JPWO2014016881A1 - 流体機器用のダイアフラム構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 可動体の十分なストロークを実現しながら、長時間の使用に耐える耐久性を備えたダイアフラム構造を提供すること。【解決手段】 流体室２と流体を進入させないエリア１１とを区画するダイアフラム１０は、本体１内に組み込んだ可動体７の移動方向である軸線方向に伸びるとともに、一端を上記可動体に固定した円筒膜部１０ｂと、この円筒膜部１０ｂの他端に連続するとともに、上記軸線を中心にした円周方向に広がる外端側を上記本体に固定した環状膜部１０ｄとを備え、円筒膜部の軸方向の長さＬ１≧０．５×環状膜部の半径方向の長さＬ２とし、上記可動体７が移動したとき、上記円筒膜部１０ｂが上記環状膜部１０ｄと一体となって撓む構成にした。【選択図】 図１

Description

この発明は、ダイアフラムバルブや、ダイアフラムポンプなどの流体機器用のダイアフラム構造に関する。

半導体、液晶、医薬、食品の製造設備などの流体システムにおいては、外界からの不純物や微生物の侵入や外界への危険薬液等の漏洩を防止するために高度の気密性が要求される。そのため、バルブの弁体やポンプのピストンなどの可動体を有する流体機器では、その可動体と本体との間を確実にシールするため、ダイアフラムが用いられる。
ダイアフラムは、柔軟性を備えた膜部材であって、可動体と本体との間に設けられ、可動体の移動に伴って変形しながら可動体と本体の間のシール性を維持するものである。
例えば、ダイアフラムバルブの場合、ダイアフラムは流路の開閉のために往復動する弁体とバルブ本体との間に設けられる。

このようなダイアフラムバルブのダイアフラム構造としては、接続配管の断面積と同等以上の流路面積を得るための十分なストロークと、上記弁体の繰り返しの往復動や流体圧による変形によっても劣化しない耐久性とが求められる。
例えば、特許文献１の図４に記載された従来のダイアフラムバルブでは、ダイアフラムの水平部だけが変形する構成なので、弁体のストロークは水平部の変形量で限定され、十分なストロークが得られない。
また、上記ダイアフラムの直径が大きくなると受圧面積が大きくなり、圧力に抗して可動体を移動させるときの駆動力を大きくせざるを得ない。

一方、特許文献２では、ダイアフラムの応力集中を避けるために、水平部に連続する鉛直部を設けているが、この鉛直部をシャフトに常時接触させ、撓みを阻害している。
従って、この場合にも、弁体のストロークには水平部の変形のみが寄与することになる。
さらに、上記特許文献１（図４）及び特許文献２以外のダイアフラム構造において、受圧面積を小さくしながら長い膜長を実現するものとして、特許文献１の図１のようにダイアフラムの水平部を山形にしたり、波状にしたりしたものも知られている。

特開平０９−２１７８４５号公報（図１、図４） 特開２００６−１６２０４３号公報

上記特許文献１（図４）や特許文献２のダイアフラム構造では、水平部の変形のみが弁体のストロークに寄与する構成なので、十分なストロークが確保できないという問題があった。
また、水平部の変形だけで、弁体の十分なストロークを実現しようとすれば、ダイアフラムの水平部の膜長を長くする必要があり、そのため直径を大きくする必要がある。ダイアフラムの直径を大きくすれば、当然のこととして機器全体が大型化してしまうという問題が発生する。
さらに、ダイアフラムの水平部を山形にしたり、波状の部分を形成したりしたものは、山や波の凹み部分の洗浄が困難であったり、そこにエアがたまったりする問題があった。

この発明の目的は、応力の集中を避けながら、弁体などの可動体の十分なストロークを実現し、しかも、エアだまりなどができず、小型化も実現できる流体機器用のダイアフラム構造を提供することである。

第１の発明は、本体内に軸線方向に移動する可動体を組み込み、この可動体と本体との間にダイアフラムを設け、このダイアフラムで本体内を、流体室と流体を進入させないエリアとに区画する流体機器用のダイアフラム構造であって、上記ダイアフラムは、上記軸線方向に伸びるとともに一端を上記可動体に固定した円筒膜部と、この円筒膜部の他端に連続するとともに、上記軸線を中心にした円周方向に広がる外端側を上記本体に固定した環状膜部とを備えるとともに、上記円筒膜部の軸方向の長さＬ１と上記環状膜部の半径方向の長さＬ２との寸法関係をＬ１≧０．５×Ｌ２とし、上記可動体が移動したとき、上記円筒膜部が上記軸線方向に直交する方向、すなわち内径側あるいは外径側に弾性変形しながら、上記環状膜部と一体となって撓み変形する構成にしたことを特徴とする。

なお、上記円筒とは、蛇腹などひだを形成したものを含まない概念である。但し、完全な円筒だけでなく、上下の直径に多少の差があるものは含むものとする。つまり、上下の底面形状及び大きさが近い筒状であって、その側面に意識的にひだや段などを形成していない形状のことである。

