WO2015050091A1

WO2015050091A1 - 逆止弁

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Publication number: WO2015050091A1
Application number: PCT/JP2014/075981
Authority: WO
Inventors: 森　浩一; 西田　真司
Original assignee: イーグル工業株式会社
Priority date: 2013-10-02
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2015-04-09
Also published as: US10012322B2; JP6370797B2; CN105358885A; US20180135767A1; CN105358885B; KR20150143846A; JPWO2015050091A1; US9915363B2; US20160123484A1; KR101750189B1

Abstract

　弁体１１２が弁座１０４に対して接離して弁の開閉を行い、流入口１０１から流入し、流出口１０２から流出する流体の流れを制御する逆止弁１００であって、下方に設けられた流入口１０１と、上方に設けられた流出口１０２と、流入口１０１を囲むように形成された弁座１０４と、弁座１０４に対して上下方向に接離移動可能に構成された弁体１１２と、下方に流入口１０１から流入した流体を水平方向に案内する流体案内面１１８と、側面に上下方向に弁体を案内する弁体案内面１１１と、を有する案内部１０５と、を備える。

Description

逆止弁

　本発明は、逆止弁に関する。

　液体窒素等の空気よりも液化温度が低い流体を供給するための低温流体用のポンプは、飽和蒸気圧（大気圧下で約７７Ｋ）の流体を液送するために使用されることが多く、負圧等による気化を防ぐため、ポンプの必要有効吸込みヘッド（ｒｅｑｕｉｒｅｄ　ＮＰＳＨ）が小さく構成される場合が多い。そのため、ポンプに使用される逆止弁は、流量抵抗が小さい（流量係数が大きい）ものが好ましい。

　一方、特許文献１に示すような、ベローズポンプのような容積型ポンプにおいては、ポンプ行程の高速化、すなわち、一行程の時間が短くなるように構成することで、装置の軽量小型化、特にポンプ支持部材やベローズ作動軸の軽量化を図ることができ、これにより駆動部で発生する熱の影響を低減することができる。したがって、ポンプ行程の高速化のためには、使用される逆止弁の挙動、特に、特許文献２に示すようなポペット式の逆止弁においては閉止ストローク時における弁体の自重による戻り動作の時間短縮が求められる。また、閉止タイミングの遅れは、閉止時の流体の逆流につながり、逆流による水撃の影響が無視できない場合もある。

　一般的に、弁の閉止遅れを解決する手段としては、弁体の復帰方向にばね力を付与することや、開弁時の弁体の開き量を小さくする手段などが挙げられる（ばね付逆止弁等）。また、特許文献３に示すような、カムやソレノイド等の外力を用いて強制的に閉止させる手段もある。しかし、ばね力付与や開き量を小さくする場合、弁の流量係数が相対的に小さくなり、必要な流量係数を得るためには弁の大型化が必要となり、ポンプ自体も大型化してしまう。また、強制的に閉止する場合、機構が複雑化し、低温での使用環境条件や断熱性を考慮する必要があり設計の困難さを伴う。

　一方、ポペット式の逆止弁における弁体の挙動は、図１２に示すモデルのように、流体の運動量により弁体に作用する力の影響が大きいことが知られている。図１２は、ポペット弁の弁体に作用する力について説明する模式図である。弁体に加わる力として弁体の上流側圧力（Ｐ１）、下流側圧力（Ｐ２）の差圧ΔＰ（Ｐ１－Ｐ２＝）の作用だけでなく、流体の運動量が作用することとなる。ポペット弁の弁体に作用する力として図１２に示すモデルでは下式のように与えられる。
　Ｆ＝Ａ・ΔＰ＋ρ・Ｑ・（Ｖ０－Ｖ・ＣＯＳθ）　…（１）
　Ｖ＝Ｃ／Ａ・√（２／ρ・ΔＰ）　…（２）

　ここで、Ａは管断面積（＝π・ｄ^２／４）、ｄは管の径、ρは流体の密度、Ｑは流量（＝Ｖ０・Ａ）、Ｖ０は上流の流速、Ｖは弁部での流速、Ｃは流量係数、θは弁体テーパ面の軸線となす角度である。

　式（１）の右辺の第一項が上流と下流の差圧ΔＰにより作用する力、第二項が流体の運動量により作用する力となる。自重式の弁構造において、弁体のリフト量が流量に対して十分に大きい場合、Ｖ≒Ｖ０となるため、式（２）を代入して整理すると、式（１）は、
　Ｆ＝１／２・ρ・Ａ・Ｖ０^２・１／Ｃ^２＋ρ・Ａ・Ｖ０^２・（１－ＣＯＳθ）　…（３）
となる。

　式（３）の右辺第一項が上流と下流の差圧ΔＰにより作用する力、第二項が流体の運動量により作用する力となる。仮に差圧ΔＰのみが作用しリフト量に対する流量係数が同一の弁と比べた場合、第二項が作用する分だけ同一流量においても弁体を押し上げる力が多く作用する。そのため、ポペット弁は自重によって最大リフト量から閉弁位置に落下する時間が増加し、閉止タイミングが遅れる。

