JP7530720B2 - 流量制御針付き比例流量制御ポペット弁 - Google Patents

Description

本願開示は、ステッピングモータによって操作される流量制御弁に関する。より詳細には、ダイヤフラムによって密閉され、流量制御針を備える流量制御弁に関する。

このセクションは、本願開示に関連する背景技術情報を提供するが、必ずしも従来技術ではない。

ステッピングモータで操作することにより、全開位置と全閉位置の間の流量変動を制御する正確さの向上が求められる弁において、弁部材の位置の反復性を向上させることができる。作動装置への流体体積または流体圧力の正確な供給を必要とする用途には、他の公知のバルブアクチュエーターと比較して、ステッピングモータによって提供される正確さが有用となりうる。しかしながら、公知のステッピングモータ作動式流量制御弁は、通常、ステッピングモータの回転力を、弁部材を開弁位置と閉弁位置との間で往復するよう並進運動させるために使用される長手方向の力に変えるための、ギアシステムまたは多方向駆動システムが必要である。したがって、一般的な駆動システムでは、複数の可動部品を駆動するために、操作力が失われてしまう。公知のシステムの複数の可動部品の複雑さ、電力損失、許容誤差によっても、そもそも弁の作動にステッピングモータを使用する主な理由の一部である弁の位置の正確さと反復性が低下する。

一般的なステッピングモータで作動する流量制御弁（例えば、ポペット弁）で使用される弁部材は、マニホールドを通る流体の流れ（例えば、圧縮空気）を制御する。そのようなマニホールドは、ソータ、包装機械、フードプロセッサー、製紙機械などの機器の一部であり得る。弁部材は、通常、ゴム製オーバーモールドを備え、および／または弁部材は、ゴム製の弁座に接触して閉鎖し、流体密封シールを形成する。このような流量制御弁は、何百万回も作動する可能性がある。時間が経過すると、弁部材のゴム製オーバーモールドやゴム製弁座が摩耗したり、永久的に変形したりして、流量制御弁の精度（つまり、流量分解能）が低下する。

従来の流量制御弁では、弁部材は弁本体内に摺動可能に配置される。閉位置では、弁部材は、一般に、弁本体の弁座と接触して保持される。開位置では、ステッピングモータは、一般に、弁部材を弁座から離間させ、その間に隙間を形成する。米国特許第３，９８５，３３３号（Ｐａｕｌｓｅｎ）に開示されるように、ベローズ形状のダイヤフラムを使用して、弁本体と弁部材の間にシールを設けることができる。このようなダイヤフラムは、弁部材の長手方向の移動を可能にしつつ、汚染物質がモータハウジングに侵入するのを防ぐことができる。

弁本体は、マニホールドに設けられたボアに収納されるように設計されている。マニホールドは、通常、マニホールドボアと流体連通して配置された複数の通路を備える。作動中、流量制御弁はこれらの複数の通路の間の流体の流れを制御する。弁本体をマニホールドボア内に密閉するために、通常、弁本体の外側にＯリングシールが設けられる。

ステッピングモータで作動する流量制御弁は、作動装置に供給できる流体体積または流体圧力の精度を上げるものの、より向上された精度を有する流体制御弁が依然として求められる。特に、低い流体流量でより良好な流量分解能を提供できる流量制御弁が依然として求められる。

このセクションは、本願開示の概要を提供するが、発明の全範囲および特徴の包括的開示ではない。

本願開示は、弁本体と、弁本体に接続されるステッピングモータとを備える改良された流量制御弁を提供する。弁本体は、弁本体遠位端部と弁本体近位端部とを有する。ポペットボアは、長手軸に沿って、弁本体を貫通して延びる。弁本体遠位端部は、弁座を備える。弁部材は、ポペットボア内に配置される。弁部材は、ポペットとドライブヘッドを備える。ポペットはドライブヘッドに接続され、開位置と閉位置の間でポペットボア内を摺動可能である。ポペットは、ポペット遠位端部とポペット近位端部とを備える。

ドライブヘッドはねじ付ボアを有し、ステッピングモータは、ドライブヘッドのねじ付ボアと螺合するシャフトを有する。ステッピングモータは、開位置と閉位置の間で、長手軸に平行な長手方向に弁部材を変位させるように作動する。弁部材は、閉位置において弁座と当接し、開位置において弁座から離れるように変位する弁座係合面を備える。

ダイアフラムは、弁本体から弁部材まで内側へ延出する。ダイアフラムは、弁本体および弁部材に接続され、長手軸に沿った弁部材の移動に応じて撓む。流量制御弁は、入口および出口を有する。入口および出口はそれぞれ、弁本体を貫通してポペットボアまで延びる。

流量制御針が、弁部材のポペットに搭載される。流量制御針は、ポペット遠位端部から突出し、弁部材が閉位置にあるとき、少なくとも一部が出口に収容される。流量制御針は、出口の内面と協働し、弁部材が開位置と閉位置の間を移動する際サイズが変わる出口流量オリフィスを規定する。この設計によれば、弁部材の弁座係合面と弁本体の弁座との間の界面の代わりに、流量制御針と出口の内面との間の界面が流量を制御する。すなわち、流量制御針と出口の内面との間の界面が流量を制御し、弁部材の弁座係合面と弁本体の弁座との間の界面は、弁部材が閉位置にあるとき（すなわち、流量ゼロ）、流体密封シールを形成する。密封シール界面が流量制御界面とは別なので、密封シール界面近傍での変化および変形は、流量制御界面に影響せず、その結果、精度（すなわち、流量分解能）が向上する。

さらなる適用範囲は、本明細書の記載から明らかになるだろう。この発明の概要における記載および特定の実施例は、説明の目的のためだけであり、本願開示の範囲を限定することを意図しない。

