JP2010096206A

JP2010096206A - インクジェット用インク製造用合流弁

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Publication number: JP2010096206A
Application number: JP2008265174A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Kaneko; 敏明金子
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2008-10-14
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2010-04-30
Anticipated expiration: 2028-10-14
Also published as: JP5171533B2

Abstract

【課題】アクチュエータが１個であり、さらに弁の閉口時にはシール部から液体が漏れることを抑制し、弁の開口時には一定の適切な混合比で流れ始める、インクジェット用インク製造用合流弁を提供すること。
【解決手段】２本以上の流入路及び１本以上の流出路を有する弁座と、１個のアクチュエータで操作される弁体とで構成される合流弁であって、前記弁体はシール部を有し、前記シール部は、厚さ１ｍｍ以上、２０ｍｍ以下のフッ素樹脂であり、かつショアＤ硬度が６０以上、９０以下であることを特徴とするインクジェット用インク製造用合流弁。
【選択図】図１

Description

本発明は、インクジェット用インク製造用合流弁に関する。

フッ素樹脂は優れた接液性・耐薬品性を有するため、医薬品やインク等、様々な分野における製造プラントの弁のシール部として、広く使われている（特許文献１参照）。

例えば、インクの製造では、色材の水溶液や溶剤、活性剤など複数の原材料を混合する必要があるので、インクの製造プラントでは、複数の原料の流体を合流させるような配管レイアウトをとることが一般的である。この配管レイアウトでは、複数の配管それぞれに接液性に優れたフッ素樹脂のシール部を有するダイヤフラム弁を１個ずつ設置し、それぞれの配管で個別のダイヤフラム弁を開閉し、流れを制御する。

しかし、ダイヤフラム弁は、アクチュエータ部が大きく、密集した配管、特に複数の流体が合流するような部分の周辺に複数個の弁を個別に設置すると、立体的に干渉し、配管のレイアウトが困難であった。

そこで、２個の独立した弁を連結し、１ユニットとしたダイヤフラム弁とすることで、合流部の配管用の弁として省スペース効果をもたらすダイヤフラム弁が提案されている（特許文献２参照）。
特開２００１−１０８１３１号公報特開平１１―１４１７１３号公報

インクジェット用インクの製造に関しては、複数の原料の混合比が守られないと、インクの組成が安定せず、出力画像にムラができる可能性がある。従って、弁の閉口時にシール部から液体が漏れてお互いの配管に流れ込み、拡散し混ざることを抑制する必要がある。また、弁の開口時には一定の適切な混合比で流れ始めることが必要である。

しかし、特許文献１に記載のシール部を有する弁体では、上記のような要求を満たすことは困難であった。

また、特許文献２に記載のダイヤフラム弁は、弁体を操作するアクチュエータが複数個必要であり、省スペース効果はまだ十分と言えるものではなかった。

従って、本発明は、アクチュエータが１個であり、さらに弁の閉口時にはシール部から液体が漏れることを抑制し、弁の開口時には一定の適切な混合比で流れ始めるインクジェット用インク製造用合流弁を提供することを目的とする。

上記の目的は、以下の本発明によって達成される。

すなわち本発明は、２本以上の流入路及び１本以上の流出路を有する弁座と、１個のアクチュエータで操作される弁体とで構成される合流弁であって、前記弁体はシール部を有し、前記シール部は、厚さ１ｍｍ以上、２０ｍｍ以下のフッ素樹脂であり、かつショアＤ硬度が６０以上、９０以下であることを特徴とするインクジェット用インク製造用合流弁である。

本発明によれば、アクチュエータが１個であり、さらに弁の閉口時にはシール部から液体が漏れることを抑制し、弁の開口時には一定の適切な混合比で流れ始めるインクジェット用インク製造用合流弁を提供することができる。

以下、好ましい実施の形態を挙げて、本発明を更に詳細に説明する。

本発明の合流弁は、図１（ａ）のように、１個のアクチュエータ（１）で操作される弁体（３）と弁座（５）が、１対で構成されるものである。アクチュエータは、手動式、エア式や電動式など、駆動方式に依らず、アクチュエータの稼動により弁棒（２）をリフトさせることで、弁棒の先に連結した弁体を進退させるものである。一方、弁座は、２本以上の流入路（６）と１本以上の流出路（７）を有する。図１（ｂ）は、本発明の合流弁を弁体の進退方向から見た図である。

