JP2018168970A - メタルダイヤフラムバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】極めて簡易な構造のみで、高温流体が流れている間バルブを１０００万回レベルで開閉した後においても、樹脂製弁座の径時変形によるＣＶ値変動を良好に低減し、しかも高い耐久性をも備え、ＡＬＤプロセス用として極めて好適なダイレクトタッチ型メタルダイヤフラムバルブを提供することにある。【解決手段】１次側流路及び２次側流路に連通する弁室に弁座を設けたボデーと、弁室の上方に配設された中央部が上下動して弁座へ当接するメタルダイヤフラムと、このメタルダイヤフラムの上方に昇降動自在に設けられ、メタルダイヤフラムの中央部を下方へ下降させるステムとを有するメタルダイヤフラムバルブであって、２次側流路の一部に流路絞り部を設けたメタルダイヤフラムバルブである。【選択図】 図１

Description

本発明は、メタルダイヤフラムバルブに関し、特に、ＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)プロセスに使用される高純度ガス制御用バルブとして極めて好適なメタルダイヤフラムバルブに関する。

従来、半導体製造プロセスのガス供給系に使用されるバルブとしては、ドライダウン特性、ガス置換特性、パーティクルフリーといった点で優れた特性を発揮するダイレクトタッチ型のメタルダイヤフラムバルブが主流であり、その基本構造は、高強度高弾性かつ高い耐食性を有する円盤状金属薄膜（メタルダイヤフラム）が弁体となり、外周囲がボデーとボンネットとの間に挟持された状態で弁室の外部シール部が構成され、中央部が昇降動するステムに押圧されて流路開口部周縁に固着された樹脂製リング形状の弁座に当接・密着してバルブを閉じる一方、ステムによる押圧から解放された際には自己の形状復帰力で弁座から離間することでバルブが開かれる構造となっている。また、このようなバルブには調整ネジなどからなるステムのストローク調整手段が備えられた構造も多く、このストローク調整手段により、バルブの使用位置や条件・個体差等に応じてストロークを調整し、個々のバルブに必要となるＣｖ値がとれるようになっている。

一方で、近年は半導体の更なる微細化・高集積化やÅレベルの薄膜蒸着コントロールの要求などから、薄膜成長プロセスとして、所謂ＡＬＤプロセスの需要が高まっている。しかしながら、ＡＬＤプロセスにおいては、原子・ナノレベルで一層ずつ積み上げるようにして薄膜成長をコントロールするため、ガス供給ラインでは、前駆体、不活性ガス、酸化種ガスといった異なる流体を極めて高速で切り替えてチャンバへの供給・排出サイクルを連続的を繰り返す必要がある。薄膜成長を原子層レベルでコントロールすることから、ウェハ上に製品要求レベルの薄膜成長を得るために、通常１０００万回レベルのバルブ開閉寿命が必要となり、よって、バルブにも従来想定されていたレベルを遥かに超えたレベルの使用回数に耐え得る高耐久性が必須となると共に、バルブ開閉の高速応答性も必須である。また、極めて高精度に薄膜成長を制御するため、このような流体の高速パルスに応じてバルブが開閉動作する間においても、流体の流量（Ｃｖ値）は極めて高精度に安定化されていなければならない。さらに、供給ガスは金属化合物からなる蒸気圧が極めて低い特殊な流体なので、安定供給のために温度を約２００度に保つ必要があり、よって、バルブにはこのレベルの耐高温性が必須となる。

上記のような特有の条件が要求されるため、ＡＬＤプロセスに従来構造のバルブを適用した場合は、種々の問題が生じることになり、とりわけ樹脂製弁座に関しては、高温流体に曝された状態で極めて多数かつ高速でバルブが開閉されることによる経時変化に基づいた課題がいくつか知られている。このような弁座の課題に対し、例えば特許文献１、２が提案されている。

特許文献１には、ダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁のバルブストローク調整方法が示されている。同文献の手段では、先ず、バルブを所定温度下で所定回数開閉動作させて弁座の形状変化を収めてＣｖ値上昇を低減し、その後、ボンネット、アクチュエータ支持用筒部、ロックナットから成るバルブストローク調整機構を用いて、ダイヤフラム弁の最大バルブストロークを、所定形状・素材から構成されたメタルダイヤフラムの最大膨出高さより小さな設定値に調整固定することにより、メタルダイヤフラムの高耐久性と共に、弁座の経時変化の低減とバルブＣｖ値の安定確保が図られている。

特許文献２には、流体制御弁の弁座構造が示されている。同文献の流体制御弁の弁座部材は、フッ素系樹脂からなり、高さ方向の肉厚と径方向の肉厚とが所定の比率範囲内となるように形成されており、このような形状により、高温流体が流れている間における弁座部材の熱膨張や、バルブ開閉に伴う沈み込み量・復元量を低減するようにすることで、Ｃｖ値変動の低減が図られている。

