JP5248660B2 - ダイアフラム弁 - Google Patents

Description

本発明は、ダイアフラムを弁座に当接または離間させて流体の供給制御を行うダイアフラム弁に関する。さらに詳細には、高圧流体の供給制御を行うことができるダイアフラム弁に関するものである。

従来から、ダイアフラム弁には、ダイアフラムの膜部の変形を防止するために、ダイアフラムの膜部を受け止める受け部材を備えるものがある。この種のダイアフラム弁としては、例えば、特開平９−２２９２１３号公報に開示されたものがある。ここに開示されたダイアフラム弁では、アクチュエータ内のピストン外周部に嵌合する保持部材とダイアフラムの膜部との間に弾性部材を狭持させている。そして、このダイアフラム弁では、ダイアフラムの弁体部が弁座に当接したとき（閉弁時）にダイアフラムの膜部に過度の負荷が付与された場合に、弾性部材が弾性変形することにより前記負荷を緩衝するようになっている。

また、特開２００４−１７６８２８号公報に開示されているように、ダイアフラムの弁体部に取り付けた押さえ部材で、ダイアフラムの膜部を受け止めたダイアフラム弁もある。なお、ここに開示されたダイアフラム弁は、２つのダイアフラムを備えており、上方（アクチュエータ側）に配置されたダイアフラムの膜部を押さえ部材で受け止めている。

特開平９−２２９２１３号公報 特開２００４−１７６８２８号公報

しかしながら、上記したダイアフラム弁では、流体圧力が高くても３００ｋＰａ程度までの流体の供給制御にしか使用することができず、高圧流体（５００ｋＰａ以上）の供給制御を行うとダイアフラムの膜部が塑性変形して（延びて）しまうという問題があった。なぜなら、特開平９−２２９２１３号公報に開示されたダイアフラム弁では、弾性部材によりダイアフラムの膜部を受け止めているが、この弾性部材はダイアフラムの動きに伴って大きく変形する（特開平９−２２９２１３号公報の図１、図２参照）。このため、高圧流体をこのダイアフラム弁に供給すると、弾性部材によってダイアフラムの膜部に作用する負荷を緩衝しきれずにダイアフラムの膜部が塑性変形して（延びて）しまうからである。特に、ダイアフラムの弁体部が弁座から離間したとき（開弁時）、高圧流体が流れるとダイアフラムの膜部に作用する負荷を弾性部材で緩衝することができずにダイアフラムの膜部が塑性変形して（延びて）しまう。

また、特開２００４−１７６８２８号公報に開示されたダイアフラム弁では、ダイアフラムの弁体部が弁座から離間したとき（開弁時）、押さえ部材がダイアフラムに接触していない。このため、高圧流体が流れるとダイアフラムの膜部が塑性変形して（延びて）しまうからである。このように、従来のダイアフラム弁では、高圧流体の供給制御を行うことができない。

これに対して、例えば、ダイアフラム弁が使用される半導体製造工場の一部では建物が高層化されており、１階部分に貯蔵された薬液を高層階部分に供給する必要がある。そして、このような薬液供給弁として使用されるダイアフラム弁では、ダイアフラムに高い圧力（例えば、７００ｋＰａ程度）が作用する。ところが、上記したように現状のダイアフラム弁では、ダイアフラムの膜部が変形してしまい、上記の薬液供給弁として使用することができなかった。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、高圧流体を使用してもダイアフラムの膜部が塑性変形することを防止して高圧流体の供給制御を行うことができるダイアフラム弁を提供することを課題とする。

