JP2008215569A - ボールバルブ用弁体およびこの弁体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量化を図ると同時に、流体の滞留の要因となる窪みをなくすことができるボールバルブ用弁体およびその弁体の製造方法を提供する。
【解決手段】パイプ素材を外側へ膨出成形することにより形成され外面が球状でかつ球状中心に対して対称面に開口４２Ａ，４２Ｂを有する外球殻４１と、この外球殻４１の内部に挿入され直線筒状で両端が開口に沿って接合された流路管体４４とを備える。パイプ素材を外側へ膨出成形することにより形成された外球殻４１と、直線筒状の流路管体４４とから構成されているから、全体として軽量化できる。しかも、流体が流れる流路管体４４は、直線筒状であるから、流体の滞留の要因となる窪みがなく、そのため、流体の滞留による悪影響を極力低減できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ボールバルブ用弁体およびこの弁体の製造方法に関する。たとえば、半導体製造設備や液晶製造設備などにおいて使用される流体を制御するために用いられるボールバルブ用弁体およびこの弁体の製造方法に関する。

たとえば、半導体製造設備や液晶製造設備などにおいて、バルクガス（例えば、窒素、アルゴン、水素、酸素、ヘリウムなど）やクリーンドライエア（ＣＤＡ）などの流体を制御するために、ボールバルブが用いられている。
ボールバルブは、入口および出口を有するハウジングと、このハウジング内に回動可能に収納され内部に流体流路を有するボール（弁体）と、このボール（弁体）を回動させて流体流路をハウジングの入口・出口に導通状態あるいは非導通状態に切り替える操作ハンドルなどから構成される。

従来、この種のボールバルブに用いられるハウジングは、鋳物によって形成されるものが多い。また、ボール（弁体）についても、円柱状の棒材を機械切削して形成したものや、鋳造作業によって形成したもの等が知られている。
しかし、これらのものは、鋳物や機械切削加工によるものであるため、重量が重いという欠点がある。

そこで、ハウジングに関しては、パイプをバルジ液圧加工して成形したものが提案されている（特許文献１参照）。
また、ボール（弁体）に関しても、パイプ素材の外周面に凹部をプレス成形により形成するとともに、全体を球状にプレス加工したものが提案されている（特許文献２および特許文献３参照）。

特開平 ７−５５０３５号公報 特開昭６０−３３８４０号公報 特開昭６１−１２４７７９号公報

しかし、上述した技術は、全体として軽量化が図れるものの、特に、特許文献２や特許文献３に開示の技術では、ボール（弁体）の内部に流体の抵抗となる窪みができる構造であるため、用途によっては使用できない場合がある。たとえば、食品の製造設備に適用した場合、ボール内部の窪みで流体が滞留し、バクテリアの発生・増殖の要因となる。また、半導体製造設備や液晶製造設備など適用した場合、流通ガスをパージする際に、窪みの部分にガスが滞留したままで、残留する可能性がある。

本発明の目的は、軽量化を図ると同時に、流体の滞留の要因となる窪みをなくすことができるボールバルブ用弁体およびその弁体の製造方法を提供することにある。

本発明のボールバルブ用弁体は、パイプ素材を外側へ膨出成形することにより形成され外面が球状でかつ球状中心に対して対称面に開口を有する外球殻と、この外球殻の内部に挿入され直線筒状でかつ両端が前記開口に沿って接合された流路管体とを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、パイプ素材を外側へ膨出成形することにより形成された外球殻と、直線筒状の流路管体とから構成されているから、全体として軽量化できる。同時に、弁体が軽量化されることにより、弁座の変形や封止性能の低下も低減できる。また、流体が流れる流路管体は、直線筒状であるから、流体の滞留の要因となる窪みがなく、そのため、流体の滞留による悪影響を極力低減できる。

