JP7254573B2

JP7254573B2 - 弁装置

Info

Publication number: JP7254573B2
Application number: JP2019051371A
Authority: JP
Inventors: 正吾濱田; 理宮川; 佳祐村田
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2023-04-10
Anticipated expiration: 2039-03-19
Also published as: JP2020153419A

Description

本発明は、弁室を形成する弁本体と、弁室内に設けられる弁体と、弁室をシールするダイヤフラムと、を備えた弁装置に関する。

従来、例えば、冷凍空調装置等に利用される弁装置において、弁室をシールするためのシール部材として、金属ダイヤフラムが利用されている。（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された弁装置（ダイヤフラム弁）では、金属ダイヤフラムが、その外周縁部がボディ（弁本体）によって保持され、その中央部にディスク（弁体）の軸部が挿通されて接続されている。即ち、ディスクが弁座に対して接離する際、ディスクの移動に伴ってダイヤフラムが変形するようになっている。

特開平８－２１９３０３号公報

特許文献１に記載されたようにダイヤフラムを備える弁装置では、高圧流体を使用する場合、剛性の高い金属を用いてダイヤフラムを構成する必要がある。一方、このような弁装置では、流量の増大が要求される場合があり、この場合には、弁体のストローク（移動量）を長くする必要がある。弁体のストロークを長くすると、ダイヤフラムの変位量が大きくなり、特に剛性の高い金属を用いた場合に応力集中しやすくなってしまう。ダイヤフラムに応力集中が生じると、応力割れの原因となり、耐久性が低下してしまう。即ち、高圧および大流量に対応しつつダイヤフラムの耐久性を向上させることは困難であった。

本発明の目的は、高圧および大流量に対応しつつダイヤフラムの耐久性を向上させることができる弁装置を提供することである。

本発明の弁装置は、弁室を形成する弁本体と、前記弁室内に設けられる弁体と、前記弁室をシールする金属ダイヤフラムと、を備えた弁装置であって、前記弁体は、軸部を有し、前記金属ダイヤフラムは、前記軸部を挿通させる挿通孔を有して円環状に構成され、その内周縁部が前記軸部に対して固定されるとともに、その外周縁部が前記弁本体に対して固定され、最大弁開状態から弁閉状態にかけて前記内周縁部と前記外周縁部との間において弁閉側に向かって凸に湾曲しており、自然状態における前記金属ダイヤフラムは、前記弁体の軸方向に沿った断面が、前記内周縁部側の内側円弧状部と、前記外周縁部側の外側円弧状部と、を有し、前記内側円弧状部の曲率が前記外側円弧状部の曲率よりも大きいことを特徴とする。

以上のような本発明によれば、ダイヤフラムが弁閉側に向かって凸に湾曲していることで、弁体を弁座に対して接離させる際に、応力集中を抑制することができる。即ち、ダイヤフラムが弁開側に向かって凸に湾曲している構成においては、内周縁部近傍に応力が集中しやすいのに対し、本発明ではダイヤフラム全体に応力が分散しやすい。従って、剛性の高い金属を用いてダイヤフラムを構成することで高圧に対応し、且つ、弁体のストロークを長くして大流量に対応した場合であっても、ダイヤフラムの損傷を抑制し、耐久性を向上させることができる。

この際、自然状態における前記ダイヤフラムは、前記弁体の軸方向に沿った断面が、前記内周縁部側の内側円弧状部と、前記外周縁部側の外側円弧状部と、を有し、前記内側円弧状部の曲率が前記外側円弧状部の曲率よりも大きいことが好ましい。

この構成によれば、ダイヤフラムにおける応力集中をさらに抑制し、耐久性を向上させることができる。ダイヤフラムは、軸部の近傍（内周縁部側）において応力が集中しやすい。このとき、本構成においては、弁体が弁座に対して接離する際、ダイヤフラムが、曲率の小さい外側円弧状部において変形しやすく、外周縁部側に応力を分散させることができる。

