圧力制御弁
【課題】１次側圧力が変動することによっては２次側圧力が変動することのない圧力制御弁を提供する。
【解決手段】圧力制御弁（２１）の１次側ポート（２３）に供給された流体の圧力（Ｐ１）が弁体（３１）を弁座（３２）に密着させようとする力と、１次側ポート（２３）に供給された流体の圧力（Ｐ１）が弁体（３１）を弁座（３２）から離隔させようとする力とが互いに打ち消し合うように、弁体（３１）に圧力制御弁（２１）の流体通路の外部の圧力が作用する外圧受圧面（Ｂ）を形成した。
【解決手段】圧力制御弁（２１）の１次側ポート（２３）に供給された流体の圧力（Ｐ１）が弁体（３１）を弁座（３２）に密着させようとする力と、１次側ポート（２３）に供給された流体の圧力（Ｐ１）が弁体（３１）を弁座（３２）から離隔させようとする力とが互いに打ち消し合うように、弁体（３１）に圧力制御弁（２１）の流体通路の外部の圧力が作用する外圧受圧面（Ｂ）を形成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の圧力を予め設定された圧力に変換する圧力制御弁に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧力制御弁は、その使用目的によって、１次側の高い圧力を２次側に必要な安定した圧力に減圧して供給するための減圧弁、予め設定された圧力（以下、設定圧力という。）よりも高圧になったときに圧力を放出して設定圧力を維持するためのリリーフ弁、危険な圧力範囲よりも高圧になった圧縮空気を迅速にかつ大量に放出するための安全弁、設定圧力を検知してその圧力を信号として利用するためのシーケンス弁などに分類される。
【０００３】
更に、これらの圧力制御弁は、それぞれ、その機能によって分類される。例えば減圧弁は、一般的な直動形減圧弁、圧力特性及び流量特性に優れたパイロット形減圧弁、遠隔操作によって圧力を調整することができる外部パイロット形減圧弁、精密な圧力調整を行うことができる精密形減圧弁、チェック弁機能を内蔵したチェック弁付き減圧弁などに分類される。
【０００４】
図１及び２に直動形減圧弁の一例を示す。図１は直動形減圧弁の縦断面図であり、図２は図１の要部を拡大した図である。減圧弁１の基底部材２には、１次側ポート２と弁室３と２次側ポート４が形成され、弁室３には、バルブスプリング５によって支持された弁体６が収容されている。基底部材２にはシリンダ部材７が嵌合装着され、シリンダ部材７は、基底部材２にボルト８によって固定されたハウジング部材９によって係止されている。
【０００５】
シリンダ部材７の中央部には、弁室３に開口する貫通孔１０が形成され、貫通孔１０の弁室３側の開口部を囲繞する形態で弁座１１が形成されている。シリンダ部材７には、弁体６の方向に往復動自在にピストン１２が嵌合する。ピストン１２とシリンダ部材７との間には圧力室１３が画成され、また、ピストン１２とハウジング部材９の内面との間にはバネ室１４が画成されている。貫通孔１０は圧力室１３と弁室３の間に延在している。
【０００６】
ピストン１２には、弁室３の方向に延在する突起部１２ａが形成され、突起部１２ａは貫通孔１０を通って弁体６の上面に当接している。ピストン１２にはその軸線に沿ってリリーフ通路１２ｂが形成され、リリーフ通路１２ｂは、ピストン１２のバネ室１４側の面と突起部１２ａの端面とに開口している。図示のように、突起部１２ａに弁体６が密着しているときにはリリーフ通路１２ｂは閉鎖されているが、図示の位置からピストン１２がバネ室１４内に後退すると、突起部１２ａが弁体６から離隔して、圧力室１３をバネ室１４に連通させる。
【０００７】
シリンダ部材７には、圧力室１３と２次側ポート４を連通する貫通孔１５が形成され、圧力室１３と２次側ポート４の間の流体の流れを許容する。バネ室１４には圧力設定スプリング１６とバネ受け１７が収容され、圧力設定スプリング１６はピストン１２とバネ受け１７の間に介装されている。
図１中、参照番号１８は、圧力設定スプリング１６の弾発力を調整するための圧力調整ボルトを示し、圧力調整ボルト１８はハウジング部材９の頂部に螺合されている。また、参照番号１９は、圧力調整ボルト１８を回転させるために、圧力調整ボルト１８のヘッド部に嵌合された回転つまみを示す。そして、参照番号２０は、ハウジング部材９に形成された大気連通孔を示す。
【０００８】
図１を参照して減圧弁１の作用を説明する。減圧弁１が作動していないときには、ピストン１２は圧力設定スプリング１６の弾発力によって弁室３の方向に移動し、これにより、弁体６は弁座１１から離隔すると共に、ピストン１２の突起部１２ａが弁体６に密着してリリーフ通路１２ｂを閉鎖している。
【０００９】
次いで、１次側ポート２に高圧の圧縮空気が供給されると、圧縮空気は弁室３、弁体６と弁座１１の間隙、貫通孔１０、圧力室１３及び貫通孔１５を経て２次側ポート４に流れる。減圧弁１の１次側ポート２に供給された圧縮空気を２次側ポート４に導く流体通路は、弁室３、弁体６と弁座１１の間隙、貫通孔１０、圧力室１３及び貫通孔１５によって構成されている。
【００１０】
減圧弁１の１次側ポート２に供給された高圧空気の圧力は、２次側ポート４の予め設定された流体圧力よりも高いから、弁室３から圧力室１３に流入した圧縮空気の圧力によってピストン１２が圧力設定スプリング１６の弾発力に抗してバネ室１４の内部に後退する。これによって、弁体６が弁座１１に密着し、貫通孔１０が閉鎖される。
【００１１】
このとき、２次側ポート４が閉鎖されている等の原因で圧力室１３の内部の圧縮空気が貫通孔１５を通って２次側ポート４に流れず、圧力室１３の内部の空気の圧力が高圧のままであるときには、ピストン１２は、圧力室１３の内部の空気圧により、更にバネ室１４の内部に後退する。これにより、ピストン１２の突起部１２ａが弁体６から離隔し、圧力室１３がリリーフ通路１２ｂを介してバネ室１４に連通する。バネ室１４は、大気連通孔２０を介して大気中に連通しているから、圧力室１３及び２次側ポート４の内部の空気圧は、圧力室１３がバネ室１４に連通することによって大気中に解放される。
【００１２】
こうして、圧力室１３の内部の圧力が２次側ポート４から流出する空気の設定圧力付近まで低下すると、ピストン１２は圧力設定スプリング１６の弾発力によって弁室３の方向に変位し、弁体６を弁座１１から離隔させる。これにより、減圧弁１の１次側ポート２と２次側ポート４を連通する流体通路が形成される。この流体通路を流れる高圧空気は、弁体６と弁座１１の間の通路断面積によって絞られるから、ベルヌーイの定理によって、１次側ポート２に供給された高圧空気は設定圧力まで減圧され、圧力室１３を通って２次側ポート４に供給される。
【００１３】
２次側ポート４の空気圧は種々の原因によって増減する。２次側ポート４の空気圧が設定圧力よりも高圧になると、貫通孔１５によって２次側ポート４に連通している圧力室１３の内部の空気圧も同様に高圧になるから、ピストン１２は、圧力設定スプリング１６の弾発力に抗してバネ室１４の内部に後退する。これにより、弁体４と弁座１１の間隙が減少するから、１次側ポート２に供給された高圧空気はより低い圧力まで減圧されて圧力室１３に供給される。また、２次側ポート４の空気圧が設定圧力よりも低圧になると、圧力室１３の内部の空気圧も同様に低圧になるから、ピストン１２は、圧力設定スプリング１６の弾発力によって弁室３の方向へ変位する。これにより、弁体４と弁座１１の間隙が増大するから、より高い圧力の圧縮空気が圧力室１３に供給される。減圧弁１は、このような圧力制御を行うことにより、２次側ポート４の空気圧を予め設定された圧力に維持する。
【特許文献１】特許第３３５８４２８号公報
