JP4361368B2 - バランス弁装置及びバランス弁装置を備えた呼吸器 - Google Patents

Description

本発明はバルブ装置に関し、特に加圧された呼吸可能なガスの呼吸調整器への流通を制御するバランス弁装置に関する。本発明はまた、このような呼吸調整器に関する。

潜水の装備は所謂呼吸調整器を備えている。呼吸調整器は１個以上の潜水タンク或いは潜水タンクと技術的同等物に接続され、且つタンク圧力を所定の調整圧力となるように調節する。呼吸調整器はその端部にバルブ装置を備える。図１は周知の技術に従い構成されたバルブ装置を示す概略図である。図示するように、バルブは吸気口側１１及び吐出口側１２を含む。吸気口側１１はタンク圧力Ｐｉ（Pinlet）を受けており、吐出口側１２は調整圧力Ｐｏ（Poutlet）を受けている。円錐形状を有する弁体１４は弁座１５に対して移
動可能である。吐出口側１２は可撓性ダイアフラム即ち薄膜１６により区切られている。薄膜１６はばね１７と接続されている。ばね１７はダイアフラム１６に対してばね力Ｆｓ（Fspring）を作用させる。従って、ダイアフラム１６の一方側は調整圧力Ｐｏからの力
を受け、同時にダイアフラム１６の他方側は大気圧Ｐａ（Pambient）からの力を受ける。ばね力は例えばダイアフラム１６が及ぼす力と共に、弁体と接続されたロッド１８に作用して、弁体に対して力Ｆｒ（Frod）を及ぼす。

このような周知のバルブは以下のように作用する。弁体１４の移動は弁体１４が受ける力により決定される。このような力は（図示するように）、タンク圧力により決定される上方へ向かう力Ｆｉを含む。この力は基本的に下方に作用する力Ｆｏ（Foutlet）により
打ち消される。力Ｆｏは概して、弁体の調整圧力Ｐｏ及びロッド力Ｆｒの作用により構成される。ダイバーが吐出口側に接続されたノズルを持ち呼吸すると、調整圧力が減少して、ダイアフラム１６への圧力が減少するとともに、次にダイアフラムはロッド１８に対して増加した力を作用させる。すると力Ｆｒが増加して、機能バルブの場合には、弁体が下方へ移動させられることにより、弁体が図１に示す位置に戻る程度に調整圧力が増加するまで、タンクガスは弁座１５を流通させられる。

このような周知のバルブ装置が抱える問題の１つには、弁体の移動はタンク圧力に依存しており、タンク圧力はタンクが満杯の時には約３００バールの超大気圧に対応するとともに、使用する間に０バール近くまで下降することがある。これは換言すると、バルブ特性は調整圧力と共に変化することを意味する。

この問題に対する幾つかの解決方法が提案されている。提案された解決方法の１例が図２に示されている。図２に示すバルブは多くの点で図１に示すバルブに対応する。しかし、後者の場合、同構造の弁体１４は流通路１４ａ’を備えた弁体１４’と交換されている。この流通路は吐出口１２を空間１９に接続する。空間１９はＯリング２０により吸気口１１に対して密閉されている。結果的に、弁体に吸気口側から作用する力Ｆｉは基本的に軸方向成分を持たず、従って、概してＰｉから独立した調整圧力を付与するバランス弁が提供される。

しかしながら、このような構成の弁体を使用すると、弁体及び弁座間の密閉面が結局のところ漏出するのである。これには幾つかの理由がある。孔及び弁体の円錐間の嵌合が完全でなければならず、未調整は許されない。長期間使用した後には、孔を画定する端縁及び円錐においてかき傷や溝の形で円錐が破損しており、このような破損は密閉漏出の一因となる。更に、弁体は真直でなければならず、弁体は最大限の精度において案内されなければならない。Ｏリングは磨耗及びその他の摩滅により漏出するようになり、所望するバ
ランス効果及び密閉効果を達成することができなくなる。

円錐形状を有する弁体の利用に伴うこれらの欠点は、球状の密閉体を利用することにより避けることができる。球状の弁体は自己案内型であり、従って円錐形状の弁体に必要とされる精確な案内の必要性を避けることができる。

しかしながら、図２に示すバランス解決法は、球状の弁体がバルブ閉鎖手段として利用される場合には適用することができない。

本発明の第１の目的は、一般的なバランスバルブ装置、換言すれば吐出口側の圧力を吸気口側の圧力にかかわらず基本的に一定に維持することが可能なバルブ装置を提供することにある。

