JP2011503450A - 一体型フェイスシール - Google Patents

Abstract

流体シールは一般に、第一接続部（５０）と第二接続部（２８）とを備え、前記接続部の少なくとも一つは他方の接続部に対してシールした関係で変形、又は偏向し、前記流体シールを形成する。接続具はほぼ平らな面から延びる小さな突起（５２）を備える第一接続部を有する。前記接続具はほぼ平らな第二面（５９）を備える接続部をさらに有する。前記第一接続部の小さな突起と、前記第二接続部のほぼ平らな面とを係合することによって、流体シールが形成される。両者が係合される際に、前記突起は変形し、前記流体シールを形成する。前記接続具は、チューブ，パイプ，バルブ，多岐管，及びそれらの組合わせに連結するために利用可能である。前記シール方法はプロセス流体の蒸気の腐蝕効果から、圧力センサの構成部品を保護するためにも利用可能である。

Description

本願は、一般に流体シールに関する。より具体的には、本願の実施形態は、例えば、圧力センサ，流量計，ミクロ電子工学プロセスで用いられる液体濾過装置等の装置用の一体型流体フェイスシールに関する。

センサ，流れ制御，及び他の作動式流体装置に用いられる従来の流体シールは典型的には、エラストマ製のＯリング又はガスケットからなる。このようなシールは多くの環境下のシールには効果的であり、比較的安価であるが、このようなシールは全ての環境において効果的であるわけではない。例として、半導体プロセスにおいて、フッ化水素酸等の特定の化学薬品は、多くの従来のシール材を侵蝕し、かつＰＦＡ又はＰＴＦＥ等の不活性ポリマを通って拡散し得る。ハウジングやシールを通って拡散するこのような化学薬品は非常に少量であっても、電子機器や他の金属材料を含む材料を侵蝕し、不完全で、作動不能な装置をもたらす。耐化学薬品材料（例えば、ＫＡＬＲＥＺ（登録商標）（カルレッツ））から製造されたＯリングがしばしば使われるが、これらのＯリングは高価であり、腐蝕性の蒸気は依然として、Ｏリング及び近傍のハウジング又は構成部材を通過し、混入物質や構成部品の破損を引き起こし得る。

一つの問題のある装置として、回路を用いる圧力センサがある。例えば、全て本明細書に組込まれる特許文献１を参照されたい。超高純度のプロセス環境において圧力センサを用いるためには、圧力センサに混入物質がないことが要求される。繊細な材料の超高純度のプロセスには、典型的に腐蝕性流体が必要とされる。製造プロセス中の繊細な材料の混入物質に対する弱さは、製造業者が直面する重要な問題である。多種の製造システムは、外部の粒子，イオン性汚染物質，及び製造プロセス中に生じた蒸気による繊細な材料の混入物質を減少させるように設計されてきた。繊細な材料を処理することは、しばしば腐蝕性流体と直接接触することを含む。従って、処理位置まで腐蝕性流体を、混入物質のない状態で、かつ外部粒子のない状態で、給送することは重要である。

プロセス装置のさまざまな部品は、一般的に、プロセス流体内に生じる粒子や溶解するイオンの量を減少させ、かつプロセス用化学薬品を混入物質の影響から隔離するように設計される。プロセス装置は、典型的には、液体輸送システムを備え、そのシステムは該液体輸送システムはポンプステーション及び調整ステーションやプロセス装置自身を介して、供給タンクから腐蝕性の化学薬品を運ぶ。パイプ，チューブ，監視装置，センサ装置，バルブ，接続具，及び関連の装置を含む液体化学薬品輸送システムは、しばしば、腐蝕性の化学薬品の劣化作用に対して耐性を有するプラスチックから製造される。このような監視装置に従来用いられた金属は、腐蝕環境において、長い期間信頼して用いることができない。従って、輸送，監視，センサ装置は代替的な材料を組込むか、あるいは腐食性流体から隔離しておかなければならない。

プロセス装置及び器具は、これらの超高純度のプロセスシステムにおいて、高い信頼性を備えていなければならない。例えば、半導体または薬剤の製造ラインが何らかの理由である時間だけ停止する場合、それは非常に費用がかかる。例えば、従来、圧力変換器は一般的に、満たされた流体を用い、圧力をプロセスからセンサ自身へ伝える。満たされた流体は、特定の種類や別の種類の隔離ダイヤフラムによってプロセスから分離される。この隔離ダイヤフラムの故障や、その結果生じるプロセス内の満たされた流体の損失は製品の損失を招き、動作を再開する前にシステムを洗浄しなければならない。さらに、圧力センサの部品を隔離するために、Ｏリングを用いることが可能である。しかしながら、腐蝕性化学薬品からの蒸気は従来式のＯリングシールを通過し、圧力センサの構成部品を侵蝕し、最終的に圧力センサは故障する。

また、一般的に半導体製造に用いられるプロセス装置は、一つ以上の監視，バルブ，センサ装置を備える。これらの装置は典型的には、閉ループ型フィードバックの関係で接続され、装置を監視し、制御するように用いられる。これらの監視及びセンサ装置も、進入の恐れがある任意の混入物質を除去するように設計されなければならない。センサ装置は圧力センサを備える圧力変換器モジュール及び流量計を有し得る。圧力変換器または流量計の圧力センサの一部が腐蝕性流体と直接接触することが望ましいことがある。従って、腐蝕性流体と直接接触する圧力センサの表面は不純物のない状態にあるべきである。故に、腐蝕性流体と直接接触する圧力センサのこれらの部分は無孔性材料で製造されることが望ましい。

さらに、プロセス装置は、一般的に、チューブ，パイプ，及び接続具等の流体部品も備える。流体が大きな圧力下で扱われ、混入物質が問題となるため、上述のように、Ｏリングや可撓性の平坦なガスケットが用いられ得る。半導体工業等の特定の工業においては、流体が流体システムの構成部品によって不純になるか、あるいは構成部品と反応してしまうため、金属部品や、従来のガスケット及びＯリングは用いられない。従って、不純な流体の可能性、及び／またはプロセス装置の損失を防ぐために、例えばチューブ，パイプ，接続具，継ぎ手，及びバルブ等の流体を扱う部分は、例えば、ＰＦＡやＰＴＦＥ等のフルオロポリマから製造され得る。例えば、Ｏリングのシールの場合、Ｏリングはエラストマ材料で形成され、フルオロポリマで覆って包み、シールを不活性に維持する。しかしながら、このように構成されたＯリングは劣化しがちであり、高価である。従って、Ｏリング以外のシール装置、または改良されたＯリングが望まれている。

