JP2020153502A - 流体制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を抑制しつつ、弁体が弁座に着座する際の衝撃を低減することが可能な流体制御弁を提供する。【解決手段】流体制御弁１０は、シリンダ室１４のピストン１８より摺動方向の一方側に第１パイロット室６４が設けられる。第１パイロット室６４の内壁には、流体を給排可能な第１パイロットポート８４の開口８６が設けられる。ピストン１８が開弁位置にあるとき第１パイロット室６４には流体が収容され、この流体は、ピストン１８が閉弁位置に向かって変位する際、開口８６を介して排出される。ピストン１８及びバルブボディ１６の少なくとも一方には、ピストン１８が開弁位置から閉弁位置側に変位し始めた後、開口８６の面積よりも小さい流路断面積を有する絞り流路１０４をピストン１８とバルブボディ１６との間に形成する絞り部７０が設けられる。【選択図】図２

Description

本発明は、操作用流体を用いて弁体を弁座に対し離間又は着座させる流体制御弁に関する。

被制御流体の流路に設けられた弁座に対して、操作用流体を用いて弁体を離間又は着座させることで、流路内の被制御流体の流通を制御する流体制御弁が知られている。この種の流体制御弁を、例えば、被制御流体に高い清浄度が求められる半導体の製造等の用途で用いる場合、流路内へのパーティクルの混入を回避することが重要となる。パーティクルの一例としては、弁体が弁座に着座する際の衝撃により、弁体や弁座等から剥離した剥離片が挙げられる。

そこで、上記の剥離片が発生すること等を回避するべく、例えば、特許文献１には、弁体が弁座に着座する際の衝撃を低減可能な流体制御弁が提案されている。この流体制御弁は、シリンダ室及びダンパ部材が設けられたバルブボディと、シリンダ室内を摺動するピストンとを有する。ピストンは、受圧面を有し、該受圧面に操作用流体等の圧力に応じた作動圧力が加えられることで、弁体と一体に変位し、弁体を弁座に対し離間又は着座させる。

バルブボディに設けられたダンパ部材は、ピストンに当接して緩衝機能を発揮する。上記のようにしてピストンを変位させて弁体を弁座に近づける際、弁体が弁座に着座する前にピストンとダンパ部材とが当接する。そして、ピストンがダンパ部材を弾性変形させつつさらに変位することで弁体が弁座に着座する。このように、ダンパ部材の弾性力に抗してピストンが変位する分、弁体が小さい速度で移動して弁座に着座する。このため、例えば、ダンパ部材を介在させずにピストンを変位させる場合に比して着座時の衝撃を低減できる。その結果、剥離片の発生等を抑制することが可能となる。

特許第３７０１３６７号公報

しかしながら、上記のように、ダンパ部材の弾性力に抗してピストンを変位させる場合、ダンパ部材の弾性力の分、弁体を弁座に着座させるために必要な作動圧力が増大してしまう。これに伴い受圧面の面積も増大させる必要が生じるため、ピストンやシリンダ室等が大きくなり、ひいては、流体制御弁が大型化する懸念がある。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、大型化を抑制しつつ、弁体が弁座に着座する際の衝撃を低減することが可能な流体制御弁を提供する。

本発明の一態様は、被制御流体の流路及びシリンダ室が設けられたバルブボディと、作動圧力を受けて前記シリンダ室内を摺動方向に沿って摺動するピストンと、前記ピストンと一体に変位することで前記流路に設けられた弁座に対し離間又は着座して前記流路を開閉する弁体と、を備える流体制御弁であって、前記シリンダ室の前記ピストンより前記摺動方向の一方側にパイロット室が設けられ、前記パイロット室の内壁には、前記パイロット室に流体を給排可能なポートの開口が設けられ、前記ピストンが前記弁体を前記弁座から離間させる開弁位置にあるとき、前記パイロット室には前記流体が収容され、前記パイロット室内の前記流体は、前記ピストンが前記弁体を前記弁座に着座させる閉弁位置に向かって変位する際、前記開口を介して前記ポートに排出され、前記ピストン及び前記バルブボディの少なくとも一方には、前記ピストンが前記開弁位置から前記閉弁位置側に変位し始めた後、前記開口の面積よりも小さい流路断面積を有する絞り流路を前記ピストンと前記バルブボディとの間に形成する絞り部が設けられる。

この流体制御弁では、ピストンに対して、閉弁位置側に向かう閉弁側作動圧力と、開弁位置側に向かう開弁側作動圧力とを付与することが可能となっている。開弁位置にあるピストンに対して開弁側作動圧力よりも大きな閉弁側作動圧力が付与されると、パイロット室内の流体を開口からポートに排出しながらピストンが閉弁位置側に変位する。ここでの流体としては、ピストンを開弁位置に変位させるべくパイロット室に供給されていた操作用流体、又はピストンが開弁位置にあることでパイロット室に満たされていた大気等が挙げられる。この際、パイロット室からポートに排出される流体の排出流量を低減させると、パイロット室の内圧が上昇し、閉弁側作動圧力の大きさに対するピストンの変位速度が小さくなる。

絞り部は、ピストンが開弁位置から閉弁位置側に変位し始めた後に、開口の面積よりも小さい流路断面積を有する絞り流路をピストンとバルブボディとの間に形成する。この絞り流路を介して開口の外側に流体が排出される。このため、弁座に近接した弁体が着座する前の段階で、パイロット室から排出される流体の排出流量を低減させて、閉弁側作動圧力の大きさに対するピストンの変位速度を小さくできる。これによって、低速で弁体を弁座に着座させることができ、弁体が弁座に着座する際の衝撃を低減することが可能になる。

