JP6801465B2

JP6801465B2 - 真空バルブおよびバルブ製造方法

Info

Publication number: JP6801465B2
Application number: JP2017003451A
Authority: JP
Inventors: 竜大田口; 正人小亀
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2020-12-16
Anticipated expiration: 2037-01-12
Also published as: JP2018112267A

Description

本発明は、真空バルブおよびバルブ製造方法に関する。

振り子式の真空バルブでは、平板状の弁体が取り付けられた回転軸を回転することにより、弁体を揺動させて流路を開放または遮断する。弁体が取り付けられた回転軸は、弁体が収納されているバルブハウジングを貫通するようにバルブハウジング内に挿入されている（例えば、特許文献１参照）。そのため、バルブハウジングと回転軸との隙間は、Ｏリングシール等のシール部材によって真空封止されている。例えば、Ｏリングシールがバルブハウジング側に固定されている場合、Ｏリングシールに対して回転軸が回転する。そのため、Ｏリングシールと回転軸との間の摺動摩擦を低減するために、シール面にグリース等の潤滑剤が塗布されるのが一般的である。

特開２０１１−２４７４２６号公報

ところで、回転軸に設けられたＯリングシールは、真空封止用として潰し代が一般的な軸シールに比べて大きく設定されているので、その分、シール面に対する面圧が大きい。そのため、弁体駆動が繰り返し行われてシール面に対するＯリングシールの摺動が繰り返されると、Ｏリングシールとシール面との間に介在する潤滑剤が、Ｏリングシールの圧縮力によってシール面から押し出され、介在する潤滑剤の量が減少するという現象が発生する。シール面に介在する潤滑剤が減少すると摺動抵抗が増加し、弁体駆動に要する駆動力の増加を招く。

本発明の好ましい実施形態による真空バルブは、バルブハウジングに収納された弁体と、前記バルブハウジングに形成された貫通孔を内外に貫通し、前記バルブハウジングの外側に設けられたモータにより回転駆動され、前記弁体を揺動駆動する回転軸と、前記回転軸と前記貫通孔との隙間のバルブハウジング側に設けられる、真空封止用の第１のＯリングシールと、前記隙間のモータ側に前記第１のＯリングシールと離間して設けられ、潰し代が前記第１のＯリングシールの潰し代よりも小さく、モータ側に使用されている潤滑油やグリースが前記第１のＯリングシールの潤滑剤に混入するのを防止する第２のＯリングシールと、を備え、前記第１のＯリングシールが当接するシール面であって、少なくとも前記回転軸の回転に伴って前記第１のＯリングシールが摺動する面に、潤滑剤保持用の複数の凹部が点在するように形成され、前記第１のＯリングシールが前記シール面に押圧されて変形し、前記シール面に当接する前記第１のＯリングシールは、その接触面が前記シール面の面形状に倣うように変形し、前記凹部が形成されている部分においては、前記第１のＯリングシールの接触面が前記凹部の表面全体に接触せず、前記凹部の底面との間に隙間が生じ、隙間が潤滑剤保持部として機能する。
さらに好ましい実施形態では、前記凹部がディンプル形状の凹部を構成している。
さらに好ましい実施形態では、真空バルブを製造するためのバルブ製造方法は、前記回転軸の前記シール面であって、少なくとも前記回転軸の回転に伴って前記第１のＯリングシールが摺動する面に、ショットブラストにより前記凹部を形成する。
さらに好ましい実施形態では、真空バルブを製造するためのバルブ製造方法は、前記回転軸の前記シール面であって、少なくとも前記回転軸の回転に伴って前記第１のＯリングシールが摺動する面に、エッチングにより前記凹部を形成する。

本発明によれば、回転軸のシール部における摺動抵抗の経時的増加を抑制することができる。

図１は、真空バルブの外観斜視図である。図２は、回転軸のシール構造の一例を示す図である。図３は、シール面領域における凹凸形状の模式図である。図４は、動作トルクの経時変化の一例を示す図である。図５は、変形例を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１，２は、本発明に係る真空バルブの一実施の形態を示す図である。図１は、真空バルブ１の外観斜視図である。真空バルブ１は、バルブプレート６が設けられたバルブ本体２と、バルブプレート６を開閉駆動するための駆動部７とを備えている。バルブハウジング４にはバルブ開口４０が形成されている。バルブ開口４０の吸気側、すなわち、バルブハウジング４の図示上面側には吸気口フランジ４１が設けられている。一方、バルブ開口４０の排気側、すなわち、バルブハウジング４の図示裏面側には排気口フランジ（不図示）が設けられている。バルブプレート６は駆動部７に設けられたモータによって、破線矢印のように揺動駆動される。

