JPH0437313B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、流体の流量を制御する装置に関
し、特に、管路を流れる流体の流れを回転する弁
体によつて遮断又は増減するようになした新規な
原理に基づく流量の制御装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、管路を流れる流体の流量を調節する手段
としては弁が用いられている。弁としては、仕切
弁、玉形弁、アングル弁、逆止弁、コツク、ボー
ル弁、プラグ弁などさまざまな種類がある。

第６図は、従来のフランジ形アングル弁の縦断
面図である。図において、１は流入路１ａと流出
路１ｂとが備えられている弁箱であり、該弁箱１
の上部にはふた２が嵌合され、ボルト１３及びナ
ツト１４によつて弁箱１とふた２とが固定されて
いる。ふた２の中央には弁棒５が挿入され、該弁
棒５の先端には弁押え６が装着され、さらに、弁
押え６の先端には弁体３がねじ込まれている。弁
体３は弁棒５の他端に取付けられたハンドル車７
を回転することによつて弁棒５の軸方向へ移動す
るものであるが、前進した場合、流入路１ａの末
端に固設された弁座４の内周面と弁体３の外周面
とが接触し、流入路１ａと流出路１ｂとの液の連
絡を断つことができるようになつている。ふた２
と弁箱１との間には、取扱う液に応じた材質のガ
スケツト１１が介在されており、ふた２と弁箱１
との間からの液もれがないようになつている。ま
た弁棒５とふた２との間も、ふたはめ輪８とパツ
キン押え輪９との間にパツキン１２が収容され液
体が漏れることがない。図中、１０はねじはめ輪
である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記した従来の弁は、弁座４と弁体３とが直接
固体接触することによつて液体や気体の流れを遮
断するものであつた。

従つて、弁の開閉に際して、弁体３と弁座４と
が固体接触するたびに、これら弁体３と弁座４と
の表面から僅かではあるが摩耗粉が発生し、液体
中に混入する。また、弁棒５とパツキン１２との
摺擦部においては、弁棒５が上下動するたびに弁
棒５及びパツキン１２が摩耗し、その摩耗粉が同
様に流体中に混入する。

即ち、従来の弁にあつては、弁を作動させるた
びに摩耗粉が発生し、流体中に混入する欠点があ
つた。

このことは、前記第６図に示したアングル弁と
異なる形式の弁である仕切弁、ボール弁、玉形
弁、逆止弁等においても全く同様にいえることで
あり、超純水や医薬品等の清浄な流体を取扱う工
程においては、弁から発生する摩耗粉がプロセス
に大きな障害を与えることが報告されている。

本発明の目的は、管路内を流れる流体の流れを
開閉又は調節するに際し、前述の摩耗粉の発生を
極力低減させた新規な流量の制御装置を提供する
ことであり、且つ結晶などの固体が含まれている
流体であつても取扱うことができる流量の制御装
置を提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明は、流体
の流入口又は流出口に形成された弁座と該弁座と
対向して配備された弁体との相対位置の変位によ
つて流体の流量を制御する装置において、該弁座
と回転磁界によつて作動する弁体とが対向する面
のいずれか一方の面、及び該弁体と該弁体の位置
を調節すると共に回転磁界形成手段を内蔵した位
置調節機構とが対向する面のいずれか一方の面
に、それぞれ動圧発生用の溝を形成すると共に、
該弁体を上記回転磁界の作用によつて一方向にの
み回転可能としたことを特徴としている。

〔作用〕

本発明の流量の制御装置においては、流体の流
量は弁座と弁体との位置によつて規制されるもの
であるが、この弁座と弁体とが対向する面のいず
れか一方の面に動圧発生用の溝が形成され、か
つ、弁体が、弁体の位置調節機構に内蔵された回
転磁界形成手段による回転磁界の作用によつて回
転するので、流体の流れを絞るために弁座と弁体
とを接近させた場合、動圧発生用の溝によつて流
体の動圧が生じ弁座と弁体との固体接触は生じな
い。

