ポリマインサートデバイスを伴う回転せん断バルブアセンブリ
【課題】ロータディバイス、及びステータディバイスを有する回転式せん断バルブにおいて、耐圧、耐久性を向上させたバルブを提供する。
【解決手段】金属製又はセラミック製のステータデバイス２１、又は金属製又はセラミック製のロータデバイス２５の少なくとも一方表面に、アルミナ、ジルコニアなどのトライポロジーコーティングが配され、ロータデバイス２５、又はステータディバイス２１の表面に受入溝８５を形成し、受入溝８５にＰＥＥＫ又はナイロン等の材質に、又はこれらのエンジニアリングブレンド材質から形成されるポリマーインサートディバイス８３を圧入した。
【解決手段】金属製又はセラミック製のステータデバイス２１、又は金属製又はセラミック製のロータデバイス２５の少なくとも一方表面に、アルミナ、ジルコニアなどのトライポロジーコーティングが配され、ロータデバイス２５、又はステータディバイス２１の表面に受入溝８５を形成し、受入溝８５にＰＥＥＫ又はナイロン等の材質に、又はこれらのエンジニアリングブレンド材質から形成されるポリマーインサートディバイス８３を圧入した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願］
本出願は、２０１０年７月９日に出願された特許出願第１２／８３３，８３４号（代理人整理番号第ＲＤＹＮＰ０２５号）に基づく一部継続出願であり、該特許出願は、更に、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて、いずれもTowerを発明者として「ROTARY SHEAR VALVE ASSEMBLY WITH HARD-ON-HARD SEAL SURFACES（ハード・オン・ハードのシール表面を伴う回転せん断バルブアセンブリ）」と題され尚且ついずれも参照によって本明細書に全体を組み込まれる２００９年７月１３日に出願された同時係属米国仮特許出願第６１／２２５，１４３号、２０１０年２月４日に出願された同時係属米国仮特許出願第６１／３０１，５１６号、及び２０１０年４月２７日に出願された同時係属米国仮特許出願第６１／３２８，５９４号の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、回転せん断バルブに関するものであり、特に、ハード・オン・ハードの（硬質材料と硬質材料とが接する）シール表面を取り入れたせん断バルブに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
現在の高圧液体クロマトグラフィせん断バルブは、金属製の要素と、ロータ／ステータ界面に流体密シールを形成するポリマ材料で構成されたロータデバイスとを用いるのが通例である。この組み合わせは、成果があるとことがわかっている一方で、圧力定格及びバルブ寿命において限界がある。例えば、１５Ｋｐｓｉ（およそ１．０３×１０8Ｐａ）を超える高圧及び約１０Ｋサイクルを超える寿命を要する用途は、たとえこの組み合わせを使用しても、始終達成して持続させることはできない。
【０００４】
したがって、約１５Ｋｐｓｉ（およそ１．０３×１０8Ｐａ）を超える圧力を保持可能であるとともに５０Ｋサイクルを超えるバルブ寿命を期待することができるせん断面バルブを提供することが望まれている。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、実質的に平坦なステータ面と、対応するステータポートにおいてステータ面と流体連通している少なくとも２本以上のステータチャネルとを画定するステータデバイスを含む回転せん断バルブアセンブリを提供する。バルブアセンブリは、更に、１本以上のロータチャネルを画定する実質的に硬質で且つ実質的に平坦なロータ面を有するロータデバイスを含む。ステータ面及びロータ面のうちの一方は、外周縁において終結し、ロータ面及びステータ面のうちの他方は、ロータデバイスが回転軸周りにおいてステータデバイスに回転式に装着されたときに前記ステータ面及びロータ面のうちの一方の前記外周縁を半径方向に超えて広がる。このような回転式の装着は、２つ以上のロータ位置の間において、ロータ−ステータ界面におけるロータ面とステータ面との間の流体密で且つ選択的な相対的回転を可能にする方式である。本発明にしたがうと、バルブアセンブリは、前記外周縁の径未満であるインサート内径と、前記外周縁を上回るインサート外径とを有する露出接触面を画定するポリマインサートデバイスを含む。該インサートデバイスは、前記ロータ面及びステータ面のうちの他方に画定されたインサート受入溝にプレス嵌めによって挿入されるように形成及び寸法決定される。前記ステータ面及びロータ面のうちの一方の前記外周縁は、こうして、２つ以上のロータ位置間における相対的回転の最中にインサート露出面に接触する。
【０００６】
具体的な一実施形態において、インサート露出面は、ドーナツ状であり、実質的に平坦である。更に、受入溝及びインサートデバイスは、実質的に平坦なインサート露出面を実質的に平坦なロータ面及び実質的に平坦なステータ面のうちのもう一方に実質的に同一平面に位置決めするように協働する。
【０００７】
別の一構成において、インサート受入溝の溝内径は、インサートデバイスのインサート内径を約０．００１インチ（およそ０．０２５４ｍｍ）から約０．００２インチ（およそ０．０５０８ｍｍ）上回る範囲である。
【０００８】
更に別の具体的な一実施形態において、ポリマインサートデバイスは、高圧縮強度材料で構成され、該材料には、天然ＰＡＥＫ、充填ＰＡＥＫ（若しくはＰＥＥＫ）、又はＶＥＳＰＥＬ（登録商標）などのポリイミド材料がある。
【０００９】
更に別の一構成は、ステータ面及びロータ面を、金属材料又はセラミック材料のうちの１つで実質的に構成されるものとして提供する。
【００１０】
バルブアセンブリは、別の一実施形態において、更に、ロータ面及びステータ面のうちの少なくとも一方の上に配されたトライボロジ（潤滑）コーティングを含む。このようなコーティングは、例えば、ダイヤモンドライクカーボンコーティング（ＤＬＣ）である。
【００１１】
更に別の具体的な一構成において、バルブアセンブリは、更に、実質的に平坦なロータ面をステータデバイスの実質的に平坦なステータ面に実質的に平行に且つ実質的に同一平面に方向付ける方式でロータデバイスと協働するコンプライアンスアセンブリを含む。
【００１２】
本発明の別の一態様において、外周縁において終結する実質的に硬質で且つ実質的に平坦なステータ面を画定するステータボスデバイスを有する回転せん断バルブアセンブリが提供される。更に、回転軸周りにおいてステータデバイスに回転式に装着されたときにステータ面の外周縁を半径方向に超えて広がるように構成された実質的に硬質で且つ実質的に平坦なロータ面を有するロータデバイスが提供される。このような回転式の装着は、２つ以上のロータ位置の間において、ロータ−ステータ界面におけるロータ面とステータ面との間の流体密で且つ選択的な相対的回転を可能にする方式である。ロータ面及びステータ面のうちの少なくとも一方の上に、トライボロジコーティングが配される。更に、バルブアセンブリは、前記外周縁の径未満であるインサート内径と、前記外周縁を上回るインサート外径とを有する露出接触面を画定するポリマインサートデバイスを含む。該インサートデバイスは、２つ以上のロータ位置間における相対的回転の最中にステータ面の外周縁がインサート露出面に接触するように、ロータ面に画定された受入溝にプレス嵌めによって挿入されるように形成及び寸法決定される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本発明のアセンブリは、添付の図面と併せたときに、発明を実施するための最良の形態の以下の説明と添付の特許請求の範囲とから更に容易に明らかになる、その他の目的及び有利な特性を有する。
【００１４】
【図１】本発明にしたがって設計された、金属製のロータ要素及び金属製のステータ要素の両方を取り入れたマイクロ流体バルブアセンブリの上面斜視図である。
【００１５】
【図２】図１のマイクロ流体バルブアセンブリの底面斜視図である。
【００１６】
【図３】図１のマイクロ流体バルブアセンブリの上面斜視図であり、ステータリング及びステータ要素を取り外された状態でロータ要素を示している。
【００１７】
【図４】図１のマイクロ流体バルブアセンブリを、ステータリングを取り外された状態で示した側面斜視図である。
【００１８】
【図５】図１のマイクロ流体バルブアセンブリのロータアセンブリ及びステータ要素を示した分解上面斜視図である。
【００１９】
図５は、図１のマイクロ流体バルブアセンブリのロータアセンブリ及びステータ要素を示した分解上面斜視図である。
【００２０】
【図６】図５のロータアセンブリの拡大上面斜視図である。
【００２１】
【図７】本発明にしたがって構築されたコンプライアンスアセンブリを取り入れた、図６のロータアセンブリの部分分解上面斜視図である。
【００２２】
【図８】図１のマイクロ流体バルブアセンブリの縮小分解底面斜視図である。
【００２３】
【図９】代替の一実施形態のコンプライアンスアセンブリを取り入れたロータアセンブリの上面斜視図である。
【００２４】
【図１０】図９のロータアセンブリ及びコンプライアンスアセンブリの部分分解上面斜視図である。
【００２５】
【図１１】図９のロータアセンブリ及びコンプライアンスアセンブリをステータ要素とともに示した分解上面斜視図である。
【００２６】
【図１２】図１０のロータアセンブリ及びコンプライアンスアセンブリの分解底面斜視図である。
【００２７】
【図１３】図９のコンプライアンスアセンブリを取り入れた図１のマイクロ流体バルブアセンブリを断面で示した拡大部分側面図である。
【００２８】
【図１４】図１３のコンプライアンスアセンブリを断面で示した側面図である。
【００２９】
【図１５】別の代替の一実施形態のコンプライアンスアセンブリを取り入れたロータアセンブリの上面斜視図である。
【００３０】
【図１６】図１５のロータアセンブリ及びコンプライアンスアセンブリの分解上面斜視図である。
【００３１】
【図１７】図１５のロータアセンブリ及びコンプライアンスアセンブリの分解底面斜視図である。
【００３２】
【図１８】図１５のロータアセンブリ及びコンプライアンスアセンブリを断面で示した側面図である。
【００３３】
【図１９】図１５のコンプライアンスアセンブリを取り入れた図１のマイクロ流体バルブアセンブリを断面で示した側面図である。
【００３４】
【図２０】図１５のロータアセンブリ及びコンプライアンスアセンブリの部分分解側面斜視図である。
【００３５】
【図２１】図１５のロータアセンブリ及びコンプライアンスアセンブリの分解底面斜視図である。
【００３６】
【図２２】図１５のコンプライアンスアセンブリの拡大分解底面斜視図である。
【００３７】
【図２３】図１５のコンプライアンスアセンブリの拡大分解上面斜視図である。
【００３８】
【図２４】図１５のコンプライアンスアセンブリの拡大上面図である。
【００３９】
【図２５】本発明にしたがったポリマインサートデバイスを取り入れた代替の一実施形態のバルブアセンブリを断面で示した拡大部分側面図である。
【００４０】
【図２６】図２５のロータデバイスの拡大上面斜視図であり、受入溝に挿入される前のポリマインサートデバイスを示している。
【００４１】
【図２７】図２５のロータデバイスの上面斜視図であり、受入溝にプレス嵌めされた状態でポリマインサートデバイスを示している。
【００４２】
【図２８】図２７のロータデバイスの拡大上面図である。
【００４３】
【図２９】図２８のロータデバイスを断面で示した側面図である。
【００４４】
【図３０】図２９のロータデバイス及びインサートデバイスの拡大部分上面斜視図である。
【００４５】
【図３１】図２５のロータデバイス及びステータデバイスを僅かに分解した拡大部分上面斜視図であり、外縁部分を示している。
【００４６】
【図３２】位置合わせピンを組み込まれた、図２５のバルブアセンブリの代替の一実施形態を断面で示した拡大部分側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
本発明は、幾つかの具体的な実施形態を参照にして説明されるが、この説明は、発明を例示したものであり、発明を限定するものと解釈されるべきでない。当業者ならば、好ましい実施形態に対し、添付の特許請求の範囲に定められた発明の真の趣旨及び範囲から逸脱することなく様々な変更を加えることが可能である。より良い理解のために、ここに、各種の図面全体を通して、類似の構成要素が類似の参照符号によって示されることに留意せよ。
【００４８】
概して図１〜８を参照すると、実質的に金属製又はセラミック製で且つ実質的に平坦なステータ面２２を有するステータデバイス２１を含む回転せん断バルブアセンブリ２０が提供される。ステータデバイスは、対応するステータポート２３においてステータ面と流体連通している少なくとも２本以上のステータチャネルを画定する。バルブアセンブリ２０は、更に、実質的に金属製又はセラミック製で且つ実質的に平坦なロータ面２６を有するロータデバイス２５を含む。本発明にしたがうと、ロータ面及びステータ面のうちの少なくとも一方の上に、トライボロジコーティングが配される。したがって、ロータ−ステータ界面におけるロータ面とステータ面との間の選択的な相対的回転のために、ロータデバイス２５が回転軸周りにおいて回転式に装着されたときは、２つ以上のロータ位置の間における相対的回転の最中に、２つの金属面の間に流体密シールが形成される。
【００４９】
したがって、一部にはトライボロジコーティングのおかげで、高いライフサイクル上限（すなわち、少なくとも約５０Ｋサイクル）を維持可能でもある高圧用途（すなわち、１５Ｋｐｓｉ（およそ１．０３×１０8Ｐａ）から約２５Ｋｐｓｉ（およそ１．７２×１０8Ｐａ））のためのメタル・オン・メタルの流体密シールがロータ／ステータ界面に形成される。ロータ面及び／又はステータ面のうちの少なくとも一方の上におけるこのようなトライボロジコーティングは、ステータデバイスとロータデバイスとの間の必然的な高圧縮圧力下において流体密で且つ低摩擦の耐久性シールが形成されることを可能にする。
【００５０】
説明されるように、少なくともロータ面２６及びステータ面２２は、ともに、高圧縮力下における耐久性を高めるために、比較的剛性の材料で構成される。その他の構成では、ロータデバイス２５及びステータデバイス２１の全体が、実質的に剛性の材料で構成される。
【００５１】
好ましくは、ロータデバイス及びステータデバイスは、ともに、３１６ステンレス鋼、二相ステンレス鋼、チタン、合金鋼、又は工具鋼組成などの、金属組成で構成される。しかしながら、高いライフサイクル上限とともに同様な高圧能力を生み出すことを見いだされたその他の適切な剛性材料も、ロータ面２６及び／又はステータ面２２のうちの少なくとも一方の上に適切なトライボロジコーティングが配される限り適用可能である。このような適切な材料群の１つは、例えば、アルミナ、ＳＳＩＣ、ジルコニアなどの、セラミックである。ただし、ロータ及びステータが金属材料又はセラミック材料のいずれで構成されるにせよ、その材料は、トライボロジ材料をコーティング可能でなければならないことがわかる。
【００５２】
