(57)【要約】【課題】シール性や耐久性に優れたボールバルブを提供する。【解決手段】本発明のボールバルブ１は、流路孔１４を有し、回転可能に支持されたボール１３と、ボール１３の外周面に当接するポリイミド製のボールパッキン２３と、ボールパッキン２３を保持するボールリテーナ２４と、ボールパッキン２３とボールリテーナ２４の間に設けられ、樹脂製のシールケースの内側に金属製のスプリングが嵌め込まれたスプリング荷重式のリップシール２７を備えて構成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路孔を有し、回転可能に支持されたボールと、
前記ボールの外周面に当接するポリイミド製のボールパッキンと、
前記ボールパッキンを保持するボールリテーナと、
前記ボールパッキンと前記ボールリテーナの間に設けられ、樹脂製のシールケースの内側に金属製のスプリングが嵌め込まれたスプリング荷重式のリップシールを備えたことを特徴とするボールバルブ。
【請求項２】
前記リップシールの外周面に極細Ｏリングが設けられている、請求項１に記載のボールバルブ。
【請求項３】
前記リップシールの前記ボールリテーナ側の側面に金属製の別のスプリングが設けられている、請求項１に記載のボールバルブ。
【請求項４】
前記リップシールに当接する前記ボールリテーナにテーパー面が設けられている、請求項１に記載のボールバルブ。
【請求項５】
前記ボールバルブが２方弁のバルブであって、前記ボールの流路孔に連通する貫通孔と、前記ボールパッキンの流出通路側に前記ボールの流路孔に溜まった流体を前記貫通孔から前記流出通路へと排出する排出孔が設けられている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のボールバルブ。
【請求項６】
前記ボールバルブが電動式のバルブであって、前記ボールのシャフトとアクチュエータとの間にジルコニア製の遮熱延長シャフトが設けられている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のボールバルブ。
【請求項７】
前記ボールのシャフトの外周に、シャフトをシールするＶパッキンと、Ｖパッキンを加圧する複数枚の皿ばねを互い違いに重ね合わせた直列ばねが設けられている、請求項６に記載のボールバルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボールの回転により弁開度を調節して流体の流量を制御するボールバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のボールバルブにおいて、ボールをシールするシート（ボールパッキンともいう）の材質として、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）が知られている。フッ素樹脂は潤滑性があり、シール性も良く、耐熱性や耐薬品性にも優れているため、シートの材質として一般的に使用されている。ただし、フッ素樹脂は反発力に乏しく、一度潰れると潰れたままの形状を維持してしまう特性があるため、潰れたままのフッ素樹脂製シートで止水しても内部で液漏れしてしまうという欠点がある。
【０００３】
このフッ素樹脂製シートの欠点を解消するために、特許文献１のような改質フッ素樹脂を使用したシートもある。しかし、このシートによると、フッ素樹脂製シートに比べ、永久変形や圧縮クリープ特性が改善されて多少の耐久性向上にはなるものの、根本的な解決には至っていない。
【０００４】
また、フッ素樹脂製シートの欠点を解消するために、特許文献２、３、４のように、シートにゴム製のＯリングを併用した例もある。これらの例は、Ｏリングでシートに常にテンションを加えることで、シートのシール性を長期間維持しようとするものである。しかし、これらのシートについても以下のような問題点がある。
【０００５】
（１）ゴム製のＯリングも永久変形するため、半永久的に使用できるわけではない。
（２）温度が−５０℃以下の流体では、ゴム自体が弾性を失い、シールできなくなる。
（３）高温または低温では、永久変形が激しくなり、長期間使用することができない。また、Ｏリングの材質であるゴム（特に、シリコンやＥＰＤＭ）は熱膨張が大きく、熱膨張が大きいと高温では極端に反発力が増加し、逆に低温では極端に反発力が低下するため、長期間の使用に適していない。
（４）フッ素系液体を使用する場合、フッ素ゴムは極端に膨潤してしまい使用できない。
（５）シートにＯリングを併用する理由は、シートにテンションを加える機能と内部リークを防ぐ機能を持たせるためであるが、この二つの機能を同時に行っているため、悪条件（温度や流体の種類）での使用に耐えられず、長期間の使用に適していない。例えば、半導体製造装置の温度調節に使用されるフッ素系液体の温度は−８０℃〜＋２００℃となっており、急激な温度変化を伴う過酷な環境下での使用であり、またフッ素樹脂製シートがフッ素系液体によって膨潤してしまい、シール性が著しく低下する。
