(本発明の第1実施形態)
以下に、本発明の流量制御弁の第1実施形態としての電動弁を、図1〜図6を参照して説明する。
図1は、本発明に係る流量制御弁の第1実施形態である電動弁の縦断面図である。なお、以下の説明における「上下」の概念は、各図における上下に対応しており、各部材の相対的な位置関係を示すものであって、絶対的な位置関係を示すものではない。
この実施形態の電動弁(各図中、符号1で示す)は、弁ハウジングとしての弁本体10と、弁座部16と、シリンダ部としての弁ガイド20と、弁部材30と、均圧路36と、弁部材移動手段としての弁部材駆動部40と、を有している。
弁本体10は、略円筒形状に形成されており、その内側には弁室10Aが形成されている。弁本体10は、その周壁10aに円形の第1開口11が形成され、その下端の底壁10bに円形の第2開口12が形成されている。第1開口11には、一次側継手管A1が固定して取り付けられて、当該一次側継手管A1と弁室10A内の一次側ポート13とが連通されている。また、第2開口12には、二次側継手管A2が固定して取り付けられて、この二次側継手管A2と後述する弁座部16内の二次側ポート14とが連通されている。
弁座部16は、円形環状に形成されて、弁本体10内に第2開口12と連通して設けられている。弁座部16は、図中下方から上方に向かうにしたがって径が徐々に小さくなるように形成された外側を向く単一のテーパ形状の着座面17と、着座面17の上端に連接された図中上方を向く先端面18と、先端面18の内縁に連接されて弁座部16内側に設けられた弁座部内周面19と、を有している。この着座面17は、後述する弁部材30が弁座部16に着座したときに当該弁部材30がその内側に先端面18が位置するようにして当接される。また、弁座部内周面19は、二次側継手管A2の内径と略同一径に形成されており、二次側ポート14を画定している。
弁ガイド20は、弁ガイド本体部21と、弁ガイド蓋部22と、を有している。弁ガイド本体部21は、両端部が開口された略円筒形状に形成されている。弁ガイド本体部21は、その軸心が弁座部16の軸心を通る軸線Pに重なるようにして、その下端部21aと弁座部16とが間隔をあけて対向するように配置されて、弁本体10内に固定して取り付けられている。弁ガイド蓋部22は、弁ガイド本体部21の上端部21bを塞ぐように当該弁ガイド本体部21に固定金具23によって固定して取り付けられている。弁ガイド蓋部22には、それを上下方向に貫通するように形成された雌ねじ部22aが設けられている。本実施形態において、弁ガイド本体部21は、弁本体10と別部材で構成されているが、これに限らず、弁ガイド本体部21は、弁本体10と一体に構成されていてもよい。
弁部材30は、全体として略円柱形状に形成されており、弁ガイド20内に上下方向に摺動移動可能に配設されている。つまり、弁部材30は、弁ガイド20内にピストン状に移動可能に収容されている。弁部材30は、弁ガイド20内に収容されることにより、弁ガイド20内の空間を区画して、弁ガイド20内における上端部21b側に背圧室25が形成される。
弁部材30は、弁体31と、連結金具34と、パッキン部37と、を有している。
弁体31は、外径が弁ガイド本体部21の内径と同一の円筒形状の弁体本体部31aと、弁体本体部31aの弁座部16側端部に連接して設けられた、内径が弁体本体部31aの外径と同一の円筒形状の環状先端部31bと、を有している。弁体本体部31aと環状先端部31bとは、互いの軸心が一直線上に並ぶように一体となって構成されている。また、弁体31(具体的には、弁体本体部31a及び環状先端部31b)は、その軸心が軸線Pに重なるように配置されている。弁体31は、弁体本体部31aの外周面31cが弁ガイド本体部21の内周面21cに摺動可能に接して配置されている。また、環状先端部31bは、弁ガイド本体部21の下端部21aから突出して配置されている。弁体31の環状先端部31bの先端31dの内縁には、全周にわたって図中上方に向かうにしたがって径が小さくなるすり鉢形状の傾斜面33が設けられている。
弁体31は、弁部材30の移動に応じて弁座部16に離座及び着座される。具体的には、弁体31の環状先端部31bが、弁座部16の着座面17から離れたり(離座)、弁座部16の着座面17に当接されたりする(着座)。軸線Pと傾斜面33とのなす角は、軸線Pと着座面17とのなす角より大きくされている。換言すると、軸線Pに対する傾斜面33の角度が、軸線Pに対する着座面17の角度より大きくされている。これにより、弁体31の着座時には、環状先端部31bの傾斜面33の上端箇所33aが、弁座部16の先端面18を囲むように着座面17に当接される。つまり、環状先端部31bは、弁座部16への着座時に該弁座部16の弁ガイド20側の端部(先端面18)が内周側に位置づけられるように着座面17に接する。このとき、弁体31は、弁座部16内側の二次側ポート14を塞いで弁閉状態となる。