その他、従来より半導体製造プロセスのガス供給系において、Ｃｖ値変動の低減、つまり流体の流量制御・安定化に関する手段としては所謂マスフローコントローラがある。マスフローコントローラの基本構造は、ダイレクトタッチ型のメタルダイヤフラムバルブ等の流量制御バルブをコントロールバルブとして流路の適切な位置に備え、一方で、装置へ流入する流路は流量センサ側とバイパス側に分岐しており、流量センサ側で流体の質量流量を正確に計測し、この計測情報は流量の出力信号として制御回路やバルブ駆動回路等を介して必要な開度情報としてコントロールバルブに備えられたアクチュエータに送られ、アクチュエータはこの入力情報に基づいてバルブの開度を調整可能に構成されており、この情報の伝達が常に適切に行われることにより、流量の増減に応じてバルブの開度が適切に調整され、流路を流れている流体の流量を常時一定にできる。例えば、特許文献３が提案するマスフローコントローラの場合、流量制御の前提となる条件として、大きく絞られたオリフィスの上流側圧力を、下流側圧力の２倍以上となるように設定することで、このオリフィスを通過する気体流量と上流側圧力との精度の高い線型性（比例関係）を得ることが必須となっており、同文献の図６には、交換可能なオリフィスとコントロール弁の構造が示されている。

特許第５３３１１８０号公報 特許第５２４３５１３号公報 特許第３５２２５４４号公報

しかしながら、本願発明者らの鋭意研究の結果、上記のようなＡＬＤプロセスにおける使用を想定したダイレクトタッチ型メタルダイヤフラムバルブに対し、次のような新たな課題が判明した。すなわち、上記のように高温流体を流し、かつバルブの開閉サイクルを１０００万回規模で繰り返している間においては、極めて僅かな変位ではあるが、弁座が徐々に潰れるように変形してしまい、この潰れ変形に伴いバルブの流路断面積も僅かに増加し、結果としてバルブのＣｖ値が要求レベルを超えて増加してしまう問題が判明した。従来このような弁座の潰れ変形に伴うＣｖ値の増加は極めて僅かであって、バルブの開閉回数も多くてせいぜい数百万回規模であったので問題とならなかったが、上記のように高温・多数サイクルという過酷な使用状況下においても高精度なＣｖ値の安定性が極めて厳しく要求されるＡＬＤプロセス用バルブとしては、新たに対処すべき課題となる。

上記課題に対しては、特許文献１は、予め所定のバルブ開閉により弁座の変化形状を馴らすようにしているものの、少なくとも１０００万回レベルでバルブを開閉した後における弁座の形状変化に関する言及・考慮はなされていないから、上記のような弁座の潰れ変形の課題を解決することはできない。また、同文献のような手段で弁座形状を馴らしたとしても、１０００万回レベルの使用後において弁座が上記のように潰れ変形しないことも保証されない。しかも、同文献に示された弁座の馴らし工程では、個々のバルブごとに２００度の高温流体を流しながら１００００回程度のバルブ開閉を行うというものであるが、このような工程は実際上非常に手間と時間を要し、現実的でないと共に、バルブの生産性に及ぼす悪影響は極めて大きい。

さらに、同文献では、バルブストローク調整機構でストロークをメタルダイヤフラムの膨出高さより小さく調整固定して、ダイヤフラムの強度向上と併せてＣｖ値の安定化が図られているが、ボデーやボンネット、或はロックナットなどの部材同士のネジ込み量によるストローク調節では、原理的にネジ山及びネジ溝の加工精度やバルブの個体差に応じたバラツキ等が不可避となるから、大まかなレベルでのＣｖ値調整は簡易にできる一方、上記のようにＡＬＤプロセスで要求される極めて高いＣｖ値安定化に対応するためには、全く不十分で不安定な手段であると言わざるを得ない。同様に、従来からバルブに備えられているようなストローク調整機構も、あくまで必要Ｃｖ値を大まかに得るためのものであり、その手段のみでＡＬＤプロセスで要求される高精度なＣｖ値調整を行うことは不可能と言える。よって、同文献の技術では上記課題は解決できない。

特許文献２においても、１０００万回規模のバルブ開閉後における弁座部材の形状変化について記載・示唆はなく、また、同文献の弁座部材は、あくまで熱膨張及び沈み込み・復元によって形状変化するものであり、このような形状変化に応じたＣｖ値変動を解消する手段に関する記載・考察は全くなされていない。また、この形状変化に応じたＣｖ値変動も、０．２以内という比較的大きな数値幅が示されており、開示されている数値例においては、使用開始時と所定時間経過後とのＣｖ値は３０％近く減少している。この点、Ｃｖ値変動安定性が特に厳しい使用条件において、例えば使用開始前と１０００万回開閉後にＣｖ値変化率が１０％以内等とされている場合には、十分に対応できないおそれがある。よって、同文献の技術でも上記課題を解決する手段としては未だ不十分である。

また、ダイレクトタッチ型メタルダイヤフラムバルブにおいては、構造上、ダイヤフラムと弁座との隙間がバルブのＣｖ値に直接的に影響すると共に、ＡＬＤプロセスにおけるＣｖ値安定性は極めて高精度が要求されることから、上記特許文献１、２のように、樹脂製弁座やメタルダイヤフラムといった可撓性軟質部材に関する工夫・改良のみでは、根本的には上記課題に対して十分な解決手段を与えることはできないと言わざるを得ない。

