JP2007506926A - 制御弁 - Google Patents

Abstract

【解決手段】制御弁（１００）は、弾性流管（１２６）、第１及び第２端部を有するプランジャ（１２４）、前記プランジャ（１２４）の第１端部に接続されているピンチ部材（５０２）を含んでいる。ピンチ部材（５０２）は、流管に隣接して配置されている。基準面（１２８）は、ピンチ部材（５０２）のほぼ反対側に配置されており、弾性管（１２６）をピンチ部材（５０２）と基準面（１２６）の間で絞り、流管を通る流体の流れを制御できるようになっている。第１ガイドばね（５１１）は、ピンチ部材（５０２）と、プランジャ（１２４）の第１端部の間に配置されており、第２ガイドばね（５１０）は、プランジャ（１２４）の第２端部に隣接して配置されている。減衰器（５５２、５５４、５５６）は、プランジャに接続されている。更に、圧力封入部材（１３０）は、流管の少なくとも一部の周りに配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、概括的には、流体の流れ及び制御に関しており、より具体的には、摩擦を低減したガイド機構を有するピンチ弁に関する。

本出願は、２００３年３月２８日出願の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／０９３８１号の一部継続出願であり、これは米国を指定し、２００２年４月１日出願の米国仮特許出願第６０／３６９，４９３号に対する優先権を請求する。これら両方の出願を、参考文献としてここに援用する。

流体流制御システムは、一般的に、流れセンサー、制御弁、比例積分微分（ＰＩＤ）制御器のような制御器、という３つの構成要素で構成されている。典型的な流体流制御システムは、流れセンサーが感知する流れが所望値又は設定値の流れと一致するまで、制御弁の開度を変えることによって機能する。制御弁は、所望の制御の近似状態を実現するために、極少量づつ調整しなければならないことが多い。

半導体、薬剤及び生物工学のような多くの産業界は、一般的に低流量で、研磨性化学流体を使用し、腐食性化学流体を使用し、且つ汚染の無い、正確で、小型で、リアルタイムの流体制御及び送出システムの必要性があるために、流体制御問題を抱えている。

例えば、懸濁固体粒子と反応剤を含む超純粋流体を、ウェーハ表面と研磨パッドの間に加えることによって半導体のウェーハの表面を平坦にする処理を含む化学的機械的平坦化（ＣＭＰ）は、半導体業界では重要な処理である。殆どの場合、研磨パッドは、表面を平坦化するため、半導体に対して制御された速度で回転する。ウェーハを過剰に研磨すると、重要なウェーハ構造を変化させ又は除去することになる。逆に、ウェーハの研磨が不足すると、受容できないウェーハになる。ウェーハの研磨率は、流体の送出率と、研磨作業中に送出される流体の総量とに依るところが大きい。

流体流の正確な制御と汚染の無い環境を必要とする半導体業界で用いられるもう１つの処理は、フォトリソグラフィ処理である。当該技術では既知のように、フォトリソグラフィは、レジスト又はフォトレジストとして知られている感光性ポリマーをウェーハ表面に塗布する処理である。ウェーハ表面に製作される構造のパターンを含むフォトマスクは、レジストで被覆されたウェーハと光源の間に配置される。光は、レジストポリマーを弱体化するか、強化するかの何れかによって、レジストと反応する。レジストを光に曝した後、ウェーハは、弱体化されたレジストを取り除く流体化学薬品を塗布することによって現像される。パターンを正しく転写するには、正確で反復可能なレジストの送出が欠かせない。レジストは、どの様な表面上の「汚れ」でも最終的なパターンに欠陥を引き起こすことになるので、汚染されていてはならない。

この処理の修正版では、ウェーハ表面に新しい液体のホストを塗布して、最終的な半導体の一体の部分となる薄膜を作っている。これらの薄膜の主な役割は、導電性ワイヤーの間の絶縁体として作用することである。様々な「スピンオン」材料が、様々な化学的組成及び物理的特性で評価されている。フォトリソグラフィ処理とスピンオン堆積の重要な違いは、薄膜内の（空隙、気泡又は粒子のような）どの様な欠陥も、半導体の構造の中に永久に埋め込まれ、機能しない装置となって、半導体製造元にとって経済的損失となりかねないことである。

