JPH0681987B2 - ダイアフラム弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はダイアフラム弁に関する。

（従来技術） 従来において、流れる流体の通過を選択的に許容し或は
阻止するためにダイアフラム弁が提供された。ダイアフ
ラム弁の一つの形式において、ハウジングは、出口開口
を有するチャンバと、チャンバ内に流れる流体を受ける
ためにチャンバとハウジングの外側との間を連通する入
口通路と、流れる流体をチャンバからかつハウジングの
外側に排出するために出口開口と、ハウジングの外側と
の間を連通する出口通路とが設けられている。ハウジン
グは、また、チャンバ内に伸びかつ環状の密封面を有す
る突起が設けられ、その環状の密封面は出口開口を囲み
かつ出口開口から弁座に傾斜している。加えて、リセス
を有しエラストマのダイアフラムがリセスを被っている
弁体がチャンバ内に配置されている。弁体は閉じ位置と
開き位置との間で弁座に向かって或はそれから離れて移
動するようになっている。閉じ位置において、ダイアフ
ラムは突起によりリセス内に曲げられ、流れる流体がハ
ウジングを通過するのを阻止するためにシート面とぴっ
たりとかつ密封的に接触して出口開口を覆う。開き位置
において、ダイアフラムは弁座から隔てられかつ出口開
口は被われないで流れる流体がハウジングを通過するの
を許容する。

エラストマのダイアフラムを備えるダイアフラム弁の問
題は、ダイアフラムを形成するエラストマ材料がある流
体と化学的に反応することである。このような化学的な
反応により、不純物すなわち反応からの化学製品及びエ
ラストマの細かな粒子が、流体の流れの中に発生され
る。その結果、エラストマのダイアフラムを備えたダイ
アフラム弁は流体の純度が保持されなければならない用
途には適しない。

他の形式の従来のダイアフラム弁の設計において、ダイ
アフラムは、ダイアフラム弁が高い純度の応用に使用で
きるように流れる流体と科学的に反応しない金属で作ら
れている。このような弁の設計例が米国特許第4,828,21
9号に示されている。この特許の弁において、ハウジン
グ内に限定されチャンバは金属ダイアフラムにより一対
の弁チャンバと駆動チャンバとに分割されている。流体
は入口通路を介して弁チャンバ内へ及び出口通路の出口
開口を介して弁チャンバの外へ流れる。弁チャンバ内に
設けられた弁座は出口開口を囲んでいる。弁チャンバ内
に配置された弁ステムは、出口開口をシールしかつそれ
によって弁ハウジングを通して流体が流れるのを阻止す
るために、ダイアフラムに対して駆動されてダイアフラ
ムを弁座に対して駆動する。