【非特許文献１】仙田良二著 「わかりやすい空気圧の技術」株式会社日本理工出版会 ２００２年９月１０日初版発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、図１及び２に示した減圧弁１は、１次側ポート２に供給される圧縮空気の圧力Ｐ１（以下、１次側圧力という。）が変動すると、２次側ポート４から得られる圧縮空気の圧力Ｐ２（以下、２次側圧力という。）も変動し、予め設定された２次側圧力を維持することができない。表１は、図１のシリンダ部材７の内径、即ちシリンダ径φが１０ｍｍの減圧弁を使用し、１次側圧力Ｐ１を３．９ＭＰａから３．１ＭＰａまで０．１ＭＰａ単位で低下させたときの２次側圧力Ｐ２の圧力値を示す。
【００１５】
【表１】
【００１６】
表１の仕様に記載されたＦ１は、減圧弁１の圧力設定スプリング１６のスプリング荷重を示し、Ｆ２はバルブスプリング５のスプリング荷重を示す。また、図２に示すように、Ｄ１はピストン１２の直径であり、Ｄ２は貫通孔１０の直径を示す。Ｄ３はピストン１２の突起部１２ａの外径寸法を示し、Ｄ４は、弁体６が弁座１１に密着したときの密着部の外縁の径を示す。
【００１７】
Ａ１は、ピストン１２が減圧弁１の流体通路内で２次側圧力Ｐ２を受ける面積（受圧面積）を示し、Ａ１は次の数式１で表される。
【００１８】
【数１】
【００１９】
Ａ２は、弁体６が減圧弁１の流体通路内で２次側圧力Ｐ２を受ける面積（受圧面積）を示し、Ａ２は次の数式２で表される。
【００２０】
【数２】
【００２１】
Ａ３は、弁体６が減圧弁１の流体通路内で１次側圧力Ｐ１を受ける面積（受圧面積）を示し、Ａ３は次の数式３で表される。
【００２２】
【数３】
【００２３】
以上から、図１及び２に示した減圧弁１の２次側圧力Ｐ２は次の数式４で表される。
【００２４】
【数４】
【００２５】
数式４は、１次側圧力Ｐ１が弁体６の受圧面積Ａ３に作用していることを示し、数式４から、図１及び２に示した減圧弁では、２次側圧力Ｐ２が１次側圧力Ｐ１の変動に応じて変化することが解る。
【００２６】
本発明の目的は、１次側圧力が変動しても、予め設定された圧力値の２次側圧力を出力することができる圧力制御弁を提供することにある。
本発明の他の目的は、簡単な構造で、製造が容易な圧力制御弁を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、汎用性の高い圧力制御弁を提供することにある。
本発明のその他の特徴は、図３乃至５を参照してなされる以下の説明から明らかになる。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明のもっとも基本的な特徴は、１次側に供給された流体を２次側に導く流体通路と、前記流体通路に形成された弁座と、前記流体通路の１次側に配置され、かつ、前記弁座と協働して前記流体通路の断面積の大きさを規制する、弁体と、前記流体通路の２次側の圧力変動に応じて前記弁体を前記弁座に関して変位させ、前記流体通路の１次側に供給された流体の圧力を予め設定された２次側の流体圧力に変換する、弁開度変更手段とを有する、圧力制御弁において、前記１次側に供給された流体の圧力が前記弁体を前記弁座に密着させようとする力と、前記１次側に供給された流体の圧力が前記弁体を前記弁座から離隔させようとする力とが互いに打ち消し合うように、前記弁体に前記流体通路の外部の圧力が作用する外圧受圧面を形成したことにある。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の圧力制御弁は、１次側に供給された流体の圧力が弁体を弁座に密着させようとする力と、１次側に供給された流体の圧力が弁体を弁座から離隔させようとする力とが互いに打ち消し合うように、弁体に流体通路の外部の圧力が作用する外圧受圧面を形成したから、弁体は１次側圧力によって開弁方向及び閉弁方向への力を受けない。よって、本発明の圧力制御弁は、１次側圧力が変動した場合にも、２次側圧力を予め設定された圧力値に維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明においては、圧力制御弁の２次側圧力が１次側圧力の影響を受けないように、弁体の１次側圧力の受圧面積と弁体の外圧受圧面の面積との比率が特定される。しかし、弁体が弁座に着座したとき流体通路が確実に閉鎖されるように、弁体の全部又は一部を弾性材料で構成する場合がある。弾性材料は弁座に密着したときに変形するため、圧力制御弁毎に弁体の１次側圧力の受圧面積が異なる虞がある。弁体の１次側圧力の受圧面積が異なると、その圧力制御弁の２次側圧力と予め２次側圧力として設定された圧力との間に差異を生じる。そこで、このような場合には、圧力制御弁毎に２次側圧力の調整手段を設けることが望ましい。この調整手段は、２次側圧力を設定するための圧力設定スプリングを備えた圧力制御弁の場合には、圧力設定スプリングの弾発力調整手段によって構成することができる。
【実施例１】
【００３０】
図３及び４は、本発明の圧力制御弁の一実施例として、直動形減圧弁２１を示す。図３は直動形減圧弁２１の縦断面図であり、図４は図２の要部を拡大した図である。減圧弁２１の基底部材２２には、１次側ポート２３と２次側ポート２４とが形成されている。基底部材２２の底面には弁体支持部材２５が螺着され、弁体支持部材２５の中央部には弁体嵌合孔２６が形成されている。基底部材２２の上面にはシリンダ部材２７が嵌合装着され、シリンダ部材２７は、基底部材２２にボルト２８によって固定されたハウジング部材２９によって係止されている。基底部材２２と弁体支持部材２５とシリンダ部材２７によって基底部材２２の内部に弁室３０が画成される。
【００３１】
弁体３１は、耐摩耗性の弾性材料で形成された弁頭部３２と金属材料で形成された弁体延長部３３とを一体化することによって構成されている。弁頭部３２の上面の中央部には凹所３２ａが形成されている。弁体延長部３３の頭部外周面にはバネ受け３３ａが形成され、弁体延長部３３の下方部分には段差部３３ｂを経て小径部３３ｃが延在している。小径部３３ｃの周面には環状溝３３ｄが形成され、環状溝３３ｄにはシールリング３４が装着されている。
弁体３１は弁室３０に配置され、弁体３１の小径部３３ｃは弁体支持部材２５の弁体嵌合孔２６に軸方向へ摺動自在に挿入される。そして、弁体３１のバネ受け３３ａと弁体支持部材２５の間にバルブスプリング３５が介装され、弁体３１はバルブスプリング３５の弾発力によって、常時、シリンダ部材２７方向に附勢される。
そして、弁体３１の小径部３３ｃの端面Ｂは、弁室３０の外部に露出する。
【００３２】
シリンダ部材２７の中央部には、弁室３０に開口する貫通孔３６が形成され、貫通孔３６の弁室３０側の開口部を囲繞する形態で弁座３７が形成されている。シリンダ部材２７には、弁体３１の方向に往復動自在にピストン３８が嵌合する。ピストン３８とシリンダ部材２７との間には圧力室３９が画成され、また、ピストン３８とハウジング部材２９の内面との間にはバネ室４０が画成される。貫通孔３６は圧力室３９と弁室３０の間に延在する。
【００３３】
ピストン３８には、突起部３８ａが形成され、突起部３８ａは、貫通孔３６を通って弁室３０の方向に延在し、弁頭部３２に対して凹所３２ａで当接している。ピストン３８には、ピストン３８の軸線に沿って延在するリリーフ通路３８ｂが形成され、リリーフ通路３８ｂはピストン３８のバネ室４０側の面と突起部３８ａの端部とに開口する。図示のように、突起部３８ａの端面が弁体３１の弁頭部３２に密着しているときにはリリーフ通路３８ｂは閉鎖されているが、図示の位置からピストン３８がバネ室４０内に後退すると、突起部３８ａの端面が弁体６の弁頭部３２から離隔して、圧力室３９をバネ室４０に連通させる。
【００３４】
