JP7582031B2 - 流体制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、流体の圧力または流量を制御することが可能な流体制御弁に関する。

従来から、二次圧を調整可能なダイヤフラムを用いた調圧弁が知られている。例えば、特許文献１には、二次圧と調圧スプリングのバネ力との均衡点を求めて作動する調圧ダイヤフラムに連結されて往復動し、弁体部を弁座部に対して接近離反させる調圧シャフトを有する減圧弁が記載されている。この調圧シャフトには二次圧が背圧として作用するように構成され、調圧シャフトとホルダとの間にはリップパッキンが設けられている。

また、特許文献２には、弁座を開閉する弁部を有するロッド部と、第一チャンバ内に配される第一ダイヤフラム部と、第二チャンバ内に配される第二ダイヤフラム部とを備える背圧制御弁が記載されている。この背圧制御弁では、第二ダイヤフラム部の有効受圧面積が弁座の有効面積と等しくなっており、二次側の負荷変動に伴ってロッド部が移動しないように構成されている。

特開２００７－１４８４６５号公報 特開２００１－９９３４４号公報

しかしながら、特許文献１の減圧弁は、一次圧の変動については配慮がなされていないほか、調圧シャフトとリップパッキンとの摺動による抵抗があり、発塵等の問題が発生する。また、特許文献２の背圧制御弁も、一次圧の変動については配慮がなされていない。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、一次圧および二次圧の一方または両方に変動があっても安定した制御ないし動作が維持される流体制御弁を提供することを目的とする。

本発明に係る流体制御弁は、入力ポートと出力ポートを備えるボデイと、ボデイに設けられた弁座に当接可能な弁体とを含み、第１ダイヤフラムおよび第２ダイヤフラムが弁体とボデイとの間に配設され、第１ダイヤフラムと第２ダイヤフラムとの間にダイヤフラム室が形成され、第１ダイヤフラムは弁室とダイヤフラム室とを区画し、第２ダイヤフラムはダイヤフラム室と背圧室とを区画する。そして、ダイヤフラム室は出力ポートに連通し、弁室および背圧室は入力ポートに連通し、第１ダイヤフラムの有効受圧面積と第２ダイヤフラムの有効受圧面積との差が弁座における通路面積に等しい。ダイヤフラム室を出力ポートに連通し、弁室および背圧室を入力ポートに連通する代わりに、ダイヤフラム室を入力ポートに連通し、弁室および背圧室を出力ポートに連通してもよい。

また、本発明に係る流体制御弁は、入力ポートと出力ポートを備えるボデイと、ボデイに設けられた弁座に当接可能な弁体とを含み、第１ダイヤフラムおよび第２ダイヤフラムが弁体とボデイとの間に配設され、第１ダイヤフラムと第２ダイヤフラムとの間にダイヤフラム室が形成され、第１ダイヤフラムは弁室とダイヤフラム室とを区画し、第２ダイヤフラムはダイヤフラム室と背圧室とを区画する。そして、ダイヤフラム室は出力ポートに連通し、弁室および背圧室は入力ポートに連通し、弁体の一端部が背圧室からボデイの外側に形成され出力ポートに連通する室に延びており、第１ダイヤフラムの有効受圧面積と第２ダイヤフラムの有効受圧面積との差が弁座における通路面積と弁体の一端部の断面積との差に等しい。

上記各流体制御弁によれば、一次圧および二次圧の一方または両方に変動があっても、動作を不安定にする力が弁体に加わることがなく、安定した制御ないし動作が維持される。

本発明に係る流体制御弁は、第１ダイヤフラムの有効受圧面積、第２ダイヤフラムの有効受圧面積および弁座における通路面積の間に所定の関係をもたせるようにしたので、一次圧および二次圧の一方または両方に変動があっても、安定した制御ないし動作が維持される。

本発明の第１実施形態に係る流体制御弁の断面図である。 図１の流体制御弁の一部拡大図である。 本発明の第２実施形態に係る流体制御弁の断面図である。 図３の流体制御弁の一部拡大図である。 本発明の第３実施形態に係る流体制御弁の概略断面図である。 図５の流体制御弁のバルブモジュールの拡大図である。

本発明に係る流体制御弁について、複数の好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。以下の説明において、上下の方向に関する言葉を用いたときは、便宜上、図面上での方向をいうものであって、各部材の実際の配置等を限定するものではない。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る流体制御弁１０について、図１および図２を参照しながら説明する。流体制御弁１０は、減圧弁（調圧弁）として機能するもので、ボデイ１２と、ボンネット５２と、それらの内部に組み込まれるバランス機構部および調圧機構部とを有する。バランス機構部は、弁体２６、第１ダイヤフラム３６、第２ダイヤフラム３８等により構成され、調圧機構部は、調圧シャフト５４、調圧スプリング５８、調圧ダイヤフラム６０等により構成される。ボデイ１２は、ボデイ本体１４とカバー体２４とからなり、弁体２６は、主弁体２８と付加弁体３０とステム３４とからなる。

ボデイ本体１４は、同一軸線上で対向して配置される入力ポート１６および出力ポート１８を備えている。ボデイ本体１４の下部にはカバー体２４が取り付けられ、ボデイ本体１４の内部には、カバー体２４によって閉塞される弁体収容室２０が設けられている。弁体収容室２０の上部は、入力通路１４ａを介して入力ポート１６に連通するとともに、出力通路１４ｂを介して出力ポート１８に連通している。弁体収容室２０が出力通路１４ｂに臨む部位において、ボデイ本体１４に弁座２２が設けられている。

カバー体２４は、上方に突出する筒状の嵌合部２４ａを有し、該嵌合部２４ａがボデイ本体１４の下部に設けられた嵌合孔１４ｃに嵌合する。カバー体２４の嵌合部２４ａの上端は、ボデイ本体１４の嵌合孔１４ｃに連なる段部１４ｄと所定の隙間を隔てて対向する。この隙間に、後述する第１ダイヤフラム３６の外周部３６ｂと第２スペーサ４２と第２ダイヤフラム３８の外周部３８ｂとが配置される。カバー体２４の底部には、弁体収容室２０に向かって突出する筒状のガイド部２４ｄがカバー体２４と一体に形成されている。

