JP5243513B2 - 流体制御弁の弁座構造 - Google Patents

Description

この発明は、流体の流れを制御する流体制御弁の弁座構造に関する。詳しくは、例えば、半導体製造装置等において、弁座に対し、ダイヤフラム弁体が当接または離間することにより、高温ガス等の流体の流れを制御するダイヤフラム弁の弁座構造に関する。

半導体製造工程や液晶パネル製造工程等では、約２００℃まで加熱したＨ₂ガス、Ａｒガス等の高温ガスを、半導体製造装置等に供給またはその遮断をするにあたり、この高温ガスの流れを制御する流体制御弁として、例えば、特許文献１，２に開示されているようなメタルダイヤフラム弁が用いられている。

図６及び図７に、特許文献１のメタルダイヤフラム弁を説明する図を示す。特許文献１は、図６及び図７に示すように、弁棒２３０による押圧またはその解除により、弁座２５０に対し、当接または離間するメタルダイヤフラム２６０を、時効硬化熱処理によりビッカース硬度Ｈｖ５００以上に形成したメタルダイヤフラム弁２０１である。このメタルダイヤフラム弁２０１では、弁棒２３０の押圧を解除したときに、メタルダイヤフラム２６０が原形状に弾性復帰する。

特許文献１は、メタルダイヤフラム２６０を、ビッカース硬度Ｈｖ５００以上に硬化させたことにより、メタルダイヤフラム弁２０１が高温に加熱された環境下にあっても、閉弁時に、弁座２５０からメタルダイヤフラム２６０への反力の低下と、開弁時に、メタルダイヤフラム２６０に生じる熱膨張を抑えることができている。特許文献１には、弁座２５０の形状、材質及び構造等については、何ら記載されていないが、特許文献１では、メタルダイヤフラム２６０を硬く形成することにより、高温ガスの流れを制御するとき、メタルダイヤフラム２６０と弁座２５０との間に存在するギャップαが一定に保たれるとされている。

図８及び図９に、特許文献２のメタルダイヤフラム弁を説明する図を示す。特許文献２は、図８及び図９に示すように、ダイヤフラム押え３６５を介したステム３６６による押圧またはその解除により、円形状のメタルダイヤフラム３６０を、弁座３５０に対し、当接または離間させるメタルダイヤフラム弁３０１である。メタルダイヤフラム３６０は、ステンレス製の薄板とニッケルコバルト合金製の薄板とを積層した金属製薄板であり、中央部を上方に膨出させた逆皿形状に形成されている。弁座３５０は、ＰＦＡ等の合成樹脂製で形成され、ボディ３４０の弁挿着溝に、かしめにより固定されている。
特許文献２では、図９に示すように、弁座３５０に対するダイヤフラム押え３６５のストロークΔＳを、メタルダイヤフラム３６０中央部で弁座３５０からの最大膨出高さΔｈの約５５〜７０％に相当する高さに設定することにより、メタルダイヤフラム弁３０１のＣｖ値を０．５５〜０．８とすることができるとされている。

また、先行技術文献は挙げていないが、特許文献２と同様に、ＰＦＡ等の合成樹脂製で形成したリング状の弁座部材を、ボディの弁挿着溝にかしめで固定したメタルダイヤフラム弁がある。図１０は、弁座部材の形状を説明する図であり、後述する図１中、Ａ部に相当する拡大図である。このメタルダイヤフラム弁では、図１０に示すように、弁座部材１５０の径方向ＣＲに対する弁体当接離間部１５１の肉厚として、第１肉厚をｔ１とすると、弁座部材１５０は、その高さ方向ＡＸの第２肉厚ｔ２を、第１肉厚ｔ１の２．７倍程度に形成したものである。
このメタルダイヤフラム弁では、閉弁状態になったときに、弁体（図示省略）が弁座部材１５０により深く食い込んで確実に密着することで、弁体と弁座部材１５０とのシール性が高くなっている。

特開２００８−１５１２７０号公報 特開２００７−６４３３３号公報

しかしながら、従来のメタルダイヤフラム弁では、以下の問題があった。
メタルダイヤフラム弁は、弁体が弁座に当接または離間することにより、高温ガス等の流体の流れを制御する弁であり、閉弁状態では、弁体が弁座に食い込んで弁座と密着することで、流体の流れが遮断される。また、開弁状態では、弁室を流れる流体の流量は、弁座と弁体とが離間したときのストロークで決定される。
弁体が弁座に当接して閉弁したときには、弁座は、弁体から押圧力を受けて、弁体と当接した部分で大きく沈み込む。一方、この状態から開弁すると、弁体からの押圧力による反力が弁座に作用して、弁座の沈み込んだ部分が、沈み込む前の形状に復元しようとする。

また、流体が例示した高温ガスで、メタルダイヤフラム弁によりこの高温ガスの流れを制御する場合、メタルダイヤフラム弁の弁室にある弁体及び弁座等は高温下に晒される。この場合、閉弁状態から開弁操作後、高温ガスが、長時間にわたり入力ポートから弁室を通じて出力ポートに流れ続けたときに、開弁後、沈み込んでいた弁座は、沈み込む前の形状に徐々に復元しようとする。また、このとき弁室の温度は、高温ガスが流通していない閉弁状態のときの温度よりも上昇し、この温度上昇に伴い、弁座が熱膨張する。

メタルダイヤフラム弁では、開弁後、流体が流れている間、反力により弁体に向けた復元量と、弁室の温度上昇により弁体に向けた熱膨張量との和に相当する分の変形が、開弁後、時間の経過と共に弁座に発生し、弁座と弁体との実質的なストロークが変化する。
すなわち、開弁直後では、弁座が沈み込み、かつ弁座は高温ガスが流通する前の冷えた温度となっており、弁座は弁体からより離れ、弁座と弁体とのストロークは大きくなっている。
その一方、開弁後、所定時間が経過すると、弁座が復元し、かつ弁座は、流通する高温ガスの温度まで上昇し膨張しているため、弁座は弁体により近づき、弁座と弁体とのストロークは小さくなる。
従って、開弁直後と、開弁後、所定時間経過した後とでは、弁座と弁体とのストロークが変化することから、開弁時に高温ガスが弁室を流通している間、高温ガスの流量（Ｃｖ値）は、開弁直後と、開弁後、所定時間経過後とで変動する。