特開２０１２－５２６１７号公報特開２００８－９５８２０号公報特開昭６２－２２８６７９号公報

　本発明の目的は、簡易な構成により閉弁動作の高速化を図ることができる逆止弁を提供することにある。

　上記目的を達成するために、本発明における逆止弁は、
　弁体が弁座に対して接離して弁の開閉を行い、流入口から流入し、流出口から流出する流体の流れを制御する逆止弁であって、
　下方に設けられた流入口と、
　上方に設けられた流出口と、
　前記流入口を囲むように形成された弁座と、
　前記弁座に対して上下方向に接離移動可能に構成された弁体と、
　下方に前記流入口から流入した流体を水平方向に案内する流体案内面と、側面に上下方向に弁体を案内する弁体案内面と、を有する案内部と、
を備えることを特徴とする。

　本発明によれば、弁体に対して作用する流体の運動量による力の大きさを低減することができる。流入口から流入してきた流体は案内部の流体案内面により流動方向が概ね水平方向に変更させる。流体の運動量による力は、上下方向に移動する弁体に対して水平方向に作用するため、上記式（３）における右辺第二項が低減される。これにより、弁体を押し上げる力が低減され、弁体のリフト量が小さくなることから、自重によって最大リフト量から閉弁位置に落下する時間が短縮され、閉止タイミングの遅れが短縮される。

　前記弁体が前記弁座に着座したときに、前記弁体と前記弁体案内面と間の隙間を覆うように前記弁体及び前記案内部に着座可能に構成された補助弁体をさらに備えるとよい。

　弁体と案内部との間の隙間を弁体の着座後に補助弁体によって閉じる二段弁構造とすることにより、逆流発生時の水撃の威力を低減することができる。すなわち、１段目の弁（弁体）で逆流量を絞った後、最終的に二段目の弁（補助弁体）で閉止する構成となる。これにより、水撃の作用の大きさの目安となる閉止時の逆流流速を小さくすることができる。

　前記補助弁体は、前記弁体に対して所定範囲内で上下移動可能に組み付けられており、
　前記弁体において前記補助弁体が着座する座面と、前記案内部において前記補助弁体が着座する座面は、前記弁体が前記弁座に着座したときに同じ高さとなるようにするとよい。

　弁体が弁座に着座するときに、補助弁体が弁体と案内部との間の隙間を絞りながら閉止することにより、水撃の影響をさらに効果的に低減することができる。

　前記補助弁体を前記弁体及び前記案内部に向けて下方に付勢する付勢部材をさらに備えるとよい。

　これにより、付勢部材により補助弁体を介して弁体に閉弁方向の付勢力が作用し、閉弁動作の高速化を図ることができる。また、付勢力を適宜設定することにより、逆止弁の設置方向を重力方向とは逆方向にする、すなわち、上方から下方の一方向に流体を流通させる逆止弁としても使用することが可能となる。

　前記弁体は、前記弁体案内面に案内される内側の側面の下端から外向きに前記弁座に対向して水平に延びる受圧面、あるいは、前記弁体案内面に案内される内側の側面の下端から外向きに前記弁座との距離が徐々に狭まるように延びる受圧面を有するとよい。

　このように、流体案内面によって案内される流体の流動方向に略沿った方向に延びる受圧面を弁体に設けることで、該流体の運動量により弁体に対して作用する力はほとんど生じず、弁体に作用する力は、流入口側の圧力（上流側圧力Ｐ１）と流出口側の圧力（下流側圧力Ｐ２）の差圧（ΔＰ）による力が殆どとなる。これにより、上記式（３）における右辺第二項を大幅に低減することができる。

　前記弁体と前記案内部との間の隙間の位置が上下方向に見て前記流入口よりも外側に位置するとよい。

　このように、弁体と案合部との間の隙間が、上下方向において流入口と重ならないように構成することにより、流入口から流入してきた流体は、一旦水平方向に流動方向を変えてから上記隙間に流入することになる。したがって、隙間を介して補助弁体に作用する流体の運動量の影響を低減することができ、水撃の影響をより効果的に低減することができる。

　前記弁座は、開弁時に上流から下流に流れる流体の通過方向が水平方向に互いに逆方向となる第１の弁座及び第２の弁座を備え、
　前記弁体は、前記第１の弁座に着座する第１の弁部と、前記第２の弁座に着座する第２の弁部と、前記第２の弁部から前記第１の弁部に向かって前記第１の弁座との距離が徐々に狭まるように前記第１の弁部と前記第２の弁部との間を延びる受圧面と、を備えてもよい。

　これにより、開弁時において、第１の弁部及び第１の弁座において流体が流動する方向と、第２の弁部及び第２の弁座において流体が流動する方向が、互いに逆方向となり、弁体に対して作用する流体の運動量による力の大きさを低減することができる。

　本発明によれば、簡易な構成により閉弁動作の高速化を図ることができる。

本発明の実施例１に係る逆止弁の模式的断面図。図１の一部拡大図。液体供給システムの概略構成図。本発明の実施例１に係る逆止弁の変形例の模式的断面図。本発明の実施例２に係る逆止弁の模式的断面図。本発明の実施例２に係る逆止弁における閉応答時間の測定結果。従来例に係る逆止弁における閉応答時間の測定結果。本発明の実施例２に係る逆止弁における水撃力の測定結果。従来例に係る逆止弁における水撃力の大きさの測定結果。本発明の実施例３に係る逆止弁の模式的断面図。図１０の一部拡大図。ポペット弁の弁体に作用する力について説明する模式図。

　以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

　（実施例１）
　図３を参照して、本発明の実施例に係る逆止弁を備えた液体供給システムについて説明する。図３は、本発明の実施例に係る逆止弁を備えた液体供給システムの概略構成図である。