第２の発明は、上記円筒膜部との間に所定の隙間を保って上記円筒膜部と同心円状に設けたサポート部材を備え、上記サポート部材は、上記円筒膜部が内径側あるいは外径側に弾性変形して、その変形量が上記隙間の大きさに達したとき、上記円筒膜部に接触して、上記円筒膜部の内径側あるいは外径側への弾性変形量を制限する構成にしたことを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明を前提とし、上記円筒膜部に沿って円筒膜部と同心円状に設けた弾性材からなるサポート部材を備え、上記サポート部材は、内径側あるいは外径側に弾性変形する上記円筒膜部に接触して上記円筒膜部とともに弾性変形し、上記円筒膜部の内径側あるいは外径側への弾性変形量を制限する構成にしたことを特徴とする。
なお、上記弾性材からなるサポート部材と上記円筒膜部との接触には、円筒膜部が円筒状態において接触する場合と、円筒膜部が内径あるいは外径方向に変形した結果において接触する場合とを含むものとする。

第４の発明は、上記環状膜部の外端側に、上記軸方向に伸びる円筒状の保持用膜部を、流体を進入させない上記エリア側に設け、この保持用膜部と上記環状膜部との連続部分をシール部とするとともに、上記保持用膜部を本体の内壁との間で挟持する筒部を備えた押さえ部材を設け、上記押さえ部材の筒部の先端と本体との間で上記シール部を移動可能に押さえ付けたことを特徴とする。

第１の発明では、可動体が移動したとき、環状膜部と円筒膜部とが一体となって撓むので、例えば環状膜部のみが撓む場合と比べて、可動体のストロークを大きくすることができる。また、環状膜部と円筒膜部とが一体となって撓むので、応力が分散され、応力集中を避けることができる。このように応力の集中を避けることができるので、ダイアフラムの耐久性を向上させることができる。
さらに、ストロークを大きくするために環状膜部を山形や、波状に形成する必要がないので、山や波の凹み部分の洗浄が困難であったり、そこにエアがたまったりするような問題が発生しない。

また、可動体のストロークを確保するために、環状膜部の直径を大きくしなくてもよいので、ダイアフラム構造全体が大きくならず、流体機器が大型化することもない。
さらに、環状膜部の直径を小さくして受圧面積を小さくできるので、環状膜部に作用する圧力に抗した方向の駆動力を小さくでき、駆動機構を小型化できる。

第２の発明によれば、円筒膜部の周囲に、隙間を保ってサポート部材を設けたので、ダイアフラムの円筒膜部に圧力が作用したとき、過大な変形を防止しつつ、内径あるいは外形方向への弾性変形を供する自由な弾性変形も許容できる。従って、高圧下においても円筒膜部は環状膜部と一体となって撓むことができる。しかも、円筒膜部が、例えば弾性限界を超えるような過大な変形によって破損することも防止できる。

第３の発明によれば、弾性材からなるサポート部材を設けたので、ダイアフラムの円筒膜部に圧力が作用したとしても、過大な変形を防止しつつ、自由な弾性変形も許容できる。従って、高圧下においても円筒膜部は環状膜部と一体となって撓み変形することができるとともに、耐久性も維持できる。

第４の発明によれば、押さえ部材によって本体に押し付けられたシール部が移動可能に構成されているため、環状膜部に過大な張力が発生したときには、シール部が保持用膜部と一体的に環状膜部側へ移動する。これにより、過大な張力が一か所に集中することがなくダイアフラムが損傷することがない。

図１は第１実施形態の断面図で、閉弁状態を示している。 図２は図１の部分拡大図である。 図３は第１実施形態の断面図で、開弁状態を示している。 図４は第２実施形態の断面図で、閉弁状態を示している。 図５はサポート部材を備えていない場合のダイアフラムの変形を示した模式図である。 図６は第２実施形態のサポート部材を備えた場合のダイアフラムの変形を示した模式図である。 図７は金属製のサポート部材を備えた場合のダイアフラムの変形を示した模式図である。 図８は試験１の結果を示した表である。 図９は試験２の結果を示した秒である。

図１〜３にこの発明のダイアフラム構造を用いた第１実施形態のダイアフラムバルブを示す。図１は閉弁時の断面図であり、図３は開弁時の断面図である。
この第１実施形態のダイアフラムバルブは、本体１に流体室２を形成するとともに、この流体室２に接続した第１流路３及び第２流路４が設けられている。
上記本体１は、上記第１流路３を接続した第１本体部１ａと、第２流路４を接続した第２本体部１ｂとからなり、これら両本体部１ａ，１ｂをクランプ部材５で連結して構成されている。

また、本体１であって、上記流体室２と第２流路４との境にシート部６を形成し、このシート部６を可動体である弁体７が開閉する構成にしている。
上記弁体７にはシャフト８が一体的に形成され、このシャフト８には連結部材９を介して図示しない駆動機構が連結されている。この駆動機構によって上記弁体７を、軸線方向に往復移動可能にしている。そして、上記弁体７の移動方向及びシャフト８の軸線に沿った方向がこの発明の軸線方向である。

さらに、弁体７と本体１にはダイアフラム１０を固定し、このダイアフラム１０によって上記流体室２と、後で説明するダイアフラム１０の円筒膜部１０ｂ内に形成され、流体を進入させないエリア１１とを区画している。
上記ダイアフラム１０は、中央に上記シャフト８を貫通させる孔を形成した樹脂製の膜部材である。このダイアフラム１０の材質は特に限定されないが、柔軟性及び強度を兼ね備えたポリテトラフルオロエチレンなどを用いることができる。

