JP2015152075A - ダイアフラム弁構造及び電磁弁 - Google Patents

Abstract

【課題】膜部に発生する応力を軽減し、ダイアフラムの耐久性を向上させることができるダイアフラム弁構造及び電磁弁を提供すること
【解決手段】ダイアフラム弁構造３０において、弁座２ｃに当接又は離間する円柱形状の弁体部４ａと、弁体部４ａから外向きに延設された膜部４ｂと、膜部４ｂの外縁に沿って肉厚に設けられてバルブボディ２とスタフィング７との間で固定される外縁部４ｃを備えるダイアフラム４と、弁体部４ａの反弁座側端面４ｅの中心から突出するように弁体部４ａに一体的に設けられ、弁体部４ａの内部に配置される先端部が弁体部４ａに接着されるものであって、弁体部４ａに駆動力を伝達する軸部材５を有し、弁体部４ａと軸部材５が接触する部分のうち、少なくとも膜部４ｂが弁体部４ａに接続する位置より反弁座側の部分を、非接着にしている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、弁座に対してダイアフラムを当接又は離間させるダイアフラム弁構造及び電磁弁に関する。

従来より、例えば、医療装置では、殺菌や洗浄のために、次亜塩素酸や酢酸などの薬液の制御に電磁弁が使用される。電磁弁は、接液部をメタルフリーにするために、ダイアフラム弁構造を適用する。医療機器は、コンパクト化が進み、流体制御機器等の設置スペースが狭くなっている。よって、電磁弁は、ダイアフラム弁構造を小さくして、小型化することが求められている。

図９は、従来のダイアフラム弁構造１００を示す図である。ダイアフラム弁構造１００は、弁室１０６に設けられた弁座１０１に対して当接又は離間するダイアフラム１０２を有する。ダイアフラム１０２は、耐腐食性があって弾性力のある材料（例えばフッ素ゴム、ＥＴＦＥ（パーフロロエラストマー）等のゴムや、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の樹脂など）で形成されている。ダイアフラム１０２は、弁座１０１に当接又は離間する円柱形状の弁体部１０２ａと、弁体部１０２ａの外周面１０２ｄから外向きに延設された薄い膜部１０２ｂと、膜部１０２ｂの外縁に沿って軸方向に肉厚に設けられた外縁部１０２ｃを備える。

ダイアフラム１０２は、膜部１０２ｂの一部と外縁部１０２ｃがバルブボディ１０３とスタフィング１０４に狭持され、制御流体の外部漏れが防止されている。弁体部１０２ａには、ダイアフラム１０２より剛性のある材料（例えば樹脂、金属等）で形成された軸部材１０５が接着されている。ダイアフラム弁構造１００は、図示しないアクチュエータから軸部材１０５を介してダイアフラム１０２に駆動力を伝達されることにより、ダイアフラム１０２を弁座１０１に当接又は離間させ、流体を制御する（例えば特許文献１参照）。

特開２０００−１９３１０５号公報

しかしながら、従来のダイアフラム弁構造１００は、材質が異なる弁体部１０２ａと軸部材１０５が弁開閉動作中に分離することを防ぐために、弁体部１０２ａと軸部材１０５の接触部分が全て接着されていた。そのため、弁体部１０２ａは、弁開閉動作時に変形せずに、膜部１０２ｂを引っ張っていた。膜部１０２ｂに生じる引張応力は、ストロークが大きくなるにつれて、強くなっていた。よって、従来のダイアフラム弁構造１００では、弁開閉動作時に膜部１０２ｂに発生する応力の変動が大きい上に、ストロークが大きくなると、膜部１０２ｂが弁体部１０２ａに接続する部分Ｐ１１に応力が集中するので、膜部１０２ｂが劣化しやすかった。

特に、医療用装置に適用される電磁弁は、上述したように小型化が進んでいる。この種の電磁弁にダイアフラム弁構造１００を適用した場合、最大外径寸法の小さい（例えば５ｍｍ程度）ダイアフラム１０２が使用される。そして、小型の電磁弁では、弁室１０６が小さく、弁室１０６の内周面１０６ａと弁体部１０２ａの外周面１０２ｄとの間隔が狭いため、膜部１０２ｂがフラットな形状のダイアフラム１０２が使用される。そのため、膜部１０２ｂは、径方向の膜長Ｌ２０２（弁体部１０２ａに接続する部分から外縁部１０２ｃに接続する部分までの距離）が短い（例えば３ｍｍ程度）。膜長Ｌ２０２の短い膜部１０２ｂにより使用ストローク（例えば−１．１０ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下）を確保しようとすると、弁体部１０２ａが膜部１０２ｂを引っ張る力が強くならざるを得ない。よって、小型の電磁弁では、膜部１０２ｂの劣化が顕著になる。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、膜部に発生する応力を軽減し、ダイアフラムの耐久性を向上させることができるダイアフラム弁構造及び電磁弁を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、次のような構成を有している。
（１）弁座を備えるバルブボディと、前記弁座に対して当接又は離間するダイアフラムと、前記バルブボディとの間で前記ダイアフラムを固定するスタフィングとを備えるダイアフラム弁構造において、前記ダイアフラムが、前記弁座に当接又は離間する円柱形状の弁体部と、前記弁体部から外向きに延設された膜部と、前記膜部の外縁に沿って肉厚に設けられて前記バルブボディと前記スタフィングとの間で固定される外縁部を備えること、前記弁体部の反弁座側端面の中心から突出するように前記弁体部に一体的に設けられ、前記弁体部の内部に配置される先端部が前記弁体部に接着されるものであって、前記弁体部に駆動力を伝達する軸部材を有すること、前記弁体部と前記軸部材が接触する部分のうち、少なくとも前記膜部が前記弁体部に接続する位置より反弁座側の部分が、非接着であることを特徴とする。

