JP6057448B1 - 流量調節弁 - Google Patents

Abstract

【課題】詰まりが発生しにくく、詰まりが発生した場合でも迅速に詰まりが解消できるようにするとともに、煎餅状の異物を迅速に除去できるような構造を持つ流量調節弁を提供すること。【解決手段】側面に粉粒体が通過できるように流量調節溝３が形成された円柱弁体２と、少なくとも１つの平面を持つスライドブロック４と、円柱弁体２とスライドブロック４とを収納するケース６と備え、スライドブロック４は弾性体５を介してケース６に固定され、円柱弁体２の側面と平面とが弾性体５によって押し付けられることにより当接しているとともに、流量調節溝３は、円柱弁体２の側面の円周側から中心軸方向に切欠き状に設けられ、円柱弁体２を回転させることにより円柱弁体２の流量調節溝３とスライドブロック４の平面とによって形成される通過部の開口面積を変化させることにより、粉粒体等の通過量を調節することを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、円柱表面に粉粒体が通過できるように流量調節溝が形成された円柱弁体を円の中心を軸として回転させることにより粉粒体の通過流量を制御することが可能な流量調節弁に関する。特に、支管のような細い管の途中に設置して高精度の流量制御を行うのに好適な流量調節弁に関する。

従来より、円柱表面に流体が通過できるように流量調節溝が形成された一対の円柱をほぼ平行な回転軸で互いに対向方向に連動回転するように構成した流量調節弁が知られており（例えば、下記特許文献１、特許文献２参照。）、粉体又は粒体（以下「粉粒体」という。）あるいは粉粒体と気体、及び／又は液体との混合流体（以下「粉粒体等」という。）の流量を調節するのに好ましく用いられてきた（例えば、特許文献３の図１及び図２参照）。
これらの流量調節弁においては、粉粒体等の流量は、一対の円柱弁体をほぼ平行な回転軸で互いに対向方向に連動回転させることによって、流量調節溝により形成される通過部の面積を変化させることにより制御することができる。

これを図面を参照しながら説明する。図９は、従来の流量調節弁２１を分解したところを示す斜視図である。一対の円柱弁体２２の面上には流量調節溝２３が形成されてお互いに向かい合うようにして設置されている。円柱弁体２２は弁体ケース２４により保護されており、その上方には粉粒体流入路２５が、また、下方には粉粒体排出路２６が設置されている。
粉粒体流入路２５より導入された粉粒体等は、流量調節溝２３により形成された通過部を通り粉粒体排出路２６から排出される。また、円柱弁体２２は、駆動装置２７と駆動装置２７の反対側において弁体軸受２８で保持されている。円柱弁体２２は駆動装置２７に接続されており、駆動装置２７の回転に従って回転することにより、流量調節溝２３により形成された通過部の面積が変化して流量調節を行うことが出来る

図１０は、従来の流量調節弁を構成する一対の円柱弁体２２，２２を示す斜視図（Ａ）及び上方から見た図（Ｂ）である。図１０（Ａ）に示すように、円柱弁体２２の表面には円柱弁体の周に沿って軸心方向に形成された切欠き状の溝２３が形成されている。円柱弁体２２を回転軸２９に沿って互いに反対方向に同期回転させることによって、円柱弁体２２が接する通過口の開口面積を変化させ、粉粒体等の通過量を調節するように設計されている。
二つの円柱弁体２２が密着していると、接触面で磨耗が生じたり、図１０（Ｂ）に示すように、動作中に両円柱弁体の間に粉粒体をかみ込んで煎餅状の異物３０を生じ、大きな負荷が発生することがある。これを防ぐために、二つの円柱弁体を接触させずに隙間を設けた回転式調節弁も提案されている（例えば特許文献４参照）。

特開昭５３−１３８５１７号公報 特開昭５６−０１８１７２号公報 特開２０１２−１７１７４０号公報 特開平０６−２９４４７３号公報

しかしながら、上述のような二つの円柱弁体を接触させずに隙間を設けた流量調節弁においては、次のような問題があった。
すなわち、一対の円柱弁体間に隙間があると、流量の制御誤差が大きくなるということである。本管のような管径が太い（約６０φ以上）ところに用いられる場合は誤差はそれほど問題にはならないが、支管のように比較的細い管径（約３０φ）のところに用いられる場合は、その誤差は無視できない。
従って、支管の途中に用いられる流量調節弁においては、一対の円柱弁体の間に隙間を設けることができないが、そうすると、粉粒体をかみ込んで煎餅状の異物が発生し易くなるというジレンマが起こる。

