| 【発明の名称】 |
定容積型流体制御器 |
| 【発明者】 |
【氏名】大見 忠弘
【氏名】西村 隆太郎
【氏名】池田 信一
【氏名】山路 道雄
|
| 【要約】 |
【課題】定容積型流体制御器の組立・加工を容易にすると共に定容積性をより高め、更に溶接等による弁体（ダイヤフラム）等の耐食性及び機械的強度の低下を無くする。
【解決手段】制御器本体の上部挿着孔及び下部挿着孔の各底部に設けた弁座を備えた弁室及び容積調整室と、制御器本体の流体出入口と弁室及び容積調整室を連通する流体通路と、上部挿着孔内へ挿着した弁体及び下部挿着孔内へ装着した容積調整体と、弁体及び容積調整体の背部へ夫々挿着した弁体押え及び容積調整体押えと、駆動シャフトの一端が弁体押えへ連結され、制御器本体へ固定した駆動装置と、制御器本体の外方に配設され、その一端に前記駆動シャフトの他端側が連結されると共に他端に容積調整体押えが連結された外部連結扞とから流体制御器を構成する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 流体入口（１ａ）と流体出口（１ｂ）及び上部挿着孔（１ｄ）と下部挿着孔（１ｅ）を夫々対向状に設けた制御器本体（１）と、上部挿着孔（１ｄ）の底部に設けた弁座（２）を備えた弁室（１ｆ）及び下部挿着孔（１ｅ）の底部に設けた容積調整室（１ｇ）と、流体出入口（１ａ）、（１ｂ）と弁室（１ｆ）及び容積調整室（１ｇ）を連結する流体通路（１ｃ）と、前記上部挿着孔（１ｄ）内へ挿着した弁体（３）及び下部挿着孔（１ｅ）内へ挿着した容積調整体（４）と、前記弁体（３）及び容積調整体（４）の背部へ夫々挿着した弁体押え（５）及び容積調整体押え（６）と、駆動シャフト（８）の一端が弁体押え（５）へ連結され、制御器本体（１）へ固定した駆動装置（７）と、制御器本体（１）の外方に配設され、その一端に前記駆動シャフト（８）の他端側が連結されると共に他端に前記容積調整体押え（６）が連結された外部連結扞（１７）とから構成したことを特徴とする定容積型流体制御器。
【請求項２】 弁体（３）及び容積調整体（４）を中央部が外方へ膨出した皿形の金属ダイヤフラムとすると共に、前記金属ダイヤフラム弁体（３）の内側外表面を弁座（２）へ直接当座させる構成とした請求項１に記載の定容積型流体制御器。
【請求項３】 弁体（３）及び容積調整体（４）をディスク体とすると共に、ディスク体を中央部に固着した金属ダイヤフラム（２２）又は金属製ベローズ（２１）を介して上部挿着孔（１ｄ）及び下部挿着孔（１ｅ）の開口を密封する構成とした請求項１に記載の定容積型流体制御器。
【請求項４】 外部連結扞（１７）をほぼ逆コの字形又は四角形に形成すると共に、その一端に駆動シャフト（８）を、またその他端に調整ねじ（１９）を介設して容積調整体押え（６）を夫々連結する構成とした請求項１に記載の定容積型流体制御器。
【請求項５】 金属ダイヤフラムの流体が接する部分に不働態膜を形成するようにした請求項２に記載の定容積型流体制御器。
|
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、開閉作動によって流体通路の内容積が変化しないようにした定容積型流体制御器の改良に関するものであり、主として半導体製造設備や化学品製造設備、医薬品製造設備、食料品製造設備等に於いて利用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】例えば、半導体製造設備に於いては、反応炉等のガス消費装置へ微流量の高純度ガスを流量制御しつつ供給したり、或いは多種類の微流量ガスを流量制御しつつ切換え供給したりすることが多く行なわれている。
【０００３】ところで、これ等微流量ガスの流量制御を行なう場合に、系内に設けた各流体制御器の内部流路容積が制御器の作動毎に大きく変動すると、様々な支障を生ずることになる。例えば、配管系の内容積が小容量で且つ配管系の流体出入口がオリフィス等により絞られているような場合には、系内に設けた流体制御器の作動によって配管系の全内容積が変化すると、管路内の流体圧が著しく変動することになる。その結果、流体圧の増加による管路の破損や流体そのものの物性の変化、或いは流体圧の減少による流体の瞬間的な逆流等の不都合を生ずることになる。
