JP2010223396A - 高圧ガス容器用バルブ及び高圧ガス容器 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性、耐食性に優れ、ガス漏洩を防止し、製造コストを低減できる高圧ガス容器用バルブ及び高圧ガス容器を提供する。
【解決手段】高圧ガス容器１に取り付けられるバルブボディ３内に形成されたガス流路４の開度を弁体５により変更する。弁体５と弁座６の中の少なくとも一方は合成樹脂製シール部材５ｂを有する。弁体５が弁座６にシール部材５ｂを介して押し付けられることでガス流路４が閉鎖される。その合成樹脂として、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、及びポリエーテルサルフォン樹脂の中の少なくとも一つが用いられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧ガス容器に取り付けられるバルブと、そのバルブが取り付けられた高圧ガス容器に関する。

例えば半導体製造プロセスにおいて用いられるガスを供給するため、バルブが取り付けられた高圧ガス容器が用いられている。そのようなガスは人体や設備に損傷をもたらす毒性の強いガスが多いことから、微小な漏洩をも防止し、安全性を確保し、環境にも影響を与えない方策が必要とされる。そのため、高圧ガス容器用バルブとして、高圧ガス容器に取り付けられるバルブボディと、このバルブボディ内に形成されたガス流路の開度変更用の弁体と、この弁体を受けるための弁座とを備え、その弁体と弁座の中の少なくとも一方は合成樹脂製シール部材を有し、その弁体が弁座にシール部材を介して押し付けられることでガス流路が閉鎖されるものが用いられている。合成樹脂製シール部材は変形性を有することから、万が一にもガス流路に微小異物が混入したり微小な傷等が生じたとしてもガスの漏洩を防止できる。

そのようなシール部材を構成する合成樹脂として、一般にポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）樹脂が使用されている。ＰＣＴＦＥ樹脂は、硬度適性、加工性に優れ、また、多くのガス種に対して膨潤や強度低下などを生じないことから耐久性、耐食性に優れると考えられていた。

しかし、ＰＣＴＦＥ樹脂は、ガス種によっては耐食性、耐久性に問題があり、物理的強度低下や膨潤などによりシール性能が低下することが指摘されている。そこで、シール部材をポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）製や四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）製とすることが提案されている（特許文献１、２参照）。

特開平５−２２３１７６号公報 特開２００５−１５７９１３号公報

特許文献１に記載されたＰＶＤＦ樹脂は、連続使用温度が１５０℃であるため、高圧容器内部を洗浄後に加温乾燥する際に軟化するという問題があり、また、ケトンやエーテルのような極性溶剤やアミンにより軟化したり溶解するという問題もある。
特許文献２に記載されたＰＴＦＥ樹脂は、加熱しても流動し難く射出成形や押出し成形ができず、シール部材のような小型部品を成形加工する際の熱変形が大きく、加工に特別な技能が必要であることから、量産に適さず製造コストが増大するという問題がある。
また、最近になり、ＰＣＴＦＥ樹脂は、アンモニアガス容器用バルブのシール部材として用いられた場合、長期使用時に、当該シール部材に亀裂や剥離が見られることがわかり、安全性を高める改善が必要であることがわかった。
本発明は、上記のような問題を解消できる高圧ガス容器用バルブ及び高圧ガス容器を提供することを目的とする。

本発明が適用される高圧ガス容器用バルブは、高圧ガス容器に取り付けられるバルブボディと、前記バルブボディ内に形成されたガス流路の開度変更用の弁体と、前記弁体を受けるための弁座とを備え、前記弁体と前記弁座の中の少なくとも一方は合成樹脂製シール部材を有し、前記弁体が前記弁座に前記シール部材を介して押し付けられることで前記ガス流路が閉鎖される。

本発明の高圧ガス容器用バルブは、前記合成樹脂として、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、及びポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）樹脂の中の少なくとも一つが用いられることを特徴とする。
中でも、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＥＳ樹脂が好ましく、ＰＥＥＫ樹脂を用いることがさらに好ましい。
従来のＰＣＴＦＥ樹脂製シール部材を用いたバルブにおいては、ＰＣＴＦＥ樹脂の柔軟性が低下し、高圧の作用によりシール部材に亀裂や破壊が生じてシール性能が失われることが、高圧ガス容器からガスが漏洩する原因の一つである。そこで本件発明者らが鋭意検討した結果、シール部材の材料としてＰＥＥＫ樹脂、ＰＰＳ樹脂、及びＰＥＳ樹脂の中の少なくとも一つを用いることで、優れたシール性能を奏することを見出し、本件発明に至った。また、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＰＳ樹脂、及びＰＥＳ樹脂は、ＰＶＤＦ樹脂よりも連続使用温度が高く、高圧容器内部を洗浄後に加温乾燥する際に軟化するようなことはなく、また、ケトンやエーテルのような極性溶剤やアミンによっても軟化したり溶解することはなく、しかも、ＰＴＦＥ樹脂よりも加熱することで流動し易く、射出成形や押出し成形ができ量産に適する。

