JP2004038571A - 流体制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】流体への不純物の流出や薬液の汚染の少ない耐久性に優れ安定した制御性能を有する流体制御弁の提供。
【解決手段】流体制御弁は、第二の空隙８とこれより大径の第一の空隙１０と空隙間の連通孔１２とを有する本体１と、内部にピストン４とバネ２４を収容した空隙１６を有するボンネット２と、ピストンの下方に連結され第一の空隙１０を蓋する形の第一ダイヤフラム２７を有する第一弁機構体５と、第一弁機構に連結され下端に第二ダイヤフラム３７を有し流通孔１２を開閉する第二弁機構６と、本体１の下方に位置し第二ダイヤフラム３７を本体１との間で挟持するベースプレート７とからなり、ピストン４の上下動に伴って第二弁機構６の弁体３２と本体１の弁座１３とで形成される流体制御部３９の開口面積が変化するよう構成されている。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流量の調整が必要とされる流体輸送配管に使用される流体制御弁に関するものである。さらに詳しくは、主として半導体産業における超純水ラインや各種化学薬液ラインに好適に使用され、流体圧力の変化に対する即応性の優れた流体制御弁に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来知られている流体制御弁の一つに特開平６−２９５２０９に示されている流体制御弁が上げられる。その構成を図５にもとづいて説明すると、入口流路５１と出口流路５２を有する本体５３と、弁部５４と第一ダイヤフラム部５５及び第二ダイヤフラム部５６を有する弁体５７とよりなり、前記第一ダイヤフラム部５５及び第二ダイヤフラム部５６によって、本体５３のチャンバを第一加圧室５８および第二加圧室５９に区分して、前記第一加圧室５８の外側から圧縮空気などを利用して常時内向きの一定圧力を加えると共に、前記第二加圧室５９内部に設けられたバネ６０にて常時内向きの一定圧力を加えるように設けられている。また、第一ダイヤフラム部５５の受圧面積は第二ダイヤフラム部５６の受圧面積よりも大きく設けられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなダイヤフラムを利用したバルブにおいては、ダイヤフラムをガスが透過することが問題となることが多い。特に、薬液を使用するラインにおいては、薬液からの腐食性ガスの発生や薬液自体の気化がおこるため、それらの、腐食性ガスがダイヤフラムを透過することで、ダイヤフラム付近の金属部品を腐食してしまうことは良く知られている。
【０００４】
前記流体制御弁においても、第二ダイヤフラム部５６下面にバネ６０が配置されているため、第二ダイヤフラム部５６を透過したガスからバネ６０を保護するためにＰＴＦＥなどによりコーティングする必要があった。さらに、バネ６０にコーティングすると、バネ定数がコーティングの厚さなどによって変化するため、流体制御弁の個体差を生じる原因の一つとなっていた。
【０００５】
また、一般的な流体制御弁において、バルブの開度に対して開口面積の変化が小さい方がより細かな制御が可能となり制御性能が向上することは良く知られている。上記流体制御弁においても、弁体５７の軸方向の移動量に対して、流体制御通路部の開口面積の変化が小さい方が流体制御性能は向上する。弁体５７の移動量に対して開口面積の変化を小さくするためには、弁部５４の径を小さく設計する必要があり、それに伴い、弁部５４と第一ダイヤフラム部５５とをつなぐロッド、及び、弁部５４と第二ダイヤフラム部５６とをつなぐロッドも小径となる。
【０００６】