主弁体２８は、弁体収容室２０内に配置され、その上端面に弁座２２と当接するシール部材３２を備える。主弁体２８は、シール部材３２が装着される上方の大径部２８ａと、段部２８ｂを経て大径部２８ａに連なる下方の小径部２８ｃとを有する。主弁体２８には、ステム３４および付加弁体３０が連結されている。具体的には、主弁体２８の大径部２８ａに設けられたステム孔２８ｇにステム３４の下部が挿入され、圧入等の手段により両者が連結される。また、付加弁体３０の内側に主弁体２８の小径部２８ｃが挿入され、螺合等の手段により両者が連結される。

ステム３４は、ボデイ本体１４に設けられた弁体挿通孔１４ｅに挿通される。付加弁体３０は、上方の大径部３０ａと、段部３０ｂを経て大径部３０ａに連なる小径部３０ｃとを有する。付加弁体３０は、その小径部３０ｃにおいて、カバー体２４のガイド部２４ｄの内側に挿通支持される。したがって、主弁体２８、付加弁体３０およびステム３４は、一体となって、それらの軸線方向（上下方向）に変位可能となるように支持されている。付加弁体３０の上端は、主弁体２８の段部２８ｂと所定の隙間を隔てて対向する。この隙間に、後述する第１ダイヤフラム３６の内周部３６ａと第１スペーサ４０と第２ダイヤフラム３８の内周部３８ａとが配置される。なお、カバー体２４のガイド部２４ｄの内側には、後述する背圧室４８の流体が回り込んでいる。

付加弁体３０の段部３０ｂとカバー体２４の底面との間に、カバー体２４のガイド部２４ｄの外周を取り巻くようにして、バルブスプリング５０が配設される。バルブスプリング５０は、コイルスプリングからなり、付加弁体３０を上方に付勢する。付加弁体３０と一体の主弁体２８は、バルブスプリング５０の付勢力を受けて、弁座２２に当接する方向に付勢されている。

弁体収容室２０内において、弁体２６とボデイ１２との間に、弾性材料から薄膜状に形成される環状の第１ダイヤフラム３６および第２ダイヤフラム３８が配設されている。第１ダイヤフラム３６の内周部３６ａと第２ダイヤフラム３８の内周部３８ａとの間には、リング状の第１スペーサ４０が設けられ、第１ダイヤフラム３６の外周部３６ｂと第２ダイヤフラム３８の外周部３８ｂとの間には、リング状の第２スペーサ４２が設けられている。

第１ダイヤフラム３６、第１スペーサ４０および第２ダイヤフラム３８は、主弁体２８の小径部２８ｃに挿通される。第１ダイヤフラム３６の内周部３６ａは、主弁体２８の段部２８ｂと第１スペーサ４０の上面との間で挟持され、第２ダイヤフラム３８の内周部３８ａは、付加弁体３０の上端と第１スペーサ４０の下面との間で挟持される。また、第１ダイヤフラム３６の外周部３６ｂは、ボデイ本体１４の段部１４ｄと第２スペーサ４２の上面との間で挟持され、第２ダイヤフラム３８の外周部３８ｂは、カバー体２４の嵌合部２４ａの上端と第２スペーサ４２の下面との間で挟持される。

弁体２６が上下方向に変位すると、第１ダイヤフラム３６の内周部３６ａが弁体２６とともに変位し、第１ダイヤフラム３６の内周部３６ａと外周部３６ｂとの間の薄膜部３６ｃが変形する。同様に、弁体２６が上下方向に変位すると、第２ダイヤフラム３８の内周部３８ａが弁体２６とともに変位し、第２ダイヤフラム３８の内周部３８ａと外周部３８ｂとの間の薄膜部３８ｃが変形する。

第２スペーサ４２の内周には段差部４２ａが設けられており、第２スペーサ４２の内径は、第２ダイヤフラム３８に接する下面側よりも、第１ダイヤフラム３６に接する上面側の方が大きくなっている。したがって、第１ダイヤフラム３６の変形領域である薄膜部３６ｃは、第２ダイヤフラム３８の変形領域である薄膜部３８ｃよりも面積が大きく、第１ダイヤフラム３６の有効受圧面積は、第２ダイヤフラム３８の有効受圧面積よりも大きい。この有効受圧面積差の技術的意義については後述する。

弁体収容室２０は、第１ダイヤフラム３６および第２ダイヤフラム３８により、第１ダイヤフラム３６の上側の弁室４４、第１ダイヤフラム３６と第２ダイヤフラム３８との間のダイヤフラム室４６、および、第２ダイヤフラム３８の下側の背圧室４８とに区画される。弁室４４は、入力通路１４ａを介して入力ポート１６に連通する。なお、本発明でいう「弁室」は、弁座２２に近接する室であって、入力ポート１６から出力ポート１８まで流体が流通する通路の一部を構成する室である。

第１スペーサ４０には、径方向に貫通する複数の径孔４０ａが設けられている。この複数の径孔４０ａの一端は、ダイヤフラム室４６に開口している。主弁体２８には、小径部２８ｃにおいて外周面を周回する環状溝２８ｄと、一端が環状溝２８ｄに繋がる複数の径孔２８ｅと、複数の径孔２８ｅの他端と繋がりステム孔２８ｇに至るまで主弁体２８の軸心方向に延びる軸孔２８ｆとが設けられている。ステム３４には、径方向に貫通し両端が出力通路１４ｂに開口する径孔３４ａ、および、該径孔３４ａに連通しステム３４の下端まで延びる軸孔３４ｂが設けられている。

第１スペーサ４０の径孔４０ａの他端は、主弁体２８の環状溝２８ｄと繋がっており、主弁体２８の軸孔２８ｆの上端は、ステム３４の軸孔３４ｂの下端と向き合っている。これら第１スペーサ４０の径孔４０ａ、主弁体２８の環状溝２８ｄ、主弁体２８の径孔２８ｅ、主弁体２８の軸孔２８ｆ、ステム３４の軸孔３４ｂおよびステム３４の径孔３４ａは、出力ポート１８の流体の圧力をダイヤフラム室４６に導入する二次圧導入通路を形成している。すなわち、ダイヤフラム室４６は、二次圧導入通路および出力通路１４ｂを介して出力ポート１８に連通する。

