JP4175937B2 - 流量制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種流体の流量を制御するための流量制御装置に関するものである。さらに詳しくは、流量制御装置の弁機構に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
LPガス、都市ガス、冷蔵庫やエアコン内の冷媒、あるいは液体の流量を制御する流量制御装置に用いられている弁機構は、弁体をソレノイドで駆動するのが一般的である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ソレノイドではオン・オフの繰り返しによる弁開閉制御を行うため、高精度の流量制御を行う際にはオン・オフ動作が頻繁に行われる結果、異音が発生するという問題点がある。また、ソレノイドがもっている固有の問題としてチャタリングの発生があり、このような状態に陥ると、高精度の制御が不可能になってしまう。
【0004】
以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、新たな弁機構、および弁駆動機構の採用によって、異音やチャタリングを発生することなく、かつ、流量を広い範囲にわたって高い精度で制御可能な流量制御装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、流体通路を仕切る隔壁と、該隔壁に形成された開口部の開度を調整する弁体と、該弁体を駆動する弁駆動装置とをケース内に有する流量制御装置において、前記弁駆動装置は、駆動源としてのモータと、前記モータの出力を前記弁体に伝達して当該弁体を所定の角度範囲にわたって回転移動させる伝達機構とを備え、前記弁体は、前記隔壁に対して摺動しながら回転移動して前記開口部の開度を調整し、前記隔壁は、前記開口部における前記弁体の閉方向に位置する閉側開口縁に向かって当該隔壁の厚さ方向における前記弁体との隙間を狭めていく傾斜面を備え、前記伝達機構が配置されている伝達機構配置空間と、前記流体通路とは、前記ケース内で仕切られているとともに、当該ケース内で前記弁体の移動空間を介して連通しており、前記弁体は、前記開口部の開度を調整する板状弁部と、該板状弁部から立ち上がって、前記移動空間の周りを前記隔壁とともに囲む周囲壁に対して接触、あるいは近接していることにより前記伝達機構配置空間と前記流体通路との連通を遮断する遮蔽板部とを備えていることを特徴とする。
【0006】
本発明では、弁体を開口部に対して相対移動させる弁駆動装置の駆動源としてモータを用いているため、ソレノイドをオン・オフ制御する構成と違って、異音やチャタリングの発生が起こらない。また、開口部が形成された隔壁を弁体が摺動しながら開口部を覆うことによって開度を調整するため、弁体が開口部内に入り込んで開度を調整するタイプとは異なり、弁体の形状を変えずに、開口部の形状を変更するだけで流量調整パターンを変更できる。また、前記隔壁は、前記開口部における前記弁体の閉方向に位置する閉側開口縁に向かって当該隔壁の厚さ方向における前記弁体との隙間を狭めていく傾斜面を備えているため、簡素な構成で小流量領域の流量制御を高い精度で行うことができる。また、伝達機構が配置されている伝達機構配置空間と、流体通路とは仕切られているため、流体通路内のグリスや金属粉などの異物が伝達機構に付着しないので、伝達機構に歯車などが用いられている場合でも、伝達機構はスムーズに動作する。さらに、伝達機構配置空間と流体通路とがケース内で弁体の移動空間を介して連通しており、弁体は、開口部の開度を調整する板状弁部と、この板状弁部から立ち上がって伝達機構配置空間と記流体通路との連通を遮断する遮蔽板部とを備えているため、弁体の位置にかかわらず、駆動機構配置空間と流体通路とを常時、仕切ることができ、かつ、弁駆動機構から弁体への駆動伝達も容易である。
【0007】
