JP7425522B2 - 流量制御弁 - Google Patents

Description

本願に開示の技術は、弁体と弁口との間隔を変化させることにより流体の流量を制御する流量制御弁に関する。

従来、閉弁時において圧縮コイルばねなどの弾力が弁体に作用して確実に閉止されるようにした流量制御弁が特許文献１などに開示されている。

特許文献１には、弁室に連通する流入ポートと流出ポートが互いに直角をなして形成され、流出ポート側に弁口が形成され、弁体は有底筒形をなして弁体ガイドに嵌合し、電動アクチュエータにより直線方向に駆動される弁杵には弁体内とその外に係止部が形成され、内側の係止部と弁体の底面との間に圧縮コイルばねが装着され、閉弁状態において圧縮コイルばねの弾力により弁体が弁座に押し付けられる電動流量制御弁が開示されている。

実開平４－８８５７４号公報

特許文献１の電動流量制御弁では、電動アクチュエータの駆動により弁杵を下降させて、弁体が弁座に接触して弁口を閉じた状態で、さらに弁杵を下降させると、圧縮コイルばねが圧縮されてその弾力により弁体が弁座に押し付けられ、確実に閉止することができる。

しかしながら、耐久性や弾性力の点から圧縮コイルばねは金属製であることが多く、特許文献１のように流路内に圧縮コイルばねを装着する場合、流量を制御する流体が湯水などの場合、湯水に晒されて錆などが発生して劣化しやすいという問題がある。また、圧縮コイルばねで付勢する場合、付勢力を大きくするためには、圧縮コイルばねも大きくしなければならない。そのため、流量制御弁自体が大型化し、コストが高くなってしまうという問題もある。

本願に開示される技術は、上記の課題に鑑み提案されたものであって、弁体に付勢して確実に閉止する付勢部材を流体に晒すことなく、かつ、流量制御弁の大型化を抑止することが可能な流量制御弁を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため請求項１に係る流量制御弁は、ケーシングと、モータと、モータの駆動で回転するシャフトと、シャフトの周面に形成されたネジ部に螺合し、シャフトの回転により該回転軸の軸線方向に移動し、シャフトとは対向する端部に弁体を設けたニードルと、弁口と、弁口の上端部の周囲に設けられた弁体が着座する弁座と、シャフトとニードルとを係合した状態でケーシング内に支持するホルダーとを備え、ニードルの先端に設けた弁体と弁口の開度を増減制御して弁口を通過する流体の流量を制御する流量制御弁において、ホルダーは、隔壁と、該隔壁を挟んで回転軸の軸線方向に沿って、弁口側に開口する第１の開口部と、モータ側に開口する第２の開口部とを備え、かつ、隔壁の中心にはシャフトが回転軸の軸線方向に移動自在に挿入される貫通穴が設けられており、ニードルは、ホルダーの第１の開口部において、ホルダーに対して回り止めされた状態でシャフトの回転軸線方向に移動自在にホルダーに支持されており、ホルダーの第２の開口部は、隔壁により流体の流路とは隔離されており、第２の開口部において、閉弁時にニードルと一体としてシャフトを弁口方向（閉弁方向）に付勢する付勢部材をシャフトとケーシングとの間に介在させたことを特徴とする。

請求項２に係る流量制御弁は、請求項１に記載の流量制御弁において、付勢部材は、少なくとも１つ以上のウェーブスプリングからなり、該ウェーブスプリングの中心には、少なくともシャフトが貫通する空洞が設けられていることを特徴とする。

請求項３に係る流量制御弁は、請求項１または２に記載の流量制御弁において、シャフトとケーシングとの間には、モータ側に開口し、付勢部材を囲うバネ受けを設けたことを特徴とする。

