JP2017133542A

JP2017133542A - バルブ装置

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Publication number: JP2017133542A
Application number: JP2016011907A
Authority: JP
Inventors: 田中　啓一; Keiichi Tanaka; 啓一田中; 博士末永; Hiroshi Suenaga
Original assignee: Asahi Yukizai Corp
Current assignee: Asahi Yukizai Corp
Priority date: 2016-01-25
Filing date: 2016-01-25
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2036-01-25
Also published as: JP6681723B2

Abstract

【課題】弁座に対する弁体の着座時のパーティクルの発生を低減させつつ、シール性の低下も抑制するバルブ装置を提供する。【解決手段】バルブ装置は、弁室１９に連通する第１の流路２５及び第２の流路２９が形成されたバルブ本体１３と、第１の流路２５から弁室１９への開口の周囲に形成された環状の弁座２１と、弁座２１に対して垂直方向に弁体１５を移動して弁座２１に接離する弁体１５とを備える。弁体１５に、環状面５７と、弁座２１から離れる方向に環状面５７の内周側又は外周側から凸面状に湾曲して延びる凸面状当接湾曲面６５とが形成され、弁座２１に環状面５７と対向して当接面６１が形成されており、弁体１５が弁座２１に当接するときに、環状面５７と当接面６１との面接触の後に、弁座２１及び弁体１５の少なくとも一方の変形により凸面状当接湾曲面６５と当接面６１との線接触へと移行するようになっている。【選択図】図３

Description

本発明は、弁座に対して弁体を垂直方向に移動させて接離させるバルブ装置に関する。

従来、化学工場、農業・水産業、半導体製造分野、液晶製造分野、食品分野などの各種産業では、弁座に対して弁体を垂直方向に移動させて接離させ、流路の開閉を行うバルブ装置が使用されている。このようなバルブ装置として、例えば特許文献１に記載のようなダイヤフラムバルブがある。

ダイヤフラムバルブでは、一般的に、流路からバルブ本体内の弁室への開口の周囲に弁座が形成されていると共に、バルブ本体に外縁部を固定されたダイヤフラムによって弁体が支持されており、弁体に接続されたステムを駆動部によって駆動することによって、弁座に対して垂直な方向に弁体を移動させ、弁座に対して弁体を接離させて開閉を行う。また、弁体と弁座とのシール性を高めるために、特許文献１に開示のバルブ装置（ダイヤフラムバルブ）のように、弁座と対向する弁体の底面に断面半円形状の先端を有した環状リブを設け、弁体と弁座とを線接触させることで接触面積を小さくし、比較的小さい押付力の作用下でも弁座と弁体との間に大きな面圧が得られるようにすることが一般的である。

特開２００８−２９１９１１号公報特開２０１２−２６４７６号公報

ところで、高い清浄性が求められる分野では、バルブ装置内で発生するパーティクルが問題となる場合がある。例えば半導体ウエハの製造工程では、パーティクル、種々の金属やポリマー化合物などの汚染物質が生じ、これが半導体ウエハ上に残存したり付着すると品質に大きな影響を与える。このため、半導体ウエハの製造工程では、洗浄液を用いて半導体ウエハの洗浄が行われる。しかしながら、特許文献１に記載のバルブ装置のように、弁座に当接する弁体の底面領域に、断面半円形状の先端を有した環状リブを設けると、弁体が弁座に当接したときに作用する単位面積当たりの力が大きくなるため、リブが変形したり擦れて、パーティクルを発生させることがある。このようなパーティクルを含んだ洗浄液がバルブ装置から排出されて半導体ウエハの洗浄のために用いられると、十分な洗浄が行われず、半導体ウエハの清浄性が低下するという問題が生じる。

このような弁体と弁座との当接によるパーティクルの発生を抑制するために、例えば特許文献２に記載のように、弁座及び弁体にそれぞれ平坦面を設けて、弁座と弁体とを面接触させる方法も提案されている。このように弁座と弁体とを面接触させれば、衝突時の衝撃が面によって受け止められて衝撃を吸収しやすくなり、パーティクルの発生を抑制することができる。しかしながら、特許文献２に記載のように弁座と弁体とを面接触させる構造のバルブ装置では、特許文献１に記載のように弁座と弁体とを線接触させる構造のバルブ装置と比較すると、同じ押付力の作用下では、当接時の単位面積当たりの圧力が減少し、シール性が低下する。このため、線接触の場合と同じシール性を確保させるためには、弁座に対する弁体の押付力を増加させるために駆動部の推力を増加させる必要がある。しかしながら、駆動部の推力を増加させると、弁座と弁体との当接時の衝撃が大きくなって弁座及び弁体の変形を生じやすくなり、パーティクルが発生しやすくなる。また、弁体の推力を増加させると、駆動部の大型化を招くという問題が生じる。

よって、本発明の目的は、従来技術に存する課題を解決して、弁座に対する弁体の着座時のパーティクルの発生を低減させつつ、シール性の低下も抑制することができるバルブ装置を提供することにある。

上記目的に鑑み、本発明は、弁室と該弁室に連通する第１の流路及び第２の流路とが形成されたバルブ本体と、第１の流路から前記弁室への開口の周囲に形成された環状の弁座と、駆動部により弁座に対して垂直方向に移動され弁座に接離する弁体とを備えるバルブ装置であって、前記弁座及び前記弁体の一方に、平坦な環状面と、前記弁座及び前記弁体の他方から離れる方向に該環状面の内周側及び外周側の一方から凸面状に湾曲して延びる凸面状当接湾曲面とが形成され、前記弁座及び前記弁体の他方に前記環状面と対向して平坦な当接面が形成されており、前記弁体が前記弁座に当接するときに、前記環状面と前記当接面との面接触の後に、前記弁座及び前記弁体の少なくとも一方の変形により前記凸面状当接湾曲面と前記当接面との線接触へと移行するようにしたバルブ装置を提供する。

