JP7313169B2 - 真空ベローズホットバルブ - Google Patents

Description

本発明は、真空ベローズホットバルブに関し、特に高温・高電圧（例えば２００Ｖ仕様、耐電圧１５００Ｖ）においても耐久性・駆動性と、耐電圧等の電気安全性に優れた真空ベローズホットバルブに関する。

従来、半導体製造装置（成膜装置、エッチング装置など）の真空排気系統などにおいて、チャンバ内の化学プロセスに用いられた高温の反応ガスや沸点の低い高温流体などの場合、適切に高温状態に保たれた排気がなされないと、流体温度の低下に伴って流路内に副生成物が析出・付着していき、特に流路配管の途中に配設された開閉や調圧用のバルブでは、弁体の駆動や着座などの正常な機能が損なわれるおそれがあるため、このような流路の途中に設けられるバルブには、適宜の加熱・調温手段を備えることにより、バルブ全体を適切な高温状態に維持できる所謂ホットバルブが用いられている。また、弁体を駆動するステムがベローズで流路と密封区画される所謂ベローズタイプは、この種のホットバルブで多用されている。

従来、このような真空ベローズホットバルブとして特許文献１～３が提案されている。特許文献１は、ＣＶＤ装置の真空排気弁であり、ベローズ内に、弁体を加熱するため、ステムと同心状に螺旋状のシースヒータを配線すると共に、このシースヒータの内側にも弁体の温度を測定するための螺旋状のシース熱電対を配線して、ヒータと熱電対の各電線が２重螺旋状に設けられており、弁体の昇降動に追随可能なこの螺旋状のシースヒータで、少なくともステム、弁体、ベローズをそれぞれ加熱するようにしている。

特許文献２には、シリコンゴムから成る絶縁材の内側にヒータ線が均一に埋設されて構成された面状ヒータが示されており、この面状ヒータは可撓性の有るシート状を呈し、筒状のヒータスリーブの外周を巻き回すように装着されてヒータスリーブを被覆しており、このヒータスリーブの内部には同心状にステムが昇降動可能に挿通している。また、ヒータスリーブのフランジ部は、ボデー上部の断熱材にネジ固定されることで、面状ヒータがベローズ内部に非可動に固定されつつ、ステムやベローズを加熱可能となっている。さらに、面状ヒータの略中央位置には、温度検出のための測温接点部を有する被覆熱電対が設けられている。なお、面状ヒータの他の例として、ガラスウールから成る絶縁材にヒータ線を埋設するものについても言及されている。

特許文献３にも、ヒータを非可動状態でベローズ内部に固定するための部材として、ボデー側に固定される鍔部と、内部に同心状にステムが昇降動可能に挿通している筒状部と、から成るアルミニウム製の部材が示されており、この部材には、電気抵抗発熱式の棒状ヒータが軸心方向に向けて挿入され、この部材を伝熱体として、バルブを加熱可能に構成されている。また、弁体にもヒータと温度センサが設けられており、これらヒータと温度センサとをバルブ外部の電源と導通させるための電線は、一次導線束として、中空状に形成されたステム内部に同心状に挿通されて、ステム上部に設けられたピストン上面側に導出されると共に、このピストン上面側において、螺旋状の二次導線束としてステムの昇降動に追随可能に配線されている。

特許第２９９５４５０号公報 特許第４４０１５１４号公報 特許第３７７８８６６号公報

しかしながら、特許文献１では、少なくともシースヒータ加熱用の螺旋状電線に関しては、例えば１８０度以上（使用温度範囲：２０度～３００度）など、従来よりも高い加熱温度に対応する場合には、発熱出力を上げるため、電線径の太線化が避けられないが、ベローズ内で弁体の昇降動に追随する形態で設けられている電線を太線化させると、電線の良好な可撓性が失われるので、螺旋状に巻き回すことが困難となり、組立・分解やメンテナンスなど、バルブの取り扱いに悪影響が及ぶおそれがある。また、太線化により、電線を弁体の昇降に伴い収縮させるための抵抗力も増すと共に、ベローズ内の電線の総重量も増大するから、弁体の駆動性にも悪影響が生じるおそれもある。よって、同文献では、ヒータ用の電線の太線化に十分に対応することができない。

特許文献２は、シリコンラバーヒータやガラスウールヒータが用いられているので、ヒータの耐熱温度が低い。このため、上記同様に例えば１８０度（バルブの使用温度が常時３００度以上の温度領域に及ぶ場合）など、従来よりも高い温度領域においては、十分な耐久性と安定した使用性を発揮できないおそれがある。また、バルブの内部を測温するための熱電対が、弁体自体に備えられておらず、やや離れた位置に設けられているので、弁体部位の測温精度が高くない。ホットバルブでは、最も副生成物の析出・付着が問題となるのは、バルブのシール性を直接左右する弁体と弁座の部位であり、このような弁体付近の温度検出と調温を高精度に行うことで、ホットバルブの正常な機能を適切に維持可能となり、とりわけ高温領域においては重要となる。よって、同文献のバルブでは、特に高温領域においては、十分な精度でバルブ内の温度調整を行うことができないおそれがある。

