JP7112282B2 - 流体制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、バネ部材の付勢力を用いて流体の圧力に応じた流体の流路の開閉を行うことで流体の動きを制御する流体制御弁に関する。

バネ部材の付勢力を用いて流体の圧力に応じた流路の開閉を行うことで流体の動きを制御する流体制御弁が従来から知られている。こうした流体制御弁には、用途や機能が異なる様々な弁が存在する。たとえば、流体の圧力が必要以上に上昇することを防ぐリリーフ弁（安全弁）や、減圧後の流体の圧力を一定に保つ減圧弁は、こうした流体制御弁に含まれる様々な弁のうちの１つである。

こうした流体制御弁には、連通孔の開口部の周囲に設けられた弁座に対する当接離間が可能な主弁部材と、その当接離間の方向に延在しその延在方向の長さに応じた付勢力を主弁部材に与えるバネ部材とが備えられている。ここで、主弁部材が弁座に当接している時のバネ部材の延在方向の長さはユーザの調整操作により可変であり、ユーザは、主弁部材の当接時におけるバネ部材の付勢力を任意に設定できる。主弁部材が弁座に当接している状態では、開口部が塞がれることで流体は２つの空間に分断されて存在しており、これら２つの空間のうちの一方が圧力制御対象の流体が属する空間である。この空間の流体の圧力が、設定されたバネ部材の付勢力に応じた閾値レベル以上に増加あるいは減少すると、弁座から主弁部材を離間させようとする力が、当接させようとする力よりも優勢となる。この結果、主弁部材が弁座から離間して開口部を介して上記２つの空間の間を流体が移動し、上述の閾値レベル以上に圧力が上昇あるいは減少していた流体の圧力は、適度なレベルの圧力に向かって変化していく。このような流体の圧力の変化に伴い、今度は、弁座に対して主弁部材を当接させようとする力が、離間させようとする力よりも優勢になり、この結果、主弁部材が弁座に当接して再び流体が２つの空間に分断される。

こうした流体制御弁においては、バネ部材と主弁部材とが、直接的に結合しているか、あるいは、両部材とそれぞれ結合する部材を間に介在させて間接的に結合している形態が採用されるのが通常である（たとえば特許文献１におけるスプリング３２Ｓ、軸部３２、およびダイヤフラム２０の間の関係参照）。流体制御弁の中には、主弁部材とは嵌合しているものの、固定的には結合していない部材を介してバネ部材の付勢力が主弁部材に伝達する形態を採用した流体制御弁も存在する（たとえば特許文献２における調圧ばね３５、ダイヤフラム２５、ステム４１、および弁体２１の間の関係参照）。これらいずれの形態においても、主弁部材は、バネ部材の動きに追従して動くことになる。

特開２０１６－１５１２９３号公報 特開２００９－２６０５０号公報

一般に、主弁部材の当接時におけるバネ部材の長さの調整操作において、バネ部材の長さを縮小してバネ部材の付勢力を大きな値に設定すると、主弁部材の当接離間の方向とは垂直な横方向にバネ部材がたわんで横滑りを起こしやすくなる。上述した形態のように主弁部材がバネ部材の動きに追従して動く形態では、バネ部材が横滑りを起こすと、その横滑りに追従して主弁部材も横方向に位置ずれを起こしやすい。主弁部材が横方向に位置ずれを起こすと、開口部が主弁部材によって完全に塞がれないため流体の動きが制御不能となり、流体制御弁としての本来の機能が発揮されないといった問題が生じ得る。ここで、流体制御弁の中には、主弁部材が、バネ部材の付勢力を受けて開口部を塞ぐ主弁本体と、主弁本体の周囲に配置され薄膜状の弾性部材からなる膜部とを有する、いわゆるダイヤフラム型の流体制御弁が知られている。ダイヤフラム型の流体制御弁には、膜部の存在により、流体の密閉性を保持しつつ主弁本体の当接離間が柔軟に行えるという利点があるが、この利点のため、主弁本体がバネ部材の動きに追従しやすいという特性がある。このためダイヤフラム型の流体制御弁では、上述の問題が特に深刻なものになりやすい。

上記の事情を鑑み、本発明は、バネ部材の横滑りによる主弁部材の位置ずれを抑えた流体制御弁を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明は、以下の流体制御弁を提供する。
［１］ 流体が流出入する第１ポートおよび第２ポートと、前記第１ポートに連通するとともに前記第１ポートとは別に開口部を有する連通孔と、前記第２ポートに連通するとともに前記開口部を介して前記連通孔と連通する空間部と、が形成され、前記開口部の周囲に弁座を有する筐体と、前記弁座に対する当接離間が可能であり、前記弁座への当接時に前記開口部を塞ぎ前記弁座からの離間時に前記開口部を開くことで前記第１ポートと前記第２ポートとの間の流体の流路の閉鎖開放を切り換える主弁部材と、前記弁座に対する前記主弁部材の当接離間の方向に延在し該延在方向の長さに応じた付勢力を前記主弁部材に与えるバネ部材であって、前記主弁部材が前記弁座に当接している時の前記延在方向の長さがユーザの調整操作により可変なバネ部材と、前記バネ部材に接続されるとともに前記主弁部材に当接し、前記バネ部材の付勢力を前記主弁部材に伝達しつつ前記弁座に対する前記主弁部材の当接離間の動きに従動して移動する中間部材であって、前記主弁部材側を向いた面上に該主弁部材側に向かって突き出した凸部を有する中間部材と、を備え、前記主弁部材と前記中間部材のうちの一方の部材は、他方の部材側を向いた面上に該他方の部材側に向かって突き出した凸部を有するものであり、該他方の部材は、前記凸部に当接する平坦な当接面を有するものであり、前記中間部材は、前記凸部が前記当接面に沿って相対的に移動自在な態様で該凸部において前記主弁部材に当接するものである流体制御弁流体制御弁。

