囲の方が多量調節範囲よりも弁体の移動量に対する流量の変化量が小さくなるように設定されている。そのため、微小調節範囲（微小流量域）における高い流量調節精度を有した流量調節バルブとすることができる。

また、前記弁体には前記開口部の内壁面と当接する面に、微小流量域における流体流路となる溝部が形成されているため、簡易な構成で微小調節範囲における流量調節精度を高めることができる。

さらに、前記弁体において少なくとも前記開口部の内壁面と当接する面、および／または前記弁座において少なくとも前記開口部の内壁面が弾性部材で形成されているため、弁体と開口部の内壁面との密着性を高めることができ、微小調節範囲において、弁体に形成された溝部以外における流体の通過を完全に遮断することができる。これにより、出力する流体流量を正確に制御することができる。

また、前記弁座には前記弾性部材の剛性を低下させるための孔が形成されていれば、上記と同様に、弁体と開口部の内壁面との密着性を高めることができ、微小調節範囲において、出力する流体流量を正確に制御することができる。

そして、前記弁体を移動させる駆動源がステッピングモータであれば、別途センサ等を設けることなく、モータの回転量により、弁体の移動量を容易に調節することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る流量調節バルブ１の断面図（流路開状態）であり、図２はその外観斜視図であり、図３は駆動部３０およびキャップ５２の構成を説明するための分解斜視図である。この流量調節バルブ１は、ガス給湯器に搭載され、燃焼ガス量を調節するためのバルブとして使用されるものである。なお、以下の説明における上下方向とは、図１における上下方向を示すものとする。また、制御される燃焼ガスは、キャップ５２の開口部５２１から流入（入力）し、弁座５４の開口部５４１から流出（出力）する。

本実施形態の流量調節バルブ１は、駆動源であるモータ１０と、弁体３２を進退動させるための駆動部３０と、ガス流路を形成する流路部５０とを備える。

モータ１０は、公知のステッピングモータであり、ロータ１２およびステータ部２０とを備える。ロータ１２は、本体ケース８０およびガイド８２の中央に支持された支軸８４に支承され、本体ケース８０の小径筒部８０ａに収納される。ロータ１２には、支軸８４に遊挿される軸筒部１４に円環状のマグネット（永久磁石）１６が、軸筒部１４の外周両端縁に周設される保持部１４１に支持された状態で一体的に設けられている。また、ロータ１２の出力側には、出力ギヤ１８ａが取り付けられている。この出力ギヤ１８ａの回転動力は、回転動力伝達ギヤ１８ｂ、１８ｃにより減速され、後述するカムギヤ３４に伝達される。

そして、このロータ１２に対応して、本体ケース８０の外周面には、２層のステータ２２が配設されたステータ部２０が形成されている。各ステータ２２は、コイルボビン２４に駆動コイル２６が巻回されることで形成される。このステータ部２０は、その外周面を囲うようにステータケース２８に固定され、本体ケース２０の小径筒部８０ａの外側に被着されている。

また、このステータ２２の各駆動コイル２６は、制御基板９０の所定の位置に接続されており、この制御基板９０が駆動コイル２６への通電を制御することにより、ロータ１２の回転が制御される。また、ステータケース２８には、制御基板９０に給電するためのコネクタ９２が設けられている。

ここで、上記本体ケース８０は、その大径筒部８０ｂにカバー９４が嵌め込まれ、フランジ部８０ｃをプレート９６に当接させて溶接等により固定される。カバー９４内には、上述した回転動力伝達ギヤ１８ｂ、１８ｃが収納されると共に、回転動力伝達ギヤ１８ｃに噛合されたカムギヤ３４の一部が収納されている。またカバー９４の外周面には、溝部９４１が形成されている。この溝部９４１には、Ｏリング９６ａが嵌め込まれており、流量調節バルブ１内を流れるガスの漏出を防止する役割を果たす。

駆動部３０は、弁体３２を上下方向に進退動させるために、モータ１０の回転動力を直線動力に変換し、弁体３２に伝達するための部材で構築されている。

カムギヤ３４は、回転動力伝達ギヤ１８ｃから回転駆動力を受けて回転する樹脂製の部材である。その中央には、係合穴３４１が形成されており、その底面からは軸３４２が形成されている。また、係合穴３４１を形成する壁面３４３には、上下方向に延びた切り欠き３４３ａが形成されている。さらに、係合穴３４１には、らせん形状の下カム面３４４が形成されている。