請求項４に係る流量制御弁は、請求項３に記載の流量制御弁において、バネ受けは、シャフトとは独立して配設されることを特徴とする。

請求項１に係る流量制御弁では、ニードルの先端に設けた弁体が弁座に着座した状態でさらにシャフトを回転させて、（ニードルに対して）シャフトを後退させると、シャフトとケーシングとの間に介在させた付勢部材が圧縮され、生じた付勢部材の付勢力によりニードルとシャフトとを係合した状態でニードルが弁口側に付勢されるため、ニードルの先端に設けた弁体により弁口を完全に閉止させることができる。さらに、隔壁により流体の流路と隔離した、弁体とは反対側の開口部（第２の開口部）に付勢部材を配置したことにより、付勢部材が湯水などに晒されることを抑止できる。そのため、付勢部材が金属製の場合でも錆の発生を抑止することができる。

請求項２に係る流量制御弁では、付勢部材は、少なくとも１つ以上のウェーブスプリングからなる。ウェーブスプリングは、小スパンでコイルバネと同荷重の付勢力が得られることから、小スペースに付勢部材を収納できる。これにより、部品の大型化が抑止され、コストも低減できる。

請求項３に係る流量制御弁では、付勢部材を囲う（例えばカップ形状の）バネ受けを設けることにより、シャフトがモータ側に後退する場合に、バネ受けのモータ側の端部をケーシングに当接させるようにする。これにより、付勢部材への過剰の負荷を抑止することができて、付勢部材の過剰変形を抑止することができる。

請求項４に係る流量制御弁では、バネ受けをシャフトから独立させることにより、シャフトが回転してもバネ受けや付勢部材の回転が抑止されるため、バネ受けや付勢部材の回転によるねじれ応力を抑止することができる。

本発明にかかる一実施形態である流量制御弁の開状態での断面図である。 本発明にかかる一実施形態である流量制御弁の閉状態での断面図である。 流量制御弁の閉状態においてさらに弁体を閉弁方向に付勢した状態を説明する断面図である。 本発明にかかるホルダーの（Ａ）上面図、（Ｂ）正面図、（Ｃ）下面図である。 本発明にかかるニードルの（Ａ）上面図、（Ｂ）正面図、（Ｃ）下面図である。 本発明にかかるシャフトの（Ａ）上面図、（Ｂ）正面図、（Ｃ）下面図、（Ｄ）断面図である。 本発明にかかるカップ（バネ受け）の（Ａ）上面図、（Ｂ）正面図である。 本発明にかかるウェーブスプリング（付勢部材）の（Ａ）上面図、（Ｂ）正面図である。 本発明にかかる（Ａ）ホルダーとカップの係合状態、（Ｂ）ホルダーとニードルの係合状態を説明する図である。

まず、本発明にかかる一実施形態である流量制御弁１について図面を参照して説明する。流量制御弁１は、たとえば給湯器などに接続される各種の給湯用配管の途中に設けられて使用される。このため、本実施形態においては、流量制御対象となる流体は、湯水および水とする。尚、説明中に方向を示す「上」、「下」など方向を示す記載は図面に対して示したものであり、実際の位置関係を示したものではない。

図１は、流量制御弁１の開弁状態における断面図である。流量制御弁１はボディ２を有している。ボディ２の下部の一側には第１接続筒１４が側方へ向けて突設されている。ボディ２の下部の下側には、第１接続筒１４の軸心に対して垂直に第２接続筒１５が下方に向けて突設されている。第１接続筒１４の内部には流体の流入側となる一次室１７が形成されている。一方、第２接続筒１５の内部には流体の流出側となる二次室１８が形成されている。

一次室１７は奥部に行くにつれて次第に窄まるようにして形成されている。二次室１８の上方のボディ２の内部は略円柱状の開口部となっており、下述する弁機構２０を収納する弁室１６が設けられている。弁室１６の上端部は開口しており、その上端、すなわち、ボディ２の上方にはブラケット４を介してモータ機構３が図示しないネジなどによりボディ２の上面に取り付けられるとともに、下述する弁機構２０を構成するホルダー５が、その上端部がボディ２の上端とブラケット４との間に挟持されてボディ２に組付け保持されている。モータ機構３は図示しないモータや駆動部より構成されており、下述するシャフト７を回転駆動する。本実施形態では、モータとしてステッピングモータを採用するが、これに限定することなく、ＤＣモータやギヤードモータなども採用可能である。