本発明のボールバルブ用弁体において、前記流路管体の長手方向略中間位置でかつ前記外球殻の外表面に露出して設けられ、弁棒が係合される弁棒係合部材を備えることが好ましい。
この発明によれば、弁棒、つまり、弁体を回動させる弁棒が係合される弁棒係合部材が、外球殻や流路管体とは別部材として設けられているから、外球殻や流路管体を肉薄なパイプ素材で成形しても、弁棒係合部材を十分な肉厚の部材で形成することができる。そのため、全体の軽量化を維持しつつ、弁棒の回転力を弁体に確実に伝達できる。従って、弁棒の回転力によって外球殻や流路管体が変形するような影響も回避できる。

本発明のボールバルブ用弁体において、前記外球殻および流路管体は、ステンレス鋼管により構成されていることが好ましい。
従来、ボールバルブに内蔵される弁体（ボール）の材料としては、小口径範囲ではステンレス鋼棒または鍛造品やロストワックス鋳造品（ロストワックス鋳造法：製品模型をワックスで作り、造型後にワックスを熱で溶出して鋳型を作る鋳造法）が、また、中・大口径範囲では、鋳造品が採用されている。
ボールは、鋳造または鍛造によって成形されたのち、所定寸法に機械加工され、続いて、脱脂処理、不動態化処理および精密洗浄に先立って、バリ除去のためバフ研磨加工される。バフ研磨加工では、通常、油性研磨剤（たとえば、松香（Rosin）や牛油（Butter）などの油成分を約１０％程度含有する油性研磨剤）が用いられる。
特に、鋳造品のボールの場合、ボールの表面には目視では確認できないほどの微細な孔が存在しているため、バフ研磨加工で油性研磨剤を用いると、その微細孔内に油性バフ研磨材が浸透し、１回の洗浄サイクルでは油性分を除去できない。その結果、このようなボールバルブを半導体製造設備や液晶製造設備など適用すると、配管を流れる流体（バルクガスやクリーンドライエア）によって、ボール表面の微細孔に浸透した油性バル粉が溶出し、流体に混入され、製品精度に悪影響を与える。
この発明によれば、外球殻および流路管体が、ステンレス鋼管により構成されているから、外球殻の外表面や流路管体の内周面も、鋳造品などに比べて、微細孔を少なくでき、その結果、バフ研磨加工時の油性分の浸透割合も低減できる。このため、その後の洗浄コストも削減できるほか、油性バフ粉の溶出量も低減できるという効果も期待できる。

本発明のボールバルブ用弁体の製造方法は、パイプ素材を外側へ膨出成形することにより外面が球状でかつ球状中心に対して対称面に開口を有する外球殻を形成する外球殻形成工程と、この外球殻の内部に直線筒状の流路管体を挿入し、この流路管体の両端を前記外球殻の前記開口に沿って接合する流路管体接合工程と、を備えたことを特徴とする。
この発明によれば、まず、外球殻形成工程において、パイプ素材を外側へ膨出成形することにより外面が球状でかつ球状中心に対して対称面に開口を有する外球殻を形成する。例えば、バルジ加工によって、パイプ素材を外側へ膨出成形したのち、両端パイプ部分を切断して外球殻を形成する。
続いて、流路管体接合工程において、外球殻の内部に流路管体を挿入し、この流体管体の両端を外球殻の開口に沿って接合すれば、弁体を形成することができる。従って、共にパイプ素材から弁体を構成できるから、機械切削加工によって弁体を形成する場合に比べ、材料費も節約でき、製造コストも低減できる。

本発明のボールバルブ用弁体の製造方法において、弁棒が係合される弁棒係合部材を、前記流路管体の長手方向略中間位置でかつ前記外球殻の外表面に露出して接合する弁棒係合部材接合工程を備えることが好ましい。
この発明によれば、上述したように、弁体を回動させる弁棒が係合される弁棒係合部材が、外球殻や流路管体とは別部材として設けられているから、外球殻や流路管体を肉薄なパイプ素材で成形しても、弁棒係合部材を十分な肉厚の部材で形成することができる。そのため、全体の軽量化を維持しつつ、弁棒の回転力を弁体に確実に伝達できる。従って、弁棒の回転力によって外球殻や流路管体が変形するような影響も回避できる。