【０００４】上述の如き不都合を避けるため、図７及び図８のような要部構造を備えた定容積型バルブが先きに開発されている（特開平８−３１２８１２号）。即ち、図７及び図８に於いて３０はバルブ本体、３０ａは流体入口、３０ｂは流体出口、３０ｃは弁座、３１は弁体用ダイヤフラム、３２は容積調整用ダイヤフラム、３３は連結棒、３４は弁体用ダイヤフラム押え、３５は容積調整用ダイヤフラム押えである。
【０００５】前記弁体用ダイヤフラム３１と容積調整用ダイヤフラム３２とは連結棒３３により相互に連結されており、弁体用ダイヤフラム３１に駆動装置（図示省略）からダイヤフラム押え３４を介してバルブ駆動力Ｆａが下向きに加えられることにより、閉弁状態となる（図２）。また、容積調整用ダイヤフラム押え３５にはスプリング（図示省略）により常時上方への押圧力Ｆｂが加えられており、下方へのバルブ駆動力Ｆａが無くなると、容積調整用ダイヤフラム３２及び弁体用ダイヤフラム３１は上方へ移動し、開弁状態となる（図８）。
【０００６】上記図７及び図８に示した定容積型流体制御器は、流体制御器の開閉作動によって流体圧の変動を生じない等の優れた実用的効用を奏するものである。しかし、図７及び図８の定容積型流体制御器には、その加工・組立やダイヤフラムの接ガス面の耐食性等の点に解決すべき多くの問題が残されている。例えば、弁体用ダイヤフラム３１と容積調整用ダイヤフラム３２を連結棒３３の両端に固定してしまうと、構造上バルブ本体３０内への組み付けが出来なくなる。そのため、何れか一方のダイヤフラムと連結棒３３の端部とは着脱自在な構造としておく必要があり、ダイヤフラムへの連結機構の取り付けに手数がかかることになる。
【０００７】また、両ダイヤフラム３１、３２は通常ステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ）鋼の薄板により形成されている。従って、その接ガス面側に連結棒３２の端部を溶接等により固着すると、ダイヤフラムの弾性力や溶接部分の金属組成そのものが変化することになり、耐食性や機械的強度が低下して亀裂を生じ易くなる等の難点がある。
【０００８】更に、塩化水素（ＨＣｌ）や臭化水素（ＨＢｒ）、弗素ガス（Ｆ2 ）等の腐食性ガスを取り扱う管路等に於いては、管路内壁面に耐食性やアウトガス阻止性、非触媒作用性を高めるための所謂酸化クロム不働態膜（Ｃｒ2 Ｏ2 ）や弗化不働態膜（ＣｒＦ2 、ＦｅＦ2 等）等を形成しなければならない場合が多くある。しかし、ダイヤフラム３１、３２の接ガス面側に連結棒３３を溶接したり、連結棒３３の連結機構を設けた場合には、均一な厚みの良質な不働態膜を形成することが著しく困難になると云う問題がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は従前の定容積型流体制御器に於ける上述の如き問題、即ち■連結棒の端部と両ダイヤフラムの接ガス面側との連結構造が複雑になり、制御器の組立に手数がかかること、■ダイヤフラムの接ガス面側に連結棒やその連結用構造物を溶接すると、ダイヤフラム自体の耐食性や機械的強度が低下すること、■連結用構造物等を溶接すると、両ダイヤフラムの接ガス面に酸化クロム不働態膜等を形成し難くくなると共に、連結棒の外表面にも不働態膜を形成する必要があること等の問題を解決せんとするものであり、流体流路内の連結棒を排除してダイヤフラムの接流体面への連結棒等の溶接を一切不要にすると共に組立が容易で、不働態膜も容易に形成することができ、しかも溶接等によりダイヤフラムの耐食性や機械的強度の低下を招くことの無いようにした定容積型流体制御器を提供せんとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、流体入口１ａと流体出口１ｂ及び上部挿着孔１ｄと下部挿着孔１ｅを夫々対向状に設けた制御器本体１と、上部挿着孔１ｄの底部に設けた弁座２を備えた弁室１ｆ及び下部挿着孔１ｅの底部に設けた容積調整室１ｇと、流体出入口１ａ、１ｂと弁室１ｆ及び容積調整室１ｇを連結する流体通路１ｃと、前記上部挿着孔１ｄ内へ挿着した弁体３及び下部挿着孔１ｅ内へ挿着した容積調整体４と、前記弁体３及び容積調整体４の背部へ夫々挿着した弁体押え５及び容積調整体押え６と、駆動シャフト８の一端が弁体押え５へ連結され、制御器本体１へ固定した駆動装置７と、制御器本体１の外方に配設され、その一端に前記駆動シャフト８の他端側が連結されると共に他端に前記容積調整体押え６が連結された外部連結扞１７とを発明の基本構成とするものである。
