JP2012237426A - 真空弁用ベローズ - Google Patents

Abstract

【課題】ベローズの谷部と山部の断面の曲率半径を適切な範囲に設定し、ベローズの伸縮時に該谷部と山部に作用する応力を均等化してベローズの長寿命化を図る。
【解決手段】弁部材６により弁座５が開閉される主流路２とロッド７を介して弁部材を駆動する駆動部１０との間を、上記ロッドの回りを囲むベローズ８により区画する真空弁の該ベローズ８が、金属筒の内周側に向く谷部２１と、外周に膨出する山部２２との多数が形成され、上記谷部の断面における曲率半径（谷Ｒ）と、上記山部の断面における曲率半径（山Ｒ）との比（谷Ｒ／山Ｒ）が、１．１５〜１．７０の範囲内にあるものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空弁において弁部材の駆動部と真空雰囲気に置かれる主流路との間を区画するための真空弁用ベローズに関するものである。

従来、例えば、特許文献１に開示されているように、弁部材の駆動部と真空雰囲気に置かれる主流路との間を成形ベローズで区画するようにした真空弁は、高真空Ｌ形弁において知られている。これは、ベローズの具体的構成を除いて、図３に示している真空弁と実質的に同じものである。
その構成を更に具体的に説明すると、この真空弁は、真空ポンプ及び真空チャンバの一方に接続される第１メインポートと、その他方に接続される第２メインポートと、上記両メインポートを結ぶハウジング内の主流路中に形成された円環状の弁座と、該弁座を開閉するディスク形の弁部材と、この弁部材をそれに連結したロッドの軸線方向への駆動により開閉動作させる駆動部とを備えるものであり、上記弁部材の駆動部と真空雰囲気に置かれる上記ハウジング内の両メインポート間の主流路とを区画するため、上記ディスク形の弁部材の周辺と上記ハウジングとの間に、上記ロッドの回りを取り囲むようにして伸縮自在の成形ベローズが設けられている。

上記既知の真空弁用ベローズの製造は、通常、両端を液密に封じた金属筒からなる素材管の周囲に多数の環状の金型を等間隔で配置し、該素材管内に高圧の液体を導入して、該素材管の外周で上記環状の金型が当接しない部分を外側に膨出させると共に、上記多数の環状の金型間の間隔を縮小させ、この液圧バルジ成形によって素材管から外側に環状に膨出させた部分を山部とし、膨出させていない環状の部分を谷部とするものである。
この成形ベローズは、一般的には、上記山部の断面における曲率半径（山Ｒという。）と上記谷部の断面における曲率半径（谷Ｒという。）とが同程度に形成され、それを真空弁に取り付けて使用するときに、該ベローズの伸縮に伴い、上記山部に比べて谷部に作用する応力が疲労破損の原因になる傾向があり、そのため、寿命に至る段階では該谷部のベローズ中心側面（図１の部位ａ）に亀裂が発生するのが通例である。

特開２００４−３４０３４４号公報

上述した成形ベローズの谷部において疲労破損すると言う問題を解決すべく、本発明者は、ベローズの山数、ベローズを構成する金属筒の板厚、ベローズの端部のホルダーの板厚を変えることによる変形性の調整等の各種パラメータの変更に伴う最大応力やその分布の変化等について、実験あるいはコンピュータによるシミュレーションを行った結果、上記真空弁用ベローズの伸縮時に外側の環状の山部と内側の環状の谷部に対して作用する応力を可及的に均等化して該ベローズの長寿命化を図るためには、上記谷部と山部の各断面における曲率半径（谷Ｒ及び山Ｒ）を相互に調整するのが簡単で有効な手段であることを確かめた。
本発明は、かかる知見に基づくものであり、その技術的課題は、上記谷部と山部の各断面における曲率半径を適切な範囲に設定することにより、上記真空弁用ベローズの伸縮時に内側の環状の谷部と外側の環状の山部に対して作用する応力を可及的に均等化して該ベローズの長寿命化を図ることにある。

