弁座体および弁装置
【課題】従来よりも高い流体圧に耐えうる弁座体、およびこの弁座体を備えた弁装置を提供する。
【解決手段】弁装置２０は、弁体４と弁座体５とを備えている。弁座体５は、軸線方向Ｚに延びる厚肉円筒形状をなし、その外周に周方向に連続するシール溝５９を有し、その内周に軸線方向Ｚに連続する大径部５１および小径部５２を有し、大径部５１と小径部５２の間に弁体４が着座する弁座部５４を有している。シール溝５９の軸線方向Ｚの位置は、弁座部５４の軸線方向Ｚの位置と同じかそれよりも高圧側にある。
【解決手段】弁装置２０は、弁体４と弁座体５とを備えている。弁座体５は、軸線方向Ｚに延びる厚肉円筒形状をなし、その外周に周方向に連続するシール溝５９を有し、その内周に軸線方向Ｚに連続する大径部５１および小径部５２を有し、大径部５１と小径部５２の間に弁体４が着座する弁座部５４を有している。シール溝５９の軸線方向Ｚの位置は、弁座部５４の軸線方向Ｚの位置と同じかそれよりも高圧側にある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧流体を封じる弁座体およびこの弁座体を具備する弁装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、弁装置は、ハウジング内に形成された弁室に、弁座と、弁座に対し近接及び離反する方向に移動可能な弁体とを備えている。弁座は、ハウジングとは別体の弁座体として形成されて、弁室内に配置されることがある。上記弁装置は、流体の経路が弁室を通るように流路（例えば、配管等）と接続されて、弁の開閉により流路の開閉を行ったり、流体の流れを制御したりするために用いられる。
【０００３】
図１６は従来の弁装置の概略構成を示す断面図である。図１６に示す従来の一般的な弁装置１００は、ハウジング２１に形成された弁通路内に弁座体５と弁体４とを備えている。弁通路は、一次通路３２、二次通路３３、および一次通路３２と二次通路３３の間に設けられた弁室３１から構成されている。弁室３１の二次通路３３との接続部分に、厚肉円筒形状を有する弁座体５が配置されている。弁座体５の外周と弁室３１の内壁との間はシール部材５８で封止されている。弁座体５の内周は弁室３１と二次通路３３とを連通する連通路５０であって、連通路５０の一次通路３２側の開口縁に弁座部５４が形成されている。弁体４は、弁座部５４に対して進退できるように弁室３１内に配置されている。上記構成の弁装置１００において、弁体４が弁座部５４に着座することにより弁が閉止され、弁体４が弁座部５４から離反することにより弁が開放される。
【０００４】
従来の弁装置において、通常、ハウジングおよび弁体は金属製であって、高い剛性を備えている。一方で、ハウジングとは別体に構成された弁座体は、合成樹脂製のもの（特許文献１参照）や、金属製であって弁座部に樹脂等の軟質材料製のシート部材が接着されたもの（特許文献２参照）が知られている。このように、弁座体において少なくとも弁座部が樹脂で構成されることにより、弁の気密性が高められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３０７９７２号公報
【特許文献２】特開２００６−２８６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
弁座体に用いられる樹脂の一つとして、エンジニアリングプラスチックと呼ばれる強度に優れた合成樹脂が知られている。エンジニアリングプラスチック製の弁座体は、一般的に、弁が封じる流体の最大圧が高圧（例えば、３５ＭＰａ）以下の範囲の弁装置に用いられる。換言すれば、従来のエンジニアリングプラスチック製の弁座体は、上記高圧を超える流体圧に耐えうる強度を備えていない。
【０００７】
図１６に示す従来の弁装置１００において、閉弁時の弁座体５のうち、一次通路３２側の端面と、一次通路３２側の端部からシール部材５８と接触している部分までの外周面とに、一次通路３２内の流体圧（一次圧Ｐ1）が作用する。同じく弁座体５のうち、内周面と、二次通路３３側の端面と、二次通路３３側の端部からシール部材５８と接触している部分までの外周面とに、二次通路３３内の流体圧（二次圧Ｐ2）が作用する。したがって、弁座体５には、内周面側から半径方向に加わる圧力（内圧）と外周面側から半径方向に加わる圧力（外圧）とが均衡しない部位（図１６に、墨塗りで示された部位）が存在する。この部位に作用する内圧と外圧との差が大きくなると弁座体が変形したり破壊したりする。このようにして従来の弁座体は、弁装置に対して設定された最大の流体圧よりも高圧の流体を封じるときに、強度不足により変形したり破壊したりする。
【０００８】
上述のように弁座体の強度が不足する場合に、樹脂製の弁座体に代えて特許文献２に示されるような金属製の弁座体を用いれば強度不足を解消できる。しかし、金属製の弁座体であっても強度不足を解消するにはその肉厚を厚くするなどの対策が必要となる。
【０００９】
本発明は上記に鑑み、簡単な構造にて高圧の流体を封じることのできる弁座体、およびこの弁座体を備えた弁装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る弁座体は、弁体が着座する弁座部を有する厚肉円筒状の弁座体であって、前記弁座体の外周に設けられた第１のシール部材配置部と、前記弁座体の内周に設けられた大径部および小径部と、前記大径部と前記小径部の間に設けられた弁座部とを備え、前記大径部は、前記弁体が軸線方向から進入可能なように当該大径部に進入する前記弁体の外径よりも大きい内径を有し、前記小径部は、前記弁体の外径よりも小さい内径を有し、前記第１のシール部材配置部の前記軸線方向の位置は、前記弁座部の前記軸線方向の位置と重複する又はその重複する位置よりも高圧側にあるものである。なお、ここで「弁体の外径」とは、弁座体の内周に挿入される弁体の部分の最大の外径である。弁座体の内周に挿入される弁体の部分の外径が変化する場合、例えば、弁体の弁座体の内周に挿入される部分が大径部とそれより先端側の小径部とを有し、この大径部と小径部との間に弁座体の弁座部に着座する弁部が設けられているような場合は、弁座体の大径部は弁体の大径部よりも大きな内径を有し、弁座体の小径部は弁体の大径部より小さく且つ弁体の小径部より大きな内径を有する。
【００１１】
また、本発明に係る弁装置は、ハウジングと、前記ハウジングに収容された前記弁座体と、前記弁座体の前記弁座部へ着座する閉位置と前記着座部から離れた開位置との間を前記軸線方向に移動可能に設けられた弁体と、前記弁座体の前記第１のシール部材配置部に設けられて前記ハウジングと前記弁座体との間を封止する第１のシール部材とを備えたものである。
【００１２】
上記において、「第１のシール部材配置部の軸線方向の位置」とは、第１のシール部材配置部に配置されるシール部材により弁座体と当該弁座体を収容している部材とを封止している部分の軸線方向の位置を指す。また、「軸線方向の位置」とは、基準軸線をｚ軸とし、ｚ軸上の或点を原点としたときのｚ座標をいう。さらに、「高圧側」とは、流体の中に置かれた弁座体又は弁装置が閉弁状態になったときに、弁座体の上流側又は下流側のうち高圧となる側のことをいう。
【００１３】
上記構成の弁座体および弁装置において、第１のシール部材配置部の軸線方向の位置が弁座部の軸線方向の位置と重複すれば、第１のシール部材配置部に配置された第１のシール部材により弁座体とその外周に配置される部材（ハウジング）とが封止される位置と、弁座部に着座した弁体により弁座体と弁体とが封止される位置が、軸線方向に重なる。したがって、弁座体に弁体が着座して閉弁状態となったときに、弁座体の内周側から半径方向に作用する圧力（内圧）と、外周側から半径方向に作用する圧力（外圧）とが、軸線方向にわたってほぼ均衡する。これにより、弁座体が変形したり破壊したりする大きさの応力が弁座体に作用せず、弁座体の変形や破壊が抑制される。また、上記構成の弁座体および弁装置において、第１のシール部材配置部の軸線方向の位置が弁座部の軸線方向の位置より高圧側であれば、弁座体の第１のシール部材配置部の軸線方向の位置から弁座部の軸線方向の位置までの領域は、閉弁状態において外圧よりも高い内圧が作用し、内圧負荷の条件となる。このように、弁座体に内圧と外圧の不均衡な領域が存在するが内圧負荷の条件となるので、弁座体に作用する内圧と外圧との差が著しく大きくなっても、弁座体の変形や破壊が抑制される。よって、本発明に係る弁座体および弁装置によれば、弁座体の耐圧性を、肉厚を大きくしたりより高強度材料を用いたりすることなく、弁座体の形状によって高めることができる。
【００１４】
前記弁座体において、前記第１のシール部材配置部に配置される第１のシール部材が流体圧を受けて圧縮変形したときの当該第１のシール部材の前記弁座体の外周との接触部の前記軸線方向の位置と、前記弁座部の前記軸線方向の位置とが重複するように構成されていてよい。
【００１５】
また、前記弁座体において、前記第１のシール部材配置部に配置される第１のシール部材が流体圧を受けて圧縮変形したときの当該第１のシール部材の前記軸線方向の高さ範囲内に、前記弁座部の前記軸線方向の位置が含まれるように構成されていてよい。
【００１６】
或いは、前記弁座体において、前記弁座体における前記第１のシール部材配置部の前記軸線方向の位置が、前記弁座体における前記弁座部と前記弁座体における高圧側の端部との間にあるように構成されていてよい。
【００１７】
さらに、前記弁装置において、前記ハウジングは、厚肉円筒形状をなし、その内周に設けられた前記弁座体の収容部と、その外周に周方向に連続して設けられた第２のシール部材配置部とを有し、前記第２のシール部材配置部の前記軸線方向の位置は、前記第１のシール部材配置部の前記軸線方向の位置と重複する又はその重複する位置よりも高圧側にあることがよい。
【００１８】
上記構成の弁装置において、第２のシール部材配置部の軸線方向の位置が第１のシール部材の軸線方向の位置と重複すれば、第２のシール部材配置部に配置された第２のシール部材によりハウジングとその外周に配置される部材とが封止される位置と、第１のシール部材配置部に配置された第１のシール部材によりハウジングと弁座体とが封止される位置とが、軸線方向に重なる。したがって、弁座体に弁体が着座して閉弁状態となったときに、弁座体の内周側から半径方向に作用する圧力（内圧）と、外周側から半径方向に作用する圧力（外圧）とが、軸線方向にわたってほぼ均衡する。これにより、ハウジングが変形したり破壊したりする大きさの応力がハウジングに作用せず、ハウジングの変形や破壊が抑制される。また、上記構成の弁装置において、第２のシール部材配置部の軸線方向の位置が第１のシール部材の軸線方向の位置より高圧側であれば、ハウジングの第２のシール部材配置部の軸線方向の位置から第１のシール部材配置部の軸線方向の位置までの領域は、閉弁状態において外圧よりも高い内圧が作用して内圧負荷の条件となる。このように、ハウジングに内圧と外圧の不均衡な領域が存在するが内圧負荷の条件となるので、ハウジングに作用する内圧と外圧との差が著しく大きくなっても、ハウジングの変形や破壊が抑制される。よって、本発明に係る弁装置によれば、ハウジングの耐圧性を、肉厚を大きくしたりより高強度材料を用いたりすることなく、ハウジングの形状によって高めることができる。
【００１９】
前記弁装置において、前記第２のシール部材が流体圧を受けて圧縮変形したときの当該第２のシール部材の前記軸線方向の高さ範囲と、前記第１のシール部材が流体圧を受けて圧縮変形したときの当該第１のシール部材の前記軸線方向の高さ範囲とが、少なくとも一部重複するように構成されていてよい。
【００２０】
また、前記弁装置において、前記ハウジングにおける前記第２のシール部材配置部の前記軸線方向の位置が、前記弁体部における前記第１のシール部材配置部と前記ハウジングにおける高圧側の端部との間にあるように構成されていてよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る弁座体または弁装置によれば、閉弁状態において、弁座体の軸線方向全域にわたって弁座体に作用する内圧と外圧とが均衡するか、若しくは、一部均衡しない部分が存在するが、弁座体が変形や破壊する大きさの応力が弁座体に作用しない。つまり、弁座体の耐圧性を、肉厚を大きくしたりより高強度材料を用いたりすることなく、弁座体の形状によって高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る弁装置（開弁状態）の概略構成を示す断面図である。
【図２】弁装置（閉弁状態）の概略構成を示す断面図である。
【図３】弁座体のシール部材配置部の別態様を示す図である。
【図４】弁体の弁部の別態様を示す図である。
【図５】本発明に係る弁座体の数値計算モデルの断面図である。
【図６】比較例に係る弁座体の数値計算モデルの断面図である。
【図７】厚肉円筒に内圧と外圧が加わったときに作用する応力を説明する図である。
【図８】本発明に係る弁座体の変形例の数値計算モデルの断面図である。
【図９】実施の形態１に係る弁装置の基準軸線に平行な断面図である。
【図１０】実施の形態２に係る弁装置（開弁状態）の基準軸線に平行な断面図である。
【図１１】図１０に示す弁装置（閉弁状態）の基準軸線に平行な断面図である。
【図１２】図１０に示す弁装置の変形例を示す図である。
【図１３】実施の形態３に係る弁装置の基準軸線に平行な断面図である。
【図１４】図１３に示す弁装置の変形例１を示す図である。
【図１５】図１３に示す弁装置の変形例２を示す図である。
【図１６】従来の弁装置の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００２４】
図１および図２はいずれも本発明に係る弁装置２０の概略断面図であり、図１は開弁状態、図２は閉弁状態をそれぞれ示している。図１および図２に示すように、弁装置２０は、弁部４１を有する弁体４と、弁座部５４を有する弁座体５とを備えている。弁装置２０は、一次側（供給側）から二次側（排出側）へ流れる流体の流路に設けられており、弁体４の弁部４１が弁座体５の弁座部５４に着座したり、弁部４１が弁座部５４から離れたりすることにより、流体の流れが制御される。弁装置２０は、基準軸線Ｌを有し、弁体４と弁座体５はその軸線が基準軸線Ｌと一致するように配置されている。以下では、基準軸線Ｌに沿う軸線方向Ｚにおいて、図の上部側を「Ｚ1向き」又は「Ｚ1側」といい、図の下部側を「Ｚ2向き」又は「Ｚ2側」という。
【００２５】
弁座体５は、基準軸線Ｌを中心線とする厚肉円筒形状を有している。弁座体５は、エンジニアリングプラスチック製の一体品である。ここで、エンジニアリングプラスチックとは、一般に、耐熱温度が100℃以上で、引張強度500kgf/cm2以上、且つ曲げ弾性率20000kg/cm2以上の、機械的強度や耐熱性に優れた合成樹脂である。但し、弁座体５はエンジニアリングプラスチック等の合成樹脂製に限定されず、金属製であってもよい。
【００２６】
弁座体５は、弁座体５の外周形状と合致する内周形状を有する収容部９に収容されている。収容部９は、例えば、ハウジングに形成された弁通路の一部を構成している。弁座体５の外周には、シール部材配置部としてのシール溝５９が設けられている。シール溝５９は、弁座体５の外周において周方向に連続する環状の凹部である。図１，２においてシール部材配置部はシール溝５９として弁座体５の軸線方向Ｚの中間に設けられているが、図３に示すように、弁座体５のＺ1側端部とＺ2側端部の間に設けられる切り欠き（段差部）として設けられていても良い。シール溝５９には環状のシール部材５８が配置され、シール部材５８によって収容部９の内周と弁座体５の外周との間の流体の流通が阻止されている。このようにシール部材５８によって封止されている収容部９の内周と弁座体５の外周との間を「第２の封止部Ｓ2」と呼ぶこととする。
【００２７】
