JPH06294471A

JPH06294471A - ダイヤフラム型流体制御器

Info

Publication number: JPH06294471A
Application number: JP7795493A
Authority: JP
Inventors: Michio Yamaji; 道雄山路; Kazuhiro Yoshikawa; 和博吉川; Shigeru Itoi; 茂糸井
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-04-05
Filing date: 1993-04-05
Publication date: 1994-10-21

Abstract

(57)【要約】【目的】ダイヤフラム型流体制御器のダイヤフラムの
耐食性や機械的強度を上げることにより、制御器の耐用
年数の延伸を図ると共に、制御器の制御精度や制御性を
高める。【構成】金属製ダイヤフラムを栓座へ直接に接当させ
ると共に、その弾性力により自力で離座させる構成とし
たダイヤフラム型制御器に於いて、前記金属製ダイヤフ
ラムを、Ｍｏ４〜１２％、Ｎｉ２０〜３０％、Ｃｏ３０
〜４５％、Ｗ３〜５％、Ｔｉ０．５〜３％、Ｃ０．０３
％以下及び残部がＦｅ及び不可避不純物から成る高弾性
・高耐食性合金材により形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造装置等に於
いて使用するダイヤフラム型流体制御器の改良に係り、
ダイヤフラムの弾性や強度、耐食性等に改良を加えるこ
とにより、耐用年数の延伸と制御性の大幅な向上を可能
にしたダイヤフラム型流体制御器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造装置等の高純度ガスを取扱う
装置に於いては、流体制御器として図４の様な構造のダ
イヤフラム型流体制御器が多用されている（特公平４−
５４１０４号等）。即ち、上記ダイヤフラム型流体制御
器は、弁本体Ａの弁室Ｂの底面に弁座シートＣを形成す
ると共に、対向状に、予かじめ逆皿型（若しくは部分球
殻形状）に成型加工した金属製ダイヤフラムＤを設け、
弁棒Ｅによって当該ダイヤフラムＤを弁座シートＣへ押
圧することにより流体通路Ｆを閉鎖し、また、弁棒Ｅを
上昇させてダイヤフラムＤをその弾性力によって始の形
状に復原させることにより、流体通路を開放するよう構
成されている。

【０００３】而して、前記図４の流体制御器は、弁室Ｂ
の空間容積が小さくできると共に弁室Ｂ内に於ける摺動
部も少なくなり、その結果ガス置換性の向上、ガス純度
の悪化の防止等が図れ、優れた実用的効用を奏するもの
である。

【０００４】しかし、当該ダイヤフラム型流体制御器に
は解決すべき多くの問題が残されている。先ず第１の問
題は金属ダイヤフラムＤの損傷と耐用年数の問題であ
る。即ち、従前のこの種の流体制御器に於いては、金属
ダイヤフラムＤの材質としてステンレス鋼やインコネル
７１８が多く利用されており、現実には、厚さ０．１〜
０．２ｍｍ程度のステンレス製薄板から成る逆皿型のダ
イヤフラムが単独若しくは複数枚積み重ねた状態で使用
されている。尚、ダイヤフラムＤの積み重ね枚数は流体
圧から決められており、高流体圧の場合には積層数が増
加する。

【０００５】而して、前記ダイヤフラムＤは、その外周
縁が弁本体ＡとボンネットＧとの間で挾圧固定されてい
る。従って、弁棒Ｅによって弁座シートＣ側へ押圧され
た場合、ダイヤフラムＤには極めて複雑な応力が作用さ
れる。その結果、現実には制御器を数千回繰り返し作動
させると、ダイヤフラムＤに亀裂が生じたり、或いは後
述する如くダイヤフラムが自己復帰力を喪失することに
なり、ダイヤフラムの耐用年数が極めて短いという難点
がある。また、取扱い流体が腐食性の場合には、前記ダ
イヤフラムの亀裂等が一層早期に多発することになり、
補修等に手数がかかると云う難点がある。

【０００６】第２の問題は、ダイヤフラムＤの自己復原
力の問題である。この種の流体制御器は、高圧流体のみ
ならず極く低い圧力の流体を取り扱う場合がある。従っ
て、閉弁状態にあるダイヤフラムＤは、弁棒Ｅによる押
圧力が解除された際、その弾性力によって始めの形状に
自己復帰する必要があり、もしも自己復原力が無けれ
ば、流体通路が開放されないことになる。そのため、通
常ダイヤフラム型流体制御器では、ダイヤフラムＤの変
位は逆皿形のダイヤフラムＤの中央部を押圧した場合
に、ダイヤフラムの中央部が下方へポコンと引っくり返
らない範囲の変位に制限されている。

