JP6030474B2

JP6030474B2 - 流量調整装置

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Publication number: JP6030474B2
Application number: JP2013031316A
Authority: JP
Inventors: 和樹平井
Original assignee: Surpass Industry Co Ltd
Current assignee: Surpass Industry Co Ltd
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2016-11-24
Anticipated expiration: 2033-02-20
Also published as: JP2014159855A; EP2770396A2; KR20140104364A; EP2770396A3; US9228673B2; EP2770396B1; US20140231682A1; KR102163276B1

Description

本発明は、例えば薬液や純水等の流量を調整する流量調整装置に関する。

従来、複数の薬液を調合する場合や、製品の製造過程にて使用される純水等の流量を正確に調整する場合など、流体の供給ライン上に用いられる流量調整装置が知られており、一般にレギュレータとも呼ばれている。このような用途に使用される流量調整装置として、例えば下記の特許文献１に開示された構成のものが知られている。

特許文献１に開示された流量調整装置では、圧力室に供給される空気の空気圧が第１ダイヤフラムに与えられる。第１ダイヤフラムに与えられた圧力は、環状湾曲部を介して第２ダイヤフラムに伝達される。第２ダイヤフラムには弁体が固定されており、圧力室の空気圧によって、弁座から離間させる方向の力が弁体に与えられる。弁体には、弁座に当接する方向の付勢力がスプリングにより与えられているので、圧力室の空気圧を調整することにより、弁座に対する弁体の位置が調整される。

特開２０１１−８９６４７号公報

特許文献１に開示された流量調整装置は、弁室内の流体と接する部分の第２ダイヤフラムの面積と、圧力室の空気圧を受ける部分の第１ダイヤフラムの面積とが略等しい面積となっている。したがって、弁室内の流体の流体圧が大気圧と同程度であれば、圧力室内の空気圧を大気圧とスプリングの付勢力の合計以上とすることにより、弁体を弁座から離間させることができる。

しかしながら、弁室内の流体が大気圧より格段に高圧力の高圧力流体である場合（例えば、大気圧の１０倍の１．０１３ＭＰａの流体）、圧力室内の空気圧を流体圧と大気圧の差分に相当する圧力だけ更に高くしないと、弁体を弁座から離間させることができない。

流量調整装置に供給される空気の空気圧は、０．５ＭＰａ程度であるのが一般的である。従って、弁室内の流体が大気圧より格段に高圧力の高圧力流体である場合、特許文献１に開示された流量調整装置では、弁体を弁座から離間させるまで圧力室内の空気圧を高くすることができない。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、高価な圧力調整機構を備える空気圧供給装置を必要とすることなく、高圧力流体の流量調整を行うことが可能な流量調整装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る流量調整装置は、内部に流体流路が形成され、該流体流路の両端に入口ポート及び出口ポートが設けられたハウジング部と、前記流体流路に設けられた弁座部に当接又は離間することにより前記流体流路を閉状態又は開状態とする弁体部と、前記弁座部に当接する方向の付勢力を前記弁体部に与えるスプリング部と、前記弁体部の端部に固定され、前記流体流路を流通する流体と接する第１面と該流体と接しない第２面とを有するダイヤフラムと、外部から作動気体が供給される圧力室と、前記圧力室に供給される前記作動気体の圧力を前記ダイヤフラムの前記第２面に伝達するピストン部とを備え、前記ピストン部の前記作動気体の圧力を受ける部分の面積が、前記ダイヤフラムの前記第１面の面積の２倍以上であることを特徴とする。

本発明に係る流量調整装置によれば、弁体部には、スプリング部の付勢力とダイヤフラムの第１面を介して伝達される流体の流体圧とにより、弁座部に当接する方向の力が与えられる。また、弁体部には、ピストン部を介してダイヤフラムに伝達される圧力室の作動気体の圧力により、弁座部から離間する方向の力が与えられる。そして、ピストン部の作動気体の圧力を受ける部分の面積が、ダイヤフラムの第１面の面積の２倍以上となっている。例えば、流体の流体圧が大気圧の１０倍である場合、圧力室の作動気体の圧力を流体圧の半分（大気圧の５倍）とすることで、作動気体の圧力による弁体部を弁座部から離間する方向の力が、流体の流体圧による弁体部を弁座部に当接する方向の力以上となる。