上記問題点を解決するためになされた本発明に係るダイアフラム弁は、ボディに形成された第１流路および第２流路の境に設けられた弁座に対しアクチュエータによりダイアフラムの弁体部を当接または離間させることにより、前記第１流路と前記第２流路との間を閉鎖または開放するようにしたダイアフラム弁において、前記ダイアフラムと一体化され、前記ダイアフラムの膜部に対して前記アクチュエータ側から常に面接触するバックアップを有すること、前記バックアップが、前記アクチュエータのピストンのうち、一方側でバネ力を受け、反対側で操作エアの受圧部となるピストン本体部から延びたロッドと連結されていること、前記ピストン本体部が摺動する第１シリンダとは別部材の第２シリンダを有すること、前記第２シリンダが、前記ロッドが摺動する内壁を有し、前記ダイアフラムの膜部の外周に当接して、前記ダイアフラムの膜部の外周を前記膜部が変形する方向で前記ボディに対して固定すること、前記膜部を、膜部の一部で天地が逆転するような反転をさせることなく、前記閉鎖または開放を行うこと、前記バックアップの前記ダイアフラムの膜部に対する接触面の形状は、前記ダイアフラムの弁体部が前記弁座に当接したとき、前記バックアップと前記ダイアフラムの膜部との接触面積が最大となり、また、前記ダイアフラムの弁体部が前記弁座から離間しているとき、前記ダイアフラムの膜部の外周側において離れるように形成されていることを特徴とするものである。

このダイアフラム弁では、バックアップがダイアフラムと一体化されている。また、バックアップは、ダイアフラムの膜部に対してアクチュエータ側から常に面接触している。このため、バックアップはダイアフラムとともに動くので、ダイアフラムの位置にかかわらず、ダイアフラムの膜部を常に受け止めている。すなわち、閉弁時あるいは開弁時のいずれの状態であっても、ダイアフラムの膜部はバックアップにより受け止められている。このため、高圧流体を使用してもダイアフラムの膜部が塑性変形することを防止することができる。これにより、このダイアフラム弁によれば、高圧流体の供給制御を行うことができる。

ここで、このダイアフラム弁では開弁時において、バックアップがダイアフラムの膜部全体と接触していないが、非接触の部分は若干変形してバックアップに接触する。そして、このときの膜部の変形量は小さい。つまり、弾性変形領域内での変形である。このため、このダイアフラム弁では、開弁時においても、ダイアフラムの機能上問題となるような膜部の塑性変形を確実に防止することができる。

また、このダイアフラム弁は、バックアップのダイアフラムの膜部に対する接触面の形状は、ダイアフラムの弁体部が弁座に当接したとき、バックアップとダイアフラムの膜部との接触面積が最大となるように形成されている。このため、閉弁後にウォーターハンマーが発生した場合であっても、バックアップによってダイアフラムの膜部のほぼ全域をしっかりと受け止めることができ、ダイアフラムの膜部が塑性変形することを確実に防止することができるからである。

また、本発明に係るダイアフラム弁においては、前記ダイアフラムは、前記弁体部と前記膜部との境界が前記弁座の径よりも内側に位置するものであることが望ましい。

高圧流体の供給制御を行うためには、ダイアフラムの膜厚を厚く（従来のものに対して倍程度の厚さに）する必要があるが、従来の形状のままで膜厚を単に厚くするとダイアフラムが正常に動作しない。そこで、ダイアフラムの形状をこのようにすることにより、ダイアフラムの膜部の長さを長くすることができるため、膜厚を厚くした場合でも膜部を無理なく変形させることができる。その結果、膜厚を厚くした場合でもダイアフラムを正常に動作させることができる。

本発明に係るダイアフラム弁によれば、ダイアフラムの膜部がバックアップにより常時受け止められているので、高圧流体を使用してもダイアフラムの膜部が塑性変形することを防止して高圧流体の供給制御を行うことができる。

閉弁持の状態を示すダイアフラム弁の断面図である。 開弁持の状態を示すダイアフラム弁の断面図である。 弁座が沈む込んだ場合における閉弁持の状態を示すダイアフラム弁の断面図である。 図３におけるバックアップ付近を示す拡大断面図である。

以下、本発明のダイアフラム弁を具体化した最も好適な実施の形態について図面に基づき詳細に説明する。本実施の形態は、本発明を給液用薬液弁に適用したものである。そこで、本実施の形態に係るダイアフラム弁の概略構成を図１および図２に示す。図１は、閉弁時の状態を示すダイアフラム弁の断面図である。図２は、開弁持の状態を示すダイアフラム弁の断面図である。

