JP2015086943A - バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】シール部材が経時劣化しても、シール性の劣化を防止または抑制できるバルブを提供する。
【解決手段】開口１５を有する弁座２０と、開口を開閉する弁体４０と、弁体および弁座の一方に設けられ、弁体と弁座との間をシールする弾性シール部材４２と、弁体を、弁体および弁座の他方が弾性シール部材と離間した第１の領域と、弁体および弁座の他方が弾性シール部材と接触した第２の領域と、弁体を弾性シール部材を介して弁座に押し付けて、弁体によって弁座の開口を弾性シール部材を介して気密に閉じる第３の領域との間で移動させる弁体移動押し付け手段７０と、弁体を、第１の領域と、第２の領域と、第３の領域との間で移動させ、第３の領域では、一定の力で弁体を弾性シール部材を介して弁座に押し付けるように弁体移動押し付け手段を制御する制御手段と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、バルブに関し、特にゲートバルブに関する。

弁座に対する弁体の位置が一定になるように制御することによって、弁座と弁体との間のシール部材をつぶしてゲートバルブを閉じることが提案されている（特許文献１参照）。

特許第５０４４７２５号公報

しかしながら、弁座に対する弁体の位置が一定になるような制御によって、弁座と弁体との間のシール部材をつぶしてゲートバルブを閉じると、シール部材の経時劣化によって、シール部材のつぶれ量が同じであっても、シール部材によるシール性が劣化し、その結果、ゲートバルブのシール性が劣化する。

本発明の主な目的は、シール部材が経時劣化しても、シール性の劣化を防止または抑制できるバルブを提供することにある。

本発明の一態様によれば、
開口を有する弁座と、
前記開口を開閉する弁体と、
前記弁体および前記弁座の一方に設けられ、前記弁体と前記弁座との間をシールする弾性シール部材と、
前記弁体を、前記弁体および前記弁座の他方が前記弾性シール部材と離間した第１の領域と、前記弁体および前記弁座の他方が前記弾性シール部材と接触した第２の領域と、前記弁体を前記弾性シール部材を介して前記弁座に押し付けて、前記弁体によって前記弁座の開口を前記弾性シール部材を介して気密に閉じる第３の領域との間で移動させる弁体移動押し付け手段と、
前記弁体を、前記第１の領域と、前記第２の領域と、前記第３の領域との間で移動させ、前記第３の領域では、一定の力で前記弁体を前記弾性シール部材を介して前記弁座に押し付けるように前記弁体移動押し付け手段を制御する制御手段と、
を備えるバルブが提供される。

本発明によれば、シール部材が経時劣化しても、シール性の劣化を防止または抑制できるバルブが提供される。

図１は、本発明の好ましい第１実施の形態のゲートバルブを説明するための概略縦断面図である。 図２は、図１のＡＡ線概略縦断面図であり、ゲートバルブが開いた状態を示す図である。 図３は、図１のＡＡ線概略縦断面図であり、ゲートバルブが閉じた状態を示す図である。 図４は、本発明の好ましい第１実施の形態のゲートバルブの弁体を説明するための概略斜視図である。 図５は、本発明の好ましい第２実施の形態のゲートバルブを説明するための概略縦断面図である。 図６は、本発明の好ましい第１実施の形態のゲートバルブの動作を説明するための図である。 図７は、本発明の好ましい第１実施の形態の変形例のゲートバルブの動作を説明するための図である。 図８は、本発明の好ましい第１実施の形態のゲートバルブの動作を説明するための図である。 図９は、本発明の好ましい第１実施の形態のゲートバルブの閉塞動作を説明するためのフローチャートである。

次に、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１〜図３を参照すれば、本発明の好ましい第１の実施の形態のゲートバルブ１は、弁部１０と、弁部１０を駆動する駆動部６０と、駆動部６０を駆動するドライバ８０と、ドライバ８０を制御する制御部８２とを備えている。

