JP5247704B2 - バルブ、例えば超高純度ガスのためのボトル用バルブ - Google Patents

Description

本発明は、例えばガスまたは液化ガスのボトル（またはシリンダ）のためのバルブに関する。このバルブは特に、超高純度ガスに関係する用途に適す。

今日、所定の業界によって必要とされる特殊ガスおよび高レベル純度のガスの使用が広く普及した結果、製品の品質および完全性を改善するために、ガス分配のためのバルブシステム、バルブおよびその他の機器のメーカーにより努力が続けられている。

半導体業界、例えば高純度ガスのための分配システムは、既に開発されている。その理由は、ガス内の不純物が存在すると、成分の電気的性質に修復不能な影響が及び、従って製品の歩留まりを低下させることになる。更にこれらガスは高価で、極めて高い反応性があり、腐食性であり、有毒でもあるので、信頼性のある適切な機器であることが不可欠である。

これら努力にもかかわらず、高純度を必要とする用途で使用されている所定のバルブの構造は、これまで完全に満足できるものとは見なされていない。このタイプのバルブは、例えば内部にシールシート（ｓｅａｔ）が配置されたガスフローチャンネルを有するバルブ本体を含む。このバルブの下方ステムの端部は、閉塞（開閉）部材として作動し、この端部は環状溝内に取り付けられたポリマー材料製の環状シールを含む。環状溝は、下方ステムの自由端により内側面に構成されており、外側は保持リングによって構成されている。

シールを保持するのに一般に２つのタイプのアセンブリが使用されている。第１のケースでは、保持リングは環状シールに接触する側面に一連の歯を備え、これら歯はシールに進入し、よってシールが力によって環状溝に挿入されるよう、シールを係止する。これとは異なり、第２のケースでは、下方ステムの自由端のまわりに環状シールが位置し、リングがその周辺で環状シールを囲むように下方ステムに螺合または設置することによって、リングが締結されている。この場合、保持リングはポリマーシールの面の外側エッジに当接したラジアルリップを含むことができる

上記のように、高純度（ＨＰ）および超高純度（ＵＨＰ）用途は、純度およびガス密性に関して高い条件を必要とする。しかしながら上記構造では、歯が存在することは、シールが摩耗することを意味し、これによって粒子が生じ、デッドスポット（シールによって占有されない容積部）が生じることを意味する。ねじ切りされたリングでは、ネジ部でガス密性を保証できず、ネジ部での摩擦によっても粒子が生じ得る。更に、リングを螺合する際に、この螺合はシールにねじり力を加え、シールを変形させ得る。最後に、クリンプ加工による組み立て時には、ガス密性の組立体を保証できず、環状シールの保持期間を精密に制御することもできない。

従って、現在の構造は、純度および超純度のガスを使用する用途に対して望まれないデッドゾーンと、潜在的なリークゾーンを含む。

本発明の目的は、ＨＰおよびＵＨＰ用途の条件に良好に適合したバルブを提案することにある。本発明によれば、この目的は、請求項１に記載のバルブによって達成される。

本発明によれば、圧縮ガスまたは液化ガスのためのバルブは、入口と出口との間に延びるガスフローチャンネルが備えられたバルブ本体と、前記ガスフローチャンネル内に設けられた第１シールシートを備える。第１シールシートに結合された閉塞部材は、ショルダーが設けられた自由端を有する。閉塞部材のこの自由端には、ポリマー材料製の環状シールが取り付けられており、この環状シールは、第１シールシートに向いた前方自由端面と、開／閉本体のショルダーに当接する後方端面とを有する。閉塞部材に固定された保持リングが環状シールを円周方向に囲んでおり、この閉塞部材は、前記環状シールの前方端面の外側エッジに当接しているラジアルリップを含む。閉塞部材は、第１シール位置で、第１シートに向かって軸方向に移動することができ、第１シール位置では環状シールがバルブの主要なガス密性（シール）を保証するように、第１シートに対して押圧される。