特許文献１では、メタルダイヤフラム２６０の開閉によって変形が大きく生じる弁座２５０の材質及び構造等については、何ら記載されていないが、もし弁座２５０が金属製の場合、弁座２５０がほとんど変形しないで、メタルダイヤフラム２６０と弁座２５０とが当接して閉弁する。
しかしながら、閉弁時に、メタルダイヤフラム２６０と弁座２５０とが金属同士で接触するため、弁座２５０に傷が発生し易く、メタルダイヤフラム２６０との接触回数がたった５万回程度でシール性能が低下はじめるという弁座２５０の耐久性に問題が生じる。
一方、弁座２５０が、金属製の弁座より耐久性の高い樹脂製であるにしても、高温下でメタルダイヤフラム２６０の開閉によって変形が大きく生じる易い弁座２５０の形状について、何ら工夫がなされていない。

特許文献２は、弁座３５０に対するダイヤフラム押え３６５のストロークΔＳを、メタルダイヤフラム３６０中央部で弁座３５０からの最大膨出高さΔｈの約５５〜７０％に相当する高さに設定して、Ｃｖ値が０．５５〜０．８に収まるようにしている。
しかしながら、特許文献２は、弁座３５０を、金属より軟化し易いＰＦＡ等の合成樹脂製で形成しているのにも拘わらず、メタルダイヤフラム３６０の開閉によって変形が大きく生じる易い弁座３５０の形状について、何ら工夫がなされていない。

よって、特許文献１，２では、閉弁状態から開弁操作後、長時間にわたり高温ガスを入力ポートから弁室を通じて出力ポートに流すと、反力によりメタルダイヤフラム２６０，３６０に向けた復元量と、弁室の温度上昇によりメタルダイヤフラム２６０，３６０に向けた熱膨張量との和に相当する分の変形が、開弁後、時間の経過と共に弁座２５０，３５０に発生する。その結果、弁座２５０，３５０とメタルダイヤフラム２６０，３６０との実質的なストロークは変化し、開弁後、時間の経過と共にストローク差が大きく生じてしまう。

このように、弁座２５０，３５０とメタルダイヤフラム２６０，３６０とのストローク差が、開弁後に生じると、開弁状態で流れる流体の流量にバラツキが生じてしまい、弁の流量制御精度として、Ｃｖ値の低下を、近年、半導体製造等の精密部品製造分野で求められている開弁後０．２以内に抑えることができない問題があった。

また、第２肉厚ｔ２を第１肉厚ｔ１の２．７倍程度の大きさで形成した従来のメタルダイヤフラム弁では、弁体と弁座部材１５０とのシール性が金属製の弁座より高くなっているものの、特許文献１，２と同様、開弁状態になったときに、流れる流体の流量にバラツキが生じ、安定した流量で流体を流すことができない。

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、弁体とのシール性を確保しつつ、制御する流体を流し続けている間、その流量変動を小さく抑制することができる流体制御弁の弁座構造を提供することを目的とする。

上記の問題点を解決するために、本発明の流体制御弁の弁座構造弁は、次の構成を有している。
（１）弁体と、入力ポートと出力ポートとが形成されたボディと、該ボディに設けた弁座部材とを有し、弁座部材に対し、弁体が当接または離間することにより、高温流体の流れを制御する流体制御弁の弁座構造において、弁座部材は、フッ素系樹脂からなり、リング状に形成され、弁体が当接する弁体当接離間部を有し、弁座部材の径方向に対する弁体当接離間部の肉厚を、第１肉厚ｔ１（０＜ｔ１）とすると、当該流体制御弁の軸線方向に沿う方向に対し、弁座部材の高さである第２肉厚ｔ２が、０．５ｔ１≦ｔ２≦１．５ｔ１の範囲内で形成され、前記高温流体が流れ続けている間、Ｃｖ値の変動が０．２以下であることを特徴とする。
（２）（１）に記載する流体制御弁の弁座構造において、弁座部材は、ボディと別体であり、ボディにかしめによって固定されていることを特徴とする。
（３）（２）に記載する流体制御弁の弁座構造において、弁座部材は、弁体当接離間部の下方に位置する弁座固定部を有し、弁座固定部は、第１肉厚ｔ１より幅広で形成され、弁座部材は、弁座固定部をボディの一部で弁座部材の径方向に挟持して固定されていることを特徴とする。

上記構成を有する本発明の流体制御弁の弁座構造の作用・効果について説明する。
（１）弁体と、入力ポートと出力ポートとが形成されたボディと、該ボディに設けた弁座部材とを有し、弁座部材に対し、弁体が当接または離間することにより、流体の流れを制御する流体制御弁の弁座構造において、弁座部材は、リング状に形成され、弁体が当接する弁体当接離間部を有し、弁座部材の径方向に対する弁体当接離間部の肉厚を、第１肉厚ｔ１（０＜ｔ１）とすると、当該流体制御弁の軸線方向に沿う方向に対し、弁座部材の高さである第２肉厚ｔ２が、０．５ｔ１≦ｔ２≦１．５ｔ１の範囲内で形成されているので、例えば、半導体製造工程において、Ｈ₂ガス、Ａｒガス等を約２００℃まで加熱した高温ガスの流れを、本発明の流体制御弁の弁座構造で構成した流体制御弁（以下、単に「発明流体制御弁」という。）で制御する場合、閉弁状態から開弁操作後、高温ガスが、長時間にわたり入力ポートから弁室を通じて出力ポートに流れ続けたときに、弁座部材と弁体とのストロークで、開弁直後と、開弁後、所定時間経過した後とのストローク差を、小さく抑制できるようになり、発明流体制御弁の弁室を流れる流体（一例として高温ガス）の流量変動を小さくすることができる。
よって、弁の流量制御精度として、開弁後のＣｖ値の低下を、近年、半導体製造等の精密部品製造分野で求められている０．２以内に抑えることができ、開弁状態で流れる流体の流量のバラツキを小さく抑制することができる。
その一方で、閉弁状態になったときには、弁体が弁座部材にしっかりと食い込み、弁座部材と密着して高いシール性が確保でき、出力ポートに向けた高温ガス等の流体の流れが、洩れなく遮断できる。

