JP2002250451A - ダイアフラム弁、及び同弁を用いた流体制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 バルブ開度の経時変化が少なく、シール性の
高く、且つ小型、軽量化が容易なダイアフラム弁、及び
同弁を用いた流体制御方法を提供する。 【解決手段】 ダイアフラム弁のダイアフラム２と係合
するシート部１４に、Ｎｉ−Ｔｉ系合金を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流量や圧力
を制御するためのダイアフラム弁、及び流体制御方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、流体の流量や圧力を制御するため
の機器として、バルブ（流体制御弁）が用いられてい
る。この流体制御弁には、ダイアフラム方式の弁が用い
られている。

【０００３】一般のダイアフラム方式の流体制御弁（ダ
イアフラム弁）を図３乃至６に示す。

【０００４】図３は、ステム６２とダイアフラム６４と
を一体型とした、プランジャー形状による流体制御方式
のダイアフラム弁の概略断面図である。流体入口６６か
ら流入する流体は、シート部６８とステム６２とで形成
するオリフィス７０を通り、流体出口７２に導かれる。
ステム６２とダイアフラム部６４とを一体型としたプラ
ンジャー７４を、シート部６８上面に形成したシート突
条７６に押し付けることで制御弁として閉になり、プラ
ンジャー７４が本図上部側に動くことで開となる。アク
チェエータ７８の推力を変えることで開度を調整し、流
量制御弁として使用することもできる。アクチュエータ
７８は、ハンドル操作による機械式駆動以外に空気圧、
電磁（ソレノイド）、圧電素子（ピエゾスタック）等で
駆動させることができる。

【０００５】図３において、８０は流路形成ボディー、
８２は継手、８４はＯ−リング、８６はスプリング、８
８はスプリング固定板、９０はスプリング押え、９２は
アライメントボール、９４は駆動ロッドである。

【０００６】図４は、空気圧駆動のノーマルクローズタ
イプ制御弁（ダイアフラム弁）の概略断面図である。図
５は、図４に示すダイアフラム弁における流量制御部Ａ
の拡大概略断面図である。

【０００７】制御弁１０２は、アクチュエータ１０４と
流路形成ブロック１０６とを有する。アクチュエータ１
０４は、外側のシリンダ１０８の内側にピストン１１０
を有し、このピストン１１０は、空気圧導入口１１２か
らの空気圧により駆動される。空気圧がピストン受圧面
１１４に本図において上向きにかかることにより、制御
弁１０２へのピストン用バネ１１６による押付け推力が
減少し弁が開く。制御弁１０２は、図５に示すようにダ
イアフラム１１８にステム１２０を押し付ける構造でス
テム１２０とダイアフラム１１８は、分離されている。
ステム１２０への推力が減少するとダイアフラム１１８
の復元力により、ダイアフラム１１８は、上部側に戻
り、制御弁１０２として開状態となる。

【０００８】ダイアフラム１１８は、円板凸構造（部分
球殻）で厚みは、０．１〜０．２ｍｍ程度であり、反発
力や耐久性を向上するため複数枚使用することもある。

【０００９】図５において、ダイアフラム１１８は、シ
ート押え１２２及びダイアフラム押え１２４により、周
辺支持で保持されており、ダイアフラム１１８の変位量
を確保するため、円周末端は、自由端になっている（周
辺固定を実施した場合、変位量が減少するが、この方法
も広く用いられている。）。アクチュエータ１０４から
伝播される推力がアライメントボール１２６を介してス
テム１２０に伝播され、これによりステム１２０が動か
されることによりダイアフラム１１８は変位する。

【００１０】ステム１２０は、曲面を持ったＲ形状にな
っており、凸型ダイアフラム１１８のセンター部位を、
ステム形状に沿う様変位させている。ダイアフラム押え
１２４は、ダイアフラム形状と同じ様なＲ形状になって
おり、ダイアフラム１１８の変位で生ずるダイアフラム
の変曲点がダイアフラム押え１２４下面に沿って同心円
状に移動できるしくみになっている。

