JP2007156895A - リリーフ機能付き低圧流体減圧弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 操作力の増減に応じて２次側圧力を増減できるリリーフ機能付き低圧流体減圧弁を提供する。
【解決手段】 第１の弾性シール材（ベローズ１４）と第２の弾性シール材（ベローズ２１）と、第１のポペット１０と挿通孔９の縁部間に形成された減圧絞り部１３と、該減圧絞り部１３と出力側弁室７を連通する減圧通路１２と、第２のポペット１７が当接する前記第１のポペット１０端部と前記第２のポペット１７端部間に形成されたリリーフ絞り部１８と、第１のポペット１０を貫通してリリーフ絞り部１８と第１の封止スペース１５を連通させるリリーフ通路１９とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、水道水等の低圧流体を使用したリリーフ機能付き減圧弁に関する。

従来の水道用減圧弁は、２次側の設定圧力をバネの圧縮力で設定する半固定のものであり、リリーフ機能は有していない（例えば特許文献１参照）。また、外部漏れや内部漏れ防止のパッキンやシールによる摩擦力が大きく、摩擦力はそのまま不感帯として存在することになってしまう。不感帯は制御結果の安定上必要な要素ではあるが、大きすぎれば制御できない領域が広がる結果となり、全体の制御領域に対してその比率は安定な範囲で小さく計画することが望ましい。したがって、従来の水道用減圧弁では摩擦力の影響を軽減するために、２次圧力を受けるピストンやダイヤフラムの面積を比較的大きくとっており、設定のためのバネ圧縮力は比較的大きくする必要がある。このため、２次側圧力を制御する場合に、バネの力に対抗して大きな操作力が必要になる。

また、従来の減圧弁は、リリーフ機能を有していないため、一旦上がった２次側圧力を下げる方向に制御することはできない。すなわち、操作力を小さくして設定圧力を下げても２次側圧力が下がることはなく、高い圧力のままである。

また、従来より油圧用リリーフ機能付き減圧弁は存在するが、それらはスプール形式の弁であり、油のように粘度が大きく内部漏れの起こりにくい流体には適しているが、水のように粘度が小さく内部漏れの起こりやすい流体には適さない。また、油圧用減圧弁は、使用する圧力領域が高圧であり、これを単に水道水のような低圧レベルの流体の減圧制御に適用することはできない。

特開２００２−０２３８５６号公報

本発明は上記従来技術を考慮したものであって、水道水のような低圧流体を適用対象とし、例えば指で押す程度の小さな操作力で減圧制御が可能になるとともに、リリーフ機能を備えることにより、操作力を弱めたときに２次側圧力を逃がして常に操作力に応じた２次側圧力を発生させ、操作力の増減に応じて２次側圧力を増減できるリリーフ機能付き低圧流体減圧弁の提供を目的とする。

