JP2609400B2 - ダイヤフラム弁のダイヤフラム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は各種ガス工業、分析、医
療、生物工学、計装などに用いられる比較的小口径のダ
イヤフラム弁に用いるダイヤフラムに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属製ダイヤフラムを用いた弁と
して例えば第５図で示すような特開昭６１−２４４９７
６で開示されたものがある。このものは、流体入口１１
と流体出口１２に連通する浅窪状の栓室１６の底面に栓
座１５を設けた筐体１０と、栓座１５の上方に配設され
て前記栓室１６の気密を保持すると共に、擬弾性変形に
より栓座１５へ当座して流体を遮断するＮｉ−Ｔｉ合金
製のダイヤフラム１７と、ダイヤフラム１７の上方に昇
降自在に配設され、これを弁座１５へ当座せしめるスピ
ンドル１８とよりなり、前記Ｎｉ−Ｔｉ合金製ダイヤフ
ラム１７の擬弾性特性による復元力により開放時にダイ
ヤフラム１７を栓座１５から離座せしめることを特徴と
する流体遮断開放器である。

【０００３】すなわちダイヤフラム１７はＮｉ−Ｔｉ系
の合金を用いて形成し、設定されたＡｆ変態温度を越え
る温度で擬弾性変形をする。そしてＡｆ変態温度よりや
や高い目の温度条件下で使用し、スピンドル１８を下方
へ押圧しダイヤフラム１７の擬弾性変形に抗してダイヤ
フラム１７を栓座１５へ押し付けて擬弾性特性によって
下方へ膨出した状態に変形させ栓座１５に当座して閉と
する。開放する場合はスピンドル１８を上方へ引き上げ
るとダイヤフラム１７のスピンドル１８による窪部がＮ
ｉ−Ｔｉ合金の有する擬弾性特性により縮んで平板状に
復元し栓座１５より離座して開放されるものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記流体遮断開放器の
欠点は次の通りである。 イ）ダイヤフラム１７としてＮｉ−Ｔｉ系の形状記憶合
金を用いなければならず、この合金のＡｆ変態温度の管
理が困難で又高価である。 ロ）弁は設置場所や流体温度によって使用時の温度が変
化するため、一定の条件下でしか使用できない。 ハ）ダイヤフラム１７はその外周が挟着固定された状態
での擬弾性変形内で直接引張力を与える変形であるた
め、変形量は大きく取れず、弁座を開放するリフトは小
さなものしか得られず、流体が通過する流過抵抗は大き
なものとなる。

【０００５】ニ）弁の閉塞時は元の復元形状に抗してス
ピンドル１８で強制的に変形させているため、長期の繰
り返し使用に対して形状記憶合金の擬弾性特性が徐序に
失われ、復元作用が働かなくなる。本発明は上記の問題
点を解消し、高価な金属を用いなくとも自己反復復元
し、変位量が大きく取れ、耐久性の良いダイヤフラム弁
用のダイヤフラムを提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、弁本体
の中央部に流入口とつながる上向き流路を形成し、該上
向き流路の上端部に弁座を設け、該上向き流路の側部に
流出口とつながる下向き流路を設け、該上向き流路と下
向き流路の上部に外周部を弁本体と密封的に挟持したダ
イヤフラムを配置し、該ダイヤフラムの上面に負荷を印
加することによりダイヤフラムの中央部を弁座方向に変
位させてダイヤフラムの下面を前記弁座に当接させ弁を
閉止し、前記ダイヤフラム上面の負荷を解除することに
よりダイヤフラムが原形状に自己復帰して弁を開放する
ダイヤフラムであって、該ダイヤフラムはステンレス鋼
製薄板からなり、中央部が弁座と離れる上方向に大きな
曲率半径で球殻形状に膨らむ形状で、ダイヤフラム自身
がもつ荷重ー変位特性は極大値と極小値とを有し、極小
値は正の荷重であることを特徴とするダイヤフラム弁の
ダイヤフラムである。