カバー体２４の嵌合部２４ａには、嵌合部２４ａの外周面を周回する環状溝２４ｂと、一端が環状溝２４ｂに繋がり他端が背圧室４８に開口する複数の横孔２４ｃとが設けられている。また、ボデイ本体１４には、一端がカバー体２４の環状溝２４ｂと繋がり他端が入力ポート１６と繋がる連絡通路１４ｆが設けられている。これらカバー体２４の横孔２４ｃ、カバー体２４の環状溝２４ｂおよびボデイ本体１４の連絡通路１４ｆは、入力ポート１６の流体の圧力を背圧室４８に導入する一次圧導入通路を形成している。すなわち、背圧室４８は、一次圧導入通路を介して入力ポート１６に連通する。なお、一次圧導入通路は、ボデイ本体１４とカバー体２４の間に設けられたシール材５１により、外部から気密に保持されている。

筒状のボンネット５２は、ボデイ本体１４の上端部に取り付けられ、ボデイ本体１４から上方に延びている。ボデイ本体１４とボンネット５２との間に、弾性材料から全体が薄膜に形成される環状の調圧ダイヤフラム６０が配置される。調圧ダイヤフラム６０の外周部６０ｂは、ボデイ本体１４の上面とボンネット５２の下面との間で挟持される。調圧ダイヤフラム６０の中央にベースホルダ６４が挿通され、ベースホルダ６４に円盤状の保持プレート６６が取り付けられる。調圧ダイヤフラム６０の内周部６０ａは、ベースホルダ６４と保持プレート６６との間で挟持される。

ベースホルダ６４の下部中央には凹部６４ａが形成されており、ボデイ本体１４から突出するステム３４の上端部が該凹部６４ａに挿入される。ステム３４の上端は、凹部６４ａに装着されたシール材６５を介してベースホルダ６４に当接する。ベースホルダ６４が上下方向に変位すると、調圧ダイヤフラム６０における内周部６０ａと外周部６０ｂとの間の領域が変形する。

調圧ダイヤフラム６０の下側には、調圧ダイヤフラム室６２が設けられている。調圧ダイヤフラム室６２は、ボデイ本体１４に形成されたバイパス通路１４ｇを介して出力通路１４ｂと連通している。すなわち、調圧ダイヤフラム室６２は、バイパス通路１４ｇおよび出力通路１４ｂを介して出力ポート１８に連通する。調圧ダイヤフラム室６２は、ベースホルダ６４に装着された前述のシール材６５により、調圧ダイヤフラム６０の上方に拡がるボンネット５２の内部から気密に保持される。

ボンネット５２の内部には、調圧シャフト５４、調圧スプリング５８および調圧スプリングシート５６が配置されている。調圧シャフト５４は、その軸方向中央寄りにフランジ部５４ａを有し、フランジ部５４ａの下方にねじ部５４ｂを有する。調圧シャフト５４の上端部は、ボンネット５２から上方に突出し、ボンネット５２の上部を覆うように設けられたハンドル６８に連結されている。具体的には、有底筒状のハンドル６８の底部に筒状突出部６８ａが形成されており、調圧シャフト５４の上端部がこの筒状突出部６８ａに圧入等の手段により固定される。

調圧スプリングシート５６は、調圧シャフト５４のフランジ部５４ａの下方に配置される。調圧スプリングシート５６は、調圧シャフト５４のフランジ部５４ａに当接可能な環状のプレート部５６ａと、プレート部５６ａの内周縁から軸方向に延びる筒部５６ｂとからなる。調圧スプリングシート５６の筒部５６ｂは、調圧シャフト５４のねじ部５４ｂに螺合される。調圧スプリングシート５６のプレート部５６ａは、その外周がスプライン等の回り止め手段によりボンネット５２に連結される。したがって、調圧スプリングシート５６は、その軸線回りの回転が規制されつつ、軸線方向（上下方向）に変位可能となるようにボンネット５２に支持されている。

調圧スプリング５８は、コイルスプリングからなり、調圧スプリングシート５６と保持プレート６６との間に配置される。調圧スプリング５８のばね定数は、バルブスプリング５０のばね定数より大きい。作業者がハンドル６８を回転させることにより、調圧シャフト５４が回転すると、調圧スプリングシート５６が上下方向に変位し、保持プレート６６およびベースホルダ６４も同方向に変位する。

ここで、弁体２６に作用する流体の圧力に基づく上下方向の力について考察する。入力ポート１６における圧力すなわち一次圧をＰ１とし、出力ポート１８における圧力すなわち二次圧をＰ２とする。また、第１ダイヤフラム３６の有効受圧面積をＳａ、第２ダイヤフラム３８の有効受圧面積をＳｂ、弁座２２における円形の通路面積（弁座２２のシート面積）をＳｃ、第１ダイヤフラム３６の内周部３６ａおよび第２ダイヤフラム３８の内周部３８ａを支持する主弁体２８の小径部２８ｃの断面積をＳ１とする。

弁室４４は、入力通路１４ａを介して入力ポート１６に連通しているので、弁室４４の流体の圧力は一次圧Ｐ１に等しい。ダイヤフラム室４６は、二次圧導入通路および出力通路１４ｂを介して出力ポート１８に連通しているので、ダイヤフラム室４６の流体の圧力は二次圧Ｐ２に等しい。背圧室４８は、一次圧導入通路を介して入力ポート１６に連通しているので、背圧室４８の流体の圧力は一次圧Ｐ１に等しい。

第１ダイヤフラム３６は、弁室４４の流体の圧力およびダイヤフラム室４６の流体の圧力を受けるので、第１ダイヤフラム３６に連結された弁体２６は、弁室４４の圧力に由来する下方への力Ｐ１×（Ｓａ－Ｓｃ）を受けるとともに、ダイヤフラム室４６の流体の圧力に由来する上方への力Ｐ２×（Ｓａ－Ｓ１）を受ける。

