WO2016152457A1 - ダイヤフラム弁 - Google Patents

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高志 船越
薬師神　忠幸
中田　知宏
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Definitions

  • the present invention relates to a diaphragm valve, and more particularly to a diaphragm valve called a direct touch type.
  • Patent Document 1 discloses a valve box provided with a fluid passage, an annular valve seat provided at the periphery of the fluid passage, and a spherical shape that opens or closes the fluid passage by being pressed or separated from the valve seat.
  • a metal diaphragm a diaphragm pressing member that has a spherical pressing surface at the lower end and presses the diaphragm, and an actuator that moves the diaphragm up and down.
  • An object of the present invention is to provide a diaphragm valve in which the durability of the diaphragm is improved by paying attention to the ratio between the radius of curvature of the pressing surface of the diaphragm presser and the radius of curvature of the diaphragm.
  • a diaphragm valve includes a valve box provided with a fluid passage, a valve seat provided at the periphery of the fluid passage, a spherical diaphragm that opens or closes the fluid passage by being pressed or separated from the valve seat, and a lower end.
  • a diaphragm valve having a spherical pressing surface that presses the diaphragm and an actuator that moves the diaphragm up and down the radius of curvature of the diaphragm is SRa, and the radius of curvature of the pressing surface of the diaphragm pressing is SRb.
  • SRb / SRa 0.4 to 0.6.
  • the radius of curvature of the diaphragm is optimized, and then the radius of curvature of the pressing surface of the diaphragm holder is set to the same or slightly smaller value than the radius of curvature of the diaphragm.
  • Each radius of curvature was set.
  • the present invention clarifies that the stress generated in the diaphragm fluctuates depending on SRb / SRa (the radius of curvature of the pressing surface of the diaphragm press / the radius of curvature of the diaphragm), which has not been considered in the past, and the optimum SRb / SRa. A value of 0.4 to 0.6 was obtained.
  • This diaphragm valve is suitable for use as a direct touch type metal diaphragm valve mainly used in a gas supply system of a semiconductor manufacturing facility.
  • the diaphragm is made of metal, and the upwardly convex arc shape is a natural spherical shell shape.
  • the diaphragm may be a laminated type composed of a plurality of layers.
  • the radius of curvature of the diaphragm refers to the radius of curvature of the inner surface (in the case of a plurality, the inner surface of the lowermost layer (wetted side)).
  • the valve seat may be provided integrally with the valve box, or may be a separate member from the valve box.
  • the diaphragm valve may be a manual valve such as an open / close handle as the vertical movement means, or an automatic valve in which the vertical movement means is an appropriate actuator.
  • the actuator is a fluid (air) It may be by pressure or by electromagnetic force.
  • the moving direction of the stem of the diaphragm valve is referred to as the vertical direction, but this direction is convenient, and in actual mounting, the vertical direction is not only the vertical direction. , Sometimes horizontal.
  • the curvature radius SRb of the pressing surface of the diaphragm presser / the curvature radius SRa of the diaphragm is set to 0.4 to 0.6, the stress is made uniform. In particular, excessive stress is prevented from acting, and the durability of the diaphragm is greatly improved.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing the entire configuration of a diaphragm valve according to the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view showing a characteristic portion of the diaphragm valve according to the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing an analysis result when SRb / SRa is smaller than 0.4.
  • FIG. 4 is a diagram showing an analysis result when SRb / SRa is larger than 0.6.
  • FIG. 5 is a diagram showing an analysis result when SRb / SRa is 0.5.
  • FIG. 6 is a graph showing how the maximum stress at the center and the maximum stress at the edge change when SRb / SRa is changed when the diameter of the diaphragm is 15 ⁇ .
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing the entire configuration of a diaphragm valve according to the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view showing a characteristic portion of the diaphragm valve according to the present
  • FIG. 7 is a graph showing how the maximum stress at the center and the maximum stress at the edge change when SRb / SRa is changed when the diameter of the diaphragm is 20 ⁇ .
  • FIG. 8 is a graph showing how the maximum stress at the center and the maximum stress at the edge change when SRb / SRa is changed when the diameter of the diaphragm is 26 ⁇ .
