JP7328775B2 - ダイヤフラムバルブ - Google Patents

Description

本発明は、ダイヤフラムバルブに関し、特に半導体製造装置における自動又は手動の開閉弁として用いられるダイヤフラムバルブに関する。

一般的に、半導体製造装置におけるガス配管系統は、プロセスチャンバーに対するガス供給系及びガス排気系などから構成され、このような配管系統に用いられるバルブとしては、特に、パーティクルフリーやデッドスペースフリーといった特性要求から、摺動部が少なくデッドスペースが最小限であり、高いガス置換性とクリーン性を構造的に充足し易いダイヤフラムバルブ（特にダイレクトタッチ型）が採用される。

この種のバルブは種々提案されているが、例えば特許文献１～３に示されるバルブが存在する。特許文献１は、ダイレクトタッチ型であり、１次側流路の開口縁部にリング状の弁座シートが固着され、この弁座シートの上部にはダイヤフラムが狭着されており、弁閉時には、ダイヤフラムが上部から押圧されて湾曲することで弁座シートのシール面にダイレクトに着座する構造となっている。特許文献２は、吊り下げ型であり、ダイヤフラムは、外周縁部が弁室上部に狭着され、内径口側がシートホルダに狭着されて弁室内を密封しており、シートホルダにはシートが固着されてボンネットと共に弁室内で上下動可能に設けられ、弁室内で吊り下げ状となったシートがボンネット（ステム）の上下動に伴い弁座に着座する構造となっている。特許文献３も同文献２と同様に吊り下げ型の一例である。

特許文献１、２は、何れも、弁体が弁座に着座する面として形成される環状シール面は、略同一平面上に形成される線状又は面状であり、通常このような水平面上の環状シール面で弁閉する構造は、強い押圧力で弁閉できるので、流路の遮断性が重要な開閉弁において多用される。一方で、特許文献３では、円錐状の弁体シール面が環状の弁座シール面と線接触又は面接触で着座可能なダイヤフラムバルブである。このような、着座により形成される環状シール面が円錐面上に形成される構造は、とくに流量調整弁において用いられることが多い。

一方で、上記ダイヤフラムバルブには、使用に伴う反応生成物が接ガス部全体（特に、弁体や弁座）に発生し得る問題が不可避である。一般的にも、各種の半導体の製造装置のほか、液晶、太陽電池、光ファイバーなどを製造する際に用いられる特殊材料ガスには、ＳｉＨ_４（モノシラン）、Ｂ_２Ｈ_６（ジボラン）、ＰＨ_３（ホスフィン）、ＡｓＨ_３（アルシン）、ＣｌＦ_３（三弗化塩素）、ＳｉＦ_４（四弗化珪素）など、化学反応性に富んだ様々な材料ガスを流すため、配管内の流体が滞留し易いデッドスペースなどにガス成分が配管内に発生・堆積したり、配管内の圧力が高まることによりガスや水分が凝縮して付着・堆積したり、或は、温度が低い箇所にガスや水分の凝縮付着が生じたり、さらには、温度が高い箇所や凝縮付着した成分から分解・解離により副生成物が生じるなどにより、材料ガスを扱う配管内には種々の反応生成物が発生・堆積しやすい。

このような反応生成物が弁体と弁座との間に発生した場合は、弁閉の際に反応生成物が噛み込まれる形で介在してしまうことにより、弁体と弁座との密着性が失われ易くなるため、バルブ本来の遮断性が損われ易くなる。特に、半導体製造装置に用いられるダイヤフラムバルブでは、高精度な遮断性を確保するため、高精度な形状寸法により弁体と弁座とのシール面が設定されていることも多いため、たとえ反応生成物の発生量が僅かであっても、すなわちシール性能の毀損が僅かであっても、要求精度を失ってしまう場合も多い。

また、上記のようにして挟まった反応生成物が固化した場合は、弁閉によって噛み込まれた際に弁座が損傷してしまうこともあり、この場合は、たとえ噛み込み状態にある反応生成物を除去できたとしても、弁座の損傷によりバルブが使用できなくなることもある。このような問題も、バルブに要求される性能が高いほど生じやすいと言える。

さらに、近年、半導体製造プロセスに使用されるガスには、さらなる供給流量の増加と多様化が要求されている。このため、特に供給ガスの開閉弁として使用される上記のようなダイヤフラムバルブにも、流量の増加が必要となると共に、取り扱うガスの種類も複雑化している。よって、配管流路の大流量化に伴い、配管内にはさらにガスが滞留し易くなる場合が有ると共に、材料ガスの多品種化に伴い、反応生成物も、除去が困難な性質のものが生じやすい場合が有る。また、大流量化に伴う配管内の駆動圧力の高圧化によって、材料ガスがさらに凝縮付着し易くなる場合も有る。さらに、設備の大型化・複雑化に伴って、配管の温度管理も難しくなる場合も有るため、温度の偏りが生じやすくなることにより、反応生成物の発生量も増大する場合も有るといえる。

