JP4261282B2

JP4261282B2 - 複合弁

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Publication number: JP4261282B2
Application number: JP2003273992A
Authority: JP
Inventors: 孝視矢島; 浩基天野; 克也竹原; 克憲広瀬
Original assignee: CKD Corp
Current assignee: CKD Corp
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2023-07-14
Also published as: JP2005036869A

Description

本発明は、流体の流れを制御する弁において、安全装置として動作する手動弁とパイロット弁とを一体化した複合弁に関するものであり、特に、手動弁による安全装置が解除状態のときにのみパイロット弁の開閉が有効であり、またパイロット弁が開弁状態であっても手動弁を閉状態にすることで流体の流れを遮断可能な複合弁に関するものである。

従来半導体製造工程に代表される、各種ガス等を流す配管を備える設備では、配管を取りはずして各種作業を行う場合のために、パイロット弁の誤動作によるガス漏洩を防ぐ安全装置が必要とされている。そのような従来技術として特許文献１に開示される技術を図９を用いて説明する。図９に、半導体製造工程で使用される従来技術１のプロセスガスユニット２００を示す。プロセスガスユニット２００は、手動弁２０１、入力エアオペレート弁２０５、マスフローコントローラ２０８、出力エアオペレート弁２１０、手動弁２１１等が直列に接続されている。そしてプロセスガスは左端矢印部ＧＩから入り、右端矢印部ＧＯから出て、真空チャンバ等（不図示）に送り込まれる。通常使用状態では手動弁２０１、２１１は開弁状態に保持されており、遠隔操作による入力エアオペレート弁２０５および出力エアオペレート弁２１０の開閉動作によりプロセスガスの供給・停止を行う。またプロセスガスユニット２００の保守点検状態（マスフローコントローラ２０８を取りはずす場合等）では手動弁２０１、２１１を閉弁状態に保持し、エアオペレート弁２０５、２１０の開閉状態に関わらずガスの供給を停止する。よって、手動弁２０１、２１１が開状態の場合にはガス供給の開始・停止が自在であり、手動弁２０１、２１１が閉状態の場合には必ずガスの供給を遮断状態にできる。さらに、ガスの供給中であっても、緊急時等には手動弁２０１、２１１を開から閉状態にすることでガスの供給を遮断できる。このように配管に手動弁とエアオペレート弁とを直列に接続する配管構成をとれば、手動弁２０１、２１１が安全装置の役割を果たす。

ところが半導体製造ラインでは、常にさらなる装置の小型化・低価格化が要求されている。そこでプロセスガスユニットの省スペース化の策の一つとして、手動弁とエアオペレート弁とを一体化した複合弁を構成することが考えられるが、そのような複合弁は開示されていない。また一方、特許文献２に例示されるように、（手動弁ではなく）手動機構とエアオペレート弁とを一体化した手動機構付エアオペレート弁は複数開示されている。しかし、手動機構は開弁することを主目的とするため、弁を閉じることが出来ず、安全装置として機能しない。ここで、従来技術の手動機構付エアオペレート弁の一例として、特許文献２に開示される従来技術２を説明する。

図１０に示す従来技術２の手動機構付エアオペレート弁は、エアオペレート弁が閉弁状態のときに手動機構によって弁を開弁できることを目的とする。図１０の構成を説明する。入力ポート１１１及び出力ポート１１２を連通する入力路１１４に弁座１１３を形成してなる弁本体１０１と、弁座１１３と同軸上を移動するピストン１２１とそのピストン１２１を弁座方向に付勢するスプリング１２４とを備え、弁本体１０１に固定されたピストンシリンダ１０２と、ピストン１２１の軸心部に突設されたピストンロッド１２５，１２６と、ピストンロッド１２５下端に固着されて弁座に当接・離間するダイアフラム弁体１１６と、ピストンシリンダ１０２を貫設したピストンロッド１２６上端部に軸支され、テコ作用によってピストンロッド１２６をダイアフラム弁体１１６が弁座１１３から離間させる開閉ノブ１４１とを有する。

次に、手動によって弁を開ける場合には、図１０の閉じられた状態から開閉ノブ１４１を反時計方向に回転させることで、テコ作用によりピストンロッド１２６が持ち上げられ、同様にピストン１２１及びピストンロッド１２５も持ち上げられる。そして、開閉ノブ１４１の角部１４１ｂをストッパ１３２の切欠１３２ａに引っかけて係止させる。これにより、ダイアフラム弁体１１６が弁座１１３から離間することで、弁座１１３とダイアフラム弁体１１６との間に流路スペースができ、入力ポート１１１、入力路１１４、連通部１１５及び出力ポート１１２が連通するので、供給された流体が吐出される。一方、手動によって弁を閉じる場合には、開閉ノブ１４１の角部１４１ｂをストッパ１３２の切欠１３２ａから外し、案内面１４１ａを滑らす開閉ノブ１４１のテコ動作、スプリング１２４の付勢力によってピストン１２１が付勢されて下降することでダイアフラム弁体１１６が弁座１１３に当接して弁が遮断される。

しかし開閉ノブ１４１による手動機構は、手動機構単体で弁本体１０１を閉弁することが出来ないため、安全装置として機能しない。すなわち、エアが操作ポート１２３にエアが供給されて弁本体１０１が開弁状態の場合に、開閉ノブ１４１により弁本体１０１を開弁から閉弁状態に遷移させ、かつ弁本体１０１の閉弁状態を維持することが出来ない（開閉ノブ１４１を時計回りに回した状態で固定できない）。
特開平１１−５１２２６号公報（第０００３−０００５段落、第１５図）特開平１１−５１２３９号公報（第００１７−００２１段落、第１図）

