JP5554621B2 - 流体制御器 - Google Patents

Description

本発明は流体制御器に関し、より詳しくはダイヤフラムを弁座に対して当接離反させることにより流路を開閉する流体制御器に関する。

図７は従来の流体制御器の一例を示す一部断面正面図である。
図７に示す流体制御器は、操作機構（Ａ）をエアー等により駆動してダイヤフラム（Ｄ）をバルブボディ（Ｂ）に形成された弁座（Ｓ）に対して当接離反させることにより流路を開閉するように構成されている。

図８（ａ）は、図７に示す流体制御器に用いられているダイヤフラム（Ｄ）の裏面図である。
ダイヤフラム（Ｄ）は、その外縁部近傍に形成された円環状突条（Ｒ１）と、円環状突条（Ｒ１）の内部を縦断する直線状突条（Ｒ２）とを有しており、これらの突条（Ｒ１）（Ｒ２）が弁座（Ｓ）に対して密接することにより、流体の外部への漏洩が防止されるとともにダイヤフラム下降時において流路が閉鎖される。

図７に示すような従来の流体制御器において、ダイヤフラム（Ｄ）を弁座（Ｓ）に対して当接させるために下降させると、円環状突条（Ｒ１）は径方向に僅かに拡がり（図８（ｂ）参照）、ダイヤフラム（Ｄ）を上昇させると元の状態に戻る。
そのため、流路の開閉操作（ダイヤフラム（Ｄ）の昇降操作）を繰り返すと、円環状突条（Ｒ１）の径方向の摺動が繰り返されることとなり、バルブボディ（Ｂ）上面との間に生じる摩擦によって円環状突条（Ｒ１）が摩耗してシール性が低下し、流体の外部への漏洩が生じるという問題があった。

一方、円環状突条を有するダイヤフラムを備えた他の流体制御器として、例えば本願出願人が先に提案した下記特許文献１に記載の流体制御器が存在している。
この流体制御器は、ダイヤフラムが下側ダイヤフラムと上側ダイヤフラムの二層構造とされ、下側ダイヤフラムの外縁部近傍には外環突条と内環突条とからなる円環状突条と、内環突条を縦断する縦断突条とが形成されており、外環突条は上下方向に突出してなるものである（特許文献１の第１８図及び第１９図参照）。
また、バルブボディの上面には下方向に突出した外環突条を収容する円環状溝が形成されており、上方向に突出した外環突条の内側に上側ダイヤフラムが積層されている。

しかしながら、この流体制御器は、円環状突条が外環突条と内環突条とからなるため、バルブボディの上面にこれら二重の突条を受けるための広い面積を必要とし、バルブボディが大型化してしまう。
また、上側ダイヤフラムはバルブボディによって位置決めされず、下側ダイヤフラムに載せた状態で締め付け固定されることから、締め付け固定時に位置ずれが生じる虞があり、組み立て作業性が悪い。
また、外環突条を収容する円環状溝に流体が浸入した場合、浸入した流体を逃がすことができず、円環状溝に流体が溜まってしまう。
このように特許文献１に記載の流体制御器には上記問題点とは別の問題点が存在しているため、これらの問題点を生じさせることなく、上記した円環状突条の摩耗による流体の外部漏洩を防止することが可能である流体制御器の創出が望まれていた。

特許第４２３２９３９号公報

本発明は上記したような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、ダイヤフラムを弁座に対して当接離反させることによって流路を開閉する流体制御器において、流路の開閉動作の繰り返しによるダイヤフラムの円環状突条の摺動を防止し、これにより円環状突条の摩耗を抑制して流体の外部漏洩を防止することができるとともに、バルブボディが大型化することがなく、組み立て作業性に優れており、ダイヤフラムの収容部分に流体の溜まりが生じることがない流体制御器を提供するものである。

請求項１に係る発明は、入口流路と出口流路と弁座を有するバルブボディと、前記弁座に対して当接離反することにより、前記入口流路から前記出口流路への流体の流通を許容又は遮断するダイヤフラムと、前記ダイヤフラムを操作するための操作機構と、前記バルブボディとの間で前記ダイヤフラムを挟持するボンネットを備えており、前記ダイヤフラムは、下面の外縁部近傍に円環状突条を有し、前記バルブボディの上面には、前記円環状突条が当接する部分より内側が外側に比べて低くなる段差が形成されており、前記ダイヤフラムの少なくとも前記円環状突条の先端部が前記段差の内側に配置され、前記バルブボディの上面は、前記段差の内側が、前記入口流路及び前記出口流路の開口部に向けて下向きに傾斜している、ことを特徴とする流体制御器に関する。