Ｏリングを用いないフルオロポリマ部品同士を連結するさまざまなフルオロポリマをベースとする接続具や継ぎ手が発達してきた。一つの典型的な接続具が、ＦＬＡＲＥＴＥＫ（登録商標）接続具として工業界において周知である。このような接続具において、ネジ式の首部を備えた長尺状のテーパ突起部は、テーパ突起部を覆って適合するように広がった管状端部内に係合する。前記広がった部分は内側円筒状面を備え、該内側円筒状面は突起部の外側円筒状面の外径に適合した寸法の内径を備える。ひいては、突起部は前記広がった部分内に嵌合される。ナットが広がった部分を突起部上に締付け、接続部材と、管状部の広がった部分との間にシールを形成する。管の広がった部分は、一般的に、管を加熱し、加熱された可鍛性の管状端部を、金型を用いて所望の広がった構成に形成する。

さまざまな他の種類のフルオロポリマ接続具が周知である。いくつかは分離した把持部または内部の口金を用いる。例として、特許文献２及び３を参照されたい。フルオロポリマバルブとフルオロポリマ多岐管等の構成部品とを連結するために、部品の間のシールの完全性は、典型的にはガスケットまたはフルオロポリマで包囲されたＯリングによって実現される。さらに、シールを通って流れるプロセス流体が結晶化しがちな応用例においては、放射状、又はフェイスシールＯリングの周りの小さな体積のデッドスペースが、プロセス流体の結晶化を招き、ひいては、シールにおける漏洩、あるいはプロセス流体に及ぶ他の望ましくない影響を引起こす。また、Ｏリングのシール面上のバリ又は他の表面の欠陥、あるいは特徴は、装置の間のさらなる漏洩点を招き得る。

さらに、いつくかのＯリングを備えない設計は、耐化学薬品材料（例えば、ＫＡＬＲＥＺ（登録商標））から製造されたガスケットを用いる。しかし、これらの設計は非常に大きな閉鎖力が必要であり、かつ高価である。特定の例において、Ｏリング又はガスケットを備えない環状の溝内舌片接続を利用することに成功している。これらの連結は精密に、すなわち０．０００５インチ（０．０１２７ｍｍ）の許容誤差で、機械加工される必要があり、かつ接続部に正確に整合することが困難であるという欠点を有する。さらに、このような連結は切り傷や擦り傷に弱く、連結の完全性を悪化させる。このような溝内舌片接続は特許文献４に示されている。特許文献２から４はここに参照として組込まれる。

米国特許第６６１２１７５号明細書 米国特許第３９７７７０８号明細書 米国特許第４８４８８０２号明細書 米国特許第５６４５３０１号明細書

従って、超高純度の流体操作システムで用いるための、例えば、圧力センサ，バルブ，接続具で用いるための、改良された流体シールが必要とされている。さらに、流体システム、例えば、ミクロ電子工学のプロセス流体用の液体濾過装置とともに用いる改良されたＯリングを備えない流体シールが必要とされている。

特定の実施形態による流体シールは一般に、第一接続部と、第二接続部とを備える。接続具における流体シールは、第一及び第二接続部を結合することによって形成される。第一及び第二接続部が連結される時、第一及び第二接続部のうち少なくとも一方は変形，偏向，又は他の方法でそれぞれ他方の接続部に対してシール状態をもたらし、流体シールを形成する。
一実施形態において、シール継ぎ手は軸線と、前記軸線の周りに放射状に延び、かつ内部に流体管路を備える第一環状面と、前記環状面から軸線方向に延び、かつ湾曲した上面を有する環状シール突出部とを備える第一接続部を有する。シール継ぎ手は、前記軸線に対してほぼ垂直な平面に接して、前記小さな突出部の湾曲した上面に係合するように配向された第二面を備える第二接続部をさらに有する。

特定の実施形態において、シール継ぎ手は第一接続部と、第二接続部とを備え、該二つの接続部を係合することにより、二つの部品の間のシール結合を形成する。第一接続部の環状突出部を第二接続部の第二面に対して係合し、第二面が環状突出部の軸線方向に沿った最先端において係合することによって、流体シールが形成される。前記前記二つの接続部が係合する時、突出部は変形し、第一接続部及び第二接続部の間の接触面積が増加する。接続部の垂直な接面に結合すると、第一接続部の湾曲した上面は、第二接続部の垂直な接面に当接して係合し、協働して一体型流体フェイスシールを形成する。該シール継ぎ手はＯリング又はガスケットを使用しない。シール継ぎ手はミクロ電子工学のプロセス流体システムにおいて液体濾過装置を濾過ハウジングに接続し、チューブ，パイプ，バルブ，及び多岐管を接続するために用いられ得る。

別の実施形態において、流体シール継ぎ手は、二つの部品の間に流体シール連結を形成するために、共通の軸線を有する第一接続部と、第二接続部とを備える。第一接続部は、第二接続部の基端に結合する基端を備える。第一接続部及び第二接続部はそれぞれ各部品に作動的に取付けられる先端を備える。第一接続部は、円状の外周面と、放射状に延びる軸線方向の環状面と、環状面内の孔と、前記孔の周りに延びる軸線方向面の表面上に配置された少なくとも一つの軸線方向に沿って突出する環状の湾曲した突出部とを備える。代替的実施形態において、第一接続部の軸線方向面は、二つ以上の外向きに突出する同心の環状の湾曲した突出部を備える。第二接続部は、円状の外周面と、内部に第一接続部の孔に軸線方向に沿って整合する孔を有する軸線方向の環状面とを備え、軸線方向面の少なくとも一部は環状の湾曲した突出部に接して係合し、かつ第一接続部及び第二接続部の共通の軸線に対して垂直である。

