KR102315174B1 - 밸브 장치 - Google Patents

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다케시 이시마루
고헤이 모리타
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스미토모 고무 코교 카부시키카이샤
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Abstract

밸브 장치(1)는, 유체가 흐르는 NC 유출 포트(24), NO 유출 포트(25)를 구비한 밸브실(21)을 구획하는 밸브 본체(2)와, NC 유출 포트(24), NO 유출 포트(25)를 개폐시키는 밸브체(3)를 갖는다. 밸브체(3)는, 밸브실(21)을 덮도록 배치된 다이어프램(6)과, 다이어프램(6)을 압박함으로써 NC 유출 포트(24), NO 유출 포트(25)를 개폐시킬 수 있는 구동 수단(4)을 포함한다. NC 유출 포트(24), NO 유출 포트(25)의 주위에 제1 밸브 시트(24b), 제2 밸브 시트(25b)가 형성된다. 다이어프램(6)은, JIS-K6253의 듀로미터 A 경도가 A50∼A85인 탄성 재료로 이루어진다. 착좌 중인 다이어프램(6)의, 제1 밸브 시트(24b), 제2 밸브 시트(25b)에 대한 압력은, 0.5 N/㎟∼1.0 N/㎟이다.

Description

밸브 장치{VALVE DEVICE}
본 발명은 화학 검사 장치, 환경 분석 장치 또는 생명 공학 연구 기기 등의 각종 분석 장치에 사용되는 밸브 장치에 관한 것이다.
상기 각종 분석 장치에 있어서, 측정 정밀도의 향상, 검사 속도의 향상, 검체, 시약의 극소화, 장치의 소형화 등이 중요 과제로 되어 있으며, 측정에 이용되는 유체의 유량 제어를 행하는 밸브 장치에 대하여 한층 더 성능의 향상이 요구되고 있다. 이러한 밸브 장치에는, 우수한 내약품성 등을 실현시키기 위해, 밸브의 개폐 기구로서 탄성을 갖는 고무 재료 등으로 이루어지는 다이어프램이 사용되고 있다. 다이어프램은, 밸브실을 구획하는 격벽을 구성하며, 외부로부터 구동력을 받아 유체의 유로를 전환한다.
이러한 종류의 밸브 장치에 있어서, 유체의 유량을 정밀하게 제어하기 위해서는, 포트 폐쇄 시에 있어서의 다이어프램의 밀봉 능력을 높이는 것이 필요하다. 포트 폐쇄 시에 있어서의 다이어프램의 밀봉 능력은, 포트 개구의 주위에 형성된 밸브 시트에 다이어프램을 착좌시킬 때에 다이어프램을 압박하는 하중, 즉, 착좌 중인 다이어프램의 밸브 시트에 대한 압력을 높임으로써, 향상될 수 있다.
그러나, 다이어프램에 큰 하중이 부여되면, 다이어프램을 구성하는 고무 재료의 피로가 가속되어, 다이어프램의 수명이 짧아질 우려가 있다. 또한, 큰 하중으로 다이어프램을 압박하기 위해서는, 상응하는 구동 수단이 필요하게 되어, 밸브 장치가 대형화되는 것이 우려된다.
이러한 배경 하에서, 하기 특허문헌 1에는, 솔레노이드, 제1 스프링 부재 및 제2 스프링 부재 등에 의해 다이어프램을 구동시키는 밸브 장치에 있어서, 제2 스프링 부재의 탄발력(스프링력)이 제1 스프링 부재의 탄발력의 약 2배로 설정된 밸브 기구가 개시되어 있다.
그러나, 전술한 밸브 장치에 있어서도, 장치의 소형화를 도모하면서, 다이어프램의 밀봉 능력과 내구성을 양립시키는 것은 곤란하였다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2000-297876호 공보
본 발명은 이상과 같은 실상을 감안하여 안출된 것으로, 소형화를 도모하면서, 다이어프램의 밀봉 능력과 내구성을 양립 가능하게 하는 밸브 장치를 제공하는 것을 주된 목적으로 하고 있다.
