JP4334978B2 - 定流量弁 - Google Patents

Description

本発明は、気体または液体などの流体を、例えば２４ｃｃ／ｍｉｎ程度の微小流量に定量制御する場合などに特に好適に用いることができる定流量弁に関するものである。

半導体の製造工程における蒸着過程などでは、チャンバの内部を窒素ガスでパージするために、チャンバと真空ポンプとを接続する配管中にバルブを設けて、このバルブの開度を調節することにより、配管内の窒素ガスの流量が２４ｃｃ／ｍｉｍ程度の微小流量になるように設定している。

しかしながら、上述の２４ｃｃ／ｍｉｎ程度の微小流量になるようにバルブの開度を設定するには、バルブの開度が極めて小さくなるから、開閉弁体に対するばね圧を調整するためのストロークの設定調整が難しくなり、ときには流量がゼロまたはゼロ近くになってしまう設定ミスが生じるおそれがある。このような調整ミスが生じると、チャンバの内部で窒素ガスをパージできなくなる結果を招く。また、バルブは、開閉弁体の設定調整機構の加工精度に起因して流量にばらつきが生じ易いことから、ストロークに対する開度の精度を上げるのが難しいので、この点からも上述のような微小流量に正確に調整するのが一層困難となる。一方、微小流量に容易、かつ正確に設定できるように加工精度を上げると、加工工数が増し、バルブが高価になる。

一方、オリフィスを用いた安価な流量調整機構もある（特許文献１参照）。ところが、オリフィスでは、特に気体を微小流量に設定しようすれば、極めて小さなオリフィス径に形成する必要がある。例えば、気体を上述の２４ｃｃ／ｍｉｎ程度の微小流量に設定する場合には、オリフィス径をφ０．０５ｍｍ以下に設定する必要があり、このような極めて小さなオリフィス径の穴径加工はドリルなどで精度良く形成するのが困難であるから、レーザー加工などの手段が必要となり、加工費用が高くなる。
特開平１１−２５７５０５号公報

本発明は前記従来の問題に鑑みてなされたもので、簡単で安価な構成としながらも、気体などの流体を微小流量に高精度に流量制御することのできる定流量弁を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明に係る定流量弁は、一定量の流体を弁体を通して通過させるものであって、前記弁体が、焼結合金からなり、表面に切削による加工面と非加工面とを有し、前記流体が前記非加工面を通して前記弁体内を通過するように構成されている。

焼結合金は、流体を内部通過させることが可能なポーラス構造（多孔質）を有しているが、発明者は、焼結合金に切削を施すと、その加工面はポーラス構造が潰れて流体の流入および流出を阻止し、焼結合金に対して非加工面からのみ流体が流入または流出することを見い出して、本発明をなすに至った。焼結合金からなる弁体は、ポーラス構造内を流体が通過するときの流動抵抗が大きいことから、微小流量に容易に流量制御することができるとともに、流体を通過させるノズルにおけるノズル径（前記非加工面の面積に対応）とノズル長さ（流入側非加工面と流出側非加工面間の距離に相当）により、任意の流量を容易、かつ正確に設定することができる。そのため、この定流量弁では、弁体の形状によって流量が一義的に決定されるから、バルブを用いる場合のような流量の調整操作が不要となり、したがって、流量の設定ミスが生じることがないので、例えば、半導体の製造工程における窒素ガスのパージ用に用いた場合に、流量がゼロとなるおそれがなくなり、パージを確実に行える。

本発明の好ましい実施形態では、前記弁体が、大径の胴部と、この胴部よりも小径で前記胴部の一方の端面に前記胴部と同芯上に位置する第１の突部とを有する段付きの円柱体からなり、前記胴部と前記第１の突部の間の段部と、流体通路内のばね受けとの間に、前記弁体を前記流体通路内の弁座面に押圧するばね体が装着されている。この構成によれば、弁体は、圧縮ばねからなるばね体で弁座面に押圧されて固定されているので、流体通路内の流体の全てを弁体内に確実に通すことができ、流量を一層正確に制御することができる。また、弁体は、第１の突部を有する段付きの円柱体としたことにより、圧縮ばねを位置ずれや外れが生じないように保持できる。

