JP4762222B2

JP4762222B2 - ダイヤフラムバルブ

Info

Publication number: JP4762222B2
Application number: JP2007294515A
Authority: JP
Inventors: 健一幸松
Original assignee: Asahi Organic Chemicals Industry Co Ltd
Current assignee: Asahi Yukizai Corp
Priority date: 2007-11-13
Filing date: 2007-11-13
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2027-11-13
Also published as: JP2009121547A

Description

本発明は、化学工場、または半導体製造分野、液晶製造分野、食品分野などの各種産業に使用されるダイヤフラムバルブに関するものであり、さらに詳しくは、コンパクトな構造を維持したままバルブ内を流れる流体の圧力損失を低減でき、流量を増加させることができるダイヤフラムバルブに関するものである。

従来、各種産業に使用されるダイヤフラムバルブとして、図４に示すようなダイヤフラムバルブがあった（例えば、特許文献１参照）。このようなダイヤフラムでは、バルブ本体１０１に、第一流路１０４と第二流路１０５と両流路の中間に位置するウエア部１０６とが設けられており、バルブ本体１０１上には、バルブ本体１０１のダイヤフラム取付座１０９上にダイヤフラム１０８の周縁を挟持するようにボンネット１１０が取付けられていた。ボンネット１１０の上部には、内面に雌ねじを有するスリーブ１１１が回転可能に取付けられ、バルブステム１１２がスリーブ１１１に螺合して昇降できるようになっており、また、バルブステム１１２の下端部には押圧体１１３が装着され、この押圧体１１３にダイヤフラム１０８の中央部が固定されていた。さらに、第一流路１０４及び第二流路１０５の底面とウエア部の頂部に形成される弁座面１０７との間は、弁座面１０７から第一開口１０２及び第二開口１０３に向かって凹状に湾曲した第一凹状湾曲面１１７及び第２凹状湾曲面１１８によってそれぞれ接続されていた。

特開平８−１２１６１８号公報

しかしながら、前記ダイヤフラムバルブの流路は大きな流量が流れにくい形状をしていた。第一開口１０２から流入して第一流路１０４を流れる流体は、第一凹状湾曲面１１７に沿って流れることで上方に向かって立ち上がって斜め上向きに流れるようになり、弁座面１０７を乗り越えるときに、弁座面１０７から離れてダイヤフラム１０８に衝突し、これにより流れ方向を変えて、第二流路１０５側に流入する（図４の矢印参照）。ところが、このように流体がダイヤフラム１０８に衝突して強制的に流れの向きが変えられると、流体の円滑な流れが妨げられ、圧力損失が生じる。また、第一流路１０４を流れる流体は、第一開口１０２から直線的に流れるため、その慣性によってウエア部付近では第一凹状湾曲面１１７側に偏って流れる傾向があり、これにより、バルブ本体１０１の上面に形成された開口部１１４の内周面と第一流路１０４の天井面とが交差する第一交差部１１５よりも下流側に位置するダイヤフラム１０８とバルブ本体１０１との当接部分付近では、流量が少なくなって流体が滞留しやすくなる。この結果、滞留部分と流動部分との境目から、滞留部分へ逆流して流れる乱流Ｘが発生して、圧力損失を生じさせる。

次に、第二流路１０５側へ流入した流体は、ダイヤフラム１０８に衝突して流れ方向を変えられたものであるので、第二凹状湾曲面１１８に沿って流れることができず、開口部１１４の内周面と第二流路１０５の天井面とが交差する第二交差部１１６側に偏って流れる傾向がある。これにより、第二凹状湾曲面１１８側は流量が少なくなって流体が滞留しやすくなる。この結果、滞留部分と流動部分との境目から滞留部分へ逆流して流れる乱流Ｙが発生して、圧力損失を生じさせる。

また、第二交差部１１６側に偏って流れる流体は、第二交差部１１６で流路面積を絞られた後、第二流路１０５の底面側に向かって流れる。これにより、第二交差部１１６よりも下流の第二流路１０５の天井面側は流量が少なくなって流体が滞留する傾向がある。この結果、滞留部分と流動部分との境目から、滞留部分へ逆流して流れる乱流Ｚが発生して、圧力損失を生じさせる。そして、ダイヤフラムバルブを通過した流体が第二開口１０３から流出される。

以上のように、流体がダイヤフラム１０８に衝突することによって生じる圧力損失や、各所に発生した乱流Ｘ、Ｙ、Ｚによって生じる圧力損失により、バルブ本体１０１を通過する流体は圧力損失を生じた部分で流れを妨げられて、流量が著しく低下するという問題があった。

これに対し、乱流Ｘ、Ｚの発生を抑えるためには、第一交差部１１５及び第二交差部１１６にテーパーを設ける手法をとり得る。しかし、従来の流路にテーパーを設けただけでは乱流を小さくすることはできても、乱流Ｘ、Ｚの発生を防止することはできない。また、第一交差部１１５及び第二交差部１１６にテーパーを設ける手法では、乱流Ｙの発生を小さくすることも防止することもできず、また、流体がダイヤフラム１０８に衝突することによって発生する圧力損失については改善できないため、第一交差部１１５及び第二交差部１１６にテーパーを設けるだけでは不十分である。

また、乱流Ｙの発生や流体がダイヤフラム１０８へ衝突することを抑えるためには、第一流路１０４及び第二流路１０５の底面とウエア部の頂部の弁座面との間に延びる第一凹状湾曲面１１７及び第二凹状湾曲面１１８の立ち上がり角度を小さくする手法をとり得る。しかし、弁座面１０７の高さ位置を維持したままで、第一流路１０４及び第二流路１０５の立ち上がり角度を小さくして流路を形成すると、立ち上がり角度に合わせてバルブの面間を大きくしなければならず、バルブが大きくなる問題や、第一交差部１１５及び第二交差部１１６における第一流路１０４及び第二流路１０５の流路面積が小さくなり、得られる効果が相殺されて結果的に流量が小さくなるという問題が生じる。

