JP7440276B2 - ダイアフラムバルブ - Google Patents

Description

本発明は、弁体を有するダイアフラムを備えたダイアフラムバルブに関する。

ダイアフラムに弁体が設けられたダイアフラムバルブは、例えば特許文献１に記載されているように、流体温度および外気温の影響を受けて動作や流量が不安定になることが知られている。
また、従来のダイアフラムバルブとしては、弁座を有するバルブボディと、弁体を有するダイアフラムとが樹脂材料によって形成され、ダイアフラムにアクチュエータを接続するためのプラグが一体に成形されたものがある。プラグは、柱状に形成されており、ダイアフラムの中央部から弁体とは反対方向に向けて突出してアクチュエータに連結されている。アクチュエータは、バルブボディの一端部に固定されたボンネットに設けられている。

特開２０１７－２２３３１８号公報

バルブボディとダイアフラムとが樹脂材料によって形成されたダイアフラムバルブにおいては、バルブボディにボンネットを固定する固定構造に問題があった。これは、弁座に対する弁体の位置がバルブボディとダイアフラムの熱膨張の影響を受けるからである。すなわち、流体温度や外気温が上昇してバルブボディとダイアフラムとが熱膨張を起こすと、バルブボディが固定構造によって拘束される部分から膨張することが原因で弁体と弁座との隙間が狭くなり、ダイアフラムが想定通りに動作しなくなるおそれがあった。

本発明の目的は、流体温度または外気温の上昇に伴う熱膨張の影響を低減したダイアフラムバルブを提供することである。

この目的を達成するために、本発明に係るダイアフラムバルブは、流体通路を有しかつ前記流体通路の一部となる通路孔が開口する弁座を有するバルブボディと、前記弁座に着座することにより前記通路孔を閉塞する弁体が一端部に設けられるとともに他端部にプラグが設けられたダイアフラムと、前記ダイアフラムの前記プラグに連結され、前記弁座に対して前記弁体が接離する方向である開閉方向に前記ダイアフラムを駆動するアクチュエータと、前記バルブボディに固定用ボルトによって固定されて前記アクチュエータを支持するボンネットとを備え、前記バルブボディの熱膨張により前記弁座が変位する方向と、前記ダイアフラムの熱膨張により前記弁体が変位する方向とが同一方向になっているものである。

本発明は、前記ダイアフラムバルブにおいて、前記バルブボディは、前記固定用ボルトが締め込まれることにより前記ボンネットが密着する取付面を有し、前記固定用ボルトは、前記開閉方向に延び、前記開閉方向において、前記固定用ボルトによって前記バルブボディが前記ボンネットに向けて押される押圧位置と前記取付面との間隔は、前記弁座と前記取付面との間隔より短くてもよい。

本発明は、前記ダイアフラムバルブにおいて、前記バルブボディの熱膨張により前記弁座が変位する際の変位量と、前記ダイアフラムの熱膨張により前記弁体が変位する際の変位量との差が予め定めた許容範囲に入っていてもよい。

本発明は、前記ダイアフラムバルブにおいて、前記バルブボディと前記ダイアフラムとは、それぞれ樹脂材料によって形成されていてもよい。

本発明に係るダイアフラムバルブにおいては、流体温度または外気温が上昇した後に弁体と弁座との間隔が狭くなる従来のダイアフラムバルブと較べると、弁体と弁座の隙間の変化が小さく抑えられる。したがって、本発明によれば、流体温度または外気温の上昇に伴う熱膨張の影響を低減したダイアフラムバルブを提供することができる。

図１は、本発明に係るダイアフラムバルブの側面図である。 図２は、バルブボディの平面図である。 図３は、図２におけるIII－III線断面図である。 図４は、図２におけるIV－IV線断面図である。 図５は、バルブボディの要部を拡大して示す断面図である。 図６は、バルブボディとボンネットとの接続部分を拡大して示す断面図である。 図７は、ボルト座面位置およびキャビティ深さと弁座変位量との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係るダイアフラムバルブの一実施の形態を図１～図７を参照して詳細に説明する。図１に示すダイアフラムバルブ１は、図１において最も下に描かれているバルブボディ２と、このバルブボディ２に複数の固定用ボルト３によって固定されたボンネット４と、このボンネット４に支持されたアクチュエータ５とを備えている。バルブボディ２は、例えばフッ素樹脂などの樹脂材料によって形成され、ボンネット４は、例えばステンレス鋼などの金属材料によって形成されている。