シリンダ部材２７には、圧力室３９と２次側ポート２４を連通する貫通孔４１が形成され、圧力室３９と２次側ポート２４の間に流体の流れを許容する。バネ室４０には圧力設定スプリング４１が配置され、圧力設定スプリング４１は、ピストン３８に装着されたバネ受け４２と、圧力調整ボルト４３に係合するバネ受け４４との間に介装される。圧力調整ボルト４３はハウジング部材２９の頂部に螺着され、そのボルト頭部４３ａには圧力調整つまみ４５が連結されている。圧力調整つまみ４５を回転させることにより、圧力調整ボルト４３はその軸線方向に移動し、圧力設定スプリング４１の弾発力を調整することができる。図３及び４中の参照番号４６、４７、４８は密封用のシール部材を示す。また、図３中の参照番号４９は、ハウジング部材２９に形成された大気連通孔を示す。
【００３５】
以上のような構成を有する直動形減圧弁２１において、１次側圧力をＰ１、２次側圧力をＰ２、ピストン３８が圧力室３９内の流体から受ける圧力の受圧面積をＡ１、弁体３１が貫通孔３６内の流体から受ける圧力の受圧面積をＡ２、弁体３１が弁室３０内の流体から受ける圧力の受圧面積をＡ３、弁体３１の端面Ｂの面積をＡ４、圧力設定スプリング４１のスプリング荷重をＦ１、バルブスプリング３５のスプリング荷重をＦ２とし、図４に示すように、ピストン３８の直径をＤ１、貫通孔３６の直径をＤ２、ピストン３８の突起部３８ａの直径をＤ３、弁体３１の弁頭部３２が弁座３７に密着したときの密着部の外縁の径をＤ４、弁体３１の端面Ｂの径をＤ５とする。
Ａ１は前述の数式１で表される。
Ａ２は前述の数式２で表される。
Ａ３は前述の数式３で表される。
また、Ａ４は次の数式５で表される。
【００３６】
【数５】
【００３７】
以上のＰ１、Ｐ２、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ｆ１、Ｆ２の関係式は、次の数式６で表される。
【００３８】
【数６】
【００３９】
数式６から、２次側圧力Ｐ２が１次側圧力Ｐ１から無関係に定まるためには、弁体３１が弁室３０内の流体から受ける圧力の受圧面積をＡ３と弁体３１の端面Ｂの面積をＡ４を同じ値にすればよいことが解る。換言すれば、弁体３１の弁頭部３２が弁座３７に密着したときの密着部の外縁の径をＤ４と、弁体３１の端面Ｂの径をＤ５とを同値にすれば、１次側圧力Ｐ１が変動したときにも２次側圧力Ｐ２は１次側圧力Ｐ１の圧力変動の影響を受けることはなく、２次側圧力Ｐ２は、圧力設定スプリング４１のスプリング荷重をＦ１と、バルブスプリング３５のスプリング荷重をＦ２と、ピストン３８が圧力室３９内の流体から受ける圧力の受圧面積をＡ１と、弁体３１が貫通孔３６内の流体から受ける圧力の受圧面積をＡ２のみによって定まる。
【００４０】
以上の観点から、上記実施例の直動形減圧弁２１は、弁体３１の弁頭部３２が弁座３７に密着したときの密着部の外縁の径をＤ４と、弁体３１の端面Ｂの径をＤ５とが同じ値に設定されている。
【００４１】
以下、直動形減圧弁２１の作用を説明する。
先ず、直動形減圧弁２１の通常の圧力制御動作は次のとおりである。
減圧弁２１が作動していないときには、ピストン３８は圧力設定スプリング４１の弾発力によって弁室３０の方向に移動し、これにより、弁体３１の弁頭部３２は弁座３７から離隔すると共に、ピストン３８の突起部３８ａが弁体３１の弁頭部３２に密着してリリーフ通路３８ｂを閉鎖している。
【００４２】
次いで、１次側ポート２３に圧縮空気が１次側圧力Ｐ１で供給されると、圧縮空気は弁室３０、弁頭部３２と弁座３７の間隙、貫通孔３６、圧力室３９及び貫通孔４１を経て２次側ポート２４に流れる。減圧弁２１の１次側ポート２３に供給された圧縮空気を２次側ポート２４に導く流体通路は、弁室３０、弁体３１の弁頭部３２と弁座１１との間隙、貫通孔３６、圧力室３９及び貫通孔４１によって構成される。
【００４３】
減圧弁２１の１次側ポート２３に供給された圧縮空気の圧力Ｐ１は、２次側ポート２４の予め設定された流体圧力よりも高いから、弁室３０から圧力室３９に流入した圧縮空気の圧力によってピストン３８が圧力設定スプリング４１の弾発力に抗してバネ室４０の内部に後退する。これによって、弁体２１の弁頭部３２が弁座３７に密着し、貫通孔３６が閉鎖される。
【００４４】
このとき、２次側ポート２４が閉鎖されている等の原因で圧力室３９の内部の圧縮空気が貫通孔４１を通って２次側ポート２４に流れず、圧力室３９の内部の空気の圧力が高圧のままであるときには、ピストン３８は、圧力室３９の内部の空気圧により、更にバネ室４０の内部に後退する。これにより、ピストン３８の突起部３８ａが弁体３１の弁頭部３２から離隔し、圧力室３９がリリーフ通路３８ｂを介してバネ室４０に連通する。バネ室４０は大気連通孔４９を介して大気中に連通しているから、圧力室３９及び２次側ポート２４の内部の空気圧は、圧力室３９がバネ室４０に連通することによって大気中に解放される。
【００４５】
こうして、圧力室３９の内部の圧力が２次側ポート２４から流出する空気の設定圧力付近まで低下すると、ピストン３８は圧力設定スプリング４１の弾発力によって弁室３０の方向に変位し、弁体３１の弁頭部３２を弁座３７から離隔させる。これにより、減圧弁２１の１次側ポート２３と２次側ポート２４を連通する流体通路が形成される。この流体通路を流れる圧縮空気流は、弁体３１の弁頭部３２と弁座３７の間の通路断面積によって絞られるから、ベルヌーイの定理によって、１次側ポート２３に供給された圧縮空気は設定圧力まで減圧され、圧力室３９を通って２次側ポート２４に供給される。
【００４６】
２次側ポート２４の空気圧は種々の原因によって増減する。
２次側ポート２４の空気圧が設定圧力よりも高圧になると、貫通孔４１によって２次側ポート２４に連通している圧力室３９の内部の空気圧も同様に高圧になるから、ピストン３８は、圧力設定スプリング４１の弾発力に抗してバネ室４０の内部に後退する。これにより、弁体３１の弁頭部３２と弁座３７との間隙が減少するから、１次側ポート２３に供給された圧縮空気はより低い圧力まで減圧されて圧力室３９に供給される。
また、２次側ポート２４の空気圧が設定圧力よりも低圧になると、圧力室３９の内部の空気圧も同様に低圧になるから、ピストン３８は、圧力設定スプリング４１の弾発力によって弁室３０の方向へ変位する。これにより、弁体３１の弁頭部３２と弁座３７との間隙が増大するから、より高い圧力の圧縮空気が圧力室３９に供給される。
【００４７】
以上が直動形減圧弁２１の通常の圧力制御動作であるが、直動形減圧弁２１は、弁体３１の弁頭部３２が弁座３７に密着したときの密着部の外縁の径をＤ４と、弁体３１の端面Ｂの径をＤ５とが同じ値に設定されているから、数式６のＰ１×（Ａ３−Ａ４）の項は存在しない。よって、直動形減圧弁２１の１次側圧力Ｐ１が変動した場合にも、１次側圧力Ｐ１の変動によって２次側圧力Ｐ２が変動することはない。
【００４８】
表２は、実施例１の構成を有するシリンダ径φが１０ｍｍの直動形減圧弁２１を使用し、１次側圧力Ｐ１を３．９ＭＰａから３．１ＭＰａまで０．１ＭＰａ単位で低下させたときの２次側圧力Ｐ２の圧力値を示す。
【００４９】
【表２】
【００５０】
表２を見ると、前述の仕様において１次側圧力Ｐ１を３．９ＭＰａから３．１ＭＰａまで変化させても、２次側圧力Ｐ２は２．４ＭＰａを維持したことが解る。
【００５１】
以上の実施例１の説明から明らかなように、本発明においては、圧力制御弁の２次側圧力が１次側圧力の影響を受けないように、弁体の１次側圧力の受圧面積（Ａ３）と弁体の外圧受圧面の面積（Ａ４）との比率を特定する必要がある。
しかし、実施例１で説明したように、弁体の全部又は一部を弾性材料で構成した場合には、弾性材料が弁座に密着したときに変形し、圧力制御弁毎に弁体の１次側圧力の受圧面積が異なる虞がある。弁体の１次側圧力の受圧面積が異なると、その圧力制御弁の２次側圧力と予め設定された２次側圧力との間に差異を生じる。
