JP7143161B2

JP7143161B2 - 流体制御弁

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Publication number: JP7143161B2
Application number: JP2018172382A
Authority: JP
Inventors: 祐二岡田
Original assignee: CKD Corp
Current assignee: CKD Corp
Priority date: 2018-09-14
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2022-09-28
Anticipated expiration: 2038-09-14
Also published as: JP2020045917A

Description

本発明は、ストッパにより下限位置が限定されるステムにより押圧されるメタルダイアフラムを、ＰＦＡ弁シートに当接することにより、高温ガスの流れを遮断する流体制御弁に関するものである。

近年、半導体製造工程の成膜技術において、チャンバーに供給されるプロセスガスのガス温度が、３００℃以上に加熱した状態となるケースがある。このような場合においては、供給されるプロセスガスの温度を確実に３００℃以上にするために、バルブ全体を恒温槽に収納して、恒温槽の内部温度を３００℃以上に保つことが行われている。
一方、プロセスガスを２５０℃以上の状態で供給するための高温弁においては、弁体にメタルダイアフラムを用い、弁シートにはＳＵＳ３１６Ｌ等のメタルシートが用いられるが、メタルシートは、弁開および弁閉動作の繰り返しにより表面が荒れ、ガス漏れが発生する恐れがあった。

メタルダイアフラムに荷重を掛けた状態で、ＰＦＡ弁シートを押圧すると、ＰＦＡ弁シートが高熱と高圧力を受けて、クリープにより塑性変形する問題があった。クリープによる塑性変形を回避するため、特許文献１に示すように、メタルダイアフラムを押圧するステムの下限位置をストッパにより限定することで、メタルダイアフラムがＰＦＡ弁シートを押圧する力を制限することが行われている。

特許第2927582号公報

しかしながら、上記従来技術には次のような問題があった。
すなわち、半導体製造装置のメンテナンスを行うときには、全てのバルブ及び配管に対して窒素ガスによりパージを行うと共に、バルブ等を手で触れることが可能なように恒温槽の内部温度を常温まで低下させる。
このとき、高温下で膨張していたストッパやＰＦＡ弁シートは、温度の低下に伴い収縮する。例えば、ＰＦＡ弁シートを３ｍｍの厚みで構成している場合に、３００℃から常温２３℃まで温度が低下した場合に、膨張していたＰＦＡ弁シートが全体で０．１０ｍｍ程度収縮する。一方、ストッパは一般的に金属製であるため、ＰＦＡ弁シートと比べて線膨張係数が小さく、温度低下時の収縮量が小さい。つまり、ステムがストッパに当接する位置、すなわち最下限位置が、ストッパの収縮量分だけ下がることとなるが、ＰＦＡ弁シートの収縮量の方が大きい。このため、ステムを最下限位置まで下げ、メタルダイアフラムを押圧しても、ＰＦＡ弁シートの収縮量０．１０ｍｍからストッパの収縮量を減じた分だけ、メタルダイアフラムとＰＦＡ弁シートとの間に隙間が生じてしまい、常温時においてガス漏れが発生する問題があった。

メタルダイアフラムとＰＦＡ弁シートとの間に隙間が生じ、ガス漏れが発生すると、流体制御弁の継手にガス漏れがないことの確認評価を行うことができないという問題が生じる。すなわち、継手のガス漏れ確認評価は、弁閉状態で継手に窒素ガスを供給し、圧力変化の有無を確認することで行われるが、メタルダイアフラムとＰＦＡ弁シートとの間に隙間が生じると、確実に弁閉することができないために圧力変化が生じ、継手のガス漏れ確認を行うことができない。

本発明は、上記問題点を解決するためのものであり、３００℃以上の高温で使用している流体制御弁であって、メンテナンス時に常温まで温度を低下させた場合でも、メタルダイアフラムとＰＦＡ弁シートとの間に隙間が発生することなく、漏れが発生しない流体制御弁を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の流体制御弁は、次のような構成を有している。
（１）ストッパにより下限位置が限定されるステムにより押圧されるメタルダイアフラムを、ＰＦＡ弁シートに当接させることにより、高温ガスの流れを遮断する流体制御弁において、ストッパとしてＰＦＡ板が用いられること、ＰＦＡ板の厚みが、ＰＦＡ弁シートの厚みよりも大きいこと、を特徴とする。