すなわち、本発明の流体制御弁の弁座構造では、弁座部材は、リング状に形成され、弁体が当接する弁体当接離間部を有し、弁座部材の径方向に対し、弁体当接離間部の肉厚である第１肉厚ｔ１（０＜ｔ１）とすると、当該流体制御弁の軸線方向に沿う弁座高さ方向に対し、弁座部材の肉厚である第２肉厚ｔ２が、０．５ｔ１≦ｔ２≦１．５ｔ１の範囲内で形成されている。
弁体による押圧力が弁座部材の弁体当接離間部に作用したとき、第２肉厚を第１肉厚の２．７倍程度に形成した従来のメタルダイヤフラム弁の弁座構造では、弁体当接離間部の沈み込み量が、例えば、０．５ｍｍである。これに対し、本発明の流体制御弁の弁座構造では、同じ大きさの押圧力であっても、沈み込み量が０．２５ｍｍ等と、半分程度等に小さくなる。
また、開弁後、反力により弁体に向けた弁座部材の復元量も、沈み込み量と同様、半分程度等となる。

また、閉弁状態から開弁操作後、例示したように、高温ガスが、長時間にわたり入力ポートから弁室を通じて出力ポートに流れ続けたとき、弁室の温度は、高温ガスが流通していない閉弁状態のときの温度よりも上昇して、弁座部材（弁体当接離間部）が熱膨張する。第２肉厚が第１肉厚の１．５倍以下で形成された本発明の流体制御弁の弁座構造と、第２肉厚を第１肉厚の２．７倍程度に形成した従来のメタルダイヤフラム弁の弁座構造とを対比しても、弁座部材の弁座高さに比例して第２肉厚が小さい分、本発明の流体制御弁の弁座構造の弁座部材の熱膨張量は、従来のメタルダイヤフラム弁の弁座構造より小さくなる。

よって、本発明の流体制御弁の弁座構造では、開弁後、弁座部材において、反力による復元量と、弁室の温度上昇に伴う熱膨張量との和に相当する変形量は、従来のメタルダイヤフラム弁の弁座構造の場合より小さく抑えられる。
すなわち、発明流体制御弁により、例示した高温ガス（流体）の流れを制御する場合、閉弁状態から開弁操作後、高温ガスが、長時間にわたり入力ポートから弁室を通じて出力ポートに流れ続けたとき、弁座部材と弁体との実質的なストロークについて、開弁直後と、開弁後、所定時間経過した後とを比較しても、ストローク差が少なくなっている。
その結果、開弁時に高温ガスが弁室を流れ続けている間、高温ガスの流量の変動をより小さく抑えることができ、従来では、開弁後のＣｖ値が０．４も低下していたものが、本発明の流体制御弁の弁座構造では、近年、半導体製造等の精密部品製造分野で要求される０．２以内に抑えることができる。

ここで、Ｃｖ値について説明する。
Ｃｖ値とは、流体制御弁の弁体を所定開度に開弁した状態において、「入力ポート側と出力ポート側との圧力差が１ｐｓｉ（６．８９５ｋＰａ）に保って、６０°Ｆ（約１５．５℃）の清水を流した場合の清水の流量を、ＵＳｇａｌ／ｍｉｎ（１ＵＳｇａｌ＝３．７８５Ｌ）（ｇｐｍ）で表わした数値」と定義された無次元の数値である。
Ｃｖ値は、流体流量計や流体圧力計等の周知の計測機器を用いて実測で求められ、弁体の弁開度を全開にしたときに、約１５．５℃の清水が、差圧６．８９５ｋＰａで、流量３．７８５Ｌで流れるときを、Ｃｖ値＝１としている。Ｃｖ値は次式により算出する。
Ｃｖ値＝Ｑ・（Ｇ／ΔＰ）＾（１／２）
Ｑ（ｇｐｍ）：流体の流量、Ｇ：流体の比重、ΔＰ（ｐｓｉ）：流体の圧力差

Ｃｖ値が大きい流体制御弁ほど、流体制御弁を流通する流体の流路が大きくなる。本発明の流体制御弁の弁座構造は、制御する流体を主に気体とし、弁体を全開にしたときに、弁座部材と弁体とのフルストロークが１ｍｍ程度の発明流体制御弁を対象としている。
すなわち、本発明の流体制御弁の弁座構造は、例えば、弁座部材と弁体とのストロークが０．９ｍｍ、弁開度全開で開弁直後のＣｖ値が０．７等の発明流体制御弁を対象としている。開弁後のＣｖ値の低下を０．２以内に抑えたいという要求は、半導体製造等の精密部品製造分野では、発明流体制御弁のような流体制御弁が多く使用されており、市場が要求する製品の高精度化、及び製品の高品質化を、精密部品製造業界が実現するために、精密部品製造業界から出されたものである。この要求は、開弁後、所定時間経過後に、開弁直後のＣｖ値０．７の３０％減までに相当するＣｖ値０．５までの低下に留めることで、精密部品（製品）の品質を確保する目安になるとされている。

一方で、弁座部材が第２肉厚を第１肉厚の０．５倍以上に形成されているので、閉弁状態になったときに、弁座部材は、弁体がより深く食い込むための変形代を、十分に確保できていることから、弁座部材と弁体とが密着して高いシール性が確保でき、出力ポートに向けた高温ガス等の流体の流れが、洩れなく遮断できる。
従って、本発明の流体制御弁の弁座構造では、弁体とのシール性を確保しつつ、制御する流体を流し続けている間、その流量変動を小さく抑制することができる、という優れた効果を奏する。