本明細書で説明される図面は、選択された実施形態の例示のみを目的とし、すべての可能な実装を目的とするものではなく、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
本願開示にしたがって構成された例示的流量制御弁の側面斜視図。 図１に示される例示的流量制御弁の部分的側面断面図。 閉位置にある流量制御弁を示す、図１に示される例示的流量制御弁の拡大された部分的側面断面図。 開位置にある流量制御弁を示す、図１に示される例示的流量制御弁の拡大された部分的側面断面図。 本願開示にしたがって構成された例示的流量制御弁の側面斜視図。 図５に示される例示的流量制御弁の部分的側面断面図。 閉位置にある流量制御弁を示す、図５に示される例示的流量制御弁の拡大部分側面断面図。 開位置にある流量制御弁を示す、図５に示される例示的流量制御弁の別の拡大部分側面断面図。 マニホールドに搭載される、図５に示される例示的流量制御弁の部分的側面断面図。 図面のいくつかを通して、対応する参照番号は、対応する構成部品を示す。

添付の図面を参照して、例示的実施形態をより完全に記載する。これらの例示的実施形態は、本願開示を十全なものとし、当業者にその範囲を十分に伝えるよう示される。本願開示の実施形態の十全な理解を提供するため、具体的な構成要素、素子及び方法の例など、数多くの具体的詳細を記載している。当業者にとって、具体的な詳細を用いる必要はなく、例示的実施形態は多くの異なる形態で実装可能であり、また本願開示を限定するものと解釈すべきでないことは明らかであろう。いくつかの例示的実施形態において、公知の方法、公知の素子構造及び公知の技術は、詳細に記載されない。

本明細書中で用いられる用語は、具体的な例示的実施形態を記述することのみを目的とするものであり、限定的であることを意図しない。本明細書で使用される際、単数形は、明示されていない限り複数形も含むことを意図する。用語「備える」、「備えて」、「含んで」および「有して」は包括的であり、述べられた特徴、整数、工程、操作、要素、および／または部品の存在を特定する。しかし、１以上の特徴、整数、工程、操作、要素、部品および／または群の存在または追加を排除するものではない。本明細書で記載される方法工程、プロセスおよび操作は、実行順序として詳細に特定されない限り、必ずしも記載または図示された特定の順序で実行を要するものと解釈されるべきではない。追加工程または代替工程が用いられてもよいことも理解されるであろう。

要素または層が、他の要素または層「上に」ある、「に係合」、「に接続」または「に連結」すると記される場合、この要素または層は直接に他の要素または層上にあるか、係合、接続、または連結してもよい。または、介在要素または層があってもよい。一方、要素が、他の要素または層の「直接上に」ある、「に直接係合」、「に直接接続」または「に直接連結」すると記される場合、介在要素または層は存在しなくてよい。要素同士の関係を説明するのに使用される他の文言（例えば、「の間に」と「直接…の間に」、「隣接して」と「直接隣接して」など）は、同様に解釈されるべきである。本明細書で用いられる際、用語「および／または」は１以上の関連づけられたリスト項目の全ての組み合わせを含む。

第一、第二、第三等の用語が各種要素、部品、領域、層および／または切断面を説明するために本明細書で使用されるが、これらの要素、部品、領域、層および／または切断面はこれらの用語により限定されるものではない。これらの用語は、ある要素、部品、領域、層および／または切断面を他の領域、層または切断面から区別するためにのみ使用されてもよい。本明細書で使用される際の「第一」「第二」のような用語および他の数に関する用語は、文脈で明示されない限り、配列または順序を意味しない。したがって、下記で論じられる第一要素、部品、領域、層および／または切断面は、実施例の教示から逸脱することなく第二要素、部品、領域、層および／または切断面と称されることも可能である。

「インナー」、「アウター」、「真下に」、「下に」、「下側の」「上に」、「上部に」等のような空間的に相対的な用語が、図示する際、ある要素または特徴と他の要素または特徴との関係の記載を容易にするために、本明細書で使われてもよい。空間的に相対的な用語は、図示される向きに加えて、使用時または操作時における装置の異なる向きを包含するとしてもよい。例えば、図の装置がひっくり返ると、他の要素または特徴の「下に」または「真下に」と記載される要素は、他の要素または特徴の「上に」置かれるだろう。このように、例示の用語「下に」は上と下両方への向きを包含することが可能である。装置は他方向に向かされてもよい（９０度回転または他の向きに）。本明細書で使用される空間関連記述子は適宜解釈される。

図１～４を参照して、本願開示に従い構成された流量制御弁１０が示される。流量制御弁１０は、長手軸１２に沿って延出する弁本体１１を備える。本明細書で使用される用語「長手方向の」「長手方向に」「軸方向の」「軸方向に」は、長手軸１２に沿って、または、長手軸１２に平行であることを意味する。弁本体１１は、弁本体遠位端部１４を規定する第１弁本体部１３と、弁本体近位端部１６を規定する第２弁本体部１５とを有する。図示の例では、第１および第２弁本体部１３、１５は、第１ねじ接続部１７によって互いに接続されている。第１弁本体部１３は、弁本体遠位端部１４に配置された弁座１８を備える。弁本体１１は、第１および第２弁本体部１３、１５を通って、長手軸１２に沿って同軸に延びるポペットボア１９を有する。ポペットボア１９は、内径２０を有する。弁本体１１は、限定的でない例として、ステンレス鋼またはニッケルめっきされた真鍮を含む様々な材料から作ることができる。

入口２１は、ポペットボア１９から弁本体１１の孔開き面２２まで第１弁本体部１３を貫通して延びる。出口２３は、ポペットボア１９から弁本体１１の端面２４まで第１弁本体部１３を貫通して延びる。他の構成も可能であるが、図１から図４に示される例では、入口２１および出口２３は、内面２５ａ、２５ｂを有する。出口２３は、長手軸１２と同軸に揃って配置され、入口２１は、長手軸１２に垂直に配置される。弁座１８は、入口２１と出口２３との間に配置される。任意で、Ｏリングなどの１つまたは複数のシール部材２６を、第１弁本体部１３に入口２１の対向面上に形成された、１つまたは複数の周方向スロット２７内に配置してもよい。

