JP2021011903A - フッ素樹脂成形体 - Google Patents

Abstract

【課題】長期にわたり安定したシールを行うことができるシール部を有するフッ素樹脂成形体を提供することを目的とする。【解決手段】流体機器に用いられ環状のシール部１０を有するフッ素樹脂成形体であって、前記シール部１０は、フッ素樹脂成形体が流体機器に組み込まれたときに圧縮荷重を受ける方向に並ぶ突起部１４とバックアップ部１２とからなる。【選択図】図１

Description

本発明は、シール部を有するフッ素樹脂成形体に関する。

半導体製造に用いられる弁装置等においては、超純水やオゾン水等の腐食性流体が使用されるため、耐食性の観点から、シール部をフッ素樹脂から構成することがある。

例えば、特許文献１には、弁装置のダイヤフラムがフッ素樹脂で構成されたものが記載されている。このダイヤフラムの外縁部は、アクチュエータ部の一部を構成するリテーナとボデイに設けられたダイヤフラム保持部との間で挟持される。

特開２０１５−９４４０９号公報

フッ素樹脂からなるシール部は、シールに必要な力を加えると、弾性変形のみならず塑性変形を伴う。このため、塑性変形をしないゴム材質の場合とは異なり、良好なシール性を維持させることが容易ではない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、長期にわたり安定したシールを行うことができるシール部を有するフッ素樹脂成形体を提供することを目的とする。

本発明に係るフッ素樹脂成形体は、流体機器に用いられ環状のシール部を有するものであって、シール部は、フッ素樹脂成形体が流体機器に組み込まれたときに圧縮荷重を受ける方向に並ぶ突起部とバックアップ部とからなる。

上記フッ素樹脂成形体によれば、シール部が所定方向に圧縮荷重を受けるので、突起部が塑性変形して相手部材との隙間を埋めるとともに、バックアップ部が弾性変形してその反力によるシール圧を確保するから、長期にわたり安定したシールを行うことができる。

本発明に係るフッ素樹脂成形体のシール部は、フッ素樹脂成形体が流体機器に組み込まれたときに圧縮荷重を受ける方向に並ぶ突起部とバックアップ部とからなるものであるから、長期にわたり安定したシール性を発揮する。

本発明の第１実施形態に係るシール部の断面図である。 図１のシール部に圧縮荷重が加わる前後と該圧縮荷重が解放されたときのシール部の高さを比較した図である。 図１のシール部の復元率の経時変化を実測データに基づいて示した図である。 図１のシール部の復元率の経時変化を実測データおよび推測に基づいて示した図である。 本発明の第２実施形態に係るシール部の断面図である。 本発明の第３実施形態に係るシール部の断面図である。 本発明の第４実施形態に係るシール部の断面図である。 図６のシール部を有するフッ素樹脂成形体の適用例を示す装置の一部断面図である。 図８のＡ部拡大図である。 図５と図７を組み合わせた形式のシール部を有するフッ素樹脂成形体の適用例を示す装置の一部断面図である。 図１０のＢ部拡大図である。

本発明のフッ素樹脂成形体は、環状のシール部を有するものである。ここで、「シール部を有するフッ素樹脂成形体」とは、シール機能に直接関わるシール部がフッ素樹脂成形体の一部を構成する場合を含むのはもちろんであるが、フッ素樹脂成形体の全部が実質的にシール部である場合を含む。前者の例として、外周縁が流体機器に固定されるダイヤフラム弁体を挙げることができ、後者の例として、いわゆるシールリングを挙げることができる。

以下、本発明に係るフッ素樹脂成形体のシール部について、好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
本発明に係るフッ素樹脂成形体のシール部の第１実施形態について、図１〜図４を参照しながら説明する。

図１には、環状に構成されたシール部１０の断面が示されている。シール部１０は、バックアップ部１２と、バックアップ部１２から突出する突起部１４とからなる。バックアップ部１２の断面形状は矩形であり、突起部１４の断面形状は、該矩形の一つの辺上に底辺を置く二等辺三角形である。以下においては、便宜上、シール部１０が流体機器に設けられた環状の取付溝（図示せず）に装着され固定される場合を想定して説明する。