（２）（１）に記載の流体制御弁において、ＰＦＡ板の厚みが、ＰＦＡ弁シートの厚み
より３０％以上大きいこと、を特徴とする。
（３）（１）または（２）に記載の流体制御弁において、温度が、３００℃以上から常
温まで低下されたときに、ＰＦＡ板の、前記流体制御弁の開閉方向の収縮長さが、ＰＦＡ弁シートの、前記開閉方向の収縮長さより大きい
こと、を特徴とする。

本発明の流体制御弁は、上記構成を有することにより次のような作用・効果を有する。
（１、３）ストッパにより下限位置が限定されるステムにより押圧されるメタルダイアフラムを、ＰＦＡ弁シートに当接させることにより、高温ガスの流れを遮断する流体制御弁において、ストッパとしてＰＦＡ板が用いられること、ＰＦＡ板の厚みが、ＰＦＡ弁シートの厚みよりも大きいこと、温度が、３００℃以上から常温まで低下されたときに、ＰＦＡ板の収縮長さが、ＰＦＡ弁シートの収縮長さより大きいこと、を特徴とするので、ストッパとして従来の金属よりも線膨張係数が大きいＰＦＡ板を用いることで、ストッパはＰＦＡ弁シートと同一の線膨張係数を有することとなる。そして、ＰＦＡ板の厚みを、ＰＦＡ弁シートよりも大きくすることで、ＰＦＡ板の熱膨張による寸法変化量が、ＰＦＡ弁シートの熱膨張による寸法変化量よりも大きくなる。ＰＦＡ板の熱膨張による寸法変化量が、ＰＦＡ弁シートの熱膨張による寸法変化量よりも大きくなるに伴い、メンテナンスを行うに当たって流体制御弁の温度を低下させた時に、ストッパの収縮量がＰＦＡ弁シートの収縮量よりも大きくなる。つまり、ステムがストッパに当接する位置、すなわち最下限位置が、ストッパの収縮量分だけ下がることとなり、その最下限位置の下がる量がＰＦＡ弁シートの収縮量よりも大きいため、ステムによってメタルダイアフラムを押圧すれば、メタルダイアフラムは確実にＰＦＡ弁シートに当接され、ガス漏れが発生することがない。

例えばＰＦＡ弁シートの厚みを３ｍｍとしたとき、ＰＦＡ板の厚みを４ｍｍとすれば、３００℃雰囲気下におけるＰＦＡ弁シートの熱膨張による寸法変化量は０．１０ｍｍ、ＰＦＡ板の熱膨張による寸法変化量は、０．１３ｍｍとなる。したがって、メンテナンスを行うに当たって流体制御弁の温度を３００℃から常温まで低下させた時のストッパの収縮量０．１３ｍｍ分だけ、ステムの最下限位置が下がり、その最下限位置の下がる量が、ＰＦＡ弁シートの収縮量０．１０ｍｍよりも大きいため、メタルダイアフラムは確実にＰＦＡ弁シートに当接され、ガス漏れが発生することがない。
ＰＦＡ弁シートとストッパの収縮後にメタルダイアフラムが確実にＰＦＡ弁シートに当接されることで、流体制御弁の継手のガス漏れ確認評価を行うことができないという問題が解消される。つまり、継手のガス漏れ確認評価は、弁閉状態で継手に窒素ガスを供給し、圧力変化の有無を確認することで行われるが、ＰＦＡ弁シートとストッパの収縮後にメタルダイアフラムとＰＦＡ弁シートとの間に隙間が生じると、弁閉することができないために圧力変化が生じ、継手のガス漏れ確認を行うことができない。しかし、ＰＦＡ弁シートとストッパの収縮後にメタルダイアフラムが確実にＰＦＡ弁シートに当接されることで、確実に弁閉され、継手のガス漏れ確認を行うことが可能となる。