上記バルブ装置では、弁体が弁座に着座するときに、まず、弁座及び弁体の一方に形成された環状面が弁座及び弁体の他方に形成された当接面と面接触し、その後に、弁座又は弁体の変形により、環状面に隣接する凸面状当接湾曲面が当接面と線接触する。このため、弁座に対する弁体の押付力が同じ条件下では、弁体と弁座との着座直後は、面接触することで接触面積が広くなり、単位面積当たりの押付力が減少するので、着座時の衝撃が軽減される。また、面接触後は、線接触に移行するので、接触面積が狭くなって単位面積当たりの押付力が高くなり、弁座と弁体との密着性が高まる。

上記バルブ装置では、前記凸面状当接湾曲面は、前記環状面と前記凸面状当接湾曲面との境界における接平面が前記環状面と平行に延びるように形成されていることが好ましい。これにより、環状面とこれに隣接する凸面状当接湾曲面への遷移が滑らかになって、環状面と凸面状当接湾曲面との境界にエッジが形成されなくなり、エッジの削れによるパーティクルの発生を防止又は抑制することができる。

また、前記弁座及び前記弁体の一方に他方へ向かって突出する環状のリブが設けられており、前記環状面が前記リブの頂部に形成されていることが好ましい。

この場合、前記環状面を挟んで前記凸面状当接湾曲面と反対側の前記リブの側面に、前記環状面から離れる方向に前記環状面から凸面状に湾曲して延びる凸面状補助湾曲面が形成されていることが好ましく、前記凸面状補助湾曲面は、前記環状面と前記凸面状補助湾曲面との境界における接平面が前記環状面と平行に延びるように形成されていることがさらに好ましい。凸面状補助湾曲面の形成により、弁座に対する弁体の着座の際の衝撃を軽減させる効果を奏し、また、環状面が凸面状補助湾曲面との境界における凸面状補助湾曲面の接平面と平行になるように形成することにより、境界にエッジが形成されなくなり、着座時のエッジの削れによるパーティクルの発生を抑制することができる。

また、前記凸面状当接湾曲面の曲率半径が前記凸面状補助湾曲面の曲率半径よりも大きくなっていることが好ましい。

一つの実施形態では、前記リブが前記弁座に対向する前記弁体の底面に形成される。

この場合、前記弁体の底面が平坦面であり、前記リブの側面と前記平坦面とが凹面状湾曲面によって接続されているようにしてもよい。

また、前記弁体が、前記駆動部によって駆動されるステムの先端に設けられた接続端に接続されているようにしてもよい。この場合、前記環状面が円環形状を有しており、前記凸面状当接湾曲面が前記リブの内周側側面に形成されていると共に、前記ステムの前記接続端の外径が前記環状面の内径よりも小さくなるように前記環状面が形成されていることが好ましい。また、前記弁体が前記ステムの前記接続端を前記弁体に圧入することによって前記接続端に接続されていることが好ましい。

一つの実施形態として、上記バルブ装置は、前弁体の周囲から半径方向外方に延びるダイヤフラムをさらに備え、前記弁体が前記ダイヤフラムを介して前記バルブ本体に支持されているようにすることができる。

また、前記駆動部は、例えば、空気駆動式又はばね駆動式とすることができる。

本発明のバルブ装置によれば、弁体が弁座に着座するときに、まず面接触した後に線接触に移行する。よって、面接触時には、着座時の衝撃が軽減されると共に、面接触後の線接触時には、単位面積当たりの押圧力が高くなる。よって、弁座に対する弁体の着座時のパーティクルの発生を抑制しつつ、その後の弁座と弁体との間に高いシール性を確保することが可能となる。

本発明のバルブ装置の第１の実施形態であるダイヤフラムバルブの閉状態を示す縦断面図である。図１に示されているダイヤフラムバルブの開状態を示す縦断面図である。図１に示されているダイヤフラムバルブにおける弁座に弁体が着座した状態を示す要部拡大断面図である。図１に示されているダイヤフラムバルブの弁体のリブを拡大して示す部分拡大断面図である。図１に示されているダイヤフラムバルブの弁体の着座時の変形の説明図であり、（ａ）は弁体が弁座に着座した直後の状態を示しており、（ｂ）は着座後に弁体が変形した状態を示している。図１に示されているダイヤフラムバルブの弁体のリブと弁座との当接状態の変化の説明図であり、（ａ）は弁体が弁座に着座した直後の面接触の状態を示しており、（ｂ）は弁体が弁座に着座して弁体が変形した後の線接触の状態を示している。本発明のバルブ装置の第２の実施形態を示す要部拡大断面図であり、（ａ）は弁体が弁座に着座した直後の面接触の状態を示しており、（ｂ）は弁体が弁座に着座して弁体が変形した後の線接触の状態を示している。本発明のバルブ装置の第３の実施形態を示す要部拡大断面図であり、（ａ）は弁体が弁座のリブに着座した直後の面接触の状態を示しており、（ｂ）は弁体が弁座のリブに着座してリブが変形した後の線接触の状態を示している。本発明のバルブ装置の第４の実施形態を示す要部拡大断面図であり、（ａ）は弁体が弁座に着座した直後の面接触の状態を示しており、（ｂ）は弁体が弁座に着座して弁体が変形した後の線接触の状態を示している。本発明のバルブ装置の第５の実施形態を示す要部拡大断面図であり、（ａ）は弁体が弁座に着座した直後の面接触の状態を示しており、（ｂ）は弁体が弁座に着座して弁体が変形した後の線接触の状態を示している。

以下、図面を参照して、本発明によるバルブ装置の実施の形態を説明する。
最初に、図１及び図２を参照して、バルブ装置の第１の実施形態であるダイヤフラムバルブ１１の全体構成を説明する。

ダイヤフラムバルブ１１は、バルブ本体１３と、弁体１５と、弁体１５を駆動するための駆動部１７とを備え、バルブ本体１３の上部に駆動部１７が取り付けられている。

バルブ本体１３には、上部中央に弁室１９が形成されていると共に、弁室１９に連通する第１の流路及び第２の流路が形成されており、第１の流路から弁室１９への開口の周囲に、弁体１５が接離する環状の弁座２１が切削加工により形成されている。図示されている実施形態では、第１の流路として、バルブ本体１３の一方の側面に形成された流入口２３から延び且つ弁室１９の底部中央に開口する流入路２５が形成されていると共に、第２の流路として、バルブ本体１３の他方の側面に形成された流出口２７から延び且つ弁室２１の側面に開口する流出路２９が形成されており、流入路２５から弁室２１への開口の周囲に環状の弁座２１が形成されている。

