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弁組立体
説明

弁組立体

【課題】遮蔽密封効果をもち、手細工による金属部品を不要にし、着座面に対して不透過性の非金属材料を使用し、安定的で長期間の制御弁の遮断能力をもつ弁組立体を提供する。
【解決手段】穴18及び穴まで伸びるポート20を有する弁体と、穴内に受け入れられ、端部壁24及び側壁26を有するオリフィス部材22とを備え、オリフィス部材は、弁体のポートとの流体的連通状態を提供するオリフィス28を画成する弁組立体である。弁部材30がオリフィス部材内に受け入れられ且つ、軸線に沿ってオリフィスに対して可動であり、薄板ばね34がオリフィス部材の側壁に固定され、また、弁部材に固定されたアームを有している。弁座38は、端部壁に固定され且つ、オリフィスの上方の開口部を画成し、プラグ42は弁座に対向する弁部材の一端に固定され、弁部材が軸線に沿ってオリフィスに向けて動いたとき、プラグがシールに接触して開口部を密封する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、流体の流れ制御の分野、より具体的には、弁組立体に関する。更により具体的には、本発明は、剛性な着座面を有する弁組立体に関する。
【背景技術】
【0002】
流体弁は、多岐に亙る形態及び寸法にて存在し、その特徴が軽い気体状から重いスラリー及び略固体の範囲に亙る流動可能な材料を取り扱う多数の目的を果たし、また、簡単な二進(オン−オフ)、比例式、直接手動及び遠方電気のような多岐に亙る制御の下、色々な速度にて作動可能である。精密に且つ電力を殆ど消費せずに相対的に大きい流れさえも管理すべく迅速に応答可能である弁は、半導体及び集積回路製造時におけるように気体を自動的に調節するといった特定の工業的過程にて特に有益である。重量流れコントローラは、例えば、半導体及び集積回路の製造時にプロセスガスの供給を制御するため、広く使用され、また、重量流れコントローラはかかる弁を含んでいる。
【0003】
その全てが本発明の譲受人に譲渡された米国特許第4,796,854号明細書、米国特許第5,727,769号明細書及び米国特許第6,505,812号明細書には、電磁比例式弁組立体の例が示されている。開示された弁組立体は、全て、バルブオリフィスを開き且つ閉じるようアーマチャ即ち可動部分により配置された可動の弁部材を有する。
【0004】
弁組立体は、金属シール又はエラストマー的シールを使用することができる。金属密封面又は着座面を使用することは、雰囲気からの浸透及び気体の排出を解消し、また、エラストマー的シールに本来的な粒子の発生を解消する。ガラス、サファイア又はセラミックのようなその他の材料を着座面として使用し、弁組立体により制御される特定の流体による化学的劣化及び(又は)例えば、温度及び圧力に起因する劣化を回避することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】米国特許第4,796,854号明細書
【特許文献2】米国特許第5,727,769号明細書
【特許文献3】米国特許第6,505,812号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
弁組立体の着座面にて金属に代えてサファイアを使用することがしばしば好ましい。精密な気体の供給のために使用される高度に精密な弁組立体において、金属着座面は、適宜な密封効果を提供し得るようにオリフィスの表面を特注品のようにすべく手動のラップ仕上げ工程を必要とすることがある。しかし、かかるラップ仕上げ工程は、労働集約的であり、弁組立体の製造コストを増すことになる。更に、ラップ仕上げした金属表面は、高温度のとき腐食性流体の攻撃を受け、このことは、時間の経過に伴い密封効果を劣化させる可能性がある。平坦で且つ滑らかとすることができる極めて硬い材料であるサファイアは、かかる劣化を受け難い。
【0007】
その他の弁は、円錐形のステンレス鋼オリフィス内に着座するセラミックボールを備えることができる。しかし、かかる配置は、完全な範囲の流れの2%ないし100%の範囲にて滑らかに制御することはできない。
【0008】