さらに、流量を増加させるためには、開口部１１４を大きくすることで流路面積を大きくして流量を増加させる手法もとり得る。しかし、開口部１１４を大きくすることによって、バルブ本体１０１及びボンネット１１０の幅や面間が大きくなって、バルブ自体が大きくなってしまい、装置内部など狭隘な空間でバルブを設置するときの施工性や操作性が著しく低下する問題や、開口部１１４の面積を大きくすることに伴ってダイヤフラム１０８を大きくすることで、流体内圧に対するダイヤフラム１０８への負荷が大きくなってバルブの寿命が短くなるという問題が生じる。また、ダイヤフラム１０８を補強するために肉厚を厚くすると、特に空気駆動式または電気駆動式のダイヤフラムバルブでは、ダイヤフラム１０８の応答特性が悪くなるという問題が生じる。

また、弁座面１０７の高さ位置を低くして、流路との高低差を小さくすると共に、弁座面１０７とダイヤフラム１０８との間の流路面積を大きくして流量を増加させる手法もとり得る。しかし、弁座面１０７の位置を低くすると、ダイヤフラム１０８の開閉ストロークが増加して、バルブ開閉時のダイヤフラム１０８の変形量が大きくなり、ダイヤフラム１０８の屈曲疲労や伸縮疲労が大きくなる。この結果、ダイヤフラム１０８の耐久性が低下してダイヤフラム１０８の寿命が短くなったり、破損しやすくなったりするという問題が生じる。特に、空気駆動式または電気駆動式のダイヤフラムバルブのような開閉回数の多い仕様では、ダイヤフラム１０８の耐久性の低下はバルブの寿命を短くさせることにつながる。

本発明は、以上のような従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、コンパクトな構造を維持したまま流量を増加させることができ、バルブ内を流れる流体の圧力損失を低減できるダイヤフラムバルブを提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するために、対向する二つの側面にそれぞれ形成された流入口及び流出口からそれぞれ流路軸線方向に延びる第１流路及び第２流路、上部に形成され前記第１流路及び前記第２流路に通じる開口部、前記第１流路及び前記第２流路の底面から前記開口部に向かって延び頂部に弁座が形成されている仕切壁を設けられた本体と、該本体の上部に取り付けられたボンネットと、前記本体の前記開口部を覆うように配置され且つ前記本体と前記ボンネットとの間に周縁部を挟持されたダイヤフラムと、前記ダイヤフラムを駆動するための駆動部とを備え、前記ダイヤフラムが駆動部によって前記弁座に圧接離間されるようになっているダイヤフラムバルブにおいて、前記仕切壁の上端に形成された前記弁座と前記第１流路及び前記第２流路の底面とを接続する前記仕切壁の両側面が、前記流入口から前記弁座並びに前記弁座から前記流出口に至るまでの流れの向きが連続して緩やかに変化するように、前記第１流路及び前記第２流路の底面から変曲点まで延びる凹状湾曲面と前記変曲点から前記弁座の縁まで延びる凸状湾曲面とを含むようにしたダイヤフラムバルブであり、前記変曲点における前記仕切壁の側面の傾斜角度が、流路軸線に対して４５°以下であるダイヤフラムバルブを提供する。

上記ダイヤフラムバルブにおいて、前記開口部の内周面と前記第１流路及び前記第２流路の天井面との交差部に面取り部を設けることが好ましい。

また、前記面取り部の角度が流路軸線に対して１５〜３０°であり、前記面取り部の高さ方向の寸法が２ｍｍ以上であることが好ましい。

また、前記変曲点における前記仕切壁の側面の傾斜角度が、流路軸線に対して４５°以下であることが好ましい。

さらに、前記ダイヤフラムバルブの面間寸法Ｌと前記開口の内径Ｄが、Ｌ≦３Ｄ＋９５（ｍｍ）の関係を満たすように定められていることが好ましい。

また、前記凸状湾曲面と前記凹状湾曲面が円弧状に形成されており、該凸状湾曲面の半径が、該凹状湾曲面の半径より小さくなるように定められていることが好ましい。

上記の場合、前記凸状湾曲面の半径Ｒ₁と前記凹状湾曲面の半径Ｒ₂が、１．０Ｒ₁＜Ｒ₂≦１．５Ｒ₁の関係を満たすように定められていることがさらに好ましい。

また、前記第１流路及び前記第２流路の内周面の表面粗さＲａが６．３μｍ以下であることが好ましい。

前記駆動部は、手動式、空気駆動式または電気駆動式とすることができる。

本発明は以上のように構成したので、以下の優れた効果が得られる。
（１）第一流路および第二流路の底面と弁座との間に凸状湾曲面と凹状湾曲面とを連続して形成して接続することにより、流体が弁座を乗り越えるときに流路の底面に沿って流れるようになり、流体のダイヤフラムへの衝突や、第二凸状湾曲面から第二凹状湾曲面付近での乱流の発生が防止され、圧力損失を低減することができる。
（２）弁本体の頂面に形成された開口部の内周面と第一流路及び第二流路の天井面との交差部に面取り部を設けることにより、第一流路及び第二流路の流路面積を大きくすることができると共に、第一流路及び第二流路内を流れる流体の流れ方向を流路軸線方向へ誘導することができる。
（３）第一流路及び第二流路の底面と弁座との間に凸状湾曲面と凹状湾曲面とを連続して形成して接続し、且つ、弁本体の頂面に形成された開口部の内周面と第一流路及び第二流路の天井面との交差部に面取り部を設けることにより、面取り部の下流側での乱流の発生が防止されて圧力損失を低減させることができ、相乗効果によって流体を無駄なく円滑に流すことができ、大幅な圧力損失の低減によって流量を増加させることができる。
（４）また、上記の構成により、弁座面の位置を低くしたり、本体の頂面の開口部を大きくしたり、面間を広くすることなく、コンパクトな形状を維持したまま流量を増加させることができる。
（５）さらに、ダイヤフラムにかかる流体による負荷を低減させることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明が本実施形態に限定されないことは言うまでもない。

図１は本発明の第一の実施形態を示すダイヤフラムバルブの縦断面図である。図２は図１の要部拡大縦断面図である。図３は空気駆動式のダイヤフラムバルブを示す部分断面図である。