ここで、上記の「前記凸部が前記当接面に沿って相対的に移動自在な態様」は、ほぼ静止した当接面に接しながら当接面に沿って凸部が移動自在な態様や、ほぼ静止した凸部に接しながら、当接面が広がっている平面に沿って当接面が移動自在な態様を指す。また、上記の「平坦な当接面」には、凹凸が存在しない水平な面の他に、凸部が相対的に当接面上を十分なめらかに移動できる程度の緩やかな曲面を有する当接面も含まれる。

［２］ 前記一方の部材は前記中間部材であり前記他方の部材は前記主弁部材であって、前記中間部材は、一方の面が前記バネ部材に接続され他方の面が前記主弁部材の前記当接面に対向する平板状の中間部材本体を有するものであり、該他方の面上に、前記凸部として、先端面が丸みを帯びた曲面となっている凸部が形成されている［１］に記載の流体制御弁。

［３］ 前記中間部材本体は前記他方の面に凹部を有するものであり、前記凹部の深さよりも長い厚さを有し該厚さ方向の先端面が丸みを帯びた曲面となっている曲面部材が該先端面とは反対側を前記凹部の底に向けて前記凹部内に嵌め込まれることによって前記凸部は形成されたものである［２］に記載の流体制御弁。

［４］ 前記曲面部材は、前記凹部の深さよりも長い直径を有する球状の部材である［３］に記載の流体制御弁。

［５］ 前記曲面部材は、前記中間部材本体を構成する材料よりも、ＪＩＳ Ｚ ２２４４で規定される ビッカース硬さが大きい金属材料で構成されている［３］又は［４］に記載の流体制御弁。

［６］ 前記主弁部材は、前記当接面を有するとともに前記弁座に当接して前記開口部を塞ぐ金属製の主弁本体と、主弁本体の周囲に配置された薄膜状の弾性部材からなり外周の端部が前記筐体に固定された膜部と、を備えたダイヤフラムを有するものである［１］～［５］のいずれかに記載の流体制御弁。

本発明では、バネ部材が主弁部材の当接離間の方向とは垂直な横方向にたわんで横滑りを起こしその横滑りに追従して中間部材が移動した時でも、凸部が当接面に当接しつつ当接面上を相対的に移動するため主弁部材自体はバネ部材の横滑りに追従しにくい。このため、本発明の流体制御弁では、バネ部材の横滑りによる主弁部材の位置ずれが抑えられる。

本発明の流体制御弁の一実施形態である流体制御弁の模式的な断面図である。 主弁部材が凸部を有し中間部材が当接面を有する本発明の一実施形態である流体制御弁の模式的な断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。

図１は、本発明の流体制御弁の一実施形態である流体制御弁１の模式的な断面図である。

図１に示す流体制御弁１は、流体の圧力が必要以上に上昇することを防ぐリリーフ弁（安全弁）であり、バネ部材の付勢力を用いて流体の圧力に応じた流路の開閉を行うことで流体の動きを制御する流体制御弁の一具体例である。

流体制御弁１は筐体３を備えており、筐体３には、流体が流出入する第１ポート１１ａおよび第２ポート１０ａの２つのポートが形成されている。また、筐体３には、第１ポート１１ａに連通するとともに第１ポート１１ａとは別に開口部１２を有する連通孔１１と、第２ポート１０ａに連通するとともに開口部１２を介して連通孔１１と連通する空間部１０も形成されている。さらに筐体３は、空間部１０において、開口部１２の周囲に弁座１３を有している。

また、流体制御弁１は主弁部材２を備えている。主弁部材２は、弁座１３に対する当接離間が可能であり、弁座１３への当接時に開口部１２を塞ぎ弁座１３からの離間時に開口部１２を開くことで第１ポート１１ａと第２ポート１０ａとの間の流体の流路の閉鎖開放を切り換える役割を果たしている。

また、流体制御弁１は、弁座１３に対する主弁部材２の当接離間の方向に延在しその延在方向の長さに応じた付勢力を主弁部材２に与えるバネ部材４を備えている。このバネ部材４は、主弁部材２が弁座１３に当接している時の延在方向の長さがユーザの調整操作により可変なバネ部材である。ユーザの調整操作を受けてバネ部材４の延在方向の長さを調整する機構については後で詳述する。

さらに流体制御弁１は中間部材５を備えており、中間部材５はバネ部材４に接続されている。また、中間部材５は主弁部材２に当接しており、バネ部材４の付勢力を主弁部材２に伝達しつつ弁座１３に対する主弁部材２の当接離間の動きに従動して移動する。