新規で且つ改良された弁組立体が依然として望まれる。弁組立体は、改良された遮蔽密封効果を提供し、手細工による金属部品を不要にし、また、着座面に対して不透過性の非金属材料を使用することを許容し且つ、安定的で長期間の制御弁の遮断能力を提供することが好ましい。新規で且つ改良された弁組立体はまた、多数の完全な範囲に亙って完全な流れ範囲の2%ないし100%の範囲にて滑らかな制御を実現することも好ましい。
【0009】
従って、本発明は、穴及び該穴の一端まで伸びて穴との流体的連通状態を提供するポートを有する弁体を含む面組立体を提供する。オリフィス部材が穴内に受け入れられ、また、穴の端部に受け入れられた端部壁と、該端部壁から伸びる側壁とを有している。オリフィス部材の端部壁は、弁体のポートとの流体的連通状態を提供するオリフィスを画成する。弁部材がオリフィス部材内に受け入れられ、また、軸線に沿ってオリフィスに対して可動である。
【0010】
弁組立体は、オリフィス部材の側壁の一端に固定され、また、半径方向内方に伸び且つ弁部材に固定されたアームを有する薄板ばねも有している。薄板ばねは、弁部材をオリフィスに対して偏倚させる作用を果たす。弁座がオリフィス部材の端部壁に固定され且つ、オリフィスとの流体的連通状態を提供する開口部を画成し、また、プラグは、弁座に対向して弁部材の一端に固定され、弁部材が軸線に沿ってオリフィスに向けて動くとき、プラグが弁座と接触し、弁座の開口部を密封し且つ、流体が弁体のオリフィス及びポートを通って流れるのを防止する。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の1つの形態に従い、弁座及びプラグの双方は、サファイアから成る剛性な不透過性の非金属材料にて出来ており、また、弁部材の軸線に対し垂直に伸びる平坦な着座面を有する。その他の特徴及び有利な点のうち、本発明の弁部材の新規な設計は、製造中、平坦な着座面を平行に形成することを許容し、このため、サファイアプラグ及び弁座は、改良された遮蔽密封効果を提供することができる。
【0012】
更に、サファイア着座面を使用することは、手細工による金属部品を不要にし、また、安定的な長期間の制御弁の遮断能力を提供することになる。更に、平坦な着座面を使用することは、多数の完全な範囲に亙って全流れ範囲の2%ないし100%にて滑らかに制御することも可能にする。
【0013】
本発明の上記及びその他の特徴並びに有利な点は、添付図面と共に以下の詳細な説明を読むことにより一層明らかになるであろう。
本発明の上記及びその他の特徴並びに有利な点は、詳細な説明及び図面から一層よく理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明に従った構造とされた弁組立体の一例としての実施の形態を示す分解斜視図である。
【図2】図1の円部分「2」内に保持された図1の弁組立体の拡大分解斜視図である。
【図3】図1の弁組立体の一部分の断面図である。
【図4】図3の円部分「4」内に保持された、図1の弁組立体の拡大断面図である。
【図5】図4の円部分「5」内に保持された、図1の弁組立体の拡大断面図である。
【実施例】
【0015】
図1ないし図5を参照すると、本発明は、全体として、図5に最もよく示したサファイア着座面12、14を有する弁組立体10を提供する。本発明の弁組立体10の新規な設計は、製造中、平坦である着座面12、14を平行に形成し、着座面12、14が改良された遮蔽密封効果を提供することを許容する。更に、サファイア着座面12、14を使用することは、手細工の金属部品を不要にし且つ、安定的な長期間の制御弁の遮断能力を提供することになる(すなわち、着座面12、14は劣化しない)。更に、平坦な着座面12、14を使用することは、多数の全範囲に亙って全流れ範囲の2%ないし100%の範囲にて滑らかに制御することを可能にする。
【0016】
図1ないし図5を参照すると、弁組立体10は、ボア即ち穴18と、該穴18の一端まで伸びるポート20とを有する弁体16を備えている。オリフィス部材22が弁16の穴18内に受け入れられ且つ、穴18の端部に受け入れられた端部壁24と、該端部壁24から伸びる側壁26とを有する。オリフィス部材22の端部壁24は、弁体16のポート20との流体的連通状態を提供するオリフィス28を画成する。