【０００６】
また、前記（５）の問題点に関し、ボールバルブを途中の弁開度（例えば３０％）の状態で停止し、高温のフッ素系流体の環境下で長期間放置すると、シート（ボールパッキン）がフッ素樹脂（例えばＰＴＦＥ）の場合、ボールに接触している部分は強いテンションが加えられていることから膨潤せず、ボールに接触していない部分のみが膨潤によって膨らみ、ボールパッキンに段差が形成されてしまう。その後、弁開度を変更する場合に、この段差を乗り越える際にボールを動かす摺動トルクが急激に増大し、アクチュエータトルクよりも摺動トルクの方が高くなることで、ボールを動かすことができず、動作不良が発生するという問題がある。
【０００７】
なお、この摺動トルクの発生要因としては、Ａ）ボールパッキンの膨潤、Ｂ）ボールパッキンの熱膨張、Ｃ）ボールパッキンの斜面の段差、Ｄ）Ｏリングの熱膨張、が関係するものと考えられる。
【０００８】
Ａ）のボールパッキンが膨潤した場合は、図８（Ａ）に示すように、Ｏリングが圧縮されて潰れ代が増える。これに伴い、Ｏリングの反発力の増加によってボールパッキンの押し付け力が増加し、摺動トルクが増大する。
【０００９】
Ｂ）のボールパッキンが熱膨張した場合は、図８（Ｂ）に示すように、膨潤と同様にＯリングが圧縮されて潰れ代が増える。これに伴い、Ｏリングの反発力の増加によってボールパッキンの押し付け力が増加し、摺動トルクが増大する。
【００１０】
Ｃ）のボールパッキンの斜面に段差が生じた場合は、図８（Ｃ）に示すように、弁開度を変更する際に段差を乗り越える必要があり、乗り越える際にボールパッキンは外側へと移動する。このため、結果としてＯリングを圧縮し、その反発力の増加によって摺動トルクが増大する。
【００１１】
Ｄ）のＯリングが熱膨張した場合は、図８（Ｄ）に示すように、流体温度の上昇に伴ってＯリングが熱膨張で膨らみ、その反発力の増加によって摺動トルクが増大する。特に、Ｏリングの素材であるシリコンゴムは熱膨張率が大きい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００３−３５３７４号公報
【特許文献２】特開平５−６０２５１号公報
【特許文献３】特開２００１−２４８７４５号公報
【特許文献４】特開２０１０−１９６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は以上のような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、急激な温度変化を伴う過酷な環境下での使用に好適な、シール性や耐久性に優れたボールバルブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記の課題を解決するために、本発明に係るボールバルブは、流路孔を有し、回転可能に支持されたボールと、前記ボールの外周面に当接するポリイミド製のボールパッキンと、前記ボールパッキンを保持するボールリテーナと、前記ボールパッキンと前記ボールリテーナの間に設けられ、樹脂製のシールケースの内側に金属製のスプリングが嵌め込まれたスプリング荷重式のリップシールを備えたことを特徴とする。
【００１５】
また、前記本発明に係るボールバルブにおいて、前記リップシールの外周面に極細Ｏリングが設けられていても良い。
【００１６】
また、前記本発明に係るボールバルブにおいて、前記リップシールの前記ボールリテーナ側の側面に金属製の別のスプリングが設けられていても良い。
【００１７】
また、前記本発明に係るボールバルブにおいて、前記リップシールに当接する前記ボールリテーナにテーパー面が設けられていても良い。
【００１８】
さらに、前記いずれかの構成において、前記ボールバルブが２方弁のバルブであって、前記ボールの流路孔に連通する貫通孔と、前記ボールパッキンの流出通路側に前記ボールの流路孔に溜まった流体を前記貫通孔から前記流出通路へと排出する排出孔が設けられていても良い。
【００１９】
また、前記いずれかの構成において、前記ボールバルブが電動式のバルブであって、前記ボールのシャフトとアクチュエータとの間にジルコニア製の遮熱延長シャフトが設けられていても良い。
【００２０】
ここで、前記ボールのシャフトの外周に、シャフトをシールするＶパッキンと、Ｖパッキンを加圧する複数枚の皿ばねを互い違いに重ね合わせた直列ばねが設けられていても良い。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ボールパッキンがポリイミドで構成されており、フッ素系液体に接触しても膨潤しにくいため、変形もしにくい。しかも、ポリイミドは熱膨張率も低いため、ボールとボールパッキンとの距離の変化も発生しにくく長期間安定する。したがって、機械的強度を必要とするボールパッキンの部位に最適である。また、従来のＯリング方式では熱膨張によるテンションの変化で使用温度帯域によりテンションが変わってしまい、特に低温ではシール性が悪くなり、更に長期的には永久歪みによる劣化でシール性が低下してしまっていた。ところが、本発明によれば、スプリング荷重式のリップシールによるシール構造を採用し、テンションを加える機能を金属製のスプリングで担うことにより、温度にほとんど依存せず、Ｏリングのような永久歪みによる劣化も起こらない。したがって、長期間にわたり安定したシール性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明のボールバルブの外観を示す左側面図。
