JP2005535837A

JP2005535837A - 完全排出可能なウェア式弁

Info

Publication number: JP2005535837A
Application number: JP2003578795A
Authority: JP
Inventors: ジェイ．マッケンジー、ジェフリー
Original assignee: エンテグリス・インコーポレーテッド
Priority date: 2002-03-18
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2005-11-24
Also published as: WO2003081099A1; CN1653286A; AU2003220362A1; EP1490613A1; TW200307102A; US6923198B2; KR20040098664A; EP1490613A4; US20040069343A1

Abstract

上弁部（２２）と下弁部（２４）とを備える完全排出弁（２０）。

Description

（優先権の主張）
本出願は、２００２年３月１８日に出願された米国仮特許出願第６０／３６５，４９２号、表題“完全排出可能なウェア式弁（ＦＵＬＬＹＤＲＡＩＮＡＢＬＥＷＥＩＲＶＡＬＶＥ）”に対する優先権を主張するものであり、これを本明細書中に引用参照する。

本発明は、弁に関し、特に、ウェア型座面を有するプラスチックダイヤフラム弁に関する。

ダイヤフラム弁は、被制御流体を封じ込め、また、被制御流体の弁機構への又は弁からの移動を防止する優れた密封特性及び隔離特性を提供する。ダイヤフラム弁は、弾性ダイヤフラム及び弁肩部を用いて、弁座と係合して弁座を通過する流体の流れを防止する。ウェア型ダイヤフラム弁は、ウェア（堰）と係合してウェアを越える流体の流れを制御する弾性ダイヤフラムを利用する弁である。ダイヤフラムは、ウェアに対して制御可能な状態で持ち上げられたり密封されたりして、流れが選択的に弁を通過できるようにする。

ウェア型ダイヤフラム弁は、バイオ工学、製薬、化学、食品加工、飲料、化粧品、及び半導体業界で用いられることが多い。これらの業界は、弁、作業場、及び周辺環境内において製品汚染や漏洩を防ぐ弁を必要とする。ウェア型ダイヤフラム弁は、機械的な弁部品が、弁を流れる流体から隔離されるため、これらの要件を満たすのに適している。

ウェア型ダイヤフラム弁は、通常、流体分配系の分岐を通る流れを制御したり、あるいは、プロセスから流体のサンプルを供給したりするために用いられる。特許文献１〜５には、各々、分岐制御及びサンプリングに適したダイヤフラム弁が開示されている。多くの場合、このような弁は、水平位置に取り付けることが望ましく、この場合、ウェアは、水平方向に延在する。

これら従来技術の弁構造では、表面が排出用に構成されていないため、流路を完全に排出できない。特許文献５は、例えば、流体を保持し得る複数の水平面を有する。このような停滞流体すなわち貯留流体は、プロセスにおいて汚染源になることがある。製薬、衛生用品、及び半導体産業等、産業プロセスに用いられる流体の場合、一般的にプロセス流体は、超純粋状態に保たなければならない。これらプロセスの汚染は、重大な金銭的損失を意味し得る。従って、別々の洗浄工程を用いて、従来技術の弁構造からあらゆる停滞流体すなわち貯留された流体を洗浄しなければならない。この追加の工程によって、処理時間及びコストが増大する。

従来、ダイヤフラム弁は、金属合金製であった。このような金属弁は、基本的な流体制御用途において充分な耐久性と耐用寿命がある。しかしながら、金属合金は、製薬及び半導体製造等、幾つかのプロセス環境に適さない。これらの用途において、頻繁に用いられる流体は、腐食性すなわち苛性が高く、また、超純粋状態に保たなければならない。これらの腐食性流体は、弁本体から金属を侵食し、また、超純粋プロセス流体を汚染し得る。また金属合金の中には、触媒として機能してプロセス流体の化学反応を発生させ、それによって最終製品及び潜在的に労働者の安全を損なうものがある。

特殊な高強度合金及びステンレス鋼が、弁本体の反応性及び侵食を最小限に抑えるために開発されてきた。しかしながら、このような特殊合金を鋳造又は機械加工して弁構成要
素にするのは、非常に困難である。こうして得られた弁は、従来の金属弁と比較して、購入価格が非常に高い。更に、ステンレス鋼は、半導体処理産業等の特定の用途において適さない。