弁部１０は、弁座２０と、弁体４０と、底面プレート５９と、中継ぎチャンバ５０とを備えている。弁座２０は、弁座本体２１を備えている。弁座本体２１の内部には、弁座空間２２が設けられている。弁座本体２１は互いに対向するフランジ面２３、２４を備えている。貫通孔１１が弁座本体２１を貫通して設けられている。貫通孔１１は、フランジ面２３とフランジ面２４とに開口１２、１３をそれぞれ形成している。貫通孔１１は、弁座空間２２の上部を貫通して設けられている。貫通孔１１は、弁座空間２２の上部側壁１４に開口１５を形成している。開口１５の周囲に、後述するＯリング４２が当接する当接部１６が設けられている。

弁座空間２２内に弁体４０が設けられている。弁体４０には、Ｏリング４２が設けられている。Ｏリング４２は弾性シール部材の一例である。図４を参照すれば、弁体４０は、両側の端部４５、４７と、端部４５、４７の間の中央部４９の手前側の凹部４８と奥側の凸部４６とを備えている。端部４５の上面４５ａ、凸部４６の上面４６ａ、端部４７の上面４７ａ、凹部４８の上面４８ａには連続した溝４１が設けられ、溝４１には、環状のＯリング４２が設けられている。Ｏリング４２が弁座２０の開口１５の周囲の当接部１６に押し付けられることによって、弁座２０と弁体４０との間がシールされる。

弁座本体２１の底面２１ａにはＯリング２９を介して底面プレート５９が取り付けられている。底面プレート５９の下部には中継ぎチャンバ５０が底面プレート５９と一体になって形成されて設けられている。弁体４０の下部４０ａには軸４４が取り付けられている。底面プレート５９の中央部には、貫通孔５９ａが設けられている。貫通孔５９ａを介して弁座空間２２と中継ぎチャンバ５０内の空間５１が連通している。軸４４は貫通孔５９ａを貫通して設けられている。

中継ぎチャンバ５０内の空間５１にベローズ５２が設けられている。ベローズ５２の上端は取り付け部材５３の下面５３ａに固定されている。取り付け部材５３の上面５３ｂは、中継ぎチャンバ５０内の空間５１に露出する底面プレート５９の下面５９ｂにＯリング５４を介して取り付けられている。ベローズ５２の下端は取り付け部材５５の一端部５５ａに固定されている。取り付け部材５５の他端部５５ｂは、軸４４の下端部４４ａにＯリング５６を介して取り付けられている。ベローズ５２によって中継ぎチャンバ５０内の空間５１は２つの空間５７、５８に仕切られている。空間５７は、貫通孔５９ａを介して弁座空間２２と連通している。空間５８は大気雰囲気である。

軸４４の下部に軸４５が取り付けられている。軸４５の下部にネジ軸４６が取り付けられている。軸４４は空間５７内にあり、軸４５およびネジ軸４６は大気雰囲気内にある。中継ぎチャンバ５０の底面プレート６１の中央部には貫通孔６１ａが設けられている。貫通孔６１ａにはボールスプラインのスプラインナット６２が取り付けられている。軸４５は、スプライン軸として機能し、このスプラインナット６２に組み込まれてボールスプライン６３を構成している。

中継ぎチャンバ５０の底面プレート６１の下部には、駆動部チャンバ６５が取り付けられている。駆動部チャンバ６５内にはサーボモータ７０が設けられている。サーボモータ７０は、ステータ７１と、ロータ７２と、エンコーダ（図示せず）とを備えている。サーボモータ７０のステータ７１が駆動部チャンバ６５の側壁６５ａに取り付けられている。ステータ７１は、例えば、巻線等で構成されている。ステータ７１内にロータ７２が設けられている。ロータ７２は、例えば、永久磁石で構成されている。ロータ７２はベアリング（図示せず）を介して駆動部チャンバ６５に取り付けられている。

ロータ７２の内側には、ボールネジ４８のナット４７が固定されている。ボールネジ４８はナット４７とネジ軸４６等から構成されている。駆動部チャンバ６５の底面プレート側壁６５ｂに端部カバー６６が取り付けられている。

