特許 6427370 回転弁

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6427370

(24)【登録日】2018年11月2日

(45)【発行日】2018年11月21日

(54)【発明の名称】回転弁

(51)【国際特許分類】

   F16K 37/00 20060101AFI20181112BHJP

【ＦＩ】

   F16K37/00 M

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-188409(P2014-188409)

(22)【出願日】2014年9月17日

(65)【公開番号】特開2015-92102(P2015-92102A)

(43)【公開日】2015年5月14日

【審査請求日】2017年6月8日

(31)【優先権主張番号】特願2013-204781(P2013-204781)

(32)【優先日】2013年9月30日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】390033857

【氏名又は名称】株式会社フジキン

(74)【代理人】

【識別番号】100106091

【弁理士】

【氏名又は名称】松村 直都

(74)【代理人】

【識別番号】100079038

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 彰

(74)【代理人】

【識別番号】100060874

【弁理士】

【氏名又は名称】岸本 瑛之助

(72)【発明者】

【氏名】土肥 亮介

(72)【発明者】

【氏名】川田 幸司

(72)【発明者】

【氏名】安本 直史

(72)【発明者】

【氏名】那須 裕章

(72)【発明者】

【氏名】西野 功二

(72)【発明者】

【氏名】池田 信一

【審査官】 山本 崇昭

(56)【参考文献】

【文献】 実開昭６３−１７７３７０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開昭６０−１７３４３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−２１６４１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１９７９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１４４９２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／００１７８１５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｋ １／００−１／５４

Ｆ１６Ｋ ５／００−５／２２

Ｆ１６Ｋ １１／００−１１／２４

Ｆ１６Ｋ ３７／００

Ｇ０１Ｌ ３／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体入口通路、流体出口通路およびこれらの通路間に設けられた連通部を有する本体と、本体の連通部に基準軸回りに回転可能に配設され、回転することで流体入口通路と流体出口通路との連通と遮断を行う弁体と、弁体と一体回転可能で基準軸回りに回転させられるステムとを備えている回転弁において、
ステム上端部とステムを回転させる回転手段との間に、これらを相対回転不可能にするように嵌め合わせ、かつ軸方向相対移動可能に結合するジョイントが配されており、該ジョイントに、歪みゲージが貼り付けられていることを特徴とする回転弁。

【請求項2】

ジョイントは、回転手段に設けられた断面方形の軸端部嵌入部に嵌め合わせ可能な角柱部と、ステムを嵌め合わせるための軸端部嵌入部とを有しており、歪みゲージは、前記角柱部の側面に貼り付けられていることを特徴とする請求項１の回転弁。

【請求項3】

歪みゲージの出力を処理する処理手段と、処理手段で得られたデータを無線で送信する無線モジュールとをさらに備えていることを特徴とする請求項１または２の回転弁。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、ボール弁、バタフライ弁、プラグ弁など、弁体を回転させることで連通遮断を行う回転弁に関し、特に、トルク検出機能を向上させた回転弁に関する。

【背景技術】

【0002】

流体入口通路、流体出口通路およびこれらの通路間に設けられた連通部を有する本体と、流体連通路を有し本体の連通部に基準軸回りに回転可能に配設されたボールと、ボールと一体回転可能なステムとを備えており、ステムを基準軸回りに回転させることで流体入口通路と流体出口通路との連通と遮断を行うボール弁はよく知られている（特許文献１）。

【0003】

このようなボール弁では、ステムに作用するトルクを検出して、それを外部に取り出すことが必要とされることがある。この場合、ステムに歪みゲージを貼り付けて、歪みゲージの出力からトルクを求めることが一般的に行われている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１−１７４５９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ステムに歪みゲージを貼り付けてトルクを検出する上記従来のボール弁では、ステムに作用する回転方向の力に起因する歪みだけでなく、軸方向の力に起因する歪みも歪みゲージによって検出されるため、ステムおよびアクチュエータの軸ズレや軸の曲がりの影響を受けて、トルク検出の精度が低下するという問題があった。

【0006】

ボール弁以外のバタフライ弁、プラグ弁などの回転弁でも、トルク検出に際し、同様の問題があった。

【0007】

この発明の目的は、トルク検出の精度を向上させた回転弁を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

この発明による回転弁は、流体入口通路、流体出口通路およびこれらの通路間に設けられた連通部を有する本体と、本体の連通部に基準軸回りに回転可能に配設され、回転することで流体入口通路と流体出口通路との連通と遮断を行う弁体と、弁体と一体回転可能で基準軸回りに回転させられるステムとを備えている回転弁において、ステム上端部とステムを回転させる回転手段との間に、これらを相対回転不可能にかつ軸方向相対移動可能に結合するジョイントが配されており、該ジョイントに、歪みゲージが貼り付けられていることを特徴とするものである。

