JP2011132970A - ベローズバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクト性、低作動力性、素早い応答性、及び信頼性と経済性を備えたベローズバルブを提供する。
【解決手段】ベローズバルブは、弁体３が弁座面から直角方向に移動して弁座口８を開閉するバルブにおいて、弁体３は、弁座９に当接する当接部材、弁体３の中心軸に沿って配置された突き当てシャフト１３、及び、突き当てシャフト１３を包囲するように設けられ一端が当接部材の裏面に接続され他端が突き当てシャフトの後部に接続されたベローズ１２を具備し、弁座口８の中心に位置して突き当てシャフト受け部材１９を設け、当接部材が弁座９に当接する前の半開状態において突き当てシャフト１３と突き当てシャフト受け部材１９とが当接するように設定し、弁体３の当接部材を開閉方向に駆動するようにしたことを特徴としている。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えばポペット弁構造のソレノイドバルブ等において、弁体部の上流側圧力と下流側圧力の差圧に抗して弁体を作動させる際の作動力を低減させたベローズバルブに関するものである。本発明のベローズバルブは、特に、車載用冷却水循環回路の冷却流体循環制御用封止弁に適しているが、その他、半導体事業、プラント事業、上下水道事業及び食品製造事業にも利用できる。

ポペット弁構造（弁体が弁座シート面から直角方向に移動する形式のバルブ）のソレノイドバルブでは、弁の開閉時、作動弁体部に作用する弁体部上流側圧力と下流側圧力との差圧により弁体部を弁座に押し付ける力以上の作動力が必要とされる。この作動弁体部に作用する力はオリフィス径（弁座口径）の二乗に比例して大きくなるため、オリフィス径が大きくなる場合、駆動にソレノイドを使用する場合はソレノイドに高い駆動力が求められる。そのため、ソレノイドは大型となり作動に必要な操作電力も増大する傾向があり、非効率的で大型となるという問題があった。

従来、オリフィス径が大きくなる場合、作動弁体に作用する力を低減する技術としては、パイロット形バルブが普及している。このパイロット形バルブ構造として、パイロット弁と主弁の２段構造で構成されているものが知られている（以下「従来技術１」という。例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。従来技術１において、ソレノイドによりバルブを駆動させる場合、主弁に作用する差圧を解消するため、まず、パイロット弁を開閉し、圧力平衡室内が昇圧し主弁に作用する差圧を開放した後、主弁が開くという動作になる。 このように、弁構造が２段階開閉構造のため、単純なポペット弁と比べて弁を構成する部品が多くなるという問題がある。また、パイロット弁が作動してから、圧力平衡室内が昇圧し主弁に作用する差圧が駆動可能圧力まで低下してから、主弁が動作するので、動作ＯＮ、ＯＦＦ入力に対する開閉応答は、直接主弁をソレノイド等の外部駆動力で駆動させる場合と比べて、遅れが生じるため、精密な流体制御の構成パーツとして使用する場合には、制御時のタイムラグとなる問題があった。

また、他の方法で弁体に作用する力を低減する技術として、図１１に示すように、流入側である一次側Ａには、バランススプリング５２によって弁座口５１側に向けて付勢されたバランスステム５３が、また、流出側である二次側Ｂには、弁座口５１を閉止する弁体５０を有する弁棒５４が設けられ、弁棒５４及びバランスステム５３は連結ロッド５５により一体駆動するようになっており、弁棒５４をシールするベローズ５６の内部とバランスステム５３をシールするベローズ５７の内部は連通管５８によって連通させることにより、弁体５０に作用する力を低減させるものが知られている（以下「従来技術２」という。例えば、特許文献３参照。）。この従来技術２の場合、相当な長さのベローズ５６、５７を軸方向に２つ使用する構造のため、大きなスペースが必要となり、バルブ本体が大型化するという問題があった。また、２つのベローズ５６、５７と弁体復帰用に使用するバランススプリング５２のバネ力が弁体５０に作用するために、弁体５０に作用する差圧力が低減されても、これらのバネ力が増大するため、総体的に弁体５０に作用する力の低減効果に対してロスが生じ、駆動用のソレノイド力の低減化に大幅に寄与するものとはなり得なかった。

特公昭６３−３５８７８号公報 特公平３−３５５４４号公報 実公平１−２５８３０号公報

本発明は、弁体部の上流側圧力と下流側圧力の差圧に抗して弁体を作動させる際の作動力を低減させるようにしたバルブにおいて、上記の従来技術１及び従来技術２の問題点を解決し、本発明の利用分野である車載用冷却水循環回路の冷却流体循環制御用封止弁に求められる条件である、（１）車内の限られたスペースに設置できるコンパクト性、（２）限られた使用電力内での低作動力性、（３）精密な冷却流体循環制御に対する素早い応答性、（４）信頼性と経済性、を備えたベローズバルブを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明のベローズバルブは、第１に、弁体が弁座面から直角方向に移動して弁座口を開閉するバルブにおいて、弁体は、弁座に当接する当接部材、弁体の中心軸に沿って配置された突き当てシャフト、及び、突き当てシャフトを包囲するように設けられ一端が当接部材に接続され他端が突き当てシャフトの後部に接続されたベローズを具備し、弁座口の中心に位置して突き当てシャフト受け部材を設け、当接部材が弁座に当接する前の半開状態において突き当てシャフトと突き当てシャフト受け部材とが当接するように設定し、弁体の当接部材を開閉方向に駆動するようにしたことを特徴としている。

第１の特徴により、ベローズに必要なストロークは、弁体の作動範囲中において、全閉状態と弁体がコイルスプリングの引張り力のみで十分に開き切ることが出来る半開状態（弁体前後の差圧がほぼ解消した状態）との間のストロークであり、このストロークの間は、突き当てシャフトが突き当てシャフト受け部材に当接しているから、ベローズによる弁体に作用するばね力は最小限とすることが出来、駆動に必要な消費電力の低減と駆動部自体のコンパクト化を図ることが出来る。
また、弁体を直接稼働させる方式であるため、パイロット弁作動方式と比較して応答性を良くすることができる。
さらに、ベローズは単品で良いことからベローズ全体の長さを最小限に出来、結果として、弁体自体をコンパクトにすることができる。
さらにまた、弁機構も単弁であるから、構成部品も最小限となり、コンパクトかつ品質安定性、経済性においても優れたバルブを得ることができる。

