(57)【要約】【課題】 高圧用や高温用などの用途に制約されずに優れた耐久性能を有する制御弁を提供する。【解決手段】  制御弁１は、操作エア供給源８から供給される操作エアを所要の操作圧力に調整してアクチュエータ４に供給する操作圧力調整装置５と、バルブボディ２の流入通路側に設けられた流入通路側圧力センサ６と、バルブボディ２の流出通路側に設けられた流出通路側圧力センサ７とを備えている。操作圧力調整装置５は、流入通路側圧力センサ６で得られる圧力および流出通路側圧力センサ７で得られる圧力に基づいて、流路の閉止時に弁座と弁体との間に作用する推力を調整する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流路を有するバルブボディと、弁座に当接・離間して前記流路を開閉する弁体と、前記弁体を移動させるアクチュエータと、操作エア供給源から供給される操作エアを所要の操作圧力に調整して前記アクチュエータに供給する操作圧力調整装置と、前記バルブボディの流入通路側に設けられた流入通路側圧力センサと、前記バルブボディの流出通路側に設けられた流出通路側圧力センサとを備えており、
前記操作圧力調整装置は、前記流入通路側圧力センサで得られる圧力および前記流出通路側圧力センサで得られる圧力に基づいて、前記流路の閉止時に前記弁座と前記弁体との間に作用する推力を調整することを特徴とする制御弁。
【請求項２】
前記流入通路内の流体および前記流出通路内の流体が前記弁体に及ぼす力の向きを考慮して、前記流入通路側圧力センサで得られる圧力と前記流出通路側圧力センサで得られる圧力とが演算されて、流体が前記弁体に及ぼす力が求められ、前記流路の閉止時に前記弁座と前記弁体との間に作用する推力は、流体が前記弁体に及ぼす力に打ち勝って前記流路を全閉とする大きさに調整されることを特徴とする請求項１の制御弁。
【請求項３】
前記制御弁は、操作圧力がゼロの際に全閉状態となる常時閉型のものであり、前記操作圧力調整装置は、操作圧力がゼロより大きい値で、かつ前記制御弁が閉状態に維持されるように、操作圧力を調整することを特徴とする請求項１または２の制御弁。
【請求項４】
前記制御弁は、操作圧力が最大値の際に全閉状態となる常時開型のものであり、前記操作圧力調整装置は、操作圧力が最大値より小さい値で、かつ前記制御弁が閉状態に維持されるように、操作圧力を調整することを特徴とする請求項１または２の制御弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、流体の制御弁に関し、高圧または高温の流体の開閉を行う遮断弁として好適に使用することができる制御弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体の流量を調節し、開閉を行うことができる制御弁として、流体の流路を有するバルブボディと、弁座に当接・離間して流路を開閉する弁体と、弁体を上下動させるアクチュエータとを備えているものが知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−０１４４０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の制御弁において、操作圧力は内蔵されたアクチュエータに操作エアが供給されることで付与される。弁座と弁体との間（シール部）には、流路の開閉に伴って推力（押圧力）が繰り返し作用することから、その耐久性が重要となる。
【０００５】
例えば、高圧の流体の開閉を行う制御弁は、一般的にバルブボディに形成された弁座および弁座に当接する弁体がいずれも金属製のメタルシール構造であるが、配管系内の異物かみ込み等で弁座または弁体にキズが付くと、漏れが発生し易いという問題を有している。漏れに対しては、多少の異物のかみ込みでも、シール性が維持し易い樹脂材料を使用することが好ましいが、高圧用途では、閉止推力が大きく樹脂では座屈してしまう可能性がある。高圧用途に限らず、高温用途でも、耐熱性樹脂の使用が好ましいことがあり、この場合でも、樹脂の座屈（耐久性）が問題となる。
【０００６】
この発明の目的は、高圧用や高温用などの用途に制約されずに優れた耐久性能を有する制御弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明による制御弁は、流体の流路を有するバルブボディと、弁座に当接・離間して前記流路を開閉する弁体と、前記弁体を移動させるアクチュエータと、操作エア供給源から供給される操作エアを所要の操作圧力に調整して前記アクチュエータに供給する操作圧力調整装置と、前記バルブボディの流入通路側に設けられた流入通路側圧力センサと、前記バルブボディの流出通路側に設けられた流出通路側圧力センサとを備えており、前記操作圧力調整装置は、前記流入通路側圧力センサで得られる圧力および前記流出通路側圧力センサで得られる圧力に基づいて、前記流路の閉止時に前記弁座と前記弁体との間に作用する推力を調整することを特徴とするものである。