弁座体５の厚肉円筒の内周には、Ｚ1側の大径部５１と、Ｚ2側の小径部５２とが設けられている。大径部５１内は、弁体４が収容される弁体室５５の一部を形成しており、弁体室５５は一次側と連通している。大径部５１は、弁体４がＺ1側から大径部５１へ進入できるように、弁体４の外径より大きい第１の流路径Ｄ1を有している。また、小径部５２内は、弁体室５５と二次側とを接続する連通路５０である。小径部５２は、第１の流路径Ｄ1よりも小さく、且つ、弁体４の外径より小さい第２の流路径Ｄ2を有している。大径部５１と小径部５２とは軸線方向Ｚに連続しており、大径部５１から小径部５２へ内径が変化するＺ1向きの段差面５３に弁座部５４が設けられている。弁座部５４の軸線方向Ｚの位置は、シール溝５９の軸線方向Ｚの位置と重複している。なお、ここで「軸線方向Ｚの位置」とは、基準軸線Ｌをｚ軸とし、ｚ軸上の或点を原点としたときのｚ座標をいう。なお、ここで「弁体の外径」とは、弁座体５の内周に挿入される弁体４の部分の最大の外径である。弁座体５の内周に挿入される弁体４の部分の外径が変化する場合、例えば、弁体４の弁座体５の内周に挿入される部分が大径部とそれより先端側の小径部とを有し、この大径部と小径部との間に弁座体５の弁座部５４に着座する弁部４１が設けられているような場合は、弁座体５の大径部は弁体４の大径部よりも大きな内径を有し、弁座体５の小径部は弁体４の大径部より小さく且つ弁体４の小径部より大きな内径を有する。
【００２８】
弁体４は、軸線方向Ｚに延びる柱状体である。弁体４のＺ2側の端部は、弁座体５の大径部５１内にＺ1側から挿入されている。弁体４には、弁座体５の弁座部５４に着座する弁部４１が設けられている。弁体４は、弁部４１が弁座部５４に着座して弁通路が閉塞される閉弁位置と、弁部４１が弁座部５４から離れて弁通路が開放される開弁位置との間で、弁体室５５内を軸線方向Ｚへ往復移動可能である。弁体４が閉弁位置にあるときに、弁座部５４に着座した弁部４１により封止されている弁座体５と弁体４との間を「第１の封止部Ｓ1」と呼ぶこととする。弁座体５側の第１の封止部Ｓ1は弁座部５４であり、弁体４側の第１の封止部Ｓ1は弁部４１である。
【００２９】
なお、図１，２に示す弁装置２０では、弁座体５の内周の段差面５３の内周縁に弁座部５４が設けられ、弁体４のＺ2側の端面の面取りされた縁に弁部４１が設けられている。但し、弁座部５４と弁部４１の形状の組み合わせはこれに限定されるものではなく、例えば図４に示すように、弁座体５の段差面５３に弁座部５４が設けられ、弁体４のＺ2側の端面に突出成形された円環リップ状の先端に弁部４１が設けられていても良い。この場合には、弁座体５の段差面５３の弁部４１が接触する部分が弁座体５側の第１の封止部Ｓ1であり、弁体４側の第１の封止部Ｓ1は弁部４１である。
【００３０】
上記弁装置２０において、第２の封止部Ｓ2では、収容部９の内周とシール部材５８の外周とが接触している外周側接触部と、弁座体５の外周とシール部材５８の内周とが接触している内周側接触部とで、収容部９と弁座体５との間を実質的に封止している。シール部材５８はゴム製リングであり、弁装置２０の使用状態においては流体圧を受けて圧縮変形している。圧力で変形したシール部材５８は、弁座体５の外周面および収容部９の内周面に線よりも広い幅で接触していることがあり、また、外周側接触部と内周側接触部とが軸線方向Ｚにずれていることがある。上記事情を考慮して、シール溝５９に配置されるシール部材５８が流体圧を受けて圧縮変形したときのシール部材５８の軸線方向Ｚの高さ範囲を「シール帯ＳＬ」といい、このシール帯ＳＬに第１の封止部Ｓ1の軸線方向Ｚの位置が含まれるときに「第１の封止部Ｓ1と第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置は重複している」という。
【００３１】
弁装置２０において、第１の封止部Ｓ1と第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置は重複している。なお、最も望ましくは、第１の封止部Ｓ1と第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置が重複しており、シール溝５９に配置されたシール部材５８が流体圧を受けて圧縮変形したときのシール部材５８の軸線方向Ｚの中央の位置と、第１の封止部Ｓ1の軸線方向Ｚの位置とが重複している。
【００３２】
図２では、閉弁状態の弁装置２０において、弁座体５に作用する一次側圧力が一次圧Ｐ1の矢印で示され、弁座体５に作用する二次側圧力が二次圧Ｐ2の矢印で示されている。閉弁状態の弁座体５の外周のうち、第２の封止部Ｓ2よりＺ1側には一次圧Ｐ1が作用し、第２の封止部Ｓ2よりＺ2側には二次圧Ｐ2が作用している。また、閉弁状態の弁座体５の内周のうち、第１の封止部Ｓ1よりＺ1側の大径部５１には一次圧Ｐ1が作用し、第１の封止部Ｓ1よりＺ2側の小径部５２には二次圧Ｐ2が作用している。第１の封止部Ｓ1と第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置は重複しているかまたは極めて近接しているので、閉弁状態の弁座体５において内周面から半径方向に作用する圧力（以下、「内圧」ともいう）と外周面から半径方向に作用する圧力（以下、「外圧」ともいう）とが、軸線方向Ｚにわたってほぼ均衡している。この結果、弁座体５に弁座体５を変形や破壊させるような応力が作用しないか、生じたとしても弁座体５を変形や破壊させる大きさとはならない。
【００３３】
上記の通り、弁座体５は、第１の封止部Ｓ1と第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置が重複するか又は近接する形状を有することによって、閉弁状態の耐圧性が高められている。つまり、弁座体５の耐圧性は、肉厚を大きくしたりより高強度材料を用いたりすることなく、弁座体５の形状によって高められている。しかも、このような弁座体５の形状は特殊な加工が不要な単純形状であって、従来通りの樹脂成形加工や切削加工により容易に製造することができる。そして、このように高い耐圧性を備えた弁座体５を具備する弁装置２０は、従来よりも高圧の流体の流れに配置することが可能である。例えば、エンジニアリングプラスチック製の弁座体５を備えた弁装置２０を、従来の高圧（３５ＭＰａ程度）を超える超高圧（例えば、７０ＭＰａ程度）の流体を封じるために使用することができる。
【００３４】
次に、上記構成の弁装置２０の弁座体５の強度を例証するために行った数値計算１，２の結果を説明する。
【００３５】
（数値計算１）
数値計算１では、本発明に係る弁座体５と比較例に係る弁座体１０５とをそれぞれモデル化して、閉弁状態において各弁座体に作用する応力の大きさを計算した。図５は本発明に係る弁座体の数値計算モデルの断面図、図６は比較例に係る弁座体の数値計算モデルの断面図である。図５に示すように、本発明に係る弁座体５の数値計算モデルは、大小２つの内径を有する厚肉円筒体であって、小径部５２の内径（半径）をｒ1とし、大径部５１の内径（半径）をｒ1’とし、弁座体５と接触しているシール部材５８の最小径（半径）をｒ2とした。一方、図６に示すように、比較例である従来の弁座体１０５の数値計算モデルは、厚肉円筒体であって、内径（半径）をｒ1とし、弁座体１０５と接触しているシール部材５８の最小径（半径）をｒ2とした。比較例に係る弁座体１０５では、弁座部５４は弁座体１０５のＺ1側の端部に配置され、シール溝５９およびシール部材５８は弁座部５４よりもＺ2側に配置されている。この比較例に係る弁座体１０５では、第１の封止部Ｓ1が第２の封止部Ｓ2よりもＺ1側に位置している。
【００３６】
弁座体５では、第１，２の封止部Ｓ1，Ｓ2よりＺ1側において内周面上の第１の部位ｋ1および外周面上の第２の部位ｋ2と、第１，２の封止部Ｓ1，Ｓ2よりＺ2側において内周面上の第３の部位ｋ3および外周面上の第４の部位ｋ4とを、計算対象部位とした。一方、比較例に係る弁座体１０５では、第１の封止部Ｓ1よりＺ2側且つ第２の封止部Ｓ2よりＺ1側において内周面上の第１の部位ｋ1および外周面上の第２の部位ｋ2と、第１，２の封止部Ｓ1，Ｓ2よりＺ2側において内周面上の第３の部位ｋ3および外周面上の第４の部位ｋ4とを、計算対象部位とした。弁座体５の各計算対象部位ｋ1，ｋ2，ｋ3，ｋ4と比較例に係る弁座体１０５の各計算対象部位ｋ1，ｋ2，ｋ3，ｋ4とは対応関係にあり、計算対象部位ｋ1，ｋ2の軸線方向Ｚの位置はほぼ等しく、計算対象部位ｋ3，ｋ4の軸線方向Ｚの位置はほぼ等しい。
【００３７】
そして、弁座体５，１０５の各計算対象部位ｋ1，ｋ2，ｋ3，ｋ4について、ｒ2＝２×ｒ1と仮定し、半径方向の応力σｒ、周方向の応力σθおよび最大主せん断応力τを一次圧Ｐ1がｐ1で二次圧Ｐ2が０の場合（以下、「ケース１」という）と一次圧Ｐ1が０で二次圧Ｐ2がｐ2の場合（以下、「ケース２」という）についてそれぞれ算出した。
【００３８】
弁座体５，１０５の数値計算モデルに作用する応力の大きさの計算では、一般的な厚肉円筒の応力計算式を利用した。図７は厚肉円筒に内圧と外圧が加わったときに作用する応力を説明する図である。弁座体５，１０５を、図７に示すような内周の半径がｒ1で外周の半径がｒ2の厚肉円筒に見立て、厚肉円筒に内圧α１と外圧α２が作用していると仮定して、半径ｒ且つ角度θに位置する部位に作用する半径方向の応力σｒ、周方向の応力σθ、最大主せん断応力τをそれぞれ算出した。厚肉円筒に作用する半径方向の応力σｒは次に示す数式１を、周方向の応力σθは次に示す数式２を、最大主せん断応力τは次に示す数式３をそれぞれ利用して算出することができる。
【００３９】
【数１】
【００４０】
【数２】
【００４１】
【数３】
【００４２】
【表１】
【００４３】
上記表１では、数値計算１の計算結果を示している。ケース１において、本発明に係る弁座体５では、第１の部位ｋ1に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθと、第２の部位ｋ2に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθとは釣り合っている。同じく、第３の部位ｋ3に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθと、第４の部位ｋ4に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθとは釣り合っている。この計算結果から、ケース１において、弁座体５に作用する内圧と外圧は均衡していることがわかる。
【００４４】
一方、ケース１において、比較例に係る弁座体１０５では、第１の部位ｋ1に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθと、第２の部位ｋ2に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθとは釣り合っていない。一方で、第３の部位ｋ3に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθと、第４の部位ｋ4に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθとは釣り合っている。よって、ケース１において、弁座体１０５の第２の封止部Ｓ2よりもＺ1側に作用する内外圧の不均衡が生じていることがわかる。
【００４５】
また、ケース２において、本発明に係る弁座体５では、第１の部位ｋ1に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθと、第２の部位ｋ2に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθとは釣り合っている。同じく、第３の部位ｋ3に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθと、第４の部位ｋ4に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθとは釣り合っている。この計算結果から、ケース２において、弁座体５に作用する内圧と外圧とが均衡していることがわかる。
【００４６】
一方、ケース２において、比較例に係る弁座体１０５では、第１の部位ｋ1に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθと、第２の部位ｋ2に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθとは釣り合っていない。一方で、第３の部位ｋ3に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθと、第４の部位ｋ4に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθとは釣り合っている。この計算結果から、ケース２において、弁座体１０５の第２の封止部Ｓ2よりもＺ1側に作用する内外圧の不均衡が生じていることがわかる。
【００４７】
上記数値計算１の結果から明らかなように、本発明に係る弁座体５は、閉弁状態において軸線方向Ｚに亘って内圧と外圧とが均衡する。これにより、弁座体５が変形したり破壊したりする大きさの応力が弁座体に作用せず、弁座体５の変形や破壊が抑制される。このように弁座体５は、肉厚を大きくしたり、より高強度材料を用いたりすることなく、弁座体５の形状により耐圧性が高められている。逆の観点からは、本発明に係る弁座体５と比較例に係る弁座体１０５とに同じ流体圧に耐えうる仕様が要求されるときに、本発明に係る弁座体５は比較例に係る弁座体１０５よりも強度の低い材料で構成したり肉厚を薄くしたりすることができる。
【００４８】
（数値計算２）
上記数値計算１では、本発明に係る弁座体５の第１，２の封止部Ｓ1，Ｓ2の軸線方向Ｚの位置は重複している。但し、弁座体５の形状に制約がある場合などは、第１，２の封止部Ｓ1，Ｓ2の軸線方向Ｚの位置をずらさねばならないこともある。そこで、数値計算２では、第１，２の封止部Ｓ1，Ｓ2の軸線方向Ｚの位置がずれている弁座体５について応力計算を行った。図８に示す弁座体５の数値計算モデルでは、第１の封止部Ｓ1の軸線方向Ｚの位置は第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置よりもＺ2側にある。第１の封止部Ｓ1の軸線方向Ｚの位置と第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置とは近接していて、第２の封止部Ｓ2は第１の封止部Ｓ1の軸線方向Ｚの位置と弁座体５の高圧側（ここではＺ1側）の端部の軸線方向Ｚの位置との間にある。ここで、弁座体５の第２の封止部Ｓ2から第１の封止部Ｓ1までの軸線方向Ｚ間の領域を「内外圧不均衡領域ΔＬ」という。閉弁状態の弁装置２０において、弁座体５の内外圧不均衡領域ΔＬでは、内周面に一次圧Ｐ1が作用し、外周面に二次圧Ｐ2が作用する。一次圧Ｐ1が二次圧Ｐ2より高い場合に領域ΔＬは内圧負荷の状態となり、一次圧Ｐ1が二次圧Ｐ2より低い場合に領域ΔＬは外圧負荷の状態となる。
【００４９】
数値計算２では、弁座体５の内外圧不均衡領域ΔＬが内圧負荷の場合と外圧負荷の場合とにおいて、弁座体５に加わる応力の大きさをそれぞれ計算した。図８に示すように、弁座体５の数値計算モデルは、大小２つの内径を有する厚肉円筒体であって、大径部５１の内径（半径）がｒ1であり、シール部材５８の最小径（半径）がｒ2であり、ｒ2＝２×ｒ1である。この弁座体５の数値計算モデルの第２の封止部Ｓ2は、第１の封止部Ｓ1よりもＺ1側に位置している。そして、第１の封止部Ｓ1と第２の封止部Ｓ2に挟まれた内外圧不均衡領域ΔＬにおいて内周面に位置する第５の部位ｋ5および外周面に位置する第６の部位ｋ6を計算対象部位とした。各計算対象部位に関し、内外圧不均衡領域ΔＬが内圧負荷（一次圧Ｐ1がｐ1で二次圧Ｐ2が０）の場合と、内外圧不均衡領域ΔＬが外圧負荷（一次圧Ｐ1が０で二次圧Ｐ2がｐ2）の場合とにについて、半径方向の応力σｒ、周方向の応力σθおよび最大主せん断応力τをそれぞれ算出した。応力の大きさの計算では、前述の数値計算１と同様に、弁座体５を図７に示すような内周の半径がｒ1で外周の半径がｒ2の厚肉円筒に見立て、数式１〜３に示す式を利用した。次の表２では、上記数値計算２の計算結果を示している。
