JP2693043B2

JP2693043B2 - ダイヤフラムバルブ

Info

Publication number: JP2693043B2
Application number: JP3005880A
Authority: JP
Inventors: 郁生横山; 泰徳黒木; 富男和田
Original assignee: Asahi Organic Chemicals Industry Co Ltd
Current assignee: Asahi Yukizai Corp
Priority date: 1991-01-22
Filing date: 1991-01-22
Publication date: 1997-12-17
Anticipated expiration: 2012-12-17
Also published as: JPH04248076A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はダイヤフラムバルブに関
し、さらに詳しくは、主として半導体産業における超純
水ラインや各種化学薬液ラインに用いられ、弁の開閉機
能のほかに輸送流体の流量調節機能を有したダイヤフラ
ムバルブに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のダイヤフラムバルブは一般に、図
５に示すような構造を有し、通水時に弁内部にデッドス
ペースが存在せず、また止水性能に対する信頼性が高い
ことから、雑菌の発生を極端に嫌う半導体産業、バイオ
産業、および医薬・化粧品分野における超純水ライン
や、各種薬液ラインに多数使用されてきている。さらに
これらの用途に利用されているダイヤフラムバルブやダ
イヤフラムそのものに関する従来技術が、実公平２−30
26号公報および実公昭63-37578号公報などに開示されて
いる。また、ダイヤフラムに代替するものとしては、実
公昭42-21903号公報に「ベローシール弁用弗素樹脂製ベ
ローズ」が開示されている。これらの技術は、上述の雑
菌の発生が阻止できる点および止水性能に対する信頼性
が高いという点に関して、極めて優れた技術である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
従来技術の構成では、弁の固有流量特性の設計という点
に対する考慮が全く成されてないので、一般の自動調節
弁に必須のイコールパーセント特性や、リニヤ特性など
を設計通りに得ることは不可能であるといっても過言で
はない。従って、ＰＩＤ制御などの自動制御を行おうと
する場合、制御性が極めて悪く、特に精度を要するプロ
セスラインには全く不向きであるし、一般のプロセスラ
インにおいてでさえも、ハンチングが生じて制御不能に
陥ることがたびたびあった。さらに、当然のことではあ
るがレンジアビリティが極めて小さいので制御流量範囲
が大幅に制限を受ける。また、特に低開度領域で使用す
る場合、条件によっては、流体は絞りの部分で急激な圧
力降下を起こして、キャビテーションが発生する。その
ため弁部および弁座部の損傷が十分に考えられるので、
止水性能の長期的信頼性に関しても問題がないとはいえ
ない。

【０００４】本発明は、以上のような従来技術の問題点
を解決するために成されたもので、その目的とするとこ
ろは、（１）予め設計された各種の弁固有流量特性が、
容易に、しかも精度よく得られる。（２）レンジアビリ
ティを大きくする。

【０００５】（３）キャビテーションの発生を阻止し、
弁の止水性能に対する長期的信頼性を向上させる。
（４）上記（１）〜（３）の性能を付加させると同時
に、従来技術の長所であるデッドスペースが存在しない
ことおよび止水性能に対する高信頼性の２点を維持す
る。以上４点の特徴を有した、構造の極めて簡単なダイ
ヤフラムバルブを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの本発明の構成を、本発明の実施例に対応する図１を
参照して説明する。本発明の構成は、弁本体１内部の入
口流路２と出口流路３との間に設けられ流れ方向をわん
曲させる隔壁４と、該隔壁４に設けられ入口流路２と出
口流路３とを連通させる開口部５と、該開口部５に対面
する制御弁12とを具備し、前記開口部５はその内周面が
前記制御弁12側に向ってカーブ状に拡径され、前記制御
弁12は、前記開口部５の軸線とその軸線を同じくすると
ともに前記開口部５の内周面とオリフィス１５を形成し
かつ流体の流線を鋭く剥離させる形状の鍔部を有し、ま
た上下動可能に配設されたダイヤフラムまたはベローズ
状の隔膜１１に一体的に設けられていることを特徴とす
るものである。

