JP5366649B2 - 樹脂ダイヤフラム式流体制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、合成樹脂製のダイヤフラム弁体を備え、例えば食品工業や薬品工業等における各種液体の輸送配管に介在して流路を開閉制御する樹脂ダイヤフラム式流体制御弁に関する。

一般的に、ダイヤフラム式流体制御弁は、弁室内の弁座に対向配置した弁作動軸の先端部にダイヤフラム弁体の中央部が保持されると共に、該ダイヤフラム弁体の周辺部が弁ケース側に挟持され、弁作動軸の進退駆動により、該ダイヤフラム弁体の中央部が前記環状弁座に対して離接して流路を開閉するようになっている（特許文献１，２）。

従来、このようなダイヤフラム弁体としてはゴム製のものが汎用されていたが、食品工業や薬品工業等では取り扱う液体にゴム特有の臭気が移ることが嫌忌されるため、近年ではフッ素系樹脂等の耐蝕性の高い合成樹脂製のものが多用されている。

特開２００７−２２４９８４号公報 特開２００８−１９０５４６号公報

しかるに、合成樹脂製のダイヤフラム弁体はゴム製に比較して変形耐力が大幅に劣る上に弾力性及び伸縮性に乏しく、従来の弁構成では、弁開閉に伴うダイヤフラム弁体の可変膜部の変形量が大きくなるため、開閉弁の繰り返しによって該可変膜部の疲労劣化が速く進むことに加え、開弁時に該可変膜部が大きな流体圧を受けて歪みを発生し易いため、早期にダイヤフラム弁体の交換を余儀なくされてランニングコストが高く付くと共に、その交換作業に多大な労力および時間を費やすという問題があり、また構造的に開弁時の該可変膜部の変形による圧損が大きくなるという難点もあった。

本発明は、上述の事情に鑑みて、樹脂ダイヤフラム式流体制御弁として、弁開閉に伴うダイヤフラム弁体の可変膜部の疲労劣化が進みにくい上、開弁時の流体圧による該可変膜部の歪みが発生せず、もってダイヤフラム弁体が高耐久性で長期にわたって継続使用でき、また開弁時の圧損も低減されるものを提供することを目的としている。

上記目的を達成するための手段を図面の参照符号を付して示せば、請求項１の発明は、弁座１１に対向配置した弁作動軸２の先端部に、合成樹脂製のダイヤフラム弁体３の中央部３ａが保持されると共に、該ダイヤフラム弁体３の周辺部３ｂが弁ケース１側に挟持され、弁作動軸２の進退駆動により、該ダイヤフラム弁体３の中央部３ａが弁座１１に対して離接して流路（１２Ａ，１２Ｂ）を開閉し、ダイヤフラム弁体３の背面側に、弁ケース１内周側の環状段部１３との間でダイヤフラム弁体３の前記周辺部を挟持する押えリング４が配設され、この押えリング４の内周側が、開弁時にダイヤフラム弁体３の可変膜部３０の背面側に密接して、且つ閉弁時に該可変膜部３０から離れる背面受け部４０を構成してなる樹脂ダイヤフラム式流体制御弁において、ダイヤフラム弁体３の中央部３ａの背面側に有底筒状部３２が形成され、この有底筒状部３２の内側にエンザート６が螺着されると共に、該エンザート６を螺着した有底筒状部３２が中心孔７０付きのカップ状リテーナ７の内側に挿嵌される一方、弁作動軸２の先端部が内周に環状段部２ａを有する筒状に形成され、該弁作動軸２の先端部内に取付ボルト８が頭部８ａを環状段部２ａに係止するように装填され、該弁作動軸２の先端から突出した取付ボルト８の雄ねじ部８ｂをカップ状リテーナ７の中心孔７０を通してエンザート６に螺挿緊締することにより、ダイヤフラム弁体３が該弁作動軸２の先端部に固着されてなる構成としている。

請求項２の発明は、上記請求項１の樹脂ダイヤフラム式流体制御弁は、押えリング４の背面側に、該押えリング４をダイヤフラム弁体３に対する押接方向に付勢する皿ばね５が配置してなる構成としている。

