JP6985201B2

JP6985201B2 - バルブ装置

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Publication number: JP6985201B2
Application number: JP2018067043A
Authority: JP
Inventors: 英樹吉田; 敏行樋口
Original assignee: 1/1ASAHI YUKIZAI CORPORATION
Current assignee: 1/1ASAHI YUKIZAI CORPORATION
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2021-12-22
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: JP7292353B2; JP2018173170A; JP2022009984A

Description

本発明は、化学工場、半導体製造分野、液晶製造分野、食品分野などの各種産業に使用されるバルブ装置に関し、さらに詳細には、二つの流路の間の開閉を行う弁部が導電性を有するバルブ装置に関する。

化学工場、半導体製造分野、液晶製造分野、食品分野などでは、腐食性の強い流体や汚染防止が要求される流体を取り扱うことから、耐薬品性や耐汚染性に優れているフッ素樹脂材料がバルブ装置の流体と接する部品に広く用いられている。しかしながら、フッ素樹脂材料は体積抵抗率が高く、バルブ装置の内部を流れる流体との摩擦により生じた静電気を十分に外部に逃がすことができないため、静電気が蓄積されやすい。特に弁体や弁体を当接離間させるバルブシートなどの弁部の構成部品がフッ素樹脂材料から形成されているダイヤフラムバルブやグローブバルブなどでは、二つの流路の間の開閉を行う弁部において流速が上がるので、弁部に静電気が蓄積しやすい。このようにして蓄積した静電気は火花放電を起こすことがあり、引火性の流体を取り扱う際に問題となる。また、火花放電により粒子が弁部の材料から流体中に放出されることがあり、流体の汚染の問題も生じる。

このようなバルブ装置の部品への静電気の蓄積を抑制するためには、カーボンブラックをフッ素樹脂材料中に混合して導電性を付与したフッ素樹脂材料から部品を形成することが考えられる。また、特許文献１に記載されているように、一端がバルブ本体内に形成された弁室内に位置すると共に他端がバルブ本体の外部まで延びるようバルブ本体を貫通して導電性部材を設けて、導電性部材にアース線を接続するようにしたダイヤフラム弁が提案されている。さらに、特許文献２に記載されているように、フッ素樹脂材料中にカーボンナノチューブを分散させた導電性フッ素樹脂材料から、内部に流体流路が形成されている本体部を形成すると共に、カーボンナノチューブを分散させていないフッ素樹脂材料からダイヤフラム部や弁体部などを形成するようにした流量調整装置も提案されている。

特開２００８−１１５８９９号公報特許第５９８７１００号公報

しかしながら、カーボンブラックをフッ素樹脂材料中に混合して導電性を付与したフッ素樹脂材料からバルブ装置の部品を形成する方法では、導電性を付与するためにフッ素樹脂材料中に混合されたカーボンブラックが、流体との接触により部品中から流体中に放出されて、流体を汚染させてしまう可能性があり、クリーン性を要求される用途に使用することができない。また、導電性を付与するに十分な量のカーボンブラックをフッ素樹脂材料に混合すると、ある程度の屈曲性が要求されるダイヤフラムのような部品では、屈曲性が低下して、繰り返しの屈曲により破れやすくなるという問題が生じる。

特許文献１に開示されているようなダイヤフラム弁では、導電性部材の一端が弁室内に位置しており、ダイヤフラムには接していないため、ダイヤフラムに蓄積した静電気を十分に除去することができず、火花放電の発生を防止することができない可能性がある。

特許文献２に開示されている流量調整装置では、カーボンナノチューブを分散させたフッ素樹脂材料から本体部を形成して本体部に導電性を付与しているが、静電気を発生させやすい弁部がカーボンナノチューブを分散させていないフッ素樹脂材料から形成されているので、弁部に静電気が蓄積しやすく、火花放電の発生を十分に予防することができない。また、本体部を形成するフッ素樹脂材料にカーボンナノチューブを分散させると、バルブが大きくなるほど高価なカーボンナノチューブの使用量が増えるので、コストを上昇させる問題が生じる。さらに、本体部を形成するフッ素樹脂材料にカーボンナノチューブを分散させると、流体との接触面積が大きくなってカーボンナノチューブの断片が流体中に放出される可能性が高くなり、流体を汚染させる問題を生じさせやすくなる。

同様の問題は、弁部において流速が上がり得るゲートバルブ、ニードルバルブ、ボールバルブなど他のタイプのバルブ装置でも生じ得る。

よって、本発明の目的は、従来技術に存する問題を解決するために、流体の汚染を抑制しつつ、弁部に導電性を付与して火花放電の発生を防止することができるバルブ装置を提供することにある。

上記目的に鑑み、本発明は、内部に第１の流路と第２の流路とが形成されている弁本体と、前記第１の流路と前記第２の流路との間の開閉を行う弁部とを備えるバルブであって、前記弁部が前記第１の流路と前記第２の流路との境界部に形成された弁座と該弁座に圧接又は離間される弁体とを含み、前記弁座及び前記弁体の少なくとも一方がフッ素樹脂材料に０．０３１重量％から０．０５０重量％の範囲の割合でカーボンナノチューブを配合した導電性フッ素樹脂材料から形成されているバルブ装置を提供する。