請求項１の発明は、入力側弁室と出力側弁室を有する弁本体と、前記入力側弁室及び出力側弁室間を仕切る隔壁と、該隔壁に設けた挿通孔を通して摺動する第１のポペットと、一方の端部が前記出力側弁室内で前記第１のポペットの端部に当接するとともに他方の端部が前記弁本体を通して外部に突出する第２のポペットと、前記第１のポペットを前記出力側弁室方向に付勢する弾性を備えるとともに前記入力側弁室内で該第１のポペットの端部と前記弁本体間に前記入力側弁室から水密的に封止された第１の封止スペースを形成する第１の弾性シール材と、前記第２のポペットが前記第１のポペットを押圧したときに該第２のポペットを戻す方向に付勢する弾性を備えるとともに前記出力側弁室外で前記第２のポペットの突出部と前記弁本体間に該突出部を前記出力側弁室から水密的に封止する第２の封止スペースを形成する第２の弾性シール材と、前記第１のポペットと前記挿通孔の縁部間に形成された減圧絞り部と、該減圧絞り部と前記出力側弁室を連通する減圧通路と、前記第２のポペットが当接する前記第１のポペット端部と前記第２のポペット端部間に形成されたリリーフ絞り部と、前記第１のポペットを貫通して前記リリーフ絞り部と前記第１の封止スペースを連通させるリリーフ通路とを備えたことを特徴とするリリーフ機能付き低圧流体減圧弁を提供する。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第１及び第２の弾性シール材はベローズからなることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記入力側弁室に水道水の圧力を導入することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項２又は３の発明において、前記第１のベローズの径は、前記リリーフ絞り部での前記第１のポペット端部の径と等しく、前記第１のベローズと第２のベローズの受圧面積の差に応じた操作力で前記第２のポペットを押圧することにより入力圧力を減圧することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項２〜４のいずれかの発明において、前記第２のベローズの径は前記第１のベローズの径より大きいことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、入力側（１次側）弁室と出力側（２次側）弁室間の隔壁の挿通孔を摺動する第１のポペットと、その第１のポペット背面側のテーパ部と前記隔壁の挿通孔周縁との間に減圧絞り部が形成され、この減圧絞り部により減圧作用が得られ、さらに第１及び第２のポペット端部同士が当接する部分にリリーフ絞り部が形成され、このリリーフ絞り部により出力側弁室内の圧力が高くなったときに第２のポペットを第１のポペットから離間させてリリーフ作用が得られ、簡単な構造で減圧弁とリリーフ弁を組合せることができる。リリーフ後に、第２のポペットを押し込めば再び第１のポペットが押圧されて減圧絞り部での減圧作用が得られるため、第２のポペットの押圧操作によりリリーフ機能と併せて常に必要な減圧された出力圧力が得られる。

また、第１及び第２の弾性シール材により、両方のポペットを反対方向から封止して両弁室から水密的に封止されたスペースを形成することにより、弁本体から外部への流体の漏れがなくなるとともに、ポペットの摺動部のシールや弁本体の内部漏れ防止用のパッキンが不要となって摺動摩擦抵抗がなくなり軽い力でポペットを操作することができる。この場合、各弾性シール材と弁本体やポペットとの結合部の面積は、それぞれの弾性シール材について伸縮方向に沿って一定（受圧面積が一定）であることが製造上及び制御性の点で好ましい。なお、弾性シール材としては、例えばベローズあるいはダイヤフラムシリンダなどを用いることができる。

請求項２の発明によれば、弾性シール材としてベローズを用いることにより、簡単な構造でバネ性（弾性）及びシール性を兼ね且つ受圧面積が一定のシール材が形成できる。またベローズ自体のバネ性を利用することにより、ポペットを定常的に柔軟に押えておく専用のバネが不要になり、構造が簡素化する。

請求項３の発明によれば、家庭用の水道水を利用することにより、簡単に低圧流体の圧力源が得られ、この水道圧を軽い力で容易に減圧制御操作して必要な圧力を出力させることができる。このような圧力を各種動作するアクチュエータに接続すれば、電気を使用しないアクチュエータが家庭で容易に実現でき、例えば浴室などの電気の使用に適さない場所で指圧器その他の機器を動作させることができる。

請求項４の発明によれば、入力側弁室内の第１のベローズの径を出力側弁室内に突出する第１のポペットの径と同じにすることにより、出力側弁室内の第２のポペットに対する押圧操作力と両ベローズの受圧面積の差に応じた出力圧力を容易に確実に得ることができる。

請求項５の発明によれば、弁本体の外側に突出する第２のベローズの受圧面積が大きくなるため、この第２のベローズに連結された第２のポペットを弁本体から引き出す方向に力が作用する。したがって、この力に抗して第２のポペット側から押圧操作力を付与して両方の力がバランスした状態で押圧操作力に応じた出力圧力が得られる。この場合、両ベローズの径の差が小さい程弱い力で受圧面積の差に応じた操作をすることができ、微妙な圧力制御が可能になる。

