(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部に弁室（７）と弁室（７）に各々が連通している入口流路（８）及び出口流路（９）とを有し、弁室底部中央に入口流路（８）に連通し流体の流れ方向に沿って縮径されている開口部（１０）が設けられた本体（１）と、
側面あるいは上面に設けられた空気供給口（１１）に連通した円筒状の空隙（１２）を内部に有し、下端内周部に段差部（１３）が設けられたボンネット（２）と、
ボンネット（２）の段差部（１３）に嵌挿され、中央部に貫通口（１４）を有するバネ受け（４）と、
上部に鍔部（１５）が設けられ、下端部がバネ受け（４）の貫通口（１４）を隙間を空けて貫通し、鍔部（１５）の下端面とバネ受け（４）の上端面で支承されているバネ（６）により上下動可能にボンネット（２）の空隙（１２）内に嵌挿されたロッド（５）と、
膜部（２２）と、上面中央部に設けられ、ロッド（５）に接合固定される接合部（１７）と、下面中央部に設けられ、先端部にプラグ部（１８）が設けられたシャフト（１９）とを有し、膜部（２２）の上面が空隙（１２）に連通し、膜部（２２）の周縁部（１６）が本体（１）とバネ受け（４）により挟持固定されるダイヤフラム（３）とを具備し、
プラグ部（１８）は、バネ（６）の反発力と、ダイヤフラム（３）の膜部（２２）の下面とプラグ部（１８）の下面が受ける流体圧力とにより上方へ押し上げられる一方、ダイヤフラム（３）の膜部（２２）の上面の圧縮空気の圧力により押し下げられ、流体圧力が変化することによって生じるロッド（５）の上下動に伴って、開口部（１０）内周面とプラグ部（１８）との間に形成される流路の開口面積が変化するように開口部（１０）内に配置されていることを特徴とする調節弁。
【請求項２】
プラグ部（１８）が円盤状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の調節弁。
【請求項３】
プラグ部（１８）が半球状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の調節弁。
【請求項４】
プラグ部（１８）が円錐状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の調節弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流量の調整が必要とされる流体輸送配管に使用される調節弁に関するものである。さらに詳しくは、主として半導体産業における超純水ラインや各種化学薬液ラインに好適に使用され、流体圧力の変化に対する即応性の優れた調節弁に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から流量調節弁は種々提案されているが、一般的には図１０に示されるような、弁本体内部の入口流路４０と出口流路４１との間に設けられ、流れ方向をわん曲させる隔壁４２と、隔壁４２に設けられ入口流路４０と出口流路４１とを連通させ、流体下流方向へ拡径する開口部４３とを具備し、開口部４３の軸線と同軸に上下動可能に円筒状のプラグ４４が配置され、開口部４３の内周面とで流体制御部４５を形成している流量制御弁が挙げられる。このような流量制御弁を使用する際は、弁に、モーターや空気圧を利用してプラグ４４を駆動するアクチュエーターが取りつけられ、外部からの信号によりアクチュエーターが操作されることで、弁のプラグ４４が上下動し、開口部４３の面積が変化する。一般的に、流量を調整するには、バルブと同一の流体配管に取りつけられた流量計とアクチュエーターを操作するためのコントローラーとが用いられる。コントローラーでは、流量計の測定値が電気信号として取り込まれ、目的とする流量と測定値との偏差が計算され、アクチュエーターを操作する信号が出力される。それに応じてアクチュエーターが操作され、弁の開口部４３の面積が変化することにより、流量は調整される。例えば、入口流路４０の圧力が増大し流量が増大した場合、流量計からコントローラーへ増加した流量の信号が出力される。コントローラーでは流量増加に対応したバルブの駆動量が計算され、信号がアクチュエーターへ送られる。アクチュエーターは、信号に応じプラグ４４を降下させ、弁の開口部４３の面積を減少させる。したがって、流量はもとの状態にされる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の流量制御弁においては圧力が増大してから、バルブを駆動し始めるまでには、流量計やコントローラーの応答時間が長くなるため、流量が安定するまでに時間を要するという問題があった。