また、真空弁用ベローズは本来、弁部材が弁座に当接した位置にあるときのベローズの軸方向長さをベローズの自由長とし、あるいは、弁部材が上記位置にあるときのベローズがその自由長から弁部材を弁座に当接させるまで伸長させたものとして用いられるため、そのいずれの場合にも、ベローズの伸縮時にその谷部と山部に対して作用する応力を可及的に均等化可能にすることが望ましいが、本発明者による上述のコンピュータ・シミュレーションの結果について検討したところ、上記谷部と山部の各断面における曲率半径の比（谷Ｒ／山Ｒ）が適切である範囲を求めるに当たり、弁部材が開閉動作を行う間の谷部と山部の応力振幅を参照するのが、以下に詳述するように、弁部材が弁座に当接した位置にあるときのベローズの伸長の程度（後述する圧縮比）に拘わらず、繰り返し応力による金属疲労の程度の均等化に有効であることを確かめた。
本発明の他の技術的課題は、かかる知見に基づいて上記谷Ｒと上記山Ｒとの適切な比を得るようにした点にある。

上記課題を解決するため、本発明によれば、ディスク形の弁部材により弁座が開閉される主流路とロッドを介して該弁部材を駆動する駆動部との間を、上記弁部材の周辺と上記主流路を形成するハウジングとの間において上記ロッドの回りを取り囲むように配設した成形ベローズにより区画するようにした真空弁における上記ベローズが、金属筒の軸線方向に、該金属筒の内周において内側に向く環状の谷部と、外周において外側に環状に膨出する山部との多数が連続して交互に形成されていて、ベローズ自体に外力が作用しない状態において、上記谷Ｒと上記山Ｒとの比（谷Ｒ／山Ｒ：以下、Ｒ比率という。）が、１．１５〜１．７０の範囲内にあることを特徴とする真空弁用ベローズが提供される。
上記真空弁用ベローズにおいて、上記Ｒ比率は、１．２０〜１．５５の範囲内に設定するのがより望ましい。

本発明に係る真空弁用ベローズの好ましい実施形態においては、上記弁部材が弁座に当接した位置にあるときのベローズの軸方向長さがベローズの自由長であり、該弁部材が全開位置にあるときのベローズが、該ベローズの自由長から総変位量だけ圧縮された状態にあるものとして構成される。

また、本発明に係る真空弁用ベローズの他の好ましい実施形態においては、上記弁部材が弁座に当接した位置にあるときのベローズが、該ベローズの自由長から弁部材を弁座に当接させるまで伸長させたものであり、該弁部材が全開位置にあるときのベローズが、該ベローズの自由長から総変位量だけ圧縮された状態にあるものとして構成される。
この場合に、上記弁部材が弁座に当接した位置にあるときのベローズの伸長長さを、該弁部材が全開位置にあるときのベローズの圧縮長さと同等またはそれ以下にすることができる。
更に、本発明の好ましい実施形態においては、上記ベローズを構成する金属筒が、ステンレス製の金属薄板の深絞りにより形成される。

以上に詳述した本発明によれば、真空弁用ベローズの上記谷部と山部の各断面における曲率半径を相互に調整し、それらの曲率半径の比を上述した適切な範囲に設定して金属筒を液圧バルジ成形するという簡単な手段で、上記真空弁用ベローズの伸縮時に谷部と山部に対して作用する応力を可及的に均等化し、該ベローズの長寿命化を図ることができる。
また、本発明によれば、上記谷部と山部の曲率半径の比（谷Ｒ／山Ｒ）が適切である範囲を求めるに当たり、弁部材が開閉動作を行う間の谷部と山部の応力振幅を参照し、弁部材が弁座に当接した位置にあるときのベローズの伸長の程度（圧縮比）に拘わらず、繰り返し応力による金属疲労の程度を均等化したベローズを得ることができる。

本発明に係る真空弁用ベローズの実施例を示す要部部分縦断面図である。 上記実施例における要部破断斜視図である。 上記実施例の真空弁用ベローズを備えた高真空Ｌ形弁の断面図である。 表１に示したベローズの応力振幅のデータをＲ比率との関連において示したグラフである。 表２に示した圧縮比７５％のベローズの応力振幅のデータをＲ比率との関連において示したグラフである。 表３に示した圧縮比５０％のベローズの応力振幅のデータをＲ比率との関連において示したグラフである。 圧縮比を異にするベローズの最大応力をＲ比率との関連において示したグラフである。

