JP2016118255A - ガスケット - Google Patents

Abstract

【課題】 水素、アンモニア、及び不活性ガスから選ばれる１種以上のガスを、高温で流すバルブ、継手等の構造物の金属フランジ間に装着するガスケットであって、優れた機密性を有し、前記高温ガスの影響により劣化を起こすことなく、長期にわたって優れた機密性を維持することができるガスケットを提供する。【解決手段】 構成成分として銀を９０ｗｔ％以上の含有率で含むガスケットとする。または、銀を９０ｗｔ％以上の含有率で含む金属層により、金属フランジとの接触面を被覆したガスケットとする。【選択図】 図２

Description

本発明は、バルブや継手等の構造物の金属フランジ間のシール手段として用いられるガスケットに関し、詳細には、水素、アンモニア、不活性ガスの精製装置等に供給される高温ガス、またはこれらの装置から回収される高温のガス等、あるいは排ガスの浄化装置等から排出される前記ガスを含む高温のガス等を、シール部から漏洩することなく流通することが可能なガスケットに関する。

従来から、半導体製造工程においては、高純度の水素や窒素等の不活性ガスが雰囲気ガスとして、また高純度のアンモニアが半導体製造の原料ガスとして多量に使用されており、例えば高純度の水素を得るために、不純物を含む原料水素を、パラジウム合金の薄膜からなる水素分離膜に供給し水素のみを透過させて取出す水素精製が行なわれている。このような水素精製方法のための装置としては、不純物を含む原料水素の導入口、純水素の取出口、及び該導入口と該取出口の間のガス流路中にパラジウム合金の薄膜を備えた装置が用いられる。水素精製の際は、合金薄膜を通過する前後の水素の温度を所定の温度（２５０〜５００℃）に維持するとともに、一次側空間（不純物を含む原料水素の供給側空間）を二次側空間（純水素の取出し側空間）よりも所定の範囲内で高い圧力に維持する必要がある。そのため、水素精製装置の上流側及び下流側には、加熱されたガスの圧力を制御するバルブ、該バルブと配管を接続する継手等が設置されている。

また、半導体製造工程から排出された有害成分を含む排ガスは、浄化装置により浄化して大気に放出する必要がある。例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体製造工程からは、アンモニアを含む排ガスが排出される。このような排ガスを大気中へ放出する際にはアンモニアの濃度をＴＬＶ−ＴＷＡ（２５ｐｐｍ）以下まで除去する必要がある。アンモニアの浄化方法としては、アンモニアを含む排ガスを、加熱下でアンモニア分解触媒と接触させて、アンモニアを窒素と水素に分解するアンモニア分解方法が知られているが、半導体製造工程から排出される排ガスは高温であり、またアンモニア浄化装置からも高温の処理済ガスが排出されるため、アンモニア浄化装置の上流側及び下流側において、ガス流量を制御する耐熱性を有するバルブ、該バルブと配管を接続する継手等が必要である。

前記のようなバルブは、ガスの導入口（入口ポート）、ガスの排出口（出口ポート）、これらを連通する流路、及び該流路の途中に設けられた流路の開閉手段を備えており、例えば特許文献１〜３に示すようなものが知られている。これらのバルブは、通常は複数の金属フランジを組合せて構成されたものであり、組立ての際は金属フランジ間にガスの漏洩を防止するためのガスケットが用いられている。このようなガスケットとしては、機密性及び耐熱性を有することが好ましく、例えば特許文献４〜６に示すような、石綿代替材としてセラミック繊維、ゴム、無機充填材を主成分とするものが使用されている。

特開平６−１８５３７７号公報 特開平６−２１３３３５号公報 特開２００３−２０６８０７号公報 特開平５−２２２３５２号公報 特開平６−１５９５１６号公報 特開２００５−２７３６９０号公報

しかしながら、特許文献４〜６に記載されたガスケットは、表面の硬度が高い場合、金属フランジ面との間に隙間ができやすくなって機密性が低下する虞があり、表面の硬度が低い場合、長期にわたる高温ガスの影響により、劣化して機密性が低下する傾向があった。従って、本発明が解決しようとする課題は、水素、アンモニア、及び不活性ガスから選ばれる１種以上のガスを、高温（１００℃以上の温度）で流すバルブ、継手等の構造物の金属フランジ間に装着するガスケットであって、優れた機密性を有し、高温ガスの影響により劣化を起こすことなく、長期にわたって優れた機密性を維持することが可能なガスケットを提供することである。