【０００８】
従来の制御弁では、流路の閉止時に弁体と弁座との間に作用する推力は、流入通路側の圧力および流出通路側の圧力が変化しても、流路を完全に閉止することができる値（最大推力）に設定されており、流入通路側の圧力および流出通路側の圧力が変化しても、最大推力が常時作用するようになっていた。
【０００９】
これに対し、この発明の制御弁では、流路の閉止時に弁体と弁座との間に作用する（バルブを閉止する）推力は、流入通路側の圧力および流出通路側の圧力が変化した場合に、変化に応じて、流路を完全に閉止することができる適切な値に調整される。したがって、例えば、閉止時に流路内の内圧の影響により、バルブを閉止するための適切な推力よりも大きな推力が弁体と弁座の間に作用することを防止することができる。これにより、弁体または弁座を樹脂製としても、樹脂が座屈することによる耐久性の低下を防止することができる。
【００１０】
推力を適切な値に調整するに際しては、流路形状（流入通路側の圧力および流出通路側の圧力がどの方向に作用しているか）が考慮されるとともに、常時開型であるか常時閉型であるかが考慮されて、操作エアが適切な操作圧力に制御される。
【００１１】
常時閉型の制御弁は、ばね等の付勢部材で付勢された状態が全閉状態となり、弁体と弁座との間に最大圧力が作用する。また、常時開型の制御弁は、操作圧力が最大とされた状態が全閉状態となり、弁体と弁座との間に最大圧力が作用する。ここで、従来の制御弁では、全閉状態で弁体と弁座との間に作用する推力は調整されていなかったが、この発明の制御弁では、操作圧力調整装置により、全閉状態で弁体と弁座との間に作用する推力を調整できる。全閉状態で弁体と弁座との間に作用する推力は、耐久性への寄与が大きく、これが小さくなることで、弁体および／または弁座の耐久性が向上する。
【００１２】
流入通路の流体が弁体と弁座との間に及ぼす圧力が流入通路側圧力センサにより求められ、流出通路の流体が弁体と弁座との間に及ぼす圧力が流出通路側圧力センサにより求められる。圧力センサで得られた圧力は、これに受圧面積を掛けることで推力に換算される。ここで、弁体と弁座との間に作用する推力は、流入通路内の流体および流出通路内の流体が弁体に及ぼす力の向きによって違ってくる。例えば、流入通路と流出通路との間に弁体および弁座がある（流入通路と流出通路とが弁体および弁座を介して対向するように配置されている）場合と、流入通路および流出通路が弁体および弁座に対して同じ側に配置されている場合とで違ってくる。また、前者の場合では、弁座に当接する弁体の径（または弁座の径）と弁体を移動させる弁棒の径との大小関係（どちらの径が大きいか）によっても違ってくる。また、制御弁が常時開型か常時閉型かによって、付勢力の向きを考慮する必要がある。
【００１３】
したがって、前記流入通路内の流体および前記流出通路内の流体が前記弁体に及ぼす力の向きを考慮して、前記流入通路側圧力センサで得られる圧力と前記流出通路側圧力センサで得られる圧力とが演算されて、流体が前記弁体に及ぼす力が求められ、前記流路の閉止時に前記弁座と前記弁体との間に作用する推力は、流体が前記弁体に及ぼす力に打ち勝って前記流路を全閉とする大きさに調整されることが好ましい。
【００１４】
前記制御弁は、操作圧力がゼロの際に全閉状態となる常時閉型のものであり、前記操作圧力調整装置は、操作圧力がゼロより大きい値で、かつ前記制御弁が閉状態に維持されるように、操作圧力を調整することがある。
【００１５】
また、前記制御弁は、操作圧力が最大値の際に全閉状態となる常時開型のものであり、前記操作圧力調整装置は、操作圧力が最大値より小さい値で、かつ前記制御弁が閉状態に維持されるように、操作圧力を調整することがある。
【００１６】
この発明の制御弁によると、操作圧力を調整することで、全閉状態で弁体と弁座との間に作用する推力を軽減（あるいは加重）できるので、例えば樹脂製の弁体の耐久性を向上することができ、樹脂製弁体の使用が困難と考えられていた用途にも適用することができる。
【００１７】
例えば、前記弁座は、金属製で、前記バルブボディに一体に形成されており、前記弁体は、樹脂製とされていることがある。このようにすると、異物のかみ込みに対してシール性が維持し易い樹脂材料を使用することで、漏れ防止性能が向上し、閉止推力が調整されることにより、高圧または高温用途に使用した場合に樹脂では座屈しやすいという恐れが小さいものとなり、高圧または高温用途に適した制御弁が得られる。