しかも、上記のようなダイヤフラムバルブでは、弁室内にガスが流れ込む１次側流路の開口位置の直近に弁体が常に面している構造なので、バルブを使用する間、弁体のシール面側は常にガスに曝され続けることになり、特に弁体のシール面には反応生成物が発生・堆積しやすいと言える。

特開２０１８－１６８９７０号公報 特開２０１３－１１３４１８号公報 実開昭６２－１９４２５１号公報

しかしながら、特許文献１～３を含め、従来のダイヤフラムバルブでは、上記のように弁体と弁座との間のシール面に反応生成物が存在することから生じる問題に対して、バルブそれ自体としては、何ら対応することができない。すなわち、従来技術では、上記のようにシール面に反応生成物が不均一に発生・堆積し、この生成物が弁閉時には噛み込まれる状態となり、バルブの遮断性が損なわれつつある中で使用を継続しても、この状態は、そのままでは回復することはなく、多くの場合では悪化する一方となる。そして、バルブの遮断性を回復しようとする場合は、必要な部品乃至バルブ自体を交換したり、少なくともバルブの使用を中断して別途の手段で生成付着物を除去するなど、所定のメンテナンス作業が不可避となる。

このようなメンテナンス作業は、製造製品の歩留まりを減少させると共に、コスト性を悪化させる。特に、近年は上述したような背景事情から、反応生成物の増大や高いシール性（遮断性）の確保などのため、メンテナンス作業の頻度や作業量も増大する場合もある。特に、シール面の反応生成物の除去という目的だけのために、ラインの運転を中断して部品又はバルブ本体を交換するような事態は、過度な効率の悪化を招くことになる。

したがって、上記のようなメンテナンス作業は、限りなく避けられるべきであり、そのためには、使用中のバルブにおいて、それ自体で弁体に対する反応生成物の発生を抑制ことができるようにする必要がある。ただし、これと併せて、特殊な素材や部品形状など、過度なコストアップを招きやすい特殊な構造・手段も極力避け、なるべく簡易な構成で対応することも必要である。そして、このような課題を解決する従来技術の提案はない。

そこで、本発明は上記問題点を解決するために開発されたものであり、その目的とするところは、反応生成物の弁体シール部への発生・堆積を効果的に防いで弁閉時の噛み込みを抑制し、もって多数の開閉や長期間の使用を経てもバルブの遮断性を良好に維持できるダイヤフラムバルブを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、弁箱内に円錐形状のシート体を保持したシートホルダとダイヤフラムピースを結合し、ダイヤフラムの内径口外周縁をシートホルダとダイヤフラムピースで狭着させ、ダイヤフラムピースをボンネットで上下動可能に保持し、ボンネットとダイヤフラムの外周縁を狭着してシート体をダイヤフラムに吊り下げ構造とすると共に、シート体の円錐面に形成した円錐シール部と、弁箱の一次側開口縁に形成した削ぎ落し弁座部とを有し、可撓性のシート体の円錐面の上部に水平シート部を形成し、剛性の削ぎ落し弁座部の外周平面に水平弁座部を形成し、水平シート部又は水平弁座部に環状突起部を形成し、環状突起部が水平シート部又は水平弁座部に着座する着座点までのストローク距離と円錐シール部が削ぎ落し弁座部に着座する着座点までのストローク距離とをほぼ同じにし、さらに、環状突起部が水平シート部又は水平弁座部に着座する着座点からシールするシール点までのストロークの距離と、円錐シール部が削ぎ落し弁座部に着座する着座点からシールするまでのストローク距離とをほぼ同じにすることによって、円錐シール部に生成された反応生成物を前記シート体の摺動運動により削ぎ落しつつ円錐シール部を削ぎ落し弁座部でシールするようにしたダイヤフラムバルブである。

請求項２に係る発明は、円錐シール部の円錐面長さは、円錐シール部が削ぎ落し弁座部に着座した時点から摺動してシールするまでの距離であるダイヤフラムバルブである。

請求項３に係る発明は、削ぎ落し弁座部は、Ｒ面取り又はＣ面取りであるダイヤフラムバルブである。

請求項４に係る発明は、ダイヤフラムピースは、自動又は手動で上下動可能に設けたダイヤフラムバルブである。

請求項１に記載の発明によると、シート体の円錐面に形成した円錐シール部と、弁箱の一次側開口縁に形成した削ぎ落し弁座部とを有し、円錐シール部に生成された反応生成物をシート体の摺動運動により削ぎ落しつつ円錐シール部を削ぎ落し弁座部でシールするようにしたから、バルブの使用に伴うシート体の摺動運動を利用するだけで、円錐シール部に発生して堆積し得る反応生成物を、効果的に取り除くことができる。このため、シール部はバルブの開閉の度に削ぎ落し弁座部との摺動により掃かれることにより、反応生成物の発生・堆積が抑制されたクリーンな状態を長期間に亘って維持できる。よって、従来は、メンテナンスしない限り、シール部に発生・堆積、或は付着する一方であった反応生成物を、バルブの使用動作に伴って効果的に回避することができるので、長期間の使用を経ても、バルブ本来のシール性（遮断性）が損なわれることがなく、もって、開閉弁としての機能を有効に発揮することができる。