請求項３の発明は、上記請求項１又は２の樹脂ダイヤフラム式流体制御弁において、押えリング４の周辺部４ｂに弁ケース１内周側の環状段部１３に対向する環状凹段部４１が形成されると共に、ダイヤフラム弁体３の背面側の周辺部に押えリング４の環状凹段部４１に嵌合する環状凸部３１が形成されてなる構成としている。

請求項４の発明は、上記請求項１〜３の何れかの樹脂ダイヤフラム式流体制御弁において、ダイヤフラム弁体３の可変膜部３０が開弁時及び閉弁時共に半径方向断面で弁室１０の流路空間１０ａ側へ凸に湾曲すると共に、押えリング４の背面受け部４０の表面が凸曲面４０ａをなす構成としている。

請求項５の発明は、上記請求項１〜４の何れかの樹脂ダイヤフラム式流体制御弁において、弁座１１が弁室１０内に開口した流体入口１２ａの周縁に形成された環状弁座である構成としている。

次に、本発明の効果について図面の参照符号を付して説明する。まず、請求項１の発明に係る樹脂ダイヤフラム式流体制御弁では、合成樹脂製のダイヤフラム弁体３の周辺部３ｂを弁ケース１内周側の環状段部１３との間で挟持する押えリング４を備え、この押えリング４の内周側に設けた背面受け部４０が開弁時にダイヤフラム弁体３の可変膜部３０の背面側に密接し、該可変膜部３０のより以上の背面側への膨出変形を防止すると共に、閉弁時には押えリング４の背面受け部４０が該可変膜部３０から離れる形になっているから、弁開閉に伴う該可変膜部３０の変形量が小さくなり、もってダイヤフラム弁体３の疲労劣化が進みにくい上、開弁時の流体圧が押えリング４で受け止められるから、該可変膜部３０の歪みを発生しない。従って、ダイヤフラム弁体３は、合成樹脂製であるにも拘らず優れた耐久性を発揮して長期にわたって継続使用でき、それだけランニングコストを低減できると共に、交換頻度の低下で稼働効率も上昇する。また、上記のように開弁時のダイヤフラム弁体３の該可変膜部３０の変形が抑えられるから、該変形による圧損も低減されてエネルギー効率が向上する。
更に本発明によれば、ダイヤフラム弁体３の背面側の有底筒状部３２内にエンザート６が螺着され、この有底筒状部３２をカップ状リテーナ７の内側に挿嵌し、弁作動軸２の筒状の先端部から突出する取付ボルト８を該エンザート６に螺挿緊締することにより、当該ダイヤフラム弁体３を弁作動軸２の先端部に固着する構造であるから、取付ボルト８の脱着操作で簡単にダイヤフラム弁体３を着脱交換できる上、エンザート６介して合成樹脂製のダイヤフラム弁体３を確実に保持できると共に、取付ボルト８でダイヤフラム弁体３を引き付けることにより、有底筒状部３２の樹脂を圧縮状態として強固で安定した取付状態を実現できる。

請求項２の発明によれば、押えリング４が背面側の皿ばね５によってダイヤフラム弁体３に対する押接方向に付勢されているから、開弁時の圧力衝撃が皿ばね５によって吸収されると共に、その流体圧に対する反力が押えリング４を介してダイヤフラム弁体３の可変膜部３０から周辺部３ｂの全体に均等に加わり、もってダイヤフラム弁体３の局部的疲労が回避される。また、流体に脈動があっても、該皿ばね５による緩衝作用でダイヤフラム弁体３の可変膜部３０が無理なく追従変形できるから、該ダイヤフラム弁体３の疲労劣化が軽減される。

請求項３の発明によれば、押えリング４の周辺部４ｂに弁ケース１内周側の環状段部１３に対向する環状凹段部４１が形成され、この環状凹段部４１にダイヤフラム弁体３の周辺部３ｂの背面側に設けた環状凸部３１が嵌合するから、ダイヤフラム弁体３に弁開閉に伴って中心側への引張力が作用したり、樹脂材料がフッ素系樹脂等である場合の熱収縮力が作用しても、該ダイヤフラム弁体３の周辺部３ｂが内側へ移動することがなく、もって該周辺部３ｂの内側移動による漏液が確実に防止される。