プラスチック裏張り金属弁は、従来の金属弁本体が特殊プロセス用途において苛性流体を処理できるように開発された。まず金属弁本体は、鋳造又は機械加工によって形成される。次に、プラスチック又はフルオロポリマーは、プロセス流体が接触する弁本体の内部に成形される。特許文献６は、プラスチック裏張り金属体のダイヤフラム弁を開示する。

プラスチック裏張り金属弁及びプラスチック裏張りプラスチック弁は、プロセス流体による劣化に対して所望の耐性を提供し得るが、製造コストが高い。コストが高いのは、支持体においてプラスチック裏張りを成形する複雑な多工程の製造プロセスに起因する。プラスチック裏張りは、その表面底部に対してクリープを受け易い可能性がある。クリープにより、高価なプラスチック裏張り弁の耐用寿命が短くなる。

プラスチック及び製造技術の進歩によって、全体に又はほぼ全体がフルオロポリマーからなる弁が、商業的に実施可能になってきた。このようなプラスチック弁は、製薬及び半導体製造応用分野での用途に理想的に適した所望の非反応性及び腐食耐性を有する費用対効果が大きい弁を提供することができる。特許文献７および８には、プラスチックダイヤフラム弁が開示されている。ある用途では、プラスチック体の弁には、プラスチック裏張りを設け得る。特許文献６には、プラスチック裏張りダイヤフラム弁が開示されている。これら３つの特許は、本明細書中に引用参照する。

フルオロポリマー弁及びフルオロポリマー裏地を有するプラスチック弁は、苛性流体に耐えるのに適している一方で、反り及びクリープ等、寸法上の劣化を受け易い。製薬、衛生用品、及び半導体産業等、産業プロセスで用いられる流体では、一般的に、プロセス流体を超純粋状態に保つことが必要である。弁などの流体供給システムで用いられる構成要素は、汚染物質がこのような構成要素に貯留されることによって処理システム中に持ち込まれないように定期的に洗浄される。

洗浄プロセスには、構成要素を滅菌するのに充分な時間の間、高温蒸気に曝露することを含み得る。特に何回も繰り返した場合、この滅菌プロセスによって、弁のプラスチックは、寸法が僅かに変化して反ることがある。プラスチックが応力を一定期間受け易い場合、クリープ変形が生じる。プラスチック構成要素の寸法は、応力により変化し得る。このような反り及びクリープにより、特にウェアの寸法公差が影響を受けて漏洩が生じ得る。
米国特許第５，０６５，９８０号米国特許第５，２２７，４０１号米国特許第５，２２２，５２３号米国特許第５，３２７，９３７号米国特許第６，２８９，９３３号米国特許第４，５３８，６３８号米国特許第５，２７９，３２８号米国特許第４，９７７，９２９号

従って、度重なる洗浄作業に曝露された場合、あるいは、反り又はクリープを通常引き起こす状態に曝露された場合、寸法の安定性を改善したプラスチック裏張りウェア型ダイヤフラム弁を提供する必要がある。更に、分岐制御及びサンプリング用途に適した完全に排出可能な弁を提供するという継続的なニーズがある。

好適な実施形態における完全排出弁装置は、上弁部及び下弁部を備える。上弁部は、好適には、上弁ハウジング即ち上弁本体、弾性ダイヤフラム、及び弁アクチュエータを含む。下弁部は、好適には、上弁ハウジングと噛み合って弁内部を画成するように構成された下弁ハウジング即ち下弁本体を含む。下弁本体は、好適には、弾性ダイヤフラムと共に流路を画成する一体型のウェアを有する。ダイヤフラムは、弁アクチュエータによってウェアと密封状態で係合したり、係合を解除したりするように構成されている。ウェアは、水平面に対して僅かに角度のついた上面を画成して内部通路傾斜を提供する。前記傾斜により、流体は、通路に留まる代わりに、通路に戻って流れる。更に、傾斜が、弁本体によって画成される流路の下部に形成され、流体が弁の第３管路に排出する。また本発明には、弁を製造するための方法が含まれ、好適には、弁の流路内の水平面に角度をつけて、そうでなければ蓄積し得る流体の完全な排出を促進するステップが含まれる。