さらに、回転する弁体とこの弁体の位置を調節
する位置調節機構とが対向する面においても、い
ずれか一方の面の動圧発生用の溝が形成されてい
るので、弁体と位置調節機構との間においても固
体接触を生じることはない。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面により説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す縦断面図で
ある。図中、第６図に記載した符号と同一の符号
は同類部分を示すものとする。

図において、１は弁箱、１ａは流体の流入路、
１ｂは流体の流出路である。流入路１ａ側にセラ
ミツクス製の弁座２４が接着され、該弁座２４の
弁体２３に対向する面２４ａは、うねりが少な
く、且つ平滑な平面に仕上げられている。弁座２
４と対向する位置に配置されている弁体２３は、
環状に６極の着磁がなされた円板状の永久磁石３
０の外周全体をセラミツクスの背面板３１と表面
板３２とによつて被覆したもので、背面板３１及
び表面板３２の表面には後述する動圧発生用の溝
が形成されている。

弁箱１の上部にはふた２がボルト・ナツト１
３，１４によつて固定されさらに、ふた２の中央
に設けられた弁棒５のための貫通口の近傍にねじ
はめ輪１０がボルト３３によつて固定されてい
る。弁棒５の先端中央には、頭部を球面に加工し
たネジ３４がねじ込まれ、弁押え２６が弁棒５に
よつて上下方向の変位がなされるようになつてい
る。

弁押え２６は、弁体２３と対向する面に配置さ
れた硬質のセラミツクス円板からなる摺動板２６
ａと、該摺動板２６ａの背面に接着された積層シ
ートコイル２６ｂと、該積層シートコイル２６ｂ
の背面を補強すると共に前記弁棒５の先端にねじ
込まれたネジ３４の頭部を押える支持板２６ｃと
が積層されて接着されたものの周囲を、シリコン
ゴム、ネオプレンゴムなどの弾性体２６ｄで接
着・被覆したものであり、該積層シートコイル２
６ｂと支持板２６ｃの中央は前記ネジ３４の頭部
と同様の球面の形状をした凹部が形成され、回転
しつつ上下方向の変位を行う弁棒５と一体になつ
て上下動するものである。また、弁押え２６と弁
棒５との接合部に流体の侵入を防止するため、ふ
た２と弁箱１との接合面と弁押え２６の背面との
間にわたつてふつ素樹脂の蛇腹３５が設けてあ
る。図中、３６は蛇腹３５を弁押え２６に押圧固
定する押えリングであり、３７は押えリング３６
を弁押え２６に固定するピンである。また、３８
は、積層シートコイル２６ｂへ電気を供給するリ
ード線である。

第２図ａ〜ｄは、弁体２３の表面（図で下面）
及び背面（図で上面）の摺動部を形成するそれぞ
れの面の正面図である。

第２図ａは弁座２４の表面２４ａであり、
SiC，Si₃N₄，Al₂O₃などの硬質のセラミツクス材
料からなる弁座２４の表面２４ａは、面全体のう
ねりが1μｍ以下でかつ、その面粗度（最大面粗
さ）が1μｍ以下となるような平滑な平面に仕上
げられている。また、弁座２４の中央は流体の流
入口１ａとなる。

第２図ｂは弁体２３の弁座２４に対向する面、
即ち、弁体２３の表面板３２の表面の正面図であ
り、矢印４０は弁体２３が回転する方向を示す。
表面板３２は、同様にSiC，Si₃N₄，Al₂O₃などの
硬質のセラミツクス材料で構成され、その表面全
体がうねりが少なく（1μｍ以下）且つ、面粗度
が小さい（1μｍ以下）平滑な平面に仕上げると
共に深さが３〜50μｍの動圧発生用の溝４１（黒
塗りの部分）が多数形成されている。中央部４２
及び溝４１に隣接するスパイラル部分４３は、表
面が前述の如く平滑な平面であるランドとなつて
いる。