上記バルブ装置では、弁部の少なくとも一部を導電性フッ素樹脂材料から形成するので、弁本体を導電性フッ素樹脂材料から形成する場合と比較して、高価なカーボンナノチューブの使用量を抑えながら、静電気の発生しやすい弁部から静電気を他の部位に効率的に逃がし、コスト増加を抑えつつ静電気を蓄積させにくくすることができると共に、カーボンナノチューブが配合された部品と流体との接触面積を最小限に抑えることができる。さらに、カーボンナノチューブは、カーボンブラックなどと比較して少量の配合でフッ素樹脂材料に導電性を付与することができるので、カーボンナノチューブの配合比率を抑えることによって、カーボンナノチューブの断片が流体中に放出される可能性を低減させることができる。また、本発明者は、フッ素樹脂材料へのカーボンナノチューブの配合の割合を０．０３１重量％から０．０５０重量％の範囲とすることで、カーボンナノチューブの種類による導電性フッ素樹脂材料の体積抵抗率のバラツキを抑えつつ、安定して静電気を逃がす作用を提供しやすくなることを見出した。さらに、弁座及び弁体の一方が導電性フッ素樹脂材料から形成されていれば、他方が導電性のない材料から形成されていても、弁座に対する弁体の圧接時に、弁座及び弁体の表面に発生した静電気が導電性フッ素樹脂材料から形成されている弁座又は弁体中に移動して、静電気の蓄積が抑制される。また、弁座及び弁体の一方を導電性フッ素樹脂から形成するだけで弁座及び弁体の静電気の蓄積を抑制することができるので、カーボンナノチューブが配合されている導電性フッ素樹脂材料から形成されている部品と流体との接触面積をさらに低減させ、流体との摩擦でカーボンナノチューブの断片が流体中へ放出されることによる流体の汚染を抑制することができる。

前記導電性フッ素樹脂材料には、体積抵抗率が１．０×１０^８Ω・ｍ以下となるようにカーボンナノチューブが配合されていることが好ましい。

前記バルブ装置は、バタフライバルブ、ゲートバルブ、ニードルバルブ及びボールバルブのうちの一つとすることができる。

一つの実施形態として、前記バルブ装置がダイヤフラムバルブであり、前記弁体がダイヤフラムであるようにすることができる。この場合、前記ダイヤフラムが導電性フッ素樹脂材料から形成されていることが好ましい。フッ素樹脂材料に導電性を付与するためにカーボンナノチューブを使用しているので、カーボンブラックと比較して少量のカーボンナノチューブの配合比率で導電性を付与することができ、ダイヤフラムのように屈曲性を要求される部材を導電性フッ素樹脂材料から形成しても屈曲性を低下させにくくなる。

また、上記ダイヤフラムバルブでは、前記ダイヤフラムに発生した静電気を外部に逃がすために前記弁本体の外部まで延びるアース要素が前記ダイヤフラムに接続されていることが好ましい。この場合、前記弁本体が本体部と該本体部の上部に取り付けられるボンネットとを含み、前記ダイヤフラムが前記本体部とボンネットとの間に挟持されており、前記アース要素が前記ダイヤフラムの外縁部から前記弁本体の外部へ突出して設けられたタブ部であることがさらに好ましい。このような構成により、ダイヤフラムに発生した静電気を弁本体の外部に逃げさせやすくなり、静電気の蓄積を抑制することができる。

前記ダイヤフラムの厚さは１ｍｍから５ｍｍの範囲であることが好ましい。

また、上記バルブ装置では、前記フッ素樹脂材料に配合される前記カーボンナノチューブの繊維長が１０μｍから６００μｍの範囲であることが好ましく、前記フッ素樹脂材料に配合される前記カーボンナノチューブの繊維長が１５０μｍから６００μｍの範囲であることがさらに好ましい。

本発明のバルブ装置によれば、静電気が発生しやすい弁部の少なくとも一部を導電性フッ素樹脂から形成することにより、静電気の蓄積を効率的に抑制し、火花放電の発生を起こりにくくすることができる。さらに、フッ素樹脂材料にカーボンナノチューブを配合した導電性フッ素樹脂材料の使用により弁部に導電性を付与しているので、フッ素樹脂材料にカーボンブラックを配合した場合と比較して、少量のカーボンナノチューブの使用で十分な導電性を弁部に付与することができ、また、弁本体を導電性フッ素樹脂から形成する場合と比較して、導電性フッ素樹脂を使用している部品との接触面積を低減させることができる。加えて、フッ素樹脂材料へのカーボンナノチューブの配合の割合を０．０３１重量％から０．０５０重量％の範囲とすることで、カーボンナノチューブの種類による導電性フッ素樹脂材料の体積抵抗率のバラツキを抑えつつ、安定して静電気を逃がす作用を提供しやすくなる。この結果、コストの増加を抑えつつ静電気の蓄積を抑制して火花放電が起こりにくくすると共に、カーボンナノチューブの断片が流体中に放出される可能性を低減させて、流体の汚染を抑制することができる。

本発明のバルブ装置の第１の実施形態によるダイヤフラムバルブの全体構成を示す縦断面図である。図１に示されているダイヤフラムバルブの上面図である。本発明のバルブ装置の第２の実施形態によるバタフライバルブの全体構成を示す縦断面図である。本発明のバルブ装置の第３の実施形態によるゲートバルブの全体構成を示す縦断面図である。本発明のバルブ装置の第４の実施形態によるニードルバルブの全体構成を示す縦断面図である。本発明のバルブ装置の第５の実施形態によるボールバルブの全体構成を示す縦断面図である。

以下、図面を参照して、本発明によるバルブ装置の実施の形態を説明するが、本発明が図示されている実施形態に限定されないことは言うまでもない。

最初に、図１及び図２を参照して、本発明のバルブ装置の全体構成を説明する。図１及び図２には、本発明のバルブ装置の実施形態として、ダイヤフラムバルブ１１が示されている。ダイヤフラムバルブ１１は、弁本体１３と、弁部１５と、駆動部１７とを備える。弁部１５は、弁座と弁体とによって構成されており、駆動部１７によって弁座に弁体を圧接離間させてバルブの開閉を行う。本実施形態では、ダイヤフラム２１が弁体として機能し、弁本体１３の後述する第１の流路２７と第２の流路２９との境界部に形成された弁座１９に圧接離間される。しかしながら、弁体がダイヤフラム２１の中央に支持されるようになっていてもよい。