以上のように、本発明に係る流量調整装置によれば、圧力室に供給される作動気体の圧力を、流体の流体圧の半分の圧力（例えば、大気圧の５倍）とスプリング部の付勢力の合計以上とすることにより、弁体部を弁座から離間させることができる。
このようにすることで、圧力室に供給される作動気体の圧力を高圧力流体の圧力以上とするような高価な圧力調整機構を備える空気圧供給装置を必要とすることなく、高圧の流体の流量調整を行うことが可能な流量調整装置を提供することができる。

本発明の一態様の流量調整装置は、前記圧力室と前記ピストン部との間に配置され、該圧力室を前記ピストン部から隔離する膜部材を備え、前記ピストン部は、前記膜部材を介して前記圧力室に供給される前記作動気体の圧力を受けることを特徴とする。
このようにすることで、膜部材によって圧力室をピストン部から隔離しつつ、膜部材を介して圧力室に供給される作動気体の圧力をピストン部に伝達することができる。

上記態様の流量調整装置において、前記ピストン部は、前記膜部材に接する面と前記ダイヤフラムに接する面とを連通させる連通孔を備える構成であってもよい。
このようにすることで、ピストン部と膜部材との間に空気溜まりが発生することを防止し、圧力室内の作動気体の圧力を確実にピストン部に伝達することができる。

上記態様の流量調整装置は、ハウジング部が、前記ダイヤフラムの前記第２面と前記膜部材により画定される空間と外部とを連通させる開放孔を備える構成であってもよい。
このようにすることで、ピストン部の移動によってダイヤフラムの第２面と膜部材により画定される空間の圧力が変動することを防止することができる。従って、ピストン部の移動が円滑に行われるようにし、圧力室内の作動気体の圧力を確実にピストン部に伝達することができる。

上述した本発明によれば、高価な圧力調整機構を備える空気圧供給装置を必要とすることなく、高圧の流体の流量調整を行うことが可能な流量調整装置を提供することができる。

本発明の一実施形態の流量調整装置の正面図である。本発明の一実施形態の流量調整装置の全閉状態を示す右側断面図である。本発明の一実施形態の流量調整装置の全開状態を示す右側断面図である。図２に示した流量調整装置の要部拡大図である。図４に示した流量調整装置のＡ−Ａ断面図である。

以下、本発明の一実施形態の流量調整装置について、図面に基づいて説明する。
図１から図５に示す本実施形態の流量調整装置１は、樹脂あるいは耐薬品性に優れたフッ素樹脂材料等の材料により成形されたハウジング１０（ハウジング部）を備える。ハウジング１０の内部には、流体を流通させる流体流路が設けられており、流体流路の両端には流体の入口ポート１１と流体の出口ポート１７とがそれぞれ設けられている。

図１は、本発明の一実施形態の流量調整装置１の正面図である。
図１に示されるように、ハウジング１０は、４つのハウジングブロック１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄにより構成されている。ハウジングブロック１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、締結ボルト１３と締結ナット１４からなる締結具により締結されている。ハウジングブロック１０ｃとハウジングブロック１０ｄとは、締結ボルト１５とハウジングブロック１０ｃに設けられた雌ネジ部１６からなる締結具により締結されている。このように、ハウジングブロック１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、締結具により締結されている。

締結ボルト１３によるハウジングブロック１０ａ，１０ｂ，１０ｃの締結と、締結ボルト１５によるハウジングブロック１０ｃ，１０ｄの締結は、それぞれ独立して行われる。このようにすることで、ハウジングブロック１０ｃとハウジングブロック１０ｄとが強固に締結され、圧力室２４の内部が高圧力となる場合でも圧力室２４の密閉状態が維持される。

