JP2004522904A - ソレノイド弁 - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
[開示の分野]
本開示は、流体流量制御の分野に関連し、特にソレノイド弁に関する。さらに具体的に言うと、本開示は、ソレノイド作動式(電磁)比例制御弁の改良に関連し、特定の一態様では、その可動弁体と協働する無摩擦懸架及び圧力平衡ベローズにより大容量の流れを正確に制御する低コストで複雑でない構造の独特で有利な電気作動流体弁に関する。
【0002】
[開示の背景]
流体弁はさまざまな形式及び寸法で存在して、多くの目的に用いられ、軽い気体状のものから重いスラリー及び固体に近いものまでの特性を有する流動性物質を扱い、単純な2値(オン−オフ)式、比例式、直接手動式及び遠隔電気式などの多様な制御によってさまざまな速度で作動可能である。迅速に応答して、比較的高流量であっても少ない消費電力で精密に調節することができるものは、半導体及び集積回路製造におけるガスの自動調節などのある種の工業的処理において特に関心が高い。たとえば、質量流量コントローラが、製造の際に処理ガスの送出を制御するために広範に使用されており、質量流量コントローラは、そのような弁を備えている。
【0003】
従来よりそのような弁が抱える問題は、弁の弁体の閉鎖またはそれに近い位置で弁体に加えられる管路圧力の悪影響であった。別の問題として、高速かつ大量の流れに適応する際の摩擦及び弁の広い領域の流路に打ち勝つために大きい制御力が必要であった。
【0004】
これらの問題を受けて、米国特許第4,796,854号(第’854号特許)が、比較的大量かつ高速の流れを比較的少ない消費電力で迅速かつ正確に制御することができる比例制御ソレノイド作動式流体弁を提供している。この開示された弁には、ほぼ無摩擦のばね懸架装置を有し、アーマチュアで位置決めされる可動弁体が含まれており、アーマチュアは、弁体が受ける不可避の圧力で誘発される不均衡力とほぼ同等かつ逆向きの中立化させる力を自動的に加えるように釣り合わせて配置されたベローズの形態の特殊な力均衡装置の作用を受けている。弁部材の均衡を崩すこととなる同じ圧力が、ベローズの両側に、一方は作動状態の出口ポートを通って加えられ、ベローズの所定面積全体で生じる合力が、相殺方向にアーマチュアに機械的に加えられる。
【0005】
より改良された弁アセンブリの他の例を、マサチューセッツ州、アンドーヴァーのエム・ケー・エス・インスツルメント社(MKS Instruments, Inc.)(http://www.mksinst.com)から入手できる質量流量コントローラ1479型及び1640型に見ることができる。
【0006】
したがって、従来構造は、ベローズ形カップリングを使用することによって達成される力の相殺によって弁が助けられるので、比較的低レベルの電力を使用して比較的大量で高速の流体の流れでも迅速かつ正確に制御することができる優れた比例制御ソレノイド型弁を提供している。従来型の弁アセンブリはまた、広い領域の弁部材の無摩擦懸架と、相関性がある圧力応答カップリングを介して望ましくない圧力により誘発される力の相殺によって、高感度で正確な弁動作を与える。
【0007】
しかし、これらの従来型弁アセンブリのすべての利点を提供しながらさらに、より少ない部品を有するより簡単な構成を有する弁アセンブリが依然として望まれている。
【0008】
[開示の概要]
したがって、本開示は、入口ポートと、出口ポートと、入口ポートと出口ポートとを接続する通路を有する弁座とを有するバルブ本体を含む弁アセンブリを提供している。弁体が、通路を開閉するために弁座の通路を通る軸に沿って移動可能であり、電気ソレノイドアセンブリが、通電時に弁体を移動させて、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。