制御部８２によりドライバ８０を制御してサーボモータ７０を回転すると、ロータ７２が回転し、ロータ７２に固定されているナット４７が回転する。ナット４７が回転すると、ボールネジ４８によってナット４７の回転運動がネジ軸４６の直線運動に変換され、ネジ軸４６が上下方向に移動する。ネジ軸４６が上下方向に移動すると軸４４、ひいては弁体４０およびＯリング４２が上下方向に移動する。弁体４０およびＯリング４２が上方向に移動すると、Ｏリング４２を介して開口１５を弁体４０が閉じてゲートバルブ１が閉じ（図３参照）、下方向に移動すると、弁体４０が開口１５よりも下側に移動してゲートバルブ１が開く（図２参照）。

次に、制御部８２の制御によりゲートバルブ１を開閉する動作を詳細に説明する。

まず、ゲートバルブ１のフランジ面２３側およびフランジ面２４側の両側が大気圧未満の圧力のときのゲートバルブ１を開閉する動作を説明する。

（閉塞動作）
図１、図６（Ａ）、図８、図９を参照すれば、制御部８２は、ドライバ８０を介して、サーボモータ７０に速度ｖ１１を示す制御信号を送信する。ドライバ８０は、この制御信号を受信して、ロータ７２を所定の回転量だけ速度ｖ１１で回転させるようにサーボモータ７０を駆動する（図６（Ａ）、時間Ｔ１〜Ｔ２間）。ロータ７２の回転がボールネジ４８によって弁体４０の直線運動に変換され、速度ｖ１１に対応する速度ｖ２１で弁体４０が弁座２０に向かって移動する（図９、ステップＳ１０１）。弁体４０は、弁体４０が開口１５よりも下側に位置してゲートバルブ１が開いた位置Ｐｏ０（図８参照）から、Ｏリング４２が弁座２０の当接部１６に当接する直前の所定位置（位置Ｐｏ１、図８参照）まで移動する（図９、ステップＳ１０２）。このように、位置Ｐｏ０から位置Ｐｏ１までの間の領域（第１の領域）（時間Ｔ１〜Ｔ２間）では、位置制御を行う。なお、図８において、横軸は弁座２０に対する弁体４０の位置を表し、縦軸は、弁体４０が弁座２０に向かって移動する速度（ｖ）、サーボモータ７０にドライバ８０から供給する電流値（Ｉ）、サーボモータ７０が発生するトルク（Ｔ）、弁体４０がＯリング４２を介して弁座２０に押し付けられる力（Ｆ）を表している。

その後、Ｏリング４２が弁座２０の当接部１６に当接してからは、制御部８２は、ドライバ８０を介して、サーボモータ７０に速度ｖ１２を示す制御信号を送信する。ドライバ８０は、この制御信号を受信して、ロータ７２を、速度ｖ１１より小さい速度ｖ１２で回転させるようにサーボモータ７０を駆動する（図６、時間Ｔ３〜Ｔ４間）。ロータ７２の回転がボールネジ４８によって弁体４０の直線運動に変換され、速度ｖ１２に対応する速度ｖ２２（ｖ２２＜ｖ２１）で弁体４０が弁座２０に向かって移動する（図９、ステップＳ１０３）。この際には、サーボモータ７０にドライバ８０から供給する電流値が所定の値（Ｉ１、図８参照）に達して、サーボモータ７０が発生するトルクが所定の値（Ｔ１、図８参照）になるまで、弁体４０が弁座２０に向かって移動する（図９、ステップＳ１０４）ように制御部８２がドライバ８０を制御する。弁体４０は、Ｏリング４２が弁座２０の当接部１６に当接する直前の位置またはＯリング４２が弁座２０の当接部１６に当接した直後の位置（位置Ｐｏ１、図８参照）から、サーボモータ７０が発生するトルクが所定の値（Ｔ１、図８参照）になり、弁体４０が一定の力（Ｆ１、図８参照）でＯリング４２を介して弁座２０に押し付けられる位置（位置Ｐｏ２、図８参照）まで移動する。このように、位置Ｐｏ１から位置Ｐｏ２までの間の領域（第２の領域）（時間Ｔ３〜Ｔ４間）では、トルク制御を行う。