本発明では、図１（ｃ）のように、流入路のうち少なくとも１本以上の流入路は、弁体の周囲方向に配置されていることが好ましい。このような構成とすることで、液体の合流をスムーズに行うことができる。弁体の周囲方向とは、図１（ｃ）中の弁体の進退方向と垂直方向のことである。２本以上の流入路は、弁体の周囲方向に、弁体の進退方向と垂直に交わる平面（図中の点線）を仮想して、その同一平面上に、必要な本数だけ放射状に配置することが好ましい。この時、全ての流入路は、配管径が同じ大きさであり、かつ径の中心が、弁体の進退方向と垂直となる仮想の平面上からの距離が±０．２５ｍｍとなるように配置することが好ましい。尚、配管径が同じであるとは、配管を同じ方法で製造した時に出来る配管間の径が同じであることを意味し、僅かな製造誤差等があっても同じであるものとみなす。また、配管径は、合流弁の外でレデューサーにより偏心させてもよい。

シール部と接触する弁座の表面は、０．１ｍｍ以下の面精度で加工することが好ましい。

弁座の材質は、特に制限されるものではないが、ステンレスであることが好ましい。

流入路のうち少なくとも１本以上の流入路は、弁体の進退方向に配置されていることが好ましい。このような構成とすることで、液体の合流をスムーズに行なうことができる。進退方向に配置した流入路は、配管径や加工精度に特に制限はない。

１本以上の流出路に関しては、弁体の後退方向、即ちシール面よりも後方のに配置されてさえいれば、配管径や加工精度には特に制限はない。流出路が２本以上の場合は、弁体の周囲方向に、弁体の進退方向と垂直に交わる平面（図中の点線）を仮想して、その同一平面上に、必要な本数だけ放射状に流出路を配置することが好ましい。

本発明の弁体は、シール部を有する。弁体のシール部は、弁座と、アクチュエータにより前進した弁体とが接触する部分に配置される。これにより、弁体が前進した時に、弁体と弁座との隙間をシール部の弾性（可逆的な変形）を利用して封止し、複数の流入路と流出路を遮蔽することができる。逆に弁体が後退した時には、シール部と弁座との隙間が大きくなり、流体が流れ出す。

本発明の弁体が有するシール部は、フッ素樹脂である。フッ素樹脂としては、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＰＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＥＣＴＦＥ（クロロトリフルオエチレン・エチレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）等、フッ素含有の樹脂が挙げられる。

本発明のシール部のフッ素樹脂は、厚さが１ｍｍ以上、２０ｍｍ以下である。さらに、２ｍｍ以上が好ましく、１８ｍｍ以下が好ましい。本発明では、弁座を確実にシールするために、シール部と弁座が触れた状態から、アクチュエータにより弁体を進退方向に０．５ｍｍ程度押し込むことが好ましい。しかし、厚さが１ｍｍ未満であると、押し込み量を差し引いたフッ素樹脂の可逆的な変形量が少なく、遮蔽性能が満たされない可能性がある。一方、２０ｍｍより厚いと、弁体の開閉を行なった場合に、弁体の軸を中心として周囲にフッ素樹脂を均等に配置することが困難となる。シール部と弁座が触れた状態の時に、流入路の径の中心が、弁体の進退方向と垂直となる仮想の平面上からの距離が±０．２５ｍｍの範囲に位置するようにフッ素樹脂を配置できないと、弁を一括で開閉しにくくなる傾向となる。

本発明のシール部のフッ素樹脂は、ショアＤ硬度が６０以上、９０以下である。ショアＤ硬度が６０未満の場合、フッ素樹脂が弁座との接触により、クリープ（不可逆な変形）を発生しやすくなり、液体を遮蔽することが困難となる。さらにショアＤ硬度は、６５以上が好ましい。６５以上であると、長期使用時のクリープの発生を抑えることができる。また、ショアＤ硬度が９０より大きいと、フッ素樹脂の弾性が大きくなり（可逆的な変形の量が小さくなり）、弁体が前進した時の弁座との隙間を埋めることができなくなる可能性がある。さらにショアＤ硬度は、８５以下であることが好ましい。