最初に、図１および図２に基づいて本発明の実施形態であるダイヤフラムバルブの構成について説明する。ダイヤフラムは、弁本体１と、ダイヤフラム１５と、コンプレッサ１７と、ボンネット１８と、ステム２１と、ハンドル２３とを備える。弁本体１はポリ塩化ビニル（以下、ＰＶＣと記す）から作製されており、その面間寸法Ｌが２１０ｍｍ、第一開口２及び第二開口３の内径Ｄが５０ｍｍとなっている。弁本体１の内部には、弁本体１の対向する側面の一方に形成された第一開口すなわち流入口２から流路軸線方向に延びる第一流路４と、弁本体の対向する側面の他方に形成された第二開口すなわち流出口３から流路方向に延びる第二流路５と、これら第一流路４及び第二流路５の中間に位置する仕切壁１０とが設けられている。また、弁本体１の頂面には、第一流路４及び第二流路５に連通する開口部１２が設けられている。仕切壁１０は、第一流路４及び第二流路５の底面から開口部１２に向かって延びており、その頂部には、ダイヤフラム１５が圧接離間する弁座１１が形成されている。また、仕切壁１０の頂部に形成された弁座１１と第一流路４の底面のうちの流路軸線と平行に延びる部分とを接続する仕切壁１０の側面は、弁座１１から第一流路４の底面に向けて凸状に湾曲して延びる第一凸状湾曲面６とこれに連続して凹状に湾曲して延び第一流路４の底面に接続する第一凹状湾曲面８とによって構成されており、第一流路４の底面の一部をなしている。同様に、弁座１１と第二流路５の底面のうちの流路軸線と平行に延びる部分とを接続する仕切壁１０の側面は、弁座１１から第二流路５の底面に向けて凸状に湾曲して延びる第二凸状湾曲面７とこれに連続して凹状に湾曲して延び第二流路５の底面に接続する第二凹状湾曲面９とによって構成されており、第二流路５の底面の一部をなしている。仕切壁１０における第一流路４及び第二流路５側の側面の傾斜角度Ａ及びＡ´は共に流路軸線に対して４５°になるように形成されている。また、第一凸状湾曲面６、第一凹状湾曲面８、第二凸状湾曲面７及び第二凹状湾曲面９はいずれも図１の縦断面において円弧状になっており、第一凸状湾曲面６及び第二凸状湾曲面７の半径Ｒ₁と第一凹状湾曲面８及び第二凹状湾曲面９の半径Ｒ₂はＲ₂＝１．３Ｒ₁となるように定められている。

ここで、第一流路４側の仕切壁１０の側面の傾斜角度Ａ及び第二流路５側の傾斜角度Ａ´とは、第一凸状湾曲面６から第一凹状湾曲面８に遷移する変曲点及び第二凸状湾曲面７から第二凹状湾曲面９に遷移する変曲点における接線が流路軸線に対してなす角度を意味する。上記の実施形態では、傾斜角度Ａ及びＡ´はともに４５°に形成されているが、必ずしもこの角度に限定されるものではない。しかしながら、傾斜角度Ａ及びＡ´は、流路軸線に対してバルブ中心から各々の直近の開口側への方向を０°としたときに、流路軸線に対して下側に４５°以下であることが望ましく、４０〜４５°がさらに望ましい。傾斜角度Ａ及びＡ´を４５°以下にすると、流体の流れのベクトルは流路軸線に対して垂直方向より流路軸線方向の成分が大きくなることから、第一流路４を流れる流体が弁座１１を乗り越えるときに弁座１１に沿って流路軸線方向に流れるようになって、流体がダイヤフラム１５に衝突しにくくなると共に、第二流路５側に流入するときに流体が第二凸状湾曲面７に沿って流れ易くなり、第二流路５の第二凸状湾曲面７側や第二凹状湾曲面９側にも流体が流れて乱流の発生を抑える。したがって、傾斜角度Ａ及びＡ´は流路軸線に対して４５°以下であることが望ましい。また、バルブを大きくすることなく弁本体１の流路を好適な条件で形成するには、４０°以上であることが望ましい。

また、ダイヤフラムバルブの面間寸法Ｌとは、第一開口２及び第二開口３がそれぞれ設けられた弁本体１の対向する側面の間の流路軸線方向の長さを意味する。上記実施形態では、面間寸法Ｌが２１０ｍｍ、第一開口２及び第二開口３の内径Ｄが５０ｍｍとして説明しているが、面間寸法Ｌ、第一開口２及び第二開口３の内径Ｄがこれらに限定されないことはもちろんである。しかしながら、ダイヤフラムバルブの面間寸法Ｌと、第一開口２及び第二開口３の内径Ｄは、Ｌ≦３Ｄ＋９５（ｍｍ）の関係にあることが望ましく、３Ｄ＋５０≦Ｌ≦３Ｄ＋９５（ｍｍ）の関係にあることがさらに望ましい。弁座１１の高さを維持したまま、流路の立ち上がり角度を大きくさせないためには、３Ｄ＋５０≦Ｌ（ｍｍ）が良く、流体の流れを円滑にした状態を維持したまま面間を小さくしてダイヤフラムバルブを大きくさせないためにはＬ≦３Ｄ＋９５（ｍｍ）が良い。

また、上記実施形態では、第一凸状湾曲面６及び第二凸状湾曲面７の半径Ｒ₁と第一凹状湾曲面８及び第二凹状湾曲面９の半径Ｒ₂はＲ₂＝１．３Ｒ₁となるように定められると説明しているが、これに限定されるものではない。しかしながら、第一凸状湾曲面６及び第二凸状湾曲面７の半径Ｒ₁と第一凹状湾曲面８及び第二凹状湾曲面９の半径Ｒ₂は、１．０Ｒ₁＜Ｒ₂≦１．５Ｒ₁であることが望ましい。Ｒ₁がＲ₂より大きいと、流体が弁座１１を乗り越えるときに流体の流れの向きを流路軸線方向に誘導しやすくなるが、その反面、流路面積を狭める傾向にある。また、Ｒ₂がＲ₁の１．５倍より大きくなると、第一流路４側及び第二流路５側の仕切壁１１の側面の傾斜角度が大きくなり、流体の流れについて流路軸線に対して垂直方向側へ向かう力が強くなる。これらのことから、流体の流れの向きを流路軸線方向に誘導し、流路面積を狭めないためには、第一凸状湾曲面６及び第二凸状湾曲面７の半径Ｒ₁と第一凹状湾曲面８及び第二凹状湾曲面９の半径Ｒ₂は、１．０Ｒ₁＜Ｒ₂≦１．５Ｒ₁であることが望ましい。