第２図ｃは弁体２３の背面板３１の正面図であ
つて、前記同図ｂと同様に、硬質のセラミツクス
材料の表面をうねりが少なく（1μｍ以下）且つ、
面粗度が小さい（Rmax＝1μｍ以下）平滑な平面
に動圧発生用の深さ３〜50μｍの溝４４を形成し
たものであり、中央部４５は溝４４の内周端と連
らなつた均圧部である。溝４４と隣接するスパイ
ラル部分はランド４６であり、前記の平滑に仕上
げられた平面の部分である。

第２図ｄは弁体２３の背面板３１と対向する弁
押え２６の摺動板２６ａを弁体２３から見た図で
あり、摺動板２６ａの周囲は弾性体２６ｄによつ
て被覆されている。この摺動板２６ａも、前記背
面板３１、や表面板３２と同じく、SiC，Si₃N₄，
Al₂O₃などの硬質のセラミツクス材料で構成さ
れ、また、うねりが少なく（1μｍ以下）、面粗度
が小さい（1μｍ以下）表面に仕上げられた上に、
弾性体２６ｄに被覆される部分はサンドブラスト
によつて、梨地に仕上げて接着強度が強まるよう
にしてある。

第３図は、弁体２３の水平断面図であつて、該
弁体２３の中心部には永久磁石３０が配置され、
その外周は表面板３２によつて覆われている。永
久磁石３０は６極に着磁され、積層シートコイル
２６ｂによつて形成される回転磁界に同期して回
転する。

上記した第１図〜第３図に示した実施例におい
て、リード線３８から積層シートコイル２６ｂに
電力を投入すると、弁体２３は積層シートコイル
２６ｂが形成する回転磁界に同期して回転する。
この時の回転磁界及び弁体２３の回転方向は矢印
４０の方向である。ここで、弁体２３は回転磁界
によつて回転トルクを与えられると同時に回転面
と直角方向の吸引力も受けるが、弁体２３の背面
板３１と摺動板２６ａとの摺動部においては、背
面板３１に形成された動圧発生用の溝４４の作用
によつて周囲の流体が摺動部の中心に押し込まれ
る力が働き、その流体の圧力によつて、弁体２３
は摺動板２６ａと固体接触することなく回転す
る。このように弁体２３が回転している状態で図
示しないハンドル車を回転させて弁棒５を転動さ
せると、該弁棒５は軸方向に移動し、弁棒５の先
端に固設したネジ３４によつて弁押え２６が軸方
向へ移動する。

弁体２３は、回転しつつ弁押え２６と共に軸方
向に移動し、弁座２４との相対位置が変化し、こ
れに伴ない流入路（口）１ａを通過する流体の流
量は変化する。そして流量は小さくする場合は、
弁棒５によつて弁押え２６及び弁体２３を押し下
げて弁体２３を回転させつつ弁座２４に接近させ
る。また、流体の流れを遮断する場合は、弁棒
５、及び弁押え２６によつて弁体２３を弁座２４
に押圧するものであるが、弁体２３の弁座２４に
対向する面には動圧発生用の溝が形成されている
ので、弁体２３と弁座２４とが接近すると、弁座
２４の表面２４ａと弁体２３の表面板３２との間
には流体の動圧が発生する。この時の動圧の大き
さは、弁押え２６が弁体２３を弁座２４へ押しつ
ける力と等しいものであるが、極めて大きな力で
弁体２３を弁座２４へ押しつけても弁体２３と弁
座２４とは固体接触せず、また、その際の摺動抵
抗も小さい。従つて、弁体２３と弁座２４との間
には僅かなすきまが形成された状態で流体の流れ
を実質的に遮断することができる。この時の弁体
２３と弁座２４とのすきまは、流体の粘性、弁体
２３の回転速度、弁押え２６による押付け力、或
いは流体の圧力差などによつて決るものである
が、弁箱１内を流れる流体が水や油のようなもの
であれば、３〜10μｍ程度となる。

