JP6279520B2 - エアオペレイトバルブ - Google Patents

Description

本発明は、弁座に当接または離間して流体の流れを制御する弁体と、前記弁体に駆動力を伝達するピストンロッドと、前記ピストンロッドの周囲に摺動可能に保持されるピストンと、前記ピストンロッドが挿通する貫通孔を有するカバーと、前記弁体の弁開度を検出する弁開度検出センサとを備えるエアオペレイトバルブに関するものである。

半導体製造工程には、様々な流体が用いられており、その供給に多様なエアオペレイトバルブが用いられている。エアオペレイトバルブが正常に動作しているかどうかを確認するためには、弁開度検出センサをエアオペレイトバルブの上面に設けることが一般的に行われている。特許文献１を参照。特に、２００度の高温ガスが近年用いられ、バルブボディも２００度に加熱保持されている。また、バルブの上面温度も７０度以上の高温となる。

エアオペレイトバルブは、操作エアの圧力によってピストンをシリンダ内で摺動させ、弁体を弁座に当接又は離間させる。図４、５に示すエアオペレイトバルブ１００、２００は、ノーマルオープンタイプ（以下、「ＮＯ型」という。）のバルブである。図４のエアオペレイトバルブ１００は、弁開度検出センサ１１３を備えたバルブを示し、図５のエアオペレイトバルブ２００は、弁開度検出センサを備えない一般的なバルブを示す。

図４に示すエアオペレイトバルブ１００は、流体を制御する弁部１０１と、弁部１０１に駆動力を与えるアクチュエータ部１０２とを備える。弁部１０１とアクチュエータ部１０２は、アダプタ１０３を介して連結している。

弁部１０１には、中央内部に配置された弁座１０４と、弁座１０４に当接又は離間する弁体１０５を備える。アクチュエータ部１０２には、弁体１０５に駆動力を伝達するピストンロッド１０６が中央に備えられている。ピストンロッド１０６の周囲には、ピストン１０７、１０８と内装固定部材１０９、１１０が交互に配置されている。ピストン１０７はアダプタ１０３の内周面に摺動可能に保持され、ピストン１０８は、内装固定部材１１０の内周面に摺動可能に保持されている。ピストンロッド１０６の内部には、上面に開口部１０６ｂを備える内部流路１０６ａが形成されている。開口部１０６ｂには、止栓１１１が嵌め込まれている。ピストンロッド１０６の下方には、止栓１１１方向に付勢するバネ１１２の一端が配置されている。バネ１１２の他端はアダプタ１０３に配置されている。

アクチュエータ部１０２の上面中央には、弁開度検出センサ１１３が設置され、その周りには圧力操作ポート１１４が設置されている。圧力操作ポート１１４は、連通流路１１５を介してピストンロッド１０６の内部流路１０６ａに連通している。弁開度検出センサ１１３は、ピストンロッド１０６の上端にある止栓１１１の位置により弁体１０５の弁開度を検出している。弁開度検出センサ１１３は、一般的に近接センサが用いられる。しかし、近接センサは、温度により検出距離が変わるため、高温のプロセスガスを使用する場合、検出距離が変化して誤検出する恐れがあった。そのため、弁開度検出センサとして、近接センサの代わりに、高温に耐えられる光ファイバタイプの検出センサが用いられる。

特開2011-220359号公報

しかしながら、従来のエアオペレイトバルブ１００には、次のような問題があった。弁開度検出センサ１１３は、ピストンロッド１０６の上面に配置されている止栓１１１の位置を検出しており、圧力操作ポート１１４は、その周りに設置されている。そのため、操作エアが圧力操作ポート１１４から供給され、ピストンロッド１０６の内部流路１０６ａを通過してピストン１０７、１０８を摺動させるまで、圧力操作ポート１１４から内部流路１０６ａまでの連通流路１１５に対して操作エアを供給しなくてはならない。そのため、連通流路１１５に操作エアが充満するための時間がかかり、応答速度が遅くなるという問題があった。