また、本発明のベローズバルブは、第２に、第１の特徴において、弁体の全閉時においてベロ−ズが最も伸張した状態にあり、弁体が全開に近づくにつれベローズの伸張が小さくなり、弁体の半開時または半開時と全開時の間においてベローズの収縮を停止するように、弁体における当接部材側と突き当てシャフト側、及び、弁座と突き当てシャフト受け部材のＺ軸方向の位置関係が設定されていることを特徴としている。
また、本発明のベローズバルブは、第３に、第２の特徴において、弁体の半開時または半開時と全開時の間におけるベローズ収縮の停止は、弁体の当接部材側の係止面と突き当てシャフト側の係止面とのテーパ係合部が当接することにより行われることを特徴としている。
第２の特徴により、ベローズのストロークを弁体の全ストロークに比べて小さくでき、ベローズ全体の長さを最小限に出来、結果として、弁体自体をコンパクトにすることができる。
第３の特徴により、弁体の当接部材側と突き当てシャフト側との調芯効果を図ることができる。

また、本発明のベローズバルブは、第４に、第１ないし第３のいずれかの特徴において、突き当てシャフトと突き当てシャフト受け部材との当接面の一方を凸状とし、他方を凹状とすることを特徴としている。
第４の特徴により、弁体の繰り返しの開閉において、弁体が開状態から閉状態に移動する際、振動等の外力が弁体に作用することがあっても、弁体は円滑且つ正確に弁座に着座することができる。

また、本発明のベローズバルブは、第５に、第１ないし第４のいずれかの特徴において、ベローズの伸びを所定値に規制する規制部材を弁体の当接部材側に設け、該当接部材側と突き当てシャフト側との間にスプリングを介在させてなることを特徴としている。
また、本発明のベローズバルブは、第６に、第５の特徴において、ベローズの伸びを所定値に規制する規制部材は、保持リングに固定され、ベローズ後端に接続されたフランジ部との間にわずかな間隙を有してフランジ部に当接可能な位置に設けられた規制部を有する連結部材またはステイであることを特徴としている。
また、本発明のベローズバルブは、第７に、第５の特徴において、ベローズの伸びを所定値に規制する規制部材は、ベローズ後端に接続されたフランジにより支持された突き当てシャフトのヘッド部に係合可能に配置され、保持リングに固定されたキャップであることを特徴としている。

第５ないし第７の特徴により、ベローズのばね力を補完して弁体の半開時におけるチャタリング防止できるとともに、ベローズの伸びを一定以上に規制し差圧キャンセルの効果を保持することができる。

また、本発明のベローズバルブは、第８に、第１ないし第７のいずれかの特徴において、ベローズの有効断面積と弁座口の面積とを同じに設定することにより差圧をキャンセルするようにしたことを特徴としている。
第８の特徴により、流体の差圧によって弁体に作用する荷重を相殺することができる。

また、本発明のベローズバルブは、第９に、第１ないし第８のいずれかの特徴において、駆動部をソレノイド及びスプリングで構成し、弁体の閉方向の作動をソレノイドが、また、弁体の開方向の作動をスプリングが分担するように設定したことを特徴としている。
第９の特徴により、弁体の全閉時から半開時までは弁体の開方向の作動をベローズのバネ力及びスプリングが分担し、弁体の半開時から全開時まではスプリングが分担することになるが、弁体の全閉時から半開時までは差圧キャンセル状態であり、かつ、差圧キャンセルに使用しているベローズのバネ力を最小限としているため、スプリングに必要とされる力を極めて小さくできる。また、弁体の半開時から全開時までは、弁体前後の差圧がほぼ解消した状態であるから、スプリングに必要とされる力は極めて小さくできる。

また、本発明のベローズバルブは、第１０に、第１ないし第９のいずれかの特徴において、弁体の動きがスィング式であるスィング形バルブに適用することを特徴としている。
また、本発明のベローズバルブは、第１１に、第１ないし第９のいずれかの特徴において、弁体の動きが直動式である直動形バルブに適用することを特徴としている。
第１０及び第１１の特徴により、コンパクト性、低作動力性、素早い応答性、及び信頼性と経済性を備えたスィング形バルブ及び直動形バルブを得ることができる。

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）弁体を、弁座に当接する当接部材、弁体の中心軸に沿って配置された突き当てシャフト、及び、突き当てシャフトを包囲するように設けられ一端が当接部材に接続され他端が突き当てシャフトの後部に接続されたベローズより形成し、弁座口の中心に位置して突き当てシャフト受け部材を設け、当接部材が弁座に当接する前の半開状態において突き当てシャフトと突き当てシャフト受け部材とが当接するように設定し、弁体の当接部材を開閉方向に駆動するようにしたことにより、弁体に作用する力を最小限とすることが出来、駆動に必要な消費電力の低減と駆動部自体のコンパクト化を図ることが出来る。
また、弁体を直接稼働させるため、パイロット弁作動方式と比較して応答性を良くすることができる。
さらに、ベローズは単品で良いことからベローズ全体の長さを最小限に出来、結果として、弁体自体をコンパクトにすることができる。
さらにまた、弁機構も単弁であるから、構成部品も最小限となり、コンパクトかつ品質安定性、経済性においても優れたバルブを得ることができる。

（２）弁体の全閉時においてベロ−ズが最も伸張した状態にあり、弁体が全開に近づくにつれベローズの伸張が小さくなり、弁体の半開時または半開時と全開時の間においてベローズの収縮を停止するように、弁体における当接部材側と突き当てシャフト側、及び、弁座と突き当てシャフト受け部材のＺ軸方向の位置関係が設定されていることにより、ベローズのストロークを弁体の全ストロークに比べて小さくでき、ベローズ全体の長さを最小限に出来、結果として、弁体自体をコンパクトにすることができる。
（３）弁体の半開時または半開時と全開時の間におけるベローズ収縮の停止は、弁体の当接部材側の係止面と突き当てシャフト側の係止面とのテーパ係合部が当接して行われることにより、弁体の当接部材側と突き当てシャフト側との調芯効果を図ることができる。