シール部１０は、取付溝に固定される際に、バックアップ部１２と突起部１４が並ぶ方向、すなわちＡ−Ａ方向に圧縮荷重を受ける。シール部１０は、この圧縮荷重を受けると、弾性変形および塑性変形を伴いながら変形する。このとき、塑性変形領域は、主に突起部１４に集中する。バックアップ部１２は、突起部１４に近接する領域で塑性変形し、それ以外の領域の一部において弾性変形する。

突起部１４が塑性変形することにより、突起部１４と相手部材（図示せず）との隙間が、突起部１４先端の環状線に沿ってすべて埋め尽くされる。換言すれば、突起部１４の先端が、相手部材の表面形状にぴったりとなじむように変形する。そして、突起部１４は、弾性変形したバックアップ部１２から弾性反力を受けるので、相手部材に強く押し付けられ、突起部１４先端の環状線をシール線として、高い面圧によるシール作用を得ることができる。なお、初期状態において、突起部１４の先端には、０．５Ｒ程度のアールが形成されていてもよい。

必要なシール性が確保されるためには、シール部１０に対する圧縮荷重を解放したときに、シール部１０が所定以上の復元性を有していなければならない。しかも、圧縮荷重が加わってから少なくとも耐用年数に相当する期間が経過するまでは、圧縮荷重を解放したときに上記所定以上の復元性を維持していることが必要である。なお、一つのフッ素樹脂成形体のシール部１０が取付溝内に装着固定されるのは、最初の１回限りであり、同じシール部１０が何度も繰り返し装着固定されることはない。

本出願人は、この復元性を表す指標である復元率が、突起部１４の頂点の角度θとどのような関係にあるか、また、復元率の経時変化がどのようなものであるかを調べた。「復元率」とは、図２に示すように、圧縮荷重が加わる前のシール部１０の高さ（Ａ−Ａ方向の長さ）をＨ１、圧縮荷重が加わった後のシール部１０の高さをＨ２、該圧縮荷重が解放された後のシール部１０の高さをＨ３として、下記の式（１）で算出される値である。なお、Ｈ３がＨ２より大きくＨ１より小さいことはもちろんである。
［復元率］＝（Ｈ３−Ｈ２）／（Ｈ１−Ｈ２）・・・式（１）

試験片として用いたフッ素樹脂成形体は、バックアップ部１２と突起部１４とから構成されるシール部１０のみからなる環状のフッ素樹脂成形体、すなわちシールリングである。初期状態において、シール部１０の高さ（Ｈ１）は２０ｍｍ、突起部１４の高さｈは１ｍｍとなっている。また、断面形状が二等辺三角形である突起部１４の頂点の角度θについては、初期状態において６０度、９０度および１２０度の３種類のものを用意した。

そして、試験片を治具にセットし、バックアップ部１２と突起部１４が並ぶＡ−Ａ方向に圧縮荷重を加え、シール部１０の高さ（Ｈ２）が１９．５ｍｍとなるまで圧縮した。この状態で所定時間（以下「放置時間」という）放置した後に試験片を治具から外し、外してから１時間経過したときのシール部１０の高さ（Ｈ３）を測定した。上記３種類の試験片のそれぞれについて、放置時間を最大６９００時間（約２９０日）までの範囲で変更しながら、多数の測定データを得た。

これらの測定データから算出した復元率ないし推測される復元率をもとに復元率の経時変化を示したものが図３および図４である。これらのグラフは、横軸に放置時間をとるとともに縦軸に復元率をとったもので、突起部１４の頂点の角度θをパラメータとしている。図３には、最大放置時間６９００時間まで実際に測定したデータに基づく曲線が描かれており、図４には、放置時間を１０年まで延ばした場合に推測される外延部分を含む曲線が描かれている。

図３に示されるように、復元率は、時間が経過するほど小さくなる。復元率が低下する割合は、放置した当初は大きく、その後次第に小さくなっていく。また、突起部１４の頂点の角度θが小さくなると（１２０度→９０度→６０度）、復元率は小さくなり、復元率の経時変化を示す曲線は下方にシフトする。