【0009】
弁アセンブリはまた、入口ポートと出口ポートとの間の流体の流れによって弁体に加えられる力に対向する力を弁体に加えるようにバルブ本体内に配置された流体密封ベローズを含んでいる。圧力平衡通路が、入口ポートをベローズに接続している。
【0010】
弁アセンブリはさらに、ソレノイドアセンブリを包囲して収容されるハウジングを含み、ハウジングのフランジが、バルブ本体に当接支持されている。ハウジングのフランジとバルブ本体との間にシールが配置され、カラーが、ハウジングフランジの上方でバルブ本体に連続的な態様で取り付けられており、これによって、ハウジングをバルブ本体に固定して、シール力をシールにほぼ均一に加えている。
【0011】
本開示に従った弁アセンブリは、従来技術の弁アセンブリのすべての利点を提供しながら、製造時に組み立てを容易にするより少ない部品を有するより簡単な構成を提供する。
【0012】
本開示の上記及び他の特徴及び利点は、添付図面と組み合わせて以下の詳細な説明を読めば、より明らかになるであろう。
【0013】
本開示の上記及び他の特徴及び利点は、詳細な説明及び図面からさらに理解されるであろう。
【0014】
幾つかの図面を通して、同様な参照記号は、同一または対応する構成部材及びユニットを示す。
【0015】
[開示の詳細な説明]
図1を参照すると、本開示は、比較的低電力の電気制御信号に応答して大量の流体の比例制御を行うことができる精密高流量ソレノイド弁アセンブリ10を提供する。弁アセンブリ10は、これ迄に存在する弁アセンブリのすべての利点を提供し、さらに、製造時の組み立てを容易にするより少ない部品を含むより簡単な構成を有する。
【0016】
弁アセンブリ10は、流体の入口ポート14と、流体の出口ポート16と、入口及び出口ポートの一方に接続した穴部18と、穴部18を入口及び出口ポートの他方に接続する通路22を有する弁座20と、を有するバルブ本体12を含む。図示の実施形態では、穴部18が出口ポート16に接続され、通路22が入口ポート14に接続されている。弁体24が穴部18内に収容され、磁性材料から成るアーマチュア26が、弁体24に固定されている。電気ソレノイド巻線28が、アーマチュア26を同軸状におおって、巻線28に電流が加えられた時、アーマチュア26及び弁体24が弁座20の通路を通る軸30に沿って移動することによって、弁体24が弁座20の通路22を開閉して、入口及び出口ポート14、16間の流体の流れを制御している。弁座20、弁体24及びアーマチュア26は好ましくは、弁の移動の軸30に整合している。
【0017】
圧力平衡通路32が、入口ポート14を密閉ベローズ34に接続しており、これは、入口ポート14の高圧を弁体24に対して作用させるように弁アセンブリ10内に配置されており、したがって、弁体24を軸30に沿って移動させるのに必要な力が最小になる。弁アセンブリ10はまた、弁体24及びバルブ本体12間に接続されて、ソレノイド巻線28が通電されていない時、弁体24を所定の開始位置に戻すばね36を含む。
【0018】
弁アセンブリ10はさらに、ソレノイド巻線28を包囲するハウジング38を含み、ハウジング38をバルブ本体12に固定するための環状フランジ40を有している。環状シール44が、ハウジング38のフランジ40とバルブ本体12との間に配置されており、連続カラー46が、ハウジングフランジの上方でバルブ本体12に固定され、これによってハウジング38がバルブ本体12に取り付けられている。カラー46は、バルブ本体12に連続した態様で取り付けられており、したがって、力がシール44に均一に加えられ、完全な流体密封シールが得られる。
【0019】
