JP7359392B2 - ダイヤフラム及びダイヤフラムバルブ - Google Patents

Description

本発明はダイヤフラム及びダイヤフラムバルブに関し、より詳しくは、樹脂製やゴム製の非金属ダイヤフラムを使ったダイヤフラムバルブで、弁閉状態からアクチュエータからの引き上げ力によらず、弁開状態に移行することのできるダイヤフラム及びダイヤフラムバルブに関する。

一般に、樹脂製やゴム製のダイヤフラムは、金型を使用してゴムや樹脂等の材料を所定形状に成型することにより製造されている。通常、ダイヤフラムの成型は、ダイヤフラムが下降した状態（流路を閉鎖した状態）の形状（以下。凹形状という）で成型される場合（閉形成型）と、ダイヤフラムが上昇した状態（流路を開放した状態）の形状（以下。凸形状という）で成型される場合（開形成型）のいずれかで行われる。閉形成型にて製造されたダイヤフラムは、下方向に湾曲した形状となり、開形成型にて製造されたダイヤフラムは上方向に湾曲した形状となる。

このような従来の下方向又は上方向に湾曲した形状をもつダイヤフラムを用いたダイヤフラムバルブの開閉動作を図５～図６に示す。このダイヤフラムバルブ１００は、ダイヤフラム１０１と一体成型される金属製の吊り金具１１０が、アクチュエータ１０４のステム１４０の先端に取り付けられたダイヤフラム押さえ１１１に係合され、ステム１４０と連動するピストン１０５が昇降することによって行われる。このアクチュエータ１０４の昇降は、ピストン１０５の受圧面への流体圧の供給によって行われるが、手動弁にあってはハンドルの回転などによって行うようにすることもできる。そして、アクチュエータ１０４の昇降に伴ってダイヤフラム１０１の形状は大きく変形する。使用するダイヤフラム１０１の材質が硬質な樹脂の場合、凹形状から凸形状、凸形状から凹形状に変形したダイヤフラムをもとの形状に戻すためにも大きな力が必要となる。

開形成型された凸形状のダイヤフラム１０１を凹形状に変形させ流路を遮断した状態から流路を開放するためにダイヤフラム１０１をアクチュエータ１０４によって引き上げるが、このとき吊り金具１１０に大きな負荷が加わる。特に、バルブ内部が真空条件の場合や粘度の高い流体の場合には負荷が大きくなり、この動作を長期間行うと、経年劣化によって、吊り金具がダイヤフラムから欠落することがあるという問題があった。

また、ダイヤフラムの形状も凹形状、凸形状の１種類ではなく１種類に統合し、部品管理の簡素化とコストダウンを図ることが望まれている。

特許第４２３２９３９号公報 特開２００２－２６４１４１号公報

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、アクチュエータの昇降に伴って変形したダイヤフラムを元の形状に戻す際、アクチュエータから外力を受けることなく元の形状に復元するダイヤフラム及びダイヤフラムバルブを提供することである。

上記課題を解決するためになされた本発明に係るダイヤフラムは、
流入路と流出路とを有するバルブボディの流路と直交する方向に開口した開口部に取り付けられ、流路を開閉する非金属製のダイヤフラムであって、
外力によって変形し、流路に形成する堰又は流路周面に当接離間する曲面部と、
前記曲面部の周囲に設けられてバルブボディとボンネットとの間に挟持されるフランジ部とを備え、
フランジ部と曲面部との内部に、曲面部を一方向に付勢するバネ性部材を、フランジ部及び曲面部と一体成型するようにしている。

このダイヤフラムは、ダイヤフラムが上昇した凸形状の状態で成型されている場合、手動のハンドルを含むアクチュエータからの押圧力によって流路が閉鎖された状態から、アクチュエータからの押圧力を解除すれば、ダイヤフラムの曲面部を一方向に付勢する復元力によって流路を開放する。

この場合において、ダイヤフラムの曲面部内部にあるバネ性部材の湾曲部を、周方向に複数分割した湾曲部とすることができる。

さらに、これらの場合において、バネ性部材には多数の孔部を形成することもできる。

また、上記課題を解決するためになされた本発明に係るダイヤフラムバルブは、
外力によって変形し、流路を閉鎖するように構成された上記ダイヤフラムを用いたダイヤフラムバルブである。

本発明に係るダイヤフラム及びダイヤフラムバルブによれば、一体成型された内部の金属プレートの復元力によって、ダイヤフラムの曲面部を堰又は流路の周面に押し当てる外力を解除すれば、ダイヤフラムの曲面部は堰又は流路の周面から離れ流路を開放する。また、ダイヤフラムには従来一体成型されていた吊り金具を必要とせず、吊り金具が経年劣化によってダイヤフラムから欠落するという問題が発生することはない。

