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技術 ダイヤフラム弁

出願人 株式会社フジキン
発明者 船越高志薬師神忠幸中田知宏
出願日 2015年3月25日 (5年7ヶ月経過) 出願番号 2015-062343
公開日 2016年10月13日 (4年0ヶ月経過) 公開番号 2016-180490
状態 特許登録済
技術分野 弁の細部(I)
主要キーワード 流体流入通路 流体流出通路 接液側 操作エア メタルダイヤフラム弁 金属製ダイヤフラム ステンレス鋼薄板 開閉ハンドル
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年10月13日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (9)

課題

ダイヤフラム押さえ押圧面曲率半径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。

解決手段

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。

概要

背景

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。

概要

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。

目的

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

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項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。

技術分野

0001

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。

背景技術

0002

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。

先行技術

0003

実開平2−29361号公報

発明が解決しようとする課題

0004

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。

0005

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。

0006

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。

課題を解決するための手段

0007

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。

0008

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。

0009

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。

0010

このダイヤフラム弁は、主として半導体製造設備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。

0011

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。

0012

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。

0013

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。

0014

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。

発明の効果

0015

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。

図面の簡単な説明

0016

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。

実施例

0017

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。

0018

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。

0019

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。

0020

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。

0021

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。

0022

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。

0023

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。

0024

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。

0025

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。

0026

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。

0027

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。

0028

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。

0029

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。

0030

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。

0031

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。

0032

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。

0033

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。

0034

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。

0035

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。

0036

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。

0037

(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

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