本発明においては、シール部がフッ素樹脂のみからなることが好ましい。これは、シール部を、ＥＰＤＭ（エチレン・プロピレンゴム）やＮＢＲ（ニトリルゴム）のような弾性の小さなゴムをバックアップ基材とし、基材の表面をフッ素樹脂で覆う構成にすると、インクがフッ素樹脂と基材ゴムの隙間に浸透する可能性があるためである。このような浸透が発生すると、インクの構成成分によって基材ゴムが劣化したり、基材ゴムの構成成分がインクへ溶出し、インクの性能が劣化する要因となりうる。

本発明の合流弁は、色材の水溶液や溶剤、活性剤など複数の原材料を混合する必要がある、インクジェット用インク製造用合流弁として使用される。

以下、実施例及び比較例を用いてさらに具体的に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、下記実施例により限定されるものではない。

＜実施例１＞
本発明の１実施形態を図２に示す。図２では、流入路として、流入路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの５系路を有し、これらから流入したインクが合流弁を通じ、流出路Ｆから排出される。

流入路Ａは、配管の直径が２５．４ｍｍであり、弁体の進退方向に配置されている。また、流入路Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅは、共に配管の直径が１３．８ｍｍで、それぞれの弁体の周囲方向に配置されている。また、流入路Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅは、配管径の中心が、弁体の進退方向と垂直となる同一平面上から±０．１ｍｍの範囲内となるように配置されている。

弁体は、流入路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ及び流出路Ｆと接触する部分にシール部を有する。シール部としては、厚さ５ｍｍのフッ素樹脂（ＰＦＡ樹脂）を使用した。このＰＦＡ樹脂のショアＤ硬度を、事前にデュロメータＧＳ７２０（ＴＥＣＬＯＣＫ製）で測定したところ、６６であった。

尚、流入路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅにはそれぞれ原料タンク、コリオリ式流量計、調節弁を各１つずつ設置し、調節弁は、調節計からＰＩＤ制御によって、開度を調整し、流量を制御するシステムにした。この時、流入Ａのコリオリ式流量計には、プロマス８３Ａ（エンドレスハウザー製）を、調節弁にはバウマン８４０００（バウマン製）を使用した。流入Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥのコリオリ流量計には、プロマス８３Ａ（エンドレスハウザー製）を、調節弁にはバウマン８３０００（バウマン製）を使用した。調節計としては、ＡＨＣ２０００（山武製）を使用した。

始めに、原料タンクに水を入れ、０．１５ＭＰａで加圧して送液した。０．１５ＭＰａの加圧下において、全ての合流弁を閉じた状態で、流入路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに設置のコリオリ流量計値を読み取ると、全て「０」を表示していた。従って、合流弁を閉じた状態では、流入路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに流れはなく、合流弁により閉塞状態が保持されていることが確認された。

さらに、この状態から、合流弁の開閉を繰返し１０万回行った後、最終的に閉じた状態で、流入路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに設置のコリオリ流量計の値を読み取ると、全て「０」を表示していた。従って、１０万回の繰返し耐久テスト後にも、流入路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに流れはなく、合流弁により閉塞状態が保持されていることが確認された。

次に、合流弁を開けて５つの流入路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅから一斉に送液を行い、流量設定値に対する調節弁の安定開度を調べた。

流入路Ａに関して、流量設定値を６．０ｋｇ／ｍｉｎとして水を流し、安定して流れた時の調節弁開度を記録した。その時の開度は、４１．１％であった。

同様に、流入路Ｂの調節弁の安定時の開度を調べると、流量設定値６．０ｋｇ／ｍｉｎの時、開度は、３６．３％であった。流入路Ｃは、流量設定値５．２ｋｇ／ｍｉｎの時、開度は５４．３％であった。流入路Ｄは、流量設定値１．６ｋｇ／ｍｉｎの時、開度は３３．８％であった。流入路Ｅは、流量設定値１．１ｋｇ／ｍｉｎの時、開度は４０．９％であった。

次に、予め流入路Ａの調節弁開度を４１．１％に、流入路Ｂの調節弁開度を３６．３％に、流入路Ｃの調節弁開度を５４．３％に、流入路Ｄの調節弁開度を３３．８％に、流入路Ｅの調節弁開度を４０．９％にした。そして、合流弁を開口し、５分後に閉口した。