  • Diaphragm valve (2) Valve box (2a) Fluid inflow passage (2b) Fluid outflow passage (4) Valve seat (5) Diaphragm (6) Diaphragm holder
  • FIG. 1 shows the basic shape of a diaphragm valve (1) according to the present invention.
  • the diaphragm valve (1) has a fluid inflow passage (2a), a fluid outflow passage (2b), and a recess ( 2c) a block-shaped valve box (2), a cylindrical bonnet (3) whose lower end is screwed onto the upper part of the recess (2c) of the valve box (2), and a fluid inflow passage
  • An annular valve seat (4) provided at the periphery of (2a), a diaphragm (5) that opens or closes the fluid inflow passage (2a) by being pressed or separated by the valve seat (4), and a center of the diaphragm (5)
  • a diaphragm presser (6) that presses the valve, and a stem (7) that is inserted into the bonnet (3) so as to be movable up and down and presses and separates the diaphragm (5) from the valve seat (4) via the diaphragm presser (6) Between the
  • the actuator (10) includes a piston (11) integrated with the stem (7), a compression coil spring (biasing member) (12) that biases the piston (11) downward, and a lower surface of the piston (11).
  • An operation air introduction chamber (13) provided, and an operation air introduction passage (7a) provided so as to penetrate the stem (7) and introduce operation air into the operation air introduction chamber (13) are provided. .
  • the diaphragm (5) has a spherical shell shape, and an upwardly convex arc shape is in a natural state.
  • the diaphragm (5) is made of, for example, a nickel alloy thin plate, and is formed in a spherical shell shape that is cut out in a circular shape and has a central portion bulged upward.
  • the diaphragm (5) may be made of a stainless steel sheet or a laminate of a stainless steel sheet and a nickel / cobalt alloy sheet.
  • the holding adapter (8) is tapered or arcuate with the entire lower surface (8a) at a predetermined inclination angle.
  • the bottom surface (14) of the recess (2c) of the valve box (2) is continuous with the circular flat portion (14a) and the outer periphery of the flat portion (14a) and is recessed with respect to the flat portion (14a). And an annular recess (14b).
  • the holding adapter (8) is fixed in a state where the bonnet (3) is in contact with the outer peripheral edge of the diaphragm (5) from above by screwing the bonnet (3) onto the valve box (2). At this time, the entire bottom surface (8a) of the holding adapter (8) is tapered, so that the diaphragm (5) is not deformed from the spherical shell shape (upwardly convex arc shape) and the outer surface of the diaphragm adapter (8) is almost completely deformed. With the upper surface of the peripheral edge in surface contact with the tapered lower surface (8a) of the retainer adapter (8) (contact in a wide range), the bottom surface of the recess (2c) in the retainer adapter (8) and valve box (2) ( 14) is held between.
  • the recess (14b) is provided on the outer peripheral edge portion of the bottom surface (14) of the recess (2c) of the valve box (2), the outer peripheral edge portion of the diaphragm (5) is placed in the recess (14b). Is housed in. Therefore, the outer peripheral edge of the diaphragm (5) is not deformed along the bottom surface (14) of the recess (2c) of the valve box (2), and its lower surface is the bottom surface of the recess (2c) ( 14) is in line contact with the outer periphery (diaphragm support) (14c) of the flat portion (14a).
  • the radius of curvature of the diaphragm (5) is optimized, and then the radius of curvature of the pressing surface of the diaphragm retainer (6) is set as the radius of curvature of the diaphragm (5).
  • the curvature radii were set in the order of setting the same or slightly smaller values.
  • the curvature radius of the diaphragm (5) is SRa
  • the curvature radius of the pressing surface of the diaphragm retainer (6) is SRb
  • the relationship between SRb / SRa and the stress generated in the diaphragm (5) is determined using a finite element method.
  • FIGS. 3 to 5 show how the diaphragm (5) is deformed when the diaphragm valve (1) is closed by the diaphragm holder (6).
  • 3 shows a case where SRb / SRa is smaller than 0.4
  • FIG. 4 shows a case where SRb / SRa is larger than 0.6
  • FIG. 5 shows a case where SRb / SRa is 0.5.