弁部材２８は、ポペットボア１９内にスライド可能に配置され、長手軸１２と同軸に配列される。弁部材２８は、ポペット３０を備える。ポペット３０は、ポペット遠位端部３１とポペット近位端部３２との間に延びている。図示された例では、ポペット３０は、ポペット遠位端部３１を規定する第１ポペットセグメント３３と、ポペット近位端部３２を規定する第２ポペットセグメント３４とを備える。第１ポペットセグメント３３は、第１弁本体部１３内に摺動可能に収容され、第２ポペットセグメント３４は、第２弁本体部１５内に摺動可能に収容される。第２ポペットセグメント３４は、第１ポペットセグメント３３とドライブヘッド２９との間で長手方向に延びる。第１および第２ポペットセグメント３３、３４は、第２ねじ接続部３５によって接続されている。ドライブヘッド２９は、雌ねじ付ボア３６を有する。ポペット３０は、限定的でない例として、アルミニウム、ステンレス鋼、またはプラスチックを含む様々な材料から作ることができる。

ドライブアダプタ３７は、第３ねじ接続部３８によって弁本体近位端部１６に接続されている。ドライブアダプタ３７は、ドライブヘッド２９の少なくとも一部を収容するヘッド収容空洞３９を備える。以下でより詳細に説明されるように、ドライブアダプタ３７は、設置目的のために雄ねじ４０を有してもよい。ドライブアダプタ３７には、ステッピングモータ４１が接続されている。ステッピングモータ４１は、ドライブヘッド２９のねじ付ボア３６と螺合するシャフト４２を回転させるように動作し、閉位置（図３）と開位置（図４）の間の長手方向位置の範囲にわたって、弁部材２８を長手方向に変位させる。

雄ねじシャフト４２は、ステッピングモータ４１に接続され、ステッピングモータ４１から延出する。ステッピングモータ４１の雄ねじシャフト４２は、ドライブヘッド２９に形成された雌ねじ付ボア３６に螺合して収容される。雄ねじシャフト４２は、直接または間接的に、ステッピングモータ４１に接続され、ステッピングモータ４１によって回転可能に駆動され得る。雄ねじシャフト４２は、雌ねじ付ボア３６内に直接螺合可能に収容され、長手軸１２に対して同軸に揃って配置される。したがって、雄ねじシャフト４２を回転させると、雄ねじシャフト４２の完全または部分的な回転に基づいて、ドライブヘッド２９が直接軸方向に移動し、弁部材２８が開位置と閉位置との間で移動する。ヘッド収容空洞３９の形状により、ドライブヘッド２９の回転が防止され、その結果、雄ねじシャフト４２の回転は、ドライブヘッド２９の軸方向の変位に変換される。雄ねじシャフト４２および雌ねじ付ボア３６のねじのピッチは変更可能であり、異なるストローク長および作動速度を提供するように選択可能である。限定的でない例として、図示の実施形態における弁部材２８のストローク長は、約０．３５ミリメートルである。

ステッピングモータ４１の雄ねじシャフト４２を第１回転方向に回転させることにより、ポペットボア１９内の弁部材２８が閉位置（図３）から開位置（図４）に移動する。逆も同様に、雄ねじシャフト４２を逆の第２回転方向に回転させることにより、弁部材２８が開位置（図４）から閉位置（図３）に戻る。第１回転方向および第２回転方向にステッピングモータ４１を増分インクリメンタルに回転させることにより、ドライブヘッド２９のねじ付ボア３６内で雄ねじシャフト４２を回転させる。これにより、第１長手方向および第２長手方向に弁部材２８を増分インクリメンタルに並進（すなわち移動）させる。

ドライブヘッド２９は、弁部材２８の第２ポペットセグメント３４から離れている（すなわち、分離されている）。それにもかかわらず、ドライブヘッド２９は、弁部材２８のポペット近位端部３２に当接し、それにより、ドライブヘッド２９は、閉位置（図３）と開位置（図４）との間で弁部材２８を駆動する。ポペット近位端部３２は、ポペット３０をドライブヘッド２９側に付勢する付勢部材４３によってドライブヘッド２９と接触して保持される。図示された例では、付勢部材４３は、ポペットボア１９内に径方向内側に延びる弁本体１１の肩部４４と、ポペット近位端部３２から径方向外側に延びるフランジ４５との間に配置されるコイルばねである。その結果、付勢部材４３は、第２ポペットセグメント３４の一部の周りにらせん状に延在し、弁本体１１の肩部４４および第２ポペットセグメント３４のフランジ４５を押し、ポペット近位端部３２とドライブヘッド２９とを接触し続けさせる。付勢部材４３は、ポペット３０をドライブヘッド２９側に付勢するように作用する付勢力をポペット３０に加える。

弁部材２８の長手方向位置は、雄ねじシャフト４２と雌ねじ付ボア３６のねじ山とが限られた範囲でしか滑らないことを理由の一つとして、反復可能である。付勢部材４３がポペット３０に、ひいてはドライブヘッド２９に加える付勢力は、ねじの隙間および／または摩耗に起因する軸方向の寸法変化を緩和して、弁部材２８の長手方向位置の再現性をさらに高める。弁部材２８は、弁座係合面４７を規定する弁座係合部材４６を備える。弁部材２８が閉位置にあるとき、弁座係合部材４６の弁座係合面４７は弁座１８と当接する。弁部材２８が開位置にあるとき、弁座係合部材４６の弁座係合面４７は弁座１８から離間している。他の構成も可能であるが、図示された例では、弁座係合部材４６は、第１ポペットセグメント３３のポペット遠位端部３１にオーバーモールドされた、ゴムなどの弾性材料で形成される。あるいは、弁座１８が弾性部材で形成されてもよい。弁部材２８が閉位置にあるとき、弁座係合部材４６の弁座係合面４７と弁座１８との間の境界面は、入口２１から出口２３への流体の流れを止める（すなわち、流量制御弁１０を通る流れがゼロの状態を作り出す）密封境界面として機能する。