図２は、本発明の一実施形態の流量調整装置１の全閉状態を示す右側断面図である。図３は、本発明の一実施形態の流量調整装置１の全開状態を示す右側断面図である。
図２，図３に示されるように、ハウジング１０の内部には、入口ポート１１に連通する開口面１８ａを有する弁座１８（弁座部）と、弁座１８の開口面１８ａに対して直角方向（図において上下方向）に移動する弁体１９（弁体部）とが配置されている。弁体１９の上端部にはダイヤフラム２０が固定されており、弁体１９の下端には弁体１９が弁座１８に当接する方向の付勢力を与えるスプリング２１（スプリング部）が配置されている。弁体１９は、弁座１８に当接又は離間することにより、流体流路を閉状態又は開状態とする。

流量調整装置１内で流体を流通させる流体流路は、入口ポート１１から弁体１９まで連通する第１空間２２（一般に「弁室」と呼ばれる。）と、弁座１８とダイヤフラム２０との間に配置され出口ポート１７と連通する第２空間２３とによって構成されている。入口ポート１１から流入した流体は、第１空間２２に流入し、弁体１９と弁座１８の開口面１８ａとの間を通って第２空間２３に流入し、出口ポート１７から流出する。流量調整装置１は、弁体１９と弁座１８の開口面１８ａとの間隔を調整することにより、流量調整を行う。

ダイヤフラム２０は、弁体１９の上端部に固定されており、第２空間２３を流通する流体と接する流体接触面２０ａ（第１面）と、流体と接しない背面２０ｂ（第２面）とを有する。ダイヤフラム２０の上方にはピストン２５（ピストン部）が配置されており、ダイヤフラム２０の背面２０ｂに当接した状態となっている。圧力室２４とピストン２５の間には隔離膜２６が配置されており、圧力室２４をピストン２５が存在する空間から隔離している。

隔離膜２６は、平面視が円形状であり、耐熱性が高く弾性を持った膜部材である。隔離膜２６を形成する材料として、例えば、フッ素ゴムを用いることが好ましい。隔離膜２６の外縁部はハウジングブロック１０ｃとハウジングブロック１０ｄの間に挟まれた状態で支持されている。

圧力室２４は、外部から作動気体である圧縮空気が供給される空間であり、ハウジング１０の上部に形成された圧力導入ポート１２に連通している。圧力導入ポート１２には、外部に設けられた圧縮空気供給源５０からレギュレータ５１を介して所望の圧力に調整された空気が供給される。なお、本実施形態では、圧力室２４に供給される作動気体を空気としたが、窒素（Ｎ_２）など、他の種類の気体を用いてもよい。

圧力導入ポート１２から圧力室２４に供給される空気の空気圧は、隔離膜２６を介してピストン２５に伝達される。したがって、ピストン２５は、隔離膜２６を介して圧力室２４に供給される圧縮空気の圧力を受ける。空気圧が伝達されたピストン２５は、ダイヤフラム２０を図２中の下方に押し下げる力を、ダイヤフラム２０の背面２０ｂに伝達する。
ピストン２５の下面は、中心部分が凹形状となっている。また、ダイヤフラム２０の背面２０ｂは、中心部分が凸形状となっている。そして、ピストン２５の下面の凹形状にダイヤフラム２０の背面２０ｂの凸形状が嵌合している。このようにして、ピストン２５の下面とダイヤフラム２０の背面２０ｂとは、当接した状態で配置される。

ダイヤフラム２０の背面２０ｂに伝達された力は、ダイヤフラム２０に上端部が固定された弁体１９に伝達され、弁座１８から離間する方向の力を弁体１９に伝達する。このように、ピストン２５は、圧力室２４に供給される空気の空気圧を、弁体１９を弁座１８から離間させる方向の力としてダイヤフラム２０の背面２０ｂに伝達する。

