JP6388884B2 - ２点シール及びフローティングダイアフラムウェブを備えたダイアフラムバルブ - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、２０１３年２月２６日に出願された米国仮特許出願番号６１／７６９，４６７及び６１／７６９，５１９の利益を主張し、これらは参照によりここに組み込まれる。

本出願は、概してダイアフラムバルブに関し、より具体的には、半導体製造又は他の腐食性若しくは高純度のアプリケーション等の、高純度システムでの使用のためのフルオロポリマーバルブに関する。

薬剤、半導体等を製造するためのシステム等の、様々な高純度システムは、フルオロポリマーから形成されるバルブのような、高純度ダイアフラムバルブを使用する。典型的な高純度バルブは、バルブシートとダイアフラムとによって分離される流入部及び流出部を備えたバルブ本体を有する。ダイアフラムは、典型的に、バルブを開閉するためにバルブシートに対してシールするための中央ステムと、バルブのキャビティをシールする外側延在ウェブと、を有する。そのようなシステムのための現存するバルブは、タンと、バルブシートに対して作動する溝シールを含む。このタン及び溝設計は、動的シールに多すぎる粒子を生成し得、したがって静的シールアプリケーションに最も適している。

高純度システムのためには、バルブダイアフラムがバルブシートに対して適切なシールを維持することが重要である。また、多数の作動サイクルを通じて、バルブシート摩耗が発生し得、シールの有効性を低減する。効果的なシールの欠如は、従来構成においてバルブ性能を低下させ得る。

また、状況次第では、バルブストロークを増加させるために、ダイアフラムウェブの厚みを低減させることが望ましいことがあり得る。しかしながら、薄いダイアフラムウェブは、バルブが加圧されたとき、膨れ上がりやすい。いくつかの従来のバルブは、圧力下で膨れ上がるときにダイアフラムウェブを補強するための支持構造を組み込む。支持構造は、膨れ上がったダイアフラムウェブの外形におよそ一致するように形成され得、増加された圧力下でダイアフラムウェブが膨れ上がったときに、いっそう多くのダイアフラムが押し付けられて支持表面と接触し得る。支持構造との接触点は、ウェブに望ましくない応力の集中を生成し得、いくつかある欠点の中で特に、バルブのサイクル寿命に不利に影響を与え得る。

従来の高純度ダイアフラムバルブの欠点を考慮して、改良されたバルブ寿命、信頼性、及び性能を有する改善されたダイアフラムバルブのための必要性が技術的に存在する。本発明は、ダイアフラムによるバルブシートに対するシールを著しく改善し、且つダイアフラムがリテーナ又は本体からの制約又は支持なしに最小の表面応力を示すダイアフラムウェブ構成を有する構成により、改良されたバルブ寿命及び性能を有する高純度バルブである。ダイアフラムは、改良されたシールのためにバルブシートに対する２点シールを形成し、ダイアフラムウェブは、バルブリテーナに接触することなく自然位置に向かって外側に膨れ上がる。

高純度バルブは、バルブシートによって分離された流入部及び流出部を有するバルブ本体と、バルブを作動させるためのピストンに結合される第１端部とバルブを閉止するためにバルブシートに係合するためのポペットである第２端部とを有する中央ステムを有するダイアフラムと、を含む。ポペットは、ポペットの円形表面とバルブシートとの間の少なくとも２接触点を有するバルブシートとの２点シールを形成する。２点シールは、ポペットの円形表面がバルブシートに対して押圧されたときに同心の円形シールとして構成され得る。ポペットの円形表面は、２点シールを提供する凹形表面又は凸形表面であり得る。

バルブは、さらに、ダイアフラムに隣接して位置されるリテーナを含み得、ダイアフラムは、中央ステムから径方向外側に延在するウェブを有する。リテーナは、ウェブに隣接する表面を有し、リテーナの表面は、バルブが加圧されたときにウェブがリテーナの表面に接触しないようにウェブから離間される。ウェブは、バルブが加圧されたときにリテーナの方向に自然位置に向かって外側に膨れ上がる可撓性ウェブであり、それによりウェブにおける応力の集中を最小化する。

