JP2021001695A - リリーフ弁及びリリーフ弁の製造方法 - Google Patents

リリーフ弁及びリリーフ弁の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】簡易な装置構造でありながら、弁体が気体の圧力によって自動で適切に開閉動作するリリーフ弁とその製造方法を提供する。【解決手段】筒形状に形成されており、筒軸方向の一端側に開口する吸気口２ｂと、吸気口に連通する弁孔２ｊと、弁孔に連通する弁室２ｅとを有する弁箱２と、閉弁状態で弁孔を塞ぎ、吸気口から流入する気体の圧力により筒軸方向で浮上して弁孔を開放する弁体４と、弁体を弁孔に向けて付勢する付勢部材６と、を備えるリリーフ弁１において、少なくとも弁箱及び弁体が立体印刷造形体で形成されている。【選択図】図２

Description

本発明はリリーフ弁及びリリーフ弁の製造方法に関し、特に弁体の開閉動作に電気的な駆動源を使わずに、弁体が気体の圧力によって自動で開閉動作するリリーフ弁に関する。また本発明はそのリリーフ弁を利用する各種機器に関する。
本出願人は、脳神経細胞の過剰な放電が反復することで引き起こされる痙攣発作の起始から早期に痙攣を停止させる装置として、取り扱いが容易であり、患者に迅速な吸入麻酔を施すことができる麻酔薬吸入補助装置を提案している（特許文献１）。この麻酔薬吸入補助装置では、麻酔薬を霧化して空気や酸素ガスと混合した混合ガスを生成し、その混合ガスを弾性バッグの手動圧迫により、吸入マスク、人工鼻ユニット、チューブ等で構成される混合ガス導入通路を通じて患者に供給するようになっている。そして混合ガス導入通路のガス圧力が所定圧力に到達すると、リリーフ弁の弁体が弁座から離れて混合ガスの一部が排気口を通じて外部に排出されることから、患者の呼吸器に対して過剰な負担を与えることないように安全に使用することができる。
ＷＯ２０１２／１６５５４１
本出願人は、前述の麻酔薬吸入補助装置を実用化するための試作・改良を重ねてきたが、その結果、リリーフ弁の開弁状態を安定して維持することが実用化を成功させる一つの重要なキーファクターになるという知見に辿り着いた。即ち、従来のリリーフ弁は、弁箱の内部に半球状の腕状に形成した弁座を有しており、弁体は、弁座に着座した閉弁状態で混合ガスの流出が無いように、弁座との間に実質的に隙間が無いように半球状の突起として形成されている。ところが、弁座と弁体とが半球状である従来のリリーフ弁は、所定の設定圧力で開弁状態を得られるものの、開弁後に混合ガスが弁座と弁体の間を淀みなくすり抜けてしまい、弁体の半球状の突起を受圧面として混合ガスの圧力を受けて開弁状態を維持するのが難しいのである。
また本出願人は、麻酔薬吸入補助装置のキーデバイスとなる従来のリリーフ弁の改良を重ねる過程で、気体を作動機構として利用する様々な機器の調圧弁として応用できることに気が付き、その応用例を鋭意検討したものである。
以上のように従来のリリーフ弁を改善する過程でなされたのが本発明である。本発明の目的は、簡易な装置構造でありながら、弁体が気体の圧力によって自動で適切に開閉動作するリリーフ弁を提供することにある。
また、本発明はこのリリーフ弁を利用する各種の機器を提供することを目的とする。
上記目的を達成すべく、本発明は以下のように構成される。
即ち本発明は、筒形状に形成されており、筒軸方向の一端側に開口する吸気口と、前記吸気口に連通する弁孔と、前記弁孔に連通する弁室とを有する弁箱と、閉弁状態で前記弁孔を塞ぎ、前記吸気口から流入する気体の圧力により前記筒軸方向で浮上して前記弁孔を開放する弁体と、前記弁体を前記弁孔に向けて付勢する付勢部材と、を備えるリリーフ弁について、前記弁体は、前記閉弁状態で前記弁孔を閉止しており前記弁孔から流入する前記気体の圧力を受ける第１の受圧面部と、前記弁体が前記弁孔を開放する開弁状態で前記弁孔から前記弁室に流入する前記気体の圧力を受ける第２の受圧面部と、前記第２の受圧面部から前記弁箱の内周面に沿って筒状に伸長する周壁部と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、筒状の弁箱と、弁体と、付勢部材とを備える簡易な装置構造でありながら、弁体の開閉動作に電気的な駆動源を必要とせず、弁体が付勢部材によって弁孔を閉止する設定圧力を超える気体の圧力によって自動で開閉するリリーフ弁を実現することができる。
即ち、本発明の弁体は、閉弁状態で弁孔を閉止しており弁孔から流入する気体の圧力を受ける第１の受圧面部を有するため、閉弁状態では弁孔を閉塞する受圧面積の小さい第１の受圧面部が設定圧力を超える圧力を受けることでスムーズに開弁することができる。
そして、本発明の弁体は、前記弁体が前記弁孔を開放する開弁状態で前記弁孔から前記弁室に流入する前記気体の圧力を受ける第２の受圧面部と、前記第２の受圧面部を包囲しており前記弁箱の内周面に沿って筒状に伸長する周壁部とを有する。したがって、開弁後は、受圧面積が第２の受圧面部にまで増大するとともに、筒状の周壁部が第２の受圧面部を包囲することから、気体の圧力は減少しつつも第１の受圧面部と第２の受圧面部と周壁部とで圧力を受け続けることで、設定圧力まで開弁状態を安定して維持することができる。このように本発明のリリーフ弁によれば、弁体の開閉動作に電気的な駆動源を必要としない簡易な装置構造でありながら、気体の圧力によって弁体が自動で開閉するリリーフ弁を実現することができる。
