JP2011179533A - High-pressure gas container valve - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高圧ガス容器に装着される高圧ガス容器弁に関し、特に容器弁のカジリ現象を抑制させる技術に関する。 The present invention relates to a high-pressure gas container valve mounted on a high-pressure gas container, and more particularly to a technique for suppressing the caulking phenomenon of the container valve.
図1は従来の高圧ガス容器弁10の一例であり、この高圧ガス容器弁10は高圧ガス容器20の開口部21に装着されている。前記高圧ガス容器弁10は、容器弁本体11とこの容器弁本体11の上部側に形成されたシリンダ部12内に螺合して設けられたプラグ13とこのプラグ13の上端部にスピンドル14を介して取り付けられたハンドル15とを備えている。前記プラグ13の下端部には三フッ化塩化エチレン樹脂よりなるシートディスク16が設けられている。前記容器弁本体11の側面側には、高圧ガス容器20内のガスを取り出すためのガス取り出し口17が形成されており、このガス取り出し口17にはアウトレットキャップ18が配設されている。
FIG. 1 shows an example of a conventional high-pressure gas container valve 10, and this high-pressure gas container valve 10 is attached to an opening 21 of a high-
また、容器弁本体11の下部側には、L字状のガス流路19が形成されており、ガス流路19の一端は高圧ガス容器20内に接続し、他端は容器弁本体10の側面より外部へ接続している。そして、ハンドル15を介してプラグ13を回動させて、上下動させることでガス流路19の開閉を行うことが可能である。即ち、高圧ガス容器20内のガスを使用する際には、前記プラグ13を上昇させてガス流路19を開状態とし、ガスはガス流路19を通過してガス取り出し口17から取り出されることになる。また、高圧ガス容器20内のガスの使用を停止する際には、前記プラグ13を下降させてガス流路19を閉状態とする。また容器弁本体11の下部は、図1では便宜上示していないが図2に示すようにネジが切られており、雄ネジ部30として形成される。
An L-shaped
前記高圧ガス容器20は、例えばクロムモリブデン鋼(鉄にクロムとモリブデンを添加した合金鋼で、耐久性と反発性を向上させたもの)を用いて作製されている。一方、前記高圧ガス容器弁10は、亜鉛と銅を混ぜた合金である真鍮を用いて作製されるのが一般的であるが、半導体製造装置等で使用される高純度ガスの場合には半導体ウエハに対する汚染を極力抑えるために、大きな耐食性が要求されることから、炭素以外のNi、Cr、Mo等を加えた鋼であるステンレス鋼を用いて作製される。特に無水塩化水素ガスを用いる場合には、アウトレットキャップ18を取り外したときに外部から水分が容器弁10内に浸入し、この状態で無水塩化水素ガスが存在していると塩酸が発生して大きな腐食作用が働くことになる。
The high-
ところでネジ部分の接触圧が高いとカジリといわれる現象が起こる場合がある。このカジリとは、金属同士が接触して凝着する現象のことである。ここで、ステンレス鋼製の容器弁10は、真鍮製の容器弁10に比較して摩擦係数が高いため、図2(a)に示す容器弁本体11の下部に形成される雄ネジ部30と高圧ガス容器20に形成される雌ネジ部22とのかみ合い面での摺動抵抗(接触圧)が大きくなる。またステンレス鋼は熱伝導率が低いので、熱が発散されにくく局部的に高温になりやすく、熱膨張が大きいことも加わってネジの噛み合い面の接触圧が高くなりやすい。
By the way, when the contact pressure of the screw portion is high, a phenomenon called galling may occur. This galling is a phenomenon in which metals adhere and adhere to each other. Here, since the stainless steel container valve 10 has a higher coefficient of friction than the brass container valve 10, the
そして、図2(b)に示すように雄ネジ部30は、下方へ向かうにしたがって傾斜しており、これと螺合できるように雌ネジ部22も同様に傾斜しているが、これらが螺合する時に傾斜角の角度の誤差から接触圧がより高くなる。また、雄ネジ部30の先端一周部分を面取りしている容器弁10も(螺線の高さが先端から他端に向かうにつれて徐々に大きくなる構成)多く出回っているが、出回っている容器弁10の半数にはカジリが見られる。従ってトルク値を大きくできない。
As shown in FIG. 2 (b), the
一方、容器弁10を容器弁本体11に取り付けるトルク値は、ユーザ側のガス漏れのクレームに対応するため増大する傾向にあることから、ステンレス鋼製の容器弁10は雄ネジ部30及び雌ネジ部22の酸化皮膜が破壊されて、金属の新鮮面が露出することによるカジリ現象が発生しやすい。特に毒性の強いガスについてはトルク値を上げてガス漏れに対応してきたが、そのためクレームは減少したがカジリという問題が起こった。
On the other hand, since the torque value for attaching the container valve 10 to the container valve main body 11 tends to increase in order to respond to the claims of gas leakage on the user side, the stainless steel container valve 10 has the
