JP4317719B2 - 差圧制御バルブ - Google Patents

Description

本発明は、空気やガス等の気体を取り込んで、この取り込んだ気体圧力に応じて弁の開度を操作し得る差圧制御バルブに関するものである。

従来から、隔離用の膜板であるダイアフラムをバルブ内に設け、バルブ内部の気体や液体と作動流体とを完全に隔離するとともに、このダイアフラムに直接あるいは間接に弁軸を取り付けて、ダイアフラムの歪み量に応じて弁軸が変位するダイアフラム弁が知られている。ダイアフラム弁は、ダイアフラムに加わる空気圧等と弁軸の変位が比例することを利用したもので、空気圧等の信号を受けて弁の開度が操作されるものである。ダイアフラムは、主に合成ゴムとナイロン、麻、ガラス繊維などを組み合わせたものや、合成樹脂、金属などの薄い板などで構成される。

ところで、この種のダイアフラム弁として、例えば図１８に示すものがある（特許文献１参照）。

これについて説明すると、ダイアフラム弁３０は、入口３２から出口３３まで流体流動のための流路を持つハウジング（弁胴）３１を有し、ハウジング３１内の流路に弁座４０が交差して設けられている。弁座４０の下方には弁体３９があり、この弁体３９は弁棒（弁軸）３８を介して支持体３７およびダイアフラム３６に接続されている。支持体３７およびダイアフラム３６によって区画されたダイアフラムチャンバ４１は圧力調整源３５に接続されていて、圧力調整源３５から供給される圧力と流体室４２における流体圧力とのバランスによってダイアフラム３６が変位するように構成されている。したがって、ダイアフラム３６の変位に伴って弁体３９が上下して、弁体３９と弁座４０とは接離する。

図１９は、このダイアフラム弁３０が適用される例を示したもので、トイレットタンク５０の液位を制御するためのものである。

ダイアフラム弁３０は（トイレット）タンク５０内における所望の液位よりも僅かに下の高さに配置されるとともに、ダイアフラム弁３０の出口３３から吸込管５３がタンク５０の底部付近まで伸びている。また、ダイアフラムチャンバ４１は大気と開放されている。

このようなシステムにおいて、例えば、タンク５０内に流体が充填されている場合、吸込管５３を介して弁体３９に作用する流体の圧力はダイアフラムチャンバ４１内の大気圧を上回っているので、ダイアフラム３６がダイアフラムチャンバ４１側に歪み、弁体３９が閉じられている。

ところが、タンク５０内の流体が減少していき、タンク５０が空、もしくはそれに近い状態になると、今度は吸込管５３内の圧力が大気圧よりも低下して、ダイアフラム３６が流体室４２側に歪み、弁体３９が開かれる。弁体３９が開かれると、入口３２から入り込んだ流体が流体室４２を通過して出口３３からタンク５０内に流れ込み、タンク５０内に流体を補充するようになる。液体がタンク５０内に流れ込んで、吸込管５３内の圧力が上昇し始めると、ダイアフラム３６がダイアフラムチャンバ４１側に歪んで弁体３９が再び閉じられる。タンク５０内に液体が充填されると、すなわちタンク５０内の液位が所望の高さに近づくと、弁体３９が完全に閉じられて、流体がタンク５０へ流入するのを遮断するようになる。

以上のように、このダイアフラム弁３０は、ダイアフラムチャンバ４１内の大気圧を基準とし、この大気圧に応じて弁の開度を操作することで、タンク５０内の液位を制御するものである。

なお、タンク５０には蓋５２を貫通してタンク５０の底部の弁５４まで棒が伸びていて、この棒が上昇することで弁５４が開口して、タンク５０内の液体が排出される。
公表特許公報Ｐ２００３−５０７７７９

前記の如く、ダイアフラム弁はダイアフラムの変位あるいは歪み量に基づいて弁軸を動作させるものであるが、ダイアフラムは合成樹脂や合成ゴム等の膜板であることからして、その変位あるいは歪み量はそれほど大きなものではない。すなわち、ダイアフラムの変位量がそれほど大きくないということは、ダイアフラムに比例して動作する弁軸のストローク範囲も極めて制限されたものになる。

しかしながら、外部環境である大気の圧力に応じて流体圧力を制御するような場合であって、例えば、数kPa程度の低い圧力下における高精度な制御が必要となる場合に、ダイアフラムあるいは弁軸のストローク範囲が極めて制限されたものとなると、圧力損失が大きくなって高精度な制御が困難になる。前記の例で言えば、タンク内の液位を高精度に制御することが難しくなる。

