JP5079393B2 - 流体機器ユニット構造 - Google Patents

Description

本発明は、バルブや圧力スイッチ等の流体機器類を一体化した流体機器ユニット構造に関する。

従来、薬品等の流体を取り扱う装置においては、部品取付スペースが小さくなって装置の小型化に有効なフットプリント（平面視の投影面積）の低減、装置の信頼性やメンテナンスの簡略化に有効なリークポイントの低減、及び流体の有効使用を可能にするデッドボリュームの低減等を目的とし、複数の流体機器類を集積させて一体化した流体機器ユニット構造が開発されている。このような流体機器ユニット構造は、たとえば薬液循環と水循環とを行いつつ、必要に応じて薬液を取り出す用途等に採用されており、構成要素となる各種の流体機器類（バルブ類、レギュレータ、圧力センサ等の各種センサ類及び圧力スイッチ等の各種スイッチ類など）をベース部材に集積するとともに、各機器間を配管で接続して一体化した構成とされる。

また、従来のバルブボディにおいては、分割されたボディ構成部材を一体化する組立構造として、ネジやボルト等の締結部材を用いて複数箇所を締め付ける構造が一般的に採用されている。（たとえば、特許文献１参照）
特開２００５−３５１３０９号公報（図７参照）

ところで、上述した流体機器ユニット構造においては、流体機器類のケーシング（ボディ）部材をベース部材との接合方向へ分割した構造とし、ボルト等の締結部材により締め付けてベース部材と一体化する場合、複数の締結部材による締付力（押圧力）を均等にして面間のシール性を確保する必要がある。特に、スラリ状の薬液を取り扱う流体機器ユニット構造の場合、薬液の凝固によりＯリングに汚れが付着することを嫌い、Ｏリングを使用しないシール構造を採用しているので、良好なシール性を確保するためには複数の締結部材を均一に締め付けることが必要不可欠となる。

しかし、複数本の締結部材を用いて締付力を均一にする作業は手間と熟練を要するものであり、しかも、締結部材からの離間距離が大きくなるにつれて面間の押圧力に差を生じる傾向にあることから、部材間のシール性能を全周にわたって均一に保つことは困難であった。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数の締結部材を締め付けることにより、全周にわたって均一な締付力を容易に付与して良好なシール性を得ることができる流体機器ユニット構造を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明は、シール対象となる円形断面形状の流路を介して接続される複数の流体機器類をベース部材に集積して一体化する流体機器ユニット構造であって、前記流体機器類のケーシング部材を前記ベース部材との接合方向へ複数に分割し、前記ベース部材と密着する位置に配置される前記ケーシング部材のベース側分割部材もしくは前記ベース部材に、前記接合方向へ貫通する複数の雌ねじ部が円形リング状の連結部材により周方向へ等ピッチに一体化された雌ねじ部組立体を嵌合させて取り付けるとともに、前記ベース側部材を挟持して前記雌ねじ部の両側から各々異なる締結部材をねじ込んで締め付けることを特徴とするものである。

このような流体機器ユニット構造によれば、流体機器類のケーシング部材をベース部材との接合方向へ複数に分割し、ベース部材と密着する位置に配置されるケーシング部材のベース側分割部材もしくはベース部材に、接合方向へ貫通する複数の雌ねじ部が円形リング状の連結部材により周方向へ等ピッチに一体化された雌ねじ部組立体を嵌合させて取り付けるとともに、ベース側部材を挟持して雌ねじ部の両側から各々異なる締結部材をねじ込んで締め付ける構成としたので、各締結部材を締め込んで得られる両部材の締結力（押圧力）は、連結部材を介してシール面の全周にわたって略均一に作用する。
なお、シール対象となる流路の断面形状を円形とした場合、シール面の全周にわたって均一な締結力を得るのに好適な雌ねじ部組立体は、前記連結部材が円形リング状とされ、前記雌ねじ部の形成部材が前記連結部材の周方向へ等ピッチに配設されたものとなる。

