JP6739545B2

JP6739545B2 - バルブシート及びバルブ構造

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Publication number: JP6739545B2
Application number: JP2018556070A
Authority: JP
Inventors: 吉雄小川
Original assignee: Iwaki Co Ltd
Current assignee: Iwaki Co Ltd
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2020-08-12
Anticipated expiration: 2036-12-13
Also published as: DK3557099T3; CN108612852B; JPWO2018109839A1; CN207005305U; EP3557099B1; WO2018109839A1; US10941868B2; EP3557099A4; US20190390778A1; CN108612852A; EP3557099A1

Description

本発明は、バルブシート及びバルブ構造に関する。

移送流体を移送するポンプ装置は、マグネットポンプ装置、定量ポンプ装置、回転容積型ポンプ装置等の種々のものが知られている。その中で、例えばダイヤフラム等の往復動部材の往復動によって吸込弁を介してポンプ室内に移送流体を導入し、吐出弁を介してポンプ室から移送流体を吐出する定量ポンプ装置としての往復動ポンプには、吸込弁や吐出弁としてボールバルブが採用されている。このボールバルブは、ポンプ室内に移送流体から発生したガスや移送流体と共に吸入された空気等のガスがバルブの下部に滞留すると、ガスロック状態となることが知られている。

このようなガスロックを防止するために、自動ガス抜き機構を備えた往復動ポンプが提案されている（下記特許文献１参照）。この往復動ポンプでは、吐出弁の直後の通路を吐出口まで水平に延びる吐出液通路と直上に延びるガス抜き通路とに分岐している。そして、ガス抜き通路にガス抜き弁を配置し、ガス抜き弁を１つのボールバルブとその上下に配置されたバルブシートとにより構成している。

このガス抜き弁は、バルブボールとその上方のバルブシートとが密着性を意図的に悪くした不完全シールとなるように構成されている。このため、吸入ストローク時にはバルブボールと下側のバルブシートとにより通常のボールチャッキ弁と同様に外部から液やガスの漏れ込みが防止される。反対に、吐出ストローク時には、僅かに液中に混入したガスがバルブボールと上側のバルブシートとの間の不完全シールを介して外部に効率よく排出される。

特開平９−２０３３８０号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された従来技術の往復動ポンプでは、バルブボールと上側のバルブシートとが不完全シールを構成している。このため、ガスロックの防止という観点からは好ましい形態であるものの、バルブボールのシール性という観点からは決して好ましい形態とは言い難かった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、バルブボールのシール性を維持したままガスロックの発生を防止することができるバルブシート及びバルブ構造を提供することを目的とする。

本発明に係るバルブシートは、バルブボールの下方に配置されるバルブシートであって、中央に移送流体が通流する流路となる孔部を有する環状部材からなり、前記孔部の中心軸が上下方向を向くように設置され、前記孔部の上端と接続され前記バルブボールの外形に適合し前記バルブボールが着座する着座面及び前記孔部の下端と接続される下端面を有し、前記孔部は、前記中心軸から前記孔部の内周面までの水平距離が、前記孔部の内周面の全周に亘って一定ではない所定形状に形成されていることを特徴とする。

本発明の一実施形態においては、前記所定形状は、前記孔部の内周面の全周に亘った前記水平距離の最大値と最小値との差が前記最大値に対して１０％以上３０％以下となる形状である。

本発明の他の実施形態においては、前記所定形状は、水平断面で見て一部変形円形状、楕円形状、雫形状、鼓形状、偏心円形状、重複円形状、十字形状、方形状及び三角形状のいずれか一つである。

本発明に係るバルブ構造は、バルブボールと、その下方に配置されたバルブシートと、このバルブシートを支持するシートホルダとを備えたバルブ構造であって、前記バルブシートは、中央に移送流体が通流するシート流路となる孔部を有する環状部材からなり、前記孔部の中心軸が上下方向を向くように設置され、前記孔部の上端と接続され前記バルブボールの外形に適合し前記バルブボールが着座する着座面及び前記孔部の下端と接続される下端面を有し、前記シートホルダは、前記シート流路と連通するホルダ流路を有し、前記孔部は、前記中心軸から前記孔部の内周面までの水平距離が、前記孔部の内周面の全周に亘って一定ではない所定形状に形成され、前記ホルダ流路は、ホルダ流路内周面から前記中心軸に向かって突出し該中心軸に沿って延びる複数の突条を有することを特徴とする。