（２）弁座部材は、フッ素系樹脂からなるので、例えば、弁体が金属製等で形成されていると、閉弁時に弁体が弁座部材に適度に食い込む適切な硬度が得られ、弁座部材と弁体とが密着し易くなる。また、腐食性を有する流体を制御する場合でも、弁座部材は、この流体によって腐食しない。
なお、フッ素系樹脂としては、例えば、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）(２フッ化)、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）(３フッ化)、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）(４フッ化)等が挙げられる。

（３）弁座部材は、ボディと別体であり、ボディにかしめによって固定されているので、弁座部材をボディに取付ける作業が容易にできる。

（４）弁座部材は、弁体当接離間部の下方に位置する弁座固定部を有し、弁座固定部は、第１肉厚ｔ１より幅広で形成され、弁座部材は、弁座固定部をボディの一部で弁座部材の径方向に挟持して固定されているので、弁座部材は安定した状態で固定できており、閉弁時に、弁体の動作異常により、弁体が当該流体制御弁の軸線方向に沿って弁座部材に当接せず、この軸線に対し傾いて弁座部材に当接した場合でも、弁座部材は、その径方向にずれてしまうことはない。

実施形態に係るガス制御弁を示す説明図である。 図１中、Ａ部拡大図であり、実施例１に係るガス制御弁の弁座構造を示す説明図である。 図２と同様、実施例２に係るガス制御弁の弁座構造を示す説明図であり、図１中、Ａ部に相当する拡大図である。 変形例に係るガス制御弁の弁座構造を示す説明図であり、図１中、Ａ部に相当する拡大図である。 開弁後の時間と、流れる高温ガスの流量との関係について、実施例１と比較例とを対比した表である。 特許文献１に開示されたメタルダイヤフラム弁を説明する図を示す。 図６中、Ｂ部拡大図である。 特許文献２に開示されたメタルダイヤフラム弁を説明する図を示す。 図８中、Ｃ部拡大図である。 比較例に係るメタルダイヤフラム弁の弁座構造を示す説明図である。

（実施形態）
以下、本発明に係る流体制御弁の弁座構造について、実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
実施形態に係る流体制御弁は、例えば、半導体製造工程や液晶パネル製造工程等において、約２００℃まで加熱したＨ₂ガス、Ａｒガス等の高温ガス（流体）を、半導体製造装置等に供給またはその遮断をするにあたり、この高温ガスの流れを制御するガス制御弁１である。実施形態では、このようなガス制御弁１の弁座構造について、説明する。

図１は、実施形態のうち、実施例１に係るガス制御弁を示す説明図であり、閉弁状態を示す。図２は、図１中、Ａ部拡大図であり、第１実施例に係るガス制御弁の弁座構造を示す説明図である。
ガス制御弁１（流体制御弁）は、ダイヤフラム弁体６０（弁体）と、入力ポート４１と出力ポート４２とが形成されたボディ４０と、このボディ４０に設けた弁座部材５０とを有し、弁座部材５０に対し、ダイヤフラム弁体６０が当接または離間することにより、高温ガスの流れを制御する。

ガス制御弁１は、図１に示すように、大別してエア制御部２と弁制御部３とからなる。はじめに、エア制御部２について、説明する。
エア制御部２は、本実施形態では、２つの第１シリンダ１０、第２シリンダ１５と、２つの第１ピストン２１、第２ピストン２２と、区画部材２３等を有し、何れもステンレス材等の金属からなる。第１シリンダ１０には、操作ポート１１、第１排気ポート１２及び第２排気ポート１３が形成されている。第１シリンダ１０と第２シリンダ１５とは、螺合により一体化されている。第１シリンダ１０と第２シリンダ１５との間には、区画部材２３が挟み込まれ、第１，第２シリンダ１０，１５のシリンダ内部が、区画部材２３によって第１加圧室２５と第２加圧室２６とに分けられている。第１シリンダ１０には、第１ピストン２１のための第１呼吸孔１２と、第２ピストン２２のための第２呼吸孔１３とが、それぞれ形成されている。

第１ピストン２１は、第１シリンダ１０と区画部材２３との間に配設され、第２ピストン２２は、第２シリンダ１５と区画部材２３との間に配設されている。第１シリンダ１０及び第２シリンダ１５のシリンダ内部には、軸線方向ＡＸに延びるピストンロッド３０の上部が配置されている。ピストンロッド３０の上部には、軸線方向ＡＸに沿うパイロット孔３０Ｈが穿孔されており、このパイロット孔３０Ｈと交差して径方向ＣＲに延びる２つの第１貫通孔３１Ｈ、第２貫通孔３２Ｈが形成されている。ピストンロッド３０の下部は、次述する弁制御部３に配置されている。

次に、弁制御部３について説明する。
弁制御部３は、ボディ４０、弁座部材５０、ダイヤフラム弁体６０、弁体押え６５、ステム６６、バネ６７、ガイド部材７１、バネ支持部材７２、連結部材７３、及び固定部材７４等を有し、何れもステンレス材等の金属からなる。
ボディ４０は、図１及び図２に示すように、入力ポート４１と出力ポート４２とを有している。入力ポート４１と出力ポート４２との間には、ボディ４０とは別体である弁座部材５０が設けられている。また、ボディ４０には、弁座部材５０を挿着する溝として、把持部４３，４３が、軸線ＡＸを中心に、径方向ＣＲの外側と内側にそれぞれ環状に形成されている。

弁座部材５０は、リング状に形成され、ダイヤフラム弁体６０が当接する弁体当接離間部５１と、弁体当接離間部５１の下方に位置する弁座固定部５２とを有している。弁座部材５０は、フッ素系樹脂からなり、本実施形態では、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）からなっている。
弁座部材５０は、図２に示すように、弁座固定部５２を把持部４３，４３の間に配置され、径方向ＣＲの径内側にある把持部４３と径外側にある把持部４３とを、互いに向き合う方向にかしめることにより、径方向ＣＲに挟持してボディ４０に固定されている。
具体的には、弁座部材５０は、弁体当接離間部５１の下方に位置する弁座固定部５２を有し、弁座固定部５２は、第１肉厚ｔ１より幅広で形成され、弁座部材５０は、弁座固定部５２をボディ４０の一部である把持部４３，４３により、弁座部材５０の径方向ＣＲに挟持して固定されている。