第２ダイヤフラム３８は、ダイヤフラム室４６の流体の圧力および背圧室４８の流体の圧力を受けるので、第２ダイヤフラム３８に連結された弁体２６は、ダイヤフラム室４６の圧力に由来する下方への力Ｐ２×（Ｓｂ－Ｓ１）を受けるとともに、背圧室４８の圧力に由来する上方への力Ｐ１×Ｓｂを受ける。また、弁体２６は、出力通路１４ｂに面する主弁体２８の上面側から下方への力Ｐ２×Ｓｃを受ける。

流体の圧力に由来して弁体２６に作用する力は、以上のとおりである。上向きの力の符号を正、下向きの力の符号を負とし、それらをすべて加算して整理すると、（Ｐ１－Ｐ２）×（－Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ）となる。

上記流体の圧力に由来して弁体２６に作用する力の総和（以下「弁体作用力の総和」という）を実質的にゼロにするため、Ｓａ－Ｓｂ＝Ｓｃとする。すなわち、第１ダイヤフラム３６の有効受圧面積Ｓａと第２ダイヤフラム３８の有効受圧面積Ｓｂとの差が弁座２２における通路面積Ｓｃに等しくなるように、第１ダイヤフラム３６の有効受圧面積Ｓａおよび第２ダイヤフラム３８の有効受圧面積Ｓｂを設定する。このように設定することで、一次圧Ｐ１および二次圧Ｐ２の大きさに関係なく、弁体作用力の総和を実質的にゼロとすることができる。したがって、一次圧Ｐ１および二次圧Ｐ２の一方または両方に変動があっても、動作を不安定にする力が弁体２６に加わることがない。

次に、ハンドル６８による二次圧の設定および調圧機構部による調圧作用について説明する。調圧ダイヤフラム室６２は、バイパス通路１４ｇおよび出力通路１４ｂを介して出力ポート１８に連通しているので、調圧ダイヤフラム室６２の流体の圧力は二次圧Ｐ２に等しい。調圧ダイヤフラム６０は、調圧ダイヤフラム室６２の圧力を受け、調圧ダイヤフラム６０の内周部６０ａを支持するベースホルダ６４に対して上向きの力を加える。

一方、調圧スプリング５８は、ベースホルダ６４に対して下向きの力を加えているが、ベースホルダ６４はステム３４に当接しており、バルブスプリング５０が弁体２６を介してベースホルダ６４に上向きの力を加えている。これら調圧スプリング５８による下向きの力とバルブスプリング５０による上向きの力は、ベースホルダ６４の位置によって決まり、調圧スプリング５８の付勢力からバルブスプリング５０の付勢力を差し引いたものは、ハンドル６８を回転することで調整することができる。ベースホルダ６４を下方に位置させるほど、二次圧を大きな値に設定することができる。

出力ポート１８に接続された流体圧機器（図示せず）が休止状態または停止状態にあり、入力ポート１６に圧力流体が供給されていないとき、主弁体２８は弁座２２から大きく離間している。この状態から流体圧機器の稼働が始まり、入力ポート１６に流体供給源（図示せず）から流体が供給されると、該流体は、弁座２２と主弁体２８の間を通って出力ポート１８に向かって流れる。これにより、二次圧が徐々に上昇し、調圧ダイヤフラム室６２の圧力も徐々に上昇する。

調圧ダイヤフラム室６２の圧力が上昇するにつれて、ベースホルダ６４が上方に変位し、入力ポート１６から出力ポート１８に向かって流れる流体の流量が減少する。そして、二次圧がハンドル６８によって設定された圧力に到達すると、主弁体２８が弁座２２に当接して出力ポート１８に向かう流体の流れが止まるとともに、ベースホルダ６４の変位も止まる。その後も、二次圧がハンドル６８によって設定された圧力を維持するように、調圧機構部による調圧作用が行われる。

前述したように、一次圧Ｐ１および二次圧Ｐ２の一方または両方に変動があっても、弁体作用力の総和は実質的にゼロのままであって、作業者がハンドル６８によって設定した所望の二次圧を維持するために必要な力のバランスが崩れることがない。したがって、安定した調圧作用が行われ、出力ポート１８の圧力が所望の二次圧に維持される。

本実施形態によれば、第１ダイヤフラム３６の有効受圧面積Ｓａと第２ダイヤフラム３８の有効受圧面積Ｓｂとの差が弁座２２における通路面積Ｓｃに等しいので、一次圧または二次圧に変動があっても、安定した調圧作用が行われ、所望の二次圧が得られる。また、シール材が必要な摺動部を設けることなく、弁体２６を軸線方向に変位可能に支持しているので、摺動抵抗によって動作が不安定になることがないほか、摺動による発塵もない。

本実施形態では、ダイヤフラム室４６を出力ポート１８に連通し、弁室４４および背圧室４８を入力ポート１６に連通したが、ダイヤフラム室４６を入力ポート１６に連通し、弁室４４および背圧室４８を出力ポート１８に連通してもよい。その場合の弁体２６に作用する力の総和は、前述の式（Ｐ１－Ｐ２）×（－Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ）においてＰ１とＰ２を入れ替えたものとなり、その値をゼロにするための条件（Ｓａ－Ｓｂ＝Ｓｃ）に変わりはないからである。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る流体制御弁８０について、図３および図４を参照しながら説明する。流体制御弁８０は、減圧弁（調圧弁）として機能するもので、ボデイ８２と、ボンネット５２と、それらの内部に組み込まれるバランス機構部および調圧機構部とを有する。バランス機構部は、弁体１００、第１ダイヤフラム１０６、第２ダイヤフラム１０８等により構成される。ボデイ８２は、ボデイ本体８４と第１カバー体９６と第２カバー体９８とからなり、弁体１００は、主弁体１０２と付加弁体１０４とからなる。なお、第１実施形態の流体制御弁１０と同一または同等の構成には同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。

ボデイ本体８４は、同一軸線上で対向して配置される入力ポート８６および出力ポート８８を備えている。ボデイ本体８４の下部には第１カバー体９６が取り付けられ、ボデイ本体８４の上部には第２カバー体９８が取り付けられている。ボデイ本体８４の内部には、弁体１００が収容される弁体収容室９０が設けられ、弁体収容室９０は、入力通路８４ａを介して入力ポート８６に連通するとともに、出力通路８４ｂを介して出力ポート８８に連通している。