また、実施例１の構成を有する直動形減圧弁２１を例にとると、ピストン３８とシリンダ部材２７の間の摺動抵抗や、弁体３１の小径部３３と弁体支持部材２５との間の摺動抵抗を考慮して、弁体の１次側圧力の受圧面積（Ａ３）と弁体の外圧受圧面の面積（Ａ４）との比率を特定しなければならない場合もある。
そこで、このような場合には、実施例１の直動形減圧弁２１に装着した圧力調整つまみ４５を回転させることにより、圧力設定スプリング４１のスプリング荷重を調整することで、２次側圧力Ｐ２を適正値に補正できるようにすることが望ましい。
【実施例２】
【００５２】
表３は、本発明の圧力制御弁の作用を別の角度から検証した結果を示す。表３に示した数値は、図５に示した直動形減圧弁５１を使用し、圧力設定スプリング５２のスプリング荷重を種々に変更しつつ行われた。直動形減圧弁５１の基本的な構成は、実施例１の説明に使用した直動形減圧弁２１と同様である。先ず、１次側圧力Ｐ１が１．２ＭＰａのときに、カム付きレバーＬを回転させて、圧力設定スプリング５２のスプリング荷重を任意の値に設定し、弁体支持部材５２の穴径φが５．０ｍｍ、５．５ｍｍ、６．０ｍｍ及び０ｍｍ（穴無し）の各場合について、１次側圧力Ｐ１を０．３ＭＰａずつ上昇させた。そして、このときの２次側圧力Ｐ２の変化を測定した。
【００５３】
【表３】
【００５４】
図５に示すように、直動形減圧弁５１のハウジングＨには１次側ポート５３と弁室５４と２次側ポート５５が形成されると共に、ピストン５６が摺動自在に嵌合装着されたシリンダ部５７が形成されている。ハウジングＨの底面部には弁体５８を摺動自在に保持する弁支持部材５９が螺着され、弁体５８を弁室５４に保持している。弁体５８と弁支持部材５９の間に介装されたバルブスプリング６０はバネ荷重６Ｋｇｆであり、圧力設定スプリング５２は高圧用減圧弁用バネを使用した。圧力設定スプリング５２は、ピストン５６と、カム付きレバーＬに連動して変位する圧力変更用摺動部材６１との間に介装される。同図中、参照番号６２は、ピストン５６に装着されたシール部材であり、参照番号６３は、圧力変更用摺動部材６１とハウジングＨの内面との間に形成された大気連通用の間隙を示す。ピストン５６の上方に位置するハウジングＨの内部空間は、この間隙６３を介して大気に連通している。また、参照番号６４は弁室５４を密封するために弁体５８に装着されたシール部材であり、６６は弁体５８が着座可能な弁座である。弁座６６の外径ＤＶは７ｍｍφとした。６７は弁室５４と圧力室６８を連結する貫通孔であり、６９は圧力室６８と２次側ポート５５を連結する貫通路である。７０はピストン５６の軸線に沿って形成されたリリーフ通路であり、７１はカム付きレバーＬのカム部７２の回転軸を示す。
【００５５】
表３に示すように、弁体支持部材５２の穴径φが５．５ｍｍのとき、１次側圧力Ｐ１を１．２ＭＰａから２．４ＭＰａまで０．３ＭＰａ単位で上昇させても、２次側圧力Ｐ２は１．２ＭＰａを維持した。弁体支持部材５２の穴径φが５．０ｍｍのとき及び６．０ｍｍのときには、１次側圧力Ｐ１を１．２ＭＰａから２．４ＭＰａまで変化させると、２次側圧力Ｐ２はいずれも若干下降することが認められた。弁体支持部材５２の穴径φが５．５ｍｍのときに２次側圧力Ｐ２が一定値を維持した理由は、前述したように、ピストン５６とシリンダ部５７の間の摩擦抵抗や弁体５８と弁支持部材５９の間の摩擦抵抗等の影響が考えられるほか、弁体５８の頭部を比較的弾性の高いパッキン材で構成したため、弁体５８の頭部が弁座６６に密着したときに変形し、弁体５８の外気受圧面Ｂの面積との間に差異を生じたためと考えられる。
【００５６】
表３の弁体支持部材５２の穴径φが５．５ｍｍのときの測定結果から、本発明の圧力制御弁は１次側圧力Ｐ１が次第に上昇する場合にも２次側圧力Ｐ２を一定に維持することができることが解る。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の圧力制御弁を直動形減圧弁を例にとって説明した。これらの直動形減圧弁を大気圧中で使用する場合には、弁体の外圧受圧面は大気圧を受けるから大気圧受圧面となる。本発明の圧力制御弁は直動形減圧弁に限定されない。例えば、弁体の外圧受圧面に負の圧力を作用させ、リリーフ通路を強制的に解放させることができる。また、弁体の外圧受圧面に制御された正又は負の圧力を作用させることにより、弁体の挙動を制御することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】従来の直動型減圧弁の縦断面図である。
【図２】図１の直動形減圧弁の要部断面図である。
【図３】本発明を適用した直動形減圧弁の縦断面図である。（実施例１）
【図４】図３の直動形減圧弁の要部断面図である。（実施例１）
【図５】本発明の圧力制御弁の作用を検証するための直動形減圧弁の縦断面図である。（実施例２）
【符号の説明】
【００５９】
Ｂ 外圧受圧面
２１ 直動形減圧弁
２３ １次側ポート
２４ ２次側ポート
３０ 弁室
３１ 弁体
３２ 弁頭部
３３ 弁体延長部
３８ ピストン
３５ バルブスプリング
４１ 圧力設定スプリング
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の圧力を予め設定された圧力に変換する圧力制御弁に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧力制御弁は、その使用目的によって、１次側の高い圧力を２次側に必要な安定した圧力に減圧して供給するための減圧弁、予め設定された圧力（以下、設定圧力という。）よりも高圧になったときに圧力を放出して設定圧力を維持するためのリリーフ弁、危険な圧力範囲よりも高圧になった圧縮空気を迅速にかつ大量に放出するための安全弁、設定圧力を検知してその圧力を信号として利用するためのシーケンス弁などに分類される。
【０００３】
更に、これらの圧力制御弁は、それぞれ、その機能によって分類される。例えば減圧弁は、一般的な直動形減圧弁、圧力特性及び流量特性に優れたパイロット形減圧弁、遠隔操作によって圧力を調整することができる外部パイロット形減圧弁、精密な圧力調整を行うことができる精密形減圧弁、チェック弁機能を内蔵したチェック弁付き減圧弁などに分類される。
【０００４】
図１及び２に直動形減圧弁の一例を示す。図１は直動形減圧弁の縦断面図であり、図２は図１の要部を拡大した図である。減圧弁１の基底部材２には、１次側ポート２と弁室３と２次側ポート４が形成され、弁室３には、バルブスプリング５によって支持された弁体６が収容されている。基底部材２にはシリンダ部材７が嵌合装着され、シリンダ部材７は、基底部材２にボルト８によって固定されたハウジング部材９によって係止されている。
【０００５】
シリンダ部材７の中央部には、弁室３に開口する貫通孔１０が形成され、貫通孔１０の弁室３側の開口部を囲繞する形態で弁座１１が形成されている。シリンダ部材７には、弁体６の方向に往復動自在にピストン１２が嵌合する。ピストン１２とシリンダ部材７との間には圧力室１３が画成され、また、ピストン１２とハウジング部材９の内面との間にはバネ室１４が画成されている。貫通孔１０は圧力室１３と弁室３の間に延在している。
【０００６】
ピストン１２には、弁室３の方向に延在する突起部１２ａが形成され、突起部１２ａは貫通孔１０を通って弁体６の上面に当接している。ピストン１２にはその軸線に沿ってリリーフ通路１２ｂが形成され、リリーフ通路１２ｂは、ピストン１２のバネ室１４側の面と突起部１２ａの端面とに開口している。図示のように、突起部１２ａに弁体６が密着しているときにはリリーフ通路１２ｂは閉鎖されているが、図示の位置からピストン１２がバネ室１４内に後退すると、突起部１２ａが弁体６から離隔して、圧力室１３をバネ室１４に連通させる。
【０００７】
シリンダ部材７には、圧力室１３と２次側ポート４を連通する貫通孔１５が形成され、圧力室１３と２次側ポート４の間の流体の流れを許容する。バネ室１４には圧力設定スプリング１６とバネ受け１７が収容され、圧力設定スプリング１６はピストン１２とバネ受け１７の間に介装されている。