一方、特許文献３は、コントロール弁としてのダイレクトタッチ型メタルダイヤフラムバルブは示されているものの、樹脂製弁座に関する記載・示唆は全くないばかりか、上記課題やＡＬＤプロセスに関する記載も全く認められず、あくまでマスフローコントローラに関する技術であるから、同文献に基づいて上記課題を解決することは不可能である。また、このようなマスフローコントローラは、基本的には使用可能なガス種が個々に定まっていると共に、構造も複雑高価であるから、上記課題に応じた解決手段としては、少なくともその生産性・使用性などに大きな問題があると言える。

そこで、本発明は上記問題点を解決するために開発されたものであり、その目的とするところは、極めて簡易な構造のみで、高温流体が流れている間バルブを１０００万回レベルで開閉した後においても、樹脂製弁座の経時変形によるＣｖ値変動を良好に低減し、しかも高い耐久性をも備え、ＡＬＤプロセス用として極めて好適なダイレクトタッチ型メタルダイヤフラムバルブを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、１次側流路及び２次側流路に連通する弁室に弁座を設けたボデーと、弁室の上方に配設された中央部が上下動して弁座へ当接するメタルダイヤフラムと、このメタルダイヤフラムの上方に昇降動自在に設けられ、メタルダイヤフラムの中央部を下方へ下降させるステムとを有するメタルダイヤフラムバルブであって、２次側流路の一部に流路絞り部を設けたメタルダイヤフラムバルブである。

請求項２に係る発明は、メタルダイヤフラムバルブにおいて、バルブの必要Ｃｖ値に調整可能なＣｖ値調整手段を備えたメタルダイヤフラムバルブである。

請求項３に係る発明は、Ｃｖ値調整手段におけるＣｖ値調整は、メタルダイヤフラムの弁開度を調整することにより行うようにしたメタルダイヤフラムバルブである。

請求項４に係る発明は、Ｃｖ値調整手段は、メタルダイヤフラムのストローク調整を行うストローク調整手段であるメタルダイヤフラムバルブである。

請求項５に係る発明は、ボデーには、アクチュエータが搭載され、このアクチュエータは、ステムを下降させるスプリングと、圧縮空気の供給により上昇されるピストンとが内蔵され、このピストンの上昇量を調整ネジのねじ込みにより調整可能に設けてストローク調整手段としたメタルダイヤフラムバルブである。

請求項６に係る発明は、流路絞り部は、２次側流路とボデーに設けられた出口側流路との連通位置に設けられたメタルダイヤフラムバルブである。

請求項７に係る発明は、高温流体が流れている間であって、バルブの使用開始時と１０００万回開閉後とのＣｖ値の変動は、１０％以下となるように流路絞り部を設けたメタルダイヤフラムバルブである。

請求項８に係る発明は、流路絞り部は、２次側流路に対する流路径の絞り比率を０．５８以上１未満の範囲としたメタルダイヤフラムバルブである。

請求項１に記載の発明によると、２次側流路の一部に流路絞り部を設けたことにより、例えばＡＬＤプロセスに使用した場合のように、高温流体が流れている間１０００万回レベルでバルブを開閉動作した後、弁座が潰れるように変形し、これに伴い流路断面積が増加した場合、あるいは逆に、弁座の膨張変形に伴い流路断面積が減少したような場合において、弁室から２次側流路に流出する流量に僅かな変化（微増又は微減）が生じても、２次側流路の一部に設けられた流路絞り部において、このような流量の僅かな変動が良好に吸収・緩和され、結果としてバルブのＣｖ値変動が、弁座の形状変化に対応した分と比較して、極めて小さく低減される効果が齎される。しかも、流路絞り部という剛性部材の簡易構造によるＣｖ値変動の安定化手段であるから、基本的にはバルブの使用回数に依らず永続的にＣｖ値安定化手段として同一性能を保って機能すると共に、極めて簡易な構造のみでＣｖ値の安定化を図ることができる。

請求項２に記載の発明によると、バルブの必要Ｃｖ値に調整可能なＣｖ値調整手段を備えたから、例えば、バルブの使用位置や条件、使用ガス種等、或はバルブの個体差等に応じて、バルブの大まかな必要Ｃｖ値を容易にとることができる。

請求項３に記載の発明によると、Ｃｖ値調整手段による調整は、メタルダイヤフラムの弁開度調整により行うようにしたから、Ｃｖ値を調整する原理としてバルブの構造上最も簡易かつ直接的であると共に、容易に広範囲の調整・設定が可能となり、バルブの使用性を高めることができる。

請求項４に記載の発明によると、Ｃｖ値調整手段は、メタルダイヤフラムのストローク調整を行うストローク調整手段であるから、メタルダイヤフラムの弁開度調整を、極めて簡易な構造で容易かつ確実に調整可能となる。