請求項２に記載の発明によると、円錐シール部の円錐面長さは、円錐シール部が削ぎ落し弁座部に着座した時点から摺動してシールするまでの距離であるから、削ぎ落し弁座部との摺動によって円錐シール部が削ぎ落される摺動幅（掃き出し幅）によって、反応生成物の掃き出し効果を有効に確保することができる。

請求項１に記載の発明によると、シート体の円錐面の上部に水平シート部を形成し、円錐シール部が削ぎ落し弁座部に着座する時とほぼ同時に水平シート部が削ぎ落し弁座部の外周平面に形成した水平弁座部に着座するようにしたから、削ぎ落し弁座部と水平弁座部との２つの弁座部による２重シール効果によりシール性（遮断性）が確実なものとなる。
また、後述するように、シート体に傾きが生じても、弁座に対して軸心を揃えて着座することができるので、バルブの遮断性が損なわれることがない。

請求項１に係る発明によると、水平シート部又は水平弁座部に環状突起部を形成したから、突起部による着座構造とすることができるので、少ない弁閉力で水平シート部と水平弁座部との間のシール性をさらに確実なものとすることができる。

請求項１に係る発明によると、環状突起部が水平シート部又は水平弁座部に着座してシールするまでのストローク距離と円錐シール部が削ぎ落し弁座部に着座してシールするまでのストローク距離とをほぼ同じにしたから、単一のバルブストロークだけによって、２つの弁座部による良好な２重シール効果を確保できる。

請求項３に係る発明によると、削ぎ落し弁座部は、Ｒ面取り又はＣ面取りであるから、簡易なエッジ処理を行うだけで、効果的な削ぎ落し（掃き出し）構造を確保できる。

請求項４に係る発明によると、ダイヤフラムピースは、自動又は手動で上下動可能に設けたから、手動又は自動の何れのタイプであっても本発明のバルブを使用可能となる。

本例のダイヤフラムバルブ（第２シート体）の縦断面図である。 本例のダイヤフラムバルブ（第１シート体）の全開状態を示した要部拡大断面図である。 本例のダイヤフラムバルブ（第１シート体）の全閉状態をさらに拡大した要部拡大断面図である。 本例のダイヤフラムバルブ（第１シート体）の全開状態の要部を拡大した斜視断面図である。 本例のダイヤフラムバルブ（第２シート体）の全開状態を示した要部拡大断面図である。 本例のダイヤフラムバルブ（第２シート体）の全閉状態をさらに拡大した要部拡大断面図である。 本例のダイヤフラムバルブ（第２シート体）の全開状態の要部を拡大した斜視断面図である。 本例のダイヤフラムバルブ（第３シート体）の全開状態の要部を拡大した斜視断面図である。

以下、本発明の一実施形態（本例）の構造を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本例のダイヤフラムバルブの全開状態を示した縦断面図であり、先ず、バルブの全体構造を説明する。なお、後述のように、同図のバルブは第２シート体３０を用いている。

図１において、ボデー３（弁箱）は、一体的な金属製部材から成り、１次側流路１と２次側流路２とが直線状に穿設されており、この１次側流路１は、弁箱内に設けられた弁室２５に向けて一次側開口縁を介して連通しており、この弁室２５には２次側流路２が開口している。弁室２５の上部には、筒状部８が設けられ、この筒状部８の外周面にはオネジ部８ａが設けられている。

図１において、アクチュエータ本体４は、ベース体５を介してボデー３上部に設けられており、ベース体５下部内周には、オネジ部８ａと螺合可能なメネジ部５ａが設けられている。また、ベース体５上部外周には、オネジ５ｂが設けられ、カバー体６下部内周のメネジ６ａと、Ｏリング１７を介して螺合可能となっている。

図１において、ボンネット７は、肉厚状の略円筒状に形成され、このボンネット７の外周面は、筒状部８の内周面に嵌合している。このように嵌合させた状態で、バルブの組み立ての際には、メネジ部５ａにオネジ部８ａを締め付けると、後述のように、ボンネット７の下部外周が環状突設部９に締め付けられることで、ダイヤフラム２２の外周縁を狭着可能となっている。

