JP4164016B2 - ガスレギュレータ - Google Patents

Description

本発明は、ガス容器から供給される作用ガスの圧力を必要なガス圧に制御するガスレギュレータに関する。

従来、ガス容器から供給される作用ガスの圧力を必要なガス圧に制御するためのガスレギュレータが広く使用されている。正圧ガスの圧力制御に用いられていたものとして例えば、図５に示すものが知られている。これは、特許文献１に開示されているものである。
図５は、従来のフリーポペット構造を備えるガスレギュレータ２００の断面図である。
ガスレギュレータ２００は、ガス容器に接続する入力ポート２０４とマスフローコントローラを介して真空ポンプに接続する出力ポート２０５の連通を制御する弁体２０９と、第２圧力室２０７のガス圧に応じて変位するダイアフラム２１１とを分離したフリーポペット構造を備える。

ガスレギュレータ２００は、バルブボディ２０１に中空状のシリンダ２０２が連結され、シリンダ２０２の上面に調整ハンドル２０３が進退可能に螺入されている。バルブボディ２０１は、入力ポート２０４と出力ポート２０５が第１圧力室２０６と第２圧力室２０７を介して連通するよう形成されている。第１圧力室２０６と第２圧力室２０７との間に、中空孔を備える弁部材２０８が配設されている。弁部材２０８に当接又は離間する弁体２０９は、第１圧力室２０６に摺動可能に収納され、復帰バネ２１０によって弁体２０９に常時上向きの力を作用させている。弁体２０９は、突出部２０９ａが弁部材２０８の中空孔を通って第２圧力室２０７に突き出し、ダイアフラム２１１に当接している。

ダイアフラム２１１は、弁部材２０８とシリンダ２０２との間で外縁部を狭持され、中央部に調圧スプリング２１２の下端が当接している。調圧スプリング２１２は、調整ハンドル２０３と連結し、調整ハンドル２０３の螺入量に応じて圧縮量を変更し、ダイアフラム２１１に付加する外圧が調整される。
このようなガスレギュレータ２００では、正圧ガスを設定圧力に制御する場合、出力ポート２０５の圧力が所定値より上がった場合には、第２圧力室２０７の圧力が上昇し、ダイアフラム２１１が、上向きに作用する第２圧力室２０７の正圧が、調圧スプリング２１２の弾圧力による下向きの付勢力より大きくなるため、上向きに変位する。そして、弁体２０９が上向きに移動して、弁部材２０８との開度が減少し、ガスの供給を減少させ、出力ポート２０５へのガスの流れを減らして、ガス圧を低下させる。
また、出力ポート２０５の圧力が所定値より下がった場合には、第２圧力室２０７の圧力が下降し、ダイアフラム２１１が、上向きに作用する第２圧力室２０７の正圧が、調圧スプリング２１２の弾圧力による下向きの付勢力より小さくなるため、下向きに変位する。そして、弁体２０９が下向きに移動して、弁部材２０８との開度が増加し、ガスの供給を増加させ、出力ポート２０５へのガスの流れを増やして、ガス圧を上昇させる。

出力圧を精度良く制御しようとすると、ダイアフラム２１１は上下に移動する回数が増えるが、それによりダイアフラム２１１が上下に振動を起こす問題があった。ダイアフラム２１１が振動すると出力圧が不安定となることに加え、弁体２０９が弁部材２０８に当接する回数が異常に増加し、パーティクルの発生とシール不良とを起こす恐れがあり、問題であった。
ダイアフラムの振動を防止するために、特特許文献２においては、弁体の開弁動作方向に弾性感応要素を設けることが示されている。その他例示しないが、ゴム製のＯリングにより摺動抵抗を与え振動を抑制する構造が知られている。

実開昭６２−１２９６１３号公報（第３〜５頁、第１〜３図。） 特公昭３９−２６２４５号公報（特許請求の範囲）

しかしながら、従来のガスレギュレータ２００は、以下の点で問題があった。
すなわち、図５に示すガスレギュレータ２００においては、ダイアフラム２１１が、上下に振動を起こすことがあり、それにより出力圧が不安定となる問題があった。特に近年、摺動抵抗を低減させヒステリシスを低減しているため、振動を発生しやすい構造となっており、問題が大きくなっていた。
これを解決するために、Ｏリング等により摺動抵抗を与えると、第１には、パーティクルを発生する問題があり、半導体製造工程等においては、そのようなガスレギュレータを使用することができなかった。第２には、摺動抵抗は、Ｏリング等の摩擦面が経時的に変化するため、摺動抵抗も経時的に変化して振動防止が不充分となる問題があった。
また、第３には、摺動抵抗が増加するため、ヒステリシスを増加させてしまう問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、パーティクルを発生することなく、経時的にも変化することのなく安定して振動を防止することができ、ヒステリシスを増加させないガスレギュレータを提供することを目的とする。

