JP7202081B2

JP7202081B2 - ピンチバルブ

Info

Publication number: JP7202081B2
Application number: JP2018105180A
Authority: JP
Inventors: 謙介増田; 幸宣佐藤
Original assignee: 1/1ASAHI YUKIZAI CORPORATION
Current assignee: 1/1ASAHI YUKIZAI CORPORATION
Priority date: 2018-05-31
Filing date: 2018-05-31
Publication date: 2023-01-11
Anticipated expiration: 2038-05-31
Also published as: JP2019210964A

Description

本発明は、ピンチバルブに関する。

バルブ部と、内部に流路が形成され且つバルブ部に収容される管体と、管体を押圧し又は押圧を解除することによって管体を変形させ、流路を開閉させる押圧部と、押圧部を駆動させる駆動部と、を有するピンチバルブが公知である。例えば、特許文献１に記載されたピンチバルブは、図１及び図２に示されるように、楔形状の加圧部（５３）（駆動部）を管体の軸線方向に沿って摺動させることによって、ピンチ手段（１９）（押圧部）が管体を押圧し又は押圧を解除している。こうした構造によって、特許文献１に記載されたピンチバルブは、小型化が実現されている。

欧州特許出願公開第２３０６０５５号明細書

特許文献１に記載のピンチバルブの構造は、肉厚が比較的小さく且つより小径の管体、例えば２５ｍｍよりも小さい径の管体に対しては有効である。しかしながら、より大径の管体は、肉厚が比較的大きく、管体の流路を閉鎖するために必要な、押圧力及び押圧部のストローク量が大きくなることから、特許文献１に記載のピンチバルブの構造をそのまま適用することはできない。

例えば、押圧部が管体に当接する接触面積を小さくすることによって、管体に加わる圧力を高めることができ、管体の流路を閉鎖するために必要な押圧力を低くすることができる。しかしながら、押圧力が管体の一部に対して集中して、且つ、それが繰り返し加わることから、管体の耐久性が低下してしまう。

本発明は、管体の耐久性を損なうことなく、管体の流路の閉鎖に必要な押圧力を低くすることができるピンチバルブを提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、バルブ部と、内部に流路が形成され且つ前記バルブ部に収容される管体と、前記管体を押圧し又は押圧を解除することによって前記管体を変形させ、前記流路を開閉させる押圧部と、前記押圧部を駆動させる駆動部と、を具備するピンチバルブにおいて、前記管体と当接する前記押圧部の先端部の曲率半径が、前記管体の肉厚の１．１～４．２倍であることを特徴とするピンチバルブが提供される。

前記押圧部が、前記管体の軸線方向における縦断面において、曲線部と該曲線部の端部の各々に接続された２つの直線部を有し、前記２つの直線部のなす角が、５５～９０度であってもよい。前記管体の軸線に対して前記押圧部の反対側には、前記管体を支持する下支持面が設けられ、前記下支持面には前記管体の一部を前記押圧部の側に突出させるサポート突起が設けられていてもよい。前記サポート突起の高さが、前記管体の肉厚の７～４０％であってもよい。前記管体の軸線に対して前記押圧部の側には、前記押圧部に対応する部分を除いて前記管体を支持する上支持面が設けられ、前記管体の軸線方向における縦断面において、前記押圧部の先端部の中心と前記上支持面の縁との距離が、前記管体の肉厚の３～６倍であってもよい。

本発明の態様によれば、管体の耐久性を損なうことなく、管体の流路の閉鎖に必要な押圧力を低くすることができるピンチバルブを提供するという共通の効果を奏する。

図１は、本発明の実施形態によるピンチバルブの縦断面図である。図２は、ピンチバルブの分解斜視図である。図３は、保持部材の分解斜視図である。図４は、図１の部分拡大縦断面図である。図５は、管体の変形を示す縦断面図である。図６は、押圧部の部分の拡大縦断面図である。図７は、押圧部の部分の別の拡大縦断面図である。図８は、曲率半径と全閉押圧力との関係を示す図である。図９は、曲率半径とひずみとの関係を示す図である。図１０は、テーパ角度と全閉押圧力との関係を示す図である。図１１は、テーパ角度とひずみとの関係を示す図である。図１２は、サポート突起の高さと全閉押圧力との関係を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。全図面に渡り、対応する構成要素には共通の参照符号を付す。