図１において、ピストン１０は、カバー体６の内部に設けられ、このカバー体６とフランジ部１０ｃとの間に弾発状態で介在するスプリング１２により、ピストン１０は、同図の下方側に付勢されている。ピストン１０の下部には、ステム部１０ａが突設形成され、このステム部１０ａは、ベース体５の中央位置に設けられた穴部に、Ｏリング１４を介して上下動可能に嵌合している。フランジ部１０ｃは、外周にＯリング１５が設けられ、カバー体６の内周面に上下動可能に嵌合している。ピストン１０の上部にも、ステム部１０ｄが突設形成され、このステム部１０ｄは、カバー体６の中央位置に設けられた穴部に、Ｏリング１６を介して上下動可能に嵌合している。また、穴部に続いて雌ネジ１１が設けられ、図示しないエア源とエアを給排する接続部となっている。

アクチュエータ本体４は、エアオペレイト式であり、後述するように、ピストン１０の軸心と同心状にエア流路１０ｂが設けられ、このエア流路１０ｂは、図１に示すように、ベース体５の上面側とフランジ部１０ｃの下面側との間に確保されているエア室１３に、連通している。よって、図示しないエア源からエア室１３にエアを適宜給排可能となっており、Ｏリング１４～１７は、何れもこのエアをシールしている。

なお、本発明のバルブの駆動源としては、特に制限なく実施に応じて適宜選択できる。すなわち、図示していないが、エア圧で駆動する他の構造のアクチュエータを用いてもよく、また、エア圧以外の駆動源（電動式など）で駆動するタイプのアクチュエータを用いてもよく、さらには、アクチュエータによる自動制御ではなく、手動によりバルブを開閉する（手動によりダイヤフラムピース１８を上下動させる）ようにしてもよい。

また、本例のバルブは、例えば半導体製造装置における特殊ガスの配管途中に設ける開閉弁として好適であるが、このような使用に限らず、バルブ内（弁体と弁座）に、バルブの使用に伴って暫時所定の生成物が生じ得る使用環境に用いることが好適である。

続いて、本例のバルブの弁箱内部構造を拡大図を用いて説明する。なお、図１～８において、シート体（水平弁座部）以外の部分のバルブ構造は、実質的に同一であるので、同一部分には同一符号を用いている。また、図２、５は、図１に示したＡ部に対応した部分拡大断面図となっている。

図２、３、５、６において、ダイヤフラムピース１８は、略円柱状に一体形成されており、ダイヤフラムピース１８の外周面は、ボンネット７の内周面に上下動可能に嵌合している。この嵌合には、所定の隙間があってもよい。このダイヤフラムピース１８と同心状に、結合部１９ａを介して、シート体を保持するシートホルダ１９が、弁室２５内に吊り下げ状に結合されている。本例の結合部１９ａは、螺着により結合しているが、この結合構造も、実施に応じて任意に選択できる。

シートホルダ１９は、下面側には、シート体を保持可能な保持部１９ｂを有し、上側には、ダイヤフラムピース１８と一体的に上下動しながら結合可能な結合部１９ａを有している。シートホルダ１９は、少なくとも保持部１９ｂや結合部１９ａが、このように構成されていれば、実施に応じて任意に設けることができる。

ダイヤフラム２２は、ステンレスやコバルト合金などから成る金属製で、略円形椀状であり、中心位置にはシートホルダ１９の結合部１９ａに同心状に挿通できる穴部が開口しており、外力で変形されても、自然形状に所定の力で自己復帰可能な可撓性を有し、本例では、複数枚が積層されて弁室２５内を密封している。ダイヤフラム２２の内径口外周縁は、シートホルダ１９の結合部１９ａの頸部位置に環状に形成された突起部１９ｃと、ダイヤフラムピース１８下面側との間に、狭着保持されている。本例では、結合部１９ａの螺着を締め付けてシートホルダ１９をダイヤフラムピース１８に結合させることにより狭着できるようになっている。

ダイヤフラム２２の外周縁は、ボンネット７の下面外周縁部と、弁室２５内の外周上部（筒状部８の内周底部）の位置に環状に突設された環状突設部９との間に、狭着保持されている。本例では、メネジ部５ａ（ベース体５）をオネジ部８ａ（ボデー３）に締め付けるに伴って、ボンネット７の下面外周縁部が環状突設部９に押し付けられるので、これらの間にダイヤフラム２２外周縁を挟み込むことにより、ダイヤフラム２２を弁室２５内に固定している。

シート体は、本例では、図２～４に示した第１シート体２０と、図１と図５～７に示した第２シート体３０と、図８にのみ示した第３シート体４０との、３つを例示しているが、本発明のシート体の構成は、これらに限定されず、実施に応じて適宜選択可能である。また、シート体の素材は、樹脂製（ＰＣＴＦＥ、ＰＦＡ、ＰＴＦＥなど）など、所定の可撓性を有する素材から一体的に形成される。

