JP2009281475A - バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】副流路から主流路に通じるバルブを閉止した時に、バルブの連通流路で流体が滞留するのを抑制し、滞留によるコンタミネーションの発生を抑制する。
【解決手段】バルブは、第１の流体を供給するための流入口７および流出口８を有する主流路１８と、第２の流体を供給するための副流路１９と、副流路１９が連通する主弁室６と、主弁室６の底部中央に形成された開口部から連続して形成された副弁室２０と、副弁室から主流路に連通する入口連通流路２１および出口連通流路２２と、が設けられた本体１と、副弁室２０に連通する主弁室６の開口部を開閉する弁体５と、弁体５を駆動する駆動部と、を具備し、主流路の一部に主流路絞り部２３が形成され、出口連通流路２２が主流路絞り部２３の内部に連通している。
【選択図】図１

Description

本発明は、化学工場、半導体製造、食品、バイオなどの各種産業分野における配管ラインに用いられるバルブに関するものである。

従来、主流路に連通する連通流路を開閉する働きをする機構として、図８に示すようなマニホールドバルブがあった（例えば、特許文献１参照）。このバルブは、略直方体の本体ブロック５１と弁装置５８を備える副ブロック５５よりなっている。本体ブロック５１には、本体ブロック５１の上面から下方に延びる複数の本体側連通流路５２が、本体ブロック５１の長手方向に所定間隔おいて形成されている。本体側連通流路５２の下端位置には本体ブロック５１の長手方向に沿って水平方向に延びる主流路５３が形成されている。本体側連通流路５２と主流路５３とは、主流路５３を形成する壁面の上部に形成された供給用開口５４を介して通じている。また、副ブロック５５は本体ブロック５１の上面に複数個設けられており、それぞれの副ブロック５５の下部には、本体側連通流路５２の上端に一続きになるように通じ上下方向に延びる副ブロック側連通流路５６が形成されている。弁装置５８の下部を介して副ブロック側連通流路５６の上端に通じる副流体流入口５７が副ブロック５５の側面から水平方向に延びるように形成されている。また、弁装置５８は、エアーにより上昇しスプリング６０により下降する弁体５９が副ブロック側連通流路５６の上端を開閉するように設けられた構成を有している。

特開平１０−２９２８７１号公報

しかしながら、上記の従来のマニホールドバルブは、バルブが閉止した時に、弁体５９のシール部分から主流路５３までの間の部分、すなわち本体側連通流路５２及び副ブロック側連通流路５６の部分が流体の滞留部となるという問題がある。すなわち、このような滞留部が生じることは、コンタミネーションの発生の原因になる場合がある。また、副流体流入口５７から主流路５３へ流入する薬液を遮断しても、滞留部に薬液が残るため、主流路５３を流れる流体に滞留部に残った薬液が流入し続け、バルブの下流側での処理プロセスに悪影響を及ぼす恐れがあるという問題がある。

本発明は、以上のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、副流路から主流路に通じるバルブを閉止した時に、バルブの連通流路で流体が滞留するのを抑制し、滞留によるコンタミネーションの発生を抑制することを目的とする。また、本発明の他の目的は、バルブを開放して副流路から流体を流した時に、副流路から流した流体が主流路を流れる流体と流路内でよく混合するようにすることにある。

上記課題を解決するために、本発明のバルブは、第１の流体を供給するための流入口および流出口を有する主流路と、第２の流体を供給するための副流路と、副流路が連通する主弁室と、主弁室の底部中央に形成された開口部から連続して形成された副弁室と、副弁室から主流路に連通する少なくとも２つの連通流路と、が設けられた本体と、副弁室に連通する主弁室の開口部を開閉する弁体と、弁体を駆動する駆動部と、を具備し、主流路の一部に主流路絞り部が形成され、少なくとも１つの連通流路が主流路絞り部の内部に連通し、少なくとも１つの他の連通流路が、主流路の、主流路絞り部以外の部分に連通していることを特徴とする。