【発明の効果】
【００１８】
この発明の制御弁によると、流路の閉止時に弁体と弁座との間に作用する推力が適切な値に調整されるので、弁体および弁座の耐久性が向上する。したがって、樹脂製弁体または樹脂製弁座を使用することが困難と考えられていた用途の制御弁においても樹脂製弁体または樹脂製弁座を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、この発明による制御弁を含んだシステムを模式的に示す図である。
【図２】図２は、制御弁の１実施形態の外観を示す図である。
【図３】図３は、制御弁の流路部分の１例を示す断面図である。
【図４】図４は、常時開型の制御弁における操作圧力とバルブリフトおよびシート圧力との関係を示すグラフである。
【図５】図５は、常時閉型の制御弁における操作圧力とバルブリフトおよびシート圧力との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、制御弁の流路部分の他の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。以下の説明において、上下は、図の上下をいうものとする。この「上下」は便宜的なもので、設置に際しては、上下が逆になったり、水平になったりすることもある。
【００２１】
図１から図３までに示すように、制御弁１は、バルブボディ２と、バルブボディ２の流路を開閉する弁体３と、弁体３を上下動させるエア作動式のアクチュエータ４と、操作エアを所要の操作圧力に調整してアクチュエータ４に供給する操作圧力調整装置５と、バルブボディ２の流入通路側に設けられた流入通路側圧力センサ６と、バルブボディの流出通路側に設けられた流出通路側圧力センサ７とを備えている。
【００２２】
図３に示すように、バルブボディ２には、流体が流入する流入口１１、流入口１１に連なる流入通路１２、弁体３の当接部３ａと当接する弁座１３、流体を流し出す流出通路１４、および流体を外部へ流出させる流出口１５が設けられている。
【００２３】
弁体３は、アクチュエータ４に設けられた上下動するシャフトにステム１６を介して接続されている。アクチュエータ４への操作エアの導入または排出によって弁体３が上下動し、これによって、流入通路１２から流出通路１４への流体の流れが開閉される。
【００２４】
図示したものは、常時閉型であり、操作エアが供給されていない状態では、弁体３が下方位置にあって、流入通路１２から流出通路１４への流体の流れが閉止されている。
【００２５】
操作圧力調整装置５は、電気信号により空気圧力を連続的かつ高精度に制御する電空レギュレータと称されているもので、操作エア供給源８と手動弁９を介して接続されている。
【００２６】
流入通路側圧力センサ６および流出通路側圧力センサ７で得られた圧力は、それぞれ信号線６ａ、７ａによって操作圧力調整装置５に送信されている。
【００２７】
操作圧力調整装置５は、流入通路側圧力センサ６から送られてくる流入通路１２の流体圧力データと、流出通路側圧力センサ７から送られてくる流出通路１４の流体圧力データとに基づいて、操作エア供給配管８ａから送られてきた操作エアを調整し、操作エア供給管１０を介してアクチュエータ操作圧力としてアクチュエータ４に送る。
【００２８】
操作圧力調整装置５は、電気信号として、流入通路側圧力センサ６と流出通路側圧力センサ７とから得られる流体の圧力データを使用し、操作エア供給源８から供給されたエアを所要の操作圧力に調整してアクチュエータ４に供給する。流入通路側圧力センサ６で得られる流入通路側の流体圧力と流出通路側圧力センサ７で得られる流出通路側の流体圧力とは変動することから、制御はフィードバック制御となる。
【００２９】
制御弁１を遮断弁として使用する場合、開か閉（オンかオフ）の２状態があるだけなので、通常、制御弁１は、電空レギュレータを介さずに操作エア供給源８と接続され、常時閉型のものでは、操作エアが供給されることで全開状態が得られ、常時開型のものでは、操作エアが供給されることで全閉状態が得られるようになされている。
【００３０】
上記制御弁１によると、流入通路側および流出通路側に設置された圧力センサ６、７により、常に流入通路側の流体圧力および流出通路側の流体圧力がモニターされ、操作圧力調整装置５では、それらの流体圧力に基づいて、アクチュエータ４への操作圧力が制御される。
【００３１】