本発明は、上述のような問題点に鑑み為されたものであり、二つの弁体を当接させても詰まりが発生しにくく、詰まりが発生した場合でも迅速に詰まりが解消できるようにするとともに、煎餅状の異物を迅速に除去できるような構造を持つ流量調節弁を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、本発明に係る流量調節弁は、側面に粉粒体が通過できるように流量調節溝が形成された円柱弁体と、少なくとも１つの平面を持つスライドブロックと、前記円柱弁体と前記スライドブロックとを収納するケースと備えた流量調節弁であって、前記スライドブロックは弾性体を介して前記ケースに固定され、前記円柱弁体の側面と前記平面とが前記弾性体によって押し付けられることにより当接しているとともに、前記流量調節溝は、前記円柱弁体の側面の円周側から前記円柱弁体の中心軸方向に切欠き状に設けられ、前記円柱弁体を前記中心軸を中心として回転させることにより前記円柱弁体の前記流量調節溝と前記平面とによって形成される通過部の開口面積を変化させることにより、前記粉粒体等の通過量を調節することを特徴とする。

本発明に係る流量調節弁によれば、回転するのは一つの円柱弁体のみであるので制御がしやすく、また、円柱弁体とスライドブロックの平面とが弾性体により押し付けられることで当接しているため隙間が発生せず、粉粒体をかみ込んだ場合であっても、その分スライドブロックが弾性体の変形により後退するので、円柱弁体の回転が阻害されることがない。

本発明に係る流量調節弁を分解したところを示す斜視図である。 本発明に係る流量調節弁を構成する円柱弁体とスライドブロックを示す斜視図である。 図２におけるＡ−Ａ’線断面図である。 本発明に係る流量調節弁の円柱弁体とスライドブロックの平面とで形成される粉粒体等の通過部の形状、通過部の開口面積及び面積に相当する開口径を、円柱弁体の回転角と対応させて示した表である。 本発明の実施例における回転角と開口面積との関係をグラフで示したものである。 本発明の実施例の変形例を示した図である。 本発明の変形例における動作状態を示す図である。 本発明の実施例の他の変形例を示した図である。 従来の流量調節弁を分解したところを示す斜視図である。 従来の流量調節弁を構成する円柱弁体対を示す斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明に係る流量調節弁１を分解したところを示す斜視図である。円柱弁体２の面上には流量調節溝（以下「溝」という。）３が形成されており、スライドブロック４の一つの平面が円柱弁体２の側面と弾性体５の反力によって押し付けられて当接している。スライドブロック４は、弾性体５を介してケース６に前後にスライド可能に固定されている。弾性体５としては圧縮バネが好ましいが、ゴムあるいは板バネでもよい。
また、円柱弁体２の流量調節溝３とスライドブロック４の平面とによって形成される通過部の上方には粉粒体流入路（以下「流入路」という。）７が、また、下方には粉粒体排出路（以下「排出路」という。）８が設置されている。
流入路７より導入された粉粒体等は、溝３により形成された通過部を通り排出路８から排出される。
また、円柱弁体２は、駆動装置９と駆動装置９の反対側において弁体軸受１０で保持されている。円柱弁体２は駆動装置９に接続されており、駆動装置９の回転に従って回転することにより、溝３により形成された通過部の面積が変化して流量調節を行うことが出来る。なお、駆動装置９は図示しない制御手段（例えばコンピュータ）によって制御される。

図２は、本発明に係る流量調節弁を構成する円柱弁体２とスライドブロック４を示す斜視図である。スライドブロック４は弾性体５を介してケース（不図示）に固定されている。
円柱弁体２の表面には円柱弁体の周に沿って軸心方向に形成された切欠き状の溝３が形成されている。円柱弁体２を回転軸Ｏ−Ｏ’を中心として回転させることによって、円柱弁体２の溝３とスライドブロック４の平面が当接することにより形成される通過口の開口面積を変化させ、粉粒体等の通過量を調節するように設計されている。

