DE60213674T2

DE60213674T2 - Metallmembranventil

Info

Publication number: DE60213674T2
Application number: DE60213674T
Authority: DE
Inventors: Shigeru Osaka-shi Itoi
Original assignee: Fujikin Inc
Current assignee: Fujikin Inc
Priority date: 2002-04-24
Filing date: 2002-04-24
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2022-04-25
Also published as: WO2003091611A1; EP1510738B1; EP1510738A1; DE60213674D1; EP1510738A4

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen an Metallmembranventilen zur Verwendung in Vorrichtungen zur Halbleiterproduktion und anderen Vorrichtungen.
Hintergrund der Erfindung
Ein Membranventil dieser Art ist beispielsweise aus der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 8-105554 bekannt.
Wie in den 4 und 5 gezeigt, umfasst das Metallmembranventil 20 einen Körper 25 mit einem Ventilsitz 24 an einer Bodenfläche einer Ventilkammer 23, die mit einem Einlassweg 21 und einem Auslassweg 22 in Verbindung steht, eine Metallmembran 26, die einen nach oben gebogenen zentralen Bereich hat und in dem Körper 25 derart vorgesehen ist, dass sie die Ventilkammer 23 luftdicht verschließt, Antriebsmittel 27, die betätigbar sind, um die Metallmembran 26 gegen den Ventilsitz 24 zu drücken und der Metallmembran 26 zu ermöglichen, federnd in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren und sich von dem Ventilsitz 24 wegzubewegen, sowie eine ringförmige Nut 28, die unter der Ventilkammer 23 in Verbindung mit dem Auslassweg 22 ausgebildet ist.
Aufgrund dieser ringförmigen Nut 28 kann das in den 4 und 5 gezeigte Metallmembranventil 20 ermöglichen, dass eine große Fluidmenge fließt, ohne dass der Durchmesser des Ventilsitzes 24 vergrößert oder die Metallmembran so weit aus dem Sitz 24 gehoben werden muss. Mit anderen Worten hat das Metallmembranventil im Vergleich zu Ventilen ohne eine ringförmige Nut 28 einen erhöhten Cv-Wert. Es wird angemerkt, dass Cv die Leichtigkeit angibt, mit der Fluid durch das Ventil fließen kann.
Während bei dem Metallmembranventil 20 aus dem Stand der Technik die ringförmige Nut 28 mit dem Auslassweg 22 in Verbindung steht, ist jedoch der Durchmesser D₁ des Auslassweges 22, insbesondere der Durchmesser des vertikalen Abschnittes des Auslassweges 22 nahe dem Boden der ringförmigen Nut 28 kleiner als die Breite der ringförmigen Nut 28, so dass der Fluidfluss eingeengt wird, was den Fließwiderstand erhöht. Demzufolge verhindert der gesamte Fließkanal, der von der Ventilkammer 23 zum Auslassweg 22 verläuft, dass Fluid mit einer hohen Fließrate fließt. Das heißt, dass der Cv-Wert nicht weiter erhöht werden kann.
Das Metallmembranventil 20 aus dem Stand der Technik hat ein weiteres Problem. Um die Querschnittsfläche des Fließpfades zu erhöhen, werden zwei vertikale Löcher 22a, 22b zunächst nebeneinander gebohrt und daraufhin die Innenwände geglättet. Diese Methode der Herstellung des Auslassweges 22 ist aber arbeitsintensiv.
Da die horizontale Breite W₁ am Boden der ringförmigen Nut 28 breiter als der horizontale Durchmesser D₁ am oberen Ende des Auslassweges 22 ist, kommt es außerdem zu einer Einengung, und der Widerstand des Fließpfades neigt dazu sich zu erhöhen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der oben genannten Probleme gemacht, und ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, ein Metallmembran ventil vorzusehen, das ermöglicht, dass eine große Fluidmenge ohne Schwierigkeiten aus der Ventilkammer in den Auslassweg fließt.
Das Metallmembranventil der vorliegenden Erfindung umfasst einen Körper, der an einer Bodenfläche einer Ventilkammer, die mit einem Einlassweg und einem Auslassweg in Verbindung steht, mit einem Ventilsitz versehen ist, eine Metallmembran, die einen nach oben gebogenen zentralen Bereich hat, der in dem Körper derart vorgesehen ist, dass die Ventilkammer luftdicht gehalten wird, Antriebsmittel, die ermöglichen, dass die Metallmembran auf dem Ventilsitz ruht und dass die Metallmembran federnd in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt und sich von dem Ventilsitz weg bewegt, sowie eine ringförmige Nut, die unter der Ventilkammer ausgebildet ist und mit dem Auslassweg in Verbindung steht, wobei der Durchmesser des Auslassweges größer als die Breite der ringförmigen Nut ist, und die wirksame Querschnittsfläche der Bereiche, in denen die ringförmige Nut und der Auslassweg einander überschneiden, größer als die Querschnittsfläche des Auslassweges ausgebildet ist.