流体シールを形成するために、第一接続部が第二接続部に当接して係合することで、第一接続部の湾曲した突出部は第二接続部の軸線方向面に接線方向に沿って接触する。接線方向に沿った接触領域は第一接続部の軸線に対して垂直な平面上にある。軸線方向の圧縮力が第一接続部及び第二接続部に加えられることによって、第一接続部の湾曲した突出部は第二接続部,の放射状に延びる軸線方向面に対して変形し、一体型流体フェイスシールを形成する。一実施形態において、ベルビル座金等のバネ座金またはコイルバネ、あるいは複数のコイルバネが、例えば、第一管状部材の第一接続部に近接して配置され、かつクランプナットに係合して、シール上に圧力を維持する。代替的に、バネ座金、あるいは他の継続的な圧縮手段が管状部材の第二接続部に近接して配置され、かつクランプナットに係合して、シール上に圧力を維持しても良い。ひいては、第一接続部の孔は、第二接続部の孔と流体連通し、整合する。

別の実施形態において、流体継ぎ手は、例えば、圧力センサの部品等のセンサの部品を備える。圧力センサはプロセス流体にさらされ、例えば、隔離部またはダイヤフラムの表面等のセンサ部品は、センサハウジング内に形成された第一接続部に係合し、シールを形成する。接続部は、望ましくは、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシ）又はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、あるいは他のフルオロポリマから製造される。第一接続部は環状の隆起すなわち湾曲した突出部の形状を有することができる。環状の隆起は、望ましくは、０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）から０．０３０インチ（０．７６２ｍｍ）の高さを有し、０．０２０インチ（０．５０８ｍｍ）から０．０６５インチ（１．６５１ｍｍ）の半径を有し、より望ましくは約０．０１５インチ（０．３８１ｍｍ）の高さと約０．０４５インチ（１．１４３ｍｍ）の半径を有する。環状の隆起が変形し、隔離部またはダイヤフラムとのシールが軸線方向の圧縮下で実現されることができる。隔離部は、ＣＴＦＥ（クロロトリフルオロエチレン），ＰＦＡ，又はＰＴＦＥ等のフルオロポリマから製造される。

さらに、別の実施形態において、センサは、例えば、環状隆起等の材料によるクリープが存在する際に軸線方向に沿った負荷を維持するために、ベルビル座金等のバネ座金を備え、第一接続部と隔離部の表面とのシール連結を保持することができる。さらに別の実施形態において、センサは、二つの近接した環状の隆起の間に配置されたトレンチを備え、それによって第一接続部によって形成されるシールを越えて通過し得た有害な蒸気の分散を促進する。第一及び第二シールの間のこのような有害な蒸気の分散は有害な蒸気が繊細なセンサ部品に到達し、かつ損害を与えることを防ぐ役に立つ。一般に、このような圧力センサは半導体プロセスの応用例に用いられ、本願の出願人に付与された米国特許第７１５２４７８号及び米国特許第５６９３８８７号にさらに示され、参考に本明細書に組込まれる。圧力センサが隔離層または表面を備える必要はなく、サファイア製ダイヤフラムが環状隆起シール部と結合される平面となることができる。

接続具及び一体型フェイスシールの実施形態の特徴及び利点は、シールを形成するために、小さな係合力だけが必要とされることにある。
接続具及び一体型フェイスシールの実施形態の別の特徴及び利点は、シールを加圧するために、小さなシール力だけが必要とされることにある。

接続具の実施形態のさらなる特徴及び利点は、高い流体圧力において、小さなクランプ力を用いて、一体型シールを形成可能であることにある。
本発明の実施形態において、第一接続部と、第二接続部とを備え、かつそれぞれ協働するシール部を有する一対のフルオロポリマ部材は、ナットを用い、かつベルビル座金またはバネ座金、あるいは一つ又は複数のコイルバネをさらに備えて、協働するシール部に一定の圧縮負荷を付与するように共に固定され、部材にクリープが生じる場合にも、負荷がほぼ同じ面で維持され、シールの完全性が保たれる。

本発明のさまざまな各実施形態の上述の概要は、本発明の説明される各実施形態、又は各実施例を示すものではない。むしろ、当業者が本発明の原理及び実施例を理解するよう、実施形態を選んで説明した。以下の詳細な説明における図面は、これらの実施形態をより詳細に具現化する。

流量計の上部平面図。 二重の一体型フェイスシールを備えた圧力センサを示す図１の流量計の断面図。 圧力センサの断面図。 一体型フェイスシールを示す圧力センサの断面図。 従来の圧力センサの断面図。 従来の圧力センサの断面図。 一体型フェイスシールを示す圧力センサの断面図。 一体型フェイスシール接続具の正面断面図。 流体シールを形成するために連結された構成にある第一及び第二の接続部を示す図８の接続具の正面断面図。 接続具が同心状の構成にある一体型フェイスシール接続具を利用する複数の接続具配置の断面斜視図。 図１０ａの接続部と、協働する接続部との接触面の断面図。 接続具が近接して配置される構成にある複数の一体型フェイスシール接続具配置の斜視図。 二重の一体型フェイスシール及びトレンチを示す圧力センサの断面図。 二つの管状部材の間の一体型シールの断面図。

本発明の他の対象や利点は、図面と共に、以下の本発明の望ましい例示的実施形態の詳細な説明を参照することによって、よりよく理解されるであろう。
本発明はさまざまな修正や代替的形態を受入れ得る。詳細は図面において例示的に示され、具体的に説明される。しかし、本発明を、記載される特定の実施形態に限定するものではない。むしろ、本発明は全ての修正，均等物，及び代替物を含む。

本発明の実施形態による流体継ぎ手は、一般に第一接続部及び第二接続部を備える。第一及び第二接続部を連結することによって、接続具における流体シールが形成される。第一及び第二接続部が連結される時、第一及び第二接続部の少なくとも一方は変形，偏向，又は他の方法でそれぞれ他方の接続部に対してシール状態をもたらし、一体型流体フェイスシールを形成する。実施形態において、第一及び第二接続部は異なる材料、又は同一の材料で構成されるように設計できる。接続部の少なくとも一つは、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシ）や、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフルオロポリマから形成されることが望ましい。図１を参照すると、流量計ハウジング１０の上面図が示されており、流量計ハウジング１０は、ボディ１２と、接続具１４と、二つの近接する圧力センサ用の孔２０とを備える。本発明の実施形態による継ぎ手の第一部材はハウジング１０の底部２３を備える。接続具１４は流量計１０の入口及び出口として作用する。図２は図１の２−２線に沿った流量計ハウジング１０の内部断面図である。図２に示すように、孔１６がハウジング１２を通って延びて、管路を形成し、それによって、前記両圧力センサが、接続具１４を介して流体流れ回路に直列で接続される。