連結金具34は、弁体31の弁体本体部31aより外径の小さい略円筒形状に形成されている。連結金具34は、下端部34aが開口されかつ上端部34bにばね受け部35が設けられている。連結金具34の周壁34cにおける上端部34b寄りの箇所には、連結金具34の内外を連通する貫通孔34dが形成され、この貫通孔34dの下方の箇所には、フランジ部34eが設けられている。
連結金具34は、その下端部34aが弁体31の弁体本体部31aを貫通して固定して取り付けられている。これにより、弁体31の環状先端部31bの内側空間、連結金具34の内側空間及び貫通孔34dが互いに連通されて、均圧路36を構成する。この均圧路36によって、弁体31の図中下方の空間と背圧室25とが連通される。即ち、背圧室25は、弁座部16を介して第2開口12と連通されている。
パッキン部37は、円形環状に形成されており、その外縁が弁ガイド本体部21の内周面21cに気密状態で摺動可能に接するよう構成されている。パッキン部37は、連結金具34のフランジ部34eと弁体31の弁体本体部31aの上面31eとの間に、皿ばね受け38及び皿ばね39とともに狭持されている。
弁部材30は、弁ガイド20の内周に気密状態で摺動可能に接するパッキン部37によって背圧室25を区切っており、即ち、弁部材30における背圧室25側の平面視面積は、弁ガイド20の内側の断面積と同一である。また、弁部材30は、環状先端部31bの内径が弁体本体部31aの外径と同一であり、つまり、弁ガイド20の内径と同一であるので、環状先端部31bの内側の平面視面積は、弁ガイド20の内側の断面積と同一である。このことから、弁部材30における背圧室25側の平面視面積と、環状先端部31bの内側の平面視面積と、は同一である。したがって、環状先端部31bの内側のみに第2開口12側の流体圧力が加わるようにすることで、弁部材30に対して背圧室25側から加わる流体圧力と環状先端部31bの内側に加わる流体圧力とを平衡させることができる。
第2開口12、弁座部16、弁ガイド20及び弁部材30(弁体31、連結金具34)は、それぞれの軸心が軸線P上に重なるように配置されている。
弁部材駆動部40は、弁部材ホルダ50と、モータ60と、を有している。
弁部材ホルダ50は、ホルダ部51と、コイル状の圧縮ばね53と、ばね受け部54と、を有している。ホルダ部51は、下端部51aが開口されかつ上端部51bが上壁52で塞がれた略円筒形状に形成されている。ホルダ部51には、圧縮ばね53が収容されており、さらに、この圧縮ばね53の上端部を受けるようにしてばね受け部54がホルダ部51内を上下方向に移動可能に収容されている。また、ホルダ部51の下端部51aには、弁部材30の連結金具34のばね受け部35が圧縮ばね53の下端部を受けるようにして固定して取り付けられている。これにより、圧縮ばね53によってばね受け部54がホルダ部51の上壁52に押しつけられている。ホルダ部51の上壁52は、後述するモータ60のロータ軸64の下方の先端64aが当該ホルダ部51に対して回転可能に貫通しており、ホルダ部51内で、この先端64aとばね受け部54とが接している。
モータ60は、ステッピングモータで構成されており、モータケース61と、マグネットロータ63と、ステータコイル66と、回転ストッパ機構70と、を有している。
モータケース61は、下端部61aが開口されかつ上端部61bが上壁62で塞がれた略円筒形状に形成されている。モータケース61は、その下端部61aが弁ガイド本体部21の上端部21bに固定して取り付けられている。
マグネットロータ63は、モータケース61内に同軸に収容されている。マグネットロータ63は、ロータ軸64と、ロータ軸64に固定して取り付けられたマグネット部65と、を有している。ロータ軸64は、その軸心が軸線P上に位置づけられるように配置されている。ロータ軸64の外周面の一部には雄ねじ部64bが設けられており、弁ガイド蓋部22の雌ねじ部22aと螺合されている。このように、マグネットロータ63は、弁ガイド20(具体的には弁ガイド蓋部22)と螺合されているので、回転されることにより軸線P方向(即ち、上下方向)に移動する。
ステータコイル66は、モータケース61の外周面に固定して取り付けられている。このステータコイル66は、パルス信号が与えられることにより、そのパルス信号に含まれるパルス数に応じてマグネットロータ63を回転させる。
