JP4851056B2 - ソレノイド弁 - Google Patents

Description

［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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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１の弁アセンブリの一部の分解斜視図である。 図１の弁アセンブリの分解斜視図である。 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)

1. 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部材と、
   ｃ）該弁部材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）前記弁部材の一部を収容する流体密封ベローズと、
   ｆ）前記入口ポートと前記ベローズの内部の領域とを流体連通させる圧力平衡通路と、
   ｇ）前記ソレノイド巻線を包囲して収容し、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）前記ハウジングを前記バルブ本体に固定するために前記ハウジングの前記フランジの上方において前記ハウジングを支承し前記バルブ本体に締結されるカラーとを備えた弁アセンブリ。
2. 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。
3. 前記弁部材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部材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。
4. さらに、前記バルブ本体に接続されて、前記弁部材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部材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。
5. 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、前記弁部材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。
6. 前記弁部材の前記開始位置では、前記弁部材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。
7. 前記弁部材は、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。
8. 前記圧力平衡通路は前記弁部材を貫通している請求項１に記載の弁アセンブリ。
9. 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をさらに備え、前記弁部材は弁体と、前記アーマチュアの前記露出端部に接続される弁棒とを含み、該弁棒は半径方向に延在するフランジを有し、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。
10. 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。
11. 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。
12. 前記スリーブは、前記弁部材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部材を開始位置へ戻すために前記弁部材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、前記弁部材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。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
16. 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、
    弁部材と、
    該バルブ本体内において前記弁部材を懸架して、前記弁部材を前記弁座から離れる方向または前記弁座の方向に前記弁座の通路を通る軸に沿って移動するように付勢する付勢手段と、
    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部材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、
    前記弁部材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の内部の領域にさらす圧力平衡通路と、
    前記ソレノイド制御アセンブリを包囲して収容し、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、
    該ハウジングを前記バルブ本体に固定するために、該ハウジングのフランジの上方において前記ハウジングを支承して前記バルブ本体に装着されるカラーとを備えた弁アセンブリ。
17. 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。
18. 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。
19. 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。
20. 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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