CN111059313A - 球阀 - Google Patents

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Abstract

本发明提供密封性和耐久性优良的球阀。本发明的球阀(1)构成为具备：具有流路孔(14)且以可旋转的方式被支承的球体(13)、与球体(13)的外周面抵接的聚酰亚胺制的球体密封件(23)、保持球体密封件(23)的球体保持部(24)、设置于球体密封件(23)与球体保持部(24)之间且在树脂制的密封壳体的内侧嵌入有金属制的弹簧的弹簧载荷式的唇形密封件(27)。

Description

球阀
技术领域
本发明涉及一种通过球体的旋转来调整阀开度从而控制流体的流量的球阀。
背景技术
在以往的球阀中，作为对球体进行密封的密封件(也称为球体密封件)的材质，已知有氟树脂(PTFE)。因为氟树脂具有润滑性，密封性也良好，且耐热性和耐化学性优良，所以常常作为密封件的材质来使用。但是，氟树脂缺乏反弹力，具有一旦被压溃则一直维持被压溃的形状的特性，因此，氟树脂存在即使用处于压溃状态的氟树脂制密封件进行止水也会在内部发生漏液的缺点。
为了解决该氟树脂制密封件的缺点，也有如专利文献1那样使用改性氟树脂的密封件。但是，根据该密封件，与氟树脂制密封件相比，虽然永久变形和/或压缩蠕变特性得到改善，稍微提高了耐久性，但其缺点没有得到根本性的解决。
另外，为了解决氟树脂制密封件的缺点，也有如专利文献2、3、4那样在密封件上并用橡胶制的O型环的例子。在这些例子中，通过用O型环来始终对密封件施加压力，从而长期地维持密封件的密封性。但是，这些密封件也存在如下问题。
(1)因为橡胶制的O型环也会永久变形，所以并不能半永久性地使用。
(2)在温度为－50℃以下的流体中，橡胶本身失去弹性从而无法密封。
(3)在高温或低温下，永久变形变得严重而无法长期使用。另外，作为O型环的材质的橡胶(尤其是硅橡胶和/或EPDM橡胶)的热膨胀大，如果热膨胀大，则在高温下反弹力极度地增加，相反地在低温下，反弹力极度地下降，因此不适合长期使用。
(4)在使用氟类液体的情况下，氟橡胶极度地溶胀而无法使用。
(5)在密封件上并用O型环的理由是为了使密封件具备施加压力的功能和防止内部泄漏的功能，但由于同时实施这两个功能，所以无法承受恶劣条件(温度和/或流体的种类)下的使用，不适合长期使用。例如，用于半导体制造装置的温度调节的氟类液体的温度为－80℃～+200℃，是在伴随着急剧的温度变化的严苛的环境下的使用，另外，氟树脂制密封件会因氟类液体而溶胀，导致密封性显著下降。
另外，关于所述(5)的问题点，如果使球阀在中间的阀开度(例如30％)的状态下停止，并在高温的氟类流体的环境下长期放置，则在密封件(球体密封件)是氟树脂(例如PTFE)的情况下，与球体接触的部分由于被施加较强的压力而不溶胀，只有不与球体接触的部分由于溶胀而膨胀，导致在球体密封件上产生台阶。然后，在变更阀开度的情况下，存在如下问题：在越过该台阶时，使球体运动的滑动转矩急剧地增大，滑动转矩变得高于驱动器转矩，因而无法使球体运动，发生动作不良。
应予说明，作为该滑动转矩的产生原因，考虑与如下有关：A)球体密封件的溶胀、B)球体密封件的热膨胀、C)球体密封件的斜面的台阶、D)O型环的热膨胀。
在A)球体密封件溶胀的情况下，如图8的(A)所示，O型环被压缩，压缩率增加。伴随于此，由于O型环的反弹力增加，所以球体密封件的推压力增加，滑动转矩增大。
在B)球体密封件热膨胀的情况下，如图8的(B)所示，与溶胀同样地，O型环被压缩，压缩率增加。伴随于此，由于O型环的反弹力增加，所以球体密封件的推压力增加，滑动转矩增大。