さらに、弁本体１の第一流路４及び第二流路５の内周面の表面粗さＲａは、流体が流路底面をより円滑に流れるために、６．３μｍ以下であることが望ましい。また、表面粗さＲａの下限は低ければ低いほど望ましいが、弁本体１の成形性を損なわず、部品の取り扱いを困難にさせないためには０．１μｍ以上であることが望ましい。

弁本体１の上面に形成された開口部１２の内周面と第一流路４の天井面との交差部には第一面取り部１３が形成されている。第一面取り部１３は、高さ方向の寸法Ｈが３ｍｍ、面取り角度Ｂが流路軸線に対して２０°となるように設けられている。同様に、開口部１２の内周面と第二流路５の天井面との交差部には第二面取り部１４が形成されており、第二面取り部１４は、高さ方向の寸法Ｈが３ｍｍ、面取り角度Ｂ´が流路軸線に対して２０°となるように設けられている。

ここで、面取り部とは、弁本体１上面に形成された開口部１２の内周面と第一流路４及び第二流路５の天井面との交差部（図４の第一交差部１１５、第二交差部１１６参照）に形成された面取り部分を意味する。面取り部として、弁本体１の第一流路４及び第二流路５にそれぞれ第一面取り部１３及び第二面取り部１４を設けることによって、第一流路４及び第二流路５の流路面積を大きくすると共に、流体の流れの向きを流路軸線方向に誘導することで、バルブの流路内の流体抵抗を低減することができる。上記実施形態では、面取り角度Ｂ及びＢ´はいずれも流路軸線に対して２０°となるように定められているが、これに限定されるものではない。しかしながら、第一面取り部１３の面取り角度Ｂ及び第二面取り部１４の面取り角度Ｂ´は、流路軸線に対して各々の直近の開口からバルブの中心側への方向を０°としたときに、流路軸線に対して開口部１２側に１５〜３０°であることが望ましく、１８〜２２°であることがさらに望ましい。第一面取り部１３及び第二面取り部１４の面取り角度Ｂ及びＢ´は、流路面積を大きくすると共に流体の流れの向きを流路軸線方向に誘導する効果を得るためには１５°以上が良く、流体の流れの向きを流路軸線に対して垂直方向に向かないように誘導するためには３０°以下が良い。

また、面取り部の高さ方向の寸法とは、図２に示すように、第一面取り部１３で説明すると、第一流路４側の稜線２６から開口部１２側の稜線２７までの流路軸線に対して垂直方向の高さ（図２の寸法Ｈの部分）を意味する。上記実施形態では、第一面取り部１３及び第二面取り部１４の高さ方向の寸法Ｈはともに３ｍｍとされているが、これに限定されるものではない。しかしながら、第一面取り部１３及び第二面取り部１４の高さ方向の寸法Ｈは２ｍｍ以上であることが望ましく、２〜５ｍｍであることがさらに望ましい。第一面取り部１３及び第二面取り部１４付近の流路面積を大きくし、流量を増加させるためには高さ方向の寸法Ｈは２ｍｍ以上が良く、弁本体１とボンネット１８との間のシール性を良好に保つように、弁本体１の開口部１２周縁の肉厚を一定以上保持するためには高さ方向の寸法Ｈは５ｍｍ以下が良い。

ダイヤフラム１５はエチレンプロピレンゴム（以下、ＥＰＤＭと記す）から作製されている。ダイヤフラム１５の非接液面側の中央には、上部が突出した状態で埋め込み金具１６が埋設されており、ダイヤフラム１５は、埋め込み金具１６によって、駆動部により上下方向に駆動されるコンプレッサ１７に係合固定されている。ダイヤフラム１５の周縁部は、弁本体１とボンネット１８の間に挟持されており、ボンネット１８の下面により弁本体１の上面の開口部１２周辺に押しつぶされて水密状態で固定されている。

上記実施形態では、ダイヤフラム１５の材質はＥＰＤＭとされているが、これに限定されるものではない。しかしながら、ダイヤフラム１５の材質はゴム状の弾性体であることが望ましく、ＥＰＤＭ、イソプレンゴム、クロロプレンゴム、クロロスルフォン化ゴム、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、塩素化ポリエチレン、フッ素ゴムなどが好適な材質として挙げられる。また、ダイヤフラム１５の材質は、ポリプロピレン（以下、ＰＰと記す）、ポリビニリデンフルオライド（以下、ＰＶＤＦと記す）、ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと記す）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（以下、ＰＦＡと記す）などの樹脂であっても良く、特に限定されない。さらに、ダイヤフラム１５には強度の高い補強布がインサートされても良く、補強布はナイロン製（フッ素ゴムの場合はポリビニリデンフルオライド製）であることが望ましい。これは、バルブの閉止時にダイヤフラム１５に流体圧がかかったときにダイヤフラム１５の変形や破損を防止するため好適である。

コンプレッサ１７はＰＶＤＦから作製されており、コンプレッサ１７の上部はステム２１の下端部に係合固定されている。ボンネット１８はＰＶＣから作製されており、弁本体１の上部にボルト・ナット（図示せず）で固定されている。ボンネット１８の上部中央の貫通孔１９には、銅合金製のスリーブ２０が支承されている。ステム２１は、銅合金から作製されており、スリーブ２０の内部に設けられた雌ネジ部２２と螺合している。ハンドル２３はＰＰから作製されており、スリーブ２０の上部外周部に嵌合され、ボンネット１８の上端部に配置されている。

