(57)【要約】【課題】高圧流体の流量を精度よく制御することができる小型の制御器を提供する。【解決手段】流体通路が設けられた弁箱11と、弁箱11に設けられた環状の弁座18に当接または離間することで流体通路を開閉するダイヤフラム14と、位置を変更することで前記ダイヤフラム14を開または閉方向に変形させる弁棒15と、弁棒15の位置を移動させる駆動装置3とを備えており、駆動装置3の作動軸43と前記弁棒15との間に、作動軸43にかかる力を増幅して弁棒15に伝達する動力伝達装置4が設けられているとともに、ダイヤフラム14は、金属製で、前記流体通路が完全に閉じた状態と、流体通路が完全に開いた状態と、流体通路が一部開いた状態とに変形可能とされており、駆動装置3は、ステッピングモータ31によって作動軸43の位置を調整する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体通路が設けられた弁箱と、前記弁箱に設けられた環状の弁座に当接または離間することで前記流体通路を開閉するダイヤフラムと、位置を変更することで前記ダイヤフラムを開または閉方向に変形させる弁棒と、前記弁棒の位置を移動させる駆動装置とを備えており、
前記駆動装置の作動軸と前記弁棒との間に、前記作動軸にかかる力を増幅して前記弁棒に伝達し前記ダイヤフラムを開閉する動力伝達装置が設けられており、前記駆動装置は、ステッピングモータによって前記作動軸の位置を調整するものであることを特徴とする制御器。
【請求項２】
前記流体通路は、前記弁座に囲まれた開口を有し前記ダイヤフラムの中央部に臨まされた中央通路と、前記弁座の径方向外側に開口を有し前記ダイヤフラムの外周縁部近傍に臨まされた外側通路とを有しており、前記外側通路が前記流体の入口通路とされ、前記中央通路が前記流体の出口通路とされていることを特徴とする請求項１に記載の制御器。
【請求項３】
前記中央通路の径が前記外側通路の径以下とされていることを特徴とする請求項２に記載の制御器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、流体の流量を制御できる制御器に関し、特に、高圧流体を使用する際に適した制御器に関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧流体を使用する際に適した制御器として、特許文献１には、ニードル弁部を備えるバルブと、ニードル弁部を駆動させる制御部として空気圧で制御する電空アクチュエータを備える制御器が開示されている。
【０００３】
特許文献２には、ニードル部を備え、駆動機構としてモータを使用している制御器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開公報ＷＯ２０１５／０２９８６６号公報
【特許文献２】特開２０１７−２２７２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１および特許文献２に記載の制御器は、弁部にニードル型の弁部を使用している。ニードル型の弁部を有するバルブは、弁部の移動距離であるストロークが長いので、流体の流量をきめ細かく制御することができるという長所を有している。
【０００６】
しかしながら、ストロークが長い分、制御器の大きさは必然的に大きくなってしまい、小型の制御器の要望に対しては対応することができない。
【０００７】
特許文献１に記載の制御器の駆動機構は、電空アクチュエータである。電空アクチュエータは、大きな推力を得ることができるという長所を有している。
【０００８】
しかしながら、電空アクチュエータでは、制御器の中を流れる流体の圧力によって電空アクチュエータの推力が変動され、弁の開度が変動してしまうため、特に高圧流体を制御する際には、弁の開度を一定に保ち続けることができないという欠点を有している。
【０００９】
特許文献２に記載の制御器の駆動機構は、ステッピングモータである。ステッピングモータは、パルス数で制御されるので、弁の開度を一定に保つことができるという長所を有している。
【００１０】
しかしながら、ステッピングモータは、モータ軸にかかるスラスト力に対する抵抗力が小さいため高圧流体の圧力に耐えることはできない。