ボデイ本体８４には、主弁体１０２が挿通される開口部９２ａを備えた水平壁部９２が設けられている。水平壁部９２は、弁体収容室９０内に突出し、水平壁部９２の下側に出力通路８４ｂに繋がる出力室９４が形成されている。水平壁部９２の開口部９２ａ近傍の下面には、弁座９２ｂが設けられている。第１カバー体９６は、出力室９４に向かって突出する筒状のガイド部９６ａを有し、ボデイ本体８４の下部に嵌合される。出力室９４の流体は、第１カバー体９６のガイド部９６ａに設けられた貫通孔９６ｂを介して、ガイド部９６ａの内側に回り込んでいる。

第２カバー体９８は、下方に突出する筒状の嵌合部９８ａを有し、該嵌合部９８ａがボデイ本体８４の上部に設けられた嵌合孔８４ｃに嵌合する。第２カバー体９８の嵌合部９８ａの下端は、ボデイ本体８４の嵌合孔８４ｃに連なる段部８４ｄと所定の隙間を隔てて対向する。この隙間に、後述する第１ダイヤフラム１０６の外周部１０６ｂと第２スペーサ１１２と第２ダイヤフラム１０８の外周部１０８ｂとが配置される。

主弁体１０２は、ボデイ本体８４の水平壁部９２の下方に位置する第１フランジ部１０２ａ、および、水平壁部９２の上方に位置する第２フランジ部１０２ｂを有する。第１フランジ部１０２ａの上面には、弁座９２ｂに当接するシール部材１０３が装着されている。主弁体１０２の第１フランジ部１０２ａよりも下方の部分は、第１カバー体９６のガイド部９６ａの内側に挿通支持される。第１フランジ部１０２ａの下面と第１カバー体９６の底面との間に、第１カバー体９６のガイド部９６ａの外側を取り巻くようにして、バルブスプリング１２０が配設される。バルブスプリング１２０は、コイルスプリングからなり、主弁体１０２を上方に付勢する。

主弁体１０２には付加弁体１０４が連結されている。具体的には、付加弁体１０４は、連結孔１０４ｂが設けられた大径部１０４ａと、大径部１０４ａから上方に延びる小径部１０４ｃとからなり、主弁体１０２の上部が付加弁体１０４の連結孔１０４ｂに挿入され、螺合等の手段により両者が連結される。付加弁体１０４の小径部１０４ｃは、第２カバー体９８に設けられた弁体挿通孔８４ｅに挿通され、第２カバー体９８の上方に配設される調圧ダイヤフラム室６２内に延びている。

主弁体１０２の第２フランジ部１０２ｂの上面は、付加弁体１０４の大径部１０４ａの下端と所定の隙間を隔てて対向する。この隙間に、後述する第１ダイヤフラム１０６の内周部１０６ａと第１スペーサ１１０と第２ダイヤフラム１０８の内周部１０８ａとが配置される。主弁体１０２および付加弁体１０４は、一体となって、その軸線方向（上下方向）に変位可能となるように支持されている。

弁体収容室９０内において、弁体１００とボデイ８２との間に、弾性材料から薄膜状に形成される環状の第１ダイヤフラム１０６および第２ダイヤフラム１０８が配設されている。第１ダイヤフラム１０６の内周部１０６ａと第２ダイヤフラム１０８の内周部１０８ａとの間には、リング状の第１スペーサ１１０が設けられ、第１ダイヤフラム１０６の外周部１０６ｂと第２ダイヤフラム１０８の外周部１０８ｂとの間には、リング状の第２スペーサ１１２が設けられている。

第１ダイヤフラム１０６、第１スペーサ１１０および第２ダイヤフラム１０８は、主弁体１０２の第２フランジ部１０２ｂよりも上方の部分に挿通される。第１ダイヤフラム１０６の内周部１０６ａは、主弁体１０２の第２フランジ部１０２ｂと第１スペーサ１１０の下面との間で挟持され、第２ダイヤフラム１０８の内周部１０８ａは、第１スペーサ１１０の上面と付加弁体１０４の下端との間で挟持される。また、第１ダイヤフラム１０６の外周部１０６ｂは、ボデイ本体８４の段部８４ｄと第２スペーサ１１２の下面との間で挟持され、第２ダイヤフラム１０８の外周部１０８ｂは、第２スペーサ１１２の上面と第２カバー体９８の嵌合部９８ａの下端との間で挟持される。

弁体１００が上下方向に変位すると、第１ダイヤフラム１０６の内周部１０６ａが弁体１００とともに変位し、第１ダイヤフラム１０６の内周部１０６ａと外周部１０６ｂとの間の薄膜部１０６ｃが変形する。同様に、弁体１００が上下方向に変位すると、第２ダイヤフラム１０８の内周部１０８ａが弁体１００とともに変位し、第２ダイヤフラム１０８の内周部１０８ａと外周部１０８ｂとの間の薄膜部１０８ｃが変形する。

第２スペーサ１１２の内周には段差部１１２ａが設けられており、第２スペーサ１１２の内径は、第２ダイヤフラム１０８に接する上面側よりも、第１ダイヤフラム１０６に接する下面側の方が大きくなっている。したがって、第１ダイヤフラム１０６の変形領域である薄膜部１０６ｃは、第２ダイヤフラム１０８の変形領域である薄膜部１０８ｃよりも面積が大きく、第１ダイヤフラム１０６の有効受圧面積は、第２ダイヤフラム１０８の有効受圧面積よりも大きい。この有効受圧面積差の技術的意義については後述する。

弁体収容室９０は、ボデイ本体８４の水平壁部９２の上側において、第１ダイヤフラム１０６および第２ダイヤフラム１０８により、第１ダイヤフラム１０６の下側の弁室１１４、第１ダイヤフラム１０６と第２ダイヤフラム１０８との間のダイヤフラム室１１６、および、第２ダイヤフラム１０８の上側の背圧室１１８とに区画される。弁室１１４は、入力通路８４ａを介して入力ポート８６に連通する。