回転ストッパ機構70は、モータケース61の上壁62の内面側に設けられている。回転ストッパ機構70は、螺旋ガイド線体71と、マグネットロータ63のマグネット部65に取り付けられた竿65aにより螺旋ガイド線体71の各螺旋間を蹴り回される可動ストッパ部材72と、を有している。回転ストッパ機構70は、マグネットロータ63が所定の上限位置(即ち、弁部材30の弁開上限位置)まで移動したとき、可動ストッパ部材72が、モータケース61に設けられたストッパ(図示なし)に突き当たる。これにより、マグネットロータ63の回転、即ち、上限位置を超えた移動が規制される。
次に、図2〜図6を参照して、上述した本実施形態の電動弁1における動作(作用)について説明する。
図2は、図1の電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、弁部材が着座位置(弁閉状態)にある図である。図3は、図1の電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、弁部材が弁座部から離座した位置(弁半開状態)にある図である。図4は、図1の電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、図3の状態より弁部材が弁座部からさらに離れた位置(弁半開状態)にある図である。図5は、図1の電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、弁部材が弁開上限位置(弁開上限状態)にある図である。図6は、図1の電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、弁部材が弁開上限位置を超えた位置にある図である。
電動弁1は、上述したように、弁座部16に着座面17が設けられており、弁体31に傾斜面33が設けられている。また、図2に示すように、軸線Pに対する着座面17の角度がαに設定され、軸線Pに対する傾斜面33の角度が、角度αより大きいβに設定されている(但し、α<β<90度)。
また、弁座部16の弁座部内周面19の径がD1に設定され、着座面17の上端部17aの径が外径D1より大きいD2に設定され、弁体31の環状先端部31bの内径(即ち、傾斜面33の上端箇所33aの径)が径D2より大きいD3に設定されている。これにより、弁体31が弁座部16に着座した着座位置(弁閉状態)にあるときに、傾斜面33の上端箇所33aが着座面17に接して環状先端部31bが弁座部16の先端面18を内周側に位置づけて、弁体31が弁座部16を覆い二次側ポート14が閉じられる。即ち、上端箇所33aは、弁部材30の環状先端部31bにおける着座面17に接する箇所となる。
このように、弁体31が着座位置にあるとき、上端箇所33aが着座面17に接しているので、弁閉状態において、弁体31における上端箇所33aより内側の部分(即ち、環状先端部31bの内側)に、二次側ポート14の流体圧力(第2圧力P2)が加わり、均圧路36を通じて二次側ポート14の流体圧力が弁部材30における背圧室25側の箇所にも加わる。そして、上述したように、弁部材30における背圧室25側の平面視面積と、環状先端部31bの内側の平面視面積と、は同一であるので、弁部材30に対して背圧室25側から加わる流体圧力と環状先端部31bの内側に加わる流体圧力とが平衡する。
次に、弁体31が着座位置から離れて軸線P方向に徐々に移動すると、着座面17と弁体31(具体的には、環状先端部31b)との間に隙間が生じる。このとき、第1開口11側の流体圧力(第1圧力P1)と第2開口12側の流体圧力(第2圧力P2)との境界線kは、着座面17と環状先端部31bとの最短距離を結ぶ線上に生じる。そして、電動弁1では、図3に示すように、弁体31において、環状先端部31bの傾斜面33の上端箇所33aが着座面17と最も近い箇所となる状態を保ちながら移動する。換言すると、弁部材30の環状先端部31bと着座面17との最短距離を結ぶ直線が弁部材30の上端箇所33aを通過するという状態を保ちながら移動する。そのため、この状態において、上端箇所33aと着座面17との間に、第1開口11側の流体圧力(第1圧力P1)と第2開口12側の流体圧力(第2圧力P2)との境界線kが生じる。つまり、この弁半開状態においても、弁体31における上端箇所33aより内側の部分に、二次側ポート14の第2圧力P2が加わるので、第2圧力P2が加わる面積が変化せず、そのため、弁部材30の軸線P方向に加わる力のバランスが維持される。弁部材30が、このような弁半開状態となる位置にあるときに傾斜面33の上端箇所33aから着座面17に垂線を下ろすと、垂線の足が着座面17上に位置する。この垂線が、上記境界線kとなる。
弁部材30における着座位置からの移動距離xが大きくなるにつれて、傾斜面33の上端箇所33aと着座面17との距離(境界線kの長さ)が大きくなる。
