特開 2022-17825 流量調整弁

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022017825

(43)【公開日】2022-01-26

(54)【発明の名称】流量調整弁

(51)【国際特許分類】

   F16K 37/00 20060101AFI20220119BHJP

   F16K 1/32 20060101ALI20220119BHJP

【ＦＩ】

F16K37/00 F

F16K1/32 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020120607

(22)【出願日】2020-07-14

(71)【出願人】

【識別番号】390033857

【氏名又は名称】株式会社フジキン

(72)【発明者】

【氏名】橘高 省太

(72)【発明者】

【氏名】三谷 展弘

【テーマコード（参考）】

3H052

3H065

【Ｆターム（参考）】

3H052AA01

3H052BA03

3H052BA31

3H052CD01

3H052DA06

3H065AA01

3H065BA07

3H065BB11

3H065CA01

(57)【要約】

【課題】ゴミの噛み込みやステムの芯ずれによる不具合の発生を素早く検知し、流量調整弁の停止やメンテナンスを行なうことができる流量調整弁を提供すること。
【解決手段】アクチュエータ４の作動によって移動するスライダ５と、このスライダ５の反アクチュエータ４側に取り付けられ、付勢部材６によって弁座２３側に付勢されるとともに、先端に弁体３０を形成するステム３とを備え、ステム３には、ステムに係る軸方向の荷重を検知する荷重検知手段７を配設するようにしている。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項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、
該流路に形成される弁座と、
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体調整弁であって、
前記アクチュエータの作動によって移動するスライダと、
該スライダの反アクチュエータ側に取り付けられ、付勢部材によって弁座側に付勢されスライダと共に移動するとともに、先端に前記弁体を形成するステムとを備え、
前記ステムには、ステムに係る荷重を検知する荷重検知手段を配設した流量調整弁。

【請求項2】

前記荷重検知手段は、前記付勢手段とスライダ又はステム間に配設した圧力センサである請求項１に記載の流量調整弁。

【請求項3】

前記荷重検知手段は、ステム表面の適所に貼設した歪センサである請求項１に記載の流量調整弁。

【請求項4】

前記歪センサは、軸方向及び軸と直交する方向の歪を計測する複数からなる請求項３に記載の流量調整弁。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は流量調整弁に関し、より詳しくは、ゴミの噛み込みやステムの芯ずれ等による漏れや弁体や弁座の摩耗を防止することのできる流量調整弁に関する。

【背景技術】

【0002】

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検知し、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）。

【0003】

そして、この種の流量調整弁は、アクチュエータの作動によって、移動するスライダと、スライダと共に移動するも、先端の弁体が着座することでその移動が停止するステムとから構成される。ステムとスライダの間には弾性体が介在し、ステムが停止した後は弾性体が圧縮され、ステムとスライダの間には反弾性体側で間隙が生じる。全閉位置の検出は、この間隙を電気的な短絡からの開放で検知することで行われている。

【0004】

また、全閉位置の検出の別の方法としては、アクチュエータとして用いるモータのトルクを検知・計測し、ステム先端の弁体が着座することによって上昇し、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）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特公平０７－０５８４４４号公報

【特許文献2】国際公開第２０１８－１９９０６３号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来の流量調整弁では、流入口の上流側に供給する流体に混入するゴミ（コンタミ）が下流側に流れないようフィルタが設けられている。しかし、フィルタを通過した微細なゴミが流路内に混入し弁座に付着することがある。また、ゴミはステムの芯ずれによって、弁体が弁座に対して片当たりし、弁座、弁体が摩耗し発生する場合もある。これらのゴミが弁座に付着すると全閉時でも漏れが発生することとなる。

【0007】

また、ステムに芯ずれが生じると全閉位置と検知されている位置までステムを下降しても確実に弁体が弁座に着座せずステムが撓んで漏れが発生する場合もある等の問題があった。

【課題を解決するための手段】

【0008】

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、ゴミの噛み込みやステムの芯ずれによる不具合の発生を素早く検知し、流量調整弁の停止やメンテナンスを行なうことができる流量調整弁を提供することである。

【0009】

上記課題を解決するためになされた本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、この流路に形成される弁座と、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体調整弁であって、アクチュエータの作動によって移動するスライダと、スライダの反アクチュエータ側に取り付けられ、付勢部材によって弁座側に付勢されるとともに、先端に弁体を形成するステムとを備え、このステムには、ステムに係る荷重を検知する荷重検知手段を配設するようにしている。

【0010】

この流量調整弁は、ステム先端の弁体が弁座と接することでステムに生じる荷重を検知する。ゴミの噛み込みや芯ずれによって、通常の全閉位置よりも早くステムに通常と異なる荷重を検知することができる。