さらに、上記流体制御弁は、第一加圧室５８内の圧力によって弁部５４の位置を調節することにより、流量制御通路６１の開口面積を調節できるが、第一ダイヤフラム部５５や第二ダイヤフラム部５６の直径が小さいとダイヤフラム部が変形しにくいため、第一加圧室５８内の圧力と弁部５４の位置との関係が直線的ではなく、さらに、ヒステリシスも大きくなる。ダイヤフラム部の変形しやすさはダイヤフラム部の直径に依存しているため、ダイヤフラムが大きいほど、第一加圧室５８内の圧力と弁部５４の位置との関係が直線的になり、ヒステリシスも小さく押さえることができる。
【０００７】
つまり、上記流体制御弁において流体制御性能を向上させるには、弁部５４の径を小さく設けるとともに、ダイヤフラム部の径を大きく設計する必要がある。
【０００８】
ここで、第一ダイヤフラム部５５の径を大きく、かつ、弁部５４の径を小さく設けた場合、第一加圧室５８内部の圧力が第一ダイヤフラム部５５を下向きに押す力が大きくなり、また、下流側流体の圧力が第一ダイヤフラム部５５を上向きに押す力も大きくなる。そのため、力のバランスを保つためバネの反発力による上向きの力も大きく設ける必要がある。このとき、それらの力は、弁部５４の上下端面と第一、及び、第二ダイヤフラム部５５，５６をつなぐロッドにより支えられており、ロッドは常に軸方向に圧縮されているが、その径は小さく設けられているためその強度が心配される部品のひとつであった。特に、被制御流体が高温な腐食性流体の場合には、ロッドの材質に耐薬品性の面からＰＴＦＥを使用することが多いが、機械的強度が低い上にクリープしやすい特性をもつため、長期にわたって使用していると、ロッドの曲がりや座屈がおこり、流体制御性能の劣化が発生していた。
【０００９】
本発明は、上記従来の流体制御弁の問題に鑑みてなされたもので、その目的は、安価に、かつ、歩留まりの高い製造が可能であるとともに、流体中への不純物の溶出や薬液の汚染が極めて少ない、耐久性に優れ安定した制御性能が得られる流体制御弁を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の構成を図にもとづいて説明すると、下部中央に底部まで開放して設けられた第二の空隙８と第二の空隙８に連通する入口流路９と上部に上面が開放して設けられ第二の空隙８の径よりも大きい径を持つ第一の空隙１０と第一の空隙１０に連通する出口流路１１と第一の空隙１０と第二の空隙８とを連通し第一の空隙１０の径よりも小さい径を有する連通孔１２とを有し、第二の空隙８の上面が弁座１３とされた本体１と、側面あるいは上面に設けられた給気孔１４と排気孔１５とに連通した円筒状の空隙１６を内部に有し、下端内周面に段差部１７が設けられたボンネット２と、ボンネット２の段差部１７に嵌挿され中央部に貫通孔１８を有するバネ受け３と、下端部にバネ受け３の貫通孔１８より小径の第一接合部２３を有し上部に鍔部２１が設けられボンネット２の空隙１６内部に上下動可能に嵌挿されたピストン４と、ピストン４の鍔部２１下端面とバネ受け３の上端面で挟持支承されているバネ２４と、周縁部が本体１とバネ受け３との間で狭持固定され、本体１の第一の空隙１０に蓋する形で第一の弁室３１を形成する中央部が肉厚とされた第一ダイヤフラム２７と上面中央にピストン４の第一接合部２３とバネ受け３の貫通孔１８を貫通して接合固定される第二接合部２９と下面中央に本体１の連通孔１２と同軸に設けられた第三接合部３０とを有する第一弁機構体５と、本体１の第二の空隙８内部に位置し本体１の連通孔１２より大径に設けられた弁体３２と弁体３２上端面に突出して設けられ第一弁機構体５の第三接合部３０と接合固定される第四接合部３４と弁体３２下端面より突出して設けられたロッド３５とロッド３５下端面より径方向に延出して設けられた第二ダイヤフラム３７とを有する第二弁機構体６と、本体１の下方に位置し第二弁機構体６の第二ダイヤフラム３７周縁部を本体１との間で挟持固定する突出部４０を上部中央に有し、突出部４０の上端部に切欠凹部４１が設けられると共に切欠凹部４１に連通する呼吸孔４２が設けられているベースプレート７とよりなり、ピストン４の上下動に伴って第二弁機構体６の弁体３２と本体１の弁座１３とによって形成される流体制御部３９の開口面積が変化するように構成されていることを第一の特徴とする。