弁体１５は、円柱上に円錐台が連結されたような上端部がテーパ状になった錘形状を有しており、底面が弁座２１に対向するようにバルブ本体１３に支持されている。

駆動部１７は、バルブ本体１３の上部に取り付けられ且つ内部にシリンダ部の空間が形成されているシリンダ本体３１と、シリンダ本体３１の上部に取り付けられる蓋部材３３と、シリンダ部内に収容されているピストン３５と、付勢部材としての圧縮コイルばね３７とを備えている。

ピストン３５は、シリンダ本体３１のシリンダ部内に摺動可能に収容されるピストン本体３５ａと、ピストン本体３５ａの上面から上方に延びる案内軸３５ｂと、ピストン本体３５ａの下面から下方に延びるステム３５ｃとを有している。ピストン本体３５ａは、外周面がシリンダ部の内周面に上下方向に摺動可能に接触しており、シリンダ部の内部空間を、ピストン本体３５ａの上面とシリンダ部の内周壁とシリンダ部の天井面（すなわち蓋部材３３の下面）によって囲まれた上部空間３９と、ピストン本体３５ａの下面とシリンダ部の内周壁とシリンダ部の底面（すなわちシリンダ本体３１の底部）とによって囲まれた下部空間４１とに区画している。案内軸３５ｂは、蓋部材３３を貫通して設けられた貫通孔に摺動可能に挿入されており、ピストン３５の上下動を案内するようになっている。ステム３５ｃは、シリンダ本体３１の底部を貫通して設けられた貫通孔に摺動可能に挿入されて、弁室１９まで延びており、その先端に位置する接続端３５ｄに弁体１５が接続されている。

本実施形態では、ステム３５ｃの接続端３５ｄに拡径された係止部が設けられており、弁体１５に設けられた相補形状の連結孔１５ａにステム３５ｃの接続端（係止部）３５ｄを圧入することによって、ステム３５ｃの接続端３５ｄに弁体１５が接続されている。しかしながら、ステム３５ｃの接続端３５ｄへの弁体１５の接続は、圧入に限定されるものではなく、例えばステム３５ｃの接続端３５ｄの外周面に雄ねじ部を設けると共に弁体１５の連結孔１５ａの内周面に雌ねじ部を設け、螺合によってステム３５ｃの接続端３５ｄに弁体１５を接続してもよい。

蓋部材３３には、上部空間３９を区画するシリンダ部の天井面に連通する通気口４３が形成されており、通気口４３を通して上部空間３９と外部との間で通気を行うことができるようになっていると共に、シリンダ本体３１の側部には、下部空間４１を区画するシリンダ部の底面に連通する作動流体供給口４５が形成されており、作動流体供給口４５から下部空間４１内へ作動流体を供給できるようになっている。また、ピストン本体３５ａの上面の外周部と蓋部材３３の下面（シリンダ部の天井面の外周部）には、それぞれ、ばね座として機能する環状溝４７，４９が形成されており、両端部を環状溝４７，４９に挿入して蓋部材３３の下面（シリンダ部の天井面）とピストン本体３５ａの上面との間に圧縮コイルばね３７を配置している。

なお、駆動部１７は、ピストン３５の案内軸３５ｂ及びステム３５ｃが弁座面に対して垂直となるようにバルブ本体１３に取り付けられる。また、ピストン本体３５ａの外周面及びシリンダ本体３１の底部の貫通孔に挿入されたステム３５ｃの外周面にそれぞれＯリング５１，５３を装着し、ピストン本体３５ａの外周面とシリンダ部の内周面との間及びステム３５ｃの外周面とシリンダ本体３１の底部（シリンダ部の底面）の貫通孔の内周面との間から、下部空間４１に供給された作動流体が漏出することを防止している。

このような構成により、通常時には、ピストン本体３５ａが圧縮コイルばね３７によって下方に付勢されて押し下げられ、ステム３５ｃを介してピストン本体３５ａに連結されている弁体１５が弁座２１に圧接される。この結果、流入路２５が閉止され、図１に示されているように、ダイヤフラムバルブ１１が閉状態となる。この状態から作動流体供給口４５に作動流体（例えば圧縮空気）を供給すると、シリンダ部の下部空間４１に作動流体が流入して、ピストン本体３５ａに上向きの流体圧が作用し、ピストン本体３５ａが圧縮コイルばね３７の付勢力に抗して押し上げられる。このとき、シリンダ部の上部空間３９内の空気は通気路４３から外部に放出される。ピストン本体３５ａが上方へ移動すると、ステム３５ｃを介してピストン本体３５ａに連結されている弁体１５が上方へ移動して弁座２１から離間する。この結果、流入路２５が開放され、図２に示されているように、ダイヤフラムバルブ１１が開状態となる。開状態では、ダイヤフラムバルブ１１の流入口２３から流入路２５に流入した流体は弁室１９、流出路２９を経て流出口２７から外部に流出するようになる。