본 발명은 유체가 흐르는 적어도 하나의 포트를 구비한 밸브실을 구획하는 밸브 본체와, 상기 포트를 개폐시키는 밸브체와, 상기 밸브체를 구동시켜 상기 포트를 개폐시키는 구동 수단을 구비하는 밸브 장치에 있어서, 상기 포트는, 주위에 밸브 시트가 형성된 개구를 가지고, 상기 밸브체는, 상기 밸브실을 덮도록 배치되며, 상기 밸브 시트에 착좌 또는 이격하여 상기 포트를 개폐시키는 다이어프램을 더 구비하는 밸브 장치로서, 상기 다이어프램은, JIS-K6253의 듀로미터 A 경도가 A50∼A85인 탄성 재료로 이루어지고, 상기 착좌 중인 상기 다이어프램의 상기 밸브 시트에 대한 압력이 0.5 N/㎟∼1.0 N/㎟인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 상기 밸브 장치에 있어서, 상기 다이어프램은, JIS-K6253의 듀로미터 A 경도가 A60∼A80인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 상기 밸브 장치에 있어서, 상기 다이어프램은, 고무 성분으로서, 에틸렌-프로필렌-디엔, 불소계 고무, 수소화니트릴 고무, 부틸렌계 고무 또는 실리콘 고무 중 1종 이상을 포함하고 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 상기 밸브 장치에 있어서, 상기 다이어프램은, 충전제로서, 탄산칼슘, 실리카, 황산바륨, 탈크 또는 카본 블랙 중 1종 이상을 포함하고 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 상기 밸브 장치에 있어서, 상기 포트는, 상기 밸브실에 유체를 유입시키는 유입 포트와, 상기 밸브실로부터 유체를 유출시키는 유출 포트를 가지고, 상기 다이어프램은, 상기 유입 포트 또는 상기 유출 포트 중, 적어도 한쪽을 개폐시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 상기 밸브 장치에 있어서, 상기 포트는, 상기 밸브실에 유체를 유입시키는 유입 포트와, 상기 밸브실로부터 유체를 유출시키는 유출 포트를 가지고, 상기 유출 포트는, 제1 유출 포트 및 제2 유출 포트의 2계통이 배치되며, 상기 다이어프램은, 상기 제1 유출 포트 및 상기 제2 유출 포트를 개폐시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 상기 밸브 장치에 있어서, 상기 다이어프램은, 상기 제1 유출 포트와 상기 제2 유출 포트를 교대로 개폐시키는 것으로서, 상기 제1 유출 포트의 밸브 시트에 착좌 중인 상기 다이어프램의 압력과, 상기 제2 유출 포트의 밸브 시트에 착좌 중인 상기 다이어프램의 압력의 차가 0.40 N/㎟ 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 상기 밸브 장치에 있어서, 상기 밸브체는, 상기 구동 수단에 의해 구동되어 요동하여, 상기 포트를 개폐시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 상기 밸브 장치에 있어서, 상기 밸브체는, 축 부재에 의해 회동 가능하게 지지되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 밸브 장치의 다이어프램은, JIS-K6253의 듀로미터 A 경도가 A50∼A85인 탄성 재료로 이루어지며, 착좌 중인 다이어프램의 밸브 시트에 대한 압력이 0.5 N/㎟∼1.0 N/㎟이다. 이와 같이, 다이어프램의 경도와 착좌 압력이 개선됨으로써, 착좌 시에 있어서의 다이어프램이 과도한 변형이 억제되어, 다이어프램의 내구성을 높일 수 있다. 또한, 다이어프램은, 밸브 시트에 대하여 적절하게 변형하여, 충분한 밀봉 능력을 얻을 수 있다. 또한, 과도하게 큰 하중으로 다이어프램을 압박할 필요가 없기 때문에, 구동 수단을 소형화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 밸브 장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 솔레노이드 코일에 통전된 상태의 밸브 장치를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 1의 유로 블록의 사시도이다.
도 4는 도 1의 유로 블록의 단면도이다.
도 5의 (a)는 다이어프램이 장착된 요동 부재의 측면도이고, (b)는 (a)의 A-A선 단면도이다.
도 6은 NC 유출 포트가 폐쇄되어 있는 상태의 밸브 장치의 주요부를 나타내는 단면도이다.
도 7은 NO 유출 포트가 폐쇄되어 있는 상태의 밸브 장치의 주요부를 나타내는 단면도이다.
이하, 본 발명의 일 실시형태가 도면에 기초하여 설명된다.
도 1은 본 실시형태의 밸브 장치(1)의 단면도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 밸브 장치(1)는, 유체가 흐르는 포트를 구비하며 밸브실을 구획하는 밸브 본체(2)와, 포트를 개폐시키는 밸브체(3)와, 밸브체(3)를 구동시켜 포트를 개폐시키는 구동 수단(4)을 가지고 있다.
밸브 본체(2)는, 유로 블록(20)과 서브 블록(5)을 구비하고 있다. 유로 블록(20)은, 예컨대, 수지 재료에 의해 형성되며, 유체가 흐르는 공간인 밸브실(21)을 구성하는 오목부(22)와, 밸브실(21)과 연통하는 유입 포트(23)(Common 포트), NC(Normally Close) 유출 포트(24)(제1 유출 포트) 및 NO(Normally Open) 유출 포트(25)(제2 유출 포트)와, 밸브체(3)를 유지하는 유지면(26)을 갖는다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 유입 포트(23)는, 항상 개방되어 있으며, 유입 포트(23)로부터 밸브실(21) 내에 유체가 공급된다. 통상 시에 있어서는, NC 유출 포트(24)는 폐쇄되며, NO 유출 포트(25)는 개방되어 있고, 유입 포트(23)로부터 밸브실(21)에 유입된 유체는, 화살표(A)를 따라 흘러, NO 유출 포트(25)로부터 유출된다.
밸브체(3)는, 밸브실(21)을 덮도록 배치된 다이어프램(6)과, 밸브 본체(2)에 대하여 요동 가능하게 마련된 요동 부재(7)를 가지고 있다.
다이어프램(6)은, 예컨대, 고무 재료에 의해 형성되어 있다. 다이어프램(6)은, 오목부(22)를 덮도록 밸브 본체(2)에 장착됨으로써, 오목부(22)와의 사이에 밸브실(21)을 형성한다. 다이어프램(6)은, 외측으로 연장된 외주부(6a)를 갖는다.
요동 부재(7)는 다이어프램(6)과 일체화되어 있다. 요동 부재(7)는, 요동 부재(7)를 회동(回動) 가능하게 지지하는 축 부재(71)를 갖는다. 요동 부재(7)는, 예컨대, 수지 재료에 의해 형성되고, 유입 포트(23)의 상방에 설치되어 있다. 축 부재(71)는, 예컨대, 금속 재료에 의해 형성되어 있다. 축 부재(71)는, 유입 포트(23)의 상방에 있어서, 유입 포트(23)에 대략 직교하게 마련되고, 그 양단은, 서브 블록(5)에 지지되어 있다.
축 부재(71)를 회전축으로 하여 요동 부재(7)가 시소형으로 회동함으로써, NC 유출 포트(24) 또는 NO 유출 포트(25) 중 어느 한쪽의 포트가 폐쇄되고, 다른쪽의 포트가 개방된다. 이에 의해, 각 포트가 교대로 개폐된다.