請求項２に係る発明は、前記円環状突条の全体が、前記段差の内側に配置されていることを特徴とする請求項１記載の流体制御器に関する。

請求項３に係る発明は、前記円環状突条の先端部よりも外周面が、前記段差の外側の上面と前記段差の側面とで形成される角部と接触していることを特徴とする請求項１記載の流体制御器に関する。

請求項４に係る発明は、前記円環状突条の先端部よりも外周面が、前記段差の側面と隙間無く密接していることを特徴とする請求項１記載の流体制御器に関する。

請求項５に係る発明は、前記ダイヤフラムの上昇時の状態において、前記円環状突条の外径と、前記段差の内側と外側の境界線の直径が等しいことを特徴とする請求項１又は２記載の流体制御器に関する。

請求項６に係る発明は、前記円環状突条の縦断面形状が下向きに突出する半円形であって、前記段差の側面は、上から下に向かうにつれて内側に傾斜するテーパ面となっていることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の流体制御器に関する。

請求項１に係る発明によれば、ダイヤフラムが、下面の外縁部近傍に円環状突条を有し、バルブボディの上面には、円環状突条が当接する部分より内側が当該部分の外側に比べて低くなる段差が形成されており、ダイヤフラムの少なくとも前記円環状突条の先端部が前記段差の内側に配置されていることから、ダイヤフラムの円環状突条の外側への摺動が段差により規制される。これにより、流路の開閉動作の繰り返しによって生じる円環状突条の摩耗を抑制することができ、長期間に亘って流体の漏洩を防止することが可能となる。また、円環状突条を二重に設けた場合のように、バルブボディが大型化することがない。更に、締め付け時にダイヤフラムの位置ずれが生じることがなく、位置決めを容易に行うことができるため、組み立て作業性に優れている。そして、ダイヤフラムとバルブボディとの接触部分が円環状突条の先端部より外側となるため、流路の開閉動作を行っている時にダイヤフラムとバルブボディとの間に流体が入り込む虞が無い。
また、前記バルブボディの上面は、前記段差の内側が、入口流路及び出口流路の開口部に向けて下向きに傾斜していることから、段差の内側部分に流体の溜まりが生じることがない。

請求項２に係る発明によれば、円環状突条の全体が段差の内側に配置されていることから、円環状突条の先端部よりも外周面が段差の側面と当接することとなり、段差の側面により円環状突条の外側への摺動を確実に防ぐことができる。

請求項３に係る発明によれば、円環状突条の先端部よりも外周面が、段差の外側の上面と段差の側面とで形成される角部と接触していることから、段差の角部により円環状突条の外側への摺動を確実に防ぐことができる。

請求項４に係る発明によれば、円環状突条の先端部よりも外周面が段差の側面と隙間無く密接していることから、円環状突条の先端部よりも外周面と段差の側面との間に流体が溜まる虞が無い。

請求項５に係る発明によれば、前記ダイヤフラムの上昇時の状態において、前記円環状突条の外径と、前記段差の内側と外側の境界線の直径が等しいことから、ダイヤフラムの上昇時の状態において円環状突条の外縁部が段差の側面に当接することとなる。そのため、ダイヤフラムが下降した時に円環状突条が外方向へと拡がることが確実に防止され、円環状突条の摩耗をより効果的に抑制することが可能となる。
また、流体制御器の組み立て時におけるダイヤフラムの位置決めを容易且つ正確に行うことが可能となり、組み立ての精度及び作業性に優れたものとなる。

請求項６に係る発明によれば、円環状突条の縦断面形状が下向きに突出する半円形であって、前記段差の側面は、上から下に向かうにつれて内側に傾斜するテーパ面となっていることから、円環状突条が外向きに拡がろうとした時に、円環状突条の外縁面を段差の内側面によって確実に受けて円環状突条の拡がりを防ぐことができる。
また、流体制御器の組み立て時において、ダイヤフラムをバルブボディの上面に対して容易且つ正確に位置決めをすることが可能となる。

本発明に係る流体制御器を示す一部断面正面図であって、（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）図の円内拡大図である。 バルブボディを示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）図のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ａ）図のＢ−Ｂ線断面図である。 ダイヤフラムを示す図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）図の円内拡大図、（ｃ）は裏面図である。 ダイヤフラムを合成樹脂膜とゴム膜の二層構造とした変更例である。 円環状突条の先端部よりも外周面が、バルブボディの上面と段差の側面とで形成される角部（段差の境界線）と接触している場合を示す変更例の部分拡大図である。 円環状突条の先端部よりも外周面が段差の側面と隙間無く密接している場合を示す変更例の部分拡大図である。 従来の流体制御器の一例を示す一部断面正面図である。 （ａ）は図７に示す従来の流体制御器に用いられているダイヤフラムの裏面図、（ｂ）は従来の流体制御器の問題点を説明するための図である。

