JP2019190633A - 流体制御器 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度に応じた開閉動作が可能な流体制御器であって、大きな膨張力が得られるとともに、対応できる温度範囲が広い流体制御器を提供すること。【解決手段】 弁体５は、複数の金属製ダイヤフラム層５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが重ね合わされたものである。複数のダイヤフラム層５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのうちの少なくとも１対のダイヤフラム層５ｃ，５ｄ間に、液体からなる膨張体Ｌが封入されている。弁体５が開位置にある状態でボディ２の温度が上昇した際、膨張体Ｌが気体となることで膨張し、その膨張によって複数のダイヤフラム層５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ間が広がることで流体通路が閉止される。【選択図】 図２

Description

この発明は、流体制御器に関し、特に、温度に応じた開閉動作が可能な流体制御器に関する。

流体制御器として、特許文献１には、流体通路が設けられたボディと、流体通路の周縁に設けられた環状のシートと、シートに押圧または離間されて流体通路を開閉する球面状の金属製ダイヤフラムと、下端に球面状の押圧面を有しダイヤフラムを押圧するダイヤフラム押さえと、ダイヤフラムを上下移動させるアクチュエータとを備えているダイヤフラム弁が開示されている。

また、温度に応じた開閉動作が可能な流体制御器として、特許文献２には、膨張体と可撓性薄膜との連動によって流体通路の開閉動作を行うものが開示されている。

特開２０１６−１８０４９０号公報 特許第３７５６４２９号公報

上記特許文献１のダイヤフラム弁は、アクチュエータのエア駆動による開閉動作を行うものであり、温度に応じた開閉動作を行うことはできない。

上記特許文献２の流体制御器は、固体から液体への状態変化を利用しているので、膨張体の体積変化率が小さく、大きな膨張力が得られにくいという問題があり、また、対応できる温度範囲が狭いという問題もあった。

本発明は、係る点に鑑みてなされたものであり、その目的は、温度に応じた開閉動作が可能な流体制御器であって、大きな膨張力が得られるとともに、対応できる温度範囲が広い流体制御器を提供することにある。

上記課題を解決するためになされた本発明による流体制御器は、流体通路が設けられたボディと、前記流体通路を開閉する弁体とを備えている流体制御器において、前記弁体は、複数の金属製ダイヤフラム層が重ね合わされたものであり、前記複数のダイヤフラム層のうちの少なくとも１対の重なり合うダイヤフラム層間に、液体からなる膨張体が封入されており、前記弁体が開位置にある状態で前記ボディの温度が上昇した際、前記膨張体が気体となって膨張することで前記１対の重なり合うダイヤフラム層間が広がり、前記流体通路が閉止されることを特徴とするものである。

膨張体が液体からなるものとすることで、これをダイヤフラム層間のような狭い隙間に入れることができる。液体から気体への状態変化時の体積変化率は、固体から液体への状態変化時の体積変化率よりも大きく、少量で高い効果(ダイアフラム層を変形させる応力を生じさせる効果)が得られる。そのため、通常動作(例えばエア駆動による開閉動作）に影響を与えることがなく、しかも、大きな膨張力が得られるとともに、対応できる温度範囲が広いものとできる。ダイアフラムへの膨張体の封入は最低１対（２層）のダイヤフラム層間とすればよく、３層以上のダイアフラム層を有している場合には、複数個所に膨張体を封入することもできる。

なお、本明細書において、「膨張力」とは、物体が熱膨張、状態変化によって体積が増加することで、外部に与える力を指す。

膨張体として封入される液体の種類、膨張体の量、どのダイヤフラム層間に膨張体を封入するかは任意に選択することができ、これらを変更することで、所要の温度で閉止状態を得ることができる。

この発明の流体制御器は、例えば、流体通路が設けられたボディと、流体通路の周縁に設けられたシートと、シートに押圧または離間されて流体通路を開閉する複数層のダイヤフラム層からなる金属製ダイヤフラムと、下端に押圧面を有しダイヤフラムを押圧するダイヤフラム押さえと、ダイヤフラムを上下移動させるアクチュエータとを備えている公知のダイヤフラム弁を使用して、これを従来のアクチュエータによる開閉動作に加えて、温度に応じた開閉動作が可能な流体制御器とすることができる。

各ダイヤフラム層は、上に凸の円弧状が自然状態の球殻状とされる。弁体は、ステンレス鋼薄板のダイヤフラム層の積層体とされることがあり、ニッケル合金薄板のダイヤフラム層の積層体とされることがあり、ニッケル・コバルト合金薄板のダイヤフラム層の積層体とされることがあり、ステンレス鋼薄板とニッケル・コバルト合金薄板のダイヤフラム層の積層体とされることがある。

この発明の流体制御器によると、温度に応じた開閉動作が可能であり、しかも、膨張体が液体からなるものとされているので、大きな膨張力が得られるとともに、対応できる温度範囲が広いものとできる。