カム３６は、カムギヤ３４に係合する樹脂製で筒状の部材である。カム３６の直径は、カムギヤ３４の係合穴３４１の径より若干小さく形成されている。また、外周面には、切り欠き３４３ａと係合する係合片が３６１が形成されている。そして、底面には、下カム面３４４と同じ傾斜に形成された上カム面３６２が形成されている。切り欠き３４３ａに係合片３６１を係合させて、カム３６をカムギヤ３４に挿入すると、カムギヤ３４とカム３６は、下カム面３４４と上カム面３６２が所定の間隔を隔てて対向するように位置する。つまり、両者の間に一定幅でらせん状のカム溝部３５が形成されることとなる。

カムギヤ３４およびカム３６の間には、スライダ３８が取り付けられる。スライダ３８は、樹脂製で筒状の部材であり、その外周面下端からは、カム係合凸部３８１が形成されている。スライダ３８をカムギヤ３４とカム３６の間に組み付けると、カム係合凸部３８１が上記カム溝部３５に係合されることとなる。また、スライダ３８の外周面には、長手方向に延在して係合溝部３８２、および係止孔３８３がそれぞれ二個所ずつ対向して形成されている。

スプリング４０は、ガス給湯器使用時に停電や故障等の以上が発生した場合に、ガス流路を封止するために設けられたねじりバネである。このスプリング４０は、スプリングハウジング４２に収納されると共に、その一端がスプリングハウジング４２に固定され、他端がカムギヤ３４に固定されている。つまり、カムギヤ３４が回転すると、スプリング４０に所定のトルクが生じることとなる。

スプリングハウジング４２は、樹脂製のケース部材である。底面４２１の中央には、係合穴４２１ａが形成されており、この係合穴４２１ａの内周面からは、スライダ３８の係合溝部３８２と係合する係合突起４２１ｂが形成されている。この係合溝部３８１と係合突起４２１ｂが係合することにより、スライダ３８の回転方向への動きが規制される。また、スプリングハウジング４２にはフランジ部４２２が形成されており、このフランジ部４２２には位置決め孔４２２ａが設けられている。この位置決め孔４２２ａをカバー９４に形成された位置決め突起９４１ａに係合させて、所定の位置にスプリングハウジング４２は固定されることとなる。さらに、外周面には、爪部４２３が対向した位置に２個所形成されている。また、位置決め凸部４２４が円周上等間隔に４個所形成されている。

弁体３２は、後述する弁座５４に離間／接近するように駆動される部材であり、流体流路を開閉するための部材である。この弁体３２は、例えば、アクリロニトリル・ブタジエンゴム（ＮＢＲ）等により形成される弾性部材である。弁体３２を拡大した外観斜視図を図４に示す。弁体３２は、大きく分けて、鍔部３２１、円筒部３２２、円錐部３２３、および取付部３２４からなる。円筒部３２２および円錐部３２３の一部には、所定の形状の溝部３２ａが形成されている。また、取付部３２４は、２つの係止片３２４ａからなる。この係止片３２４ａがスライダ３８内に押し込まれることにより弾性変形し、係止片３２４ａが係止孔３８３に係止されることにより、弁体３２はスライダ３８に固定されている。

流量調節の対象である流体流路を形成する流路部５０は、キャップ５２、弁座５４とから構成されている。

キャップ５２は、樹脂製で、筒状の部材である。その外周面には、流体流路となる開口部５２１が円周上等間隔に４個所形成されている。また、開口部５２１の下方には、係合孔５２２が対向した位置に２個所形成されている。また、下端には、切り欠き５２３が円周上等間隔に４個所形成されている。この切り欠き５２３にスプリングハウジング４２の位置決め凸部４２４を係合させ、係合孔５２２にスプリングハウジング４２の爪部４２３を係止させることにより、キャップ５２は、所定の位置に取り付けられる。一方、開口部５２１の上方には、溝部５２４が形成されている。この溝部５２４には、Ｏリング９６ｂが嵌め込まれる。このＯリング９６ｂにより、流路からガスが漏出してしまうのを防止する。さらに、上端には、段差のある弁座収納口５２５が形成されている。

