JP4672076B2 - 緩作動開閉弁 - Google Patents

Description

本発明は、開弁動作自体はゆっくりでありながら、開弁信号（空気圧力）を与えてから開弁動作に至る応答性に優れた緩作動開閉弁（常閉弁）に関する。

従来、高圧ボンベに用いられる空気圧作動開閉弁は、自動開閉化は十分達成されているが、その開弁速度をゆっくりするという要求には十分応えていない。例えば反応室である種の気体を混合する際には、混合すべき気体をできるだけゆっくりと反応室に供給することが要求されることがある。本出願人を含む出願人及び本発明者を含む発明者らは、このような要求に応えることができる緩作動開閉弁を提案し特許を得ている（特許文献１、３）。また本出願人を含む出願人のみならず、同じ課題に対し、別の解決策が提案されている（特許文献２）。

特許第２７８４４４６号公報 特開平１１-３０３９９号公報 特許第３３５９９５３号公報

しかしながら、特許文献１と３は、流路を開閉するピストン体（作動部材）が閉弁位置にあるときには、開弁圧力室をパイロット圧力源に連通させ、ピストン体が移動を開始すると、同連通を断つ弁機構を設けるという着眼に基づくもので、構成が複雑であるのみならず、ピストン体の位置と弁機構との連動関係の調整が煩雑であるという問題点があった。また、特許文献２も、同様に、弁機構が複雑であった。

本発明は、以上の問題意識に基づき、開弁信号（空気圧力）を与えてから開弁動作に至る応答性に優れた、簡易な構成の緩作動開閉弁を得ることを目的とする。

本発明は、作動部材を開弁方向に移動させる開弁圧力室とは別に、マニホールドを形成し、この開弁圧力室とマニホールドの間に、調圧弁、流量調整弁及び排気弁の３つの弁を設けるという極めて簡単な構成により目的を達成できることを見出して完成されたものである。

すなわち本発明の緩作動開閉弁は、弁座に接離して流路を開閉する弁体を作動させる作動部材；作動部材を閉弁方向に付勢するばね手段；ばね手段に抗して作動部材に開弁方向の力を及ぼす開弁圧力室；開弁圧力室とは独立させて設けたマニホールド；開弁圧力室内の圧力が予め定めたリザーブ圧に達する迄はマニホールドから開弁圧力室への空気流を許し、開弁圧力室内の圧力がリザーブ圧に達すると閉じる調圧弁；開弁圧力室内の圧力がリザーブ圧に達した後、上記マニホールドから開弁圧力室へ微量ずつ空気を供給する流量調整弁；及びマニホールドの圧力が開弁圧力室の圧力より下がったとき該開弁圧力室内の空気をマニホールドに排気する排気弁；を備えたことを特徴としている。

この排気弁には、急速開弁時に、マニホールドを開弁圧力室に連通させる急速作動ボタンを設けることが好ましい。

本発明によれば、作動部材を開弁方向に移動させる開弁圧力室とは別に、マニホールドを形成し、この開弁圧力室とマニホールドの間に、調圧弁、流量調整弁及び排気弁の３つの弁を設けるという極めて簡単な構成により、開弁信号（空気圧力）を与えてから開弁動作に至る応答性に優れ、開弁動作をゆっくり行わせる緩作動開閉弁が得られる。

本発明による緩作動開閉弁の一実施形態を示す、図２のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。 図１のII−II線に沿う断面図である。 図２のIII−III線に沿う拡大断面図である。 図２のIV−IV線に沿う断面図である。 図１のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。 図１、図３の緩作動開閉弁のボンネットの運動伝達面、プッシュロッドの運動伝達面、伝達ステムの縮径部及び径方向移動体（鋼球）部分の詳細を示す拡大断面図である。 本発明による緩作動開閉弁の動作特性例を示すグラフ図である。