本発明において、前記弁体と前記隔壁とは、前記弁体および前記隔壁のうちの一方側に対して頂部が断面円弧状となるように形成された突条部を介して接していることが好ましい。このように構成すると、弁体と隔壁とが突条部に頂部で線接触状態になるので、弁体が隔壁を摺動するときの摩擦抵抗を小さくできる。
【0008】
本発明において、前記弁体を前記隔壁に向けて押圧する押圧手段を有していることが好ましい。このように構成すると、弁体が隔壁に密着した状態となるので、流体の漏れが発生しない。従って、流量を高い精度で制御できる。
【0009】
本発明において、前記開口部は、前記弁体の閉方向に位置する閉側開口縁に向かって開口幅が狭まった平面形状を備えていることが好ましい。このように構成すると、簡素な構成で小流量領域の流量制御を高い精度で行うことができる。
【0013】
本発明において、前記弁体は、前記隔壁に対して上流側に配置されているとともに、前記ケースには前記開口部と異なる方向に向かって開口する流体入口が形成され、前記弁体は、該弁体が閉方向に駆動されたときに前記流体入口に対して対向する位置に出現してくるシャッター板部とを備えていることが好ましい。このように構成すると、小流量領域では、シャッター板部が、流体入口から開口部に向かう流れ込む流体に抵抗を与えることができるので、流量の精度が向上する。これに対して、大流量領域では、弁体の移動に伴って、シャッター板部が流体入口に対して対向する位置から退避するので、シャッター板部が抵抗となることがない。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した流量制御装置を説明する。
【0015】
(全体構成)
図1(A)、(B)、(C)はそれぞれ、本発明を適用した流量制御装置の平面図、正面図、および底面図である。図2は、本発明を適用した流量制御装置のケース内に配置された歯車列などの展開図である。図3(A)および(B)はそれぞれ、本発明を適用した流量制御装置のケース内における弁体の開状態を示す平面図およびD−D′断面図である。図4(A)および(B)はそれぞれ、本発明を適用した流量制御装置のケース内における弁体の閉状態を示す平面図およびE−E′断面図である。
【0016】
図1(A)、(B)、(C)、および図2において、本発明を適用した流量制御装置1は、LPガス、都市ガス、冷蔵庫やエアコン内の冷媒などの流量制御に用いられるものである。
【0017】
流量制御装置1では、カップ状の下ケース21a、この下ケース21aの開口を塞ぐ上ケース21b、この上ケース21bの上面に被せられた蓋材22、およびシール材(図示せず)によって密閉したケース2が形成されている。蓋材22からは、ステッピングモータ30のロータ31などを配置する円筒部24が上方に突出し、円筒部24の外側にステッピングモータ30のステータ33が配置されている。ケース2の側面部には流体入口26が開口している一方、底部には流体出口27が開口している。
【0018】
図2、図3および図4に示すように、ケース2の内部は、下ケース21aの底壁4(隔壁)によって、流体入口26が位置する上流側11と、円筒状の流体出口27が位置する下流側12とに仕切られており、底壁4には、上流側11と下流側12とを繋ぐ開口部5が形成されている。
【0019】
開口部5は、全体として一定幅で周方向に円弧状に延びた平面形状を有しており、底壁4に対して上流側11に配置された弁体6によってその開度が調節される。弁体6は、底壁4上を摺動して開口部5を覆うようにしてその開度を調整する。なお、弁体6は、図3および図4に示すように、矢印Aで示す方向が閉方向であり、矢印Bが開方向である。
【0020】
(開口部の構成)
本形態において、底壁4には、開口部5を囲むように突条部45が形成されており、この突条部45の頂部は、断面円弧状になっている。このため、弁体6と底壁4は、突条部45の断面円弧状の頂部を介して線接触した状態にある。
【0021】