図９に記載の従来技術１における配管構成方法によると、手動弁２０１、２１１は安全装置の機能を有するが、エアオペレート弁２０５、２１０と手動弁２０１、２１１との二種類の弁が必要となるため、弁の設置スペースの省スペース化が図れないため問題である。また図１０に記載の従来技術２における手動機構付エアオペレート弁では、手動機構とエアオペレート弁とを一体に形成できるが、手動機構が安全装置としての機能を有さないため問題である。これは従来技術２の手動機構（開閉ノブ１４１）の使用目的が、手動により開弁することを主目的とするため、手動で閉弁できないためである。よって、手動により閉弁可能な手動弁とエアオペレート弁とを一体化した複合弁が必要である。さらに従来技術２の開閉ノブ１４１による手動機構では、開閉ノブ１４１の位置を所定の位置に固定保持する機構を簡便に実現するのが難しく、ノブを固定するストッパ１３２等が必要であるため、機構が複雑になり問題である。また開閉ノブ１４１の機構ではエア圧やスプリング等から受ける力に抗するための強度を得ることが難しく、耐久性を保つことが難しいため問題である。

本発明は前記従来技術の課題を解消するためになされたものであり、安全装置として動作する手動弁とパイロット弁とを一体化した複合弁を提供することを目的とする。すなわち、手動弁による安全装置が解除状態のときにのみパイロット弁の開閉が有効であり、またパイロット弁が開弁状態であっても手動弁を閉状態にすることで流体の流れを遮断可能である複合弁を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために請求項１に係る複合弁では、弁座に当接または離間して流体の流れを制御するダイアフラム弁体と、付勢手段により当接されている前記ダイアフラム弁体と前記弁座とを空気圧により離間させるパイロット弁機構と、前記パイロット弁機構と同軸上に備えられ、前記パイロット弁機構を手動により作動させる手動機構とを有する複合弁において、前記手動機構は、ハンドルを備えた手動ステムの軸方向の移動を可能にするネジ部を備えると共に、前記ダイアフラム弁体と前記弁座とが離間しているときに、前記手動機構により前記パイロット弁機構に作用している空気圧に抗して前記パイロット弁機構を前記ダイアフラム弁体に当接させることにより、前記ダイアフラム弁体と前記弁座とを当接させ、前記ダイアフラム弁体と前記弁座とが当接しているときに、前記手動機構により前記パイロット弁機構の位置を固定することにより、前記パイロット弁機構に作用する空気圧に抗して前記ダイアフラム弁体と前記弁座とが当接する状態を保持することを特徴とする。

従って手動機構により、パイロット弁機構へのエア供給のいかんに関わらず複合弁を閉弁状態に保持することが可能である。すなわちパイロット弁機構にエア圧がかけられてパイロット弁機構とダイアフラム弁体とが離間している（複合弁が開弁状態）場合に、手動機構をネジ機構によって移動させることによりパイロット弁機構をダイアフラム弁体に当接させ、かつ当接する状態で固定して複合弁を閉弁状態に保つことが出来る。またパイロット弁機構にエア圧がかけられず、付勢手段によってパイロット弁機構とダイアフラム弁体とが当接している（複合弁が閉弁状態）場合に、手動機構をネジ機構によって移動させることによりパイロット弁機構の位置を固定することで、パイロット弁機構へエア供給が行われパイロット弁機構にダイアフラム弁体から離れる方向への力が加わった場合においてもパイロット弁機構の位置を固定できるため、複合弁を閉弁状態に保つことが出来る。なお、手動機構をネジ機構によってパイロット弁機構の位置を固定しない場所へ移動させておけば、パイロット弁機構は遠隔操作に応じた通常の弁の開閉動作を行うことも可能である。

これにより、安全装置として機能する手動弁とパイロット弁とを一体化して１つの複合弁として構成することが可能となるため、弁の設置スペースの省スペース化が可能である。また配管に設置される弁数を減らすことで低価格化が図れる。また本発明の手動機構は、手動機構の軸方向の移動を可能にするネジ部を備えるため、特に手動機構の位置を固定するためのストッパ等を備えなくてもその位置を保持することができ、機構を簡略化でき低価格化、小型化、軽量化が可能である。またピストンロッドをダイアフラム弁体に押し付ける際の反力や、エア圧力による力などが合わさった合力が手動機構にかかるが、この合力をノブ機構等よりも強度を得やすいネジ部により支えるため、破壊等を防ぐことが可能となり、耐久性向上が図れる。

また請求項２に係る複合弁では、請求項１に記載の複合弁において、手動機構とパイロット弁機構との間に備えられる弾性体を有し、手動機構とパイロット弁機構とが弾性体を介して当接することを特徴とする。

従来の手動による単体弁では、金属ダイアフラムの弾性反力と樹脂弁シートの弾性反力との合力が手動ステムのネジ部に常に加わるため、ネジ部の摺動抵抗が確保されていた。よって振動等によるネジ部のゆるみが防止されるために流体の漏れ発生の防止が可能であった。しかし請求項１にかかる複合弁では、パイロット弁機構に空気圧が加えられないときにおいて、パイロット弁機構がダイアフラム弁体と弁座とから受ける反力は、その反力と反対向きの付勢手段による付勢力によって抑え込まれる。従って手動機構とパイロット弁機構とが当接する場合においても両者は接するのみであり、パイロット弁機構から手動機構には力が加わらないためネジ部の摺動抵抗が確保しにくく、従来の手動による単体弁と比してネジ部がゆるみやすくなる。そこで請求項２に係る複合弁では手動機構とパイロット弁機構との間に弾性体を備え、手動機構とパイロット弁機構とが当接する場合には弾性体を介して当接するようにしている。これにより、手動機構とパイロット弁機構とが当接するときに弾性体に発生する反力が手動機構に加わり、ネジ部の摺動抵抗が確保されることで、振動等によるネジ部のゆるみの発生を防止することができる。