図１は、本発明実施例の基本構成図である。
弁本体１は、上カバー２及び下カバー３を有する。弁本体１の内部に、入力ポート４が開口する入力側弁室５及び出力ポート６が開口する出力側弁室７が隔壁８を介して形成される。隔壁８の中央部に挿通孔９が形成される。挿通孔９を通して第１のポペット１０が装着される。第１のポペット１０は、円錐状のテーパ部１０ａとその上部の円柱部１０ｂとにより構成される。第１のポペット１０の円柱部１０ｂが、挿通孔９内を摺動する。円柱部１０ｂの周囲にリング状の円環状通路１１が形成される。円環状通路１１は、減圧通路１２を介して出力側弁室７と連通する。なお、円環状通路１１に代えて、隔壁８の上下方向厚さを越える長さの複数本の縦方向の溝を円柱部１０ｂの周囲に形成し、これらの溝により出力側弁室７に連通する減圧通路を構成してもよい。

第１のポペット１０のテーパ部１０ａは、隔壁８の挿通孔９の下端部周縁に当接又は近接して減圧絞り部１３を形成する。絞り部１３は、円環状通路１１及び減圧通路１２を介して出力側弁室７に連通する。この挿通孔９の下端部周縁には、ポペット側のテーパ部１０ａに対応する角度のテーパ面が形成される。

入力側弁室５内の第１のポペット１０の下部に第１のベローズ１４が設けられる。第１のベローズ１４は、第１のポペット１０の下側に入力側弁室５から水密的に封止された第１の封止スペース１５を形成する。第１の封止スペース１５は、下カバー３に形成したドレンポート１６に連通する。

第１のポペット１０の上部に第２のポペット１７が連続して設けられる。第２のポペット１７は、円柱部１７ａの下端部に円錐状のテーパ凹部１７ｂを備えたものである。テーパ凹部１７ｂは、第１のポペット１０の上端部周縁に当接して両者間にリリーフ絞り部１８を形成する。リリーフ絞り部１８は、第１のポペット１０の円柱部１０ｂを縦に貫通するリリーフ通路１９を介して第１の封止スペース１５及びドレンポート１６と連通する。第１のポペット１０の上端部周縁には、第２のポペット１７のテーパ部１７ｂに対応する角度のテーパ面が形成される。

第２のポペット１７は、上カバー２を貫通する貫通孔２０を通して外部に突出する。この突出した部分を覆って第２のベローズ２１が設けられる。第２のベローズ２１はその内部側に、第２のポペット１７の突出部を外部から水密的に封止する第２の封止スペース２３を形成する。第２のベローズ２１の上端部にベローズ内部を水密的に封止する押圧板２２が設けられる。この押圧板２２の内面側に第２のポペット１７の端部が固定される。上カバー２に、連通孔２４が設けられ、出力側弁室７とベローズ内部の第２の封止スペース２３とを連通する。

第１のベローズ１４は、第１のポペット１０を常に上方に付勢する弾性を有する。第２のベローズ２１は、最初は弾性が作用しない初期状態より上方に引き伸ばされた状態でセットされる。したがって、最初は第２のベローズ２１を下方に付勢する。押圧板２２が押圧されると第２のベローズ２１が縮んで弾性が初期状態に戻り、さらに押圧されると、押圧力に対抗して上向きの弾性力が発生する。

上記減圧弁の減圧制御動作について説明する。
まず、入力ポート４から低圧の水道水を入力側弁室５に導入する。このとき、本実施例の構成では、減圧絞り部１３において、第１のポペット１０のテーパ部１０ａの上面に当接する隔壁８の挿通孔９の径と、テーパ部１０ａの下面に結合された第１のベローズ１４の径が等しい。したがって、第１のベローズ１４に対しては、水道水の圧力による力は作用せず、第１のポペット１０はベローズのバネ力によって上方に押し上げられる。これにより、減圧絞り部１３が閉じられるとともに、第１のポペット１０の円柱部１０ｂ端部が第２のポペット１７を押し上げる。したがって、円柱部１０ｂ端部のリリーフ絞り部１８は閉じる。このように、第２のポペット１７が最大限上方に突出した初期状態では、第２のベローズ２１は中立状態（バネ力が作用しない状態）より僅かに引き延ばされた状態であり、バネ力は引っ張り方向（ポペット１７を下げる方向）に作用する。