そして、弁体31がさらに着座位置から離れて軸線P方向に移動し、図4に示すように、傾斜面33の上端箇所33aから着座面17に垂線を下ろしたときに垂線の足がその上端部17aに位置するようになっても、弁体31において、上端箇所33aが着座面17と最も近い箇所となる。つまり、この垂線が第1圧力P1と第2圧力P2との境界線kとなり、この状態においても、弁体31における上端箇所33aより内側の部分に、二次側ポート14の第2圧力P2が加わるので、第2圧力P2が加わる面積が変化せず、そのため、弁部材30の軸線P方向に加わる力のバランスが維持される。この垂線は、着座面17の上端部17aにおける法線でもある。
そのあと、弁体31がさらに着座位置から離れて軸線P方向に移動し、図5に示すように、上記とは逆に、着座面17の上端部17aから傾斜面33に垂線を下ろしたときの垂線の足がその上端箇所33aに位置する弁開上限位置になっても、弁体31において、上端箇所33aが着座面17と最も近い箇所となる。つまり、この垂線が第1圧力P1と第2圧力P2との境界線Kとなり、この弁開上限状態においても、弁体31における上端箇所33aより内側の部分に、二次側ポート14の第2圧力P2が加わるので、第2圧力P2が加わる面積が変化せず、そのため、弁部材30の軸線P方向に加わる力のバランスが維持される。この垂線は、傾斜面33の上端箇所33aにおける法線でもある。
それから、仮に、弁体31が上記弁開上限位置よりさらに着座位置から離れて軸線P方向に移動すると、図6に示すように、傾斜面33の上端箇所33aより下方の傾斜面33上の箇所33bが、弁体31における着座面17と最も近い箇所となって、上記箇所33bと着座面17の上端部17aとを結ぶ線が、第1圧力P1と第2圧力P2との境界線K’となる。そのため、この状態においては、弁体31における、上端箇所33aより径の大きい箇所33bより内側の部分に、二次側ポート14の第2圧力P2が加わるので、弁部材30における弁座部16側の箇所に加わる第2圧力P2が大きくなり、これにより、弁部材30の軸線P方向に加わる力のバランスが変化する。
このように、本実施形態の電動弁1では、弁体31における上端箇所33aより内側の部分に二次側ポート14の第2圧力P2が加わる範囲内で、弁部材30(具体的には弁体31)を移動させることにより、弁部材30の軸線P方向に加わる力のバランスを維持して、当該バランスが変化してしまうことを抑制できる。換言すると、電動弁1では、弁部材30(具体的には環状先端部31b)と着座面17との最短距離を結ぶ直線が弁部材30の上端箇所33aを通過する範囲内で弁部材30を移動させる。
電動弁1においては、図5に示す弁部材30の位置を弁開上限位置として、弁部材30がこの弁開上限位置を超えて弁座部16から離れないように、回転ストッパ機構70によって弁部材30の移動を規制するように構成している。これ以外にも、モータ60のステータコイル66に与えるパルス信号のパルス数をカウントすることにより、弁部材30が弁開上限位置を超えないように制御する構成などとしてもよい。
図5に示すように、着座面17の上端部17aの径をD2、弁体31の環状先端部31bの内径をD3、軸線Pと着座面17とのなす角をα、軸線Pと傾斜面33とのなす角をβとすると、弁部材30における着座位置から弁開上限位置までの移動距離Lは次の(1)式で表される。
L=h1+h2
=[{(D3−D2)/2}×tan(90°−α)]
+[{(D3−D2)/2}×tanβ] ・・・(1)
ここで径D2の半径(即ち、軸線Pから着座面17の上端部17aまでの距離)をR2、内径D3の半径(即ち、軸線Pから傾斜面33の上端箇所33aまでの距離)をR3とすると、
L=(R3−R2)/tanα+(R3−R2)tanβ
=(R3−R2)(1/tanα+tanβ) ・・・(2)
となる。
そして、弁部材30の移動距離xは、0からLまでの範囲となるので、
0≦x≦(R3−R2)(1/tanα+tanβ) ・・・(A)
となり、移動距離xが、上記(A)式を満足する範囲であれば、弁部材30と着座面17との最短距離を結ぶ直線が弁部材30における着座面17の上端箇所33aを通過する範囲内で弁部材30を移動させることとなり、弁部材30の軸線P方向に加わる力のバランスを維持することができる。
上述した実施形態の電動弁1は、第1開口11及び第2開口12が形成された弁本体10と、弁本体10内に第2開口12と連通して設けられた環状の弁座部16と、弁座部16の軸心を通る軸線P上に軸心が配置され、当該弁座部16と下端部21aが間隔をあけて対向するように弁本体10内に設けられた弁ガイド20と、弁ガイド20内にピストン状に移動可能に収容された弁部材30と、弁ガイド20内の空間が弁部材30に区画されて形成された当該弁ガイド20内における上端部21b側の背圧室25と第2開口12とを連通するように、弁部材30に設けられた均圧路36と、弁部材30を弁座部16に対して離座及び着座するように移動させる弁部材駆動部40と、を有している。また、電動弁1は、弁座部16に、弁ガイド20の下端部21a側に向かうにしたがって徐々に径が小さくなるように形成された外側を向くテーパ形状の着座面17が設けられ、弁部材30に、弁座部16への着座時に該弁座部16の先端面18を内周側に位置づけるように着座面17に接する環状先端部31bが設けられている。
