(57)【要約】      （修正有）【課題】ダイヤフラムを弁体として使用しているダイヤフラム弁のダイヤフラムは、弾性変形して弁座に対して押圧・離間を繰り返すことから、長期の使用に伴ってパーティクルが発生するおそれがある。パーティクルの発生を抑えることを可能としたダイヤフラム弁を提供する。【解決手段】流体流入通路２ａおよび流体流出通路２ｂが設けられた弁箱２と、流体流入通路２ａの周縁に位置するように弁箱２に一体に設けられた環状の弁座３と、弁座３に押圧または離間されて流体通路２ａを開閉するダイヤフラム４とを備えているダイヤフラム弁１において、弁座３の先端部を断面円弧状、内周面を円筒面、外周面を円錐面とすることで、ダイヤフラム４における荷重作用位置と弁座３の先端位置との擦れを低減することにより、パーティクルの発生を防止する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体通路が設けられた弁箱と、流体通路の周縁に設けられた環状の弁座と、弁座に押圧または離間されて流体通路を開閉するダイヤフラムと、下端にダイヤフラム押さえを有し上下移動可能な弁棒とを備えているダイヤフラム弁において、
ダイヤフラムにおける荷重作用位置と弁座の先端位置とが同じとされていることを特徴とするダイヤフラム弁。
【請求項２】
弁座は、先端部が断面円弧状、内周面が円筒面、外周面が円錐面であることを特徴とする請求項１のダイヤフラム弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ダイヤフラム弁に関し、特に、高温での使用に有利なダイヤフラム弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温での使用に有利なダイヤフラム弁として、特許文献１には、流体通路が設けられた弁箱と、流体通路の周縁に設けられた環状の弁座と、弁座に押圧または離間されて流体通路を開閉するダイヤフラムと、下端にダイヤフラム押さえを有し上下移動可能な弁棒とを備えているものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−９２８２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ダイヤフラムは、弾性変形して弁座に対して押圧・離間を繰り返すことから、長期の使用に伴ってパーティクルが発生するおそれがある。
【０００５】
従来、パーティクルの発生に対し、ダイヤフラムにおける作用荷重位置と弁座の先端位置とのずれについては考慮されていなかった。
【０００６】
この発明の目的は、ダイヤフラムにおける作用荷重位置と弁座の先端位置とのずれに着目することで、パーティクルの発生を抑えることを可能としたダイヤフラム弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明によるダイヤフラム弁は、流体通路が設けられた弁箱と、流体通路の周縁に設けられた環状の弁座と、弁座に押圧または離間されて流体通路を開閉するダイヤフラムと、下端にダイヤフラム押さえを有し上下移動可能な弁棒とを備えているダイヤフラム弁において、ダイヤフラムにおける荷重作用位置と弁座の先端位置とが同じとされていることを特徴とするものである。
【０００８】
「ダイヤフラムにおける荷重作用位置と弁座の先端位置とが同じ」は、ずれが少なくとも１５μｍ以下、好ましくは５μｍ以下であることを意味する。
【０００９】
弁座は、弁箱に一体に設けられるとともに、ステンレス鋼製でかつダブルメルト材とされていることが好ましい。
【００１０】
弁座は、先端部が断面円弧状、内周面が円筒面、外周面が円錐面であることが好ましい。
【００１１】
従来のダイヤフラム弁において、弁座の先端位置は、ダイヤフラムにおける荷重作用位置よりも径方向外側にある。先端部が断面円弧状、内周面が円筒面、外周面が円錐面である弁座の断面形状は、弁座の先端位置を径方向内方に移動させるのに適した形状となっており、弁座をこの断面形状とすることで、ダイヤフラムにおける荷重作用位置と弁座の先端位置とを同じにしやすいものとなる。
【００１２】
ダイヤフラムにおける荷重作用位置と弁座の先端位置とを同じにするには、弁座の径（弁座の中心線から弁座先端までの距離の２倍）および弁座の高さ（弁箱の凹所の底面から弁座先端までの距離）を変更して、ダイヤフラムにおける荷重作用位置と弁座の先端位置との距離を求め、ダイヤフラムにおける荷重作用位置と弁座の先端位置との距離が従来のものから小さくなる（実質的に０になる）ように、弁座の径および高さを設定すればよい。
【００１３】
なお、この明細書において、ステムの移動方向を上下方向というものとするが、この方向は、便宜的なものであり、実際の取付けでは、上下方向が鉛直方向とされるだけでなく、水平方向とされることもある。