その後、サーボモータ７０にドライバ８０から供給する電流値が当該所定の値（Ｉ１、図８参照）を維持して、サーボモータ７０が発生するトルクが当該所定の値（Ｔ１、図８参照）を維持する（図９、ステップＳ１０５）ように、制御部８２がドライバ８０を制御する。ロータ７２の回転がボールネジ４８によって弁体４０の直線運動に変換されるので、このように、サーボモータ７０が発生するトルクが当該所定の値（Ｔ１、図８参照）を維持するように、制御部８２がドライバ８０を制御すると、位置Ｐｏ２（第３の領域）（図８参照）において、弁体４０が一定の力（Ｆ１、図８参照）でＯリング４２を介して弁座２０に押し付けられる。このように、弁体４０をＯリング４２を介して弁座２０に押し付けることによって、弁体４０によって弁座２０の開口１５をＯリング４２を介して気密に閉じる。

今、Ｏリング４２が経時劣化して、曲線Ｅ’のように、弁体４０が一定の力（Ｆ１、図８参照）でＯリング４２を介して弁座２０に押し付けられる位置が、位置Ｐｏ２から、位置Ｐｏ２’（図８参照）に変化しても、弁体４０がＯリング４２を介して弁座２０に押し付けられる力を一定の力（Ｆ１、図８参照）としているので、Ｏリング４２によるシール性の劣化を防止または抑制できる。なお、曲線Ｅは経時劣化前の場合を示している。また、弁体４０がＯリング４２を介して弁座２０に押し付けられる力を一定の力（Ｆ１、図８参照）とすることにより、真空計を用いてゲートバルブが取り付けられたチャンバ内の真空度を監視しなくても、Ｏリング４２が経時劣化した場合においても、チャンバの真空度を確保することができる。

また、Ｏリング４２が弁座２０に接触しない第１の領域では、Ｏリング４２が弁座２０に接触する第２の領域より速い速度で、弁体４０を移動させているので、ゲートバルブ１の迅速な閉塞動作を実現することができる。

＜開放動作＞
図１、図６（Ｂ）を参照すれば、制御部８２は、ドライバ８０を介して、サーボモータ７０に速度ｖ１３を示す制御信号を送信する。ドライバ８０は、この制御信号を受信して、ロータ７２を所定の回転量だけ速度ｖ１３で閉塞動作とは逆方向に回転させるようにサーボモータ７０を駆動する（図６（Ｂ）、時間Ｔ５〜Ｔ６間）。ロータ７２の回転がボールネジ４８によって弁体４０の直線運動に変換され、速度ｖ１３に対応する速度ｖ２３で弁体４０が弁座２０から遠ざかるように移動する。弁体４０は、弁体４０が一定の力（Ｆ１、図８参照）でＯリング４２を介して弁座２０に押し付けられる位置（位置Ｐｏ２、図８参照）から、弁体４０が開口１５よりも下側に位置してゲートバルブ１が開いた位置Ｐｏ０（図８参照）まで移動する。このように、開放動作では、位置制御を行う。

次に、ゲートバルブ１のフランジ面２３側およびフランジ面２４側の一方の側が大気圧未満の圧力であり、他方の側が大気圧のときのゲートバルブ１を閉塞する動作を説明する。この場合には、サーボモータ７０にドライバ８０から供給する電流値が上記所定の値（Ｉ１、図８参照）となるようにして、サーボモータ７０が発生するトルクが上記所定の値（Ｔ１、図８参照）となるように、制御部８２がドライバ８０を制御するようにする。このようにして、上記位置Ｐｏ２（図８参照）で、上記一定の力（Ｆ１、図８参照）で弁体４０がＯリング４２を介して弁座２０に押し付けられるようにした状態で、図３に示すように、駆動部チャンバ６５の底面プレート側壁６５ｂに取り付けられた端部カバー６６のネジ部６６ａにストッパ６７のネジ部６７ａをねじ込み、ストッパ６７の先端部６７ｂをネジ軸４６の下端部４６ａに当接させて、弁座２０に対する弁体４０の位置を固定する。固定後、サーボモータ７０による弁体４０の駆動を停止する。なお、サーボモータ７０にドライバ８０から供給する電流値が上記所定の値（Ｉ１、図８参照）より大きい値となるようにして、サーボモータ７０が発生するトルクが上記所定の値（Ｔ１、図８参照）より大きい値となるように、制御部８２がドライバ８０を制御して、上記位置Ｐｏ２（図８参照）よりもさらに弁座側の位置で、上記一定の力（Ｆ１、図８参照）より大きい力で弁体４０がＯリング４２を介して弁座２０に押し付けられるようにした状態で、図３に示すように、ストッパ６７によって弁座２０に対する弁体４０の位置を固定してもよい。