さらに、前記ダイヤフラムは、前記内周縁部に、前記弁体の軸方向に交差する平面に沿って延びるとともに前記軸部に接続される内側接続部を有することが好ましい。この構成によれば、内側接続部を軸部に対して弁開側に重ねて接続しやすく、ダイヤフラムを弁閉側に向かって凸に湾曲させやすくすることができる。

本発明の弁装置によれば、ダイヤフラムが弁閉側に向かって凸に湾曲していることで、高圧および大流量に対応しつつダイヤフラムの耐久性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る弁装置を示す断面図である。前記弁装置を最大弁開状態とした際の要部を示す拡大断面図である。前記弁装置を弁閉状態とした際の要部を示す拡大断面図である。前記弁装置のダイヤフラムを示す断面図である。前記ダイヤフラムの寸法を示す断面図である。比較例の弁装置を最大弁開状態とした際の要部を示す拡大断面図である。前記弁装置を弁閉状態とした際の要部を示す拡大断面図である。前記弁装置のダイヤフラムを示す断面図である。本発明に係る弁装置におけるダイヤフラムおよび比較例の弁装置におけるダイヤフラムに生じる最大応力の特性を示すグラフである。

本発明の実施形態に係る弁装置について、図１～図５を参照して説明する。本実施形態の弁装置は、変位可能なシール部材である金属ダイヤフラムを備えたものである。図１は、実施形態の弁装置であるダイヤフラム弁１０を示す断面図である。図２は、ダイヤフラム弁１０を最大弁開状態とした際の要部を示す拡大断面図である。図３は、ダイヤフラム弁１０を弁閉状態とした際の要部を示す拡大断面図である。図４は、ダイヤフラム弁１０の金属ダイヤフラム１５を示す断面図である。図５は、金属ダイヤフラム１５の寸法を示す断面図である。

ダイヤフラム弁１０は、図１に示すように、内部に弁室１１を有する弁本体（ボディ）１２と、弁室１１内に設けられた弁体１３と、弁体１３を進退移動させるために回転操作される操作部１４と、弁室１１の内部をシールする金属ダイヤフラム１５と、を備えた手動開閉タイプのバルブである。弁本体１２は、互いに螺合される第１部材１２ａおよび第２部材１２ｂを備え、第１部材１２ａと第２部材１２ｂとの面合せ部に金属ダイヤフラム１５の外周縁部１５２が挟持されている。

弁本体１２の第１部材１２ａは、その一端側に開口して弁室１１に連通する流入ポート１２ｃと、他端側に開口して弁室１１に連通する流出ポート１２ｄと、流入ポート１２ｃが弁室１１に開口した開口である弁ポート１２ｅと、を備える。弁本体１２の第２部材１２ｂは、全体円筒状に形成され、操作部１４の軸部１４ｂを回転支持するとともに、軸部１４ｂの雄ねじ部と螺合するように構成されている。

弁体１３は、図２、３に示すように、上下にフランジを有した円筒状の弁体ケース１３ａと、弁体ケース１３ａの内部に保持された弁部材１３ｂと、弁部材１３ｂよりも上側にて弁体ケース１３ａに保持された連結部材１３ｃと、を有して構成されている。弁部材１３ｂは、樹脂製やゴム製のパッキンであって、弁ポート１２ｅに着座して密閉可能に構成されている。連結部材１３ｃは、弁体ケース１３ａよりも上方に延びる円柱状の軸部１３ｄを有し、この軸部１３ｄの上面１３ｅに金属ダイヤフラム１５が固定され、上面１３ｅに操作部１４の軸部１４ｂが接続されている。

金属ダイヤフラム１５は、１枚の全体円形板状（皿状）の金属薄板材からなり、中央部に弁体１３の軸部１３ｄを挿通させる挿通孔１５ａが形成されている。金属ダイヤフラム１５は、挿通孔１５ａの内周縁部１５１が弁体１３の軸部１３ｄに溶接固定され、外周縁部１５２が弁本体１２の第１部材１２ａと第２部材１２ｂとの間に挟持されることで弁本体１２に対して固定されている。また、金属ダイヤフラム１５は、自身の弾性により面外方向に撓むことで弁体１３を上下移動自在に支持するとともに、金属ダイヤフラム１５の弾性による上向きの付勢力が作用することで、弁体１３は、弁部材１３ｂが弁ポート１２ｅから離れた弁開位置にて支持されている。尚、金属ダイヤフラムは、複数の金属薄板材によって構成されていてもよい。