図２～４において、第１シート体２０は、テーパ状に下垂した円錐面を有し、この円錐面の一部には、環状の円錐シール部２１が形成される。図４に示すように、円錐シール部２１が削ぎ落し弁座部５０に着座してシールするまでのストローク距離をＬ_１とし、このストローク方向（同図上下方向）に沿った円錐シール部２１の円錐面長さをＳとし、円錐シール部２１の円錐面に沿った幅をＨ（不図示）とし、円錐面のストローク方向に対するテーパ角度をθ（不図示）としたとき、Ｈ＝Ｓ／ｃｏｓθの関係となる。

また、同図の第１シート体２０において、円錐シール部２１の領域は、同図に示す着座点Ｐ_１からシール点Ｐ_２までの幅の領域となる。ここで、後述するように、着座点Ｐ_１は、円錐シール部２１が削ぎ落し弁座部５０に着座する位置であり、シール点Ｐ_２は、着座点Ｐ_１から摺動する第１シート体２０が停止してシールする位置である。

図１、５～７において、第２シート体３０は、第１シート体２０と同様に、ストローク距離Ｌ_１、着座点Ｐ_１からシール点Ｐ_２までの領域となる円錐シール部３１、円錐面長さＳと幅Ｈ、テーパ角度θを有しており、さらに、円錐面の上部には、ストローク方向と交差する方向に水平シート部３３が設けられ、この水平シート部３３の一部には、所定の径で環状突起部３２が形成されている。また、削ぎ落し弁座部５０の外周側の平面領域には、環状突起部３２が対向して着座可能な水平弁座部３４がフラット面として形成されている。

また、同図の第２シート体３０において、環状突起部３２が水平弁座部３４に着座してシールするまでのストローク距離をＬ_２１とし、この着座の際に、後述するように環状突起部３２が圧縮される変形代（ストローク方向）をＣとしている。

図８において、第３シート体４０では、水平シート部４３ではなく、水平弁座部４４に環状突起部４２を所定の径で形成しており、水平シート部４３はフラット面として形成されているが、その他の構造は第２シート体３０と同様である。すなわち、第２シート体３０と同様に、ストローク距離Ｌ_１と、着座点Ｐ_１からシール点Ｐ_２までの領域となる円錐シール部４１、円錐面長さＳと幅Ｈ、テーパ角度θを有し、また、ストローク距離Ｌ_２２は、第２シート体３０のストローク距離Ｌ_２１と異なり、環状突起部４２が水平シート部４３に着座してシールするまでのストローク距離であり、さらに、環状突起部４２は、弁室２５内に形成された剛性部材であり、これと対向して着座する水平シート部４３は可撓性部材であるから、着座の際には、後述のように環状突起部４２が水平シート部４３を変形させて食い込む変形代をＤとしている。

なお、図示していないが、環状突起部３２、４２を設けずに、水平シート部３３、４３が水平弁座部３４、４４に着座してシールするようにしてもよい。この場合は、フラット面同士で着座することになる。さらに、水平シート部や水平弁座部に設けるシール構造としては、環状突起部３２、４２に限らず、必要シール性能などに応じて、適宜の構造を選択できる。

図１～８において、削ぎ落し弁座部５０は、後述の削ぎ落し作用を得ることができれば、実施に応じて任意の構造を採用することができるが、本例では、金属製の弁箱の一部として一体的に設けられており、具体的には、弁箱の一次側開口縁のエッジ部に対して、Ｒ面取り加工を施すことにより設けている。このＲ面取りによる曲面加工も、実施に応じて任意に選択できる。また、図示していないが、エッジ部に対して、Ｃ面取りにより削ぎ落し弁座部５０を設けてもよい。後述のように、Ｒ面取りした本例では、シート体の円錐面との接触は略線接触となる一方で、Ｃ面取りのテーパ角度が円錐面のテーパ角度θと略同一の場合は、略面接触となる。さらに、削ぎ落し弁座部５０は、弁箱と一体に設ける場合に限られず、一次側開口縁部位に、弁箱とは別体の弁座部材として取り付けてもよい。

続いて、本例のバルブの作用を説明する。図２は、第１シート体２０の全開状態を示した部分拡大断面図であり、図４は、図２の要部拡大斜視断面図である。この全開状態において、先ず、第１シート体２０が、図３に示した全閉状態となるまでの作用を説明する。

図４において、第１シート体２０が下降し、第１シート体２０の円錐面の着座点Ｐ_１が、Ｒ面取りされた削ぎ落し弁座部５０の曲面と接触すると、この着座点Ｐ_１から円錐シール部２１と削ぎ落し弁座部５０との摺動が開始し、この摺動は、第１シート体２０の円錐面のシール点Ｐ_２まで継続し、このシール点Ｐ_２で第１シート体２０の下降が停止し、第１シート体２０による削ぎ落し弁座部のシールが完了し、図３に示したバルブの全閉状態となる。このように、バルブを閉じる際には、シート体の円錐シール部と削ぎ落し弁座部との間に摺動が発生するから、円錐シール部はバルブを閉じる度に摺動により表面が掃われる（削ぎ落される）ことになる。