このときに得られた流量値トレンドを図３に示す。また、評価結果を表１に示す。

＜実施例２＞
実施例１と同様の、図２の配管と合流弁を有する系において、各弁体のシール部として、厚さ２ｍｍ、ショアＤ硬度６６のＰＦＡ樹脂を使用した合流弁を用い、開閉の繰返しテストを行った。そして、初回及び１０万回の繰返し耐久テスト後にも、合流弁により閉塞状態が保持されていることが確認された。

また、予め流入路Ａの調節弁開度を４１．１％、流入路Ｂの調節弁開度を３６．３％、流入路Ｃの調節弁開度を５４．３％、流入路Ｄの調節弁開度を３３．８％、流入路Ｅの調節弁開度を４０．９％まで開いた状態にした。そして、合流弁を開口し、５分後閉口した。評価結果を表２に示す。

＜実施例３＞
実施例１と同様の、図２の配管と合流弁を有する系において、各弁体のシール部として、厚さ１８ｍｍ、ショアＤ硬度６６のＰＦＡ樹脂を使用した合流弁を用い、開閉の繰返しテストを行った。そして、初回及び１０万回の繰返し耐久テスト後にも、合流弁により閉塞状態が保持されていることが確認された。

また、予め流入路Ａの調節弁開度を４１．１％、流入路Ｂの調節弁開度を３６．３％、流入路Ｃの調節弁開度を５４．３％、流入路Ｄの調節弁開度を３３．８％、流入路Ｅの調節弁開度を４０．９％まで開いた状態にした。そして、合流弁を開口し、５分後閉口した。評価結果を表３に示す。

＜実施例４＞
実施例１と同様の、図２の配管と合流弁を有する系において、各弁体のシール部として、厚さ５ｍｍ、ショアＤ硬度８５のＰＣＴＦＥ樹脂を使用した合流弁を用い、開閉の繰返しテストを行った。そして、初回及び１０万回の繰返し耐久テスト後にも、合流弁により閉塞状態が保持されていることが確認された。

また、予め流入路Ａの調節弁開度を４１．１％に、流入路Ｂの調節弁開度を３６．３％に、流入路Ｃの調節弁開度を５４．３％に、流入路Ｄの調節弁開度を３３．８％に、流入路Ｅの調節弁開度を４０．９％まで開いた状態にした。そして、合流弁を開口し、５分後閉口した。評価結果を表４に示す。

＜比較例１＞
実施例１と同様の、図２の配管と合流弁を有する系において、ステンレスの弁体でシールする構成のバルブを用意した。即ち、弁体のシール部として、フッ素樹脂は使用していない。

原料タンクに水を入れ、０．１５ＭＰａで加圧して送液を行なった。０．１５ＭＰａの加圧下において、弁体の合流弁を閉じた状態で、流入路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに設置のコリオリ流量計値を読み取ると、流入路Ａ、Ｂ、Ｃの流量計に微小の流量が確認され、閉塞状態が保持されていないことが確認された。

＜比較例２＞
実施例１と同様の、図２の配管と合流弁を有する系において、各弁体のシール部として、厚さ０．５ｍｍ、ショアＤ硬度６６の（ＰＦＡ樹脂）を使用した合流弁を用い、開閉の繰返しテストを行った。

最初に、原料タンクに水を入れ、０．１５ＭＰａで加圧して送液を行った。０．１５ＭＰａの加圧下において、弁体の合流弁を閉じた状態で、流入路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに設置のコリオリ流量計値を読み取ると、全て「０」を表示していた。従って、合流弁を閉じた状態では、流入路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに流れはなく、合流弁により閉塞状態が保持されていることが確認された。

さらに、この状態から、合流弁の開閉を繰返し１０万回行った後、最終的に閉じた状態で、流入路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに設置のコリオリ流量計の値を読み取ると、流入路Ｂの流量計に微小の流量が確認された。従って、１０万回の繰返し耐久テスト後には、合流弁による閉塞状態が保持されていないことが確認された。