【0009】

回転弁としては、ボール弁、バタフライ弁、プラグ弁などが例示される。

【0010】

ステム上端部と回転手段とがジョイントによって相対回転不可能にかつ軸方向相対移動可能に結合されることにより、ジョイントには、回転方向の力は作用するが、軸方向の力はほとんど作用しないものとなる。また、ステムおよびアクチュエータの軸ズレや軸の曲がりの影響を受けにくくなる。したがって、このジョイントに歪みゲージが貼り付けられていることにより、トルク検出の精度が向上する。

【0011】

歪みゲージは、１対（２枚）または２対（４枚）設けられることが好ましい。

【0012】

ジョイントは、例えばステンレス鋼とされるが、これに限定されるものではない。

【0013】

回転弁は、手動弁（ステムの上端部に手動用ハンドルが取り付けられる形態）であってもよく、また、自動弁（ステムの上端部にアクチュエータが取り付けられる形態）であってもよいが、自動弁であることが好ましい。自動弁の場合、回転手段は、例えば、ウォームギヤをエアアクチュエータで回転させるものとされるが、これに限定されるものではない。ステムと弁体とは別体でもよく一体でもよい。

【0014】

相対回転不可能にかつ軸方向相対移動可能に結合するには、例えば、ジョイントとステム上端部とが嵌め合い（断面非円形状同士の嵌め合い）とされるとともに、ジョイントと回転手段とも嵌め合い（断面非円形状同士の嵌め合い）とされる。軸方向に相対移動可能な量は、特に限定されるものではなく、遊び程度の大きさであってもよい。

【0015】

回転手段（自動弁の場合のアクチュエータ）には、通常、ステムの上端部（軸端部）が嵌め入れられる軸端部嵌入部が設けられている。従来、この軸端部嵌入部には、ステムの上端部が嵌め入れられていたが、この発明の回転弁においては、回転手段とステムとの間にジョイントが介在され、ジョイントの上端部が軸端部嵌入部に嵌め入れられ、ジョイントの底部に設けられた軸端部嵌入部に、ステムの上端部が嵌め入れられる。

【0016】

ジョイントは、回転手段に設けられた断面方形の軸端部嵌入部に嵌め合わせ可能な角柱部と、ステムを嵌め合わせるための軸端部嵌入部とを有しており、歪みゲージは、前記角柱部の側面に貼り付けられていることがある。角柱部には、軸端部嵌入部に嵌まり合わない（干渉しない）部分が設けられ、歪みゲージはこの部分に貼り付けられる。

【0017】

この発明の回転弁は、既存の回転弁にジョイントを追加して、このジョイントに歪みゲージを貼り付けることによって得ることができ、種々の形状の回転弁に適用することができる。この際、ジョイントを既存の回転弁の回転手段およびステムに合わせて製作するようにして、回転手段およびステムを変更しないようにしてもよいし、必要に応じて、回転手段および／またはステムを変更するようにしてももちろんよい。

【0018】

回転弁は、歪みゲージの出力を処理する処理手段と、処理手段で得られたデータを無線で送信する無線モジュールとをさらに備えていることが好ましい。

【0019】

このようにすると、回転弁のトルクを常時外部から監視することができ、回転弁の信頼性を高めることができる。

【発明の効果】

【0020】

この発明の回転弁によると、ステム上端部とステムを回転させる回転手段との間に、これらを相対回転不可能にかつ軸方向相対移動可能に結合するジョイントが配されており、該ジョイントに、歪みゲージが貼り付けられているので、回転方向の力は作用するが、軸方向の力はほとんど作用しない条件で、歪みゲージの出力を得ることができ、この出力からトルクを求めることによって、トルク検出の精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】この発明による回転弁の第１実施形態を示す正面断面図である。

【図2】図１のジョイントを拡大して示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部を切り欠いた正面図、（ｃ）は底面図である。

【図3】回転弁のトルク検出システムを示すブロック図である。

【図4】回転弁のトルク測定結果を示すグラフである。

【図5】この発明による回転弁の第２実施形態を示す正面断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。以下の説明において、上下は、図１の上下をいうものとする。この上下は、便宜的なものであり、実際の取付けでは、上下方向が鉛直方向とされるだけでなく、水平方向とされることもある。

【0023】

図１は、この発明による回転弁(1)の第１実施形態を示しており、回転弁(1)は、２ポートのボール弁で、流体入口通路(2a)、流体出口通路(2b)およびこれらの通路(2a)(2b)間に設けられた連通部(2c)を有する本体(2)と、流体連通路(3a)を有し本体(2)の連通部(2c)に基準軸（上下方向の軸）回りに回転可能に配設されたボール（弁体）(3)と、ボール(3)に固定されたステム(4)と、本体(2)の上側に固定されたケース(5)と、ケース(5)の上面に支持されてステム(4)を回転させるアクチュエータ（回転手段）(6)とを備えている。