　＜液体供給システム＞
　液体供給システム１０は、低温流体用のポンプ装置であり、樹脂製の容器３１の内部に超伝導コイル３２が備えられた被冷却装置３０に対して、超電導コイル３２を超伝導可能な状態で維持させるために、容器３１内に超低温の液体Ｌを常時供給するものである。超低温の液体Ｌの具体例としては、液体窒素や液体ヘリウムを挙げることができる。

　液体供給システム１０は、超低温の液体Ｌが収容される第１容器１１と、第１容器１１に収容された液体Ｌ中に配置される第２容器１２と、第２容器１２の内部に入り込むように配置されるベローズ１３とを備えている。第２容器１２内のうちベローズ１３の外側の領域によって、第１ポンプ室Ｐ１を構成している。また、ベローズ１３内も密閉空間となっており、この密閉空間が第２ポンプ室Ｐ２となっている。そして、第２容器１２には、第１容器１１内の液体Ｌを第１ポンプ室Ｐ１内に吸入する第１吸入口２１と、吸入した液体Ｌを第１ポンプ室Ｐ１内からシステムの外部に通じる供給通路（供給管）Ｋ１に送出する第１送出口２２とが設けられている。また、第２容器１２には、第１容器１１内の液体Ｌを第２ポンプ室Ｐ２内に吸入する第２吸入口２３と、吸入した液体Ｌを第２ポンプ室Ｐ２内から供給通路Ｋ１に送出する第２送出口２４も設けられている。また、第１吸入口２１及び第２吸入口２３には、それぞれ本実施例に係る逆止弁１００ａ、１００ｃが設けられており、第１送出口２２及び第２送出口２４にも、それぞれ本実施例に係る逆止弁１００ｂ、１００ｄが設けられている。

　また、駆動源としてのリニアアクチュエータ１４によって往復移動するように構成された軸１５が、第１容器１１の外部からベローズ１３の内部に入り込み、その先端がベローズ１３の先端に固定されている。これにより、軸１５が往復移動することによって、ベローズ１３は伸縮する。

　軸１５の周囲には、気体によって満たされた密閉空間Ｒ１が形成されている。この密閉空間Ｒ１は、第１容器１１の外部からベローズ１３に至るように伸びる軸１５が挿通される筒状（望ましくは円筒状）の管部６１と、この管部６１の下端部と上端部にそれぞれ設けられる小ベローズ６２、６３とによって形成されている。なお、この密閉空間Ｒ１と第２ポンプ室Ｐ２との間を隔てる小ベローズ６３と、密閉空間Ｒ１と外部空間との間を隔てる小ベローズ６３は、いずれも先端が軸１５に固定されており、軸１５の往復移動に伴って伸縮するように構成されている。また、小ベローズ６２、６３は、その外径がベローズ１３の外径よりも小さくなるように構成されている。

　また、ベローズ１３における上端側にも、上記の通り、小ベローズ６２が設けられることによって、ベローズ１３内が密閉空間となるように構成され、この密閉空間が上記の通り、第２ポンプ室Ｐ２となっている。

　以上の構成により、ベローズ１３が縮むと、第２送出口２４を介して第２ポンプ室Ｐ２内から液体Ｌが供給通路Ｋ１に送出され、かつ第１吸入口２１を介して液体Ｌが第１ポンプ室Ｐ１内に吸入される。また、ベローズ１３が伸びると、第２吸入口２３を介して液体Ｌが第２ポンプ室Ｐ２内に吸入され、かつ第１送出口２２を介して第１ポンプ室Ｐ１内から液体Ｌが供給通路Ｋ１に送出される。このように、ベローズ１３が縮む際、及び伸びる際のいずれにおいても液体Ｌが供給通路Ｋ１に送出される。

　以上のように、液体供給システム１０においては、ベローズ１３の伸縮動作の繰り返しによって、供給通路Ｋ１を通じて、液体Ｌが被冷却装置３０に供給される。また、液体供給システム１０と被冷却装置３０とを繋ぐ戻り通路（戻り管）Ｋ２も設けられており、被冷却装置３０に供給された分だけ、液体供給システム１０に液体Ｌが戻るように構成されている。また、供給通路Ｋ１の途中には液体Ｌを超低温の状態まで冷却する冷却機２０が設けられている。このような構成により、冷却機２０によって超低温まで冷却された液体Ｌは、液体供給システム１０と被冷却装置３０との間を循環する。

　以上説明したように、ベローズ１３が縮む際、及び伸びる際のいずれにおいても液体Ｌが供給通路Ｋ１に送出され、ベローズ１３の伸縮動作による液体供給量を、第１ポンプ室Ｐ１のみでポンプ機能を発揮させた場合に比べて２倍にすることができる。そのため、所望の供給量に対して、第１ポンプ室Ｐ１のみでポンプ機能を発揮させた場合に比べて、一回分の供給量を半分にすることができ、供給通路Ｋ１内における液体の最大圧力を半分程度にすることができる。したがって、供給される液体の圧力変動（脈動）による悪影響を抑制することができる。

　また、液体Ｌが連続的に供給されることから脈動自体を抑制することが可能となる。したがって、システム外に緩衝装置（ダンパー）を設ける場合に比して、省スペース化を図ることができ、また、熱交換が発生する部位を減らせるので、冷却効率を高めることができる。