上記米国特許に示されているようにな金属ダイアフラム
弁におけるシールを実施するために、比較的高い弁閉鎖
力が要求される。例えば、上記特許の一つの実施例にお
いて、ステムをダイアフラムに対して偏倚するためにハ
ンドルが設けられている。上記特許の高い閉鎖力は、迅
速な弁の動作及び／又は軽い弁閉鎖力を要求する用途に
は特に適しない。従来技術において、迅速な弁の動作は
電磁作動によって発生され、その電磁作動は上記米国特
許の弁を閉鎖するのに十分な力を発生しない。上記のよ
うなエラストマのダイアフラムを有するダイアフラム弁
の設計において、エラストマを変形した状態にして出口
開口に着座するために軽い力が要求されるので、比較的
低い弁閉鎖力が要求される。迅速な作動時間及び軽い弁
閉鎖力を有する金属ダイアフラム弁を製造するために、
エラストマダイアフラム弁のエラストマのダイアフラム
を単に金属ダイアフラムを取り替えることは不可能であ
る。もしそれが行われると、金属ダイアフラムが弁座に
接触したとき、その金属ダイアフラムが弁座上で曲がっ
て或はしわができ、それ故弁座とダイアフラムとの間で
シールが行われない。しわの発生を阻止するために弁閉
鎖力を増加しようとすると、ダイアフラムが永久に変形
して弁の再度のシールができなくなる。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の目的は上記従来技術の問題を解決したダイアフ
ラム弁を提供することである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、ハウジング（12）と、弁体（48）と、作動装
置（50）とを備えた形式のダイアフラム弁であって；前
記ハウジング（12）は、出口開口（34）を有するチャン
バ（22）と、該ハウジング及び前記チャンバ（22）内に
流れると共に、前記出口開口（34）及び前記ハウジング
（12）の外側へ流れる流体を、それぞれ通す対になった
入口手段（24）及び出口手段（43、44）と、前記チャン
バ内に伸びる突起（37）とを備えており；前記突起（3
7）は、環状の密封面（38）を有しており；前記密封面
（38）は、前記出口開口（34）を囲みかつ前記出口開口
から傾斜して、弁座（36）を形成しており；前記弁体
（48）は、前記チャンバ（22）内に配置されており；前
記弁体（48）は、一端において、リセス（60）と、前記
リセスを覆っている可撓性のダイアフラム（64）とを備
えており；前記弁体（48）は、閉じ位置と、開き位置と
の間で、前記弁座（36）に向かう方向に、あるいは前記
弁座（36）から離れる方向に移動できるようになってお
り；前記弁体（48）が前記閉じ位置に移動したときに、
前記ダイアフラム（64）は、前記突起（37）によって前
記リセス（60）内に曲げられて、前記密封面（38）に沿
って密封可能に接触しかつ前記出口開口（34）を覆い、
これにより、前記流体が、前記ハウジング（12）を通っ
て流出するのが妨げられるようになっており；前記弁体
（48）が前記開き位置に移動したときに、前記ダイアフ
ラム（64）は、前記弁座（36）から隔てられ、前記出口
開口（34）が覆われないで前記ハウジング（12）を介し
て前記流体が流出できるようになっており；前記作動装
置（50）は、前記弁体を、前記閉じ位置と、前記開き位
置との間で移動させるようになっており；前記ダイアフ
ラム（64）は、前記流体と化学的に反応しない可撓性の
金属シートから形成されており；また、前記ダイアフラ
ム（64）は、前記弁体（48）により前記金属シートが変
形できるように、また、前記金属シートが前記密封面
（38）に沿って密封的に接触できるように、前記リセス
（60）を横切って予め引き伸ばされて構成されている。

（作用） 本発明は、ハウジング、弁体及び弁体を開き位置と閉じ
位置との間で移動するための装置を有するダイアフラム
弁を提供する。ハウジングは出口開口を有するチャンバ
と、一対の入口装置及び出口装置と、チャンバ内に伸び
ている突起とを有している。対の入口及び出口装置は流
れる流体をハウジング及びチャンバ内に並びに出口開口
及びハウジングの外にそれぞれ通す。突起は出口開口を
囲みかつその出口開口から離れる方向に傾斜する環状の
密封面を有する。チャンバ内に配置された弁体はリセス
及びリセスを被っている可撓性のダイアフラムを有す
る。弁体は閉じ位置と開き位置との間で弁座に向かって
並びにそれから離れて移動するようになっている。閉じ
位置においてダイアフラムは突起によってリセス内に曲
げられ、密封面とぴったりとかつ密封可能に接触しかつ
流れる流体がハウジングを通るのを防止するために出口
開口を被う。開き位置において、ダイアフラムは弁座か
ら隔てられかつ出口開口は被われておらず、流れる流体
がハウジングを通過するのを許容する。

本発明によれば、ダイアフラムは流れる流体と化学的に
反応しない可撓性の金属シートで形成され、流体の純度
を保持する。加えて、可撓性の金属シートは、弁座によ
って形成されかつ弁座の上でしわがよせられるのでなく
て密封面とぴったりと接触するようにリセスを横切って
予め引き伸ばされる。その結果、本発明は、従来のエラ
ストマダイアフラム弁と金属ダイアフラム弁との利点を
有するダイアフラム弁を提供する。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の実施例について説明す
る。