また、絞り部により絞り流路を形成しても、該絞り流路の流路断面積に応じた流量で開口の外側に流体を排出することができる。すなわち、絞り流路を形成することで上昇したパイロット室の内圧はやがて低下する。このため、閉弁側作動圧力を大きくすることなく、換言すると、ピストンやシリンダ室の径を大きくすることなく、ピストンを閉弁位置まで変位させることができる。

以上から、本発明によれば、流体制御弁が大型化することを抑制しつつ、小さい速度で弁体を弁座に着座させて着座時の衝撃を低減させることができる。

本発明の第１実施形態に係る流体制御弁の概略断面図である。 図１の流体制御弁の開弁時の要部拡大断面図である。 図１の流体制御弁の閉弁時の要部拡大断面図である。 図１の変形例に係る絞り部を説明する要部拡大断面図である。 図１の別の変形例に係る絞り部の弾性変形前の状態を説明する要部拡大断面図である。 図５の絞り部の弾性変形後の状態を説明する要部拡大断面図である。 図５の絞り部が設けられたピストンの斜視図である。 図１の変形例に係る流体制御弁の概略断面図である。 図１の別の変形例に係る流体制御弁の概略断面図である。 本発明の第２実施形態に係る流体制御弁の概略断面図である。 図１０の流体制御弁の開弁時の要部概略断面図である。 図１１の流体制御弁のピストンが閉弁側に近づいた状態を説明する説明図である。 図１０の流体制御弁の閉弁時の要部概略断面図である。 図１０の変形例に係る流体制御弁の概略断面図である。 図１０の別の変形例に係る流体制御弁の概略断面図である。 第２実施形態のまた別の変形例に係る流体制御弁の概略断面図である。

本発明に係る流体制御弁について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の図において、同一又は同様の機能及び効果を奏する構成要素に対しては同一の参照符号を付し、繰り返しの説明を省略する場合がある。

図１〜図４に示すように、第１実施形態に係る流体制御弁１０は、例えば、何れも不図示ではあるが、半導体製造装置等の流体管路に配設されるものとして好適に適用可能である。そこで、以下では、流体制御弁１０が、半導体製造装置の流体管路を流れる薬液等を被制御流体とし、その流れを制御するものである場合を例に挙げて説明する。しかしながら、流体制御弁１０は、半導体製造の用途に限定されず、種々の流体を被制御流体として、その流れを制御することが可能である。

図１に示すように、流体制御弁１０は、被制御流体の流路１２及びシリンダ室１４が設けられたバルブボディ１６と、シリンダ室１４内を摺動方向（矢印Ｙ１、Ｙ２方向）に摺動するピストン１８と、ピストン１８と一体に変位することで流路１２に設けられた弁座２０に対し離間又は着座して流路１２を開閉する弁体２２と、ピストン１８を閉弁位置に向かって付勢する付勢部材２４とを主に備える。つまり、この流体制御弁１０は、付勢部材２４の弾発力によって、弁体２２を弁座２０に常時着座させるノーマルクローズタイプである。

バルブボディ１６は、例えば、耐食性や耐薬品性の高い材料から形成され、ボディ本体２６と、第１ハウジング２８と、第２ハウジング３０とを有する。ボディ本体２６の好適な材料の一例としては、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等が挙げられる。第１ハウジング２８及び第２ハウジング３０の好適な材料の一例としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ＰＰＳ、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等が挙げられる。

図１に示すように、ボディ本体２６は、矢印Ｘ２側の端部に一次側ポート３４が設けられ、矢印Ｘ１側の端部に二次側ポート３２が設けられ、これらの一次側ポート３４及び二次側ポート３２の間に矢印Ｘ１、Ｘ２方向に沿って延在する流路１２が形成されている。なお、一次側ポート３４及び二次側ポート３２のそれぞれは、例えば、上記の半導体製造装置の流体管路を形成する流体管（不図示）等にナット３６を介して接続可能となっている。また、流路１２は、一次側ポート３４側から二次側ポート３２側に向かって（矢印Ｘ１方向に）被制御流体を流通可能としてもよいし、二次側ポート３２側から一次側ポート３４側に向かって（矢印Ｘ２方向に）被制御流体を流通可能としてもよい。

ボディ本体２６の流路１２の延在方向の略中央には、該延在方向に直交する方向（矢印Ｙ１、Ｙ２方向）に沿って弁室形成部３８が設けられている。弁室形成部３８の内部には、流路１２と連通する弁室４０が形成される。流路１２は、一次側ポート３４と弁室４０とを連通する一次側流路４４と、二次側ポート３２と弁室４０とを連通する二次側流路４２とからなり、一次側流路４４の弁室４０に臨む側の端部に弁座２０が設けられている。

このため、弁体２２が弁座２０に着座することで、一次側ポート３４と弁室４０との連通が遮断され、これによって、一次側ポート３４と二次側ポート３２との連通が遮断される。一方、弁座２０から弁体２２が離間することで（図２参照）、一次側ポート３４と弁室４０とが連通し、該弁室４０を介して、一次側ポート３４と二次側ポート３２とが連通する。

弁室形成部３８の矢印Ｙ１側の端部には、Ｏリング４６を介して気密に第１ハウジング２８が連結される。また、互いに連結された弁室形成部３８の矢印Ｙ１側の端部と、第１ハウジング２８の矢印Ｙ２側の端部との間には、弁体２２を含んで構成されるダイヤフラム弁４８の外周縁部５０が挟持される。