【0024】

図１には、流体入口通路(2a)と流体出口通路(2b)とがボール(3)の流体連通路(3a)によって連通させられている状態が示されている。図示省略するが、この状態からボール(3)を基準軸回りに９０°回転させて、その流体連通路(3a)を同図の紙面表から裏に向かう方向に向けることにより、流体入口通路(2a)と流体出口通路(2b)との連通が遮断される。

【0025】

回転弁(1)は、開閉時に作用するトルクの検出を可能としたもので、ステム(4)上端部とアクチュエータ(6)との間に、ジョイント(7)が配されて、このジョイント(7)に、歪みゲージ(8)が貼り付けられている。

【0026】

アクチュエータ(6)の上方には、歪みゲージ(8)の出力を外部に取り出すためのトルク取出しユニット(9)が設けられている。

【0027】

ジョイント(7)は、アクチュエータ(6)に設けられた凹所（軸端部嵌入部）(10)に嵌め合わせ可能な角柱部(11)と、角柱部(11)の下端に連なる円柱部(12)とを有している。円柱部(12)の底部に、ステム(4)の上端部が嵌め合わせられる凹所（軸端部嵌入部）(13)が設けられている。

【0028】

この実施形態では、アクチュエータ(6)の凹所(10)が断面方形であるのに対応して、図２に拡大して示すように、角柱部(11)も断面方形（角部が面取りされた正方形）とされている。角柱部(11)には、凹所(10)に嵌まり合わない（干渉しない）部分が円柱部(12)との境界側に設けられており、歪みゲージ(8)は、この角柱部(11)の凹所(10)に嵌まり合わない部分に貼り付けられている。ジョイント(7)の凹所(13)は、ステム(4)の上端部の断面形状に対応する断面長円形とされている。歪みゲージ(8)は、図示している角柱部(11)の正面（または他の面）に１枚だけ貼り付けるようにしてもよいが、好ましくは、角柱部(11)の正面と左右いずれかの面（隣り合う２つの面）に１枚ずつ、または、４つの面全てに１枚ずつ貼り付けられる。

【0029】

この実施形態の回転弁(1)によると、ジョイント(7)がステム(4)上端部およびアクチュエータ(6)に対して相対回転不可能とされているので、アクチュエータ(6)を作動させることで、ジョイント(7)およびステム(4)を介してボール(3)を回転させることができ、これにより、流体入口通路(2a)と流体出口通路(2b)との連通と遮断を行うことができる。この際、ステム(4)およびジョイント(7)にはトルクが作用し、歪みゲージ(8)によってこのトルクを求めることができる。ここで、ステム(4)には、ボール(3)からの軸方向の力が作用する。したがって、ステム(4)に歪みゲージ(8)を貼り付けた場合には、歪みゲージ(8)の出力には、軸方向の力に伴う歪みが含まれる。軸方向の力に伴う歪みは、トルクを求める上では、不要であり、精度低下要因となる。これに対し、ジョイント(7)は、ステム(4)上端部およびアクチュエータ(6)に対して軸方向相対移動可能に結合されているので、ボール(3)からの軸方向の力がステム(4)とジョイント(7)との間の相対移動によって吸収され、ジョイント(7)には、回転方向の力は作用するが、軸方向の力はほとんど作用しないものとなる。また、ステム(4)およびアクチュエータ(6)の軸ズレや軸の曲がりの影響も歪みゲージ(8)に作用しにくくなる。したがって、このジョイント(7)に歪みゲージ(8)が貼り付けられていることにより、トルク検出の精度が向上する。

【0030】

こうして、この実施形態の回転弁(1)によると、図４に示すように、極めて精度の高いトルク（軸トルク）と出力との関係を得ることができる。

【0031】

上記の回転弁(1)のトルク検出のシステムを図３に示す。

【0032】

同図に示すように、回転弁(1)は、開閉トリガー検出手段(21)を有しており、トルク取出しユニット(9)は、アンプ(22)、マイコン（処理手段）(23)、電池・電源回路(24)、高輝度ＬＥＤ(25)および無線モジュール(26)を備えている。

【0033】

開閉トリガー検出手段(21)によって、開のトリガー信号が出力されると、歪みゲージ(8)の出力の取込みが開始され、閉のトリガー信号が出力されると、歪みゲージ(8)の出力の取込みが終了される。

【0034】

歪みゲージ(8)の出力は、アンプ(22)によって増幅されてマイコン(23)に送られる。マイコン(23)は、歪みゲージ(8)の出力からトルクを演算して、その値に応じて、通常動作トルク（正常）、注意警報トルク（警告）および異常警報トルク（異常）に分類する。そして、正常であれば青色、警告であれば黄色、異常であれば赤色のＬＥＤ(25)を点灯または点滅させる。