前記本発明は、前記弁箱の前記筒軸方向の他端側に、前記弁体を付勢する前記付勢部材を押圧して前記弁体が前記弁孔を開放する作動圧を可変とする調圧部材をさらに備えることができる。そしてその調圧部材は、前記弁室と連通する排気口が開口する操作面を有するように構成できる。
これによれば、調圧部材によって付勢部材に対する押圧程度を変えることで弁体の作動圧を容易に変えることができる。例えば本発明のリリーフ弁を人工呼吸器に用いる場合、患者が気管支炎による腫脹、腫瘍などにより気道が狭窄し肺の拡張に左右差があるときには連続的な高圧人工呼吸が必要とされるが、調圧部材を操作することで両肺がきちんと動く程度に弁体の作動圧を調節することができる。
また、調圧部材は弁室と連通する排気口が開口する操作面を有することで、リリーフ弁の操作者が指で操作面の排気口の一部を塞いで排気口の通気面積を少なくする簡易な操作で、弁体が開く作動圧（開弁圧）を高くする圧力調整ができて便利である。
前記調圧部材は一例として、弁箱から突出するハンドルと、締付け量に応じて付勢部材に対する押圧程度を調整可能なねじ部とを備えるものとすることができる。これによれば、弁箱から突出するハンドルを回転させる容易な操作によって、ねじ部による締付け量が変化して付勢部材に対する押圧程度を変えることが可能である。
前記本発明の弁箱は、前記筒軸方向の一端側を閉塞するとともに前記弁室に通じる排気口が開口する操作面を形成した天井壁を有するように構成できる。
これによれば、前述の調圧部材に設けた排気口を有する操作面と同様に、排気口の通気面積を換える簡単な操作で、弁体の作動圧を高くする圧力調整を行うことができる。また、リリーフ弁の使用者が筒状の弁箱の外周面を手で掴んでも天井壁の排気口を塞ぐことがないため、使用時の安全性を確保することができる。
前記本発明の操作面は、溝面が前記排気口に繋がる凹状の通気溝を有するように構成できる。
これによれば、操作面に開口する通気溝の上端開口を指で塞いでしまっても、通気溝をなす凹状の溝面は排気口に連通しているため完全に排気口が遮断されることがない。また、様々な使用状況において、通気溝が開口する操作面の全面が例えば壁面、身体の一部、衣類、枕などと密着して意図せず塞がれてしまっても、通気溝によって排気路が確保されるため、完全に排気が遮断されてしまうことがない。
また、弁箱の外周を手で掴み、親指や人差し指で操作面に開口する通気溝の上端開口を開閉できるので、操作性良く弁体の作動圧を調整することができる。
こうしたリリーフ弁を、例えば人工呼吸器に用いる際、喀痰や異物による気管または気管支閉塞、喀痰吸引による肺虚脱（無気肺）時など肺の拡張に左右差がある場合に、空気が通り難くなっている肺を膨らませるために一時的に高い圧力をかけて空気を送り込む必要があるときに好適に使用することができる。そして、通気溝があるため操作面に開口する通気溝の上端開口を指で塞いでも完全に排気が遮断されることがないので、肺を過剰に膨張させてしまうようなこともなく、安全に使用することができる。
前記本発明の弁箱は、前記筒軸方向における一方側から他方側に向けて拡径するテーパー壁を有するように構成できる。
これによれば、弁箱が筒軸方向における一方側から他方側に向けて拡径するテーパー壁を有するため、安価な熱溶解積層タイプの３Ｄプリンタのような立体造形装置でも、支持柱を一切用いずに弁箱を造形することが可能となる。テーパー壁は、弁箱の筒軸方向における全長に亘るものでもよいし又は一部であってもよい。
前記本発明の弁体の周壁部は、前記弁箱の前記内周面と対向する外周縁に湾曲面部を有するように構成できる。
これによれば、弁体が開閉動作する際にその中心がずれたり斜めに傾いたりしても周壁部の外周縁が湾曲面部であるため、周壁部が弁箱の内周面に引っ掛からず適切に開閉させることができる。
前記本発明のリリーフ弁は、弁体に挿通されており弁体の開閉動作を支持する弁軸を備えることができる。弁体を弁軸に沿って変位させることができるので、弁体を確実に開閉動作させることができる。ただし本発明のリリーフ弁において弁軸は必須ではなく、弁体は弁箱の弁室を軸方向に沿って変位可能なものとして構成することができる。この場合には、特に弁体の周壁部には前記湾曲面部を有するのが好ましい。弁軸が無いと、開閉動作の際に弁体の中心がずれたり、弁体が傾きやすく、弁箱の内周面に引っ掛かりやすくなるが、前記湾曲面部を有する弁体であれば引っ掛からず、弁軸が無くても安定して作動することができる。
前記本発明のリリーフ弁は、弁体の周壁部と弁箱の内周面との間に通気間隙を有することができる。
本発明によれば、弁体の周壁部と弁箱の内周面との間に通気間隙を有するので、弁体が変位する際に弁箱の内周面と接触することなく、円滑に開閉動作を行うことができる。また、通気間隙を周壁部の全周に亘って均一なものとすれば、周壁部の全周に亘って偏りなく気体を通気間隙へ逃がすことができるため、気体の通路が偏在することで変位する弁体の姿勢が崩れるのを防ぐことができる。
以上のような本発明のリリーフ弁は、次のような様々な機器装置に応用することが可能である。