【図２】同バルブの内部構造を示す部分断面図。
【図３】同バルブにおけるリップシールの構造を示す拡大断面図。
【図４】リップシールのスプリング形状の変形例を示す拡大図。
【図５】リップシールに小型スプリングを追加した変形例を示す拡大図。
【図６】ボールリテーナにテーパー面を設けた変形例を示す拡大図。
【図７】ボールの流路孔に溜まった液体の排出構造を示す部分断面図。
【図８】従来のボールバルブにおける摺動トルクの発生要因を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態のボールバルブ１は、バルブボディ２に内蔵された弁体３をアクチュエータ４の電動力で駆動し、その電動力に比例した弁開度で流体の流量を制御する電動比例制御バルブである。このボールバルブ１の用途としては、例えば液晶や半導体製造装置において、温度調節の熱媒体に用いられるフッ素系不活性液体の流量を調節するバルブとして使用することができる。また、アクチュエータ４がモータブラケット５に取り付けられ、ＰＰＳ樹脂製の遮熱延長ブラケット６を介してバルブボディ２に連結されているため、コンパクトな設計により省スペース化を図ることができ、半導体のクリーンルームでの使用に好適である。なお、このボールバルブ１は、以下の特徴的な構造を採用したことにより、流体温度が少なくとも−８０℃の極低温から＋２００℃の高温まで、幅広い温度範囲の流体に対応することが可能である。
【００２５】
図２に示すように、本実施形態のボールバルブ１は、ステンレス鋳鋼（例えばＳＣＳ１３）からなる金属製のバルブボディ２を備えており、管部下端に開口した流入ポート７から、管部左端に開口した流出ポート８（第１の流出ポート８Ａ）、または管部右端に開口した流出ポート８（第２の流出ポート８Ｂ）のいずれか一方へと流れを選択的に切り換える３方弁（分流弁）タイプのバルブである。バルブボディ２の管内には、流入ポート７から第１の流出ポート８Ａまたは第２の流出ポート８Ｂにかけて連通し、流体が流れる流体通路９を備えている。また、流入ポート７、第１の流出ポート８Ａ、第２の流出ポート８Ｂの各ポートには、金属シール（例えばＳＵＳ３０４）１０を介して配管アダプタ１１が接続されている。
【００２６】
バルブボディ２内の流体通路９には、流量調節機構として機能する弁体３が設けられている。弁体３は、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）からなる金属製のシャフト１２と、シャフト１２の先端に一体に設けられ、流体通路９を遮断する回転可能に支持されたボール１３を備えて構成されている。また、ボール１３の中心には、バルブ開時に流体通路９に連通する流路孔１４が貫通形成されている。なお、切換フォームに示すように、流路孔１４は、ボール１３の回転方向の切換信号を入力することにより、ポートＡ（第１の流出ポート８Ａ）とポートＢ（第２の流出ポート８Ｂ）を選択的に切り換えるＬ型ポートである。
【００２７】
バルブボディ２の管部上方には、バルブボディ２を垂直方向に貫通して流体通路９へと抜ける軸孔１５が形成されている。この軸孔１５には、弁体３のシャフト１２が摺動可能に嵌合されている。また、シャフト１２の上端部は遮熱延長シャフト１６に結合されており、遮熱延長シャフト１６はアクチュエータ４のモータ回転軸（図示略）に連結されている。本実施形態では遮熱延長シャフト１６がジルコニアからなる耐熱セラミック材料で構成されているため、全体をコンパクトな高さに抑えながら、シャフト１２の熱がアクチュエータ４に伝達するのを遮断する機能を有している。なお、図示しないが、アクチュエータ４はステッピングモータ、減速機構、及び位置検出センサを含む。
【００２８】
シャフト１２と軸孔１５の間の空間には、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）製のＶパッキン１７が、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）からなる金属製の上下パッキン押え１８，１８と中パッキン押え１９に挟まれて保持されている。また、上下パッキン押え１８の上部には、複数枚の金属製の皿ばねを上下互い違いに重ね合わせた直列ばね２０が設けられており、その上に設置されたシャフトリテーナ２１とカラー２２によって、直列ばね２０が上から押さえ付けられて保持されている。したがって、Ｖパッキン１７が直列ばね２０によって短いストロークにもかかわらず大きな荷重で常時加圧されているため、禁油仕様でありながら、シャフト１２外周の隙間を確実にシールしつつ耐久性も向上させることができる。