ダイアフラム弁１は、フッ素樹脂製のボディ１０に第１流路１１及び第２流路１２が形成されている。そして、ボディ１０の上面中央には弁座１３が形成され、弁座１３内の弁孔１４には第２流路１２が接続され、弁座１３の周りに形成された環状の溝部１５には第１流路１１が接続されている。こうして第１流路１１と第２流路１２とは、共にボディ１０の上面開口部に連通し、その開口部はダイアフラム弁体２０によって塞がれている。特に、ダイアフラム弁体２０は周縁部分が固定され、これにより第１流路１１から第２流路１２を接続する気密な空間が形成されている。

ダイアフラム弁体２０は、弁座１３に対して当接・離間する弁体部２１と、そこから外側に張り出した膜部２２と、膜部２２の周縁に形成された環状の固定部２３とを有して形成されたものである。そして、固定部２３がボディ１０と後述する第２シリンダ３０ｂとによって挟み込まれ、ダイアフラム弁体２０がボディ１０に対して固定されている。ここで、ボディ１０は、固定部２３の肉厚部分までしか当接していないが、第２シリンダ３０ｂは、膜部２２にまで当接している。これにより、断面積が大きく変化する固定部２３と膜部２２との変化部分を、その膜部２２が変形する方向で支えるようにしている。なお、ダイアフラム弁体２０は、ボディ１０と同様にフッ素樹脂によって形成されている。

また、高圧流体の供給制御を行うために、膜部２２の厚さが従来品の倍程度となっている。本実施の形態では、膜部２２の厚さは０．９ｍｍである。しかしながら、従来品の形状のままで膜厚を単に厚くするとダイアフラム弁体が正常に動作しない。そこで、ダイアフラム弁１では、膜部２２と弁体部２１との付け根２５を、ダイアフラム弁体２０の中心線（ロッド３１ｂの軸芯）Ｌに近いところに配置している。すなわち、中心線Ｌから付け根２５までの距離Ａが、その中心線Ｌから弁座１３までの距離Ｂより短くなるようにし、付け根２５が弁座１３の位置よりも中心線Ｌ側に位置するようにしている。これにより、膜部２２の長さが長くなるので、膜厚を厚くした膜部２２を無理なく変形させることができるようになっている。

また、膜部２２は、その付け根２５が弁体部２１の傾斜部分において起立し、そこから上向きに広がり、途中で横向きになるように湾曲した断面形状で形成されている。このため、膜部２２外周の固定部２３は、図１に示すような閉弁時には付け根２５よりも高いところに位置している。

そして、ダイアフラム弁体２０の上方に、ダイアフラム弁体２０の動作を制御するためのアクチュエータ５０が配置されている。つまり、ボディ１０の上にアクチュエータ５０が配置されている。アクチュエータ５０には、第１シリンダ３０ａと、第２シリンダ３０ｂと、ピストン３１ａと、ロッド３１ｂと、カバー３２と、スプリング３３とが備わっている。そして、第１シリンダ３０ａ内にピストン３１ａが摺動可能に挿入され、第２シリンダ３０ｂ内にロッド３１ｂが摺動可能に挿入されている。また、ピストン３１ａとロッド３１ｂとが連結され一体となっている。

ロッド３１ｂは下端部でバックアップ４０に連結され、バックアップ４０がダイアフラム弁体２０の弁体部２１に差し込まれて一体になっている。つまり、ロッド３１ｂは、バックアップ４０を介してダイアフラム弁体４０に連結している。なお、バックアップ４０の詳細は後述する。

第１シリンダ３０ａの上部開口にカバー３２が取り付けられ、カバー３２によって第１シリンダ３０ａ内にできた閉空間にスプリング３３が装填されている。これにより、ピストン３１ａがスプリング３３によって上方から付勢されるようになっている。従って、このダイアフラム弁１は、ピストン３０ａにスプリング３３の付勢力が常に下方に作用し、図１に示すように弁体部２１が弁座１３に対して当接するように構成されたノーマルクローズタイプの弁である。

