JP7375264B2 - 分岐流路切換弁 - Google Patents

Description

本発明は、各種流体配管、特に、医薬品工業、食品工業等における各種流体配管において好適に用いることができる、流路切換弁に関するものである。

医薬品、食品等の製造設備のラインには、流路切換弁が使用され、製品またはその原材料である流体（以下、「流体」という。）の流路の切換が行われているが、医薬品、食品等の製造現場では、不純物の混入や雑菌の発生を抑えて衛生度を高めるために厳密な管理が行われている。

従来、一方向より流入する流体を二方向に分岐するためには、Ｔ字管やベント管を用いた配管構造が採用されることが多かったが、これら従来の配管構造では、制御弁を閉めたときに流体が流路内に滞留し雑菌等が繁殖し易い、配管作業が面倒である、配管に広いスペースを必要とする、といった多くの問題があった。

これらの問題を解決するため、特許文献１および特許文献２には、それぞれ図７および図８に示すように、水平方向に配置された主流路１１に第１ダイヤフラム弁１３を設け、主流路１１から水平方向に第１分岐流路１２－１を設け、第１分岐流路１２－１から鉛直方向に第２ダイヤフラム弁１４および第２分岐流路１２－２を設けた分岐流路切換弁１０が提案されている。

図７および図８に示される分岐流路切換弁１０では、弁ボディ１５内の第１分岐流路１２－１が主流路１１と水平に配置されていることから、第１分岐流路１２－１内に、主流路１１に流れる流体によっては置換できない流体（以下、「置換不能流体」という。）が滞留するのを防止できるものの、次のような問題が生じる。

まず、特許文献１および特許文献２の分岐流路切換弁１０では、第２分岐流路１２－２が鉛直方向に配置されているため、この分岐流路切換弁１０を組み込んだ配管設備は、鉛直方向の高さが高くなってしまい、操作部が水平方向だけでなく鉛直方向にも散在する等の操作性が悪くなるという問題が生じ、また、配管設備の安定性・耐震性を向上させるために余分な設備を設ける必要が生じる。すなわち、複数散在する手動弁のハンドルの操作勝手が悪くなり、配管設備が高温となる滅菌工程において操作者がやけどを負う危険があり、また、配管設備の高さが高くなり安定性に欠けることとなる。

さらに、特許文献１および特許文献２の分岐流路切換弁１０では、第１分岐流路１２－１を水平方向に流れる流体が、第２ダイヤフラム弁１４に衝突して方向を変え、第２分岐流路１２－２を鉛直方向に流れるため、流体の圧力損失が大きくなるという問題が生じる。

さらに、特許文献１および特許文献２の分岐流路切換弁１０では、第２分岐流路１２－２が鉛直方向に配置されているため、これに、水平方向に配置された流路を接続する場合には、接続部の流路内面のスチーム滅菌が十分に行えないという問題が生じる。すなわち、流路が水平方向に配置されている場合には、スチーム滅菌の際に流路底面に集まる凝集水はスチームの流れにより流されるため流路の内面全体を高温（例えば１２１℃以上）で一定時間（例えば３０分間以上）維持できるが、鉛直方向に配置された流路と水平方向に配置された流路の接続部には、スチームの流れによっては流すことのできない凝集水が残留し、高温で一定時間維持できずスチーム滅菌が十分に行えない部分が生じることとなる。

また、特許文献３には、図９に示すように、入口ポート２１から出口ポート２２に至る流路、および入口ポート２１から出口ポート２３に至る流路の２本の流路を、同一水平面内に配置し、２つの開口部２４、２５にそれぞれダイヤフラム（図示せず）を設けた切換弁ハウジング２０が提案されている。

特許文献３の切換弁ハウジング２０では、２本の流路が同一水平面内に平行に配置されていることから、置換不能流体の滞留を防止でき、配管設備の鉛直方向の高さは抑えられるが、２つの出口ポート２２および２３が近接して配置されていることから、これに他の流路を接続するためにはエルボ管を介在させることが必要となり、上記のように流体の圧力損失が大きくなり、また、設置スペースが大きくなるという問題が生じる。