本発明の高圧ガス容器は、本発明の高圧ガス容器用バルブが取り付けられていることを特徴とする。本発明の高圧ガス容器によれば、高圧が作用してもシール部材に亀裂や破壊が生じることはなく、シール性能を維持してガスの漏洩を防止できる。

本件発明者らは、シール部材の材料としてＰＥＥＫ樹脂、ＰＰＳ樹脂、及びＰＥＳ樹脂の中の少なくとも一つを用いることで、アンモニアに対する優れた耐食性を奏し、柔軟性の低下が小さく、耐久性に優れることを見出した。よって、本発明の高圧ガス容器においては、高圧ガスとして特に液化アンモニアガスが充填されるのが適している。これにより、アンモニアガスを充填した高圧ガス容器からのガスの漏洩を防止できる。

なお、本発明の高圧ガス容器に充填される高圧ガスは、例えば、常用の温度において圧力（ゲージ圧力をいう。以下同じ。）が１〜１５メガパスカルとなる圧縮ガスであって現にその圧力が１〜１５メガパスカルであるもの又は温度３５度において圧力が１〜１５メガパスカルとなる圧縮ガスや、常用の温度において圧力が１〜１５メガパスカルとなる液化ガスであって現にその圧力が１〜１５メガパスカルであるもの又は圧力が１〜１５メガパスカルとなる場合の温度が３５度以下である液化ガスであってもよい。

本発明によれば、耐久性、耐食性に優れ、ガス漏洩を防止することで安全性を向上させると共に環境への影響を低減し、製造コストを低減し、高圧ガスの製造や消費に貢献する高圧ガス容器用バルブ及び高圧ガス容器を提供できる。

本発明の実施形態に係る高圧ガス容器用バルブの断面図 本発明の実施形態に係るシール部材の平面図

図１に示す高圧ガス容器１に取り付けられたバルブ２は、高圧ガス容器１に取り付けられるバルブボディ３、バルブボディ３に形成されたガス流路４、ガス流路４の開度変更用の弁体５、弁体５を受けるための弁座６、および操作機構７を備える。

容器１に、高圧ガスとして本実施形態では液化アンモニアガスが充填されるが、これに限定されるものではない。容器１の材質は本実施形態ではステンレス鋼とされるが、特に限定されない。なお、ステンレス鋼以外には例えば防錆性に優れた調質マンガン鋼、アルミニウム、クロム−モリブデン鋼などを用い、容器１の内面を研磨して微小異物の発生を防止するのが好ましい。

バルブボディ３は、本実施形態ではステンレス鋼製とされ、高圧ガス容器１に雄ねじ部３ａを介し取り付けられ、ガス供給用配管（図示省略）に雄ねじ３ｂを介し取り付けられる。

ガス流路４は、第１流路４ａ、第２流路４ｂ、及び弁体収納室４ｃを有する。第１流路４ａの一端は高圧ガス容器１の内部に通じるガス導入口４ｄとされ、他端は弁体収納室４ｃに通じ、中途部はリリーフバルブ８に接続される。第２流路４ｂの一端はガス供給用配管に通じるガス排出口４ｅとされ、他端は弁体収納室４ｃに通じる。ガス排出口４ｅは、バルブボディ３がガス供給用配管に接続されるまでは、接続用ねじ部３ｂにねじ合わされる蓋９によって閉鎖される。

弁体５は、円柱形の弁棒５ａと、弁棒５ａに取り付けられたシール部材５ｂを有し、バルブボディ３に形成された凹部３ｃから弁体収納室４ｃに挿入される。弁棒５ａは例えばステンレス鋼製とされる。図２に示すように、シール部材はリング状であり、弁棒５ａの一端に形成された環状溝に嵌め合わされる。