一方、図５に示すように、圧力操作ポート２１４を中央に設置した場合、圧力操作ポート２１４からピストンロッド２０６の内部流路２０６ａまでの内部容積を小さくすることができるため、応答速度を向上させることができる。しかし、図示しないが、弁開度検出センサを圧力操作ポート２１４の周囲に設けると、ピストン２０８の位置により、弁体２０５の弁開度を検出することとなる。この場合、弁開度検出センサのあるところに操作エアが供給されるため、弁開度検出センサに圧力がかかる。弁開度検出センサが加圧されると、ファイバ等が破損してしまうという問題があった。
なお、ノーマルクローズタイプ（「ＮＣ型」）のバルブでは、弁体方向に付勢するバネはピストンの上部に位置し、ピストンの上部では操作エアは供給されない。そのため、弁開度検出センサは加圧されることなくピストンの位置を検出することができるため、弁開度検出センサが破損する恐れはない。

本発明は、上記問題点を解決するためのものであり、応答速度を向上するとともに、弁開度検出センサが破損する恐れのないエアオペレイトバルブを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のエアオペレイトバルブは、次のような構成を有している。

（１）弁座に当接または離間して流体の流れを制御する弁体と、前記弁体に駆動力を伝達するピストンロッドと、前記ピストンロッドの周囲に摺動可能に保持されるピストンと、前記ピストンロッドが挿通する貫通孔を有するカバーと、前記弁体の弁開度を検出する弁開度検出センサとを備えるエアオペレイトバルブにおいて、前記ピストンの外周には、軸心方向に延設された延設部が形成されていること、前記弁開度検出センサは、前記延設部の位置により前記弁体の弁開度を検出すること、前記延設部は中空円筒形状に形成されていること、前記延設部の内周面は前記カバーの環状筒部の外周面によりガイドされ、前記延設部の内周面にはＯリングを収納するための装着溝が形成されていること、を特徴とする。

（２）（１）に記載のエアオペレイトバルブにおいて、前記延設部の内周面と前記環状筒部の外周面との間にはグリスが塗布されており、前記延設部の上面から前記装着溝までの距離は、前記グリスが前記ピストンの摺動により前記延設部の上面からはみ出すことのない所定の距離を有すること、を特徴とする。
（３）（２）に記載のエアオペレイトバルブにおいて、前記所定の距離は、１ｍｍ以上であること、を特徴とする。

（１）弁座に当接または離間して流体の流れを制御する弁体と、前記弁体に駆動力を伝達するピストンロッドと、前記ピストンロッドの周囲に摺動可能に保持されるピストンと、前記ピストンロッドが挿通する貫通孔を有するカバーと、前記弁体の弁開度を検出する弁開度検出センサとを備えるエアオペレイトバルブにおいて、前記ピストンの外周には、軸心方向に延設された延設部が形成されていること、前記弁開度検出センサは、前記延設部の位置により前記弁体の弁開度を検出すること、を特徴とするので、圧力操作ポートをバルブの中央に設置して内部容積を小さくすることができるため、応答速度を向上させることができる。

（２）（１）に記載のエアオペレイトバルブにおいて、前記延設部は中空円筒形状に形成されていること、前記延設部の内周面は前記カバーの環状筒部の外周面によりガイドされ、前記延設部の内周面にはＯリングを収納するための装着溝が形成されていること、を特徴とするので、操作エアがＯリングにより止められるため、操作エアの圧力のかからない空間において弁開度検出センサを使用することができ、弁開度検出センサは操作エアにより破損する恐れがない。

（３）（２）に記載のエアオペレイトバルブにおいて、前記延設部の内周面と前記環状筒部の外周面との間にはグリスが塗布されており、前記延設部の上面から前記装着溝までの距離は、前記グリスが前記ピストンの摺動により前記延設部の上面からはみ出すことのない所定の距離を有すること、を特徴とするので、延設部の上面と装着溝との間には所定の距離があるため、グリスがはみ出ず、弁開度検出センサの誤検出がなくなる。
ここで、特に、（４）（３）に記載のエアオペレイトバルブにおいて、前記所定の距離は、１ｍｍ以上であること、を特徴とする。