【００１１】この構造により、ダイアフラムの飛び移り
座屈現象を抑え、推力（荷重）に対するダイアフラムの
変位を比例に近い関係にしている（比例制御弁としての
構造）。また、飛び移り座屈現象を積極的に利用した制
御弁は特許として成立している（日立金属、１９９３年
特許化、１７８００７５号）。図５に見られるように、
シート部１２８に形成したシート突条１３０とダイアフ
ラム１１８とでオリフィス１３２を形成している。

【００１２】図４及び図５において、１３４はシリンダ
保持ブロックであり、これはダイアフラム押え１２４の
固定も兼ねている。１３６は駆動ロッド、１３８、１４
０、１４２はシールパッキン、１４４は流体入口、１４
６は流体出口、１４８はステム押えである。

【００１３】シート突条の形状としては、図５に示す上
記のシート部１２８のシート突条１３０の形状以外に、
図６に示されるように、テフロン（登録商標）製シート
部１５２がシート押え１５４にかしめられている形状も
ある。

【００１４】図６において、１５６はダイアフラム、１
５８はステム、１６０はダイアフラム押え、１６２はア
ライメントボール、１６４はオリフィス、１６６はステ
ム押えである。

【００１５】図３で示す流体制御弁は、流路形成ボディ
ー８０上部のシート突条７６とダイアフラム６４とでオ
リフィス７０を形成している。弁体は、ステム‐ダイア
フラム一体構造になっており、ダイアフラム６４がシー
ト突条７６と接触し流体を制御する。本図の構造の流体
制御弁は、流量や圧力コントロール弁として使用される
ことが多く、流量や圧力センサの信号を受け、アクチュ
エータ７８をフィードバック制御することにより任意の
流量や圧力を得ている。ダイアフラム６４及びシート部
６８の材質は一般にステンレスが使用されており、両接
触面は鏡面仕上げするために研磨が施されている。

【００１６】本図の構造では、接触面のアライメント
（ステム６２とシート部６８の平行度）がシール性に影
響を与える。ガス流体で完全なシールを得るためには、
ミクロンオーダー以下のアライメントが必要になり、現
実的に困難である。ステンレスの弾性域が狭いこともこ
の精度が必要な理由である。弾性域が狭いことは、ステ
ム６２の駆動（シート突条７６への押し付け、開放）に
対しシート突条７６の変形を生じさせる。そのため、弁
開度に対する流量特性が初期値から変化して行く。制御
弁組上げ後、エージングと称し、数百回以上の弁体駆動
を実施し、この問題を解決する方法が試みられている
が、経時変化は生じてしまう問題がある。更に流体中に
異物（配管施工時の金属粉や反応生成物等）が混入し、
シート部の表面を傷つけるとシール性は全く確保できな
い事態に陥る問題がある。

【００１７】図６では、前記問題を低減するためにソフ
トシートと称する樹脂製のシート部材料（シート材）を
用いている。シート材には、フッ素樹脂やポリイミド等
が使用されている。樹脂製シート材は、反発力、異物に
対する耐久性（異物はシート部にかみ込む）に優位性が
あるが、樹脂でできているため、ガス浸透、吸着不純物
（水分等）の放出、有機成分（材料成分）の放出が生じ
てしまう。

【００１８】以上のように、図３乃至５の構造において
ステンレスシート材を用いる場合も、図６の構造におい
て樹脂シート材を用いる場合もそれぞれ問題を抱えてお
り、逆に、図３乃至５の構造において樹脂シート材を用
いる場合も、図６の構造においてステンレスシート材を
用いる場合も前述と同様の問題を抱える。