特開平９－１５９０３４号公報 特開２００１－３５５７５０号公報 米国特許第５４２７１５０号明細書

本発明は、置換不能流体の滞留が防止できると共に、配管設備の鉛直方向の高さおよび流体の圧力損失を低く抑えることができ、配管設備の流路内面のスチーム滅菌を十分に行うことのできる分岐流路切換弁を提供することを課題とする。

本発明の分岐流路切換弁は、
ａ）弁ボディ、ｂ）前記弁ボディに設けられた直線状の流路、およびｃ）前記流路の所要部に設けられた弁座、前記弁座に対向して配置されたダイヤフラム、前記ダイヤフラムの背面側中央部に接続して設けられ、該ダイヤフラムの表面側中央部を前記弁座に対して離接する作動軸を備えたダイヤフラム弁を有する分岐流路切換弁であって、
前記ダイヤフラム弁を２個有しており、
第１ダイヤフラム弁の弁ボディに設けられた主流路と、第２ダイヤフラム弁の弁ボディに設けられた分岐流路とが、同一水平面内で直交するように配置され接続されていることを特徴とするものである。

本発明の分岐流路切換弁は、主流路から分岐流路が分岐する分岐点から、第２ダイヤフラム弁のダイヤフラムの中央部までの距離が、分岐流路の内径の３倍を超えないことが好ましい。

また、本発明の分岐流路切換弁は、第１ダイヤフラム弁の弁ボディと、第２ダイヤフラム弁の弁ボディとを別体とすることもできるし、一体に形成することもできる。

第１ダイヤフラム弁の弁ボディと、第２ダイヤフラム弁の弁ボディとを別体とする場合には、分岐流路の出口と、第２ダイヤフラム弁の入口流路とを溶接により接続することが好ましい。

第１ダイヤフラム弁の弁ボディと、第２ダイヤフラム弁の弁ボディとを一体に形成する場合には、
第１ダイヤフラム弁の弁ボディおよび第２ダイヤフラム弁の弁ボディを略直角三角柱の形状とし、
第１ダイヤフラム弁の弁ボディの直角部に隣接する一方の側面と、第２ダイヤフラム弁の弁ボディの直角部に隣接する一方の側面とを同一水平面内に配置し、
第１ダイヤフラム弁の弁ボディの直角部に隣接する他方の側面と、第２ダイヤフラム弁の弁ボディの一方の底面とを一体に形成し、
第１ダイヤフラム弁の弁ボディの中心軸に沿って主流路を設け、第２ダイヤフラム弁の弁ボディの中心軸に沿って分岐流路を設け、
第１ダイヤフラム弁の弁ボディおよび第２ダイヤフラム弁の弁ボディの直角部に対向する側面のそれぞれに、第１ダイヤフラム弁および第２ダイヤフラム弁を設けることが好ましい。

本発明の分岐流路切換弁は、主流路と分岐流路とを同一水平面内で直角に配置することにより、置換不能流体の滞留が防止できると共に、配管設備の鉛直方向の高さおよび流体の圧力損失を低く抑えることができ、配管設備の流路内面のスチーム滅菌を十分に行うことができる。

また、主流路から分岐流路が分岐する分岐点から、第２ダイヤフラム弁のダイヤフラムの中央部までの距離を、分岐流路の内径の３倍を超えないように設定することにより、流路の切り換えに伴って生じる流体の滞留量を抑え、洗浄を短時間・容易に行うことができる。

本発明の第１実施形態の側面図である。 本発明の第１実施形態の上面図である。 本発明の第１実施形態の第２ダイヤフラム弁近辺の構造を示す部分断面図である。 本発明の第２実施形態の側面図である。 本発明の第２実施形態の上面図である。 本発明の第２実施形態の弁ボディ本体の側面図である。 特許文献１に記載された、従来の分岐流路切換弁の部分断面図である。 特許文献２に記載された、従来の分岐流路切換弁の斜視図である。 特許文献３に記載された、従来の分岐流路切換弁の斜視図である。