弁本体１３は、本体部１３ａと、本体部１３ａの上部に取り付けられるボンネット１３ｂとによって構成されており、本体部１３ａ及びボンネット１３ｂは、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシルアルカン（ＰＦＡ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）などのフッ素樹脂材料から形成されている。本体部１３ａの内部には、本体部１３ａの対向する側面の一方に形成された第１の開口すなわち流入口２３から流路軸線方向に延びる第１の流路２７と、本体部１３ａの対向する側面の他方に形成された第２の開口すなわち流出口２５から流路軸線方向に延びる第２の流路２９とが形成されており、第１の流路２７と第２の流路２９との境界部に弁部１５が設けられる。本実施形態では、本体部１３ａの内部に、第１の流路２７と、第２の流路２９と、第１の流路２７及び第２の流路２９の中間に位置する仕切壁３１とが設けられており、本体部１３ａの頂面に、第１の流路２７及び第２の流路２９に連通する開口部３３が設けられている。また、仕切壁３１は、第１の流路２７及び第２の流路２９の底面から開口部３３へ向かって延びており、その頂部に、弁座１９が形成されている。ボンネット１３ｂは、本体部１３ａの上部にボルト及びナット（図示せず）によって固定されている。

なお、弁本体１３の本体部１３ａ及びボンネット１３ｂの材質は、フッ素樹脂材料とされているが、特に限定されるものではなく、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）などの樹脂、鉄、銅、銅合金、真鍮、アルミニウム、ステンレスなどの金属、又は磁器などのセラミックとしてもよい。

駆動部１７は、ダイヤフラム２１を上下に駆動して、弁座１９にダイヤフラム２１を圧接離間させることができれば、特に構成が限定されるものではない。本実施形態では、駆動部１７は、コンプレッサ３５と、ステム３７と、ハンドル３９とによって構成されている。コンプレッサ３５はＰＶＤＦから形成されており、コンプレッサ３５の上部はステム３７の下端部に係合固定されている。ステム３７は、銅合金から形成されており、ボンネット１３ｂの上部中央に形成された貫通孔４１に支承された銅合金製のスリーブ４３の内部に設けられた雌ネジ部４３ａと螺合している。ハンドル３９は、ＰＰから形成されており、スリーブ４３の上部外周部に嵌合され、ボンネット１３ｂの上端部に配置されている。このような構成により、ハンドル３９を操作してスリーブ４３及びステム３７を介してコンプレッサ３５を上下方向に駆動することができる。

なお、図示されている実施形態では、上述したように駆動部１７はハンドル３９の操作による手動式のものであるが、駆動部１７は手動式に限定されるものではなく、空気圧による空気駆動式、モータなどによる電気駆動式などでもよい。

ダイヤフラム２１は、外周縁部が弁本体１３の本体部１３ａとボンネット１３ｂとの間に挟持されており、ボンネット１３ｂの下面により本体部１３ａの上面の開口部３３の周辺に押し潰されて水密状態で固定されている。ダイヤフラム２１の非接液面側の中央には、上部が突出した状態で埋め込み金具４５が埋設されており、ダイヤフラム２１は、埋め込み金具４５によって、駆動部１７のハンドル３９の操作により上下方向に駆動されるコンプレッサ３５に係合固定されている。また、ダイヤフラム２１の外縁部には、図２に示されているように、本体部１３ａとボンネット１３ｂとの間に挟持された状態で弁本体１３の外部まで突出して延びるタブ部２１ａが形成されている。タブ部２１ａには、アース線４７が接続され、アース線４７を通じて、ダイヤフラム２１に発生した静電気を外部に逃がしている。すなわち、タブ部２１ａとアース線４７はダイヤフラム２１に発生した静電気を外部に逃がすアース要素として機能する。

ダイヤフラム２１は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）などのフッ素樹脂材料にカーボンナノチューブを配合して導電性を付与した導電性フッ素樹脂材料から形成されている。導電性フッ素樹脂材料は、例えば粉末状のフッ素樹脂材料にカーボンナノチューブを混合、攪拌したものを溶融させることにより作成することができる。また、ダイヤフラム２１の作製方法は特に限定されるものではなく、切削により作製してもよく、圧縮成形により作製してもよい。

フッ素樹脂材料の平均粒径は、ダイヤフラムに要求される屈曲性を確保する観点から、１０〜１００μｍの範囲であることが好ましく、１５〜５０μｍの範囲であることがさらに好ましい。静電気を蓄積させずに火花放電の発生を防ぐために十分な帯電防止性能（すなわち導電性）を確保する観点から、カーボンナノチューブは、導電性フッ素樹脂材料の体積抵抗率が、１．０×１０^８Ω・ｍ以下、好ましくは１．０×１０^２Ω・ｍ以下となるようにフッ素樹脂材料に配合される。体積抵抗率は、ＪＩＳＫ７１９４に規定される「導電性プラスチックの４探針法による抵抗率試験方法」に基づいて測定したものとする。上述の体積抵抗率を実現するためには、例えば、０．００１重量％から０．０５重量％の範囲で導電性フッ素樹脂材料中にカーボンナノチューブを配合すればよい。また、本発明者は、導電性フッ素樹脂材料に配合されるカーボンナノチューブの配合の割合が０．０３０重量％以下では、配合されるカーボンナノチューブのバラツキが体積抵抗率に大きな影響を与えることを見出した。したがって、導電性フッ素樹脂材料中のカーボンナノチューブの配合の割合は０．０３１重量％から０．０５０重量％の範囲とすることが好ましい。さらに、配合されるカーボンナノチューブの繊維長は、少量のカーボンナノチューブで火花放電の発生を防ぐに十分な帯電防止性能（導電性）を確保する観点から、１０μｍから６００μｍの範囲であることが好ましく、１５０μｍから６００μｍの範囲であることがさらに好ましい。１５０μｍから６００μｍの範囲の繊維長のカーボンナノチューブは、アーク放電法やレーザアブレーション法のように炭素を蒸発させる方法ではなく、高温にした金属などの触媒粒子に炭化水素ガスを反応させてカーボンナノチューブを生成するＣＣＶＤ法によって作製することができる。カーボンナノチューブを配合したフッ素樹脂材料であっても屈曲性を確保するために、ダイヤフラム２１の厚さは１ｍｍから５ｍｍの範囲とすることが好ましい。