バルブボディ２は、ボンネット４が取付けられる本体１１と、本体１１から一側方（図１においては左方）に向けて突出する上流側継手１２と、本体１１から他側方に向けて突出する下流側継手１３とを有している。本体１１におけるボンネット４が取付けられる一端部には、ボンネット４側から見て四角形の取付座１４（図２参照）が形成されている。また、本体１１には、図１および図４に示すように、取付座１４の四隅部分が所定の厚みの板となって残るように切り欠き１５が形成されている。以下においては、取付座１４の四隅部分からなる板状部分を単に締結部１６という。

取付座１４は、図２に示すように、中央部に円形の凹部からなるキャビティ２１が開口する平坦な取付面２２と、取付座１４の締結部１６に開口する４つの貫通孔２３と、キャビティ２１と４つの貫通孔２３との間に開口する環状溝２４とを有している。キャビティ２１および貫通孔２３は、それぞれ取付面２２に対して直交する方向に延びている。

貫通孔２３は、固定用ボルト３を通すための孔である。固定用ボルト３は、取付面２２に対して直交する方向に延びており、図１に示すように、頭部３ａが本体１１の切り欠き１５の中に位置するように切り欠き１５側から貫通孔２３に挿入され、ボンネット４にねじ込まれている。このように固定用ボルト３がボンネット４にねじ込まれることにより、固定用ボルト３の頭部３ａが締結部１６の切り欠き側端面であるボルト座面１６ａをボンネット４に向けて押し、ボンネット４がバルブボディ２の取付面２２に密着する。

この実施の形態においては、締結部１６のボルト座面１６ａが本発明でいう「固定用ボルトによってバルブボディがボンネットに向けて押される押圧位置」に相当する。ボルト座面１６ａは、図５に示すように、取付面２２とは直交する方向において、取付面２２との間隔がＡとなるような位置に形成されている。

環状溝２４は、図２に示すように、キャビティ２１と同一軸線上に位置するように形成されている。環状溝２４の中には、バルブボディ２とボンネット４との間をシールするためのシール部材２５（図６参照）が挿入される。
上流側継手１２と下流側継手１３は、配管（図示せず）を接続するためのものである。配管には、液体または気体からなる流体が流される。この流体としては、腐食性を有する流体を用いることができる。

上流側継手１２と下流側継手１３は、それぞれ円柱状に形成されており、それぞれの外周部には、配管を取付けるために雄ねじ２６，２７が形成されている。上流側継手１２の中心部には、上流側通路孔３１が形成されている。上流側通路孔３１は、上流側継手１２からバルブボディ２の本体１１内をキャビティ２１に向かって延びており、キャビティ２１の底の中心部に開口している。上流側通路孔３１がキャビティ２１の底で開口する方向は、キャビティ２１の底から開口部に向かう方向である。

キャビティ２１の底であって、上流側通路孔３１の開口の周囲には、環状の突条からなる弁座３２が形成されている。すなわち、この実施の形態による弁座３２の中心部には、上流側通路孔３１が開口している。弁座３２には、後述するダイアフラム３３（図６参照）の弁体３４が着座する。ダイアフラム３３は、弁座３２に対して弁体３４が接離する方向である開閉方向（図６においては上下方向）に後述するアクチュエータ５によって駆動される。ダイアフラム３３の詳細な説明は後述する。この実施の形態による弁座３２は、図５に示すように、上述した開閉方向において、バルブボディ２の取付面２２から所定の長さだけ離れた位置に形成されている。弁座３２は、取付面２２との間の間隔がＢとなるような位置に形成されている。

下流側継手１３の中心部には、図３に示すように、下流側通路孔３５が形成されている。下流側通路孔３５は、下流側継手１３からバルブボディ２の本体１１内をキャビティ２１に向かって延びており、キャビティ２１の底であって、弁座３２より径方向の外側に開口している。このため、このバルブボディ２には、上流側通路孔３１と、下流側通路孔３５と、キャビティ２１内の空間Ｓとからなる流体通路３６が形成されている。

