JP2022040518A

JP2022040518A - バルブ装置

Info

Publication number: JP2022040518A
Application number: JP2020145279A
Authority: JP
Inventors: 伸夫中村; Nobuo Nakamura; 知宏中田; Tomohiro Nakada
Original assignee: Fujikin Inc
Current assignee: Fujikin Inc
Priority date: 2020-08-31
Filing date: 2020-08-31
Publication date: 2022-03-11

Abstract

【課題】高温のガスを扱う場合であっても、バルブ閉時のシール性を確保しつつ、上記熱膨張の影響を抑制できるバルブ装置を提供を提供する。【解決手段】流体通路（２ｂ,２ｃ）および弁室２ａが形成され、弁座２ｄを備えたバルブボディ２と、弁室２ａを覆うように設けられ、弁室２ａの気密を保持するダイヤフラム８と、弁座２ｄに対し近接および離間移動するステム４と、ダイヤフラム８の中央部に挿通され、ステム４に連結されて、弁座２ｄに当接・離間して流体通路（２ｂ,２ｃ）を開閉する弁体部６と、を備え、弁体部６は、ステム４に連結された弁体部本体６ａと、該弁体部本体６ａの弁座２ｄ側の面に貼付されて弁座２ｄに当接する柔軟性を有する材料からなる環状のシール部材６ｂとを含むことを特徴とする、バルブ装置１。【選択図】図３

Description

本発明は、バルブ装置に関する。

従来より、バルブの気密性向上のため、バルブボディの弁室の上側をダイヤフラムで覆い、そのダイヤフラムを貫いて配置された弁体を、バルブボディの弁室内の流路口の周囲に形成された弁座に当接・離間させることにより、開閉を行うバルブが用いられている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
このうち、特許文献２のバルブでは、弁体部の先端部に樹脂製のシール部材を配置し、このシール部材がバルブボディ側の弁座に当接・離間させるようにして、バルブ閉時の閉塞性を高めている。この樹脂製のシール部材は、略円筒状を有し、その外周部に嵌合する弁体部本体の環状突起部分をカシメることにより、固定されている（特許文献２参照）。

特開２００６－１６２０４３号公報国際特許公報ＷＯ２０２０／０６６５８４Ａ１

しかし、特に半導体製造工程で用いられるバルブには、高温のガスにも対応できることが求められている。
この点、特許文献２のバルブ装置のシール部材は、例えばＰＣＴＦＥなどの樹脂から形成されているため、熱膨張率が大きく、高温のガスに接して熱膨張した後に冷却されて収縮すると、膨張したシール部材がカシメの変形部分に引っかかり、応力集中が生じて、シール部材が千切れる恐れがあるという問題があった。
また、バルブ全開時の大流量を流す能力（Ｃｖ値）は、弁体部を駆動するステムが上端位置に退いたときのシール部材の下端と弁座との間隙によって決まるが、シール部材が熱膨張すると、この間隙が小さくなり、バルブの所定のＣｖ値が得られなくなるという問題もあった。特にシール部材がカシメによって保持されている構造では、シール部材のステム軸方向の寸法が大きいため、熱膨張量も大きくなり、上記Ｃｖ値の問題が無視できない場合もあった。

本発明は、上記課題を解決するもので、高温のガスを扱う場合であっても、バルブ閉時のシール性を確保しつつ、上記熱膨張の影響を抑制できるバルブ装置を提供することを目的とする。

上記目的を解決するために、本発明の一態様であるバルブ装置は、流体通路および弁室が形成され、弁座を備えたバルブボディと、
前記弁室を覆うように設けられ、前記弁室の気密を保持するダイヤフラムと、
前記弁座に対し近接および離間移動するステムと、
前記ダイヤフラムの中央部に挿通され、前記ステムに連結されて、前記弁座に当接および前記弁座から離間して前記流体通路を開閉する弁体部と、を備え、
前記弁体部は、前記ステムに連結された弁体部本体と、該弁体部本体の前記弁座側の面に貼付されて前記弁座に当接する柔軟性を有する材料からなる環状のシール部材とを含むことを特徴とする。

前記シール部材は、前記弁座側に突出した凸型の断面を有するものであってもよい。

前記シール部材は、略矩形の断面を有するものであってもよい。

前記シール部材は、フッ素ゴムからなるものでもよい。

本発明によれば、弁体部本体の弁座側の面に柔軟性を有する材料からなる環状のシール部材を貼付した構造にしたので、シール部材のカシメ構造部分の応力集中の問題が解消する。また、シール部材を貼付する構造にしたので、シール部材のステム軸方向の寸法を小さくでき、シール部材の熱膨張量が抑えられて、Ｃｖ値の問題を低減できる。これにより、バルブ閉時のシール性を確保しつつ、上記熱膨張の影響を抑制することができる。