（２）ストッパにより下限位置が限定されるステムにより押圧されるメタルダイアフラムを、ＰＦＡ弁シートに当接させることにより、高温ガスの流れを遮断する流体制御弁において、ストッパとしてＰＦＡ板が用いられること、ＰＦＡ板の厚みが、ＰＦＡ弁シートの厚みよりも大きいこと、ＰＦＡ板の厚みが、ＰＦＡ弁シートの厚みより３０％以上大きいこと、を特徴とするので、下記のような問題点を考慮した場合でも、ＰＦＡ板の厚みを、ＰＦＡ弁シートの厚みより３０％以上大きくすることで、ＰＦＡ板とＰＦＡ弁シートの熱膨張前後において、メタルダイアフラムは確実にＰＦＡ弁シートに確実に当接され、ガス漏れを防ぐことができる。
問題点とはすなわち、ステムによる押圧力の偏りを完全になくすことが困難であるがゆえにメタルダイアフラムでＰＦＡ弁シートの全周を完全に均等に押圧することは困難である点、ＰＦＡ弁シートを均等に押圧することが困難であるがゆえにＰＦＡ弁シートのクリープによる塑性変形が均一でないおそれがある点、また、流体制御弁を構成する各部品の公差が累積する点、である。これら問題点のために、ＰＦＡ板の厚みがＰＦＡ弁シートより大きくても、その差異が微少であると、流体制御弁の温度が低下し、ＰＦＡ板とＰＦＡ弁シートが収縮したときに、メタルダイアフラムとＰＦＡ弁シートとの間に隙間が生じるおそれがある。そこで、ＰＦＡ板の厚みを、ＰＦＡ弁シートの厚みより３０％以上大きくしておけば、確実にガス漏れを防止することができることを、出願人は実験により確認している。

流体制御弁１の全体断面図であって、弁閉状態を示す図である。流体制御弁１の全体断面図であって、弁開状態を示す図である。流体制御弁１の弁閉時における熱膨張前後の弁部を示す概略図であり、（ａ）は熱膨張後、（ｂ）は熱膨張前（または収縮後）を示す。

本発明の流体制御弁の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
流体制御弁１は、半導体製造装置のガス供給系に組み付けられ、成膜技術に用いられる約３００℃のプロセスガスの供給を制御する。また、供給されるプロセスガスの温度を確実に３００℃以上にするために、バルブ全体が３００℃の恒温槽に収納される。
流体制御弁１は、ノーマルクローズタイプのエアオペレイト式開閉弁である。流体制御弁１は、弁部２と、アクチュエータ部３とから構成されている。アクチュエータ部３は、スプリング部４とエアシリンダ部５とから構成されている。

アクチュエータ部３は、図１に示すように、底面にシリンダベース１１を備え、シリンダベース１１の上側には、筒状の上フランジ１１ａが張り出している。上フランジ１１ａの上端外周面には雄ねじ部が形成されており、筒状のシリンダケース１２の下端内周面に形成された雌ねじ部と螺合される。上フランジ１１ａの雄ねじ部とシリンダケース１２の雌ねじ部が螺合されることで、シリンダベース１１とシリンダケース１２が組み合わさり、シリンダが形成される。シリンダベース１１の下側には、中空状の下フランジ１１ｂが突設されている。下フランジ１１ｂの中空内面１１ｃは、ピストンロッド１５の上下運動を案内する。また、下フランジ１１ｂの下端部は、後述するスプリングリテーナ２２の貫通孔２２ｂに螺合されている。

上フランジ１１ａの内周面には、中空円盤状の下ピストン１３Ｂが摺動自在に保持されている。また、シリンダケース１２の内周面には、中空円盤状の上ピストン１３Ａが摺動自在に保持されている。
上下ピストン１３Ａ，１３Ｂの間に位置する中空円盤状の中間プレート１４は、上フランジ１１ａの上端面とシリンダケース１２の段差部１２ｃとに挟持され、固設されている。中間プレート１４は、シリンダベース１１とシリンダケース１２とから形成されるシリンダ内の空間を、上ピストン１３Ａが上下動するための空間と、下ピストン１３Ｂが上下動するための空間とに隔てている。上下ピストン１３Ａ，１３Ｂは、上下運動を行うピストンロッド１５に設けられた上ピストン当接部１５ｄと、下ピストン当接部１５ｅにそれぞれ当接しており、ピストンロッド１５と上下ピストン１３Ａ，１３Ｂとが連動して上下運動を行う。

上ピストン１３Ａの外周面と、シリンダケース１２の内周面の間には、Ｏリングが配置され、上ピストン１３Ａの滑らかな摺動を確保するとともに、後述する加圧室１８の気密状態を保持している。また、上ピストン１３Ａの内周面と、ピストンロッド１５外周面の間にはＯリングが配置され、後述する加圧室１８の気密状態を保持している。
下ピストン１３Ｂの外周面と、シリンダベース１１の内周面の間には、Ｏリングが配置され、下ピストン１３Ｂの滑らかな摺動を確保するとともに、後述する加圧室１７の気密状態を保持している。また、下ピストン１３Ｂの内周面と、ピストンロッド１５外周面の間にはＯリングが配置され、後述する加圧室１７の気密状態を保持している。
中間プレート１４の外周面と、シリンダケース１２の内周面の間には、Ｏリングが配置され、後述する加圧室１８の気密状態を保持している。また、中間プレート１４の内周面と、ピストンロッド１５外周面の間にはＯリングが配置され、ピストンロッド１５の滑らかな摺動を確保している。