【０００７】

【作用】上記構成よりなる本発明のダイヤフラムバルブ
の作用は次のとおりである。ダイヤフラム11を開口部５
方向に移動させると制御弁12もこれに追隨して移動し、
制御弁12の鍔部13と開口部５の内周面との間のオリフィ
ス15の開口面積は小さくなるので流体の流量は減少す
る。逆にダイヤフラム11を開口部５から離間させる方向
に移動させるとオリフィス15の開口面積は大きくなるの
で流体の流量は増大する。このようにして流体の流量が
調節されるので開口部５の内周面形状を変化させること
で予め設計された弁固有流量特性を得ることが可能とな
る。

【０００８】また流体がオリフィス15を通過する際に鍔
部13によって流体の流線が鋭く剥離を起こすので、流体
の粘性による抵抗が除去され、主として圧力抵抗のみが
鍔部13の前後に作用する。そのため低流速から高流速ま
での広範囲にわたって流量係数が安定するので、予め設
計された弁固有流量特性が精度よく得られる。さらにダ
イヤフラム11を開口部５方向に移動させると開口部５が
閉止直前の状態となる。この状態において上流側の圧力
は制御弁12とダイヤフラム11との間に形成された空間部
の圧力との圧力差を経て下流側の圧力へと二段階に徐々
に圧力降下を起こすのでキャビテーションの発生が抑制
される。

【０００９】さらにダイヤフラム11を開口部５方向へ移
動させ続けるとダイヤフラム11が開口部５に密着し、入
口流路２と出口流路３との間が完全に閉塞し流体の流れ
が止められる。

【００１０】

【実施例】図１は本発明の一実施例を示すダイヤフラム
バルブの要部縦断面である。図において１は弁本体であ
り、内部に設けられた隔壁４により入口流路２と出口流
路３とを隔離しかつこれら流路２と３との間がわん曲さ
れた流路となるようにしている。また弁本体１内には流
路２，３の流路軸線に対し垂直方向に弁室６が設けら
れ、弁室６には制御弁12を内包している。５は隔壁４に
設けられ入口流路２と出口流路３とを連通させる開口部
で、隔壁２に螺合接着されたオリフィス管14の内部に形
成されている。開口部５は制御弁12に対面し、その内周
面は制御弁12の方向に向ってカーブ状に拡径され、また
開口部５の軸線は入口流路２、出口流路３の軸線に対し
て垂直になる様に配されている。オリフィス管14は、そ
の上端部に弁座部16を有している。なお、本実施例にお
いては、開口部５はオリフィス管14を隔壁４に螺合接着
して設けられているが、該隔壁４に直接開口させること
によって設けても良い。10は、弁本体１の上部に固定さ
れた蓋体７に保持されている弁軸９の下端部に一体的に
設けられたコンプレッサーであり、開口部５の軸線にそ
の軸線を一致させ、蓋体７内部のコンプレッサー室８内
を進退動可能に保持されている。11は弗素樹脂製のダイ
ヤフラムであり、本体１と蓋体７とで挟持固定され、そ
の中央部がコンプレッサー10の下端部に螺合固定されて
いる。該ダイヤフラムの材質は弗素樹脂に限定されるも
のではなく、通常使用されているゴムやその他のエラス
トマーあるいは金属材料等で製作しても構わない。制御
弁12も弗素樹脂で構成されダイヤフラム11に一体成形で
設けられており、開口部５の軸線とその軸線を一致さ
せ、該開口部５の内周面との間にオリフィス15を形成し
かつ流体の流線を鋭く剥離させる円錐台形状の鍔部13を
有している。なお本実施例では該制御弁12は、前記ダイ
ヤフラム11と同材質にて設けられているが、これに限定
されるものではなく異材質にて製作された制御弁12をダ
イヤフラム11に固定することによって設けても良い。い
ずれにしても該制御弁12は、流量調節が支障なく行われ
る程度の硬度を有していなければならない。制御弁12
は、本実施例においては、ダイヤフラム11に一体成型に
て設けられているが、接着あるいは螺着等の他の方法に
て一体的に設けても良い。また、制御弁12の鍔部13の形
状は円錐台形状に限定されるものではなく、円盤状ある
いは逆円錐台形状でもよい。本実施例は、その中の好適
な形状の一つを示したものである。