ステータ面及び／又はロータ面のうちの少なくとも一方のコーティングは、これらの高圧用途において、ロータ／ステータ界面に流体密の低摩擦シールを形成するために必要であることを見いだされた。上述された所要の理由ゆえに、ロータ面及びステータ面は、実質的に剛性の材料組成を有するので、これらの剛性材料は、当然ながら、比較的非コンプライアブル（非柔軟性）である。
【００５３】
ただし、このようなコーティングは、これらの高流体圧高圧縮力条件下における高いライフサイクルのために、十分な構造的完全性も示さなければならない。対向する剛性表面界面間における加圧流体密シールの形成にとって適切で且つ効果的なこのようなコーティングの１つが、トライボロジコーティングである。これらのコーティングは、高い強度（強靭性）及び低い摩擦性を示すとともに、液体クロマトグラフィにおいて使用される大半の化学物質に対して耐性であることを見いだされた。
【００５４】
この用途に特に適した具体的なトライボロジコーティングの１つは、バルザース・エリコン（Balzers Oerlikon）によって提供される、BALINIT（登録商標）DLC STAR及びBALINIT（登録商標）DLC、又はイオンボンド（Ionbond）によって提供されるaDLCなどの、ダイヤモンドライクカーボンコーティング（ＤＬＣ）である。ただし、これらの特性を示すその他のトライボロジコーティングも、適用可能である。
【００５５】
本発明にしたがうと、ステータ面及びロータ面２６は、そのうちの少なくとも一方が、又はそれらの両方が、トライボロジ材料をコーティングされる。具体的な一実施形態では、特定の条件下において、ステータボス２７のステータ面２２へのトライボロジコーティングの適用が、より強く且つより長持ちする流体密シールをロータ−ステータ界面に提供するのにとりわけ有利であることが見いだされた（図８）。例えば、高流体圧（すなわち、約１８Ｋｐｓｉ（およそ１．２４×１０8Ｐａ）を超える）用途の場合は、流体密シールを維持するために、より高い軸圧縮力がロータ面２６とステータ面２２との間に必要である。バルブがセットされたときに（すなわち、圧力調整ナットが、或る減衰速度が達成されるまで調整されたときに、この速度は、通例、０．３μＬ／分である。流体圧は、ステータポート／ロータシール溝を通じてバルブに加えられる。バルブは、０．３μＬ／分の漏出速度において所要の圧力（この事例では１５〜２５Ｋｐｓｉ（およそ１．０３×１０8〜１．７２×１０8Ｐａ））を保持したときに、「セット」される）、ばねアセンブリ３０（調整ナット３１及びばね座金３２を含む（図８））によってシールに加えられる高圧は、ステータボス２７の周縁部分によってコーティングシールの凹みを引き起こすことがある。したがって、ロータ面２６が（例えば、ロータ面単独で又はステータ面とともに）コーティングされている場合は、これらの事例では、コーティングの亀裂、又はバルブの作動に伴う縁部分における離層に起因して、一貫性のない結果及び部品の損傷が観測されている。
【００５６】
この凹みは、バルブの作動に伴って、凹み付近においてコーティングをロータシールから「剥離させる」又は離層させると考えられる。このコーティングが除去されるのに伴って、残骸、及び場合によっては未コーティングの金属が、残りのコーティングに引っ掻き傷を付け、ステータボス上のコーティングの完全性を低下させ、ステータ上のコーティングを損なうことが観測されている。ひとたびこの劣化が始まると、ロータ／ステータ界面における流体密シールは、圧力を保持することができなくなる。
【００５７】
ステータ面のみがトライボロジコーティングで被覆されているときは、これらの高圧用途下において、この劣化は観測されない。更に、より低圧（３〜６Ｋｐｓｉ（およそ２．０７×１０7〜４．１４×１０7Ｐａ））では、ハード・オン・ハードバルブがこのような圧力において動作するゆえに、ステータシール及びロータシールは、ともに、（ＤＬＣ又はそれ以外を）コーティングされて優れたシールを提供可能であると考えられる。シールに加えられるこれらの圧力は、低いと考えられるので、ロータシールは、凹んでコーティングを損なう事態を生じにくい。
【００５８】
次に、代表的なせん断バルブアセンブリ２０を図解された図１〜５及び図８を参照する。簡単に言うと、図８に最も良く示されるように、せん断バルブアセンブリは、通例、その中にロータアセンブリ２９を回転式に配されるケースアセンブリ３３（基本的に、バルブケースとステータリングとからなる）を含む。ロータアセンブリ２９は、ドライブシャフト３５と、ロータデバイス２５をその上に着座させるように構成された末端側のヘッドアセンブリ３６とを含む。力の集中と、ロータデバイスがヘッドアセンブリ３６上において枢動する能力とを助長するために、ヘッドアセンブリは、その末端側表面３８から僅かに直立する隆起した台又はパッド３４を含む。この直立シャフトパッド３４は、好ましくは円盤状であり、ロータデバイス２５の接触表面４０に直接接触して着座するように構成された実質的に平坦な着座表面３９を有する。ただし、図５、図７、及び図８は、これらの間に、以下で詳しく説明される薄いコンプライアント要素すなわちシム部材４４を配された状態で示されていることがわかる。
【００５９】
この直立パッド３４の直径は、ロータデバイスの接触表面４０の直径未満であることが好ましい。しかしながら、この直径は、ロータデバイスの直径の約４５％程度以上であることも好ましく、このような小さい直径は、ロータ面とステータ面とが完全に接触するように、ロータデバイスが微小なぐらつきを生じることを可能にする。したがって、以下で更に詳しく説明されるように、ロータデバイス２５の接触表面４０と、直立シャフトパッド３４の着座表面３９とは、互いに実質的に同一平面で接触する必要はない。具体的な一実施形態では、直立パッドの直径は、約０．２００インチ（およそ５．０８ｍｍ）から約０．３６８インチ（およそ９．３５ｍｍ）の範囲、より好ましくは約０．２３０インチ（およそ５．８４ｍｍ）であってよく、一方で、ロータデバイスの直径は、約０．６００インチ（およそ１５．２ｍｍ）から約０．６２５インチ（およそ１５．９ｍｍ）の範囲であってよい。
【００６０】
代表的な一構成では、戦略的に方向付けられた３本の合わせピン３７が、ヘッドアセンブリ３６の末端側表面３８から遠位に伸びている（図５〜７）。これらの合わせピン３７は、円盤状のロータデバイス２５をドライブシャフト３５に対して装着及び位置合わせする働きをするロータデバイス２５内の対応する通し穴４１に、滑動式に受け入れられる。更に、これらの合わせピン３７は、トルク伝達と、それゆえの、回転軸周りにおけるドライブシャフト３５の回転に伴うロータデバイス２５の回転とを可能にする。
【００６１】
ステータデバイス２１は、ステータボスのステータ面２２をロータデバイス２５のロータ面２６に隣接及び接触するように位置決めする方式で、ナット４３を介してケースアセンブリ３３の末端側部分４２に装着される。ロータ−ステータ界面においてロータデバイス２５とステータデバイス２１との間に圧縮力を生じさせるために、ケースアセンブリ３３とドライブシャフト３５のヘッドアセンブリとの間にばねアセンブリ３０が組み込まれる。簡単に言うと、ケースアセンブリ３３の基部側部分に、圧力調整ナット３１が螺合される。圧力調整ナットの末端がばねスタック（すなわち、スタック状のばね座金３２）を圧縮してヘッドアセンブリ３６に押し付けるのに伴って、ロータデバイス２５は、圧縮によってステータボス２７へと押しつけられる。近年は、バルブの再構築という大きな利点を有する、圧力調整アセンブリを取り入れた新しい超高圧流体用途用のマイクロ流体バルブが開発されている。これらのアセンブリは、２０１０年６月１４日に出願され、「REBUILDABLE MICRO-FLUIDIC VALVE ASSEMBLY（再構築可能なマイクロ流体バルブアセンブリ）」と題されたTower et al.への我々の米国特許出願第１２／８１５，２６５号に開示されており、その全体が参照によって組み込まれる。
【００６２】
次に、図３〜７を参照する。本発明にしたがうと、ステータデバイス２１及びロータデバイス２５は、ともに、金属材料で構成されて、メタル・オン・メタルのステータ−ロータ界面を形成している。もちろん、トライボロジコーティング（好ましくはＤＬＣ）が、真の金属間接触を隔てて、より高圧の状況下において流体密シールを形成する働きをしている。上記のように、約１５Ｋｐｓｉ（およそ１．０３×１０8Ｐａ）を超える用途の場合は、ステータ面２２がコーティングされることが好ましく、一方で、約３Ｋｐｓｉ（およそ２．０７×１０7Ｐａ）から約６Ｋｐｓｉ（およそ４．１４×１０7Ｐａ）未満の範囲の用途の場合は、ステータ面２２、ロータ面２６、又はそれらの面の両方のいずれかをコーティングすることができる。
【００６３】
このコーティングされたメタル・オン・メタル構成では、これらのせん断面バルブ部品の剛性及び硬さゆえに、ステータデバイス及びロータデバイスの実質的に平坦な面を互いに実質的に平行に方向付けることが大いに有益である。しかしながら、このような実質的に平行な方向付けは、実現可能である一方で、法外な費用がかかる恐れがあり、したがって、実用的でない。部品公差の積もり重なりゆえに、金属ロータ面２６は、実質的に平坦なステータ面に対して平らにすなわち実質的に平行で且つ同一平面に密着しない恐れがある、又はステータは、最初の場所で完全に平坦にならない恐れがある。
【００６４】
したがって、本発明の別の態様にしたがうと、ロータアセンブリ２９は、実質的に平坦なロータ面２６をステータ面２２に対して実質的に平行に方向付けるためにロータ面２６と協働するロータ面コンプライアンスアセンブリ４５を取り入れている。コンプライアンスアセンブリ４５は、例えば、ヘッドアセンブリ３６とロータデバイス２５（又は図９〜１３の実施形態のロータ要素４６などの、金属製若しくはセラミック製の、ロータデバイス２５の少なくとも一部分）との間に配されて、実質的に平坦なロータ面２６をステータ面２２に対して実質的に平行に方向付けることを可能にする方式で圧縮可能であるコンプライアント要素（例えば、図５〜８の実施形態のシム部材４４、又は図９〜１３の実施形態のサポートデバイス５０）を含む。特定の一実施形態では、上記のように、コンプライアント要素は、隆起した台３４の末端側着座表面３９とロータアセンブリ２９の接触表面４０との間に配されたコンプライアントシム部材４４によって提供される。したがって、ロータデバイス２５に対するヘッドアセンブリ３６の圧縮、及びそれゆえの、ステータ面に対するロータ面の圧縮の際に、実質的によりコンプライアント（柔軟）であるシム４４は、ロータ面をステータ面に対してより同一平面に且つ平行に着座させる方式で圧縮される。したがって、上記のように、ロータデバイス２５の接触表面４０と直立シャフトパッド３４の着座表面３９との間における完全に同一平面での着座の必要性は、ロータ面とステータ面との間における同一平面で且つ密着した接触を保証するためにそれほど必要ではない。
【００６５】
シム部材４４の直径は、好ましくは、ロータデバイス２５の接触表面４０の直径未満であるが、ただし、ヘッドアセンブリ３６の末端側表面３８から遠位に伸びる合わせピン３７を受け入れてそれらのピン３７と協働するように戦略的に位置合わせされた通し穴４８を組み入れていなければならない（図５〜７）。ロータデバイス２５と同様に、これらの合わせピン３７は、シム４４をヘッドアセンブリ３６に対して装着、固定、及び位置合わせするために、シム４４内の対応する通し穴４８に滑動式に受け入れられる。
【００６６】
図５、図７、及び図８に最も良く示されるように、シムは、多様な形状で構成可能である。例えば、シムは、従来の円形（図８）であってよい、又は効率的で且つ微小な三角形（図５及び図７）であってよい。
【００６７】
シム４４の材料組成は、ロータデバイスとステータデバイスとの間に加えられる大きな圧縮力に耐えるのに十分な構造的完全性を有することが望ましい。しかしながら、材料は、圧縮の作用時に、ロータ面をステータ面に対して実質的に同一平面で着座させることを可能にするのに十分にコンプライアブル（柔軟）でもなければならない。例えば、圧縮弾性率κは、約２５０ｋｐｓｉ（およそ１．７２×１０9Ｐａ）から約３００ｋｐｓｉ（およそ２．０７×１０9Ｐａ）の範囲であることが好ましい。特定の一実施形態では、シム４４の材料組成は、約０．０１０インチ（およそ０．２５４ｍｍ）から約０．０４０インチ（およそ１．０１６ｍｍ）の範囲の厚さを有するポリエチレンテレフタレートグリコール（ＰＥＴＧ）、ポリエルテル、又はポリカーボネートで構成可能である。
【００６８】
図９〜１２に示されるような、別の具体的な一実施形態のコンプライアンスアセンブリ４５では、ロータデバイス２５は、コンプライアントサポートデバイス５０によって受け入れられて支持される金属製又はセラミック製の（挿入可能な）ロータ要素４６を含む。この実施形態では、サポートデバイス５０は、コンプライアント要素として機能し、したがって、挿入されたロータ要素４６の裏側（すなわち基部側の面）に対するコンプライアントな裏当てを提供する。図１０〜１２は、金属製のロータ要素４６が、ロータ溝４７を含むとともに実質的に平坦な末端側向きロータ面２６を有する円盤状であると好ましいことを、最も良く示している。
【００６９】
サポートデバイス５０は、その大部分が、図５〜７の実施形態にあるような代表的なロータデバイス２５と同様に成形されている。サポートデバイスの末端側の面は、しかしながら、受入ソケット５１を画定しており、その周縁の内部側壁５２は、ロータ要素４６の基部側の面５４が受入ソケット５１の末端側のソケット面５５に接触してそれによって支持されるまで、ロータ要素４６の外周のすなわち周縁の壁５３をプレス嵌めによって受け入れるように、形成及び寸法決定される。
【００７０】
コンプライアントな裏当て材料を提供することによって、少なくとも軸方向において、サポートデバイス５０の接触表面は、ロータデバイス２５とステータ面２２との間に圧縮力が印加される際に幾らかのコンプライアンス（変形）又は圧縮を有するはずである。このような圧縮コンプライアンスは、実質的に平坦なロータ面２６が実質的に平坦なステータ面に対して実質的に平行な向きに僅かに位置を移すことを可能にする。要するに、コンプライアント材料は、金属ロータ要素の裏側接触表面との接触ゆえに「移動」又は圧縮し、ポリマがロータ面とステータボスのステータ面との間のずれを吸収することを可能にする。ロータ面２６は、すると、ステータボス面２２に対して平らに且つ実質的に平行に密着及び合わさることができる。
【００７１】
具体的な一実施形態では、サポートデバイス５０は、好ましくは、約０．１００インチ（およそ２．５４ｍｍ）から約０．２００インチ（およそ５．０８ｍｍ）の厚さであり、約４０００ｋｐｓｉ（およそ２．７６×１０10Ｐａ）から約５０００ｋｐｓｉ（およそ３．４５×１０10Ｐａ）の範囲の圧縮弾性率κを有し、高い引張強度及び圧縮強度を示すポリマ材料で構成される。これらその他特性を示すこのようなコンプライアント材料は、微小なコンプライアンスを許容しつつ、ロータ要素４６のロータ面２６への軸方向における高圧縮力の伝達を更に可能にする。図１３及び図１４に最も良く示されるように、ロータ要素の周縁において、約１°又は約０．００５インチ（およそ０．１２７ｍｍ）の程度のコンプライアンスが実現可能である。
【００７２】