（２）（１）に記載の構成において、好ましくは、前記弁体部が、前記膜部の受圧面が接続する位置にくびれ部を有する。

（３）（１）又は（２）に記載の構成において、好ましくは、前記バルブボディは、前記弁体部を収納する弁体収納室と、前記弁体収納室より外側に設けられて前記外縁部を収納する環状溝と、前記弁体収納室と前記環状溝との間に配置される環状凸部を有し、前記スタフィングと前記環状凸部との間隔が前記膜部の膜厚より大きい。

（４）第１ポートと第２ポートが弁座を介して連通するバルブボディと、前記弁座に対して当接又は離間するダイアフラムと、前記バルブボディとの間で前記ダイアフラムを固定するスタフィングと、コイルへの通電量に応じて駆動力を発生し、前記ダイアフラムに伝達するソレノイドを備える電磁弁において、前記ダイアフラムが、前記弁座に当接又は離間する円柱形状の弁体部と、前記弁体部から外向きに延設された膜部と、前記膜部の外縁に沿って肉厚に設けられて前記バルブボディと前記スタフィングとの間で固定される外縁部を備えること、前記弁体部の反弁座側端面の中心から突出するように前記弁体部に一体的に設けられ、前記弁体部の内部に配置される先端部が前記弁体部に接着されるものであって、前記ソレノイドが発生した駆動力を前記弁体部に伝達する軸部材を有すること、前記弁体部と前記軸部材が接触する部分のうち、少なくとも前記膜部が前記弁体部に接続する位置より反弁座側の部分が、非接着であることを特徴とする。

上記構成のダイアフラム弁構造は、ダイアフラムが、バルブボディとスタフィングとの間で外縁部を固定される一方、駆動力を付与される軸部材の先端部に弁体部を接着されることにより、バルブボディとスタフィングとの間を膜部で気密に仕切っている。ダイアフラム弁構造は、膜部を変形させながら弁体部を弁座に当接又は離間させることにより、流体制御を行う。

ここで、ダイアフラム弁構造は、弁体部と軸部材が接触する部分のうち、少なくとも膜部が弁体部に接続する位置より反弁座側の部分が、非接着にされている。そのため、ダイアフラムは、弁体部が、反弁座側へ移動するに従って軸部材に対して非接着の部分を軸部材から離れる方向に広げるように変形する。換言すると、弁体部の反弁座側端面近傍があたかも膜部の一部であるかのように変形する。そのため、膜部の引張応力が緩和される。従って、上記構成のダイアフラム弁構造によれば、ダイアフラムの膜部に発生する応力を軽減し、ダイアフラムの耐久性を向上させることができる。

ところで、ダイアフラムの受圧径が大きくなると、ダイアフラムに駆動力を付与するアクチュエータが大型化する。ダイアフラムの受圧径を小さくするには、弁体部を収納する弁室を小さくすることが考えられる。弁室を小さくしすぎると、膜部の膜長（膜部の弁体部に接続する内径位置から外縁部に接続する外縁部接続位置までの長さ）が短くなり、膜部に発生する応力が過大になる。

膜部の膜長を確保しつつ、弁室を小さくした場合、膜部の一部がバルブボディとスタフィングの間に配置され、弁開時における膜部の変形がスタフィングにより制限される。この場合、膜部は、可動膜長（内径位置からスタフィングに接触して変形を制限される制限位置までの長さ）が短くなり、ストロークを確保し難くなる。よって、弁室を小さくすることでダイアフラムの受圧径を小さくすることには、限界がある。

これに対して、上記構成のダイアフラム弁構造によれば、弁体部が膜部に接続する部分にくびれ部を有し、膜部の弁体部に接続する内径位置が軸線方向にずらされているので、弁室の大きさを変えなくても、膜部の膜長及び可動膜長が長くなる。また、周知のように、ダイアフラムは、弁体部が中央に配置されているため、可動膜長の内径寸法（内径位置の直径）と外径寸法（制限位置の直径）を加算して２で割ることにより受圧径を算出できる。上記構成のダイアフラム弁構造は、くびれ部により、膜部の内径位置が軸線方向にずらされているので、膜部の内径位置の直径が小さくなり、上記ダイアフラムの受圧径の算出方法により算出される受圧径が小さくなる。

従って、上記構成のダイアフラム弁構造によれば、弁体部にくびれ部を設けることにより、膜長及び可動膜長を長くして膜部に発生する応力を軽減し、ダイアフラムの受圧径を小さくできる。

上記構成のダイアフラム弁構造によれば、バルブボディが、ダイアフラムの弁体部を収納する弁体収納室と、弁体収納室より外側に設けられてダイアフラムの外縁部を収納する環状溝と、弁室と環状溝との間に配置される環状凸部を有し、スタフィングと環状凸部との間隔が膜部の膜厚より大きいので、バルブボディとスタフィングとの間でダイアフラムを固定した場合に、膜部がバルブボディとスタフィングとの間で押し潰されない。そのため、膜部は、弁開閉動作時に、外縁部に接続する外縁部接続位置から内径位置までを全体的に変形させる。従って、上記構成のダイアフラム弁構造によれば、弁開閉動作時に膜部全体に応力を分散させ、ダイアフラムの耐久性を向上させることができる。