ダイヤフラム弁４８は、例えば、ＰＴＦＥ、フッ化ビニリデン系フッ素ゴム（ＦＫＭ）、テトラフルオロエチレンプロピレン系フッ素ゴム（ＦＥＰＭ）、エチレンプロピレン（ＥＰＤＭ）等の耐食性や耐薬品性の高い材料から形成される。また、ダイヤフラム弁４８は、上記の外周縁部５０及び弁体２２の他に、外周縁部５０と弁体２２との間に設けられ、弁体２２の変位に合わせて変形可能な薄肉部５２を有する。上記のようにしてダイヤフラム弁４８が設けられることで、弁室４０は、薄肉部５２よりも矢印Ｙ１側と、薄肉部５２よりも矢印Ｙ２側とに液密に仕切られる。以下では、弁室４０の薄肉部５２よりも矢印Ｙ１側の空間をダイヤフラム室５４ともいう。

図２に示すように、第１ハウジング２８は、矢印Ｙ１、Ｙ２方向に延在する筒状部５６と、筒状部５６の内壁から軸心側に突出するフランジ部５８とを有する。筒状部５６のフランジ部５８よりも矢印Ｙ２側の部分と、フランジ部５８の矢印Ｙ２側の端面とは、弁室形成部３８とともに弁室４０を形成する。筒状部５６のフランジ部５８よりも矢印Ｙ１側の部分と、フランジ部５８の矢印Ｙ１側の端面とは、第２ハウジング３０とともにシリンダ室１４を形成する。

シリンダ室１４の内部には、ピストン１８のピストン本体部６０が配設され、該ピストン本体部６０の外周面と筒状部５６の内壁面とが摺動可能となっている。ピストン本体部６０の外周面と筒状部５６の内壁面との間にはＯリング６２が設けられる。これによって、シリンダ室１４は、ピストン１８のＯリング６２よりも摺動方向の一方側（矢印Ｙ２側）に設けられた第１パイロット室６４（パイロット室）と、他方側（矢印Ｙ１側）に設けられた第２パイロット室６６とに区画される。なお、ピストン１８の好適な材料としては、例えば、第１ハウジング２８及び第２ハウジング３０と同様のものが挙げられる。

ピストン本体部６０の矢印Ｙ２側には、第１パイロット室６４に臨む第１受圧面６８が設けられている。また、ピストン本体部６０の外周側には、第１受圧面６８の周方向の一部から矢印Ｙ２側に延在する絞り部７０が設けられている。なお、絞り部７０は、第１受圧面６８の周方向の全体から矢印Ｙ２側に延在する円環状であってもよい。絞り部７０の詳細については後述する。ピストン本体部６０の矢印Ｙ２側の端部であって径方向の中心側には、摺動方向（矢印Ｙ１、Ｙ２方向）に延在するロッド部７２がピストン本体部６０と一体の母材から形成されている。

ロッド部７２は、フランジ部５８の径方向中心側に設けられたロッド挿通孔７４に摺動可能に挿通されるとともに、該ロッド部７２の先端が弁室４０内に配置される。このロッド部７２の先端に弁体２２が固定されることで、弁体２２はピストン１８と一体に変位可能となっている。

ピストン本体部６０の矢印Ｙ１側には、第２パイロット室６６に臨む第２受圧面７６が設けられている。また、ピストン本体部６０の矢印Ｙ１側の端部であって、径方向の中心側には、インジケータ７８が連結されている。

第１ハウジング２８の筒状部５６には、ダイヤフラム室５４に連通する呼吸ポート８０が設けられている。呼吸ポート８０を通じて、ダイヤフラム室５４は、大気開放状態となっている。ダイヤフラム室５４は、ロッド部７２とロッド挿通孔７４の内壁との間に設けられたＯリング８２を介してシリンダ室１４との連通が遮断されている。

また、筒状部５６には、第１パイロット室６４に連通する第１パイロットポート８４（ポート）が設けられている。つまり、第１パイロット室６４の内壁には、第１パイロットポート８４の開口８６が設けられている。第１実施形態では、フランジ部５８の矢印Ｙ１側に収容凹部８８が設けられている。この収容凹部８８には、ピストン１８が弁体２２を弁座２０に着座させる閉弁位置にあるときに、絞り部７０が進入する。第１パイロットポート８４の開口８６は、収容凹部８８の内側に臨むように設けられている。

筒状部５６の矢印Ｙ１側の端部には、Ｏリング９０を介して気密に第２ハウジング３０が連結される。具体的には、第２ハウジング３０の矢印Ｙ２側端部には、筒状部５６の内径よりも小さい外径の挿入筒部９２が設けられ、該挿入筒部９２が筒状部５６に内嵌されることで第１ハウジング２８と第２ハウジング３０とが連結される。また、Ｏリング９０は、筒状部５６の内壁と挿入筒部９２の外壁との間に設けられる。ピストン１８が矢印Ｙ１方向に変位する際、挿入筒部９２の端面９２ａとピストン本体部６０とが当接することで、矢印Ｙ１方向に対するピストン１８のそれ以上の変位が規制される。

第２ハウジング３０には、インジケータ７８が摺動可能に挿通されるインジケータ挿通孔９６と、ＳＵＳ等からなるスプリングである付勢部材２４が収容される収容溝９８と、第２パイロット室６６に連通する第２パイロットポート１００とが設けられている。

インジケータ７８は、例えば、ＰＶＤＦや、ＰＰ等の材料からロッド状に形成され、インジケータ挿通孔９６の内部を矢印Ｙ１、Ｙ２方向に沿ってピストン１８と一体に変位する。図３に示すように、ピストン１８が弁体２２を弁座２０に着座させる閉弁位置にあるとき、例えば、インジケータ７８の矢印Ｙ１側の端面７８ａと、第２ハウジング３０の矢印Ｙ１側の端面３０ａとが面一に配置される。