＜比較例３＞
実施例１と同様の、図２の配管と合流弁を有する系において、各弁体のシール部として、厚さ３０ｍｍ、ショアＤ硬度６６の（ＰＦＡ樹脂）を使用した合流弁を用い、１０万回の開閉の繰返しテストを行った。

最初に、原料タンクに水を入れ、０．１５ＭＰａで加圧して送液を行った。０．１５ＭＰａの加圧下において、本発明の合流弁を閉じた状態で、流入路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに設置のコリオリ流量計値を読み取ると、全て「０」を表示していた。従って、合流弁を閉じた状態では、流入路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに流れはなく、合流弁により閉塞状態が保持されていることが確認された。

さらに１０万回の繰返し耐久テスト後、合流弁を開けて、５つの流入路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅから一斉に送液を行った。ここで各コリオリ流量計の値を確認したところ、流入路Ａ、Ｂ、Ｃは有意値を示し、送液が確認されたが、流入路Ｄ、Ｅでは０．０１ｋｇ／ｍｉｎ未満の無効値を示した。即ち、流入路Ｄ、Ｅでは、液を一定の量及び混合比で送液することが困難であった。これは、合流弁の繰返しの開閉によりフッ素樹脂に偏りが生じ、弁体の軸を中心に均等にフッ素樹脂が配置されず、開口時にも一部の流路が塞がれたためであると考えられる。

＜比較例４＞
実施例１と同様の、図２の配管と合流弁を有する系において、各弁体のシール部として、厚さ５ｍｍ、ショアＤ硬度５０の（ＰＴＦＥ樹脂）を使用した合流弁を用い、開閉の繰返しテストを行った。

＜比較例５＞
比較例５の実施形態を図４に示す。図４では、流入路として、流入路Ｇ（直径２５．４ｍｍ）、Ｈ（直径１３．８ｍｍ）の２系路を有する。図４では、合流弁ではなく、それぞれ個別のダイヤフラムバルブＢＷＣ２Ｎタイプ（フジキン製）を設置して開閉を行っており、インクは配管上で合流後、流出路Ｉから排出される。

２つの流入路Ｇ、Ｈから送液した時に得られた流量値トレンドを図５に示す。また、評価結果を表５に示す。

＜評価＞
静止状態から流入路Ａの流量が流量設定値まで到達する間に得られる、各流量値トレンドの曲線、時間軸、及び流入路Ａの流量が流量設定値に達した時間における時間軸に垂直な直線で囲まれる領域の面積を算出し、流入路間の面積比を算出した。流量設定値比と面積比の値が近接しているほど、即ち、「（流量設定値比／面積比）×１００」で算出される値が１００％に近いほど、流量を設定値に対して適切に制御できている。

表１〜４及び表５の結果を比較すると、本発明の合流弁を有している系は、従来の系と比較して、弁の開口時に一定の適切な混合比で流れ始めることが分かる。

本発明の合流弁の一例を示す図（ａ）、本発明の合流弁を弁体の進退方向から見た図（ｂ）、本発明の合流弁の一例を示す図（ｃ）である。本発明の合流弁を有する系の一例を示す図である。本発明の流量値トレンドの一例を示す図である。本発明の合流弁を有していない系の一例を示す図である。本発明の流量値トレンドでない一例を示す図である。

符号の説明

１アクチュエータ
２弁棒
３弁体
４シール部（フッ素樹脂）
５弁座
６流入路
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ流入路
７流出路
８原料加圧タンク
９コリオリ流量計
１０調節弁
１１ダイヤフラム弁

Claims

２本以上の流入路及び１本以上の流出路を有する弁座と、１個のアクチュエータで操作される弁体とで構成される合流弁であって、
前記弁体はシール部を有し、
前記シール部は、厚さ１ｍｍ以上、２０ｍｍ以下のフッ素樹脂であり、かつショアＤ硬度が６０以上、９０以下であることを特徴とするインクジェット用インク製造用合流弁。
前記シール部がフッ素樹脂のみからなる請求項１に記載のインクジェット用インク製造用合流弁。
前記流入路のうち少なくとも１本以上の流入路が弁体の周囲方向に配置されている請求項１または２に記載のインクジェット用インク製造用合流弁。
前記流入路のうち少なくとも１本以上の流入路が弁体の進退方向に配置されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のインクジェット用インク製造用合流弁。