ウェア支持部材は、ウェアを支持するための下ハウジング内に配置可能である。好適な実施形態において、支持カラーとして構成される外骨格枠は、弁周囲で円周方向に延在し、ウェア支持部材を支持する。特定の実施形態において、弁本体構成要素は、流体接触用の可塑性フルオロポリマー裏張りも含み得る。また本発明には、強化プラスチック弁を製造する方法が含まれ、好適には、下弁ハウジングのウェアに剛性の支持部材を設けるステップが含まれる。

本発明の特定の実施形態における目的及び利点は、完全排出可能なウェア型ダイヤフラム弁を提供することである。
本発明の特定の実施形態における目的及び利点は、ウェアに水平面から上方に僅かに角度をつけて傾斜面が形成されるダイヤフラム弁を提供することである。

本発明の特定の実施形態における目的及び利点は、貯留流体の発生を低減する弁構造を提供することである。
本発明の特定の実施形態における目的及び利点は、滅菌又は無菌プロセスの汚染を低減する弁構造を提供することである。

本発明の特定の実施形態における他の目的及び利点は、度重なる滅菌プロセスに対して寸法上耐え得るフルオロポリマーダイヤフラム弁を提供することである。
本発明の特定の実施形態における他の目的及び利点は、度重なる滅菌プロセスに耐えることができ、また、製薬、バイオ工学、化学、及び／又は半導体産業における用途にも適した弁を提供することである。

本発明の特定の実施形態における他の目的及び利点は、プラスチック弁を強化するための手段を提供することである。
本発明の特定の実施形態における他の目的及び利点は、プラスチック弁を強化し、それによって反り及びクリープ変形に対する抵抗力を改善する方法を提供することである。

本発明の特定の実施形態における他の目的及び利点は、プラスチック弁のウェア用の支持体を提供することである。

本発明の更なる特徴、目的、及び利点は、以下の詳細な説明において、当業者には明らかになるであろう。
本発明に基づくウェア型ダイヤフラム弁２０を図１、図２、及び図３に示す。このような弁には、一般的に、上弁部２２、下弁部２４、ブラケット支持枠２６、及び取付ブラケ
ット２８が含まれる。図１の組立図面に示したように、複数の留め具３０を用いて、上部１２、下部１４、ブラケット２８、及びブラケット取付台２６を固定する。更に、外骨格支持部材３２を用いて、弁に剛性を付加し得るが、弁は、プラスチック（可塑性物質）から構成されることが多い。用語「上弁部２２」及び「下弁部２４」は、説明の便宜上用いるものであり、本発明の弁は、地面を基準にして上弁部２２が下弁部２４より鉛直上方になければならないように、弁２０が配置されることに限定されないことを理解されたい。実際、弁の好適な動作位置は、上弁部２２が実質的に下弁部２４の側面に配置されることを含み得る。

上部２２には、弾性ダイヤフラム３８と、下ハウジング２４に設けられる弁座４２に対して制御可能に密封するためのアクチュエータとが含まれる。図１及び４に示した下ハウジング２４は、内部に、中央流路４４、第１管流路４６、第２管流路４８、第３管流路５０、及び弁座４２を備える。弁座４２には、ダイヤフラム３８と噛み合うと、第１管路４６及び第２管路４８から第３管路５０を隔離するためのウェア５２が含まれる。

図５を参照すると、弁２０は、組立て済みの状態で、付属のブラケット２８で高架面に取り付けるための所定の位置に示されている。軸線５６は、弁２０の正常な水平方向Ｈ及び鉛直方向Ｖを表して示されている。第３管路５０を通って引いた中心線Ｃ_１は、鉛直軸線Ｖに平行である。水平軸線Ｈは、鉛直軸線Ｖに垂直である。上弁部２２を通る中心線Ｃ_２は、水平軸線Ｈに平行でなく、むしろ、Ｈ’として示す線に平行である。Ｖ’は、Ｈ’に垂直であると定義する。Ｈ’は、水平軸線Ｈに対して角度Ｘだけ傾斜している。角度Ｘは、好適には、５度である。しかしながら、当業者は、Ｘが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、次の範囲０°＜Ｘ＜９０°を含み得ることを認識するであろう。

