KR102366713B1 - 유체 제어 밸브 - Google Patents

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KR102366713B1
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미치오 미야시타
히로유키 무라세
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Abstract

밸브 폐쇄 시에 발생하는 밸브체의 변형에 의한 마모를 억제하고, 파티클의 발생을 저감시킬 수 있는 유체 제어 밸브를 제공하는 것이다.
구동부(3)와, 제1 포트(21a)와 제2 포트(21b)와 밸브 시트(24)를 갖는 밸브 보디(21)와, 기둥 형상으로 형성되고, 구동부(3)에 연결되는 밸브체(4)를 갖는 것, 밸브체(4)가, 밸브 시트측에 위치하는 밸브 시트측 단부면(411a)에 환상으로 돌출되고, 밸브 시트(24)에 압박되어 시일하는 환상 시일부(414a)를 선단부에 설치된 환상 시일 돌기(414)를 갖고, 적어도 환상 시일 돌기(414)가 불소 수지제인 것, 밸브체(4)는, 구동부(3)에 의해 환상 시일부(414a)가 밸브 시트(24)에 압박될 때, 환상 시일부(414a)가 직경 방향으로 변위되는 변위량이 6.175㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.

Description

유체 제어 밸브{FLUID CONTROL VALVE}
본 발명은 유체를 제어하는 유체 제어 밸브에 관한 것이다.
예를 들어, 반도체 제조 장치에서는, 밸브체를 밸브 시트에 접촉 또는 이격시킴으로써 유체를 제어하는 유체 제어 밸브가 사용된다. 이러한 종류의 유체 제어 밸브는, 내부식성을 확보하기 위해, 밸브체나 밸브 시트 등의 접액부가 수지로 형성되어 있다. 약액 중에 파티클이 포함되면, 제품의 수율을 저하시킨다. 그로 인해, 종래의 유체 제어 밸브는, 밸브체가 접촉하는 밸브 시트의 밸브 시트면에, 가열 부재의 평탄한 접촉면을 압박 접촉한 후, 밸브 시트면으로부터 가열 부재를 이격함으로써, 밸브 시트면의 성형 결함을 해소하고, 파티클이 발생하지 않도록 하고 있다(예를 들어 특허문헌 1 참조).
일본 특허 출원 공개 제2011-122718호 공보
종래의 유체 제어 밸브에 있어서의 파티클 대책은, 종래의 반도체 제조에의 영향을 저감시킬 수 있었다. 그러나, 반도체 디바이스는, 매년 미세화되고, 그에 수반하여, 반도체 제조에 영향을 미치는 파티클이 미세화된다. 반도체 디바이스의 미세화가 진행되면, 더욱 미세한 파티클을 줄이는 것이 필요하게 되어 있다. 예를 들어, 시판되고 있는 파티클 카운터로 측정 가능한 20㎚의 파티클이 문제로 되어 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이며, 밸브 폐쇄 시에 발생하는 밸브체의 변형에 의한 마모를 억제하고, 파티클의 발생을 저감시킬 수 있는 유체 제어 밸브를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태는, 다음과 같은 구성을 갖고 있다.
(1) 구동부와, 제1 포트와 제2 포트와 밸브 시트를 갖는 밸브 보디와, 기둥 형상으로 형성되고, 상기 구동부에 연결되는 밸브체를 갖는 것, 상기 밸브체가, 밸브 시트측에 위치하는 밸브 시트측 단부면에 환상으로 돌출되고, 상기 밸브 시트에 압박되어 시일하는 환상 시일부를 선단부에 설치된 환상 시일 돌기를 갖고, 적어도 상기 환상 시일 돌기가 불소 수지제인 것, 상기 밸브체는, 상기 구동부에 의해 상기 환상 시일부가 상기 밸브 시트에 압박될 때, 상기 환상 시일부가 직경 방향으로 변위되는 변위량이 6.175㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 유체 제어 밸브이다.
(2) 구동부와, 제1 포트와 제2 포트와 밸브 시트를 갖는 밸브 보디와, 기둥 형상으로 형성되고, 상기 구동부에 연결되는 밸브체를 갖는 것, 상기 밸브체가, 밸브 시트측에 위치하는 밸브 시트측 단부면에 환상으로 돌출되고, 상기 밸브 시트에 압박되어 시일하는 환상 시일부를 선단부에 설치된 환상 시일 돌기를 갖고, 적어도 상기 환상 시일 돌기가 불소 수지제인 것, 상기 밸브체는, 상기 구동부에 의해 상기 환상 시일부가 상기 밸브 시트에 압박될 때, 상기 환상 시일부가 직경 방향으로 변위되는 변위량이, 상기 밸브 시트에 접촉하고 있지 않을 때의 상기 환상 시일부의 직경에 대해 12.4×10－4배 이하인 것을 특징으로 하는 유체 제어 밸브이다.
여기서, 「밸브 시트에 접촉하고 있지 않을 때의 환상 시일부의 직경」은, 환상 시일부가 편평한 면으로 형성되는 경우에는, 밸브 시트에 접촉하고 있지 않은 환상 시일부의 직경 방향 중심 위치의 직경을 말한다. 또한, 환상 시일부가 R 형상인 경우에는, 밸브 시트에 접촉하고 있지 않은 환상 시일부의 정점 부분의 직경을 말한다.
(3) 구동부와, 제1 포트와 제2 포트와 밸브 시트를 갖는 밸브 보디와, 기둥 형상으로 형성되고, 상기 구동부에 연결되는 밸브체를 갖는 것, 상기 밸브체가, 밸브 시트측에 위치하는 밸브 시트측 단부면에 환상으로 돌출되고, 상기 밸브 시트에 압박되어 시일하는 환상 시일부를 선단부에 설치된 환상 시일 돌기를 갖고, 적어도 상기 환상 시일 돌기가 불소 수지제인 것, 상기 밸브 시트측 단부면의 직경이 상기 밸브 시트에 접촉하고 있지 않을 때의 상기 환상 시일부의 직경의 1.3배 이상인 것을 특징으로 하는 유체 제어 밸브이다.
여기서, 「밸브 시트에 접촉하고 있지 않을 때의 환상 시일부의 직경」은, 환상 시일부가 편평한 면으로 형성되는 경우에는, 밸브 시트에 접촉하고 있지 않은 환상 시일부의 직경 방향 중심 위치의 직경을 말한다. 또한, 환상 시일부가 R 형상인 경우에는, 밸브 시트에 접촉하고 있지 않은 환상 시일부의 정점 부분의 직경을 말한다.
(4) (1) 또는 (2)에 기재된 구성에 있어서, 상기 밸브 시트측 단부면의 직경이, 상기 밸브 시트에 접촉하고 있지 않을 때의 상기 환상 시일부의 직경의 1.3배 이상인 것이 바람직하다.
여기서, 「상기 밸브 시트에 접촉하고 있지 않을 때의 상기 환상 시일부의 직경」은, 환상 시일부가 편평한 면으로 형성되는 경우에는, 밸브 시트에 접촉하고 있지 않은 환상 시일부의 직경 방향 중심 위치의 직경을 말한다. 또한, 환상 시일부가 R 형상인 경우에는, 밸브 시트에 접촉하고 있지 않은 환상 시일부의 정점 부분의 직경을 말한다.
(5) (4)에 기재된 구성에 있어서, 상기 밸브체는, 가장 가느다란 부분의 직경이 상기 환상 시일부의 직경보다 작은 것이 바람직하다.
(6) (5)에 기재된 구성에 있어서, 상기 밸브체는, 상기 환상 시일부의 직경 방향 중심 위치에 있어서의 축선 방향의 두께가, 상기 환상 시일부의 직경에 대해 0.7배 이상인 것이 바람직하다.
(7) (5)에 기재된 구성에 있어서, 상기 밸브체는, 상기 환상 시일 돌기의 내측에 상기 밸브 시트측 단부면으로부터 밸브 시트 방향으로 돌출되는 볼록부를 갖는 것이 바람직하다.
(8) (6)에 기재된 구성에 있어서, 상기 밸브체는, 상기 환상 시일 돌기의 내측에 상기 밸브 시트측 단부면으로부터 밸브 시트 방향으로 돌출되는 볼록부를 갖는 것이 바람직하다.
(9) (7)에 기재된 구성에 있어서, 상기 볼록부는, 상기 밸브 시트측 단부면에 접속하는 기단부의 직경이 상기 밸브체의 가장 가느다란 부분의 직경 이상인 것이 바람직하다.
(10) (8)에 기재된 구성에 있어서, 상기 볼록부는, 상기 밸브 시트측 단부면에 접속하는 기단부의 직경이 상기 밸브체의 가장 가느다란 부분의 직경 이상인 것이 바람직하다.
(11) (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 구성에 있어서, 상기 환상 시일 돌기는, PFA로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
(12) (3)에 기재된 구성에 있어서, 상기 밸브체는, 상기 환상 시일부의 직경 방향 중심 위치에 있어서의 축선 방향의 두께가, 상기 환상 시일부의 직경에 대해 0.7배 이상인 것이 바람직하다.
상기 구성에서는, 구동부가 밸브체의 환상 시일부를 밸브 시트에 접촉시킨 후, 또한 환상 시일부를 밸브 시트에 압박하는 경우에, 환상 시일부가 직경 방향으로 변위되는 변위량이 억제된다. 그 변위량은, 예를 들어 6.175㎛ 이하, 또는, 밸브 시트에 접촉하고 있지 않을 때의 환상 시일부의 직경에 대해 12.4×10－4배 이하로 억제된다. 또한 예를 들어, 환상 시일부가 편평한 경우에는, 그 변위량은, 상기 밸브 시트에 접촉하고 있지 않은 경우에 있어서의 상기 환상 시일부의 폭 치수의 6.18×10－2배 이하로 억제된다. 이와 같이, 환상 시일부의 변위량이 억제되면, 환상 시일부가 밸브 시트에 마찰되어 마모되기 어려워지므로, 반도체 제조에 영향을 미치는 파티클의 발생을 저감시킬 수 있다. 또한, 밸브체의 변형에 의한 마모를 억제함으로써, 밸브 개폐 동작을 반복해도 시일성이 저하되지 않는다. 이에 의해, 유체 제어 밸브의 내구성이 향상된다. 또한, 필요 시일력을 삭감하고, 구동부를 콤팩트하게 할 수 있다.
상기 구성에서는, 밸브 시트측 단부면의 직경이, 밸브 시트에 접촉하고 있지 않을 때의 환상 시일부의 직경의 1.3배 이상이므로, 밸브 시트측 단부면 부근의 강성이 높다. 이에 의해, 밸브체는, 환상 시일부를 밸브 시트에 압박하는 압박 동작 중에, 밸브 시트측 단부면이 변형되기 어렵다. 그로 인해, 환상 시일 돌기는, 압박 동작 중에, 환상 시일부를 직경 방향으로 변위시키도록 변형되기 어렵고, 환상 시일부의 마모를 억제할 수 있다. 따라서, 상기 구성에 따르면, 밸브 폐쇄 시에 발생하는 밸브체의 변형에 의한 마모를 억제함으로써, 파티클의 발생을 저감시킬 수 있다.
상기 구성에서는, 밸브체의 가장 가느다란 부분의 직경이 환상 시일부의 직경보다 작으므로, 밸브 시트측 단부면이 환상 시일 돌기보다 내측을 밸브 시트측에 압박된다. 그러나, 유체 제어 밸브는, 환상 시일면의 직경 방향으로의 변위량이 억제되므로, 환상 시일면의 마모를 저감시켜, 파티클의 발생을 저감시킬 수 있다.
상기 구성에서는, 밸브체는, 환상 시일부의 직경 방향 중심 위치에 있어서의 축선 방향의 두께가, 환상 시일부의 직경에 대해 0.7배 이상이므로, 구동부로부터 하중을 받아 발생하는 변형이 밸브 시트측 단부면으로부터 이격된 위치에서 분산되기 시작한다. 그로 인해, 밸브 시트측 단부면 부근에서는, 수직 방향으로의 변형이 발생하기 쉽다. 따라서, 상기 구성에서는, 환상 시일부를 밸브 시트에 수직으로 압박하기 쉽고, 환상 시일부가 직경 방향으로 변위되는 변위량을 억제할 수 있다.
상기 구성에서는, 밸브체는, 환상 시일 돌기의 내측에 밸브 시트측 단부면으로부터 밸브 시트 방향으로 돌출되는 볼록부를 가지므로, 구동부로부터 하중을 받는 부분의 강성이 높고, 밸브 시트측 단부면이 환상 시일 돌기의 내측을 밸브 시트측으로 돌출시키도록 변형되기 어렵다. 따라서, 상기 구성에 따르면, 환상 시일 돌기가 밸브 시트측 단부면의 변형에 수반되어 휘기 어렵고, 환상 시일면의 변위량을 억제할 수 있다.
상기 구성에서는, 볼록부는, 밸브 시트측 단부면에 접속하는 기단부의 직경이 상기 밸브체의 가장 가느다란 부분의 직경 이상이므로, 구동부로부터 받는 하중 전체를 지지하고, 밸브체를 직경 외측 방향으로 변형시키기 어렵다. 따라서, 상기 구성에 따르면, 밸브 시트측 단부면의 변형을 억제하고, 환상 시일면의 변위량을 저감시킬 수 있다.
상기 구성에서는, 환상 시일 돌기가, 경도가 높은 PFA(테트라플루오로에틸렌·퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체)로 형성되므로, 밸브 폐쇄 시에 발생하는 환상 시일 돌기의 변형을 억제하여 환상 시일부의 마모를 억제하고, 파티클의 발생을 저감시킬 수 있다.
상기 구성에 따르면, 밸브 폐쇄 시에 발생하는 밸브체의 변형에 의한 마모를 억제하고, 파티클의 발생을 저감시킬 수 있는 유체 제어 밸브를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 유체 제어 밸브의 단면도이며, 폐쇄 상태를 나타내는 도면.
도 2는 도 1에 도시하는 밸브체의 단면도.
도 3은 비교예 1∼3 및 실시예 1∼13의 설정 조건을 나타내는 표.
도 4는 실시예 10의 밸브체를 도시하는 단면도.
도 5는 실시예 1의 밸브체를 도시하는 단면도.
도 6은 실시예 2의 밸브체를 도시하는 단면도.
도 7은 비교예 1의 변위량 해석 결과를 나타내는 도면.
도 8은 비교예 2의 변위량 해석 결과를 나타내는 도면.
도 9는 비교예 3의 변위량 해석 결과를 나타내는 도면.
도 10은 실시예 1의 변위량 해석 결과를 나타내는 도면.
도 11은 실시예 2의 변위량 해석 결과를 나타내는 도면.
도 12는 실시예 3의 변위량 해석 결과를 나타내는 도면.
도 13은 실시예 4의 변위량 해석 결과를 나타내는 도면.
