JP2015048862A - ダイヤフラム弁 - Google Patents

Abstract

【課題】かしめが不要で、しかも、パーティクルの発生を抑えたダイヤフラム弁を提供する。【解決手段】上方に向かって開口した凹所２ｃおよび凹所の底壁に開口する流体流入通路２ａを有しているブロック状ボディ２と、ボディの凹所の周壁との間に間隙を有するように配されて、流体流入通路の開口を閉鎖する下方位置と流体流入通路の開口を開放する上方位置とに移動可能な弁体４と、弁体の上面に当接するダイヤフラム６と、ダイヤフラムの中央部を押さえるダイヤフラム押さえ８と、ダイヤフラム押さえを上下移動させる上下移動手段７とを備えているダイヤフラム弁１において、弁体を付勢するプレートスプリング５をさらに備えており、弁体に、プレートスプリングの中央に設けられた貫通孔が嵌め合わされており、プレートスプリングの外周縁部３２がボディに支持されている。【選択図】図１

Description

この発明は、ダイヤフラム弁に関する。

ダイヤフラム弁として、流体流入通路、流体流出通路および上方に向かって開口した凹所を有しているブロック状ボディと、流体流入通路の周縁に設けられた環状の合成樹脂製シートと、シートに押圧または離間されて流体流入通路を開閉するダイヤフラムと、ダイヤフラムの中央部を押さえるダイヤフラム押さえと、ダイヤフラム押さえを介してダイヤフラムをシートに押圧・離間させる上下移動手段とを備えており、弁開時には、ダイヤフラムとシートとの間に流体通路が形成されているものが知られている（特許文献１）。このようなダイヤフラム弁では、ボディの凹所に設けられた突出部がかしめられることで、シートの抜けが防止されている。

ダイヤフラム弁として、上方に向かって開口した凹所および凹所の底壁に開口する流体流入通路を有しているブロック状ボディと、ボディの凹所の周壁との間に間隙を有するように配されて、流体流入通路の開口を閉鎖する下方位置と流体流入通路の開口を開放する上方位置とに移動可能な弁体と、弁体を上向きに付勢する圧縮コイルばねと、弁体の上面に当接するダイヤフラムと、ダイヤフラムの中央部を押さえるダイヤフラム押さえと、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も知られている（特許文献２）。

特開２０１０−１５９７９０号公報 特公平６−６３５８０号公報

上記特許文献１のダイヤフラム弁では、ボディを変形させている（かしめている）ことから、製造工程において、かしめが不適当であったり、シート傷が発生したりすると、高コスト部品であるボディを新しいものに変更する必要があり、コストがかかるという問題があった。

上記特許文献２のダイヤフラム弁では、かしめが不要とされているが、圧縮コイルばねの流体に接触する面積が大きく、また、圧縮コイルばねは弾性変形時に生じるトルクによりボディに対し摺動するため、パーティクル等が発生しやすいという問題があった。

この発明の目的は、かしめが不要で、しかも、パーティクルの発生を抑えた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、上方に向かって開口した凹所および凹所の底壁に開口する流体流入通路を有しているブロック状ボディと、ボディの凹所の周壁との間に間隙を有するように配されて、流体流入通路の開口を閉鎖する下方位置と流体流入通路の開口を開放する上方位置とに移動可能な弁体と、弁体の上面に当接するダイヤフラムと、ダイヤフラムの中央部を押さえるダイヤフラム押さえと、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ダイヤフラム弁において、弁体を付勢するプレートスプリングをさらに備えており、弁体に、プレートスプリングの中央に設けられた貫通孔が嵌め合わされており、プレートスプリングの外周縁部がボディに支持されていることを特徴とするものである。

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。

プレートスプリングは、内周縁部と外周縁部との間に複数の切込みを有しており、内周縁部と外周縁部との距離の大きさに応じて弾性力が得られるようになされている。プレートスプリングの平面形状は、例えば円板状とされ（この場合には、ディスクスプリングと称されることがある）、また、四角形、十字形状などとされることもある。プレートスプリングの内周縁部は、通常、円形とされる。プレートスプリングは、フリー状態で平らであってもよく、また、フリー状態においてダイヤフラムに弁体を押し付ける方向に付勢するように、中央部が膨出した形状であってもよい。