上記構成の電磁弁は、上述したダイアフラム弁構造と同様に構成されているので、上記ダイアフラム弁構造と同様に膜部に作用する応力を軽減させてダイアフラムの耐久性を向上させることができる。特に、例えば医療装置に用いられる小型の電磁弁では、ダイアフラムの最大外径寸法が小さいが、上記のように、弁体部を変形させて膜部に生じる引張応力を軽減させたり、可動膜長を長くして使用ストロークを確保したり、膜部を押し潰さないことで膜部全体に応力を分散させるようにできれば、小さいダイアフラムでも膜部に生じる応力を軽減させつつ使用ストロークを確保できる。また、受圧径が小さくなることで、ダイアフラムに作用する流体圧が小さくなるので、ソレノイドを小さくして電磁弁のコンパクト化を推進できる。

本発明の実施形態に係る電磁弁の断面図である。 図１に示すダイアフラム弁構造の主要部を示す図であって、弁閉状態を示す。 図２の全開状態を示す。 コンボリューション付きダイアフラムの一般的な受圧径算出方法を説明する図である。 コンボリューション付きダイアフラムの受圧径とストロークとの関係を示す概念図である。 弁閉する瞬間における膜部形状のシミュレーション結果を示す図である。 応力解析結果を示す図であって、縦軸に応力値の大小を示し、横軸にストロークの大小を示す。図中◆は、実施例の膜部に発生する最大応力値とストロークとの関係を示し、図中■は、比較例の膜部に発生する最大応力値とストロークとの関係を示す。 応力解析結果を示す図であって、縦軸に張力の大小を示し、横軸にストロークの大小を示す。図中◆は、実施例の膜部に発生する最大張力とストロークとの関係を示し、図中■は、比較例の膜部に発生する最大張力とストロークとの関係を示す。 従来のダイアフラム弁の弁構造を示す図である。

以下に、本発明に係るダイアフラム弁構造の実施形態について図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る電磁弁１の断面図である。図２は、図１に示すダイアフラム弁構造３０の主要部を示す図であって、弁閉状態を示す。図３は、図２の全開状態を示す。図４は、コンボリューション付きダイアフラムの一般的な受圧径算出方法を説明する図である。図５は、コンボリューション付きダイアフラムの受圧径とストロークとの関係を示す概念図である。図６は、弁閉する瞬間における膜部形状のシミュレーション結果を示す図である。図７は、応力解析結果を示す図であって、縦軸に応力値の大小を示し、横軸にストロークの大小を示す。図中◆は、実施例の膜部４ｂに発生する最大応力値とストロークとの関係を示し、図中■は、比較例の膜部１０２ｂに発生する最大応力値とストロークとの関係を示す。図８は、応力解析結果を示す図であって、縦軸に張力の大小を示し、横軸にストロークの大小を示す。図中◆は、実施例の膜部４ｂに発生する最大張力とストロークとの関係を示し、図中■は、比較例の膜部１０２ｂに発生する最大張力とストロークとの関係を示す。

以下の説明では、先ず、図１を参照して本実施形態のダイアフラム弁構造３０を適用した電磁弁１の概略構成を説明した後、図２及び図３を用いてダイアフラム弁構造３０の主要部の構成を説明し、その後、図１〜図３を用いて電磁弁１とダイアフラム弁構造３０の作用効果を説明する。それから、図４〜図６を用いて受圧径の考え方を説明した後、図７及び図８を用いて実施例と比較例の応力比較結果を説明する。

電磁弁１は、例えば、医療機器に用いられ、次亜塩素酸や酢酸等の薬液を制御する。電磁弁１は、バルブボディ２にスタフィング７を介してソレノイド１０が取り付けられている。カバー２０は、非磁性材で形成され、ソレノイド１０とスタフィング７を覆うように取り付けられている。電磁弁１は、ソレノイド１０から軸部材５に付与した駆動力によりダイアフラム４を弁座２ｃに当接又は離間させることで、流体を制御する。電磁弁１は、ダイアフラム４の応力を軽減させるためのダイアフラム弁構造３０を備えている。

バルブボディ２とスタフィング７は、フッ素樹脂等の耐腐食性のある材料で形成されている。バルブボディ２は、第１ポート２ａと第２ポート２ｂが弁座２ｃを介して連通している。ダイアフラム４は、耐腐食性と弾性力のあるゴムや樹脂等を材質とし、バルブボディ２とスタフィング７との間で固定されている。

電磁弁１を小型にするため、ダイアフラム４には、最大外径寸法が小さいもの（例えば最大外径寸法５ｍｍ）が使用されている。そのため、ダイアフラム４をソレノイド１０に直接連結できない。そこで、ダイアフラム４は、金属や硬い樹脂を材質とする軸部材５がインサート成形等で一体に設けられ、ダイアフラム組立３を構成している。

ソレノイド１０は、中空孔１２ａを備えるコイルボビン１２にコイル１１を巻回されている。ソレノイド１０は、中空孔１２ａの上端開口部に固定鉄心１３が固定され、中空孔１２ａの下端開口部から可動鉄心１４が摺動可能に装填されている。コイル１１は、磁性カバー１５と磁性プレート１６で周囲を覆われ、固定鉄心１３が可動鉄心１４を吸引するための磁路が形成されやすくなっている。

可動鉄心１４は、磁性プレート１６に貫き通され、先端部がスタフィング７側に突出している。可動鉄心１４と磁性プレート１６との間には、磁性部材１７が配設され、磁性プレート１６から可動鉄心１４の下端部に磁路が形成されるようになっている。可動鉄心１４の下端には、フランジ部１４ｃが設けられている。第１圧縮ばね（第１付勢部材）１８は、フランジ部１４ｃと磁性部材１７との間に縮設され、可動鉄心１４を弁座方向に常時付勢している。

