JP6376914B2

JP6376914B2 - 逆止弁構造

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Publication number: JP6376914B2
Application number: JP2014184810A
Authority: JP
Inventors: 原島　伸恭; 伸恭原島
Original assignee: Fujikura Rubber Ltd
Current assignee: Fujikura Composites Inc
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2018-08-22
Anticipated expiration: 2034-09-11
Also published as: JP2016056902A

Description

本発明は、流体の流路に設けられる逆止弁構造に関する。

液体ポンプ、酸素濃縮機、血液透析回路、輸液回路等に好適に用いられ、液体等の流体の流れを順流方向のみに制限し、逆流方向の流れを防止する逆止弁構造が従来知られている。この逆止弁構造を構成する弁体として、例えば、平面視略円形状の傘状部と、傘状部の略中央に設けられてなる軸部とを備え、弾性変形可能な弾性材料（例えば、シリコーンゴム等のゴム材料）により構成される、いわゆるアンブレラタイプの弁体が知られている（特許文献１参照）。

特開２００９−２５０３６３号公報

図１０に従来のアンブレラタイプの弁体を用いた逆止弁構造の概略構成を示す。図１０に示すように、従来のアンブレラタイプの弁体４０においては、軸部４１の途中に拡径部４２が設けられている。この弁体４０を用いた逆止弁構造においては、軸部４１を支持する支持孔と、流体が通過するための流路孔５１とが形成された弁座５０が、流体の流路の途中に設けられている。そして、当該弁座５０の支持孔に軸部４１が挿入されることで、軸部４１の拡径部４２が支持孔に係止される。その結果として、順流方向の流体の圧力に対して軸部４１が支持孔から抜けてしまうのを防止する機能が果たされる。

このような構成を有する従来のアンブレラタイプの弁体４０は、軸部４１が挿入される支持孔の内径が拡径部４２の外径よりも大きいため、支持孔に軸部４１を挿入する作業が煩雑であるという問題がある。また、拡径部４２を弾性変形させて支持孔に挿入させるため、支持孔に挿入した軸部４１の先端を強い力で引っ張る必要があるが、そのときに軸部４１が傘状部４３から切断されてしまうという問題がある。さらには、上記アンブレラタイプの弁体４０は、金型を用いて成型されるが、軸部４１の途中に設けられている拡径部４２が、弁体４０を金型から引き抜くときの抵抗になり、軸部４１が破損するおそれがある。

かかる問題に鑑みて、本発明は、弁箱内に容易に組み付けることができ、組み付け時や成型時に破損等が生じ難い弁体を備える逆止弁構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、流体の流入路及び流出路と、前記流入路及び前記流出路のそれぞれに連通する弁箱と、前記弁箱内に配置され、弾性材料により構成される弁体とを備える逆止弁構造であって、前記弁体は、平面視略円形状の肉薄部と、前記肉薄部の一方面の実質的中央から突出する肉厚部とを有し、前記弁箱は、前記流出路に連続する孔部が略中央に形成され、前記肉厚部の底部外縁を支持可能な環状底部及び当該環状底部の外周縁に連続する周壁部を含む弁体支持部と、前記肉薄部の他方面側の外周縁部近傍が当接する弁体当接部、並びに当該弁体当接部及び前記流入路の出口端の間に位置し、前記肉薄部の他方面が当接可能な弁座面を含む弁座部とを備え、前記流入路から前記流出路へと向かう順流方向に流れる前記流体の圧力により、前記薄肉部の他方面側の外周縁部近傍が前記弁体当接部から離れるように弾性変形して開弁することを特徴とする逆止弁構造を提供する（発明１）。

上記発明（発明１）において、前記弁体当接部に当接する前記肉薄部の外周縁部近傍の厚みが、０．１〜１．０ｍｍであるのが好ましい（発明２）。

上記発明（発明１，２）において、前記肉厚部が前記弁体支持部の中央に遊嵌された状態において、前記肉厚部の側壁から前記弁体支持部の周壁部までの長さが、前記弁体当接部から前記肉薄部の外周縁端部までの長さよりも小さいのが好ましい（発明３）。

上記発明（発明１〜３）において、前記弁体は、前記肉薄部の他方面側の実質的中央から突出し、前記流入路内に挿脱可能な凸部を有するのが好ましい（発明４）。

上記発明（発明１〜４）において、前記弁箱の断面視において前記弁体支持部の周壁部の頂部と前記流入路の出口端との間の長さが、前記弁体の平面視における中央の厚みよりも小さいのが好ましい（発明５）。