即ち本発明は、前記本発明のリリーフ弁を人工呼吸弁として備える人工呼吸器を提供する。
また本発明は、前記本発明のリリーフ弁を人工呼吸弁として備える吸入麻酔器を提供する。
これらの人工呼吸器及び吸入麻酔器によれば、空気が肺に流入して圧力が高まると自動開弁し、肺がしぼんで圧が下がると自動閉弁することができ、エアーコンプレッサーなどから、一定流量の空気・酸素を流すことで、安定した呼吸サイクルを得ることができる。そしてその動力源は空気圧であり電気や電子部品を用いていないので、水に濡れても故障することがない。また、プラスチックを用いれば、低コストで量産することも可能である。
さらに本発明は、人体の所定の部位にあてがったり、沿わせたり、包み込んだりすることで、人体の所定部位に接触して気体により膨張・収縮変形可能な気室部材と、気室部材に気体を供給する気体供給装置と、気体供給装置と気室部材とを連通する通気管と、通気管に接続した前記本発明のリリーフ弁と、を備える運動支援装置を提供する。
前記気室部材はクッション体とすることができ、具体的には気密なゴム製の袋体とすることができる。なお、ゴム製の袋体には使用感等を考慮して布製のカバーを装着することができる。
この運動支援装置によれば、気室部材を本発明のリリーフ弁の開弁圧に応じて膨張・収縮変形させることができる。こうした気室部材を人体の所定部位に接触させることで人体の所定部位を他動運動させたり、揉んだりすることができる。
より具体的には、本発明の運動支援装置によって、気室部材の膨縮変形により人体の各種部材を他動運動させることによる上肢、下肢の近位部・遠位部、体幹、掌、頚部などの拘縮予防、血行の改善による褥瘡予防、深呼吸の補助（気室部材の膨縮変形による上肢の挙上運動により肋間筋を広げて、胸式呼吸を補助できる。気室部材の膨縮変形による下肢、体幹の運動により腹部臓器を移動させ、間接的に横隔膜を動かすことで腹式呼吸を補助できる。）、リラックス効果（膨縮変形する気室部材を抱きしめて呼吸リズムを感じることで脳の興奮状態を抑えるリラックス状態に近づけることが出来る。）を得ることができる。また、緊急災害時におけるバックアップ用の人工呼吸器としても活用できる。
そして本発明は、前記本発明のリリーフ弁を有する管材を備える機器を提供する。
この機器の一例として本発明は、浄化槽内の処理対象物を曝気するエアレーション管に連結したブロワを備え、前記エアレーション管に本発明のリリーフ弁を備える浄化処理装置を提供する。
これによればリリーフ弁の開閉音によりエアレーション管の詰まりによる異常昇圧を知らせることができるので、ブロワの破損を防ぐことができる。
また、他の機器の一例として本発明は、前記本発明のリリーフ弁を通気路に有するダイビングレギュレータを提供する。
これによれば、リリーフ弁は空気が肺に流入して圧力が高まると自動開弁し、肺がしぼんで圧が下がると自動閉弁することができるため、ダイビングレギュレータに自動人工呼吸機能を付加することができ、スキューバダイビング中の緊急時における救命率を高めることができる。そしてリリーフ弁の動力源は空気圧であり電気や電子部品を用いていないので、水に濡れても故障することがなく、水中でも安定した動作を実現できる。また、プラスチックを用いれば、低コストで量産することも可能である。
本発明のリリーフ弁とそれを備える各種機器によれば、簡易な装置構造でありながら、弁体の開閉動作に電気的な駆動源を必要とせず、設定圧力を超える気体の圧力の作用によって弁体が自動でスムーズに開弁し、開弁後は設定圧力まで弁体の開弁状態を安定して維持することができる。
第１実施形態のリリーフ弁の正面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿うリリーフ弁の閉弁状態の断面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿うリリーフ弁の開弁状態の断面図。 図３に続くリリーフ弁の閉弁動作を示す断面図。 第２実施形態のリリーフ弁の説明図であり、分図（ａ）は平面図、分図（ｂ）はＶｂ−Ｖｂ線に沿う正面視による半断面図。 コイルばねを製造する支持体の説明図であり、分図（ａ）は正面図、分図（ｂ）はコイルばねを形成した状態の正面図。 Ｖｂ−Ｖｂ断面による図５のリリーフ弁の動作説明図。 リリーフ弁を備える機器として運動支援装置の概要構成を示す説明図。 リリーフ弁を備える機器として浄化処理装置の概要構成を示す説明図。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
１．リリーフ弁の実施形態
第１実施形態〔図１〜図４〕
〔リリーフ弁１の構造の説明〕
リリーフ弁１は、弁箱２と、「調圧部材」としてのハンドル３と、弁体４と、弁軸５と、「付勢部材」としてのコイルばね６とを備えている。本実施形態では、これらのうち弁軸５とコイルバネ６は金属材または樹脂成形体で形成されており、その他の部材はいずれも樹脂成形体で形成されている。勿論リリーフ弁１はすべて金属材にて形成することが可能である。しかしながら、リリーフ弁１のすべての部品を樹脂成形体にすることで、低コストで製造可能であり、また、例えば患者がリリーフ弁１を備える人工呼吸器を使用している場合には、ＭＲＩの検査時にも持ち込むことが可能であり、レントゲン検査時にリリーフ弁が画像に写り込まないという効果がある。