本発明に係るダイヤフラムを示す図であって、（ａ）は上方から見た一部切り欠きの斜視図、（ｂ）は下方から見た斜視図である。 同ダイヤフラムの内部に一体成型される金属プレートを示し、（ａ）は平面図（ｂ）は（ａ）のＸ－Ｘ断面図、（ｃ）は上方から見た斜視図である。 同ダイヤフラムを使用した本発明に係るダイヤフラムバルブの流路開放状態の正面断面図である。 同ダイヤフラムを使用した本発明に係るダイヤフラムバルブの流路閉鎖状態の正面断面図である。 従来のダイヤフラムバルブの流路閉鎖状態の正面断面図である。 従来のダイヤフラムバルブの流路開放状態の正面断面図である。

以下、本発明に係るダイヤフラム及びダイヤフラムバルブの好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。この実施例に記載されている構成部品の形状、その相対的配置等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に限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。また、便宜的に図面上での方向によって部材等の方向を上下左右と指称することがあるが、これらは本発明の範囲を限定するものではない。

＜ダイヤフラム非金属部分＞
本発明に係るダイヤフラム１は、流入路３０Ａと流出路３０Ｂ（以下、単に流路３０という）とを有するバルブボディ３の流路３０と直交する方向に開口した開口部３１に取り付けられ、流路３０を開閉する非金属製のダイヤフラムであって、アクチュエータ５等の外力（押圧力）によって変形し、流路３０に形成する堰３２又は流路３０周面の弁座面３２ａに当接離間するシート部１３を備えた曲面部１０と、この曲面部１０の周囲に設けられてバルブボディ３とボンネット４との間に挟持されるフランジ部１１とを備えている。そして、曲面部１０とフランジ部１１との内部に、曲面部１０を一方向に付勢する金属プレート２を、曲面部１０及びフランジ部１１と一体成型するようにしている。

金属プレート２以外の部分は、非金属のゴム製や樹脂製であれば特に限定するものではないが、例えば樹脂製では、ポリ四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）などが用いられる。

＜バネ性部材＞
バネ性部材２は、非金属性のダイヤフラム１の曲面部１０を一方向に付勢する復元力（バネ力）を有するものであれば、その材質を含め、特に限定するものではないが、本実施形態では、金属製の金属プレート２を使用する。この金属プレート２は、図２に示すように、金属の方形薄板からなり、その材質は、バネ材として使用できるものであれば、特に限定するものではないが、炭素鋼、ベーナイト鋼、ステンレス鋼の他、コバルトニッケル合金等を使用することができる。金属プレート２の厚みも、特に限定するものではないが、０．５ｍｍ～３ｍｍ程度の薄板を採用する。

また、この金属プレート２は、平坦な金属板に、ボンネット４に開口されるバルブボディ３に形成されたネジ穴にボルト等の締結部材を挿通する下穴と対応する位置（４隅）に穴部２４を形成するとともに、表面全体に孔部２２を多数形成し、中央部に略円形状の打抜部２３とバネ性をもった湾曲部２０を複数形成するように、打抜部２３から延びる切欠部２３ａを形成する。そして、図２（ｂ）～図２（ｃ）に示すように、この板材をプレス加工によって中央部分を湾曲させ、複数の湾曲部２０を形成する。湾曲部２０の数は特に限定するものではないが、本実施形態では、切欠部２３ａを４箇所に設け、湾曲部２０を４つ形成するようにしている。

湾曲部２０以外の平坦部２１は、フランジ部１１の内部に位置することとなり、上述した締結部材が挿通される穴部２４が形成されている。

また、湾曲部２０は、根元部分を先端部分とは逆方向に屈曲させるようにプレス加工することでバネ性を高めるようにしている。なお、金属プレート２の復元力（バネ力）は金属プレート２以外の非金属部分の材質によって適宜決定する。

また、金属プレート２に多数形成する孔部２２は、一体成型するゴム製又は樹脂製のダイヤフラムの主要部分との密着性を高め、成型の品質を向上させる役割を担っている。孔部２２は図例のように小孔であっても構わないし、スリット状の長孔であっても構わない。バネ性部材２として、金属プレート２に替えてバネ性を有する線材を多数織り込んでバネ性部材２を構成することもでき、この場合、織り込んだ隙間にゴム製又は樹脂製のダイヤフラムの主要部分が浸透し両者の密着性を向上させる。

非金属性のダイヤフラムとバネ性部材２の一体成型は、特に限定するものではないが、例えばインサート成型（インサート成形）によって成型される。

＜ダイヤフラム＞
一体性成型されたダイヤフラム１は、上面にアクチュエータ５からの外力（押圧力）を受ける受圧部１２を曲面部１０の一方の面（上面）中心から突出形成し、曲面部１０の他方の面（下面）にはシート部１３を形成している。

本発明のダイヤフラム１の動作については、本発明のダイヤフラムバルブＤの動作に基づいて説明する。

＜ダイヤフラムバルブ＞
本発明に係るダイヤフラムバルブＤは、流入路３０Ａと流出路３０Ｂ（以下、単に流路３０という）とを有し、流路３０と直交する方向に開口した開口部３１を形成したバルブボディ３と、この開口部３１に、バルブボディ３とボンネット４との間にフランジ部１１が挟持される上述したダイヤフラム１と、ボンネット４の反バルブボディ側に取り付けられたアクチュエータ５とから構成される。