請求項５に記載の発明によると、ボデーに搭載したアクチュエータに内蔵されたピストンの上昇量を、ねじ込みにより調整可能に設けた調整ネジで調整するストローク調整手段であるから、極めて簡易な構造のみで、容易かつ確実にＣｖ値の調整が可能となる。

請求項６に記載の発明によると、流路絞り部は、２次側流路とボデーに設けられた出口側流路との連通位置に設けたから、極めて簡易に形成可能であると共に、形成される位置が弁室直後の位置となり、樹脂製弁座が設けられている弁室内部における僅かな流量変動にダイレクトに対応可能となり、バルブのＣｖ値安定化の効果が高まる。さらにボデーをコンパクトにできるのでバルブの小型化にも寄与する。

請求項７に記載の発明によると、高温流体が流れている間であって、バルブの使用開始時と１０００万回開閉後とのＣｖ値の変動を１０％以下となるように流路絞り部を設けたから、極めて高いＣｖ値の安定性を備えたことにより、例えばＡＬＤプロセスのガス供給に使用されるバルブとして、広範な条件下において良好に使用可能となる。

請求項８に記載の発明によると、２次側流路に対する流路径の絞り比率を０．５８以上１未満の範囲としたから、バルブの必要Ｃｖ値を確実に確保しながら、要求されるＣｖ値安定性などの使用条件に応じて、適宜バルブ構造を設定可能となる。

本例のメタルダイヤフラムバルブの全開状態の縦断面図である。 本例のメタルダイヤフラムバルブの全閉状態の縦断面図である。 本例のボデーの縦断面図である。 弁座の潰れとＣｖ値の変化率とをグラフ化したグラフ図である。 バルブの開閉回数とＣｖ値とをグラフ化したグラフ図である。 図５において、縦軸をＣｖ値の変化率としたグラフ図である。 従来例のボデーの縦断面図である。

以下、本発明の実施形態の構造を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施形態（本例）のアクチュエータを備えたメタルダイヤフラムバルブにおいて、バルブの全開状態を示した縦断面図であり、図２は、図１の全閉状態である。

本例のバルブは、１次側流路１及び２次側流路２に連通する弁室３に弁座４を設けたボデー５と、弁室３の上方に配設された中央部が上下動して弁座４へ当接するメタルダイヤフラム７と、このメタルダイヤフラム７の上方に昇降動自在に設けられ、メタルダイヤフラム７の中央部を下方へ下降させるステム８とを有するメタルダイヤフラムバルブであって、２次側流路２の一部に流路絞り部６を設けている。

また、ボデー５には、アクチュエータ本体１０が搭載され、このアクチュエータ本体１０には、ステム８を下降させるスプリング１１と、圧縮空気の供給により上昇されるピストン１２とが内蔵され、このピストン１２の上昇量を調整ネジ１３のねじ込みにより調整可能に設けてストローク調整手段としている。

カバー１４は、外観略円筒形状を呈し、軸心位置には、外部に設けられた図示しないエア源と接続（螺合）可能なメネジからなる接続部１５が設けられ、その奥側には後述の調整ネジ１３と螺合可能なめねじ部１６が形成され、その奥側には後述のピストン１２の延部３７ａと嵌合可能な嵌合部１７が形成されている。カバー１４の下端部には、ケーシング１８のメネジと螺着可能なオネジが設けられている。また、カバー１４の内部には、後述のスプリング１１を付勢するための受け部２１が凹設されている。

ケーシング１８は、カバー１４と略同径の円筒状外観に形成されており、上端部には前記のメネジが形成され、下端部にもベース２２のオネジと螺着可能なメネジが形成されている。また、ケーシング１８の内周面には、後述のサブベース２５を係合保持可能な段部２６が形成されている。

ベース２２は、上部側はケーシング１８と略同径の筒状に形成され前記メネジと螺着可能なオネジが形成されており、一方、下部側はボデー５と略同形の筒状に形成されボデー５のメネジ２７と螺着可能なオネジ２８が形成されている。また、中央の軸心位置には、ステムであるロッド８を嵌合しつつ上下摺動可能な縦長形成の取付穴２９が開口している。さらに、後述するように、高温流体からの断熱対策として、上部側と下部側との間にはくびれ部２２ａが形成されている。

ボンネット３０は、略扁平筒状に形成されており、中央の軸心位置には、ダイヤフラムピース３１を嵌合しつつ上下摺動可能な取付穴３０ａが開口している。この取付穴３０ａには、ダイヤフラムピース３１の鍔部３１ａに対応した段部が設けられている。

メタルダイヤフラム７は、略円盤状に形成され、本例では、スプロン製のダイヤフラム部材を所定枚数重ねて使用し、これらの周縁部は、ボデー５の弁室３の外周部に形成された凸部３３とボンネット３０の下端外周部との間に狭着固定されて弁室３の外周シール部を構成している。

なお、本例のバルブの組み立ての際には、メタルダイヤフラム７は、その周縁部を凸部３３の上に乗せ、その上に、ボンネット３０の下端外周部を乗せて、上下から挟み込んだ状態で、ボデー５のメネジ２７にベース２２のオネジ２８を螺合させていくと、ベース２２の下端面側がボンネット３０の上端面側を押し込んで締め付けることで、メタルダイヤフラム７の周縁部が、ボンネット３０と凸部３３とに上下から狭圧されて弁室３内に固定され、外周シール部が構成される。