溝３を形成する加工法としては、回転する円柱リーマーや円錐状リーマーを用いて円柱弁体２に切削させつつ、円柱弁体２を徐々に回転させて溝３を切る方法がとれる。この際に溝３の深さと幅は、リーマーの位置を変化させながら調節することができる。
また、リーマーなどの切削加工によらず多軸制御の加工機により３次元加工することもできる。溝３の表面は流動性をよくするために平滑な面とすることが必要である。円柱弁体２の半径は、目的とする粉粒体等の流量により適宜選択することができるが、例えば、５０ｍｍ〜１５０ｍｍが例示できる。円柱弁体２の長さは、設ける溝３の最大幅の２〜４倍が好ましい。２倍未満の場合は粉粒体の漏れなどを生じやすく、好ましくない。

円柱弁体２に形成される溝３の断面形状は、半円状又は長円を半分にした形状（陸上競技場のトラックの形を半分にした様なもの）であり、この溝３と、相対するスライドブロック４の平面とによって通過部が形成される。後述のように、制御区間における通過部の開口面積が、円柱弁体２の回転角に略比例するように溝３を形成するのが好ましい。
溝３の深さは目的とする流量により適宜選択することが出来るが、最大深さは円柱弁体２の半径の１０〜７０％が好ましい。７０％を超える深さにすると、回転角に対する開口面積の変化が過大となり、回転角との直線的比例関係のある流量制御が困難になり、好ましくない。

本発明における円柱弁体２及びスライドブロック４には、特に粉粒体などの摩耗性材料を取り扱う際には、耐摩耗性に優れた材料を選定する必要がある。機械加工性の優れた材料としては、機械構造用炭素鋼、例えば、S40C、S45C、S50CあるいはS55Cなどの基材が好ましく用いることが出来るが、取り扱う粉粒体の特性を考慮して他の材料を用いてもよい。
また、超硬工具協会規格（CIS）のV30、V40に規定された炭化タングステンとコバルトを主成分とした超硬合金なども耐摩耗性に優れており、好ましく用いることが出来る。

流量調節弁１に用いる部材に耐摩耗性を付与するために、硬質クロムめっきにより被膜厚さ３０μｍ〜１００μｍで表面皮膜を行ってもよい。さらに、タングステンカーバイド系被膜、グレーアルミナ系被膜、クロミア系被膜、ハステロイ系被膜などの無機系材料を２００μｍ〜５００μｍの厚さで溶射処理により設置することも耐摩耗性の向上の点から特に好ましい。
特に、耐摩耗性向上の観点からはセラミックス系表面皮膜が好ましく、例えば、アルミナセラミックやジルコニアセラミックなどを用いることが出来る。さらに、無機系の粉粒体を扱う場合にはダイアモンドコーティングなどを行ってもよい。
また、本発明に係る流量調節弁においては、スライドブロック４と円柱弁体２が圧縮バネの反力により常に押し付けられて当接しているため、スライドブロック４と円柱弁体２の接触面が磨耗しやすくなるが、圧縮バネ５の強さを適宜調整することにより、磨耗を抑えることができる。

本発明に係る流量調節弁が使用される粉粒体の種類は特に制限されるものではないが、石灰石、生石灰、石炭、鉄鉱石等々の有機質又は無機質の粉粒体を例示できる。使用可能な粉粒体の粒子径も適宜選択可能であるが、平均粒子径として５０〜１５０μｍの範囲が流動性や閉塞性の観点から好ましい。また、粉粒体の固気比（固体成分と気体成分の重量比）も適宜選択できるが、例えば、１０〜８０程度が好ましい。

図３は本発明に係る流量調節弁の主要部である、円柱弁体２とスライドブロック４の構造を説明するための図である。図３において、（Ａ）図は、図２のＡ−Ａ’線に沿った断面図を示すものである。円柱弁体２には溝３が形成され、スライドブロック４は弾性体５を介してケース６に固定されている。また、スライドブロック４は弾性体５の反力により矢印Ｘ方向に押されているため、円柱弁体２に常に当接するようになっている。