ダイヤフラムバルブ１１では、弁体１５の上端部の外周部から半径方向外方にダイヤフラム５５が延設されており、弁体１５は、ダイヤフラム５５を介してバルブ本体１３に支持されている。詳細には、図３に詳細に示されているように、ダイヤフラム５５の外周縁部に、最外縁部に位置し且つ水平方向に延びる環状の水平支持部５５ａと、水平支持部５５ａよりも内側に位置し且つ上下方向（鉛直方向）に延びる環状の垂直支持部５５ｂとが設けられており、シリンダ本体３１の底部中央から延びる突出部３１ａをバルブ本体１３の弁室１９の上部開口内に挿入したときに、突出部３１ａよりも外側に位置するシリンダ本体３１の底面とバルブ本体１３の弁室１９の上部開口の周囲領域の上面との間に水平支持部５５ａを挟持し且つシリンダ本体３１の突出部３１ａの外周面とバルブ本体１３の弁室１９の上部の内周面との間に垂直支持部５５ｂを挟持することにより、ダイヤフラム５５をバルブ本体１３に固定するようになっている。また、水平支持部５５ａの底面に、断面台形状の環状溝５５ｃが設けられ、垂直支持部５５ｂの外側表面に、断面半円形状の環状突起５５ｄが設けられている一方、バルブ本体１３の弁室１９の上部開口の周囲領域の上面に、断面半円形状の環状突起１３ａが設けられ、バルブ本体１３の弁室１９の上部の内周面に、断面台形状の環状溝１３ｂが設けられている。環状突起１３ａ，５５ｄはそれぞれ環状溝５５ｃ，１３ｂよりも僅かに大きく形成されており、水平支持部５５ａの環状溝５５ｃにバルブ本体１３の上面の環状突起１３ａを係合させ且つ垂直支持部５５ｂの外側表面の環状突起５５ｄを弁室１９の内周面の環状溝１３ｂに係合させた状態で、シリンダ本体３１の突出部３１ａをバルブ本体１３の弁室１９内に挿入してシリンダ本体３１をバルブ本体１３の上部に取り付けたときに、環状突起１３ａ，５５ｄが変形して環状溝５５ｃ，１３ｂに密着嵌合し、シール性が高まるようになっている。

本実施形態では、上述したように、ダイヤフラム５５の水平支持部５５ａに環状溝５５ｃを設けると共に垂直支持部５５ｂに環状突起５５ｄを設け、環状溝５５ｃ及び環状突起５５ｄをそれぞれバルブ本体１３の上部の環状突起１３ａと弁室１９の内周面の環状溝１３ｂに係合させている。しかしながら、ダイヤフラム５５の水平支持部５５ａに環状突起を設けると共に垂直支持部５５ｂに環状溝を設け、設けた環状突起及び環状溝をそれぞれをバルブ本体１３の上部に設けた環状溝と弁室１９の内周面に設けた環状突起に係合させるようにしてもよく、水平支持部５５ａと垂直支持部５５ｂの両方に環状突起又は環状溝を設けたり、水平支持部５５ａと垂直支持部５５ｂの一方のみに環状溝又は環状突起を設けるようにしてもよい。

本発明によるバルブ装置では、さらに、弁体１５及び弁座２１の一方に、平坦な環状面５７と、環状面５７と隣接して弁体１５及び弁座２１の他方から離れる方向に凸面状に湾曲して延びる凸面状当接湾曲面５９が形成され、弁体１５及び弁座２１の他方に、環状面５７と対向して、環状面５７と平行に延びる平坦な当接面６１が形成されている。本実施形態では、図３及び図４に示されているように、弁座２１に対向する弁体１５の底面に、弁座２１に向かって突出して延びる円環形状のリブ６３が設けられており、リブ６３の頂部に円環形状の平坦な環状面５７が形成され、弁座２１に、環状面５７と対向して環状面５７と平行に延びる平坦な当接面６１が形成されている。また、リブ６３の側面に、弁座２１から離れる方向に環状面５７の内周側から凸面状に湾曲して延びる凸面状当接湾曲面５９が形成されている。凸面状当接湾曲面５９は、環状面５７と凸面状当接湾曲面５９との境界における凸面状当接湾曲面５９の接平面が環状面５７と平行に延びるように形成されていることが好ましい。

このように、弁体１５の底面に設けられたリブ６３の頂面に環状面５７を形成し、且つ、弁座２１に環状面５７と対向して環状面５７と平行に延びる当接面６１を形成すれば、弁座２１に弁体１５を接近させて着座させたときに弁体１５の環状面５７と弁座２１の当接面６１とが面接触する。したがって、着座時の衝撃が軽減され、パーティクルの発生を抑制することができる。また、環状面５７に隣接して凸面状当接湾曲面５９を設ければ、弁体１５の環状面５７が弁座２１の当接面６１に着座した状態からさらに弁体１５を弁座２１に押し付けたときに、リブ６３が変形して、凸面状当接湾曲面５９が弁座２１の当接面６１に当接するようになる。このとき、凸面状当接湾曲面５９と当接面６１とは線接触となる。すなわち、弁体１５と弁座２１との当接は、面接触から線接触に移行する。このような面接触から線接触への移行により、弁座２１に対する弁体１５の単位面積当たりの押圧力が高くなって、シール性が高まる。

さらに、環状面５７が、凸面状当接湾曲面５９との境界における凸面状当接湾曲面５９の接平面と平行に延びていれば、境界がエッジ状にならないので、当接面６１と当接する弁体１５上の領域が環状面５７から凸面状当接湾曲面５９に円滑に移行することができ、境界において弁体１５と弁座２１との摩擦によるパーティクルの発生を抑制させることができる。したがって、凸面状当接湾曲面５９の曲率半径が大きいほど、環状面５７と凸面状当接湾曲面５９との境界が滑らかとなり、パーティクルの発生を抑制する効果が高まる。なお、凸面状当接湾曲面５９の曲率半径とは、リブ６３の横断面において凸面状当接湾曲面５９がなす湾曲線を近似する円の半径を意味するものとする。

環状面５７は、その内径が弁体１５に圧入されているステム３５ｃの接続端の外径よりも大きくなるように形成されていることが好ましい。このような内径とすることにより、リブ６３の環状面５７が弁座２１の当接面６１に当接した状態で弁体１５がステム３５ｃによってさらに弁座２１に押し付けられたときに、弁体１５の中央部が弁座２１側へ凸状に変形する。この弁体１５の変形に伴うリブ６３の変形で、環状面５７の内周側から延びる凸面状当接湾曲面５９を確実に当接面６１と当接するようにさせることができる。このため、弁体１５の底面中央部１５ｂと弁体１５に圧入されるステム３５ｃの接続端との間の領域は、弁体１５が変形しやすいように薄くすることが好ましい。