本発明に係るガスレギュレータは、上記目的を達成するために次のような構成を有している。
（１）弁本体に設けられた弁座と、付勢部材により付勢されて前記弁座に当接する弁体と、圧力室に設けられたダイアフラムと、前記ダイアフラムの背圧面に付加する外圧を調整する調整機構と、を備え、前記ダイアフラムが前記調整機構で調整された外圧と前記圧力室の圧力との差圧に基づいて変位し、前記弁体を前記弁座に当接又は離間させるガスレギュレータにおいて、前記調整機構は、前記ダイアフラムに追従してシリンダ内を摺動するピストンを備え、前記ピストンは、摺動により弾性変形する第１弾性変形部材と第２弾性変形部材とを一体的に有し、前記ピストンの周囲にリブ状の支持部が形成され、前記第１弾性変形部材が前記支持部の上面と第１リングとで挟まれていると共に、前記第２弾性変形部材が前記支持部の下面と第２リングとで挟まれ、前記ピストンが上向きに摺動するときに前記第１弾性変形部材が圧縮変形し、前記ピストンが下向きに摺動するときに前記第２弾性変形部材が圧縮変形することを特徴とする。

（２）弁本体に設けられた弁座と、付勢部材により付勢されて前記弁座に当接する弁体と、圧力室に設けられたダイアフラムと、前記ダイアフラムの背圧面に付加する外圧を調整する調整機構と、を備え、前記ダイアフラムが前記調整機構で調整された外圧と前記圧力室の圧力との差圧に基づいて変位し、前記弁体を前記弁座に当接又は離間させるガスレギュレータにおいて、前記調整機構は、前記ダイアフラムに追従してシリンダ内を摺動するピストンと、前記弁体を前記弁座に当接させる方向に付勢する復帰バネと、弾圧力を前記ダイアフラムに付加する調圧バネとを備え、前記ピストンは、前記復帰バネ及び前記調圧バネとは異なった、摺動により弾性変形する第１弾性変形部材と第２弾性変形部材とを一体的に有し、前記ピストンが上向きに摺動するときに前記第１弾性変形部材が圧縮変形し、前記ピストンが下向きに摺動するときに前記第２弾性変形部材が圧縮変形することを特徴とする。

次に、上記構成を有するガスレギュレータの作用・効果を説明する。
圧力室の圧力が低下したときには、ダイアフラムを上向きに押し上げる力より調整機構による外力が大きくなるため、ダイアフラムは下向きに変位する。このとき、調整機構を例えばバネで構成していると、振動が発生しようとする。しかし、第２弾性変形部材である固体シリコン分子間に流体シリコンを分散含有させゲル状とした第２シリコン粘弾性体の一端が、ピストンの支持部と接し、他端が第２リングを介してボディに接しているので、シリコン粘弾性体が圧縮変形して振動の加速度を吸収し、振動を減衰させる。
一方、圧力室の圧力が上昇したときには、ダイアフラムを上向きに押し上げる力より外力が小さくなるため、ダイアフラムは上向きに変位する。このとき、調整機構を例えばバネで構成していると、振動が発生しようとする。しかし、第１弾性変形部材である固体シリコン分子間に流体シリコンを分散含有させゲル状とした第１シリコン粘弾性体の一端が、ピストンの支持部と接し、他端が第１リングを介してボディに接しているので、シリコン粘弾性体が圧縮変形して振動の加速度を吸収し、振動を減衰させる。

本発明に係るガスレギュレータの実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、ガスレギュレータ１の断面図である。
ガスレギュレータ１は、例えば、常温で液化する作用ガスを真空引きして気化するシステムに用いられる。ガスレギュレータ１は、作用ガスの流路を形成された流路ブロック２に、第１シリンダ部３と第２シリンダ部４とを連結したシリンダ５が螺合接続されて「ハウジング」を構成され、第２シリンダ部４に調整ハンドル６が回転可能に取り付けられている。流路ブロック２に内設された弁体７は、ダイアフラム８と分離して設けられたフリーポペット構造になっており、調整ハンドル６を回転させることにより調整機構９がダイアフラム８に付加する外圧を調整し、作用ガスの設定圧力を設定できるよう構成されている。