以下、本発明に係る流体制御器の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に係る流体制御器を示す一部断面正面図であって、（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）図の円内拡大図である。
本発明に係る流体制御器は、バルブボディ（１）と、ダイヤフラム（２）と、操作機構（３）と、ボンネット（４）を備えている。

図２はバルブボディ（１）を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）図のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ａ）図のＢ−Ｂ線断面図である。
バルブボディ（１）は、流体の入口となる入口流路（５）と、流体の出口となる出口流路（６）と、入口流路（５）と出口流路（６）の間に隆起して形成された弁座（７）を有している。
バルブボディ（１）の上面には、入口流路（５）の開口部（入口側開口部（８））と、出口流路（６）の開口部（出口側開口部（９））が開口している。

また、バルブボディ（１）の上面には、後述するダイヤフラム（２）の円環状突条（２Ａ）が当接する部分（１Ａ）より内側が当該部分の外側に比べて低くなる段差が形成されている。尚、図２において、段差の内側と外側の境界線に符号（１０）を付している。
ここで、バルブボディ（１）の上面に円環状突条（２Ａ）が当接する部分（１Ａ）は、図１の例では円環状突条（２Ａ）の先端部（最下部）から外縁部に至る部分であり、後述する図５の例では円環状突条（２Ａ）の先端部よりも外周面がバルブボディの上面と段差の側面とで形成される角部（段差の境界線（１０））と接触する部分である。

本発明において、円環状突条（２Ａ）の先端部よりも内側は、バルブボディ（１）の上面（段差の内側の面）に当接しないことが好ましい（図１，５参照）、
これにより、円環状突条（２Ａ）の先端部よりも内側において、円環状突条（２Ａ）とバルブボディ（１）との間に流体が溜まることが防止される。

図２（ａ）に示すように、段差の境界線（１０）は、入口側開口部（８）及び出口側開口部（９）を内側に含む円形に形成されており、バルブボディ（１）の上面は、境界線（１０）より内側が外側に比べて低くなるように凹んでいる。
尚、本発明において、「内側」とはバルブボディ上面中心に近い側を指し、「外側」とはバルブボディ上面中心から遠い側を指す。

バルブボディ（１）の上面に形成される段差の高さは、ダイヤフラム（２）の円環状突条（２Ａ）の高さ未満に設定することが好ましい。
その理由は、バルブボディ（１）の上面に形成される段差の高さが円環状突条（２Ａ）の高さ以上であると、ダイヤフラム（２）をバルブボディ（１）とボンネット（４）との間で挟持した際に円環状突条（２Ａ）を圧縮変形させることができず、良好なシール性が得られない虞があるためである。
但し、段差の高さが円環状突条（２Ａ）の高さ以上であってもよい。

バルブボディ（１）の上面は、段差の内側（境界線（１０）より内側）が、入口側開口部（８）及び出口側開口部（９）に向けて下向きに傾斜していることが好ましい（図２（ｂ）（ｃ）の円内拡大図参照）。図２（ａ）〜（ｃ）において、この下向きに傾斜した面（以下、下向き傾斜面という）に符号（１１）を付している。
段差の内側が、入口側開口部（８）及び出口側開口部（９）に向けて下向きに傾斜していることにより、段差の内側部分に流体の溜まりが生じることが確実に防止できる。
尚、上記した円環状突条（２Ａ）が当接する部分（１Ａ）は、下向き傾斜面（１１）の一部分であり、より具体的には下向き傾斜面（１１）内の外寄りの部分である（図１（ｂ）参照）。

段差の側面（内側面）（１２）は、上から下に向かうにつれて内側に傾斜するテーパ面となっていることが好ましい（図２（ｂ）（ｃ）の円内拡大図参照）。
後述するように、ダイヤフラム（２）の円環状突条（２Ａ）の縦断面形状は下向きに突出する半円形状である。そのため、段差の内側面（１２）がこのようなテーパ面となっていると、円環状突条（２Ａ）が外向きに拡がろうとした時に、円環状突条（２Ａ）の外縁面を段差の内側面（１２）によって確実に受けることができ、円環状突条（２Ａ）の外方への拡がりを防止できる。
また、流体制御器の組み立て時において、ダイヤフラム（２）をバルブボディ（１）の上面に対して容易且つ正確に位置決めをすることが可能となる。

