JPH07317926A

JPH07317926A - ダイアフラムシール弁及びその金属ダイアフラム

Info

Publication number: JPH07317926A
Application number: JP11508094A
Authority: JP
Inventors: Takekazu Fukaya; 剛千深谷; Toshihiko Tsujimura; 寿彦辻村
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1994-05-27
Filing date: 1994-05-27
Publication date: 1995-12-08

Abstract

(57)【要約】【目的】従来の金属ダイアフラム材よりも高い弾性を
持つて耐疲労強度と耐かじり付き性及び耐食性に優れた
ダイアフラムシール弁を提供する。【構成】中央部が負荷手段側に膨出した薄板の金属ダ
イアフラムの周縁を密封的に挟持すると共に弁座に対向
して配置し、前記金属ダイアフラムの中央部を弁座方向
に変位させる負荷手段を金属ダイアフラムに対して弁座
とは反対側に設け、前記負荷手段の印加によって金属ダ
イヤフラムを弁座に当接させ、負荷手段の解除によって
金属ダイアフラムを原形状に自己復帰させて弁の開閉を
行うダイアフラムシール弁において、前記金属ダイアフ
ラムは、重量％でＮｉ30〜35％、Ｃｒ17〜23％、Ｍｏ8
〜12％、残部Ｃｏおよび不純物からなるコバルト基合金
またはニッケルーコバルト合金からなるダイアフラムシ
ール弁である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造装置などに
用いられる金属製ダイアフラム（以下単にダイアフラム
ということがある。）を用いたダイアフラムシール弁及
びその金属ダイアフラムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属ダイアフラムを用いた弁とし
ては、ニッケルーチタン合金からなる平板状のダイアフ
ラムを用い、このダイアフラムが持つ疑弾性特性を利用
して弁座を直接開閉するダイアフラムシール弁（特開昭
61-244976号参照）がある。また、ステンレス鋼からな
る部分球殻形状に膨らんだ金属ダイアフラムを用い、こ
のダイアフラムが持つ飛び移り特性を利用して弁座を直
接開閉するダイアフラムシール弁（特公平4-54104号参
照）がある。

【０００３】ところで、半導体製造プロセスで使用され
るプロセスガスは多種多様にわたってきており、これら
のガスの中には、Ｃｌ2、ＣｌＦ3、ＨＣｌ等腐食性が非
常に強いハロゲン系ガスがある。よって、接ガス面とな
る金属ダイアフラムには高い耐食性が要求される。

【０００４】また、このダイアフラムシール弁はガスを
流すか、止めるかする開閉弁であるから開閉頻度が多く
（耐久寿命は100万回以上必要とされる。）、その都度
ダイアフラムには繰り返し荷重が働く。図２及び図３
は、閉弁時に金属ダイアフラムの上面また下面それぞれ
に発生する応力分布をシミュレーションした結果を示し
ている。図２は、ダイアフラム上面の応力分布で、中央
部に大きな圧縮応力が働き、弁座より外方は周縁に向か
って逆に引張り応力が代わって作用している。一方図３
は、このときのダイアフラム下面の応力分布で、中央部
に大きな引張り応力が働き、弁座より外方は周縁に向か
って逆に圧縮応力が代わって作用している。このように
ダイアフラムの中央部には最大応力が発生し、また中央
部と周辺部とそれぞれの面で圧縮と引張りが交互に作用
している。このような繰り返し応力を受ける金属ダイア
フラムであるから高い耐疲労強度が要求される。

【０００５】また、この金属ダイアフラムは通常２〜５
枚重ねて使用しているから、上記のように開閉が繰り返
される度にダイアフラム間で摩擦が生じており、耐かじ
り付き性も要求される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来技術の
うち前者のものでは、疑弾性特性を利用するとはいえ平
板状の金属ダイアフラムであるから負荷手段の押圧に対
しては無理な変形がともない特に周縁部には応力が集中
する。しかも高弾性材でもないから負荷を解除したとき
の自己復帰がし難く、繰り返し荷重を受けると比較的短
時間で疲労破壊を起こすという問題がある。

【０００７】一方、後者のものは、球殻状の金属ダイア
フラムとしているから負荷手段の押圧に対しては変形を
逃がす余裕があり、構造的には前者に比べて改善されて
はいるが、繰り返しによる疲労に対しては未だ強度が不
足する。しかも、ステンレス鋼であるからハロゲン系ガ
スに対する耐食性は不十分である。また摩擦によってダ
イアフラム同士がかじり付き易く耐かじり付き性に問題
がある。この為、ダイアフラムの間に潤滑油を塗布した
り、金メッキ層を介在させるなどの手段が取られること
があり、余分な手間とコストアップの要因となってい
る。