在C)球体密封件的斜面产生台阶的情况下，如图8的(C)所示，在变更阀开度时需要越过台阶，在越过时球体密封件向外侧移动。因此，结果是将O型环压缩，由于其反弹力增加，所以滑动转矩增大。
在D)O型环热膨胀的情况下，如图8的(D)所示，伴随着流体温度的上升，O型环因热膨胀而膨胀，由于其反弹力增加，所以滑动转矩增大。尤其是，作为O型环的材料的硅橡胶的热膨胀率大。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2003－35374号公报
专利文献2：日本特开平5－60251号公报
专利文献3：日本特开2001－248745号公报
专利文献4：日本特开2010－1964号公报
发明内容
技术问题
本发明是鉴于以上问题而做出的，其目的在于提供一种适合在伴随着急剧的温度变化的严苛的环境下使用的、密封性和耐久性优良的球阀。
技术方案
为了解决所述课题，本发明的球阀的特征在于，具备：球体，其具有流路孔，且以可旋转的方式被支承；聚酰亚胺制的球体密封件，其与所述球体的外周面抵接；球体保持部，其保持所述球体密封件；以及唇形密封件，其是弹簧载荷式的唇形密封件，设置于所述球体密封件与所述球体保持部之间，并且在树脂制的密封壳体的内侧嵌入有金属制的弹簧。
另外，在所述本发明的球阀中，也可以在所述唇形密封件的外周面设置有极细O型环。
另外，在所述本发明的球阀中，也可以在所述唇形密封件的所述球体保持部侧的侧面设置有金属制的其他的弹簧。
另外，在所述本发明的球阀中，也可以在与所述唇形密封件抵接的所述球体保持部设置有锥形面。
此外，在所述任一构成中，也可以构成为：所述球阀是二通阀，设置有与所述球体的流路孔连通的贯通孔，且在所述球体密封件的流出通路侧设置有将积存在所述球体的流路孔中的流体从所述贯通孔向所述流出通路排出的排出孔。
另外，在所述任一构成中，也可以构成为：所述球阀是电动式的阀，在所述球体的轴与驱动器之间设置有氧化锆制的绝热延长轴。
这里，也可以在所述球体的轴的外周设置对轴进行密封的V形密封件、以及将对V形密封件进行加压的多片碟簧交替地重叠而成的串联弹簧。
发明效果
根据本发明，球体密封件由聚酰亚胺构成，即使与氟类液体接触也不易溶胀，因此也不易变形。并且，由于聚酰亚胺的热膨胀率也低，所以球体与球体密封件之间的距离不易发生变化，能长期稳定。因此，对于需要机械强度的球体密封件的部位最合适。另外，在以往的O型环方式中，因热膨胀导致的压力的变化，压力根据使用温度范围而变化，尤其是在低温下密封性变差，此外长期而言，因永久变形导致的劣化而密封性下降。但根据本发明，通过采用弹簧载荷式的唇形密封件的密封构造，并且用金属制的弹簧承担施加压力的功能，从而几乎不依赖于温度，也不会引起以往的O型环那样的永久变形而导致的劣化。因此，能够长期地维持稳定的密封性。
附图说明
图1是表示本发明的球阀的外观的左视图。
图2是表示本发明的球阀的内部构造的局部剖视图。
图3是本发明的球阀中的唇形密封件的构造的放大剖视图。
图4是表示唇形密封件的弹簧形状的变形例的放大图。
图5是表示在唇形密封件中追加小型弹簧的变形例的放大图。
图6是表示在球体保持部设置锥形面的变形例的放大图。
图7是表示积存在球体的流路孔中的液体的排出构造的局部剖视图。
图8是表示以往的球阀中的滑动转矩的产生原因的说明图。
符号说明
1：球阀
2：阀主体
3：阀体
4：驱动器
5：马达托架
6：绝热延长托架
7：流入口
8：流出口
8A：第一流出口
8B：第二流出口
9：流体通路
9A：流入通路
9B：流出通路
10：金属密封件
11：配管接头
12：轴
13：球体
14：流路孔
15：轴孔
16：绝热延长轴
17：V形密封件