本発明の更に他の実施形態においては、前記バルブボールは上下に２つ配置され、前記バルブシートは各バルブボールの下方にそれぞれ配置され、前記シートホルダは、下方のバルブシートの下端面を支持する。

本発明によれば、バルブボールのシール性を維持したままガスロックの発生を防止することができる。

本発明の一実施形態に係るバルブシート及びバルブ構造が適用された往復動ポンプの要部を示す断面図である。同往復動ポンプのバルブシートを示す斜視図である。同バルブシートを示す平面図である。図３のＡ−Ａ’線断面図である。図３のＢ−Ｂ’線断面図である。同往復動ポンプのシートホルダを示す平面図である。図６のＣ−Ｃ’線断面図である。同バルブシートの変形例を示す平面図である。同バルブシートの変形例を示す平面図である。同バルブシートの変形例を示す平面図である。同バルブシートの変形例を示す平面図である。同バルブシートの変形例を示す平面図である。同バルブシートの変形例を示す平面図である。同バルブシートの変形例を示す平面図である。同バルブシートの変形例を示す平面図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態に係るバルブシート及びバルブ構造を詳細に説明する。ただし、以下の実施の形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施の形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。なお、以下の実施の形態は、本発明に係るバルブ構造を吸込バルブ及び吐出バルブに適用することで定量ポンプとして構成した場合を例示するものであり、その構成部材として本発明に係るバルブシートを含んだものであるが、本発明はポンプ装置に限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係るバルブシート５０及びバルブ構造が適用された往復動ポンプの要部を示す断面図である。また、図２は、この往復動ポンプのバルブシート５０を示す斜視図であり、図３はバルブシート５０を示す平面図である。また、図４は、図３のＡ−Ａ’線断面図であり、図５は図３のＢ−Ｂ’線断面図である。更に、図６は、この往復動ポンプのシートホルダ４０を示す平面図であり、図７は図６のＣ−Ｃ’線断面図である。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係るバルブシート５０及びバルブ構造を備えた定量ポンプ１は、例えば棒状の駆動軸２を有する。駆動軸２は、図示しないポンプ本体のモータ駆動力や電磁力等によって図中矢印で示す方向に往復駆動される。駆動軸２の先端には、可撓性のダイヤフラム４がインサートボルト３を介して装着されている。

ダイヤフラム４は、ポンプヘッド５との間にポンプ室６を形成している。ポンプ室６には、液体及び気体を含む移送流体が導入され、排出される。このダイヤフラム４は、その周縁部が、ポンプヘッド５とブラケット７との間にダイヤフラム４のシールをアシストするクッション材７ａ及びスペーサ７ｂを介して挟持されている。ポンプヘッド５には、ポンプ室６の下方に連通する吸込口５ａと、ポンプ室６の上方に連通する吐出口５ｂとが形成されている。なお、ポンプ室６の上方には吐出口５ｂに繋がるガス抜き通路９０が設けられている。

また、ポンプヘッド５には、吸込口５ａの下方に配置された移送流体の吸込側の接続口８と、吐出口５ｂの上方に配置された吐出側の接続口９とが形成されている。これらの接続口８，９は、それぞれ吸込口５ａ及び吐出口５ｂを介してポンプ室６と連通されている。各接続口８，９には、吸込バルブ１０Ａ及び吐出バルブ１０Ｂを介して接続アダプタ２０Ａ，２０Ｂがそれぞれ接続される。

また、これら接続アダプタ２０Ａ，２０Ｂは、移送流体の吸込側流路２９ａを接続アダプタ２０Ａに接続する継手２９Ａと、移送流体の吐出側流路２９ｂを接続アダプタ２０Ｂに接続する継手２９Ｂとそれぞれ接続されている。これにより、吸込側流路２９ａ及びポンプ室６は、継手２９Ａ、接続アダプタ２０Ａ、吸込バルブ１０Ａ及び接続口８上の吸込口５ａを介して接続される。また、吐出側流路２９ｂ及びポンプ室６は、継手２９Ｂ、接続アダプタ２０Ｂ、吐出バルブ１０Ｂ及び接続口９下の吐出口５ｂを介して接続される。