【００１１】
高圧流体を制御する小型制御器を得るためには、弁体としてダイヤフラム弁が好ましく駆動機構としてステッピングモータを使用することが良いと考えられるが、ダイヤフラム弁はストロークが小さいので、きめ細かな制御をするには必ずしも好ましいとはいえない。
【００１２】
駆動機構としてステッピングモータを利用することは、制御器を流れる流体の圧力によって、弁の開度が影響を受けないため好ましいが、ステッピングモータのモータ軸が流体の高い圧力に耐えられることが出来ないので、ステッピングモータをそのままの形で使用することはできない。
【００１３】
この発明の目的は、高圧流体の流量を精度よく制御することができる小型の制御器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明（１）は、流体通路が設けられた弁箱と、前記弁箱に設けられた環状の弁座に当接または離間することで前記流体通路を開閉するダイヤフラムと、位置を変更することで前記ダイヤフラムを開または閉方向に変形させる弁棒と、前記弁棒の位置を移動させる駆動装置とを備えており、前記駆動装置の作動軸と前記弁棒との間に、前記作動軸にかかる力を増幅して前記弁棒に伝達し前記ダイヤフラムを開閉する動力伝達装置が設けられており、前記駆動装置は、ステッピングモータによって前記作動軸の位置を調整するものであることを特徴とする制御器である。
【００１５】
本発明（１）は、駆動装置の作動軸と前記弁棒との間に、作動軸にかかる力を増幅して弁棒に伝達する動力伝達装置が設けられているので、弁部がストロークの小さなダイヤフラムであっても動力伝達装置によって作動軸のストロークを増幅できるので、制御器の内部を流れる流体の流量を精度よく制御することができる。
【００１６】
また、本発明（１）は、駆動機構としてステッピングモータを使用しているが、作動軸にかかる力を増幅して弁棒に伝達する動力伝達装置が設けられているので、ステッピングモータのモータ軸にかかる力を動力伝達装置の増幅率に反比例して小さくすることができる。動力伝達装置のこの作用によって、高圧流体の流量を制御する制御器の駆動機構としてステッピングモータを使用することができる。
【００１７】
動力伝達装置は、例えば、ケーシングと、作動軸に設けられた円錐状の第１ローラ受け部材と、弁棒に 設けられた第２ローラ受け部材と、両ローラ受け部材の間に配置された一対のローラ支持体と、第１ローラ受け部材に設けられたテーパ面に当接する一対の転動ローラと、第２ローラ受け部材のローラ受け面に当接する一対の押えローラとを備え、各ローラ支持体が、押えローラの軸線に対して第１ローラ受け部材の軸線側に寄った軸を中心として揺動しうるようにケーシングに支持されているもの（増幅型の動力伝達装置の１例）とされる。増幅型とすることで、推力を小さくすることができ、制御器を小型化することができる。
【００１８】
この制御器は、種々の用途に使用できるが、特に、流体として高圧流体を使用し、微小なストロークの制御が必要な場合に使用するのに適している。
【００１９】
増幅型の動力伝達装置を使用することによって、高圧に抗して弁棒を移動させることが可能なだけでなく、小さなストロークでも分解能を大きくできるので、弁棒の微小な移動量の制御が可能となる。そして、この動力伝達装置とステッピングモータによって流体通路を流れる流体の流量に基づいて作動軸の位置を調整する駆動装置とを組み合わせることで、高圧流体の精度のよい流量の制御が可能となる。これにより、従来実現できていなかった精度のよい制御器（高圧流体用流量調整弁）が得られる。
【００２０】
本発明（２）は、前記流体通路が、前記弁座に囲まれた開口を有し前記ダイヤフラムの中央部に臨まされた中央通路と、前記弁座の径方向外側に開口を有し前記ダイヤフラムの外周縁部近傍に臨まされた外側通路とを有しており、前記外側通路が前記流体の入口通路とされ、前記中央通路が前記流体の出口通路とされていることを特徴とする本発明（１）に記載の制御器である。
【００２１】
従来、中央通路が入口通路に、外側通路が出口通路に使用されていたのに対し、外側通路が入口通路に、中央通路が出口通路に使用され、このようにすることで、高圧流体であっても、流体通路が急激に開になることが防止される。