【００２９】
流量調節機構は、ボール１３の外周面に当接し、ボール１３を挟んで第１の流出ポート８Ａ側と第２の流出ポート８Ｂ側に配置された一対のボールパッキン２３，２３を備えている。本実施形態ではボールパッキン２３がポリイミドからなるスーパーエンジニアリングプラスチック材料で構成されているため、フッ素系液体に接触しても膨潤や変形がほとんど発生せず、長期間にわたって形状を安定して維持することができる。また、ボールパッキン２３の材質を熱膨張率が低いポリイミドとし、その幅（厚み）を狭く設定することにより、幅方向の熱膨張が抑えられ、摺動トルクが安定しやすいという効果があり、極低温から高温まで幅広い温度範囲の流体であっても問題なく使用することができる。
【００３０】
ボールパッキン２３の外側には、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）からなる金属製のボールリテーナ２４が設けられている。このボールリテーナ２４は、ステンレス鋳鋼（例えばＳＣＳ１３）からなる金属製のリテーナロック２５によってバルブボディ２に固定され、一対のボールパッキン２３，２３を左右両側から保持している。なお、ボールリテーナ２４とリテーナロック２５の間には、安全用に、金属製の皿ばね２６が挿入されている。
【００３１】
ボールパッキン２３とボールリテーナ２４の間には、スプリング荷重式のリップシール２７が設けられている。図３（Ａ）に拡大して示すように、本実施形態のリップシール２７は、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）等の耐熱樹脂製の環状のシールケース２８と、シールケース２８の内側の凹部２９に嵌め込まれた金属製の中空螺旋形のスプリング３０と、シールケース２８の外周面に埋め込まれたシリコンゴム（Ｓｉ）製の極細Ｏリング３１を備えて構成されている。このスプリング荷重式のリップシール２７によるシール構造を採用したことにより、従来のＯリングの２つの機能（ボールパッキン２３にテンションを加える機能と、ボールパッキン２３とボールリテーナ２４の間の隙間から流体通路９へと漏れる内部リークを防ぐ機能）をそれぞれ分担させることが可能になる。なお、シールケース２８の材質は、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）に限らず、ポリイミドやポリアミドイミド等のスーパーエンジニアリングプラスチック材料であっても良い。また、極細Ｏリング３１の材質は、シリコンゴム（Ｓｉ）に限らず、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）や水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）であっても良い。
【００３２】
金属製のスプリング３０は、シールケース２８の外側から荷重を加えると潰れて荷重に対抗する反発力が得られ、図３（Ｂ）のように、その反発力によってボールパッキン２３をボール１３外周へと押し付けてテンションを加える。このため、ボールパッキン２３の内側へと漏れる液体を確実にシールすることができる。一方、シリコンゴム製の極細Ｏリング３１は、図３（Ｃ）のように、その反発力によってバルブボディ２の流体通路９内の壁面に密着してシールする。このため、外側から流体通路９へと漏れる内部リークを防ぐことができる。なお、極細Ｏリング３１の線径を約φ１ｍｍと細くすることにより、熱膨張への影響を低減し、幅方向へ熱膨張しても摺動トルクの影響を受け難い外側へ配置する構造になっている。
【００３３】
ここで、リップシール２７を構成するスプリング３０の形状としては、様々な変形例が考えられる。例えば、図４（Ａ）のような中空螺旋形のスプリング３０Ａのほか、図４（Ｂ）のような断面「コ」字形のスプリング３０Ｂや、図４（Ｃ）のような断面「Ｕ」字形のスプリング３０Ｃや、図４（Ｄ）のような金属薄板を重ねながら断面「Ｖ」字形に折り曲げたスプリング３０Ｄ等を採用することができる。ただし、スプリング３０の形状は、その反発力によってボールパッキン２３を押し付けることができるものであれば、これらの形状に限られない。
【００３４】
また、リップシール２７の形態についても、次のような変形例が考えられる。例えば、図３の極細Ｏリング３１に替えて、図５に示すように、シールケース２８のボールリテーナ２４側の側面に凹溝３２を設け、この凹溝３２に前記スプリング３０とは別の金属製の小型スプリング３３が嵌め込まれた構造を採用することができる。このような構造のリップシール２７によると、小型スプリング３３の反発力によって、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）製のシールケース２８がバルブボディ２の内壁面に押し付けられて密着し、流体通路９へと漏れる内部リークを防ぐことができる。