弁室１６は、それぞれ円柱状に形成された、上部の上部開口部１６ａと、上部開口部１６ａよりやや径が小さい下部の下部開口部１６ｂとが連続して構成された開口部である。弁室１６と二次室１８との間には、弁室１６と二次室１８とを連通する円柱状の開口部からなる弁口１９が設けられている。弁口１９と弁室１６との境界には弁座１３が弁室１６の方向に突出して設けられている。弁座１３は上面が円弧状で下部開口部１６ｂの外周に沿って円環状に形成されており、下述するように、流量制御弁１の閉弁時において、パッキン１２が弁座１３に着座する。

次に本発明にかかる流量制御弁１の弁機構２０について図面を参照して説明する。

弁機構２０は、上述したようにボディ２に組付け保持されたホルダー５と、モータ機構３により回転するシャフト７と、シャフト７の雄ネジと嵌合する雌ネジを設けてシャフト７の回転によりホルダー５内を上下方向に摺動可能なニードル６と、閉弁時にニードル６と一体としてシャフト７を弁口１９の方向（閉弁方向）に付勢するウェーブスプリング９と、ウェーブスプリング９を囲うカップ（バネ受け）８とから構成される。また、ニードル６の下端部には、閉弁時に弁座１３に着座するパッキン１２が設けられている。ボディ２とホルダー５との間にはＯリング１０が、また、ホルダー５とニードル６との間にはＯリング１１が設けられ、これらＯリングによりシール状態が保持されることにより、弁室１６内において、ウェーブスプリング９とカップ８が設けられた弁室１６の上部開口部１６ａと、パッキン１２などが設けられた湯水や水の流路である弁室１６の下部開口部１６ｂとが隔離されるようになっている。なお、パッキン１２は（図示はしない）例えば、パイプ状のような取付部材により、ニードル６に固定されている。

弁機構２０を構成する各部品について、その詳細を説明する。

図４はホルダー５の（Ａ）上から見た上面図、（Ｂ）正面図（透視図）、（Ｃ）下から見た下面図である。図４に示すようにホルダー５は、正面図において上から、ボディ２の上端とブラケット４との間に挟持される上部取付部５ａ、円筒状の上部ホルダー部５ｂ、外径が上部ホルダー部５ｂより小さい円筒状で下部にＯリング１０を嵌め込むためのホルダー凹部５ｄを設けた下部ホルダー部５ｃから形成されている。上部ホルダー部５ｂの外径は弁室１６の上部開口部１６ａ内径よりやや小さく、また、ホルダー凹部５ｄを挟む上下の凸部５ｋの外径、および、５ｍの外径の最大径は弁室１６の下部開口部１６ｂの内径よりやや小さくなっており、これにより、ホルダー５は、弁室１６内に収納され、かつ、ボディ２に取り付け保持されるようになっている。

上部取付部５ａには上方に開口する円柱形状の上部開口部５ｆが、また、下部ホルダー部５ｃには下方に開口する下部開口部５ｇが設けられており、上部開口部５ｆと下部開口部５ｇとの間には中央にシャフト７が貫通する貫通穴５ｎを設けた隔壁５ｐが設けられている。貫通穴５ｎの径はシャフト７が摺動可能程度にシャフト７の外径よりやや大きく設定されている。また、図４の（Ａ）に示すように上部開口部５ｆの内側面にはカップ８の回転を係止するための上下方向に伸長する角柱形状の上部凸部５ｈが設けられており、図４の（Ｃ）に示すように下部開口部５ｇの内側面には相対する位置にニードル６の回転を係止するための上下方向に伸長する角柱形状の下部凸部５ｊ、５ｊが設けられている。

図４の（Ａ）および（Ｃ）に示すように、上部取付部５ａには、モータ機構３をホルダー５およびブラケット４を介してボディ２に取り付けるための（図示しない）ネジが貫通するネジ穴５ｅ、５ｅが設けられている。