　さらに、軸１５が挿通される筒状の管部６１内を密閉空間Ｒ１として、その内部に気体を満たす構造を採用している。したがって、気体が満たされた密閉空間Ｒ１が伝熱を妨げる機能を発揮するため、リニアアクチュエータ１４で発生する熱や大気熱が液体Ｌまで伝わってしまうことを抑制することができる。また、仮に液体Ｌまで熱が伝わって気化したとしても、常に新しい液体Ｌが供給され、冷却効果もあるため、ポンプ室内部において液体Ｌが気化する温度まで上昇することを抑制することができる。したがって、ポンプ機能を低下させることもない。

　また、万一、軸１５からの伝熱等によって、ベローズ１３内の液体Ｌが気化して気体が発生してしまい、第２ポンプ室Ｐ２によるポンプ機能が低下しても、第１ポンプ室Ｐ１によるポンプ機能を安定的に発揮させることができる。更に、ベローズの内部側が（圧縮性流体である）気体の場合に比べて、本例では、ベローズ１３の内部側と外部側にそれぞれ（非圧縮性流体である）液体Ｌが存在するため、ベローズ１３の伸縮の際に、ベローズ１３の振れ回りや座屈を抑制することができる。

　また、密閉空間Ｒ１を、管部６１と一対の小ベローズ６２、６３によって形成する構成を採用している。また、小ベローズ６２、６３は、いずれも先端が軸１５に固定されており、軸１５の往復移動に伴って伸縮するように構成されている。したがって、摺動部位を形成することなく、密閉空間Ｒ１が形成されるため、摺動による摩擦抵抗に伴って、熱が発生してしまうということはない。

　ここで、本例においては、密閉空間Ｒ１を気体で満たす場合について説明したが、この密閉空間Ｒ１の内部を真空状態にする構成を採用することもできる。密閉空間Ｒ１内を真空状態にすることによって、より一層断熱効果を高めることができる。

　＜逆止弁＞
　図１及び図２を参照して本発明の実施例１に係る逆止弁について説明する。図１は、本発明の実施例１に係る逆止弁の模式的断面図であり、（Ａ）は、閉弁状態、（Ｂ）は、開弁状態をそれぞれ示す。図２は、図１の一部拡大図であり、補助弁体周辺の構成を示す。

　本実施例に係る逆止弁１００は、下方に設けられた流入口１０１から流体（液体Ｌ）が流入し、上方に設けられた流出口１０２から流体が流出する一方向弁であり、重力方向（鉛直方向）とは逆方向にのみ流体を流通させるためのものである。本実施例に係る逆止弁１００は、上述したように、図３に示すような復動ポンプ形式の低温流体用二重ベローズポンプでは、吐出側に二箇所、吸入側に二箇所使用される。

　＜逆止弁の構成＞
　逆止弁１００は、概略筒状に形成された弁本体１０３に、流入口１０１と、弁座１０４が形成されている。流入口１０１は、弁本体１０３の内部領域において上方に向かって開口し、弁座１０４は、流入口１０１の外周に環状に水平に形成されている。案内部としての支柱部材１０５は、流入口１０１と弁座１０４との間に設けられたインロー部に挿入・位置決めされ、押え金具１０６によって上方から下方に向かって押し付けられ固定されている。

　押え金具１０６は、上下に貫通する複数の孔部１０７を有し、流出口１０２が形成された概略筒状の蓋１０８と弁本体１０３との間に外周端部が挟持固定されることで取り付けられる。蓋１０８と弁本体１０３は、ナット等の締結部材１０９により結合されるとともに、結合面がガスケット１１０により気密にされる。気密のためのガスケットは、テフロン系ガスケットが一般的であるが、金属系でもよい。また、外部への漏れの許容度から、ガスケットを使用しなくてもよい。また、孔部１０７の形状は特に限定されるものではなく、断面は円形（正円、長円等）でも矩形でもよく、種々の構成を採用することができる。

　支柱部材１０５の外周面である案内面（弁体案内面）１１１には、環状部材である弁体１１２が上下方向（軸方向）に移動可能に取り付けられている。弁体１１２は、下部に設けられた環状の当接部としての突起部１１３が環状の弁座１０４に当接することにより環状のシール面を形成し、閉弁状態となる。このように凸状の突起部１１３とすることで、着座時の気密において接触面の面圧を高めることができる。また、弁体１１２の上部には、弁体１１２と支柱部材１０５との間の隙間を封止するための補助弁体１１４が組み付けられている。

　支柱部材１０５は、下部に中心から径方向に延びる切欠き状の溝１１５が軸対称に形成されており、支柱部材１０５の下面１１６とともに、下方から上方に向かって流入口１０１から流入してきた流体を水平方向に案内する案内流路を形成する。

　弁体１１２は、スムーズな上下動を可能にするため、支柱部材１０５の案内面１１１と被案内面である内周面１１７との間に、所定の隙間を有して嵌合（遊嵌）されている。また、突起部１１３の内側には、環状で水平な受圧面（流体案内面）１１８が形成されている。

