JP2004521278A - 運動用周縁シールを有する弁フラッパ - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
[開示の分野]
本開示は、包括的には流体弁に、特に、流体の流れの制御および遮断を行うための弁アセンブリに関する。さらに具体的には、本開示は、運動用周縁シールを有するフラッパを備えた弁アセンブリに関する。
【0002】
[開示の背景]
バタフライ弁または「フラッパ」弁は一般的に、流体通路の内部に同軸状に配置された円形の薄いフラッパプレートを含む。回転自在のシャフトが、側方から通路内に延在して、フラッパプレートに固定されている。フラッパ弁の例が、米国特許第5,485,542号および第5,564,679号に示されており、これらの特許は本開示の譲受人に譲渡されている。
【0003】
したがって、シャフトを回転させると、フラッパプレートが通路に対して、それを通る流体の流れを制御するような向きに定められる。フラッパプレートの平面が通路の長手方向軸にほぼ垂直な向きになるまでシャフトを回転させた時、フラッパプレートが全閉位置をとって通路をほぼ密閉して、流体の流れを停止させるか、少なくとも大幅に減少させるように、フラッパプレートの寸法が定められている。フラッパの平面が通路の長手方向軸にほぼ平行な向きになるまでシャフトを回転させると、フラッパプレートは全開位置をとる。全開位置と全閉位置との間でのフラッパプレートの回動位置に応じて、弁を通る流体の流量を変化させることができる。
【0004】
流体の流量を制御するために開発された一部のフラッパ弁では、フラッパプレートが閉鎖位置で完全に密閉する必要はない。しかし、ある他の弁は、流体の流れを完全に遮断するように設計されており、その場合、フラッパプレートの周縁部が弁の通路の壁を完全にシールする必要がある。
【0005】
多くの理由から、フラッパと通路の内壁との間に厳しい公差を維持することが困難となることがある。両タイプの弁では、通路を形成するバルブ本体とフラッパプレートとを含めた個々の部材は通常金属製であり、設計寸法にできるだけ近づけて加工される。遮断弁の場合、さらにフラッパプレートの周縁部の周囲に固く比較的非圧縮性のOリングを設けて、弁の通路の壁を完全にシールできるようにしている。
【0006】
しかし、そのような周縁Oリングを使用すると、フラッパ弁のシャフトを回転させるために必要な力を増大させる結果となり、弁が作動できる速度を制限する可能性がある。また、比較的高温での作動では、Oリングが熱膨張して、それによって、力の必要量が増加し、作動速度が低下する。さらに、Oリング材料の化学的性質、圧力および温度に対する不適合性によって、Oリングの寿命が短くなる可能性がある。
【0007】
処理ガスが比較的高圧かつ非常に低い速度(rate)で制御され、遮断時に非常に低いコンダクタンスが要求される半導体製造では、厳しい公差の要求が特に厳格である。したがって、求められるものは、大きい差圧時でも、フラッパ弁を作動させるために必要な力が著しく増加することなく、遮断時のコンダクタンスが非常に低いフラッパ弁である。
【0008】
[開示の概要]
したがって、本開示は、長手方向軸を有する通路を画定するバルブ本体と、通路の長手方向軸にほぼ垂直にバルブ本体を通って通路内へ延びた回転自在のシャフトとを含む弁アセンブリを提供している。フラッパが、通路内でシャフトに固定されて、シャフトの回転時に開放位置と閉鎖位置との間を移動可能である。開放位置では、フラッパの平面が通路の長手方向軸に平行になり、したがって通路を通る許容流量が最大になる。閉鎖位置では、フラッパの平面が通路の長手方向軸に垂直になり、したがって通路を通る流体の流れがほぼ阻止される。
【0009】
フラッパは外側の周縁部に溝を含み、この外周溝に環状シールが収容されている。シールは、フラッパの外側の周縁部より大きい外側の周縁部を有し、したがって、フラッパが閉鎖位置へ移動する時、シールの外側の周縁部の全体が通路の壁と接触する。シールはまた、フラッパの溝の内側の周縁部より大きい内側の周縁部を有し、したがってシールの内側の周縁部と溝の内側の周縁部との間に空間が画成されている。アセンブリはさらに、この空間と連通した開口を有し、したがって、フラッパが閉鎖位置へ移動した時、シールを溝内へさらに圧縮することができる。
【0010】
本開示の1つの態様によれば、シールは、金属である。
【0011】
別の態様によれば、シールは、連続しており、囲まれた空間と連通する開口は、フラッパを通って延びている。
【0012】
さらなる態様によれば、シールは、不連続であり、囲まれた空間と連通する開口は、シールの端部間に画成される。
【0013】