図５はニードル６の（Ａ）上から見た上面図、（Ｂ）正面図（透視図）、（Ｃ）下から見た下面図である。図５に示すようにニードル６は、正面図において上から、外径がホルダー５の下部開口部５ｇの開口径よりやや小さい円筒状の上部ニードル部６ａ、外径が上部ニードル部６ａより小さい円筒状でＯリング１１を嵌め込むためのニードル凹部６ｅ、外径が上部ニードル部６ａと略同一の円筒状の下部ニードル部６ｂ、パッキン１２が取り付けられるパッキン凹部６ｆが設けられたニードル下端部６ｃ、ニードル下端部６ｃの下端面に円周上に略等間隔に設けられたニードルガイド６ｇ、６ｇ、６ｇから形成されている。ニードルガイド６ｇ、６ｇ、６ｇの外面から形成される外接円の径は弁口１９の開口径よりやや小さく、ニードルガイド６ｇ、６ｇ、６ｇが弁口１９内を上下方向に摺動させることにより、ニードル６が上下方向に移動する際に、ニードル６を弁口１９の中心軸に案内する。

図５の（Ｂ）に示すように、ニードル６には上部ニードル部６ａからニードル下端部６ｃに亘って伸長し、上方に開口するニードル開口部６ｈが設けられている。ニードル開口部６ｈの内側面は、シャフト７の雄ネジ７ｆと嵌合する雌ネジが加工されている。また、図５の（Ａ）および（Ｂ）に示すように、上部ニードル部６ａの外側面にはホルダー５の下部凸部５ｊ、５ｊに嵌合するニードル凹部６ｄ、６ｄが相対する位置に設けられている。

図６は、シャフト７の（Ａ）上から見た上面図、（Ｂ）正面図、（Ｃ）下から見た下面図、（Ｄ）断面図である。図６に示すように、シャフト７には、正面図において上から、それぞれ異なる径の円柱状の上部シャフト部７ａ、シャフト支持部７ｂ、下部シャフト部７ｃから形成されている。上部シャフト部７ａの上部にはモータ機構３内の図示しないギア部と嵌合するギア部７ｅが設けられ、下部シャフト部７ｃの側面にはニードル開口部６ｈに加工された雌ネジと嵌合する雄ネジ７ｆが加工されている。また、図６の（Ｄ）に示すように、シャフト７には上部シャフト部７ａから下部シャフト部７ｃに亘って伸長し、上方に開口するシャフト開口部７ｄが設けられている。

図７は、カップ８の（Ａ）上から見た上面図、（Ｂ）正面図である。図７に示すように、カップ８は、円錐台形状の上部カップ部８ａ、円柱形状の下部カップ部８ｂから形成されている。上部カップ部８ａには、ウェーブスプリング９が配されるための円柱形状で上方に開口するカップ開口部８ｃが設けられ、下部カップ部８ｂにはカップ開口部８ｃに連通し、シャフト７の上部シャフト部７ａが貫通するカップ貫通穴８ｄが設けられている。また、カップ８の外側面には、ホルダー５の上部凸部５ｈに嵌合するカップ凹部８ｅが設けられている。

図８は、ウェーブスプリング９の（Ａ）上から見た上面図、（Ｂ）正面図である。ウェーブスプリング９にはシャフト７の上部シャフト部７ａが貫通する開口部９ａが設けられている。尚、本実施形態では、ウェーブスプリング９は、高い付勢力を得るため、金属であるステンレスで形成されている。ここで、ウェーブスプリング９はステンレス製に限定するものでななく、必要する付勢力や用途に応じて他の材質ものもでも採用可能である。

図９は、本実施形態における（Ａ）ホルダー５とカップ８の係合状態、（Ｂ）ホルダー５とニードル６の係合状態を説明する図である。上述したように、ホルダー５の上部凸部５ｈとカップ８のカップ凹部８ｅとが嵌合し、ホルダー５の下部凸部５ｊ、５ｊとニードル６のニードル凹部６ｄ、６ｄとが嵌合するため、シャフト７が回転しても、ニードル６およびカップ８は回転が係止されるようになっている。