この構成によれば、主流路に流される流体の流速が主流路絞り部で速くなって、静圧が低くなることにより、主流路絞り部の内部に連通する連通流路内の流体に対して、主流路に向かって吸引力を作用させることができる。それによって、主流路の、主流路絞り部以外の部分に連通する連通流路から、副弁室を通り、主流路絞り部に連通する連通流路を通って主流路絞り部に向かう流体の流れを生じさせることができる。

上記のような流体の流れを生じさせるため、主流路絞り部の内径ｄは、主流路の内径をＤとして、０．５Ｄ≦ｄ≦０．８Ｄの範囲内とし、連通流路は、主流路絞り部より小径に形成することが好ましい。

また、主流路の連通流路より下流側にスタティックミキサーエレメントを配置することによって、第１の流体と第２の流体の混合の均一性を高めることができる。

本発明において、弁体の駆動部は、モータ部と、モータ部の駆動力を弁体に伝達して弁体を上下動させるステムとを具備する構成とすることができる。

あるいは、弁体の駆動部は、シリンダ部と、シリンダ部の内周面に、該内周面との間がシールされるように接触した状態でシリンダ部内を上下動可能に配置されたピストンと、ピストンの中央から下方に延び、シリンダ部の底面中央に設けられた貫通孔を貫通し、貫通孔の内周面に、該内周面との間がシールされるように接触しており、下端部に弁体が固定された連結部と、シリンダ部の底面及び内周面とピストンの下端面とで形成された第一空間部と、シリンダ部の天井面及び内周面とピストンの上端面とで形成された第二空間部とにそれぞれ連通する各エアー口の少なくとも一方に圧縮空気を注入する機構と、を有する構成とすることができる。

本発明によれば、主流路の、主流路絞り部以外の部分に連通する連通流路から、副弁室を通り、主流路絞り部に連通する連通流路を通って主流路絞り部に向かう流体の流れを生じさせることにより、バルブの連通流路に流体が滞留するのを抑制することができる。それによって、バルブ閉止後に、バルブの連通流路に残った流体が速やかに主流路に導かれるようにして、コンタミネーションの発生を抑制することができる。また、バルブを開けて副流路からの流体を主流路の流体に合流させる際、副流路からの流体が安定して主流路に導かれるようにし、両流体を良好に混合することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明するが、本発明が本実施形態の詳細に限定されないことは言うまでもない。図１は本発明の第一の実施形態によるバルブの開状態を示す縦断面図である。図２は図１のバルブの閉状態を示す縦断面図である。図３は本発明の第二の実施形態によるスタティックミキサーエレメントが配置されているバルブを示す縦断面図である。図４は本発明の第三の実施形態による電気駆動式バルブの縦断面図である。

以下、図１、図２を参照して、本発明の第一の実施形態によるバルブについて説明する。

本実施形態のバルブは本体１、シリンダ本体２、ピストン３、ダイヤフラム押さえ４、弁体５で構成されている。

ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと記す）製の本体１には、上部中央に主弁室６が形成されている。主弁室６の下方には、本体１を水平方向に貫通する主流路１８が形成されている。主弁室６の底部中央には開口部が形成され、この開口部から、主弁室６より小さい副弁室２０が連続して形成されている。また主流路１８には、弁体５の軸線と交わる位置よりも下流側に主流路絞り部２３が設けられている。副弁室２０の底面には主流路絞り部２３の内部に連通する出口連通流路２２と、主流路絞り部２３より上流側で主流路１８に連通する入口連通流路２１が各々連通している。また、主弁室６には副流路１９が連通している。なお、入口連通流路２１は、弁体５の軸線と交わる位置よりも上流側の位置で主流路１８の内周面に連通することが望ましく、副弁室２０から直線状に斜めに形成することが望ましい。また、入口連通流路２１及び出口連通流路２２は主流路絞り部２３より小径に形成されることが望ましい。さらに、本実施形態では、一組の入口連通流路２１と出口連通流路２２が設けられている例を示しているが、複数組設けても良く、両流路の個数は互いに異なっていても良い。