  • Each one is shown.
  • the stress distribution of each figure it has simplified and shown by enclosing the part with large stress value in a circle.
  • the stress is maximum at the central portion of the diaphragm (5) indicated by A in the same figure, and the value is about 1400 MPa.
  • the stress is maximum at the edge of the diaphragm (5) indicated by B in the same figure, and the value is about 1100 MPa.
  • the stress is uniformed at the center and the edge of the diaphragm (5), and the maximum value of the stress is about 1000 MPa.
  • FIG. 6 shows a case where the diameter of the diaphragm (5) is 15 ⁇
  • FIG. 7 shows a case where the diameter of the diaphragm (5) is 20 ⁇
  • FIG. 8 shows a case where the diameter of the diaphragm (5) is 26 ⁇ .
  • the central maximum stress tends to decrease as SRb / SRa increases, and the edge maximum stress tends to increase as SRb / SRa increases.
  • the maximum stress at the edge portion and the central portion is at most about 1000 MPa or less.
  • the actuator (10) for moving the stem (7) to be moved up and down is configured, but the configuration of the actuator is not limited to that shown in FIG.
  • the present invention is suitable as a direct touch type metal diaphragm valve used in a gas supply system of a semiconductor manufacturing facility, and the durability of the diaphragm is improved, which can contribute to an improvement in performance of the semiconductor manufacturing facility.

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Abstract

ダイヤフラム押さえの押圧面の曲率半径とダイヤフラムの曲率半径との比に着目することで、ダイヤフラムの耐久性の向上が図られたダイヤフラム弁を提供する。ダイヤフラム（5）の曲率半径をＳＲａ、ダイヤフラム押さえ（6）の押圧面の曲率半径をＳＲｂとして、ＳＲｂ／ＳＲａ＝０．４～０．６とされている。

Description

ダイヤフラム弁
  この発明は、ダイヤフラム弁に関し、特に、ダイレクトタッチ型と称されているダイヤフラム弁に関する。
　ダイヤフラム弁として、特許文献１には、流体通路が設けられた弁箱と、流体通路の周縁に設けられた環状の弁座と、弁座に押圧または離間されて流体通路を開閉する球面状の金属製ダイヤフラムと、下端に球面状の押圧面を有しダイヤフラムを押圧するダイヤフラム押さえと、ダイヤフラムを上下移動させるアクチュエータとを備えているものが開示されている。