シリンダケース１２の上端中央には、パイロットポート１２ａと、ピストンロッド１５の上下動を案内するガイド孔１２ｂとが、上下貫通して形成されている。
ピストンロッド１５には、パイロットポート１２ａを介して操作エア（圧縮エア）を送給する送給孔１５ａが穿設されている。そして、下ピストン１３Ｂ下面と、シリンダベース１１の下内面および内周面とにより加圧室１７が形成され、また、上ピストン１３Ａの下面と、中間プレート１４の上面と、シリンダケース１２の内周面とにより加圧室１８が形成されている。
送給孔１５ａと加圧室１７，１８は、挿通孔１５ｂ，１５ｃによって連通されており、パイロットポート１２ａに操作エアを送給すると、送給孔１５ａおよび挿通孔１５ｂ，１５ｃ、を介して加圧室１７，１８に操作エアが送給される。加圧室１７，１８に操作エアが送給されると、加圧室１７，１８は上下ピストン１３Ａ，１３Ｂおよび中間プレート１４のＯリングにより気密状態となっているため、加圧室１７，１８内の圧力が上昇し、上下ピストン１３Ａ，１３Ｂが図１中上方向（弁開方向）に押し上げられる。ピストンロッド１５の上ピストン当接部１５ｄと、下ピストン当接部１５ｅとが、上下ピストン１３Ａ，１３Ｂと当接しているため、上下ピストン１３Ａ，１３Ｂが押し上げられるのに連動し、ピストンロッド１５が弁開方向に駆動する。

次に、アクチュエータ部３を構成するスプリング部４について説明する。
スプリング部４は、弁閉スプリング１９を保持するスプリングリテーナ２２と、筒状のアダプタ２３と、押えナット２４とから形成される。
スプリングリテーナ２２はフランジ部２２ａを備え、図１中上方向から押えナット２４と係合される。スプリングリテーナ２２の図１中下方には、内部に弁閉スプリング１９と、第１ステム２１とが配置されている筒状のアダプタ２３が配置されており、押えナット２４とアダプタ２３とが螺合されることで、フランジ部２２ａが、アダプタ２３の上端面と押えナット２４の押え部２４ａに挟持され、スプリングリテーナ２２が固定される。そして、スプリングリテーナ２２の上面には貫通孔２２ｂが形成されており、貫通孔の内周に形成された雌ねじ部が、シリンダベース１１の下フランジ１１ｂ下端に形成された雄ねじ部と螺合されることで、エアシリンダ部５とスプリング部４とが一体となっている。

下フランジ１１ｂの中空内面１１ｃを通り、スプリングリテーナ２２内部に挿入されたピストンロッド１５の下端部には、第１ステム２１が螺合されている。そのため、加圧室１７，１８に操作エアが送給され、ピストンロッド１５が弁開方向へ駆動されると、ピストンロッド１５とともに第１ステム２１が弁開方向に上昇する。

また、第１ステム２１の段差部２１ａには、弁閉スプリング１９が当接しており、弁閉スプリング１９の、スプリングリテーナ２２と第１ステム２１により圧縮されることで生じる弾性力によって、第１ステム２１が図１中下方向（弁閉方向）に付勢されている。第１ステム２１が弁閉方向に付勢されているため、加圧室１７，１８への操作エアの送給が停止されると、操作エアによる上下ピストン１３Ａ，１３Ｂを押し上げようとする力が働かなくなり、第１ステムは弁閉方向に下降する。第１ステム２１の下端面には、後述する第２ステム３０を押圧する押圧部２１ｂが形成されている。押圧部２１ｂは、下端に向かって径が収縮する形状となっており、最下端の一点で第２ステム３０上面の中心を押圧する。

アダプタ２３の下部外周面は、弁部２を構成するバルブボディ２５の上部に突設された筒部２５ａの内周面と螺合されている。アダプタ２３と筒部２５ａが螺合されることで、スプリング部４と弁部２が一体となる。
アダプタ２３の下端には、メタルダイアフラム２７を固定するホルダ２６が当接している。メタルダイアフラム２７は、メタルダイアフラム２７外周縁の上方から、ホルダ２６によって弁室２８の段差部２８ａに押圧され、気密状態で挟持固定されている。また、ホルダ２６の上端側には、第２ステム３０の下限位置を制限するストッパ３１が配設されている。

