JP2013249872A - ダイヤフラム弁 - Google Patents

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Abstract

【課題】 円盤状ダイヤフラムの問題点、すなわち、変形量が大きく発塵しやすいという問題、開閉に伴う流体通路の容積変化が大きいという問題、および通路閉鎖時のダイヤフラムの受圧面積が大きいという問題を解消することができるダイヤフラム弁を提供する。
【解決手段】 ダイヤフラム5は、合成樹脂製とされて、弁棒4に嵌め止められた円筒状部21、円筒状部21の下端開口を閉鎖している底壁部22、円筒状部21の上端部に設けられたフランジ部23、および底壁部22中央部に設けられて流体流入通路2a上端開口に臨まされた凸部24からなる。円筒状部21の軸方向中間部分33が、縦断面形状が径方向外方に凸の略円弧状とされている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ダイヤフラム弁に関し、特に、ＰＴＦＥなどの合成樹脂製のダイヤフラムを使用したダイヤフラム弁に関する。
ダイヤフラム弁として、流体通路が設けられたボディと、ボディに形成された流体通路の周縁に着脱可能に配置されたシートと、シートに押圧・離間されることで流体通路の開閉を行う円盤状ダイヤフラムと、ダイヤフラムの中央部を押圧するダイヤフラム押さえを上下移動させる上下移動手段とを備えているものが知られている（特許文献１など）。
このようなダイヤフラムは、その外周縁部がボディに固定されることで、ボディに設けられた上向き凹所の開口をシールするとともに、その中央部分が外周縁部に対して弾性変形可能（上下移動可能）とされ、弁棒の上下移動に伴って弾性変形して流体通路開閉に寄与する。
ダイヤフラムは、例えば、ニッケル合金薄板からなるものとされ、円形に切り抜き、中央部を上方へ膨出させた逆皿形に形成される。ダイヤフラムは、ステンレス鋼薄板からなるものや、ステンレス鋼薄板とニッケル・コバルト合金薄板との積層体よりなるものとされることがある。また、ＰＴＦＥ製のダイヤフラムも知られている。
特開２００３−４２３１４号公報
上記従来のダイヤフラム弁では、ダイヤフラムの円盤状部分全体が変形することから、変形量が大きく発塵しやすいという問題があり、また、開閉に伴う流体通路の容積変化が大きいという問題や、通路閉鎖時のダイヤフラムの受圧面積が大きいという問題もあった。
この発明の目的は、円盤状ダイヤフラムの問題点、すなわち、変形量が大きく発塵しやすいという問題、開閉に伴う流体通路の容積変化が大きいという問題、および通路閉鎖時のダイヤフラムの受圧面積が大きいという問題を解消することができるダイヤフラム弁を提供することにある。
この発明によるダイヤフラム弁は、流体通路が設けられたボディと、ボディの上方に設けられたケーシングと、流体通路を開閉するダイヤフラムと、上昇または下降することによりダイヤフラムを閉または開の方向に移動させる弁棒とを備えているダイヤフラム弁において、ダイヤフラムは、合成樹脂製とされて、弁棒に嵌め止められた円筒状部、円筒状部の下端開口を閉鎖している底壁部、円筒状部の上端部に設けられたフランジ部、および底壁部中央部に設けられて流体通路上端開口に臨まされた凸部からなり、円筒状部の軸方向中間部分の縦断面形状が径方向外方に凸の略円弧状とされていることを特徴とするものである。
ダイヤフラムは、従来のような円盤状ではなく、フランジ部付きの円筒状部と凸部が設けられた底壁部とからなる有底略円筒状とされる。そして、円筒状部の軸方向中間部分の縦断面形状が径方向外方に凸の略円弧状とされていることにより、円筒状部の軸方向中間部分は軸方向に容易に弾性変形（圧縮変形）することができる。
これにより、ダイヤフラムの凸部が流体通路の上端開口を閉鎖する閉鎖状態と、円筒状部が圧縮変形させられてダイヤフラムの凸部が流体通路の上端開口から離脱した開放状態とが得られる。ここで、円筒状部の変形は、円筒状を維持した状態での変形であり、流体通路の開口を閉鎖している凸部は変形しないので、中央部が変形する円盤状ダイヤフラムに比べて、変形を小さくできる。これにより、変形量が大きく発塵しやすい、開閉に伴う流体通路の容積変化が大きい、および通路閉鎖時のダイヤフラムの受圧面積が大きいという円盤状ダイヤフラムが有している問題点を解消することができる。