そこで、カジリ現象を抑制するために、容器弁10の雄ネジ部30に図示しない例えばPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)等を用いたシールテープを巻きつけることによって、このシールテープを介して容器弁10と高圧ガス容器20とが間接的に接触するために、カジリ現象を抑制することができる。しかし、容器弁10と高圧ガス容器20との接合時に、シールテープの一部が破損して高圧ガス容器20内部に脱落する可能性があることから、前記容器弁10の雄ネジ部30の先端である1山にはシールテープを巻いていない。このため、容器弁10の雄ネジ部30の先端部位は損傷を受ける可能性が高い。
Therefore, in order to suppress the caulking phenomenon, a sealing tape using, for example, PTFE (polytetrafluoroethylene) (not shown) is wound around the
また、本発明者は、雄ネジ部30の表面を硬化させてカジリを防ぐために、窒化処理を行うことも検討したが、容器本体の母材がステンレスの場合、ステンレスの有用な成分であるクロムを偏析させてしまい、耐食性が著しく落ちてしまう。従って塩化水素のような腐食性ガスを高圧ガス容器20に貯留するような場合には使用できない。
The inventor has also studied nitriding treatment to harden the surface of the
特許文献1では雄ネジ部の先端3山目までを雌ネジ部のネジ山と接触する標準ネジ山部とし、雄ネジ部におけるそれ以外のネジ山を標準ネジ山より若干小径として、小径な部分のネジ山における雌ネジ部との摩擦を少なくすることによってカジリ現象を抑制するネジ部品が掲載されている。しかし、このネジ部品では、標準ネジ山部までは雌ネジ部と接触するため、この部分におけるカジリ現象は抑制されないと思われる。また、特許文献2では容器弁本体と、シリンダ部とを腐食性の優れた材料であるハステロイで構成することによって、金属部の腐食を抑え、カジリ現象を抑制する容器弁が掲載されている。しかし、この容器弁はあくまでも腐食を防ぐことが目的であるため、直接的にカジリ現象を抑制するためになされたものではない。
In Patent Document 1, the third thread tip of the male thread part is the standard thread part that contacts the thread of the female thread part, and the other thread part in the male thread part is slightly smaller in diameter than the standard thread part. The screw component which suppresses a cabbage phenomenon by reducing the friction with the internal thread part in the screw thread of is described. However, in this threaded part, the galling phenomenon in this part is not suppressed because the standard threaded part is in contact with the female threaded part. Further,
本発明は、このような事情の下になされたものであり、その目的は高圧ガス容器と螺合する部分のカジリ現象を抑制することのできる高圧ガス容器弁を提供することにある。 The present invention has been made under such circumstances, and an object of the present invention is to provide a high-pressure gas container valve capable of suppressing a caulking phenomenon at a portion screwed with the high-pressure gas container.
本発明の高圧ガス容器弁は、少なくとも高圧ガス容器と螺合するネジ部分の表面部がアルミナイジング処理された後、酸処理されていることを特徴とする。例えば前記ネジ部分はステンレス鋼により構成されている。 The high-pressure gas container valve of the present invention is characterized in that at least a surface portion of a screw portion screwed into the high-pressure gas container is subjected to an aluminizing process and then an acid treatment. For example, the screw portion is made of stainless steel.
本発明によれば、高圧ガス容器弁において高圧ガス容器と螺合する部分の表面をアルミナイジング処理後、酸処理して皮膜を形成している。この皮膜によりカジリ現象を抑制することができる。 According to the present invention, the surface of the portion of the high-pressure gas container valve that is screwed with the high-pressure gas container is aluminized and then acid-treated to form a film. The galling phenomenon can be suppressed by this film.