上記発明（発明１〜５）において、前記弁体支持部の周壁部の頂部から外側に広がる傾斜面をさらに有し、前記傾斜面には、前記流出路に向かう流路を構成する凹状溝部が前記環状底部の前記孔部を中心とする放射状に形成されているのが好ましい（発明６）。

上記発明（発明１〜６）において、前記弁箱は、前記流入路を有する第１の弁箱と、前記流出路を有する第２の弁箱とが嵌合されることにより構成されているのが好ましい（発明７）。

本発明によれば、弁箱内に容易に組み付けることができ、組み付け時や成型時に破損等が生じ難い弁体を備える逆止弁構造を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る逆止弁構造の概略構成を示す断面図である。図２は、本発明の一実施形態における弁体の概略構成を示す切断端面図である。図３（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の一実施形態における弁体の他の構成を示す切断端面図である。図４（Ａ）は、本発明の一実施形態における第１の弁箱を示す平面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。図５（Ａ）は、本発明の一実施形態における第２の弁箱を示す平面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。図６は、本発明の一実施形態に係る逆止弁構造を示す部分拡大切断端面図である。図７は、本発明の一実施形態に係る逆止弁構造における、順流方向の流体が流れるときの作用を概略的に示す断面図である。図８は、本発明の一実施形態に係る逆止弁構造における、逆流方向の流体（高圧）が流れるときの逆止作用を概略的に示す断面図である。図９は、本発明の一実施形態に係る逆止弁構造における、逆流方向の流体（低圧）が流れるときの逆止作用を概略的に示す断面図である。図１０は、従来のアンブレラタイプの弁体を有する逆止弁構造の概略構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る逆止弁構造１は、流入路２３及び流出路２４、並びに流入路２３及び流出路２４のそれぞれに連通する樹脂製の弁箱２と、弁箱２内に配置され、弾性材料により構成される弁体３とを有する。

図２に示すように、弁体３は、自由状態（組み付け状態）において略円錐状（平面視略円形状）の肉薄部３１と、肉薄部３１の一方面３１Ａ側の実質的中央から突出する、略円柱形状の肉厚部３２とを有する。

弁体３を構成する材料としては、順流方向（図１における右方向）に流れる流体の圧力により弾性変形可能な弾性材料である限り、特に限定されるものではない。当該材料としては、例えば、シリコーンゴム、イソプレンゴム、ブチルゴム等の合成ゴム；熱可塑性エラストマー等が挙げられる。

なお、図３（Ａ）に示すように、弁体３は、肉薄部３１の他方面３１Ｂ側から突出する凸部３３を有していていもよい。弁体３が流れ方向（図１における横方向）に直交する方向（図１における縦方向）にずれてしまうと、流出路２４側から流入路２３側に向かう流路を塞ぐことができず、逆止効果が低減するおそれがある。しかしながら、上記凸部３３を有することで、逆流方向の流体の圧力により弁体３が流入路２３側に移動したときに、凸部３３が流入路２３内に入り込む。これにより、弁体３が流れ方向（図１における横方向）に直交する方向（図１における縦方向）にずれるのを抑制することができる。このような作用を発揮するために、平面視における凸部３３の直径は、凸部３３の頂部３３Ａを含む少なくとも一部が流入路２３内に入り込むことができる程度に、流入路２３の内径よりも小さく設定され得る。

また、図３（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、弁体３は、肉薄部３１の外周縁端部３４が、肉薄部３１の他の部分に比べて肉厚に構成されていてもよい。肉薄部３１の外周縁端部３４が他の部分に比べて肉厚に構成されていることで、当該肉薄部３１の外周縁端部３４近傍にシワ等の変形が生じるのを抑制することができ、より良好な逆止効果を得ることができる。また、順流方向に流れる流体の圧力により外周縁端部３４が変形してしまうと、流路（後述する第２の弁箱２２の凹状溝部２９１）に入り込んでしまうおそれがあるが、肉薄部３１の外周縁端部３４が他の部分に比べて肉厚に構成されていることで、当該外周縁端部３４が変形して流路に入り込むのを防止し、流量が低下するのを防止することができる。