特許文献３でも、一般的な電気抵抗ヒータを用いているに過ぎないから、高温領域では十分な耐熱性が発揮されない。また、同文献の図面から明らかなように、バルブの構造が極めて複雑化する問題を有している。すなわち、弁体にはヒータと温度センサが設けられているものの、これらの電線束をバルブ外部と導通させるための構成として、同文献によれば、少なくとも中空状のステム、ピストンに取り付けられた端子台や、アクチュエータ内部で伸縮するスパイラル部を有する二次電線束、この電線束をアクチュエータ外部へ導出するコネクタなどが不可欠である。このような構成を成すためには、バルブとアクチュエータの構造をかなり複雑化しなければならないため、生産コストやメンテナンスの手間など、バルブの使用に悪影響が及ぶ。特に中空状のステムは、生産コストが高くメンテナンス性も悪いばかりか、機械的強度にも問題がある場合が多い。よって、同文献のバルブでは、少なくとも高温化に対応できないばかりか、バルブの複雑化や耐久性の問題も有している。

本発明は、上記の問題点を解決するために開発したものであり、その目的とするところは、簡素でコンパクトな構成でありながら、加熱手段の高温化・高電圧化に対して耐久性や駆動性を損なうことがなく、しかも、高精度なバルブの調温も可能ならしめた真空ベローズホットバルブを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、流入口と流出口とを有する弁箱内にステムを昇降動自在に設け、ステムの下端に設けた弁体とステムの外周側にベローズを伸縮自在に設け、弁箱内に固定した円筒状のセラミックヒータをベローズの内周とステムの外周の間に配置し、セラミックヒータは、金属製の管状部材の側面に板状のセラミックヒータ材を取り付けてセラミックヒータ材の発熱を管状部材に熱伝導させると共に、管状部材に設けたフランジ部を弁箱内部に固定し、かつ、ステムを管状部材に遊嵌状態に挿通させ、弁体の近傍位置に制御用熱電対の測温部を配置した真空ベローズホットバルブである。

請求項２に係る発明は、セラミックヒータ材は、セラミック製で略扁直方体状の発熱体を一対の電極で印加可能に構成した真空ベローズホットバルブである。

請求項３に係る発明は、管状部材は、アルミニウムで形成され、この管状部材の一側面には平面取付部を形成し、この平面取付部に取付部材を介してセラミックヒータ材を取り付けた真空ベローズホットバルブである。

請求項４に係る発明は、測温部は、弁体の裏面部に固定され、この測温部に接続したシース熱電対をセラミックヒータの外周とベローズの内周との間に螺旋状に配置した真空ベローズホットバルブである。

請求項１に係る発明によると、セラミックヒータを用いているから、従来のシリコンラバー製のヒータやグラスウール製のマントルヒータなどと比較しても、発熱温度が極めて高く、かつ高い耐熱性も発揮できるから、加熱使用温度を大幅に高めることができる。また、このセラミックヒータを、弁箱内に配置して固定するから、弁体にヒータを設ける場合と比較した場合、弁体の構造を簡素化できると共に、弁体重量が増大することがなく良好な駆動性も確保できる。さらに、ヒータ用電線を弁体駆動に追随させる必要がないから、たとえ電線が高出力化によって太線化されても、これをコイル状に巻き回したり伸縮させる際の問題が生じることもないと共に、電線の破損や漏電など、電気的な安全性にも優れる。

また、弁体の近傍位置に制御用熱電対の測温部を配置したから、バルブのシール性能の検知に極めて重要な弁体の近傍と、あわせて弁座の近傍の測温精度を高めることができ、よって、実施に応じて高精度なバルブの管理・制御が可能となる。

さらに、ベローズバルブは、ステムを軸心位置としてベローズや弁体が対称的に設けられているのに対して、ベローズの内周とステムの外周との間に円筒状のセラミックヒータを加熱源として配置しているから、この加熱源からの熱移動も、略対称的にヒータを中心として拡散させることができ、よって、ステムやベローズなどの加熱温度に大きな偏りが生じることがなく、副生成物の発生を確実に防止できると共に、加熱効率も良好となる。

また、セラミックヒータは、フランジ部を有する熱伝導率の高い金属製の管状部材の側面に板状のセラミックヒータ材を取り付けて構成するから、ヒータの一部にヒータ材を取り付けて加熱させるだけで、必要温度に比較して十分に高いセラミックヒータ材の発熱量と相俟って、容易に管状部材の全体を略均一に加熱することができる。

