TWI690670B - 隔膜閥 - Google Patents

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Abstract

提供一種著重於隔膜壓板的按壓面的曲率半徑與隔膜的曲率半徑之比，以達成提升隔膜之耐久性的隔膜閥。隔膜5的曲率半徑設為SRa，隔膜壓板6的按壓面的曲率半徑設為SRb，作成SRb/SRa=0.4~0.6。

Description

隔膜閥
本發明係有關一種隔膜閥，特別是有關被稱為直接接觸型之隔膜閥。
在隔膜閥方面，專利文獻1所揭示之隔膜閥具備：設有流體通路的閥箱；設於流體通路的周緣之環狀閥座；相對於閥座按壓或分離以開閉流體通路之球面狀的金屬製隔膜；在下端具有球面狀的按壓面以按壓隔膜之隔膜壓板；及使隔膜上下移動的致動器。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本實開平2-29361號公報
在反復開閉操作的直接接觸型隔膜閥中，隔膜的耐久性之提升為重要的課題，就專利文獻1而言，藉由適當地作成用以支持隔膜的形狀及隔膜的外周緣部之部分的形狀，俾達成提升隔膜之耐久性。
然而，關於隔膜壓板的按壓面的曲率半徑與 隔膜的曲率半徑之關係，以往並沒有考慮。
本發明之目的在於，提供一種著重於隔膜壓板的按壓面的曲率半徑與隔膜的曲率半徑之比，以達成提升隔膜之耐久性的隔膜閥。
本發明的隔膜閥為，具備：設有流體通路的閥箱；設於流體通路的周緣之閥座；相對於閥座按壓或分離以開閉流體通路之球面狀的隔膜；在下端具有球面狀的按壓面以按壓隔膜之隔膜壓板；及使隔膜上下移動的致動器，該隔膜閥中，隔膜的曲率半徑設為SRa，隔膜壓板的按壓面的曲率半徑設為SRb，作成SRb/SRa=0.4~0.6。
以往，針對隔膜及隔膜壓板，首先，將隔膜的曲率半徑最佳化，接著，以將隔膜壓板的按壓面的曲率半徑設成與隔膜的曲率半徑相同或較其稍小的值之順序，設定各個曲率半徑。
本發明係藉由使以往所未考慮隔膜上產生的應力會依SRb/SRa(隔膜壓板的按壓面的曲率半徑/隔膜的曲率半徑)而變動的情況更為明確，並設定SRb/SRa的最佳值而獲得0.4~0.6者。
此隔膜閥主要適合於使用在直接接觸型金屬隔膜閥，該直接接觸型金屬隔膜閥使用於半導體製造設備的氣體供給系等。
隔膜係金屬製且作成上凸的圓弧狀係為自然狀態的球殼狀。隔膜亦可為由複數層構成的積層型。隔 膜的曲率半徑稱為內面(複數個的情況係最下層(接液側)的內面)的曲率半徑。
閥座可與閥箱一體設置，亦可作成為與閥箱不同的構件。
隔膜閥可為上下移動手段是開閉手輪等之手動閥，亦可為上下移動手段被作成適宜的致動器之自動閥，在是自動閥時的致動器係可為利用流體(空氣)壓者，亦可為利用電磁力者。
此外，本說明書中，雖將隔膜閥的閥桿的移動方向謂之上下方向，但此方向係權宜設定者，在實際的安裝上，上下方向不僅被設為鉛直方向，亦有設為水平方向之情況。
依據本發明的隔膜閥，藉由將隔膜壓板的按壓面的曲率半徑SRb/隔膜的曲率半徑SRa設為0.4~0.6，使應力被均一化，因而，防止過大的應力局部地作用於隔膜而使隔膜的耐久性大幅提升。
1‧‧‧隔膜閥
2‧‧‧閥箱
2a‧‧‧流體流入通路
2b‧‧‧流體流出通路
4‧‧‧閥座
5‧‧‧隔膜
6‧‧‧隔膜壓板
圖1係顯示本發明的隔膜閥之整體構成的縱剖面圖。
圖2係顯示本發明的隔膜閥之特徵部分的放大縱剖面圖。
圖3係顯示SRb/SRa小於0.4時的解析結果之圖。
圖4係顯示SRb/SRa大於0.6時的解析結果之圖。
圖5係顯示SRb/SRa為0.5時的解析結果之圖。
圖6係顯示在隔膜徑是15
Figure 105109120-A0202-12-0004-9
的情況，於變更SRb/SRa時，中央部的最大應力與緣部的最大應力如何變化的曲線圖。