吸込バルブ１０Ａ及び吐出バルブ１０Ｂは、例えば円筒状に形成され上下に組み合わせ可能なケース体３０ａ，３０ｂと、このケース体３０ａ，３０ｂに内蔵された２つのバルブボール３１ａ，３１ｂとを有する。また、吸込及び吐出バルブ１０Ａ，１０Ｂは、各ケース体３０ａ，３０ｂの内部において、各バルブボール３１ａ，３１ｂの上方に配置形成されたバルブガイド３２ａ，３２ｂと、バルブボール３１ａ，３１ｂの下方に配置されケース体３０ａ，３０ｂに取り付けられたバルブシート５０とを有する。従って、本実施形態の吸込及び吐出バルブ１０Ａ，１０Ｂは、これらの各部がそれぞれ上下２段に配置された２段ボールバルブからなる。また、吸込バルブ１０Ａ及び吐出バルブ１０Ｂは、それぞれ下方のバルブシート５０を支持しケース体３０ｂの下端側に取り付けられるシートホルダ４０を備えている。

バルブボール３１ａ，３１ｂは、移送流体よりも比重の大きい、例えばセラミックスや金属からなるものを用いることができる。また、バルブガイド３２ａ，３２ｂは、チタンやＰＶＣ等の材料により形成することができる。更に、バルブシート５０は、ゴム系材料等により形成することができる。

図２〜図５に示すように、バルブシート５０は、中央に孔部５４ａを有し、外径が上端から下端にかけて順次大きくなる環状部材からなる。バルブシート５０は、円形平面状の上端面５１と、バルブボール３１ａ，３１ｂの外形と適合し、バルブボール３１ａ，３１ｂが着座するテーパ状やすり鉢状に形成された着座面５２と、上端面５１と同じく円形平面状の下端面５３とを有する。

また、バルブシート５０の孔部５４ａは、着座面５２と下端面５３とを連絡し、内部に移送流体が通流するシート流路５４を形成する。なお、シート流路５４と下端面５３との間には、図４及び図５に示すように、移送流体中の気体が溜まるガス溜り部５３ａが形成されている。シート流路５４は、例えば下端面５３と直交する中心軸Ｐから着座面５２及び下端面５３を除くシート流路内周面５５までの水平距離Ｌが、シート流路５４のシート流路内周面５５の全周に亘って（３６０°に亘って）一定ではない所定形状に形成されている。

なお、シート流路５４の所定形状とは、図３に示すように、好ましくはシート流路５４のシート流路内周面５５の全周に亘った中心軸Ｐからの水平距離Ｌの最大値Ｌｍａｘと最小値Ｌｍｉｎとの差が、例えば最大値Ｌｍａｘに対して１０％以上３０％以下、好ましくは１５％以上２０％以下となるように形成された形状のことをいう。図２〜図５に示すシート流路５４は、具体的には、水平断面で見て楕円形状となるように形成されている。

ここで、一般的なバルブシートは、着座面及びシート流路が共に同心の円形状に形成されている。このため、バルブシートの下方或いはガス溜り部に気体が滞留した状態でポンプ装置を稼働すると、バルブボールの下方においてシート流路の内周面の全周に亘って環状に気体が拡がりバルブボールを持ち上げようとする。

この場合、バルブボールを持ち上げようとする力が全周に亘って分散してしまうと共に、結果的に移送流体中の気体の混入が多量であった場合には、ポンプ装置による移送流体の圧縮力が不足してしまいガスロック状態となってしまうことが多々あった。

これに対し、本実施形態のバルブシート５０は、バルブボール３１ａ，３１ｂと着座面５２とが完全シールを形成する一方、上述したようにシート流路５４がシート流路内周面５５の全周に亘って一定ではない形状で形成されている。このため、バルブシート５０の下方に滞留した移送流体中の気体はガス溜り部５３ａに集まり、この気体がガス溜り部５３ａからシート流路５４を上昇する際に、上記水平距離Ｌが最小値となるシート流路内周面５５の方よりも、最大値となるシート流路内周面５５の方へ集中して上昇する。

これにより、定量ポンプ１による移送流体の圧縮力が小さくても、バルブシート５０の着座面５２に着座して密着したバルブボール３１ａ，３１ｂを、シート流路５４を局所的に通過する気体により十分に持ち上げることができるので、この気体をバルブガイド３２ａ，３２ｂの方へ排出することが可能となる。従って、本実施形態のバルブシート５０によれば、バルブボール３１ａ，３１ｂのシール性を維持したままガスロックの発生を効果的に防止することができる。

