JP2018031453A - 流量制御用三方弁及びこれを用いた温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二種類の流体の混合比を精度良く制御することが可能な流量制御用三方弁及びこれを用いた温度制御装置を提供する。【解決手段】第１の流体が流入する断面矩形状の第１の弁口９と第２の流体が流入する断面矩形状の第２の弁口１８が形成された円柱形状の空所からなる弁座８を有する弁本体６と、第１の弁口９を閉状態から開状態に切り替えると同時に第２の弁口１８を開状態から閉状態に切り替えるよう弁本体６の弁座８内に回転自在に配置され、予め定められた中心角を有する半円筒形状に形成され且つ周方向に沿った両端面が曲面形状に形成された弁体３４と、弁体３４を回転駆動する駆動手段と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、流量制御用三方弁及びこれを用いた温度制御装置に関する。

従来、流量制御用三方弁に関する技術としては、例えば、特許文献１等に開示されたものが既に提案されている。

特許文献１は、外部熱負荷装置の温度を熱媒体循環液との間接熱交換によって制御するための恒温維持装置であって、予め定められた温度に調整された高温熱媒体循環液を生成するための高温熱媒体循環液生成手段と予め定められた温度に調整された低温熱媒体循環液を生成するための低温熱媒体循環液生成手段とを備えたメインユニットと、上記高温熱媒体循環液と上記低温熱媒体循環液とを直接混合すると共に該高温熱媒体循環液と該低温熱媒体循環液との流量比を上記外部熱負荷装置の温度に応じて制御することによって予め定められた設定温度の熱媒体循環液を生成するための恒温熱媒体循環液生成手段を備えたサブユニットとより構成されている。

特許文献１は、上記恒温熱媒体循環液生成手段として、上記高温熱媒体循環液が流入する流入口、上記低温熱媒体循環液が流入する流入口、上記恒温熱媒体循環液が流出する流出口および上記高温熱媒体循環液と上記低温熱媒体循環液との流量比を制御するための制御弁とを備えた三方弁、上記恒温熱媒体循環液を攪拌混合して送出する攪拌混合送出手段並びに上記外部熱負荷装置の温度に応じて上記三方弁の制御弁の開度を制御するための三方弁制御手段とを備えた態様をも含んでいる。

特開２００８−２９２０２６号公報

本発明は、高温熱媒体循環液が流入する流入口、低温熱媒体循環液が流入する流入口、恒温熱媒体循環液が流出する流出口および高温熱媒体循環液と低温熱媒体循環液との流量比を制御するための制御弁とを備えた三方弁に比較して、二種類の流体の混合比を精度良く制御することが可能な流量制御用三方弁及びこれを用いた温度制御装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載された発明は、第１の流体が流入する断面矩形状の第１の弁口と第２の流体が流入する断面矩形状の第２の弁口が形成された円柱形状の空所からなる弁座を有する弁本体と、
前記第１の弁口を閉状態から開状態に切り替えると同時に前記第２の弁口を開状態から閉状態に切り替えるよう前記弁本体の弁座内に回転自在に配置され、予め定められた中心角を有する半円筒形状に形成され且つ周方向に沿った両端面が曲面形状に形成された弁体と、
前記弁体を回転駆動する駆動手段と、
を備えることを特徴とする流量制御用三方弁である。

請求項２に記載された発明は、前記弁体には、前記第１の弁口及び前記第２の弁口が前記弁体の回転軸を中心にして軸対称にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流量制御用三方弁である。

請求項３に記載された発明は、前記弁体は、外周面が開口されて予め定められた中心角を有する半円筒形状に形成された半円筒部を有し、軸方向に沿った一端面が閉塞され他端面が開口された円筒体からなることを特徴とする請求項２又は３に記載の流量制御用三方弁である。

請求項４に記載された発明は、前記弁体は、周方向に沿った両端部の回転軸と交差する断面形状が円弧形状に形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の流量制御用三方弁である。

請求項５に記載された発明は、前記弁体は、周方向に沿った両端部の回転軸と交差する断面形状が外周面側に位置する第１の曲線部と、内周面側に位置して前記第１の曲線部より曲率半径が小さい曲線状に形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の流量制御用三方弁である。