図２は、バルブプレート６を駆動する回転軸７２のシール構造を示す図である。バルブハウジング４の裏面側に設けられた駆動部７のケーシング７１内には、回転軸７２を回転駆動するモータ（不図示）が設けられている。回転軸７２の上端にはバルブプレート６が固定用ボルト７３によって固定されている。なお、バルブプレート６はバルブ開口４０を開閉するための円形状の遮蔽部６１と、遮蔽部６１から径方向に伸延するように形成された支持部６２とを備えている。支持部６２の先端部分は、回転軸７２の上端に固定されている。モータにより回転軸７２を回転駆動すると、図１の破線矢印で示したようにバルブプレート６が揺動駆動される。その結果、バルブ開口４０がバルブプレート６の遮蔽部６１によって開閉される。

ケーシング７１には、２つのＯリングシール８０ａ，８０ｂを保持するシールケーシング８が設けられている。シールケーシング８には、回転軸７２が貫通する貫通孔８２が形成され、その貫通孔８２の内周にＯリングシール８０ａ，８０ｂが保持されている。回転軸７２は、シールケーシング８の貫通孔８２を貫通して、バルブハウジング４の内部に突出している。また、シールケーシング８とバルブハウジング４との間にもＯリングシール８１が設けられている。

バルブ使用時には、バルブハウジング４内は真空状態となる。本実施形態では、シールケーシング８とバルブハウジング４との間の真空封止はＯリングシール８１によって行われ、シールケーシング８と回転軸７２との間の真空封止はＯリングシール８０ａによって行われる。そのため、Ｏリングシール８１，８０ａの潰し代は、真空シール用の潰し代に設定されている。軸シールとして機能するＯリングシール８０ａの場合には、回転駆動する回転軸７２との摺動摩擦を低減するための潤滑剤としてグリース等が使用されている。なお、Ｏリングシール８０ａは真空封止に用いられているので、潤滑剤には蒸気圧の低いものが使用され。

一方、Ｏリングシール８０ｂは、モータ側に使用されている潤滑油やグリースが、Ｏリングシール８０ａの潤滑剤に混入するのを防止するために設けられている。そのため、Ｏリングシール８０ｂの潰し代は真空封止用のＯリングシール８０ａの潰し代よりも小さく、一般的な軸シールの潰し代に設定されている。

ところで、前述したように、真空封止用のＯリングシール８０ａの部分においては、回転軸７２の回転が繰り返されるとシール面に介在する潤滑剤が減少するという問題が生じる。そこで、本実施の形態では、Ｏリングシール８０ａが摺動するシール面の面形状を工夫することにより、潤滑剤の減少を抑制するようにした。具体的には、図２に示す回転軸７２のシール面領域７２Ｒを後述するような凹凸面とすることで、潤滑剤の保持能力の向上を図った。

図３は、シール面領域７２Ｒにおける凹凸形状を模式的に示したものである。図３（ａ）はシール面領域７２Ｒの一部を拡大した図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。なお、図３（ｂ）では、シール面領域７２Ｒに当接しているＯリングシール８０ａも図示した。

図３に示す例では、微細な固体粒子を吹き付けるショットブラスト加工により凹凸形状を形成した場合を示す。その場合、図２のハッチングで示すシール面領域７２Ｒを除く他の面にはマスキングを施し、ショットブラスト加工を行う。その結果、シール面領域７２Ｒには、図３に示すようなディンプル形状をした潤滑剤保持用の凹部７００が、点在するように複数形成される。なお、本実施形態では、凹部７００が形成されたシール面領域７２Ｒの面粗度Ｒａは、０．５μｍ〜１．６μｍに設定される。面粗度を大きくしすぎると真空封止性能の低下を招くので、面粗度の上限は１．６μｍ前後とするのが好ましい。ショットブラストに用いる固体粒子の粒径としては、例えば５０〜２００μｍ程度が用いられる。

シール面領域７２Ｒに凹部７００を形成する場合、回転軸７２の外周面は予め切削または研削（研磨）によって仕上げ加工が行われ、その仕上げ加工面に上述したショットブラスト加工が施される。図３（ｂ）において、符号７０１で示す領域の回転軸外周面は、仕上げ加工面の断面形状を表している。仕上げ加工面は、凹部７００を形成した領域よりも面粗度が小さい。一般的に、軸シール面の面粗さはＲａ０．５μｍ以下とされる。

