JP5357721B2 - カム式制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、主に半導体製造設備や太陽電池製造工程等の流体供給ラインやチラーユニットの冷媒循環回路等に介設されてガスや冷媒等の流体の流量調整用に用いられるものであり、特に、ガスや冷媒等の流量を微少且つ精密に制御できるようにした制御モータ駆動型のカム式制御弁の改良に関するものである。

従来、制御モータ駆動型のカム式制御弁としては、例えば実開昭６１−１１７９７１号公報（参考文献１）や実開昭６１−１１７９７２号公報（参考文献２）等に開示された構造のものが知られている。

即ち、前記カム式制御弁は、図示していないが、流体通路及び弁座を有する弁箱と、弁箱の弁座に当離座する弁体と、弁体を弁座から離座する方向へ附勢する弾性体と、弁体に連結されて弁箱の上蓋に昇降自在に支持された弁棒と、弁棒の上端部に設けたカムローラに当接して弁棒を押し下げるカム板と、カム板を回転駆動するステッピングモータ（パルスモータ）等から構成されており、ステッピングモータによりカム板を回転させ、カム板を介して弁棒を下方へ押し下げることによって、弁棒の下端に設けた弁体を弁座へ当座させるようにしたものである。

このステッピングモータ駆動型のカム式制御弁は、高精度な流量制御を行うことができ、優れた実用的効用を奏するものである。

ところで、ステッピングモータを用いたカム式制御弁は、ステッピングモータに供給するパルス数に応じてカム板が所定の角度だけ回転し、カム板の回転により弁棒及び弁体が微少量変位して流体の流量制御を行わせるものであるから、弁全開時又は弁全閉時に弁体及び弁棒等が零点位置（全開位置又は全閉位置）へ正確に位置するように零点調整されていなければならない。

即ち、バルブの全開時には、カム板の最小半径部分がカムローラに当接し且つ弁体と弁座が最も離間した状態となるように調整し、又、バルブの全閉時には、カム板の最大半径部分がカムローラに当接し且つ弁体が弁座に適切な力で当座するように調整しなければならない。

しかし、上述した従来のステッピングモータ駆動型のカム式制御弁に於いては、弁体等を零点位置へ位置調整する調整機構を全く備えておらず、バルブの零点調整に極めて手間取ると云う問題があった。

又、カム式制御弁の各構成部品の加工精度や組立精度等を高めておかないと、弁体が弁座へ過度に押し付けられたり、或いは弁体と弁座の接触が不十分になったりすることがあった。その結果、バルブの弁座等が損傷したり、流体が漏洩したりすると云う問題があった。

このような問題点を解消するため、本発明の発明者等は、ステッピングモータ及びカム機構から成るアクチュエータを上下方向へ微調整できる高さ調整機構を備えるカム式制御弁を提供した（例えば、特許文献３）。

特許文献３のカム式制御弁によれば、高さ調整機構を設けたため、アクチュエータの上下方向高さを微調整し易くなったが、高さ調整機構の調整ネジにアクセスしにくい場合もあった。また、特許文献３のカム式制御弁は、アクチュエータの高さ調整を行った後に、弁体が弁座に当接する力を容易に微調整することができなかった。
実開昭６１−１１７９７１号公報 実開昭６１−１１７９７２号公報 特開２００８−５７５９４号公報

本発明は、上記問題点に鑑みて為されたものであり、カムが取り付けられたモータを上下方向へ高さ調整する際に、調整ネジにアクセスしやすくしたカム式制御弁を提供することを主たる目的とし、さらには、弁体の弁座への当接時に当接圧力を調節することができるカム式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に、本発明に係るカム式制御弁は、流体流路及び該流体流路の途中に設けられた弁座を有する弁箱と、前記弁座に当離座して前記流体流路を開閉する弁体と、該弁体を押し下げて前記弁座に当接させることにより前記流体流路を閉じるための弁棒と、前記弁棒に作用して該弁棒を押し下げる方向に押圧するカムと、該カムを回転駆動するモータと、該モータを保持するモータホルダと、前記弁箱に固定されて前記モータホルダを上下方向に移動可能に支持する支持枠と、前記支持枠の上辺部から前記モータホルダを離間させる方向に付勢する弾性部材と、前記モータホルダを前記支持枠に吊り下げ状に支持するとともに前記モータホルダの前記支持枠に対する高さを調整するための高さ調整ネジであって、前記支持枠の上辺部に摺動可能に挿入されるとともに前記モータホルダに螺入された、前記高さ調整ネジと、を備えることを特徴とする。