【００１９】流体制御弁、とりわけ半導体製造分野で使
用される流体制御弁は、発塵レス、流体滞留部ゼロ、不
純物の放出ゼロ等のクリーン性能を満足する外、開閉・
流量制御に対する耐久性、バルブ開度の経時変化レス等
の信頼性を確保しなければならない。流体制御弁として
は、流量制御弁、流体遮断（開閉）弁、圧力制御弁等が
使用されている。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】以上のような現状にお
いて、本発明者らは上記問題を解決するために種々検討
した結果、ダイアフラム方式の弁においてシート部材料
にニッケル−チタン系合金を用いることによって、シー
ルに対する必要荷重が低減でき、アクチュエータのダイ
アフラム駆動に用いる推力が削減でき、アクチュエータ
が小型化でき、惹いては制御弁としても小型化できるこ
とを知得し、本発明を完成するに至った。

【００２１】即ち、本発明の目的とするところは、上記
問題を解決し、既存の弁シート部の材質での限界に対
し、新たな材質を弁シート部に適用することで、流体制
御弁としてのバルブ開度の経時変化が極めて少なく、開
閉動作を繰り返した後でもシール性が確保できる耐久性
の高い、小型・軽量化に対応するダイアフラム弁、及び
同弁を用いた流体制御方法を提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明は、以下に記載するものである。

【００２３】〔１〕 Ｎｉ−Ｔｉ系合金製シート部を有
するダイアフラム弁。

【００２４】〔２〕 Ｎｉ−Ｔｉ系合金製シート部の流
路中に絞り部を形成したダイアフラム弁。

【００２５】〔３〕 Ｎｉ−Ｔｉ系合金製シート部のシ
ート突条を鏡面仕上げした〔１〕に記載のダイアフラム
弁。

【００２６】〔４〕 Ｎｉ−Ｔｉ系合金製シート部のシ
ート突条がストッパー部を有する〔１〕に記載のダイア
フラム弁。

【００２７】〔５〕 Ｎｉ−Ｔｉ系合金製シート部のシ
ート突条が、Ｒ部、平坦部、テーパー部の少なくとも１
つを含んでいる〔１〕に記載のダイアフラム弁。

【００２８】〔６〕 流体の流路に備え付けた、シート
部をＮｉ−Ｔｉ系合金で形成したダイアフラム弁を用い
て流体の圧力又は流量を制御する流体制御方法。

【００２９】〔７〕 流量を比例制御する〔６〕に記載
の流体制御方法。

【００３０】以下、本発明を詳細に説明する。

【００３１】

【発明の実施の形態】本発明のダイアフラム弁は、ニッ
ケル−チタン系合金（Ｎｉ−Ｔｉ系合金）をシート部材
料に適用する。

【００３２】本発明の弁シート部は、従来のダイアフラ
ム弁のいずれにも取付けて使用できる。シート部の形状
も特に制限がなく、従来のシート部の形状すなわち、大
きさ、厚さ等は、従来のものとほぼ同等である。

【００３３】Ｎｉ−Ｔｉ系合金は、形状記憶・超弾性合
金として知られており、１９６０年以降に発見された金
属材料である。形状記憶合金は、変態温度の前後で材料
が母相からマルテンサイト相へ変化することを利用し、
マルテンサイトで変形させた材料を変態温度以上にする
と母相で記憶した状態に戻る。この性質のバネを利用
し、炊飯器の調圧弁や制御弁のアクチュエータが実用化
されている。

【００３４】本発明では、Ｎｉ−Ｔｉ系合金の超弾性特
性、形状記憶特性を利用する。超弾性は、母相が応力誘
起でマルテンサイト相に変態することで生ずる。前述の
変態温度以上では、材料に荷重をかけるとマルテンサイ
ト相に変化し、除荷するともとの母相に戻る。このこと
から、Ｎｉ−Ｔｉ系合金は、超弾性特性と共に荷重−除
荷における形状記憶特性を有するものということができ
る。

【００３５】図１は応力‐ひずみ曲線を示すグラフであ
り、（ａ）は通常の金属材料の応力‐ひずみ曲線を示す
グラフであり、（ｂ）はＮｉ−Ｔｉ系合金の応力‐ひず
み曲線を示すグラフである。

【００３６】ステンレス等、通常の金属材料は、図１
（ａ）に示されるように、外部応力と伸び（変位量）と
が比例関係にある直線域（弾性領域）が狭く、降伏点以
降更に荷重を掛けると、除荷後、永久変形を生ずる。そ
のため、シート材としては狭い伸びの弾性領域しか利用
できない。