【0017】
弁組立体10は、オリフィス部材22内に受け入れられ且つ、軸線32に沿ってオリフィス28に対して可動である弁部材30も有している。薄板ばね34がオリフィス部材22の側壁26の一端36に固定され、また、半径方向内方に伸び且つ弁部材30に固定されたアームを有する。薄板ばね34は、弁部材30をオリフィス28に対して偏倚させ、弁部材30は通常、閉じた位置又は開いた位置にあるようにする作用を果たす。
【0018】
弁組立体10は、オリフィス部材22の端部壁24に固定され、また、オリフィス28との流体的連通状態を提供する開口部40を画成する弁座38と、弁座38に対向して弁部材30の一端に固定されたプラグ42とを更に有しており、弁部材30が軸線32に沿ってオリフィスに向けて動くとき、プラグ42は、弁座38に接触して弁座38の開口部40を密封し且つ、流体が弁体16のオリフィス28及びポート20を通って流れるのを防止することができる。
【0019】
弁座38及びプラグ42は、サファイアから成る剛性な水や空気を通さない不浸透性の非金属材料にて出来ている。弁座38及びプラグ42は、弁部材30の軸線32に対して垂直に伸びる平坦な着座面12、14を画成する。着座面12、14は滑らかに研磨される。
【0020】
オリフィス部材22の端部壁24は、装着部44を有し、また、弁座38は、端部壁24の装着部44に圧入されている。弁部材30の端部は、装着部46を有し、プラグ42は弁部材30の装着部46に圧入されている。一例としての実施の形態に従い、オリフィス部材22及び弁部材30はステンレス鋼にて出来ている。
【0021】
図示した一例としての実施の形態において、弁体16のポート20は、入口ポートを備えており、薄板ばね34は、弁部材30を入口ポート20に向けて偏倚させ、プラグ42が通常、弁座38の開口部40を密封するようにする。弁体16は、図示するように、出口ポート20も有している。
【0022】
図示した一例としての実施の形態において、オリフィス部材22はカップ形状であり、オリフィス部材22の側壁26は、連続的である。薄板ばね34は、締め止めリング52によりオリフィス部材22に固定される一方、該締め止めリングは、ねじ54によりオリフィス部材22に固定される。オリフィス部材22の側壁26の端部36は、薄板ばね34を受け入れる連続的なリッジ56を有し、締め止めリング52は、薄板ばね34を側壁26の連続的なリッジ56に対して固定する連続的なリッジ58を有している。
【0023】
図面に示した一例としての実施の形態において、電磁組立体を使用して弁部材30を動かし入口ポート20と出口ポート50との間の流体の流れを制御する。電磁組立体は、弁部材30に固定された磁気材料のアーマチャ即ち可動部分60と、巻線62に電流が印加されたとき、可動部分60及び弁部材30を軸線32に沿って動かすよう可動部分60の上方に同軸状に受け入れられる電磁巻線62とを有しており、弁部材30は、弁座38の開口部40を開き且つ閉じて入口ポートと出口ポートとの間の流体の流れを制御する。
【0024】
一例としての実施の形態において、弁組立体10は、弁によって調節すべき実際の流量を感知する流量計のコントローラの出力増幅器段のような適宜な供給源により制御電流が電磁巻線62に印加されたとき、可動部分60は弁座38から動いて離れ、弁座38の開口部40を開き且つ、入口ポート20と出口ポート50との間の流れを増すことができる。弁組立体10は、電磁巻線62が励起されないとき、ばね34が弁部材30をその開始位置まで動かし、この開始位置にて弁部材30は弁座38に対して偏倚されて開口部40を閉じるような更なる形態とされている。
【0025】
弁組立体10は、電磁巻線62の上方に受け入れられて、ハウジング64を弁体16に固定する環状フランジ66を有するハウジング64を更に備えている。ハウジング64のフランジ66と弁体16との間に環状シール68が配置されている。電磁コア70は、可動部分60の上方にて電磁巻線62内に配置され、これらは、全て適宜な磁気材料にて出来ている。非磁気スリーブ72が電磁コア70の下端に固定され、また、軸線32に沿った可動部分60の動きを自由に受容するのに十分大きい中央軸方向開口部を有している。環状の非磁気スペーサ74が電磁巻線62の下方に配置されている。