（４）突き当てシャフトと突き当てシャフト受け部材との当接面の一方を凸状とし、他方を凹状とすることにより調芯作用を得るようにしたことにより、弁体の繰り返しの開閉において、弁体が開状態から閉状態に移動する際、振動等の外力が弁体に作用することがあっても、弁体は円滑且つ正確に弁座に着座することができる。
（５）ベローズの伸びを所定値に規制する規制部材を弁体の当接部材側に設け、該当接部材側と突き当てシャフト側との間にスプリングを介在させることにより、ベローズのばね力を補完して弁体の半開時におけるチャタリング防止できるとともに、ベローズの伸びを一定以上に規制し差圧キャンセルの効果を保持することができる。

（６）ベローズの有効断面積と弁座口の面積とを同じに設定することにより差圧をキャンセルするようにしたことにより、流体の差圧によって弁体に作用する荷重を相殺することができる。
（７）駆動部をソレノイド及びスプリングで構成し、弁体の閉方向の作動をソレノイドが、また、弁体の開方向の作動をスプリングが分担するように設定したことにより、弁体の全閉時から半開時までは弁体の開方向の作動をベローズのバネ力及びスプリングが分担し、弁体の半開時から全開時まではスプリングが分担することになるが、弁体の全閉時から半開時までは差圧キャンセル状態であり、かつ、差圧キャンセルに使用しているベローズのバネ力を最小限としているため、スプリングに必要とされる力を極めて小さくできる。また、弁体の半開時から全開時までは、弁体前後の差圧がほぼ解消した状態であるから、スプリングに必要とされる力は極めて小さくできる。
（８）弁体の動きがスィング式であるスィング形バルブ、または、弁体の動きが直動式である直動形バルブに適用することにより、コンパクト性、低作動力性、素早い応答性、及び信頼性と経済性を備えたスィング形バルブ及び直動形バルブを得ることができる。

本発明の実施の形態１に係るベローズバルブを示すものであって、（ａ）は全体を分解した状態の斜視図、（ｂ）は弁体を分解した斜視図、（ｃ）はバルブヘッドを弁体側から見た斜視図、（ｄ）はソレノイドを分解した断面図である。 本発明の実施の形態１に係るベローズバルブの組立て状態を示す斜視図であって、（ａ）は図１（ａ）と同じ方向から見たものであり、（ｂ）は９０゜回転させてソレノイドと駆動シャフトの関係が分かるように示したものである。 本発明の実施の形態１に係るベローズバルブの弁の開閉状態時の外観を示したものであって、（ａ）（ｂ）は弁閉じ状態を、また、（ｃ）（ｄ）は弁開き状態を示している。 本発明の実施の形態１に係るベローズバルブの作動状態を示したものであって、（ａ）は弁の全閉状態を、（ｂ）は弁の半開状態を、（ｃ）は弁の全開状態を示している。 本発明の実施の形態１に係るベローズバルブにおけるソレノイドストロークと弁体作用荷重の関係を示したものである。 本発明の実施の形態２に係るベローズバルブを示す正面断面図である。 本発明の実施の形態３に係るベローズバルブを示したものであって、（ａ）は弁体の全開時の正面断面図、（ｂ）は弁体の分解状態を説明する説明図である。 本発明の実施の形態３に係るベローズバルブを示したものであって、（ａ）は弁体の全閉時の正面断面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施の形態４に係るベローズバルブを示したものであって、（ａ）は弁体の全開時の正面断面図、（ｂ）は弁体の分解状態を説明する説明図である。 本発明の実施の形態４に係るベローズバルブの弁体の全閉時の正面断面図である。 従来技術２のバルブを示す正面断面図である。 従来技術２のバルブにおけるソレノイドストロークと弁体作用荷重の関係を示したものである。

本発明に係るベローズバルブを実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。

〔実施の形態１〕
図１は、ベローズバルブを弁体の動きがスィング式であるスィング形バルブに適用した場合を示す図であって、（ａ）は全体を分解した状態の斜視図、（ｂ）は弁体を分解した斜視図、（ｃ）はバルブヘッドを弁体側から見た斜視図、（ｄ）はソレノイドを分解した断面図である。

まず、図１（ａ）に基づいて全体の構成を説明する。
ベローズバルブは、主として、バルブボディ１と、該バルブボディ１の弁室２内に配置される弁体３と、バルブボディ１に密封接続されるバルブヘッド４と、弁体３を開方向に付勢するコイルスプリング５と、弁体３を閉方向に付勢するソレノイド６から構成されている。
図１（ａ）において、バルブボディ１の背後に流体入口７が設けられ、バルブボディ１の前方に弁座口（以下、オリフィスともいう。）８を形成したバルブヘッド４がＯリング１８を介して密封状態に接続され、バルブヘッド４に形成された弁座９（図１（ｃ）参照）に弁体３の当接部材を構成するパッキン１０が当接可能に配置され、弁体３を開方向あるいは閉方向に駆動することにより弁座口８を開閉するようになっている。

弁体３は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、当接部材を構成するパッキン１０、保持リング１１及びキャップ１５、並びに、ベローズ１２、突き当てシャフト１３、駆動アーム１４から構成されており、パッキン１０は、ゴム、樹脂、または金属から形成され、ドーナツ状をしており、キャップ１５により保持リング１１に固定される。また、ベローズ１２は、金属または樹脂から形成され、突き当てシャフト１３を包囲するようにして設けられ前端が保持リング１１の裏面に接続されており、後端が突き当てシャフト１３の後部に設けられたフランジ部１６に接続されている。突き当てシャフト１３は、弁体３の中心軸（「Ｚ軸」ともいう。以下同じ。）に沿って配置されており、キャップ１５の中心孔１７を通り、その先端がキャップ１５の前方（流体の流れの方向を「前方」という。以下、同じ。）の面と略同一に位置するように設けられている。パッキン１０、保持リング１１及びキャップ１５と突き当てシャフト１３及びフランジ部１６とはベローズ１２の伸縮に応じて相対的に移動する。
なお、パッキン１０、保持リング１１及びキャップ１５を弁体の当接部材側といい、また、突き当てシャフト１３及びフランジ部１６を突き当てシャフト側という。