【００１１】
また、本体１、第一弁機構体５および第二弁機構体６の材質がポリテトラフルオロエチレンであることを第二の特徴とする。
【００１２】
尚、本体１の材質はＰＴＦＥやＰＦＡ等のフッ素樹脂が好適に使用されるが、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレンなどのその他のプラスチック或いは金属でも良く特に限定されない。また、ボンネット２、バネ受け３、および、ピストン４は強度、耐熱性の観点からポリプロピレンが好適に使用されるが、同様に、その他のプラスチックや金属でも良く特に限定されない。バネ２４は耐食性、防錆性の点からステンレススチールが好適に用いられるがその他の金属でも良く特に限定されない。さらに、各ダイヤフラム２７，３７の材質はＰＴＦＥ等のフッ素樹脂が好適に使用されるが、ゴム及び金属でも良く特に限定されない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施態様について、図面を参照して説明するが、本発明が本実施態様に限定されないことは言うまでもない。
【００１４】
図１は、本発明の流体制御弁を示す縦断面図である。図２は、図１において上流側圧力が増加した場合の状態を示す縦断面図である。図３は、第一弁機構体５及び第２弁機構体６の斜視図である。図４は、本発明の流体制御弁の平面図である。
【００１５】
図において、１はＰＴＦＥ製の本体であり、下部中央に底部まで開放して設けられた第二の空隙８と、上部に上面開放して設けられた第二の空隙８の径よりも大きい径を持つ第一の空隙１０を有し、側面には第二の空隙８と連通している入口流路９と、入口流路９と対向する面に第一の空隙１０と連通している出口流路１１と、さらに、第一の空隙１０と第二の空隙８とを連通し第一の空隙１０の径よりも小さい径を有する連通孔１２とが設けられている。第二の空隙８の上面部は弁座１３とされている。
【００１６】
２はＰＰ製のボンネットであり、内部に円筒状の空隙１６と下端内周面に空隙１６より拡径された段差部１７が設けられ、側面には空隙１６内部に圧縮された不活性ガスや空気を供給するために空隙１６と外部とを連通する給気孔１４および給気孔１４より導入されたガスや空気を微量に排出するための排気孔１５が設けられている。
【００１７】
３はＰＰ製の平面円形状のバネ受けであり、中央部に貫通孔１８を有し、略上半分がボンネット２の段差部１７に嵌挿されている。バネ受け３の側面部には環状溝あるいは環状切り欠き部１９が設けられ、Ｏ−リング２０を装着することによりボンネット２から外部への不活性ガスや空気の流出を防いでいる。
【００１８】
４はＰＰ製のピストンであり、上部に円盤状の鍔部２１と、鍔部２１の中央下部より円柱状に突出して設けられたピストン軸２２と、ピストン軸２２の下端に設けられた雌ネジ部からなる第一接合部２３を有する。ピストン軸２２はバネ受け３の貫通孔１８より小径に設けられており、第一接合部２３は後記第一弁機構体５の第二接合部２９と螺合により接合されている。
【００１９】
２４はＳＵＳ製のバネであり、ピストン４の鍔部２１下端面とバネ受け３の上端面とで狭持されている。ピストン４の上下動にともなってバネ２４も伸縮するが、そのときの荷重の変化が少ないよう、自由長の長いものが好適に使用される。
【００２０】