弁座部材５０では、当該弁座部材５０の径方向ＣＲに対する弁体当接離間部５１の肉厚を、第１肉厚ｔ１（０＜ｔ１）とすると、ガス制御弁１の軸線方向ＡＸに沿う方向に対し、弁座部材５０の高さである第２肉厚ｔ２が、０．５ｔ１≦ｔ２≦１．５ｔ１の範囲内で形成されている。第１肉厚ｔ１及び第２肉厚ｔ２との関係については、後に詳述する。

ダイヤフラム弁体６０は、例えば、約２００℃の高温ガスの雰囲気下において熱歪み等を生じ難くした処理を施したＮｉ、Ｃｏ系合金等の金属からなり、上方に膨出させた逆皿形状に形成され、自らの弾性力により軸線方向ＡＸ上方に原形復帰可能なメタルダイヤフラム弁体である。ダイヤフラム弁体６０は、その径方向ＣＲ中央部を、弁体押え６５の曲面形状の下面に合わせ、ガイド部材７１に保持された弁体押え６５と一体化されている。また、このダイヤフラム弁体６０は、その径方向ＣＲ周縁部を、ボディ４０とガイド部材７１との間に挟み込んで固定されている。
ガイド部材７１は、ボディ４０と連結部材７３との螺合によりボディ４０内に固定され、この連結部材７３と固定部材７４との螺合により、バネ支持部材７２が連結部材７３と一体化されている。

ピストンロッド３０の下部先端にはステム６６が設けられている。ステム６６は、弁体押え６５の上面側で弁体押え６５と当接するようになっている。ステム６６とバネ支持部材７２との間には、ステム６６を下方に付勢する金属製のバネ６７が配設されている。

ここで、Ｃｖ値の概念について説明する。
Ｃｖ値とは、流体制御弁の弁体を所定開度に開弁した状態において、「入力ポート側と出力ポート側との圧力差が１ｐｓｉ（６．８９５ｋＰａ）に保って、６０°Ｆ（約１５．５℃）の清水を流した場合の清水の流量を、ＵＳｇａｌ／ｍｉｎ（１ＵＳｇａｌ＝３．７８５Ｌ）（ｇｐｍ）で表わした数値」と定義された無次元の数値である。
Ｃｖ値は、流体流量計や流体圧力計等の周知の計測機器を用いて実測で求められ、弁体の弁開度を全開にしたときに、約１５．５℃の清水が、差圧６．８９５ｋＰａで、流量３．７８５Ｌで流れるときを、Ｃｖ値＝１としている。Ｃｖ値は次式により算出する。
Ｃｖ値＝Ｑ・（Ｇ／ΔＰ）＾（１／２）
Ｑ（ｇｐｍ）：流体の流量、Ｇ：流体の比重、ΔＰ（ｐｓｉ）：流体の圧力差

Ｃｖ値が大きい流体制御弁ほど、流体制御弁を流通する流体の流路が大きくなる。本実施形態のガス制御弁１の弁座構造は、制御する流体を主に高温ガス（一例として、Ｈ₂ガス、Ａｒガス）等の気体とし、ダイヤフラム弁体６０を全開にしたときに、弁座部材５０とダイヤフラム弁体６０とのフルストロークが１ｍｍ程度の流体制御弁を対象としている。

すなわち、本実施形態に係るガス制御弁１では、全開時のダイヤフラム弁体６０と弁座部材５０の弁体当接離間部５１とのストロークＳｔは、２００℃の雰囲気下、開弁直後の状態において、Ｓｔ＝０．９（ｍｍ）となるよう設定され、このときのＣｖ値は０．７となっている。

次に、ガス制御弁１の作用について説明する。
操作ポート１１にパイロットエアが供給されないと、ステム６６は、バネ６７の付勢力により弁体押え６５と当接し、弁体押え６５を介してダイヤフラム弁体６０の径方向ＣＲ中央部を押圧する。これにより、図１に示すように、ダイヤフラム弁体６０が弁座部材５０の弁体当接離間部５１に当接し閉弁されて、入力ポート４１から出力ポート４２に向けた高温ガスの流れが遮断される。
ガス制御弁１が閉弁状態にあるときには、第１貫通孔３１Ｈが第１加圧室２５と連通すると共に、第２貫通孔３２Ｈが第２加圧室２６と連通する。

一方、操作ポート１１にパイロットエアが供給されると、パイロットエアは、パイロット孔３０Ｈを通じて、第１貫通孔３１Ｈと第２貫通孔３２Ｈとに流れ、第１加圧室２５と第２加圧室２６とが同時に加圧される。第１ピストン２１と第２ピストン２２は、加圧されたパイロットエアにより、バネ６７の付勢力に抗して上昇する。第１，第２ピストン２１，２２が上昇すると、ピストンロッド３０を介してステム６６が弁体押え６５から離れ、ダイヤフラム弁体６０の径方向ＣＲ中央部が、自らの弾性力で上方に復帰する。これにより、ダイヤフラム弁体６０が弁座部材５０の弁体当接離間部５１と離間して開弁し、高温ガスが、入力ポート４１から出力ポート４２に向けて流れる。
開弁したダイヤフラム弁体６０を閉弁させるときには、第１加圧室２５及び第２加圧室２６で加圧されたパイロットエアを、操作ポート１１を通じて排気する。

次に、弁座部材５０の具体的な形状として、第１肉厚ｔ１及び第２肉厚ｔ２との関係を、実施例１，２に係る弁座部材５０の形状について、図２及び図３を用いて説明する。図３は、図２と同様、実施例２に係るガス制御弁の弁座構造を示す説明図であり、図１中、Ａ部に相当する拡大図である。

（実施例１）
本実施例は、第２肉厚ｔ２が、図２に示す弁座部材５０の形状のように、ｔ２＝１．２５ｔ１の場合であり、具体的には、例えば、弁体当接離間部５１の肉厚をｔ１＝１．２（ｍｍ）、弁座部材５０の高さｔ２＝１．５（ｍｍ）の場合である。
実施例１では、ガス制御弁１が閉弁状態にあり、開弁操作後、高温ガスが、長時間にわたり入力ポート４１から弁室を通じて出力ポート４２に流れ続けたとき、開弁後、所定時間経過したときに、全開時のダイヤフラム弁体６０と弁座部材５０の弁体当接離間部５１とのストロークＳｔと、このときのＣｖ値とを測った。