【００５０】
【表２】
【００５１】
上記計算結果において、内圧負荷時の一次圧Ｐ1と外圧負荷時の二次圧Ｐ2とが等しいと仮定したときに、外圧負荷時の方が内外圧不均衡領域ΔＬに大きな圧縮応力が作用することとなる。したがって、第１，２の封止部Ｓ1，Ｓ2の軸線方向Ｚの位置をＺ1側またはＺ2側へ大きくずらす場合には、閉弁状態の弁座体５に作用する内圧と外圧が不均衡な部分において内圧が外圧よりも大きくなることが条件となる。閉弁状態の弁座体５において内外圧不均衡領域ΔＬが内圧負荷となるためには、第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置が、第１の封止部Ｓ1の軸線方向Ｚの位置よりも高圧側（一次圧側）であればよい。なお、第１の封止部Ｓ1の軸線方向Ｚの位置と第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置が近接していることがよい。第１，２の封止部Ｓ1，Ｓ2の軸線方向Ｚの位置の変位量は、弁座体５に加わり得る最大の流体圧、弁座体５の構成材料等に応じて、弁座体５の内外圧不均衡領域ΔＬに作用する内圧と外圧の差によって弁座体５が変形や破壊しない範囲内で適宜定められる。なお、外圧負荷となる場合であっても、弁座体５の構成材料が考慮された上で内外圧不均衡領域ΔＬが十分に小さく設定されれば、弁座体５に作用する内圧と外圧の差により生じるために十分な強度を備えることができる。
【００５２】
［実施の形態１］
ここで、図９を参照しつつ、本発明に係る弁装置２０の好適な実施の形態１について説明する。図９は実施の形態１に係る弁装置の基準軸線に平行な断面図である。実施の形態１に係る弁装置２０Ａは、供給側から排出側へ流れる流体の流路に設けられ、供給側から供給される一次側の流体の二次側への排出を制御する電磁式開閉弁である。
【００５３】
弁装置２０Ａは、ハウジング２１と、弁体４と、電磁駆動機構２３と、弁座体５とを備えている。弁装置２０Ａは、基準軸線Ｌを有し、ハウジング２１、弁体４、電磁駆動機構２３、および弁座体５は、その軸線が基準軸線Ｌと一致するように配置されている。以下では、基準軸線Ｌに沿う軸線方向Ｚにおいて、図９の紙面上方を「Ｚ1向き」又は「Ｚ1側」、紙面下方を「Ｚ2向き」又は「Ｚ2側」という。
【００５４】
ハウジング２１には、弁室３１、一次通路３２、および二次通路３３が形成されている。弁室３１は、基準軸線Ｌに沿って形成された円柱状の空間であって、Ｚ1向きに開放された開口２１ａを有する。この開口２１ａを通じて弁室３１へ弁体４が挿入されている。弁室３１には、一次通路３２の下流側が接続されている。一次通路３２は、基準軸線Ｌと交わる向きに延びるように形成されている。一次通路３２の上流側の開口は一次ポート３２Ａであって、供給側と連通している。一方、弁室３１のＺ2側の端面には、二次通路３３の上流側が接続されている。二次通路３３は、基準軸線Ｌに沿って延びるように形成されており、その孔径は弁室３１の孔径より小径である。二次通路３３の下流側の開口は二次ポート３３Ａであって、排出側と連通している。上記構成の一次通路３２、弁室３１及び二次通路３３により、一次ポート３２Ａと二次ポート３３Ａとを繋ぐ弁通路が形成されている。
【００５５】
弁座体５はエンジニアリングプラスチック製であって、基準軸線Ｌを中心線とする厚肉円筒形状を有する一体品である。弁座体５は、Ｚ2側の端面が弁室３１のＺ2側の端面と接触し且つ外周面が弁室３１の内周面と近接するように弁室３１内に配置されている。弁座体５は、弁室３１の内径とほぼ等しい外径を有している。弁座体５の外周面には、シール部材配置部としてのシール溝５９が設けられている。シール溝５９は、弁座体５の外周面において周方向に連続し、弁座体５の外周面のＺ1側を弁座体５の軸線方向Ｚの中途部まで切り欠くことにより段差部として形成されている。シール溝５９にはシール部材５８が配置され、このシール部材５８により、弁座体５の外周面と弁室３１の内周面とが封止されている。このようにシール部材５８によって封止されている弁室３１の内周と弁座体５の外周との間を「第２の封止部Ｓ2」と呼ぶこととする。
【００５６】
弁座体５の厚肉円筒の内周には、Ｚ1側の大径部５１と、Ｚ2側の小径部５２とが軸線方向Ｚに連続して設けられている。弁座体５の大径部５１内は、弁体４が収容される弁体室５５の一部分を形成しており、一次通路３２側と連通している。また、弁座体５の小径部５２内は弁体室５５内と二次通路３３側と連通している連通路５０である。大径部５１から小径部５２へ内径が変化する段差面５３の内周縁に弁座部５４が設けられている。弁座部５４の軸線方向Ｚの位置は、シール溝５９の軸線方向Ｚの位置と重複しているかまたは近接している。
【００５７】
弁体４は、軸線方向Ｚに延びる柱状体であって、軸線方向Ｚに変位可能に弁室３１に挿入されている。弁体４は、軸線方向Ｚにおいて弁室３１と一次通路３２とが接続されている辺りで縮径している。そして、弁体４は弁座体５の大径部５１内に進入しており、弁体４には弁座体５の弁座部５４に着座する弁部４１が形成されている。弁体４は、弁部４１が弁座部５４に着座して弁通路を閉塞する閉弁位置と、弁部４１が弁座部５４から離れて弁通路が開放される開弁位置との間で移動することができる。
【００５８】
弁体４は、弁部４１が設けられた弁体部２５と、該弁体部２５のＺ1側に接合された可動鉄心部２６とで構成されている。弁体部２５は、非磁性材料、例えば非磁性のステンレス鋼により構成されている。一方、可動鉄心部２６は、磁性材料、例えば耐腐食性に優れた電磁ステンレス鋼などにより構成されている。
【００５９】
上記構成の弁体４は、円筒形状のガイド部材３０に内挿されている。ガイド部材３０は、ハウジング２１に対して基準軸線Ｌを軸として相対回動不能となるように、弁室３１内に螺着されている。ガイド部材３０のＺ2側の端面は、弾性部材６２および均圧部材６１を介して、弁座体５のＺ1側の端面を押圧している。このように弁座体５が弁室３１の底面とガイド部材３０との間に挟まれることによって、弁室３１内で弁座体５の位置が保持されている。ガイド部材３０は、ハウジング２１の開口２１ａからＺ1向きに突出しており、この突出部分を包囲するように電磁駆動機構２３が設けられている。
【００６０】
電磁駆動機構２３は、ガイド部材３０に外嵌されたボビン３５と、ボビン３５に巻き付けられたコイル３６と、ボビン３５及びコイル３６を外周側から被覆するソレノイドケーシング２７と、強磁性体から成る固定磁極２９とを備えている。コイル３６の内側には、弁体４の可動鉄心部２６が位置している。固定磁極２９は、ガイド部材３０へＺ1側から挿入されており、固定磁極２９のＺ2側の端面は弁体４のＺ1側の端面と対向している。対向する固定磁極２９と可動鉄心部２６とは、間隔をあけて配置され、それらの間には、圧縮コイルばね３７が設けられている。圧縮コイルばね３７は、可動鉄心部２６をＺ2向きに押圧している。これにより、弁体部２５の先端部に位置する弁部４１が弁座体５の弁座部５４に押し付けられる。
【００６１】
上記構成の弁装置２０Ａでは、コイル３６に電流が流れると、磁気力を発生して可動鉄心部２６及び固定磁極２９が磁化される。これにより、可動鉄心部２６が固定磁極２９に磁気吸引され、弁体４がガイド部材３０に案内されながらＺ1向きに移動する。やがて弁体部２２ａが弁座部５４から離脱し、弁通路が開かれる。なお、弁体４は、Ｚ1側の端面が固定磁極２９に当接する開位置までＺ1向きに移動し続ける。コイル３６に流れていた電流を止めると、固定磁極２９及び可動鉄心部２６に作用していた磁気力がなくなり、圧縮コイルばね３７の付勢力により弁体４が弁座部５４へ向って押圧される。これにより、弁体４がＺ2向きに移動し、やがて弁部４１が弁座部５４に着座して弁通路が閉じられる。弁体４が閉弁位置にあるときに、弁座部５４に着座した弁部４１により封止されている弁座体５と弁体４との間を「第１の封止部Ｓ1」と呼ぶこととする。
【００６２】
閉弁状態の弁装置２０Ａにおいて、弁座体５の外周のうち、第２の封止部Ｓ2よりＺ1側には一次圧（一次ポート３２Ａ側の流体圧）が作用し、第２の封止部Ｓ2よりＺ2側には二次圧（二次ポート３３Ａ側の流体圧）が作用している。また、閉弁状態の弁座体５の内周のうち、第１の封止部Ｓ1よりＺ1側の大径部５１には一次圧が作用し、第１の封止部Ｓ1よりＺ2側の小径部５２には二次圧が作用している。閉弁状態の弁装置２０Ａでは、第１の封止部Ｓ1と第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置は重複しているかまたは近接しているので、弁座体５に作用する内圧と外圧とが軸線方向Ｚに亘って均衡している。この結果、弁座体５に、弁座体５を変形や破壊させる応力が生じないか、生じたとしても弁座体５を変形や破壊させる大きさとはならない。
【００６３】
なお、上述の実施の形態１では、弁装置２０Ａは電磁力により弁体４を移動させるように構成された電磁弁であるが、弁装置２０Ａは電磁弁に限定されない。例えば、弁装置２０Ａは、モーターで駆動される電動弁であってもかまわない。或いは、上述の実施形態では、弁装置２０Ａは電磁式開閉弁であるが、本発明に係る弁装置は電磁式開閉弁に限定されない。例えば、電磁式開閉弁とは異なる流体制御弁に、本発明に係る弁装置を適用させることもできる。さらに、上述の実施形態では、弁装置２０Ａにおいて弁座体５の供給側（一次ポート３２Ａ側）に弁体４を設けているが、弁座体５の排出側（二次ポート３３Ａ側）に弁体４を設ける構成としてもよい。さらに、上述の実施形態において、供給側（一次ポート３２Ａ側）と排出側（二次ポート３３Ａ側）が、入れ替わる構成としてもよい。
【００６４】
［実施の形態２］
続いて、図１０および図１１を参照しつつ、本発明に係る弁装置２０の好適な実施の形態２について説明する。図１０は実施の形態２に係る弁装置（開弁状態）の基準軸線に平行な断面図であり、図１１は図１０に示す弁装置（閉弁状態）の基準軸線に平行な断面図である。実施の形態１に係る弁装置２０Ａは電磁式開閉弁に適用されているが、実施の形態２に係る弁装置２０Ｂは過流防止弁に適用されている。過流防止弁は、通常時は開弁して流体を一次側から二次側へ流出させる一方、所定流量以上の流体が流れた場合には閉弁して流体の流出を遮断する流量制御弁である。弁装置２０Ｂは、例えば、ガスボンベに加圧状態で貯蔵されているガスをガス使用機器へ供給するガス通路に設けられ、弁装置２０Ｂはガスボンベ９９の開口部９９ａに挿入されている。ガス使用機器の一例は燃料電池であって、この場合、ガスボンベには超高圧（最大で７０ＭＰａ程度）の水素ガスが貯えられている。
【００６５】
弁装置２０Ｂは、弁体４、弁座体５、蓋体６および付勢体７を備えている。弁装置２０Ｂは、基準軸線Ｌを有し、弁体４、弁座体５、蓋体６および付勢体７は、その軸線が基準軸線Ｌと一致するように配置されている。以下では、基準軸線Ｌに沿う軸線方向Ｚにおいて、図１０の紙面右方を「Ｚ1向き」又は「Ｚ1側」、紙面左方を「Ｚ2向き」又は「Ｚ2側」という。なお、流体はＺ1側からＺ2側へ流れ、Ｚ1側が一次側（供給側）、Ｚ2側が二次側（排出側）となる。
【００６６】
弁座体５は、金属製のネジ状部材であって、基準軸線Ｌを中心線とする厚肉円筒形状を有している。弁座体５は、ガスボンベ９９の開口部９９ａにＺ1向きに嵌め込まれている。弁座体５の外周には、シール部材配置部としてのシール溝５９が設けられている。シール溝５９は、弁座体５の外周において周方向に連続する環状凹部に形成されている。シール溝５９にはシール部材５８が配置され、シール部材５８によってハウジング８の内周と弁座体５の外周との間のガスの流通が阻止されている。このようにシール部材５８によって封止されている開口部９９ａの内周と弁座体５の外周との間を「第２の封止部Ｓ2」と呼ぶこととする。なお、本実施の形態に係るシール部材５８は、Ｏ−リングである。
【００６７】
弁座体５の厚肉円筒の内周面は、Ｚ1側の大径部５１と、Ｚ2側の小径部５２とが設けられている。大径部５１と小径部５２とは軸線方向Ｚに連続しており、大径部５１から小径部５２へ内径が変化する段差面に弁体４の弁部４１が着座する弁座部５４が設けられている。弁座部５４の軸線方向Ｚの位置は、シール溝５９の軸線方向Ｚの位置と重複している。弁座体５の大径部５１内は、弁体４が収容される弁体室５５の一部分を形成している。また、弁座体５の小径部５２内は、弁体室５５と二次側とを接続する連通路５０である。
【００６８】
弁座体５のＺ1側の端面には、Ｚ2向きに蓋体６が嵌め込まれている。蓋体６は、弁座体５のＺ1側の端面に開口する大径部５１に栓をする形で嵌め込まれており、弁座体５と蓋体６とにより形成される内部空間に弁体４を収容する弁体室５５が設けられている。蓋体６の基準軸線Ｌが通過する部分には一次側から弁体室５５内へ流体を流入させる流入口６６が設けられている。
【００６９】
弁体４は、弁座体５と蓋体６とにより形成された弁体室５５に、軸線方向Ｚに摺動可能に収容されている。弁体４は、軸線方向Ｚを軸方向とする円柱体であって、Ｚ2側の端面に弁座体５に設けられた弁座部５４に着座する弁部４１が設けられている。弁体４内には、蓋体６の流入口６６と連続する内部通路４２が形成されており、流体を内部通路４２から弁体室５５へ流入させる。また、弁体４の外周には、弁体室５５内から連通路５０へ向けて流体を通過させる外部通路４３（溝）が形成されている。弁体４は、付勢体７によりＺ1向きに付勢されている。つまり、弁体４は、付勢部材である付勢体７により開弁する向きに付勢されている。なお、本実施の形態において、付勢体７として圧縮コイルバネが用いられている。
【００７０】
上記構成の弁装置２０Ｂにおいて、蓋体６に設けられた流入口６６から所定流量未満の流体が流入している場合には、弁体４の外部通路４３を流体が通過することによって生じる圧力損失が小さいため、弁体室５５内に設けられた弁体４は、付勢体７の付勢力によって弁座部５４には着座しない。つまり、流入口６６と連通路５０とが連通された、開弁状態（非動作状態）となっている。開弁状態では、流入口６６から流入した流体は、弁体４の内部通路４２を通って弁体室５５内へ流入し、弁体４の外部通路４３を通過して連通路５０へ流入し、連通路５０を通って外部へ流出する。一方、弁装置２０Ｂにおいて、流入口６６から所定流量以上の流体が流入した場合には、弁体４の外部通路４３を流体が通過することによって生じる圧力損失が大きくなるため、弁体室５５内に設けられた弁体４は付勢体７の付勢力に抗してＺ2向きに移動し、弁部４１が弁座部５４に着座する。これにより、流入口６６と連通路５０とは非連通となる、すなわち、閉弁状態（動作状態）となる。弁装置２０Ｂが閉弁状態のときに、弁座部５４に着座した弁部４１により封止されている弁座体５と弁体４との間を「第１の封止部Ｓ1」と呼ぶこととする。
【００７１】
弁装置２０Ｂが閉弁状態のときに、二次側の圧力(二次圧)は大気圧程度まで低下するが、一方で、一次側の圧力（一次圧）は高圧が維持される。弁装置２０Ｂが閉弁状態のときに、弁座体５の内周のうち、第１の封止部Ｓ1よりＺ1側の大径部５１には一次圧が作用し、第１の封止部Ｓ1よりＺ2側の小径部５２には二次圧が作用する。また、弁座体５の外周のうち、第２の封止部Ｓ2よりＺ1側には一次圧が作用し、第２の封止部Ｓ2よりＺ2側には大気圧が作用する。弁装置２０Ｂでは、第１の封止部Ｓ1の軸線方向Ｚの位置と第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置とが重複するか若しくは近接している。したがって、閉弁状態の弁座体５では、内圧と外圧とが軸線方向Ｚにわたって均衡している。この結果、弁座体５が変形したり破壊したりする大きさの応力が弁座体５に作用せず、弁座体５の変形や破壊が抑制される。このように弁座体５の耐圧性を、肉厚を大きくしたり特別な高強度材料を用いたりすることなく、弁座体５の形状によって高めることができる。そして、このように高い耐圧性を備えた弁座体５を具備する弁装置２０Ｂは、従来よりも高圧の流体の流れに配置することが可能である。
【００７２】