プレートスプリングの外周縁部は、ボディに直接固定されてもよく、プレートスプリングを保持するホルダを介してボディに支持させるようにしてもよい。

貫通孔の周縁には、弁体に設けられた環状溝に係合する複数の爪が設けられていることが好ましい。

弁体に、プレートスプリングの中央の貫通孔が嵌め合わされており、プレートスプリングの外周縁部がボディの凹所の周壁に支持されていることにより、弁体は、プレートスプリングを介してボディに支持され、かしめや溶接によって弁体を固定する必要がない。また、プレートスプリングは、その外周縁部がボディに固定されていることで、弾性変形時にボディと摺動することがなく、パーティクルの発生が抑えられる。そして、弁体は、プレートスプリングによって上方に付勢され、開操作に伴うダイヤフラム押さえの上方への移動に追随して、確実に上方に移動する。これにより、スムーズな開閉操作が確保される。

ダイヤフラムは、弁室（ボディの流体通路）とボンネットの内部（上下移動手段内蔵部）との間をシールするもので、これにより、ボディの流体通路を流れる流体と上下移動手段構成部材（例えばダイヤフラム押さえを下方に付勢する圧縮コイルばね）とが接触することが防止され、パーティクルの流体への混入をより確実に防止することができる。

弁室に至る１次側（流体流入通路）開口部の大きさおよびこれに対応する弁体の径は、適宜設定することができ、流体流入通路開口部の大きさを制約する部材がないことから、流体流入通路開口部を大きくすることができる。

また、シート（弁座）をシートホルダによって固定するダイヤフラム弁に比べて、シートのダイヤフラムに接触する面積が同じで、ボディに接触する面積が広がることで、シートの径を大きくすることができ、大流量に対応できる。加えて、シート径の拡大に伴い、弁座に至る流体流入通路開口部を拡大し、流量を増やすことができる。

弁体は、長期間使用した場合に、交換されることが好ましく、かしめ・溶接などがないので、弁体の交換を容易に行うことができる。弁体は、例えば合成樹脂製とされるが、これに限定されるものではない。

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、例えば、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してもよく、ダイヤフラムの材料は、特に限定されるものではない。また、ダイヤフラムは、１枚であっても、複数枚を重ねた積層体であってもよく、仕様や条件などによって自由に選択することができる。

プレートスプリングの複数の切込みは、中心からの距離が最も大きくて周方向にのびる円弧状の第１の切込みと、中心からの距離が最も小さくて周方向にのびる円弧状の第２の切込みと、第１および第２の切込みの周方向の一端部同士をつなぐ第３の切込みと、第３の切込みの径方向の中程から第１および第２の切込みに対し周方向逆側にのびる第４の切込みとを１つの要素として、この要素を周方向に所定間隔で複数配置することで形成されていることが好ましい。

プレートスプリングの各切込みの形状（長さ・幅）は、ダイヤフラム弁にかかる負荷や駆動圧力、一次側、二次側の圧力等に応じた弾性力が得られるように、また、外周縁部に上下動に伴う負荷がかからないように、適宜設定される。

弁体は、流体流入通路の開口の周縁部に当接する環状の下端部を有していることがある。また、弁体は、流体流入通路の開口に嵌まり合うテーパ状の下端部を有していることがある。後者の弁体の場合、圧力のかかる面積が小さくなることで、逆圧による抵抗値を小さくすることができる。

プレートスプリングの外周縁部は、ダイヤフラムの外周縁部と重ね合わされて、ダイヤフラム保持リングとボディとの間に保持されていることがある。また、プレートスプリングの外周縁部は、ダイヤフラムの外周縁部と所定間隔をおいて、ボディの凹所に保持されていることがある。前者の構成の場合、ダイヤフラムの保持と同様の構成でプレートスプリングを保持することができ、構成を簡素化することができる。後者の構成の場合、ダイヤフラムの外周縁部におけるシール性能に影響を与えることがないので、確実に従来と同様のシール性能を得ることができる。

なお、この明細書において、弁体の移動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、弁体は、プレートスプリングを介してボディに支持され、かしめや溶接によって弁体を固定する必要がない。また、プレートスプリングは、その外周縁部がボディに固定されていることで、弾性変形時にボディと摺動することがなく、パーティクルの発生が抑えられる。