この弁座収納口５２５に、これと同形状の段差が形成された弁座５４が収納、固定される。なお、弁座５４が脱落しないよう、弁座５４を収納後、キャップ５２の先端に開口部９８１が形成されたプレート９８が取り付けられる。弁座５４は、弁体３２と同様、アクリロニトリル・ブタジエンゴム（ＮＢＲ）等の弾性部材により形成されている。この弁座５４に形成されているガス流路である開口部５４１は、弁体３２の円筒部３２２より若干小さく形成されている。

このように構成される流量調節バルブ１の動作について、図１に加え、図５および図６を参照して説明する。

まず、図１は、弁体３２が弁座５４から離間し、ガス流路が完全に開かれた状態（全開状態）を示している。この状態からモータ１０を所定の方向に回転させると、出力ギヤ１８ａおよび回転動力伝達ギヤ１８ｂ、１８ｃを介して、カムギヤ３４にモータ１０の回転動力が伝達される。

これにより、カムギヤ３４が所定の方向に回転する。ここで、カムギヤ３４の切り欠き３４３ａには、カム３６の係合片３６１が係合されているため、カム３６は、カムギヤ３４と一体的に回転する。

カムギヤ３４およびカム３６が回転すると、両者の間に形成されたらせん状のカム溝部３５が回転する。よって、このカム溝部３５に係合されたカム係合凸部３８１が設けられたスライダ３８は、カム溝部３５の動きに沿ってらせん状に力を受ける。しかし、スライダ３８は、係合溝部３８２がスプリングハウジング４２の係合突起４２１ｂに係合されているため、回転方向の動きが規制されている。したがって、スライダ３８は、回転方向には動作せず、カムギヤ３４の下カム面３４４に押し上げられて、弁座５４方向に直線動作することとなる。

これにより、スライダ３８に固定された弁体３２が弁座５４方向に直線動作する。このように、弁体３２が弁座５４に近づくに従い、ガス流路が弁体３２により狭められるため、流量調節バルブ１から出力されるガス量は少なくなる。

そして、所定量モータ１０を駆動させると、図５に示されるように、弁体３２の円筒部３２２が弁座５４の開口部５４１に嵌り込む。ここで、前述したように、弁座５４に形成されているガス流路である開口部５４１は、弁体３２の円筒部３２２より若干小さく形成されている。よって、弁座５４に弁体３２を押圧すると、弁体３２の円筒部３２２が、弁座５４の開口部５４１に圧入されながら入り込む。つまり、弾性部材で形成されている弁体３２および弁座５４は、円筒部３２２と開口部５４１の内壁面との間に隙間無く密着するため、ガス流路は、図５において矢印で示される溝部３２ａを通過する個所に限定される。しかも、溝部３２ａを通過するガス流路は、図７（ａ）から図７（ｃ）に示されるように、弁体３２が弁座５４に近づくにつれて小さくなるため、これに伴い出力されるガス流量も小さくなる。つまり、弁体３２の円筒部３２２と弁座５４の開口部５４１とが密着している状態で、弁体３２の位置を変化させることにより、溝部３２ａを通過する微小なガス流量を調節することができる。

このように、本実施形態では、弁体３２を弁座５４に近づけるに従い、出力されるガス流量を小さくすることができる。ただし、弁体３２の移動量に対する出力ガス流量の変化量は、図１のように弁体３２が弁座５４から離間している状態（出力ガス流量が相対的に多い範囲；多量調節範囲）と、図５のように弁体３２の円筒部３２２が開口部５４１に嵌り込んでいる状態（出力ガス流量が相対的に少ない範囲；微小調節範囲）とでは異なる。図８に、弁体３２の移動量（弁体３２と弁座５４の距離）に対する出力ガス流量の変化を示したグラフを示す。図示されるように、微小調節範囲においては、ガス流路を溝部３２ａを通過する個所に限定しているため、多量調節範囲と比較し、弁体３２の移動量に対する出力ガス流量の変化量が小さい。