請求項４の発明によれば、ダイヤフラム弁体３の可変膜部３０が閉弁時に半径方向断面で弁室１０の流路空間１０ａ側へ凸に湾曲すると共に、押えリング４の背面受け部４０の表面が凸曲面４０ａをなすから、弁開閉に伴う該ダイヤフラム弁体３の可変膜部３０の変形が湾曲度合の拡縮だけになり、もって該ダイヤフラム弁体３の疲労劣化がより進みにくく、その耐久性が更に向上する。

請求項５の発明によれば、弁座１１が弁室１０内に開口した流体入口１２ａの周縁に形成された環状弁座であるから、開弁時の直接的な圧力衝撃がダイヤフラム弁体３の中央部３ａに加わり、可変膜部３０への圧力衝撃は小さく且つ周方向に均等にかかる形になるから、該ダイヤフラム弁体３の耐久性がより向上する。

本発明の一実施形態に係る樹脂ダイヤフラム式流体制御弁の縦断面図であって、左半部に開弁状態、右半部に閉弁状態を示す。 同樹脂ダイヤフラム式流体制御弁の開弁状態における要部の縦断面図である。 本発明の樹脂ダイヤフラム式流体制御弁を適用する流路構成例を示す概略平面図であり、（ａ）は単流路の接続部、（ｂ）は１流路から他の１流路への分岐接続部、（ｃ）は１流路から他の２流路への分岐接続部、（ｄ）は１流路から３流路への分岐部をそれぞれ示す。

図１で示す樹脂ダイヤフラム式流体制御弁は、内部に入口側流路１２Ａ及び出口側流路１２Ｂとこれらに連通する弁室１０を備えた弁ケース１の上部に、弁駆動部としてのエアシリンダ２０が取り付けられており、エアシリンダ２０内のピストン２１の下部に一体形成された筒状の弁作動軸２が弁室１０内の中心位置に進退自在に突入配置し、この弁作動軸２の下端部にカップ状リテーナ７及び取付ボルト８を介して、円形のダイヤフラム弁体３が中央部３ａにおいて装着されている。そして、弁室１０の底部には、中央位置に入口側流路１２Ａの流体入口１２ａが円形に開口すると共に、その側方に出口側流路１２Ｂの流出口１２ｂが円形に開口しており、流体入口１２ａの周縁部がダイヤフラム弁体３の中央部３ａの離接によって開閉弁する環状弁座１１を構成している。

ダイヤフラム弁体３は、フッ素系樹脂等の合成樹脂成形物からなり、図２でも示すように、厚肉円盤状の中央部３ａと厚肉円環状の周辺部３ｂとの間が薄肉の可変膜部３０を構成し、中央部３ａの背面側に有底筒状部３２が形成されており、内外周面にねじ溝を形成した金属製筒体であるエンザート６が該有底筒状部３２内に螺嵌されている。

このダイヤフラム弁体３の中央部３ａは、エンザート６を螺嵌した有底筒状部３２を下向きに開放したカップ状リテーナ７の内側に嵌合し、このリテーナ７の上端の筒軸部７ａを弁作動軸２の下端開口部に挿嵌した状態で、該弁作動軸２の内部に上方から装填した取付ボルト８の雄ねじ部８ｂを当該リテーナ７の中心孔７０を通してエンザート６に螺挿緊締することにより、弁作動軸２の下端部に装着されている。なお、取付ボルト８は、弁作動軸２の下端部内周に設けた環状段部１３に、平ワッシャ８１及びスプリングワッシャ８２を介して頭部８ａを係止している。

また、ダイヤフラム弁体３の周辺部３ｂは、弁ケース１の内周に形成された上向きの環状段部１３と、当該ダイヤフラム弁体３の背面側（上側）に配置した金属製の押えリング４の外周部４ａとの間で挟持されることにより、弁ケース１側に保持されている。従って、弁室１０の内部は、該ダイヤフラム弁体３によって下部側の流路空間１０ａと上部側の通気空間１０ｂとに隔絶されている。なお、弁ケース１には、上部側の通気空間１０ｂと外部とを連通する空気孔１４が設けてある。