そして、このダイアフラム１０は、他の部分の膜厚よりも厚みを厚くした一方の端部１０ａが弁体７の上面に形成した凹部７ａに固定されるとともに、この端部１０ａに連続した筒状の円筒膜部１０ｂと、この円筒膜部１０ｂの他端に連続し、シャフト８の軸心を中心とする円周方向に広がる環状膜部１０ｃと、この環状膜部１０ｃの外端側であって傾斜面からなるシール部１０ｄと、さらにこのシール部１０ｄの外周から上記軸線方向に伸びる円筒状の保持用膜部１０ｅと、保持用膜部１０ｅの上端で軸心に向かって突出した固定用凸部１０ｆとを備えている。
なお、上記したダイアフラム１０の各部分の形状及び位置関係は、図１に示す閉弁時におけるものである。また、図１に示す状態は、上記流体室２内の流体圧がそれほど高くない状態である。

そして、上記端部１０ａは、上記弁体７の凹部７ａ内でシャフト８の外周に嵌めたリング部材１２と筒部材１３とによって固定されている。上記筒部材１３はその内周に、シャフト８の外周に形成された雄ねじにかみ合う雌ねじを形成した部材である。この筒部材１３をシャフト８の外周にねじ止めすることによって、上記リング部材１２が弁体７へ押し付けられ、このリング部材１２と弁体７とによってダイアフラム１０の上記端部１０ａを保持している。
但し、上記ダイアフラム１０は弁体７と一体的に形成されていてもかまわない。

そして、上記保持用膜部１０ｅの先端に形成された固定用凸部１０ｆは、上記第１本体部１ａの開口付近に挿入された押さえ部材１４によって保持され、本体１に固定されることになる。つまり、この固定用凸部１０ｆを設けた保持用膜部１０ｅは、本体１に固定される上記環状膜部１０ｄの外端側を構成する。なお、環状膜部１０ｄの外端側は、上記シール部１０ｃ、上記保持用膜部１０ｅ及び保持用凸部１０ｆで構成される。
また、上記押さえ部材１４は、円板部１４ａと、図中下方へ突出した筒部１４ｂとを備え、この筒部１４ｂ内に上記流体を進入させないエリア１１が形成される。

さらに、この押さえ部材１４は、上記筒部１４ｂの外周に形成した環状の保持凹部１４ｃと、筒部１４ｂの先端の押圧部１４ｄとを備えている。
そして、上記保持凹部１４ｃに、ダイアフラム１０の上記固定用凸部１０ｆを嵌め込んで保持するとともに、上記筒部１４ｂと第１本体部１ａの内壁とによって上記保持用膜部１０ｅを挟持している。

なお、図中符号１ｃは、第１本体部１ａの内壁から軸心に向かって突出する環状のシール用凸部であり、このシール用凸部１ｃの斜面に対し、上記押さえ部材１４の押圧部１４ｄがダイアフラム１０のシール部１０ｄを押し付けている。なお、上記シール用凸部１ｃは軸線方向に対して傾斜した斜面を備え、上記シール部１０ｄが移動しやすいようにしているが、この斜面は平坦面だけでなく、曲面であってもよい。
上記押圧部１４ｄは、図２の部分拡大図に示す通り、その先端に上記シール用凸部１ｃの斜面に沿った斜面１４ｆが形成されるとともに、軸心側には弧面１４ｇを形成している。そして、上記シール部１０ｃは上記斜面１４ｅとシール用凸部１ｃとで挟持される。

また、上記押圧部１４ｄにおいて軸心側に弧面１４ｇを形成しているので、後で説明する図３のように、ダイアフラム１０が上記流体を侵入させないエリア１１側へ変形して押圧部１４ｄに押し付けられたときにも、とがった角などが接触する場合と違ってダイアフラム１０に屈曲跡を残したり、破損したりすることがない。
さらに、上記押さえ部材１４の円板部１４ａと第２本体部１ｂとの間には、板バネ１５を設け、この板バネ１５の弾性力によって上記押圧部１４ｄがダイアフラム１０のシール部１０ｄをシール用凸部１ｃの斜面上に適度な押圧力で押し付けている。

このように、ダイアフラム１０によって上記流体室２と上記エリア１１とが区画され、シールされているので、本体１の外部から流体室２内に異物などが混入することがない。
なお、上記板バネ１５の弾性力は、上記流体室２と上記エリア１１との間を確実に遮断する押しつけ力に対応するものであるが、上記環状膜部１０ｃの張力が大きくなったときには、上記シール部１０ｄが上記シール用凸部１ｃ上を移動可能にする大きさに設定されている。

また、上記押さえ部材１４には、流体を進入させないエリア１１に連通する貫通孔１４ｅを形成するとともに、第１本体部１ａには、上記貫通孔１４ｅと連通する貫通孔１ｄを形成している。これら貫通孔１４ｅ及び１ｄによって、上記エリア１１と本体１の外部とを連通させている。そして、上記ダイアフラム１０が破損した場合の流体の漏れを、貫通孔１ｄを介して本体１の外部から検出できるようにしている。

上記のように構成した第１実施形態のダイアフラムバルブは、シャフト８に連係した図示しない駆動機構が作動して弁体７を軸線方向に移動させる。
弁体７が移動し、図１に示す閉弁状態から図３に示す開弁状態になると、ダイアフラム１０が変形するが、このとき、ダイアフラム１０は円筒膜部１０ｂと環状膜部１０ｃとが一体となって撓む。