구동 수단(4)은, 요동 부재(7)를 구동시키는 밸브 구동부(40)와, 밸브 구동부(40)를 지지하는 프레임(8)을 가지고 있다. 구동 수단(4)은, 요동 부재(7)를 압박함으로써, 다이어프램(6)을 NC 유출 포트(24) 또는 NO 유출 포트(25)의 밸브 시트에 착좌 또는 이격시켜 포트를 개폐한다. 본 실시형태에 따른 밸브 장치(1)는, 구동 수단(4)에 의해 발생되는 전자력을 통해 다이어프램(6)을 구동시켜, 포트를 개폐시키는 소위 전자 밸브이다.
서브 블록(5)은, 예컨대, 수지 재료에 의해 형성되며, 요동 부재(7) 등을 수용하는 수용부(51)와, 다이어프램(6)을 유지면(26)에 압박하는 압박부(52)를 갖는다. 서브 블록(5)은, 유로 블록(20)의 오목부(22)가 형성되어 있는 맞춤면(27)에 장착되며, 나사(도시하지 않음) 등에 의해 유로 블록(20)에 고착된다. 다이어프램(6)의 외주부(6a)는, 유로 블록(20)의 유지면(26)과 서브 블록(5)의 압박부(52)에 의해 사이에 끼워져 유지·구속됨으로써 유로 블록(20)에 밀착하게 된다. 이에 의해, 밸브실(21)이 밀폐되어, 유로 블록(20)의 외부에의 유체의 누설이 방지된다.
서브 블록(5)의 상부에는 프레임(8)이 마련되어 있다. 프레임(8)은, 밸브 구동부(40)를 수용한다.
밸브 구동부(40)는, 제1 플런저(가동 철심)(41)와, 제2 플런저(42)와, 제1 코일 스프링(43)과, 제2 코일 스프링(44)과, 솔레노이드 코일(45)과, 고정 철심(46)을 갖는다. 제1 플런저(41)는, NC 유출 포트(24)의 상방에 설치되어 있다. 제1 플런저(41)는, 솔레노이드 코일(45)이 권취되는 코일 보빈(47)의 내부에 삽입되어 있다. 고정 철심(46)에는, 제1 코일 스프링(43)이 장전되는 오목부(46a)가 형성되어 있다. 제1 코일 스프링(43)의 일단은, 고정 철심(46)의 오목부(46a)의 바닥과 접촉하고, 타단은, 제1 플런저(41)의 상부면과 접촉한다. 제1 코일 스프링(43)은, 요동 부재(7)의 제1 접촉부(7a) 측으로 제1 플런저(41)를 눌러 내리고, 이에 따라, 제1 플런저(41)의 선단부(41b)가, 요동 부재(7)의 제1 접촉부(7a)를 누른다. 제1 코일 스프링(43)의 스프링 하중은, 제2 코일 스프링(44)의 스프링 하중보다 크게 설정되어 있다.
제2 플런저(42)는, NO 유출 포트(25)의 상방에 설치되어 있다. 제2 플런저(42)에는, 제2 코일 스프링(44)이 삽입되는 원통부(42a)와, 원통부(42a)의 단부 가장자리에 형성된 플랜지형의 선단부(42b)가 형성되어 있다. 제2 코일 스프링(44)의 일단은, 제2 플런저(42)의 선단부(42b)와 접촉하고, 타단은, 서브 블록(5)의 오목부의 바닥과 접촉한다. 제2 코일 스프링(44)은, 요동 부재(7)의 제2 접촉부(7b) 측으로 제2 플런저(42)를 눌러 내리고, 이에 따라, 제2 플런저(42)의 선단부(42b)가, 요동 부재(7)의 접촉부(7b)를 압박한다.
솔레노이드 코일(45)은, 통형의 코일 보빈(47)의 주위에 권취된다. 솔레노이드 코일(45)은 통전에 의해 전자력을 발생한다. 솔레노이드 코일(45)에는, 제1 코일 스프링(43)의 하중과 제2 코일 스프링(44)의 하중의 차보다 큰 전자력을 발생하도록 소정의 전류가 흐른다. 솔레노이드 코일(45)에 대한 급전 등을 행하기 위한 케이블(45a)이 프레임(8)의 내부에 인입되어 있다. 제1 플런저(41), 제1 코일 스프링(43), 솔레노이드 코일(45), 고정 철심(46) 및 코일 보빈(47)은 프레임(8)에 수용되어 있다. 솔레노이드 코일(45), 고정 철심(46) 및 코일 보빈(47)은 프레임(8)에 고정되어 있다.
이하, 밸브 장치(1)의 개폐 작동이 설명된다. 이미 서술한 바와 같이, 제1 코일 스프링(43)의 스프링 하중은, 제2 코일 스프링(44)의 스프링 하중보다 크기 때문에, 제1 코일 스프링(43)이 발생시키는 탄성력은, 제2 코일 스프링(44)이 발생시키는 탄성력보다 크다. 그 때문에, 통상 시에 있어서, 다이어프램(6)의 자세는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 도면 중 반시계 방향으로 회동된 자세로 유지되고, NC 유출 포트(24)가 폐쇄되며, NO 유출 포트(25)가 개방된다. 이에 따라, 화살표(A)로 나타내는 바와 같이, 유입 포트(23)로부터 밸브실(21)에 유입된 유체는, NO 유출 포트(25)로부터 배출된다.