本発明の実施形態に係るバルブ装置の閉状態を示す部分縦断面図である。図１のＡ部拡大断面図である。図１のバルブ装置の開状態を示す部分縦断面図である。図３のＡ部拡大断面図である。図１のバルブ装置の変形例を示すＡ部拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態に係るバルブ装置の閉状態を示す部分縦断面図であり、図２はそのＡ部拡大断面図である。

図１に示すように、バルブ装置１は、バルブボディ２と、ボンネット３と、ステム４と、連結部材５と、弁体部６と、押えアダプタ７と、ダイヤフラム８と、コイルバネ９と、ハンドル１０とを備える。なお、以下の説明において、バルブ装置１の、ハンドル１０側を上側、バルブボディ２側を下側として説明する。

バルブボディ２は、本実施形態では、全体的に逆Ｔ字型をなすブロック状の部材で、その内部に、上側から凹設された弁室２ａと、弁室２ａに連通する流体通路である流入路２ｂおよび流出路２ｃとが形成されている。流入路２ｂは、弁室２ａの底部に開口しており、その開口部の周縁は、円環状の弁座２ｄを構成する。

ボンネット３は、上端部が天井部３ａとして閉じた略円筒状をなし、その下端部外周に設けられた雄ねじ部３ｂを、バルブボディ２の弁室の２ａ内周側上端部に設けられた雌ねじ部２ｅに螺合させることにより、弁室２ａを覆うようにバルブボディ２に固定されている。ボンネット３の天井部３ａの中央には、これを軸方向に貫通するねじ穴（図示省略）が形成されている。また、ボンネット３の軸方向中央の外周側には、組立・分解時に工具で掴んで回転できるように六面取り部３ｃが形成されている。

ステム４は、下端部にフランジ部４ａを有する軸状の部材で、ボンネット３の内周側を挿通している。ステム４の上部外周には雄ねじ部４ｂが形成され、この雄ねじ部４ｂはボンネット３の天井部３ａの前記ネジ穴（図示省略）に螺合している。これにより、ステム４は、ボンネット３に対して軸回転することにより、バルブボディ２の弁座２ｄに対し近接および離間移動する。ステム４が上端位置にあるときにはバルブ装置１は開状態になり、ステム４が下端位置にあるときにはバルブ装置１は閉状態となるように構成されている。
ステム４の下端部から軸方向に、ネジ穴である螺合孔４ｃが形成されている。

連結部材５は、ステム４の下端部に接続され、軸上に上側から、雄ねじ部５ａと円柱部５ｂと半球状部５ｃとを有する。円柱部５ｂは雄ねじ部５ａより大径で、両者の境界が段差部になっている。雄ねじ部５ａは、段差部がステム４の下面に当接するまでステム４の螺合孔４ｃに螺合され、これにより、連結部材５はステム４に固定されている。半球状部５ｃは、半球と全球の間の形状を有し、円柱部５ｂの下側に形成されている。

弁体部６は、弁体部本体６ａと、シール部材６ｂとを有する。
弁体部本体６ａは、上端部６ｄから、略半球形の嵌入孔６ｈが形成され、前記連結部材５の半球状部５ｃが嵌め込まれている。この嵌入孔６ｈの周壁はカシメられ、これにより、弁体部６と連結部材５の半球状部５ｃとは、互いに回転及び揺動可能に連結されている。
一方、弁体部本体６ａの外周側には、下側が拡径した段差部６ｃが形成されている。弁体部本体６ａの段差部６ｃより上側の上端部６ｄは、後述するダイヤフラム８の中央部の挿通孔８ａに挿通され、ダイヤフラム８と溶接されている。
弁体部本体６ａの下端部６ｅは、さらに拡径し、下端面６ｆ（弁座側の面）は、円環状のシール部材６ｂの形状に合わせて円環状の平坦面をなし、その内周側には凹み６ｇを設けている。この円環状の下端面６ｆに、シール部材６ｂが貼付されている。

シール部材６ｂは、柔軟性を有する材料からなる部材で、円環状の弁座２ｄと全周に渡って接触するように、上面視で円環状をなす厚みの小さい部材で、前記弁体部本体６ａの下端面６ｆに接着等により貼付されて保持されている。但し、貼付方法は、接着に限られず、融着でもよい。
シール部材６ｂの断面形状は略矩形でもよいが、本実施形態では、バルブ閉時の弁座２ｄとの間のシール性を高めるため、幅方向中央が弁座側に突出した凸型の断面形状としている。
シール部材６ｂは、柔軟性材料から形成されており、樹脂又はゴムから形成されていることが好ましく、フッ素ゴムから形成されていることがさらに好ましく、例えば３００℃以上の高温にも耐え得るフッ素ゴム（例えば、デュポン社製のフッ素ゴム材料「カルレッツ（登録商標）」）から形成されていることが特に好ましい。