ここで、押圧板２２を介して指（矢印Ｆの力）で第２のポペット１７とともに第１のポペット１０を押し下げる。これにより、減圧絞り部１３が開く。この場合、指の力Ｆに応じて減圧絞り部１３の開き量が変わる。これにより、水道水の入力圧力が減圧絞り部１３の開き度合いに応じて減圧され、この減圧された圧力が減圧通路１２を介して出力側弁室７に導入される。さらに、この減圧された圧力が、出力ポート６を通して、図示しないアクチュエータに導入され圧力に応じて各種動作を行う。

ここでリリーフ機能について説明する。
アクチュエータ側の負荷が大きくなって圧力が高まると、この高い圧力が出力ポート６を介して逆に出力側弁室７内に導入される。出力側弁室７は連通孔２４を介して第２のベローズ２１内の封止スペース２３と連通するため、この第２の封止スペース２３内の圧力が高まる。これにより、第２のポペット１７が押し上げられるとともに、これに追随して第１のポペット１０が第１のベローズ１４のバネ力により上昇して減圧絞り部１３を閉じる。さらに第２のポペット１７が上昇すると、第１のポペット１０が上限位置で停止しているため、リリーフ絞り部１８が開く。これにより、出力側弁室７内の高圧流体の一部が第２のポペット１７底部のテーパ凹部１７ｂ内に流入するとともにリリーフ通路１９及び第１の封止スペース１５を介してドレンポート１６から外部に放出される。高圧流体が逃がされると、出力側弁室７内の圧力が低下し、第２のポペット１７が下降して再び第１のポペット１０の上端部に当接してリリーフ絞り部１８を閉じる。これにより初期状態に戻る。この後、再び指で押し下げれば、前述の減圧動作により所望の減圧された圧力が得られる。

なお、リリーフ動作中に、ある程度圧力が下がった時点で、初期状態に戻る前に、指で押圧板２２を押し下げてリリーフ絞り部１８を閉じるとともに減圧絞り部１３から適当な圧力を出力側弁室７に導入することもできる。

図２は、本発明実施例における指の力Ｆと出力圧力の関係を示すグラフである。
前述のように、弁本体１の上下から減圧用ポペット（第１のポペット１０）とリリーフ用ポペット（第２のポペット１７）が挿入されている。両ポペット１０，１７は、それぞれ第１、第２のベローズ１４，２１を介して弁本体１の上下のカバー２，３と結合されている。弁本体１と減圧用ポペットにより減圧絞り部１３が構成され、減圧用ポペットの上端とリリーフ用ポペットによりリリーフ絞り部１８が構成されている。下部ベローズ（第１のベローズ）の口径ならびに減圧絞り部１３及びリリーフ絞り部１８の口径は同一であり、上部ベローズ（第２のベローズ）の口径はそれより大きい。

減圧絞り部１３及びリリーフ絞り部１８がちょうど閉じた状態で上下のベローズが自由長（中立位置）になっている場合、上部ベローズと下部ベローズの受圧面積の差をδＡとすると、指で押す力（外力）Ｆと出力圧力Ｐｃの関係は
Ｐｃ＝Ｆ／δＡ （１）
で表される。

これは、Ｐｃがこの圧力に達したとき、下向きの力Ｆと上向きの力Ｐｃ・δＡがつりあって減圧絞り部１３が閉じるためであり、さらにＰｃが上がろうとすると、今度はリリーフ絞り部１８が開いて水をドレンポート１６に逃がし、その上昇を止めるためである。

