JP7526465B2 - 流量調整弁 - Google Patents

Description

本発明は流量調整弁に関し、より詳しくは、アクチュエータから延設されるステムの撓み等による弁体・弁座の摩耗を防止する流量調整弁に関する。

流量調整弁、特に精密な流量制御が必要な電子バルブでは、弁体が弁座に着座した全閉位置を全閉検知信号から判断し、マイコン等の制御手段でモータ(例えば、ステッピングモータ）を制御し、広範囲のＣｖ値制御を可能としている（例えば、特許文献１参照）。

一般に、この種の流量調整弁は、アクチュエータとしてのステッピングモータの回転を、ボールネジを介して直線運動に変換し、先端に弁体を形成したステムを移動させるようにしている。弁座に対して、弁体の先端の傾斜面が当接して流体の流れを阻止し、弁体が弁座から離間することで流体の流れを許容するようにしている。

また、全閉位置の検出方法として、アクチュエータとして用いるモータのトルクを検知し、ステム先端の弁体が着座することによって閾値を越えたことで全閉位置を検知する技術も公開されている（例えば、特許文献２参照）。

特公平０７－０５８４４４号公報 国際公開第２０１８－１９９０６３号

図７に従来の流量調整弁１００を示す。この流量調整弁１００では、弁体５を弁座７０対して当接離間するアクチュエータ４から延設されるステム３は、弁体５とネジを介して固定されている。またステム３は、ボンネット６内でシール部材６０に囲繞され、流路２０内の流体の外部への漏洩を抑制している。この種の流量調整弁１０では、ステム３は比較的長尺となり、シール部材６０の下端から弁座７０間のステム３に撓みなどが発生すると、弁体５の弁座７０と当接する当接部５０が弁座７０に対して片当たりが生じ、弁体５の当接部５０及び弁座７０に偏摩耗が発生する。この摩耗が進行すると、流量調整弁１００の全閉時に流体の漏れが発生する原因となる。これは、多くの場合には組立時に既に弁座７０の軸心と弁体５の軸心とが若干ズレているにも拘らず、当初弁体５の当接部５０や弁座７０には摩耗が生じておらず、若干程度に撓んだ状態のステム３でも全閉時の漏れは殆ど生じることがなく、使用に伴って弁体５の片当たりによる摩耗が進行し、漏れに繋がると考えられている。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、弁体が弁座に対して片当たりすることがなく、またステムの撓みを吸収することができる流量調整弁を提供することである。

上記課題を解決するためになされた本第１の発明に係る流量調整弁は、ボディ内部に形成される流入口と流出口とを連通する流路と、この流路に配設される端面に弁座を形成した筒状体と、弁座に当接離間し、流路を連通遮断する弁体と、弁体を移動させるアクチュエータとを備える流量調整弁であって、弁体は、弁座と当接する傾斜面を備えた当接部及びアクチュエータから延設されるステムと接続される柱状部が同軸上に一体的に形成され、柱状部には、弁体とステム端面とを接続するボルト頭部が柱状部の軸心と直交する方向に挿通される幅広溝部及びボルトのネジ部が軸心と直交する方向に挿通される幅狭溝部を形成し、幅広溝部及び幅狭溝部とボルトとの軸心と直交する方向に所定の隙間を形成するようにしている。

この流量調整弁は、弁体の柱状部が弁座を形成する筒状体の大径部と摺接し、弁体の弁座に対する片辺りを防止するとともに、ステムの軸心に対して直交する方向へのずれは、幅広溝部及び幅狭溝部とボルトとの間の隙間によって吸収する。

また、同じ課題を解決するためになされた本第２の発明に係る流量調整弁は、ボディ内部に形成される流入口と流出口とを連通する流路と、この流路に配設される端面に弁座を形成した筒状体と、弁座に当接離間し、流路を連通遮断する弁体と、弁体を移動させるアクチュエータとを備える流量調整弁であって、弁体は、弁座と当接する傾斜面を備えた当接部及びアクチュエータから延設されるステムと接続される柱状部が同軸上に一体的に形成され、柱状部には、弁体とステム端面とを接続するボルトの頭部が挿通され、内周面に雌ネジが刻設された有底口を形成し、ボルトのネジ部が挿通される挿通口を備え、外周面に有底口の雌ネジと噛合する雄ネジが刻設された環状のボルト押さえを、有底口に螺合することによってボルト頭部の軸心方向の移動を規制するとともに、有底口及び挿通口とボルトとの軸心と直交する方向に所定の隙間を形成するようにしている。