使用されるポリマ材料は、様々な用途に応じて可変である。高圧用途だとみなされるなかで低い方の範囲（例えば３〜６Ｋｐｓｉ（およそ２．０７×１０7〜４．１４×１０7Ｐａ））であるかどうかによって、ＰＥＥＫTM又はナイロンなどの、より軟質の未充填ポリマが適用可能である。反対に、より高圧の用途（例えば１５〜２５Ｋｐｓｉ（およそ１．０３×１０8〜１．７２×１０8Ｐａ））の場合は、ポリマの引張強度及び圧縮強度を大幅に高めるカーボン充填ポリマ材料が必要とされるであろう。
【００７３】
このような高強度ポリマサポート材料の１つは、ＰＥＥＫTMとカーボンファイバとのエンジニアードブレンド（例えばカーボンが２０〜３０％のＰＥＥＫTMブレンド）である。このポリマ材料は、カーボンを充填されており、必須とされる高い引張強度及び圧縮強度を生み出す。したがって、バルブを密着させるために必要とされるばね座金３２の高圧ゆえに、このＰＥＥＫTMブレンドは、現時点において好ましい材料である。ただし、その他のポリマベースの材料、又はひいては更に高強度のエラストマも使用可能であることがわかる。
【００７４】
次に、図１０及び図１１を見ると、円盤状のロータ要素４６は、概してキー係合される。これは、ロータ面２６をドライブシャフト３５に対して位置合わせするのみならず、サポートデバイス５０の回転時においてロータ要素へのトルク伝達を促す働きもする。機械加工を容易にするために、ロータ要素４６は、「Ｄ字」型であり、雌の受入ソケット５１は、平らな部分の隅にエンドミルの半径ぶんの逃げをつけた変形「Ｄ字」型である。これら２つのパーツは、アーバープレスを使用して組み立てられる。アーバープレスは、２つのパーツをプレス嵌め（０．００２インチ（およそ０．０５０８ｍｍ）のプレス嵌め）して合体させる。もちろん、外周縁は、金属シールインサートがポリマ裏当てにプレス嵌めされることを可能にする任意の形状であってよいことがわかる。
【００７５】
次に、図１６〜２４を参照すると、ロータアセンブリ２９は、対向するロータ面とステータ面とがステータボス２７上で互いに密着する及び同一平面で合わさることを可能にする向きにロータ面を「搖動」及び／又は「枢動」させることを可能にする代替の一実施形態のロータ面コンプライアンスアセンブリ４５を取り入れている。
【００７６】
この構成では、簡単に説明すると、（図１６及び図２０〜２３の実施形態において提供されるのと同様な）円盤状で金属製のロータ要素６０が、ボールベアリング６１上に枢動式に着座され、該ボールベアリング６１は、更に、ドライブシャフト３５のヘッドアセンブリ３６の末端上に着座される。したがって、ドライブシャフト３５に圧縮力が加えられるのに伴って、その力は、ボールベアリング６１を介してロータ要素６０に伝達される。ロータ／ステータ界面において、隣り合う対向する接触間の圧力が増大されると、ロータ要素６０は、ロータ面をステータ面に対して実質的に平行に方向付けしなおす及び位置合わせすることを目指して微小な搖動又は枢動を生じる。
【００７７】
枢動するロータ要素６０の支持を容易にするために、ドライブリング６２が提供される。該リングは、やはり、それが取って代わる従来のロータデバイスと同様に成形される。図１６及び図１７は、このドライブリングが、軸方向に伸びる受入孔６３を含んでいること、及びその受入孔６３に挿入されるロータ要素６０をその中で軸方向に「浮遊」可能にすると同時にロータ要素６０を回転軸周りにおける回転のためにドライブリング６２に対して回転式に固定する方式で軸方向に受け入れるように受入孔６３が形成されていることを、最も良く示している。
【００７８】
したがって、受入孔６３を画定する内部側壁６６の内径は、ロータ要素６０の微小な枢動を許容するために、ロータ要素６０の外周壁６７の直径を僅かに上回る。明瞭さを期するために、例えば、シールインサートの外径と、ドライブリングの内径との間は、約０．０２０インチ（およそ０．５０８ｍｍ）（各側０．０１０インチ（およそ０．２５４ｍｍ））である。これは、シールインサートがドライブリング内において各側０．０１０インチ（およそ０．２５４ｍｍ）ぶん側方に行き来することを可能にする。
【００７９】
ボールベアリング６１上における着座を支持するために、ロータ要素６０の基部側向き表面は、ボールベアリングの一部分を受け入れるように形成、サイズ決定、及び寸法決定されたドーム状のボールソケット６８を含む。この構成は、更に、ボールベアリング周りにおける且つドライブリング６２に相対的な枢動を支持する役割も担っている。
【００８０】
ドライブシャフト軸周りにおけるドライブリング６２の回転に伴って、軸方向に浮遊するロータ要素６０にトルクを伝達するために、ドライブリング６２の内部側壁６６から半径方向に孔６３の中へ複数のガイドピン７０が伸びている。これらの半径方向ガイドピン７０は、ロータ要素の外周壁６７に沿って軸方向に伸びている対応する細長い受入スロット７１に滑動式に軸方向に受け入れられるように形成される。したがって、ドライブリングの回転に伴って、ガイドピン７０は、この回転運動をロータ要素に直接伝達する。
【００８１】
精密で且つ正確な、ロータ要素の回転変位及び回転運動のためには、ガイドピン７０の直径と、対応する受入スロットの幅との間の許容差は、したがって、比較的小さいことが望ましい。具体的な一実施形態では、例えば、ガイドピンの直径と、スロットの幅との間の許容差は、およそ０．００２インチ（およそ０．０５０８ｍｍ）（各側０．００１インチ（およそ０．０２５４ｍｍ））である。例えば、もし、ガイドピンの直径が約０．０２９〜０．０３１インチ（およそ０．７３７〜０．７８７ｍｍ）であるように選択されたならば、ロータ要素内のガイドスロット７１の幅は、約０．０３１〜０．０３３インチ（およそ０．７８７〜０．８３８ｍｍ）の範囲であるように選択されることが望ましい。このような比較的小さな許容差は、駆動シャフト軸周りにおけるドライブリング６２の回転が実質的に直ちにロータ要素６０に直接伝達されることを可能にする。したがって、ステータポート２３に対するロータシール溝４７の相対的位置は、正確に決定することができる。
【００８２】
半径方向に相隔てられたこれらのガイドスロット７１は、しかしながら、ガイドピン７０の半径方向の長さを僅かに上回る深さぶん、ロータ要素の外周壁６７内へ半径方向に伸びてもいる。この許容差は、上述された、ドライブリングの受入孔６３内におけるロータデバイスの（各側約０．０１０インチ（およそ０．２５４ｍｍ）程度の）微小な側方運動を可能にするために、ガイドピン７０が、対応するガイドスロットに対して僅かに出入りすることを許容する。したがって、ロータ要素６０は、ボールベアリング周りにおける微小な枢動又は転がりに伴って、ガイドピン７０に沿って滑動もする。ガイドピン７０の、対応する受入スロット７１に軸方向に沿ったこの相対的な軸方向運動（及び非常に微小な相対的な半径方向運動）は、受入孔内における側方への微小な運動と相まって、実質的に平坦なロータ面２６をステータ面２２に対して実質的に平行に僅かに方向付けしなおすことを可能にする。したがって、図１８〜２１の実施形態の、ポリマを裏当てされたサポートデバイス５０と異なり、この枢動式の実施形態によるコンプライアンスは、ロータ面がステータボス２７のステータ面２２に対して実質的に平行に且つ同一平面に方向付けしなおされるまでボールベアリング周りにおいて「運動」及び「枢動」する（すなわち転がる）ロータ要素シールインサートの能力によって提供される。
【００８３】
これらのガイドピン７０は、（図解されているような）ねじを有していても良い、又は、ドライブリング６２の形成の際に成形若しくは圧延されてもよい。更に、図では、受入孔６３の内部側壁６６において半径方向に相隔てられた５本のガイドピン７０が示されているが、コンプライアンスアセンブリ４５は、（コンプライアンスがより限られるが）１本のガイドピン及びそれに対応するスロットのみでも機能することができる。しかしながら、より高いコンプライアンスを与えるためには、最低でも３本の、半径方向に相隔てられたガイドピン及びそれらに対応するガイドスロットが望ましいとされる。
【００８４】
ヘッドアセンブリ３６の末端側の面によって、やはり同様にボールベアリング６１に対して着座するように形成された対向するドーム状ソケット７２も画定される。好ましくは、この対向するドーム状ソケット７２は、ドライブシャフト３５の末端における対応する通路７５にプレス嵌めされる挿入可能な合わせピン７３によって提供される。
【００８５】
次に、図１８及び図１９を参照すると、ばねアセンブリ３０を介して、圧縮力がドライブシャフト３５をステータデバイス２１に向かって軸方向に押しつけるのに伴って、合わせピン７３は、ボールベアリング６１を圧縮する。すると、ボールベアリング６１は、この軸方向の圧縮力をロータ要素６０に伝達し、ロータ−ステータ界面において流体密シールを形成する。
【００８６】
ボールベアリングに加えられる高い圧縮力に適応するためには、ボールベアリングの直径は、ロータ要素６０の直径の少なくとも２分の１（好ましくは３分の２）であると望ましいことがわかる。これは、より小さい直径のボールベアリングの場合の、より集中的な力分布と比べて、ロータ要素のドーム状ソケット６８において、より広範に圧縮力が分布されることを保証する。
【００８７】
上述されたハード・オン・ハード回転バルブ（例えばメタル・オン・メタルバルブ又はセラミック・オン・メタルバルブ）に対し、超高圧（ＵＨＰ）用途（例えば２０ｋｐｓｉ（およそ１．３８×１０8Ｐａ）以上）において、ＤＬＣコーティングに代表されるトライボロジコーティングのテストを多数回にわたって試行することを通じて、特定の接触領域において、時期尚早なバルブ故障を促すトライボロジコーティングの摩耗の増加が観察された。一例では、図２５〜３１に最も良く見られるように、トライボロジコーティングの過剰な摩耗が観察された主要な領域は、ステータボス２７の外周部分８０（とりわけ外周縁８１）である。この外側部分は、バルブの切り替え時に、極めて高い応力及びロータシールの最高速度に曝される。
【００８８】
その結果、トライボロジコーティングの亀裂、剥離、又は離層が観察され、すると、除去された残骸、及び場合によっては未コーティングの金属は、残りのコーティングに引っ掻き傷を付け、ステータボス上のコーティングの完全性を低下させ、ステータ上のコーティングを損なうと考えられる。再度述べるが、ひとたびこの劣化が始まると、ロータ／ステータ界面における流体密シールは、圧力を保持することができなくなる。
【００８９】
本発明の別の態様にしたがうと、図２５〜３１に最も良く示されるように、ステータデバイス２１及びロータデバイス２５を含む、全体として２０で指し示される回転せん断バルブアセンブリが開発されている。ステータデバイス２１が、実質的に硬質で且つ実質的に平坦なステータ面２２と、対応するステータポートにおいてステータ面２２と流体連通している少なくとも２本以上のステータチャネル８２とを画定する一方で、ロータデバイス２５は、１本以上のロータチャネル４７を画定する実質的に硬質で且つ実質的に平坦なロータ面２６を画定する。ステータ面２２及びロータ面２６のうちの一方（例えば、図２５及び図３１の特定の一実施形態ではステータ面２２）は、外周縁８１において終結し、ロータ面２６及びステータ面２２のうちの他方は、ロータデバイス２５が回転軸周りにおいてステータデバイス２１に回転式に装着されたときに当該ステータ面２２及びロータ面２６のうちの一方の外周縁８１を半径方向に超えて広がる。このような回転式の装着は、２つ以上のロータ位置の間において、ロータ−ステータ界面におけるロータ面２６とステータ面２２との間の流体密で且つ選択的な相対的回転を可能にする方式で協働する。本発明にしたがうと、バルブアセンブリ２０は、全体として８３で指し示されるポリマインサートデバイスを含み、該インサートデバイスは、２つ以上のロータ位置間における相対的回転の最中にステータ面２２及びロータ面２６のうちの一方（例えば、図２５及び図３１ではステータ面２２）の外周縁８１がインサートデバイス８３に接触するように、ロータ面２６及びステータ面２２のうちの他方（例えば、図２６及び図２７ではロータ面２６）に画定された受入溝８５にプレス嵌めによって挿入されるように形成及び寸法決定される。インサートデバイス８３は、具体的には、外周縁８１（例えば、図３１ではステータ面２２）の径未満であるインサート内径と、外周縁の径を上回るインサート外径とを有する露出接触面８６を画定する。
【００９０】
したがって、周縁８１において、ロータ面２６とステータ面２２との間のハード・オン・ハード（例えば、メタル・オン・メタル又はメタル・オン・セラミック）の接触は、原則的に、ポリマインサートデバイス８３と硬質の周縁との間の接触に取って代わられる。この外周部分８０における、金属製及び／又はセラミック製の周縁８１と、ポリマインサートデバイスの露出接触面８６との間の回転式の接触は、周縁８１との流体密接触を可能にするとともに、そこで形成される高応力を実質的に吸収するための十分な変形を提供する。この外周部分８０又は具体的には外周縁８１におけるトライボロジコーティングは、こうして大幅に低い応力に曝されることになるので、トライボロジコーティングの摩耗、引っ掻き、及び／又は欠け落ちもまた、大幅に低減される。
【００９１】
ステータ面２２とインサートデバイスの露出接触面８６との間の回転式の接触ゆえに、インサートデバイス８３の重要な材料特性は、１つには、選択されたポリマが、ＵＨＰ用途下のベアリング用途において優れた振る舞いをすることである。更に、選択されたインサートデバイスのポリマ材料は、高い圧縮強度（約１１９３ｋｐｓｉ（およそ８．２３×１０9Ｐａ）の弾性率と、約６８．４ｋｐｓｉ（およそ４．７１×１０8Ｐａ）の圧縮率）を示されなければならない一方で、それは、ステータ面及び／又はロータ面のセラミック材料又は金属材料の圧縮強度を大幅に下回っていなければならない。これは、もちろん、これらの領域においてポリマインサートデバイス８３が局所的に高応力を吸収することを可能にする。このような適切なポリマ材料の例として、天然ポリアリルエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、充填ＰＡＥＫ（例えば、ＰＥＥＫ（登録商標））、又はＶＥＳＰＥＬ（登録商標）などのポリイミド材料が挙げられる。
【００９２】
簡潔に言うと、本発明のこの態様は、説明を簡単にするために、外周縁８１がステータ面２２又はロータ面２６のうちのいずれか一方（例えば、図２５及び図３１ではステータ面２２）に沿うように方向付けられ、ロータ面２６又はステータ面２２のうちの他方がその対向するインサートデバイス８３を支持しているものとして例示及び説明をなされているが、これ以降の説明は、全て、ロータ面２６にインサートデバイス８３を配置することに関するものである。更に、図３１は、例示を簡単にするために、ステータデバイス２１及びロータデバイス２５を互いから微小に位置をずらして示していることがわかる。バルブアセンブリ２０の動作中、ロータ面２６は、ステータ面２２に回転式に接触すると考えられる。
【００９３】
上記のように、この特定の一実施形態では、バルブアセンブリ２０のステータデバイス２１は、下方へ直立したステータボス２７を組み入れている。このボスは、一部には、内向きに先細る環状の外周側壁８７によって画定されて、円錐状の傾斜面を形成している。この実施形態では、この円錐状の側壁８７は、ステータ面２２と交わって、外周縁８１を形成している。