ダイヤフラムは、金型を使用した合成樹脂製成型品や機械加工による加工品として得ることができる。合成樹脂としては、特に限定されないが、耐薬品性および耐腐食性の高い四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂が適している。このような合成樹脂製とすることで、金属製のダイヤフラムに比べて、耐食性も向上することができる。ＰＴＦＥ以外のフッ素樹脂としては、四フッ化エチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）、エチレン−四フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、フッ化ビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ）などを挙げることができる。
ダイヤフラムの円筒状部の下部内周にめねじ部が設けられて、該めねじ部が弁棒の外周に設けられたおねじ部にねじ合わされることにより、ダイヤフラムが弁棒に取り付けられており、円筒状部の軸方向中間部分が、円筒状部の下部に比べて薄肉とされていることが好ましい。
このようにすると、弁棒の移動に伴うダイヤフラムの移動が確実に行われるとともに、ダイヤフラムの円筒状部の軸方向中間部分における弾性変形量を大きくすることができる。
ケーシングに、弁棒を案内しかつ上方に移動したダイヤフラムのフランジ部を受ける円筒状案内部が設けられており、円筒状案内部の下端面とダイヤフラムのフランジ部の上面との間に、弾性部材が介在させられていることが好ましい。
このようにすると、弁棒を案内する円筒状案内部がダイヤフラムのフランジ部を受ける機能も有していることで構造が簡単化され、また、円筒状案内部の下端面とダイヤフラムのフランジ部の上面との間に弾性部材が介在させられていることで、合成樹脂製のダイヤフラムが損傷することが防止される。
ダイヤフラム弁は、上下移動手段が開閉ハンドルなどの手動弁であってもよく、上下移動手段が適宜なアクチュエータとされた自動弁であってもよく、自動弁の場合のアクチュエータは、流体（空気）圧によるものでもよく、電磁力によるものでもよい。
なお、この明細書において、弁棒の移動方向（ダイヤフラムの軸方向）を上下方向というものとするが、この方向は、便宜的なものであり、実際の取付けでは、上下方向が鉛直方向とされるだけでなく、水平方向とされることもある。
この発明のダイヤフラム弁によると、変形量が大きく発塵しやすい、開閉に伴う流体通路の容積変化が大きい、および通路閉鎖時のダイヤフラムの受圧面積が大きいという円盤状ダイヤフラムが有している問題点を解消することができる。
図１は、この発明によるダイヤフラム弁の１実施形態を示す縦断面図である。 図２は、ダイヤフラムの外周面を拡大して示す図で、流体通路が閉の状態を示している。 図３は、ダイヤフラムの外周面を拡大して示す図で、流体通路が開の状態を示している。
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。以下の説明において、上下および左右は、図１の上下および左右をいうものとする。
図１は、この発明によるダイヤフラム弁の１実施形態を示しており、ダイヤフラム弁(1)は、ボディ(2)と、ボディ(2)の上方に取り付けられたケーシング(3)と、ケーシング(3)内に上下移動可能に配置された弁棒(4)と、弁棒(4)下部に嵌め止められたダイヤフラム(5)と、弁棒(4)の上端部に弁棒(4)に一体に設けられたピストン(6)と、ケーシング(3)の上部に設けられてピストン(6)を上下移動可能に収容するシリンダ室(7)と、ケーシング(3)の上端開口を閉鎖するキャップ(8)と、キャップ(8)の中央部を貫通するアジャスタ(9)とを備えている。