【００２２】
本発明（３）は、前記中央通路の径が前記外側通路の径以下とされていることを特徴とする本発明（２）に記載の制御器である。
【００２３】
従来、中央通路および外側通路は、流量を多くするために、大きな径とされており、中央通路の径と外側通路の径とは、ほぼ同じ大きさとされていた。これに対し、出口通路である中央通路の径を小さくすることで、Ｃｖ値が例えば０．０３５という値とすることができ、こうして、従来実現できていなかったＣｖ値が０．０００５〜０．０３５でかつダイヤフラムストロークが０．００２〜０．２ｍｍである制御器を得ることができる。
【発明の効果】
【００２４】
この発明の制御器によると、増幅型の動力伝達装置を使用することで、高圧に耐えることができる小型の制御器であって、かつ、ステッピングモータを使用した駆動装置を用いることにより制御器を流れる高圧流体の圧力の変動に影響を受けることなく弁の開度を一定に保つことができる制御器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明による制御器の１実施形態を示す一部縦断面図で、流体通路が開の状態を示す。
【図２】図１から弁棒を移動させて流体通路が閉となった状態を示す図である。
【図３】従来の駆動機構として電空アクチュエータを用いたときの、供給圧力とバルブ推力およびバルブストロークの関係を示す。
【図４】駆動機構としてステッピングモータを用いたときの、ステッピングモータ押し出し量とバルブ推力およびバルブストロークの関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下の説明において、上下および左右は図の上下および左右をいうものとする。この上下左右は、便宜的なもので、制御器の設置に際しては、上下が逆になったり、上下が水平になったりすることがある。同様に、左右についても逆になったりすることがある。
【００２７】
図１および図２は、この発明の制御器を示しており、制御器１は、弁本体２と、駆動装置３と、弁本体２と駆動装置３との間に設けられた動力伝達装置４とを備えている。
【００２８】
弁本体２は、第１および第２流体通路１２，１３が形成された弁箱１１と、流体通路１２，１３間の連通を開閉するダイヤフラム１４と、ダイヤフラム１４を開または閉方向に変形させる弁棒１５と、ナット１７によって弁箱１１に取り付けられたボンネット１６とを有している。
【００２９】
弁箱１１は、ＳＵＳ３１６Ｌ製が好ましく、上方に向かって開口した凹所１１ａを有している。第１流体通路１２は、右方に開口する大径通路１２ａと、大径通路１２ａの左端部に連なり、かつ大径通路１２ａよりも小径で凹所１１ａの底面中央部に開口している中央通路１２ｂとからなる。第２流体通路１３は、左方に開口する大径通路１３ａと、大径通路１３ａの右端部に連なり、かつ大径通路１３ａよりも小径で凹所１１ａの底面左部に開口している外側通路１３ｂとからなる。
【００３０】
流体は、第２流体通路１３の大径通路１３ａから流入し、第１流体通路１２の大径通路１２ａから流出させられる。
【００３１】
弁箱１１には、第１流体通路１２の中央通路１２ｂの開口を囲むように、環状の弁座１８が設けられている。弁座１８が上方に突出していることで、弁箱１１における弁座１８の外周には、第２流体通路１３の外側通路１３ｂに連通している環状通路１１ｂが形成されている。
【００３２】
ダイヤフラム１４は、金属製が好ましく、球殻状とされており、上に凸の円弧状が自然状態となっている。ダイヤフラム１４は、その周縁部が弁箱１１の凹所１１ａ底面の突出状の外周縁部に支持されて、上から押さえアダプタ１９に押圧されることで、弁箱１１に固定されている。ダイヤフラム１４の中央部は、弁棒１５の下端部に固定されたディスク２０によって下方に押圧されており、ディスク２０の上下位置を調整することにより、所定の開度とされた開位置に保持される。制御器１は、この実施形態では、常時開型とされており、駆動装置３を作動させた際に、ダイヤフラム１４の中央部が弁座１８に強く押し付けられる閉状態が得られるようになされている。
【００３３】