請求項６に記載された発明は、混合比が調整された低温側流体及び高温側流体からなる温度制御用流体が流れる温度制御用流路を有する温度制御手段と、
低温側の予め定められた第１の温度に調整された前記低温側流体を供給する第１の供給手段と、
高温側の予め定められた第２の温度に調整された前記高温側流体を供給する第２の供給手段と、
前記第１の供給手段と前記第２の供給手段に接続され、前記第１の供給手段から供給される前記低温側流体と前記第２の供給手段から供給される前記高温側流体とを混合比を調整して前記温度制御用流路に流す三方弁と、
を備え、
前記三方弁として請求項１乃至５のいずれかに記載の流量制御用三方弁を用いたことを特徴とする温度制御装置である。

本発明によれば、高温熱媒体循環液が流入する流入口、低温熱媒体循環液が流入する流入口、恒温熱媒体循環液が流出する流出口および高温熱媒体循環液と低温熱媒体循環液との流量比を制御するための制御弁とを備えた三方弁に比較して、二種類の流体の混合比を精度良く制御することが可能な流量制御用三方弁及びこれを用いた温度制御装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る流量制御用三方弁の一例としての三方弁型モータバルブを示す外観斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る流量制御用三方弁の一例としての三方弁型モータバルブを示す正面図、同右側面図及びアクチュエータ部の底面図である。 本発明の実施の形態１に係る流量制御用三方弁の一例としての三方弁型モータバルブを示す図２（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の実施の形態１に係る流量制御用三方弁の一例としての三方弁型モータバルブを示す要部の断面斜視図である。 弁作動部を示す断面構成図である。 弁軸を示す構成図である。 弁作動部を示す断面構成図である。 本発明の実施の形態１に係る流量制御用三方弁の一例としての三方弁型モータバルブの特性を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係る流量制御用三方弁の一例としての三方弁型モータバルブの特性を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係る流量制御用三方弁の一例としての三方弁型モータバルブを適用した恒温維持装置（チラー装置）を示す概念図である。 他の弁作動部を示す断面構成図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

[実施の形態１]
図１は本発明の実施の形態１に係る流量制御用三方弁の一例としての三方弁型モータバルブを示す外観斜視図、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は正面図、同右側面図及びアクチュエータ部の底面図、図３は図２（ｂ）のＡ−Ａ線断面図、図４は三方弁型モータバルブの要部を示す縦断面斜視図である。

三方弁型モータバルブ１は、回転型３方向弁として構成されている。三方弁型モータバルブ１は、図１に示すように、大別して、下部に配置されたバルブ部２と、上部に配置されたアクチュエータ部３と、バルブ部２とアクチュエータ部３の間に配置されたシール部４及びカップリング部５とから構成されている。

バルブ部２は、図２乃至図４に示すように、ＳＵＳ等の金属により略直方体状に形成されたバルブ本体６を備えている。バルブ本体６には、図３に示すように、その一方の側面（図示例では、左側面）に第１の流体としての低温側流体が流入する第１の流入口７と、円柱形状の空所からなる弁座８に連通した断面矩形状の第１の弁口９がそれぞれ開口されている。バルブ本体６の左側面には、低温側流体を流入させる図示しない配管を接続するための第１のフランジ部材１０が４本の六角穴付きボルト１１により取り付けられている。第１のフランジ部材１０は、バルブ本体６と同様にＳＵＳ等の金属により形成される。第１のフランジ部材１０は、バルブ本体６の側面形状と同一の側面矩形状に形成されたフランジ部１２と、フランジ部１２の内側面に薄肉の円筒形状に突設された挿入部１３と、フランジ部１２の外側面に厚肉の略円筒形状に突設され、図示しない配管が接続される配管接続部１４とを有している。配管接続部１４の内周は、例えば、その口径が直径約２１ｍｍのテーパー付き雌ネジであるＲｃ１／２に設定されている。バルブ本体６の第１の流入口７の外側内周端には、第１のフランジ部材１０のフランジ部１２との間にＯリング１５を装着するための面取り１６が施されている。

バルブ本体６には、その他方の側面（図示例では、右側面）に第２の流体としての高温側流体が流入する第２の流入口１７と、円柱形状の空所からなる弁座８に連通した断面矩形状の第２の弁口１８がそれぞれ開口されている。バルブ本体６の右側面には、高温側流体を流入させる図示しない配管を接続するための第２のフランジ部材１９が４本の六角穴付きボルト２０により取り付けられている。第２のフランジ部材１９は、第１のフランジ部材１０と同様にＳＵＳ等の金属により形成される。第２のフランジ部材１９は、バルブ本体６の側面形状と同一の側面矩形状に形成されたフランジ部２１と、フランジ部２１の内側面に薄肉の円筒形状に突設された挿入部２２と、フランジ部２１の外側面に厚肉の略円筒形状に突設され、図示しない配管が接続される配管接続部２３とを有している。配管接続部２３の内周は、例えば、その口径が直径約２１ｍｍのテーパー付き雌ネジであるＲｃ１／２に設定されている。バルブ本体６の第２の流入口１７の外側内周端には、第２のフランジ部材１９のフランジ部２１との間にＯリング２４を装着するための面取り２５が施されている。