また請求項３に係る複合弁では、請求項１に記載の複合弁において、中心軸を有し、中心軸に対して円柱状に形成される弁座において、弁座は当接面を備え、当接面によって区切られた弁座の内径側の面積に比して、当接面の面積が４０％から６０％の範囲内であることを特徴とする。

これにより、弁座とダイアフラム弁体との当接時に弁座にかかる集中荷重を分散することができるため、弁座へたり量が低減し、繰り返し荷重による変形に対して強くなるため、弁の繰り返し開閉数の保証回数値を増やす事ができる。

また請求項４に係る複合弁では、請求項３に記載の複合弁において、弁座が有する当接面の形状は、高温度環境下において該弁座に荷重をかけることにより形成されることを特徴とする。

これにより、切削加工する場合に比してあらかじめ初期塑性変形が済んだ状態で当接面を形成できるため、弁座へたり量が低減し、また繰り返し荷重による変形に対して強くなる。よって耐久性を向上させることが可能であり、弁の繰り返し開閉数の保証回数をさらに増やす事ができる。またこれにより、へたり量が低減するため、ダイアフラム弁体が弁座に当接している時のダイアフラム弁体と弁座の密着性が高まる（ダイヤフラム弁体が弁座から受ける反発力が大きい）ため、流体の漏れ量を小さくすること等ができる。

また請求項５に係る複合弁では、請求項１に記載の複合弁において、パイロット弁機構よりも手動ステム側に、手動ステムのダイアフラム弁体方向への回転移動を制限するストッパ部を備えることを特徴とする。

すなわち、ネジ機構によって手動ステムをダイアフラム弁体方向へ移動させる場合に、所定量以上移動させようとした場合にストッパ部が機能し手動ステムの移動が制限される。これにより、パイロット弁機構をダイアフラム弁体に当接させることにより、ダイアフラム弁体と弁座とを当接する状態で固定して複合弁を閉弁状態に保つ場合に、ダイアフラム弁体を必要以上に弁座に当接させてしまう事態を防止できる。よって弁座に必要以上の力が加わることがないため弁座がへたりにくくなり、複合弁の耐久性を向上させることができるため、複合弁の繰り返し開閉数の保証回数をさらに増やす事などが可能である。

また、手動ステムのダイアフラム弁体方向への移動がストッパ部によって制限される場合にあっても、パイロット弁機構はストッパ部よりもダイアフラム弁体側にあるため、パイロット弁機構の移動は制限されない。これにより、付勢手段によりパイロット弁機構をダイアフラム弁体に当接させることができ、複合弁を閉弁状態にすることが可能である。

本発明は、弁座に当接または離間して流体の流れを制御するダイアフラム弁体と、付勢手段により当接されているダイアフラム弁体と弁座とを空気圧により離間させるパイロット弁機構と、パイロット弁機構と同軸上に備えられ、パイロット弁機構を手動により作動させる手動機構とを有する複合弁において、ハンドルを備えた手動機構は、手動ステムの軸方向の移動を可能にするネジ部を備えると共に、ダイアフラム弁体と弁座とが離間しているときに、手動機構によりパイロット弁機構に作用している空気圧に抗してパイロット弁機構をダイアフラム弁体に当接させることによりダイアフラム弁体と弁座とを当接させ、ダイアフラム弁体と弁座とが当接しているときに、手動機構によりパイロット弁機構の位置を固定することによりパイロット弁機構に作用している空気圧に抗してダイアフラム弁体と弁座とが当接する状態を保持する。
そのため、手動弁とエアオペレート弁とを一体化した複合弁を構成することができ、安全装置を備えた配管を構成するにあたり、手動弁とパイロット弁とを併設する必要のあった従来技術と比して、本実施の形態の複合弁では１つの複合弁で安全装置を構成することが可能となった。またこれにより弁の設置スペースの省スペース化が可能であり、また配管に設置される弁数を減らすことで低価格化が可能となった。