【００１１】請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて弁体３及び容積調整体４を中央部が外方へ膨出した皿形の金属ダイヤフラムとすると共に、前記金属ダイヤフラム弁体３の内側外表面を弁座２へ直接当座させる構成としたものである。
【００１２】請求項３の発明は、請求項１の発明に於いて弁体３及び容積調整体４をディスク体とすると共に、ディスク体を中央部に固着した金属ダイヤフラム２２又は金属製ベローズを介して上部挿着孔１ｄ及び下部挿着孔１ｅの開口を密封する構成としたものである。
【００１３】請求項４の発明は、請求項１の発明に於いて外部連結扞１７をほぼ逆コの字形又は四角形に形成すると共に、その一端に駆動シャフト８を、またその他端に調整ねじ１９を介設して容積調整体押え６を夫々連結する構成としたものである。
【００１４】請求項５の発明は、請求項２の発明に於いて、金属ダイヤフラムの流体が接する部分に不働態膜を形成するようにしたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】図１は本発明の実施態様に係る定容積型流体制御器の一部を縦断した正面図であり、流体制御器が閉鎖状態にある場合を示すものである。図１に於いて、１は制御器本体、１ａは流体入口、１ｂは流体出口、１ｃは流体通路、１ｄは上部挿着孔、１ｅは下部挿着孔、１ｆは弁室、１ｇは容積調整室、２は弁座、３は弁体、４は容積調整体、５は弁体押え、６は容積調整体押え、７は駆動装置、８は駆動シャフト、９はスプリング、１０は容積調整体押えのシャフト、１１・１２はガスケット、１３・１４は押え金具、１５・１６はボンネットナット、１７は外部連結扞、１８・１９は調整ねじである。
【００１６】前記制御器本体１はステンレス鋼等の耐食性金属により形成されており、流体入口１ａ、流体出口１ｂが本体１の水平軸の両端に、また、水平軸と直交方向に上部挿着孔１ｄと下部挿着孔１ｅが夫々形成されている。また、前記上部挿着孔１ｄの上方及び下部挿着孔１ｅの下方は夫々開放されており、更に、上部挿着孔１ｄの底面には弁室１ｆが、また下部挿着孔１ｅの底面には容積調整室１ｇが夫々形成されている。加えて、弁室１ｆと容積調整室１ｇの間、流体入口１ａと容積調整室１ｇの間、弁室１ｆと流体出口１ｂの間は夫々流体通路１ｃにより連通されており、且つ弁室１ｆの底面の流体通路周縁部には弁座２が設けられている。
【００１７】前記上部挿着孔１ｄへは、中央を外方へ膨出せしめて薄皿形に形成したステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）製のダイヤフラムから成る弁体３が、また下部挿着孔１ｅへは、前記弁体３を構成するダイヤフラムとほぼ同形態に形成したステンレス鋼製のダイヤフラムから成る容積調整体４が夫々対向姿勢で挿入されており、その後図１に示す如く、ガスケット１１・１２、弁体押え５、容積調整体押え６、押え金具１３・１４を順次挿入し、最後にボンネットナット１５・１６を本体１へ締め込むことにより、上部挿着孔１ｄの上方開口及び下部挿着孔１ｅの下方開口が、夫々金属ダイヤフラムから成る前記弁体３及び容積調整体４によって気密状に閉鎖されている。
【００１８】前記駆動装置７は前記本体１へ固定された上部押え金具１３の上端に取り付け固定されている。当該駆動装置７は中央部に駆動シャフト８を備えたソレノイドであり、駆動シャフト８の下端は弁体押え５の上面側へ接当されており、また駆動シャフト８の上端は後述する外部連結扞１７へ調整ねじ１８を介して連結されている。尚、本実施態様では駆動装置７をソレノイド型の駆動装置としているが、流体圧作動型や電動型（モータ駆動型）の駆動装置であってもよいことは勿論である。また、前記調整ねじ１８の方は、これを固定ねじとすることも可能である。