流量制御弁１０は、弁本体１１から弁部材２８まで径方向内向きに延びるダイヤフラム４８を備える。図示された例では、ダイヤフラム４８の外側の円形部分は、弁本体近位部分１３と弁本体遠位部分１５の間に収容され、ダイヤフラム４８の内側の円形部分は、第１および第２ポペットセグメント３３、３４の間に収容される。より具体的には、弁本体近位部分１３と弁本体遠位部分１５との間の第１ねじ接続部１７により、ダイヤフラム４８の外側円形部分を弁本体近位部分１３と弁本体遠位部分１５との間で締め付けることができ、第１および第２ポペットセグメント３３、３４の間の第２ねじ接続部３５により、ダイアフラム４８の内側の円形部分を第１および第２のポペットセグメント３３、３４との間で締め付けることができる。

ダイヤフラム４８は、長手軸１２に沿った弁部材２８の動きに応答して撓む。ダイヤフラム４８は、流量制御弁１０に大気圧シールを提供して、加圧空気または水などの流体、および汚染物質が駆動アダプタ３７およびステッピングモータ４１のヘッド収容キャビティ３９に入るのを防ぐ。他の構成も可能であるが、図示された実施形態に示されるダイヤフラム４８は、ダイヤフラム４８の可撓性を増大させるＵ字形断面を有する蛇腹状部分を有する。

第１ポペットセグメント３３に取り付けられた流量制御針４９は、弁部材２８のポペット遠位端部３１から突出している。弁部材２８が閉位置にあるとき（図３）、流量制御針４９の少なくとも一部が出口２３に収容される。流量制御針４９は、流量制御針遠位端部５０と流量制御針近位端部５１との間で長手軸１２に沿って延びる。弁部材２８のストロークに応じて他の配置が可能であるが、図示された例では、流量制御弁１０の開位置と閉位置の両方で、流量制御針遠位端部５０は、弁本体１１の出口２３内で同心に整列され続ける。

流量制御針４９の針直径５２は、流量制御針遠位端部５０で変化する。より具体的には、流量制御針遠位端部５０は、出口２３の内面２５ｂと協働して出口流量オリフィス５４を規定するテーパー面５３を有する。出口流量オリフィス５４は、流量制御弁１０が開位置にあるとき（図４）、流量制御針遠位端部５０のテーパー面５３と、出口２３の内面２５ｂとの間の隙間により形成される。流量制御針遠位端部５０の先細り形状のため、出口流量オリフィス５４は、弁部材２８が閉位置と開位置との間を移動するときにサイズが変化する。より具体的には、出口流量オリフィス５４は、弁部材２８の長手方向位置に応じてサイズが変化する円形リング状の断面積を有する。限定的でない例として、図示された例では、出口流量オリフィス５４の最大断面積は、弁部材２８が開位置にある場合の約２平方ミリメートルである。

流量制御針４９のテーパー面５３により、流量制御針遠位端部５０は切頭円錐形状となる。他の構成も可能であるが、図２から図４に示される例では、流量制御針４９は、流量制御針遠位端部５０と流量制御針近位端部５１の間に長手方向に配置された径方向段差５５を有する。その段差において、流量制御針４９の直径は、より大きな直径から、流量制御針近位端部５１におけるより小さな直径の円筒部５６に移行する。径方向段差５５は、長手軸１２を横切るように、径方向内向きに延びる。弁部材２８の第１ポペットセグメント３３は、長手軸１２に沿ってポペット遠位端部３１まで延びるポペットボア５７を有する。流量制御針４９の円筒部５６は、ポペットボア５７内に圧入される。流量制御針４９は、限定的でない例として、流量制御弁１０を通過する流体が液体である場合はステンレス鋼を含み、流量制御弁１０を通過する流体が空気である場合はアルミニウムを含む様々な材料から作ることができる。

図３に示される弁閉鎖位置では、ポペット遠位端部３１上の弁座１８係合面は、第１弁本体部１３上の弁座１８と当接して保持される。したがって、流量制御弁１０が弁閉位置にあるとき、流量制御弁１０は、入口２１と出口２３との間の流体の流れを防ぐ。図４に示す弁開位置では、ポペット遠位端部３１の弁座係合面４７は、第１弁本体部１３の弁座１８から離れ、それにより、入口２１から出口２３への流路を提供する。ステッピングモータ４１が弁部材２８を閉位置（図３）と開位置（図４）との間で駆動すると、ダイヤフラム４８は撓んで弁部材２８を並進させる。

図５から図８を参照して、別の流量制御弁１００が示される。図５から図８に示される流量制御弁１００の構成要素の多くは、以下に注記されることを除いて、図２から図４に示される制御弁の構成要素と同一または実質的に同一である。実施形態間で共有される同等の構成要素は、図５から図８においては、同等の構成要素に符号を付けるために、１００番台の参照番号を付与する。

