JP5118493B2 - 剛性な着座面を有する弁組立体 - Google Patents

Description

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。

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。

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。

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。
米国特許第４，７９６，８５４号明細書 米国特許第５，７２７，７６９号明細書 米国特許第６，５０５，８１２号明細書

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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の装着面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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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１の弁組立体の一部分の断面図である。 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。

Claims (17)

1. 弁組立体であって、
   ボア及びボアの一端まで伸びるポートを有する弁体と、
   弁体のボア内に受け入れられて、ボア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、
   平坦な着座面を有していて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、
   平坦な着座面を有していて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き且つ、弁座及びプラグはそれぞれ平坦な着座面により互いに接触し、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、
   オリフィス部材の端部壁は装着部を有し、弁組立体は弁座とオリフィス部材の端部壁の装着部との間に圧入による接合部を有し、弁部材の端部は装着部を有し、弁組立体はプラグと弁部材の装着部との間に圧入による接合部を有し、
   弁座及びプラグは、剛性を有する不透過性の非金属材料からできている、弁組立体。
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、サファイアからできている、弁組立体。
3. 請求項１に記載の弁組立体において、平坦な着座面は、弁部材の軸線に対し垂直に伸びる、弁組立体。
4. 請求項３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。
5. 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、ステンレス鋼からできている、弁組立体。
6. 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。
7. 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。
8. 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アーマチャと、
   アーマチャ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、弁部材はアーマチャによって軸線に沿って動くようにされる、弁組立体。
9. 請求項８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。
10. 請求項９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。
11. 請求項９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アーマチャ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。
12. 請求項１１に記載の弁組立体において、アーマチャと電磁巻線との間にてアーマチャ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。
13. 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。
14. 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。
15. 請求項１４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。
16. 請求項１５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。
17. 請求項１６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。

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