ここで、中間部材５は、主弁部材２側を向いた面上に主弁部材２側に向かって突き出した凸部１８を有しており、主弁部材２は、中間部材５の凸部１８に当接する平坦な当接面１６を有している。中間部材５は、凸部１８が当接面１６に沿って相対的に移動自在な態様で凸部１８において主弁部材２に当接している。

ここで、図１の実施形態では、中間部材５が本発明にいう「一方の部材」の一例に相当し、主弁部材２が本発明にいう「他方の部材」の一例に相当する。なお、本発明では、図１の実施形態とは反対に、主弁部材が、凸部を有する「一方の部材」であって、中間部材が、当接面を有する「他方の部材」である実施形態が採用されてもよい。このような実施形態については後述する。

一般に、主弁部材の当接時におけるバネ部材の長さの調整操作において、バネ部材の長さを縮小してバネ部材の付勢力を大きな値に設定すると、主弁部材の当接離間の方向とは垂直な横方向にバネ部材がたわんで横滑りを起こしやすくなる。ここで、バネ部材が直接に主弁部材に結合している従来の流体制御弁では、バネ部材が横滑りを起こすと、その横滑りに追従して主弁部材も横方向に位置ずれを起こしやすい。主弁部材が横方向に位置ずれを起こすと、開口部が主弁部材によって完全に塞がれないため流体の動きが制御不能となり、流体制御弁としての本来の機能が発揮されないといった問題が生じ得る。また、従来の流体制御弁の中には、バネ部材に接続された中間的な部材をバネ部材と主弁部材との間に介在させているものも存在するが、そうした中間的な部材は、主弁部材と固定的に結合していないにしても主弁部材と嵌合するようになっている。このため、このような流体制御弁においても、バネ部材が横滑りを起こすと上述の問題が生じ得る。

一方、図１の流体制御弁１では、バネ部材４が、主弁部材２の当接離間の方向（図の中心軸ＡＡ’の方向）とは垂直な横方向（図の両矢印Ｘの方向）に横滑りしても、中間部材５の凸部１８は、主弁部材２の当接面１６に当接しつつ当接面１６上を移動する。このため、主弁部材２自体はバネ部材４の横滑りに追従しにくい。この結果、図１の流体制御弁１では、バネ部材４の横滑りによる主弁部材２の位置ずれが抑えられる。なお、バネ部材４の横滑りは、バネ部材４の付勢力が小さくなることで解消され、このとき凸部１８は、当接面１６に当接しつつ当接面１６上を移動して元の位置に戻る。

ここで、図１に示すように、中間部材５が、一方の面がバネ部材４に接続され他方の面が主弁部材２の当接面１６に対向する平板状の中間部材本体１７を有しており、その他方の面上に、上述の凸部１８として、先端面が丸みを帯びた曲面となっている凸部が形成されていることが好ましい。

中間部材本体１７が平板状であることで、２次元的に広がった中間部材本体１７の一方の面に対するバネ部材４の接続部分をなるべく長くとって接続状態を強固にすることが可能となる。また、中間部材本体１７の他方の面上に、上述の凸部１８として、先端面が丸みを帯びた曲面となっている凸部を設けることで、中間部材５と主弁部材２との接触状態が滑らかになり、主弁部材２がバネ部材４の横滑りにより一層追従しにくくなる。

また、図１に示すように、中間部材本体１７は上述の他方の面に凹部１９を有するものであり、凹部１９の深さよりも厚さを有しその厚さ方向の先端面が丸みを帯びた曲面となっている曲面部材がその先端面とは反対側を凹部１９の底に向けて凹部１９内に嵌め込まれることによって凸部１８は形成されたものであることがさらに好ましい。

このさらに好ましい形態によれば、先端面が丸みを帯びた曲面となっている凸部１８を中間部材本体１７上に簡単に形成することができる。また、摩耗等で凸部１８が損傷した場合でも新しい凸部１８だけを取り換えればよく、中間部材本体１７はそのまま使用することができる。このため、このさらに好ましい形態では利便性が高い。

また、図１に示すように、上記の曲面部材（凸部１８）は、凹部１９の深さよりも長い直径を有する球状の部材であることが特に好ましい。

この特に好ましい形態によれば、主弁部材２の当接面１６に対する凸部１８の接触部分が、図１に示す点Ｂのような一点となるため接触面積が小さくなり、きわめて滑らかな接触状態が実現する。

なお、本発明では、図１のように球状の部材が凹部１９内に嵌め込まれて固定されることによって凸部１８が形成されている実施形態以外に、球状の部材が回転自在な状態で凹部内に配置されることで凸部が形成されている別の実施形態が採用されてもよい。このような別の実施形態では、球状の部材が回転するため中間部材の位置が多少不安定であるが、主弁部材と中間部材との間で非常に滑らかな接触状態が実現するので、バネ部材の横滑りによる主弁部材の位置ずれを防止する効果はきわめて高い。このような別の実施形態は、球状の部材が凹部内で回転自在な状態で配置されている点を除き、実質的に図１の実施形態と同じである。そこで、このような別の実施形態については、図１および図１の説明を参照することとしてその詳細説明は省略する。

