KR102629406B1

KR102629406B1 - 다이어프램 밸브

Info

Publication number: KR102629406B1
Application number: KR1020187023104A
Authority: KR
Inventors: 다츠시 나베이; 유키에 나카무라; 사유미 다카노
Original assignee: 시케이디 가부시키가이샤
Priority date: 2016-02-18
Filing date: 2017-02-08
Publication date: 2024-01-24
Also published as: WO2017141780A1; KR20180115267A; CN108603609A; JP2017145925A; US20180355983A1; JP6654060B2

Abstract

다이어프램 밸브가 제어 대상으로 할 수 있는 압력 범위를 고압측으로 확대한다. 다이어프램 밸브는, 개구부(211)의 주위를 둘러싸는 위치에 형성되어 있는 제1 맞닿음면(213)이 형성되어 있는 제1 밸브 하우징(200)과, 제1 맞닿음면에 대향하는 제2 맞닿음면(113)과, 제2 맞닿음면을 둘러싸는 위치에 형성되어 있는 밀봉부(117)가 형성되어 있는 다이어프램 밸브체(110)와, 제2 밸브 하우징(300)을 구비한다. 다이어프램 밸브체의 탄성 연결부(114)는, 제2 밸브 하우징측으로 오목한 오목 곡면(115)을 갖고, 제1 밸브 하우징측으로 볼록한 제1 볼록 곡면(116)을 갖고, 제2 밸브 하우징은, 오목 곡면(115)에 대향하는 위치에 있어서 탄성 연결부(114)측으로 볼록한 제2 볼록 곡면(315)을 가지는 지지부를 갖는다.

Description

다이어프램 밸브

본 발명은, 다이어프램에 관한 것으로, 특히 고압 유체의 공급 제어를 행하는 다이어프램 밸브에 관한 것이다.

포토레지스트액 등의 약액의 유통을 제어하는 밸브로서, 다이어프램 밸브가 사용되고 있다. 다이어프램 밸브는, 가요성막인 다이어프램을 사용하는 밸브이다. 다이어프램 밸브는, 가요성막의 탄성 변형을 이용하여 기능하므로, 고압 유체의 제어에 있어서는 과도한 탄성 변형에 기인한 내구성의 저하가 문제가 되었다. 구체적으로는, 고압 유체의 제어에 기인하여 다이어프램의 일부가 영구 변형되어(연신되어) 버린다는 문제가 있었다. 이러한 문제에 대해서, 다이어프램의 변형부를 백업으로 지지하는 기술도 제안되어 있다(특허문헌 1 등).

일본 특허공개 제2011-237039호 공보 일본 특허공개 제2010-164130호 공보 일본 특허공개 제2006-189117호 공보

그러나, 본원 발명자는, 다이어프램의 영구 변형의 본질적인 원인을 재검토하고, 고압의 액압에 기인한 다이어프램의 변형을 하중의 흐름이나 응력에 대한 변환 형태의 연구를 행하였다. 이에 의해, 본원 발명자는, 다이어프램 밸브가 제어 대상으로 할 수 있는 압력 범위를 고압측으로 크게 확대시키는 것에 성공하였다.

본 발명은, 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 다이어프램 밸브가 제어 대상으로 할 수 있는 압력 범위를 고압측으로 확대시키는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 다이어프램 밸브를 제공한다. 본 다이어프램 밸브는, 제1 유로의 개구부와, 상기 개구부의 주위를 둘러싸는 위치에 형성되어 있는 제1 맞닿음면과, 상기 제1 맞닿음면의 주위를 둘러싸는 위치에 형성되어 있는 환상 오목부가 형성되어 있는 제1 밸브 하우징과, 상기 제1 맞닿음면에 대향하는 제2 맞닿음면과, 상기 제2 맞닿음면을 둘러싸는 위치에 형성되어 있는 밀봉부가 형성되어 있는 다이어프램과, 상기 다이어프램에 대해서 상기 제1 맞닿음면과는 반대측에 배치되고, 상기 반대측으로부터 상기 다이어프램을 압박함으로써 상기 제2 맞닿음면을 상기 제1 맞닿음면에 맞닿게 해서 상기 개구부를 폐쇄하는 구동 부재와, 상기 압박하는 방향으로 이동 가능하게 보유 지지하고, 상기 밀봉부를 상기 제1 밸브 하우징과의 사이에 끼움 지지함으로써, 상기 개구부와 연통 가능한 유로 공간을 밀봉하는 제2 밸브 하우징을 구비한다. 상기 다이어프램은, 상기 제2 맞닿음면과 상기 밀봉부를 연결하고, 상기 제2 맞닿음면이 상기 밀봉부에 대해서 상기 제1 밸브 하우징측으로 이동할 수 있도록 탄성 변형하는 탄성 연결부를 갖는다. 상기 탄성 연결부는, 상기 제2 밸브 하우징측으로 오목한 곡면 형상을 갖는 오목 곡면을 갖는다. 상기 제2 밸브 하우징은, 상기 오목 곡면에 대향하는 위치에 있어서 상기 탄성 연결부측으로 볼록한 곡면 형상을 갖는 제2 볼록 곡면을 가지는 지지부를 갖는다.

상기 다이어프램 밸브에 있어서, 상기 제1 맞닿음면의 외경은, 상기 환상 오목부의 외경의 40％ 이상이며, 상기 개구부의 입구 직경은, 상기 환상 오목부의 외경의 20％ 이하인 형상을 갖도록 해도 된다.

상기 다이어프램 밸브에 있어서, 상기 제2 볼록 곡면의 외경은, 상기 환상 오목부의 외경보다도 작아지도록 해도 된다.