本発明のボールバルブ用弁体の製造方法において、前記外球殻および前記流路管体に、ステンレス鋼管を用いることが好ましい。
この発明によれば、上述したように、バフ研磨時の油性分の浸透量も少なくできるので、その後の洗浄コストも削減できるほか、油性バフ粉の溶出量も低減できるという効果が期待できる。

本発明のボールバルブ用弁体の製造方法において、前記外球殻および前記流路管体が一体的に接合された組立体に対して、所定寸法に機械加工する機械加工工程と、この機械加工工程の後に、前記組立体に対して、バフ研磨するバフ研磨工程と、このバフ研磨工程の後に、前記組立体に対して、電解研磨を行う電解研磨工程と、を備えることが好ましい。
この発明によれば、外球殻および流路管体が一体的に接合された組立体に対して、所定寸法に機械加工する機械加工工程と、この機械加工工程の後に、組立体に対してバフ研磨するバフ研磨工程と、このバフ研磨工程の後に、組立体に対して電解研磨を行う電解研磨工程とを備えているから、つまり、機械加工後に、バフ研磨、電解研磨を行うので、組立体の表面粗さ精度を高精度に仕上げることができ、特に、表面を鏡面に仕上げることができる。
そのため、鏡面仕上げが可能であるため、平滑性に優れ、その結果（平滑性に優れている結果）、流体の付着も少なく洗浄性にも優れる、つまり、非付着性や洗浄性に優れる。このことは、流体の滞留による悪影響をより一層低減できるという効果が期待できる。

＜ボールバルブの説明（図１および図２参照）＞
図１は、本実施形態に係るボールバルブを示す断面図、図２は、同ボールバルブの一部を示す平面図である。
本実施形態に係るボールバルブ１は、配管２，３の間に接合されるハウジング１０と、このハウジング１０の内部に回動可能に収納される球状の弁体４０と、この弁体４０を回動させて配管２，３中を流れる流体を制御する切替機構２０とから構成されている。

ハウジング１０は、円筒形状の筒体１１と、この筒体１１の両端開口に嵌合された一対の蓋体１５と、この一対の蓋体１５を四隅で締結するボルト・ナット１９とから構成されている。
筒体１１の外周壁には、突起部１２が筒体１１の中心軸に対して直角に突出形成されている。突起部１２には、中心に筒体１１の内外を貫通するステム挿入孔１３が形成されているとともに、外周に２つのストッパ片１４Ａ，１４Ｂが約１８０度間隔隔てて設けられている。
蓋体１５の略中心位置には、内外面に貫通する流体流路１６を内部に有する接続管１７が外側へ突出して一体形成されている。接続管１７の外端は、配管２，３にそれぞれ溶接されている。流体流路１６の内端には、リング状の弁座シール１８が全周に沿って設けられている。

弁体４０は、後述の図３および図４において説明するので、ここでは、省略する。

切替機構２０は、筒体１１のステム挿入孔１３に複数のシールリングを介して回動可能に収納された弁棒としてのステム２１と、このステム２１を回動させるハンドル３１とを備える。
ステム２１には、内端部に弁体４０に係合する係合部２２が形成されているとともに、外端部にハンドル係合部２３とねじ部２４とが形成されている。ハンドル係合部２３にハンドル３１が差し込み係合されたのち、ねじ部２４にナット２５が螺合されることにより、ハンドル３１がステム２１と一体化される。
ハンドル３１は、ステム２１のハンドル係合部２３に差し込み係合される係合部３２と、この係合部３２から斜め上方へ延長された傾斜部３３と、この傾斜部３３から水平に延長された握部３４とを備える。係合部３２の先端には、弁体４０が導通・非導通状態の角度まで回動された際にストッパ１４Ａに当接する折曲片３５Ａ，３５Ｂがそれぞれ折り曲げ形成されている。傾斜部３３には、ロック部材３６が上下にスライド可能に装着されている。ロック部材３６は、傾斜部３３にスライド可能に設けられたスライド筒３７と、このスライド筒３７の下端から一体的に形成されストッパ１４Ｂを両側から挟む挟持爪３８とを備えている。