また、電動弁1は、環状先端部31bの内径が、弁ガイド20の内径と同一にされている。
また、電動弁1は、弁部材駆動部40が、環状先端部31bと着座面17との最短距離を結ぶ直線が環状先端部31bにおける着座面17に接する上端箇所33aを通過する状態となる範囲内で弁部材30を移動させるように構成されている。
また、電動弁1は、環状先端部31bの先端31dの内縁に、すり鉢形状の傾斜面33が設けられ、軸線Pに対する傾斜面33の角度βが、軸線Pに対する着座面17の角度αより大きくされている。
以上より、本実施形態によれば、弁部材30の均圧路36によって背圧室25と第2開口12とを連通した圧力バランス型の電動弁1において、弁座部16には、該弁座部16と間隔をあけて対向して配置された弁ガイド20の下端部20a側に向かうにしたがって徐々に径が小さくなるように形成された外側を向くテーパ形状の着座面17が設けられ、弁部材30には、弁座部16への着座時に該弁座部16の先端面18を内周側に位置づけるように着座面17に接する環状先端部31bが設けられているので、このようなテーパ形状の着座面17は、弁座部16となる環状部材の外側を切削加工して形成される。環状部材の外側への切削加工は、切削刃により環状部材に対して外側から内側に向かう力が加わり、つまり環状部材を縮径するように力が加わるところ、このような環状部材は、縮径方向に対する剛性が、拡径方向に対する剛性より高いので、環状部材の外側に切削加工を行ったときの該環状部材の変形度合が、環状部材の内側に切削加工を行ったときの該環状部材の変形度合より小さくなり、そのため、より高精度に着座面17を形成できる。また、外側への切削加工は、内側への切削加工に比べて切削粉が加工面上に溜まりにくく、切削加工時の切削粉の巻き込みを抑制して着座面17の表面粗さを容易に小さくできる。これらのことから、弁部材30の環状先端部31bと着座面17との密着度合が高くなり、弁閉状態での封止性を効果的に高めることができる。
また、弁部材駆動部40が、環状先端部31bと着座面17との最短距離を結ぶ直線が環状先端部31bにおける着座面17に接する上端箇所33aを通過する状態となる範囲内で弁部材30を移動させるように構成されている。着座面17と弁部材30(具体的には、環状先端部31b)とが離れて弁開状態となったときに、これらの間に生じる隙間において、着座面17と弁部材30との最短距離を結ぶ線上に第1開口11側の流体圧力と第2開口12側の流体圧力との境界線kが生じる。そして、本実施形態では、このような範囲内で弁部材30を移動した場合、環状先端部31bにおける着座面17に接する上端箇所33aが常に着座面17と最も近くなり、そのため、当該上端箇所33aと着座面17との間に第1開口11側の流体圧力と第2開口12側の流体圧力との境界kが生じる。これにより、弁部材30を移動しても、環状先端部31bにおける当該上端箇所33aより内側の部分に常に第2開口12の流体圧力が加わるので、弁部材30における第2開口12の流体圧力が加わる第2開口12側の部分の平面視面積が変化せず、そのため、弁閉状態にある弁部材30を弁座部16から引き離すように上記軸線P方向に移動させても、当該弁部材30の上記軸線P方向に加わる力のバランスが変化してしまうことを抑制できる。
また、環状先端部31bの内径が、弁ガイド20の内径と同一にされているので、弁部材30における環状先端部31bの内側の平面視面積と弁部材30における弁ガイド20シリンダ部の背圧室25側の平面視面積とが同一となり、そのため、着座面17に環状先端部31bが接した着座状態(弁閉状態)において、弁部材30に対して環状先端部31b側から加えられる流体圧力と背圧室25側から加えられる流体圧力とを同一にして、当該弁部材30の軸線P方向に加わる力を平衡させることができ、これにより、弁部材30の移動に必要な力が小さくなり、弁部材30を移動させる弁部材駆動部40を小型化することができる。
また、環状先端部31bの先端31dの内縁に、すり鉢形状の傾斜面33が設けられ、上記軸線Pに対する傾斜面33の角度βが、上記軸線Pに対する着座面17の角度αより大きくされているので、環状先端部31bの傾斜面33における上端箇所33aを、環状先端部31bにおける着座面17に接する箇所とすることができ、圧力バランスを確実に維持できる。また、傾斜面33と着座面17とによって流路が形成されて、流体の流れを整えることができる。
(本発明の第2実施形態)