一方、ピストン３１ａの下方には加圧室３４が形成され、その加圧室３４内に圧縮エアを供給する操作ポート３５が第１シリンダ３０ａに形成されている。また、第１シリンダ３０ａには、スプリング３３が装填されたピストン３１ａ上方の空間に連通する呼吸ポート３６が形成されている。

ここで、バックアップ４０は、上記したようにロッド３１ｂと弁体部２１とを連結するとともに、ダイアフラム弁体２０の膜部２２を上方から受け止めるためのものでもある。このバックアップ４０は、ゴム材４１と、そのゴム部材４１を保持する樹脂製の保持部材４２とを備えており、ダイアフラム弁体２０の弁体部２１と一体で上下動するようになっている。

バックアップ４０に備わるゴム材４１は、ダイアフラム弁体２０の膜部２２との接触面に配設され、膜部２２に常に面接触している。ゴム材４１には、ゴム硬度が７０〜８０のフッ素ゴムやＥＰＤＭなどのゴムが使用されている。そして、このゴム材４１は、ダイアフラム弁体２０の弁体部２１が弁座１３に当接したとき、ゴム材４１とダイアフラム弁体２０の膜部２２との接触面積が最大となる形状に形成されている（図２参照）。また、ゴム材４１のダイアフラム弁体２０の膜部２２に対する接触面は、膜部２２に倣うように滑らかに形成されている。

続いて、上記した構成を有するダイアフラム弁１の動作について説明する。ダイアフラム弁１は、通常、ピストン３１ａがスプリング３３によって下方に付勢され、ロッド３１ｂおよびバックアップ４０を介してピストン３１ａに連結されたダイアフラム弁体２０の弁体部２１が、図１に示すように弁座１３に対して押し付けられている。こうした閉弁状態のダイアフラム弁１はダイアフラム弁体２０によって遮断され、第１流路１１に流入した流体が第２流路１２へ、または第２流路１２に流入した流体が第１流路１１へ流れることはない。

そして、ボディ１０の操作ポート３５から圧縮エアが供給されると、ピストン３１ａが下方から加圧され、スプリング３３の付勢力に抗してピストン３１ａが上昇する。そのため、ピストン３１ａにロッド３１ｂ及びバックアップ４０を介して接続された弁体部２１は上昇する。これにより、図２に示すように、弁体部２１は弁座１３から離間し、第１流路１１と第２流路１２とが連通した開弁状態となる。このとき、流体を第１流路１１から供給すれば溝部１５、弁孔１４を経由して第２流路１２へと流れ、流体を第２流路１２から供給すれば弁孔１４、溝部１５を経由して第１流路１１へと流れる。

その後、操作ポート３５から加圧室３４に供給された圧縮エアを排出すれば、スプリング３３に付勢されたピストン３１ａが下降する。そのため、ピストン３１ａにロッド３１ｂ及びバックアップ４０を介して接続された弁体部２１が下降する。これにより、図１に示すように、弁体部２１が弁座１３に当接して閉弁状態に戻って流体の流れが遮断される。

ここで、ダイアフラム弁１では、バックアップ４０は、弁体部２１に一体化されているので、ダイアフラム弁体２０とともに上下動する。このため、図１および図２に示すように、閉弁時および開弁時において、ダイアフラム弁体２０の膜部２２は、バックアップ４０（ゴム材４１）によってしっかりと受け止められている。従って、ダイアフラム弁１では、高圧流体を使用してもダイアフラム弁体２０の膜部２２が塑性変形することを防止することができる。よって、このダイアフラム弁１によれば、高圧流体の供給制御を行うことができる。

なお、ダイアフラム弁１では開弁時において、図２に示すように、バックアップ４０がダイアフラム弁体２０の膜部２２全体と接触していないが、非接触の部分が高圧流体の流体圧により変形したとしてもすぐにバックアップ４０に接触する。このため、膜部２２の変形量は小さく、膜部２２は弾性変形するだけで塑性変形まではしない。従って、開弁時においても、機能上問題となるような膜部２２の塑性変形を確実に防止することができる。