バルブボディ３の開口部３１は、フランジ部（図示省略）を備えている。フランジ部には、図１に示すダイヤフラム１の穴部４１に対応する位置にネジ穴が形成されており、ボンネット４の内応する位置に形成されている下穴と一致させ、ボルト等の締結部材でダイヤフラム１を挟持し、ボンネット４とアクチュエータ５とをバルブボディ３に固定する。なお、バルブボディ３、ダイヤフラム１、ボンネット４の固定方法は、ボルトやネジに限られるものでなく、クランプ等を用いた固定方法であっても構わない。

ボンネット４は、バルブボディ３との間でダイヤフラム１を挟持するとともに、反バルブボディ側にアクチュエータ５を取り付ける取付部を形成している。

アクチュエータ５は、特に限定するものではないが、内部にシリンダ室を構成し、作動流体の流入により昇降するピストン５０と、ピストン５０に固定され、先端がダイヤフラム１の受圧面１２に当接するステム５１とから構成されている。

アクチュエータ５は、作動流体導入口５２から作動流体が供給されていない状態ではダイヤフラム１が上昇した凸形状の状態であり、上昇した位置にある。本実施形態では、サポート用にピストン５０を反バルブボディ側に付勢するバネを配設した例を示しているが、特に付勢用のバネを配設する必要はない。なお、アクチュエータ５の構造はこれに限られるものではなく、電動モータとラックピニオンを利用したものの他、手動ハンドルであっても構わない。

このように、本発明のダイヤフラムバルブＤは、作動流体が供給されていない状態で、流路を開放する所謂ノーマルオープンタイプのダイヤフラムバルブであって、ダイヤフラム１に従来取り付けていた吊り金具を必要とせず、ステム５１はダイヤフラム１に当接するだけであり、部品点数が削減できるとともに組み立ても簡単で大幅なコストダウンを図ることができる。

＜ダイヤフラムバルブの動作＞
次に本発明のダイヤフラムバルブＤの動作について説明する。

ダイヤフラムバルブＤは、作動流体が供給されていな状態では、図３に示すように、ダイヤフラム１は、ダイヤフラム１の内部の金属プレート２の湾曲部２０の形状に倣って凸形状をなし、流体は図３の矢府に示すように、流路３０の流入路３０Ａから流出路３０Ｂに向かって流れる。

この状態で、作動流体導入口５２から作動流体が供給されると、ピストン５０がバルブボディ３側に移動し、ステム５１の先端が受圧面１２を押圧する。

ダイヤフラム１内部の金属プレート２の湾曲部２０がこの押圧力によって屈曲すると図４に示すようにダイヤフラム１の曲面部１０が流路３０側に変形し、曲面部３０の下面に形成したシート部１３が流路３０の堰３２の頂面に形成される弁座面３２ａに当接し、流路３０を遮断する。

次に、流路３０を開放するときは、作動流体導入口５２から作動流体を排出し、ピストン５０へのバルブボディ側への押圧を解除する。これによりダイヤフラム１の受圧面１２に対する外力も解除され、ダイヤフラム１内部の金属プレート２の湾曲部２０は元の形状に復帰し、ダイヤフラム１はステム５１を金属プレート２の復元力によって押し上げて凸形状に戻り、シート部１３は弁座面３２から離間し、図３に示すように、流体は流路３０の流入路３０Ａから流出路３０Ｂに向かって流れる。

本発明のダイヤフラム及びダイヤフラムバルブは、吊り金具を必要とせず、吊り金具が欠落する不具合が発生することがないので、ダイヤフラムの形状が凸形状であるノーマルオープンタイプの開閉弁が必要となるシステムに好適に用いることができる。

１ ダイヤフラム
１０ 曲面部
１１ フランジ部
１２ 受圧部
１３ シール部
２ バネ性部材（金属プレート）
２０ 湾曲部
３ バルブボディ
４ ボンネット
５ アクチュエータ
５０ ピストン
５１ ステム
Ｄ ダイヤフラムバルブ

Claims (4)

1. 流入路と流出路とを有するバルブボディの流路と直交する方向に開口した開口部に取り付けられ、流路を開閉する樹脂製のダイヤフラムであって、
   外力によって変形し、流路に形成する堰又は流路周面に当接離間する曲面部と、
   前記曲面部の周囲に設けられてバルブボディとボンネットとの間に挟持されるフランジ部とを備え、
   フランジ部と曲面部との内部に、曲面部を一方向に付勢するバネ性部材を、フランジ部及び曲面部と一体成型するようにしたダイヤフラム。
2. 前記バネ性部材の曲面部を、周方向に複数分割した湾曲部とした請求項１に記載のダイヤフラム。
3. 前記バネ性部材には多数の孔部を形成するようにした請求項１又は２に記載のダイヤフラム。
4. 流路の開放と閉鎖とを行うダイヤフラムバルブであって、
   外力によって変形し、流路を閉鎖するように構成された請求項１、２又は３に記載のダイヤフラムを用いたダイヤフラムバルブ。
   
   
   

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