도 14는 실시예 5의 변위량 해석 결과를 나타내는 도면.
도 15는 실시예 6의 변위량 해석 결과를 나타내는 도면.
도 16은 실시예 7의 변위량 해석 결과를 나타내는 도면.
도 17은 실시예 8의 변위량 해석 결과를 나타내는 도면.
도 18은 실시예 9의 변위량 해석 결과를 나타내는 도면.
도 19는 실시예 10의 변위량 해석 결과를 나타내는 도면.
도 20은 실시예 11의 변위량 해석 결과를 나타내는 도면.
도 21은 실시예 12의 변위량 해석 결과를 나타내는 도면.
도 22는 실시예 13의 변위량 해석 결과를 나타내는 도면.
도 23은 비교예 1∼3 및 실시예 1∼13에 있어서의 환상 시일면의 변위량과, 실시예 10의 환상 시일면의 변위량을 100％로 한 경우에 있어서의 비교예 1∼3 및 실시예 1∼13의 환상 시일면의 변위량의 비율과, 폭 방향 중심 직경에 대한 환상 시일면의 변위량의 비율과, 폭 치수에 대한 환상 시일면의 변위량의 비율을 나타내는 표.
도 24는 파티클 실측값을 나타내는 도면이며, 20㎚ 이상의 파티클수를 종축에 나타내고, 환상 시일면의 변위량(㎛)을 횡축에 나타내는 도면.
도 25는 폭 방향 중심 직경에 대한 단부면 직경의 비율(D/A)과, 환상 시일면의 변위량의 관계를 나타내는 그래프이며, 종축에 환상 시일면의 변위량(㎛)을 나타내고, 횡축에 D/A(배)를 나타내는 도면.
도 26은 도 4에 도시하는 실시예 10의 밸브체에 관한 것으로, 파티클 시험 후의 환상 시일면을 촬영한 현미경 사진.
도 27은 도 26에 나타내는 현미경 사진의 이미지도.
도 28은 도 5에 도시하는 실시예 1의 밸브체에 관한 것으로, 파티클 시험 후의 환상 시일면을 촬영한 현미경 사진.
도 29는 도 28에 나타내는 현미경 사진의 이미지도.
도 30은 다이어프램 밸브체의 탄성 변형의 이미지도.
도 31은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 유체 제어 밸브에 사용되는 밸브체의 단면도.
도 32는 제1 변형예의 밸브체를 도시하는 단면도.
도 33은 제2 변형예의 밸브체를 도시하는 단면도.
도 34는 제3 변형예의 밸브체를 도시하는 단면도.
도 35는 제4 변형예의 밸브체를 도시하는 단면도.
도 36은 제5 변형예의 밸브체를 도시하는 단면도.
이하에, 본 발명에 관한 유체 제어 밸브의 실시 형태에 대해 도면에 기초하여 설명한다.
A. 제1 실시 형태
(본 발명의 개략에 대해)
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 유체 제어 밸브(1)의 단면도이며, 폐쇄 상태를 나타낸다. 제1 실시 형태의 유체 제어 밸브(1)는, 밸브 폐쇄 시에 발생하는 다이어프램 밸브체(밸브체의 일례)(4)의 변형에 의한 마모를 저감시키는 것에 특징을 갖는 것이다.
종래, 다이어프램 밸브는, 밸브체를 밸브 시트에 대해 수직으로 접촉하거나, 밸브체의 환상 시일면이나 밸브 시트의 밸브 시트면의 면 조도를 높이는 등, 밸브체의 환상 시일면과 밸브 시트의 밸브 시트면이 접촉하는 상태의 개선이나 접촉력의 억제에 의해, 파티클 대책을 행해 왔다. 그러나, 이 방법만으로는, 충분히 파티클의 수를 줄일 수 없었다. 예를 들어, 반도체 디바이스는, 매년 미세화되고, 반도체 제조에 영향을 미치는 파티클이 해마다 작아지고 있다. 예를 들어, 유체 제어 밸브는, 시판되고 있는 파티클 카운터로 측정할 수 있는 20㎚의 파티클을 최대한 줄이는 것이 요구되고 있다. 따라서, 종래의 파티클의 수를 줄이는 대응으로는, 문제로 되는 파티클이 작아지면, 또 다른 대책이 필요해져, 파티클의 미세화와 진전이 없는 상태로 되어 있었다. 따라서, 발명자는, 파티클 발생 원인을 배제할 필요성을 알아차리고, 파티클의 근본적인 발생 원인을 실험이나 시뮬레이션을 거듭하여 발견하였다(후술하는 효과 확인 시험 결과 참조).
도 30은, 다이어프램 밸브체(1000)의 탄성 변형의 이미지도이다. 다이어프램 밸브체(1000)는, 박막부(1000a)가 접속되는 부분을 가늘게 하여 네크부(1000b)가 형성되어 있다. 이에 의해, 유체 제어 밸브는, 동일한 밸브 사이즈라도, 다이어프램 밸브체(1000)를 수용하는 다이어프램실의 용적을 확장하여 박막부(1000a)의 가요 영역을 확장하고, 유체로부터의 수압 면적을 조정할 수 있다. 다이어프램 밸브체(1000)는, 밸브 시트측 단부면(1000c)을 구비하는 밸브체부(1000d)가, 네크부(1000b)와 동축으로 되도록, 네크부(1000b)의 직경보다 크게 설치되어 있다. 밸브 시트측 단부면(1000c)은, 환상 시일 돌기(1000f)가 네크부(1000b)보다 직경 외측에 설치되고, 밸브 시트 개구부의 내경(오리피스 직경)을 크게 하여 제어 유량을 많게 한다. 이러한 다이어프램 밸브체(1000)를 구비하는 유체 제어 밸브는, 네크부(1000b)에 부여된 구동력이 밸브체부(1000d)를 통해 환상 시일 돌기(1000f)의 환상 시일면(1000e)에 전달되고, 환상 시일면(1000e)을 3∼50㎫의 면압으로 밸브 시트에 시일시킨다. 이러한 다이어프램 밸브체(1000)는, 도면 중 K1 방향의 구동력이 부여되는 역점으로부터, 환상 시일면(1000e)이 밸브 시트에 접촉하여 시일하는 작용점 K2가, 직경 외측으로 어긋나 있다. 그로 인해, 밸브 폐쇄 동작을 할 때마다, 도면 중 K3으로 나타내는 바와 같이, 환상 시일면(1000e)에 직경 외측 방향으로 넓어지려고 하는 힘이 발생한다. 이 경우, 도면 중 상상선 M으로 나타내는 바와 같이, 다이어프램 밸브체(1000)는, 환상 시일면(1000e)을 밸브 시트에 대해 옆으로 미끄러지게 하도록 변형되고, 환상 시일면(1000e)이 밸브 시트에 마찰되어 마모되고 있었다. 이 마모 부분이, 밸브 개폐 동작 중에 환상 시일면(1000e)으로부터 떨어져 나가서, 파티클로 된다고, 발명자들은 생각하였다. 그리고, 발명자들은, 이들을 시뮬레이션과 실험으로 뒷받침하였다. 그리고, 발명자들은, 밸브체의 변형을 억제 또는 방지하도록 환상 시일 돌기 부근의 형상을 고안하였다.
(유체 제어 밸브의 개략 구성)
도 1에 도시하는 바와 같이, 유체 제어 밸브(1)는, 유체를 제어하는 밸브부(2)와, 밸브부(2)에 구동력을 부여하는 구동부(3)를 구비한다. 유체 제어 밸브(1)는, 예를 들어 반도체 제조 장치에 설치되고, 웨이퍼에 공급하는 약액의 유량을 제어한다. 이 경우, 유체 제어 밸브(1)는, 부식성이 높은 약액을 제어하는 경우가 있으므로, 다이어프램 밸브체(4)에 의해 구동부(3)와 밸브부(2) 사이가 구획되어 있다.
구동부(3)는, 실린더 보디(31)와 실린더 커버(32)에 의해 실린더 본체(33)가 구성되어 있다. 피스톤(35)은, 피스톤 본체(35a)가 실린더 본체(33) 내에 형성된 피스톤실(34)에 미끄럼 이동 가능하게 장전되고, 피스톤실(34)을 제1실(34a)과 제2실(34b)로 기밀하게 구획하고 있다. 피스톤 본체(35a)에는, 샤프트(35b)가 일체로 설치되어 있다. 샤프트(35b)의 하단부는, 실린더 본체(33)로부터 밸브부(2)측으로 돌출되고, 밸브부(2)의 다이어프램 밸브체(4)에 연결되어 있다. 압축 스프링(36)은, 다이어프램 밸브체(4)에 시일 하중을 부여하는 것이며, 제1실(34a)에 압축 설치되어 피스톤(35)을 밸브부(2)의 밸브 시트(24)측을 향해 상시 가압하고 있다. 실린더 본체(33)에는, 제1실(34a)에 연통되어 흡배기를 행하는 흡배기 포트(33a)와, 제2실(34b)에 연통되어 조작 에어를 공급하는 조작 포트(33b)가 형성되어 있다.
이러한 구동부(3)는, 압축 스프링(36)의 스프링력과 제2실(34b)의 내압의 밸런스에 의해 피스톤(35)을 축선을 따라 왕복 직선 운동시키고, 다이어프램 밸브체(4)를 소정의 스트로크 이동시킨다. 이러한 구동부(3)는, 압축 스프링(36)과 환상 시일 부재를 제외하고, 구성 부품이 불소 수지를 재질로 하고 있어, 부식성이 높은 분위기에서도 사용할 수 있도록 되어 있다.
밸브부(2)는, 밸브 보디(21)에 내장되고, 다이어프램 밸브체(4)의 환상 시일 돌기(414)가 밸브 시트(24)의 밸브 시트면(24a)에 접촉 또는 이격함으로써 유체 제어를 행한다. 밸브 보디(21)와 다이어프램 밸브체(4)는, 내부식성을 확보하기 위해, 불소 수지로 형성되어 있다. 또한, 다이어프램 밸브체(4)는, 환상 시일 돌기(414)의 시일성을 높이기 위해, 밸브 보디(21)[밸브 시트(24)]의 경도와 동일하거나 또는 밸브 보디(21)[밸브 시트(24)]의 경도보다 낮은 불소 수지로 하는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서는, 밸브 보디(21)[밸브 시트(24)]의 재질을 PFA(테트라플루오로에틸렌·퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체) 경도 D60∼64로 하고, 다이어프램 밸브체(4)의 재질을 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 경도 D53∼58로 한다.
밸브 보디(21)는, 직육면체 형상을 이루고, 유체를 입출력하기 위한 제1 포트(21a)와 제2 포트(21b)가 대향하는 측면에 개방되어 있다. 밸브 보디(21)의 상면에는, 개구부(21e)가 원기둥 형상으로 개방되고, 개구부(21e)보다 외측에 장착 구멍(21f)이 환상으로 형성되어 있다. 밸브부(2)는, 밸브 보디(21)의 장착 구멍(21f)에 다이어프램 밸브체(4)의 외측 테두리부(43)가 끼워 넣어지고, 밸브 보디(21)와 실린더 본체(33) 사이에서 외측 테두리부(43)를 끼움 지지함으로써, 다이어프램실(22)과 비접액실(23)이 형성되어 있다. 다이어프램 밸브체(4)의 밸브 본체(41)는, 샤프트(35b)에 연결되고, 다이어프램실(22) 내에서 도면 중 상하 방향으로 이동한다. 비접액실(23)은, 실린더 본체(33)에 형성된 호흡 구멍(33c)에 연통되고, 박막부(42)가 밸브 본체(41)의 이동에 따라 원활하게 변형될 수 있도록 하고 있다.
제1 연통 유로(21c)는, 제1 포트(21a)와 다이어프램실(22)을 연통시키도록 밸브 보디(21)에 L자형으로 형성되고, 다이어프램실(22)의 저면 중앙부에 개구되어 있다. 다이어프램실(22)의 저면은, 제1 연통 유로(21c)가 개구되는 개구부의 외주를 따라 밸브 시트(24)가 설치되어 있다. 밸브 시트(24)는, 다이어프램실(22)의 축선에 대해 직교하는 평탄면으로 되도록 가공된 밸브 시트면(24a)을 구비한다. 제2 연통 유로(21d)는, 제2 포트(21b)를 다이어프램실(22)에 연통시키도록 L자형으로 형성되고, 밸브 시트(24)보다 외측에 개구되어 있다.
(밸브체의 구성)
도 2는, 도 1에 도시하는 다이어프램 밸브체(4)의 단면도이다. 다이어프램 밸브체(4)는, 기둥 형상의 밸브 본체(41)가, 구동부(3)(도 1 참조)에 연결되고, 밸브 시트(24)에 접촉 또는 이격된다. 밸브 본체(41)의 외주면에는, 박막부(42)가 접속되고, 그 박막부(42)의 외측 테두리부에 외측 테두리부(43)가 두껍게 형성되어 있다. 밸브 본체(41)는, 원기둥부(411)와, 견부(412)와, 네크부(413)가 동축 상에 설치되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 밸브체부(410)는, 원기둥부(411)와 견부(412)에 의해 구성되어 있다.
원기둥부(411)는, 원기둥 형상을 이루고, 밸브 시트(24)에 대향하는 밸브 시트측 단부면(411a)을 구비한다. 네크부(413)는, 외주면(413a)에 박막부(42)가 접속되어 있고, 다이어프램실(22)(도 1 참조)의 용적을 확보하기 위해, 직경이 원기둥부(411)의 직경보다 작게 되어 있다. 네크부(413)는, 샤프트(35b)에 개설된 암나사부(35c)(도 1 참조)에 나사 결합하는 수나사부(413b)가 상부에 설치되어 있다. 견부(412)는, 원기둥부(411)와 네크부(413) 사이에 개재되고, 원기둥부(411)로부터 네크부(413)를 향해 직경 축소되도록 설치되고, 다이어프램실(22)(도 1 참조)을 흐르는 유체가 체류하거나 난류를 발생시키는 것을 방지하고 있다. 또한, 네크부(413)의 직경 축소에 의해, 외측 테두리부(43)의 외경 치수를 작게 할 수 있으므로, 밸브 보디(21)를 콤팩트하게 할 수 있다.
밸브 본체(41)의 밸브 시트측 단부면(411a)에는, 환상 시일 돌기(414)가 밸브 본체(41)의 축심을 중심으로 환상으로 돌출되어 있다. 환상 시일 돌기(414)는, 네크부(413)의 외주면(413a)이 견부(412)의 외주면(412a)에 접속되는 접속 위치 T(이하 「T부」라고도 함)보다 외측에 설치되어 있다. 그로 인해, 밸브 본체(41)는, 시일 하중이 가해지는 위치보다 외측의 위치에서 밸브 시트(24)에 시일하고, 밸브 시트 개구부의 면적(오리피스 직경)을 확장하고 있다.