【００９４】
外周部分８０と対向して接触する関係に位置決めされるのは、ポリマインサートデバイス８３である。このインサートデバイスは、実質的に平坦な露出接触面８６を有するリング状（図２６〜２９）であることが好ましく、実質的に平坦なロータ面２６に画定された実質的に同様に環状の凹所すなわち受入溝８５内にプレス嵌めによって配されるように構成される。この受入溝は、バルブ動作中に、インサートデバイスと協働して該インサートをロータデバイス２５に固定して保持するように、及びステータ面２２に対する圧縮接触の際に、ポリマインサートデバイス８３の露出接触面８６を実質的に平坦なロータ面２６の面と実質的に同一平面に位置決めするように、サイズ決定及び寸法決定される。
【００９５】
インサートデバイス８３の接触面８６に対するステータ周縁８１の接触及び位置合わせを保証するために、環状溝８５の溝内径縁８９は、予想されるインサートデバイスとステータ外周縁８１との間の接触線から半径方向に十分に内側に隔てられている。溝内径縁の半径方向位置は、しかしながら、上記の動作条件（すなわち、２０ｋｐｓｉ（およそ１．３８×１０8Ｐａ）以上などの超高圧ハード・オン・ハード用途）下におけるステータ面２２とロータ面との間の流体密シールの形成を可能にするために、ロータチャネル４７の外縁８８から十分に隔てられていなければならない。要するに、ロータチャネル外縁８８と溝内径縁８９との間の最小外側半径方向奥行きＬ1は、流体密シールの形成に十分でなければならない。図３０及び図３１に最も良く示されるような具体的な一実施形態では、ロータチャネル外縁８８と溝内径縁８９との間の最小外側半径方向奥行きＬ1は、少なくとも、ロータチャネル４７の横断面寸法の幅ＷCと同程度の幅であることが望ましい。
【００９６】
その一方で、溝内径縁８９と、ステータ外周縁８１との接触領域との間の最小内側半径方向奥行きＬ2は、ロータチャネル幅ＷCの少なくとも約２倍であることがわかる。このような最小内側半径方向奥行きＬ2は、ステータ外周縁８１がインサートデバイス８３の露出接触面８６と回転式にベアリング接触することを保証する。
【００９７】
同様に、溝外径縁９０もやはり、外周部分８０との間の、具体的にはステータ周縁８１との間の接触を保証するために、やはりそこから半径方向外向きに十分に隔たれている。図３１に最も良く示されるように、ステータ外周縁８１との接触領域と、溝外径縁９０との間の最小外側半径方向奥行きＬ3は、少なくとも、傾斜面の斜辺（すなわち、ステータボス側壁８７）と同程度の長さであることが好ましい。
【００９８】
上述されたように、ポリマインサートデバイス８３は、プレス嵌めによって受け入れられるように受入溝８５と協働する。したがって、インサートデバイス８３の外殻と、受入溝８５を画定する内壁とは、所定の許容差内において同様に成形、形成、及び寸法決定される。内径壁９１周りにおけるインサートのプレス嵌め特性は、したがって、バルブアセンブリの動作中に受入溝８５内にインサートを固定して保持するのに十分であると同時に、インサートデバイス８３の構造的完全性を脅かすほどぴったりとは合わさっていないことが望ましい。特定の一実施形態では、例えば、受入溝８５の内径壁９１の直径は、インサートデバイス８３の内壁９２の直径を約０．００１インチ（およそ０．０２５４ｍｍ）から約０．００２インチ（およそ０．０５０８ｍｍ）上回る程度であり、これは、溝内径壁にプレス嵌めされたときに、ＵＨＰ用途におけるバルブ動作中にポリマインサートを適所に固定するのに適切である。
【００９９】
比較すると、しかしながら、ポリマインサートデバイス８３及び環状受入溝８５は、溝外径が実際はインサートデバイスの外径を僅かに上回るように機械加工される。この許容差は、負荷を加えられたときにポリマインサートデバイス８３が半径方向に拡張することを可能にする。例えば、受入溝８５の外径壁９３の直径は、インサートデバイスの外壁９５の直径を約０．００５インチ（およそ０．１２７ｍｍ）から約０．０２０インチ（およそ０．５０８ｍｍ）上回る範囲であり、更に好ましくは、約０．０１０インチ（およそ０．２５４ｍｍ）上回る範囲である。
【０１００】
したがって、今述べた具体的な一実施形態では、インサート内壁９２と溝内径壁９１との界面は、プレス嵌め方式で協働し、インサート外壁９５と溝外径壁９３との界面は、拡張方式で協働する。しかしながら、インサート外壁９５と溝外径壁９３との界面が、上述のプレス嵌め方式で協働し、インサート内壁９２と溝内径壁９１との界面が、上述の拡張方式で協働することもある。更に別の構成では、内界面及び外界面の両方を、プレス嵌め方式で協働するように構成することができる。
【０１０１】
ポリマインサートデバイスの最小深さは、約０．０５０インチ（およそ１．２７ｍｍ）の範囲から約０．１４０インチ（およそ３．５５ｍｍ）の範囲の最大深さまでであるように選択され、より好ましくは、約０．０５０インチ（およそ１．２７ｍｍ）である。ポリマインサートのこの深さは、以下で説明されるように、少なくとも初期の段階では、ロータ面よりも僅かに上方に突き出すのに十分であることが望ましい。
【０１０２】
しかしながら、製造及び組み立ての際に、インサートデバイス８３の初期高さは、インサートデバイス８３が受入溝８５に完全に受け入れ及び挿入されたときに露出接触面８６が実質的に平坦なロータ面２６の上方に僅かに隆起しているように、受入溝８５の高さよりも僅かに高いように選択される。ひとたびインサートデバイス８３が、溝内径壁９１周りにそしてロータデバイス２５の受入溝８５内にプレス嵌めされたら、非常に艶やかで、滑らかで、且つ実質的に平坦なロータ面表面を得るために、ロータシールに対してラッピング及びポリシングの工程が実施される。この手順は、ロータ面２６とポリマ接触面８６とが実質的に平坦で且つ互いに実質的に同一平面であることを保証する。このラッピング／ポリシング手順後、ロータシールは洗浄され、バルブアセンブリに組み付ける用意が整う。
【０１０３】
例として、特定の一実施形態において、上述のパラメータを適用すると、インサートデバイスの内径は、約０．１２８インチ（およそ３．２５ｍｍ）から約０．１２９インチ（およそ３．２８ｍｍ）であり、インサートデバイスの外径は、約０．２２５インチ（およそ５．７２ｍｍ）である。比較すると、受入溝８５の内径は、約０．１３０インチ（およそ３．３０ｍｍ）であり、受入溝８５の外径は、約０．２３５インチ（およそ５．９７ｍｍ）である。
【０１０４】
図３２に最も良くみられるように、バルブアセンブリ２０は、ロータデバイス２５とステータデバイス２１との間の及びヘッドアセンブリ３６に対する精密な位置合わせを促す位置合わせピン９６を組み入れることができる。この位置合わせピン９６は、シャフトパッド３４から軸方向に直立しており、ロータデバイス２５を軸方向に貫通している位置合わせ孔９７に滑動式に受け入れられるように形成される。ロータ位置合わせ孔９７と軸方向に位置合わせされるのは、ステータ位置合わせスロット９８である。
【０１０５】
したがって、位置合わせピン９６周りにおいてロータデバイス２５とステータデバイス２１とを組み立てる際に、ロータ面２６とステータ面２２とが容易に位置合わせされ、ステータ外周縁８１が露出接触面８６に正しく位置合わせされる。
【０１０６】
更に、本発明は、それを実施する好ましい形態及びそれに対する変更との関連において説明されているが、当業者にならば、以下の特許請求の範囲内でその他の多くの変更が可能であることが理解される。したがって、発明の範囲は、いかなる形でも上記の説明によって制限されることを意図しておらず、むしろ、専ら以下の特許請求の範囲を参照することによって決定される。例えば、本発明は、ハード・オン・ハードＵＨＰ用途にとりわけ適している一方で、バルブ寿命を延ばす手段として、より低圧のその他のハード・オン・ハード用途にも適用可能である。
【技術分野】
【０００１】
［関連出願］
本出願は、２０１０年７月９日に出願された特許出願第１２／８３３，８３４号（代理人整理番号第ＲＤＹＮＰ０２５号）に基づく一部継続出願であり、該特許出願は、更に、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて、いずれもTowerを発明者として「ROTARY SHEAR VALVE ASSEMBLY WITH HARD-ON-HARD SEAL SURFACES（ハード・オン・ハードのシール表面を伴う回転せん断バルブアセンブリ）」と題され尚且ついずれも参照によって本明細書に全体を組み込まれる２００９年７月１３日に出願された同時係属米国仮特許出願第６１／２２５，１４３号、２０１０年２月４日に出願された同時係属米国仮特許出願第６１／３０１，５１６号、及び２０１０年４月２７日に出願された同時係属米国仮特許出願第６１／３２８，５９４号の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、回転せん断バルブに関するものであり、特に、ハード・オン・ハードの（硬質材料と硬質材料とが接する）シール表面を取り入れたせん断バルブに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
現在の高圧液体クロマトグラフィせん断バルブは、金属製の要素と、ロータ／ステータ界面に流体密シールを形成するポリマ材料で構成されたロータデバイスとを用いるのが通例である。この組み合わせは、成果があるとことがわかっている一方で、圧力定格及びバルブ寿命において限界がある。例えば、１５Ｋｐｓｉ（およそ１．０３×１０8Ｐａ）を超える高圧及び約１０Ｋサイクルを超える寿命を要する用途は、たとえこの組み合わせを使用しても、始終達成して持続させることはできない。
【０００４】
したがって、約１５Ｋｐｓｉ（およそ１．０３×１０8Ｐａ）を超える圧力を保持可能であるとともに５０Ｋサイクルを超えるバルブ寿命を期待することができるせん断面バルブを提供することが望まれている。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、実質的に平坦なステータ面と、対応するステータポートにおいてステータ面と流体連通している少なくとも２本以上のステータチャネルとを画定するステータデバイスを含む回転せん断バルブアセンブリを提供する。バルブアセンブリは、更に、１本以上のロータチャネルを画定する実質的に硬質で且つ実質的に平坦なロータ面を有するロータデバイスを含む。ステータ面及びロータ面のうちの一方は、外周縁において終結し、ロータ面及びステータ面のうちの他方は、ロータデバイスが回転軸周りにおいてステータデバイスに回転式に装着されたときに前記ステータ面及びロータ面のうちの一方の前記外周縁を半径方向に超えて広がる。このような回転式の装着は、２つ以上のロータ位置の間において、ロータ−ステータ界面におけるロータ面とステータ面との間の流体密で且つ選択的な相対的回転を可能にする方式である。本発明にしたがうと、バルブアセンブリは、前記外周縁の径未満であるインサート内径と、前記外周縁を上回るインサート外径とを有する露出接触面を画定するポリマインサートデバイスを含む。該インサートデバイスは、前記ロータ面及びステータ面のうちの他方に画定されたインサート受入溝にプレス嵌めによって挿入されるように形成及び寸法決定される。前記ステータ面及びロータ面のうちの一方の前記外周縁は、こうして、２つ以上のロータ位置間における相対的回転の最中にインサート露出面に接触する。
【０００６】
具体的な一実施形態において、インサート露出面は、ドーナツ状であり、実質的に平坦である。更に、受入溝及びインサートデバイスは、実質的に平坦なインサート露出面を実質的に平坦なロータ面及び実質的に平坦なステータ面のうちのもう一方に実質的に同一平面に位置決めするように協働する。
【０００７】
別の一構成において、インサート受入溝の溝内径は、インサートデバイスのインサート内径を約０．００１インチ（およそ０．０２５４ｍｍ）から約０．００２インチ（およそ０．０５０８ｍｍ）上回る範囲である。
【０００８】
更に別の具体的な一実施形態において、ポリマインサートデバイスは、高圧縮強度材料で構成され、該材料には、天然ＰＡＥＫ、充填ＰＡＥＫ（若しくはＰＥＥＫ）、又はＶＥＳＰＥＬ（登録商標）などのポリイミド材料がある。
【０００９】
更に別の一構成は、ステータ面及びロータ面を、金属材料又はセラミック材料のうちの１つで実質的に構成されるものとして提供する。
【００１０】
バルブアセンブリは、別の一実施形態において、更に、ロータ面及びステータ面のうちの少なくとも一方の上に配されたトライボロジ（潤滑）コーティングを含む。このようなコーティングは、例えば、ダイヤモンドライクカーボンコーティング（ＤＬＣ）である。
【００１１】
更に別の具体的な一構成において、バルブアセンブリは、更に、実質的に平坦なロータ面をステータデバイスの実質的に平坦なステータ面に実質的に平行に且つ実質的に同一平面に方向付ける方式でロータデバイスと協働するコンプライアンスアセンブリを含む。
【００１２】
本発明の別の一態様において、外周縁において終結する実質的に硬質で且つ実質的に平坦なステータ面を画定するステータボスデバイスを有する回転せん断バルブアセンブリが提供される。更に、回転軸周りにおいてステータデバイスに回転式に装着されたときにステータ面の外周縁を半径方向に超えて広がるように構成された実質的に硬質で且つ実質的に平坦なロータ面を有するロータデバイスが提供される。このような回転式の装着は、２つ以上のロータ位置の間において、ロータ−ステータ界面におけるロータ面とステータ面との間の流体密で且つ選択的な相対的回転を可能にする方式である。ロータ面及びステータ面のうちの少なくとも一方の上に、トライボロジコーティングが配される。更に、バルブアセンブリは、前記外周縁の径未満であるインサート内径と、前記外周縁を上回るインサート外径とを有する露出接触面を画定するポリマインサートデバイスを含む。該インサートデバイスは、２つ以上のロータ位置間における相対的回転の最中にステータ面の外周縁がインサート露出面に接触するように、ロータ面に画定された受入溝にプレス嵌めによって挿入されるように形成及び寸法決定される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本発明のアセンブリは、添付の図面と併せたときに、発明を実施するための最良の形態の以下の説明と添付の特許請求の範囲とから更に容易に明らかになる、その他の目的及び有利な特性を有する。
【００１４】
【図１】本発明にしたがって設計された、金属製のロータ要素及び金属製のステータ要素の両方を取り入れたマイクロ流体バルブアセンブリの上面斜視図である。
【００１５】
【図２】図１のマイクロ流体バルブアセンブリの底面斜視図である。
【００１６】
【図３】図１のマイクロ流体バルブアセンブリの上面斜視図であり、ステータリング及びステータ要素を取り外された状態でロータ要素を示している。
【００１７】
【図４】図１のマイクロ流体バルブアセンブリを、ステータリングを取り外された状態で示した側面斜視図である。
【００１８】
【図５】図１のマイクロ流体バルブアセンブリのロータアセンブリ及びステータ要素を示した分解上面斜視図である。
【００１９】