本発明の分岐流路切換弁の主要な特徴は、ダイヤフラム弁を２個有しており、第１ダイヤフラム弁の弁ボディに設けられた直線状の主流路と、第２ダイヤフラム弁の弁ボディに設けられた直線状の分岐流路とが、同一水平面内で直交するように配置され接続されていることにある。これにより、置換不能流体の滞留が防止でき、不純物の混入や雑菌の繁殖を抑えることができ、洗浄を短時間・容易に行うことができると共に、配管設備の鉛直方向の高さおよび流体の圧力損失を低く抑えることができ、配管設備の流路内面のスチーム滅菌を十分に行うことができる。

さらに、主流路から分岐流路が分岐する分岐点から、第２ダイヤフラム弁のダイヤフラムの中央部までの距離が、分岐流路の内径の３倍を超えないようにすることにより、流路の切り換えに伴って生じる流体の滞留量を抑え、洗浄を短時間・容易に行うことができる。

以下に、本発明の分岐流路切換弁の第１実施形態および第２実施形態について、図面も参照しながら具体的に説明するが、これらにより本発明が限定されるものではない。

＜本発明の分岐流路切換弁の第１実施形態＞
本発明の第１実施形態の分岐流路切換弁の全体の構造について、図１および図２を用いて説明する。図１は、第１実施形態の側面図を示し、図２は第１実施形態の上面図を示すものである。

第１実施形態の分岐流路切換弁は、第１ダイヤフラム弁１および第２ダイヤフラム弁２の２個のダイヤフラム弁を有し、第１ダイヤフラム弁１が設置された第１ダイヤフラム弁の弁ボディ１－１には直線状の主流路１－２が設けられ、また、第２ダイヤフラム弁２が設置された第２ダイヤフラム弁の弁ボディ２－１には直線状の分岐流路２－２が設けられている。そして、主流路１－２と、主流路１－２に接続された分岐流路２－２とは、同一平面内で直交するように配置されている。

また、第１実施形態の分岐流路切換弁では、第１ダイヤフラム弁１の弁ボディ１－１と、第２ダイヤフラム弁２の弁ボディ２－１とは別体として構成されており、主流路１－２と、分岐流路２－２とが接続されている。主流路１－２と分岐流路２－２との接続は、溶接により行うことが好ましい。

本発明の第１実施形態の分岐流路切換弁の詳細な構造および動作について、図３を用いて説明する。図３は、第１実施形態の第２ダイヤフラム弁２近辺の構造を示す部分断面図であり、第１ダイヤフラム弁１は図示されていないが、主流路１－２の奥側に設けられている。

本発明の分岐流路切換弁では、第１ダイヤフラム弁１および第２ダイヤフラム弁２の２個のダイヤフラム弁の構造は同じであるので、ダイヤフラム弁の構造を、図３を用いて第２ダイヤフラム弁２で代表して説明する。なお、（ ）内は、第１ダイヤフラム弁１の部材を示している。

第２ダイヤフラム弁２（第１ダイヤフラム弁１）では、分岐流路２－２（主流路１－２）内に設置された弁座２－３（弁座１－３）に対向して、ダイヤフラム２－４（図示せず）を設け、ダイヤフラム２－４（図示せず）の表面側中央部を弁座２－３（弁座１－３）に対して離接することにより、第２ダイヤフラム弁２（第１ダイヤフラム弁１）を開閉する。

第２ダイヤフラム弁２（第１ダイヤフラム弁１）の開閉は、ダイヤフラム２－４（図示せず）の背面側中央部に接続される作動軸２－５（図示せず）を軸方向に進退駆動することにより行われる。作動軸２－５（図示せず）の進退駆動は、図３に示すようにシリンダエア等の流体を供給して行うこともできるし、図７および８に示されるように手動で行うこともできる。