【０００７】

【０００８】

【作用】本発明は上記の構成であるから、弾性的に自己
反復復元するダイヤフラムの中でも、特にダイヤフラム
自身が持つ荷重ー変位特性は極大値と極小値とを有する
性質を備えたものである。このため、単に荷重と変位が
比例的に上昇するものに比べて、荷重に対して変位量が
大きく得られ、しかも極小値が正の値であるからダイヤ
フラム自身が弾性的に自己反復復元する。このため弁を
開くための余分な構成が不要になり、流体との接触部分
が減少して金属摩擦粉の発生が減少する。またステンレ
ス鋼製薄板からなるので、腐食性ガスを流す半導体製造
装置にも使用することができ、中央部が弁座と離れる方
向に球殻形状に膨らむ形状であるから弁開放時の流体の
流量を大きくとれる。

【０００９】従って、自己復元力を備えたダイヤフラム
弁の中でも、変位量のみ大きく変化する大きな開閉リフ
トを持ったダイヤフラム弁を得ることが可能である。ま
た復元させるための部材等を別に設ける必要がなく、弁
座と反対側でダイヤフラムの中央部を弁座側に変位させ
るだけで弁を開閉することができる。このため形状が簡
単になり、流量が大きく金属粉が発生しないクリーンな
ダイヤフラム弁を得ることが出来る。

【００１０】

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を参照しながら
説明する。１はダイヤフラム弁の本体で、次のように構
成されている。左側に流入口３、右側に流出口４を形成
し、中央部に流入口とつながり流れ方向を上向きにする
上向き流路５を形成し、更に上向き流路５の流出口側に
流出口４とつながり、流れ方向が下向きである下向き流
路６を形成する。また上向き流路５の上端部には合成樹
脂製のシ−ト７を装着する。弁の本体上部は開放されて
おり、本体１のふた２を嵌合装着し、嵌合したふたのス
トッパ−として本体１の嵌合部に段差１２を形成する。
本体１にふた２を嵌合装着することによって本体１の上
部とふた２との間に流体室１３が形成され、この流体室
１３は上向き流路５と下向き流路６とを連通している。

【００１１】本体１とふた２とを嵌合装着するとき、本
体１の上向き流路５の上面にステンレス製薄板のダイヤ
フラム９を設けて、その外周部を本体１の段差部１２と
ふた２の外周部下面とで密封的に挟持する。この挟持を
するには本体上部の外周部におねじを切り、このおねじ
に螺合するふた押えナット１０を螺合締め付けることに
よって行う。ダイヤフラム９は金属製の薄板を複数枚重
ね合わせても良く、中央部は上部側へ膨らませた大きな
曲率半径を持つ部分球殻形状をしている。ふた２の中央
には弁棒８が貫通する貫通孔を有しており、この貫通部
においてふた２と弁棒８とがねじ接合、螺合している。
弁棒８の上部にはハンドル１１が着脱自在に固定され、
ハンドル１１を回転することによって弁棒８が上下に移
動する。

【００１２】弁棒８の最下端面はダイヤフラム９の上面
と面接触しており、弁棒８に固定したハンドル１１を回
転して弁棒８を下げることによってダイヤフラム９も同
時に押し下げる。押し下げられたダイヤフラムは最後に
上向き流路５の上部に装着したシ−ト７と圧着して弁は
全閉状態となる。この後、弁棒８をハンドルの回転によ
って上昇させるとダイヤフラム９が弁棒８に追随して上
昇する。即ちダイヤフラム９の保有している弾性力によ
ってダイヤフラム９は流通口を開く。

【００１３】このダイヤフラム９を弁棒８によって押し
下げ全閉状態にしてこの後弁棒８を上昇してダイヤフラ
ム９を上昇させて弁を開にするとき、ダイヤフラム９が
弁棒に追随するダイヤフラム９の形状について図２ない
し図４を用いて説明する。図２は本実施例のダイヤフラ
ム９の形状を示す縦断面図で、大きな曲率を持った部分
球殻形状である。図２において、ダイヤフラムの曲率半
径をＲ、ダイヤフラムの板厚をｔ、ダイヤフラムの曲率
中心とダイヤフラムの球殻端の両端を結んだ直線のなす
角度を２βとする。