一方で、本例のバルブを、半導体製造装置などに用いた場合、化学反応性に富んだガスを常に流すことから、弁体（シート体）表面には、所定の反応生成物が発生し得る状態に置かれている。ガスの性質や使用環境などにもよるが、多くの場合は、シート体の表面には、反応生成物が徐々に発生して膜状或は層状に堆積していく傾向があり、このようにして発生する反応生成物が、バルブを閉じる際には噛み込まれる形で物理的に介在することにより、弁体（シート体）と弁座（削ぎ落し弁座部）との形状適合性が損なわれ、よって、バルブの遮断性が毀損されるおそれがある。特に、このようにして生じた反応生成物が固い物質の場合、この反応生成物が弁体と弁座との間に噛み込んだ状態でバルブを閉じてしまうと、バルブの遮断性が失われるばかりか、弁体又は弁座を損傷することもあるため、バルブの使用が不可能となり、よって、所定のメンテナンス作業が必要となる。

これに対して、本発明のバルブのシート体には、上記のように、弁体が弁座をシールするために必要な領域（円錐シール部）が、弁座（削ぎ落し弁座部）と、摺動することにより削ぎ落し効果が得られるから、弁体表面に反応生成物が発生・堆積しつつあっても、これを効果的に回避することができる。

ここで、「削ぎ落し」とは、表面（円錐シール部）に発生・付着している物質（反応生成物）を、表面に物体（削ぎ落し弁座部）との摩擦・摺動を生じることにより回避する作用を意味し、必ずしも表面物質を擦り落としていくような作用に限らず、例えば、表面に薄膜状に形成されている物質を、摺動の度にワイパーのように掃き寄せることで、表面への物質の発生・堆積を回避するような作用も含む。

さらに、シート体の円錐面が削ぎ落し弁座部と摺動する際には、円錐シール部が削ぎ落し弁座部に対し、所定幅の摺動により、押し込まれるようにして着座する構造となっているから、テーパ面による調芯効果も得られる。すなわち、通常、シートホルダを介して環状の削ぎ落とし弁座部に向けて円錐面が押し込まれると、シート体の姿勢は、シート体の軸心方向が弁座部の軸心方向に一致する姿勢で最も安定した状態となる。この調芯効果は、上記の円錐シール部表面の削ぎ落し作用に必要な摺動力を高めると共に、円錐シール部と削ぎ落し弁座部との間のシール力も高めるため、より効果的である。

図４に示した全開状態から、図３に示した全閉状態までの間は、第１シート体２０はストローク距離Ｌ_１分だけ下降し、削ぎ落し弁座部５０は、上記のように削ぎ落し効果を発揮しつつ、円錐シール部２１の幅Ｈの距離を摺動するが、この幅Ｈは、ストローク距離Ｌ_１に対して円錐面の全周に亘って少なくとも５％以上確保されていれば、十分な削ぎ落し効果が得られるため好適である。

なお、本例のバルブが全開状態から全閉状態となるまでは、アクチュエータ本体４で駆動される。図１に示すように、全開状態においては、エア室１３内に、エア流路１０ｂを通って、図示していないエア源から圧縮エアが供給されており、このエア圧によってピストン１０は、下方向へ付勢しているスプリング１２の弾発力に勝って、同図に示す上死点位置まで上昇して係止している。このため、ステム部１０ａの下端とダイヤフラムピース１８との間には、ダイヤフラムピース１８が上昇できるスペースが生じる。一方、ダイヤフラム２２は、自己復帰力で、同図に示す上向き凸状に緩やかに湾曲した自然形状まで形状復帰できるので、この復帰力でシートホルダ１９とダイヤフラムピース１８とを中央位置で保持したまま一体的に持ち上げて上昇させることができる。この上昇により、シート体も上死点まで上昇して同図に示す全開状態となっている。

逆に、全開状態から全閉状態までの駆動も、アクチュエータ本体４で制御される。全開状態では、エア室１３内に圧縮されている圧縮エアをエア流路１０ｂを介して外部に開放すると、スプリング１２の弾発力でピストン１０のステム部１０ａの下端が下降してダイヤフラムピース１８の上面を押し下げ、これに伴って一体的にシート体も押し下げられることで着座する。このようなバルブの開閉駆動は、シート体に依らず本例のバルブに共通である。

次いで、図５に示した全開状態の第２シート体３０が、図６に示した全閉状態となるまでを説明する。図５は、第２シート体３０の全開状態を、図６は、第２シート体３０の全閉状態を、それぞれ示した部分拡大断面図であり、図７は、図５の要部拡大斜視断面図である。