ダイヤフラム１４は、例えば、ニッケル合金薄板からなるものとされ、円形に切り抜き、中央部を上方へ膨出させた球殻状に形成される。ダイヤフラム１４は、ステンレス鋼薄板からなるものや、ステンレス鋼薄板とニッケル・コバルト合金薄板との積層体よりなるものとされることがある。
【００３４】
弁箱１１は、凍結防止などのために、ヒータによって加熱可能とされる場合がある。
【００３５】
駆動装置３は、ステッピングモータ３１を用いている。ステッピングモータ３１の下端にはモータ軸３２が突出し、モータ軸３２は、連結部３３と連結されている。連結部３２は、モータ軸３２の回転運動を直線運動に変換するものであり、連結部３３の下方に接続しているロッド２６はモータ軸３２の回転にともなって下方または上方に移動する。ロッド２６の下端面は、作動軸４３の上端面と接触しているので、ロッド２６が下方に移動すると、作動軸４３を下向きに押圧する。
【００３６】
動力伝達装置４は、ケーシング４１内に収められた増幅機構４２を有しており、増幅機構４２は、駆動装置３によって上下移動させられる作動軸４３と、作動軸４３の下端部に一体に設けられた円錐状の第１ローラ受け部材４４と、弁棒１５の上面に支持されて弁棒１５と一体で上下移動する第２ローラ受け部材４５と、両ローラ受け部材４４，４５の間に配置された一対のローラ支持体４６と、各ローラ支持体４６に転動可能に支持されて第１ローラ受け部材４４に設けられたテーパ面４４ａに当接する一対の転動ローラ４７と、各ローラ支持体４６に転動可能に支持されて第２ローラ受け部材４５の水平状のローラ受け面４５ａに当接する一対の押えローラ４８とを備えている。
【００３７】
各ローラ支持体４６は、押えローラ４８の軸線に対して第１ローラ受け部材４４の軸線がわに寄った軸線を有するようにケーシング４１に支持された偏心軸４９を中心として揺動しうるようになされている。
【００３８】
この動力伝達装置４において、作動軸４３にかかる力をＦ、第１ローラ受け部材４４のテーパ面４４ａの半角をαとすると、転動ローラ４７にはテーパ面４４ａに対して直角方向に力が働き、前後いずれか一方の転動ローラ４７に働くこの力Ｇは、Ｇ＝Ｆ÷２Sinαとなる。
【００３９】
転動ローラ４７に働く力Ｇは、ローラ支持体４６および押えローラ４８を介して第２ローラ受け部材４５に伝達される。
【００４０】
偏心軸４９の軸線と転動ローラ４７の軸線との距離をＣ、転動ローラ軸４７の軸線と偏心軸４９の軸線を結ぶ線と第１ローラ受け部材４４のテーパ面４４ａとのなす角をγ、押えローラ４８の軸線と偏心軸４９の軸線との水平距離をδ、左右いずれか一方の押えローラ４８が第２ローラ受け部材４５を押す下向きの力をＮとすると、Ｎ×δ＝Ｇ×Cosγ×Ｃが成り立つ。したがって、左右両方の押えローラ４８が第２ローラ受け部材４５を押す下向きの力、すなわち弁棒１５を押す下向きの力は、２Ｎ＝Ｆ×Cosγ×Ｃ÷Sin α÷δとなり、α、γ、δおよびＣを適当な値とすることにより、任意の増幅率（Cosγ×Ｃ÷Sin α÷δ）により作動軸４３にかかる力を弁棒１５に増幅して伝達することができる。
【００４１】
例えば、α＝４０°、γ＝２５°、Ｃ＝１２．５、δ＝１．５とすると、増幅率は約１２倍となり、１２倍程度の大きな力でダイヤフラム１４を押さえることができ、例えば、圧力が２０ＭＰａ程度の場合、３０００Ｎの力が必要となるが、これの１／１２の力で流量を制御することができる。したがって、高圧の流体であっても、流体によってダイヤフラム１４が持ち上げられて、設定値を超えて流体が流入して流出することが防止される。
【００４２】
上記において、図１および図２のうち、図１は、開状態を示している。増幅機構４１は、前後に前側リテーナ板５０と後側リテーナ板５１によって挟まれて挟持されている。前側リテーナ板５０は、図面では切り欠かれて図示されているので、左側の増幅機構４２が見えるように示されている。連結部３３の下面からのロッド２６の下方突出量が相対的に小さく、これに伴い、作動軸４３が上方位置にあることで、ローラ支持体４６の上端部同士が接近しており、第２ローラ受け部材４５が上方に位置している。図２は、閉状態を示しており、連結部３３の下面からのロッド２６の下方突出量が相対的に大きく、これに伴い、作動軸４３が下方位置にあることで、ローラ支持体４６の上端部同士が離隔しており、第２ローラ受け部材４５が下方に位置している。図１および図２の比較から、作動軸４３の大きなストロークに対して、弁棒１５およびディスク２０のストロークの動きを微小なものとできることが分かる。