シール部１０に要求される耐用年数を１０年とし、必要なシール性を発揮するための復元率が４５％以上であるとした場合、図４から理解されるように、突起部１４の頂点の角度θは、９０〜１２０度の範囲にあればよい。突起部１４の頂点の角度θが１２０度を超えると、シール性に問題が生じるほか、突起部１４の応力解析によれば、接触点から遠い部分では変形が生じていないため、材料の無駄が生じる。

ここで、圧縮荷重による変形の度合いを表す指標である「潰し率」は、前述のＨ１およびＨ２を用いた下記の式（２）で算出される。
［潰し率］＝（Ｈ１−Ｈ２）／Ｈ１・・・式（２）
（Ｈ１−Ｈ２）は、いわゆる潰し代であり、上記の試験例では、潰し率は２．５％となっている。

シール部の潰し率が小さ過ぎると、突起部１４の先端を相手部材の表面形状になじませるための塑性変形、および、突起部１４の先端を相手部材に押し付けるための弾性変形が十分になされない。シール部の潰し率が大き過ぎると、内部応力が大きくなり過ぎて塑性変形が生じる比率が高くなり、復元率が低下する。シール部の潰し率は１〜３％であることが好ましい。

（第２実施形態）
次に、本発明に係るフッ素樹脂成形体のシール部の第２実施形態について、図５を参照しながら説明する。第２実施形態のシール部２０は、バックアップ部２２の形状が第１実施形態のシール部１０と異なっている。

図５には、環状に構成されたシール部２０の断面が示されている。シール部２０は、バックアップ部２２と、バックアップ部２２から突出する突起部２４とからなる。突起部２４の断面形状は二等辺三角形である。バックアップ部２２には、突起部２４に隣接して突起部２４の両側に溝部２６、２８が形成されている。

一対の溝部２６、２８の断面形状は、突起部２４の断面形状と同等な二等辺三角形であり、一対の溝部２６、２８の所定の表面２６ａ、２８ａは、突起部２４の表面と面一に連なっている。また、各溝部２６、２８の幅Ｗｄは、突起部２４の幅Ｗと等しくなっている。

突起部２４の両側に溝部２６、２８を形成することで、突起部２４は、圧縮荷重が作用する方向だけでなく、それと垂直な方向にも変形し易くなるので、突起部２４の変形が円滑に行われる。また、バックアップ部２２が平坦な面である場合には復元に寄与しない部分もあるが、突起部２４の両側に溝部２６、２８を形成することで、復元に寄与しない部分の少なくとも一部を取り除き、材料の節約を図ることができる。

本実施形態では、一対の溝部２６、２８の断面形状を二等辺三角形としたが、該断面形状は半円形等であってもよい。また、一対の溝部２６、２８の幅Ｗｄを突起部２４の幅Ｗと同一としたが、該幅Ｗｄは、例えば、突起部２４の幅Ｗの０．５〜１．５倍の範囲で選択すればよい。突起部２４の頂点の角度θについては、第１実施形態と同様に、９０〜１２０度とするのが好ましい。

（第３実施形態）
次に、本発明に係るフッ素樹脂成形体のシール部の第３実施形態について、図６を参照しながら説明する。第３実施形態のシール部３０は、バックアップ部３２の形状等が第１実施形態のシール部１０と異なっている。

図６には、環状に構成されたシール部３０の断面が示されている。シール部３０は、上下対称に形成されており、バックアップ部３２と、バックアップ部３２の上下両側から突出する一対の突起部３４、３６とからなる。バックアップ部３２は、断面形状が上下方向に細長い矩形状であり、左右両側に窪み３２ａ、３２ｂが形成されている。一対の突起部３４、３６は、断面形状が二等辺三角形であり、その底辺の長さＬはバックアップ部３２の幅Ｗに等しい。

バックアップ部３２の概ねすべてが弾性変形に寄与する形状となるようにするため、初期状態において、バックアップ部３２の幅Ｗは、シール部３０全体の高さＨ１の１５〜２５％とするのが好ましい。これにより、材料を最大限に節約することができる。