図３は、本例のボデー５の縦断面図であり、図７は、従来例のボデー５０の縦断面図である。本例のボデー５は、２次側流路２に流路絞り部６が設けられている点が、従来例のボデー５０と異なっており、本例の流路絞り部６は、２次側流路２とボデー５に設けられた出口側流路２ａとの連通位置に設けられている。

図３において、本例のボデー５は、ＳＵＳ３１６Ｌ製にて外観略直方体状に一体形成し、上側の筒状部内周面にはベース２２のオネジ２８と螺着可能なメネジ２７が形成され、その奥側側面にはボンネット３０外周面と嵌合可能な嵌合部３４が形成され、その奥側底面には環状の弁室３空間が形成されている。ボデー５の底面側からは、軸心位置に１次側流路１を上向きに穿設して弁室３空間まで開口しており、この開口周縁部に形成された装着溝部には、ＰＦＡ製のリング状弁座４が固着され、弁座４上面には、メタルダイヤフラム７の中央部下面がロッド８に押圧されて可撓変形して密着（着座）可能となっている。

図３において、２次側流路２は、弁室３底面の一部からボデー５の底面側に向けて連通しており、その一部に、流路絞り部６が設けられている。この流路絞り部６の加工方法としては、例えば、ボデー５の軸心方向に、弁室３側から２次側流路２を所定深さまで穿設し、一方で、この２次側流路２の軸心方向から少し偏心した方向に、ボデー５底面側から２次側流路２の一部である出口側流路２ａを所定深さまで穿設しておく。この際、２次側流路２と出口側流路２ａとは互いに連通しない深さに加工する。次いで、これら２次側流路２と出口側流路２ａとを連通させるように、所定径の流路絞り部６を穿設すれば、本例の流路絞り部６を有する２次側流路２を簡易に形成することができる。このように、弁室３から直接２次側流路２を浅く繋ぎ、その直後に流路絞り部６を短く繋ぎ、その直後に拡径した出口側流路２ａを繋ぐと共に、これらを全てコンパクトに形成されたボデー５内に形成することで、弁室３と流路絞り部６との距離が極小となり、後述の流路絞り部６によるバルブのＣｖ値変動率抑制効果も高まる。

これに対し、図７は、従来のボデー５０の２次側流路５１の構造の一例を示した縦断面図である。同図に示すように、この従来例では、２次側流路５１は２本の流入側流路５１ａと流出側流路５１ｂとからなり、流入側流路５１ａと流出側流路５１ｂとは、直接交差するまで穿設されて互いに連通しており、図３に示したような流路絞り部６は設けられていない。なお、図７では、図３における部分と同一部分は同一符号を付し、その説明を省略する。

次いで、図１、２を用いて本例のアクチュエータ本体１０の構造を説明する。アクチュエータ本体１０には、エア駆動力（開弁力）の確保のため、少なくとも２つのエア室３５ａ、３５ｂが設けられており、同図に示すように、サブベース２２を配置すると共に、ピストン１２をコンパクトに２段構成してエア室３５ａ、３５ｂを確保している。

ピストン１２は、平行に２枚が張り出した円形フランジ状のピストン部３６ａ、３６ｂと、これらの中心位置を繋ぐ筒状の延部３７ａ、３７ｂ、３７ｃとを有しており、延部３７ａの上端面側には、ピストン１２内部において軸心方向に供給エアを導通可能な流路３８が開口しており、この流路３８には、２つのエア室３５ａ、３５ｂに向けて開口してエア供給可能な流路３８ａ、３８ｂが分岐して形成されている。このため、接続部１５に図示しないエア供給源が接続された場合は、供給源からのエアは流路３８、３８ａ、３８ｂを導通してエア室３５ａ、３５ｂに供給される。

ピストン部３６ａ、３６ｂの外周縁部には、ＦＫＭ製のＯリング３９ａ、３９ｂが設けられ、それぞれケーシング１８、ベース２２の内周面との間を摺動しつつシールしており、同様に、延部３７ａにはＯリング４０ａ、４０ｂ、延部３７ｂにはＯリング４１、延部３７ｃにはＯリング４２、さらにサブベース２２の外周縁部にはＯリング４３が、それぞれ設けられている。なお、Ｏリング４０ａ、４０ｂは、筒状の延部３７ａが、後述のようにピストン１２が昇降動する際、カバー１４（嵌合部１７）の軸心方向に対して僅かに傾きながら上下動することで嵌合部１７の内周面を擦って損傷を生じたり作動不良を生じたりするようなことがないように、２つ設けてピストン１２の傾き抑制効果を高めている。

ステムとしてのロッド８は、ベース２２の取付穴２９内周面に嵌合してほぼ抵抗なく上下摺動可能に設けられ、ＳＵＳ３０４製で縦長形成されており、上端面８ｂはピストン１２の延部３７ｃの下端面に当接し、下端面８ｃはダイヤフラムピース３１の上端面に当接している。

