(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁座を有するボディと、前記弁座に弁体を当接または離間させて流体の流れを制御する流体制御弁において、
前記弁体のうち、少なくとも前記弁座と当接または離間する弁座当接部は、弾性を有する材質からなり、前記弁座当接部の下面が平面状に形成され、
前記弁座は、上側に凸状で、最上端に曲面状の頂部を有し、
前記弁座には、当該弁座の径方向に沿う方向に対し、前記頂部を挟んだ径内側に、下側に向けて下降する弁座内側面が形成されていると共に、前記頂部を挟んだ径外側に、下側に向けて下降する弁座外側面が形成されており、
前記弁座当接部を引張り破断したときの歪みである引張り破断時歪みの大きさを１としたとき、閉弁により弁座当接部に生じる閉弁時歪みが、前記引張り破断時歪みの１／６以下に設定され、前記弁座当接部の破断を抑制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、
閉弁状態にあるとき、前記弁体の前記弁座当接部は、前記弁座との当接により弾性変形して所定の潰し量で潰され、
当該流体制御弁の軸心方向に沿う方向に対し、前記弁座内側面の高さを、前記潰し量より大きく設定することにより、前記弁体において閉弁時に前記弁座の頂部付近に当接する部位に局部的に生じていた過度な歪みの発生を抑制することを特徴とする流体制御弁。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載する流体制御弁において、
前記弁座の径方向に沿う水平面に対し、前記弁座内側面は、傾斜角θｉの内側テーパ面であり、前記弁座外側面は、傾斜角θｏの外側テーパ面であり、
前記傾斜角θｉは、前記傾斜角θｏより小さく、閉弁時に前記弁座当接部に生じる歪みを抑制することを特徴とする流体制御弁。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載する流体制御弁において、
前記弁座内側面及び前記弁座外側面は、いずれも曲面であることを特徴とする流体制御弁。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載する流体制御弁において、
前記弁体を、伸縮可撓性を有するダイアフラム弁体で形成したダイアフラム弁であることを特徴とする流体制御弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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、流体の流れを制御する流体制御弁として、例えば、特許文献１に開示されたポペット弁が挙げられる。図１４は、特許文献１のポペット弁の弁座シール構造について、説明する断面図である。
特許文献１では、図１４に示すように、弁座形成部１１０は、上側に凸状で、当該弁座形成部１１０の軸心ＣＬに対し、最も径内側の位置に着座部位１１０ａを有し、この着座部位１１０ａから径外側に向けて下降する外側テーパ面１１０ｂを有している。また、ダイアフラム弁体１２０は、着座部位１１０ａと当接または離間する平面状の下面１２０ａを有している。
【０００３】
特許文献１のポペット弁のように、ゴム等の、弾性を有した材質で形成された弁体が、弁座に当接または離間して流体の流れを制御する流体制御弁では、弁座は、上側に凸状に形成された弁座形成部の上端に形成され、当該弁座の軸心に対し、径内側に位置している。
弁座形成部の弁座には、曲面状の頂部からその径外側に向けて下降する外側テーパ面が形成され、弁体の下面である平面状の弁座当接部が、弁座の頂部及び外側テーパ面の上端部と、当接または離間するシール構造が一般的である。
このようなシール構造にすることで、閉弁したときに、弁体の弁座当接部が弾性変形することにより、弁座の頂部及び外側テーパ面の上端部が、弁体の弁座当接部に食い込んで、弁座の頂部周辺に大きな反発力が発生し、シール力の高い流体制御弁が得られる。
【０００４】
また、流体制御弁の他の実施例として、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１５に示す。
図示しないパイロット機構に連結され上下方向に摺動可能な弁軸１５１の下端に小径部１５１ａが形成され、その先にネジ部１５１ｂが形成されている。小径部１５１ａには、支持円板１５２が嵌合されている。支持円板１５２の溝には、下面が平面であるフッ素樹脂製の弁部材１５３が嵌め込まれ、押さえ板１５７により挟み込まれてナット１５６がネジ部１５１ｂにネジ締めされることにより固定されている。弁部材１５３にフッ素系樹脂を使用している理由は、流体が高温であるので、ゴムでは耐熱性が不十分で、弁体にゴムが使用できないためである。
このような流体制御弁は、弁部材１５３の下面である平面状の弁座当接部１５３ａが、弁座形成部１５５の弁座１５４に当接することにより、閉弁し、この弁座当接部１５３ａが弁座１５４から離間することにより、開弁する。
ところが、閉弁時には、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り、この問題を解決するため、特許文献２に開示された流体制御弁では、弁座と弁体の各形状に工夫がなされている。
【０００５】
図１６は、特許文献２に記載された流体制御弁を示す断面図である。図１７は、図１６中、Ｘ部を拡大して模式的に示した説明図である。
特許文献２は、弁体２２０のうち、樹脂製の弁体当接部２２１を弁座２１０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２００である。弁座２１０は、図１６及び図１７に示すように、上側に凸状に形成され、流体制御弁２００の軸心ＣＬに対し、その径内側で軸心ＣＬと沿う内周面２１０ａから延びた弁座曲面２１０ｂを挟んで、径外側に向けて下降する外側テーパ面２１０ｃを有している。また、弁体２２０は、弁座曲面２１０ｂと当接する弁体当接部２２１に、下側から上側に向かって拡大する傾斜面２２１ａを有している。
特許文献２では、クリープの進行により徐々にシール部分が傾斜面２２１ａの上側に移動したとき、それに伴いシール部分の直径は位置Ｐから位置Ｑへと増加するが、その増加量は、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ている。これにより、特許文献２は、当接部が設計限界を越えるまでの時間、当接部を伸ばすことができ、耐久性の高い流量制御弁となっている。
特許文献２のように、弁体（弁体当接部）にゴムではなく、フッ素系樹脂が用いられている流体制御弁でも、弁座の形状は、曲面状の頂部から当該弁座の径外側に向けて外側テーパ面で下降した形状となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２２９２１３号公報
【特許文献２】特開２００７−１７０５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、弁座当接部がゴム製で平面状に形成された弁体を弁座に当接または離間させて、流体の流れを制御する流体制御弁において、その流体制御弁のユーザーは、高圧用の仕様で構成された流体制御弁を用いて、実際に流通制御する流体として、低圧の流体の流れを制御する使い方をする場合がある。この場合、高圧用の流体制御弁を用いて、低圧の流体の流れを制御すると、経時的に生じる弁体の損傷の進行が早まり、シール性能が低下して、当該流体制御弁の使用後、短い使用時間で流体の漏れが生じてしまう問題があった。