上述した本発明の流体機器ユニット構造によれば、各締結部材を締め込んで得られる両部材の締結力（押圧力）は、連結部材を介してシール面の全周にわたって略均一に作用することになるので、両部材間の面間シール性能が全周にわたって略均一に保たれる良好なシール性能を比較的簡単な作業で容易に得ることができる。
また、本発明の雌ねじ部組立体を採用することにより、雌ねじ部の両側から各々異なる締結部材をねじ込んで締め付ける作業を行う際、雌ねじ部組立体が連れ回りしないので、締結部材の締め込み作業を容易にするという効果も得られる。

以下、本発明に係る流体機器ユニット構造の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図５及び図６に示す流体機器ユニット１の構造は、流路を介して接続される複数の流体機器類をベース部材１０に集積して一体化したものである。図示の構成例では、流体機器ユニット１の主要部が耐薬品性のフッ素樹脂製とされ、流体機器類として三つの空気圧操作弁２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ、圧力センサ３０及び図７に示す逆止弁４０を使用し、これらの流体機器類をベース部材１０に集積して一体化したものである。なお、図中の符号５はベース固定板、６はユニット基板である。
また、図７は流体機器ユニット１の流路（回路）構成を示しており、この流路構成例では、薬液流路２に第１の空気圧操作弁２０Ａ及び圧力センサ３０が設けられ、第１の空気圧操作弁２０Ａの上流側から分岐する薬液リターン流路３には第２の空気圧操作弁２０Ｂが設けられ、第１の空気圧操作弁２０Ａの下流側に合流する純水流路４には第３の空気圧操作弁２０Ｃ及び逆止弁４０が設けられている。なお、図中の符号２ａは薬液入口、２ｂは薬液出口、３ａは薬液リターン出口、４ａは純水入口である。

ベース部材１０は、たとえば図８から図１２に示すように、上述した流体機器類を設置するために設けた高さの異なる複数の設置面１１と、これら複数の設置面間をベース部材１０の内部で連結する傾斜流路１２とを備えている。
この場合、ベース部材１０は略直方体形状とされ、その上面には上述した流体機器類を設置するため、各中心位置が矩形を描くように配置された４つの設置面１１が設けられている。なお、以下の説明では、第１の空気圧操作弁２０Ａを設置する設置面を第１設置面１１Ａとし、第２の空気圧操作弁２０Ｂを設置する設置面を第２設置面１１Ｂ、第３の空気圧操作弁２０Ｃを設置する設置面を第３設置面１１Ｃ、さらに、圧力センサ３０を設置する設置面を第４設置面１１Ｄとする。

第１設置面１１Ａは、図１０に示すように、ベース部材１０の上面を掘り下げるようにして形成された低い段の設置面である。また、第１設置面１１Ａの下方には、たとえば図１４に示すように、空気圧操作弁２０Ａの弁体２１を収納する円柱状空間１３が形成され、さらに、円柱状空間１３の下方には、収納部ベース部材１０の内部を水平方向に貫通するトンネル状の薬液流路２と連通するように、垂直流路部１４が形成されている。
また、図１４の符号１５はリング状凹部であり、空気圧操作弁２０ＡのダイヤフラムＤｆに形成された凸部をリング状凹部１５に挿入することで、ベース部材１０と空気圧操作弁２０Ａとの連結部シール構造が形成されている。なお、ダイヤフラムＤｆの上方には、空気圧により弁を開閉するためのアクチュエータＡｃが設置されている。

このように形成されたベース部材１０の第１設置面１１Ａに対し、空気圧操作弁２０Ａを上方から差し込むように挿入して取り付け、たとえば図１４に想像線で示すように、貫通ボルト５０とナット５１とにより締め付けることで、リング状凹部１５とダイヤフラムＤｆとの嵌合による連結部シール構造が強固に保持されている。
なお、ここで採用した貫通ボルト５０及びナット５１については、後述する理由により分割ボルト構造を採用することが好ましい。