本発明の重要な特徴によれば、前記環状シールは、その前方端面のエッジに外側環状ショルダーを備え、保持リングのラジアルリップは、環状シールのこの外側環状ショルダーに向いた環状ビードを有しており、保持リングは、円周方向外側ガス密溶接部により閉塞部材に固定され、よって前記環状ビード、環状シールの外側環状ショルダー内に軸方向に進入し、この環状シールを圧縮する。

従って、本発明に係わるバルブでは、閉塞部材のショルダーの自由端だけでなく、保持リングによっても構成される環状溝内に環状シールが閉じ込められる。このタイプの閉じ込めによって、環状シールがシールシートに圧縮される際に、この環状シールのクリープ／変形を制御することが可能となっている。

保持リングのラジアルリップ上に設けられた環状ビードにより、環状シールを環状溝内に圧縮し、空間全体を満たすだけでなく、ガスをトラップし得るデッドスポットを解消することも可能となる。ここで、環状シールおよびキャビティの寸法は、まず最初に環状ビードによって圧縮力が発生するように選択することが好ましいと理解すべきである。従って、保持リングを取り付けると、シールは環状ビードによって圧縮される。この環状ビードの別の利点は、環状シールが重要な圧縮ゾーンを適切に形成し、更にガス密／シールバリアを形成することである。

最後に、ガス密状態での、かつ円周全体での溶接による固定は、クリンプ加工または螺合によって影響されることがない環状シールの後方でのガス密性を保証する。実際上、並びに精度および熱管理のため、溶接作業に対しては特にレーザーが好ましい。この溶接は、材料を供給しながら行うことができるし、材料を供給しなくても行うことができる。精密な溶接を実現できる他の溶接技術、例えば電子ビーム溶接も使用できる。溶接で保持リングを固定することによって、環状ビードによって生じる応力とは別に、環状シールに基本的には応力をかけることなく、閉塞部材の本体上にリングの簡単な組み立てを行うことができることにも留意すべきである。

一実施形態によれば、閉塞部材の自由端は、環状シールの内側環状ショルダー内に径方向に進入する端部のラジアル突起を含む。閉塞部材の自由端は、ショルダーからラジアル突起に向かってサイズが縮小するような切頭形状とすることができる。端部のこのようなラジアル突起は、次のような２つの目的を有する。すなわち（１）環状シールを組み立てるときに、このラジアル突起が環状シールを所定位置に保持すること、（２）保持リングが一旦溶接されると、この突起が保持リングのリップ上の環状ビードによって得られる効果と同様なガス密バリア効果を発生することである。従って、この変形例では、環状シールの後方に向かってガスが通過するのを防止するよう、入口に２つのガス密バリアを含む環状溝内に環状シールが閉じ込められる。

保持リングと閉塞部材との間の円周方向の外側溶接は、ショルダーに対してセットバックすると共に、軸方向に実施することが好ましい。この目的のために、閉塞部材は周辺環状ショルダーを含むことができ、この環状シールは、このショルダーに対して傾斜するが、このショルダーに対して軸方向にセットバックする。次に、閉塞部材の周辺環状ショルダーに保持リングを溶接する。この軸方向のオフセットにより、シールから所定距離で溶接を実行し、よって熱がシールを破損しないことを保証できる。

バルブ本体はチャンネルを囲む第２シールシートを備え、閉塞部材は、第１シール位置から第２シール位置に軸方向に移動できることが好ましく、第２シール位置では、前記自由端は、前記第２シートと共に金属シールを作るように、この第２シート上に当接される。この第２シートが存在することは、環状シールが（摩耗または過剰に高い締結力により）破損または変位するか、または（火災により）消失している場合でも、金属製シールによってバルブを閉じることができるので、ガスが爆発性または毒性があることの多いＵＨＰ用途に対しては特に重要である。

このタイプの第２シールシートは、第１シールシートが第２シールシートを囲むように通常設計され、前記第２シールシートに当接する、自由端の部分は、第２シールシートの高さにある前記ガスフローチャンネルの横断面より大きい横方向横断面を有することが理解できよう。