ゲートバルブ１のフランジ面２３側およびフランジ面２４側の一方の側が大気圧未満の圧力であり、他方の側が大気圧のときには、大気側から、大気圧未満の圧力のチャンバを隔離するゲートバルブに、逆圧がかかる。この場合でも、ストッパ６７により、弁座２０に対する弁体４０の位置を所定の位置に固定したままに保つことができる。

（第１の実施の形態の変形例）
図７（Ａ）を参照すれば、閉塞動作は図６（Ａ）等を参照して説明した閉塞動作と基本的に同一である。但し、図７（Ａ）に示すように、時間Ｔ２〜Ｔ３間を省略して、位置制御の後に直ぐにトルク制御を行うようにしてもよい。

図１、図７（Ｂ）を参照すれば、開放動作では、制御部８２は、ドライバ８０を介して、サーボモータ７０に速度ｖ１４を示す制御信号を送信する。ドライバ８０は、この制御信号を受信して、ロータ７２を所定の回転量だけ速度ｖ１４で閉塞動作とは逆方向に回転させるようにサーボモータ７０を駆動する（図７（Ｂ）、時間Ｔ７〜Ｔ８間）。ロータ７２の回転がボールネジ４８によって弁体４０の直線運動に変換され、速度ｖ１４に対応する速度ｖ２４で弁体４０が弁座２０から遠ざかるように移動する。弁体４０は、弁体４０が一定の力（Ｆ１、図８参照）でＯリング４２を介して弁座２０に押し付けられる位置（位置Ｐｏ２、図８参照）から、Ｏリング４２が弁座２０の当接部１６から離れる直前の位置またはＯリング４２が弁座２０の当接部１６から離れた直後の位置（位置Ｐｏ１、図８参照）まで、移動する。このように、位置Ｐｏ２から位置Ｐｏ１までの間の領域（第２の領域）（時間Ｔ７〜Ｔ８間）では、位置制御を行う。

その後、Ｏリング４２が弁座２０の当接部１６から離れてからは、制御部８２は、ドライバ８０を介して、サーボモータ７０に速度ｖ１５を示す制御信号を送信する。ドライバ８０は、この制御信号を受信して、ロータ７２を、速度ｖ１４より大きい速度ｖ１５で回転させるようにサーボモータ７０を駆動する（図７（Ｂ）、時間Ｔ８〜Ｔ９間）。ロータ７２の回転がボールネジ４８によって弁体４０の直線運動に変換され、速度ｖ１５に対応する速度ｖ２５（ｖ２４＜ｖ２５）で弁体４０が弁座２０から離れる方向に移動する。弁体４０は、Ｏリング４２が弁座２０の当接部１６から離れた直後の位置（位置Ｐｏ１、図８参照）から、弁体４０が開口１５よりも下側に位置してゲートバルブ１が開いた位置Ｐｏ０（図８参照）まで、移動する。このように、位置Ｐｏ１から位置Ｐｏ０までの間の領域（第１の領域）（時間Ｔ８〜Ｔ９間）では、位置制御を行う。

このように、Ｏリング４２が弁座２０の当接部１６と接触している第２の領域では、小さい速度ｖ２４で弁体４０を移動させているので、Ｏリング４２の弁座２０からの離脱がスムーズとなり、Ｏリング４２の寿命を長くすることができる。また、Ｏリング４２が弁座２０の当接部１６と離れてからは、より大きい速度で弁体４０を移動させているので、ゲートバルブ１の迅速な開放動作を実現することができる。