ここで、シート流路５４の所定形状について、中心軸Ｐからの水平距離Ｌの最大値Ｌｍａｘと最小値Ｌｍｉｎとの差が最大値Ｌｍａｘに対して１０％以上３０％以下とした根拠について説明する。すなわち、水平距離Ｌの最大値Ｌｍａｘと最小値Ｌｍｉｎとの差が大きい場合には、バルブシート５０とバルブボール３１ａ，３１ｂのシール性を確保するために最小値Ｌｍｉｎを小さく設定する必要が生じ、この場合は結果としてシート流路５４の面積が小さくなる。そして、流路面積が小さくなると、移送流体がシート流路５４内を通流する際に抵抗が大きくなるため、ポンプの性能の観点から見ると好ましくない。

一方、水平距離Ｌの最大値Ｌｍａｘと最小値Ｌｍｉｎとの差が小さい場合には、上述したようにバルブボール３１ａ，３１ｂの下方で水平距離Ｌが最大値Ｌｍａｘとなるシート流路内周面５５の方へ気体を集中させる効果が低くなり、この場合は結果としてガスロックの発生を防止する効果が低くなるので好ましくない。従って、ポンプ性能への影響を考慮しながらガスロック発生の防止効果を高めることを追求した、本発明者の鋭意努力による実験の結果、上記のような差が最大値Ｌｍａｘに対して「１０％以上３０％以下」、好ましくは「１５％以上２０％以下」となることが導き出された。

なお、図６及び図７に示すように、シートホルダ４０は、吸込バルブ１０Ａ及び吐出バルブ１０Ｂにおいて最も下方に配置されるバルブシート５０の下端面５３を支持するものであり、円筒状の外観を備えて形成され、ケース体３０ｂの下方に嵌合する凹状の嵌合部４１を有する。この嵌合部４１の底面は、バルブシート５０の下端面５３を面接触により支持する支持面４２を構成する。

シートホルダ４０は、支持面４２と下端面４３とを連絡すると共に内部に移送流体が通流し、バルブシート５０のシート流路５４と連通するホルダ流路４４を有する。このホルダ流路４４は、バルブシート５０の中心軸Ｐと同じ中心軸Ｐを有する。ホルダ流路４４は、ホルダ流路内周面４５からこの中心軸Ｐに向かって突出し、且つこの中心軸Ｐに沿って延びる複数の突条４６を有する。

このように構成されたシートホルダ４０においては、シートホルダ４０の下方から移送されてくる移送流体中の気体が、ホルダ流路４４を上昇する際にホルダ流路内周面４５の全周に亘って環状に拡がることなく、各突条４６の間の部分へ集中して上昇する。そして、ホルダ流路内周面４５の各突条４６間に局所的に集中した気体は、バルブシート５０のガス溜り部５３ａへ複数の流れとなって入り込み、シート流路５４内を上昇する。

このように、シートホルダ４０のホルダ流路４４内において、突条４６により予めバルブシート５０のガス溜り部５３ａに滞留する気体の流れを確保するようにしている。これにより、バルブシート５０を単体で用いる効果にプラスして、気体がシート流路５４のシート流路内周面５５の全周に亘って環状に拡がって、結果的にバルブボール３１ａ，３１ｂを持ち上げようとする力が分散してしまうことをより確実に防止することが期待できる。このように、突条４６が形成されたホルダ流路内周面４５を有するシートホルダ４０を用いれば、本実施形態のバルブシート５０の作用効果をより一層高めることが可能となる。

図８〜図１５は、上述したバルブシート５０の変形例を示す平面図である。上述したバルブシート５０は、水平断面で見て楕円形状となるシート流路５４を備えていたが、バルブシート５０は、水平断面で見て次のような形状のシート流路５４を備えていてもよい。すなわち、シート流路５４は、水平断面で見て、それぞれ図８に示すような雫形状、図９に示すような切欠形状（一部変形円形状）、及び図１０に示すような鼓形状のいずれか一つの形状で形成されていてもよい。

