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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022040518
(43)【公開日】2022-03-11
(54)【発明の名称】バルブ装置
(51)【国際特許分類】
   F16K 1/36 20060101AFI20220304BHJP
   F16K 7/16 20060101ALI20220304BHJP
【FI】
F16K1/36 Z
F16K7/16 Z
F16K1/36 D
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2020145279
(22)【出願日】2020-08-31
(71)【出願人】
【識別番号】390033857
【氏名又は名称】株式会社フジキン
(74)【代理人】
【識別番号】110002893
【氏名又は名称】特許業務法人KEN知財総合事務所
(72)【発明者】
【氏名】中村 伸夫
(72)【発明者】
【氏名】中田 知宏
【テーマコード(参考)】
3H052
【Fターム(参考)】
3H052AA01
3H052BA02
3H052BA24
3H052CA23
3H052CA34
3H052CD02
3H052EA01
3H052EA03
3H052EA16
(57)【要約】      (修正有)
【課題】高温のガスを扱う場合であっても、バルブ閉時のシール性を確保しつつ、上記熱膨張の影響を抑制できるバルブ装置を提供を提供する。
【解決手段】流体通路(2b,2c)および弁室2aが形成され、弁座2dを備えたバルブボディ2と、弁室2aを覆うように設けられ、弁室2aの気密を保持するダイヤフラム8と、弁座2dに対し近接および離間移動するステム4と、ダイヤフラム8の中央部に挿通され、ステム4に連結されて、弁座2dに当接・離間して流体通路(2b,2c)を開閉する弁体部6と、を備え、弁体部6は、ステム4に連結された弁体部本体6aと、該弁体部本体6aの弁座2d側の面に貼付されて弁座2dに当接する柔軟性を有する材料からなる環状のシール部材6bとを含むことを特徴とする、バルブ装置1。
【選択図】図3
【特許請求の範囲】
【請求項1】
流体通路および弁室が形成され、弁座を備えたバルブボディと、
前記弁室を覆うように設けられ、前記弁室の気密を保持するダイヤフラムと、
前記弁座に対し近接および離間移動するステムと、
前記ダイヤフラムの中央部に挿通され、前記ステムに連結されて、前記弁座に当接および前記弁座から離間して前記流体通路を開閉する弁体部と、を備え、
前記弁体部は、前記ステムに連結された弁体部本体と、該弁体部本体の前記弁座側の面に貼付されて前記弁座に当接する柔軟性を有する材料からなる環状のシール部材とを含むことを特徴とする、バルブ装置。
【請求項2】
前記シール部材は、前記弁座側に突出した凸型の断面を有する、請求項1に記載のバルブ装置。
【請求項3】
前記シール部材は、略矩形の断面を有する、請求項1に記載のバルブ装置。
【請求項4】
前記シール部材はフッ素ゴムからなる、請求項1に記載のバルブ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、バルブ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、バルブの気密性向上のため、バルブボディの弁室の上側をダイヤフラムで覆い、そのダイヤフラムを貫いて配置された弁体を、バルブボディの弁室内の流路口の周囲に形成された弁座に当接・離間させることにより、開閉を行うバルブが用いられている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。
このうち、特許文献2のバルブでは、弁体部の先端部に樹脂製のシール部材を配置し、このシール部材がバルブボディ側の弁座に当接・離間させるようにして、バルブ閉時の閉塞性を高めている。この樹脂製のシール部材は、略円筒状を有し、その外周部に嵌合する弁体部本体の環状突起部分をカシメることにより、固定されている(特許文献2参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2006-162043号公報
【特許文献2】国際特許公報WO2020/066584A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、特に半導体製造工程で用いられるバルブには、高温のガスにも対応できることが求められている。
この点、特許文献2のバルブ装置のシール部材は、例えばPCTFEなどの樹脂から形成されているため、熱膨張率が大きく、高温のガスに接して熱膨張した後に冷却されて収縮すると、膨張したシール部材がカシメの変形部分に引っかかり、応力集中が生じて、シール部材が千切れる恐れがあるという問題があった。