환상 시일 돌기(414)는, 시일 하중이 가해져도 쓰러지기 어려운 강성을 갖도록, 밸브 시트측 단부면(411a)으로부터 환상 시일 돌기(414)의 선단까지의 높이 C가 설정된다. 본 실시 형태에서는, 환상 시일 돌기(414)의 높이 C를, 밸브 시트에 접촉하고 있지 않은 경우에 있어서의 환상 시일면(414a)(환상 시일부의 일례)의 직경 방향 중심 위치의 직경(「환상 시일부의 직경」의 일례임. 이하 「폭 방향 중심 직경 A」라고도 함)에 대해 10분의 1로 설정하고 있다.
환상 시일 돌기(414)는, 밸브 시트측 단부면(411a)측으로부터 선단부(밸브 시트측)를 향해 직경 축소되도록 형성되어 있다. 즉, 환상 시일 돌기(414)의 내주면(414b)과 외주면(414c)에는, 밸브 시트측 단부면(411a)으로부터 선단부를 향해 경사를 크게 하는 테이퍼가 형성되어 있다. 환상 시일 돌기(414)는, 선단부가 밸브 본체(41)의 축선에 대해 직교하도록 편평하게 가공되어 환상 시일면(414a)이 형성되어 있다. 이에 의해, 환상 시일 돌기(414)는, 환상 시일면(414a)에 대해 단위 면적당 작용하는 시일 하중이 높게 되고, 유체 누설을 방지하고, 환상 시일면(414a)이 밸브 시트면(24a)에 대해 미끄러지기 어렵다. 또한, 구동부(3)가 콤팩트해진다. 또한, 환상 시일면(414a)의 직경 방향 폭 치수 B(이하 「폭 치수 B」라고도 함)는, 환상 시일면(414a)의 폭 방향 중심 직경 A에 대해 100분의 1 이상 10분의 1 이하로 하는 것이 바람직하다.
다이어프램 밸브체(4)는, 환상 시일면(414a)이 직경 방향으로 변위되는 변위량을, 6.175㎛ 이하로 하여, 환상 시일면(414a)이 밸브 시트(24)에 마찰되어 마모되기 어렵게 되어 있다. 이 강성을 갖게 하기 위해, 다이어프램 밸브체(4)는, 원기둥부(411)[밸브 시트측 단부면(411a)]의 직경 D(이하 「단부면 직경 D」라고도 함)가 굵게 됨과 함께, 볼록부(416)가 환상 시일 돌기(414)의 내측에 형성되어 있다.
또한, 단부면 직경 D는 폭 방향 중심 직경 A에 대해 1.3배 이상으로 설정되고, 환상 시일 돌기(414)로부터 원기둥부(411)의 외주면(411b)까지의 직경 확장 폭 치수 E가 두껍게 되어 있다. 이에 의해, 밸브 본체(41)는, 구동부(3)가 다이어프램 밸브체(4)에 하중을 가하는 방향을 따라 환상 시일 돌기(414)를 밸브 시트면(24a)에 대해 수직으로 압박하기 쉬워지고, 환상 시일면(414a)의 변위량을 억제할 수 있다.
또한, 밸브 본체(41)는, 환상 시일면(414a)의 직경 방향 중심 위치에 있어서의 축선 방향의 두께 F가, 폭 방향 중심 직경 A에 대해 0.7배 이상으로 설정되어 있다. 이에 의해, 밸브 본체(41)는, 시일 하중이 가해져 환상 시일 돌기(414)를 밸브 시트(24)에 시일시키는 경우에, 환상 시일면(414a)으로부터 그 상방에 걸쳐 발생하는 변형을 억제하는 강성을 갖는다. 또한, 밸브 본체(41)는, 구동부(3)의 하중을 밸브체부(410)에 넓게 분산시킬 수 있다. 또한, 밸브 본체(41)는, 환상 시일면(414a)의 변위량을 6.175㎛ 이하로 할 수 있다면, 두께 F를 폭 방향 중심 직경 A의 0.7배 이하로 설정해도 된다. 이 경우에는, 다이어프램실(22)의 용적을 확장하여 유체의 체류를 방지하거나, 밸브 사이즈를 작게 할 수 있다.
볼록부(416)는, 밸브 시트측 단부면(411a)의 환상 시일 돌기(414)보다 내측에, 네크부(413)와 동축으로 되도록 형성되고, 밸브 시트측 단부면(411a)을 밸브 시트측으로부터 보강하고 있다. 밸브 본체(41)는, 볼록부(416)가 밸브 본체(41)[원기둥부(411)]에 접속되는 기단부의 직경 H(이하 「기단부 직경 H」라고도 함)가, 구동부로부터 하중을 받는 수압면과 밸브 시트측 단부면 사이에 있어서 가장 가느다란 부분의 직경 J(이하, 「세부 직경 J」라 함) 이상으로 되도록, 볼록부(416)가 형성되어 있다. 즉, 볼록부(416)는, 기단부의 외주 위치 U(이하 「U부」라고도 함)가, 세부 직경 J의 바로 아래 혹은 세부 직경 J보다 직경 방향의 외측에 위치하도록 형성되어 있다. 이에 의해, 밸브 본체(41)는, 시일 하중이 가해지는 부분이 볼록부(416)에 의해 두껍게 되어 강성이 높아진다. 또한, 볼록부(416)는, 밸브 본체(41)에 접속되는 기단부의 높이 I가, 환상 시일 돌기(414)의 높이[밸브 시트측 단부면(411a)으로부터 환상 시일 돌기(414)의 환상 시일면(414a)까지의 높이] C에 대해 0.7배 이상으로 되어 있다. 이에 의해, 밸브 본체(41)는, 중심부의 두께가 두껍게 되어, 강성이 높게 된다.
밸브 본체(41)는, 환상 시일 돌기(414)와 볼록부(416) 사이에 환상 오목 홈(415)이 형성되고, 볼록부(416)에 발생한 탄성 변형이 환상 시일 돌기(414)에 전달되기 어렵게 하고 있다.
(유체 제어 밸브에 의한 유체 제어 방법)
다음으로, 상기 구성을 갖는 유체 제어 밸브(1)를 사용한 유체 제어 방법을 설명한다. 예를 들어, 유체 제어 밸브(1)는, 제1 포트(21a)가 약액 공급원에 접속되고, 제2 포트(21b)가 반도체 제조 장치의 반응실에 접속된다.
(유체 제어 밸브의 개략 동작)
유체 제어 밸브(1)는, 웨이퍼에 약액을 공급하지 않는 대기 상태일 때에는, 조작 포트(33b)에 조작 유체가 공급되지 않는다. 이 경우, 압축 스프링(36)의 가압력이 피스톤(35)을 통해 다이어프램 밸브체(4)에 작용하고, 다이어프램 밸브체(4)의 환상 시일 돌기(414)가 밸브 시트(24)의 밸브 시트면(24a)에 밀착하여 시일된다. 이때, 밸브부(2)는, 제1 포트(21a)와 제2 포트(21b) 사이를 차단하고, 제2 포트(21b)로부터 반응실에 약액을 공급하지 않는다.
웨이퍼에 약액을 공급하는 경우에는, 유체 제어 밸브(1)는, 조작 포트(33b)에 조작 유체가 공급된다. 제2실(34b)의 내압이 압축 스프링(36)의 가압력보다 커지면, 피스톤(35)이 압축 스프링(36)에 저항하여 반 밸브 시트측으로 이동한다. 다이어프램 밸브체(4)는, 피스톤(35)과 일체적으로 상승하고, 환상 시일 돌기(414)를 밸브 시트면(24a)으로부터 이격시킨다. 이에 의해, 유체 제어 밸브(1)는, 밸브 본체(41)의 스트로크에 따라 약액을 제1 포트(21a)로부터 제2 포트(21b)에 흐르게 하고, 반응실에 공급한다.
웨이퍼에의 약액 공급을 정지하는 경우에는, 유체 제어 밸브(1)는, 조작 포트(33b)로부터 조작 유체를 배기한다. 그러면, 피스톤(35)이 압축 스프링(36)에 가압되어 밸브 시트 방향으로 이동하고, 다이어프램 밸브체(4)의 네크부(413)를 밸브 시트 방향으로 압박한다. 다이어프램 밸브체(4)는, 피스톤(35)과 일체적으로 하강하고, 환상 시일 돌기(414)의 환상 시일면(414a)을 밸브 시트면(24a)에 접촉시킨 후, 시일 하중을 환상 시일 돌기(414)에 가하여 환상 시일면(414a)을 밸브 시트면(24a)에 압박하여 압접시킨다. 이에 의해, 유체 제어 밸브(1)는, 대기 상태로 된다.
(밸브 폐쇄 시에 발생하는 밸브체의 변형에 의한 마모와 그 저감 방법)
유체 제어 밸브(1)에서는, 다이어프램 밸브체(4)가, 세부 직경 J가 환상 시일면(414a)의 폭 방향 중심 직경 A보다 작다. 그로 인해, 다이어프램 밸브체(4)는, 환상 시일면(414a)을 밸브 시트면(24a)에 압박하여 시일하는 작용점이, 구동부(3)의 구동력을 밸브 시트측 단부면(411a)에 전달하는 부분의 역점으로부터 직경 외측으로 어긋나 있다. 다이어프램 밸브체(4)는, 밸브 폐쇄 동작 시에, 환상 시일 돌기(414)의 환상 시일면(414a)을 밸브 시트면(24a)에 접촉시킨 후, 또한 구동부(3)에 의해 시일 하중을 환상 시일 돌기(414)에 부여하여 환상 시일면(414a)을 밸브 시트면(24a)에 압박한다. 이 경우, 다이어프램 밸브체(4)는, 밸브 시트(24)에 지지되어 있지 않은 밸브 본체(41)의 중심부가 밸브 시트측으로 탄성 변형되려고 한다. 이 탄성 변형량이 커지면 커질수록, 다이어프램 밸브체(4)는, 환상 시일면(414a)을 직경 외측을 향해 크게 변위시키도록 탄성 변형된다. 이 환상 시일 돌기(414)의 탄성 변형이 크면, 환상 시일면(414a)이 밸브 시트면(24a)에 마찰되는 양이 증가하고, 마모되기 쉬워진다. 이 환상 시일면(414a)의 마모가, 파티클로 된다.
그러나, 본 실시 형태에서는, 상기 밸브 폐쇄 시에 발생하는 환상 시일면(414a)의 마모를 저감시키기 위해, 환상 시일면(414a)이 직경 외측 방향으로 변위되는 변위량을 억제할 수 있는 형상을 다이어프램 밸브체(4) 자신이 가지므로, 파티클의 발생 자체가 억제 또는 방지된다. 따라서, 반도체 디바이스가 미세화되는 것에 수반하여 반도체 제조에 영향을 미치는 파티클이 작아져도, 그것에 대응할 수 있도록 파티클의 발생을 억제 또는 방지할 수 있다.
(밸브 폐쇄 시에 발생하는 환상 시일면의 마모를 저감시키는 방법의 구체적인 설명)
유체 제어 밸브(1)는, 환상 시일면(414a)을 밸브 시트면(24a)에 접촉시키고 나서, 환상 시일면(414a)을 밸브 시트면(24a)에 압박하여 소정의 시일 하중으로 시일시킬 때까지의 압박 동작 중에, 환상 시일면(414a)이 밸브 시트(24)에 대해 직경 외측 방향으로 어긋나는 변위량이 억제된다. 구체적으로는, 그 변위량은, 6.175㎛ 이하(폭 방향 중심 직경 A의 12.4×10－4배 이하, 또는, 폭 치수 B에 대해 6.18×10－2배 이하)로 억제된다. 이와 같이, 환상 시일면(414a)의 변위량이 억제되면, 환상 시일면(414a)이 밸브 시트면(24a)에 마찰되어 마모되기 어려워지므로, 반도체 제조에 영향을 미치는 파티클의 발생을 저감시킬 수 있다. 또한, 밸브 본체(41)의 변형에 의한 마모를 억제함으로써, 밸브 개폐 동작을 반복해도 시일성이 저하되지 않는다. 이에 의해, 유체 제어 밸브(1)의 내구성이 향상된다. 또한, 유체 제어 밸브(1)는, 필요 시일력을 삭감하고, 구동부(3)를 콤팩트하게 할 수 있다. 이들을 실현하는 데 필요한 형상을 다이어프램 밸브체(4)가 구비하고 있다.
다이어프램 밸브체(4)는, 단부면 직경 D가 폭 방향 중심 직경 A에 대해 1.3배 이상이므로, 밸브 시트측 단부면(411a) 부근의 강성이 높게 되어 있다. 그로 인해, 다이어프램 밸브체(4)는, 압박 동작 중에, 밸브 시트측 단부면(411a)의 변형이 억제되고, 환상 시일 돌기(414)가 밸브 시트측 단부면(411a)으로 인장되기 어려워진다. 이에 의해, 다이어프램 밸브체(4)는, 압박 동작 중에, 환상 시일 돌기(414)가 환상 시일면(414a)을 밸브 시트면(24a)에 대해 어긋나도록 변형되기 어려워지고, 환상 시일면(414a)의 마모가 저감된다. 따라서, 유체 제어 밸브(1)는, 밸브 폐쇄 시에 발생하는 다이어프램 밸브체(4)[밸브 본체(41)]의 변형에 의한 환상 시일면(414a)의 마모를 저감시키고, 파티클의 발생을 억제 또는 방지할 수 있다.
또한, 다이어프램 밸브체(4)는, 밸브 본체(41) 중에서 가장 가느다란 부분의 직경, 즉, 세부 직경 J가, 폭 방향 중심 직경 A보다 작으므로, 밸브 시트측 단부면(411a)이 환상 시일 돌기(414)보다 내측을 밸브 시트(24)측에 압박된다. 그러나, 유체 제어 밸브(1)는, 환상 시일면(414a)의 직경 방향으로의 변위량이 억제되므로, 환상 시일면(414a)의 마모를 저감시켜, 파티클의 발생을 저감시킬 수 있다.
또한, 다이어프램 밸브체(4)는, 환상 시일면(414a)의 직경 방향 중심 위치에 있어서의 축선 방향의 두께 F가, 폭 방향 중심 직경 A에 대해 0.7배 이상이므로, 구동부(3)로부터 하중을 받아 발생하는 변형이 밸브 시트측 단부면(411a)으로부터 이격된 위치에서 분산되기 시작한다. 그로 인해, 밸브 시트측 단부면(411a) 부근에서는, 수직 방향으로의 변형이 발생하기 쉽다. 따라서, 본 실시 형태의 유체 제어 밸브(1)에 따르면, 환상 시일면(414a)을 밸브 시트면(24a)에 수직으로 압박하기 쉽고, 환상 시일면(414a)이 직경 방향으로 변위되는 변위량을 억제할 수 있다.