本明細書に開示された弁アセンブリ10は、最も基本的な構成では、米国特許第4,796,854号に開示されている弁アセンブリまたは、マサチューセッツ州(MA)、アンドーヴァー(Andover)のエム・ケー・エス・インスツルメント社(MKS Instruments, Inc.)(http://www.mksinst.com)から入手できる質量流量コントローラ1479型及び1640型に設けられている弁アセンブリなどの既存の弁アセンブリと比較して、より容易に組み立てることができより少ない部品を有する。好適には、カラー46は、バルブ本体12にねじで連続的に取り付けられている。代替的には、カラー46をバルブ本体12に溶接することもできる。
【0020】
図1に示されているように、弁アセンブリ10は、弁によって調整しようとする実際の流量を検出する流量計のコントローラの出力増幅器段などの適当な供給源によって制御電流がソレノイド巻線28に加えられた時、アーマチュア26が弁座20から離れる方向に移動して、弁座20の通路22を開放して、入口ポート14及び出口ポート16間の流れが増加するように構成されている。弁アセンブリ10はさらに、ソレノイド巻線28が通電されていない時、ばね36が弁体24を開始位置へ移動させるように構成されており、弁体24は弁座20に押し付けられて、それの通路22を閉鎖する。
【0021】
代替的には、弁アセンブリ10は、弁体24が開始位置にあり、かつソレノイド巻線28が通電されていない時、弁座の通路22が開放するように構成することもできる。弁アセンブリ10はさらに、制御電流がソレノイド巻線28に加えられた時、アーマチュア26が弁座20に向かって移動して、弁座20の通路22を閉鎖するように構成することができる。
【0022】
好ましくは、弁座20は幅狭のリム48を含み、このリムと係合するための環状のエラストマー面パッド50が弁体24に取り付けられており、したがって、ソレノイド巻線28を通電した時、弁体24を流体密封関係に閉鎖することができる。
【0023】
図1乃至図3を参照すると、弁アセンブリ10はまた好適には、アーマチュア26の上方でソレノイド巻線28内に位置するソレノイドコア52を含み、これらはすべて、適当な磁性材料から成る。第1非磁性スリーブ54が、ソレノイドコア52の下方端部に取り付けられており、該第一非磁性スリーブ54はアーマチュア26を軸30に沿って自由に移動させることができる十分な大きさの中央軸方向開口を有する。環状の非磁性スペーサ56が、ソレノイド巻線28の下に配置され、該非磁性スペーサ56はハウジング38の内方に向いた面の下方部分と、第1スリーブ54の外方に向いた面との間に延在している。
【0024】
第2スリーブ58が、肩部60によって第1スリーブ54に軸方向に整合してそれに連結されている。第2スリーブ58は、第1スリーブ54より直径及び壁厚が大きく、肩部60はその直径が、第1及び第2スリーブ間で増加する。好適には、スリーブ54、58、及び肩部60が一体部品として設けられている。
【0025】
図示のように、カラー46は、バルブ本体12の穴部18の第1棚部62で受けられ、ハウジングフランジ40は、第2棚部64で受けられている。ハウジングフランジ40と第2棚部64との間にシール44が収容され、肩部60まで半径方向内方に延在している。シールは、好適には、第2スリーブ58の周囲にはまるニッケルガスケット44と、肩部60に溶接されたナイフエッジ45とを含む。ナイフエッジ45は、その名の通り、ニッケルガスケット44に係合する鋭利な隆起部を含む一方、バルブ本体12の第2棚部64も、ニッケルガスケット44の反対表面に係合する鋭利な隆起部を含む。ナイフエッジ45は、ステンレス鋼などの適当な金属材料で構成され、ガスケット44は、好適にはニッケルで構成されるが、他の金属またはプラスチックから構成してもよい。
【0026】