ボンネット４は、図６に示すように、バルブボディ２のキャビティ２１に嵌合する円筒４１を有し、バルブボディ２の取付面２２に密着するように形成されている。
アクチュエータ５は、ボンネット４の円筒４１の中に挿入される駆動軸４２を有し、この駆動軸４２がキャビティ２１および円筒４１と同一軸線上に位置するようにボンネット４に取付けられている。円筒４１の内周部には、駆動軸４２との間をシールするためにシール部材４３が装着されている。

アクチュエータ５は、駆動軸４２を上述した開閉方向に駆動する電動式の駆動源（図示せず）を備えている。
駆動軸４２における、キャビティ２１の底に近接する先端部には、ダイアフラム３３が取付けられている。
ダイアフラム３３は、例えばフッ素樹脂などの樹脂材料によって所定の形状に形成されている。この実施の形態によるダイアフラム３３は、円板状のダイアフラム本体４４と、このダイアフラム本体４４の一端部に突設された弁体３４と、ダイアフラム本体４４の他端部に突設されたプラグ４５とを備えている。

ダイアフラム本体４４の外周部には、厚みが相対的に厚いリング４４ａが設けられている。このリング４４ａは、キャビティ２１の底の外周部と、ボンネット４の円筒４１とに挟まれて保持されている。図６に示すように、リング４４ａがキャビティ２１の底と円筒４１とに挟まれることにより、ダイアフラム３３とキャビティ２１の底との間に上述した空間Ｓの一部からなる流体室４６が形成される。流体室４６は、流体通路３６の一部になる。

弁体３４は、ダイアフラム本体４４より外径が小さくかつ弁座３２より外径が大きい円板状に形成されており、ダイアフラム本体４４の中心部に配置されている。弁体３４が弁座３２に着座することにより、上流側通路孔３１が閉塞される。
プラグ４５は、ダイアフラム本体４４の中心部から弁体３４とは反対方向に所定の長さだけ突出するように形成されており、駆動軸４２の先端面に当接する円板部４５ａと、駆動軸４２にねじ込まれて連結されるねじ部４５ｂとを有している。ダイアフラム３３は、ねじ部４５ｂが駆動軸４２に螺着されることによって、駆動軸４２に取付けられている。

このように構成されたダイアフラムバルブ１においては、ダイアフラム３３の弁体３４が弁座３２から離れることにより開き、弁体３４が弁座３２に着座することにより閉じる。ダイアフラムバルブ１が開くことにより、流体が上流側通路孔３１からキャビティ２１内の流体室４６に流入し、この流体室４６から下流側通路孔３５に流れ込む。

流体の温度が上昇したり、このダイアフラムバルブ１が設置されている環境の温度（外気温）が上昇すると、樹脂材料からなるバルブボディ２とダイアフラム３３とが他の部品と較べて大きな膨張率で熱膨張を起こす。
バルブボディ２は、ボルト座面１６ａがバルブボディ２の変形を拘束するように作用することから、ボルト座面１６ａに対してボンネット４とは反対側に熱膨張によって膨張するようになる。

一方、ダイアフラム３３は、アクチュエータ５の駆動軸４２から突出する部分であるプラグ４５や弁体３４やダイアフラム本体４４が膨張することに起因して、弁体３４が駆動軸４２から離間する方向（図６においては下方向）に熱膨張によって変位するようになる。
この実施の形態によるバルブボディ２は、ダイアフラム３３が熱膨張を起こして弁体３４が弁座３２に向けて変位したときの開度変化を最小にするために、熱膨張により弁座３２が弁体３４と同一方向に変位するように構成されている。詳述すると、弁座３２がボルト座面１６ａより取付面２２から離れるように形成されている。すなわち、弁座３２に対して弁体３４が接離する方向である開閉方向において、図５に示すように、ボルト座面１６ａ（押圧位置）と取付面２２との間隔Ａが、弁座３２と取付面２２との間隔Ｂより短くなっている。