図５から図８に示される流量制御弁１００は、調整可能な流量制御針１４９を備える。より具体的には、ポペットボア１５７は雌ねじ１５８を有し、流量制御針１４９の円筒部１５６は、ポペットボア１５７内の雌ねじ１５８に螺合される円筒部ねじ１５９を有する。Ｏリングシール１６０を、流量制御針１４９の円筒部１５６の径方向段差１５５の近くに設け、流量制御針１４９の円筒部１５６とポペットボア１５７との間に流体密閉シールを設けても良い。流量制御針遠位端部１５０は、ポペットボア１５７内の流量制御針１４９の回転調整を可能にする工具インタフェース１６１を有する。ポペットボア１５７内で流量制御針１４９を回転させることにより、遠位ポペット１３０セグメントに対する流量制御針１４９の長手方向の位置、ひいては、流量制御針遠位端部１５０とポペット遠位端部１３１との間で測定される長手方向距離が変化する。ポペット１３０に対する流量制御針１４９の長手方向位置を調整することにより、出口流量オリフィス１５４の断面積のサイズを調整して、流量制御弁１００を通る流体流量を微調整することができる。この調整機能により、製造公差によるばらつきにも対応できる。例えば、流量制御弁１００は、流量制御針１４９が、弁部材２８が閉位置にあるとき、流量制御針遠位端部１５０のテーパー表面１５３が、出口１２３の内面１２５ｂと最初に当接するところまで後退している（すなわち、螺合していない）製造プロセス中に容易に調整可能である。摩耗が発生した場合は、流量制御針１４９と出口１２３の間の適切な許容誤差を再確立できるまでこのプロセスを繰り返してもよい。

図５から図８に示す実施形態では、第１弁本体部１１３の出口１２３の内面１２５ｂは、傾斜した漏斗状の形状を有する。弁部材１２８が閉位置にあるとき（図７）、流量制御針遠位端部１５０のテーパー面１５３の少なくとも一部は、出口１２３の内面１２５ｂと当接する。流量制御針遠位端部１５０のテーパー面１５３は、長手軸１１２に対して第１の角度１６２で配置される。出口１２３の内面１２５ｂは、長手軸１１２に対して第２の角度１６３で配置される。第１の角度１６２は、第２の角度１６３と少なくとも１度異なる。この構成は、弁部材１２８が閉位置にあるときに、ポペット遠位端部１３１が出口１２３に拘束されるのを防ぐのに役立つ。

図９を参照すると、マニホールド２６４に取り付けられた流量制御弁１００が示される。
マニホールド２６４は、マニホールドボア２６５を備える。流量制御弁１００の弁本体１１１は、マニホールドボア２６５に摺動可能に挿入される。ドライブアダプタ１３７の雄ねじ１４０は、マニホールドボア２６５のねじ部分２６６と螺合する。弁本体１１１に形成された周方向スロット１２７に配置されたＯリングなどのシール部材１２６は、マニホールドボア２６５と当接し、流体シールを形成する。弁本体１１１がマニホールドボア２６５に取り付けられると、入口１２１および出口１２３は、それぞれ、マニホールド２６４の入口通路２６７および出口通路２６８と流体連通して配置される。作動中、流量制御弁１００は、マニホールド２６４の入口通路２６７と出口通路２６８との間の加圧空気などの流体の流れを制御する。

本開示の流量制御弁１０、１００のそれぞれは、ステッピングモータ４１、１４１の増分インクリメンタルな回転によって可変流量制御を提供する。ステッピングモータ４１、１４１の増分インクリメンタルな回転は、弁部材２８、１２８の長手方向の並進運動に変換される。また、弁部材２８、１２８が開位置に向かって移動すると、入口２１、１２１および出口２３、１２３にわたって圧力が低下する。弁部材２８、１２８を摺動可能に収容するポペットボア１９、１１９は、弁部材２８、１２８と弁本体１１、１１１との接触点で等しい直径を有するので、各入口および出口により、弁部材２８、１２８に作用する力が均衡する。

本開示の流量制御弁１０、１００は、いくつかの利点を提供する。
出口流量オリフィス５４、１５４が、弁座１８、１１８と弁座係合部材４６、１４６との間の界面（すなわち、ギャップ）の代わりに、流量制御針４９、１４９のテーパー面５３、１５３と出口２３、１２３の内面２５ｂ、１２５ｂとの間の界面（すなわち、ギャップ）によって形成されるため、本明細書に開示される流量制御弁１０、１００を通る精度（すなわち、流量分解能）は、大幅に改善される。従来の弁では、弁部材２８、１２８が開位置と閉位置との間を移動すると、弁座係合部材４６、１４６および／または弁座１８、１１８が撓み、少量だけ跳ね返る。これにより、この２つの部材の間のギャップに小さな変化が生じる。さらに、弁座係合部材４６、１４６および／または弁座１８、１１８は、繰り返されるバルブサイクルのために、経時的に摩耗および／または永久的に変形する可能性がある。これらの変動によって、特に、より低い流体流量において、通常の弁の精度は制限される。
本明細書に開示される流量制御弁１０、１００は、弁座１８、１１８と弁座係合部材４６、１４６との間の密封界面とは別個の出口流量オリフィス５４、１５４（すなわち、流量制御界面）を有する。
その結果、弁座１８、１１８および／または弁座係合部材４６、１４６における撓み、反発、摩耗、および変形は、流量制御針４９、１４９と出口２３、１２３との間の界面に影響を与えず、流量制御弁１０、１１０の精度を上げる。例えば、本明細書に開示されている流量制御弁１０、１１０は、２９ポンド／平方インチの圧力で毎分６７０ミリリットルから毎分３０ミリリットルの流量まで改善された分解能を有することが見出された。

実施形態の前述の説明は、例示および説明の目的で提供されてきた。
前述の説明は、網羅的であることや発明を限定することを意図しない。
特定の実施形態の個々の要素または特徴は、一般に、その特定の実施形態に限定されず、適用可能である場合、交換可能であり、特に図示または説明されていなくても、選択された実施形態で使用することができる。
同じことが多くの方法で変更される場合もある。そのような変形は、本開示からの逸脱と見なされるべきではなく、すべてのそのような修正は、本開示の範囲内に含まれることが意図されている。

Claims (20)

