流体制御弁

【課題】耐久性の高い流量制御弁を提供すること。
【解決手段】樹脂性弁部材１４を弁座曲面１６に当接または離間させることにより、蒸気の流れを制御する流体制御弁であって、弁座が上側に凸状である弁座曲面１６を有し、弁体の弁座曲面１６と当接する当接部が、下側から上側に向かって拡大する傾斜面１４ａを有しているので、弁部材１４の弁座曲面１６と当接する当接部が傾斜面１４ａを有している。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流れを制御する流体制御弁の弁座シール構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、蒸気等の高温流体の制御を行う高温流体用流体制御弁で実施されている弁座のシール構造の一例を図７に示す。図示しないパイロット弁に連結され上下方向に摺動可能な弁軸５１の下端に小径部５１ａが形成され、その先にネジ部５１ｂが形成されている。小径部５１ａには、支持円板５２が嵌合されている。支持円板５２の溝には、フッ素樹脂製で下面が平面である弁部材５４がはめ込まれ、押さえ板５７により挟み込まれてナット５６がネジ部５１ｂにネジ締めされることにより固定されている。弁座５４は、弁本体５５に形成されている。
ここで、流体が高温であるので、ゴムの寿命がもたず、弁体にゴムが使用できないため、弁部材５３にフッ素系樹脂を使用している。一方、弁座の形状は、一般的に一定の曲率をもつ円弧形状とされている。
弁部材５３の下面である平面部が、弁座５４に対して当接されることにより、流量制御弁が閉じ、弁部材５３の下面である平面部が、弁座５４に対して離間することにより、流量制御弁が開かれる。
【０００３】
高温流体用の流体制御弁の他の実施例を、図８に示す。概略の構造は図７と同じなので相違する点のみ説明する。フッ素樹脂製の弁部材６０が、弁座と当接する部分に、上側に向かって拡大する傾斜面６０ａを有している。
一方、弁座６２は、上に向かって拡大する傾斜面により構成されている。従って、弁部材６０の傾斜面６２ａが、傾斜面である弁座６２に当接している。
当接しているときの拡大図を図９に示す。弁部材６０の傾斜面６０ａの水平面に対する傾斜角度は、弁座６２の傾斜面の水平面に対する傾斜角度より大きくされている。同じ角度とすると面同士が当接するため、面積当たりの押圧力が減少し、面積当たりのシール力が弱くなって漏れが発生するからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術には次のような問題があった。
（１）高温流体が流れている状態で弁部材に押圧力が加えられるため、フッ素系樹脂製の弁部材が、クリープにより変形する問題があった。図７に記載する弁座シール構造において、クリープによる変形が発生した場合について、図１０により説明する。
図１０は、中心線の左側が当初の状態を示している。また、中心線の右側がクリープにより弁部材５３が弁座５４に対して０．５ｍｍ近づいた状態を示している。当初は、弁部材５３と弁座５４との当接部の直径は、図に示すように４1ｍｍであった。弁部材５３が弁座５４に０．５ｍｍ近づいた状態では、弁部材５３と弁座５４との当接部の直径は、図に示すように４５ｍｍであった。ここで、当接部の直径が増加することにより、弁体が蒸気と接触する面積が増加するため、弁体を下向きに押しつける蒸気の力が増加する。
【０００５】
本流体制御弁では、弁体は下向きにバネで付勢されているが、バネ力の設計値から計算した、弁体が蒸気と接触する限界直径は、４２．６ｍｍである。これを越えると、弁体を下向きに押しつける力が設計値より大きくなりすぎて、ピストンの押し上げる推力に対し、弁体を押し付ける押圧力が増加し、弁開させるためのパイロット圧が設計値から外れてしまう。
すなわち、クリープにより、弁体が弁座５４に０．５ｍｍ近づいただけで、弁体の押圧力が弁を開くためのピストン推力より大きくなり、作動性が悪くなるため、耐久性に欠ける問題があった。当然ピストンを大きくすれば、推力は増すが、弁軸を摺動させるパイロット弁等の大型化が必要となる。
【０００６】