図１の実施形態に戻ってその説明を続ける。

図１の実施形態では、上記の曲面部材（凸部１８）が、中間部材本体１７を構成する材料よりも、ＪＩＳ Ｚ ２２４４で規定されるビッカース硬さが大きい金属材料で構成されており、本発明では、このような形態が特に好ましい。

凸部１８は、中間部材５における、主弁部材２の当接面１６との接触部分であるため、摩耗しにくい硬い材料で構成されていることが望まれる。こうした材料としては、たとえば、ＪＩＳ Ｚ ２２４４で規定されるビッカース硬さが大きい金属材料が挙げられる。本発明では、このような金属材料により、凸部１８だけでなく中間部材本体１７を含めて中間部材５全体を構成してもよい。ただし、このような金属材料で中間部材本体１７を構成した場合、中間部材５が必要以上の重量を有しさらにコスト高にもつながるといった問題が生じることがある。そこで、高い摩耗耐久性が不要な中間部材本体１７の構成材料に比べ、ビッカース硬さが大きい金属材料で上記の曲面部材（凸部１８）を構成することで、上記の問題を回避しつつ、当接面１６との接触部分における高い摩耗耐久性を実現できる。

ここで、曲面部材（凸部１８）の構成材料としては、たとえば、鉄に、炭素、ニッケル、クロム、コバルト等が添加されたいわゆる鋼材を挙げることができる。一方、中間部材本体１７としては、こうした鋼材よりもビッカース硬さが小さい鉄やアルミニウム等の金属材料（合金材料含む）や強化プラスチック材料を用いることができる。なお、主弁部材２において、当接面１６を有する部分の材料としては、曲面部材（凸部１８）の構成材料と同様のものを採用することができる。

また、図１に示すように、主弁部材２が、当接面１６を有するとともに弁座１３に当接して開口部１２を塞ぐ金属製の主弁本体１４と、主弁本体１４の周囲に配置された薄膜状の弾性部材からなり外周の端部が筐体３に固定された膜部１５と、を備えたダイヤフラムを有するものであることが好ましい。なお、図１の例では、主弁部材２がこのようなダイヤフラムを有する好ましい形態の一例として、主弁部材２それ自体がダイヤフラムとなっている。

このようなダイヤフラム（主弁部材２）には、膜部１５の存在により、流体の密閉性を保持しつつ主弁本体１４の当接離間が柔軟に行えるという利点があるが、この利点のため、主弁本体１４がバネ部材４の動きに追従しやすい。このため、上述したような、従来の流体制御弁における、バネ部材の横滑りに伴う主弁部材の位置ずれの問題が特に深刻なものになりやすい。そこで、凸部１８を有する中間部材５により主弁部材２をバネ部材４の横滑りに追従しにくくする本実施形態の機構がとりわけ有用となる。

以下では、図１の流体制御弁１の構成についてさらに詳しく説明する。

図１の流体制御弁１は、以上説明した構成要素に加えて、補助バネ６、付勢力調整部材７、およびバネ固定部材８を備えている。

補助バネ６は、筐体３内部の空間部１０において、弁座１３の近傍に一端部が固定され他端部が主弁本体１４に固定されたバネである。補助バネ６は、主弁本体１４が弁座１３から離間する方向に主弁本体１４を付勢しており、この付勢力により、主弁本体１４が弁座１３に当接する際の主弁本体１４の勢いが弱められる。すなわち、補助バネ６は、弁座１３への主弁本体１４の当接に対する緩衝バネとしての役割を有している。

付勢力調整部材７は、バネ部材４により主弁部材２に及ぼされる付勢力の大きさを調整するための部材であり、図の中心軸ＡＡ’を回転軸として回転するつまみ状の部材である。付勢力調整部材７は、中心軸ＡＡ’の方向に延びる主軸２０を有しており、主軸２０は筐体３内部の空間部１０内に挿入されている。一方、付勢力調整部材７の、主軸２０以外の部分は筐体３外部に露出しており、流体制御弁１の外部から見ると、このように露出している主軸２０以外の部分がつまみの操作部として認識される。ここで、付勢力調整部材７と筐体３とは、互いに接触する部分において、互いに嵌合する不図示のネジ溝が形成されている。付勢力調整部材７が図の中心軸ＡＡ’を回転軸として回転すると、これらのネジ溝により付勢力調整部材７は、回転方向に応じて、筐体３に対し相対的に中心軸ＡＡ’の方向に沿った図の上方向あるいは下方向に移動する。

ここで、主軸２０には、中心軸ＡＡ’から離れる方向に広がるフランジ部２１が設けられている。このフランジ部２１の、主軸２０が挿入される方向を向いた面上には、バネ固定部材８が、主軸２０の回りで回転自在な態様で主軸２０の回りに配置されている。このため、付勢力調整部材７が図の中心軸ＡＡ’を回転軸として回転したときでも、バネ固定部材８は、フランジ部２１とともに中心軸ＡＡ’の方向（図の上下方向）には移動するが、主軸２０の回りには回転しにくくなっている。ここで、バネ固定部材８にはバネ部材４の一端部が固定されており、バネ部材４は、主軸２０の回りを取り巻く態様で中間部材５に向かって延び、バネ固定部材８の他端部は、上述したように中間部材５に接続されている。すなわち、バネ部材４は、バネ固定部材８と中間部材５の間に挟まれた状態で、主軸２０の回りに配置されている。ここで、図１の流体制御弁１では、バネ固定部材８と中間部材５との間の距離（すなわちバネ部材４の長さ）はバネ部材４の自然長よりも常に短くなるよう設定されている。このため、バネ固定部材８および中間部材５のそれぞれに対し、互いから離れる方向に向かう付勢力がバネ部材４から常に及ぼされる。この結果、バネ固定部材８はフランジ部２１に常に押し付けられ、中間部材５は主弁部材２に常に押し付けられる。このようにして中間部材５と主弁部材２との当接状態（正確には、中間部材５の凸部１８と主弁部材２の当接面１６との当接状態）が常時維持される。