図７は、図６の線Ａ−Ａに沿う弁２０の部分断面図である。中央通路４４は、ウェア５２によって画成された第１内向面５８を含む。ウェア５２の中心線Ｃ_２（これは、幾つかの実施形態において、上ハウジング２２の中心線Ｃ_２と同じでもよい）は、水平軸線ＨからＸ度だけずれている。これによって、第１面５８に傾斜が生じる。第１傾斜面５８により、全ての流体が、第１管路４６と第２管路４８との間の中央通路４４に確実に排出される。

第２内向面６０は、下ハウジング２４によって画成された通路４４の内側に設けられる。この傾斜Ｘは、第１面５８用と同じであってよいが、用途に依存して更に大きくても小さくてもよい。第２傾斜面６０は、中央通路４４の流体を第３管路５０に排出させる。これら２つの傾斜面５８，６０の存在によって、全ての流体が弁２０から完全に排出され、これによって従来技術における滞留流体の問題に対処し得る。

弁は、図８に示すように内骨格支持部材３２を設けることによって、強化又は支持され得る。内骨格支持部材３２は、ウェア支持部材６２として構成され、また、外部骨格枠６４は、支持カラー６６として構成される。図８に示したように、ウェア支持部材６２は、好適には、棒状に形成され、第１端部６８、第２端部７０、長手方向面７２を有し、また、第１端部６８及び第２端部７０の双方において、長手方向面７２に切欠き７４を有する。図９に示すように、ウェア支持部材６２は、任意の適切に成形された細長い部材であってよい。当業者は、多角形等、ウェア支持部材形状の多くの他の実施形態が、本発明の範囲から逸脱することなく、考案された支持体を提供することを認識されるであろう。

図８に示す支持カラー６６には、上ブラケット７６及び下ブラケット７８が含まれる。上ブラケット７６及び下ブラケット７８は、好適には、ほぼＵ字形であり、弁ハウジング上に配置されると重なり合う。上ブラケット７６には、複数のカラー取付孔８０及び溝付き取付孔８２があり、それぞれ上取付孔８４、下取付孔８６、及び取付溝８８に対応する
。溝付き取付孔８２は、組み立て時、上ブラケット７６を下ブラケット７８、弁上部２２、及び下部２４に結合する一助となる。

下ブラケット７８には、弁上部２２及び下部２４の取付溝８８及び上取付孔８４と、上ブラケット７６の溝付き取付孔８２と協働する２つの取付ポスト９０が設けられ、弁上部２２と下部２４とを結合し得る。取付ポスト９０は、ネジ形成部９２及び滑らかな部分９４を有し、弁上部２２及び下部２４を互いに固定するための手段を提供する。また下ブラケット７８は、それぞれ上ブラケット７６のカラー取付孔８０、弁上部２２の上取付孔８４、及び弁下部２４の下取付孔６４と連通する２つのカラー取付孔８０を有する。

上ブラケット７６は、組み立てられると、ウェア支持部材６２を切欠き７４で支持し、これによってウェア５２からウェア支持部材６２に力を伝達し、そこから上ブラケット７６及び下ブラケット７８に力を伝達する。この支持体は、ウェア５２及び他の弁構成要素上の圧力によって誘発されるクリープを防止又は低減する。従って、ウェア、フランジ、並びに全般的に弁本体の反り及びクリープが抑制される。