＜弁体の説明（図３および図４参照）＞
図３は、弁体の断面図、図４は、図３のIV−IV線断面図である。
弁体４０は、パイプ素材を外側へ膨出成形することにより形成された外球殻４１と、この外球殻４１の内部に挿入された流路管体４４と、この流路管体４４の長手方向略中間位置の外側で外球殻４１の外表面に露出して設けられた弁棒係合部材としてのステム係合部材４５とを備える。ここで、外球殻４１および流路管体４４は、ステンレス鋼管により構成されている。また、ステム係合部材４５は、ステンレス製が好ましい。

外球殻４１は、外面が球状で、かつ、球状中心に対して対称面に開口４２Ａ，４２Ｂを有する形状に成形されている。つまり、仮想真球の中心からそれぞれ反対側へ向かって等距離隔てた位置で、互いに平行な面で切断された形状に形成されている。切断された面には、開口４２Ａ，４２Ｂが形成されているともに、これらの開口４２Ａ，４２Ｂの中心を結ぶ軸線に対して直角方向位置に溝部４３が形成されている。溝部４３は、開口４２Ａ，４２Ｂの中心を結ぶ軸線方向を幅方向寸法とすると、幅方向に対して直交する方向（図４で左右方向）の寸法が長い細幅スリット溝形状に加工されている。
流路管体４４は、外径寸法が外球殻４１の開口４２Ａ，４２Ｂの内径寸法に略等しく、かつ、肉厚が外球殻４１の肉厚より薄いステンレス鋼管を所定寸法（開口４２Ａ，４２Ｂを結ぶ長さ）に切断したもので、両端が開口４２Ａ，４２Ｂの全周に沿って溶接接合されている。
ステム係合部材４５は、外球殻４１の溝部４３の幅寸法および溝長さ寸法に相当する幅および長さを有する矩形状ブロックの表面に底面が円弧面をなす係合溝４６が形成された形状である。

＜弁体の製造方法の説明（図５〜７参照）＞
図５は、弁体４０の成形工程を示す図、図６は、弁体４０の仕上工程を示す図、図７は、バルジ加工を説明するための図である。
弁体４０の製造にあたっては、まず、成形工程（図５参照）において、弁体４０を構成したのち、仕上工程（図６参照）において、仕上げ加工を行う。具体的には、次の順序で作業を行う。

（ａ）外球殻形成工程（図５（Ａ）参照）
パイプ素材を外側へ膨出成形することにより外面が球状でかつ球状中心に対して対称面に開口を有する外球殻４１を成形する。これには、バルジ加工によって成形する。
バジル加工では、図７に示すように、ステンレス鋼管製のパイプを所定長さに切断したパイプ素材を、半球の両側に半円柱の成形面を有する上型５１および下型５２の間に収納したのち、両側の中間型５３，５４から高圧（約８００気圧程度）の液体を注入する。すると、パイプ素材は、上型５１および下型５２の成形面に沿って変形（膨出変形）され、パイプ部４１Ａの間に球状部４１Ｂが成形される。

（ｂ）外球殻の内径および溝加工工程（図５（Ｂ）参照）
バジル加工によって成形されたパイプ素材を機械加工する。まず、球状部４１Ｂの両側（パイプ部４１Ａが突出した両側）を互いに平行に切断して外球殻４１を形成する。すると、切断された面には、開口４２Ａ，４２Ｂが形成されるから、この開口４２Ａ，４２Ｂの内面を、これらの開口４２Ａ，４２Ｂの中心を結ぶ軸線を中心とする円筒状に機械加工する。また、開口４２Ａ，４２Ｂの中心を結ぶ軸線に対して直角方向位置に溝部４３を機械加工する。