一方、図２に示すように、ピストン１８のピストン本体部６０と挿入筒部９２の端面９２ａとが当接する位置、換言すると、ピストン１８が弁体２２を弁座２０から離間させる開弁位置にあるとき、インジケータ７８の端面７８ａは、第２ハウジング３０の端面３０ａよりも矢印Ｙ１側に突出する。

このため、インジケータ７８の端面７８ａの位置を確認することで、バルブボディ１６内で弁体２２が弁座２０に着座しているか否かを知ることが可能となっている。インジケータ７８とインジケータ挿通孔９６の内壁との間にはＯリング１０１が設けられ、これによって、インジケータ挿通孔９６を介したシリンダ室１４と外部との連通が遮断されている。なお、上記したＯリング４６、６２、８２、９０、１０１のそれぞれの好適な材料の一例としては、ＦＥＰＭ、ＦＫＭ、ＥＰＤＭ等が挙げられる。

収容溝９８の内部は第２パイロット室６６に連通する。収容溝９８とピストン１８の第２受圧面７６との間には、付勢部材２４が蓄勢された状態で配設される。これによって、ピストン１８は、弁体２２を弁座２０に着座させる方向（矢印Ｙ２側）に向かって常時弾発付勢される。つまり、付勢部材２４の弾発力が、ピストン１８を閉弁位置側に向かわせる閉弁側作動圧力となる。

このようにノーマルクローズタイプである流体制御弁１０では、第１パイロットポート８４に、操作用流体の供給源（不図示）が接続される。なお、操作用流体の一例としては圧縮エアや、窒素ガス等が挙げられる。操作用流体の供給源から操作用流体が供給されていない状態では、図３に示すように、付勢部材２４による開弁側作動圧力によって、ピストン１８は閉弁位置にある。このため、弁体２２は弁座２０に着座した状態であり、一次側ポート３４（図１）と二次側ポート３２（図１）の連通が遮断されている。

操作用流体の供給源から、第１パイロットポート８４及び開口８６を介して第１パイロット室６４に操作用流体が供給されると、第１パイロット室６４の内圧が上昇する。これによって、第１受圧面６８には、第１パイロット室６４内の操作用流体の圧力に応じた大きさの、ピストン１８を開弁位置側に向かわせる開弁側作動圧力が付与される。開弁側作動圧力が、付勢部材２４の弾発力（閉弁側作動圧力）を超えて大きくなると、ピストン１８が開弁位置に向かって（矢印Ｙ１側に）変位する。その結果、図２に示すように、弁体２２が弁座２０から離間し、一次側ポート３４（図１）と二次側ポート３２（図１）とが連通する。

つまり、ピストン１８が開弁位置にある場合、第１パイロット室６４には、所定の圧力で操作用流体（流体）が収容された状態である。操作用流体の供給源からの操作用エアの供給を停止すると、第１パイロット室６４内の操作用流体は、開口８６を介して第１パイロットポート８４の外部へと排出され始める。

これによって、第１パイロット室６４の内圧が低下すると、第１受圧面６８に付与される開弁側作動圧力が低下する。そして、付勢部材２４を介して第２受圧面７６に付与されている閉弁側作動圧力よりも開弁側作動圧力が小さくなると、ピストン１８は閉弁位置に向かって（矢印Ｙ２側に）変位する。この際も、パイロット室内の操作用流体は、開口８６を介して第１パイロットポート８４に排出される。

第２パイロットポート１００は、第２パイロット室６６を大気開放する呼吸ポートとして機能する。このため、ピストン１８が閉弁位置にあるとき、第２パイロット室６６には、第２パイロットポート１００を介して吸気された大気が収容されている。なお、流体制御弁１０の周辺が大気以外の流体で満たされている場合には、当該流体が第２パイロット室６６に収容されてもよい。第２パイロットポート１００には、操作用流体の供給源等を接続する必要がないため、該供給源との接続用の配管等に代えて、ポートプラグ１０２を取り付けてもよい。第２パイロットポート１００の開口は、収容溝９８の内壁に設けられている。

ここで、第１実施形態に係る流体制御弁１０における絞り部７０について、第１パイロットポート８４の開口８６との関係で具体的に説明する。絞り部７０は、ピストン１８が開弁位置から閉弁位置側に所定距離変位すると、図３に示すように、開口８６の全体と、第１パイロット室６４の内壁の開口８６の周辺部１０３とを覆う。この際、周辺部１０３と絞り部７０との間には、開口８６と第１パイロット室６４とを連通するとともに、開口８６の面積より小さい流路断面積の絞り流路１０４が形成される。

このようにして絞り流路１０４が形成されると、第１パイロット室６４内の操作用流体は、絞り流路１０４を介して開口８６の外側に排出されるようになる。また、ピストン１８が閉弁位置に到達した後も、絞り流路１０４を介して、第１パイロット室６４と第１パイロットポート８４とが連通した状態で維持される。さらに、第１パイロットポート８４に供給される操作用流体も、絞り流路１０４を介して第１パイロット室６４内に流入するようになる。

なお、図１〜図３に示すように、絞り部７０は、ピストン１８と一体の母材から形成されてもよいし、図４に示すように、ピストン１８とは別体から形成された後に、ピストン本体部６０に一体化されることでピストン１８を構成することとしてもよい。絞り部７０とピストン１８とが別体からなる場合、絞り部７０の好適な材料の一例としては、ピストン１８と同じ樹脂材料や、ＦＥＰＭ、ＦＫＭ、ＥＰＤＭ、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、シリコーンゴム等のゴム材料や、ポリウレタンエラストマ、熱可塑性ポリエステルエラストマ（ＴＥＥＥ）等のエラストマ材料等が挙げられる。