なお、図３（Ａ）は回転角θが２４度の場合を示しているが、この実施例では、円柱弁体２の回転角θの増加につれて通過部（図３（Ｂ）参照）の開口面積がほぼ直線的に増加するように溝３が設けられた区間を制御区間といい、制御区間に続いて、制御区間の最大回転角（この実施例では３６度）から所定の角度（この実施例では５４度）進んだところで開口面積が最大になるように溝３が設けられた区間を開放区間という。通過部に粉粒体が詰まった場合は、円柱弁体２を回転させて開放区間における開口面積が最大のところまで回転させて詰まりを一気に解消することができる。
もし、円柱弁体２とスライドブロック４との間に粉粒体をかみ込んだ場合であっても、その分スライドブロックが弾性体の変形により、矢印Ｘと反対方向に後退するので、円柱弁体２の回転が阻害される可能性が低い。

図３（Ｂ）は、図２に示した円柱弁体２とスライドブロック４を真上から見た図を示している。円柱弁体２に形成された溝３とスライドブロック４の平面によって粉粒体が通過する通過部が形成されていることを示している。
なお、スライドブロック４が円柱弁体２と当接する平面上には、粉粒体等の通過する方向（図３（Ａ）の上方から下方に向かう方向）に沿って断面が半円状の溝１１が設けられている。この溝１１を設ける理由は、回転角θが０度の場合でも通過部の開口面積がゼロにならないようにして粉粒体を詰まらないようにするためである。

図４は、本発明に係る流量調節弁１の円柱弁体２とスライドブロック４の平面とで形成される粉粒体等の通過部の形状、通過部の開口面積及び面積に相当する開口径を、円柱弁体２の回転角と対応させて示した表である。
本実施例では、回転角０度のときの開口径は６ｍｍ相当であるので、図３（Ｂ）における溝１１の半径は３ｍｍということになる。なお、粉粒体の最大径は約１ｍｍであり、その５倍以上の通過部の開口径であれば詰まりは発生しないと言われているので、回転角０度のときの開口径が半径３ｍｍ（６ｍｍφ）であれば問題ないと考えられる。

また、開放区間における開口面積が最大となるのは、回転角が９０度の場合であり、その面積は約８３１ｍｍ^２である。一方、制御区間における開口面積の最大値は、回転角が３６度の場合の約１３０ｍｍ^２である。従って、開放区間における開口面積の最大値は、制御区間における開口面積の最大値の約６．４倍である。一般には、２倍以上であれば、詰まりの解消には支障はないと考えられる。

図５は、本実施例における円柱弁体２の回転角θと、通過部の開口面積との関係をグラフで示したものである。データは図４の表に示したものを用いた。図から明らかなように、制御区間（０°≦θ≦３６°）においては、回転角θと通過部の開口面積とはほぼ直線比例関係にある。
また、開放区間（３６°＜θ）においては開口面積が急激に増加しており、θ＝９０°で最大となる。開放区間は、詰まりを迅速に解消することが目的であるから、開口面積が回転角に呼応して急激に増加することは理に適っている。

図６は、本発明に係る流量調節弁１の実施例の変形例を示した図である。図３に示した実施例と異なる点は、円柱弁体２の開放区間（図３参照）の開口面積が最大となる箇所（回転角が９０度の所）であって、溝３が設けられていない箇所（後述の図７（Ｂ）参照）に突起物１２を設けた点のみである。

図７は本発明の変形例における動作状態を示す図である。図７（Ａ）は回転角が９０度の場合における、図２のＡ−Ａ’線に沿った断面図を示すものである。
円柱弁体２の回転角が９０度となった時に、突起物１２によってスライドブロック４が円柱弁体２の回転の中心軸Ｏ−Ｏ’と直交する方向（図の矢印Ｙ方向）に後退させられ、円柱弁体２とスライドブロック４との間に間隙Ｚを発生させることにより、円柱弁体２とスライドブロック４との間に挟まった異物を排出することができる。