1. 流量制御弁であって、
   弁本体遠位端部と、弁本体近位端部と、長手軸に沿って延出するポペットボアと、前記弁本体遠位端部に配置される弁座とを有する弁本体と、
   前記弁本体を通って前記ポペットボアまで延びる入口と、内面を有し、前記弁本体を通って前記ポペットボアまで延びる出口と、ねじ付ボアを有するドライブヘッドと、
   ポペット遠位端部およびポペット近位端部を有するポペットとを備え、前記ポペットボアに摺動可能に設けられる弁部材と、
   前記ドライブヘッドの前記ねじ付ボアと螺合するシャフトを有するステッピングモータであって、閉位置と開位置の間で、前記長手軸に平行な長手方向に前記弁部材を変位させるように作動するステッピングモータと、
   前記弁部材は、前記閉位置において前記弁座と当接し、前記開位置において前記弁座から離れるように変位する弁座係合面を備え、
   前記長手軸に沿って、前記弁部材の移動に応じて撓むように、前記弁本体および前記弁部材の間に延出し、前記弁本体および前記弁部材に接続されるダイアフラムと、
   前記弁部材が前記閉位置にあるとき、前記ポペット遠位端部から突出し、前記出口に少なくとも部分的に収容される、前記ポペットに搭載された流量制御針であって、前記出口の前記内面と協働し、前記弁部材が前記閉位置および前記開位置の間を移動する際にサイズが変化する出口流量オリフィスを規定する流量制御針と、
   を備え、
   前記流量制御針は、前記ポペット遠位端部に対して調整可能な長手方向位置を有し、製造公差および摩耗によるばらつきを調整することを特徴とする流量制御弁。
2. 請求項１に記載の流量制御弁において、
   前記流量制御針は、流量制御針遠位端部と流量制御針近位端部の間に延びていることを特徴とする流量制御弁。
3. 請求項２に記載の流量制御弁において、
   前記流量制御針遠位端部は、前記出口の前記内面と協働し、前記弁部材の長手方向位置に応じて、サイズが変わる前記出口流量オリフィスの断面積を規定するテーパー面を有することを特徴とする流量制御弁。
4. 請求項３に記載の流量制御弁において、
   前記テーパー面により、前記流量制御針遠位端部を切頭円錐形状とすることを特徴とする流量制御弁。
5. 請求項４に記載の流量制御弁において、
   前記出口の前記内面は、傾斜した漏斗形状を有することを特徴とする流量制御弁。
6. 請求項５に記載の流量制御弁において、
   前記弁部材が前記閉位置にあるとき、前記流量制御針遠位端部の前記テーパー面の少なくとも一部は、前記出口の前記内面に当接し、前記流量制御針遠位端部の前記テーパー面は、前記長手軸に対して第１の角度で配置され、前記出口の前記内面は、前記長手軸に対して第２の角度で配置されることを特徴とする流量制御弁。
7. 請求項６に記載の流量制御弁において、
   前記第１の角度は、前記弁部材が前記閉位置にある際の拘束を防止するように、前記第２の角度と少なくとも１度異なることを特徴とする流量制御弁。
8. 請求項４に記載の流量制御弁において、
   前記流量制御針は、長手方向に見て前記流量制御針遠位端部と前記流量制御針近位端部の間に配置され、より大きな直径からより小さな直径に移行する径方向段差を備えることを特徴とする流量制御弁。
9. 請求項４に記載の流量制御弁において、
   前記出口の前記内面は、円筒形状を有することを特徴とする流量制御弁。
10. 請求項２に記載の流量制御弁において、
    前記ポペットは、前記長手軸に沿って前記ポペット遠位端部まで延出するポペットボアを有することを特徴とする流量制御弁。
11. 請求項１０に記載の流量制御弁において、
    前記ポペットのポペットボアは、雌ねじを有し、
    前記流量制御針近位端部は、前記雌ねじと螺合して、前記ポペットのポペットボアに収容されることを特徴とする流量制御弁。
12. 請求項１１に記載の流量制御弁において、
    前記流量制御針遠位端部は、前記ポペットのポペットボア内で前記流量制御針を回転させることで、前記流量制御針遠位端部と前記ポペット遠位端部の間で測定される長手方向距離を変化させるように前記ポペットのポペットボア内で前記流量制御針の回転調整を可能にする工具インタフェースを有することを特徴とする流量制御弁。
13. 請求項１０に記載の流量制御弁において、
    前記流量制御針近位端部は、前記ポペットのポペットボア内に収容されることを特徴とする流量制御弁。
14. 請求項２に記載の流量制御弁において、
    前記流量制御針は、前記流量制御針遠位端部で変化する直径を有することを特徴とする流量制御弁。
15. 請求項１に記載の流量制御弁において、
    前記弁座係合面は、前記ポペット遠位端部に配置され、前記流量制御針の径方向外側にあることを特徴とする流量制御弁。
16. 請求項１に記載の流量制御弁において、
    前記弁座および前記弁座係合面の少なくとも１つは、弾性材料で形成されることを特徴とする流量制御弁。
17. 請求項１に記載の流量制御弁において、
    前記ポペットは、前記ポペット遠位端部を規定する第１ポペットセグメントと、前記第１ポペットセグメントと前記ドライブヘッドの間に延びる第２ポペットセグメントと、を備え、
    前記ダイアフラムの一部は、前記第１ポペットセグメントと前記第２ポペットセグメントの間で締め付けられることを特徴とする流量制御弁。
18. 請求項１に記載の流量制御弁において、
    前記ポペットは、前記ドライブヘッドから離され、前記ポペット近位端部は、前記ポペットを前記ドライブヘッド側へ付勢する付勢部材により、前記ドライブヘッドと接触して保持されることを特徴とする流量制御弁。
19. 流量制御弁であって、
    長手軸を規定する弁本体を備え、