【００１１】上記の構成からなる本実施例のダイヤフラ
ムバルブの作動は、次のとおりである。図１において、
バルブに流体を流すと、入口流路２を通って開口部５に
達した流体は、該開口部５の内周面と鍔部13とで形成さ
れるオリフィス15を通過し、出口流路３へと流出する。
ここで、自動制御装置の駆動部による作動もしくは手動
操作によって、弁軸９を介してダイヤフラム11を開口部
５方向へ移動させると、制御弁12もこれに追随して移動
する。それにともないオリフィス15の開口面積は小さく
なるので、流体の流量は減少する。逆にダイヤフラム11
を開口部５から離間させる方向へ移動させると、上記と
逆の作用によりオリフィス15の開口面積は大きくなるの
で、流体の流量は増大する。このような作用によって、
流体の流量が調節されるので、前記開口部５の内周面形
状を変化させることによって、予め設計された弁固有流
量特性を容易に得ることができる。

【００１２】また、図１のような任意の開度状態では、
オリフィス15を流体が通過する際に、鍔部13によって流
体の流線が鋭く剥離を起こすので、流体の粘性による抵
抗が除去され、主として圧力抵抗のみが鍔部13の前後に
作用する。従って、低流速から高流速まで広範囲にわた
って流量係数が安定するので、オリフィス15を通過する
流体の流量とオリフィス15の開口面積との関係は、ほぼ
公知の理論式

【００１３】

【数１】

【００１４】、（Ｑ：流量、ａ：流量係数、Ａ：オリフ
ィス開口面積、Ｈ：オリフィス前後の差圧）に従う。そ
れゆえに予め設計された弁固有流量特性が極めて精度よ
く得られると共に、微小流量から大流量まで広範囲にわ
たって流量制御が可能である。一方、図１の状態からさ
らにダイヤフラム11を開口部５方向へ移動させ続ける
と、図２に示す様な閉止直前の状態になる。今この状態
において、制御弁12の上流側の圧力をＰ₁、制御弁12と
ダイヤフラム11との間に形成されている空間部の圧力を
Ｐ₂、出口流路３の圧力をＰ₃とする。これらＰ₁，Ｐ
₂およびＰ₃の間にはＰ₁＞Ｐ₂、Ｐ₂＞Ｐ₃の関係が
生じる。Ｐ₁−Ｐ₂＝ΔＰ₁、Ｐ₂−Ｐ₃＝ΔＰ₂、お
よびＰ₁−Ｐ₃＝ΔＰ₃とすれば、ΔＰ₃＝ΔＰ₁＋Δ
Ｐ₂が成立することは明らかである。すなわち、流体は
一段階でΔＰ₃の圧力降下を起こすのではなくΔＰ₁，
ΔＰ₂と二段階かけて徐々に圧力降下を起こすので、キ
ャビテーションの発生が抑制される。

【００１５】さらにダイヤフラム11を、開口部５方向へ
移動させ続けると、図３に示す様に、ついにはダイヤフ
ラム11が弁座部16に当接し、前記コンプレッサー10によ
ってさらに押圧させられる様になるので、入口流路２と
出口流路３との間が完全に閉塞し、流体の流れが止めら
れる。すなわち弁は完全な閉止状態となる。以上のよう
な作用により、流体流量の増減は調節され、また弁の閉
塞が行われる。

【００１６】ここで、図１に示した構造を有する口径15
Ａのダイヤフラムバルブを使用して、下記条件にて実流
試験を行った。〔条件〕流体…水温度…25℃ バルブ前後の圧力差…0.５〜0.７ kgf／cm² その結果の流量特性表を図６および図７に示した。

【００１７】図６は、弁固有流量特性の比較データであ
る。Ａは従来ダイヤフラムバルブの固有流量特性を表し
ており、ＢおよびＣは本実施例の固有流量特性を表して
いる。Ｂはリニヤ特性の実施例であり、Ｃはイコールパ
ーセント特性の実施例である。破線で示されているＢ′
およびＣ′は、理論計算による設計値を示している。Ｂ
およびＣ共に、設計値からのずれが極めて少なく、非常
に精度よく要求特性が得られたことが分かる。また、オ
リフィス管の内周面の形状を、要求される特定の関数に
対応したカーブにすることで、リニヤ特性やイコールパ
ーセント特性などを、容易に得ることができた。