したがって、本実施形態に係る流量調節バルブ１によれば、微小ガス流量域における流量調節を正確に行うことができる。また、本実施形態では、駆動源としてのモータ１０がステッピングモータであるため、弁体３２の位置等を測定するセンサ等を別途設ける必要がなく、容易にガス流量を調節することができる。さらに、ステッピングモータにより弁体３２が駆動されるため、駆動原点は全閉状態に位置させることが好ましい。全開状態を原点とすると、誤差によって全閉状態が不完全になる可能性があるからである。

なお、上記微小調節範囲において、弁体３２の移動量に対するガス流量の変化量は、溝部３２ａの形状や、弁体３２の円筒部３２２の長さ等により決定される。

また、弁体３２の円筒部３２２と、弁座５４の開口部５４１の内壁面との密着度を向上させるため、図９に示されるように、弁座５４（開口部５４１の内壁面を除く）に複数の孔５４２を形成してもよい。このようにすることで、弁座５４がより変形しやすい構造となるため、微小調節範囲における弁体３２と弁座５４の密着度をさらに向上させることができ、正確な出力流量の制御が可能となる。

この微小調節範囲に弁体３２が位置している状態から、さらにモータ１０を回転させると、図６に示されるように、弁体３２の鍔部３２１と弁座５４が当接する。これにより、溝部３２ａを通過するガス流路も遮断され、ガス流路は完全に遮断される。

これに対し、ガス流路の閉鎖状態からガス流路を開放する際には、ガス流路を閉鎖する場合と逆方向にモータ１０を回転させる。これにより、スライダ３８がカム３６の上カム面３６２により押し下げられる。よって、スライダ３８に固定されている弁体３２は、弁座５４から離間する方向へ移動し、ガス流路を開放する。

また、本実施形態に係る流量調節バルブ１は、ガス給湯器に用いられるものであるから、停電時や故障時には、ねじりバネであるスプリング４０により、ガスの流れが完全に遮断される構造となっている。具体的には、スプリング４０のトルクは、下カム面３４４もしくは上カム面３６２と、カム係合凸部３８１との摩擦力等を考慮して、モータ１０のホールディングトルク（励磁状態におけるモータの静止（保持）トルク）より小さく、ディティントトルク（無励磁状態におけるモータの静止（保持）トルク）より大きくなるよう設定されている。

つまり、モータ１０を駆動し、弁体３２を弁座５４から所定距離離間させて位置させた場合、スプリング４０には、弁体３２を閉鎖させる方向にカムギヤ３４を回転させる所定の大きさのトルクが生じる。しかし、この時モータ１０には、スプリング４０のトルクによって、カムギヤ３４を閉鎖方向に回転させることができないホールディングトルクが生じているから、弁体３２が閉鎖方向に移動することはない。

しかし、停電や、リード線の断線等により、モータ１０への給電が停止され、モータ１０が無励磁状態となった場合、スプリング４０のトルクはモータ１０のディティントトルクに勝るため、カムギヤ３４は閉鎖方向に回転させられる。このように、非常時には、瞬時に弁体３２が弁座５４に密着し、ガスの流れを遮断することで、ガス漏れ等による事故を未然に防止する。

このように、本発明の一実施形態に係る流量調節バルブ１によれば、この流量調節バルブ１により調節される流量の調節範囲は、弁体３２の円筒部３２２が開口部５４１に嵌り込んでいる状態であって、相対的に出力される流量が小さい微小調節範囲と、弁体３２が弁座５４から離間している状態であって、出力される流量が大きい多量調節範囲からなり、微小調節範囲の方が多量調節範囲よりも弁体３２の移動量に対する流量の変化量が小さくなるように設定されている。そのため、微小調節範囲における高い流量調節精度を有した流量調節バルブ１とすることができる。

また、弁体３２には、開口部５４１の内壁面と当接する面、すなわち円筒部３２２に、微小流量域における流体流路となる溝部３２ａが形成されているため、簡易な構成で微小調節範囲における流量調節精度を高めることができる。

さらに、弁体３２および弁座５４が弾性部材で形成されているため、弁体３２の円筒部３２２と、弁座５４の開口部５４１との密着性を高めることができ、微小調節範囲において、弁体３２に形成された溝部３２ａ以外における流体の通過を完全に遮断することができる。これにより、出力する流体流量を正確に制御することができる。