図１は、本発明の実施形態によるピンチバルブ１の縦断面図であり、図２は、ピンチバルブ１の分解斜視図であり、図３は、保持部材２１の分解斜視図である。ピンチバルブ１は、バルブ部２と、内部に流路が形成され且つバルブ部２に収容される管体３（チューブ）と、管体３を押圧し又は押圧を解除することによって管体３を変形させ、流路を開閉させる押圧部４と、押圧部４を駆動させる駆動部５とを有している。管体３は、弾性材料から形成される。

駆動部５は、シリンダ１０と、シリンダ１０内で摺動可能なピストン１１と、ピストン１１に対向して配置されたベースプレート１２と、表示器１３と、キャップ１４と、Ｏリング１５と、Ｏリング１６と、Ｏリング１７と、Ｏリング１８とを有している。駆動部５は、エアアクチュエータであり、図示しない空気口より圧縮空気をシリンダ１０内に供給し又はシリンダ１０内から排気することによって、シリンダ１０内でピストン１１を昇降させることができる。ピストン１１は、ベースプレート１２を貫通する軸部１９を有している。したがって、ピストン１１は、ベースプレート１２によってガイドされながら昇降する。軸部１９の先端には押圧部４が取り付けられている。ピストン１１の昇降に伴い、ピストン１１上に載置された表示器１３がシリンダ１０に対して出没する。したがって、表示器１３の出没の状態を視認することによって、ピストン１１の位置、ひいては押圧部４の位置、すなわちピンチバルブ１の開閉状態を把握することができる。

Ｏリング１５は、ピストン１１の外周面に取り付けられ、ピストン１１の外周面とシリンダ１０の内周面との間をシールしている。Ｏリング１６は、ベースプレート１２の外周面に取り付けられ、ベースプレート１２の外周面とシリンダ１０の内周面との間をシールしている。Ｏリング１７は、ベースプレート１２の貫通孔の内周面に取り付けられ、ベースプレート１２の貫通孔の内周面とピストン１１の軸部１９の外周面との間をシールしている。Ｏリング１８は、表示器１３の外周面に取り付けられ、表示器１３の外周面とシリンダ１０の内周面との間をシールしている。なお、駆動部５は、電動アクチュエータであってもよく、又は、手動でピストン１１を昇降させるものであってもよい。

バルブ部２は、筒状の本体部材２０と、管体３を保持し且つ本体部材２０に収容される保持部材２１と、本体部材２０の両端に配置される接続部材２２と、接続部材２２と共に本体部材２０の両端に螺合するキャップナット２３とを有している。駆動部５は、ネジ２４によってバルブ部２、具体的には本体部材２０に対して取り付けられる。このとき、バルブ部２と、駆動部５との間、具体的にはベースプレート１２との間には、Ｏリング２５が配置される。

保持部材２１は、管体３の両端に形成されたフランジ部６の各々を保持する環状部材２６と、環状部材２６の各々と連結する上支持部材２７及び下支持部材２８とを有している。環状部材２６の外周面には、雄ネジが形成され、キャップナット２３の内周面に形成された雌ネジと螺合する。環状部材２６の各々には、管体３に配置された状態において、雄ネジよりも内側にＯリング２９が配置される。したがって、本体部材２０と保持部材２１との間には、Ｏリング２９が配置される。上支持部材２７及び下支持部材２８は、管体３の中間部を包囲するように組み合わされ、ネジ３０によって連結される。

図４は、図１の部分拡大縦断面図である。環状部材２６の端面には、管体３のフランジ部６を受容する環状の凹部３１が形成されている。凹部３１の底面に相当する面には、管体３のフランジ部６の内側の環状の端面８と当接する環状の当接面３２が形成されている。当接面３２には、環状突起３３が形成されている。上支持部材２７及び下支持部材２８は、管体３を僅かばかり軸線方向に伸張させた状態で、環状部材２６と連結している。したがって、管体３のフランジ部６の各々は、対応する環状部材２６の当接面３２に対して押圧され、環状部材２６の環状突起３３は、管体３のフランジ部６の端面８に対して埋没する。その結果、環状突起３３は、フランジ部６の端面８と環状部材２６の当接面３２との間をシールしている。

ところで、一般に、ゴム等の弾性材料で形成された管体は、劣化や表面の微少な傷に起因して破裂し、内部の流体が管体の外部に流出する可能性がある。特に、流体が硫酸等のように人体に悪影響を及ぼす薬品の場合、ピンチバルブの外部に流体を流出させないようにしなければならない。また、硫酸のように金属と反応する流体については、ピンチバルブにおいて金属製の部品は使用することができない。したがって、非金属製の部品、例えばプラスチック製の部品を使用する必要があるが、プラスチック製の部品は、金属製の部品と比べると一般的に寸法精度が悪い傾向があり、したがって、金属製の部品と比べて部品間から流体が漏出する可能性が高くなる。