本発明に係る高圧ガス容器弁の実施形態を説明する。この実施形態に係る高圧ガス容器弁は、背景技術の項で説明した高圧ガス容器弁10と概ね同一であるため、同一箇所は説明を省略し、相違する部分のみ説明する。この高圧ガス容器弁10の容器弁本体11はステンレス鋼により構成されており、容器弁本体11の雄ネジ部30はアルミナイジング処理が施された後、酸処理が施されることで、その表面に耐食性に優れた不動態皮膜42と金属間化合物層41とからなる積層膜が形成されている。この積層膜は、大きな接圧が加わっても破壊されにくく、ステンレスの新鮮面が露出しにくくなる。
An embodiment of a high-pressure gas container valve according to the present invention will be described. Since the high-pressure gas container valve according to this embodiment is substantially the same as the high-pressure gas container valve 10 described in the background art section, the description of the same portions will be omitted and only different portions will be described. The container valve main body 11 of the high-pressure gas container valve 10 is made of stainless steel, and the
次に前記積層膜を形成するための各処理について、雄ネジ部30の表面が変化する様子について示した図3を参照しながら説明する。図3(a)はアルミナイジング処理を行う前の雄ネジ部30の表面を示している。
Next, each process for forming the laminated film will be described with reference to FIG. 3 showing how the surface of the
アルミナイジング処理とは、鋼表面にアルミニウム(Al)を被覆して、鉄とアルミニウムの金属間化合物を形成する方法である。この金属間化合物は、硬度が高くカジリ防止として効果的である。ただし、アルミニウムも鉄も酸には弱く、腐食性の環境には使用できない。ステンレス鋼にアルミナイジング処理をすると、基材との界面において形成される鉄(Fe)とアルミニウムとからなる金属間化合物にクロム(Cr)やニッケル(Ni)が含まれるようになり、靱性が改善される。 The aluminizing process is a method of forming an intermetallic compound of iron and aluminum by coating aluminum (Al) on the steel surface. This intermetallic compound has high hardness and is effective in preventing galling. However, both aluminum and iron are vulnerable to acids and cannot be used in corrosive environments. When stainless steel is aluminized, chromium (Cr) and nickel (Ni) are included in the intermetallic compound consisting of iron (Fe) and aluminum formed at the interface with the base material, improving toughness. Is done.
図3(b)は、アルミナイジング処理後の雄ネジ部30の表面を示しており、当該処理により形成された金属間化合物層41は、FeAl及びFeAl(Cr)などにより構成されている。アルミナイジング処理の具体的な手法としては、例えば雄ネジ部30をめっき浴に浸漬して、当該雄ネジ部30にアルミニウムを電気めっきすることが挙げられる。このめっき浴に用いられるめっき液としては、従来公知のものが用いられる。例を挙げておくと、AlCl3 と1−メチル−3プロピルイミダゾリウムブロマイドとを2:1のモル比に混合溶融したものに各種添加剤を添加したものや、AlCl3 とブチルビリジニウムブロマイドとを2:1のモル比に混合溶融してなる浴にポリスチレン(M.W.5000)4g/lを添加したものなどを用いることができる。
FIG. 3B shows the surface of the
次に、酸処理について説明する。この酸処理は、アルミナイジング処理された雄ネジ部30を酸性溶液例えば塩酸水溶液に浸漬することにより行われる。発明者は、後述の実験に基づいて、この酸処理により下記の反応プロセスで前記不動態皮膜42が形成されると推論している。
Next, the acid treatment will be described. This acid treatment is performed by immersing the aluminized
前記雄ネジ部30を塩酸水溶液に浸漬した直後は、図3(c)に示すように金属間化合物層41が溶解し、金属間化合物層41を構成するFe、Cr、Alが塩酸水溶液に溶出する。その後、塩酸水溶液に溶解したアルミニウムがオキシ水酸化アルミニウム(AlO(OH))となり、金属間化合物層41の表面に付着する。
Immediately after the
続いて、塩酸水溶液に溶解した鉄及びクロムが徐々にオキシ水酸化鉄(FeO(OH))やオキシ水酸化クロム(CrO((OH))となり、そのAlO(OH)の表面を覆い、これらAlO(OH)、CrO((OH))及びFeO(OH)からなる不動態皮膜42が次第に形成され、金属間化合物層41の溶解が減少する。そして、金属間化合物層41が不動態皮膜42に覆われ、金属間化合物層41の溶解が停止する(図3(d))。
Subsequently, iron and chromium dissolved in the hydrochloric acid aqueous solution gradually become iron oxyhydroxide (FeO (OH)) and chromium oxyhydroxide (CrO ((OH)), covering the surface of the AlO (OH), and these AlO A