ここで、第１の流体としての低温側流体及び第２の流体としての高温側流体は、温度制御用に使用される流体であって相対的に温度が低い流体を低温側流体と称し、相対的に温度が高い流体を高温側流体と称している。したがって、低温側流体及び高温側流体は、相対的なものを意味し、絶対的に温度が低い低温の流体及び絶対的に温度が高い高温の流体を意味するものではない。低温側流体及び高温側流体としては、例えば、圧力が０〜１ＭＰａ、０〜８０℃程度の温度範囲において０〜３０℃程度の温度に調整された水（純水など）、及び５０〜８０℃程度の温度に調整された水（純水など）が好適に使用される。また、低温側流体及び高温側流体としては、例えば、−２０〜＋８０℃程度の温度範囲において、−２０℃程度の温度においても凍結せず、＋８０℃程度においても気化しないフロリナート（登録商標）などのフッ素系不活性液体、エチレングリコール等の流体が使用される。

また、バルブ本体６には、その下端面に低温側流体と高温側流体が混合された温度制御用流体が流出する流出口２６が開口されている。バルブ本体６の下端面には、温度制御用流体を流出させる図示しない配管を接続するための第３のフランジ部材２７が４本の六角穴付きボルト２８により取り付けられている。第３のフランジ部材２７は、第１及び第２のフランジ部材１０，１９と同様にＳＵＳ等の金属により形成される。第３のフランジ部材２７は、バルブ本体６の下端面形状より小さい平面矩形状に形成されたフランジ部２９と、フランジ部２９の上端面に薄肉の円筒形状に突設された挿入部３０と、フランジ部２９の下端面に厚肉の略円筒形状に突設され、図示しない配管が接続される配管接続部３１とを有している。配管接続部３１の内周は、例えば、その口径が直径約２１ｍｍのテーパー付き雌ネジであるＲｃ１／２に設定されている。バルブ本体６の第３の流入口２６の下端内周端には、第３のフランジ部材２７のフランジ部２９との間にＯリング３２を装着するための面取り３３が施されている。

バルブ本体６の中央には、断面矩形状の第１の弁口９と同じく断面矩形状の第２の弁口１８が形成された弁座８を備えている。弁座８は、後述する弁体の外形状に対応した円柱形状に形成された空所からなる。円柱形状に形成された弁座８は、バルブ本体６の上端面に貫通した状態で設けられる。バルブ本体６に設けられる第１の弁口９及び第２の弁口１８は、図５に示すように、円柱形状に形成された弁座８の中心軸（回転軸）Ｃに対して軸対称に配置されている。更に説明すると、第１の弁口９及び第２の弁口１８は、円柱形状に形成された弁座８に対して直交するように配置されており、第１の弁口９の一方の端縁は、中心軸Ｃを介して第２の弁口１８の他方の端縁と対向する位置（１８０度異なる位置）に開口されている。また、第１の弁口９の他方の端縁は、中心軸Ｃを介して第２の弁口１８の一方の端縁と対向する位置（１８０度異なる位置）に開口されている。

また、第１の弁口９及び第２の弁口１８は、図４に示すように、断面正方形状等の断面矩形状に形成された開口部からなる。第１の弁口９及び第２の弁口１８は、その一辺の長さが第１の流入口７及び第２の流入口１７の直径より小さく設定されており、当該第１の流入口７及び第２の流入口１７に内接する断面矩形状に形成されている。

弁体の一例としての弁軸３４は、図６に示すように、ＳＵＳ等の金属により外形が略円柱形状に形成されている。弁軸３４は、大別して、弁体として機能する弁体部３５と、当該弁体部３５の上下にそれぞれ設けられて弁軸３４を回転自在に支持する上下の軸支部３６，３７と、上軸支部３６の上部に設けられたシール部３８と、シール部３８の上部にテーパー部３９を介して設けられたカップリング部４０とを一体的に備えている。