実際の条件では、閉塞部材を前記第１シール位置から前記第２シール位置に切り換えるために必要な軸方向の変位量は、０.３ｍｍ未満、好ましくは約０.１ｍｍである。

閉塞部材は、通常軸方向制御ステムを含む制御部品によって制御され、軸方向制御ステムは少なくとも１つの軸方向の作動力を閉塞部材に伝え得るようになっている。この制御部品は手動制御タイプまたは自動タイプ（例えば空気圧タイプまたはソレノイドタイプ）とすることができる。

一実施形態によれば、閉塞部材は、この閉塞部材を移動させるための軸方向ステム部分を備え、軸方向ステム部分は、制御部品の制御ステムの一体的部分でもよいし、この一体的部分に接続してもよい。制御ステムと前記閉塞部材の前記軸方向ステム部分との間は、使用が容易なことに起因し、分離可能な剛性接続部とすることが好ましい。

従って、本発明に係わるバルブは、特にデッド容積部がなくても、閉塞部材のガス密性が良好なことから、特に超高純度用途に好ましいことが分かっている。ガスボトルのバルブとして使用するために、バルブ本体はボトルに固定されるようになっており、フローチャンネルの入口の開口部は一般にボトルの内部に開口する。しかしながら、本バルブを（流体）ガス分配のためのシステムにおける解放バルブ／タップとしても使用できる。この場合、バルブ本体を、ガス分配システムのパイプまたは他の要素に入口開口部および出口開口部に接続できるように変形することが好ましい。

添付図面を参照しながら、下記の好ましい実施形態の詳細な説明から、本発明の上記以外の特徴が明らかとなろう。

閉塞部材の基本的なシール位置にある、本発明に係わるバルブの好ましい実施形態の長手方向横断面図である。 閉塞部材の長手方向横断面図である。 Ａの拡大図である。 閉塞部材の横断面の分解図である。 保持リングを用いない閉塞部材の横断面図である。

図１は、本発明のバルブ１０の好ましい変形例の長手方向横断面図を示し、このバルブ１０は、バルブ本体１２と、マニュアル制御部品１４とを含む。このバルブ本体１２は、ガスボトル（図示せず）に螺合されるようになっており、このバルブ本体はガスの入口１８とガスの出口２０との間に延びるガスフローチャンネル１６を含む。

この実施形態では、ガスフローチャンネル１６は、入口１８をバルブのチャンバ２４に接続する入口チャンネル２２と、バルブチャンバを出口２０に接続する出口チャンネル２６とによって形成されている。入口チャンネル２２は、ネジ（図示せず）が設けられた本体１２の下方部分を貫通しており、ネジによりバルブをボトルに螺合することが可能となっている。出口チャンネル２６は、接続部２８を形成する部分まで延びている。

チャンバ２４に到達する入口チャンネル２２の端部は、環状ガス密シールを含む第１シールシート３０によって囲まれており、閉塞部材３２はシールシート３０と協働し、閉塞部材３２は軸方向位置に応じて流れを出口チャンネル２６に向けたり、入口チャンネル２２をガス密状態に閉じ、よって通路１６を通過する流れを防止したりする。既に説明したように閉塞部材３２は、制御部品１４の制御ステム３４により軸方向に移動し、制御部品１４は中間ステム３８を介して閉塞部材３２のステム３６の一部に接続されている。

チャンバ２４は、可撓性（プラスチックまたは金属製）膜４０により、従来のように制御部品１４からシールされている。図１および３から分かるように、この膜４０はステム３４の一部を囲み、チャンバ２４の周辺まで延び、この周辺で膜４０ははめ込み部４２により保持される。はめ込み部４２自体は、バルブ本体１２のボア４６に螺合され、強固に固定されているシールグランド４４により保持されている。