本発明の一実施形態に係るエアオペレイトバルブの弁開状態の断面図である。 本発明の一実施形態に係るエアオペレイトバルブの弁閉状態の断面図である。 図１のＡ部拡大図である。 従来の弁開度検出センサを備えたエアオペレイトバルブの断面図である。 従来のエアオペレイトバルブの断面図である。

次に、本発明に係るエアオペレイトバルブの一実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るエアオペレイトバルブ１の弁閉状態の断面図であり、図２は、エアオペレイトバルブ１の弁開状態の断面図である。図３は、図１のＡ部拡大図である。なお、図３では、実線で弁開状態の断面拡大図を示し、点線で弁閉状態のＯリング２１のみを示している。

図１に示すエアオペレイトバルブ１は、ＮＯ型のバルブである。エアオペレイトバルブ１は、流体を制御する弁部２と、弁部２に駆動力を与えるアクチュエータ部３とを備える。
図１に示すように、弁部２は、ボディ４に内蔵されている。ボディ４は、ステンレスなど、剛性と耐熱性のある金属材料を用いている。ボディ４には、第１ポート５と第２ポート６が対向に設けられている。ボディ４の上面には、略円筒形状のホルダ１０を取り付けるための取付孔７が円柱状に開設されている。取付孔７の底壁中央には、弁孔４ａが形成され、その弁孔４ａの外周部に弁座部材９が環状に設けられている。弁座部材９の上面に弁座９ａが形成されている。弁孔４ａを介して第１ポート５と第２ポート６とが連通している。

ボディ４の取付孔７には、略円盤状のダイアフラム弁体８の外縁が、ホルダ１０とボディ４とで挟持されている。ダイアフラム弁体８は、金属板材であり、変形可能である。ホルダ１０の内周面には、ダイアフラム弁体８に接触するようにステム１３の外周面が摺動可能に保持され、ステム１３を介してダイアフラム弁体８にアクチュエータ部３の駆動力を伝達する。ホルダ１０は、中空状の固定部材１２の下方外周に形成された雄ネジがボディ４の内周に形成された雌ネジにねじ込まれることによって固定されている。固定部材１２の上方外周に形成された雄ネジは、中空状のアダプタ１１の下方内周に形成された雌ネジにねじ込まれることによって固定されている。

アクチュエータ部３は、円柱形状で形成されている。アクチュエータ部３は、アダプタ１１と円筒形状のカバー２４を外周部に有する。アダプタ１１の軸方向中央は、上方下方よりも小径のくびれ部１１ａが形成されている。くびれ部１１ａの内周には、ダイアフラム弁体８に駆動力を伝達する長円筒形状のピストンロッド１４が上下方向に摺動可能に配置している。ピストンロッド１４の内部には、上方に開口部を有する内部流路１４ｂが形成されている。内部流路１４ｂは、操作エアを供給するためのものである。アダプタ１１のくびれ部１１ａより上方は、大径のアダプタ立設部１１ｃが軸心方向に立設している。また、くびれ部１１ａの内周にはバネ受け部１１ｂが形成され、バネ１５の一端が当接されている。バネ１５の他端は、ピストンロッド１４の鍔部１４ａの下面に当接されている。バネ１５は、ダイアフラム弁体８を弁座９ａから離間する方向に付勢している。

カバー２４は、中央に、ピストンロッド１４が挿通する貫通孔２４ｃを有する。貫通孔２４ｃは、ピストンロッド１４を上下方向に摺動可能にガイドしている。カバー２４には、アダプタ立設部１１ｃと同径のカバー立設部２４ａが軸心方向に形成されている。アダプタ立設部１１ｃの外周とカバー立設部２４ａの内周はネジ結合している。カバー立設部２４ａの内周下面には、下方に突出する環状筒部２４ｂが形成されている。アダプタ１１とカバー２４の間には、内装固定部材１７の外縁が挟み込まれ、固定されている。内装固定部材１７の下方には、円筒形状の第１ピストン１６がアダプタ１１内を上下方向に摺動可能に保持されている。内装固定部材１７の上方には、第２ピストン１８がカバー２４内を上下方向に摺動可能に保持されている。内装固定部材１７と貫通孔２４ｃにより、ピストンロッド１４が摺動可能に保持されている。
ピストンロッド１４には、第２ピストン１８の中央下面が当接する段差部１４ｅが形成されている。また、鍔部１４ａの上面には、第１ピストン１６の中央下面が当接する。