本発明者らは、これらの課題を解決すべく鋭意検討した結果、水素、アンモニア、不活性ガスを高温度で流すバルブ、継手等の構造物の金属フランジ間に装着するガスケットにおいて、銀を主成分として用いることにより、または銀を主成分とする金属層により表面を被覆することにより、ガスケットが優れた機密性を有し、長期にわたる高温ガスとの接触によっても劣化しないことを見出し、本発明のガスケットに到達した。

すなわち本発明は、水素、アンモニア、及び不活性ガスから選ばれる１種以上のガスを、１００℃以上の温度で流す構造物の金属フランジ間に装着するガスケットであって、構成成分として銀を９０ｗｔ％以上の含有率で含むことを特徴とするガスケットである。
また、本発明は、水素、アンモニア、及び不活性ガスから選ばれる１種以上のガスを、１００℃以上の温度で流す構造物の金属フランジ間に装着するガスケットであって、銀を９０ｗｔ％以上の含有率で含む金属層により、金属フランジとの接触面を被覆したことを特徴とするガスケットである。

本発明のガスケットは、少なくとも金属フランジとの接触面が銀を主成分とする構造なので、フランジを構成する金属に較べて適度に柔らかい硬度（モース硬度：約２．５）の表面に有し、ボルト等によるガスケットの押圧時に、金属フランジ面との間に隙間ができ難くバルブの機密性が低下する虞がない。また、優れた耐熱性、耐腐食性を有し、長期にわたっても、高温（１００℃〜７００℃程度）の水素、アンモニア、または不活性ガスの影響を受け難く、劣化を起こし難い。その結果、高温の前記ガスを流すバルブ、継手等の構造物の金属フランジ間に装着するガスケットとして好適に使用することができる。

本発明は、水素、アンモニア、及び不活性ガスから選ばれる１種以上のガスを、１００℃以上の温度で流すバルブ、継手等の構造物の金属フランジ間に装着するガスケットに適用される。
以下、本発明の水素精製方法を、図１〜図６に基づいて詳細に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。尚、図１は、本発明のガスケットの一例を示す斜視図である。図２は、図１のガスケットの垂直断面の例を示す構成図である。図３は、本発明のガスケットを用いたバルブの一例を示す構成図である。図４は、図３のガスケット近辺の拡大図である。図５は、本発明のガスケットを用いた継手の例を示す構成図である。図６は、本発明のガスケットを装着したバルブを使用した精製装置の一例を示す構成図である。

本発明の第１形態のガスケットは、水素、アンモニア、及び不活性ガスから選ばれる１種以上のガスを、１００℃以上の温度で流す構造物の金属フランジ間に装着するガスケットであって、構成成分として銀を９０ｗｔ％以上の含有率で含むガスケットである。
また、本発明の第２形態のガスケットは、水素、アンモニア、及び不活性ガスから選ばれる１種以上のガスを、１００℃以上の温度で流す構造物の金属フランジ間に装着するガスケットであって、銀を９０ｗｔ％以上の含有率で含む金属層により、金属フランジとの接触面を被覆したガスケットである。

本発明のガスケットは、第１形態であっても、第２形態であっても、通常は図１に示すような偏平状の円筒形、あるいは偏平状の角筒形（図示しない）であるが、これらに限定されることはない。本発明の第１形態のガスケットは、図２（１）に示すように、全体が銀を９０ｗｔ％以上の含有率で含む金属（銀含有部２）で構成されるが、本発明の第２形態のガスケットは、図２（２）に示すように、金属フランジとの接触面が銀を９０ｗｔ％以上の含有率で含む金属層（銀含有層３）で構成される。尚、第２形態のガスケットにおいて、前記の銀含有層２の厚みは、通常は０．０５ｍｍ以上、好ましくは０．１ｍｍ以上である。

第１形態のガスケット、または第２形態のガスケットの銀含有層２において、銀以外の構成成分としては、金、銅等の金属を含ませることができる。しかし、これらの銀を含む合金の硬度は、モース硬度で３．０以下の範囲になることが好ましい。モース硬度が３．０を超える場合、例えばボルト等によるガスケットの押圧時に、金属フランジ面との間に隙間ができやすくなって機密性が低下する虞がある。尚、第２形態のガスケットの銀含有層２以外の構成成分としては、金属、その他の無機物等を挙げることができる。