ボディ(2)には、上向きに開口した凹所(11)が設けられている。凹所(11)の底面に、下端に開口した流体流入通路(2a)の上端開口が通じており、凹所(11)の右側面に、右端に開口した流体流出通路(2b)の左端が通じている。ボディ(2)の凹所(11)は、上側の大径部(11a)と、大径部(11a)に段差面(11c)を介して連なる下側の小径部(11b)とからなる。
ダイヤフラム(5)は、合成樹脂製とされており、図２および図３にも示すように、弁棒(4)に嵌め止められた円筒状部(21)、円筒状部(21)の下端開口を閉鎖している底壁部(22)、円筒状部(21)の他端部に設けられた外向きフランジ部(23)、および底壁部(22)中央部に設けられて流体流入通路(2a)の上端開口に臨まされた円錐状凸部(24)からなる。
ダイヤフラム(5)の円筒状部(21)は、外向きフランジ部(23)の下側に連なる円筒状の上部(31)と、底壁部(22)の上側に連なる円筒状の下部(32)と、上部(31)と下部(32)との間にある中間部(33)とからなる。中間部(33)は、縦断面形状が凸円弧状とされている。上部(31)および下部(32)は、弁棒(4)に嵌め合わせられており、中間部(33)の内周面は、弁棒(4)の外周面とは接触していない。下部(32)は、上部(31)および中間部(33)に比べて厚肉に形成されている。
弁棒(4)は、先端側の小径部(34)と、小径部(34)の上側に連なる中間径部(35)と、中間径部(35)の上側に連なる大径部(36)とを有している。大径部(36)の上端近くに、ピストン(6)が一体化されている。大径部(36)は、ケーシング(3)に設けられた円筒状案内部(37)に上下移動可能に挿通されている。小径部(34)の外周には、おねじ部(34a)が形成されている。
円筒状案内部(37)の下端部は、ケーシング(3)の底壁(3a)の底面よりも下方に突出しており、その下端面でダイヤフラム(5)の外向きフランジ部(23)の上面を受け止めるようになされている。円筒状案内部(37)の下端面とダイヤフラム(5)の外向きフランジ部(23)の上面との間には、２枚の皿ばね（弾性部材）(10)が介在させられている。ダイヤフラム(5)の外向きフランジ部(23)および複数（ここでは２枚）の皿ばね(10)は、円筒状案内部(37)の下端面とボディ(2)の凹所(11)の段差面(11c)との間に挟持され、上下方向の移動は不可能とされている。
ダイヤフラム(5)の円筒状部(21)の上部(31)は、弁棒(4)の中間径部(35)に嵌め合わせられている。この嵌め合わせは、円筒状部(21)の上部(31)と弁棒(4)の中間径部(35)とが相対的に上下移動可能な嵌め合わせとされている。ダイヤフラム(5)の円筒状部(21)の下部(32)の内周にはめねじ部(32a)が設けられており、円筒状部(21)の下部(32)のめねじ部(32a)が弁棒(4)の小径部(34)のおねじ部(34a)にねじ合わされることにより、ダイヤフラム(5)が弁棒(4)に取り付けられている。中間部(33)は、縦断面形状が凸円弧状とされて、弁棒(4)の外周面とは接触していないので、円筒状部(21)の下部(32)が円筒状部(21)の上部(31)に近づく方向に移動させられた際に弾性変形（圧縮変形）することができる。
シリンダ室(7)内には、ピストン(6)の上側の操作エア導入室(12)およびピストン(6)の下側の操作エア導入室(13)が形成されている。上側の操作エア導入室(12)に操作エアを導入することで、弁棒(4)を下方に移動させることができ、下側の操作エア導入室(13)に操作エアを導入することで、弁棒(4)を上方に移動させることができる。ケーシング(3)の底壁(3a)には、ピストン(6)の上下移動を案内するピン(14)が立設されている。
キャップ(8)の中央部に、貫通孔(15)が設けられており、貫通孔(15)の上部には、めねじ部(15a)が設けられている。アジャスタ(9)の外周に設けられたおねじ部(9a)が貫通孔(15)のめねじ部(15a)にねじ合わされている。これにより、アジャスタ(9)を下方に移動させることで、弁棒(4)の上方への移動を規制することができる。