請求項２に係る発明によると、略扁平直方体状の発熱体を一対の電極で印加可能に構成したから、セラミックヒータとして最も簡素な構成で済ませることができる。

請求項３に係る発明によると、管状部材をアルミニウムで形成し、セラミックヒータ材を、管状部材の一側面に形成した平面取付部に取り付けたから、ヒータ材からの発熱を無駄にすることなく効率的に管状部材へ伝達させることができる。また、取付部材を介して平面取付部にヒータ材を密着させるだけなので、高い熱伝導効率を確保しつつも、熱源を極めて簡素に構成できる。

請求項４に係る発明によると、シース熱電対（シース部）をセラミックヒータの外周とベローズの内周との間に螺旋状に配置したので、バルブの外部から弁体まで導通させている熱電対のシース部をコンパクト且つバルブの駆動性や使用性を妨げずにベローズ内に収容しつつも、熱電対のリード線は高温化による太線化と無関係だから、太線化された電線をコイル状に巻き回したり伸縮させる際の問題も生じることがない。

また、シース熱電対を用いているから、レスポンスが良く、機械的強度や可撓性にも優れていると共に、測温範囲も幅広く設定可能となり、特に、シース熱電対の測温部が弁体の裏面部に固定されているので、高精度な弁体部位の測温が可能となる。

本例のバルブにおいて、バルブ本体の縦断面を示した部分断面図であり、左側は全開状態を、右側は全閉状態をそれぞれ示す。 本例のセラミックヒータを、発熱体側からみた正面図である。 図２の側面図である。 図２、３におけるＡ－Ａ線断面図である。

以下、本発明の実施形態（本例）を図面を参照して詳細に説明する。図１は、本例のバルブのバルブ本体１の縦断面と、ボンネット５を介して、その上部に搭載されたアクチュエータ６を示しており、同図の一点鎖線左側は弁体２が全開位置にある全開状態を、同図の一点鎖線右側は弁体２のシール部材４が弁座３に着座した全閉状態を示している。

弁箱９は、金属製の部材から一体的に形成され、又は複数の金属製部材同士を溶接して構成されており、流入口７と流出口８を有する。本例のバルブは、例えば半導体製造装置の真空チャンバーから流出されるプロセスガスを含んだ真空排気を開閉したり圧力制御するために用いられる。弁箱９の内部には弁室１０が設けられ、流入口７は、ステム１１の昇降動方向に交差する方向から弁室１０内へ向けて開口し、流出口８は、流入口７に交差する方向から弁室１０内の底部に開口しており、この流出口８の外周には、後述するシール部材４が着座する弁座３が形成されている。なお、流入口７と流出口８とは、流出入が相互に入れ替わって用いられてもよい。

弁座３は、弁箱９と一体的に形成された環状のメタルフラット面であるが、このような構成の他にも、図示していないが、弁箱９と別体の環状弁座部材を着座位置に設けたり、後述する弁体２に設けられるシール部材４を、弁座側（弁箱側）に設けてもよく、また、弁座３のシール面は、フラット形状以外にも凸状面や曲面状に形成してもよく、弁座の構成としては特に制限なく実施に応じて適宜構成できる。

ボンネット５は、図１において、上下端部にフランジ状の部位を有する略筒形状であり、金属製部材から一体的に形成されている。ボンネット５の下端部は、弁箱９上部との間に断熱材１４を介在させた上で、六角穴付きボルト１３により弁箱９上部に狭着固定されている。ボンネット５の内部には、後述のステム１１に固定されているピストン１２を弾発するスプリング２５が設けられている。

スプリング２５は、本例では大径と小径のＳＷＰＢコイルスプリングを、ピストン１２の上面側に２重に設けてピストン１２を下側に向けて付勢させたノーマルクローズタイプとしているが、このような構成の他、ピストン１２の下側に設けたノーマルオープンタイプとして設けてもよく、また、コイルスプリング以外の別の弾発部材を設けたり、スプリングによる弾発構造を省略するなど、ボンネット５の構成は、実施に応じて適宜選択できる。

断熱材１４は、本例では、所定の有機無機材料を複合させて作製された断熱素材であり、この断熱材１４の特性としては、優れた耐薬品性と高い断熱効果のほか、曲げや圧縮に強い高強度特性を有していることが好ましい。断熱材１４は、断面略矩形状で略リング形状に設けられ、ボンネット５下端部と弁箱９上部との間を断熱していると共に、その内径側には、パイプフランジ１５が嵌合している。

パイプフランジ１５は、金属製で一体的に形成された内部が中空の略筒状部材であり、図１において、下部側には、中央位置にステム１１が挿通できる孔部を有する底板部１５ａを有しており、図示していないが、パイプフランジ１５は、この底板部１５ａからボンネット５下端部に向けてボルトを挿通させてバルブ本体１内部に固定されている。このパイプフランジ１５の役割としては、後述する管状部材３４をベローズ３１内部に安定かつ強固に保持する支持部材としての役割や、シース部１６やヒータ電線１７をベローズ３１内部からバルブ本体１の外部へ適切に導出させるスペースを確保するスペーサなどとしての役割を有し、弁箱９上部とボンネット５下部との間に介在している。