弁箱２は、樹脂成形体にて形成されており、有底円筒状の本体部２ａと、本体部２ａの底壁から小径で同心円筒状に突出する吸気口２ｂとが形成されている。
本体部２ａは、周壁２ｃと底壁２ｄとを有しており、その内部には弁室２ｅが形成されている。周壁２ｃの一端側の内周面には雌ねじ部２ｆが形成されている。この雌ねじ部２ｆにはハンドル３の雄ねじ部３ａが螺合する。周壁２ｃの軸方向中央には、略楕円形状の貫通孔でなる排気口２ｇが形成されており、弁室２ｅと外部と連通している。周壁２ｃの他端側に位置する底壁２ｄには、弁室２ｅに向けて円筒状に突出する弁座突起２ｈが形成されており、その先端は閉弁状態の弁体４が着座する弁座２ｉとなっている。弁座２ｉの内側には弁孔２ｊが開口しており、吸気口２ｂと連通している。
ハンドル３は、前述のように弁箱２に取付けられており、弁箱２から突出する断面Ｔ字状の操作部３ｂを有しており、ここを掴んで回転操作することで弁箱２に対するハンドル３の螺合の程度を調整することができる。ハンドル３には軸方向に沿って弁軸５の取付孔３ｃが貫通形成されており、ここに挿通された弁軸５はその内部で図外のイモねじや接着剤等により抜け止めされている。ハンドル３の操作部３ｂの反対側には、弁室２ｅに向けて円筒状に突出するコイルばね６の収容部３ｄが形成されており、弁室２ｅの内部で弾性変形するコイルばね６の一端側を確実に保持できるようにしている。
弁体４は、円錐台状に突出する支持突起４ａと、支持突起４ａの底面から側方に円環状に広がるフランジ部４ｂと、フランジ部４ｂから下方に円筒状に突出する周壁部４ｃとが形成されている。支持突起４ａはコイルばね６の他端側に挿入されており、これによって弾性変形するコイルばね６の他端側を確実に保持できるようにしている。
支持突起４ａとフランジ部４ｂの裏面には、円柱状に突出しており弁座２ｉに着座する着座部４ｄが形成されている。着座部４ｄと周壁部４ｃのフランジ部４ｂから突出高さを比べると、周壁部４ｃの方が高く突出している。したがってフランジ部４ｂの裏面と着座部４ｄは周壁部４ｃによって取り囲まれており、その内側全体が弁室２ｅに流入する気体の圧力を受ける大きな受圧面を形成している。弁体４には軸方向に沿って弁軸５の挿通孔４ｅが形成されており、弁体４はこの弁軸５に沿って弁室２ｅの内部で開弁状態、閉弁状態へと変位できるようになっている。
このように開閉動作する弁体４の裏面全体、即ち底壁２ｄと対向する着座部４ｄの表面、フランジ部４ｂの底面、周壁部４ｃの内周面は、前述のように開弁状態で気体の圧力を受ける大きな受圧面となっている。このうち着座部４ｄが弁座２ｉに着座する閉弁状態で弁孔２ｊに露出する着座部４ｄの表面部位は、閉弁状態で気体の圧力を受ける第１の受圧面部４ｆとなっている。そして、弁体４の裏面のうち、第１の受圧面部４ｆを除く部分が、開弁状態で弁孔２ｊから弁室２ｅに流入する気体の圧力を受ける第２の受圧面部４ｇとなっている。具体的には、着座部４ｄのうち第１の受圧面部４ｆ以外の表面と、フランジ部４ｂの底面と、周壁部４ｃの内周面が第２の受圧面部４ｇとなる。
軸方向に開閉する弁体４の変位をガイドする弁軸５は、前述のように上端側がハンドル３に固定されており、下端は弁孔２ｊに到達する長さで形成されている。弁軸５は、ハンドル３を回転操作することで軸方向に移動しても、その下端が弁孔２ｊから弁室２ｅの内部に出ない長さとされている。ハンドル３の位置に拘わらず弁体４を確実に支持するためである。弁軸５の下端には頭部５ａが形成されており、弁体４が落下しないようにしている。
コイルばね６は、弁体４を閉弁状態に付勢するばね力を発揮し、弁体４が開く開弁圧は弁体４により押圧されるコイルばね６の反発力によって調整される。即ち弁体４の開弁圧は、ハンドル３を締めてコイルばね６を圧縮させることで高くなり、ハンドル３を緩めることでコイルばね６に対する予圧を減らすことで小さくすることができ、その調整の程度はリリーフ弁１を使用する対象に応じて決めることになる。
〔リリーフ弁１の動作説明〕
次に、リリーフ弁１の動作を説明する。吸気口２ｂに気体が供給されて弁体４の第１の受圧面部４ｆに作用する圧力が高くなると、弁体４を押す力が大きくなり、コイルばね６のばね力によって設定される開弁圧を超えると、弁体４は一気に弁座２ｉから離間して開弁状態となる。
開弁状態になると、図３で示すように、弁体４は、第１の受圧面部４ｆに加えて第２の受圧面部４ｇにおいても弁孔２ｊから流入する気体の圧力を受けることでコイルばね６のばね力に抗しつつ押し上げられ、弁軸５に沿ってフランジ部４ｂがハンドル３の収容部３ｄの先端に突き当たるまで変位する。このとき弁体４の周壁部４ｃと弁箱２の周壁２ｃの内周面との間には通気間隙７が形成されていることから、弁体４は周壁２ｃの内周面と摺動せずにスムーズに変位することができる。また本実施形態の通気間隙７は、周壁部４ｃの全周に亘って均一な隙間として形成されているため、周壁部４ｃの周方向に沿う各所において偏りなく気体を通気間隙７へ逃がすことができる。したがって気体の通路が偏在することで、変位する弁体４の姿勢が崩れるのを防ぐことができる。