図１は、この発明による流体制御器の全体構成を示す縦断面図で、通常時の開状態を示している。 図２は、図１の流体制御器の特徴部分を示す拡大縦断面図で、通常時の開状態を示している。 図３は、図２に示す通常時の開状態からボディ温度が上昇したときの状態を示す図である。 図４は、膨張体を純水とした場合のボディ温度とＣｖ値との関係を示すグラフである。 図５は、膨張体をＩＰＡとした場合のボディ温度とＣｖ値との関係を示すグラフである。

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１の上下をいうものとする。

図１は、この発明による流体制御器１を示しており、流体制御器１は、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のボディ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の周縁に設けられた環状のシート４と、シート４に押圧または離間されて流体流入通路２ａを開閉する弁体５と、弁体５の中央部を押さえる弁体押さえ６と、ボンネット３内に上下移動自在に挿入されて弁体押さえ６を介して弁体５をシート４に押圧・離間させるステム７と、ボンネット３下端面とボディ２の凹所２ｃ底面との間に配置されて弁体５の外周縁部をボディ２の凹所２ｃ底面との間で保持する押さえアダプタ８と、頂壁９ａを有しボンネット３にねじ合わされたケーシング９と、ステム７を上下移動させるアクチュエータ１０とを備えている。

弁体５は、球殻状のダイヤフラムとされており、上に凸の円弧状が自然状態となっている。

押さえアダプタ８は、その下面全体が所定の傾斜角度とされたテーパ状とされており、ボンネット３がボディ２にねじ合わされることで、弁体５の外周縁部に上面から当接した状態で固定されている。この際、押さえアダプタ８の下面全体がテーパ状とされていることにより、弁体５は、球殻状（上に凸の円弧状）からほとんど変形することなく、その外周縁部の上面が押さえアダプタ８のテーパ状下面と面接触（広い範囲で接触）した状態で、押さえアダプタ８とボディ２の凹所２ｃの底面との間に保持される。

アクチュエータ１０は、ステム７に一体化されたピストン１１と、ピストン１１を上方に付勢する圧縮コイルばね（付勢部材）１２と、ピストン１１上面に設けられた操作エア導入室１３と、ケーシング９の頂壁９ａを貫通するように設けられて操作エア導入室１３内に操作エアを導入する操作エア導入通路９ｂとを備えている。

上記の流体制御器１の構成は、常時開型のダイヤフラム弁と同じであり、アクチュエータ１０のエア駆動により、流体流入通路２ａから流体流出通路２ｂに至る流体通路が開閉される。そして、図１に示す通路開の状態においては、流体流入通路２ａから流入した流体は、ボディ２の凹所２ｃの底面と弁体５とによって囲まれた空間内に流入し、流体流出通路２ｂを経て外部へと流出する。

この流体制御器１は、弁体５が膨張体封入ダイヤフラムとされている点で従来のダイヤフラム弁と相違している。

図２に拡大して示すように、この流体制御器１の弁体５は、複数層（図示は４層）の金属製ダイヤフラム層５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄからなるとともに、矢印で示す１対のダイヤフラム層（図示は下側の２層）５ｃ、５ｄ間に液体からなる膨張体Ｌが封入されている。弁体５は、ステンレス鋼薄板５ｄとニッケル・コバルト合金薄板５ａ，５ｂ，５ｃとの積層体よりなるものとされている。

ダイヤフラム層５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ同士は、互いに分離可能であり、各ダイヤフラム層５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの周縁部が押さえアダプタ８とボディ２の凹所２ｃ底面との間で挟持されることにより、ダイヤフラム層５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ間が密閉される。

液体からなる膨張体Ｌは、所要量をダイヤフラム層５ｃ、５ｄ間に滴下した後、各ダイヤフラム層５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの周縁部が押さえアダプタ８とボディ２との間で挟持されることにより、ダイヤフラム層５ｃ、５ｄ間に封入される。

ボディ２が高温になると、液体からなる膨張体Ｌは気体Ｇとなって蒸発し、図３に示すように、弁体５の膨張体封入部分が徐々に膨張して、最下層のダイヤフラム層５ｄが他のダイヤフラム層５ａ，５ｂ，５ｃから離れていく。気化する量が増加することで、最下層のダイヤフラム層５ｄは、最終的に、シート４に当接し、これにより、流体制御器１は、開状態から閉止状態に移行する。

膨張体Ｌとして封入される液体は、例えば、水、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）などとされる。例えば水の場合、１気圧１００℃の状態であれば、体積は気体になった際、１７００倍となり、固体と液体との間の状態変化に比べ、体積変化率が非常に大きく、ダイアフラム層５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを変形させる応力が大きいものとなる。したがって、わずかな量の膨張体Ｌであっても閉止状態を得ることができる。