突き当てシャフト１３の前端は後述する突き当てシャフト受け部材との間で調芯作用を奏するように凸状、例えば、球状あるいは円錐状に形成されている。駆動アーム１４は保持リング１１の外周面に固定されるアーム部１４−１と、後述する駆動シャフトと係合する係合孔１４−２を有する。弁体３は、駆動アーム１４の係合孔１４−２を中心としてスィングする。パッキン１０の前方の面（弁座９との当接面）と突き当てシャフト１３の先端（突き当てシャフト受け部材との当接面）との弁体３のＺ軸方向の位置関係は、弁体３の全閉時においてベローズ１２が最も伸張された状態になるように設定される必要がある。本実施の形態においては、弁座９の当接面及び突き当てシャフト受け部材の当接面を弁体３のＺ軸方向の位置関係において略同一に設定しているため、突き当てシャフト１３の先端をパッキン１０の前方の面（弁座９との当接面）より前方に突出するように設けている。

バルブヘッド４は、図１（ａ）及び（ｃ）に示すように、弁座９及び弁座口８を備え、弁室２内に臨むようにバルブボディ１の流体出口側に密接して設けられるものであり、弁座口８の中心に位置して突き当てシャフト受け部材１９が設けられる。突き当てシャフト受け部材１９は、突き当てシャフト１３の前端と当接した際、流体圧力を受けている弁体３を受け止め、支持するものである。また、その際、突き当てシャフト１３との間で調芯作用を奏するように当接部が凹状、例えば、球状あるいは円錐状に形成されている。本実施の形態においては、弁座９と突き当てシャフト受け部材１９の受け面とは、流体の流れ方向において略面一となるように設定されているが、これに限定されることはない。
突き当てシャフト受け部材１９は、図１（ｃ）に示されるように、弁座９を形成する周囲のリング状部材から中心に向かって円周方向に３箇所形成されたリブ１９−１で支持されている。突き当てシャフト１３及び突き当てシャフト受け部材１９は、衝撃緩衝のため、双方またはいずれかを樹脂またはラバー製とするのが好ましい。

バルブボディ１には、弁体３を駆動するための駆動シャフト２０が弁体３の中心軸と直交する方向に回転自在に設置される。バルブボディ１と駆動シャフト２０との間はラバー製のＯリング３９によりシールされる。Ｏリング３９は、樹脂、または金属製でもよい。 また、形状としてはＯリングのみならず、リップシール、Ｖパッキン等の回転シール形状でもよい。さらに、バルブボディ１の両側面には、軸受ブッシュ２９が設けられており、該軸受ブッシュ２９に駆動シャフト２０が回転自在に支持されている。
駆動シャフト２０の一側（図１の右側）には、レバー２１が水平方向に連結ピン２２により固定され、該レバー２１の端部にローラーピン２３によりローラー２４が回転自在に設けられている。
また、駆動シャフト２０の他側（図１の左側）には、レバー２５が垂直方向に連結ピン２６により固定され、該レバー２５の端部にはフックピン２７がナット２８を介して固定されている。さらにバルブボディ１の左側面には駆動シャフト２０と偏心位置にフック３０が固定されており、フックピン２７とフック３０との間にはコイルスプリング５が伸張状態で掛け渡され、駆動シャフト２０に時計回り（弁開方向）の回転力を付勢している。

バルブボディ１の上面には、連結板３１を介してソレノイド６が固定されている。ソレノイド６は、図１（ｄ）に示すように、ボディ３２内に設けられたコイル３３及び軸受け３４、及び、コイル３３内を上下方向に移動自在な稼働鉄芯３５、該稼働鉄芯３５のプランジャー３６に止め輪３７により固定される緩衝材ワッシャ３８から構成されている。緩衝材ワッシャ３８は稼働鉄芯３５の戻り位置を規制する。ソレノイド６が駆動されると、稼働鉄芯３４のプランジャー３６が下向きに移動し、その先端が駆動シャフト２０のローラー２４に当接し、駆動シャフト２０に反時計回り（弁閉方向）の回転力を付勢する。

図２は、ベローズバルブの組立て状態を示す斜視図であって、（ａ）は図１（ａ）と同じ方向から見たものであり、（ｂ）は（ａ）位置を９０゜回転させてソレノイドと駆動シャフトの関係が分かるように示したものである。

図３は、弁の開閉状態時の外観を示したものであって、（ａ）（ｂ）は弁閉じ状態を、また、（ｃ）（ｄ）は弁開き状態を示している。
（ａ）では、ソレノイド６が駆動されてプランジャー３６が下向きに移動しレバー２１が時計方向に回動されている。（ｂ）では、レバー２５が反時計方向に回動されコイルスプリング５が伸張された状態にある。
（ｃ）では、ソレノイド６が消磁されてプランジャー３６が上向きに移動しレバー２１が反時計方向に回動されている。（ｄ）では、レバー２５が時計方向に回動されコイルスプリング５が縮んだ状態にある。

図４は、ベローズバルブの作動状態を示したものであって、（ａ）は弁の全閉状態を、（ｂ）は弁の半開状態を、（ｃ）は弁の全開状態を示している。
図４において、弁体３の駆動は、駆動シャフト２０をソレノイド６で駆動し、駆動アーム１４が駆動シャフト２０を中心にして回動することにより行われる。
（ａ）の全閉状態では、ソレノイド６により駆動シャフト２０及び駆動アーム１４が反時計方向に作動され、弁体３のパッキン１０が弁座９に押し付けられている。同時に、ベローズ１２を介して突き当てシャフト１３も作動され、パッキン１０が弁座９に当接する前にその前端が突き当てシャフト受け部材１９に当接する。このため、（ａ）の全閉状態では、ベローズ１２は最も伸張された状態にある。当接の際、突き当てシャフト１３の前端の凸部が突き当てシャフト受け部材１９の凹部に嵌合する状態となるため、突き当てシャフト１３は調芯されながら位置を規制される。突き当てシャフト１３は図示のように、前方側の棒状部１３−１、棒状部１３−１とフランジ部１６とを接続する拡径部１３−２及び棒状部１３−１と拡径部１３−２とを接続するテーパ部１３−３とを備えており、該テーパ部１３−３が保持リング１１の内面に嵌合したキャップ１５の後端部１５−１と係合できるように形成されている。