また、図３で示す開弁状態では、弁体４は、弁孔２ｊから流入する気体の圧力を受ける受圧面積が第１の受圧面部４ｆに加えて第２の受圧面部４ｇにまで拡大するとともに、第１の受圧面部４ｆと第２の受圧面部４ｇが高さのある周壁部４ｃによって取り囲まれていることから、気体の圧力は減少しつつも弁体４の裏面全体で圧力を受け続けることで、弁体４の開弁状態を安定して維持することができる。さらに弁体４の周壁部４ｃが弁箱２の排気口２ｇを部分的に塞ぐように位置しており、弁体４の裏面から排気口２ｇへ流れる気体や、弁体４のフランジ部４ｂの上面から排気口２ｇへ流れる気体を、弁箱２の外部に排出し難くしている。これにより弁室２ｅの内部から気体が直ぐに排出されて弁体４の開弁状態を維持する圧力が急激に減少することが抑制されて、前述した弁体４の開弁状態がさらに安定して維持される。
こうして徐々に排気口２ｇから気体が排出されていくと、図４で示すように、コイルばね６によって徐々に弁座２ｉに向けて押し下げられて、その圧力がコイルばね６のばね力によって設定される開弁圧を下回ると、弁体４はコイルばね６によって付勢されて弁座２ｉに着座して閉弁状態になる。
以上がリリーフ弁１の開閉動作である。したがってリリーフ弁１によれば、弁体４の開閉動作に電気的な駆動源を必要としない簡易な装置構造でありながら、コイルばね６の反発力による開弁圧を超える気体の圧力の作用によって弁体４が自動でスムーズに開弁し、開弁後は設定圧力まで弁体４の開弁状態を安定して維持することができる。
第２実施形態〔図５〜図７〕
〔リリーフ弁８の構造の説明〕
第２実施形態のリリーフ弁８は、弁箱９と、「調圧部材」としてのハンドル１０と、弁体１１と、「付勢部材」としてのコイルばね１２とを備えている。本実施形態では、第１実施形態の弁軸５は備えておらず、部品点数を削減している。本実施形態のリリーフ弁８は、そのすべての構成部品を３Ｄプリンタを活用して製造することが可能である。したがってリリーフ弁８は低コストで容易に製造できる利点がある。もちろん金型成形による樹脂成形体として構成することも可能であり、また部品の一部（例えばコイルばね１２）を金属材にて構成することも可能である。
弁箱９は、円筒状に形成されており、本体部９ａと吸気筒９ｂとを有している。本体部９ａは筒軸方向に亘って内径と外径が一定の円筒形状に形成されている。本体部９ａの一端側の内周面には雌ねじ部９ｃが形成されており、ハンドル１０の雄ねじ部１０ａと螺合し、締め付け量によってコイルばね１２による弁体１１への付勢力を調整することができる。また、本体部９ａの他端側には円筒状の弁座９ｄを有する隔壁９ｄが形成されている。吸気筒９ｂの内部に面する隔壁９ｄの下面、換言すると吸気筒９ｂの上端側内周面にはテーパー壁９ｆ１が形成されている。
弁箱９の吸気筒９ｂは、気体が流入する部位である。本体部９ａに隣接する吸気筒９ｂの上端側外周面にはテーパー壁９ｆ２が形成されている。第１実施形態の弁箱２９の外面と内面には、本体部２ａと吸気口２ｂとの間に径方向に伸長する底壁２ｄによる段差面が形成されているが、こうした形状を３Ｄプリンタで形成するのは困難である。しかしながら本実施形態の弁箱９では吸気筒９ｂの外周面にそうした段差面を解消するテーパー壁９ｆ２を設けるとともに、隔壁９ｄにも前述したテーパー壁９ｆ１を設ける形状とすることで、支柱がなくても３Ｄプリンタで積層造形することが可能である。このような形状によって弁箱９は積層印刷造形体として形成することができる。
ハンドル１０は、中心軸に沿って排気口１０ｂが形成されている。ハンドル１０に排気口１０ｂが設けられているため、弁箱９に排気口が無い点が第１実施形態と異なっている。
ハンドル１０の排気口１０ｂが開口する上面は操作面１０ｃとなっており、操作面１０ｃには排気口１０ｂを中心として放射状に伸長する凹状の通気溝１０ｄが形成されている。通気溝１０ｄは、中心側端部が排気口１０ｂに連通しており、通気溝１０ｄの外周側端部がハンドル１０の外周面に開口している。リリーフ弁８の操作者が操作面１０ｃに指を当てて通気溝１０ｄの上端開口を塞いで通気面積を少なくする簡易な操作で、弁体１１が開く作動圧（開弁圧）を高くする圧力調整ができて便利である。その一方で、操作面１０ｃに指を当ててすべての通気溝１０ｄの上端開口を塞いでも通気溝１０ｄの溝底は一端側が排気口１０ｂに連通しており、他端側がハンドル１０の外周面に開口しているため、完全に排気が遮断されてしまうことはなく安全である。また、様々な使用状況で例えば通気溝１０ｄの上端開口が壁面、体の一部、衣類、枕などと密着して意図せず塞がれてしまっても、通気溝１０ｄによって排気路が確保されるため完全に排気が遮断されず安全である。
ハンドル１０の操作面１０ｃと反対側の面には円錐状に窪む凹部１０ｅが形成されている。これはコイルばね１２の中心軸をリリーフ弁８の中心軸に位置決めするためのものである。
弁体１１は、コイルばね１２の他端側が当接する円形状のベース部１１ａと、ベース部１１ａから側方に円環状に広がるフランジ部１１ｂと、フランジ部１１ｂから下方に円筒状に突出する周壁部１１ｃとが形成されている。