可動鉄心１４の下端部と第１圧縮ばね１８は、スタフィング７のソレノイド側端面７ｄに開設された開口部７ａに変位可能に収められている。スタフィング７は、開口部７ａと同軸上に設けられた挿通孔７ｃに軸部材５が貫き通されている。開口部７ａの底壁は、挿通孔７ｃの開口部分にボス部７ｂが設けられ、軸部材５が軸線に沿って安定して往復直線運動できるようにボス部７ｂにガイドされている。

軸部材５は、ダイアフラム４を弁座２ｃに当接させた状態で、上端部がスタフィング７のソレノイド側端面７ｄから上方に突出している。第２圧縮ばね（第２付勢部材）９は、ボス部７ｂの端面に設けられたばね受け段差部７ｅ（図２参照）に突き当てるようにして軸部材５に挿通され、軸部材５に止め輪８を取り付けることにより、止め輪８とばね受け段差部７ｅとの間に縮設される。そのため、軸部材５は、第２圧縮ばね９により反弁座方向に常時付勢されている。ここで、軸部材５は、弁閉時にソレノイド側端面７ｄから突出する部分の外周面に止め輪８を取り付けられるため、バルブボディ２、ダイアフラム組立３、スタフィング７の順に組み上げる場合に、第２圧縮ばね９を軸部材５に装着しやすい。

可動鉄心１４は、弁座側端面に収納孔部１４ａが開設されている。軸部材５の先端部と第２圧縮ばね９は、収納孔部１４ａの内部に配設されている。第２圧縮ばね９のばね力は第１圧縮ばね１８のばね力より小さい。そのため、コイル１１に非通電の場合、第１圧縮ばね１８が第２圧縮ばね９に抗して可動鉄心１４を押し下げ、収納孔部１４ａの底面１４ｂで軸部材５を弁座方向に押してダイアフラム４を弁座２ｃに当接させている。このように弁閉時に第２圧縮ばね９が圧縮されているので、コイル１１に通電されると、第２圧縮ばね９が可動鉄心１４の上昇に伴って伸張し、軸部材５を収納孔部１４ａの底面１４ｂに押し当て続ける。つまり、電磁弁１は、軸部材５と可動鉄心１４が常時隙間無く接触するように組み立てられている。

このため、電磁弁１は、可動鉄心１４とスタフィング７と軸部材５とダイアフラム４が隙間無く組み立てられ、ソレノイド１０の駆動力に応じてダイアフラム４が弁座２ｃに応答性良く当接又は離間する。よって、電磁弁１は、部品間に生じるがたつきをを考慮してソレノイド１０を使用ストロークに必要なサイズより大きなものを選択する必要がなくなり、ソレノイド１０をコンパクトにして全体サイズのコンパクト化を図ることが可能である。

尚、収納孔部１４ａは、内周面がボス部７ｂの外周面に摺接するように、ボス部７ｂに嵌め合わせられている。そのため、可動鉄心１４は、第１及び第２圧縮ばね１８，９のばね力が強く作用する下端部をボス部７ｂに支持され、磁性部材１７に接触せずに軸方向へ安定して移動できる。

続いて、図２に示すダイアフラム弁構造３０の主要部について説明する。

ダイアフラム４は、耐腐食性と弾性力のあるゴムや樹脂等を材質とする。ダイアフラム４は、弁座２ｃに当接又は離間する弁体部４ａと、弁体部４ａから外向きに延設された薄い膜部４ｂと、膜部４ｂの外縁に沿って軸線方向に肉厚に設けられてバルブボディ２とスタフィング７との間で固定される外縁部４ｃを備える。弁体部４ａは、略円柱形状をなす。膜部４ｂは、弁体部４ａの外周に沿って径方向に同一の膜厚で設けられ、リング状に形成されている。膜部４ｂは、製造時には、軸線方向に対して直交するように弁体部４ａから延設され、フラットな形状に形成されている。外縁部４ｃは、バルブボディ２とスタフィング７との間で押し潰されることにより流体漏れを防止する為に、膜部４ｂの膜厚より厚く設けられている。

バルブボディ２は、弁体部４ａを収納する弁体収納室２ｄと、弁体収納室２ｄより外側に設けられて外縁部４ｃを収納する環状溝２ｅと、弁体収納室２ｄと環状溝２ｅとの間に配置される環状凸部２ｆを有する。ダイアフラム弁構造３０は、ダイアフラム４が外縁部４ｃを環状溝２ｅに装着するようにバルブボディ２に載置され、バルブボディ２の嵌合凹部２ｇにスタフィング７に突設した嵌合凸部７ｆをきっちり嵌め合わせてバルブボディ２とスタフィング７を固定することにより、嵌合凹部２ｇの底壁と嵌合凸部７ｆの下端面との間で外縁部４ｃを軸方向に押し潰して固定する。これにより、膜部４ｂは、バルブボディ２の弁体収納室２ｄとスタフィング７の背圧室形成凹部７ｇとの間を気密に仕切り、弁室２１から背圧室２２へ制御流体が漏れることを防ぐ。

軸部材５は、弁体部４ａの反弁座側端面４ｅの中心から突出するように弁体部４ａに一体に設けられている。軸部材５は、第１及び第２圧縮ばね１８，９周辺の連結構造をコンパクトにするために、弁体部４ａと弁座２ｃとのシール径より細く形成されている。