【００４３】
ここで、従来の制御器では、第１流体通路１２が入口通路に、第２流体通路１３が出口通路になされているのに対し、上記制御器１では、第２流体通路１３が入口通路に、第１流体通路１２が出口通路として使用されている。これにより、従来の制御器では、第１流体通路１２の中央通路１２ｂの開口が臨まされているダイヤフラム１４の中央部（小面積の部分）に高圧が掛かり、開の状態となった場合に、第２流体通路１３の外側通路１３ｂの開口が環状通路１１ｂを介して臨まされているダイヤフラム１４の外周部（大面積の部分）へ一気に高圧の流体が流入して流体通路が急激に開となり、所定の流量に調整できなくなるのに対し、上記制御器１では、ダイヤフラム１４の外周部（大面積の部分）で常時圧力を受けて流量を調整しているために、高圧流体であっても、流体通路が急激に開になり、一気に流体が流入して所定の流量に調整できなくなることが防止される。
【００４４】
流体が高圧の場合、弁棒１５およびディスク２０の僅かな上下移動量で、流量が大きく変化するが、上記制御器１では、動力伝達装置４に設けられている増幅機構４２によって、増幅率によって設定される大きな力で高圧に抗して弁棒１５を移動させてダイヤフラム１４を下方に押圧することに加えて、弁棒１５およびディスク２０の上下移動量が駆動装置のロッド２６の上下移動量の１／増幅率に小さくなるため、精度の高い制御が可能となる。
【００４５】
図３は、従来の駆動装置として電空レギュレータを用いたときの、電空レギュレータに供給する気体の供給圧力とバルブ推力およびバルブストロークとの関係を示すグラフである。一方、図４は本発明の駆動装置としてステッピングモータ３１を用いたときの、ステッピングモータによる押し出し量とバルブ推力およびバルブストロークとの関係を示すグラフである。
【００４６】
図３を見ると、供給圧力を０．４ＭＰａから順次上げていくと、バルブ推力は徐々に増加し、供給圧力０．４８ＭＰａ以降は一定となる。バルブ推力は一定でないので、バルブストロークも直線状にはなっていない。このように従来の高圧流体制御器に用いられていた電空レギュレータによると、供給圧力と開度に影響するバルブストロークが直線的に制御できないため精密な制御ができない。
【００４７】
図４を見ると、ステッピングモータの押し出し量を１ｍｍから３ｍｍまで順次上げていっても、バルブ推力は３０００Ｎで一定となっている。バルブ推力が一定なので、バルブストロークが直線状に変化する。このようにステッピングモータを駆動装置として用いている本発明では、ステッピングモータの押し出し量と開度に影響するバルブストロークが直線的に制御できるので精密な流量の制御が可能となる。
【００４８】
こうして、増幅型の動力伝達装置４とステッピングモータである駆動装置３とを使用することで、小型の制御器であって、高圧流体の精度のよい流量の制御が可能な制御器を得ることができる。
【符号の説明】
【００４９】
１  ：制御器
２  ：弁本体
３  ：駆動装置
４  ：動力伝達装置
１１：弁箱
１１ａ：凹所
１１ｂ：環状通路
１２：第１流体通路
１２ａ：大径通路
１２ｂ：中央通路
１３：第２流体通路
１３ａ：大径通路
１３ｂ：外側通路
１４：ダイヤフラム
１５：弁棒
１６：ボンネット
１７：ナット
１８：弁座
１９：押えアダプタ
２０：ディスク
２６：ロッド
３１：ステッピングモータ
３２：モータ軸
３３：連結部
４１：ケーシング
４２：増幅機構
４３：作動軸
４４：第１ローラ受け部材
４４ａ：テーパ面
４５：第２ローラ受け部材
４５ａ：ローラ受け面
４６：ローラ支持体
４７：転動ローラ
４８：押えローラ
４９：偏心軸
５０：前側リテーナ板
５１：後側リテーナ板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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