また、流体が約２００度などの高温の場合、その伝熱によりアクチュエータが高温になると、作動不良を生じたり、センサー等の電子機器が取り付けられている場合は、熱で機器が故障したりする支障を生じる。このため、加熱されたボデー５などからの熱がアクチュエータ本体１０に伝わり難くするため、所定の熱対策を施している。本例では、発熱部材となるボデー５やボンネット３０などからアクチュエータ本体１０へ熱が伝わる熱伝導経路部材の断面積を、バルブやアクチュエータの機能に支障が生じない範囲で減少させるようにしている。

具体的には、高温流体からの熱伝導により加熱部材となりうるダイヤフラムピース３１の上端面と接触する接触領域を小さくするため、ロッド８の下端面８ｃは円弧状曲面に形成され、同様に、加熱部材となりうるロッド８の上端面８ｂも円弧状曲面に形成され、ピストン１２の延部３７ｃの下端面と接触する接触領域を小さくしており、ロッド８の上下では、少なくとも面接触により効率よく熱伝導してしまうことが無いようにしている。さらに、ベース２２にはくびれ部２２ａを設けると共に、ロッド８にもくびれ部８ａを設けており、これらにより、ボデー５側からアクチュエータ本体１０側への熱伝導の断面積をなるべく減少させて熱伝率を抑制するようにしている。

本発明のメタルダイヤフラムバルブは、バルブの必要Ｃｖ値に調整可能なＣｖ値調整手段を備えている。これは、バルブの製造の際に、同一製品に要求され得るＣｖ値よりも大きく余裕を持たせたＣｖ値に設定可能にバルブを製造した上で、バルブごとに実際に必要となるＣｖ値に調整設定して個体差をなくするようにするためである。また、バルブは同一製品における個体差のほか、使用条件等も異なることがあるため、Ｃｖ値調整手段を設けて、予めバルブごとに必要となる固有のＣｖ値に調整設定可能とするためでもある。このため、バルブを必要Ｃｖ値に調整可能な手段であれば、実施に応じて任意に選択可能であり、例えば、ダイヤフラムを変えてＣｖ値を変更したり、ボデーや弁座、ボンネットを変えて弁室容量や流路形状を変更するなどによりＣｖ値を調整するようにしてもよい。

本例では、上記のようなＣｖ値調整の際は、メタルダイヤフラム７の弁開度を調整することにより行うようにしている。弁開度はＣｖ値に直接影響し、しかも弁開度調整は最も簡易かつ確実なＣｖ値調整手段と言えるので極めて好適である。さらに、前述したように、本例では、Ｃｖ値調整手段は、メタルダイヤフラム７のストローク調整を行うストローク調整手段としており、このストローク調整手段は、図１、２に示すように、おねじ部１３ａがカバー１４のめねじ部１６と螺着することで高さ調整可能に設けられた調整ネジ１３としている。

具体的には、本例のバルブでは、使用流体は約２００度の高温流体を想定しており、２００度におけるバルブのＣｖ値を０．５にとる必要がある。これに対応するため、メタルダイヤフラム７の全開状態において、常温でＣｖ値が０．６５程度であって、２００度におけるＣｖ値が例えば０．６（少なくとも０．５より大きい値）にとれるように予めバルブを設計しておき、その後、調整ネジ１３によりＣｖ値を０．５に抑えるように調整することで、２００度におけるバルブの個体差（Ｃｖ値差）をなくすようにしている。

調整ネジ１３は、オネジ部１３ａがメネジ部１６にネジ締結しているので、このネジ締結の螺進距離を調整することができる。このネジ締結は、穴部１３ｂにレンチを差し込んで回動できるようになっている。また、ピストン１２の延部３７ａの上端部は、エア供給により上昇することで、調整ネジ１３の下端部に当接して、上昇が規制されるようになっている。このため、調整ネジ１３の位置を、ネジ締結の調整により、バルブの必要Ｃｖ値に応じたピストン１２の最大ストローク位置に設定することで、ピストン１２の上昇を規制して、バルブのＣｖ値調整が可能となる。なお、アクチュエータへエア供給する際に接続部１５に供給源を取り付けた際、供給エアは、この調整ネジ１３の軸心位置を貫通して形成された流路を連通可能となっている。

続いて、本例のバルブの全開状態から全閉状態への作用を説明する。前述したように、図１は全開状態、図２は全閉状態をそれぞれ示している。以下、全開状態のエア室３５ａ、３５ｂからエアを抜いた場合を説明する。

図１において、エア室３５ａ、３５ｂにはエアが充填され、このエア圧によりピストン部３６ａ、３６ｂがスプリング１１の付勢力に抗して引き上げられている。一方で、メタルダイヤフラム７の中央部は、自己の形状復帰力で上向きに膨出している。この膨出状態では、上面に乗っているダイヤフラムピース３１を、その上に乗ったロッド８と共に持ち上げた状態であり、また、上記のように、ピストン１２の延部３７ａの上端部は、調整ネジ１３のストローク調整により、その下端部に当接して上昇が規制されている。このため、メタルダイヤフラム７の中央部は自然形状まで完全には膨出せずわずかに凹んでいる。