これら場合において、筒状体は、流入口と連通し反流入口側の端面に弁座を形成する小径路と、小径路と同心で、前記弁体の柱状部が摺接する小径路よりも大径の大径路と、大径路と流出口とを連通する排出路とから構成することができる。筒状体の大径路に、弁体の当接部と同心の柱状部が摺接することで、弁体が筒状体の軸心がズレることがない。

さらに、この場合において、幅広溝部及び環状のボルト押さえとボルト頭部の軸方向の隙間には、低摩耗性部材配設することができる。

低摩耗性部材としては樹脂製材料を用いることができる。樹脂製材料としては、フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）、充填剤入りの四ふっ化エチレン樹脂等、摩擦抵抗が低く摺動性の高い材料を用いることが好ましく、これにより軸心に対して直交する方向へステムがずれてもボルトは、軸方向と直交する方向スムーズに滑り弁体と弁座の軸心がズレることなく、ステムの撓みが弁体と弁座に影響を及ぼさない。

本発明に係るバルブによれば、弁体の柱状部が弁座の筒状体に嵌装されるとともに、弁体はステムに対し軸心と直交する方向に移動可能となっているから、ステムが多少撓んだ場合でもステムの軸心のみが弁座の軸心からズレ、弁座の軸心に対して弁体の軸心がズレることなく、弁体及び弁座に偏荷重が係ることを抑制することができる。

本第１の発明に係る流量調整弁の全閉状態を示す一部切り欠きの正面断面図である。 同流量調整弁の弁座及び弁体部の概略図で、（ａ）は弁座を形成する筒状体を示す断面斜視図、（ｂ）は、弁座の軸心に対し、ステムの軸心がＬだけズレた状態の接合部を示す一部切欠き断面の正面図、（ｃ）は筒状体に弁体を組み込んだ状態を示す斜視図である。 同流調整弁の別の実施例を示す一部切り欠きの正面断面図である。 同別の実施例の流量調整弁の弁座及び弁体部を示す概略図で、（ａ）は弁座を形成する筒状体の断面斜視図、（ｂ）は筒状体に弁体を組み込んだ状態を示す斜視図である。 本第２の発明に係る流量調整弁の全閉状態を示す一部切り欠きの正面断面図である。 同流量調整弁の弁体とステムの接合部の拡大図で、（ａ）は軸心が一致している状態、（ｂ）は軸心がＬだけズレ、弁体が軸心に直交する方向に移動した状態を示す。 従来の流量調整弁の全閉状態を示す一部切り欠きの正面断面図である。

以下、本発明に係るバルブの好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。この実施例に記載されている構成部品の形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。また、便宜的に図面上での方向によって部材等の方向を上下左右と指称することがあるが、これらは本発明の範囲を限定するものではない。

＜実施形態１＞
本第１の発明に係る流量調整弁１の実施形態を、図１～図２に示す。

本発明に係る流量調整弁１は、ボディ２内部に形成される流入口２１と流出口２２とを連通する流路２０と、この流路２０に配設される端面に弁座７０を形成した筒状体７と、弁座７０に当接離間し、流路２０を連通遮断する弁体５と、弁体５を移動させるアクチュエータ４とを備えている。

そして、弁体５は、弁座７０と当接する傾斜面を備えた当接部５０及びアクチュエータ４から延設されるステム３と接続される柱状部５１が同軸上に一体的に形成される。この柱状部５１には、弁体５とステム３の端面とを接続するボルト８の頭部８０が柱状部５１の軸心と直交する方向に挿通される幅広溝部５２及びボルト８のネジ部８１が軸心と直交する方向に挿通される幅狭溝部５３を形成し、幅広溝部５２及び幅狭溝部５３とボルト８との軸心と直交する方向に所定の隙間Ｓを形成されている。

［アクチュエータ］
アクチュエータ４は、弁体５を弁座７０に対し当接離間するようにステム３を上下動させるものであれば特に限定するものではないが、本実施形態ではステッピングモータを採用している。アクチュエータ４のステッピングモータの回転軸は、アクチュエータ４内に上下動可能に備えられたスライダ（図示省略）に配設されるボールネジと接続されている。このボールネジによって、ステッピングモータの回転運動をスライダの直進運動に変換し、スライダに接続されるステムを軸方向に移動させるようにしている

［ボディ］
流入口２１、流出口２２及びこれらを連通する流路２０を形成するボディ２は、その上部に、ステム３が挿通されるボンネット６が配置される。ボンネット６は、ボンネットナット６２によってボディ２に固定される。ボンネット６内にはボディ２内を流通する流体が外部に漏洩することを防止する環状のシール部材６０が配設され、ボンネット６の上部に螺合するグランドナット６１によってシール部材６０は固定されている。