軸部材５は、弁体部４ａとの接触面積を増やして弁体部４ａの位置ズレを防ぐために、先端部外周面に沿って形成した凹溝５ａに弁体部４ａの肉が入り込んでいる。そして、軸部材５は、シール力が弁座２ｃの周方向に均一になるように、凹溝５ａより先端の部分に大径部５ｂがシール面より大径に設けられている。

弁体部４ａは、背圧室２２の容積を小さくするために、膜部４ｂに接続する部分より反弁座側の部分が小径にされて、小径部４ｄが設けられている。小径部４ｄは、軸部材５とほぼ同径にされ、駆動力が軸部材５から弁体部４ａに効率よく伝達されるようになっている。

弁体部４ａには、軸部材５の先端部が接着されている。接着は、弁開閉動作時に軸部材５と弁体部４ａを常時接触させ、弁体部４ａを応答性良く動作させる目的でなされる。この目的が達成されるならば、軸部材５と弁体部４ａが接触する部分を全て接着する必要はない。一方、ダイアフラム４は、弁開動作時に、弁体部４ａが膜部４ｂに引っ張られて変形すれば、膜部４ｂに発生する引張応力を緩和できる。

よって、ダイアフラム４は、弁体部４ａと軸部材５が接触する部分のうち、少なくとも、膜部４ｂが弁体部４ａに接続する位置より反弁座側の部分を非接着にすることが好ましく、更には、少なくとも、膜部４ｂの受圧面４ｆが弁体部４ａに接続する位置より反弁座側の部分を非接着にすることが好ましい。換言すれば、ダイアフラム４は、弁体部４ａと軸部材５が接触する部分のうち、膜部４ｂが弁体部４ａに接続する部分より弁座側の部分の何れかを接着することが好ましく、更には、膜部４ｂの受圧面４ｆが弁体部４ａに接続する位置より弁座側の部分の何れかを接着することが好ましい。

本実施形態では、弁体部４ａと軸部材５が接触する部分のうち、大径部５ｂの弁座側端面５ｃが弁体部４ａに接触する部分のみを接着している。そのため、弁体部４ａは、軸部材５の先端部外周面（凹溝５ａの内壁と大径部５ｂの外周面）に接触する部分が非接着である。

弁体部４ａは、膜部４ｂの受圧面４ｆが接続する位置にくびれ部４ｇを有する。弁体部４ａは、くびれ部４ｇを形成された部分の肉厚が小径部４ｄの肉厚と同程度になるように、くびれ部４ｇが細くされている。これは、弁開閉動作時に、膜部４ｂの受圧面４ｆと背圧面４ｈが弁体部４ａに接続する部分に発生する応力を分散させ、弁体部４ａを滑らかに変形させるためである。

ダイアフラム弁構造３０は、電磁弁１をサイズダウンするために、弁体収納室２ｄと背圧室形成凹部７ｇの内周面を膜部４ｂ上に配置し、弁室２１と背圧室２２の容積を小さくしている。環状凸部２ｆは、径方向に同一幅を有するリング形状に設けられている。環状凸部２ｆは、嵌合凸部７ｆとの間に隙間Ｓ１を形成するように、環状溝２ｅの底壁よりも高く突設されている。

隙間Ｓ１の間隔が膜部４ｂの膜厚より小さいと、膜部４ｂが、環状凸部２ｆと嵌合凸部７ｆとの間で押し潰されてしまう。この場合、膜部４ｂは、弁開閉動作時に、押し潰された部分が変形できず、弁室２１内に配置される部分のみを変形させるため、応力が大きくなって劣化しやすくなる。よって、環状凸部２ｆと嵌合凸部７ｆとの間の隙間Ｓ１の間隔は、膜部４ｂの膜厚より大きいことが好ましい。しかし、隙間Ｓ１が大きすぎると、弁開閉動作時に膜部４ｂが流体圧により変形し、受圧径が大きくなる。受圧径が大きいほど、ソレノイド１０を大きくする必要があるため、電磁弁１をコンパクト化する上で問題である。そこで、環状凸部２ｆと嵌合凸部７ｆとの間の隙間Ｓ１の間隔は、膜部４ｂが反弁座側に凸状に湾曲することを防ぎつつ、膜部４ｂが弁体部４ａと外縁部４ｃとの間で伸縮することを許容する程度にすることが好ましい。

続いて、電磁弁１及びダイアフラム弁構造３０の作用効果について説明する。

図１に示すように、電磁弁１は、ソレノイド１０に非通電のときは、第１及び第２圧縮ばね１８，９の差圧により軸部材５を介して弁体部４ａを弁座２ｃに当接させ、第１ポート２ａから第２ポート２ｂへ流体を流さない。

この弁閉時において、ダイアフラム弁構造３０は、図２に示すように、膜部４ｂが隙間Ｓ１内で環状凸部２ｆに面接触するように若干傾斜する。膜部４ｂは、くびれ部４ｇを弁体部４ａに設けたことにより、内径位置が軸線方向にずらされ、くびれ部４ｇを設けない場合よりも変形可能な可動領域が広げられている。よって、ダイアフラム４は、膜部４ｂに皺を寄せることなく、弁体部４ａを弁座２ｃに当接させることができる。

電磁弁１は、ソレノイド１０に通電されると、第１圧縮ばね１８に抗して固定鉄心１３が可動鉄心１４を吸引する。このとき、第２圧縮ばね９が伸張して軸部材５を反弁座側へ押し上げる。これにより、軸部材５が弁体部４ａを弁座２ｃから離間させ、第１ポート２ａから第２ポート２ｂへ流体が流れる。