本発明の実施形態によるピンチバルブ１は、通常使用時に密閉性を確保するための１次シールに加え、管体３が破裂した場合に備えた２次シールであるシール部を有する。それによって、管体３が破裂したとしても、管体３の内部の流体がピンチバルブ１の外部へ流出することがない。具体的には、ピンチバルブ１は、シール部として、第１シール部材である環状突起３３と、第２シール部材であるＯリング２５と、第３シール部材であるＯリング２９と、第４シール部材であるＯリング１７とを有し、これらは管体３の外面近傍の空間と、ピンチバルブ１の外部との流体連通をシールする。なお、環状突起３３をＯリングに代えてもよい。

これに関し、図４を参照すると、環状突起３３によって、フランジ部６の端面８と環状部材２６の当接面３２との間をシールし、Ｌ１方向の流出を防止している。また、Ｏリング２５によって、バルブ部２と駆動部５との間をシールし、Ｌ２方向の流出を防止している。また、Ｏリング２９によって、本体部材２０と保持部材２１との間をシールし、Ｌ３方向の流出を防止している。また、Ｏリング１７によって、ピストン１１とベースプレート１２との間をシールし、Ｌ４方向の流出を防止している。さらに、Ｏリング等を使用していることから、消耗部品の交換作業を容易に行うことができる。

上述したように、本発明の実施形態によるピンチバルブ１は、エアアクチュエータを使用している。第４シール部材であるＯリング１７があることによって、管体の外部に流出した流体のシリンダ１０内への流入が防止され、駆動部の破損が防止されると共に、排気口又は吸気口等を介したピンチバルブ１の外部への流出が防止される。また、エアアクチュエータではなく、手動でピストン１１を昇降させるピンチバルブ１の場合であっても、第４シール部材があることによって、管体の外部に流出した流体がピンチバルブ１の外部へさらに流出することが防止される。

シール部は、上述したシール部材に限られず、管体３の外面近傍の空間と、ピンチバルブ１の外部との流体連通をシールする必要がある場所について、任意に配置し得る。また、シール部材の具体的な構成は、Ｏリングに限定されず、密閉性を確保する限りにおいて任意に構成し得る。

上述した実施形態では、駆動部５を、本体部材２０を介して、管体３を保持する保持部材２１に対して取り付けていたが、本体部材２０を介することなく、直接的に保持部材２１に対して取り付けるようにしてもよい。この場合、Ｏリング２９が省略される。同様に、各部材を省略又は一体化することによって、シール部材を省略することができる。

ピンチバルブ１、特にバルブ部２は、全体としてプラスチックの材料で形成することができる。例えば、シリンダ１０、ピストン１１、ベースプレート１２及び下支持部材２８は、ガラス入りポリプロピレン（ＰＰＧ）で形成され、押圧部４及び上支持部材２７は、再生ポリフッ化ビニリデン（再生ＰＶＤＦ）で形成され、本体部材２０、接続部材２２、キャップナット２３及び環状部材２６は、ポリ塩化ビニル（Ｕ－ＰＶＣ）で形成され、表示器１３は、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）で形成され、キャップ１４は、ポリプロピレン（ＰＰ）で形成され、管体３は、エチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）やフッ素ゴム（ＦＫＭ）で形成される。

図５は、管体３の変形を示す縦断面図である。図５において、（Ａ）は、流路に流体が流れていない無圧時のピンチバルブ１の全開状態を示し、（Ｂ）は、流路に流体が流れている加圧時のピンチバルブ１の全開状態を示し、（Ｃ）は、流路に流体が流れていない無圧時のピンチバルブ１の全閉状態を示し、（Ｄ）は、流路に流体が流れている加圧時のピンチバルブ１の全閉状態を示している。なお、図５は模式的に描かれており、したがって、ベースプレート１２、環状部材２６、上支持部材２７及び下支持部材２８が、１つの支持部材として一体的に示されている。

図５の（Ａ）と（Ｂ）との比較から明らかなように、加圧時の全開状態における管体３は、押圧部４と支持部材、具体的には上支持部材２７によって規制されていない部分が膨張する。また、図５の（Ｃ）と（Ｄ）との比較から明らかなように、加圧時の全閉状態における管体３は、押圧部４の外面に対してより密着するように膨張する。