また、バルブ全開時の大流量を流す能力(Cv値)は、弁体部を駆動するステムが上端位置に退いたときのシール部材の下端と弁座との間隙によって決まるが、シール部材が熱膨張すると、この間隙が小さくなり、バルブの所定のCv値が得られなくなるという問題もあった。特にシール部材がカシメによって保持されている構造では、シール部材のステム軸方向の寸法が大きいため、熱膨張量も大きくなり、上記Cv値の問題が無視できない場合もあった。
【0005】
本発明は、上記課題を解決するもので、高温のガスを扱う場合であっても、バルブ閉時のシール性を確保しつつ、上記熱膨張の影響を抑制できるバルブ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を解決するために、本発明の一態様であるバルブ装置は、流体通路および弁室が形成され、弁座を備えたバルブボディと、
前記弁室を覆うように設けられ、前記弁室の気密を保持するダイヤフラムと、
前記弁座に対し近接および離間移動するステムと、
前記ダイヤフラムの中央部に挿通され、前記ステムに連結されて、前記弁座に当接および前記弁座から離間して前記流体通路を開閉する弁体部と、を備え、
前記弁体部は、前記ステムに連結された弁体部本体と、該弁体部本体の前記弁座側の面に貼付されて前記弁座に当接する柔軟性を有する材料からなる環状のシール部材とを含むことを特徴とする。
【0007】
前記シール部材は、前記弁座側に突出した凸型の断面を有するものであってもよい。
【0008】
前記シール部材は、略矩形の断面を有するものであってもよい。
【0009】
前記シール部材は、フッ素ゴムからなるものでもよい。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、弁体部本体の弁座側の面に柔軟性を有する材料からなる環状のシール部材を貼付した構造にしたので、シール部材のカシメ構造部分の応力集中の問題が解消する。また、シール部材を貼付する構造にしたので、シール部材のステム軸方向の寸法を小さくでき、シール部材の熱膨張量が抑えられて、Cv値の問題を低減できる。これにより、バルブ閉時のシール性を確保しつつ、上記熱膨張の影響を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1】本発明の実施形態に係るバルブ装置の閉状態を示す部分縦断面図である。
図2図1のA部拡大断面図である。
図3図1のバルブ装置の開状態を示す部分縦断面図である。
図4図3のA部拡大断面図である。
図5図1のバルブ装置の変形例を示すA部拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図1は本発明の実施形態に係るバルブ装置の閉状態を示す部分縦断面図であり、図2はそのA部拡大断面図である。
【0013】
図1に示すように、バルブ装置1は、バルブボディ2と、ボンネット3と、ステム4と、連結部材5と、弁体部6と、押えアダプタ7と、ダイヤフラム8と、コイルバネ9と、ハンドル10とを備える。なお、以下の説明において、バルブ装置1の、ハンドル10側を上側、バルブボディ2側を下側として説明する。
【0014】
バルブボディ2は、本実施形態では、全体的に逆T字型をなすブロック状の部材で、その内部に、上側から凹設された弁室2aと、弁室2aに連通する流体通路である流入路2bおよび流出路2cとが形成されている。流入路2bは、弁室2aの底部に開口しており、その開口部の周縁は、円環状の弁座2dを構成する。
【0015】
ボンネット3は、上端部が天井部3aとして閉じた略円筒状をなし、その下端部外周に設けられた雄ねじ部3bを、バルブボディ2の弁室の2a内周側上端部に設けられた雌ねじ部2eに螺合させることにより、弁室2aを覆うようにバルブボディ2に固定されている。ボンネット3の天井部3aの中央には、これを軸方向に貫通するねじ穴(図示省略)が形成されている。また、ボンネット3の軸方向中央の外周側には、組立・分解時に工具で掴んで回転できるように六面取り部3cが形成されている。
【0016】
ステム4は、下端部にフランジ部4aを有する軸状の部材で、ボンネット3の内周側を挿通している。ステム4の上部外周には 雄ねじ部4bが形成され、この雄ねじ部4bはボンネット3の天井部3aの前記ネジ穴(図示省略)に螺合している。これにより、ステム4は、ボンネット3に対して軸回転することにより、バルブボディ2の弁座2dに対し近接および離間移動する。ステム4が上端位置にあるときにはバルブ装置1は開状態になり、ステム4が下端位置にあるときにはバルブ装置1は閉状態となるように構成されている。
ステム4の下端部から軸方向に、ネジ穴である螺合孔4cが形成されている。
【0017】