バルブは、さらに、バルブの内側部分を囲むハウジングを含み、ハウジングは、ダイアフラムの外側部分でバルブの内側部分をシールする態様でバルブ本体に結合される。ハウジングは、リテーナ及びバルブ本体に結合され得、ハウジングは、バルブ本体とリテーナとの間のダイアフラムの外側部分を圧縮する。

本発明のこれらの特徴及びさらなる特徴は、以下の説明及び添付図面を参照して明らかになる。説明及び図面において、発明の原理が採用され得る一部の方法を示すように発明の特定の実施形態が詳細に開示されるが、本発明は、それに応じて範囲が制限されない。むしろ、本発明は、その思想及びここに添付される特許請求の範囲の用語の範囲内から得られる全ての変形、修正、及び均等物を含む。一実施形態に関連して説明され且つ／又は図示される特徴は、一以上の他の実施形態において同一又は類似の態様で、及び／又は他の実施形態の特徴との組み合わせ又は他の実施形態の特徴の代わりに使用され得る。

図１は、本発明の実施形態による例示的な高純度バルブの等角図を示す概略図である。 図２は、開位置におけるバルブを備えた、図１の例示的な高純度バルブの側断面図を示す概略図である。 図３は、閉位置におけるバルブを備えた、図１の例示的な高純度バルブの側断面図を示す概略図である。 図４は、閉位置におけるバルブを備えた、バルブシートに対するバルブポペットの円形表面の付近における、図３の円形矢印“４”により指定されるバルブの部分の第１クローズアップ断面図を示す概略図である。 図５は、閉位置におけるバルブを備えた、バルブシートに対するバルブポペットの円形表面の付近における、図３の円形矢印“４”により指定されるバルブの部分の第２クローズアップ断面図を示す概略図である。 図６は、開位置におけるバルブを備えたウェブ部分の付近における、図２の円形矢印“６”により指定されるバルブの部分のクローズアップ断面図を示す概略図である。 図７は、閉位置におけるバルブを備えたウェブ部分の付近における、図３の円形矢印“７”により指定されるバルブの部分のクローズアップ断面図を示す概略図である。 図８は、ダイアフラムウェブがバルブ内の内部圧力にさらされるときのバルブダイアフラム及びダイアフラムウェブを示す概略図である。

本発明の実施形態が、図面を参照して説明され、同様の参照符号は、全体を通じて同様の要素を言及するために使用される。図は、必ずしも同尺度で示されない。

図１は、本発明の実施形態による例示的な高純度バルブ１０の等角図を示す概略図である。図２は、開位置におけるバルブを備えた、図１の例示的な高純度バルブ１０の側断面図を示す概略図である。図３は、閉位置におけるバルブを備えた、図１の例示的な高純度バルブ１０の側断面図を示す概略図である。

図１−３を参照すると、バルブ１０は、互いに結合される、バルブ本体１２と、リテーナ１４と、ハウジング１６と、を含む。ハウジング１６は、バルブ本体１２を取り囲む。図２−３の断面図をより具体的に参照すると、ハウジング１６は、ダイアフラム２２に一端で結合されインジケータ２４に他端で結合されるピストン２０を取り囲む。インジケータ２４は、バルブが開いているか（インジケータが図２に示されるようにハウジング表面から上がっているか）、閉じているか（インジケータが図３に示されるようにハウジング表面と同一平面上にあるか）を示すことができる。ハウジング１６は、バルブの内側部分を取り囲み、ハウジングは、ダイアフラムの外側部分でバルブの内側部分をシールする態様でバルブ本体１２に結合される。ハウジング１６は、具体的には、リテーナ１４とバルブ本体１２に結合され得、ハウジングは、バルブ本体とリテーナとの間のダイアフラムの外側部分を圧縮する。