【0011】

この場合において、荷重検知手段は、前記付勢手段とスライダ又はステム間に配設した圧力センサとすることができる。これにより軸方向に係る荷重を検知する。

【0012】

また、荷重検知手段は、ステム表面の適所に貼設した歪センサとすることもできる。さらに、歪センサを複数、例えば軸と平行な方向と軸と直交する方向に貼設することで、僅かなステムに荷重がかかることで生じる歪を検知する

【発明の効果】

【0013】

本発明に係るバルブによれば、通常の全閉位置よりも早くステムに通常と異なる荷重を検知すると、ゴミの噛み込み等の不具合と判定し、作動を停止させ、メンテナンスを実施することができ、流体の漏れによる事故の発生を未然に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本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。

【図2】本発明に係る別の実施例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。

【図3】同流量調整弁の歪センサの貼設状態を示す一部切り欠きの拡大図である。

【図4】本発明の実施形態で用いられる歪センサ出力を得るための例示的なブリッジ回路を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

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。

【0016】

＜実施形態１＞
本発明に係る流量調整弁１の第１実施形態を、図１に示す。

【0017】

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に形成される弁座２３と、弁座２３に当接離間し、流路２０を連通遮断する弁体３０と、弁体３０を移動させるアクチュエータ４とを備えている。

【0018】

そして、アクチュエータ４の作動によって移動するスライダ５と、このスライダ５の反アクチュエータ４側に取り付けられ、付勢部材６によって弁座２３側に付勢されるとともに、先端に弁体３０を形成するステム３とを備え、ステム３には、ステムに係る軸方向の荷重を検知する荷重検知手段７を配設するようにしている。

【0019】

荷重検知手段７は、弁体３０と弁座２３とが接触することでステムにかかる荷重を検知するもので、本実施形態では、付勢部材６とスライダ５との間に配設した圧力センサ７１を用いている。圧力センサ７１は、アクチュエータ４の作動に伴ってスライダ５が移動を始めると弁体３０が弁座２３に接するまで一定であるステムにかかる荷重（圧力）の変化を検知するものである。また、図示では付勢部材６とスライダ５との間に配設しているが、配設箇所は特に限定するものではなく、付勢部材６とステム３との間や、連結するステム３の間であっても構わない。

【0020】

圧力センサ７１は、押圧力を測定できるものであれば、感圧センサ等、特に限定するものではないが、僅かな押圧力の増加を検知できる、例えばμＮレベルの微小力を検知することのできる微小力センサを用いることが好ましい。

【0021】

［アクチュエータ］
アクチュエータ４は、弁体３０を弁座２３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４１は、筒状の上部カバー４０Ａ内に備えられたスライダ５に配設されるボールねじ４２と接続されている。このボールねじ４２によって、ステッピングモータの回転軸４１の回転運動をスライダ５の直進運動に変換する。スライダ５は筒状体で、円筒形であっても角筒形であっても構わず、ボールねじ４２によって軸方向に移動するも円筒形の場合は、回転しないように規制されている。また、ボールねじ４２が配設される部分と、荷重検知手段７や後述する筒状部材５０が配設される部分とが連通した筒状体であっても荷重検知手段７が配設される部分で底面を有する形状であっても構わない。

【0022】

スライダ５の反アクチュエータ４側には、弁座２３側に突設し、底面に貫通孔５０aを有する底板５１を備えた筒状部材５０が配設されている。貫通孔５０ａには、先端に弁体３０を形成するステム３が挿通されている。ステム３は、筒状部材５０内に位置する鍔部３ａを備え、この鍔部３ａには、筒状部材５０の上面に一端を当接される付勢部材６（例えばスプリング）の他端が当接し、ステム３を、弁座２３側へ押圧している。これによって、鍔部３ａは、通常は底板５１に取り付けられている位置決め用のボルトの頭部と当接している。筒状部材５０のスライダ５に対しての固定手段は特に限定するものではなく、溶接などを用いても構わないが、本実施形態では、スライダ５の下面に雌ねじ孔、筒状部材５０の底板５１に貫通孔設け、底板５１側からボルト等の締結手段（図示省略）を用いて締結固定するようにしている。

【0023】

［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４３が配置される。ボンネット４３は、ボンネットナット４４によって固定される。ボンネット４３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が配設され、ボンネット４３の上部に螺合するグランドナット４５によってシール部材は固定されている。

【0024】

ボンネット４３の外周面中央部には雄ねじが形成され、上部カバー４０Ａから延設される脚部４０Ｂの下部に形成された内周面に雌ねじを備えた環状の取付部が螺合され、ロックナット４０Ｃによって固定される。脚部４０Ｂは、２本のバー形状で、上部カバー４０Ａ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。

