JP2006162043A - ダイアフラム弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 高圧流体を供給制御する場合にも、ダイアフラムの弁体部と膜部との境界付近への応力集中を防止してダイアフラムの耐久性を向上させることができるダイアフラム弁を提供すること。
【解決手段】 ダイアフラム弁１は、弁座１３に当接する弁体部２１と、弁体部２１から外側に広がった膜部２２と、膜部２２の外周縁に形成された固定部２３とを有するダイアフラム弁体２０を備える。そして、膜部２２に、弁体部２１に接続され鉛直方向に形成された鉛直部２２ａと、固定部２３に接続され水平方向に形成された水平部２２ｃと、鉛直部２２ａと水平部２２ｃとを接続するために断面円弧状（上方凸形状）に形成された接続部２２ｂとを設けることにより、鉛直部２２ａをバックアップ４０の外周面に常時接触させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ダイアフラムを弁座に当接または離間させて流体の供給制御を行うダイアフラム弁に関する。さらに詳細には、ダイアフラムの耐久性を向上させることができるダイアフラム弁に関するものである。特に、高圧流体の供給制御を行うのに好適なものである。

従来から、半導体製造装置の薬液を制御するための薬液弁には、例えば、図３に示すようなダイアフラム弁が使用されている。このダイアフラム弁１００は、ボディ１１０に第１流路１１１及び第２流路１１２が形成され、左右にポートを有してボディ上方にその流路が開口している。第２流路１１２は弁座１１３内側の弁孔１１４に連通し、第１流路１１１は反対に弁座１１３の外側に連通している。こうして第１流路１１１及び第２流路１１２の一端が開口したボディ１１０の上面には、ダイアフラム弁体１１５が取り付けられている。ダイアフラム弁体１１５は周縁部分が挟み込まれ、第１流路１１１と第２流路１１２との開口部分に気密な空間を形成している。

ダイアフラム弁体１１５は、弁座１１３に当接・離間する弁体部１１７と、その側面部分から張り出した膜部１１８とから構成され、膜部１１８の周縁に形成された環状の固定部１１９によって、ボディ１１０とシリンダ１２０とで挟み込まれている。そして、シリンダ１２０内には、上下方向に摺動可能なピストンロッド１２１が挿入され、その下端部にはダイアフラム弁体１１５の弁体部１１７が固定されている。シリンダ１２０の上部にはカバー１２２が取り付けられ、そのカバー１２２内に装填されたスプリング１２３によってピストンロッド１２１が下方に付勢されている。そして、シリンダ１２０には、ピストンロッド１２１をスプリング１２３の付勢力に抗して加圧するためのエアを供給する操作ポート１２５が形成されている。

そこで、このダイアフラム弁１００では、通常、スプリング１２３によってピストンロッド１２１が下方に付勢され、それによってダイアフラム弁体１１５の弁体部１１７が弁座１１３に押し付けられて閉弁している。一方、ボディ１１０の操作ポート１２５から圧縮エアが供給されると、下方から加圧されたピストンロッド１２１がスプリング１２３の付勢力に抗して上昇する。そのため、下端の弁体部１１７も上昇して弁座１１３から離間して第１流路１１１と第２流路１１２とを連通した開弁状態になる。そして、操作ポート１２５から供給した圧縮エアを排出すれば、スプリング１２３に付勢されたピストンロッド１２１が下降し、再び図示するような閉弁状態に戻る。

ところが、このようなダイアフラム弁では、ダイアフラムが屈曲する際に、ダイアフラムの膜部、特に弁体部との付根部分に応力が集中するため耐久性に問題があった。つまり、膜部と弁体部との境界部分が劣化しやすく問題になっていたのである。そのため、ダイアフラム弁には、ダイアフラムの膜部、特に弁体部との付根部分に応力が集中することを防止するために種々の対策が施されている。