【０００７】而して、前記従前のダイヤフラムＤの荷重
と変位との関係は、通常図５に示す如き状態の曲線とな
り、上方極点Ｐ₁と下方極点Ｐ₂とをもつ曲線となる。
尚、図５において、曲線Ｎｏ１はステンレス鋼製の外径
２６ｍｍφ、ダイヤフラム挾着部の直径２４ｍｍφ、曲
率半径Ｒ＝６６ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ、開き角度β＝
０．１８ｒａｄのダイヤフラムについての実測曲線であ
り、また曲線Ｎｏ２はインコネル７１８製の外径２６ｍ
ｍφ、ダイヤフラム挾着部の直径２４ｍｍφ、曲率半径
Ｒ＝５４ｍｍ、厚さ０．１８ｍｍ、開き角度β＝０．２
２ｒａｄのダイヤフラムの実測曲線である。

【０００８】ところで、従前のダイヤフラム型流体制御
器では、ダイヤフラムの変位量を大きく設定して制御器
内での流路抵抗を少なくするために、ダイヤフラムによ
る開度調整範囲を下方極点Ｐ₂を越える範囲にまで拡大
している（例えば、特公平４−５４１０４号等）。しか
し、ダイヤフラムの開度調整範囲を上述のように下方極
点Ｐ₂を越える領域にまで拡大すると、荷重Ｓ点におい
て変位がＰ₁からＰ₂へ飛び移ることになり、変位Ｐ₁
−Ｐ₂間の開度制御がきかないために高精度な流量・圧
力制御が出来ないという問題がある。

【０００９】また、変位の飛び移りを避けるために、ダ
イヤフラムの変位範囲を上方極点Ｐ ₁までの範囲に限定
したとしても、従前のダイヤフラムでは図５からも明ら
かなように、立上り部分Ｑの変化が直線的でないため、
流体制御器の制御精度を高めることが著しく困難とな
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従前のダイ
ヤフラム型流体制御器における上述の如き問題、即ち
ダイヤフラムに亀裂等の損傷が生じ易く、耐用年数が短
いこと、ダイヤフラムの荷重−変位特性に所謂飛び移
り領域があり、流体の制御性に欠けること、荷重−変
位曲線の上方極点Ｐ₁までの範囲が直線的でないため、
制御精度の向上が困難なこと等の問題を解決せんとする
ものであり、耐用年数の延伸と制御性や制御精度の向上
を可能にしたダイヤフラム型流体制御器を提供するもの
である。

【００１１】本件発明者は、ダイヤフラム型流体制御器
で使用するダイヤフラムの材質をより高耐食性で且つ高
弾性のものにすることにより、外径が８〜３０ｍｍ、厚
さが０．１〜０．２ｍｍ、曲率半径が１５〜７０ｍｍ程
度のダイヤフラムに於いては、その荷重−変位曲線の立
上り部分Ｑをより直線性を有するためにし得ることを着
想し、各種の高弾性材料から成るダイヤフラムについて
荷重−変位試験を行うと共に、これを実装した制御器に
ついて、作動試験（耐用年数試験）を実施した。

【００１２】本願発明は、上記各試験の結果を基にして
創作されたものであり、流体入口１１と流体出口１２に
連通する浅窪状の栓室１６の底面に栓座１５を設けた筐
体１０と；栓座１５の上方に配設されて前記栓室１６の
気密を保持すると共に、弾性変形により栓座１５へ当座
して流体を遮断する金属製のダイヤフラム１７と；ダイ
ヤフラム１７の上方に昇降自在に配設され、これを栓座
１５へ当座せしめるスピンドル１８とより成り、前記金
属製ダイヤフラム１７の弾性による復原力により、開放
時にダイヤフラム１７を栓座１５から離座せしめるよう
にしたダイヤフラム型流体制御器に於いて、前記金属製
ダイヤフラム１７を、Ｍｏ４〜１２％、Ｎｉ２０〜３０
％、Ｃｏ３０〜４５％、Ｗ３〜５％、Ｔｉ０．５〜３
％、Ｃ０．０３％以下及び残部がＦｅ及び不可避不純物
から成る高弾性・高耐食性合金材により形成したことを
発明の基本構成とするものである。