ダイアフラム２２は、バルブから流体が漏れることを抑制するために、バルブ本体１２をシールする。ダイアフラム２２は、中央ステム２３と、径方向外側に延在するウェブ２６を有する。中央ステムの一端は、ポペット２８を有する。中央ステムの他端は、例えば、ねじ接続又は他の適切な接続により、ピストン２０に結合される。ポペット２８は、バルブシート３２に対してシールするための円形表面３０を含む。ポペット２８は、バルブが図３に示すように閉じたときに、バルブをシールするためにバルブシート３２と係合する。バルブは、さらに流入部４０及び流出部４２を含む。バルブが図３に示されるように閉じているときは、ポペット２８のバルブシート３２に対するシールは、流入部４０と流出部４２が互いに流体連通しないように構成される。バルブが図２に示されるように開いているときは、ポペット２８はバルブシート３２から持ち上げられ、流入部４０と流出部４２が互いに流体連通する。

本発明は、バルブシート３２に対するポペット２８の円形表面３０の改良されたシールを提供する。改良されたシールは、２点シール構成によって提供され、これにより、ポペット２８の円形表面３０は、少なくとも２点でバルブシート３２と接触する。

図４は、閉位置にあるバルブを備えた、バルブシート３２に対するポペット２８の円形表面３０の近くにおいて、図３の円形矢印“４”によって指定されたバルブの部分の第１クローズアップ断面図を示す概略図である。この例示的な実施形態において、ポペット２８の円形表面３０は、バルブシート３２に対して２点シールを提供するための凹形表面である。円形表面３０の凹形形状のため、ポペット２８は、バルブシート３２に対して押圧されたときに一対の円形シールを形成する一対の２シール点５０及び５２を有する。特に、円形シール点５０は内側シール表面を形成し、外側シール点５２は、外側シール表面を形成する。したがって、シール表面は、互いに同心であり得る。

内側シール点５０及び外側シール点５２の距離は、バルブが使用されるアプリケーションに基づき得る。例えば、２点シールにより、シール点間の可変の距離及び２シール点間の可変の表面領域が可能になり、上部ダイアフラムリテーナにより調整され得る。これは、シールが、延長された循環の結果としての調整と共に、冷気流及び変化圧力のための調整をすることを許容する。また、これは、カスタマイズされたアプリケーションのための２シール間の可変の距離を許容し、凹形形状のおかげで、所望の場合は、３以上のシール点を組み込むことができる。２点シール構成は、追加的に、原料歩留りを下回る応力レベルを最適化し、それにより、バルブシート及びダイアフラムのサイクル寿命を増加させる。したがって、バルブは、技術的に知られているような例えばきれいな化学的性質のアプリケーション及び研磨スラリーアプリケーションの両方において、効率的に機能することができる。

図５は、閉位置にあるバルブを備えた、ポペット２８の円形表面３０´及びバルブシート３２の近くにおいて、図３の円形矢印“４”によって指定されたバルブの部分の第２クローズアップ断面図を示す概略図である。図５の実施形態は、図５の円形表面３０´の構成が図４の円形表面３０の構成と異なることを除いて、図４の実施形態と類似の構成を有する。

図５の実施形態では、ポペット２８の円形表面３０´は、バルブシート３２に対してポペット２８の２点シールを提供するための凸形表面である。円形表面３０´の凸形形状のため、ポペット２８は、バルブシート３２に対して押圧されたときに一対の円形シールを形成する２シール点５０´及び５２´を有する。特に、円形シール点５０´は、内側シール表面を形成し、外側シール点５２´は外側シール表面を形成する。したがってシール表面は、互いに同心であり得る。凹形２シール点５０／５２（図４）を凸形２シール点５０´／５２´と比較すると、形状の違いは、２点シールの相対的に異なる位置を生じさせる。図５の実施形態は、図４の実施形態に対して、両実施形態が効果的な２点シールを提供するという点で、同等のアドバンテージを有する。

本発明の他の一特徴は、改良されたウェブ構成であり、これによりダイアフラムがリテーナ又は本体からの制約又は支持なしで最小の表面応力を示す。図６は、開位置にあるバルブを備えたウェブ部分の近くにおいて、図２の円形矢印“６”によって指定されたバルブの部分のクローズアップ断面図を示す概略図である。図７は、閉位置にあるバルブを備えたウェブ部分の近くにおいて、図３の円形矢印“７”によって指定されたバルブの部分のクローズアップ断面図を示す概略図である。