ベース部１１ａには、コイルばね１２の他端側が接触して付勢を受ける押圧受け面１１ｄが形成されている。その反対面には弁座９ｄに当接する円形の着座部１１ｅが形成されている。着座部１１ｅは球面状に窪む凹面として形成されている。着座部１１ｅを凹面ではなく平面にすると、３Ｄプリンタは着座部１１ｅを幅方向で直線的に往復する積層印刷により造形するため、微少な凹凸が連続する波状の平面として形成されてしまう。そうすると、凹凸の凸部が弁座９ｄに接触し凹部から空気漏れが生じてしまい、弁体１１が適切に作動しないという問題がある。しかしながら、本実施形態の着座部１１ｅのように球面状に窪む凹面として形成すると、３Ｄプリンタは同心円状に積層印刷して着座部１１ｅを形成するため、上記のような空気漏れの問題が生じることがないのである。
周壁部１１ｃには、フランジ部１１ｂの側と先端側とに湾曲面部１１ｆが形成されている。これにより弁体１１が開閉動作した際にその中心がずれたり斜めに傾いたりしても、弁体１１の周壁部１１ｃの外周縁が弁箱９の内周面に引っ掛からずに、適切に開閉動作させることができる。また、周壁部１１ｃと弁箱９との間には第１実施形態と同様の技術的意義を有する通気間隙７が形成されている。
着座部１１ｅと周壁部１１ｃとのフランジ部１１ｂからの突出高さを比べると、周壁部１１ｃの方が高く突出している。したがってフランジ部１１ｂの裏面と着座部１１ｅは周壁部１１ｃにより包囲されており、その内側全体が弁室９ｈに流入する気体の圧力を受ける大きな受圧面を形成している。このうち着座部１１ｅが弁座９ｄに着座する閉弁状態で弁孔９ｉに露出する着座部１１ｅの表面部位は、閉弁状態で気体の圧力を受ける第１の受圧面部１１ｇとなっている。そして、弁体１１の裏面のうち、第１の受圧面部１１ｇを除く部分が、開弁状態で弁孔９ｉから弁室９ｈに流入する気体の圧力を受ける第２の受圧面部１１ｈとなっている。具体的には、着座部１１ｅのうち第１の受圧面部１１ｇ以外の表面と、フランジ部１１ｂの底面と、周壁部１１ｃの内周面が第２の受圧面部１１ｈとなる。
コイルばね１２は、ハンドル１０側が大径となっており、弁体１１側が小径となっている。即ち、コイルばね１２は円錐ばねとして形成されている。弁体１１側を小径としているのは、弁体１１の押圧受け面１１ｄの中心側を押圧するためである。弁体１１の中心側を押圧することによって、弁体１１の着座部１１ｅを確実に弁座９ｄに押しつけることができる。したがってコイルばね１２の弁体１１側の外径は弁体１１の着座部１１ｅの直径よりも小さくされている。
コイルばね１２を３Ｄプリンタで立体造形するのは非常に困難であるが、本実施形態のコイルばね１２は次のように３Ｄプリンタを活用して製造できる。即ち、図６（ａ）で示すような支持体１３を３Ｄプリンタで立体造形する。支持体１３の外周面にはコイルばね１２の形状の螺旋溝１３ａが形成されており、そこにはコイルばね１２の材料となる樹脂製のフィラメントが巻き付けられる。螺旋溝１３ａの下端には、巻き付けたフィラメントが緩まないようにするためにフィラメントを挟み込むスリットが形成されている。そして螺旋溝１３ａに沿って３Ｄプリンタ用のフィラメントを巻き付けて固定し、材料に適した所定時間の間加温することで、図６（ｂ）で示すように支持体１３の螺旋溝１３ａに沿ってコイルばね１２が形成される。ここで使用するフィラメントとしてはＡＢＳ樹脂が好ましい。人の呼気による加温を受けても、ばね弾性力に変化が少ないためである。コイルばね１２の形成後は、スリットから出ているフィラメントの余分な部分を切り取るようにすればよい。このように３Ｄプリンタを活用する簡易な製造方法でコイルばね１２も製造することが可能である。
〔リリーフ弁８の動作説明〕
リリーフ弁８は、吸気筒９ｂに気体が供給されて弁体１１の第１の受圧面部１１ｇに作用する圧力がコイルばね１２の開弁圧を超えると、弁体１１は弁座９ｄから浮上して開弁状態となる（図７）。
開弁状態になると、弁体１１は、第１の受圧面部１１ｇに加えて第２の受圧面部１１ｈによっても気体の圧力を受けつつ、さらに浮上するように変位する。このとき弁体１１の周壁部１１ｃと弁箱９の本体部９ａの内周面との間には通気間隙７が形成されている。そのため弁体１１はスムーズに変位することができる。また通気間隙７は、周壁部１１ｃの全周に亘って均一な隙間として形成されているため、周壁部１１ｃの周方向に沿う各所において偏りなく気体を通気間隙７へ逃がすことができる。したがって気体の通路が偏在することで、変位する弁体１１の姿勢が崩れるのを防ぐことができる。
また、図７で示す開弁状態では、弁体１１は、弁孔９ｉから流入する気体の圧力を受ける受圧面積が、第１の受圧面部１１ｇに加えて第２の受圧面部１１ｈにまで拡大する。これとともに第１の受圧面部１１ｇと第２の受圧面部１１ｈが周壁部１１ｃによって包囲されているため、気体の圧力は減少しつつも弁体１１の裏面全体で圧力を受け続けることで、弁体１１の開弁状態を安定して維持することができる。さらにコイルばね１２が縮むように変形することで、弁室９ｈから排気口１０ｂへの気流の流れを阻害する。このため弁室９ｈの急激な減圧が抑制され、弁体１１の開弁状態をさらに安定して維持することができる。
徐々に排気口１０ｂから気体が排出されていくと、コイルばね１２によって徐々に弁座９ｄに向けて押し下げられて、その圧力が開弁圧を下回ると、弁体１１は弁座９ｄに着座して閉弁状態になる。