図１は、この発明によるダイヤフラム弁の第１実施形態を示す縦断面図であり、流体通路が閉の状態を示している。 図２は、第１実施形態で使用されるプレートスプリングの１例を示す平面図である。 図３は、図１の要部を拡大して示す縦断面図でる。 図４は、流体通路が開の状態を示す図３に対応する縦断面図でる。 図５は、この発明によるダイヤフラム弁の第２実施形態を示す縦断面図であり、流体通路が閉の状態を示している。 図６は、この発明によるダイヤフラム弁の第３実施形態を示す縦断面図であり、流体通路が閉の状態を示している。 図７は、この発明によるダイヤフラム弁で使用されるプレートスプリングの他の例を示す平面図である。

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、上下は、図の上下をいうものとする。

図１は、この発明によるダイヤフラム弁の第１実施形態を示しており、ダイヤフラム弁(1)は、手動弁であって、流体流入通路(2a)、流体流出通路(2b)および上方に向かって開口した凹所(2c)を有しているブロック状ボディ(2)と、ボディ(2)の凹所(2c)上部に下端部がねじ合わされて上方にのびる円筒状ボンネット(3)と、流体流入通路(2a)の開口を閉鎖する下方位置と流体流入通路(2b)の開口を開放する上方位置とに移動可能な弁体(4)と、弁体(4)に取り付けられたプレートスプリング(5)と、弁体(4)の上面に当接するダイヤフラム(6)と、ダイヤフラム(6)の中央部を押さえるダイヤフラム押さえ(8)を下端に有し、ボンネット(3)内に上下移動自在に挿入されたステム(7)と、ステム(7)を上下移動させるハンドル(9)と、ステム(7)を下方に付勢する圧縮コイルばね（付勢部材）(10)と、ダイヤフラム(6)の外周縁部を保持するダイヤフラム保持リング(11)とを備えている。

弁体(4)は、略円柱状をなして、ボディ(2)の凹所(2c)の周壁との間に間隙を有するように配されている。

ステム(7)には、水平軸回りに回転可能な１対のベアリング(21)がステム(7)を径方向から挟むように取り付けられており、ボンネット(3)の上端には、これらのベアリング(21)を案内する平面から見て環状でかつ高さ方向に滑らかな凹凸状とされた案内面(22)が形成されている。図１においては、案内面(22)のうちの１８０°離れた位置にある１対の凹部がベアリング(21)を支持しており、ステム(7)は、下方すなわち流体通路閉位置に位置させられている。そして、図１の状態からステム(7)が９０°回転させられると、圧縮コイルばね(10)の付勢力によって案内面(22)に押圧された状態で、ベアリング(21)が案内面(22)上を移動し、９０°回転後に、案内面(22)のうちの１対の凸部がベアリング(21)を支持することになり、この結果、ステム(7)は、上方すなわち流体通路開位置に位置させられる。こうして、ハンドル(9)が９０°回転させられることにより、ステム(7)は、ダイヤフラム押さえ(8)およびダイヤフラム(6)を介して弁体(4)を上下移動させ、これにより、流体通路の閉と開とが切り替えられる。

ステム(7)、ハンドル(9)、ベアリング(21)、案内面(22)などによって、ダイヤフラム押さえ(8)を上下移動させる上下移動手段が構成されている。

プレートスプリング(5)は、フリー状態では平らな円板状で、その内周縁部(31)が弁体(4)に取り付けられ、その外周縁部(32)がボディ(2)の凹所(2c)に固定されている。プレートスプリング(5)は、後述する複数の切込み(35)(36)(37)(38)が設けられていることで、内周縁部(31)と外周縁部(32)とが上下方向に離れた状態とされた場合に、上下方向の弾性力が生じるようになされている。

プレートスプリング(5)は、図２に示すように、弁体(4)に嵌め合わされる中央の貫通孔(33)を有し、円形の内周縁部(31)と円形の外周縁部(32)との間に複数の切込み(35)(36)(37)(38)を有している。