さらに、本例では、断熱材１４と同じ素材から成る別の断熱部材４３を、ボンネット５上端部とアクチュエータ６の下面外周との間に介在させている。この断熱部材４３は、薄いリング状に形成されて上下から狭圧されており、断熱材１４と併せて、バルブ本体１側からアクチュエータ６側へ向かう熱伝導を２重に断熱している。

アクチュエータ６は、図１において、ボンネット５の上端部にボルトによって固定され、バルブ本体１に搭載されている。本例のアクチュエータ６は、ワンタッチ式の継手４４を介して、図示しないアクチュエータ内のエア室内と外部のエア源との間でエアを給排させることでピストンを昇降動させるエアオペレートタイプであるが、アクチュエータ６としては、このようなエア駆動以外の駆動方式でもよく、実施に応じて適宜に選択可能である。本例では、後述のようにアクチュエータ６はステム１１を上昇駆動させるために用いる。さらに、アクチュエータを設けることなく、手動でステム１１を駆動可能に構成してもよい。

ステム１１は、金属製で一体形成された長尺略円柱形状であり、図１において、下端部には六角穴付きボルト１８で弁体２が固着される一方、上端部はアクチュエータ６内部で図示しないエア駆動によるピストンから成る駆動機構で昇降自在に連結されている。ステム１１の上部は、アクチュエータ６底部に設けられたベース１９に垂設されている筒部１９ａ内に遊嵌状に挿通している。この筒部１９ａには、ストッパ２０が内径側に向けて突設される一方、このストッパ２０の位置に対応するステム１１の上部外周位置には、案内溝１１ａがステム１１の昇降動方向とストロークに適合するように形成されている。これらストッパ２０と案内溝１１ａとの係合により、後述するステム１１が昇降動する際に、ステム１１の回動が係止される。

ステム１１外周の案内溝１１ａ下端位置には、周方向に一周するように係合溝１１ｂが形成され、この係合溝１１ｂには、ピストン１２の内径部位が嵌着し、ピストン１２がステム１１と一体的に昇降動可能となっている。この構成により、スプリング２５の弾発力が上面側から作用してピストン１２に下降力が働くと、ステム１１にも下降力が働いでステム１１が下降することができる。また、ボンネット５下端面の略中央位置に設けられた挿通孔の内周は、ステム１１の途中が挿通して昇降動する部位であり、この部位には適宜のベアリング２１が設けられ、ステム１１の昇降動を案内可能となっている。本例のステム１１では、係合溝１１ｂの位置から下側にバルブストローク分の長さが、このベアリング２１で案内される。

弁体２は、シース熱電対と、有底で略筒状の筒体２３とを有している。図１において、筒体２３の上端部は、環状に開口して形成されており、この上端部に沿ってベローズ３１の下端部が同心状に溶接で接合されている。筒体２３の下端面には、取付面２３ａが略円形状に凹設されており、この取付面２３ａには、固定部材２４（ディスクワッシャ）によってリング状のシール部材４（樹脂製Ｏリング）が取り付けられ、固定部材２４は、取付面２３ａ略中央に突設されたボルト穴にボルト２６（サラ小ねじ）で筒体２３と同心状に固定されている。なお、図１において、固定部材２４の外径部と取付面２３ａの内径部との間にシール部材４が装着されるスペースが形成されるが、このスペースは断面略逆台形状（アリ溝状）となるように設けられる。

シース熱電対は、バルブ内に測温部２２（測温接点位置）とシース部１６が設けられており、測温部２２は、弁体２の裏面部に固定して設けられている。本例の測温部２２は、筒体２３の内底部にディスク状の金具２９を用いて固定されている。図１において、この測温部２２と金具２９をステム１１下端面に取り付ける際は、ステム１１下端面との間に皿バネ２８を挟んだ状態で、中央位置にボルト穴と突設部が設けられた略円盤状のベース部材２７（ヒータベース）を、ステム１１下端面のボルト穴に挿し込んで測温部２２と金具２９に重ねて、ベース部材２７に六角穴付きボルト１８を締め付けて取り付けられており、測温部２２と金具２９はステム１１下端面とベース部材２７との間に狭着固定される。ベース部材２７の下面側は、略円形に形成されている筒体２３底面の固着部２３ｂに固着されている。この構造により、ステム１１の昇降動に伴って一体的にベース部材２７と筒体２３も昇降動可能となり、後述する弁体２の開閉動作がなされる。なお、シース熱電対の測温部は、上記の位置に限らず、弁体近傍位置に適宜配置することができる。