このようなダイヤフラム弁１０では、操作部１４のハンドルが回転操作されることで、軸部１４ｂの雄ねじ部が第２部材１２ｂの雌ねじ部に案内されて操作部１４が上下移動し、この上下移動が弁体１３に伝達される。ハンドルの閉操作により操作部１４が下方に移動すると、その押圧力によって金属ダイヤフラム１５を面外方向下向きに撓ませつつ弁体１３が下方に移動し、弁部材１３ｂが弁ポート１２ｅに着座する。ハンドルの開操作により操作部１４が上方に移動すると、金属ダイヤフラム１５が初期位置に復帰しようとする弾性力（復元力）によって弁部材１３ｂが上方に移動し、弁部材１３ｂが弁ポート１２ｅから離座する。このように弁部材１３ｂは、操作部１４のハンドルの操作に伴って弁開位置と弁閉位置との間を上下方向に進退移動するようになっている。

次に、図２～４を参照して金属ダイヤフラム１５の詳細な形状について説明する。尚、以下では金属ダイヤフラム１５を基準として弁ポート１２ｅ側を弁閉側とし、その反対側を弁開側とする。また、以下に説明する金属ダイヤフラム１５の形状は、特に説明がない限り自然状態における形状とする。金属ダイヤフラム１５は、内周縁部１５１に内側接続部１５３を有し、外周縁部１５２に外側接続部１５４を有する。内側接続部１５３および外側接続部１５４は、弁体１３の軸線Ｌ方向に対して略直交する平面に沿って延びている。内側接続部１５３は、弁体１３の上面１３ｅに対して弁開側に重ねられて固定される。外側接続部１５４は、上記のように弁本体１２の第１部材１２ａと第２部材１２ｂとの間に挟持される。

金属ダイヤフラム１５は、内側接続部１５３と外側接続部１５４との間に、弁閉側に向かって凸に湾曲した湾曲部１５５を有する。湾曲部１５５は、図２に示す最大弁開状態から図３に示す弁閉状態にかけて、弁閉側に向かう凸形状を維持する。尚、金属ダイヤフラム１５は、最大弁開状態において自然状態から多少変形していてもよいし、変形していなくてもよい。

湾曲部１５５は、内周縁部側の内側領域Ａ１と外周縁部側の外側領域Ａ２とを有し、内側領域Ａ１と外側領域Ａ２とで凸形状の曲率が異なっている。具体的には、金属ダイヤフラム１５は、弁体１３の軸線Ｌ方向に沿った断面が、内周縁部１５１側の内側円弧状部１５６と、外周縁部１５２側の外側円弧状部１５７と、を有し、内側円弧状部１５６の曲率が外側円弧状部１５７の曲率よりも大きい（内側円弧状部１５６の曲率半径が外側円弧状部１５７の曲率半径よりも小さい）。

金属ダイヤフラム１５のうち最も弁閉側に位置する頂点部１５８は、内側領域Ａ１と外側領域Ａ２との間の（内側円弧状部１５６と外側円弧状部１５７との間の）境界部１５９よりも外周縁部１５２側に位置している。

ここで、金属ダイヤフラム１５の湾曲部１５５の断面形状の設定方法の一例について図５を参照して説明する。まず、ダイヤフラム弁１０の各部の寸法に基づき、湾曲部１５５の幅（軸線Ｌ方向との直交方向における寸法）Ｗ１と、軸線Ｌ方向における内側接続部１５３と外側接続部１５４との間隔Ｈ１と、が定まる。次に、外側接続部１５４からの湾曲部１５５の弁閉側への突出寸法Ｈ２と、外側円弧状部１５７の曲率半径ｒ１と、を適宜に設定し、第１円弧Ｃ１を描写する。このとき、第１円弧Ｃ１は、外側接続部１５４における基準点Ｂ１を通るとともに、突出寸法Ｈ２を示す水平線を接線とするものであり、このように描写することで第１円弧Ｃ１の中心Ｏ１は自ずと定まる。