上述したように、ダイアフラム２２は、中央ステム２３と径方向外側に延在するウェブ２６とを有する。ウェブ２６は、幅を広げた薄いウェブであり得る。ウェブ２６は、ポペット２８が開位置と閉位置とを移動できるように可撓性であり得る。バルブ１０の内側圧力は、ウェブ２６がリテーナ１４及びハウジング１６の方向に外側にたわみ又は膨れ上がるようにさせることができる。図６及び７に特によく見られるように、リテーナ１４は、ウェブ２６に隣接するが離間した関係を有する、端面６０を含み得る。端面６０は、バルブが加圧されウェブが外側に膨れ上がったときにウェブが端面６０と接触しないように、ウェブ２６から十分離間する。これは、ウェブがリテーナ１４から制約を受けることなく自然位置に曲り且つ膨れ上がることを許容し、それによりダイアフラム及びウェブの表面応力を最小化する。そのような構成は、ウェブが内側圧力下で膨れ上がるときにリテーナにウェブが接触し得、ダイアフラムの応力を増加させる、従来の構成に対して改善する。

図７のバルブ閉位置においてもっとも簡単に示されるように、ウェブは、ポペット２８とリテーナ１４の端面６０との間のスペース６２に収容される。図６のバルブ開位置において示されるように、バルブがバルブを通じた最大媒体圧力で完全に作動されたとき、ダイアフラムウェブ２６は、スペース６２に膨れ上がることが許容されるが、リテーナ１４と接触することはない。結果として、バルブは完全にストロークされるとき、リテーナ１４はダイアフラムの背面６４に接触せず、それにより集中した応力レベルを低減し、かつウェブ全体にわたって応力レベルを再分配する。この制約がないことで、ダイアフラムウェブは、“フローティング”ウェブとして特徴付けられ、ウェブは、リテーナ１４により制約を受けないようにスペース６２内に浮く。

これに関して、図８は、ウェブがバルブ内の内側圧力にさらされるときのバルブダイアフラム及びダイアフラムウェブを示す概略図である。図８は、ウェブ２６とリテーナ１４の端面６０との間のスペース６２を示す。したがって、バルブが完全にストロークされたとき、リテーナ１４はダイアフラムの背面６４と接触せず、上述したように、集中した応力レベルを低減し、ウェブ全体にわたる応力レベルを再分配する。

上記記載によれば、本発明の一態様は、バルブである。例示的な一実施形態では、バルブは、バルブシートによって分離される流入部と流出部とを有するバルブ本体と、バルブを作動させるためのピストンに結合される第１端部とバルブを閉止するためのバルブシートと係合するためのポペットを有する第２端部とを有する中央ステムを有するダイアフラムと、を有する。ポペットは、ポペットの円形表面とバルブシートとの間の少なくとも二つの接触点を有するバルブシートで２点シールを形成する。

バルブの例示的な一実施形態では、２点シールは、ポペットの円形表面がバルブシートに対して押圧されたときに、円形シールを形成する一対の点シールを含む。

バルブの例示的な一実施形態では、一対の点シールは、ポペットの円形表面とバルブシートとの間の一対の同心点シールを含む。

バルブの例示的な一実施形態では、ポペットの円形表面は、２点シールを提供する凹形表面である。

バルブの例示的な一実施形態では、ポペットの円形表面は、２点シールを提供する凸形表面である。

バルブの例示的な一実施形態では、２接触点間の距離は、ダイアフラムを保持するリテーナにより調節される可変の距離である。

バルブの例示的な一実施形態では、バルブは、さらに、バルブの内側部分を取り囲むハウジングを有し、ハウジングは、ダイアフラムの外側部分でバルブの内側部分をシールする態様で、バルブ本体に結合される。