第１図及び第２図において、本発明による好ましいダイ
アフラム弁が技術的に知られている質量流量制御器、特
に本出願人であるビーオーシー（BOC）グループインコ
ーポレーテッドのエドワード高真空国際部（Edwards Hi
gh Vacuum International division）によってつくられ
たデータメトリック型（DATAMETRICS Type）825、831及
び832質量流量制御器に使用するように示されている。
しかしながら、後述するように、好ましいダイアフラム
弁は適当に変形してあらゆる用途に使用できかつマスフ
ロー制御器とは関係のない環境下で機能し得る。

ダイアフラム弁10は直列流れ型でありかつ三つの直列部
分14、16及び18のセットによって形成されたハウジング
12を有する。部分18は部分19の一部に接続されるように
示されている。部分19において、矢印20によって示され
る流れるガスの質量流量に参照できる信号を発生するた
めにガスの側流（sidestream）が抽出される。

ハウジング12は弁チャンバ22と弁チャンバ22内のガス20
を受けるための入口通路24とが設けられている。オリフ
ィス28を受けるためのオリフィスチャンバ26が弁チャン
バ22と列を成してかつそれと連通して設けられている。
オリフィス28は弁チャンバ22を閉鎖しかつ一対のＯリン
グ30及び32により適所に保持されている。第８図におい
て、オリフィス28は中央の出口開口34とオリフィス28の
突起部分37によって形成された弁座36とが設けられてい
る。弁座36は基本的に円錐台形でかつ出口開口34を囲む
ように傾斜し、環状の密封面38を与える。球形の遷移区
域40が傾斜する密封面38の主要部と出口開口34を限定す
るオリフィス28の縁との間に設けられている。

ガス20は、大きな部分41と狭い部分43とを有するオリフ
ィス28の第１の出口通路42を設けることによって、弁座
36の出口開口34を介してチャンバ22から排出される。ガ
ス20はオリフィスチャンバ26から第２の出口通路44を介
してハウジング12の外に流れる。ねじ付き継手46が、ガ
ス20を排出するために、示されない排出ラインに接続す
るようにハウジング12の端部に形成されている。この点
に関して、部分18は、弁10が質量流量制御器と独立の環
境で機能するように入口ラインからのガスを取り入れる
ために、部分19に接続される代わりに、継手46と同様の
継手が形成され得る。

電磁式の動作可能弁が設けられている。弁はコイル50に
対するアーマチュアとして作用する弁体48を備えてい
る。弁体48は316ステンレススチールの層56に被われた
軟鉄のコア52によって形成されている。被っている層56
はリセス60を有する弁体48の前端58及び後端62を限定し
ている。弁体48の前端58は被っている層56と一体に形成
されたリング状のリブ65が設けられている。

ダイアフラム64がリング状のリブ65に接続されている。
ダイアフラム64はほぼ0.01524ミリメートルと0.0254ミ
リメートルとの間の316ステンレススチールのシートに
よって形成される。このような材料は最も腐食性の強い
ガスでさえも化学的に反応しない。ダイアフラム64は前
述のシートをリブ65上でかつそれによってリセス60上で
引っ張ることによって形成される。このように引っ張っ
たのちシートはリブ65にステッチ溶接され（stitch-wel
ded）かつあらゆる過剰の材料はＸ−ACTOナイフによっ
て取り除かれて円形の予め引っ張ぱられたダイアフラム
を形成する。弁体48にダイアフラムを取り付けるときに
汚染物はリセス60内に閉じ込められる。更に、質量流量
制御器の共通の応用において、一連のガスは化学的反応
中に各時間に測定される。その結果、このような化学的
反応におけるガスの測定中に、前に測定されたガスはリ
セス60内に閉じ込められ、測定されるべきガスを汚す。
このような汚染の閉じ込めを阻止するために、ダイアフ
ラム64がリセス60を密封的にシールする。

弁体48は閉じ位置と開き位置との間で弁座36に向かって
又はそれから離れて移動するようになっている。図に示
された閉じ位置において、出口開口34はシールされてハ
ウジング12を通してガス20が流れるのを阻止する。開き
位置において、出口開口34は被われておらず、ガス20が
ハウジング12の外に流れるのを許容する。弁体48のこの
ような動作はコイル50によって制御され、このコイルは
リード線68に電流が流されたとき弁体48を磁気吸引力に
よって開き位置に動かす。