隔離膜２６は、図２に示されるように、一部が上方に突出した凸形状となっており、ピストン２５の上面の形状と同じである。隔離膜２６の形状をピストン２５の上面の形状と同じにすることにより、隔離膜２６に与えられる空気圧を確実にピストン２５に伝達することができる。また、隔離膜２６を凸形状となっているので、ピストン２５が上下方向に移動に応じて、隔離膜２６の外縁部がピストン２５の上面から離間する一方で、隔離膜２６の他の部分はピストン２５の上面から離間しない。このようにすることで、ピストン２５が上下方向に移動しても、隔離膜２６の外縁部以外では、隔離膜２６とピストン２５が接した状態を維持することができる。

ピストン２５と隔離膜２６の間に空気が溜まってしまうと、隔離膜２６からピストン２５への空気圧の伝達性や応答性が悪くなる。そこで、本実施形態においては、ピストン２５と隔離膜２６の間の空気を逃がすために、ピストン２５に、隔離膜２６に接する面とダイヤフラム２０に接する面とを連通させる連通孔２７を設けている。

ピストン２５と隔離膜２６の間の空気は、連通孔２７に退避可能となっているので、ピストン２５と隔離膜２６の間に溜まる空気を減少させることができる。
また、ハウジングブロック１０ｃは、ダイヤフラム２０の背面２０ｂと隔離膜２６により画定される空間と外部とを連通させる開放孔２８を備えている。連通孔２７は開放孔２８を介して外部と連通しているので、ピストン２５が配置される空間の圧力を一定圧力（大気圧）に維持することができる。

ピストン２５の上面は一部が上方に突出した凸形状となっており、隔離膜２６の下面に沿った形状となっている。ピストン２５の下面はダイヤフラム２０の背面２０ｂに沿った形状となっている。ピストン２５の上面および下面は、それぞれ平面視が円形状となっている。ピストン２５の上面の直径は、ピストン２５の下面の直径よりも大きい。このように、ピストン２５は、上部の外径が大きく下部の外径が小さい段付き形状となっている。

ピストン２５を隔離膜２６とダイヤフラム２０との間に配置することにより、圧力室２４に供給される空気の空気圧が、ダイヤフラム２０に間接的に伝達される。これにより、隔離膜２６とダイヤフラム２０とが直接的に空気圧を伝達することが防止される。
また、ピストン２５の上面が隔離膜２６の下面に沿った形状となっているので、隔離膜２６が圧力室２４に供給される空気の圧力によって過度に変形することが防止される。同様に、ピストン２５の下面がダイヤフラム２０の背面に沿った形状となっているので、ダイヤフラム２０が流体の圧力によって過度に変形することが防止される。
このように、ピストン２５は、圧力室２４の空気圧をダイヤフラム２０に間接的に伝達する機能と、隔離膜２６およびダイヤフラム２０の過度の変形を防止する機能とを兼ね備えている。

図２に示される状態では、圧力室の圧縮空気の圧力により弁体１９に与えられる力（弁体１９が弁座１８から離間する方向の力）は、スプリング２１の付勢力と流体圧により弁体１９に与えられる力の合計（弁体１９が弁座１８に当接する方向の力）よりも小さい。従って、図２に示される状態では、弁体１９が弁座１８に当接した全閉状態となっている。

図３に示される状態では、圧力室の圧縮空気の圧力により弁体１９に与えられる力（弁体１９が弁座１８から離間する方向の力）は、スプリング２１の付勢力と流体圧により弁体１９に与えられる力の合計（弁体１９が弁座１８に当接する方向の力）よりも大きい。従って、図３に示される状態では、弁体１９が弁座１８から離間した全開状態となっている。

次に、空気圧を受ける部分の隔離膜２６の面積と、ダイヤフラム２０の流体接触面２０ａの面積の関係を、図４及び図５を用いて説明する。図４は、図２に示した流量調整装置の要部拡大図である。図５は、図４に示した流量調整装置のＡ−Ａ断面図である。