流体制御弁１のユーザは、主弁部材２が弁座１３に当接している状態において、付勢力調整部材７を中心軸ＡＡ’の回りに回転させることで、主弁部材２の当接時におけるバネ部材４の長さを所望の値に調整することができる。すなわち、このユーザの調整操作を受けて中心軸ＡＡ’の方向（図の上下方向）にフランジ部２１が移動することで、フランジ部２１上のバネ固定部材８と中間部材５との間の距離（つまりバネ部材４の長さ）が所望の値に調整される。これにより、ユーザは、主弁部材２の当接時におけるバネ部材４の付勢力を任意に設定できる。

ここで、図１の流体制御弁１では、主弁部材２が弁座１３から離間して中間部材５とともに中心軸ＡＡ’に沿って弁座１３から離れる方向に移動できるようにするため、バネ部材４の長さが主軸２０の長さよりも短くなるように設定されている。従って、バネ部材４には、主軸２０の回りを取り巻くバネ固定部材８側の上側部分４Ａの他に、主軸２０の回りを取り巻いていない中間部材５側の下側部分４Ｂが常に存在する。一般に、バネ部材においては、図の下側部分４Ｂのように、バネ部材のらせん形状の内側においてバネ部材の姿勢を保持する軸部材（図１では主軸２０）が存在しない部分ではバネ部材の横ずれが特に発生しやすい。このため、下側部分４Ｂが存在する本実施形態では、凸部１８を有する中間部材５により主弁部材２をバネ部材４の横滑りに追従しにくくする本実施形態の機構がとりわけ有用となる。

なお、以上の説明では、主軸２０の回りで回転自在なバネ固定部材８にバネ部材４の一端部が固定されていたが、図１のように、凸部１８が凹部１９の深さよりも長い直径を有する球状の部材である場合には、バネ固定部材８を省いてフランジ部２１に直接にバネ部材４の一端部が固定されている形態が採用されてもよい。この場合、付勢力調整部材７が回転するとバネ部材４も回転することになるが、主弁部材２の当接面１６に対する中間部材５の接触部分が凸部１８上の点Ｂの一点であるため、中間部材５は、主弁部材２を回転させることなくバネ部材４の回転に合わせて回転する。このため、付勢力調整部材７が回転してもバネ部材４はその長さが伸縮するだけであって、バネ部材４自体がねじれてしまうことは回避される。この形態には、バネ固定部材８を省くことで部品点数が減るという長所がある。

以下では、図１の流体制御弁１のリリーフ弁（安全弁）としての動作について説明する。

図１の流体制御弁１は、第１ポート１１ａを介して流体制御弁１外部の不図示の第１の流体収容部と接続されるとともに、第２ポート１０ａを介して流体制御弁１外部の不図示の第２の流体収容部と接続される。ここで、第１の流体収容部および第２の流体収容部それぞれには同一種類の流体が収容されている。第１の流体収容部の流体の圧力は許容可能なそれほど高くはない圧力となっているが、第２の流体収容部の流体の圧力は、特段の減圧処理をしなければ、第２の流体収容部における流体の処理環境等の要因により、許容できないほどの高圧になることがある。図１の流体制御弁１は、第２の流体収容部におけるこうした高圧状態を回避するため、第２ポート１０ａを介して第２の流体収容部と連通する流体室９Ａ（以下の説明参照）内の流体の圧力を制御する。以下、この制御機構について詳しく説明する。

流体制御弁１では、筐体３内部の空間部１０において、ダイヤフラムからなる主弁部材２の膜部１５の外周端部が、上述したように筐体３に固定されていることで、空間部１０は流体室９Ａと収容室９Ｂとに分断されている。流体室９Ａは、圧力制御の対象の流体を含む部屋であり、収容室９Ｂは、バネ部材４や中間部材５を収容している部屋である。ここで、流体制御弁１では、付勢力調整部材７を介して設定されたバネ部材４の付勢力の下で、図１に示すように主弁部材２の主弁本体１４が弁座１３に当接して開口部１２を塞いでいる状態が通常の状態（以下、通常状態と呼ぶ）である。この通常状態では、第２ポート１０ａに接続している箇所を除き、流体室９Ａは、筐体３内部において、空間部１０の壁面と主弁部材２とで囲まれた閉じた空間を形成している。この流体室９Ａは、第２ポート１０ａを介して不図示の第２の流体収容部と接続されており、流体室９Ａ内の流体の圧力は、第２の流体収容部内の流体の圧力と同じである。