本発明の弁アセンブリは、制御および遮断機能の両方を備えるように構成されている。特にアセンブリは、通路を通る閉鎖時コンダクタンス(closed conductance)を減少させることによって、広いダイナミック・レンジにわたって圧力を制御するように構成されており、フラッパの閉鎖位置付近での十分な位置分解能を提供することによって、この低減されたコンダクタンスの制御を可能とする。本明細書に開示された弁アセンブリはさらに、さまざまなプロセスでの化学的性質および温度に対応し、数十万サイクル持続し、現場で容易に交換できるように構成されている。本開示に従った弁アセンブリは、これらのすべての利点を与えながら、さらに、製造中に容易に組み立てることができる少ない部材を含む比較的簡単な構造を有する。
【0014】
本開示の上記および他の特徴および利点は、図面と組み合わせた詳細な説明を読めば、より明らかになるであろう。
【0015】
本開示の上記および他の特徴および利点は、詳細な説明および図面からさらに理解されるであろう。
【0016】
いくつかの図面を通して、同一または対応部材およびユニットは、同様な参照記号で示す。
【0017】
[開示の詳細な説明]
本開示は、制御機能および遮断機能の両方を有利にもたらす弁アセンブリを提供している。特に本アセンブリは、閉鎖時コンダクタンスを減少させることによって、広いダイナミック・レンジにわたって圧力を制御するように構成されている。本アセンブリはまた、弁の閉鎖位置付近で十分な位置分解能を提供することによって、低減されたコンダクタンスの制御を行うことができる。本開示の弁アセンブリはさらに、さまざまなプロセスの化学的性質および温度に適合し、数十万サイクル持続し、現場で容易に交換できるように構成されている。
【0018】
さらに具体的に言うと、本開示は、図1および図2に示されているように、運動用周縁シール14を備えたフラッパ12を有する弁アセンブリ10を提供している。弁アセンブリ10は、半導体チップ製造処理中の処理ガスの流れの制御に使用することが意図されているが、それに制限されることはない。
【0019】
弁アセンブリ10は、長手方向軸20を有する通路18を画定するバルブ本体16と、通路18の長手方向軸20にほぼ垂直にバルブ本体16を通って通路18内に延びている回転自在なシャフト22とを含む。フラッパ12は、通路18内でシャフト22に固定されて、シャフト22の回転時に開放位置と閉鎖位置との間を移動可能である。開放位置(不図示)にある時、フラッパ12の平面が通路18の長手方向軸20に平行になり、したがって通路18を通る許容流体流量が最大になる。図1および図2に示されているように閉鎖位置にある時、フラッパ12の平面が通路18の長手方向軸20に垂直になり、したがって通路18を通る流体の流れがほぼ阻止される。通路18を通る流体の流量は、フラッパ12の回動位置決めを全閉位置と全開位置との間で所望通りに段階的に行うことによって、さらに調整することができる。
【0020】
図3および図4にも示されているように、フラッパ12は、その外側の周縁部26に溝24を含み、シール14が外周溝24に収容されている。シール14の外側の周縁部28が、フラッパ12の外側の周縁部26より通路18の軸20から遠い位置に延在しており、したがって、フラッパ12が閉鎖位置へ移動した時、シール14の外側の周縁部28のほぼ全体が通路18の壁30と接触する。シール14はまた、フラッパ12の溝24の内側の周縁部34より大きい内側の周縁部32を有し、したがってシール14の内側の周縁部32と溝24の内側の周縁部34との間に囲まれた空間36が画成されている。好ましくは、シール14は通路18に対して、フラッパ12が全閉位置にある時、通路18を通る流量がゼロで、弁アセンブリ10を通るコンダクタンスがゼロになるような寸法に定められている。
【0021】
アセンブリ10はさらに、囲まれた空間36と通路18とを流体連通させる開口38を含み、フラッパ12が閉鎖位置へ移動した時、シール14を溝24内へさらに圧縮できるようにしている。
【0022】
シール14は、弁アセンブリ10が晒される範囲内の温度、圧力および物質に適合した耐薬品性および耐熱性を有する材料で形成される。同様に、材料のかたさは、そのような温度および圧力での摩耗を最小限に抑えるように選択されなければならない。したがって、シール14は、好ましくは金属で、さらに好ましくはステンレス鋼で形成される。
【0023】
フラッパ12が閉鎖位置にある時、周縁シール14がフラッパ12と通路18の壁30との間で半径方向に圧縮されるため、ガス蒸気が弁を通過することがほぼ防止され、したがって、通路18を通るガスの閉鎖時コンダクタンスが減少する。したがって、シール14を使用することによって、加工部品の公差を厳しくする必要がなくなり、フラッパ12が閉鎖位置付近にある時、流量を正確に制御することができるため、弁の全体的なダイナミック・レンジが増加する。
【0024】