Ｏリングシール８０ａはシール面に押圧されて変形するので、図３（ｂ）に示すように、シール面領域７２Ｒに当接するＯリングシール８０ａは、その接触面８００がシール面領域７２Ｒの面形状に倣うように変形する。領域７０１においては回転軸表面の面粗度が小さいため、Ｏリングシール８０ａの接触面８００が回転軸表面に密着する傾向となる。そのため、シール面領域７２Ｒの全域が領域７０１のように面粗度が小さい場合、回転軸表面の微小な凹部に溜まっている潤滑剤がＯリングシール８０ａによって押し出され、シール面領域７２Ｒにおける潤滑剤不足を招く。

特に、切削面の場合、微視的に見た形状は回転軸を一周するような回転方向に沿った溝形状であるため、回転軸７２が回転した際のＯリングシール８０ａの回転方向の摺動によって、潤滑剤が溝から排出されやすい。その結果、長期間使用した場合にシール面領域７２Ｒにおける潤滑不足が発生しやすく、摺動抵抗が増加して回転軸駆動に要するトルクが増加し、動作不良等を招き易くなる。

一方、凹部７００が形成されている部分においては、Ｏリングシール８０ａの接触面８００が凹部７００の表面全体に接触せず、凹部７００の底面との間に隙間７０２が生じる。すなわち、この隙間７０２が潤滑剤（例えば、グリース）の保持部として機能することになる。そのため、凹部７００を形成することで、回転軸７２の回転に伴うシール面領域７２Ｒにおける潤滑剤不足を抑制することができる。

図４は凹部７００の効果を説明する図であり、動作トルクの経時変化の一例を示す図である。ラインＬ１は、凹部７００を形成しない従来の場合の動作トルクを示す。ラインＬ２は、本実施の形態において面粗度Ｒａを０．５μｍ〜１．６μｍに設定した場合の動作トルクを示す。図４における縦軸は、動作トルクを従来品（ラインＬ１）の初期動作トルクに対する比率で表した場合の動作トルク比率を示す。よって、従来品（ラインＬ１）の初期動作トルク（使用時間がゼロ時間における動作トルク）は１００％と表される。

従来品（ラインＬ１）の場合、使用開始初期において１５０％程度まで動作トルクが上昇する。その後、使用時間の経過と共に動作トルクは上昇し、使用時間が７０時間に達すると、動作トルクは２５０％を超える。

一方、本実施の形態の場合（ラインＬ２）には、従来品の場合よりも面粗度を大きく設定しているため、初期（時間＝０）の動作トルクは従来品よりも高くなっている。また、従来品の場合と同様に、使用開始直後に動作トルクが２００％程度に急上昇するが、上昇の程度は小さい。２００％程度となった後は、従来品に比べて上昇の度合いが小さく、約２０時間を経過した後には動作トルクの変化がほぼゼロとなる。７０時間経過後の動作トルクは約２２０％であり、従来品の場合よりも低く抑えられている。

なお、上述した実施形態ではショットブラストにより凹部７００を形成したが、他の方法で形成しても良い。例えば、シール面領域７２Ｒをエッチング処理（化学薬品等の腐食作用を利用した塑形又は表面加工）し、面粗度Ｒａ０．５μｍ〜１．６μｍの凹凸面を形成するようにしても良い。

（１）以上説明したように、本実施の形態では、図２に示すように、バルブプレート６を揺動駆動する回転軸７２はバルブハウジング４の貫通孔８２を貫通し、貫通孔８２には真空封止を行うシール部材としてのＯリングシール８０ａが設けられている。そして、Ｏリングシール８０ａが当接するシール面であって、少なくとも回転軸７２の回転に伴ってＯリングシール８０ａが摺動するシール面領域７２Ｒに、潤滑剤保持用の複数の凹部７００を図３のように点在させるようにした。それにより、凹部７００に潤滑剤が保持され、Ｏリングシール８０ａとシール面との間に介在する潤滑剤の減少を抑制することができ、摺動抵抗の経時的な増加を抑制することができる。

（２）さらに、凹部７００の形状を、図３に示すようなディンプル形状の凹部とすることで、より効果的に潤滑剤を保持することができる。ここで、ディンプル形状の凹部とは、従来のように回転軸を一周するような線状の細長い凹部ではなく、輪郭形状が円形、楕円形、矩形、多角形等のように一点を囲むような輪郭形状の凹部を表しており、種々の輪郭形状が含まれる。このようなディンプル形状の凹部の形成には、ショットブラストが適している。そして、潤滑剤保持の点で、なディプル形状の凹部７００を点在するように形成するのが好ましい。

