JP7158006B2 - バルブ - Google Patents

Description

この発明は、流体を制御するバルブに関する。

特許文献１には、流路を有するバルブボディと、バルブボディに設けられた弁座と上下動により当接離間して前記流路を開閉する弁体と、弁体を上下動させるアクチュエータとを備えたバルブ（制御弁）が開示されている。

特許文献１に記載の制御弁は、アクチュエータと弁体とをつなぐ長いステムがあるのが特徴で、ステムは流体の流れと垂直方向に移動して流体が流れる流量をコントロールしている。

また、特許文献１に記載の制御弁では、流体がステムの軸方向に漏れないようにグランドパッキンやＯリングによってシールしている。ステムは金属製であり、グランドパッキンやＯリングは樹脂が一般的に用いられる。

特開２０１８－９６４７３号公報

特許文献１に記載の制御弁は、ステムが直線運動をし、グランドパッキンやＯリングと絶えず擦れあうため摩耗が起こりやすいという問題がある。この摩耗によって、グランドパッキンやＯリングのシール性が低下して流体が漏れやすくなる。この流体の漏れを防止するために、ステムとグランドパッキンやＯリングとの間にグリースなどの潤滑油を塗り、摩擦係数を低下させることが一般的に行われる。

しかしながら、半導体製造などに用いられる制御弁においては、流す流体の高純度性が求められ、ステムとグランドパッキンやＯリングとの間に塗られたグリースなどの潤滑油が揮発または流体と接触して流体を汚染するという問題がある。

半導体製造などに用いられる制御弁では、ステムとグランドパッキンやＯリングとの間に塗られたグリースなどの潤滑油を塗ることができないため、シール性を確保するため、Ｏリングの数を増やして対応するというのが現実的な対策であり、これによってシール性が確保できたとしてもグランドパッキンやＯリングの寿命は短く、シーリング材の交換保守において、大変な費用と手間がかかるという問題がある。

この発明の目的は、ステム軸方向のシール性を確保するための潤滑剤を使用しないバルブを提供することである。

本発明（１）は、流路を有するバルブボディと、前記バルブボディに設けられた弁座と当接離間して前記流路を開閉する弁体と、前記弁体を移動させるアクチュエータと、前記アクチュエータと前記弁体を連結するステムと、前記ステムをシールするグランドパッキンと、を備えるバルブであって、前記ステムの外周面には、ニッケルにフッ素含有微粒子を共析させた皮膜がコートされていることを特徴とするバルブである。

本発明（１）は、ステムの外周面にニッケルにフッ素含有微粒子を共析させた皮膜がコートされているので、ステムとグランドパッキン等の樹脂製部材との間の摩擦係数が下がり、グリース等の潤滑剤を塗らなくともシール性が確保され、かつ、摩耗粉等が発生しにくく、グランドパッキン等の樹脂製部材の寿命を長くすることができる。用いられうるフッ素系高分子化合物は、炭化水素基の水素原子の全部又は一部がフッ素原子で置換された基、具体的にはパーフルオロアルキル基又はポリフルオロアルキル基を有する高分子化合物である。好適なフッ素系高分子化合物は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）及びテトラフルオロエチレン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）である。

本発明（２）は、前記フッ素含有微粒子は、ＰＴＦＥからなることを特徴とする本発明（１）に記載のバルブである。

フッ素含有微粒子がＰＴＦＥであることによって、ステムとグランドパッキン等の樹脂製部材との間の摩擦係数を大きく下げることができるので、グランドパッキン等の樹脂製部材の寿命をより長くすることができる。ＰＴＦＥは入手が容易であるので好ましい。これらのフッ素系高分子化合物は単独で用いられてもよく、２種以上が併用されてもよい。

本発明（３）は、前記フッ素含有微粒子は、皮膜に対して３０～３５体積％含まれることを特徴とする本発明（１）または（２）に記載のバルブである。

フッ素含有微粒子が、皮膜に対して３０～３５体積％含まれると、ステムとグランドパッキン等の樹脂製部材との間の摩擦係数をさらに大きく下げることができるので好ましい。グランドパッキン等の樹脂製部材の寿命をさらにより長くすることができるのでさらにより好ましい。

この発明のバルブによると、ステムとグランドパッキン等の樹脂製部材との間にグリース等の潤滑剤を塗る必要がなくシール性を確保でき、かつ、グランドパッキン等の樹脂製部材の長寿命化を図ることができる。