    前記弁本体は、弁本体遠位端部を規定する第１弁本体部と、弁本体近位端部を規定する第２弁本体部とを有し、
    前記弁本体は、前記第１および第２弁本体部を通って、前記長手軸に沿って同軸状に延出するポペットボアを有し、
    前記第１弁本体部は、前記弁本体遠位端部に配置される弁座を備え、
    前記ポペットボアは、ボア直径を有し、
    前記流量制御弁は、さらに、前記ポペットボアに摺動可能に配置され、前記長手軸と同軸上に配列される弁部材を備え、
    前記弁部材は、ドライブヘッドとポペットを備え、
    前記ポペットは、ポペット遠位端部を規定する第１ポペットセグメントと、ポペット近位端部を規定する第２ポペットセグメントとを備え、
    前記第１ポペットセグメントは、前記第１弁本体部に摺動可能に収容され、
    前記第２ポペットセグメントは、前記第２弁本体部に摺動可能に収容され、前記第１ポペットセグメントと前記ドライブヘッドの間に長手方向に延出し、
    前記ドライブヘッドは、ねじ付ボアを有し、
    前記流量制御弁は、さらに、前記弁本体近位端部に接続されるドライブアダプタを備え、
    前記ドライブアダプタは、前記ドライブヘッドの少なくとも一部を収容するヘッド収容キャビティを備え、
    前記流量制御弁は、さらに、前記ドライブアダプタに接続されるステッピングモータを備え、
    前記ステッピングモータは、前記ドライブヘッドの前記ねじ付ボアと螺合するシャフトを回転させ、閉位置と開位置の間の長手方向位置の範囲内にわたって、前記長手軸に平行な長手方向に前記弁部材を変位させるように作動し、
    前記流量制御弁は、さらに、前記ポペットボアから前記弁本体の孔開き面まで、前記弁本体を貫通して延出する入口と、前記ポペットボアから前記弁本体の端面まで、前記弁本体を貫通して延出する出口と、を備え、
    前記出口は、前記長手軸と同軸に揃って配置され、
    前記弁部材は、前記ポペット遠位端部に、前記閉位置で前記弁座と接触し、前記開位置で前記弁座から離れるよう変位する弁座係合面を規定する弁座係合部材を備え、
    前記弁座係合部材は、弾性材料で形成され、
    前記ステッピングモータの前記シャフトを第１回転方向に回転させることにより、前記ポペットボア内の前記弁部材を前記閉位置から前記開位置へ長手方向に変位させ、前記シャフトを逆の第２回転方向に回転させることにより、前記弁部材を前記開位置から前記閉位置に戻し、
    前記ステッピングモータの前記シャフトは、前記ステッピングモータの増分インクリメンタルな回転により、前記ドライブヘッドの前記ねじ付ボア内で回転され、前記弁部材を前記長手方向に増分インクリメンタルに並進させるよう、前記ステッピングモータに接続され、前記ステッピングモータから延出するねじ軸であり、
    前記弁部材は、前記ドライブヘッドから離され、前記ポペット近位端部は、前記弁部材を前記ドライブヘッド側へ付勢する付勢部材により、前記ドライブヘッドと接触して保持され、
    前記付勢部材は、前記ポペットボア内の前記弁本体の肩部と、前記第２ポペットセグメントのフランジの間に配置されるばねであり、
    前記流量制御弁は、さらに、前記長手軸に沿った前記弁部材の移動に応じて撓むように、前記弁部材の前記第１ポペットセグメントと前記第２ポペットセグメントの間に収容され、前記弁本体から内側へ延出するダイアフラムと、
    前記ダイアフラムを前記第１ポペットセグメントと前記第２ポペットセグメントの間に締め付け可能とする、前記第１ポペットセグメントと前記第２ポペットセグメントの間のねじ接続部と、を備え、
    前記弁部材の前記第１ポペットセグメントは、前記長手軸に沿って、前記ポペット遠位端部まで延出するポペットボアを備え、
    前記出口は、内面を有し、
    前記流量制御弁は、さらに、前記第１ポペットセグメントに搭載され、前記ポペット遠位端部から突出し、前記弁部材が前記閉位置にあるとき前記出口に少なくとも一部は収容される流量制御針を備え、
    前記流量制御針は、前記長手軸に沿って、流量制御針遠位端部と流量制御針近位端部の間に延出し、
    前記流量制御針遠位端部は、前記出口内に同心円状に整列し、
    前記流量制御針遠位端部は、前記出口の前記内面と協働し、前記弁部材が前記閉位置と前記開位置の間を移動する際、サイズが変わる出口流量オリフィスを規定するテーパー面を有し、
    前記出口流量オリフィスは、前記弁部材の前記長手方向位置によってサイズが変わる断面積を有し、
    前記流量制御針は、前記流量制御針遠位端部で変化する直径を有し、
    前記テーパー面は、前記流量制御針遠位端部を切頭円錐形状とし、前記流量制御針遠位端部と前記流量制御針近位端部の間に長手方向に配置されて、前記流量制御針の前記直径が、より大きな直径からより小さな直径に移行する径方向段差を形成し、
    前記出口の前記内面は、円筒形状を有し、
    前記流量制御針遠位端部の前記テーパー面の少なくとも一部は、前記弁部材が前記閉位置にあるとき前記出口の前記内面と接触し、
    前記流量制御針は、前記弁部材の長手方向変位とは関係なく前記出口流量オリフィスの前記断面積の前記サイズを調整可能なように、前記ポペット遠位端部に対して調整可能な長手方向位置を有することを特徴とする流量制御弁。
20. 流量制御弁であって、
    長手軸を規定する弁本体を備え、
    前記弁本体は、弁本体遠位端部を規定する第１弁本体部と、弁本体近位端部を規定す
    る第２弁本体部とを有し、
    前記弁本体は、前記第１および第２弁本体部を通って、前記長手軸に沿って同軸状に延出するポペットボアを有し、
    前記第１弁本体部は、前記弁本体遠位端部に配置される弁座を備え、
    前記ポペットボアは、ボア直径を有し、
