JP2020159431A - バタフライバルブ - Google Patents
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Abstract
Description
上記特許文献1に開示されるバタフライ弁体は、バタフライ弁体の中心点がロッドの回転中心軸に対して偏心した状態でロッドに結合されている。そのため、バタフライ弁体の重心は回転中心軸上になく、バタフライ弁体による流路の開閉を行うためにロッドを回転させると遠心力が発生し、遠心力によってロッドの回転中心軸がぶれることとなる。ロッドの回転中心軸がぶれると、ロッドを軸支するボールベアリングに対する負荷が過大となって損傷受けたり、バタフライ弁体が流路の内壁に干渉したりしてしまうなど、バタフライバルブの寿命に悪影響を与えるという問題点がある。
(1)モータに接続され、流路に対して直交する方向に配置されたロッドと、ロッドに結合され、モータによりロッドが回転されることで流路の開閉を行うバタフライ弁体と、を有するバタフライバルブにおいて、少なくともロッドとバタフライ弁体とを構成部材とする結合体の重心である結合体重心が、モータの回転軸の軸線上に位置していること、を特徴とする。
(4)(3)に記載のバタフライバルブにおいて、固定具は、ねじおよび座金またはリベットのいずれかであること、を特徴とする。
(1)に記載のバタフライバルブによれば、ロッドとバタフライ弁体との結合体の重心である結合体重心が、モータの回転軸の軸線上に位置しているため、モータによりロッドが回転されても、ロッドに対して遠心力が働きにくくなる。ロッドに対して遠心力が働きにくくなれば、ロッドの回転中心軸のぶれを抑えることが可能である。そして、回転中心軸のぶれを抑えることができれば、ロッドを軸支する部材(例えばボールベアリング)に対する負荷を軽減できるほか、バタフライ弁体が流路の内壁に干渉することも防止することができるため、バタフライバルブの寿命も改善される。
従来は、バタフライバルブには、ステッピングモータが用いられることが多かったが、ステッピングモータを用いた場合、バタフライ弁体の全開から全閉まで(または全閉から全開まで)の時間が0.5秒程度と、ALDで求められる0.1秒という速度を満足することが困難であった。そこで、ダイレクトドライブモータを用いることで高速化することが考えられたが、高速化することにより、遠心力によりロッドの回転中心軸のぶれが生じやすく、ロッドを軸支するボールベアリングに対する負荷が過大となって損傷受けたり、バタフライ弁体が流路の内壁に干渉したりしてしまうなど、バタフライバルブの寿命に悪影響を与えるという問題点が顕在化していた。しかし、本発明は、ロッドとバタフライ弁体の結合体の重心である結合体重心が、前記モータの回転軸の軸線上に位置しているため、ロッドに対して遠心力が働きにくく、ロッドの回転中心軸のぶれを抑えることが可能である。よって、上記問題点が解消され、ダイレクトドライブモータによるバタフライ弁体の開閉の高速化を実現することができるのである。
また、前記2つボールベアリングのそれぞれは、外輪と転動体との接点と、内輪と転動体との接点とを結ぶ仮想線が、前記ロッドのラジアル方向に対して角度をもつように構成され、前記2つのボールベアリングのそれぞれの仮想線が成す角度が、前記ロッドに向かって広がるように配置されているため、ロッドを軸支するボールベアリングの内部すきまが発生しにくくなり、剛性が高まる。ボールベアリングの剛性が高まると、ロッドが回転する際の振動が抑えられ、ロッドの回転中心軸のぶれが抑えられる。
バタフライバルブ1は、半導体製造工程において、真空チャンバ32と真空ポンプ33を接続する配管34上に配設され、ガス供給源37から絶えずガスが供給されている真空チャンバ32の圧力を制御する真空圧力制御装置として使用される(図7参照)。
図1は、本発明の実施形態に係るバタフライバルブ1の流路30に平行な方向の断面図である。また、図2は、本発明の実施形態に係るバタフライバルブの、流路に直交する方向の側方断面図である。図1および図2に示すように、バタフライバルブ1は、駆動部2と弁部3とからなる。
バルブボディ8は、図1左右方向の両端に入力ポート5、出力ポート6を備えており、入力ポート5の内壁には入力側流路8bが形成され、出力ポート6の内壁には出力側流路8cが形成されている。そして、入力側流路8bと出力側流路8cとの間には、断面円弧状の内壁からなる弁孔8aが形成されている。入力側流路8bと弁孔8aと出力側流路8cは、同軸上に設けられ、一連の流路30を構成する。