（ｃ）外球殻と流路管体との接合工程（図５（Ｃ）参照）
外球殻４１の内部に流路管体４４を挿入し、流路管体４４の両端を開口４２Ａ，４２Ｂの全周に沿って接合する。たとえば、流路管体４４の両端を外球殻４１の開口４２Ａ，４２Ｂに合わせたのち、外球殻４１の外側よりＴＩＧ（Tungsten Inert Gas Arc Welding）溶接を行うことにより、外球殻４１と流路管体４４とを一体的に接合する。

（ｄ）外球殻とステム係合部品との接合工程（図５（Ｄ）参照）
予め形成したステム係合部材４５を、外球殻４１の溝部４３に嵌め込み、その接合部をシール溶接して、外球殻４１とステム係合部材４５とを接合する。

（ｅ）機械加工工程（図６のＳＴ（Ｅ）参照）
外球殻４１、流路管体４４およびステム係合部材４５が一体的に接合された組立体に対して、機械加工を施し、所定寸法に仕上げる。つまり、外球殻４１の外径寸法、流路管体４４の内径寸法などを所定の寸法に仕上げる。

（ｆ）バフ研磨（図６のＳＴ（Ｆ）参照）
機械加工後の組立体に対して、バフ研磨を行う。バフ研磨材としては、例えば、次の組成の研磨材を用いる。
酸化アルミニウム ４４ ％
ワックス（白） ２６ ％
硬脂酸 １８ ％
松香 ５．５％
牛油 ５ ％
水 １．５％

（ｇ）電解複合研磨（図６のＳＴ（Ｇ）参照）
バフ研磨後の組立体に対して、電解複合研磨を行って、表面を鏡面仕上げする。電解複合研磨では、電解による電気化学的な研磨と、研磨材による物理的な研磨とを行うため、高鏡面に仕上げることができる。そのため、サブミクロンの鏡面仕上げが可能であるため、平滑性に優れ、その結果（平滑性に優れている結果）、流体の付着も少なく洗浄性にも優れる、つまり、非付着性や洗浄性に優れる。

＜実施形態の効果＞
（１）パイプ素材を外側へ膨出成形することにより形成された外球殻４１と、直線筒状の流路管体４４とを接合して構成されているから、全体として軽量化できる。
（２）流体が流れる流路管体４４は、直線筒状であるから、流体の滞留の要因となる窪みがなく、そのため、流体の滞留による悪影響を極力低減できる。
（３）弁体４０を回動させるステム２１が係合されるステム係合部材４５が、外球殻４１や流路管体４４とは別部材として設けられているから、外球殻４１や流路管体４４を肉薄なパイプ素材で成形しても、ステム係合部材４５を十分な肉厚の部材で形成することができる。そのため、全体の軽量化を維持しつつ、ステム２１の回転力を弁体４０に確実に伝達できる。従って、ステム２１の回転力によって外球殻４１や流路管体４４が変形するような影響も回避できる。

（４）外球殻４１および流路管体４４が、ステンレス鋼管により構成されているから、外球殻４１の外表面や流路管体４４の内周面も、鋳造品に比べて、微細孔を少なくでき、その結果、バフ研磨加工時の油性分の浸透割合を低減できる。そのため、その後の洗浄コストも削減できるほか。油性バフ粉の溶出量も低減できるから、製品精度への影響を極力低減できる。

（５）外球殻４１、流路管体４４およびステム係合部材４５が一体的に接合された組立体に対して、所定寸法に機械加工する機械加工後に、バフ研磨、電解複合研磨を行うので、組立体の表面粗さ精度を高精度に、特に、表面を鏡面に仕上げることができる。そのため、サブミクロンの鏡面仕上げが可能であるため、平滑性に優れ、その結果（平滑性に優れている結果）、流体の付着も少なく洗浄性にも優れる、つまり、非付着性や洗浄性に優れる。このことは、流体の滞留による悪影響をより一層低減できる。

＜変形例＞
本発明は、前述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれる。
前記実施形態では、外球殻４１、流路管体４４およびステム係合部材４５を溶接接合して、弁体４０を形成したが、部品としては、外球殻４１および流路管体４４で構成し、外球殻４１の外表面の一部を窪ませて、ステム係合部を形成するようにしてもよい。