【０００８】本発明は、従来の金属ダイアフラム材より
も高い弾性を持つて耐疲労強度と耐かじり付き性及び耐
食性に優れた金属ダイアフラムを、またこの金属ダイア
フラムを用いて使用できるガス種の範囲が広く、高い信
頼性と耐久性を持ったダイアフラムシール弁を提供する
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、中央部が負荷
手段側に膨出した薄板の金属ダイアフラムの周縁を密封
的に挟持すると共に弁座に対向して配置し、前記金属ダ
イアフラムの中央部を弁座方向に変位させる負荷手段を
金属ダイアフラムに対して弁座とは反対側に設け、前記
負荷手段の印加によって金属ダイヤフラムを弁座に当接
させ、負荷手段の解除によって金属ダイアフラムを原形
状に自己復帰させて弁の開閉を行うダイアフラムシール
弁において、前記金属ダイアフラムは、重量％でＮｉ30
〜35％、Ｃｒ17〜23％、Ｍｏ8〜12％、残部Ｃｏおよび
不純物からなるコバルト基合金またはニッケルーコバル
ト合金からなるダイアフラムシール弁である。

【００１０】また、重量％でＮｉ30〜35％、Ｃｒ17〜23
％、Ｍｏ8〜12％、残部Ｃｏおよび不純物からなるコバ
ルト基合金またはニッケルーコバルト合金からなる薄板
で、少なくとも中央部が膨らんでなる耐食性と耐疲労強
度及び耐かじり付き性に優れたダイアフラムシール弁用
の金属ダイアフラムである。

【００１１】更に上記において、金属ダイアフラムの挟
持部の径をＤ、中央部の膨らみの曲率半径をＲとしたと
き、Ｒ／Ｄ＝２．０〜７．０である金属ダイアフラム及
びこれを用いたダイアフラムシール弁であることが望ま
しい。

【００１２】金属ダイアフラム材は、圧延率90％程度の
加工度でビッカース硬度Ｈｖ500〜550程度でばね特性の
高い薄板材を得る。その後、電解研磨を施し、少なくと
もシール面の表面粗さをＲmax0.4μm以下の鏡面に仕上
げることが望ましい。

【００１３】

【作用】周縁が固定され中央部が膨出したダイアフラム
の荷重−変位特性は、一般に極大と極小を有する三次曲
線を描くことが知られている。ある荷重で大きな変位量
(弁のリフト)を取れることからコンパクトで大流量のダ
イアフラムシール弁を得るのに有利である。ところが、
膨らみを大きく(極率半径を小さく)し過ぎると、負荷に
対する復元力、即ちばね特性が急激に減少し、また周縁
部への応力集中が加速される。これらの結果負荷を解除
しても自己復帰しないようになり弁として機能しなくな
る。一方、膨らみが小さい平板状の金属ダイアフラムの
荷重−変位特性はリニアなものにしかならないので、コ
ンパクトで大流量のダイアフラムシール弁を得ることは
出来ない。以上のことより、ダイヤフラムシール弁に用
いる金属ダイアフラムは膨らみの曲率半径が小さくても
自己復元できるものでなくてはならない。この点で上記
したダイアフラム材は極めて高いばね特性(縦弾性係
数：22,000〜23,000Kgf/mm2)を持った材料とし、しかも
挟持部の径Ｄと膨らみの曲率半径Ｒの比Ｒ／Ｄ値を弁の
リフトをある程度保ちながら三次曲線を描くものとした
ので自己復元が可能で耐久性の高いものとなった。

【００１４】そして、本発明のダイアフラムシール弁
は、特に耐食性と耐疲労強度並びに耐かじり付き性の向
上に留意してなされたもので、以下に組成の限定理由
について述べる。Ｎｉは、耐食性の付与のために30％以
上とし、35％以上添加すると他の元素とのバランスから
耐疲労強度や耐摩耗性が劣化するため30〜35％とする。

【００１５】Ｃｏは、耐疲労強度を高めるのに非常に有
効な元素であるが、あまり量が多くなると成形性を悪く
するので、38〜44％とした。

【００１６】Ｃｒは、耐食性を高めると同時に耐摩耗
性、耐かじり付き性を高めるのに有効であるが、多過ぎ
る場合は、時効処理硬さが低下し、また成形性を劣化さ
せるので17〜23％とする。

【００１７】Ｍｏは、強靭性を与え時効の際にも有効な
作用をなすが、特に半導体製造用に用いられるハロゲン
系ガス及びその水溶液に対する耐食性を向上させ、腐食
生成物の生成を抑制するのに非常に有効な元素である。
また、電解研磨を行う場合には、電解研磨によるエッチ
ピットの発生を抑制するのに有効である。8％より少な
いと十分な耐孔食性が得られず、一方12％を越えて添加
するとフェライト層が生じ易くなり耐食性が劣化するこ
とから8〜12％とした。