第１実施形態に係る流体制御弁１０は、基本的には以上のように構成される。この流体制御弁１０を動作させる場合、不図示ではあるが、一次側ポート３４及び二次側ポート３２のそれぞれを、ナット３６を介して、上記の半導体製造装置の流体管に接続することで、流体管路に流体制御弁１０の流路１２を介装する。また、第１パイロットポート８４に操作用流体の供給源を接続する。

なお、流体管路の上流側に一次側ポート３４を接続し、且つ流体管路の下流側に二次側ポート３２を接続した場合、流路１２に対して一次側ポート３４側から二次側ポート３２側に（矢印Ｘ１方向に）向かって被制御流体が流通可能となる。一方、流体管路の下流側に一次側ポート３４を接続し、流体管路の上流側に二次側ポート３２を接続した場合、流路１２に対して二次側ポート３２側から一次側ポート３４側に（矢印Ｘ２方向に）向かって被制御流体が流通可能となる。

流体制御弁１０により、流路１２を閉状態（図３）から開状態（図２）として、流体管路に被制御流体を流通させる制御を行う場合、第１パイロットポート８４及び開口８６を介して第１パイロット室６４に操作用流体を供給する。このようにして第１パイロット室６４の内圧を上昇させ、開弁側作動圧力を閉弁側作動圧力よりも大きくすることで、ピストン１８を開弁位置側に変位させることができる。これに伴い、弁体２２が弁座２０から離間するため、互いに連通した一次側ポート３４と二次側ポート３２、すなわち、開状態となった流路１２を介して、流体管路に被制御流体を流通させることが可能となる。

流体制御弁１０により、流路１２を開状態（図２）から閉状態（図３）として、流体管路内の被制御流体の流通を停止する制御を行う場合、第１パイロットポート８４に対する操作用流体の供給を停止する。これによって、第１パイロット室６４内の操作用流体が開口８６を介して第１パイロットポート８４へ排出されるようになり、第１パイロット室６４の内圧が低下する。

このため、開弁側作動圧力が閉弁側作動圧力よりも小さくなり、ピストン１８を閉弁位置側に変位させることができる。これに伴い、弁体２２が弁座２０に着座することで、一次側ポート３４と二次側ポート３２との連通が遮断され、流路１２が閉状態となるため、流体管路における被制御流体の流通を停止することが可能となる。

流体制御弁１０では、上記のようにして流路１２を開状態から閉状態とする際、ピストン１８が開弁位置から所定距離変位して閉弁位置に近づくと、図３に示すように、絞り部７０が収容凹部８８に進入する。これによって、絞り部７０は、収容凹部８８の内側に臨むように設けられた開口８６と周辺部１０３とを覆うことで、絞り流路１０４を形成する。

この場合、絞り流路１０４を介して開口８６の外側に操作用流体が排出されるようになるため、第１パイロット室６４から第１パイロットポート８４に排出される操作用流体の排出流量が低減する。このようにして第１パイロット室６４の内圧を上昇させることで、閉弁側作動圧力の大きさに対するピストン１８の変位速度を小さくすることができる。

つまり、流体制御弁１０では、弁座２０に近接した弁体２２が着座する前の段階で、第１パイロット室６４から排出される操作用流体の排出流量を低減させて、ピストン１８の変位速度を小さくする。これによって、低速で弁体２２を弁座２０に着座させることができ、弁体２２が弁座２０に着座する際の衝撃を低減することができる。

また、絞り部７０により絞り流路１０４を形成しても、該絞り流路１０４の流路断面積に応じた流量で開口８６の外側に操作用流体を排出することができる。すなわち、絞り流路１０４を形成することで上昇した第１パイロット室６４の内圧はやがて低下する。このため、閉弁側作動圧力を大きくすることなく、換言すると、ピストン１８やシリンダ室１４の径等を大きくすることなく、ピストン１８を閉弁位置まで変位させることができる。

以上から、流体制御弁１０が大型化することを抑制しつつ、小さい速度で弁体２２を弁座２０に着座させて着座時の衝撃を低減させることができる。

上記のようにして着座時の衝撃を低減できることにより、弁体２２や弁座２０等から剥離片（不図示）が生じることを抑制できる。その結果、剥離片が流路１２に混入することを抑制して被制御流体を清浄に維持することや、弁体２２及び弁座２０の耐久性を向上させることが可能となる。

また、絞り部７０は、ピストン１８が開弁位置から閉弁位置側に変位し始めた後に、操作用流体の排出流量を低減させる。換言すると、ピストン１８が開弁位置から閉弁位置側に所定距離変位するまでは、操作用流体の排出流量を低減させない。このため、ピストン１８が開弁位置から閉弁位置にある程度近づくまではピストン１８の変位速度が低下することを回避して、通常の変位速度でピストン１８を変位させることができる。

従って、例えば、弁体２２の着座時の衝撃を低減可能なピストン１８の変位速度となるように、予め面積を小さく設定した開口８６を第１パイロット室６４の内壁に設ける場合とは異なり、閉弁位置側へのピストン１８の変位を開始してから、弁体２２が着座するまでの時間差を低減することができる。

さらに、この流体制御弁１０では、ピストン１８を閉弁位置から開弁位置側に変位させる場合も、ピストン１８が閉弁位置から開弁位置側に向かって所定距離変位するまでは、絞り流路１０４が形成されたままである。つまり、絞り流路１０４を介して第１パイロット室６４に操作用流体が流入する。これによって、弁体２２を弁座２０から小さい速度で離間させることができる。そして、弁体２２を弁座２０から離間させた後に、通常の変位速度でピストン１８を開弁位置へと変位させることができる。

従って、この流体制御弁１０では、小さい速度で弁体２２を弁座２０に着座させること、及び小さい速度で弁座２０から弁体２２を離間させることの両方が可能である。このため、弁体２２の開閉時に被制御流体に急激な圧力変動が生じることを抑制でき、ウォーターハンマーやキャビテーション等が生じることを効果的に抑制できる。