環状締結具70は、ハウジング38の端部壁42を通してソレノイドコア52を調節可能に取り付け、これにより、締結具70を回転することによって、軸30に沿ってコア52の位置を調節し、したがって、締結具70を回転することによって弁座20に対する弁体24の開始位置を調節することができる。環状プラグ72が、肩部60の内側面に取り付けられており、アーマチュア26を第1スリーブ54内に保持し、また、弁棒74が、弁体24をアーマチュア26に接続している。ベローズ34は、好適には、環状プラグ72と弁棒74のフランジ76との間に延在している。図1に示されているように、圧力平衡通路32が、弁体24及び弁棒74を貫通して延在し、ベローズ34の内部と連通している。
【0027】
ばね36及びベローズ34は、可動弁部材のセンタリング及び懸架をほぼ無摩擦状態で行うのを助ける。ばねは、好適には、外側の周縁部が第2スリーブ58の開放端部に取り付けられ、内側の周縁部が弁体24に取り付けられた板ばね36から成る。板ばね36は、ベローズ34の外面が出口ポート16の下流側圧力にさらされることを可能にする開口を有し、一方、圧力平衡通路32により、ベローズ34の内部が入口ポート14の上流側圧力にさらされる。
【0028】
入口ポート14の高い上流側圧力により第1の力が弁体24に作用しても、圧力平衡通路32及びベローズ34により、反対に作用する第2の力が弁体24に作用する。したがって、ソレノイド巻線28が通電された時、基本的に板ばね36及びベローズ34の小さなセンタリング力を克服するだけでよい。可撓性のベローズ34は伸縮にある程度は耐えるが、それに関係する力は、事実上無視することができ、特に、図示のように、薄く軸方向に追随する多くのひだがあるか、互いに積み重ねられた多くの渦巻がある場合には無視できる。さらに、ベローズ34はまた、有利に半径方向に剛性が高いものであり、したがって、さまざまな方向に作用する正味の流体圧力に耐えることができる。
【0029】
通路22を十分に開放させるには、弁体24のわずかな軸方向移動そして弁座20の隙間だけが必要であることを理解されたい。典型的には、約15/1000インチだけの最大移動幅を生じるだけでよく、そのように小さい変位であることによって、板ばね36及びベローズ34が拘束力を作用させることがほとんどなく、これらに過剰応力がかかったり、これらが著しい不要な力を加えることがないことを確保する。
【0030】
上記弁の適用例として、図1乃至図3の弁アセンブリ10を組み込んだ質量流量コントローラ80(MFC)が、図4に示されている。既知のように、MFC80は、供給源からのガスの流量を制御するためのものであって、たとえば、半導体製造業界において、半導体ウェハを製造するために処理室に処理蒸気を正確に送るのに使用することができる。図示のMFC80は、たまたま温度をベースにしたMFC80であるが、弁アセンブリ10は、圧力をベースにしたMFCや、他の形式の流量制御装置に組み込むこともできる。
【0031】
MFC80は、弁アセンブリ10の入口ポート14に接続された流路82と、流路内を通る流れを感知する流量センサアセンブリ84と、ユーザから所定の所望流量を受け取り、流量センサアセンブリから流量の示度を受け取り、流路を通る実際の流量を決定するようにプログラムされた制御装置86とを含む。制御装置86はまた、実際の流量が所望流量より少ない場合、流量を増加するように弁アセンブリ10に命令し、また、実際の流量が所望流量より多い場合、流量を減少するように弁アセンブリ10に命令するようにプログラムされている。本明細書では、「制御装置」とは、MFC80の作動を調整または案内するために使用される装置または機構のことを意味する。制御装置86は、好適には、少なくとも回路基板に取り付けられたプロセッサ、メモリ及びクロックを含むコンピュータ処理装置(CPU)を備えている。制御装置86は、フィードバックループで作動して、所望の流量を常時維持する。MFC80の応答時間を短縮するために、ソレノイド弁アセンブリ10の制御電流の関数として流量の情報を、好適には、制御装置86に保存する。