図１及び図２は、本発明に係る真空弁用ベローズの実施の一例を示し、図３は、そのベローズを備えた真空弁の構成を例示している。
まず、図３を参照して、上記真空弁用ベローズを取り付けて使用する真空弁の構成について説明すると、この真空弁は、真空ポンプ及び真空チャンバの一方に接続される第１メインポート３と、その他方に接続される第２メインポート４と、上記両メインポート３，４を結ぶハウジング１内の主流路２中に形成された円環状の弁座５と、該弁座を開閉するディスク形の弁部材６と、この弁部材６をそれに連結したロッド７の軸線方向への駆動により開閉動作させる駆動部１０とを備えるものである。

上記ロッド７を介して駆動部１０により駆動する弁部材６の駆動系の構成について説明すると、上記弁部材６は、その背面中央部に駆動用のロッド７の先端部が取り付けられ、該ロッド７が上記駆動部１０により軸線方向に駆動されるが、上記ハウジング１により主流路２から区画される上記駆動部１０と、上記弁部材６により弁座５が開閉される該弁部材６の周辺の主流路２との間を区画しておく必要があるため、上記ロッド７の回りを取り囲むようにして伸縮自在の成形ベローズ８を配設している。そのため、前記真空ポンプの作動により主流路２を形成するベローズ８の外側が真空雰囲気に置かれ、これに対してベローズの内側は大気圧下に置かれることになる。また、上記弁部材６の背面を閉弁方向に付勢するコイル状の復帰ばね９が設けられている。

上記ロッド７は、ハウジング１の内部をその中心軸線に沿って延び、その基端が上記駆動部１０を区画形成する隔壁１１を貫通して、シリンダ室１２内のピストン１３に連結されている。また、上記弁部材６の背面に取り付けられた上記ロッド７の回りには、先端部が上記隔壁１１の中心筒部１１ａに当接して弁部材６の全開位置を規定し、それにより上記弁部材６のストロークを設定する筒状のストッパ１７を固定している。更に、上記ピストン１３は、上記隔壁１１との間に圧力室１４を区画形成し、この圧力室１４が、シリンダボディ１５の側面に開口する操作ポート１６に開口しているので、外部から該操作ポート１６へ圧力流体を供給することにより、上記弁部材６が弁座５を開放する方向に駆動される。

上記弁部材６の背面側には、上記ロッド７及び復帰ばね９の回りを取り囲むように伸縮自在のベローズ８が設けられているが、このベローズ８は、その一端が上記弁部材６の背面に気密に取り付けられ、他端が、ハウジング１の端部と上記隔壁１１との間に設けられた支持プレート８ａに取り付けられている。該ベローズ８は、ステンレス製の金属薄板の深絞りにより形成された金属筒を素材として成形されたもので、金属筒の軸線方向に、該金属筒の外周において外側に環状に膨出する谷部２１と、内側に向く環状の山部２２との多数が連続して交互に形成されている。

前述したように、従来の成形ベローズを用いた真空弁においては、該ベローズの伸縮に伴い、上記山部に比べて谷部に作用する応力が高くなる傾向があり、そのため、寿命に至る段階では谷部において疲労破損するのが通例であるが、本発明に基づく成形ベローズ８においては、上記谷Ｒと上記山Ｒとの比であるＲ比率を適切な範囲に設定するのが上記疲労破損の問題を解決するために有効であるとの知見に基づき、後述するような実験あるいはコンピュータ・シミュレーションの結果に基づいて、該Ｒ比率を適切な範囲に、つまり上記ベローズの伸縮時に内側の谷部２１と外側の山部２２に対して作用する応力を可及的に均等化できるようにする範囲に設定している。

結論的に、上記Ｒ比率は、ベローズ８自体に対して上記ロッド７からの外力が作用しない状態（自由長）において、１．１５〜１．７０の範囲内にあることが、谷部２１と山部２２に作用する応力を可及的に均等化するのに有効であり、更に、上記Ｒ比率は１．２０〜１．５５の範囲内にあることがより望ましい。