これら両方の処理は、「トラック」と呼ばれるツールで行われる。トラックの目的は、静止、又は低速で回転しているウェーハ表面に、正確な量の流体を塗布することである。液体を適切な構造に変換するため、追加の化学薬品処理段階が用いられることもある。液体を塗布した後、ウェーハの回転速度は迅速に上げられ、ウェーハ表面の液体がエッジから飛ばされる。非常に薄くて一様な厚さの液体が、ウェーハの中心からエッジまで残る。液体の厚さに影響を与える変数には、レジスト又は誘電体の粘度、レジスト又は誘電体の溶剤の濃度、供給されたレジスト／誘電体の量、供給速度などが含まれる。

トラックは、更に、液体を塗布した後で、ベーキング処理を使って液体をポリマーに変え、同時に薄膜内のあらゆる溶剤を取り除く追加の処理段階を提供する。トラックは、更に、ウェーハの回りの環境を制御し、湿度又は温度の変化と化学薬品による汚染が、薄膜の性能に影響を与えるのを防ぐ。トラックシステムの性能は、空隙、気泡及び粒子により生じる薄膜内の欠陥を最小にすることに加えて、ウェーハ表面に送出される液体の精度と反復性で決まる。

従って、流体制御要素は、そのようなシステムの、処理流体の適切な送出を保証するための重要な構成要素である。ピンチ弁は、そのようなシステムの液体制御弁に用いられ、効率的で小型の、高純度の流体の制御装置を提供する。具体的には、ソレノイド作動式ピンチ弁は、細かに流体を制御するための経費効率の良い手段を提供する。そのような弁は、通常、互いに対して滑動する部品を組み込んだガイド機構を有している。どの様な滑動機構でも、ある有限の摩擦がある。滑動部品が低摩擦材料で作られていても、ある程度の摩擦はある。この摩擦が、ピンチ弁のスティックスリップ運動を引き起こし、流れ制御の精度に影響を与える。

本出願は、この先行技術に伴う欠点に取り組んでいる。

本開示の態様によれば、制御弁は、弾性流管と、第１及び第２端部を有するプランジャと、前記プランジャの第１端部に接続されているピンチ部材と、を含んでいる。ピンチ部材は、流管に隣接して配置されている。基準面がピンチ部材のほぼ反対側に配置されており、ピンチ部材と基準面の間で弾性管を絞って、流管を通る流体の流れを制御するようになっている。第１ガイドばねは、ピンチ部材とプランジャの第１端部の間に配置されており、第２ガイドばねは、プランジャの第２端部に隣接して配置されている。ガイドばねは、貫通する渦巻きスロットを画定している平坦な円板である。

作動器は、プランジャを調整してピンチ部材を基準面に対して選択的に配置し、細かな流れの制御ができるように、プランジャを収容している。プランジャ伸張部は、一端がプランジャから伸張し、第１ガイドばねに当接するように、プランジャに収容されている。プランジャ伸張部の他端は、プランジャから伸張し、第２ガイドばねに当接している。

或る代表的な実施形態では、減衰器がプランジャに接続されている。減衰器は、中に開口部を画定している第１部材と、開口部に滑動可能に収容されている第２部材とを有しており、第１部材と第２部材の間に空気経路となる間隙ができるようになっている。減衰器の第２部材は、貫通する開口部を有するばねカップで、ばね保持器がばねカップ開口部の隣に配置されている。予荷重ばねが、ばねカップ開口部を通って伸張し、ばね保持器に着座している。更に、圧力封入部材が、流管の少なくとも一部分の周りに配置されている。

開示の別の態様では、流れ測定及び制御装置は、ここに記載している制御弁を使用している。例えば、流れ測定及び制御装置は囲壁を含んでおり、流れ測定装置が囲壁内に配置されている。弾性流管は、流れ測定装置と流体連通している。プランジャは、プランジャに接続され、流管に隣接して配置されているピンチ部材を有している。基準面がピンチ部材のほぼ反対側に配置されており、ピンチ部材と基準面の間で弾性管を絞り、流管を流れる流体を制御するようになっている。第１ガイドばねは、ピンチ部材とプランジャの第１端部の間に配置されており、第２ガイドばねは、プランジャの第２端部に隣接して配置されている。

