JP5140400B2 - 弁構造 - Google Patents

Description

本発明は、弁構造に係わる。より詳細には、一般産業用、特に、半導体製造装置や液晶製造装置などに用いられる様々な流体、特に、高圧な流体の供給または排出系に適する、金属ダイヤフラム式遮断弁などの弁座構造に関する。

特開平８−１８９５７４号公報

現在、半導体製造装置や液晶製造装置などに用いられる高圧流体用の金属ダイヤフラム式遮断弁において、樹脂製の弁座を有する場合、カシメ方式（図６）とシートホルダー方式（図７）とがある。
弁箱３の内部には、一次側通路４と二次側通路５とが形成されている。一次側通路４の内部側端には口４ａが形成され、二次側通路５の内部側端には口５ａが形成されている。
口４ａの周囲には、口４ａを取り囲んで弁座１が配置されている。
カシメ方式の場合は、弁箱３の口４ａ周囲の部分は口４ａの高さより上に立ち上がっており、その部分に、上方に開口する溝が形成されている。弁座１は、その溝の内部にカシメて嵌め込んである。
ダイヤフラム６が弁座１の頭部１ａに当接した場合には、一次側通路４と二次側通路５とは遮断される。ダイヤフラム６が弁座１の頭部１ａから離脱した場合には、口４ａと口５ａとを介して、一次側通路４ａと二次側通路５ａとは連通状態となる。

しかし、カシメ方式の場合、樹脂製の弁座１と、それを挿入するための弁箱３に形成される溝との間に微少な隙間が形成される。その隙間をデッドスペースと呼ぶ。そのデッドスペースに組立時の大気成分が存在しており、その水分や酸素が何らかの原因により流路内（一次側通路４，二次側通路５）に放出されると、流路内に反応し易い特殊ガス等存在する場合、反応が起きて生成物が生成される等、半導体製造プロセスに影響を及ぼす。
また、樹脂製の弁座１を金属製の弁箱３の溝内にカシメる際、金属を変形させる。そのため、接ガス部に相当するそのカシメ部分の金属表面に傷を残すことになる。さらに、カシメて嵌め込む際に金属からパーティクルが発生することがあるが、洗浄を行うことができない。そのため成膜原料中にパーティクルを巻き込む原因となってしまう。
一方、図７示すシートホルダー方式では、弁箱３の口４ａの周辺はフラットであり、口４ａを取り囲んで弁座１が配置される。弁座１は底面がフラットであり、底面と頭部１ａとの間に段差を有している。弁座１が中央に配置された状態で、保持具２は弁座１を弁箱の所定の位置に固定するための手段である。保持具２は、弁座１の段差に対応する段差を外部に有している。弁座１を弁箱３の中央に配置し、弁座１の段差と保持具２の段差とをかみ合わせる。保持部２はダイアフラムの周端において上方からの押圧力を受けて弁箱３に固定されるとともに、段差から弁座１に力を加えて弁座１を弁箱３に固定する。
保持具２は複数の開口１０を有している。また、保持具２の下方には空間が形成されており、空間９は口５ａを介して二次側通路５に通じている。
ダイヤフラム６が弁座１の頭部から脱離している場合には、口４ａ、開口１０，空間９、口５ａを介して一次側通路４ａと二次側通路５ａとは連通する。すなわち、バルブは開の状態となる。

しかし、シートホルダー方式の遮断弁の場合には、ダイヤフラム６が樹脂製の弁座１の頭部に当接している場合に次ぎのような問題が生じる。

すなわち、図８に示すように、流体が高圧で分子量が小さい気体の場合（例えば、Ｈｅガス）、気体が樹脂製の弁座１内に浸透する。次いで、その気体は弁座１の内部を拡散し、さらに弁座１の外部に透過してしまう。そのため、図８の矢印で示したように、弁閉時においても、下流側の圧力が徐々に上昇してしまう。弁座１の厚み（図面において横方向の厚み）が厚い場合であっても、透過が生じるまでに時間がかかるとは言え同じ現象は生じる。

