JP4694159B2 - 流体制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、ピストン動作におけるストッパ機構を有する流体制御弁に関するものである。

＜従来技術１＞
従来より、流体制御弁として図３のようなものが存在している。
以下、この流体制御弁１０１について説明する。
まず、流体制御弁１０１の構成を説明する。
図３に示すように流体制御弁１０１は、バルブボディ１１１とピストンシリンダ１１２により全体の外形をなし、機構上、パイロット機構部と弁機構部とから構成される。
パイロット機構部は、ピストンシリンダ１１２、ピストン１２１、アダプタ１２２、ロッド１２３、スプリング１２４から構成される。アダプタ１２２はバルブボディ１１１とピストンシリンダ１１２とによって挟み込まれて固定され、ピストン１２１とアダプタ１２２の間には、加圧室１２５が形成されている。ピストン１２１とロッド１２３は一体に組み立てられ、ロッド１２３がアダプタ１２２に形成された摺動孔１２２ａ内に配設されている。ピストンシリンダ１１２とピストン１２１の間にはスプリング１２４が配設されている。
弁機構部は、主弁体１３１、弁座１３２、バルブボディ１１１により構成され、バルブボディ１１１内にはポート１３３、ポート１３４が形成されている。主弁体１３１はロッド１２３と一体になっており、弁座１３２と当接および離間する。

次に、流体制御弁１０１の作用を説明する。
図３の閉弁状態において、操作ポート１２６から加圧室１２５にエアを送り込み加圧すると、ピストン１２１はスプリング１２４の下方への付勢力に抗してピストンシリンダ１１２内を摺動しつつ上昇する。ピストン１２１が上昇すると、ピストン１２１とロッド１２３を介して一体の主弁体１３１も上昇して弁座１３２と離間し、開弁状態（不図示）になる。
一方、この開弁状態おいて、操作ポート１２６から加圧室１２５のエアを排出し減圧すると、ピストン１２１はスプリング１２４の下方への付勢力に従いピストンシリンダ１１２内を摺動しつつ下降する。ピストン１２１が下降すると、ピストン１２１とロッド１２３を介して一体の主弁体１３１も下降して弁座１３２と当接し、図３に示すような閉弁状態になる。
このような弁の開閉の作用により、ポート１３３とポート１３４とを遮断あるいは連通させることにより、ポート１３３から供給される流体を制御するとしている。
すなわち、この流体制御弁１０１は閉弁状態では弁座１３２に対してスプリング１２４の下方への付勢力が作用することになる。

そこで、流体をポート１３３から供給する場合には、その流体圧力が主弁体１３１を押し上げるように作用するため、これに対抗すべく図３のようにスプリング１２４の荷重を大きくする必要がある。一方、流体をポート１３４から供給する場合には、その流体圧力が主弁体１３１を押し下げるように作用するため、図４に示すようにスプリング１２４の荷重はそれほど大きくする必要はない。

尚、このように弁座に対してスプリングの下方への付勢力が作用する仕様を利用したものとして、従来より特許文献１、２の電磁弁も存在している。詳細な説明は省略するが、図５に示すように特許文献１の電磁弁１０２では、弁体１４１、弁座１４２、スプリング１４４が、図６に示すように特許文献２の電磁弁１０３では、弁体１５１、弁座１５２、スプリング１５４が構成されている。

＜従来技術２＞
また、従来より、流体制御弁として図７のようなものも存在している。
以下、この流体制御弁２０１について説明する。
まず、流体制御弁２０１の構成を説明する。
図７に示すように流体制御弁２０１は、ボディ２１１、カバー２１２、パイロット電磁弁２１３とによって全体の外形をなし、機構上、パイロット機構部と弁機構部とから構成される。
パイロット機構部は、パイロット電磁弁２１３、カバー２１２、ピストン２２１、プレート２２２、ロッド２２３、リターンスプリング２２４から構成される。プレート２２２はボディ２１１とカバー２１２とによって挟み込まれつつ固定され、ピストン２２１とプレート２２２の間には、加圧室２２５が形成されている。ピストン２２１とロッド２２３は一体に組み立てられ、ロッド２２３がプレート２２２に形成された摺動孔２２２ａ内に配設されている。カバー２１２とピストン２２１の間にはリターンスプリング２２４が配設されている。
弁機構部は、弁体２３１、弁座２３２、トラベルスプリング２３５により構成され、ボディ２１１内にはポート２３３、ポート２３４が形成されている。弁体２３１はロッド２２３と一体になっており、弁座２３２と当接および離間する。ロッド２２３のフランジ部２２３ａと弁体２３１の間には、トラベルスプリング２３５が配設されている。