上記実施形態において、弁本体１及びボンネット１８の材質はともにＰＶＣとされているが、特に限定されるものではなく、ダイヤフラムバルブの弁本体１やボンネット１８の材質は、ＰＶＣ、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ＰＰ、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ポリクロロトリフルオロエチレンなどの樹脂、鉄、銅、銅合金、真鍮、アルミニウム、ステンレスなどの金属、または磁器などのセラミックのいずれでも良い。特に、薬液の配管ラインには耐食性に優れる樹脂製のダイヤフラムバルブが好適に使用される。また、上記の実施形態では、コンプレッサ１７の材質がＰＶＤＦとされているが、特にこれに限定されるものではなく、樹脂または金属などでもよいが、ＰＶＤＦなどの樹脂であることが好ましい。また、上記実施形態では、ステム２１及びスリーブ２０の材質はともに銅合金とされているが、特にこれに限定されるものではなく、ステム２１やスリーブ２０の材質は、所期の強度を有する材質であればよいが、鉄、銅、銅合金、真鍮、アルミニウム、ステンレスなどの金属であることが好ましい。

なお、上記実施形態において、ステム２１に固定されるコンプレッサ１７、スリーブ２０、ハンドル２３は、ダイヤフラム１５を上下方向に駆動するための駆動部を構成している。このように、上記実施形態では、ダイヤフラム１５の駆動部は手動式のものであるが、手動式に限定されるものではなく、空気圧による空気駆動式、モーターなどによる電気駆動式などでもよく、特に限定されない。空気駆動式の場合、図３に示すように、ダイヤフラムバルブのハンドル２３の代わりに空動式駆動部２４が、また電気駆動式の場合も同様に、電動式駆動部（モーターなど）が、それぞれステム２５に係合され自動式ダイヤフラムバルブが形成される（図示せず）。

さらに、本発明では、ダイヤフラムバルブと配管との接続はソケット接続、ねじ接続、フランジ接続、突合せ接続、または、キャップナット接続のいずれでもよく、特に限定されない。

次に、本実施形態のダイヤフラムバルブの開閉時の作用を図１に基づいて説明する。

図１の全開状態からハンドル２３を閉方向（時計回り）に回転すると、ハンドル２３の回転に従ってステム２１とステム２１の下端部に設けられたコンプレッサ１７とが下降し、それに伴ってダイヤフラム１５が次第に下方に湾曲し、ついには弁本体１の仕切壁１０の頂面の弁座１１に圧接される。これによって、第一流路４及び第二流路５が閉鎖されて、ダイヤフラムバルブは全閉状態となる。

次に、ハンドル２３を開方向（反時計回り）に回転すると、ハンドル２３の回転に従ってステム２１とステム２１の下端部に設けられたコンプレッサ１７とが上昇し、それにともなってダイヤフラム１５が弁座１１から離間し、次第に上方に湾曲して開限度位置まで上昇する。これによって、第一流路４及び第二流路５が開放され、ダイヤフラムバルブは全開状態（図１の状態）となる。

次に、本実施形態のダイヤフラムバルブが全開時における流体の流れを図１に基づいて説明する。

図１において、ダイヤフラムバルブを流れる流体は、第一開口２より流入し、第一流路４の第一凹状湾曲面８に沿って斜め上方（図１の右上方向）へ立ち上がり、続いて流体が第一凸状湾曲面６に到達すると、第一凹状湾曲面８にて斜め上方へ立ち上がった流れは第一凸状湾曲面６に沿って徐々にその向きを流路軸線方向（図１の右方向）に変え、弁座１１に沿って第二流路５側に流入する。弁座１１に到達した流体は流路軸線方向を向いて流れていることから、流体は流路の底面に沿って円滑に流れると共にダイヤフラム１５の接液面に沿って流れる。したがって、流体がダイヤフラム１５と衝突する流れが抑えられて、ダイヤフラム１５にかかる流体による負荷を低減させることができ、流体がダイヤフラム１５に衝突することによる圧力損失を抑えることができる。

また、開口部１２の内周面と第一流路４の天井面との交差部に第一面取り部１３を設けることによって、交差部周りにおける第一流路４の流路面積を大きくすると共に、仕切壁１０に対して斜め上方へ立ち上がる流体の流れの向きを流路軸線方向に誘導し、弁座１１に到達した流体が流路軸線方向を向いて流れやすくさせることができる。また、第一面取り部１３が流路軸線に対してなす角度を１５〜３０°に設定すると、第一凹状湾曲面８に沿って立ち上がった流体の流れを緩やかに流路軸線方向に向けることができると共に、ダイヤフラム周縁部付近の滞留を低減させることができる。さらに、第一流路４の底面の一部として凸状湾曲面と凹状湾曲面が連続して形成された仕切壁１０の側面と第一面取り部１３とを併せることで、開口部１２の内周面と第一流路４の天井面との交差部よりも下流側に位置するダイヤフラム１５と弁本体１との当接部分付近の流路において、従来のような流体の滞留がしにくくなくなり、滞留部分の乱流の発生（図４における乱流Ｘ）を防止し、乱流による圧力損失を抑えることができるようになる。

次に、弁座１１に沿って第二流路５側に流入した流体は、第二凸状湾曲面７に沿って流れ、流路軸線方向を向いていた流れの向きを徐々に下向きに変える。弁座１１の近傍の第二流路５の底面（すなわち、仕切壁１１の側面）は凸状湾曲面であるため、流体は第二凸状湾曲面７に沿って緩やかに下向きに流れを変えることができ、従来のように、流体の流れが第二面取り部１４側に偏らなくなる。続いて、流体が第二凸状湾曲面７から第二凹状湾曲面９に到達すると、第二凸状湾曲面７によって下向きになった流れは第二凹状湾曲面９に沿って緩やかに流れ方向を流路軸線方向に変え、第二開口３から外部へ流出する。このように、第二流路５側に流入した流体は、第二流路５の底面に沿って流れるため、第二凸状湾曲面７や第二凹状湾曲面９付近の流路に対して従来のような流体の滞留を生じることがなくなり、滞留部分の乱流の発生（図４における乱流Ｙ）を防止し、乱流による圧力損失を抑えることができる。

