JP5252660B2 - ベローズバルブ - Google Patents
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Description
また、弁体を直接稼働させる方式であるため、パイロット弁作動方式と比較して応答性を良くすることができる。
さらに、ベローズは単品で良いことからベローズ全体の長さを最小限に出来、結果として、弁体自体をコンパクトにすることができる。
さらにまた、弁機構も単弁であるから、構成部品も最小限となり、コンパクトかつ品質安定性、経済性においても優れたバルブを得ることができる。
また、本発明のベローズバルブは、第3に、第2の特徴において、弁体の半開時または半開時と全開時の間におけるベローズ収縮の停止は、弁体の当接部材側の係止面と突き当てシャフト側の係止面とのテーパ係合部が当接することにより行われることを特徴としている。
第2の特徴により、ベローズのストロークを弁体の全ストロークに比べて小さくでき、ベローズ全体の長さを最小限に出来、結果として、弁体自体をコンパクトにすることができる。
第3の特徴により、弁体の当接部材側と突き当てシャフト側との調芯効果を図ることができる。
第4の特徴により、弁体の繰り返しの開閉において、弁体が開状態から閉状態に移動する際、振動等の外力が弁体に作用することがあっても、弁体は円滑且つ正確に弁座に着座することができる。
また、本発明のベローズバルブは、第6に、第5の特徴において、ベローズの伸びを所定値に規制する規制部材は、保持リングに固定され、ベローズ後端に接続されたフランジ部との間にわずかな間隙を有してフランジ部に当接可能な位置に設けられた規制部を有する連結部材またはステイであることを特徴としている。
また、本発明のベローズバルブは、第7に、第5の特徴において、ベローズの伸びを所定値に規制する規制部材は、ベローズ後端に接続されたフランジにより支持された突き当てシャフトのヘッド部に係合可能に配置され、保持リングに固定されたキャップであることを特徴としている。
第8の特徴により、流体の差圧によって弁体に作用する荷重を相殺することができる。
第9の特徴により、弁体の全閉時から半開時までは弁体の開方向の作動をベローズのバネ力及びスプリングが分担し、弁体の半開時から全開時まではスプリングが分担することになるが、弁体の全閉時から半開時までは差圧キャンセル状態であり、かつ、差圧キャンセルに使用しているベローズのバネ力を最小限としているため、スプリングに必要とされる力を極めて小さくできる。また、弁体の半開時から全開時までは、弁体前後の差圧がほぼ解消した状態であるから、スプリングに必要とされる力は極めて小さくできる。
また、本発明のベローズバルブは、第11に、第1ないし第9のいずれかの特徴において、弁体の動きが直動式である直動形バルブに適用することを特徴としている。
第10及び第11の特徴により、コンパクト性、低作動力性、素早い応答性、及び信頼性と経済性を備えたスィング形バルブ及び直動形バルブを得ることができる。
(1)弁体を、弁座に当接する当接部材、弁体の中心軸に沿って配置された突き当てシャフト、及び、突き当てシャフトを包囲するように設けられ一端が当接部材に接続され他端が突き当てシャフトの後部に接続されたベローズより形成し、弁座口の中心に位置して突き当てシャフト受け部材を設け、当接部材が弁座に当接する前の半開状態において突き当てシャフトと突き当てシャフト受け部材とが当接するように設定し、弁体の当接部材を開閉方向に駆動するようにしたことにより、弁体に作用する力を最小限とすることが出来、駆動に必要な消費電力の低減と駆動部自体のコンパクト化を図ることが出来る。
また、弁体を直接稼働させるため、パイロット弁作動方式と比較して応答性を良くすることができる。
さらに、ベローズは単品で良いことからベローズ全体の長さを最小限に出来、結果として、弁体自体をコンパクトにすることができる。
さらにまた、弁機構も単弁であるから、構成部品も最小限となり、コンパクトかつ品質安定性、経済性においても優れたバルブを得ることができる。
(3)弁体の半開時または半開時と全開時の間におけるベローズ収縮の停止は、弁体の当接部材側の係止面と突き当てシャフト側の係止面とのテーパ係合部が当接して行われることにより、弁体の当接部材側と突き当てシャフト側との調芯効果を図ることができる。
(5)ベローズの伸びを所定値に規制する規制部材を弁体の当接部材側に設け、該当接部材側と突き当てシャフト側との間にスプリングを介在させることにより、ベローズのばね力を補完して弁体の半開時におけるチャタリング防止できるとともに、ベローズの伸びを一定以上に規制し差圧キャンセルの効果を保持することができる。