図４に示されているように、環状のリブ６３に取り囲まれる弁体１５の底面部分（以下、底面中央部１５ｂと記載する。）が平坦に形成され、当該底面中央部１５ｂと凸面状当接湾曲面５９とが凹面状湾曲面１５ｃによって接続されていることが好ましい。底面中央部１５ｂが平坦になっていることにより、ステム３５ｃによる押し付けで弁体１５が変形するときに応力集中が発生しにくくなり、耐久性が向上する。また、底面中央部１５ｂと凸面状当接湾曲面５９が凹面状湾曲面１５ｃによって接続されていることにより、両者の境界に角部が形成されず、リブ６３の変形による応力集中が生じにくくなって、耐久性が向上する。

また、本実施形態では、環状面５７を挟んで凸面状当接湾曲面５９と反対側のリブ６３の側面に、環状面５７から離れる方向に凸面状に湾曲した凸面状補助湾曲面６５が形成されている。このようにリブ６３の側面を湾曲面とすることにより、弁体１５が弁座２１に着座したときの衝撃を緩和しやすくなり、パーティクルの発生を抑制する効果を奏する。凸面状当接湾曲面５９の曲率半径は凸面状補助湾曲面６５の曲率半径よりも大きくなっていることが好ましい。この場合、環状面５７から凸面状当接湾曲面５９への輪郭の変化の方が環状面５７から凸面状補助湾曲面６５への輪郭の変化よりも緩やかとなるので、環状面５７と弁座２１の当接面６１との面接触から凸面状当接湾曲面５９と弁座２１の当接面６１との線接触への移行が円滑となり、パーティクルの発生の抑制効果が高められる。さらに、凸面状補助湾曲面６５も、凸面状当接湾曲面５９と同様に、凸面状補助湾曲面６５と環状面５７との境界における凸面状補助湾曲面６５の接平面が環状面５７と平行に延びるように形成されていることが好ましい。これにより、境界にエッジが形成されなくなり、弁座２１に対して弁体１５が着座したときの衝撃でエッジが削れることによるパーティクルの発生を抑制することができる。

なお、バルブ本体１３、弁体１５、シリンダ本体３１、ピストン３５、ダイヤフラム５５の材質は、例えば、ＰＶＣ（塩化ビニル樹脂）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシエチレン）などとすることができる。

次に、図１及び図２に加えて図５及び図６を参照して、ダイヤフラムバルブ１１の動作を説明する。

作動流体供給口４５から駆動部１７に作動流体が供給されていない通常時は、駆動部１７のピストン３５が圧縮コイルばね３７によって下方に付勢されて押し下げられる。この結果、弁体１５が弁座２１に圧接されて、ダイヤフラムバルブ１１が図１に示されているように閉状態となる。この状態から駆動部１７の作動流体供給口４５に作動流体を供給すると、シリンダ部の下部空間４１に流入した作動流体の流体圧がピストン本体３５ａに上向きに作用し、ピストン３５が圧縮コイルばね３７の付勢力に抗して押し上げられる。この結果、弁体１５が弁座２１から離間して、ダイヤフラムバルブ１１が図２に示されているように開状態となる。

作動流体供給口４５への作動流体の供給を停止すると、圧縮コイルばね３７により、再びピストン３５が下方に付勢されて押し下げられ、図５（ａ）に示されているように、弁体１５が弁座２１に着座する。このとき、まず、図６（ａ）に示されているように、弁体１５のリブ６３の環状面５７が弁座２１の当接面６１に面接触する。ピストン３５がさらに下方へ移動すると、弁体１５のリブ６３の環状面５７が弁座２１の当接面６１に当接した状態で駆動部１７のステム３５ｃによって弁体１５の中央部が下方に押圧される。したがって、図５（ｂ）に示されているように、弁体１５の中央部が下方に向けて凸状に変形して、リブ６３の先端が外方に押し出される。このような弁体１５の変形に伴って、図６（ｂ）に示されているように、弁体１５のリブ６３の側面の凸面状当接湾曲面５９が弁座２１の当接面６１に当接するようになり、弁体１５と弁座２１との当接が面接触から線接触へと移行する。

このように、ダイヤフラム１１では、弁座２１に弁体１５を接近させて着座させた直後、弁体１５の環状面５７と弁座２１の当接面６１とが面接触して、駆動部１７による押付力（推力）を広い面積で受ける。したがって、弁座２１に対する弁体１５の着座時の衝撃が軽減されて、パーティクルの発生を抑制することができる。また、弁体１５の環状面５７と弁座２１の当接面６１とが当接している状態から、駆動部１７によりさらに弁体１５が弁座２１に押し付けられると、弁体１５が変形して、リブ６３の環状面５７に隣接する凸面状当接湾曲面５９が弁座２１の当接面６１に当接するようになり、弁体１５と弁座２１との当接が面接触からそれよりも接触面積の狭い線接触へと移行する。したがって、駆動部１７による弁座２１への弁体１５の押付力が同じであっても、単位面積当たりの押付力が高くなって、シール性が高められる。よって、駆動部１７の押付力を弱くして、弁座２１に対する弁体１５の着座時の衝撃を弱くしてパーティクルの発生をさらに抑制しつつ、良好なシール性を確保することも可能となる。

さらに、環状面５７と凸面状当接湾曲面５９との境界における凸面状当接湾曲面５９の接平面が環状面５７と平行に延びるように、凸面状当接湾曲面５９が形成されていれば、環状面５７と凸面状当接湾曲面５９との境界がエッジ状にならないので、弁体１５の環状面５７と弁座２１の当接面６１との面接触から弁体１５の凸面状当接湾曲面５９と弁座２１の当接面６１との線接触へ円滑に移行することができ、境界において弁体１５と弁座２１との摩擦で弁体１５又は弁座２１が削れてパーティクルを発生することを抑制することができる。

次に、本発明によるバルブ装置の他の実施形態を説明する。
図７は、本発明のバルブ装置の第２の実施形態によるダイヤフラムバルブ７１の要部を示している。図７では、第１の実施形態と共通する構成要素に第１の実施形態と同じ参照符号を付している。第２の実施形態のダイヤフラムバルブ７１の構造は、弁体７３及び弁座７５の構造を除いて、第１の実施形態のダイヤフラムバルブ１１と同じであるので、ここでは、弁体７３及び弁座７５の構造を中心に説明する。