流体制御器１は、図１に示す状態では、わずかな量の膨張体Ｌが封入されてはいるものの、従来のダイヤフラム弁との差異はほとんどなく、したがって、アクチュエータ１０をオンにして、操作エア導入室１３に操作エアを導入することで、ピストン１１およびこれと一体のステム１２が下方に移動し、これにより、弁体押さえ６が押し下げられ、弁体５がシート４に当接して閉止状態が得られる。そして、アクチュエータ１０をオフにすると、圧縮コイルばね１２によってピストン１１およびこれと一体のステム１２が上方に押し上げられ、これにより、弁体５を下方に押す力が無くなり、球殻状のダイヤフラムとされている弁体５が上に凸の円弧状である自然状態となり、シート４から離れた開状態が得られる。こうして、膨張体Ｌは通常動作としてのエア駆動による開閉動作に影響を与えることがなく、流体制御器１は、開閉弁としての機能を奏することができる。

そして、ボディ２が高温になると、上記のように、開状態から閉止状態に移行し、こうして、この流体制御器１は、開閉弁としての機能に加えて、安全弁としての機能を奏することができる。しかも、液体からなる膨張体Ｌが気体になることにより、閉止状態を得るに際して大きな膨張力が得られるとともに、対応できる温度範囲が広いものとできる。

図４は、液体を純水として、その量を０．１μｌ（マイクロリットル）から１．０μｌまで変更した際のボディ温度とＣｖ値との関係を示している。これによると、純水の量が０．２μｌから０．５μｌであると、１４０℃でＣｖ値＝０に到達し、純水の量が０．３μｌから１．０μｌであると、１５０℃でＣｖ値＝０に到達することが分かる。すなわち、液体を純水として、その量を０．２μｌから１．０μｌまでの適宜な量とすることにより、ボディ温度が１４０℃または１５０℃となった際に閉止される流体制御器が得られる。

図５は、液体をＩＰＡとして、その量を０．５μｌから３０μｌまで変更した際のボディ温度とＣｖ値との関係を示している。これによると、ＩＰＡの量が３０μｌの場合には、１２０℃でＣｖ値＝０に到達し、ＩＰＡの量が１μｌの場合には、１３０℃でＣｖ値＝０に到達し、ＩＰＡの量が０．７μｌの場合には、１４０℃でＣｖ値＝０に到達し、ＩＰＡの量が０．５μｌの場合には、１８０℃でＣｖ値＝０に到達することが分かる。すなわち、液体をＩＰＡとして、その量を３０μｌ程度と多くすることにより、ボディ温度が１２０℃程度の比較的低温で閉止される流体制御器が得られ、また、液体をＩＰＡとして、その量を０．５μｌ程度と少なくすることにより、ボディ温度が１８０℃程度の比較的高温で閉止される流体制御器が得られる。

上記２つの実施例から、膨張体Ｌとして封入される液体の種類、膨張体Ｌの量、どのダイヤフラム層５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ間に膨張体Ｌを封入するか等を適宜設定することで、所要の温度で閉止状態を得ることができることが分かる。

なお、上記の流体制御器において、ピストン１１、圧縮コイルばね（付勢部材）１２、操作エア導入室１３、操作エア導入通路９ｂなどは、弁体押さえ６を上下移動させるステム７を上下移動させるアクチュエータ１０を構成しているが、アクチュエータの構成は、図１に示したものに限定されるものではない。例えば、図１では、圧縮コイルばね１２がピストン１１を上方に付勢していて、常時開型の流体制御器とされているが、圧縮コイルばねがピストンを下方に付勢している常時閉型とすることもできる。

以上説明したように、本発明は、従来のダイヤフラム弁をベースにして、温度に応じた開閉動作が可能な流体制御器を得ることができ、しかも、大きな膨張力が得られるとともに、対応できる温度範囲が広いものとできるので、流体通路の制御の向上に寄与することができる。

１：流体制御器
２：ボディ
２ａ：流体流入通路
２ｂ：流体流出通路
５：弁体
５ａ：第１ダイヤフラム層
５ｂ：第２ダイヤフラム層
５ｃ：第３ダイヤフラム層
５ｄ：第４ダイヤフラム層
Ｌ：膨張体
Ｇ：気体

Claims (1)

1. 流体通路が設けられたボディと、前記流体通路を開閉する弁体とを備えている流体制御器において、
   前記弁体は、複数の金属製ダイヤフラム層が重ね合わされたものであり、前記複数のダイヤフラム層のうちの少なくとも１対の重なり合うダイヤフラム層間に、液体からなる膨張体が封入されており、
   前記弁体が開位置にある状態で前記ボディの温度が上昇した際、前記膨張体が気体となって膨張することで前記１対の重なり合うダイヤフラム層間が広がり、前記流体通路が閉止されることを特徴とする流体制御器。