例えば、ショットブラストで凹部７００を形成した場合、図３の凹部７００ａと凹部７００ｂのように重なるように固体粒子がショットされる場合がある。この場合も、凹部７００ｂは点在する凹部とみなすことができるし、凹部７００ａ，７００ｂを一つの凹部とみなすことができる。

しかしながら、このような形態がシール面領域７２Ｒの広範囲に広がって繋がっている場合には、点在している凹部というよりも、凹部が複数繋がった溝状の凹部とみなすことができる。また、広範囲な面状に繋がっている場合には、領域７０１の面のように面粗度が小さくなる。その結果、Ｏリングシール８０ａの接触面８００が凹部７００の内部にまで入り込みやすくなり、凹部内の潤滑剤が排出されやすくなる。そのため、全体的に凹部７００が点在している状態の方が好ましい。もちろん、図３のように凹部が重なった状態が一部に存在していても構わない。

なお、上述した実施形態では、図２に示したように回転軸７２の外周面に設けられたシール面領域７２Ｒに凹部７００を形成したが、図５（ａ）のように回転軸７２にＯリングシール８０ａを設ける構成の場合には、Ｏリングシール８０ａと対向する貫通孔８２の内周面に設けられたシール面領域８３Ｒに凹部７００が形成される。また、図５（ｂ）のようにシールケーシング８を設けずに、Ｏリングシール８０ａをバルブハウジング４の貫通孔４２に取り付けるような構成であっても同様に適用することができる。この場合も、Ｏリングシール８０ａを、図５（ａ）の場合と同様に回転軸７２に取り付けるようにしても良い。

さらに、上述の説明では凹部７００をシール面領域７２Ｒ，８３Ｒに形成するようにしたが、図２の回転軸７２の外周面全体や、貫通孔８２，４２の内周面全体に凹部７００を形成するようにしても良い。

また、図２，５に示す構成では、２つのＯリングシール８０ａ，８０ｂを備える構成としたが、真空封止用のＯリングシール８０ａのみを備える構成であっても良い。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１…真空バルブ、２…バルブ本体、４…バルブハウジング、６…バルブプレート、７…駆動部、８…シールケーシング、７２…回転軸、７２Ｒ，８３Ｒ…シール面領域、８０ａ，８０ｂ，８１…Ｏリングシール、４２，８２…貫通孔、７００，７００ａ，７００ｂ…凹部

Claims

バルブハウジングに収納された弁体と、
前記バルブハウジングに形成された貫通孔を内外に貫通し、前記バルブハウジングの外側に設けられたモータにより回転駆動され、前記弁体を揺動駆動する回転軸と、
前記回転軸と前記貫通孔との隙間のバルブハウジング側に設けられる、真空封止用の第１のＯリングシールと、
前記隙間のモータ側に前記第１のＯリングシールと離間して設けられ、潰し代が前記第１のＯリングシールの潰し代よりも小さく、モータ側に使用されている潤滑油やグリースが前記第１のＯリングシールの潤滑剤に混入するのを防止する第２のＯリングシールと、を備え、
前記第１のＯリングシールが当接するシール面であって、少なくとも前記回転軸の回転に伴って前記第１のＯリングシールが摺動する面に、潤滑剤保持用の複数の凹部が点在するように形成され、
前記第１のＯリングシールが前記シール面に押圧されて変形し、前記シール面に当接する前記第１のＯリングシールは、その接触面が前記シール面の面形状に倣うように変形し、前記凹部が形成されている部分においては、前記第１のＯリングシールの接触面が前記凹部の表面全体に接触せず、前記凹部の底面との間に隙間が生じ、隙間が潤滑剤保持部として機能する、真空バルブ。
請求項１に記載の真空バルブにおいて、
前記凹部がディンプル形状の凹部を構成している、真空バルブ。
請求項１に記載の真空バルブを製造するためのバルブ製造方法であって、
前記回転軸の前記シール面であって、少なくとも前記回転軸の回転に伴って前記第１のＯリングシールが摺動する面に、ショットブラストにより前記凹部を形成する、バルブ製造方法。
請求項１に記載の真空バルブを製造するためのバルブ製造方法であって、
前記回転軸の前記シール面であって、少なくとも前記回転軸の回転に伴って前記第１のＯリングシールが摺動する面に、エッチングにより前記凹部を形成する、バルブ製造方法。