　補助弁体１１４は、中心に孔部を有する円盤状の平板部材であり、保持部材１１９によって、弁体１１２の上面１２０に対して所定範囲で上下移動可能な隙間Ｇを有して保持されている（図２）。また、補助弁体１１４は、内周面１２１が押え金具１０６の押え部外周面１２２に対して上下方向に摺動自在に接触する構成となっている。弁体１１２の上面１２０と、支柱部材１０５の上面１２３は、弁体１１２が着座した状態において同じ高さとなる。これにより、補助弁体１１４は、弁体１１２の内周面１１７と支柱部材１０５の案内面１１１と間の隙間を流出口１０２側に対して覆うように、弁体１１２の上面１２０と支柱部材１０５の上面１２３にそれぞれ着座した状態となることができる。補助弁体１１４は、基本的に平板でよいが、穴や溝、切欠き等を設けてもよい。また、中心方向に向けて凹凸を設けてシール位置の調整を行うことも可能である。また、保持部材１１９と弁体１１２の上面１２０との間に形成される隙間Ｇの大きさは、補助弁体１１４が閉弁する際に弁座である弁体１１２の上面と支柱部材１０５の上面１２３の凹凸（高さの違い）にならってたわむ（凹凸に沿って変形する）ことを阻害しない観点から、補助弁体１１４の外周部が拘束されないように（十分に変形可能となるように）、該外周部の変形を見越して、最低限の大きさが確保されるように設定される。なお、補助弁体１１４の外周部が拘束（固定）されても、弁座の凹凸にならった変形が保障されるのであれば、隙間Ｇは設けなくてもよい。

　極低温で使用するため、本実施例に係る逆止弁１００の各構成部品の部材としては、金属系では、比較的低温脆化の少ないオーステナイト系ステンレス鋼、チタン、アルミ系が好ましい。また、樹脂系では、ＰＴＦＥ、ポリイミド系樹脂等の低温でも機械的特性が著しく低下しない材料が好ましい。また、常温から使用温度までは温度差が２００℃以上あり、使用温度下では部材に熱収縮を伴うため、弁体１１２、補助弁体１１４、支柱部材１０５の隙間を設けた稼働部は同一材料もしくは隙間が増加する部材の組み合わせが好ましい。さらに、弁体または弁座の接触面、弁体、補助弁体と支柱部材の稼働部には摩耗低減のための熱処理、表面処理（テフロンコーティング、銀メッキ、蒸着）を実施してもよい。

　＜逆止弁の開閉動作＞
　逆止弁１００は、流入口１０１側の流体圧Ｐ１により作用する力が、弁体１１２の重量と流出口１０２側の流体圧Ｐ２とにより作用する力より小さくなると、弁体１１２が自重により下降して閉弁状態となる。また、流入口１０１側の流体圧Ｐ１により作用する力が、弁体１１２の重量と流出口１０２側の流体圧Ｐ２とにより作用する力より大きくなると、弁体１１２が弁座１０４から上昇し、開弁状態となる。

　下方から上方に向かって流入口１０１から流入してきた流体は、支柱部材１０５の溝１１５と下面１１６によって形成される案内流路によって水平方向に案内される。案内流路の下流側開口（溝１１５の外周側開口）より下流側には、弁座１０４と、弁体１１２の突起部１１３と、受圧面１１８と、支柱部材１０５の外周面（案内面１１１）とにより、環状の流路が形成されている。この流路内の圧力Ｐ１により弁体１１２にかかる力が弁体１１２の重量及びＰ２により弁体１１２にかかる力より大きくなると、圧力Ｐ１を受圧面１１８で受けることで弁体１１２が上昇して弁座１０４から離間する。このとき、補助弁体１１４も、支柱部材１０５と弁体１１２との間の隙間から流入してくる流体の流体圧Ｐ１により弁体１１２に対して上昇し、流入口１０１側と流出口１０２側とを連通する微小な流路を形成する。そして、補助弁体１１４は、弁体１１２の上昇にともない、押え金具１０６の押え部外周面１２２と摺動しながら支柱部材１０５の上面１２３からさらに離間していく。

　＜本実施例の優れた点＞
　本実施例に係る逆止弁１００の弁構造によれば、弁体１１２に作用する力は、受圧面１１８、すなわち、弁体１１２の内周面１１７の下端縁と突起部１１３に囲まれた環状領域に作用する、上流側圧力（Ｐ１）と下流側圧力（Ｐ２）の差圧ΔＰによる力が殆どとなる。突起部１１３も外径方向に圧力を受けることになるが、その大きさは受圧面１１８と比べて小さく、弁体１１２の挙動に対する影響は少ない。弁体１１２に対して作用する流体の運動量は、上記案内流路により基本的に弁体１１２の径方向に作用し、軸方向に作用する力は突起部１１３に僅かに作用するだけとなり、図１２に示すようなポペット弁と比較して大幅に低減される。したがって、弁体１１２は、主として受圧面１１８で受ける圧力によって上昇することになる。

　また、径方向に作用する流体の運動量は、軸対称に作用するため弁体１１２に加わる力としては相殺される。すなわち、ポペット弁に作用する力Ｆの式（３）における右辺第二項は大幅に低減される。そのため、弁体１１２を押し上げる力がポペット弁に比べて小さくなり、弁体１１２のリフト量が小さくなることから、自重によって最大リフト量から閉弁位置に落下する時間が短縮され、閉止タイミングの遅れが短縮される。

　このように逆止弁の閉止タイミング遅れが短縮化されることにより、ポンプの高速化を図ることができる。この点について以下説明する。

　図３に示すベローズポンプのような容積型ポンプの場合、流量は以下のような関係である。
　Ｑ＝Ｖｔｈ×Ｎ×ｎ

　ここで、Ｑ：流量［ｌ／ｍｉｎ］、Ｖｔｈ：行程容積［ｌ］、Ｎ：行程数［ｃｐｍ］、ｎ：体積効率とする。

　この関係から、同一流量の場合、行程数Ｎが多いほど必要な行程容積Ｖｔｈが小さくなる。行程容積Ｖｔｈが小さいほど、構成要素のベローズ行程容積が小さくなる。ベローズ行程容積が小さい場合、設計的に可能なベローズストロークの関係で求められるベローズ有効面積を小さくすることができる。そのため、ベローズ有効面積（Ａｂ）×（ポンプ吐出圧力Ｐ）によって求まるベローズ作動荷重を低減することにより、ベローズ作動に関わる部材に必要な剛性を小さくすることができ、ポンプ支持部材及びベローズ作動軸の部材の軽量化が可能となる。