一方、収容室９Ｂには、付勢力調整部材７と筐体３との間の僅かな隙間から流体制御弁１外部の空気が侵入することができ、このため、収容室９Ｂは、大気圧程度の圧力を持つ空気によって満たされている。ここで、主弁部材２の存在により、収容室９Ｂの空気と流体室９Ａ内の流体とはほぼ完全に遮断されている。

また、連通孔１１は、第１ポート１１ａを介して不図示の第１の流体収容部と接続されており、連通孔１１内の流体の圧力は、第１の流体収容部内の流体の圧力と同じであって、許容可能なそれほど高くはない圧力となっている。

以上説明した構成により、通常状態の主弁部材２に対しては、流体室９Ａおよび連通孔１１の流体から、主弁部材２を弁座１３から離間させようとする圧力が作用し、収容室９Ｂの空気から、主弁部材２を弁座１３に当接させようとする圧力が作用する。また、この主弁部材２に対し、上述したように、バネ部材４から、主弁部材２を弁座１３に当接させようとする付勢力が作用し、補助バネ６から、主弁部材２を弁座１３から離間させようとする付勢力が作用する。さらに、弁座１３から主弁部材２が受ける、弁座１３から離れる方向の抗力（垂直抗力）が加わり、これらすべての力が釣り合うことで、中心軸ＡＡ’の方向についての主弁部材２の位置が、図１に示すように弁座１３に当接する位置に維持される。

ここで、第２の流体収容部における流体の処理環境等の要因により第２の流体収容部の流体の圧力が上昇していくと、主弁部材２に作用する上述の様々な力の中でも、主弁部材２を弁座１３から離間させようとする流体室９Ａの流体からの圧力が大きくなっていく。このため、主弁部材２を弁座１３から離間させようとする力が優勢になり、主弁部材２は、弁座１３から離れる方向に移動を開始する。この結果、開口部１２が開かれて第１ポート１１ａと第２ポート１０ａとの間の流体の流路が開放され、高圧の流体室９Ａ（および第２の流体収容部）の流体は、開口部１２を通って連通孔１１（および第１の流体収容部）に移動する。この流体の移動により、第２の流体収容部の流体の圧力が徐々に低下し、流体室９Ａの流体から主弁部材２に作用する圧力も低下していく。やがて、主弁部材２を弁座１３に当接させようとする力の方が優勢になり、主弁部材２は、今度は、弁座１３に向かう方向に移動を開始する。そして、再び主弁部材２が弁座１３に当接して開口部１２が塞がれ、第１ポート１１ａと第２ポート１０ａとの間の流体の流路が閉鎖される。この結果、図１の通常状態が再び実現する。

以上が、図１の流体制御弁１のリリーフ弁（安全弁）としての動作についての説明である。このようにして、流体制御弁１では、流体室９Ａ（および第２の流体収容部）の流体の圧力が、許容できないほどの高圧になることが回避される。

以上が図１の実施形態についての説明である。

図１の実施形態では、中間部材５が凸部１８を有し主弁部材２が当接面１６を有していたが、本発明では、図１の実施形態とは反対に、主弁部材が凸部を有し中間部材が当接面を有する実施形態が採用されてもよい。以下、このような実施形態について説明する。

図２は、主弁部材が凸部を有し中間部材が当接面を有する本発明の一実施形態である流体制御弁１’の模式的な断面図である。

図２では、図１の流体制御弁１と同一の構成要素については同一の符号が付されており、その重複説明は省略する。流体制御弁１’は、図１で説明した筐体３やバネ部材４に加えて、主弁部材２’および中間部材５’を備えている。

主弁部材２’は、弁座１３に対する当接離間が可能であり、弁座１３への当接時に開口部１２を塞ぎ弁座１３からの離間時に開口部１２を開くことで第１ポート１１ａと第２ポート１０ａとの間の流体の流路の閉鎖開放を切り換える役割を果たしている。

中間部材５’はバネ部材４に接続されている。また、中間部材５’は主弁部材２’に当接しており、バネ部材４の付勢力を主弁部材２’に伝達しつつ弁座１３に対する主弁部材２’の当接離間の動きに従動して移動する。

ここで、主弁部材２’は、中間部材５’側を向いた面上に中間部材５’側に向かって突き出した凸部１８’を有しており、中間部材５’は、主弁部材２’の凸部１８’に当接する平坦な当接面１６’を有している。中間部材５’は、凸部１８’が当接面１６’に沿って相対的に移動自在な態様で凸部１８’において主弁部材２’に当接している。ここで、主弁部材２’が本発明にいう「一方の部材」の一例に相当し、中間部材５’が本発明にいう「他方の部材」の一例に相当する。

図２の流体制御弁１’では、バネ部材４が、主弁部材２’の当接離間の方向（図の中心軸ＡＡ’の方向）とは垂直な横方向（図の両矢印Ｘの方向）に横滑りしても、中間部材５’の当接面１６’は、主弁部材２’の凸部１８’に当接しつつ、当接面１６’が広がっている平面に沿って移動する。このため、主弁部材２’自体はバネ部材４の横滑りに追従しにくい。この結果、図２の流体制御弁１’では、バネ部材４の横滑りによる主弁部材２’の位置ずれが抑えられる。なお、バネ部材４の横滑りは、バネ部材４の付勢力が小さくなることで解消され、このとき当接面１６’は、凸部１８’に当接しつつ、当接面１６’が広がっている平面に沿って移動して元の位置に戻る。