図１に示すように、上記円筒膜部１０ｂの軸線方向の長さをＬ１、環状膜部１０ｃの半径方向の長さをＬ２とすれば、弁体７の移動に追従して撓む部分の長さはＬ１＋Ｌ２となる。このように、ダイアフラム１０において撓み変形可能な部分の長さが長くなるため、弁体７の十分なストロークに追従することが可能である。また、撓み変形する部分の長さが長いので、変形時にダイアフラム１０に過大な応力が発生することがない。しかも、上記長さＬ１＋Ｌ２が一体となって撓み変形する際に、上記円筒膜部１０ｂと環状膜部１０ｃとの間の湾曲部分が移動するので、特定の箇所が大きく屈曲することがない。従って、応力が集中する部分ができない。

上記のように、この第１実施形態では、弁体７が移動したときに、環状膜部１０ｃだけでなく、円筒膜部１０ｂが環状膜部１０ｃと一体的に撓み変形する構成にしているので、環状膜部１０ｃの面積を小さくしても、弁体７のストロークを十分に確保できる。
仮に、円筒膜部１０ｂの長さＬ１がほとんどないようなダイアフラム構造では、環状膜部１０ｃのみが弁体７のストロークに伴って撓むことになるため、環状膜部１０ｃの直径を大きくしなければ十分なストロークを確保することは難しい。また、無理にストロークさせた場合、環状膜部１０ｃに発生する応力が大きくなる。その結果、ダイアフラム１０の耐久性が落ちてしまうことが予測されるが、この第１実施形態のように十分な長さの円筒膜部１０ｂを備えていれば、そのようなことはない。

なお、円筒膜部１０ｂの長さＬ１を長くすれば、それだけ円筒膜部１０ｂが撓みやすくなるので、その分、環状膜部１０ｃの半径方向の長さＬ２を小さくしてもダイアフラム１０に局所的に発生する応力を小さくすることができる。
但し、円筒膜部１０ｂの軸方向長さを長くすれば、本体１の軸方向長さも長くしなければならないため、結果として流体機器全体の軸方向長さも長くなってしまう。そのため、円筒膜部１０ｂをやたら長くすることは現実的ではなく、使用条件などに応じた最適な長さを設定する必要がある。

以上のように、この第１実施形態のダイアフラム１０は、円筒膜部１０ｂを備えることによって環状膜部１０ｃを小さくすることができる。そして、環状膜部１０ｃの面積が小さければ、流体室２から上記エリア１１方向へ作用する力も小さくなるので、この第１実施形態では、弁体７を閉弁させる際の抗力が小さくなって閉弁方向へのシャフト８の駆動力は小さくて足りる。そのため、駆動機構の小型化も可能である。

また、この第１実施形態のダイアフラム構造では、受圧面積を小さくすることによって環状膜部１０ｃが受ける流体圧を小さくできるので、環状膜部１０ｃに接触して圧力を受けるバックアップ部材を設ける必要がない。
つまり、この第１実施形態では、ダイアフラム１０の環状膜部１０ｃのみで流体圧を受けたとしても、その圧力によって環状膜部１０ｃの特定箇所を劣化させることはなく、耐久性を維持できるため、環状膜部１０ｃに作用する流体圧を受けるためのバックアップ部材を設けていない。
バックアップ部材を設け、環状膜部１０ｃがバックアップ部材に対して接触、離反を繰り返した場合には、摩耗などの問題も発生するが、この第１実施形態のようにバックアップ部材が不要になれば、そのような問題も発生しない。

しかも、上記押し付け部材１４の筒部１４ｂ内を流体が侵入しないエリア１１とし、筒部１４ｂの先端の押圧部１４ｄでダイアフラム１０のシール部１０ｄを押さえているので、上記エリア１１側へ変形したダイアフラム１０が、連結部材９や押し付け部材１４の円板部１４ａなどに接触することもない。つまり、ダイアフラム１０は他部品との接触による磨耗なども発生しない。

また、上記したように、この第１実施形態では、上記シール部１０ｄが板バネ１５の弾性力によってシール用凸部１ｃに押しつけられている。そして、上記バネ部材１５の弾性力を、環状膜部１０ｃの張力が大きくなった時に、上記シール部１０ｄが移動可能な大きさに設定している。このように、シール部１０ｄが移動可能に構成されていることによって、ダイアフラム１０に発生する応力が全体に分散され、環状膜部１０ｃと保持用膜部１０ｅとの連続部分であるシール部１０ｄに応力が集中しないようにできる。

さらに、上記したようにシール部１０ｄは斜面に押圧されているため、上記環状膜部１０ｃの張力によって移動しやすくなっている。シール部１０ｄが移動すれば、シール部１０ｄの周囲に応力が集中することはない。
また、上記押さえ部材１４の先端には弧面１４ｇを形成しているので、図３に示す状態でシール部１０ｃが弧面１４ｇに押し付けられたとしても、ダイアフラム１０がダメージを受けにくい。

図４に示す第２実施形態は、ダイアフラム１０の円筒膜部１０ｂの内側に、ゴム製のサポート部材２０を設けたダイアフラムバルブである。上記サポート部材２０を設けた以外は、図１に示す第１実施形態と同様の構成である。そこで、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を用い、同じ構成要素についての詳細な説明は省略するものとする。なお、図４は弁体７がシート部６にシートした閉弁状態を示す図である。