連結部材5は、ステム4の下端部に接続され、軸上に上側から、雄ねじ部5aと円柱部5bと半球状部5cとを有する。円柱部5bは雄ねじ部5aより大径で、両者の境界が段差部になっている。雄ねじ部5aは、段差部がステム4の下面に当接するまでステム4の螺合孔4cに螺合され、これにより、連結部材5はステム4に固定されている。半球状部5cは、半球と全球の間の形状を有し、円柱部5bの下側に形成されている。
【0018】
弁体部6は、弁体部本体6aと、シール部材6bとを有する。
弁体部本体6aは、上端部6dから、略半球形の嵌入孔6hが形成され、前記連結部材5の半球状部5cが嵌め込まれている。この嵌入孔6hの周壁はカシメられ、これにより、弁体部6と連結部材5の半球状部5cとは、互いに回転及び揺動可能に連結されている。
一方、弁体部本体6aの外周側には、下側が拡径した段差部6cが形成されている。弁体部本体6aの段差部6cより上側の上端部6dは、後述するダイヤフラム8の中央部の挿通孔8aに挿通され、ダイヤフラム8と溶接されている。
弁体部本体6aの下端部6eは、さらに拡径し、下端面6f(弁座側の面)は、円環状のシール部材6bの形状に合わせて円環状の平坦面をなし、その内周側には凹み6gを設けている。この円環状の下端面6fに、シール部材6bが貼付されている。
【0019】
シール部材6bは、柔軟性を有する材料からなる部材で、円環状の弁座2dと全周に渡って接触するように、上面視で円環状をなす厚みの小さい部材で、前記弁体部本体6aの下端面6fに接着等により貼付されて保持されている。但し、貼付方法は、接着に限られず、融着でもよい。
シール部材6bの断面形状は略矩形でもよいが、本実施形態では、バルブ閉時の弁座2dとの間のシール性を高めるため、幅方向中央が弁座側に突出した凸型の断面形状としている。
シール部材6bは、柔軟性材料から形成されており、樹脂又はゴムから形成されていることが好ましく、フッ素ゴムから形成されていることがさらに好ましく、例えば300℃以上の高温にも耐え得るフッ素ゴム(例えば、デュポン社製のフッ素ゴム材料「カルレッツ(登録商標)」)から形成されていることが特に好ましい。
【0020】
押えアダプタ7は、バルブボディ2の弁室2aの内周側に嵌め込まれた円環状の部材で、後述するダイヤフラム8の外周部8bを上から押えて固定するものである。
【0021】
ダイヤフラム8は、バルブボディ2の弁室2aを覆うように設けられ、弁室2a内の気密を保持する。ダイヤフラム8は、例えば、ニッケル合金、ステンレス鋼により円板状又は皿状に形成された一枚の薄板(例えば厚さ:0.1mm~0.2mm)又は、積層した複数の薄板により構成されている。ダイヤフラム8は、弁室2aに直接対向しており、プロセスガス等の流体に直接接触する。
ダイヤフラム8の中央部には、弁体部本体6aの上端部6dが挿通する挿通孔8aが形成されている。この挿通孔8aに、弁体部本体6aの上端部6dが、段差部6cが突き当たるまで挿入され、挿通孔8aの全周にわたって溶接されている。溶接としては、電子ビーム溶接、レーザ溶接等が用いられる。この溶接により、ダイヤフラム8と弁体部本体6aを結合すると共に、ダイヤフラム8下側の弁室2aを気密に封止している。
一方、ダイヤフラム8の外周部8bは、バルブボディ2の弁室2aの内周面に設けられた段差部2fに載置され、その上に円環状の押えアダプタ7がさらに載置されている。ボンネット3を締め付けることにより、ダイヤフラム8の外周部8bは、押えアダプタ7とバルブボディ2とにより気密状態で挟圧され保持されている。
【0022】
コイルバネ9は、圧縮バネで、ボンネット3の天井部3aとステム4のフランジ部4aとの間に、ステム4を巻回するように設けられ、ステム4を下方に付勢している。これにより、互いに螺合するステム4と天井部3aとの間の、軸方向のバックラッシュを無くしている。
【0023】
ハンドル10は、ステム4の上端に取り付けられており、作業者が手動でハンドル10を回転させることにより、ステム4を回転させて上下方向に移動させるものである。
【0024】
最後に、ステム4の雄ねじ部4bには、さらにロックナット11が螺合され、これをボンネット3の天井部3aに押しつけるように締め込むことにより、ハンドル10によるバルブ装置1の操作後のステム4の位置をロックできるようになっている。
【0025】
次に、このように構成された本実施形態のバルブ装置1の動作について説明する。
本実施形態のバルブ装置1では、ハンドル10の回転操作によりステム4を上下動させると、連結部材5を介して連結された弁体部6が上下動すると共に、ダイヤフラム8が弾性変形し、弁体部6のシール部材6bが弁座2dに当接および弁座2dから離間して、流入路2bと流出路2cとの間を開閉するようになっている。
【0026】
図1は、バルブ閉状態を示す全体図であり、図2は、そのA部拡大図である。