【００１３】

【作用】スピンドルを下降させ、その先端でダイヤフラ
ムを栓座側へ押し付けてこれを当座させることにより、
遮断開放器は閉鎖状態となる。ダイヤフラムの変位は、
その荷重−変位特性の上方極点Ｐ₁までの直線的な範囲
で行われるため、所謂変位の飛び越しは全く起こらな
い。その結果、スピンドルの先端とダイヤフラムとは離
れることがなく、両者が絶えず接当した状態で、ダイヤ
フラムは下方へ押圧されて行く。

【００１４】また、スピンドルを上昇させると、ダイヤ
フラム自体の弾性による復元力、即ち離座方向への復元
力によってこれが自動的に離座し、流体制御器は開放状
態となる。

【００１５】

【実施例】以下、図面に示す本発明の一実施例に基づい
てその詳細を説明する。図１は本発明の実施例の縦断面
図であり、図に於いて１０はステンレス鋼製の筐体、１
１は流体入口、１２は流体出口、１３及び１４は流体通
路、１５は栓座、１６は栓室を形成する浅い窪部であ
る。また、１７は栓座１５の上方に配設した金属製のダ
イヤフラムであり、１８はスピンドル、１９はスピンド
ル駆動装置である。前記栓座１５は合成樹脂例えば四弗
化エチレン樹脂等により形成されており、取付孔２０内
へ嵌着されている。尚、本実施例では栓座１５を合成樹
脂により筐体１０と別体に、形成しているが、筐体１０
と一体的に形成した金属製の栓座としてもよい。

【００１６】栓室１６内へ配設したダイヤフラム１７
は、袋ナット２１を締込ことにより、ガスケット２２及
び押え金２３を介してその外周縁が筐体１０側へ押圧さ
れており、これにより栓室１６内の気密が保持されてい
る。スピンドル１８はダイヤフラム１７の上方に、上下
方向へ昇降自在に配設されており、その下端には合成樹
脂やゴム等で形成した押圧体２４が嵌着されている。ま
た、スピンドル１７の上方にはピストン２５が固設され
ており、空気入口２６より操作用空気を供給することに
より、スプリング２７の弾性力に抗してスピンドル１８
が下方へ押圧される。

【００１７】図２は本発明の第１実施例で使用している
ダイヤフラム１７の縦断面図である。前記金属製ダイヤ
フラム１７は、Ｍｏ４〜１２％、Ｎｉ２０〜３０％、Ｃ
ｏ３０〜４５％、Ｗ３〜５％、Ｔｉ０．５〜３％、Ｃ
０．０３％以下及び残部がＦｅ並びに不可避不純物より
成る合金材から形成されており、図２に示す如く外径２
６ｍｍφ、挾着部直径２４ｍｍφ、厚さ０．１ｍｍ、開
き角度β０．１８ｒａｄ、曲率半径Ｒ６６．３ｍｍの中
央部が上方へ膨出した逆皿型（部分球殻）に形成されて
いる。

【００１８】また、前記ダイヤフラム用合金材の機械
的、物理的特性は最大引張り強さ２６７ｋｇ／ｍｍ²、
最高硬さ６８０ＨＶ、密度８．６ｇ／ｍｍ³、線膨張係
数１３×１０^-6（２０〜５０℃）縦弾性係数２２×１０
^-3ｋｇ／ｍｍ²、横弾性係数８３００ｋｇ／ｍｍ²であ
る。

【００１９】図３は、本発明で使用している各ダイヤフ
ラムの荷重−変位特性を示すものであり、曲線Ａは前記
第１実施例に係るダイヤフラムの特性を示すものであ
る。また、図３に於ける曲線Ｂ及び曲線Ｃは、後述する
本発明の第２実施例及び第３実施例に係るダイヤフラム
の荷重−変位特性を示すものである。

【００２０】図３の曲線Ａからも明らかなように、本発
明のダイヤフラムでは、荷重−変位特性の上方極点Ｐ₁
までの部分Ｘが真直な直線状であり、従前のダイヤフラ
ム（図５のＮｏ１及びＮｏ２）に比較して、制御精度が
著しく向上する。