상기 다이어프램 밸브에 있어서, 상기 탄성 연결부는, 상기 제1 밸브 하우징측으로 볼록한 곡면 형상을 갖는 제1 볼록 곡면을 갖고, 상기 제1 볼록 곡면은, 밸브 개방 시에 있어서 상기 제2 간극이 발생하고 있는 영역에서 상기 제1 밸브 하우징측으로 볼록한 곡면 형상을 갖도록 해도 된다.

상기 다이어프램 밸브에 있어서, 상기 제2 간극은, 상기 밀봉부측보다도 상기 구동 부재측에 있어서 큰 간극을 갖도록 해도 된다.

상기 다이어프램 밸브에 있어서, 상기 다이어프램은, PTFE로 구성되어 있어도 된다.

본 발명의 다이어프램 밸브에 의하면, 다이어프램 밸브가 제어 대상으로 할 수 있는 압력 범위를 고압측으로 확대할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 다이어프램 밸브(10)의 일부의 단면을 나타내는 부분 단면도이다.
도 2는, 일 실시 형태에 관한 다이어프램 밸브(10)의 구성을 분해해서 나타내는 분해도이다.
도 3은, 일 실시 형태에 관한 밸브 기구부(100)의 개폐 작동의 모습을 나타내는 단면도이다.
도 4는, 일 실시 형태에 관한 탄성 연결부(114)의 변형 상태를 나타내는 단면도이다.
도 5는, 일 실시 형태에 관한 탄성 연결부(114)의 변형 상태를 나타내는 단면도이다.
도 6은, 일 실시 형태에 관한 액추에이터 로드(410)의 변위와 약액 하중의 관계를 개념적으로 나타내는 그래프이다.
도 7은, 일 실시 형태에 관한 탄성 연결부(114)의 응력 상태를 나타내는 단면도이다.
도 8은, 일 실시 형태에 관한 탄성 연결부(114)의 응력 상태를 나타내는 단면도이다.
도 9는, 변형예에 따른 밸브 기구부의 개폐 작동의 모습을 나타내는 단면도이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태(이하, 「실시 형태」라고 함)를, 도면을 참조하여 이하의 순서로 설명한다.

A. 다이어프램 밸브의 구성:

B. 다이어프램 밸브의 작동:

C. 다이어프램의 변형 상태와 구동 하중:

D. 다이어프램의 응력 상태:

E. 변형예:

A. 다이어프램 밸브의 구성 및 작동:

도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 다이어프램 밸브(10)의 일부의 단면을 나타내는 부분 단면도이다. 도 2는, 일 실시 형태에 관한 다이어프램 밸브(10)의 구성을 분해해서 나타내는 분해도이다. 다이어프램 밸브(10)는, 본 실시 형태에서는, 일례로서 약액의 공급을 온오프 제어하는 것으로 하고 있다. 약액의 공급을 온오프 제어하는 다이어프램 밸브는, 종래는 일반적으로 500kPa 정도까지의 유체 압력의 공급 제어가 사양상의 한계로 되고 있었지만, 본 실시 형태에서는, 수 MPa 정도의 유체 압력의 제어를 가능하게 한다.

다이어프램 밸브(10)는, 밸브 기구부(100)와, 베이스 하우징(200)('제1 밸브 하우징'이라고도 칭함)과, 톱 하우징(300)('제2 밸브 하우징'이라고도 칭함)과, 액추에이터(400)를 구비하고 있다. 밸브 기구부(100)는, 다이어프램 밸브체(110)와, 구동 부재(120)와, 가압부(130)를 구비하고 있다.

베이스 하우징(200)에는, 입구측 유로(210)('제1 유로'라고도 칭함)와, 출구측 유로(220)('제2 유로'라고도 칭함)가 형성되어 있다. 다이어프램 밸브(10)는, 밸브 기구부(100)의 구동에 의해 입구측 유로(210)로부터 출구측 유로(220)로의 약액의 흐름을 온오프 제어하도록 구성되어 있다.

베이스 하우징(200)은, 약액이 유통하는 입구측 유로(210)와 출구측 유로(220)가 형성되어 있으므로, 내약품성을 갖는 수지인 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone, PEEK)으로 형성되어 있다. 폴리에테르에테르케톤은, 열가소성 수지로서는 매우 높은 내열성을 갖고, 내마모성이나 치수 안정성, 내피로성, 가공성과 같은 성질에도 우수하다.

베이스 하우징(200)은, 원기둥 형상의 외형을 갖고 있다. 베이스 하우징(200)의 내부에는, 톱 하우징(300)을 격납하기 위한 제1 원기둥 오목부(240)가 형성되어 있다. 제1 원기둥 오목부(240)는, 베이스 하우징(200)을 끼움 지지하기 위한 하우징 끼움 지지 맞닿음면(241)을 갖고 있다. 제1 원기둥 오목부(240)의 저면에는, 또한 제2 원기둥 오목부(250)가 형성되어 있다.

제2 원기둥 오목부(250)에는, 그 중심축 위치에 입구측 유로(210)의 입구 개구부(211)(단순히 '개구부'라고도 칭함)가 형성되어 있다. 입구 개구부(211)의 주위를 둘러싸는 위치에는, 환상의 평면인 환상 맞닿음면(213)('제1 맞닿음면'이라고도 칭함)이 형성되어 있다. 환상 맞닿음면(213)의 주위를 둘러싸는 위치에는, 환상의 오목부인 환상 오목부(260)가 형성되어 있다. 환상 오목부(260)의 주위를 둘러싸는 위치에는, 환상의 평면인 밸브체 끼움 지지면(217)이 형성되어 있다. 환상 오목부(260)에는, 출구측 유로(220)의 출구 개구부(221)가 형성되어 있다.