そこで本発明では、大気等の参照圧を取り込んで、この参照圧に応じて流体の圧力を高精度に制御し得る差圧制御バルブを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、参照圧ポートと、制御圧ポートと、排出ポートとを有するハウジングと、このハウジング内を、参照圧ポートと連通する参照圧室と制御圧ポートと排出ポートとを繋ぐ通路の一部に構成された制御圧室とに区画するベローズを設けたことを特徴とする。そして、ベローズの先端には弁体が支持されており、ベローズの伸縮に伴って弁体も変位するように構成される。すなわち、ベローズの伸縮に伴って弁の開度が操作される。

このように、ハウジング内の参照圧室と制御圧室とをベローズおよび弁体によって完全に分離し、しかも、弁の開度をベローズの伸縮によって制御するようにしたので、弁体の変位する範囲（ストローク範囲）を大きくとることができ、作動流体の圧力を制御するにあたって、圧力損失を小さくすることができることで、高精度な制御が可能となる。

さらに、この発明は、ベローズの伸縮範囲（弁体のストローク範囲）を規制するストローク規制ロッドおよび弁体ピンを設け、弁体と弁体ピンとが当接することにより弁体が完全に閉じてしまうのを規制する構成としたことを特徴とする。

ベローズの伸縮範囲を規制することで、弁体の応答性を向上させることができるとともに、ベローズの座屈や塑性変形も防止できる。

さらにまた、この発明は、弁体と弁体ピンとが嵌入する部分に流体が流動するための所定の隙間を設けたことを特徴とする。

これにより、この隙間部分が一種のオリフィスの役割を果たすようになり、よりきめ細かい減衰力制御が可能となる。

本発明に係る差圧制御バルブは、ベローズによってハウジング内を参照圧室と制御圧室とに区画し、ベローズの先端に弁体を支持することで、ベローズの伸縮によって弁の開度を操作するようにしたので、弁体のストローク範囲を大きくとることができ、圧力損失を低減させて、より高精度な制御が可能となる。また、参照圧に基づいてベローズの伸縮が行われるので、流体の微小な圧力制御を安定的に行うことができる。

また、ストローク規制ロッドや弁体ピンを設けて、ベローズの伸縮範囲を規制することで、バルブの応答性を向上させることができるとともに、ベローズの座屈や塑性変形が防止できる。

さらにまた、弁体ピンと弁体等の凹部との嵌入部分に所定の隙間を設け、この隙間部分に流体が流動するようにすることで、ここで減衰力を発生させるようにしたので、よりきめ細かい制御が可能となる。

以下、図面を参照して参考例について説明する。

参考例としての差圧制御バルブは、図１に示すように、少なくとも３つのポートを有するハウジング２と、ハウジング２内を２つの室に区画するベローズ６とを有する。ベローズ６によって区画される一方の室３には、前記３つのポートのうちの１つのポート（参照圧ポート）９が連通し、もう一方の室４aには、残り２つのポート（制御圧ポートおよび排出ポート）１０、１１が連通されている。

参照圧ポート９に連通する一方の室３は専ら大気等の気体と開放された気体室を形成し、この室を参照圧室３と称する。また、制御圧ポート１０および排出ポート１１と連通するもう一方の室４aは、制御圧ポート１０と排出ポート１１を繋ぐ通路の一部に形成された流体室であって、この室を制御圧室４ａと称する。

ベローズ６は、基端部がハウジング２の内壁に支持されて、先端部がハウジング２と同軸方向に伸縮する柔軟性を有するじゃばら（ベロー形）である。ベローズ６の先端部分には、弁体７が固定支持されており、この弁体７がベローズ６の伸縮に伴って図面上下方向に変位する。したがって、このベローズ６は一種の弁軸の役割を果たす。

ところで、ベローズ６は先端部分が弁体７によって閉塞されているため密封性を有する。このため、ベローズ６の内側（ベローズ６に対して図面上側）に構成された参照圧室３とベローズの外側（弁体７の図面下側）に構成された流体圧室４ａとはこのベローズ６によって完全に隔離される。したがって、参照圧ポート９から侵入してきた大気等の気体はベローズ６内部に蓄積し、この圧力が弁体７を介してベローズ６を伸張させる方向に作用する。一方、制御圧ポート１０から侵入してきた制御圧室４ａの流体の圧力は弁体７を介してベローズ６を収縮させる方向に作用する。すなわち、参照圧室３側から弁体７に作用する圧力と制御圧室４ａ側から弁体７に作用する圧力とが一定の差圧をもって均衡し、弁体７はその均衡位置に保持される。