この弁開動作では、ダイアフラム弁構造３０は、ダイアフラム４の変形に特徴がある。すなわち、弁体部４ａが弁閉状態から上昇し始めると、膜部４ｂは、弁体部４ａに接続する内径位置から外縁部４ｃに接続する外縁部接続位置までの膜長Ｌ２の全域を伸縮させながら、環状凸部２ｆに面接触する姿勢から、嵌合凸部７ｆに面接触する姿勢になる。

その後、更に弁体部４ａが上昇すると、膜部４ｂは、図３に示すように、背圧室形成凹部７ｇの内壁と嵌合凸部７ｆの弁座側端面との間の角部７ｈで折り曲げられるようにして変形する。つまり、膜部４ｂは、角部７ｈに接触する部分より外側の部分が嵌合凸部７ｆの下端面に押し当てられて変形できなくなり、角部７ｈに接触する部分より内側の部分のみが反弁座側に変形させる（以下、膜部４ｂが角部７ｈに接触する位置を制限位置という。）。

このように、膜部４ｂは、角部７ｈに接触する前までは、内径位置から外縁部接続位置までを反弁座方向に変形させることができるが、角部７ｈに接触した後は、内径位置から制限位置までしか反弁座方向に変形させることができなくなる。つまり、膜部４ｂは、角部７ｈに接触した後の可動領域が角部７ｈに接触する前の可動領域より狭くなる。可動領域が狭くなると、弁体部４ａが膜部４ｂを強く引っ張ろうとする。

しかし、ダイアフラム４は、軸部材５と弁体部４ａとの接触部分のうち、軸部材５の弁座側端面５ｃが弁体部４ａに接触する部分のみが接着され、その他の部分を接着されていない。そのため、弁体部４ａは、膜部４ｂが角部７ｈに接触した後、図中二点鎖線に示すように、軸部材５から離れる方向に広がって変形し始める。よって、ダイアフラム４は、弁体部４ａが、あたかも膜部４ｂの一部であるかのように変形し、膜部４ｂに発生する引張応力が緩和される。

このとき、弁体部４ａは、膜部４ｂに接続する部分の弁座側と反弁座側がほぼ同じ肉厚を有するように、小径部４ｄとくびれ部４ｇが設けられている。そのため、膜部４ｂに引っ張られた場合に、弁体部４ａの上端部が滑らかに変形する。よって、ダイアフラム４は、弁開閉動作時に弁体部４ａを変形させても、弁開閉動作を阻害しない。

ところで、ダイアフラムの受圧径が大きくなると、ダイアフラムに駆動力を付与するアクチュエータが大型化する。ダイアフラムの受圧径を小さくするには、例えば図９に示すように、弁体部１０２ａを収納する弁室１０６を小さくすることが考えられる。弁室１０６を小さくしすぎると、膜部１０２ｂの膜長Ｌ２０２（膜部の弁体部に接続する内径位置から外縁部に接続する外縁部接続位置までの長さ）が短くなり、膜部１０２ｂに発生する応力が過大になる。

膜部１０２ｂの膜長を確保しつつ、弁室１０６を小さくした場合、膜部１０２ｂの一部がバルブボディ１０３とスタフィング１０４の間に配置され、弁開時における膜部１０２ｂの変形がスタフィング１０４により制限される。この場合、膜部１０２ｂは、可動膜長Ｌ２０１（内径位置からスタフィングに接触して変形を制限される制限位置までの長さ）が短くなり、ストロークを確保し難くなる。よって、弁室１０６を小さくすることでダイアフラム１０２の受圧径を小さくすることには、限界がある。

これに対して、図２に示すように、ダイアフラム弁構造３０では、弁体部４ａにくびれ部４ｇが設けられ、膜部４ｂが弁体部４ａに接続する位置が、くびれ部４ｇを設けない場合より、軸線方向にずらされている。そのため、膜部４ｂは、くびれ部４ｇを設けない場合と比べ、内径位置から制限位置までの長さ（可動膜長）Ｌ１が長くなっている。可動膜長Ｌ１が長いほど、長いストロークを確保できる。つまり、同一の使用ストロークであれば、可動膜長Ｌ１が長いほど、膜部４ｂに生じる引張応力を軽減させることが可能になる。よって、ダイアフラム４は、くびれ部４ｇを有しないものと比べ、膜部４ｂの引張応力を軽減させることができる。

可動膜長Ｌ１が長くなると、受圧径が大きくなると考えられる。しかし、後述するように、本実施形態のダイアフラム弁構造３０は、可動膜長Ｌ１を長くつつ、受圧径が小さくできるので、可動膜長Ｌ１を長くしても、ソレノイド１０を大型化する必要がない。

ところで、図９に示すダイアフラム弁構造１００のように、膜部１０２ｂの一部をバルブボディ１０３とスタフィング１０４の間で押し潰した場合、膜部１０２ｂは、その押し潰された部分を伸縮させることができない。そのため、膜部１０２ｂは、可動膜長Ｌ２０１に対応する領域のみを変形させて弁開閉動作を行うので、ストロークが大きいほど、弁体部１０２ａに接続する部分やスタフィング１０４に変形を制限される部分に応力が集中しやすい。

これに対して、図２及び図３に示すダイアフラム弁構造３０では、膜部４ｂは、角部７ｈに接触して変形を制限される制限位置より外側の部分が、環状凸部２ｆと嵌合凸部７ｆとの間で押し潰されず、伸縮を許容されている。そのため、膜部４ｂは、ストロークが大きくなるにつれて、制限位置より外側の部分が引き伸ばされる。よって、ダイアフラム弁構造３０は、ストロークが大きくなっても、膜部４ｂ全体に応力が分散され、ダイアフラム４の耐久性を向上させることができる。