（２）一方、図８に記載する弁座シール構造においては、当初は、弁座６２の一端部が、弁部材６０の傾斜面６０ａに当接している。クリープが発生すると、図１１に示すように、弁座６２の一端部が弁部材６０の傾斜面６０ａに食い込む状態となる。ここで、図中点網線で示す６０ｄの部分は、クリープによる塑性変形部分であり、シール力はほとんどなくなっている。６０ｃの部分が弾性変形部分であり、シール力を担う部分であるが、６０ｃの部分は傾斜面６０ａと弁座６２とが少ししか違わない傾斜角度をもっているため、６０ｃの部分の幅が大きくなり、６０ｃの部分が平面として接触してシールすることとなってしまう。そのため、面圧が低下し、シールの安定性に欠け、漏れが発生する恐れがある。
【０００７】
そこで、本発明ではこのような問題を解決するためになされたものであり、耐久性の高い流体制御弁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】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明の流体制御弁は以下のような特徴を有する。
（１）樹脂性弁体を弁座に当接または離間させることにより、流体の流れを制御する流体制御弁であって、弁座が上側に凸状である曲面を形成し、弁体の弁座曲面と当接する当接部が、下側から上側に向かって拡大する傾斜面を有する。
（２）（１）に記載する流体制御弁において、前記傾斜面の水平面との傾斜角が略３０度であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
上記構成を有する流体制御弁の作用及び効果について説明する。
弁体の弁座曲面と当接する当接部が傾斜面を有しているので、弁座の円弧形状の弁座曲面と当接するのは傾斜面である。当初、傾斜面の円周状の一線において、弁座曲面と当接している。
時間経過と共に、例えば蒸気等の高温流体により樹脂製の弁体が高温状態で押圧されるため、クリープによる塑性変形が発生する。クリープによる変形は塑性変形であり、塑性変形した部分は、シールの機能を果たすことができなくなっている。しかし、弁体の傾斜面には、塑性変形した外側に新たに、弁座曲面と当接する部分ができる。その部分は弾性変形しながら弁座と当接しているので、シール機能を十分果たしている。
【００１０】
クリープの進行により徐々にシール部分が傾斜面の上側に移動する。それに伴ないシール部分の直径が増加する。しかし、例えば３０度の傾斜をもっているので、直径としては、傾斜部での移動距離のｓｉｎ分だけ移動するだけなので、直径としての移動距離を減少させることができる。
これにより、当接部が設計限界を越えるまでの時間を伸ばすことができ、耐久性の高い高温用流量制御弁を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の１実施の形態である流体制御弁について、図面に基づいて説明する。図１に流体制御弁１０の断面図を示す。図１は流体制御弁１０が弁閉状態にあるときを示し、図２は流体制御弁１０が弁開状態にあるときを示している。
金属製の弁ボディ本体１７には、入力ポート２３と出力ポート２４とが形成されている。入力ポート２３と出力ポート２４とは、弁座曲面１６が周囲に形成された弁孔により連通している。弁ボディ本体１７には、弁軸１１を上下方向に摺動可能に保持する一対の弁軸ブラケット２５，２６を介して、中空状のシリンダ２０が取り付けられている。シリンダ２０の中空部には、ピストン１８が上下方向に摺動可能に保持されている。
【００１２】
ピストン１８の中央部には、下側に向かって弁軸１１が取り付けられている。弁軸１１は、一対の弁軸ブラケット２５，２６により、シール部材を介して保持されている。
シリンダ２０の中空部のうち、ピストン１８により分割された下中空部２０ａは、エアポート２２と連通している。シリンダ２０の中空部のうち、ピストン１８により分割された上中空部２０ｂは、空気抜きポート２１と連通している。また、上中空部２０ｂには、ピストン１８を下向きに付勢するための付勢バネ１９が取り付けられている。
【００１３】
図３に拡大図として示すように、弁軸１１の下端に、小径部１１ａが形成され、その先にネジ部１１ｂが形成されている。小径部１１ａには、支持円板１２が嵌合されている。支持円板１２の溝１２ａには、フッ素樹脂等の樹脂製の弁部材１４がはめ込まれ、押さえ板１５により挟み込まれてナット１３がネジ部１１ｂにネジ締めされることにより固定されている。弁部材１４の材質としては、フッ素樹脂の他に、ＰＰＳ樹脂、ＰＥＥＫ樹脂等を用いても良い。