【００１９】前記弁体押え５はスプリング９によって常時下方へ押圧されている。その結果、ダイヤフラム製の弁体３は常時弁座側へ押圧され、ダイヤフラム３の下面側が弁座２へ接当することにより、駆動装置７の非作動時には流体通路１ｃが閉鎖されている。
【００２０】また、前記容積調整体押え６は、下方へ突設したシャフト１０の端部を調整ねじ１９を介して後述する外部連結扞１７へ連結支持固定されている。即ち、流体通路１ｃの全閉時に於いては、容積調整体押え６は図１に示す如く、容積調整体４であるダイヤフラムが中央部を下方向へ膨出せしめた初期形態に復原した状態となるように、調整ねじ１９によりその上・下方向の固定位置を調整したうえ、外部連結扞１７へ連結されている。
【００２１】前記外部連結扞１７は、駆動装置７及び制御器本体１の側方に配設され、駆動シャフト８の上端部と容積調整体押え６のシャフト１０の端部とを一体的に連結するものであり、本実施態様に於いては断面形状が矩形のリング状の外部連結扞１７が使用されている。
【００２２】尚、外部連結扞１７の形態は、図１の実施形態のもののみに限定されるものではなく、例えば逆コの字形の外部連結扞であってもよい。また、図１の実施形態では、弁体３を金属製ダイヤフラムとし、その一側の外表面を弁座２へ直接当座させる構成としているが、弁体３としては金属ダイヤフラムの接ガス面に不働態膜やテフロンコーティング膜を形成したもの、或いは合成樹脂製のダイヤフラムであってもよく、図２に示すようなダイヤフラムの中央部に取り付けしたディスク体２０を弁体とし、ディスク体２０を取り付けしたダイヤフラムでもって上部挿着孔１ｄの開口を密封するようにしたダイヤフラム型流体制御器であってもよい。
【００２３】同様に、図１の実施形態では制御器本体１を金属製としているが、合成樹脂製の弁本体１であってもよく、また、弁体３を形成するダイヤフラムの接ガス面のみならず流体通路の接ガス面に不働態膜やテフロンコーティング膜を形成するようにしてもよい。
【００２４】更に、図１の実施態様にあっては流体制御器として所謂ダイレクトタッチ式のダイヤフラム型流体制御器を挙げているが、流体制御器の形態は如何なるものであってもよく、例えば図３に示すような金属製ベローズ２１の先端中央に弁体を形成するディスク体２０を取り付け、ベローズ２１でもって上部挿着孔１ｄの上方開口を密封するようにした大流量用のベローズ型流体制御器であってもよい。
【００２５】次に、本発明に係る流体制御器の作動を図１の実施態様に基づいて説明する。図１は流体制御器の駆動装置７が非作動時の状態を示すものであり、スプリング９の弾性力により弁体押え５及び駆動シャフト８が下方へ押圧され、これによって弁体（ダイヤフラム）３が弁座２へ押し付けられて流体通路１ｃは閉鎖されている。また、駆動シャフト８が下降することにより、外部連結扞１７に連結された容積調整体押えのシャフト１０は下方へ引き下げられ、その結果、容積調整体４は図１に示す初期の形態又はほぼ初期の形態に近い状態に復帰する。
【００２６】尚、弁体（ダイヤフラム）３と容積調整体（ダイヤフラム）４とは、弁体押え５及び容積調整体押え６の押圧により変形した時の容積変化量（即ち、弁体（ダイヤフラム）３が初期形態又は初期形態に極く近い状態から図１の状態に変化した時の弁室１ｆの容積変化量ΔＩｆ（減少）と、容積調整体（ダイヤフラム）４が変形状態から図１の初期状態又は初期形態に極く近い状態へ復帰した時の容積調整室１ｇの容積変化量ΔＩｇ（増加））が夫々等しくなるように設定されており、弁体押え５及び容積調整体押え６の位置調整は調整ねじ１８と調整ねじ１９の何れか一方又は両方の調整により行なわれる。
【００２７】今、ここで駆動装置７へ開弁信号が入力されると、駆動装置７の作動により駆動シャフト８が設定量だけ上方へ引き上げられ、これによって弁体（ダイヤフラム）３は初期形態又は初期形態にほぼ近い形態に復帰し、弁室１ｆの容積はΔＩｆだけ増加する。また、これと同時に外部連結扞１７を介して容積調整体押え６が設定量だけ上方へ移動し、これによって容積調整体（ダイヤフラム）４は初期形態又は初期形態に近い状態から上方へ膨出した状態に変形し、容積調整室１ｇの容積がΔＩｇだけ減少する。即ち、弁室１ｆの容積増加分ΔＩｆだけ、容積調整室１ｇの容積がΔＩｇ＝ΔＩｆだけ減少することになり、制御本体１内の流体通路１ｃの全容積は変化しないことになる。