【0025】

流路２０に形成される弁座２３は、ボンネット４３と同心上の適所に形成されるもので、ボディ２の内部に直接形成しても構わないが、本実施形態では、ボディ２に螺合するよう外周面に雄ねじを刻設した筒状体の内周端面に形成するようにしている。これによって、弁座２３のみの交換を容易としている。

【0026】

ボディ２に螺合される弁座２３を形成する筒状体の適所には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。

【0027】

次に、本流量制御弁の運転制御から異常検知の流れを説明する。まず、運転前の全閉位置検知から説明する。弁体３０が弁座２３から離間した全開状態から、アクチュエータ４を作動させ、ステム３を下降させる。

【0028】

所定距離だけステム３が下降すると、弁体３０は弁座２３に着座する。着座した瞬間から、さらにスライダ５が下降すると、ステム３の鍔部３aと筒状部材５０の底板５１に配設されるボルト頭部との間に僅かな間隙が生じる。電気的に短絡しているスライダ５とボルトとの接続が切断され、全閉位置が記録される。

【0029】

この全閉位置をアクチュエータ４（例えば、ステッピングモータ）の基本位置として流量調整弁１の運転制御行う。つまり、全開位置から全閉位置までのステップ数を制御装置（図示省略）が記憶し、開度を微調整することで細かなＣｖ値を制御するもので、全閉位置と数ステップ違いの微小Ｃｖ値（例えば、Ｃｖ値０．００００００１５）に移動させたとき、ゴミの噛み込みやステム３の芯ずれがなければ、ステム３には全開位置と同様の荷重しかかかっていないはずである。しかし、ゴミの噛み込みやステム３の芯ずれが生じていた場合、全閉位置にない場合でも、弁体３０と弁座２３がゴミを間に介在させた状態で当接した状態と等しい状態、芯ずれが生じている場合は片当たりで弁体３０と弁座２３が当接した状態となり、ステム３に開状態とは異なる荷重がかかることとなる。本発明の流量調整弁１ではこの僅かな荷重の変化を荷重検知手段７である圧力センサ７１で検知し、制御手段が全閉位置にないときにステム３に全閉状態と同等の荷重を検知したことをアラートによる通知や流量調整弁１又は設備全体の運転停止を行い、流量調整弁１や装置全体に生じる可能性がある損害を未然に防止するようにしている。

【0030】

＜実施形態２＞
本発明に係る流量調整弁の第２実施形態を、図２～４に示す。

【0031】

この流量調整弁１は、第１実施形態の荷重検知手段７の構成が異なる以外の構成は、第１実施例とどうようであり、説明は省略する。

【0032】

この流量調整弁１の荷重検知手段７は、ステム３の表面の適所に貼設した歪センサ７０としている。歪センサ７０の貼設位置は特に限定するものではなく、本実施形態では、付勢手段６が当接する鍔部３ａ直下の大径部３０に貼設している。大径部３０は、その他のステム３の部分と同じ材質であっても構わないが、変形しやすい剛性の低い材質、例えば、ねずみ鋳鉄（ＦＣ材）、ネパール黄銅（Ｃ４６４０Ｐ）、６－４黄銅（Ｃ２８０１），７－３黄銅（Ｃ２６００）、リン青銅（（Ｃ５２１２Ｐ）等、ヤング率が１００前後の金属の他、ジュラルミン等、ヤング率が７０前後のアルミニウム合金や、ヤング率が４０前後のマグネシウム合金を用いることもできる。

【0033】

また、歪センサ７０は、軸方向及び軸と直交する方向の歪を計測することができるように、軸方向に第１歪センサ７０ｚ、軸と直交する方向に第２歪センサ７０ｘを貼設するようにしている。第１歪センサ７０ｚ及び第２歪センサ７０ｘはステム３の大径部３０の伸長量を第１歪センサ７０ｚ及び第２歪センサ７０ｘの電気抵抗の変化として検出することができる。

【0034】

また、図３に示すように、第１歪センサ７０ｚの一方の端子に接続された第１歪センサ出力端子７２ａと、第１歪センサ７０ｚの他方の端子および第２歪センサ７０ｘの一方の端子に共通に接続された歪センサ共通出力端子７２ｃと、第２歪センサ７０ｘの他方の端子に接続された第２歪センサ出力端子７２ｂとが設けられている。