内周縁部(31)には、弁体(4)に設けられた環状溝(26)に係合する複数（図２に示した例では４つ）の爪(34)が設けられている。

複数の切込み(35)(36)(37)(38)は、中心からの距離が最も大きくて周方向にのびる円弧状の第１の切込み(35)と、中心からの距離が最も小さくて周方向にのびる円弧状の第２の切込み(36)と、第１の切込み(35)の周方向の時計方向側端部と第２の切込み(36)の周方向の時計方向側端部とをつなぐ第３の切込み(37)と、第３の切込み(37)の径方向の中程から時計方向側にのびる第４の切込み(38)とを１つの要素(E)として、この要素(E)を周方向に所定間隔で複数（図２に示した例では４つ）配置することで形成されている。
複数の切込み(35)(36)(37)(38)が形成されていることで、プレートスプリング(5)には、一端が内周縁部(31)に、他端が外周縁部(32)に連なっている４つのＵ字状の弾性変形部(39)(40)(41)(42)が形成されている。

図３および図４に拡大して示すように、弁体(4)は、上側の円柱状部(23)と、上側の円柱状部(23)に連なりこれよりも径が大きい下側の円柱状部(24)と、下側の円柱状部(24)の下面に連なり流体流入通路(2a)の開口の周縁部に当接する環状の下端部(25)と、上側の円柱状部(23)の下端部に設けられた環状溝(26)とを有している。

ボディ(2)の凹所(2c)の周壁には、段差面(2d)が設けられており、ダイヤフラム(6)の外周縁部およびプレートスプリング(5)の外周縁部は、互いに重ね合わされて、ダイヤフラム保持リング(11)とボディ(2)の凹所(2c)の段差面(2d)とによって挟持されている。

図３に示す流体流入通路(2a)が閉鎖されている状態では、ステム(7)は、下方位置にあり、これに伴って、弁体(4)は、閉位置に維持されている。ダイヤフラム(6)は、変形状態にある。また、プレートスプリング(5)は、その内周縁部(31)と外周縁部(32)との距離が大きく、Ｕ字状の弾性変形部(39)(40)(41)(42)の変形量が大きいものとなっている。したがって、弁体(4)は、プレートスプリング(5)によって上方に付勢された状態となっている。

図４に示す流体流入通路(2a)が開放されている状態では、ステム(7)は、上方位置にあり、これに伴って、ダイヤフラム(6)は、変形状態からフリー状態に復帰している。プレートスプリング(5)によって上方に付勢された状態となっていた弁体(4)は、ダイヤフラム押さえ(8)からの押圧力がなくなることで、プレートスプリング(5)の弾性力だけを受けている状態となり、これにより、弁体(4)は、開位置へと移動する。

弁体(4)の上下移動に際し、プレートスプリング(5)の外周縁部(32)以外の部分（稼働部）は、ボディ(2)に接触することはない。圧縮コイルばねでは、弾性変形時に生じるトルクによりボディ(2)に対し摺動してパーティクルを発生しやすいという問題があり、プレートスプリング(5)を使用することで、このような摺動によるパーティクルの発生を防止することができる。

図５は、この発明によるダイヤフラム弁の第２実施形態を示している。第１実施形態とは、弁体だけが異なっている。以下の説明では、第１実施形態と同じ構成には同じ符号を付し、その説明を省略する。

第２実施形態において、弁体(51)は、円柱状部(52)と、円柱状部(52)に連なり径が小さくなっていくテーパ状の下端部(53)と、円柱状部(52)の軸方向中程に設けられた環状の溝(54)とを有している。

テーパ状の下端部(53)は、流体流入通路(2a)の開口に嵌まり合うことで、流体流入通路(2a)を閉鎖する。

この第２実施形態によると、第１実施形態に比べて、逆圧（流体からの圧力）が弁体(51)に作用する面積が小さくなっており、弁体(51)の下方移動時における逆圧による抵抗値を小さくすることができる。

図６は、この発明によるダイヤフラム弁の第３実施形態を示している。第２実施形態とは、プレートスプリング(5)の保持構造だけが異なっている。以下の説明では、第２実施形態と同じ構成には同じ符号を付し、その説明を省略する。

