隔膜阀的制作方法

本发明涉及一种隔膜阀，尤其是称为直接接触型的隔膜阀。

背景技术：

作为隔膜阀，在专利文献1中公开了一种隔膜阀，其具备：设置有流体通道的阀箱、设置在流体通道的周缘的环状的阀座、按压或离开阀座而开闭流体通道的球面状的金属制隔膜、在下端具有球面状的按压面而按压隔膜的隔膜压具、以及使隔膜上下移动的执行器。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本实用新型公开平2-29361号公报

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

在重复开闭操作的直接接触型隔膜阀中，隔膜的耐久性的提高是重要的课题，在专利文献1中，通过选择合适的隔膜的形状以及支承隔膜的外周缘部的部分的形状，而实现了隔膜的耐久性的提高。

然而，以往没有考虑过隔膜压具的按压面的曲率半径与隔膜的曲率半径的关系。

本发明的目的在于，提供一种通过着眼于隔膜压具的按压面的曲率半径与隔膜的曲率半径的比，来实现隔膜的耐久性的提高的隔膜阀。

(二)技术方案

本发明的隔膜阀具备：设置有流体通道的阀箱、设置在流体通道的周缘的阀座、按压或离开阀座而开闭流体通道的球面状的隔膜、在下端具有球面状的按压面而按压隔膜的隔膜压具、以及使隔膜上下移动的执行器，将隔膜的曲率半径记为sra，将隔膜压具的按压面的曲率半径记为srb，则srb/sra＝0.4～0.6。

以往，对于隔膜以及隔膜压具，是按照首先优化隔膜的曲率半径，接着将隔膜压具的按压面的曲率半径设定为与隔膜的曲率半径相同或比其略小的值的顺序，来设定各自的曲率半径。

本发明通过以往未考虑的srb/sra(隔膜压具的按压面的曲率半径/隔膜的曲率半径)，来明确在隔膜上产生的应力的变动，同时获得了0.4～0.6作为srb/sra的最优值。

该隔膜阀适于用作主要在半导体制造设备的气体供给系统等中使用的直接接触型的金属隔膜阀。

隔膜为金属制且上凸的圆弧状呈自然状态的球壳状。隔膜也可以是由多层构成的层叠型。隔膜的曲率半径是指内面(多层的情况下为最下层(接液侧)的内面)的曲率半径。

阀座可以与阀箱一体地设置，也可以是与阀箱分开的部件。

隔膜阀可以是上下移动工具为开闭手柄等的手动阀，也可以是上下移动工具为适当的执行器的自动阀，在自动阀的情况下，执行器可以是利用流体(空气)压力的类型，也可以是利用电磁力的类型。

此外，虽然在本说明书中将隔膜阀的阀杆的移动方向称为上下方向，但是该方向是为了方便起见而设定的，而上下方向在实际安装中则不仅可以是垂直方向，有时也可以是水平方向。

(三)有益效果

根据本发明的隔膜阀，通过使隔膜压具的按压面的曲率半径srb/隔膜的曲率半径sra＝0.4～0.6，应力被均匀化，由此，来防止在隔膜上局部性地作用过大的应力，从而大幅提高隔膜的耐久性。

附图说明

图1是表示本发明的隔膜阀的整体结构的纵截面图。

图2是表示本发明的隔膜阀的特征部分的放大纵截面图。

图3是表示srb/sra小于0.4时的解析结果的图。

图4是表示srb/sra大于0.6时的解析结果的图。

图5是表示srb/sra为0.5时的解析结果的图。

图6是表示在隔膜的直径为15φ的情况下，变更srb/sra时，中央部的最大应力和缘部的最大应力如何变化的图表。

图7是表示在隔膜的直径为20φ的情况下，变更srb/sra时，中央部的最大应力和缘部的最大应力如何变化的图表。

图8是表示在隔膜的直径为26φ的情况下，变更srb/sra时，中央部的最大应力和缘部的最大应力如何变化的图表。

附图标记说明

(1)-隔膜阀；(2)-阀箱；(2a)-流体流入通道；(2b)-流体流出通道；(4)-阀座；(5)-隔膜；(6)-隔膜压具。

具体实施方式

参照以下附图对本发明的实施方式进行说明。上下以及左右在以下的说明中是指图1中的上下以及左右。

图1示出了本发明的隔膜阀(1)的基本形状，隔膜阀(1)具备：具有流体流入通道(2a)、流体流出通道(2b)、以及朝向上方开口的凹处(2c)的块状的阀箱(2)；下端部与阀箱(2)的凹处(2c)上部螺合的向上方延伸的圆筒状阀盖(3)；设置在流体流入通道(2a)的周缘的环状的阀座(4)；按压或离开阀座(4)而开闭流体流入通道(2a)的隔膜(5)；按压隔膜(5)的中央部的隔膜压具(6)；以能够自由上下移动的方式插入阀盖(3)内而通过隔膜压具(6)使隔膜(5)按压/离开阀座(4)的阀杆(7)；配置在阀盖(3)下端面与阀箱(2)的凹处(2c)底面之间并将隔膜(5)的外周缘部保持在与阀箱(2)的凹处(2c)底面之间的按压适配器(8)；具有顶壁(9a)且与阀盖(3)螺合的套管(9)；使阀杆(7)上下移动的执行器(10)。

执行器(10)具备：与阀杆(7)一体化的活塞(11)；对活塞(11)向下方施力的压缩螺旋弹簧(施力部件)(12)；设置于活塞(11)下表面的操作空气导入室(13)；以贯通阀杆(7)的方式设置并将操作空气导入至操作空气导入室(13)内的操作空气导入通道(7a)。