도 2는 솔레노이드 코일(45)에 통전된 상태의 밸브 장치(1)를 나타내고 있다. 솔레노이드 코일(45)에 소정의 전류가 흐르면, 그 전자력에 의해 제1 플런저(41)가 제1 코일 스프링(43)을 압축하는 방향으로 이동한다. 이때, 제2 플런저(42)의 선단부(42b)가 요동 부재(7)의 제2 접촉부(7b)를 압박하고 있기 때문에, 다이어프램(6)이 시계 방향으로 회동되어, NO 유출 포트(25)가 폐쇄되며, NC 유출 포트(24)가 개방된다. 이에 따라, 화살표(B)로 나타내는 바와 같이, 유입 포트(23)로부터 밸브실(21)에 유입된 유체는, NC 유출 포트(24)로부터 배출된다.
도 3 및 도 4는 유로 블록(20)을 나타내고 있다. 유로 블록(20)에는, 밸브실(21)을 구획하는 오목부(22)가 형성되어 있다. 오목부(22)는, 서브 블록(5)이 접합되는 맞춤면(27)으로부터 움푹 패어 형성되어 있다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 맞춤면(27)과는 반대측의 이면으로부터는, NC 유출 니플(29b), 유입 니플(29a) 및 NO 유출 니플(29c)이 돌출하여 형성되어 있다. 유입 포트(23)는, 오목부(22)로부터 유입 니플(29a)을 관통하여 형성되어 있다. NC 유출 포트(24)는, 오목부(22)로부터 NC 유출 니플(29b)을 관통하여 형성되어 있고, NO 유출 포트(25)는, 오목부(22)로부터 NO 유출 니플(29c)을 관통하여 형성되어 있다. NC 유출 포트(24), 유입 포트(23) 및 NO 유출 포트(25)는 이 순서로 배열되어 있다.
유입 포트(23)는, 오목부(22)에 면하여 개구되는 유입 개구(23a)를 가지고 있다. 유입 개구(23a)는 밸브실(21)에 연통하게 형성되어 있다. 유입 포트(23)는, 유입 개구(23a)로부터 밸브실(21)에 유체를 유입시킨다. NC 유출 포트(24) 및 NO 유출 포트(25)도, 오목부(22)에 면하여 개구되는 유출 개구(24a, 25a)를 가지고 있다. 유출 개구(24a, 25a)는, 밸브실(21)에 연통하게 형성되고, NC 유출 포트(24) 및 NO 유출 포트(25)는 유출 개구(24a, 25a)를 통해 밸브실(21)로부터 유체를 유출시킨다.
NC 유출 포트(24)의 유출 개구(24a)에는, 제1 밸브 시트(24b)가 마련되고, NO 유출 포트(25)의 유출 개구(25a)에는, 제2 밸브 시트(25b)가 마련되어 있다. 제1 밸브 시트(24b) 및 제2 밸브 시트(25b)는, 다이어프램(6) 측으로 돌출하는 통형으로 형성되어 있다. 요동 부재(7)의 요동에 따라 다이어프램(6)이 제1 밸브 시트(24b) 또는 제2 밸브 시트(25b)의 선단과 밀착함으로써, NC 유출 포트(24) 또는 NO 유출 포트(25)가 폐쇄된다. 이때, 다른쪽의 유출 포트가 개방되며, 유입 포트(23)로부터 밸브실(21)에 유입된 유체는, 이렇게 개방된 유출 포트로부터 밸브 장치(1)의 외부로 배출된다. 제1 밸브 시트(24b) 및 제2 밸브 시트(25b)는 다이어프램(6) 측으로 돌출하여 형성되어 있기 때문에, 포트 폐쇄 시에 있어서의 제1 밸브 시트(24b) 및 제2 밸브 시트(25b)와 다이어프램(6)의 밀폐성이 향상된다. 이에 의해, NC 유출 포트(24) 또는 NO 유출 포트(25)가 폐쇄되었을 때, 밸브실(21)로부터 NC 유출 포트(24) 또는 NO 유출 포트(25)에 유체가 누설되는 것을 방지할 수 있다.
제1 밸브 시트(24b)의 선단의 시트면에는, 다이어프램(6) 측으로 융기하는 제1 융기부(24c)가 형성되어 있다. 제1 융기부(24c)는, NC 유출 포트(24)의 개구측, 즉 제1 밸브 시트(24b)의 내주부에 있어서, 둘레 방향으로 연속하여 형성되어 있다. 제1 융기부(24c)에 의해, NC 유출 포트(24)의 폐쇄 시에 있어서의 제1 밸브 시트(24b)와 다이어프램(6)의 밀폐성이 한층 더 향상되어, 유체의 누설이 방지된다. NO 유출 포트(25)의 제2 밸브 시트(25b)에 대해서도, 마찬가지로, 제1 융기부(25c)가 마련되어 있다.
유지면(26)은, 오목부(22)의 둘레 가장자리에 마련되어 있다. 오목부(22)의 측벽(22a)을 사이에 두고, 유지면(26)과 맞춤면(27)은 단차형으로 형성되어 있다. 유지면(26)의 내주부에는, 다이어프램(6) 측으로 융기하는 제2 융기부(26a)가 형성되어 있다. 제2 융기부(26a)는, 둘레 방향으로 연속하여 형성되어 있다. 제2 융기부(26a)에 의해, 유지면(26)과 다이어프램(6)의 외주부(6a)의 밀폐성이 향상되어, 유체의 누설이 방지된다.
오목부(22)의 주변에는, 유로 블록(20)의 본체 부분(20a)의 대략 대각형으로 한 쌍의 관통 구멍(28)이 형성되어 있다. 관통 구멍(28)을 관통하는 나사에 의해, 유로 블록(20)과 서브 블록(5)이 고착된다.