以下、本発明にかかる複合弁について具体化した実施形態を図１乃至図１０に基づき図面を参照しつつ詳細に説明する。第１実施形態の第１実施例を図１乃至図３を用いて説明する。図１乃至図３は、本発明の複合弁の一実施の形態を示した断面図である。なお本実施形態で「上方」とは本複合弁における手動ステム３２側、「下方」とは弁本体１側を指すものとする。図１における本実施の形態の複合弁は、弁本体１、カバー４、下部シリンダ２及び上部シリンダ３が一体になって構成されている。弁本体１は、入力ポート１１と出力ポート１２とが弁座１３を介して連通部１４にて連通されている。そして、弁座１３に当接・離間するダイアフラム弁体１６が、弁本体１とステム保持体５との間で挟持固定されている。そのため、弁本体１とカバー４とはダイアフラム弁体１６によって気密に仕切られ、連通部１４内を流れる流体がカバー４側へ漏れることはない。またステム保持体５にはステム６が揺動可能に挿着され、ステム６の下面はダイアフラム弁体１６に当接する。ダイアフラム弁体１６は、ステム６により下方へ付勢されない場合には弁座１３と離間し、ステム６により下方へ付勢される場合には弁座１３と当接するように配置される。そして弁本体１、ダイアフラム弁体１６、弁座１３、入力ポート１１、出力ポート１２によって弁機構が構成される。下部シリンダ２及び上部シリンダ３はシリンダ分離部２８によって分離され密閉容器を構成し、その中を摺動するピストン２１ａおよび２１ｂがそれぞれ装填されている。ピストン２１ａによって上部シリンダ３内の空間は上下２室に分割され、下室が加圧室２２ａとされる。同様にピストン２１ｂによって下部シリンダ２内の空間は上下２室に分割され、下室が加圧室２２ｂとされる。加圧室２２ａおよび２２ｂには操作ポート２３がサブロッド２９およびピストンロッド２６の通連孔を介して連通されている。一方、ピストン２１ａ上方には、そのピストン２１ａを下方へ付勢するスプリング２４が装填されている。また、ピストン２１ａおよび２１ｂは、その軸心上に突設されたピストンロッド２６を有し、ピストンロッド２６はＯリング２５ａを介して貫通孔２７，３９内に嵌挿され、気密に摺動するよう構成されている。ピストンロッド２６の下部は弁本体１側にまで延び、その先端はステム６の近傍に位置する。そして下部シリンダ２、上部シリンダ３、ピストン２１ａおよび２１ｂ、ピストンロッド２６、スプリング２４によってパイロット弁機構が構成される。

一方、ピストンロッド２６の上部はサブロッド２９に当接する。サブロッド２９は、Ｏリング２５ｂを介して貫通孔３９内に嵌挿され、気密に摺動するよう構成されている。サブロッド２９の上方には、サブロッド２９と当接・離間が可能である手動ステム３２が備えられる。手動ステム３２はハンドル３０を備え、ネジ部３１により上部シリンダ３に回転可能に歯合して設置されている。そして手動ステム３２、ネジ部３１により手動機構が構成される。また手動機構とパイロット弁機構と弁機構とによって複合弁が構成される。

上記のような構成からなる本実施の形態の複合弁は、次のように作用する。先ず、図１の弁機構の開弁状態（ダイアフラム弁体１６と弁座１３と離間し、流路スペースができる状態）を説明する。図１では手動ステム３２とサブロッド２９とは図１の領域Ａで示すように離間している。このように、弁機構が閉弁状態時において手動ステム３２とサブロッド２９との間に離間空間が発生するような手動ステム３２の下面の位置を、手動ステム３２の安全機構解除位置Ｒと定義する。図１ではピストン２１ａがスプリング２４により下方へ付勢され、ピストンロッド２６の下端部がステム６に当接する。そしてステム６によりダイアフラム弁体１６が下方に付勢され弁座１３へ当接される状態となる。従って、入力ポート１１から流入した流体は、ダイアフラム弁体１６によって遮断された連通部１４を通過することはなく、出力ポート１２側へ流れることはない。

次に遠隔操作により弁機構を開弁状態にする場合には、不図示のコンプレッサによって操作ポート２３からエアを供給する。すると図２に示す様に、加圧室２２ａ、２２ｂ内のエア圧の上昇によって上方への力を受けたピストン２１ａ、２１ｂがそれぞれ上部シリンダ３、下部シリンダ２内を摺動し、スプリング２４の付勢力に抗して上昇する。ピストン２１ａ、２１ｂの上昇に伴ってピストンロッド２６も上昇し、ピストンロッド２６とステム６とが離間するため、ダイアフラム弁体１６が下方に付勢されなくなることにより、ダイアフラム弁体１６は弁座１３から離間する。従って、弁座１３とダイアフラム弁体１６との間に流路スペースができ、入力ポート１１と連通部１４と出力ポート１２とが連通するので、入力ポート１１から供給される流体が出力ポート１２から吐出される。

そして遠隔操作によって弁機構を閉弁状態（ダイアフラム弁体１６と弁座１３とが当接する状態）にする場合には、加圧室２２ａ、２２ｂ内へ供給されたエアを抜いて減圧させる。ピストン２１ａ、２１ｂを上方へ付勢する加圧室内のエア圧を減圧させれば、ピストン２１ａが上方に嵌装されたスプリング２４の付勢力によって押し下げられる。そのため、ピストンロッド２６の下端部がステム６に当接し、ステム６によりダイアフラム弁体１６が下方に付勢され弁座１３へ当接するので、流路が遮断され流体の流れが止められる。よって手動ステム３２の下面が安全機構解除位置Ｒに存在する場合には、遠隔操作によって弁機構の開閉動作を行うことが可能であることが分かる。

次に、図２の開弁状態から手動機構によって閉弁状態にする場合を図２および図３を用いて説明する。図２では手動ステム３２は安全機構解除位置Ｒに存在し、手動ステム３２とサブロッド２９とは図２の領域Ｂで示すように当接している。この図２の開弁状態からハンドル３０に力を加えることにより手動ステム３２をステム上面から見て時計方向に回転させる。すると手動ステム３２と上部シリンダ３とはネジ部３１により歯合しているため、手動ステム３２は回転に応じて下方へ移動する。手動ステム３２の移動に応じてサブロッド２９およびピストンロッド２６も一体にシリンダ下方へ移動し、ピストンロッド２６の下端部がステム６に当接するため、ステム６によりダイアフラム弁体１６が下方に付勢され弁座１３へ当接される状態となり、図３に示す閉弁状態となる。そしてこのように弁機構が閉弁状態時において手動ステム３２とサブロッド２９とが当接するような手動ステム３２の下面の位置を、手動ステム３２の安全機構セット位置Ｓと定義する。よって、弁機構が開弁状態の場合においても、手動ステム３２を安全機構解除位置Ｒから安全機構セット位置Ｓへ移動させることにより強制的に弁機構を開弁状態から閉弁状態に遷移させ、かつ閉弁状態を保持することができることが分かる。