　ポンプ支持部材及びベローズ作動軸の軽量化により、ポンプにおける装置軸方向の熱伝達係数が低減され、構造上、タンク内に貯留されている低温液へ大気側から侵入する熱量が低減する。そのため低温液の蒸発量が減り、冷凍機を使用している場合は必要な冷却能力を減らすことができ、好ましい。

　また、ポンプ自体の軽量コンパクト化は取扱易さ、省設置スペース、耐振動性、耐衝撃性の向上により好ましい。

　以上のことから、ポンプの高速化（一行程の時間を短くすること）は低温ポンプにとって好ましい。しかし、ポンプを高速化する場合、逆止弁の閉止タイミングの遅れ時間がポンプの吐出性能（体積効率）に大きく関係する。逆止弁の閉止タイミングが遅れた場合（遅れ時間が大きい場合）、逆止弁の閉止遅れ時間中に吐出（吸入）した流体が逆流することで、結果的に体積効率が低下する。また、逆流時の弁の閉止によって生じる水撃の影響が無視できない場合もある。ポンプを高速化して一行程の時間が短くなり、弁の閉止遅れ時間と一行程の時間とが同一となった場合、実質、吐き出し量と逆流量が同一となるため高速化の限界となる。そのため、ポンプの高速化の限界サイクルを向上させるには逆止弁の閉止遅れ時間の短縮が大きく寄与することになる。

　したがって、本実施例によれば、逆止弁の閉止遅れ時間の短縮することにより、ポンプの高速化を図ることができる。

　また、弁体１１２と支柱部材１０５との間には、弁体１１２をスムーズに移動させるための隙間を設け、弁体１１２の着座後に補助弁体１１４によって上記隙間を閉じる二段弁構造としている。このような二段弁構造により、逆流時の水撃を一段弁構造の場合と比べて低減することができる。これは１段目の弁（弁体１１２）で逆流量が絞られた後、最終的に二段目の弁（補助弁体１１４）で閉止するため、相対的に水撃の作用の大きさの目安となる閉止時の逆流流速が小さくなるためである。

　また、弁体１１２と支柱部材１０５の隙間の位置が上下方向にみて流入口１０１よりも外側に位置する（上下方向において流入口１０１と重ならない）ように構成したことにより、流入口１０１から流入してきた流体は、一旦水平方向に流動方向を変えてから上記隙間に流入することになる。したがって、隙間を介して補助弁体１１４に作用する流体の運動量の影響を低減することができ、水撃の影響をより効果的に低減することができる。

　本実施例の弁構造によれば、開弁圧力が、弁体１１２のシール位置（突起部１１３の弁座１０４に対する当接位置）を弁体１１２の径方向に適宜調整することにより、流入口１０１側の流路の大きさを変えることなく弁体１１２の重量との関係で決まる。したがって、開弁圧力の適度な調整が可能である。

　また、弁リフト量についても、弁体１１２のシール位置を弁体１１２の径方向に適宜調整することにより、流入口１０１側の流路の径を変えることなく、流量と弁体１１２の重量との関係からおおよそ決まる。したがって、弁リフト量についても適度な調整が可能である。

　さらに、弁閉時に発生するΔＰによる押し付け力についても、流入口１０１側の流路の径を変えることなく、弁体１１２のシール位置を弁体１１２の径方向に適宜調整することにより、調整することができる。過度な押し付け力は、弁体１１２と弁座１０４の繰り返し接触により摩耗を促進するため、押し付け力調整によって、摩耗を低減し、耐久性の向上を図ることができる。

　＜変形例＞
　図４は、本実施例の逆止弁の変形例の模式的断面図であり、（Ａ）は、閉弁状態、（Ｂ）は、開弁状態をそれぞれ示す。本変形例のように、補助弁体１１４を下方に不正する付勢部材としてのばね１２４を、補助弁体１１４の上面と押さえ金具１０６の下端面との間に上下方向に圧縮して組み付けてもよい。本変形例によれば、ばね１２４により補助弁体１１４を介して弁体１１２に閉弁方向の付勢力が作用し、閉弁動作の高速化を図ることができる。また、ばね荷重を適宜設定することにより、逆止弁１００の設置方向を重力方向とは逆方向にする、すなわち、上方から下方の一方向に流体を流通させる逆止弁として使用することが可能となる。

　（実施例２）
　図５を参照して本発明の実施例２に係る逆止弁について説明する。図５は、本発明の実施例２に係る逆止弁の模式的断面図であり、（Ａ）は、閉弁状態、（Ｂ）は、開弁状態をそれぞれ示す。ここでは、主として実施例１と異なる点について説明し、実施例１と同様の構成については、同じ符号を付してその説明を省略する。ここで説明しない事項は実施例１と同様である。