バックアップ部３２の左右両側に窪み３２ａ、３２ｂを形成することにより、材料の節約を図ることができるほか、窪み３２ａ、３２ｂに作用する流体圧による自封効果を期待することができる。すなわち、窪み３２ａ、３２ｂに作用する流体圧は、一対の突起部３４、３６の先端に向かう力となって作用し、一対の突起部３４、３６を相手部材に対してさらに強く押し付けることができる。窪み量Ｃは、バックアップ部３２の幅Ｗの５〜１０％とするのが好ましい。突起部３４、３６の頂点の角度θは、第１実施形態と同様に、９０〜１２０度とするのが好ましい。

（第４実施形態）
次に、本発明に係るフッ素樹脂成形体のシール部の第４実施形態について、図７を参照しながら説明する。第４実施形態のシール部４０は、突起部が複数設けられている点で、第１実施形態のシール部１０と異なっている。

図７には、環状に構成されたシール部４０の断面が示されている。シール部４０は、バックアップ部４２と、バックアップ部４２から突出する二列の突起部４４、４６とからなる。第１突起部４４と第２突起部４６は、互いに断面形状が同一の二等辺三角形であり、互いに接するように並んで配置されている。

初期状態において、第１突起部４４と第２突起部４６との間隔Ｘは、シール部４０の高さＨ１の１５〜２５％とするのが好ましい。これにより、材料の節約を図ることができる。また、第１突起部４４と第２突起部４６のそれぞれの頂点の角度θは、第１実施形態と同様に、９０〜１２０度とするのが好ましい。

図８および図９に、第３実施形態に係るシール部を有するフッ素樹脂成形体としてのシールリング５０を電磁作動式の二方弁５２に適用した例を示す。この二方弁５２は、ソレノイドコイル５４で駆動される可動鉄心５６と一体の弁体５８によって、バルブハウジング６０の内部に形成された流路が開閉されるものである。

金属製のバルブハウジング６０の内部には、第１ポート６２と交差するように、円筒状の隔壁６４が設けられている。隔壁６４の先端には、弁体５８が当接可能な弁座６６が設けられており、隔壁６４の周囲には、第１ポート６２と連通する環状室６８が形成されている。バルブハウジング６０には、環状室６８の外周側から上方に延びる円筒状の突出壁７０が設けられている。シールリング５０は、突出壁７０の上端に形成され上方に開口する取付溝７２に装着固定され、環状室６８を外部からシールする機能を有する。

シールリング５０を取付溝７２に装着固定するに際しては、まず、シールリング５０を取付溝７２に挿入する。このとき、シールリング５０は、取付溝７２から所定長さだけ上方に突出している。次に、バルブハウジング６０の隔壁６４の上部に、弁体５８、可動鉄心５６、コイルスプリング受け７４、コイルスプリング７６を配置した後、フランジ部７８を有する金属製のスリーブ８０を可動鉄心５６の外周に嵌合し、さらに、カバー体８２をバルブハウジング６０の突出壁７０の外周に嵌合する。

そして、カバー体８２をバルブハウジング６０に対して図示しないボルト等の手段によって固定すると、シールリング５０は、スリーブ８０のフランジ部７８によって下方に押しつけられ、取付溝７２内で圧縮され固定される。このとき、シールリング５０は、潰し率が１〜３％となるように圧縮される。シールリング５０が取付溝７２に挿入されたときの前記所定の突出長さは、潰し率が１〜３％となるような長さとなっている。

図１０および図１１に、第２実施形態のシール部と第４実施形態のシール部とを組み合わせた形態のシール部を有するフッ素樹脂成形体としてのバルブハウジング（第１ボデイ９０）をエアオペレート式の弁装置９２に適用した例を示す。なお、図１１は、図１０のＢ部拡大図であるが、便宜上、第１ボデイ９０のみを示してある。この弁装置９２は、空気圧で駆動されるピストン９４にリテーナ９６を介して連結された弁体９８によって、第１ボデイ９０の内部に形成された流路が開閉されるものである。