図５に、開弁後の時間と、流れる高温ガスの流量との関係について、本実施例に係るガス制御弁の弁座構造と、比較例として、従来に係るガス制御弁弁座構造とを対比した表を示す。
本実施例では、２００℃の雰囲気下、図５に示すように、開弁直後のストロークＳｔは、Ｓｔ＝０．９（ｍｍ）であり、開弁後、所定時間経過した後のストロークＳｔは、Ｓｔ＝０．７（ｍｍ）であった。
また、開弁直後、ストロークＳｔがＳｔ＝０．９（ｍｍ）であるときのＣｖ値は０．７であり、開弁後、所定時間経過後のストロークＳｔがＳｔ＝０．７（ｍｍ）であるときのＣｖ値は０．５であった。
つまり、開弁直後と、開弁後、所定時間経過後とでは、ストローク差がΔＳｔ＝０．２（ｍｍ）の減少と、Ｃｖ値の差が０．２の低下に留まった。

これに対し、比較例では、開弁直後のストロークＳｔは、Ｓｔ＝０．９（ｍｍ）であるものの、開弁後、所定時間経過した後のストロークＳｔは、Ｓｔ＝０．５（ｍｍ）であった。
また、開弁直後、ストロークＳｔがＳｔ＝０．９（ｍｍ）であるときのＣｖ値は０．７であるものの、開弁後、所定時間経過後のストロークＳｔがＳｔ＝０．５（ｍｍ）であるときのＣｖ値は０．３まで低下していた。
つまり、開弁直後と、開弁後、所定時間経過後とでは、ストローク差がΔＳｔ＝０．４（ｍｍ）の減少と、Ｃｖ値の差が０．４まで低下した。

次に、実施例１と比較例との結果について、考察する。
ガス制御弁１は、ダイヤフラム弁体６０が弁座部材５０に当接または離間することにより、高温ガス等の流体の流れを制御する弁であり、閉弁状態では、ダイヤフラム弁体６０が弁座部材５０の弁体当接離間部５１に食い込んで弁体当接離間部５１と密着することで、高温ガス等の流れが遮断される。また、開弁状態では、弁室を流れる高温ガス等の流量は、弁座部材５０とダイヤフラム弁体６０とが離間したときのストロークＳｔで決定される。
ダイヤフラム弁体６０が弁座部材５０の弁体当接離間部５１に当接して閉弁したときには、弁体当接離間部５１は、ダイヤフラム弁体６０から押圧力を受けて、ダイヤフラム弁体６０と当接した部分で大きく沈み込む。一方、この状態から開弁すると、ダイヤフラム弁体６０からの押圧力による反力が弁座部材５０に作用して、弁座部材５０の沈み込んだ部分が、沈み込む前の形状に復元しようとする。

また、本実施形態のように、流体が例示した高温ガスで、ガス制御弁１によりこの高温ガスの流れを制御する場合、ガス制御弁１の弁室にあるダイヤフラム弁体６０及び弁座部材５０は、約２００℃という高温下に晒される。この場合、閉弁状態から開弁操作後、高温ガスが、長時間にわたり入力ポート４１から弁室を通じて出力ポート４２に流れ続けたときに、開弁後、沈み込んでいた弁座部材５０の弁体当接離間部５１は、沈み込む前の形状に徐々に復元しようとする。また、このとき弁室の温度は、高温ガスが流通していない閉弁状態のときの温度よりも上昇し、この温度上昇に伴い、弁座部材５０が熱膨張する。

ガス制御弁１では、開弁後、高温ガスが流れている間、反力によりダイヤフラム弁体６０に向けた復元量と、弁室の温度上昇によりダイヤフラム弁体６０に向けた熱膨張量との和に相当する分の変形が、開弁後、時間の経過と共に弁体当接離間部５１（弁座部材５０）に発生し、弁座部材５０の弁体当接離間部５１とダイヤフラム弁体６０との実質的なストロークＳｔが変化する。
すなわち、開弁直後では、弁体当接離間部５１が沈み込み、かつ弁体当接離間部５１は高温ガスが流通する前の冷えた温度となっており、弁体当接離間部５１はダイヤフラム弁体６０からより離れ、弁体当接離間部５１とダイヤフラム弁体６０とのストロークＳｔは大きくなっている。

その一方、開弁後、所定時間が経過すると、弁体当接離間部５１が復元し、かつ弁体当接離間部５１は、流通する高温ガスの温度まで上昇し膨張しているため、弁体当接離間部５１はダイヤフラム弁体６０により近づき、弁体当接離間部５１とダイヤフラム弁体６０とのストロークＳｔは小さくなる。
従って、開弁直後と、開弁後、所定時間経過した後とでは、弁体当接離間部５１とダイヤフラム弁体６０とのストロークＳｔが変化することから、開弁時に高温ガスが弁室を流通している間、高温ガスの流量（Ｃｖ値）は、開弁直後と、開弁後、所定時間経過後とで変動する。

本実施形態では、弁座部材５０は、リング状に形成され、ダイヤフラム弁体６０当接する弁体当接離間部５０を有し、弁座部材５０の径方向ＣＲに対し、弁体当接離間部５０の肉厚である第１肉厚ｔ１（０＜ｔ１）とすると、当該ガス制御弁１の軸線方向ＡＸに沿う弁座高さ方向に対し、弁座部材５０の肉厚である第２肉厚ｔ２が、０．５ｔ１≦ｔ２≦１．５ｔ１の範囲内であるｔ２＝１．２５ｔ１倍に形成されている。