図４（ａ）の全閉状態において、弁体３は流体の上流側圧力Ｐ１及び下流側圧力Ｐ２の差圧による力を受けるが、突き当てシャフト１３の前端が突き当てシャフト受け部材１９に当接するため、ベローズ１２の有効面積Ａｂの受ける差圧力（Ｐ１−Ｐ２）×Ａｂは突き当てシャフト受け部材１９が受け持ち、弁座９には作用しない。したがって、この時に弁体３に作用する荷重をＦとすると、
Ｆ＝（Ａｏ−Ａｂ）×（Ｐ１−Ｐ２）＋Ｆｂ（ベローズばね力）＋Ｆｃ（コイルスプリング力）＋Ｆｐ（パッキン潰し力）
となる。
なお、ベローズ１２内部の圧力は下流側圧力Ｐ２となっている。
オリフィス有効面積Ａｏとベローズ有効面積Ａｂが同一の場合、上式の（Ａｏ−Ａｂ）×（Ｐ１−Ｐ２）がゼロになり、流体の差圧によって弁体３に作用する荷重を相殺することができる。

図４（ｂ）は、（ａ）の全閉状態から、ソレノイド６及びコイルスプリング５の駆動により駆動アーム１４が時計方向に回動され弁体３の当接部であるパッキン１０も時計方向に回動され、パッキン１０と弁座９との間が半開きになった半開状態を示している。
（ｂ）の半開状態では、パッキン１０は弁座９から離接しているが突き当てシャフト１３の前端が突き当てシャフト受け部材１９に当接している。すなわち、パッキン１０は時計方向に回動されるが、その回動はベローズ１２がわずかに縮むことで吸収され、突き当てシャフト１３は流体の圧力により突き当てシャフト受け部材１９に当接する方向の力を受け当接状態を維持している。
パッキン１０の時計方向への回動に伴い保持リング１１も時計方向に回動され、弁体の半開状態においてキャップ１５の後端部１５−１が突き当てシャフト１３のテーパ部１３−３と当接するように設定されている。すなわち、弁体の全閉状態から半開状態にいたるまでのベローズ１２の収縮寸法をｓとすると、弁体の全閉状態においては、キャップ１５の後端部１５−１と突き当てシャフト１３のテーパ部１３−３の当接部とのＺ軸方向の間隙がｓになるように設定されている。なお、キャップ１５の後端部１５−１と突き当てシャフト１３のテーパ部１３−３との当接は、弁体の半開状態よりわずかに全開状態に近づいて行われてもよい。

全閉状態から半開状態に至る間、ベローズ１２の有効面積Ａｂの受ける差圧力（Ｐ１−Ｐ２）×Ａｂは突き当てシャフト受け部材１９が受け持っているから、ソレノイド６の駆動力は、オリフィス有効面積Ａｏとベローズ有効面積Ａｂが同一の場合、Ｆｂ（ベローズばね力）＋Ｆｃ（コイルスプリング力）＋Ｆｐ（パッキン潰し力）のみとなる。

図４（ｃ）は、（ｂ）の半開状態から、ソレノイド６及びコイルスプリング５の駆動により駆動アーム１４が時計方向に回動され弁体３の当接部であるパッキン１０も時計方向に回動され、パッキン１０と弁座９との間が全開になった全開状態を示している。
（ｂ）の半開状態からさらにパッキン１０が時計方向に回動されると、ベローズ１２は自己収縮力で縮もうとするが、保持リング１１の内面１１−１に突き当てシャフト１３のテーパ面１３−３が当接するため、所定以上に縮むことができない。この状態で、突き当てシャフト１３もパッキン１０と一緒に時計方向に回動し、突き当てシャフト１３が突き当てシャフト受け部材１９から離れた全開状態となる。保持リング１１の内面に突き当てシャフト１３のテーパ面１３−３が当接する際、当接部材側と突き当てシャフト側は調芯される。
全開状態では、トレノイド６には通電されておらず、コイルスプリング５の引張り力によって弁体３は全開状態となっており、全開側の突き当たり位置はソレノイド６の稼働鉄芯３５の先端に取り付けた緩衝材ワッシャ３８により稼働鉄芯３５の戻り位置が規制される。

本実施の形態１において、使用されるベローズ１２は単品のみであり、ベローズ１２に必要なストロークは、弁体３の作動範囲中において、全閉状態〔図４の（ａ）〕と弁体３がコイルスプリング５の引張り力のみで十分に開き切ることが出来る半開状態〔弁体前後の差圧がほぼ解消した状態である図４の（ｂ）〕との間のストロークであり、このストロークの間は、突き当てシャフト１３が突き当てシャフト受け部材１９に当接しているから、ベローズ１２による弁体３に作用するばね力は最小限に抑えられる。本実施の形態では、ベローズ１２のストロークは弁体３の全ストロークの１／４程度に設定している。さらに、コイルスプリング５の力は弁体３の閉状態から半開状態までは極めて小さいから、実質的には、半開状態から全開状態に復帰するまでに必要な最小限の荷重であれば良い。

以上のことから、本実施の形態によると、弁体３に作用する力を最小限とすることが出来、駆動に必要な消費電力の低減と駆動部自体のコンパクト化を図ることが出来る。
また、弁体を直接稼働させる方式であるため、パイロット弁作動方式と比較して応答性を良くすることができる。
さらに、ベローズは単品で必要最小限のストロークで良いことからベローズ全体の長さを最小限に出来、結果として、弁体自体がコンパクトになる。さらにまた、弁機構も単弁であるから、構成部品も最小限となり、コンパクトかつ品質安定性、経済性においても優れたバルブを得ることができる。