【００１４】次に図３のごとく、このダイヤフラム９を
弁棒８によりＰＫｇの荷重で押したときのダイヤフラム
の変位量をδｍｍとする。荷重Ｐとダイヤフラムの板厚
ｔｍｍと角度βｒａｄで表されるαの値を種々変えたと
き（αをパラメ−タとしたとき）Ｐとδの関係は図４の
通りである。ここでαはＲ・β² ／ｔであり、ダイヤフ
ラム９の板厚ｔはダイヤフラムの曲率半径Ｒより十分小
さいステンレス製の薄板で、この薄板を複数枚重ね合わ
せてある。

【００１４】図４の各曲線は、上式におけるα＝２．
１、α＝５．３７、α＝６．２７の３種類のダイヤフラ
ム９に荷重ＰＫｇを掛けたときのこれらのダイヤフラム
９の変位量δｍｍを示し、図の曲線はダイヤフラムの外
周挟着部を結ぶ位置より下方まで変形させた状態を示し
ている。図において、α＝２．１、α＝５．３７、α＝
６．２７の３種類のダイヤフラムに各々荷重５Ｋｇをか
けたときのこれらの変位量δは各々δ１、δ２、δ３で
ある。ここでダイヤフラム９の変位量δが大きいと、こ
のダイヤフラム９は弁棒８に追随して変位出来る最大変
位量が大きいことを示し、δ２、δ３はδ１より倍以上
のリフトを有している。この最大変位量δが大きいと弁
の全開状態での流量が大きくとれ、流過抵抗が小さくと
れることを意味する。

【００１５】図において、α＝２．１のダイヤフラム９
は全変位量に渡って荷重Ｐが大きくなるにつれて変位量
δも増す比例関係を示している。これに対してα＝５．
３７およびα＝６．２７のダイヤフラム９は、各々の変
位量δが０．２ｍｍのＡ点まで荷重Ｐが大きくなるにつ
れて変位量δも増すが、変位量δがＡ点以降Ｂ点までは
Ａ点の荷重より小さい荷重Ｐで変位量δが増している。

【００１６】ここでδ＝６．２７のダイヤフラム９は変
位量δがＣからＤの領域において荷重Ｐがマイナスにな
っている。このことはα＝６．２７のダイヤフラム９に
荷重Ｐをかけ、このダイヤフラム９の変位量δを大きく
していき、荷重Ｐが０となるＣ点まで来ると、以降荷重
Ｐをかけなくとも変位量がＤ点まで増すことを意味す
る。従ってＣ点を越えて後、荷重Ｐを解除してもダイヤ
フラム９の変位量δは元の０点に戻らない。即ち弁開閉
時に弁棒８でダイヤフラム９を押し下げ、次に弁棒８を
上昇させてもダイヤフラム９は弁棒８に追随せず、弁と
しての機能を果さなくなる。

【００１７】特に本発明では、ダイヤフラム自身がもつ
荷重−変位特性が負の領域を持たないことが弁に用いた
時、弁開閉に係る根本的な問題であり、ダイヤフラム９
の荷重−変位曲線が正の領域内である時をダイヤフラム
９の弾性変形域と呼ぶ。ダイヤフラム９の形状を選定す
る場合には、変形量δが大きく取れ、荷重Ｐが負の領域
を持たないように気を付けねばならない。上記実施例の
場合、設計的にはダイヤフラム９はαが５．３７付近よ
り小さく且つ変位量δが大きいものを選定した方が弁の
リフトが大きく弁の流過抵抗が小さく取れるので弁とし
て適している。しかし、本発明はダイヤフラム９自身が
もつ荷重−変位特性が極大値と極小値とを有し、且つ極
小値が正の荷重であるようなダイヤフラムを用いること
が特徴であって、ダイヤフラム弁として組立てた後の荷
重−変位特性まで規定するものではない。