制御に際しては、流路形状が考慮される。上記制御弁１では、図３に示すように、流入通路１２と流出通路１４とが弁体３および弁座１３を介して上下に対向するように配置されており、このような流路形状を有している制御弁１では、次のように制御される。
【００３２】
図３に示すように、弁体３の当接部３ａの径がステム１６の径より小さい場合、流出通路１４側の流体は、流入通路１２側の流体と同じ側から弁体３の当接部３ａに作用することになり、弁体３が弁座１３から離れる方向に入口側と出口側との圧力の和が作用するとして、弁体３を閉方向に押し下げるように操作圧力を調整する。
【００３３】
なお、図３に示すように、流入通路１２と流出通路１４とが弁体３および弁座１３を介して上下に対向するように配置されており、図３とは逆に、弁体３の当接部３ａの径がステム１６の径より大きい場合には、次のように、２つの場合に分けて制御される。
【００３４】
まず、閉止時に、１．入口側圧力＜出口側圧力となる場合、弁体３が弁座１３を押さえる方向に流体の圧力（入口側と出口側との差圧）が作用するため、弁体３と弁座１３との間に大きな閉止推力が作用する。したがって、最適な推力で閉止するためには、弁体３を開方向に押し上げるように操作圧力を調整する。
【００３５】
そして、閉止時に、２．入口側圧力＞出口側圧力となる場合、弁体３が弁座１３から離れる方向に流体の圧力（入口側と出口側との差圧）が作用するため、弁体３と弁座１３との間に大きな開放推力が作用する。したがって、最適な推力で閉止するためには、弁体３を閉方向に押し下げるように操作圧力を調整する。
【００３６】
図３に示した流路形状と異なる流路形状を有する制御弁として、図６に示すものがある。図６において、制御弁は、バルブボディ２１と、バルブボディ２１に設けられた弁座２２と、バルブボディ２１の流路を開閉するダイヤフラム（弁体）２３と、ダイヤフラム２３を押圧するダイヤフラム押さえ２４とを備えている。
【００３７】
バルブボディ２１には、流体が流入する流入口２５、流入口２５に連なる流入通路２６、流体を流し出す流出通路２７、および流体を外部へ流出させる流出口２８が設けられている。
【００３８】
弁座２２は、例えば樹脂製とされ、ダイヤフラム２３は、例えば金属製とされる。
【００３９】
ダイヤフラム押さえ２４は、アクチュエータに設けられた上下動するシャフトにステム２９を介して接続されている。アクチュエータへの操作エアの導入または排出によってダイヤフラム押さえ２４が上下動し、これによって、ダイヤフラム２３が開または閉方向に変形し、流入通路２６から流出通路２７への流体の流れが開閉される。図示したものは、常時閉型であり、操作エアが供給されていない状態では、ダイヤフラム押さえ２４が下方位置にあって、流入通路２６から流出通路２７への流体の流れがダイヤフラム２３によって閉止されている。
【００４０】
図６に示す制御弁は、流入通路２６と流出通路２７とがダイヤフラム２３および弁座２２に対して同じ側（いずれも下側）に配置されている流路形状を有している。この流路形状の場合、閉止時に、入口側または出口側の圧力が高圧になる可能性があり、この際には、ダイヤフラム２３が弁座２２から離れる方向に流体の圧力が作用する。したがって、最適な推力で閉止するために、流入通路側圧力センサ６で得られる圧力で発生する推力（流入通路側圧力×流入通路側圧力を受けるダイヤフラム中央部分の面積）と流出通路側圧力センサ７で得られる圧力で発生する推力（流出通路側圧力×流出通路側圧力を受けるダイヤフラムドーナッツ状部分の面積）との和に基づいて、ダイヤフラム２３を閉方向に押し下げるように操作圧力を調整する。
【００４１】
上記の制御弁１は、常時閉型とされており、このような常時閉型の制御弁１の場合、図４に示すように、操作圧力を横軸に、バルブリフト（弁体３、２３の弁座１３、２２からの離隔量）を縦軸に採ると、操作圧力０では、付勢部材で付勢された弁体３、２３が弁座１３、２２に押圧されていることで全閉状態にあり、操作圧力が小さいうちは、バルブリフトは０のままで、閉じた状態が維持される。そして、操作圧力の増加に伴って、バルブリフトがプラスになり、その後、バルブリフトは、操作圧力に比例して増加する。弁体３、２３が所定位置まで上昇すると、弁体３、２３はそれ以上の上昇が阻止され、これが全開状態となる。この位置に到達すると、操作圧力を増加しても、弁体３、２３の位置は変化せず、全開状態が維持される。
【００４２】
図４の縦軸には、シート圧力（弁体３、２３と弁座１３、２２との間に作用する推力に相当）が破線で示されている。弁体３、２３と弁座１３、２２との間に作用する推力は、全閉状態で最大であり、操作圧力が増加するとともに、減少する。そして、制御弁１が開き始めた状態で、弁体３、２３と弁座１３、２２との間に作用する推力はゼロとなる。この状態は、弁体３、２３が弁座１３、２２から離隔していることを意味し、これ以降、操作圧力を増加させても、弁体３、２３と弁座１３、２２との間に作用する推力はゼロのままとなる。