図５は、図１のマイクロ流体バルブアセンブリのロータアセンブリ及びステータ要素を示した分解上面斜視図である。
【００２０】
【図６】図５のロータアセンブリの拡大上面斜視図である。
【００２１】
【図７】本発明にしたがって構築されたコンプライアンスアセンブリを取り入れた、図６のロータアセンブリの部分分解上面斜視図である。
【００２２】
【図８】図１のマイクロ流体バルブアセンブリの縮小分解底面斜視図である。
【００２３】
【図９】代替の一実施形態のコンプライアンスアセンブリを取り入れたロータアセンブリの上面斜視図である。
【００２４】
【図１０】図９のロータアセンブリ及びコンプライアンスアセンブリの部分分解上面斜視図である。
【００２５】
【図１１】図９のロータアセンブリ及びコンプライアンスアセンブリをステータ要素とともに示した分解上面斜視図である。
【００２６】
【図１２】図１０のロータアセンブリ及びコンプライアンスアセンブリの分解底面斜視図である。
【００２７】
【図１３】図９のコンプライアンスアセンブリを取り入れた図１のマイクロ流体バルブアセンブリを断面で示した拡大部分側面図である。
【００２８】
【図１４】図１３のコンプライアンスアセンブリを断面で示した側面図である。
【００２９】
【図１５】別の代替の一実施形態のコンプライアンスアセンブリを取り入れたロータアセンブリの上面斜視図である。
【００３０】
【図１６】図１５のロータアセンブリ及びコンプライアンスアセンブリの分解上面斜視図である。
【００３１】
【図１７】図１５のロータアセンブリ及びコンプライアンスアセンブリの分解底面斜視図である。
【００３２】
【図１８】図１５のロータアセンブリ及びコンプライアンスアセンブリを断面で示した側面図である。
【００３３】
【図１９】図１５のコンプライアンスアセンブリを取り入れた図１のマイクロ流体バルブアセンブリを断面で示した側面図である。
【００３４】
【図２０】図１５のロータアセンブリ及びコンプライアンスアセンブリの部分分解側面斜視図である。
【００３５】
【図２１】図１５のロータアセンブリ及びコンプライアンスアセンブリの分解底面斜視図である。
【００３６】
【図２２】図１５のコンプライアンスアセンブリの拡大分解底面斜視図である。
【００３７】
【図２３】図１５のコンプライアンスアセンブリの拡大分解上面斜視図である。
【００３８】
【図２４】図１５のコンプライアンスアセンブリの拡大上面図である。
【００３９】
【図２５】本発明にしたがったポリマインサートデバイスを取り入れた代替の一実施形態のバルブアセンブリを断面で示した拡大部分側面図である。
【００４０】
【図２６】図２５のロータデバイスの拡大上面斜視図であり、受入溝に挿入される前のポリマインサートデバイスを示している。
【００４１】
【図２７】図２５のロータデバイスの上面斜視図であり、受入溝にプレス嵌めされた状態でポリマインサートデバイスを示している。
【００４２】
【図２８】図２７のロータデバイスの拡大上面図である。
【００４３】
【図２９】図２８のロータデバイスを断面で示した側面図である。
【００４４】
【図３０】図２９のロータデバイス及びインサートデバイスの拡大部分上面斜視図である。
【００４５】
【図３１】図２５のロータデバイス及びステータデバイスを僅かに分解した拡大部分上面斜視図であり、外縁部分を示している。
【００４６】
【図３２】位置合わせピンを組み込まれた、図２５のバルブアセンブリの代替の一実施形態を断面で示した拡大部分側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
本発明は、幾つかの具体的な実施形態を参照にして説明されるが、この説明は、発明を例示したものであり、発明を限定するものと解釈されるべきでない。当業者ならば、好ましい実施形態に対し、添付の特許請求の範囲に定められた発明の真の趣旨及び範囲から逸脱することなく様々な変更を加えることが可能である。より良い理解のために、ここに、各種の図面全体を通して、類似の構成要素が類似の参照符号によって示されることに留意せよ。
【００４８】
概して図１〜８を参照すると、実質的に金属製又はセラミック製で且つ実質的に平坦なステータ面２２を有するステータデバイス２１を含む回転せん断バルブアセンブリ２０が提供される。ステータデバイスは、対応するステータポート２３においてステータ面と流体連通している少なくとも２本以上のステータチャネルを画定する。バルブアセンブリ２０は、更に、実質的に金属製又はセラミック製で且つ実質的に平坦なロータ面２６を有するロータデバイス２５を含む。本発明にしたがうと、ロータ面及びステータ面のうちの少なくとも一方の上に、トライボロジコーティングが配される。したがって、ロータ−ステータ界面におけるロータ面とステータ面との間の選択的な相対的回転のために、ロータデバイス２５が回転軸周りにおいて回転式に装着されたときは、２つ以上のロータ位置の間における相対的回転の最中に、２つの金属面の間に流体密シールが形成される。
【００４９】
したがって、一部にはトライボロジコーティングのおかげで、高いライフサイクル上限（すなわち、少なくとも約５０Ｋサイクル）を維持可能でもある高圧用途（すなわち、１５Ｋｐｓｉ（およそ１．０３×１０8Ｐａ）から約２５Ｋｐｓｉ（およそ１．７２×１０8Ｐａ））のためのメタル・オン・メタルの流体密シールがロータ／ステータ界面に形成される。ロータ面及び／又はステータ面のうちの少なくとも一方の上におけるこのようなトライボロジコーティングは、ステータデバイスとロータデバイスとの間の必然的な高圧縮圧力下において流体密で且つ低摩擦の耐久性シールが形成されることを可能にする。
【００５０】
説明されるように、少なくともロータ面２６及びステータ面２２は、ともに、高圧縮力下における耐久性を高めるために、比較的剛性の材料で構成される。その他の構成では、ロータデバイス２５及びステータデバイス２１の全体が、実質的に剛性の材料で構成される。
【００５１】
好ましくは、ロータデバイス及びステータデバイスは、ともに、３１６ステンレス鋼、二相ステンレス鋼、チタン、合金鋼、又は工具鋼組成などの、金属組成で構成される。しかしながら、高いライフサイクル上限とともに同様な高圧能力を生み出すことを見いだされたその他の適切な剛性材料も、ロータ面２６及び／又はステータ面２２のうちの少なくとも一方の上に適切なトライボロジコーティングが配される限り適用可能である。このような適切な材料群の１つは、例えば、アルミナ、ＳＳＩＣ、ジルコニアなどの、セラミックである。ただし、ロータ及びステータが金属材料又はセラミック材料のいずれで構成されるにせよ、その材料は、トライボロジ材料をコーティング可能でなければならないことがわかる。
【００５２】
ステータ面及び／又はロータ面のうちの少なくとも一方のコーティングは、これらの高圧用途において、ロータ／ステータ界面に流体密の低摩擦シールを形成するために必要であることを見いだされた。上述された所要の理由ゆえに、ロータ面及びステータ面は、実質的に剛性の材料組成を有するので、これらの剛性材料は、当然ながら、比較的非コンプライアブル（非柔軟性）である。
【００５３】
ただし、このようなコーティングは、これらの高流体圧高圧縮力条件下における高いライフサイクルのために、十分な構造的完全性も示さなければならない。対向する剛性表面界面間における加圧流体密シールの形成にとって適切で且つ効果的なこのようなコーティングの１つが、トライボロジコーティングである。これらのコーティングは、高い強度（強靭性）及び低い摩擦性を示すとともに、液体クロマトグラフィにおいて使用される大半の化学物質に対して耐性であることを見いだされた。
【００５４】
この用途に特に適した具体的なトライボロジコーティングの１つは、バルザース・エリコン（Balzers Oerlikon）によって提供される、BALINIT（登録商標）DLC STAR及びBALINIT（登録商標）DLC、又はイオンボンド（Ionbond）によって提供されるaDLCなどの、ダイヤモンドライクカーボンコーティング（ＤＬＣ）である。ただし、これらの特性を示すその他のトライボロジコーティングも、適用可能である。
【００５５】
本発明にしたがうと、ステータ面及びロータ面２６は、そのうちの少なくとも一方が、又はそれらの両方が、トライボロジ材料をコーティングされる。具体的な一実施形態では、特定の条件下において、ステータボス２７のステータ面２２へのトライボロジコーティングの適用が、より強く且つより長持ちする流体密シールをロータ−ステータ界面に提供するのにとりわけ有利であることが見いだされた（図８）。例えば、高流体圧（すなわち、約１８Ｋｐｓｉ（およそ１．２４×１０8Ｐａ）を超える）用途の場合は、流体密シールを維持するために、より高い軸圧縮力がロータ面２６とステータ面２２との間に必要である。バルブがセットされたときに（すなわち、圧力調整ナットが、或る減衰速度が達成されるまで調整されたときに、この速度は、通例、０．３μＬ／分である。流体圧は、ステータポート／ロータシール溝を通じてバルブに加えられる。バルブは、０．３μＬ／分の漏出速度において所要の圧力（この事例では１５〜２５Ｋｐｓｉ（およそ１．０３×１０8〜１．７２×１０8Ｐａ））を保持したときに、「セット」される）、ばねアセンブリ３０（調整ナット３１及びばね座金３２を含む（図８））によってシールに加えられる高圧は、ステータボス２７の周縁部分によってコーティングシールの凹みを引き起こすことがある。したがって、ロータ面２６が（例えば、ロータ面単独で又はステータ面とともに）コーティングされている場合は、これらの事例では、コーティングの亀裂、又はバルブの作動に伴う縁部分における離層に起因して、一貫性のない結果及び部品の損傷が観測されている。
【００５６】
この凹みは、バルブの作動に伴って、凹み付近においてコーティングをロータシールから「剥離させる」又は離層させると考えられる。このコーティングが除去されるのに伴って、残骸、及び場合によっては未コーティングの金属が、残りのコーティングに引っ掻き傷を付け、ステータボス上のコーティングの完全性を低下させ、ステータ上のコーティングを損なうことが観測されている。ひとたびこの劣化が始まると、ロータ／ステータ界面における流体密シールは、圧力を保持することができなくなる。
【００５７】
ステータ面のみがトライボロジコーティングで被覆されているときは、これらの高圧用途下において、この劣化は観測されない。更に、より低圧（３〜６Ｋｐｓｉ（およそ２．０７×１０7〜４．１４×１０7Ｐａ））では、ハード・オン・ハードバルブがこのような圧力において動作するゆえに、ステータシール及びロータシールは、ともに、（ＤＬＣ又はそれ以外を）コーティングされて優れたシールを提供可能であると考えられる。シールに加えられるこれらの圧力は、低いと考えられるので、ロータシールは、凹んでコーティングを損なう事態を生じにくい。
【００５８】
次に、代表的なせん断バルブアセンブリ２０を図解された図１〜５及び図８を参照する。簡単に言うと、図８に最も良く示されるように、せん断バルブアセンブリは、通例、その中にロータアセンブリ２９を回転式に配されるケースアセンブリ３３（基本的に、バルブケースとステータリングとからなる）を含む。ロータアセンブリ２９は、ドライブシャフト３５と、ロータデバイス２５をその上に着座させるように構成された末端側のヘッドアセンブリ３６とを含む。力の集中と、ロータデバイスがヘッドアセンブリ３６上において枢動する能力とを助長するために、ヘッドアセンブリは、その末端側表面３８から僅かに直立する隆起した台又はパッド３４を含む。この直立シャフトパッド３４は、好ましくは円盤状であり、ロータデバイス２５の接触表面４０に直接接触して着座するように構成された実質的に平坦な着座表面３９を有する。ただし、図５、図７、及び図８は、これらの間に、以下で詳しく説明される薄いコンプライアント要素すなわちシム部材４４を配された状態で示されていることがわかる。
【００５９】
この直立パッド３４の直径は、ロータデバイスの接触表面４０の直径未満であることが好ましい。しかしながら、この直径は、ロータデバイスの直径の約４５％程度以上であることも好ましく、このような小さい直径は、ロータ面とステータ面とが完全に接触するように、ロータデバイスが微小なぐらつきを生じることを可能にする。したがって、以下で更に詳しく説明されるように、ロータデバイス２５の接触表面４０と、直立シャフトパッド３４の着座表面３９とは、互いに実質的に同一平面で接触する必要はない。具体的な一実施形態では、直立パッドの直径は、約０．２００インチ（およそ５．０８ｍｍ）から約０．３６８インチ（およそ９．３５ｍｍ）の範囲、より好ましくは約０．２３０インチ（およそ５．８４ｍｍ）であってよく、一方で、ロータデバイスの直径は、約０．６００インチ（およそ１５．２ｍｍ）から約０．６２５インチ（およそ１５．９ｍｍ）の範囲であってよい。
【００６０】
代表的な一構成では、戦略的に方向付けられた３本の合わせピン３７が、ヘッドアセンブリ３６の末端側表面３８から遠位に伸びている（図５〜７）。これらの合わせピン３７は、円盤状のロータデバイス２５をドライブシャフト３５に対して装着及び位置合わせする働きをするロータデバイス２５内の対応する通し穴４１に、滑動式に受け入れられる。更に、これらの合わせピン３７は、トルク伝達と、それゆえの、回転軸周りにおけるドライブシャフト３５の回転に伴うロータデバイス２５の回転とを可能にする。
【００６１】
ステータデバイス２１は、ステータボスのステータ面２２をロータデバイス２５のロータ面２６に隣接及び接触するように位置決めする方式で、ナット４３を介してケースアセンブリ３３の末端側部分４２に装着される。ロータ−ステータ界面においてロータデバイス２５とステータデバイス２１との間に圧縮力を生じさせるために、ケースアセンブリ３３とドライブシャフト３５のヘッドアセンブリとの間にばねアセンブリ３０が組み込まれる。簡単に言うと、ケースアセンブリ３３の基部側部分に、圧力調整ナット３１が螺合される。圧力調整ナットの末端がばねスタック（すなわち、スタック状のばね座金３２）を圧縮してヘッドアセンブリ３６に押し付けるのに伴って、ロータデバイス２５は、圧縮によってステータボス２７へと押しつけられる。近年は、バルブの再構築という大きな利点を有する、圧力調整アセンブリを取り入れた新しい超高圧流体用途用のマイクロ流体バルブが開発されている。これらのアセンブリは、２０１０年６月１４日に出願され、「REBUILDABLE MICRO-FLUIDIC VALVE ASSEMBLY（再構築可能なマイクロ流体バルブアセンブリ）」と題されたTower et al.への我々の米国特許出願第１２／８１５，２６５号に開示されており、その全体が参照によって組み込まれる。
【００６２】
次に、図３〜７を参照する。本発明にしたがうと、ステータデバイス２１及びロータデバイス２５は、ともに、金属材料で構成されて、メタル・オン・メタルのステータ−ロータ界面を形成している。もちろん、トライボロジコーティング（好ましくはＤＬＣ）が、真の金属間接触を隔てて、より高圧の状況下において流体密シールを形成する働きをしている。上記のように、約１５Ｋｐｓｉ（およそ１．０３×１０8Ｐａ）を超える用途の場合は、ステータ面２２がコーティングされることが好ましく、一方で、約３Ｋｐｓｉ（およそ２．０７×１０7Ｐａ）から約６Ｋｐｓｉ（およそ４．１４×１０7Ｐａ）未満の範囲の用途の場合は、ステータ面２２、ロータ面２６、又はそれらの面の両方のいずれかをコーティングすることができる。