図２は例示的圧力センサ２１の付加的な構成部材の側部断面図を示している。図３に示す圧力センサ２１は、センシング用ダイヤフラム２２と、背板（一般的には、セラミック材）２４と、背板２４及びダイヤフラム２２の間に配置されるシリカガラス接合材（バインダ）２６と、リード線（図示せず）とを備える。圧力センサ２１は、図４に示すように、隔離部２８を含むこともできる。ダイヤフラム２２は、単結晶サファイア又は単結晶ダイヤモンドから製造可能である。単結晶サファイアの層は無孔質であり、化学薬品による侵蝕に対して不浸透性を有する。従って、化学薬品または混入物質はプロセスの流れ内に引き出されない。前記隔離部は一般に、例えば、ＣＴＦＥ（クロロトリフルオロエチレン），ＰＦＡ，又はＰＴＦＥ等のフルオロポリマ等の不活性材料から製造される。本願において開示され、かつ特許請求される発明の態様以外のセンサの例は前記特許文献１に開示されている。

上述のように、圧力センサ２１は、背板２４と、無孔質ダイヤフラム２２と、ガラス化することによって背板２４及び無孔質ダイヤフラム２２に接着される高強度材のガラス層２６とを備える。背板２４は構造に剛性を付与する。背板２４の剛性は、ハウジング１２からセンシング用ダイヤフラム２２上のセンサ要素へ伝達される応力に耐える。背板２４はプロセス媒体と直接接触しないが、機械的に安定であり、かつ高温プロセスに適していることが要求される。背板２４の熱膨張率は、センシング用ダイヤフラム２２の熱膨張率とほぼ同じであるべきである。熱的効果を補償することは可能であるが、大きな不整合は製造中に応力を生じ、背板２４とセンシング用ダイヤフラム２２との間の接着が時間と共に降伏を引き起こし得る。

無孔質ダイヤフラム２２はサファイア等の化学的に不活性な材料からなることが望ましいが、これに限定されない。サファイア及び背板２４の間のガラス層２６は、高い接着強度を有するホウケイ酸ガラス、又は高い接着強度を有し、かつ７００度を越える溶融温度、より望ましくは１０００度を超える溶融温度を有する他の適当なガラスから製造されることが望ましい。ダイヤフラム２２が曲がる量は、ガラス層の厚さ及び直径によって決まる。ガラス層２６は０．００２インチ（０．０５０８ｍｍ）から０．０３０インチ（０．７６２ｍｍ）の範囲、望ましくは０．０１０インチ（０．２５４ｍｍ）の厚さを有し、かつ、０．１００インチ（２．５４ｍｍ）から２．０インチ（５０．８ｍｍ）の範囲、望ましくは０．７００インチ（１７．７８ｍｍ）の外径を有する。ダイヤフラム２２の有効センサ領域は、０．０５０インチ（１．２７ｍｍ）から２．０インチ（５０．８ｍｍ）の範囲内であって、望ましくは０．４００インチ（１０．１６ｍｍ）である。ダイヤフラム２２の厚さ及び直径の範囲は限定的に構成されるべきでなく、特定の応用例における厚さ及び直径は、場合に応じてさらに増減する。このようにして、無孔質ダイヤフラム２２は背板２４の内面に係合する。

背板２４は、一般的にセラミックから構成される。一般的には、セラミックは、典型的に結合剤として作用する少量のガラスを用いて、高温で共に焼結される金属酸化物粉末からなる。一般的なセラミックは、単結晶サファイアと多くの類似した性質を有するアルミナである。アルミナセラミックのガラス含有量が数パーセント未満に維持される時、サファイア材及びアルミナセラミックの間の熱膨張率はほんのわずかしか違わない。ガラス化によってサファイアをアルミナセラミックに接着するために、シリカガラスが背板の表面上に予め形成されるか、又は被覆されることができる。

圧力センサ２１は、例えば、窒化ケイ素層３２や、その窒化ケイ素層３２及び背板２４の間に配置されるメタライズ層すなわち導電性層３０等のシールド層３０，３２をさらに含み得る。このようにして、窒化ケイ素層３２は電気絶縁体として作用し、メタライズ層３０はＥＭＩ／ＲＦＩがセンサ要素に影響を与えることを防ぐ。導電性層すなわちメタライズ層３０はニオビウム，タングステン，イリジウム，モリブデン，タンタル，プラチナ，パラジウム，又はＥＭＩ及びＲＦＩをシールドするために周知の材料の層からなる。従って、メタライズ層３０はその層３０の上方から発生するＥＭＩ及びＲＦＩから、センサ要素をシールドする。圧力センサ２１は、無孔質ダイヤフラム２２の層，シールド層３０，３２，及び背板２４の外縁の少なくとも一部に近接して、ガスケット又はＯリングのシール３４をさらに備える。