【発明の効果】
【００１４】
この発明のダイヤフラム弁によると、ダイヤフラムにおける作用荷重位置と弁座の先端位置とのずれに起因するパーティクルの発生が防止され、これにより、高温条件下というような厳しい使用環境であっても、パーティクルの発生を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、この発明によるダイヤフラム弁の全体構成を示す縦断面図である。
【図２】図２は、この発明によるダイヤフラム弁の特徴部分を示す拡大縦断面図である。
【図３】図３は、図２のダイヤフラム弁についてのせん断応力分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】図４は、図２のダイヤフラム弁についてのパーティクル発生回数の試験結果を示すグラフである。
【図５】図５は、比較例のダイヤフラム弁の特徴部分を示す拡大縦断面図である。
【図６】図６は、比較例のダイヤフラム弁についてのせん断応力分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】図７は、比較例のダイヤフラム弁についてのパーティクル発生回数の試験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。以下の説明において、上下・左右は、図１の上下・左右をいうものとする。
【００１７】
図１は、この発明が対象とするダイヤフラム弁の全体構成を示している。
【００１８】
同図において、ダイヤフラム弁(1)は、流体流入通路(2a)および流体流出通路(2b)が設けられた弁箱(2)と、流体流入通路(2a)の周縁に位置するように弁箱(2)に一体に設けられた環状の弁座(3)と、弁座(3)に押圧または離間されて流体通路(2a)を開閉するダイヤフラム（弁体）(4)と、下端にダイヤフラム押さえ(5a)が取り付けられた上下移動可能なディスク（弁体押さえ）(5)と、ディスク(5)に嵌め被せられたボンネット(6)と、弁箱(2)上部に設けられた下部ケーシング(7)と、下部ケーシング(7)と接続された上部ケーシング(8)と、上下ケーシング(7)(8)によって形成された空間内に配置されて下端が弁体押さえ(5)に当接している弁棒(9)と、ケーシング(7)(8)内上部に配されたピストン(10)と、ケーシング(7)(8)内のピストン(10)下方に設けられてピストン(10)にかかる力を弁棒(9)に増幅して伝達する倍力手段(11)とを備えている。
【００１９】
弁箱(2)は、上方に向かって開口した凹所(2c)を有しており、流体流入通路(2a)は、一端が左方に向かって開口しかつ他端が凹所(2c)の底面中央部に開口し、流体流出通路(2b)は、一端が右方に向かって開口し他端が凹所(2c)の底面右部に開口している。
【００２０】
ディスク(5)は、円柱状に形成され、中間にフランジ部を有している。ボンネット(6)は、円筒状に形成されており、その下部の内周には、ディスク(5)のフランジ部を案内する大径の案内部(6a)が形成されている。ディスク(5)は、ボンネット(6)内にゆるくすなわち上下移動可能に嵌め入れられている。ボンネット(6)は、弁箱(2)の凹所(2c)に嵌め入れられるとともに、下部ケーシング(7)によって下方に押し付けられることにより、押さえアダプタ(12)を介してダイヤフラム(4)の外周部を弁箱(2)に固定している。
【００２１】
下部ケーシング(7)は、底壁(7a)と、底壁(7a)に立ち上がり状に設けられるとともに外周面におねじ部が形成された周壁(7b)と、底壁(7a)下面から下方にのびかつ内周面にめねじ部が形成された小径円筒状下方突出部(7c)とからなる。下部ケーシング(7)は、下方突出部(7c)のめねじ部が弁箱(2)の凹所(2c)の外周面に設けられたおねじ部にねじ合わされることにより、弁箱(2)に固定されている。
【００２２】
下部ケーシング(7)の底壁(7a)中央には、弁棒(9)を上下移動可能に案内する貫通孔(13)が設けられている。
【００２３】
上部ケーシング(8)は、円筒状周壁(8a)と、周壁(8a)の上端部に設けられためねじ部にねじ合わされている円盤状頂壁(8b)とからなる。周壁(8a)の下部内周面には、めねじ部が形成されており、このめねじ部が下部ケーシング(7)の周壁(7b)のおねじ部にねじ合わされることにより、上部ケーシング(8)と下部ケーシング(7)とが内部に空間を形成するように一体化されている。上部ケーシング(8)の頂壁(8b)には、その中央部に貫通孔(14)が設けられており、この貫通孔(14)に、圧縮空気導入用継手(15)が取り付けられている。
【００２４】