上記ベローズ８を真空弁のロッド７の周囲に組み付ける場合には、弁部材６が弁座５に当接した位置にあるときのベローズ８の軸方向長さを、ベローズ８自体の自由長であるように設定し、そのため、該弁部材６が全開位置にあるときのベローズ８の軸方向長さが、ベローズ８の自由長から総変位量を差し引いた長さになり、該ベローズ８は、その自由長から総変位量だけ圧縮された状態になる。次に説明するＲ比率等についてのデータは、上記組み付けを行った場合のものである。
なお、上記弁部材６が弁座５に当接した位置にあるときのベローズ８が、該ベローズ８の自由長から弁部材６を弁座５に当接させるまで伸長させたものであり、該弁部材が全開位置にあるときのベローズが、該ベローズの自由長から総変位量だけ圧縮された状態にあるものとして設定することもできるが、これらについては更に具体的に後述する。

次に、上記Ｒ比率等について、上述した数値範囲に設定するのが有効であることを、実験やコンピュータ・シミュレーションにより確認した結果を、それらのデータに基づいて具体的に説明する。

まず、ベローズ供試体として、外径Ｄ_１が１２０．０φｍｍ、内径Ｄ_２が９４．５φｍｍ、山高さが１２．８ｍｍ、自由長Ｌが１６０ｍｍ、板厚０．２２ｍｍ、山数１９のものを用い、該ベローズ供試体の内側の雰囲気圧力を大気圧、外側圧力を真空とする条件下において、表１にモデル１〜１４として示すように、谷Ｒ及び山Ｒ、並びにそれらの曲率半径に基づいて、０．５４〜２．０８のＲ比率をもたせたものを用いることとし、それらについて以下に述べる応力等を求めている。

各供試体については、中心軸線方向に４０ｍｍの圧縮変位を与えた状態、及び該ベローズ供試体を自由長の状態に置いて内外の圧力差のみを作用させた状態における、上記谷部２１の中心側部位ａ及び外周側部位ｂと、山部２２の中心側部位ｃ及び外周側部位ｄとに作用する応力値（シミュレーション値）を求め、更に、各Ｒ比率の供試体について、上記圧縮変位を与えた場合と上記自由長の状態に置いた場合とにおけるａ〜ｄの各部位毎の応力、及びその変動幅、つまり、弁部材６が弁座５の開閉動作を行う間の上記各部位の応力振幅を求め、それらを表１に示している。なお、表中では、圧縮応力をマイナスで示している。

上記応力振幅は、弁部材６の開閉動作時におけるａ〜ｄの各部位における応力の変動幅を示すものであるが、この変動幅がいずれの部位においても大きくなることは、差が大きい応力が繰り返し作用して金属疲労の原因になるので好ましいことではなく、しかしながら、該変動幅が小さくても、応力値自体が一定の限度以上になることは許容できることではなく、そのため、上記応力の変動幅が比較的小さく、しかも、最大応力値自体が一定の上限値を超えないＲ比率を採用することが望ましい。

図４は、上記表１におけるａ〜ｄの各部位毎の応力振幅を、Ｒ比率との関連においてグラフ化したものである。同図においては、ａ〜ｄのいずれの部位における応力振幅もＲ比率が１．１５〜１．７０の範囲において比較的小さい値を示し、しかも、上記Ｒ比率の範囲の下限値においては、従来のベローズにおいて金属疲労による破損が生じているａの部位の応力振幅が、比較的破損が生じないｃの部位の応力振幅とほぼ同等になり、更に、上記ａの部位に次いで金属疲労が生じる可能性が高いｄの部位の応力振幅は十分に小さくなっているので、繰り返し応力による金属疲労を避けるという観点から、上記範囲の下限値は望ましいものと言える。

一方、上記Ｒ比率の範囲の上限値においては、上記ａ及びｄの部位における応力振幅がほぼ同じになり、しかも、両応力振幅自体の値も小さくなっていて、その上限値を超えるとｄの部位における応力振幅が増大するので、繰り返し応力による金属疲労を避けるという観点から上記上限値も望ましいものと言える。