【００１８】この金属ダイアフラムは時効処理前のもの
を用いるが、析出硬化を狙う場合はＮｂを0.6〜1.4％ま
たＴｉを0.3〜0.8％程度添加すると良い。また、Ｆｅが
2.0％、Ｃが0.05％以下、Ｍｎが0.05％以下程度の不純
物として含まれることがある。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照しなが
ら説明する。図１は空圧作動式のダイアフラムシ−ル弁
の全閉状態を示す縦断面図である。１はダイアフラムシ
−ル弁の弁箱で、ここでは耐食性のあるステンレス材例
えばSUS 316Lから形成されている。これに代えて更に耐
食性のあるニッケル基合金（ハステロイ等）から形成し
てもよい。左側に逆Ｌ字状に形成された流入流路２、右
側にＬ字状に形成された流出流路３がそれぞれ形成さ
れ、これらの流路は上部の開口部11で互いに連通されて
いる。即ち、開口部11の中央部には流入流路２から立ち
上がった開口孔があり、その上面はそのまま凸状に鏡面
仕上げして弁座４となしている。しかし、一般的には比
較的軟質で耐食性能を兼ね備えた樹脂シート材をかしめ
手段等により装着するようにしても良い。また、上記流
入流路２、流出流路３及び開口部11等の接ガス面は電解
研磨加工などによってＲmax0.4μｍ以下の鏡面仕上げが
施されている。

【００２０】弁箱１の開口部11の周縁に段差面を形成
し、ここに後述する金属ダイアフラム５の周縁部を載置
し、ダイアフラム押え６を介してふた７を弁箱１に対し
螺合することにより、金属ダイアフラム５の周縁部を弁
箱１に密封的に挾持する。これによって接ガス部と、負
荷手段部分とを区画し、前記弁座41と金属ダイアフラム
５の下面が直接圧接して漏れ止めシールが達成される。

【００２１】一方、負荷手段10は、ふた７の上端にシリ
ンダふた15が取り付けられ、ピストン９と弁棒８は止め
輪等を介して一体化されている。常時はばね13によって
弁棒８を下方に押しやって閉弁状態としている。開弁す
るときは、上部のエア導出入口からエアを導入し弁棒に
形成した貫通孔を介してシリンダ９下方の下部室16にエ
アを封入し、この力でばね13に抗してシリンダ９と弁棒
８を押し上げて開弁するものである。また弁棒８の先端
には滑らかな曲面を有する押えコマ12が置かれている。
尚、弁棒と押さえコマの間にボールを介在させて求心効
果を高めるような構成としても良い。また押さえコマの
下端面とメタルダイアフラム５との間に軟質材等を介在
させてなじみ性を改善させてもよい。更に、弁棒は手動
や磁力による力を利用して自由に昇降させるようにする
こともできる。

【００２２】このように、エア導出入口14からエアを導
入することによって弁棒８が上昇し、逆にエアを排出す
ることによって下降し、よって金属ダイアフラム５の中
央部が弁座４に接離して弁が開閉されるようになってい
る。すなわち、弁棒８を下降させると押えコマ12の曲面
状の最下端面は金属ダイアフラム５を押圧し、金属ダイ
アフラム５は弾性変形し中央部は下方に移動するが、こ
こで金属ダイアフラムの弾性変形の範囲内で中央部が弁
座４に圧接して弁が閉状態となるように金属ダイアフラ
ムと弁座との間隔すなわちリフトを定めておく。そし
て、この後弁棒８を上昇させると金属ダイアフラム５は
弁棒８に追従して上昇し、元の形状に自己の力で弾性復
起するようにする。即ち金属ダイアフラムを弾性変形範
囲内で変形させて弁を開閉するようにする。