上記実施の形態では、第１の封止部Ｓ1と第２の封止部Ｓ2とが軸線方向Ｚに重複する位置に設けられているが、第１の封止部Ｓ1と第２の封止部Ｓ2との軸線方向Ｚの位置をずらしても弁座体５が耐高圧性を備える場合がある。図１２は図１０に示す弁装置の変形例を示す図である。例えば、図１２に示す弁装置２０Ｂでは、第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置が、第１の封止部Ｓ1の軸線方向Ｚの位置よりもＺ1側（高圧側）にある。したがって、閉弁状態の弁装置２０Ｂでは、軸線方向Ｚにおいて弁座体５の第１の封止部Ｓ1と第２の封止部Ｓ2との間に内外圧不均衡領域ΔＬ1が形成される。この内外圧不均衡領域ΔＬ1において、弁座体５の内周面に一次圧が作用し、外周面に二次圧が作用する。一次圧は二次圧と比較して著しく高いので、内外圧不均衡領域ΔＬ1では内圧負荷の状態となる。弁座体５に内外圧不均衡領域ΔＬ1が存在するが、閉弁状態の内外圧不均衡領域ΔＬ1が内圧負荷であることと、弁座体５の内径と外径に径差があることと、弁座体５の周囲は剛性の高い部材で囲まれていることとから、弁座体５に作用する内圧と外圧との差が著しく大きくなっても、弁座体５が変形したり破壊したりする大きさの応力が弁座体５に作用せず、弁座体５の変形や破壊が抑制される。
【００７３】
［実施の形態３］
続いて、図１３を参照しつつ、本発明に係る弁装置２０の好適な実施の形態３について説明する。図１３は実施の形態３に係る弁装置の基準軸線に平行な断面図である。実施の形態３に係る弁装置２０Ｃは、実施の形態２に係る弁装置２０Ｂと同様に、過流防止弁に適用されている。弁装置２０Ｃは、例えば、ガスボンベに加圧状態で貯蔵されているガスをガス使用機器へ供給するガス通路に設けられ、弁装置２０Ｃはガスボンベ９９の開口部９９ａに挿入されている。ガス使用機器の一例は燃料電池であって、この場合、ガスボンベには超高圧（最大で７０ＭＰａ程度）の水素ガスが貯えられている。
【００７４】
弁装置２０Ｃは、弁体４、弁座体５、蓋体６、付勢体７、およびハウジング８を備えている。弁装置２０Ｃは、基準軸線Ｌを有し、弁体４、弁座体５、蓋体６および付勢体７は、その軸線が基準軸線Ｌと一致するように配置されている。以下では、基準軸線Ｌに沿う軸線方向Ｚにおいて、図１３の紙面右方を「Ｚ1向き」又は「Ｚ1側」、紙面左方を「Ｚ2向き」又は「Ｚ2側」という。なお、流体はＺ1側からＺ2側へ流れ、Ｚ1側が一次側（供給側）、Ｚ2側が二次側（排出側）となる。
【００７５】
ハウジング８は、基準軸線Ｌを中心線とする厚肉円筒形状を有している。ハウジング８は、ガスボンベ９９の開口部９９ａにＺ1向きに嵌め込まれている。ハウジング８の外周には、シール部材配置部としてのシール溝８９が設けられている。シール溝８９は、ハウジング８の外周において周方向に連続する環状凹部に形成されている。シール溝８９にはシール部材８８が配置され、シール部材８８によって開口部９９ａの内周とハウジング８の外周との間のガスの流通が阻止されている。このようにシール部材８８によって封止されている開口部９９ａの内周とハウジング８の外周との間を「第３の封止部Ｓ3」と呼ぶこととする。なお、本実施の形態に係るシール部材８８は、Ｏ−リングである。
【００７６】
ハウジング８の厚肉円筒の内周面は、Ｚ1側の大径部８１と、Ｚ2側の小径部８２とが設けられている。大径部８１と小径部８２とは軸線方向Ｚに連続している。ハウジング８の大径部８１内は、弁座体５が収容される弁座室８３である。また、ハウジング８の小径部８２内は、弁座室８３と二次側とを接続している連通路８４である。
【００７７】
弁座体５は、金属製のネジ状部材であって、基準軸線Ｌを中心線とする厚肉円筒形状を有している。弁座体５は、ハウジング８の大径部８１にＺ2向きに嵌め込まれている。弁座体５の外周には、シール溝５９が設けられている。シール溝５９は、弁座体５の外周において周方向に連続する環状凹部に形成されている。シール溝５９の軸線方向Ｚの位置は、ハウジング８のシール溝８９の軸線方向Ｚの位置と重複しているかまたは極めて近接している。シール溝５９にはシール部材５８が配置され、シール部材５８によってハウジング８の内周と弁座体５の外周との間のガスの流通が阻止されている。このようにシール部材５８によって封止されているハウジング８の内周と弁座体５の外周との間を「第２の封止部Ｓ2」と呼ぶこととする。なお、本実施の形態に係るシール部材５８は、Ｏ−リングである。
【００７８】
弁座体５の厚肉円筒の内周面は、Ｚ1側の大径部５１と、Ｚ2側の小径部５２とが設けられている。大径部５１と小径部５２とは軸線方向Ｚに連続しており、大径部５１から小径部５２へ内径が変化する段差面に弁体４の弁部４１が着座する弁座部５４が設けられている。弁座部５４の軸線方向Ｚの位置は、シール溝８９，５９の軸線方向Ｚの位置と重複しているかまたは極めて近接している。弁座体５の大径部５１内は、弁体４が収容される弁体室５５の一部を構成している。また、弁座体５の小径部５２内は、弁体室５５と二次側（弁座室８３）とを接続する連通路５０である。
【００７９】
弁座体５のＺ1側の端面には、Ｚ2向きに蓋体６が嵌め込まれている。蓋体６は、弁座体５のＺ1側の端面に開口する大径部５１に栓をする形で嵌め込まれており、弁座体５と蓋体６とにより弁体４を収容する弁体室５５が形成されている。蓋体６の基準軸線Ｌが通過する部分には一次側から弁体室５５内へ流体を流入させる流入口６６が設けられている。
【００８０】
弁体４は、弁座体５と蓋体６とにより形成された弁体室５５に、軸線方向Ｚに摺動可能に収容されている。弁体４は、軸線方向Ｚを軸方向とする円柱体であって、Ｚ2側の端面に弁座体５に設けられた弁座部５４に着座する弁部４１が設けられている。弁体４内には、蓋体６の流入口６６と連続する内部通路４２が形成されており、流体を内部通路４２から弁体室５５内へ流入させる。また、弁体４の外周には、弁体室５５内から連通路５０へ向けて流体を通過させる外部通路４３（溝）が形成されている。弁体４は、付勢体７によりＺ1向きに付勢されている。つまり、弁体４は、付勢部材である付勢体７により開弁する向きに付勢されている。なお、本実施の形態において、付勢体７として圧縮コイルバネが用いられている。
【００８１】
上記構成の弁装置２０Ｃにおいて、蓋体６に設けられた流入口６６から所定流量未満の流体が流入している場合には、弁体４の外部通路４３を流体が通過することによって生じる圧力損失が小さいため、弁体室５５内に設けられた弁体４は、付勢体７の付勢力によって弁座部５４には着座していない。つまり、流入口６６と連通路８４とが連通された、開弁状態（非動作状態）となっている。開弁状態では、流入口６６から流入した流体は、弁体４の内部通路４２を通って弁体室５５内へ流入し、弁体４の外部通路４３を通過して連通路５０へ流入し、連通路５０を通過して弁座室８３へ流入し、連通路８４を通って外部へ流出する。一方、弁装置２０Ｃにおいて、流入口６６から所定流量以上の流体が流入した場合には、弁体４の外部通路４３を流体が通過することによって生じる圧力損失が大きくなるため、弁体室５５内に設けられた弁体４は付勢体７の付勢力に抗してＺ2向きに移動し、弁部４１が弁座部５４に着座する。これにより、流入口６６と連通路８４とは非連通となる、すなわち、閉弁状態（動作状態）となる。弁装置２０Ｃが閉弁状態のときに、弁座部５４に着座した弁部４１により封止されている弁座体５と弁体４との間を「第１の封止部Ｓ1」と呼ぶこととする。
【００８２】
弁装置２０Ｃが閉弁状態のときに、二次側の圧力(二次圧)は大気圧程度まで低下するが、一方で、一次側の圧力（一次圧）は高圧が維持される。弁装置２０Ｃが閉弁状態のときに、ハウジング８の内周のうち、第２の封止部Ｓ2よりＺ1側の大径部８１には一次圧が作用し、第２の封止部Ｓ2よりＺ2側の大径部８１および小径部８２には二次圧が作用する。また、ハウジング８の外周のうち、第３の封止部Ｓ3よりＺ1側には一次圧が作用し、第３の封止部Ｓ3よりＺ2側には大気圧が作用する。同様に、弁座体５の内周のうち、第１の封止部Ｓ1よりＺ1側の大径部５１には一次圧が作用し、第１の封止部Ｓ1よりＺ2側の小径部５２には二次圧が作用する。また、弁座体５の外周のうち、第２の封止部Ｓ2よりＺ1側には一次圧が作用し、第２の封止部Ｓ2よりＺ2側には二次圧または大気圧が作用する。
【００８３】
弁装置２０Ｃでは、第１，２，３の封止部Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3が軸線方向Ｚに重複する位置に配置されている。よって、閉弁状態のハウジング８および弁座体５では、内圧と外圧とが軸線方向Ｚにわたって均衡している。この結果、ハウジング８および弁座体５が変形したり破壊したりする大きさの応力がハウジング８および弁座体５に作用せず、ハウジング８および弁座体５の変形や破壊が抑制される。このようにハウジング８および弁座体５の耐圧性を、肉厚を大きくしたり特別な高強度材料を用いたりすることなく、ハウジング８および弁座体５の形状によって高めることができる。そして、このように高い耐圧性を備えたハウジング８および弁座体５を具備する弁装置２０Ｃは、従来よりも高圧の流体の流れに配置することが可能である。
【００８４】
上記では、第１，２，３の封止部Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3が軸線方向Ｚに重複する位置に配置されているが、これらの軸線方向Ｚの位置をずらしても弁装置２０Ｃが耐圧性を備える場合がある。以下、実施の形態３に係る弁装置２０Ｃの変形例１，２について説明する。
【００８５】
図１４は図１３に示す弁装置の変形例１を示す図である。図１４に示す弁装置２０Ｃでは、第１，２の封止部Ｓ1，Ｓ2の軸線方向Ｚの位置は重複しているが、第３の封止部Ｓ3の軸線方向Ｚの位置はそれらよりもＺ1側（高圧側）にある。したがって、閉弁状態の弁装置２０Ｃでは、軸線方向Ｚにおいてハウジング８の第３の封止部Ｓ3と第２の封止部Ｓ2との間の領域が内外圧不均衡領域ΔＬ2となる。このハウジング８の内外圧不均衡領域ΔＬ2では、内周面に一次圧が作用し、外周面に二次圧が作用する。一次圧は二次圧と比較して著しく高いので、内外圧不均衡領域ΔＬ2では内圧負荷の状態となる。このように、ハウジング８に内外圧不均衡領域ΔＬ1が存在するが、閉弁状態の内外圧不均衡領域ΔＬ1が内圧負荷であることと、ハウジング８の内径と外径に径差があることと、ハウジング８の周囲は剛性の高い部材で囲まれていることとから、ハウジング８に作用する内圧と外圧との差が著しく大きくなっても、ハウジング８が変形したり破壊したりする大きさの応力がハウジング８に作用せず、ハウジング８の変形や破壊が抑制される。
【００８６】
図１５は図１３に示す弁装置の変形例２を示す図である。図１５に示す弁装置２０Ｃでは、第３の封止部Ｓ3が第２の封止部Ｓ2よりのＺ2側に位置し、第２の封止部Ｓ2より第１の封止部がＺ2側に位置している。つまり、弁装置２０Ｃの封止部は内側から外側に向けて順にＺ1側（高圧側）にずれて配置されている。よって、閉弁状態の弁装置２０Ｃでは、軸線方向Ｚにおいてハウジング８の第３の封止部Ｓ3と第２の封止部Ｓ2との間の領域が内外圧不均衡領域ΔＬ3となる。このハウジング８の内外圧不均衡領域ΔＬ3では、内周面に一次圧が作用し、外周面に二次圧が作用する。同様に、軸線方向Ｚにおいて弁座体５の第２の封止部Ｓ2と第１の封止部Ｓ1との間の領域が内外圧不均衡領域ΔＬ4となる。この弁座体５の内外圧不均衡領域ΔＬ4では、内周面に一次圧が作用し、外周面に二次圧が作用する。一次圧は二次圧と比較して著しく高いので、内外圧不均衡領域ΔＬ3とΔＬ4はいずれも内圧負荷の状態となる。このように、弁座体５とハウジング８に内外圧不均衡領域ΔＬ3，ΔＬ4が存在するが、閉弁状態の内外圧不均衡領域ΔＬ3，ΔＬ4が共に内圧負荷であることと、弁座体５およびハウジング８の内径と外径に径差があることと、弁座体５およびハウジング８の周囲は剛性の高い部材で囲まれていることとから、弁座体５およびハウジング８に作用する内圧と外圧との差が著しく大きくなっても、弁座体５およびハウジング８が変形したり破壊したりする大きさの応力が弁座体５およびハウジング８に作用せず、弁座体５およびハウジング８の変形や破壊が抑制される。
【００８７】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様々な設計変更を行うことが可能である。
【００８８】
例えば、上述の実施の形態１では、弁座体５はエンジニアリングプラスチックで構成されている。但し、実施の形態１に係る弁座体５はエンジニアリングプラスチック以外の合成樹脂で構成されていても良い。この場合であっても、弁座体５はその形状により従来の弁座体１０５と比較して弁の閉止時に高い流体圧に耐えうることができる。換言すれば、弁座体５と従来の弁座体１０５とを同じ圧力条件で使用する場合、弁座体５をより強度の低い樹脂で構成することが可能となり、気密性の確保とコストの削減を両立できる。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、高圧流体を封止する樹脂製の弁座体を具備する弁装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００９０】
Ｓ1 第１の封止部
Ｓ2 第２の封止部
Ｓ3 第３の封止部
４ 弁体
４１ 弁部
５ 弁座体
６ 蓋体
７ 付勢体
８ ハウジング
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ 弁装置
２１ ハウジング
２３ 電磁駆動機構
３１ 弁室
３２ 一次通路
３３ 二次通路
５０ 連通路
５１ 大径部
５２ 小径部
５３ 段差面
５４ 弁座部
５５ 弁体室
５８，８８ シール部材
５９，８９ シール溝（シール部材配置部）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧流体を封じる弁座体およびこの弁座体を具備する弁装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、弁装置は、ハウジング内に形成された弁室に、弁座と、弁座に対し近接及び離反する方向に移動可能な弁体とを備えている。弁座は、ハウジングとは別体の弁座体として形成されて、弁室内に配置されることがある。上記弁装置は、流体の経路が弁室を通るように流路（例えば、配管等）と接続されて、弁の開閉により流路の開閉を行ったり、流体の流れを制御したりするために用いられる。
【０００３】
図１６は従来の弁装置の概略構成を示す断面図である。図１６に示す従来の一般的な弁装置１００は、ハウジング２１に形成された弁通路内に弁座体５と弁体４とを備えている。弁通路は、一次通路３２、二次通路３３、および一次通路３２と二次通路３３の間に設けられた弁室３１から構成されている。弁室３１の二次通路３３との接続部分に、厚肉円筒形状を有する弁座体５が配置されている。弁座体５の外周と弁室３１の内壁との間はシール部材５８で封止されている。弁座体５の内周は弁室３１と二次通路３３とを連通する連通路５０であって、連通路５０の一次通路３２側の開口縁に弁座部５４が形成されている。弁体４は、弁座部５４に対して進退できるように弁室３１内に配置されている。上記構成の弁装置１００において、弁体４が弁座部５４に着座することにより弁が閉止され、弁体４が弁座部５４から離反することにより弁が開放される。
【０００４】
従来の弁装置において、通常、ハウジングおよび弁体は金属製であって、高い剛性を備えている。一方で、ハウジングとは別体に構成された弁座体は、合成樹脂製のもの（特許文献１参照）や、金属製であって弁座部に樹脂等の軟質材料製のシート部材が接着されたもの（特許文献２参照）が知られている。このように、弁座体において少なくとも弁座部が樹脂で構成されることにより、弁の気密性が高められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３０７９７２号公報
【特許文献２】特開２００６−２８６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