制御器は、流れ測定装置から測定出力信号を受け取り、設定値信号と測定出力信号に応じてピンチ弁に制御出力信号を提供し、ピンチ弁を基準面に対して調整して、必要に応じて流管を通って流れる流体を制御し、測定された流れと設定値の流れの間の誤差を低減する。或る実施形態では、流れ測定装置は、コリオリ質量流れ測定装置である。

本発明のこの他の目的及び利点は、以下の詳細な説明を読み、図面を参照すると明らかになるであろう。

本発明は、様々に修正を加え、別の形態を取ることもできるが、その特定の実施形態を例として図に示しここに詳細に説明する。しかしながら、ここで特定の実施形態に対して行う説明は、開示する具体的な形態に本発明を限定する意図はなく、むしろ、本発明は、特許請求の範囲に定義する本発明の精神と範囲に入る全ての修正、等価物、代替案を包含するものと理解されたい。

本発明を例証する実施形態を、以下に説明する。説明を分かり易くするため、実際の実施例の全ての特徴についてこの明細書で説明するわけではない。勿論、そのような実際の実施形態の展開においては、システム関連及び事業関連の拘束条件に従うなどのような開発者の具体的な目標を達成するため、数多くの実施例特有の判断が行われ、それが実施例毎に変わるものと理解頂きたい。更に、そのような開発の努力は、複雑で時間も掛かるものと理解頂きたく、本開示の利点を享受する当業者にとっては、日常的に行われていることであろう。

本発明の或る実施形態によるピンチ弁１００を、図１に概念的に示している。作動器１２２は、弾性管１２６の隣に配置されている。ピストン又はラムの形態をした弁プランジャ１２４は、作動器１２２によって、管１２６を基準面１２８に対して選択的に絞るか又は摘むように動かされるので、流体が通って流れる開口部１２９の寸法が変わる。流管１２６は、流れを制御するためプランジャ１２４と基準面１２８の間で圧縮できるように、比較的柔らかい材料で作られている。幾つかの例では、柔らかい流管材料は、強度が低いために、圧力の格付けが低い。圧力封入部材１３０は、管１２６の圧力格付けを上げるため、管１２６の少なくとも一部分の周りに配置されている。

例えば半導体、薬剤及び生物工学産業に関係する多くの用途では、使用されている化学薬品の純度を守るため、流体送出システムの流路（処理流体で濡れている全表面）を、純度が高く、化学的に不活性で耐性のある材料で作る必要がある。様々な機械的及び化学的処理によって金属の流管から金属イオンが浸出され又は取り出されると、半導体ウェーハの製作工程で使用される超高純度の化学薬品が汚染されかねないので、プラスチックが望ましい。プラスチック材料は、広範な処理材料に対して耐腐蝕性がある。高純度のプラスチックは、一般的に、望ましくないイオンが処理材料に移るのを防ぐので、これらの産業で使用される。加えて、プラスチック流管の製造に固有の滑らかな表面仕上げは、バクテリアが管に付着して、流体を有機物質で汚染する可能性を低減する。

そのような高純度の用途では、管１２６は、高純度のエラストマー又はプラスチックで作られているのが望ましい。シリコン（架橋結合したポリシロキサン）は、化学的耐性があり、適切な化学的特性を有しているので、適した高純度エラストマーである。この他、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル、タイゴン）及びポリプロピレン及びフッ化炭素ゴム（ヴァイトン）も、適した管材料である。ＰＶＤＦやＰＴＦＥのような様々なフッ化ポリマーも適している。例えば、ＰＦＡ、ＰＦＡ材料を含む混合物、及びシリコンは、高純度用途の管１２６に適した材料である。更に、弁１００の代表的な実施形態では、流れない流体が集まる場所も、流体中に粒子を作りかねない滑動又は摩擦部分も無いので、開示している設計は、高純度用途に特に良く適している。