本発明のガスケットは、例えば、水素、アンモニア、または不活性ガスを精製するためのガス精製装置、または半導体製造工程から排出される前記ガスを含む排ガスの浄化装置の、内部、上流側、または下流側に設けられたバルブ、継手等の構造物に用いられる。また、本発明のガスケットは、複数の金属フランジ間に装着して、該間隙からのガス漏洩を防止するための手段として、内部を流通する前記ガスの温度が１００℃以上となるバルブ、継手等の構造物に用いられ、さらに前記ガスの温度が２００℃以上となる構造物に好適に用いられる。

本発明のガスケットを適用できるバルブとしては、前述の条件を満たすものであれば、特に限定されることはないが、例えば図３、図４に示すようなバルブを挙げることができる。該バルブは、弁箱４、入口ポート５、出口ポート６、弁棒７、弁体８等を備え、弁棒７及び弁体８を上下方向に移動することにより、入口ポート５と出口ポート６とのガスの接続及び遮断（バルブの開閉）を行なう構成となっている。そして、弁箱の上部のフランジ９とベローズフランジ１０の間に装着されたガスケット１により、ガスの流路１１と外部が遮蔽され、バルブ内部の機密が維持されている。尚、前記のフランジを含むバルブの材料としては、通常は、鍛鋼、鋳鉄等、鉄を主成分として含む金属材料が用いられるが、水素、アンモニア、不活性ガスの精製装置、これらのガスを含む排ガスの浄化装置に使用する場合は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等、ステンレス製の材料であることが好ましい。

本発明のガスケットを適用できるバルブが使用される水素の精製装置としては、例えば特開平１−１４５３０２（パラジウム合金膜の使用）、特開平２−１４１４０４（触媒、吸着剤の使用）に記載されている水素の精製装置を、同じくアンモニアの精製装置としては、例えば特開２００２−３７６２４（触媒、吸着剤の使用）に記載されているアンモニアの精製装置を、同じく不活性ガスの精製装置としては、例えば特開平１−１１５８０６（触媒、吸着剤の使用）、特開平５−４８０９（ゲッター剤の使用）に記載されている不活性ガスの精製装置を挙げることができる。また、これらの精製装置の上流側に設けられるバルブとしては、例えば特開平１−１１５８０６の図４のV２０a、V２１aを、内部に設けられたバルブとしては、例えば特開平２−１４１４０４の図２のV１１a、V１２aを、下流側に設けられるバルブとしては、前記図２のV１３a、V１４aを、挙げることができる。

本発明のガスケットを適用できるバルブが使用される、半導体製造工程から排出されるガスの浄化装置としては、例えば特開２０００−２３３１１７（アンモニアの分解）に記載されている浄化装置を挙げることができる。また、浄化装置の内部に設けられたバルブとしては、例えば前記公報の図１のバルブ７、１４を、下流側に設けられたバルブとしては、例えば前記図１のバルブ１１、１３を挙げることができる。

本発明のガスケットを適用できる継手としては、例えば図５に示すような継手を挙げることができる。図５（１）は、２個のフランジ２１の間に装着されたガスケット１を有する配管継手である。また、図５（２）は、雌型フランジ２２と雄型フランジ２３の間に装着されたガスケット１を有する継手である。尚、該継手は、雌型フランジ２２の先端部の内周に雌ネジが設けられ、雄型フランジ２３の先端部の外周には雄ネジが設けられ、ネジを回して締めることによりパッキン１が壁面に密着し、当該部分における機密性を得ることが可能なようになっている。フランジを含む継手の材料は、前述のバルブの場合と同じである。

次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。

［実施例１］
（バルブの製作）
銀を９５ｗｔ％、銅を５ｗｔ％含む厚さ０．５ｍｍの合金板を、円盤状（外径６５ｍｍ、内径５５ｍｍ）に打抜いた後、表面処理を行なって、図１、図２（１）に示すようなガスケット１を製作した。このガスケットを、図４に示すように、ＳＵＳ３１６Ｌ製の弁箱の上部のフランジ９とベローズフランジ１０の間に装着して、図３に示すような主にステンレス製の材料で構成されたバルブを製作した。