図５は、本実施の形態に係るベローズバルブにおけるソレノイドストロークと弁体作用荷重の関係を示したものであり、また、図８は、従来技術２のバルブにおけるソレノイドストロークと弁体作用荷重の関係を示したものである。
図８に示すように、従来技術２のバルブにおいては、コイルスプリング５２の力とベローズ５７のばね力が弁体の作動範囲全般にわたって負荷されているため、流体による差圧荷重は相殺されているものの、全体的に弁体に負荷される荷重が、図５に示す本実施の形態に係るベローズバルブと比べると大きくなっている。

図５に示す本実施の形態に係るベローズバルブの作動特性において、ベローズ１２のばね力は弁体３の半開から全閉までの間だけに作用するため、ストロークの全開から半開までの間のコイルスプリング５のばね力が低くなっている。また、ベローズのストロークも小さいので、ベローズのばね力も低く抑えられるため、従来技術２の場合と比べると全閉時の荷重が低くなっている。
また、荷重線図の傾向としては、全開から半開までの荷重が低く、半開から全閉までの荷重の増加率が増大するという荷重特性となっている。これは、ストロークの後半で急激に荷重が増加する一般的なソレノイドの荷重特性傾向と同じであり、本実施の形態１の荷重特性に適合するソレノイドを選定する際においても、単純で最小限の消費電力特性のソレノイド選定にとって好ましい特性となっている。

〔実施の形態２〕
図６は、本発明の実施の形態２に係るベローズバルブを示したものである。実施の形態２に係るベローズバルブは、機能的には実施の形態１のものと同じであり、構造的に弁体３が直動する直動形バルブである点で相違している。図６において、図１ないし図４に付された符号と同じ符号は、実施の形態１と同じ部材を示しており、詳細な説明は省略する。

ベローズバルブは、主として、バルブボディ４０と、該バルブボディ４０の弁室２内に配置される弁体３と、バルブボディ４０に密封接続されるバルブヘッド４１と、弁体３を開方向に付勢するコイルスプリング４２と、弁体３を閉方向に付勢するソレノイド６と、コイルスプリング４２及びソレノイド６の付勢力を弁体３に伝達するシャフト４３及び連結部材４４から構成されている。
図６において、バルブボディ４０の左側に流体入口４５が設けられ、バルブボディ４０の下方に弁座口（オリフィスともいう。）８及び流体出口４６を形成したバルブヘッド４１がＯリング１８を介して密封状態に接続され、バルブヘッド４１に形成された弁座９に弁体３の当接部材を構成するパッキン１０が当接可能に配置され、弁体３を上下方向に駆動することにより弁座口８を開閉するようになっている。弁座口８の中心と弁体３の中心は一致するように配置される。

シャフト４３は、弁座口８及び弁体３の中心線上に配置され、上端にフランジ部４３−１を、また下端には連結部材４４と嵌合する凹部４３−２を有し、フランジ部４３−１の上面が稼働鉄芯３５のプランジャー３６と当接し、フランジ部４３−１の下面がコイルスプリング４２の一端と当接するように形成されている。また、シャフト４３は、バルブボディ４０に設けられた軸受け４７により上下方向に移動自在に支持され、Ｏリング４８によりバルブボディ４０に対してシールされている。

連結部材４４は、ベローズ１２の外周と間隙を有するように配置され、円周方向に４等配あるいは８等配に設けられ、棒状、板状部材からなる連結部４４−１と、下端において弁体３の当接部材を構成するパッキン１０の保持リング１１の外周に固着される固着部４４−２と、上端においてシャフト４３の凹部４３−２に嵌合する凸部４４−３とを備え、連結部４４−１は、固着部４４−２と接続する垂直部及びフランジ部１６とわずかな間隙を有して凸部４４−３に接続する水平部を有している。連結部４４−１は、棒状、板状部材に限らず、有孔の円筒部材でもよい。

弁体３の開閉は、シャフト４３をソレノイド６及びコイルスプリング４２で上下に駆動し、シャフト４３が連結部材４４を介して弁体３を上下動させることにより行われる。
弁体３の開閉は、実施の形態１と同じく、全閉状態、半開状態、及び、全開状態となるものであって、その際、弁体に作用する荷重等は実施の形態１と同じであるので説明は省略する。
なお、本実施の形態において、パッキン１０、保持リング１１及びキャップ１５を弁体の当接部材側といい、また、突き当てシャフト１３及びフランジ部１６を突き当てシャフト側という。

通常、流体の圧力は、上流側圧力Ｐ１＞下流側圧力Ｐ２となっているが、まれに圧力関係がＰ１＜Ｐ２となる場合がある。弁体の全閉時において圧力関係がＰ１＜Ｐ２となると、ベローズ１２が伸びきってしまい、突き当てシャフト１３が突き当てシャフト受け部材１９から離接して差圧キャンセル効果が奏されない事態が発生する。本実施の形態では、連結部材４４がベローズ１２の後端に接続されたフランジ部１６とわずかな間隙で設けられているため、弁体の全閉時において圧力関係がＰ１＜Ｐ２となってベローズ１２が伸ばされても、フランジ部１６が連結部材４４に当接し、ベローズ１２の伸びが一定以上になることはない。したがって、差圧キャンセルの効果を保持することができる。

〔実施の形態３〕
図７及び図８は、本発明の実施の形態３に係るベローズバルブを示したものであって、実施の形態１のスイング形ベローズバルブにおいて、弁体の半開時におけるチャタリング防止機能及び弁体の全閉時における差圧キャンセル効果の保持機能を付加した例を示す図である。
図７の（ａ）は弁体の全開時の正面断面図、（ｂ）は弁体の分解状態を説明する説明図、図８の（ａ）は弁体の全閉時の正面断面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。図７及び８において、図１ないし図４に付された符号と同じ符号は、実施の形態１と同じ部材を示しており、詳細な説明は省略する。