前記弁体の弁座への当接圧力を調整するための当座圧力調整機構を更に備えることが好ましい。

前記当座圧力調整機構は、前記弾性部材に当接するピストン部材と、前記支持枠の上辺部に螺入され、該ピストン部材を押圧して前記弾性部材の弾性力を調整する弾性力調整ネジと、を備えることが好ましい。

前記弾性部材は、前記モータホルダの上面に形成された第１シリンダー状凹部に収容され、前記ピストン部材の少なくとも一部が、前記第１シリンダー状凹部に嵌入されていることが好ましい。

前記支持枠の上辺部の下面に第２シリンダー状凹部が形成され、前記ピストン部材の下側部が前記第１シリンダー状凹部に嵌入にされるとともに、前記ピストン部材の上側部が前記第２シリンダー状凹部に嵌入され、前記弾性力調整ネジのネジ穴が前記第２シリンダー状凹部に連通していることが好ましい。

前記支持枠は、上下方向に立設された一対の支柱を備え、前記一対の支柱の対向する側面に摺動自在に当接する凹面が前記モータホルダの側面に形成されていることが好ましい。

前記カムは、円柱形状であって、回転中心が円柱形状の円の中心から偏心した位置に設けられていることが好ましい。

本発明に係るカム式制御弁によれば、弾性部材によって前記支持枠の上辺部から前記モータホルダを離間させる方向に付勢しつつ、前記支持枠の上辺部に摺動可能に挿入した高さ調整ネジを前記モータホルダに螺入し、該高さ調整ネジで前記モータホルダを前記支持枠に吊り下げ状に支持しているため、高さ調整ネジに支持枠の上部からアクセスして高さ調整ネジの螺入度合いを調整することで、カムが取り付けられたモータの上下高さを調整することができる。

また、前記弾性部材にピストン部材を当接させ、さらに、前記支持枠の上辺部に螺入させた弾性力調整ネジにより該ピストン部材を押圧することで、前記弾性部材の弾性力を調整し、それによって、前記弁体が前記弁座に当座したときの該弁体の弁座への当接圧力を調整することができる。弾性力調整ネジは、支持枠の上辺部に螺入されているので、調整時のアクセスも容易である。

本発明に係るカム式制御弁の一実施形態の全閉状態を示す、図２のＩ−Ｉ線に対応する断面図である。 図１に示すカム式制御弁のＩＩ−ＩＩ線に対応する断面図である。 図１のカム式制御弁の全開状態を示す断面図である。 図１のカム式制御弁の外観を示す正面図である。 図１のカム式制御弁の外観を示す一部断面側面図である。 カムの変更態様を示す側面図である。 図６に示すカムの正面図である。

本発明に係るカム式制御弁の実施形態について、以下に図１〜７を参照しつつ説明する。なお、全図を通し、同様の構成部分には同符号を付した。

カム式制御弁１は、流体流路２及び流体流路２の途中に設けられた弁座３を有する弁箱４と、弁座３から離座して流体流路２を開くように弾性復帰可能な弁体５と、弁体５を押し下げて弁座３に当接させることにより流体流路２を閉じるための弁棒６と、弁棒６に作用して弁棒６を押し下げる方向に押圧するカム７と、カム７を回転駆動するモータ８と、モータ８を保持するモータホルダ９と、弁箱４に固定されてモータホルダ９を上下方向に移動可能に支持する支持枠１０と、支持枠１０の上辺部１０ａからモータホルダ９を離間させる方向に付勢する弾性部材１１と、モータホルダ９を支持枠１０に吊り下げ状に支持するとともにモータホルダ９の支持枠１０に対する高さを調整するための高さ調整ネジ１２と、を備えている。