환상 맞닿음면(213)은, 밸브체 맞닿음면(113)의 맞닿음에 의한 과잉 응력에 기인한 영구 변형을 억제하기 위해서 제1 맞닿음면(213)의 외경은, 환상 오목부(260)의 외경(반경 R1)의 40％ 이상이며, 개구부(211)의 입구 직경(제1 맞닿음면(213)측의 단부 직경)은, 환상 오목부(260)의 외경의 20％ 이하인 형상을 갖는 것이 바람직하다. 제1 맞닿음면(213)의 외경은, 환상 오목부(260)의 외경의 46％ 이상인 것이 더 바람직하고, 개구부(211)의 입구 직경은, 환상 오목부(260)의 외경 13％ 이하인 형상을 갖는 것이 더 바람직하다.

다이어프램 밸브체(110)는, 예를 들어 가요성을 갖는 불소 수지인 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene: PTFE)을 절삭 가공함으로써 형성할 수 있다. 폴리테트라플루오로에틸렌은, 내열성, 내약품성이 우수하며, 강한 부식성을 갖는 불화수소산에도 녹지 않는 재료이다. 폴리테트라플루오로에틸렌은, 또 매우 마찰 계수가 작다는 특성을 갖고 있다.

다이어프램 밸브체(110)는, 중심축 위치에 원반형의 형상을 갖는 밸브체판(111)을 구비하고 있다. 밸브체판(111)에는, 밸브 폐쇄 시에 환상 맞닿음면(213)에 맞닿는 평면인 밸브체 맞닿음면(113)('제2 맞닿음면'이라고도 칭함)이 형성되어 있다. 밸브체 맞닿음면(113)은, 밸브 개방 시에는 환상 맞닿음면(213)으로부터 멀어져서 유로로서의 간극 공간을 형성한다. 밸브체판(111)에는, 나사 결합부(118)가 연결되어 있다. 나사 결합부(118)에는, 후술하는 구동 부재(120)가 나사 결합된다.

다이어프램 밸브체(110)의 외주 위치에는, 환상 형상을 갖는 판 부재인 환상 밀봉부(117)가 형성되어 있다. 환상 밀봉부(117)는, 베이스 하우징(200)의 밸브체 끼움 지지면(217)에 맞닿음으로써 출구 개구부(221)에 연통하는 유로 부분을 밀봉하고 있다. 환상 밀봉부(117)는, 베이스 하우징(200)측에 볼록형의 아치형상의 단면을 갖고, 환상 형상을 갖는 탄성 연결부(114)를 통해 밸브체판(111)에 연결되어 있다. 탄성 연결부(114)에는, 환상 오목부(260)에 대향하는 측으로 볼록한 곡면 형상을 갖는 볼록 곡면(116)('제1 볼록 곡면'이라고도 칭함)을 갖고, 그 반대측으로 오목한 곡면 형상을 갖는 오목 곡면(115)을 갖고 아치형의 단면 형상을 갖고 있다.

톱 하우징(300)은, 예를 들어 스테인리스강을 기계 가공함으로써 제조된다. 톱 하우징(300)은, 원반형의 형상을 갖는 톱 하우징 본체부(340)를 갖고 있다. 톱 하우징 본체부(340)에는, 다이어프램 밸브체(110)측으로 돌출되는 환상의 형상을 갖는 환상 볼록부(330)가 형성되어 있다. 환상 볼록부(330)의 중심측에는, 다이어프램 밸브체(110)측으로 볼록형의 환상 형상을 갖고, 볼록 곡면을 갖는 환상 지지면(315)('제2 볼록 곡면'이라고도 칭함)을 갖는 지지부가 형성되어 있다. 환상 지지면(315)의 내측에는, 관통 구멍(360)이 형성되어 있다.

톱 하우징(300)에는, 다이어프램 밸브체(110)와는 반대측으로 돌출되는 환상의 형상을 갖는 환상 볼록부(350)가 형성되어 있다. 환상 볼록부(350)의 내측에는, 가압부(130)(예를 들어 코일 스프링)가 격납되기 때문의 원통형 홈부(322)가 형성되어 있다.

구동 부재(120)는, 예를 들어 스테인리스강을 기계 가공함으로써 제조된다. 구동 부재(120)는, 원기둥 형상의 형상을 갖는 구동축부(126)와, 구동축부(126)에 연결되어 있는 원반형의 형상을 갖는 플랜지부(124)를 갖고 있다. 플랜지부(124)에는, 톱 하우징(300)측에 가압부(130)가 맞닿기 위한 가압부 맞닿음면(125)이 형성되어 있다. 플랜지부(124)에는, 또한, 액추에이터(400)측에 액추에이터(400)의 밸브 개방 방향 구동 스트로크를 규정하기 위한 환상 형상을 갖는 평면인 개방 밸브 스트로크 규정면(123)이 형성되어 있다.

구동 부재(120)에 있어서, 개방 밸브 스트로크 규정면(123)의 내측에는, 액추에이터(400)로부터의 구동력을 받는 구동 맞닿음면(121)이 형성되어 있다. 구동축부(126)의 중심축 위치에는, 나사 결합부(118)가 나사 결합되는 나사 결합 구멍(128)이 형성되어 있다.

밸브 기구부(100)는, 톱 하우징(300)에 대해서, 다이어프램 밸브체(110)와, 구동 부재(120)와, 가압부(130)를 조립함으로써 구성되어 있다. 톱 하우징(300)에 대해서, 우선 가압부(130)가 조립된다. 가압부(130)는, 홈부(322)에 격납된다.

다음으로, 구동 부재(120)의 구동축부(126)는, 톱 하우징(300)의 관통 구멍(360)에 삽입된다. 관통 구멍(360)에는, 구동축부(126)의 원활한 작동을 확보하기 위해서, 구동 부재(120)와의 미끄럼 이동부에 그리스가 도포된다. 또한, 그리스의 도포 대신에 부시를 장비하는 구성으로 하여도 된다. 삽입 시에는, 톱 하우징(300)의 홈부(322)에 격납되어 있는 가압부(130)가, 구동 부재(120)의 플랜지부(124)의 가압부 맞닿음면(125)에 맞닿는다.