流路ブロック２は、ガス容器に接続される入力ポート１１と、真空ポンプ側に接続される出力ポート１２とが設けられ、弁体７を収納する第１圧力室１３が入力ポート１１と連通するよう形成されるとともに、上方に開口する凹部１４が第１圧力室１３と出力ポート１２とを連通するよう形成されている。流路ブロック２の凹部１４は、第１圧力室１３と連通する部分に、ＰＣＴＦＥ（三フッ化塩化エチレン）等の樹脂を材質とする弁座１５を配置され、弁座１５にシートホルダ１６、ダイアフラム８、ダイアフラム押さえ１７を順次積層されて、第１シリンダ部３を螺合接続されている。

これにより、ダイアフラム８は、シートホルダ１６とダイアフラム押さえ１７との間で狭持されて流路ブロック２の凹部１４を気密に被覆し、第２圧力室１８を形成している。また、シートホルダ１６は、弁座１５を通過した作用ガスを第２圧力室１８に出力する供給流路１６ａが複数形成され、作用ガスを第２圧力室１８に分散して出力するようになっており、さらに、供給流路１６ａの外側に出力ポート１２と連通する排出流路１６ｂが形成されている。従って、入力ポート１１は、第１圧力室１３、弁座１５、シートホルダ１６の供給流路１６ａ、第２圧力室１８、シートホルダ１６の排出流路１６ｂを介して出力ポート１２と連通している。
弁座１５のシールは、シート中央の内部シール部の真円度、外形に影響を与えないよう、面圧縮シール構造とはせず、ボディ側及びプレート側に相対する凹凸形状を設け、フラット形状シートを外周部で凹凸変形させ、凹凸のエッジでシールさせている。

第１圧力室１３には、弁座１５を開閉する弁体７が内設され、復帰バネ１９によって弁体７に弁座１５に当接する方向（上方向）の力を常時作用させている。弁体７は、突出部７ａが弁座１５を貫いて第２圧力室１８に突出し、ダイアフラム８と分離して設けられている。
復帰バネ１９は、ガス流路に設置されるため、従来、摺動や屈曲によりパーティクルが発生することが問題となっていた。本実施の形態では、第１圧力室１３及び弁体７に接触して位置決めガイドされる部分は、バネ両端の密着座巻部のみが接触する構造とし、伸縮動作しても、摺動しないようにしている。また、バネ自体を表面研磨処理し、線材の屈曲によるパーティクルの発生も抑制している。

ここで、ダイアフラム８の背室は、ダイアフラム押さえ１７と第１シリンダ部３との間に形成された隙間や、ダイアフラム押さえ１７と第１シリンダ部３に形成された貫通孔３１などを介して大気と連通し、大気圧状態になっている。従って、ダイアフラム８は、第２圧力室１８が負圧になると、受圧面方向（下方向）の力によって変位し、弁体７の突出部７ａに当接する一方、第２圧力室１８が正圧になると、背圧面方向（上方向）の力によって変位し、弁体７の突出部７ａから離間することができる。

かかるダイアフラム８は、調整機構９により背圧面に付加される外圧を調整される。調整機構９は、調整ハンドル６に固設された圧力調整ネジ２１が第２シリンダ部４に挿通され、その圧力調整ネジ２１に調圧スプリング２２を介して摺動部材であるピストン２３が連結している。ピストン２３は、外周面に設けられた低摩擦部材３２を介してダイアフラム押さえ１７に摺動可能に装填され、さらに貫通してダイアフラム８に当接している。そのため、ダイアフラム８には、バネ受け２３を介して調圧スプリング２２の弾圧力が作用し、外圧を付加されている。従って、調整ハンドル６を回転することにより圧力調整ネジ２１の位置調節を行い、圧力調整ネジ２１とピストン２３との間で調圧スプリング２２の圧縮量を調整すれば、調圧スプリング２２の弾圧力を調整し、調整機構９がダイアフラム８に付加する外圧を変更することができる。調圧スプリング２２は、上下とも内径側で中心の位置決めをしている。これは、荷重が垂直に働くようにするためであり、調圧範囲の変更の際のバネの変更（線径変更）しても問題がないようにするためである。

次に、本発明の主要部であるピストン２３周辺の構造について説明する。図３にピストン組立体の組立図を示し、図４にピストン組立体の分解図を示す。
ピストン２３は、中空形状で下面が閉ざされた円筒状であり、外周面下部に低摩擦部材３２が嵌合されている。また、外周面の上部にリブ状の支持部２３が全周に渡って形成されている。支持部２３の上面には、リング形状の第１弾性変形部材２６が当接して載せられ、その上に第１リング２７が載せられる。
支持部２３の下面には、リング形状の第２弾性変形部材２５が当接して取り付けられ、第２リング２４が下側に密着して取り付けられ、低摩擦部材３２により落ちないように仮止めされている。
これにより、ピストン組立体は、一つの組立体として本体に取り付けることができるため、組立時の作業性が良い。