なお、本願における「カーボンナノチューブ」は、単層のシングルウォールナノチューブ（ＳＷＮＴ）、２層のダブルウォールナノチューブ（ＤＷＮＴ）、多層のマルチウォールナノチューブ（ＭＷＮＴ）の何れでもよく、カーボンナノファイバを含むものとする。本実施形態では、マルチウォールナノチューブをフッ素樹脂材料に配合して導電性フッ素樹脂材料を作成している。しかしながら、マルチウォールナノチューブに代えて、他のタイプのカーボンナノチューブ（カーボンナノファイバを含む。）をフッ素樹脂に配合して導電性フッ素樹脂材料を作成してもよい。

カーボンナノチューブは、チューブ状であり表面積が大きいことから、カーボンブラックを配合する場合と比較して、少量の配合で帯電防止性能を提供するに十分な導電性をフッ素樹脂材料に付与することができる。また、フッ素樹脂材料中に少量のカーボンナノチューブを配合するだけで帯電防止性能を提供するに十分な導電性を実現できるので、カーボンナノチューブの配合がダイヤフラム２１に必要とされるフッ素樹脂材料の屈曲性や耐疲労性に悪影響を与えにくく、また、フッ素樹脂材料に配合するカーボンナノチューブの量を抑えることで、ダイヤフラム２１から流体中にカーボンナノチューブが放出されて流体を汚染する可能性を抑制することができる。特に繊維長の長いカーボンナノチューブを用いることによって、より少量のカーボンナノチューブの使用で帯電防止性能を提供するに十分な導電性をフッ素樹脂材料に付与することができるので、カーボンナノチューブの放出による流体の汚染を抑制する効果が高まる。また、カーボンナノチューブの作製過程でカーボンナノチューブに金属が含有されることになるが、長い繊維長のカーボンナノチューブを使用することにより金属含有率を低減させることができるので、長い繊維長のカーボンナノチューブの使用は、洗浄液などへの金属含有が悪影響を及ぼす半導体製造に適する。

次に、図示されている実施形態のダイヤフラムバルブ１１の動作を説明する。

図１に示されている全開状態からハンドル３９を閉方向（時計回り）に回転させると、ハンドル３９の回転に従ってステム３７とステム３７の下端部に設けられたコンプレッサ３５とが下降し、それに伴ってダイヤフラム２１が次第に下方に湾曲し、ついには弁本体１３の本体部１３ａの仕切壁３１の頂面の弁座１９に圧接される。これによって、第１の流路２７と第２の流路２９との間の境界部が閉鎖されて、ダイヤフラムバルブ１１は全閉状態となる。また、このようにダイヤフラム２１が弁座１９に圧接したときに、ダイヤフラムバルブ１１が開状態のときに弁部１５を流通する流体との摩擦で弁座１９に発生し蓄積した静電気はダイヤフラム２１を介して外部に逃がされる。

次に、ハンドル３９を開方向（反時計回り）に回転させると、ハンドル３９の回転に従ってステム３７とステム３７の下端部に設けられたコンプレッサ３５とが上昇し、それに伴ってダイヤフラム２１が弁座１１から離間し、次第に上方に湾曲して開限度位置まで上昇する。これによって、第１の流路２７と第２の流路２９との間の境界部が開放され、ダイヤフラムバルブ１１は図１に示されている全開状態となる。

一般的に、ダイヤフラムバルブ１１では、弁座１９とダイヤフラム２１との間が第１の流路２７及び第２の流路２９と比較して狭くなって流速が弁部１５で増加するので、弁部１５で流体との摩擦により静電気が発生しやすい。そこで、ダイヤフラムバルブ１１では、弁本体１３ではなく、静電気が発生しやすい弁部１５のダイヤフラム２１を、カーボンナノチューブを配合した導電性フッ素樹脂材料から形成して帯電防止機能を付与している。これにより、カーボンナノチューブが配合されている導電性フッ素樹脂材料から形成される部品と流体との接触面積を低減させてカーボンナノチューブの放出による流体の汚染を抑制しつつ、流体との摩擦で発生する静電気を効率的に外部に逃がし、火花放電の発生を抑制することができる。また、ダイヤフラム２１は閉弁時に弁座１９と圧接するので、弁座１９に発生した静電気もダイヤフラム２１を通して外部に逃がすことができる。

図１及び図２に示されている第１の実施形態では、本発明がダイヤフラムバルブに適用されている。しかしながら、本発明は、内部を流れる流体の流速が弁部において上がり得るタイプのバルブ装置であれば適用して効果を発揮することができ、適用がダイヤフラムバルブに限定されるものではない。例えば、本発明は、バタフライバルブ、ゲートバルブ、ニードルバルブ、ボールバルブなどにも適用可能である。以下に、本発明をバタフライバルブ、ゲートバルブ、ニードルバルブ、ボールバルブに適用した実施形態を説明する。