ソレノイド１０への通電が停止すると、第１及び第２圧縮ばね１８，９の差圧により可動鉄心１４が下降する。可動鉄心１４は、軸部材５を押し下げ、弁体部４ａを弁座２ｃに当接させる。これにより、第１ポート２ａから第２ポート２ｂへ流体が流れなくなる。

弁閉動作開始時には、ダイアフラム弁構造３０は、図３の実線に示すように、弁体部４ａが弾性力により軸部材５側へ向かって変形する。また、膜部４ｂは、制限位置より内側の部分を弁座側へ変形させながら、制限位置より外側の部分を縮める。膜部４ｂは、角部７ｈから離れると、膜長Ｌ２の全域を変形させる。そして、膜部４ｂは、図２に示すように、環状凸部２ｆに面接触して斜めに傾斜した姿勢となり、ダイアフラム４が弁閉状態になる。

ここで、弁開動作時、弁閉動作時、弁閉する瞬間には、流体圧が膜部４ｂに作用する。膜部４ｂは、バルブボディ２とスタフィング７に押し潰されず、制限位置より外側の部分を常時伸縮させることができる状態になっている。また、膜部４ｂは、弁体部４ａにくびれ部４ｇを設けたことにより、内径位置から制限位置までの可動膜長Ｌ１が長くされている。よって、ダイアフラム弁構造３０は、流体圧が膜部４ｂに作用する間、膜部４ｂの内径位置から制限位置までの可動領域を反弁座側に向かって凸状に湾曲させ、膜部４ｂがコンボリューションを付けたような形状になる。この点からも、膜部４ｂは、可動膜長Ｌ１が長くなり、弁開閉動作時に発生する応力が軽減する。

次に、ダイアフラム４の受圧径について考察する。結論から言うと、ダイアフラム４は、図４に示すコンボリューション付きダイアフラム５１の有効径Ｄｆと同様に受圧径と機能を考えることができる。

図４に示すコンボリューション付きダイアフラム５１では、コンボリューション５３の外側の直径Ｄｃと、コンボリューションの内側の直径Ｄｐを加算し、その加算した値を２で割ることにより、有効径Ｄｆが算出される［Ｄｆ＝（Ｄｃ＋Ｄｆ）／２］。

図５に示すように、コンボリューション付きダイアフラム５１は、全閉位置ＳＡの有効径ＤｆＡ、中間位置ＳＣの有効径ＤｆＣ、全開位置ＳＢの有効径ＤｆＢに示すように、ストロークが大きくなるほど、有効径が小さくなるという特徴がある。

発明者らは、本実施形態のダイアフラム４について、ストロークと受圧径との関係を調べる解析を行った。

この解析の結果、ダイアフラム４は、ストロークが大きくなるほど、受圧径Ｄｆ１が小さくなることが分かった。これは、図５に示すコンボリューション付きダイアフラム５１の有効径Ｄｆと同じ特徴である。

発明者らは、流体圧が作用した場合の膜部４ｂの形状を解析した。その結果、膜部４ｂは、弁閉する瞬間、流体圧が作用すると、図６に示すように、弁体部４ａに接続する内径位置から角部７ｈに接触する制限位置までの可動領域が、反弁座側に向かって凸状に湾曲し、変形することが分かった。この他、弁開動作時に流体圧が作用する膜部４ｂの形状についても、弁閉する瞬間の膜部４ｂと同様に変形する解析結果が得られた。

よって、ダイアフラム４は、流体圧が作用する間、膜部４ｂが、内径位置と制限位置との間が反弁座側に凸状に湾曲し、コンボリューションを設けた形状となっている。この場合、図２に示す内径位置の直径Ｄｐ１が、図４に示すコンボリューション付きダイアフラム５１のコンボリューション５２の内径寸法Ｄｐに該当し、図２に示す制限位置の直径Ｄｃ１が、図４に示すコンボリューション付きダイアフラム５１のコンボリューション５２の外径寸法Ｄｃに該当すると考えられる。

そこで、ストロークと受圧径との関係を調べる解析で仮定したダイアフラムの条件をコンボリューション付きダイアフラムの有効径算出式に適用すると、算出された受圧径Ｄｐ１がストローク０ｍｍのとき（弁閉状態）の解析結果で得られた受圧径と同程度であった。よって、ダイアフラム４の受圧径は、コンボリューション付きダイアフラム５１と同様に考えられ、コンボリューション付きダイアフラム５１の有効径算出式により求めることができる。

以上の通り、ダイアフラム４は、くびれ部４ｇを弁体部４ａに設けて、膜部４ｂの可動膜長Ｌ１を長くしても、コンボリューション付きダイアフラム５１の有効径算出式によれば、内径寸法Ｄｐ（内径位置の直径Ｄｐ１）が小さくなるので、受圧径を小さくできる。

続いて、図２に示すダイアフラム弁構造３０と、図９に示すダイアフラム弁構造１００に発生する応力について説明する。

ここでは、ダイアフラム弁構造３０と同様の構成を有する実施例と、ダイアフラム弁構造１００と同様の構成を有する比較例について、応力を解析した。実施例と比較例は、下記第１〜第３相違点を除いて、同一形状にされている。