弁座６は、バルブボディ３における第１流路４ａと弁体収納室４ｃとの接続口を囲む環状領域により構成されている。

操作機構７は、弁体収納室４ｃと凹部３ｃの間を気密状に閉鎖するダイヤフラム７ａ、ダイヤフラム７ａに弁体５を押し付けるバネ７ｂ、バネ７ｂの弾力をダイヤフラム７ａとスペーサを介して受けるロッド７ｃ、ロッド７ｃに取り付けられたハンドル７ｄ、及びバルブボディ３にねじ部材を介して取り付けられた支持筒７ｅを有し、ロッド７ｃは支持筒７ｅにねじ合わされている。

ハンドル７ｄを一方向に回転させることで、支持筒７ｅにねじ込まれるロッド７ｃが弁体５を弁座６に向かい押し付け、シール部材５ｂが弁座６に押し付けられ、ガス流路４が閉鎖される。ハンドル７ｄを他方向に回転させることで、ロッド７ｃによる弁体５の弁座６に向かう押し付けが解除され、バネ７ｂの弾力により弁体５と共に変位するシール部材５ｂが弁座６から離れ、ガス流路４が開かれる。なお、ハンドル７ｄの他方向への回転は、ガス流路４が全開となる一定位置でロッド７ｃが支持筒７ｅに形成されたストッパー部に当接することで規制される。

シール部材５ｂは合成樹脂製とされ、その合成樹脂として、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＰＳ樹脂、及びＰＥＳ樹脂の中の何れか一つが用いられ、エンジニアリングプラスチックとして市販されているものを用いることができる。なお、シール部材５ｂの材質を、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＰＳ樹脂、及びＰＥＳ樹脂の中の二つまた全てを混合した樹脂としてもよい。あるいは、リング状シール部材５ｂを複数とし、互いに径方向寸法が異なるものとして同心状に配置し、各々の材質としてＰＥＥＫ樹脂、ＰＰＳ樹脂、及びＰＥＳ樹脂の中から任意に選択するようにしてもよい。要は、シール部材５ｂの材質として、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＰＳ樹脂、及びＰＥＳ樹脂の中の少なくとも一つが用いられればよい。また、シール部材の形状は限定されず、例えば円板状のシール部材を弁体に取り付けるようにしてもよい。

上記実施形態のバルブ２を用い、実施例１、実施例２及び比較例１として以下の試験を行い、その結果を以下の表１に示す。
（実施例１）
４ヶのＰＥＥＫ樹脂（日本ポリペンコ製ＰＫ−４５０）製シール部材５ｂを液化アンモニア中に９０日間浸漬し、試験前後におけるシール部材５ｂの全長（弁体５の移動方向に沿う寸法）、質量、および高分子計器（株）製「アスカーゴム硬度計タイプＤデュロメータ」による表面硬度を測定し、また、外観の変化を観測した。
（実施例２）
シール部材５ｂをＰＰＳ樹脂（東洋プラスチック精工製ＴＰＳ−ＰＰＳ（ＮＳ）−ＳＣ）製とした以外は実施例１と同一の試験を行った。
（比較例１）
シール部材５ｂをＰＣＴＦＥ樹脂製とした以外は実施例１と同一の試験を行った。

表１から、シール部材５ｂは膨潤が少なく全長変化率と質量変化率は実施例と比較例の何れも小さかったが、液化アンモニア中への浸漬後の硬度変化は実施例１及び実施例２では認められなかったのに対し、比較例１では認められた。また、外観は実施例１及び実施例２では変色が認められなかったが比較例１では茶変色が認められた。茶変色した比較例１の樹脂表面のＸ線光電子分光分析（ＸＰＳ分析）を行ったところ、塩素（Ｃｌ）の脱離、窒化、および酸化により樹脂表面の変質が生じていた。これにより、実施例のシール部材５ｂは樹脂の性質が保持され、アンモニアに対する耐食性を有していることを確認できる。
なお、ＰＥＳ樹脂（八十島プロシード製４１００Ｇ）製のシール部材５ｂについても同様の試験を行ない、アンモニアに対する耐食性を有していることを確認できた。