管は可撓性なので、管壁を、壁内のどの様な捕捉された粒子又は欠陥の回りにでも沿わせ、密閉シールを形成することができる。流路は、真っ直ぐで、圧力降下と乱流を最小に抑えている。半導体の研磨作業のような高純度用途の場合、流体は、流管１２６とだけ接触して、他の弁部品の磨耗又は腐食を防ぎ、処理流体の汚染を防ぐ。

図２は、本発明の或る実施形態によるピンチ弁２００を示しており、圧力封入部材は、流管１２６を取り囲む編組スリーブ２３０を備えている。幾つかの実施形態では、編組スリーブは、流管１２６全体を取り囲んでいる。図３は、ピンチ弁２０１の一部を概略的に示しており、編組スリーブ２３０の一部２３２が取り除かれている。図３に示す実施形態では、スリーブ２３０の除去部分２３２は、弁プランジャ１２４に隣接しているので、弁プランジャ１２４は、圧力封入スリーブ２３０ではなく流管１２６に直接接触している。

一般的に、編組スリーブ２３０は、弁２０１の作動に干渉しない。しかしながら、編組スリーブ２３０に用いられている或る種の材料は、弁プランジャ１２６が、材料を永久変形させるほど長くスリーブ材料に対して押し付けられると、永久硬化する。スリーブがそのような変形した形状になれば、制御の問題を引き起こす。例えば、弁が、流管１２６とスリーブ２３０をプランジャ１２６が長時間圧縮するノーマルクローズの構成を取っている場合、この種の変形が起こる。図示の場所にあるスリーブ２３０の部分２３２を取り除くと、編組スリーブ２３０の圧力封入特性を維持しながら、プランジャ１２６が流管１２６に直接接触できるようになる。スリーブ材料は、所望の開口形状を実現するため、機械的に（はさみ、カッターなどで）切断され、或いは（材料のほぐれを防ぐために）熱的に切断される。この様に、スリーブ２３０は、管１２６の「ホルダー」として作用する。スリーブ２３０は、更に、流管１２６に圧力封入特性を付与し、ピンチ弁本体内に含まれている流管１２６の部分の上がった圧力格付けを維持する。

図４は、本発明の別の代表的な実施形態によるピンチ弁３００を示している。ピンチ弁３００では、圧力封入部材は、流管１２６の周りに配置されている複数のリング３３０を備えている。或る特定の実施形態では、１ｍｍ幅のポリプロピレン製のリングが、作動器１２２の両側の流管１２６の上に、空間を空けて配置されている。

別の実施形態では、圧力封入部材は、流管１２６の周りに配置されている１つ又は複数の剛性部材を備えている。例えば、流管１２６は、圧力を封入するために、そのような剛性構造体によって画定された穴に挿入されている。そのような実施形態では、圧力封入部材が流管を取り囲んでいる。しかしながら、管全体が圧力封入部材に入っていなければならないというわけではない。管の半分以上が取り囲まれている場合は、或る程度の圧力封入性能が実現できる。

図５は、２部品からなる剛性部材を使用する本発明の代表的実施形態によるピンチ弁４００を示している。ピンチ弁４００は、上側及び下側部材４３１、４３２を含む「クラムシェル」型圧力封入部材４３０を含んでいる。図６は、下側部材４３２を示しており、上側部材４３１も同様である。図７は、弁４００を示しており、圧力封入部材４３０の上側部材４３１だけが所定の位置に配置されている。上側及び下側部材４３１、４３２は、それぞれ、流管１２６の形状に概ね対応する溝４４０を画定しており、上側及び下側部材４３１、４３２が流管１２６の周囲を挟むと、溝４４０の中に流管１２６が入って、圧力封入性能を提供する。

図示の実施形態では、上側及び下側部材４３１、４３２は、更に、作動器１２２の下側部分を収容する開口部４４２を画定している。上側及び下側部材４３１、４３２は、圧力封入部材４３０を形成するため、適切な手段によって一体に保持される。ピンチ管１２６に０．２５インチのシリコン管を使い、クラムシェル型圧力封入部材４３０を備えた、或る実施形態で行って試験では、ピンチ管１２６は、圧力が２００ｐｓｉｇを超えるまで破裂しなかった。先に述べたように、２部品のクラムシェル型装置が一般的であるが、剛性圧力封入部材は、単一の部材、又は幾つかの部材で構成してもよい。