上記サポート部材２０は、円筒膜部１０ｂの内側に設け、円筒膜部１０ｂとシャフト８の外周との間に設けたゴム製の筒状部材である。そして、この第２実施形態では、シャフト８に連結した連結部材９の下方に筒部９ａを形成してこれをシャフト８の外周に設け、この筒部９ａの端部と上記リング部材１２との間に上記サポート部材２０をはめ込んでいる。そして、上記サポート部材２０の軸心を円筒膜部１０ｂの軸心と一致させている。つまり、上記サポート部材２０は、円筒膜部１０ｂに沿った同心円状に設けられている。

そして、サポート部材２０はその軸方向長さを、上記円筒膜部１０ｂの軸方向長さとほぼ等しくしている。
また、この第２実施形態では、上記流体室２内の圧力はそれほど高くなく、円筒膜部１０ｂが円筒状を保っている状態で、円筒膜部１０ｂの内周が上記サポート部材２０の外周に接触するようにしている。

この第２実施形態のダイアフラムバルブも、通常の使用状態で弁体７が軸線方向に移動したとき、ダイアフラム１０が図３に示す第１実施形態と同様に変形する。
すなわち、第２実施形態においても、円筒膜部１０ｂと環状膜部１０ｃとが一体となって撓み変形するダイアフラム構造を備えている。そのため、弁体７の十分なストロークを確保しながら、環状膜部１０ｃの面積を小さくできる。

この第２実施形態では、円筒膜部１０ｂとシャフト８との間にゴム製のサポート部材２０を設けているが、このサポート部材２０は円筒膜部１０ｂに高圧が作用したときに、上記円筒膜部１０ｂとともに弾性変形しながら円筒膜部１０ｂの変形量を制限する機能を備えている。この機能について、図５〜７の模式図を用いて説明する。

図５は、上記第１実施形態のようにサポート部材２０を備えずに、円筒膜部１０ｂの内側に隙間が形成されている場合のダイアフラム１０の変形を示した図、図６はサポート部材２０を備えた第２実施形態のダイアフラム１０の変形を示した図、図７は上記サポート部材２０に替えて剛性が高くほとんど弾性変形しない金属製のサポート部材３０を設けた場合のダイアフラム１０の変形を示した図である。

なお、図５〜７では、ダイアフラム１０を弁体７に固定するための筒部材１３は省略している。
また、図５〜７において、破線は、閉弁状態であり、流体室２に高圧が作用していない状態でのダイアフラム１０の状態を示したものである。
そして、弁体７が移動し、ダイアフラム１０の端部１０ａが矢印のように移動したときのダイアフラムの形状を太線で示している。なお、図中、移動前後の上記端部１０ａの位置を、それぞれ白丸と黒丸で示している。

図５に示したサポート部材を備えていない場合、高い流体圧が円筒膜部１０ｂに作用すると、円筒膜部１０ｂは太実線のようにシャフト８側へ撓み、特にＡ部分が、円筒の直径が小さくなる方向、すなわち内径側に凹むように変形する。このＡ部分には、流体圧による内径側への変形による張力とともに、環状膜部１０ｃ側への張力も作用している。このような変形が繰り返されることによって上記Ａ部分に内径側に凹んだくびれ状の変形跡が残ることがある。
但し、流体圧が低く、シャフト８側への変形量が小さければ上記Ａ部分に内径側へ凹んだくびれ状の変形跡は残らない。

一方、流体圧がさらに高くなり、図５の太い二点鎖線で示すように変形量が大きくなれば、部分Ｂに作用する応力はさらに大きくなり、くびれ状の変形跡が残るだけでなくＢ部分が劣化したり、破損したりしてしまうこともある。上記のようなくびれ状の変形跡が残るということは、ダイアフラム１０の弾性限界を超えるような大きな変形が起こったということである。

これに対し、ゴム製のサポート部材２０を円筒膜部１０ｂの内側に設けた図６に示す場合に、円筒膜部１０ｂの外周に高圧が作用すると、円筒膜部１０ｂとともにサポート部材２０も弾性変形する。サポート部材２０が変形する箇所は、円筒膜部１０ｂが最も変形しやすい箇所であるが、サポート部材２０が設けられていない場合と比べてその変形量は小さくなることは当然である。
そのため、サポート部材２０を設ければ、高圧が作用したとしても円筒膜部１０ｂの径方向の変形量を制限することができる。そのため、円筒膜部１０ｂに応力が集中することを緩和でき、ダイアフラム１０の劣化を防止できる。

さらに、円筒膜部１０ｂはサポート部材２０とともに変形するため、上記環状膜部１０ｃの変形に追従可能で、環状膜部１０ｃと円筒膜部１０ｂとが一体となって撓む構成は維持される。従って、流体圧が高圧になったとしても、弁体７のストローク量は確保される。
なお、図４に示す第２実施形態では、円筒膜部１０ｂが弾性変形していない状態で、サポート部材２０が円筒膜部１０ｂの内周に接触するように構成しているが、弾性変形していない円筒膜部１０ｂとサポート部材２０との間に隙間が保たれるようにしてもよい。
このような隙間を設けたとき、円筒膜部１０ｂは上記隙間の範囲では自由に弾性変形するが、変形量が上記隙間の大きさに達した時点で、弾性材からなるサポート部材２０に接触し、サポート部材２０とともに弾性変形し、結果として弾性変形量が制限されることになる。