次に、エア室３５ａ、３５ｂからエアが排出されていくに従い、スプリング１１の付勢力によりピストン部３６ａの上面が下向きに押下され、これに伴い、ピストン１２の延部３７ｃの下端部がロッド８の上端面８ｂを押下し、これに伴い、ロッド８の下端面８ｃがダイヤフラムピース３１の状端面を押下し、これに伴い、ダイヤフラムピース３１の下面がメタルダイヤフラム７の中央部上面を凹ませるように可撓変形させていく。その後、ダイヤフラムピース３１が下がり切ってメタルダイヤフラム７の中央部が弁座４の上面に密着し切ると、図２に示すように、バルブは全閉状態となる。

この全閉状態から全開状態への作用は、上記作用の逆順であり、先ず、接続部１５に接続された図示しないエア供給源から流路３８、３８ａ、３８ｂを介してエア室３５ａ、３５ｂにエアが供給されてアクチュエータ本体１０にエア圧が付与され、このエア圧によりピストン１２が上昇していく。このピストン１２の上昇に伴い、ロッド８、ダイヤフラムピース３１はピストン１２による押下から解放されると共に、メタルダイヤフラム７の形状復帰力も開放され、これに伴い、メタルダイヤフラム７中央部の膨出によりダイヤフラムピース３１、ロッド８が持ち上げられて上昇して行く。この上昇は、ピストン１２の延部３７ａの上端部が調整ネジ１３の下端部と当接して終了し、図１に示すバルブの全開状態となる。

続いて、本発明の流路絞り部６の作用効果を３Ｄ−ＣＡＤシミュレーションを用いた実験例に基づいて説明する。図４は、図７に示した従来構造のボデー５０を有したメタルダイヤフラムバルブを比較例として、図１〜３に示した本例のボデー５を有したメタルダイヤフラムバルブにおいて、流路絞り部６の径をΦ３．８ｍｍ、Φ４．０ｍｍ、Φ４．２ｍｍのそれぞれに設定した場合、弁座４の基準高さからの潰れ量を適宜数設定し、その潰れ量ごとに、バルブのＣｖ値がどのように変化するかを実験した結果をグラフ化したものである。なお、図１〜３の２次側流路２及び図７の流入側流路５１ａの径は何れもΦ６ｍｍ、図１〜３の出口側流路２ａ及び図７の流出側流路５１ｂの径は何れもΦ７ｍｍに設定している。

図４に示すように、前述したような弁座の潰れの課題を受け、本願発明者らが流路絞り部６を２次側流路２に設けてバルブのＣｖ値変化率（増加率）を計測したところ、Ｃｖ値の変化率を著しく低減できる効果があるという知見が得られた。同図に示すように、従来構造と比較して、明らかに流路絞り部６を設けた本例の方がグラフの傾きが小さく、さらに、流路絞り部６の径を絞るほどにグラフの傾きが小さくなり、弁座４の潰れ変形によるＣｖ値への影響が少なくなることが判明している。

これは、Ｃｖ値の定義は、通常、１ｐｓｉ（約６．９ｋＰａ）の圧力差で６０°Ｆ（約１５．５°Ｃ）の温度の清水が、特定トラベル（特定状態・開度のバルブ・オリフィス等）を流れる流量を、ＵＳｇａｌ／ｍｉｎ（約３．７８５Ｌ／ｍｉｎ）に換算した量、などと定義され、圧力差（圧損）と流量から計算されることから考察すると、流路絞り部６のような、バルブの圧力損失を適度に増加させることができる圧損手段が設けられたことにより、弁座４が僅かな量だけ潰れ、これに応じて弁室３内からの流入流量が僅かに増加したとしても、少なくともこの種の流体であってこの程度の僅かな流量増加分の範囲内においては、流路絞り部６を有さない場合と比較して、Ｃｖ値の増加分への反映が鈍化する（弁座４の潰れ変形に応じた流量変動に対するバルブのＣｖ値特性の傾斜が緩くなる）ためと考えられる。ただし、どのような圧損手段でも良いわけではなく、本発明の流路絞り部６のように、弁座の経時変形に応じて適正に流体に圧損を与えることができる手段である必要がある。このため、本発明では、２次側流路２の一部に流路絞り部６を設けたことにより、少なくとも弁座３の潰れ変形に応じたバルブのＣｖ値の増加を抑制するようにしていると言える。