この問題は、次の理由によって生じる。
【０００８】
例えば、太陽電池製造装置等には、流体制御弁が用いられている。流体制御弁は、入力ポートと出力ポートの間にある弁座に対し、弁体が当接または離間することで、入力ポートから出力ポートへの流体の流れを制御している。
太陽電池製造装置等では、流体制御弁で流通制御する流体としては、例えば、窒素等の不活性ガスのほか、純水などであり、流体制御弁を流通するときの流体温度は、弁体にゴムが使用できる程度の温度である。流体制御弁の弁体は、弁座とのシール性を高くするため、ゴムで形成されている。
【０００９】
このような流体制御弁には、一般的にノーマルクローズ（ＮＣ）タイプとノーマルオープンタイプ（ＮＯ）があるが、弁体を弁座に当接させるときの押圧力が、付勢部材による付勢力（ＮＣ）か、操作エア圧による押圧力（ＮＯ）かの違いだけなので、ここでは、ＮＣタイプの流体制御弁を代表して、流体を制御する部分の構造について簡単に説明する。
流体制御弁は、流通する流体の圧力に打勝つだけの大きな押圧力を発生させるバネ等の付勢部材を有し、この付勢部材により、ピストンを介して弁体を付勢して弁座に当接させることで閉弁し、入力ポートから出力ポートへの流体の流れを遮断する。このとき、弁体の下面である平面状の弁座当接部はゴム製で形成されているため、弁座とその周辺部が、弁座当接部の弾性変形により、弁座当接部に食い込み、高いシール力が得られる。
その一方、流体制御弁は、操作エア圧により、ピストンを介して、付勢部材による押圧力に抗した反力で、弁座に当接した弁体を弁座から離間させて開弁し、入力ポートから出力ポートへ流体を流す。
【００１０】
流体制御弁のメーカーは、流体制御弁に流れる流体の圧力について、実際にユーザーで使用する大きさに対応させるため、弁座に対し、弁体を開閉させるときの設定圧力の仕様を複数用意して、種々のバリエーションで流体制御弁を製造している。
すなわち、制御する流体が高圧である場合、高圧向けの流体制御弁が用いられ、高圧向けの流体制御弁には、相当大きな押圧力を発生する付勢部材が用いられている。その反対に、制御する流体が低圧である場合、低圧向けの流体制御弁が用いられ、この流体制御弁には、比較的小さな押圧力で弁体を弁座に向けて付勢する付勢部材が用いられている。
【００１１】
ところで、流体制御弁で流通制御する流体の圧力が、例えば、０．３ＭＰａ、０．５ＭＰａ、１ＭＰａと、流体制御弁を配設するＡ、Ｂ、Ｃの３箇所で異なっているような場合には、本来、制御する流体の圧力に合った仕様の流体制御弁を選択して配設することが望ましい。
ところが、流体制御弁のユーザーによっては、上記の例で言うと、流通制御する流体の圧力が、０．３ＭＰａ、０．５ＭＰａであるところでも、１ＭＰａ用の流体制御弁を用いることがある。
このように、高圧向けの流体制御弁で低圧の流体を流通制御すると、流通する流体が低圧であるため、流体から受ける弁体への抗力が小さいところに、高圧向けの付勢部材により、相当大きな押圧力を弁座に向けて作用させてしまうことになる。
換言すれば、押圧力と抗力との相対的な差が大きくなってしまい、閉弁するのに、弁座に向けた押圧力を必要以上に大きく作用させて、弁体が弁座に当接する状況となっている。
【００１２】
ここで、低圧の流体に対し、高圧向けの流体制御弁で流通制御したことにより、弁体の弁座当接部に損傷が生じる様子を説明する説明図として、図１８に示す。
前述したように、従来の流体制御弁のシール構造では、弁座は、上側に凸状に形成された弁座形成部の上端に形成され、当該弁座の軸心に対し、径内側に位置しており、この弁座形成部には、弁座の頂部からその径外側に向けて下降する外側テーパ面が形成されている。
従来のシール構造で構成された高圧向けの流体制御弁を、低圧の流体を流通制御するために用いると、閉弁に、弁座に向けた押圧力が必要以上に大きく作用させていることから、弁体の弁座当接部のうち、弁座の頂部と外側テーパ面の上端部とが当接する部分で、通常よりも大きな弾性変形が生じ、その変形量も大きくなっている。
特に、弁座３１０の頂部３１１付近で局部的に過度な弾性変形が生じると、相当大きな歪み（せん断歪）が弁座３１０の頂部３１１付近に集中するため、弁体３２０が損傷し易い状態となり、図１８に示すように、弁体３２０の弁座当接部３２３のうち、頂部３１１より径内側にある弁座の最径内部Ｙが食い込む部分で、経時的に亀裂が生じてくる。その結果、弁体３２０と弁座３１０とのシール性能が、流体制御弁の使用後、短い使用時間で、低下してしまい、流体制御弁を閉弁させても、入力ポートと出力ポートとの間で流体の漏れが発生してしまい、問題であった。
【００１３】
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、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】
【００１４】
上記の問題点を解決するために、本発明の流体制御弁は、次の構成を有している。
（１）弁座を有するボディと、弁座に弁体を当接または離間させて流体の流れを制御する流体制御弁において、弁体のうち、少なくとも弁座と当接または離間する弁座当接部は、弾性を有する材質からなり、弁座当接部の下面が平面状に形成され、弁座は、上側に凸状で、最上端に曲面状の頂部を有し、弁座には、当該弁座の径方向に沿う方向に対し、頂部を挟んだ径内側に、下側に向けて下降する弁座内側面が形成されていると共に、頂部を挟んだ径外側に、下側に向けて下降する弁座外側面が形成されており、弁座当接部を引張り破断したときの歪みである引張り破断時歪みの大きさを１としたとき、閉弁により弁座当接部に生じる閉弁時歪みが、引張り破断時歪みの１／６以下に設定され、前記弁座当接部の破断を抑制することを特徴とする。
（２）（１）に記載する流体制御弁において、閉弁状態にあるとき、前記弁体の前記弁座当接部は、前記弁座との当接により弾性変形して所定の潰し量で潰され、当該流体制御弁の軸心方向に沿う方向に対し、前記弁座内側面の高さを、前記潰し量より大きく設定することにより、前記弁体において閉弁時に前記弁座の頂部付近に当接する部位に局部的に生じていた過度な歪みの発生を抑制することを特徴とする。
（３）（１）又は（２）に記載する流体制御弁において、弁座の径方向に沿う水平面に対し、弁座内側面は、傾斜角θｉの内側テーパ面であり、弁座外側面は、傾斜角θｏの外側テーパ面であり、傾斜角θｉは、傾斜角θｏより小さく、閉弁時に前記弁座当接部に生じる歪みを抑制することを特徴とする。
（４）（１）又は（２）に記載する流体制御弁において、弁座内側面及び弁座外側面は、いずれも曲面であることを特徴とする。
（５）（１）乃至（４）の何れか一つに記載する流体制御弁において、弁体を、伸縮可撓性を有するダイアフラム弁体で形成したダイアフラム弁であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
上記構成を有する流体制御弁の作用・効果について説明する。
本発明の流体制御弁では、