図７において、突き当てシャフト１３の拡径部１３−２及びフランジ部１６には、フランジ部１６側が開口し、前方が閉塞した収納穴５０が設けられ、該収納穴５０内に前方からスペーサ５１及びコイルスプリング５２が配置されるようになっている。
また、図８（ｂ）によく示されているように、保持リング１１に固定され、ベローズ１２及びフランジ部１６の外側面と間隙を有して後方に伸びるステイ５３が設けられている。ステイ５３は、図７（ｂ）に示すように、側面視において略コ字状をしており、後端にコイルスプリング５２を後方から押圧支持する支持部５３−１と、支持部５３−１と保持リング１１を接続する接続部５３−２とから構成されている。支持部５３−１とフランジ部１６との間隙はわずかなものであり、ベローズ１２が伸びた場合、フランジ部１６が支持部５３−１に当接して一定以上ベローズ１２が伸びないように設定されており、ステイ５３がベローズ１２の伸びを所定値に規制する役割を果たしている。組立られた状態においては、図８（ｂ）にも示すように、スペーサ５１及びコイルスプリング５２が収納穴５０内に配置され、コイルスプリング５２の後端をステイ５３の支持部５３−１が押圧している。

弁体３の半開時においては、弁体３は一定の開度で停止されるというものではなく、開弁方向あるいは閉弁方向に動く。これは、弁体３の開弁直後には弁体３周囲の流体の速度が急速に増加するため静圧が低下（動圧が発生）して弁体３が弁座９方向に吸引されて閉弁方向に動く力が発生する。弁体３には、コイルスプリング５により開弁方向の力が作用しているため、開弁方向の力が流体による閉弁方向の力を上回ると、再び弁体３が開弁方向に動き、また再び、弁体３周囲の流体の速度が急速に増加して静圧が低下（動圧が発生）するという現象が繰り返し発生し、弁体３が振動する。この時、ベローズ１２のバネ力だけでは弁体３の振動を抑えることができない（チャタリング）。このため、本実施の形態では、コイルスプリング５２を設けて弁体３のチャタリングを防止するようにしている。

通常、流体の圧力は、上流側圧力Ｐ１＞下流側圧力Ｐ２となっているが、まれに圧力関係がＰ１＜Ｐ２となる場合がある。弁体の全閉時において圧力関係がＰ１＜Ｐ２となると、ベローズ１２が伸びきってしまい、突き当てシャフト１３が突き当てシャフト受け部材１９から離接して差圧キャンセル効果が奏されない事態が発生する。本実施の形態では、ステイ５３がベローズ１２の後端に接続されたフランジ部１６とわずかな間隙で設けられているため、弁体の全閉時において圧力関係がＰ１＜Ｐ２となってベローズ１２が伸ばされても、フランジ部１６がステイ５３に当接し、ベローズ１２の伸びが一定以上になることはない。したがって、差圧キャンセルの効果を保持することができる。
なお、本実施の形態において、パッキン１０、保持リング１１及びキャップ１５を弁体の当接部材側といい、また、突き当てシャフト１３及びフランジ部１６を突き当てシャフト側という。

〔実施の形態４〕
図９及び図１０は、本発明の実施の形態４に係るベローズバルブを示したものであって、実施の形態１のスイング形ベローズバルブにおいて、弁体の半開時におけるチャタリング防止機能及び弁体の全閉時における差圧キャンセル効果の保持機能を付加した他の例を示す図である。
図９の（ａ）は弁体の全開時の正面断面図、（ｂ）は弁体の分解状態を説明する説明図、図１０は弁体の全閉時の正面断面図である。図９及び１０において、図１ないし図４に付された符号と同じ符号は、実施の形態１と同じ部材を示しており、詳細な説明は省略する。

本実施の形態においては、図９に示すように、ベローズ１２の後端に接続されるフランジ部と突き当てシャフトとが分離された別部材として形成されている点で実施の形態１ないし３と相違している。
このため、ベローズ１２の後端に接続されるフランジ５５は、リング状部５５−１と、このリング状部５５−１からベローズ１２の内側面と間隙を有して前方に膨出した突き当てシャフト支持部５５−２とを備えている。突き当てシャフト支持部５５−２の中心には、孔５５−３が形成され、前端は雌テーパ形状に形成されている。
突き当てシャフト５６は、突き当てシャフト受け部材１９に当接する凸状部を有するヘッド部５６−１と、ヘッド部５６−１から後方に伸びる棒状部５６−２とを備え、全体としてボルトのような形状をしている。棒状部５６−２の後部には、雄螺子部５６−３が形成され、フランジ５５の孔５５−３内を貫通した状態において、雄螺子部５６−３に座金５９を介してナット６０が螺合し、フランジ５５の突き当てシャフト支持部５５−２により突き当てシャフト５６が支持されるようになっている。

保持リング１１にパッキン１０を固定するキャップ５７は、図９（ｂ）に示すように、全体として中空円筒形状をなし、前方のフランジ付き大径部５７−１と後方の小径部５７−２とを有し、大径部５７−１のフランジでパッキン１０を係止するとともに、大径部５７−１と後方の小径部５７−２との段部５７−３と小径部５７−２に形成された凸部５７−４との間で保持リング１１の内径部に嵌合して保持リング１１に係止される。小径部５７−２の後端には座金６１を介してコニカルスプリング５８の一端が係止する係止部５７−５が形成され、突き当てシャフト５６の外周にコニカルスプリング５８が嵌挿された状態でキャップ５７内に配置された際、コニカルスプリング５８は突き当てシャフト５６のヘッド部５６−１と係止部５７−５との間に保持される。係止部５７−５の外周面は突き当てシャフト支持部５５−２前端の雌テーパ形状に嵌合できる雄テーパ形状となっている。

組立られた状態において、キャップ５７の後端とフランジ５５の突き当てシャフト支持部５５−２の前端との間にはベローズ１２の伸縮に応じて突き当てシャフト５６の前後動を許容する間隙が設けられるが、図９（ａ）に示す弁体３の全開時または半開時には、ベローズ１２が縮み、キャップ５７の後端とフランジ５５の突き当てシャフト支持部５５−２の前端とは当接する。その際、キャップ５７の後端は雄テーパ形状に、また、シャフト支持部５５−２の前端は雌テーパ形状に形成されているため、両者の調芯が図られる。