そこで、２次側流路２及び出口側流路２ａの径を上記の値に固定した上で、流路絞り部６の径を変更して絞り比率（本実施例では「流路絞り部６の径／２次側流路２の径」）を変えて好適な範囲を求めたところ、少なくとも２次側流路２の径に対して、流路絞り部６の径は、０．５８以上１未満であれば好適であることが判明した。すなわち、流路絞り部６の径がΦ３．５ｍｍ程度を下回ると、２００度におけるＣｖ値が０．５を下回ることになるため、径の下限はこの程度が好適であり、一方で、径の上限は、少なくとも絞り部が形成されなければならない点を考慮すると、２次側流路２又は出口側流路２ａの何れかの径より小さく設定しなければならず、本実施例の場合は２次側流路２の径φ６ｍｍの方が小さいので、この径より小さい範囲に設定する点から、１未満となる。このため、流路絞り部６の径の比率は、２次側流路２に対し０．５８以上１未満であり、出口側流路２ａに対し０．５以上０．８６以下となる。このように、流路絞り部６の径はバルブのサイズや使用条件等に応じて適宜設定すればよく、本例のバルブでは、流路絞り部６の径をΦ４ｍｍに設定しており、この場合、絞り比率は、２次側流路２に対し０．６７、出口側流路２ａに対し０．５７である。

なお、流路絞り部６のＣｖ値増大抑制効果によれば、逆に、弁座４が僅かに膨張するように変形することにより流路断面積が減少し、これに応じて、バルブのＣｖ値が僅かに減少するような場合であっても、そのＣｖ値の減少率を、流路絞り部６を有さない場合に比べて、抑制することができる可能性も考えられる。

これに対し、図５、６は、実際に本例の構造のバルブに、約２００度の高温流体を流した状態で、バルブを開閉回数が１０００万回レベルまで使用して耐久開閉試験を行った結果である。比較例として、図７に示したボデー５０と同様の構造の従来例を２例用意して、本例のバルブとのＣｖ値変動を比較している。図５は実際のＣｖ値の変動値であり、図６は初期状態に対する変動の変化率（増加率）を示している。なお、本例の試験に用いたバルブには、弁座４に対して、温度変形や外力変形などによる形状変化をある程度収めるため、所定のエージング工程を施しており、この工程後のバルブを初期状態（高温流体を流してバルブの開閉試験を行う前である使用開始時）としている。

図６に示すように、従来例のＣｖ値は２例とも１０００万回開閉後は、初期値に対して１０％以上増加している一方で、本例のバルブは、５％程度の変化率に維持されているので、Ｃｖ値変化率の点で、流路絞り部６を有する本例の構造は、従来例の構造と比べて２倍程度改善されている。さらに、１５００万回開閉後においても、変動率７％に達しない程度に収められている。この水準は、近年増々要求されるＡＬＤプロセス用ガス供給バルブとしては十分な水準であり、１つの基準となるものと言える。このため、本例のバルブでは、少なくともバルブの初期状態（使用開始時）に対し、１０００万回開閉後のＣｖ値の変動が１０％以下となるように設定することにより、ＡＬＤプロセスにおいても十分な流量安定性を担保できる。

更に、本発明は、前記実施の形態の記載に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲に記載されている発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。

１ １次側流路
２ ２次側流路
２ａ 出口側流路
３ 弁室
４ 弁座
５ ボデー
６ 流路絞り部
７ メタルダイヤフラム
８ ロッド（ステム）
１０ アクチュエータ本体
１１ スプリング
１２ ピストン
１３ 調整ネジ（ストローク調整手段）

Claims (8)

1. １次側流路及び２次側流路に連通する弁室に弁座を設けたボデーと、前記弁室の上方に配設された中央部が上下動して弁座へ当接するメタルダイヤフラムと、このメタルダイヤフラムの上方に昇降動自在に設けられ、当該メタルダイヤフラムの中央部を下方へ下降させるステムとを有するメタルダイヤフラムバルブであって、前記２次側流路の一部に流路絞り部を設けたことを特徴とするメタルダイヤフラムバルブ。
2. 請求項１に記載のメタルダイヤフラムバルブにおいて、当該バルブの必要ＣＶ値に調整可能なＣＶ値調整手段を備えたメタルダイヤフラムバルブ。
3. 前記ＣＶ値調整手段におけるＣＶ値調整は、前記メタルダイヤフラムの弁開度を調整することにより行うようにした請求項２に記載のメタルダイヤフラムバルブ。
4. 前記ＣＶ値調整手段は、前記メタルダイヤフラムのストローク調整を行うストローク調整手段である請求項３に記載のメタルダイヤフラムバルブ。
5. 前記ボデーには、アクチュエータが搭載され、このアクチュエータは、前記ステムを下降させるスプリングと、圧縮空気の供給により上昇されるピストンとが内蔵され、このピストンの上昇量を調整ネジのねじ込みにより調整可能に設けて前記ストローク調整手段とした請求項４に記載のメタルダイヤフラムバルブ。
6. 前記流路絞り部は、前記２次側流路と前記ボデーに設けられた出口側流路との連通位置に設けられた請求項１乃至５の何れか１項に記載のメタルダイヤフラムバルブ。
7. 高温流体が流れている間であって、前記バルブの使用開始時と１０００万回開閉後とのＣＶ値の変動は、１０％以下となるように前記流路絞り部を設けた請求項１乃至６の何れか１項に記載のメタルダイヤフラムバルブ。
8. 前記流路絞り部は、前記２次側流路に対する流路径の絞り比率を０．５８以上１未満の範囲とした請求項１乃至７の何れか１項に記載のメタルダイヤフラムバルブ。

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