第３設置面１１Ｃは、図１０に示すように、ベース部材１０の上面と略一致するように形成された高い段の設置面である。すなわち、第３設置面１１Ｃは、上述した第１設置面１１Ａより高い位置にある。また、第３設置面１１Ｃの下方には、たとえば図１４に示すように、逆止弁４０の弁体４１を収納設置するため、流路空間１６の下方に円柱状とした弁体収納部４２の空間が形成されている。なお、図１４における符号１５はリング状凹部であり、流体機器取付時には必要に応じて流体機器側の底部に設けたリング状凸部を圧入し、連結部のシール構造を形成するものである。
このように形成されたベース部材１０の第３設置面１１Ｃに対し、ばね４３を介在させた弁体４１を上部から弁体収納部４２に組み込んだ後、空気圧操作弁２０Ｃを上方から差し込むように挿入して取り付け、後述する分割ボルト構造のボルト１７（図２参照）で固定する。この場合の連結部は、リング状凸部２２とリング状凹部１５との嵌合によりシールされる。

図示の逆止弁４０は、上部に設けた流体入口４４から流入した流体が、弁体収納部４２の側面に開口する流体出口４５から斜め下方へ向かう傾斜流路１２に流出するように構成されている。すなわち、上述したベース部材１０に流体機器類を集積して一体化する流体機器ユニット１において、ベース部材１０に逆止弁４０の弁体収納部４２を形成し、この弁体収納部４２に連通する流体入口４４及び流体出口４５は、たとえば上部から流入して水平方向へ流出するなど、所望の角度に交差して設けられている。
このような逆止弁４０を流体機器ユニット１に採用すれば、弁体収納部４２に連通する流体入口４４及び流体出口４５を所望の角度に交差させて設けることができるので、ユニット全体の小型化に有効である。すなわち、従来のインラインタイプと異なり、流体入口４４及び流体出口４５が所望の角度を有しているので、特に、平面視の設置面積を小さくすることが可能になる。

ところで、上述した第１設置面１１Ａの円柱状空間１３と第３設置面１１Ｃの流路空間１６との間は、純水流路４の一部となる傾斜流路１２により連結されている。この傾斜流路１２は、高い位置にある第３設置面１１Ｃから流路空間１６にドリル等の工具を挿入して形成するものであり、円柱状空間１３との段差が大きいほど大きな傾斜の傾斜流路１２の加工が可能となる。
すなわち、隣接する設置面１１の段差を大きくすることにより、加工用の穴を設けなくても傾斜角度の大きい傾斜流路１２を容易に形成することができるようになり、従って、この傾斜流路１２により連結可能となる設置面１１間の間隔を狭めることができる。換言すれば、ベース部材１０の隣接する設置面１１間に段差を設けて傾斜流路１２で連結することにより、設置面１１に取り付ける流体機器間の設置間隔を狭めて小さくすることができ、この場合、段差が大きいほど傾斜流路１２の傾斜角度も大きくなるので、設置間隔を狭めることができる。

また、たとえば図１２に示すように、隣接する流体機器間を薬液流路２のような水平流路により連結して流体機器間の設置間隔を狭めることも可能ではあるが、このような水平流路の加工は、ベース部材１０の側面からドリル等の工具を用いて行う必要がある。このため、ベース部材１０の外部と連結する場合は加工用の穴を利用可能となるが、ベース部材１０の内部で流体機器間を連結する場合には、ベース部材１０の側面に形成された加工用の穴を塞いでシールする必要が生じることとなる。

同様に、第２設置面１１Ｂと第４設置面１１Ｄとの間についても、図９に示すように、ベース部材１０の上面と略一致するように形成された高い段の第２設置面１１Ｂ側から、ベース部材１０の上面を掘り下げるようにして形成された低い段の第４設置面１１Ｄ側に向けて、薬液リターン流路３となる傾斜流路１２が形成されている。なお、図中の符号１６は、第４設置面１１Ｄの下方に形成された流路空間である。
第２設置面１１Ｂには、たとえば図１３に示すように、空気操作弁２０Ｂが上方から挿入して取り付けられ、第４設置面１１Ｄには、圧力センサ３０が上方から挿入して取り付けられる。なお、空気操作弁２０Ｂの連結部は、リング状凸部２２とリング状凹部１５との嵌合によりシールされ、圧力センサ３０の連結部は、Ｏリング３１を挟持した状態で押圧することによりシールされる。