구동축부(126)는, 더 삽입되어, 플랜지부(124)가 맞닿음면(323)에 맞닿은 상태에서 지그(도시생략)로 고정하면, 톱 하우징(300)의 관통 구멍(360)으로부터 나사 결합 구멍(128)이 돌출되는 상태로 된다. 나사 결합 구멍(128)에는, 다이어프램 밸브체(110)의 나사 결합부(118)가 나사 결합된다.

이에 의해, 밸브 기구부(100)는, 톱 하우징(300) 위에 조립되고, 밸브 기구 조립(100, 300)이 구성되게 된다. 밸브 기구 조립(100, 300)에서는, 구동 부재(120)는, 다이어프램 밸브체(110)의 압박 방향으로 이동 가능하게 조립되고, 보유 지지되어 있다.

이와 같이, 구동 부재(120)는, 다이어프램 밸브체(110)에 대해서 환상 맞닿음면(213)과는 반대측에 배치되고, 반대측으로부터 다이어프램 밸브체(110)를 압박함으로써 밸브체 맞닿음면(113)을 환상 맞닿음면(213)에 맞닿게 해서 입구 개구부(211)를 폐쇄할 수 있다.

밸브 기구 조립(100, 300)는, 이하와 같이 베이스 하우징(200)에 조립된다. 베이스 하우징(200)의 제2 원기둥 오목부(250)에는, 다이어프램 밸브체(110)와 환상 볼록부(330)가 격납된다. 베이스 하우징(200)의 제1 원기둥 오목부(240)에는, 톱 하우징 본체부(340)가 격납된다(도 1 참조).

다이어프램 밸브체(110)의 환상 밀봉부(117)는, 베이스 하우징(200)의 밸브체 끼움 지지면(217)과 환상 볼록부(330)에 의해 끼움 지지된다. 베이스 하우징(200)에 대한 톱 하우징(300)의 위치는, 하우징 끼움 지지 맞닿음면(241)에 의해 규정된다. 이에 의해, 환상 밀봉부(117)의 두께와 환상 볼록부(330)의 높이의 합과, 제2 원기둥 오목부(250)의 깊이의 차가 환상 밀봉부(117)의 압축 변형량으로서 규정되게 된다.

액추에이터(400)는, 액추에이터 로드(410)와, 액추에이터 하우징(420)을 구비하고 있다. 액추에이터 로드(410)는, 액추에이터 하우징(420)에 대해서 축선 방향으로 왕복 이동하도록 구동된다. 구동 방법은, 예를 들어 전자력이어도 되고, 유체 압력에 의해 구동하는 방식이어도 된다. 액추에이터 로드(410)는, 구동 맞닿음면(121)을 통해 구동 부재(120)에 구동력을 전달하기 위한 구동 맞닿음면(411)을 갖고 있다.

액추에이터 하우징(420)에는, 베이스 하우징(200)의 제1 원기둥 오목부(240)에 끼워 맞추는 형상을 갖는 환상의 볼록부인 환상 볼록부(421)를 갖고 있다. 환상 볼록부(421)에는, 톱 하우징(300)측에 대향하는 평면인 위치 기준 맞닿음면(422)이 형성되어 있다. 위치 기준 맞닿음면(422)은, 톱 하우징 본체부(340)와 맞닿아서 톱 하우징(300)에 대한 액추에이터(400)의 축선 방향으로 위치를 규정한다. 액추에이터 하우징(420)에는, 또한, 밸브 개방 상태를 규정하기 위해 개방 밸브 스트로크 규정면(123)과 맞닿는 스트로크 기준 맞닿음면(423)이 형성되어 있다.

액추에이터(400)는, 제1 원기둥 오목부(240)에 끼워 맞추고, 위치 기준 맞닿음면(422)이 톱 하우징 본체부(340)와 맞닿고, 밸브 기구 조립(100, 300)을 액추에이터(400)와 베이스 하우징(200)의 사이에 끼운 상태에 있어서, 도시하지 않은 체결 부재(예를 들어 볼트 등)로 체결된다. 이와 같이 하여, 다이어프램 밸브(10)는, 조립할 수 있다.

B. 다이어프램 밸브의 작동:

도 3은, 일 실시 형태에 관한 밸브 기구부(100)의 개폐 작동의 모습을 나타내는 단면이다. 도 3의 (a)는, 밸브 기구부(100)에 의한 밸브 폐쇄 상태를 나타내고 있다. 도 3의 (b)는, 밸브 기구부(100)에 의한 밸브 개방 상태를 나타내고 있다. 밸브 폐쇄 상태에서는, 입구측 유로(210)의 입구 개구부(211)는, 다이어프램 밸브체(110)의 밸브체 맞닿음면(113)과 베이스 하우징(200)의 환상 맞닿음면(213)이 맞닿음으로써 폐쇄되고, 출구측 유로(220)로부터 분리되어 있다. 밸브 개방 상태에서는, 입구측 유로(210)는, 밸브체 맞닿음면(113)과 환상 맞닿음면(213)의 사이에 형성되어 있는 유로 공간을 통해 출구측 유로(220)에 연통되어 있다.

밸브 폐쇄 상태에서는, 액추에이터(400)는, 액추에이터 로드(410)를 베이스 하우징(200)측으로 이동시켜 구동 부재(120)를 통해 다이어프램 밸브체(110)를 압박하고 있다. 다이어프램 밸브체(110)의 밸브체 맞닿음면(113)은, 입구 개구부(211)에 있어서 액추에이터(400)의 측에 액압을 받음과 함께, 베이스 하우징(200)의 환상 맞닿음면(213)으로부터의 맞닿음 압력을 받고 있다. 맞닿음 압력은, 입구 개구부(211)를 폐쇄해서 밀봉하기 위한 액추에이터 로드(410)로부터 하중의 반작용으로서 발생하는 압력이다.