또한, 다이어프램 밸브체(4)는, 환상 시일 돌기(414)보다 내측에 밸브 시트측 단부면(411a)으로부터 밸브 시트(24)측으로 돌출되는 볼록부(416)를 가지므로, 구동부(3)로부터 하중을 받는 부분의 강성이 높고, 밸브 시트측 단부면(411a)이 환상 시일 돌기(414)의 내측의 부분을 밸브 시트(24)측으로 돌출시키도록 변형되기 어렵다. 따라서, 유체 제어 밸브(1)는, 환상 시일 돌기(414)가 밸브 시트측 단부면(411a)의 변형에 동반되어 휘기 어렵고, 환상 시일면(414a)의 변위량을 억제할 수 있다.
특히, 볼록부(416)는, 기단부 직경 H가 세부 직경 J 이상이므로, 구동부(3)로부터 받는 하중 전체를 지지하고, 밸브 본체(41)를 직경 외측 방향으로 변형시키기 어렵다. 따라서, 유체 제어 밸브(1)는, 밸브 시트측 단부면(411a)의 변형을 억제하고, 환상 시일면(414a)의 변위량을 저감시킬 수 있다.
또한, 볼록부(416)는, 기단부로부터 선단면(416a)까지의 높이 I가, 밸브 시트측 단부면(411a)으로부터 환상 시일면(414a)까지의 높이 C에 대해 0.7배 이상이므로, 환상 오목 홈(415)이 깊게 형성된다. 이에 의해, 볼록부(416)로부터 환상 시일 돌기(414)로 변형이 전달되기 어렵다. 그로 인해, 압박 동작 중에 환상 시일면(414a)이 밸브 시트면(24a)에 대해 어긋나기 어렵고, 마모되기 어렵다. 따라서, 유체 제어 밸브(1)는, 밸브 폐쇄 시에 발생하는 다이어프램 밸브체(4)의 변형에 의한 마모를 저감시킬 수 있다.
이상과 같이, 유체 제어 밸브(1) 및 유체 제어 방법은, 밸브 폐쇄 시에 발생하는 다이어프램 밸브체(4)의 변형에 의한 마모를 저감시킬 수 있다. 유체 제어 밸브(1)는, 밸브 폐쇄 시에 발생하는 다이어프램 밸브체(4)의 변형에 의한 근소한 마모를 저감시키므로, 미세한 파티클의 발생을 억제 또는 방지할 수 있다.
(효과 확인 시험)
발명자들은, 환상 시일면의 변위량에 대해, (a) 단부면 직경 D가 부여하는 효과, (b) 두께 F가 부여하는 효과, (c) 볼록부가 부여하는 효과, (d) 환상 오목 홈이 부여하는 효과, (e) 기단부 직경 H가 부여하는 효과, (f) 볼록부 높이 I가 부여하는 효과, (g) 단부면 직경 D와 두께 F의 조합이 부여하는 효과, (h) 볼록부와 단부면 직경 D의 조합이 부여하는 효과, (i) 볼록부와 두께 F와 높이 G의 조합이 부여하는 효과를 조사하는 시험을 행하였다.
효과 확인 시험에는, 도 3에 나타내는 바와 같이 형상이 다른 비교예 1∼3과 실시예 1∼13을 사용하였다. 도 3은 효과 확인 시험에 사용한 비교예 1∼3과 실시예 1∼13의 설정 조건을 나타내는 표이다. 도 4∼도 6은 실시예 10의 밸브체(104)와, 실시예 1의 밸브체(204)와, 실시예 2의 밸브체(304)를 도시하는 단면도이다. 또한, 실시예 4는 상기 다이어프램 밸브체(4)(도 2 참조)에 상당한다. 이하의 설명 및 인용하는 도면에 있어서, 비교예 1∼3과 실시예 1∼3, 5∼13의 구성 중, 실시예 4의 다이어프램 밸브체(4)와 공통되는 구성에 대해서는, 도 2와 마찬가지의 부호를 사용하고, 설명을 적절히 생략한다. 또한, 이하의 설명에서는, 「다이어프램 밸브체(4)」를 「밸브체(4)」라고도 한다.
효과 확인 시험에서는, Dassault Systemes Solid Works Corp.제의 해석 소프트웨어를 사용하였다. 시험에서는, 비교예 1∼3과 실시예 1∼13에 대해, 환상 시일면(414a)을 밸브 시트(24)에 접촉시키기 시작하고 나서부터, 50N의 시일 하중으로 환상 시일면(414a)을 밸브 시트면(24a)에 압박할 때까지의 압박 동작 중에, 물성값 탄성 계수 500㎫, 밀도 2200㎏/㎥로 설정한 밸브 본체(841, 1441, 1541, 241, 341, 441, 41, 541, 641, 1043, 1141, 741, 141, 1242, 1342, 943)가 발생시키는 변위량을 해석하였다. 이 해석 결과를 도 7∼도 22에 나타낸다. 도 23은, 비교예 1∼3 및 실시예 1∼13에 있어서의 환상 시일면(414a)의 변위량과, 실시예 10의 환상 시일면(414a)의 변위량을 100％로 한 경우에 있어서의 비교예 1∼3 및 실시예 1∼13의 환상 시일면(414a)의 변위량의 비율과, 폭 방향 중심 직경 A에 대한 환상 시일면(414a)의 변위량의 비율과, 폭 치수 B에 대한 환상 시일면(414a)의 변위량의 비율을 나타내는 표이다.
<(a) 단부면 직경 D가 환상 시일면의 변위량에 부여하는 효과에 대해>
도 3에 나타내는 바와 같이, 단부면 직경 D만이 다른 비교예 1, 2 및 실시예 7, 10을 비교한다. 도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 실시예 10은, 환상 시일면(414a)의 폭 방향 중심 직경 A가 5.0㎜, 환상 시일면(414a)의 폭 치수 B가 0.1㎜, 환상 시일 돌기(414)의 높이 C가 0.5㎜로 설정되었다. 또한, 실시예 10은, 단부면 직경 D가, 폭 방향 중심 직경 A에 대해 1.30배로 되는 6.5㎜로 설정되었다. 실시예 10은, 환상 시일 돌기(414)의 외주면(414c)이 밸브 시트측 단부면(411a)에 접속되는 접속 위치 S(이하 「S부」라고도 함)로부터 원기둥부(1411)의 외주면(411b)까지의 직경 확장 폭 치수 E가 0.25㎜로 설정되었다. 실시예 10은, 환상 시일면(414a)의 직경 방향 중심 위치에 있어서의 축선 방향의 두께 F가 3.7㎜로 설정되었다. 실시예 10은, 환상 시일면(414a)으로부터 원기둥부(1411)의 상단부 위치 V까지의 높이 G가 2.65㎜로 설정되었다. 또한, 실시예 10은, 세부 직경 J가 4㎜로 설정되었다. 또한, 비교예 1은 볼록부도 환상 오목 홈도 구비하지 않는다.
이에 반해, 도 3에 나타내는 바와 같이, 비교예 1, 2 및 실시예 7은, 단부면 직경 D와 직경 확장 폭 치수 E를 제외하고, 실시예 10과 마찬가지로 구성되어 있다. 비교예 1의 단부면 직경 D는, 6.0㎜이며, 폭 방향 중심 직경 A에 대해 1.2배이다. 비교예 1의 직경 확장 폭 치수 E는 0㎜이다. 비교예 2의 단부면 직경 D는, 6.25㎜이며, 폭 방향 중심 직경 A에 대해 1.25배이다. 비교예 2의 직경 확장 폭 치수 E는 0.125㎜이다. 실시예 7의 단부면 직경 D는, 7.5㎜이며, 폭 방향 중심 직경 A에 대해 1.5배이다. 실시예 7의 직경 확장 폭 치수 E는 0.75㎜이다.
도 7에, 비교예 1의 변위량 해석 결과를 나타낸다. 도면 중 X86, X88로 나타내는 바와 같이, 비교예 1의 밸브 본체(841)는, 원기둥부(843)의 변위량이 중심부로부터 직경 외측을 향해 크다. 원기둥부(843)는, 변위량의 변화율이 외주면(411b)에 가까울수록 크다. 그리고, 원기둥부(843)는, 환상 시일 돌기(414)의 도면 중 상측 부분의 변위량이, 환상 시일 돌기(414)에 근접할수록 커지고 있다. 따라서, 비교예 1은, 도면 중 Y11로 나타내는 바와 같이, 압박 동작 중에 원기둥부(843)가 구동부(3)의 하중에 의해 찌부러뜨려져 밸브 시트측 단부면(843a)측을 직경 외측 방향으로 팽창시키도록 변형되는 것을 알 수 있다. 또한, 비교예 1은 도면 중 X85, X86으로 나타내는 바와 같이, 밸브 시트측 단부면(843a)의 중심부의 변위량과 외측 테두리부의 변위량의 차가 크다. 따라서, 비교예 1의 밸브 시트측 단부면(843a)은, 도면 중 Y12로 나타내는 바와 같이, 중심부를 밸브 시트측으로 볼록 형상으로 돌출시키고, 외측 테두리부를 반대 밸브 시트측으로 밀어올리도록, 만곡되어 변형되고, 환상 시일 돌기(414)를 직경 외측 방향으로 압출하도록 하여 밸브 시트면(24a)에 압박하는 것을 알 수 있다.
그리고, 도 7의 X81∼X85로 나타내는 바와 같이, 비교예 1은 환상 시일 돌기(414)의 Q부와 R부와 S부의 변위량이 P부의 변위량보다 크다. 따라서, 비교예 1은, 압박 동작 중에, 환상 시일 돌기(414)가 선단부를 직경 외측 방향으로 확장하도록 휘어 변형되는 것을 알 수 있다. 도 23에 나타내는 바와 같이, 비교예 1은, 환상 시일면(414a)의 변위량이 9.428㎛이다. 그 변위량은, 폭 방향 중심 직경 A에 대해 18.90×10－4배, 또는, 환상 시일면(414a)의 폭 치수 B에 대해 9.43×10－2배이다.
도 8에, 비교예 2의 변위량 해석 결과를 나타낸다. 비교예 2의 밸브 본체(1441)는, 도면 중 X146, X148로 나타내는 바와 같이, 원기둥부(1442)의 변위량이 중심부로부터 직경 외측을 향해 크다. 그 변위량의 변화율은 비교예 1보다 작다. 이것은, 비교예 2는 비교예 1보다 직경 확장 폭 치수 E가 크고, 강성이 높으므로, 중심부의 변형이 직경 외측 방향으로 전해지기 어렵기 때문이라고 생각된다. 그러나, 비교예 2는, 도면 중 X146, X145로 나타내는 바와 같이, 밸브 시트측 단부면(1442a)의 중심부와 외측 테두리부 사이의 변위량의 차가 비교예 1과 마찬가지로 크다. 따라서, 비교예 2는, 밸브 시트측 단부면(1442a)이 비교예 1과 마찬가지로 크게 변형되는 것을 알 수 있다. 또한, 도면 중 X141∼X144로 나타내는 바와 같이, 비교예 2는, Q부, R부, S부의 변위량이 P부보다 크고, 비교예 1과 마찬가지로, 환상 시일 돌기(414)가 선단부를 직경 외측 방향으로 크게 확장하도록 휘어 변형되는 것을 알 수 있다. 도 23에 나타내는 바와 같이, 비교예 2는, 환상 시일면(414a)의 변위량이 7.233㎛이다. 그 변위량은, 폭 방향 중심 직경 A에 대해 14.47×10－4배, 환상 시일면(414a)의 폭 치수 B에 대해 7.23×10－2배이다.
도 19에, 실시예 10의 변위량 해석 결과를 나타낸다. 실시예 10의 밸브 본체(141)는, 도면 중 X17, X18로 나타내는 바와 같이, 원기둥부(1411)의 중심부로부터 직경 외측을 향해 변위량이 커진다. 그 변위량의 변화율은 비교예 2와 마찬가지로 억제되어 있다. 그리고, 실시예 10은, 도면 중 X15∼X18로 나타내는 바와 같이, 밸브 시트측 단부면(1411a)의 중심부와 외측 테두리부의 변위량의 차가 비교예 2보다 작다. 따라서, 실시예 10은, 비교예 2에 비해, 밸브 시트측 단부면(1411a)의 변형이 억제되고, 환상 시일 돌기(414)를 밸브 시트면(24a)에 압박하기 쉬운 것을 알 수 있다.
또한, 도 19의 X11∼X14로 나타내는 바와 같이, 실시예 10은, 비교예 1, 2에 비해, P부, Q부, S부의 변위량이 작다. 따라서, 실시예 10은, 비교예 1, 2에 비해, 환상 시일 돌기(414)가 직경 외측 방향으로 휘기 어렵고, 환상 시일면(414a)의 내주측의 변위를 억제할 수 있는 것을 알 수 있다. 도 23에 나타내는 바와 같이, 실시예 10은, 환상 시일면(414a)의 변위량이 6.175㎛이다. 그 변위량은, 폭 방향 중심 직경 A에 대해 12.40×10－4배, 또는, 환상 시일면(414a)의 폭 치수 B에 대해 6.18×10－2배이다.
도 16에, 실시예 7의 변위량 해석 결과를 나타낸다. 실시예 7의 밸브 본체(1043)는, 도면 중 X106, X108로 나타내는 바와 같이, 원기둥부(411)의 중심부로부터 직경 외측을 향해 변화량이 커지고 있다. 그 변화율은 실시예 10보다 작다. 또한, 원기둥부(411)에서는, 축선을 중심으로 변위량이 대략 동심원 형상으로 변화하고 있다. 따라서, 실시예 7은, 압박 동작 중에 원기둥부(411)가 수직 방향으로 변형되고, 환상 시일 돌기(414)를 밸브 시트면(24a)에 수직으로 압박하기 쉬운 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 7은 도면 중 X101∼X104로 나타내는 바와 같이, P부, Q부, R부, S부의 변위량이 실시예 10보다 작다. 따라서, 실시예 7은, 실시예 10보다, 환상 시일 돌기(414)가 선단부를 직경 외측 방향으로 확장하도록 휘기 어렵고, Q부와 R부의 변위량이 저감되는 것을 알 수 있다. 도 23에 나타내는 바와 같이, 실시예 7은, 환상 시일면(414a)의 변위량이 4.887㎛이다. 그 변위량은, 폭 방향 중심 직경 A에 대해 9.77×10－4배, 또는, 환상 시일면(414a)의 폭 치수 B에 대해 4.89×10－2배이다.