【００３７】これに対して、Ｎｉ−Ｔｉ系合金は、図１
（ｂ）に示されるように、弾性領域、及び可逆的変形領
域が広く、全体のサイズに対し８％以内の変形であれば
除荷後、元の形状に回復する。そのため、シート材とし
て好ましい材料である。

【００３８】また、Ｎｉ−Ｔｉ系合金は、応力‐ひずみ
曲線において弾性領域、及び可逆的変形領域が広いの
で、ＯＮ−ＯＦＦ弁ばかりでなく、二次側流体の圧力や
流量を制御する比例制御弁のシート部としても好ましい
ものである。

【００３９】用いるＮｉ−Ｔｉ系合金は、加熱−冷却に
おける形状記憶特性が起こらないよう変態温度がダイア
フラム弁の使用温度より低いことが条件となる。具体的
には変態温度がマイナス１０℃以下、好ましくはマイナ
ス２０℃以下のＮｉ−Ｔｉ系合金が好ましく、この条件
を満す場合は、ＮｉとＴｉとの比率の如何を問わない。
このような合金は、Ｎｉ−ＴｉのＮｉ比率が多い合金、
特に好ましくはＮｉが５０〜５５質量％、Ｔｉが４５〜
５０質量％のＮｉ−Ｔｉ系合金（例えばＮｉ：５１質量
％、Ｔｉ：４９質量％）、又は第三元素Ｃｒ、Ｆｅ、
Ｖ、Ｃｏ等を０．０１〜５質量％添加したＮｉ−Ｔｉ系
合金が対象となる。

【００４０】ダイアフラムの材質は、Ｎｉ−Ｔｉ系合金
以外の金属材料が好ましい。その金属材料の硬度はＮｉ
−Ｔｉ系合金より低くすることが好ましい。Ｎｉ−Ｔｉ
系合金の硬度は、ビッカースで４００Ｈｖ以上である。
そのため、ダイアフラムの材料金属の硬度は、ビッカー
スで４００Ｈｖ未満が好ましい。

【００４１】本発明において弁シート部材料として用い
るＮｉ−Ｔｉ系合金は、耐腐食性、非触媒作用に優れた
ものである。即ち、耐腐食性については酸化チタンと同
様な耐食性を有しており、非触媒作用については制御す
べき流体に対して触媒作用、反応することも実用上無
い。

【００４２】以下、図面を参照しながら、本発明を更に
詳細に説明する。

【００４３】図２は、本発明のダイアフラム弁（制御
弁）の例における制御部の内部構造を示す概略断面図で
あり、（ａ）は、シート部がＮｉ−Ｔｉ系合金からなる
ダイアフラム弁の例を示し、（ｂ）は、シート部がシー
ト押えも含むものであって、このシート部がＮｉ−Ｔｉ
系合金からなるダイアフラム弁の例を示し、（ｃ）は、
Ｒ部、平坦部、テーパー部等を備えたシート部を有する
ダイアフラム弁の例を示す。

【００４４】図２（ａ）において、ダイアフラム２は、
シート押え４及びダイアフラム押え６により、周辺支持
で保持されており、ダイアフラム２の変位量を確保する
ため、円周末端は、自由端になっている（周辺固定を実
施した場合、変位量が減少するが、この方法も広く用い
られている。）。ダイアフラム２は、アクチュエータ
（不図示）からの推力をアライメントボール８、ステム
押え１０を介して伝播されたステム１２が動くことで変
位する。

【００４５】ステム１２下面は、曲面を持ったＲ形状に
なっており、凸型ダイアフラム２のセンター部位を、ス
テム１２の下面形状に沿う様変位させている。ダイアフ
ラム押え６は、ダイアフラム形状と同じ様なＲ形状にな
っており、ダイアフラム２の変位で生ずるダイアフラム
の変曲点がダイアフラム押え６の下面に沿って同心円状
に移動できるしくみになっている。