弁座体に用いられる樹脂の一つとして、エンジニアリングプラスチックと呼ばれる強度に優れた合成樹脂が知られている。エンジニアリングプラスチック製の弁座体は、一般的に、弁が封じる流体の最大圧が高圧（例えば、３５ＭＰａ）以下の範囲の弁装置に用いられる。換言すれば、従来のエンジニアリングプラスチック製の弁座体は、上記高圧を超える流体圧に耐えうる強度を備えていない。
【０００７】
図１６に示す従来の弁装置１００において、閉弁時の弁座体５のうち、一次通路３２側の端面と、一次通路３２側の端部からシール部材５８と接触している部分までの外周面とに、一次通路３２内の流体圧（一次圧Ｐ1）が作用する。同じく弁座体５のうち、内周面と、二次通路３３側の端面と、二次通路３３側の端部からシール部材５８と接触している部分までの外周面とに、二次通路３３内の流体圧（二次圧Ｐ2）が作用する。したがって、弁座体５には、内周面側から半径方向に加わる圧力（内圧）と外周面側から半径方向に加わる圧力（外圧）とが均衡しない部位（図１６に、墨塗りで示された部位）が存在する。この部位に作用する内圧と外圧との差が大きくなると弁座体が変形したり破壊したりする。このようにして従来の弁座体は、弁装置に対して設定された最大の流体圧よりも高圧の流体を封じるときに、強度不足により変形したり破壊したりする。
【０００８】
上述のように弁座体の強度が不足する場合に、樹脂製の弁座体に代えて特許文献２に示されるような金属製の弁座体を用いれば強度不足を解消できる。しかし、金属製の弁座体であっても強度不足を解消するにはその肉厚を厚くするなどの対策が必要となる。
【０００９】
本発明は上記に鑑み、簡単な構造にて高圧の流体を封じることのできる弁座体、およびこの弁座体を備えた弁装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る弁座体は、弁体が着座する弁座部を有する厚肉円筒状の弁座体であって、前記弁座体の外周に設けられた第１のシール部材配置部と、前記弁座体の内周に設けられた大径部および小径部と、前記大径部と前記小径部の間に設けられた弁座部とを備え、前記大径部は、前記弁体が軸線方向から進入可能なように当該大径部に進入する前記弁体の外径よりも大きい内径を有し、前記小径部は、前記弁体の外径よりも小さい内径を有し、前記第１のシール部材配置部の前記軸線方向の位置は、前記弁座部の前記軸線方向の位置と重複する又はその重複する位置よりも高圧側にあるものである。なお、ここで「弁体の外径」とは、弁座体の内周に挿入される弁体の部分の最大の外径である。弁座体の内周に挿入される弁体の部分の外径が変化する場合、例えば、弁体の弁座体の内周に挿入される部分が大径部とそれより先端側の小径部とを有し、この大径部と小径部との間に弁座体の弁座部に着座する弁部が設けられているような場合は、弁座体の大径部は弁体の大径部よりも大きな内径を有し、弁座体の小径部は弁体の大径部より小さく且つ弁体の小径部より大きな内径を有する。
【００１１】
また、本発明に係る弁装置は、ハウジングと、前記ハウジングに収容された前記弁座体と、前記弁座体の前記弁座部へ着座する閉位置と前記着座部から離れた開位置との間を前記軸線方向に移動可能に設けられた弁体と、前記弁座体の前記第１のシール部材配置部に設けられて前記ハウジングと前記弁座体との間を封止する第１のシール部材とを備えたものである。
【００１２】
上記において、「第１のシール部材配置部の軸線方向の位置」とは、第１のシール部材配置部に配置されるシール部材により弁座体と当該弁座体を収容している部材とを封止している部分の軸線方向の位置を指す。また、「軸線方向の位置」とは、基準軸線をｚ軸とし、ｚ軸上の或点を原点としたときのｚ座標をいう。さらに、「高圧側」とは、流体の中に置かれた弁座体又は弁装置が閉弁状態になったときに、弁座体の上流側又は下流側のうち高圧となる側のことをいう。
【００１３】
上記構成の弁座体および弁装置において、第１のシール部材配置部の軸線方向の位置が弁座部の軸線方向の位置と重複すれば、第１のシール部材配置部に配置された第１のシール部材により弁座体とその外周に配置される部材（ハウジング）とが封止される位置と、弁座部に着座した弁体により弁座体と弁体とが封止される位置が、軸線方向に重なる。したがって、弁座体に弁体が着座して閉弁状態となったときに、弁座体の内周側から半径方向に作用する圧力（内圧）と、外周側から半径方向に作用する圧力（外圧）とが、軸線方向にわたってほぼ均衡する。これにより、弁座体が変形したり破壊したりする大きさの応力が弁座体に作用せず、弁座体の変形や破壊が抑制される。また、上記構成の弁座体および弁装置において、第１のシール部材配置部の軸線方向の位置が弁座部の軸線方向の位置より高圧側であれば、弁座体の第１のシール部材配置部の軸線方向の位置から弁座部の軸線方向の位置までの領域は、閉弁状態において外圧よりも高い内圧が作用し、内圧負荷の条件となる。このように、弁座体に内圧と外圧の不均衡な領域が存在するが内圧負荷の条件となるので、弁座体に作用する内圧と外圧との差が著しく大きくなっても、弁座体の変形や破壊が抑制される。よって、本発明に係る弁座体および弁装置によれば、弁座体の耐圧性を、肉厚を大きくしたりより高強度材料を用いたりすることなく、弁座体の形状によって高めることができる。
【００１４】
前記弁座体において、前記第１のシール部材配置部に配置される第１のシール部材が流体圧を受けて圧縮変形したときの当該第１のシール部材の前記弁座体の外周との接触部の前記軸線方向の位置と、前記弁座部の前記軸線方向の位置とが重複するように構成されていてよい。
【００１５】
また、前記弁座体において、前記第１のシール部材配置部に配置される第１のシール部材が流体圧を受けて圧縮変形したときの当該第１のシール部材の前記軸線方向の高さ範囲内に、前記弁座部の前記軸線方向の位置が含まれるように構成されていてよい。
【００１６】
或いは、前記弁座体において、前記弁座体における前記第１のシール部材配置部の前記軸線方向の位置が、前記弁座体における前記弁座部と前記弁座体における高圧側の端部との間にあるように構成されていてよい。
【００１７】
さらに、前記弁装置において、前記ハウジングは、厚肉円筒形状をなし、その内周に設けられた前記弁座体の収容部と、その外周に周方向に連続して設けられた第２のシール部材配置部とを有し、前記第２のシール部材配置部の前記軸線方向の位置は、前記第１のシール部材配置部の前記軸線方向の位置と重複する又はその重複する位置よりも高圧側にあることがよい。
【００１８】
上記構成の弁装置において、第２のシール部材配置部の軸線方向の位置が第１のシール部材の軸線方向の位置と重複すれば、第２のシール部材配置部に配置された第２のシール部材によりハウジングとその外周に配置される部材とが封止される位置と、第１のシール部材配置部に配置された第１のシール部材によりハウジングと弁座体とが封止される位置とが、軸線方向に重なる。したがって、弁座体に弁体が着座して閉弁状態となったときに、弁座体の内周側から半径方向に作用する圧力（内圧）と、外周側から半径方向に作用する圧力（外圧）とが、軸線方向にわたってほぼ均衡する。これにより、ハウジングが変形したり破壊したりする大きさの応力がハウジングに作用せず、ハウジングの変形や破壊が抑制される。また、上記構成の弁装置において、第２のシール部材配置部の軸線方向の位置が第１のシール部材の軸線方向の位置より高圧側であれば、ハウジングの第２のシール部材配置部の軸線方向の位置から第１のシール部材配置部の軸線方向の位置までの領域は、閉弁状態において外圧よりも高い内圧が作用して内圧負荷の条件となる。このように、ハウジングに内圧と外圧の不均衡な領域が存在するが内圧負荷の条件となるので、ハウジングに作用する内圧と外圧との差が著しく大きくなっても、ハウジングの変形や破壊が抑制される。よって、本発明に係る弁装置によれば、ハウジングの耐圧性を、肉厚を大きくしたりより高強度材料を用いたりすることなく、ハウジングの形状によって高めることができる。
【００１９】
前記弁装置において、前記第２のシール部材が流体圧を受けて圧縮変形したときの当該第２のシール部材の前記軸線方向の高さ範囲と、前記第１のシール部材が流体圧を受けて圧縮変形したときの当該第１のシール部材の前記軸線方向の高さ範囲とが、少なくとも一部重複するように構成されていてよい。
【００２０】
また、前記弁装置において、前記ハウジングにおける前記第２のシール部材配置部の前記軸線方向の位置が、前記弁体部における前記第１のシール部材配置部と前記ハウジングにおける高圧側の端部との間にあるように構成されていてよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る弁座体または弁装置によれば、閉弁状態において、弁座体の軸線方向全域にわたって弁座体に作用する内圧と外圧とが均衡するか、若しくは、一部均衡しない部分が存在するが、弁座体が変形や破壊する大きさの応力が弁座体に作用しない。つまり、弁座体の耐圧性を、肉厚を大きくしたりより高強度材料を用いたりすることなく、弁座体の形状によって高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る弁装置（開弁状態）の概略構成を示す断面図である。
【図２】弁装置（閉弁状態）の概略構成を示す断面図である。
【図３】弁座体のシール部材配置部の別態様を示す図である。
【図４】弁体の弁部の別態様を示す図である。
【図５】本発明に係る弁座体の数値計算モデルの断面図である。
【図６】比較例に係る弁座体の数値計算モデルの断面図である。
【図７】厚肉円筒に内圧と外圧が加わったときに作用する応力を説明する図である。
【図８】本発明に係る弁座体の変形例の数値計算モデルの断面図である。
【図９】実施の形態１に係る弁装置の基準軸線に平行な断面図である。
【図１０】実施の形態２に係る弁装置（開弁状態）の基準軸線に平行な断面図である。
【図１１】図１０に示す弁装置（閉弁状態）の基準軸線に平行な断面図である。
【図１２】図１０に示す弁装置の変形例を示す図である。
【図１３】実施の形態３に係る弁装置の基準軸線に平行な断面図である。
【図１４】図１３に示す弁装置の変形例１を示す図である。
【図１５】図１３に示す弁装置の変形例２を示す図である。
【図１６】従来の弁装置の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００２４】
図１および図２はいずれも本発明に係る弁装置２０の概略断面図であり、図１は開弁状態、図２は閉弁状態をそれぞれ示している。図１および図２に示すように、弁装置２０は、弁部４１を有する弁体４と、弁座部５４を有する弁座体５とを備えている。弁装置２０は、一次側（供給側）から二次側（排出側）へ流れる流体の流路に設けられており、弁体４の弁部４１が弁座体５の弁座部５４に着座したり、弁部４１が弁座部５４から離れたりすることにより、流体の流れが制御される。弁装置２０は、基準軸線Ｌを有し、弁体４と弁座体５はその軸線が基準軸線Ｌと一致するように配置されている。以下では、基準軸線Ｌに沿う軸線方向Ｚにおいて、図の上部側を「Ｚ1向き」又は「Ｚ1側」といい、図の下部側を「Ｚ2向き」又は「Ｚ2側」という。
【００２５】
弁座体５は、基準軸線Ｌを中心線とする厚肉円筒形状を有している。弁座体５は、エンジニアリングプラスチック製の一体品である。ここで、エンジニアリングプラスチックとは、一般に、耐熱温度が100℃以上で、引張強度500kgf/cm2以上、且つ曲げ弾性率20000kg/cm2以上の、機械的強度や耐熱性に優れた合成樹脂である。但し、弁座体５はエンジニアリングプラスチック等の合成樹脂製に限定されず、金属製であってもよい。
【００２６】
弁座体５は、弁座体５の外周形状と合致する内周形状を有する収容部９に収容されている。収容部９は、例えば、ハウジングに形成された弁通路の一部を構成している。弁座体５の外周には、シール部材配置部としてのシール溝５９が設けられている。シール溝５９は、弁座体５の外周において周方向に連続する環状の凹部である。図１，２においてシール部材配置部はシール溝５９として弁座体５の軸線方向Ｚの中間に設けられているが、図３に示すように、弁座体５のＺ1側端部とＺ2側端部の間に設けられる切り欠き（段差部）として設けられていても良い。シール溝５９には環状のシール部材５８が配置され、シール部材５８によって収容部９の内周と弁座体５の外周との間の流体の流通が阻止されている。このようにシール部材５８によって封止されている収容部９の内周と弁座体５の外周との間を「第２の封止部Ｓ2」と呼ぶこととする。
【００２７】
弁座体５の厚肉円筒の内周には、Ｚ1側の大径部５１と、Ｚ2側の小径部５２とが設けられている。大径部５１内は、弁体４が収容される弁体室５５の一部を形成しており、弁体室５５は一次側と連通している。大径部５１は、弁体４がＺ1側から大径部５１へ進入できるように、弁体４の外径より大きい第１の流路径Ｄ1を有している。また、小径部５２内は、弁体室５５と二次側とを接続する連通路５０である。小径部５２は、第１の流路径Ｄ1よりも小さく、且つ、弁体４の外径より小さい第２の流路径Ｄ2を有している。大径部５１と小径部５２とは軸線方向Ｚに連続しており、大径部５１から小径部５２へ内径が変化するＺ1向きの段差面５３に弁座部５４が設けられている。弁座部５４の軸線方向Ｚの位置は、シール溝５９の軸線方向Ｚの位置と重複している。なお、ここで「軸線方向Ｚの位置」とは、基準軸線Ｌをｚ軸とし、ｚ軸上の或点を原点としたときのｚ座標をいう。なお、ここで「弁体の外径」とは、弁座体５の内周に挿入される弁体４の部分の最大の外径である。弁座体５の内周に挿入される弁体４の部分の外径が変化する場合、例えば、弁体４の弁座体５の内周に挿入される部分が大径部とそれより先端側の小径部とを有し、この大径部と小径部との間に弁座体５の弁座部５４に着座する弁部４１が設けられているような場合は、弁座体５の大径部は弁体４の大径部よりも大きな内径を有し、弁座体５の小径部は弁体４の大径部より小さく且つ弁体４の小径部より大きな内径を有する。
【００２８】
弁体４は、軸線方向Ｚに延びる柱状体である。弁体４のＺ2側の端部は、弁座体５の大径部５１内にＺ1側から挿入されている。弁体４には、弁座体５の弁座部５４に着座する弁部４１が設けられている。弁体４は、弁部４１が弁座部５４に着座して弁通路が閉塞される閉弁位置と、弁部４１が弁座部５４から離れて弁通路が開放される開弁位置との間で、弁体室５５内を軸線方向Ｚへ往復移動可能である。弁体４が閉弁位置にあるときに、弁座部５４に着座した弁部４１により封止されている弁座体５と弁体４との間を「第１の封止部Ｓ1」と呼ぶこととする。弁座体５側の第１の封止部Ｓ1は弁座部５４であり、弁体４側の第１の封止部Ｓ1は弁部４１である。
【００２９】
なお、図１，２に示す弁装置２０では、弁座体５の内周の段差面５３の内周縁に弁座部５４が設けられ、弁体４のＺ2側の端面の面取りされた縁に弁部４１が設けられている。但し、弁座部５４と弁部４１の形状の組み合わせはこれに限定されるものではなく、例えば図４に示すように、弁座体５の段差面５３に弁座部５４が設けられ、弁体４のＺ2側の端面に突出成形された円環リップ状の先端に弁部４１が設けられていても良い。この場合には、弁座体５の段差面５３の弁部４１が接触する部分が弁座体５側の第１の封止部Ｓ1であり、弁体４側の第１の封止部Ｓ1は弁部４１である。
【００３０】
上記弁装置２０において、第２の封止部Ｓ2では、収容部９の内周とシール部材５８の外周とが接触している外周側接触部と、弁座体５の外周とシール部材５８の内周とが接触している内周側接触部とで、収容部９と弁座体５との間を実質的に封止している。シール部材５８はゴム製リングであり、弁装置２０の使用状態においては流体圧を受けて圧縮変形している。圧力で変形したシール部材５８は、弁座体５の外周面および収容部９の内周面に線よりも広い幅で接触していることがあり、また、外周側接触部と内周側接触部とが軸線方向Ｚにずれていることがある。上記事情を考慮して、シール溝５９に配置されるシール部材５８が流体圧を受けて圧縮変形したときのシール部材５８の軸線方向Ｚの高さ範囲を「シール帯ＳＬ」といい、このシール帯ＳＬに第１の封止部Ｓ1の軸線方向Ｚの位置が含まれるときに「第１の封止部Ｓ1と第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置は重複している」という。