次に、内側接続部１５３における基準点Ｂ２を通る垂直線（弁体の軸部１３ｄの側面と一致する）と、第１円弧Ｃ１と、の両方に接するように、曲率半径ｒ２の第２円弧Ｃ２を描写する。このとき、第２円弧Ｃ２の中心Ｏ２は、軸線Ｌ方向において内側接続部１５３よりも低い高さとなり（下方に位置し）、軸線Ｌ方向との直交方向において、曲率半径ｒ２だけ内側接続部１５３から離れた位置となる。また、第１円弧Ｃ１と第２円弧Ｃ２とが滑らかに連続する（これらが重なり合う点Ａ３において、第１円弧Ｃ１の接線と第２円弧Ｃ２の接線とが一致する）。これにより、点Ａ３を境界部１５９として、第２円弧Ｃ２のうち境界部１５９から内側接続部１５３にかけての部分が内側領域Ａ１（内側円弧状部１５６）となり、第１円弧Ｃ１のうち境界部１５９から外側接続部１５４にかけての部分が外側領域Ａ２（外側円弧状部１５７）となる。このとき、内側円弧状部１５６の上端における接線が軸線Ｌ方向に沿っていることから、内側円弧状部１５６が軸部１３ｄの側面に沿っている。

次に、本実施形態の金属ダイヤフラム１５と、図６～８に示す比較例の金属ダイヤフラム１００と、のそれぞれに生じる最大応力について説明する。金属ダイヤフラム１００は、軸部１３を挿通させる挿通孔１０１を有して円環状に構成され、その内周縁部１０２が軸部１３に対して固定されるとともに、その外周縁部１０３が弁本体１２に対して固定され、図６に示す最大弁開状態から図７に示す弁閉状態にかけて、内周縁部１０２と外周縁部１０３との間において弁開側に向かって凸に湾曲している。また、金属ダイヤフラム１００は、図８に示すように自然状態においても弁開側に向かって凸に湾曲している。

本実施形態の金属ダイヤフラム１５または比較例の金属ダイヤフラム１００を用いて弁閉度を変化させた際に各金属ダイヤフラムに生じる最大応力のシミュレーション結果を図９に示す。尚、図９における横軸は、弁体１３の最大弁開状態を基準（０）とした変位量を最大変位量で除した割合（弁閉度）で示しており、縦軸は、各金属ダイヤフラムに生じる最大応力を、比較例の金属ダイヤフラム１００に生じる最大応力で除した割合（比率）で示している。また、シミュレーションの条件として、最大弁開状態（弁閉度０％）から弁閉状態（弁閉度１００％）にかけて、一定の圧力がダイヤフラムに作用しており、最大弁開状態においても所定の応力が生じるものとした。

金属ダイヤフラム１５および金属ダイヤフラム１００のいずれを用いた場合であっても、弁閉度が高くなるにしたがって、各金属ダイヤフラムに生じる最大応力は大きくなっていく。最大弁開状態（弁閉度０％）において、本実施形態の金属ダイヤフラム１５に生じる最大応力は、比較例の金属ダイヤフラム１００に生じる最大応力の約５０％となる。また、弁閉状態（弁閉度１００％）において、本実施形態の金属ダイヤフラム１５に生じる最大応力は、比較例の金属ダイヤフラム１００に生じる最大応力の約３０％となる。いずれの弁閉度においても、本実施形態の金属ダイヤフラム１５に生じる最大応力は、比較例の金属ダイヤフラム１００に生じる最大応力よりも小さい。このように、本実施形態の金属ダイヤフラム１５においては、比較例の金属ダイヤフラム１００と比較して、金属ダイヤフラム全体に応力が分散されるようになっており、最大応力が低下する結果、耐久性が高くなる。