ところで、上述した分割ボルト構造のボルト１７による締め付けは、たとえば図２に示すように、流体機器類のケーシング部材２３をベース部材１０との接合方向へ複数（たとえば図中の符号２３ａ〜２３ｃ）に分割し、ベース部材１０と密着する位置に配置されるケーシング部材２３のベース側部材２３ｃに、接合方向へ貫通する雌ねじ部を形成したナット部１８ａを嵌合させて取り付けるとともに、ベース部材１０を挟持してナット部１８ａに両側から各々異なる締結部材のボルト１７，１７をねじ込んで締め付ける。ここで使用するナット部１８ａは、複数を連結部材１８ｂにより一体化した雌ねじ部組立体１９に設けられている。

この雌ねじ部組立体１９は、たとえば図１に示すように、円形リング状とした連結部材１８ｂの周方向へ等ピッチに配設された複数箇所のナット部１８ａを備えている。図示の例では、連結部材１８ｂの周方向へ９０度ピッチに４箇所のナット部１８ａが設けられている。このような雌ねじ部組立体１９は、たとえばステンレススチール（ＳＵＳ）等の金属製だけでなく、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）またはポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の樹脂製のものから、流体の特性や耐圧等の用途に応じて適宜選択使用される。

上述したボルト１７とナット部１８ａによる分割ボルト構造では、空気圧操作弁２０Ｂのケーシング部２３をベース部材１０に設置する際、ベース部材１０と密着する位置に配置されるベース側部材（弁座ボディー）２３ｃのベース面に形成されたナット部１８ａに対し、ベース部材１０を挟持するようにしてナット部１８ａの両端部側から各々異なるボルト１７、１７をねじ込むことで締め付けられている。すなわち、図４に示すようなベース部材２３ｃのベース面は、図３に示すベース側部材２３ｃに対して、図１（ａ）に示した雌ねじ部組立体１９を白抜矢印の方向へ押し込むように嵌合させて取り付けることにより形成されたものである。
なお、図３の断面図は、図４に示すベース部材２３ｃの対角方向であるＡ−Ａ断面について、雌ねじ部組立体１９を取り除いた部品単体の断面形状を示したものである。

このように、ボルト１７の締め付けは、周方向へ等ピッチに配置された雌ねじ部１８を備えている雌ねじ部組立体１９を用いることにより、たとえば矩形断面としたケーシング部材２３の四隅に雌ねじ部１８を分配するなどして均等配置することが好ましい。この結果、ボルト１７の締め付けを均等に行うことにより、ボルト１７が雌ねじ部１８に螺合する位置の周辺だけでなく、接合面の全周にわたって連結部材１８ｂから略均等な押圧力が作用する。すなわち、ボルト１７による締付力はリング状の連結部材１８ｂを介して接合面に作用するので、４本のボルト１７に多少の締付力の差があっても、均等な押圧力を得ることができる。

従って、組立時の締付作業時においては、各ボルト１７毎の締付トルク管理が容易になり、さらに、雌ねじ部組立体１９は、ケーシング部材２３側の所定位置へ収納設置された状態でボルト１７の締め付けに連れ回りしない。すなわち、４本の雌ねじ部１８が一体化された構造の雌ねじ部組立体１９は、ボルト１７を締め込む際の回り止めとしても機能するので、これによってもボルト１７の締め込み作業が容易になる。換言すれば、一方のボルト１７を締め付ける際に、連れ回りがないため他方のボルト１７を工具で抑えておく必要がなくなって組立時の作業性は大幅に向上する。