押えアダプタ７は、バルブボディ２の弁室２ａの内周側に嵌め込まれた円環状の部材で、後述するダイヤフラム８の外周部８ｂを上から押えて固定するものである。

ダイヤフラム８は、バルブボディ２の弁室２ａを覆うように設けられ、弁室２ａ内の気密を保持する。ダイヤフラム８は、例えば、ニッケル合金、ステンレス鋼により円板状又は皿状に形成された一枚の薄板（例えば厚さ：０．１ｍｍ～０．２ｍｍ）又は、積層した複数の薄板により構成されている。ダイヤフラム８は、弁室２ａに直接対向しており、プロセスガス等の流体に直接接触する。
ダイヤフラム８の中央部には、弁体部本体６ａの上端部６ｄが挿通する挿通孔８ａが形成されている。この挿通孔８ａに、弁体部本体６ａの上端部６ｄが、段差部６ｃが突き当たるまで挿入され、挿通孔８ａの全周にわたって溶接されている。溶接としては、電子ビーム溶接、レーザ溶接等が用いられる。この溶接により、ダイヤフラム８と弁体部本体６ａを結合すると共に、ダイヤフラム８下側の弁室２ａを気密に封止している。
一方、ダイヤフラム８の外周部８ｂは、バルブボディ２の弁室２ａの内周面に設けられた段差部２ｆに載置され、その上に円環状の押えアダプタ７がさらに載置されている。ボンネット３を締め付けることにより、ダイヤフラム８の外周部８ｂは、押えアダプタ７とバルブボディ２とにより気密状態で挟圧され保持されている。

コイルバネ９は、圧縮バネで、ボンネット３の天井部３ａとステム４のフランジ部４ａとの間に、ステム４を巻回するように設けられ、ステム４を下方に付勢している。これにより、互いに螺合するステム４と天井部３ａとの間の、軸方向のバックラッシュを無くしている。

ハンドル１０は、ステム４の上端に取り付けられており、作業者が手動でハンドル１０を回転させることにより、ステム４を回転させて上下方向に移動させるものである。

最後に、ステム４の雄ねじ部４ｂには、さらにロックナット１１が螺合され、これをボンネット３の天井部３ａに押しつけるように締め込むことにより、ハンドル１０によるバルブ装置１の操作後のステム４の位置をロックできるようになっている。

次に、このように構成された本実施形態のバルブ装置１の動作について説明する。
本実施形態のバルブ装置１では、ハンドル１０の回転操作によりステム４を上下動させると、連結部材５を介して連結された弁体部６が上下動すると共に、ダイヤフラム８が弾性変形し、弁体部６のシール部材６ｂが弁座２ｄに当接および弁座２ｄから離間して、流入路２ｂと流出路２ｃとの間を開閉するようになっている。

図１は、バルブ閉状態を示す全体図であり、図２は、そのＡ部拡大図である。
この状態は、ハンドル１０を一杯に締め込んだ状態で、ステム４が下端位置にあり、その下側に連結部材５を介して連結された弁体部６のシール部材６ｂが、バルブボディ２側の弁座２ｄに当接している。これにより、流入路２ｂと流出路２ｃとの連通は遮断され、バルブ装置１は閉状態になっている。このとき、シール部材６ｂの凸型断面の上部は、弁座２ｄへの押圧により弾性変形して、該弁座２ｄ面と面接触し、高いシール性を実現している。

図３は、バルブ開状態を示す全体図であり、図４は、そのＡ部拡大図である。
この状態は、ハンドル１０を一杯に緩めた状態で、ステム４が上端位置にあり、その下側に連結部材５を介して連結された弁体部６のシール部材６ｂが、バルブボディ２側の弁座２ｄから離間している。これにより、流入路２ｂと流出路２ｃは、シール部材６ｂと弁座２ｄとの間の隙間を通って連通し、バルブ装置１は開状態になっている。このとき、シール部材６ｂの断面形状は、弁座２ｄへの押圧が解除されて、本来の凸型の形状に戻っている。

前記したように、バルブ全開時の大流量を流す能力（Ｃｖ値）は、ステム４が上端位置に退いたときのシール部材の下端と弁座との間隙によって決まるが、シール部材が熱膨張すると、この間隙が小さくなり、バルブの所定のＣｖ値が得られなくなるという問題もあった。特にシール部材がカシメによって保持されている従来の構造では、シール部材のステム軸方向の寸法が大きいため、熱膨張量も大きくなり、上記Ｃｖ値の問題が無視できない場合もあった。
ここで、Ｃｖ値は、流体がガス体の場合においては、下記の式（１）で求められる。