弁部材１４の下面には、水平面と３０度の傾斜角を有する傾斜面１４ａが形成されている。図１に示すように、傾斜面１４ａが弁座曲面１６と当接して流体の流れを遮断する。弁部材１４、支持円板１２、押さえ板１５により、弁体が構成されている。
ここで、流体が高温であるので、ゴムの寿命がもたず、弁体にゴムが使用できないため、弁部材１４にフッ素系樹脂を使用している。一方、弁座曲面１６の形状は、一定の曲率をもつ上向きに凸状の円弧形状としている。
【００１４】
次に、上記構成を有する流体制御弁１０の作用を説明する。制御対象流体である蒸気を遮断するときは、エアポート２２にパイロットエアが供給されない。このとき、ピストン１８は、付勢バネ１９により下向きに付勢されている。そして、弁軸１１と支持円板１２とを介して、弁部材１４の傾斜面１４ａが弁座曲面１６に付勢バネ１９の力で押圧されている。
一方、蒸気を出力ポート２４に流すときは、図示しない電磁弁によりエアポート２２にパイロットエアを供給する。パイロットエアの力により、ピストン１８が上向きに移動して、図２の状態となる。すなわち、弁部材１４が、弁軸11と押さえ板１５を介して上向きに移動され、弁部材１４の傾斜面１４ａが弁座曲面１６から離間して蒸気が、入力ポート２３か出力ポート２４へと流れる。
【００１５】
次に、流体制御弁１０を長期間使用した場合に発生するクリープについて説明する。高温状態で押圧力を繰り返し加えるため、弁部材１４のうち、弁座曲面１６と当接している傾斜面１４ａにクリープが発生する。所定期間使用することにより、クリープが発生して、弁体が弁座曲面に０．５ｍｍ近づいた状態を図４に示す。
図４は、中心線の左側が当初の状態を示している。また、中心線の右側がクリープにより弁部材１４が弁座曲面１６に対して０．５ｍｍ近づいた状態を示している。当初は、弁部材１４と弁座曲面１６との当接部の直径は、図に示すように４０ｍｍであった。弁部材１４が弁座曲面１６に０．５ｍｍ近づいた状態では、弁部材１４と弁座曲面１６との当接部の直径は、図に示すように４１．９ｍｍであった。ここで、当接部の直径が増加することにより、
弁体が蒸気と接触する面積が増加するため、弁体を下向きに押し下げる蒸気の力が増加する。
【００１６】
流体制御弁１０では、弁部材１４は下向きに付勢バネ１９で付勢されているが、バネ力の設計値から計算した、弁部材１４が蒸気と接触する限界直径は、４２．６ｍｍである。これを越えると、弁体を下向きに押し上げる力が設計値より大きくなりすぎて、ピストンの押し上げる推力に対し、弁体を押し付ける押圧力が増加し、弁開させるためのパイロット圧が設計値から外れてしまう。
従来技術である図１０に示す流体制御弁では、クリープにより、弁体が弁座曲面５４に０．５ｍｍ近づいただけで、限界直径４２．６ｍｍを越えてしまうため、弁体の押圧力が弁を開くためのピストン推力より大きくなり、作動性が悪くなるため、耐久性に欠ける問題があった。当然ピストンを大きくすれば、推力は増すが、弁軸を摺動させるパイロット弁等の大型化が必要となる。
それに対して、本発明の流体制御弁１０においては、０．５ｍｍ近づいた場合でも、弁部材１４が蒸気と接触する直径が４１．９ｍｍであり、限界直径４２．６ｍｍ内に収まっているので、弁体の押圧力が弁を開くためのピストン推力より大きくなことがなく、作動性が悪くなることもないため、十分な耐久性を備える。
【００１７】
次に、本流体制御弁１０により耐久性が良くなるメカニズムについて説明する。
図１０に示す従来の流体制御弁のシール構造の場合について、先に図５に基づいて説明する。図５は、クリープが発生して、弁部材５３が弁座曲面５４に対して上下方向で０．５ｍｍ移動したときに、クリープにより塑性変形した部分を点網部５３ｂで示す。弁座曲面５４のうち、当初弁部材５３と当接していた点を５４ａで示す。点網部５３ｂは、クリープにより塑性変形しているため、弾性変形量が少なく、シールとして機能しない。シールとして機能しているのは、点網部５３ｂの右端に接する５３ａの部分である。点網部５３ｂの両側が未だ塑性変形していないので、弾性変形可能であるが、図中左側の部分より５３ａの部分の方が付勢バネの力を強く受けるので、シール力が強く、実際にシール機能を果たすのは５３ａの部分となる。
従って、当初シール部よりＷ１＝２．０ｍｍだけ外側に移動していることとなる。
【００１８】