円筒状に形成された第１ボデイ９０の底部壁１００には、中央に位置する第１ポート１０２と、第１ポート１０２の外側に位置する第２ポート１０４とが設けられている。第１ボデイ９０の内部には、第１ポート１０２と第２ポート１０４を相互に連通する内部空間１０６が形成されている。内部空間１０６に臨む第１ポート１０２の周縁部には、弁体９８が当接可能な弁座１０８が形成されている。

第１ボデイ９０の上面には、環状の凹部１１０が形成されており、該凹部１１０の底面には、断面形状が二等辺三角形である３列の環状の突起部１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃが設けられている。第１突起部１１２ａと第２突起部１１２ｂとの間には、断面形状が半円形である環状の第１溝部１１４ａが設けられ、第２突起部１１２ｂと第３突起部１１２ｃとの間には、断面形状が半円形である環状の第２溝部１１４ｂが設けられている。第１ボデイ９０において、凹部１１０よりも下方に位置する部分がバックアップ部を構成する。

第１ボデイ９０の上方に配置される第２ボデイ１１６は、第１ボデイ９０よりも硬い材質の樹脂等から構成されている。第２ボデイ１１６の内部には、ピストン９４が摺動可能に設けられ、第２ボデイ１１６の底部には、第１ボデイ９０の凹部１１０に嵌合する環状の突出部１１８が設けられている。第２ボデイ１１６は、図示しないボルト等の手段を用いて第１ボデイ９０に固定される。

第２ボデイ１１６が第１ボデイ９０に固定されると、第２ボデイ１１６の突出部１１８の下面によって３列の突起部１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃが下方に押し付けられる。これにより、３列の突起部１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃとバックアップ部が変形し、第１ボデイ９０の内部空間１０６が外部からシールされる。

本発明に係るフッ素樹脂成形体は、上述の各実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することのない範囲で、種々の形態を採り得ることはもちろんである。

１０、２０、３０、４０…シール部
１２、２２、３２、４２…バックアップ部
１４、２４、３４、３６、４４、４６、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ…突起部
２６、２８…溝部 ３２ａ、３２ｂ…窪み
θ…頂点の角度 Ｈ１…シール部の高さ
Ｗ…バックアップ部の幅 Ｘ…突起部相互の間隔

Claims (9)

1. 流体機器に用いられ環状のシール部を有するフッ素樹脂成形体であって、前記シール部は、フッ素樹脂成形体が流体機器に組み込まれたときに圧縮荷重を受ける方向に並ぶ突起部とバックアップ部とからなるフッ素樹脂成形体。
2. 請求項１記載のフッ素樹脂成形体において、
   前記突起部の断面形状は、前記バックアップ部に２つの頂点をもつ二等辺三角形であり、バックアップ部から離れた頂点における角度が９０〜１２０度であるフッ素樹脂成形体。
3. 請求項２記載のフッ素樹脂成形体において、
   前記バックアップ部には、前記突起部に隣接して前記突起部の両側に溝部が形成されているフッ素樹脂成形体。
4. 請求項２記載のフッ素樹脂成形体において、
   前記突起部は、前記バックアップ部の上下両側に設けられているフッ素樹脂成形体。
5. 請求項４記載のフッ素樹脂成形体において、
   前記バックアップ部の左右両側に窪みが形成されているフッ素樹脂成形体。
6. 請求項４記載のフッ素樹脂成形体において、
   前記バックアップ部の幅は、前記シール部の高さの１５〜２５％であるフッ素樹脂成形体。
7. 請求項２記載のフッ素樹脂成形体において、
   前記突起部は、互いに並んで配置される複数の突起部からなるフッ素樹脂成形体。
8. 請求項７記載のフッ素樹脂成形体において、
   前記複数の突起部の相互の間隔は、シール部の高さの１５〜２５％であるフッ素樹脂成形体。
9. 請求項２〜８のいずれか１項に記載のフッ素樹脂成形体において、
   フッ素樹脂成形体が前記流体機器に組み込まれたときの前記シール部の潰し率が１〜３％であるフッ素樹脂成形体。

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