JP3756135B2 - ダイヤフラム弁構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体の製造ライン等において薬液や純水等の流体の制御に使用されるダイヤフラム弁の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体の製造ラインやあるいは各種薬品の製造ライン等においては、各種の薬液や純水の供給がダイヤフラム弁を介して制御される。添付図面の図１０は従来一般に使用されているダイヤフラム弁１００であって、バルブボディ１０１の弁室１０２内をダイヤフラム部９１と弁体部９２を有するダイヤフラム弁体９０が弁座１０５に対して進退し、弁室１０２のオリフィス部１０３を開閉制御して流出部１０４から流出する流体の流通を制御する。符号１１１は流体の流入側流路、１１２は流出側流路である。
【０００３】
図において符号８０はダイヤフラム弁体９０の作動シリンダ装置を表し、８１はシリンダブロック、８２はシリンダ室、８３は該シリンダ室８２と前記弁室１０２とを区画する区画ブロック、８４は前記ダイヤフラム弁体９０と連結されたピストン部材、８５及び８６は前記ピストン部材８４を進退させる作動流体の流出入部、８７はピストン部材８４を常時前方へ付勢するバネ体、８８はエア抜き部、８９はダイヤフラム弁体９０の取付部材である。
【０００４】
図示のダイヤフラム弁１００は、流出部１０４を弁室１０２の横側に形成して流出側流路１１２を連設したものである。このダイヤフラム弁１００の構造によれば、流入側流路１１１からオリフィス部１０３を経て弁室１０２内に流入した流体は、弁室１０２から流出部１０４を経て流出側流路１１２に直線方向に流通する。すなわち、ダイヤフラム弁１００を流通する流体は、屈曲部Ｒ１及びＲ２の２ケ所を有する「Ｌ」字状に流通する。
【０００５】
この従来一般に使用されているダイヤフラム弁１００にあっては、図１１に示したように、弁体９０が略水平な前端面９６と該端面９６に向かって略４５度の角度で傾斜する前部側傾斜面９７を有し、略直角に形成された弁座１０５に前記前部側傾斜面９７が着座可能となっている。そして、弁体９０が後退するとオリフィス部１０３が開き、流体はオリフィス側流路Ｆ１１からダイヤフラム側流路Ｆ１２を経て弁室１０２内に流入する。
【０００６】
しかるに、このダイヤフラム弁体９０にあっては、図１２に示すように、弁体９０が後退して前部側傾斜面９７と弁座１０５との間の流路がわずかに開かれた状態となった場合、弁体端面９６が略水平で弁座１０５が略直角であることより、流体はオリフィス側流路Ｆ１１の部分から急に流路幅が狭くなった流路を流通することになる。また、弁座１０５を通過した流体Ｌ１２は、流路幅が狭い流路から急激に流路幅が拡がるダイヤフラム側流路Ｆ１２を流通する。このような流路幅が急激に変化する流路を流体が流通すると、その流路幅の変化に伴って流体に急激な圧力変化が生ずる。
【０００７】
流体に急激な圧力変化が起こることにより、いわゆるキャビテーションと呼ばれる空洞化現象が発生しやすくなる。すなわち、急激な圧力変化に伴って、流体である液体中に含有される空気が圧力の低下によって微少な気泡を発生させ、次いで蒸発し、空洞化するのがキャビテーションである。前記のように、弁座１０５と弁体９０の前部側傾斜面９７との間の流路の断面積は弁座１０５で最小となりその前後で大きく増加するが、最小断面部分では流体の流速は最大となり、圧力はその直後で最小となり、この低圧時にキャビテーションが発生する。このキャビテーションによって発生した微少な気泡は、例えば半導体製造にあってはウェハの表面を汚すゴミとして倦厭される。
【０００８】
また、図のような弁座１０５が略直角で弁室１０２が垂直面によって形成されていると、それらの角隅部において流体の流速に変化が生じ、流体の圧力損失（エネルギー損失）が大きくなって、流通効率が低下するばかりか、流体が流れにくい部分が発生するため、流体の置換特性が悪くなるという問題がある。
【０００９】