次に、流体制御弁２０１の作用を説明する。
図７の閉弁状態において、パイロット電磁弁２１３を通電し操作ポート（不図示）から加圧室２２５にエアを送り込み加圧すると、ピストン２２１はリターンスプリング２２４の下方への付勢力に抗してカバー２１２内を摺動しつつ上昇する。ピストン２２１が上昇すると、ピストン２２１と一体の弁体２３１も上昇して弁座２３２と離間し開弁状態になる。
一方、この開弁状態おいて、パイロット電磁弁２１３の通電を解除し操作ポート（不図示）から加圧室２２５のエアを排出し減圧すると、ピストン２２１はリターンスプリング２２４の下方への付勢力に従いカバー２１２内を摺動しつつ下降する。ピストン２２１が下降すると、ピストン２２１とロッド２２３を介して一体の弁体２３１も下降して弁座２３２と当接し、図７に示すような閉弁状態になる。このとき、ピストン２２１の下面はプレート２２２に当接するため、リターンスプリング２２４の下方への付勢力は弁体２３１を介して弁座２３２に伝わらず、弁座２３２には弁体２３１を介してトラベルスプリング２３５の下方への付勢力が伝わるだけであるとしている。

＜従来技術３＞
また、従来技術３として特許文献３に開示された電磁弁３０１が存在する。
以下、この電磁弁３０１の弁機構部について説明する。
図８に示すように電磁弁３０１の弁機構部は、主に通路部材３１１、弁体３３１、弁座３３２から構成される。通路部材３１１には環状溝３３５、流路３３３、３３４が形成され、弁ばね３２４に付勢される弁体３３１には環状突起３３６が形成されている。
次に、電磁弁３０１の作用を説明する。弁体３３１が弁座３３２から離間する開弁状態（不図示）から電磁アクチュエータ３３７への給電を停止すると、弁体３３１は弁ばね３２４に付勢されて、図８に示すように弁体３３１が弁座３３２に着座し閉弁状態になる。そして、このとき弁体３３１に設けられた環状突起３３６が、通路部材３１１に設けられた環状溝３３５に嵌合するときに、嵌状溝３３５内に滞留した流体が、環状溝３３５と環状突起３３６との間に形成された隙間Ｓを介して図８中に矢印Ｆで示すように逃げるときの流動抵抗、および流体の粘性抵抗等により緩衝作用が生じる。これにより、弁体３３１が弁座３３２に着座するときの衝撃が緩和され、弁体３３１と弁座３３２との衝突音を低減することができ、かつ、弁体３３１と弁座３３２との衝合部等に生じる摩耗を低減することができるとする。
特開平８−２８７４２号公報（第４図） 特開平８−１２８５５５号公報（第１図（ａ）） 特開平７−２６９７３６号公報（段落００２８等、第２図）

しかしながら、従来技術には以下の問題点が存在する。
従来技術１では、ポート１３３側から流体を供給する場合には、流体を確実にシールさせるため、流体圧力による主弁体１３１の押し上げる力に対抗すべく、スプリング１２４のバネ力を大きくする必要がある。そのため、その反力により主弁体１３１に過大な荷重が掛かり、限界値を超える応力を与えることとなる。従って、主弁体１３１がゴムなどの弾性体で形成されている場合には、この応力によって主弁体１３１が破損するおそれがある。このような問題は、特許文献１、２における電磁弁１０２、１０３についても同様に起こりうる。
また、ポート１３４側から流体を供給する場合には、スプリング１２４のバネ力を小さくできるが、流体の圧力により主弁体１３１を押し下げる力が生じる。そのため、従来技術１と同様に主弁体１３１に過大な荷重が掛かることに変わりはなく、限界値を超える応力を与えることとなる。そのため、主弁体１３１がゴムなどの弾性体で形成されている場合には、この応力によって主弁体１３１が破損するおそれがある。