また、開口部１２の内周面と第二流路５の天井面との交差部に第二面取り部１４を設けることによって、交差部周りにおける第二流路５の流路面積を大きくすると共に、第二凸状湾曲面７に沿って下向きに流れる流体を流路軸線方向に誘導し、第二流路５を流れる流体が偏らなくすることができる。また、第二面取り部１４が流路軸線に対してなす角度を１５〜３０°にすると、第二凸状湾曲面７の効果と併せて弁座１１に沿って流路軸線方向の流体の流れを緩やかに下向きに変えた後、第二凹状湾曲面９の効果と併せて流体の流れを緩やかに流路軸線方向に向けることができる。さらに、凸状湾曲面と凹状湾曲面が連続して形成された第二流路４の底面部分（すなわち、仕切壁１０の側面）と第二面取り部１４とを併せて設けることで、第二面取り部１４よりも下流の第二流路１０５の天井面側に従来のような流体の滞留がなくなり、滞留部分の乱流の発生（図４における乱流Ｚ）を防止し、乱流による圧力損失を抑えることができるようになる。

また、第一流路４からの流れが弁座１１を通過するときに、流れの向きが流路軸線方向になるようにして、第二流路５を流れる流体を、無駄なく円滑に流すためには、第一流路４及び第二流路５の流路軸線に平行な底面部分と弁座１１とを接続する底面部分（すなわち、仕切壁１０の側面）の形状が共に凸状湾曲面と凹状湾曲面とを連続して形成した形状になっている必要があり、左右対称であることが望ましい。

以上のように、本発明のダイヤフラムバルブは、第一開口２に流入した流体が第一流路４の第一凹状湾曲面８及び第一凸状湾曲面６に沿って緩やかに流れの向きを変え、弁座１１に到達すると、流体は弁座１１に沿って流れてその向きを流路軸線方向に向け、第二流路５側に流入した流体は第二凸状湾曲面７及び第二凹状湾曲面９に沿って緩やかに流れの向きを変える。したがって、ダイヤフラム１５への衝突や第二凸状湾曲面７から第二凹状湾曲面９付近での乱流の発生が防止され、流路内での圧力損失を抑えて第二開口３から流出することができる（図１の矢印参照）。また、第一面取り部１３及び第二面取り部１４を設けることによって、交差部周りにおける流路面積を大きくすると共に、流路を流れる流体の向きが流路軸線方向になるように誘導することができる。さらに、凸状湾曲面と凹状湾曲面が連続して形成された流路底面（流路軸線と平行に延びる流路の底面部分と弁座１１とを接続する部分）と、面取り部とを併せて設けることで、第一面取り部１３及び第二面取り部１４の下流側での乱流の発生が防止され、相乗効果によって流体を無駄なく円滑に流すことができ、上記の大幅な圧力損失の低減によって流量を増加させることができる。また、本発明のダイヤフラムバルブは、弁本体１の面間や幅を変えることなく、従来の弁本体のコンパクトな形状を維持したまま流量を増加することができる。

次に、本発明におけるダイヤフラムバルブについて、弁本体１の仕切壁１０の側面（第一流路４と第二流路５の底面のうちの流路軸線と平行に延びる底面部分と弁座１１とを接続する部分）の形状と第一面取り部１３及び第二面取り部１４の形状を変化させた複数の３次元モデルを作成し、ダイヤフラムバルブを流れる流体の流量解析を行った。その解析方法を以下に示す。

［３次元モデルによる流量解析］
３次元熱流体解析ソフトウェアＳＴＡＲ−ＬＴ（（株）シーディー・アダプコ・ジャパン社製）を使用して、ダイヤフラムバルブの３次元モデルに対して、弁開度が全開の状態で、２０℃の水を一定流速（１．０ｍ／ｓ）で弁本体の第一開口から流入して第二開口より流出させたときの流量解析を行い、第一開口部分における圧力と第二開口部分における圧力との差圧及び流量からＣｖ値を算出することで評価を行った。

［実施例１］
図１を参照して、面間寸法Ｌが２１０ｍｍ、第一開口２及び第二開口３の内径Ｄが５０ｍｍ、第一凸状湾曲面６及び第二凸状湾曲面７の半径Ｒ₁と第一凹状湾曲面８及び第二凹状湾曲面９の半径Ｒ₂がＲ₂＝０．８Ｒ₁となるように設定され、開口部１２と第一流路４及び第二流路５との交差部に面取り部が設けられていない弁本体１を使用した場合のダイヤフラムバルブの３次元モデルを用いて流量解析を行った。その結果を表１に示す。

［実施例２］
実施例１の半径Ｒ₁と半径Ｒ₂がＲ₂＝１．０Ｒ₁となるように設定された弁本体１を使用した場合のダイヤフラムバルブの３次元モデルを用いて流量解析を行った。その結果を表１に示す。

［実施例３］
実施例１の半径Ｒ₁と半径Ｒ₂がＲ₂＝１．３Ｒ₁となるように設定された弁本体１を使用した場合のダイヤフラムバルブの３次元モデルを用いて流量解析を行った。その結果を表１に示す。

［実施例４］
実施例１の半径Ｒ₁と半径Ｒ₂がＲ₂＝１．５Ｒ₁となるように設定された弁本体１を使用した場合のダイヤフラムバルブの３次元モデルを用いて流量解析を行った。その結果を表１に示す。

［実施例５］
実施例１の半径Ｒ₁と半径Ｒ₂がＲ₂＝１．７Ｒ₁となるように設定された弁本体１を使用した場合のダイヤフラムバルブの３次元モデルを用いて流量解析を行った。その結果を表１に示す。

［実施例６］
実施例２において、開口部１２と第一流路４及び第二流路５との交差部に第一面取り部１３及び第二面取り部１４が設けられ、該面取り部の角度Ｂ及びＢ´がともに流路軸線に対して２０°、該面取り部の高さ方向の寸法Ｈが３ｍｍとなるように設定された弁本体１を使用した場合のダイヤフラムバルブの３次元モデルを用いて流量解析を行った。その結果を表１に示す。

［実施例７］
実施例６の半径Ｒ₁と半径Ｒ₂がＲ₂＝１．３Ｒ₁となるように設定された弁本体１を使用した場合のダイヤフラムバルブの３次元モデルを用いて流量解析を行った。その結果を表１に示す。

［実施例８］
実施例６の半径Ｒ₁と半径Ｒ₂がＲ₂＝１．５Ｒ₁となるように設定された弁本体１を使用した場合のダイヤフラムバルブの３次元モデルを用いて流量解析を行った。その結果を表１に示す。