さらに、この種ダイヤフラム弁１００では、オリフィス部１０３側から弁室１０２側に流体を流通させるほかに、その流通方向を逆にして、弁室１０２側からオリフィス部１０３側に流体を流通させることがある。図１３に示すように、流体の流通方向を逆にして弁室１０２からオリフィス部１０３の方向に流体を流通した場合にも、前記と同様、キャビテーションが発生しやすくなるとともに、圧力損失が大きくなり、流体の置換特性が悪くなる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は前記の点に鑑みなされたものであって、流体に急激な圧力変化が起こりにくくキャビテーションの発生を抑止するとともに、流体のスムーズな流通を可能にする、新規なダイヤフラム弁の構造を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１の発明は、被制御流体の流路（Ｆ１，Ｆ２）中にオリフィス部（１５）を介して弁座（２５）を備えた弁室（２０）を有し、前記弁室に外周部（３２）を固定されたダイヤフラム部（３１）の中心部（３３）に前記弁座に対して進退する弁体部（３５）を一体に有するダイヤフラム弁体（３０）を備えたダイヤフラム弁（１０）において、前記弁室は、前記オリフィス部より前記ダイヤフラム部の略外周部に至るまで全体として略ロウト状に拡径した面（２１）に形成されており、かつ前記弁座は前記拡径面に形成された鈍角面（２７）に形成され、前記弁体部は、前記弁座に着座可能で先端に向かって傾斜する前部側傾斜面（３７）と前記弁体部の軸部（３６）に向かって傾斜する後部側傾斜面（３８）とを有する駒形状（３５Ｓ）に形成され、前記ダイヤフラム部は、予めその中心部が弁座方向となるように傾斜して配置されていて、前記ダイヤフラム弁体の後退時にも前記ダイヤフラム部の中心部がその外周部より後方に移動しないように構成されていることを特徴とするダイヤフラム弁構造に係る。
【００１２】
請求項２の発明は、前記弁座が前記鈍角面の頂上に形成された微細な突条部（２６）からなる請求項１に記載のダイヤフラム弁構造に係る。
【００１３】
請求項３の発明は、前記弁体部の前部側傾斜面に前記弁座に着座する微細な突条部（３９）が形成されている請求項１に記載のダイヤフラム弁構造に係る。
【００１４】
請求項４の発明は、前記鈍角面と前記弁体部の前部側傾斜面によって形成される流体のオリフィス側流路（Ｆ３）とダイヤフラム側流路（Ｆ４）の角度が略同じに構成された請求項１ないし３のいずれか１項に記載のダイヤフラム弁構造に係る。
【００１５】
請求項５の発明は、前記弁体部の最大外周径（ｒ１）が前記ダイヤフラム部のダイヤフラム膜部最大径と膜部最小径を２分した位置における直径距離（ｒ２）よりも大きく形成されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載のダイヤフラム弁構造に係る。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下添付の図面に従ってこの発明を詳細に説明する。
図１はこの発明の一実施例に係るダイヤフラム弁全体の縦断面図、図２は図１のダイヤフラム弁体を後退させた状態を示す縦断面図、図３は弁体部の前部側傾斜面と弁座の着座状態を拡大して表した部分断面図、図４は同じく弁体部の前部側傾斜面と弁座の他の実施例の着座状態を拡大して表した部分断面図、図５は弁体部の後退時における流体の流通状態を表した部分断面図、図６は同じく流体の他の流通状態を表した部分断面図、図７はダイヤフラム部の外周部と中心部との位置関係を表した断面図、図８はダイヤフラム弁体の弁体部とダイヤフラム部の膜部との関係を表した断面図、図９はこの発明構造をマニホールド弁に用いた実施例の断面図である。
【００１７】
図１及び図２は、本発明におけるダイヤフラム弁１０の断面図である。図示したダイヤフラム弁１０は、バルブボディ１１内の被制御流体の流路（流入側流路Ｆ１及び流出側流路Ｆ２）中にオリフィス部１５を介して弁座２５を備えた弁室２０と、前記弁室２０に外周部３２を固定されたダイヤフラム部３１の中心部３３に前記弁座２５に対して進退する弁体部３５を一体に有するダイヤフラム弁体３０を備える。