また、弾性部材で形成された弁座５４に、その剛性を低下させるための孔５４２が形成されていれば、上記と同様に、弁体３２の円筒部３２２と弁座５４の開口部５４１との密着性を高めることができ、微小調節範囲において、出力する流体流量を正確に制御することができる。

そして、本実施形態では、弁体３２を駆動する駆動源としてのモータ１０がステッピングモータであるため、別途センサ等を設けることなく、モータ１０の回転量により、弁体３２の移動量を容易に調節することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

例えば、本実施形態に係る流量調節バルブ１は、ガス給湯器に使用されるものであることを説明したが、その他のガス器具、例えば、ガスコンロやガスヒータ等のガス燃焼器具に使用可能であることは言うまでもない。

また、このようなガス燃焼器具における燃料ガスだけでなく、冷蔵庫の冷媒流量制御等にも使用できる。また、その他の気体、さらには水等の液体の流量を制御する流量調節バルブとしても使用できる。

本発明の一実施形態に係る流量調節バルブの断面図（弁体と弁座が離間した状態（多量調節範囲）を示した断面図）である。 図１に示した弁体開閉装置の外観斜視図である。 図１に示した弁体開閉装置における駆動部の構成を説明するための分解斜視図である。 図１に示した弁体開閉装置に設けられた弁体の外観斜視図である。 弁体の円筒部が弁座の開口部の内壁面と密着している状態（微小調節範囲）を示した断面図である。 弁体の鍔部が弁座に当接している状態（流路閉鎖状態）を示した断面図である。 弁体に形成された溝部によるガス流路の大きさが変化する様子を説明するための断面図である。 弁体の移動量に対する出力ガス流量の変化を示したグラフである。 弁座に複数の孔が形成されている状態を示した外観斜視図である。

符号の説明

１ 流量調節バルブ
１０ モータ
３０ 駆動部
３２ 弁体
３２１ 鍔部
３２２ 円筒部
３２３ 円錐部
３２ａ 溝部
５４ 弁座
５４１ 開口部
５４２ 孔

Claims (4)

1. 開口部が形成された弁座に対して弁体を離間または接近させる方向に移動させることに
   より、該開口部を流れる流体の流量を調節する流量調節バルブにおいて、
   前記弁体は、弾性部材で構成されるとともに、その外周面に溝部が形成され前記開口部
   内に挿入される円筒部と該円筒部よりも大径の鍔部とを有し、
   前記流体の流れを遮断する全閉状態は前記流量の全調節範囲の一端側にあり、
   前記流量の全調節範囲は、
   前記弁体の前記円筒部が前記開口部の内壁面と離れることにより前記弁体が前記弁座から
   離間した状態であって、前記開口部から出力される前記流体の前記流量が相対的に大きく
   、かつ前記弁体の移動量に対する前記流量の変化量が相対的に大きい多量調節範囲と、
   前記弁体の前記弾性部材で構成される前記円筒部の前記外周面が前記開口部の前記内壁面
   と密着することにより前記溝部が前記開口部を流れる流体流路を構成する状態であって、
   前記開口部から出力される前記流体の前記流量が相対的に小さく、かつ前記弁体の移動量
   に対する前記流量の変化量が相対的に小さい微小調節範囲と、からなり、
   前記全閉状態においては、前記円筒部の前記外周面が前記開口部の内壁面と密着した状
   態で、前記鍔部が前記弁座に当接することにより、前記溝部による前記流体流路を閉鎖し
   、前記流体の流れを遮断するようにした
   ことを特徴とする流量調節バルブ。
2. 前記弁座は少なくとも前記開口部の前記内壁面が弾性部材で形成されていることを特徴
   とする請求項１に記載の流量調節バルブ。
3. 前記弁座には前記弾性部材の剛性を低下させるための孔が前記内壁面から開口しないよ
   うに前記内壁面に沿って形成されていることを特徴とする請求項２に記載の流量調節バル
   ブ。
4. 前記弁体を移動させる駆動源はステッピングモータであることを特徴とする請求項１〜
   ３のいずれかに記載の流量調節バルブ。

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