（水素精製装置の製作）
本発明のガスケットの効果を試験するために、これを装着したバルブを用いた水素精製装置を次のように製作した。（図６参照）
直径２５ｍｍ、厚さ５ｍｍの円盤状のニッケル製管板に、パラジウム、銀、及び金を主成分とする合金からなるパラジウム合金細管（外径１．８ｍｍ、厚さ７０μｍ、長さ３００ｍｍ）３５本を、複数の同心円上に溶接した。

前記の管板及びパラジウム合金細管を、原料水素供給口１２、不純物含有ガス取出し口１３、及び純水素取出し口１４を有する、内径２５ｍｍ、長さ７００ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌ製セル１５に収納した。
次に、セル１５の外側にヒータ１６を設けた後、原料水素供給口１２に原料水素の導入配管１７を、純水素取出し口１４に純水素取出し配管１８を、不純物含有ガス取出し口１３に不純物含有ガス回収配管１９を接続し、純水素取出し配管１８に前述のように製作したバルブ２０を取付けて、図６に示すような構成の水素精製装置を製作した。

（水素の精製）
水素精製装置のセルの一次側の空間の内部の温度を６００℃に昇温するとともに水素を導入して、１０時間加熱処理を行なった。続いて水素精製装置のセルの一次側の空間の内部の温度を４２０℃まで低下させ、不純物（窒素、酸素、二酸化炭素等）を含む原料水素を、１５Ｌ／ｍｉｎの流量で原料水素供給口１２から導入し、パラジウム合金細管を透過させて純水素取出し口１４を経由して純水素を取出すとともに、パラジウム合金細管を透過しない不純物を含むガスを、一次側空間から取出す水素の精製を行なった。尚、バルブ２０を流通する純水素の温度は約３００℃であった。

（ガスケットのヘリウムリーク試験）
水素の精製は約１０００時間行なった。続いて水素精製装置のセル内の温度を室温まで低下させ、水素の替わりに窒素を流した後、バルブ２０を取出し、ガスケットについてヘリウムリーク試験を行なった。ヘリウムリーク試験は、真空フード法により行なった。その結果、ヘリウムのリーク量は約１×１０^−１０Ｐａｍ^３／ｓであった。尚、水素精製の前のガスケットについてもヘリウムリーク試験を行なったが、その際のヘリウムのリーク量は約１×１０^−１０Ｐａｍ^３／ｓであり、約１０００時間の水素精製行なっても、ガスケットが優れた機密性を維持したことがわかった。

［実施例２］
実施例１のバルブの製作において、図２（２）に示すような銀含有部２を有するガスケットを用いたほかは実施例１と同様にしてバルブを製作した。尚、銀含有部２は、銀を９５ｗｔ％、銅を５ｗｔ％含み、厚さ０．１ｍｍであった。また、ガスケットの厚みは０．５ｍｍであった。
このバルブを用いて、実施例１と同様にして水素精製装置を製作し、実施例１と同様にして水素の精製を行ない、実施例１と同様にしてガスケットのヘリウムリーク試験を行なった。その結果、水素精製前のガスケット、水素精製後のガスケット共、ヘリウムのリーク量は約２×１０^−１０Ｐａｍ^３／ｓであった。

［比較例１］
実施例１のバルブの製作において、鉄を主成分として含むガスケットを用いたほかは実施例１と同様にしてバルブを製作した。尚、ガスケットの形状、大きさは、実施例１と同じであった。
このバルブを用いて、実施例１と同様にして水素精製装置を製作し、実施例１と同様にして水素の精製を行ない、実施例１と同様にしてガスケットのヘリウムリーク試験を行なった。その結果、水素精製後のヘリウムのリーク量は、水素精製前とほぼ同じであったが、共に約５×１０^−８Ｐａｍ^３／ｓであり実施例１より大きかった。

［比較例２］
実施例１のバルブの製作において、セラミック繊維、無機充填材、及び有機結合剤からなるガスケットを用いたほかは実施例１と同様にしてバルブを製作した。尚、ガスケットの形状、大きさは、実施例１と同じであった。
このバルブを用いて、実施例１と同様にして水素精製装置を製作し、実施例１と同様にして水素の精製を行ない、実施例１と同様にしてガスケットのヘリウムリーク試験を行なった。その結果、水素精製前のヘリウムのリーク量は、約５×１０^−１０Ｐａｍ^３／ｓであったが、水素精製後のヘリウムのリーク量は、約１×１０^−８Ｐａｍ^３／ｓと大きくなった。