弁体48が閉じ位置にあると、ダイアフラム64は弁座36に
よってリセス60内にたわみ、弁座36の密封面38及びカバ
ーの出口開口34に適合してかつ密封的に接触し、それに
よって出口開口34をシールする。ダイアフラム64は弁体
48への取り付けに先立って予め引き伸ばされているので
密封面38に一致する。もしダイアフラム64が予め引き伸
ばされずに弁体48に単に取り付けられると、弁座36及び
密封面38と接触するときしわが寄る。選択された材料の
実際の厚さによりこのようなしわ寄りによりダイアフラ
ムは破損し或は永久に変形する。いずれにしろ、金属ダ
イアフラムの潜在的なしわ寄りはシールを行えなくす
る。弁体48が開き位置に引っ込められると、ダイアフラ
ム64は出口開口34から隔てられた元の平らな状態に戻
り、ガス20がハウジング12を通して流れるのを許容す
る。

ダイアフラム64と弁体36との間で最適のシールの可能性
を得るために、ダイアフラム64はしわがあってはならな
い。更に、ダイアフラム64及び密封面38の両者は、あら
ゆるかき傷が同心になるように、旋盤で研磨されるべき
である。研磨化合物は仕上げを可能な限り滑らかにする
ために非埋め込み（non-embedding）でかつ細かな砂粒
（grit）であるべきである。最終の研磨は、ダイアフラ
ム64を密封面38に接触させて弁体48及びオリフィス28を
反対方向に回転することによって行われる。

ガス20は弁体48の回りの穴のあけられた後部ばね板70を
通してかつ穴のあけられた前部ばね板80を通して出口開
口34に流れる。第５図ないし第７図を参照して、後部ば
ね板70は周辺が後方に曲げられた弾性の金属デイスクに
よって形成されている。後部ばね板70は、弁チャンバ22
を形成するハウジング12の内面と周辺で接触しており、
弁チャンバ22内で弁体48を中心決めしている。後部ばね
板70はガス20を通すための三つの螺旋穴72が設けられか
つスポット溶接74により弁体52の後端62に接続されてい
る。示されたダイアフラム弁10はノルマルクローズ型で
ある。コイル50が附勢されるときまで、弁体48は前部ば
ね板80によって閉じ位置に保たれている。前部ばね板80
は後部ばね板70と設計が同じであり、ガス20を通すため
の三つの螺旋穴82が設けられかつスポット溶接82により
ダイアフラム64上でリブ65に取り付けられる。

第８図において、前部ばね板80及び弁体48はスポット溶
接92によりオリフィス28に溶接された環状のフィンガプ
レート90によって適所に保持されている。フィンガプレ
ート90は複数のフィンガ94が設けられ、そのフィンガは
フィンガプレートの平面から約60度の角度で曲げられて
前部ばね板80に円周方向に接しておりかつばね板80を弁
チャンバ22の肩部96に対して適所に保持している。

第３図において、弁体48′は、弁体48の代わりに使用さ
せるべき本発明にしたがった弁体の変形例を示してい
る。弁体48′は、前端58′、後端62′及びリセス60′を
限定する環状のリブ65′を形成している被い層56′によ
って被われている軟鉄のコア52′を有している。ダイア
フラム64′はリセス60′を横切って引き伸ばされてい
る。前部ばね板80′は弁体48′を通常閉じ位置に偏倚す
るのに使用されている。後部ばね板70′は弁空洞すなわ
ち弁チャンバ22内で弁体48′を中心決めする。