圖7係顯示在隔膜徑是20
Figure 105109120-A0202-12-0004-10
的情況，於變更SRb/SRa時，中央部的最大應力與緣部的最大應力如何變化的曲線圖。
圖8係顯示在隔膜徑是26
Figure 105109120-A0202-12-0004-11
的情況，於變更SRb/SRa時，中央部的最大應力與緣部的最大應力如何變化的曲線圖。
針對本發明的實施形態，參照以下圖面作說明。在以下的說明中，上下及左右係設為圖1的上下及左右。
圖1顯示本發明的隔膜閥(1)之基本形狀，隔膜閥(1)具備：塊狀的閥箱(2)，具有流體流入通路(2a)、流體流出通路(2b)及朝上方開口的凹處(2c)；圓筒狀閥帽(3)，下端部被螺合於閥箱(2)的凹處(2c)上部並朝上方延伸；環狀的閥座(4)，設於流體流入通路(2a)的周緣；隔膜(5)，相對於閥座(4)按壓或分離以開閉流體流入通路(2a)；隔膜壓板(6)，按壓隔膜(5)的中央部；閥桿(7)，以可上下移動自如的方式插入閥帽(3)內並隔著隔膜壓板(6)使隔膜(5)相對於閥座(4)按壓/分離；壓板附件(8)，配置在閥帽(3)下端面與閥箱(2)的凹處(2c)底面之間而將隔膜(5)的外周緣部保持在與閥箱(2)的凹處(2c)底面之間；護罩(9)，具有頂壁(9a)且螺合在閥帽(3)；及致動器 (10)，使閥桿(7)上下移動。
致動器(10)具備：與閥桿(7)一體化的活塞(11)；使活塞(11)朝下方偏置的壓縮螺旋彈簧(勢能構件)(12)；設於活塞(11)下面的操作空氣導入室(13)；及以貫通閥桿(7)的方式設置並將操作空氣導入操作空氣導入室(13)內之操作空氣導入通路(7a)。
於圖1所示通路開啟的狀態，從流體流入通路(2a)流入的流體係流入由閥箱(2)的凹處(2c)的底面與隔膜(5)所包圍的空間內，再經由流體流出通路(2b)朝外部流出。
隔膜(5)作成球殼狀，上凸的圓弧狀成為自然狀態。隔膜(5)係例如作成由鎳合金薄板構成者，切成圓形，形成使中央部朝上方膨起的球殼狀。隔膜(5)有由不銹鋼薄板構成或由不銹鋼薄板與鎳鈷合金薄板之積層體構成者。
壓板附件(8)被作成其下面(8a)整體形成既定的傾斜角度之錐狀或圓弧狀。又，閥箱(2)的凹處(2c)的底面(14)具有：圓形的平坦部(14a)；及與平坦部(14a)的外周相連且相對於平坦部(14a)下凹之環狀的凹部(14b)。
壓板附件(8)係藉由閥帽(3)被螺合於閥箱(2)而在從上面抵接隔膜(5)的外周緣部的狀態被固定。此時，藉由壓板附件(8)的下面(8a)整體作成錐狀，隔膜(5)幾乎沒有從球殼狀(上凸的圓弧狀)變形且以其外周緣部的上面與壓板附件(8)的錐狀下面(8a)面接觸(廣範圍接觸)之狀態，被保持在壓板附件(8)和閥箱(2)的凹處(2c)的底 面(14)之間。又，藉由在閥箱(2)的凹處(2c)的底面(14)的外周緣部設有凹部(14b)，使隔膜(5)的外周緣部被收容於凹部(14b)內。因此，隔膜(5)的外周緣部沒有承受沿著閥箱(2)的凹處(2c)的底面(14)那樣的變形，其下面和凹處(2c)的底面(14)的平坦部(14a)的外周(隔膜支持部)(14c)線接觸。
以往，針對隔膜(5)及隔膜壓板(6)，首先，將隔膜(5)的曲率半徑最佳化，接著，以將隔膜壓板(6)的按壓面的曲率半徑設成與隔膜(5)的曲率半徑相同，或較其稍小的值之順序，設定各個曲率半徑。
本發明中，將隔膜(5)的曲率半徑設為SRa、隔膜壓板(6)的按壓面的曲率半徑設為SRb、藉由使用有限元素法來解析SRb/SRa和在隔膜(5)產生的應力之關係，俾設定隔膜(5)及隔膜壓板(6)各自的曲率半徑。