また、最高使用圧力が弁内に封入されている時でも、弁座を締め切れるだけの充分な弁座押し付け力Ｆを発生する駆動装置を備えなければならない。弁内圧力が低圧（例えば大気圧）の場合であっても、弁座には弁座を締め切れるだけの充分な弁座押し付け力Ｆをかけている。この場合、弁座押し付け力は全て弁座にかかる。すると、弁座にかかる押し付け力は過大になる。そのため、樹脂製の弁座は座屈を起こし、流量低下、弁座漏洩の原因となる。

本発明は、閉弁状態にあって、下流側の圧力が上昇しない弁構造を提供することを目的とする。

本発明は、過大な押しつけ力がかかっても弁座は座屈せず、流量の低下や弁座漏洩をもたらすことのない弁座構造を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、樹脂製の弁座と、該弁座の頭部と当接し離脱するダイヤフラムと、該弁座を覆う金属製の弁座補強部材と、該弁座および該弁座補強部材とを弁箱に押し付けて保持するための弁座保持具とからなる弁構造であって、該弁座が金属ダイヤフラムと接する弁座部以外は弁座補強部材と弁座保持具により囲まれて構成される弁座構造である。
請求項２に係る発明は、該弁座補強部材は溝を有し、該溝内に前記弁座がはめ込まれている請求項１記載の弁座構造である。
請求項３に係る発明は、前記弁座補強部材の底面と弁箱との接触部にガスケット構造を有する請求項２記載の弁構造である。
請求項４に係る発明は、前記弁座補強部材の溝の底部と、弁座の底面との間に気体が侵入しないようにした請求項２記載の弁構造である。
請求項５に係る発明は、弁座の底面に歪みが生じるようにして弁座を前記溝にはめ込んである請求項４記載の弁構造である。

請求項６に係る発明は、前記溝の底部に傾斜を設けておき、平坦な底面を有する弁座を該溝にはめ込む請求項５記載の弁構造である。

請求項７に係る発明は、前記溝の底部を平坦にしておき、弁座の底面に傾斜か盛り上がり部を設けておき、弁座を溝にはめ込む請求項５記載の弁構造である。

（請求項１）
該弁座が金属ダイヤフラムと接する弁座部以外は弁座補強部材と弁座保持具により囲まれて構成されるため、気体は弁座と接触することがなく、気体の侵入、透過を確実に防止することが可能となる。

従って、分子量の小さな気体の場合であっても、弁閉時において下流側における気圧の上昇を防止することができる。

また、ダイヤフラムによる強力な弁座押し付け力を弁座補強材も負担するため、弁座が座屈を起こし難くなる。

デッドスペースが最小で、組立時において清浄度を損なわず、弁座の修理または交換が容易な弁構造（例えば金属ダイヤフラム式遮断弁の構造）を提供することができる。
（請求項２）
該弁座補強部材は溝を有し、該溝内に前記弁座がはめ込まれていると、金属ダイヤフラムと接する弁座部以外は気体から隔離され、気体の弁座への侵入を防止することができる。
また、弁座補強部材全体でダイヤフラムの押し付け力を負担するので座屈の発生防止により有効となる。
（請求項３）
前記弁座補強部材の底面と弁箱との接触部にガスケット構造を有していると、一次側通路と二次側通路との間における弁座補強部材底面を介してのリークを防止することができる。
（請求項４）
前記弁座補強部材の溝の底部と、弁座の底面との間に気体が侵入しないようにし,これにより、弁座底部に高圧気体が流入し、その後、弁内圧が下がった時、弁座の底部と上部に圧力差が生じ、そのせん断力により弁座が破損するのを防ぐことができる。
（請求項５）
弁座の底面に歪みが生じるようにして弁座を前記溝にはめ込んであると、弁座補強部材の溝部の底部内径側と弁座保持具の弁座押付け部との間で応力の高い領域を分布させて弁座を保持することが可能となる。これにより、弁座補強部材の溝部の底部内径側と弁座底部の密着度が高くなるため、弁座底部に高圧気体が流入するのを防ぐことができ、理想的な弁座の保持状態を実現できる。これにより、弁座底部に高圧気体が流入し、その後、弁内圧が下がった時、弁座の底部と上部に圧力差が生じ、そのせん断力により弁座が破損するのを防ぐことができる。
（請求項６）
溝の底部に傾斜を設けておき、平坦な底面を有する弁座を該溝にはめ込むと、傾斜面に当たる弁座底面は圧縮され、その部分は圧縮応力を受ける。溝の底部と弁座の底面との密着性が高くなり、弁座補強部材と弁座との間への気体の流入を防止できる。
（請求項７）
前記溝の底部を平坦にしておき、弁座の底面に傾斜か盛り上がり部を設けておく場合も、請求項６の場合と同様の効果を生じる。
なお、傾斜は、一次側通路４の口４ａの中心に向かい上昇する傾きとすることが好ましい。それにより、弁座の内径側の側面と弁座補強部材の内径側の壁の溝側の側面との間に高いシール性を有するシール面を形成することが可能となる。