実際には、減圧絞り部１３及びリリーフ絞り部１８がちょうど閉じた状態で、上下のベローズは自由長ではなく、上部ベローズは初期伸張、下部ベローズは初期圧縮がかかっている。これは弁の作動安定性を保つと同時に、内部漏れを防止するためである。上部ベローズの初期伸張力をＦ₀、下部ベローズの初期圧縮力をその２倍の２Ｆ₀とすると、出力圧力Ｐｃの範囲は
（Ｆ−Ｆ₀）／δＡ≦Ｐｃ≦（Ｆ＋Ｆ₀）／δＡ （２）
で表される。

図２はこの式（２）を示したもので、出力圧力Ｐｃは、図の２本の直線の間に入ることになり、入力Ｆに対して不感帯２Ｆ₀（式（１）に対して±Ｆ₀の幅）を有することになる。この不感帯は制御の安定上必要なものであり、全体の制御領域に対してその比率は安定を損なわない範囲で小さく計画することが望ましい。もし不感帯がなければ、この弁は常に減圧絞り部１３からの流入あるいはリリーフ絞り部からの流出のいずれかの状態を取らねばならず、振動を繰り返して無駄な流量を発生させる。また不感帯が大きすぎれば制御しない領域が広がることになる。本弁では摩擦力が非常に小さいと見なすことができるので、この不感帯は上下のベローズのバネ力等の第１と第２のポペットを押す弾性力に応じて定まることになり、予め制御範囲に対して、適当な大きさに設定することが可能である。

図３は、本発明の好ましい実施例の構成図である。
この例では、前述の図１の例に比べ、第１のベローズ１４の径を大きくし、第２のベローズ２１の径を、第１のベローズ１４の径より大きい範囲でなるべく小さくして、両ベローズ１４，２１の受圧面積の差δＡを極力小さくしている。これにより、前述の式（１）から分るように、より小さな指の力ＦでδＡとバランスさせることができ、小さな力で微小な圧力制御が可能になる。

また、構成上このように第２のベローズ２１の径を小さくしたため、第２のポペット１７の円柱部１７ｂを小さくしている。また、第１のベローズ１４の径を大きくしたため、これと同径の第１のポペット１０の円柱部１０ｂに当接する第２のポペット１７のテーパ凹部１７ｂの外径が大きくなる。

第１のポペット１０の円柱部１０ｂの外周面に１本あるいは複数本の縦の溝２５が形成され、この溝２５を介して、絞り部１３と出力側弁室７が連通する。したがって、この実施例では、溝２５が請求項でいう減圧通路を構成する。

第２のポペット１７の円柱部１７ａの外周面に１本あるいは複数本の縦の溝２６が形成される。この溝２６により、出力側弁室７と第２のベローズ２１内の封止スペース２３が連通する。

下カバー３の側面にドレンポート１６が開口する。下カバー３の装着部に第１のベローズ１４の初期圧縮量調整用のパッド２８が設けられる。また、押圧板２２と第２のポペット１７の円柱部１７ａの端部間に、第２のベローズ２１の初期伸張量調整用のパッド２９が設けられる。上下カバー２，３の装着部に弁内の流体が外部に漏れないようにするためのＯリング２７が設けられる。その他の構成及び作用効果は前述の図１の実施例と同様である。

言い換えて説明すると、弁本体１は上カバー２、下カバー３で上下から覆われている。下カバー３には減圧用ポペット（第１のポペット１０）が下部ベローズ（第１のベローズ１４）を介して接続されている。上カバー２にはリリーフ用ポペット（第２のポペット１７）が上部ベローズ（第２のベローズ２１）を介して接続されている。弁本体１の中央に設けられたスリーブ穴（挿通孔９）の下部周縁のシート面（テーパ面）と減圧用ポペットとによって減圧絞り部１３が構成されている。また、減圧用ポペットの上端とリリーフ用ポペットの下端によってリリーフ絞り部１８が構成されている。入力ポート４から入力側弁室５に流入した水は、この弁室５から減圧絞り部１３を通って出力側弁室７に流入し、さらに出力ポート６から流出する。出力圧力による上向きの力が、外力（指などの力）に等しくなったところで減圧絞り部１３は閉じる。