第１実施形態の分岐流路切換弁では、次のようにして流路の切換が行われる。
＜主流路１－２に流体を流す状態：Ａ＞ 第１ダイヤフラム弁１を開、第２ダイヤフラム弁２を閉とする。
＜分岐流路２－２に流体を流すように切換えた状態：Ｂ＞ 第１ダイヤフラム弁１を開から閉とし、第２ダイヤフラム弁２を閉から開とする。
＜主流路１－２に流体を流すように再び切換えた状態：Ｃ＞ 第１ダイヤフラム弁１を閉から開とし、第２ダイヤフラム弁２を開から閉とする。

図７および図８に示すような従来の分岐流路切換弁１０では、第１分岐流路１２－１が主流路１１と水平に配置されていることから、第１分岐流路１２－１内の、置換不能流体の滞留を防止できるものの、次のような問題が生じる。
１）第２分岐流路１２－２が鉛直方向に配置されているため、この分岐流路切換弁１０を組み込んだ配管設備は、鉛直方向の高さが高くなってしまい、操作部が水平方向だけでなく鉛直方向にも散在する等の操作性が悪くなるという問題が生じ、また、配管設備の安定性・耐震性を向上させるために余分な設備を設ける必要が生じる。すなわち、複数散在する手動弁のハンドルの操作勝手が悪くなり、配管設備が高温となる滅菌工程において操作者がやけどを負う危険があり、また、配管設備の高さが高くなり安定性に欠けることとなる。
２）第１分岐流路１２－１を水平方向に流れる流体が、第２ダイヤフラム弁１４に衝突して方向を変え、第２分岐流路１２－２を鉛直方向に流れるため、流体の圧力損失が大きくなるという問題が生じる。
３）第２分岐流路１２－２が鉛直方向に配置されているため、これに、水平方向に配置された流路を接続する場合には、接続部の流路内面のスチーム滅菌が十分に行えないという問題が生じる。

すなわち、流路が水平方向に配置されている場合には、スチーム滅菌の際に流路底面に集まる凝集水はスチームの流れにより流されるため流路の内面全体を高温（例えば１２１℃以上）で一定時間（例えば３０分間以上）維持できるが、鉛直方向に配置された流路と水平方向に配置された流路の接続部には、スチームの流れによっては流すことのできない凝集水が残留し、高温で一定時間維持できずスチーム滅菌が十分に行えない部分が生じることとなる。

しかしながら、本発明の第１実施形態の分岐流路切換弁では、直線状の主流路１－２と直線状の分岐流路２－２とが、同一水平面内で直交するように配置されているため、上記１）～３）のような問題は生じない。

また、図９に示すような従来の切換弁ハウジング２０では、２本の流路が同一水平面内に平行に配置されていることから、置換不能流体の滞留を防止でき、配管設備の鉛直方向の高さは抑えられるが、２つの出口ポート２２および２３が近接して配置されていることから、これに他の流路を接続するためにはエルボ管を介在させることが必要となり、上記のように流体の圧力損失が大きくなり、また、設置スペースが大きくなるという問題が生じる。

しかしながら、本発明の第１実施形態の分岐流路切換弁では、直線状の主流路１－２と直線状の分岐流路２－２とが、同一水平面内で直交するように配置されており、主流路１－２の出口と、分岐流路２－２の出口とは近接していないため、このような問題は生じない。

本発明の分岐流路切換弁において用いられる、第１ダイヤフラム弁１および第１ダイヤフラム弁１のダイヤフラムとしては、表面側（すなわち、弁座側）にテフロン（ポリテトラフルオロエチレンで、デュポン社の登録商標）等の耐薬品性に優れ、耐水性や表面滑性も良好なフッ素樹脂からなる層を有し、この層の裏側にゴム製のバックアップ層を設けたものを好適に使用できる。

＜本発明の分岐流路切換弁の第２実施形態＞
本発明の第２実施形態の分岐流路切換弁について、図４～６を用いて説明する。図４は、第２実施形態の側面図を示し、図５は第２実施形態の上面図を示し、図６は第２実施形態の弁ボディを示すものである。

第２実施形態の分岐流路切換弁は、第１実施形態の分岐流路切換弁と略同様の構造を有し同様の動作を行うものであるが、第１ダイヤフラム弁１の弁ボディ１－１と、第２ダイヤフラム弁２の弁ボディ２－１とが一体に形成されていることを特徴とするものである。