既知のピンチ弁の動作は、通常は、オン及びオフの２位置安定動作である。既知のピンチ弁には、多回転ハンドルを備えた手動作動器を有しているものもあるが、この型式の弁は、閉ループ流れ制御に資するものではない。別のピンチ弁は、分与される物質の量を弁が作動する時間で制御する、バッチ処理で分与する用途に用いられられる。これでは、流量を連続して動的に制御することはできない。

２つの状態のみを有する弁は、弁作動器に変動する電流又は電圧を印加することによって制御することができる。或る実施形態では、弁を制御するのにパルス幅変調（ＰＷＭ）が用いられている。ＰＷＭは、弁の機械的応答周波数を越える周波数で方形波信号を生成することによって実現される。信号のデューティサイクルは、装置に送られる適切な電圧又は電流を求めるために変えられる。例えば、ＰＷＭ信号が０−１２ボルトの間で作動する場合、０％デューティサイクル＝０ボルトであり、５０％デューティサイクル＝６ボルトであり、１００％デューティサイクル＝１２ボルトである。信号は弁の機械的応答周波数を越える周波数なので、「平均化」が起こる。弁の位置は、供給される平均電流に基づいている。結果として生じる供給電圧は、信号のパルス幅に比例する。

信号周波数が低すぎる場合、弁には、オン及びオフ信号に完全に応答する時間があるので、パルス状の流れ出力が発生し、一般的には望ましくない。代表的なピンチ弁の作動器はソレノイドで、ソレノイドを閉じるのに必要な電流を決める予荷重調整を行ったばね要素を有している。弁ばねの予荷重を調整すると、弁の制御範囲が改良される。別の実施例では、ソレノイドプランジャ要素は、ばね懸垂式プランジャと置き換えられる。ばね懸垂式プランジャは、摩擦による非線形弁応答を最小にし、入手可能なソレノイド作動式ピンチ弁に共通なヒステリシス及び不感帯を最小にする。

ＰＷＭ制御式ソレノイドに対する別の方策は、制御された決定論的角回転を、ウォームギヤ型装置で線形ラム駆動に変換するステッパモーター作動器を使用することである。ステッパ制御器は、アナログ信号入力に比例する特定数の段階を作るよう設計されている。バックラッシュと、その結果必然的に生じる弁のヒステリシスは、バックラッシュを最小化する幾つかの適切なウォームギヤの設計によって最小化することができる。ステッパモーターは、一般的に、ピンチ管内に変化を引き起こす温度及び圧力変動に対する免疫性を提供する。ステッパモーターは、位置を制御する手段なので、ステッパーは、ピンチ管内の変化に対して免疫がある。ピンチ弁では、ピンチ管はシステムの一体の部分であり、弁作動器に電流が加えられ、力がピンチ管に掛かり、管が摘まれる。温度又は圧力のために管の特性が変化すると、管を閉じる量、従ってソレノイドの流量が変わる。更に、ステッパ作動器は、最終位置に留まり、流体送出サイクルの開始時に設定値を実現することに迅速に応じる。

本発明の別の代表的な実施形態による制御弁５００の斜視図を、図８に示している。代表的な弁５００は、ソレノイド起動ピンチ弁である。ここに開示し図示している別の弁と同様に、弁５００は、弾性流管１２６に隣接して配置されているピンチ部材５０２（図８に図示せず）を選択的に動かす作動器１２２に収容されているプランジャ１２４（図８に図示せず）を含んでいる。基準面１２８は、ピンチ部材のほぼ反対側に配置されており、ピンチ部材と基準面１２８との間で弾性管１２６を絞り、流管１２６を通る流体の流れを制御するようになっている。流管１２６は、図５−７に示しているのと同様の上側及び下側部材４３１、４３２を含む圧力封入部材４３０の中に入っている。弁５００では、上側部材４３１は、弁本体５４０と一体である。基準面１２８は、下側部材４３２に収容されている。図８に示している代表的な弁５００は、クラムシェル型圧力保持部材４３０を使用しているが、図２−４に関連して図示し説明した装置のような他の圧力封入装置を使用してもよい。