また、上述した構成の流体機器ユニット１の場合、特にスラリーを含む薬液等の流体を取り扱う場合はＯリング周辺に汚れが付着しやすいため、部材間の接合面にＯリングを使用しない構造となっている。このため、連結部材１８ｂを備えた雌ねじ組立体１９がなければ、所望のシール性能を確保するためには、分配配置したボルト１７の締付トルクを厳密に管理する必要があるので、均一な締め込みを行うことが作業工数増大の原因となっている。
しかし、雌ねじ部組立体１９は、各ボルト１７毎の締付力をそれほど厳密に調整しなくても、連結リング１８ｂがシール面の全周を均一に押圧することができる。従って、ボルト１７の締付トルク管理及びケーシング部材２３をベース部材１０に密着させる力の調整が容易になるので、複数あるシール部を均等に締め付けて良好なシール性を得ることができる。

さて、このような分割ボルト構造については、本来であれば、図１４に示す１本の貫通ボルト５０を用い、空気圧操作弁２０Ｂをベース部材１０に固定するという簡易な構成を採用すればよい。しかし、空気圧操作弁２０Ｂはアクチュエータが空気圧式の開閉弁であるため、空気圧操作弁２０Ｂを単体で見るとシール部が多数存在しており、従って、全てのシール部を１本の貫通ボルト５０で組み立てると、組立工程の複雑化や検査工程の複雑化を招くこととなり好ましくない。

つまり、空気圧操作弁２０Ｂは、たとえば図２に示すように、空気圧動作を保障するためのＯリングシール部６０に加えて、空気圧操作弁２０Ｂの内部を流れる液体のシールを保障するシール部６３、弁体が開閉する際のシールを保障するシール部６４より構成されている。これらのシール箇所について、そのシール機能をベース部材１０に設置してから確認することは非常に困難で複雑な工程となる。しかも、まんがいちどこかに漏れがあった際には、全てを分解して対応しなくてはならず、組立工程が複雑化して好ましくない。なお、図中の符号６１は、ピストンを上下運動させるためのＹ字パッキンである。
また、上述した流体機器ユニット１では、複数の流体機器が集積されているため、空気圧操作弁２０Ｂのように単体として多数のシール部分を有する複数の流体機器がベース部材１０に設置されることとなる。従って、流体機器の集積化が終了した後の完成品には、シール機能を確認しなくてはならないシール部が多数存在しており、各シール部毎の漏れ検査を実施する作業は非常に複雑化した工程となる。
また、まんがいち漏れがあった場合には、全てを分解してから組立をやり直す必要が生じるだけでなく、漏れの箇所を特定することも非常に難しいものとなる。従って、組立工程内で再組み立てのリスク、検査の簡略化なども同様に要求される。

このため、図１４に示す貫通ボルト５１により組み立てるようなことはせず、ナット部１８ａとボルト１７とによる分割ボルト構造を採用することにより、空気圧操作弁２０Ｂは単体として管理することが可能になる。すなわち、ナット部１８ａとボルト１７とを使用することにより、空気圧操作弁２０Ｂを単体として取り扱う製造工程を組むことができるようになり、さらに、単体としてそれぞれのシール性を確認してから、ベース部材１０に設置することができるようになる。

最終的には、ベース部材１０の第１設置面１１Ａに空気圧操作弁２０Ｂを設置し、ボルト１７をベースの下より挿入してナット部１８ａにねじ込むことにより、流体機器の集積回路として完成させることができる。なお、流体機器ユニット１のシール検査は、ベース部材１０のシール部分であるリング状凸部２２とリング状凹部１５との嵌合部のみを検査すればよいことになり、従って、ユニット組立ラインの検査が簡略化されるとともに、漏れ検査の際にも原因の特定が容易となる。

また、上述した流体機器ユニット１を納期の面から考えた際にも、空気圧操作弁２０Ｂのような流体機器について、仕様や機能等が異なる類似品を多種類製造して適量を在庫しておけば、顧客の要求に応じて適宜選択したものをベース部材１０に組み込んだ後、リング状凸部２２とリング状凹部１５との嵌合部についてのみ漏れ検査を実施して出荷することが可能となる。
上述した流体機器の類似品は、たとえばノーマルオープン及びノーマルクローズのように開閉モードが異なるもの、流量調整機能の有無が異なるものなど多種多様であり、ここに例示した機器類に限定されることはなく、流体機器単体としてシール部分が多数存在しているものを包含する。