　本実施例に係る逆止弁２００は、弁体の構成が実施例１に係る逆止弁１００と異なる。本実施例における弁体１２５は、受圧面１２６がテーパ状の傾斜となっている。受圧面１２６は、弁体１２５の内周面下端から外径方向に向かうほど弁座１０４との上下方向の距離が徐々に狭まるように延びる傾斜面となっており、その外周端が弁座１０４に当接する環状の当接部１２７となっている。このような構成においても、実施例１と同様、弁体１２５に対して作用する流体の運動量による力の大きさを低減することができる。

　受圧面１２６の角度は、受圧面１２６に作用する力の水平方向の分力が垂直方向の分力よりも大きくなるような角度、すなわち、弁体１２５に対して作用する流体の運動量による力の大きさを可能な限り小さくできるような角度に設定する。例えば、水平面に対して１０°程度の浅い角度に設定することができる。なお、実施例１における突起部１１３の高さについても同様の観点から設定され、受圧面１１８に対して、上記テーパ面の場合における内周端と外周端との間の高低差と同程度の高さとなるように設定すればよい。

　また、受圧面１２６は、逆テーパ状の傾斜面、すなわち、弁体１２５の内周面下端から外径方向に向かうほど弁座１０４との上下方向の距離が徐々に広がるように延びる傾斜面としてもよい。ただし、当接部１２７の内周面に外径方向に作用する力、すなわち、弁体１２５に対して作用する流体の運動量による力の大きさが大きくならないように設定する。

　また、本実施例では、実施例１の保持部材１１９を廃し、スペーサ１２８によって補助弁体１１４の上下方向の移動範囲を規制する構成としている。スペーサ１２８は、補助弁体１１４の上面に固定されており、所定の厚みを有している。このような構成においても、実施例１と同様、逆流時の水撃の影響を低減することができる。

　＜比較実験＞
　図６～図９を参照して、本実施例による閉応答時間の短縮効果及び水撃力の低減効果について説明する。図６は、実施例２に係る逆止弁における閉応答時間を測定した結果を示す図である。図７は、従来例に係る逆止弁における閉応答時間を測定した結果を示す図である。図８は、実施例２に係る逆止弁における水撃力の大きさを測定した結果を示す図である。図９は、従来例に係る逆止弁における水撃力の大きさを測定した結果を示す図である。

　本実施例に係る逆止弁として、テーパ面の角度が約１０°、受圧面積が約１０ｃｍ^２、弁体の最大稼動範囲が約３ｍｍ、弁体の有効径が２５ｍｍの逆止弁を使用した。また、従来例に係る逆止弁として、本実施例に係る逆止弁と同等な有効径をもつポペット弁を使用した。

　＜＜閉応答時間の比較＞＞
　上記実施例に係る逆止弁と従来例としてのポペット弁について、それぞれベローズのストロークと弁体（バルブ）のストロークを変位計で計測し、ベローズストロークの最下点（下死点）から弁体が着座点まで降下するまでの時間を閉応答時間とした。図７に示すように、従来例のポペット弁では２１ｍｓであったのに対し、図６に示すように、本実施例の逆止弁では１２ｍｓとなり、閉応答時間が大幅に短縮される結果となった。

　＜＜水撃の大きさの比較＞＞
　弁体（バルブ）の上流側および下流側にそれぞれ圧力計を設置して、閉弁時に発生する水撃圧力を測定した。図９に示すように、従来例のポペット弁では、入口側においてライン圧（１００ＫＰａ）に対して－１２０ＫＰａの圧力が発生するとともに、出口側においてライン圧に対して＋４６０ＫＰａの圧力が発生している。一方、図８に示すように、本実施例の逆止弁では、入口側に発生する圧力がライン圧に対して－１００ＫＰａ、出口側に発生する圧力がライン圧に対して＋２１０ＫＰａとなり、水撃力が大幅に低減される結果となった。

　（実施例３）
　図１０、図１１を参照して本発明の実施例３に係る逆止弁について説明する。図１０は、本発明の実施例３に係る逆止弁の模式的断面図であり、（Ａ）は、閉弁状態、（Ｂ）は、開弁状態をそれぞれ示す。図１１は、弁体周辺の構成を示す図１０の一部拡大図であり、（Ａ）は、第１弁部だけが閉弁した状態、（Ｂ）は、第１弁部と第２弁部が閉弁した状態をそれぞれ示す。ここでは、主として実施例１、２と異なる点について説明し、実施例１、２と同様の構成については、同じ符号を付してその説明を省略する。ここで説明しない事項は実施例１、２と同様である。

　本実施例に係る逆止弁３００は、弁体及び支柱部材の構成が実施例１、２に係る逆止弁１００、２００と異なるとともに、補助弁体を備えていない点でも異なる。図１０に示すように、本実施例における弁体１３０は、大径の第１弁部１３１と、小径の第２弁部１３２と、第２弁部１３２から傘状に拡がって第１弁部１３１につながる傾斜部１３４と、を備える。第２弁部１３２の上面には、環状のおもり１３３が接合されている。弁体１３０は、ＳＵＳや樹脂等の内部流体による影響がない材料であって弾性変形が可能な材料で構成される。

　弁体１３０の第１弁部１３１は、弁座１０４に着座して第１の環状のシール面を形成する。また、弁体１３０の傾斜部１３４の下面は、テーパ状に傾斜した受圧面を形成する。本実施例における支柱部材１３５は、下端にフランジ部１３７を有しており、フランジ部１３７の上面が、弁体１３０の第２弁部１３２の弁座となる。また、フランジ部１３７の下面は、流入口１０１から流入してきた流体を径方向外向き案内する流体案内面として機能する。第２弁部１３２がフランジ部１３７の上面に着座することで第２の環状のシール面が形成される。なお、本実施例における押え金具１３６は、実施例１、２の押え金具１０６と形状が異なっているが、求められる機能は同じである。