図９は、制御弁５００の分解図であり、図１１と１２は、それぞれ、弁５００の閉位置と開位置を示す断面図である。作動器１２２は、貫通する軸方向の穴５０６を画定するソレノイドヨーク及びコイルアッセンブリ５０４を含んでいる。弁５００は、プランジャ１２４の相対する両端に配置されている上側及び下側ガイドばね５１０、５１１を含んでいる。

図示の実施形態では、ピンチ部材５０２は、プランジャ伸張部５１２によってプランジャ１２４の一方の端部に接続されている。これにより、両ガイドばね５１０、５１１は、変形することなくピンチ弁の必要な行程に対処できる適切な直径とすることができる。ガイドばね５１０、５１１は、平坦な円板で、中に一連の渦巻きスロットが形成され、半径方向には剛性が高く、軸方向には剛性が低いばねになっている。下側のガイドばね５１１は、ソレノイド軸と同心である弁本体５４０の皿孔に嵌り込む。下側ガイドばね５１１の外側部分は、弁本体５４０とスペーサーリング５４２の間にクランプされ、スペーサーリング５４２は、コイル及びヨークアッセンブリの穴５０６に入っている弁ステム５４４で保持される。整列ピン５４６は、組み立てる間に、ピンチ部材バー５０２をピンチ管１２６に対し垂直に維持する。ガイドばねは、プランジャ１２４を弁ステム５４４の中心に維持するので、プランジャ１２４と弁ステム５４４の間の滑動摩擦は無くなる。

図示の実施形態では、ピンチ部材５０２は、下側ガイドばね５１１の一方の側に配置され、下側ガイドばね５１１の反対側に配置されているプランジャ伸張部５１２に取り付けられている。プランジャ伸張部５１２は、プランジャ１２４とプランジャ伸張部５１２が剛体のアッセンブリとなるように、プランジャ１２４に入っている。プランジャ１２４とプランジャ伸張部５１２は、プランジャ伸張部５１２が弁ステム５４４の中心を貫通するように、弁ステム５４４に入っている。弁ステム５４４は、ヨーク保持器５４８とスペーサーリング５５０によってコイル及びヨークアッセンブリの穴５０６内に保持される。ヨーク保持器５４８は、更に、上側ガイドばね５１０をヨーク保持器５４８と上部保持器５５２の間にクランプするための平面を提供している。

ばね保持器５５４とばねカップ５５６は、上側ガイドばね５１０の一方の側に配置されている。プランジャ伸張部５１２の上側の端部は、上側ガイドばね５１０の反対側に位置しており、ばね保持器５５４に接続され、上側ガイドばね５１０をプランジャ伸張部５１２に締結している。減摩擦座金５５８は、組み立てる間にねじれるのを防ぐため、上部保持器５５２と上側ガイドばね５１０の間に挿入されている。予荷重ばね５６０は、上部保持器５５２内の穴に挿入され、ばねカップ５５６に当たっている。予荷重ばね５６０によって加えられる閉鎖力の量は、調整ねじ５６２で調整される。

２つのガイドばね５１０、５１１を、伸張するプランジャ１２４、５１２の各端部に配置していることによって、その動きが常に弁ステム５４４の軸上にあるように拘束されるので、可動部品の間の滑動接触が防止される。

長くて細い予荷重ばねは、従来型のピンチ弁設計に組み込まれていることが多い。これらのばねは、正常な荷重の下でしばしば座屈する。ばねのこの座屈を防ぐために、ばねは、通常、穴の中に閉じ込められている。しかしながら、ばねは、穴とこすれて、弁の作動に望ましくない摩擦を引き起こすことになる。図示の弁５００の予荷重ばね５６０は、比較的短いばねなので、座屈せず、穴の中に支持する必要が無い。これにより、この構成要素から望ましくない摩擦が取り除かれる。