本発明は、バルブ閉鎖部材が静止する弁座をバルブの吸気口側及び吐出口側の両圧力からの影響により移動させることにより達成されるバルブ装置の均衡に基づく。
本発明によれば、請求項１に係るバルブ装置が提供される。

また本発明によれば、そのようなバルブ装置を含む呼吸調整器が提供される。
本発明のバルブ装置および本発明の呼吸調整器は基本的に一定のバルブ特性を提供するとともに、単純な機械的解決策を提供する。

特に好適な実施形態の１つでは、球体即ちボールがバルブ閉鎖部材として利用される。従って、バルブ閉鎖部材は自己案内型であるため有利である。

本発明のバルブ装置及び本発明の呼吸調整器の好適な実施形態を、最初に図３を参照しつつ詳述する。詳細な説明において言及されている上方、下方等の方向は、図面に示されている方向について言及するものに過ぎず、それ故、添付の請求の範囲を解釈する際に本発明の範囲を限定するものとして考慮されるべきではない。

図３は本発明のバルブ装置の原理を示す概略図である。バルブ装置は吸気口側１１１と、吐出口側１１２と、ダイアフラム即ち薄膜１１６と、ダイアフラムばね１１７と、ロッド１１８とを含む。これらのバルブ構成要素は、図１に示すバルブ構成要素に対応する。バルブ装置はまた、ボール１１４の形状を有するバルブ閉鎖本体を含む。ボール１１４は弁座１１５の開口１１５ａで静止する。前述した周知のバルブ技術において利用される弁座とは異なり、弁座１１４は図３において両側矢印で示すように上下に移動する。吸気口及び吐出口側間の密閉はＯリング１１５ｂにより達成される。Ｏリング１１５ｂは可動弁座及び調整器ハウジング（図３では図示なし）に当接する。弁座ばね１１９は弁座に接続される。従って、弁座は吸気口側１１１及び吐出口側１１２間の差圧に応じて移動するとともに、ばね１１９のばね特性に従って移動する。基本的に均衡したバルブ機能を得るために、関連領域とばね特性の間には以下の比率を満足する必要がある。
ｋ（１１９）＝ｋ（１１７）・｛Ａ（１１５ａ）−Ａ（１１５ｂ）｝・１／Ａ（１１５ｂ）
ｋ（１１９）は弁座ばね１１９のばね定数
ｋ（１１７）はダイアフラムばね１１７のばね定数
Ａ（１１５ａ）は弁座１１５の開口１１５ａ面積
Ａ（１１５ｂ）はＯリング１１５ｂにより密閉された面積
ここで、例えばＯリングの摩擦力及び密閉力等を考慮しない等、関係は幾分簡略化されている。

弁座は移動可能であるので、ばね力はボールが弁座内に静止した時の弁座の位置に応じて変化する。これにより、吸気口側におけるガス圧力の変化は、「自動的に」変化するばね力に関連して補償される。例えば、タンク圧力が減少すると、力Ｆｉ（Finlet）はより小さく上方へ作用するようになり、弁座１１５は図において下方へ移動する。このような弁座の下方への移動の結果としてばねが伸長するので、下方へ作用する力Ｆｒが減少する。当該技術分野に属する者であれば調整器の構成要素を必要な寸法とすることは容易であるので、ボールの上方へ向かう力及び下方へ向かう力を変更することにより相互の力を相殺して、バルブ装置の均衡を達成することができる。上記の数式を参照。

本発明のバルブ装置を備えた呼吸調整器１００の一実施形態を図４〜図７を参照しつつ以下に詳述する。調整器はハウジング１０１を含む。ハウジング１０１の内部はダイアフラム１１６によって周囲に対して密閉されている。ハウジングは蓋即ちカバー１０２を含み、カバー１０２はばね１１７に対する逆圧手段として機能する。タンク結合器１０３はまた、ハウジングに密閉するように接続されている。

呼吸調整器は吸気口側１１１及び吐出口側１１２を含む。吸気口側１１１は１個以上の潜水タンク(図示なし)と接続されるように構成されているともに、吐出口側１１２は呼吸ノズル（図示なし）と接続されるように構成されている。吸気口側及び吐出口側はバルブ弁座１１５により相互に分離させられている。バルブ弁座は上方及び下方への移動が可能であり、且つＯリング１１５ｂによりハウジング１０１に対して密閉されている。弁座は軸方向に貫通する断面円形の開口１１５ａを有しており、開口１１５ａは吸気口側及び吐出口側の間の接続通路を形成している。弁座の移動はばね１１９により調整される。