ここで、図２に示すように、中間部材５’が、一方の面がバネ部材４に接続され他方の面に主弁部材２’の凸部１８’に対向する当接面１６’が形成された平板状であることが好ましい。

中間部材５’が平板状であることで、２次元的に広がった中間部材５’の一方の面に対するバネ部材４の接続部分をなるべく長くとって接続状態を強固にすることが可能となる。

また、図２に示すように、主弁部材２’は、中間部材５’の当接面１６’側を向いた面に凹部１９’を有するものであり、凹部１９’の深さよりも厚さを有しその厚さ方向の先端面が丸みを帯びた曲面となっている曲面部材がその先端面とは反対側を凹部１９’の底に向けて凹部１９’内に嵌め込まれることによって凸部１８’は形成されたものであることがさらに好ましい。

このさらに好ましい形態によれば、先端面が丸みを帯びた曲面となっている凸部１８’を主弁部材２’において簡単に形成することができる。また、摩耗等で凸部１８’が損傷した場合でも新しい凸部１８’だけを取り換えればよく、凸部１８’以外の部分はそのまま使用することができる。このため、このさらに好ましい形態では利便性が高い。

また、図２に示すように、上記の曲面部材（凸部１８’）は、凹部１９’の深さよりも長い直径を有する球状の部材であることが特に好ましい。

この特に好ましい形態によれば、中間部材５’の当接面１６’に対する凸部１８’の接触部分が、図２に示す点Ｂ’のような一点となるため接触面積が小さくなり、きわめて滑らかな接触状態が実現する。

なお、本発明では、図２のように球状の部材が凹部１９’内に嵌め込まれて固定されることによって凸部１８’が形成されている実施形態以外に、球状の部材が回転自在な状態で凹部内に配置されることで凸部が形成されている別の実施形態が採用されてもよい。このような別の実施形態では、球状の部材が回転するため中間部材の位置が多少不安定であるが、主弁部材と中間部材との間で非常に滑らかな接触状態が実現するので、バネ部材の横滑りによる主弁部材の位置ずれを防止する効果はきわめて高い。このような別の実施形態は、球状の部材が凹部内で回転自在な状態で配置されている点を除き、実質的に図２の実施形態と同じである。そこで、このような別の実施形態については、図２および図２の説明を参照することとしてその詳細説明は省略する。

図２の実施形態に戻ってその説明を続ける。

図２の実施形態では、上記の曲面部材（凸部１８’）が、凹部１９’の構成材料よりも、ＪＩＳ Ｚ ２２４４で規定される ビッカース硬さが大きい金属材料で構成されており、本発明では、このような形態が特に好ましい。

凸部１８’は、主弁部材２’における、中間部材５’の当接面１６’との接触部分であるため、摩耗しにくい硬い材料で構成されていることが望まれる。こうした材料としては、たとえば、ＪＩＳ Ｚ ２２４４で規定されるビッカース硬さが大きい金属材料が挙げられる。本発明では、このような金属材料により、凸部１８’だけでなく凹部１９’を構成してもよい。ただし、このような金属材料で主弁部材２’を構成した場合、主弁部材２’が必要以上の重量を有しさらにコスト高にもつながるといった問題が生じることがある。そこで、高い摩耗耐久性が不要な凹部１９’の構成材料に比べ、ビッカース硬さが大きい金属材料で上記の曲面部材（凸部１８’）を構成することで、上記の問題を回避しつつ、当接面１６’との接触部分における高い摩耗耐久性を実現できる。

ここで、曲面部材（凸部１８’）の構成材料としては、たとえば、鉄に、炭素、ニッケル、クロム、コバルト等が添加されたいわゆる鋼材を挙げることができる。一方、凹部１９’の構成材料としては、こうした鋼材よりもビッカース硬さが小さい鉄やアルミニウム等の金属材料（合金材料含む）や強化プラスチック材料を用いることができる。なお、中間部材５’において、当接面１６’を有する部分の材料としては、曲面部材（凸部１８’）の構成材料と同様のものを採用することができる。

また、図２に示すように、主弁部材２’が、凸部１８’を有するとともに弁座１３に当接して開口部１２を塞ぐ金属製の主弁本体１４’と、主弁本体１４’の周囲に配置された薄膜状の弾性部材からなり外周の端部が筐体３に固定された膜部１５と、を備えたダイヤフラムを有するものであることが好ましい。なお、図２の例では、主弁部材２’がこのようなダイヤフラムを有する好ましい形態の一例として、主弁部材２’それ自体がダイヤフラムとなっている。

このようなダイヤフラム（主弁部材２’）には、膜部１５の存在により、流体の密閉性を保持しつつ主弁本体１４’の当接離間が柔軟に行えるという利点があるが、この利点のため、主弁本体１４’がバネ部材４の動きに追従しやすい。このため、上述したような、従来の流体制御弁における、バネ部材の横滑りに伴う主弁部材の位置ずれの問題が特に深刻なものになりやすい。そこで、凸部１８’に当接する当接面１６’を有する中間部材５’により主弁部材２’をバネ部材４の横滑りに追従しにくくする本実施形態の機構がとりわけ有用となる。