밸브 폐쇄 상태로부터 밸브 개방 상태의 천이에 있어서는, 액추에이터(400)는, 액추에이터 로드(410)의 구동 하중을 제로(혹은 감소시킴)로 한다. 구동 부재(120)는, 가압부(130)의 가압 하중과, 입구 개구부(211)에 있어서의 액압과, 환상 맞닿음면(213)으로부터의 맞닿음 압력에 기인한 하중에 의해 액추에이터 로드(410)를 액추에이터(400)측으로 이동을 개시한다.

밸브체 맞닿음면(113)이 환상 맞닿음면(213)으로부터 멀어지면, 구동 부재(120)는, 환상 맞닿음면(213)으로부터의 맞닿음 압력 대신에 밸브체 맞닿음면(113)과 환상 맞닿음면(213) 사이의 간극('제1 간극'이라고도 칭함)의 유로 공간에 유입된 약액의 액압에 기인한 하중을 받게 된다. 구동 부재(120)는, 그 개방 밸브 스트로크 규정면(123)이 액추에이터 하우징(420)의 스트로크 기준 맞닿음면(423)에 맞닿을 때까지 이동하고, 그 맞닿음에 대응하여 정지한다. 밸브 개방 상태에서는, 그 상태가 유지되게 된다.

밸브 개방 상태로부터 밸브 폐쇄 상태의 천이에 있어서는, 액추에이터(400)는, 액추에이터 로드(410)의 구동 하중을 온으로 한다. 구동 부재(120)는, 가압부(130)의 가압 하중과, 다이어프램 밸브체(110)가 받는 액압에 대항하여 다이어프램 밸브체(110)의 밸브체 맞닿음면(113)을 환상 맞닿음면(213)측으로 이동시키고, 맞닿게 함으로써 입구 개구부(211)를 폐쇄하여 밀봉한다. 밸브 폐쇄 상태에서는, 그 상태가 유지되게 된다.

C. 다이어프램의 변형 상태와 구동 하중:

도 4 및 도 5는, 일 실시 형태에 관한 탄성 연결부(114)의 변형 상태를 나타내는 단면도이다. 도 4의 (a)는, 밸브 폐쇄 상태에 있어서의 탄성 연결부(114)의 변형 상태를 나타내고 있다. 탄성 연결부(114)는, 밸브 폐쇄 상태에 있어서는, 환상 지지면(315)과의 사이에 클리어런스 C1 내지 C3을 갖고 있다. 클리어런스 C1 내지 C3은, 밸브체판(111)의 액추에이터(400)측으로의 이동을 가능하게 하기 위해서 탄성 연결부(114)를 변형할 수 있도록 설치되어 있다. 클리어런스 C1 내지 C3은, 밸브체판(111)에 가까운 측의 클리어런스 C1이 크고, 밸브체판(111)으로부터 먼 측의 클리어런스 C3이 작아지게 되어 있다. 클리어런스 C1과 클리어런스 C3 사이의 클리어런스 C2는, 그 중간적인 크기를 갖고 있다. 클리어런스 C1 내지 C3은, 제2 간극이라고도 칭한다.

환상 지지면(315)은, 밸브체판(111)의 근방과 환상 밀봉부(117)의 근방에서 비교적 작은 곡률을 갖고, 그 사이의 중간 영역에서 비교적 큰 곡률의 곡면 형상을 갖는 볼록 곡면을 갖고 있다. 환상 지지면(315)은, 다이어프램 밸브(10)의 용도나 액압과 같은 다양한 사양에 따라서, 사이클로이드나 곡률이 서로 상위한 복수의 원을 조합한 형상과 같은 다양한 곡면의 단면 형상을 갖는 볼록 곡면을 채용할 수 있다.

도 4의 (b)는, 중간 상태에서의 탄성 연결부(114)의 변형 상태를 나타내고 있다. 중간 상태란, 밸브 폐쇄 상태와 밸브 개방 상태 사이의 중간적인 상태이다. 탄성 연결부(114)는, 중간 상태에서는, 환상 지지면(315)과의 사이에 클리어런스 C1a를 갖고 있다. 클리어런스 C1a는, 밸브 폐쇄 상태에서의 클리어런스 C1의 위치 클리어런스이다. 클리어런스 C2, C3의 위치에서는, 클리어런스가 소멸하고, 탄성 연결부(114)는, 환상 지지면(315)과의 맞닿음에 의해 지지되어 있는 상태이다.

탄성 연결부(114)는, 중간 상태에 있어서는, 약액의 압력 p를 받는 한편, 클리어런스 C2, C3의 영역에서, 환상 지지면(315)으로부터 지지력을 받고 있다. 지지력은, 약액의 압력 p에 대한 반작용으로서의 항력(압력 r)으로서 발생하고 있다. 반작용으로서의 항력(압력 r)은, 반경 R1의 원으로부터 반경 R2의 원을 제외한 환상의 영역에서 발생하고 있다. 한편, 압력 r에 기인한 액추에이터 로드(410)의 하중은, 약액의 압력 p를 수압하는 반경 R1의 원에서 발생하고 있다.

반경 R1은, 다이어프램 밸브체(110)의 중심 위치로부터 환상 밀봉부(117)와 환상 오목부(260)가 맞닿는 경계 위치까지의 거리이다. 반경 R2 및 반경 R3은, 다이어프램 밸브체(110)의 중심 위치로부터 탄성 연결부(114)와 환상 지지면(315)이 맞닿는 경계 위치까지의 거리이다.