【0026】
図1に示すように、環状締結具76は、電磁コア70をハウジング64の一端壁78を通して調節可能に固定し、これにより締結具76を回すと、軸線32に沿ったコア70の位置が調節され、このため、弁座38に対する弁部材30の開始位置も締結具76を回すことによって調節することができる。締結具を端部壁に対して調節可能に係止するため、ねじ付きナット78が使用される。
【0027】
実質的に、電磁巻線62が励起されるとき、薄板ばね34の僅かな中心決め力にのみ打ち勝てばよい。開口部40を通って完全な流れを実現するためには、弁部材30が極めて僅かだけ軸方向に動くだけでよい。
【0028】
適用の一例として、本発明に従った構造とされた弁組立体10は、質量流れコントローラ(MFC)内に組み込むことができる。既知であるように、MFCは、供給源からの気体の流量を制御し、また、例えば、半導体ウェハを製造するためプロセス蒸気をプロセスチャンバに正確に供給すべく半導体製造業にて使用することができる。MFCは、温度系MFC又は圧力系とし、また、その他の型式の流れ制御装置としてもよい。適宜なMFCは、例えば、本発明の譲受人に譲渡され且つその内容を参考として引用し本明細書に含めた米国特許明細書6,505,812号に示されている。
【0029】
MFCは、弁組立体10の入口ポート20と接続された流路と、該流路を通る流れを検知する流れセンサ組立体と、ユーザから所定の所望の流量を受け取り、センサ組立体から流れの表示を受け取り且つ、流路を通る実際の流量を決定するようプログラム化された制御装置とを有している。制御装置はまた、実際の流量が所望の流量以下であるならば、巻線62に対し増大する電荷を提供すると共に、実際の流量が所望の流量以上であるならば、電荷を除去して流れを減少させるようにもプログラム化されている。「制御装置」という語は、MFCの作動を調節し又は誘導すべく使用される装置又は機構を意味するものとする。制御装置は、少なくとも1つのプロセッサと、メモリと、回路板に取り付けられたクロックとを含むコンピュータ処理装置(CPU)を備えることが好ましい。制御装置は、フィードバッグループにて作動し、常時、所望の流れを維持する。電磁巻線62の制御電流の関数としての流量に関する情報は、制御装置に保存してMFCの応答時間を迅速にすることが好ましい。
【0030】
本明細書に記載された実施の形態及び具体例は、限定的ではなく、単に一例として掲げたものであり、その広い形態にて、また特許請求の範囲に記載された本発明の精神又は範囲の何れかからも逸脱せずに、当該技術の当業者は、色々な改変例、組み合わせ及び置換を具体化することができる。
【符号の説明】
【0031】
10 弁組立体
18 ボア
20 ポート
22 オリフィス部材
38 弁座
42 プラグ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
弁組立体において、
穴及び穴の一端まで伸びるポートを有する弁体と、
弁体の穴内に受け入れられて、穴の端部に受け入れられた端部壁及び端部壁から伸びる側壁を有するオリフィス部材であって、端部壁が弁体のポートとの流体的連通状態を提供するオリフィスを画成する前記オリフィス部材と、
オリフィス部材内に受け入れられて、軸線に沿ってオリフィスに対して可動である弁部材と、
オリフィス部材の側壁の一端に固定されて、半径方向内方に伸び且つ、弁部材に固定されたアームを含む薄板ばねであって、弁部材をオリフィスに対して偏倚させる作用を果たす前記薄板ばねと、
オリフィス部材の端部壁に固定され且つ、オリフィスとの流体的連通状態を提供する開口部を画成する弁座と、
弁座と対向して弁部材の一端に固定されたプラグとを備え、弁部材が軸線に沿ってオリフィスに向けて動いたとき、プラグは弁座と接触し弁の開口部を密封し且つ、流体が弁体のオリフィス及びポートを通って流れるのを防止するようにした、弁組立体。
【請求項2】
請求項1に記載の弁組立体において、弁座及びプラグは、剛性な不透過性の非金属材料にて出来ている、弁組立体。
【請求項3】
請求項1に記載の弁組立体において、弁座及びプラグは、サファイアにて出来ている、弁組立体。
【請求項4】
請求項1に記載の弁組立体において、弁座は、オリフィス部材の端部壁に圧入され、プラグは弁部材の端部に圧入される、弁組立体。