도 5에는 요동 부재(7)에 다이어프램(6)이 장착된 밸브체(3)가 도시되어 있다. 요동 부재(7)의 중앙부에는, 축 부재(71)(도 1 참조)가 삽입되는 관통 구멍(7c)이 마련되어 있다. 관통 구멍(7c)은, 요동 부재(7)를 수평 방향으로 관통하게 형성되어 있다. 관통 구멍(7c)은, 제1 접촉부(7a)와 제2 접촉부(7b) 사이에 마련되고, 관통 구멍(7c)으로부터 제1 접촉부(7a)에 이르는 거리와, 관통 구멍(7c)으로부터 제2 접촉부(7b)에 이르는 거리는 같다. 요동 부재(7)의 하부에는, 다이어프램(6)이 장착되어 있다. 다이어프램(6)의 외주부(6a)의 내측에는, 다이어프램(6)에 있어서 가장 두께가 얇은 막부(6b)가 마련되어 있다. 막부(6b)는, 다이어프램(6)의 전체 둘레에 걸쳐 형성되어 있다. 막부(6b)의 더욱 내측에는, 포트 폐쇄 시에 제1 밸브 시트(24b) 또는 제2 밸브 시트(25b)에 착좌하는 바닥면(6c)이 마련되어 있다. 요동 부재(7)의 요동에 추종하여, 다이어프램(6)의 막부(6b)가 탄성 변형함으로써, 유로 블록(20)과 다이어프램(6) 사이에서 밸브실(21)이 유지된다.
본 발명에 있어서, 다이어프램(6)의 밀봉 능력과 내구성을 양립시키기 위해, 다이어프램(6)을 구성하는 탄성 재료의 경도가 규정되어 있다. 즉, 다이어프램(6)을 구성하는 탄성 재료의 JIS-K6253의 듀로미터 A 경도는, 바람직하게는 A50이상이며, 보다 바람직하게는 A60 이상, 더욱 바람직하게는 A65 이상이고, 바람직하게는 A85 이하이며, 보다 바람직하게는 A80 이하, 더욱 바람직하게는 A75 이하이다. 다이어프램(6)을 구성하는 탄성 재료의 상기 듀로미터 A 경도가 A50 미만인 경우, 제1 밸브 시트(24b) 또는 제2 밸브 시트(25b)에 다이어프램(6)의 바닥면(6c)이 착좌하고 있는 포트 폐쇄 시에 있어서, 다이어프램(6)의 바닥면(6c)의 변형이 과도하게 커져, 다이어프램(6)을 구성하는 탄성 재료의 피로가 가속되어, 다이어프램(6)의 수명이 짧아질 우려가 있다. 한편, 다이어프램(6)을 구성하는 탄성 재료의 상기 듀로미터 A 경도가 A85를 넘는 경우, 제1 밸브 시트(24b) 또는 제2 밸브 시트(25b)의 외형을 따라 다이어프램(6)의 바닥면(6c)이 변형하기 어려워져, 충분한 밀봉 능력을 얻을 수 없을 우려가 있다.
본 실시형태에 있어서, 예컨대, 고무 성분으로서, 에틸렌-프로필렌-디엔(EPDM), 불소계 고무(FKM, FPM, FFKM), 수소화니트릴 고무(HNBR), 부틸렌계 고무(IIR) 또는 실리콘 고무(VMQ) 중 1종 이상을 포함하고 있는 탄성 재료에 의해 다이어프램(6)이 구성되어 있다. 폴리머 주쇄에 2중 결합을 포함하는 고무 재료를 이용하는 경우, 장기간에 걸친 사용 시에, 폴리머 주쇄가 절단되어, 다이어프램(6)의 내구 성능을 유지할 수 없게 될 우려가 있다. 상기 고무 성분 중에서는, 가스 배리어성, 내열성, 내약품성 및 제조 비용의 관점에서, 특히 에틸렌-프로필렌-디엔이 바람직하다.
다이어프램(6)은, 탄성 변형과 제1 밸브 시트(24b) 또는 제2 밸브 시트(25b) 등의 접촉이 반복되는, 동적으로 사용되는 부품이기 때문에, 장기간에 걸친 사용에 따라, 서서히 마모된다. 그 때문에, 다이어프램(6)의 내마모성을 향상시키기 위해, 상기 탄성 재료에 충전제를 첨가하여, 경도를 전술한 범위로 조정하는 것이 바람직하다. 충전제로서는, 탄산칼슘, 실리카, 황산바륨, 탈크 등의 무기 충전재 또는 카본 블랙 중 1종 이상을 포함하고 있는 것이 바람직하다. 다이어프램(6)의 내구성의 관점에서, 충전재의 양은, 바람직하게는 10 중량부 이상, 보다 바람직하게는 20 중량부 이상이며, 바람직하게는 80 중량부 이하, 보다 바람직하게는 70 중량부 이하이다. 고무 성분 100 중량부에 대한 충전재의 양이 10 중량부 미만인 경우, 내마모성이 불충분하여, 다이어프램(6)의 수명이 짧아진다. 고무 성분 100 중량부에 대한 충전재의 양이 80 중량부를 넘으면 다이어프램(6)의 내굴곡 피로성이 저하되어, 역시 다이어프램(6)의 수명이 짧아진다.
다이어프램(6)의 막부(6b)의 두께는, 0.2 ㎜∼1.0 ㎜가 바람직하다. 다이어프램(6)의 막부(6b)의 두께가 0.2 ㎜ 미만인 경우, 장기간에 걸친 사용에 의해 막부(6b)가 찢어져, NC 유출 포트(24) 또는 NO 유출 포트(25)가 폐쇄되어 있는 상태로, 포트로의 유체의 누설이 발생할 우려가 있다. 다이어프램(6)의 막부(6b)의 두께가 1.0 ㎜를 넘는 경우, 요동 부재(7)의 요동에 필요한 힘이 커지기 때문에, 솔레노이드 코일(45) 등이 대형화될 우려가 있다.