以下に、本発明の流量制御弁の第2実施形態としての電動弁を、図7〜図12を参照して説明する。
図7は、本発明に係る流量制御弁の第2実施形態である電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、弁部材が着座位置(弁閉状態)にある図である。図8は、第2実施形態である電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、弁部材が弁座部から離座した位置(弁半開状態)にある図である。図9は、第2実施形態である電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって図8の状態より弁部材が弁座部からさらに離れた位置(弁半開状態)にある図である。図10は、第2実施形態である電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、(a)は、弁部材が弁開上限位置(弁開上限状態)にある図であり、(b)は、(a)の一部をさらに拡大した図である。図11は、第2実施形態である電動弁の弁部材及び弁座部を模式的に示した拡大断面図であって、弁部材が弁開上限位置を超えた位置にある図である。図12は、第2実施形態である電動弁の弁座部の変形例の構成を示す拡大断面図である。
第2実施形態の電動弁1Aは、上述した第1実施形態の電動弁1において、弁座部16が、単一のテーパ形状の着座面17に代えて、軸線Pに対する角度が互いに異なる複数の外側を向くテーパ形状の環状面部分が設けられた着座面17Aを有していること以外は、第1実施形態の電動弁1と同一であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
弁座部16の着座面17Aには、互いに軸線Pに対する角度の異なる2つのテーパ形状の第1環状面部分171及び第2環状面部分172が設けられている。第1環状面部分171と第2環状面部分172とは、互いに連接するように軸線P方向に並べて配置されている。本実施形態では2つの環状面部分が設けられているものであるが、3つ以上の複数の環状面部分が軸線P方向に並べて配設されていてもよい。
次に、図7〜図12を参照して、上述した本実施形態の電動弁1Aにおける動作(作用)について説明する。
電動弁1Aは、弁座部16に第1環状面部分171及び第2環状面部分172を備えた着座面17Aが設けられており、弁体31の環状先端部31bの先端31dの内縁にすり鉢形状の傾斜面33が設けられている。また、図7に示すように、軸線Pに対する弁座部16の先端面18から離れた側の第1環状面部分171の角度がα1に設定され、軸線Pに対する弁座部16の先端面18に近い側の第2環状面部分172の角度が、角度α1より大きいα2に設定されている。また、角度α1及び角度α2ともに、軸線Pに対する傾斜面33の角度βより小さくなるように設定されている(但し、α1<α2<β<90度)。
また、弁座部16の弁座部内周面19の径がD1に設定され、着座面17Aの上端部17aの径が径D1より大きいD2に設定され、第1環状面部分171と第2環状面部分172との境界部分17bの径が径D2より大きいD2’に設定され、弁体31の環状先端部31bの内径(即ち、傾斜面33の上端箇所33aの径)が径D2’より大きいD3に設定されている。これにより、弁体31が弁座部16に着座した着座位置(弁閉状態)にあるときに、傾斜面33の上端箇所33aが着座面17Aの第1環状面部分171に接して環状先端部31bが弁座部16の先端面18を内周側に位置づけて、弁体31が弁座部16を覆い二次側ポート14が閉じられる。即ち、上端箇所33aは、弁部材30の環状先端部31bにおける着座面17Aに接する箇所となる。
このように、弁体31が着座位置にあるとき、上端箇所33aが着座面17Aに接しているので、弁閉状態において、弁体31における上端箇所33aより内側の部分に、二次側ポート14の流体圧力(第2圧力P2)が加わり、均圧路36を通じて二次側ポート14の流体圧力が弁部材30における背圧室25側の箇所にも加わる。そして、上述したように、弁部材30における背圧室25側の平面視面積と、環状先端部31bの内側の平面視面積と、は同一であるので、弁部材30に対して背圧室25側から加わる流体圧力と環状先端部31bの内側に加わる流体圧力とが平衡する。