【００１８】
この発明構造に係る弁室２０は、前記オリフィス部１５より前記ダイヤフラム部の略外周部３２に至るまで全体として略ロウト状に拡径した面２１に形成されており、かつ弁座２５は前記拡径面２１に形成された鈍角面２７に形成され、前記弁体部３５は、前記弁座２５に着座可能で先端に向かって傾斜する前部側傾斜面３７と弁体部３５の軸部３６に向かって傾斜する後部側傾斜面３８を有する駒形状３５Ｓに形成され、前記ダイヤフラム部は、予めその中心部が弁座方向となるように傾斜して配置されていて、前記ダイヤフラム弁体の後退時にも前記ダイヤフラム部の中心部がその外周部より後方に移動しないように構成されていることを特徴とする。
【００１９】
図１及び図２において、符号５０は前述したと同様のダイヤフラム弁体３０を作動するための公知の作動シリンダ装置を表し、５１はシリンダブロック、５２はシリンダ室、５３は該シリンダ室５２と前記弁室２０とを区画する区画ブロック、５４は前記ダイヤフラム弁体３０と連結されたピストン部材、５５及び５６は前記ピストン部材５４を進退させる作動流体の流出入部、５７はピストン部材５４を常時前方へ付勢するバネ体、５８はエア抜き部、５９はダイヤフラム弁体３０の取付部材である。図１はダイヤフラム弁体３０が前進して弁体部３５の前部側傾斜面３７が弁座２５に着座して弁が閉じられた状態を表し、図２はダイヤフラム弁体３０が前記作動シリンダ装置５０の作動によって後退し、流体が弁室２０に流通する状態を表す。以下、このダイヤフラム弁１０について詳しく説明する。
【００２０】
まず、弁室２０は、図示のように、オリフィス部１５よりダイヤフラム部略外周部３２に至るまで全体として略ロウト状に拡径した面２１に形成される。ロウト状とは前側が狭く後側が徐々に広くなる傾斜形状を意味し、ここではオリフィス部１５を有する弁室２０の底面部分とダイヤフラム部外周部３２が固定された弁室２０の壁面部分とが角部を介することなく曲面２２でなだらかに連接され、ダイヤフラム部略外周部３２に至るまで拡径された面２１に形成されている。そして、弁座２５はこの拡径面２１に形成された鈍角面２７に形成される。
【００２１】
このように、弁室２０の形状をオリフィス部１５よりダイヤフラム部の略外周部３２に至るまで全体として略ロウト状に拡径した面２１に形成することによって、弁室２０に角隅部がなくなり、弁室２０内を流通する流体の流速を均一化させることができるようになる。従って、これによって、流体の圧力損失を抑止して流通効率を向上させることができ、スムーズな流れによって流体の置換特性が良好となるのである。
【００２２】
一方、ダイヤフラム弁体３０の弁体部３５は、前記弁座２５に着座可能で先端に向かって傾斜する前部側傾斜面３７と前記弁体部３５の軸部３６に向かって傾斜する後部側傾斜面３８を有する駒形状３５Ｓに形成される。この前部側傾斜面３７と後部側傾斜面３８とはできるだけ長く形成されることが好ましく、望ましくは図示のように前部側傾斜面３７は弁体部３５の先端まで形成され、後部側傾斜面３８は軸部３６まで形成される。なお、図の符号４０はダイヤフラム部３１の裏当て部材である。
【００２３】
このように、弁体部３５を前部側傾斜面３７と後部側傾斜面３８を有する駒形状３５Ｓに形成することによって、弁体部３５にかかる一次側圧力と二次側圧力の圧力バランスを図ることができ、より小さい力で弁体３０の作動を行うことができるようになる。また、弁体部３５にかかる一次側圧力と二次側圧力の圧力バランスを図ることができることによって、オリフィスサイズを大きくすることができ、ダイヤフラム弁１０の外形サイズを大きくすることなく、流量を多く流すことができる。さらに、弁体部３５を駒形状３５Ｓとすることによって、弁室２０を流通する流体は弁体部３５の駒形状３５Ｓに沿って回り込みくまなく流通し、流体の混合やフラッシングを効果的に行うことができる。
【００２４】