バルブの例示的な一実施形態では、ハウジングは、リテーナとバルブ本体に結合され、ハウジングは、バルブ本体とリテーナとの間のダイアフラムの外側部分を圧縮する。

バルブの例示的な一実施形態では、バルブは、さらに、リテーナを含む。ダイアフラムは、中央ステムから径方向外側に延在するウェブをさらに含み、リテーナは、ウェブに隣接した表面を有し、表面は、バルブが加圧されたときにウェブが表面と接触しないように、ウェブから離間する。

バルブの例示的な一実施形態では、ウェブは、バルブが加圧されたときにリテーナの方向に自然位置に向かって外側に膨れ上がる可撓性ウェブであり、それによりウェブ上の応力の集中を最小化する。

バルブの例示的な一実施形態では、ハウジングは、リテーナとバルブ本体に結合され、ハウジングは、バルブ本体とリテーナとの間のダイアフラムの外側部分を圧縮する。

バルブの例示的な一実施形態では、バルブは、バルブシートによって分離される流入部と流出部とを有するバルブ本体と、バルブを作動させるためのピストンに結合される第１端部とバルブを閉止するためのバルブシートと係合するための円形表面を有する第２端部とを有する中央ステムと中央ステムから径方向外側に延在するウェブとを含むダイアフラムと、リテーナと、を有する。リテーナは、ウェブに隣接する表面を有し、リテーナの表面は、バルブが加圧されたときにウェブがリテーナの表面に接触しないようにウェブから離間する。

バルブの例示的な一実施形態では、ウェブは、バルブが加圧されたときにリテーナの方向に自然位置に向かって外側に膨れ上がる可撓性ウェブであり、それによりウェブ上の応力の集中を最小化する。

バルブの例示的な一実施形態では、バルブは、さらに、バルブの内側部分を取り囲むハウジングを有し、ハウジングは、ダイアフラムの外側部分でバルブの内側部分をシールする態様で、バルブ本体に結合される。

バルブの例示的な一実施形態では、ハウジングは、リテーナとバルブ本体に結合され、ハウジングは、バルブ本体とリテーナとの間のダイアフラムの外側部分を圧縮する。

本発明が特定の実施形態に関連して示され説明されてきたが、この明細書及び添付図面を読み、理解したときに均等の代替及び修正が当業者に生じることになることは明らかである。上述された要素（部品、アセンブリ、装置、合成物等）によって実行される様々な機能に特に関連して、そのような要素を説明するために使用される用語（“手段”に言及することを含む）は、本発明のここに図示された実施形態における機能を実行する開示された構造と構造的に均等でなくとも、指定されない限りは、（即ち、機能的に均等な）説明された要素の特定された機能を実行する任意の要素に対応することが意図される。さらに、本発明の特定の特徴は、いくつかの図示された実施形態のうちの一又は複数のみに関連して上述されたかもしれないが、そのような特徴は、任意の所与又は特定のアプリケーションに望まれ且つ有利であり得るように、他の実施形態の一又は複数の特徴と結合され得る。

Claims (12)