従つて、流体の流れを実質的に遮断した状態に
おいても、弁体２３は弁押え２６及び弁座２４と
は直接固体接触することがないので、弁からの摩
耗粉の発生は皆無となる。

第４図は、第１図における弁体２３の弁座２４
に対向する面の動圧発生用の溝の模様、即ち、第
２図ｂの別の実施態様であつて、溝４７の形状を
ヘリングボーンとしたものである。この実施例に
あつては、溝４７（黒塗りの部分）は内周溝４７
ａと外周溝４７ｂとからなるものであつて、外周
溝４７ｂは流体を内周側に押圧し、また内周溝４
７ａは流体を外周側に押圧するものであるから内
周溝４７ａと外周溝４７ｂとの境界に沿つた円周
に最大の動圧が生じる。４８は平滑な平面である
ランドである。

第５図は、本発明の別の実施例の要部を示す部
分断面図であつて、弁体１０３と弁座１０４（仮
想線で示す）との対向する面が円錐形となつてい
るものである。図において、弁体１０３は、図示
しない弁押えの側（図で下側）が前記背面板３１
と同じく動圧発生用の溝を形成されている硬質の
セラミツクス材料からなる背面板１３１と、弁体
１０３の中にあつて全体をセラミツクス材料で被
覆されている銅や銀などの導電性材料１３０と、
弁座１０４に対向する円錐面に動圧発生用の溝１
４１が形成されている硬質のセラミツクス材料か
らなる表面板１３２とからなり、図示しない回転
磁界を発生するコイルによつて導電性材料１３０
にうず電流を発生させて、矢印１４０の方向へ弁
体１０３を回転させるようになつている。図示し
ない弁押えによつて弁体１０３を上下方向に移動
させると、弁座１０４と弁体１０３との相対位置
が変化し、その位置に応じた流量の流体が通過す
ることとなる。

以上の実施例においては、弁体２３と弁座２４
とのすきまを変えることで流量の調節が行われる
ものであるが弁体と弁座との対向する面を第１図
のように平面とし、弁体を回転させつつ弁座に押
付け、弁押えをこの平面と平行に移動させて流体
の流入口又は流出口の開口面積を変化させること
によつても流体の流量を調節することができる。

上記した実施例において、弁体を回転させるた
めの回転磁界を形成する手段として積層シートコ
イルを用いたが、エナメル線を同様に巻回した軸
方向ギヤツプ形のコイルであつてもよい。

さらに、本発明において流入口又は流出口にお
ける流体の圧力を検出するか又は予め設定し、弁
体を弁座に押しつける力を調節することも有効で
ある。

即ち、本発明の装置で、流体を遮断する場合、
弁体と弁座との間には常にすきまが存在している
ものであり、弁体又は弁座のいずれかの面に形成
された動圧発生用の溝で高圧側の流体を封じ込む
ことになるが、この時、弁体と弁座との間の動圧
が極端に大きければ、極めて少ない量ではあるが
流体が高圧側へ逆流することになり、他方、弁体
と弁座との間の動圧が小さければ、高圧の流体を
封じ込むことはできない。従つて、弁体の回転に
よつて発生する動圧を高めたり、低めたりするこ
とは見掛上の流量をゼロにするためには必要なこ
とである。それ故、流体の差圧に応じて適切な動
圧効果を発現させるために弁押えの押しつける力
を調節し、動的なつりあいのもとに流体の流れを
実質的に遮断するものである。また、弁押えの押
付け力を調節するのと同時、若しくは独立して弁
体の回転数を調節することも有効である。即ち、
弁開度が大きい時の弁体の回転速度を低速とし、
弁体が弁座に強い力で押圧される時の弁体の回転
速度を高速とすれば、大きな押圧に対しても動圧
発生用の溝の動圧効果を高めて固体接触が生じる
こともなく、また、消費電力も少なくなる。