上下の軸支部３６，３７は、弁体部３５より外径が小さく同一の直径を有するように設定された円筒形状にそれぞれ形成されている。下軸支部３７の軸方向に沿った長さは、上軸支部３６より若干長く設定されている。下軸支部３７は、図３に示すように、バルブ本体６に設けられた弁座８の下端部にベアリング４１を介して回転自在に支持されている。弁座８の下部には、ベアリング４１を支持する環状の支持部４２が内周へ向けて突出するよう設けられている。ベアリング４１、支持部４２及び第３のフランジ部材２７の挿入部３０は、同一の内径に設定されており、弁体部３５の内部を通過した温度制御用流体が抵抗を殆ど生じることなく第３のフランジ部材２７の接続部３１へと流出するよう構成されている。一方、上軸支部３６には、スラストワッシャー４３が装着されており、弁軸３４が後述するシール筐体５３に押圧されることで発生する負荷を低減させている。

また、弁体部３５は、図５及び図６に示すように、第１及び第２の弁口９，１８の開口高Ｈ１（図３参照）より高さが低い開口高Ｈ２を有する略半円筒形状の開口部４４が設けられた円筒形状に形成されている。弁体部３５の開口部４４が設けられた弁動作部４５は、予め定められた中心角α（例えば、約１９０度）を有する半円筒形状（円筒形状の部分のうち、開口部４４を除いた略半円筒形状）に形成されている。弁動作部４５は、開口部４４の上下に位置する弁体部３５を含めて第１の弁口９を閉状態から開状態に切り替えると同時に、第２の弁口１８を逆方向の開状態から閉状態に切り替えるよう弁座８内に且つ弁座８の内周面に接触しつつ回転自在に配置されている。弁動作部４５の上下に配置された上下の弁軸部４６，４７は、図６に示すように、弁動作部４５と同一の外径を有する円筒形状に形成されており、弁座８の内周面に接触して回転自在となっている。弁動作部４５及び上下の弁軸部４６，４７、更にはシール部３８にわたる内部には、上端部が小径となる円柱形状の空所４８が下端部に向けて貫通した状態で設けられている。

また、弁動作部４５は、周方向（回転方向）に沿った両端面４５ａ，４５ｂがその中心軸Ｃと交差する（直交する）方向に沿った断面形状が曲面形状に形成されている。更に説明すると、弁動作部４５は、図５に示すように、周方向に沿った両端部４５ａ，４５ｂの回転軸Ｃと交差する断面形状が開口部４４に向けて凸形状を成す円弧形状に形成されている。両端部４５ａ，４５ｂの曲率半径は、例えば、弁動作部４５の厚さＴの１／２に設定される。その結果、両端部４５ａ，４５ｂの断面形状は、半円形状となる。

弁動作部４５は、周方向に沿った両端部４５ａ，４５ｂの回転軸Ｃと交差する断面形状が円弧形状に限定されるものではなく、周方向（回転方向）に沿った両端面４５ａ，４５ｂが曲面形状に形成されていれば良い。弁動作部４５としては、図５（ｂ）に示すように、周方向に沿った両端部４５ａ，４５ｂの回転軸Ｃと交差する断面形状が外周面側に位置する第１の曲線部５０と、内周面側に位置して第１の曲線部５０より曲率半径が小さい第２の曲線部５１を滑らかに接続した曲線状に形成することも可能である。

弁動作部４５の周方向に沿った両端部４５ａ，４５ｂは、図５に示すように、弁軸３４が回転駆動されて第１及び第２の弁口９，１８を開閉する際に、低温側流体及び高温側流体の流れの中において、第１及び第２の弁口９，１８の周方向に沿った端部から突出する又は退避するように移動（回転）することで第１及び第２の弁口９，１８を開状態から閉状態あるいは閉状態から開状態へと移行させる。このとき、弁動作部４５の周方向に沿った両端部４５ａ，４５ｂは、弁軸３４の回転角度に対する第１及び第２の弁口９，１８の開口面積をリニア（直線状）に変化させるため、断面形状が曲面形状に形成されている。

更に説明すると、図１１に示すように、弁動作部４５の周方向に沿った両端部４５ａ，４５ｂを半径方向に沿った平面状に形成した場合には、弁軸３４の開度が５０％を超えると、弁動作部４５の内周端が外周端よりも第１及び第２の弁口９，１８の開口部幅を減少させる方向に突出し、弁軸３４の回転角度に対する第１及び第２の弁口９，１８の開口面積をリニア（直線状）に変化させることができないためである。

これに対して、弁動作部４５の周方向に沿った両端部４５ａ，４５ｂを断面形状が曲面形状に形成した場合には、図７（ｂ）に示すように、弁軸３４の開度が５０％を超えても、弁軸３４の回転角度に対する第１及び第２の弁口９，１８の開口面積をリニア（直線状）に変化させることが可能となる。