【００４６】ダイアフラム２は、そのセンター部位（シ
ール箇所）においてＮｉ−Ｔｉ系合金製シート部１４上
面のシート突条１６とでオリフィス１８を形成してい
る。このようにシート突条１６とダイアフラム２とで流
路を狭くすることにより、流体抵抗を設け、これにより
本例のダイアフラム弁はＯＮ−ＯＦＦ弁、圧力制御弁と
してばかりでなく、流量制御弁としても使用できる。

【００４７】なお、シール箇所におけるシート部１４の
表面を鏡面仕上げすることにより、更にシール性に優れ
た不純物放出ゼロのダイアフラム弁を実現できる。

【００４８】図２（ｂ）のダイアフラム弁は、オリフィ
スを形成したシート部がシート押えも含む構造のシート
部２２にした以外は、図２（ａ）のダイアフラム弁と同
様の構造のものである。

【００４９】図２（ｂ）において、２４はダイアフラ
ム、２６はダイアフラム押え、２８はアライメントボー
ル、３０はステム押え、３２はステム、３４はオリフィ
ス、３６はシート突条である。

【００５０】このようにシート部２２におけるシート押
えの部分もＮｉ−Ｔｉ系合金で形成することにより、シ
ート押えの部分とダイアフラム押え２６とによるダイア
フラム２４の保持が強化され、ダイアフラム弁の制御機
能がより高いものになる。

【００５１】図２（ｃ）に示すように、図２（ａ）のシ
ート部１４、又は図２（ｂ）のシート部２２に相応する
シート部４２は、Ｒ部４４、平坦部４６、テーパー部４
８、ストッパー部５０等を備えても良いものである。ダ
イアフラム５２が平坦部４６に圧着されることにより弁
はＯＦＦになる。この際、過度に抑圧されて平坦部４６
が変形しても、ストッパー部５０で抑圧力が分担され、
過度に平坦部４６が変形されることを抑制できる。

【００５２】また、本例のダイアフラム弁は、流路の内
径を部分的に小さく形成した絞り部５４をシート部４２
上面以外の流路にも形成して流体抵抗を更に設けること
で、流量制限制御弁としても使用できる。

【００５３】

【発明の効果】本発明においては、シート部としてＮｉ
−Ｔｉ系合金を用いている。Ｎｉ−Ｔｉ系合金は、材料
の復元力が高く、シート部材質として、他の金属と比較
し、シート部変形を生じない。そのため、流量制御弁と
して使用した場合、初期に得られた流量特性（初期流量
特性）に対し、経時的変化を生ずることがなく、耐久性
が高い。

【００５４】Ｎｉ−Ｔｉ系合金の超弾性特性によりシー
ル性が高くなるので、シールに対する必要荷重が低減で
きる。その結果、アクチュエータのダイアフラム駆動に
用いる推力が削減でき、アクチュエータが小型化でき、
惹いては制御弁としても小型化できる。

【００５５】Ｎｉ−Ｔｉ系合金の超弾性特性により、本
発明のダイアフラム弁は、流体制御弁としてのバルブ開
度の経時変化が極めて少なく、開閉動作を繰り返した後
でもシール性が確保できる耐久性の高い流体制御弁であ
る。

【００５６】Ｎｉ−Ｔｉ系合金シートのシール部形状が
弁体接触部に転写することで弁体側シール面のキズ等の
影響を受けにくい。例えば、流体中に異物が混入し、そ
れが弁体側シール面を傷つけたとしてもシール性が確保
できる。

【００５７】メタルシールであるため脱ガス特性に優
れ、不純物の放出を防止できる。

【００５８】Ｎｉ−Ｔｉ系合金シール部に流体抵抗（絞
り形状）を設けることで、流量制限制御弁としても使用
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】応力‐ひずみ曲線を示すグラフであり、（ａ）
は通常の金属材料の応力‐ひずみ曲線を示すグラフであ
り、（ｂ）はＮｉ−Ｔｉ系合金の応力‐ひずみ曲線を示
すグラフである。