次に、弁体31が着座位置から離れて軸線P方向に徐々に移動したとき、図8に示すように、弁体31において、上端箇所33aが着座面17A(具体的は、第1環状面部分171又は第2環状面部分172)と最も近い箇所となる状態を保ちながら移動する。換言すると、弁部材30の環状先端部31bと着座面17Aとの最短距離を結ぶ直線が弁部材30の上端箇所33aを通過する状態を保ちながら移動する。そのため、この状態において、上端箇所33aと着座面17Aとの間に、第1開口11側の流体圧力(第1圧力P1)と第2開口12側の流体圧力(第2圧力P2)との境界線kが生じる。つまり、この弁半開状態においても、弁体31における上端箇所33aより内側の部分に、二次側ポート14の第2圧力P2が加わるので、第2圧力P2が加わる面積が変化せず、そのため、弁部材30の軸線P方向に加わる力のバランスが維持される。弁部材30が、このような弁半開状態となる位置にあるときに傾斜面33の上端箇所33aから着座面17Aに垂線を下ろすと、垂線の足が着座面17A(この場合において、第2環状面部分172について軸線P側に延長した仮想面を含む)上に位置する。この垂線が、上記境界線kとなる。図8では、この垂線の足が第1環状面部分171と第2環状面部分172との境界部分17b(即ち、第1環状面部分171の上端部)上となる位置まで弁体31が移動した状態を示している。
そして、弁体31がさらに着座位置から離れて軸線P方向に移動し、図9に示すように、傾斜面33の上端箇所33aから着座面17Aに垂線を下ろしたときに垂線の足がその上端部17a(即ち、第2環状面部分172の上端部)に位置するようになっても、弁体31において、上端箇所33aが着座面17Aと最も近い箇所となる。つまり、この垂線が第1圧力P1と第2圧力P2との境界線Kとなり、この状態においても、弁体31における上端箇所33aより内側の部分に、二次側ポート14の第2圧力P2が加わるので、第2圧力P2が加わる面積が変化せず、そのため、弁部材30の軸線P方向に加わる力のバランスが維持される。この垂線は、着座面17Aの上端部17aにおける法線でもある。
そのあと、弁体31がさらに着座位置から離れて軸線P方向に移動し、図10(a)、(b)に示すように、上記とは逆に、着座面17Aの上端部17aから傾斜面33に垂線を下ろしたときの垂線の足がその上端箇所33aに位置する弁開上限位置になっても、弁体31において、上端箇所33aが着座面17Aと最も近い箇所となる。つまり、この垂線が第1圧力P1と第2圧力P2との境界線Kとなり、この弁開上限状態においても、弁体31における上端箇所33aより内側の部分に、二次側ポート14の第2圧力P2が加わるので、第2圧力P2が加わる面積が変化せず、そのため、弁部材30の軸線P方向に加わる力のバランスが維持される。この垂線は、傾斜面33の上端箇所33aにおける法線でもある。
それから、仮に、弁体31が上記弁開上限位置よりさらに着座位置から離れて軸線P方向に移動すると、図11に示すように、傾斜面33の上端箇所33aより下方の傾斜面33上の箇所33bが、弁体31における着座面17Aと最も近い箇所となって、上記箇所33bと着座面17Aの上端部17aとを結ぶ線が、第1圧力P1と第2圧力P2との境界線K’となる。そのため、この状態においては、弁体31における、上端箇所33aより径の大きい箇所33bより内側の部分に、二次側ポート14の第2圧力P2が加わるので、弁部材30における弁座部16側の箇所に加わる第2圧力P2が大きくなり、これにより、弁部材30の軸線P方向に加わる力のバランスが変化する。
このように、本実施形態の電動弁1Aでは、弁体31における上端箇所33aより内側の部分に二次側ポート14の第2圧力P2が加わる範囲内で、弁部材30(具体的には弁体31)を移動させることにより、弁部材30の軸線P方向に加わる力のバランスを維持して、当該バランスが変化してしまうことを抑制できる。換言すると、電動弁1Aでは、弁部材30(具体的には環状先端部31b)と着座面17Aとの最短距離を結ぶ直線が弁部材30の上端箇所33aを通過する範囲内で弁部材30を移動させる。
電動弁1Aにおいては、図10に示す弁部材30の位置を弁開上限位置として、上述した第1実施形態と同様に、弁部材30がこの弁開上限位置を超えて弁座部16から離れないように、回転ストッパ機構70によって弁部材30の移動を規制するように構成している。
図10(a)、(b)に示すように、着座面17Aの上端部17aの径をD2、第1環状面部分171と第2環状面部分172との境界部分17bの径をD2’、弁体31の環状先端部31bの内径をD3、軸線Pと第1環状面部分171とのなす角をα1、軸線Pと第2環状面部分172とのなす角をα2、軸線Pと傾斜面33とのなす角をβとすると、弁部材における着座位置から弁開上限位置までの移動距離は次の(3)式で表される。
L=h1+h2=(h11+h12−h13)+h2
=[{(D3−D2)/2}×tan(90°−α2)]
+[{(D3−D2’)/2}×tan(90°−α1)]
−[{(D3−D2’)/2}×tan(90°−α2)]
+[{(D3−D2)/2}×tanβ] ・・・(3)