図１中、参照番号１８は、圧力設定スプリング１６の弾発力を調整するための圧力調整ボルトを示し、圧力調整ボルト１８はハウジング部材９の頂部に螺合されている。また、参照番号１９は、圧力調整ボルト１８を回転させるために、圧力調整ボルト１８のヘッド部に嵌合された回転つまみを示す。そして、参照番号２０は、ハウジング部材９に形成された大気連通孔を示す。
【０００８】
図１を参照して減圧弁１の作用を説明する。減圧弁１が作動していないときには、ピストン１２は圧力設定スプリング１６の弾発力によって弁室３の方向に移動し、これにより、弁体６は弁座１１から離隔すると共に、ピストン１２の突起部１２ａが弁体６に密着してリリーフ通路１２ｂを閉鎖している。
【０００９】
次いで、１次側ポート２に高圧の圧縮空気が供給されると、圧縮空気は弁室３、弁体６と弁座１１の間隙、貫通孔１０、圧力室１３及び貫通孔１５を経て２次側ポート４に流れる。減圧弁１の１次側ポート２に供給された圧縮空気を２次側ポート４に導く流体通路は、弁室３、弁体６と弁座１１の間隙、貫通孔１０、圧力室１３及び貫通孔１５によって構成されている。
【００１０】
減圧弁１の１次側ポート２に供給された高圧空気の圧力は、２次側ポート４の予め設定された流体圧力よりも高いから、弁室３から圧力室１３に流入した圧縮空気の圧力によってピストン１２が圧力設定スプリング１６の弾発力に抗してバネ室１４の内部に後退する。これによって、弁体６が弁座１１に密着し、貫通孔１０が閉鎖される。
【００１１】
このとき、２次側ポート４が閉鎖されている等の原因で圧力室１３の内部の圧縮空気が貫通孔１５を通って２次側ポート４に流れず、圧力室１３の内部の空気の圧力が高圧のままであるときには、ピストン１２は、圧力室１３の内部の空気圧により、更にバネ室１４の内部に後退する。これにより、ピストン１２の突起部１２ａが弁体６から離隔し、圧力室１３がリリーフ通路１２ｂを介してバネ室１４に連通する。バネ室１４は、大気連通孔２０を介して大気中に連通しているから、圧力室１３及び２次側ポート４の内部の空気圧は、圧力室１３がバネ室１４に連通することによって大気中に解放される。
【００１２】
こうして、圧力室１３の内部の圧力が２次側ポート４から流出する空気の設定圧力付近まで低下すると、ピストン１２は圧力設定スプリング１６の弾発力によって弁室３の方向に変位し、弁体６を弁座１１から離隔させる。これにより、減圧弁１の１次側ポート２と２次側ポート４を連通する流体通路が形成される。この流体通路を流れる高圧空気は、弁体６と弁座１１の間の通路断面積によって絞られるから、ベルヌーイの定理によって、１次側ポート２に供給された高圧空気は設定圧力まで減圧され、圧力室１３を通って２次側ポート４に供給される。
【００１３】
２次側ポート４の空気圧は種々の原因によって増減する。２次側ポート４の空気圧が設定圧力よりも高圧になると、貫通孔１５によって２次側ポート４に連通している圧力室１３の内部の空気圧も同様に高圧になるから、ピストン１２は、圧力設定スプリング１６の弾発力に抗してバネ室１４の内部に後退する。これにより、弁体４と弁座１１の間隙が減少するから、１次側ポート２に供給された高圧空気はより低い圧力まで減圧されて圧力室１３に供給される。また、２次側ポート４の空気圧が設定圧力よりも低圧になると、圧力室１３の内部の空気圧も同様に低圧になるから、ピストン１２は、圧力設定スプリング１６の弾発力によって弁室３の方向へ変位する。これにより、弁体４と弁座１１の間隙が増大するから、より高い圧力の圧縮空気が圧力室１３に供給される。減圧弁１は、このような圧力制御を行うことにより、２次側ポート４の空気圧を予め設定された圧力に維持する。
【特許文献１】特許第３３５８４２８号公報
【非特許文献１】仙田良二著 「わかりやすい空気圧の技術」株式会社日本理工出版会 ２００２年９月１０日初版発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、図１及び２に示した減圧弁１は、１次側ポート２に供給される圧縮空気の圧力Ｐ１（以下、１次側圧力という。）が変動すると、２次側ポート４から得られる圧縮空気の圧力Ｐ２（以下、２次側圧力という。）も変動し、予め設定された２次側圧力を維持することができない。表１は、図１のシリンダ部材７の内径、即ちシリンダ径φが１０ｍｍの減圧弁を使用し、１次側圧力Ｐ１を３．９ＭＰａから３．１ＭＰａまで０．１ＭＰａ単位で低下させたときの２次側圧力Ｐ２の圧力値を示す。
【００１５】
【表１】
【００１６】
表１の仕様に記載されたＦ１は、減圧弁１の圧力設定スプリング１６のスプリング荷重を示し、Ｆ２はバルブスプリング５のスプリング荷重を示す。また、図２に示すように、Ｄ１はピストン１２の直径であり、Ｄ２は貫通孔１０の直径を示す。Ｄ３はピストン１２の突起部１２ａの外径寸法を示し、Ｄ４は、弁体６が弁座１１に密着したときの密着部の外縁の径を示す。
【００１７】
Ａ１は、ピストン１２が減圧弁１の流体通路内で２次側圧力Ｐ２を受ける面積（受圧面積）を示し、Ａ１は次の数式１で表される。
【００１８】
【数１】
【００１９】
Ａ２は、弁体６が減圧弁１の流体通路内で２次側圧力Ｐ２を受ける面積（受圧面積）を示し、Ａ２は次の数式２で表される。
【００２０】
【数２】
【００２１】
Ａ３は、弁体６が減圧弁１の流体通路内で１次側圧力Ｐ１を受ける面積（受圧面積）を示し、Ａ３は次の数式３で表される。
【００２２】
【数３】
【００２３】
以上から、図１及び２に示した減圧弁１の２次側圧力Ｐ２は次の数式４で表される。
【００２４】
【数４】
【００２５】
数式４は、１次側圧力Ｐ１が弁体６の受圧面積Ａ３に作用していることを示し、数式４から、図１及び２に示した減圧弁では、２次側圧力Ｐ２が１次側圧力Ｐ１の変動に応じて変化することが解る。
【００２６】
本発明の目的は、１次側圧力が変動しても、予め設定された圧力値の２次側圧力を出力することができる圧力制御弁を提供することにある。
本発明の他の目的は、簡単な構造で、製造が容易な圧力制御弁を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、汎用性の高い圧力制御弁を提供することにある。
本発明のその他の特徴は、図３乃至５を参照してなされる以下の説明から明らかになる。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明のもっとも基本的な特徴は、１次側に供給された流体を２次側に導く流体通路と、前記流体通路に形成された弁座と、前記流体通路の１次側に配置され、かつ、前記弁座と協働して前記流体通路の断面積の大きさを規制する、弁体と、前記流体通路の２次側の圧力変動に応じて前記弁体を前記弁座に関して変位させ、前記流体通路の１次側に供給された流体の圧力を予め設定された２次側の流体圧力に変換する、弁開度変更手段とを有する、圧力制御弁において、前記１次側に供給された流体の圧力が前記弁体を前記弁座に密着させようとする力と、前記１次側に供給された流体の圧力が前記弁体を前記弁座から離隔させようとする力とが互いに打ち消し合うように、前記弁体に前記流体通路の外部の圧力が作用する外圧受圧面を形成したことにある。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の圧力制御弁は、１次側に供給された流体の圧力が弁体を弁座に密着させようとする力と、１次側に供給された流体の圧力が弁体を弁座から離隔させようとする力とが互いに打ち消し合うように、弁体に流体通路の外部の圧力が作用する外圧受圧面を形成したから、弁体は１次側圧力によって開弁方向及び閉弁方向への力を受けない。よって、本発明の圧力制御弁は、１次側圧力が変動した場合にも、２次側圧力を予め設定された圧力値に維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明においては、圧力制御弁の２次側圧力が１次側圧力の影響を受けないように、弁体の１次側圧力の受圧面積と弁体の外圧受圧面の面積との比率が特定される。しかし、弁体が弁座に着座したとき流体通路が確実に閉鎖されるように、弁体の全部又は一部を弾性材料で構成する場合がある。弾性材料は弁座に密着したときに変形するため、圧力制御弁毎に弁体の１次側圧力の受圧面積が異なる虞がある。弁体の１次側圧力の受圧面積が異なると、その圧力制御弁の２次側圧力と予め２次側圧力として設定された圧力との間に差異を生じる。そこで、このような場合には、圧力制御弁毎に２次側圧力の調整手段を設けることが望ましい。この調整手段は、２次側圧力を設定するための圧力設定スプリングを備えた圧力制御弁の場合には、圧力設定スプリングの弾発力調整手段によって構成することができる。