出力圧力がそれより上昇しようとすると、リリーフ絞り部１８が開いて出力側弁室７の水をドレンポート１６に逃がすため、その上昇は止まる。その結果、押圧板２２を押す指などの外力に比例して出力圧力が制御されることになる。その際、摺動部（第１及び第２のポペットが弁本体１側に対して摺動する部分）にパッキンが存在しないのでその摩擦力も存在せず、微妙な圧力制御を行うことができる。また、上部ベローズの初期伸張量及び下部ベローズの初期圧縮量の調整のための調整パッド２８，２９を用い、さらに上下カバーからの外部漏れ防止のためのＯリング２７を用いている。

本発明は、電気を使わずに水道水などの一般家庭で簡易に利用可能な低圧流体を用いた指圧器などの各種機器の駆動源として利用できる。

本発明実施例の基本構成図。 本発明実施例における指の力Ｆと出力圧力の関係を示すグラフ。 本発明の好ましい実施例の構成図。

符号の説明

１：弁本体、２：上カバー、３：下カバー、４：入力ポート、５：入力側弁室、６：出力ポート、７：出力側弁室、８：隔壁、９：挿通孔、１０：第１のポペット、１０ａ：テーパ部、１０ｂ：円柱部、１１：円環状通路、１２：減圧通路、１３：減圧絞り部、１４：第１のベローズ、１５：第１の封止スペース、１６：ドレンポート、１７：第２のポペット、１７ａ：円柱部、１７ｂ：テーパ凹部、１８：リリーフ絞り部、１９：リリーフ通路、２０：貫通孔、２１：第２のベローズ、２２：押圧板、２３：第２の封止スペース、２４：連通孔、２５：溝、２６：溝、２７：Ｏリング、２８：パッド、２９：パッド

Claims (5)

1. 入力側弁室と出力側弁室を有する弁本体と、
   前記入力側弁室及び出力側弁室間を仕切る隔壁と、
   該隔壁に設けた挿通孔を通して摺動する第１のポペットと、
   一方の端部が前記出力側弁室内で前記第１のポペットの端部に当接するとともに他方の端部が前記弁本体を通して外部に突出する第２のポペットと、
   前記第１のポペットを前記出力側弁室方向に付勢する弾性を備えるとともに前記入力側弁室内で該第１のポペットの端部と前記弁本体間に前記入力側弁室から水密的に封止された第１の封止スペースを形成する第１の弾性シール材と、
   前記第２のポペットが前記第１のポペットを押圧したときに該第２のポペットを戻す方向に付勢する弾性を備えるとともに前記出力側弁室外で前記第２のポペットの突出部と前記弁本体間に該突出部を前記出力側弁室から水密的に封止する第２の封止スペースを形成する第２の弾性シール材と、
   前記第１のポペットと前記挿通孔の縁部間に形成された減圧絞り部と、
   該減圧絞り部と前記出力側弁室を連通する減圧通路と、
   前記第２のポペットが当接する前記第１のポペット端部と前記第２のポペット端部間に形成されたリリーフ絞り部と、
   前記第１のポペットを貫通して前記リリーフ絞り部と前記第１の封止スペースを連通させるリリーフ通路とを備えたことを特徴とするリリーフ機能付き低圧流体減圧弁。
2. 前記第１及び第２の弾性シール材はベローズからなることを特徴とする請求項１に記載のリリーフ機能付き低圧流体減圧弁。
3. 前記入力側弁室に水道水の圧力を導入することを特徴とする請求項１又は２に記載のリリーフ機能付き低圧流体減圧弁。
4. 前記第１のベローズの径は、前記リリーフ絞り部での前記第１のポペット端部の径と等しく、前記第１のベローズと第２のベローズの受圧面積の差に応じた操作力で前記第２のポペットを押圧することにより入力圧力を減圧することを特徴とする請求項２又は３に記載のリリーフ機能付き低圧流体減圧弁。
5. 前記第２のベローズの径は前記第１のベローズの径より大きいことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のリリーフ機能付き低圧流体減圧弁。
   

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