第１の実施形態では、弁体１５が錘形状を有しているが、バルブ装置の弁体の形状は錘形状に限定されるものではない。第２の実施形態のダイヤフラムバルブ７１の弁体７３は、円板形状を有しており、第１の実施形態のダイヤフラムバルブ１１と同様に、その上端部の外周部から径方向外方へ延びるダイヤフラム７７を介して弁座７５と対向するようにバルブ本体１３に支持されている。弁座７５は、流入路２５の弁室１９への開口の周囲に形成された環状段差部の上向き面に形成されている。

第１の実施形態のダイヤフラムバルブ１１の弁体１５及び弁座２１と同様に、弁座７５に対向する弁体７３の底面の外周部に、弁座７５に向かって突出して延びる円環形状のリブ７９が設けられている。リブ７９の頂部には、円環形状の平坦な環状面８１が形成されており、弁座７５に、環状面８１と対向して環状面８１と平行に延びる平坦な当接面８３が形成されている。リブ７９の側面には、弁座７５から離れる方向に環状面８１の内周側及び外周側からそれぞれ凸面状に湾曲して延びる凸面状当接湾曲面８５及び凸面状補助湾曲面８７が設けられており、凸面状当接湾曲面８５及び凸面状補助湾曲面８７は、環状面８１との境界における接平面が環状面８１と平行に延びるように形成されている。

本実施形態の弁体７３は、駆動部１７のステム３５ｃの接続端３５ｄの外周に設けられた雄ねじを弁体７３の上部中央の連結孔７３ａに形成された雌ねじに螺合させることによってステム３５ｃの接続端３５ｄに接続され、弁座７５に対して接近及び離間する方向に駆動部１７によって駆動されるようになっている。しかしながら、ステム３５ｃの接続端３５ｄに対する弁体７３の接続は、螺合に限定されるものではなく、適宜の方法を採用することが可能である。例えば、第１の実施形態と同様に、弁体７３にステム３５ｃの接続端３５ｄを圧入することによってステム３５ｃの接続端３５ｄに弁体７３を接続してもよい。なお、ステム３５ｃの接続端３５ｄの外径は、環状のリブ７９の内径よりも小さくなるように形成されている。

本実施形態のダイヤフラムバルブ７１では、弁体７３が弁座７５から離間した開状態から、弁体７３が駆動部１７のステム３５ｃの駆動によって押し下げられると、図７（ａ）に示されているように、弁体７３のリブ７９の環状面８１が弁座７５の当接面８３と面接触して着座し、着座時の衝撃を軽減する。さらに、弁体７３の環状面８１が弁座７５の当接面８３と当接した状態から、弁体７３が駆動部１７のステム３５ｃの駆動によって下方に押し下げられると、弁体１５の中央部が弁座７５側に凸状に湾曲する。このような弁体１５の変形に伴うリブ７９の変形で、図７（ｂ）に示されているように、環状面８１の内周側から延びる凸面状当接湾曲面８５が弁座７５の当接面８３と線接触するようになり、単位面積当たりの押付力が高められる。本実施形態では、このとき、環状面８１の外周側から延びる凸面状補助湾曲面８７が環状溝の外周面８９にも当接して線接触をなし、付加的なシール機能を果たす。第２の実施形態のダイヤフラムバルブ７１の他の作用及び効果は、第１の実施形態のダイヤフラムバルブ１１と同様であるので、ここでは説明を省略する。

図８は、本発明のバルブ装置の第３の実施形態によるダイヤフラムバルブ９１の要部を示している。図８では、第１の実施形態と共通する構成要素に第１の実施形態と同じ参照符号を付している。第３の実施形態のダイヤフラムバルブ９１の構造は、弁体９３及び弁座９５の構造を除いて、第１の実施形態のダイヤフラムバルブ１１と同様であるので、ここでは、弁体９３及び弁座９５を中心に説明する。

第１の実施形態では、頂部に環状面５７が形成されたリブ６３を弁体１５側に設け、環状面５７が当接する当接面６１を弁座側に設けているが、リブ６３及び当接面６１の配置は第１の実施形態の配置に限定されるものではない。第３の実施形態のダイヤフラムバルブ９１の弁体９３は、第１の実施形態と類似であり、先端部がテーパ形状の概略円柱形状を有しており、その上端部の外周部から径方向外方へ延びるダイヤフラム９７を介して弁座９５と対向するようにバルブ本体１３に支持されている。弁座９５は、弁室１９への流入路２５の開口の周囲に形成されており、弁座９５には、弁体９３へ向けて突出して延びる環状のリブ９９が設けられている。第３の実施形態では、別体のリブ９９が弁座９５に取り付けられているが、リブ９９を弁座９５と一体的に形成してもよい。

リブ９９の頂部には、円環形状の平坦な環状面１０１が形成されており、弁体９３の底部に、環状面１０１と対向して環状面１０１と平行に延びる平坦な当接面１０３が形成されている。また、リブ９９の側面には、弁体９３から離れる方向に環状面１０１の内周側及び外周側からそれぞれ凸面面状に湾曲して延びる凸面状当接湾曲面１０５及び凸面状補助湾曲面１０７が設けられており、凸面状当接湾曲面１０５及び凸面面状補助湾曲面１０７は、環状面１０１との境界における接平面が環状面１０１と平行に延びるように形成されている。さらに、リブ９９の基端部の外周側には、楔形状の環状切欠き部１０９が設けられている。

本実施形態の弁体９３は、駆動部１７のステム３５ｃの接続端３５ｄに設けられた雌ねじ部に弁体の上部中央に突出して形成された雄ねじ部を螺合させることによってステム３５ｃの接続端３５ｄに接続され、弁座９５に対して接近及び離間する方向に駆動されるようになっている。しかしながら、ステム３５ｃの接続端３５ｄに対する弁体９３の接続は、螺合に限定されるものではなく、適宜の方法を採用することが可能である。例えば、第１の実施形態と同様に、弁体９３にステム３５ｃの接続端３５ｄを圧入することによってステム３５ｃの接続端３５ｄに弁体９３を接続してもよい。