上述の実施形態によれば、容器弁10の雄ネジ部30の表面にオキシ水酸化物からなる不動態皮膜42と、金属化合物層41とからなる積層膜が形成され、硬化される。従って、高圧ガス容器弁10と高圧ガス容器20とが螺合するに際して、カジリ現象が抑制され、雄ネジ部30及び雌ネジ部22に損傷は生じないため、ガス漏れをより確実に防ぐことが可能となり、さらに雄ネジ部30の耐食性を得ることができる。不動態皮膜42の耐食性としては、高圧ガス容器弁10の母材としてSUS316を用いた場合、その母材と同等の耐食性を有する。
According to the above-described embodiment, the laminated film composed of the
ところで、アルミナイジング処理としては、めっき浴を用いることに限られず、例えばアルミニウムを溶射することでめっきを行うことも含まれる。また、アルミナイジング処理を行うにあたり、雄ネジ部30を被覆するアルミニウム中にアルミニウム以外の成分、例えばクロムなどが混入していてもよい。
By the way, the aluminizing treatment is not limited to using a plating bath, and includes, for example, performing plating by spraying aluminum. Moreover, in performing the aluminizing process, components other than aluminum, such as chromium, may be mixed in the aluminum covering the
また、酸処理に用いる酸としては塩酸の他に硫酸など他の酸を用いてもよい。そして、酸処理の方法としては、金属間化合物41に酸が供給されれば、上記のように酸性の溶液に浸漬することに限られない。例えば酸性溶液のミストを雄ネジ部30に吹き付けてもよい。
In addition to hydrochloric acid, other acids such as sulfuric acid may be used as the acid used for the acid treatment. And as a method of an acid treatment, if an acid is supplied to the
本発明は上述の実施形態に限られず、以下に述べるダイヤフラム型の高圧ガス容器弁にも適用することができる。この高圧ガス容器弁の構成を説明する。図5に示すように容器弁本体61の上部側はシリンダ部62を構成し、このシリンダ部62内には開閉子63が設けられている。前記開閉子63は、図示しないコイルバネによってL字状のガス流路64を開状態にするように、上限位置に維持されている。前記シリンダ部62における上端の開口部は、円形のダイヤフラムである板バネ65によって気密に塞がれており、前記板バネ65の周縁部は容器弁本体61に螺合されるボンネット66により、シリンダ部62に押し付けられている。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be applied to a diaphragm-type high-pressure gas container valve described below. The configuration of this high pressure gas container valve will be described. As shown in FIG. 5, the upper side of the container valve
前記ボンネット66内には、操作部であるハンドル67により回動されるスピンドル68が螺合挿入されている。このスピンドル68が板バネ65の中央部を下方に押圧し、これにより開閉子63がコイルバネの弾性力に抗して押圧されてガス流路64が閉じられる。また、容器弁本体61の下側部は雄ネジ部69として形成される。そして、容器弁本体61はアルミナイジング処理後、酸処理され、その表面に皮膜が形成されていることから前述の実施形態と同様の効果が得られる。
A
評価実験
次に、本発明の高圧ガス容器弁10の効果を確認するために評価実験を行った。実施例として、その容積が47LでCrMo鋼からなる新しい高圧ガス容器20を10本用意した。また、SUS316(鉄、クロム及びニッケルの合金からなるステンレス鋼であり、18%のクロムと12%のニッケルを含み、これらにモリブデンを添加して耐食性を向上させたステンレス鋼)製の高圧ガス容器弁10を10個用意し、雄ネジ部30を実施形態と同様にアルミナイジング処理した後、酸処理した。この容器弁10を試料1とする。各試料1を規定のトルク値で各高圧ガス容器20に螺合させ、翌日これら10組の容器弁付き高圧ガス容器20から、試料1を取り外した。
Evaluation Experiment Next, an evaluation experiment was performed to confirm the effect of the high-pressure gas container valve 10 of the present invention. As an example, ten new high-
比較例1として、実施例と同様の高圧ガス容器20を10本用意した。また、SUS316製の高圧ガス容器弁10を10個用意した。この容器弁10を試料2とする。そして、実施例と同様に各試料2を規定のトルク値で各高圧ガス容器20に螺合させ、翌日これら10組の容器弁付き高圧ガス容器20から、試料2を取り外した。
As Comparative Example 1, ten high-
実験結果及び考察
実施例については、すべての試料1及び高圧ガス容器20のどちらにもカジリ現象は生じなかった。即ち、試料1の雄ネジ部30及び高圧ガス容器20の雌ネジ部22のどちらにも損傷は認められなかった。比較例1については、7個の試料2と7本の高圧ガス容器20にカジリ現象が認められ、試料2及び高圧ガス容器20は損傷を受けた。また、3個の試料2と3本の高圧ガス容器20には、カジリ現象が認められなかったが、試料2の雄ネジ部30の先端2山のネジ端は、びらん状に変形していた。また試料2と高圧ガス容器20とを螺合する際に、試料2の雄ネジ部30の先端部が直接に接触する高圧ガス容器20の雌ネジ部22の上端から6山目は、その表面がざらついて見られた。以上のことより、高圧ガス容器弁10をアルミナイジング処理及び酸処理することによって、カジリ現象を抑制し、雄ネジ部30及び雌ネジ部22が損傷を受けることを防止することが可能なことが見て取れる。