また、主流路絞り部２３の内径ｄは、主流路１８の内径をＤとして、０．６５Ｄになるように形成されている。なお、主流路絞り部２３の内径ｄは、主流路１８の内径をＤとして、０．５Ｄ≦ｄ≦０．８Ｄの範囲内であることが好適であり、０．６Ｄ≦ｄ≦０．７Ｄであることがより好適である。主流路絞り部２３の内径ｄは、主流路１８内で液体が流れにくくならないようにするために０．５Ｄ以上とするのが好ましく、主流路絞り部２３の部分で主流路１８の部分との差圧を発生させて連通流路内に流体が滞留するのを抑制するために０．８Ｄ以下とするのが好ましい。

ポリビニリデンフルオライド（以下、ＰＶＤＦと記す）製のシリンダ本体２は、円筒状のシリンダ部１０を有し、本体１の上部にボルト・ナット（図示せず）で固定されている。シリンダ本体２内には、シリンダ部１０の内周面、ダイヤフラム押さえ４の上端面、及びピストン３の下端面で形成される第一空間部１６と、シリンダ部１０の内周面及び天井面とピストン３の上端面とで形成される第二空間部１７とが形成されている。シリンダ本体２の周側面には、第一空間部１６と第二空間部１７にそれぞれ連通した圧縮空気を導入するためのエアー口１１，１２が設けられている。図示していないが、エアー口１１，１２には、それらに圧縮空気を注入する機構が接続されている。あるいは、第一空間部１６または第二空間部１７の一方にはバネを設置し、他方に連通する、エアー口１１，１２の一方にのみ圧縮空気を注入する機構を接続する構成としてもよい。

ＰＶＤＦ製のピストン３は円盤状でシリンダ部１０の内周面に沿って上下動可能に配置されている。ピストン３の周側面にはＯリングが装着され、シリンダ部１０の内周面との間がシールされている。ピストン３の中央からは、連結部１３が下方に延びており、ダイヤフラム押さえ４に設けられた貫通孔１４を貫通し、その先端部に弁体５が固定されている。連結部１３の周側面にもＯリングが装着され、貫通孔１４の内周面との間がシールされている。

ＰＶＤＦ製のダイヤフラム押さえ４は、中央部にピストン３の連結部１３が貫通する貫通孔１４を有しており、本体１とシリンダ本体２の間に挟持されている。このとき、シリンダ本体２、ピストン３、ダイヤフラム押さえ４によって、バルブの駆動部が形成されている。

主弁室６に収容されているＰＴＦＥ製の弁体５は、ピストン３の連結部１３の先端にねじで取り付けられており、ピストン３の上下動に合わせて軸線方向に上下動するようになっている。弁体５は外周にダイヤフラム１５を有しており、ダイヤフラム１５の外周縁は、本体１に形成された環状溝９内に嵌め込まれて、ダイヤフラム押さえ４と本体１との間に挟持さている。

次に、本発明の第一の実施形態によるバルブの作動について説明する。ここでは主流路に純水、副流路に塩酸を流した場合について説明する。

図１のバルブの開状態から、エアー口１２を介して第二空間部１７に外部より作動流体として圧縮空気が注入されると、ピストン３が押し下げられる。それによって、連結部１３とその下端部に結合された弁体５も下方へ押し下げられ、弁は閉状態となる（図２の状態）。このようにバルブを閉状態とした直後には、副弁室２０、入口連通流路２１、出口連通流路２２には、まだ塩酸が残っている。