図１および図２に示すように、弁棒(4)が下方に移動させられた状態では、ダイヤフラム(5)の凸部(24)が流体流入通路(2a)の上端開口を閉鎖する閉鎖状態となる。
そして、弁棒(4)が上方に移動させられた状態では、図３に示すように、ダイヤフラム(5)の凸部(24)が流体流入通路(2a)の上端開口から離脱した開放状態となる。開放状態において、弁棒(4)はアジャスタ(9)に当接するまで上方に移動可能であり、ダイヤフラム(5)は、円筒状部(21)の下部(32)のめねじ部(32a)が弁棒(4)の小径部(34)のおねじ部(34a)にねじ合わされているので、弁棒(4)と一体で上方に移動しようとする。ここで、ダイヤフラム(5)の外向きフランジ部(23)は、円筒状案内部(37)の下端面とボディ(2)の凹所(11)の段差面(11c)との間に挟持されているので、上下方向に移動はできない。すなわち、ダイヤフラム(5)の円筒状部(21)の上部(31)は、図２の状態から位置を変更せずに、円筒状の下部(32)だけが上方に移動し、これに伴い、上部(31)と下部(32)との間にある縦断面形状が凸円弧状の中間部(33)が弾性変形する。
図２と図３との比較から分かるように、ダイヤフラム(5)の変形量は非常に小さいものとなっている。ダイヤフラム(5)の径が、従来の円盤状ダイヤフラムに比べて小さくなることによって、同じストローク（軸方向の変形量）であっても、円盤状ダイヤフラムよりも体積変化を小さくすることができるため、変形量が大きく発塵しやすいという問題や、開閉に伴う流体通路の容積変化が大きいという問題が解消する。変形量が小さいことで、ダイヤフラム(5)の耐久性も向上する。また、ダイヤフラム(5)の円錐状凸部(24)は、弁体としての機能を有しており、この部分は小さくてよいので、通路閉鎖時の受圧面積が小さくでき、流体圧力の影響を受けにくくすることができる。これにより、閉鎖状態とするためのアクチュエータの出力（操作エアの圧力など）を小さくすることができる。
なお、上記において、アクチュエータとして操作エアを使用するアクチュエータを示しているが、ダイヤフラム弁は、このような自動弁ではなく、開閉ハンドルによって弁棒を上下させる手動弁であってもよく、自動弁の場合に、流体（空気）圧によるものでもよいし、電磁力によるものでもよい。また、操作エアを使用する場合、上記の実施形態に限定されるものではない。
(1)：ダイヤフラム弁、(2)：ボディ、(2a)：流体流入通路、(2b)：流体流出通路、(4)：弁棒、(5)：ダイヤフラム、(10)：皿ばね（弾性部材）、(21)：円筒状部、(22)：底壁部、(23)：フランジ部、(24)：凸部、(31)：上部、(32)：下部、(32a)：めねじ部、(33)：中間部（軸方向中間部分）、(34a)：おねじ部、(37)：円筒状案内部

Claims (3)

  1. 流体通路が設けられたボディと、ボディの上方に設けられたケーシングと、流体通路を開閉するダイヤフラムと、上昇または下降することによりダイヤフラムを閉または開の方向に移動させる弁棒とを備えているダイヤフラム弁において、
    ダイヤフラムは、合成樹脂製とされて、弁棒に嵌め止められた円筒状部、円筒状部の下端開口を閉鎖している底壁部、円筒状部の上端部に設けられたフランジ部、および底壁部中央部に設けられて流体通路上端開口に臨まされた凸部からなり、円筒状部の軸方向中間部分の縦断面形状が径方向外方に凸の略円弧状とされていることを特徴とするダイヤフラム弁。
  2. ダイヤフラムの円筒状部の下部内周にめねじ部が設けられて、該めねじ部が弁棒の外周に設けられたおねじ部にねじ合わされることにより、ダイヤフラムが弁棒に取り付けられており、円筒状部の軸方向中間部分が、円筒状部の下部に比べて薄肉とされていることを特徴とする請求項１のダイヤフラム弁。
  3. ケーシングに、弁棒を案内しかつ上方に移動したダイヤフラムのフランジ部を受ける円筒状案内部が設けられており、円筒状案内部の下端面とダイヤフラムのフランジ部の上面との間に、弾性部材が介在させられていることを特徴とする請求項１または請求項２のダイヤフラム弁。
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