【０００４】
本発明は上記従来の調節弁の問題点に鑑みなされたもので、流体圧力の変化に瞬時に対応して、すばやく設定値に収束する調節弁を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の構成を図１に基づいて説明すると、上部に弁室７と弁室７に各々が連通している入口流路８及び出口流路９とを有し、弁室底部中央に入口流路８に連通し流体の流れ方向に沿って縮径されている開口部１０が設けられた本体１と、側面あるいは上面に設けられた空気供給口１１と連通した円筒状の空隙１２を内部に有し、下端内周部に段差部１３が設けられたボンネット２と、ボンネット２の段差部１３に嵌挿され、中央部に貫通口１４を有するバネ受け４と、上部に鍔部１５が設けられ、下端部がバネ受け４の貫通口１４を隙間を空けて貫通し、鍔部１５の下端面とバネ受け４の上端面で支承されているバネ６により上下動可能にボンネット２の空隙１２内に嵌挿されたロッド５と、膜部２２と、上面中央部に設けられ、ロッド５に接合固定される接合部１７と、下面中央部に設けられ、先端部にプラグ部１８が設けられたシャフト１９とを有し、膜部２２の上面が空隙１２に連通し、膜部２２の周縁部１６が本体１とバネ受け４により挟持固定されるダイヤフラム３とを具備し、プラグ部１８は、バネ６の反発力と、ダイヤフラム３の膜部２２の下面とプラグ部１８の下面が受ける流体圧力とにより上方へ押し上げられる一方、ダイヤフラム３の膜部２２の上面の圧縮空気の圧力により押し下げられ、流体圧力が変化することによって生じるロッド５の上下動に伴って、開口部１０内周面とプラグ部１８との間に形成される流路の開口面積が変化するように開口部１０内に配置されていることを第一の特徴とする。
【０００６】
また、プラグ部１８が円盤状に形成されていることを第２の特徴とする。
さらにプラグ部１８が半球状に形成されていることを第３の特徴とし、円錐状に形成されていることを第４の特徴としている。
【０００７】
尚、本発明において本体等の部材はＰＴＦＥ，ＰＦＡ等のフッ素樹脂が好適に使用されるが、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン等の他のプラスチック及び金属でも良く、特に限定されるものではない。また、ダイヤフラムの材質はＰＴＦＥ等のフッ素樹脂が好適に使用されるが、ゴム及び金属でも良く、特に限定されるものではない。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施態様について図面を参照して説明するが、本発明が本実施態様に限定されないことは言うまでもない。
【０００９】
図１は本発明の調節弁の一実施例を示す縦断面図であり、空隙１２へ供給される圧縮空気の圧力が小さい場合を示している。図２は図１の他の状態を示す調節弁の縦断面図で、空隙１２へ供給される圧縮空気の圧力が大きい場合を示している。図３は本体の平面図を示している。図４はロッド、バネ、バネ受け、ダイヤフラムの分解斜視図を示している。図５、図６はダイヤフラムのプラグ形状のその他の実施例を示す縦断面図である。図７は本発明の調節弁のフィードバックループの一実施態様を示す図である。図８は本発明及び従来の調節弁の特性を表すグラフである。図９は本発明及び従来の調節弁の即応性を表すグラフである。
【００１０】
図において１はＰＴＦＥ製の本体であり、上部に円筒状の弁室７が設けられており、下部には入口流路８及び出口流路９が弁室７に連通するように設けられている。入口流路８と弁室７の連通部には流体の流れ方向に沿って内径が縮径された開口部１０が設けられている。また本体１の上面にはダイヤフラム３の環状突部２１が嵌合される環状溝２０が設けられている。
【００１１】
２はＰＶＣ製のボンネットであり、内部に円筒状の空隙１２を有し、空隙１２と連通した空気供給口１１が側面に設けられている。本実施態様では空気供給口１１はボンネット２の側面に設けられているが、上面に設けても良い。また、ボンネット２の下端内周部にはバネ受け４が嵌合される段差部１３が設けられている。