以上の本実施形態によれば、金属ダイヤフラム１５が、弁閉側に向かって凸に湾曲した湾曲部１５５を有することで、金属ダイヤフラムが弁開側に向かって凸に湾曲している構成と比較して、金属ダイヤフラム全体に応力が分散しやすく、最大応力が低下する結果、耐久性が高くなる。これに加えて、金属ダイヤフラムが弁開側に向かって凸に湾曲している構成の場合は、ダイヤフラムに引張応力が加わるのに対して、本実施形態の場合は、ダイヤフラムに圧縮応力が加わる。一般的に金属は引張応力よりも圧縮応力に対しての耐久性が高いため、最大応力の大きさだけでなく応力の種類の違いからも、耐久性が高くなると考えられる。従って、剛性の高い金属薄板材を用いて金属ダイヤフラム１５を構成することで高圧に対応し、且つ、弁体１３のストロークを長くして大流量に対応した場合であっても、金属ダイヤフラム１５の損傷を抑制し、耐久性を向上させることができる。

また、金属ダイヤフラム１５において内側円弧状部１５６の曲率が外側円弧状部１５７の曲率よりも大きいことで、金属ダイヤフラム１５における応力集中をさらに抑制し、耐久性を向上させることができる。

また、金属ダイヤフラム１５が、軸線Ｌ方向に直交する平面に沿った内側接続部１５３を有することで、内側接続部１５３を軸部１３ｄの上面１３ｅに重ねて接続することができ、金属ダイヤフラム１５の湾曲部１５５を弁閉側に向かって凸に湾曲させやすくすることができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。例えば、前記実施形態では、弁装置として、手動開閉タイプのバルブを例示したが、本発明の弁装置は、モータによって駆動される電動弁や、その他の開閉形式を備えたものなどにも適用可能である。

また、前記実施形態では、金属ダイヤフラム１５が２つの円弧状部１５６、１５７を有し、内側円弧状部１５６の曲率が外側円弧状部１５７の曲率よりも大きいものとしたが、ダイヤフラムは、１つの円弧状部を有していてもよいし、３つ以上の円弧状部を有していてもよい。また、ダイヤフラムが複数の円弧状部を有する場合、これらの曲率の関係は、応力集中を避けるように、例えば各部の寸法や弁体のストローク長等に応じて適宜に設定されればよい。

また、前記実施形態では、金属ダイヤフラム１５が、軸線Ｌ方向に直交する平面に沿った内側接続部１５３を有するものとしたが、ダイヤフラムはその内周縁部側における適宜な部分が弁体の軸部に接続されればよい。例えば、前記実施形態における内側円弧状部１５６に相当する部分が弁体の軸部に接続される構成としてもよい。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

１０ダイヤフラム弁（弁装置）
１１弁室
１２弁本体
１３弁体
１３ｄ軸部
１５金属ダイヤフラム
１５ａ挿通孔
１５１内周縁部
１５２外周縁部
１５６内側円弧状部
１５７外側円弧状部
１５３内側接続部

Claims

弁室を形成する弁本体と、前記弁室内に設けられる弁体と、前記弁室をシールする金属ダイヤフラムと、を備えた弁装置であって、
前記弁体は、軸部を有し、
前記金属ダイヤフラムは、前記軸部を挿通させる挿通孔を有して円環状に構成され、その内周縁部が前記軸部に対して固定されるとともに、その外周縁部が前記弁本体に対して固定され、最大弁開状態から弁閉状態にかけて前記内周縁部と前記外周縁部との間において弁閉側に向かって凸に湾曲しており、
自然状態における前記金属ダイヤフラムは、前記弁体の軸方向に沿った断面が、前記内周縁部側の内側円弧状部と、前記外周縁部側の外側円弧状部と、を有し、
前記内側円弧状部の曲率が前記外側円弧状部の曲率よりも大きいことを特徴とする弁装置。
前記金属ダイヤフラムは、前記内周縁部に、前記弁体の軸方向に交差する平面に沿って延びるとともに前記軸部に接続される内側接続部を有することを特徴とする請求項１に記載の弁装置。