JP5185692B2 - 倍力開閉弁 - Google Patents

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Description

本発明は、作動力を倍力して、弁体を動作させる弁ステムに伝達する倍力開閉弁(高圧弁)に関する。
このような倍力開閉弁は、従来各種が知られ、実用化されている。しかし、従来品は、大型であったり、極めて高い部品の加工精度を要求され、また、長期の使用に安定した性能を得ることが困難であった。
特許第3392301号公報
本出願人は既に、簡易な構造で安定した倍力動作ができる倍力開閉弁として特許文献1を提案し、特許を得ている。
本発明は、この特許文献1の倍力開閉弁よりさらに構造が簡易で大きな倍力作動ができる倍力開閉弁を得ることを目的とする。
本発明は、流路を開閉する弁ステム;この弁ステムの軸上に位置し、該弁ステムに対して相対移動可能な作動部材;及び弁ステムと作動部材との間に介在させた、該作動部材の移動速度を減速し倍力して弁ステムに伝達する倍力機構;を有する倍力開閉弁において、倍力機構を、作動部材の軸部に位置し、弁ステム側に向けて縮径する縮径部を有する伝達ロッド;弁ステムに連係する押圧部材;この押圧部材と、該押圧部材を可動に支持するハウジングとに対向させて形成した、外周に行くに従い間隔を狭める一対の運動伝達面;及びこの一対の運動伝達面及び伝達ロッドの縮径部の間に接触させて介在させた複数の径方向移動体;を備え、さらに、上記一対の運動伝達面、伝達ロッドの縮径部及び複数の径方向移動体は、作動部材の軸方向の移動量をDとし、弁ステムの軸方向の移動量をdとしたとき、2<D/d<50に設定されていること、上記作動部材は、ハウジングに摺動自在に嵌めたピストン体であり、該ピストン体は、ばね手段の付勢力により弁ステムに接近する閉弁方向に移動し、空気圧力で弁ステムから離間する開弁方向に移動すること、及び上記伝達ロッドの縮径部の形状は、次式
Fs×Sp=Fo×So
(但し、Fsは上記ばね手段の反力、Spは伝達ロッドの移動量、Foは押圧部材の出力、Soは押圧部材の移動量)に基づいて定められていること、を特徴としている。
ハウジング側の運動伝達面は、例えば押圧部材の軸線に対して直交する面とし、押圧部材側の運動伝達面は、円錐面とすることができる。
また、ハウジング側の運動伝達面は、該ハウジングに放射方向に向けて形成した3本以上の放射方向溝の底壁とし、この放射方向溝に、径方向移動体を嵌めることで、少ない径方向移動体で倍力機構を構成することができる。
押圧部材側の運動伝達面は、該押圧部材とは別部材からなる硬質リング体によって構成することで、耐久性を向上させることができ、交換も可能になる。
径方向移動体は鋼球を用いるのが実際的である。
本発明の倍力開閉弁によれば、作動部材と一体の伝達ロッドに形成した縮径部、押圧部材とハウジングの対向する運動伝達面及びこれらの間に接触して介在する径方向移動体によって倍力機構が構成されるから、簡易な構造で全体として安価で信頼性、耐久性に優れた倍力開閉弁が得られる。
図示実施形態は、常閉型の開閉弁に本発明を適用したものである。図1に示すように、本開閉弁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内の流路21aと取出ねじ突起22内の流路22aとの連通部分に位置させて、流路21aの軸心を中心とする環状弁座23が形成されている。この環状弁座23には、該環状弁座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と同一の軸線上に、金属ダイヤフラム28を挟んでリテーナ27が螺合固定されており、このリテーナ27に、金属ダイヤフラム28を挟んで環状弁座23(バルブシート25)に対して接離移動する開閉弁体24が抜け止められた状態で摺動自在に嵌められている。金属ダイヤフラム28は、開閉弁体24を移動可能としつつ、該開閉弁体24が環状弁座23(バルブシート25)に押し付けられたときには、流路21a、22aの連通を遮断する(バルブを閉じる)。この開閉弁体24の図1の上端(環状弁座23とは反対側の端部)は外力入力端24Aを構成している。
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ハウジング(アッパシリンダ)32とロアハウジング(ロアシリンダ)33からなっており、ロアハウジング33は、リテーナ27に螺合固定されている。ロアハウジング33(ハウジング30)は、リテーナ27(ボンベヘッド20)に対して着脱可能である。
ハウジング30(ロアハウジング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とアッパハウジング32との間に挿入した圧縮ばね35によって開閉弁体24方向に移動付勢されている。ピストン体34には、その軸部に、伝達ロッド36が固定されており、この伝達ロッド36は、すべり軸受37及びOリング38を介してハウジング30(ロアハウジング33)に摺動自在にかつ気密に支持されている。ピストン体34とロアハウジング33の間には、圧力室39が画成されており、この圧力室39には、圧縮空気源40A、レギュレータ40B及び切替弁40Cを介して、所望圧力の圧縮空気が供給される。