図１及び図２の例では、請求項２の発明として規定し図３の拡大図に図示したように、弁座２５が拡径面２１に形成された鈍角面２７の頂上に形成された微細な突条部２６からなる例が示される。突条部２６は弁体部３５の弁座２５に対する着座性を確実にするためである。また、この着座性を確実にするためには、請求項３の発明として規定し図４の拡大図に図示したように、弁体部３５の前部側傾斜面３７に弁座２５に着座する微細な突条部３９を形成してもよい。
【００２５】
図３及び図４から理解されるように、この発明構造では、弁室２０のロウト状拡径面２１の鈍角面２７に形成された弁座２５と弁体部３５の前部側傾斜面３７とによって、オリフィス部１５から弁室２０に至る流路において、鋭角状に狭くなるオリフィス側流路Ｆ３と鋭角状に広くなるダイヤフラム側流路Ｆ４が形成される。これらの鋭角状のオリフィス側流路Ｆ３とダイヤフラム側流路Ｆ４によって、図５に図示したように、弁体３０が後退して流体が流通する際に、弁座２５を流通する流体Ｌ１の流路幅が弁座２５の前後で徐々に狭くなりかつ徐々に広くなって、急激に変化することを回避することができる。すなわち、弁座２５の前後における流体の大きな圧力変化を回避することができるのである。これによって、前記したキャビテーションによる微小な気泡の発生を防止することができる。また、図６のように、流体Ｌ２の流通方向を逆にして用いる場合にも、同様に効果的である。
【００２６】
なお、図３及び図４に図示し請求項４の発明として規定したように、前記鈍角面２７と前記弁体部３５の前部側傾斜面３７によって形成される流体のオリフィス側流路Ｆ３とダイヤフラム側流路Ｆ４の角度を略同じに構成することによって、弁座２５の前後で徐々に狭くなりかつ徐々に広くなる流路幅が対称となり、圧力変化の回避をさらに効果的に行うことができる。
【００２７】
図７はダイヤフラム弁体３０におけるダイヤフラム部３１の外周部３２とその中心部３３との位置関係を示したものである。図７各図に示したように、ダイヤフラム部３１は予めその中心部３３が弁座２５方向となるように傾斜して配置されていて（図７（Ａ）の符号Ａ１参照）、ダイヤフラム弁体３０の後退時にもダイヤフラム部３１の中心部３３がその外周部３２より後方に移動しないように（図７（Ｂ）の符号Ａ２参照）構成されている。
【００２８】
このようなダイヤフラム弁体３０の配置構成によって、弁体３０の後退時にダイヤフラム部３１の中心部３３がその外周部３２より前方に位置（Ａ２位置）するので、ダイヤフラム部３１の中心部３３が常に弁室２０内に突出した形状配置となる。これによってダイヤフラム部３１の中心部３３に凹所が形成されることなく、かつ、図７各図からよくわかるように、弁体部３５の後部側傾斜面３８及び弁室２０の拡径面２１とによって、断面略三角形状のリング状空間が弁室２０に形成され、弁室２０内における流体の流通がくまなくスムーズになる。従って、ダイヤフラム部３１に気泡がたまりにくく、圧力損失も小さくなり、流体の置換特性も向上する。
【００２９】
また、弁体３０の移動に伴うダイヤフラム部３１の変位は、その外周部３２を支点として弁座２５側の一方向（下方向）のみとなり、双方向に変位する場合に比して、ダイヤフラム部３１の外周部３２に加わる屈曲疲労を低減することができ、その耐久性を高めることができる。さらに、弁体の後退時にダイヤフラム部３１の中心部３３をその外周部３２より前方になるように配置することによって、フラッシングなども効果的に行うことができる。
【００３０】
図８は、請求項５の発明として規定したように、ダイヤフラム弁体３０の弁体部３５の最大外周径ｒ１が前記ダイヤフラム部３１のダイヤフラム膜部３４の最大径と膜部最小径を２分した位置における直径距離ｒ２よりも大きく形成されている例を表す。前記したように、弁体部３５に前部側傾斜面３７と後部側傾斜面３８とを有する駒形状３５Ｓに形成することによって、弁体部３５にかかる一次側圧力と二次側圧力の圧力バランスを図ることができ、より小さい力で弁体３０の作動を行うことができるのであるが、弁体部３５の最大外周径ｒ１をダイヤフラム部３１のダイヤフラム膜部３４の最大径と膜部最小径を２分した位置における直径距離ｒ２よりも大きく形成したものにあっては、特に、二次側からの圧力が高い場合にも弁を閉じる方向の力が弁体部３５に働くので、耐圧を高くした場合でも弁体３０の開閉をスムーズに行うことができる。