（第２の実施の形態）
図５を参照すれば、本実施の形態のゲートバルブ２では、弁座空間２２の上部側壁１４に設けられた開口１５の周囲の上部側壁１４にＯリング４２が当接する当接部１６’が設けられている。Ｏリング４２は、弁体４０の側面４０ｂに設けられた溝４１’内に設けられている。弁体４０の側面４０ｂを弁座空間２２の上部側壁１４側に押し付けることによって、Ｏリング４２が弁座２０の開口１５の周囲の当接部１６’に押し付けられることによって、弁座２０と弁体４０との間がシールされる。カム機構９０が設けられ、軸４４に取り付けられた棒９１が、カム板９２に設けられた貫通孔９３に挿入されている。貫通孔９３は上部９４が上部側壁１４に近づくように形成されており、軸４４が上昇すると、棒９１が貫通孔９３にガイドされて上部側壁１４側に移動することにより、軸４４に取り付けられた弁体４０が上部側壁１４側に移動して、Ｏリング４２が弁座２０の開口１５の周囲の当接部１６’に押し付けられることによって、弁座２０と弁体４０との間がシールされる。本実施の形態のゲートバルブ２の他の構成は第１の実施の形態と同様である。本実施の形態のゲートバルブ２の閉塞動作および開放動作は、第１の実施の形態と同じである。

なお、上記第１および第２の実施の形態では、Ｏリング４２を弁体４０に設け、弁体４０が弁座２０側に移動すると、Ｏリング４２が弁座２０と接触したが、Ｏリング４２を弁座２０に設け、弁体４０が弁座２０側に移動すると、Ｏリング４２が弁体４０と接触する構造のゲートバルブについても本発明は適用できる。

以上、本発明の種々の典型的な実施の形態を説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されない。従って、本発明の範囲は、次の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

１５ 開口
２０ 弁座
４０ 弁体
４２ Ｏリング
７０ サーボモータ
８２ 制御部

Claims (7)

1. 開口を有する弁座と、
   前記開口を開閉する弁体と、
   前記弁体および前記弁座の一方に設けられ、前記弁体と前記弁座との間をシールする弾性シール部材と、
   前記弁体を、前記弁体および前記弁座の他方が前記弾性シール部材と離間した第１の領域と、前記弁体および前記弁座の他方が前記弾性シール部材と接触した第２の領域と、前記弁体を前記弾性シール部材を介して前記弁座に押し付けて、前記弁体によって前記弁座の開口を前記弾性シール部材を介して気密に閉じる第３の領域との間で移動させる弁体移動押し付け手段と、
   前記弁体を、前記第１の領域と、前記第２の領域と、前記第３の領域との間で移動させ、前記第３の領域では、一定の力で前記弁体を前記弾性シール部材を介して前記弁座に押し付けるように前記弁体移動押し付け手段を制御する制御手段と、
   を備えるバルブ。
2. 前記弁体移動押し付け手段は、モータと、前記モータの回転運動を直線運動に変換する変換手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記第３の領域では前記モータが発生するトルクを一定に保つように前記モータを制御することにより、前記一定の力で前記弁体を前記弾性シール部材を介して前記弁座に押し付けるように前記弁体移動押し付け手段を制御する請求項１記載のバルブ。
3. 前記制御手段は、前記第３の領域では前記モータに供給する電流を一定に保つように前記モータを制御することにより、前記一定の力で前記弁体を前記弾性シール部材を介して前記弁座に押し付けるように前記弁体移動押し付け手段を制御する請求項１記載のバルブ。
4. 前記制御手段は、前記バルブを閉じる際には、前記第１の領域において前記弁体を前記弁座に近づける第１の速度が、前記第２の領域において前記弁体を前記弁座に近づける第２の速度よりも大きくなるように前記弁体移動押し付け手段を制御する請求項１〜３のいずれか１項に記載のバルブ。
5. 前記制御手段は、前記バルブを開く際には、前記第１の領域において前記弁体を前記弁座から遠ざける第３の速度が、前記第２の領域において前記弁体を前記弁座から遠ざける第４の速度よりも大きくなるように前記弁体移動押し付け手段を制御する請求項１〜４のいずれか１項に記載のバルブ。
6. 前記制御手段は、前記第１の領域では、前記弁体の前記弁座に対する位置を制御して、前記弁体を移動させる請求項１〜５のいずれか１項に記載のバルブ。
7. 前記一定の力または前記一定の力よりも大きい力で前記弁体を前記弾性シール部材を介して前記弁座に押し付けるように前記弁体を前記弁座に対して固定する固定手段をさらに備える請求項１〜６のいずれか１項に記載のバルブ。

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