ダイヤフラム弁体６０による押圧力が弁座部材５０の弁体当接離間部５１に作用したとき、第２肉厚を第１肉厚の２．７倍程度に形成した従来のメタルダイヤフラム弁（比較例）の弁座構造では、例えば、弁体当接離間部の沈み込み量が０．５ｍｍ、弁体当接離間部の復元量が０．３ｍｍであった。
これに対し、本実施形態に係るガス制御弁１の弁座構造では、同じ大きさの押圧力であっても、弁体当接離間部５１の沈み込み量が０．２５ｍｍ等と、半分程度等に小さくなる。また、開弁後、反力によりダイヤフラム弁体６０に向けた弁座部材５０の弁体当接離間部５１の復元量も０．１５ｍｍと、沈み込み量と同様、半分程度等となる。

また、閉弁状態から開弁操作後、高温ガスが、長時間にわたり入力ポート４１から弁室を通じて出力ポート４２に流れ続けたとき、弁室の温度は、高温ガスが流通していない閉弁状態のときの温度よりも上昇して、弁座部材５０（弁体当接離間部５１）が熱膨張する。第２肉厚ｔ２が第１肉厚ｔ１の１．５倍以下で形成された本実施形態のガス制御弁１の弁座構造と、第２肉厚ｔ２を第１肉厚ｔ１の２．７倍程度に形成した従来のメタルダイヤフラム弁の弁座構造とを対比しても、弁座部材５０の弁座高さに比例して第２肉厚ｔ２が小さい分、本実施形態に係るガス制御弁１の弁座構造において、弁座部材５０（弁体当接離間部５１）の熱膨張量（例えば、０．０５ｍｍ）は、従来のメタルダイヤフラム弁の弁座構造の場合の熱膨張量（例えば、０．１ｍｍ）より小さくなる。

よって、本実施形態のガス制御弁１の弁座構造では、開弁後、弁座部材５０において、反力による復元量と、弁室の温度上昇に伴う熱膨張量との和に相当する変形量は、従来のメタルダイヤフラム弁の弁座構造の場合より小さく抑えられる。
すなわち、ガス制御弁１により、例示した高温ガス（流体）の流れを制御する場合、閉弁状態から開弁操作後、高温ガスが、長時間にわたり入力ポート４１から弁室を通じて出力ポート４２に流れ続けたとき、弁座部材５０とダイヤフラム弁体６０との実質的なストロークＳｔについて、開弁直後と、開弁後、所定時間経過した後とを比較しても、ストローク差が少なくなっている。
その結果、開弁時に高温ガスが弁室を流れ続けている間、高温ガスの流量の変動をより小さく抑えることができ、従来では、開弁後のＣｖ値が０．４も低下していたものが、本実施形態のガス制御弁１の弁座構造では、近年、半導体製造等の精密部品製造分野で要求される０．２以内に抑えることができる。

開弁後のＣｖ値の低下を０．２以内に抑えたいという要求は、半導体製造等の精密部品製造分野では、ガス制御弁１のような流体制御弁が多く使用されており、市場が要求する製品の高精度化、及び製品の高品質化を、精密部品製造業界が実現するために、精密部品製造業界から出されたものである。この要求は、開弁後、所定時間経過後に、開弁直後のＣｖ値０．７の３０％減までに相当するＣｖ値０．５までの低下に留めることで、精密部品（製品）の品質を確保する目安になるとされている。

その一方で、本実施形態のガス制御弁１の弁座構造では、弁座部材５０が第２肉厚ｔ２を第１肉厚ｔ１の０．５倍以上に形成されているので、閉弁状態になったときに、弁座部材５０は、ダイヤフラム弁体６０がより深く食い込むための変形代を、十分に確保できていることから、弁座部材５０とダイヤフラム弁体６０とが密着して高いシール性が確保でき、出力ポート４２に向けた高温ガス等の流体の流れが、洩れなく遮断できる。

（実施例２）
弁座部材５０Ａは、実施例１と同様、図３に示すように、弁座固定部５２Ａを把持部４３，４３の間に配置され、径方向ＣＲの径内側にある把持部４３と径外側にある把持部４３とを、互いに向き合う方向にかしめることにより、径方向ＣＲに挟持してボディ４０に固定されている。
本実施例では、第２肉厚ｔ２が、図３に示す弁座部材５０Ａの形状のように、ｔ２＝０．６３ｔ１の場合であり、具体的には、例えば、弁体当接離間部５１Ａの肉厚をｔ１＝２．２（ｍｍ）、弁座部材５０の高さｔ２＝１．５（ｍｍ）の場合である。この場合、弁体当接離間部５１Ａの沈み込み量が０．１３ｍｍ、弁体当接離間部５１Ａの復元量が０．１０ｍｍであった。

また、実施例２の変形例として、図４に、実施例２の変形例に係るガス制御弁の弁座構造の説明図を示す。
変形例では、弁座部材５０Ｂは、図４に示すように、弁座固定部５２Ｂｉ，５２Ｂｏを把持部４３，４３の間に配置され、径方向ＣＲの径内側にある把持部４３と径外側にある把持部４３とを、互いに向き合う方向にかしめることにより、径方向ＣＲに挟持してボディ４０に固定されている。
弁座固定部５２Ｂは、実施例２の弁体当接離間部５２Ａと同様であるが、ボディ４０において、径方向ＣＲに対し、把持部４３，４３の間に中間突起部４４が立設され、この中間突起部４４を挟んで、径方向ＣＲの径内側に位置する弁座固定部５２Ｂｉと、径外側に位置する弁座固定部５２Ｂｏとが配置されている。弁座部材５０Ｂは、その弁座固定部５２Ｂｉ，５２Ｂｏと中間突起部４４とによって位置決めされ、把持部４３，４３及び中間突起部４４でしっかりと押圧されて固定できている。