［実施例９］
実施例６の半径Ｒ₁と半径Ｒ₂がＲ₂＝１．３Ｒ₁となるように設定され、面取り部の角度Ｂ及びＢ´が流路軸線に対して４５°、該面取り部の高さ方向の寸法Ｈが３ｍｍとなるように設定された弁本体１を使用した場合のダイヤフラムバルブの３次元モデルを用いて流量解析を行った。その結果を表１に示す。

［比較例１］
実施例２と同寸法で、流路についてのみ図４のダイヤフラムバルブのように第一流路及び第二流路の底面のうちの流路軸線と平行に延びる部分と弁座とを接続する部分が凹状に湾曲した凹状湾曲面のみで形成された弁本体を使用した場合のダイヤフラムバルブの３次元モデルを用いて流量解析を行った。その結果を表１に示す。

［比較例２］
比較例１の開口部の内周面と第一流路及び第二流路の天井面との交差部に第一面取り部及び第二面取り部が設けられ、該面取り部の角度Ｂ及びＢ´がともに流路軸線に対して２０°、該面取り部の高さ方向の寸法Ｈが３ｍｍとなるように設定された弁本体を使用した場合のダイヤフラムバルブの３次元モデルを用いて流量解析を行った。その結果を表１に示す。

［比較例３］
比較例１の開口部の内周面と第一流路及び第二流路の天井面との交差部に第一面取り部及び第二面取り部が設けられ、該面取り部の角度Ｂ及びＢ´がともに流路軸線に対して４５°、該面取り部の高さ方向の寸法Ｈが３ｍｍとなるように設定された弁本体を使用した場合のダイヤフラムバルブの３次元モデルを用いて流量解析を行った。その結果を表１に示す。

表１において、Ｃｖ値の増加率は、従来のダイヤフラムバルブの形状（図４参照）を用いた比較例１に対するＣｖ値の増加の割合を算出したものである。実施例１〜５と比較例１を比較すると、各実施例のＣｖ値は比較例１のＣｖ値に対して約４．０〜１０．０％増加していることが分かる。これは、実施例１〜５の第一流路４及び第二流路５の底面に、弁座１１から第一開口２及び第二開口３に向かって凸状に湾曲した凸状湾曲面と凹状に湾曲した凹状湾曲面とを連続して形成することで、第一流路４及び第二流路５を流れる流体が該流路４、５の底面に沿って滑らかに流れ、弁座１１を乗り越えるときも流体が流路軸線方向を向いて流れるようになるため、ダイヤフラム１５への流体の衝突や第二凸状湾曲面７での乱流の発生（図４における乱流Ｙ）が防止されて、圧力損失を抑えることができる。その結果、比較例１に対してＣｖ値が増加している。

次に、比較例１〜３を互いに比較すると、比較例２、比較例３のＣｖ値が比較例１のＣｖ値に対して約９．０〜１２．０％増加していることが分かる。これは、比較例２、比較例３では、弁本体１の上部の開口部１２と第一流路４及び第二流路５との交差部に第一面取り部１３及び第二面取り部１４を設けることで、弁座付近の流路の開口面積が大きくなって流体が流れ易くなり、Ｃｖ値が増加するからである。なお、面取り部を設けただけでは乱流の発生をある程度低減できるが乱流自体を防止することまではできていない。

実施例２〜４及び実施例６〜８と比較例１及び比較例２とを比較すると、実施例６〜８は、第一流路４及び第二流路５の底面形状を凸状湾曲面と凹状湾曲面とによって形成し、且つ、開口部１２と第一流路４及び第二流路５との交差部に面取り部を設けたものであり、実施例６〜８のＣｖ値の増加率は、比較例１のＣｖ値に対して約２１．０〜３２．０％増加しており、流路の底面形状を凸状湾曲面と凹状湾曲面で形成しただけの実施例２〜４と、交差部に面取り部を設けただけの比較例１〜２の各々のＣｖ値を足した値よりも増加している。これは、凸状湾曲面と凹状湾曲面とからなる流路の底面形状と面取り部との構成を組み合わせることによって、乱流の発生（図４における乱流Ｘ、Ｚ）を防止すると共に、各々の構成の相乗効果で流体を無駄なく円滑に流れるようにすることができ、その結果、流路の圧力損失が低減され、Ｃｖ値が増加したからである。

実施例１〜８を互いに比較すると、実施例１〜５より、第一凸状湾曲面６及び第二凸状湾曲面７の半径Ｒ₁と第一凹状湾曲面８及び第二凹状湾曲面９の半径Ｒ₂の関係で、Ｃｖ値の増加率がより大きいのは、Ｒ₁＞Ｒ₂のときであり、特にＲ₂＝１．３Ｒ₁のときのＣｖ値の増加率を最大として、１．０Ｒ₁＜Ｒ₂≦１．５Ｒ₁の範囲でＣｖ値の増加率がより大きくなることが分かる。また、実施例６〜８より、半径Ｒ₁と半径Ｒ₂の関係が、Ｒ₂＝１．３Ｒ₁のときにＣｖ値の増加率を最大として、１．０Ｒ₁＜Ｒ₂≦１．５Ｒ₁の範囲で同様にＣｖ値の増加率が大きくなることが分かる。

また、実施例７、実施例９と比較例２、比較例３を比較すると、Ｃｖ値の増加率がより大きいのは、第一面取り部１３及び第二面取り部１４の角度Ｂ及びＢ´が２０°のときに、流体の流れ方向を円滑に流路軸線方向に向け、流量特性が良好となることが分かる。角度Ｂ及びＢ´が２０°付近だとＣｖ値の増加率が大きく、１５〜３０°が好適である。

次に、３次元モデルで流量解析した実施例３、実施例７、比較例１、比較例２のダイヤフラムバルブを実際に成形し、成形したダイヤフラムバルブを用いて実流による流量測定を行った。その測定方法を以下に示す。

［実流によるＣｖ値の解析方法］
ＪＩＳＢ２００５−２−３「工業プロセス用調節弁−第２部：流れの容量−第３節：試験手順」に基づいて、ダイヤフラムバルブを配管し、２３℃±２℃の雰囲気中で、２３℃±２℃の水を実流させて、第一流路側及び第二流路側における圧力タップ間での差圧、一定時間当りの流量及び水の温度を測定し、Ｃｖ値を算出することで評価を行った。