【００２８】図４は、図１の実施態様に係る定容積型流体制御器と従前のダイレクトタッチ式ダイヤフラム型制御器を使用した場合の管路内圧Ｐの変動を調査する試験回路を示すものであり、所定内容積の管路Ｑ内へ水道水を充満させ、流体制御器Ｖを０．１秒間で開→閉（全閉）及び０．１秒間で閉→開（全開）状態とした場合の管路Ｑの内圧変動を測定するものである。尚、図４に於いて（ａ）〜（ｄ）は元弁、（ｅ）は圧力変換器、（ｆ）はペンレコーダ、（ｇ）は制御器操作ユニット、Ｕｐは真空ポンプ、Ｖは供試弁、Ｑは試験管路である。
【００２９】また、表１は前記図４の試験に於ける各部の内容積の計算値を示すものであり、従前のメタルダイヤフラム型流体制御器では、制御器の開閉操作により流路全内容積の０．５３％（０．０３／５．７０×１００％）が変化するのに対して、本発明の制御器では制御器の開閉操作があっても、流路全内容積は変化しない設定となっている。
【００３０】
【表１】
【００３１】図５及び図６は、前記図４の試験回路で測定した制御器の開閉操作時の管路内圧Ｐの状態を示すものであり、図５は従前のダイヤフラム型流体制御器の場合を、また図６は本発明の流体制御器の場合を夫々示すものである。図５及び図６からも明らかなように、操作信号Ｓがｏｎ（流路開）からｏｆｆ（流路閉）に変化することにより、従前のダイヤフラム型流体制御器（図５）では管路内圧Ｐが最高約６．７ｋｇｆ／ｃｍ2 まで上昇するのに対して、本発明の流体制御器（図６）では管路内圧Ｐに変化が全く生じない。
【００３２】即ち、本発明に係る流体制御器では、流体制御器の開閉操作によってその流路内容積が変化しないため、当然に管路Ｑ内の圧力Ｐにも変動を生ずることがない。従って、例えば管路Ｑの両端が閉鎖又は閉鎖に近い状態にあるときに、管路Ｑ内に介設された流体制御器の開閉操作を行なっても、管路Ｑの内圧Ｐが急上昇することは無い。その結果管路Ｑの耐圧を低目に設定することが可能になると共に、流体が半導体用レジストのような物質を含む場合であっても、管路内圧の上昇により流体の物性が変化するようなことは皆無となる。
【００３３】
【発明の効果】本発明に於いては、弁体押え５と容積調整体押え６とを外部連結扞１７を介して連結し、駆動装置７の作動による弁体押え５の変位量に見合う変位を容積調整体押え６に与えることにより、弁体押え５の変位（即ち弁体３の変位）による弁室１ｆの内容積の増（又は減）を容積調整体押え６の変位（即ち、容積調整体４の変位）による容積調整室１ｇの減（又は増）によって補なうことにより、制御器本体１内の流体通路１ｃの容積が、制御器の開閉操作時に変化しない構成としている。その結果、従前の定容積型制御器のように弁体３及び容積調整体４に連結棒を直接固定したり、或いは連結棒の連結固定機構を弁体３等へ溶接する必要が無くなり、弁体３や容積調整体４の機械的強度や耐食性が低下したり、耐食性を高めるための不働態膜の形成が困難になると云うことが皆無となる。また、調整ねじ１８・１９を介して外部連結扞１７へ両押え体５・６を連結しているため、調整ねじ１８・１９の調整により容積調整室１ｇの容積変化量を容易に調整することができ、従前の定容積型流体制御器に比較してより高精度な定容積性を得ることができる。本発明は上述の通り優れた実用的効用を奏するものである。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】０００２０５０４１
【氏名又は名称】大見 忠弘
【識別番号】３９００３３８５７
【氏名又は名称】株式会社フジキン
|
| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）１０月２０日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】杉本 丈夫 （外１名）
|
| 【公開番号】 |
特開平１１−１１８０４９ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）４月３０日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−２８５９２７ |
|