このように、この差圧制御バルブによれば、ベローズ６内部から弁体７に作用する気体の圧力に応じて弁の開度が操作されることになる。

なお、ベローズ６の材質としては、りん青銅製のものが多いが、これに限らず、銅、アルミ青銅、ステンレス青銅、純鉄などでもよい。

以上が参考例としての差圧制御バルブの構成であるが、次に作用について説明する。

例えば、参照圧室３が参照圧ポート９を介して大気に開放されている場合、取り込まれた大気は参照圧室３を経由してベローズ６内に入り込む。一方、制御圧ポート１０から侵入してきた作動流体は制御圧室４ａを経由して排出ポート１１から排出される。参照圧室３と流体圧室４ａはベローズ６によって完全に分離されているため、ベローズ６内に入り込んだ大気圧はベローズ６の内側から弁体７に作用し、制御圧室４ａ内の流体はベローズ６の外側（制御圧室４ａ側）から弁体７に作用する。

したがって、参照圧室３の大気圧による力およびベローズ６によるバネ力が流体圧室４ａの流体圧による力を上回ると、ベローズ６が伸張し始め、それに伴って弁体７が下降（図面下方向に変位）する。逆に制御圧室４ａの流体圧による力およびベローズ６によるバネ力が参照圧室３の大気圧を上回ると、今度はベローズ６が収縮して弁体７が上昇（図面上方向に変位）する。このように、弁体７は大気圧と流体圧相互の力ならびにベローズ６のバネ力が均衡する位置に維持される。つまり、参照圧室３内の大気圧に応じて、制御圧室４ａ内を流れる流体圧が制御されることになるから、参照圧室３内の大気圧はいわゆる参照（基準）圧力として機能することになる。

なお、以上は、参照圧室３が大気と開放されている場合を説明したが、参照圧室３は必ずしも大気と開放されている必要はなく、例えば、圧力調整源等によって人為的に気体を送り込むようにしてもよい。この場合、参照圧として機能する気体は、空気のみならずガス等の場合もあり得る。

このように、本差圧制御バルブ１は、参照圧に応じて流体の圧力が制御されるものであるから、作動流体の圧力はベローズ６のバネ特性で一義的に決まり、参照圧の変化に応じて流体圧を変化させることができるようになり、参照圧と流体圧との差圧を一定に保持できるようになる。また、ベローズ６の特性によって、弁体７のストローク範囲を大きくとることができるため、前記のダイアフラム弁に比べて圧力損失が小さく、例えば低圧力下における高精度の制御が可能となる。

図２に示す参考例は、ベローズ６を支持し、かつハウジング２内を仕切る隔壁５が設けられたものである。

隔壁５は、ハウジング２内を参照圧室３と制御圧室４ａとに区画する平板状の壁であって、ハウジング２内においてハウジング２内壁と固定支持あるいは一体形成される。また、隔壁５には孔５ａが形成されており、この孔５ａは制御圧室４ａ側からベローズ６によって覆われて、参照圧室３とベローズ６内部がこの孔５ａを介して連通するようになっている。したがって、参照圧室３内の気体は隔壁５の孔５ａを通って、ベローズ６内に侵入するが、先端部分を弁体７によって塞がれた（閉塞支持された）ベローズ６は前記の如く密封性を有するため、参照圧室３と制御圧室４ａとは、この隔壁５とベローズ６によって完全に隔離される。

なお、隔壁５に形成された孔５ａはベローズ６の内径よりも小さい径で形成されていることを条件とするが、この条件を満たせば、孔５ａの大きさは特に特定の大きさに限定されるものではない。ただ、孔５ａの大きさを使用状況等に応じて調整することで、より細かな制御が可能となることは言うまでもない。また、孔５ａの形状は例えば円形等に限る必要はなく、矩形等その他の形状であってもよい。

図３に示す参考例は、ベローズ６の先端に支持された弁体７と対向する位置に弁座８が設けられたものである。

弁座８は、ハウジング２の内壁に取り付けられて、ハウジング２の径方向内側に向って環状に突出するよう形成された弁体７のすわる座である。そして、弁座８は弁体７の下側（弁体７に対して図面下側）かつ弁体７と対向する位置に設けられるので、ベローズ６が伸張して弁体７が下降すると、弁体７と弁座８間の距離が縮まって、弁の開度が閉じられる。一方、ベローズ６が収縮することによって弁体７が上昇すると、弁体７と弁座８間の距離が拡がって、弁の開度が開かれる。
なお、本実施の形態では、平板状の弁体７とともに、弁座８は平面座となっているが、例えば、円錐座、球面座、植込座等であってもよく、これに併せて、弁体７の形状も種々のものが考えられる。