本実施形態のダイヤフラムバルブ９７では、弁体９３が弁座９５から離間した開状態から、弁体９３が駆動部１７のステム３５ｃの駆動によって押し下げられると、図８（ａ）に示されているように、弁体９３の底面の当接面１０３が弁座９５に設けられたリブ９９の環状面１０１と面接触して着座し、着座時の衝撃を軽減する。さらに、弁体９３の当接面１０３が弁座９５のリブ９９の環状面１０１と当接した状態から、弁体９３が駆動部１７のステム３５ｃの駆動によって下方に押し下げられると、リブ９９が弁体９３により下方へ向けて押圧されて、リブ９９の外周側の切欠き部１０９の存在のために、リブ９９の先端が外方へ向かって撓曲する。この結果、図８（ｂ）に示されているように、環状面１０１の内周側から延びる凸面状当接湾曲面１０５が弁体９３の底面の当接面１０３と線接触するようになり、単位面積当たりの押付力が高められる。第３の実施形態のダイヤフラムバルブ９１の他の作用及び効果は、第１の実施形態のダイヤフラムバルブ１１と同様であるので、ここでは説明を省略する。

図９は、本発明のバルブ装置の第４の実施形態によるグローブバルブ１１１の要部を示している。第４の実施形態のグローブバルブ１１１の基本的な構造は、弁体１１３及び弁座１１５の構造を除いて、第１の実施形態のダイヤフラムバルブと同様であるので、ここでは、弁体及び弁座を中心に説明する。

第１の実施形態から第３の実施形態では、本発明がダイヤフラムバルブに適用されているが、本発明は、弁体が弁座に対して略垂直方向に接近離間することによって開閉を行うバルブであれば適用可能であり、適用がダイヤフラムバルブに限定されるものではない。第４の実施形態は、本発明をグローブバルブ１１１に適用した例である。また、第１の実施形態から第３の実施形態では、弁体又は弁座に設けられたリブに環状面及びこれに隣接する凸面状当接湾曲面が形成されているが、環状面及び凸面状当接湾曲面はリブの頂部以外の場所に形成されてもよい。第４の実施形態では、円環形状の平坦な環状面１１７が弁座１１５の弁座面として形成され、弁室１９への流入路２５の開口の周縁を面取りすることによって環状面１１７に隣接して形成した湾曲面を凸面状当接湾曲面１１９としている。また、弁体１１３の底面に、弁座１１５に形成された環状面１１７と対向して環状面１１７と平行に延びる平坦な当接面１２１が形成されている。なお、凸面状当接湾曲面１１９は、環状面１１７との境界における接平面が環状面１１７と平行に延びるように形成されている。

本実施形態の弁体１１３は、平板形状を有しており、駆動部１７のステム３５ｃの接続端３５ｄに設けられた雌ねじ部に弁体１１３の上部中央に突出して形成された雄ねじ部を螺合させることによってステム３５ｃの接続端３５ｄに接続され、弁座１１５に対して接近及び離間する方向に駆動されるようになっている。しかしながら、ステム３５ｃの接続端３５ｄに対する弁体１１３の接続は、螺合に限定されるものではなく、適宜の方法を採用することが可能である。例えば、第１の実施形態と同様に、弁体１１３にステム３５ｃの接続端３５ｄを圧入することによってステム３５ｃの接続端３５ｄに弁体１１３を接続してもよい。

本実施形態のグローブバルブ１１１では、弁体１１３が弁座１１５から離間した開状態から、弁体１１３が駆動部１７のステム３５ｃの駆動によって押し下げられると、図９（ａ）に示されているように、弁体１１３の底面の当接面１２１が弁座１１５の環状面１１７と面接触して着座し、着座時の衝撃を軽減する。さらに、弁体１１３の当接面１２１が弁座１１５の環状面１１７と当接した状態から、弁体１１３が駆動部１７のステム３５ｃの駆動によって下方に押し下げられると、弁体１１３の中央部が弁座１１５側に凸状に湾曲する。この結果、図９（ｂ）に示されているように、弁体１１３の当接面１２１が弁座１１５の環状面１１７の内周側から延びる凸面状当接湾曲面１１９と線接触するようになり、単位面積当たりの押付力が高められる。第４の実施形態の他の作用及び効果は、第１の実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。

図１０は、本発明のバルブ装置の第５の実施形態によるグローブバルブ１３１を示している。第５の実施形態のグローブバルブ１３１の基本的な構造は、弁体１３３及び弁座１３５の構造を除いて、第１の実施形態と同様であるので、ここでは、弁体１３３及び弁座１３５を中心に説明する。

第１の実施形態から第４の実施形態では、弁体の上部中央において駆動部１７のステム３５ｃの接続端３５ｄに接続されているが、ステム３５ｃによって弁体が弁座に対して接近及び離間することができるようになっていれば、ステム３５ｃとの接続部分は、弁体の上部中央に限定されるものではない。第５の実施形態では、ステム３５ｃの接続端３５ｄが筒形状に形成されており、弁体１３３の上部の外延部分を接続端３５ｄの外周部に装着することによって弁体１３３をステム３５ｃの接続端３５ｄに接続している。

本実施形態では、ステム３５ｃの接続端３５ｄに接続された弁体１３３の底面の外周部よりも内側に、弁座１３５へ向けて突出して延びる環状のリブ１３７が設けられており、リブ１３７の頂部に、円環形状の平坦な環状面１３９が形成されている。また、弁座１３５に、環状面１３９と対向して、弁体１３３へ向かって突出して延びる環状のリブ１４１が設けられており、リブ１４１の頂部に、環状面１３９と平行に延びる円環形状の平坦な当接面１４３が形成されている。さらに、リブ１３７の側面には、弁座１３５から離れる方向に環状面１３９の外周側から凸面状に湾曲して延びる凸面状当接湾曲面１４５が形成されている。凸面状当接湾曲面１４５は、環状面１３９との境界における接平面が環状面１３９と平行に延びるように形成されている。