Da der Durchmesser des Auslassweges größer als die Breite der ringförmigen Nut ist und die wirksame Querschnittsfläche der Bereiche der Überschneidung zwischen der ringförmigen Nut und dem Auslassweg größer als die Querschnittsfläche des Auslassweges ist, wird das Fluid nicht zusammengedrückt, wenn es aus der ringförmigen Nut in den Auslassweg fließt, wodurch der Widerstand des Fließpfades verringert wird. Dadurch wird es für das Fluid leicht, den gesamten Weg von der Ventilkammer zum Auslassweg zu fließen, und es ermöglicht, dass eine große Fluidmenge fließt. Mit anderen Worten wird der Cv-Wert, der die Leichtigkeit des Fließens des Fluids angibt, erhöht.
Es ist wünschenswert, dass der Auslassweg linear verläuft, so dass der Auslassweg und die ringförmige Nut in Tiefenrichtung eine gerade Linie bilden.
Dies ermöglicht, dass Fluid aus der Ventilkammer linear aus der ringförmigen Nut in den Auslassweg fließt, so dass der Fluidfluss in dem Fließpfad sehr ruhig ist.
Der Auslassweg kann in einem spitzen Winkel zur Tiefenrichtung der Nut geneigt sein.
Auf diese Weise wird die wirksame Querschnittsfläche der Bereiche, in denen sich die ringförmige Nut und der Auslassweg überschneiden, derart erhöht, dass der Widerstand gegenüber dem Fluss aus der ringförmigen Nut in den Auslassweg verringert wird.
Der vorgenannte spitze Winkel ist vorzugsweise nicht größer als 45 Grad. Auf diese Weise ist die wirksame Querschnittsfläche der Bereiche, in denen sich die ringförmige Nut 5 und der Auslassweg 7 überschneiden, in Bezug auf die Querschnittsfläche des Auslassweges 7 vergrößert, ohne dass der Widerstand des Fließpfades erhöht wird.
Der Durchmesser des Auslassweges ist vorzugsweise 1,5 bis 2,5 mal so groß wie die Breite der ringförmigen Nut, so dass mit einer beträchtlichen Abnahme des Widerstandes des Fließpfades gerechnet werden kann und es leicht ist, einen Auslassweg zu bilden.
Darüber hinaus ist es wünschenswert, dass der obere Abschnitt des Auslassweges, der mit der ringförmigen Nut in Verbindung steht, halbkugelförmig ist, so dass der Fluidfluss aus der ringförmigen Nut in den Auslassweg geglättet werden kann.
Ebenso ist es wünschenswert, dass die ringförmige Nut und der Auslassweg derart verbunden sind, dass sich der Boden der ringförmigen Nut nahe der Mitte des halbkugelförmigen oberen Abschnittes des Auslassweges befindet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Figuren zeigen:
1 eine vertikale Schnittansicht durch ein Metallmembranventil gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 eine vergrößerte, vertikale Schnittansicht durch den Körper,
3 eine perspektivische Ansicht der 2,
4 eine vertikale Schnittansicht durch ein Metallmembranventil aus dem Stand der Technik, und
5 eine Draufsicht auf das Metallmembranventil aus dem Stand der Technik.
Erklärung der Bezugszeichen
1 ist ein Metallmembranventil; 2 ein Körper; 3 eine Metallmembran; 4 Antriebsmittel; 5 eine ringförmige Nut; 6 ein Einlassweg; 7 ein Auslassweg; 8 eine Ventilkammer; 9 ein Ventilsitz; 10 ein Stufenabschnitt; 11 eine Haube; 12 eine Haubenmutter; 13 ein Schaft; 14 eine Membranpresse; 15 eine Feder; 16 ein Luftzylinder; D bezeichnet den Durchmesser; W die Nutbreite und θ den spitzen Winkel.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden die Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
1 ist eine vertikale Schnittansicht durch ein Metallmembranventil gemäß der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine vergrößerte, vertikale Schnittansicht durch den Körper. 3 ist eine perspektivische Ansicht der 2.