シース熱電対のシース部１６は、測温部２２に接続された２本の導線が束ねられて１本の螺旋状の電線束として、ベローズ３１内のスペースにおいてステム１１の外周を同心状に配線され、後述するステム１１の昇降動に伴って伸縮可能に設けられている。この螺旋状の配線は、螺旋の巻き数や径、電線束の構造などは、実施に応じて適宜選択可能であるが、ベローズ３１内で伸縮する際に他の部材に当たらないようにするため、少なくとも、後述のベローズ３１の内径より小さい径であって、管状部材３４の筒状部３４ａの外径より大きい径を確保すれば好適であり、また、発熱源となる筒状部３４ａのすぐ外周に配線されるから、長期間の高温へ曝される中で多数の伸縮を経ても、コイル形状を適切に維持できるシース素材や巻き数が選択されれば好適である。

ベローズ３１内において、螺旋状のシース部１６の上端は、図１に示すように、弁箱９上面側にパイプフランジ１５で確保されたスペースを経てバルブ外部へ導出されている。パイプフランジ１５には、ベローズ３１内の伸縮などによってシース部１６が乱れないように固定すると共に、シース部１６を安定してバルブ外部へ案内するため、ケーブルホルダ４５を設けてシース部１６の途中を固定している。

ベローズ３１は、略筒状で軸心方向に伸縮自在な金属製のシール部材であり、図１において、上下端部にはベローズフランジ部位を有している。ベローズ３１の下端部は筒体２３の上端部に接合され、上端部のフランジ部位は、弁室１０の上部に固定されている。この上端部のフランジ部位は、断熱材１４及びパイプフランジ１５の下端部と、弁箱９上面側との間に、ボルト１３の締め付けにより狭着固定され、さらに、当該フランジ部位及び弁箱９上面側との間には、シール部材としてＯリング３２が狭着固定されている。弁室１０内において、ベローズ３１の内部は、ステム１１下部外周を被覆して、流体に接する外部から密封シールしている。

次いで、本例のセラミックヒータ３３を説明する。図２は、セラミックヒータ３３を、発熱体３７が設けられている側からみた側面図であり、図３は、図２において左側からみた側面図であり、図４は、図２、３におけるＡ－Ａ線の断面図を示している。

図１～４に示すように、セラミックヒータ３３は、略円筒状の筒状部３４ａと、この筒状部３４ａの一端に設けられたフランジ部３４ｂとから成る管状部材３４と、図２～４に示すセラミックヒータ材３５とを有している。管状部材３４は、熱伝導率が高い金属により一体的に形成されており、金属としては、例えばアルミニウム（Ａ１０６０、Ａ１０７０、Ａ６０６３等）、銅合金（無酸素銅（Ｃ１０２０等）、ベリリウム銅（Ｃ１７２０等）、Ｃ３６０４）、或はＳＵＳなどから、実施に応じて適宜選択され、本例ではアルミニウム製を用いている。なお、管状部材３４は、単一部材から一体形成されてもよいが、複数の別部材から、溶接などにより接合されてもよく、必要な機能（サイズや形状、熱伝導率など）を確保できれば、特に制限なく構成できる。

図１に示すように、管状部材３４は、流体から密封シールされたベローズ３１の内側に全部が配置されており、弁箱９に対して非可動に固定されている。本例では、上述のように、フランジ部３４ｂを底板部１５ａにボルトで固着することにより、弁体２が昇降動しても、その動作に影響されず、弁箱９に対して強固に位置決めされた状態で固定されている。また、筒状部３４ａの内径を、ステム１１の外径より僅かに大きく設け、断面略円形状の筒状部３４ａ内径側に、断面略円形状のステム１１を、遊嵌状かつ同心状に挿通させて、ステム１１を昇降動可能としている。

図２～４において、セラミックヒータ材３５は、セラミック製で略扁平直方体状の発熱体３７を、図示していない一対の電極で電圧を印加可能に構成している。この発熱体３７は、通電で発熱する抵抗発熱体であり、最高使用温度が３００度以上の高温使用が可能な非金属系素材から成る。この素材としては、加熱特性などの面から、例えば窒化アルミニウム（ＡＩＮ）が好適であるが、この他にも、炭化ケイ素や窒化ケイ素、さらにジルコニアやアルミナ、黒鉛などから成る発熱体を用いてもよい。同図に示すように、本例の２本のヒータ電線１７は、ニッケル線をポリイミドチューブで被覆して設けられ、管状部材３４内部の図示しない電極に繋がっており、この電極に電圧を印加して発熱体３７内に電気抵抗を生じることにより、発熱体３７を加熱させることができる。

図２～４において、管状部材３４の外周面には、軸心方向と略平行な方向（図３においては紙面垂直方向、図４においては左右方向）に向けて、表面が略平面状の平面取付部３８を外周面の一部に連続的に形成している。筒状部３４ａを断面視した図４に示すように、平面取付部３８の一部には、軸心方向に沿って、段部３８ａを対称位置に設けている。