【００１２】
ダイヤフラム３はＰＴＦＥ製であり、下面中央部には先端部に円盤状のプラグ部１８を有するシャフト１９が設けられており、上面中央部にはロッド５と螺合にて接合される接合部１７が設けられている。本実施態様では接合部１７、プラグ部１８、シャフト１９及び膜部２２は一体成形で形成されているが、接合部１７、プラグ部１８、シャフト１９は一体で形成する必要はなく、別々に形成した後、螺合等により一体化してもよい。またダイヤフラム３の外周縁部には断面矩形状の環状突部２１が設けられており、本体１の環状溝２０に嵌合され、本体１とボンネット２とをボルト（図示しない）により接合させることにより、本体１とボンネット２の段差部１３に嵌合されたバネ受け４とにより挟持されている。
【００１３】
尚、プラグ部１８は本体１の開口部１０の内部に常に位置するように配置され、プラグ部１８の直径はシャフト１９の断面寸法より大きくなるよう成形されている。また、プラグ部１８の形状は円盤状に限らず、図５、図６に示すような半球状や円錐状のものでも良い。
【００１４】
バネ受け４はＰＶＣ製でボンネット２の段差部１３に嵌合され、中央に貫通口１４を有し、上端面でバネ６を支承している。
【００１５】
ロッド５はボンネット２の空隙１２に配置されＰＶＣ製であり、バネ６とバネ受け４の貫通口１４とを貫通し、下端部は前記ダイヤフラム３の接合部１７と接合されている。また上端部には鍔部１５が設けられており、下面でバネ６の上端を支承している。
【００１６】
バネ６はバネ受け４とロッド５の鍔部１５との間で伸縮自在に支承され、鍔部１５を常に上方へ付勢している。尚、バネ６は調節弁の口径や使用圧力範囲によってバネ定数を変えて適宜使用でき、複数本使用してもよい。
【００１７】
ダイヤフラム３、バネ受け４、ロッド５及びバネ６の立体形状については図４に示されている。
【００１８】
次に本実施態様の作用について説明する。
【００１９】
図１は、ボンネット２の空隙１２へ供給される圧縮空気の圧力を小さく保ち、流量を小さく設定している場合を示している。ここで、プラグ部１８は、ロッド５の鍔部１５とバネ受け４とに挟持されているバネ６の反発力と、ダイヤフラム３の膜部２２下面とプラグ部１８下面の流体圧力とにより上方に押し上げられており、さらに、ダイヤフラム３の膜部２２上面の圧縮空気の圧力により押し下げられているため、それらの力が釣り合う位置にて静止している。
【００２０】
図１の状態からバルブ上流側の圧力が低下すると、必然的に弁室７内の圧力が低下する。したがって、プラグ部１８下面とダイヤフラム３の膜部２２下面が受ける流体圧は減少し、ボンネット２の空隙１２内の圧縮空気の圧力によりプラグ部１８は押し下げられ、開口面積が増加する（図２の状態）。これらの動作は瞬間的に起こるため、流量の変化は小さく押さえられている。遅れて、フィードバックループ、すなわち、流量計の測定値をコントローラーに電気信号として取りこみ、コントローラーで設定値との偏差を計算しバルブ駆動電気信号を出力し、電空レギュレータで電気信号を空気信号へと変換し、空気圧力を調節するループ（図７参照）により空隙１２内の圧縮空気の圧力が微調整され、流量を設定値に安定させる。
【００２１】
一方、図１の状態からバルブ上流側の圧力が増加すると、弁室７内の圧力が増加する。したがって、プラグ部１８下面とダイヤフラム３の膜部２２下面が受ける流体圧は増加し、プラグ部１８は押し上げられ、開口面積が減少する。これらの動作もバルブ上流側の圧力が低下した場合と同様に瞬間的に起こるため、流量の変化は小さく押さえられている。遅れて、フィードバックループにより空隙１２内の圧縮空気の圧力が微調整され、流量を設定値に安定させる。
【００２２】
また、流量を大きく設定した場合も図２に示す状態となる。ボンネット３の空隙１２へ供給される圧縮空気の圧力を大きく保つことにより、ダイヤフラム３の膜部２２上面にかかる圧縮空気の圧力が図１の状態より大きくなり、プラグ部１８はより下方にて静止する。したがって、プラグ部１８と開口部１０との開口面積は大きくなっており、流量は大きくなっている。
【００２３】
図２の状態からバルブ上流側の圧力が減少すると、図１の場合と同様に、ボンネット２の空隙１２内の圧縮空気の力により、瞬間的にプラグ部１８が押し下げられ流量の変化を小さく押さえる。さらに、フィードバックループにより空隙１２内の圧縮空気の圧力が微調整され、流量を設定値に安定させる。