図１に示すように、本実施形態の緩作動開閉弁１０は、高圧タンク（ボンベ）に着脱されるボンベヘッド２０とボンネット（ハウジング、シリンダ）３０を備えている。

ボンベヘッド２０には、高圧タンクへのねじ込み接続突起２１と、取出ねじ突起２２が設けられており、このねじ込み接続突起２１と取出ねじ突起２２内には、互いに直交する位置関係で連通する流路２１ａとの流路２２ａが形成されている。ボンベヘッド２０には、この流路２１ａと２２ａの連通部分に、流路２１ａと同心に環状弁座２３が形成されており、この環状弁座２３に接離して流路を開閉する開閉弁体２４が流路２１ａと同一軸線上に摺動自在に支持されている。開閉弁体２４には、環状弁座２３より軟質でシール性の高い環状のバルブシート２５が埋込固定されている。バルブシート２５は、例えばＰＣＴＦＥから構成される。

ボンベヘッド２０には、流路２１ａ及び開閉弁体２４と同一の軸線上に、金属ダイヤフラム２７を挟んでリテーナ２８が螺合固定されており、このリテーナ２８に、金属ダイヤフラム２７を挟んで開閉弁体２４に対して接離移動する中間弁体２９が抜け止められた状態で摺動自在に嵌められている。開閉弁体２４は、開弁付勢ばね（圧縮ばね）２４Ｓにより、該開閉弁体２４（及び中間弁体２９）が開弁する方向に移動付勢されている。中間弁体２９の図１の上端（金属ダイヤフラム２７とは反対側の端部）は外力入力端２９Ａを構成している。

ボンネット（ハウジング）３０は、ロックリング３１によって結合されるアッパボンネット（アッパハウジング）３２とロアボンネット（ロアハウジング）３３からなっており、ロアボンネット３３は、リテーナ２８に螺合固定されている。ロアボンネット３３（ボンネット３０）は、リテーナ２８（ボンベヘッド２０）に対して着脱可能である。

ボンネット３０（ロアボンネット３３）には、Ｏリング３４Ａを介してピストン体（作動部材）３４が摺動自在にかつ気密に嵌められており、このピストン体３４は、該ピストン体３４とアッパボンネット３２との間に挿入した閉弁付勢ばね（圧縮ばね）３５によって中間弁体２９方向に移動付勢されている。閉弁付勢ばね３５の力は開弁付勢ばね２４Ｓの力より強い。図１の３２Ｃは、移動時等の振動による開弁を防ぐロックねじである。

ピストン体３４には、その軸部に、伝達ステム３６が固定されており、この伝達ステム３６は、Ｏリング３７を介してロアボンネット３３の中心筒状部３３Ｃに摺動自在にかつ気密に支持されている。ピストン体３４とロアボンネット３３の間には、開弁圧力室３９が画成されている。ピストン体３４とロアボンネット３３の中心筒状部３３Ｃとの間には隙間が存在する（図１で上下に分割されて描かれている開弁圧力室３９は互いに連通している）。

ボンネット３０（ロアボンネット３３）には、図１、図３の下端部（中間弁体２９側の端部）に、プッシュロッド（押圧部材）４２が摺動自在に嵌められている。このプッシュロッド４２の下端部は、中間弁体２９の外力入力端２９Ａに当接する出力端４２Ａを構成する。

伝達ステム３６の下端部（プッシュロッド４２側の端部）には、プッシュロッド４２側に向けて縮径する縮径部３６Ａが形成されており、プッシュロッド４２とロアボンネット３３には、この縮径部３６Ａの周囲に位置させて、互いに離隔する運動伝達面４２Ｂと運動伝達面３３Ａが形成されている。ロアボンネット３３側の運動伝達面３３Ａは固定であり、プッシュロッド４２側の運動伝達面４２Ｂは可動である。