このような対策が施されたダイアフラム弁の１つとして、例えば、特開平９−２１７８４５号公報に開示されたものがある。ここに開示されたダイアフラム弁においては、ダイアフラムが、中央の弁体と、その弁体の周囲に一体に形成した環状薄膜部と、その環状薄膜部の周囲に一体に形成した筒状保持部とよりなり、環状薄膜部が断面上向き球状に曲成され、且つ内周の付根部が前記弁体の上面にほぼ垂直に接続され、外周の付根部が筒状保持部の内周面上縁にほぼ垂直に接続されている。

これにより、このダイアフラム弁では、弁開閉作動時、環状薄膜部は球状に曲成された部分のみ弾性的に変形し、内外周の付根部はほぼ垂直状態を保持して、内外周の付根部に折り曲げ応力を発生させないようにし、ダイアフラムの耐久性を向上させている。

特開平９−２１７８４５号公報

しかしながら、上記したダイアフラム弁では、高圧流体（５００ｋＰａ以上）の供給制御を行う場合に、弁体部と膜部との境界（付根部）に応力集中が発生してしまい、劣化が急速に進むという問題があった。なぜなら、流体圧力によってダイアフラムの膜部（環状薄膜部）が変形してしまうため、弁体部と膜部との境界（付根部）をほぼ垂直状態に保持することができなくなり、弁体部と膜部との境界（付根部）に応力集中が発生するからである。このように、上記したダイアフラム弁では、高圧流体の供給制御を行うために必要な耐久性能が得られず、高圧流体の供給制御を行うことができなかった。

これに対して、例えば、ダイアフラム弁が使用される半導体製造工場の一部では建物が高層化されており、１階部分に貯蔵された薬液を高層階部分に供給する必要がある。そして、このような薬液供給弁として使用されるダイアフラム弁では、ダイアフラムに高い圧力（例えば、７００ｋＰａ程度）が作用する。ところが、上記したように現状のダイアフラム弁では、ダイアフラムに必要な耐久性能がなく、上記の薬液供給弁として使用することができなかった。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、高圧流体を供給制御する場合にも、ダイアフラムの弁体部と膜部との境界付近への応力集中を防止してダイアフラムの耐久性を向上させることができるダイアフラム弁を提供することを課題とする。

上記問題点を解決するためになされた本発明に係るダイアフラム弁は、ボディに形成された第１流路および第２流路の境に設けられた弁座に対し、アクチュエータの駆動軸に連結されたダイアフラムを当接または離間させることにより、前記第１流路と前記第２流路との間を閉鎖または開放するようにしたダイアフラム弁において、前記ダイアフラムは、弁座に当接する弁体部と、弁体部から外側に広がった膜部と、膜部外周縁に形成された固定部とを有し、前記膜部が、前記弁体部に接続され鉛直方向に形成された鉛直部と、その鉛直部と前記固定部とを接続する接続部とを備え、前記鉛直部は前記駆動軸に常時接触していることを特徴とするものである。

このダイアフラム弁に備わるダイアフラムには、弁座に当接する弁体部と、弁体部から外側に広がった膜部と、膜部外周縁に形成された固定部とを有し、膜部には弁体部に接続され鉛直方向に形成された鉛直部と、その鉛直部と前記固定部とを接続する接続部とが備わっている。このため、弁開閉動作時には、鉛直部はほとんど変形することなく接続部のみが弾性変形してダイアフラムの膜部が屈曲し、ダイアフラムの弁体部が弁座に当接または離間する。従って、このダイアフラム弁では、鉛直部、特に鉛直部と弁体部との境界に応力が集中することを確実に防止することができる。

そして、このダイアフラム弁では、鉛直部がアクチュエータの駆動軸に常時接触している。従って、このダイアフラム弁では、高圧流体が供給されても、鉛直部は駆動軸に支持されているため変形することがないので、鉛直部と弁体部の境界に応力が集中することがない。これにより、このダイアフラム弁によれば、高圧流体を供給制御する場合にも、鉛直部と弁体部との境界付近への応力集中を防止してダイアフラムの耐久性を向上させることができる。