アダプタ１１内には、第１ピストン室２２が形成されている。第１ピストン室２２には、第１ピストン１６がピストンロッド１４に摺動可能に装填されている。第１ピストン１６は、第１ピストン室２２を第１加圧室２２ｂと第１背圧室２２ａとに区画している。また、カバー２４内には、第２ピストン室２３が形成されている。第２ピストン室２３には、第２ピストン１８がピストンロッド１４に摺動可能に装填されている。第２ピストン１８は、第２ピストン室２３を第２加圧室２３ｂと第２背圧室２３ａとに区画している。

ピストンロッド１４の内部流路１４ｂの第１加圧室２２ｂに対応する位置に、連通路１４ｄが形成されている。連通路１４ｄは、内部流路１４ｂから第１加圧室２２ｂに連通する。また、内部流路１４ｂの第２加圧室２３ｂに対応する位置に、連通路１４ｃが形成されている。連通路１４ｃは、内部流路１４ｂから第２加圧室２３ｂに連通する。

内装固定部材１７には、ゴムなどの弾性体からなるＯリング２０を装着するための装着溝１７ａが内装固定部材１７の外周面に沿って環状に設けられている。また、Ｏリング２８を装着するための装着溝１７ｂが内装固定部材１７の内周面に沿って環状に設けられている。
第１ピストン１６には、Ｏリング１９を装着するための装着溝１６ａが第１ピストン１６の外周面に沿って環状に設けられている。また、Ｏリング２７を装着するための装着溝１６ｂが第１ピストン１６の内周面に沿って環状に設けられている。Ｏリング１９、２０、２７、２８のシールにより、第１加圧室２２ｂを密閉空間としている。

第２ピストン１８の外周には、軸心方向に延設された延設部１８ｃが形成されている。延設部１８ｃは中空円筒形状に形成されている。延設部１８ｃの内周面は、環状筒部２４ｂの外周面に嵌合されている。延設部１８ｃの内周面は、カバー２４の環状筒部２４ｂの外周面によりガイドされている。延設部１８ｃにはＯリング２１を収納するための装着溝１８ａが延設部１８ｃの内周面に沿って環状に設けられている。また、Ｏリング２９を装着するための装着溝１８ｂが第２ピストン１８の内周面に沿って環状に設けられている。Ｏリング２１、２９のシールにより、第２加圧室２３ｂを密閉空間としている。

延設部１８ｃの内周面と環状筒部２４ｂの外周面との間には、第２ピストン１８を摺動しやすくするため、グリスが塗布されている（図示なし）。図３に示すように、延設部１８ｃの上面１８ｄから装着溝１８ａまでは距離Ｒを有する。距離Ｒは、グリスが第２ピストン１８の摺動により延設部１８ｃの上面１８ｄからはみ出すことがない程度の距離である。距離Ｒは、約２ｍｍに設定している。なお、本実施形態では、距離Ｒを安全率により２ｍｍに設定しているが、１ｍｍ以上であれば上面１８ｄからグリスははみ出すことがない。

カバー２４の上面には、貫通孔２４ｃに圧力操作ポート２５が配置している。また、カバー２４の上面には、第２ピストン１８の延設部１８ｃの位置と対応した位置に弁開度を検出するための検出空間３１を有する。検出空間３１の上方には、カバー２４の上面に弁開度検出センサ２６が配置している。弁開度検出センサ２６は、ファイバタイプの光センサである。弁開度検出センサ２６は、延設部１８ｃの位置によりダイアフラム弁体８の弁開度を検出する。