    前記流量制御弁は、さらに、前記ポペットボアに摺動可能に配置され、前記長手軸と同軸上に配列される弁部材を備え、
    前記弁部材は、ドライブヘッドとポペットを備え、
    前記ポペットは、ポペット遠位端部を規定する第１ポペットセグメントと、ポペット近位端部を規定する第２ポペットセグメントとを備え、
    前記第１ポペットセグメントは、前記第１弁本体部に摺動可能に収容され、
    前記第２ポペットセグメントは、前記第２弁本体部に摺動可能に収容され、前記第１ポペットセグメントと前記ドライブヘッドの間に長手方向に延出し、
    前記ドライブヘッドは、ねじ付ボアを有し、
    前記流量制御弁は、さらに、前記弁本体近位端部に接続されるドライブアダプタを備え、
    前記ドライブアダプタは、前記ドライブヘッドの少なくとも一部を収容するヘッド収容キャビティを備え、
    前記流量制御弁は、さらに、前記ドライブアダプタに接続されるステッピングモータを備え、
    前記ステッピングモータは、前記ドライブヘッドの前記ねじ付ボアと螺合するシャフトを回転させ、閉位置と開位置の間の長手方向位置の範囲内にわたって、前記長手軸に平行な長手方向に前記弁部材を変位させるように作動し、
    前記流量制御弁は、さらに、前記ポペットボアから前記弁本体の孔開き面まで、前記弁本体を貫通して延出する入口と、前記ポペットボアから前記弁本体の端面まで、前記弁本体を貫通して延出する出口と、を備え、
    前記出口は、前記長手軸と同軸に揃って配置され、
    前記弁部材は、前記ポペット遠位端部に、前記閉位置で前記弁座と接触し、前記開位置で前記弁座から離れるよう変位する弁座係合面を規定する弁座係合部材を備え、
    前記弁座係合部材は、弾性材料で形成され、
    前記ステッピングモータの前記シャフトを第１回転方向に回転させることにより、前記ポペットボア内の前記弁部材を前記閉位置から前記開位置へ長手方向に変位させ、前記シャフトを逆の第２回転方向に回転させることにより、前記弁部材を前記開位置から前記閉位置に戻し、
    前記ステッピングモータの前記シャフトは、前記ステッピングモータの増分インクリメンタルな回転により、前記ドライブヘッドの前記ねじ付ボア内で回転され、前記弁部材を前記長手方向に増分インクリメンタルに並進させるよう、前記ステッピングモータに接続され、前記ステッピングモータから延出するねじ軸であり、
    前記弁部材は、前記ドライブヘッドから離され、前記ポペット近位端部は、前記弁部材を前記ドライブヘッド側へ付勢する付勢部材により、前記ドライブヘッドと接触して保持され、
    前記付勢部材は、前記ポペットボア内の前記弁本体の肩部と、前記第２ポペットセグメントのフランジの間に配置されるばねであり、
    前記流量制御弁は、さらに、前記長手軸に沿った前記弁部材の移動に応じて撓むように、前記弁部材の前記第１ポペットセグメントと前記第２ポペットセグメントの間に収容され、前記弁本体から内側へ延出するダイアフラムと、
    前記ダイアフラムを前記第１ポペットセグメントと前記第２ポペットセグメントの間に締め付け可能とする、前記第１ポペットセグメントと前記第２ポペットセグメントの間のねじ接続部と、を備え、
    前記弁部材の前記第１ポペットセグメントは、前記長手軸に沿って、前記ポペット遠位端部まで延出するポペットボアを備え、
    前記出口は、内面を有し、
    前記流量制御弁は、さらに、前記第１ポペットセグメントに搭載され、前記ポペット遠位端部から突出し、前記弁部材が前記閉位置にあるとき前記出口に少なくとも一部は収容される流量制御針を備え、
    前記流量制御針は、前記長手軸に沿って、流量制御針遠位端部と流量制御針近位端部の間に延出し、
    前記流量制御針遠位端部は、前記出口内に同心円状に整列し、
    前記流量制御針遠位端部は、前記出口の前記内面と協働し、前記弁部材が前記閉位置と前記開位置の間を移動する際、サイズが変わる出口流量オリフィスを規定するテーパー面を有し、
    前記出口流量オリフィスは、前記弁部材の前記長手方向位置によってサイズが変わる断面積を有し、
    前記流量制御針は、前記流量制御針遠位端部で変化する直径を有し、
    前記テーパー面は、前記流量制御針遠位端部を切頭円錐形状とし、前記流量制御針遠位端部と前記流量制御針近位端部の間に長手方向に配置されて、前記流量制御針の前記直径が、より大きな直径からより小さな直径に移行する径方向段差を形成し、
    前記出口の前記内面は、傾斜した漏斗形状を有し、
    前記流量制御針遠位端部の前記テーパー面の少なくとも一部は、前記弁部材が前記閉位置にあるとき前記出口の前記内面と当接し、
    前記流量制御針遠位端部の前記テーパー面は、前記長手軸に対して第１の角度で配置され、前記出口の前記内面は、前記長手軸に対して第２の角度で配置され、
    前記第１の角度は、前記弁部材が前記閉位置にある際に拘束されるのを防止するように、前記第２の角度と少なくとも１度異なり、
    前記第１ポペットセグメントのポペットボアは、雌ねじを有し、
    前記流量制御針近位端部は、前記雌ねじと螺合して、前記第１ポペットセグメントのポペットボアに収容され、
    前記流量制御針遠位端部は、前記第１ポペットセグメントのポペットボア内で前記流量制御針を回転させることにより、前記流量制御針遠位端部と前記ポペット遠位端部の間で測定される長手方向距離が変化するように前記第１ポペットセグメントのポペットボア内で前記流量制御針の回転調整を可能にする工具インタフェースを有することを特徴とする流量制御弁。

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