본 발명에 있어서, 다이어프램(6)의 밀봉 능력과 내구성을 양립시키기 위해, 제1 밸브 시트(24b) 또는 제2 밸브 시트(25b)에 착좌 중인 다이어프램(6)의, 제1 밸브 시트(24b) 또는 제2 밸브 시트(25b)에 대한 압력이 규정되어 있다. 즉, 제1 밸브 시트(24b) 등에 대한 다이어프램(6)의 압력은, 0.5 N/㎟∼1.0 N/㎟가 바람직하다. 제1 밸브 시트(24b) 등에 대한 다이어프램(6)의 압력이 0.5 N/㎟ 미만인 경우, 제1 밸브 시트(24b) 등의 외형을 따라 다이어프램(6)의 바닥면(6c)이 변형하기 어려워져, 충분한 밀봉 능력을 얻을 수 없을 우려가 있다. 한편, 제1 밸브 시트(24b) 등에 대한 다이어프램(6)의 압력이 1.0 N/㎟를 넘는 경우, 착좌 중인 다이어프램(6)의 바닥면(6c)의 변형이 과도하게 커져, 다이어프램(6)을 구성하는 탄성 재료의 피로가 가속되어, 다이어프램(6)의 수명이 짧아질 우려가 있다. 제1 밸브 시트(24b)에 대한 상기 다이어프램(6)의 압력은, 다이어프램(6)이 제1 밸브 시트(24b)를 누르는 힘을 다이어프램(6)과 제1 밸브 시트(24b)의 접촉 면적(S1)으로 나눔으로써 산출된다. 마찬가지로, 제2 밸브 시트(25b)에 대한 다이어프램(6)의 압력은, 다이어프램(6)이 제2 밸브 시트(25b)를 누르는 힘을 다이어프램(6)과 제2 밸브 시트(25b)의 접촉 면적(S2)으로 나눔으로써 산출된다.
NC 유출 포트(24)의 제1 밸브 시트(24b)에 착좌 중인 다이어프램(6)의 압력과, NO 유출 포트(25)의 제1 밸브 시트(25b)에 착좌 중인 다이어프램(6)의 압력의 차는, 바람직하게는 0.02 N/㎟ 이상, 보다 바람직하게는 0.04 N/㎟ 이상이며, 바람직하게는 0.40 N/㎟ 이하, 보다 바람직하게는 0.2 N/㎟ 이하이다. 전술한 다이어프램(6)의, 제1 밸브 시트(24b)에 대한 압력과 제2 밸브 시트(25b)에 대한 압력의 차가 0.02 N/㎟ 미만인 경우, 충분한 밀봉 능력을 얻을 수 없을 우려가 있다. 한편, 다이어프램(6)의, 제1 밸브 시트(24b)에 대한 압력과 제2 밸브 시트(25b)에 대한 압력의 차가 0.40 N/㎟를 넘는 경우, 상기 압력이 큰 쪽의 다이어프램(6)의 마모가 집중되어, 다이어프램(6)의 수명이 짧아질 우려가 있다.
착좌 중인 다이어프램(6)의, 제1 밸브 시트(24b) 또는 제2 밸브 시트(25b)에 대한 압력이 상기 범위에 들어가게 하기 위해, 본 실시형태에 있어서는, 밸브 구동부(40)가 요동 부재(7)를 통해 다이어프램(6)에 부여하는 하중은, 이하의 범위 내로 규정되어 있다.
도 6에는, 다이어프램(6)에 의해 NC 유출 포트(24)가 폐쇄되어 있는 상태의 밸브 장치(1)의 주요부가 도시되어 있다. 다이어프램(6)이 제1 밸브 시트(24b)에 착좌하고 있는 상태, 즉, 제1 플런저(41)를 상승시키기 위한 전기 신호가 솔레노이드 코일(45)에 공급되지 않는 경우에 있어서, 요동 부재(7)가 다이어프램(6)의 제1 밸브 시트(24b) 측을 압박하는 하중(L1)은, 바람직하게는, 2.9 N 이상, 보다 바람직하게는 3.2 N 이상이며, 바람직하게는, 4.0 N 이하, 보다 바람직하게는 3.8 N 이하이다. 이러한 상태에 있어서, 제1 플런저(41) 및 제2 플런저(42) 양자가 요동 부재(7)와 접촉하여, 제1 플런저(41) 및 제2 플런저(42)에 의해 요동 부재(7)에 전달되는 힘이 상쇄된다. 따라서, 요동 부재(7)가 다이어프램(6)의 제1 밸브 시트(24b) 측을 압박하는 하중(L1)은, 길이 α1에 있어서의 제1 코일 스프링(43)에 의한 하중(Lα1)과 길이 β1에 있어서의 제2 코일 스프링(44)에 의한 하중(Lβ1)의 차에 의해 산출된다. 요동 부재(7)가 다이어프램(6)의 제1 밸브 시트(24b) 측을 압박하는 하중(L1)이, 2.9 N 미만인 경우, 제1 밸브 시트(24b) 등의 외형을 따라 다이어프램(6)의 바닥면(6c)이 변형하기 어려워져, 충분한 밀봉 능력을 얻을 수 없을 우려가 있다. 한편, 요동 부재(7)가 다이어프램(6)의 제1 밸브 시트(24b) 측을 압박하는 하중(L1)이 4.0 N을 넘는 경우, 제1 밸브 시트(24b)에 착좌 중인 다이어프램(6)의 바닥면(6c)의 변형이 과도하게 커져, 다이어프램(6)을 구성하는 탄성 재료의 피로가 가속되어, 다이어프램(6)의 수명이 짧아질 우려가 있다.