次に、上記のように構成された本発明にかかる流量制御弁１の弁機構２０の作用効果を説明する。図１は、上述のように、流量制御弁１の開弁時の断面図であり、図２は、流量制御弁１の閉弁時の断面図である。

図１に示すように、流量制御弁１を開弁する時は、モータ機構３によりシャフト７を回転させてニードル６を上方に移動させる。上記のように、シャフト７の雄ネジ７ｆとニードル６の雌ネジとは嵌合しており、また、ニードル６はホルダー５により回転を係止されているため、シャフト７を回転させるとニードル６は回転が抑止された状態で、ホルダー５の下部開口部５ｇ内をシャフト７の軸方向に上方移動する。シャフト７を回転させてニードル６を上方に移動させると、図１に示すように、弁座１３からニードル６の下端部に設けられたパッキン１２が隔離して弁口１９が開口し、流体である湯水または水が一次室１７から弁室１６および弁口１９を介して二次室１８に流れるようになる。弁体であるパッキン１２と弁口１９との開度を制御することにより、弁口１９に流れる湯水または水の流量を制御することができる。ここで、前述のように、ニードル６は回転することなくホルダー５の下部開口部５ｇ内を移動するため、ホルダー５に対してシール状態を保持するＯリング１１の摩耗を抑止することができる。これによりＯリング１１の寿命を延ばすことができるため、メンテナンスが容易になる。

図２に示すように、流量制御弁１を閉弁する時は、モータ機構３によりシャフト７を上記開弁する時とは逆の方向に回転させてニードル６を図２の矢印（１）のように下方に移動させる。上記のように、ニードル６のニードルガイド６ｇ、６ｇ、６ｇにより、ニードル６は弁口１９の中心軸に沿って下方に移動させることができる。ニードル６が下方に移動してニードル６の下端部に設けられたパッキン１２が弁座１３に着座すると弁口１９は閉止されて、閉弁する。

しかしながら、図２に示す閉弁状態では、パッキン１２と弁座１３との間に隙間が生じて弁口１９を完全に閉止できない場合がある。そこで、弁口１９を完全に閉止するために、さらにパッキン１２を弁座１３に少し押し込む必要がある。

図３は、流量制御弁１の閉弁状態においてさらにパッキン１２を弁座１３に少し押し込んで、弁口１９を完全に閉止させた状態を説明する断面図である。

図２に示す閉弁状態で、さらにモータ機構３によりシャフト７を閉弁方向に回転させる。本実施形態では、予めシャフト７の上端部とモータ機構３との間には所定の隙間が設けられているため、閉弁状態でさらにモータ機構３によりシャフト７を閉弁方向に回転させると、図３の矢印（１）に示すように、シャフト７がモータ機構３の方向に移動する。すると、シャフト７とブラケット４との間に配されたカップ８内のウェーブスプリング９がシャフト７の移動により圧縮される。圧縮されたウェーブスプリング９の付勢力により、シャフト７がニードル６と一体として弁口１９の方向に押圧されるため、図３の矢印（２）に示すように、ニードル６がシャフト７と一体として弁口１９の方向に移動し、これにより、ニードル６の下端部に設けられたパッキン１２を弁座１３に押し込んで弁口１９を完全に閉止させることができる。ウェーブスプリング９のバネ受けであるカップ８は、シャフト７がモータ機構３に移動する際にカップ８の上端面をブラケット４に当接させて、シャフト７が過度に移動することを抑止するために設けたものであり、これにより、ウェーブスプリング９の過剰変形を抑止し、ウェーブスプリング９の損傷を防止することができる。また、上記のように、カップ８はシャフト７から独立しており、かつ、ホルダー５により回転を抑止されているので、カップ８やウェーブスプリング９の回転によるねじれ応力を抑止することができる。