【００２１】尚、前記図３の曲線Ｂは、本発明の第２実
施例に係る流体制御器のダイヤフラムの荷重−変位曲線
である。当該ダイヤフラム１７は重量比でＣｒ１８〜２
３％、Ｍｏ７〜１０％、Ｆｅ１〜１０％、Ｃｕ２〜６
％、Ｎｂ２％以下、Ｃ０．０６％以下及び残部がＮｉ並
びに不可避不純物より成る耐食・高弾性合金を用いて形
成されており、具体的には外径２０ｍｍφ、ダイヤフラ
ム挾着部の直径１８ｍｍφ、厚さ０．１ｍｍ、開き角度
０．１４ｒａｄ、曲率半径Ｒ＝６２．６ｍｍの中央部が
上方へ膨出した逆皿型のダイヤフラムに形成されてい
る。

【００２２】また、当該第２実施例に係る金属製ダイヤ
フラム用合金材の機械的・物理的特性は、最大引張り強
さ２２０ｋｇ／ｍｍ²、最高硬さ６５０ＨＶ、密度８．
５ｋｇ／ｍｍ³、線膨張係数１２×１０^-6（２０〜５０
℃）、縦弾性係数１８×１０ ³ｋｇ／ｍｍ²である。

【００２３】更に、前記図３の曲線Ｃは、本発明の第３
実施例に係る流体制御器のダイヤフラムの荷重−変位曲
線を示すものである。当該ダイヤフラム１７は、Ｃｒ１
２〜２５％、Ｍｏ８〜１５％、Ｃｏ２５〜４５％、Ｎｂ
０．１〜３％、Ｃ０．０３％以下及び残部がＮｉ並びに
不可避不純物より成る耐食・高弾性合金を用いて形成さ
れており、具体的には外径１５ｍｍφ、挾着部の直径１
２．５ｍｍφ、曲率半径Ｒ＝６６．４ｍｍ、厚さ０．１
ｍｍ、開き角度β０．０９４ｒａｄに形成されている。

【００２４】また、当該第３実施例に係る金属製ダイヤ
フラム用合金材の機械的・物理的特性は、最大引張り強
さ３２０ｋｇ／ｍｍ²、最高硬さ８１０ＨＶ、密度８．
６ｇ／ｍｍ³、線膨張係数（２０〜５０℃）１３×１０
^-6、縦弾性係数２３×１０^-3、横弾性係数８５００ｋｇ
／ｍｍ²である。

【００２５】尚、前記本発明の各ダイヤフラム用合金材
において、Ｃｒは主として耐食性及び強度を向上させる
ために添加されており、Ｎｉベース中で８％を越えると
耐食性効果が見られ、逆に２５％を越えると展延性が悪
化し、加工性が低下する。また、Ｍｏは主としてハロゲ
ンイオンを含む腐食環境に於ける耐食性を高めるもので
あり、２％程度の添加で耐食効果が表れ、１５％を越え
ると熱間加工性や被削性が低下する。

【００２６】Ｃｏは主として機械的強度、耐疲労性、硬
度及び弾性を高めるために添加されるものであるが、そ
の含有率が４５％以上になると冷間加工性が著しく低下
する。また、ＮｂはＣを安定化させるものであり、Ｃｒ
炭化物の粒界析出による耐食性の低下を防ぐと共に、合
金の硬度を高めるために添加する。しかし、３％を越え
ると加工性が大幅に低下する。

【００２７】ＣはＣｒ炭化物を形成して耐食性を低下さ
せるため、極力少ないほうが好都合である。しかし、
０．０６％以下であれば耐食性の点にも特に問題を生じ
ない。また、Ｆｅは耐食性の低下を来すが、被削性の改
良に必要であり、１０％程度以下であれば耐食性に特に
問題を生じない。更に、Ｃｕは耐薬品性を低下させる
が、被削性を高める。そのため耐薬品性の点から６％以
下に、被削性の点から２％以上としている。