図３はダイヤフラム（２）を示す図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）図の円内拡大図、（ｃ）は裏面図である。
ダイヤフラム（２）は、バルブボディ（１）に設けられた弁座（７）に対して当接離反（昇降）することにより、入口流路（５）から出口流路（６）への流体の流通を許容又は遮断する。

ダイヤフラム（２）は、屈曲性、耐食性、耐熱性に優れた弾性素材から形成されており、具体的には、四沸化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）等の合成樹脂や、天然ゴム、ニトリルゴム、スチレンゴム、ブタジエン・イソブチレン合成ゴム、ポリクロロプレンゴム、ブチルゴム、シリコンゴム、ポリウレタンゴム、フッ素ゴム（ＦＰＭ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）等のゴムから形成されている。
ダイヤフラム（２）は、単一素材（例えばＰＴＦＥ）からなる一層構造のものであってもよいし、図４に示すような合成樹脂膜（２１）とゴム膜（２２）の二層構造のものであってもよい。

ダイヤフラム（２）の上部には、ダイヤフラム（２）を押圧するコンプレッサ（１４）（図１参照）に係合される吊り金具（１３）が取り付けられている。
ダイヤフラム（２）は、弁座（７）に当接する下面に円環状突条（２Ａ）と直線状突条（２Ｂ）を有している。円環状突条（２Ａ）は弁座（７）に当接する下面の外縁部近傍に形成されており、直線状突条（２Ｂ）は円環状突条（２Ａ）の内部を縦断するように形成されている。
円環状突条（２Ａ）及び直線状突条（２Ｂ）の縦断面形状は、図３（ａ）（ｂ）に示すように下向きに突出する半円形を呈している。本発明における円環状突条の先端部とは、この下向きに突出する半円形の先端部（最下部）を意味している。

ダイヤフラム（２）の円環状突条（２Ａ）は、流体制御器を組み立てた状態において、少なくともその先端部が上述したバルブボディ（１）の上面に形成された段差の内側に配置される。
つまり、ダイヤフラム（２）の円環状突条（２Ａ）の少なくとも先端部は、バルブボディ（１）の上面に形成された段差の境界線（１０）よりも内側の凹んだ部分（下向き傾斜面（１１）の上）に配置される。また、ダイヤフラム（２）の円環状突条（２Ａ）の外側の部分（２Ｃ）は、段差の境界線（１０）よりも外側の凹んでいない部分に配置される。

本発明においては、図１に示すように円環状突条（２Ａ）の全体が段差の内側に配置されていることが好ましいが、図５に示すように円環状突条（２Ａ）の少なくとも先端部を含む一部のみが段差の内側に配置されていてもよい。図５に示す例では、円環状突条（２Ａ）の先端部よりも外周面が、バルブボディの上面と段差の側面とで形成される角部（段差の境界線（１０））と接触している。この場合、円環状突条（２Ａ）が当接する部分（１Ａ）と角部（段差の境界線（１０））が一致する。

ダイヤフラム（２）の円環状突条（２Ａ）の少なくとも先端部が、バルブボディ（１）の上面に形成された段差の内側に配置されることにより、ダイヤフラム（２）の下降操作によって円環状突条（２Ａ）が外方向へと拡がろうとした時に、円環状突条（２Ａ）の外縁部が段差の内側面（１２）もしくは角部（１０）に当たり、拡がる（摺動する）ことが防止される。
その結果、流路の開閉動作の繰り返しによって生じる円環状突条（２Ａ）の摩耗を抑制することができ、長期間に亘って流体の漏洩を防止することが可能となる。

円環状突条（２Ａ）の外径（外縁部の直径）（Ｄ１）と、段差の境界線（１０）の直径（Ｄ２）は、ダイヤフラム（２）の上昇時の状態（図３（ａ）の状態）において等しいことが好ましい。
これにより、ダイヤフラム（２）の上昇時の状態において円環状突条（２Ａ）の外縁部が段差の内側面に当接することとなり、ダイヤフラム（２）が下降した時に円環状突条（２Ａ）が外方向へと拡がることが確実に防止され、円環状突条（２Ａ）の摩耗をより効果的に抑制することが可能となる。
また、流体制御器の組み立て時におけるダイヤフラム（２）の位置決めも容易且つ正確に行うことが可能となり、組み立ての精度及び作業性に優れたものとなる。
但し、ダイヤフラム（２）の上昇時の状態において、円環状突条（２Ａ）の外径（Ｄ１）が、段差の境界線（１０）の直径（Ｄ２）より僅かに大きくてもよい（図５参照）。