【００６３】
このコーティングされたメタル・オン・メタル構成では、これらのせん断面バルブ部品の剛性及び硬さゆえに、ステータデバイス及びロータデバイスの実質的に平坦な面を互いに実質的に平行に方向付けることが大いに有益である。しかしながら、このような実質的に平行な方向付けは、実現可能である一方で、法外な費用がかかる恐れがあり、したがって、実用的でない。部品公差の積もり重なりゆえに、金属ロータ面２６は、実質的に平坦なステータ面に対して平らにすなわち実質的に平行で且つ同一平面に密着しない恐れがある、又はステータは、最初の場所で完全に平坦にならない恐れがある。
【００６４】
したがって、本発明の別の態様にしたがうと、ロータアセンブリ２９は、実質的に平坦なロータ面２６をステータ面２２に対して実質的に平行に方向付けるためにロータ面２６と協働するロータ面コンプライアンスアセンブリ４５を取り入れている。コンプライアンスアセンブリ４５は、例えば、ヘッドアセンブリ３６とロータデバイス２５（又は図９〜１３の実施形態のロータ要素４６などの、金属製若しくはセラミック製の、ロータデバイス２５の少なくとも一部分）との間に配されて、実質的に平坦なロータ面２６をステータ面２２に対して実質的に平行に方向付けることを可能にする方式で圧縮可能であるコンプライアント要素（例えば、図５〜８の実施形態のシム部材４４、又は図９〜１３の実施形態のサポートデバイス５０）を含む。特定の一実施形態では、上記のように、コンプライアント要素は、隆起した台３４の末端側着座表面３９とロータアセンブリ２９の接触表面４０との間に配されたコンプライアントシム部材４４によって提供される。したがって、ロータデバイス２５に対するヘッドアセンブリ３６の圧縮、及びそれゆえの、ステータ面に対するロータ面の圧縮の際に、実質的によりコンプライアント（柔軟）であるシム４４は、ロータ面をステータ面に対してより同一平面に且つ平行に着座させる方式で圧縮される。したがって、上記のように、ロータデバイス２５の接触表面４０と直立シャフトパッド３４の着座表面３９との間における完全に同一平面での着座の必要性は、ロータ面とステータ面との間における同一平面で且つ密着した接触を保証するためにそれほど必要ではない。
【００６５】
シム部材４４の直径は、好ましくは、ロータデバイス２５の接触表面４０の直径未満であるが、ただし、ヘッドアセンブリ３６の末端側表面３８から遠位に伸びる合わせピン３７を受け入れてそれらのピン３７と協働するように戦略的に位置合わせされた通し穴４８を組み入れていなければならない（図５〜７）。ロータデバイス２５と同様に、これらの合わせピン３７は、シム４４をヘッドアセンブリ３６に対して装着、固定、及び位置合わせするために、シム４４内の対応する通し穴４８に滑動式に受け入れられる。
【００６６】
図５、図７、及び図８に最も良く示されるように、シムは、多様な形状で構成可能である。例えば、シムは、従来の円形（図８）であってよい、又は効率的で且つ微小な三角形（図５及び図７）であってよい。
【００６７】
シム４４の材料組成は、ロータデバイスとステータデバイスとの間に加えられる大きな圧縮力に耐えるのに十分な構造的完全性を有することが望ましい。しかしながら、材料は、圧縮の作用時に、ロータ面をステータ面に対して実質的に同一平面で着座させることを可能にするのに十分にコンプライアブル（柔軟）でもなければならない。例えば、圧縮弾性率κは、約２５０ｋｐｓｉ（およそ１．７２×１０9Ｐａ）から約３００ｋｐｓｉ（およそ２．０７×１０9Ｐａ）の範囲であることが好ましい。特定の一実施形態では、シム４４の材料組成は、約０．０１０インチ（およそ０．２５４ｍｍ）から約０．０４０インチ（およそ１．０１６ｍｍ）の範囲の厚さを有するポリエチレンテレフタレートグリコール（ＰＥＴＧ）、ポリエルテル、又はポリカーボネートで構成可能である。
【００６８】
図９〜１２に示されるような、別の具体的な一実施形態のコンプライアンスアセンブリ４５では、ロータデバイス２５は、コンプライアントサポートデバイス５０によって受け入れられて支持される金属製又はセラミック製の（挿入可能な）ロータ要素４６を含む。この実施形態では、サポートデバイス５０は、コンプライアント要素として機能し、したがって、挿入されたロータ要素４６の裏側（すなわち基部側の面）に対するコンプライアントな裏当てを提供する。図１０〜１２は、金属製のロータ要素４６が、ロータ溝４７を含むとともに実質的に平坦な末端側向きロータ面２６を有する円盤状であると好ましいことを、最も良く示している。
【００６９】
サポートデバイス５０は、その大部分が、図５〜７の実施形態にあるような代表的なロータデバイス２５と同様に成形されている。サポートデバイスの末端側の面は、しかしながら、受入ソケット５１を画定しており、その周縁の内部側壁５２は、ロータ要素４６の基部側の面５４が受入ソケット５１の末端側のソケット面５５に接触してそれによって支持されるまで、ロータ要素４６の外周のすなわち周縁の壁５３をプレス嵌めによって受け入れるように、形成及び寸法決定される。
【００７０】
コンプライアントな裏当て材料を提供することによって、少なくとも軸方向において、サポートデバイス５０の接触表面は、ロータデバイス２５とステータ面２２との間に圧縮力が印加される際に幾らかのコンプライアンス（変形）又は圧縮を有するはずである。このような圧縮コンプライアンスは、実質的に平坦なロータ面２６が実質的に平坦なステータ面に対して実質的に平行な向きに僅かに位置を移すことを可能にする。要するに、コンプライアント材料は、金属ロータ要素の裏側接触表面との接触ゆえに「移動」又は圧縮し、ポリマがロータ面とステータボスのステータ面との間のずれを吸収することを可能にする。ロータ面２６は、すると、ステータボス面２２に対して平らに且つ実質的に平行に密着及び合わさることができる。
【００７１】
具体的な一実施形態では、サポートデバイス５０は、好ましくは、約０．１００インチ（およそ２．５４ｍｍ）から約０．２００インチ（およそ５．０８ｍｍ）の厚さであり、約４０００ｋｐｓｉ（およそ２．７６×１０10Ｐａ）から約５０００ｋｐｓｉ（およそ３．４５×１０10Ｐａ）の範囲の圧縮弾性率κを有し、高い引張強度及び圧縮強度を示すポリマ材料で構成される。これらその他特性を示すこのようなコンプライアント材料は、微小なコンプライアンスを許容しつつ、ロータ要素４６のロータ面２６への軸方向における高圧縮力の伝達を更に可能にする。図１３及び図１４に最も良く示されるように、ロータ要素の周縁において、約１°又は約０．００５インチ（およそ０．１２７ｍｍ）の程度のコンプライアンスが実現可能である。
【００７２】
使用されるポリマ材料は、様々な用途に応じて可変である。高圧用途だとみなされるなかで低い方の範囲（例えば３〜６Ｋｐｓｉ（およそ２．０７×１０7〜４．１４×１０7Ｐａ））であるかどうかによって、ＰＥＥＫTM又はナイロンなどの、より軟質の未充填ポリマが適用可能である。反対に、より高圧の用途（例えば１５〜２５Ｋｐｓｉ（およそ１．０３×１０8〜１．７２×１０8Ｐａ））の場合は、ポリマの引張強度及び圧縮強度を大幅に高めるカーボン充填ポリマ材料が必要とされるであろう。
【００７３】
このような高強度ポリマサポート材料の１つは、ＰＥＥＫTMとカーボンファイバとのエンジニアードブレンド（例えばカーボンが２０〜３０％のＰＥＥＫTMブレンド）である。このポリマ材料は、カーボンを充填されており、必須とされる高い引張強度及び圧縮強度を生み出す。したがって、バルブを密着させるために必要とされるばね座金３２の高圧ゆえに、このＰＥＥＫTMブレンドは、現時点において好ましい材料である。ただし、その他のポリマベースの材料、又はひいては更に高強度のエラストマも使用可能であることがわかる。
【００７４】
次に、図１０及び図１１を見ると、円盤状のロータ要素４６は、概してキー係合される。これは、ロータ面２６をドライブシャフト３５に対して位置合わせするのみならず、サポートデバイス５０の回転時においてロータ要素へのトルク伝達を促す働きもする。機械加工を容易にするために、ロータ要素４６は、「Ｄ字」型であり、雌の受入ソケット５１は、平らな部分の隅にエンドミルの半径ぶんの逃げをつけた変形「Ｄ字」型である。これら２つのパーツは、アーバープレスを使用して組み立てられる。アーバープレスは、２つのパーツをプレス嵌め（０．００２インチ（およそ０．０５０８ｍｍ）のプレス嵌め）して合体させる。もちろん、外周縁は、金属シールインサートがポリマ裏当てにプレス嵌めされることを可能にする任意の形状であってよいことがわかる。
【００７５】
次に、図１６〜２４を参照すると、ロータアセンブリ２９は、対向するロータ面とステータ面とがステータボス２７上で互いに密着する及び同一平面で合わさることを可能にする向きにロータ面を「搖動」及び／又は「枢動」させることを可能にする代替の一実施形態のロータ面コンプライアンスアセンブリ４５を取り入れている。
【００７６】
この構成では、簡単に説明すると、（図１６及び図２０〜２３の実施形態において提供されるのと同様な）円盤状で金属製のロータ要素６０が、ボールベアリング６１上に枢動式に着座され、該ボールベアリング６１は、更に、ドライブシャフト３５のヘッドアセンブリ３６の末端上に着座される。したがって、ドライブシャフト３５に圧縮力が加えられるのに伴って、その力は、ボールベアリング６１を介してロータ要素６０に伝達される。ロータ／ステータ界面において、隣り合う対向する接触間の圧力が増大されると、ロータ要素６０は、ロータ面をステータ面に対して実質的に平行に方向付けしなおす及び位置合わせすることを目指して微小な搖動又は枢動を生じる。
【００７７】
枢動するロータ要素６０の支持を容易にするために、ドライブリング６２が提供される。該リングは、やはり、それが取って代わる従来のロータデバイスと同様に成形される。図１６及び図１７は、このドライブリングが、軸方向に伸びる受入孔６３を含んでいること、及びその受入孔６３に挿入されるロータ要素６０をその中で軸方向に「浮遊」可能にすると同時にロータ要素６０を回転軸周りにおける回転のためにドライブリング６２に対して回転式に固定する方式で軸方向に受け入れるように受入孔６３が形成されていることを、最も良く示している。
【００７８】
したがって、受入孔６３を画定する内部側壁６６の内径は、ロータ要素６０の微小な枢動を許容するために、ロータ要素６０の外周壁６７の直径を僅かに上回る。明瞭さを期するために、例えば、シールインサートの外径と、ドライブリングの内径との間は、約０．０２０インチ（およそ０．５０８ｍｍ）（各側０．０１０インチ（およそ０．２５４ｍｍ））である。これは、シールインサートがドライブリング内において各側０．０１０インチ（およそ０．２５４ｍｍ）ぶん側方に行き来することを可能にする。
【００７９】
ボールベアリング６１上における着座を支持するために、ロータ要素６０の基部側向き表面は、ボールベアリングの一部分を受け入れるように形成、サイズ決定、及び寸法決定されたドーム状のボールソケット６８を含む。この構成は、更に、ボールベアリング周りにおける且つドライブリング６２に相対的な枢動を支持する役割も担っている。
【００８０】
ドライブシャフト軸周りにおけるドライブリング６２の回転に伴って、軸方向に浮遊するロータ要素６０にトルクを伝達するために、ドライブリング６２の内部側壁６６から半径方向に孔６３の中へ複数のガイドピン７０が伸びている。これらの半径方向ガイドピン７０は、ロータ要素の外周壁６７に沿って軸方向に伸びている対応する細長い受入スロット７１に滑動式に軸方向に受け入れられるように形成される。したがって、ドライブリングの回転に伴って、ガイドピン７０は、この回転運動をロータ要素に直接伝達する。
【００８１】
精密で且つ正確な、ロータ要素の回転変位及び回転運動のためには、ガイドピン７０の直径と、対応する受入スロットの幅との間の許容差は、したがって、比較的小さいことが望ましい。具体的な一実施形態では、例えば、ガイドピンの直径と、スロットの幅との間の許容差は、およそ０．００２インチ（およそ０．０５０８ｍｍ）（各側０．００１インチ（およそ０．０２５４ｍｍ））である。例えば、もし、ガイドピンの直径が約０．０２９〜０．０３１インチ（およそ０．７３７〜０．７８７ｍｍ）であるように選択されたならば、ロータ要素内のガイドスロット７１の幅は、約０．０３１〜０．０３３インチ（およそ０．７８７〜０．８３８ｍｍ）の範囲であるように選択されることが望ましい。このような比較的小さな許容差は、駆動シャフト軸周りにおけるドライブリング６２の回転が実質的に直ちにロータ要素６０に直接伝達されることを可能にする。したがって、ステータポート２３に対するロータシール溝４７の相対的位置は、正確に決定することができる。
【００８２】
半径方向に相隔てられたこれらのガイドスロット７１は、しかしながら、ガイドピン７０の半径方向の長さを僅かに上回る深さぶん、ロータ要素の外周壁６７内へ半径方向に伸びてもいる。この許容差は、上述された、ドライブリングの受入孔６３内におけるロータデバイスの（各側約０．０１０インチ（およそ０．２５４ｍｍ）程度の）微小な側方運動を可能にするために、ガイドピン７０が、対応するガイドスロットに対して僅かに出入りすることを許容する。したがって、ロータ要素６０は、ボールベアリング周りにおける微小な枢動又は転がりに伴って、ガイドピン７０に沿って滑動もする。ガイドピン７０の、対応する受入スロット７１に軸方向に沿ったこの相対的な軸方向運動（及び非常に微小な相対的な半径方向運動）は、受入孔内における側方への微小な運動と相まって、実質的に平坦なロータ面２６をステータ面２２に対して実質的に平行に僅かに方向付けしなおすことを可能にする。したがって、図１８〜２１の実施形態の、ポリマを裏当てされたサポートデバイス５０と異なり、この枢動式の実施形態によるコンプライアンスは、ロータ面がステータボス２７のステータ面２２に対して実質的に平行に且つ同一平面に方向付けしなおされるまでボールベアリング周りにおいて「運動」及び「枢動」する（すなわち転がる）ロータ要素シールインサートの能力によって提供される。
【００８３】
これらのガイドピン７０は、（図解されているような）ねじを有していても良い、又は、ドライブリング６２の形成の際に成形若しくは圧延されてもよい。更に、図では、受入孔６３の内部側壁６６において半径方向に相隔てられた５本のガイドピン７０が示されているが、コンプライアンスアセンブリ４５は、（コンプライアンスがより限られるが）１本のガイドピン及びそれに対応するスロットのみでも機能することができる。しかしながら、より高いコンプライアンスを与えるためには、最低でも３本の、半径方向に相隔てられたガイドピン及びそれらに対応するガイドスロットが望ましいとされる。
【００８４】
ヘッドアセンブリ３６の末端側の面によって、やはり同様にボールベアリング６１に対して着座するように形成された対向するドーム状ソケット７２も画定される。好ましくは、この対向するドーム状ソケット７２は、ドライブシャフト３５の末端における対応する通路７５にプレス嵌めされる挿入可能な合わせピン７３によって提供される。
【００８５】