５はＰＴＦＥ製の第一弁機構体であり、外周縁部より上方に突出して設けられた筒状部２５を有した膜部２６と肉厚部を中央部に有する第一ダイヤフラム２７と、第一ダイヤフラム２７の中央上面より突出して設けられた軸部２８の上端部に設けられた小径の雄ネジからなる第二接合部２９、および同中央下面より突出して設けられ下端部に形成された雌ネジ部からなる後記第二弁機構体６の接合部３４と螺合される第三接合部３０を有する（図３参照）。第一ダイヤフラム２７の筒状部２５は、本体１とバネ受け３との間で狭持固定されることで、本体１の第一の空隙１０、第一ダイヤフラム２７下面より形成される第一の弁室３１が密封して形成されている。また、第一ダイヤフラム２７上面、バネ受け３、ボンネット２の空隙１６はＯ−リング２０を介して密封されており、ボンネット２の給気孔１４より供給される圧縮された不活性ガスや空気が充満している気室を形成している。
【００２１】
６はＰＴＦＥ製の第二弁機構体であり、本体１の第二の空隙８内部に配設され連通孔１２より大径に設けられた弁体３２と、弁体３２上端面から突出して設けられた軸部３３と、その上端に設けられた第一弁機構体５の第三接合部３０と螺合により接合固定される雄ネジ部からなる第四接合部３４と、弁体３２下端面より突出して設けられたロッド３５と、ロッド３５下端面より径方向に延出して設けられ周縁部より下方に突出して設けられた筒状突部３６を有する第二ダイヤフラム３７とから構成されている（図３参照）。第二ダイヤフラム３７の筒状突部３６は後記ベースプレート７の突出部４０と本体１との間で狭持されることにより、本体１の第二の空隙８と第二ダイヤフラム３７とで形成される第二弁室３８を密閉している。
【００２２】
７はＰＰ製のベースプレートであり、上部中央に第二弁機構体６の第二ダイヤフラム３７の筒状突部３６を本体１との間で狭持固定する突出部４０を有し、突出部４０の上端部に切欠凹部４１が設けられると共に、側面に切欠凹部４１に連通する呼吸孔４２が設けられており、ボンネット２との間で本体１を通しボルト、ナットにて狭持固定している（図示しない）。
【００２３】
本実施態様における各接合部は螺合による接合が示されているが、接着による接合でも構わない。また、図３に示されているごとく、本発明の流体制御弁は平面矩形状の外観となっているが、この形状に限定されるものでなく、使用される場所に応じて平面円形状に形成しても良い。
【００２４】
以下に本実施態様の作動について説明する。
【００２５】
図１は、ボンネット２の空隙１６へある一定の圧縮空気を供給している場合を示している。ここで、第二弁機構体６の弁体３２は、ピストン４の鍔部２１とバネ受け３とに挟持されているバネ２４の反発力と、第一弁機構体５の第一ダイヤフラム２７下面の流体圧力により上方に押し上げられ、第一ダイヤフラム２７上面の圧縮空気の圧力により押し下げられている。さらに厳密には、弁体３２下面と第二弁機構体６の第二ダイヤフラム３７上面が流体圧力を受けているが、それらの受圧面積はほぼ同等とされているため力はほぼ相殺されている。したがって、第二弁機構体６の弁体３２は、前述の３つの力が釣り合う位置にて静止していることとなる。そのため、本制御弁の上流側、及び、下流側の流体圧力に変化がなければ一定の流量を維持することができる。
【００２６】
ここで、上流側の流体圧力が増加した場合、瞬間的に第一の弁室３１内の圧力も増加する。すると、第一ダイヤフラム２７の上面が圧縮空気から受ける力より、第一ダイヤフラム２７の下面が流体から受ける力のほうが大きくなり、ダイヤフラムは上方へと移動する。それにともなって、弁体３２の位置も上方へ移動するため、弁座１３との間で形成される流体制御部３９の開口面積が減少し、第一の弁室３１内の圧力を減少させる。最終的に、弁体３２の位置が前記３つの力が釣り合う位置まで移動し静止する（図２の状態）。このときバネ２４の荷重が大きく変わらなければ、空隙１６内部の圧力、つまり、第一ダイヤフラム２７上面が受ける力は不変であるため、第一ダイヤフラム２７下面が受ける圧力は略不変となる。したがって、第一ダイヤフラム２７下面の流体圧力、すなわち、第一の弁室３１内の圧力は、上流側の圧力が増加する前とほぼもとの圧力と同じになっている。