伝達ステム３６の縮径部３６Ａは、この実施形態では球面の一部（または非球面）からなっている。可動の運動伝達面４２Ｂは、プッシュロッド４２（伝達ステム３６）の軸線に直交する面であり、固定の運動伝達面３３Ａは、運動伝達面４２Ｂとの間隔を外周に行くに従って狭くする、同軸線を中心とする円錐面の一部からなっている。運動伝達面４２Ｂは、図５、図６に示すように、プッシュロッド４２に等角度間隔で３本形成した放射方向溝４２Ｃの底面として形成されており、各放射方向溝４２Ｃに、鋼球（径方向移動体、スチールボール）４３が転動自在に嵌まっている。放射方向溝４２Ｃは、Ｖ字断面溝、円弧断面溝等の任意形状を用いることができる。鋼球４３は、伝達ステム３６の縮径部３６Ａ、一対の運動伝達面３３Ａ、４２Ｂの全てに同時に接触する。また、運動伝達面３３Ａは、ロアボンネット３３とは別部材から構成した耐摩耗性に優れた硬質リング体（バックプレート）３３Ｂに形成されていて、この硬質リング体３３Ｂがロアボンネット３３に固定されている。伝達ステム３６、プッシュロッド４２及び硬質リング体３３Ｂは、例えば、焼入可能なＳＵＪ２、ＳＵＳ４４０Ｃ等から構成されている。プッシュロッド４２の軸部には、伝達ステム３６の縮径部３６Ａが進退する逃げ凹部４２Ｄが形成されている。

以上の伝達ステム３６とプッシュロッド４２回りの構成は、閉弁付勢ばね３５による閉弁力を倍力してプッシュロッド４２（中間弁体２９から開閉弁体２４）に伝達する倍力機構であり、この倍力機構自体は公知である。この倍力機構は、図６に示すように、縮径部３６Ａ、運動伝達面３３Ａ及び運動伝達面４２Ｂの作用により、伝達ステム３６の移動量Ｄに対し、プッシュロッド４２を移動量Ｄより小さい移動量ｄだけ移動させることができるため（Ｄ＞ｄ）、中間弁体２９を介して開閉弁体２４のバルブシート２５を強い力で環状弁座２３に押し付け、閉弁することができる。倍力比Ｄ／ｄは、運動伝達面３３Ａと運動伝達面４２Ｂの角度、及び縮径部３６Ａの角度によって自由に設定することができる。図示実施形態では、ピストン体３４の伝達ステム３６、鋼球４３、硬質リング体３３Ｂを介してプッシュロッド４２には閉弁付勢ばね３５の力のおよそ１０倍の力が発生しており、移動量はおよそ１／１０となっている。

ボンネット３０のロアボンネット３３の下端部には、図１、図３に示すように、ロックリング５０を介してアンダーカバー５１が回転自在に支持されている。アンダーカバー５１は、大小のＯリング５２、５３をロアボンネット３３の下端面に圧縮保持し、Ｏリング５２と５３の間に環状のマニホールド（圧力室）５４を形成する。アンダーカバー５１には、図３に示すように、マニホールド５４内に、切替弁５５を介してパイロット圧力源５６からのパイロット圧力を導く圧力導入ポート５７（図３のみに図示）が形成されている。アンダーカバー５１は、ロアボンネット３３に回動自在に支持されているため、圧力導入ポート５７の位置を自由に選定（設定）することができる。

ロアボンネット３３には、このマニホールド５４と開弁圧力室３９との連通状態を制御する調圧弁６０、ニードル弁（流量調整弁）７０及び排気弁８０の３つの弁が設けられている。図２は、この３つの弁の平面的な位置関係の一例を示している。

調圧弁６０は、図３に示すように、開弁圧力室３９とマニホールド５４とを連通させる連通路６１に、マニホールド５４側から順に、リテーナ６２、Ｏリング（弁座）６３、鋼球（弁体）６４及びこの鋼球６４をＯリング６３に押し付ける圧縮コイルばね６５を配置したもので、開弁圧力室３９内の圧力が予め定めたリザーブ圧に達する迄はマニホールド５４から開弁圧力室３９への空気流を許し、開弁圧力室３９内の圧力がリザーブ圧に達すると閉じる調圧弁（リリーフ弁）である。この調圧弁６０の開弁圧力は、ばね力の設定によって極めて精密に設定することができる。