次に、図１８及び図１９を参照すると、ばねアセンブリ３０を介して、圧縮力がドライブシャフト３５をステータデバイス２１に向かって軸方向に押しつけるのに伴って、合わせピン７３は、ボールベアリング６１を圧縮する。すると、ボールベアリング６１は、この軸方向の圧縮力をロータ要素６０に伝達し、ロータ−ステータ界面において流体密シールを形成する。
【００８６】
ボールベアリングに加えられる高い圧縮力に適応するためには、ボールベアリングの直径は、ロータ要素６０の直径の少なくとも２分の１（好ましくは３分の２）であると望ましいことがわかる。これは、より小さい直径のボールベアリングの場合の、より集中的な力分布と比べて、ロータ要素のドーム状ソケット６８において、より広範に圧縮力が分布されることを保証する。
【００８７】
上述されたハード・オン・ハード回転バルブ（例えばメタル・オン・メタルバルブ又はセラミック・オン・メタルバルブ）に対し、超高圧（ＵＨＰ）用途（例えば２０ｋｐｓｉ（およそ１．３８×１０8Ｐａ）以上）において、ＤＬＣコーティングに代表されるトライボロジコーティングのテストを多数回にわたって試行することを通じて、特定の接触領域において、時期尚早なバルブ故障を促すトライボロジコーティングの摩耗の増加が観察された。一例では、図２５〜３１に最も良く見られるように、トライボロジコーティングの過剰な摩耗が観察された主要な領域は、ステータボス２７の外周部分８０（とりわけ外周縁８１）である。この外側部分は、バルブの切り替え時に、極めて高い応力及びロータシールの最高速度に曝される。
【００８８】
その結果、トライボロジコーティングの亀裂、剥離、又は離層が観察され、すると、除去された残骸、及び場合によっては未コーティングの金属は、残りのコーティングに引っ掻き傷を付け、ステータボス上のコーティングの完全性を低下させ、ステータ上のコーティングを損なうと考えられる。再度述べるが、ひとたびこの劣化が始まると、ロータ／ステータ界面における流体密シールは、圧力を保持することができなくなる。
【００８９】
本発明の別の態様にしたがうと、図２５〜３１に最も良く示されるように、ステータデバイス２１及びロータデバイス２５を含む、全体として２０で指し示される回転せん断バルブアセンブリが開発されている。ステータデバイス２１が、実質的に硬質で且つ実質的に平坦なステータ面２２と、対応するステータポートにおいてステータ面２２と流体連通している少なくとも２本以上のステータチャネル８２とを画定する一方で、ロータデバイス２５は、１本以上のロータチャネル４７を画定する実質的に硬質で且つ実質的に平坦なロータ面２６を画定する。ステータ面２２及びロータ面２６のうちの一方（例えば、図２５及び図３１の特定の一実施形態ではステータ面２２）は、外周縁８１において終結し、ロータ面２６及びステータ面２２のうちの他方は、ロータデバイス２５が回転軸周りにおいてステータデバイス２１に回転式に装着されたときに当該ステータ面２２及びロータ面２６のうちの一方の外周縁８１を半径方向に超えて広がる。このような回転式の装着は、２つ以上のロータ位置の間において、ロータ−ステータ界面におけるロータ面２６とステータ面２２との間の流体密で且つ選択的な相対的回転を可能にする方式で協働する。本発明にしたがうと、バルブアセンブリ２０は、全体として８３で指し示されるポリマインサートデバイスを含み、該インサートデバイスは、２つ以上のロータ位置間における相対的回転の最中にステータ面２２及びロータ面２６のうちの一方（例えば、図２５及び図３１ではステータ面２２）の外周縁８１がインサートデバイス８３に接触するように、ロータ面２６及びステータ面２２のうちの他方（例えば、図２６及び図２７ではロータ面２６）に画定された受入溝８５にプレス嵌めによって挿入されるように形成及び寸法決定される。インサートデバイス８３は、具体的には、外周縁８１（例えば、図３１ではステータ面２２）の径未満であるインサート内径と、外周縁の径を上回るインサート外径とを有する露出接触面８６を画定する。
【００９０】
したがって、周縁８１において、ロータ面２６とステータ面２２との間のハード・オン・ハード（例えば、メタル・オン・メタル又はメタル・オン・セラミック）の接触は、原則的に、ポリマインサートデバイス８３と硬質の周縁との間の接触に取って代わられる。この外周部分８０における、金属製及び／又はセラミック製の周縁８１と、ポリマインサートデバイスの露出接触面８６との間の回転式の接触は、周縁８１との流体密接触を可能にするとともに、そこで形成される高応力を実質的に吸収するための十分な変形を提供する。この外周部分８０又は具体的には外周縁８１におけるトライボロジコーティングは、こうして大幅に低い応力に曝されることになるので、トライボロジコーティングの摩耗、引っ掻き、及び／又は欠け落ちもまた、大幅に低減される。
【００９１】
ステータ面２２とインサートデバイスの露出接触面８６との間の回転式の接触ゆえに、インサートデバイス８３の重要な材料特性は、１つには、選択されたポリマが、ＵＨＰ用途下のベアリング用途において優れた振る舞いをすることである。更に、選択されたインサートデバイスのポリマ材料は、高い圧縮強度（約１１９３ｋｐｓｉ（およそ８．２３×１０9Ｐａ）の弾性率と、約６８．４ｋｐｓｉ（およそ４．７１×１０8Ｐａ）の圧縮率）を示されなければならない一方で、それは、ステータ面及び／又はロータ面のセラミック材料又は金属材料の圧縮強度を大幅に下回っていなければならない。これは、もちろん、これらの領域においてポリマインサートデバイス８３が局所的に高応力を吸収することを可能にする。このような適切なポリマ材料の例として、天然ポリアリルエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、充填ＰＡＥＫ（例えば、ＰＥＥＫ（登録商標））、又はＶＥＳＰＥＬ（登録商標）などのポリイミド材料が挙げられる。
【００９２】
簡潔に言うと、本発明のこの態様は、説明を簡単にするために、外周縁８１がステータ面２２又はロータ面２６のうちのいずれか一方（例えば、図２５及び図３１ではステータ面２２）に沿うように方向付けられ、ロータ面２６又はステータ面２２のうちの他方がその対向するインサートデバイス８３を支持しているものとして例示及び説明をなされているが、これ以降の説明は、全て、ロータ面２６にインサートデバイス８３を配置することに関するものである。更に、図３１は、例示を簡単にするために、ステータデバイス２１及びロータデバイス２５を互いから微小に位置をずらして示していることがわかる。バルブアセンブリ２０の動作中、ロータ面２６は、ステータ面２２に回転式に接触すると考えられる。
【００９３】
上記のように、この特定の一実施形態では、バルブアセンブリ２０のステータデバイス２１は、下方へ直立したステータボス２７を組み入れている。このボスは、一部には、内向きに先細る環状の外周側壁８７によって画定されて、円錐状の傾斜面を形成している。この実施形態では、この円錐状の側壁８７は、ステータ面２２と交わって、外周縁８１を形成している。
【００９４】
外周部分８０と対向して接触する関係に位置決めされるのは、ポリマインサートデバイス８３である。このインサートデバイスは、実質的に平坦な露出接触面８６を有するリング状（図２６〜２９）であることが好ましく、実質的に平坦なロータ面２６に画定された実質的に同様に環状の凹所すなわち受入溝８５内にプレス嵌めによって配されるように構成される。この受入溝は、バルブ動作中に、インサートデバイスと協働して該インサートをロータデバイス２５に固定して保持するように、及びステータ面２２に対する圧縮接触の際に、ポリマインサートデバイス８３の露出接触面８６を実質的に平坦なロータ面２６の面と実質的に同一平面に位置決めするように、サイズ決定及び寸法決定される。
【００９５】
インサートデバイス８３の接触面８６に対するステータ周縁８１の接触及び位置合わせを保証するために、環状溝８５の溝内径縁８９は、予想されるインサートデバイスとステータ外周縁８１との間の接触線から半径方向に十分に内側に隔てられている。溝内径縁の半径方向位置は、しかしながら、上記の動作条件（すなわち、２０ｋｐｓｉ（およそ１．３８×１０8Ｐａ）以上などの超高圧ハード・オン・ハード用途）下におけるステータ面２２とロータ面との間の流体密シールの形成を可能にするために、ロータチャネル４７の外縁８８から十分に隔てられていなければならない。要するに、ロータチャネル外縁８８と溝内径縁８９との間の最小外側半径方向奥行きＬ1は、流体密シールの形成に十分でなければならない。図３０及び図３１に最も良く示されるような具体的な一実施形態では、ロータチャネル外縁８８と溝内径縁８９との間の最小外側半径方向奥行きＬ1は、少なくとも、ロータチャネル４７の横断面寸法の幅ＷCと同程度の幅であることが望ましい。
【００９６】
その一方で、溝内径縁８９と、ステータ外周縁８１との接触領域との間の最小内側半径方向奥行きＬ2は、ロータチャネル幅ＷCの少なくとも約２倍であることがわかる。このような最小内側半径方向奥行きＬ2は、ステータ外周縁８１がインサートデバイス８３の露出接触面８６と回転式にベアリング接触することを保証する。
【００９７】
同様に、溝外径縁９０もやはり、外周部分８０との間の、具体的にはステータ周縁８１との間の接触を保証するために、やはりそこから半径方向外向きに十分に隔たれている。図３１に最も良く示されるように、ステータ外周縁８１との接触領域と、溝外径縁９０との間の最小外側半径方向奥行きＬ3は、少なくとも、傾斜面の斜辺（すなわち、ステータボス側壁８７）と同程度の長さであることが好ましい。
【００９８】
上述されたように、ポリマインサートデバイス８３は、プレス嵌めによって受け入れられるように受入溝８５と協働する。したがって、インサートデバイス８３の外殻と、受入溝８５を画定する内壁とは、所定の許容差内において同様に成形、形成、及び寸法決定される。内径壁９１周りにおけるインサートのプレス嵌め特性は、したがって、バルブアセンブリの動作中に受入溝８５内にインサートを固定して保持するのに十分であると同時に、インサートデバイス８３の構造的完全性を脅かすほどぴったりとは合わさっていないことが望ましい。特定の一実施形態では、例えば、受入溝８５の内径壁９１の直径は、インサートデバイス８３の内壁９２の直径を約０．００１インチ（およそ０．０２５４ｍｍ）から約０．００２インチ（およそ０．０５０８ｍｍ）上回る程度であり、これは、溝内径壁にプレス嵌めされたときに、ＵＨＰ用途におけるバルブ動作中にポリマインサートを適所に固定するのに適切である。
【００９９】
比較すると、しかしながら、ポリマインサートデバイス８３及び環状受入溝８５は、溝外径が実際はインサートデバイスの外径を僅かに上回るように機械加工される。この許容差は、負荷を加えられたときにポリマインサートデバイス８３が半径方向に拡張することを可能にする。例えば、受入溝８５の外径壁９３の直径は、インサートデバイスの外壁９５の直径を約０．００５インチ（およそ０．１２７ｍｍ）から約０．０２０インチ（およそ０．５０８ｍｍ）上回る範囲であり、更に好ましくは、約０．０１０インチ（およそ０．２５４ｍｍ）上回る範囲である。
【０１００】
したがって、今述べた具体的な一実施形態では、インサート内壁９２と溝内径壁９１との界面は、プレス嵌め方式で協働し、インサート外壁９５と溝外径壁９３との界面は、拡張方式で協働する。しかしながら、インサート外壁９５と溝外径壁９３との界面が、上述のプレス嵌め方式で協働し、インサート内壁９２と溝内径壁９１との界面が、上述の拡張方式で協働することもある。更に別の構成では、内界面及び外界面の両方を、プレス嵌め方式で協働するように構成することができる。
【０１０１】
ポリマインサートデバイスの最小深さは、約０．０５０インチ（およそ１．２７ｍｍ）の範囲から約０．１４０インチ（およそ３．５５ｍｍ）の範囲の最大深さまでであるように選択され、より好ましくは、約０．０５０インチ（およそ１．２７ｍｍ）である。ポリマインサートのこの深さは、以下で説明されるように、少なくとも初期の段階では、ロータ面よりも僅かに上方に突き出すのに十分であることが望ましい。
【０１０２】
しかしながら、製造及び組み立ての際に、インサートデバイス８３の初期高さは、インサートデバイス８３が受入溝８５に完全に受け入れ及び挿入されたときに露出接触面８６が実質的に平坦なロータ面２６の上方に僅かに隆起しているように、受入溝８５の高さよりも僅かに高いように選択される。ひとたびインサートデバイス８３が、溝内径壁９１周りにそしてロータデバイス２５の受入溝８５内にプレス嵌めされたら、非常に艶やかで、滑らかで、且つ実質的に平坦なロータ面表面を得るために、ロータシールに対してラッピング及びポリシングの工程が実施される。この手順は、ロータ面２６とポリマ接触面８６とが実質的に平坦で且つ互いに実質的に同一平面であることを保証する。このラッピング／ポリシング手順後、ロータシールは洗浄され、バルブアセンブリに組み付ける用意が整う。
【０１０３】
例として、特定の一実施形態において、上述のパラメータを適用すると、インサートデバイスの内径は、約０．１２８インチ（およそ３．２５ｍｍ）から約０．１２９インチ（およそ３．２８ｍｍ）であり、インサートデバイスの外径は、約０．２２５インチ（およそ５．７２ｍｍ）である。比較すると、受入溝８５の内径は、約０．１３０インチ（およそ３．３０ｍｍ）であり、受入溝８５の外径は、約０．２３５インチ（およそ５．９７ｍｍ）である。
【０１０４】
図３２に最も良くみられるように、バルブアセンブリ２０は、ロータデバイス２５とステータデバイス２１との間の及びヘッドアセンブリ３６に対する精密な位置合わせを促す位置合わせピン９６を組み入れることができる。この位置合わせピン９６は、シャフトパッド３４から軸方向に直立しており、ロータデバイス２５を軸方向に貫通している位置合わせ孔９７に滑動式に受け入れられるように形成される。ロータ位置合わせ孔９７と軸方向に位置合わせされるのは、ステータ位置合わせスロット９８である。
【０１０５】
したがって、位置合わせピン９６周りにおいてロータデバイス２５とステータデバイス２１とを組み立てる際に、ロータ面２６とステータ面２２とが容易に位置合わせされ、ステータ外周縁８１が露出接触面８６に正しく位置合わせされる。
【０１０６】
更に、本発明は、それを実施する好ましい形態及びそれに対する変更との関連において説明されているが、当業者にならば、以下の特許請求の範囲内でその他の多くの変更が可能であることが理解される。したがって、発明の範囲は、いかなる形でも上記の説明によって制限されることを意図しておらず、むしろ、専ら以下の特許請求の範囲を参照することによって決定される。例えば、本発明は、ハード・オン・ハードＵＨＰ用途にとりわけ適している一方で、バルブ寿命を延ばす手段として、より低圧のその他のハード・オン・ハード用途にも適用可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転せん断バルブアセンブリであって、
実質的に硬質で且つ実質的に平坦なステータ面と、対応するステータポートにおいて前記ステータ面と流体連通している少なくとも２本以上のステータチャネルとを画定するステータデバイスと、
１本以上のロータチャネルを画定する実質的に硬質で且つ実質的に平坦なロータ面を有するロータデバイスと、