18：上下密封按压件
19：中密封按压件
20：串联弹簧
21：轴保持部
22：轴环
23：球体密封件
23A：流入口侧的球体密封件
23B：流出口侧的球体密封件
24：球体保持部
25：保持锁定部
26：碟簧
27：唇形密封件
28：密封壳体
29：凹部
30：弹簧
31：极细O型环
32：凹沟
33：小型弹簧
34：锥形面
35：插塞接头
36：贯通孔
37：排出孔
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的实施方式。
如图1所示，本实施方式的球阀1是利用驱动器4的电动力来驱动内置于阀主体2中的阀体3，通过与该电动力成比例的阀开度来控制流体的流量的电动比例控制阀。作为该球阀1的用途，例如在液晶和/或半导体制造装置中，能够作为对用作温度调节的热介质体的氟类惰性液体的流量进行调节的阀来使用。另外，驱动器4安装于马达托架5，并且经由PPS树脂制的绝热延长托架6而与阀主体2连结，因此能够通过紧凑的设计来实现节省空间，适合在半导体的无尘室中使用。应予说明，该球阀1通过采用以下的特征性的构造，从而能够应对流体温度至少从－80℃的极低温到+200℃的高温的较宽的温度范围的流体。
如图2所示，本实施方式的球阀1是具备由不锈铸钢(例如SCS13)形成的金属制的阀主体2，并且将流路选择性地切换为从开设于管部下端的流入口7起向开设于管部左端开口的流出口8(第一流出口8A)或开设于管部右端开口的流出口8(第二流出口8B)中的任一侧的流出口的三通阀(分流阀)类型的阀。在阀主体2的管内，具备从流入口7起连通至第一流出口8A或第二流出口8B并供流体流通的流体通路9。另外，流入口7、第一流出口8A、第二流出口8B的各端口经由金属密封件(例如SUS304)10与配管接头11连接。
在阀主体2内的流体通路9设置有作为流量调节机构而发挥功能的阀体3。阀体3构成为具备轴12和球体13，所述轴12是由不锈钢(例如SUS304)形成的金属制的轴，所述球体13一体地设置于轴12的前端，对流体通路9进行阻断，并以可旋转的方式被支承。另外，在球体13的中心贯通形成有在开阀时与流体通路9连通的流路孔14。应予说明，如切换形态所示，流路孔14是通过输入球体13的旋转方向的切换信号来选择性地在端口A(第一流出口8A)与端口B(第二流出口8B)之间进行切换的L型端口。
在阀主体2的管部上方形成有沿垂直方向贯通阀主体2并向流体通路9穿过的轴孔15。阀体3的轴12以可滑动的方式嵌合于该轴孔15中。另外，轴12的上端部与绝热延长轴16结合，绝热延长轴16与驱动器4的马达旋转轴(未图示)连结。在本实施方式中，绝热延长轴16由氧化锆形成的耐热陶瓷材料构成，因此，将整体抑制为紧凑的高度，并且具有阻断轴12的热量向驱动器4传递的功能。应予说明，虽未图示，但驱动器4包含步进马达、减速机构和位置检测传感器。
在轴12与轴孔15之间的空间中，氟树脂(PTFE)制的V形密封件17被由不锈钢(例如SUS304)形成的金属制的上下密封按压件18、18和中密封按压件19夹着而被保持。另外，在上下密封按压件18的上部，设置有将多片金属制的碟簧上下交替地重叠的串联弹簧20，串联弹簧20被设置于其上方的轴保持部21和轴环22从上方推压而被保持。因此，无论是否是短行程，V形密封件17都始终被串联弹簧20以大的载荷加压，因此在成为禁油规格的同时，能够可靠地密封轴12外周的间隙并提高耐久性。