ニードル弁７０は、図４に示すように、開弁圧力室３９とマニホールド５４とを連通させる連通路７１に、ねじ７２によってニードル弁体７３を螺合させたもので、開弁圧力室３９内の圧力がリザーブ圧力に均衡して調圧弁６０が閉じた後、マニホールド５４内の圧縮空気を微量ずつ開弁圧力室３９内に供給する役割を持つ。マニホールド５４内の空気は、ねじ７２のねじ山間の隙間及びニードル弁体７３の先端のニードル部７３Ｎと連通路７１との間の微小隙間を流れるため、ニードル弁体７３の螺合位置（螺合量）を調節することで、単位時間当たりの流量を超微量に制御することができる。

排気弁８０は、図３に示すように、開弁圧力室３９とマニホールド５４とを連通させる連通路８１に、マニホールド５４側から順に、リテーナ８２、圧縮ばね８３、及び圧縮ばね８３によって流路を閉じる方向に付勢された排気弁体８４を設けたものである。この排気弁８０は、マニホールド５４の圧力が開弁圧力室３９の圧力より下がると開いて該開弁圧力室３９内の空気をマニホールド５４に排気する。

この排気弁８０には、マニホールド５４内の空気を急速に開弁圧力室３９に供給するための急速作動ボタン８５が付設されている。この急速作動ボタン８５は、排気弁体８４をロアボンネット３３の外部からの押圧操作によって傾動可能としたものである。急速作動ボタン８５が押されない状態では、作動圧力及び圧縮ばね８３の力により、排気弁体８４のＯリング８６が連通路８１を閉じているが、急速作動ボタン８５を押して排気弁体８４を傾動させると、Ｏリング８６と連通路８１との間に隙間が生じ、マニホールド５４内の圧縮空気が急速に開弁圧力室３９内に供給される。なお、ロアボンネット３３の下面には、該ボンネット３３の軸線を中心とするＬ型環状突起３３Ｄが形成されている。このＬ型環状突起３３Ｄは、連通路６１、７１及び８１部分では除去されており、連通路６１と８１にそれぞれ調圧弁６０と排気弁８０を嵌めた後、このＬ型環状突起３３Ｄに抜け止めリング３３Ｌを嵌めて脱落を防止している（図３参照）。

上記構成の本緩作動開閉弁１０は次のように動作する。切替弁５５の供給ポート５５ａを流路に接続すると、パイロット圧力源５６からの高圧圧縮空気が圧力導入ポート５７から瞬時にマニホールド５４に供給される。開弁圧力室３９内の圧力がリザーブ圧より低い状態では、調圧弁６０の鋼球６４は、マニホールド５４内の圧力によって圧縮コイルばね６５を撓ませながらＯリング６３から離れ、マニホールド５４内の圧縮空気を開弁圧力室３９内に導く。そして、開弁圧力室３９内の圧力がリザーブ圧力に達すると、圧縮コイルばね６５の力により鋼球６４がＯリング６３に着座して、マニホールド５４から開弁圧力室３９への圧縮空気の供給が停止される。