弁棒(9)は、下部ケーシング(7)の中央貫通孔(13)に摺動自在に嵌め入れられた下方突出部(21a)を有する大径軸部(21)と、下端におねじ部を有しこのおねじ部が大径軸部(21)の上部に設けられためねじにねじ込まれることにより大径軸部(21)に一体化されている小径軸部(22)とからなる。大径軸部(21)は、下方突出部(21a)の基端部に位置するフランジ部(21b)と、他の部分よりも小径で小径軸部(22)に突き合わされている上端部(21c)とを有している。小径軸部(22)は、その中間部に、大径軸部(21)の上端部(21c)よりも若干小径のフランジ部(22a)を有している。
【００２５】
ピストン(10)は、下側の大径部(10a)および上側の小径部(10b)からなる円盤状に形成されており、大径部(10a)の下面の外周部には、環状のピストンリング(23)が一体化されている。上部ケーシング(8)の頂壁(8a)の下面中央部には、凹所(24)が形成されており、この凹所(24)によって形成された上部ケーシング(8)の頂壁(8a)とピストン(10)との間の空間が圧縮空気導入用空間とされている。
【００２６】
ピストン(10)の小径部(10b)の外周には、全体として円筒状に形成された金属ベローズ(16)が配されており、その金属ベローズ(16)の下端が大径部(10a)の上面に固定されるとともに、同上端が上部ケーシング(8)の頂壁(8a)下面に固定されることにより、圧縮空気導入用空間がシールされている。金属ベローズ(16)は、溶接ベローズと称されているもので、金属をディスク状に打ち抜いて精密な波状のプレートを形成し、その波状プレートの内周および外周を溶接することにより製作されている。
【００２７】
倍力手段(11)は、水平軸(26)の回りに揺動し得るように支持された複数の揺動体(25)を有している。揺動体(25)は、外側端部がピストンリング(23)の下面に、内側端部が弁棒(9)の小径軸部(22)のフランジ部(22a)の下面にそれぞれ下から当接させられている。揺動体(25)の外側端部のピストン接触位置は、揺動体(25)の内側端部の弁棒接触位置よりも上方にあり、水平軸(26)の軸線は、揺動体(25)の外側端部のピストン接触位置と揺動体(25)の内側端部の弁棒接触位置とのちょうど中間位置よりも内側端寄りに位置させられている。したがって、ピストン(10)が下方に移動すると、倍力手段(11)の揺動体(25)の外側端が下方に移動し、これに応じて揺動体(25)が水平軸(26)の回りに揺動し、揺動体(25)の内側端が上方に移動して弁棒(9)が上方に移動させられる。水平軸(26)が内側端寄りに位置していることから、ピストン(10)の下向き力は、増幅されて弁棒(9)に伝達される。増幅率は、（水平軸の軸線から揺動体の外側端部のピストン接触位置までの距離）／（水平軸の軸線から揺動体の内側端部の弁棒接触位置までの距離）となっている。
【００２８】
揺動体(25)は、例えば、１２０°置きに３つまたは９０°置きに４つ設けられる。水平軸(26)は、大径軸部(21)の上面に載せられた円筒状のリテーナ(27)に保持されている。リテーナ(27)は、孔あき円盤状の底壁(27a)と、揺動体(25)を移動可能とする切り欠きが所定間隔で形成された周壁(27b)とからなる。揺動体(25)の内側端部には、上向きに開口した凹所(25a)が設けられており、この凹所(25a)に転がり可能に嵌め入れられたピン(28)が弁棒(9)の小径軸部(22)のフランジ部(22a)に接触するようになされている。
【００２９】
弁棒(9)を下向きに付勢する付勢部材(17)は、皿ばねとされており、弁棒(9)の大径軸部(21)のフランジ部(21b)とリテーナ(27)の底壁(27a)とによって受け止められている。リテーナ(27)の底壁(27a)の外周面と下部ケーシング(7)の周壁(7b)内周面との間には、メタルシール(18)が介在されている。
【００３０】
上記において、弁箱(2)およびこれに一体に設けられている弁座(3)は、ＳＵＳ３１６Ｌなどのステンレス鋼製でかつダブルメルト材とされている。ダブルメルトは、真空誘導炉溶解や真空酸素脱炭を行った後に、エレクトロスラグ再溶解法または真空アーク再溶解を行うものである。
【００３１】
また、ダイヤフラム押さえ(5a)は、ニッケル合金（例えばＮＷ２２０１）とされている。金属ベローズ(16)および付勢部材(17)である皿ばねは、いずれもインコネル（登録商標）製とされている。金属ベローズ(16)は、例えばＩＮ６２５と称されている固溶強化型Ｎｉ基超合金で、付勢部材(17)の皿ばねは、例えばＩＮ７１８と称されている析出硬化型Ｎｉ基超合金とされている。
【００３２】
このダイヤフラム弁(1)によると、圧縮空気導入用空間をシールするために金属ベローズ(16)が使用されており、ゴム製のＯリングは使用されていない。したがって、耐熱性に優れ、高温にも十分耐えることができる。また、倍力手段(11)を有していることにより、導入する圧縮空気圧を小さくしても、大きなダイアフラム押さえ力を得ることができるので、金属ベローズ(16)に掛かる圧力を軽減することができ、耐圧性にも優れた高温用ダイヤフラム弁が得られる。