すなわち、第２実施形態の分岐流路切換弁は、
第１ダイヤフラム弁１の弁ボディ１－１および第２ダイヤフラム弁２の弁ボディ２－１が、略直角三角柱の形状をしており、
第１ダイヤフラム弁１の弁ボディ１－１の直角部に隣接する一方の側面Ｃと、第２ダイヤフラム弁２の弁ボディ２－１の直角部に隣接する一方の側面Ｆとが同一水平面内に配置され、
第１ダイヤフラム弁１の弁ボディ１－１の直角部に隣接する他方の側面Ｄと、第２ダイヤフラム弁２の弁ボディ２－１の一方の底面Ｇとが一体に形成されており、
第１ダイヤフラム弁１の弁ボディ１－１の中心軸に沿って主流路１－２が設けられ、第２ダイヤフラム弁２の弁ボディ２－１の中心軸に沿って分岐流路２－２が設けられ、
第１ダイヤフラム弁１の弁ボディ１－１および第２ダイヤフラム弁２の弁ボディ２－１の直角部に対向する側面Ｅ、Ｈのそれぞれに、第１ダイヤフラム弁１および第２ダイヤフラム弁２が設けられていることを特徴とするものである。

第２実施形態の第１ダイヤフラム弁１の弁ボディ１－１と、第２ダイヤフラム弁２の弁ボディ２－１とは、予め一体物として作成されていてもよいし、個別に作成した後、溶接等により接合されてもよい。図６に示される弁座１－３および弁座２－３には、それぞれ、第１ダイヤフラム弁１および第２ダイヤフラム弁２の他の部材が形成される。

本発明の分岐流路切換弁では、流体が分岐流路切換弁内に滞留するのを防止するために、
１）図６に示すように、第１ダイヤフラム弁１の弁座１－３における流体と接する部分の垂直方向最下端、第２ダイヤフラム弁２の弁座２－３における流体と接する部分の垂直方向最下端、主流路１－２の内面の垂直方向最下端、および分岐流路２－２の垂直方向最下端を、同一水平面Ｉ内に配置すること、
２）図３に示すように、主流路１－２から分岐流路２－２が分岐する分岐点から、第２ダイヤフラム弁２のダイヤフラムの中央部までの距離Ａが、分岐流路の内径Ｂの３倍を超えないようにすること、
等の配置調整が必要となるが、第２実施形態のように、第１ダイヤフラム弁１の弁ボディ１－１と、第２ダイヤフラム弁２の弁ボディ２－１とが一体に形成した場合には、配置調整を簡単に行うことができ、また、分岐流路切換弁をコンパクトにできる。

このように、発明の分岐流路切換弁は、主流路と分岐流路とを同一水平面内で直角に配置することにより、置換不能流体の滞留が防止でき、不純物の混入や雑菌の繁殖を抑えることができ、洗浄を短時間・容易に行うことができると共に、配管設備の鉛直方向の高さおよび流体の圧力損失を低く抑えることができ、配管設備の流路内面のスチーム滅菌を十分に行うことができる。

また、主流路から分岐流路が分岐する分岐点から、第２ダイヤフラム弁のダイヤフラムの中央部までの距離を、分岐流路の内径の３倍を超えないように設定することにより、流路の切り換えに伴って生じる流体の滞留量を抑え、洗浄を短時間・容易に行うことができる。

なお、主流路から分岐流路が分岐する分岐点から、第２ダイヤフラム弁のダイヤフラムの中央部までの距離が長くなると、主流路に流れる流速（一般的に２ｍ／ｓ以下）によっては置換できない流体（置換不能流体）が生じる。この置換不能流体を置換するために、主流路に流れる流速を必要以上に高速とすると、無駄なエネルギーを要することとなる。