圖3至圖5顯示在隔膜閥(1)的關閉狀態被隔膜壓板(6)按壓時之隔膜(5)的變形樣子。圖3係顯示SRb/SRa為小於0.4時的樣子，圖4係顯示SRb/SRa為大於0.6時的樣子，圖5係顯示SRb/SRa為0.5時的樣子。此外，針對各圖的應力分布，將應力值大的部分透過以圓圈住來簡略表示。
依據圖3所示的解析結果，在同圖以A所表示的隔膜(5)的中央部應力成為最大，其值成為1400MPa左右。
依據圖4所示的解析結果，在同圖以B所表的隔膜(5)的緣部應力成為最大，其值成為1100MPa左右。
依據圖5所示的解析結果，在隔膜(5)的中央部及緣部應力被均一化，應力的最大值成為1000MPa左右。
圖6到圖8表示針對使用有限元素法計算隔膜(5)承受的應力之結果，於變更SRb/SRa時，隔膜(5)的中央部的最大應力及緣部的最大應力會如何變化。
圖6係在隔膜(5)徑是15
Figure 105109120-A0202-12-0007-12
時，圖7係隔膜(5)徑是20
Figure 105109120-A0202-12-0007-13
時，圖8係隔膜(5)徑是26
Figure 105109120-A0202-12-0007-14
時。
在圖6到圖8任一中，中央部的最大應力隨著SRb/SRa的增加有減少的傾向，又，緣部的最大應力隨著SRb/SRa的增加有增加的傾向。而且，當SRb/SRa小於0.4時，中央部的最大應力超過1000MPa，當SRb/SRa大於0.6時，緣部的最大應力超過1000MPa，在SRb/SRa=0.4~0.6中，緣部及中央部的最大應力皆為頂多1000MPa左右以下。
依據實際的耐久性試驗，在SRb/SRa為0.7~1左右者(以往所使用者)中，從隔膜(5)的緣部周邊產生破裂。然後，在SRb/SRa為0.5左右者中，以往經數十萬次的開閉操作會使隔膜(5)破裂者，即使進行100萬次以上開閉操作也沒有使隔膜(5)破裂。又，當SRb/SRa設為小於0.4時，看見從隔膜(5)的中央部於初期破裂的現象。
從上述的解析結果及耐久試驗結果，在無關乎隔膜(5)徑之情況下藉由設定SRb/SRa=0.4~0.6，可知隔膜(5)的應力被均一化，能減輕過大的應力，耐久性大幅提升。
此外，上述的隔膜閥中，活塞(11)、壓縮螺旋彈簧(勢能構件)(12)、操作空氣導入室(13)、操作空氣導入通路(7a)等係構成致動器(10)，該致動器(10)讓用以使隔膜壓板(6)上下移動的閥桿(7)進行上下移動，但致動器的構成不受限於圖1所示者。
藉由作成SRb/SRa=0.4~0.6以使隔膜(5)的應力均一化之上述的技術思想為，可無關乎隔膜閥(1)的各個形狀地適用，特別是藉由適用於直接接觸型金屬隔膜閥，可有助於提升在半導體製造設備之氣體供給系等中的可靠性。
[產業上之可利用性]
本發明適合作為在半導體製造設備的氣體供給系等中使用的直接接觸型金屬隔膜閥，由於其隔膜的耐久性提升，故能有助於半導體製造設備等之性能提升。
2‧‧‧閥箱
2a‧‧‧流體流入通路
2b‧‧‧流體流出通路
2c‧‧‧凹處
3‧‧‧閥帽
4‧‧‧閥座
5‧‧‧隔膜
6‧‧‧隔膜壓板
8‧‧‧壓板附件
8a‧‧‧下面
14‧‧‧底面
14a‧‧‧平坦部
14b‧‧‧凹部
14c‧‧‧外周(隔膜支持部)
SRa‧‧‧隔膜的曲率半徑
SRb‧‧‧隔膜壓板的按壓面的曲率半徑

Claims (1)

  1. 一種隔膜閥，具備：設有流體通路的閥箱；設於流體通路的周緣之閥座；相對於閥座按壓或分離以開閉流體通路之球面狀的隔膜；在下端具有球面狀的按壓面以按壓隔膜之隔膜壓板；及使隔膜上下移動的致動器，在該隔膜閥中，隔膜的曲率半徑設為SRa，隔膜壓板的按壓面的曲率半徑設為SRb，作成SRb/SRa=0.4~0.6。
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