　逆止弁３００は、流入口１０１側の流体圧Ｐ１により作用する力が、弁体１３０の重量と流出口１０２側の流体圧Ｐ２とにより作用する力より小さくなると、弁体１３０が自重により下降して閉弁状態となる。おもり１３３は、弁体１３０の自重による下降を可能とするために設けられており、おもり１３３を設ける代わりに第２弁部１３２に肉厚部を設けるなどにより弁体自体の重さを調整するようにしてもよい。

　閉弁時には、図１１（Ａ）に示すように、最初に第１弁部１３１が弁座１０４に着座し、第２弁体１３２は着座していない状態となる。その後、先に着座した第１弁部１３１を基点とし弁体１３０全体が弾性変形を生じて、第２弁部１３２がフランジ部１３７上面に着座する。

　具体的には、図１１（Ｂ）に示すように、先に着座した第１弁部１３１の周辺が拡径変形して第１弁部１３１の着座位置が外側にずれる（シール面が拡径する）とともに、傾斜部１３４が内側に向かって倒れるように変形する。これと同時に、第２弁部１３２及びおもり１３３は、若干縮径変形しながら下降してフランジ部１３７上面に着座する。第２弁部１３２の内周面と支柱部材１３５の外周面との間には隙間が設けられており、環状の流路を形成している。第２弁部１３２は、閉弁時に上記環状の流路を狭めながらフランジ部１３７の上面に着座する。

　開弁時には、流入口１０１側の流体圧Ｐ１により作用する力が、弁体１３０の重量と流出口１０２側の流体圧Ｐ２とにより作用する力より大きくなると、弁体１３０の第１弁部１３１、第２弁部１３２が弁座１０４、フランジ部１３７上面からそれぞれ上昇し、開弁状態となる。

　本実施例に係る逆止弁３００は、第１弁部１３１の閉弁後に第２弁部１３２が閉弁する二段弁構造となっている。また、第１弁部１３１において流体が流動する方向と、第２弁部１３２において流体が流動する方向が互いに逆方向となっている。すなわち、流入口１０１から流入してきた流体は、一旦水平方向外向きに流動方向を変え、その後水平方向内向きに流れの向きを変えてから第２弁部１３２に流入することになる。受圧面である傾斜部１３４の下面は、弁体１３０の内周側から外径方向に向かうほど弁座１０４との上下方向の距離が徐々に狭まるように延びる傾斜面となっている。これにより、実施例１、２と同様、本実施例においても、弁体１３０に対して作用する流体の運動量による力の大きさを低減することができる。

　上記各実施例は、それぞれの構成を互いに組み合わせて適用することができる。

　逆止弁      １００
　流入口      １０１
　流出口      １０２
　弁本体      １０３
　弁座        １０４
　支柱部材（案内部）１０５
　押え金具    １０６
　孔部１０７
　蓋   １０８
　案内面（弁体案内面）      １１１
　弁体１１２
　突起部（当接部）   １１３
　補助弁体    １１４
　溝   １１５
　受圧面（流体案内面）      １１８
　保持部材    １１９

Claims

　弁体が弁座に対して接離して弁の開閉を行い、流入口から流入し、流出口から流出する流体の流れを制御する逆止弁であって、
　下方に設けられた流入口と、
　上方に設けられた流出口と、
　前記流入口を囲むように形成された弁座と、
　前記弁座に対して上下方向に接離移動可能に構成された弁体と、
　下方に前記流入口から流入した流体を水平方向に案内する流体案内面と、側面に上下方向に弁体を案内する弁体案内面と、を有する案内部と、
を備えることを特徴とする逆止弁。
　前記弁体が前記弁座に着座したときに、前記弁体と前記弁体案内面と間の隙間を覆うように前記弁体及び前記案内部に着座可能に構成された補助弁体をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の逆止弁。
　前記補助弁体は、前記弁体に対して所定範囲内で上下移動可能に組み付けられており、
　前記弁体において前記補助弁体が着座する座面と、前記案内部において前記補助弁体が着座する座面は、前記弁体が前記弁座に着座したときに同じ高さとなることを特徴とする請求項２に記載の逆止弁。
　前記補助弁体を前記弁体及び前記案内部に向けて下方に付勢する付勢部材をさらに備えることを特徴とする請求項２または３に記載の逆止弁。
　前記弁体は、前記弁体案内面に案内される内側の側面の下端から外向きに前記弁座に対向して水平に延びる受圧面を有することを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の逆止弁。
　前記弁体は、前記弁体案内面に案内される内側の側面の下端から外向きに前記弁座との距離が徐々に狭まるように延びる受圧面を有することを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の逆止弁。
　前記弁体と前記案内部との間の隙間の位置が上下方向に見て前記流入口よりも外側に位置することを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の逆止弁。
　前記弁座は、開弁時に上流から下流に流れる流体の通過方向が水平方向に互いに逆方向となる第１の弁座及び第２の弁座を備え、
　前記弁体は、前記第１の弁座に着座する第１の弁部と、前記第２の弁座に着座する第２の弁部と、前記第２の弁部から前記第１の弁部に向かって前記第１の弁座との距離が徐々に狭まるように前記第１の弁部と前記第２の弁部との間を延びる受圧面と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の逆止弁。