単結晶サファイアで構成されたセンシング用ダイヤフラム２２を有するセンサ２１は、化学薬品の侵蝕に対して優れた保護をもたらす。センサ２１は第一シール３６及び第二シール３８を有する圧力変換ハウジング内に配置できる。第一シール３６がサファイア製ダイヤフラム２２の外面に係合する場合、プロセス流体はシール及びサファイアのみを湿らせる。周知の適切な構成のシールはプロセス流体に対して透過性を有するため、一部のプロセス流体は第一シール３６を越える。第一シール３６及び第二シール３８を通過するフッ化水素酸等の非常に侵蝕性の強いプロセス流体はサファイア製ダイヤフラム２２及びセラミック背板２４の間の連結部を侵蝕する。前記連結部の腐蝕からの混入物質はプロセス流体内にも通過して戻る。図６を参照すると、従来技術のセンサは蒸気ベント４０を備える圧力変換ハウジング１２内に配置されている。サファイア製ダイヤフラム２２は第一シール３６及び第二シール３８に対してシールする。ベント即ち排出管４０は、圧力センサハウジング１２の外側からハウジング内へ第一シール３６及び第二シール３８の間に延びる。ベント４０は、シールの間の圧力を軽減し、かつ／あるいは、第一シール３６を通過して、圧力変換ハウジング１２の外へ出る蒸気の通路を提供する。しかし、蒸気がベント４０を通過して出ると、蒸気はすでにサファイア製ダイヤフラム及びガラスバインダ層２６と接触しており、センサ２１に腐蝕損傷が起こる。さらに、（シールはＫＡＬＲＥＺ（登録商標）から製造可能であるが）蒸気は依然としてＯリング又はガスケットシール３４を通って通過可能であり、電気的接続等のセンサの他の構成部品を腐蝕し、センサ２１が故障する。より一般的な故障の理由の一つは、サファイアディスク２２をセンサ２１に取付けるために用いられるバインダ２６上に侵蝕するプロセス流体、例えば、フッ化水素酸または塩酸等によって起こる。

図５はセンサを示し、第一シール３６及び第二シール３８はＯリング又はガスケット３４であり、例えば、フッ化水素酸または塩酸等の腐蝕性のプロセス流体によって侵蝕されやすい。しかし、第一シール３６及び第二シール３８は、隔離部２８（又はサファイア製ダイヤフラム２２）の面に配置される。第一Ｏリングシール３６及び第二Ｏリングシール３８の間にベント孔４０が配置され、前記ベントは第一シール３６を通過した任意の有害な蒸気を消散するための出口を提供する。隔離部２８又はサファイア製ダイヤフラム２２の面に二重シール３６，３８を配置すること、及びシール３６，３８の間にベント４０を配置することは、第二シール３８を通過する蒸気の量を大きく減少させる。従って、ガラスバインダ層２６及び他のセンサ２１の構成部品に接触可能な蒸気が少なくなり、ひいてはセンサ２１の寿命を引き延ばす。さらに、第一Ｏリングシール５８及び第二Ｏリングシール５４の間に環状溝即ちトレンチを配置することは、さらなる蒸気がトレンチを通ってベント４０の外へ消散することを促進する。

図１，３，及び４に示すセンサ２１は本発明のさまざまな実施形態を示している。一般的には、センサ２１はプロセス流体にさらされ、センサの構成部品２２，２８、例えば、隔離部２８又はサファイア製ダイヤフラム２２はシール部５０に係合し、該シール部５０は、望ましくはＰＦＡ又はＰＴＦＥ、あるいは他のフルオロポリマで形成され、かつ望ましくは０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）から０．０３０インチ（０．７６２ｍｍ）の高さと、０．０２０インチ（０．５０８ｍｍ）から０．０６５インチ（１．６５１ｍｍ）の半径とを有し、より望ましくは約０．０１５インチ（０．０３８１ｍｍ）の高さと、約０．０４５インチ（１．１４３ｍｍ）の半径とを有する湾曲した突出部（隆起）５２を備える。特定の実施形態において、湾曲した突出部の幅は湾曲した突出部の高さの２から４倍である。特定の実施形態において、高さは０．０１０インチ（０．２５４ｍｍ）から０．２００インチ（５．０８ｍｍ）の範囲内にある。別の実施形態において、高さは０．０２０インチ（０．５０８ｍｍ）から０．１００インチ（２．５４ｍｍ）の範囲内にある。別の実施形態において、高さは０．０１０インチ（０．２５４ｍｍ）から０．０５０インチ（１．２７ｍｍ）の範囲内にある。

図４を参照すると、センサ２１は隔離層２８において二重のシール構造を備えている。しかし、隔離層２８は必要ではなく、二重シール構造はサファイア製ダイヤフラム２２に係合してもよい。シール構造は第一接続部５０を備え、該第一接続部５０はハウジング１２の面５７から突出する湾曲した突出部すなわち「隆起」５２からなる小さな環状突起を有する。シール構造は第二接続部をさらに備え、該第二接続部は湾曲した突出部の上面に対するほぼ垂直な接面５６を備える。この実施形態において、湾曲した突出部５２と、第二接続部５９の垂直な接面５６とを係合することによって、一体型流体フェイスシールが形成される。湾曲した突出部５２と、第二接続部５９の垂直な接面５６とを係合する際に、突起５２は変形し、一体型フェイスシールを形成する。接面５６も変形するが、変形量はかなり僅かである。第二シール構造は第一シール構造に類似しており、湾曲した突出部すなわち「隆起」５２を備える第一接続部５０は第二接続部５９の垂直な接面５６に係合し、ひいては、突起５２が変形して、一体型フェイスシールを形成する。シール構成部品が不活性材料からなる時、図４に示す実施形態は、より確実なシール及びプロセス流体と反応しないシールを提供する。ＫＡＬＲＥＺ（登録商標）から製造される従来のＯリング又はガスケットシール３４を通って蒸気が通過するほど簡単には、シール構造の不活性材料を通って蒸気が通過しないため、シール構造を通過するプロセス流体の蒸気は減少する。さらに、二つのシール構造３６，３８の間のベント４０の存在により、第一シール３６をようやく通過した任意の蒸気は、ハウジング１２を通って放出される。従って、ガラスバインダ層２６及び他の慎重に扱うべきセンサの構成部品に到達する蒸気の量はかなり減少し、ひいては、センサ２１の寿命が延びる。ガラス２６及びセンサ２１の他の構成部品は急速には腐蝕せず、センサ２１はすぐ故障しない。試験データは、センサの寿命時間が約１０倍から約４０倍、改善され得ることを示した。