次に、弁部２の構成について説明する。図１に示すように、バルブボディ２５の上部に突設された筒部２５ａの内面には、入力側の流入流路２５ｂと、出力側の流出流路２５ｃを連通させる弁室２８が形成されている。弁室２８の底面には、ＰＦＡ弁シート２９が、略埋没状態でかしめ結合されている。ＰＦＡ弁シート２９の材質には、３００℃のプロセスガスに耐えられるよう耐熱性と耐食性に優れた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）を採用する。

ＰＦＡ弁シート２９の上方には、ＰＦＡ弁シート２９と当接又は離間することでプロセスガスの供給を制御する皿状のメタルダイアフラム２７が配設されている。メタルダイアフラム２７は、ニッケル・コバルト合金製の薄膜が複数枚積層され、シート状に圧着されている。メタルダイアフラム２７は、０．１ｍｍ厚の薄膜を３枚積層して、中央の膨出量は、自由状態で０．９ｍｍとして、作製されている。また、メタルダイアフラム２７は、高強度化するため、熱処理を行っているので、硬度は、ビッカース硬度Ｈｖ５００以上を有している。

メタルダイアフラム２７の上面に第２ステム３０の下端が押し当てられている。第２ステム３０は、略円柱形状で、その下端は、下方になだらかに膨出して湾曲した形状で形成されている。メタルダイアフラム２７は、バルブボディ２５に取り付ける段階で第２ステム３０の湾曲面に沿った形状に規制され、弁開時においても、メタルダイアフラム２７は押し当てられた第２ステム３０の湾曲面に沿った形状に保持されている。
弁開状態において操作エアの送給が停止されると、弁閉スプリング１９の弾性力によって、第１ステム２１は弁閉方向に下降する。第１ステム２１は、下降するとともに第２ステム３０を押し下げ、押し下げられた第２ステム３０は、メタルダイアフラム２７を押圧する。押圧されたメタルダイアフラム２７は弁閉方向に弾性変形する。弾性変形したメタルダイアフラム２７がＰＦＡ弁シート２９と当接することで、弁閉状態となる。

ホルダ２６の上端側には、第２ステム３０の最下限位置を限定するストッパ３１が配設されている。
第２ステム３０は上端外周にストッパ当接部３０ａを備えており、弁閉スプリング１９の弾性力によって第１ステム２１が弁閉方向に下降し、下降した第１ステム２１に押し下げられた第２ステム３０は、ストッパ当接部３０ａがストッパ３１に当接する。ストッパ当接部３０ａがストッパ３１に当接することで、第２ステム３０の下限位置が限定され、ストッパ当接部３０ａがストッパ３１に当接した位置から押し下げられることがないため、第２ステム３０によって押圧されて弾性変形するメタルダイアフラム２７がＰＦＡ弁シート２９を押圧する力を制限することができ、ＰＦＡ弁シート２９のクリープによる塑性変形を防止することができる。

ストッパ３１についてより詳しく説明すると、ストッパ３１の材質には、３００℃のプロセスガスに耐えられるよう耐熱性と耐食性に優れた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）を採用する。また、例えばＰＦＡ弁シート２９の厚みｔ_１が３ｍｍであれば、ストッパ３１の厚みｔ_２はＰＦＡ弁シート２９の厚みよりも３０％以上大きい３．９ｍｍ以上とすることが望ましい。
ＰＦＡ弁シート２９の厚みｔ_１が３ｍｍであり、ストッパ３１の厚みｔ_２が３．９ｍｍであるときの熱膨張による寸法変化量は、下記数１により算出することができる。すなわち、「線膨張係数」にＰＦＡの線膨張係数である１２×１０^－５／℃を、部品寸法にＰＦＡ弁シート２９の厚みｔ_１３ｍｍまたはストッパ３１の厚みｔ_２３．９ｍｍを、温度変化量にプロセスガス温度３００℃から常温２３℃を減じた２７７℃をそれぞれ代入する。すると、ストッパ３１の熱膨張による寸法変化量Δｔ_ｂは、０．１３ｍｍとなり、ＰＦＡ弁シート２９の熱膨張による寸法変化量Δｔ_ａは、０．１０ｍｍとなる。つまり、流体制御弁１の温度を３００℃から常温２３℃まで低下させた場合、ＰＦＡ弁シート２９の収縮量よりもストッパ３１の収縮量の方が大きくなる（図３参照）。