流入口７から主流路１８に流入させられた純水は、主流路絞り部２３を通過して流出口８から流出させられる。この際、ベルヌーイの定理によって、主流路絞り部２３での流体の静圧は主流路１８の他の部分での流体の静圧より低くなる。そのため、主流路絞り部２３の内部に連通している出口連通流路２２内に残っている塩酸は、流体の静圧の低くなった主流路絞り部２３側へと吸引される。それに伴って、出口連通流路２２に連通する副弁室２０、副弁室２０に連通する入口連通流路２１内にある塩酸も出口連通流路２２内に引き込まれ、出口連通流路２２を通って主流路１８へと流れる。このようにして、主流路１８から入口連通流路２１、副弁室２０、出口連通流路２２を通って主流路１８に流れ込むという流体の流れが形成される。これにより、入口連通流路２１、副弁室２０、出口連通流路２２にあった塩酸は弁の閉止後、主流路１８を流れる純水によって最初に洗い流される。このため純水のみを流している途中で入口連通流路２１、副弁室２０、出口連通流路２２に留まっていた塩酸が途中で混ざるということが防止される。すなわち、入口連通流路２１、副弁室２０、出口連通流路２２の部分に塩酸が滞留することを防止することができ、流路内にバルブ側からの液体の滞留部がなくなるため、コンタミネーションの発生を防止することができる。

図２の状態からエアー口１１を介して第一空間部１６に圧縮空気が注入されると、圧縮空気の圧力でピストン３が押し上げられる。それによって、ピストン３と結合されている連結部１３は上方へ引き上げられ、連結部１３の下端部に結合された弁体５も上方へ引き上げられ弁は開状態となる（図１の状態）。この状態では、副流路１９を通って入口連通流路２１及び出口連通流路２２から供給される塩酸は、主流路１８の流入口７から流入してきた純水と合流して、流出口８から流出させられる。合流した流体は主流路絞り部２３によって混合される。

ここで、本発明のバルブと従来構造のバルブを用いて２種類の流体を混合したときの濃度の状態を調べるため、以下の要領で試験を行った。

（実験例）
図１に示すような本発明の第一の実施形態のバルブを用いて、純水の供給ラインの下流側にニードルバルブを介して主流路１８の流入口７を接続し、塩酸の供給ラインの下流側にニードルバルブを介して副流路１９の流入口を接続し、バルブの流出口８の下流側に濃度計と流量計を順に接続した試験装置（図示せず）を製作した。なお、バルブから流出した時点での濃度を測定するために、濃度計は、バルブの流出口８との間に継手を介在させて直接接続した。

（比較例）
比較例では、図５に示すような従来の構造のバルブを用いた。このバルブの本体１は、上部中央に形成された主弁室６の底面と、主弁室６の下方に形成された主流路３３との間が、単一の連通流路３４を介して連通した構成となっており、他の構成は本発明の実施形態と同様である。この従来構造のバルブを用いて、純水の供給ラインの下流側にニードルバルブを介して主流路３３の流入口３５を接続し、塩酸の供給ラインの下流側にニードルバルブを介して副流路１９の流入口を接続し、バルブの流出口３６の下流側に実験例と同様に濃度計と流量計を順に接続した試験装置（図示せず）を製作した。

（試験方法）
塩酸と純水の流量の比率がそれぞれ１：１０００、１：３３４、１：２００となり、混合した流体の総流量が２ｌ／ｍｉｎとなるように各々の流体の供給ラインのニードルバルブを調節して流体を流し、バルブの流出口の下流側の濃度計で濃度を各々測定して濃度の経時変化を記録した。このときの塩酸の理論的な濃度は、比率が１：１０００の時に３５９ｐｐｍ、１：３３４の時に１０７５ｐｐｍ、１：２００の時に１７９１ｐｐｍとなる。また、流体を流し始めた時は流体の流れが安定しないので、流体を流し始めてから１５秒経過した後から測定を開始した。実験例で各流量比とした時の濃度の経時変化を図６のグラフに示し、比較例での濃度の経時変化を図７のグラフに示す。