図３は、本発明のバルブ装置の第２の実施形態によるバタフライバルブ１１１を示す縦断面図である。バタフライバルブ１１１は、内部流路を形成された中空筒状の弁本体１１３と、内部流路の開閉を行う弁部１１５とを備える。弁本体１１３は、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＰＣＴＦＥなどのフッ素樹脂材料から形成されている。弁部１１５は、弁本体１１３の内周面に装着されるシートリング１１７と、シートリング１１７を貫通して延びるステム１１９によって弁本体１１３内に回動可能に支持される概略円盤状の弁体１２１とによって構成されており、図示されていない駆動部によるステム１１９の回動に伴って弁体１２１を回動させて弁体１２１の外周縁部をシートリング１１７の内周面に圧接、離間させることにより、内部流路の開閉を行う。すなわち、シートリング１１７の内周面が弁座として機能し、弁体１２１が回動してシートリング１１７の弁座に圧接、離間することによって、弁本体１１３の内部に形成された内部流路のうち弁部１１５よりも上流側に形成された第１の流路１２３と弁部１１５よりも下流側に形成された第２の流路１２５との間を開閉するようになっている。

なお、弁本体の材質は、フッ素樹脂材料とされているが、特に限定されるものではなく、ＰＶＣ、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ＰＰなどの樹脂、鉄、銅、銅合金、真鍮、アルミニウム、ステンレスなどの金属、又は磁器などのセラミックとしてもよい。

このような構成であるため、弁部１１５では、中間開度において流速が上がり、流体との摩擦により静電気が発生しやすい。そこで、弁部１１５の帯電を抑制するために、バタフライバルブ１１１では、シートリング１１７及び弁体１２１が、第１の実施形態のダイヤフラムバルブ１１のダイヤフラム２１と同様に、導電性フッ素樹脂材料から形成されている。シートリング１１７及び弁体１２１の一方のみを導電性フッ素樹脂材料から形成するようにしてもよい。

導電性フッ素樹脂材料の配合などの詳細や、シートリング１１７及び弁体１２１を導電性フッ素樹脂材料から形成することによる効果は、第１の実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。

なお、本実施形態では、シートリング１１７や弁体１２１で発生した静電気は、弁本体１１３やステム１１９へ逃がすことができるが、静電気を外部に逃がすために弁本体１１３の外部まで延びるアース要素（図示せず）を例えばステム１１９に接続するようにしてもよい。

図４は、本発明のバルブ装置の第３の実施形態によるゲートバルブ２１１を示す縦断面図である。ゲートバルブ２１１は、内部流路が内部に形成された弁本体２１３と、内部流路の開閉を行う弁部２１５とを備える。弁本体２１３は、本体部２１３ａと、本体部２１３ａの上端部に固定された蓋体２１３ｂとによって構成されており、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＰＣＴＦＥなどのフッ素樹脂材料から形成されている。弁部２１５は、内部流路の流路軸線に対して垂直に延びるように弁本体２１３内に形成された弁室２１７と、蓋体２１３ｂを貫通して延びるステム２１９によって支持される弁体２２１とによって構成されており、図示されていない駆動部による回動をネジ機構によりステム２１９の上下動に変換して、ステム２１９の下端部に接続される弁体２２１を弁室２１７の内壁に沿って上下動させ、弁室の底面に弁体２２１の下端を圧接、離間させることにより、内部流路の開閉を行う。すなわち、弁室の底面が弁座２１７ａとして機能し、弁体２２１が弁座２１７ａに圧接、離間することによって、弁本体２１３の内部に形成された内部流路のうち弁部２１５よりも上流側に形成された第１の流路２２３と弁部２１５よりも下流側に形成された第２の流路２２５との間を開閉するようになっている。

このような構成であるため、弁部２１５では、中間開度において流速が上がり、流体との摩擦により静電気が発生しやすい。そこで、弁部２１５の帯電を抑制するために、ゲートバルブ２１１では、弁体２２１が、第１の実施形態のダイヤフラムバルブ１１のダイヤフラム２１と同様に、導電性フッ素樹脂材料から形成されている。

導電性フッ素樹脂材料の配合などの詳細や、弁体２２１を導電性フッ素樹脂材料から形成することによる効果は、第１の実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。

なお、本実施形態では、弁体２２１で発生した静電気は、弁本体２１３やステム２１９へ逃がすことができるが、静電気を外部に逃がすために弁本体２１３の外部まで延びるアース要素（図示せず）を例えばステム２１９に接続するようにしてもよい。

図５は、本発明のバルブ装置の第４の実施形態によるニードルバルブ３１１を示す縦断面図である。ニードルバルブ３１１は、弁本体３１３と、弁部３１５と、ハンドル３１７とを備える。

弁本体３１３は、本体部３１３ａと、本体部３１３ａの上部に固定されたボンネット３１３ｂと、ボンネット３１３ｂの上部に固定されたハンドル支持体３１３ｃとによって構成されており、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＰＣＴＦＥなどのフッ素樹脂材料から形成されている。本体部３１３ａの下部には、垂直方向に延びる堰３２７によって仕切られた第１の流路３２３と第２の流路３２５とが形成されている。

弁部３１５は、本体部３１３ａの上部に形成された弁室３２９と、ボンネット３１３ｂの底部中央に回動可能に支持されたステム３１９の下端に固定された状態で弁室３２９内に収容される弁体３２１とによって構成されており、弁室３２９は、弁室３２９の底部に設けられた連通口３３１，３３３を介して第１の流路３２３及び第２の流路３２５に連通している。連通口３３１の開口部の周縁部には、弁体３１５が圧接、離間する弁座３３５が形成されている。