【００２７】
図２の状態から上流側の流体圧力が減少した場合、瞬間的に第一の弁室３１内の圧力も減少する。すると、第一ダイヤフラム２７の上面が圧縮空気から受ける力より、第一ダイヤフラム２７の下面が流体から受ける力のほうが小さくなり、ダイヤフラムは下方へと移動する。それにともなって、弁体３２の位置も下方へ移動するため、弁座１３との間で形成される流体制御部３９の開口面積が増加し、第一の弁室３１の流体圧力を増加させる。最終的に、弁体３２の位置が前記３つの力が釣り合う位置まで移動し静止する（図１の状態）。したがって、上流側圧力が増加した場合と同様に、第一の弁室３１内の流体圧力はほぼもとの圧力と同じになっている。
【００２８】
以上の動作により、流体制御弁上流側の流体圧力が変わっても第一の弁室３１内の流体圧力はほとんど変化しない。そのため、流体制御弁以降の配管における圧力損失に変化が無ければ流量を一定に保つことができる。
【００２９】
また、第一の弁室３１内の流体圧力は、空隙１６内部の圧縮空気圧力によって調整できるため、流量も圧縮空気圧力によって調整することができる。
【００３０】
さらに、ボンネット２の空隙１６内部に圧縮空気を供給しなければ、ピストン４はバネ２４の働きにより押し上げられ、ピストン４と接合されている第一弁機構体５、及び、第二弁機構体６もピストン４によって引き上げられることとなる。したがって、第二弁機構体６の弁体３２と本体１の弁座１３とが密着し、流体の流れを封することができる。
【００３１】
また、ボンネット２の空隙１６内部の圧縮空気は給気孔１４から供給され、排気孔１５からつねに排気されているため、第一弁機構体５の第一ダイヤフラム２７を被制御流体がガスとなって透過したとしても、給気孔１４から排気孔１５への空気の流れに乗って排出されていくことになり、空隙１６内部にたまりにくい。そのため、バネ２４が腐食されることがなく、腐食を防ぐためのコーティングなどを行う必要が無く安価に製造することができる。加えて、コーティングによるバネ定数の変化も起こらないため、個体差を小さく保つことができ歩留まりを向上させることができる。
【００３２】
さらに、第一の弁室３１内の流体圧力による上向きの力、第一ダイヤフラム２７が空隙１６内部の圧力による下向きの力、及び、バネ２４の反発力による上向きの力は、第一弁機構体５の軸部２８とピストン４のピストン軸２２によって支えられ相殺されているため、弁体３２の直径を小さくしてもロッド３５や第四接合部３４の曲がりや座屈が起こらないため、耐久性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の流体制御弁は以上説明したような構造をしており、これを使用することで以下の優れた効果が得られる。
【００３４】
（１）空隙内部の圧縮空気をつねに排出しているため、ダイヤフラムを透過したガスによってバネが腐食されることがなく、コーティングなどの対策が不要となり安価に製造できる。
【００３５】
（２）バネのコーティングが不要なため、バネの個体差が小さくでき、歩留まりが向上できる。
【００３６】
（３）ロッドや第四接合部の曲がりや座屈が起こらないため、耐久性を向上させることが出来る。
【００３７】
（４）接液する部材は全てＰＴＦＥ等の耐薬品性に優れた材質を用いることができるため、その場合は不純物の溶出や薬液の汚染が極めて少ない。
【００３８】
（５）コンパクトな構造でありかつ、安定した流体圧力制御が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流体制御弁の縦断面図である。