本参考例に係る差圧制御バルブによれば、例えばある動作点において参照圧室３内の大気圧が流体圧室４ａの流体圧を上回ると、ベローズ６が伸張し、これに伴い弁体７が下降する。弁体７が下降すると、弁体７が弁座８に接近し、排出ポート１１から排出される流体の流量が絞られる。一方、流体圧室４ａの流体圧が参照圧室３内の大気圧を上回ると、ベローズ６が収縮し、これに伴い弁体７が上昇する。弁体７が上昇すると、弁体７が弁座８から離れ、排出ポート１１から排出される流体の流量が増加する。すなわち、ベローズ６が伸張することによって弁体７が閉じられると、制御圧ポート１０と弁座８との間に形成された制御圧室４ａ内の流体圧が上昇し、ベローズ６が収縮することによって弁体７が開かれると、制御圧室４ａ内の流体圧が減少する。

以上の如く、本参考例は、ベローズ６の伸縮によって弁体７が変位する構成としたことで、弁体７のストローク範囲を大きくとることができるとともに、弁体７と対向する位置に弁座８を設け、弁の開度を弁体７と弁座８間の距離の大小によって調整するようにしたので、前記参考例に比べて流体圧力の制御の自由度が大きいというメリットがある。

図４に示す参考例は、参照圧室３と排圧室４ｂおよび制御圧室４ａとを区画する隔壁５が設けられたものである。

排圧室４ｂとは、ベローズ６および弁体７と、弁座８とに囲まれた室であって、弁座８を介して、ちょうど制御圧室４ａの上方に位置する。本差圧制御バルブでは、ベローズ６の伸縮によって制御圧ポート１０と弁座８との間に形成された制御圧室４ａ内の流体圧力を制御するものであるから、制御圧室４ａの上方に形成された排圧室４ｂと制御圧室４ａとは機能上明確に区別される。

隔壁５は、ハウジング２内を参照圧室３と排圧室４ｂとに区画する平板状の壁であって、ハウジング２内においてハウジング２内壁と固定支持あるいは一体形成される。また、隔壁５には孔５ａが形成されており、この孔５ａは排圧室４ｂ側からベローズ６によって覆われて、参照圧室３とベローズ６内部がこの孔５ａを介して連通するようになっている。したがって、参照圧室３内の気体は隔壁５の孔５ａを通って、ベローズ６内に侵入するが、先端部分を弁体７によって塞がれたベローズ６は前記の如く密封性を有するため、参照圧室３と排圧室４ｂおよび制御圧室４ａとは、この隔壁５とベローズ６によって完全に隔離される。

なお、隔壁５に形成された孔５ａはベローズ６の内径よりも小さい径で形成されていることを条件し、この条件を満たせば、孔５ａの大きさは特に特定の大きさに限定されるものではないことは前記と同じである。

図５から図１０は、ストローク規制ロッド１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆそれぞれのいずれかが設けられた場合の実施例を示したものである。

図５に示す参考例では、ストローク規制ロッド１２ａの基端部分がハウジング２上部内壁面（図面上方向）に支持されて、先端部分が隔壁５の孔５ａを通って、ベローズ６内を弁体７に向って（図面下方向）突出している。

ストローク規制ロッド１２ａはベローズ６の収縮範囲を規制するもので、ベローズ６が一定以上収縮してしまわないように設けられたものである。したがって、例えば制御圧室４ａの流体圧が参照圧を上回ると、ベローズ６が収縮し始めるが、ベローズ６がある収縮位置にきたときに、ストローク規制ロッド１２ａの先端部分が弁体７に当接し、ベローズ６がこれ以上収縮しないようになっている。よって、ストローク規制ロッド１２ａは、ベローズ６（弁体７）が予め定められた所定の最収縮位置にきたときに、弁体７がその位置に止まるようにその長さが決められる。

以上の構成により、この参考例によれば、例えば、ベローズ６が収縮しても、所定の収縮位置にくると、ストローク規制ロッド１２ａによって、これ以上ベローズ６が収縮しないようになり、ベローズ６の収縮範囲（弁体７の上昇範囲）を規制できる。

ストローク規制ロッド１２ａによって、ベローズ６の収縮範囲を規制することで、ベローズ６の座屈や塑性変形等を防ぐことができるとともに、バルブの応答性も向上させることができる。

図６は、ストローク規制ロッド１２ｂの基端部分がハウジング２上部内壁面に支持され、先端部分が隔壁５を貫通して、ベローズ６内を弁体７に向って突出している例を示したものである。

この参考例においても、ある動作点において制御圧室４ａの流体圧が参照圧を上回ることによって、ベローズ６が収縮し始めるが、ベローズ６がある収縮位置にきたときに、ストローク規制ロッド１２bの先端部分が弁体７に当接し、ベローズ６がこれ以上収縮しないようになる。

これにより、ベローズ６の座屈や塑性変形等を防ぐことができるとともに、バルブの応答性が向上する。また、ストローク規制ロッド１２ｂが隔壁５によっても支持されるので、ストローク規制ロッド１２ｂの支持がより強固なものとなる。