【実施例１】
【００３０】
図３及び４は、本発明の圧力制御弁の一実施例として、直動形減圧弁２１を示す。図３は直動形減圧弁２１の縦断面図であり、図４は図２の要部を拡大した図である。減圧弁２１の基底部材２２には、１次側ポート２３と２次側ポート２４とが形成されている。基底部材２２の底面には弁体支持部材２５が螺着され、弁体支持部材２５の中央部には弁体嵌合孔２６が形成されている。基底部材２２の上面にはシリンダ部材２７が嵌合装着され、シリンダ部材２７は、基底部材２２にボルト２８によって固定されたハウジング部材２９によって係止されている。基底部材２２と弁体支持部材２５とシリンダ部材２７によって基底部材２２の内部に弁室３０が画成される。
【００３１】
弁体３１は、耐摩耗性の弾性材料で形成された弁頭部３２と金属材料で形成された弁体延長部３３とを一体化することによって構成されている。弁頭部３２の上面の中央部には凹所３２ａが形成されている。弁体延長部３３の頭部外周面にはバネ受け３３ａが形成され、弁体延長部３３の下方部分には段差部３３ｂを経て小径部３３ｃが延在している。小径部３３ｃの周面には環状溝３３ｄが形成され、環状溝３３ｄにはシールリング３４が装着されている。
弁体３１は弁室３０に配置され、弁体３１の小径部３３ｃは弁体支持部材２５の弁体嵌合孔２６に軸方向へ摺動自在に挿入される。そして、弁体３１のバネ受け３３ａと弁体支持部材２５の間にバルブスプリング３５が介装され、弁体３１はバルブスプリング３５の弾発力によって、常時、シリンダ部材２７方向に附勢される。
そして、弁体３１の小径部３３ｃの端面Ｂは、弁室３０の外部に露出する。
【００３２】
シリンダ部材２７の中央部には、弁室３０に開口する貫通孔３６が形成され、貫通孔３６の弁室３０側の開口部を囲繞する形態で弁座３７が形成されている。シリンダ部材２７には、弁体３１の方向に往復動自在にピストン３８が嵌合する。ピストン３８とシリンダ部材２７との間には圧力室３９が画成され、また、ピストン３８とハウジング部材２９の内面との間にはバネ室４０が画成される。貫通孔３６は圧力室３９と弁室３０の間に延在する。
【００３３】
ピストン３８には、突起部３８ａが形成され、突起部３８ａは、貫通孔３６を通って弁室３０の方向に延在し、弁頭部３２に対して凹所３２ａで当接している。ピストン３８には、ピストン３８の軸線に沿って延在するリリーフ通路３８ｂが形成され、リリーフ通路３８ｂはピストン３８のバネ室４０側の面と突起部３８ａの端部とに開口する。図示のように、突起部３８ａの端面が弁体３１の弁頭部３２に密着しているときにはリリーフ通路３８ｂは閉鎖されているが、図示の位置からピストン３８がバネ室４０内に後退すると、突起部３８ａの端面が弁体６の弁頭部３２から離隔して、圧力室３９をバネ室４０に連通させる。
【００３４】
シリンダ部材２７には、圧力室３９と２次側ポート２４を連通する貫通孔４１が形成され、圧力室３９と２次側ポート２４の間に流体の流れを許容する。バネ室４０には圧力設定スプリング４１が配置され、圧力設定スプリング４１は、ピストン３８に装着されたバネ受け４２と、圧力調整ボルト４３に係合するバネ受け４４との間に介装される。圧力調整ボルト４３はハウジング部材２９の頂部に螺着され、そのボルト頭部４３ａには圧力調整つまみ４５が連結されている。圧力調整つまみ４５を回転させることにより、圧力調整ボルト４３はその軸線方向に移動し、圧力設定スプリング４１の弾発力を調整することができる。図３及び４中の参照番号４６、４７、４８は密封用のシール部材を示す。また、図３中の参照番号４９は、ハウジング部材２９に形成された大気連通孔を示す。
【００３５】
以上のような構成を有する直動形減圧弁２１において、１次側圧力をＰ１、２次側圧力をＰ２、ピストン３８が圧力室３９内の流体から受ける圧力の受圧面積をＡ１、弁体３１が貫通孔３６内の流体から受ける圧力の受圧面積をＡ２、弁体３１が弁室３０内の流体から受ける圧力の受圧面積をＡ３、弁体３１の端面Ｂの面積をＡ４、圧力設定スプリング４１のスプリング荷重をＦ１、バルブスプリング３５のスプリング荷重をＦ２とし、図４に示すように、ピストン３８の直径をＤ１、貫通孔３６の直径をＤ２、ピストン３８の突起部３８ａの直径をＤ３、弁体３１の弁頭部３２が弁座３７に密着したときの密着部の外縁の径をＤ４、弁体３１の端面Ｂの径をＤ５とする。
Ａ１は前述の数式１で表される。
Ａ２は前述の数式２で表される。
Ａ３は前述の数式３で表される。
また、Ａ４は次の数式５で表される。
【００３６】
【数５】
【００３７】
以上のＰ１、Ｐ２、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ｆ１、Ｆ２の関係式は、次の数式６で表される。
【００３８】
【数６】
【００３９】
数式６から、２次側圧力Ｐ２が１次側圧力Ｐ１から無関係に定まるためには、弁体３１が弁室３０内の流体から受ける圧力の受圧面積をＡ３と弁体３１の端面Ｂの面積をＡ４を同じ値にすればよいことが解る。換言すれば、弁体３１の弁頭部３２が弁座３７に密着したときの密着部の外縁の径をＤ４と、弁体３１の端面Ｂの径をＤ５とを同値にすれば、１次側圧力Ｐ１が変動したときにも２次側圧力Ｐ２は１次側圧力Ｐ１の圧力変動の影響を受けることはなく、２次側圧力Ｐ２は、圧力設定スプリング４１のスプリング荷重をＦ１と、バルブスプリング３５のスプリング荷重をＦ２と、ピストン３８が圧力室３９内の流体から受ける圧力の受圧面積をＡ１と、弁体３１が貫通孔３６内の流体から受ける圧力の受圧面積をＡ２のみによって定まる。
【００４０】
以上の観点から、上記実施例の直動形減圧弁２１は、弁体３１の弁頭部３２が弁座３７に密着したときの密着部の外縁の径をＤ４と、弁体３１の端面Ｂの径をＤ５とが同じ値に設定されている。
【００４１】
以下、直動形減圧弁２１の作用を説明する。
先ず、直動形減圧弁２１の通常の圧力制御動作は次のとおりである。
減圧弁２１が作動していないときには、ピストン３８は圧力設定スプリング４１の弾発力によって弁室３０の方向に移動し、これにより、弁体３１の弁頭部３２は弁座３７から離隔すると共に、ピストン３８の突起部３８ａが弁体３１の弁頭部３２に密着してリリーフ通路３８ｂを閉鎖している。
【００４２】
次いで、１次側ポート２３に圧縮空気が１次側圧力Ｐ１で供給されると、圧縮空気は弁室３０、弁頭部３２と弁座３７の間隙、貫通孔３６、圧力室３９及び貫通孔４１を経て２次側ポート２４に流れる。減圧弁２１の１次側ポート２３に供給された圧縮空気を２次側ポート２４に導く流体通路は、弁室３０、弁体３１の弁頭部３２と弁座１１との間隙、貫通孔３６、圧力室３９及び貫通孔４１によって構成される。
【００４３】