(7)駆動部をソレノイド及びスプリングで構成し、弁体の閉方向の作動をソレノイドが、また、弁体の開方向の作動をスプリングが分担するように設定したことにより、弁体の全閉時から半開時までは弁体の開方向の作動をベローズのバネ力及びスプリングが分担し、弁体の半開時から全開時まではスプリングが分担することになるが、弁体の全閉時から半開時までは差圧キャンセル状態であり、かつ、差圧キャンセルに使用しているベローズのバネ力を最小限としているため、スプリングに必要とされる力を極めて小さくできる。また、弁体の半開時から全開時までは、弁体前後の差圧がほぼ解消した状態であるから、スプリングに必要とされる力は極めて小さくできる。
(8)弁体の動きがスィング式であるスィング形バルブ、または、弁体の動きが直動式である直動形バルブに適用することにより、コンパクト性、低作動力性、素早い応答性、及び信頼性と経済性を備えたスィング形バルブ及び直動形バルブを得ることができる。
図1は、ベローズバルブを弁体の動きがスィング式であるスィング形バルブに適用した場合を示す図であって、(a)は全体を分解した状態の斜視図、(b)は弁体を分解した斜視図、(c)はバルブヘッドを弁体側から見た斜視図、(d)はソレノイドを分解した断面図である。
ベローズバルブは、主として、バルブボディ1と、該バルブボディ1の弁室2内に配置される弁体3と、バルブボディ1に密封接続されるバルブヘッド4と、弁体3を開方向に付勢するコイルスプリング5と、弁体3を閉方向に付勢するソレノイド6から構成されている。
図1(a)において、バルブボディ1の背後に流体入口7が設けられ、バルブボディ1の前方に弁座口(以下、オリフィスともいう。)8を形成したバルブヘッド4がOリング18を介して密封状態に接続され、バルブヘッド4に形成された弁座9(図1(c)参照)に弁体3の当接部材を構成するパッキン10が当接可能に配置され、弁体3を開方向あるいは閉方向に駆動することにより弁座口8を開閉するようになっている。
なお、パッキン10、保持リング11及びキャップ15を弁体の当接部材側といい、また、突き当てシャフト13及びフランジ部16を突き当てシャフト側という。
突き当てシャフト受け部材19は、図1(c)に示されるように、弁座9を形成する周囲のリング状部材から中心に向かって円周方向に3箇所形成されたリブ19−1で支持されている。突き当てシャフト13及び突き当てシャフト受け部材19は、衝撃緩衝のため、双方またはいずれかを樹脂またはラバー製とするのが好ましい。
駆動シャフト20の一側(図1の右側)には、レバー21が水平方向に連結ピン22により固定され、該レバー21の端部にローラーピン23によりローラー24が回転自在に設けられている。
また、駆動シャフト20の他側(図1の左側)には、レバー25が垂直方向に連結ピン26により固定され、該レバー25の端部にはフックピン27がナット28を介して固定されている。さらにバルブボディ1の左側面には駆動シャフト20と偏心位置にフック30が固定されており、フックピン27とフック30との間にはコイルスプリング5が伸張状態で掛け渡され、駆動シャフト20に時計回り(弁開方向)の回転力を付勢している。
(a)では、ソレノイド6が駆動されてプランジャー36が下向きに移動しレバー21が時計方向に回動されている。(b)では、レバー25が反時計方向に回動されコイルスプリング5が伸張された状態にある。
(c)では、ソレノイド6が消磁されてプランジャー36が上向きに移動しレバー21が反時計方向に回動されている。(d)では、レバー25が時計方向に回動されコイルスプリング5が縮んだ状態にある。
図4において、弁体3の駆動は、駆動シャフト20をソレノイド6で駆動し、駆動アーム14が駆動シャフト20を中心にして回動することにより行われる。
(a)の全閉状態では、ソレノイド6により駆動シャフト20及び駆動アーム14が反時計方向に作動され、弁体3のパッキン10が弁座9に押し付けられている。同時に、ベローズ12を介して突き当てシャフト13も作動され、パッキン10が弁座9に当接する前にその前端が突き当てシャフト受け部材19に当接する。このため、(a)の全閉状態では、ベローズ12は最も伸張された状態にある。当接の際、突き当てシャフト13の前端の凸部が突き当てシャフト受け部材19の凹部に嵌合する状態となるため、突き当てシャフト13は調芯されながら位置を規制される。突き当てシャフト13は図示のように、前方側の棒状部13−1、棒状部13−1とフランジ部16とを接続する拡径部13−2及び棒状部13−1と拡径部13−2とを接続するテーパ部13−3とを備えており、該テーパ部13−3が保持リング11の内面に嵌合したキャップ15の後端部15−1と係合できるように形成されている。