탄성 연결부(114)는, 밸브 개방 상태에서는, 약액의 압력 p를 받는 면적이 변화하지 않지만, 환상 지지면(315)으로부터 지지력을 받는 범위가 확대되어 있다. 즉, 반작용으로서의 항력(압력 r)은, 반경 R1의 원으로부터 반경 R3(반경 R3<반경 R2)의 원을 제외한 환상의 영역에서 발생한다. 탄성 연결부(114)는, 밸브 개방 상태에서는, 환상 지지면(315)과의 사이에 클리어런스 C1a보다도 더 작은 클리어런스 C1b를 갖고 있다. 클리어런스 C1b는, 밸브 폐쇄 상태에서의 클리어런스 C1의 위치 클리어런스이다.

도 6은, 일 실시 형태에 관한 액추에이터 로드(410)의 변위와 약액 하중의 관계를 개념적으로 나타내는 그래프이다. 횡축은, 로드 변위량이며, 종축은, 약액 하중 L이다. 로드 변위량은, 액추에이터 로드(410)의 변위량, 즉, 다이어프램 밸브체(110)의 밸브체판(111)의 이동량이다. 약액 하중 L은, 액추에이터 로드(410)가 약액으로부터 받는 하중이다.

약액 하중 L은, 개념적으로는, 도 6 중의 식 (1)에 의해 표현되는 하중이다. 식 (1)에 있어서, 하중 F는, 가압부(130)에 의한 변동 하중(변동량은, 스트로크에 대응하여 미소함)이며, 압력 p는, 약액의 압력이며, Rx는, 다이어프램 밸브체(110)의 중심 위치로부터 탄성 연결부(114)와 환상 지지면(315)이 맞닿는 경계 위치까지의 거리이다(예를 들어 R2나 R3).

약액 하중은, 로드 변위량이 개방 밸브 위치에 근접하는 위치에 상당하는 양에 근접함에 따라 작아진다는 사실을 알 수 있다. 로드 변위량이 개방 밸브 위치에 근접함에 따라 환상 지지면(315)으로부터의 항력으로서의 압력 r의 중압 면적이 커지게 되기 때문이다. 이에 의해, 개방 밸브 조작 시에서의 밸브체판(111)의 개방 밸브 위치 방향으로의 가속도가 감쇄되므로, 밸브 개방 시(개방 밸브 스트로크 규정면(123)의 스트로크 기준 맞닿음면(423)으로의 맞닿음 시)의 충격을 작게 할 수 있다.

이 충격은, 약액의 흐름 운동량이 압력으로 변환되는 워터 해머 현상(압력의 급상승)의 원인으로 된다. 따라서, 본 구성은, 밸브 개방 시의 워터 해머 현상을 감쇄시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 본 구성에서는, 탄성 연결부(114)는, 밸브 개방 시에 있어서 환상 지지면(315)에 의해 많은 부분이 지지되어 있으므로, 이 점에 있어서도 워터 해머 현상에 기인한 탄성 연결부(114)의 손상을 완화할 수 있다.

D. 다이어프램의 응력 상태:

도 7 및 도 8은, 일 실시 형태에 관한 탄성 연결부(114)의 응력 상태를 나타내는 단면도이다. 도 7의 (a)는, 밸브 폐쇄 상태에서의 탄성 연결부(114)의 응력 상태를 나타내고 있다. 탄성 연결부(114)는, 밸브 폐쇄 상태에 있어서는, 환상 오목부(260)에 연통하는 출구측 유로(220)의 배압을 받고 있는 상태이다.

도 7의 (b)는, 중간 상태에서의 탄성 연결부(114)의 응력 상태를 나타내고 있다. 탄성 연결부(114)는, 중간 상태에 있어서는, 밸브체 맞닿음면(113)과 환상 맞닿음면(213)의 간극 유로를 통해 입구측 유로(210)로부터의 고압의 약액의 압력 p를 받고 있는 상태이다. 탄성 연결부(114)는, 베이스 하우징(200)측으로 돌출되는 볼록한 곡면 형상을 갖는 볼록 곡면을 갖고, 아치형의 형상을 갖고 있다. 또한, 탄성 연결부(114)는, 볼록 곡면의 정점 또는 정점 부근으로부터 구동 부재(120)측 및 밀봉부(117)를 향해 두께 치수가 완만하게 증가하는 형상을 갖고 있다.

이에 의해, 약액의 압력 p는, 탄성 연결부(114)에 있어서 인장 응력이 아니라, 압축 응력 Lc를 발생시키게 된다. 압축 응력 Lc는, 탄성 연결부(114)와 환상 지지면(315)의 사이에 클리어런스가 존재하는 아치형상의 영역에서 수압하는 압력 p에 의해 발생한다. 한편, 압축 응력 Lc는, 클리어런스가 존재하지 않아 환상 지지면(315)에 맞닿는 영역에서는 발생하지 않는다.

도 8의 (a)는, 밸브 개방 상태에서의 탄성 연결부(114)의 응력 상태를 나타내고 있다. 탄성 연결부(114)는, 밸브 개방 상태에 있어서는, 중간 상태보다도 넓은 영역에서 환상 지지면(315)의 지지를 받고 있으므로, 압축 응력 Lca도 작아져 있다.

이와 같이, 본 실시 형태에 관한 다이어프램 밸브(10)에서는, 다이어프램 밸브체(110)의 밸브체판(111)은, 탄성 연결부(114)의 탄성 변형에 의해 이동할 수 있다. 탄성 연결부(114)는, 적어도 중간 상태로부터 밸브 개방 상태에서의 탄성 변형 시에 환상 지지면(315)에서 지지되므로, 개방 밸브 조작에 있어서 약액의 고압에 기인한 탄성 연결부(114)의 변형량을 작게 할 수 있다. 이 결과, 다이어프램 밸브(10)는, 수 MPa 정도의 고압의 유체 압력의 약액의 유통 제어를 실현할 수 있다.

D. 변형예:

본 발명은, 상기 실시 형태뿐만 아니라, 이하와 같은 변형예에서도 실시할 수 있다.