ステム３１９の上部には、雄ネジ部３１９ａが設けられ、雄ネジ部３１９ａの下方には雄ネジ部３１９ａよりも拡径された鍔部３１９ｂが設けられている。ステム３１９ａの雄ネジ部３１９ａは、ハンドル３１７の内周面に形成された雌ネジ部３１７ａに螺合されている。一方、鍔部３１９ｂは、ボンネット３１３ｂ内に形成された凹部３３７に上下動自在且つ回動不能に収容されている。本実施形態では、多角形状（例えば六角形状）の断面を有するように鍔部３１９ｂを形成すると共に、鍔部３１９ｂと相補的な多角形状の断面を有するようにボンネット３１３ｂの凹部３３７を形成することによって、鍔部３１９ｂがボンネット３１３ｂの凹部３３７内で回動不能にされ、上下方向のみに移動可能となっている。

ハンドル３１７は、頭部に断面円形状のつまみ部３１７ｂを有し、つまみ部３１７ｂの下部には、つまみ部３１７ｂより縮径して雌ネジ部３１７ａよりも大きいピッチを有する雄ネジ部３１７ｃが設けられている。ハンドル３１７の雄ネジ部３１７ｃは、ハンドル支持体３１３ｃの内周面に形成された雌ネジ部３３９に螺合されている。

以上のような構成により、ニードルバルブ３１１は、ハンドル３１７の回動に伴うステム３１９の上下動で、ステム３１９の下端部に固定された弁体３２１を弁室３２９の底部に形成された弁座３３５に圧接、離間させて、第１の流路３２３と第２の流路３２５との間を開閉する。

このような構成であるため、弁部３１５では、中間開度において流速が上がり、流体との摩擦により静電気が発生しやすい。そこで、弁部３１５の帯電を抑制するために、ニードルバルブ３１１では、弁体３２１が、第１の実施形態のダイヤフラムバルブ１１のダイヤフラム２１と同様に、導電性フッ素樹脂材料から形成されている。

導電性フッ素樹脂材料の配合などの詳細や、弁体３２１を導電性フッ素樹脂材料から形成することによる効果は、第１の実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。

なお、本実施形態では、弁体３２１で発生した静電気は、弁本体３１３やステム３１９へ逃がすことができるが、静電気を外部に逃がすために弁本体３１３の外部まで延びるアース要素（図示せず）を例えばステム３１９に接続するようにしてもよい。

また、図５に示されている実施形態では、ステム３１９をハンドル３１７によって手動式で回動させるようになっているが、電動式や空動式のアクチュエータを用いて自動で回動させるようにしてもよいことはもちろんである。

図６は、本発明のバルブ装置の第５の実施形態によるボールバルブ４１１を示す縦断面図である。ボールバルブ４１１は、内部流路が内部に形成されている概略中空円筒状の弁本体４１３と、内部流路の開閉を行う弁部４１５とを備える。弁本体４１３は、中央部に設けられた弁室４１７と、弁本体４１３の両端部から同一の流路軸線に沿って延び且つ弁室４１７に連通する第１の流路４２３及び第２の流路４２５とを備えており、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＰＣＴＦＥなどのフッ素樹脂材料から形成されている。また、第１の流路４２３及び第２の流路４２５には、弁本体４１３に螺合されるキャップナット４２７によって鍔付き短管４２９が接続されている。

弁部４１５は、弁室４１７と、弁本体４１３に回動可能に支持されるステム４１９の下端部に固定され且つ弁室４１７内に回動可能に配置される概略球形状の弁体４２１と、弁体４２１を挟むように弁体４２１に圧接して配置される二つの環状のシート４３１，４３１とによって構成されている。シート４３１，４３１は、弁体４２１が圧接する弁座として機能する。第１の流路４２３は、第２の流路４２５よりも大きな直径を有しており、第１の流路４２３に概略円筒状の弁体押え４３５を挿入して第１の流路４２３の内周面に設けられた雌ネジ部に弁体押え４３５の外周面に設けられた雄ネジ部を螺合させることにより、弁体４２１がシート４３１，４３１の間に押圧保持される。なお、弁体押え４３５の貫通孔４３５ａは、その直径が第２の流路４２５の直径と等しくなるように形成されている。また、弁体４２１には、ステム４１９及び弁体４２１の回動軸線と垂直な方向に延びる貫通孔４２１ａが形成されており、ステム４１９の上端部に固定されたハンドル４３３を操作してステム４１９を回動軸線周りに回動させ、弁体４２１の貫通孔４２１ａの軸線を第１の流路４２３及び第２の流路４２５の流路軸線と一直線上に延びるように配置することにより、第１の流路４２３と第２の流路４２５との間が弁体４２１の貫通孔４２１ａを介して連通され、この状態からステム４１９を回動軸線周りに９０°回動させることにより第１の流路４２３と第２の流路４２５との間が遮断される。このようにして、弁部４１５により、第１の流路４２３と第２の流路４２５との間の開閉が行われるようになっている。

このような構成であるため、弁部４１５では、中間開度において流速が上がり、流体との摩擦により静電気が発生しやすい。そこで、弁部４１５の帯電を抑制するために、ボールバルブ４１１では、弁体４２１及びシート４３１が、第１の実施形態のダイヤフラムバルブ１１のダイヤフラム２１と同様に、導電性フッ素樹脂材料から形成されている。弁体４２１及びシート４３１の一方のみを導電性フッ素樹脂材料から形成するようにしてもよい。

導電性フッ素樹脂材料の配合などの詳細や、弁体４２１及びシート４３１を導電性フッ素樹脂材料から形成することによる効果は、第１の実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。

なお、本実施形態では、弁体４２１及びシート４３１で発生した静電気は、弁本体４１３やステム４１９へ逃がすことができるが、静電気を外部に逃がすために弁本体４１３の外部まで延びるアース要素（図示せず）を例えばステム４１９に接続するようにしてもよい。