なお、弁座２０から弁体２２が離間する速度の低下を回避する場合には、流体制御弁１０は、上記の絞り部７０に代えて、図５〜図７に示す絞り部１０６を備えることとしてもよい。図５に示すように、絞り部１０６は、ピストン１８が閉弁位置にあるときに、開口８６の全体及び周辺部１０３を覆う弾性片である。絞り部１０６は、ピストン１８が閉弁位置から開弁位置側に変位する際、図６に示すように、開口８６を介して第１パイロット室６４に流入する操作用流体の圧力を受けて開口８６から離間する方向に弾性変形することが可能となっている。

また、絞り部１０６が周辺部１０３を覆う際、第１パイロット室６４の内圧に関わらず絞り流路１０４が形成された状態を維持することが可能となるように、絞り部１０６の外周には、矢印Ｙ１、Ｙ２方向に沿う溝状の凹部１０８（図７）が形成されている。

なお、絞り部１０６の外周には、凹部１０８に代えて、又は凹部１０８とともに、突条や突起からなる凸部（不図示）が設けられてもよい。突条や突起の突出端面は、平面、球面、湾曲面等から構成されていてもよい。また、絞り部１０６の外周に設けられる凹部１０８や凸部の個数は特に限定されるものではなく、１個であっても複数個であってもよい。さらに、凹部１０８や凸部は、絞り部１０６に代えて、周辺部１０３に設けられてもよい。

絞り部１０６を備える流体制御弁１０では、ピストン１８を閉弁位置から開弁位置側に変位させる際、図６に示すように、絞り部１０６を開口８６から離間させることができる分、絞り流路１０４の流路断面積を大きくすることができる。これによって、第１パイロット室６４に流入する操作用流体の流量を増大させることができるため、弁体２２が弁座２０から離間する速度を大きくすることができる。つまり、この流体制御弁１０では、開弁位置に向かうピストン１８の変位を開始してから、開弁するまでに生じる時間差を低減することができる。

図５に示すように、ピストン１８が閉弁位置にあるときに第１パイロット室６４の内圧が大きくなると、弾性片からなる絞り部１０６は、開口８６及び周辺部１０３に向かって押圧される方向に変形し易くなる。このように、絞り部１０６が開口８６及び周辺部１０３に押しつけられた場合であっても、絞り部１０６と周辺部１０３との間に凹部１０８及び凸部の少なくとも一方が介在することで、絞り部１０６と周辺部１０３との間に絞り流路１０４が形成された状態を維持することができる。これによって、絞り流路１０４を介して、第１パイロット室６４の内部に操作用流体を良好に流入させることができるため、ピストン１８を開弁位置側へと速やかに変位させることが可能になる。

図１〜図６に示すように、流体制御弁１０は、ノーマルクローズタイプであることとした。しかしながら、特にこれには限定されず、流体制御弁１０は、図８に示すようにノーマルオープンタイプであってもよいし、図９に示すように複動タイプであってもよい。ノーマルオープンタイプ及び複動タイプの何れにした場合であっても、ノーマルクローズタイプとした場合と同様に上記の作用効果を得ることができる。

図８に示すように、流体制御弁１０がノーマルオープンタイプであった場合、第１ハウジング２８のフランジ部５８に設けられた収容溝１１０に付勢部材２４が収容される。収容溝１１０は、第１パイロット室６４に連通する。収容溝１１０とピストン１８の第１受圧面６８との間に付勢部材２４が蓄勢された状態で配設される。これによって、ピストン１８は、弁体２２を弁座２０から離間させる方向（矢印Ｙ１側）に向かって常時弾発付勢する。つまり、付勢部材２４の弾発力が、ピストン１８を開弁位置側に向かわせる開弁側作動圧力となる。

また、ノーマルオープンタイプの流体制御弁１０では、第２パイロットポート１００に、操作用流体の供給源が接続される。呼吸ポートとして機能する第１パイロットポート８４にはポートプラグ１０２が設けられてもよい。つまり、ノーマルオープンタイプの流体制御弁１０では、付勢部材２４から付与される開弁側作動圧力によりピストン１８が開弁位置にあるとき、第１パイロット室６４には、第１パイロットポート８４を介して吸気された大気（流体）が収容されている。なお、流体制御弁１０の周辺が大気以外の流体で満たされている場合には、当該流体が第１パイロット室６４に収容されてもよい。

第２パイロットポート１００を介して第２パイロット室６６に操作用流体が供給されることで、第２パイロット室６６内の操作用流体の圧力に応じた閉弁側作動圧力がピストン１８の第２受圧面７６に付与される。

このため、ピストン１８が開弁位置にある状態で、第２パイロット室６６に操作用流体が供給されることで、開弁側作動圧力が閉弁側作動圧力よりも大きくなると、ピストン１８が閉弁位置側に変位する。この際、第１パイロット室６４の大気は、開口８６を介して第１パイロットポート８４に排出される。そして、ピストン１８が開弁位置から所定距離変位して閉弁位置に近づくと、絞り部７０によって絞り流路１０４が形成されるため、第１パイロット室６４から、絞り流路１０４を介して開口８６の外側に大気が排出されるようになる。

その結果、ノーマルオープンタイプの流体制御弁１０においても、弁座２０に近接した弁体２２が着座する前の段階で、第１パイロット室６４から排出される大気の排出流量を低減させて、ピストン１８の変位速度を小さくすることができる。これによって、低速で弁体２２を弁座２０に着座させることができ、弁体２２が弁座２０に着座する際の衝撃を低減することができる。