図４及び図５に示されるように、隔離膜２６は、圧力室２４に面する部分の平面視が円形状の膜部材である。ここで、隔離膜２６の圧力室２４に面する部分の直径をＤ１とすると、空気圧を受ける部分の隔離膜２６の面積Ｓ１は、以下の式で表される。
Ｓ１＝π（Ｄ１／２）^２（１）
ここで、図４に示されるように、隔離膜２６の圧力室２４に面する部分の面積Ｓ１は、ピストン２５の隔離膜２６と接する面を平面視した面積と等しい。したがって、面積Ｓ１は、ピストン２５が隔離膜２６を介して間接的に空気圧を受ける部分の面積に等しい。

また、図４及び図５に示されるように、ダイヤフラム２０は、圧力室２４に面する部分の平面視が円形状の膜部材である。ダイヤフラム２０の中央部２０ｃは、弁体１９の上端部に固定される円板状の厚肉部材となっている。中央部２０ｃの周囲には、弁体１９のスムーズな上下動を可能とするための円環状の薄肉部２０ｄが設けられている。薄肉部２０ｄは、例えば、耐薬品性が高いＰＴＦＥを用いることが好ましい。

薄肉部２０ｄの外周縁は環状縁部２０ｅに接続されており、環状縁部２０ｅはハウジングブロック１０ｂとハウジングブロック１０ｃとにより固定されている。ここで、薄肉部２０ｄの外周縁の直径をＤ２とし、弁体１９の上端部の流体接触面２０ａと接する部分の軸径をＤ３とすると、ダイヤフラム２０の流体接触面２０ａの面積Ｓ２は、以下の式で表される。
Ｓ２＝π（Ｄ２／２）^２−π（Ｄ３／２）^２（２）
ここで、面積Ｓ２とは、流体接触面２０ａを弁体１９の中心軸に沿って平面視した面積である。従って、面積Ｓ２は、薄肉部２０ｄの湾曲状態に関わらず一定の面積となっている。

そして、本実施形態においては、隔離膜２６の圧力室２４に面する部分の面積Ｓ１と、ダイヤフラム２０の流体接触面２０ａの面積Ｓ２とが、以下の関係となっている。
Ｓ２×２．０≦Ｓ１（３）

式（３）に示されるように、本実施形態の流量調整装置１は、隔離膜２６の圧力室２４に面する部分の面積Ｓ１をダイヤフラム２０の流体接触面２０ａの面積Ｓ２の２．０倍以上としている。
このようにすることで、第２空間２３に、例えば大気圧の１０倍以上（１．０１３ＭＰａ以上）の高圧力流体が流通している場合、圧力室２４に供給される圧縮空気の空気圧を大気圧の５倍（５０６．５ｋＰａ）とすることで、空気圧による弁体１９を弁座１８から離間する方向の力が、流体の流体圧による弁体１９を弁座１８に当接する方向の力以上となる。

従って、本実施形態の流量調整装置１によれば、圧力室２４に供給される圧縮空気の空気圧を高圧力流体の圧力以上とするような高価な圧力調整機構を備える空気圧供給装置を用いなくても、流量調整を適切に行うことができる。

以上説明したように、本実施形態の流量調整装置１によれば、弁体１９には、スプリング２１の付勢力とダイヤフラム２０の流体接触面２０ａを介して伝達される流体の流体圧とにより、弁座１８に当接する方向の力が与えられる。また、弁体１９には、ピストン２５を介して伝達される圧力室２４の圧縮空気の圧力により、弁座１８から離間する方向の力が与えられる。

そして、ピストン２５の圧縮空気の圧力を受ける部分の面積Ｓ１が、ダイヤフラム２０の流体接触面２０ａの面積Ｓ２の２倍以上となっている。例えば、流体の流体圧が大気圧の１０倍である場合、圧力室２４の圧縮空気の圧力を流体圧の半分（大気圧の５倍）とすることで、圧縮空気の圧力による弁体１９を弁座１８から離間する方向の力が、流体の流体圧による弁体１９を弁座１８に当接する方向の力以上となる。