또한, 이러한 다이어프램(6)에 의해 NC 유출 포트(24)가 폐쇄되어 있는 상태에 있어서, 제1 코일 스프링(43) 단체에 의한 하중은 5.8 N∼8.0 N이 바람직하고, 제2 코일 스프링(44) 단체(單體)에 의한 하중은 2.9 N∼4.0 N이 바람직하다. 제1 코일 스프링(43) 단체에 의한 하중이 5.8 N 미만인 경우 그리고 제2 코일 스프링(44) 단체에 의한 하중이 2.9 N 미만인 경우에는, 제2 밸브 시트(25b) 등의 외형을 따라 다이어프램(6)의 바닥면(6c)이 변형하기 어려워져, 충분한 밀봉 능력을 얻을 수 없을 우려가 있다. 한편, 제1 코일 스프링(43) 단체에 의한 하중이 8.0 N을 넘는 경우 그리고 제2 코일 스프링(44) 단체에 의한 하중이 4.0 N을 넘는 경우에는, 솔레노이드 코일(45)이 대형화되어, 밸브 장치(1)의 소형화를 도모하기 어려워진다.
도 7에는 다이어프램(6)에 의해 NO 유출 포트(25)가 폐쇄되어 있는 상태의 밸브 장치(1)의 주요부가 도시되어 있다. 다이어프램(6)이 제2 밸브 시트(25b)에 착좌하고 있는 상태, 즉, 제1 플런저(41)를 상승시키기 위한 전기 신호가 솔레노이드 코일(45)에 공급되고 있는 경우에 있어서, 요동 부재(7)가 다이어프램(6)의 제2 밸브 시트(25b) 측을 압박하는 하중(L2)은, 바람직하게는, 2.4 N 이상, 보다 바람직하게는 2.7 N 이상이며, 바람직하게는, 3.5 N 이하, 보다 바람직하게는 3.3 N 이하이다. 이러한 상태에 있어서, 제1 플런저(41)는, 요동 부재(7)로부터 이격되어 있기 때문에, 제1 플런저(41)에 의해 요동 부재(7)에 힘이 전달되지 않는다. 따라서, 요동 부재(7)가 다이어프램(6)의 제2 밸브 시트(25b) 측을 압박하는 하중(L2)은, 길이 β2에 있어서의 제2 코일 스프링(44) 및 중력 등에 의한 하중(Lβ2)과 같아진다. 요동 부재(7)가 다이어프램(6)의 제2 밸브 시트(25b) 측을 압박하는 하중(L2)이, 2.4 N 미만인 경우, 제2 밸브 시트(25b) 등의 외형을 따라 다이어프램(6)의 바닥면(6c)이 변형하기 어려워져, 충분한 밀봉 능력을 얻을 수 없을 우려가 있다. 한편, 요동 부재(7)가 다이어프램(6)의 제2 밸브 시트(25b) 측을 압박하는 하중(L2)이 3.5 N을 넘는 경우, 제2 밸브 시트(25b)에 착좌 중인 다이어프램(6)의 바닥면(6c)의 변형이 과도하게 커져, 다이어프램(6)을 구성하는 탄성 재료의 피로가 가속되어, 다이어프램(6)의 수명이 짧아질 우려가 있다. 또한 이 경우에도, 제1 코일 스프링(43)의 스프링 하중을, 제2 코일 스프링(44)의 스프링 하중보다 높일 필요가 있다. 이 때문에, 솔레노이드 코일(45)이 발생시키는 전자력을 높일 필요가 생긴다. 그 결과, 솔레노이드 코일(45)의 대형화를 초래하여, 구동 수단(4) 나아가서는 밸브 장치(1)의 소형화를 도모하기 어려워진다.
또한, 이러한 다이어프램(6)에 의해 NO 유출 포트(25)가 폐쇄되어 있는 상태에 있어서, 제2 코일 스프링(44) 단체에 의한 하중은 2.4 N∼3.5 N이 바람직하다. 제2 코일 스프링(44) 단체에 의한 하중이 2.4 N 미만인 경우에는, 제2 밸브 시트(25b) 등의 외형을 따라 다이어프램(6)의 바닥면(6c)이 변형하기 어려워져, 충분한 밀봉 능력을 얻을 수 없을 우려가 있다. 한편, 제2 코일 스프링(44) 단체에 의한 하중이 3.5 N을 넘는 경우는, 제1 코일 스프링(43) 단체에 의한 하중을 그 이상으로 높일 필요가 있다. 그 결과, 전술한 바와 마찬가지로, 구동 수단(4) 나아가서는 밸브 장치(1)의 소형화를 도모하기 어려워진다.
이상과 같이, 본 발명의 밸브 장치(1)에 따르면, 다이어프램(6)이, JIS-K6253의 듀로미터 A 경도가 A50∼A85인 탄성 재료로 이루어지며, 착좌 중인 다이어프램(6)의, 제1 밸브 시트(24b) 또는 제2 밸브 시트(25b)에 대한 압력이 0.5 N/㎟∼1.0 N/㎟이다. 이와 같이, 다이어프램(6)의 경도와 착좌 압력이 개선됨으로써, 착좌 시에 있어서의 다이어프램(6)의 과도한 변형이 억제되어, 다이어프램(6)의 내구성을 높일 수 있다. 또한, 다이어프램(6)은, 제1 밸브 시트(24b) 또는 제2 밸브 시트(25b)에 대하여 적절하게 변형되어, 충분한 밀봉 능력을 얻을 수 있다. 또한, 과도하게 큰 하중으로 다이어프램(6)을 압박할 필요가 없기 때문에, 솔레노이드 코일(45) 등의 밸브 구동부(40)를 소형화할 수 있다.