熱膨張による変形量は、変形量＝線膨張係数×全長×温度差という計算式に基づいて演算により求めることができる。ダイアフラム３３の変形量は、開閉方向において駆動軸４２から突出する部分の長さを全長として簡易的に上記の計算式から求めることができる。バルブボディ２の取付面２２と弁座３２との間の部分が変形して弁座３２が取付面２２から離間する方向に移動するときの変位量は、上記の間隔Ｂから間隔Ａを差し引いた値を全長として簡易的に上記の計算式から求めることができる。このため、キャビティ２１の深さ(間隔Ｂ）と間隔Ａとに基づいて弁座３２の変位量を弁体３４の変位量に設定することは簡易的に計算が可能である。

バルブボディ２のキャビティ２１の深さ（間隔Ｂ）と、ボルト座面１６ａの位置（取付面２２とボルト座面１６ａとの間隔Ａ）とを変えて熱膨張時の弁座３２の変位量をシミュレーションによって求めたところ、図７に示すような結果が得られた。
図７の縦軸は弁座３２の変位量を示し、横軸はキャビティ２１の深さを示す。弁座３２の変位量は、０より上側すなわちプラス側となると、弁座３２が膨張以前よりも取付面２２側に変位することを示している。また、このシミュレーションは、ボルト座面１６ａの位置を第１位置～第５位置からなる５つの位置においてそれぞれ実施した。第１位置～第５位置のうち、第１位置は、取付面２２に最も近い（間隔Ａが最も短い）位置で、第２位置～第５位置は、間隔Ａが順次大きくなるように第１位置から離れた位置である。

図７から分かるように、ボルト座面１６ａ位置が太線で示すように第１位置にある場合は、キャビティ２１の深さがＢ１であるときに弁座３２の変位量が０になり、キャビティ２１の深さがＢ１より大きくなることによって、弁座３２が取付面２２より離間するように変位する。
ボルト座面１６ａ位置が破線で示すように第２位置にある場合は、キャビティ２１の深さがＢ１より深いＢ２であるときに弁座３２の変位量が０になり、キャビティ２１の深さがＢ２より大きくなることによって、弁座３２が取付面２２より離間するように変位する。
ボルト座面１６ａ位置が二点鎖線で示すように第３位置にある場合は、キャビティ２１の深さがＢ２より深いＢ３であるときに弁座３２の変位量が０になり、キャビティ２１の深さがＢ３より大きくなることによって、弁座３２が取付面２２より離間するように変位する。

熱膨張時に弁座３２の変位量が０であると、ダイアフラム３３の熱膨張により弁体３４が変位することによって開度が小さくなってしまう。このため、弁座３２の変位量は、０より下側、すなわちマイナス側となるように設定する必要があり、弁体３４の変位量との差が予め定めた許容範囲に入ることによって、熱膨張時の開度変化を少なく抑えることが可能になる。弁座３２の変位量と弁体３４の変位量との差が予め定めた許容範囲に入るようにするためには、キャビティ２１の深さとボルト座面１６ａ位置とを図７中に示す範囲Ｃに入るように設定することによって実現可能である。

この実施の形態によるダイアフラムバルブ１においては、バルブボディ２の熱膨張により弁座３２が変位する方向と、ダイアフラム３３の熱膨張により弁体３４が変位する方向とが同一方向であるから、流体温度または外気温が上昇した後に弁体と弁座との間隔が狭くなる従来のダイアフラムバルブと較べると、弁体３４と弁座３２の隙間の変化が小さく抑えられる。このため、この実施の形態によれば、流体温度または外気温の上昇に伴う熱膨張の影響を受け難いダイアフラムバルブを提供することができる。

この実施の形態によるダイアフラムバルブ１においては、弁座３２に対して弁体３４が接離する方向である開閉方向において、固定用ボルト３によってバルブボディ２がボンネット４に向けて押される押圧位置であるボルト座面１６ａと取付面２２との間隔Ａは、弁座３２と取付面２２との間隔Ｂより短い。
このため、バルブボディ２が熱膨張を起こしたときの弁座３２の変位量を間隔Ａと間隔Ｂとに基づいて高い精度で求めることができる。