弁箱４は、流体流路２が形成されたボディ４ａにボンネット４ｂが被せられ、ボンネット４ｂは、ボンネットナット４ｃによってボディ４ａに固定されている。

図示例において、弁体５は、金属ダイヤフラムによって形成されている。弁体５を構成する金属ダイヤフラムは、ボンネット４ｂによって、円環状の押えアダプター１３を介して、ボディ４ａに固定されている。前記金属ダイヤフラムは、弁開時には中央部がやや盛り上がって弁座３から離反するように湾曲した形状をしており、弁棒６によって押圧されると弾性変形して弁座３に当接して流体流路２を閉じ、弁棒６による押圧が解除されると自己の保有弾性によって弾性復帰して流体流路２を開通させる。前記金属ダイヤフラムと弁座３との間に、弁室４ｄが形成される。金属ダイヤフラムは、ニッケル−コバルト合金等の薄板で形成された公知のものを使用することができる。

弁棒６は、ダイヤフラム押え１４の上に載置されている。ダイヤフラム押え１４は、鍔１４ａ付きのディスク状をしている。鍔１４ａは、図１、図２に示すように、押えアダプター１３とボンネット４ｂ内の段部４ｅとの間で上下方向に可動となっている。

弁棒６は、ボンネット４ｂに案内されて上下動可能に支持されている。弁棒６の上端部には、図２に示すように溝６ａが形成され、溝６ａにベアリング１５がスプリングピン１６を介して回転自在に支持されている。

ベアリング１５は、カム７に当接している。カム７は、円柱状をしていて、中心軸線から所定距離（図示例では０．２ｍｍ）だけ偏心した位置が回転中心となるように、モータ８の回転軸８ａに固定されている。なお、図１，２に示すカム７に代えて、図６及び図７に示すように、カム板７ｃを設け、回転中心７ａからカム板７ｃの周面までの距離を回転方向に徐々に変化させることによりカム面を形成したカム７Ａとすることもできる。

モータ８には、取付けネジ８ｂを介して、モータホルダ９が取り付けられている。モータホルダ９は、前面が解放された箱形をしていて、カム７と、カム７の前端軸７ｂをベアリング１７を介して受ける逆Ｔ字状の軸受け部１８と、を収容している。軸受け部１８は、取付けネジ１９によってモータホルダ９に固定されている。モータ８は、位置制御可能なモータが使用され、図示例では、ステッピングモータが使用されている。

支持枠１０は、ロックナット２０によって弁箱４に固定された板状のベース１０ｂと、ベース１０ｂに立設された一対の支柱１０ｃと、一対の支柱１０ｃの上部に懸架固定された上辺部１０ａと、を備えている。一対の支柱１０ｃは、ベース１０ｂに固定ネジ１０ｄによって固定されるとともに、上辺部１０ａに固定ネジ１０ｅによって固定されている。

高さ調整ネジ１２は、支持枠１０の上辺部１０ａに形成された段付き通孔１０ｆに摺動可能に挿入され、頭部１２ａが段付き通孔１０ｆの段部に当接して支持されている。高さ調整ネジ１２は、その雄ネジ部が支持枠１０を貫通し、モータホルダ９の上辺部９ａに形成された雌ネジ穴９ｂに螺入されている。高さ調整ネジ１２は、止めネジ２１によって固定される。なお、高さ調整ネジ１２に図示しない平ワッシャー（図示せず）を通し、該平ワッシャーを段付き通孔１０ｆの段部に当接させて高さ調整ネジ１２を支持枠１０に支持させてもよい。

弾性部材１１は、図示例ではコイルバネであり、モータホルダ９の上面に形成された第１シリンダー状凹部９ｃに収容されている。弾性部材１１は、コイルバネに代えて、例えば、複数のスプリングワッシャーを重ねて用いることもできる。弾性部材１１は、弁体５を構成している金属ダイヤフラムの弾性復元力よりも十分に大きな弾性押圧力を有している。