図７は、ストローク規制ロッド１２ｃの基端部分が隔壁５に支持されて、先端部分がベローズ６内において、弁体７に向って突出している場合の例を、図８は、ストローク規制ロッド１２ｄの基端部分が弁体７に支持されて、先端部分がベローズ６内において、隔壁５に向って突出している場合の例を示したものである。

いずれの参考例も、ベローズ６がある収縮位置にきたときに、ストローク規制ロッド１２ｃまたは１２ｄが弁体７に当接し、その収縮が規制されるので、ベローズ６の座屈や塑性変形等を防ぐことができることはもちろん、バルブの応答性を向上させることができる。

なお、以上の参考例において、ストローク規制ロッド１２ｃまたは１２ｄは、棒状のほか、板状のものであってもよい。

また、図８に示す参考例に適用されるストローク規制ロッド１２ｄは、隔壁５が設けられていない前記図１または図２に示した参考例についても適用できる。この場合、ストローク規制ロッド１２ｄは、先端部分がベローズ６内において、隔壁５ではなく、ハウジング６の上部内壁面に向って伸びることになる。

図９は、ストローク規制ロッド１２ｅの基端部分が隔壁５に支持され、先端部分がベローズ６の外（外周）において、弁体７に向って突出している例を、図１０は、ストローク規制ロッド１２ｆの基端部分が弁体７に支持され、先端部分がベローズ６の外（外周）において、隔壁５に向って突出している例を示したものである。

この場合のストローク規制ロッド１２ｅまたは１２ｆは、棒状、板状のものを複数本設けてもよいし、ベローズ６周りを環状に覆うような筒状のものであってもよい。

これらの参考例によれば、ベローズ６がある収縮位置にきたときに、ストローク規制ロッド１２ｅが弁体７に、またはストローク規制ロッド１２ｆが隔壁５に当接し、その収縮が規制されるので、ベローズ６の座屈や塑性変形等を防ぐことができることはもちろん、バルブの応答性を向上させることができる。また、ベローズ６の外周周りに複数のストローク規制ロッド１２ｅまたは１２ｆを、あるいは環状のストローク規制ロッド１２ｅまたは１２ｆを設けたので、ストローク規制ロッド１２ｅまたは１２ｆの耐久性の向上はもちろんのこと、ストロークの規制をより確実に行うことができる。

図１１から図１４は、弁体ピン１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄそれぞれのいずれかが設けられた場合の実施例を示したものである。
弁体ピン１３ａから１３ｄは、ベローズ６の伸張範囲（弁体７の下降範囲）を規制するためのものである。

図１１に示す実施例は、弁体ピン１３ａの基端部分がハウジング２の底部内壁面（図面下方向）に支持されて、先端部分が弁体７の下部（弁体７のベローズ６内部側の面に対して制御圧室４ａ側の面）に形成された凹部７ａに嵌入された場合の例である。

弁体ピン１３ａは凹部７ａに隙間無く嵌め込まれて固定支持されるのではなく、弁体７が弁体ピン１３ａに沿って上下方向に可動可能なように軸方向（凹部深さ方向）および径方向に所定の隙間をもって嵌入されている。すなわち、凹部７ａの内径が弁体ピン１３ａの外径よりも大きく形成され（凹部７ａの内周面と弁体ピン１３ａの外周面との間に隙間が形成される。）、さらに、凹部７ａの軸方向の深さも、弁体７が最下降したとき、凹部７ａの最深部と弁体ピン１３ａの先端部分とが当接する（凹部７ａの最深部と弁体ピン１３ａの先端部（頂部）との間に隙間が形成される。）ように構成される。

以上のように構成された弁体ピン１３ａは、弁体７の位置決め、すなわち弁体７の下降範囲を規制するもので、弁体７あるいはベローズ６がある所定位置以上に下降あるいは伸張してしまわないようにするためのものである。したがって、ベローズ６は弁体ピン１３ａにそって伸縮し、ベローズ６がある位置まで収縮すると、弁体ピン１３ａと凹部７ａの最深部とが当接し、ベローズ６がこれ以上伸張してしまわないようになっている。つまり、弁体ピン１３ａの長さや凹部７ａの深さは、ベローズ６が予め定められた所定の最伸張位置にきたときに、その位置で止まるように決められる。

このように、弁体ピン１３ａによって弁体７の下降範囲を規制することで、弁体ピン１３ａに沿ってベローズ６が伸縮するため、例えば、バルブ本体を横向きに設置するような場合であっても、ベローズ６が自重で傾く（倒れる）ことを防止できる。