【0035】

第１及び第２歪センサ出力端子７２ａ、７２ｂおよび歪センサ共通出力端子７２ｃは、外部基板に設けられた回路に接続されており、第１歪センサ７０ｚおよび第２歪センサ７０ｘを含むブリッジ回路が形成されている。このブリッジ回路において、第１歪センサ７０ｚおよび第２歪センサ７０ｘの抵抗値の変化を検出することができる。

【0036】

図４は、第１歪センサ７０ｚおよび第２歪センサ７０ｘの抵抗値変化を検出するための例示的な等価回路を示す。図４に示す等価回路において、分岐点Ａ－Ｄ間および分岐点Ｃ－Ｄ間に設けられた抵抗Ｒ１、Ｒ２は、外部基板上に設けられた既知抵抗値の固定抵抗に対応し、分岐点Ａ－Ｂ間に設けられた抵抗Ｒ３は、第１歪センサ７０ｚに対応し、分岐点Ｂ－Ｃ間に設けられた抵抗Ｒ４は、第２歪センサ７０ｘに対応する。本実施形態では、第１歪センサ７０ｚおよび第２歪センサ７０ｘの抵抗値と、２つの固定抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値とは同じに設定されており、例えば、いずれも１２０オーム又は３５０オームに設定されている。

【0037】

また、図４において、分岐点Ａは、第１歪センサ出力端子７２ａに対応し、分岐点Ｂは、歪センサ共通出力端子７２ｂに対応し、分岐点Ｃは、第２歪センサ出力端子７２ｃに対応する。この等価回路において、分岐点Ａ－Ｃ間に所定のブリッジ印加電圧が印加された状態で、第１歪センサ７０ｚまたは第２歪センサ７０ｘの抵抗値の変化は、ブリッジ出力信号（分岐点Ｂ－Ｄ間の電位差）の変化として検出される。なお、上記のように各抵抗Ｒ１～Ｒ４の大きさが同じである場合、第１および第２歪センサ７０ｚ、７０ｘに応力が生じていない初期状態において、ブリッジ出力信号は典型的にはゼロを示す。

【0038】

第１実施形態と同様にゴミの噛み込みやステム３の芯ずれ状態で全閉位置直前までステム３が移動したときステム３に全閉状態と同様の荷重がかかる。これにより、歪センサ２０が取り付けられた圧電素子はｚ方向に収縮するとともに、これと直交するｘ方向においては伸長する。このとき、第１歪センサ７０ｚの抵抗値は、圧電素子の収縮量に対応して増加し、第２歪センサ７０ｘの抵抗値は、圧電素子の伸長量に対応して減少する。

【0039】

そして、図４に示す等価回路では、ステム３の大径部３０が収縮したとき、第２歪センサ７０ｘにおける歪み量が増大してブリッジ出力信号が増加するとともに、第１歪センサ７０ｚにおける歪み量が減少することによってもブリッジ出力信号が増加する。このため、ステム３に荷重が加わって変形時には、第２歪センサ７０ｘの歪み量の増加分と、第１歪センサ７０ｚの歪み量の減少分との合計に対応するブリッジ出力信号の変動が生じることになる。これにより、ブリッジ出力信号を増幅させることができる。

【0040】

また、上記のように第１歪センサ７０ｚと、これに直交する第２歪センサ７０ｘとを用いてブリッジ回路を構成することによって、温度変化による歪センサ２０の抵抗値変化を補正することが可能である。これは、例えば温度が上昇することによってステム３の大径部３０が膨張したとき、その膨張が、第１歪センサ７０ｚに対してはブリッジ出力信号を増加させる要素として働くのに対して、第２歪センサ７０ｘに対してはブリッジ出力信号を減少させる要素として働き、温度による増加要素と減少要素とが相殺されたブリッジ出力信号が得られるからである。このため、温度の変化に起因して圧電素子自体の膨張または収縮が生じているときであっても、ブリッジ出力信号への影響は低減され、ステム３にかかる荷重によって生じるの撓みを精度よく測定することが可能になる。

【産業上の利用可能性】

【0041】

本発明の流量調整弁は、全閉位置の検知を行い精密な流量制御を、ステッピングモータを用いて行うことができるとともに、ゴミの噛み込みやステムの芯ずれによって生じるステムの荷重の変化を検知することができるから、エアー源が設置できない設備での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、荷重検知手段の部品のみを用い、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。

【符号の説明】

【0042】

１ 流量調整弁
２ ボディ
２０ 流路
２１ 流入口
２２ 流出口
２３ 弁座
３ ステム
３０ 弁体
４ アクチュエータ
５ スライダ
５０ 円筒部材
６ 付勢手段（スプリング）
７ 荷重検知手段
７０ 歪センサ
７１ 圧力センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】