（１）弁体のうち、少なくとも弁座と当接または離間する弁座当接部は、弾性を有する材質からなり、弁座当接部の下面が平面状に形成され、弁座は、上側に凸状で、最上端に曲面状の頂部を有し、弁座には、当該弁座の径方向に沿う方向に対し、その径内側に、下側に向けて下降する弁座内側面が形成されていると共に、頂部を挟んだ径外側に、下側に向けて下降する弁座外側面が形成されているので、高圧用の仕様で構成された当該流体制御弁を用いて、実際に流通制御する流体として、低圧の流体の流れを制御する使い方をする場合でも、従来、弁座の頂部付近に局部的に生じていた過度な歪みの発生が抑制できるようになる。
【００１６】
すなわち、一般的な流体制御弁では、閉弁するのに、押圧力を弁体に直接的または間接的に作用させて弁体を弁座に当接させ、弁体の弁座当接部が弾性変形することにより、弁座の頂部付近が、弁体の弁座当接部に食い込んで、大きな反発力が発生できるようになっている。
従来の流体制御弁と同様、本発明の流体制御弁も、押圧力を弁体に直接的または間接的に作用させて、弁体を弁座に当接させて閉弁し、弁体に作用させる押圧力は、流体制御弁に実際に流れる流体の圧力の大きさに対応した設計値に基づいて、設定されている。
ところが、流体制御弁を使用するユーザーによっては、高圧用の仕様で構成された流体制御弁を用いて、実際に流通制御する流体として、低圧の流体の流れを制御する使い方をする場合がある。
このような使い方をすると、流体制御弁では、流通する流体が低圧であるため、流体から受ける弁体への抗力が小さいところに、高圧向けの設計値で設定された相当大きな押圧力で、弁体を弁座に向けて作用させてしまうことになる。
そのため、従来の流体制御弁では、弁座の頂部付近で局部的に過度な弾性変形が生じて、相当大きな歪み（せん断歪み）が弁座の頂部付近に集中し、結果的に、使用後、短い使用時間で弁体と弁座とのシール性能が低下してしまい、流体制御弁を閉弁させても、入力ポートと出力ポートとの間で流体の漏れが発生してしまう。
【００１７】
これに対し、本発明の流体制御弁では、弁座は、上側に凸状で、最上端に曲面状の頂部を有し、弁座には、当該弁座の径方向に沿う方向に対し、その径内側に、下側に向けて下降する弁座内側面が形成されていると共に、頂部を挟んだ径外側に、下側に向けて下降する弁座外側面が形成されている。
これにより、閉弁時に、弁体に作用した押圧力により、弁座当接部が弾性変形して、弁座の頂部及び弁座外側面のほか、従来の弁座構造になかった弁座内側面が、弁体の弁座当接部に当接して食い込む。このとき、従来の流体制御弁と同様、本発明の流体制御弁でも、弁座当接部にはせん断歪みが生じる。
せん断歪みとは、弁体が弁座と当接または離間する上下方向と直交する径方向から、弁座当接部を見たとき、任意箇所にある所定面積あたりの第１基準断面と、この第１基準断面と同形状・同面積で、第１基準断面と径方向に平行に長さＬ０だけ離れた第２基準断面とに対し、弁体への押圧力が上下方向に作用したことにより、第２基準断面が、第１基準断面と上下方向にずれた分の相対変位Ｌ１を、上記の長さＬ０で除した変化量である。
【００１８】
従来の弁座構造で構成された流体制御弁では、上側に凸状で環状に形成された弁座の頂部は、当該弁座の径方向径内側に位置し、頂部の径内側は、当該弁座の上下方向にある内周面となっていた。そのため、従来の流体制御弁が閉弁状態となると、弁体の弁座当接部において、弁座の内周面付近から弁座の頂部にかけて食い込んだ部分で局部的に、上下方向の弾性変形が過度に生じていたため、せん断歪みが大きくなっていた。
しかしながら、本発明の流体制御弁では、従来の流体制御弁とは異なり、閉弁時に、弁座当接部と当接する部分として、弁座内側面が頂部からその径内側で下側に向けて下降しているので、弁座当接部において、弁座内側面から頂部にかけて食い込む部分で、上下方向の弾性変形が、従来の弁座構造に比べて小さく抑えられているため、せん断歪みの発生がより小さく抑制できている。
よって、弁体の弁座当接部のうち、弁座の頂部付近が当接する部分に、上下方向の弾性変形が過度に生じなくなり、局部的な歪みの発生が抑制できているため、弁座の食い込みに起因した亀裂が弁座当接部に経時的に生じ難くなる。
従って、高圧用の仕様で構成された本発明の流体制御弁を用いて、低圧の流体の流れを制御する使い方をする場合であっても、弁体の弁座当接部に局部的な歪みの発生が抑制できているため、弁座当接部が損傷にし難く、弁体と弁座とのシール性能を、当該流体制御弁の使用後、長期間にわたり維持できる耐久性の高い流体制御弁を提供することができる、という優れた効果を奏する。
【００１９】
（２）また、弁座の径方向に沿う水平面に対し、弁座内側面は、傾斜角θｉの内側テーパ面であり、弁座外側面は、傾斜角θｏの外側テーパ面であり、傾斜角θｉは、傾斜角θｏより小さいので、弁座当接部の耐久性を、上側に凸状の頂部から弁座の径外側に向けて下降する外側テーパ面で形成された従来の弁座構造に比べ、向上させることができる。
すなわち、従来の弁座構造では、頂部の径内側は、弁座における上下方向の内周面となっていたため、閉弁状態では、主に頂部付近と当接する部分で弁座当接部が局部的に弾性変形していたが、本発明の流体制御弁では、頂部のほか、弁座外側面の傾斜角θｏより緩やかな傾斜角θｉの内側テーパ面と当接する部分で、弁座当接部が広範囲に弾性変形する。そのため、弁座当接部において、弁座内側面から頂部にかけて食い込む部分で、上下方向の弾性変形が、従来の弁座構造に比べてより小さく抑えられているため、せん断歪みの発生がより確実に抑制できる。
従って、弁座当接部の耐久性を、上側に凸状の頂部から弁座の径外側に向けて下降する外側テーパ面で形成された従来の弁座構造に比べ、向上させることができる。
【００２０】
ところで、弁体の弁座当接部は、例えば、ゴム等、弾性を有した弾性材料からなり、延性を有している。弾性材料に引張り荷重をかけると、引張り荷重の増加に伴って弾性材料の歪みも増加する。
閉弁したときでも、弁座の頂部と、この頂部に近接する内側テーパ面の上端部及び外側テーパ面の上端部とが、弁体の弁座当接部に食い込むため、弁座当接部が弾性変形して、弁座当接部に歪みが生じる。すなわち、弁体の開閉を繰り返し行い、弁座当接部において、繰り返し一定の負荷（歪み）が断続的にかかり、弁座当接部に疲労が経時的に生じる。
本発明の流体制御弁では、弁座内側面が傾斜角θｉの内側テーパ面に、弁座外側面が傾斜角θｏの外側テーパ面に、それぞれなっており、傾斜角θｉが傾斜角θｏより小さくなっている。
これにより、閉弁時に弁座当接部に生じる歪みが、弁座当接部を引張り破断したときの歪みである引張り破断時歪みよりも、より小さく抑えることができるようになる。
従って、本発明の流体制御弁において、弁体の開閉を繰り返し行っても、弁座当接部での歪みを抑制でき、弁座当接部が破断に至るまでの弁体の開閉の繰り返し回数は飛躍的に増大するため、弁体の弁座当接部が、長期間にわたり破損し難くなる。
【００２１】
（３）また、弁座内側面及び弁座外側面は、いずれも曲面であるので、（１）と同様、高圧用の仕様で構成された当該流体制御弁を用いて、実際に流通制御する流体として、低圧の流体の流れを制御する使い方をする場合でも、従来、弁座の頂部付近に局部的に生じていた過度な歪みの発生が抑制できるようになる。
（４）また、弁座当接部を引張り破断したときの歪みである引張り破断時歪みの大きさを１としたとき、閉弁により弁座当接部に生じる閉弁時歪みが、引張り破断時歪みの１／６以下に設定されているので、弁座当接部が破断に至るまでの破断回数を、例えば、１００万回以上とすることができる。
【００２２】