そのため、弁動作部４５の周方向に沿った両端部４５ａ，４５ｂは、第１及び第２の弁口９，１８から弁室８内に流入する流体の流れに対して突出した翼体のような作用を生じるものと想定される。したがって、流体中に突出した翼体のような作用を生じる弁動作部４５の周方向に沿った両端部４５ａ，４５ｂは、流体の流れを制限あるいは開放して流体の流量を制御する上で重要な役割を果たしている。流体中に突出した弁動作部４５の周方向に沿った両端部４５ａ，４５ｂの周囲の流体の流れによっては、第１及び第２の弁口９，１８の開口面積を弁軸３４の弁動作部４５によってリニア（直線状）に変化させた場合であっても、弁室８内に流入して混合される低温側及び高温側流体の流量がリニア（直線状）に変化するとは限らない。

本発明者らの種々の研究により、弁室８内で混合される低温側及び高温側流体の流量をリニア（直線状）に制御する上で、弁動作部４５の周方向に沿った両端部４５ａ，４５ｂの断面形状が重要な役割を果たしていることが判明した。そして、本発明者らは、弁動作部４５の周方向に沿った両端部４５ａ，４５ｂの断面形状を曲面形状に形成することにより、低温側及び高温側流体の流量をリニア（直線状）に制御することができることを見出した。

シール部４は、図３に示すように、弁軸３４を液密状態に密封するものである。シール部４は、ＳＵＳ等の金属によって弁軸３４を挿通する挿通孔５２を有する円筒形状に形成されたシール筐体５３を有している。シール筐体５３は、バルブ本体６の上端面に設けられた円柱形状の凹部５４にシール剤を塗布した状態で挿入固定されるか、外周に設けられた図示しない雄ネジ部により凹部５４に螺着される等の手段によりバルブ本体６に密封された状態で装着される。シール筐体５３の内周面には、弁軸３４を密封するＯリング等からなる２つの環状のシール部材５５，５６が上下に配置されている。シール部材５５，５６としては、例えば、耐熱性、耐油性、耐候性に優れた水素化されたアクリロニトリル・ブタジエンゴム（Ｈ−ＮＢＲ）製のＯリングが用いられる。シール筐体５３は、バルブ本体６の凹部５４に平行ピン５７により位置を合わせて装着されている。

カップリング部５は、シール部４が内蔵されたバルブ本体６とアクチュエータ部３との間に配置されている。カップリング部５は、弁軸３４と当該弁軸３４を一体に回転させる回転軸５８とを連結するためのものである。カップリング部５は、シール部４とアクチュエータ部３の間に配置されたスペーサ部材５９と、スペーサ部材５９の上部に固定されたアダプタプレート６０と、スペーサ部材５９及びアダプタプレート６０の内部に貫通状態で形成された円柱形状の空間６１に収容され、弁軸３４と回転軸５８とを連結するカップリング部材６２とから構成されている。スペーサ部材５９は、ＳＵＳ等の金属によりバルブ本体６と略同一の平面形状を有する比較的高さが低い角筒状に形成されている。スペーサ部材５９は、ネジ止め等の手段によってバルブ本体６及びアダプタプレート６０の双方に固定される。また、アダプタプレート６０は、図２（ｃ）に示すように、ＳＵＳ等の金属により平面多角形の板状に形成されている。アダプタプレート６０は、六角孔付きボルト６３によりアクチュエータ部３の基盤６４に固定した状態で取り付けられる。

カップリング部材６２は、図３に示すように、金属や耐熱性を有する合成樹脂等により円筒形状に形成されたものである。弁軸３４の上端には、水平方向に沿って貫通するように凹溝６５が設けられている。そして、弁軸３４は、カップリング部材６２に貫通するように設けられた連結ピン６６により凹溝６５を介してカップリング部材６２に連結固定されている。一方、回転軸５８の下端部は、カップリング部材６２に貫通するように設けられた連結ピン６７によりカップリング部材６２に連結固定されている。スペーサ部材５９は、シール部材５５，５６から液体が漏洩した際、挿通孔５２を通じて漏洩した液体を検知するための開口部６８を側面に有している。開口部６８は、例えば、その口径が直径約８ｍｍのテーパー付き雌ネジであるＲｃ１／１６に設定されている。