実開平２－２９３６１号公報
　開閉操作を繰り返すダイレクトタッチ型のダイヤフラム弁において、ダイヤフラムの耐久性の向上が重要な課題であり、特許文献１では、ダイヤフラムの形状およびダイヤフラムの外周縁部を支持する部分の形状を適正なものとすることでダイヤフラムの耐久性の向上が図られている。
　しかしながら、ダイヤフラム押さえの押圧面の曲率半径とダイヤフラムの曲率半径との関係については、従来、考慮されることはなかった。
  この発明の目的は、ダイヤフラム押さえの押圧面の曲率半径とダイヤフラムの曲率半径との比に着目することで、ダイヤフラムの耐久性の向上が図られたダイヤフラム弁を提供することにある。
  この発明によるダイヤフラム弁は、流体通路が設けられた弁箱と、流体通路の周縁に設けられた弁座と、弁座に押圧または離間されて流体通路を開閉する球面状のダイヤフラムと、下端に球面状の押圧面を有しダイヤフラムを押圧するダイヤフラム押さえと、ダイヤフラムを上下移動させるアクチュエータとを備えているダイヤフラム弁において、ダイヤフラムの曲率半径をＳＲａ、ダイヤフラム押さえの押圧面の曲率半径をＳＲｂとして、ＳＲｂ／ＳＲａ＝０．４～０．６とされているものである。
　従来、ダイヤフラムおよびダイヤフラム押さえについては、まず、ダイヤフラムの曲率半径を最適化し、次いで、ダイヤフラム押さえの押圧面の曲率半径をダイヤフラムの曲率半径と同じか、それより若干小さい値に設定するという順で、それぞれの曲率半径が設定されていた。
　本発明は、従来考慮されていなかったＳＲｂ／ＳＲａ（ダイヤフラム押さえの押圧面の曲率半径／ダイヤフラムの曲率半径）によって、ダイヤフラムに発生する応力が変動することを明らかにするとともに、ＳＲｂ／ＳＲａの最適値として、０．４～０．６を得たものである。
　このダイヤフラム弁は、主として半導体製造設備のガス供給系等において使用されるダイレクトタッチ型のメタルダイヤフラム弁として使用するのに好適である。
　ダイヤフラムは、金属製で、上に凸の円弧状が自然状態の球殻状とされる。ダイヤフラムは、複数層からなる積層型であってもよい。ダイヤフラムの曲率半径は、内面（複数の場合は最下層（接液側）の内面）の曲率半径をいうものとする。
　弁座は、弁箱に一体に設けられてもよく、弁箱と別部材とされてもよい。
　ダイヤフラム弁は、上下移動手段が開閉ハンドルなどの手動弁であってもよく、上下移動手段が適宜なアクチュエータとされた自動弁であってもよく、自動弁の場合のアクチュエータは、流体（空気）圧によるものでもよく、電磁力によるものでもよい。
　なお、この明細書において、ダイヤフラム弁のステムの移動方向を上下方向というものとするが、この方向は、便宜的なものであり、実際の取付けでは、上下方向が鉛直方向とされるだけでなく、水平方向とされることもある。
　この発明のダイヤフラム弁によると、ダイヤフラム押さえの押圧面の曲率半径ＳＲｂ／ダイヤフラムの曲率半径ＳＲａ＝０．４～０．６とされていることで、応力が均一化され、これにより、ダイヤフラムに局部的に過大な応力が作用することが防止されて、ダイヤフラムの耐久性が大幅に向上する。
図１は、この発明によるダイヤフラム弁の全体構成を示す縦断面図である。 図２は、この発明によるダイヤフラム弁の特徴部分を示す拡大縦断面図である。 図３は、ＳＲｂ／ＳＲａが０．４より小さいときの解析結果を示す図である。 図４は、ＳＲｂ／ＳＲａが０．６より大きいときの解析結果を示す図である。 図５は、ＳＲｂ／ＳＲａが０．５のときの解析結果を示す図である。 図６は、ダイヤフラムの径が１５φの場合に、ＳＲｂ／ＳＲａを変更したときに、中央部の最大応力と縁部の最大応力とがどのように変化するかを示すグラフである。 図７は、ダイヤフラムの径が２０φの場合に、ＳＲｂ／ＳＲａを変更したときに、中央部の最大応力と縁部の最大応力とがどのように変化するかを示すグラフである。 図８は、ダイヤフラムの径が２６φの場合に、ＳＲｂ／ＳＲａを変更したときに、中央部の最大応力と縁部の最大応力とがどのように変化するかを示すグラフである。
(1) ダイヤフラム弁
(2) 弁箱
(2a)流体流入通路
(2b)流体流出通路
(4) 弁座
(5) ダイヤフラム