ここで径D2の半径(即ち、軸線Pから着座面17Aの上端部17aまでの距離)をR2、径D2’の半径(即ち、軸線Pから着座面17Aの境界部分17bまでの距離)をR2’、内径D3の半径(即ち、軸線Pから傾斜面33の上端箇所33aまでの距離)をR3、とすると、
L=(R3−R2)/tanα2
+(R3−R2’)/tanα1
−(R3−R2’)/tanα2
+(R3−R2)tanβ
=(R3−R2)(1/tanα2+tanβ)
+(R3−R2’)(1/tanα1−1/tanα2)} ・・・(4)
となる。
そして、弁部材30の移動距離xは、0からLまでの範囲となるので、
0≦x≦(R3−R2)(1/tanα2+tanβ)
+(R3−R2’)(1/tanα1−1/tanα2)} ・・・(B)
となり、移動距離xが、上記(B)式を満足する範囲であれば、弁部材30と着座面17Aとの最短距離を結ぶ直線が弁部材30の上端箇所33aを通過する範囲内で弁部材30を移動させることとなり、弁部材30の軸線P方向に加わる力のバランスを維持することができる。
上述した第2実施形態の電動弁1Aでは、軸線Pに対する第2環状面部分の角度α2が、第1環状面部分171の角度α1より大きく設定された着座面17Aを備えた構成であったが、これとは逆に、図12に示す電動弁1Bのように、角度α2の方が角度α1より小さく設定された着座面17Bを備えた構成(α2<α1<β)であってもよい。
図13に、弁座部の環状面部分における軸線に対する角度と流量との関係をグラフを用いて模式的に示す。
上述した第1実施形態の電動弁1では、図13において点線で示すように、弁閉位置から弁開位置に至るまで弁部材30の移動距離に対して着座面17の角度α(α=α1)に依存した一定割合で流量が増加していく。一方、第2実施形態の電動弁1A及び電動弁1Bでは、図13において実線で示すように、弁閉位置から途中までは、第1環状面部分171の角度α1に依存した一定割合で流量が増加し、途中から弁開上限位置までは、第2環状面部分172の角度α2に依存した一定割合で流量が増加する。これにより、弁部材30の移動距離に対する流量の変化、即ち、流量特性を任意に変更することができる。
以上より、本実施形態によれば、上述した第1実施形態の電動弁1における効果に加えて、着座面17Aが、軸線Pに対する角度の異なる複数のテーパ形状の第1環状面部分171及び第2環状面部分172を有しているので、これら第1環状面部分171及び第2環状面部分172における軸線Pに対する角度α1、α2を調整することにより、弁部材30の移動距離、即ち、弁開度合に対する流量(流量特性)を容易に設定することができる。本実施形態において2つの環状面部分が設けられているものであるが、3つ以上の複数の環状面部分を設けることにより、さらに細かい流量特性を容易に設定することができる。
以上、本発明について、好ましい実施形態を挙げて説明したが、本発明の流量制御弁は上記実施形態の構成に限定されるものではない。
例えば、上述した各実施形態において、弁部材30(具体的には弁体31)の環状先端部31bの先端31dに、すり鉢形状の傾斜面33が設けられていたが、このような傾斜面33が設けられておらず、弁体31の環状先端部31bの外周面と環状先端部31bの先端31dの下端面とが直交して連接された構成などであってもよい。または、傾斜面33は、面取りによって形成される微少な大きさの面などであってもよい。
また、各実施形態では、弁座部16、弁ガイド20及び弁部材30が、それぞれ、円形環状、円筒形状及び円柱形状に形成されているものであったが、これに限定されるものではなく、弁座部16、弁ガイド20及び弁部材30について軸線P方向から見た平面視形状が相似関係にあれば、円形以外にも、多角形形状などであってもよく、本発明の目的に反しない限り、弁座部16、弁ガイド20及び弁部材30の形状は任意である。
また、各実施形態では、ステッピングモータによって弁部材を駆動する電動弁であったが、これに限定されるものではなく、手動により弁部材を駆動する流量制御弁などであってもよく、電磁コイルとプランジャにより弁部材を駆動する電磁弁式であってもよい。
また、各実施形態では、二次側ポート14と背圧室25とを連通する均圧路36が弁部材30に設けられていたが、これに限定されるものではなく、均圧路は、例えば、弁部材30に代えて、弁本体10に第2開口12と背圧室25とを直接連通するように設けられていてもよい。
また、各実施形態では、一次側継手管A1を入口側とし、二次側継手管A2を出口側とするものであったが、これに限らず、入口側と出口側とを逆にするものであってもよい。
なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。かかる変形によってもなお本発明の流量制御弁の構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。