（５）また、閉弁状態にあるとき、弁体の弁座当接部は、弁座との当接により弾性変形して所定の潰し量で潰され、当該流体制御弁の軸心方向に沿う方向に対し、弁座内側面の高さは、潰し量より大きく設定されているので、高圧用の仕様で構成された本発明の流体制御弁を用いて低圧の流体の流れを制御する使い方で、弁座に向けた押圧力を必要以上に大きく作用させて、弁体を弁座に当接させて閉弁した場合でも、従来、弁体において弁座の頂部付近に局部的に生じていた過度な歪みの発生を、確実に抑制できるようになる。
【００２３】
（６）また、弁部材を、伸縮可撓性を有するダイアフラム弁体で形成したダイアフラム弁であるので、２次側の制御流体の圧力が大きく、制御流体からダイアフラム弁体に受ける圧力が大きくなるため、閉弁には、ダイアフラム弁体が受圧する圧力に打勝つだけの大きな閉止力が必要となる。このように、大きな閉止力でダイアフラム弁体の弁座当接部を弁座に当接させて閉弁するようにしても、本発明の流体制御弁では、弁体において弁座の頂部付近に過度な歪みの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態に係る流体制御弁の構成を示す断面図であり、閉弁状態を示す図である。
【図２】図１に示す流体制御弁の開弁状態を示す断面図である。
【図３】実施例１に係る流体制御弁の弁座の形状について説明する説明図である。
【図４】実施例１に係る流体制御弁の弁座の形状について、調査で用いたＬ９直交表の制御因子とその水準との関係を示す表である。
【図５】図４に示す制御因子の寄与率の結果を示す円グラフある。
【図６】実施例２に係る流体制御弁の弁座の形状について説明する説明図である。
【図７】実施例１に係る流体制御弁の弁座の形状について、解析結果を示す図である。
【図８】実施例２に係る流体制御弁の弁座の形状について、解析結果を示す図である。
【図９】比較例１に係る従来の流体制御弁の弁座の形状について、解析結果を示す図である。
【図１０】比較例２に係る従来の流体制御弁の弁座の形状について、解析結果を示す図である。
【図１１】実施例１に係る流体制御弁について、閉弁状態における弁座と弁体との位置関係を説明する説明図である。
【図１２】実施例１に係る流体制御弁の弁座について、弁座内側面の形状を説明する説明図である。
【図１３】ゴム製の試験片に係る材料の疲労線図である。
【図１４】特許文献１に開示されたポペット弁の弁座シール構造を示す断面図である。
【図１５】従来技術に係る流体用流体制御弁の弁座のシール構造の一例を示す図である。
【図１６】特許文献２に開示された流体制御弁を示す断面図である。
【図１７】図１６中、Ｘ部を拡大して模式的に示した説明図である。
【図１８】弁体の弁座当接部に損傷が生じる様子を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（実施形態）
以下、本発明に係る流体制御弁について、実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、実施形態に係る流体制御弁の構成を示す断面図であり、閉弁状態を示す図である。図２は、図１に示す流体制御弁の開弁状態を示す断面図である。
実施形態に係る流体制御弁１は、例えば、太陽電池製造装置等に用いるダイアフラム弁であり、弁座１０に弁体２０を当接または離間させて流体の流れを制御する。流体制御弁１は、付勢バネ５０の一端をピストン４０に、他端をカバー６０に支持させ、パイロットエアによる押圧力が作用しないときに、付勢バネ５０の付勢力によって弁体２０が弁座１０に当接して閉弁するノーマルクローズタイプの流体制御弁である。
流体制御弁１で流通制御する流体としては、例えば、窒素等の不活性ガスのほか、純水などの流体であり、流体制御弁を流通するときの流体温度は、弁体にゴムが使用できる程度の温度である。
【００２６】
ボディ２には、入力ポート１８と出力ポート１９とが形成されている。入力ポート１８と出力ポート１９とは、周囲に弁座１０が形成された弁孔によって連通している。弁座１０は、一定の曲率をもつ環状に形成されており、上側に凸状で、最上端に曲面状の頂部１１を有している。弁座１０には、当該弁座１０の径方向（図１及び図２中、左右方向）に沿う方向ＨＸに対し、その径内側に、下側に向けて下降する弁座内側面１２が形成されていると共に、頂部１１を挟んだ径外側に、下側に向けて下降する弁座外側面１３が形成されている。なお、弁座１０の具体的な形状については、後に詳述する。
【００２７】
ボディ２には、中空状のシリンダ３０が取り付けられている。シリンダ３０の中空部のうち、ピストン４０により分割された下中空部３５は、操作ポート３２と連通している。シリンダ３０の中空部のうち、ピストン４０により分割された上中空部３６は、シリンダ３０の中空部を閉塞するカバー６０の空気抜きポート３１と連通している。また、上中空部３６には、ピストン４０を下向きに付勢するための付勢バネ５０が、カバー６０と、ピストン４０との間に配置されている。
また、シリンダ３０の中空部には、ピストン４０が上下方向に摺動可能に保持されている。ピストン４０の中央部には、下側に向かって弁軸４１が形成されている。弁軸４１は、シリンダ３０の弁軸ブラケット３３により、シール部材を介して上下方向に摺動可能に保持されている。
弁軸４１の下端には、図１に示すように、小径部４１ａが形成され、その周囲にネジ部４１ｂが形成されている。
【００２８】
次に、弁体２０について説明する。弁体２０は、弁支持部材２１と弁部材２２とからなる。金属製の弁支持部材２１は、ネジ部４１ｂに螺合されている。弁支持部材２１のフランジ２１ａには、弁部材２２が取付けられ、フランジ２１ａが弁部材２２の溝内に嵌め込むことにより、固定されている。
弁体２０の弁部材２２は、伸縮可撓性を有するダイアフラム弁体であり、ボディ２の流路を周囲の雰囲気と隔離している。また、この弁部材２２は、弁座１０と当接または離間する弁座当接部２３を有し、弁座当接部２３の下面２３ａは平面状に形成されている。
弁座当接部２３を含む弁部材２２は、例えば、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ，ＦＦＫＭ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）等のゴム製で、弾性を有する材質からなっている。
なお、前述したように、流体制御弁１で流通制御する流体の対象は、例えば、窒素等の不活性ガスのほか、純水などの流体であり、これらの流体の温度が、弁体にゴムが使用できる程度の温度であるため、弁座当接部２３がゴム製となっている。
【００２９】
次に、上記構成を有する流体制御弁１の作用を説明する。
制御対象となる流体に対し、入力ポート１８から出力ポート１９に向けた流れを遮断するとき、操作ポート３２にパイロットエアが供給されない。このとき、ピストン４０は、付勢バネ５０により下向きに付勢し、付勢バネ５０による押圧力により、弁軸４１と弁支持部材２１とを介して、弁部材２２の弁座当接部２３が弁座１０に押圧されている。
一方、制御対象の流体を出力ポート１９に流すときは、図示しない電磁弁により操作ポート３２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４０が上向きに移動して、図２の状態となる。弁部材２２が、弁軸４１と弁支持部材２１を介して上向きに移動し、弁部材２２の弁座当接部２３が弁座１０から離間して、流体が入力ポート１８から出力ポート１９へと流れる。