【図２】図１において上流側圧力が増加した場合の状態を示す縦断面図である。
【図３】図１の流体制御弁の第一弁機構体と第二弁機構体を示す斜視図である。
【図４】本発明の流体制御弁の平面図である。
【図５】従来の流体制御弁の縦断面図である。
【符号の説明】
１…本体
２…ボンネット
３…バネ受け
４…ピストン
５…第一弁機構体
６…第二弁機構体
７…ベースプレート
８…第二の空隙
９…入口流路
１０…第一の空隙
１１…出口流路
１２…連通孔
１３…弁座
１４…給気孔
１５…排気孔
１６…空隙
１７…段差部
１８…貫通孔
１９…環状溝あるいは環状切欠
２０…Ｏ−リング
２１…鍔部
２２…ピストン軸
２３…第一接合部
２４…バネ
２５…筒状部
２６…膜部
２７…第一ダイヤフラム
２８…軸部
２９…第二接合部
３０…第三接合部
３１…第一の弁室
３２…弁体
３３…軸部
３４…第四接合部
３５…ロッド
３６…筒状突部
３７…第二ダイヤフラム
３８…第二弁室
３９…流体制御部
４０…突出部
４１…切欠凹部
４２…呼吸孔

Claims (2)

1. 下部中央に底部まで開放して設けられた第二の空隙（８）と第二の空隙（８）に連通する入口流路（９）と上部に上面が開放して設けられ第二の空隙（８）の径よりも大きい径を持つ第一の空隙（１０）と第一の空隙（１０）に連通する出口流路（１１）と第一の空隙（１０）と第二の空隙（８）とを連通し第一の空隙（１０）の径よりも小さい径を有する連通孔（１２）とを有し、第二の空隙（８）の上面が弁座（１３）とされた本体（１）と、側面あるいは上面に設けられた給気孔（１４）と排気孔（１５）とに連通した円筒状の空隙（１６）を内部に有し、下端内周面に段差部（１７）が設けられたボンネット（２）と、ボンネット（２）の段差部（１７）に嵌挿され中央部に貫通孔（１８）を有するバネ受け（３）と、下端部にバネ受け（３）の貫通孔（１８）より小径の第一接合部（２３）を有し上部に鍔部（２１）が設けられボンネット（２）の空隙（１６）内部に上下動可能に嵌挿されたピストン（４）と、ピストン（４）の鍔部（２１）下端面とバネ受け（３）の上端面で挟持支承されているバネ（２４）と、周縁部が本体（１）とバネ受け（３）との間で挟持固定され、本体（１）の第一の空隙（１０）に蓋する形で第一の弁室（３１）を形成する中央部が肉厚とされた第一ダイヤフラム（２７）と上面中央にピストン（４）の第一接合部（２３）とバネ受け（３）の貫通孔（１８）を貫通して接合固定される第二接合部（２９）と下面中央に本体（１）の連通孔（１２）と同軸に設けられた第三接合部（３０）とを有する第一弁機構体（５）と、本体（１）の第二の空隙（８）内部に位置し本体（１）の連通孔（１２）より大径に設けられた弁体（３２）と弁体（３２）上端面に突出して設けられ第一弁機構体（５）の第三接合部（３０）と接合固定される第四接合部（３４）と弁体（３２）下端面より突出して設けられたロッド（３５）とロッド（３５）下端面より径方向に延出して設けられた第二ダイヤフラム（３７）とを有する第二弁機構体（６）と、本体（１）の下方に位置し第二弁機構体（６）の第二ダイヤフラム（３７）周縁部を本体（１）との間で狭持固定する突出部（４０）を上部中央に有し、突出部（４０）の上端部に切欠凹部（４１）が設けられると共に切欠凹部（４１）に連通する呼吸孔（４２）が設けられているベースプレート（７）とよりなり、ピストン（４）の上下動に伴って第二弁機構体（６）の弁体（３２）と本体（１）の弁座（１３）とによって形成される流体制御部（３９）の開口面積が変化するように構成されていることを特徴とする流体制御弁。
2. 本体（１）、第一弁機構体（５）および第二弁機構体（６）の材質がポリテトラフルオロエチレンであることを特徴とする請求項１に記載の流体制御弁。

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