なお、ダイヤフラム膜部３４とは圧力によって変位する薄膜部分をいう。このことより、高い圧力の場合においても、流体の入口を指定することなく、オリフィス側流路あるいはダイヤフラム側流路のいずれからも使用することが可能となる。通常の場合では、ダイヤフラム側流路から流体を入れると、ダイヤフラム部にかかる圧力により弁体が上方に持上げられるために耐圧を上げることがむずかしかった。
【００３１】
上記のように構成されたこの発明のダイヤフラム弁１０構造は、例えば図９に図示したように、マニホールド弁Ｍとして用いることができる。このマニホールド弁Ｍは、本発明構造に係る複数（ここでは３つ）のダイヤフラム弁部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを流路７２，７３によって横方向に互いに連結し、ダイヤフラム弁部１０Ａの流路７１から流路７２，７３を経てダイヤフラム弁部１０Ｃの流路７４まで貫通状に流通するように構成されている。なお、図示のマニホールド弁Ｍではそのバルブボディ７９を単一として表したが、独立した個別のダイヤフラム弁部を必要に応じて連結することも一般に行われている。
【００３２】
そして、各ダイヤフラム弁部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの流入部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃからの流体Ｌ１２，Ｌ１３，Ｌ１４の流通を各ダイヤフラム弁体３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃによって制御するとともに、流路７１からの流体Ｌ１５と混合して、流路７４から混合流体Ｌ１６として流出するのである。これは薬液の混合などに利用される。あるいは、各ダイヤフラム弁体３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃを図のように閉じた状態で、流路７１から流体Ｌ１５として純水等の清浄液体を流通させてフラッシングを行ったりすることもある。
【００３３】
この発明構造に係るダイヤフラム弁構造は、このようなマニホールド弁Ｍにおいて、前述した各部構成が保有する特有の作用により、効果的に液の混合やフラッシングなどを行うことができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上図示し説明したように、この発明のダイヤフラム弁構造によれば、まず、弁室形状によって、弁室内を流通する流体の流速を均一化させることができ、流体の圧力損失を抑止して流通効率を向上させることができ、スムーズな流れによって流体の置換特性が良好となる。また、弁体部の形状によって、一次側圧力と二次側圧力の圧力バランスを図ることができ、オリフィスサイズを大きくすることができ、ダイヤフラム弁の外形を大きくすることなく流量を多く流すことができるとともに、流体は弁体部に沿って回り込みくまなく流通して混合やフラッシングを効果的に行うことができる。
【００３５】
さらに、この発明構造によれば、弁室の弁座と弁体部によって鋭角状に徐々に狭くなりかつ広くなる流路が形成されるので、弁座の前後を流通する流体の大きな圧力変化を回避することができ、これによって、キャビテーションによる微小な気泡の発生を防止することができる。
【００３６】
これに加えて、ダイヤフラム弁体の配置構成の点から、弁室内における流体の流通がくまなくスムーズになり、ダイヤフラム部に気泡がたまりにくく、圧力損失も小さくなり、流体の置換特性も向上する。同時に、ダイヤフラム部の外周部に加わる屈曲疲労を低減することができ、耐久性を高めることができる。
【００３７】