実施例２及び変形例についても、前述した実施例１と同様な考察であるため、考察の説明は省略する。

前述した構成を有する本実施形態に係るガス制御弁１の弁座構造の作用・効果について説明する。
本実施形態では、ダイヤフラム弁体６０と、入力ポート４１と出力ポート４２とが形成されたボディ４０と、該ボディ４０に設けた弁座部材５０とを有し、弁座部材５０に対し、ダイヤフラム弁体６０が当接または離間することにより、高温ガスの流れを制御するガス制御弁１の弁座構造において、弁座部材５０は、リング状に形成され、ダイヤフラム弁体６０が当接する弁体当接離間部５１を有し、弁座部材５０の径方向ＣＲに対する弁体当接離間部５１の肉厚を、第１肉厚ｔ１（０＜ｔ１）とすると、当該ガス制御弁１の軸線方向ＡＸに沿う方向に対し、弁座部材５０の高さである第２肉厚ｔ２が、０．５ｔ１≦ｔ２≦１．５ｔ１の範囲内で形成されているので、例えば、半導体製造工程において、Ｈ₂ガス、Ａｒガス等を約２００℃まで加熱した高温ガスの流れを、本実施形態のガス制御弁１の弁座構造で構成したガス制御弁１で制御する場合、閉弁状態から開弁操作後、高温ガスが、長時間にわたり入力ポート４１から弁室を通じて出力ポート４２に流れ続けたときに、弁座部材５０の弁体当接離間部５１とダイヤフラム弁体６０とのストロークＳｔで、開弁直後と、開弁後、所定時間経過した後とのストローク差を、小さく抑制できるようになり、ガス制御弁１の弁室を流れる高温ガス（流体）の流量変動を小さくすることができる。

よって、弁の流量制御精度として、開弁後のＣｖ値の低下を、近年、半導体製造等の精密部品製造分野で求められている０．２以内に抑えることができ、開弁状態で流れる流体の流量のバラツキを小さく抑制することができる。
その一方で、閉弁状態になったときには、ダイヤフラム弁体６０が弁座部材５０の弁体当接離間部５１にしっかりと食い込み、弁座部材５０の弁体当接離間部５１と密着して高いシール性が確保でき、出力ポート４２に向けた高温ガス等の流体の流れが、洩れなく遮断できる。
従って、本実施形態に係るガス制御弁１では、ダイヤフラム弁体６０とのシール性を確保しつつ、制御する高温ガスを流し続けている間、その流量変動を小さく抑制することができる、という優れた効果を奏する。

また、本実施形態に係るガス制御弁１では、弁座部材５０は、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）等のフッ素系樹脂からなるので、例えば、ダイヤフラム弁体６０が金属製等で形成されていると、閉弁時にダイヤフラム弁体６０が弁座部材５０の弁体当接離間部５１に適度に食い込む適切な硬度が得られ、弁座部材５０の弁体当接離間部５１とダイヤフラム弁体６０とが密着し易くなる。また、腐食性を有する流体を制御する場合でも、弁座部材５０は、この流体によって腐食しない。
なお、フッ素系樹脂としては、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）の他に、例えば、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）(２フッ化)、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）(３フッ化)、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）(４フッ化)等が挙げられる。

また、本実施形態に係るガス制御弁１では、弁座部材５０は、ボディ４０と別体であり、ボディ４０の把持部４３，４３にかしめによって固定されているので、弁座部材５０をボディ４０に取付ける作業が容易にできる。

また、本実施形態に係るガス制御弁１では、弁座部材５０は、弁体当接離間部５１の下方に位置する弁座固定部５２を有し、弁座固定部５２は、第１肉厚ｔ１より幅広で形成され、弁座部材５０は、弁座固定部５２をボディ４０の一部である把持部４３，４３により、弁座部材５０の径方向ＣＲに挟持して固定されているので、弁座部材５０は安定した状態で固定できており、閉弁時に、ダイヤフラム弁体６０の動作異常により、ダイヤフラム弁体６０が当該ガス制御弁１の軸線方向ＡＸに沿って弁座部材５０の弁体当接離間部５１に当接せず、この軸線ＡＸに対し傾いて弁座部材５０の弁体当接離間部５１に当接した場合でも、弁座部材５０は、その径方向ＣＲにずれてしまうことはない。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できる。
（１）例えば、実施形態では、エア制御部２に、２つの第１，第２シリンダ１０，１５と第１，第２ピストン２１，２２とを設けて、バネ６７の付勢力に抗する加圧力を発生させたが、エア制御部２に配設するシリンダ及びピストンの数量は、適宜変更可能である。
（２）また、実施形態では、操作ポート１１からパイロットエアを供給したときに、開弁するノーマルクローズタイプのガス制御弁１を挙げたが、操作ポートからパイロットエアを供給したときに、閉弁するノーマルオープンタイプの流体制御弁でも良い。

１ ガス制御弁（流体制御弁）
４０ ボディ
４１ 入力ポート
４２ 出力ポート
５０ 弁座部材
５１ 弁体当接離間部
５２ 弁座固定部
６０ ダイヤフラム弁体
ＡＸ 軸線方向
ＣＲ 径方向

Claims (3)

1. 弁体と、入力ポートと出力ポートとが形成されたボディと、該ボディに設けた弁座部材とを有し、前記弁座部材に対し、前記弁体が当接または離間することにより、高温流体の流れを制御する流体制御弁の弁座構造において、
   前記弁座部材は、フッ素系樹脂からなり、リング状に形成され、前記弁体が当接する弁体当接離間部を有し、
   前記弁座部材の径方向に対する前記弁体当接離間部の肉厚を、第１肉厚ｔ１（０＜ｔ１）とすると、
   当該流体制御弁の軸線方向に沿う方向に対し、前記弁座部材の高さである第２肉厚ｔ２が、０．５ｔ１≦ｔ２≦１．５ｔ１の範囲内で形成され、
   前記高温流体が流れ続けている間、Ｃｖ値の変動が０．２以下であることを特徴とする流体制御弁の弁座構造。
2. 請求項１に記載する流体制御弁の弁座構造において、
   前記弁座部材は、前記ボディと別体であり、前記ボディにかしめによって固定されていることを特徴とする流体制御弁の弁座構造。
3. 請求項２に記載する流体制御弁の弁座構造において、
   前記弁座部材は、前記弁体当接離間部の下方に位置する弁座固定部を有し、
   前記弁座固定部は、前記第１肉厚ｔ１より幅広で形成され、
   前記弁座部材は、前記弁座固定部を前記ボディの一部で前記弁座部材の径方向に挟持して固定されていることを特徴とする流体制御弁の弁座構造。

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