도 25는, 폭 방향 중심 직경 A에 대한 단부면 직경 D의 비율(D/A)과, 환상 시일면(414a)의 변위량의 관계를 나타내는 그래프이다. D/A가 1.2인 비교예 1은, 압박 동작 중에 발생하는 환상 시일면(414a)의 변위량이 9.428㎛이다. D/A가 1.25인 비교예 2는, 압박 동작 중에 발생하는 환상 시일면(414a)의 변위량이 7.233㎛이다. D/A가 1.30인 실시예 10은, 압박 동작 중에 발생하는 환상 시일면(414a)의 변위량이 6.175㎛이다. D/A가 1.5인 실시예 7은, 압박 동작 중에 발생하는 환상 시일면(414a)의 변위량이 4.887㎛이다. 이들로부터, 환상 시일면(414a)의 변위량의 감소율은, 단부면 직경 D가 폭 방향 중심 직경 A에 대해 1.3배 이상으로 되면, 갑자기 완만해진다. 이것은, 단부면 직경 D가 1.3배 이상으로 되고, 직경 확장 폭 치수 E가 커지면, 원기둥부의 중심부에 발생한 직경 외측 방향의 변형을 지지하는 데 필요한 두께의 벽이 환상 시일 돌기(414)보다 외측에 형성되고, 밸브 본체의 강성이 높아지기 때문이라고 생각된다. 따라서, 단부면 직경 D는, 폭 방향 중심 직경 A에 대해 1.3배 이상으로 하는 것이 바람직하다.
여기서, 발명자들은, 실시예 10에 기초하여 도 4에 도시하는 밸브체(104)를 제작하고, 그 밸브체(104)에 대해 파티클 시험을 행하였다. 이 파티클 시험은, 전처리로서, 순수가 흐르는 라인에, 평가 밸브[밸브체(104)를 장착한 밸브]를 설치하고, 밸브 완전 개방 상태에서 3시간 계속하여 순수 1,000mL/min을 흐르게 하면서 평가 밸브의 플러싱을 행하였다. 그 후, 순수가 흐르는 라인에, 평가 밸브를 설치하고, 평가 밸브의 하류측에 파티클 카운터를 설치하고, 평가 밸브의 시일 하중을 50N으로 설정하고 평가 밸브를 600분간에 걸쳐 15,000회 밸브 개폐 동작시키면서 순수 1,000mL/min을 흐르게 하고, 평가 밸브를 통과한 순수 중 75mL/min을 파티클 카운터에 통수시켰다. 파티클 카운터로, 20㎚ 이상의 파티클의 개수의 적산값을 1min마다 측정하고, 그 적산값으로부터 15,000회 밸브 개폐 동작의 동안에 1mL당 포함되는 파티클값을 측정하였다. 밸브체(104)를 장착한 평가 밸브의 파티클 시험 결과를 도 24에 나타낸다.
도 24에 나타내는 바와 같이, 밸브체(104)가 파티클 시험 중에 측정된 파티클은, 1mL당 17.78개였다.
이에 반해, 발명자들은, 환상 시일면(414a)의 변위량이 6.175㎛ 이상 9㎛ 이하인 미대책의 샘플에 대해서도, 파티클 시험을 실시하였다. 시험 방법은, 상기한 바와 마찬가지이므로 설명을 생략한다. 그 결과, 샘플이 파티클 시험 중에 측정된 파티클은, 797.8개였다. 이들 파티클 시험으로부터, 환상 시일면(414a)의 변위량이 6.175㎛를 초과하면, 파티클 발생량이 급격하게 증가하는 것을 알 수 있었다. 따라서, 밸브체는, 환상 시일면(414a)의 변위량을 6.175㎛ 이하로 함으로써, 파티클의 발생량을 효과적으로 저감시킬 수 있다.
발명자들은, 파티클 시험 종료 후의 밸브체(104)에 대해 환상 시일면(414a)의 현미경 사진을 촬영하였다. 현미경 사진의 배율을 500배로 설정한 경우, 밸브체(104)는, 환상 시일면(414a)의 Q부에 버어가 확인되고, 환상 시일면(414a)의 R부에 버어가 확인되지 않았다. 환상 시일면(414a)의 R부에 버어가 발생하지 않는 것은, 환상 시일면(414a)이 직경 외측 방향으로 이동할 때에, R부에 발생한 버어가 환상 시일면(414a)과 밸브 시트면(24a) 사이에 말려 들어가 매끄러워지도록 처리 되기 때문이라고 생각된다.
또한, 발명자들은, 현미경 사진의 배율을 500배로부터 2000배로 올리고, Q부 부근의 상태를 확인하였다. 밸브체(104)는, 도 26 및 도 27의 Z1로 나타내는 바와 같은 미세한 주름이나, 도면 중 Z2로 나타내는 바와 같이, 미세한 찰상 등이 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 밸브체(104)는, 도면 중 Z3으로 나타내는 바와 같이, 버어가 환상 시일면(414a)의 Q부로부터 내주면(414b)측으로 인출되어 걷어 올려지도록 하여 발생되고 있는 것을 알 수 있다. 이들로부터, 밸브체(104)는, 밸브 개폐 동작을 개시하면, 환상 시일면(414a)이 Q부를 밸브 시트에 문질러 작은 찰상을 만들고, 그것들의 찰상이 밸브 개폐 동작을 거듭하는 동안에 걷혀 올라가 버어로 되고, 그것들의 버어가 환상 시일면(414a)으로부터 이탈하여 파티클로 된다고 생각된다. 따라서, 환상 시일 돌기(414)가 환상 시일면(414a)을 직경 방향으로 변위시키도록 변형되는 것을 억제하면, Q부의 마모가 저감되고, 파티클 카운터로 측정할 수 있는 파티클은 물론, 파티클 카운터로 측정할 수 없는 미세한 파티클의 발생도 저감시킬 수 있다고 생각된다.
<(b) 두께 F가 환상 시일면의 변위량에 부여하는 효과에 대해>
도 3에 나타내는 바와 같이, 두께 F만이 상이한 비교예 3, 실시예 2, 실시예 7을 비교한다. 비교예 3은, 환상 시일 돌기(414)의 중심 위치에 있어서의 축선 방향의 두께 F가, 환상 시일면(414a)의 폭 방향 중심 직경 A(5㎜)에 대해 0.6배인 3㎜로 설정되어 있다. 실시예 7은, 환상 시일 돌기(414)의 중심 위치에 있어서의 축선 방향의 두께 F가, 환상 시일면(414a)의 폭 방향 중심 직경 A(5㎜)에 대해 0.74배인 3.7㎜로 설정되어 있다. 실시예 2는, 환상 시일 돌기(414)의 중심 위치에 있어서의 축선 방향의 두께 F가, 환상 시일면(414a)의 폭 방향 중심 직경 A(5㎜)에 대해 0.9배인 4.5㎜로 설정되어 있다. 또한, 비교예 3과 실시예 2와 실시예 7의 밸브 본체(1541, 341, 1043)는, 높이 G가 동일하고, 견부(1542, 3411, 412)에 의해 두께 F의 크기가 조정되어 있다.
도 9에 비교예 3의 변위량 해석 결과를 나타낸다. 도면 중 X156, X158로 나타내는 바와 같이, 비교예 3의 밸브 본체(1541)는, 밸브체부(1540)의 변위량이 중심부로부터 직경 외측을 향해 크다. 도면 중 X158로 나타내는 바와 같이, 밸브체부(1540)는, 환상 시일 돌기(414)의 도면 중 상측 부분의 변위량이, 환상 시일 돌기(414)에 근접할수록 크다. 또한, 밸브 본체(1541)는, 밸브 시트측 단부면(411a)의 중심부와 외측 테두리부의 변위량의 차가 크다. 따라서, 비교예 3은, 압박 동작 중에 원기둥부(411)가 밸브 시트측 단부면(411a)측을 직경 외측 방향으로 팽창시키도록 변형되고, 환상 시일 돌기(414)를 밸브 시트면(24a)에 수직으로 압박하기 어려운 것을 알 수 있다. 그리고, 도면 중 X151∼X154로 나타내는 바와 같이, 환상 시일 돌기(414)는, 내주면(414b)측보다 외주면(414c)측의 쪽이 변위량이 크고, 선단부를 직경 외측으로 확장하도록 휘는 것을 알 수 있다. 도 23에 나타내는 바와 같이, 비교예 3은, 환상 시일면(414a)의 변위량이 6.449㎛이다. 그 변위량은, 환상 시일면(414a)의 폭 방향 중심 직경 A에 대해 12.90×10－4배, 또는, 폭 치수 B에 대해 6.45×10－2배이다.
도 16의 X108로 나타내는 바와 같이, 실시예 7의 밸브 본체(1043)는, 환상 시일 돌기(414)의 도면 중 상측 부분의 변위량이 축선을 중심으로 동심원 형상으로 변화되고 있다. 따라서, 밸브 본체(1043)는, 밸브체부(1042)가 수직 방향으로 변형되기 쉽고, 환상 시일 돌기(414)를 밸브 시트면(24a)에 수직으로 압박하기 쉽다. 또한, 도면 중 X101∼X104로 나타내는 바와 같이, 실시예 7은, P부, Q부, R부, S부의 변위량이 비교예 3보다 작다. 따라서, 실시예 7은, 비교예 3보다 휘기 어렵다. 도 23에 나타내는 바와 같이, 실시예 7은, 환상 시일면(414a)의 변위량이 4.887㎛이다. 그 변위량은, 환상 시일면(414a)의 폭 방향 중심 직경 A에 대해 9.77×10－4배, 또는, 폭 치수 B에 대해 4.89×10－2배이다.
도 11에 실시예 2의 변위량 해석 결과를 나타낸다. 도면 중 X36, X38로 나타내는 바와 같이, 실시예 2의 밸브 본체(341)는, 환상 시일 돌기(414)의 도면 중 상측 부분의 변위량이, 실시예 7보다 더욱 축선을 중심으로 동심원 형상으로 변화하고 있다. 또한, 도면 중 X31, X32로 나타내는 바와 같이, 실시예 2, 실시예 7에 비해, 환상 시일 돌기(414)의 P부와 Q부의 변위량이 작다. 따라서, 실시예 2는, 실시예 7에 비해, 원기둥부(411) 및 환상 시일 돌기(414)가 수직 방향으로 변형되기 쉽다. 도 23에 나타내는 바와 같이, 실시예 2는, 환상 시일면(414a)의 변위량이 4.037㎛이다. 그 변위량은, 환상 시일면(414a)의 폭 방향 중심 직경 A에 대해 8.07×10－4배, 또는, 폭 치수 B에 대해 4.04×10－2배이다.
따라서, 밸브체는, 두께 F만 크게 해도, 환상 시일면(414a)의 변위량을 억제할 수 있다. 이것은, 밸브체는, 두께 F가 두꺼우면, 구동부(3)로부터 받는 하중을 밸브 시트측 단부면으로부터 이격된 위치에서 분산시키고, 밸브 시트 방향(수직 방향)으로 작용시키기 쉬워지기 때문이라고 생각된다.
<(c) 볼록부가 환상 시일면의 변위량에 대해 부여하는 효과에 대해>
도 3에 나타내는 바와 같이, 볼록부(416)의 유무만이 다른 실시예 1의 밸브체(204)와 실시예 10의 밸브체(104)를 비교한다. 실시예 1은, 실시예 10에 대해 볼록부(416)를 형성한 점만이 상이하다. 실시예 10에 대해서는 상술하였으므로 설명을 생략한다. 실시예 1의 볼록부(416)는, 기단부 직경 H가 4㎜이다. 또한, 볼록부(416)는, 선단면(416a)으로부터 밸브 시트측 단부면(1411a)까지의 높이 I가, 환상 시일 돌기(414)의 높이 C와 동일한 0.5㎜이다.
도 10의 X21∼X24로 나타내는 실시예 1의 P부∼S부 부근의 변위량은, 도 19의 X11∼X14로 나타내는 실시예 10의 P부∼S부 부근의 변위량보다 작고, 실시예 1은 실시예 10보다 환상 시일 돌기(414)의 변형이 작은 것을 알 수 있다. 그리고, 도 23에 나타내는 바와 같이, 실시예 10은, 환상 시일면(414a)의 변위량이 6.175㎛이다. 그 변위량은, 환상 시일면(414a)의 폭 치수 B에 대해 6.18×10－2배, 또는, 폭 방향 중심 직경 A에 대해 12.40×10－ 4배이다. 한편, 실시예 1은, 환상 시일면(414a)의 변위량이 5.064㎛이다. 그 변위량은, 환상 시일면(414a)의 폭 치수 B에 대해 5.06×10－2배, 또는, 폭 방향 중심 직경 A에 대해 10.10×10－ 4배이다. 따라서, 실시예 1은, 볼록부(416)를 구비함으로써, 환상 시일면(414a)의 변위량이 실시예 10의 환상 시일면(414a)의 변위량에 대해 82％로 억제된다.
또한, 실시예 1은, 환상 시일 돌기(414)의 P부 상방의 변위량(도 10의 X26)이 실시예 10의 P부 상방의 변위량(도 19의 X16 참조)보다 작다. 또한, 실시예 1은, 도 10의 X26, X27로 나타내는 바와 같이, 실시예 10보다도 변위량이 축선을 중심으로 동심원 형상으로 변화하고 있다. 따라서, 실시예 1은, 실시예 10보다도, 밸브 본체(241)의 밸브 시트측 단부면(1411a) 부근이 직경 외측 방향으로 변형되기 어려운(시일 하중이 부여되는 수직 방향으로 변형되기 쉬운) 것을 알 수 있다.
따라서, 실시예 1은, 볼록부(416)를 구비함으로써, 밸브 시트측 단부면(1411a)이 밸브 시트측으로 만곡되도록 변형되는 것, 및, 환상 시일 돌기(414)가 직경 외측 방향으로 휘도록 변형되는 것을 억제하고, 환상 시일면(414a)의 변위량을 저감시킬 수 있다. 이것은, 실시예 1은, 실시예 10에 비해, 원기둥부(1411)가 볼록부(416)에 의해 중심부가 보강되어, 강성이 높게 되기 때문이라고 생각된다.
발명자들은, 실시예 1에 기초하여 도 5에 도시하는 밸브체(204)를 제작하고, 밸브체(204)에 대해 파티클 시험을 행하였다. 이 시험 결과를 도 24에 나타낸다. 또한, 파티클 시험의 방법은 상술한 파티클 시험과 마찬가지이므로, 설명을 생략한다.
도 24에 나타내는 바와 같이, 밸브체(204)가 파티클 시험 중에 측정된 파티클은, 1mL당 4.44개였다. 따라서, 밸브체(204)는, 밸브체(104)보다, 파티클을 발생시키기 어렵다. 또한, 밸브체(204)는, 파티클 시험에서 측정된 파티클의 수가, 밸브체(104)에 대해 4분의 1로 적었다. 따라서, 밸브체(204)는, 볼록부(416)를 구비함으로써, 파티클의 양을 저감시킬 수 있다.