上記実施形態のバルブ２を用い、実施例３、実施例４、実施例５及び比較例２として以下の試験を行い、その結果を以下の表２に示す。
（実施例３）
実施例１で用いたものと同様のＰＥＥＫ樹脂製シール部材５ｂを弁体５に取り付け、無加圧の状態で、ハンドル７ｄを往復回転させ、ガス流路４を１回／分のサイクルで５０００回開閉する試験を行ない、試験前後におけるシール部材５ｂの全長（弁体５の移動方向に沿う寸法）、およびガス流路４を全開状態から閉鎖するのに要するハンドル７ｄの回転角度を測定した。なお、ガス流路４の閉鎖時は、シール部材５ｂを弁座６に一定の力で押し付けるため、ハンドル７ｄに作用させるトルクを１２Ｎ・ｍとした。
また、閉鎖状態のガス流路４の気密状態を確認するために、発泡性のガスリーク検出液を用いる方法と、真空状態に減圧した高圧ガス容器をヘリウムガス雰囲気に置いて、容器内に侵入したヘリウムを検知する方法を行なった。
（実施例４）
シール部材５ｂをＰＰＳ樹脂製とした以外は実施例３と同一の試験を行った。
（実施例５）
シール部材５ｂをＰＥＳ樹脂製とした以外は実施例３と同一の試験を行った。
（比較例２）
シール部材５ｂをＰＣＴＦＥ樹脂製とした以外は実施例３と同一の試験を行った。

表２から、シール部材５ｂの全長変化は実施例と比較例とで大きな差はなかったが、ガス流路４を全開状態から閉鎖するのに要するハンドル７ｄの回転角度の変化は、実施例３〜５では３４°〜４７°であるのに対し、比較例２では６０°と大きくなっているのを確認できる。これは、実施例３〜５では比較例２に比べて、ハンドル７ｄに一定トルクを作用させた時の変形が小さいことを示している。
また、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＰＳ樹脂、及びＰＥＳ樹脂製のシール部材５ｂは損傷もなく、Ｈｅガスのリークがないことが確認され、一方、ＰＣＴＦＥ樹脂製のシール部材５ｂではＨｅガスのリークはなかったが微小の損傷が認められた。これにより、実施例のシール部材５ｂは、大きなトルクを作用させてガス流路４を閉鎖しても十分な機械的強度を有し、耐久性に優れていることを確認できる。

上記実施形態のバルブ２を用い、実施例６、実施例７及び比較例３として以下の試験を行い、その結果を以下の表３に示す。
（実施例６）
シール部材５ｂとして、実施例１において液化アンモニア中へ９０日間浸漬したＰＥＥＫ樹脂製のものを用いた以外は実施例３と同一の試験を行った。
（実施例７）
シール部材５ｂとして、実施例２において液化アンモニア中へ９０日間浸漬したＰＰＳ樹脂製のものを用いた以外は実施例３と同一の試験を行った。
（比較例３）
シール部材５ｂとして、比較例１において液化アンモニア中へ９０日間浸漬したＰＣＴＦＥ樹脂製のものを用いた以外は実施例３と同一の試験を行った。

表３から、実施例６、７ではガスのリークがないのに対し、比較例３では試験後にガスのリークが生じているのを確認できる。また、実施例３、４の変異量と実施例６、７の変異量の比較、比較例２と比較例３の変異量の比較から、実施例のシール部材５ｂはアンモニアに対する柔軟性の低下が小さく、耐食性を奏するのを確認できる。

本発明は上記実施形態や実施例に限定されない。例えば弁座にリング状のシール部材を取り付けることで、弁体ではなく弁座がシール部材を有するようにしてもよい。あるいは、弁体と弁座の双方がシール部材を有するようにしてもよく、この場合、ガス流路の閉鎖時に弁体のシール部材が弁座に押し付けられると共に弁座のシール部材が弁体に押し付けられてもよいし、シール部材同志が互いに押し付けられてもよい。また、バルブの種類は手動開閉バルブに限定されず、例えば減圧弁としての機能を備えるものや、電動バルブであってもよい。

１…高圧ガス容器、２…バルブ、３…バルブボディ、４…ガス流路、５…弁体、５ｂ…シール部材、６…弁座

Claims (3)

1. 高圧ガス容器に取り付けられるバルブボディと、前記バルブボディ内に形成されたガス流路の開度変更用の弁体と、前記弁体を受けるための弁座とを備え、前記弁体と前記弁座の中の少なくとも一方は合成樹脂製シール部材を有し、前記弁体が前記弁座に前記シール部材を介して押し付けられることで前記ガス流路が閉鎖される高圧ガス容器用バルブにおいて、
   前記合成樹脂として、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、及びポリエーテルサルフォン樹脂の中の少なくとも一つが用いられることを特徴とする高圧ガス容器用バルブ。
2. 請求項１に記載のバルブが取り付けられた高圧ガス容器。
3. 高圧ガスとして液化アンモニアガスが充填された請求項２に記載の開閉弁付高圧ガス容器。

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