【００３０】
次に、弁座１０の具体的な形状として、実施例１に係る弁座１０の形状について、図３、図１１及び図１２を用いて説明する。図３は、図１中、Ｆ部を拡大した模式図であり、実施例１に係る流体制御弁の弁座の形状について説明する説明図である。
（実施例１）
本実施例は、図３に示すように、弁座１０の径方向ＨＸに沿う水平面ＨＳに対し、弁座外側面１３が傾斜角θｏの外側テーパ面であり、弁座内側面１２が、傾斜角θｏより小さい傾斜角θｉで形成された内側テーパ面である場合である。
本実施例では、流体制御弁１の弁座１０の形状として、内側テーパ面１２は、傾斜角θｉが１５°で形成され、外側テーパ面１３は、傾斜角θｏが２５°で形成されている。また、頂部１１における曲率Ｒが、例えば０．５ｍｍの円弧形状に形成され、頂部１１の面、内側テーパ面１２及び外側テーパ面１３が、幾何学的に変曲点のない曲線に沿う面で繋がっている。
【００３１】
実施例１に係る流体制御弁について、閉弁状態における弁座と弁体との位置関係を説明する説明図を、図１１に示す。図１２は、実施例１に係る流体制御弁の弁座について、弁座内側面の形状を説明する説明図である。
本実施例に係る流体制御弁１では、閉弁状態にあるとき、弁体２０の弁座当接部２３は、弁座１０のうち、頂部１１の面、内側テーパ面１２及び外側テーパ面１３との当接により弾性変形して所定の潰し量ｓで潰されるようになっている。また、流体制御弁１の軸心ＣＬ方向に沿う方向に対し、弁座１０の弁座内側面１０ａと内側テーパ面１２とが接続する交点から頂部１１の頂点までの高さｔは、潰し量ｓより大きく設定されている。
なお、図１２に示すように、弁座内側面１０ａと内側テーパ面１２とが接続する部分が曲面状に形成されている場合には、この曲面と弁座内側面１０ａとの交点と、頂部１１の頂点までの高さが高さｔとなる。
【００３２】
次に、実施例１において、傾斜角θｉを１５°と、傾斜角θｏを２５°と、それぞれ設定するまでに至った根拠について、説明する。
内側テーパ面１２の傾斜角θｉと外側テーパ面１３の傾斜角θｏは、シミュレーションを通じて設定されているが、シミュレーションの内容を説明する前に、まずシミュレーションを行った経緯について、簡単に触れることにする。
流体制御弁１のような、弁座当接部がゴム製で平面状に形成された弁体を弁座に当接または離間させて、流体を流通制御する流体制御弁のユーザーが、高圧用の仕様で構成された流体制御弁を用いて、実際に流れる低圧の流体を流通制御する使い方をすると、経時的に生じる弁体の損傷の進行が早まり、シール性能が低下して、当該流体制御弁の使用後、短い使用時間で流体の漏れが生じてしまう問題があった。
【００３３】
出願人は、この問題を解決するため、参照する図１８に示すように、頂部３１１付近での局部的な歪みの発生を避け、弁体３２０の弁座当接部３２３の最径内部Ｙに亀裂が生じないようにするため、弁座３１０の頂部３１１付近に生じていた過度な弾性変形を引き起こしている要因が何であるかを、様々な角度から検討してみた。
影響すると考えられる４つの要因を、以下に挙げる。
Ａ．弁支持部材２１の外径Φ
Ｂ．弁座１０の頂部１１の半径Ｒ
Ｃ．弁座１０の内側テーパ面１２の傾斜角θｉ
Ｄ．弁座１０の外側テーパ面１３の傾斜角θｏ
【００３４】
そこで、これら４つの要因が、それぞれどれくらいの割合で影響し、過度な弾性変形を引き起こしているのかを調査するため、出願人は、品質管理手法の一つである実験計画法に基づいてシミュレーションを行った。シミュレーションで用いたＬ９直交表の制御因子とその水準との関係を示す表を、図４に示す。
具体的には、シミュレーションは、実験計画法にあるＬ９直交表に基づいて行い、図４に示すように、制御因子として、上記Ａ乃至Ｄの各要因を、各要因の水準として、図４に掲載した第１水準から第３水準までの３水準を挙げた。
なお、各要因の水準は、流体制御弁１のメーカーとして、出願人の持つ豊富なノウハウと経験と、また必要とする流体制御弁１の仕様に合わせた設計値に基づいて、水準幅を大きくとって設定されている。
【００３５】
図５は、図４に示す制御因子の寄与率の結果を示す円グラフである。図５で明らかなように、４つの制御因子のうち、最も寄与率が高い制御因子は、８２％を占める「Ｃ．弁座１０の内側テーパ面１２の傾斜角θｉ」であることが判る。次いで、９％であった「Ｂ．弁座１０の頂部１１の半径Ｒ」と続き、最も寄与率が低い制御因子は、僅か１％に過ぎない「Ｄ．弁座１０の外側テーパ面１３の傾斜角θｏ」であることが判る。
出願人は、シミュレーションにより、最も寄与率が高い「Ｃ．弁座１０の内側テーパ面１２の傾斜角θｉ」の第１水準である「傾斜角θｉ＝１５°」と、最も寄与率が低かった「Ｄ．弁座１０の外側テーパ面１３の傾斜角θｏ」の第１水準である「傾斜角θｏ＝２５°」との最適な水準値の組み合わせを、見出した。
実施例１は、最適な水準値の組み合わせとして得た「傾斜角θｉ＝１５°」と「傾斜角θｏ＝２５°」の場合である。
【００３６】
なお、「Ａ．弁支持部材２１の外径Φ」と「Ｂ．弁座１０の頂部１１の半径Ｒ」の両制御因子の寄与率は、「Ｄ．弁座１０の外側テーパ面１３の傾斜角θｏ」の制御因子よりも多少大きかったが、寄与率全体に占める割合は、相対的に低い。また、流体制御弁１の構成する仕様に対し、流体制御弁１のユーザーにニーズに合わせて多岐に対応できるようにすることも必要となる。そのため、流体制御弁１を実際に製造する上では、「Ａ．弁支持部材２１の外径Φ」と「Ｂ．弁座１０の頂部１１の半径Ｒ」の両制御因子に係る水準値に、自由度を持たせて、流体制御弁１は構成される。
【００３７】
（実施例２）
次に、実施例２に係る弁座１０の形状について、図６を用いて説明する。図６は、図３と同様の模式図であり、実施例２に係る流体制御弁の弁座の形状について説明する説明図である。
本実施例は、弁座１０の上端部において、頂部１１、弁座内側面１２及び弁座外側面１３が、いずれも曲率ｒが同じで、円弧状の曲面で形成された場合である。
本実施例では、流体制御弁１の弁座１０の形状として、弁座１０において弁座内側面１０ａと弁座外周面１０ｂとを、例えば、曲率ｒが１．２５ｍｍの円弧で繋ぎ、頂部１１の面、弁座内側面１２及び弁座外側面１３が、幾何学的に変曲点のない曲線に沿う面で繋がっている。
【００３８】
前述した実施例１のほか、弁座の形状がそれぞれ異なる例として、上記の実施例２、及び従来技術に係る流体制御弁を対象とした比較例１，比較例２についても、実験計画法に基づいてシミュレーションを行っている。そして、実施例１，２及び比較例１，２に係る流体制御弁に対し、閉弁状態のときに、弁体の弁座当接部に生じるせん断歪みについて、ＦＥＭにより、解析を行い、せん断歪みの分布を調べた。
実施例１，２及び比較例１，２に係るシミュレーション条件のうち、実施例１，２及び比較例１，２で共通する条件は、実施例１，２に係る弁支持部材２１の外径Φと、比較例１，２において、この弁支持部材２１に対応する部分の外径Φであり、何れもΦ＝２５ｍｍとした。
【００３９】
実施例１，２及び比較例１，２の各例で異なる部分のシミュレーション条件を示す。
（実施例１）
上記の実施例１であり、シミュレーション条件を再掲すると、
内側テーパ面１２の傾斜角θｉ＝１５°
外側テーパ面１３の傾斜角θｏ＝２５°
頂部１１の半径Ｒ＝０．５ｍｍ
（実施例２）
上記の実施例２であり、シミュレーション条件を再掲すると、