図１及び図２に本発明の実施例に係る弁構造を示す。

本例の弁構造は、樹脂製の弁座１と、弁座１の頭部１ａと当接し離脱するダイヤフラム６と、弁座１の内側面と外側面と底面を覆う金属製の弁座補強部材７と、弁座１および弁座補強部材７とを弁箱３に保持するための弁座保持具２とからなっている。

以下より詳細に説明する。
本例の弁座１は樹脂製である。樹脂としては、ＰＣＴＦＥ（三フッ化塩化エチレン）、 PBI（ポリベンズイミダゾール）、ＰＦＡ（アーフロロアルコキシレート）その他の樹脂が用いられる。気体の透過性がこれらよりも高い樹脂を使用する場合に本発明より有効である。
弁座１はその上部に、ダイヤフラム６が当接し、離脱する頭部１aを有している。弁座１は、弁座補強部材７の溝内はめ込み可能であればその形状は特に限定されない。ただ、保持具２により弁箱３に固定するために、頭部１ａから下がった部分に段差部１ｄを有している。この段差部１ｄにおいて保持具２に当てて押し付けることにより弁箱３に固定する。
また、弁座１を弁座補強部材７の溝内にはめ込んだとき、その頭部１ａは弁座補強部材７の内径側の壁の高さより高くしてある。また、段差１ｄの高さは弁座補強部材７の外径側の壁の高さより高くしてある。
弁座１を溝内にはめ込み後、保持具２を段差１ｄの面に押し付ける。弁座１の段差面は弁座補強部材７の外径側の壁の高さまで圧縮され、押しつけ力は弁座１の段差１ｄの面と弁座補強部材７の外径側の壁の頂上面とで負担する。従って、アスペクト比が大きな弁座を用いたとしても座屈は発生しにくくなっている。
弁座１を弁座補強部材７の溝にはめ込み保持具２により押し付けると弁座１は歪みを受けて内部応力が発生する。特に、図３においては、ＡＢＣＤに囲まれる部分において圧縮応力が大きくなり、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの各点はシール性が高くなっている。
弁座補強部材７の採用により、弁閉時において、分子量の小さな気体は弁座上部の金属ダイヤフラムと接する弁座部付近からしか透過できないため、透過量を少なく抑えることができる。また、強力な弁座押し付け力に対して樹脂製弁座が座屈を起こし難くなる。
弁座補強材７は金属（合金を含む）である。耐食性を有する金属が好ましい。例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ，ニッケル合金（例えば、ハステロイ（登録商標））、ニッケル銅合金（例えばモネル（登録商標））が用いられる。
弁座補強部材７の底面にはガスケットが７ａが形成されている。本発明においては、弁座補強部材７は金属製である。従って、弁箱との接触は金属同士となり、樹脂の場合に比べるとシール性は良好ではない。そこで、弁座補強部材７の底面にガスケットを形成市シール性を高くすることが好ましい。
ガスケットとなる突起の形状は特に限定されない。図に示す例は断面が三角形状である突起を設けてある。
図３に示すように、本発明の弁座構造において、弁座補強部材の溝部の底部内径側と弁座保持具の弁座押付け部との間で応力の高い領域を分布させて弁座を保持することにより、弁座補強部材の溝部の底部内径側と弁座底部の密着度が高くなるため、弁座底部に高圧気体が流入するのを防ぐことができ、理想的な弁座の保持状態を実現できる。これにより、弁座底部に高圧気体が流入し、その後、弁内圧が下がった時、弁座の底部と上部に圧力差が生じ、そのせん断力により弁座が破損するのを防ぐことができる。図４に弁座内の理想的な応力分布を得るための弁座形状と弁座補強部材形状の組合せの例を示す。
図４（ａ）では、弁座補強部材７の溝の底部は、その中央から上方に向かい傾斜している。弁座４の底面はフラットである。
図４（ｂ）では、弁座補強部材７の溝の底部は、全体にわたり上方に向かい傾斜している。弁座４の底面はフラットである。
図４（ｃ）では、弁座補強部材７の溝の底部はフラットである。弁座４の底面は下方に向かい傾斜している。
図４（ｄ）では、弁座補強部材７の溝の底部はフラットである。弁座４の底面は内径側端がふくらみを有しており他の部分は平坦となっている。
これらの弁座１の底面形状と弁座補強部材７の溝形状との組合せにより図３に示すような内部応力の分布を有する構成とし、シール性の高い構造を得ることができる。