図２～４に示すように、この平面取付部３８には、アルミニウムで一体形成された断面略コ字形状の取付板３６（取付部材）を、対称位置に配置される６本のネジ３９（サラ小ネジ）で固定することにより、発熱体３７の一側面３７ａの略全面を、管状部材３４の表面（平面取付部３８）に密着するようにしている。図４に示すように、取付板３６側面の２面幅は、発熱体３７の幅と段部３８ａ間の幅に適合し、取付板３６の断面形状は、発熱体３７の断面形状と略同形に設けられているから、発熱体３７を平面取付部３８との間に挟んでネジ３９を締め付けると、取付板３６と平面取付部３８との間に、ほぼ隙間なく発熱体３７を挟み込むことができると共に、一側面３７ａのほぼ全面を平面取付部３８に略均一に圧着させることができる。この取付板３６も、管状部材３４と同様に熱伝導率の高い金属から一体的に形成されている。

図示していないが、管状部材３４の表面に形成する平面取付部３８の位置や形状は、管状部材３４の形状や素材のほか、発熱体３７の形状や素材、或はバルブの使用条件などに応じて、適宜選択できる。例えば、図４において、筒状部３４ａの断面は厚みのある円形状であるから、表面の一部を切り欠くように形成される平面取付部３８までの深さを調整することにより、平面取付部３８の面積や形状を調整できる。また、平面取付部３８は、１箇所だけでなく、対称位置に複数箇所形成して、複数のセラミックヒータ材を密着させてセラミックヒータを構成してもよい。

また、図示していないが、発熱体３７の形状を、略直方体状以外の形状とすると共に、管状部材３４も、平面取付部３８に密着させる態様以外の形態で密接させるようにしてもよい。例えば、筒状部の表面には平面取付部を設けず、全面を連続的な略円柱状とし、厚みを薄肉に形成する一方で、この表面の形状に適合する曲面状に発熱体を構成して、この発熱体を加熱可能に表面に密着させるようにしてもよい。何れにせよ、発熱体と管状部材との間の接触面積をなるべく大きく設けて高い熱伝導率を確保するようにすれば好適である。

さらに、本例の管状部材３４は、上記のように、一部に発熱体３７（セラミックヒータ材３５）を設けて構成しているが、管状部材の全体を発熱体として構成してもよい。例えば、図２～４に示すようなフランジ部３４ｂと筒状部３４ａとを有する管状部材３４と同様に設けられたセラミック製の発熱体に電気抵抗を印加可能に設けることにより、これをセラミックヒータとして用いてもよい。なお、このような全部がセラミック製から成る管状部材を弁箱内に非可動に固定する場合、上述のように、フランジ部にそのままボルトを挿通させて締め付けると、セラミックは強度が弱いため、破損するおそれがある。このため、例えば、ボルトに座金やワッシャを用いたり、セラミック製のフランジ部にインサートナットを埋設したり、フランジ部のみ金属製に設けたりするなど、適宜の補強を施すようにしてもよい。

弁箱９の外部には、外部加熱部材４０と、バルブ外部（弁箱９外周面付近）の温度を検出するための外部熱電対の測温部４１と、サーモスタット４２などが設けられている。外部加熱部材４０としては、例えばラバーヒータのほか、ＰＴＣヒータなどの各種のセラミックヒータ、或はジャケット状に被覆できるマントルヒータなど、使用に応じて特に制限なく種々の形態のヒータを用いることができる。

本例の外部加熱部材４０は、図１に示すように、取付面となるバルブ本体１（弁箱９や流入口７、流出口８）の外表面の形状に応じて様々な形状に形成された可撓性のある面状又は線状の複数のラバーヒータを用いて、バルブ本体１の外表面の表面領域に対するヒータの被覆面積率をなるべく高めている。このように、バルブ本体１の外形に応じてヒータ形状を適宜分割・変形させた上で、なるべく均一に被覆することにより、内外の加熱部材からによるバルブ本体１への熱移動のムラが生じ難くなり、副生成物の発生を効果的に防止できる。特に、弁箱９底部の弁座３付近の加熱と温度管理が重要となるため、弁座３付近の外表面となる弁箱９の底部側外表面付近には、外部加熱部材４０を細かく分割して取り付けて被覆率を高めると共に、外部熱電対の測温部４１を設けて高精度な温度管理を可能としている。

続いて、本例のバルブの全閉から全開までの動作を説明する。図１の一点鎖線右側は、バルブの全閉状態を示している。この全閉状態は、アクチュエータ６内の図示していないエア室内にはエア圧が加圧されておらず、よって、ステム１１には上昇力が作用していない状態であり、ボンネット５内のピストン１２がスプリング２５の弾発力を受けて下死点まで下降され、このスプリング２５の弾発力と弁体２などの重量によって、弁体２のシール部材４が弁座３に圧着されていることにより、流出口８が閉じられている。この状態では、蛇腹状のベローズ３１や螺旋状のシース部１６は、最も伸びた状態となっている。