図３を参照すると、圧力センサ２１は二重シール構造４４，４６及び二重シール構造６４，６６を備え、小さな第一の湾曲した突出部すなわち「隆起」５２と、第二シール部５９の（湾曲した突出部すなわち「隆起」の上面に対して）垂直な第一接面５６とを係合することによって、流体シールが形成される。両者が係合すると、突起５２は変形して、一体型フェイスシールを形成する。接面５６も変形し得るが、変形量はかなり僅かである。第二シール構造６４，６６は第一シール構造４４，４６と同様である。センサはベント孔６２を備え、ベント孔６２はハウジング１２の表面まで貫通している。ベント孔６２は、第一シール構成８０を形成する二つの一体型フェイスシール構造６４，６６の間に配置される。ベント孔６２は、第一シール６４を通って通過したプロセス流体の蒸気の分散を促進する。残りの蒸気は、依然として、第二シール６６を通過し、ガラス接着面２６及びセンサ２１の他の構成部品に接近するはずである。従って、ベント孔６２はセンサ２１の完全な状態を保護するように作用する。さらに、環状トレンチすなわち溝６０は第二シール構成８０を形成する二つの一体型フェイスシール構造４４，４６の間に配置される。トレンチ６０は、さらに、シール領域に進入する任意の蒸気を分散するように作用し、シール領域において、トレンチ６０における蒸気はベント６２を通過し、ベントを通って消散される。別の実施形態においては、図７に示すように、一つのシール構造だけが、上述のように存在する。しかし、センサはウィープ孔６８を備え、該ウィープ孔は一体型フェイスシール構造を通過した任意のプロセス流体の蒸気の分散を促進する。第一シール構造はＯリング又はガスケットを備えず、不活性材料の一体型フェイスシールを備えるため、僅かな蒸気がシールを通過する。しかし、単一シール構造は、有害な蒸気からセンサ２１の構成部品を保護する際に、二重シール構造ほど、特に、二重シール構造を構成する二つのシールの間に溝すなわちベントを備える二重シール構造ほど効果的ではない。

さらに、図３を再び参照すると、センサ２１は圧縮ナット７２の真下にバネ座金７０、例えば、ベルビル座金７０を備える。バネ座金７０は、シールの環状の湾曲した突出部すなわち「隆起」５２と、サファイア製ダイヤフラム２２、もしくは存在する場合は隔離層２８との間の圧力を保持する。ベルビル座金７０を圧縮するために必要な力が座金７０の完全な作動範囲にわたってほぼ一定であるという性質をベルビル座金７０が備えるため、ベルビル座金７０は特別に選ばれる。バネ座金７０は、温度の変化，フルオロポリマ構成要素のクリープ，及び湾曲した突出部５２の経時的な変形に応じて、湾曲した突出部５２の上部と、サファイア製ダイヤフラム２２との間の圧力を保持する。バネ座金７０は、バネ座金７０が一部を構成する流量計１０の最大定格圧力及びそれを越えた圧力にシールを保持可能である。ベルビル座金７０を用いることが望ましいが、特定の応用例においては、ベルビル座金７０の代わりに他の座金、例えば、波型座金または止め座金を用いることが適切である。

二重一体型シール４４，４６及び６４，６６を使用することにより、高価なＯリングは必要なくなり、関連する臨界的なシール面及び公差が解消される。さらに、一体型シールの使用により、プロセス流体の媒体及び関連する混入物質や粒子にさらされる材料は最少化され、例えば、ＫＡＬＲＥＺ（登録商標）への接触はなくなる。さらに、多孔質のＯリング材に関連する蒸気の通過は最少化される。バネ座金７０又はコイルバネをセンサ構造に追加することにより、臨界トルクが解消され、組立ての容易性が向上し、フルオロポリマ構成要素のクリープがあったとしても、特に長い時間にわたって、一体型シール面の間に一定の適合をもたらす。

図２に示すような別の実施形態においては、圧力センサ２１は図３について上述したような二重シール構造４４，４６及び６４，６６を備える。センサ２１はシール構造４４，４６及び６４，６６を構成する二つのシールの間に配置される環状溝すなわちトレンチ６０をさらに備える。環状トレンチ６０は、それぞれ第一シール４４，６４を通った任意のプロセス流体の蒸気の容易な分散を促進する。十分な深さを有するトレンチ６０は、センサ２１の平均寿命を約１０倍ほど増加させる。トレンチ６０の深さは約０．０００１インチ（０．００２５４ｍｍ）及び約０．１０インチ（２．５４ｍｍ）の間で変更可能である。ウィープ孔６８を通る蒸気の通過率は、効果的な０．１０インチ（２．５４ｍｍ）のトレンチ６０の深さで２桁を超えて低減可能である。他の実施形態は０．１００インチ（２．５４ｍｍ）から０．２００インチ（５．０８ｍｍ）のトレンチを備える。

上述の図２，３，及び４におけるＯリングの使用は、突出する環状の湾曲した突出部シール構造を使用した場合と比較して、同一のシール保護をもたらさない。しかし、ダイヤフラム２２又は隔離部２８の面に配置された二つのＯリングの間にベント又は溝／トレンチを追加することにより、有毒な蒸気はベント及びトレンチの少なくとも一方を通って消散され、センサの寿命が改善される。

図８及び９を参照すると、別の実施形態において、連接された流体操作システムの二つの管路部１１６，１１８が示されている。管路部１１６，１１８は、例えば、液体濾過装置の一部，液体輸送システムにおけるパイプの一部，あるいはバルブ又は多岐管の連結部であってよい。液体濾過装置等の第一構成部品１１２及び第二構成部品１１４は、それぞれ内部に流体管路の第一及び第二流体管路部１１６，１１８を備え、継ぎ手１２０において流体的に連通され、第一及び第二流体管路部１１６，１１８は、協働して実質的に連続な流体管路を形成する。継ぎ手１２０において連通される時、第一及び第二構成部品１１２，１１４の第一及び第二面１２２，１２４は、それぞれ作動可能な状態で当接する。図に示すように、第一及び第二面１２２，１２４は、ほぼ平面であり得るが、ほぼ平面である必要はない。