（数１）
寸法変化量＝線膨張係数 × 部品寸法 × 温度変化量

半導体製造工程の成膜技術においては、流体制御弁１に供給されるプロセスガスの温度を確実に３００℃以上にするために、バルブ全体を３００℃の恒温槽に収納する。半導体製造装置のメンテナンスを行うためには、バルブ等を手で触れることが可能なように恒温槽の内部温度を常温まで低下させる必要がある。
恒温槽の内部温度を常温まで低下させた場合でも、上記の通りＰＦＡ弁シート２９の収縮量よりもストッパ３１の収縮量の方が大きい。つまり、第２ステム３０がストッパ３１に当接する位置、すなわち最下限位置が、ストッパ３１の収縮量分だけ下がることとなり、その最下限位置の下がる量がＰＦＡ弁シート２９の収縮量よりも大きい。従って、第２ステム３０がストッパ３１に当接する位置、すなわち最下限位置が、ストッパ３１の収縮量分だけ下がることとなり、その最下限位置の下がる量がＰＦＡ弁シート２９の収縮量よりも大きいため、第２ステム３０によってメタルダイアフラム２７を押圧すれば、メタルダイアフラム２７は確実にＰＦＡ弁シート２９に当接され、ガス漏れが発生することがない。

また、ＰＦＡ弁シート２９とストッパ３１の収縮後にメタルダイアフラム２７が確実にＰＦＡ弁シート２９に当接されることで、流体制御弁１の継手のガス漏れ確認評価を行うことができないという問題が解消される。つまり、継手のガス漏れ確認評価は、弁閉状態で継手に窒素ガスを供給し、圧力変化の有無を確認することで行われるが、ＰＦＡ弁シート２９とストッパ３１の収縮後にメタルダイアフラム２７とＰＦＡ弁シート２９との間に隙間が生じると、弁閉することができないために圧力変化が生じ、継手のガス漏れ確認を行うことができない。しかし、ＰＦＡ弁シート２９とストッパ３１の収縮後にメタルダイアフラム２７が確実にＰＦＡ弁シート２９に当接されることで、確実に弁閉され、継手のガス漏れ確認を行うことが可能となる。

さらにまた、第１ステム２１による押圧力の偏りを完全になくすことが困難であるがゆえにメタルダイアフラム２７でＰＦＡ弁シート２９の全周を完全に均等に押圧することは困難である点、ＰＦＡ弁シート２９を均等に押圧することが困難であるがゆえにＰＦＡ弁シート２９のクリープによる塑性変形が均一でないおそれがある点、流体制御弁１を構成する各部品の公差が累積する点を考慮すると、ストッパ３１の厚みがＰＦＡ弁シート２９の厚みより大きくても、その差異が微少であると、流体制御弁１の温度が低下し、ストッパ３１とＰＦＡ弁シート２９が収縮したときに、メタルダイアフラム２７とＰＦＡ弁シート２９との間に隙間が生じるおそれがある。しかし、ストッパ３１の厚みを、ＰＦＡ弁シート２９の厚みより３０％以上大きくしておけば、ＰＦＡ弁シート２９とストッパ３１の収縮後にメタルダイアフラム２７が確実にＰＦＡ弁シート２９に当接され、ガス漏れを防止することができる。

なお、ストッパ３１の厚みが熱膨張により厚くなると、第２ステム３０の下限位置が、熱膨張により厚くなった分だけ上昇する。第２ステム３０の下限位置が上昇した状態であっても、メタルダイアフラム２７とＰＦＡ弁シート２９が確実に当接されるよう、ストッパ３１とＰＦＡ弁シート２９の寸法関係を考慮する必要がある。
また、ストッパ３１のクリープによる塑性変形を防ぐため、ストッパ当接部３０ａとストッパ３１の当接面の面積は、弁閉スプリング１９の弾性力により下降する第１ステム２１による荷重が分散するように可能な限り大きくすることが望ましい。

次に、流体制御弁１の動作について説明する。
図１の流体制御弁１は、弁閉状態にある。第１ステム２１は、弁閉スプリング１９の弾性力によって弁閉方向に付勢されており、第２ステム３０を介して、メタルダイアフラム２７を弁閉方向に押圧している。メタルダイアフラム２７は、押圧されていることで弁閉方向に弾性変形し、ＰＦＡ弁シート２９に当接している。