図２の流体制御弁１’は、以上説明した構成要素に加えて、補助バネ６、付勢力調整部材７、およびバネ固定部材８を備えている。これらの構成要素については、図１で説明したのと同一であり、ここではその説明は省略する。また、図２の流体制御弁１’のリリーフ弁（安全弁）としての動作についても、図１で説明したのと同一であるので、ここではその説明は省略する。

以上の説明では、本発明の流体制御弁の一例として、リリーフ弁（安全弁）として機能する流体制御弁１について説明したが、本発明の流体制御弁は、減圧後の流体の圧力を一定に保つ減圧弁といった、リリーフ弁（安全弁）とは用途や機能が多少異なる様々な弁に適用されてもよい。一般に減圧弁では、ダイヤフラムそれ自体が弁座に当接するのではなく別の部材が弁座に当接に当接しダイヤフラムはそうした別の部材にバネ部材の付勢力を伝達する役割を果たしていることが多い。このような形態の減圧弁においても、ダイヤフラムとバネ部材との間に備えられた本発明の中間部材は、以上説明した実施形態における中間部材５と同様の機能を果たす。この場合、ダイヤフラムや上記の別の部材を含む、流体の流路の開閉に寄与する部材の全体が、本発明にいう「主弁部材」の一例に相当する。

また、以上の説明では、流体制御弁１のユーザが付勢力調整部材７を回転させることで主弁部材２の当接時におけるバネ部材４の長さが調整されていたが、本発明の流体制御弁では、このような手動の調整操作に代えて、ソレノイド等を用いた電磁的な手段（たとえば特許文献１参照）により調整操作が行われる形態が採用されてもよい。

本発明は、バネ部材の横滑りによる主弁部材の位置ずれを抑えた流体制御弁の実現に有用である。

１,１’：流体制御弁、２,２’：主弁部材、３：筐体、４：バネ部材、４Ａ：上側部分、４Ｂ：下側部分、５，５’：中間部材、６：補助バネ、７：付勢力調整部材、８：バネ固定部材、９Ａ：流体室、９Ｂ：収容室、１０：空間部、１０ａ：第２ポート、１１：連通孔、１１ａ：第１ポート、１２：開口部、１３：弁座、１４，１４’：主弁本体、１５：膜部、１６，１６’：当接面、１７：中間部材本体、１８，１８’：凸部、１９，１９’：凹部、２０：主軸、２１：フランジ部。

Claims (3)

1. 流体が流出入する第１ポートおよび第２ポートと、前記第１ポートに連通するとともに前記第１ポートとは別に開口部を有する連通孔と、前記第２ポートに連通するとともに前記開口部を介して前記連通孔と連通する空間部と、が形成され、前記開口部の周囲に弁座を有する筐体と、
   前記弁座に対する当接離間が可能であり、前記弁座への当接時に前記開口部を塞ぎ前記弁座からの離間時に前記開口部を開くことで前記第１ポートと前記第２ポートとの間の流体の流路の閉鎖開放を切り換える主弁部材と、
   前記弁座に対する前記主弁部材の当接離間の方向に延在し該延在方向の長さに応じた付勢力を前記主弁部材に与えるバネ部材であって、前記主弁部材が前記弁座に当接している時の前記延在方向の長さがユーザの調整操作により可変なバネ部材と、
   前記バネ部材に接続されるとともに前記主弁部材に当接し、前記バネ部材の付勢力を前記主弁部材に伝達しつつ前記弁座に対する前記主弁部材の当接離間の動きに従動して移動する中間部材と、を備え、
   前記中間部材は、前記主弁部材側を向いた面上に前記主弁部材側に向かって突き出した凸部を有するものであり、前記主弁部材は、前記凸部に当接する平坦な当接面を有するものであり、前記中間部材は、前記凸部が前記当接面に沿って相対的に移動自在な態様で該凸部において前記主弁部材に当接するものであり、
   前記中間部材は、一方の面が前記バネ部材に接続され他方の面が前記主弁部材の前記当接面に対向する平板状の中間部材本体を有するものであり、該他方の面上に、前記凸部として、先端面が丸みを帯びた曲面となっている凸部が形成されており、
   前記中間部材本体は前記他方の面に凹部を有するものであり、前記凹部の深さよりも長い厚さを有し該厚さ方向の先端面が丸みを帯びた曲面となっている曲面部材が該先端面とは反対側を前記凹部の底に向けて前記凹部内に嵌め込まれることによって前記凸部は形成されたものであり、
   前記曲面部材は、前記中間部材本体を構成する材料よりも、ＪＩＳ Ｚ ２２４４で規定される ビッカース硬さが大きい金属材料で構成されている流体制御弁。
2. 前記曲面部材は、前記凹部の深さよりも長い直径を有する球状の部材である請求項１に記載の流体制御弁。
3. 前記主弁部材は、前記当接面を有するとともに前記弁座に当接して前記開口部を塞ぐ金属製の主弁本体と、主弁本体の周囲に配置された薄膜状の弾性部材からなり外周の端部が前記筐体に固定された膜部と、を備えたダイヤフラムを有するものである請求項１又は２に記載の流体制御弁。
   

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