JP2020122534A - ダイヤフラムバルブの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バルブ閉塞時のシール性の向上を簡便に実現でき、かつ製品の耐久性への影響を低減できる、ダイヤフラムバルブの製造方法を提供する。【解決手段】上面に開口した弁室を有し、弁室の底面にそれぞれ開口している流体流入通路及び流体流出通路が内部に設けられたボディと、弁室の底面における流体流入通路の開口部の周縁に配置された環状のシートと、弁室を密閉するように配置され、弾性変形して前記シートに当接・離間することで前記流体流入通路の閉止・開放を行うダイヤフラムと、先端部が、前記ダイヤフラムを押圧しつつ上昇・下降して、前記ダイヤフラムを前記シートに当接・離間させるダイヤフラム操作部と、を備えたダイヤフラムバルブを製造する方法であって、80℃〜150℃の温度範囲内のいずれかの温度で、ダイヤフラムを、ダイヤフラム操作部により前記シートに当接させて所定時間保持するステップを含む。【選択図】図５

Description

本発明は、ダイヤフラムバルブとその製造方法に関する。

半導体製造用のプロセスガスのON/OFF制御等に、ダイレクトダイヤフラムバルブ（以下、単に「ダイヤフラムバルブ」という）が用いられている（例えば、特許文献１）。
ダイヤフラムバルブは、エアシリンダを用いた開閉操作機構によりダイヤフラムを押圧駆動して、ダイヤフラムとバルブシートとの間を、離間／密着させることにより、流体の流路を開閉し、流体の流通／停止を制御するバルブである。ダイヤフラムバルブは、非制御流体が、ダイヤフラムにより開閉操作機構から完全に隔離されているため、リークやコンタミの発生が少ない等の利点を有する。

このバルブシート（以下、「シート」という）として、適度な柔軟性を有し、閉状態での封止性の高いPTFE等のフッ素系樹脂材料が用いられている。
このような樹脂材料からなるシートとダイヤフラムとの当接部分には、組み立て直後は、シートとダイヤフラムとの微小な形状誤差により、閉塞時にも微小な隙間が残り、リークが生じうるという問題がある。
この問題に対処するため、ダイヤフラムバルブの製造調整時に開閉動作を多数回（例えば200℃で3000回〜10,000回）行うエージング（慣らし運転）を行って、開閉によるシートの形状変化を終了させるとともに、シートの微小形状をダイヤフラムになじませる方法も提案されている（特許文献２）。

特許第６３３６３４５号 特許第５３３１１８０号

しかし、特許文献２の方法では、以下のような問題がある。
第１に、バルブの多数回の開閉操作のために、専用工具が必要になり、この方法の実施に手間がかかる。
第２に、多数回の開閉操作は、ダイヤフラム耐久性悪化のリスクが発生する。

本発明の目的は、上記課題を解決し、バルブ閉塞時のシール性の向上を簡便に実現でき、かつ製品の耐久性への影響を低減できる、ダイヤフラムバルブの製造方法を提供することにある。

本発明のダイヤフラムバルブ製造方法は、
上面に開口した弁室を有し、該弁室の底面にそれぞれ開口している流体流入通路及び流体流出通路が内部に設けられたボディと、
前記弁室の底面における前記流体流入通路の開口部の周縁に配置された環状のシートと、
前記弁室を密閉するように配置され、弾性変形して前記シートに当接・離間することで前記流体流入通路の閉止・開放を行うダイヤフラムと、
先端部が、前記ダイヤフラムを押圧しつつ上昇・下降して、前記ダイヤフラムを前記シートに当接・離間させるダイヤフラム操作部と、
を備えたダイヤフラムバルブを製造する方法であって、
80℃〜150℃の温度範囲内のいずれかの温度で、前記ダイヤフラムを、前記ダイヤフラム操作部により前記シートに当接させて所定時間保持するステップを含むことを特徴とする。

好適には、前記温度は、ダイヤフラムバルブの使用温度範囲の上限温度である、構成を採用できる。

好適には、前記所定時間は、30分〜２時間の範囲内のいずれかの時間である、構成を採用できる。

好適には、前記ステップは、前記ダイヤフラムを恒温槽の中に保持することによって行う、構成を採用できる。

好適には、前記ダイヤフラムバルブは、ノーマルクローズ型のバルブである、構成を採用できる。

本発明によれば、所定の温度に設定された前記ダイヤフラムを、前記ダイヤフラム操作部により前記シートに当接させて所定時間保持するステップ（以下「あたり付け」という）を行うので、バルブの多数回の開閉を行わずに済み、バルブ閉塞時のシール性向上を簡便に実現でき、かつ製品の耐久性への影響を低減できる。
特に、80℃〜150℃の温度範囲内であたり付けを行うことにより、シートを構成する樹脂材料の形状の経時変化を30分〜２時間の短時間に完了できる。