開口部5は、弁体6の閉方向側の先端部51(閉側開口縁)で開口幅が狭まる先細り形状の平面形状を有している。また、底壁4は、先端部51の開口縁付近において先端部51に向かって、底壁4の厚さ方向における隙弁体6との間を狭める傾斜面51aを備えている。
【0022】
下ケース21aにおいて、底壁4からは、半径方向に延びる仕切り壁40が立ち上がっており、仕切り壁40は、弁体6が矢印Aおよび矢印Bで示す方向に回転移動する弁体移動空間60と、後述する伝達機構が配置される伝達機構配置空間70とを仕切っている。また、仕切り壁40とは反対側において、流体入口26から開口部5に向かう流体通路50と、伝達機構配置空間70とは、弁体移動空間60を介して連通しているが、この部分では、後述するように、弁体6自身が弁体移動空間60の周りを底壁4とともに囲む周囲壁に接触することにより、伝達機構配置空間70と流体通路50との連通が遮断されている。
【0023】
(弁駆動装置の構成)
弁駆動装置3は、双方向への回転が可能なステッピングモータ30と、歯車列からなる伝達機構7と、ステッピングモータ30の回転により伝達機構7を介して弁体6を移動させる移動体8とを備えている。ステッピングモータ30は、底壁4の受け部によって出力軸35が回転可能に支持されている。伝達機構7は、出力軸35に固着されたピニオンと噛み合う外歯を備えた第1車71と、この第1車71の側方位置には、第1車71の回転軸に固着されたピニオンと噛み合う外歯を備えた第2車72を備えている。
【0024】
移動体8は、底壁4において下ケース21aの内周壁に沿って周方向に形成されたガイド溝44の上に配置されている。移動体8は、その内周側面に、第2車72の回転軸に固着されたピニオンと噛み合う内歯を備え、かつ、その端部80には弁体6が構成されている。従って、弁体6は、矢印Aおよび矢印Bで示す方向にように、ステッピングモータ30の出力軸35と交差する方向に駆動され、ステッピングモータ30の出力軸35の周りにおいて円弧状の軌跡を描くことになる。
【0025】
このように構成した弁駆動装置3のうち、伝達機構7、およびステッピングモータ30を構成する部材の一部が伝達機構配置空間70内に配置されている。
【0026】
(弁体の構成)
弁体6は、底壁4の突条部45の頂部上を摺動する板状弁部61と、板状弁部61から上方に立ち上がる遮蔽板部62とを備えている。板状弁部61は、開口部5より大きく、一定幅で周方向に円弧状に延びている。
【0027】
遮蔽板部62は、板状弁部61の閉方向Aの縁を除いた三方の縁から平面コの字形状に立ち上がっており、板状弁部61の外周縁から立ち上がる外周側遮蔽部62aと、板状弁部61の内周縁から立ち上がって外周側遮蔽部62aに対向する内周側遮蔽部62bと、板状弁部61の開方向Bの側の縁で立ち上がって、外周側遮蔽部62aの開方向B側の端部と内周側遮蔽部62bの開方向B側の端部とに連結する後方板部62cとから構成されている。
【0028】
内周側遮蔽部62bは、仕切り壁40の半径方向中心側に位置する円弧状部分401と常に面接触する状態にある。また、外周側遮蔽部62aは、下ケース21aにおいて内側に小さく張り出した突起210と常に接触する状態にある。さらに、外周側遮蔽部62a、内周側遮蔽部62b、および後方板部62cの上端部は、上ケース21bの下面に近接している。このようにして、弁体6の遮蔽板部62は、弁体移動空間60の周りを底壁4とともに囲むケース2の内壁に対して接触、あるいは近接していることにより、伝達機構配置空間70と、流体入口26から流体出口27へ繋がる流体通路50とは、弁移動空間60において連通が絶たれている。
【0029】
ここで、下ケース21aでは開口部5と直交する方向に向かって流体入口26が開口している。そこで、本形態では、弁体6が閉方向Aに駆動されたときに流体入口26に対して対向する位置に出現する外周側遮蔽部62aをシャッター板部として利用している。すなわち、後述する小流量領域では、シャッター板部としての外周側遮蔽部62aが流体入口26から開口部5に向かう流れ込む流体に抵抗を与えるので、流量の精度が向上する。これに対して、大流量領域では、弁体6の移動に伴って、シャッター板部としての外周側遮蔽部62aが流体入口26に対して対向する位置から退避するので、外周側遮蔽部62aが抵抗となることはない。