上述したように、本発明の流体機器ユニット構造によれば、各ボルト（締結部材）１７を締め込んで得られるベース部材１０及びケーシング部材２３の締結力（押圧力）は、雌ねじ部組立体１９の連結部材１８ｂを介してシール面の全周にわたって略均一に作用することになるので、両部材１０，２３間の面間シール性能が全周にわたって略均一に保たれる良好なシール性能を比較的簡単な作業で容易に得ることができる。
また、本発明の雌ねじ部組立体１９を採用することにより、ナット部１８ａの両側から各々異なるボルト１７をねじ込んで締め付ける作業を行う際、雌ねじ部組立体１９が連れ回りしないので、ボルト１７の締め込み作業を容易にするという効果も得られる。

ところで、上述した実施形態においては、４つの設置面１１を設けたベース部材１０としたが、設置面１１の数、配置等については特に限定されることはなく、ユニット化する流体機器の数に応じて適宜変更可能である。また、設置面１１と流体機器との連結構造に雌ねじ部組立体１９を使用する分割ボルト構造としておけば、流体機器の類似品を在庫しておくことにより、ベース部材１０を共用して種々の組合せとした流体機器類の設置も可能になる。また、流体機器を在庫しておくことにより、ゼロから全て組み立てを開始する場合と比較して、迅速な納期対応が可能となる。
また、上述した実施形態では、雌ねじ部組立体１９をベース側分割部材であるベース側部材２３ｃに嵌合させて取り付ける構成としたが、ベース部材１０に嵌合させて取り付ける構造としても同様の作用効果を得ることができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る流体機器ユニット構造の一実施形態を示す図で、（ａ）は分割ボルト構造に使用されている雌ねじ部組立体の正面図、（ｂ）は（ａ）の平面図である。 本発明に係る流体機器ユニット構造の一実施形態として、分割ボルト構造の具体例を示す要部の断面図（図６のＣ−Ｃ断面）である。 ケーシング部材のベース側部材（部品単品）について、対角方向の断面形状（図４のＡ−Ａ断面）を示す断面図である。 ベース側部材に雌ねじ組立体を嵌合させて取り付けた状態のベース面を示す平面図である。 本発明に係る流体機器ユニット構造の一実施形態を示す外観斜視図である。 図５の平面図である。 図５に示す流体機器ユニットの流路構成例を示す系統図である。 ベース部材の構成例を示す平面図である。 図８のＤ−Ｄ断面図である。 図８のＥ−Ｅ断面図である。 図８のＦ−Ｆ断面図である。 図８のＧ−Ｇ断面図である。 図６のＢ１−Ｂ１断面図である。 図６のＢ２−Ｂ２断面図である。

符号の説明

１ 流体機器ユニット
１０ ベース部材
１１ 設置面
１１Ａ 第１設置面
１１Ｂ 第２設置面
１１Ｃ 第３設置面
１１Ｄ 第４設置面
１２，１２Ａ，１２Ｂ 傾斜流路
１８ａ ナット部
１８ｂ 連結部材
１９ 雌ねじ部組立体
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ 空気圧操作弁
２３ ケーシング部材
２３ｃ ベース側部材（ベース側分割部材）
３０ 圧力センサ
４０ 逆止弁

Claims (1)

1. シール対象となる円形断面形状の流路を介して接続される複数の流体機器類をベース部材に集積して一体化する流体機器ユニット構造であって、
   前記流体機器類のケーシング部材を前記ベース部材との接合方向へ複数に分割し、前記ベース部材と密着する位置に配置される前記ケーシング部材のベース側分割部材もしくは前記ベース部材に、前記接合方向へ貫通する複数の雌ねじ部が円形リング状の連結部材により周方向へ等ピッチに一体化された雌ねじ部組立体を嵌合させて取り付けるとともに、前記ベース側部材を挟持して前記雌ねじ部の両側から各々異なる締結部材をねじ込んで締め付けることを特徴とする流体機器ユニット構造。

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