第１スペーサ１１０には、径方向に貫通する複数の径孔１１０ａが設けられている。この複数の径孔１１０ａの一端は、ダイヤフラム室１１６に開口している。主弁体１０２には、第２フランジ部１０２ｂよりも上方の部位において、外周面を周回する環状溝１０２ｃと、一端が環状溝１０２ｃに繋がる複数の径孔１０２ｄと、複数の径孔１０２ｄの他端と繋がり主弁体１０２の下端まで主弁体１０２の軸心方向に延びる軸孔１０２ｅとが設けられている。第１スペーサ１１０の径孔１１０ａの他端は、主弁体１０２の環状溝１０２ｃと繋がっている。

第１スペーサ１１０の径孔１１０ａ、主弁体１０２の環状溝１０２ｃ、主弁体１０２の径孔１０２ｄ、主弁体１０２の軸孔１０２ｅは、出力ポート８８の流体の圧力をダイヤフラム室１１６に導入する二次圧導入通路を形成している。すなわち、ダイヤフラム室１１６は、二次圧導入通路、出力室９４および出力通路８４ｂを介して出力ポート８８に連通する。

第２カバー体９８の嵌合部９８ａには、嵌合部９８ａの外周面を周回する環状溝９８ｂと、一端が環状溝９８ｂに繋がり他端が背圧室１１８に開口する複数の横孔９８ｃとが設けられている。また、ボデイ本体８４には、一端が第２カバー体９８の環状溝９８ｂと繋がり他端が入力ポート８６と繋がる連絡通路８４ｆが設けられている。これら第２カバー体９８の横孔９８ｃ、第２カバー体９８の環状溝９８ｂおよびボデイ本体８４の連絡通路８４ｆは、入力ポート８６の流体の圧力を背圧室１１８に導入する一次圧導入通路を形成している。すなわち、背圧室１１８は、一次圧導入通路を介して入力ポート８６に連通する。

ここで、弁体１００に作用する流体の圧力に基づく上下方向の力について考察する。入力ポート８６における圧力すなわち一次圧をＰ１とし、出力ポート８８における圧力すなわち二次圧をＰ２とする。また、第１ダイヤフラム１０６の有効受圧面積をＳａ、第２ダイヤフラム１０８の有効受圧面積をＳｂ、弁座９２ｂにおける円形の通路面積（弁座９２ｂのシート面積）をＳｃ、第１ダイヤフラム１０６の内周部１０６ａおよび第２ダイヤフラム１０８の内周部１０８ａを支持する主弁体１０２の断面積をＳ１とする。さらに、第２カバー体９８の弁体挿通孔８４ｅの断面積、換言すれば、付加弁体１０４の小径部１０４ｃ（弁体１００の一端部）の断面積をＳ２とする。

弁室１１４は、入力通路８４ａを介して入力ポート８６に連通しているので、弁室１１４の流体の圧力は一次圧Ｐ１に等しい。ダイヤフラム室１１６は、二次圧導入通路、出力室９４および出力通路８４ｂを介して出力ポート８８に連通しているので、ダイヤフラム室１１６の流体の圧力は二次圧Ｐ２に等しい。背圧室１１８は、一次圧導入通路を介して入力ポート８６に連通しているので、背圧室１１８の流体の圧力は一次圧Ｐ１に等しい。調圧ダイヤフラム室６２は、ボデイ本体８４および第２カバー体９８に設けられたバイパス通路８３を介して出力ポート８８に連通しているので、調圧ダイヤフラム室６２の流体の圧力は二次圧Ｐ２に等しい。

第１ダイヤフラム１０６は、弁室１１４の流体の圧力およびダイヤフラム室１１６の流体の圧力を受けるので、第１ダイヤフラム１０６に連結された弁体１００は、弁室１１４の圧力に由来する上方への力Ｐ１×（Ｓａ－Ｓｃ）を受けるとともに、ダイヤフラム室１１６の流体の圧力に由来する下方への力Ｐ２×（Ｓａ－Ｓ１）を受ける。

第２ダイヤフラム１０８は、ダイヤフラム室１１６の流体の圧力および背圧室１１８の流体の圧力を受けるので、第２ダイヤフラム１０８に連結された弁体１００は、ダイヤフラム室１１６の圧力に由来する上方への力Ｐ２×（Ｓｂ－Ｓ１）を受けるとともに、背圧室１１８の圧力に由来する下方への力Ｐ１×（Ｓｂ－Ｓ２）を受ける。また、弁体１００は、主弁体１０２の下端が出力室９４に臨んでいるので、上方への力Ｐ２×Ｓｃを受けるほか、付加弁体１０４の上端が調圧ダイヤフラム室６２に臨んでいるので、下方への力Ｐ２×Ｓ２を受ける。

流体の圧力に由来して弁体１００に作用する力は、以上のとおりである。上向きの力の符号を正、下向きの力の符号を負とし、それらをすべて加算して整理すると、（Ｐ１－Ｐ２）×（Ｓａ－Ｓｂ－Ｓｃ＋Ｓ２）となる。

上記流体の圧力に由来して弁体１００に作用する力の総和（以下「弁体作用力の総和」という）を実質的にゼロにするため、Ｓａ－Ｓｂ＝Ｓｃ－Ｓ２とする。すなわち、第１ダイヤフラム１０６の有効受圧面積Ｓａと第２ダイヤフラム１０８の有効受圧面積Ｓｂとの差が弁座９２ｂにおける通路面積Ｓｃと調圧ダイヤフラム室６２内に突出する付加弁体１０４の断面積Ｓ２との差に等しくなるように、第１ダイヤフラム１０６の有効受圧面積Ｓａおよび第２ダイヤフラム１０８の有効受圧面積Ｓｂを設定する。このように設定することで、一次圧Ｐ１および二次圧Ｐ２の大きさに関係なく、弁体作用力の総和を実質的にゼロとすることができる。したがって、一次圧Ｐ１および二次圧Ｐ２の一方または両方に変動があっても、動作を不安定にする力が弁体１００に加わることがない。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る流体制御弁１３０について、図５および図６を参照しながら説明する。流体制御弁１３０は、流量制御弁として機能するもので、バルブモジュール１３２と、アクチュエータモジュール１３４と、センサモジュール１５０と、制御モジュール１５８と、入口モジュール１６２と、出口モジュール１６４とからなる。なお、第１実施形態の流体制御弁１０と同一または同等の構成には同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。