上記問題点を解決するためになされた本発明に係る別形態のダイアフラム弁は、ボディに形成された第１流路および第２流路の境に設けられた弁座に対し、アクチュエータの駆動軸に連結されたダイアフラムを当接または離間させることにより、前記第１流路と前記第２流路との間を閉鎖または開放するようにしたダイアフラム弁において、前記ダイアフラムは、弁座に当接する弁体部と、弁体部から外側に広がった膜部と、膜部外周縁に形成された固定部とを有し、前記膜部が、前記弁体部に接続され鉛直方向に形成された鉛直部と、前記固定部に接続され水平方向に形成された水平部と、前記鉛直部と前記水平部とを接続するために断面円弧状に形成された接続部とを備えることを特徴とするものである。

このダイアフラム弁では、ダイアフラムが弁座に当接する弁体部と、弁体部から外側に広がった膜部と、膜部外周縁に形成された固定部とを有し、膜部には弁体部に接続され鉛直方向に形成された鉛直部と、固定部に接続され水平方向に形成された水平部と、鉛直部と水平部とを接続するために断面円弧状に形成された接続部とが備わっている。このため、弁開閉動作時には、鉛直部はほとんど変形することなく接続部のみが弾性変形してダイアフラム弁体の膜部が屈曲し、ダイアフラムの弁体部が弁座に当接または離間する。従って、このダイアフラム弁では、鉛直部、特に鉛直部と弁体部との境界に応力が集中することを確実に防止することができる。

そして、このダイアフラム弁では、膜部外周に水平部を備えていることから、鉛直部はダイアフラム内周方向に力を受けている。このため、鉛直部はダイアフラム外周方向に広がることなく駆動軸に常時接触している。従って、このダイアフラム弁では、高圧流体が供給されても、鉛直部は駆動軸に支持されているため変形することがないので、鉛直部と弁体部の境界に応力が集中することがない。これにより、このダイアフラム弁によれば、高圧流体を供給制御する場合にも、鉛直部と弁体部との境界付近への応力集中を防止してダイアフラムの耐久性を向上させることができる。

上記したダイアフラム弁においては、前記ダイアフラムは、前記弁体部と前記膜部との境界が前記弁座の径よりも内側に位置するものであることが望ましい。

高圧流体の供給制御を行うためには、ダイアフラムの膜厚を厚く（従来のものに対して倍程度の厚さに）する必要があるが、従来の形状のままで膜厚を単に厚くするとダイアフラムが正常に動作しない。そこで、ダイアフラムの形状をこのようにすることにより、ダイアフラムの膜部の長さを長くすることができるため、膜厚を厚くした場合でも膜部を無理なく変形させることができる。その結果、膜厚を厚くした場合でもダイアフラムを正常に動作させることができる。

また、上記したダイアフラム弁においては、前記駆動軸の先端には、前記鉛直部および前記接続部に接触して前記膜部を受け止めるために前記ダイアフラムに一体化されたバックアップが設けられていることが望ましい。

これにより、ダイアフラムの位置にかかわらず、ダイアフラムとともに動くバックアップにより、ダイアフラムの膜部を常に受け止めている。すなわち、閉弁時あるいは開弁時のいずれの状態であっても、ダイアフラムの膜部はバックアップにより受け止められている。このため、高圧流体を使用してもダイアフラムの膜部が極度に変形することを防止することができる。つまり、ダイアフラムの耐久性を向上させることができる。

本発明に係るダイアフラム弁によれば、ダイアフラムの鉛直部がアクチュエータの駆動軸に常時接触しているので、高圧流体が供給されても、鉛直部は駆動軸に支持されて変形しないので、鉛直部と弁体部の境界に応力が集中することがない。これにより、このダイアフラム弁によれば、高圧流体を供給制御する場合にも、鉛直部と弁体部との境界付近への応力集中を防止してダイアフラムの耐久性を向上させることができる。