以上のように、本発明のガスケットは、優れた機密性のほか、優れた耐熱性を有し、長期の使用にわたっても初期の機密性を維持することができる。

本発明のガスケットの一例を示す斜視図 図１のガスケットの垂直断面の例を示す構成図 本発明のガスケットを用いたバルブの一例を示す構成図 図３のガスケット近辺の拡大図 本発明のガスケットを用いた継手の例を示す構成図 本発明のガスケットを装着したバルブを使用した精製装置の一例を示す構成図

１ 本発明のガスケット
２ 銀含有部
３ 銀含有層
４ 弁箱
５ 入口ポート
６ 出口ポート
７ 弁棒
８ 弁体
９ 弁箱の上部のフランジ
１０ ベローズフランジ
１１ ガスの流路
１２ 原料水素供給口
１３ 不純物含有ガス取出し口
１４ 純水素取出し口
１５ セル
１６ ヒータ
１７ 原料水素の導入配管
１８ 純水素取出し配管
１９ 不純物含有ガス回収配管
２０ バルブ
２１ フランジ
２２ 雌型フランジ
２３ 雄型フランジ

本発明は、水素、アンモニア、及び不活性ガスから選ばれる１種以上のガスを、１００℃以上の温度で流すバルブ、継手等の構造物の金属フランジ間に装着するガスケットに適用される。
以下、本発明のガスケットを、図１〜図６に基づいて詳細に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。尚、図１は、本発明のガスケットの一例を示す斜視図である。図２は、図１のガスケットの垂直断面の例を示す構成図である。図３は、本発明のガスケットを用いたバルブの一例を示す構成図である。図４は、図３のガスケット近辺の拡大図である。図５は、本発明のガスケットを用いた継手の例を示す構成図である。図６は、本発明のガスケットを装着したバルブを使用した精製装置の一例を示す構成図である。

本発明のガスケットは、第１形態であっても、第２形態であっても、通常は図１に示すような偏平状の円筒形、あるいは偏平状の角筒形（図示しない）であるが、これらに限定されることはない。本発明の第１形態のガスケットは、図２（１）に示すように、全体が銀を９０ｗｔ％以上の含有率で含む金属（銀含有部２）で構成されるが、本発明の第２形態のガスケットは、図２（２）に示すように、金属フランジとの接触面が銀を９０ｗｔ％以上の含有率で含む金属層（銀含有層３）で構成される。尚、第２形態のガスケットにおいて、前記の銀含有層３の厚みは、通常は０．０５ｍｍ以上、好ましくは０．１ｍｍ以上である。

第１形態のガスケット、または第２形態のガスケットの銀含有層３において、銀以外の構成成分としては、金、銅等の金属を含ませることができる。しかし、これらの銀を含む合金の硬度は、モース硬度で３．０以下の範囲になることが好ましい。モース硬度が３．０を超える場合、例えばボルト等によるガスケットの押圧時に、金属フランジ面との間に隙間ができやすくなって機密性が低下する虞がある。尚、第２形態のガスケットの銀含有層３以外の構成成分としては、金属、その他の無機物等を挙げることができる。

Claims (6)

1. 水素、アンモニア、及び不活性ガスから選ばれる１種以上のガスを、１００℃以上の温度で流す構造物の金属フランジ間に装着するガスケットであって、構成成分として銀を９０ｗｔ％以上の含有率で含むことを特徴とするガスケット。
2. 水素、アンモニア、及び不活性ガスから選ばれる１種以上のガスを、１００℃以上の温度で流す構造物の金属フランジ間に装着するガスケットであって、銀を９０ｗｔ％以上の含有率で含む金属層により、金属フランジとの接触面を被覆したことを特徴とするガスケット。
3. 構造物が、ガスの精製装置の内部、上流側、または下流側に設けられたバルブである請求項１または請求項２に記載のガスケット。
4. 構造物が、半導体製造工程から排出されるガスの浄化装置の内部、上流側、または下流側に設けられたバルブである請求項１または請求項２に記載のガスケット。
5. 構造物が継手である請求項１または請求項２に記載のガスケット。
6. 金属フランジがステンレス製である請求項１または請求項２に記載のガスケット。

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