ダイヤフラム(6)の外周縁部およびプレートスプリング(5)の外周縁部が互いに重ね合わされて、ダイヤフラム保持リング(11)とボディ(2)の凹所(2c)の段差面(2d)とによって挟持されている第１および第２実施形態に対し、第３実施形態においては、ダイヤフラム保持リング(11)とボディ(2)の凹所(2c)の段差面(2d)とによって挟持されているのはダイヤフラム(6)のみとされて、プレートスプリング(5)の外周縁部は、ダイヤフラム(6)の外周縁部と所定間隔をおいて、ボディ(2)の凹所(2c)に保持されている。

プレートスプリング(5)は、その弾性力によって保持させることができる。また、ボディ(2)の凹所(2c)に環状溝を形成するとともに、プレートスプリング(5)の外周縁部(32)に、この環状溝に係合する複数の爪が設けられているようにしてもよい。また、プレートスプリング(5)の外周縁部(32)をボディ(2)の凹所(2c)に溶接するようにしてもよい。いずれにしろ、ダイヤフラム(6)は、従来と同様のダイヤフラム保持リング(11)による保持構造とされることで、ダイヤフラム(6)の外周縁部におけるシール性能が悪化することがなく、ダイヤフラム(6)によるシール性能を確実に得ることができる。

上記において、プレートスプリング(5)は、例えば０．１ｍｍ程度の薄い金属板とされ、リフト量（内周縁部(31)の鉛直方向変位量）は、例えば０．５〜０．７ｍｍ程度とされる。プレートスプリング(5)の形状は、これに限定されるものではない。また、プレートスプリング(5)の複数の切込み(35)(36)(37)(38)の形状についても、図２に示したものに限定されるものではない。

また、要素(E)の数および爪(34)の数についても、適宜変更することができる。例えば図７（ａ）に示すように、４つの切込み(35)(36)(37)(38)を１つの要素(E)として、この要素(E)を周方向に３つ等間隔で配置して、爪(34)の数を４つとしてもよく、また、図７（ｂ）に示すように、４つの切込み(35)(36)(37)(38)を１つの要素(E)として、この要素(E)を周方向に３つ等間隔で配置して、爪(34)の数を６つとしてもよく、また、図７（ｃ）に示すように、４つの切込み(35)(36)(37)(38)を１つの要素(E)として、この要素(E)を周方向に４つ等間隔で配置して、爪(34)の数を６つとしてもよい。

(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、(2c)：凹所、(4)：弁体、(5)：プレートスプリング、(6)：ダイヤフラム、(8)：ダイヤフラム押さえ、(11)：ダイヤフラム保持リング、(25)：環状の下端部、(26)：環状の溝、(31)：内周縁部、(32)：外周縁部、(33)：貫通孔、(34)：爪、(35)(36)(37)(38)：切込み、(53)：テーパ状の下端部、(51)：弁体

Claims (6)

1. 上方に向かって開口した凹所および凹所の底壁に開口する流体流入通路を有しているブロック状ボディと、ボディの凹所の周壁との間に間隙を有するように配されて、流体流入通路の開口を閉鎖する下方位置と流体流入通路の開口を開放する上方位置とに移動可能な弁体と、弁体の上面に当接するダイヤフラムと、ダイヤフラムの中央部を押さえるダイヤフラム押さえと、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ダイヤフラム弁において、
   弁体を付勢するプレートスプリングをさらに備えており、弁体に、プレートスプリングの中央に設けられた貫通孔が嵌め合わされており、プレートスプリングの外周縁部がボディに支持されていることを特徴とするダイヤフラム弁。
2. プレートスプリングは、内周縁部と外周縁部との間に複数の切込みを有しており、内周縁部には、弁体に設けられた環状溝に係合する複数の爪が設けら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. 弁体は、流体流入通路の開口の周縁部に当接する環状の下端部を有していることを特徴とする請求項１または２に記載のダイヤフラム弁。
4. 弁体は、流体流入通路の開口に嵌まり合うテーパ状の下端部を有していることを特徴とする請求項１または２に記載のダイヤフラム弁。
5. プレートスプリングの外周縁部は、ダイヤフラムの外周縁部と重ね合わされて、ダイヤフラム保持リングとボディとの間に保持されていることを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載のダイヤフラム弁。
6. プレートスプリングの外周縁部は、ダイヤフラムの外周縁部と所定間隔をおいて、ボディの凹所に保持されていることを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載のダイヤフラム弁。

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