頂部１１、内側テーパ面１２及び外側テーパ面１３が曲率ｒ＝１．２５ｍｍの半円弧状に形成された曲面
（比較例１）
弁座の上端面が、頂部の半径Ｒ＝無限大のフラット状の面
（比較例２）
特許文献１，２のような、従来の弁座形状であり、以下の各条件が、それぞれ実施形態に係る流体制御弁１に相当する部分で、
内側テーパ面の傾斜角θｉ＝９０°
外側テーパ面の傾斜角θｏ＝１５°
頂部の半径Ｒ＝０．５ｍｍ
【００４０】
実施例１の解析結果を図７に、実施例２の解析結果を図８に、比較例１の解析結果を図９に、比較例２の解析結果を図１０に、それぞれ示す。図７乃至図１０では、上下方向に対するせん断歪みの大きさに合わせて表示を変化させており、せん断歪みが最も大きくかかる分布を黒塗りにして、便宜上、応力の大きさをレベル１とした。その反対に、ドットのピッチを、せん断歪みが比較的小さくなるにつれて粗くし、せん断歪みが最も小さいところの分布をレベル９と表記した。
せん断歪みとは、弁体２０が弁座１０と当接または離間する上下方向と直交する径方向から、弁座当接部２３を見たとき、任意箇所にある所定面積あたりの第１基準断面と、この第１基準断面と同形状・同面積で、第１基準断面と径方向に平行に長さＬ０だけ離れた第２基準断面とに対し、弁体２０への押圧力が上下方向に作用したことにより、第２基準断面が、第１基準断面と上下方向にずれた分の相対変位Ｌ１を、上記の長さＬ０で除した変化量である。
なお、図７乃至図１０では、せん断歪みの大きさに対応するレベルは、絶対的な大きさを表記したものであり、レベル１に相当するせん断歪みの大きさは９０％と、レベル９に相当するせん断歪みの大きさは１０％と、レベル１とレベル９との間には、歪みの大きさの比で９倍もの差異がある。
【００４１】
実施例１では、図７に示すように、弁座当接部２３において、頂部１１付近にある頂部付近当接部Ｍａに生じるせん断歪みは、その周辺に比べるとより大きくなっているが、その大きさは、頂部付近当接部Ｍａにおいて、最大でレベル３程度に留まり、頂部付近当接部Ｍａの周囲Ｍｂ，Ｍｃもレベル４、レベル５と、せん断歪みの分布も全体的に分散した傾向になっていることが判る。具体的には、弁座当接部２３において頂部１１付近に生じるせん断歪みは、４４％であった。
【００４２】
次いで、実施例２では、図８に示すように、実施例１と同様、弁座当接部２３において、頂部１１付近にある頂部付近当接部Ｍにかかるせん断歪みは、その周辺に比べるとより大きくなっているが、その大きさが、最大でレベル３程度に留まっている。具体的には、弁座当接部２３において頂部１１付近に生じるせん断歪みは、５１％であった。
その一方で、実施例２では、全体的なせん断歪みの分布が、実施例１に比べて、やや密に分布している傾向が見られたが、頂部付近当接部Ｍａの周囲Ｍｂ，Ｍｃはレベル４、レベル５と、流体制御弁１を実際に使用する上で影響のない誤差範囲であると考察される。
【００４３】
これに対し、比較例１では、図９に示すように、弁座当接部４２３において、弁座４１０の径内側角部４１１と当接する頂部付近当接部Ｎａ付近に、せん断歪みが局部的に集中しており、その大きさは、最大のレベル１にまで達している。このように、弁座当接部４２３で生じる過度な弾性変形により、頂部付近当接部Ｎａ付近にせん断歪みが局部的に集中すると、特に頂部付近当接部Ｎａ付近では、上下方向のせん断弾性歪みが最大値８５％近くまで及んだ。
また、頂部付近当接部Ｎａ付近の周囲Ｎｂ，Ｎｃにも、レベル１に続きレベル２、レベル３とせん断歪みが大きい部分が密集して分布していることも判る。
【００４４】
比較例１と同様、比較例２でも、図１０に示すように、弁座当接部３２３において、弁座３１０の頂部３１１と当接する頂部付近当接部Ｎａ付近に、せん断歪みが局部的に集中しており、その大きさは、最大のレベル１に次ぐレベル２にまで達している。このように、弁座当接部３２３で生じる過度な弾性変形により、頂部付近当接部Ｎａ付近にせん断歪みが局部的に集中すると、特に頂部付近当接部Ｎａ付近では、せん断弾性歪みが最大で７５％以上にまで及ぶことが判る。
また、頂部付近当接部Ｎａ付近の周囲Ｎｂ，Ｎｃにも、レベル２に続きレベル３、レベル４とせん断歪みが大きい部分が密集して分布していることが判る。
【００４５】
次に、実施例１，２に係る流体制御弁１と、比較例２に係る流体制御弁とについて、上記のシミュレーションによる解析結果を検証するため、実際に耐久試験を行った。なお、比較例１に係る流体制御弁については、耐久試験を行っていない。
耐久試験は、実施例１，２に係る流体制御弁１と、比較例２に係る流体制御弁に流体を流さず、圧力０．５ＭＰａの操作エアにより、弁体２０等からの押圧力としての負荷を、弁座当接部２３，３２１，４２１に３ｓｅｃ．間（ＯＮ状態）かけた後、この負荷を１ｓｅｃ．間（ＯＦＦ状態）解除する工程を１サイクルとして行い、この工程を繰り返し複数回のサイクルで実施した。
耐久試験では、弁支持部材２１の外径Φと、比較例１，２においてこれに対応する部分の外径については、何れもΦ＝２５ｍｍで共通とした。また、弁座当接部の材質をフッ素系ゴムとした。
【００４６】
試験結果について説明する。
比較例２に係る流体制御弁の場合、弁座当接部３２３は、繰り返し回数が３０万回で破断した。破断した様子は、参照する図１８に示すように、最径内部Ｙで経時的な亀裂が生じていた。
これは、比較例２の場合、閉弁することにより、弁座当接部３２３において、弁座３１０の頂部３１１と当接する頂部付近当接部Ｎ付近に、せん断歪みが局部的に集中し、上下方向のせん断弾性歪みが７５％以上に達しているために生じたものと考えられる。
これに対し、実施例１，２では、いずれの弁座当接部２３は、３００万回以上という、比較例２の１０倍以上の繰り返し回数まで耐え得た。
これは、閉弁することにより、弁座当接部２３において、弁座１０の頂部１１と当接する当接部付近に、局部的なせん断歪みの発生がなく、上下方向のせん断弾性歪みが５０％程度までに留まっているためと考えられる。
【００４７】
ここで、弁座当接部に生じるせん断歪みと、弁座当接部の耐久性との関係について、図１３を用いて説明する。
弁座当接部２３を構成するゴム材では、金属の持つ機械的性質と同様、ロードセル等を用いてゴム材を引張り、ゴム材に繰り返し一定の負荷（歪み）を断続的にかけてゴム材の疲労試験を行うと、ゴム材は、繰り返し生じる歪みによる疲労により破断する。
疲労試験の試験条件として、ＪＩＳ  Ｋ６２５１規定のダンベル試験片３号形状を用いて、一定の応力（負荷）を、試験片に３ｓｅｃ．間（ＯＮ状態）かけた後、この負荷を１ｓｅｃ．間（ＯＦＦ状態）解除する工程を１サイクルとして行い、この工程を繰り返し複数回のサイクルで実施するものである。
【００４８】
このように、ゴム材の一種であるＮＢＲ製の試験片の疲労試験を行うと、図１３に示すような疲労線図が得られる。疲労線図は、複数の硬度のＮＢＲ製の試験片による累乗データである。
図１３は、ゴム製の試験片に係る材料の疲労線図であり、縦軸に、試験片の引張り破断時の歪みに対する負荷歪みの割合を（％）で、横軸に、試験片が破断に至るまでの回数（破断回数）を（回）で、それぞれ表記したグラフである。試験片の引張り破断時の歪みとは、試験片における「（破断長さ−元の長さ）／元の長さ」であり、負荷歪みとは、試験片における「引張り長さ／元の長さ」である。