本発明の他の好ましい実施形態では、前記弁体が、大径の胴部と、この胴部よりも小径で前記胴部の一方の端面に前記胴部と同芯上に位置する第１の突部と、前記胴部の他方の端面に前記胴部と同芯上に位置する第２の突部とを有し、少なくとも前記胴部の外周面および前記第２突部の端面が前記非加工面とされている。この構成によれば、流体は、弁体の胴部の外周面から流入して第２の突部の端面から流出するか、またはその逆方向に弁体の内部を流動するので、第２の突部の端面の面積と、第２の突部の長さ、つまり胴部の他方の端面から第２の突部の端面までの長さとに基づいて流量を正確に設定することができる。

本発明のさらに他の好ましい実施形態では、前記焼結合金が、ステンレスの粉体からなり、密度４．２〜５．２ｇ／ｃｍ³ 、空隙率３６〜４８％である。これにより、特に流体が気体である場合には、２４ｃｃ／ｍｉｎ程度の微小流量に容易、かつ正確に設定することができる。

本発明のさらに他の好ましい実施形態では、前記流体を一方向のみに通過させる逆止弁を有している。この構成によれば、流体通路内の流体を、弁体を通して一方向のみに確実に通過させることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係る定流量弁を示す縦断面図である。この定流量弁は、一方向流を定量制御するものであり、流体Ｆの上流側に配置されるキャップ２と下流側に配置されるボディ３とがねじ４により結合されて、ハウジング１が構成されている。キャップ２内には弁体５が装着されているとともに、ボディ３内には、流体Ｆを一方向のみに通過させる逆止弁７が装着されている。

前記弁体５の斜視図である図２（ａ），（ｂ）において、この弁体５は、単一の焼結合金を形成素材として、大径の胴部８と、この胴部８よりも小径で胴部８の一方の端面、この例では流体Ｆの流動方向の上流側の前面８ｂと同芯上に位置して胴部８から突設された第１の突部９と、胴部８の他方の端面である後面８ｃに胴部８と同芯上に位置して胴部８から突設された第２の突部１０とを有する段付きの円柱体に形成されている。この弁体５は、互いに連結しあった無数の金属粒子の集合である単一の焼結合金からなるので、気体や液体などの流体を内部通過させることが可能なポーラス構造を有している。具体的には、弁体５を構成する焼結合金として、ステンレスの粉体からなり、焼結体密度が４．２〜５．２ｇ／ｃｍ³ で、空隙率が３６〜４８％たものを用いることが好ましい。また、焼結合金としては、ブロンズの粉体からなり、焼結体密度が５．０〜６．５ｇ／ｃｍ³ で、空隙率が２５〜４３％に設定したものを用いることもできる。

弁体５の縦断面図である図２（ｂ）において、前記弁体５は、仮想線で示すように、先ず、胴部８と同一径で、第１の突部９の端面から第２の突部１０の端面に至る長さを有する円柱体を形成したのちに、この円柱体に切削加工を施すことにより、胴部８となる箇所を残して、これの前後部分を所要形状になるように除外して第１の突部９と第２の突部１０とを形成する過程を経て製作されている。したがって、第１の突部９の外周面９ａ、第２の突部１０の外周面１０ａおよび胴部８の前面８ｂと後面８ｃは、いずれも切削加工による加工面Ｗであって、ポーラス構造が潰されて流体Ｆの通過を阻止し、弁体５内に流体Ｆが流入または流出できるのは、非加工面ＮＷである第１の突部９の前端面９ｂ、胴部８の外周面８ａおよび第２の突部１０の端面１０ｃのみである。

図１に戻って、キャップ２内に配置された前記弁体５は、胴部８と第１の突部９との間の段部（胴部８の前面８ｂ）と、キャップ２の内部の流体通路１１に形成された段部からなるばね受け１２との間に介装されたコイル状の圧縮ばね１３により、流体Ｆの流動方向の下流側（図の右方側）にばね力が付加されて、胴部８の後面８ｃが、Ｏリングからなるシール部材１４を介してボディ３の弁座面１７に押し付けられている。圧縮ばね１３は、第１の突部９により、径方向の位置ずれや外れが生じないよう保持される。キャップ２には、弁体５の胴部８の上流側上半部に対向する周囲箇所に、流体通路１１に連通した流体迂回通路１８が形成されており、胴部８の下流側下半部とキャップ２の内周面との間には、流体迂回通路１８に連通する空隙部１９が設けられている。また、弁体５の第２の突部１０の後部は、ボディ３の流通路２０に挿入されている。