弁体48′及びそれに関連する総ての要素、後部ばね板7
0′及び前部ばね板80′は弁体48に関して述べた同じ要
素と基本的に同じである。しかしながら、弁体48′と弁
体48との間には重要な相違がある。弁体48′はリセス6
0′と後端62′との間を連通する軸穴100が設けられてい
る。加えて、後部ばね板70′は軸穴100の軸線に関して
同心に配置された開口78が設けられている。弁体48′は
前端58′とリセス60′との間を連通する一つ又はそれ以
上の半径方向穴102が設けられている。このような実施
例において、流れる流体20は、流れるガスすなわち流体
20が連続してリセス60′を洗い流すように、後部ばね板
70′の同心の開口78を通して、軸穴100を通してリセス6
0′内にかつ半径方向穴102の外に流れる。このような連
続的な洗い流しはごみが本発明に従って弁体のリセス内
に閉じ込められないようにする代わりの方法である。こ
の点に関して、示されていないが、ごみが弁体のリセス
から逃げれるようにするために、100のような軸穴なし
で102のような一連の半径方向穴を単に設けた他の実施
例も可能である。

第４図において、本発明による他の実施例が示されてい
る。弁110は出口開口124を有する弁チャンバ122を備え
たハウジング120が設けられた直立弁である。入口通路1
26は弁チャンバ122とハウジング120の外側とを連通す
る。出口通路128はハウジング120からの流れる流体127
を排出するために開口124とハウジングの外側とを連通
する。

円錐台形の弁座130は弁チャンバ122内に伸びている突起
によって設けられている。弁座130の円錐台形は出口開
口124を囲む密封面を提供する。弁体132はリセス134が
設けられている。金属ダイアフラム136が、弁体130によ
って与えられる密封面に順応して接触しかつ出口開口12
4を被いそれによって流体127が出口開口124を通して流
れるのを阻止するように、リセス134を横切って引き伸
ばされている。弁体132は通常ダイアフラム136が出口開
口124を被いかつ弁座130によって与えられる傾斜してい
る密封面に順応して接触する閉じ位置に偏倚されてい
る。これは前ばね板137によって達成されている。後ば
ね板138は弁チャンバ122内で弁体132を中心決めするた
めに設けられる。汚染物が閉じ込められるのを防止する
ために、弁体132の前部に単一の半径方向通路140が設け
られている。前ばね板137は、汚染物がリセス134内に閉
じ込められるのを阻止するために流体127を半径方向通
路140を通して流してリセス134を洗い流すように、複数
の穴141が形成されている。弁体132は強磁性の材料のコ
ア142を有しかつ弁体132を開き位置に動かすようにフィ
ールドコイル144によって引き付けられる。

本発明は質量流量制御器及びノルマルクローズ型で電磁
作動装置を使用する直立式弁に使用するように図面で示
されてきたが、本発明はその説明だけに限定されない。
本発明による弁はノルマルオープン型或は開き位置又は
閉じ位置のいずれにも偏倚されない弁でもよい。更に、
他の良く知られた非電磁弁作動装置も使用できる。最後
に、ダイアフラムは本発明の教示にしたがって、ガスの
代わりに流体の流れを選択的に阻止し又は許容するのに
使用ように作られ得る。

好ましい実施例が詳細に示されたが、本発明の範囲内で
多くの削除、変更及び追加が可能である。

以上のように本願発明によれば、ダイアフラムを、流れ
る流体と化学的に反応しない可撓性の金属シートから形
成したので、不純物が流体の流れの中に発生することが
ないことから、流体の純度を維持することができ、流体
の純度を維持しなけらばならない用途に最適なダイアフ
ラム弁を提供できる。

さらに、ダイアフラムを、弁体により金属シートが変形
できるように、また、金属シートが密封面に沿って密封
的に接触できるように、リセスを横切って予め引き伸ば
したので、金属シートの密封面上でのしわの発生や金属
シートの永久変形が防止され、金属シートにより再度の
シールを行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は質量流量制御器の設計に取り入れられた本発明
によるダイアフラム弁の断面図、第２図は第１図のダイ
アフラム弁の部分拡大断面図、第３図は本発明による弁
体の他の実施例の断面図、第４図は本発明のダイアフラ
ム弁の他の実施例の断面図、第５図は第１図に示された
ダイアフラム弁に組み込まれた本発明による弁体の後面
図、第６図は第５図の立面図、第７図は第５図の前面
図、第８図は第１図及び第２図に示された質量流量制御
器に使用されているオリフィス及びそれに取り付けられ
たフィンガプレートの前面図である。 10:ダイアフラム弁、12:ハウジング 22:弁チャンバ、24:入口通路 26:オリフィスチャンバ 28:オリフィス、34:出口開口 36:弁座、38:密封面 44:出口通路 48、48′：弁体、52:コア 56、56′：層、60、60′：リセス 64、64′：ダイアフラム 65、65′：リブ、70、70′：ばね板 80、80′：ばね板