また図１に示すように弁機構が閉弁状態であり、手動ステム３２が安全機構解除位置Ｒに存在する場合に、手動ステム３２を安全機構解除位置Ｒから安全機構セット位置Ｓへ移動させる場合を説明する。図１ではスプリング２４の付勢力によってピストンロッド２６が押し下げられ、ピストンロッド２６と当接するステム６により弁機構が閉弁状態となっている。このとき手動ステム３２とサブロッド２９とは領域Ａで示すように離間しており、ピストンロッド２６の上方への移動は制限されない。ここでハンドル３０に力を加えることにより手動ステム３２をステム上面から見て時計方向に回転させると、手動ステム３２は回転に応じてシリンダ下方へ移動し、図３に示す様にサブロッド２９に当接する位置（安全機構セット位置Ｓ）で停止する。この図３の状態では、手動ステム３２とサブロッド２９とは領域Ｃで示すように当接しピストンロッド２６の上方への移動は制限され、弁機構は閉弁状態であるため、操作ポート２３からエアを供給しても弁機構は閉弁状態が維持される。よって、手動ステム３２が安全機構セット位置Ｓに存在する場合には、遠隔操作によって弁機構の開閉動作を行うことが出来なくなることが分かる。

このように、手動ステム３２が安全機構解除位置Ｒに存在する場合には、操作ポート２３へのエア供給の有無により弁機構の開閉を遠隔操作することができ、手動ステム３２が安全機構セット位置Ｓに存在する場合には、操作ポート２３へのエア供給に関わらず常に弁機構を閉状態に維持することができる。さらに、手動ステム３２が安全機構解除位置Ｒに存在し、弁機構が開状態の場合においても、手動ステム３２を安全機構セット位置Ｓへ移動させることにより強制的に弁機構を閉状態に遷移させることができる。

また図３に示すように、サブロッド２９は手動ステム３２との当接面の周方向に突起してなるストッパ部２９ｂを備え、上部シリンダ３は貫通孔３９の上面にストッパ当接面３ｂを備える。また図３ではピストンロッド２６の下端部がステム６に当接し、ステム６によりダイアフラム弁体１６が弁座１３へ当接されるため、弁機構は閉弁状態である。このとき、図３の閉弁状態から手動ステム３２をステム上面から見て時計方向に回転させ、手動ステム３２を安全機構セット位置Ｓからさらに下方へ移動させると、サブロッド２９のストッパ部２９ｂがストッパ当接面３ｂへ当接し、それ以上手動ステム３２を下方へ移動することができない。すなわち手動機構の過締付け防止機構を構成する。これにより、ピストンロッド２６を必要以上に下方へ移動させ、ステム６に当接させてしまう事態を防止できる。よって弁座１３に必要以上の力が加わることがないため弁座１３がへたりにくくなり、複合弁全体としての耐久性を向上させることができるため、複合弁の繰り返し開閉数の保証回数をさらに増やす事などが可能である。

またサブロッド２９とピストンロッド２６とは当接および離間可能に構成される。よって手動機構の過締付け防止機構が作用している場合（サブロッド２９のストッパ部２９ｂがストッパ当接面３ｂに当接している場合）においても、ピストンロッド２６はサブロッド２９と離間することにより自由に下方へ移動することができる。これにより、パイロット弁機構は手動機構の過締付け防止機構の作用を受けることがない。すなわちストッパ部が働いている場合にも、スプリング２４によりピストンロッド２６が下方へ付勢され、弁機構を閉弁状態（ダイアフラム弁体１６と弁座１３とが当接する状態）とすることができる。

尚、手動ステム３２とサブロッド２９とが一体に形成されても手動機構の過締付け防止機構は機能する。また、ハンドル３０のハンドル下面３０ｂと、ナット押さえ４２のナット押さえ上面４２ｂとが当接することにより、手動ステム３２の下方へ移動が制限され、手動機構の過締付け防止機構を構成してもよい。

また図４に示すように手動ステム３２ｂは、その下面の外周部にサブロッド２９ｃとは当接しないように突起してなるストッパ部３２ｃを備える構成でもよい。このような構成をとれば、ストッパ部３２ｃがストッパ当接面３ｂへ当接し、それ以上手動ステム３２を下方へ移動することができないため手動機構の過締付け防止機構を構成することができる。

また図５に示すように、ナット押さえ４２の上面にハンドル３０の回転を制限するピン４３を備える構成でもよい。これにより、ハンドル３０を時計方向に必要以上に回転させようとする場合にはハンドル３０がピン４３に当接する。よってそれ以上手動ステム３２を下方へ移動することができないため手動機構の過締付け防止機構を構成することができる。