ボール１１４はバルブ閉鎖体として機能する。ボールは弁座１１５に静止し、且つ図４に示す位置において通路１１５ａを閉鎖する。ボールはロッド１１８に作用し、次にロッド１１８がダイアフラム１１６に作用することにより、圧力プレート１２０に作用する。圧力プレート１２０はばね１１７により下方へばね付勢されている。ロッドは滑り軸受（図示なし）によりホルダ１２１に取り付けられている。従って、ホルダ１２１の機能はロッド１１８を他の構成要素の間で案内するとともに、弁座ばね１１９を保持することにある。ホルダはまた、弁座の上端位置までの上方への移動を制限するように構成されている。圧力プレート１２０が配置される空間は可撓性のダイアフラム１１６により下側室１２３ａ及び上側室１２３ｂに分割されている。下側室１２３ａは吐出口側１１２と接続されている。

バルブ弁座は基本的に金属により構成されているが、ボールが当接する面にはプラスチック被覆が施してある。ボールは鋼或いはセラミック材料により構成される。好適な実施形態では、ダイアフラム１１６はロールダイアフラムである。

図４は吸気口側が高圧である呼吸調整器１００の閉鎖状態を示しており、この状態では、弁座１１５は室１１２の底部から僅かに上方へ移動させられている。これは潜水を開始した時の状態に対応する。図５は同じ状況における呼吸調整器を示しているが、呼吸に伴いバルブ装置が開放した時の状態である。呼吸によって吸気口側の空気は空になり、それとともに下側室１２３ａの圧力は減少する。これにより、可撓性ダイアフラム１１６は下方へ移動し、ロッド１１８に力が作用して、次にその力はボール１１４に対して下方に作用する。この位置においてボールに下方へ作用する力は上方へ向かう力を超えるので、ボールは弁座の密閉位置から離間して、空気が通路１１５ａを流通するようになる。この状態はボールに作用する上方へ向かう力が下方へ作用する力を超えるまで、換言すれば吸気
口側の圧力、そして下側室１２３ａの圧力が所望の調整圧力へ増加するまで継続する。それとともに、ダイアフラムは図４に示す位置に戻される。潜水タンクの超大気圧は使用後しばらくの間は減少し、それと共に吸気口側１１１の圧力も減少する。しかしながら、吐出口側１１２ｂの調整圧力は所望する調整圧力が維持される。これは、弁座１１５が徐々に下方へ移動して、最終的に図６及び図７に示す下端位置に達することを意味する。換言すると、ロッド１１８によりボールに作用する力が小さくなって、潜水タンクの圧力降下に起因して減少した力が均衡するのである。その他の点では、図６及び図７に示すバルブの開放及び閉鎖は、図４及び図５を参照して上記に詳述した状況と同様に精確に行われる。

本発明の呼吸調整器は、図２に示すバルブ閉鎖手段としてのＯリングにより密閉された円錐形の弁体を利用することにより、先に達成されたバルブ均衡効果と同様の効果を達成することができる。同時に、バルブ閉鎖体としてボールを利用することにより得られる自己案内効果等の効果が得られる。

バルブ装置の好適な実施形態及び呼吸調整器の好適な実施形態を参照しつつ本発明について詳述してきたが、当該技術分野に属する者であれば、これらの実施形態は添付の請求の範囲内において変更或いは修正が可能であることは理解している。例えば、バルブ弁座は完全に金属により構成されてもよいし、ボールはプラスチックにより構成されてもよい。摩滅しないように、弁座１１５のボール１１４に対する当接面として機能する通路１１５ａの縁面は、プラスチック材料により被覆されてもよい。

使用に際して、ボール１１４はロッド１１８に接触した状態で静止する。ボールに作用する重力に対抗するために、すなわち調整器の特定の姿勢においてボールが底部まで落下し、Ｐｉが非常に緩慢に或いは急速に増加する結果、ボールが弁座の誤った位置に配置されることがないように、ばね（図示なし）がボールと調整器ハウジングの底部の間に備えられてもよい。この場合には、ばね力の追加を無視できる程度にばねを弱くするか、或いは調整器を必要な寸法とする時にこのばね力の追加が含まれるようにする。