閉塞部材の作動は従来どおりであるので、この作動については簡単にしか述べない。ステム３６の一部は、雄ネジを含み、この雄ネジによってステムは中間ステム３８の凹部４８の内側面のネジに螺合されている。中間ステム３８自体は制御ステムの軸方向の移動と一体的となるが、回転角方向には一体的とならないよう、制御ステム３４の下方端部に接続されている。制御ステム３４は、シールグランド４４内の雌ネジと協働する雄ネジを含む。制御ステム３４の上端部にはホイール５０が固定されており、このホイールの回転方向に応じて制御ステムはシールグランド４４のネジの上で上下に移動し、よって閉塞部材３２の軸方向の変位を生じさせ、この変位によって閉塞部材は、シールシート３０に接近したり、離間したりする。

図２および４を更に詳細に参照する。閉塞部材３２は、自由端６０とショルダー６２とを有する本体３３を備えることが理解できよう。この自由端６０のまわりにはポリマー材料製の環状シール６４（ディスクとも称される）が取り付けられており、環状シール６４は、第１シールシート３０に向いた前方端面６６と、閉塞部材（開／閉本体）３２のショルダー６２に当接する後方端面６８を有する。保持リング７０は、環状シール６４を円周方向に囲んでおり、この保持リング７０は環状シール６４の前方端面６６の外側エッジに当接するラジアルリップ７２を含む。特に環状シール６４は、その前方端面６６のエッジに外側環状ショルダー７４を備え、保持リング７０のラジアルリップ７２は、環状シール６４の外側環状ショルダー７４に向いた環状ビード７６を有すると認識すべきである。環状ビード７６は、環状シール６４の外側環状ショルダー７４内に軸方向に進入し、このシールを圧縮するように、外側円周ガス密溶接部７７によって閉塞部材３２に保持リング７０が固定されている。

従って、閉塞部材３２は、環状ディスク６４を備え、自由端６０、ショルダー６２および保持リング７０によって構成された環状溝内に閉じ込められており、ディスクは、シールシート３０上で圧縮されると、保持リングにより良好に維持でき、よって（第１シール位置における）バルブの主要シールを形成できる。実際に、図３から分かるように、環状シールがシールシート３０上に押圧されると、環状シールは、ラジアルリップ７２と自由端６０との間の環状溝の狭くなった出口に良好に保持される。

閉塞部材の構造は、改良されたガス密性を更に保証している。第１に、保持リング７０のラジアルリップ７２上に設けられた環状ビード７６は、環状シール６４を環状溝内に圧縮することを可能にし、よって空間全体を満たすことができる。環状シール６４および環状溝の寸法は、環状ビード７６が所定位置に置かれたときに、この環状ビード７６により最初に圧縮力が発生されるように選択することが好ましい。この特徴については図４および５を参照すると、より良好に理解できよう。実際の条件では、環状シールは、基本的には環状溝の形状に対応する初期形状（横方向の横断面）を有し、この初期形状では、環状シールは保持リング７０を取り付けた後に環状溝内に閉じ込められる。次に、本体３３の自由端６０上で環状シールをスリップさせ、この環状シールの裏面の前方面６８をショルダー６２に当接させる。環状シール６４の内側環状ショルダー８０内に径方向に進入する端部のラジアル突起７８が存在していることが観察される。このラジアル突起の機能の１つは、組み立て中に自由端６０のまわりに環状シール６４を係止することである。底部に向かう軸方向変位を受ける環状シール６４をグリップし、このシールを良好に係止するよう、ラジアル突起７８の、より高いシャープなうねが設けられている。

次に閉塞部材の本体３３に保持リングを位置決めし、溶接する。これを行うには、（図４のレイアウトに示されるように）リングを軸方向上向きに押し、リングを本体３３に当接し、よってビード７６を環状シール６４のショルダー７４内に進入させる。リングが所定位置に置かれたときに、このビードによって生じる変形／圧力により、環状溝内でのシール６４の過剰圧縮が生じ、シール６４全体が溝の内部容積部を占めるようにし、よってデッドスペースを解消する。