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 umfasst der wesentliche Teil eines Metallmembranventils 1 einen Körper 2, eine Metallmembran 3, Antriebsmittel 4 und eine ringförmige Nut 5.
Der Körper 2 ist an einer Bodenfläche einer Ventilkammer 8, die mit einem Einlassweg 6 und einem Auslassweg 7 in Verbindung steht, mit einem Ventilsitz 9 versehen und aus einem solchen Metall wie rostfreiem Stahl hergestellt. Der Körper 2 begrenzt die genannte Ventilkammer 8, die konkav und oben offen ist, den genannten Einlassweg 6, der oben offen ist und mit der Ventilkammer 8 in Verbindung steht, den genannten Auslassweg 7, der oben offen ist und mit der Ventilkammer 8 in Verbindung steht, einen Ventilsitz 9, der aus einem Kunstharz hergestellt ist und in die Mitte der Bodenfläche der Ventilkammer 8 eingepasst ist, sowie einen Stufenabschnitt 10, der an einer äußeren Umfangsfläche der Ventilkammer 8 ausgebildet ist. Der Einlassweg 6 und der Auslassweg 7 haben einen kreisförmigen Querschnitt.
Die Metallmembran 3, die in dem Körper 2 so vorgesehen ist, dass die Ventilkammer 8 luftdicht gehalten wird, und die einen nach oben gebogenen zentralen Bereich hat, ist aus einem federnden verformbaren Metall, wie beispiels weise rostfreiem Stahl, gebildet, und hat die Form eines Tellers, dessen zentraler Bereich nach oben gebogen ist. Der Umfang der Membran liegt auf dem Stufenabschnitt 10 des Körpers 2 auf und wird von einem unteren Endabschnitt einer Haube 11, die in die Ventilkammer 8 eingefügt ist, und einer mit einem Innengewinde versehenen Haubenmutter 12, die auf den Körper 2 aufgeschraubt ist, luftdicht gegen den Stufenabschnitt 10 gedrückt.
Das Ventil wird geöffnet oder geschlossen, wenn der zentrale Bereich der Metallmembran 3 auf dem Ventilsitz 8 aufliegt oder sich von demselben wegbewegt.
Die Haube 11 ist zylindrisch geformt, wird in die Ventilkammer 8 des Körpers 2 eingefügt und durch Festziehen der Haubenmutter 12 gegen den Körper 2 gedrückt und dort gehalten.
Die Antriebsmittel 4 drücken die Metallmembran 3 in Anlage an den Ventilsitz 9 und gestatten, dass die Membran von selbst in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt, um sich vom Ventilsitz 9 wegzubewegen. Die Antriebsmittel 4 arbeiten pneumatisch und umfassen einen Schaft 13, der in der Haube 11 vorgesehen ist und auf und ab bewegt werden kann, eine Membranpresse 14, die darunter vorgesehen ist, um den zentralen Bereich der Metallmembran 3 zu drücken, eine Feder 15, die zwischen der Haube 11 und dem Schaft 13 vorgesehen ist, um den Schaft 13 nach unten zu drücken, sowie einen Luftzylinder 16, der über der Haube 11 vorgesehen ist, um den Schaft 13 nach oben zu bewegen.
Die ringförmige Nut 5 ist unter der Ventilkammer 8 ausgebildet und steht mit dem Auslassweg 7 in Verbindung und ist unter der Ventilkammer 8 in Form eines Ringes tief ausgeschnitten, um mit derselben in Verbindung zu stehen.
Der Durchmesser D des Auslassweges 7 ist größer als die Breite W der ringförmigen Nut 5.
Der Auslassweg 7 ist so ausgebildet, dass eine obere Fläche 7a eines halbkugelförmigen Oberteils über einer Bodenfläche 5a der ringförmigen Nut 5 positioniert ist, wie dies in 2 gezeigt ist. Dies führt dazu, dass die wirksame Querschnittsfläche der Bereiche der Überschneidung zwischen der ringförmigen Nut und dem Auslassweg 7 größer ausgebildet ist als die Querschnittsfläche des Auslassweges 7.
Wie dies in 2 gezeigt ist, ist mit anderen Worten die ringförmige Nut 5 mit dem Auslassweg 7 derart verbunden, dass die Bodenfläche 5a der ringförmigen Nut 5 nahe der Mitte des halbkugelförmigen oberen Abschnittes des Auslassweges 7 angeordnet ist.