ピストン組立体が本体に取り付けられている状態は、図１の通りである。第１弾性変形部材２６の上面は、第１リング２７を介して第２シリンダ部４の下面に当接し、第１弾性変形部材２６の下面は支持部２３の上面に当接している。また、第２弾性変形部材２５の下面は、第２リング２４を介してダイアフラム押え１７の上面に当接し、第２弾性変形部材２５の上面は支持部２３の下面に当接している。
第１弾性変形部材２６及び第２弾性変形部材２５の材質は、固体シリコンの分子間に流体シリコンを分散含有させた粘弾性体である。本実施の形態では、株式会社ジェルテック製のαＧＥＬ（登録商標）を使用している。

続いて、上記構成を有するガスレギュレータ１の設定圧力の設定について説明する。
図１に示すガスレギュレータ１は、調整ハンドル６が最上端に位置し、調圧スプリング２２の圧縮量を最小にしている。そのため、ダイアフラム８は、調整機構９から付加される外圧が最小であり、弁体７の突出部７ａとの間に形成される隙間Ｓの距離が最大である。そこで、作用ガスの設定圧力を設定する場合、調整ハンドル６を所定方向に回転することにより調圧スプリング２２を圧縮し、調圧スプリング２２の弾圧力でダイアフラム８の中心部８１を受圧面方向（下方向）に加圧して、負圧を設定する。

すなわち、ガスレギュレータ１が作用ガスを負圧に制御する場合、ダイアフラム８の受圧面には、受圧面積と第２圧力室１８の負圧とをかけ合わせた荷重が受圧面方向（下方向）に作用する。しかし、真空に至るまでに発生するこの力は、ダイアフラム８が変形することによる力と相殺されている。さらには、隙間Ｓが設定されている事により弁体７が開状態とはならず、ダイアフラム８と弁体７が接触する位置では、力はバランス状態である。ここに、調圧スプリング２２の弾圧力による下方向の加圧が加わる事により、真空から大気方向への負圧と弾圧力がバランスし、負圧の設定が可能となる。

一方、負圧ガスレギュレータ１が作用ガスを正圧に制御する場合、ダイアフラム８の受圧面には、受圧面積と第２圧力室１８の正圧とをかけ合わせた荷重が背圧面方向（上方向）に作用する。そこで、正圧ガスの設定圧力を設定する場合には、調整ハンドル６を所定方向に回転させることによりダイアフラム８を弁体７の突出部７ａに当接させ、さらに、調整ハンドル６を所定方向に回転させ続けることにより、ダイアフラム８が弁体７を復帰バネ１９に抗して押し下げる押圧力を調整する。これにより、ダイアフラム８は、第２圧力室１８の圧力が設定された正圧に上昇するまでの間、弁体７を復帰バネ１９に抗して押し下げ、作用ガスを第２圧力室１８に供給する。

次に、上記構成を有するガスレギュレータの作用を説明する。
第２圧力室１８の圧力が上昇すると、調整機構９の外圧を第２圧力室１８の圧力と復帰バネ１９の付勢力との合力で相殺し、その圧力差に応じてダイアフラム８が背圧面方向（上方向）に変位する。これに追従して、弁体７は、復帰バネ１９に付勢されて弁座１５に近づく方向に移動し、作用ガスの流量を絞る。
このとき、調整機構９のバネにおいて振動が発生しようとする。しかし、図１に示すように、第１弾性変形部材２６の一端が、ピストンの支持部と接し、他端が第１リングを介してボディの一部である第２シリンダ部４の下面に接しているので、シリコン粘弾性体が圧縮変形して振動の加速度を吸収し、振動を減衰させる。

また、第２圧力室１８の圧力が下降すると、調整機構９の外圧を第２圧力室１８の圧力と復帰バネ１９の付勢力との合力で相殺し、その圧力差に応じてダイアフラム８がガス圧面方向（下方向）に変位する。これに追従して、弁体７は、調整機構９に付勢されて弁座１５から離れる方向に移動し、作用ガスの流量を増加させる。
このとき、調整機構９のバネと付勢バネ１９とのバランスにおいて振動が発生しようとする。しかし、図２に示すように、第２弾性変形部材２５の一端が、ピストンの支持部と接し、他端が第２リングを介してボディの一部であるダイアフラム押え１７の上面に接しているので、シリコン粘弾性体が圧縮変形して振動の加速度を吸収し、振動を減衰させる。