ダイヤフラムバルブの一例を示す概略断面図。 図１においてダイヤフラムが自然形状の場合の拡大断面図。 図１においてダイヤフラムがシートに当接した状態を示す拡大断面図。 図１においてダイヤフラムがシートから離間した状態を示す拡大断面図。 本発明の第１の実施形態に係る製造方法を示すフローチャート。 あたり付けの実施方法を示す説明図。 あたり付けの実施方法を示す説明図

（本発明の実施形態のダイヤフラムバルブ）
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。本実施形態では、特許文献２と同じノーマルクローズ（常時閉）型のダイレクトダイヤフラムバルブを例として説明する。図１は、このダイレクトダイヤフラムバルブの断面概要図である。 また、図２は、図１においてダイヤフラムが自然形状の場合の拡大断面図で、図３は、図１においてダイヤフラムがシートに当接した状態を示す拡大断面図、図４は、図１においてダイヤフラムがシートから離間した状態を示す拡大断面図である。

図１において、１はボディ、２はダイヤフラム、３は押えアダプタ、４はボンネット、５はねじ部、６はスプリング、７はダイヤフラム押え、８はステム、９はアクチエータ、１０は流体入口、１１は流体出口、１２は弁室、１３はシート、１４は駆動軸、１５はストローク調整機構、１６は電磁弁、１７は近接スイッチである。

前記ボディ１はステンレス鋼により略十字状に形成されており、両側に流体入口１０及び流体出口１１が、上部に流体入口１０及び流体出口１１に連通する上方が開放された凹状の弁室１２が形成されている。又、弁室１２の底面には合成樹脂（ＰＦＡ、ＰＡ、ＰＩ、ＰＣＴＦＥ等）製のシート１３が嵌合固定されている。尚、本実施例では、所謂かしめ加工によりシート１３が弁挿着溝内に固定されている。

ダイヤフラム２は、シート１３の上方に配設されており、弁室１２の気密を保持すると共に、その中央部が上下動してシート１３に当離座する。本実施例では、ダイヤフラム２は、特殊ステンレス鋼等の金属製薄板（厚さ０．１〜０．２ｍｍ）及びニッケル・コバルト合金薄板（厚さ０．１〜０．２ｍｍ）の中央部を上方へ膨出させることにより円形の逆皿形に形成し、この逆皿形の特殊ステンレス鋼薄板３枚とニッケル・コバルト合金薄板１枚とを密着状に積層することにより逆皿形に形成されている。 また、このダイヤフラム２は、その周縁部が弁室１２の内周面の突部上に載置され、弁室１２内へ挿入したボンネット４の下端部をボディ１のねじ部５へねじ込むことにより、ステンレス鋼製の押えアダプタ３を介してボディ１の突部側へ押圧され、気密状態で挾持固定されている。尚、ニッケル・コバルト合金薄膜は、接ガス側に配置されている。

本実施例では、ダイヤフラム２は、流体通路内径６．３５ｍｍφのバルブ用の外径２６ｍｍ、膨出部の曲率半径６０ｍｍのものを使用する。なお、この他に、流体通路内径６．３５ｍｍφのバルブ用の外径２０ｍｍ、曲率半径６２．６ｍｍのダイヤフラム、及び６．３５ｍｍφの小型バルブ用の外径１５ｍｍ、曲率半径６２．６ｍｍのダイヤフラム等が存在する。

ボンネット４は、筒形状に形成されており、ボディ１の弁室１２内に挿入され、弁室１２の内周面に設けたねじ部５へ締め込みされることにより、ボディ１側に固定されている。

ステム８は、ボンネット４の下端部内ヘ昇降自在に挿入されており、下端面にはダイヤフラム２の中央部上面に当接する合成樹脂製のダイヤフラム押え７が嵌着されている。

より具体的には、ステム８は、下端面に取付けしたポリイミド製のダイヤフラム押え７がダイヤフラム２に当接すべくボンネット４内に昇降自在に挿着されており、スプリング６の弾性力にダイヤフラム押え７を介して下方へ押し圧され、ダイヤフラム２の中央部をシート１３に当座させる。又、ステム８の上端部にはステム操作用のアクチュエータ９の駆動軸１４が固定されている。