弁箱２は、流入路２３を有する第１の弁箱２１と、流出路２４を有する第２の弁箱２２とを有する。図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、第１の弁箱２１は、流入路２３の出口端２３１から外側に広がる弁座部２５と、嵌合凸部２６とを有する。弁座部２５は、弁体３の肉薄部３１の他方面３１Ｂ側の外周縁部近傍３１１が当接可能な円環状の弁体当接部２５１と、円環状の弁体当接部２５１及び流入路２３の出口端２３１の間に連続し、傾斜面により構成される弁座面２５２とを有する。

図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、第２の弁箱２２は、流出路２４に連続する孔部２７３を含む弁体支持部２７と、第１の弁箱２１の嵌合凸部２６に対応する嵌合凹部２８とを有する。第１の弁箱２１の嵌合凸部２６と第２の弁箱２２の嵌合凹部２８とが嵌合することで、弁箱２が構成される。

弁体支持部２７は、弁体３の肉厚部３２の底部３２１の外縁を支持可能であり、略中央に孔部２７３が形成されてなる環状底部２７１と、環状底部２７１の外周縁から流入路２３側に向かって立設する周壁部２７２とを有し、弁体３の肉厚部３２が遊嵌可能な凹状に構成されている。弁体支持部２７の周壁部２７２の頂部２７２Ａには、当該頂部２７２Ａから外側に広がる傾斜面２９が連続している。そして、傾斜面２９及び環状底部２７１を複数に分割するように、凹状溝部２９１が孔部２７２を中心とする放射状に形成されている。後述するように、順流方向に流れる流体の圧力により弁体３の肉薄部３１が弾性変形し、肉薄部３１の外周縁部近傍３１１が弁体当接部２５１から離れることで、本実施形態に係る逆止弁構造１が開弁する。このとき、肉薄部３１の一方面３１Ａ側は、傾斜面２９に面接触することになるが、凹状溝部２９１が形成されていることで、当該凹状溝部２９１が流路を構成し、流体が流出路２４に向かって流れる。

図６に示すように、第１の弁箱２１及び第２の弁箱２２を嵌合させて構成される弁箱２の断面視において、弁体支持部２７の周壁部２７２の頂部２７２Ａと流入路２３の出口端２３１との間の長さＬ₁は、弁体３の平面視における中央（肉厚部３２）の厚みＴ₃₂よりも小さいのが好ましい。上記長さＬ₁が上記厚みＴ₃₂よりも小さいことで、弁体３が流れ方向（図１における横方向）に直交する方向（図１における縦方向）にずれるのを防止することができる。

また、肉厚部３２が弁体支持部２７の平面視中央に遊嵌された状態において、肉厚部３２の側壁３２２から弁体支持部２７の周壁部２７２までの長さＬ₂が、弁体当接部２５１から肉薄部３１の外周縁端部３４までの長さＬ₃よりも小さいのが好ましい。これにより、肉厚部３２が弁体支持部２７に遊嵌された状態で弁体３が流れ方向（図１における横方向）に直交する方向（図１における縦方向）にずれたとしても、肉薄部３１の外周縁部近傍３１１が弁体当接部２５１に当接した状態を維持することができるため、確実に逆止効果が発揮される。

弁体３の肉薄部３１の外周縁部近傍３１１（弁体当接部２５１に当接する部分）の厚みＴ₃₁は、０．１〜１．０ｍｍであるのが好ましく、０．１〜０．４ｍｍであるのがより好ましい。当該厚みＴ₃₁が０．１ｍｍ未満であると、逆流方向の流体の圧力により肉薄部３１が撓み、弁座部２５の弁体当接部２５１や弁座面２５２と弁体３（肉薄部３１）との間に隙間ができてしまい、流体が逆流してしまうおそれがある。一方、当該厚みＴ₃₁が１．０ｍｍを超えると、順流方向の流体の圧力が低い場合に、肉薄部３１が弾性変形し難くなり、順流方向の流体が流れ難くなる。

上述した構成を有する本実施形態に係る逆止弁構造１の組み付け作業は、以下のようにして行われ得る。まず、第２の弁箱２１の弁体支持部２７に弁体３の肉厚部３２を遊嵌する。弁体支持部２７は、弁体３の肉厚部３２を遊嵌可能な程度の径を有するため、当該弁体支持部２７に弁体３の肉厚部３２を容易に遊嵌することができる。

次に、第１の弁箱２１と、弁体支持部２７に弁体３の肉厚部３２が遊嵌されている第２の弁箱２２とを、嵌合凸部２６及び嵌合凹部２８により嵌合する。このとき、第１の弁箱２１の弁座部２５の弁体当接部２５１が、弁体３の肉薄部３１の外周縁部近傍３１１に当接するとともに、肉薄部３１を第２の弁箱２１側にわずかに押圧する。このようにして弁体３が弁箱２内に固定され、逆止弁構造１は、閉弁状態で組み付けられる。