발명자들은, 파티클 시험 종료 후의 밸브체(204)에 대해 환상 시일면(414a)의 현미경 사진을 촬영하였다. 현미경 사진의 배율을 500배로 설정한 경우, 밸브체(204)는, 환상 시일면(414a)의 Q부에도 R부에도 버어가 확인되지 않았다. 또한, 발명자들은, 현미경 사진의 배율을 500배로부터 2000배로 올리고, 밸브체(204)에 대해, 환상 시일면(414a)의 Q부 부근의 상태를 확인하였다. 밸브체(204)의 현미경 사진과 그 이미지도를 도 28 및 도 29에 나타낸다. 밸브체(204)는, 도 28 및 도 29의 Z4로 나타내는 바와 같이, 환상 시일면(414a)의 Q부에 주름도, 찰상도, 버어도 확인되지 않는다. 그뿐 아니라, 밸브체(204)는, Q부 표면의 요철이 융화된 상태로 되어 있다. 따라서, 밸브체(204)는, 파티클 카운터로 측정할 수 있는 파티클은 물론, 파티클 카운터로 측정할 수 없는 미세 파티클이 발생하는 것도 억제 또는 방지할 수 있다고 생각된다.
<(d) 환상 오목 홈이 환상 시일면의 변위량에 부여하는 효과에 대해>
도 3에 나타내는 바와 같이, 환상 오목 홈(415)의 유무만이 다른 실시예 8, 9를 비교한다. 실시예 8은, 볼록부(1143)와 환상 시일 돌기(414) 사이에 환상 오목 홈(1144)이 형성되어 있다. 볼록부(1143)는, 기단부 직경이 4㎜, 높이 I가 0.4㎜로 형성되어 있다. 실시예 9는, 볼록부(7416)와 환상 시일 돌기(414) 사이에 환상 오목 홈이 형성되어 있지 않다. 볼록부(7416)의 높이 I는, 볼록부(1143)와 동일하다.
도 18에, 실시예 9의 변위량 해석 결과를 나타낸다. X76으로 나타내는 바와 같이, 밸브 본체(741)는, 볼록부(7416)에 있어서 직경 외측 방향으로 발생한 변형이 직접 환상 시일 돌기(414)에 전달되고 있다. 그로 인해, 도면 중 X71∼X74로 나타내는 바와 같이, 환상 시일 돌기(414)는, 볼록부(7416)에 의해 직경 외측 방향으로 압출되어 있다. 도 23에 나타내는 바와 같이, 실시예 9는, 환상 시일면(414a)의 변위량이 4.302㎛이다. 그 변위량은, 환상 시일면(414a)의 폭 방향 중심 직경 A에 대해 8.60×10－4배, 또는, 폭 치수 B에 대해 4.30×10－2배이다.
도 17에, 실시예 8의 변위량 해석 결과를 나타낸다. 밸브 본체(1141)는, 볼록부(1143)에 있어서 직경 외측 방향으로 발생한 변형이 환상 오목 홈(1144)으로부터 환상 시일 돌기(414)에 전해지기 어렵다. 그로 인해, 도면 중 X111∼X115로 나타내는 바와 같이, 환상 시일 돌기(414)는, 주로 수직 방향으로의 변형이 발생하고, 환상 시일면(414a)을 밸브 시트면(24a)에 대해 대략 수직 방향으로 압박한다. 도 23에 나타내는 바와 같이, 실시예 8은, 환상 시일면(414a)의 변위량이 3.736㎛이다. 그 변위량은, 환상 시일면(414a)의 폭 방향 중심 직경 A에 대해 7.47×10－4배, 또는, 폭 치수 B에 대해 3.74×10－2배이다.
이상으로부터, 밸브체는, 볼록부와 환상 시일 돌기 사이에 환상 오목 홈을 형성함으로써, 볼록부만을 구비하는 밸브체보다 환상 시일면의 직경 외측 방향으로의 변위량을 억제할 수 있다.
<(e) 기단부 직경 H가 환상 시일면의 변위량에 부여하는 효과에 대해>
도 3에 나타내는 바와 같이, 기단부 직경 H만이 다른 실시예 1과 실시예 13을 비교한다. 실시예 1은, 볼록부(416)의 기단부 직경 H가, 세부 직경 J와 동일한 4㎜로 설정되어 있다. 또한, 실시예 13은, 볼록부(944)의 기단부 직경 H가, 세부 직경 J(4㎜)보다 작은 2㎜로 설정되어 있다. 실시예 1의 환상 오목 홈(415)은, 실시예 13의 환상 오목 홈(945)보다, 폭 좁게 형성되어 있다.
도 22에, 실시예 13의 변위량 해석 결과를 나타낸다. 도면 중 X96으로 나타내는 바와 같이, 밸브 본체(943)는, 볼록부(944)의 범위에서는, 밸브 시트 방향의 변형이 발생한다. 그러나, 도면 중 X97로 나타내는 바와 같이, 밸브 본체(943)는, 볼록부(944)보다 외측이며 네크부(413)의 외주면(413a)보다 내측의 부분에 있어서, 직경 외측 방향의 변형이 발생하고 있다. 그 변형은, 도면 중 X98로 나타내는 바와 같이, 환상 시일 돌기(414)의 도면 중 상측 부분을 통해 원기둥부(1411)의 외주면(411b)에 직접 전해진다. 그리고, 도면 중 X91∼X94로 나타내는 바와 같이, 환상 시일 돌기(414)는, 내주면(414b)보다 외주면(414c)의 쪽이 변형량이 크다. 도 23에 나타내는 바와 같이, 실시예 13은, 환상 시일면(414a)의 변위량이 6.162㎛이다. 이 변위량은, 환상 시일면(414a)의 폭 방향 중심 직경 A에 대해 12.30×10－4배, 또는, 폭 치수 B에 대해 6.16×10－2배이다.
한편, 도 10에 나타내는 바와 같이, 실시예 1은, 실시예 13에 비해, 전체적으로, 변위량이 밸브 본체(241)의 축선을 중심으로 동심원 형상으로 변화하고 있다. 도면 중 X21∼X26으로 나타내는 바와 같이, 밸브체(204)는, 환상 시일 돌기(414)의 P부보다 외측의 변형량이 실시예 13보다 작다. 그리고, X21∼X24로 나타내는 바와 같이, 밸브체(204)는, P부, Q부, R부, S부의 변형량이 실시예 13보다 작다. 도 23에 나타내는 바와 같이, 실시예 1은, 환상 시일면(414a)의 변위량이 5.064㎛이다. 이 변위량은, 환상 시일면(414a)의 폭 방향 중심 직경 A에 대해 10.10×10－4배, 폭 치수 B에 대해 5.06×10－2배이다.
따라서, 밸브체는, 기단부 직경 H를 세부 직경 J 이상으로 함으로써, 환상 시일면의 변위량을 억제할 수 있다. 이것은, 볼록부(416)가, 구동부의 하중 전체를 지지하여, 넓게 분산시킬 수 있기 때문이라고 생각된다.
<(f) 볼록부 높이 I가 환상 시일면의 변위량에 부여하는 효과에 대해>
도 3에 나타내는 바와 같이, 볼록부의 높이 I만이 다른 실시예 1, 11, 12를 비교한다. 실시예 1은, 볼록부(416)의 높이 I가, 환상 시일 돌기(414)의 높이 C와 동일한 0.5㎜이다. 실시예 11은, 볼록부(1243)의 높이 I가, 환상 시일 돌기(414)의 높이 C에 대해 0.7배로 되는 0.35㎜이다. 실시예 12는, 볼록부(1343)의 높이 I가, 환상 시일 돌기(414)의 높이 C에 대해 0.6배로 되는 0.3㎜이다. 도 10, 도 20, 도 21에, 실시예 1, 11, 12의 변위량 해석 결과를 나타낸다.
도 10의 X26, X27로 나타내는 바와 같이, 실시예 1은, 볼록부(416)의 변형이 환상 오목 홈(415)에 차단되어 환상 시일 돌기(414)에 전해지기 어렵고, 환상 시일 돌기(414)가 주로 수직 방향으로 변형되고 있다. 그에 반해, 도 20의 X126, X128 및 도 21의 X138로 나타내는 바와 같이, 실시예 11, 12는, 볼록부(1243, 1343)의 직경 외측 방향의 변형이 환상 오목 홈(1244, 1344)을 넘어 환상 시일 돌기(414)의 도면 중 상측 부분에 전해지기 쉽다. 또한, 도 20의 X123으로 나타내는 바와 같이, 실시예 11은, R부의 변위량이 실시예 1보다도 크다. 또한, 도 21의 X133으로 나타내는 바와 같이, 실시예 12는, 환상 시일 돌기(414)의 외주면(414c)의 변위량이 실시예 1, 10보다도 크다. 도 23에 나타내는 바와 같이, 환상 시일면(414a)의 변위량은, 실시예 1이 5.064㎛, 실시예 11이 5.644㎛, 실시예 12가 5.678㎛이다. 따라서, 볼록부(416)는, 높이 I가 높을수록, 환상 시일면(414a)의 변위량이 억제된다. 이것은, 높이 I가 높을수록, 볼록부에서 변형을 넓게 분산하여, 환상 시일면(414a)에 전해지는 변형량을 억제할 수 있기 때문이라고 생각된다. 또한, 환상 오목 홈이 깊게 형성되고, 볼록부의 변형이 환상 시일 돌기에 전해지기 어려워지기 때문이라고 생각된다.
<(g) 단부면 직경 D와 두께 F의 조합이 환상 시일면의 변위량에 부여하는 효과에 대해>
도 3에 나타내는 바와 같이, 단부면 직경 D와 두께 F가 다른 실시예 2, 3을 비교한다. 실시예 2는, 단부면 직경 D가 7.5㎜, 두께 F가 4.5㎜이다. 한편, 실시예 3은, 단부면 직경 D가 8.5㎜, 두께 F가 5.4㎜이다. 도 11 및 도 12에, 실시예 2, 3의 변위량 해석 결과를 나타낸다.
실시예 3은, 도 12의 X41∼X44로 나타내는 P부, Q부, R부, S부의 변위량이, 실시예 2(도 11의 X31∼X35 참조)에 비해 작고, 환상 시일 돌기(414)가 수직 방향으로 변형되고 있다. 또한, 실시예 3의 밸브체부(440)는, 실시예 2의 밸브체부(340)에 비해, 변위량이 축선을 중심으로 동심원 형상으로 변화하고 있다. 도 23에 나타내는 바와 같이, 실시예 2는, 환상 시일면(414a)의 변위가 4.037㎛였다. 그 변위량은, 환상 시일면(414a)의 폭 방향 중심 직경 A에 대해 8.07×10－4배, 또는, 폭 치수 B에 대해 4.04×10－ 2배이다. 한편, 실시예 3은, 환상 시일면(414a)의 변위량이 3.224㎛였다. 그 변위량은, 환상 시일면(414a)의 폭 방향 중심 직경 A에 대해 6.45×10－4배, 또는, 폭 치수 B에 대해 3.22×10－2배이다.
따라서, 실시예 3은, 실시예 2보다 원기둥부(4411)와 밸브 시트측 단부면(4411a)의 변형이 작고, 환상 시일 돌기(414)를 밸브 시트면(24a)에 수직으로 압박할 수 있다. 또한, 실시예 3은, 실시예 2보다 환상 시일 돌기(414)가 밸브 시트면(24a)에 수직으로 압박되어 변형되기 어렵고, 환상 시일면(414a)의 변위량이 억제된다. 이것은, 실시예 3은, 실시예 2보다 단부면 직경 D와 두께 F가 큼으로써, 구동부(3)의 하중을 밸브 시트측 단부면(4411a)으로부터 이격된 위치에서 넓게 분산시키고, 환상 시일 돌기(414)를 밸브 시트(24)에 대해 수직으로 압박할 수 있기 때문이라고 생각된다.
발명자들은, 실시예 2, 3에 기초하여 밸브체(304, 404)를 제작하고, 파티클 시험을 행하였다. 파티클 시험의 방법은, 상술한 파티클 시험과 마찬가지이므로, 설명을 생략한다. 이 파티클 시험의 결과를, 도 24에 나타낸다.
도 24에 나타내는 바와 같이, 밸브체(304)가 파티클 시험 중에 측정된 파티클의 수는, 1mL당 2.22개였다. 이 파티클의 수는, 실시예 10에 대해서는 약 9분의 1로 저감되어 있다. 한편, 도 24에 나타내는 바와 같이, 밸브체(404)는, 파티클 시험 중에 파티클이 측정되지 않았다. 따라서, 원기둥부(411)의 단부면 직경 D와 두께 F를 크게 할수록, 파티클을 억제하는 효과가 커진다. 강성이 높아지기 때문이다.
또한, 발명자들은, 파티클 시험을 종료한 밸브체(304, 404)에 대해 환상 시일면(414a)의 현미경 사진을 배율 2000배로 촬영하였다. 밸브체(304, 404)는, 모두, 환상 시일면(414a)에 버어가 확인되지 않았다. 밸브체(404)는, 밸브체(304)에 비해, Q부의 표면이 매끄러웠다. 이것은, 밸브체(404)는, 밸브체(304)보다 환상 시일 돌기(414)가 수직 방향으로 압박되어 매끄러워지도록 처리되기 때문이라고 생각된다.
따라서, 밸브체는, 단부면 직경 D와 두께 F가 클수록, 파티클 카운터로 측정할 수 있는 파티클은 물론, 파티클 카운터로 측정할 수 없는 미세한 파티클의 발생도 억제 또는 방지할 수 있다고 생각된다.
<(h) 볼록부와 단부면 직경 D의 조합이 환상 시일면의 변위량에 부여하는 효과에 대해>
그런데, 실시예 3과 같이, 단부면 직경 D를 크게 하면, 다이어프램실(22)이 넓어지므로, 밸브 보디(21)가 커진다. 또한, 밸브 시트측 단부면(4411a)에 작용하는 유체 압력이 높아지므로, 시일 하중을 강하게 하기 위해 구동부가 커진다. 한편, 두께 F가 크면, 다이어프램실(22) 내에 체류부가 형성되기 쉬워진다. 또한, 다이어프램실(22)이 넓어지므로, 밸브 보디(21)가 커진다. 따라서, 발명자들은, 도 3에 나타내는 바와 같이, 단부면 직경 D와 두께 F가 실시예 3보다 작고, 볼록부(416)를 구비하는 실시예 4에 대해, 변위량을 해석하였다. 실시예 4의 밸브체(4)의 변위량 해석 결과를 도 13에 나타낸다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 실시예 3은, 단부면 직경 D가 8.5㎜, 두께 F가 5.4㎜이며, 볼록부를 구비하지 않는다. 한편, 실시예 4는, 단부면 직경 D가 7.5㎜이며, 두께 F가 4.5㎜이며, 볼록부(416)를 구비한다. 도 12 및 도 13에, 실시예 3, 4의 변위량 해석 결과를 나타낸다.