なお、本発明において、弁体の位置を調節する
手段としては、第１図の手動式の弁棒の他に電気
式、空気式、液圧式等の弁棒を用いることがで
き、さらに、直接、空気、液体などによつて弁押
えの位置を調節することも可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、流体の
流入口又は流出口に形成された弁座と該弁座と対
向して配備された弁体との相対位置の変位によつ
て流体の流量を制御する装置において、該弁座と
回転磁界によつて作動する弁体とが対向する面の
いずれか一方の面、及び該弁体と該弁体の位置を
調節すると共に回転磁界形成手段を内蔵した位置
調節機構とが対向する面のいずれか一方の面にそ
れぞれ動圧発生用の溝を形成すると共に、該弁体
を上記回転磁界の作用によつて一方向にのみ回転
可能としたことにより、弁体が弁座の近傍におい
て回転する時には弁体と弁座との間に流体の動圧
が発生して、互いに固体接触することがない。従
つて、弁体と弁座とが固体接触をしない状態にお
いて、実質的に流体の流れを遮断できるので、弁
体と弁座との固体接触に基づく摩耗粉の発生がな
く、流体を汚染することもないばかりでなく、弁
体を所定の位置に保持するための位置調節機構と
の間においても同様に流体の動圧が発生して相互
の固体接触を断つものであるから、弁体が他の部
材と固体接触するのは起動及び停止時だけであ
り、消費動力も少ないことから長時間作動させる
ことも可能であるから、実質的に摩耗粉の問題は
解消される。

また、弁体の弁開閉のための往復運動と回転運
動とを、弁体の位置調節機構と該機構に内蔵され
た回転磁界形成手段による回転磁界の作用とによ
つて行なうようにしたことにより、簡単な構成に
より流体を汚染しい流量制御を安価に行なうこと
ができる。

また、本発明において弁体と弁座との間におけ
る動圧の発生を良好にするために、それぞれ硬質
のセラミツクス材料を用いることにより、該セラ
ミツクス材料は耐食性、耐摩耗性が優れているの
で耐久性に優れた流量制御装置をうることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明の実施例を示すも
のであり、第１図は本発明を適用した弁の縦断面
図、第２図ａないしｄは第１図の弁体の両側の摺
動部を形成する各面の正面図、第３図は弁体の水
平断面図、第４図は第２図ｂの他の実施例を示す
正面図、第５図は本発明の別の実施例を示す部分
断面図、第６図は従来例の縦断面図である。 １…弁箱、１ａ…流入路、１ｂ…流出路、５…
弁棒、２３，１０３…弁体、２４，１０４…弁
座、２６…弁押え、２６ａ…摺動板、２６ｂ…積
層シートコイル、２６ｃ…支持板、２６ｄ…弾性
体、３０…永久磁石、３１，１３１…背面板、３
２，１３２…表面板、３８…リード線、４１，４
４，４７，１４１…溝、４３，４６，４８…ラン
ド。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流体の流入口又は流出口に形成された弁座と
   該弁座と対向して配備された弁体との相対位置の
   変位によつて流体の流量を制御する装置におい
   て、該弁座と回転磁界によつて作動する弁体とが
   対向する面のいずれか一方の面、及び該弁体と該
   弁体の位置を調節すると共に回転磁界形成手段を
   内蔵した位置調節機構とが対向する面のいずれか
   一方の面に、それぞれ動圧発生用の溝を形成する
   と共に、該弁体を上記回転磁界の作用によつて一
   方向にのみ回転可能としたことを特徴とする流量
   の制御装置。 ２ 前記弁座と前記弁体との対向する面を構成す
   る部材が硬質のセラミツクス材料である特許請求
   の範囲第１項記載の流量の制御装置。 ３ 前記弁体と前記位置調節機構とが対向する面
   を構成する部材がそれぞれ硬質のセラミツクス材
   料である特許請求の範囲第１項又は第２項記載の
   流量の制御装置。 ４ 前記弁体が永久磁石、導電性材料又はヒステ
   リシス材料を硬質のセラミツクス材料で被覆した
   特許請求の範囲第１項ないし第３項の何れか１項
   記載の流量の制御装置。