F=(Ao−Ab)×(P1−P2)+Fb(ベローズばね力)+Fc(コイルスプリング力)+Fp(パッキン潰し力)
となる。
なお、ベローズ12内部の圧力は下流側圧力P2となっている。
オリフィス有効面積Aoとベローズ有効面積Abが同一の場合、上式の(Ao−Ab)×(P1−P2)がゼロになり、流体の差圧によって弁体3に作用する荷重を相殺することができる。
(b)の半開状態では、パッキン10は弁座9から離接しているが突き当てシャフト13の前端が突き当てシャフト受け部材19に当接している。すなわち、パッキン10は時計方向に回動されるが、その回動はベローズ12がわずかに縮むことで吸収され、突き当てシャフト13は流体の圧力により突き当てシャフト受け部材19に当接する方向の力を受け当接状態を維持している。
パッキン10の時計方向への回動に伴い保持リング11も時計方向に回動され、弁体の半開状態においてキャップ15の後端部15−1が突き当てシャフト13のテーパ部13−3と当接するように設定されている。すなわち、弁体の全閉状態から半開状態にいたるまでのベローズ12の収縮寸法をsとすると、弁体の全閉状態においては、キャップ15の後端部15−1と突き当てシャフト13のテーパ部13−3の当接部とのZ軸方向の間隙がsになるように設定されている。なお、キャップ15の後端部15−1と突き当てシャフト13のテーパ部13−3との当接は、弁体の半開状態よりわずかに全開状態に近づいて行われてもよい。
(b)の半開状態からさらにパッキン10が時計方向に回動されると、ベローズ12は自己収縮力で縮もうとするが、保持リング11の内面11−1に突き当てシャフト13のテーパ面13−3が当接するため、所定以上に縮むことができない。この状態で、突き当てシャフト13もパッキン10と一緒に時計方向に回動し、突き当てシャフト13が突き当てシャフト受け部材19から離れた全開状態となる。保持リング11の内面に突き当てシャフト13のテーパ面13−3が当接する際、当接部材側と突き当てシャフト側は調芯される。
全開状態では、トレノイド6には通電されておらず、コイルスプリング5の引張り力によって弁体3は全開状態となっており、全開側の突き当たり位置はソレノイド6の稼働鉄芯35の先端に取り付けた緩衝材ワッシャ38により稼働鉄芯35の戻り位置が規制される。
また、弁体を直接稼働させる方式であるため、パイロット弁作動方式と比較して応答性を良くすることができる。
さらに、ベローズは単品で必要最小限のストロークで良いことからベローズ全体の長さを最小限に出来、結果として、弁体自体がコンパクトになる。さらにまた、弁機構も単弁であるから、構成部品も最小限となり、コンパクトかつ品質安定性、経済性においても優れたバルブを得ることができる。
図8に示すように、従来技術2のバルブにおいては、コイルスプリング52の力とベローズ57のばね力が弁体の作動範囲全般にわたって負荷されているため、流体による差圧荷重は相殺されているものの、全体的に弁体に負荷される荷重が、図5に示す本実施の形態に係るベローズバルブと比べると大きくなっている。
また、荷重線図の傾向としては、全開から半開までの荷重が低く、半開から全閉までの荷重の増加率が増大するという荷重特性となっている。これは、ストロークの後半で急激に荷重が増加する一般的なソレノイドの荷重特性傾向と同じであり、本実施の形態1の荷重特性に適合するソレノイドを選定する際においても、単純で最小限の消費電力特性のソレノイド選定にとって好ましい特性となっている。
図6は、本発明の実施の形態2に係るベローズバルブを示したものである。実施の形態2に係るベローズバルブは、機能的には実施の形態1のものと同じであり、構造的に弁体3が直動する直動形バルブである点で相違している。図6において、図1ないし図4に付された符号と同じ符号は、実施の形態1と同じ部材を示しており、詳細な説明は省略する。
図6において、バルブボディ40の左側に流体入口45が設けられ、バルブボディ40の下方に弁座口(オリフィスともいう。)8及び流体出口46を形成したバルブヘッド41がOリング18を介して密封状態に接続され、バルブヘッド41に形成された弁座9に弁体3の当接部材を構成するパッキン10が当接可能に配置され、弁体3を上下方向に駆動することにより弁座口8を開閉するようになっている。弁座口8の中心と弁体3の中心は一致するように配置される。