また、例えば、本差圧制御バルブが双方向バルブとして機能する場合、すなわち、流体が排出ポート１１から流入して制御圧ポート１０に排出されるような逆流を許容するような場合には、弁体７が完全に閉じてしまうのを弁体ピン１３ａで規制することもできる。この場合、弁体７と弁座８とが閉じる前に、弁体７と弁体ピン１３ａが当接するようにする。

ところで、前記では、弁体凹部７ａと弁体ピン１３ａの嵌入部分には隙間が形成されるということを述べたが、この隙間部分には図１６に示すように、制御圧室４ａおよび排圧室４ｂを流れる流体の一部が通過することをも意図している。すなわち、流体が隙間を通過するに際して、この隙間がいわゆるダンピング効果を生み、流体の流れに一定の抵抗を付与するようになっている。弁体凹部７ａと弁体ピン１３ａとの嵌入部分におけるこの隙間に流体の一部が流動することによって、所定の減衰力を発生させ、よりきめ細かい制御を可能とするとともに、振動の抑制等にも寄与することができる。

図１２は、弁体ピン１３ｂの基端部分が弁体７の下部に固定支持され、先端部分がハウジング２の底部内壁面に形成された凹部７ｂと摺動自在に可動するようにしたものである。したがって、弁体ピン１３ｂは凹部７ｂ内を図面上下方向に沿って摺動するとともに、このハウジング２底面における凹部７ｂにおいて所定の減衰力が発生する。
この実施例の場合も、前記実施例と同様に、バルブ本体の横向き設置が可能となるとともに、弁体ピン１３ｂの長さを調整することで、双方向バルブとして使用することができる。
なお、弁体ピン１３ａまたは１３ｂも必ずしも棒状のものに限る必要はなく、例えば板状のものであってもよい。

図１３は、弁体ピン１３ｃの基端部分が弁座８に支持されて、先端部分が弁体７の下部に形成された凹部７ｃに嵌入された場合を、図１４は、弁体ピン１３ｄの基端部分が弁体７の下部に支持されて、先端部分が弁座８に形成された凹部７ｄに嵌入された場合を示したものである。

図１３に示す参考例では、環状の弁座８上に２つ、あるいは複数の棒状または板状の弁体ピン１３ｃを支持し、図１４に示す参考例では、弁体７から２つ、あるいは複数の棒状または板状の弁体ピン１３が突出する。なお、棒状や板状の弁体ピンを用いるのではなく、環状の弁座８あるいは弁体７の面に沿った形で環状かつ筒状の弁体ピン１３ｃまたは１３ｄを用いてもよい。この場合、弁体７の下部や弁座８に形成された凹部７ｃや７ｄも環状に刻まれる。

以上の参考例においても、弁体ピン１３ｃまたは１３ｄと凹部７ｃまたは７ｄとの嵌入部分に所定の隙間が形成されて、弁体７は弁体ピン１３ｃまたは１３ｄに沿って摺動するとともに、この隙間部分で減衰力が発生する。

この参考例によれば、弁体７を複数の、あるいは環状の弁体ピン１３ｃまたは１３ｄで支持できるので、機器の剛性を向上させることができるとともに、ベローズ６の所定位置以上の伸張を確実に防止することができる。

図１５は、前記ストローク規制ロッド１２ｂおよび弁体ピン１３ａの両方を設けた場合の実施例である。

同図によれば、本実施例に係る差圧制御バルブは、参照圧室３と排圧室４ｂおよび制御圧室４ａとを区画する隔壁５と、隔壁５に形成された孔５ａを覆うように取り付けられたベローズ６と、ベローズ６の先端に支持された弁体７と対向する位置に設けられた弁座８とを有する差圧制御バルブにおいて、基端部分がハウジング２上部内壁面に支持され、先端部分が隔壁５を貫通して、ベローズ６内を弁体７に向って突出するストローク規制ロッド１２ｂと、基端部分がハウジング２の底部内壁面に支持されて、先端部分が弁体７の下部に設けた凹部７ａに嵌入された弁体ピン１３ａとを設けたものである。弁体ピン１３ａは、弁体７が弁体ピン１３ａに沿って上下方向に可動可能なように軸方向（凹部深さ方向）および径方向に所定の隙間をもって嵌入されている。すなわち、凹部７ａの内周面と弁体ピン１３ａの外周面との間および凹部７ａの最深部と弁体ピン１３ａの先端部との間に所定の隙間が形成される。