２つ以上のロータ位置の間においてロータ−ステータ界面における前記ロータ面と前記ステータ面との間の流体密で且つ選択的な相対的回転を可能にする方式で前記ロータデバイスが回転軸周りにおいて前記ステータデバイスに回転式に装着されたときに、前記ステータ面及び前記ロータ面のうちの一方が外周縁において終結するとともに、前記ロータ面及び前記ステータ面のうちの他方が前記ステータ面及び前記ロータ面のうちの前記一方の前記外周縁を半径方向に超えて広がり、
前記外周縁の径未満であるインサート内径と、前記外周縁を上回るインサート外径とを有する露出接触面を画定するポリマインサートデバイスであって、前記ステータ面及び前記ロータ面のうちの前記一方の前記外周縁が前記２つ以上のロータ位置間における前記相対的回転の最中に前記インサート露出面に接触するように、前記ロータ面及び前記ステータ面のうちの前記他方に画定されたインサート受入溝にプレス嵌めによって挿入されるように形成及び寸法決定されたポリマインサートデバイスと、
を備えるバルブアセンブリ。
【請求項２】
請求項１に記載のバルブアセンブリであって、
前記インサート露出面は、ドーナツ状であり、実質的に平坦である、バルブアセンブリ。
【請求項３】
請求項２に記載のバルブアセンブリであって、
前記受入溝及び前記インサートデバイスは、前記実質的に平坦なインサート露出面を前記実質的に平坦なロータ面及び前記実質的に平坦なステータ面のうちの前記他方に実質的に同一平面に位置決めするように協働する、バルブアセンブリ。
【請求項４】
請求項２に記載のバルブアセンブリであって、
前記インサート受入溝の溝内径は、前記インサートデバイスのインサート内径を約０．００１インチ（およそ０．０２５４ｍｍ）から約０．００２インチ（およそ０．０５０８ｍｍ）上回る範囲であり、
前記インサート受入溝の溝外径は、前記インサートデバイスのインサート外径を約０．００５インチ（およそ０．１２７ｍｍ）から約０．０２０インチ（およそ０．５０８ｍｍ）上回る範囲である、バルブアセンブリ。
【請求項５】
請求項１に記載のバルブアセンブリであって、
前記ポリマインサートデバイスは、高圧縮強度材料で構成される、バルブアセンブリ。
【請求項６】
請求項５に記載のバルブアセンブリであって、
前記ポリマインサートデバイスは、天然ポリアリルエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、充填ＰＡＥＫ、及びポリイミド材料のうちの１つで構成される、バルブアセンブリ。
【請求項７】
請求項５に記載のバルブアセンブリであって、
前記ステータ面及び前記ロータ面の各々は、金属材料又はセラミック材料のうちの１つで実質的に構成され、
前記バルブアセンブリは、更に、
前記ロータ面及び前記ステータ面のうちの少なくとも一方の上に配されたトライボロジコーティングを備えるバルブアセンブリ。
【請求項８】
請求項７に記載のバルブアセンブリであって、
前記トライボロジコーティングは、ダイヤモンドライクカーボンコーティング（ＤＬＣ）である、バルブアセンブリ。
【請求項９】
請求項８に記載のバルブアセンブリであって、
前記トライボロジコーティングは、前記ステータ面の上に配され、
前記受入溝は、前記実質的に平坦なロータ面に画定される、バルブアセンブリ。
【請求項１０】
請求項１に記載のバルブアセンブリであって、更に、
前記実質的に平坦なロータ面を前記ステータデバイスの前記実質的に平坦なステータ面に対して実質的に平行に且つ実質的に同一平面に方向付ける方式で前記ロータデバイスと協働するコンプライアンスアセンブリを備えるバルブアセンブリ。
【請求項１１】
回転せん断バルブアセンブリであって、
外周縁において終結する実質的に硬質で且つ実質的に平坦なステータ面を画定し、更に、対応するステータポートにおいて前記ステータ面と流体連通している少なくとも２本以上のステータチャネルを画定するステータボスデバイスと、
１本以上のロータチャネルを画定する実質的に硬質で且つ実質的に平坦なロータ面を有するロータデバイスであって、前記ロータ面は、２つ以上のロータ位置の間においてロータ−ステータ界面における前記ロータ面と前記ステータ面との間の流体密で且つ選択的な相対的回転を可能にする方式で前記ロータデバイスが回転軸周りにおいて前記ステータデバイスに回転式に装着されたときに、前記ステータ面の前記外周縁を半径方向に超えて広がる、ロータデバイスと、
前記ロータ面及び前記ステータ面のうちの少なくとも一方の上に配されたトライボロジコーティングと、
前記外周縁の径未満であるインサート内径と、前記外周縁を上回るインサート外径とを有する露出接触面を画定するポリマインサートデバイスであって、前記２つ以上のロータ位置間における前記相対的回転の最中に前記ステータ面の前記外周縁が前記インサート露出面に接触するように、前記ロータ面に画定された受入溝にプレス嵌めによって挿入されるように形成及び寸法決定されたポリマインサートデバイスと、
を備えるバルブアセンブリ。
【請求項１２】
請求項１１に記載のバルブアセンブリであって、
前記インサート露出面は、ドーナツ状であり、実質的に平坦である、バルブアセンブリ。
【請求項１３】
請求項１２に記載のバルブアセンブリであって、
前記受入溝及び前記インサートデバイスは、前記実質的に平坦なインサート露出面を前記実質的に平坦なロータ面に実質的に同一平面に位置決めするように協働する、バルブアセンブリ。
【請求項１４】
請求項１２に記載のバルブアセンブリであって、
前記インサート受入溝の溝内径は、前記インサートデバイスのインサート内径を約０．００１インチ（およそ０．０２５４ｍｍ）から約０．００２インチ（およそ０．０５０８ｍｍ）上回る範囲である、バルブアセンブリ。
【請求項１５】
請求項１１に記載のバルブアセンブリであって、
前記ポリマインサートデバイスは、高圧縮強度材料で構成される、バルブアセンブリ。
【請求項１６】
請求項１５に記載のバルブアセンブリであって、
前記ポリマインサートデバイスは、天然ＰＡＥＫ、充填ＰＡＥＫ、及びポリイミド材料のうちの１つで構成される、バルブアセンブリ。
【請求項１７】
請求項１１に記載のバルブアセンブリであって、
前記ステータ面及び前記ロータ面の各々は、金属材料又はセラミック材料のうちの１つで実質的に構成される、バルブアセンブリ。
【請求項１８】
請求項１７に記載のバルブアセンブリであって、
前記トライボロジコーティングは、ダイヤモンドライクカーボンコーティング（ＤＬＣ）である、バルブアセンブリ。
【請求項１９】
請求項１８に記載のバルブアセンブリであって、
前記トライボロジコーティングは、前記ステータ面の上に配される、バルブアセンブリ。
【請求項２０】
請求項１１に記載のバルブアセンブリであって、更に、
前記実質的に平坦なロータ面を前記ステータデバイスの前記実質的に平坦なステータ面に対して実質的に平行に且つ実質的に同一平面に方向付ける方式で前記ロータデバイスと協働するコンプライアンスアセンブリを備えるバルブアセンブリ。
【請求項１】
回転せん断バルブアセンブリであって、
実質的に硬質で且つ実質的に平坦なステータ面と、対応するステータポートにおいて前記ステータ面と流体連通している少なくとも２本以上のステータチャネルとを画定するステータデバイスと、
１本以上のロータチャネルを画定する実質的に硬質で且つ実質的に平坦なロータ面を有するロータデバイスと、
２つ以上のロータ位置の間においてロータ−ステータ界面における前記ロータ面と前記ステータ面との間の流体密で且つ選択的な相対的回転を可能にする方式で前記ロータデバイスが回転軸周りにおいて前記ステータデバイスに回転式に装着されたときに、前記ステータ面及び前記ロータ面のうちの一方が外周縁において終結するとともに、前記ロータ面及び前記ステータ面のうちの他方が前記ステータ面及び前記ロータ面のうちの前記一方の前記外周縁を半径方向に超えて広がり、
前記外周縁の径未満であるインサート内径と、前記外周縁を上回るインサート外径とを有する露出接触面を画定するポリマインサートデバイスであって、前記ステータ面及び前記ロータ面のうちの前記一方の前記外周縁が前記２つ以上のロータ位置間における前記相対的回転の最中に前記インサート露出面に接触するように、前記ロータ面及び前記ステータ面のうちの前記他方に画定されたインサート受入溝にプレス嵌めによって挿入されるように形成及び寸法決定されたポリマインサートデバイスと、
を備えるバルブアセンブリ。
【請求項２】
請求項１に記載のバルブアセンブリであって、
前記インサート露出面は、ドーナツ状であり、実質的に平坦である、バルブアセンブリ。
【請求項３】
請求項２に記載のバルブアセンブリであって、
前記受入溝及び前記インサートデバイスは、前記実質的に平坦なインサート露出面を前記実質的に平坦なロータ面及び前記実質的に平坦なステータ面のうちの前記他方に実質的に同一平面に位置決めするように協働する、バルブアセンブリ。
【請求項４】
請求項２に記載のバルブアセンブリであって、
前記インサート受入溝の溝内径は、前記インサートデバイスのインサート内径を約０．００１インチ（およそ０．０２５４ｍｍ）から約０．００２インチ（およそ０．０５０８ｍｍ）上回る範囲であり、
前記インサート受入溝の溝外径は、前記インサートデバイスのインサート外径を約０．００５インチ（およそ０．１２７ｍｍ）から約０．０２０インチ（およそ０．５０８ｍｍ）上回る範囲である、バルブアセンブリ。
【請求項５】
請求項１に記載のバルブアセンブリであって、
前記ポリマインサートデバイスは、高圧縮強度材料で構成される、バルブアセンブリ。
【請求項６】
請求項５に記載のバルブアセンブリであって、
前記ポリマインサートデバイスは、天然ポリアリルエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、充填ＰＡＥＫ、及びポリイミド材料のうちの１つで構成される、バルブアセンブリ。
【請求項７】
請求項５に記載のバルブアセンブリであって、
前記ステータ面及び前記ロータ面の各々は、金属材料又はセラミック材料のうちの１つで実質的に構成され、
前記バルブアセンブリは、更に、
前記ロータ面及び前記ステータ面のうちの少なくとも一方の上に配されたトライボロジコーティングを備えるバルブアセンブリ。
【請求項８】
請求項７に記載のバルブアセンブリであって、
前記トライボロジコーティングは、ダイヤモンドライクカーボンコーティング（ＤＬＣ）である、バルブアセンブリ。
【請求項９】
請求項８に記載のバルブアセンブリであって、
前記トライボロジコーティングは、前記ステータ面の上に配され、
前記受入溝は、前記実質的に平坦なロータ面に画定される、バルブアセンブリ。
【請求項１０】
請求項１に記載のバルブアセンブリであって、更に、
前記実質的に平坦なロータ面を前記ステータデバイスの前記実質的に平坦なステータ面に対して実質的に平行に且つ実質的に同一平面に方向付ける方式で前記ロータデバイスと協働するコンプライアンスアセンブリを備えるバルブアセンブリ。
【請求項１１】
回転せん断バルブアセンブリであって、
外周縁において終結する実質的に硬質で且つ実質的に平坦なステータ面を画定し、更に、対応するステータポートにおいて前記ステータ面と流体連通している少なくとも２本以上のステータチャネルを画定するステータボスデバイスと、
１本以上のロータチャネルを画定する実質的に硬質で且つ実質的に平坦なロータ面を有するロータデバイスであって、前記ロータ面は、２つ以上のロータ位置の間においてロータ−ステータ界面における前記ロータ面と前記ステータ面との間の流体密で且つ選択的な相対的回転を可能にする方式で前記ロータデバイスが回転軸周りにおいて前記ステータデバイスに回転式に装着されたときに、前記ステータ面の前記外周縁を半径方向に超えて広がる、ロータデバイスと、
前記ロータ面及び前記ステータ面のうちの少なくとも一方の上に配されたトライボロジコーティングと、
前記外周縁の径未満であるインサート内径と、前記外周縁を上回るインサート外径とを有する露出接触面を画定するポリマインサートデバイスであって、前記２つ以上のロータ位置間における前記相対的回転の最中に前記ステータ面の前記外周縁が前記インサート露出面に接触するように、前記ロータ面に画定された受入溝にプレス嵌めによって挿入されるように形成及び寸法決定されたポリマインサートデバイスと、
を備えるバルブアセンブリ。
【請求項１２】
請求項１１に記載のバルブアセンブリであって、
前記インサート露出面は、ドーナツ状であり、実質的に平坦である、バルブアセンブリ。
【請求項１３】
請求項１２に記載のバルブアセンブリであって、
前記受入溝及び前記インサートデバイスは、前記実質的に平坦なインサート露出面を前記実質的に平坦なロータ面に実質的に同一平面に位置決めするように協働する、バルブアセンブリ。
【請求項１４】
請求項１２に記載のバルブアセンブリであって、
前記インサート受入溝の溝内径は、前記インサートデバイスのインサート内径を約０．００１インチ（およそ０．０２５４ｍｍ）から約０．００２インチ（およそ０．０５０８ｍｍ）上回る範囲である、バルブアセンブリ。
【請求項１５】
請求項１１に記載のバルブアセンブリであって、
前記ポリマインサートデバイスは、高圧縮強度材料で構成される、バルブアセンブリ。
【請求項１６】
請求項１５に記載のバルブアセンブリであって、
前記ポリマインサートデバイスは、天然ＰＡＥＫ、充填ＰＡＥＫ、及びポリイミド材料のうちの１つで構成される、バルブアセンブリ。
【請求項１７】
請求項１１に記載のバルブアセンブリであって、
前記ステータ面及び前記ロータ面の各々は、金属材料又はセラミック材料のうちの１つで実質的に構成される、バルブアセンブリ。
【請求項１８】
請求項１７に記載のバルブアセンブリであって、
前記トライボロジコーティングは、ダイヤモンドライクカーボンコーティング（ＤＬＣ）である、バルブアセンブリ。
【請求項１９】
請求項１８に記載のバルブアセンブリであって、
前記トライボロジコーティングは、前記ステータ面の上に配される、バルブアセンブリ。
【請求項２０】
請求項１１に記載のバルブアセンブリであって、更に、
前記実質的に平坦なロータ面を前記ステータデバイスの前記実質的に平坦なステータ面に対して実質的に平行に且つ実質的に同一平面に方向付ける方式で前記ロータデバイスと協働するコンプライアンスアセンブリを備えるバルブアセンブリ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【公開番号】特開２０１３−１０４５６３（Ｐ２０１３−１０４５６３Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−２５０３７５（Ｐ２０１２−２５０３７５）
【出願日】平成２４年１１月１４日（２０１２．１１．１４）
【出願人】（５１２００９５２８）アイデックス・ヘルス・アンド・サイエンス・リミテッド ライアビリティ カンパニー (4)
【氏名又は名称原語表記】ＩＤＥＸ ＨＥＡＬＴＨ ＆ ＳＣＩＥＮＣＥ ＬＬＣ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２５０３７５（Ｐ２０１２−２５０３７５）
【出願日】平成２４年１１月１４日（２０１２．１１．１４）
【出願人】（５１２００９５２８）アイデックス・ヘルス・アンド・サイエンス・リミテッド ライアビリティ カンパニー (4)
【氏名又は名称原語表記】ＩＤＥＸ ＨＥＡＬＴＨ ＆ ＳＣＩＥＮＣＥ ＬＬＣ
【Ｆターム（参考）】
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