一般に、押圧部が管体に当接する接触面積を小さくすることによって、管体に加わる圧力を高めることができ、管体の流路を閉鎖するために必要な押圧力を低くすることができる。しかしながら、押圧力が管体の一部に対して集中して、且つ、それが繰り返し加わることから、管体の耐久性が低下してしまう。以下、押圧部４及び支持部材の最適形状について説明する。

図６は、押圧部４の部分の拡大縦断面図である。図６は、図５の（Ｄ）に相当する図である。管体３と当接する押圧部４の先端部の曲率半径を、曲率半径Ｒと定義する。曲率半径Ｒの曲率中心は、押圧部４の断面における対称軸上に配置される。押圧部４が、管体３の軸線方向における縦断面において、曲線部４ａと曲線部４ａの端部の各々に接続された２つの直線部４ｂを有し、２つの直線部４ｂのなす角を、テーパ角度Ａと定義する。したがって、直線部４ｂは、曲線部４ａの端部における接線である。直線部４ｂは、完全な直線でなくてもよく、直線と視認できる程度に直線に近い曲線であってもよい。

管体３の軸線Ｃ（図１）に対して押圧部４の側、すなわち上支持部材２７には、押圧部４に対応する部分を除いて管体３を支持する上支持面３４が設けられている。管体３の軸線Ｃに対して押圧部４の反対側、すなわち下支持部材２８には、管体３を支持する下支持面３５が設けられている。下支持面３５には、管体３の一部を押圧部４側に突出させるサポート突起３６が形成されている。サポート突起３６は、押圧部４の先端部と対向する位置にあり、管体３の横断方向に亘って形成されている。下支持面３５からの突出量、すなわちサポート突起３６の高さを、高さＨと定義する。

図７は、押圧部４の部分の別の拡大縦断面図である。図７は、図５の（Ｃ）に相当する図である。管体３の軸線方向における縦断面において、押圧部４の先端部の中心と上支持面３４の縁との距離を、距離Ｄと定義する。

図８は、曲率半径Ｒと全閉押圧力Ｆとの関係を示す図であり、図９は、曲率半径ＲとひずみＥとの関係を示す図である。「全閉押圧力」とは、駆動部５によって駆動された押圧部４によって管体３を変形させ、ピンチバルブ１を全閉状態にするのに必要な押圧力をいい、「ひずみ」とは全閉状態において、管体３の最も変形している部分、例えば、押圧部４の先端部が当接する管体３の部分におけるひずみをいう。ひずみＥは、変形前後の長さの変化分を、変形前の長さで割った値である。

図８に示されるように、曲率半径Ｒが小さくなると、全閉押圧力Ｆも小さくなる。他方、図９に示されるように、曲率半径Ｒが小さくなると、管体３の変形時の管体３の曲率半径も押圧部４の曲率半径Ｒに倣って小さくなる。その結果ひずみＥは大きくなり、管体３の耐久性が低下してしまう。

これらを考慮すると、曲率半径Ｒが、管体３の肉厚Ｔ（図６）の１．１～４．２倍であることが好適である。例えば、口径が２５ｍｍの管体３で、管体３のゴムの許容ひずみが０．５の場合、ピンチバルブ１を要求寸法内とするためには、全閉押圧力Ｆは１，０００Ｎより小さくする必要がある。その結果、曲率半径Ｒは、４～１５ｍｍとなる。

図１０は、テーパ角度Ａと全閉押圧力Ｆとの関係を示す図であり、図１１は、テーパ角度ＡとひずみＥとの関係を示す図である。図１０に示されるように、テーパ角度Ａが小さくなると、全閉押圧力Ｆも小さくなる。他方、図１１に示されるように、テーパ角度Ａが小さくなると、ひずみＥは大きくなる。すなわち、テーパ角度Ａが小さいと、管体３との接触面がより小さくなる。その結果、管体３の単位面積あたりに加わる力、すなわち圧力が大きくなる。したがって、ひずみＥも大きくなり、管体３の耐久性が低下してしまう。

これらを考慮すると、テーパ角度Ａが、５５～９０度であることが好適である。例えば、口径が２５ｍｍの管体３で、管体３のゴムの許容ひずみが０．５の場合、ピンチバルブ１を要求寸法内とするためには、全閉押圧力Ｆは１，０００Ｎより小さくする必要がある。その結果、テーパ角度Ａが、５５～９０度となる。