【００３１】
弁装置２０において、第１の封止部Ｓ1と第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置は重複している。なお、最も望ましくは、第１の封止部Ｓ1と第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置が重複しており、シール溝５９に配置されたシール部材５８が流体圧を受けて圧縮変形したときのシール部材５８の軸線方向Ｚの中央の位置と、第１の封止部Ｓ1の軸線方向Ｚの位置とが重複している。
【００３２】
図２では、閉弁状態の弁装置２０において、弁座体５に作用する一次側圧力が一次圧Ｐ1の矢印で示され、弁座体５に作用する二次側圧力が二次圧Ｐ2の矢印で示されている。閉弁状態の弁座体５の外周のうち、第２の封止部Ｓ2よりＺ1側には一次圧Ｐ1が作用し、第２の封止部Ｓ2よりＺ2側には二次圧Ｐ2が作用している。また、閉弁状態の弁座体５の内周のうち、第１の封止部Ｓ1よりＺ1側の大径部５１には一次圧Ｐ1が作用し、第１の封止部Ｓ1よりＺ2側の小径部５２には二次圧Ｐ2が作用している。第１の封止部Ｓ1と第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置は重複しているかまたは極めて近接しているので、閉弁状態の弁座体５において内周面から半径方向に作用する圧力（以下、「内圧」ともいう）と外周面から半径方向に作用する圧力（以下、「外圧」ともいう）とが、軸線方向Ｚにわたってほぼ均衡している。この結果、弁座体５に弁座体５を変形や破壊させるような応力が作用しないか、生じたとしても弁座体５を変形や破壊させる大きさとはならない。
【００３３】
上記の通り、弁座体５は、第１の封止部Ｓ1と第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置が重複するか又は近接する形状を有することによって、閉弁状態の耐圧性が高められている。つまり、弁座体５の耐圧性は、肉厚を大きくしたりより高強度材料を用いたりすることなく、弁座体５の形状によって高められている。しかも、このような弁座体５の形状は特殊な加工が不要な単純形状であって、従来通りの樹脂成形加工や切削加工により容易に製造することができる。そして、このように高い耐圧性を備えた弁座体５を具備する弁装置２０は、従来よりも高圧の流体の流れに配置することが可能である。例えば、エンジニアリングプラスチック製の弁座体５を備えた弁装置２０を、従来の高圧（３５ＭＰａ程度）を超える超高圧（例えば、７０ＭＰａ程度）の流体を封じるために使用することができる。
【００３４】
次に、上記構成の弁装置２０の弁座体５の強度を例証するために行った数値計算１，２の結果を説明する。
【００３５】
（数値計算１）
数値計算１では、本発明に係る弁座体５と比較例に係る弁座体１０５とをそれぞれモデル化して、閉弁状態において各弁座体に作用する応力の大きさを計算した。図５は本発明に係る弁座体の数値計算モデルの断面図、図６は比較例に係る弁座体の数値計算モデルの断面図である。図５に示すように、本発明に係る弁座体５の数値計算モデルは、大小２つの内径を有する厚肉円筒体であって、小径部５２の内径（半径）をｒ1とし、大径部５１の内径（半径）をｒ1’とし、弁座体５と接触しているシール部材５８の最小径（半径）をｒ2とした。一方、図６に示すように、比較例である従来の弁座体１０５の数値計算モデルは、厚肉円筒体であって、内径（半径）をｒ1とし、弁座体１０５と接触しているシール部材５８の最小径（半径）をｒ2とした。比較例に係る弁座体１０５では、弁座部５４は弁座体１０５のＺ1側の端部に配置され、シール溝５９およびシール部材５８は弁座部５４よりもＺ2側に配置されている。この比較例に係る弁座体１０５では、第１の封止部Ｓ1が第２の封止部Ｓ2よりもＺ1側に位置している。
【００３６】
弁座体５では、第１，２の封止部Ｓ1，Ｓ2よりＺ1側において内周面上の第１の部位ｋ1および外周面上の第２の部位ｋ2と、第１，２の封止部Ｓ1，Ｓ2よりＺ2側において内周面上の第３の部位ｋ3および外周面上の第４の部位ｋ4とを、計算対象部位とした。一方、比較例に係る弁座体１０５では、第１の封止部Ｓ1よりＺ2側且つ第２の封止部Ｓ2よりＺ1側において内周面上の第１の部位ｋ1および外周面上の第２の部位ｋ2と、第１，２の封止部Ｓ1，Ｓ2よりＺ2側において内周面上の第３の部位ｋ3および外周面上の第４の部位ｋ4とを、計算対象部位とした。弁座体５の各計算対象部位ｋ1，ｋ2，ｋ3，ｋ4と比較例に係る弁座体１０５の各計算対象部位ｋ1，ｋ2，ｋ3，ｋ4とは対応関係にあり、計算対象部位ｋ1，ｋ2の軸線方向Ｚの位置はほぼ等しく、計算対象部位ｋ3，ｋ4の軸線方向Ｚの位置はほぼ等しい。
【００３７】
そして、弁座体５，１０５の各計算対象部位ｋ1，ｋ2，ｋ3，ｋ4について、ｒ2＝２×ｒ1と仮定し、半径方向の応力σｒ、周方向の応力σθおよび最大主せん断応力τを一次圧Ｐ1がｐ1で二次圧Ｐ2が０の場合（以下、「ケース１」という）と一次圧Ｐ1が０で二次圧Ｐ2がｐ2の場合（以下、「ケース２」という）についてそれぞれ算出した。
【００３８】
弁座体５，１０５の数値計算モデルに作用する応力の大きさの計算では、一般的な厚肉円筒の応力計算式を利用した。図７は厚肉円筒に内圧と外圧が加わったときに作用する応力を説明する図である。弁座体５，１０５を、図７に示すような内周の半径がｒ1で外周の半径がｒ2の厚肉円筒に見立て、厚肉円筒に内圧α１と外圧α２が作用していると仮定して、半径ｒ且つ角度θに位置する部位に作用する半径方向の応力σｒ、周方向の応力σθ、最大主せん断応力τをそれぞれ算出した。厚肉円筒に作用する半径方向の応力σｒは次に示す数式１を、周方向の応力σθは次に示す数式２を、最大主せん断応力τは次に示す数式３をそれぞれ利用して算出することができる。
【００３９】
【数１】
【００４０】
【数２】
【００４１】
【数３】
【００４２】
【表１】
【００４３】
上記表１では、数値計算１の計算結果を示している。ケース１において、本発明に係る弁座体５では、第１の部位ｋ1に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθと、第２の部位ｋ2に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθとは釣り合っている。同じく、第３の部位ｋ3に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθと、第４の部位ｋ4に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθとは釣り合っている。この計算結果から、ケース１において、弁座体５に作用する内圧と外圧は均衡していることがわかる。
【００４４】
一方、ケース１において、比較例に係る弁座体１０５では、第１の部位ｋ1に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθと、第２の部位ｋ2に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθとは釣り合っていない。一方で、第３の部位ｋ3に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθと、第４の部位ｋ4に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθとは釣り合っている。よって、ケース１において、弁座体１０５の第２の封止部Ｓ2よりもＺ1側に作用する内外圧の不均衡が生じていることがわかる。
【００４５】
また、ケース２において、本発明に係る弁座体５では、第１の部位ｋ1に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθと、第２の部位ｋ2に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθとは釣り合っている。同じく、第３の部位ｋ3に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθと、第４の部位ｋ4に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθとは釣り合っている。この計算結果から、ケース２において、弁座体５に作用する内圧と外圧とが均衡していることがわかる。
【００４６】
一方、ケース２において、比較例に係る弁座体１０５では、第１の部位ｋ1に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθと、第２の部位ｋ2に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθとは釣り合っていない。一方で、第３の部位ｋ3に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθと、第４の部位ｋ4に作用する半径方向の応力σｒおよび周方向の応力σθとは釣り合っている。この計算結果から、ケース２において、弁座体１０５の第２の封止部Ｓ2よりもＺ1側に作用する内外圧の不均衡が生じていることがわかる。
【００４７】
上記数値計算１の結果から明らかなように、本発明に係る弁座体５は、閉弁状態において軸線方向Ｚに亘って内圧と外圧とが均衡する。これにより、弁座体５が変形したり破壊したりする大きさの応力が弁座体に作用せず、弁座体５の変形や破壊が抑制される。このように弁座体５は、肉厚を大きくしたり、より高強度材料を用いたりすることなく、弁座体５の形状により耐圧性が高められている。逆の観点からは、本発明に係る弁座体５と比較例に係る弁座体１０５とに同じ流体圧に耐えうる仕様が要求されるときに、本発明に係る弁座体５は比較例に係る弁座体１０５よりも強度の低い材料で構成したり肉厚を薄くしたりすることができる。
【００４８】
（数値計算２）
上記数値計算１では、本発明に係る弁座体５の第１，２の封止部Ｓ1，Ｓ2の軸線方向Ｚの位置は重複している。但し、弁座体５の形状に制約がある場合などは、第１，２の封止部Ｓ1，Ｓ2の軸線方向Ｚの位置をずらさねばならないこともある。そこで、数値計算２では、第１，２の封止部Ｓ1，Ｓ2の軸線方向Ｚの位置がずれている弁座体５について応力計算を行った。図８に示す弁座体５の数値計算モデルでは、第１の封止部Ｓ1の軸線方向Ｚの位置は第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置よりもＺ2側にある。第１の封止部Ｓ1の軸線方向Ｚの位置と第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置とは近接していて、第２の封止部Ｓ2は第１の封止部Ｓ1の軸線方向Ｚの位置と弁座体５の高圧側（ここではＺ1側）の端部の軸線方向Ｚの位置との間にある。ここで、弁座体５の第２の封止部Ｓ2から第１の封止部Ｓ1までの軸線方向Ｚ間の領域を「内外圧不均衡領域ΔＬ」という。閉弁状態の弁装置２０において、弁座体５の内外圧不均衡領域ΔＬでは、内周面に一次圧Ｐ1が作用し、外周面に二次圧Ｐ2が作用する。一次圧Ｐ1が二次圧Ｐ2より高い場合に領域ΔＬは内圧負荷の状態となり、一次圧Ｐ1が二次圧Ｐ2より低い場合に領域ΔＬは外圧負荷の状態となる。
【００４９】
数値計算２では、弁座体５の内外圧不均衡領域ΔＬが内圧負荷の場合と外圧負荷の場合とにおいて、弁座体５に加わる応力の大きさをそれぞれ計算した。図８に示すように、弁座体５の数値計算モデルは、大小２つの内径を有する厚肉円筒体であって、大径部５１の内径（半径）がｒ1であり、シール部材５８の最小径（半径）がｒ2であり、ｒ2＝２×ｒ1である。この弁座体５の数値計算モデルの第２の封止部Ｓ2は、第１の封止部Ｓ1よりもＺ1側に位置している。そして、第１の封止部Ｓ1と第２の封止部Ｓ2に挟まれた内外圧不均衡領域ΔＬにおいて内周面に位置する第５の部位ｋ5および外周面に位置する第６の部位ｋ6を計算対象部位とした。各計算対象部位に関し、内外圧不均衡領域ΔＬが内圧負荷（一次圧Ｐ1がｐ1で二次圧Ｐ2が０）の場合と、内外圧不均衡領域ΔＬが外圧負荷（一次圧Ｐ1が０で二次圧Ｐ2がｐ2）の場合とにについて、半径方向の応力σｒ、周方向の応力σθおよび最大主せん断応力τをそれぞれ算出した。応力の大きさの計算では、前述の数値計算１と同様に、弁座体５を図７に示すような内周の半径がｒ1で外周の半径がｒ2の厚肉円筒に見立て、数式１〜３に示す式を利用した。次の表２では、上記数値計算２の計算結果を示している。
【００５０】
【表２】
【００５１】
上記計算結果において、内圧負荷時の一次圧Ｐ1と外圧負荷時の二次圧Ｐ2とが等しいと仮定したときに、外圧負荷時の方が内外圧不均衡領域ΔＬに大きな圧縮応力が作用することとなる。したがって、第１，２の封止部Ｓ1，Ｓ2の軸線方向Ｚの位置をＺ1側またはＺ2側へ大きくずらす場合には、閉弁状態の弁座体５に作用する内圧と外圧が不均衡な部分において内圧が外圧よりも大きくなることが条件となる。閉弁状態の弁座体５において内外圧不均衡領域ΔＬが内圧負荷となるためには、第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置が、第１の封止部Ｓ1の軸線方向Ｚの位置よりも高圧側（一次圧側）であればよい。なお、第１の封止部Ｓ1の軸線方向Ｚの位置と第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置が近接していることがよい。第１，２の封止部Ｓ1，Ｓ2の軸線方向Ｚの位置の変位量は、弁座体５に加わり得る最大の流体圧、弁座体５の構成材料等に応じて、弁座体５の内外圧不均衡領域ΔＬに作用する内圧と外圧の差によって弁座体５が変形や破壊しない範囲内で適宜定められる。なお、外圧負荷となる場合であっても、弁座体５の構成材料が考慮された上で内外圧不均衡領域ΔＬが十分に小さく設定されれば、弁座体５に作用する内圧と外圧の差により生じるために十分な強度を備えることができる。
【００５２】
［実施の形態１］
ここで、図９を参照しつつ、本発明に係る弁装置２０の好適な実施の形態１について説明する。図９は実施の形態１に係る弁装置の基準軸線に平行な断面図である。実施の形態１に係る弁装置２０Ａは、供給側から排出側へ流れる流体の流路に設けられ、供給側から供給される一次側の流体の二次側への排出を制御する電磁式開閉弁である。
【００５３】
弁装置２０Ａは、ハウジング２１と、弁体４と、電磁駆動機構２３と、弁座体５とを備えている。弁装置２０Ａは、基準軸線Ｌを有し、ハウジング２１、弁体４、電磁駆動機構２３、および弁座体５は、その軸線が基準軸線Ｌと一致するように配置されている。以下では、基準軸線Ｌに沿う軸線方向Ｚにおいて、図９の紙面上方を「Ｚ1向き」又は「Ｚ1側」、紙面下方を「Ｚ2向き」又は「Ｚ2側」という。
【００５４】
ハウジング２１には、弁室３１、一次通路３２、および二次通路３３が形成されている。弁室３１は、基準軸線Ｌに沿って形成された円柱状の空間であって、Ｚ1向きに開放された開口２１ａを有する。この開口２１ａを通じて弁室３１へ弁体４が挿入されている。弁室３１には、一次通路３２の下流側が接続されている。一次通路３２は、基準軸線Ｌと交わる向きに延びるように形成されている。一次通路３２の上流側の開口は一次ポート３２Ａであって、供給側と連通している。一方、弁室３１のＺ2側の端面には、二次通路３３の上流側が接続されている。二次通路３３は、基準軸線Ｌに沿って延びるように形成されており、その孔径は弁室３１の孔径より小径である。二次通路３３の下流側の開口は二次ポート３３Ａであって、排出側と連通している。上記構成の一次通路３２、弁室３１及び二次通路３３により、一次ポート３２Ａと二次ポート３３Ａとを繋ぐ弁通路が形成されている。
【００５５】