弾性部材１１にピストン部材２２が当接しており、支持枠１０の上辺部に螺入された弾性力調整ネジ２３が、ピストン部材２２を押圧している。ピストン部材２２は、その下側部が第１シリンダー状凹部９ｃに嵌入されている。支持枠１０の上辺部１０ａの下面に第２シリンダー状凹部２４が形成され、ピストン部材２２の上側部が第２シリンダー状凹部２４に嵌入されている。上辺部１０ａに形成された弾性力調整ネジ２３のためのネジ穴１０ｇは、第２シリンダー状凹部２４に連通している。ピストン部材２２の上下部を上下の凹部９ｃ、２４に嵌入する構成により、ピストン部材２２が安定して案内される。弾性力調整ネジ２３は、止めネジ２５によって固定される。

モータホルダ９の両側面には、一対の支柱１０ｃの対向する側面に摺動自在に当接する凹面９ｄがそれぞれ形成されている。これら凹面９ｄ、９ｄは、モータホルダ９が上下方向へ移動する際の被案内面として作用し、この被案内面がモータホルダ９の側面に縦方向に亘って延在するので、モータホルダ９が安定して案内される。

カム７には、扇形をしたセンサープレート２６が固定されている。センサープレート２６を検知するセンサー２７が固定ネジ２８によってモータホルダ９に固定されている。センサー２７としては、例えば、フォト・マイクロセンサーを用いることができ、センサー２７の光軸位置２７ａをセンサープレート２６が横切るのを検出することで、カム７の回転角度位置を検出することができる。

弁棒６の軸線周りの回転を規制する規制部材２９が、固定ネジ３０によって、モータホルダ９の内壁に突設固定されている。具体的には、規制部材２９の先端部が、弁棒６のベアリング１５が収容された溝６ａに係合することにより、弁棒６の軸線周りの回転を規制している。

支持枠１０には、ケーシングカバー３１，３２が固定され、ケーシングカバー３１の天板にはケーブルを接続するためのコネクター３３が取り付けられている。

上記のような構成を有するカム式制御弁の作動について、以下に説明する。

まず、図１に示すように、カム７の回転角度位置を、カム７の回転中心とベアリング１５との距離が最大となる位置に回転させる。このとき、図１、図２に示すように、カム７は、弁体５を構成している金属ダイヤフラムの保有弾性に抗して弁棒６及びダイヤフラム押え１４を押し下げて、該金属ダイヤフラムを弾性的に変形させ、弁座３に当接させ流体流路２を閉じる位置にある。この位置において、センサープレート２６がセンサー２７の光軸２７ａを遮光しており、センサー２７がセンサープレート２６の位置を検出している。

この弁閉状態において、所望のシール性が確保されるように、高さ調整ネジ１２の螺入度合いと、弾性力調整ネジ２３の螺入度合いを調整する。

高さ調整ネジ１２の螺入度合いを調整することにより、モータホルダ９及びカム７の高さ位置が調整される。高さ調整ネジ１２は、カム式制御弁１の上方からアクセスできるので、調整容易である。また、カム式制御弁の下方から高さ調整ネジにアクセスする構成とした場合にはカム式制御弁の下方にアクセスのための空間を形成するための高さ寸法が必要となるが、それに比べて、カム式制御弁１の上方から高さ調整ネジ１２にアクセスできる構成としたことにより、高さ寸法を減少させることができる。

弾性力調整ネジ２３は、その螺入度合いを変えることにより、弾性部材１１の弾性力が変わり、その結果、弁棒６及びダイヤフラム押え１４が金属ダイヤフラムからなる弁体５を押圧する力が変わる。こうして、弁体５の弁座３への当接圧力を調整する当座圧力調整機構が構成されている。なお、この場合、弾性力調整ネジ２３も支持枠１０の上方からアクセスできるので、操作性が良い。

上記のようにして弁閉状態において所望のシール性が確保されたら、モータ８にパルス信号を送って、カム７を図１の反時計回りに回転させる。弁体５が弁座３に当接している状態（図１）から、カム７を反時計回りに回転させると、カム７の回転中心とベアリング１５との距離が縮まり、弁体５を構成している金属ダイヤフラムの自己弾性力により、弁体５が弁座３から離反し、図３に示すように、流体流路２を開通させる。