また、上記Ｒ比率が１．１５〜１．７０の範囲における上記ａ〜ｄの各部位の最大応力について考察すると、表１におけるモデル７の例は、谷Ｒ及び山Ｒがいずれも２．０ｍｍという既知のベローズに相当するものであり、該モデル７における最も破損しやすいａの部位の最大応力値が５９９であり、これに対して、表１中のＲ比率が１．１５〜１．７０の範囲に属するモデル９〜１２の例では、いずれもａの部位の最大応力が上記モデル７の例よりも十分に低く、特に、Ｒ比率の下限値である１．１５の場合における最大応力が、モデル８とモデル９との間で比例的に変動すると仮定してそれを求めると、５７８になって、モデル７の例より十分に低く、更に、他のｂ〜ｄの部位についての最大応力は更に小さいものであり、結果的に上記Ｒ比率が１．１５〜１．７０の範囲内にあることが、谷部２１と山部２２に作用する応力を可及的に均等化するのに有効であると言える。

上述の図４を参照して更に望ましいＲ比率の範囲について考察すると、上記Ｒ比率の範囲の下限としては、破損の可能性が高いａの部位における応力振幅がｃの部位における応力振幅よりも小さくなり、結果的に、ａの部位が他の部位に比して最も大きい応力振幅を持たなくなるところのＲ比率である１．２０を採用し、また、Ｒ比率の上限としては、Ｒ比率が増大するに従って応力振幅が最も小さくなっていくｂの部位については度外視し、その他のａ，ｃ及びｄの部位における応力振幅が相互に近似した値になり、結果的に繰り返し応力による金属疲労の程度が均等化されるところの１．５５を採用し、それにより上記Ｒ比率の範囲を１．２０〜１．５５とするのがより望ましいといえる。

上述した真空弁用ベローズ８は、それを真空弁のロッド７の周囲に組み付ける場合に、弁部材６が弁座５に当接した位置にあるときのベローズ８の軸方向長さを、ベローズ８自体の自由長であるように設定している。このような状態でのベローズ８の組み付けは、真空弁に対する組み付けを非圧縮状態で行うことができる点で有利なものであるが、該弁部材６が弁座５に当接した位置にあるときのベローズ８を、該ベローズ８の自由長より大きいものとして設定する場合に比して、弁部材６が全開位置にあるときのベローズ８の圧縮変形量が大きくなり、それだけベローズ８に作用する最大応力が大きくなる点では不利である。しかしながら、上述したように、Ｒ比率を１．１５〜１．７０に設定するだけで従来例に比して作用する応力の変動幅を小さくし、しかも、最大応力値自体をも低下させることができる点で、ベローズ８の破損の防止に有効な手段であると言うことができる。

また、上述したように、弁部材６が弁座５に当接した位置にあるときのベローズ８の軸方向長さをベローズ８自体の自由長とするのではなく、上記弁部材６が弁座５に当接した位置にあるときのベローズ８が、該ベローズの自由長から弁部材６を弁座５に当接させるまで伸長させたものとし、該弁部材６が全開位置にあるときのベローズ８が、該ベローズの自由長から総変位量だけ圧縮された状態にあるものとすることができる。

この場合において、例えば、上記弁部材６が全開位置にあるときのベローズ８の軸方向長さが、該ベローズ８の最大変位長（弁部材６の最大ストローク）に対して７５％圧縮した長さであり、該弁部材６が弁座５に当接した位置にあるときのベローズ８が、ベローズ８の上記最大変位長に対して２５％伸長した長さである場合について、ここでは、該ベローズ８の圧縮側の「７５％」という数値を用い、圧縮比が７５％と表現することにする。
この表現によれば、表１及び図４を参照して説明した上述の例は、ベローズ８の圧縮比が１００％ということになる。

次に、表２及び表３と、それらに対応する図５及び図６を参照し、弁部材６が全開位置にあるときのベローズ８の軸方向長さを、該ベローズの変位長（弁部材６の最大ストローク）に対して７５％及び５０％に圧縮した長さに設定している圧縮比７５％及び５０％の場合について、有効なＲ比率等について説明する。