従来技術２では、設置スペースの都合上、トラベルスプリング２３５の大きさが制限され、高荷重のスプリングを使用することができない。また、弁体２３１の動作をガイドする機構が設けられていない。そのため、弁体２３１と弁座２３２の間のシール性が不安定になると考えられる。
さらに、弁体２３１はプレート２２２内で摺動するものであり、その摺動部に流体内に含まれる異物が噛み込むおそれや、摺動抵抗を低減させるために使用されるグリースが蒸発するおそれがある。そのため、弁体２３１の摺動不良が生じたり、この摺動部のシール性が不安定になるおそれがある。従って、制御対象の流体として空気など異物の混入が少ないものに限定されてしまい、流体制御弁としてのニーズに十分に応えることができないと考えられる。

従来技術３では、嵌状溝３３５内に滞留した流体の流動抵抗、および流体の粘性抵抗等により緩衝作用が生じるとするが、流体の種類によって流動抵抗や粘性抵抗等が異なり緩衝作用の効果が安定しない。特に、流体が水や空気であれば粘性が低いので緩衝作用の効果は得られないと考えられる。そのため、制御対象の流体の種類が限定されてしまう。

本発明は以上のような課題を解消するためになされたものであり、主弁体の耐久性を飛躍的に向上させ、制御対象である流体の種類を選ばず、流体に混入する異物にも強い流体制御弁を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本願発明は以下の特徴を有する。
（１）一端部にピストンが配設され他端部に主弁体が配設されたロッドと、略円筒形のピストンシリンダと弁本体の間に固定されロッドが摺動する摺動孔が中心部に形成された略円盤形のアダプタを有する流体制御弁において、ピストンの弁本体側の端面と当接および離間するストッパー端面が設けられたアダプタを有すること。
（２）さらに、ストッパー端面は摺動孔の周囲に形成されていること。

このような特徴を有する本発明は、以下のような作用・効果を有する。
（１）ストッパー機構によりピストンの弁本体側の端面がアダプタのストッパー端面に当接し、主弁体が弁座に押し付けられても所定の量以上は沈み込まず、主弁体に過大な荷重が掛からない。そのため、主弁体が破損するおそれがなく、主弁体の耐久性が飛躍的に向上する。
また、このような効果を発揮するストッパー機構を有するので、ピストンを付勢するスプリングの付勢力を十分に大きくしても問題が生じない。そのため、制御対象である流体の種類を選ばず、流体に混入する異物にも強い効果が得られる。

（２）さらに、アダプタのストッパー端面がロッド、主弁体、弁座とともにほぼ同軸上に位置する。そのため、ピストンが傾いて摺動しても、ピストンの下面とアダプタのストッパー端面のクリアランスが確実に主弁体の沈み込み量を決定する。
従って、より確実に主弁体の耐久性を飛躍的に向上させ、制御対象である流体の種類を選ばず、流体に混入する異物にも強い効果が得られる。

以下、本発明の実施例を説明する。
まず、流体制御弁１の構成を説明する。
図１に示すように流体制御弁１は、バルブボディ１１とピストンシリンダ１２により全体の外形をなし、機構上、パイロット機構部と弁機構部とから構成される。
パイロット機構部は、ピストンシリンダ１２、ピストン２１、アダプタ２２、ロッド２３、スプリング２４から構成される。アダプタ２２はバルブボディ１１とピストンシリンダ１２とによって挟み込まれつつ固定され、パイロット機構部と弁機構部とを分離し、各機構部の密閉性を高める役割を果たし、特に、ピストン２１との間で加圧室２５を形成している。ピストン２１とロッド２３は一体に組み立てられ、ロッド２３がアダプタ２２に形成された摺動孔２２ａ内に配設されている。ピストンシリンダ１２とピストン２１の間にはスプリング２４が配設されている。
弁機構部は、バルブボディ１１、主弁体３１、弁座３２、ポート３３、ポート３４から構成される。主弁体３１はロッド２３と一体になっており、弁座３２（詳しくは、先端のＲ部３５）と当接および離間する。

