JP5137285B2 - 運動用周縁シールを有する弁フラッパ - Google Patents

Description

[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。

[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。

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。

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。

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。

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。

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。

[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。

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。

本開示の１つの態様によれば、シールは、金属である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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 (21)

1. 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、該通路の該壁は該通路の該長手方向軸に平行であり、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み、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おり、
   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弁アセンブリ。
2. 該シールは、金属である請求項１に記載の弁センブリ。
3. 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１に記載の弁アセンブリ。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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、該通路の該壁は該通路の該長手方向軸に平行であり、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み、
   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弁アセンブリ。
8. 該シールは、金属である請求項７に記載の弁センブリ。
9. 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７に記載の弁アセンブリ。
10. 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７に記載の弁アセンブリ。
11. 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１０に記載の弁アセンブリ。
12. 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７に記載の弁アセンブリ。
13. 該フラッパは、単一部材である請求項７に記載の弁アセンブリ。
14. 該シールは、その外側の縁部が面取りされている請求項７に記載の弁アセンブリ。
15. 該通路および該フラッパは、円形の断面を有する請求項７に記載の弁アセンブリ。
16. 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７に記載の弁アセンブリ。
17. 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し、該通路の該壁は該通路の該長手方向軸に平行であることと、
    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み、
    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方法。
18. 該シールは、金属である請求項１７に記載の方法。
19. 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１７に記載の方法。
20. 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１７に記載の方法。
21. 該シールは、その外側の縁部が面取りされている請求項１７に記載の方法。

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