【００２３】次に、金属ダイアフラム５は、表１の組成
からなり、その機械的、物理的特性の一部を表２に示
す。この金属ダイアフラムは、ニッケル−コバルト基合
金で高いばね特性を有し、しかも硬度も高いので、上述
したような腐蝕性雰囲気で繰り返し自己復帰動作を必要
とされるダイアフラムシール弁に適している。尚、成形
は圧延率90％の冷間加工によって得た0.1mm程度の薄板
材を、挟持部の径Ｄ=18mm、中央部の曲率半径Ｒ=69mm、
R/D＝3.8で成形したが、この時の成形性は良好であっ
た。また、本実施例の金属ダイアフラムは平な周縁部が
あるが、挟持部の径Ｄとは、平らな部分を除いた膨らみ
の起点の径をさしている。これが平な部分がなく直接球
殻を挟む場合はその挟んだところの径を挟持部の径とす
る。この金属ダイアフラムは時効処理を行なわなくとも
ビッカース硬さＨv＝500〜550程度あるのでこのまま使
用しても充分耐久性はある。尚、電解研磨（バフ研磨や
電解複合研磨でも良い。）は少なくとも弁座との接触面
の表面あらさＲmax=0.4μmm以上に鏡面仕上げを行って
いる。枚数は３枚を重ねて用いているが、通常２乃至
３枚が用いられ、高圧弁等５枚用いる場合もある。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】（腐食試験）ＪＩＳＧ０５７８に準じて、
塩酸（Ｈｃｌ）、臭酸（ＨＢｒ）による湿式腐食試験を
従来のステンレス鋼と比較して行った。計量は一定時間
ごとに電子天秤にて0.001ｇまで秤量し、腐食度は一定
時間毎の重量減の単位面積あたりの値をg/m2で表した。
その結果を表３に示す。この結果より本発明による金属
ダイアフラムは、従来のステンレス鋼ダイアフラムに比
べ耐食性の良さが確認された。

【００２７】

【表３】

【００２８】（耐久作動試験）上記本発明の金属ダイア
フラムと従来のステンレス鋼ダイアフラムを組み込んだ
図１のダイアフラムシール弁（但し、弁座は樹脂製シー
トを使用）について、通常の弁座漏れ、耐圧漏れ試験を
行った後、繰返し開閉試験を行った。その結果、本発明
のダイアフラムシール弁は、100万回作動後も開閉作動
に異常はなく、弁座漏れリーク量も許容できる範囲内で
あった。分解したダイアフラムを観察しても打痕、亀裂
等の疲労破壊の兆しは全く見られなかった。また、ダイ
アフラム同士のかじり付きも少なく開閉試験を継続でき
る状況であった。一方、従来のダイアフラムシール弁
は、100万回作動後の弁座漏れリーク量は使用に耐えれ
ないほど多かった。ダイアフラムを観察すると、弁座の
外輪に沿って亀裂が発生しており、しかもダイアフラム
の全周に渡って間隔をおいて放射状のかじり付き痕が残
されており、これらが原因で多大な漏れが発生していた
と考えられる。

【００３０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、従来の金
属ダイアフラム材よりも高い弾性を持って耐食性と耐疲
労強度及び耐かじり付き性に優れた金属ダイアフラム
を、またこの金属ダイアフラムを用いて摘要範囲が広
く、高い信頼性と耐久性を持ったダイアフラムシール弁
を提供することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すダイアフラムシール
弁の縦断面図。

【図２】ダイアフラム上面に発生する応力分布を示す
図。

【図３】ダイアフラム下面に発生する応力分布を示す
図。

【符号の説明】

１…弁箱２…流入流路３…流出流路４…弁座５…金属ダイアフラム６…ダイアフラム押え７…ふた８…弁棒９…ピストン 10…負荷手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中央部が負荷手段側に膨出した薄板の金
属ダイアフラムの周縁を密封的に挟持すると共に弁座に
対向して配置し、前記金属ダイアフラムの中央部を弁座
方向に変位させる負荷手段を金属ダイアフラムに対して
弁座とは反対側に設け、前記負荷手段の印加によって金
属ダイヤフラムを弁座に当接させ、負荷手段の解除によ
って金属ダイアフラムを原形状に自己復帰させて弁の開
閉を行うダイアフラムシール弁において、前記金属ダイ
アフラムは、重量％でＮｉ30〜35％、Ｃｒ17〜23％、Ｍ
ｏ8〜12％、残部Ｃｏおよび不純物からなるコバルト基
合金またはニッケルーコバルト合金からなることを特徴
とするダイアフラムシール弁。
【請求項２】前記金属ダイアフラムの挟持部の径を
Ｄ、中央部の膨らみの曲率半径をＲとしたとき、Ｒ／Ｄ
＝２．０〜７．０であることを特徴とする請求項１記載
のダイアフラムシール弁
【請求項３】重量％でＮｉ30〜35％、Ｃｒ17〜23％、
Ｍｏ8〜12％、残部Ｃｏおよび不純物からなるコバルト
基合金またはニッケルーコバルト合金からなる薄板で、
少なくとも中央部が膨らんでなる耐食性と耐疲労強度及
び耐かじり付き性に優れたダイアフラムシール弁用の金
属ダイアフラム。
【請求項４】前記金属ダイアフラムの挟持部の径を
Ｄ、中央部の膨らみの曲率半径をＲとしたとき、Ｒ／Ｄ
＝２．０〜７．０であることを特徴とする請求項３記載
のダイアフラムシール弁用の金属ダイアフラム。