ボンネット６の外周面中央部には雄ネジが形成されており、アキュムレータ４から延設される脚部４０Ａの下部に形成された内周面に雌ネジを備えた環状の取付部が螺合され、ロックナット４０Ｂによって固定される。脚部４０Ａは、２本のバー形状で、アキュムレータ４と環状の取付部と一体構造、例えば鋳物構造であっても構わない。

流路２０に形成される弁座７０は、ボンネット６と同心上の適所に形成されるもので、本実施形態では、ボディ２に螺合するよう外周面に雄ネジが刻設された筒状体７の内周端面に形成するようにしている。

ボディ２に螺合される弁座７０を形成する筒状体７の適所にはＯリング等のシール部材を配設し、流入口２１側からの流体が流出口２２側に漏洩することを防止するようにしている。

［弁体］
弁体５は、従来例と同様ステム３の端面（下端面）３ａに形成されるネジ穴３ｂに螺合されるネジによってステム３と接合される。従来例では弁体５と、ステム３と螺合する雄ネジ部分が一体構造であったため、弁体５はステム３の撓みの影響を受け、弁座７０に対し弁体５が片当たりを起こし偏荷重が発生し漏れに繋がる摩耗が生じていた。本実施形態では、弁体５とステム３の端面３ａに形成されるネジ穴３ｂに螺合される雄ネジ部分とは別体構造となっている。

具体的には、弁体５は、弁座７０と当接する傾斜面を備えた当接部５０及びアクチュエータ４から延設されるステム３の端面３ａと当接する端面を備えた柱状部５１が同軸上に一体的に形成されている。そして、この柱状部５１には、弁体５とステム３の端面とを接続するボルト８の頭部８０が柱状部５１の軸心と直交する方向に挿通される幅広溝部５２及びボルト８のネジ部８１が軸心と直交する方向に挿通される幅狭溝部５３が正面視逆Ｔ字状に形成されている。

そして、この幅広溝部５２及び幅狭溝部５３とボルト８との軸心と直交する方向に所定の隙間Ｓを形成し、ステム３が撓んでもステム３とボルト８のみが軸心と直交する方向に移動（図２（ｂ）参照）し、弁体５の当接部５０の軸心は弁座７０の軸心に対し、偏心することがないように構成されている。

ステム３と弁体５との組付手順を説明する。ボルト８のネジ部８１をステム３の端面３ａに形成されたネジ穴３ｂに所定深さまで捻じ込み、頭部８０に軸心と直交する方向に形成した孔部８０ａが幅広溝部５２の開口側から見える位置になるよう調整し、頭部８０を幅広溝部５２、ネジ部８１を幅狭溝部５３に挿通する。ボルト８の周り止めとして、孔部８０ａに軸状体を挿通し、柱状部５１の周面に形成した二面幅部５１ａを工具で挟持し、弁体５に対して周り止めされているボルト８をステム３に螺合する。

ボルト頭部８０と幅広溝部５２の底面と天面との間、特に天面側にはボルトが軸と直交する方向スムーズに移動するように低摩耗部材８５を配設することが好ましい。天面側に設ける低摩耗部材８５としては、フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）、充填剤入りの四ふっ化エチレン樹脂等、摩擦抵抗が低く摺動性の高い樹脂製の低摩耗ワッシャを用いることが好ましい。

次に、ステム３の軸心が弁座７０の軸心に対し偏心した状態で組み立てられた時（組立時において弁体５の軸心も弁座７０の軸心に対して偏心した状態となる）の、弁体５の軸心補正について説明する。

例えば、ステム３が組立時の撓みなどによって弁座７０の軸心に対し正面視で左にＬだけズレている場合、アクチュエータ４の作動によって全開状態からステム３が下降を始めると、弁体５の当接部５０の左側が先に当接し、なおもステム３が下降すると当接部５０と弁座７０との右側の隙間に向かって弁体５は、軸方向の規制は抑制されているものの、上述した通り軸心に直交する方向には移動可能に構成されているから、下側に移行しつつ、軸心に直交する右側に移動する（図２（ｂ）参照）。そして、弁座７０に対して当接部５０が均一に当接した状態で、弁体５の下側への移行は止まり全閉位置検知手段（図示省略）によって全閉位置が検知され、全閉位置として記録し、アクチュエータ４（例えば、ステッピングモータ）の基本位置として制御装置（図示省略）に記録され、流量調整弁１の運転制御行う。

＜実施形態１の別の実施例＞
本第１の発明に係る流量調整弁１０の実施形態の別の実施例を、図３～図４に示す。

この流量調整弁１０は、弁座７０を形成する筒状体７の形状が異なる以外、実施形態１と同様の構成であり、同様の構成についてはその説明を省略する。

本実施例に使用する筒状体７は、図４（ａ）に示すように、流入口２１と連通し反流入口側の端面７ａに弁座７０を形成する小径路７１と、小径路７１と同心で、弁体５の柱状部５１が摺接する大径路７２と、大径路７２と流出口２２とを連通する排出路７３とを備えている。排出路７３の数は、特に限定するものではないが、周方向に複数形成することが好ましい。