弁体3の開閉は、実施の形態1と同じく、全閉状態、半開状態、及び、全開状態となるものであって、その際、弁体に作用する荷重等は実施の形態1と同じであるので説明は省略する。
なお、本実施の形態において、パッキン10、保持リング11及びキャップ15を弁体の当接部材側といい、また、突き当てシャフト13及びフランジ部16を突き当てシャフト側という。
図7及び図8は、本発明の実施の形態3に係るベローズバルブを示したものであって、実施の形態1のスイング形ベローズバルブにおいて、弁体の半開時におけるチャタリング防止機能及び弁体の全閉時における差圧キャンセル効果の保持機能を付加した例を示す図である。
図7の(a)は弁体の全開時の正面断面図、(b)は弁体の分解状態を説明する説明図、図8の(a)は弁体の全閉時の正面断面図、(b)はA−A断面図である。図7及び8において、図1ないし図4に付された符号と同じ符号は、実施の形態1と同じ部材を示しており、詳細な説明は省略する。
また、図8(b)によく示されているように、保持リング11に固定され、ベローズ12及びフランジ部16の外側面と間隙を有して後方に伸びるステイ53が設けられている。ステイ53は、図7(b)に示すように、側面視において略コ字状をしており、後端にコイルスプリング52を後方から押圧支持する支持部53−1と、支持部53−1と保持リング11を接続する接続部53−2とから構成されている。支持部53−1とフランジ部16との間隙はわずかなものであり、ベローズ12が伸びた場合、フランジ部16が支持部53−1に当接して一定以上ベローズ12が伸びないように設定されており、ステイ53がベローズ12の伸びを所定値に規制する役割を果たしている。組立られた状態においては、図8(b)にも示すように、スペーサ51及びコイルスプリング52が収納穴50内に配置され、コイルスプリング52の後端をステイ53の支持部53−1が押圧している。
なお、本実施の形態において、パッキン10、保持リング11及びキャップ15を弁体の当接部材側といい、また、突き当てシャフト13及びフランジ部16を突き当てシャフト側という。
図9及び図10は、本発明の実施の形態4に係るベローズバルブを示したものであって、実施の形態1のスイング形ベローズバルブにおいて、弁体の半開時におけるチャタリング防止機能及び弁体の全閉時における差圧キャンセル効果の保持機能を付加した他の例を示す図である。
図9の(a)は弁体の全開時の正面断面図、(b)は弁体の分解状態を説明する説明図、図10は弁体の全閉時の正面断面図である。図9及び10において、図1ないし図4に付された符号と同じ符号は、実施の形態1と同じ部材を示しており、詳細な説明は省略する。
このため、ベローズ12の後端に接続されるフランジ55は、リング状部55−1と、このリング状部55−1からベローズ12の内側面と間隙を有して前方に膨出した突き当てシャフト支持部55−2とを備えている。突き当てシャフト支持部55−2の中心には、孔55−3が形成され、前端は雌テーパ形状に形成されている。
突き当てシャフト56は、突き当てシャフト受け部材19に当接する凸状部を有するヘッド部56−1と、ヘッド部56−1から後方に伸びる棒状部56−2とを備え、全体としてボルトのような形状をしている。棒状部56−2の後部には、雄螺子部56−3が形成され、フランジ55の孔55−3内を貫通した状態において、雄螺子部56−3に座金59を介してナット60が螺合し、フランジ55の突き当てシャフト支持部55−2により突き当てシャフト56が支持されるようになっている。
反対に、図10に示す弁体の全閉時には、突き当てシャフト56が突き当てシャフト受け部材19に当接してベローズ12は伸張された状態にあり、突き当てシャフト56が後方へ引き込まれるため、キャップ57の後端とフランジ55の突き当てシャフト支持部55−2の前端とが離接し、コニカルスプリング58はやや収縮された状態となる。
また、弁体の全閉時において圧力関係がP1<P2となり、ベローズ12を伸ばそうとする外力が発生し、突き当てシャフト56が突き当てシャフト受け部材19から離接して差圧キャンセル効果が奏されないような常態におかれるとしても、本実施の形態では、突き当てシャフト56のヘッド部56−1がキャップ57の段部57−3に当接し、ベローズ12はそれ以上伸びることはできないから突き当てシャフト56は突き当てシャフト受け部材19に当接した状態が維持される。したがって、差圧キャンセルの効果を保持することができる。
なお、本実施の形態において、パッキン10、保持リング11及びキャップ57を弁体の当接部材側といい、また、突き当てシャフト56及びフランジ55を突き当てシャフト側という。
2 弁室