在图1所示的通道开放的状态下，从流体流入通道(2a)流入的流体，流入到由阀箱(2)的凹处(2c)的底面与隔膜(5)围成的空间内，并经过流体流出通道(2b)流出至外部。

隔膜(5)呈球壳状且上凸的圆弧状是自然状态。隔膜(5)例如由镍合金薄板制成，并冲裁为圆形，形成为使中央部向上方凸出的球壳状。隔膜(5)可以由不锈钢薄板制成，或是由不锈钢薄板与镍钴合金薄板的层叠体构成。

按压适配器(8)的下表面(8a)整体呈具有规定的倾斜角度的圆锥状或圆弧状。另外，阀箱(2)的凹处(2c)的底面(14)具有圆形的平坦部(14a)、和与平坦部(14a)的外周相连并相对于平坦部(14a)凹陷的环状的凹部(14b)。

按压适配器(8)由于阀盖(3)与阀箱(2)螺合而以与隔膜(5)的外周缘部从上表面接触的状态被固定。这时，通过使按压适配器(8)的下表面(8a)整体呈圆锥状，隔膜(5)以几乎未从球壳状(向上凸出的圆弧状)发生变形且其外周缘部的上表面与按压适配器(8)的圆锥状下表面(8a)成面接触(大范围的接触)的状态，被保持在按压适配器(8)与阀箱(2)的凹处(2c)的底面(14)之间。另外，通过在阀箱(2)的凹处(2c)的底面(14)的外周缘部设置凹部(14b)，隔膜(5)的外周缘部被收容在凹部(14b)内。因此，隔膜(5)的外周缘部不承受沿着阀箱(2)的凹处(2c)的底面(14)那样的变形，其下表面与凹处(2c)的底面(14)的平坦部(14a)的外周(隔膜支承部)(14c)成线接触。

以往，对于隔膜(5)以及隔膜压具(6)是按照如下顺序来对各自的曲率半径进行设定，即：首先优化隔膜(5)的曲率半径，接着将隔膜压具(6)的按压面的曲率半径设定为与隔膜(5)的曲率半径相同或比其略小的值。

在本发明中，将隔膜(5)的曲率半径记为sra，将隔膜压具(6)的按压面的曲率半径记为srb，并使用有限元法对srb/sra与在隔膜(5)上产生的应力的关系进行解析，从而设定隔膜(5)以及隔膜压具(6)各自的曲率半径。

图3至图5示出了在隔膜阀(1)的关闭状态下被隔膜压具(6)按压时的隔膜(5)的变形状态。图3表示srb/sra小于0.4时的情况，图4表示srb/sra大于0.6时的情况，图5表示srb/sra为0.5时的情况。此外，对于各图的应力分布，以应力值较大的部分被圈出的方式简略表示。

根据图3所示的解析结果，在该图中用a表示的隔膜(5)的中央部所受的应力为最大，其值为1400mpa左右。

根据图4所示的解析结果，在该图中用b表示的隔膜(5)的缘部所受的应力为最大，其值为1100mpa左右。

根据图5所示的解析结果，隔膜(5)的中央部以及缘部所受的应力被均匀化，应力的最大值为1000mpa左右。

图6至图8表示对于使用有限元法计算隔膜(5)受到的应力的结果，在变更srb/sra时，隔膜(5)的中央部的最大应力以及缘部的最大应力如何变化。

图6表示隔膜(5)的直径为15φ的情况，图7表示隔膜(5)的直径为20φ的情况，图8表示隔膜(5)的直径为26φ的情况。

在图6至图8的任一图中，都具有中央部的最大应力随着srb/sra的增大而减小的倾向，且具有缘部的最大应力随着srb/sra的增大而增大的倾向。而且，若srb/sra小于0.4，则中央部的最大应力超过1000mpa，若srb/sra大于0.6，则缘部的最大应力超过1000mpa，在srb/sra＝0.4～0.6时，缘部以及中央部的最大应力均至多不超过1000mpa左右。

根据实际的耐久性试验，在srb/sra为0.7～1左右的阀(以往所使用的阀)中，从隔膜(5)的缘部周边开始发生破裂。而且，在srb/sra为0.5左右的阀中，以往在几十万次的开闭操作后隔膜(5)便会破裂的阀，即使进行100万次以上的开闭操作，隔膜(5)也未发生破裂。另外，若srb/sra不足0.4，则观察到早期从隔膜(5)的中央部发生破裂的现象。

由上述的解析结果以及耐久试验结果可知，无论隔膜(5)的直径如何，通过使srb/sra＝0.4～0.6，能够使隔膜(5)的应力均匀化而减轻过大的应力，并大幅提高耐久性。

此外，虽然在上述的隔膜阀中是由活塞(11)、压缩螺旋弹簧(施力部件)(12)、操作空气导入室(13)、操作空气导入通道(7a)等来构成使阀杆(7)上下移动的执行器(10)，该阀杆(7)使隔膜压具(6)上下移动，但执行器的结构不限于图1所示。

通过使srb/sra＝0.4～0.6而使隔膜(5)的应力均匀化的上述技术思想，能够与隔膜阀(1)的各种形状无关地进行适用，尤其是通过适用于直接接触型的金属隔膜阀，有助于提高半导体制造设备的气体供给系统等的可靠性。

工业上的实用性

本发明适于作为在半导体制造设备的气体供给系统等中使用的直接接触型的金属隔膜阀，且由于其隔膜的耐久性提高而有助于提高半导体制造设备等的性能。