【００１８】ここでα＝５．４とすると、α＝Ｒ・β²
／ｔ＝５．４である。図２におけるダイヤフラム９の外
周を挟持する挟着部の直径をφＫとすると、２Ｒ・ｓｉ
ｎβ＝Ｋであるから、Ｒ＝Ｋ／２・ｓｉｎβとなり、α
＝Ｒ・β² ／ｔ＝（Ｋ／２ｓｉｎβ ）・（β² ／ｔ）
＝５．４であるから、（Ｋ／２ｔ）・（β² ／ｓｉｎ
β）＝５．４となる。この式より、ダイヤフラム挟着部
の直径φＫ及びダイヤフラム９の板厚ｔが決まるとβが
決まり、φＫ及びｔが決まると弁棒８に追随するダイヤ
フラム９の曲率半径Ｒを決めることが出来る。

【００１９】本実施例では、上向き流路５の上端部に合
成樹脂等のシ−ト７を装着している。しかしダイヤフラ
ム９に合成樹脂等のコ−テイングを行い、上向き流路５
の上端部は本体金属のままの突起弁座形状としても良
い。また弁棒８は空圧や磁力によって駆動させても良
い。本実施例のダイヤフラム弁のダイヤフラムは、自己
弾性復帰する性質を備えたダイヤフラムの中でも特に変
位量が大きいので、弁棒に追随して開閉出来る開閉リフ
トが大きい、流量が大きく流過抵抗が小さいダイヤフラ
ム弁を得ることが出来る。またダイヤフラムを復帰させ
るためのスプリング等を設ける必要がないので摩擦金属
粉の発生がないクリ−ンな弁が得られる。

【００２０】

【発明の効果】本発明のダイヤフラム弁のダイヤフラム
は、自己弾性復帰する性質を備えたダイヤフラムの中で
も、特に変位量を大きくとれるダイヤフラムである。こ
のため弁棒に追随して開閉出来る開閉リフトが大きく、
流量が大きく流過抵抗が小さいダイヤフラム弁を得るこ
とが出来る。またダイヤフラムを復帰させるための余分
な部材や構成を設ける必要がないので、クリ−ンな弁が
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例を示す弁開時の縦断面図で
ある。

【図２】 ダイヤフラムの縦断面図である。

【図３】 弁棒でダイヤフラムを押し下げているときの
縦断面図である。

【図４】 ダイヤフラムにかかる荷重と変位量の関係を
表す図である。

【図５】 従来のダイヤフラム弁の縦断面図である。

【符号の説明】

１…本体、 ２…ふた、 ５…上向き流路、 ８…弁棒、 ９…ダイヤフラム、 Ｐ…荷重、 δ…変位

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弁本体の中央部に流入口とつながる上向
   き流路を形成し、該上向き流路の上端部に弁座を設け、
   該上向き流路の側部に流出口とつながる下向き流路を設
   け、該上向き流路と下向き流路の上部に外周部を弁本体
   と密封的に挟持したダイヤフラムを配置し、該ダイヤフ
   ラムの上面に負荷を印加することによりダイヤフラムの
   中央部を弁座方向に変位させてダイヤフラムの下面を前
   記弁座に当接させ弁を閉止し、前記ダイヤフラム上面の
   負荷を解除することによりダイヤフラムが原形状に自己
   復帰して弁を開放するダイヤフラムであって、該ダイヤ
   フラムはステンレス鋼製薄板からなり、中央部が弁座と
   離れる上方向に大きな曲率半径で球殻形状に膨らむ形状
   で、ダイヤフラム自身がもつ荷重ー変位特性は極大値と
   極小値とを有し、極小値は正の荷重であることを特徴と
   するダイヤフラム弁のダイヤフラム。