減圧弁２１の１次側ポート２３に供給された圧縮空気の圧力Ｐ１は、２次側ポート２４の予め設定された流体圧力よりも高いから、弁室３０から圧力室３９に流入した圧縮空気の圧力によってピストン３８が圧力設定スプリング４１の弾発力に抗してバネ室４０の内部に後退する。これによって、弁体２１の弁頭部３２が弁座３７に密着し、貫通孔３６が閉鎖される。
【００４４】
このとき、２次側ポート２４が閉鎖されている等の原因で圧力室３９の内部の圧縮空気が貫通孔４１を通って２次側ポート２４に流れず、圧力室３９の内部の空気の圧力が高圧のままであるときには、ピストン３８は、圧力室３９の内部の空気圧により、更にバネ室４０の内部に後退する。これにより、ピストン３８の突起部３８ａが弁体３１の弁頭部３２から離隔し、圧力室３９がリリーフ通路３８ｂを介してバネ室４０に連通する。バネ室４０は大気連通孔４９を介して大気中に連通しているから、圧力室３９及び２次側ポート２４の内部の空気圧は、圧力室３９がバネ室４０に連通することによって大気中に解放される。
【００４５】
こうして、圧力室３９の内部の圧力が２次側ポート２４から流出する空気の設定圧力付近まで低下すると、ピストン３８は圧力設定スプリング４１の弾発力によって弁室３０の方向に変位し、弁体３１の弁頭部３２を弁座３７から離隔させる。これにより、減圧弁２１の１次側ポート２３と２次側ポート２４を連通する流体通路が形成される。この流体通路を流れる圧縮空気流は、弁体３１の弁頭部３２と弁座３７の間の通路断面積によって絞られるから、ベルヌーイの定理によって、１次側ポート２３に供給された圧縮空気は設定圧力まで減圧され、圧力室３９を通って２次側ポート２４に供給される。
【００４６】
２次側ポート２４の空気圧は種々の原因によって増減する。
２次側ポート２４の空気圧が設定圧力よりも高圧になると、貫通孔４１によって２次側ポート２４に連通している圧力室３９の内部の空気圧も同様に高圧になるから、ピストン３８は、圧力設定スプリング４１の弾発力に抗してバネ室４０の内部に後退する。これにより、弁体３１の弁頭部３２と弁座３７との間隙が減少するから、１次側ポート２３に供給された圧縮空気はより低い圧力まで減圧されて圧力室３９に供給される。
また、２次側ポート２４の空気圧が設定圧力よりも低圧になると、圧力室３９の内部の空気圧も同様に低圧になるから、ピストン３８は、圧力設定スプリング４１の弾発力によって弁室３０の方向へ変位する。これにより、弁体３１の弁頭部３２と弁座３７との間隙が増大するから、より高い圧力の圧縮空気が圧力室３９に供給される。
【００４７】
以上が直動形減圧弁２１の通常の圧力制御動作であるが、直動形減圧弁２１は、弁体３１の弁頭部３２が弁座３７に密着したときの密着部の外縁の径をＤ４と、弁体３１の端面Ｂの径をＤ５とが同じ値に設定されているから、数式６のＰ１×（Ａ３−Ａ４）の項は存在しない。よって、直動形減圧弁２１の１次側圧力Ｐ１が変動した場合にも、１次側圧力Ｐ１の変動によって２次側圧力Ｐ２が変動することはない。
【００４８】
表２は、実施例１の構成を有するシリンダ径φが１０ｍｍの直動形減圧弁２１を使用し、１次側圧力Ｐ１を３．９ＭＰａから３．１ＭＰａまで０．１ＭＰａ単位で低下させたときの２次側圧力Ｐ２の圧力値を示す。
【００４９】
【表２】
【００５０】
表２を見ると、前述の仕様において１次側圧力Ｐ１を３．９ＭＰａから３．１ＭＰａまで変化させても、２次側圧力Ｐ２は２．４ＭＰａを維持したことが解る。
【００５１】
以上の実施例１の説明から明らかなように、本発明においては、圧力制御弁の２次側圧力が１次側圧力の影響を受けないように、弁体の１次側圧力の受圧面積（Ａ３）と弁体の外圧受圧面の面積（Ａ４）との比率を特定する必要がある。
しかし、実施例１で説明したように、弁体の全部又は一部を弾性材料で構成した場合には、弾性材料が弁座に密着したときに変形し、圧力制御弁毎に弁体の１次側圧力の受圧面積が異なる虞がある。弁体の１次側圧力の受圧面積が異なると、その圧力制御弁の２次側圧力と予め設定された２次側圧力との間に差異を生じる。
また、実施例１の構成を有する直動形減圧弁２１を例にとると、ピストン３８とシリンダ部材２７の間の摺動抵抗や、弁体３１の小径部３３と弁体支持部材２５との間の摺動抵抗を考慮して、弁体の１次側圧力の受圧面積（Ａ３）と弁体の外圧受圧面の面積（Ａ４）との比率を特定しなければならない場合もある。
そこで、このような場合には、実施例１の直動形減圧弁２１に装着した圧力調整つまみ４５を回転させることにより、圧力設定スプリング４１のスプリング荷重を調整することで、２次側圧力Ｐ２を適正値に補正できるようにすることが望ましい。
【実施例２】
【００５２】
表３は、本発明の圧力制御弁の作用を別の角度から検証した結果を示す。表３に示した数値は、図５に示した直動形減圧弁５１を使用し、圧力設定スプリング５２のスプリング荷重を種々に変更しつつ行われた。直動形減圧弁５１の基本的な構成は、実施例１の説明に使用した直動形減圧弁２１と同様である。先ず、１次側圧力Ｐ１が１．２ＭＰａのときに、カム付きレバーＬを回転させて、圧力設定スプリング５２のスプリング荷重を任意の値に設定し、弁体支持部材５２の穴径φが５．０ｍｍ、５．５ｍｍ、６．０ｍｍ及び０ｍｍ（穴無し）の各場合について、１次側圧力Ｐ１を０．３ＭＰａずつ上昇させた。そして、このときの２次側圧力Ｐ２の変化を測定した。
【００５３】
【表３】
【００５４】
図５に示すように、直動形減圧弁５１のハウジングＨには１次側ポート５３と弁室５４と２次側ポート５５が形成されると共に、ピストン５６が摺動自在に嵌合装着されたシリンダ部５７が形成されている。ハウジングＨの底面部には弁体５８を摺動自在に保持する弁支持部材５９が螺着され、弁体５８を弁室５４に保持している。弁体５８と弁支持部材５９の間に介装されたバルブスプリング６０はバネ荷重６Ｋｇｆであり、圧力設定スプリング５２は高圧用減圧弁用バネを使用した。圧力設定スプリング５２は、ピストン５６と、カム付きレバーＬに連動して変位する圧力変更用摺動部材６１との間に介装される。同図中、参照番号６２は、ピストン５６に装着されたシール部材であり、参照番号６３は、圧力変更用摺動部材６１とハウジングＨの内面との間に形成された大気連通用の間隙を示す。ピストン５６の上方に位置するハウジングＨの内部空間は、この間隙６３を介して大気に連通している。また、参照番号６４は弁室５４を密封するために弁体５８に装着されたシール部材であり、６６は弁体５８が着座可能な弁座である。弁座６６の外径ＤＶは７ｍｍφとした。６７は弁室５４と圧力室６８を連結する貫通孔であり、６９は圧力室６８と２次側ポート５５を連結する貫通路である。７０はピストン５６の軸線に沿って形成されたリリーフ通路であり、７１はカム付きレバーＬのカム部７２の回転軸を示す。
【００５５】
表３に示すように、弁体支持部材５２の穴径φが５．５ｍｍのとき、１次側圧力Ｐ１を１．２ＭＰａから２．４ＭＰａまで０．３ＭＰａ単位で上昇させても、２次側圧力Ｐ２は１．２ＭＰａを維持した。弁体支持部材５２の穴径φが５．０ｍｍのとき及び６．０ｍｍのときには、１次側圧力Ｐ１を１．２ＭＰａから２．４ＭＰａまで変化させると、２次側圧力Ｐ２はいずれも若干下降することが認められた。弁体支持部材５２の穴径φが５．５ｍｍのときに２次側圧力Ｐ２が一定値を維持した理由は、前述したように、ピストン５６とシリンダ部５７の間の摩擦抵抗や弁体５８と弁支持部材５９の間の摩擦抵抗等の影響が考えられるほか、弁体５８の頭部を比較的弾性の高いパッキン材で構成したため、弁体５８の頭部が弁座６６に密着したときに変形し、弁体５８の外気受圧面Ｂの面積との間に差異を生じたためと考えられる。
【００５６】