(6) ダイヤフラム押さえ
  この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。以下の説明において、上下および左右は、図１の上下および左右をいうものとする。
　図１は、この発明によるダイヤフラム弁(1)の基本形状を示しており、ダイヤフラム弁(1)は、流体流入通路(2a)、流体流出通路(2b)および上方に向かって開口した凹所(2c)を有しているブロック状の弁箱(2)と、弁箱(2)の凹所(2c)上部に下端部がねじ合わされて上方にのびる円筒状ボンネット(3)と、流体流入通路(2a)の周縁に設けられた環状の弁座(4)と、弁座(4)に押圧または離間されて流体流入通路(2a)を開閉するダイヤフラム(5)と、ダイヤフラム(5)の中央部を押さえるダイヤフラム押さえ(6)と、ボンネット(3)内に上下移動自在に挿入されてダイヤフラム押さえ(6)を介してダイヤフラム(5)を弁座(4)に押圧・離間させるステム(7)と、ボンネット(3)下端面と弁箱(2)の凹所(2c)底面との間に配置されてダイヤフラム(5)の外周縁部を弁箱(2)の凹所(2c)底面との間で保持する押さえアダプタ(8)と、頂壁(9a)を有しボンネット(3)にねじ合わされたケーシング(9)と、ステム(7)を上下移動させるアクチュエータ(10)とを備えている。
　アクチュエータ(10)は、ステム(7)に一体化されたピストン(11)と、ピストン(11)を下方に付勢する圧縮コイルばね（付勢部材）(12)と、ピストン(11)下面に設けられた操作エア導入室(13)と、ステム(7)を貫通するように設けられて操作エア導入室(13)内に操作エアを導入する操作エア導入通路(7a)とを備えている。
　図１に示す通路開の状態においては、流体流入通路(2a)から流入した流体は、弁箱(2)の凹所(2c)の底面とダイヤフラム(5)とによって囲まれた空間内に流入し、流体流出通路(2b)を経て外部へと流出する。
　ダイヤフラム(5)は、球殻状とされており、上に凸の円弧状が自然状態となっている。ダイヤフラム(5)は、例えば、ニッケル合金薄板からなるものとされ、円形に切り抜き、中央部を上方へ膨出させた球殻状に形成される。ダイヤフラム(5)は、ステンレス鋼薄板からなるものや、ステンレス鋼薄板とニッケル・コバルト合金薄板との積層体よりなるものとされることがある。
　押さえアダプタ(8)は、その下面(8a)全体が所定の傾斜角度とされたテーパ状または円弧状とされている。また、弁箱(2)の凹所(2c)の底面(14)は、円形の平坦部(14a)と、平坦部(14a)の外周に連なり平坦部(14a)に対して凹まされている環状の凹部(14b)とを有している。
　押さえアダプタ(8)は、ボンネット(3)が弁箱(2)にねじ合わされることで、ダイヤフラム(5)の外周縁部に上面から当接した状態で固定される。この際、押さえアダプタ(8)の下面(8a)全体がテーパ状とされていることにより、ダイヤフラム(5)は、球殻状（上に凸の円弧状）からほとんど変形することなく、その外周縁部の上面が押さえアダプタ(8)のテーパ状下面(8a)と面接触（広い範囲で接触）した状態で、押さえアダプタ(8)と弁箱(2)の凹所(2c)の底面(14)との間に保持される。また、弁箱(2)の凹所(2c)の底面(14)の外周縁部に凹部(14b)が設けられていることにより、ダイヤフラム(5)の外周縁部は、凹部(14b)内に収容される。したがって、ダイヤフラム(5)の外周縁部は、弁箱(2)の凹所(2c)の底面(14)に沿うような変形を受けることはなく、その下面が凹所(2c)の底面(14)の平坦部(14a)の外周（ダイヤフラム支持部）(14c)と線接触する。
　従来、ダイヤフラム(5)およびダイヤフラム押さえ(6)については、まず、ダイヤフラム(5)の曲率半径を最適化し、次いで、ダイヤフラム押さえ(6)の押圧面の曲率半径をダイヤフラム(5)の曲率半径と同じか、それより若干小さい値に設定するという順で、それぞれの曲率半径が設定されていた。
　本発明では、ダイヤフラム(5)の曲率半径をＳＲａ、ダイヤフラム押さえ(6)の押圧面の曲率半径をＳＲｂとして、ＳＲｂ／ＳＲａとダイヤフラム(5)に発生する応力との関係を有限要素法を用いて解析することで、ダイヤフラム(5)およびダイヤフラム押さえ(6)それぞれの曲率半径が設定されている。