図７より、従来構造のバルブの場合、純水と塩酸が主流路３３で合流させられるのみであり、混合が不十分なために濃度にばらつきが生じていることがわかる。図６より、本発明のバルブの場合、濃度の誤差は７ｐｐｍ以内に収まっており、濃度の経時変化が軽減され、濃度が安定しているのが分かる。これは、主流路１８に主流路絞り部２３が形成されて主流路絞り部２３で流体が絞られることで流体が良く混合し、同時に主流路絞り部２３で流速が速くなることで混合が促進される効果が得られるためである。このことから、本発明の構成によれば混合される流体の混合状態を良好にすることができることが分かる。

次に、図３を参照して、本発明の第二の実施形態によるバルブについて説明する。図３において、第一の実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。

スタティックミキサーエレメント２４は、矩形板を、互いに対向する辺の間で１８０度捻った構造のねじり羽根状板を最小単位部材として、複数の最小単位部材を、捻り方向が交互に反対方向となるように一列に並べて一体的に結合した構造を有している。このスタティックミキサーエレメント２４が本体１の主流路絞り部２３の下流側の流出口８の手前に、流体の流れによって下流へ押し流されないように設置されている。なお、スタティックミキサーエレメント２４は出口連通流路２２の下流側に配置すればよいが、流体絞り部２３の近くに位置することが望ましく、流体絞り部２３の一部分にスタティックミキサーエレメント２４を配置しても良い。このスタティックミキサーエレメント２４の材質は、特に限定されないが、耐薬品性が高く可撓性を有する樹脂が望ましく、具体的には、フッ素樹脂が好適に用いられテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂（以下、ＰＦＡと記す）、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦなどが挙げられる。本実施形態の他の構成は第一の実施形態と同様なので説明を省略する。

次に、本発明の第二の実施形態によるバルブの作動について説明する。ここでは主流路に純水、副流路に塩酸を流した場合について説明する。

バルブが開状態の時、塩酸は、副流路１９を通って入口連通流路２１及び出口連通流路２２から主流路１８へと供給される。主流路１８の流入口７から流入させられる純水は、主流路絞り部２３内での流体の静圧と、主流路１８の他の部分での流体の静圧との差により、主流路１８から入口連通流路２１を通り副弁室２０に達して塩酸と合流し混合する。一方、供給されてきた塩酸も前述した純水と混合した塩酸と共に主弁室６から副弁室２０及び出口連通流路２２を通り主流路１８に吸引される。このようにして、純水と塩酸は効果的に混合される。さらに、スタティックミキサーエレメント２４の配置された流路を通過する時に、スタティックミキサーエレメント２４のねじり羽根状板によって、合流した薬液が撹拌されて流出口８から流出させられる。このとき、主流路絞り部２３によって流体が混合される効果に加えてスタティックミキサーエレメント２４によってさらに混合が行われるので、流体をより均一に混合させることができ、流体の濃度を安定させることができる。なお、スタティックミキサーエレメントの形状は、特に限定されるものではなく、スタティックミキサーエレメント部を通過する流体を撹拌できる構造であればよく、例えば螺旋状のエレメントを用いたり、２つのねじれ羽根状撹拌体を流路内に並べて配置したりしても良い。バルブが閉状態のときの作動は第一の実施形態と同様なので説明を省略する。

本発明のバルブの駆動部は、図４に示すような電気式であってもよく、この場合、駆動部は、ステッピングモータを有するモータ部３１と、モータ部３１のモータにギアを介して連結され、モータ部３１から下方に延びるステム３２とを有している。ステム３２は、ダイヤフラム押さえ４の貫通孔１４を貫通して配置され、ステム３２の下端部には弁体５がねじで結合されている。したがって、モータ部３１を駆動してステム３２を上下動させることにより、弁体５を上下動させることができる。なお、弁体５が、ステム３２を回転させることで上下動するように構成しても良い。