ストローク調整機構１５は、ボンネット４の上面にねじ込み固定したアクチュエータ９の支持用筒部９ａに螺着したロックナット１５ａ等から構成されており、支持用筒部９ａのボンネット４内へのねじ込み高さ位置を調整することにより、リフト量ΔＳの大きさを調整する。

電磁弁１６は、アクチュエータ９の上面に直接固定されており、アクチュエータ９内へ供給する駆動用流体（空気）Ａの流通を制御する。尚、電磁弁１６にアクチュエータ９を直付けするのは、後述するように駆動用流体通路の空間部をより少なくして、バルブ開閉作動の応答性を高めるためである（開閉作動時間の短縮）。

また、前記近接スイッチ１７はバルブ開閉作動時のリフト量ΔＳの変化の状態やリフト量ΔＳ自体を検出するためのものであり、アクチュエータ９の上面側に固定されていて、ピストン９ｃとの間隙ΔＧの測定することにより、前記リフト量ΔＳを検出する。

次に、本発明に係るダイヤフラムバルブの動作について説明する。 図１に示したバルブはＮＣ（ノーマルクローズ）型に構成されており、常時はスプリング６の弾力によりステム８を介してダイヤフラム２が下方へ押圧され、その下側面（接ガス面）のニッケル・コバルト合金薄板がシート１３へ当接している。尚、ステム８の押圧力はスプリング６により調整される。

アクチュエータ９へ駆動用流体Ａが供給されると、ピストン９ｃを介して駆動軸１４が上方へリフト量ΔＳだけ引上げられる。これにより、ダイヤフラム２はその弾性力により元の中央部が上方へ膨出した形態に復元し、バルブが開弁されることになる。 また、前記リフト量ΔＳは、ストローク調整機構１５のロックナット１５ａにより所定の値に調整される。

（本発明の実施形態の製造方法）
次に、このようなダイヤフラムバルブについての本発明の製造方法について説明する。
本実施形態の製造方法は、所定の温度に設定された前記ダイヤフラムを、前記シートに当接させて所定時間保持する工程（「あたり付け」工程）を含む方法である。図５に本方法のフローチャートを示す。
本実施形態の製造方法は、
（ａ）部品製造工程と、
（ｂ）部品洗浄・ベーキング工程と、
（ｃ）バルブ組立工程と、
（ｄ）あたり付け工程と、
（ｅ）検査工程（Ｈｅリーク検査、圧力検査、清浄度検査等）と、
を含む。
本発明の製造方法の特徴は、（ｄ）あたり付け工程にあり、それ以外の（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｅ）工程については、従来の方法と変わらないので、これらの工程の詳細な説明は省略する。

（ｄ）あたり付け
あたり付けは、所定の温度に設定された前記ダイヤフラムを、前記ダイヤフラム操作部により前記シートに当接させて所定時間保持するステップである。この工程は、当接部分のシートの表面形状をダイヤフラム形状に合わせて変形させ、相互の形状誤差を低減させることで、バルブ閉塞時のシール性能を向上させる目的で実施される。
具体的には、あたり付けは、表１に示す条件で行う。

「環境温度」は、150℃に限らず、80℃〜150℃の所定の温度を選択できる。但し、製品の使用可能温度範囲でなるべく高い温度に設定することが、あたり付けの効果を促進できるので好ましい。なお、シートを構成するPTFE、PFA等の樹脂の融点は300℃以上、最高使用温度は260℃程度とされており、上記温度範囲であたり付けを行うことは問題ない。
「放置時間」を１時間としたのは、１時間のあたり付けを行ったダイヤフラムバルブでは、後述するHeリークテストの検査合格率が十分上昇したからである。なお、必要に応じて放置時間を調整することができる。
「ダイヤフラムのシートへの押付け力」は、本実施形態では、ダイヤフラムバルブはノーマルクローズ型であるため、スプリング６（図１参照）による付勢力である。なお、ノーマルオープン型のバルブの場合は、駆動アクチュエータの駆動力になる。