【0030】
また、弁体6は、板ばね63によって底壁4に押し付けられている。板ばね63は、弁体6の外周側遮蔽部62aの上端部と、内周側遮蔽部62bの上端部との間に掛け渡されている。板ばね63は、幅方向における略中央部分が上方に膨らんでおり、この膨らみ部分に対して、上ケース21bの下面に形成されている突起22aが当接している。このようにして本形態では、板ばね63と突起22aとによって、弁体6を底壁4に向けて押圧する押圧手段が構成されている。
【0031】
(動作)
このように構成された流量制御装置1の流量制御動作について、図3ないし図7を参照して説明する。
【0032】
図5(A)、(B)はそれぞれ、本発明を適用した流量制御装置における弁体6が開口部5の先端部分51に位置する状態を示す断面図および平面図である。図6は(A)、(B)はそれぞれ、本発明を適用した流量制御装置における弁体6が開口部5の先端部分51より開方向に位置する状態を示す断面図および平面図である。図7は、本形態の流量制御装置における弁***置と流量との関係を示すグラフである。
【0033】
本形態の流量制御装置1において、図4(A)、(B)に示す閉状態では、弁体6が最も閉方向Aに位置する。この状態では、板状弁部61により開口部5は完全に閉塞状態にある。このような状態は、図7における閉状態L0に相当する。なお、ガスの場合、閉状態でもガスがわずかに流れるように設定されるが、流量を0に設定してもよい。
【0034】
この状態からステッピングモータ30の出力軸35が反時計周りCCWの方向にわずか回転すると、第1車71が時計周りCWの方向にわずかに回転し、第2車72が反時計周りCCWの方向にわずかに回転する。その結果、移動体8も反時計周りCCWの方向に回転し、弁体6は、矢印Bで示すように開方向にわずかに回転移動する。その結果、図5に示すように、開口部5の先端部51が開く。ここで、先端部51は、開口幅が先細りに狭くなっているとともに、開口縁付近に傾斜面51aが形成されているため、矢印Gで示すように、弁体6と先端部51の平面的な開口面積、および弁体6と傾斜面51aの隙間によって規定された開度に応じて、流体が上流側11から下流側12に流れることになる。また、この状態で、流体入口26から流体出口27へ繋がる流体通路50では、弁体6の外周側遮蔽部62a(シャッター板部)が抵抗となるので、流体入口26から開口部5へ向かう流体は、流量が絞られる。
【0035】
この状態からステッピングモータ30の出力軸35が反時計周りCCWの方向にさらに回転すると、第1車71が時計周りCWの方向にさらに回転し、第2車72が反時計周りCCWの方向にさらに回転する。その結果、移動体8も反時計周りCCWの方向にさらに回転し、弁体6は、矢印Bで示すように開方向にさらに駆動される。その結果、図6に示すように、弁体6が先端部51から離れる方向に移動するので、矢印Gで示すように、開口部5の開口面積に応じた流体が上流側11から下流側12に流れる。この状態で、弁体6の外周側遮蔽部62aは、開方向Bに退避するので、流体入口26から流体出口27へ繋がる流体通路50における抵抗は小さくなっている。
【0036】
この後は、弁体6が開口部5を全開とする図3の状態になるまで、開口部5の開口面積に応じた流体が上流側11から下流側12に流れる。弁体6が全開した状態は、図7における全開状態L1に相当する。このような状態において、弁体6の外周側遮蔽部62aは、流体入口26から流体出口27へ繋がる流体通路50から完全に退避している。
【0037】
これに対して、図3に示す開状態からステッピングモータ30の出力軸35が時計周りCWの方向に回転していくと、第1車71が反時計周りCCWの方向に回転し、第2車72が時計周りCWの方向に回転する。その結果、移動体8は時計周りCWの方向に回転し、弁体6は、上記の順序とは逆方向(閉方向/矢印Aで示す方向)に駆動される。