また、図７に示すように上記円筒膜部１０ｂの内側に接触させて金属製のサポート部材３０を設けた場合、高い流体圧が作用すると、円筒膜部１０ｂはサポート部材３０の外周に押し付けられる。サポート部材３０は変形しないため、円筒膜部１０ｂにおいてサポート部材３０に押し付けられた部分は固定化され、環状膜部１０ｃと一体となって撓む部分の長さが短くなってしまう。その結果、環状膜部１０ｃの直径を小さくするとストローク量を確保しにくくなったり、特定の部分に応力が集中してしまったりする。
特に、サポート部材３０に押し付けられ円筒膜部１０ｂが、環状膜部１０ｃ側へ引っ張られて、サポート部材３０から離れるポイントＣには応力が集中する。

以下に、上記第１、第２実施形態のダイアフラムバルブについて行なった試験を説明する。
試験１は、第１実施形態のダイアフラム１０について、円筒膜部１０ｂの長さＬ１を変化させて、上記連結部材９に連結した図示しない駆動機構の軸推力の変化を確認するものである。
<試験１>
この試験条件は、次の通りである。
ダイアフラム１０の外径を５７．５ｍｍ、環状膜部１０ｃの半径方向の長さＬ２＝１２ｍｍとし、円筒膜部１０ｂの長さＬ１を４ｍｍ、６ｍｍ、１２ｍｍの３種類とする。
そして、流体圧を作用させずに、上記駆動機構によって上記弁体７を、全閉状態からフルストローク位置まで移動させるときに必要な軸推力を測定した。なお、上記フルストロークとは、配管の断面積と同等以上の流路面積を得ることができるストロークで、ここでは１２ｍｍである。

試験結果は、図８に示す通りであり、Ｌ１が長くなるにしたがって必要な軸推力が小さくなっている。
上記軸推力は、弁体７を移動させるとともにこの弁体７に連結したダイアフラム１０を変形させるための力である。そして、上記円筒膜部１０ｂが環状膜部１０ｃと一体となって撓む場合、円筒膜部１０ｂの長さＬ１が長ければ長いほど、環状膜部１０ｃと一体となった膜部の長さが長くなって撓みやすくなるため、上記軸推力が小さくて足りるものと考えられる。
つまり、上記円筒膜部１０ｂの長さを長くすると、必要な軸推力が小さくなるというこの試験１の結果から、上記弁体７が移動したとき、上記円筒膜部１０ｂが、環状膜部１０ｃと一体的に撓んでいることが確認できた。

次に、上記サポート部材２０の効果を確認する試験２について説明する。
〈試験２〉
この試験条件は、次のとおりである。
ダイアフラム１０の外径を５７．５ｍｍ、環状膜部１０ｃの半径方向の長さＬ２＝１２ｍｍとし、円筒膜部１０ｂの長さＬ１を４ｍｍ、６ｍｍ、１２ｍｍ、１６ｍｍとする。
そして、弁体７をシート部６に押し付け、ダイアフラム１０全体に高圧ポンプを用いて１．６ＭＰａの流体圧を一定時間加え、その後、分解してダイアフラム１０の変形状態を確認した。
なお、上記１．６ＭＰａは、通常のダイアフラムバルブの使用条件よりも高圧である。

また、ゴム製のサポート部材２０を備えた第２実施形態のダイアフラムバルブと、サポート部材を備えていない第１実施形態のダイアフラムバルブのほか、金属製のサポート部材３０（図７参照）を備えたダイアフラムバルブについても、上記した条件で試験を行なった。

この試験２の結果は図９に示すとおりである。
サポート部材２０を備えていないもの、すなわち上記第１実施形態のダイアフラム構造では、円筒膜部１０ｂの長さＬ１＝４ｍｍで、円筒膜部１０ｂと環状膜部１０ｃとの連続部分にくびれたような変形が残り、白化していた。この部分は、図５のＢ部分に相当し、高圧によって内径側へ大きく変形し、部分的に弾性限界を超える変形があったことが推測できる。特に、円筒膜部１０ｂの長さＬ１が短いため、大きな張力が作用し、応力が集中した箇所が変質したことを表わす白化が起こっている。この白化は、破壊の前兆と考えられる。

一方、長さＬ１が６ｍｍ以上では上記Ｂ部にわずかな変形が残っていたが、Ｌ１＝４ｍｍのような白化もなく、バルブとしての機能には全く問題はなかった。つまり、Ｌ１≧０．５×Ｌ２の場合には、過大な張力による応力集中が起こり難いことが分かった。

但し、Ｌ１＝１６ｍｍでは、円筒膜部１０ｂが撓んだときに、シャフト８に貼りついてしまうこともあった。円筒膜部１０ｂがシャフト８に貼りついて、貼りつきと剥離とを繰り返したり、一部が貼りついたまま張力が作用したりすれば、特定の箇所が疲労してしまう可能性もある。従って、今回の試験２では特に問題はなかったが、Ｌ１が長過ぎても上記のような問題が発生する可能性がある。また、Ｌ１をやたら長くすると、円筒膜部１０ｂが長くなることにより、設計上の不都合が生じてしまうこともある。十分なストロークのための撓みやすさを確保しながら、その他の様々な条件を考慮すると、Ｌ１はＬ２と同程度までが現実的であると考えられる。