流体制御弁１のメーカーは、比較例２に係る流体制御弁の場合において、弁座当接部３２３の破断回数が３０万回と短寿命であるため、少なくとも破断回数１００万回を達成できるよう、弁体２０（弁座当接部２３）の耐久性を向上させる流体制御弁１の設計、製造を行っている。
図１３から読み取れるように、破断回数１００万回を実現するには、試験片の引張り破断時の歪みに対する負荷歪みの割合を、１６％以下に抑える必要がある。すなわち、試験片の引張り破断時の歪みを「１」としたとき、その約１／６以下の範囲に、試験片にかかる負荷歪みが収まるように、弾性変形量を抑制しなければならない。
【００４９】
前述したように、従来の流体制御弁のほか、実施例１，２に係る流体制御弁１では、弁部材２２の弁座当接部２３は、例えば、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ，ＦＦＫＭ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）等のゴム製で、弾性を有する材質からなっている。
そのため、閉弁したときに、弁座１０の頂部１１と、この頂部１１に近接する内側テーパ面１２の上端部及び外側テーパ面１３の上端部とが、弁体２０の弁座当接部２３に食い込むため、弁座当接部２３が弾性変形して、弁座当接部２３には、せん断歪みが生じる。
ところが、上記のゴム製の試験片のように、弁座当接部２３において、引張り破断時の歪みに対し、弾性変形時の歪みを、約１／６以下の範囲に収まるよう、弾性変形量を抑制すると、弁座当接部２３に、破断回数１００万回という耐久性を持たせることができる。
【００５０】
弁座当接部２３を構成する材質に対する「引張り破断時の歪み」は、フッ素ゴム（ＦＫＭ）の場合、例えば、３１０％となり、その約１／６以下の範囲に収まる「弾性変形時の歪み（せん断弾性歪み）」は、約５２％以下となる。
実際に行った上記の耐久試験では、実施例１及び実施例２のいずれの場合でも、破断回数３００万回以上を達成できている。
これは、シミュレーション解析結果である「せん断弾性歪み４４％」（実施例１の場合）と、「せん断弾性歪み５１％」（実施例２の場合）が、何れの場合も、明らかに上記約５２％の範囲に収まっているからであると考えられ、実際に、破断回数１００万回をはるかに超えた破断回数３００万回以上の耐久性が、耐久試験を通じて実証されている。
【００５１】
前述した構成を有する本実施形態に係る流体制御弁の作用・効果について説明する。
本実施形態では、弁体２０のうち、弁座１０と当接または離間する弁座当接部２３は、例えば、フッ素ゴム（ＦＫＭ，ＦＦＫＭ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）等のゴム製で、弾性を有する材質からなり、弁座当接部２３の下面２３ａが平面状に形成され、弁座１０は、上側に凸状で、最上端に曲面状の頂部１１を有し、弁座１０には、当該弁座１０の径方向ＨＸに沿う方向に対し、その径内側に、下側に向けて下降する弁座内側面１２が形成されていると共に、頂部１１を挟んだ径外側に、下側に向けて下降する弁座外側面１３が形成されているので、高圧用の仕様で構成された当該流体制御弁１を用いて、実際に流通制御する流体として、低圧の流体の流れを制御する使い方をする場合でも、従来、弁座の頂部付近に局部的に生じていた過度な歪みの発生が抑制できるようになる。
【００５２】
すなわち、一般的な流体制御弁では、閉弁するのに、押圧力を弁体に直接的または間接的に作用させて弁体を弁座に当接させ、弁体の弁座当接部が弾性変形することにより、弁座の頂部付近が、弁体の弁座当接部に食い込んで、大きな反発力が発生できるようになっている。
従来の流体制御弁と同様、本実施形態に係る流体制御弁１も、押圧力を弁体２０に、ピストン４０を介して間接的に作用させて、弁体２０を弁座１０に当接させて閉弁し、弁体２０に作用させる押圧力は、流体制御弁１において、実際に入力ポート１８から出力ポート１９に向けて流れる流体の圧力の大きさに対応した設計値に基づいて、設定されている。
ところが、流体制御弁を使用するユーザーによっては、高圧用の仕様で構成された流体制御弁を用いて、実際に流通制御する流体として、低圧の流体の流れを制御する使い方をする場合がある。
このような使い方をすると、流体制御弁では、流通する流体が低圧であるため、流体から受ける弁体への抗力が小さいところに、高圧向けの設計値で設定された相当大きな押圧力で、弁体を弁座に向けて作用させてしまうことになる。そのため、従来の流体制御弁では、弁座の頂部付近で局部的に過度な弾性変形が生じて、相当大きな歪み（せん断歪み）が弁座の頂部付近に集中し、結果的に、使用後、短い使用時間で弁体と弁座とのシール性能が低下してしまい、流体制御弁を閉弁させても、入力ポートと出力ポートとの間で流体の漏れが発生してしまう。
【００５３】
これに対し、本実施形態に係る流体制御弁１では、弁座１０は、上側に凸状で、最上端に曲面状の頂部１１を有し、弁座１０には、当該弁座１０の径方向ＨＸに沿う方向に対し、その径内側に、下側に向けて下降する弁座内側面１２が形成されていると共に、頂部１１を挟んだ径外側に、下側に向けて下降する弁座外側面１３が形成されている。
これにより、閉弁時に、弁体２０に作用した押圧力により、弁座当接部２３が弾性変形して、弁座１０の頂部１１及び弁座外側面１３のほか、従来の弁座構造になかった弁座内側面１２が、弁体２０の弁座当接部２３に当接して食い込む。このとき、従来の流体制御弁と同様、本実施形態に係る流体制御弁１でも、弁座当接部２３にはせん断歪みが生じる。
【００５４】
従来の弁座構造で構成された流体制御弁では、上側に凸状で環状に形成された弁座の頂部は、当該弁座の径方向径内側に位置し、頂部の径内側は、当該弁座の上下方向にある内周面となっていた。そのため、従来の流体制御弁が閉弁状態となると、弁体の弁座当接部において、弁座の内周面付近から弁座の頂部にかけて食い込んだ部分で局部的に、上下方向の弾性変形が過度に生じていたため、せん断歪みが大きくなっていた。
しかしながら、本実施形態に係る流体制御弁１では、従来の流体制御弁とは異なり、閉弁時に、弁座当接部２３と当接する部分として、弁座内側面１２が頂部１１からその径内側で下側に向けて下降しているので、弁座当接部２３において、弁座内側面１２から頂部１１にかけて食い込む部分で、上下方向の弾性変形が、従来の弁座構造に比べて小さく抑えられているため、せん断歪みの発生がより小さく抑制できている。
よって、弁体２０の弁座当接部２３のうち、弁座１０の頂部１１付近が当接する部分に、上下方向の弾性変形が過度に生じなくなり、局部的なせん断歪みの発生が抑制できているため、弁座１０の食い込みに起因した亀裂が弁座当接部２３に経時的に生じ難くなる。
従って、高圧用の仕様で構成された、本実施形態に係る流体制御弁１を用いて、低圧の流体の流れを制御する使い方をする場合であっても、弁体２０の弁座当接部２３に局部的な歪みの発生が抑制できているため、弁座当接部２３が損傷にし難く、弁体２０と弁座１０とのシール性能を、当該流体制御弁１の使用後、長期間にわたり維持できる耐久性の高い流体制御弁１を提供することができる、という優れた効果を奏する。
【００５５】
また、本実施形態に係る流体制御弁１のうち、実施例１では、弁座１０の径方向ＨＸに沿う水平面ＨＳに対し、弁座内側面１２は、傾斜角θｉの内側テーパ面であり、弁座外側面１３は、傾斜角θｏの外側テーパ面であり、傾斜角θｉは、傾斜角θｏより小さいので、弁座当接部２３の耐久性を、上側に凸状の頂部１１から弁座１０の径外側に向けて下降する外側テーパ面で形成された従来の弁座構造に比べ、向上させることができる。