3 弁体
4 バルブヘッド
5 コイルスプリング
6 ソレノイド
7 流体入口
8 弁座口
9 弁座
10 パッキン
11 保持リング
12 ベローズ
13 突き当てシャフト
14 駆動アーム
15 キャップ
16 フランジ部
17 中心孔
18 Oリング
19 突き当てシャフト受け部材
20 駆動シャフト
21 レバー
22 連結ピン
23 ローラーピン
24 ローラー
25 レバー
26 連結ピン
27 フックピン
28 ナット
29 軸受ブッシュ
30 フック
31 連結板
32 ボディ
33 コイル
34 軸受け
35 稼働鉄芯
36 プランジャー
37 止め輪
38 緩衝材ワッシャ
39 Oリング
40 バルブボディ
41 バルブヘッド
42 コイルスプリング
43 シャフト
44 連結部材
45 流体入口
46 流体出口
47 軸受け
48 Oリング
50 収納穴
51 スペーサ
52 コイルスプリング
53 ステイ
55 フランジ
56 突き当てシャフト
57 キャップ
58 コニカルスプリング
59 座金
60 ナット
61 座金
Claims (11)
- 弁体が弁座面から直角方向に移動して弁座口を開閉するバルブにおいて、弁体は、弁座に当接する当接部材、弁体の中心軸に沿って配置された突き当てシャフト、及び、突き当てシャフトを包囲するように設けられ一端が当接部材に接続され他端が突き当てシャフトの後部に接続されたベローズを具備し、弁座口の中心に位置して突き当てシャフト受け部材を設け、当接部材が弁座に当接する前の半開状態において突き当てシャフトと突き当てシャフト受け部材とが当接するように設定し、弁体の当接部材を開閉方向に駆動するようにしたことを特徴とするベローズバルブ。
- 弁体の全閉時においてベロ−ズが最も伸張した状態にあり、弁体が全開に近づくにつれベローズの伸張が小さくなり、弁体の半開時または半開時と全開時の間においてベローズの収縮を停止するように、弁体における当接部材側と突き当てシャフト側、及び、弁座と突き当てシャフト受け部材のZ軸方向の位置関係が設定されていることを特徴とする請求項1記載のベローズバルブ。
- 弁体の半開時または半開時と全開時の間におけるベローズ収縮の停止は、弁体の当接部材側の係止面と突き当てシャフト側の係止面とのテーパ係合部が当接することにより行われることを特徴とする請求項2記載のベローズバルブ。
- 突き当てシャフトと突き当てシャフト受け部材との当接面の一方を凸状とし、他方を凹状とすることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のベローズバルブ。
- ベローズの伸びを所定値に規制する規制部材を弁体の当接部材側に設け、該当接部材側と突き当てシャフト側との間にスプリングを介在させてなることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のベローズバルブ。
- ベローズの伸びを所定値に規制する規制部材は、保持リングに固定され、ベローズ後端に接続されたフランジ部との間にわずかな間隙を有してフランジ部に当接可能な位置に設けられた規制部を有する連結部材またはステイであることを特徴とする請求項5記載のベローズバルブ。
- ベローズの伸びを所定値に規制する規制部材は、ベローズ後端に接続されたフランジにより支持された突き当てシャフトのヘッド部に係合可能に配置され、保持リングに固定されたキャップであることを特徴とする請求項5記載のベローズバルブ。
- ベローズの有効断面積と弁座口の面積とを同じに設定することにより差圧をキャンセルするようにしたことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載のベローズバルブ。
- 駆動部をソレノイド及びスプリングで構成し、弁体の閉方向の作動をソレノイドが、また、弁体の開方向の作動をスプリングが分担するように設定したことを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1項に記載のベローズバルブ。
- 弁体の動きがスィング式であるスィング形バルブであることを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載のベローズバルブ。
- 弁体の動きが直動式である直動形バルブであることを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載のベローズバルブ。
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