よって以上により、第１実施形態の複合弁では、弁座１３に当接または離間して流体の流れを制御するダイアフラム弁体１６と、スプリング２４により当接されている弁座１３とダイアフラム弁体１６とを空気圧により離間させるパイロット弁機構と、パイロット弁機構と同軸上に備えられる手動機構とを有する複合弁において、手動機構は、手動ステムの軸方向の移動を可能にするネジ部３１を備えると共に、ダイアフラム弁体１６と弁座１３とが離間しているときに、手動機構によりパイロット弁機構に作用している空気圧に抗してパイロット弁機構をダイアフラム弁体１６に当接させることによりダイアフラム弁体１６と弁座１３とを当接させ、ダイアフラム弁体１６と弁座１３とが当接しているときに、手動機構によりパイロット弁機構の位置を固定することによりパイロット弁機構に作用している空気圧に抗してダイアフラム弁体１６と弁座１３とが当接する状態を保持する。そのため、手動弁とエアオペレート弁とを一体化した複合弁を構成することができる。すなわち手動機構と弁機構との組み合わせにより手動弁が構成され、この手動弁が安全装置として機能する。

これにより、安全装置を備えた配管を構成するにあたり、手動弁とパイロット弁とを併設する必要のあった従来技術と比して、本実施の形態の複合弁では１つの複合弁で安全装置を構成することが可能となるため、弁の設置スペースの省スペース化が可能であり、また配管に設置される弁数を減らすことで低価格化が図れる。また本発明の手動機構は、手動ステム３２の軸方向の移動を可能にするネジ部３１を備えるため、特に手動ステム３２の位置を固定するためのストッパ等を備えなくてもその位置を保持することができる。これにより複合弁の機構を簡略化でき低価格化、小型化、軽量化が可能である。またピストンロッド２６をダイアフラム弁体１６に押し付ける際の反力や、エア圧力によりピストン２１ａ、２１ｂが受ける力などが合わさった大きな合力が手動ステム３２にかかるが、この合力を（ノブ機構等よりも強度を得やすい）ネジ部３１により支えるため、手動機構の破壊等を防ぐことができる。これにより耐久性向上が可能となる。

第１実施形態の第２実施例を図６および図７を用いて説明する。図６における第１実施形態の第２実施例の複合弁は、弾性体付サブロッド２９ａを備え、その上面にはウレタンシートで作成され、リング状に形成された弾性体５０が嵌合されている。弾性体付サブロッド２９ａの上方には、該サブロッドと当接・離間が可能である手動ステム３２ａが備えられる。また弁機構が閉弁状態時において手動ステム３２ａと弾性体付サブロッド２９ａとの当接面の間に離間空間が発生するような手動ステム３２ａの当接面の位置を、手動ステム３２ａの安全機構解除位置Ｒ１と定義し、逆に両者が当接するような手動ステム３２ａの当接面の位置を、手動ステム３２ａの安全機構セット位置Ｓ１と定義する。その他の構造は第１実施形態の第１実施例（図１）と同様であるためここでは説明を省略する。

作用を説明する。図６は手動ステム３２ａの当接面が安全機構解除位置Ｒ１に存在し、遠隔操作によって弁機構が閉弁状態にされている（エアが供給されない）場合を示している。この場合には、スプリング２４の付勢力によってピストンロッド２６が押し下げられ、ピストンロッド２６と当接するステム６により弁機構が閉弁状態となっている。このとき手動ステム３２ａと弾性体付サブロッド２９ａとは領域Ｄで示すように離間しており、ピストンロッド２６の上方への移動は制限されないため、遠隔操作によって弁機構の開閉動作を行うことが可能である。

次に図６の状態で、手動ステム３２ａを安全機構解除位置Ｒ１から安全機構セット位置Ｓ１へ移動させる場合を説明する。手動ステム３２ａをステム上面から見て時計方向に回転させシリンダ下方へ移動させ、図７に示す様に弾性体付サブロッド２９ａに当接する位置（安全機構セット位置Ｓ１）で停止させる。このとき弾性体５０は手動ステム３２ａが当接することにより圧縮力を受け変形する。このとき手動ステム３２ａが受ける力を考えると、手動ステム３２ａは弾性体５０からの弾性力による反力のみを受け、弾性体付サブロッド２９ａからは力を受けない。これはピストンロッド２６が受ける上方への反力（ダイアフラム弁体１６と弁座１３とから受ける弾性反力の合力）はスプリング２４の下方への付勢力によって打ち消され、弾性体付サブロッド２９ａまで伝わらないためである。よって手動ステム３２ａに弾性体５０から力がかかるため、ネジ部３１の摺動抵抗が確保され、振動等によるネジ部３１のゆるみの発生を防止することができる。

一方、第１実施形態の第１実施例の図３において、遠隔操作によって弁機構が閉弁状態にされている（エアが供給されない）場合を考えると、手動ステム３２はサブロッド２９からほとんど力を受けない。これは両者が接している（メタルタッチしている）のみであり反力を生じないためと、ピストンロッド２６が受ける上方への反力はスプリング２４の下方への付勢力によって打ち消され、サブロッド２９まで伝わらないためである。よって手動ステム３２にほとんど力がかからないため、ネジ部３１の摺動抵抗が確保されず、振動等によるネジ部３１のゆるみが発生し易くなるおそれがある。

よって以上により、複合弁が閉弁状態の場合に手動ステム３２ａと弾性体付サブロッド２９ａとを当接させたときに、弾性体５０からの反力が手動ステム３２ａにかかるため、ネジ部３１の摺動抵抗が確保され、振動等によるネジ部３１のゆるみの発生を防止することができる。