バルブモジュール１３２は、ボデイ１２の内部に組み込まれる弁体２６、第１ダイヤフラム３６、第２ダイヤフラム３８等により構成されるバランス機構部を有する。ボデイ１２は、ボデイ本体１４とカバー体２４とからなり、弁体２６は、主弁体２８と付加弁体３０とステム３４とからなる。

ボデイ本体１４は、同一軸線上で対向して配置される入力ポート１６および出力ポート１８を備えている。ボデイ本体１４の下部にはカバー体２４が取り付けられ、ボデイ本体１４の内部には、カバー体２４によって閉塞される弁体収容室２０が設けられている。弁体収容室２０の上部は、入力通路１４ａを介して入力ポート１６に連通するとともに、出力通路１４ｂを介して出力ポート１８に連通している。

ステム３４の上端は、出力通路１４ｂ内に位置する。ボデイ本体１４には、出力通路１４ｂとボデイ本体１４の上側の空間とを連通する孔部１４ｈがステム３４と同軸状に設けられている。後述するリニアモータのシャフト１４４は、この孔部１４ｈに挿通され、ステム３４の上端に当接する。

弁体収容室２０は、第１ダイヤフラム３６および第２ダイヤフラム３８により、第１ダイヤフラム３６の上側の弁室４４、第１ダイヤフラム３６と第２ダイヤフラム３８との間のダイヤフラム室４６、および、第２ダイヤフラム３８の下側の背圧室４８とに区画される。弁室４４は、入力通路１４ａを介して入力ポート１６に連通する。

第１スペーサ４０の径孔４０ａ、主弁体２８の環状溝２８ｄ、主弁体２８の径孔２８ｅ、主弁体２８の軸孔２８ｆ、ステム３４の軸孔３４ｂおよびステム３４の径孔３４ａは、出力ポート１８の流体の圧力をダイヤフラム室４６に導入する二次圧導入通路を形成している。ダイヤフラム室４６は、二次圧導入通路および出力通路１４ｂを介して出力ポート１８に連通する。

カバー体２４の横孔２４ｃ、カバー体２４の環状溝２４ｂおよびボデイ本体１４の連絡通路１４ｆは、入力ポート１６の流体の圧力を背圧室４８に導入する一次圧導入通路を形成している。背圧室４８は、一次圧導入通路を介して入力ポート１６に連通する。

弁体２６に作用する流体の圧力に基づく上下方向の力は、第１実施形態の流体制御弁１０の場合と同様であり、簡潔に述べると次のとおりである。入力ポート１６における圧力すなわち一次圧をＰ１とし、出力ポート１８における圧力すなわち二次圧をＰ２とする。また、第１ダイヤフラム３６の有効受圧面積をＳａ、第２ダイヤフラム３８の有効受圧面積をＳｂ、弁座２２における円形の通路面積（弁座２２のシート面積）をＳｃとする。流体の圧力に由来して弁体２６に作用する力をすべて加算した弁体作用力の総和は、（Ｐ１－Ｐ２）×（－Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ）となる。

上記弁体作用力の総和を実質的にゼロにするため、Ｓａ－Ｓｂ＝Ｓｃとする。すなわち、第１ダイヤフラム３６の有効受圧面積Ｓａと第２ダイヤフラム３８の有効受圧面積Ｓｂとの差が弁座２２における通路面積Ｓｃに等しくなるように、第１ダイヤフラム３６の有効受圧面積Ｓａおよび第２ダイヤフラム３８の有効受圧面積Ｓｂを設定する。このように設定することで、一次圧Ｐ１および二次圧Ｐ２の大きさに関係なく、弁体作用力の総和を実質的にゼロとすることができる。したがって、一次圧Ｐ１および二次圧Ｐ２の一方または両方に変動があっても、動作を不安定にする力が弁体２６に加わることがない。

アクチュエータモジュール１３４は、バルブモジュール１３２の上側に配設され、リニアモータを構成する。リニアモータの固定子は、バルブモジュール１３２のボデイ１２に取り付けられるアウタヨーク１３６と、アウタヨーク１３６の内側に固定される電磁コイル１３８とを含む。

リニアモータの可動子は、センタヨーク１４０と一対の永久磁石１４２ａ、１４２ｂがシャフト１４４に固定されてなるもので、軸方向（上下方向）に着磁された一対の永久磁石１４２ａ、１４２ｂは、センタヨーク１４０を間に挟んで同極が対向するように配置されている。電磁コイル１３８に駆動電流が流れると、駆動電流の向きに応じて永久磁石１４２ａ、１４２ｂおよびセンタヨーク１４０に上方向または下方向の推力が発生する。この推力の大きさは、駆動電流の大きさに比例する。

可動子の上方には、ホール素子、磁気抵抗素子等からなる位置センサ１４６が配設されている。可動子の位置は、位置センサ１４６によって検出され、該検出信号は制御モジュール１５８に送られる。可動子の下方には、ホールドヨーク１４８が配設されており、電磁コイル１３８の非通電時においても、下方の永久磁石１４２ａとホールドヨーク１４８との間には吸引力が作用する。これにより、シャフト１４４の下端がステム３４に当接した状態が維持される。

センサモジュール１５０は、バルブモジュール１３２の入力ポート１６に取り付けられる。センサモジュール１５０には、バルブモジュール１３２の入力ポート１６に繋がる主流路１５２と、主流路１５２から分岐する副流路１５４と、副流路１５４に臨む流量センサ１５６とが設けられている。流量センサ１５６は、主流路１５２を流れる流体の流量を検出し、該検出信号は制御モジュール１５８に送られる。

入口モジュール１６２は、センサモジュール１５０の主流路１５２の上流側に取り付けられ、出口モジュール１６４は、バルブモジュール１３２の出力ポート１８側に取り付けられる。図示しない圧力供給源から入口モジュール１６２に供給された流体は、センサモジュール１５０の主流路１５２を通って、バルブモジュール１３２の入力ポート１６に供給され、バルブモジュール１３２の出力ポート１８から出力される流体は、出口モジュール１６４を通って、図示しない流体機器に向けて出力される。入力ポート１６から出力ポート１８に向かう流体の流量は、前記流量センサ１５６によって検出されることになる。