流量调节机构具备一对球体密封件23、23，所述一对球体密封件23、23与球体13的外周面抵接，并且夹着球体13地配置于第一流出口8A侧和第二流出口8B侧。在本实施方式中，球体密封件23由聚酰亚胺形成的超级工程塑料材料构成，因此，即使与氟类液体接触也几乎不会发生溶胀或变形，能够长期稳定地维持形状。另外，通过使球体密封件23的材质为热膨胀率低的聚酰亚胺，并将其宽度(厚度)设定得较窄，从而具有抑制宽度方向上的热膨胀、滑动转矩容易稳定的效果，即使是从极低温到高温的宽温度范围的流体也能够毫无问题地使用。
在球体密封件23的外侧设置有由不锈钢(例如SUS304)形成的金属制的球体保持部24。该球体保持部24通过由不锈铸钢(例如SCS13)形成的金属制的保持锁定部25而被固定于阀主体2，并从左右两侧保持一对球体密封件23、23。应予说明，在球体保持部24与保持锁定部25之间，为了安全用而插入有金属制的碟簧26。
在球体密封件23与球体保持部24之间设置有弹簧载荷式的唇形密封件27。如图3的(A)放大所示，本实施方式的唇形密封件27构成为具备：氟树脂(PTFE)等耐热树脂制的环状的密封壳体28、嵌入密封壳体28的内侧的凹部29的金属制的中空螺旋形的弹簧30、以及埋入密封壳体28的外周面的硅橡胶(Si)制的极细O型环31。通过采用该弹簧载荷式的唇形密封件27的密封构造，从而能够分别分担以往的O型环的两个功能(对球体密封件23施加压力的功能、以及防止从球体密封件23与球体保持部24之间的间隙向流体通路9泄漏的内部泄漏的功能)。应予说明，密封壳体28的材质不限于氟树脂(PTFE)，也可以是聚酰亚胺或聚酰胺酰亚胺等超级工程塑料材料。另外，极细O型环31的材质不限于硅橡胶(Si)，也可以是乙丙橡胶(EPDM)或氢化丁腈橡胶(HNBR)。
如果从密封壳体28的外侧施加载荷，则金属制的弹簧30被压溃而得到对抗载荷的反弹力，如图3的(B)所示，利用该反弹力将球体密封件23向球体13外周推压并施加压力。因此，能够可靠地将向球体密封件23的内侧泄漏的液体密封。另一方面，如图3的(C)所示，硅橡胶制的极细O型环31利用其反弹力紧贴于阀主体2的流体通路9内的壁面而进行密封。因此，能够防止从外侧向流体通路9泄漏的内部泄漏。应予说明，通过使极细O型环31的线径细到约
Figure BDA0002051133730000081
从而降低热膨胀的影响，构成为即使向宽度方向热膨胀也向不易受滑动转矩的影响的外侧配置的构造。
这里，作为构成唇形密封件27的弹簧30的形状，可以考虑各种变形例。例如，除了如图4的(A)那样的中空螺旋形的弹簧30A以外，还能够采用如图4的(B)那样的截面为“コ”字形的弹簧30B、或如图4的(C)那样的截面为“U”字形的弹簧30C、或如图4的(D)那样的重叠金属薄板并将截面弯曲成“V”字形的弹簧30D等。其中，弹簧30的形状只要是能够利用其反弹力来推压球体密封件23的形状即可，不限于这些形状。
另外，关于唇形密封件27的形态，也可以考虑如下的变形例。例如，如图5所示，代替图3的极细O型环31，也能够采用在密封壳体28的球体保持部24侧的侧面设置凹沟32并在该凹沟32中嵌入不同于所述弹簧30的另外的金属制的小型弹簧33的构造。根据这种构造的唇形密封件27，利用小型弹簧33的反弹力，氟树脂(PTFE)制的密封壳体28被推压并紧贴于阀主体2的内壁面，能够防止向流体通路9泄漏的内部泄漏。
另外，不要极细O型环31，也能够如图6所示地采用如下构造：构成为在密封壳体28的内侧的凹部29嵌入弹簧30的唇形密封件27，并且在球体保持部24的与唇形密封件27抵接的侧面设置有从内周朝向外周而宽度变窄的锥形面34。根据这样的构造，如图的箭头所示，唇形密封件27能够沿阀主体2(纵)方向和球体密封件23(横)方向这两个方向施加压力，并能够通过锥形面34的角度来调节其横纵的压力比例。另外，仅用一个弹簧30就能得到与图3的极细O型环31同样的效果，由于没有极细O型环31，所以能够实现降低成本，并且即使在－50℃以下也能够稳定地使用。