流体流路２が開通して、流体流路２を流れる流量が所望の値に達したところでモータ８の回転を停止させ、停止位置の回転角度位置をモータの制御回路（図示せず。）に記憶させて、最大開度に設定する。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において変更可能である。弁棒と分離独立した金属ダイヤフラムの弁体に代えて、弁棒の下端部に連結固定されたタイプの公知の弁体（例えば、実開昭６１−１１７９７１号公報、実開昭６１−１１７９７２号公報、特開２００８−５７５９４号の図３に開示されているような、弁棒の下端部に連結固定され弁体）を採用し、流体の漏洩を、弁棒もしくは弁体に取り付けたベローズ又はダイヤフラムにより防止する構成とすることもできる。

本発明に係るカム式制御弁は、主として半導体製造設備等の流体供給ラインやチラーユニットの冷媒循環回路に於いて利用されるが、その利用対象は前記半導体製造装置等に限定されるものではなく、化学産業や薬品産業、食品産業等の各種装置に於ける流体供給ライン等に於いても利用される。

１ カム式制御弁
２ 流体流路
３ 弁座
４ 弁箱
５ 弁体
６ 弁棒
７ カム
８ モータ
９ モータホルダ
９ｃ 第１シリンダー状凹部
１０ 支持枠
１１ 弾性部材
１２ 高さ調整ネジ
２２ ピストン部材
２３ 弾性力調整ネジ
２４ 第２シリンダー状凹部

Claims (7)

1. 流体流路及び該流体流路の途中に設けられた弁座を有する弁箱と、
   前記弁座に当離座して前記流体流路を開閉する弁体と、
   該弁体を押し下げて前記弁座に当接させることにより前記流体流路を閉じるための弁棒と、
   前記弁棒に作用して該弁棒を押し下げる方向に押圧するカムと、
   該カムを回転駆動するモータと、
   該モータを保持するモータホルダと、
   前記弁箱に固定されて前記モータホルダを上下方向に移動可能に支持する支持枠と、
   前記支持枠の上辺部から前記モータホルダを離間させる方向に付勢する弾性部材と、
   前記モータホルダを前記支持枠に吊り下げ状に支持するとともに前記モータホルダの前記支持枠に対する高さを調整するための高さ調整ネジであって、前記支持枠の上辺部に摺動可能に挿入されるとともに前記モータホルダに螺入された、前記高さ調整ネジと、
   を備えることを特徴とするカム式制御弁。
2. 前記弁体の弁座への当接圧力を調整するための当座圧力調整機構を更に備えることを特徴とする請求項1に記載のカム式制御弁。
3. 前記当座圧力調整機構は、
   前記弾性部材に当接するピストン部材と、
   前記支持枠の上辺部に螺入され、該ピストン部材を押圧して前記弾性部材の弾性力を調整する弾性力調整ネジと、
   を備えることを特徴とする請求項２に記載のカム式制御弁。
4. 前記弾性部材は、前記モータホルダの上面に形成された第１シリンダー状凹部に収容され、
   前記ピストン部材の少なくとも一部が、前記第１シリンダー状凹部に嵌入されていることを特徴とする請求項３に記載のカム式制御弁。
5. 前記支持枠の上辺部の下面に第２シリンダー状凹部が形成され、
   前記ピストン部材の下側部が前記第１シリンダー状凹部に嵌入にされるとともに、前記ピストン部材の上側部が前記第２シリンダー状凹部に嵌入され、
   前記弾性力調整ネジのネジ穴が前記第２シリンダー状凹部に連通していることを特徴とする請求項４に記載のカム式制御弁。
6. 支持枠は、上下方向に立設された一対の支柱を備え、
   前記一対の支柱の対向する側面に摺動自在に当接する凹面が前記モータホルダの側面に形成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のカム式制御弁。
7. 前記カムは、円柱形状であって、回転中心が円柱形状の円の中心から偏心した位置に設けられていることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のカム式制御弁。

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