表１と表２に、それぞれ、フッ素樹脂材料としてＰＴＦＥを使用してカーボンナノチューブを配合した導電性フッ素樹脂材料から作製したダイヤフラム２１の実施例と、条件を変えた比較例とについて、隔膜開閉試験による屈曲性、不純物による汚染度、体積抵抗率の試験結果を示している。表１に示されている実施例１は、９９．９６９重量％の平均粒径２５μｍのＰＴＦＥと０．０３１重量％の繊維長１５０〜６００μｍの分布範囲のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）とを配合させた導電性フッ素樹脂材料から作製した厚さ２ｍｍのダイヤフラム、実施例２は、９９．９６５重量％の平均粒径２５μｍのＰＴＦＥと０．０３５重量％の繊維長１５０〜６００μｍの分布範囲のカーボンナノチューブとを配合させた導電性フッ素樹脂材料から作製した厚さ２ｍｍのダイヤフラム、実施例３は、９９．９６５重量％の平均粒径２５μｍのＰＴＦＥと、実施例２とは異なる繊維長１０〜１５０μｍのカーボンナノチューブとを配合させた導電性フッ素樹脂材料から作製した厚さ２ｍｍのダイヤフラム、実施例４は、９９．９５重量％の平均粒径２５μｍのＰＴＦＥと０．０５重量％の繊維長１５０〜６００μｍの分布範囲のカーボンナノチューブとを配合させた導電性フッ素樹脂材料から作製した厚さ２ｍｍのダイヤフラム、実施例５は、９９．９５重量％の平均粒径２５μｍのＰＴＦＥと、実施例４とはカーボンナノチューブの配合比率は同じであるが繊維長分布範囲が異なり、０．０５重量％の繊維長１０〜１５０μｍの分布範囲のカーボンナノチューブとを配合させた導電性フッ素樹脂材料から作製した厚さ２ｍｍのダイヤフラムである。また、表２に示されている比較例１は、平均粒径２５μｍのＰＴＦＥのみから作製した厚さ２ｍｍのダイヤフラム、比較例２は、８５重量％の平均粒径２５μｍのＰＴＦＥと１５重量％のカーボンブラックとを配合させた材料から作製した厚さ２ｍｍのダイヤフラム、比較例３は、９９．９７５重量％の平均粒径２５μｍのＰＴＦＥと０．０２５重量％の繊維長１５０〜６００μｍの分布範囲のカーボンナノチューブとを配合させた材料から作製した厚さ２ｍｍのダイヤフラム、比較例４は、９９．５重量％の平均粒径２５μｍのＰＴＦＥと０．５重量％の繊維長１５０〜６００μｍの分布範囲のカーボンナノチューブとを配合させた材料から作製した厚さ２ｍｍのダイヤフラム、比較例５は、９９．９５重量％の平均粒径２５μｍのＰＴＦＥと０．０５重量％の繊維長１〜１０μｍの分布範囲のカーボンナノチューブとを配合させた材料から作製した厚さ２ｍｍのダイヤフラムである。屈曲性試験（隔膜開閉試験）の結果は、２万回、１万回、５千回、３千回の繰り返し開閉で破損しなかったか否かを示している。不純物濃度試験の結果は、流体を流通させたときに流体中に放出された不純物の濃度のオーダーを示している。体積抵抗率はＪＩＳＫ７１９４に規定される「導電性プラスチックの４探針法による抵抗率試験方法」に従って測定したものを示している。

実施例１から実施例５と比較例１の結果から、ＰＴＦＥにカーボンナノチューブを配合した場合でも、ＰＴＦＥにカーボンナノチューブを配合しない場合と少なくとも同程度の屈曲性及び不純物の放出による流体の汚染レベルを維持できる一方で、ＰＦＴＥにカーボンナノチューブを配合することで、ＰＴＦＥにカーボンナノチューブを配合しない場合よりも大幅に優れた導電性を付与し、帯電防止機能を発揮し得ることが確認された。特に、ＰＴＦＥに全体の０．０３１重量％以上の配合比率で繊維長１０〜６００μｍの分布範囲のカーボンナノチューブを配合すると、１０Ω・ｍ以下の低い体積抵抗率を得ることができると共に、ＰＴＦＥに全体の０．０３５重量％以上の配合比率でカーボンナノチューブを配合すると、１〜２Ω・ｍ以下の非常に低い体積抵抗率を得ることができ、非常に優れた導電性が付与され、非常に優れた帯電防止機能を発揮し得ることが確認された。また、実施例１から実施例５、比較例１及び比較例２の結果から、カーボンブラックをＰＴＦＥに配合する場合と比較して、少量のカーボンナノチューブをＰＴＦＥに配合するだけで、体積抵抗率を大きく低下させつつ、不純物の放出による流体の汚染も低レベルに抑制できることや、屈曲性に与える影響が少ないことが確認された。

さらに、カーボンナノチューブは繊維長が長いほど、導電性を付与しやすくなる。このことを考慮すると、実施例１から実施例５、及び比較例３の結果から、繊維長１０〜６００μｍの分布範囲では、ＰＴＦＥに対するカーボンナノチューブの配合比率が全体の０．０３１重量％以上である場合の体積抵抗比率が１０Ω・ｍ以下であるのに対して、ＰＴＦＥに対するカーボンナノチューブの配合比率が全体の０．０３１重量％を下回ると、不純物の放出による流体の汚染を低レベルに抑えることができるものの、体積抵抗率が１．０×１０^２Ω・ｍ以上となってしまい、帯電防止機能が不十分となり得ることが分かる。また、実施例１から実施例５、及び比較例４の結果から、ＰＴＦＥに対するカーボンナノチューブの配合比率が全体の０．０５重量％程度までであれば、体積抵抗率を１０Ω・ｍ以下に抑えつつ、屈曲性に対する影響が少なく、不純物の放出による流体の汚染レベルも低く抑えることができるが、０．５重量％程度まで増加させてしまうと、体積抵抗率はさらに低くなるが、ダイヤフラムに要求される屈曲性には不十分となってしまい、また、不純物の放出による流体の汚染レベルも１０００倍程度まで増加してしまうことが分かる。