また、請求項２及び３の発明によれば、弁室の弁座と弁体部との着座が確実となり、請求項４の発明によれば、弁座の前後を流通する流体の圧力変化をより効果的に回避することができる。
【００３８】
さらにまた、請求項５の発明によれば、耐圧を高くした場合でも弁体の開閉をスムーズに行うことができ、高い圧力の場合においても、流体の入口を指定することなく、オリフィス側流路あるいはダイヤフラム側流路のいずれからからも使用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一実施例に係るダイヤフラム弁全体の縦断面図である。
【図２】 図１のダイヤフラム弁体を後退させた状態を示す縦断面図である。
【図３】 弁体部の前部側傾斜面と弁座の着座状態を拡大して表した部分断面図である。
【図４】 同じく弁体部の前部側傾斜面と弁座の他の実施例の着座状態を拡大して表した部分断面図である。
【図５】 弁体部の後退時における流体の流通状態を表した部分断面図である。
【図６】 同じく流体の他の流通状態を表した部分断面図である。
【図７】 ダイヤフラム部の外周部と中心部との位置関係を表した断面図である。
【図８】 ダイヤフラム弁体の弁体部とダイヤフラム部の膜部との関係を表した断面図である。
【図９】 この発明構造をマニホールド弁に用いた実施例の断面図である。
【図１０】 従来の一般的なダイヤフラム弁の縦断面図である。
【図１１】 従来のダイヤフラム弁における要部の断面図である。
【図１２】 従来のダイヤフラム弁における流体の流通状態を表す断面図である。
【図１３】 従来のダイヤフラム弁における流体の他の流通状態を表す断面図である。
【符号の説明】
１０ ダイヤフラム弁
１５ オリフィス部
２０ 弁室
２１ （ロウト状）拡径面
２５ 弁座
２６ 突条部
２７ 鈍角面
３０ ダイヤフラム弁体
３１ ダイヤフラム部
３２ 外周部
３３ 中心部
３４ ダイヤフラム膜部
３５ 弁体部
３５Ｓ 駒形状
３７ 前部側傾斜面
３８ 後部側傾斜面
３９ 突条部
５０ 作動シリンダ装置
Ｆ３ オリフィス側流路
Ｆ４ ダイヤフラム側流路

Claims (5)

1. 被制御流体の流路中にオリフィス部（１５）を介して弁座（２５）を備えた弁室（２０）を有し、前記弁室に外周部（３２）を固定されたダイヤフラム部（３１）の中心部（３３）に前記弁座に対して進退する弁体部（３５）を一体に有するダイヤフラム弁体（３０）を備えたダイヤフラム弁（１０）において、
   前記弁室は、前記オリフィス部より前記ダイヤフラム部の略外周部に至るまで全体として略ロウト状に拡径した面（２１）に形成されており、かつ前記弁座は前記拡径面に形成された鈍角面（２７）に形成され、
   前記弁体部は、前記弁座に着座可能で先端に向かって傾斜する前部側傾斜面（３７）と前記弁体部の軸部（３６）に向かって傾斜する後部側傾斜面（３８）とを有する駒形状（３５Ｓ）に形成され、
   前記ダイヤフラム部は、予めその中心部が弁座方向となるように傾斜して配置されていて、前記ダイヤフラム弁体の後退時にも前記ダイヤフラム部の中心部がその外周部より後方に移動しないように構成されている
   ことを特徴とするダイヤフラム弁構造。
2. 前記弁座が前記鈍角面の頂上に形成された微細な突条部（２６）からなる請求項１に記載のダイヤフラム弁構造。
3. 前記弁体部の前部側傾斜面に前記弁座に着座する微細な突条部（３９）が形成されている請求項１に記載のダイヤフラム弁構造。
4. 前記鈍角面と前記弁体部の前部側傾斜面によって形成される流体のオリフィス側流路（Ｆ３）とダイヤフラム側流路（Ｆ４）の角度が略同じに構成された請求項１ないし３のいずれか１項に記載のダイヤフラム弁構造。
5. 前記弁体部の最大外周径（ｒ１）が前記ダイヤフラム部のダイヤフラム膜部最大径と膜部最小径を２分した位置における直径距離（ｒ２）よりも大きく形成されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載のダイヤフラム弁構造。

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