この発明によるバルブの１実施形態を示す一部縦断面図を示す。 図１の下部を拡大した一部縦断面図であり、ステム側面に皮膜がコートされている状態を示す。 従来の禁油仕様のバルブのシール構造を示す一部縦断面図である。

以下の説明において、上下および左右は図の上下および左右をいうものとする。この上下左右は、便宜的なもので、制御器の設置に際しては、上下が逆になったり、上下が水平になったりすることがある。同様に、左右についても逆になったりすることがある。

図１に示すように、バルブ１は、流路を有するバルブボディ２と、バルブボディ２の流路を上下動により開閉する弁体３と、弁体３を上下動させるアクチュエータ４とを備えている。さらに、バルブボディ２の上部に接続されるボンネット６と、ボンネット６とアクチュエータ４とを接続するヨーク７とを備えている。アクチュエータ４には、アクチュエータ４の動作により上下動するシャフト４１が設けられている。シャフト４１と弁体３とはステム５によって連結されている。

バルブボディ２は、ボンネット６を収容する凹所が設けられ、ボンネット固定ナット２６によってボンネット６を固定している。バルブボディ２とボンネット６との間にはガスケットが介され、流体の外部への漏洩を防ぐようになされている。なお、本実施例においてボンネットはバルブボディとは別部材であるが、ボンネットとバルブボディが一体に成形されているものでもよい。

バルブボディ２には、流体が流入する流入口２１、流入口２１から弁体３へ流体を導く流入通路２３、弁体３と当接する弁座２５、流体を流し出す通路である流出通路２４および流体をバルブボディ２外部へ流出させる出口となる流出口２２が備えられている。

ボンネット固定ナット２６は内周面に雌ねじが形成されており、バルブボディ２の上部外周面に形成された雄ねじと螺合することによって、ボンネット６とバルブボディ２は固定される。このボンネット６内にステム５が挿通される。

ヨーク７は、正面視においては図１に示す如く四角形の枠状を呈しており、これによってアクチュエータがボンネットに支持されている。アクチュエータ４とヨーク７との連結はねじ手段等でなされる。ヨーク７とボンネット６との連結はねじ手段等でなされ、さらにロックナット６８を用いてしっかりと固定されている。

アクチュエータ４とヨーク７との連結及びヨーク７とボンネット６との連結はねじ手段等でなされる。ステム５に設けられたインジケータ５１と、ヨーク７に取り付けられたインジケータスケール７１とからバルブの開度を確認することができる。ステム５は、アクチュエータ４のシャフト４１と連結されている。

図２は、図１のバルブ１の下部を拡大した図である。ボンネット６のステム挿通孔６９には円筒状のＯリングホルダー６３がステム５とボンネットの間に介装されている。Ｏリング６６はＯリングホルダー６３の内周上部、内周下部、外周中央部に設けられた凹所にそれぞれ保持され、内周側に保持されたＯリング６６についてはバックアップ体６７と共に保持されている。このＯリング６６によってボンネット６の内面とステム５の外面との隙間からの流体の漏洩を防ぐようになっている。

Ｏリングホルダー６３の下方にはグランドパッキン６１がステム５とボンネット６の間に介装されている。グランドパッキン６１は、例えばＰＦＡ、ＰＴＦＥ等の硬質合成樹脂から形成されており、Ｏリング６６と共にボンネット６の内面とステム５の外面との隙間からの流体の漏洩を防ぐ。

グランドパッキン６１の上下部には、仕切りとなるハメワ６２が介装されている。ステム挿通孔６９の下部は、径が小さくなっており、ハメワ６２はそこで固定される。

ボンネット６の上部内面には、Ｏリングホルダー６３の上面に当接するようにパッキン押さえ６４が設けられており、グランドナット６５の締め付けによりグランドパッキン６１はパッキン押さえ６４から押圧力がかかり、拡径することにより流体の漏洩を防いでいる。

ステム５はステンレス等の金属材料で形成されており、外側面に、ニッケルにフッ素含有微粒子を共析させた皮膜がコートされている。ステム５の側面においてドットが描かれている部分が、皮膜がコートされている場所である。フッ素含有微粒子は、粒子径０．３～１．０μｍのＰＴＦＥからなり、皮膜に対して３０～３５体積％含まれている。