図７（Ｂ）は、図２に示した円柱弁体２とスライドブロック４を真上から見た図を示している。円柱弁体２に設けられた突起物１２によってスライドブロック４が矢印Ｙ方向に後退させられ、円柱弁体２とスライドブロック４との間に間隙Ｚが発生する様子を表している。
なお、突起物１２はバランスを考慮し左右に合計２箇所設けるのが好ましいが、片方のみでも構わない。

図８は、本発明の実施例の他の変形例を示した図である。図３と異なる点は、スライドブロック４の平面のうち少なくとも円柱弁体２の側面と当接する箇所を含む部分（図の４ａ）が、スライドブロック４の４ａ以外の部分（図の４ｂ）の材料とは別の材料で構成されている点である。そして、４ａ部分の材料が、４ｂ部分の材料よりも硬いことが特徴である。

スライドブロック４は、上述の通り耐摩耗性に優れた材料を選定する必要があるが、それらの材料は一般的に高価である。しかし、耐摩耗性が要求されるのは、円柱弁体２と接する箇所を含む部分（４ａ）のみであるから、その部分（４ａ）のみを耐摩耗性に優れた材料で構成し、他の部分（４ｂ）はそれよりも柔らかく安価な金属又はプラスチックで構成することにより、コストを抑えることができる。
また、４ａ部分が磨耗して磨り減った場合は、４ａ部分のみを新しいものに交換すればよいので、流量調節弁の耐用年数を延ばすことができる。
以上で実施形態の説明を終了するが、この発明において、流量調節弁の具体的な構成は、実施形態で説明したものに限るものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。すなわち、特許請求の範囲に記載された発明の範囲で適宜変更可能である。

１：流量調節弁
２：円柱弁体
３：流量調節溝
４：スライドブロック
５：弾性体
６：ケース
７：流入路
８：排出路
９：駆動装置
１０：弁体軸受
１１：溝
１２：突起部

Claims (7)

1. 側面に粉粒体等が通過できるように流量調節溝が形成された円柱弁体と、
   少なくとも１つの平面を持つスライドブロックと、
   前記円柱弁体と前記スライドブロックとを収納するケースと備えた流量調節弁であって、
   前記スライドブロックは弾性体を介して前記ケースに固定され、前記円柱弁体の側面と前記平面とが前記弾性体によって押し付けられることにより当接しているとともに、
   前記流量調節溝は、前記円柱弁体の側面の円周側から前記円柱弁体の中心軸方向に切欠き状に設けられ、前記円柱弁体を前記中心軸を中心として回転させることにより前記円柱弁体の前記流量調節溝と前記平面とによって形成される通過部の開口面積を変化させることにより、前記粉粒体等の通過量を調節することを特徴とする流量調節弁。
2. 前記弾性体がバネであることを特徴とする請求項１に記載の流量調節弁。
3. 前記スライドブロックの前記平面のうち前記流量調節溝と対向する箇所に、断面が半円状の溝が前記粉粒体等の通過する方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の流量調節弁。
4. 前記スライドブロックの前記平面のうち少なくとも前記円柱弁体の側面と当接する箇所を含む部分が、前記スライドブロックの前記部分以外の材料とは別の材料で構成され、かつ、前記円柱弁体の側面と当接する箇所を含む部分の材料が、前記スライドブロックの前記部分以外の材料よりも硬いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の流量調節弁。
5. 前記円柱弁体の回転角の増加につれて前記通過部の開口面積が徐々に増加するように前記流量調節溝が設けられた制御区間と、
   前記制御区間に続いて、前記制御区間の最大回転角から所定の角度進んだところで前記開口面積が最大になるように前記流量調節溝が設けられた開放区間とを備え、
   前記開放区間における開口面積の最大値が、前記制御区間における開口面積の最大値の２倍以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の流量調節弁。
6. 前記制御区間における前記通過部の開口面積が、前記回転角に略比例するように前記流量調節溝が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の流量調節弁。
7. 前記円柱弁体の前記開放区間の前記開口面積が最大となる箇所であって、前記流量調節溝が設けられていない箇所に突起物が設けられ、
   前記円柱弁体の回転により前記開口面積が最大となった時に、前記突起物によって前記スライドブロックが前記中心軸と直交する方向に後退させられ、前記円柱弁体と前記スライドブロックとの間に間隙を発生させることを特徴とする請求項５又は６に記載の流量調節弁。