第２シート体３０においても、第１シート体２０と同様の効果が得られる。図７において、第２シート体３０が下降して、円錐面の着座点Ｐ_１と削ぎ落し弁座部５０の曲面とが接触すると、上記第１シート体２０の場合と同様に、着座点Ｐ_１からシール点Ｐ_２まで、削ぎ落し弁座部５０と円錐シール部３１との間に、削ぎ落し効果を発揮する摺動が発生する。調心効果が得られる点も同様である。

第２シート体３０においては、さらに、２重シール効果が得られる。図示していないが、第２シート体３０では、円錐シール部３１（着座点Ｐ_１）が削ぎ落し弁座部５０に着座する時とほぼ同時に、水平シート部３３が、水平弁座部３４に着座するようにしている。ただし、この場合は、環状突起部３２を設けることなく、水平シート部３３と水平弁座部３４のみから成る場合（上記フラット面同士の着座）である。

第２シート体３０においては、さらに、環状突起部３２が水平弁座部３４に着座してシールするまでのストローク距離Ｌ_２１と、円錐シール部３１が削ぎ落し弁座部５０に着座してシールするまでのストローク距離Ｌ_１とを、ほぼ同じにしている。図７は、この関係を示しており、Ｌ_１≒Ｌ_２１となるように設定される。この場合、円錐シール部３１の着座点Ｐ_１が削ぎ落し弁座部５０に当接するとほぼ同時に、環状突起部３２の先端部が水平弁座部３４と当接することになる。

そして、上記のように、円錐シール部３１には着座点Ｐ_１からシール点Ｐ_２まで摺動が発生して削ぎ落し効果を発揮するが、この間は、第２シート体３０の全体が一体で下降するから、可撓性のある環状突起部３２側が、剛性のある水平弁座部に当接している先端から徐々に潰されるようにして変形することになる。図７には、このように変形する際の環状突起部３２の変形代Ｃを示しているが、この変形代Ｃは、円錐面長さＳにほぼ等しい（Ｃ≒Ｓ）。このようにして、円錐シール部３１におけるシール（着座）と、環状突起部３２におけるシール（着座）とで、２重シール効果が得られる。

また、ストローク距離Ｌ_１、Ｌ_２１の平均をＬ＝（Ｌ_１＋Ｌ_２１）／２とすると、第２シート体３０においては、円錐シール部３１の幅Ｈは、このストローク距離の平均Ｌに対して円錐面の全周に亘って少なくとも５％以上確保されていれば、十分な削ぎ落し効果と２重シール効果が得られるため好適である。

最後に、図８に示した全開状態の第３シート体４０が、図示していない全閉状態となるまでを説明する。図８は、全開状態にある第３シート体４０の要部拡大斜視断面図である。

第３シート体４０においても、第１シート体２０や第２シート体３０と同様の効果が得られる。図８において、第３シート体４０が下降して、円錐面の着座点Ｐ_１と削ぎ落し弁座部５０の曲面とが接触すると、上記場合と同様に、着座点Ｐ_１からシール点Ｐ_２まで、削ぎ落し弁座部５０と円錐シール部４１との間に、削ぎ落し効果を発揮する摺動が発生する。調心効果が得られる点も同様である。

第３シート体４０においても、２重シール効果が得られる。図示していないが、第３シート体４０では、円錐シール部４１（着座点Ｐ_１）が削ぎ落し弁座部５０に着座する時とほぼ同時に、水平シート部４３が、水平弁座部４４に着座するようにしている。ただし、この場合は、環状突起部４２を設けることなく、水平シート部４３と水平弁座部４４のみから成る場合（上記フラット面同士の着座）である。

第３シート体４０においても、第２シート体３０と同様に、水平シート部４３が環状突起部４２に着座してシールするまでのストローク距離Ｌ_２２と、円錐シール部４１が削ぎ落し弁座部５０に着座してシールするまでのストローク距離Ｌ_１とを、ほぼ同じにしている。図８は、この関係を示しており、Ｌ_１≒Ｌ_２２となるように設定される。この場合、円錐シール部４１の着座点Ｐ_１が削ぎ落し弁座部５０に当接するとほぼ同時に、環状突起部４２の先端部が水平シート部４３と当接することになる。

そして、上記のように、円錐シール部４１には着座点Ｐ_１からシール点Ｐ_２まで摺動が発生して削ぎ落し効果を発揮するが、この間は、第３シート体４０の全体が一体で下降するから、可撓性のある水平シート部４３に向けて、剛性のある環状突起部４２の先端部が、徐々に食い込むようにして侵入して水平シート部４３を変形させていくことになる。図８には、このように変形する際の環状突起部４２の変形代Ｄを示しているが、この変形代Ｄは、円錐面長さＳにほぼ等しい（Ｄ≒Ｓ）。このようにして、円錐シール部３１におけるシール（着座）と、水平シート部４３におけるシール（着座）とで、２重シール効果が得られる。