本実施形態のグローブバルブ１３１では、弁体１３３が弁座１３５から離間した開状態から、弁体１３３が駆動部１７のステム３５ｃの駆動によって押し下げられると、図１０（ａ）に示されているように、弁体１３３のリブ１３７の環状面１３９が弁座１３５のリブ１４１上に形成された当接面１４３と面接触して着座し、着座時の衝撃を軽減する。さらに、弁体１３３の環状面１３９が弁座１３５の当接面１４３と当接した状態から、弁体１３３が駆動部１７のステム３５ｃの駆動によって下方に押し下げられると、ステム３５ｃによる押付力が弁体１３３の外周部に作用して、弁体１３３の中央部が弁座１３５から離れる方向に凹状に湾曲する。その結果、図１０（ｂ）に示されているように、環状面１３９の外周側から延びる凸面状当接湾曲面１４５が弁座１３５の当接面１４３と線接触するようになり、単位面積当たりの押付力が高められる。第５の実施形態のグローブバルブ１３１の他の作用及び効果は、第１の実施形態のダイヤフラムバルブ１１と同様であるので、ここでは説明を省略する。

このように、第２の実施形態から第５の実施形態でも、第１の実施形態のダイヤフラムバルブ１１と同様に、弁座に対する弁体の着座当初は、弁体は弁座と面接触を行って着座時の衝撃を軽減して、パーティクルの発生を抑制することができる。また、弁体が弁座に着座した状態からさらに弁座に押し付けられると、弁体と弁座とが面接触から線接触に移行して、単面積当たりの押付力が高まり、シール性を向上させることができる。

以上、図示されている実施形態を参照して、本発明を説明したが、本発明は、図示されている実施形態に限定されるものではなく、様々な変形形態が可能である。例えば、図示されている第１の実施形態では、第１の流路として流入路２５が形成されると共に、第２の流路として流出路２９が形成され、流入路２５から弁室２１への開口の周囲に環状の弁座２１が形成されている。しかしながら、第１の流路として、弁室１９の底部中央に開口する流出路を形成すると共に、第２の流路として、弁室１９の側面に開口する流入路を設け、流出路から弁室１９への開口の周囲に環状の弁座２１を形成するようにしてもよい。また、弁座２１の位置は、弁体１５が弁座２１に対して接離できるようになっていれば、弁室１５の底部に限定されるものではない。

１１ダイヤフラムバルブ
１３バルブ本体
１５弁体
１７駆動部
１９弁室
２１弁座
２５流入路
２９流出路
５５ダイヤフラム
５７環状面
５９凸面状当接湾曲面
６１当接面
６３リブ
６５凸面状補助湾曲面
７１ダイヤフラムバルブ
７３弁体
７５弁座
７７ダイヤフラム
７９リブ
８１環状面
８３当接面
８５凸面状当接湾曲面
８７凸面状補助湾曲面
９１ダイヤフラムバルブ
９３弁体
９５弁座
９７ダイヤフラム
９９リブ
１０１環状面
１０３当接面
１０５凸面状当接湾曲面
１０７凸面状補助湾曲面
１１１グローブバルブ
１１３弁体
１１５弁座
１１７環状面
１１９凸状当接湾曲面
１２１当接面
１３１グローブバルブ
１３３弁体
１３５弁座
１３７リブ
１３９環状面
１４３当接面
１４５凸面状当接湾曲面

Claims

弁室と該弁室に連通する第１の流路及び第２の流路とが形成されたバルブ本体と、第１の流路から前記弁室への開口の周囲に形成された環状の弁座と、駆動部により弁座に対して垂直方向に移動され弁座に接離する弁体とを備えるバルブ装置であって、
前記弁座及び前記弁体の一方に、平坦な環状面と、前記弁座及び前記弁体の他方から離れる方向に該環状面の内周側及び外周側の一方から凸面状に湾曲して延びる凸面状当接湾曲面とが形成され、前記弁座及び前記弁体の他方に前記環状面と対向して平坦な当接面が形成されており、前記弁体が前記弁座に当接するときに、前記環状面と前記当接面との面接触の後に、前記弁座及び前記弁体の少なくとも一方の変形により前記凸面状当接湾曲面と前記当接面との線接触へと移行することを特徴としたバルブ装置。
前記凸面状当接湾曲面は、前記環状面と前記凸面状当接湾曲面との境界における接平面が前記環状面と平行に延びるように形成されている、請求項１に記載のバルブ装置。
前記弁座及び前記弁体の一方に他方へ向かって突出する環状のリブが設けられており、前記環状面が前記リブの頂部に形成されている、請求項１又は請求項２に記載のバルブ装置。
前記環状面を挟んで前記凸面状当接湾曲面と反対側の前記リブの側面に、前記環状面から離れる方向に前記環状面から凸面状に湾曲して延びる凸面状補助湾曲面が形成されている、請求項３に記載のバルブ装置。
前記凸面状補助湾曲面は、前記環状面と前記凸面状補助湾曲面との境界における接平面が前記環状面と平行に延びるように形成されている、請求項４に記載のバルブ装置。
前記凸面状当接湾曲面の曲率半径が前記凸面状補助湾曲面の曲率半径よりも大きい、請求項４又は請求項５に記載のバルブ装置。
前記リブが前記弁座に対向する前記弁体の底面に形成されている、請求項３から請求項６の何れか一項に記載のバルブ装置。
前記弁体の底面が平坦面であり、前記リブの側面と前記平坦面とが凹面状湾曲面によって接続されている、請求項７に記載のバルブ装置。
前記弁体が、前記駆動部によって駆動されるステムの先端に設けられた接続端に接続されている、請求項７に記載のバルブ装置。
前記環状面が円環形状を有しており、前記凸面状当接湾曲面が前記リブの内周側側面に形成されていると共に、前記ステムの前記接続端の外径が前記環状面の内径よりも小さくなるように前記環状面が形成されている、請求項９に記載のバルブ装置。
前記弁体が、前記ステムの前記接続端を前記弁体に圧入することによって前記接続端に接続されている、請求項９に記載のバルブ装置。
前弁体の周囲から半径方向外方に延びるダイヤフラムをさらに備え、前記弁体が前記ダイヤフラムを介して前記バルブ本体に支持されている、請求項１から請求項１１の何れか一項に記載のバルブ装置。
前記駆動部は、空気駆動式又はばね駆動式である、請求項１から請求項１２の何れか一項に記載のバルブ装置。