しかして、押えリング４の内周側は、下面側が凸曲面４０ａをなす背面受け部４０として、図１の右半部及び図２の実線で示すように開弁時のダイヤフラム弁体３の可変膜部３０の背面側に密接し、且つ図１の左半部及び図２の仮想線で示すように閉弁時に該可変膜部３０から離れるように構成されている。また、図１及び図２で示すように、該押えリング４の外周部４ａの下面側には環状凹段部４１が形成され、この環状凹段部４１にダイヤフラム弁体３の周辺部３ｂの背面側に設けた環状凸部３１が嵌合している。

更に、弁室１０の通気空間１０ｂ内には、弁ケース１の内周に設けた下向きの環状段部１５と押えリング４との間に、２枚の皿ばね５が圧縮状態で外周縁側を係止する形で装填されており、これら皿ばね５の弾発力によって押えリング４がダイヤフラム弁体３への押接方向に付勢されている。なお、押えリング４及び皿ばね５は、弁作動軸２と一体に昇降作動するカップ状リテーナ７に対して接触しない内径に設定されている。

エアシリンダ２０内には、その上壁部２０ａとピストン２１との間に、該ピストン２１を下動方向に付勢する圧縮コイルスプリング２２が装填されると共に、シリンダ中心位置に、下部側を弁作動軸２の内周の雌ねじ部２ｂに螺着して該ピストン２１に一体化したピストンシャフト２３が配置している。このピストンシャフト２１は、上端部内周に雌ねじ２１ａを設けた筒軸状をなし、上部側がエアシリンダ２０の上壁部２０ａを昇降自在に貫通し、その上端部にボルト状の栓体２４が螺着されており、シリンダ内の配置部分の上部外周には、上壁部２０ａとの当接によってピストン２１の上限位置を規定する環状ストッパー２３ｂが突設されると共に、同下部外周にはピストン２１の内底部に当接して当該ピストン２１に位置決めするフランジ部２３ｃを備えている。２５はピストン２１の下方側のシリンダ前室２６ａに対する作動用圧縮空気の給排口、２７は同上部側のシリンダ後室２６ｂの通気口である。

なお、ピストンシャフト２１の上部側がエアシリンダ２０の上壁部２０ａを貫通する部分、ならびに弁作動軸２がエアシリンダ２０の底壁部２０ｂ及び弁ケース１の上壁部１ａを貫通する部分は、それぞれシールリング９によって気密に封止されている。

上記構成の樹脂ダイヤフラム式流体制御弁では、エアシリンダ２０のシリンダ前室２６ａに圧縮空気が導入されてないとき、圧縮コイルスプリング２２の付勢によってピストン２１と一体に弁作動軸２が下動し、図１の右半部及び図２の実線で示すように、ダイヤフラム弁体３の中央部３ａが環状弁座１１に押接した閉弁状態となり、入口側流路１２Ａに供給される流体Ｌは流出口２１ａの封鎖によって出口側流路１２Ｂへの流れが遮断される。この閉弁状態において、ダイヤフラム弁体３の可変膜部３０は、流路空間１０ａ側へ凸に湾曲した状態で押えリング４の背面受け部４０から開離している。

一方、エアシリンダ２０のシリンダ前室２６ａに圧縮空気が導入されると、圧縮コイルスプリング２２の付勢に抗してピストン２１と一体に弁作動軸２が上動し、図１の左半部及び図２の仮想線で示すように、ダイヤフラム弁体３の中央部３ａが環状弁座１１から離れた開弁状態となり、入口側流路１２Ａに供給される流体Ｌが流出口２１ａから流路空間１０ａを経て流出口１２ｂより出口側流路１２Ｂへ流入する。

この開弁状態では、流体Ｌの圧力がダイヤフラム弁体３の可変膜部３０に加わるが、該可変膜部３０は押えリング４の背面受け部４０に密接するため、流体圧は押えリング４で受け止められて該可変膜部３０を引き延ばすようには作用しない上、該可変膜部３０自体の背面側への膨出変形も阻止される。しかも、押えリング４の背面受け部４０の表面が凸曲面４０ａになっているから、開弁時のダイヤフラム弁体３の可変膜部３０は、閉弁時の状態から少し湾曲度合を強めただけになる。