Die wirksame Querschnittsfläche der Bereiche, in denen sich die ringförmige Nut 5 und der Auslassweg 7 überschneiden, ist gleich der Summe der Fläche des Bereichs a₂, der Fläche des Bereichs a₁ und der Fläche des Bodenflächenbereichs 5a in 2.
In dem Ausführungsbeispiel, das in den 1 bis 3 gezeigt ist, ist der Auslassweg 7 in einem spitzen Winkel θ zur ringförmigen Nut 5 ausgerichtet. Dieser spitze Winkel θ ist vorzugsweise nicht größer als 45 Grad. Im vorliegenden Beispiel beträgt dieser Winkel 18 Grad. Wenn der spitze Winkel θ größer als 45 Grad ist, dann ist der Winkel zwischen der ringförmigen Nut 5 und dem Auslassweg 7 groß und erhöht somit den Widerstand des Fließpfades.
Der Durchmesser D des Auslassweges 7 ist vorzugsweise 1,5 bis 2,5 mal so breit wie die Breite W der ringförmigen Nut 5. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser D ungefähr zweimal so breit wie die Breite W. Wenn der Durchmesser D des Auslassweges 7 kleiner als 1,5 mal so breit wie die Breite W der ringförmigen Nut 5 ist, dann wird der Widerstand des Fließpfades voraussichtlich nicht stark abnehmen. Wenn der Durchmesser D des Auslassweges 7 mehr als 2,5 mal so breit ist wie die Breite W beträgt, dann ist es schwierig, den Auslassweg 7 bei der Herstellung auszubilden, da seine Relation zum Einlassweg 6 berücksichtigt werden muss.
Ein Verbindungsabschnitt 7b des Auslassweges 7, der mit der ringförmigen Nut 5 verbunden ist, ist in Form einer Halbkugel ausgebildet, so dass Fluid ruhig von der ringförmigen Nut 5 zum Auslassweg 7 fließen kann.
Im Folgenden wird der Betrieb der Konstruktion erläutert.
Wenn die Kraft des Luftzylinders 16 der Antriebsmittel 4 freigesetzt wird, dann verursacht die Feder 15, dass sich der Schaft 13 nach unten bewegt, und die Membranpresse 14 verformt federnd den zentralen Bereich der Metallmembran 3 nach unten und drückt die Membran gegen den Ventilsitz 9, wodurch das Ventil geschlossen wird.
Wenn andererseits der Luftzylinder 16 der Antriebsmittel 4 betrieben wird, dann werden der Schaft 13 und die Membranpresse 14 gegen die Feder 15 angehoben und die Metallmembran 3 kehrt von selbst in ihre ursprüngliche Position zurück und bewegt sich weg vom Ventilsitz 9, wodurch das Ventil geöffnet wird.
Da der Durchmesser D des Auslassweges 7 größer als die Breite W der ringförmigen Nut 5 ist und darüber hinaus die wirksame Querschnittsfläche (die Oberfläche der Form, die in 3 schraffiert ist) der Bereiche, in denen die ringförmige Nut 5 und der Auslassweg 7 einander überschneiden, größer als die Querschnittsfläche (kreisförmig) des Auslassweges 7 ist, wird das Fluid, das von der ringförmigen Nut 5 in den Auslassweg 7 fließt, in dem Verbindungsabschnitt zwischen der ringförmigen Nut 5 und dem Auslassweg 7 nicht zusammengedrückt, und der Widerstand des Fließpfades wird verringert. Daher fließt das Fluid leicht durch den gesamten Fließpfad von der Ventilkammer 8 zum Auslassweg 7 über die ringförmige Nut 5, und es ist möglich, dass eine große Fluidmenge fließt, und der Cv-Wert wird erhöht.
Beispiel
Ein Metallmembranventil 3 wurde hergestellt, um einen Versuch durchzuführen. Die Spezifikation des Ventils war wie folgt: 15 mm Durchmesser für die Metallmembran 3; 2 mm Breite W für die ringförmige Nut 5; 3,8 mm Durchmesser D für den Auslassweg 7; und 18 Grad für den spitzen Winkel des Auslassweges 7. Der Versuch hat gezeigt, dass bei einer Fließrate von Fluid (ein Gas) von 50 L/min der Druckabfall bei 0,239 kg/cm² lag. Wenn der Druck auf der Einlassseite 0,1 kg/cm² betrug, lag die Fließrate bei 30,9 L/min und der Cv-Wert betrug 0,252. Das Metallmembranventil 1 zeigte einen viel geringeren Druckabfall und einen viel höheren Cv-Wert als beim Stand der Technik.