この状態は、ハンドル10を一杯に締め込んだ状態で、ステム4が下端位置にあり、その下側に連結部材5を介して連結された弁体部6のシール部材6bが、バルブボディ2側の弁座2dに当接している。これにより、流入路2bと流出路2cとの連通は遮断され、バルブ装置1は閉状態になっている。このとき、シール部材6bの凸型断面の上部は、弁座2dへの押圧により弾性変形して、該弁座2d面と面接触し、高いシール性を実現している。
【0027】
図3は、バルブ開状態を示す全体図であり、図4は、そのA部拡大図である。
この状態は、ハンドル10を一杯に緩めた状態で、ステム4が上端位置にあり、その下側に連結部材5を介して連結された弁体部6のシール部材6bが、バルブボディ2側の弁座2dから離間している。これにより、流入路2bと流出路2cは、シール部材6bと弁座2dとの間の隙間を通って連通し、バルブ装置1は開状態になっている。このとき、シール部材6bの断面形状は、弁座2dへの押圧が解除されて、本来の凸型の形状に戻っている。
【0028】
前記したように、バルブ全開時の大流量を流す能力(Cv値)は、ステム4が上端位置に退いたときのシール部材の下端と弁座との間隙によって決まるが、シール部材が熱膨張すると、この間隙が小さくなり、バルブの所定のCv値が得られなくなるという問題もあった。特にシール部材がカシメによって保持されている従来の構造では、シール部材のステム軸方向の寸法が大きいため、熱膨張量も大きくなり、上記Cv値の問題が無視できない場合もあった。
ここで、Cv値は、流体がガス体の場合においては、下記の式(1)で求められる。
【数1】
式(1)においてQG〔m3/h(標準状態)〕は標準状態(15℃、760mmHgabs)における気体の流量、t〔℃〕はガスの温度、GGはガスの比重(空気=1とした時の)、P1〔MPa abs〕は一次側絶対圧力、P2〔MPa abs〕二次側絶対圧力である。
本実施形態のバルブ装置1では、シール部材6bを貼付する構造にしたので、シール部材6bのうち、カシメのために弁体部本体6aに嵌め込まれる部分が不要で、シール部材6bのステム軸方向の寸法を小さくでき、シール部材6bの熱膨張量が抑えられて、Cv値の問題を低減できる。
【0029】
また、本実施形態のバルブ装置1では、弁体部本体6aの弁座2d側の面に柔軟性を有する材料からなる環状のシール部材6bを貼付した構造にしたので、シール部材6bのカシメ構造部分の応力集中の問題が解消する。これにより、バルブ閉時のシール性を確保しつつ、上記熱膨張の影響を抑制することができる。
【0030】
なお、本発明は、上述した実施例に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。
【0031】
例えば、上記実施形態では、弁体部6のシール部材6bの断面形状が凸型で、バルブボディ側の弁座2dの断面形状が、平坦な上面を有する例を示した。しかし、これに限られず、図5に示すように、シール部材6bの断面形状を厚さの薄い略矩形とし、一方、弁座2dの断面形状を幅方向中央部が盛り上がった凸型にしてもよい。このようにしても、バルブ閉時には、シール部材6bの弁座2dと当接する部分は柔軟に変形して面接触になり、十分なシール性を得ることができるとともに、上記本発明の効果を得ることができる。
【0032】
また、上記実施形態では、弁体部本体6aの下端面6f(弁座側の面)は、円環状のシール部材6bの形状に合わせて円環状の平坦面とし、内周側に凹み6gを設けた。しかしこれに限られず、弁座側の面(6f)は、シール部材6bを貼付して、該シール部材6bを弁座2dに当接できるように保持できる面であればいずれでもよく、例えば、内周側の凹み6gのない円形の平坦面であってもよく、弁座2dと干渉しない限り内周側が突出していてもよい。
【0033】
また、上記実施形態において、ステム4を上下動させる駆動手段は、手動式のハンドル10であったが、自動式の駆動手段であってもよい。自動式の駆動手段としては、流体式の駆動手段でもよい。かかる構成のバルブであっても、上記の実施形態のバルブ装置1と同様の効果を奏する。
【符号の説明】
【0034】
1 :バルブ装置
2 :バルブボディ
2a:弁室
2b:流入路
2c:流出路
2d:弁座
2e:雌ねじ部
2f:段差部
3 :ボンネット
3a:天井部
3b:雄ねじ部
3c:六面取り部
4 :ステム
4a:フランジ部
4b:雄ねじ部
4c:螺合孔
5 :連結部材
5a:雄ねじ部
5b:円柱部
5c:半球状部
6 :弁体部
6a:弁体部本体
6b:シール部材
6c:段差部
6d:上端部
6e:下端部
6f:下端面(弁座側の面)
6g:凹み
6h:嵌入孔
7 :押えアダプタ
8 :ダイヤフラム
8a:挿通孔
8b:外周部
9 :コイルバネ
10:ハンドル
11:ロックナット


図1
図2
図3
図4
図5