以上の構成により、本実施例によれば次の作用を有する。

例えば、参照圧室３の大気圧が制御圧室４ａの流体圧を上回り、ベローズ６が伸張し始めると、これに伴い弁体７も下降する。そして、弁体７がある所定の位置に下降すると、弁体ピン１３（の先端部分）と弁体７の凹部７ａとが当接し、弁体７の下降が規制される。一方、制御圧室４の流体圧が参照圧室３の大気圧を上回り、ベローズ６が収縮し始めると弁体７が上昇するが、弁体７がある所定の位置まで上昇すると、今度はストローク規制ロッド１２ｂ（の先端部分）と弁体７が当接し、弁体７の上昇が規制される。つまり、弁体７の変位あるいはベローズ６の伸縮はストローク規制ロッド１２ｂおよび弁体ピン１３ａによって、ある所定の範囲内で行われる。

また、弁体７と弁体ピン１３ａの嵌入部分に形成された隙間に制御圧室４ａおよび排圧室４ｂを流れる流体の一部が流れ込むようになっているのは、図１１に示した実施例の場合と同様で、この部分において所定の減衰力が発生するようになっている。これにより、よりきめ細かい制御を可能とするとともに、振動の抑制等にも寄与することができる。

以上のように、ストローク規制ロッド１２ｂおよび弁体ピン１３ａの双方を設けることによって、ベローズ６の収縮方向のみならず伸張方向の規制も行われ、より一層の応答性の向上が期待できる他、弁体ピン１３ａに摺動可能に嵌入された弁体７の抜けも防止することができる。

なお、この実施例では、ストローク規制ロッド１２ｂの基端部分がハウジング２上部内壁面に支持されるとともに、先端部分が隔壁５を貫通して、ベローズ６内を弁体７に向って突出している場合および弁体ピン１３ａの基端部分がハウジング２の底部内壁面に支持されて、先端部分が弁体７の下部に設けた凹部７ａに嵌入している場合を示したが、必ずしもこの構成に限る必要はなく、ストローク規制ロッドについては、図７から図１０に示すいずれの参考例（ストローク規制ロッド１２ａ、１２ｃ〜１２ｆ）と同様に構成してもよく、また、弁体ピンについても図１２に示した形態（弁体ピン１３ｂ）と同様に構成してもよい。

ストローク規制ロッド１２ａから１２ｆおよび弁体ピン１３ａから１３ｄの双方を設けることによって、ベローズ６の収縮方向のみならず伸張方向の規制も行われ、より一層の応答性の向上が期待できる他、弁体ピン１３ａから１３ｄに摺動可能に嵌入された弁体７の抜けも防止することができる。

なお、図示しないが、ベローズ６と併せて、別途バネ等を追加してもよい。例えば、ベローズ６の内部であって、ベローズ６の伸縮方向にバネを設けることで、ベローズ６のバネ定数のみで差圧を設定できない場合などに、設定可能な差圧範囲を拡大することができる。

次に本差圧制御バルブが適用される場合の例について説明する。本差圧制御バルブは、参照圧力と流体圧力との差圧を一定に保持することで、作動流体の圧力を高精度に制御するものであるから、例えば、図１７に示すような燃料電池システムに適用することができる。

図１７は固体高分子燃料電池システムの概略構成図である。同図に示すように、燃料電池システムは、高分子電解質膜２３を燃料極２１と酸化剤極２２との間に配置したセル（単電池）を複数積層した燃料電池本体２０と、燃料電池本体２０に水素等の燃料ガスを供給する燃料ガス供給系２５と、空気等の酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系２６、さらには発電中に生じる熱を除去する冷却水系２７とから構成される。

以上の構成により、例えば燃料極２１に燃料ガスが供給されると、燃料極２１より水素イオンがプロトンの形態で電解質膜２３を酸化剤極２２側に移動するとともに、電子が外部負荷を通って酸化剤極２１側に移動し、この水素イオンと電子の移動により、酸化ガス中の酸素とこれらが反応して水を生成する。そして、このような一連の電気化学反応により発生した電気エネルギを取り出して動力として使用するのが燃料電池システムである。

ところで、例えば、負荷変動の大きい車輌用の燃料電池システムでは、要求される負荷に応じて酸化剤ガス供給量を変化させることが行われている。このため、酸化剤ガス供給量に応じて冷却量も変化させなければならない。そこで、図１７に示すように、冷却水系２７に差圧制御バルブ１を設け、酸化剤ガス圧力に応じて冷却板２４における冷却水の圧力を調整する構成とした。

具体的には、酸化剤ガス供給系２７からの酸化剤ガスの一部を参照圧ポート９を介して参照圧室３に取り込むようにするとともに、冷却板２４からの冷却水が差圧制御バルブ１内を通過（制御圧ポート１０から流入し、排出ポート１１から排出される）する構成とした。なお、差圧制御バルブ１を通過した冷却水はタンク２８内に導かれる。