第一相違点は、実施例が軸部材５と弁体部４ａの接触部分を部分的に接着するのに対して、比較例が軸部材１０５と弁体部１０２ａの接触部分全体を接着する点である。第二相違点は、実施例がくびれ部４ｇを有するのに対して、比較例はくびれ部を有しない点である。第三相違点は、実施例が膜部４ｂを押し潰さない状態でダイアフラム４を固定するのに対して、比較例が膜部１０２ｂを押し潰した状態でダイアフラム１０２を固定する点である。

応力解析は、流体圧を加えた状態で、実施例と比較例をそれぞれ最小ストローク位置から最高ストローク位置まで動作させた場合に、膜部４ｂ、１０２ｂに加わる最大応力値と最大引張応力値を調べた。

図７に示すように、実施例の膜部４ｂに加わる最大応力値は、使用ストローク範囲を含め、比較例の膜部１０２ｂに加わる最大応力値より小さくなることが分かった。

また、図８に示すように、実施例の膜部４ｂに加わる最大引張応力値は、使用ストローク範囲のほぼ全領域で比較例より小さくなる。特に、実施例と比較例の最大引張応力値の差は、ストロークが大きくなるほど顕著になる。

そして、使用ストローク範囲では、実施例は、最大引張応力値の変化率が緩やかであり、しかも、膜部４ｂに皺を寄せることなく使用できる。これに対して、比較例は、使用ストローク範囲において、最大引張応力値の変化率が大きく、使用ストロークの最小ストローク付近で膜部１０２ｂに皺が寄ってしまった。

以上より、実施例は、膜部４ｂに発生する最大応力と引張応力が比較例の膜部１０２ｂより軽減することが分かった。よって、実施例は、膜部４ｂに発生する応力を軽減し、ダイアフラム４の耐久性を向上させることができる。

膜部４ｂの張力が大きくなると、ダイアフラム４を可動させる力が大きくなるので、コイル１１（ソレノイド１０）をサイズアップする必要がある。しかし、実施例のように膜部４ｂの張力が軽減すれば、ダイアフラム４を可動させる力が比較例より小さくなり、比較例よりコイル１１（ソレノイド１０）のサイズをダウンさせることができる。

尚、本発明は、上記実施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、操作圧とばね圧とのバランスに応じて流体制御を行うエアオペレイトバルブに上記実施形態のダイアフラム弁構造を適用しても良い。この場合でも、ダイアフラムの弁体部にくびれを設けることでダイアフラムの受圧径を小さくできるので、アクチュエータ部を小さくしてエアオペレイトバルブのコンパクト化を推進できる。

１ 電磁弁
２ バルブボディ
２ａ 第１ポート
２ｂ 第２ポート
２ｃ 弁座
２ｄ 弁体収納室
２ｅ 環状溝
２ｆ 環状凸部
４ ダイアフラム
４ａ 弁体部
４ｂ 膜部
４ｃ 外縁部
４ｅ 反弁座側端面
４ｆ 受圧面
４ｇ くびれ部
５ 軸部材
７ スタフィング
１０ ソレノイド
１１ コイル
３０ ダイアフラム弁構造

Claims (4)

1. 弁座を備えるバルブボディと、前記弁座に対して当接又は離間するダイアフラムと、前記バルブボディとの間で前記ダイアフラムを固定するスタフィングとを備えるダイアフラム弁構造において、
   前記ダイアフラムが、前記弁座に当接又は離間する円柱形状の弁体部と、前記弁体部から外向きに延設された膜部と、前記膜部の外縁に沿って肉厚に設けられて前記バルブボディと前記スタフィングとの間で固定される外縁部を備えること、
   前記弁体部の反弁座側端面の中心から突出するように前記弁体部に一体的に設けられ、前記弁体部の内部に配置される先端部が前記弁体部に接着されるものであって、前記弁体部に駆動力を伝達する軸部材を有すること、
   前記弁体部と前記軸部材が接触する部分のうち、少なくとも前記膜部が前記弁体部に接続する位置より反弁座側の部分が、非接着であること
   を特徴とするダイアフラム弁構造。
2. 請求項１に記載するダイアフラム弁構造において、
   前記弁体部が、前記膜部の受圧面が接続する位置にくびれ部を有する
   ことを特徴とするダイアフラム弁構造。
3. 請求項１又は請求項２に記載するダイアフラム弁構造において、
   前記バルブボディは、前記弁体部を収納する弁体収納室と、前記弁体収納室より外側に設けられて前記外縁部を収納する環状溝と、前記弁体収納室と前記環状溝との間に配置される環状凸部を有し、
   前記スタフィングと前記環状凸部との間隔が前記膜部の膜厚より大きいことを特徴とするダイアフラム弁構造。
4. 第１ポートと第２ポートが弁座を介して連通するバルブボディと、前記弁座に対して当接又は離間するダイアフラムと、前記バルブボディとの間で前記ダイアフラムを固定するスタフィングと、コイルへの通電量に応じて駆動力を発生し、前記ダイアフラムに伝達するソレノイドを備える電磁弁において、
   前記ダイアフラムが、前記弁座に当接又は離間する円柱形状の弁体部と、前記弁体部から外向きに延設された膜部と、前記膜部の外縁に沿って肉厚に設けられて前記バルブボディと前記スタフィングとの間で固定される外縁部を備えること、
   前記弁体部の反弁座側端面の中心から突出するように前記弁体部に一体的に設けられ、前記弁体部の内部に配置される先端部が前記弁体部に接着されるものであって、前記ソレノイドが発生した駆動力を前記弁体部に伝達する軸部材を有すること、
   前記弁体部と前記軸部材が接触する部分のうち、少なくとも前記膜部が前記弁体部に接続する位置より反弁座側の部分が、非接着であること
   を特徴とする電磁弁。

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