前記逆止弁７は、上流側に受圧面２１ａを有するピストン２１と、Ｃリング２２を介して下流側への移動を阻止された状態でボディ３の流体通路３１内に設けられたストッパ２３と、このストッパ２３とピストン２１との間に介装されてピストン２１を上流側に向け付勢するコイル状の圧縮ばね２４と、ピストン２１の環状溝２１ｂ内に係止されたＯリングからなるシール部材２７とを有している。この逆止弁７は、圧縮ばね２４の付勢力によりピストン２１を介してシール部材２７および受圧面２１ａの一部がボディ３の弁座面２８に押し付けられることにより、ボディ３内の上流側の流体溜まり部２９と下流側の流体通路３１との間を閉塞する。なお、キャップ２とボディ３との各突き合わせ面の間にはシール用ガスケット３０が介装されている。

つぎに、前記定流量弁の作用について説明する。この定流量弁は、キャップ２をこれの外周面に形成された雄ねじ２ａを介したねじ結合により流体Ｆの流入側配管（図示せず）に連結するとともに、ボディ３を、これの外周面に形成された雄ねじ３ａを介したねじ結合により流出側配管（図示せず）に連結して取り付ける。これにより、図１に矢印で示すように、流入側配管を通じて供給される流体Ｆは、キャップ２の流体通路１１に流入して、そのうちの一部が流体迂回通路１８を通って、図２（ｂ）に示す胴部８における非加工面ＮＷである外周面８ａから弁体５内に流入し、他部が第１の突部９における非加工面ＮＷである前端面９ｂから弁体５内に流入する。弁体５内に流入した流体Ｆは、ポーラス構造となっている弁体５内部の隙間を通って流動し、第２の突部１０における非加工面ＮＷである端面９ｃから流出する。このとき、弁体５は、図１の圧縮ばね１３のばね力を受けて胴部８の後面８ｃがシール部材１４を介し弁座面１７に押し付けられた状態で固定されているので、流体通路１１内に流入した流体Ｆの全てが弁体５内部を通ってボディ３の流体溜まり部２９に流れる。

ボディ３では、これの流体溜まり部２９内に流入した流体Ｆによる圧力を受圧面２１ａに受けるピストン２１が、前記圧力が所定値以上になったときに、圧縮ばね２４のばね力に抗して下流側に変位される。これにより、ピストン２１の環状溝２１ｂに係合されたシール部材２７が弁座面２８から離間して開弁する。これにより、流体Ｆは、ボディ３の流体通路３１内に流入したのち、ピストン２１とこれが挿通されているストッパ２３の挿通孔２３ａとの間の隙間を通って流出側配管に向け流出する。

なお、流体Ｆの下流側の流体通路３１内の流体Ｆの圧力が上流側の流体溜まり部２９内の流体Ｆの圧力よりも高くなった場合には、圧縮ばね２４の付勢力によりピストン２１のシール部材２７が弁座面２８に押し付けられて、流体Ｆの上流側への逆流を阻止する。したがって、この定流量弁は、弁体５を通して一方向のみに流体Ｆを通過させる。

前記弁体５は、ポーラス構造内を流体Ｆが通過するときの流動抵抗が大きいことから、流体Ｆを微小流量に容易に設定して、正確に流量制御することができるから、半導体製造工程における窒素ガスをパージする過程などに好適に用いることができる。すなわち、弁体５による流量の設定は、図２（ａ），（ｂ）に示す弁体５の形成素材である焼結合金の焼結体密度および空隙率と、流入口となる非加工面ＮＷの面積または流出口となる非加工面ＮＷの面積（ノズルの通路面積に相当）と、流入口−流出口間の距離（ノズル長さに相当）とによって正確に設定することができる。したがって、前記弁体５では、円柱体である第２の突部１０の直径Ｒ（図２（ｂ））と長さＬ（図２（ｂ））とに基づいて、流体Ｆの流量を微小な任意の値に任意に設定することができる。つまり、第２の突部１０の直径Ｒを大きくするに従って通路面積が大きくなって流量も大きくなり、第２の突部１０の長さを長くするに従って通路抵抗が大きくなって流量も小さくなる。