도 13에 나타내는 바와 같이, 실시예 4의 밸브 본체(41)는, 볼록부(416)에 의해 중심부의 강성이 높아지고, 실시예 3(도 12 참조)에 비해, 중심부가 직경 외측 방향으로 변형되기 어렵다. 그리고, 도 13의 X6, X7로 나타내는 바와 같이, 밸브 본체(41)는, 볼록부(416)가 직경 외측 방향으로 변형되어도, 그 변형이 환상 오목 홈(415)에 의해 환상 시일 돌기(414)에 전해지기 어렵다. 또한, 실시예 4의 밸브 본체(41)는, 도 13의 X1∼X4로 나타내는 바와 같이, 환상 시일 돌기(414)의 P부, Q부, R부, S부의 변위량이 실시예 3(도 12의 X41∼X44 참조)과 동일한 정도로 억제된다. 도 23에 나타내는 바와 같이, 환상 시일면(414a)의 변위량이 3.687㎛이다. 실시예 3은, 환상 시일면(414a)의 변위량이 3.224㎛이다.
이와 같이, 실시예 4는, 단부면 직경 D를 실시예 3에 대해 약 0.88배, 두께 F를 실시예 3에 대해 약 0.83배로 작게 해도, 볼록부(416)와 환상 오목 홈(415)을 구비함으로써, 환상 시일면(414a)의 변위량이 실시예 3과 동일한 정도로 된다. 따라서, 실시예 4는, 실시예 3에 비해, 구동부(3)와 밸브 보디(21)를 콤팩트하게 할 수 있다. 이에 의해, 실시예 4에서는, 환상 시일면(414a)의 변위량을 억제하여 마모를 줄이고, 파티클을 억제할 수 있음과 함께, 밸브 사이즈를 콤팩트하게 할 수 있다. 또한, 실시예 4는, 밸브 본체(41)의 열화를 억제하므로, 초기의 시일력을 장기간 유지할 수 있고, 밸브의 유지 보수 간격을 넓힐 수 있다.
<(i) 볼록부와 두께 F와 높이 G의 조합이 환상 시일면의 변위량에 부여하는 효과에 대해>
도 3에 나타내는 바와 같이, 두께 F와 높이 G가 다른 실시예 4, 5, 6을 비교한다. 실시예 4, 5, 6은, T부의 위치나 볼록부(416)와 환상 오목 홈(415)이 마찬가지로 형성되어 있다. 실시예 4, 5, 6은, 높이 G의 크기와 견부(412, 543, 643)의 경사 각도에 의해, 두께 F의 크기가 조정되어 있다. 실시예 4는, 두께 F가, 환상 시일면(414a)의 폭 방향 중심 직경 A(5㎜)에 대해 0.9배로 되는 4.5㎜이다. 또한, 실시예 4는, 높이 G가 2.65㎜이다. 실시예 5는, 두께 F가, 환상 시일면(414a)의 폭 방향 중심 직경 A(5㎜)에 대해 0.8배로 되는 4.0㎜이다. 또한, 실시예 5는, 높이 G가 2.15㎜이다. 실시예 6은, 두께 F가, 환상 시일면(414a)의 폭 방향 중심 직경 A(5㎜)에 대해 0.7배로 되는 3.5㎜이다. 또한, 실시예 6은, 높이 G가 1.65㎜이다. 실시예 4∼6의 밸브체(4, 504, 604)의 변위량 해석 결과를, 도 13∼도 15에 나타낸다.
도 13, 도 14, 도 15에 나타내는 바와 같이, 실시예 4, 5, 6은, 볼록부(416)에 의해 밸브 본체(41, 541, 641)의 중심부가 강성이 높아지고, 직경 외측 방향으로 변형되기 어렵다. 볼록부(416)에 발생한 직경 외측 방향의 변형은, 환상 오목 홈(415)에 의해 환상 시일 돌기(414)에 전해지기 어렵다. 또한, 도 13, 도 14, 도 15에 나타내는 바와 같이, 밸브 본체(41, 541, 641)는, 변위량이 축선을 중심으로 동심원 형상으로 변화되고 있고, 수직 방향으로 변형되기 쉽다. 도 13의 X5∼X7, 도 14의 X55∼X57, 도 15의 X65∼X67로 나타내는 바와 같이, 밸브 시트측 단부면(411a, 5411a, 6411a)의 변형이 동일한 정도로 억제되고, 환상 시일 돌기(414)를 밸브 시트면(24a)에 수직으로 압박하고 있다. 또한, 도 13의 X1∼X4, 도 14의 X51∼X54, 도 15의 X61∼X64로 나타내는 바와 같이, 실시예 4, 5, 6은, P점, Q점, R점, S점의 변위량이 동일한 정도이며, 환상 시일 돌기(414)가 수직 방향으로 변형되고 있다. 도 23에 나타내는 바와 같이, 실시예 4는, 환상 시일면(414a)의 변위량이 3.687㎛이다. 실시예 5는, 환상 시일면(414a)의 변위량이 4.100㎛이다. 실시예 6은, 환상 시일면(414a)의 변위량이 4.685㎛이다.
따라서, 밸브체는, 높이 G를 작게 하여 다이어프램실의 용적을 확장해도, 견부의 경사를 크게 하여 두께 F를 확보하면, 환상 시일면의 변위량을 억제할 수 있다. 또한, 밸브체는, 높이 G가 낮고, 견부의 경사가 커짐으로써, 유체가 다이어프램실에 체류하기 어려워진다. 이에 의해, 체류한 유체가 열화되거나, 고화되어 파티클로 되는 문제가 발생하기 어려워진다.
<환상 시일면의 변위량과 파티클의 수의 관계에 대해>
상술한 파티클 시험의 결과로부터, 환상 시일면의 변위량과 파티클의 발생수의 관계를 정리하면, 도 24에 나타내는 바와 같이 된다. 도 24에 나타내는 바와 같이, 환상 시일면(414a)의 변위량이 6.175㎛, 5.064㎛, 4.037㎛, 3.224㎛로 작아질수록, 파티클 발생량은, 17.78개, 4.44개, 2.22개, 0개로 저감한다. 또한, 환상 시일면(414a)의 변위량이 6.175㎛를 초과하고, 9㎛ 이하인 미대책의 샘플은, 파티클의 발생수가 797.8개로 급격하게 증가한다. 따라서, 밸브체는, 환상 시일면(414a)의 변위량을 6.175㎛ 이하로 함으로써, 파티클을 효과적으로 저감시킬 수 있다.
특히, 도 26∼도 29에 나타내는 바와 같이, 환상 시일면(414a)의 변위량이 6.175㎛인 실시예 10의 밸브체(104)와, 환상 시일면(414a)의 변위량이 5.064㎛인 실시예 1의 밸브체(204)에서는, 밸브체(204)의 쪽이 환상 시일면(414a)의 거침이 적고, 버어가 발생하기 어렵다. 그로 인해, 실시예 1의 밸브체(204)는, 실시예 10의 밸브체(104)보다, 환상 시일면(414a)으로부터 미세 파티클이 발생하는 것을 효과적으로 억제 또는 방지할 수 있다고 생각된다. 따라서, 유체 제어 밸브는, 밸브체가 환상 시일면의 변위량을 조금이라도 작게 형상을 구비함으로써, 반도체 제조상 문제로 되는 파티클이 미세화되어도, 파티클 발생 원인 자체를 배제할 수 있다. 또한, 밸브체를 장수명화하여, 유체 제어 밸브(1)의 유지 보수 부담을 경감할 수 있다.
<기타>
발명자들은, 다이어프램 밸브체(104)의 밸브 시트측 단부면(1411a)에 환상 시일 돌기(414)를 형성하지 않고 밸브 시트측 단부면(1411a)을 편평하게 하고, 밸브 시트(24)의 개구부 외주를 따라 볼록부를 형성하는 구성에 대해서도 검토하였다. 그러나, 이 구성에서는, 다이어프램 밸브체(104)만큼, 밸브 폐쇄 시에 발생하는 환상 시일면의 마모나 파티클을 저감시킬 수 없었다.
B. 제2 실시 형태
계속해서, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 유체 제어 밸브에 대해 설명한다. 제2 실시 형태의 유체 제어 밸브는, 밸브체의 재질만이 제1 실시 형태의 유체 제어 밸브(1)의 다이어프램 밸브체(4)(실시예 4)와 상이하다. 여기에서는, 제2 실시 형태의 밸브체의 부호를 「4A」로 하고, 그 밖의 부호는 제1 실시 형태에서 사용한 것을 그대로 사용한다.
제2 실시 형태의 밸브체(4A)는, PFA제의 환봉을 절삭함으로써, 제1 실시 형태의 다이어프램 밸브체(4)와 동일한 형상으로 성형되어 있다. PFA는, PTFE보다 경도가 높고, 마모되기 어렵다. 그로 인해, 밸브체(4A)는, 제1 실시 형태에 관한 PTFE제의 다이어프램 밸브체(4)에 비해, 시일 하중을 받아도, 원기둥부(411)나 환상 시일 돌기(414)가 변형되기 어렵다. 따라서, 제2 실시 형태의 유체 제어 밸브는, 제1 실시 형태의 유체 제어 밸브(1)에 비해, 밸브체(4A)의 환상 시일면(414a)이 밸브 시트면(24a)에 대해 마찰되기 어렵고, 밸브 폐쇄 시에 발생하는 밸브체(4A)의 변형에 의한 마모를 억제하므로, 파티클의 발생을 저감시킬 수 있다.
여기서, 발명자들은, 밸브체(4A)와 다이어프램 밸브체(4)의 각 환상 시일면(414a)에 대해, 사용 전의 초기 시와, 5000회 밸브 개폐 동작한 후에, 각각 현미경 사진을 촬영하였다. 밸브체(4A)는, 초기 시와 5000회 동작 후에서, 환상 시일면(414a)에 거의 변화가 없고, 환상 시일면(414a)에 주름이나 흠집이 거의 확인되지 않았다. 한편, 다이어프램 밸브체(4)는, 5000회 동작하면, 환상 시일면(414a)의 내측 테두리부 부근에 미세한 주름이나 흠집이 확인되었다. 따라서, 환상 시일 돌기(414)를 PFA로 형성하면, 밸브 폐쇄 시에 발생하는 환상 시일면(414a)의 마모를 억제 또는 저감시킬 수 있고, 미세 파티클을 발생시키기 어려워진다.
또한, 발명자들은, 밸브체(4A)와 다이어프램 밸브체(4)에 대해, 마모 파티클 포집 시험을 행하였다. 시험 장치는, 상류측으로부터 순서대로, 5㎛ 이상의 이물질을 제거하는 1차측 필터, 시험 대상[밸브체(4A)를 장착한 유체 제어 밸브, 또는, 다이어프램 밸브체(4)를 장착한 유체 제어 밸브], 50㎚ 이상의 이물질을 제거하는 2차측 필터를 배치함으로써 구성하였다. 시험은, 1차측 필터에 순수를 매분 30ml씩 공급하면서 시험 대상에 40000회 밸브 개폐 동작을 행하게 한 후, 2차측 필터가 포집한 파티클의 수를 측정함으로써 행하였다. 1차측 필터가 순수에 포함되는 이물질을 제거하므로, 2차측 필터에 포집된 파티클은, 밸브체(4, 4A)의 마모에 의해 발생한 파티클이라고 생각된다.
시험 결과는, 다이어프램 밸브체(4)를 장착한 유체 제어 밸브에서는, 마모 파티클 포집수가 41개였다. 한편, 밸브체(4A)를 장착한 유체 제어 밸브에서는, 마모 파티클 포집수가 14개였다. 따라서, PFA로 형성한 밸브체(4A)는, PTFE로 형성된 다이어프램 밸브체(4)보다, 마모 파티클 포집수를 65％나 저감시킬 수 있었다. 이 시험 결과로부터, 환상 시일 돌기(414)는, PTFE로 형성하는 것보다 PFA로 형성하는 쪽이, 마모 파티클이 발생하기 어려운 것을 확인할 수 있었다.
C. 제3 실시 형태
계속해서, 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 유체 제어 밸브에 대해 설명한다. 도 31에, 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 유체 제어 밸브에 사용되는 밸브체(9)의 단면도를 나타낸다. 도 32, 도 33에, 제1 및 제2 변형예의 밸브체(109, 209)를 도시한다. 밸브체(9, 109, 209)는, 다른 재질로 형성된 2 부품을 결합하여 구성하는 점이 제2 실시 형태의 밸브체(4A)와 상이하고, 그 밖의 구성은 제2 실시 형태의 밸브체(4A)와 공통된다. 이하의 설명에서는, 제2 실시 형태와 공통되는 구성에는, 제2 실시 형태와 동일한 부호를 사용하여 설명을 적절히 생략하고, 제2 실시 형태와 상이한 점을 중심으로 설명한다.
제2 실시 형태에서 설명한 바와 같이, 밸브체(4A)는, PFA로 형성되므로, 밸브 폐쇄 시에 발생하는 환상 시일면(414a)의 마모가 저감되고, 마모 파티클의 발생을 억제할 수 있다. 그러나, PFA는, 소재 입수 곤란성의 문제 등에 의해, 절삭에 의한 성형이 곤란하다. 따라서, 도 31에 도시하는 바와 같이, 제3 실시 형태의 밸브체(9)는, 밸브 본체(93)의 네크부(413)와 견부(412)[밸브체부(410)] 사이에서 제1 부품(91)과 제2 부품(92)으로 분할되어 있다. 제1 부품(91)은 PTFE로 형성되고, 제2 부품(92)은 PFA로 형성되어 있고, 인서트 성형에 의해 제1 부품(91)과 제2 부품(92)이 일체화되어 있다. 제1 부품(91)은, 박막부(42)와, 외측 테두리부(43)와, 밸브 본체(93)의 네크부(413)를 구비한다. 한편, 제2 부품(92)은, 밸브 본체(93)의 견부(412)와 원기둥부(411)와 환상 시일 돌기(414)와 환상 오목 홈(415)과 볼록부(416)를 구비한다.
PFA는, PTFE로는 어려운 용융 성형이 가능하다. 또한, PFA는, PTFE보다 융점이 낮다. 한편, PTFE는, 소재를 입수하기 쉽고, PFA보다 절삭에 의한 성형이 용이하다. 따라서, 밸브체(9)는, 제1 부품(91)이 PTFE제의 환봉을 깎아 냄으로써 형성되어 있다. 그리고, 제2 부품(92)은, 제1 부품(91)에 축선 방향으로 돌출되도록 형성된 연결 볼록부(91a)를 금형에 삽입한 상태에서 연결 볼록부(91a)의 주위에 용융된 PFA를 유입하여 고화시킴으로써, 형성되어 있다. 그로 인해, 제2 부품(92)은, 원기둥부(411)나 환상 시일 돌기(414)나 환상 오목 홈(415)이나 볼록부(416)가, 용융 성형에 의해 간단하게 고정밀도로 형성된다. 또한, 네크부(413)를 구비하는 제1 부품(91)을 PFA보다 경도가 낮은 수지(예를 들어 PTFE)로 형성하고, 환상 시일 돌기(414)를 구비하고, 제1 부품(91)에 결합하는 제2 부품(92)을 PFA로 형성하므로, 환상 시일 돌기(414)가 PFA로 형성된 밸브체(9)를 형성하기 쉽다.