弁座は吸気口側及び吐出口側の圧力の作用に基づいて移動可能とされている。所望する移動特性を得るために、弁座ばね１１９が記載されている。それに換えて、例えばコイルばね或いはカップスプリング等のばねを弁座とホルダ１２１の間に配置してもよい。或いは、内在する弁座のばね性、即ち圧力に基づいて屈曲する能力を利用して、弁座を所望するように移動させてもよい。この場合、弁座ばね１１９の機能は固定されるように配置された弁座により置換され、弁座材料の外側への屈曲或いは圧縮により弁座ばね１１９に換えて機能する。

圧力プレート１２０に作用するばね１１７が図示されていた。ダイアフラム１１６により作用する力がばねにより作用する力に換わってもよい。これにより、ばねは省略される。

ボールはバルブ閉鎖体として詳述されてきたが、移動可能な弁座はバルブ閉鎖手段としての円錐体と共に利用してもよい。
サーボ装置は可撓性ダイアフラムに換えてプランジャを含んでもよい。

詳述したバルブ装置は主にダイバーが利用することを目的としているが、スモークダイバーが利用する装置や医療機器等と接続して使用するなど、同様の適用もまた本発明の概念に包含される。

従来技術におけるアンバランスバルブ装置を示す概略図。 従来技術におけるバランスバルブ装置を示す概略図。 本発明に係るバルブ装置を示す概略図。 本発明のバルブ装置を備えた呼吸調整器であって、吸気口側が高圧である時にバルブが閉鎖している状態を示す図。 図４の呼吸調整器においてバルブが開放している状態を示す図。 図４の呼吸調整器において、吸気口側が低圧である時にバルブが閉鎖している状態を示す図。 図６の呼吸調整器においてバルブが開放している状態を示す図。

Claims (8)

1. 特にダイバーが使用する呼吸器（１００）のバルブ装置において、
   超大気圧（Ｐｉ）を受けるガス源と接続可能な吸気口室（１１１）と、
   調整圧力Ｐｏを受ける吐出口室（１１２）と、吸気口室及び吐出口室の間に密閉するように配置される弁座（１１５）と、弁座は吸気口室及び吐出口室を相互に接続する流通路（１１５ａ）を含み、
   弁座に移動可能に配置されるとともに、流通路を開放及び閉鎖する、ボールよりなるバルブ要素（１１４）と、バルブ要素は超大気圧及び調整圧力からの力を含む力が作用されるものであり、
   バルブ要素を調整するように構成されるサーボ要素（１１６、１１７，１１８）と
   を含み、
   弁座は超大気圧及び調整圧力の影響に基づいて移動可能であり、
   サーボ要素は移動可能な弁座の位置に依存した力をバルブ要素に作用させることにより、超大気圧による変動する力の影響を受けるバルブ要素の作動は、対応するサーボ要素からの変動する力により補償され、
   調整圧力は超大気圧に関係なくほぼ一定に維持される
   ことを特徴とするバルブ装置。
2. サーボ要素は、
   調整圧力Ｐｏからの影響を受ける可撓性ダイアフラム（１１６）と、
   ダイアフラムと接続されたロッド（１１８）とを含み、
   ロッドは弁座のバルブ要素に対して超大気圧（Ｐａ）及び調整圧力（Ｐｏ）の差に応じた力を作用させることを特徴とする請求項１に記載のバルブ装置。
3. 弁座（１１５）は金属により構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のバルブ装置。
4. 弁座（１１５）のバルブ閉鎖体（１１４）に対する当接面として機能する流通路（１１５ａ）の縁面は、プラスチック材料により被覆されることを特徴とする請求項３に記載のバルブ装置。
5. 弁座と接続したばね（１１９）を更に含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のバルブ装置。
6. ばね（１１９）の機能は固定配置される弁座により取り替えられるものであり、弁座材料の外側への屈曲或いは圧縮がばね（１１９）の機能と取り替わることを特徴とする請求項５に記載のバルブ装置。
7. バルブ閉鎖体（１１４）はプラスチック或いは金属により構成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のバルブ装置。
8. ハウジング（１０１、１０２）を有するとともに、請求項１乃至７のいずれか１項に係るバルブ装置を含む呼吸器（１１０）。

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