流量を設定するための具体的な数値を示すと、上述した窒素ガスをパージする用途に用いるに際して、流量を２４ｃｃ／ｍｉｎに設定する場合には、弁体５の形成素材の焼結合金として、ステンレス粉体からなり、焼結体密度が４．２〜５．２ｇ／ｃｍ³ で、空隙率が３６〜４８％ものを用い、胴部８を、直径が５ｍｍで長さＬ１が３ｍｍの、第１の突部９を、直径が３ｍｍで長さＬ２が１．５ｍｍの、第２の突部１０を、長さＬ３が１．５ｍｍで直径が１．２ｍｍの、各円柱体に設定すればよい。第２の突部１０は長さＬが０．５ｍｍ以上の長さを有していれば容易に加工することができるので、この長さＬを１．５ｍｍと比較的大きく設定し、これに伴って直径も１．２ｍｍと比較的大きく設定しながらも、２４ｃｃ／ｍｉｎの微小流量に定量制御することができる。したがって、前記弁体５は、円柱体に対し容易な切削加工を施して段付きの円柱状とする簡単な加工手段で容易に製作できるので、安価なものとなる。

また、弁体５は、図２（ｂ）に仮想線で示すような焼結合金による円柱体を形成したのち、その円柱体に切削加工により、第１の突部９と第２の突部１０を形成するだけで、ただちに胴部８の外周面８ａと第１の突部９の前端面９ｂと第２の突部１０の端面１０ｃとが非加工面ＮＷとして残る弁体５が得られる。なお、胴部８の外周面が非加工面ＮＷになって流体Ｆの流入口となるから、第１の突部９の前端面９ｂは切削加工して加工面Ｗとしてもよい。

前記定流量弁は、弁体５によって流体Ｆの流量が一義的に決定されるから、バルブのような流量の調整操作が不要となり、流量の設定ミスなどが生じるおそれがない。そのため、例えば、半導体の製造工程における窒素ガスのパージ用に用いた場合には、極めて微小な流量に設定するにもかかわらず、流量がゼロとなるおそれがないので、パージを確実に行える。

なお、本発明は、一方向流のみでなく、双方向流に対する弁の定量制御にも適用できる。

本発明の一実施形態に係る定流量弁を示す縦断面図である。 同上の定流量弁における弁体を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は縦断面図である。

符号の説明

５…弁体
７…逆止弁
８…胴部
８ｂ…一方の端面
８ｃ…他方の端面
９…第１の突部
１０…第２の突部
１１，３１…流体通路
１２…ばね受け
１３…圧縮ばね
１７…弁座面
Ｗ…加工面
ＮＷ…非加工面

Claims (5)

1. 一定量の流体を弁体を通して通過させる定流量弁であって、
   前記弁体が、焼結合金からなり、表面に切削による加工面と非加工面とを有し、前記流体が前記非加工面を通して前記弁体内を通過するように構成されている定流量弁。
2. 請求項１において、前記弁体は、大径の胴部と、この胴部よりも小径で前記胴部の一方の端面に前記胴部と同芯上に位置する第１の突部とを有する段付きの円柱体からなり、前記胴部と前記第１の突部の間の段部と、流体通路内のばね受けとの間に、前記弁体を前記流体通路内の弁座面に押圧するばね体が装着されている定流量弁。
3. 請求項１において、前記弁体は、大径の胴部と、この胴部よりも小径で前記胴部の一方の端面に前記胴部と同芯上に位置する第１の突部と、前記胴部の他方の端面に前記胴部と同芯上に位置する第２の突部とを有し、少なくとも前記胴部の外周面および前記第２の突部の端面が前記非加工面とされている定流量弁。
4. 請求項１，２または３において、前記焼結合金は、ステンレスの粉体からなり、密度４．２〜５．２ｇ／ｃｍ³ 、空隙率３６〜４８％である定流量弁。
5. 請求項１から４のいずれかにおいて、さらに、前記流体を一方向のみに通過させる逆止弁を有している定流量弁。

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