図４に示す本発明の流体制御弁１０のシール構造について、図６に基づいて説明する。図６は、クリープが発生して、弁部材１４が弁座曲面１６に対して上下方向で０．５ｍｍ移動したときに、クリープにより塑性変形した部分を点網部１４ｄで示す。弁座曲面１６のうち、当初弁部材１４の傾斜面１４ａと当接していた点を１６ａで示す。点網部１４ｄは、クリープにより塑性変形しているため、弾性変形量が少なく、シールとして機能しない。シールとして機能しているのは、点網部１４ｄの右端に接する１４ｃの部分である。点網部１４ｄの両側が未だ塑性変形していないので、弾性変形可能であるが、図中左側の部分より１４ｃの部分の方が付勢バネ１９の力を強く受けるので、シール力が強く、実際にシール機能を果たすのは１４ｃの部分となる。
従って、当初シール部よりＷ２＝０．９５ｍｍだけ外側に移動していることとなる。
このように、上下方向に同じ量だけ移動した場合に、シール機能を発揮する部分１４ｂの移動距離が図５の場合と比較して、半分以下なのは、傾斜面１４ａが弁座曲面１６と当接してシールを形成するため、傾斜面で移動する距離と比較して、水平面での移動距離が短くなるためである。
【００１９】
以上詳細に説明したように、本実施形態の流体制御弁１０によれば、樹脂性弁部材１４を弁座曲面１６に当接または離間させることにより、蒸気の流れを制御する流体制御弁であって、弁座が上側に凸状である弁座曲面１６を有し、弁体の弁座曲面１６と当接する当接部が、下側から上側に向かって拡大する傾斜面１４ａを有しているので、弁部材１４の弁座曲面１６と当接する当接部が傾斜面１４ａを有しているので、弁座の円弧形状の弁座曲面１６と当接するのは傾斜面１４ａである。当初、傾斜面の円周状の一線において、弁座曲面と当接している。時間経過と共に、蒸気により樹脂製の弁部材１４が高温状態で押圧されるため、クリープによる塑性変形が発生する。クリープによる変形は塑性変形であり、塑性変形した部分は、シールの機能を果たすことができなくなっている。しかし、弁体の傾斜面１４ａには、塑性変形した外側に新たに、弁座曲面１６と当接する部分ができる。その部分は弾性変形しながら弁座と当接しているので、シール機能を十分果たしている。
【００２０】
さらに、前記傾斜面の水平面との傾斜角が略３０度であることを特徴とするので、クリープの進行により徐々にシール部分が傾斜面の上側に移動したとき、それに伴ないシール部分の直径が増加するが、直径としては、傾斜部での移動距離のサイン分だけ移動するだけなので、直径としての移動距離を減少させることができる。
これにより、当接部が設計限界を越えるまでの時間を伸ばすことができ、耐久性の高い流量制御弁を提供することができる。
【００２１】
なお、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、色々な応用が可能である。
例えば、実施の形態では、傾斜面の水平に対する角度を３０度としているが、１５度以上４５度以下としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の１実施の形態である流量制御弁１０の構成を示す断面図である。
【図２】流量制御弁１０の弁開状態を示す断面図である。
【図３】流量制御弁１０の弁座曲面１６近傍の拡大図である。
【図４】流量制御弁１０クリープによる変化を示す図である。
【図５】従来の流量制御弁の弁座と弁部材の位置関係を示す図である。
【図６】流量制御弁１０の弁座曲面１６と弁部材１４との位置関係を示す図である。
【図７】従来技術の流量制御弁の弁座近傍の断面図である。
【図８】別の従来技術の流量制御弁の弁座近傍の断面図である。
【図９】図8の弁座近傍の拡大図である。
【図１０】従来の図７に示す流量制御弁のクリープによる変化を示す図である。
【図１１】従来の図８に示す流量制御弁のクリープによる変化を示す図である。
【符号の説明】
【００２３】
１０流量制御弁
１１弁軸
１２支持円板
１４弁部材
１４ａ傾斜面
１６弁座曲面
１９付勢バネ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂性弁体を弁座に当接または離間させることにより、流体の流れを制御する流体制御弁において、
前記弁座が上側に凸状である曲面として形成され、
前記弁体の前記弁座曲面と当接する当接部が、下側から上側に向かって拡大する傾斜面を有することを特徴とする流体制御弁。
【請求項２】
請求項１に記載する流体制御弁において、
前記傾斜面の水平面との傾斜角が略３０度であることを特徴とする流体制御弁。

【図１】