以下、本発明のダイアフラム弁を具体化した最も好適な実施の形態について図面に基づき詳細に説明する。本実施の形態は、本発明を給液用薬液弁に適用したものである。そこで、本実施の形態に係るダイアフラム弁の概略構成を図１および図２に示す。図１は、閉弁時の状態を示すダイアフラム弁の断面図である。図２は、開弁時の状態を示すダイアフラム弁の断面図である。

ダイアフラム弁１は、フッ素樹脂製のボディ１０に第１流路１１及び第２流路１２が形成されている。そして、ボディ１０の上面中央には弁座１３が形成され、弁座１３内の弁孔１４には第２流路１２が接続され、弁座１３の周りに形成された環状の溝部１５には第１流路１１が接続されている。こうして第１流路１１と第２流路１２とは、共にボディ１０の上面開口部に連通し、その開口部はダイアフラム弁体２０によって塞がれている。特に、ダイアフラム弁体２０は周縁部分が固定され、これにより第１流路１１から第２流路１２を接続する気密な空間が形成されている。

ダイアフラム弁体２０は、弁座１３に対して当接・離間する弁体部２１と、そこから外側に張り出した膜部２２と、膜部２２の周縁に形成された環状の固定部２３とを有して形成されたものである。そして、固定部２３がボディ１０と後述する第２シリンダ３０ｂとによって挟み込まれ、ダイアフラム弁体２０がボディ１０に対して固定されている。ここで、ボディ１０は、固定部２３の肉厚部分までしか当接していないが、第２シリンダ３０ｂは、膜部２２にまで当接している。これにより、断面積が大きく変化する固定部２３と膜部２２との変化部分を、その膜部２２が変形する方向で支えるようにしている。なお、ダイアフラム弁体２０は、ボディ１０と同様にフッ素樹脂によって形成されている。

また、高圧流体の供給制御を行うために、膜部２２の厚さが従来品の倍程度となっている。本実施の形態では、膜部２２の厚さは０．９ｍｍである。しかしながら、従来品の形状のままで膜厚を単に厚くするとダイアフラム弁体が正常に動作しない。そこで、ダイアフラム弁１では、膜部２２と弁体部２１との境界（付け根）２５を、ダイアフラム弁体２０の中心線（ロッド３１ｂの軸芯）Ｌに近いところに配置している。すなわち、中心線Ｌから膜部２２と弁体部２１との境界２５の距離Ａが、その中心線Ｌから弁座１３までの距離Ｂより短くなるようにし、膜部２２と弁体部２１との境界２５が弁座１３の位置よりも中心線Ｌ側に位置するようにしている。これにより、膜部２２の長さが長くなるので、膜厚を厚くした膜部２２を無理なく変形させることができるようになっている。

また、膜部２２は、弁体部２１に接続され鉛直方向に形成された鉛直部２２ａと、固定部２３に接続され水平方向に形成された水平部２２ｃと、鉛直部２２ａと水平部２２ｃを接続するために断面円弧状（上向き凸形状）に形成された接続部２２ｂとを備えている。つまり、膜部２２は、その境界（付け根）２５が弁体部２１の上面にほぼ垂直に接続され、そこから上向きに広がり、途中で横向きになるように湾曲した断面形状で形成されている。このため、鉛直部２２ａはダイアフラム弁体２０の内周方向に力を受けるので、ダイアフラム弁体２０の外周方向に広がることなく、後述するバックアップ４０（駆動軸であるロッド３１ｂの一部）の外周面に常時接触している。また、膜部２２外周の固定部２３は、図１に示すような閉弁時には、膜部２２と弁体部２１との境界２５よりも高いところに位置している。

そして、ダイアフラム弁体２０の上方に、ダイアフラム弁体２０の動作を制御するためのアクチュエータ５０が配置されている。つまり、ボディ１０の上にアクチュエータ５０が配置されている。アクチュエータ５０には、第１シリンダ３０ａと、第２シリンダ３０ｂと、ピストン３１ａと、ロッド３１ｂと、カバー３２と、スプリング３３とが備わっている。そして、第１シリンダ３０ａ内にピストン３１ａが摺動可能に挿入され、第２シリンダ３０ｂ内にロッド３１ｂが摺動可能に挿入されている。また、ピストン３１ａとロッド３１ｂとが連結され一体となっている。