　ダイヤフラム弁(1)の閉状態において、ダイヤフラム押さえ(6)によって押さえられた際のダイヤフラム(5)の変形の様子を図３から図５までに示す。図３は、ＳＲｂ／ＳＲａが０．４より小さいときのものを、図４は、ＳＲｂ／ＳＲａが０．６より大きいときのものを、図５は、ＳＲｂ／ＳＲａが０．５のときのものをそれぞれ示している。なお、各図の応力分布については、応力値が大きい部分を丸で囲むことで簡略化して示している。
　図３に示す解析結果によると、同図にＡで示すダイヤフラム(5)の中央部において応力が最大となり、その値が１４００ＭＰａ程度となっている。
　図４に示す解析結果によると、同図にＢで示すダイヤフラム(5)の縁部において応力が最大となり、その値が１１００ＭＰａ程度となっている。
　図５に示す解析結果によると、ダイヤフラム(5)の中央部および縁部において応力が均一化されており、応力の最大値が１０００ＭＰａ程度となっている。
　図６から図８までに、ダイヤフラム(5)が受ける応力を有限要素法を用いて計算した結果について、ＳＲｂ／ＳＲａを変更したときに、ダイヤフラム(5)の中央部の最大応力および縁部の最大応力がどのように変化するかを示している。
　図６は、ダイヤフラム(5)の径が１５φの場合、図７は、ダイヤフラム(5)の径が２０φの場合、図８は、ダイヤフラム(5)の径が２６φの場合をそれぞれ示している。
　図６から図８までのいずれにおいても、中央部の最大応力は、ＳＲｂ／ＳＲａの増加につれて減少する傾向にあり、また、縁部の最大応力は、ＳＲｂ／ＳＲａの増加につれて増加する傾向にある。そして、ＳＲｂ／ＳＲａが０．４より小さいと、中央部の最大応力が１０００ＭＰａを超え、ＳＲｂ／ＳＲａが０．６より大きいと、縁部の最大応力が１０００ＭＰａを超え、ＳＲｂ／ＳＲａ＝０．４～０．６では、縁部および中央部の最大応力がいずれもせいぜい１０００ＭＰａ程度以下となっている。
　実際の耐久性試験によると、ＳＲｂ／ＳＲａが０．７～１程度のもの（従来から使用されているもの）では、ダイヤフラム(5)の縁部周辺から破断が発生した。そして、ＳＲｂ／ＳＲａが０．５程度のものでは、従来、数十万回の開閉操作でダイヤフラム(5)が破断していたものが、開閉操作を１００万回以上行ってもダイヤフラム(5)が破断することはなかった。また、ＳＲｂ／ＳＲａを０．４未満とすると、ダイヤフラム(5)の中央部から早期に破断する現象が見られた。
　上記の解析結果および耐久試験結果から、ダイヤフラム(5)の径によらずに、ＳＲｂ／ＳＲａ＝０．４～０．６とすることで、ダイヤフラム(5)の応力が均一化されて、過大な応力が軽減でき、耐久性が大幅に向上することが分かる。
　なお、上記のダイヤフラム弁において、ピストン(11)、圧縮コイルばね（付勢部材）(12)、操作エア導入室(13)、操作エア導入通路(7a)などは、ダイヤフラム押さえ(6)を上下移動させるステム(7)を上下移動させるアクチュエータ(10)を構成しているが、アクチュエータの構成は、図１に示したものに限定されるものではない。
　ＳＲｂ／ＳＲａ＝０．４～０．６とすることでダイヤフラム(5)の応力が均一化される上記の技術思想は、ダイヤフラム弁(1)の個々の形状によらずに適用でき、特に、ダイレクトタッチ型のメタルダイヤフラム弁に適用することで、半導体製造設備のガス供給系等における信頼性向上に寄与できる。
　この発明は、半導体製造設備のガス供給系等において使用されるダイレクトタッチ型のメタルダイヤフラム弁として好適であり、そのダイヤフラムの耐久性が向上するので、半導体製造設備等の性能向上に寄与できる。

Claims (1)

  1. 　流体通路が設けられた弁箱と、流体通路の周縁に設けられた弁座と、弁座に押圧または離間されて流体通路を開閉する球面状のダイヤフラムと、下端に球面状の押圧面を有しダイヤフラムを押圧するダイヤフラム押さえと、ダイヤフラムを上下移動させるアクチュエータとを備えているダイヤフラム弁において、
    　ダイヤフラムの曲率半径をＳＲａ、ダイヤフラム押さえの押圧面の曲率半径をＳＲｂとして、ＳＲｂ／ＳＲａ＝０．４～０．６とされているダイヤフラム弁。
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