【００１８】図７は、レンジアビリティの向上を示すた
めに、市販の自動調節弁と本実施例との比較を行った結
果である。比較対象として自動調節弁を用いた理由は、
従来のダイヤフラムバルブの流量特性が、一般の制御特
性として必要なリニヤあるいはイコールパーセント特性
からかけ離れており、レンジアビリティを算出するのに
不適格であるという理由と、仮に算出したとしても従来
の算出方法では、すなわち、弁開度パーセントとＣv パ
ーセントとの関係が特定の関数に従う理論流量特性に対
して、実流試験時にその関数の途中に変曲点が表れた位
置の流量を制御可能な最小あるいは最大流量値とする方
法では、余りに小さなレンジアビリティになってしま
い、現在市販されている製品に対して誤解を生じるおそ
れがあるという理由からである。図から分かるとおり、
市販の自動調節弁と比較しても、レンジアビリティが2
0：１に対し60：１と大幅に向上していることが分か
る。

【００１９】図４は、本発明の他の実施例を示すダイヤ
フラムバルブの要部縦断面図である。本実施例のダイヤ
フラムバルブは、図１におけるダイヤフラム11の代替と
して、ベローズ状隔膜を利用したものである。図におい
て17は、弗素樹脂製ベローズ状隔膜であり、その下端部
には円錐台形状の断面を有した鍔部18が設けられた制御
弁19が一体的に設けられている。該制御弁19の作動は、
弁軸20の上下動により行われる。また、弁の閉止は弁軸
20を閉方向に移動させ、ベローズ状隔膜17の下端部を、
オリフィス管21の弁座部22に当接させ、コンプレッサー
23によってさらに押圧させることによって行われる。そ
の他の作用については、図１の場合と同じであるので省
略する。

【００２０】本実施例の構造にすると、一般のダイヤフ
ラムバルブに比較して制御弁の移動範囲が大きく取れる
とともに、コンプレッサー室の口径が非常に小さく設け
られるので、弁装置として小型化できるなどのメリット
が得られる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明した如き構造を有する本発明の
ダイヤフラムバルブを使用することにより、以下の効果
が得られる。（１）制御弁の構造が、流体の粘性による
抵抗を受けにくい形状になっているので、予め設計され
た弁固有流量特性が、精度よく、しかも容易に得られ
る。

【００２２】（２）微小流量から大流量まで広範囲に亙
る制御が可能である。すなわち、レンジアビリティを大
幅に向上させることができる。（３）開口部内周面の形
状をいろいろと変化させることが可能な構成となってい
るため、各種の弁固有流量特性を用途に応じて容易に設
計製作することができる。

【００２３】（４）弁閉止直前の状態において、流体の
圧力降下が二段階で除々に行われるようになっているの
で、キャビテーションの発生が抑制でき、弁閉止機能お
よび制御機能の耐久性を大幅に向上させることができ
る。上記（１）〜（４）の効果を有するとともに、従来
のダイヤフラムバルブの特徴であるところの、通水時に
デッドスペースがない、弁閉止性能に対する信頼性が高
い、また、接液部に機械的摺動部がないため発塵がない
などの効果をも合わせ持っている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るダイヤフラムバルブの一実施例を
示す要部縦断面図である。

【図２】図１におけるダイヤフラムバルブの閉止直前状
態を示す要部縦断面図である。

【図３】図１におけるダイヤフラムバルブの閉止状態を
示す要部縦断面図である。

【図４】本発明の他の実施例を示す要部縦断面図であ
る。

【図５】従来のダイヤフラムバルブの縦断面図である。

【図６】本発明の実流試験結果を示す弁固有流量特性の
図表である。

【図７】本発明の実流試験結果を示すレンジアビリティ
特性の図表である。

【符号の説明】

１…弁本体２…入口流路３…出口流路４…隔壁５…開口部 11…ダイヤフラム 12…制御弁 13…鍔部 15…オリフィス 17…ベローズ状隔膜 18…鍔部 19…制御弁

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】弁本体内部の入口流路と出口流路との間
に設けられ流れ方向をわん曲させる隔壁と、該隔壁に設
けられ入口流路と出口流路とを連通させる開口部と、該
開口部に対面する制御弁とを具備し、前記開口部はその
内周面が前記制御弁側に向ってカーブ状に拡径され、前
記制御弁は、前記開口部の軸線とその軸線を同じくする
とともに前記開口部の内周面とオリフィスを形成しかつ
流体の流線を鋭く剥離させる形状の鍔部を有し、また上
下動可能に配設されたダイヤフラムまたはベローズ状の
隔膜に一体的に設けられていることを特徴とするダイヤ
フラムバルブ。