次に、流体制御弁としての一般的な作用を説明する。図１に閉弁状態、図２に開弁状態を示す。
図１の閉弁状態において、操作ポート２６から加圧室２５にエアを送り込み加圧すると、ピストン２１はスプリング２４の下方への付勢力に抗してピストンシリンダ１２内を摺動しつつ上昇する。ピストン２１が上昇すると、ピストン２１とロッド２３を介して一体の主弁体３１も上昇して弁座３２と離間し、図２に示すような開弁状態になる。
一方、図２に示すような開弁状態おいて、操作ポート２６から加圧室２５のエアを排出し減圧すると、ピストン２１はスプリング２４の下方への付勢力に従いピストンシリンダ１２内を摺動しつつ下降する。ピストン２１が下降すると、ピストン２１とロッド２３を介して一体の主弁体３１も下降して弁座３２と当接し、図１に示すような閉弁状態になる。

次に、流体制御弁１における特徴的な作用について説明する。
図１に示すような閉弁状態においては、スプリング２４の下方への付勢力がピストン２１、ロッド２３を介して主弁体３１に伝わるので、主弁体３１はスプリング２４の下方への付勢力により、弁座３２に押し付けられることになる。主弁体３１は弾性体により構成されており、弁座３２に押し付けられる量につき沈み込むかたちになる。すなわち、スプリング２４の下方への付勢力が大きいほど、主弁体３１が弁座３２に押し付けられ沈み込む量が大きくなる。しかし、本発明では、所定の量だけ主弁体３１が弁座３２に押し付けられ沈み込むと、ピストン２１の下面（弁本体１１側の端面）がアダプタ２２のストッパ
ー端面２２ｂに当接し、それ以上沈み込めない構造になっている。すなわち、主弁体３１が弁座３２に当接した瞬間においてピストン２１の下面とアダプタ２２のストッパー端面２２ｂのクリアランスが所定量α（図１）に設定されるような構造とすることで、主弁体３１が弁座３２に沈み込む量を設定する。かかる所定量αは、主弁体３１の硬度や材質、弁座３２の形状によって異なる量に決定されるものである。具体的な決定方法としては、まず、主弁体３１（ゴム）の硬度や材質、弁座３２の形状などから、弁体３１と弁座３２の間のシール性を確保するために必要な主弁体３１の沈み込み量を決定する。そのうえでロッド２３、主弁体３１、弁本体１１、アダプタ２２などの積み上げ公差の下限値を考慮しつつ、最低限の主弁体３１の沈み込み量が確保できるように決定するというものである。

なお、実験の結果より、弁体３１と弁座３２の間のシール性を確保するために、主弁体３１の沈み込み量は、最低限として、０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度を確保することが望ましいことが分かっている。また、この最低限の沈み込み量を確保するために所定量αは０．３ｍｍ〜１．１ｍｍ程度を確保することが望ましいことが分かっている。
ここで、より具体的な実験値の一例をあげると、主弁体３１として硬度の高いゴムを使用し、弁座３２の形状の設定値として弁座３２の先端のＲ部３５のＲを０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度とした場合には、所定量αとしては０．３ｍｍ〜０．７ｍｍ程度を確保することが望ましいことが分かっている。

また、本発明では特にストッパー端面２２ｂはアダプタ２２の中心部の摺動孔２２ａの周囲に形成されているので、ストッパー端面２２ｂがロッド２３、主弁体３１、弁座３２とともにほぼ同軸上に位置することになる。そのため、たとえピストン２１が傾いて摺動したとしても、所定量αにより確実に主弁体３１の沈み込み量を決定することができる。