前記実施形態では、外球殻４１、流路管体４４およびステム係合部材４５の組立体に対して、機械加工およびバフ研磨後に、電解複合研磨を行ったが、電解複合研磨に代わって、電解研磨としてもよい。つまり、電解による電気化学的な研磨だけであってもよい。

前記実施形態では、外球殻４１、流路管体４４およびステム係合部材４５の組立体に対して、機械加工後に、バフ研磨、電解複合研磨を行ったが、バフ研磨、電解複合研磨を省略し、所定寸法に機械加工する際、ダイアモンドカッタなどを用いて仕上げ面を鏡面に仕上げ加工するようにしても、略同様な効果が期待できる。

本発明は、半導体製造設備や液晶製造設備などにおいて、バルクガスやクリーンドライエアー（ＣＤＡ）などの流体を制御するために用いられるボールバルブ用弁体に利用できるほか、食品製造設備などにおいて、液体などの流量を制御するボールバルブ用弁体、更には、一般のボールバルブ用弁体全般に利用できる。

本発明に係るボールバルブを示す断面図。 同上実施形態の一部を示す平面図。 同上実施形態の弁体を示す断面図。 図３のIV−IV線断面図。 同上実施形態において、弁体の製造工程（成形工程）を示す図。 同上実施形態において、弁体の製造工程（仕上工程）を示す図。 同上実施形態において、弁体を成形加工するバルジ加工を説明する図。

符号の説明

１…ボールバルブ、
２，３…配管、
２１…ステム（弁棒）、
４０…弁体、
４１…外球殻、
４２Ａ，４２Ｂ…開口、
４３…溝部、
４４…流路管体、
４５…ステム係合部材（弁棒係合部材）、
４６…係合溝。

Claims (7)

1. パイプ素材を外側へ膨出成形することにより形成され外面が球状でかつ球状中心に対して対称面に開口を有する外球殻と、この外球殻の内部に挿入され直線筒状でかつ両端が前記開口に沿って接合された流路管体とを備えたことを特徴とするボールバルブ用弁体。
2. 請求項１に記載のボールバルブ用弁体において、
   前記流路管体の長手方向略中間位置でかつ前記外球殻の外表面に露出して設けられ、弁棒が係合される弁棒係合部材を備えることを特徴とするボールバルブ用弁体。
3. 請求項１または請求項２に記載のボールバルブ用弁体において、
   前記外球殻および流路管体は、ステンレス鋼管により構成されていることを特徴とするボールバルブ用弁体。
4. パイプ素材を外側へ膨出成形することにより外面が球状でかつ球状中心に対して対称面に開口を有する外球殻を形成する外球殻形成工程と、
   この外球殻の内部に直線筒状の流路管体を挿入し、この流路管体の両端を前記外球殻の前記開口に沿って接合する流路管体接合工程と、
   を備えたことを特徴とするボールバルブ用弁体の製造方法。
5. 請求項４に記載のボールバルブ用弁体の製造方法において、
   弁棒が係合される弁棒係合部材を、前記流路管体の長手方向略中間位置でかつ前記外球殻の外表面に露出して接合する弁棒係合部材接合工程を備えることを特徴とするボールバルブ用弁体の製造方法。
6. 請求項４または請求項５に記載のボールバルブ用弁体の製造方法において、
   前記外球殻および前記流路管体に、ステンレス鋼管を用いたことを特徴とするボールバルブ用弁体の製造方法。
7. 請求項４〜請求項６のいずれかに記載のボールバルブ用弁体の製造方法において、
   前記外球殻および前記流路管体が一体的に接合された組立体に対して、所定寸法に機械加工する機械加工工程と、
   この機械加工工程の後に、前記組立体に対して、バフ研磨するバフ研磨工程と、
   このバフ研磨工程の後に、前記組立体に対して、電解研磨を行う電解研磨工程と、を備えることを特徴とするボールバルブ用弁体の製造方法。

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