１ 第１ダイヤフラム弁
１－１ （第１ダイヤフラム弁の）弁ボディ
１－２ （第１ダイヤフラム弁の）主流路
１－３ （第１ダイヤフラム弁の）弁座
２ 第２ダイヤフラム弁
２－１ （第２ダイヤフラム弁の）弁ボディ
２－２ （第２ダイヤフラム弁の）分岐流路
２－３ （第２ダイヤフラム弁の）弁座
２－４ （第２ダイヤフラム弁の）ダイヤフラム
２－５ （第２ダイヤフラム弁の）作動軸
Ａ 主流路から分岐流路が分岐する分岐点から、第２ダイヤフラム弁のダイヤフラムの中央部までの距離
Ｂ 分岐流路の内径
Ｃ 第１ダイヤフラム弁の弁ボディの直角部に隣接する一方の側面
Ｄ 第１ダイヤフラム弁の弁ボディの直角部に隣接する他方の側面
Ｅ 第１ダイヤフラム弁の弁ボディの直角部に対向する側面
Ｆ 第２ダイヤフラム弁の弁ボディの直角部に隣接する一方の側面
Ｇ 第２ダイヤフラム弁の弁ボディの一方の底面
Ｈ 第２ダイヤフラム弁の弁ボディの直角部に対向する側面
Ｉ 水平面
１０ 分岐流路切換弁
１１ 主流路
１２－１ 第１分岐流路
１２－２ 第２分岐流路
１３ 第１ダイヤフラム弁
１４ 第２ダイヤフラム弁
１５ 弁ボディ
２０ 切換弁ハウジング
２１ 入口ポート
２２，２３ 出口ポート
２４，２５ 開口部

Claims (5)

1. ａ）弁ボディ、
   ｂ）前記弁ボディに設けられた直線状の流路、および
   ｃ）前記流路の所要部に設けられた弁座、前記弁座に対向して配置されたダイヤフラム、前記ダイヤフラムの背面側中央部に接続して設けられ、該ダイヤフラムの表面側中央部を前記弁座に対して離接する作動軸を備えたダイヤフラム弁
   を有する分岐流路切換弁であって、
   前記ダイヤフラム弁を２個有しており、
   第１ダイヤフラム弁は、弁ボディに設けられた直線状の主流路を開閉する二方弁であり、
   第２ダイヤフラム弁は、弁ボディに設けられた直線状の分岐流路を開閉する二方弁であり、
   前記主流路と、前記分岐流路とが、同一水平面内で直交するように配置され接続されていることを特徴とする分岐流路切換弁。
2. 前記主流路から前記分岐流路が分岐する分岐点から、前記第２ダイヤフラム弁のダイヤフラムの中央部までの距離が、前記分岐流路の内径の３倍を超えないことを特徴とする、請求項１に記載の分岐流路切換弁。
3. 前記第１ダイヤフラム弁の弁ボディと、前記第２ダイヤフラム弁の弁ボディとが別体であり、前記主流路と前記分岐流路とが溶接により接続されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の分岐流路切換弁。
4. 前記第１ダイヤフラム弁の弁ボディと、前記第２ダイヤフラム弁の弁ボディとが一体に形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の分岐流路切換弁。
5. 前記第１ダイヤフラム弁の弁ボディおよび前記第２ダイヤフラム弁の弁ボディが、略直角三角柱の形状をしており、
   前記第１ダイヤフラム弁の弁ボディの直角部に隣接する一方の側面と、前記第２ダイヤフラム弁の弁ボディの直角部に隣接する一方の側面とが同一水平面内に配置され、
   前記第１ダイヤフラム弁の弁ボディの直角部に隣接する他方の側面と、前記第２ダイヤフラム弁の弁ボディの一方の底面とが一体に形成されており、
   前記第１ダイヤフラム弁の弁ボディの中心軸に沿って主流路が設けられ、前記第２ダイヤフラム弁の弁ボディの中心軸に沿って分岐流路が設けられ、
   前記第１ダイヤフラム弁の弁ボディおよび前記第２ダイヤフラム弁の弁ボディの直角部に対向する側面のそれぞれに、前記第１ダイヤフラム弁および前記第２ダイヤフラム弁が設けられていることを特徴とする、請求項４に記載の分岐流路切換弁。

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