また、バルブシート５０のシート流路５４は、水平断面で見て、それぞれ図１１に示すような偏心形状（偏心円形状）、図１２に示すような眼鏡形状（重複円形状）、図１３に示すような十字形状、図１４に示すような方形状（矩形状）、及び図１５に示すような三角形状のいずれか一つの形状で形成されていてもよい。

上記いずれの形状であっても、シート流路５４がシート流路内周面５５の全周に亘って一定とはならないので、気体は水平距離Ｌが最小値となるシート流路内周面５５の方よりも、最大値となるシート流路内周面５５の方へ集中して上昇するため、上述したようにバルブボール３１ａ，３１ｂのシール性を維持したままガスロックの発生を効果的に防止することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、この実施の形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、上記の実施の形態では、バルブシート５０のシート流路５４の形状を、水平断面で見て楕円形状等となるものとしたが、その他にも、中心軸Ｐから着座面５２及び下端面５３を除くシート流路内周面５５までの水平距離Ｌが、シート流路５４のシート流路内周面５５の全周に亘って一定ではない形状であれば、種々の態様を取り得る。

１定量ポンプ
２駆動軸
４ダイヤフラム
５ポンプヘッド
５ａ吸込口
５ｂ吐出口
６ポンプ室
８，９接続口
１０Ａ吸込バルブ
１０Ｂ吐出バルブ
２０Ａ，２０Ｂ接続アダプタ
２９Ａ，２９Ｂ継手
３０ａ，３０ｂケース体
３１ａ，３１ｂバルブボール
３２ａ，３２ｂバルブガイド
４０シートホルダ
４１嵌合部
４２支持面
４３下端面
４４ホルダ流路
４５ホルダ流路内周面
４６突条
５０バルブシート
５１上端面
５２着座面
５３下端面
５４シート流路
５５シート流路内周面

Claims

バルブボールの下方に配置されるバルブシートであって、
中央に移送流体が通流する流路となる孔部を有する環状部材からなり、
前記孔部の中心軸が上下方向を向くように設置され、
前記孔部の上端と接続され前記バルブボールの外形に適合し前記バルブボールが着座する着座面及び前記孔部の下端と接続される下端面を有し、
前記孔部は、前記中心軸から前記孔部の内周面までの水平距離が、前記孔部の内周面の全周に亘って一定ではない所定形状に形成されている
ことを特徴とするバルブシート。
前記所定形状は、前記孔部の内周面の全周に亘った前記水平距離の最大値と最小値との差が前記最大値に対して１０％以上３０％以下となる形状である
ことを特徴とする請求項１記載のバルブシート。
前記所定形状は、水平断面で見て一部変形円形状、楕円形状、雫形状、鼓形状、偏心円形状、重複円形状、十字形状、方形状及び三角形状のいずれか一つである
ことを特徴とする請求項１又は２記載のバルブシート。
バルブボールと、その下方に配置されたバルブシートと、このバルブシートを支持するシートホルダとを備えたバルブ構造であって、
前記バルブシートは、
中央に移送流体が通流するシート流路となる孔部を有する環状部材からなり、
前記孔部の中心軸が上下方向を向くように設置され、
前記孔部の上端と接続され前記バルブボールの外形に適合し前記バルブボールが着座する着座面及び前記孔部の下端と接続される下端面を有し、
前記シートホルダは、前記シート流路と連通するホルダ流路を有し、
前記孔部は、前記中心軸から前記孔部の内周面までの水平距離が、前記孔部の内周面の全周に亘って一定ではない所定形状に形成され、
前記ホルダ流路は、ホルダ流路内周面から前記中心軸に向かって等間隔で突出し該中心軸に沿って延びる複数の突条を有する
ことを特徴とするバルブ構造。
前記所定形状は、前記孔部の内周面の全周に亘った前記水平距離の最大値と最小値との差が前記最大値に対して１０％以上３０％以下となる形状である
ことを特徴とする請求項４記載のバルブ構造。
前記所定形状は、水平断面で見て一部変形円形状、楕円形状、雫形状、鼓形状、偏心円形状、重複円形状、十字形状、方形状及び三角形状のいずれか一つである
ことを特徴とする請求項４又は５記載のバルブ構造。
前記バルブボールは上下に２つ配置され、
前記バルブシートは各バルブボールの下方にそれぞれ配置され、
前記シートホルダは、下方のバルブシートの下端面を支持する
ことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項記載のバルブ構造。