環状ビード７６の別の効果は、このビードが正確に環状シール６４と共に重要な圧縮ゾーンを形成し、よってガス密なバリアを形成することである。

閉塞部材３２の本体３３への強固でかつガス密な固定を保証するように、保持リング７０の円周部全体を溶接する。従って、この溶接によって環状シール６４の後方のゾーンをガス密状態に密封できる。このような密封は、リングに螺合したり、リングをクリンプ加工しても、得ることはできない。

精度上の理由または熱的な問題から、レーザーによって溶接を実行することが好ましい。溶接中の熱により、環状シールが破壊されるのを防止するために、溶接を軸方向に実行し、ショルダー６２に対してセットバックする。図から理解できるように、ショルダー６２を囲む本体３３の周辺環状ショルダー８２で、外側円周方向の溶接を実施するが、ショルダー８２は前記ショルダー６２に対して軸方向にセットバックしない。

最後に、径方向突起７８の頂部のシャープなうねも、リング７０を一旦所定位置に置いたときにビード７６によって得られる効果に類似するガス密バリア効果を生じさせる。

このような構造は、閉塞部材３２の優れたガス密シールを保証する。その理由は、保持リング７０が密に溶接され、２つのガス密バリアによりガスがシール６４の後方に向かって流れるのを防止するからである。更にこの構造は、環状溝から前記シールを押し出すように働く環状シール６４の後方で、ガス圧力が生じるのを防止できるからである。

再度、図３を参照する。閉塞部材を、シール６４とシート３０との間でシールが実現される第１シール位置から第２シール位置へ軸方向に変位させることにより、チャンネル１６を囲む第２シールシート８８（図３）に第２シール（金属／金属）が座着されたときに、ラジアル突起７８の下方エッジは、この第２シールを形成するよう、好ましくは円錐形の環状シール表面８６として設計されていることが理解できよう。第２シールシート８８は、第１シート３０によって囲まれ、このシート８８は丸くなったうねに類似した形状のガス密表面を含むことが理解できよう。

閉塞部材を第１シール位置から第２シール位置へ移動させるのに、０.３ｍｍ未満、好ましくは約０.１ｍｍの軸方向の変位をするための工夫を行うことができる。

この第２シールは、シールが破損するか、または（例えば火災の後で）消滅したときでも、バルブのガス密閉鎖を保証できるとういう点で特に有利であることが判っている。

環状シールは、ポリマー材料、好ましくは高圧でのガス透過率が低く、クリープが小さい熱可塑性ポリマーから製造される。特に環状シールは、ＰＣＴＦＥ、Ｖｅｓｐｅｌ（登録商標）（デュポン社）、ＲＵＬＯＮ（登録商標）（サン−ゴバン社）、ＰＶＤＦから製造できる。

１２−−−バルブ本体
１６−−−ガスフローチャンネル
３０−−−第１シールシート
３２−−−閉塞部材（開閉要素）
６０−−−自由端
６２−−−ショルダー
６４−−−環状シール
７０−−−保持リング
７２−−−ラジアルリップ
７４−−−環状ショルダー
７７−−−溶接部
８８−−−第２シールシート

Claims (13)