シール14がフラッパ12の溝24内へ半径方向に圧縮される能力は、ある程度はシール14の厚さと関係があり、したがって、さまざまな差圧要件に合わせて、さまざまな厚さのシールを交換することができる。言い換えると、弁アセンブリ10を介する差圧が大きいほど、厚いシール14を備えることができる。
【0025】
図1〜図4の実施形態では、シール14が連続しており、囲まれた空間36と連通する開口38は、フラッパ12を通って延びている2つの開口38を有する。好ましくは、フラッパ12は、回転自在のシャフト22に(たとえば、締結具41で)固定されたベースプレート40と、ベースプレートに(たとえば、締結具43で)固定されたフェースプレート42とを有する。溝24は、ベースプレートとフェースプレートとの間に画定されている。
【0026】
好ましくは、フラッパ12の溝24およびシール14の断面が、通路18の軸20に向かって内方へ先細り(テーパー付け)している。図3に最良に示されているように、シール14の最も外側の縁部44が面取りされて、通路18の壁への締まりばめを確保している。縁部を面取りすることによって、フラッパ12が閉鎖位置にある時、弁アセンブリ10を横切るガス/真空コンダクタンスを向上させることができる。フラッパ12の外側の周縁部26は、通路18の内径30よりわずかに小さい寸法であるため、シール14だけが通路18の壁30と接触するようにしてフラッパ12が通路内で回動し、通路18内でのフラッパ12の回動移動を容易かつ高速化することができる。
【0027】
弁アセンブリ10の通路18の入口46は典型的には、処理室に接続され、出口48は、典型的には、処理室を真空にする真空ポンプに接続されている。したがって、弁アセンブリ10のこのような使用においては、入口46が上流の高圧側であり、出口48が下流の低圧側である。図2に示されているように、通路18は2つの断面寸法30、31を有し、入口46が出口48より小さい断面寸法を有する。閉鎖位置にある時、フラッパ12は通路18の入口46側に位置しており、シール14の外側の周縁部28が、通路18の入口側の内側の周縁部30とほぼ同じである。あるいは、通路18の入口と出口との間に先細(テーパー状)部分を設けて、フラッパ12の弁座として作用するようにしてもよい。その場合、フラッパ12および外側シール14もテーパーを付けて、通路18のテーパー状弁座に合わせることができる。
【0028】
図1および図2に示されているように、フラッパ12が閉鎖位置にある時、フェースプレート42は、通路18の入口46、すなわち、高圧側に面し、開口38がフェースプレートを貫通して延びている。
【0029】
通路18およびフラッパ12は好ましくは、円形断面を有し、シール14は円環状であるが、本開示が円形断面を有する通路18に限定されることはなく、代替として、他の適当な形状の断面を有することもできる。
【0030】
フラッパ12、シール14、通路18の少なくとも壁30、31、回転自在のシャフト22および締結具41、43はすべて、ステンレス鋼などの耐食金属または合金から成る。弁アセンブリ10はさらに、図2に示されているように、バルブ本体16と回転シャフト22との間に配置された適当なパッキンおよび軸受けアセンブリ50を含む。弁アセンブリ10は、シャフト22を回転させるための適当な手段、たとえば、図1に示されているように、ステッピングモータ52を備えている。当該技術分野の専門家によって知られているように、線形リンク機構(不図示)を設けてモータとシャフト22を連結してシャフト22の位置と弁を通る流量との間の関係をほぼ線形化することができる。また、ステッピングモータの作動を制御する電気制御回路に、シャフト22の回転位置を探知し続けるためのカウンタを設けることができる。
【0031】
次に図5〜図7を参照すると、本開示に従って構成された別のフラッパ112および別のシール114が示されている。フラッパ112およびシール114は、図1〜図4のフラッパ12およびシール14と多少類似しているが、図5〜図7のシール114は不連続であり、囲まれた空間36と連通する開口116が、図7に最良に示されているように、シール114の端部118、120間に画成されている。また、フラッパ112およびシール114の組み立ての際は、シール114の端部118、120を引き離して、シール114をフラッパ112の周囲に取り付けて、溝24に収容することができるので、図5〜図7のフラッパ112は一体部材として設けられている。
【0032】
本明細書に記載した実施例及び実施形態は、限定的なものではなく説明のために提示されており、当該技術分野の専門家であれば、添付の特許請求項に記載され、幅広い態様で示された本開示の精神または範囲から逸脱することなく、さまざまな変更、組み合わせおよび代替を行うことができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1】本開示に従って構成された弁アセンブリの高圧側の立面図である。