第２実施形態を図８（イ）（ロ）を用いて説明する。図８（イ）は第１実施形態における弁座１近傍の断面拡大図、図８（ロ）は第２実施形態における弁座１近傍の断面拡大図である。第１実施形態を示す図８（イ）において、弁本体１は流体が流れ込む入力ポート１１を備える。弁座１３は弁座中心軸Ｏを中心に円筒状に形成され、入力ポート１１を囲うように形成された弁座設置孔４０にはめ込まれて弁本体１に設置される。弁本体１の上方へ飛び出た、弁座１３の飛び出し部の頂上部には、弁座中心軸Ｏにほぼ垂直な面で形成された当接面Ｍ１が備えられ、該当接面Ｍ１は中心軸Ｏ方向に幅Ｌ１を持ったドーナツ形状を構成する。この当接面Ｍ１のもつドーナツ形状部分の面積を当接面面積ＳＭ１とする。また当接面Ｍ１の内径側端面から中心軸Ｏまでの距離を当接面内径ＲＲ１とし、当接面内径ＲＲ１により求まる円状部分の面積を当接面内径面積ＳＲ１と定義する。ここで当接面内径面積ＳＲ１に対する当接面面積ＳＭ１の割合は１０％から２０％までの範囲内の値を有する。

次に、第２実施形態にかかる弁座１３ｂを備える弁本体１の近傍断面図を図８（ロ）において説明する。弁座１３ｂ以外の構造は第１実施形態の図８（イ）と同様であるためここでは説明を省略する。弁座１３ｂの飛び出し部の頂上部には、弁座中心軸Ｏにほぼ垂直な面で形成された当接面Ｍ２が備えられ、該当接面Ｍ２は中心軸Ｏ方向に幅Ｌ２を持つ。この当接面Ｍ２のもつドーナツ形状部分の面積を当接面面積ＳＭ２とする。ここで幅Ｌ２は、前記幅Ｌ１に対して２倍から４倍の範囲内の値であり、好ましくは約３倍の値を有する。また当接面Ｍ２の内径側端面から中心軸Ｏまでの距離を当接面内径ＲＲ２とし、当接面内径ＲＲ２により求まる円状部分の面積を当接面内径面積ＳＲ２と定義する。ここで当接面内径面積ＳＲ２に対する当接面面積ＳＭ２の割合は４０％から６０％までの範囲内の値を有する。そして図８（イ）（ロ）において、弁本体１の閉弁時にはダイアフラム弁体１６（不図示）が弁座１３または弁座１３ｂの飛び出し部上面の当接面Ｍ１、Ｍ２に当接する。よって入力ポート１１の下方から流入した流体は、ダイアフラム弁体１６と弁座１３（または弁座１３ｂ）とによって遮断され、弁本体１は閉弁状態となる。

弁座１３（図８（イ））の加工方法について説明する。原料は三フッ化塩化エチレン樹脂である。そして弁座１３の当接面Ｍ１は切削加工によって作成される。一方、弁座１３ｂ（図８（ロ））の加工方法について説明する。弁座１３ｂの加工方法には２種類あり、弁座１３と同様に切削加工により作成した弁座１３ｂを弁座１３ｂ１と、加熱状態で荷重をかけて形成した弁座１３ｂを弁座１３ｂ２と定義する。ここで幅Ｌ２の当接面Ｍ２をもつ弁座１３ｂ２を、加熱状態で荷重をかけて形成する方法を述べる。まず切削加工により図８（イ）に示す弁座１３（当接面Ｍ１、幅Ｌ１）を作成する。次に、弁座中心軸Ｏに対してほぼ垂直な面を備える金属製のジグを摂氏８０度に加熱し、中心軸Ｏに対して同軸な状態を保ったまま、５８８（Ｎ）の荷重で弁座１３の当接面Ｍ１に押し付ける。そして当接面Ｍ１の幅Ｌ１が幅Ｌ２に変形するまで荷重を負荷し続けた後にジグを離間させると、幅Ｌ２の当接面Ｍ２を備えた弁座１３ｂ２が得られる。

第２実施形態にかかる弁座１３ｂ１、１３ｂ２のへたりに対する効果およびへたりの評価方法について説明する。前述したジグを摂氏４０度に加熱し、弁座の飛び出し部上面の当接面に当接するように９８０（Ｎ）の荷重で押し付ける。そして所定時間経過後にジグを離間したときの当接面の位置が、へたりが発生していない荷重をかける前の当接面を基準としてどれだけ低い位置にあるかを弁座へたり量Ｈと定義する。ここで弁座１３（当接面Ｍ１、幅Ｌ１）の弁座へたり量をＨ１、弁座１３ｂ１（当接面Ｍ２、幅Ｌ２（切削加工））の弁座へたり量をＨｂ１、弁座１３ｂ２（当接面Ｍ２、幅Ｌ２（加熱荷重形成））の弁座へたり量をＨｂ２とする。このときの弁座へたり量を比較すると、弁座へたり量Ｈ１＝０．１６（ｍｍ）、Ｈｂ１＝０．０７（ｍｍ）、Ｈｂ２＝０．０（ｍｍ）となった。

すなわち弁座１３から弁座１３ｂ１へ変更（当接面の幅を幅Ｌ１から幅Ｌ２へ変更）することにより、ダイアフラム弁体と弁座との当接時に、弁座にかかる集中荷重を分散することができるため、弁座へたり量をＨ１からＨｂ１へ約半分まで低減できることが分かる。なおこのとき弁座１３ｂ１における、当接面内径面積ＳＲ２に対する当接面面積ＳＭ２の割合は、４０％から６０％までの範囲内の値であり、好ましくは５０％の値を有する。これは、この割合が４０％以下の値の場合には、弁座１３ｂ１にかかる集中荷重を十分に分散できないため弁座へたり量Ｈの低減効果が得られず、逆にこの割合が６０％以上の場合にはダイアフラム弁体１６と弁座１３ｂ１との当接面の面圧が低くなり、流体の遮断効果が低下するために流体漏れの発生の危険性が高まるためである。