図５に高圧ヘリウムの弁座透過量を測定した例を示す。これは、弁の上流に高圧ヘリウムを接続し、弁の下流側にヘリウムリークディテクターを接続して、弁閉状態のままヘリウムの透過量を測定したものである。この時のヘリウム圧力は14MPaGであった。測定に用
いた本発明の弁座構造の弁口径は比較に用いたカシメ式弁座構造の弁口径の二倍であるにもかかわらず、本発明の弁座構造の高圧ヘリウム透過量はカシメ式弁座構造のものよりも少ない結果となった。
１４ＭＰａＧの例を示したが、それ以上においても下流における圧力上昇は認められない。

本発明の実施例１に係るバルブの断面図である。 図１の弁座近傍の拡大図である。 本発明の実施例１に係る弁座構造の拡大断面図である。 本発明の変形例に係る弁座と弁座保持具との組合せを示す断面図である。 本発明の実施例に係る弁座構造のリーク特性を示すグラフである。 従来例に係る弁座構造の断面図である。 他の従来例に係る弁座構造の断面図である。 図７の拡大図である。

符号の説明

１ 弁座
１ａ 頭部
１ｄ 段差
２ 保持具
２ｓ ストッパ
３ 弁箱
４ 一次側通路
４ａ 口
４ｂ 口
５ 二次側通路
５ａ 口
５ｂ 口
６ ダイヤフラム
７ 補強部材
７ａ ガスケット
９ 空間
１０ 開口

Claims (7)

1. 樹脂製の弁座と、該弁座の頭部と当接し離脱するダイヤフラムと、該弁座を覆う金属製の弁座補強部材と、該弁座および該弁座補強部材とを弁箱に押し付けて保持するための弁座保持具とからなる弁構造であって、
   該弁座が金属ダイヤフラムと接する弁座部以外は弁座補強部材と弁座保持具により囲まれて構成される弁座構造。
2. 該弁座補強部材は溝を有し、該溝内に前記弁座がはめ込まれている請求項１記載の弁座構造。
3. 前記弁座補強部材の底面と弁箱との接触部にガスケット構造を有する請求項２記載の弁構造。
4. 前記弁座補強部材の溝の底部と、弁座の底面との間に気体が侵入しないようにした請求項２記載の弁構造。
5. 弁座の底面に歪みが生じるようにして弁座を前記溝にはめ込んである請求項４記載の弁構造。
6. 前記溝の底部に傾斜を設けておき、平坦な底面を有する弁座を該溝にはめ込む請求項５記載の弁構造。
7. 前記溝の底部を平坦にしておき、弁座の底面に傾斜か盛り上がり部を設けておき、弁座を溝にはめ込む請求項５記載の弁構造。

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