弁上部２２及び下部２４は、好適には、限定しないが、パーフルオロアルコキシ樹脂（ＰＦＡ）、フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）又は他のフルオロポリマー等を含むフルオロポリマーから形成される。ある用途において、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）又はポリプロピレン（ＰＰ）等、他のプラスチックが適することもある。本体の構成要素は、機械加工してもよいが、好適には、射出成形される。ダイヤフラム３８の濡れ部は、ポリテトラフロールエチレン（ＰＴＦＥ）で形成され得る。ダイヤフラムは、ＥＰＤＭで形成されるＰＴＦＥ層に隣接する層との複合物であってもよい。ウェア支持部材６２及び支持カラー６６は、好適には、ステンレス鋼から構成される。ステンレス鋼は、所望量の剛性及び耐久性を提供して所望量の寸法上の完全性をプラスチック弁に提供する。ある例において、炭素繊維充填ＰＥＥＫ等の他の剛性材料又は他の重合体を利用してもよい。当業者は、上記構造が、本発明の範囲から逸脱することなく他の物質から構成し得ることを認識されるであろう。

本発明は、好適な実施形態を参照し説明してきたが、当業者は、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、形態及び詳細を変更し得ることを認識されるであろう。

本発明の実施形態に基づくダイヤフラム弁を示す分解部品図。図１の組立済みダイヤフラム弁を示す斜視図。図１の組立済みダイヤフラム弁を示す他の斜視図。本発明の実施形態に基づくダイヤフラム弁を示す下部側面図。本発明の実施形態に基づく組立済みダイヤフラム弁を示す側面図。本発明の実施形態に基づく組立済みダイヤフラム弁を示す端面図。図６の線Ａ−Ａに沿う本発明の実施形態に基づく組立済みダイヤフラム弁を示す部分断面図。本発明の実施形態に基づくダイヤフラム弁を示す分解斜視図