また、図７に示すような金属製のサポート部材を用いた場合には、全てのＬ１で、ダイアフラム１０の円筒膜部１０ｂと環状膜部１０ｃとの連続部分が変質して白化していた。この部分は、図７に示すポイントＣに対応する部分である。金属製サポート部材３０に固定された部分と撓み変形する環状膜部１０ｃとの境界であるＣ部に応力が集中し、その部分が変質したものと考えられる。

これに対し、図４に示す第２実施形態のダイアフラム構造では、Ｌ１＝４ｍｍでは、Ｂ部の白化があったが、それ以外、すなわちＬ１≧０．５×Ｌ２では変形も白化もなかった。
つまり、ゴム製のサポート部材２０を備えていた場合でも、Ｌ１＝４ｍｍのように、Ｌ１が短い場合には、ダイアフラム１０の変形時に円筒膜部１０ｂに作用する単位長さあたりの張力が大きくなるため、応力が集中することになる。このような応力集中を避けるためには、Ｌ１≧０．５×Ｌ２を満足する必要がある。
また、上記第２実施形態のゴム製のサポート部材２０は、高圧が作用した円筒膜部１０ｂとともに弾性変形し、円筒膜部１０ｂの過大な変形を防止しつつ、自由な撓みも許容できるため、特定の箇所に過大な応力を集中させない機能を発揮する。

なお、上記第２実施形態では、サポート部材２０を円筒膜部１０ｂの全長にわたって設けているが、サポート部材２０の軸方向長さは、円筒膜部１０ｂの軸方向長さよりも短くてもかまわない。但し、サポート部材２０は、高圧が作用したとき、円筒膜部１０ｂにおいて変形量が大きくなる箇所に対応させて設けることが効果的である。
また、円筒膜部１０ｂの変形量の大きさや、最大変位箇所は、ダイアフラム１０の材質や、寸法、使用条件などによって異なるため、サポート部材２０を設ける位置は、上記諸条件に応じて設定する必要がある。
さらに、サポート部材２０は、流体圧によって円筒膜部１０ｂとともに変形可能な弾性材であれば、その材質はゴムにかぎらない。

また、上記サポート部材３０のように弾性変形しない金属製のサポート部材であっても、サポート部材と円筒膜部１０ｂの内周との間に所定の間隔を保つようにすれば、上記円筒膜部１０ｂの過大な変形を防止しながら、環状膜部１０ｃと円筒膜部１０ｂとの一体的な撓み変形を可能にすることができる。
上記円筒膜部１０ｂの内周とサポート部材との間に間隔があると、その隙間の範囲内で、円筒膜部１０ｂの内径側への弾性変形を可能にし、円筒膜部１０ｂと環状膜部１０ｃとが一体的に撓み変形することができる。しかも、流体圧が高圧になって円筒膜部１０ｂの内径側への変形量が上記隙間の大きさに達したときには、円筒膜部１０ｂの内周が金属製のサポート部材に接触して内径側への変形量が制限されることになる。その結果、応力集中を緩和することができる。

上記のように弾性変形しないサポート部材を用いる場合、サポート部材と円筒膜部１０ｂとの隙間は、円筒膜部１０ｂの変形量が弾性限界を超えない範囲で上記円筒膜部１０ｂとサポート部材とが接触する大きさに設定することが好ましい。このように隙間の大きさを設定すれば、円筒膜部１０ｂが弾性限界を超えて変形することがなく、ダイアフラム１０の劣化を防止することもできる。

また、専用のサポート部材を設ける代わりに、図１に示す第１実施形態の筒部材１３の外周と上記円筒膜部１０ｂとの隙間を適当に設定すれば、筒部材１３がこの発明のサポート部材の機能を兼ね、高圧が作用したときの円筒膜部１０ｂの弾性変形量を制限することができる。
但し、その場合には、上記筒部材１３の軸方向長さを図１に示すものよりも長くし、円筒膜部１０ｂの軸方向長さ以上にすることが好ましい。なぜなら、筒部材１３の軸方向長さが円筒膜部１０ｂよりも短いと、流体圧が高くなったとき円筒膜部１０ｂが筒部材１３の端部の角に押し付けられて傷つく可能性があるからである。

また、上記第１、第２実施形態のダイアフラムバルブを用いて、各ダイアフラム構造の耐久性を確認する試験３、４を行なったので、これらの試験について説明する。
〈試験３〉
この試験３は、サポート部材を備えていない第１実施形態と、サポート部材２０を備えた第２実施形態のダイアフラムバルブについて、以下の条件で行なった耐久性試験である。

この試験条件は、次のとおりである。
ダイアフラム１０の外径を７０ｍｍ、環状膜部１０ｃの半径方向の長さＬ２＝１６ｍｍとし、円筒膜部１０ｂの長さＬ１＝８ｍｍとする。上記長さＬ１、Ｌ２は、Ｌ１≧０．５×Ｌ２の条件を満足するものである。
そして、動作条件を、１５０℃、圧力０．６ＭＰａの加圧熱水下で、弁体７を連続で５０万回往復動させ、その後、ダイアフラム１０の状態を目視で確認した。上記往復動のストロークは、接続配管の断面積と同等以上の流路面積を得るためのストロークであり、ここでは１６ｍｍである。
この試験の結果、サポート部材のない第１実施形態のダイアフラム１０には、わずかな変形が見られたが、機能上は全く問題なかった。
また、ゴム製サポート部材２０を備えた第２実施形態のダイアフラム１０は、初期状態と比べて変化は見られなかった。