この全閉状態において、図示しないバルブ外のエア供給源から継手４４を介してアクチュエータ６内のエア室内に圧縮エアが供給されると、アクチュエータ６のピストンが上昇され、この上昇に伴って、ピストン１２で受けているスプリング２５の弾発力を上回ってステム１１が上昇をはじめる。この上昇に伴って、ステム１１下端部に固着されているベース部材２７と筒体２３が一体的に上昇することにより、弁体２も上昇をはじめ、これによりシール部材４が弁座３から離間していく。

この弁体２の上昇に伴い、ベローズも収縮していき、シース部１６も螺旋状を保ったまま収縮していくことができる。ピストン１２は上昇していくので、スプリング２５は圧縮されていくことになる。また、このステム１１の上昇に伴って、ステム１１の途中部位は、ベアリング２１により、管状部材３４や弁体２、ベローズ３１に対して、軸ずれがほぼ皆無であり、高精度に調芯されながら滑らかに摺動できる。さらに、前述のように、管状部材３４の筒状部３４ａやフランジ部３４ｂの内周面と、ステム１１の外周面との間は、遊嵌状であり、図示しない適宜の間隙が確保されている。このため、この間隙が極めて小さい場合であっても、ステム１１の昇降動に伴うステム１１外周面と管状部材３４との当接や擦れは生じることがない。

ステム１１上部においては、ステム１１の昇降動作に依らず、常にストッパ２０が案内溝１１ａと係合しているから、ステム１１に何らかの回動力が作用しても、ステム１１の回転を防止できる。本例では、アクチュエータ６内部に設けた図示しない係止部を、ピストン１２の上死点としているので、ステム１１の上昇は、ピストン１２が係止部に係止されてバルブの全開状態となる。このようにして、本例のバルブは全閉状態から全開状態まで動作する。全開から全閉は、この逆の動作であり、アクチュエータ６内の圧縮エアの圧力が減圧されると、スプリング２５の弾発力と自重の作用により、ステム１１（弁体２）が下降していくことになる。

次いで、本例のセラミックヒータ３３（内部加熱部材）と外部加熱部材４０によるバルブの加熱作用を説明する。なお、熱移動とは、熱が移動する現象を意味し、熱が移動する形態に応じて、伝熱媒体が固体又は流れの無い流体である熱伝導、電磁波で伝熱する輻射、又は伝熱媒体が流れの有る流体である対流、の何れかを意味する。

セラミックヒータ３３は、図示しない外部の電源からヒータ電線１７を通じて発熱体３７（管状部材３４）へ電流供給されることで抵抗熱を生じ、発熱体３７の表面から、この表面に当接している部材に向けて熱伝導が生じる。図４に示すように、発熱体３７は、一側面３７ａが全面的かつ略均一に平面取付部３８へ密着していると共に、管状部材３４と同様に熱伝導率の高い素材（アルミニウム）で設けられている取付板３６に対しても、両端面以外はほぼ全側面が取付板３６に密着している。よって、発熱体３７表面から生じ得る熱伝導を、効率的に管状部材３４へ伝えることができる。

本例では、管状部材３４は、アルミニウム製で一体形成されているから、図２～４に示したように、発熱体３７が管状部材３４の一側のみに一つだけ設けられていても、迅速かつ均一に、筒状部３４ａとフランジ部３４ｂ（管状部材３４全体）の温度を上昇させることができる。実際、真空ベローズホットバルブの多くの使用条件に対して十分な温度と迅速性・均一性で加熱できることが実証されている。管状部材３４の加熱の迅速性や均一性などの必要加熱特性は、上記のように、その素材や形状などの構成を適宜選択することで対応可能である。

管状部材３４の筒状部３４ａは、ステム１１の外周とベローズ３１の内周側との間に、それぞれ空隙が確保された状態で垂設されているから、加熱状態となった管状部材３４や発熱体３７、取付板３６は、それぞれの外表面から輻射により熱移動を生じる。また、フランジ部３４ｂは、一側面が固定されているので、パイプフランジ１５などの当接している部材へ熱伝導を生じる。このような熱移動によって、管状部材３４に近接している部材に熱移動を介して加熱することができる。

管状部材３４は略軸対称に構成されている一方で、バルブ本体１の少なくともステム１１やベローズ３１も、略軸対称に構成されており、管状部材３４は、ステム１１やベローズ３１と略同心に設けられている。よって、上記の管状部材３４からステム１１やベローズ３１、或はバルブ本体１の上部（パイプフランジ１５など）へ生じる熱移動も、略均一（略同心状）に生じさせることができる。特に、ステム１１とベローズ３１の加熱の均一性を高めることができ、管状部材３４に最も近接しているステム１１の下部と、ベローズ３１の上部から、直接弁体２に向けて略均一かつ迅速に熱伝導を生じさせることができる。