도 3 및 도 4 등에서는, 단일의 유입 포트(23)에 대하여 2계통의 유출 포트(24, 25)를 갖는 3방향 밸브의 유로 블록(20)이 도시되어 있다. 이러한 유로 블록(20)은, 유출 포트(24, 25) 중 어느 한쪽, 예컨대, 유출 포트(24)를 항시 폐쇄함으로써, 2방향 밸브로서 사용하는 것도 가능하다. 이러한 사용 형태에 있어서도, 다이어프램(6)의 경도와 착좌 압력이 개선됨으로써, 전술한 바와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 다른쪽의 유출 포트(25)를 항상 폐쇄하는 경우에도, 이와 동일하다.
또한, 유로 블록(20)으로부터 어느 한쪽의 유출 포트가 생략되어 있는 구성이어도, 전술한 바와 마찬가지로 2방향 밸브로서 사용하는 것이 가능하며, 전술한 바와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이 경우, 유입 포트(23)는, 밸브실(21)의 중앙부에 배치되어 있을 필요는 없고, 생력(省力)된 유출 포트 측에 배치되어 있어도 좋다.
이상, 본 발명의 밸브 장치가 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 전술한 구체적인 실시형태에 한정되는 일 없이 여러 가지 양태로 변경하여 실시된다.
실시예
도 1의 기본 구조를 이루는 밸브 장치가, 표 1의 사양에 기초하여 시험 제작되어, 다이어프램의 밀봉 성능 및 내구 성능이 평가되었다. 각 사양의 다이어프램은, 프레스기를 이용한 가교 성형에 의해 시험 제작되었다. 경도의 측정에 있어서, JIS K 6253-3에 준거하는 타입 A 듀로미터 경도가 측정되었다.
테스트 방법은, 이하와 같다.
<밀봉 성능>
각 사양의 다이어프램이, 밸브 장치에 삽입되어, 밀봉 성능이 측정되었다. 즉, 유입 포트로부터 0.3 ㎫의 공기가 유입되고, 3분 후의 공기의 압력이 측정되었다. 결과는, 실시예 1을 100으로 하는 지수이며, 수치가 클수록, 다이어프램의 밀봉 성능이 우수한 것을 나타낸다.
<내구 성능>
각 사양의 다이어프램이 삽입된 밸브 장치가, 기온 20℃의 실내에서 5 ㎐의 주파수로 1000만회 공작동되며, 그 후, 유입 포트로부터 0.3 ㎫의 공기가 유입되고, 3분 후의 공기의 압력이 측정되었다. 결과는, 실시예 1을 100으로 하는 지수이며, 수치가 클수록, 다이어프램의 피로가 적어, 내구성이 우수한 것을 나타낸다.
Figure 112016065321266-pct00001
표 1로부터 분명한 바와 같이, 실시예의 밸브 장치는, 비교예에 비해서 밀봉 성능 및 내구 성능이 유의미하게 우수한 것을 확인할 수 있었다.
1 : 밸브 장치
2 : 밸브 본체
3 : 밸브체
4 : 구동 수단
6 : 다이어프램
7 : 요동 부재
21 : 밸브실
22 : 오목부
23 : 유입 포트
23a : 유입 개구
24 : NC 유출 포트(제1 포트)
24a : 유출 개구
24b : 제1 밸브 시트
25 : NO 유출 포트(제2 포트)
25a : 유출 개구
25b : 제2 밸브 시트

Claims (9)

  1. 유체가 흐르는 적어도 하나의 포트를 구비한 밸브실을 구획하는 밸브 본체와, 상기 포트를 개폐시키는 밸브체와, 상기 밸브체를 구동시켜 상기 포트를 개폐시키는 구동 수단을 구비하는 밸브 장치에 있어서,
    상기 포트는, 주위에 밸브 시트가 형성된 개구를 가지고,
    상기 밸브체는, 상기 밸브실을 덮도록 배치되며,
    상기 밸브 시트에 착좌 또는 이격하여 상기 포트를 개폐시키는 다이어프램을 더 구비하는 밸브 장치로서,
    상기 다이어프램은, JIS-K6253의 듀로미터 A 경도가 A50∼A85인 탄성 재료로 이루어지고,
    상기 착좌 중인 상기 다이어프램의 상기 밸브 시트에 대한 압력이 0.5 N/㎟∼1.0 N/㎟이며,
    상기 포트는, 상기 밸브실에 유체를 유입시키는 유입 포트와, 상기 밸브실로부터 유체를 유출시키는 유출 포트를 포함하고,
    상기 유출 포트는, 제1 유출 포트 및 제2 유출 포트의 2계통이 배치되며,
    상기 다이어프램은, 상기 제1 유출 포트 및 상기 제2 유출 포트를 개폐시키고,
    상기 다이어프램은, 상기 제1 유출 포트와 상기 제2 유출 포트를 교대로 개폐시키는 것이며,
    상기 제1 유출 포트의 밸브 시트에 착좌 중인 상기 다이어프램의 압력과, 상기 제2 유출 포트의 밸브 시트에 착좌 중인 상기 다이어프램의 압력의 차가 0.40 N/㎟ 이하인 것을 특징으로 하는 밸브 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다이어프램은, JIS-K6253의 듀로미터 A 경도가 A60∼A80인 것인 밸브 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다이어프램은, 고무 성분으로서, 에틸렌-프로필렌-디엔, 불소계 고무, 수소화니트릴 고무, 부틸렌계 고무 또는 실리콘 고무 중 1종 이상을 포함하는 것인 밸브 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 다이어프램은, 충전제로서, 탄산칼슘, 실리카, 황산바륨, 탈크 또는 카본 블랙 중 1종 이상을 포함하는 것인 밸브 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 밸브체는, 상기 구동 수단에 의해 구동되어 요동하여, 상기 포트를 개폐시키는 것인 밸브 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 밸브체는, 축 부재에 의해 회동(回動) 가능하게 지지되는 것인 밸브 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
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