밸브체(9)는, 제1 부품(91)이 제2 부품(92)에 인서트 성형되어 있으므로, 제1 부품(91)과 제2 부품(92) 사이에 간극이 거의 없다. 또한, 밸브체(9)는, 연결 볼록부(91a)의 외주면에 요철이 둘레 방향으로 형성되고, 그 요철에 PFA가 충전된 상태에서 제2 부품(92)과 제1 부품(91)이 결합되어 있다. 그로 인해, 유체 제어 밸브가 밸브 개폐 동작을 반복해도, 제2 부품(92)과 제1 부품(91) 사이에 간극이 생기기 어렵다. 따라서, 밸브체(9)를 장착하는 유체 제어 밸브는, 제1 부품(91)과 제2 부품(92) 사이에 미세 파티클이 들어가기 어렵고, 또한 약액 등이 제1 부품(91)과 제2 부품(92) 사이에 들어가 고화되고, 파티클을 발생시키기 어렵다. 또한, 밸브체(9)는, 환상 시일 돌기(414)나 원기둥부(411)가 PFA로 형성되어 변형되기 어려우므로, 밸브 폐쇄 시에 발생하는 환상 시일면(414a)의 마모를 억제하여, 파티클을 저감시킬 수 있다.
도 32에 도시하는 제1 변형예의 밸브체(109)는, 제1 부품(191)의 밸브 시트측 단부면(411a)에 압입 홈(191a)이 환상으로 형성되고, 그 압입 홈(191a)에 링 형상의 제2 부품(192)을 압입하고 있다. 환상 시일 돌기(414)는, 제2 부품(192)에 의해 구성되어 있다. 제1 부품(191)은 PTFE로 형성되고, 제2 부품(192)은 PFA로 형성되어 있다. 밸브체(109)는, 환상 시일 돌기(414)가 PFA로 형성되어 변형되기 어려우므로, 밸브 폐쇄 시에 발생하는 환상 시일면(414a)의 마모가 억제됨으로써, 파티클의 발생이 저감된다. 또한, 밸브체(109)는, 제2 부품(192)과 압입 홈(191a)의 내벽 사이에 간극이 생기고, 티끌이 들어갈 우려가 있다. 또한, 밸브체(109)는, 제2 부품(192)을 압입 홈(191a)에 압입함으로써 제1 부품(191)과 제2 부품(192)을 결합하므로, 제품간에서, 원기둥부(411), 환상 시일 돌기(414), 환상 오목 홈(415), 볼록부(416)의 치수에 편차가 발생할 우려가 있다.
도 33에 도시하는 제2 변형예의 밸브체(209)는, 제1 부품(291)에 수나사부(291a)를 돌출하고, 그 수나사부(291a)를 제2 부품(292)의 암나사부(292a)에 나사 결합하는 점만이, 제3 실시 형태의 밸브체(9)와 상이하다. 밸브체(209)는, 원기둥부(411)와 환상 시일 돌기(414)가 PFA에 의해 형성되어 변형되기 어려우므로, 밸브 폐쇄 시에 발생하는 환상 시일면(414a)의 마모를 억제함으로써, 파티클의 발생을 저감시킬 수 있다. 또한, 밸브체(209)는, 수나사부(291a)와 암나사부(292a) 사이에 반드시 간극이 발생하고, 그 간극에 미세한 티끌이 들어갈 우려가 있다.
따라서, 밸브체를 2 부품으로 구성하는 경우에는, 밸브체(9)와 같이, 제1 부품(91)과 제2 부품(92)을 인서트 성형에 의해 일체화하는 것이, 가장 파티클 억제 효과가 높다. 밸브체(109, 209)는, 제1 부품(191, 291)과 제2 부품(192, 292) 사이에 형성되는 간극을 수지 등으로 메우는 처리를 하면, 밸브체(9)와 마찬가지의 파티클 억제 효과가 얻어진다. 또한, 압입, 나사 체결이라면, 인서트용 금형이 불필요하며, 어떠한 형상에도 적용할 수 있어 범용성이 높다.
본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 일 없이, 다양한 응용이 가능하다.
(1) 예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 유체 제어 밸브(1)를 반도체 제조 장치에 적용하였지만, 다른 장치에 적용해도 된다.
(2) 예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 밸브체부(410)가 원기둥부(411)와 견부(412)를 구비하지만, 밸브 본체를 원추 형상으로 해도 된다.
(3) 예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 유체 제어 밸브(1)를 다이어프램 밸브로서 구성하였지만, 벨로즈 밸브나 전자 밸브 등의 박막부를 구비하지 않는 밸브체에, 다이어프램 밸브체(4)의 환상 시일 돌기(414) 부근의 형상을 적용하고, 환상 시일면의 변위량을 억제하도록 해도 된다.
(4) 예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 박막부(42)를 네크부(413)에 접속하였다. 이에 반해, 박막부(42)는, 도 34에 도시하는 제3 변형예의 밸브체(4B)에 도시하는 바와 같이, 견부(412)와 네크부(413)의 접속 부분에 접속해도 되고, 도 35에 도시하는 제4 변형예의 밸브체(4C)에 도시하는 바와 같이, 원기둥부(411)에 접속해도 된다.
(5) 예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 다이어프램 밸브체(4)의 수나사부(413b)를 구동부(3)의 암나사부(35c)에 나사 결합함으로써, 다이어프램 밸브체(4)와 구동부(3)를 연결하였다. 이에 반해, 도 36에 도시하는 제5 변형예의 밸브체(4D)와 같이, 네크부(413)에 암나사부(420)를 형성하고, 그 암나사부(420)에 나사 결합하는 수나사부를 구동부(3)의 피스톤(35)에 형성함으로써, 밸브체(4D)를 구동부(3)에 연결해도 된다.
(6) 다이어프램 밸브체(4)의 재질은 변성 PTFE(변성 폴리테트라플루오로에틸렌) 경도 D55∼60, 또는, PFA(테트라플루오로에틸렌·퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체) 경도 D60∼64여도 된다.
(7) 밸브 보디(21)[밸브 시트(24)]의 재질은 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 경도 D53∼58, 또는, 변성 PTFE(변성 폴리테트라플루오로에틸렌) 경도 D55∼60이어도 된다.
(8) 환상 시일면(414a)의 코너부 모따기나 코너부 R면따기가 있어도 된다. 이 경우, 편평한 면의 내주와 외주 사이의 중심 위치의 직경이 「환상 시일부의 직경」에 상당한다. 또한, 환상 시일면(414a)은, 편평 이외에도, 환상 시일 돌기(414)의 선단부를 R 형상으로 한 환상 시일부로 해도 된다. 이 경우, 환상 시일부가 밸브 시트와 대향하는 정점 부분의 직경이 「환상 시일부의 직경」에 상당한다. 이들 경우라도, 다이어프램 밸브체(4)의 밸브 본체(41)에 발생하는 압축 변형을 수직 방향으로만 발생시키도록, 환상 시일 돌기(414) 주변의 형상을 구성하면[예를 들어, 원기둥부(411)의 직경이나 볼록부(416)나, 환상 오목 홈(415) 등], 상기 실시 형태와 마찬가지의 작용 효과가 얻어진다.
(9) 환상 오목 홈(415)의 저면은, 밸브 시트측 단부면(411a)과 동등하거나, 거의 동일한 높이여도 된다.
(10) 밸브 시트측 단부면(411a)은, 편평 형상에 한하지 않고, 경사면이나 곡면이어도 된다.
(11) 파티클 발생을 억제하기 위해 필요한 환상 시일면(414a)의 변위량은, 직경 방향의 외측 변위량에 한하지 않고, 내측 변위량이어도 된다.
(12) 환상 시일 돌기는, 원통 형상으로 형성하고, 밸브 시트측으로부터 반 밸브 시트측까지 직경 방향의 두께를 일정하게 해도 된다.
(13) 환상 시일 돌기의 돌기 형상은, 밸브체의 직경 방향 축심측의 벽 형상과, 직경 방향 반 축심측의 벽 형상이 다른 형상이어도 된다. 그 벽의 형상이나 돌기의 높이는, 환상 시일면(환상 시일부)의 변위량이 작아지도록 설정하면 된다.
(14) D/A는, 상기 실시 형태에 한하지 않고, 1.35, 1.40, 1.45 등이어도 된다. 도 25에 나타내는 바와 같이, D/A가 커지면, 환상 시일면(414a)의 변위량은 저하되고, 파티클의 발생을 억제할 수 있다.
1 : 유체 제어 밸브
3 : 구동부
4 : 다이어프램 밸브체(밸브체의 일례)
24 : 밸브 시트
414 : 환상 시일 돌기
414a : 환상 시일면(환상 시일부의 일례)
415 : 환상 오목 홈
416 : 볼록부
A : 환상 시일면의 폭 방향 중심 직경
B : 환상 시일면의 직경 방향 폭 치수
D : 밸브 시트측 단부면의 직경
F : 환상 시일면의 직경 방향 중심 위치로부터 축선 방향에 있어서의 두께
H : 볼록부의 기단부의 직경
I : 볼록부의 높이
J : 구동부로부터 하중을 받는 수압면과 밸브 시트측 단부면 사이에 있어서 가장 가느다란 부분의 직경

Claims (12)

  1. 구동부와,
    제1 포트와 제2 포트와 밸브 시트를 갖는 밸브 보디와,
    기둥 형상으로 형성되고, 상기 구동부에 연결되는 밸브체를 갖는 것,
    상기 밸브체가, 밸브 시트측에 위치하는 밸브 시트측 단부면에 환상으로 돌출되고, 상기 밸브 시트에 압박되어 시일하는 환상 시일부를 선단부에 설치된 환상 시일 돌기를 갖고, 적어도 상기 환상 시일 돌기가 불소 수지제인 것,
    상기 밸브체는, 가장 가느다란 부분의 직경이 상기 환상 시일부의 직경보다 작고, 밸브 폐쇄 시에 상기 환상 시일 돌기의 변형을 억제하기 위해, 상기 밸브 시트측 단부면의 직경이 상기 밸브 시트에 접촉하고 있지 않을 때의 상기 환상 시일부의 직경의 1.3배 이상이며, 또한 상기 환상 시일부의 직경 방향 중심 위치에 있어서의 축선 방향의 두께가, 상기 환상 시일부의 직경에 대해 0.7배 이상인 것을 특징으로 하는, 유체 제어 밸브.
  2. 구동부와,
    제1 포트와 제2 포트와 밸브 시트를 갖는 밸브 보디와,
    기둥 형상으로 형성되고, 상기 구동부에 연결되는 밸브체를 갖는 것,
    상기 밸브체가, 밸브 시트측에 위치하는 밸브 시트측 단부면에 환상으로 돌출되고, 상기 밸브 시트에 압박되어 시일하는 환상 시일부를 선단부에 설치된 환상 시일 돌기를 갖고, 적어도 상기 환상 시일 돌기가 불소 수지제인 것,
    상기 밸브 시트측 단부면의 직경이, 상기 밸브 시트에 접촉하고 있지 않을 때의 상기 환상 시일부의 직경의 1.3배 이상인 것,
    상기 밸브체는, 가장 가느다란 부분의 직경이 상기 환상 시일부의 직경보다 작고, 상기 구동부에 의해 상기 환상 시일부가 상기 밸브 시트에 압박될 때, 상기 환상 시일부가 직경 방향으로 변위되는 변위량이 6.175㎛ 이하인 것을 특징으로 하는, 유체 제어 밸브.
  3. 구동부와,
    제1 포트와 제2 포트와 밸브 시트를 갖는 밸브 보디와,
    기둥 형상으로 형성되고, 상기 구동부에 연결되는 밸브체를 갖는 것,
    상기 밸브체가, 밸브 시트측에 위치하는 밸브 시트측 단부면에 환상으로 돌출되고, 상기 밸브 시트에 압박되어 시일하는 환상 시일부를 선단부에 설치된 환상 시일 돌기를 갖고, 적어도 상기 환상 시일 돌기가 불소 수지제인 것,
    상기 밸브 시트측 단부면의 직경이, 상기 밸브 시트에 접촉하고 있지 않을 때의 상기 환상 시일부의 직경의 1.3배 이상인 것,
    상기 밸브체는, 가장 가느다란 부분의 직경이 상기 환상 시일부의 직경보다 작고, 상기 구동부에 의해 상기 환상 시일부가 상기 밸브 시트에 압박될 때, 상기 환상 시일부가 직경 방향으로 변위되는 변위량이, 상기 밸브 시트에 접촉하고 있지 않을 때의 상기 환상 시일부의 직경에 대해 12.4×10－4배 이하인 것을 특징으로 하는, 유체 제어 밸브.
  4. 제1항에 있어서, 상기 밸브체는, 상기 구동부에 의해 상기 환상 시일부가 상기 밸브 시트에 압박될 때, 상기 환상 시일부가 직경 방향으로 변위되는 변위량이 6.175㎛ 이하인 것을 특징으로 하는, 유체 제어 밸브.
  5. 제4항에 있어서, 상기 변위량이 3.224㎛ 이상인 것을 특징으로 하는, 유체 제어 밸브.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 밸브체는, 상기 구동부에 의해 상기 환상 시일부가 상기 밸브 시트에 압박될 때, 상기 환상 시일부가 직경 방향으로 변위되는 변위량이, 상기 밸브 시트에 접촉하고 있지 않을 때의 상기 환상 시일부의 직경에 대해 12.4×10－4배 이하인 것을 특징으로 하는, 유체 제어 밸브.
  7. 제6항에 있어서, 상기 변위량이, 상기 밸브 시트에 접촉하고 있지 않을 때의 상기 환상 시일부의 직경에 대해 6.45×10－4배 이상인 것을 특징으로 하는, 유체 제어 밸브.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브체는, 상기 환상 시일 돌기의 내측에 상기 밸브 시트측 단부면으로부터 밸브 시트 방향으로 돌출되는 볼록부를 갖는 것을 특징으로 하는, 유체 제어 밸브.
  9. 제8항에 있어서, 상기 볼록부는, 상기 밸브 시트측 단부면에 접속되는 기단부의 직경이 상기 밸브체의 가장 가느다란 부분의 직경 이상인 것을 특징으로 하는, 유체 제어 밸브.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 환상 시일 돌기는, PFA로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 유체 제어 밸브.
  11. 삭제
  12. 삭제
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