また、ゴム材４１の膜部２２に対する接触面の形状が、閉弁時にゴム材４１と膜部２２との接触面積が最大となるようになっているので、閉弁後にウォーターハンマーが発生した場合であっても、バックアップ４１によって膜部２２をしっかりと受け止めることができるので、膜部２２の塑性変形を確実に防止することができる。さらに、ゴム材４１の膜部２２に対する接触面は、膜部２２に倣うように滑らかに形成されているので、膜部２２の一部分に過大な負荷が作用すること（応力集中）を防止することができる。

そして、ダイアフラム弁１では、このようなゴム材４１をバックアップ４０が備えているので、図３に示すように、弁座１３の沈み込みが発生した場合であっても、膜部２２に応力集中を発生させることなく膜部２２をバックアップ４０によって受け止めることができる。なぜなら、図４に示すように、ゴム材４１のエッジ部（外周部）４１ａでは、厚みが減少して径方向に膨張する。このゴム材４１の変形により、膜部２２に局部的な変形が生じない。なお、バックアップ４０がゴム材４１を備えていない場合には、膜部２２は図４に破線で示すように局部的に変形してしまうため、その部分で応力集中が起きて膜部２２が塑性変形してしまう。つまり、ダイアフラム弁１では、弁座１３の沈み込みが発生した場合であっても、膜部２２の局部的な変形を防止することができるので、膜部２２が塑性変形することを確実に防止することができる。これにより、ダイアフラム弁１の耐久性が向上する。

以上、詳細に説明したように本実施の形態に係るダイアフラム弁１では、ダイアフラム２０の弁体部２１と一体化されて常にダイアフラム弁体２０の膜部２２に面接触するゴム材４１を備えるバックアップ４０を有している。このため、ダイアフラム弁体２０の位置にかかわらず、膜部２２がバックアップ４０によって受け止められている。これにより、ダイアフラム弁１では、高圧流体を使用した場合にも膜部２２の塑性変形することを確実に防止することができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施の形態では，スプリング３３の付勢力に抗してダイアフラム弁体２０に開弁動作をさせるアクチュエータとしてエアシリンダを採用したが、この他にもソレノイドを利用するようにしてもよい。

１ ダイアフラム弁
１０ ボディ
１３ 弁座
２０ ダイアフラム弁体
２１ 弁体部
２２ 膜部
２３ 固定部
４０ バックアップ
４１ ゴム材
４２ 保持部材
５０ アクチュエータ

Claims (2)

1. ボディに形成された第１流路および第２流路の境に設けられた弁座に対しアクチュエータによりダイアフラムの弁体部を当接または離間させることにより、前記第１流路と前記第２流路との間を閉鎖または開放するようにしたダイアフラム弁において、
   前記ダイアフラムと一体化され、前記ダイアフラムの膜部に対して前記アクチュエータ側から常に面接触するバックアップを有すること、
   前記バックアップが、前記アクチュエータのピストンのうち、一方側でバネ力を受け、反対側で操作エアの受圧部となる前記ピストンから延びたロッドと連結されていること、
   前記ピストンが摺動する第１シリンダとは別部材の第２シリンダを有すること、
   前記第２シリンダが、前記ロッドが摺動する内壁を有し、前記ダイアフラムの膜部の外周に当接して、前記ダイアフラムの膜部の外周を前記膜部が変形する方向で前記ボディに対して固定すること、
   前記膜部を、膜部の一部で天地が逆転するような反転をさせることなく、前記閉鎖または開放を行うこと、
   前記バックアップの前記ダイアフラムの膜部に対する接触面の形状は、前記ダイアフラムの弁体部が前記弁座に当接したとき、前記バックアップと前記ダイアフラムの膜部との接触面積が最大となり、また、前記ダイアフラムの弁体部が前記弁座から離間しているとき、前記ダイアフラムの膜部の外周側において離れるように形成されていることを特徴とするダイアフラム弁。
2. 請求項１に記載するダイアフラム弁において、
   前記ダイアフラムは、前記弁体部と前記膜部との境界が前記弁座の径よりも内側に位置するものであることを特徴とするダイアフラム弁。

Images