【請求項5】
請求項1に記載の弁立体において、オリフィス部材の端部壁は、装着部を有し、弁座は、端部壁の装着部に圧入され、弁部材の端部は装着面を有し、プラグは弁部材の装着面に圧入される、弁組立体。
【請求項6】
請求項1に記載の弁組立体において、弁座及びプラグは、弁部材の軸線に対し垂直に伸びる平坦な着座面を有する、弁組立体。
【請求項7】
請求項6に記載の弁組立体において、着座面は研磨される、弁組立体。
【請求項8】
請求項1に記載の弁組立体において、オリフィス部材及び弁部材は、ステンレス鋼にて出来ている、弁組立体。
【請求項9】
請求項1に記載の弁組立体において、薄板ばねは、ねじによりオリフィス部材に固定される、弁組立体。
【請求項10】
請求項1に記載の弁組立体において、弁体のポートは、入口ポートを備え、薄板ばねは、弁部材を入口ポートに向けて偏倚させ、通常、プラグが弁座の開口部を密封するようにする、弁組立体。
【請求項11】
請求項1に記載の弁組立体において、
弁部材に固定された磁気材料の可動部分と、
可動部分を同軸状に取り囲み且つ、軸線に沿って伸びる電磁巻線とを備え、該巻線を励起させることにより、弁部材は可動部分によって軸線に沿って動くようにされる、弁組立体。
【請求項12】
請求項11に記載の弁組立体において、
電磁巻線の上に受け入れられて、弁体に固定されたフランジを有するハウジングと、
ハウジングのフランジと弁体との間に配置されたシールとを更に備える、弁組立体。
【請求項13】
請求項12に記載の弁組立体において、ハウジングのフランジは、ねじ部によって弁体に固定される、弁組立体。
【請求項14】
請求項12に記載の弁組立体において、巻線内の軸線に沿ってハウジングの端部壁と可動部分との間に調節可能に配置された電磁コアを更に備える、弁組立体。
【請求項15】
請求項14に記載の弁組立体において、可動部分と電磁巻線との間にて稼働部分に対して同軸状に配置され、電磁コアに固定され且つ電磁コアと共に可動であるスリーブを更に備える、弁組立体。
【請求項16】
請求項1に記載の弁組立体を備える流れコントローラにおいて、
弁組立体のポートと接続された流路と、
流路を通る流れを検知する流れセンサ組立体と、
制御装置であって、
ユーザ入力装置から所望の流量を受け取り、
流れセンサ組立体から流れの表示を受け取り、
流路を通る実際の流量を決定し、
実際の流量が所望の流量以下であるならば、弁組立体の弁部材が弁座から動いて離れ、ポートを通る流れを増大させ、
実際の流量が所望の流量以上であるならば、弁組立体の弁部材が弁座に向けて動き、ポートを通る流れを減少させ得るようにプログラム化された前記制御装置とを更に備える、流れコントローラ。
【請求項17】
請求項1に記載の弁組立体において、薄板ばねは、締め止めリングによってオリフィス部材に固定される、弁組立体。
【請求項18】
請求項17に記載の弁組立体において、締め止めリングは、ねじによってオリフィス部材に固定される、弁組立体。
【請求項19】
請求項18に記載の弁組立体において、オリフィス部材はカップ形状であり、オリフィス部材の側壁は連続的である、弁組立体。
【請求項20】
請求項19に記載の弁組立体において、オリフィス部材の側壁の端部は、薄板ばねを受け入れる連続的なリッジを有し、締め止めリングは、薄板ばねを側壁の連続的なリッジに対して固定する連続的なリッジを有する、弁組立体。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2012−211698(P2012−211698A)
【公開日】平成24年11月1日(2012.11.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−130592(P2012−130592)
【出願日】平成24年6月8日(2012.6.8)
【分割の表示】特願2007−548427(P2007−548427)の分割
【原出願日】平成17年12月19日(2005.12.19)
【出願人】(592053963)エム ケー エス インストルメンツ インコーポレーテッド (114)
【氏名又は名称原語表記】MKS INSTRUMENTS,INCORPORATED
【Fターム(参考)】