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ハウジング（12）と、弁体（48）と、作動
   装置（50）とを備えた形式のダイアフラム弁であって、 前記ハウジング（12）は、 出口開口（34）を有するチャンバ（22）と、 該ハウジング及び前記チャンバ（22）内に流れると共
   に、前記出口開口（34）及び前記ハウジング（12）の外
   側へ流れる流体を、それぞれ通す対になった入口手段
   （24）及び出口手段（43、44）と、 前記チャンバ内に伸びる突起（37）とを備えており、 前記突起（37）は、環状の密封面（38）を有しており、 前記密封面（38）は、前記出口開口（34）を囲みかつ前
   記出口開口から傾斜して、弁座（36）を形成しており、 前記弁体（48）は、前記チャンバ（22）内に配置されて
   おり、 前記弁体（48）は、一端において、リセス（60）と、前
   記リセスを覆っている可撓性のダイアフラム（64）とを
   備えており、 前記弁体（48）は、閉じ位置と、開き位置との間で、前
   記弁座（36）に向かう方向に、あるいは前記弁座（36）
   から離れる方向に移動できるようになっており、 前記弁体（48）が前記閉じ位置に移動したときに、前記
   ダイアフラム（64）は、前記突起（37）によって前記リ
   セス（60）内に曲げられて、前記密封面（38）に沿って
   密封可能に接触しかつ前記出口開口（34）を覆い、これ
   により、前記流体が、前記ハウジング（12）を通って流
   出するのが妨げられるようになっており、 前記弁体（48）が前記開き位置に移動したときに、前記
   ダイアフラム（64）は、前記弁座（36）から隔てられ、
   前記出口開口（34）が覆われないで前記ハウジング（1
   2）を介して前記流体が流出できるようになっており、 前記作動装置（50）は、前記弁体を、前記閉じ位置と、
   前記開き位置との間で移動させるようになっており、 前記ダイアフラム（64）は、前記流体と化学的に反応し
   ない可撓性の金属シートから形成されており、 また、前記ダイアフラム（64）は、前記弁体（48）によ
   り前記金属シートが変形できるように、また、前記金属
   シートが前記密封面（38）に沿って密封的に接触できる
   ように、前記リセス（60）を横切って予め引き伸ばされ
   ていることを特徴とするダイアフラム弁
2. 【請求項２】請求項１に記載のダイアフラム弁におい
   て、 前記リセス（60）内への汚染物の閉じ込めが防止できる
   ように、前記リセス（60）が、前記ダイアフラム（64）
   によって密閉されていることを特徴とするダイアフラム
   弁。
3. 【請求項３】請求項１に記載のダイアフラム弁におい
   て、前記リセス（134）内への汚染物の閉じ込めを防止
   できるように、前記弁体（132）が、前記リセス（134）
   とその外側面との間を連通する少なくとも一つの半径方
   向通路（140）を備えていることを特徴とするダイアフ
   ラム弁。
4. 【請求項４】請求項３に記載のダイアフラム弁におい
   て、前記ダイアフラム弁（10）がインライン流れ型であ
   り、 前記弁体（48′）が、更に、弁体の端部（62′）の他方
   と前記リセス（60′）との間を連通する軸方向の穴（10
   0）を有しており、 前記軸方向の穴（100）は、前記流体を前記リセス（6
   0′）内に流れるのを許容して、汚染物が前記リセス（6
   0′）内に閉じ込められないようにしていることを特徴
   とするダイアフラム弁。