［実施例１０］
実施例３に基づいて成形したダイヤフラムバルブ（Ｒ₂＝１．３Ｒ₁、面取り部無し）を用いて実流による流量測定を行い、Ｃｖ値を算出した。その結果を表２に示す。

［実施例１１］
実施例７に基づいて成形したダイヤフラムバルブ（Ｒ₂＝１．３Ｒ₁、面取り部有り２０°）を用いて実流による流量測定を行い、Ｃｖ値を算出した。その結果を表２に示す。

［比較例４］
比較例１に基づいて成形したダイヤフラムバルブ（従来の流路、面取り部無し）を用いて実流による流量測定を行い、Ｃｖ値を算出した。その結果を表２に示す。

［比較例５］
比較例２に基づいて成形したダイヤフラムバルブ（従来の流路、面取り部有り２０°）を用いて実流による流量測定を行い、Ｃｖ値を算出した。その結果を表２に示す。

表２において、Ｃｖ値の増加率は従来のダイヤフラムバルブの形状（図４参照）を用い他比較例４に対するＣｖ値の増加の割合を算出したものである。実施例１０と比較例４を比較すると、実施例１０のＣｖ値が比較例４のＣｖ値に対して１１．９％増加していることが分かる。３次元流量解析で得られた実施例２の比較例１に対するＣｖ値増加率９．５％より若干良い結果となったが、傾向としては同様な傾向が得られた。

次に、比較例４、５を比較すると、比較例５のＣｖ値が比較例４のＣｖ値に対して１３．４％増加していることが分かる。３次元流量解析で得られた比較例２の比較例１に対するＣｖ値増加率１１．５％より若干良い結果となったが、傾向としては同様な傾向が得られた。

次に、実施例１１と比較例４を比較すると、３次元流量解析で得られた結果と同様に、実施例１１のＣｖ値が比較例４のＣｖ値に対して約３５．０％増加していることが分かる。３次元流量解析で得られた実施例７の比較例１に対するＣｖ値増加率３１．４％より若干良い結果となったが、傾向としては同様な傾向が得られた。

以上のように、実際に成形したダイヤフラムバルブでも三次元流量解析と同様な結果が得られた。このことから、本発明のダイヤフラムバルブによれば、流路内で乱流の発生が防止され、流体が無駄なく円滑に流れることができ、大幅に圧力損失を低減することによって、流量を増加させることができることが分かる。

本発明の第一の実施形態を示すダイヤフラムバルブの縦断面図である。図１の要部拡大縦断面図である。空気駆動式のダイヤフラムバルブを示す部分断面図である。従来のダイヤフラム弁を示す縦断面図である。

符号の説明

１弁本体
２第一開口
３第二開口
４第一流路
５第二流路
６第一凸状湾曲面
７第二凸状湾曲面
８第一凹状湾曲面
９第二凹状湾曲面
１０仕切壁
１１弁座
１２開口部
１３第一面取り部
１４第二面取り部
１５ダイヤフラム
１６埋め込み金具
１７コンプレッサ
１８ボンネット
１９貫通孔
２０スリーブ
２１ステム
２２雌ネジ部
２３ハンドル
２４空気式駆動部
２５ステム
２６稜線
２７稜線

Claims

対向する二つの側面にそれぞれ形成された流入口及び流出口からそれぞれ流路軸線方向に延びる第１流路及び第２流路、上部に形成され前記第１流路及び前記第２流路に通じる開口部、前記第１流路及び前記第２流路の底面から前記開口部に向かって延び頂部に弁座が形成されている仕切壁を設けられた本体と、該本体の上部に取り付けられたボンネットと、前記本体の前記開口部を覆うように配置され且つ前記本体と前記ボンネットとの間に周縁部を挟持されたダイヤフラムと、前記ダイヤフラムを駆動するための駆動部とを備え、前記ダイヤフラムが駆動部によって前記弁座に圧接離間されるようになっているダイヤフラムバルブにおいて、
前記仕切壁の上端に形成された前記弁座と前記第１流路及び前記第２流路の底面とを接続する前記仕切壁の両側面が、前記流入口から前記弁座並びに前記弁座から前記流出口に至るまでの流れの向きが連続して緩やかに変化するように、前記第１流路及び前記第２流路の底面から変曲点まで延びる凹状湾曲面と前記変曲点から前記弁座の縁まで延びる凸状湾曲面とによって構成され、前記変曲点における前記仕切壁の側面の傾斜角度が、流路軸線に対して４５°以下であることを特徴とするダイヤフラムバルブ。
前記開口部の内周面と前記第１流路及び前記第２流路の天井面との交差部に面取り部を設けた、請求項１に記載のダイヤフラムバルブ。
前記面取り部の角度が流路軸線に対して１５〜３０°であり、前記面取り部の高さ方向の寸法が２ｍｍ以上である、請求項２に記載のダイヤフラムバルブ。
前記ダイヤフラムバルブの面間寸法Ｌと前記開口の内径Ｄが、Ｌ≦３Ｄ＋９５（ｍｍ）の関係を満たすように定められている、請求項１から請求項３の何れか一項に記載のダイヤフラムバルブ。
前記凸状湾曲面と前記凹状湾曲面が円弧状に形成されており、該凸状湾曲面の半径が、該凹状湾曲面の半径より小さくなるように定められている、請求項１から請求項４の何れか一項に記載のダイヤフラムバルブ。
前記凸状湾曲面の半径Ｒ ₁ と前記凹状湾曲面の半径Ｒ ₂ が、１．０Ｒ ₁ ＜Ｒ ₂ ≦１．５Ｒ ₁ の関係を満たすように定められている、請求項５に記載のダイヤフラムバルブ。
前記第１流路及び前記第２流路の内周面の表面粗さＲａが６．３μｍ以下である、請求項１から請求項６の何れか一項に記載のダイヤフラムバルブ。
前記駆動部が、手動式、空気駆動式又は電気駆動式である、請求項１から請求項７の何れか一項に記載のダイヤフラムバルブ。