入力ポート5は真空チャンバ32に、出力ポート6は真空ポンプ33に、それぞれ接続され、流路30によって真空チャンバの排気を行う。
ロッド10の流路30に挿通されていない側の一端は、継手17を介してDDモータ11の回転軸11aに接続されている。継手17は、金属板ばね式のカップリングであり、ロッド10が流体により熱せられたとき、その熱がDDモータ11に伝わりにくくなっている。
予圧について、図6を用いて詳しく説明する。
軸受け押さえ24の突起部24aが、ボールベアリング21Aとボールベアリング21Bの間に位置しており、外輪211A,211Bをそれぞれ矢印F1,F2方向に押し広げるとともに、カラー23と、ロッド10のフランジ部10aによって、図中上下方向から内輪212A,212Bを矢印F3,F4方向に圧縮している。
以上のように予圧されることによって、ボールベアリング21A,21Bは、内部すきまが発生しにくくなり、剛性が高まるため、ロッド10が回転する際の振動が抑えられ、ロッド10の回転中心軸のぶれが抑えられる。
また、回転結合体31は、エンコーダ14によって回転角度を把握されており、バタフライ弁体9が全開位置から全閉位置(または全閉位置から全開位置)に回転する際の回転角度は90°である。
回転結合体31を以上のような構成とすることで、回転結合体31を構成する各構成部材に働くモーメントのバランスが、軸線RA上で取られることとなり、回転結合体31の重心が、軸線RA上に位置することとなる。
なお、図5に図示される重心の位置は全て一例であり、図示される内容に限定されるものではない。
バタフライ弁体9は、図3に示す全閉位置にある場合でも、弁孔8aの内周面に対して極小の隙間を持っているため、絞りの役割を果たすものである。したがって、バタフライバルブ1は、常に真空チャンバ32の排気を行っている。図4に示すのが、バタフライ弁体9の全開位置であり、バタフライ弁体9は、真空チャンバ32が目標の圧力となるように、全閉位置(回転角度0°)から、全開位置(回転角度90°)までの間で、任意の回転角度をもって回転し、流路面積を調整する。
図8に示すように、バタフライ弁体9は、ロッド10に対してリベット36A,36B,36Cによって固定されている。
回転結合体41の重心を軸線RA上に位置させるため、ロッド10、バタフライ弁体9、リベット36A,36B,36Cのそれぞれに働くモーメントの合計が0となるように構成されている。
つまり、リベット36A,36B,36Cの構成部材重心を、それぞれ重心CG36A,CG36B,CG36Cとし、それぞれの重心CG36A,CG36B,CG36Cと、軸線RAとの距離を、D5A,D5B,D5Cとし(D5Aと、D5Bと、D5Cは全て同じ値であるため、以下D4に統一する)、さらに、リベット36A,36B,36C、それぞれの質量をVとすれば、W×D1+X×D2+(V×D5)×3=0となるように構成されているのである。
回転結合体41を以上のような構成とすることで、回転結合体31の重心は、軸線RA上に位置することとなる。
溶接により結合を行った場合、溶接により生じるビードの量を制御することが困難であるため、重心の位置の制御が困難となる。したがって、溶接を行った後にビードを削り取る必要がある。ビードを削り取ることで、ロッド10の質量Wと距離D1を乗じて求まるモーメントおよびバタフライ弁体9の質量Xと距離D2とを乗じて求まるモーメントのみを考慮して回転結合体を構成すれば、軸線RA上に回転結合体の重心を位置させることができる。
(1)モータ(DDモータ11)に接続され、流路30に対して直交する方向に配置されたロッド10と、ロッド10に結合され、モータ(DDモータ11)によりロッド10が回転されることで流路30の開閉を行うバタフライ弁体9と、を有するバタフライバルブ1において、少なくともロッド10とバタフライ弁体9とを構成部材とする結合体(回転結合体31)の重心である結合体重心が、モータ(DDモータ11)の回転軸11aの軸線RA上に位置していること、を特徴とするので、モータ(DDモータ11)によりロッド10が回転されても、ロッド10に対して遠心力が働きにくくなる。ロッド10に対して遠心力が働きにくくなれば、ロッド10の回転中心軸のぶれを抑えることが可能である。そして、回転中心軸のぶれを抑えることができれば、ロッド10を軸支するボールベアリング21A,21Bに対する負荷を軽減できるほか、バタフライ弁体9が流路30(弁孔8a)の内壁に干渉することも防止することができるため、バタフライバルブ1の寿命も改善される。