表３の弁体支持部材５２の穴径φが５．５ｍｍのときの測定結果から、本発明の圧力制御弁は１次側圧力Ｐ１が次第に上昇する場合にも２次側圧力Ｐ２を一定に維持することができることが解る。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の圧力制御弁を直動形減圧弁を例にとって説明した。これらの直動形減圧弁を大気圧中で使用する場合には、弁体の外圧受圧面は大気圧を受けるから大気圧受圧面となる。本発明の圧力制御弁は直動形減圧弁に限定されない。例えば、弁体の外圧受圧面に負の圧力を作用させ、リリーフ通路を強制的に解放させることができる。また、弁体の外圧受圧面に制御された正又は負の圧力を作用させることにより、弁体の挙動を制御することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】従来の直動型減圧弁の縦断面図である。
【図２】図１の直動形減圧弁の要部断面図である。
【図３】本発明を適用した直動形減圧弁の縦断面図である。（実施例１）
【図４】図３の直動形減圧弁の要部断面図である。（実施例１）
【図５】本発明の圧力制御弁の作用を検証するための直動形減圧弁の縦断面図である。（実施例２）
【符号の説明】
【００５９】
Ｂ 外圧受圧面
２１ 直動形減圧弁
２３ １次側ポート
２４ ２次側ポート
３０ 弁室
３１ 弁体
３２ 弁頭部
３３ 弁体延長部
３８ ピストン
３５ バルブスプリング
４１ 圧力設定スプリング
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次側に供給された流体を２次側に導く流体通路と、前記流体通路に形成された弁座と、前記流体通路の１次側に配置され、かつ、前記弁座と協働して前記流体通路の断面積の大きさを規制する、弁体と、前記流体通路の２次側の圧力変動に応じて前記弁体を前記弁座に関して変位させ、前記流体通路の１次側に供給された流体の圧力を予め設定された２次側の流体圧力に変換する、弁開度変更手段とを有する、圧力制御弁において、前記１次側に供給された流体の圧力が前記弁体を前記弁座に密着させようとする力と、前記１次側に供給された流体の圧力が前記弁体を前記弁座から離隔させようとする力とが互いに打ち消し合うように、前記弁体に前記流体通路の外部の圧力が作用する外圧受圧面を形成したことを特徴とする、圧力制御弁。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力制御弁において、前記外圧受圧面は前記流体通路の１次側から前記流体通路の外部に露出することを特徴とする、前記圧力制御弁。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の圧力制御弁において、前記外圧受圧面の面積は、前記弁体と前記弁座の密着部の外縁によって画成されかつ囲繞される面積と実質的に同一の面積であることを特徴とする、前記圧力制御弁。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の圧力制御弁において、前記弁開度変更手段は、前記弁体を前記弁座に密着させる方向に附勢するバルブスプリングと、前記流体通路の前記弁座よりも２次側に形成されたシリンダ部と、前記シリンダ部に摺動自在に嵌合し、かつ、前記弁体を変位させる、ピストンと、前記ピストンを前記弁体の方向に附勢する荷重スプリングとを有し、前記弁体の一方の端面は前記ピストンが当接するピストン当接部を有し、前記弁体の他方の端面は前記外圧受圧面を有することを特徴とする、前記圧力制御弁。
【請求項５】
請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載の圧力制御弁において、前記流体通路の２次側の流体圧力が予め設定された２次側圧力よりも高圧になったときに、前記流体通路の２次側を前記流体通路の外部に開放し、前記流体通路の２次側の流体圧力を予め設定された２次側圧力付近まで低下させる、リリーフ通路を備えたことを特徴とする、前記圧力制御弁。
【請求項６】
請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載の圧力制御弁において、前記外圧受圧面は、大気圧が作用する大気圧受圧面であることを特徴とする、前記圧力制御弁。
【請求項１】
１次側に供給された流体を２次側に導く流体通路と、前記流体通路に形成された弁座と、前記流体通路の１次側に配置され、かつ、前記弁座と協働して前記流体通路の断面積の大きさを規制する、弁体と、前記流体通路の２次側の圧力変動に応じて前記弁体を前記弁座に関して変位させ、前記流体通路の１次側に供給された流体の圧力を予め設定された２次側の流体圧力に変換する、弁開度変更手段とを有する、圧力制御弁において、前記１次側に供給された流体の圧力が前記弁体を前記弁座に密着させようとする力と、前記１次側に供給された流体の圧力が前記弁体を前記弁座から離隔させようとする力とが互いに打ち消し合うように、前記弁体に前記流体通路の外部の圧力が作用する外圧受圧面を形成したことを特徴とする、圧力制御弁。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力制御弁において、前記外圧受圧面は前記流体通路の１次側から前記流体通路の外部に露出することを特徴とする、前記圧力制御弁。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の圧力制御弁において、前記外圧受圧面の面積は、前記弁体と前記弁座の密着部の外縁によって画成されかつ囲繞される面積と実質的に同一の面積であることを特徴とする、前記圧力制御弁。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の圧力制御弁において、前記弁開度変更手段は、前記弁体を前記弁座に密着させる方向に附勢するバルブスプリングと、前記流体通路の前記弁座よりも２次側に形成されたシリンダ部と、前記シリンダ部に摺動自在に嵌合し、かつ、前記弁体を変位させる、ピストンと、前記ピストンを前記弁体の方向に附勢する荷重スプリングとを有し、前記弁体の一方の端面は前記ピストンが当接するピストン当接部を有し、前記弁体の他方の端面は前記外圧受圧面を有することを特徴とする、前記圧力制御弁。
【請求項５】
請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載の圧力制御弁において、前記流体通路の２次側の流体圧力が予め設定された２次側圧力よりも高圧になったときに、前記流体通路の２次側を前記流体通路の外部に開放し、前記流体通路の２次側の流体圧力を予め設定された２次側圧力付近まで低下させる、リリーフ通路を備えたことを特徴とする、前記圧力制御弁。
【請求項６】
請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載の圧力制御弁において、前記外圧受圧面は、大気圧が作用する大気圧受圧面であることを特徴とする、前記圧力制御弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−１２８２２８（Ｐ２００７−１２８２２８Ａ）
【公開日】平成１９年５月２４日（２００７．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３１９５２０（Ｐ２００５−３１９５２０）
【出願日】平成１７年１１月２日（２００５．１１．２）
【出願人】（３０１０３６４４５）ダイセン株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月２４日（２００７．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月２日（２００５．１１．２）
【出願人】（３０１０３６４４５）ダイセン株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
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