【００３３】
この発明のダイヤフラム弁(1)は、図１に示すものにおいて、以下のようにして、弁座(3)の形状を最適化したものである。
【００３４】
弁座(3)の最適化を実現するために、まず、図５に示す比較例（従来の一般的なもの）の弁座(30)について、ダイヤフラム(4)における作用荷重位置と弁座(30)の先端位置とのずれについてシミュレーションを行った。
【００３５】
図５において、弁座(30)は、先端部(41)が断面円弧状、内周面(42)および外周面(43)が円錐面とされており、断面形状としては、断面形状の中心線（弁座(30)の先端を通る線）(O')に対して対称とされている。
【００３６】
図６は、図５に示した形状の弁座(30)である場合のシミュレーションによるせん断応力の分布を示している。これから、ダイヤフラム(4)における作用荷重位置と弁座(30)の先端位置とのずれが約３５μｍあることが分かる。このようなずれは、弁座(30)とダイヤフラム(4)との擦れ要因であることから、パーティクルの発生原因となる。
【００３７】
図７は、図５に示した形状の弁座(30)である場合の開閉回数に伴うパーティクル発生状況の推移を測定したものである。パーティクルについては、大きさを区別してその数を求めている。図７から、開閉回数の増加に伴ってパーティクルの数（９０回開閉することで発生するパーティクルの数）が増加し、パーティクルの発生基準を１．０個以下／１開閉に設定すると、５万回開閉程度でこれを上回るものとなっていることが分かる。
【００３８】
そこで、ダイヤフラム(4)における作用荷重位置と弁座(3)(30)の先端位置とのずれに着目して、このずれをなくすように、図２のモデルを検討した。
【００３９】
図２において、弁座(3)は、先端部(31)が断面円弧状、内周面(32)が円筒面、外周面(33)が円錐面とされており、その先端を通る線(O)に対して非対称とされている。
【００４０】
図３は、図２に示した形状の弁座(3)である場合のシミュレーションによるせん断応力の分布を示している。これから、ダイヤフラム(4)における作用荷重位置と弁座(30)の先端位置とのずれがほぼ０になっていることが分かる。このようなずれは、弁座(30)とダイヤフラム(4)との擦れ要因であることから、パーティクルの発生原因となる。
【００４１】
図４は、図２に示した形状の弁座(3)である場合の開閉回数に伴うパーティクル発生状況の推移を上記図７のものと同様にして測定したものである。図４から、開閉回数が１０万回の時点でパーティクルの数（９０回開閉することで発生するパーティクルの数）が増加するが、その後は減少し、パーティクルの発生基準を１．０個以下／１開閉に設定すると、この基準を大幅に下回るものとなっている。ダイヤフラム(4)における作用荷重位置と弁座(30)の先端位置とのずれが１５μｍ以下であれば、比較例のものに比べて、パーティクルの発生数を大幅に減少させることができ、このずれを５μｍ以下とすることで、パーティクルの発生基準である１．０個以下／１開閉を達成することができる。
【００４２】
上記図２に示す最適化形状において、断面形状以外の点では、径と高さが変更されており、弁座(3)の径（弁座(3)の中心線＝弁棒(9)の中心軸から弁座(3)の先端までの距離の２倍）は、６ｍｍから４．１ｍｍに小さくなされており、弁座(3)の高さは、０．１ｍｍ高くなされている。このことから、寸法的には、弁座(3)の径を小さくして、弁座(3)の高さを高くすることが好ましいことが分かる。なお、ダイヤフラム(4)の径は２０ｍｍで、膨出部分の径は、１８ｍｍであり、膨出高さ（最下面から最上面までの距離）は、０．７５ｍｍである。弁座(3)の径ｄおよび高さｈの好ましい範囲としては、ダイヤフラム(4)の膨出部分の径をＤおよびダイヤフラム(4)の膨出高さをＨとして、ｄ／Ｄ＝０．２〜０．３でかつｈ／Ｈ＝０．１〜０．２が例示される。
【００４３】
こうして、図５に示す比較例の弁座(30)に対し、弁座(3)の形状が最適化されることで、パーティクルが１．０個以下／１開閉というパーティクルの発生基準を達成することができる。
【符号の説明】
【００４４】
(1)：ダイヤフラム弁、(2)：弁箱、(2a)：流体流入通路（流体通路）、(3)：弁座、(4)：ダイヤフラム、(5a)：ダイヤフラム押さえ、(9)：弁棒、(31)：先端部、(32)：内周面、(33)：外周面
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図３】
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【図６】
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