ハウジング30(ロアハウジング33)には、図1の下端部(開閉弁体24側の端部)に、抜止リング41によって抜け止められた押圧部材42が摺動自在に嵌められている。この押圧部材42の下端部は、開閉弁体24の外力入力端24Aに当接する出力端42Aを構成する。
伝達ロッド36の下端部(押圧部材42側の端部)には、開閉弁体24側に向けて縮径する縮径部36Aが形成されており、押圧部材42とロアハウジング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。ロアハウジング33側の運動伝達面33Aは固定であり、押圧部材42側の運動伝達面42Bは可動である。
伝達ロッド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、押圧部材42(伝達ロッド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3、図4に示すように、押圧部材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42C(V)(図4(A))、円弧断面溝42C(R)(図4(B))等の任意形状を用いることができる。鋼球43は、伝達ロッド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、ロアハウジング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33Bに形成されていて、この硬質リング体33Bがロアハウジング33に固定されている。伝達ロッド36、押圧部材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。押圧部材42の軸部には、伝達ロッド36の縮径部36Aが進退する逃げ凹部42Dが形成されている。
上記構成の本開閉弁は次のように動作する。図2の右端は、ハウジング30をボンベヘッド20から外した状態を示しており、ピストン体34は、圧縮ばね35の力により、下降端位置にある。ピストン体34が下降端にあると、伝達ロッド36の縮径部36Aが鋼球43を径方向外方に押し出し、運動伝達面33Aと運動伝達面42Bの間隔は外方に行くに従い狭まっているので、鋼球43により押圧部材42が下方に押されて同様に下降端に位置している。
このハウジング30(ロアハウジング33)をボンベヘッド20のリテーナ27に螺合して装着すると、圧縮ばね35の力により、押圧部材42の出力端42Aが外力入力端24Aを介して開閉弁体24を下方に押す。すると、金属ダイヤフラム28が環状弁座23(バルブシート25)に着座して流路21aと流路22a間の流路を閉じる(ボンベを閉じる)。図1はこの閉弁状態を示している。なお、図2の中央部の2つの図のうち、左方は新品のバルブシート25による閉弁状態、右方は、バルブシート25が摩耗限界に達したときの閉弁状態を示している。摩耗限界(バルブシート25が摩耗しても閉弁状態を維持することができる限界量)は、適宜量に設定する。
本実施形態では、この圧縮ばね35による閉弁力を倍力して押圧部材42(開閉弁体24)に伝達することができる。つまり、図5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、伝達ロッド36の移動量Dに対し、押圧部材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)、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。具体的には、この倍力比D/dの値を2から50程度に設定することができる。図示例では、D/dの値は各ストローク点で変化しており、D/d=6〜11に設定している。運動伝達面33Aと42Bは、その間隔が外周に行くに従い滑らかに減少する関係であればよく、例えば、図示例とは異ならせて、運動伝達面33Aを軸線と直交する面とし、運動伝達面42Bを円錐面とすることができ、両者を円錐面としてもよい。
図2では、ピストン体36のバルブ全開状態(図2左端の図)からバルブ閉止点(図2左から2番目の図)までの移動量をA、同バルブ閉止点からバルブシート摩耗限界(図2右から2番目の図)までの移動量をB、同摩耗限界から自由状態(図2右端の図)までの移動量をCとしたとき、それぞれの区間での押圧部材42の移動量をa、b、cと表しており、A>a、B>b、C>cである。
図6は、押圧部材42(開閉弁体24)のストローク(mm)と出力(kN)の一例を示すグラフである。この例では、伝達ロッド36の縮径部36Aを球面の一部(または非球面)から構成することにより、バルブ閉止点からバルブシート摩耗限界まで、ほぼ一定の閉弁力を得ている。