従って、ダイヤフラム弁体３は、ゴム製に比較して変形耐力が劣る上に弾力性及び伸縮性に乏しいフッ素樹脂等の合成樹脂製であるにも拘らず、弁開閉に伴う可変膜部３０の変形が非常に小さいために疲労劣化を生じにくく、且つ開弁時の流体圧が押えリング４で受け止められることで該可変膜部３０の歪みも発生しない。更に、押えリング４が背面側の皿ばね５によってダイヤフラム弁体３に対する押接方向に付勢されているから、開弁時の圧力衝撃が皿ばね５によって吸収されると共に、その流体圧に対する反力が押えリング４を介してダイヤフラム弁体３の可変膜部３０から周辺部３ｂの全体に均等に加わり、もってダイヤフラム弁体３の局部的疲労も回避される。また、流体Ｌに脈動があっても、該皿ばね５による緩衝作用でダイヤフラム弁体３の可変膜部３０が無理なく追従変形できるから、該ダイヤフラム弁体３の疲労劣化がより軽減される。

そして、この樹脂ダイヤフラム式流体制御弁においては、上述のようにダイヤフラム弁体３が優れた耐久性を発揮して長期にわたって継続使用できるから、それだけランニングコストを低減できると共に、ダイヤフラム弁体の交換頻度の減少で稼働効率も上昇し、また開弁時のダイヤフラム弁体３の可変膜部３０の変形が抑えられるから、該変形による圧損も低減されてエネルギー効率も向上する。更に、押えリング４の環状凹段部４１にダイヤフラム弁体３の周辺部３ｂが環状凸部３１で嵌合するから、ダイヤフラム弁体３に弁開閉に伴って中心側への引張力が作用したり、樹脂材料がフッ素系樹脂等である場合の熱収縮力が作用しても、該ダイヤフラム弁体３の周辺部３ｂが内側へ移動することがなく、もって該周辺部３ｂの内側移動による漏液が確実に防止される。

ダイヤフラム弁体３を構成する合成樹脂としては、フッ素系樹脂が特に好適であるが、耐薬品性のよいものであれば、他の種々の合成樹脂も使用できる。なお、好ましいフッ素系樹脂としては、例えば、４フッ化エチレン樹脂（商品名…テフロンＰＴＦＥ、フルオン等）、四フッ化エチレンとパーフルオロアルキルビニルエーテルの共重合体樹脂（商品名…テフロンＰＦＡ）、四フッ化エチレンとパーフルオロアルキルビニルエーテルと六フッ化プロピレンの三元共重合体樹脂（商品名…テフロンＥＰＥ）、四フッ化エチレンと六フッ化プロピレンの共重合体樹脂（商品名…テフロンＦＥＰ）、四フッ化エチレンとエチレンとの共重合体樹脂（商品名…テフロンＥＴＦＥ、テフゼル）ポリフッ化ビニリデン樹脂（商品名…テフロンＰＶＤＦ、カイナー）、トリフルオロモノクロルエチレンとエチレンの共重合体（商品名…テフロンＥＣＴＦＥ）、モノフルオロエチレン樹脂（商品名…テフロンＰＶＦ）等が挙げられる。

本発明の樹脂ダイヤフラム式流体制御弁は、種々の弁座形態に適用できるが、上記実施形態のように弁座１１が弁室１０内に開口した流体入口１２ａの周縁に形成された環状弁座である場合、開弁時の直接的な圧力衝撃がダイヤフラム弁体３の中央部３ａに加わり、可変膜部３０への圧力衝撃は小さく且つ周方向に均等にかかる形になるから、該ダイヤフラム弁体３の耐久性がより向上するという利点がある。また、上記実施形態のように、ダイヤフラム弁体３の背面側の有底筒状部３２内にエンザート６を螺着し、この有底筒状部３２をカップ状リテーナ７の内側に挿嵌し、弁作動軸２の筒状の先端部から突出する取付ボルト８を該エンザート６に螺挿緊締して当該ダイヤフラム弁体３を弁作動軸２の先端部に固着する構造とすれば、取付ボルト８の脱着操作で簡単にダイヤフラム弁体３を着脱交換できる上、エンザート６介して合成樹脂製のダイヤフラム弁体３を確実に保持できると共に、取付ボルト８でダイヤフラム弁体３を引き付けることにより、有底筒状部３２の樹脂を圧縮状態として強固で安定した取付状態を実現できる。