次に、操作エアが供給されていない弁開状態と操作エアが供給されている弁閉状態のエアオペレイトバルブ１の作用効果について、図１、図２を用いて説明する。
エアオペレイトバルブ１は、操作エアが供給されないと、図１に示すように、バネ１５の付勢力によりダイアフラム弁体８は弁座９ａから離間している。このとき、第１ポート５と第２ポート６は連通し、ダイアフラム弁体８と弁座９ａの間に流体が流れる。

一方、圧力操作ポート２５から操作エアが供給されると、図２に示すように、操作エアはピストンロッド１４の内部流路１４ｂに供給される。ここで、図４に示す従来のエアオペレイトバルブ１００では、圧力操作ポート１１４から内部流路１０６ａまでの余分な空間である連通流路１１５に対しても操作エアを供給するため、時間がかかり、応答速度が遅かった。しかし、エアオペレイトバルブ１では、圧力操作ポート２５は、ピストンロッド１４の上方に設置されているため、余分な空間に操作エアを供給する必要がなく、内部流路１４ｂに素早く供給することができる。内部容積が小さく、操作エアを内部流路１４ｂに供給するのに時間がかからないため、弁の応答速度を向上させることができる。

内部流路１４ｂに供給された操作エアは、連通路１４ｃ、１４ｄを通って密閉空間である第１加圧室２２ｂ、第２加圧室２３ｂにそれぞれ供給される。第１加圧室２２ｂ、第２加圧室２３ｂの操作エアの圧力がバネ１５の付勢力に打ち勝つことにより、第１ピストン１６、第２ピストン１８は、それぞれ鍔部１４ａ、段差部１４ｅに当接してピストンロッド１４を下方に移動する。ピストンロッド１４は、ステム１３を下方に押すことで、ダイアフラム弁体８は弁座９ａに当接する。このとき、第１ポート５と第２ポート６の連通は遮断され、ダイアフラム弁体８と弁座９ａの間の流体の流れは止まる。

弁開度検出センサ２６は、延設部１８ｃの位置によりダイアフラム弁体８の弁開度を検出する。このとき、延設部１８ｃの上方にある検出空間３１は、第２加圧室２３ｂがＯリング２１、２９により密閉されているため、操作エアの圧力がかからない。そのため、弁開度検出センサ２６のファイバ部分には、直接操作エアがかからないため、操作エアの圧力により破損する恐れがない。

エアオペレイトバルブ１が弁開状態から弁閉状態になるとき、延設部１８ｃは下降し、Ｏリング２１は図３に示すようにＸ地点からＹ地点まで（上から下へ）移動する。また、弁開状態から弁閉状態になるとき、延設部１８ｃは上昇し、Ｏリング２１はＹ地点からＸ地点まで（下から上へ）移動する。このように弁開状態と弁閉状態が繰り返されると、延設部１８ｃの内周面と環状筒部２４ｂの外周面との間に塗布されたグリスは、Ｏリング２１が壁面を擦って移動するため、壁面に付着していたグリスは掻き出されてＯリング２１の上下部でグリスの塊３０ができる。ここで、Ｏリング２１の下部にできたグリスの塊は問題ないが、Ｏリング２１の上部にできたグリスの塊３０は、弁開度検出センサ２６の投受光面である上面１８ｄにグリスがついて汚れると誤検出が生じる恐れがある。なお、図３では、問題となるグリスの塊は、Ｏリング２１の上部のみであるため、Ｏリング２１の下部では省略している。

しかし、Ｏリング２１の上部にグリスの塊３０ができたとしても、延設部１８ｃの上面１８ｄから装着溝１８ａまで距離Ｒがあるので、グリスの塊３０は上面１８ｄより上にはみ出すことがない。そのため、弁開度検出センサ２６の投受光面である上面１８ｄにグリスがついて汚れることがないため、弁開度検出センサ２６の誤検出がなくなる。なお、弁開状態と弁閉状態が何十万回繰り返されてもグリスの塊３０は上面１８ｄにつくことはない。