式（１）においてQ_G〔m³/h（標準状態）〕は標準状態（15℃、760mmHgabs）における気体の流量、t〔℃〕はガスの温度、G_Gはガスの比重（空気＝1とした時の）、P₁〔MPa abs〕は一次側絶対圧力、P₂〔MPa abs〕二次側絶対圧力である。
本実施形態のバルブ装置１では、シール部材６ｂを貼付する構造にしたので、シール部材６ｂのうち、カシメのために弁体部本体６ａに嵌め込まれる部分が不要で、シール部材６ｂのステム軸方向の寸法を小さくでき、シール部材６ｂの熱膨張量が抑えられて、Ｃｖ値の問題を低減できる。

また、本実施形態のバルブ装置１では、弁体部本体６ａの弁座２ｄ側の面に柔軟性を有する材料からなる環状のシール部材６ｂを貼付した構造にしたので、シール部材６ｂのカシメ構造部分の応力集中の問題が解消する。これにより、バルブ閉時のシール性を確保しつつ、上記熱膨張の影響を抑制することができる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。

例えば、上記実施形態では、弁体部６のシール部材６ｂの断面形状が凸型で、バルブボディ側の弁座２ｄの断面形状が、平坦な上面を有する例を示した。しかし、これに限られず、図５に示すように、シール部材６ｂの断面形状を厚さの薄い略矩形とし、一方、弁座２ｄの断面形状を幅方向中央部が盛り上がった凸型にしてもよい。このようにしても、バルブ閉時には、シール部材６ｂの弁座２ｄと当接する部分は柔軟に変形して面接触になり、十分なシール性を得ることができるとともに、上記本発明の効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、弁体部本体６ａの下端面６ｆ（弁座側の面）は、円環状のシール部材６ｂの形状に合わせて円環状の平坦面とし、内周側に凹み６ｇを設けた。しかしこれに限られず、弁座側の面（６ｆ）は、シール部材６ｂを貼付して、該シール部材６ｂを弁座２ｄに当接できるように保持できる面であればいずれでもよく、例えば、内周側の凹み６ｇのない円形の平坦面であってもよく、弁座２ｄと干渉しない限り内周側が突出していてもよい。

また、上記実施形態において、ステム４を上下動させる駆動手段は、手動式のハンドル１０であったが、自動式の駆動手段であってもよい。自動式の駆動手段としては、流体式の駆動手段でもよい。かかる構成のバルブであっても、上記の実施形態のバルブ装置１と同様の効果を奏する。

１：バルブ装置
２：バルブボディ
２ａ：弁室
２ｂ：流入路
２ｃ：流出路
２ｄ：弁座
２ｅ：雌ねじ部
２ｆ：段差部
３：ボンネット
３ａ：天井部
３ｂ：雄ねじ部
３ｃ：六面取り部
４：ステム
４ａ：フランジ部
４ｂ：雄ねじ部
４ｃ：螺合孔
５：連結部材
５ａ：雄ねじ部
５ｂ：円柱部
５ｃ：半球状部
６：弁体部
６ａ：弁体部本体
６ｂ：シール部材
６ｃ：段差部
６ｄ：上端部
６ｅ：下端部
６ｆ：下端面（弁座側の面）
６ｇ：凹み
６ｈ：嵌入孔
７：押えアダプタ
８：ダイヤフラム
８ａ：挿通孔
８ｂ：外周部
９：コイルバネ
１０：ハンドル
１１：ロックナット

Claims

流体通路および弁室が形成され、弁座を備えたバルブボディと、
前記弁室を覆うように設けられ、前記弁室の気密を保持するダイヤフラムと、
前記弁座に対し近接および離間移動するステムと、
前記ダイヤフラムの中央部に挿通され、前記ステムに連結されて、前記弁座に当接および前記弁座から離間して前記流体通路を開閉する弁体部と、を備え、
前記弁体部は、前記ステムに連結された弁体部本体と、該弁体部本体の前記弁座側の面に貼付されて前記弁座に当接する柔軟性を有する材料からなる環状のシール部材とを含むことを特徴とする、バルブ装置。
前記シール部材は、前記弁座側に突出した凸型の断面を有する、請求項１に記載のバルブ装置。
前記シール部材は、略矩形の断面を有する、請求項１に記載のバルブ装置。
前記シール部材はフッ素ゴムからなる、請求項１に記載のバルブ装置。