以上詳細に説明したように、本実施の形態のガスレギュレータによれば、弁本体に設けられた弁座１５と、付勢バネ１９により付勢されて弁座１５に当接する弁体７と、圧力室１８に弁体７と分離して設けられたダイアフラム８と、ダイアフラム８の背圧面に付加する外圧を調整する調整機構９とを備え、ダイアフラム８が調整機構９で調整された外圧と圧力室１８の圧力との差圧に基づいて変位し、弁体７を弁座１５に当接又は離間させるガスレギュレータであって、調整機構９はダイアフラム８に追従してシリンダ内を摺動するピストンを備え、ピストン２３は摺動により弾性変形する第１弾性変形部材２６と第２弾性変形部材２５とを一体的に有し、ピストン２３が上向きに摺動するときに第１弾性変形部材２６が主に変形し、ピストン２３が下向きに摺動するときに第２弾性変形部材２５が主に変形するので、シリコン粘弾性体が主に変形して振動の加速度を吸収し、振動を減衰させる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、色々な応用が可能である。
例えば、上記実施の形態のガスレギュレータは、負圧と正圧と兼用できるタイプであり、実施の形態では主として負圧使用の場合を説明したが、正圧のみのレギュレータや、ダイアフラムと弁体が連結されたタイト構造のレギュレータに本発明を用いても同様である。

本発明のガスレギュレータのピストン２３上昇動作状態を示す断面図である。 ガスレギュレータのピストン２３下降動作状態を示す断面図である。 ピストン組立体の断面図である。 ピストン組立体の分解断面図である。 従来のガスレギュレータの構成を示す断面図である。

符号の説明

１ ガスレギュレータ
２ 流路ブロック
３ 第１シリンダ部
４ 第２シリンダ部
５ シリンダ
６ 調整ハンドル
７ 弁体
８ ダイアフラム
９ 調整機構
１３ 第１圧力室
１５ 弁座
１８ 第２圧力室
１９ 復帰バネ
２３ 支持部
２４ 第２リング
２５ 第２弾性変形部材
２６ 第１弾性変形部材
２７ 第１リング
３２ 低摩擦部材

Claims (2)

1. 弁本体に設けられた弁座と、付勢部材により付勢されて前記弁座に当接する弁体と、圧力室に設けられたダイアフラムと、前記ダイアフラムの背圧面に付加する外圧を調整する調整機構と、を備え、前記ダイアフラムが前記調整機構で調整された外圧と前記圧力室の圧力との差圧に基づいて変位し、前記弁体を前記弁座に当接又は離間させるガスレギュレータにおいて、
   前記調整機構は、前記ダイアフラムに追従してシリンダ内を摺動するピストンを備え、
   前記ピストンは、摺動により弾性変形する第１弾性変形部材と第２弾性変形部材とを一体的に有し、
   前記ピストンの周囲にリブ状の支持部が形成され、前記第１弾性変形部材が前記支持部の上面と第１リングとで挟まれていると共に、前記第２弾性変形部材が前記支持部の下面と第２リングとで挟まれ、
   前記ピストンが上向きに摺動するときに前記第１弾性変形部材が圧縮変形し、
   前記ピストンが下向きに摺動するときに前記第２弾性変形部材が圧縮変形することを特徴とするガスレギュレータ。
2. 弁本体に設けられた弁座と、付勢部材により付勢されて前記弁座に当接する弁体と、圧力室に設けられたダイアフラムと、前記ダイアフラムの背圧面に付加する外圧を調整する調整機構と、を備え、前記ダイアフラムが前記調整機構で調整された外圧と前記圧力室の圧力との差圧に基づいて変位し、前記弁体を前記弁座に当接又は離間させるガスレギュレータにおいて、
   前記調整機構は、
   前記ダイアフラムに追従してシリンダ内を摺動するピストンと、前記弁体を前記弁座に当接させる方向に付勢する復帰バネと、弾圧力を前記ダイアフラムに付加する調圧バネとを備え、
   前記ピストンは、前記復帰バネ及び前記調圧バネとは異なった、摺動により弾性変形する第１弾性変形部材と第２弾性変形部材とを一体的に有し、
   前記ピストンが上向きに摺動するときに前記第１弾性変形部材が圧縮変形し、
   前記ピストンが下向きに摺動するときに前記第２弾性変形部材が圧縮変形することを特徴とするガスレギュレータ。

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