弁閉状態にある流体制御弁１のパイロットポート１２ａに操作エアを送給すると、操作エアが送給孔１５ａおよび挿通孔１５ｂ，１５ｃを介して加圧室１７，１８に供給され、加圧室１７，１８内の圧力が上昇する。加圧室１７，１８内の圧力が上昇することで、上下ピストン１３Ａ，１３Ｂが図１中上方向（弁開方向）に押上げられ、上下ピストン１３Ａ，１３Ｂが押し上げられることで、上下ピストン１３Ａ，１３Ｂと結合されるピストンロッド１５が弁開方向に駆動される。第１ステム２１は、ピストンロッド１５の下端に螺合されているため、ピストンロッド１５が弁開方向に駆動されるのに伴い、弁閉スプリング１９の弾性力に抗して、上昇端位置まで上昇する。第２ステム３０を介して第１ステム２１に押圧され、弁閉方向に弾性変形していたメタルダイアフラム２７は、第１ステム２１が上昇することで弾性変形前の状態に復元する。メタルダイアフラム２７の復元に伴い、第２ステム３０は第１ステム２１を追従するようにして上昇する。メタルダイアフラム２７が変形前状態から復元することで、メタルダイアフラム２７はＰＦＡ弁シート２９と離間し、流体制御弁１は弁開状態となる（図２参照）。流体制御弁１が弁開状態になると、プロセスガスは流入流路２５ｂから弁室２８を通って流出流路２５ｃに供給される。

一方、弁開状態にある流体制御弁１は、パイロットポート１２ａへの操作エアの送給が停止されると、操作エアによる上下ピストン１３Ａ，１３Ｂを押し上げようとする力が働かなくなり、弁閉スプリング１９がスプリングリテーナ２２と第１ステム２１によって圧縮されていたことにより生じる弾性力によって、第１ステム２１は弁閉方向に下降する。第１ステム２１は、下降するとともに、第２ステム３０を、ストッパ当接部３０ａがストッパ３１に当接する最下限位置まで押し下げる。押し下げられた第２ステム３０は、メタルダイアフラム２７を押圧し、押圧されたメタルダイアフラム２７は弁閉方向に弾性変形する。メタルダイアフラム２７が弁閉方向に弾性変形することで、メタルダイアフラム２７はＰＦＡ弁シート２９と当接し、流体制御弁１は弁閉状態となる。メタルダイアフラム２７が弁閉すると、プロセスガスの流出流路２５ｃへの供給が停止される。

以上説明したように、本実施形態の流体制御弁１によれば、
（１、３）ストッパ３１により下限位置が限定される第２ステム３０により押圧されるメタルダイアフラム２７を、ＰＦＡ弁シート２９に当接させることにより、高温ガスの流れを遮断する流体制御弁１において、ストッパ３１としてＰＦＡ板が用いられること、ストッパ３１の厚みが、ＰＦＡ弁シート２９の厚みよりも大きいこと、温度が、３００℃以上から常温まで低下されたときに、ストッパ３１の収縮長さが、ＰＦＡ弁シート２９の収縮長さより大きいこと、を特徴とするので、ストッパ３１として従来の金属よりも線膨張係数が大きいＰＦＡ板を用いることで、ストッパ３１はＰＦＡ弁シート２９と同一の線膨張係数を有することとなる。そして、ストッパ３１の厚みを、ＰＦＡ弁シート２９よりも大きくすることで、ストッパ３１の熱膨張による寸法変化量が、ＰＦＡ弁シート２９の熱膨張による寸法変化量よりも大きくなる。ストッパ３１の熱膨張による寸法変化量が、ＰＦＡ弁シート２９の熱膨張による寸法変化量よりも大きくなるに伴い、メンテナンスを行うに当たって流体制御弁の温度を低下させた時に、ストッパ３１の収縮量がＰＦＡ弁シート２９の収縮量よりも大きくなる。つまり、第２ステム３０がストッパ３１に当接する位置、すなわち最下限位置が、ストッパ３１の収縮量分だけ下がることとなり、その最下限位置の下がる量がＰＦＡ弁シート２９の収縮量よりも大きいため、第２ステム３０によってメタルダイアフラム２７を押圧すれば、メタルダイアフラム２７は確実にＰＦＡ弁シート２９に当接され、ガス漏れが発生することがない。