アクチュエータ部３は、図２に示すように、平面矩形状に形成された基盤６４を備えている。基盤６４の上部には、ステッピングモータやエンコーダ等からなる駆動手段を内蔵した直方体形状の箱体として構成されたケーシング７０がビス７１止めにより装着されている。アクチュエータ部３の駆動手段は、制御信号に基いて回転軸５８を所望の方向に所定の精度で回転可能なものであれば良く、その構成は限定されない。駆動手段は、ステッピングモータ及び当該ステッピングモータの回転駆動力をギア等の駆動力伝達手段を介して回転軸５８に伝達する駆動力伝達機構、並びに回転軸５８の回転角度を検出するエンコーダ等の角度センサにより構成される。

なお、図２中、符号７２はステッピングモータ側ケーブルを、７３は角度センサ側ケーブルをそれぞれ示している。これらステッピングモータ側ケーブル７２及び角度センサ側ケーブル７３は、三方弁型モータバルブ１を制御する図示しない制御装置にそれぞれ接続される。

＜三方弁型モータバルブの動作＞
本実施の形態に係る三方弁型モータバルブ１では、次のようにして低温側流体及び高温側流体の流量が制御される。

三方弁型モータバルブ１には、図１に示すように、第１のフランジ部材１０及び第２のフランジ部材１９を介して、予め定められた低温側の設定温度に調整された低温側流体及び予め定められた高温側の設定温度に調整された高温側流体が図示しない配管を介して供給される。三方弁型モータバルブ１は、図７（ａ）に示すように、例えば、動作を開始する前の初期状態において、弁軸３４の弁動作部４５が第１の弁口９を閉塞（全閉）すると同時に第２の弁口１８を開放（全開）した状態とされる。

三方弁型モータバルブ１は、図３に示すように、アクチュエータ部３に設けられた図示しないステッピングモータを所定量だけ回転駆動させると、ステッピングモータの回転量に応じて回転軸５８が回転駆動される。三方弁型モータバルブ１は、回転軸５８が回転駆動されると、当該回転軸５８に連結固定された弁軸３４が回転軸５８の回転量（回転角）と同一の角度だけ回転する。弁軸３４の回転に伴って弁動作部４５が弁座８の内部において回転し、図５（ａ）に示すように、弁動作部４５の周方向に沿った一端部４５ａが第１の弁口９を徐々に開放して、第１のハウジング部材１０から第１の流入口７を介して流入する低温側流体が第１の弁口９より弁座８の内部に流入する。

このとき、弁動作部４５の周方向に沿った他端部４５ｂは、図５（ａ）に示すように、第２の弁口１８を開放しているため、第２のハウジング部材１９から第２の流入口１７を介して流入する高温側流体が第２の弁口１８より弁座８の内部に流入しており、低温側流体と混合された高温側流体が弁座８を介してバルブ本体６の流出口３０を介して第３のハウジング部材２７から外部に流出する。高温側流体の温度は、低温側流体より高い温度であって予め定められた一定の温度（例えば、８０℃）となるように調整されている。

三方弁型モータバルブ１は、図７（ｂ）に示すように、弁軸３４が回転駆動されて弁動作部４５の周方向に沿った一端部４５ａが第１の弁口９を徐々に開放すると、第１のハウジング部材１０から流入する低温側流体と第２のハウジング部材１９から流入する高温側流体とが弁室８並びに弁軸３４の内部において混合されて温度制御用流体となりバルブ本体６の流出口３０を介して第３のハウジング部材２７から外部に供給される。

三方弁型モータバルブ１は、回転軸５８が回転駆動されるに伴って弁軸３４が回転し、弁動作部４５の周方向に沿った一端部４５ａが第１の弁口９を次第に開放すると同時に、弁動作部４５の周方向に沿った他端部４５ｂが第２の弁口１８を次第に閉塞し、第１の弁口９から流入する低温側流体と第２の弁口１８から流入する高温側流体とが弁室８及び弁軸３４の内部において混合され、低温側流体と高温側流体との混合比に応じて温度が調整された温度制御用流体としてバルブ本体６の流出口３０から外部に供給される。

また、三方弁型モータバルブ１は、弁動作部４５の周方向に沿った両端部４５ａ，４５ｂが断面曲面形状に形成されているため、弁軸３４の回転角度に対して第１及び第２の弁口９，１８の開口面積をリニア（直線状）に変化させることが可能となる。また、弁動作部４５の両端部４５ａ，４５ｂによって流量が規制される低温側流体及び高温側流体が層流に近い状態で流動すると考えられ、第１の弁口９及び第２の弁口１８の開口面積に応じて低温側流体及び高温側流体の混合比（流量）を精度良く制御することができる。