【0038】
(本形態の効果)
以上説明したように、本形態の流量制御装置1では、弁体6を開口部5に対して移動させる弁駆動装置3の駆動源としてモータを用いているため、ソレノイドをオン・オフ制御する構成と違って、異音やチャタリングの発生が起こらない。
【0039】
また、開口部5が形成された底壁4に弁体6が摺動しながら開口部5を覆って開度を調整する。このため、弁体6が開口部5に入り込んで開度を調整するタイプとは異なり、弁体6の形状を変えずに、開口部5の形状を変更するだけで流量調整パターンを変更できる。
【0040】
さらに、底壁4には、弁体6が移動する弁体移動空間60と、弁体駆動装置3が配置される伝達機構配置空間70とを仕切る仕切り壁40が形成され、かつ、弁体6には、弁体移動空間60において伝達機構配置空間70と流体通路50とを仕切る遮蔽板部62が形成されている。このため、弁駆動装置3における伝達機構7と流体通路50とを遮断することができるので、流体通路内、あるいは流体に含まれていたグリスや金属粉などの異物が伝達機構7を構成する歯車に付着することがない。
【0041】
また、小流量領域では、弁体6の外周側遮蔽部62aが流体入口26から開口部5に向かう流れ込む流体に抵抗を与えるので、流量の精度が向上する。これに対して、大流量領域では、弁体6の移動に伴って、外周側遮蔽部62aが流体入口26に対して対向する位置から退避するので、外周側遮蔽部62aが抵抗となることはない。
【0042】
また、弁体6は、板ばね63によって底壁4に押し付けられているので、弁体6を底壁4に沿って移動させる際における開口部5の開度の調整、開口部5の封鎖を確実にすることができる。
【0043】
一方、底壁4には、弁体6の表面に当たる突条部45が形成されており、突条部45の先端は円弧状となっている。それ故、弁体6は、突条部45の先端に線接触して移動するので、摩擦抵抗を少なくできる。
【0044】
また、開口部5は、弁体6の閉方向における先端部分51の開口幅が狭くなっているとともに、先端部分51の開口縁に付近に傾斜面51aが形成されているので、簡素な構成で小流量領域の流量制御を高い精度で行うことができる。
【0045】
[その他の実施の形態]
なお、上記形態では、弁体6の遮蔽板部62については、板状弁部61の閉方向Aの縁を除いた三方の縁から平面コの字形状に立ち上がる構成として、外周側遮蔽部62a、内周側遮蔽部62b、および後方板部62cを形成したが、図8に示すように、板状弁部61の開方向Bの縁を除いた三方の縁から平面コの字形状に立ち上がる構成として、外周側遮蔽部62a、内周側遮蔽部62b、および前方板部62dを形成して、伝達機構配置空間70と、流体入口26から流体出口27へ繋がる流体通路50の連通を弁移動空間60において絶ってもよい。
【0046】
また上記形態では、突条部45を底壁4の方に形成したが、弁体6の方に形成してもよい。
【0047】
さらに上記形態では、駆動源としてステッピングモータ30を用いたが、DCモータやACモータを用いてもよく、このようなモータを用いる場合には、ステップ制御に代えて、時間制御、あるいは位置認識を行いながらの時間制御を行えばよい。また、流量の制御対象となる流体としては気体に限らず、液体であってもよい。
【0048】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の流量制御装置では、弁体を開口部に対して相対移動させる弁駆動装置の駆動源としてモータを用いているため、ソレノイドをオン・オフ制御する構成と違って、異音やチャタリングの発生が起こらない。また、開口部が形成された隔壁を弁体が摺動しながら開口部を覆うことによって開度を調整するため、弁体が開口部内に挿入して開度を調整するタイプとは異なり、弁体の形状を変えずに、開口部の形状を変更するだけで流量調整パターンを変更できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)、(B)、(C)は、本発明を適用した流量制御装置の平面図、正面図、および底面図である。