【0032】
本明細書に記載した実施形態及び実施例は、制限的なものではなく、説明のために提示されたものであって、当該技術分野の専門家であれば、広範な態様における当該開示及び併記特許請求項の精神または範囲のいずれからも逸脱することなく、さまざまな変更、組み合わせ、及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断面図である。
【図2】図1の弁アセンブリの一部の分解斜視図である。
【図3】図1の弁アセンブリの分解斜視図である。
【図4】本開示に従って構成された弁アセンブリを組み込んだ質量流量コントローラの、一部断面で示す側面図である。
Claims (20)
- a)入口ポートと、出口ポートと、該入口ポートと該出口ポートとを接続する通路を有する弁座を含むバルブ本体と、
b)前記通路を開閉するために前記弁座の前記通路を通る軸に沿って移動可能な弁体と、
c)該弁体に固定された磁性材料から成るアーマチュアと、
d)該アーマチュアを同軸状に包囲して前記軸に沿って延在し、通電時に前記入口ポートと該出口ポートとの間の流体の流れを制御する電気ソレノイド巻線と、
e)前記入口ポートと該出口ポートとの間の該流体の流れによって前記弁体に加えられる力に対向する力を前記弁体に加えるように配置された流体密封ベローズと、
f)前記入口ポートを前記ベローズに接続する圧力平衡通路と、
g)前記ソレノイド巻線を包囲して収容され、前記バルブ本体に当接支持されたフランジを有するハウジングと、
h)該ハウジングの前記フランジと前記バルブ本体との間に配置されたシールと、
i)前記ハウジングのフランジの上方で前記バルブ本体に連続的な態様で取り付けられ、それによって、前記ハウジングを前記バルブ本体に固定して、シール力を前記シールにほぼ均一に加えるカラーとを備えた弁アセンブリ。 - 前記カラーは、前記バルブ本体に螺着されている請求項1に記載の弁アセンブリ。
- さらに、前記弁体と前記バルブ本体との間に接続されて、前記ソレノイド巻線の非通電時に前記弁体を開始位置に戻すばねを備えた請求項1に記載の弁アセンブリ。
- さらに、前記バルブ本体に接続されて、前記弁体の上方に前記軸に対して同軸状に配置されたスリーブを備えており、前記ばねは、前記スリーブと前記弁体との間に接続されている請求項3に記載の弁アセンブリ。
- 前記ばねは、前記スリーブに取り付けられた外側周縁部と、前記弁体に取り付けられた内側周縁部とを有する環状板ばねから成る請求項4に記載の弁アセンブリ。
- 前記弁体の前記開始位置では、前記弁体が前記弁座の前記通路を閉じて、前記入口ポートと前記出口ポートとの間の流体の流れを阻止するようにした請求項3に記載の弁アセンブリ。
- 前記弁体は、前記ソレノイド巻線の通電時に前記弁座から離れる方向に移動する請求項1に記載の弁アセンブリ。
- 前記圧力平衡通路は前記弁体を貫通している請求項1に記載の弁アセンブリ。
- さらに、
前記バルブ本体に接続され、前記アーマチュアの露出端部のまわりに前記軸に対して同軸状に配置されたスリーブと、
半径方向に延在するフランジを有し、前記弁体を前記アーマチュアの前記露出端部に接続する弁棒とを備えており、
前記ベローズは、前記スリーブと前記弁棒の前記フランジとの間に延在し、
前記圧力平衡通路は、前記弁体及び前記弁棒を貫通している請求項1に記載の弁アセンブリ。 - さらに、前記ハウジングの端部壁と前記アーマチュアとの間の前記巻線内に前記軸に沿って調節可能に配置されるソレノイドコアを備えた請求項1に記載の弁アセンブリ。
- さらに、前記アーマチュアと前記ソレノイド巻線との間において前記アーマチュアに対して同軸状に配置されたスリーブを備えており、該スリーブは、前記ソレノイドコアに取り付けられて、それと共に移動可能である請求項10に記載の弁アセンブリ。
