JPH04248076A - ダイヤフラムバルブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
形成する鍔部１３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１
４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を形成す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　，Ｐ２　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　＋ΔＰ
２　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１
５Ａ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 (1)

【特許請求の範囲】
1. 【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する
   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。