例えばＰＦＡ弁シート２９の厚みを３ｍｍとしたとき、ストッパ３１の厚みを４ｍｍとすれば、３００℃雰囲気下におけるＰＦＡ弁シート２９の熱膨張による寸法変化量は０．１０ｍｍ、ストッパ３１の熱膨張による寸法変化量は、０．１３ｍｍとなる。したがって、メンテナンスを行うに当たって流体制御弁１の温度を３００℃から常温まで低下させた時のストッパ３１の収縮量０．１３ｍｍ分だけ、第２ステム３０の最下限位置が下がり、その最下限位置の下がる量が、ＰＦＡ弁シート２９の収縮量０．１０ｍｍよりも大きいため、メタルダイアフラム２７は確実にＰＦＡ弁シート２９に当接され、ガス漏れが発生することがない。
ＰＦＡ弁シート２９とストッパ３１の収縮後にメタルダイアフラム２７が確実にＰＦＡ弁シート２９に当接されることで、流体制御弁１の継手のガス漏れ確認評価を行うことができないという問題が解消される。つまり、継手のガス漏れ確認評価は、弁閉状態で継手に窒素ガスを供給し、圧力変化の有無を確認することで行われるが、ＰＦＡ弁シート２９とストッパ３１の収縮後にメタルダイアフラム２７とＰＦＡ弁シート２９との間に隙間が生じると、弁閉することができないために圧力変化が生じ、継手のガス漏れ確認を行うことができない。しかし、ＰＦＡ弁シート２９とストッパ３１の収縮後にメタルダイアフラム２７が確実にＰＦＡ弁シート２９に当接されることで、確実に弁閉され、継手のガス漏れ確認を行うことが可能となる。

（２）ストッパ３１により下限位置が限定される第２ステム３０により押圧されるメタルダイアフラム２７を、ＰＦＡ弁シート２９に当接させることにより、高温ガスの流れを遮断する流体制御弁１において、ストッパ３１としてＰＦＡ板が用いられること、ストッパ３１の厚みが、ＰＦＡ弁シート２９の厚みよりも大きいこと、ストッパ３１の厚みが、ＰＦＡ弁シート２９の厚みより３０％以上大きいこと、を特徴とするので、下記のような問題点を考慮した場合でも、ストッパ３１の厚みを、ＰＦＡ弁シート２９の厚みより３０％以上大きくすることで、ストッパ３１とＰＦＡ弁シート２９の熱膨張前後において、メタルダイアフラム２７は確実にＰＦＡ弁シート２９に確実に当接され、ガス漏れを防ぐことができる。
問題点とはすなわち、第１ステム２１による押圧力の偏りを完全になくすことが困難であるがゆえにメタルダイアフラム２７でＰＦＡ弁シート２９の全周を完全に均等に押圧することは困難である点、ＰＦＡ弁シート２９を均等に押圧することが困難であるがゆえにＰＦＡ弁シート２９のクリープによる塑性変形が均一でないおそれがある点、また、流体制御弁１を構成する各部品の公差が累積する点、である。これら問題点のために、ストッパ３１の厚みがＰＦＡ弁シート２９より大きくても、その差異が微少であると、流体制御弁１の温度が低下し、ストッパ３１とＰＦＡ弁シート２９が収縮したときに、メタルダイアフラム２７とＰＦＡ弁シート２９との間に隙間が生じるおそれがある。ストッパ３１の厚みを、ＰＦＡ弁シート２９の厚みより３０％以上大きくしておけば、確実にガス漏れを防止することができる。

なお、本実施形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な改良、変形が可能である。
例えば、本流体制御弁１を半導体製造工程の成膜技術内に用いるものと例示しているが、化学産業にも適用することが可能である。

１流体制御弁
２７メタルダイアフラム
２９ＰＦＡ弁シート
３０第２ステム
３１ストッパ

Claims

ストッパにより下限位置が限定されるステムにより押圧されるメタルダイアフラムを、ＰＦＡ弁シートに当接させることにより、高温ガスの流れを遮断する流体制御弁において、
前記ストッパとしてＰＦＡ板が用いられること、
前記ＰＦＡ板の厚みが、前記ＰＦＡ弁シートの厚みよりも大きいこと、
を特徴とする流体制御弁。
請求項１に記載の流体制御弁において、
前記ＰＦＡ板の厚みが、前記ＰＦＡ弁シートの厚みより３０％以上大きいこと、
を特徴とする流体制御弁。
請求項１または請求項２に記載の流体制御弁において、
温度が、３００℃以上から常温まで低下されたときに、前記ＰＦＡ板の、前記流体制御弁の開閉方向の収縮長さが、前記ＰＦＡ弁シートの、前記開閉方向の収縮長さより大きいこと、
を特徴とする流体制御弁。