リリーフ弁８によれば、弁体１１の開閉動作に電気的な駆動源を必要としない簡易な装置構造でありながら、コイルばね１２の反発力による開弁圧を超える気体の圧力の作用によって弁体１１が自動でスムーズに開弁し、開弁後は設定圧力まで弁体１１の開弁状態を安定して維持することができる。
また、本実施形態のリリーフ弁８は、コイルばね１２を除きすべての部品を３Ｄプリンタによる立体印刷造形体として製造することが可能である。コイルばね１２も３Ｄプリンタにより治具となる支持体１３を製造し、３Ｄプリンタ用のフィラメントを材料として容易に製造することができる。したがって本実施形態のリリーフ弁８は３Ｄプリンタがあれば容易に製造することができる。
実施形態の変形例
第１実施形態のリリーフ弁１、第２実施形態のリリーフ弁８については様々な変形実施が可能であるため、その一例を説明する。
第１実施形態のリリーフ弁１については、ハンドル３を省略して、弁箱２にその上端開口を閉塞する天井壁を設けることができる。この場合には弁箱２の外周面に設ける排気口２ｇを無くして、天井壁を貫通する排気口を設けるとともに、第２実施形態と同様に天井壁の上面に溝底が排気口に連通する通気溝を設ける。この天井壁の上面は本発明の「操作面」を構成することとなる。
第２実施形態のリリーフ弁８のハンドル１０に設けた通気溝１０ｄは８本とする例を示したが、それより少なくても多くても良い。また、ハンドル１０に設けた凹部１０ｅは球面状とする例を示したが段差を有する凹部としてもよい。さらに、弁体１１にも凹部１０ｅと同様の機能を有するコイルばね１２の弁体１１側の端部を位置決めする部位を設けてもよい。
２．リリーフ弁を備える機器の実施形態〔図８、図９〕
上記リリーフ弁１、８は、人工呼吸器に備えることができる。また、特許文献１として提示した本出願人の提案に係る麻酔薬吸入補助装置のリリーフ弁として備えることができる。これらの人工呼吸器及び吸入麻酔器によれば、空気が肺に流入して圧力が高まるとリリーフ弁１、８が自動開弁し、肺がしぼんで圧が下がるとリリーフ弁１、８が自動閉弁することができ、エアーコンプレッサーなどから、一定流量の空気・酸素を流すことで、安定した呼吸サイクルを得ることができる。そしてその動力源は空気圧であり電気や電子部品を用いていないので、水に濡れても故障することがない。また、プラスチックを用いれば、低コストで量産することも可能である。
運動支援装置〔図８〕
上記リリーフ弁１、８を備える機器の一例として、運動支援装置２０について説明する。図８で示すように、運動支援装置２０は、送気装置２１と、蛇腹形状の気室部材２２と、それらを繋ぐ通気管２３と、通気管２３に接続したリリーフ弁１、８とを備える。
リリーフ弁１、８は圧逃がし弁として動作し、蛇腹形状の気室部材２２は送気装置２１から送られてくる空気によって扇状に膨張変形し、内部の圧力が設定圧力を超えると、弁体４、１１が開弁状態となって通気管２３及び気室部材２２の空気を排気口２、１０ｂから外部に排出させる。これによって気室部材２２は収縮変形する。そして、設定圧力にまで低下すると、弁体４、１１が閉弁し、再び気室部材２２への空気が供給されて気室部材２２が膨張変形する。
このように膨張・収縮変形する気室部材２２を人体の所定部位に接触させることで他動運動させたり、揉んだりすることができる。より具体的には、運動支援装置２０によって、気室部材２２の膨縮変形により人体の各種部材を他動運動させることによる上肢、下肢の近位部・遠位部、体幹、掌、頚部などの拘縮予防、血行の改善による褥瘡予防、深呼吸の補助（気室部材の膨縮変形による上肢の挙上運動により肋間筋を広げて、胸式呼吸を補助できる。気室部材の膨縮変形による下肢、体幹の運動により腹部臓器を移動させ、間接的に横隔膜を動かすことで腹式呼吸を補助できる。）、リラックス効果（膨縮変形する気室部材を抱きしめて呼吸リズムを感じることで脳の興奮状態を抑えるリラックス状態に近づけることが出来る。）を得ることができる。
浄化処理装置〔図９〕
上記リリーフ弁１、８を備える機器の他の例として、浄化処理装置３０について説明する。図９で示すように浄化処理装置３０は、ブロワ３１と、エアレーション管３２と、エアレーション管３２に接続したリリーフ弁１、８とを備える。エアレーション管３２は、本実施形態では例えば汚物等の処理対象物を浄化処理する浄化槽３３の内部に連通している。そして浄化処理装置は、ブロワ３１が送風するエアーがエアレーション管３２によって浄化槽３３の内部に送り込まれ、浄化槽３３の内部の処理対象物を曝気することで、処理対象物中に混在する好気性の微生物の活動に必要なエアーを供給し、微生物が処理対象物を分解処理するようになっている。なお、浄化処理装置は、好気性の微生物は必須ではなく、ブロワ３１とエアレーション管３２によって浄化槽３３の内部の処理対象物を曝気により浄化処理する構成としてもよい。
このような浄化処理装置３０では、エアレーション管３２が異物により詰まってしまうと、ブロワ３１が異常昇圧により破損するおそれがある。しかしながら、エアレーション管３２にリリーフ弁１、８を設けることで、所定の設定値を超える異常昇圧が発生すると、弁体４、１１が開弁状態となってエアレーション管３２の圧力を開放して減圧し、またリリーフ弁１、８が開閉を繰り返してその開閉音により異常を知らせることができるので、エアレーション管３２の異常昇圧によるブロワ３１の破損を防止することができる。