변형예 1: 상기 실시 형태에서는, 탄성 연결부(114)는, 환상 지지면(315)과의 사이에 있어서, 밸브체판(111)에 가까운 측에 큰 클리어런스 C1을 갖고, 밸브체판(111)으로부터 멀어진 측에 작은 클리어런스를 갖도록 구성되어 있지만, 이와 같은 클리어런스로 한정되지 않으며, 예를 들어 대략 일정한 클리어런스를 갖도록 해도 된다.

변형예 2: 상기 실시 형태에서는, 탄성 연결부(114)는, 밸브체판(111)으로부터 떨어진 측으로부터 환상 지지면(315)과의 맞닿음 부위가 넓어지도록 변형되어 있지만, 이러한 변형 형태로 한정되지 않는다. 구체적으로는, 예를 들어 도 8의 (b)에 도시한 변형예와 같이, 복수(이 변형예에서는 2개)의 아치형상의 아치부 A1, A2가 형성되고, 밸브체판(111)으로부터 떨어진 측에 클리어런스가 발생해도 된다.

이 경우, 아치부 A1은, 환상 지지면(315)의 아치 지지 영역(315a)과 밸브체판(111)에 의해 지지되고, 그 사이의 영역에서 받는 액압에 따라서 탄성 연결부(114) 내에 압축 응력이 발생한다. 한편, 아치부 A2는, 환상 지지면(315)의 아치 지지 영역(315a)과 환상 밀봉부(117)에 의해 지지되고, 그 사이의 영역에서 받는 액압에 따라서 탄성 연결부(114) 내에 압축 응력이 발생한다. 아치부 A1 및 아치부 A2는, 각각 액압을 받는 영역이 작은 아치를 형성하고, 밸브체판(111)이나 환상 밀봉부(117)에 의해 지지되므로, 이러한 변형이 발생하여도 약액의 압력 p에 기인하여 과대한 응력을 발생시키는 일은 없다.

또한, 밸브 폐쇄 상태와 밸브 개방 상태 사이의 천이에 있어서, 아치 지지 영역(315a)의 이동(미끄럼)이 발생하도록 탄성 연결부(114)나 환상 지지면(315)을 구성하여도 된다. 또한, 환상 지지면(315)의 영역은, 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌의 환상 부품을 톱 하우징(300)에 끼워 넣는 구성으로 하고, 탄성 연결부(114)와의 미끄럼을 잘할 수 있도록 구성해도 된다. 또한, 탄성 연결부(114)와 환상 지지면(315)의 사이에, 변형 가능한 탄성 소재를 끼우는 구성으로 해도 된다.

변형예 3: 상기 실시 형태의 다이어프램 밸브체(110)에서는, 탄성 연결부(114)에는, 환상 오목부(260)에 대향하는 측으로 볼록한 곡면 형상을 갖는 볼록 곡면(116)이 형성되어 있지만, 반드시 볼록 곡면일 필요는 없다. 구체적으로는, 도 9에 변형예로서 나타낸 바와 같이, 예를 들어 탄성 연결부는, 폐쇄 밸브 시에 있어서 밸브체 맞닿음면(113)과 이어진 평면 형상(116a)을 갖도록 구성되어 있어도 된다.

변형예 4: 상기 실시 형태에서는, 다이어프램 밸브(10)는, 약액의 온오프 제어에 이용되고 있지만, 온오프 제어로 한정되지 않고, 유량 제어 등의 다른 제어에도 이용 가능하다.

변형예 5: 상기 실시 형태에서는, 다이어프램 밸브(10)는, 약액의 공급에 이용되는 밸브이지만, 이것으로 한정되지 않고, 본 발명은, 널리 일반적으로 다이어프램을 이용하는 밸브에 적용 가능하다.

본 국제 출원은, 2016년 2월 18일에 출원된 일본 특허출원 제2016-029400호에 기초한 우선권을 주장하는 것으로, 당해 일본 특허출원 제2016-029400호의 전체 내용은, 본 국제 출원에 원용된다.

본 발명의 특정한 실시 형태에 대한 상기 설명은, 예시를 목적으로 하여 제시한 것이다. 그것들은, 망라적이거나, 기재한 형태 그대로 본 발명을 제한하거나 할 것을 의도한 것은 아니다. 수많은 변형이나 변경이, 상기 기재 내용에 비추어 가능함은 당업자에게 자명하다.

10: 다이어프램 밸브
100: 밸브 기구부
110: 다이어프램 밸브체
114: 탄성 연결부
115: 오목 곡면
116: 볼록 곡면
117: 환상 밀봉부
120: 구동 부재
130: 가압부
200: 베이스 하우징
211: 입구 개구부
213: 환상 맞닿음면
300: 톱 하우징
400: 액추에이터