【００２８】

【表１】

【００２９】表１は、本発明に係るダイヤフラムの耐食
性試験結果を示すものであり、ＳＵＳ３０４やインコネ
ル６００に比較して耐食性に特に優れていることが判
る。

【００３０】

【発明の効果】本発明に於いては、所謂ダイヤフラムを
栓座へ直接に当座させると共に、弾性力により離座させ
る構成としたダイヤフラム型流体制御器に於いて、前記
ダイヤフラムを、特別な成分配合を有する耐食・高弾性
合金材により形成するようにしている。その結果、ダイ
ヤフラムは、その荷重−変位特性曲線の上方極点Ｐ₁よ
り下方の領域Ｘが優れた直線性を備えたものになると共
に、直線性を備えた変位範囲が大きくなり、制御器の制
御精度や制御性が向上すると共に、全開時に於ける流体
通路の流路抵抗を小さくすることができる。

【００３１】また、本発明で使用するダイヤフラムは高
い耐食性と機械的強度を有すると共に、ダイヤフラムの
変位範囲を、前記荷重−変位特性曲線の上方極点Ｐ₁よ
り下方の領域内に規制している。その結果、ダイヤフラ
ムの耐久性が大幅に向上することになり、十数万回の作
動後に於いても、亀裂の腐食による損傷を起生しないこ
とが確認されている。本発明は上述の通り、優れた実用
的効用を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るダイヤフラム型流体制御器の一例
を示す縦断面図である。

【図２】本発明の第１実施例に係る流体制御器で使用し
ているダイヤフラムの縦断面図である。

【図３】本発明の流体制御器で使用しているダイヤフラ
ムの荷重−変位特性曲線である。

【図４】従前のダイヤフラム型流体制御器の縦断面図で
ある。

【図５】従前の流体制御器で使用しているダイヤフラム
の荷重−変位特性曲線の一例を示すものである。

【符号の説明】

１０は筐体、１１は流体入口、１２は流体出口、１３・
１４は流体通路、１５は栓座、１６は栓室、１７はダイ
ヤフラム、１８はスピンドル、１９は駆動装置、２０は
取付孔、２１は袋ナット、２２はガスケット、２３は押
え金、２４は押圧体、２５はピストン、２６は空気入
口、２７はスプリング、Ｐ₁は上方極点、Ｐ₂は下方極
点、Ｓは上方極点Ｐ₁に於ける荷重、Ｘは直線変位領
域。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体入口（１１）と流体出口（１２）に
連通する浅窪状の栓室（１６）の底面に栓座（１５）を
設けた筐体（１０）と、栓座（１５）の上方に配設され
て前記栓室（１６）の気密を保持すると共に、弾性変形
により栓座（１５）へ当座して流体を遮断する金属製の
ダイヤフラム（１７）と；ダイヤフラム（１７）の上方
に昇降自在に配設され、これを栓座（１５）へ当座せし
めるスピンドル（１８）とより成り、前記金属製ダイヤ
フラム（１７）の弾性による復元力により、開放時にダ
イヤフラム（１７）を栓座（１５）から離座せしめるよ
うにしたダイヤフラム型流体制御器に於いて、前記金属
製ダイヤフラム（１７）を、Ｍｏ４〜１２％、Ｎｉ２０
〜３０％、Ｃｏ３０〜４５％、Ｗ３〜５％、Ｔｉ０．５
〜３％、Ｃ０．０３％以下及び残部がＦｅ及び不可避不
純物から成る高弾性・高耐食性合金材により形成したこ
とを特徴とするダイヤフラム型流体制御器。
【請求項２】請求項１に記載のダイヤフラム型流体制
御器に於いて、前記金属製ダイヤフラム（１７）を、Ｃ
ｒ１８〜２３％、Ｍｏ７〜１０％、Ｆｅ１〜１０％、Ｃ
ｕ２〜６％、Ｎｂ２％以下、Ｃ０．０６％以下及び残部
がＮｉ並びに不可避不純物より成る高弾性・高耐食性合
金材より形成したことを特徴とするダイヤフラム型流体
制御器。
【請求項３】請求項１に記載のダイヤフラム型流体制
御器に於いて、前記金属製ダイヤフラム（１７）を、Ｃ
ｒ１２〜２５％、Ｍｏ８〜１５％、Ｃｏ２５〜４５％、
Ｎｂ０．１〜３％、Ｃ０．０３％以下及び残部がＮｉ並
びに不可避不純物より成る高弾性・高耐食性合金材より
形成したことを特徴とするダイヤフラム型流体制御器。