図１２は、サポート突起３６の高さＨと全閉押圧力Ｆとの関係を示す図である。サポート突起３６の高さＨが高くなると、全閉押圧力Ｆが小さくなるが、高さＨが所定値を越えると、全閉押圧力Ｆは略一定となる。これを考慮すると、高さＨが、管体３の肉厚Ｔの７％より大きく且つ肉厚Ｔの４０％より小さい場合が好適である。例えば、口径が２５ｍｍの管体３で、ピンチバルブ１を要求寸法内とするためには、全閉押圧力Ｆは１，０００Ｎより小さくする必要がある。その結果、高さＨは、０．２５ｍｍよりも大きく且つ１．５ｍｍとなる。

さらに、図示はしないが、図７に示された距離Ｄは、管体３の肉厚Ｔの３～６倍であることが好適である。加圧時の管体３の膨張は小さいほど、ひずみＥ、すなわち管体３への負荷は小さい。距離Ｄが小さいほど、管体３の膨張は小さくなり、ひずみＥも小さくなる。しかしながら、管体３の口径が大きい場合、ピストン１１の昇降に伴う押圧部４のストロークが大きくなるので、結果として、必要な距離Ｄが大きくなってしまう。距離Ｄが大きい場合でもひずみＥを規定値に抑えるためには、肉厚Ｔを大きくしなければならない。肉厚Ｔを大きくすると、全閉押圧力Ｆが大きくなるので、駆動部５を大型化する必要性も生じる。よって、これらのバランス考慮し、距離Ｄは、管体３の肉厚Ｔの３～６倍が好適である。

これらを考慮すると、距離Ｄは、上記範囲であることが好適である。口径が２５ｍｍの管体３は肉厚Ｔが３．５ｍｍであり、設計例として、距離Ｄは１７．５ｍｍである。この場合、距離Ｄは、肉厚Ｔの５倍となる。また、口径が４０ｍｍの管体３は肉厚Ｔが６ｍｍであり、設計例として、距離Ｄは２５．０ｍｍである。この場合、距離Ｄは、肉厚Ｔの４．２倍となる。

以上より、押圧部４及び支持部材の形状を最適化することによって、管体の耐久性を損なうことなく、管体の流路の閉鎖に必要な押圧力を低くすることができる。なお、曲率半径Ｒ、テーパ角度Ａ、サポート突起３６の高さＨ及び距離Ｄの最適な値は、任意に組み合わせて設計してもよい。

１ピンチバルブ
２バルブ部
３管体
４押圧部
５駆動部
１０シリンダ
１１ピストン
１２ベースプレート
１３表示器
１４キャップ
２０本体部材
２１保持部材
２２接続部材
２３キャップナット
２５Ｏリング
２６環状部材
２７上支持部材
２８下支持部材
２９Ｏリング
３１凹部
３２当接面
３３環状突起
３４上支持面
３５下支持面
３６サポート突起
Ａテーパ角度
Ｄ距離
Ｈ高さ
Ｒ曲率半径
Ｔ肉厚

Claims

バルブ部と、
内部に流路が形成され且つ前記バルブ部に収容される管体と、
前記管体を押圧し又は押圧を解除することによって前記管体を変形させ、前記流路を開閉させる押圧部と、
前記押圧部を駆動させる駆動部と、を具備するピンチバルブにおいて、
前記管体と当接する前記押圧部の先端部の曲率半径が、前記管体の肉厚の１．１～４．２倍であり、
前記管体の口径が２５ｍｍであり、前記管体の肉厚が３．５ｍｍであり、前記管体の許容ひずみが０．５より小さく、当該ピンチバルブの全閉押圧力が１，０００Ｎよりも小さいことを特徴とするピンチバルブ。
前記押圧部が、前記管体の軸線方向における縦断面において、曲線部と該曲線部の端部の各々に接続された２つの直線部を有し、前記２つの直線部のなす角が、５５～９０度であることを特徴とする請求項１に記載のピンチバルブ。
前記管体の軸線に対して前記押圧部の反対側には、前記管体を支持する下支持面が設けられ、前記下支持面には前記管体の一部を前記押圧部の側に突出させるサポート突起が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のピンチバルブ。
前記サポート突起の高さが、前記管体の肉厚の７～４０％であることを特徴とする請求項３に記載のピンチバルブ。
前記管体の軸線に対して前記押圧部の側には、前記押圧部に対応する部分を除いて前記管体を支持する上支持面が設けられ、前記管体の軸線方向における縦断面において、前記押圧部の先端部の中心と前記上支持面の縁との距離が、前記管体の肉厚の３～６倍であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のピンチバルブ。