Claims

다이어프램 밸브이며,
제1 유로의 개구부와, 상기 개구부의 주위를 둘러싸는 위치에 형성되어 있는 제1 맞닿음면과, 상기 제1 맞닿음면의 주위를 둘러싸는 위치에 형성되어 있는 환상 오목부와, 상기 환상 오목부에 연통하는 제2 유로가 형성되어 있는 제1 밸브 하우징과,
상기 제1 맞닿음면에 대향하는 제2 맞닿음면과, 상기 제2 맞닿음면을 둘러싸는 위치에 형성되어 있는 밀봉부가 형성되어 있는 다이어프램과,
상기 다이어프램에 대해서 상기 제1 맞닿음면과는 반대측에 배치되고, 상기 반대측으로부터 상기 다이어프램을 압박함으로써 상기 제2 맞닿음면을 상기 제1 맞닿음면에 맞닿게 해서 상기 개구부를 폐쇄하는 구동 부재와,
상기 구동 부재를 이동 가능하게 보유 지지하고, 상기 밀봉부를 상기 제1 밸브 하우징과의 사이에 끼움 지지함으로써, 상기 개구부와 연통 가능한 유로 공간을 밀봉하는 제2 밸브 하우징을
구비하고,
상기 다이어프램은, 상기 제2 맞닿음면과 상기 밀봉부를 연결하고, 상기 제2 맞닿음면이 상기 밀봉부에 대해서 상기 제1 밸브 하우징측으로 이동할 수 있도록 탄성 변형하는 탄성 연결부를 갖고,
상기 탄성 연결부는, 상기 제1 밸브 하우징측으로 볼록형의 아치형상 단면을 갖고, 상기 환상 오목부와의 사이에 상기 제1 유로의 개구부와 연통하는 유로를 형성하고, 상기 제2 밸브 하우징측으로 오목한 곡면 형상을 갖는 오목 곡면을 갖고,
상기 제2 밸브 하우징은, 상기 오목 곡면에 대향하는 위치에 있어서 상기 탄성 연결부측으로 볼록한 곡면 형상을 갖는 제2 볼록 곡면을 가지는 지지부를 갖고,
상기 탄성 연결부측으로 볼록한 곡면 형상은, 상기 제2 밸브 하우징으로부터 상기 구동 부재가 이동하는 방향에 있어서 상기 제1 밸브 하우징 측으로 돌출되어 있는 다이어프램 밸브.
제1항에 있어서,
상기 제1 맞닿음면의 외경은, 상기 환상 오목부의 외경 40％ 이상이며, 상기 개구부의 입구 직경은, 상기 환상 오목부의 외경의 20％ 이하인 형상을 갖고 있는, 다이어프램 밸브.
제1항에 있어서,
상기 제2 볼록 곡면의 외경은, 상기 환상 오목부의 외경보다도 작은, 다이어프램 밸브.
제2항에 있어서,
상기 제2 볼록 곡면의 외경은, 상기 환상 오목부의 외경보다도 작은, 다이어프램 밸브.
제1항에 있어서,
상기 탄성 연결부는, 상기 제1 밸브 하우징측으로 볼록한 곡면 형상을 갖는 제1 볼록 곡면을 갖고,
상기 제1 볼록 곡면은, 밸브 개방 시에 있어서 상기 오목 곡면과 상기 제2 볼록 곡면 사이의 제2 간극이 발생하고 있는 영역에서 상기 제1 밸브 하우징측으로 볼록한 곡면 형상을 갖고 있는, 다이어프램 밸브.
제2항에 있어서,
상기 탄성 연결부는, 상기 제1 밸브 하우징측으로 볼록한 곡면 형상을 갖는 제1 볼록 곡면을 갖고,
상기 제1 볼록 곡면은, 밸브 개방 시에 있어서 상기 오목 곡면과 상기 제2 볼록 곡면 사이의 제2 간극이 발생하고 있는 영역에서 상기 제1 밸브 하우징측으로 볼록한 곡면 형상을 갖고 있는, 다이어프램 밸브.
제5항에 있어서,
상기 제2 간극은, 상기 밀봉부측보다도 상기 구동 부재측에 있어서 큰 간극을 갖고,
상기 탄성 연결부는, 상기 제2 맞닿음면이 상기 제1 맞닿음면으로부터 멀어질 때에는, 상기 탄성 연결부의 직경 방향의 외측으로부터 상기 탄성 연결부측으로 볼록한 곡면 형상에 맞닿는 다이어프램 밸브.
제6항에 있어서,
상기 제2 간극은, 상기 밀봉부측보다도 상기 구동 부재측에 있어서 큰 간극을 갖고,
상기 탄성 연결부는, 상기 제2 맞닿음면이 상기 제1 맞닿음면으로부터 멀어질 때에는, 상기 탄성 연결부의 직경 방향의 외측으로부터 상기 탄성 연결부측으로 볼록한 곡면 형상에 맞닿는 다이어프램 밸브.
제3항에 있어서,
상기 탄성 연결부는, 상기 제1 밸브 하우징측으로 볼록한 곡면 형상을 갖는 제1 볼록 곡면을 갖고,
상기 제1 볼록 곡면은, 밸브 개방 시에 있어서 상기 오목 곡면과 상기 제2 볼록 곡면 사이의 제2 간극이 발생하고 있는 영역에서 상기 제1 밸브 하우징측으로 볼록한 곡면 형상을 갖고,
상기 제2 간극은, 상기 밀봉부측보다도 상기 구동 부재측에 있어서 큰 간극을 갖고,
상기 탄성 연결부는, 상기 제2 맞닿음면이 상기 제1 맞닿음면으로부터 멀어질 때에는, 상기 탄성 연결부의 직경 방향의 외측으로부터 상기 탄성 연결부측으로 볼록한 곡면 형상에 맞닿는 다이어프램 밸브.
제4항에 있어서,
상기 탄성 연결부는, 상기 제1 밸브 하우징측으로 볼록한 곡면 형상을 갖는 제1 볼록 곡면을 갖고,
상기 제1 볼록 곡면은, 밸브 개방 시에 있어서 상기 오목 곡면과 상기 제2 볼록 곡면 사이의 제2 간극이 발생하고 있는 영역에서 상기 제1 밸브 하우징측으로 볼록한 곡면 형상을 갖고,
상기 제2 간극은, 상기 밀봉부측보다도 상기 구동 부재측에 있어서 큰 간극을 갖고,
상기 탄성 연결부는, 상기 제2 맞닿음면이 상기 제1 맞닿음면으로부터 멀어질 때에는, 상기 탄성 연결부의 직경 방향의 외측으로부터 상기 탄성 연결부측으로 볼록한 곡면 형상에 맞닿는 다이어프램 밸브.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다이어프램은, PTFE로 구성되어 있는 다이어프램 밸브.