このリザーブ圧力は、この実施形態では、開弁圧力室３９内の圧力により、閉弁付勢ばね３５の力に抗してピストン体３４が開弁方向に移動を開始する直前の圧力に設定されている。調圧弁６０の閉弁圧力をこのような均衡圧力に設定することは、鋼球６４のばね力の設定等によって、厳密に行うことが可能である。重要なことは、調圧弁６０が存在することにより、切替弁５５の供給ポート５５ａを流路に接続してから極めて短い時間ｔ（図７、デッドタイム）に、開弁圧力室３９内の圧力をこの均衡圧力にすることができる点である。具体例をあげると、このデッドタイムｔは、５秒未満に設定することができる。勿論、リザーブ圧力と開弁（ピストン上昇）開始圧力の差が近い程、デッドタイムを短くすることができ、理論的には零にできるが、実際には、閉弁付勢ばね３５の反力、各部品の寸法精度、バルブシート２５の経年変化等を考慮して、ピストン上昇開始圧力よりもリザーブ圧を少し低めに設定し、若干のデッドタイムを設定することが実際的である。

調圧弁６０が閉じた後も、マニホールド５４内には、切替弁５５の供給ポート５５ａを介してパイロット圧力源５６からの圧縮空気が供給されている。従って、今度は、ニードル弁７０から開弁圧力室３９内に極めて微量ずつ圧縮空気が供給され、その圧縮空気の供給スピード（単位時間当たりの供給量）に従って、ピストン体３４が開弁方向に移動する。すなわち、ピストン体３４が動き始めてからの開弁速度をゆっくりしたものとすることができる（図７）。開弁開始後の開弁スピード（図７のグラフの傾き）は、ニードル弁７０の開度によって調節することができる。

詳細な開弁動作は次の通りである。開弁圧力室３９内の圧縮空気圧による力が閉弁付勢ばね３５の力に打ち勝つと、ピストン体３４と伝達ステム３６が上昇し、閉弁力が消失するため、ボンベ内の高圧気体の圧力及び開弁付勢ばね２４Ｓの力で開閉弁体２４が開弁方向に移動し、開閉弁体２４（バルブシート２５）が環状弁座２３から離れる結果、開弁し、ボンベ内の圧縮気体を流路２１ａから流路２２ａ（取出ねじ突起２２に螺合された高圧気体使用機器）に取り出すことができる。具体的には、図示実施例の倍力機構を用いたとき、開閉弁体２４（バルブシート２５）が環状弁座２３から０．１ｍｍ離れる迄の時間を１０秒程度、０．６ｍｍ離れる迄の時間を２０秒から３０秒程度に設定することができる。

また、急速に開弁したいときには、排気弁８０の急速作動ボタン８５を押す。急速作動ボタン８５を押すと、排気弁体８４が傾いてそのＯリング８６が連通路８１を開き、マニホールド５４内の圧縮空気が急激に開弁圧力室３９内に供給される。従って、閉弁付勢ばね３５の力に抗してピストン体３４を開弁方向に急速に移動させて、急速に開弁することができる。

一方、切替弁５５の停止ポート５５ｂを流路に接続して作動圧を排気すると、マニホールド５４の圧力が開弁圧力室３９の圧力より下がる（大気圧になる）ため、開弁圧力室３９内の空気が排気弁８０（排気弁体８４）を介してマニホールド５４に排出され、その結果閉弁付勢ばね３５の力により、ピストン体３４は閉弁位置に速やかに復帰して流路を閉じる。

以上の実施形態における調圧弁６０、ニードル弁（流量調整弁）７０及び排気弁８０の具体構成は、一例を示すに過ぎない。調圧弁６０については、開弁圧力室３９内の圧力が予め定めたリザーブ圧に達する迄はマニホールド５４から開弁圧力室３９への空気流を許し、開弁圧力室３９内の圧力がリザーブ圧に達すると閉じる弁であればその具体的構成は問わない。同様に、ニードル弁（流量調整弁）７０は、開弁圧力室３９内の圧力がリザーブ圧に達した後、マニホールド５４から開弁圧力室３９へ微量ずつ空気を供給できる弁であればよく、排気弁８０は、開弁圧力室３９からマニホールド５４へ排気できる弁であればよい。