以上の構成により、例えば、酸化剤ガス供給量（酸化剤ガス圧力）が増加すると、差圧制御バルブ１内のベローズ６が伸張し、差圧制御バブル１の弁開度が閉じられる。弁開度が閉じられると、制御圧室４ａ内の流体圧力、すなわち冷却水の圧力が上昇し、例えば、蒸発潜熱（水が蒸発するときに燃料電池本体から奪う熱）による冷却量が増加する。

一方、空気供給量が減少すると、今度は差圧制御バルブ１の弁開度が開かれる方向に作用して、制御圧室４ａ内の流体圧力、すなわち冷却水の圧力が減少し、例えば蒸発潜熱による冷却量も減少する。

このように、本差圧制御バルブ１を適用することによって、酸化剤ガス供給量に応じて冷却水の圧力を調整することができ、冷却量を制御することができる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明の差圧制御バルブは、前記燃料電池システムに適用できるとともに、これに限らず気体圧力に応じて弁の開度を操作する他の装置にも利用できる。

参考例として差圧制御バルブの概略断面図である。 隔壁が設けられた場合の参考例である。 弁座が設けられた場合の参考例である。 隔壁および弁座が設けられた場合の参考例である。 ストローク規制ロッドが設けられた場合の参考例である。 同じく、ストローク規制ロッドが設けられた場合の参考例である。 同じく、ストローク規制ロッドが設けられた場合の参考例である。 同じく、ストローク規制ロッドが設けられた場合の参考例である。 同じく、ストローク規制ロッドが設けられた場合の参考例である。 同じく、ストローク規制ロッドが設けられた場合の参考例である。 本発明に係る実施例である。 同じく、本発明に係る実施例である。 弁体ピンが設けられた場合の参考例である。 弁体ピンが設けられた場合の参考例である。 本発明に係るストローク規制ロッドと弁体ピンの双方が設けられた場合の実施例である。 弁体ピンと弁体凹部との嵌入部分の拡大図である。 本差圧制御バルブが適用された燃料電池システムの概略構成図である。 従来例に係るダイアフラム弁の概略断面図である。 ダイアフラム弁をトイレットタンクに適用した場合の構成図である。

符号の説明

１ 差圧制御バルブ
２ ハウジング
３ 参照圧室
４ａ 制御圧室
４ｂ 排圧室
５ 隔壁
５ａ 孔
６ ベローズ
７ 弁体
７ａ、７ｂ 凹部
８ 弁座
９ 参照圧ポート
１０ 制御圧ポート
１１ 排出ポート
１２ｂ ストローク規制ロッド
１３ａ、１３ｂ 弁体ピン

Claims (4)

1. 参照圧ポートと、
   制御圧ポートと、
   排出ポートとを有するハウジングと、
   前記ハウジング内を前記参照圧ポートと連通する参照圧室と前記制御圧ポートと排出ポートとを繋ぐ通路の一部に構成された制御圧室とに区画するベローズと、
   前記ベローズの先端に支持されて弁座に対して変位することによって制御圧室内の圧力を制御する弁体とを有し、
   基端部が前記ハウジングの底部内壁面と前記弁体との一方に支持されて、先端側が前記ハウジングの底部内壁面と前記弁体の下部との他方に形成した凹部に嵌入して前記凹部に当接することにより前記弁体が弁座を完全に閉じてしまわないように前記ベローズの伸張範囲を規制する弁体ピンを設け、
   前記凹部の内周面と前記弁体ピンの外周面との間および前記凹部の最深部と前記弁体ピンの先端部との間に所定の隙間を形成することで、前記弁体ピンが前記凹部内を摺動するとともに、この隙間に前記制御圧室を流れる流体が流動するようにしたことを特徴とする差圧制御バルブ。
2. 前記ハウジング内を仕切る隔壁と、
   前記隔壁に形成された孔と、
   前記隔壁に支持されたベローズとを有し、
   前記ベローズは前記孔を覆うように前記隔壁に取り付けられるとともに、
   前記制御圧室に向って前記ハウジングと同軸方向に伸縮するよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載の差圧制御バルブ。
3. 前記ハウジング内を仕切る隔壁と、
   前記隔壁に形成された孔と、
   前記隔壁に支持されたベローズとを有し、
   前記ベローズは前記孔を覆うように前記隔壁に取り付けられるとともに、
   前記ベローズおよび前記弁体と前記弁座と前記ハウジングとに囲まれた排圧室内において、前記制御圧室に向って前記ハウジングと同軸方向に伸縮するよう構成されたことを特徴とする請求項２に記載の差圧制御バルブ。
4. 基端部が前記ハウジング上部内壁面に支持されて、先端側が前記ベローズ内において、前記弁体方向に向って突出するストローク規制ロッドを設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の差圧制御バルブ。

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