- 前記スリーブは、前記弁体の近くまで延在しており、さらに、前記ソレノイド巻線の非通電時に前記弁体を開始位置へ戻すために前記弁体と前記スリーブとの間に接続されたばねを含み、前記ソレノイドコアの位置の調節により、前記弁体の前記開始位置が調節される請求項11に記載の弁アセンブリ。
- 前記シール及び前記ハウジングの前記フランジは、前記バルブ本体の棚部に収容され、前記シールは、ガスケットとナイフエッジとを有し、該ナイフエッジは、前記ガスケットに係合する鋭利な隆起部を含み、前記バルブ本体の該棚部も、前記ガスケットの反対面に係合する鋭利な隆起部を含む請求項1に記載の弁アセンブリ。
- 前記シールは金属である請求項1に記載の弁アセンブリ。
- 請求項1に記載の弁アセンブリを含む流量コントローラであって、さらに、
前記弁アセンブリの前記入口ポートに接続された流路と、
該流路を通る流量を感知する流量センサアセンブリと、
ユーザ入力装置から所望流量を受け取り、前記流量センサアセンブリから流量の示度を受け取り、前記流路を通る実際の流量を決定し、該実際の流量が該所望流量より少ない場合、流量を増加するように前記弁アセンブリに命令し、該実際の流量が該所望流量より多い場合、流量を減少するように前記弁アセンブリに命令するようにプログラムされた制御装置とを備えた流量コントローラ。 - 流体の入口ポート及び出口ポートと、該両ポートを接続する通路を有する弁座とを有するバルブ本体と、
弁体と、
流体圧力差が前記弁体をはさんで生じており、かつ、前記弁体を軸に沿って一方向に移動させようとする第1の正味の力を該流体差圧が発生させる近傍位置において、前記弁体を該バルブ本体内に懸架して、それを前記弁座の方向及び前記弁座から離れる方向へ前記軸に沿って移動するためのほぼ無摩擦の手段と、
前記弁座通路を通して前記ポート間の流体の流れを調節するように前記弁体を前記軸に沿って移動させてその位置を設定するための、ソレノイド制御アセンブリと、
前記弁体と前記バルブ本体との間に流体密封状に接続されて、前記軸に沿ってほぼ無摩擦にそれらの相対的な移動を可能にするベローズと、
前記入口ポートの圧力を前記ベローズにさらす圧力平衡通路とを含み、前記入口ポート及び前記出口ポートの圧力差に関係付けられ、かつ前記第1の正味の力とほぼ同じ大きさであるがそれと反対の向きである前記軸に沿った第2の正味の力に前記弁体は、さらされており、さらに、
前記ソレノイド制御アセンブリを包囲して収容されており、前記バルブ本体に当接支持されたフランジを有するハウジングと、
該ハウジングのフランジの上方で前記バルブ本体に連続的な態様で取り付けられ、前記ハウジングを前記バルブ本体にほぼ均一に固定するカラーとを備えた弁アセンブリ。 - 前記カラーは前記バルブ本体に螺着されている請求項16に記載の弁アセンブリ。
- さらに、前記ハウジングの前記フランジと前記バルブ本体との間に配置されたシールを含む請求項16に記載の弁アセンブリ。
- 前記シールは、ナイフエッジとガスケットとを有し、前記ナイフエッジは、前記ガスケットに係合する鋭利な隆起部を含む請求項18に記載の弁アセンブリ。
- 請求項16に記載の弁アセンブリを含んでいる流量コントローラであって、さらに、
前記弁アセンブリの前記入口ポートに接続された流路と、
該流路を通る流量を感知する流量センサアセンブリと、
ユーザ入力装置から所望流量を受け取り、前記流量センサアセンブリから流量の示度を受け取り、前記流路を通る実際の流量を決定し、実際の流量が所望流量より少ない場合、流量を増加するように前記弁アセンブリに命令し、実際の流量が所望流量より多い場合、流量を減少するように前記弁アセンブリに命令するようにプログラムされた制御装置とを備えた流量コントローラ。
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