弁座体５はエンジニアリングプラスチック製であって、基準軸線Ｌを中心線とする厚肉円筒形状を有する一体品である。弁座体５は、Ｚ2側の端面が弁室３１のＺ2側の端面と接触し且つ外周面が弁室３１の内周面と近接するように弁室３１内に配置されている。弁座体５は、弁室３１の内径とほぼ等しい外径を有している。弁座体５の外周面には、シール部材配置部としてのシール溝５９が設けられている。シール溝５９は、弁座体５の外周面において周方向に連続し、弁座体５の外周面のＺ1側を弁座体５の軸線方向Ｚの中途部まで切り欠くことにより段差部として形成されている。シール溝５９にはシール部材５８が配置され、このシール部材５８により、弁座体５の外周面と弁室３１の内周面とが封止されている。このようにシール部材５８によって封止されている弁室３１の内周と弁座体５の外周との間を「第２の封止部Ｓ2」と呼ぶこととする。
【００５６】
弁座体５の厚肉円筒の内周には、Ｚ1側の大径部５１と、Ｚ2側の小径部５２とが軸線方向Ｚに連続して設けられている。弁座体５の大径部５１内は、弁体４が収容される弁体室５５の一部分を形成しており、一次通路３２側と連通している。また、弁座体５の小径部５２内は弁体室５５内と二次通路３３側と連通している連通路５０である。大径部５１から小径部５２へ内径が変化する段差面５３の内周縁に弁座部５４が設けられている。弁座部５４の軸線方向Ｚの位置は、シール溝５９の軸線方向Ｚの位置と重複しているかまたは近接している。
【００５７】
弁体４は、軸線方向Ｚに延びる柱状体であって、軸線方向Ｚに変位可能に弁室３１に挿入されている。弁体４は、軸線方向Ｚにおいて弁室３１と一次通路３２とが接続されている辺りで縮径している。そして、弁体４は弁座体５の大径部５１内に進入しており、弁体４には弁座体５の弁座部５４に着座する弁部４１が形成されている。弁体４は、弁部４１が弁座部５４に着座して弁通路を閉塞する閉弁位置と、弁部４１が弁座部５４から離れて弁通路が開放される開弁位置との間で移動することができる。
【００５８】
弁体４は、弁部４１が設けられた弁体部２５と、該弁体部２５のＺ1側に接合された可動鉄心部２６とで構成されている。弁体部２５は、非磁性材料、例えば非磁性のステンレス鋼により構成されている。一方、可動鉄心部２６は、磁性材料、例えば耐腐食性に優れた電磁ステンレス鋼などにより構成されている。
【００５９】
上記構成の弁体４は、円筒形状のガイド部材３０に内挿されている。ガイド部材３０は、ハウジング２１に対して基準軸線Ｌを軸として相対回動不能となるように、弁室３１内に螺着されている。ガイド部材３０のＺ2側の端面は、弾性部材６２および均圧部材６１を介して、弁座体５のＺ1側の端面を押圧している。このように弁座体５が弁室３１の底面とガイド部材３０との間に挟まれることによって、弁室３１内で弁座体５の位置が保持されている。ガイド部材３０は、ハウジング２１の開口２１ａからＺ1向きに突出しており、この突出部分を包囲するように電磁駆動機構２３が設けられている。
【００６０】
電磁駆動機構２３は、ガイド部材３０に外嵌されたボビン３５と、ボビン３５に巻き付けられたコイル３６と、ボビン３５及びコイル３６を外周側から被覆するソレノイドケーシング２７と、強磁性体から成る固定磁極２９とを備えている。コイル３６の内側には、弁体４の可動鉄心部２６が位置している。固定磁極２９は、ガイド部材３０へＺ1側から挿入されており、固定磁極２９のＺ2側の端面は弁体４のＺ1側の端面と対向している。対向する固定磁極２９と可動鉄心部２６とは、間隔をあけて配置され、それらの間には、圧縮コイルばね３７が設けられている。圧縮コイルばね３７は、可動鉄心部２６をＺ2向きに押圧している。これにより、弁体部２５の先端部に位置する弁部４１が弁座体５の弁座部５４に押し付けられる。
【００６１】
上記構成の弁装置２０Ａでは、コイル３６に電流が流れると、磁気力を発生して可動鉄心部２６及び固定磁極２９が磁化される。これにより、可動鉄心部２６が固定磁極２９に磁気吸引され、弁体４がガイド部材３０に案内されながらＺ1向きに移動する。やがて弁体部２２ａが弁座部５４から離脱し、弁通路が開かれる。なお、弁体４は、Ｚ1側の端面が固定磁極２９に当接する開位置までＺ1向きに移動し続ける。コイル３６に流れていた電流を止めると、固定磁極２９及び可動鉄心部２６に作用していた磁気力がなくなり、圧縮コイルばね３７の付勢力により弁体４が弁座部５４へ向って押圧される。これにより、弁体４がＺ2向きに移動し、やがて弁部４１が弁座部５４に着座して弁通路が閉じられる。弁体４が閉弁位置にあるときに、弁座部５４に着座した弁部４１により封止されている弁座体５と弁体４との間を「第１の封止部Ｓ1」と呼ぶこととする。
【００６２】
閉弁状態の弁装置２０Ａにおいて、弁座体５の外周のうち、第２の封止部Ｓ2よりＺ1側には一次圧（一次ポート３２Ａ側の流体圧）が作用し、第２の封止部Ｓ2よりＺ2側には二次圧（二次ポート３３Ａ側の流体圧）が作用している。また、閉弁状態の弁座体５の内周のうち、第１の封止部Ｓ1よりＺ1側の大径部５１には一次圧が作用し、第１の封止部Ｓ1よりＺ2側の小径部５２には二次圧が作用している。閉弁状態の弁装置２０Ａでは、第１の封止部Ｓ1と第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置は重複しているかまたは近接しているので、弁座体５に作用する内圧と外圧とが軸線方向Ｚに亘って均衡している。この結果、弁座体５に、弁座体５を変形や破壊させる応力が生じないか、生じたとしても弁座体５を変形や破壊させる大きさとはならない。
【００６３】
なお、上述の実施の形態１では、弁装置２０Ａは電磁力により弁体４を移動させるように構成された電磁弁であるが、弁装置２０Ａは電磁弁に限定されない。例えば、弁装置２０Ａは、モーターで駆動される電動弁であってもかまわない。或いは、上述の実施形態では、弁装置２０Ａは電磁式開閉弁であるが、本発明に係る弁装置は電磁式開閉弁に限定されない。例えば、電磁式開閉弁とは異なる流体制御弁に、本発明に係る弁装置を適用させることもできる。さらに、上述の実施形態では、弁装置２０Ａにおいて弁座体５の供給側（一次ポート３２Ａ側）に弁体４を設けているが、弁座体５の排出側（二次ポート３３Ａ側）に弁体４を設ける構成としてもよい。さらに、上述の実施形態において、供給側（一次ポート３２Ａ側）と排出側（二次ポート３３Ａ側）が、入れ替わる構成としてもよい。
【００６４】
［実施の形態２］
続いて、図１０および図１１を参照しつつ、本発明に係る弁装置２０の好適な実施の形態２について説明する。図１０は実施の形態２に係る弁装置（開弁状態）の基準軸線に平行な断面図であり、図１１は図１０に示す弁装置（閉弁状態）の基準軸線に平行な断面図である。実施の形態１に係る弁装置２０Ａは電磁式開閉弁に適用されているが、実施の形態２に係る弁装置２０Ｂは過流防止弁に適用されている。過流防止弁は、通常時は開弁して流体を一次側から二次側へ流出させる一方、所定流量以上の流体が流れた場合には閉弁して流体の流出を遮断する流量制御弁である。弁装置２０Ｂは、例えば、ガスボンベに加圧状態で貯蔵されているガスをガス使用機器へ供給するガス通路に設けられ、弁装置２０Ｂはガスボンベ９９の開口部９９ａに挿入されている。ガス使用機器の一例は燃料電池であって、この場合、ガスボンベには超高圧（最大で７０ＭＰａ程度）の水素ガスが貯えられている。
【００６５】
弁装置２０Ｂは、弁体４、弁座体５、蓋体６および付勢体７を備えている。弁装置２０Ｂは、基準軸線Ｌを有し、弁体４、弁座体５、蓋体６および付勢体７は、その軸線が基準軸線Ｌと一致するように配置されている。以下では、基準軸線Ｌに沿う軸線方向Ｚにおいて、図１０の紙面右方を「Ｚ1向き」又は「Ｚ1側」、紙面左方を「Ｚ2向き」又は「Ｚ2側」という。なお、流体はＺ1側からＺ2側へ流れ、Ｚ1側が一次側（供給側）、Ｚ2側が二次側（排出側）となる。
【００６６】
弁座体５は、金属製のネジ状部材であって、基準軸線Ｌを中心線とする厚肉円筒形状を有している。弁座体５は、ガスボンベ９９の開口部９９ａにＺ1向きに嵌め込まれている。弁座体５の外周には、シール部材配置部としてのシール溝５９が設けられている。シール溝５９は、弁座体５の外周において周方向に連続する環状凹部に形成されている。シール溝５９にはシール部材５８が配置され、シール部材５８によってハウジング８の内周と弁座体５の外周との間のガスの流通が阻止されている。このようにシール部材５８によって封止されている開口部９９ａの内周と弁座体５の外周との間を「第２の封止部Ｓ2」と呼ぶこととする。なお、本実施の形態に係るシール部材５８は、Ｏ−リングである。
【００６７】
弁座体５の厚肉円筒の内周面は、Ｚ1側の大径部５１と、Ｚ2側の小径部５２とが設けられている。大径部５１と小径部５２とは軸線方向Ｚに連続しており、大径部５１から小径部５２へ内径が変化する段差面に弁体４の弁部４１が着座する弁座部５４が設けられている。弁座部５４の軸線方向Ｚの位置は、シール溝５９の軸線方向Ｚの位置と重複している。弁座体５の大径部５１内は、弁体４が収容される弁体室５５の一部分を形成している。また、弁座体５の小径部５２内は、弁体室５５と二次側とを接続する連通路５０である。
【００６８】
弁座体５のＺ1側の端面には、Ｚ2向きに蓋体６が嵌め込まれている。蓋体６は、弁座体５のＺ1側の端面に開口する大径部５１に栓をする形で嵌め込まれており、弁座体５と蓋体６とにより形成される内部空間に弁体４を収容する弁体室５５が設けられている。蓋体６の基準軸線Ｌが通過する部分には一次側から弁体室５５内へ流体を流入させる流入口６６が設けられている。
【００６９】
弁体４は、弁座体５と蓋体６とにより形成された弁体室５５に、軸線方向Ｚに摺動可能に収容されている。弁体４は、軸線方向Ｚを軸方向とする円柱体であって、Ｚ2側の端面に弁座体５に設けられた弁座部５４に着座する弁部４１が設けられている。弁体４内には、蓋体６の流入口６６と連続する内部通路４２が形成されており、流体を内部通路４２から弁体室５５へ流入させる。また、弁体４の外周には、弁体室５５内から連通路５０へ向けて流体を通過させる外部通路４３（溝）が形成されている。弁体４は、付勢体７によりＺ1向きに付勢されている。つまり、弁体４は、付勢部材である付勢体７により開弁する向きに付勢されている。なお、本実施の形態において、付勢体７として圧縮コイルバネが用いられている。
【００７０】
上記構成の弁装置２０Ｂにおいて、蓋体６に設けられた流入口６６から所定流量未満の流体が流入している場合には、弁体４の外部通路４３を流体が通過することによって生じる圧力損失が小さいため、弁体室５５内に設けられた弁体４は、付勢体７の付勢力によって弁座部５４には着座しない。つまり、流入口６６と連通路５０とが連通された、開弁状態（非動作状態）となっている。開弁状態では、流入口６６から流入した流体は、弁体４の内部通路４２を通って弁体室５５内へ流入し、弁体４の外部通路４３を通過して連通路５０へ流入し、連通路５０を通って外部へ流出する。一方、弁装置２０Ｂにおいて、流入口６６から所定流量以上の流体が流入した場合には、弁体４の外部通路４３を流体が通過することによって生じる圧力損失が大きくなるため、弁体室５５内に設けられた弁体４は付勢体７の付勢力に抗してＺ2向きに移動し、弁部４１が弁座部５４に着座する。これにより、流入口６６と連通路５０とは非連通となる、すなわち、閉弁状態（動作状態）となる。弁装置２０Ｂが閉弁状態のときに、弁座部５４に着座した弁部４１により封止されている弁座体５と弁体４との間を「第１の封止部Ｓ1」と呼ぶこととする。
【００７１】
弁装置２０Ｂが閉弁状態のときに、二次側の圧力(二次圧)は大気圧程度まで低下するが、一方で、一次側の圧力（一次圧）は高圧が維持される。弁装置２０Ｂが閉弁状態のときに、弁座体５の内周のうち、第１の封止部Ｓ1よりＺ1側の大径部５１には一次圧が作用し、第１の封止部Ｓ1よりＺ2側の小径部５２には二次圧が作用する。また、弁座体５の外周のうち、第２の封止部Ｓ2よりＺ1側には一次圧が作用し、第２の封止部Ｓ2よりＺ2側には大気圧が作用する。弁装置２０Ｂでは、第１の封止部Ｓ1の軸線方向Ｚの位置と第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置とが重複するか若しくは近接している。したがって、閉弁状態の弁座体５では、内圧と外圧とが軸線方向Ｚにわたって均衡している。この結果、弁座体５が変形したり破壊したりする大きさの応力が弁座体５に作用せず、弁座体５の変形や破壊が抑制される。このように弁座体５の耐圧性を、肉厚を大きくしたり特別な高強度材料を用いたりすることなく、弁座体５の形状によって高めることができる。そして、このように高い耐圧性を備えた弁座体５を具備する弁装置２０Ｂは、従来よりも高圧の流体の流れに配置することが可能である。
【００７２】
上記実施の形態では、第１の封止部Ｓ1と第２の封止部Ｓ2とが軸線方向Ｚに重複する位置に設けられているが、第１の封止部Ｓ1と第２の封止部Ｓ2との軸線方向Ｚの位置をずらしても弁座体５が耐高圧性を備える場合がある。図１２は図１０に示す弁装置の変形例を示す図である。例えば、図１２に示す弁装置２０Ｂでは、第２の封止部Ｓ2の軸線方向Ｚの位置が、第１の封止部Ｓ1の軸線方向Ｚの位置よりもＺ1側（高圧側）にある。したがって、閉弁状態の弁装置２０Ｂでは、軸線方向Ｚにおいて弁座体５の第１の封止部Ｓ1と第２の封止部Ｓ2との間に内外圧不均衡領域ΔＬ1が形成される。この内外圧不均衡領域ΔＬ1において、弁座体５の内周面に一次圧が作用し、外周面に二次圧が作用する。一次圧は二次圧と比較して著しく高いので、内外圧不均衡領域ΔＬ1では内圧負荷の状態となる。弁座体５に内外圧不均衡領域ΔＬ1が存在するが、閉弁状態の内外圧不均衡領域ΔＬ1が内圧負荷であることと、弁座体５の内径と外径に径差があることと、弁座体５の周囲は剛性の高い部材で囲まれていることとから、弁座体５に作用する内圧と外圧との差が著しく大きくなっても、弁座体５が変形したり破壊したりする大きさの応力が弁座体５に作用せず、弁座体５の変形や破壊が抑制される。
【００７３】
［実施の形態３］
続いて、図１３を参照しつつ、本発明に係る弁装置２０の好適な実施の形態３について説明する。図１３は実施の形態３に係る弁装置の基準軸線に平行な断面図である。実施の形態３に係る弁装置２０Ｃは、実施の形態２に係る弁装置２０Ｂと同様に、過流防止弁に適用されている。弁装置２０Ｃは、例えば、ガスボンベに加圧状態で貯蔵されているガスをガス使用機器へ供給するガス通路に設けられ、弁装置２０Ｃはガスボンベ９９の開口部９９ａに挿入されている。ガス使用機器の一例は燃料電池であって、この場合、ガスボンベには超高圧（最大で７０ＭＰａ程度）の水素ガスが貯えられている。
【００７４】
弁装置２０Ｃは、弁体４、弁座体５、蓋体６、付勢体７、およびハウジング８を備えている。弁装置２０Ｃは、基準軸線Ｌを有し、弁体４、弁座体５、蓋体６および付勢体７は、その軸線が基準軸線Ｌと一致するように配置されている。以下では、基準軸線Ｌに沿う軸線方向Ｚにおいて、図１３の紙面右方を「Ｚ1向き」又は「Ｚ1側」、紙面左方を「Ｚ2向き」又は「Ｚ2側」という。なお、流体はＺ1側からＺ2側へ流れ、Ｚ1側が一次側（供給側）、Ｚ2側が二次側（排出側）となる。
【００７５】
ハウジング８は、基準軸線Ｌを中心線とする厚肉円筒形状を有している。ハウジング８は、ガスボンベ９９の開口部９９ａにＺ1向きに嵌め込まれている。ハウジング８の外周には、シール部材配置部としてのシール溝８９が設けられている。シール溝８９は、ハウジング８の外周において周方向に連続する環状凹部に形成されている。シール溝８９にはシール部材８８が配置され、シール部材８８によって開口部９９ａの内周とハウジング８の外周との間のガスの流通が阻止されている。このようにシール部材８８によって封止されている開口部９９ａの内周とハウジング８の外周との間を「第３の封止部Ｓ3」と呼ぶこととする。なお、本実施の形態に係るシール部材８８は、Ｏ−リングである。
【００７６】
ハウジング８の厚肉円筒の内周面は、Ｚ1側の大径部８１と、Ｚ2側の小径部８２とが設けられている。大径部８１と小径部８２とは軸線方向Ｚに連続している。ハウジング８の大径部８１内は、弁座体５が収容される弁座室８３である。また、ハウジング８の小径部８２内は、弁座室８３と二次側とを接続している連通路８４である。
【００７７】