図９（ａ）に示す弁体の全開時には、ベローズ１２がやや縮んだ状態にあり、キャップ５７の後端とフランジ５５の突き当てシャフト支持部５５−２の前端とが当接して突き当てシャフト５６が前方へ押し出され、コニカルスプリング５８はやや収縮された状態となる。この状態では、キャップ５７の後端とフランジ５５の突き当てシャフト支持部５５−２の前端とが当接するため、ベローズ１２の収縮はこの位置で規制され停止される。
反対に、図１０に示す弁体の全閉時には、突き当てシャフト５６が突き当てシャフト受け部材１９に当接してベローズ１２は伸張された状態にあり、突き当てシャフト５６が後方へ引き込まれるため、キャップ５７の後端とフランジ５５の突き当てシャフト支持部５５−２の前端とが離接し、コニカルスプリング５８はやや収縮された状態となる。

弁体３の半開時において弁体３を振動させるような外力が発生したとしても、本実施の形態では、コニカルスプリング５８を設けているため、弁体３のチャタリングを防止することができる。
また、弁体の全閉時において圧力関係がＰ１＜Ｐ２となり、ベローズ１２を伸ばそうとする外力が発生し、突き当てシャフト５６が突き当てシャフト受け部材１９から離接して差圧キャンセル効果が奏されないような常態におかれるとしても、本実施の形態では、突き当てシャフト５６のヘッド部５６−１がキャップ５７の段部５７−３に当接し、ベローズ１２はそれ以上伸びることはできないから突き当てシャフト５６は突き当てシャフト受け部材１９に当接した状態が維持される。したがって、差圧キャンセルの効果を保持することができる。
なお、本実施の形態において、パッキン１０、保持リング１１及びキャップ５７を弁体の当接部材側といい、また、突き当てシャフト５６及びフランジ５５を突き当てシャフト側という。

１ バルブボディ
２ 弁室
３ 弁体
４ バルブヘッド
５ コイルスプリング
６ ソレノイド
７ 流体入口
８ 弁座口
９ 弁座
１０ パッキン
１１ 保持リング
１２ ベローズ
１３ 突き当てシャフト
１４ 駆動アーム
１５ キャップ
１６ フランジ部
１７ 中心孔
１８ Ｏリング
１９ 突き当てシャフト受け部材
２０ 駆動シャフト
２１ レバー
２２ 連結ピン
２３ ローラーピン
２４ ローラー
２５ レバー
２６ 連結ピン
２７ フックピン
２８ ナット
２９ 軸受ブッシュ
３０ フック
３１ 連結板
３２ ボディ
３３ コイル
３４ 軸受け
３５ 稼働鉄芯
３６ プランジャー
３７ 止め輪
３８ 緩衝材ワッシャ
３９ Ｏリング
４０ バルブボディ
４１ バルブヘッド
４２ コイルスプリング
４３ シャフト
４４ 連結部材
４５ 流体入口
４６ 流体出口
４７ 軸受け
４８ Ｏリング
５０ 収納穴
５１ スペーサ
５２ コイルスプリング
５３ ステイ
５５ フランジ
５６ 突き当てシャフト
５７ キャップ
５８ コニカルスプリング
５９ 座金
６０ ナット
６１ 座金

Claims (11)

1. 弁体が弁座面から直角方向に移動して弁座口を開閉するバルブにおいて、弁体は、弁座に当接する当接部材、弁体の中心軸に沿って配置された突き当てシャフト、及び、突き当てシャフトを包囲するように設けられ一端が当接部材に接続され他端が突き当てシャフトの後部に接続されたベローズを具備し、弁座口の中心に位置して突き当てシャフト受け部材を設け、当接部材が弁座に当接する前の半開状態において突き当てシャフトと突き当てシャフト受け部材とが当接するように設定し、弁体の当接部材を開閉方向に駆動するようにしたことを特徴とするベローズバルブ。
2. 弁体の全閉時においてベロ−ズが最も伸張した状態にあり、弁体が全開に近づくにつれベローズの伸張が小さくなり、弁体の半開時または半開時と全開時の間においてベローズの収縮を停止するように、弁体における当接部材側と突き当てシャフト側、及び、弁座と突き当てシャフト受け部材のＺ軸方向の位置関係が設定されていることを特徴とする請求項１記載のベローズバルブ。
3. 弁体の半開時または半開時と全開時の間におけるベローズ収縮の停止は、弁体の当接部材側の係止面と突き当てシャフト側の係止面とのテーパ係合部が当接することにより行われることを特徴とする請求項２記載のベローズバルブ。
4. 突き当てシャフトと突き当てシャフト受け部材との当接面の一方を凸状とし、他方を凹状とすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のベローズバルブ。
5. ベローズの伸びを所定値に規制する規制部材を弁体の当接部材側に設け、該当接部材側と突き当てシャフト側との間にスプリングを介在させてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のベローズバルブ。
6. ベローズの伸びを所定値に規制する規制部材は、保持リングに固定され、ベローズ後端に接続されたフランジ部との間にわずかな間隙を有してフランジ部に当接可能な位置に設けられた規制部を有する連結部材またはステイであることを特徴とする請求項５記載のベローズバルブ。
7. ベローズの伸びを所定値に規制する規制部材は、ベローズ後端に接続されたフランジにより支持された突き当てシャフトのヘッド部に係合可能に配置され、保持リングに固定されたキャップであることを特徴とする請求項５記載のベローズバルブ。
8. ベローズの有効断面積と弁座口の面積とを同じに設定することにより差圧をキャンセルするようにしたことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のベローズバルブ。
9. 駆動部をソレノイド及びスプリングで構成し、弁体の閉方向の作動をソレノイドが、また、弁体の開方向の作動をスプリングが分担するように設定したことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載のベローズバルブ。
10. 弁体の動きがスィング式であるスィング形バルブであることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載のベローズバルブ。
11. 弁体の動きが直動式である直動形バルブであることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載のベローズバルブ。
    
    
    
    
    
    
    
    

Images