制御モジュール１５８は、制御基板１６０を含み、流量センサ１５６の検出信号および位置センサ１４６の検出信号に基づいて、電磁コイル１３８に対する通電量をフィードバック制御する。具体的には、まず、流量センサ１５６の検出信号に基づく実流量値を目標流量値と比較して、目標弁開度（弁体の目標位置）を算出する。次に、位置センサ１４６に基づく実弁開度を該目標弁開度と比較して、電磁コイル１３８に対する通電量を算出し、電磁コイル１３８に所定の駆動電流を流すための駆動信号を出力する。

前述のとおり、一次圧Ｐ１および二次圧Ｐ２の一方または両方に変動があっても、動作を不安定にする力が弁体２６に加わることがないので、リニアモータの電磁コイル１３８に対する通電制御は、いわば外乱による影響のない安定したものとなる。したがって、電磁コイル１３８での発熱を可及的に抑制することができる。

本実施形態によれば、第１ダイヤフラム３６の有効受圧面積Ｓａと第２ダイヤフラム３８の有効受圧面積Ｓｂとの差が弁座２２における通路面積Ｓｃに等しいので、一次圧または二次圧に変動があっても、動作を不安定にする力が弁体２６に加わることがないので、リニアモータの電磁コイル１３８での発熱を可及的に抑制することができる。

本発明に係る流体制御弁は、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することのない範囲で、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０、８０、１３０…流体制御弁 １２、８２…ボデイ
１６、８６…入力ポート １８、８８…出力ポート
２２、９２ｂ…弁座 ２６、１００…弁体
３４…ステム ３６、１０６…第１ダイヤフラム
３８、１０８…第２ダイヤフラム
４０、１１０…第１スペーサ（スペーサ）
４２、１１２…第２スペーサ（スペーサ）
４２ａ、１１２ａ…段差部 ４４、１１４…弁室
４６、１１６…ダイヤフラム室 ４８、１１８…背圧室
５８…調圧スプリング ６０…調圧ダイヤフラム
６２…調圧ダイヤフラム室 ６４…ベースホルダ
６６…保持プレート

Claims (8)

1. 入力ポートと出力ポートを備えるボデイと、前記ボデイに設けられた弁座に当接可能な弁体とを含む流体制御弁であって、
   第１ダイヤフラムおよび第２ダイヤフラムが前記弁体と前記ボデイとの間に配設され、前記第１ダイヤフラムと前記第２ダイヤフラムとの間にダイヤフラム室が形成され、前記第１ダイヤフラムは弁室と前記ダイヤフラム室とを区画し、前記第２ダイヤフラムは前記ダイヤフラム室と背圧室とを区画し、前記ダイヤフラム室は前記出力ポートに連通し、前記弁室および前記背圧室は前記入力ポートに連通し、前記第１ダイヤフラムの有効受圧面積と前記第２ダイヤフラムの有効受圧面積との差が前記弁座における通路面積に等しい流体制御弁。
2. 請求項１記載の流体制御弁において、
   前記第１ダイヤフラムの内周部と前記第２ダイヤフラムの内周部との間にスペーサが設けられ、前記ダイヤフラム室は、前記スペーサおよび前記弁体に設けられた二次圧導入通路を介して出力ポートに連通する流体制御弁。
3. 請求項１記載の流体制御弁において、
   前記第１ダイヤフラムの外周部と前記第２ダイヤフラムの外周部との間にスペーサが設けられ、前記スペーサの内周部に段差部が設けられることで、前記第１ダイヤフラムの有効受圧面積が前記第２ダイヤフラムの有効受圧面積よりも大きくなっている流体制御弁。
4. 請求項１記載の流体制御弁において、
   出力ポートに連通する調圧ダイヤフラム室を区画する調圧ダイヤフラムが設けられ、調圧ダイヤフラムの内周部が、前記弁体を構成するステムに当接するベースホルダと調圧スプリングの一端を支持する保持プレートとの間で挟持され、減圧弁として機能する流体制御弁。
5. 請求項１記載の流体制御弁において、
   電磁コイルへの通電を制御することにより前記弁体の開度を制御するリニアモータが配設され、リニアモータの可動子を構成するシャフトが前記弁体に当接する流体制御弁。
6. 請求項５記載の流体制御弁において、
   前記入力ポートから前記出力ポートに向かう流体の流量を検出する流量センサが設けられ、前記流量センサによって検出される実流量値が目標流量値となるようにフィードバック制御を行う流体制御弁。
7. 入力ポートと出力ポートを備えるボデイと、前記ボデイに設けられた弁座に当接可能な弁体とを含む流体制御弁であって、
   第１ダイヤフラムおよび第２ダイヤフラムが前記弁体と前記ボデイとの間に配設され、前記第１ダイヤフラムと前記第２ダイヤフラムとの間にダイヤフラム室が形成され、前記第１ダイヤフラムは弁室と前記ダイヤフラム室とを区画し、前記第２ダイヤフラムは前記ダイヤフラム室と背圧室とを区画し、前記ダイヤフラム室は前記入力ポートに連通し、前記弁室および前記背圧室は前記出力ポートに連通し、前記第１ダイヤフラムの有効受圧面積と前記第２ダイヤフラムの有効受圧面積との差が前記弁座における通路面積に等しい流体制御弁。
8. 入力ポートと出力ポートを備えるボデイと、前記ボデイに設けられた弁座に当接可能な弁体とを含む流体制御弁であって、
   第１ダイヤフラムおよび第２ダイヤフラムが前記弁体と前記ボデイとの間に配設され、前記第１ダイヤフラムと前記第２ダイヤフラムとの間にダイヤフラム室が形成され、前記第１ダイヤフラムは弁室と前記ダイヤフラム室とを区画し、前記第２ダイヤフラムは前記ダイヤフラム室と背圧室とを区画し、前記ダイヤフラム室は前記出力ポートに連通し、前記弁室および前記背圧室は前記入力ポートに連通し、前記弁体の一端部が前記背圧室から前記ボデイの外側に形成され前記出力ポートに連通する室に延びており、前記第１ダイヤフラムの有効受圧面積と前記第２ダイヤフラムの有効受圧面積との差が前記弁座における通路面積と前記弁体の一端部の断面積との差に等しい流体制御弁。

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