従来は、バタフライバルブ1には、ステッピングモータが用いられることが多かったが、ステッピングモータを用いた場合、バタフライ弁体9の全開から全閉まで(または全閉から全開まで)の時間が0.5秒程度と、ALDで求められる0.1秒という速度を満足することが困難であった。そこで、DDモータ11を用いることで高速化することが考えられたが、高速化することにより、遠心力による回転中心軸のぶれが生じやすく、ロッド10を軸支するボールベアリング21A,21Bに対する負荷が過大となって損傷を受けたり、バタフライ弁体9が流路30(弁孔8a)の内壁に干渉したりしてしまうなど、バタフライバルブ1の寿命に悪影響を与えるという問題点が顕在化していた。しかし、本発明は、ロッド10とバタフライ弁体9の結合体(回転結合体31)の重心である結合体重心が、DDモータ11の回転軸11aの軸線RA上に位置しているため、ロッド10に対して遠心力が働きにくく、ロッド10の回転中心軸のぶれを抑えることが可能である。よって、上記問題点が解消され、DDモータ11によるバタフライ弁体9の開閉の高速化を実現することができるのである。
9 バタフライ弁体
10 ロッド
11 DDモータ
11a 回転軸
30 流路
31 回転結合体(結合体の一例)
RA 軸線
Claims (8)
- モータに接続され、流路に対して直交する方向に配置されたロッドと、前記ロッドに結合され、前記モータによりロッドが回転されることで前記流路の開閉を行うバタフライ弁体と、を有するバタフライバルブにおいて、
少なくとも前記ロッドと前記バタフライ弁体とを構成部材とする結合体の重心である結合体重心が、前記モータの回転軸の軸線上に位置していること、
を特徴とするバタフライバルブ。 - 請求項1に記載のバタフライバルブにおいて、
前記結合体は、
前記結合体を構成するそれぞれの構成部材の重心である構成部材重心のいずれもが、前記回転軸の軸線を通る仮想平面上に置かれ、
前記仮想平面上において、前記回転軸の軸線によって区切られる一方の領域に置かれた前記構成部材重心と、前記軸線と、の距離を正の値とし、他方の領域に置かれた前記構成部材重心と、前記軸線と、の距離を負の値とし、
前記構成部材ごとに、前記構成部材重心と前記軸線との距離に、前記各構成部材の質量を乗じたモーメントを算出し、当該算出したモーメントを合計した値が略0となるように構成されていること、
を特徴とするバタフライバルブ。 - 請求項1または2に記載のバタフライバルブにおいて、
前記結合体は、前記ロッドに前記バタフライ弁体が固定具により結合されることで成り、前記結合体重心は、前記固定具の重心も考慮したものであること、
を特徴とするバタフライバルブ。 - 請求項3に記載のバタフライバルブにおいて、
前記固定具は、ねじおよび座金またはリベットのいずれかであること、
を特徴とするバタフライバルブ。 - 請求項1または2に記載のバタフライバルブにおいて、
前記結合体は、前記ロッドに前記バタフライ弁体を溶接により結合することで成り、前記溶接によって生じるビードは取り除かれていること、
を特徴とするバタフライバルブ。 - 請求項1乃至5のいずれか1つに記載のバタフライバルブにおいて、
前記モータは、ダイレクトドライブモータであること、
を特徴とするバタフライバルブ。 - 請求項1乃至6のいずれか1つに記載のバタフライバルブにおいて、
前記ロッドは、前記ロッドの軸方向に隣接して並ぶ2つのボールベアリングと、ブッシュと、によって両持ち状態に軸支されていること、
前記2つボールベアリングのそれぞれは予圧され、外輪と転動体との接点と、内輪と転動体との接点とを結ぶ仮想線が、前記ロッドのラジアル方向に対して角度をもち、
前記2つのボールベアリングのそれぞれの前記仮想線が成す角度が、前記ロッドに向かって広がるように配置されていること、
を特徴とするバタフライバルブ。 - 請求項1乃至7のいずれか1つに記載のバタフライバルブにおいて、
前記流路を内部に有するバルブボディの温度を計測する温度センサと、前記温度センサの計測値に基づき、前記バルブボディの温度を調整するヒータと、前記バルブボディの過昇温を検知するサーモスタットと、を備えること、
を特徴とするバタフライバルブ。
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