上述した構成を有する本実施形態に係る逆止弁構造１の作用について説明する。
本実施形態に係る逆止弁構造１は、例えば、血液透析回路、輸液回路、酸素濃縮器、自動車・農耕機等のエンジンの燃料供給系等における流路の途中に設置される。

そして、図７に示すように、逆止弁構造１の流入路２３から流出路２４に向かって（図７の矢印方向）流体が流れると、流体の圧力により、肉薄部３１（特に肉薄部３１の外周縁部近傍３１１）が弾性変形する。本実施形態において肉薄部３１の外周縁部近傍３１１の厚みＴ₃₁が０．１〜１．０ｍｍ程度であることで、流体の圧力が低くても（例えば、２．０ｋＰａ程度）、肉薄部３１（特に肉薄部３１の外周縁部近傍３１１）が弾性変形する。その結果、自然状態（組み付け状態）において弁体当接部２５１に当接していた肉薄部３１の外周縁部近傍３１１が、当該弁体当接部２５１から離れ、弁座部２５と肉薄部３１との間隙に流体が流入する。

このとき、弁体３の肉薄部３１の一方面３１Ａ側が傾斜面２９に面接触するが、弁座部２５と肉薄部３１との間隙に流入した流体は、孔部２７３に連続する凹状溝部２９１を流出路２４に向かって流れる。このように、本実施形態に係る逆止弁構造１においては、順流方向の流体の流れが許可される。

一方、図８に示すように、逆止弁構造１の流出路２４から流入路２３に向かって（図８の矢印方向に）流体が流れると、流体の圧力により、弁体３が流入路２３に向かって移動する。このとき、流体の圧力が高いと（例えば、１５ｋＰａ以上程度）、肉薄部３１が弁座面２５２に面接触するとともに肉厚部３２が流入路２３の出口端２３１に押し付けられ、流入路２３の出口端２３１を塞ぐことができる。

上述したように、本実施形態における弁体３は、流体の圧力により弾性変形可能な弾性材料により構成される。本実施形態における弁体３が、肉厚部３２を有しないもの（円盤状の弁体）であると、後述する試験例からも明らかなように、逆流方向に流れる流体の圧力により弁体（特に弁体の平面視中央部）に大きな応力がかかることで弁体が破断してしまうおそれがある。しかしながら、本実施形態における弁体３が肉厚部３２を有することで、弁体３（特に肉薄部３１と肉厚部３２との境界部分）にかかる応力を低減することができるため、弁体３が破断してしまうのを防止することができる。

また、図９に示すように、逆止弁構造１の流出路２４から流入路２３に向かって（図９の矢印方向に）流れる流体の圧力が低い場合（例えば、１．０ｋＰａ以下程度）、弁体３がわずかに流入路２３に向かって移動するものの、肉厚部３２が流入路２３の出口端２３１に押し付けられるほどには移動しない。しかしながら、このような場合においても、肉薄部３１の外周縁部近傍３１１が弁体当接部２５１に当接することで、流入路２３に向かう流路を塞ぐことができる。このようにして、本実施形態に係る逆止弁構造１においては、逆流方向の流体の圧力にかかわらず、当該流体を効果的に逆止することができる。

上述したように、本実施形態に係る逆止弁構造１によれば、弁体３が肉薄部３１及び肉厚部３２を有し、当該肉厚部３２を弁体支持部２７に遊嵌させた状態で第１の弁箱２１と第２の弁箱２３とを嵌合させることで組み付け作業が完了するため、当該組み付け作業を容易に行うことができる。また、従来のアンブレラタイプの弁体（図１０参照）のように、弁座等に固定するための拡径部を有しないため、組み付け作業時や成型時に弁体が破損するのを防止することができる。

さらに、本実施形態に係る逆止弁構造１によれば、逆流する流体圧が低圧（例えば、１．０ｋＰａ以下程度）の場合には、弁体当接部２５１に肉薄部３１の外周縁部近傍３１１が当接する一方、逆流する流体圧が高圧の場合には、肉薄部３１の他方面３１Ｂが弁座面２５２に面接触することで、良好な逆止効果が発揮される。一方で、自然状態で弁体当接部２５１に当接する肉薄部３１の外周縁部近傍３１１の厚みＴ₃₁が０．１〜１．０ｍｍ程度と比較的薄いため、順流方向の流体の流体圧が低圧であっても開弁することができる。よって、本実施形態に係る逆止弁構造１によれば、順流方向の流体に対しては良好な応答性を示すとともに、逆流方向の流体に対しては良好な逆止効果を発揮することができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属するすべての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