また、開弁圧力室３９の圧力によって開弁する弁機構も、図示実施形態は一例を示すに過ぎない。さらに、以上の実施形態では、開弁圧力室３９に供給される空気圧力で開弁動作する作動部材としてピストン体３４を示したが、ダイヤフラム組立体によって作動部材を構成することもできる。本発明は、開弁圧力室３９にパイロット圧力を供給するためのマニホールド５４を開弁圧力室３９とは独立させて（別に）形成すること、及び、このマニホールド５４と開弁圧力室３９との間を、調圧弁６０、流量調整弁７０及び排気弁８０の３つの弁で連通させることを満足することで成立する。以上の実施形態では、排気弁８０に急速作動ボタン８５を付設して、マニホールド５４から開弁圧力室３９への急速給気を可能としたが、排気弁８０に急速作動ボタン８５を付設することは必須でない。すなわち、急速作動弁は、排気弁８０とは別に設けることも可能であるが、排気弁８０を利用すれば、構成が簡単になる。

１０ 開閉弁
２０ ボンベヘッド
２１ ねじ込み接続突起
２２ 取出ねじ突起
２１ａ ２２ａ 流路
２３ 環状弁座
２４ 開閉弁体
２４Ｓ 開弁付勢ばね
２５ バルブシート
２７ 金属ダイヤフラム
２８ リテーナ
２９ 中間弁体
２９Ａ 外力入力端
３０ ボンネット（ハウジング）
３２ アッパボンネット
３３ ロアボンネット
３３Ａ 運動伝達面
３３Ｂ 硬質リング体
３３Ｃ 中心筒状部
３３Ｄ Ｌ型環状突起
３３Ｌ 抜止リング
３４ ピストン体（作動部材）
３４Ａ Ｏリング
３５ 閉弁付勢ばね
３６ 伝達ステム
３６Ａ 縮径部
３７ Ｏリング
３９ 開弁圧力室
４１ 抜止リング
４２ プッシュロッド
４２Ａ 出力端
４２Ｂ 運動伝達面
４２Ｃ 放射方向溝
４３ 鋼球（径方向移動体）
５０ ロックリング
５１ アンダーカバー
５２ ５３ Ｏリング
５４ マニホールド
５５ 切替弁
５５ａ 供給ポート
５５ｂ 停止ポート
５６ パイロット圧力源
５７ 圧力導入ポート
６０ 調圧弁
６１ 連通路
６２ リテーナ
６３ Ｏリング（弁座）
６４ 鋼球（弁体）
６５ 圧縮コイルばね
７０ ニードル弁（流量調整弁）
７１ 連通路
７２ ねじ
７３ ニードル弁体
７３Ｎ ニードル部
８０ 排気弁
８１ 連通路
８２ リテーナ
８３ 圧縮ばね
８４ 排気弁体
８５ 急速作動ボタン
８６ Ｏリング

Claims (2)

1. 弁座に接離して流路を開閉する弁体を作動させる作動部材；
   前記作動部材を閉弁方向に付勢するばね手段；
   前記ばね手段に抗して前記作動部材に開弁方向の力を及ぼす開弁圧力室；
   前記開弁圧力室とは独立させて設けたマニホールド；
   前記開弁圧力室内の圧力が予め定めたリザーブ圧に達する迄は前記マニホールドから前記開弁圧力室への空気流を許し、前記開弁圧力室内の圧力が前記リザーブ圧に達すると閉じる調圧弁；
   前記開弁圧力室内の圧力が前記リザーブ圧に達した後、前記マニホールドから前記開弁圧力室へ微量ずつ空気を供給する流量調整弁；及び
   前記マニホールドの圧力が前記開弁圧力室の圧力より下がったとき前記開弁圧力室内の空気を前記マニホールドに排気する排気弁；
   を備えたことを特徴とする緩作動開閉弁。
2. 請求項１記載の緩作動開閉弁において、前記排気弁は、前記マニホールドを前記開弁圧力室に連通させる急速作動ボタンを備えている緩作動開閉弁。
   

Images