1. 加圧ガスまたは液化ガスのボトルのためのバルブであって、
   ガスフローチャンネル（１６）を有するバルブ本体（１２）と、
   前記ガスフローチャンネル（１６）内の第１シールシート（３０）と、
   ショルダー（６２）が設けられた自由端（６０）を有する閉塞部材（３２）と、
   前記閉塞部材（３２）の前記自由端（６０）に取り付けられており、前記第１シールシート（３０）に向いた前方端面（６６）および前記閉塞部材（３２）の前記ショルダー（６２）に当接する後方端面（６８）を有する環状シール（６４）と、
   前記環状シール（６４）を円周方向に囲むと共に、前記環状シール（６４）の前記前方端面（６６）の外側エッジに当接するラジアルリップ（７２）を有する保持リング（７０）とを備え、
   前記閉塞部材（３２）は、前記環状シール（６４）が前記第１シールシート（３０）に押圧されて前記環状シール（６４）がバルブの主なガス密性を保証する第１シール位置に、前記第１シールシート（３０）に向かって軸方向に移動できる、バルブにおいて、
   前記環状シール（６４）は、前記前方端面（６６）を囲む外側環状ショルダー（７４）を備え、
   前記保持リング（７０）の前記ラジアルリップ（７２）は、前記環状シール（６４）の前記外側環状ショルダー（７４）に向いた、軸方向に突出する環状ビード（７６）を有し、
   前記保持リング（７０）は円周方向外側ガス密溶接部（７７）によって前記閉塞部材（３２）に固定され、前記環状ビード（７６）が前記環状シール（６４）の前記外側環状ショルダー（７４）内に軸方向に進入して前記環状シール（６４）を圧縮する、
   ことを特徴とするバルブ。
2. 前記閉塞部材（３２）の前記自由端（６０）は、前記環状シール（６４）の内側環状ショルダー（８０）内に径方向に進入するラジアル端部突起（７８）を備え、前記閉塞部材（３２）の前記自由端（６０）には、前記ショルダー（６２）から前記ラジアル突起（７８）の方向に狭くなるようなテーパがついている、請求項１に記載のバルブ。
3. 前記保持リング（７０）と前記閉塞部材（３２）との間の前記円周方向外側ガス密溶接部（７７）は、前記閉塞部材（３２）の前記ショルダー（６２）に対して軸方向にセットバックしている、請求項１または２に記載のバルブ。
4. 前記閉塞部材（３２）は、前記ショルダー（６２）を囲むが、前記ショルダー（６２）に対して軸方向にセットバックしている周辺環状ショルダー（８２）を備え、前記保持リング（７０）は、前記周辺環状ショルダー（８２）にて前記閉塞部材（３２）に溶接されている、請求項３に記載のバルブ。
5. 前記円周方向外側ガス密溶接部（７７）は、レーザーによって形成されている、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載のバルブ。
6. 前記バルブ本体（１２）は、前記ガスフローチャンネル（１６）を囲む第２シールシート（８８）を備え、前記閉塞部材（３２）は、前記第１シール位置から第２シール位置に軸方向に移動でき、前記第２シール位置では前記自由端（６０）は、前記第２シールシート（８８）に当接して前記第２シールシートに金属シールを形成する、請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載のバルブ。
7. 前記第１シールシート（３０）は、前記第２シールシート（８８）を囲む、請求項６に記載のバルブ。
8. 前記第２シールシート（８８）に当接する、前記自由端（６０）の部分（８６）は、前記第２シールシート（８８）の高さにある前記ガスフローチャンネルの横断面より大きい横方向横断面を有する、請求項６または７に記載のバルブ。
9. 前記閉塞部材（３２）を前記第１シール位置から前記第２シール位置に切り換えるために必要な軸方向の変位量は０.３ｍｍ未満である、請求項６、７または８に記載のバルブ。
10. 前記バルブ本体（１２）に取り付けられており、少なくとも１つの軸方向の作動力を前記閉塞部材（３２）に伝えるための軸方向制御ステム（３４）を有する制御ヘッド（１４）を含む、請求項１〜９のうちのいずれか１項に記載のバルブ。
11. 前記閉塞部材（３２）は軸方向ステム部分（３６）を備える、請求項１〜１１のうちのいずれか１項に記載のバルブ。
12. 前記閉塞部材（３２）は軸方向ステム部分（３６）を備え、前記制御ステム（３４）と前記閉塞部材（３２）の前記軸方向ステム部分（３６）とは分離可能に剛性結合されている、請求項１０に記載のバルブ。
13. 超高純度ガスに対して使用するための、ボトル用バルブとしてまたはガス分配チャンネル内のフローバルブとしての、請求項１〜１２のうちのいずれか１項に記載のバルブの使用法。

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