また、絞り部７０により絞り流路１０４を形成しても、該絞り流路１０４の流路断面積に応じた流量で開口８６の外側に大気を排出することができる。このため、閉弁側作動圧力を大きくすることなく、換言すると、ピストン１８やシリンダ室１４の径等を大きくすることなく、ピストン１８を閉弁位置まで変位させることができる。

つまり、第１パイロット室６４から絞り流路１０４及び開口８６を介して排出される流体が、図１〜図６に示すノーマルクローズタイプの流体制御弁１０のように操作用流体であっても、図８に示すノーマルオープンタイプの流体制御弁１０のように大気等であっても同様に上記の作用効果を得ることができる。

図９に示すように、複動タイプの流体制御弁１０は、付勢部材２４を備えず、第１パイロットポート８４及び第２パイロットポート１００のそれぞれに、操作用流体の供給源が接続される。第１パイロットポート８４を介して第１パイロット室６４に操作用流体が供給された場合に、第１パイロット室６４内の操作用流体の圧力に応じた開弁側作動圧力がピストン１８の第１受圧面６８に付与される。第２パイロットポート１００を介して第２パイロット室６６に操作用流体が供給された場合に、第２パイロット室６６内の操作用流体の圧力に応じた閉弁側作動圧力がピストン１８の第２受圧面７６に付与される。

つまり、図９に示す複動タイプの流体制御弁１０では、図１〜図６に示すノーマルクローズタイプの流体制御弁１０と同様に、第１パイロット室６４の操作用流体を絞り流路１０４及び開口８６を介して排出することができ、上記の作用効果を同様に得ることが可能である。

次に、図１０〜図１４を参照しつつ、第２実施形態に係る流体制御弁１２０について説明する。流体制御弁１２０は、上記のようにピストン１８の外周側に設けられた絞り部７０に代えて、ピストン１８及びバルブボディ１６の両方に設けられた絞り部１２２を備える。具体的には、図１１〜図１３に示す第２実施形態に係る流体制御弁１２０と、図２及び図３に示す第１実施形態に係る流体制御弁１０とは、ピストン本体部６０の第１受圧面６８側の形状と、フランジ部５８の矢印Ｙ１側の形状とがそれぞれ異なることを除いて、同様に構成されている。

図１１〜図１３に示すように、ピストン１８の第１受圧面６８（受圧面）は、その外周側に設けられた外周側受圧面１２４と、内周側に設けられた内周側受圧面１２６とを有する。外周側受圧面１２４と内周側受圧面１２６との間には、面方向が摺動方向（矢印Ｙ１、Ｙ２方向）に沿うピストン段差面１２８が形成されている。

第１パイロット室６４の内壁を構成するフランジ部５８の矢印Ｙ１側の端面には、外周側受圧面１２４に対向する外周側対向面１３０と、内周側受圧面１２６に対向する内周側対向面１３２とが設けられている。また、外周側対向面１３０と内周側対向面１３２との間には、矢印Ｙ１、Ｙ２方向に沿う内壁段差面１３４が形成されている。この内壁段差面１３４には、第１パイロットポート８４の開口８６が設けられている。すなわち、第１パイロットポート８４と開口８６との間には、フランジ部５８を矢印Ｘ１、Ｘ２方向に沿って貫通する貫通路１３６が設けられている。

なお、フランジ部５８の貫通路１３６が設けられた部位は、図１４に示すように、バルブボディ１６の第１ハウジング２８とは別体として形成された後に、第１ハウジング２８と一体化されることでバルブボディ１６を構成してもよい。

絞り部１２２は、ピストン段差面１２８及び内壁段差面１３４に設けられる。ピストン段差面１２８は、ピストン１８が開弁位置（図１１）から閉弁位置側に変位することで、内壁段差面１３４に近づく。そして、図１２に示すように、ピストン１８が開弁位置から閉弁位置側に向かって所定距離変位すると、ピストン段差面１２８と内壁段差面１３４とが対向し始める。このようにして互いに対向したピストン段差面１２８及び内壁段差面１３４の間に、開口８６と第１パイロット室６４とを連通するとともに、開口８６の面積よりも小さい流路断面積を有する第１絞り流路１３８（絞り流路）が形成される。これによって、第１パイロット室６４から排出される操作用流体の排出流量を低減させることができる。

図１３に示すように、さらにピストン１８が閉弁位置に近づくと、ピストン段差面１２８は、開口８６の全体及び内壁段差面１３４の開口８６の周辺部１４０を覆う。この周辺部１４０とピストン段差面１２８との間には、開口８６と第１パイロット室６４とを連通するとともに、開口８６の面積よりも小さい流路断面積を有する第２絞り流路１４２（絞り流路）が形成される。これによって、第１パイロット室６４から排出される操作用流体の排出流量をさらに低減させることができる。

上記のように構成される第２実施形態に係る流体制御弁１２０では、ピストン１８を閉弁位置側に変位させる際、第１絞り流路１３８（図１２）と、第２絞り流路１４２（図１３）とが段階的に形成される。これによって、弁体２２が弁座２０に着座する前に、ピストン１８の変位速度を効果的に低減させることができるため、より確実に小さい速度で弁体２２を弁座２０に着座させて、着座時の衝撃を低減することが可能になる。

また、第１絞り流路１３８及び第２絞り流路１４２の両方を介して第１パイロット室６４から操作用流体を排出することができるため、上記のようにして上昇させた第１パイロット室６４の内圧を速やかに低下させることができる。従って、閉弁側作動圧力を大きくすることなく、換言すると、ピストン１８やシリンダ室１４の径等を大きくすることなく、ピストン１８を閉弁位置まで変位させることができる。