【図2】弁アセンブリの一部分の、図1の2−2線に沿った拡大断面図であり、本開示に従って構成されたフラッパが示されている。
【図3】図1の弁アセンブリのフラッパの高圧側の立面図である。
【図4】図1の弁アセンブリのフラッパの一部分の、図3の4−4線に沿った拡大断面図である。
【図5】図1の弁アセンブリに使用するための、本開示に従って構成された別のフラッパの高圧側の立面図である。
【図6】図5のフラッパの一部分の、図5の6−6線に沿った拡大断面図である。
【図7】図5のフラッパの、図5の円に含まれる部分の拡大立面図である。
Claims (17)
- 長手方向軸を有する通路を画定するバルブ本体と、
該通路の該長手方向軸にほぼ垂直に該バルブ本体を通って該通路内へ延びた回転自在のシャフトと、
該通路内で該シャフトに固定されて、該シャフトの回転時に開放位置と閉鎖位置との間を移動可能なフラッパとを備え、該開放位置では、該フラッパの平面が該通路の該長手方向軸に平行であり、該通路を通る許容流量が最大になり、該閉鎖位置では、該フラッパの該平面が該通路の長手方向軸に垂直であり、該通路を通る流体の流れがほぼ阻止され、該フラッパはその外側の周縁部に溝を含んでおり、さらに、
該フラッパの外周溝に収容されたシールを備えており、該シールの外側の周縁部は、該フラッパの該外側の周縁部より該通路の該軸から遠い位置に延在し、該フラッパが該閉鎖位置へ移動する時、該シールの該外側の周縁部のほぼ全体が該通路の壁と接触し、該シールはまた、該フラッパの該溝の内側の周縁部より該通路の該軸から遠い位置に延在している内側の周縁部を有し、該シールの該内側の周縁部と該溝の該内側の周縁部との間に囲まれた空間が画成されており、さらに、
該囲まれた空間と該通路との間を流体連通させる開口を含む弁アセンブリ。 - 該シールは、金属である請求項1に記載の弁センブリ。
- 該シールは、連続しており、該囲まれた空間と連通する該開口は、該フラッパを通って延びている請求項1に記載の弁アセンブリ。
- 該フラッパは、該回転自在のシャフトに固定されたベースプレートと、該ベースプレートに固定されたフェースプレートとを含み、該溝は、該ベースプレートと該フェースプレートとの間に画定されている請求項3に記載の弁アセンブリ。
- 該フェースプレートは、該フラッパが閉鎖位置にある時、該通路の入口に面し、該開口は、該フェースプレートを貫通している請求項4に記載の弁アセンブリ。
- 該シールは、不連続であり、該囲まれた空間と連通する該開口は、該シールの端部の間に画成されている請求項1に記載の弁アセンブリ。
- 該フラッパは、単一部材である請求項6に記載の弁アセンブリ。
- 該フラッパの該溝および該シールの断面は、該通路の軸に向かって内方へ先細りしている請求項1に記載の弁アセンブリ。
- 該シールは、その外側の縁部が面取りされている請求項1に記載の弁アセンブリ。
- 該通路および該フラッパは、円形の断面を有する請求項1に記載の弁アセンブリ。
- 該通路の入口が、該通路の出口の断面積より小さい断面積を有する請求項1に記載の弁アセンブリ。
- 通路を通る流体の流れを制御する方法であって、
フラッパの平面が該通路の長手方向軸に平行になり該通路を通る許容流量が最大である開放位置と、該フラッパの平面が該通路の長手方向軸に垂直になり該通路を通る流体の流れがほぼ阻止される閉鎖位置との間でフラッパを該通路内において回動させることと、
該フラッパの外側の周縁部に溝を形成することと、
該フラッパの該外周溝にシールを配置することと、
該シールの外側の周縁部を該フラッパの外側の周縁部より該通路の該軸から遠くに延在させて、該フラッパが該閉鎖位置へ移動する時、該シールの外側の周縁部のほぼ全体が該通路の壁と接触するようにすることと、
該シールの内側の周縁部を該フラッパの該溝の内側の周縁部より該通路の該軸から遠くに延在させて、該シールの該内側の周縁部と該溝の該内側の周縁部との間に囲まれた空間が画成されるようにすることと、
該囲まれた空間および該通路間を流体連通させて、該フラッパが該閉鎖位置へ移動する時、該シールを該溝内へさらに圧縮できるようにすることとを含む方法。 - 該シールは、金属である請求項12に記載の方法。
- 該シールは、連続しており、該囲まれた空間との流体連通が、該フラッパを通して与えられる請求項12に記載の方法。
- 該シールは、不連続であり、該囲まれた空間との流体連通が、該シールの端部の間で行われる請求項12に記載の方法。
- 該フラッパの該溝および該シールの断面は、該通路の軸に向かって内方へ先細りしている請求項12に記載の方法。
- 該シールは、その外側の縁部が面取りされている請求項12に記載の方法。
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