継ぎ手１２０は第一接続部１２６を備え、該第一接続部は第二面１２４から延びる小さな突起すなわち湾曲した突出部１２８を備える。小さな突起すなわち湾曲した突出部１２８は、第二面１２４において環状の湾曲した突出部を形成する。第二面１２４及び環状の湾曲した突出部は、第二構成部品１１４の主要なものである。継ぎ手１２０は第二接続部１３０をさらに備え、該第二接続部１３０は、湾曲した突出部１２８の上部に対して垂直な接線方向に配向される第一面１２２を備える。この実施形態において、環状の湾曲した突出部１２８と、第二接続部１３０の第一面１２２とを係合することによって、一体型流体フェイスシールが形成される。両者を係合する際に、湾曲した突出部（「隆起」）１２８は変形し、流体シールを形成する。第一面１２２も変形し得るが、変形量はかなり僅かである。従って、形成された流体シールは、圧力センサに関する説明で上述した一体型フェイスシールと同様の一体型フェイスシールである。故に、一体型フェイスシールは、二つの管路部の間にシールを形成するために、Ｏリング又はガスケットを必要としない。二つの構成部品（第一及び第二接続部）だけを使用することは、安価であり、高価なＫＡＬＲＥＺ（登録商標）のガスケット及びシールの必要性を排除する。

本願の別の態様は、フォトリソグラフィのフィルタに必要な接続具（入口，出口，及びベント）等の複数の接続具２２０’，２２０’’，２２０’’’を互いに近接して配置し、係合及びシールの力をフィルタの第一及び第二構成部品２１２，２１４の間に加えることを促進する。図１０ａ，１０ｂ，及び１１を参照すると、この配置は同心状であっても良いし（図１０ａ及び１０ｂ）、近接していても良い（図１１）。このような配置は、成形されたフィルタヘッドのより集中した係合及びより厳密な精度を可能とする。成形及び硬化工程中の成形部の寸法の変化の結果によって、図１０及び１１に示した配置は接続部を結合する線形的な配置と比較して、より厳密な精度を可能とする。

図１３には、別の実施形態の二つの管状部材用のシール構造が示されている。管状部材９０はシール面９４を備え、該シール面９４は軸線方向面９２及び表面９６を備える。管状部材９１はシール面９７を備え、該シール面９７は少なくとも一つの環状の湾曲した突出部９３及び表面９５を備える。シール面９７は複数の環状の湾曲した突出部９３を備えることもでき、前記湾曲した突出部９３は、管状部材９１の軸線方向面９２に同心に配向される。シール面９６は環状の湾曲した突出部９３の上面に対して垂直な接線方向にある。軸線方向に沿った圧縮力が二つのシール面９４，９７上に作用し、環状の湾曲した突出部９３が変形し、かつ面９６に係合される。さらに、バネ座金、例えば、ベルビル座金またはコイルバネ９８は、圧縮ナット９９と管状部材９０の間に配置される。圧縮ナット９９は管状部材９０，９１に係合し、かつバネ座金９８をシール面９４，９７に向かって付勢し、それによって、バネ座金９８は環状の湾曲した突出部９３及び垂直な接面９６上に圧力を付与し、ひいては、より確実な一体型フェイスシールをもたらす。バネ座金９８は、管状部材のプラスチック又はフルオロポリマ材がクリープし得る際に、一体型フェイスシールを保持するために特に有用である。

シールを通って流動するプロセス流体が結晶化しがちな応用例において、プロセス流体の結晶化を招き、かつシールにおける漏洩、又は他の望ましくない影響をプロセス流体に及ぼし得るラジアル又はフェイスシールＯリングの周りにおける小さな体積のデッドスペースは、一体型フェイスシールを使用することにより、防止できる。また、Ｏリングシール面のバリまたは他の表面欠陥、あるいは特徴は、装置の間のさらなる漏洩点をもたらし得る。また、いくつかのＯリングを用いない設計においては耐化学薬品材料（例えば、ＫＡＬＲＥＺ（登録商標））から製造されるガスケットを使用する。しかし、これらの設計は非常に大きな閉鎖力を必要とし、かつ高価であり得る。

本明細書において、特定の実施例を図に示し、説明してきたが、同一の目的を実現するために適切な任意の構成は、本明細書に示された特定の実施例の置き換えになることが当業者によって理解されるであろう。本願は本対象の適応または変形を含めることを意図する。従って、本発明は特許請求の範囲及びその法律上の均等物によって定義されるものである。

Claims (24)