【００３５】
また、図３の極細Ｏリング３１を無くし、図６に示すように、シールケース２８の内側の凹部２９にスプリング３０が嵌め込まれたリップシール２７とし、ボールリテーナ２４のリップシール２７が当接する側面に、内周から外周に向かって幅が狭くなるテーパー面３４が設けられた構造を採用することもできる。このような構造によると、図の矢印のようにリップシール２７がバルブボディ２（縦）方向とボールパッキン２３（横）方向の２方向にテンションを加えることができ、テーパー面３４の角度によってその縦横のテンション比率も調節することができる。また、一つのスプリング３０だけで図３の極細Ｏリング３１と同様な効果が得られ、極細Ｏリング３１を無くしたことでコストダウンを図ることができるとともに、−５０℃以下でも安定して使用することができる。
【００３６】
さらに、流量調節機構において、ボール１３の流路孔１４に溜まった液体を排出する機能を備えていても良い。図７に示したボールバルブ１は、バルブボディ２の管部下端が止水栓プラグを嵌めるプラグアダプタ３５で塞がれており、管部左端に開口した流入ポート７から、管部右端に開口した流出ポート８へと一方向に流れる２方弁タイプのバルブである。このような２方弁バルブの場合、バルブボディ２の内部に溜まったフッ素系液体は熱膨張率が高く、−８０℃の極低温から＋２０℃の常温に戻す際に、温度差で液膨張して製品が変形してしまう恐れがある。
【００３７】
そこで本実施形態では、図７に示すように、ボール１３の下端面から流路孔１４に連通する貫通孔３６と、流出ポート８側のボールパッキン２３Ｂの下端面から流出通路９Ｂへと繋がる排出孔３７が設けられている。この排出構造により、バルブ閉時にボール１３によって流入通路９Ａと流出通路９Ｂの連通が遮断されると、ボール１３の流路孔１４に溜まった液体は、貫通孔３６から排出孔３７を通って流出通路９Ｂへと抜けるため、流出ポート８からバルブ外部へと排出することができる。なお、流入ポート７側のボールパッキン２３Ａには孔が開いておらず、しっかりとボール１３とシールしているため、貫通孔２６から流入通路９Ａへと液漏れすることはない。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態のボールバルブ１によれば、弁体３のボール１３をシールするボールパッキン２３がポリイミドで構成されており、フッ素系液体に接触しても膨潤しにくいため、変形もしにくい。しかも、ポリイミドは熱膨張率も低いため、ボール１３とボールパッキン２３との距離の変化も発生しにくく長期間安定する。したがって、機械的強度を必要とするボールパッキン２３の部位に最適である。また、このボールバルブ１によれば、スプリング荷重式のリップシール２７によるシール構造を採用し、テンションを加える機能を金属製のスプリング３０で担うことにより、温度にほとんど依存せず、従来のＯリングのような永久歪みによる劣化も起こらない。したがって、長期間にわたり安定したシール性を維持することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上の実施形態では、本発明の用途として、液晶や半導体製造装置において、温度調節の熱媒体に用いられるフッ素系不活性液体の流量を調節するバルブとして利用する例を挙げたが、これ以外にも油圧機器の流量を調節するバルブなどに利用することができる。また、電動式のボールバルブに適用した例を挙げたが、空圧式や手動式のボールバルブに適用することもできる。
【符号の説明】
【００４０】
１：ボールバルブ
２：バルブボディ
３：弁体
４：アクチュエータ
５：モータブラケット
６：遮熱延長ブラケット
７：流入ポート
８：流出ポート
８Ａ：第１の流出ポート
８Ｂ：第２の流出ポート
９：流体通路
９Ａ：流入通路
９Ｂ：流出通路
１０：金属シール
１１：配管アダプタ
１２：シャフト
１３：ボール
１４：流路孔
１５：軸孔
１６：遮熱延長シャフト
１７：Ｖパッキン
１８：上下パッキン押え
１９：中パッキン押え
２０：直列ばね
２１：シャフトリテーナ
２２：カラー
２３：ボールパッキン
２３Ａ：流入ポート側のボールパッキン
２３Ｂ：流出ポート側のボールパッキン
２４：ボールリテーナ
２５：リテーナロック
２６：皿ばね
２７：リップシール
２８：シールケース
２９：凹部
３０：スプリング
３１：極細Ｏリング
３２：凹溝
３３：小型スプリング
３４：テーパー面
３５：プラグアダプタ
３６：貫通孔
３７：排出孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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