一方で、弁座３付近には、バルブ本体１の外部側から熱伝導を介して加熱可能な外部加熱部材４０が設けられている。このため、バルブ本体１を内外から十分な熱量で常に略均一に加熱することができる。特に、閉弁により弁体２が下降して弁体２が管状部材３４（セラミックヒータ）から離間した状態にあっても、外部加熱部材４０による加熱と相俟って十分な弁体２の加熱状態を維持できる。弁体２が固定側の管状部材３４と離れた場合に加熱を補うため発熱体３７の出力を上げると、セラミックヒータ３３がむやみに熱暴走するおそれもあるが、本発明のバルブでは、上記のようにバルブの内外に設けられた加熱手段によって効率的か均一に加熱できるから、エネルギー効率が良く、使用性やコスト性も良好となる。

しかも、弁体２の底部に内部測温部２２を備え、バルブ本体１外部の底部にも外部測温部４１を備えているから、弁体２のシール部材４と弁座３とを、常に高精度に測温可能となり、よって、ステム１１（弁体２）の昇降動に伴って、管状部材３４と弁体２との距離や、ベローズ３１の被加熱領域も変化するが、少なくとも、最も重要なシール部材４と弁座３の付近については、常に必要となる設定温度に近い加熱状態に高精度に制御することが可能となる。

本例のバルブを使用する際は、セラミックヒータ３３と外部加熱部材４０とを適宜電気的に加熱させると共に、弁体２の内部測温部２２と、外部測温部４１による計測温度に基づいて、適切にバルブの内外を温度制御可能となっている。バルブ内部では、図示しない電源に通じているヒータ電線１７からセラミックヒータ３３へ通電させることで加熱することができる。また、内部測温部２２からの信号に基づいて図示しない温度コントローラで電源を制御することで、管状部材３４の加熱温度を高精度に制御できる。バルブ外部でも同様に、外部加熱部材４０への通電と、外部測温部４１からの信号に基づく電源制御により、外部加熱部材４０の加熱温度を適切に制御できる。

特に、弁体２内部の熱電対と、弁箱９外部の熱電対とは、筒体２３底部と、弁箱９底部の弁座３とを介して互いに近接しているから、バルブのシール性に重要となるシール部材４付近の領域と、弁座３付近の領域の各温度を、高精度に測温可能となる。このため、これらの領域の高精度な温度管理が可能となり、特に、シール部材４と弁座３との間に副生成物が生じることを効果的に防止でき、よってバルブのシール性を長期間に亘って良好に保つことができる。また、熱電対により測温するようにしているから、広範囲な温度において高い制御性を発揮できるため、加熱温度領域を調整することにより、種々の真空排気に用いることができる。さらに、弁箱９外部にはサーモスタット４２を設けていることで、外部加熱部材４０の過度な発熱を防止できる。

更に、本発明は、前記実施の形態の記載に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲に記載されている発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。

１ バルブ本体
２ 弁体
３ 弁座
４ シール部材
７ 流入口
８ 流出口
９ 弁箱
１１ ステム
１６ シース部（シース熱電対）
２２ 内部測温部
３１ ベローズ
３３ セラミックヒータ
３４ 管状部材
３４ｂ フランジ部
３５ セラミックヒータ材
３６ 取付板（取付部材）
３７ 発熱体
３８ 平面取付部

Claims (4)

1. 流入口と流出口とを有する弁箱内にステムを昇降動自在に設け、前記ステムの下端に設けた弁体と前記ステムの外周側にベローズを伸縮自在に設け、前記弁箱内に固定した円筒状のセラミックヒータを前記ベローズの内周と前記ステムの外周の間に配置し、前記セラミックヒータは、金属製の管状部材の側面に板状のセラミックヒータ材を取り付けて前記セラミックヒータ材の発熱を前記管状部材に熱伝導させると共に、前記管状部材に設けたフランジ部を前記弁箱内部に固定し、かつ、前記ステムを前記管状部材に遊嵌状態に挿通させ、前記弁体の近傍位置に制御用熱電対の測温部を配置したことを特徴とする真空ベローズホットバルブ。
2. 前記セラミックヒータ材は、セラミック製で略扁直方体状の発熱体を一対の電極で印加可能に構成した請求項１に記載の真空ベローズホットバルブ。
3. 前記管状部材は、アルミニウムで形成され、この管状部材の一側面には平面取付部を形成し、この平面取付部に取付部材を介して前記セラミックヒータ材を取り付けた請求項１又は２に記載の真空ベローズホットバルブ。
4. 前記測温部は、前記弁体の裏面部に固定され、この測温部に接続したシース熱電対を前記セラミックヒータの外周と前記ベローズの内周との間に螺旋状に配置した請求項１に記載の真空ベローズホットバルブ。

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