実験例
本発明者らは、図５（ａ）及び（ｂ）に示すような弁軸３４を備えた三方弁型モータバルブ１を試作し、弁軸３４の回転に伴う第１の弁口９及び第２の弁口１８の開度に応じて、低温側流体及び高温側流体の流量係数Ｃｖ値がどのように変化するかを確認する実験を行った。

なお、低温側流体、高温側流体及び低温側流体と高温側流体とが混合された温度制御用流体の流量係数Ｃｖ値は、弁軸３４の回転角を変化させた際に、検出精度の高い一台の流量センサを第１の弁口９、第２の弁口１８及び流出口３０の各々に個別に移動させて測定した。

図８及び図９は上記実験例の結果をそれぞれ示すグラフである。図８は図５（ａ）の弁軸に対応し、図９は図５（ｂ）の弁軸に対応している。

その結果、図８及び図９に示すグラフから明らかなように、弁軸３４の回転角に伴って低温側流体が略直線状に流量係数を示すＣｖ値が増加するとともに、高温側流体が略直線状に流量係数を示すＣｖ値が減少し、低温側流体及び高温側流体の混合比（流量）を精度良く制御できることが判った。また、図８及び図９に示すグラフから明らかなように、図５（ａ）（ｂ）のいずれの弁軸とも、弁軸３４の開度が５０％以上の領域において流量係数Ｃｖ値が直線上から僅かに外れる領域が存在する。これは、図５（ａ）の弁軸に比較して図５（ｂ）の弁軸の方が、流量係数Ｃｖ値が直線上から僅かに外れる領域は、弁軸３４の開度が高い領域にシフトしているため、弁動作部４５の両端部４５ａ，４５ｂの曲面形状が影響しているものと推定される。

なお、図９に示すグラフでは、弁動作部４５の周方向に沿った両端部４５ａ，４５ｂの外周側の曲率半径を大きく設定している影響か、弁軸３４を全閉位置に回転させた場合であっても、一方の流体の流量係数Ｃｖ値が完全にゼロとならないことが判る。ただし、温度制御用として使用される三方弁型モータバルブ１であることを考慮すれば、弁軸３４を全閉位置に回転させた場合に一方の流体の流量係数Ｃｖ値が完全にゼロとならなくとも実使用上は、他の開閉バルブを併用することなどにより問題となることはない。

[実施例１]
図１０は本発明の実施の形態１に係る流量制御用三方弁を適用した恒温維持装置（チラー装置）を示す概念図である。

このチラー装置１００は、例えば、プラズマエッチング処理などを伴う半導体製造装置に使用され、温度制御対称Ｗの一例としての半導体ウエハ等の温度を一定温度に維持するものである。半導体ウエハ等の温度制御対称Ｗは、プラズマエッチング処理等を受けると、プラズマの生成や放電等に伴って温度が上昇する場合がある。

チラー装置１００は、温度制御対称Ｗと接触するように配置される温度制御手段の一例としてのテーブル状に構成された温度制御部１０１を備える。温度制御部１０１は、混合比が調整された低温側流体及び高温側流体からなる温度制御用流体が流れる温度制御用流路１０２を内部に有している。

温度制御部１０１の温度制御用流路１０２には、開閉弁１０３を介して三方弁型モータバルブ１が接続されている。三方弁型モータバルブ１の第１のフランジ部１０には、予め定められた低温側の設定温度に調整された低温流体を貯蔵した低温側恒温槽１０４が接続されている。低温側恒温槽１０４からは、三方弁型モータバルブ１に第１のポンプ１０５により低温側流体が供給される。また、三方弁型モータバルブ１の第２のフランジ部１９には、予め定められた高温側の設定温度に調整された高温流体を貯蔵した高温側恒温槽１０６が接続されている。高温側恒温槽１０６からは、三方弁型モータバルブ１に第２のポンプ１０７により高温側流体が供給される。三方弁型モータバルブ１の第３のフランジ部２７は、開閉弁１０３を介して温度制御部１０１の温度制御用流路１０２に接続されている。

また、温度制御部１０１の温度制御用流路１０２の流出側には、帰還用の配管が設けられており、低温側恒温槽１０４及び高温側恒温槽１０６にそれぞれ接続されている。

三方弁型モータバルブ１は、弁軸３４を回転駆動するステッピングモータ１０８を備えている。また、温度制御部１０１には、当該温度制御部１０１の温度を検知する温度センサ１０９が設けられている。温度センサ１０９は、図示しない制御装置に接続されており、制御装置は、三方弁型モータバルブ１のステッピングモータ１０８の駆動を制御する。