ロッド３１ｂは下端部でバックアップ４０に連結され、バックアップ４０がダイアフラム弁体２０の弁体部２１に差し込まれて一体になっている。つまり、ロッド３１ｂは、バックアップ４０を介してダイアフラム弁体４０に連結している。この点、バックアップ４０はロッド３１ｂの一部でもある。

このバックアップ４０は、ロッド３１ｂと弁体部２１とを連結するとともに、ダイアフラム弁体２０の膜部２２のうち、鉛直部２２ｂと接続部２２ｂを受け止めるためのものでもある。このバックアップ４０は、樹脂製であり、ダイアフラム弁体２０の弁体部２１と一体で上下動するようになっている。なお、バックアップ４０の膜部２２に対する接触面にゴム材を設けてもよい。

また、第１シリンダ３０ａの上部開口にカバー３２が取り付けられ、カバー３２によって第１シリンダ３０ａ内にできた閉空間にスプリング３３が装填されている。これにより、ピストン３１ａがスプリング３３によって上方から付勢されるようになっている。従って、このダイアフラム弁１は、ピストン３０ａにスプリング３３の付勢力が常に下方に作用し、図１に示すように弁体部２１が弁座１３に対して当接するように構成されたノーマルクローズタイプの弁である。

一方、ピストン３１ａの下方には加圧室３４が形成され、その加圧室３４内に圧縮エアを供給する操作ポート３５が第１シリンダ３０ａに形成されている。また、第１シリンダ３０ａには、スプリング３３が装填されたピストン３１ａ上方の空間に連通する呼吸ポート３６が形成されている。

続いて、上記した構成を有するダイアフラム弁１の動作について説明する。ダイアフラム弁１は、通常、ピストン３１ａがスプリング３３によって下方に付勢され、ロッド３１ｂおよびバックアップ４０を介してピストン３１ａに連結されたダイアフラム弁体２０の弁体部２１が、図１に示すように弁座１３に対して押し付けられている。こうした閉弁状態のダイアフラム弁１はダイアフラム弁体２０によって遮断され、第１流路１１に流入した流体が第２流路１２へ、または第２流路１２に流入した流体が第１流路１１へ流れることはない。

そして、ボディ１０の操作ポート３５から圧縮エアが供給されると、ピストン３１ａが下方から加圧され、スプリング３３の付勢力に抗してピストン３１ａが上昇する。そのため、ピストン３１ａにロッド３１ｂ及びバックアップ４０を介して接続された弁体部２１は上昇する。これにより、図２に示すように、弁体部２１は弁座１３から離間し、第１流路１１と第２流路１２とが連通した開弁状態となる。このとき、流体を第１流路１１から供給すれば溝部１５、弁孔１４を経由して第２流路１２へと流れ、流体を第２流路１２から供給すれば弁孔１４、溝部１５を経由して第１流路１１へと流れる。

その後、操作ポート３５から加圧室３４に供給された圧縮エアを排出すれば、スプリング３３に付勢されたピストン３１ａが下降する。そのため、ピストン３１ａにロッド３１ｂ及びバックアップ４０を介して接続された弁体部２１が下降する。これにより、図１に示すように、弁体部２１が弁座１３に当接して閉弁状態に戻って流体の流れが遮断される。