此外，在流量调节机构中，也可以具备将积存在球体13的流路孔14中的液体排出的功能。图7所示的球阀1是阀主体2的管部下端被嵌入止水栓插塞的插塞接头35堵住，并且从开设于管部左端的流入口7向开设于管部右端的流出口8沿一个方向流通的二通阀类型的阀。在这种二通阀的情况下，积存在阀主体2的内部的氟类液体的热膨胀率高，在从－80℃的极低温回到+20℃的常温时，存在由于温度差而液体膨胀导致产品变形的隐患。
因此，在本实施方式中，如图7所示，设置有从球体13的下端面连通于流路孔14的贯通孔36、以及从流出口8侧的球体密封件23B的下端面与流出通路9B相连的排出孔37。利用该排出构造，如果在闭阀时流入通路9A与流出通路9B的连通被球体13截止，则积存在球体13的流路孔14中的液体会从贯通孔36通过排出孔37向流出通路9B流出，因此能够从流出口8向阀外部排出。应予说明，因为在流入口7侧的球体密封件23A未开孔而与球体13严密地密封，所以不会从贯通孔26向流入通路9A漏液。
如以上说明，根据本实施方式的球阀1，密封阀体3的球体13的球体密封件23由聚酰亚胺构成，即使与氟类液体接触也不易溶胀，因此也不易变形。并且，由于聚酰亚胺的热膨胀率也低，所以球体13与球体密封件23之间的距离不易发生变化，能长期稳定。因此，对于需要机械强度的球体密封件23的部位最合适。另外，根据该球阀1，通过采用弹簧载荷式的唇形密封件27的密封构造，并且用金属制的弹簧30承担施加压力的功能，从而几乎不依赖于温度，也不会引起以往的O型环那样的永久变形而导致的劣化。因此，能够长期地维持稳定的密封性。
产业上的可利用性
在以上实施方式中，作为本发明的用途，列举了在液晶和/或半导体制造装置中作为对用作温度调节的热介质体的氟类惰性液体的流量进行调节的阀来利用的例子，但除此以外，也能够作为调节液压设备的流量的阀等来利用。另外，列举了适用于电动式的球阀的例子，但也能够适用于气压式和/或手动式的球阀。

Claims (7)

1.一种球阀，其特征在于，具备：
球体，其具有流路孔，且以能够旋转的方式被支承；
聚酰亚胺制的球体密封件，其与所述球体的外周面抵接；
球体保持部，其保持所述球体密封件；以及
唇形密封件，其是弹簧载荷式的唇形密封件，并且设置于所述球体密封件与所述球体保持部之间，在树脂制的密封壳体的内侧嵌入有金属制的弹簧。
2.根据权利要求1所述的球阀，其特征在于，
在所述唇形密封件的外周面设置有极细O型环。
3.根据权利要求1所述的球阀，其特征在于，
在所述唇形密封件的靠所述球体保持部侧的侧面设置有金属制的其他的弹簧。
4.根据权利要求1所述的球阀，其特征在于，
在与所述唇形密封件抵接的所述球体保持部设置有锥形面。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的球阀，其特征在于，
所述球阀是二通阀，设置有与所述球体的流路孔连通的贯通孔，且在所述球体密封件的流出通路侧设置有将积存在所述球体的流路孔中的流体从所述贯通孔向所述流出通路排出的排出孔。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的球阀，其特征在于，
所述球阀是电动式的阀，在所述球体的轴与驱动器之间设置有氧化锆制的绝热延长轴。
7.根据权利要求6所述的球阀，其特征在于，
在所述球体的轴的外周设置有对轴进行密封的V形密封件、以及将对V形密封件进行加压的多片碟簧交替地重叠而成的串联弹簧。
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