1. 部品をシール状態で連結するための継ぎ手器具であって、該継ぎ手器具は第一ポリマ部材と、第二部材とを備え、
   前記第一ポリマ部材は、軸線と、部品に作動可能な状態で連結可能な先端と、外周面を備える基端と、前記軸線に対して垂直に配置された環状の軸線方向面と、前記第一ポリマ部材を通って延び、かつ前記環状の軸線方向面に配置され、かつ中央に配置された流体管路と、前記環状の軸線方向面の表面上に軸線方向に沿って延びる少なくとも一つの環状の湾曲した突出部とを備える第一接続部を有し、
   前記第二部材は、別の部品に作動可能な状態で連結可能な先端と、外周面及び軸線方向面を有する基端とを備える第二接続部を有し、
   前記少なくとも一つの環状の湾曲した突出部は、前記第一接続部の環状の軸線方向面と、前記第二接続部の軸線方向面とが、流体シールを形成する軸線方向に沿った圧縮力を受ける時、第二接続部の軸線方向面に対してシール状態で変形可能であり、前記環状の湾曲した突出部は、前記軸線に対してほぼ垂直な面において接線方向に沿って係合される継ぎ手器具。
2. 複数の環状の湾曲した突出部は、前記第一接続部の環状の軸線方向面上に、同心に配置される、請求項１に記載の継ぎ手器具。
3. 近接した前記環状の湾曲した突出部は、前記第一接続部の環状の軸線方向面の表面によって分割される、請求項２に記載の継ぎ手器具。
4. 前記継ぎ手器具はバネ座金をさらに備え、前記流体シールを保持するために、前記第一接続部の環状の軸線方向面と、前記第二接続部の軸線方向面とを共に付勢する連続した圧縮力を付与するように、該バネ座金は前記第一ポリマ部材及び前記第二部材の一つに当接して係合可能である、請求項１に記載の継ぎ手器具。
5. 前記継ぎ手器具は固定ナットをさらに備え、前記固定ナットは前記第一接続部において、前記第一ポリマ部材に係合可能であり、かつ前記第二接続部において、前記第二部材に係合可能である、請求項４に記載の継ぎ手器具。
6. 前記ナットによって付与される圧縮力は、前記第二部材に対して前記バネ座金を付勢し、さらに、前記第二接続部の軸線方向面に対して前記第一接続部の環状の軸線方向面を圧縮する、請求項５に記載の継ぎ手器具。
7. 前記第二部材はバルブ及び流れ制御装置の一方に作動可能な状態で接続される、請求項１に記載の継ぎ手器具。
8. 少なくとも一つの部品は多岐管を備える、請求項１に記載の継ぎ手器具。
9. 過酷な環境下で用いられる流体センサであって、該センサは、
   流体流通管路を備えたハウジング部品を有するフルオロポリマ製外側ハウジングと、
   前記ハウジング部品内に配置されるダイヤフラムと、
   前記ダイヤフラムがもたらすシール面と、
   前記ハウジング部品がもたらすシール面とを備え、
   前記ハウジング部品のシール面は前記流体流通管路の周りに延び、かつ前記ダイヤフラムのシール面に係合し、前記ハウジングのシール面は前記ハウジングのシール面上に設けられた少なくとも一つの環状の湾曲した突出部を備え、該突出部は前記ハウジングと一体成形され、かつ前記ダイヤフラムのシール面に対して圧縮されるセンサ。
10. 前記ダイヤフラムの近傍の背板と、前記背板及び前記ダイヤフラムへの接着に適合するガラス層と、電気回路とをさらに備える、請求項９に記載のセンサ。
11. 前記ハウジングのシール面は前記ダイヤフラムのシール面に当接して係合可能であり、前記少なくとも一つの環状の湾曲した突出部は、前記ハウジングのシール面及び前記ダイヤフラムのシール面が圧縮力を受ける時、前記ダイヤフラムのシール面に対して変形可能である、請求項９に記載のセンサ。
12. 前記ハウジングのシール面は複数の同心に配置された環状の湾曲した突出部を備え、近接した環状の湾曲した突出部は前記同心に配置された環状の湾曲した突出部の間に配置されたハウジングのシール面を備える、請求項９に記載のセンサ。
13. 少なくとも二つの近接した環状の湾曲した突出部の間に溝が配置され、該溝は前記ハウジングの外側まで貫通する、請求項１０に記載のセンサ。
14. 前記ハウジング部品の外側に延びるベントが、少なくとも二つの近接した環状の湾曲した突出部の間に配置される、請求項１１に記載のセンサ。
15. 前記センサは圧縮ナットをさらに備え、該圧縮ナットは前記センサの部品に係合するために適合する、請求項１に記載のセンサ。
16. 前記センサは前記圧縮ナットに作動的に係合可能なバネ座金をさらに備え、前記圧縮ナットは前記バネ座金を付勢し、前記ハウジングのシール面の変形可能な環状の湾曲した突出部と前記ダイヤフラムのシール面との間の圧力を維持する、請求項１５に記載のセンサ。
17. 軸線を有する作動式流体装置であって、
    前記軸線に対してほぼ垂直な環状シール面と、内部に流体流通管路とを備えるフルオロポリマ製ボディハウジング部品を有する第一部材と、
    フルオロポリマ材からなる第二部材であって、該第二部材は軸線方向面を備える環状の流体流通管路を有し、前記軸線方向面は前記軸線方向面から軸線方向に沿って突出する環状の丸められた突出部を備え、前記フルオロポリマ材はクリープしがちであり、前記環状の丸められた突出部は流体流通管路の周りに延びる、第二部材と、
    前記第二部材の軸線方向面を前記第一部材の環状シール面と共に付勢するための圧縮負荷手段であって、それによって、環状の丸められた突出部は前記環状シール面内に圧縮され、前記圧縮負荷手段は、前記第二部材がクリープする時、ほぼ一定の負荷を維持する圧縮負荷手段とを備える作動式流体装置。
18. バルブ部材と、センサ部材と、フィルタ部材とのうち一つをさらに備える、請求項１７に記載の作動式流体装置。
19. 前記圧縮負荷手段はバネ座金を備える、請求項１７又は１８に記載の作動式流体装置。
20. 部品をシール状態で連結し、かつ軸線を有する継ぎ手器具であって、前記継ぎ手器具は、
    第一接続部を備え、かつ軸線方向に突出するシール部を備える第一フルオロポリマ部材と、
    前記軸線方向に突出するシール部にシール状態で係合する第二接続部を備える第二部材と、
    前記第一接続部及び前記第二接続部を軸線方向に沿って圧縮負荷をかけた状態で係合可能なナットと、
    クリープした状態で一定の圧縮負荷を付与するために、前記ナットによって負荷がかけられるように配置されたバネとを備え、
    前記第一接続部及び前記第二接続部はポリマのクリープを受入れ可能である継ぎ手器具。
21. センサ部品を腐蝕する強酸と共に使用されるセンサであって、該センサは、
    流体流通管路及び前記流体流通管路を包囲する環状シール面を備えたハウジング部品を有するフルオロポリマ製ハウジングと、
    前記ハウジング部品にシール状態で係合するダイヤフラムと、
    前記ハウジング部品にシール状態で近接して配置され、かつ前記流体流通管路内の流体の特性を感知するために配置された複数のセンサ部品とを備え、
    前記センサ部品の少なくとも一つは前記強酸に対して受入れ可能であり、前記センサ部品の一つは、前記環状シール面に第一環状シールと共にシール状態で係合し、前記第一環状シールは前記流体流通管路から半径方向に沿って移動し、第二環状シールが前記第一環状シールから半径方向に沿って移動し、前記ハウジング部品の環状シール面において前記第一環状シールと前記第二環状シールとの間に環状の中間空間が画定され、前記環状シール面は内部に前記流体流通管路の周りに延びる環状トレンチを備え、前記トレンチは前記ハウジングの外部まで貫通するセンサ。
22. 前記第一環状シール及び前記第二環状シールはＯリングを備える、請求項２１に記載のセンサ。
23. 前記第一環状シール及び前記第二環状シールは前記ハウジング部品の環状シール面と一体化され、湾曲した突出部として構成される、請求項２１に記載のセンサ。
24. 流体流通管路を包囲する環状シール面を有するフルオロポリマ製ハウジング部品と、前記シール面に係合し、かつ前記流体流通管路に対して同心に配置される一対の環状シールとを備え、前記環状シール面は内部に前記ハウジング部品を通って前記ハウジング部品の外部まで貫通するトレンチを備える作動式流体装置。

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