1. バルブ（１０）であって、
   バルブシート（３２）によって分離される流入部（４０）と流出部（４２）とを有するバルブ本体（１２）と、
   前記バルブを作動させるためのピストン（２０）に結合される第１端部と、前記バルブを閉止するために前記バルブシートと係合するためのポペット（２８）を有する第２端部と、を有する中央ステム（２３）を有するダイアフラム（２２）と、を有し、
   前記ポペットは、前記ポペットの円形表面（３０）と前記バルブシートとの間の少なくとも二つの接触点（５０／５２，５０´５２´）を有する前記バルブシートで２点シールを形成し、
   前記ポペット（２８）の前記円形表面（３０）は、前記２点シールを提供する凹形表面であり、
   前記凹形表面は、前記円形表面の径方向外側に位置する第１端部と、前記円形表面の径方向内側に位置する第２端部との間を延在し、
   前記少なくとも二つの接触点は、外側シール点と内側シール点を含み、
   前記バルブが閉じたとき、前記凹形表面の前記第１端部が前記バルブシートと接触して前記外側シール点を構成し、前記凹形表面の前記第１端部と前記第２端部の間に位置する部分が前記バルブシートと接触して内側シール点を構成する、バルブ。
2. 請求項１に記載されたバルブ（１０）において、
   前記２点シールは、前記ポペット（２８）の前記円形表面（３０）が前記バルブシート（３２）に対して押圧されたときに、円形シールを形成する一対の点シールを有する、バルブ。
3. 請求項２に記載されたバルブ（１０）において、
   前記一対の点シールは、前記ポペット（２８）の前記円形表面（３０）と前記バルブシート（３２）との間の一対の同心点シールを有する、バルブ。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載されたバルブ（１０）において、
   さらに、前記バルブの内側部分を取り囲むハウジング（１６）を有し、前記ハウジングは、前記ダイアフラム（２２）の外側部分で前記バルブの前記内側部分をシールする態様で、前記バルブ本体（１２）に結合される、バルブ。
5. 請求項４に記載されたバルブ（１０）において、
   前記ハウジング（１６）は、リテーナ（１４）と前記バルブ本体（１２）に結合され、前記ハウジングは、前記バルブ本体と前記リテーナとの間の前記ダイアフラム（２２）の外側部分を圧縮する、バルブ。
6. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載されたバルブ（１０）において、
   さらに、リテーナ（１４）を有し、
   前記ダイアフラム（２２）は、前記中央ステム（２３）から径方向外側に延在するウェブ（２６）をさらに有し、
   前記リテーナは、前記ウェブに隣接した表面（６０）を有し、前記表面は、前記バルブが加圧されたときに前記ウェブが前記表面と接触しないように、前記ウェブから離間する、バルブ。
7. 請求項６に記載されたバルブ（１０）において、
   前記ウェブ（２６）は、前記バルブが加圧されたときに前記リテーナ（１４）の方向に自然位置に向かって外側に膨れ上がる可撓性ウェブであり、それにより前記ウェブ上の応力の集中を最小化する、バルブ。
8. 請求項６又は７に記載されたバルブ（１０）において、
   さらに、前記バルブの内側部分を取り囲むハウジング（１６）を有し、前記ハウジングは、前記ダイアフラム（２２）の外側部分で前記バルブの前記内側部分をシールする態様で前記バルブ本体（１２）に結合される、バルブ。
9. 請求項８に記載されたバルブ（１０）において、
   前記ハウジング（１６）は、前記リテーナ（１４）と前記バルブ本体（１２）に結合され、前記ハウジングは、前記バルブ本体と前記リテーナとの間の前記ダイアフラム（２２）の外側部分を圧縮する、バルブ。
10. バルブ（１０）であって、
    バルブシート（３２）によって分離される流入部（４０）と流出部（４２）とを有するバルブ本体（１２）と、
    前記バルブを作動させるためのピストン（２０）に結合される第１端部と前記バルブを閉止するために前記バルブシートと係合するための円形表面（３０）を有する第２端部とを有する中央ステム（２３）と、前記中央ステムから径方向外側に延在するウェブ（２６）と、を有するダイアフラム（２２）と、
    リテーナ（１４）と、を有し、
    前記リテーナは前記ウェブに隣接する表面（６０）を有し、前記リテーナの前記表面は、前記バルブが加圧されたときに前記ウェブが前記リテーナの前記表面に接触しないように前記ウェブから離間し、
    前記ウェブ（２６）は、前記バルブが加圧されたときに前記リテーナ（１４）の方向に自然位置に向かって外側に膨れ上がる可撓性ウェブであり、それにより前記ウェブ上の応力の集中を最小化する、バルブ。
11. 請求項１０に記載されたバルブ（１０）において、
    さらに、前記バルブの内側部分を取り囲むハウジング（１６）を有し、前記ハウジングは、前記ダイアフラム（２２）の外側部分で前記バルブの前記内側部分をシールする態様で、前記バルブ本体（１２）に結合される、バルブ。
12. 請求項１１に記載されたバルブ（１０）において、
    前記ハウジング（１６）は、前記リテーナ（１４）と前記バルブ本体（１２）に結合され、前記ハウジング（１６）は、前記バルブ本体と前記リテーナとの間の前記ダイアフラム（２２）の外側部分を圧縮する、バルブ。

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