以上から、第２実施形態に係る流体制御弁１２０によっても、第１実施形態に係る流体制御弁１０と同様に、流体制御弁１２０が大型化することを抑制しつつ、小さい速度で弁体２２を弁座２０に着座させて着座時の衝撃を低減させることが可能になる。

また、図１１〜図１４に示すように、流体制御弁１２０は、ノーマルクローズタイプであることとしたが、第２実施形態においても第１実施形態と同様に、流体制御弁１２０を図１５に示すようにノーマルオープンタイプとしてもよく、図１６に示すように複動タイプとしてもよい。

本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

例えば、上記の第１実施形態及び第２実施形態に係る流体制御弁１０、１２０は、インジケータ７８を備えることとしたが、インジケータ７８を備えていなくてもよい。この場合、第２ハウジング３０には、インジケータ挿通孔９６に代えて、端面３０ａに開口しない有底孔（不図示）が形成されていてもよい。また、流体制御弁１０、１２０は、インジケータ７８に代えて、例えば、ピストン１８のストローク量を調整すること等によって、流路１２を流通する被制御流体の流量を調整可能とする流量調整機構等（不図示）を備えていてもよい。さらに、流体制御弁１０、１２０が、インジケータ７８及び流量調整機構を選択的に備えることが可能となるように、インジケータ挿通孔９６を、インジケータ７８と流量調整機構とを共通して取り付け可能な構成としてもよい。

１０、１２０…流体制御弁 １２…流路
１４…シリンダ室 １６…バルブボディ
１８…ピストン ２０…弁座
２２…弁体 ２４…付勢部材
６４…第１パイロット室 ６６…第２パイロット室
６８…第１受圧面 ７０、１０６、１２２…絞り部
８４…第１パイロットポート ８６…開口
１０３、１４０…周辺部 １０４…絞り流路
１０８…凹部 １２４…外周側受圧面
１２６…内周側受圧面 １２８…ピストン段差面
１３０…外周側対向面 １３２…内周側対向面
１３４…内壁段差面 １３８…第１絞り流路
１４２…第２絞り流路

Claims (7)

1. 被制御流体の流路及びシリンダ室が設けられたバルブボディと、作動圧力を受けて前記シリンダ室内を摺動方向に沿って摺動するピストンと、前記ピストンと一体に変位することで前記流路に設けられた弁座に対し離間又は着座して前記流路を開閉する弁体と、を備える流体制御弁であって、
   前記シリンダ室の前記ピストンより前記摺動方向の一方側にパイロット室が設けられ、
   前記パイロット室の内壁には、前記パイロット室に流体を給排可能なポートの開口が設けられ、
   前記ピストンが前記弁体を前記弁座から離間させる開弁位置にあるとき、前記パイロット室には前記流体が収容され、
   前記パイロット室内の前記流体は、前記ピストンが前記弁体を前記弁座に着座させる閉弁位置に向かって変位する際、前記開口を介して前記ポートに排出され、
   前記ピストン及び前記バルブボディの少なくとも一方には、前記ピストンが前記開弁位置から前記閉弁位置側に変位し始めた後、前記開口の面積よりも小さい流路断面積を有する絞り流路を前記ピストンと前記バルブボディとの間に形成する絞り部が設けられる、流体制御弁。
2. 請求項１記載の流体制御弁であって、
   前記絞り部は、前記パイロット室の内壁と摺動する前記ピストンの外周側に設けられ、前記ピストンが前記閉弁位置にあるとき、前記開口の全体及び前記パイロット室の内壁の前記開口の周辺部を覆い、
   前記周辺部と前記絞り部との間に、前記開口と前記パイロット室とを連通する前記絞り流路が形成される、流体制御弁。
3. 請求項２記載の流体制御弁であって、
   前記閉弁位置にある前記ピストンを前記開弁位置側に変位させる際、前記絞り部は、前記開口を介して前記パイロット室に流入する前記流体の圧力を受けて前記開口から離間する方向に変形可能である、流体制御弁。
4. 請求項３記載の流体制御弁であって、
   前記絞り部は、前記ピストンが前記閉弁位置にあるときに、前記開口の全体及び前記周辺部を覆う弾性片である、流体制御弁。
5. 請求項３又は４記載の流体制御弁であって、
   前記絞り部及び前記周辺部の少なくとも一方には、前記絞り部が前記周辺部を覆う際、前記パイロット室の内圧に関わらず前記絞り流路が形成された状態を維持する凹部及び凸部の少なくとも一方が設けられている、流体制御弁。
6. 請求項１記載の流体制御弁であって、
   前記ピストンは、前記パイロット室の内部で前記作動圧力を受ける受圧面を有し、
   前記受圧面は、その外周側に設けられた外周側受圧面と、内周側に設けられた内周側受圧面とを有し、前記外周側受圧面と前記内周側受圧面との間には、面方向が前記摺動方向に沿うピストン段差面が形成され、
   前記パイロット室の内壁には、前記外周側受圧面に対向する外周側対向面と、前記内周側受圧面に対向する内周側対向面とが設けられ、
   前記外周側対向面と前記内周側対向面との間には、内壁段差面が形成され、
   前記絞り部は、前記ピストン段差面及び前記内壁段差面に設けられ、
   前記ピストンが前記開弁位置から前記閉弁位置側に変位することで、互いに対向した前記ピストン段差面及び前記内壁段差面の間に前記絞り流路が形成される、流体制御弁。
7. 請求項６記載の流体制御弁であって、
   前記内壁段差面に前記開口が設けられ、
   前記ピストン段差面は、前記ピストンが前記閉弁位置にあるとき、前記開口の全体及び前記内壁段差面の前記開口の周辺部を覆い、
   前記周辺部と前記ピストン段差面との間には、前記開口と前記パイロット室とを連通する前記絞り流路が形成される、流体制御弁。

Images