このように、本実施形態の流量調整装置１によれば、圧力室２４に供給される圧縮空気の圧力を、流体の流体圧の半分の圧力（例えば、大気圧の５倍）とスプリング２１の付勢力の合計以上とすることにより、弁体１９を弁座１８から離間させることができる。
このようにすることで、圧力室２４に供給される圧縮空気の圧力を高圧力流体の圧力以上とするような高価な圧力調整機構を備える空気圧供給装置を必要とすることなく、高圧の流体の流量調整を行うことが可能な流量調整装置１を提供することができる。

また、本実施形態の流量調整装置１は、圧力室２４とピストン２５との間に配置され、圧力室２４をピストン２５から隔離する隔離膜２６を備えている。また、ピストン２５は、隔離膜２６を介して圧力室２４に供給される圧縮空気の圧力を受ける構成となっている。
このようにすることで、圧力室２４をピストン２５から隔離し、隔離膜２６を介して圧力室２４に供給される圧縮空気の圧力をピストン２５に伝達することができる。

また、本実施形態の流量調整装置１において、ピストン２５は、隔離膜２６に接する面とダイヤフラム２０に接する面とを連通させる連通孔２７を備える。
このようにすることで、ピストン２５と隔離膜２６との間に空気溜まりが発生することを防止し、圧力室２４内の圧縮空気の圧力を確実にピストン２５に伝達することができる。

また、本実施形態の流量調整装置１は、ダイヤフラム２０の背面２０ｂと隔離膜２６により画定される空間と外部とを連通させる開放孔２８を備える。
このようにすることで、ピストン２５の移動によってダイヤフラム２０の背面２０ｂと隔離膜２６により画定される空間の圧力が変動することを防止することができる。従って、ピストン２５の移動が円滑に行われるようにし、圧力室２４内の作動気体（圧縮空気）の圧力を確実にピストン２５に伝達することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１流量調整装置
１０ハウジング（ハウジング部）
１１入口ポート
１２圧力導入ポート
１７出口ポート
１８弁座（弁座部）
１８ａ開口面
１９弁体（弁体部）
２０ダイヤフラム
２０ａ流体接触面（第１面）
２０ｂ背面（第２面）
２０ｃ中央部
２０ｄ薄肉部
２０ｅ環状縁部
２１スプリング（スプリング部）
２２第１空間
２３第２空間
２４圧力室
２５ピストン（ピストン部）
２６隔離膜（膜部材）
２７連通孔
２８開放孔

Claims

内部に流体流路が形成され、該流体流路の両端に入口ポート及び出口ポートが設けられたハウジング部と、
前記流体流路に設けられた弁座部に当接又は離間することにより前記流体流路を閉状態又は開状態とする弁体部と、
前記弁座部に当接する方向の付勢力を前記弁体部に与えるスプリング部と、
前記弁体部の端部に固定され、前記流体流路を流通する流体と接する第１面と該流体と接しない第２面とを有するダイヤフラムと、
外部から作動気体が供給される圧力室と、
前記圧力室に供給される前記作動気体の圧力を前記ダイヤフラムの前記第２面に伝達するピストン部と、
前記圧力室と前記ピストン部との間に配置され、該圧力室を前記ピストン部から隔離する膜部材と、を備え、
前記ピストン部の前記作動気体の圧力を受ける部分の面積が、前記ダイヤフラムの前記第１面の面積の２倍以上であり、
前記ピストン部は、前記膜部材を介して前記圧力室に供給される前記作動気体の圧力を受けるとともに前記膜部材に接する面と前記ダイヤフラムに接する面とを連通させる連通孔を備えることを特徴とする流量調整装置。
前記ハウジング部は、前記ダイヤフラムの前記第２面と前記膜部材により画定される空間と外部とを連通させる開放孔を備えることを特徴とする請求項１に記載の流量調整装置。