大径路７２に柱状部５１を摺接させることで、組立時の弁体５が弁座７０に着座する前から、換言するとアキュムレータ４を作動し、開弁状態から閉弁状態に移行させることなく両者の軸心は一致し、ステム３の軸心がズレているときは開弁状態の時から、弁体５の軸心は、ステム３の軸心から移動し、弁座７０の軸心と一致し、その位置を保持する。

＜実施形態２＞
本第２の発明に係る流量調整弁の実施形態を、図５～図６に示す。

この流量調整弁は、実施形態１の弁体５の柱状部５１へのボルト８の係合方法を変更したもので、それ以外の構成は、第１実施例と同様であり、同様の構成についてはその説明を省略する。

流量調整弁１１の柱状部５１には、弁体５とステム３の端面とを接続するボルト８の頭部８０が挿通され、内周面に雌ネジ５４ｂが刻設された有底口５４を形成している。有底口５４の内径は、ボルト８の頭部８０の外径よりも大径で、後述する隙間Ｓが形成される。そして、中心にボルト８のネジ部８１が挿通される挿通口９０を備え、外周面に有底口５４に形成した雌ネジと噛合する雄ネジ９ｂが刻設された環状のボルト押さえ９を、有底口５４の雌ネジ５４ｂに螺合することによってボルト８の頭部８０の軸心方向の移動を規制している。この際、ボルト８には低摩耗部材８５として上述した低摩耗ワッシャを配設することが好ましい。

そして、有底口５４及び挿通口９０とボルト８との軸心と直交する方向に所定の隙間Ｓを形成しており、実施形態１と同様に、ステム３及びボルト８とは別個に、軸心に直交する方向に弁体５の移動を許容するように構成されている。図６（ｂ）は、ステム３が組立時の撓みなどによって弁座７０の軸心に対しＬだけズレている場合に、ステム３と弁体５が相対的に軸と直交する方向にＬだけ移動した状態を示す。

また、本実施形態の流量調整弁１１は、図５に示すように実施形態１の別の実施例で説明した、大径路７２を備え、弁体５の柱状部５１を摺接させるようにした筒状体７を用いているが、実施形態１のような大径路７２を備えていない筒状体７を用いるようにすることもできる。

本発明の流量調整弁は、弁体と弁座の軸心のズレが生じることがなく経年変化による流体の漏れを抑制することができるから、流体の精密な制御用として、また、カロリーメータの冷媒制御、水素燃料、圧縮天然ガス等の流量制御を行うための流量調整弁として好適に用いることができる。さらに、ステムと弁体を取り換えることで、既設の流量調整弁の改造の用途にも用いることができる。

１ 流量調整弁
２ ボディ
２０ 流路
２１ 流入口
２２ 流出口
３ ステム
４ アクチュエータ
５ 弁体
５０ 当接部
５１ 柱状部
５２ 幅広溝部
５３ 幅狭溝部
６ ボンネット
７ 筒状体
７０ 弁座
７１ 小径路
７２ 大径路
７３ 排出路
８ ボルト
８０ 頭部（ボルト頭部）
８１ ネジ部
９ ボルト押さえ
９０ 挿通口

Claims (3)

1. ボディ内部に形成される流入口と流出口とを連通する流路と、
   該流路に配設される端面に弁座を形成した筒状体と、
   該弁座に当接離間し、前記流路を連通遮断する弁体と、
   該弁体を移動させるアクチュエータとを備える流量調整弁であって、
   前記弁体は、前記弁座と当接する傾斜面を備えた当接部及びアクチュエータから延設されるステムと接続される柱状部が同軸上に一体的に形成され、
   前記柱状部には、弁体とステム端面とを接続するボルト頭部が柱状部の軸心と直交する方向に挿通される幅広溝部及びボルトのネジ部が軸心と直交する方向に挿通される幅狭溝部を形成し、
   前記幅広溝部及び幅狭溝部とボルトとの軸心と直交する方向に所定の隙間を形成する流量調整弁。
2. 前記筒状体は、流入口と連通し反流入口側の端面に弁座を形成する小径路と、
   該小径路と同心で、前記弁体の柱状部が摺接する大径路と、
   大径路と流出口とを連通する排出路とを備えた請求項１に記載の流量調整弁。
3. 前記幅広溝部と前記ボルト頭部の軸方向の隙間に、低摩耗部材を充填した請求項１又は２に記載の流量調整弁。

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