なお、表２及び表３におけるベローズ供試体としては、先に表１のデータに関連して説明したところと全く同じであるが、そのモデルは、表１にモデル１〜１４として示したものの一部に対応するものをサンプリングしたものであり、該表２及び表３には、各モデルについて、表１の場合と同様に、ａ〜ｄの各部位毎の応力、及び応力振幅を示している。表２及び表３は圧縮比７５％及び５０％の場合についてのデータであり、つまり、表１〜表３の場合、いずれも弁部材６の変位が４０ｍｍであり、弁部材６の全開時におけるベローズ８の変位をそれぞれ４０，３０，２０ｍｍとしているので、表１〜表３の場合の圧縮比は、それぞれ１００，７５，５０になっている。

図５及び図６は、表１及び図４を参照して説明した上述の圧縮比が１００％の場合と同様に、表２及び表３におけるａ〜ｄの各部位毎の応力振幅を、Ｒ比率との関連においてグラフ化したものである。これを図４と対比すると、ａ〜ｄの各部位における応力振幅の変動の傾向は、いずれの場合においても明らかに同じ傾向を示し、従って、ベローズ８の上記Ｒ比率は、圧縮比に拘わらず、１．１５〜１．７０の範囲内にあることが、谷部２１と山部２２に作用する応力を可及的に均等化するのに有効であると言うことができる。上記Ｒ比率が更に望ましくは１．２０〜１．５５の範囲にあることについても同様である。

また、表２及び表３のように、圧縮比を７５，５０とした場合、最大応力が表１の圧縮率１００の場合に比して小さくなることは、表１〜表３からも明らかであるが、圧縮比が１００，７５及び５０の場合の最大応力を、Ｒ比率の変化に対応させて併記した図７の内容からも明らかである。

なお、図７において注目すべきは、圧縮比が５０％の場合に、Ｒ比率が１．０〜５．０付近において最大応力が低い値を示しており、この範囲はベローズの破損防止に非常に有利な範囲と言うことができる。
また、上述した上述した圧縮比に関するデータを参照すると、上記弁部材６が弁座５に当接した位置にあるときのベローズ８の伸長長さを、該弁部材６が全開位置にあるときのベローズ８の圧縮長さと同等（圧縮比５０％）またはそれ以下（圧縮比５０％以上）にして、破損防止に有効なベローズを得ることができるのは明らかである。

１ ハウジング
２ 主流路
５ 弁座
６ 弁部材
７ ロッド
８ ベローズ
１０ 駆動部
２１ 谷部
２２ 山部

Claims (6)

1. ディスク形の弁部材により弁座が開閉される主流路とロッドを介して該弁部材を駆動する駆動部との間を、上記弁部材の周辺と上記主流路を形成するハウジングとの間において上記ロッドの回りを取り囲むように配設した成形ベローズにより区画するようにした真空弁における上記ベローズが、
   金属筒の軸線方向に、該金属筒の内周において内側に向く環状の谷部と、外周において外側に環状に膨出する山部との多数が連続して交互に形成されていて、ベローズ自体に上記ロッドからの外力が作用しない状態において、上記谷部の断面における曲率半径（谷Ｒという。）と、上記山部の断面における曲率半径（山Ｒという。）との比（谷Ｒ／山Ｒ）が、１．１５〜１．７０の範囲内にある、
   ことを特徴とする真空弁用ベローズ。
2. 上記谷Ｒと山Ｒとの比（谷Ｒ／山Ｒ）が、１．２０〜１．５５の範囲内にある、
   ことを特徴とする請求項１に記載の真空弁用ベローズ。
3. 上記弁部材が弁座に当接した位置にあるときのベローズの軸方向長さがベローズの自由長であり、該弁部材が全開位置にあるときのベローズが、該ベローズの自由長から総変位量だけ圧縮された状態にある、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の真空弁用ベローズ。
4. 上記弁部材が弁座に当接した位置にあるときのベローズが、該ベローズの自由長から弁部材を弁座に当接させるまで伸長させたものであり、該弁部材が全開位置にあるときのベローズが、該ベローズの自由長から総変位量だけ圧縮された状態にある、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の真空弁用ベローズ。
5. 上記弁部材が弁座に当接した位置にあるときのベローズの伸長長さを、該弁部材が全開位置にあるときのベローズの圧縮長さと同等またはそれ以下にした、
   ことを特徴とする請求項４に記載の真空弁用ベローズ。
6. 上記ベローズを構成する金属筒が、ステンレス製の金属薄板の深絞りにより形成されたものである、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の真空弁用ベローズ。

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