【0035】

回転弁(1)から離れた位置に設置される中継ボックス(27)には、回転弁(1)の無線モジュール(26)と送受信する無線モジュール(28)と、回転弁(1)の情報を一括管理するサーバーとしてのマイコンボード(29)と、端末(31)との送受信を可能とする無線ＬＡＮルーター(30)とが設けられている。この中継ボックス(27)を介して携帯型の端末（例えばアンドロイド端末）(31)に送信することができる。

【0036】

中継ボックス(27)は、例えば２００ｍ程度離れた場所に設置され、これにより、回転弁(1)に作用するトルク（軸トルク）を常時外部から監視することができ、回転弁(1)の信頼性を高めることができる。

【0037】

なお、図３では、回転弁(1)および携帯型の端末(31)は、それぞれ１つずつ図示しているが、これらは複数とすることもできる。

【0038】

上記において、回転弁(1)として、ボール弁を例示したが、上記トルク検出のための構成は、ボール弁以外の回転弁にも適用できる。図５にその一例を示す。

【0039】

図５は、この発明による回転弁(41)の第２実施形態を示しており、回転弁(41)は、バタフライ弁で、流体入口通路(42a)、流体出口通路(42b)およびこれらの通路(42a)(42b)間に設けられた連通部(42c)を有する本体(42)と、本体(42)の連通部(42c)に基準軸（上下方向の軸）回りに回転可能に配設された弁体(43)と、弁体(43)と一体で回転するステム(44)と、本体(42)の上側に固定されたケース(45)と、ケース(45)の上面に支持されてステム(44)を回転させるアクチュエータ（回転手段）(46)とを備えている。

【0040】

本体(42)は、流体入口通路(42a)および連通部(42c)を有する略円筒状の第１円筒体(42d)と、流体出口通路(42b)を有する略円筒状の第２円筒体(42e)とが、連通部(42c)よりも右側に寄った位置で互いに嵌め合わされることで形成されており、嵌め合わせ面は、Ｏリング(47)によってシールされている。

【0041】

弁体(43)は、円板状とされており、第１円筒体(42d)内に配置されている。弁体(43)が本体(42)の軸方向に直交する位置にある（弁体(43)が軸方向から見て円形の）ときに、流体入口通路(42a)と流体出口通路(42b)とは遮断され、弁体(43)が本体(42)の軸方向に平行な位置にある（弁体(43)が軸方向から見て幅狭長方形の）ときに、流体入口通路(42a)と流体出口通路(42b)とが全開状態で連通される。

【0042】

弁体(43)の中央には、上下にのびる円筒状とされてセレーションが設けられた軸保持部(43a)が一体に形成されている。ステム(44)は、セレーションが設けられた下部(44a)が弁体(43)の軸保持部(43a)に回転不可能に嵌め入れられ、上端部が第１円筒体(42d)を貫通する孔に回転可能に嵌め入れられている。ステム(44)と第１円筒体(42d)との間は、Ｏリング(48)によってシールされされている。

【0043】

回転弁(41)は、開閉時に作用するトルクの検出を可能としたもので、ステム(44)上端部とアクチュエータ(46)との間に、ジョイント(7)が配されて、このジョイント(7)に、歪みゲージ(8)が貼り付けられている。

【0044】

アクチュエータ(46)の上方には、歪みゲージ(8)の出力を外部に取り出すためのトルク取出しユニット(9)が設けられている。

【0045】

ジョイント(7)、歪みゲージ(8)およびトルク取出しユニット(9)は、第１実施形態と同じものとされている。したがって、この第２実施形態の回転弁(41)においても、トルク検出の精度が向上するとう効果が得られる。

【0046】

なお、上記の各実施形態において、アクチュエータ(6)の凹所(10)および角柱部(11)の断面が方形とされ、ステム(4)の上端部およびジョイント(7)の凹所(13)の断面が長円形とされているが、これらの断面形状は、これに限定されるものではない。

【符号の説明】

【0047】

(1)：回転弁、(2)：本体、(2a)：流体入口通路、(2b)流体出口通路、(2c)：連通部、(3)：ボール（弁体）、(3a)：流体連通路、(4)：ステム、(6)：アクチュエータ（回転手段）、(7)：ジョイント、(8)：歪みゲージ、(10)：凹所（軸端部嵌入部）、(11)：角柱部、(13)：凹所（軸端部嵌入部）、(41)：回転弁、(42)：本体、(42a)：流体入口通路、(42b)流体出口通路、(42c)：連通部、(43)：弁体、(44)：ステム、(46)：アクチュエータ（回転手段）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】