すなわち、従来の弁座構造では、頂部の径内側は、弁座における上下方向の内周面となっていたため、閉弁状態では、主に頂部付近と当接する部分で弁座当接部が局部的に弾性変形していたが、実施例１に係る流体制御弁１では、頂部１１のほか、弁座外側面１３の傾斜角θｏより緩やかな傾斜角θｉの内側テーパ面１２と当接する部分で、弁座当接部２３が広範囲に弾性変形する。
そのため、弁座当接部２３において、弁座内側面１２から頂部１１にかけて食い込む部分で、上下方向の弾性変形量を緩やかに変化させることができるため、せん断歪みの発生がより確実に抑制できる。
従って、弁座当接部２３の耐久性を、上側に凸状の頂部から弁座の径外側に向けて下降する外側テーパ面で形成された従来の弁座構造に比べ、向上させることができる。
【００５６】
ところで、弁体２０の弁座当接部２３は、例えば、ゴム等、弾性を有した弾性材料からなり、延性を有している。弾性材料に、引張り破断が生じるところまで引張り荷重をかけると、引張り荷重の増加に伴って弾性材料の歪みも増加する。
閉弁したときでも、弁座１０の頂部１１と、この頂部１１に近接する内側テーパ面１２の上端部及び外側テーパ面１３の上端部とが、弁体２０の弁座当接部２３に食い込むため、弁座当接部２３が弾性変形して、弁座当接部２３に歪が生じる。すなわち、弁体２０の開閉を繰り返し行い、弁座当接部２３において、繰り返し一定の負荷（歪み）が断続的にかかり、弁座当接部２３に疲労が経時的に生じる。
実施例１に係る流体制御弁１では、弁座内側面１２が傾斜角θｉの内側テーパ面に、弁座外側面１３が傾斜角θｏの外側テーパ面に、それぞれなっており、傾斜角θｉが傾斜角θｏより小さくなっている。
これにより、閉弁時に弁座当接部２３に生じる歪みが、弁座当接部２３を引張り破断したときの歪みである引張り破断時歪みよりも、より低く抑えることができるようになる。
従って、本実施例に係る流体制御弁１において、弁体２０の開閉を繰り返し行っても、弁座当接部２３での歪みを抑制でき、弁座当接部２３が破断に至るまでの弁体２０の開閉の繰り返し回数は飛躍的に増大するため、弁体２０の弁座当接部２３が、長期間にわたり破損し難くなる。
【００５７】
また、本実施形態に係る流体制御弁１のうち、実施例２では、弁座内側面１２及び弁座外側面１３は、いずれも曲面であるので、実施例１と同様、高圧用の仕様で構成された当該流体制御弁１を用いて、実際に流通制御する流体として、低圧の流体の流れを制御する使い方をする場合でも、従来、弁座の頂部付近に局部的に生じていた過度な歪みの発生が抑制できるようになる。
また、本実施形態に係る流体制御弁１のうち、実施例１，２では、弁座当接部２３を引張り破断したときの歪みである引張り破断時歪みの大きさを１としたとき、閉弁により弁座当接部２３に生じる閉弁時歪みが、引張り破断時歪みの１／６以下に設定されているので、弁座当接部２３が破断に至るまでの破断回数を、１００万回以上をはるかに超える３００万回以上とすることができる。
【００５８】
また、本実施形態では、閉弁状態にあるとき、弁体２０の弁座当接部２３は、弁座１０との当接により弾性変形して所定の潰し量ｓで潰され、当該流体制御弁１の軸心ＣＬ方向に沿う方向に対し、弁座内側面１２の高さｔは、潰し量ｓより大きく設定されているので、高圧用の仕様で構成された、本実施形態に係る流体制御弁１を用いて低圧の流体の流れを制御する使い方で、弁座に向けた押圧力を必要以上に大きく作用させて、弁体を弁座に当接させて閉弁した場合でも、従来、弁体において弁座の頂部付近に局部的に生じていた過度な歪みの発生を、確実に抑制できるようになる。
【００５９】
また、本実施形態では、弁部材２２を、伸縮可撓性を有するダイアフラム弁体で形成したダイアフラム弁２２であるので、２次側の制御流体の圧力が大きく、制御流体からダイアフラム弁体２２に受ける圧力が大きくなるため、閉弁には、ダイアフラム弁体２２が受圧する圧力に打勝つだけの大きな閉止力が必要となる。このように大きな閉止力でダイアフラム弁体２２を弁座に当接させて閉弁するようにしても、本実施形態に係る流体制御弁１では、弁体２０において弁体１０の頂部１１付近に過度な歪みの発生を、確実に抑制することができる。
【００６０】
以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できる。
（１）例えば、実施例２では、弁座１０における弁座内側面１０ａと弁座外周面１０ｂとを、いずれも曲率ｒが１．２５ｍｍの円弧とし、頂部１１の面、弁座内側面１２及び弁座外側面１３を、幾何学的に変曲点のない曲線に沿う面で繋げた。
しかしながら、弁座の形状として、頂部の面と、弁座内側面と弁座外周面とが幾何学的に変曲点のない曲線に沿う面で繋がっていれば、弁座内側面と弁座外周面とは、曲率が互いに異なる曲面で形成しても良い。
（２）また、実施形態では、流体制御弁１を、付勢バネ５０の一端をピストン４０に、他端をカバー６０に支持させ、パイロットエアによる押圧力が作用しないときに、付勢バネ５０１の付勢力によって弁体２０が弁座１０に当接して閉弁するノーマルクローズタイプの流体制御弁とした。
しかしながら、流体制御弁は、本実施形態のピストン４０の受圧側に相当するピストンの一方側と、シリンダ３０の底部側との間に付勢部材を配設し、パイロットエアによる押圧力が作用しないときに、付勢バネの付勢力によって弁体が弁座から離間して開弁し、パイロットエアによる押圧力が作用すると、弁体が弁座に当接して閉弁するノーマルオープンタイプの弁としても良い。
なお、ノーマルオープンタイプの流体制御弁では、操作ポートが、ノーマルクローズタイプである本実施形態の流体制御弁１の空気抜きポート３１の位置に配設され、空気抜きポートが、エアポート３２の位置に配設される。
【符号の説明】
【００６１】
１  流体制御弁
２  ボディ
１０  弁座
２０  弁体
２２  弁部材
２３  弁座当接部
２３ａ  下面
１１  頂部
１２  内側テーパ面（弁座内側面）
１３  外側テーパ面（弁座外側面）
ＣＬ  流体制御弁の軸心
ＨＸ  径方向
ＨＳ  水平面
θｉ，θｏ  傾斜角
ｓ  潰し量
ｔ  弁座内側面の高さ
【図１】
0005364051.tif 000002
【図２】
0005364051.tif 000003
【図３】
0005364051.tif 000004
【図４】
0005364051.tif 000005
【図５】
0005364051.tif 000006
【図６】
0005364051.tif 000007
【図７】
0005364051.tif 000008
【図８】
0005364051.tif 000009
【図９】
0005364051.tif 000010
【図１０】
0005364051.tif 000011
【図１１】
0005364051.tif 000012
【図１２】
0005364051.tif 000013
【図１３】
0005364051.tif 000014
【図１４】
0005364051.tif 000015
【図１５】
0005364051.tif 000016
【図１６】
0005364051.tif 000017
【図１７】
0005364051.tif 000018
【図１８】
0005364051.tif 000019