弁座体５は、金属製のネジ状部材であって、基準軸線Ｌを中心線とする厚肉円筒形状を有している。弁座体５は、ハウジング８の大径部８１にＺ2向きに嵌め込まれている。弁座体５の外周には、シール溝５９が設けられている。シール溝５９は、弁座体５の外周において周方向に連続する環状凹部に形成されている。シール溝５９の軸線方向Ｚの位置は、ハウジング８のシール溝８９の軸線方向Ｚの位置と重複しているかまたは極めて近接している。シール溝５９にはシール部材５８が配置され、シール部材５８によってハウジング８の内周と弁座体５の外周との間のガスの流通が阻止されている。このようにシール部材５８によって封止されているハウジング８の内周と弁座体５の外周との間を「第２の封止部Ｓ2」と呼ぶこととする。なお、本実施の形態に係るシール部材５８は、Ｏ−リングである。
【００７８】
弁座体５の厚肉円筒の内周面は、Ｚ1側の大径部５１と、Ｚ2側の小径部５２とが設けられている。大径部５１と小径部５２とは軸線方向Ｚに連続しており、大径部５１から小径部５２へ内径が変化する段差面に弁体４の弁部４１が着座する弁座部５４が設けられている。弁座部５４の軸線方向Ｚの位置は、シール溝８９，５９の軸線方向Ｚの位置と重複しているかまたは極めて近接している。弁座体５の大径部５１内は、弁体４が収容される弁体室５５の一部を構成している。また、弁座体５の小径部５２内は、弁体室５５と二次側（弁座室８３）とを接続する連通路５０である。
【００７９】
弁座体５のＺ1側の端面には、Ｚ2向きに蓋体６が嵌め込まれている。蓋体６は、弁座体５のＺ1側の端面に開口する大径部５１に栓をする形で嵌め込まれており、弁座体５と蓋体６とにより弁体４を収容する弁体室５５が形成されている。蓋体６の基準軸線Ｌが通過する部分には一次側から弁体室５５内へ流体を流入させる流入口６６が設けられている。
【００８０】
弁体４は、弁座体５と蓋体６とにより形成された弁体室５５に、軸線方向Ｚに摺動可能に収容されている。弁体４は、軸線方向Ｚを軸方向とする円柱体であって、Ｚ2側の端面に弁座体５に設けられた弁座部５４に着座する弁部４１が設けられている。弁体４内には、蓋体６の流入口６６と連続する内部通路４２が形成されており、流体を内部通路４２から弁体室５５内へ流入させる。また、弁体４の外周には、弁体室５５内から連通路５０へ向けて流体を通過させる外部通路４３（溝）が形成されている。弁体４は、付勢体７によりＺ1向きに付勢されている。つまり、弁体４は、付勢部材である付勢体７により開弁する向きに付勢されている。なお、本実施の形態において、付勢体７として圧縮コイルバネが用いられている。
【００８１】
上記構成の弁装置２０Ｃにおいて、蓋体６に設けられた流入口６６から所定流量未満の流体が流入している場合には、弁体４の外部通路４３を流体が通過することによって生じる圧力損失が小さいため、弁体室５５内に設けられた弁体４は、付勢体７の付勢力によって弁座部５４には着座していない。つまり、流入口６６と連通路８４とが連通された、開弁状態（非動作状態）となっている。開弁状態では、流入口６６から流入した流体は、弁体４の内部通路４２を通って弁体室５５内へ流入し、弁体４の外部通路４３を通過して連通路５０へ流入し、連通路５０を通過して弁座室８３へ流入し、連通路８４を通って外部へ流出する。一方、弁装置２０Ｃにおいて、流入口６６から所定流量以上の流体が流入した場合には、弁体４の外部通路４３を流体が通過することによって生じる圧力損失が大きくなるため、弁体室５５内に設けられた弁体４は付勢体７の付勢力に抗してＺ2向きに移動し、弁部４１が弁座部５４に着座する。これにより、流入口６６と連通路８４とは非連通となる、すなわち、閉弁状態（動作状態）となる。弁装置２０Ｃが閉弁状態のときに、弁座部５４に着座した弁部４１により封止されている弁座体５と弁体４との間を「第１の封止部Ｓ1」と呼ぶこととする。
【００８２】
弁装置２０Ｃが閉弁状態のときに、二次側の圧力(二次圧)は大気圧程度まで低下するが、一方で、一次側の圧力（一次圧）は高圧が維持される。弁装置２０Ｃが閉弁状態のときに、ハウジング８の内周のうち、第２の封止部Ｓ2よりＺ1側の大径部８１には一次圧が作用し、第２の封止部Ｓ2よりＺ2側の大径部８１および小径部８２には二次圧が作用する。また、ハウジング８の外周のうち、第３の封止部Ｓ3よりＺ1側には一次圧が作用し、第３の封止部Ｓ3よりＺ2側には大気圧が作用する。同様に、弁座体５の内周のうち、第１の封止部Ｓ1よりＺ1側の大径部５１には一次圧が作用し、第１の封止部Ｓ1よりＺ2側の小径部５２には二次圧が作用する。また、弁座体５の外周のうち、第２の封止部Ｓ2よりＺ1側には一次圧が作用し、第２の封止部Ｓ2よりＺ2側には二次圧または大気圧が作用する。
【００８３】
弁装置２０Ｃでは、第１，２，３の封止部Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3が軸線方向Ｚに重複する位置に配置されている。よって、閉弁状態のハウジング８および弁座体５では、内圧と外圧とが軸線方向Ｚにわたって均衡している。この結果、ハウジング８および弁座体５が変形したり破壊したりする大きさの応力がハウジング８および弁座体５に作用せず、ハウジング８および弁座体５の変形や破壊が抑制される。このようにハウジング８および弁座体５の耐圧性を、肉厚を大きくしたり特別な高強度材料を用いたりすることなく、ハウジング８および弁座体５の形状によって高めることができる。そして、このように高い耐圧性を備えたハウジング８および弁座体５を具備する弁装置２０Ｃは、従来よりも高圧の流体の流れに配置することが可能である。
【００８４】
上記では、第１，２，３の封止部Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3が軸線方向Ｚに重複する位置に配置されているが、これらの軸線方向Ｚの位置をずらしても弁装置２０Ｃが耐圧性を備える場合がある。以下、実施の形態３に係る弁装置２０Ｃの変形例１，２について説明する。
【００８５】
図１４は図１３に示す弁装置の変形例１を示す図である。図１４に示す弁装置２０Ｃでは、第１，２の封止部Ｓ1，Ｓ2の軸線方向Ｚの位置は重複しているが、第３の封止部Ｓ3の軸線方向Ｚの位置はそれらよりもＺ1側（高圧側）にある。したがって、閉弁状態の弁装置２０Ｃでは、軸線方向Ｚにおいてハウジング８の第３の封止部Ｓ3と第２の封止部Ｓ2との間の領域が内外圧不均衡領域ΔＬ2となる。このハウジング８の内外圧不均衡領域ΔＬ2では、内周面に一次圧が作用し、外周面に二次圧が作用する。一次圧は二次圧と比較して著しく高いので、内外圧不均衡領域ΔＬ2では内圧負荷の状態となる。このように、ハウジング８に内外圧不均衡領域ΔＬ1が存在するが、閉弁状態の内外圧不均衡領域ΔＬ1が内圧負荷であることと、ハウジング８の内径と外径に径差があることと、ハウジング８の周囲は剛性の高い部材で囲まれていることとから、ハウジング８に作用する内圧と外圧との差が著しく大きくなっても、ハウジング８が変形したり破壊したりする大きさの応力がハウジング８に作用せず、ハウジング８の変形や破壊が抑制される。
【００８６】
図１５は図１３に示す弁装置の変形例２を示す図である。図１５に示す弁装置２０Ｃでは、第３の封止部Ｓ3が第２の封止部Ｓ2よりのＺ2側に位置し、第２の封止部Ｓ2より第１の封止部がＺ2側に位置している。つまり、弁装置２０Ｃの封止部は内側から外側に向けて順にＺ1側（高圧側）にずれて配置されている。よって、閉弁状態の弁装置２０Ｃでは、軸線方向Ｚにおいてハウジング８の第３の封止部Ｓ3と第２の封止部Ｓ2との間の領域が内外圧不均衡領域ΔＬ3となる。このハウジング８の内外圧不均衡領域ΔＬ3では、内周面に一次圧が作用し、外周面に二次圧が作用する。同様に、軸線方向Ｚにおいて弁座体５の第２の封止部Ｓ2と第１の封止部Ｓ1との間の領域が内外圧不均衡領域ΔＬ4となる。この弁座体５の内外圧不均衡領域ΔＬ4では、内周面に一次圧が作用し、外周面に二次圧が作用する。一次圧は二次圧と比較して著しく高いので、内外圧不均衡領域ΔＬ3とΔＬ4はいずれも内圧負荷の状態となる。このように、弁座体５とハウジング８に内外圧不均衡領域ΔＬ3，ΔＬ4が存在するが、閉弁状態の内外圧不均衡領域ΔＬ3，ΔＬ4が共に内圧負荷であることと、弁座体５およびハウジング８の内径と外径に径差があることと、弁座体５およびハウジング８の周囲は剛性の高い部材で囲まれていることとから、弁座体５およびハウジング８に作用する内圧と外圧との差が著しく大きくなっても、弁座体５およびハウジング８が変形したり破壊したりする大きさの応力が弁座体５およびハウジング８に作用せず、弁座体５およびハウジング８の変形や破壊が抑制される。
【００８７】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様々な設計変更を行うことが可能である。
【００８８】
例えば、上述の実施の形態１では、弁座体５はエンジニアリングプラスチックで構成されている。但し、実施の形態１に係る弁座体５はエンジニアリングプラスチック以外の合成樹脂で構成されていても良い。この場合であっても、弁座体５はその形状により従来の弁座体１０５と比較して弁の閉止時に高い流体圧に耐えうることができる。換言すれば、弁座体５と従来の弁座体１０５とを同じ圧力条件で使用する場合、弁座体５をより強度の低い樹脂で構成することが可能となり、気密性の確保とコストの削減を両立できる。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、高圧流体を封止する樹脂製の弁座体を具備する弁装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００９０】
Ｓ1 第１の封止部
Ｓ2 第２の封止部
Ｓ3 第３の封止部
４ 弁体
４１ 弁部
５ 弁座体
６ 蓋体
７ 付勢体
８ ハウジング
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ 弁装置
２１ ハウジング
２３ 電磁駆動機構
３１ 弁室
３２ 一次通路
３３ 二次通路
５０ 連通路
５１ 大径部
５２ 小径部
５３ 段差面
５４ 弁座部
５５ 弁体室
５８，８８ シール部材
５９，８９ シール溝（シール部材配置部）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁体が着座する弁座部を有する厚肉円筒状の弁座体であって、
前記弁座体の外周に設けられた第１のシール部材配置部と、
前記弁座体の内周に設けられた大径部および小径部と、
前記大径部と前記小径部の間に設けられた弁座部とを備え、
前記大径部は、当該大径部に軸線方向から進入する前記弁体の外径よりも大きい内径を有し、
前記小径部は、前記弁体の外径よりも小さい内径を有し、
前記第１のシール部材配置部の前記軸線方向の位置は、前記弁座部の前記軸線方向の位置と重複する又はその重複する位置よりも高圧側にある、弁座体。
【請求項２】
前記第１のシール部材配置部に配置される第１のシール部材が流体圧を受けて圧縮変形したときの当該第１のシール部材の前記弁座体の外周との接触部の前記軸線方向の位置と、前記弁座部の前記軸線方向の位置とが重複する、請求項１に記載の弁座体。
【請求項３】
前記第１のシール部材配置部に配置される第１のシール部材が流体圧を受けて圧縮変形したときの当該第１のシール部材の前記軸線方向の高さ範囲内に、前記弁座部の前記軸線方向の位置が含まれる、請求項１に記載の弁座体。
【請求項４】
前記弁座体における前記第１のシール部材配置部の前記軸線方向の位置が、前記弁座体における前記弁座部と前記弁座体における高圧側の端部との間にある、請求項１に記載の弁座体。
【請求項５】
ハウジングと、
前記ハウジングに収容された請求項１〜４のいずれか一項に記載の弁座体と、
前記弁座体の前記弁座部へ着座する閉位置と前記弁座部から離れた開位置との間を前記軸線方向に移動可能に設けられた弁体と、
前記弁座体の前記第１のシール部材配置部に設けられて前記ハウジングと前記弁座体との間を封止する第１のシール部材とを備えた、弁装置。
【請求項６】
前記ハウジングは、厚肉円筒形状をなし、その内周に設けられた前記弁座体の収容部と、その外周に周方向に連続して設けられた第２のシール部材配置部とを有し、
前記第２のシール部材配置部の前記軸線方向の位置は、前記第１のシール部材配置部の前記軸線方向の位置と重複する又はその重複する位置よりも高圧側にある、請求項５に記載の弁装置。
【請求項７】
前記第２のシール部材が流体圧を受けて圧縮変形したときの当該第２のシール部材の前記軸線方向の高さ範囲と、前記第１のシール部材が流体圧を受けて圧縮変形したときの当該第１のシール部材の前記軸線方向の高さ範囲とが、少なくとも一部重複している、請求項６に記載の弁装置。
【請求項８】
前記ハウジングにおける前記第２のシール部材配置部の前記軸線方向の位置が、前記弁体部における前記第１のシール部材配置部と前記ハウジングにおける高圧側の端部の間にある、請求項６に記載の弁装置。
【請求項１】
弁体が着座する弁座部を有する厚肉円筒状の弁座体であって、
前記弁座体の外周に設けられた第１のシール部材配置部と、
前記弁座体の内周に設けられた大径部および小径部と、
前記大径部と前記小径部の間に設けられた弁座部とを備え、
前記大径部は、当該大径部に軸線方向から進入する前記弁体の外径よりも大きい内径を有し、
前記小径部は、前記弁体の外径よりも小さい内径を有し、
前記第１のシール部材配置部の前記軸線方向の位置は、前記弁座部の前記軸線方向の位置と重複する又はその重複する位置よりも高圧側にある、弁座体。
【請求項２】
前記第１のシール部材配置部に配置される第１のシール部材が流体圧を受けて圧縮変形したときの当該第１のシール部材の前記弁座体の外周との接触部の前記軸線方向の位置と、前記弁座部の前記軸線方向の位置とが重複する、請求項１に記載の弁座体。
【請求項３】
前記第１のシール部材配置部に配置される第１のシール部材が流体圧を受けて圧縮変形したときの当該第１のシール部材の前記軸線方向の高さ範囲内に、前記弁座部の前記軸線方向の位置が含まれる、請求項１に記載の弁座体。
【請求項４】
前記弁座体における前記第１のシール部材配置部の前記軸線方向の位置が、前記弁座体における前記弁座部と前記弁座体における高圧側の端部との間にある、請求項１に記載の弁座体。
【請求項５】
ハウジングと、
前記ハウジングに収容された請求項１〜４のいずれか一項に記載の弁座体と、
前記弁座体の前記弁座部へ着座する閉位置と前記弁座部から離れた開位置との間を前記軸線方向に移動可能に設けられた弁体と、
前記弁座体の前記第１のシール部材配置部に設けられて前記ハウジングと前記弁座体との間を封止する第１のシール部材とを備えた、弁装置。
【請求項６】
前記ハウジングは、厚肉円筒形状をなし、その内周に設けられた前記弁座体の収容部と、その外周に周方向に連続して設けられた第２のシール部材配置部とを有し、
前記第２のシール部材配置部の前記軸線方向の位置は、前記第１のシール部材配置部の前記軸線方向の位置と重複する又はその重複する位置よりも高圧側にある、請求項５に記載の弁装置。
【請求項７】
前記第２のシール部材が流体圧を受けて圧縮変形したときの当該第２のシール部材の前記軸線方向の高さ範囲と、前記第１のシール部材が流体圧を受けて圧縮変形したときの当該第１のシール部材の前記軸線方向の高さ範囲とが、少なくとも一部重複している、請求項６に記載の弁装置。
【請求項８】
前記ハウジングにおける前記第２のシール部材配置部の前記軸線方向の位置が、前記弁体部における前記第１のシール部材配置部と前記ハウジングにおける高圧側の端部の間にある、請求項６に記載の弁装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−７７９０６（Ｐ２０１２−７７９０６Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８４４７（Ｐ２０１１−１８４４７）
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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