さらに、本発明の各実施形態における本体１、シリンダ本体２、ピストン３、ダイヤフラム押さえ４、弁体５等の各部品の材質は、樹脂であれば、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリエチレンなどいずれでも良い。特に、流体に腐食性流体を用いる場合は、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ＰＦＡなどのフッ素樹脂を用いることが好ましい。フッ素樹脂製であれば腐食性流体に耐えることができ、また腐食性ガスが透過しても配管部材の腐食の心配がなくなるため好適である。

本発明の第一の実施形態によるバルブの開状態を示す縦断面図である。 図１のバルブの閉状態を示す縦断面図である。 本発明の第二の実施形態によるスタティックミキサーエレメントが配置されているバルブを示す縦断面図である。 本発明の第三実施形態による電気駆動式バルブの縦断面図である。 試験に用いた従来構造のバルブを示す縦断面図である。 図１の本発明のバルブを用いて流体を混合した時の濃度の経時変化を示すグラフである。 図５の従来構造のバルブを用いて流体を混合した時の濃度の経時変化を示すグラフである。 は従来のマニホールドバルブの一例を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 本体
２ シリンダ本体
３ ピストン
４ ダイヤフラム押さえ
５ 弁体
６ 主弁室
７ 流入口
８ 流出口
９ 環状溝
１０ シリンダ部
１１ エアー口
１２ エアー口
１３ 連結部
１４ 貫通孔
１５ ダイヤフラム
１６ 第一空間部
１７ 第二空間部
１８ 主流路
１９ 副流路
２０ 副弁室
２１ 入口連通流路
２２ 出口連通流路
２３ 主流路絞り部
２４ スタティックミキサーエレメント
３１ モータ部
３２ ステム

Claims (5)

1. 第１の流体を供給するための流入口および流出口を有する主流路と、第２の流体を供給するための副流路と、該副流路が連通する主弁室と、該主弁室の底部中央に形成された開口部から連続して形成された副弁室と、該副弁室から前記主流路に連通する少なくとも２つの連通流路と、が設けられた本体と、
   前記副弁室に連通する前記主弁室の前記開口部を開閉する弁体と、
   前記弁体を駆動する駆動部と、
   を具備し、
   前記主流路の一部に主流路絞り部が形成され、少なくとも１つの前記連通流路が前記主流路絞り部の内部に連通し、少なくとも１つの他の前記連通流路が、前記主流路の、前記主流路絞り部以外の部分に連通していることを特徴とするバルブ。
2. 前記主流路絞り部の内径ｄが、前記主流路の、前記主流路絞り部以外の部分の内径をＤとして、０．５Ｄ≦ｄ≦０．８Ｄの範囲内であり、
   前記連通流路が該主流路絞り部より小径に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のバルブ。
3. 前記主流路の、前記連通流路が連通している部分より下流側にスタティックミキサーエレメントが配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のバルブ。
4. 前記駆動部が、モータ部と、該モータ部の駆動力を前記弁体に伝達して前記弁体を上下動させるステムとを具備していることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のバルブ。
5. 前記駆動部が、
   シリンダ部と、
   該シリンダ部の内周面に、該内周面との間がシールされるように接触した状態で該シリンダ部内を上下動可能に配置されたピストンと、
   該ピストンの中央から下方に延び、前記シリンダ部の底面中央に設けられた貫通孔を貫通し、該貫通孔の内周面に、該内周面との間がシールされるように接触しており、下端部に前記弁体が固定された連結部と、
   前記シリンダ部の底面及び内周面と前記ピストンの下端面とで形成された第一空間部と、前記シリンダ部の天井面及び内周面と前記ピストンの上端面とで形成された第二空間部とにそれぞれ連通する各エアー口の少なくとも一方に圧縮空気を注入する機構と、
   を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のバルブ。

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