また、本実施形態で採用したウェーブスプリング９は、従来の流量制御弁で用いられているコイルバネに比べ、小スパンでコイルバネと同荷重の付勢力が得られることから、小スペースにウェーブスプリング９を収納できる。これにより、部品の大型化が抑止され、コストも低減できる。

さらに、ウェーブスプリング９を収納したカップ８は、ホルダー５の隔壁５ｐやＯリング１１により湯水や水が流れる流路と隔離したホルダー５の上部開口部５ｆに配されているため、ウェーブスプリング９が湯水などに晒されることを抑止できるため、ウェーブスプリング９に錆が発生することを抑止することができる。

以上のように、本実施形態である流量制御弁１では、閉弁時にさらにパッキン１２を付勢して確実に閉止するウェーブスプリング９を流体である湯水または水に晒すことなく、かつ、小スペースに収納できるウェーブスプリング９の採用により流量制御弁の大型化を抑止することができるのである。

ここで、流量制御弁１は流量制御弁の一例である、ボディ２はケーシングの一例であり、モータ機構３はモータの一例であり、シャフト７はシャフトの一例であり、ニードル６はニードルの一例であり、弁口１９は弁口の一例であり、パッキン１２は弁体の一例であり、弁座１３は弁座の一例であり、ホルダー５はホルダーの一例であり、隔壁５ｐは隔壁の一例であり、下部開口部５ｇは第１の開口部の一例であり、上部開口部５ｆは第２の開口部の一例であり、ウェーブスプリング９は付勢部材の一例であり、カップ８はバネ受けの一例である。

以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、これらはあくまでも例示であって、本発明はかかる実施形態における具体的な記載によって、何等、限定的に解釈されるものでなく、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることが、理解されるべきである。

１・・流量制御弁
２・・ボディ
３・・モータ機構
５・・ホルダー
６・・ニードル
７・・シャフト
８・・カップ
９・・ウェーブスプリング
１０、１１・・Ｏリング
１２・・パッキン
１３・・弁座
１６・・弁室
１７・・一次室
１８・・二次室
１９・・弁口
２０・・弁機構

Claims (4)

1. ケーシングと、
   モータと、
   前記モータの駆動で回転するシャフトと、
   前記シャフトの周面に形成されたネジ部に螺合し、前記シャフトの回転により該回転軸の軸線方向に移動し、前記シャフトとは対向する端部に弁体を設けたニードルと、
   弁口と、
   前記弁口の上端部の周囲に設けられた前記弁体が着座する弁座と、
   前記シャフトと前記ニードルとを係合した状態で前記ケーシング内に支持するホルダーとを備え、
   前記ニードルの先端に設けた前記弁体と前記弁口のと増減制御して前記弁口を通過する流体の流量を制御する流量制御弁において、
   前記ホルダーは、隔壁と、該隔壁を挟んで前記回転軸の軸線方向に沿って、前記弁口側に開口する第１の開口部と、前記モータ側に開口する第２の開口部とを備え、かつ、前記隔壁の中心には前記シャフトが前記回転軸の軸線方向に移動自在に挿入される貫通穴が設けられており、
   前記ニードルは、前記ホルダーの前記第１の開口部において、前記ホルダーに対して回り止めされた状態で前記シャフトの回転軸線方向に移動自在に前記ホルダーに支持されており、
   前記ホルダーの前記第２の開口部は、前記隔壁により流体の流路とは隔離されており、
   前記第２の開口部において、閉弁時に前記ニードルと一体として前記シャフトを弁口方向（閉弁方向）に付勢する付勢部材を前記シャフトと前記ケーシングとの間に介在させたことを特徴とする流量制御弁。
2. 前記付勢部材は、少なくとも１つ以上のウェーブスプリングからなり、
   該ウェーブスプリングの中心には、少なくとも前記シャフトが貫通する空洞が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の流量制御弁。
3. 前記シャフトと前記ケーシングとの間には、前記モータ側に開口し、前記付勢部材を囲うバネ受けを設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の流量制御弁。
4. 前記バネ受けは、前記シャフトとは独立して配設されることを特徴とする請求項３に記載の流量制御弁。

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