ここで、ダイアフラム弁１では、バックアップ４０は、弁体部２１に一体化されているので、ダイアフラム弁体２０とともに上下動する。そして、図１および図２に示すように、閉弁時および開弁時において、ダイアフラム弁体２０の膜部２２の鉛直部２２ａは、バックアップ４０の外周面に常時接触している。このため、弁開閉動作時には、鉛直部２２ａはほとんど変形することなく接続部２２ｂのみが弾性変形することで膜部２２が屈曲する。これにより、ダイアフラム弁１に高圧流体が供給されても、鉛直部２２ａが変形しないので、鉛直部２２ａと弁体部２１の境界２５に応力が集中することがない。このように、ダイアフラム弁１によれば、高圧流体を供給制御する場合にも、鉛直部２２ａと弁体部２１との境界２５付近への応力集中を防止することができるので、ダイアフラム弁体２０の耐久性を向上させることができる。よって、ダイアフラム弁１によれば、高圧流体の供給制御を行うことができる。

以上、詳細に説明したように本実施の形態に係るダイアフラム弁１では、膜部２２外周に水平部２２ｃを備えているので、鉛直部２２ａはダイアフラム弁体２０の内周方向に力を受けている。このため、鉛直部２２ａはダイアフラム弁体２０の外周方向に広がることなくバックアップ４０の外周面に常時接触している。従って、このダイアフラム弁１では、高圧流体が供給されても、鉛直部２２ａはバックアップ４０に支持されて変形することがないので、鉛直部２２ａと弁体部２１の境界２５に応力が集中することがなく劣化の進行を防止することができる。これにより、ダイアフラム弁１によれば、高圧流体を供給制御する場合にも、鉛直部２２ａと弁体部２１との境界２５付近への応力集中を防止してダイアフラム弁体２０の耐久性を向上させることができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施の形態では，スプリング３３の付勢力に抗してダイアフラム弁体２０に開弁動作をさせるアクチュエータとしてエアシリンダを採用したが、この他にもソレノイドを利用するようにしてもよい。

閉弁持の状態を示すダイアフラム弁の断面図である。 開弁持の状態を示すダイアフラム弁の断面図である。 従来のダイアフラム弁の断面図である。

符号の説明

１ ダイアフラム弁
１０ ボディ
１３ 弁座
２０ ダイアフラム弁体
２１ 弁体部
２２ 膜部
２２ａ 鉛直部
２２ｂ 接続部
２２ｃ 水平部
２３ 固定部
３１ｂ ロッド
４０ バックアップ
５０ アクチュエータ

Claims (4)

1. ボディに形成された第１流路および第２流路の境に設けられた弁座に対し、アクチュエータの駆動軸に連結されたダイアフラムを当接または離間させることにより、前記第１流路と前記第２流路との間を閉鎖または開放するようにしたダイアフラム弁において、
   前記ダイアフラムは、弁座に当接する弁体部と、弁体部から外側に広がった膜部と、膜部外周縁に形成された固定部とを有し、
   前記膜部が、前記弁体部に接続され鉛直方向に形成された鉛直部と、その鉛直部と前記固定部とを接続する接続部とを備え、
   前記鉛直部は前記駆動軸に常時接触していることを特徴とするダイアフラム弁。
2. ボディに形成された第１流路および第２流路の境に設けられた弁座に対し、アクチュエータの駆動軸に連結されたダイアフラムを当接または離間させることにより、前記第１流路と前記第２流路との間を閉鎖または開放するようにしたダイアフラム弁において、
   前記ダイアフラムは、弁座に当接する弁体部と、弁体部から外側に広がった膜部と、膜部外周縁に形成された固定部とを有し、前記膜部が、前記弁体部に接続され鉛直方向に形成された鉛直部と、前記固定部に接続され水平方向に形成された水平部と、前記鉛直部と前記水平部とを接続するために断面円弧状に形成された接続部とを備えることを特徴とするダイアフラム弁。
3. 請求項１または請求項２に記載するダイアフラム弁において、
   前記ダイアフラムは、前記弁体部と前記膜部との境界が前記弁座の径よりも内側に位置するものであることを特徴とするダイアフラム弁。
4. 請求項１から請求項３に記載するいずれか１つのダイアフラム弁において、
   前記駆動軸の先端には、前記鉛直部および前記接続部に接触して前記膜部を受け止めるために前記ダイアフラムに一体化されたバックアップが設けられていることを特徴とするダイアフラム弁。

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