本発明において、円環状突条（２Ａ）の先端部よりも外周面は、段差の側面（１２）と隙間無く密接していることが好ましい（図６参照）。
図６に示す例では、段差の側面（１２）が下面に移行する角部においてアール状に形成されており、この角部のアールが円環状突条（２Ａ）の先端部よりも外周面のアールと合致することによって、円環状突条（２Ａ）の先端部よりも外周面が段差の側面（１２）と隙間無く密接している。
これにより、円環状突条（２Ａ）の先端部よりも外周面と段差の側面（１２）との間に流体が溜まる虞が無い。

操作機構（３）は、吊り金具（１３）及びコンプレッサ（１４）を介してダイヤフラム（２）を操作（昇降操作）するための機構であって、ダイヤフラム（２）を昇降させることにより弁座（７）に対して当接離反させる。本発明において、操作機構（３）の具体的な構成は特に限定されず、空圧作動式のものや手動式のもの等の公知の操作機構を使用することが可能である。

ボンネット（４）はバルブボディ（１）の上面にボルト等により固定されており、その下面とバルブボディ（１）の上面との間でダイヤフラム（２）を挟持する。
ボンネット（４）の下面の内径（Ｄ３）は、ダイヤフラム（２）の円環状突条（２Ａ）の内径（Ｄ４）以下であることが好ましい（図１（ｂ）参照）。
ボンネット（４）の下面の内径（Ｄ３）が、ダイヤフラム（２）の円環状突条（２Ａ）の内径（Ｄ４）以下であることにより、ボンネット（４）の下面により円環状突条（２Ａ）を確実に押さえて圧縮変形させることができ、良好なシール性を確保することが可能となる。

本発明に係る流体制御器は、微生物の培養装置における培養液のサンプリング配管等の様々な配管における流体の流れを制御するために幅広く利用することができ、特に流路の開閉が頻繁に行われダイヤフラムの摩耗が懸念される用途に好適に使用される。

１ バルブボディ
１Ａ ダイヤフラムの円環状突条が当接する部分
２ ダイヤフラム
２Ａ 円環状突条
２Ｂ 直線状突条
３ 操作機構
４ ボンネット
５ 入口流路
６ 出口流路
７ 弁座
８ 入口流路の開口部（入口側開口部）
９ 出口流路の開口部（出口側開口部）
１０ 段差の境界線（バルブボディの上面と段差の側面とで形成される角部）
１１ 下向きに傾斜している面（下向き傾斜面）
１２ 段差の側面（内側面）
Ｄ１ 円環状突条の外径（外縁部の直径）
Ｄ２ 段差の境界線の直径
Ｄ３ ボンネットの下面の内径
Ｄ４ 円環状突条の内径

Claims (6)

1. 入口流路と出口流路と弁座を有するバルブボディと、
   前記弁座に対して当接離反することにより、前記入口流路から前記出口流路への流体の流通を許容又は遮断するダイヤフラムと、
   前記ダイヤフラムを操作するための操作機構と、
   前記バルブボディとの間で前記ダイヤフラムを挟持するボンネットを備えており、
   前記ダイヤフラムは、下面の外縁部近傍に円環状突条を有し、
   前記バルブボディの上面には、前記円環状突条が当接する部分より内側が外側に比べて低くなる段差が形成されており、
   前記ダイヤフラムの少なくとも前記円環状突条の先端部が前記段差の内側に配置され、
   前記バルブボディの上面は、前記段差の内側が、前記入口流路及び前記出口流路の開口部に向けて下向きに傾斜している、
   ことを特徴とする流体制御器。
2. 前記円環状突条の全体が、前記段差の内側に配置されていることを特徴とする請求項１記載の流体制御器。
3. 前記円環状突条の先端部よりも外周面が、前記段差の外側の上面と前記段差の側面とで形成される角部と接触していることを特徴とする請求項１記載の流体制御器。
4. 前記円環状突条の先端部よりも外周面が、前記段差の側面と隙間無く密接していることを特徴とする請求項１記載の流体制御器。
5. 前記ダイヤフラムの上昇時の状態において、前記円環状突条の外径と、前記段差の内側と外側の境界線の直径が等しいことを特徴とする請求項１又は２記載の流体制御器。
6. 前記円環状突条の縦断面形状が下向きに突出する半円形であって、
   前記段差の側面は、上から下に向かうにつれて内側に傾斜するテーパ面となっていることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の流体制御器。

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