【図２】本発明のダイアフラム弁（制御弁）の例におけ
る制御部の内部構造を示す概略断面図であり、（ａ）
は、シート部がＮｉ−Ｔｉ系合金からなるダイアフラム
弁の例を示す概略断面図であり、（ｂ）は、シート部が
シート押えも含むものであって、このシート部がＮｉ−
Ｔｉ系合金からなるダイアフラム弁の例を示す概略断面
図であり、（ｃ）は、Ｒ部、平坦部、テーパー部等を備
えたシート部を有するダイアフラム弁の例を示すシート
部近辺部分の概略断面図である。

【図３】ステムとダイアフラムを一体型とした、プラン
ジャー形状による流体制御方式のダイアフラム弁の概略
断面図である。

【図４】空気圧駆動のノーマルクローズタイプ制御弁
（ダイアフラム弁）の概略断面図である。

【図５】図５に示すダイアフラム弁における制御部Ａの
拡大概略断面図である。

【図６】かしめシールタイプのダイアフラム弁における
制御部の概略断面図である。

【符号の説明】

２ ダイアフラム ４ シート押え ６ ダイアフラム押え ８ アライメントボール １０ ステム押え １２ ステム １４ シート部 １６ シート突条 １８ オリフィス ２２ シート部 ２４ ダイアフラム ２６ ダイアフラム押え ２８ アライメントボール ３０ ステム押え ３２ ステム ３４ オリフィス ３６ シート突条 ４２ シート部 ４４ Ｒ部 ４６ 平坦部 ４８ テーパー部 ５０ ストッパー部 ５２ ダイアフラム ５４ 絞り部 Ａ 流量制御部 ６２ ステム ６４ ダイアフラム ６６ 流体入口 ６８ シート部 ７０ オリフィス ７２ 流体出口 ７４ プランジャー ７６ シート突条 ７８ アクチェエータ ８０ 流路形成ボディー ８２ 継手 ８４ Ｏ−リング ８６ スプリング ８８ スプリング固定板 ９０ スプリング押え ９２ アライメントボール ９４ 駆動ロッド １０２ 制御弁 １０４ アクチュエータ １０６ 流路形成ブロック １０８ シリンダ １１０ ピストン １１２ 空気圧導入口 １１４ ピストン受圧面 １１６ ピストン用バネ １１８ ダイアフラム １２０ ステム １２２ シート押え １２４ ダイアフラム押え １２６ アライメントボール １２８ シート部 １３０ シート突条 １３２ オリフィス １３４ シリンダ保持ブロック １３６ 駆動ロッド １３８、１４０、１４２ シールパッキン １４４ 流体入口 １４６ 流体出口 １４８ ステム押え １５２ シート部 １５４ シート押え １５６ ダイアフラム １５８ ステム １６０ ダイアフラム押え １６２ アライメントボール １６４ オリフィス １６６ ステム押え

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｎｉ−Ｔｉ系合金製シート部を有するダイ
   アフラム弁。
2. 【請求項２】Ｎｉ−Ｔｉ系合金製シート部の流路中に絞
   り部を形成したダイアフラム弁。
3. 【請求項３】Ｎｉ−Ｔｉ系合金製シート部のシート突条
   を鏡面仕上げした請求項１に記載のダイアフラム弁。
4. 【請求項４】Ｎｉ−Ｔｉ系合金製シート部のシート突条
   がストッパー部を有する請求項１に記載のダイアフラム
   弁。
5. 【請求項５】Ｎｉ−Ｔｉ系合金製シート部のシート突条
   が、Ｒ部、平坦部、テーパー部の少なくとも１つを含ん
   でいる請求項１に記載のダイアフラム弁。
6. 【請求項６】流体の流路に備え付けた、シート部をＮｉ
   −Ｔｉ系合金で形成したダイアフラム弁を用いて流体の
   圧力又は流量を制御する流体制御方法。
7. 【請求項７】流量を比例制御する請求項６に記載の流体
   制御方法。