Experimental Results and Discussion Regarding the examples, no galling phenomenon occurred in any of the samples 1 and the high-
また、比較例2として高圧ガス容器弁10の表面を本発明とは異なる手法で改質する実験を行った。高圧ガス容器弁10の材料にはプラズマ処理されていないSUS316を用いて、この容器弁10の表面に窒化チタン(TiN)、窒化クロム(CrN)またはダイヤモンドライクカーボン(DLC)のようなアモルファス状の炭素を形成させ、試料3とした。しかし、この手法では、SUS316が軟質であるため、窒化チタン、窒化クロムまたはダイヤモンドライクカーボンが、その性質の影響を受けてしまい、高圧ガス容器弁10と高圧ガス容器20との接触圧によって、これらが剥ぎ取られ、高圧ガス容器弁10の表面が露出し、カジリ現象が生じてしまった。
Further, as Comparative Example 2, an experiment was performed in which the surface of the high-pressure gas container valve 10 was modified by a method different from the present invention. The material of the high-pressure gas container valve 10 is SUS316 that is not plasma-treated, and the surface of the container valve 10 is made of an amorphous material such as titanium nitride (TiN), chromium nitride (CrN), or diamond-like carbon (DLC). Carbon was formed as Sample 3. However, in this method, since SUS316 is soft, titanium nitride, chromium nitride, or diamond-like carbon is affected by the properties thereof, and these are affected by the contact pressure between the high-pressure gas container valve 10 and the high-
続いて、本発明者により行われ、本発明に至る知見となった実験について説明する。FeAlからなる試料1、FeAl(Cr)からなる試料2、SUS316からなる試料3、CrMo鋼からなる試料4を用意した。試料1の組成の質量比はAl:Fe=28.3:71.7であり、試料2の組成の質量比はCr:Al:Fe=11.9:24.9:64.2である。各試料1〜4を塩酸水溶液へ浸漬し、浸漬時間に対する単位表面積あたりの各材料の質量変化量を測定した。
Subsequently, an experiment conducted by the present inventor and obtained as a knowledge leading to the present invention will be described. A sample 1 made of FeAl, a
図5はその結果を示したものである。グラフの横軸は浸漬時間を示しており、単位はキロ秒である。横軸は単位表面積あたりの質量変化量を示しており、単位はkg/m2である。グラフに示されるように、浸漬直後には試料3及び試料4に比べて試料1、試料2の質量変化量、即ち腐食速度が大きい。しかし、時間が経過するに従い、試料1、2の質量変化量は低下している。このように試料1、2では試料3、4に比べて経過時間によって質量変化量が大きく変化している。
FIG. 5 shows the result. The horizontal axis of the graph indicates the immersion time, and the unit is kilosecond. The horizontal axis indicates the amount of mass change per unit surface area, and the unit is kg / m 2 . As shown in the graph, immediately after the immersion, the mass change amounts of the sample 1 and the
この実験結果から、試料1、2では時間が経過すると、塩酸水溶液に対して耐腐食性を持つ何らかの皮膜が形成されることが考えられる。試料1、2に対してX線回折を行い、得られたスペクトルを分析したところ、試料1から得られたスペクトルではAlO(OH)を示すピークが確認された。また、試料2から得られたスペクトルではAlO(OH)及びCrO(OH)を示すピークが確認された。この実験結果から、本発明者は上記の本発明に至った。
From this experimental result, it is conceivable that in
10 高圧ガス容器弁
11 容器弁本体
13 プラグ
17 ガス取り出し口
19 ガス流路
20 高圧ガス容器
22 雌ネジ部
30 雄ネジ部
41 金属間化合物層
42 不動態皮膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 High pressure gas container valve 11 Container valve main body 13 Plug 17
Claims (2)
Priority Applications (1)
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JP2010041848A Pending JP2011179533A (en) | 2010-02-26 | 2010-02-26 | High-pressure gas container valve |
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2010
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