この皮膜があることによって、ステム５とグランドパッキン６１との間の摩擦係数及びステム５とＯリング６６との間の摩擦係数は大きく下がり、グランドパッキン６１とＯリング６６の摩耗は、皮膜がないときに比べて摩耗が大きく減少する。

図２の実施例において、ステム５への皮膜の形成は以下のようにして行った。界面活性剤によってＰＴＦＥが分散させられたニッケル－リンメッキ浴が用いられて、ステム表面に無電解メッキによって皮膜が形成される。メッキ浴には、還元剤としての次亜リン酸塩と錯化剤とが添加した。メッキ浴の浴温は８８℃以上９２℃以下が好ましく、９０℃以上９１℃以下が特に好ましい。浴比は０．５ｄｍ２／Ｌ以上１．５ｄｍ２／Ｌ以下が好ましく、０．７ｄｍ２／Ｌ以上０．９ｄｍ２／Ｌ以下が特に好ましい。ニッケル濃度は４．６ｇ／Ｌ以上５．１ｇ／Ｌ以下が好ましく、４．９ｇ／Ｌ以上５．０ｇ／Ｌ以下が特に好ましい。ｐＨは４．８以上５．２以下が好ましく、４．９以上５．１以下が特に好ましい。

図３は、ステム５に皮膜が形成されていない禁油仕様で使用されるバルブである。ステム５とグランドパッキン６１等の間の摩擦係数が高いため摩耗しやすく、流体の漏れが起こりやすい。そのために、グランドパッキン６１の上下にＯリングホルダー６３が設けられ、下側のＯリングホルダー６３には２個のＯリング６６が、上側のＯリングホルダー６３にも２個のＯリング６６が設けられている。

[評価試験]
図２に示す実施例のバルブと図３に示す比較例のバルブの耐久性試験を行った。試験では、バルブ内部を高圧窒素で満たした状態で全閉から全開へ弁体３を移動させ、その後、全開から全閉へ弁体３を移動させる動きを１サイクルとして、連続して１万回の開閉を行った。１万回の開閉の後に流体の漏れが生じていないかの確認を行った。

漏れが生じていないかの確認は、漏洩検査液（商品名「ファインバブル漏洩検査液」株式会社フジキン製）を用いて行った。ファインバブル漏洩検査液をステム５とパッキン押さえ６４との間にかけ、泡が生じないか確認して行った。漏れが生じていると、ファインバブル漏洩検査液をかけた箇所から泡が生じるので容易に判別できる。

実施例では、３９万回までは漏れは生じなかった。４０万回経過で初めて漏れが生じた。これに対して比較例では、１０万回で漏れを生じた。この試験結果は、ステムの外周面に、ニッケルにフッ素含有微粒子を共析させた皮膜がコートを付与することによって、耐久性が約４倍になることを示している。

１：バルブ
２：バルブボディ
３：弁体
４：アクチュエータ
５：ステム
６：ボンネット
７：ヨーク
２１：流入口
２２：流出口
２３：流入通路
２４：流出通路
２５：弁座
２６：ボンネット固定ナット
４１：シャフト
５１：インジケータ
６１：グランドパッキン
６２：ハメワ
６３：Ｏリングホルダー
６４：パッキン押えねじ
６５：グランドナット
６６：Ｏリング
６７：バックアップ体
６８：ロックナット
６９：ステム挿通孔
７１：インジケータスケール

Claims (4)

1. 流路を有するバルブボディと、
   前記バルブボディに設けられた弁座と当接離間して前記流路を開閉する弁体と、
   前記弁体を移動させるアクチュエータと、
   前記バルブボディに接続され、前記アクチュエータを支持するボンネットと、
   前記アクチュエータと前記弁体を連結するステムと、
   前記ステムの外周面と前記ボンネット内周面との間に介装されるグランドパッキンと、を備えるバルブであって、
   前記ステムの外周面には、ニッケルにフッ素含有微粒子を共析させた皮膜がコートされていることを特徴とするバルブ。
2. 前記ステムの外周面、及び、前記ボンネットの内周面との間にOリングを備えるOリングホルダーが介装されている請求項１に記載のバルブ。
3. 前記フッ素含有微粒子は、ポリテトラフルオロエチレンからなることを特徴とする請求項１または２に記載のバルブ。
4. 前記フッ素含有微粒子は、皮膜に対して３０～３５体積％含まれることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のバルブ

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