【図2】本発明を適用した流量制御装置のケース内に配置された歯車列などの展開図である。
【図3】(A)および(B)はそれぞれ、本発明を適用した流量制御装置のケース内における弁体の開状態を示す平面図およびD−D′断面図である。
【図4】(A)および(B)はそれぞれ、本発明を適用した流量制御装置のケース内における弁体の閉状態を示す平面図およびE−E′断面図である。
【図5】(A)、(B)はそれぞれ、本発明を適用した流量制御装置における弁体が開口部の先端部分に位置する状態を示す断面図および平面図である。
【図6】(A)、(B)はそれぞれ、本発明を適用した流量制御装置における弁体が開口部の先端部分より開方向に位置する状態を示す断面図および平面図である。
【図7】本形態の流量制御装置における弁***置と流量との関係を示すグラフである。
【図8】本発明を適用した別の流量制御装置のケース内における弁体の開状態を示す平面図である。
【符号の説明】
1 流量制御装置
2 ケース
3 弁駆動機構
4 底壁部分(隔壁)
5 開口部
6 弁体
7 伝達機構
8 移動体
11 上流側
12 下流側
21a 下ケース
21b 上ケース
210 下ケースの突起
26 流体入口
27 流体出口
30 ステッピングモータ(駆動源)
35 ステッピングモータの出力軸
40 仕切り壁
401 仕切り壁の円弧部分
45 突条部
50 流体通路
51 先端部(閉側開口縁)
51a 傾斜面
60 弁体移動空間
61 板状弁部
62 遮蔽板部
62a 外周側遮蔽部(シャッター板部)
62b 内周側遮蔽部
62c 後方板部
62d 前方板部
70 伝達機構配置空間
71 第1車
72 第2車
Claims (5)
- 流体通路を仕切る隔壁と、該隔壁に形成された開口部の開度を調整する弁体と、該弁体を駆動する弁駆動装置とをケース内に有する流量制御装置において、
前記弁駆動装置は、駆動源としてのモータと、前記モータの出力を前記弁体に伝達して当該弁体を所定の角度範囲にわたって回転移動させる伝達機構とを備え、
前記弁体は、前記隔壁に対して摺動しながら回転移動して前記開口部の開度を調整し、
前記隔壁は、前記開口部における前記弁体の閉方向に位置する閉側開口縁に向かって当該隔壁の厚さ方向における前記弁体との隙間を狭めていく傾斜面を備え、
前記伝達機構が配置されている伝達機構配置空間と、前記流体通路とは、前記ケース内で仕切られているとともに、当該ケース内で前記弁体の移動空間を介して連通しており、
前記弁体は、前記開口部の開度を調整する板状弁部と、該板状弁部から立ち上がって、前記移動空間の周りを前記隔壁とともに囲む周囲壁に対して接触、あるいは近接していることにより前記伝達機構配置空間と前記流体通路との連通を遮断する遮蔽板部とを備えていることを特徴とする流量制御装置。 - 請求項1において、前記開口部は、前記弁体の閉方向に位置する閉側開口縁に向かって開口幅が狭まった平面形状を備えていることを特徴とする流量制御装置。
- 請求項1または2において、前記弁体と前記隔壁とは、前記弁体および前記隔壁のうちの一方側に対して頂部が断面円弧状となるように形成された突条部を介して接していることを特徴とする流量制御装置。
- 請求項1ないし3のいずれかにおいて、前記弁体を前記隔壁に向けて押圧する押圧手段を有していることを特徴とする流量制御装置。
- 請求項1ないし4のいずれかにおいて、前記弁体は、前記隔壁に対して上流側に配置されているとともに、前記ケースには前記開口部と異なる方向に向かって開口する流体入口が形成され、
前記弁体は、該弁体が閉方向に駆動されたときに前記流体入口に対して対向する位置に出現してくるシャッター板部を備えていることを特徴とする流量制御装置。
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