このようにピストン２１の下面がアダプタ２２のストッパー端面２２ｂに当接し、所定の量以上は沈み込むことができない構造になっていることから、主弁体３１に過大な荷重が掛かって破損してしまうという恐れはない。
また、長期間使用しても弁体３１のへたりが一定量以上は進まないので、弁体３１と弁座３２の間での安定したシール性を長期間確保することができ耐久性が飛躍的に向上する。そのため、流体圧力に応じてスプリング２４の付勢力を十分に大きくすることもできる。

以上のような実施例により、以下の効果が得られる。
本発明は、一端部にピストン２１が配設され他端部に主弁体３１が配設されたロッド２３と、略円筒形のピストンシリンダ１２と弁本体１１の間に固定されロッド２３が摺動する摺動孔２２ａが中心部に形成された略円盤形のアダプタ２２を有する流体制御弁において、ピストン２１の弁本体１１側の端面と当接および離間するストッパー端面２２ｂが設けられたアダプタ２２を有するので、ピストン２１の弁本体側の端面がアダプタ２２のストッパー端面２２ｂに当接し、主弁体３１が弁座３２に押し付けられても所定の量以上は沈み込まず、主弁体３１に過大な荷重が掛からず、主弁体３１が破損するおそれがなく、主弁体３１の耐久性を飛躍的に向上させる。また、ピストン２１を付勢するスプリング２４の付勢力を十分に大きくしても問題が生じないので、制御対象である流体の種類を選ばず、流体に混入する異物にも強い効果が得られる。

本発明は、さらにストッパー端面２２ｂは摺動孔２２ａの周囲に形成されているので、ストッパー端面２２ｂがロッド２３、主弁体３１、弁座３２とともにほぼ同軸上に位置する。そのため、ピストン２１の傾きに関わらず、ピストン２１の下面とストッパー端面２２ｂのクリアランスが、そのまま確実に主弁体３１の沈み込み量を決定する。
従って、より確実に主弁体３３の耐久性を飛躍的に向上させ、制御対象である流体の種類を選ばず、流体に混入する異物にも強い効果が得られる。

尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様
々な変更が可能である。

本発明の流体制御弁（閉弁状態）の断面図である。 本発明の流体制御弁（開弁状態）の断面図である。 従来技術１の流体制御弁（スプリング荷重大）の断面図である。 従来技術１の流体制御弁（スプリング荷重小）の断面図である。 従来技術１（特許文献１）の電磁弁の断面図である。 従来技術１（特許文献２）の電磁弁の断面図である。 従来技術２の流体制御弁の断面図である。 従来技術３の電磁弁の断面図である。

符号の説明

１ 流体制御弁
１１ 弁本体
１２ ピストンシリンダ
２１ ピストン
２２ アダプタ
２２ｂ ストッパー端面
２３ ロッド
２４ スプリング
２５ 加圧室
３１ 主弁体
３２ 弁座
３５ Ｒ部

Claims (2)

1. 一端部にピストンが配設され他端部に弾性体からなる主弁体が配設されたロッドと、略円筒形のピストンシリンダと弁本体の間に固定され前記ロッドが摺動する摺動孔が中心部に形成された略円盤形のアダプタを有し、前記ピストン及び前記主弁体が前記ロッドに直接連結され、前記主弁体が弁座に直接当接して閉弁する流体制御弁において、
   前記ピストンの弁本体側の端面と当接および離間するストッパー端面が設けられた前記アダプタを有すること、
   前記主弁体が前記弁座に当接した瞬間における前記ピストンの前記弁本体側の端面と前記アダプタが有する前記ストッパー端面とのクリアランスを所定値αに設定すること、
   前記所定値αは、前記主弁体の硬度や材質、前記弁座の形状によって、前記主弁体と前記弁座の間のシール性を確保するために必要な量であって、かつ前記主弁体に過大な荷重が掛からない量であること、
   を特徴とする流体制御弁。
2. 請求項１の流体制御弁において、
   前記ストッパー端面は前記摺動孔の周囲に形成されていることを特徴とする流体制御弁。

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