さらに、実施例４、実施例５、及び比較例５の結果から、ＰＴＦＥに対するカーボンナノチューブの配合比率が０．０５重量％の場合、繊維長が１〜１０μｍの分布範囲のカーボンナノチューブを用いると、ダイヤフラムに要求される屈曲性は満たすものの、不純物の放出による汚染レベルが増加すると共に、体積抵抗率も１．０×１０^２Ω・ｍ以上となり、帯電防止機能と汚染レベルが不十分となり得ることが分かった。

以上から、ＰＴＦＥのようなフッ素樹脂材料に配合するカーボンナノチューブは、配合比率として０．０３１重量％から０．０５重量％とすることが好ましく、配合するカーボンナノチューブの繊維長は１０μｍから６００μｍの範囲とすることが好ましく、１５０μｍから６００μｍの範囲とすることがさらに好ましいと推定される。

以上、図示されている実施形態を参照して、本発明によるバルブ装置を説明したが、本発明は図示されている実施形態に限定されるものではない。例えば、図示されている実施形態では、バルブ装置として、ダイヤフラムバルブ１１、バタフライバルブ１１１、ゲートバルブ２１１、ニードルバルブ３１１、ボールバルブ４１１を例示しているが、本発明は、弁部により開閉を行うバルブ装置であれば、例えば、グローブバルブ、ピンチバルブなどにも適用することができ、図示されている実施形態と同様の効果を奏することができる。また、図示されている実施形態のダイヤフラムバルブ１１では、弁座１９が仕切壁３１の頂部に直接形成されているが、本願における「弁座」は、弁体を圧接離間することにより第１の流路と第２の流路との連通及び遮断を行う部分を意味し、第１の流路と第２の流路との境界部に形成された開口部に装着されるシートリングなども含むものとする。弁座がシートリングによって構成される場合には、弁体に代えて又は弁体に加えて、カーボンナノチューブを配合した導電性フッ素樹脂材料からシートリングを形成するようにしてもよい。さらに、図示されている実施形態では、例えば、ダイヤフラム２１の外縁部から弁本体１３の外部に突出して延びるタブ部２１ａにアース線４７を接続することにより、ダイヤフラム２１に発生した静電気を外部に逃がしているが、ダイヤフラム２１の埋め込み金具４５とステム３７とをコンプレッサ３５内で金属部品などを介して導通させ、ハンドル３９の上部にアース線を接続することにより、ダイヤフラム２１に発生した静電気を外部に逃がすようにするなど、他の方式でアース線又はアース要素を設けるようにしてもよい。

１１ダイヤフラムバルブ
１３弁本体
１３ａ本体部
１３ｂボンネット
１５弁部
１９弁座
２１ダイヤフラム
２１ａタブ部
２７第１の流路
２９第２の流路
４７アース線
１１１バタフライバルブ
１１３弁本体
１１５弁部
１１７シートリング
１２１弁体
１２３第１の流路
１２５第２の流路
２１１ゲートバルブ
２１３弁本体
２１５弁部
２１７弁室
２１７ａ弁座面
２２３第１の流路
２２５第２の流路
３１１ニードルバルブ
３１３弁本体
３１５弁部
３２１弁体
３２３第１の流路
３２５第２の流路
３３５弁座
４１１ボールバルブ
４１３弁本体
４１５弁部
４２１弁体
４２３第１の流路
４２５第２の流路
４３１シート

Claims

内部に第１の流路と第２の流路とが形成されている弁本体と、前記第１の流路と前記第２の流路との間の開閉を行う弁部とを備えるバルブであって、
前記弁部が前記第１の流路と前記第２の流路との境界部に形成された弁座と該弁座に圧接又は離間される弁体とを含み、前記弁座及び前記弁体の少なくとも一方がフッ素樹脂材料に０．０３１重量％から０．０５０重量％の範囲の割合でカーボンナノチューブを配合した導電性フッ素樹脂材料から形成されていることを特徴とするバルブ装置。
前記導電性フッ素樹脂材料には、体積抵抗率が１．０×１０^８Ω・ｍ以下となるようにカーボンナノチューブが配合されている、請求項１に記載のバルブ装置。
前記バルブ装置は、バタフライバルブ、ゲートバルブ、ニードルバルブ及びボールバルブのうちの一つである、請求項１又は請求項２に記載のバルブ装置。
前記バルブ装置がダイヤフラムバルブであり、前記弁体がダイヤフラムである、請求項１又は請求項２に記載のバルブ装置。
前記ダイヤフラムが導電性フッ素樹脂材料から形成されている、請求項４に記載のバルブ装置。
前記ダイヤフラムに発生した静電気を外部に逃がすために前記弁本体の外部まで延びるアース要素が前記ダイヤフラムに接続されている、請求項５に記載のバルブ装置。
前記弁本体が本体部と該本体部の上部に取り付けられるボンネットとを含み、前記ダイヤフラムが前記本体部とボンネットとの間に挟持されており、前記アース要素が前記ダイヤフラムの外縁部から前記弁本体の外部へ突出して設けられたタブ部である、請求項６に記載のバルブ装置。
前記ダイヤフラムの厚さが１ｍｍから５ｍｍの範囲である、請求項４から請求項７の何れか一項に記載のバルブ装置。
前記フッ素樹脂材料に配合される前記カーボンナノチューブの繊維長が１０μｍから６００μｍの範囲である、請求項１から請求項８の何れか一項に記載のバルブ装置。
前記フッ素樹脂材料に配合される前記カーボンナノチューブの繊維長が１５０μｍから６００μｍの範囲である、請求項９に記載のバルブ装置。