図６Ａ及び図６Ｂは、あたり付けの実施方法を示す説明図である。
図６Ａに示す試験装置は、本実施形態のノーマルクローズ（常時閉）タイプのダイヤフラムバルブについて、あたり付けを行う装置で、単に150℃に設定した恒温槽である。ノーマルクローズタイプの場合、ダイヤフラムは、常時コイルバネで付勢されたステムにより、シートに当接され、押圧されているので、このダイヤフラムバルブ全体を図６Ａの恒温槽に入れて加熱すれば、あたり付け工程になるからである。
一方、図６Ｂに示す試験装置は、ノーマルオープン（常時開）タイプのダイヤフラムバルブ（エアオペレートバルブ）について、あたり付けを行う装置で、やはり150℃に設定した恒温槽である。但し、各ダイヤフラムバルブには、操作ユニットから窒素ガス（0.5MPa）と電磁弁のON／OFFを供給してダイヤフラムバルブを開閉駆動できるようになっており、これにより、各ダイヤフラムバルブを閉状態にして保持する。
この恒温槽を用いてあたり付けを行う方法は、一度に多くのダイヤフラムバルブを入れて加熱することができるので、量産性に優れている。特に、ノーマルオープンタイプのダイヤフラムバルブの場合、閉操作を行うための上記操作ユニットとの接続も不要で、工程が極めてシンプルである。
ノーマルクローズ（常時閉）タイプ、ノーマルオープン（常時開）タイプとも、上記の条件でダイヤフラムバルブを放置後、引き続き閉状態で室温に戻るまで放置する。

（本発明の実施形態の効果）
あたり付けを行ったダイヤフラムバルブと、あたり付けを行わなかったダイヤフラムバルブを、各N＝100台について、Ｈｅリーク検査を行うと、シートシール基準（5×10^-12 Pa・m³／sec 以下）に不合格になるものの割合は、あたり付けを行ったダイヤフラムバルブでは、1台以下(1%以下)であり、あたり付けを行わなかったダイヤフラムバルブでは、10台程度(10%程度)である。したがって、あたり付けによって、閉状態でのシール性が向上している。

このように、あたり付けによりバルブの閉塞時のシール性が向上するのは、樹脂材料からなるシートとダイヤフラムとの当接部分におけるシートの表面形状が、あたり付けによる高温環境下での押圧により、当接部分のダイヤフラムの表面形状に合わせて変形し、相互の形状誤差が低減したためと考えられる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。例えば、
例えば、本実施形態では、本発明の製造方法を、エアシリンダをアクチュエータとするエアオペレートバルブとして構成されたダイヤフラムバルブに適用したが、本発明の製造方法は、これに限られず、ソレノイドやピエゾ素子をアクチュエータとするダイヤフラムバルブにも適用できる。
また、本実施形態では、本発明の製造方法を、ノーマルクローズ（常時閉）タイプのダイヤフラムバルブの例で説明したが、本発明の製造方法は、これに限られず、ノーマルオープン（常時開）タイプのダイヤフラムバルブにも適用できる。

１ ：ボディ
２ ：ダイヤフラム
３ ：押えアダプタ
４ ：ボンネット
５ ：ねじ部
６ ：スプリング
７ ：ダイヤフラム押え
８ ：ステム
８ａ ：鍔部
９ ：アクチエータ
９ａ ：支持用筒部（ピストン）
１０ ：流体入口
１１ ：流体出口
１２ ：弁室
１３ ：シート
１４ ：駆動軸
１５ ：ストローク調整機構
１５ａ ：ロックナット
１６ ：電磁弁
１７ ：近接スイッチ
ΔＳ ：リフト量

Claims (5)

1. 上面に開口した弁室を有し、該弁室の底面にそれぞれ開口している流体流入通路及び流体流出通路が内部に設けられたボディと、
   前記弁室の底面における前記流体流入通路の開口部の周縁に配置された環状のシートと、
   前記弁室を密閉するように配置され、弾性変形して前記シートに当接・離間することで前記流体流入通路の閉止・開放を行うダイヤフラムと、
   先端部が、前記ダイヤフラムを押圧しつつ上昇・下降して、前記ダイヤフラムを前記シートに当接・離間させるダイヤフラム操作部と、
   を備えたダイヤフラムバルブを製造する方法であって、
   80℃〜150℃の温度範囲内のいずれかの温度で、前記ダイヤフラムを、前記ダイヤフラム操作部により前記シートに当接させて所定時間保持するステップを含むことを特徴とする、ダイヤフラムバルブの製造方法。
2. 前記温度は、ダイヤフラムバルブの使用温度範囲の上限温度である、請求項１に記載のダイヤフラムバルブの製造方法。
3. 前記所定時間は、30分〜２時間の範囲内のいずれかの時間である、請求項１又は２に記載のダイヤフラムバルブの製造方法。
4. 前記ステップは、前記ダイヤフラムを恒温槽の中に保持することによって行う、請求項１〜３のいずれかに記載のダイヤフラムの製造方法。
5. 前記ダイヤフラムバルブは、ノーマルクローズ型のバルブである、請求項１〜４のいずれかに記載のダイヤフラムの製造方法。

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