【００２４】
一方、図２の状態からバルブ上流側の圧力が増加すると、図１の場合と同様に、瞬間的にプラグ部１８が押し上げられ流量の変化を小さく押さえる。さらに、フィードバックループにより空隙１２内の圧縮空気の圧力が微調整され、流量を設定値に安定させる。
【００２５】
したがって、流体の圧力が変化しても流量を一定に保ちたい場合、空隙１２内部の圧力を増減してプラグ部１８の位置を変化させ、流路の開口面積を調整する必要があるが、上記の作用により、流量の増減幅は狭く抑えられており、空隙１２内部の圧力の調整幅も狭く抑えられる。
【００２６】
次に、本実施態様の口径１／２インチ（１２．７mm）の調節弁を使用し、バルブ上流側圧力と流体流量の関係を測定した結果を図８に示す。ここで横軸はバルブ上流側圧力、縦軸は流量を表している。破線は従来の同口径の流体制御弁の流量特性を、実線は本発明の調節弁の流量特性を示している。図から明らかなように、従来の流量制御弁はバルブ上流側圧力の増加に伴い流量が増加しているが、本発明の調節弁ではバルブ上流側圧力が０．１(MPa）以上の範囲では流体の圧力が変化しても流量はほぼ一定となっている。したがって、ボンネットの空隙内部の圧力をほとんど変化させなくとも設定した流量を保つことができる。
【００２７】
また、同じ調節弁を使用してバルブ上流側圧力を０．１(MPa）から０．４(MPa）へと急激に増加させた時の流量の変化を図９に示す。ここで、横軸は時間、縦軸は流量を表している。破線及び実線はそれぞれ従来の流量制御弁と本発明の調節弁の流量変化を示している。尚、流量は共に（１１Ｌ／min)の設定として実験を行った。従来の流量制御弁では安定するまでの時間が約２８秒、流量の最大変化量は８．５（Ｌ／min)であったのに対し、本発明の調節弁では、安定するまでの時間が約５秒、流量の最大変化量は１（Ｌ／min)以下であった。このように、安定するまでの時間、圧力変動後の流量の変化量とが優れていることがわかる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明の調節弁は流体の圧力が変化しても自動的に流量を一定にしようとする作用があり、外部からの操作を最小限にしているため、従来の流量制御弁に比較し、流体のバルブ上流側の圧力の変化に瞬時に対応して、すばやく設定値に収束する。すなわち、即応性に優れた調節弁になっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の調節弁の一実施態様を示す縦断面図である。
【図２】図１の調節弁の他の状態を示す縦断面図である。
【図３】本体の平面図である。
【図４】ロッド、バネ、バネ受け、ダイヤフラムの分解斜視図である。
【図５】プラグ形状の他の実施例を示す縦断面図である。
【図６】プラグ形状のまた他の実施例を示す縦断面図である。
【図７】本発明の調節弁のフィードバックループの一実施態様を示す図である。
【図８】本発明の調節弁及び従来の流量制御弁の流量特性を表すグラフである。
【図９】本発明の調節弁及び従来の流量制御弁の即応性を表すグラフである。
【図１０】従来の流量制御弁を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１…本体
２…ボンネット
３…ダイヤフラム
４…バネ受け
５…ロッド
６…バネ
７…弁室
８…入口流路
９…出口流路
１０…開口部
１１…空気供給口
１２…空隙
１３…段差部
１４…貫通口
１５…鍔部
１６…周縁部
１７…接合部
１８…プラグ
１９…シャフト
２０…環状溝
２１…環状突部
２２…膜部
【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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【図７】
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【図８】
0004731027.tif 000009
【図９】
0004731027.tif 000010
【図１０】
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