さらに切削加工方法に代えて、加熱荷重による形成方法を用いて当接面Ｍ２を有する弁座１３ｂ２を作成すると、弁座へたりを無くすことができることが分かる（Ｈｂ２）。これは加熱したジグで与えられる荷重により当接面の幅を幅Ｌ１から幅Ｌ２へ変形させて加工することにより、あらかじめ初期塑性変形が済んだ状態で当接面Ｍ２を作成することができるためである。

このように第２実施形態の複合弁では、弁座１３（当接面Ｍ１、幅Ｌ１）に比して幅広の当接面を持つ弁座１３ｂ（当接面Ｍ２、幅Ｌ２）を備えるため弁座へたり量が低減し、繰り返し荷重による変形に対して強くなるため、弁の繰り返し開閉数の保証回数値を増やす事ができる。また加熱荷重により変形させることで形成することにより、切削加工する場合に比して、弁座へたり量が低減し、繰り返し荷重による変形に対して強くなる。よって弁の繰り返し開閉数の保証回数をより増やす事ができる。またへたり量が低減するため、ダイアフラム弁体１６が弁座に当接している時（弁機構の閉弁状態時）のダイアフラム弁体と弁座の密着性が高まり（ダイヤフラム弁体が弁座から受ける反発力が大きい）、流体の漏れ量を小さくすること等が可能となる。

なお、本発明の手動機構付エアオペレート弁は、前記実施の形態のものに限定されるわけではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、弁座１３および１３ｂは三フッ化塩化エチレン樹脂を原料としたが、ポリイミドなどの樹脂を原料としてもよい。また弾性体５０はウレタンシート製の弾性体としたが、その他にもＯリング、皿ばね、巻きバネ等の弾性体を用いてもよい。また弾性体５０はリング状に形成されるとしたが、弾性が得られる形状であればよく、例えば巻きバネがサブロッド２９の上面に備えられる形状でもよい。また弾性体５０は弾性体付サブロッド２９ａの上面に嵌合されるとしたが、手動ステム３２ａ側に固定されていてもよいし、固定されずに載置してあってもよいことは言うまでもない。また、ピストンロッド２６はピストン２１ａ、２１ｂとは別体のものとして形成したが、ピストンと一体のものであってもよい。

第１実施形態の第１実施例における複合弁の閉弁状態を示す図である。第１実施形態の第１実施例における複合弁の開弁状態を示す図である。第１実施形態の第１実施例における複合弁の手動機構による閉弁状態を示す図である。第１実施形態の第１実施例におけるストッパ部３２ｃを示す図である。第１実施形態の第１実施例におけるストッパ部を示す斜視図である。第１実施形態の第２実施例における複合弁の閉弁状態を示す図である。第１実施形態の第２実施例における複合弁の手動機構による閉弁状態を示す図である。第２実施形態における複合弁近傍の断面拡大図である。従来技術におけるプロセスガスユニットの構成を示す図である。従来技術における手動機構付エアオペレート弁を示す図である。

符号の説明

１弁本体
２下部シリンダ
３上部シリンダ
６ステム
１３弁座
１６ダイアフラム弁体
２１ａ、２１ｂピストン
２３操作ポート
２６ピストンロッド
３１ネジ部
３２手動ステム
Ｓ安全機構セット位置
Ｒ安全機構解除位置

Claims

弁座に当接または離間して流体の流れを制御するダイアフラム弁体と、
付勢手段により当接されている前記ダイアフラム弁体と前記弁座とを空気圧により離間させるパイロット弁機構と、
前記パイロット弁機構と同軸上に備えられ、前記パイロット弁機構を手動により作動させる手動機構とを有する複合弁において、
前記手動機構は、ハンドルを備えた手動ステムの軸方向の移動を可能にするネジ部を備えると共に、
前記ダイアフラム弁体と前記弁座とが離間しているときに、前記手動機構により前記パイロット弁機構に作用している空気圧に抗して前記パイロット弁機構を前記ダイアフラム弁体に当接させることにより、前記ダイアフラム弁体と前記弁座とを当接させ、
前記ダイアフラム弁体と前記弁座とが当接しているときに、前記手動機構により前記パイロット弁機構の位置を固定することにより、前記パイロット弁機構に作用する空気圧に抗して前記ダイアフラム弁体と前記弁座とが当接する状態を保持すること、
中心軸を有し、該中心軸に対して円柱状に形成される前記弁座において、前記弁座は当接面を備え、前記当接面によって区切られた弁座の内径側の面積に比して、前記当接面の面積が４０％から６０％の範囲内であること、
を特徴とする複合弁。
前記手動機構と前記パイロット弁機構との間に備えられる弾性体を有し、
前記手動機構と前記パイロット弁機構とが前記弾性体を介して当接することを特徴とする請求項１に記載の複合弁。
前記弁座が有する前記当接面の形状は、高温度環境下において該弁座に荷重をかけることにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の複合弁。
前記パイロット弁機構よりも前記手動ステム側に、該手動ステムの前記ダイアフラム弁体方向への回転移動を制限するストッパ部を備えることを特徴とする請求項１に記載の複合弁。