チラー装置１００は、図１０に示すように、温度制御対称Ｗの温度を温度センサ１０９によって検知し、当該温度センサ１０９の検知結果に基いて制御装置によって三方弁型モータバルブ１のステッピングモータ１０８の回転を制御することにより、温度制御対称Ｗの温度を予め定められた設定温度と等しい温度となるよう制御する。

三方弁型モータバルブ１は、ステッピングモータ１０８によって弁軸３４を回転駆動することにより、低温側恒温槽１０４から第１のポンプ１０５により供給される低温側流体と、高温側恒温槽１０６から第２のポンプ１０７により供給される高温側流体との混合比を制御し、三方弁型モータバルブ１から開閉弁１０３を介して温度制御部１０１の温度制御用流路１０２に供給する低温側流体と高温側流体とが混合された温度制御用流体の温度を制御する。

このとき、三方弁型モータバルブ１は、図８に示すように、弁軸３４の回転角に応じて低温側流体と高温側流体との混合比を高い精度で制御することができ、温度制御用流体の温度を微調整することが可能となる。そのため、本実施の形態に係る三方弁型モータバルブ１を使用したチラー装置１００は、低温側流体と高温側流体との混合比が制御された所定の温度に調整された温度制御用流体を温度制御部１０１の温度制御用流路１０２に流すことにより、温度制御部１０１が接触する温度制御対称Ｗの温度を所望の温度に制御することができる。

１…三方弁型モータバルブ
２…バルブ部
３…アクチュエータ部
４…シール部
５…カップリング部
６…バルブ本体
７…第１の流入口
８…弁座
９…第１の弁口
１０…第１のフランジ部材
１１…六角穴付きボルト
１２…フランジ部
１３…挿入部
１４…配管接続部
１５…Ｏリング
１６…面取り
１７…第２の流入口
１８…第２の弁口
１９…第２のフランジ部材
２０…六角穴付きボルト
２１…フランジ部
２２…挿入部
２３…配管接続部
３４…弁軸
３５…弁体部
４５…弁動作部
４５ａ，４５ｂ…両端部

請求項３に記載された発明は、前記弁体は、外周面が開口されて予め定められた中心角を有する半円筒形状に形成された半円筒部を有し、軸方向に沿った一端面が閉塞され他端面が開口された円筒体からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の流量制御用三方弁である。

Claims (6)

1. 第１の流体が流入する断面矩形状の第１の弁口と第２の流体が流入する断面矩形状の第２の弁口が形成された円柱形状の空所からなる弁座を有する弁本体と、
   前記第１の弁口を閉状態から開状態に切り替えると同時に前記第２の弁口を開状態から閉状態に切り替えるよう前記弁本体の弁座内に回転自在に配置され、予め定められた中心角を有する半円筒形状に形成され且つ周方向に沿った両端面が曲面形状に形成された弁体と、
   前記弁体を回転駆動する駆動手段と、
   を備えることを特徴とする流量制御用三方弁。
2. 前記弁体には、前記第１の弁口及び前記第２の弁口が前記弁体の回転軸を中心にして軸対称にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流量制御用三方弁。
3. 前記弁体は、外周面が開口されて予め定められた中心角を有する半円筒形状に形成された半円筒部を有し、軸方向に沿った一端面が閉塞され他端面が開口された円筒体からなることを特徴とする請求項２又は３に記載の流量制御用三方弁。
4. 前記弁体は、周方向に沿った両端部の回転軸と交差する断面形状が円弧形状に形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の流量制御用三方弁。
5. 前記弁体は、周方向に沿った両端部の回転軸と交差する断面形状が外周面側に位置する第１の曲線部と、内周面側に位置して前記第１の曲線部より曲率半径が小さい曲線状に形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の流量制御用三方弁。
6. 混合比が調整された低温側流体及び高温側流体からなる温度制御用流体が流れる温度制御用流路を有する温度制御手段と、
   低温側の予め定められた第１の温度に調整された前記低温側流体を供給する第１の供給手段と、
   高温側の予め定められた第２の温度に調整された前記高温側流体を供給する第２の供給手段と、
   前記第１の供給手段と前記第２の供給手段に接続され、前記第１の供給手段から供給される前記低温側流体と前記第２の供給手段から供給される前記高温側流体とを混合比を調整して前記温度制御用流路に流す三方弁と、
   を備え、
   前記三方弁として請求項１乃至５のいずれかに記載の流量制御用三方弁を用いたことを特徴とする温度制御装置。

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