【００４３】
この常時閉型の制御弁１では、操作圧力調整装置５により、操作圧力がＡで示す範囲に収まるように調整される。すなわち、弁体３、２３が弁座１３、２２に当接してからの操作圧領域で操作圧力の微調整を行い、弁体３、２３および弁座１３、２２への最適閉止推力を調整する。これにより、閉状態は維持されるが、操作圧力がある程度付与されていることで、弁体３、２３と弁座１３、２２との間に作用する推力＝付勢部材の最大付勢力−操作圧力に基づく力となり、弁体３、２３と弁座１３、２２との間に作用する推力が軽減される。全開時は、操作圧力が最大値とされるが、弁体３、２３と弁座１３、２２との間に作用する推力はゼロであるので、問題とはならない。
【００４４】
常時開型の制御弁の場合、図５に示すように、操作圧力０では、付勢部材で付勢された弁体が弁座から離隔していることで全開状態にある。操作圧力が小さいうちは、バルブリフトは最大値のままで、開いた状態が維持される。そして、操作圧力の増加に伴って、閉じる方向にバルブリフトが変化し、その後、バルブリフトは、操作圧力に比例して減少する。弁体が所定位置まで下降すると、全閉状態となる。弁体は、それ以上の下降が阻止されて、この位置に到達すると、操作圧力を増加しても、弁体の位置は変化せず、閉状態が維持される。弁体と弁座との間に作用する推力は、全閉状態で最大であり、操作圧力の増加に伴って増加する。
【００４５】
この常時開型の制御弁によると、操作圧力調整装置５により、操作圧力がＢで示す範囲に収まるように調整される。すなわち、弁体と弁座との間が開き始める前の操作圧領域で操作圧力の微調整を行い、弁体と弁座との間の最適閉止推力を調整する。これにより、閉状態は維持されるが、操作圧力がある程度付与されていることで、弁体と弁座との間に作用する推力＝調整された操作圧力に基づく力−付勢部材の最大付勢力となり、弁体と弁座との間に作用する推力が軽減される。
【００４６】
こうして、常時開型および常時閉型のいずれの制御弁１を使用しても、弁体および弁座に作用する推力がバルブを閉止する最適な推力よりも大きくなった際に、低減することができることから、弁体および弁座の耐久性能を向上させることができる。
【００４７】
例えば、高圧用途の制御弁は、一般的に弁座および弁体が金属製のメタルシール構造であるが、配管系内の異物かみ込み等で弁座または弁体の当接部にキズが付くと、漏れが発生し易いという問題を有している。漏れに対しては、多少の異物のかみ込みでも、シール性が維持し易い樹脂材料を弁体または弁座に使用することが好ましいが、樹脂製弁体および樹脂製弁座は圧縮強度が金属と比較して小さいため、超高圧バルブ用として使用するには  強度的に問題がある。上記の制御弁１とするとともに、弁体３、２３と弁座１３、２２との間に作用する推力を制御することにより、弁体３、２３および弁座１３、２２のいずれかを樹脂製としても、十分な耐久性を確保することができる。
【００４８】
また、高温高圧タイプのバルブは、低圧（例えば１ＭＰａ仕様）タイプで弁座に使用していた耐熱樹脂が樹脂の圧縮応力の不足により、使用不可となる。よって、現在はメタルシールタイプが主流であるが、上記の制御弁１とすることにより、シール性に優れた耐熱樹脂を高温高圧バルブの弁座に使用できる。
【００４９】
なお、制御弁１の流路形状については、図示したものに限定されるものではなく、また、弁体および弁座についても、その形状および材料は種々のものとすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
この発明による制御弁は、高圧または高温の流体の開閉を行う遮断弁として好適に使用することができ、シール性の向上および耐久性の向上に寄与することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１：制御弁
２：バルブボディ
３：弁体
４：アクチュエータ
５：操作圧力調整装置
６：流入通路側圧力センサ
７：流出通路側圧力センサ
８：操作エア供給源
１２：流入通路
１３：弁座
１４：流出通路
２１：バルブボディ
２２：弁座
２３：ダイヤフラム（弁体）
２６：流入通路
２７：流出通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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