〈試験４〉
この試験４は、上記試験３と動作条件を変更した耐久性試験である。
この試験３の動作条件は、８０℃、圧力０．８ＭＰａの加圧温水下で弁体７を連続で１億回往復動し、その後、ダイアフラム１０の状態を目視で確認した。
この試験４では、第１、第２実施形態いずれのダイアフラム１０にも、初期状態と比べて変化は見られなかった。

上記第３、第４試験の動作条件は、一般的なダイアフラムバルブに要求される１０万回以上の弁体７の開閉回数や、ポンプに要求される１億回以上の往復動に対応したものであり、１５０℃の高温蒸気にさらされる滅菌仕様にも対応するものである。
以上のように、上記第１、第２実施形態のダイアフラム構造は、応力が集中しにくい構造であり、十分なストロークを満足しながら、高温高圧下における耐久性も満足することを確認できた。

なお、上記第１、第２実施形態は、ダイアフラムバルブを例に説明したが、上記ダイアフラム構造はバルブだけでなくポンプにも適用できる。
また、上記第１、第２実施形態では、ダイアフラム１０の円筒膜部１０ｂの外側を流体室２とし、内側を、流体を進入させないエリア１１としたが、円筒膜部１０ｂの内側を流体室とし、外側を、流体を進入させないエリアとすることもできる。
そして、円筒膜部１０ｂの内側を流体室とする場合には、流体圧は円筒膜部１０ｂを拡径する方向に作用し、円筒膜部１０ｂが外形側へ変形するので、サポート部材は円筒膜部の外周に沿わせて設ける必要がある。

また、円筒膜部１０ｂに沿って円筒膜部１０ｂと同心円状に設けるサポート部材としては、様々な形状のものを用いることができる。
円筒膜部１０ｂの内側に設けるサポート部材としては、円筒膜部１０ｂの内側面に対向する面が円筒膜部１０ｂと同心円状に設けられていればよく、第２実施形態のような円筒にかぎらない。例えば、円柱でもよいし、その外表面に凹凸が形成されていてもかまわない。

また、円筒膜部１０ｂの外側に設けるサポート部材は、円筒が適当であるが、円筒膜部１０ｂの外側面に対向する面が円筒膜部１０ｂの同心円状に設けられていればよく、円筒に限らない。
さらに、円筒膜部１０ｂの内側あるいは外側において、複数の部材を同心円上に連続的に配置することによってサポート部材を構成してもよい。

この発明のダイアフラム構造は、バルブやポンプなど、往復運動をする可動体の周囲を確実にシールするための構造を必要とする装置に利用できる。

１ 本体
２ 流体室
７ （可動体である）弁体
１０ ダイアフラム
１０ａ 端部
１０ｂ 円筒膜部
１０ｃ 環状膜部
１０ｄ シール部
１０ｅ 保持用膜部
１０ｆ 固定用凸部
１１ （流体を進入させない）エリア
１４ 押さえ部材
１４ｂ 筒部
１４ｃ 保持凹部
１４ｄ 押圧部
２０ サポート部材

Claims (4)

1. 本体内に軸線方向に移動する可動体を組み込み、この可動体と本体との間にダイアフラムを設け、このダイアフラムで本体内を、流体室と流体を進入させないエリアとに区画する流体機器用のダイアフラム構造であって、上記ダイアフラムは、上記軸線方向に伸びるとともに一端を上記可動体に固定した円筒膜部と、この円筒膜部の他端に連続するとともに、上記軸線を中心にした円周方向に広がる外端側を上記本体に固定した環状膜部とを備えるとともに、上記円筒膜部の軸方向の長さＬ１と上記環状膜部の半径方向の長さＬ２との寸法関係をＬ１≧０．５×Ｌ２とし、上記可動体が移動したとき、上記円筒膜部が上記軸線方向に直交する方向、すなわち内径側あるいは外径側に弾性変形しながら、上記環状膜部と一体となって撓み変形する構成にした流体機器用のダイアフラム構造。
2. 上記円筒膜部との間に所定の隙間を保って上記円筒膜部と同心円状に設けたサポート部材を備え、上記サポート部材は、上記円筒膜部が内径側あるいは外径側に弾性変形して、その変形量が上記隙間の大きさに達したとき、上記円筒膜部に接触して、上記円筒膜部の内径側あるいは外径側への弾性変形量を制限する構成にした請求項１に記載の流体機器用のダイアフラム構造。
3. 上記円筒膜部に沿って円筒膜部と同心円状に設けた弾性材からなるサポート部材を備え、上記サポート部材は、内径側あるいは外径側に弾性変形する上記円筒膜部に接触して上記円筒膜部とともに弾性変形し、上記円筒膜部の内径側あるいは外径側への弾性変形量を制限する構成にした請求項１に記載の流体機器用のダイアフラム構造。
4. 上記環状膜部の外端側に、上記軸方向に伸びる円筒状の保持用膜部を、流体を進入させない上記エリア側に設け、この保持用膜部と上記環状膜部との連続部分をシール部とするとともに、上記保持用膜部を本体の内壁との間で挟持する筒部を備えた押さえ部材を設け、上記押さえ部材の筒部の先端と本体との間で上記シール部を移動可能に押さえ付けた請求項１〜３のいずれか１に記載の流体機器用のダイアフラム構造。

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