また、ストローク距離Ｌ_１、Ｌ_２２の平均をＬ＝（Ｌ_１＋Ｌ_２２）／２とすると、第３シート体４０においては、円錐シール部４１の幅Ｈは、このストローク距離の平均Ｌに対して円錐面の全周に亘って少なくとも５％以上確保されていれば、十分な削ぎ落し効果と２重シール効果が得られるため好適である。

なお、上記Ｌ_１、Ｌ_２１、Ｌ_２２、Ｈ、Ｓ、θ、Ｃ、Ｄや、円錐シール部と削ぎ落し弁座部との間の摺動力は、シート体や削ぎ落し弁座部の素材、シート体のテーパ角度、或は、ストローク距離や弁体の弁閉力（アクチュエータ推力）などによるが、これらは、実施に応じて適宜調整することができる。

さらに、本例のシート体は、何れも吊り下げ構造を採っているため、上下動するダイヤフラムピース１８とボンネット７との間に大きなガタツキが生じている場合、円錐シール部は、削ぎ落し弁座部５０に対して高精度に調芯が取れない場合があり、この場合はシート体が削ぎ落し弁座部５０に対して傾いた状態で着座することになり、バルブの遮断性が損なわれるおそれがある。

しかしながら、上記のように、第２シート体３０や第３シート体４０においては、少なくとも水平シート部と水平弁座部とが着座する構造であり、この着座により全閉状態となるので、第２シート体３０の場合は環状突起部３２と水平弁座部３４とが、第３シート体４０の場合は水平シート部４３と環状突起部４２とが、互いに高精度にシート体の軸心に対して垂直な面上で着座するように寸法設計されていれば、バルブを閉じた際には、上記のようなガタツキによるシート体の傾きが補正され、シート体は削ぎ落し弁座部５０に対して傾きが無い状態で着座できる。よって、上記のような傾きが発生しても、バルブの遮断性が損なわれるおそれがない。

更に、本発明は、前記実施の形態の記載に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲に記載されている発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。

３ ボデー（弁箱）
７ ボンネット
１８ ダイヤフラムピース
１９ シートホルダ
２０ 第１シート体
２１ 円錐シール部
２２ ダイヤフラム
３０ 第２シート体
３１ 円錐シール部
３２ 環状突起部
３３ 水平シート部
３４ 水平弁座部
４０ 第３シート体
４１ 円錐シール部
４２ 環状突起部
４３ 水平シート部
４４ 水平弁座部
５０ 削ぎ落し弁座部
Ｓ 円錐面長さ
Ｌ_１ 円錐シール部と削ぎ落し弁座部との間のストローク距離
Ｌ_２１ 環状突起部と水平弁座部との間のストローク距離
Ｌ_２２ 環状突起部と水平シート部との間のストローク距離

Claims (4)

1. 弁箱内に円錐形状のシート体を保持したシートホルダとダイヤフラムピースを結合し、ダイヤフラムの内径口外周縁を前記シートホルダと前記ダイヤフラムピースで狭着させ、前記ダイヤフラムピースをボンネットで上下動可能に保持し、前記ボンネットと前記ダイヤフラムの外周縁を狭着して前記シート体を前記ダイヤフラムに吊り下げ構造とすると共に、前記シート体の円錐面に形成した円錐シール部と、前記弁箱の一次側開口縁に形成した削ぎ落し弁座部とを有し、
   可撓性の前記シート体の円錐面の上部に水平シート部を形成し、剛性の前記削ぎ落し弁座部の外周平面に水平弁座部を形成し、
   前記水平シート部又は前記水平弁座部に環状突起部を形成し、
   前記環状突起部が前記水平シート部又は前記水平弁座部に着座する着座点までのストローク距離と前記円錐シール部が前記削ぎ落し弁座部に着座する着座点までのストローク距離とをほぼ同じにし、
   さらに、前記環状突起部が前記水平シート部又は前記水平弁座部に着座する着座点からシールするシール点までのストロークの距離と、前記円錐シール部が前記削ぎ落し弁座部に着座する着座点からシールするまでのストローク距離とをほぼ同じにすることによって、
   前記円錐シール部に生成された反応生成物を前記シート体の摺動運動により削ぎ落しつつ前記円錐シール部を前記削ぎ落し弁座部でシールするようにしたことを特徴とするダイヤフラムバルブ。
2. 前記円錐シール部の円錐面長さは、当該円錐シール部が前記削ぎ落し弁座部に着座した時点から摺動してシールするまでの距離である請求項１に記載のダイヤフラムバルブ。
3. 前記削ぎ落し弁座部は、Ｒ面取り又はＣ面取りである請求項１又は２に記載のダイヤフラムバルブ。
4. 前記ダイヤフラムピースは、自動又は手動で上下動可能に設けた請求項１乃至３の何れか１項に記載のダイヤフラムバルブ。

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