以上、説明したように、本発明のエアオペレイトバルブ１によれば、
（１）弁座９ａに当接または離間して流体の流れを制御するダイアフラム弁体８と、ダイアフラム弁体８に駆動力を伝達するピストンロッド１４と、ピストンロッド１４の周囲に摺動可能に保持される第２ピストン１８と、ピストンロッド１４が挿通する貫通孔２４ｃを有するカバー２４と、ダイアフラム弁体８の弁開度を検出する弁開度検出センサ２６とを備えるエアオペレイトバルブ１において、第２ピストン１８の外周には、軸心方向に延設された延設部１８ｃが形成されていること、弁開度検出センサ２６は、延設部１８ｃの位置によりダイアフラム弁体８の弁開度を検出すること、を特徴とするので、圧力操作ポート２５をバルブ１の中央に設置して内部容積を小さくすることができるため、応答速度を向上させることができる。

（２）（１）に記載のエアオペレイトバルブ１において、延設部１８ｃは中空円筒形状に形成されていること、延設部１８ｃの内周面はカバー２４の環状筒部２４ｂの外周面によりガイドされ、延設部１８ｃの内周面にはＯリング２１を収納するための装着溝１８ａが形成されていること、を特徴とするので、操作エアがＯリング２１により止められるため、操作エアの圧力のかからない検出空間３１において弁開度検出センサ２６を使用することができ、弁開度検出センサ２６は操作エアにより破損する恐れがない。

（３）（２）に記載のエアオペレイトバルブ１において、延設部１８ｃの内周面と環状筒部２４ｂの外周面との間にはグリスが塗布されており、延設部１８ｃの上面１８ｄから装着溝１８ａまでの距離は、グリスが第２ピストン１８の摺動により延設部１８ｃの上面１８ｄからはみ出すことのない所定の距離Ｒを有すること、を特徴とするので、延設部１８ｃの上面１８ｄと装着溝１８ａとの間には所定の距離Ｒがあるため、グリスがはみ出ず、弁開度検出センサ２６の誤検出がなくなる。
ここで、特に、（４）（３）に記載のエアオペレイトバルブ１において、所定の距離Ｒは、１ｍｍ以上であること、を特徴とする。

なお、本実施形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な改良、変形が可能である。

１ エアオペレイトバルブ
８ ダイアフラム弁体
９ａ 弁座
１４ ピストンロッド
１６ 第１ピストン
１８ 第２ピストン
１８ａ 装着溝
１８ｃ 延設部
２１ Ｏリング
２４ カバー
２４ｂ 環状筒部
２４ｃ 貫通孔
２６ 弁開度検出センサ

Claims (3)

1. 弁座に当接または離間して流体の流れを制御する弁体と、前記弁体に駆動力を伝達する
   ピストンロッドと、前記ピストンロッドの周囲に摺動可能に保持されるピストンと、前記
   ピストンロッドが挿通する貫通孔を有するカバーと、前記弁体の弁開度を検出する弁開度
   検出センサとを備えるエアオペレイトバルブにおいて、
   前記ピストンの外周には、軸心方向に延設された延設部が形成されていること、
   前記弁開度検出センサは、前記延設部の位置により前記弁体の弁開度を検出すること、
   前記延設部は中空円筒形状に形成されていること、
   前記延設部の内周面は前記カバーの環状筒部の外周面によりガイドされ、前記延設部の
   内周面にはＯリングを収納するための装着溝が形成されていること、
   を特徴とするエアオペレイトバルブ。
2. 請求項１に記載のエアオペレイトバルブにおいて、
   前記延設部の内周面と前記環状筒部の外周面との間にはグリスが塗布されており、前記
   延設部の上面から前記装着溝までの距離は、前記グリスが前記ピストンの摺動により前記
   延設部の上面からはみ出すことのない所定の距離を有すること、
   を特徴とするエアオペレイトバルブ。
3. 請求項２に記載のエアオペレイトバルブにおいて、
   前記所定の距離は、１ｍｍ以上であること、
   を特徴とするエアオペレイトバルブ。

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