更に、本発明の樹脂ダイヤフラム式流体制御弁を適用する流路接続部の構成は、特に制約されないが、図３（ａ）〜（ｄ）に例示するように、弁室１０に開口した一つの流体入口１２ａが環状弁座１１をなし、その側方に１本又は複数本の流出側流路に繋がる流体出口１２ｂを有する構成が好適である。なお、図３では弁室１０を仮想線円で、流体の流れを矢印で、それぞれ示している。図中、（ａ）の構成は前記実施形態に相当する単流路の接続部、（ｂ）の構成は１流路の途中に開口した流体入口１２ａから他の１流路への分岐接続部、（ｃ）の構成は１流路の途中に開口した流体入口１２ａから他の２流路への分岐接続部、（ｄ）の構成は１流路から３流路への分岐部である。

なお、実施形態では弁作動機構としてエアシリンダ方式を採用しているが、本発明では油圧シリンダ方式や電磁駆動方式等の他の種々の弁作動機構も採用可能である。その他、本発明の樹脂ダイヤフラム式流体制御弁の細部構成については、実施形態以外に種々設計変更可能である。

１ 弁ケース
１０ 弁室
１０ａ 流路空間
１１ 環状弁座１１
１２Ａ 入口側流路
１２ａ 流体入口
１３ 環状段部
２ 弁作動軸
２ａ 環状段部
３ ダイヤフラム弁体
３ａ 中央部
３ｂ 周辺部
３０ 可変膜部
３１ 環状凸部
３２ 有底筒状部
４ 押えリング
４ａ 周辺部
４０ 背面受け部
４０ａ 凸曲面
４１ 環状凹段部
５ 皿ばね
６ エンザート
７ カップ状リテーナ
７０ 中心孔
８ 取付ボルト
８ａ 頭部
８ｂ 雄ねじ部

Claims (5)

1. 弁座に対向配置した弁作動軸の先端部に、合成樹脂製のダイヤフラム弁体の中央部が保持されると共に、該ダイヤフラム弁体の周辺部が弁ケース側に挟持され、弁作動軸の進退駆動により、該ダイヤフラム弁体の中央部が前記弁座に対して離接して流路を開閉し、
   前記ダイヤフラム弁体の背面側に、弁ケース内周側の環状段部との間でダイヤフラム弁体の前記周辺部を挟持する押えリングが配設され、この押えリングの内周側が、開弁時にダイヤフラム弁体の可変膜部の背面側に密接して、且つ閉弁時に該可変膜部から離れる背面受け部を構成してなる樹脂ダイヤフラム式流体制御弁において、
   前記ダイヤフラム弁体の中央部の背面側に有底筒状部が形成され、この有底筒状部の内側にエンザートが螺着されると共に、該エンザートを螺着した有底筒状部が中心孔付きのカップ状リテーナの内側に挿嵌される一方、前記弁作動軸の先端部が内周に環状段部を有する筒状に形成され、該弁作動軸の先端部内に取付ボルトが頭部を前記環状段部に係止するように装填され、該弁作動軸の先端から突出した前記取付ボルトの雄ねじ部を前記カップ状リテーナの中心孔を通して前記エンザートに螺挿緊締することにより、ダイヤフラム弁体が該弁作動軸の先端部に固着されてなる樹脂ダイヤフラム式流体制御弁。
2. 前記押えリングの背面側に、該押えリングをダイヤフラム弁体に対する押接方向に付勢する皿ばねが配置してなる請求項１に記載の樹脂ダイヤフラム式流体制御弁。
3. 前記押えリングの周辺部に前記弁ケース内周側の環状段部に対向する環状凹段部が形成されると共に、ダイヤフラム弁体の背面側の周辺部に押えリングの環状凹段部に嵌合する環状凸部が形成されてなる請求項１又は２に記載の樹脂ダイヤフラム式流体制御弁。
4. 前記ダイヤフラム弁体の可変膜部が閉弁時に半径方向断面で弁室の流路空間側へ凸に湾曲すると共に、前記押えリングの背面受け部の表面が凸曲面をなす請求項１〜３の何れかに記載の樹脂ダイヤフラム式流体制御弁。
5. 前記弁座が弁室内に開口した流体入口の周縁に形成された環状弁座である請求項１〜３の何れかに記載の樹脂ダイヤフラム式流体制御弁。

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