より具体的には、伝達ロッド36の縮径部36Aの形状は、Fs;その位置でのばね反力、Sp;伝達ロッド36の移動量、Fo;押圧部材42の出力、So;押圧部材42の移動量として、次式に基づいて定める。
Fs×Sp=Fo×So
すなわち、ピストン体34(伝達ロッド36)を最上端から単位量ずつ下降させるとその位置でのばね反力が求められる。そして、希望出力を定めれば、上記の式から押圧部材42の移動量が求められるから、運動伝達面33Aと42Bの角度から鋼球43の径方向の移動量を求め、各点の鋼球43と鋼球43の接線をつないで縮径部36Aの形状を定める。
開弁するには、圧縮空気源40A、レギュレータ40B及び切替弁40Cを介して、調圧された圧縮空気を圧力室39に導けばよい。圧縮空気圧による力が圧縮ばね35の力に打ち勝つと、ピストン体34と伝達ロッド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で開閉弁体24が開弁方向に移動し、開閉弁体24(金属ダイヤフラム28)が環状弁座23(バルブシート25)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。
本発明による倍力開閉弁の一実施形態を示す、閉弁状態の縦断面図である。 同倍力開閉弁の異なる開弁(閉弁)状態を示す、図1の上部のみを取り出して描いた断面図である。 図2のIII-III線に沿う断面図である。 図2のIV-IV線に沿う断面図である。 図1、図2の倍力開閉弁のハウジングの運動伝達面、押圧部材の運動伝達面、伝達ロッド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。 本発明による倍力開閉弁の作動部材(ピストン体)のストロークと出力の関係の好ましい例を示すグラフ図である。
符号の説明
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
24A 外力入力端
25 バルブシート
27 リテーナ
28 金属ダイヤフラム
30 ハウジング
32 アッパハウジング
33 ロアハウジング
33A 運動伝達面
33B 硬質リング体
34 ピストン体(作動部材)
34A Oリング
35 圧縮ばね
36 伝達ロッド
36A 縮径部
37 すべり軸受
38 Oリング
39 圧力室
40A 圧縮空気源
40B レギュレータ
40C 切替弁
41 抜止リング
42 押圧部材
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)

Claims (5)

  1. 流路を開閉する弁ステム;
    この弁ステムの軸上に位置し、該弁ステムに対して相対移動可能な作動部材;及び
    上記弁ステムと作動部材との間に介在させた、該作動部材の移動速度を減速し倍力して弁ステムに伝達する倍力機構;
    を有する倍力開閉弁において、
    上記倍力機構は、
    上記作動部材の軸部に位置し、弁ステム側に向けて縮径する縮径部を有する伝達ロッド;
    上記弁ステムに連係する押圧部材;
    この押圧部材と、該押圧部材を可動に支持するハウジングとに対向させて形成した、外周に行くに従い間隔を狭める一対の運動伝達面;及び
    この一対の運動伝達面及び伝達ロッドの縮径部の間に接触させて介在させた複数の径方向移動体;
    を有し、さらに、
    上記一対の運動伝達面、伝達ロッドの縮径部及び複数の径方向移動体は、作動部材の軸方向の移動量をDとし、弁ステムの軸方向の移動量をdとしたとき、2<D/d<50に設定されていること、
    上記作動部材は、ハウジングに摺動自在に嵌めたピストン体であり、該ピストン体は、ばね手段の付勢力により弁ステムに接近する閉弁方向に移動し、空気圧力で弁ステムから離間する開弁方向に移動すること、及び
    上記伝達ロッドの縮径部の形状は、次式
    Fs×Sp=Fo×So
    (但し、Fsは上記ばね手段の反力、Spは伝達ロッドの移動量、Foは押圧部材の出力、Soは押圧部材の移動量)に基づいて定められていること、
    を特徴とする倍力開閉弁。
  2. 請求項1記載の倍力開閉弁において、上記ハウジング側の運動伝達面は、押圧部材の軸線に対して直交する面であり、上記押圧部材側の運動伝達面は、円錐面である倍力開閉弁。
  3. 請求項2記載の倍力開閉弁において、上記ハウジング側の運動伝達面は、該ハウジングに放射方向に向けて形成した3本以上の放射方向溝の底壁からなっており、この放射方向溝に、径方向移動体が嵌まっている倍力開閉弁。
  4. 請求項2または3記載の倍力開閉弁において、上記押圧部材側の運動伝達面は、該押圧部材とは別部材からなる硬質リング体によって構成されている倍力開閉弁。
  5. 請求項1ないし4のいずれか1項記載の倍力開閉弁において、上記径方向移動体は鋼球である倍力開閉弁。
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