以下、実施例等を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、下記の実施例等により何ら限定されるものではない。

〔試験例１〕
図１に示す構成を有する逆止弁構造１（実施例１）及び弁体３が肉厚部３２を有しない以外は実施例１の逆止弁構造１と同様の構成を有する逆止弁構造（比較例１）につき、逆流方向の流体の圧力により弁体に発生する応力を評価するために、シミュレーション解析を行った。上記シミュレーション解析は、非線形構造解析ソフト（製品名：ＭＳＣ．ＭＡＲＣ，ＭＳＣ社製）を用い、有限要素法により行われ、使用要素を４接点軸対称ソリッド要素とした。上記シミュレーション解析において、弁体をシリコーンゴム（破断強度：１０ＭＰａ）により構成し、その平面視中央の厚みを１．１６ｍｍ（実施例１）及び０．２４ｍｍ（比較例１）としたモデルを使用した。

上記シミュレーション解析の結果、比較例１においては、０．４５ＭＰａの圧力が印加されたときに、弁体の平面視中央に１０ＭＰａ以上の最大応力が発生することが確認された。一方、実施例１においては、０．４５ＭＰａの圧力が印加されたときに、肉薄部３１と肉厚部３２との境界部分に１．２ＭＰａの最大応力が発生し、１ＭＰａの圧力が印加されたときには、当該境界部分に４ＭＰａの最大応力が発生することが確認された。

このシミュレーション結果から明らかなように、本実施形態に係る逆止弁構造１によれば、弁体３が肉厚部３２を有することで、逆流方向の流体の圧力が高くても、弁体３が破断してしまうのを防止することができる。

１…逆止弁構造
２…弁箱
２１…第１の弁箱
２２…第２の弁箱
２３…流入路
２３１…出口端
２４…流出路
２５…弁座部
２７…弁体支持部
２７１…環状底部
２７２…周壁部
２７３…孔部
３…弁体
３１…肉薄部
３２…肉厚部

Claims

流体の流入路及び流出路と、前記流入路及び前記流出路のそれぞれに連通する弁箱と、前記弁箱内に配置され、弾性材料により構成される弁体とを備える逆止弁構造であって、
前記弁体は、平面視略円形状の肉薄部と、前記肉薄部の一方面の実質的中央から突出する肉厚部とを有し、
前記弁箱は、前記流出路に連続する孔部が略中央に形成され、前記肉厚部の底部外縁を支持可能な環状底部及び当該環状底部の外周縁に連続する周壁部を含む弁体支持部と、前記肉薄部の他方面側の外周縁部近傍が当接する弁体当接部、並びに当該弁体当接部及び前記流入路の出口端の間に位置し、前記肉薄部の他方面が当接可能な弁座面を含む弁座部とを備え、
前記流入路から前記流出路へと向かう順流方向に流れる前記流体の圧力により、前記薄肉部の他方面側の外周縁部近傍が前記弁体当接部から離れるように弾性変形して開弁することを特徴とする逆止弁構造。
前記弁体当接部に当接する前記肉薄部の外周縁部近傍の厚みが、０．１〜１．０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の逆止弁構造。
前記肉厚部が前記弁体支持部の中央に遊嵌された状態において、前記肉厚部の側壁から前記弁体支持部の周壁部までの長さが、前記弁体当接部から前記肉薄部の外周縁端部までの長さよりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の逆止弁構造。
前記弁体は、前記肉薄部の他方面側の実質的中央から突出し、前記流入路内に挿脱可能な凸部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の逆止弁構造。
前記弁箱の断面視において前記弁体支持部の周壁部の頂部と前記流入路の出口端との間の長さが、前記弁体の平面視における中央の厚みよりも小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の逆止弁構造。
前記弁体支持部の周壁部の頂部から外側に広がる傾斜面をさらに有し、
前記傾斜面には、前記流出路に向かう流路を構成する凹状溝部が前記環状底部の前記孔部を中心とする放射状に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の逆止弁構造。
前記弁箱は、前記流入路を有する第１の弁箱と、前記流出路を有する第２の弁箱とが嵌合されることにより構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の逆止弁構造。