In dem obigen Beispiel war der Auslassweg 7 in einem spitzen Winkel θ relativ zur ringförmigen Nut 5 ausgerichtet. Dies ist keine Einschränkung, und der Auslassweg 7 könnte linear zur ringförmigen Nut 5 positioniert werden. Das heißt, dass der Auslassweg 7 linear in die gleiche Richtung wie die Tiefenrichtung der Nut 5 verlaufen kann.
In dem oben aufgeführten Beispiel sind die Antriebsmittel 4 pneumatischer Art. Dies ist keine Einschränkung, und die Antriebsmittel 4 können manueller, elektromagnetischer, hydraulischer Art oder dergleichen sein.
Wirkung der Erfindung
Wie oben dargelegt, können gemäß der vorliegenden Erfindung die folgenden ausgezeichneten Wirkungen erzielt werden.

(1) Das Metallmembranventil umfasst einen Körper, eine Metallmembran, Antriebsmittel und eine ringförmige Nut, und da der Durchmesser des Auslassweges größer als die Breite der ringförmigen Nut ist und die wirksame Querschnittsfläche der Bereiche, in denen sich die ringförmige Nut und der Auslassweg überschneiden, größer als die Querschnittsfläche des Auslassweges ist, kann Fluid mit einer hohen Fließrate durch den gesamten Fließpfad von der Ventilkammer zum Auslassweg fließen.
(2) Dadurch, dass die vorliegende Erfindung die folgenden Hauptmerkmale aufweist: (a) der Durchmesser des Auslassweges ist größer als die Breite der ringförmigen Nut ausgebildet, und (b) die wirksame Querschnittsfläche der Bereiche, in denen sich die ringförmige Nut und der Auslassweg überschneiden, ist größer als die Querschnittsfläche des Auslassweges, kann die vorliegende Erfindung ohne Schwierigkeiten bei bestehenden Anlagen zum Einsatz kommen, wodurch Kosten gesenkt werden.

Claims

Metallmembranventil (1), umfassend: einen Körper (2), der eine Ventilkammer (8), sowie einen Einlassweg (6) und einen Auslassweg (7) begrenzt, die mit der Kammer in Verbindung stehen, einen Ventilsitz (9), der an einer Stirnseite der Ventilkammer um den Einlassweg (6) herum vorgesehen ist, eine elastisch verformbare, tellerförmige Metallmembran (3), die in dem Körper (2) von der Stirnseite nach vorn in einer Weise eingebaut ist, dass sie die Ventilkammer (8) luftdicht verschließt, und einen mittigen Bereich umfasst, der von dem Ventilsitz (9) weg nach vorn übersteht, Antriebsmittel (13, 14, 15, 16), die selektiv betätigbar sind, um die Metallmembran (3) zu verformen, sodass der mittige Bereich der Membran nach hinten gegen den Ventilsitz (3) gedrückt wird, um das Ventil (1) zu schließen, und die lösbar sind, sodass die Membran federnd in ihre ursprüngliche Form zurückkehren kann, um das Ventil (1) zu öffnen, eine ringförmige Nut (5), die in dem Körper hinter dem Ventilsitz ausgebildet ist und mit dem Auslassweg (7) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassweg (7) kreisförmig ist und einen Durchmesser (D) hat, der größer ist als die Breite (W) der ringförmigen Nut (5), und der Auslassweg (7) und die ringförmige Nut (5) einander in Bereichen (a1, a2, 5a) so überschneiden, dass die gesamte wirksame Querschnittsfläche der Schnittbereiche größer ist als die Querschnittsfläche des Auslassweges (7).
Metallmembranventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Nut (5) eine Längsachse definiert und der Auslassweg (7) in einer zur Längsachse parallelen Richtung verläuft.
Metallmembranventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Nut (5) eine Längsachse definiert und der Auslassweg (7) in einem spitzen Winkel (θ) zur Achse ausgerichtet ist.
Metallmembranventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (θ) nicht größer als 45° ist.
Metallmembranventil nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassweg (7) einen halbkugelförmigen Endabschnitt (7a) umfasst, an dem er sich in die ringförmige Nut (5) öffnet.
Metallmembranventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Nut (5) eine Unterseite (5a) hat, die nahe dem Drehzentrum des halbkugelförmigen oberen Abschnitts (7a) angeordnet ist.