Claims

プラスチックダイヤフラム弁であって、
プラスチック上弁本体と、
上弁内にある弾性ダイヤフラム及びアクチュエータと、
前記上弁本体と噛み合うように構成された実質的にプラスチックの下弁本体であって、流路を画成する内部を有する前記下弁本体とを備え、
前記下弁本体は、一体型のウェア、第１管流路、第２管流路、及び第３管流路を含み、前記ウェアは、前記ダイヤフラムと密封した状態で相互作用するように構成され、前記ウェア、第１管流路、第２管流路、及び第３管流路は、それぞれ軸線を有し、
ウェア軸線は、水平面からＸ度傾斜されており、前記Ｘは０＜Ｘ＜９０であり、
第１管路軸線は、前記ウェアから下方へ傾斜されており、水平面からＹ度傾斜されており、前記Ｙは０＜Ｙ＜９０であり、
第２管路軸線は、前記ウェアから下方へ傾斜されており、水平面からＺ度傾斜されており、前記Ｚは０＜Ｚ＜９０であり、
第３管路軸線は、流路内からのほぼ全ての流体が重力によって前記弁から排出するように、前記ウェアから下方に、かつ鉛直軸線にほぼ平行に配向されている、プラスチックダイヤフラム弁。
請求項１に記載の弁において、傾斜Ｘ、Ｙ、及びＺは、各々、約３０度未満である弁。
請求項１に記載の弁において、傾斜Ｘ、Ｙ、及びＺは、各々、約１０度未満である弁。
請求項１に記載の弁において、傾斜Ｘ、Ｙ、及びＺは、各々、約５度未満である弁。
請求項１に記載の弁において、更に、前記ウェアを長手方向に延在して前記ウェアを補強するためのウェア支持部材を含む弁。
請求項５に記載の弁において、前記ウェア支持部材は、２つの端部を有し、前記ウェアは、更に、前記ウェア支持部材の端部と係合する支持カラーを備える弁。
請求項６に記載の弁において、前記支持カラーは、
第１Ｕ字形部分と、
第２Ｕ字形部分とを備え、
前記２つの部分が重なって閉ループを形成して、前記弁の周囲に延在する弁。
請求項５に記載の弁において、前記ウェア支持体は、ステンレス鋼から構成される弁。
プラスチックダイヤフラム弁から流体を排出するための方法であって、前記弁は、プラスチック上弁本体と、前記上弁内にある弾性ダイヤフラム及びアクチュエータと、
前記上弁本体と噛み合うように構成されたほぼプラスチックの下弁本体とを備え、前記下弁本体は流路を画成する内部を有し、前記下弁本体は、一体型のウェアと、第１管流路と、第２管流路と、第３管流路とを備え、前記ウェアは、前記ダイヤフラムと密封した状態で相互作用するように構成され、前記ウェア、第１管流路、第２管流路、及び第３管流路はそれぞれ軸線を有し、該方法は、
ウェア軸線を水平面からＸ度傾斜させるステップであって、前記Ｘは、０＜Ｘ＜９０であるステップと、
第１管路軸線を、前記ウェアから下方に、水平面からＹ度傾斜させるステップであって、前記Ｙは０＜Ｙ＜９０であるステップと、
第２管路軸線を、前記ウェアから下方に、水平面からＺ度傾斜させるステップであって
、前記Ｚは０＜Ｚ＜９０であるステップと、
流路内からのほぼ全ての流体が重力によって前記弁から排出するように、前記ウェアから下方に、鉛直軸線にほぼ平行に第３管路軸線を配向するステップとを含む方法。
請求項９に記載の方法であって、更に、Ｘ、Ｙ、及びＺの値を各々３０度未満に制限するステップを含む方法。
請求項９に記載の方法であって、更に、Ｘ、Ｙ、及びＺの値を各々１０度未満に制限するステップを含む方法。
請求項９に記載の方法であって、更に、Ｘ、Ｙ、及びＺの値を各々約５度に制限するステップを含む方法。
請求項９に記載の方法であって、更に、前記ウェア支持部材で前記ウェアを補強するステップを含む方法。
請求項１３に記載の方法であって、更に、支持カラーで前記ウェア支持部材の２つの端部を支持するステップを含む方法。
請求項１４に記載の方法であって、更に、第１Ｕ字形部分及び第２Ｕ字形部分から前記支持カラーを組立てて、第１及び第２Ｕ字形部分を重ね合わせて前記弁周囲に閉ループを形成するステップを含む方法。
請求項１３に記載の方法であって、更に、ウェア支持部材をステンレス鋼から形成するステップを含む方法。
プラスチックダイヤフラム弁であって、
プラスチック上弁本体と、
前記上弁における弾性ダイヤフラム及びアクチュエータと、
前記上弁本体と噛み合うように構成されたほぼプラスチックの下弁本体であって、流路を画成する内部を有する下弁本体とを備え、
前記下弁本体は、一体型のウェア、第１管流路、第２管流路、及び第３管流路を含み、前記ウェアは、前記ダイヤフラムと密封した状態で相互作用するように構成され、前記ウェア、第１管流路、第２管流路、及び第３管流路は、それぞれ軸線を有し、
ウェア軸線は、水平面から傾斜されており、
第１管路軸線は、前記ウェアから下方に傾斜されており、
第２管路軸線は、前記ウェアから下方に傾斜されており、
第３管路軸線は、流路内からのほぼ全ての流体が重力によって前記弁から排出するように、前記ウェアから下方に、鉛直軸線にほぼ平行に配向されている、プラスチックダイヤフラム弁。
請求項１７に記載の弁において、更に、前記ウェア内に長手方向に延在して前記ウェアを補強するためのウェア支持部材を含む弁。
請求項１８に記載の弁において、前記ウェア支持部材は、２つの端部を備え、前記ウェアは、更に、前記ウェア支持部材の端部と係合する支持カラーを備える弁。
請求項１９に記載の弁において、前記支持カラーは、
第１Ｕ字形部分と、
第２Ｕ字形部分とを備え、前記２つの部分が重なって閉ループを形成し、前記弁の周囲
に延在する弁。
請求項１８に記載の弁において、前記ウェア支持体は、ステンレス鋼から構成される弁。
請求項１８に記載の弁において、第１管流路、第２管流路、及び第３管流路は、各々、水平面から約３０度未満の角度で前記ウェアから下方に傾斜する弁。
請求項１８に記載の弁において、第１管流路、第２管流路、及び第３管流路は、各々、水平面から約１０度未満の角度で前記ウェアから下方に傾斜する弁。
請求項１８に記載の弁において、第１管流路、第２管流路、及び第３管流路は、各々、水平面から約３０度の角度で前記ウェアから下方に傾斜する弁。