ダイビングレギュレータ
上記リリーフ弁１、８を備える機器のさらに他の例として、ダイビングレギュレータについて説明する。スキューバダイビング中の意識障害や呼吸トラブルが発生した時のために、ダイバーは予備のレギュレーター（オクトパス）を所持している。しかしながらオクトパスには自動人工呼吸機能が備わっていないため、水中で再呼吸させることが出来ず、レスキュー行動は船上または地上に運んだ後からとなるため、救命が極めて難しかった。
これに対して本実施形態のダイビングレギュレータは、ダイビングレギュレータの通気路にリリーフ弁１、８を接続することで、ダイビングレギュレータに自動人工呼吸機能を付加したものである。リリーフ弁１、８は空気が肺に流入して圧力が高まると自動開弁し、肺がしぼんで圧が下がると自動閉弁することができるため、水中でも人工呼吸をすることができる。そしてリリーフ弁１，８の動力源は空気圧であり電気や電子部品を用いていないので、水に濡れても故障することがなく、水中でも安定した動作を実現できる。また、プラスチックを用いれば、低コストで量産することも可能である。
１ リリーフ弁（第１実施形態）
２ 弁箱
２ａ 本体部
２ｂ 吸気口
２ｃ 周壁
２ｄ 底壁
２ｅ 弁室
２ｆ 雌ねじ部
２ｇ 排気口
２ｈ 弁座突起
２ｉ 弁座
２ｊ 弁孔
３ ハンドル（調圧部材）
３ａ 雄ねじ部
３ｂ 操作部
３ｃ 取付孔
３ｄ 収容部
４ 弁体
４ａ 支持突起
４ｂ フランジ部
４ｃ 周壁部
４ｄ 着座部
４ｅ 挿通孔
４ｆ 第１の受圧面部
４ｇ 第２の受圧面部
５ 弁軸
５ａ 頭部
６ コイルばね（付勢部材）
７ 通気間隙
８ リリーフ弁（第２実施形態）
９ 弁箱
９ａ 本体部
９ｂ 吸気筒（吸気口）
９ｃ 雌ねじ部
９ｄ 弁座
９ｅ 隔壁
９ｆ１ テーパー壁
９ｆ２ テーパー壁
９ｇ 通気間隙
９ｈ 弁室
９ｉ 弁孔
１０ ハンドル（調圧部材）
１０ａ 雄ねじ部
１０ｂ 排気口
１０ｃ 操作面
１０ｄ 通気溝
１０ｅ 凹部
１１ 弁体
１１ａ ベース部
１１ｂ フランジ部
１１ｃ 周壁部
１１ｄ 押圧受け面
１１ｅ 着座部
１１ｆ 湾曲面部
１１ｇ 第１の受圧面部
１１ｈ 第２の受圧面部
１２ コイルばね（付勢部材）
１３ 支持体
１３ａ 螺旋溝
２０ 運動支援装置
２１ 送気装置（気体供給装置）
２２ 気室部材
２３ 通気管
３０ 浄化処理装置
３１ ブロワ
３２ エアレーション管（管材）
３３ 浄化槽

Claims (8)

  1. 筒形状に形成されており、筒軸方向の一端側に開口する吸気口と、前記吸気口に連通する弁孔と、前記弁孔に連通する弁室とを有する弁箱と、
    閉弁状態で前記弁孔を塞ぎ、前記吸気口から流入する気体の圧力により前記筒軸方向で浮上して前記弁孔を開放する弁体と、
    前記弁体を前記弁孔に向けて付勢する付勢部材と、を備えるリリーフ弁において、
    少なくとも前記弁箱及び前記弁体が立体印刷造形体で形成されているリリーフ弁。
  2. 更に前記付勢部材も立体印刷造形体で形成されている
    請求項１に記載のリリーフ弁。
  3. 前記弁体は、
    環状のフランジ部と、
    前記閉弁状態で前記弁孔を閉止しており前記弁孔から流入する前記気体の圧力を受ける第１の受圧面部と、
    前記弁体が前記弁孔を開放する開弁状態で前記弁孔から前記弁室に流入する前記気体の圧力を受ける第２の受圧面部と、を備える
    請求項１又は請求項２に記載のリリーフ弁。
  4. 前記弁体と前記弁箱の内周面との間に前記弁体の全周に亘って均一な隙間として形成されている通気間隙を有する
    請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のリリーフ弁。
  5. 前記弁箱の前記筒軸方向の他端側に、前記弁体を付勢する前記付勢部材を押圧して前記弁体が前記弁孔を開放する作動圧を可変とする調圧部材を更に備える
    請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のリリーフ弁。
  6. 筒形状に形成されており、筒軸方向の一端側に開口する吸気口と、前記吸気口に連通する弁孔と、前記弁孔に連通する弁室とを有する弁箱と、
    閉弁状態で前記弁孔を塞ぎ、前記吸気口から流入する気体の圧力により前記筒軸方向で浮上して前記弁孔を開放する弁体と、
    前記弁体を前記弁孔に向けて付勢する付勢部材と、を備えるリリーフ弁の製造方法において、
    少なくとも前記弁箱及び前記弁体を３Ｄプリンタを用いて立体印刷造形体として製造するリリーフ弁の製造方法。
  7. 更に前記付勢部材も３Ｄプリンタを用いて立体印刷造形体として製造する
    請求項６に記載のリリーフ弁の製造方法。
  8. 前記付勢部材を製造する工程として、
    外周面に螺旋溝が形成されている支持体を３Ｄプリンタで立体造形する工程と、
    前記螺旋溝に３Ｄプリンタ用の樹脂製フィラメントを前記支持体に巻着させて固定する工程と、
    前記支持体の前記螺旋溝に巻着させた樹脂製フィラメントを加温する工程と、を有する
    請求項７に記載のリリーフ弁の製造方法。
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