また、この実施の形態によるダイアフラムバルブ１においては、バルブボディ２の熱膨張により弁座３２が変位する際の変位量と、ダイアフラム３３の熱膨張により弁体３４が変位する際の変位量との差が予め定めた許容範囲に入るように構成されている。このため、熱膨張時の開度変化が０となるか、０ではなくても無視できるように小さくすることができるから、温度が上昇したときに流体の流量の精度が高いダイアフラムバルブを提供することができる。

この実施の形態によるダイアフラムバルブ１のバルブボディ２とダイアフラム３３とは、それぞれ樹脂材料によって形成されている。このため、バルブボディ２とダイアフラム３３を形成する材料として例えばフッ素樹脂などの耐腐食性が高い樹脂材料を使用することができるから、腐食性を有する流体が流れるダイアフラムバルブにおいて、温度上昇時の開度変化を最小に抑えることが可能になる。

上述した実施の形態においては、ボルト座面１６ａがバルブボディ２の切り欠き１５の中に露出する例を示した。しかし、本発明はこのような限定にとらわれることはなく、ボルト座面１６ａがバルブボディ２内に隠れるような構成を採ることができる。この場合は、バルブボディ２に固定用ボルト３の頭部３ａが挿入されるように座繰りとなる穴を切り欠き１５の代わりに形成し、この穴と貫通孔２３との境界にボルト座面１６ａを形成する。

また、上述した実施の形態においては、固定用ボルト３がボンネット４にねじ込まれる例を示した。しかし、本発明は、このような限定にとらわれることはなく、固定用ボルト３をボンネット４側からバルブボディ２のねじ孔にねじ込んでバルブボディ２にボンネット４を固定する構成を採ることができる。この場合、「固定用ボルトによってバルブボディがボンネットに向けて押される押圧位置」は、バルブボディ２のねじ孔に螺着された固定用ボルト３の先端の位置となる。

１…ダイアフラムバルブ、２…バルブボディ、３…固定用ボルト、４…ボンネット、５…アクチュエータ、１６ａ…ボルト座面（押圧位置）、２２…取付面、３１…上流側通路孔（通路孔）、３２…弁座、３３…ダイアフラム、３４…弁体、３６…流体通路、４５…プラグ、Ａ，Ｂ…間隔。

Claims (4)

1. 流体通路を有しかつ前記流体通路の一部となる通路孔が開口する弁座を有するバルブボディと、
   前記弁座に着座することにより前記通路孔を閉塞する弁体が一端部に設けられるとともに他端部にプラグが設けられたダイアフラムと、
   前記ダイアフラムの前記プラグに連結され、前記弁座に対して前記弁体が接離する方向である開閉方向に前記ダイアフラムを駆動するアクチュエータと、
   前記バルブボディに固定用ボルトによって固定されて前記アクチュエータを支持するボンネットとを備え、
   前記バルブボディの熱膨張により前記弁座が変位する方向と、
   前記ダイアフラムの熱膨張により前記弁体が変位する方向とが同一方向であることを特徴とするダイアフラムバルブ。
2. 請求項１記載のダイアフラムバルブにおいて、
   前記バルブボディは、前記固定用ボルトが締め込まれることにより前記ボンネットが密着する取付面を有し、
   前記固定用ボルトは、前記開閉方向に延び、
   前記開閉方向において、前記固定用ボルトによって前記バルブボディが前記ボンネットに向けて押される押圧位置と前記取付面との間隔は、前記弁座と前記取付面との間隔より短いことを特徴とするダイアフラムバルブ。
3. 請求項１または請求項２記載のダイアフラムバルブにおいて、
   前記バルブボディの熱膨張により前記弁座が変位する際の変位量と、
   前記ダイアフラムの熱膨張により前記弁体が変位する際の変位量との差が予め定めた許容範囲に入っていることを特徴とするダイアフラムバルブ。
4. 請求項１～請求項３のいずれか一つに記載のダイアフラムバルブにおいて、
   前記バルブボディと前記ダイアフラムとは、それぞれ樹脂材料によって形成されていることを特徴とするダイアフラムバルブ。

Images