先行技術の弁に付帯する多くの摩擦の源は、開示している弁５００では取り除かれているので、弁は、流体の流れから生じる自己誘導性の振動をする傾向がある。ソレノイドの動きの摩擦は、通常、そのような振動を減衰させる。代表的な弁５００は、システムに摩擦を加えることなく、これらの振動を停止させる減衰器を含んでいる。

図１２と１３は、それぞれ、閉位置と開位置にある弁５００の上側部分を示している。ばねカップ５５６は、上部保持器５５２の中に入っていて、両者の間には小さな間隙がある（ばねカップ５５６の直径は、ばねカップ５５６が入っている上部保持器５５２の穴の直径より小さい）。従って、上部保持器５５２、ばねカップ５５６及びばね保持器５５４は、振動を低減又は防止する減衰器として作用する。図１２に示すように、ばねカップ５５６の上方の空間５７０内には空気が閉じ込められている。弁ステム５４４が動くと、ばねカップ５５６は、上部保持器５５２内で滑動する。ばねカップ５５６が、図１２に示している位置から図１３に示している位置まで上向きに滑動すると、空間５７０の領域は少なくなるので、閉じ込められていた空気は、この小さな間隙を通過しなければならず、弁ステム５４４の動きに抵抗する圧力差が生じる。抵抗力は弁ステム５４４が動いているときにだけ存在し、比較的ゆっくり動く（約１Ｈｚ）ときだけに関係する弁５００の細かい制御特性には影響を及ぼさない。抵抗力は、動きの速度と共に急激に上昇し、従って、高速度（＞１０Ｈｚ）では効果的な減衰器となる。

図１４と１５は、ここに開示し図示しているピンチ弁５００のようなピンチ弁を使用している流れ測定及び制御装置１１０を概略的に示している。測定及び制御装置１１０は、流体入口及び出口１０２、１０３を有する囲壁１０１を含んでいる。流れ測定装置１１２は、囲壁１０１内に配置されている。代表的な実施形態では、流れ測定装置１１２は、コリオリ質量流量計を備えている。

高純度用途では、流量計１１２は、望ましくない（例えば、金属）イオンが処理材料に入り込むことによって生じる処理流体の汚染を防ぐために、高純度プラスチック材料で作られた流管を有しているのが望ましい。適した高純度プラスチック材料には、ＰＦＡ、ＰＶＤＦ及びＰＴＦＥが含まれる。先に述べたように、ピンチ弁５００は、イオンが処理材料に入り込むのを防ぐため、高純度プラスチック材料で作られた構成要素を含んでいる。図１４のブロック図では、弁５００は、完全に囲壁１０１内に配置されるように図示されている。実施形態の中には、図２、４及び５に示す実施形態でのように、弁の一部又は弁全体が、囲壁１０１の外側表面に取り付けられているものもある。

制御器１１４は、設定値信号と、流量計１１２からの出力信号を受け取る。制御器１１４は、流量計からの信号を調整及び処理し、設定値と測定された流量の比較に基づいて処理材料の流量を変えるため制御信号をピンチ弁５００に出力する。制御器１１４への設定値の入力は、通常は、０−５Ｖ、４−２０ｍＡの信号又はデジタル信号のような電子信号である。空力設定値インターフェースを使用してもよい。適した設定値生成器は、ペンシルバニア州ヨークのＲｅｄ Ｌｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ社から入手可能なモデルＰ４８プロセス制御器である。

制御器１１４は、更に、追加の信号が制御器１１４に送られる、弁オーバーライドとして一般的に知られている機構を有している。このオーバーライド信号は、制御器１１４に設定値を無視させ、弁５００を一杯に開かせるか又は閉じさせる。この機構は、しばしば、流れを遮断するか、又はシステムから流体を抜くために用いられる。図１４では、制御器１１４は、囲壁１０１の内側に配置され、完全に一体となった流れ制御システムを提供しているように図示されている。しかしながら、別の実施形態では、制御器１１４は、囲壁１０１の外側にある。

ピンチ弁５００は、装置１１０を通る流れを調整し、配管圧力の変化に対する緩衝器にもなる。弁５００は、図１４に示すように質量流量計１１２の上流か、或いは図１４に示している実施形態でのように下流の何れに配置してもよい。一般的に、使用中に圧力の変化が最大になる側に弁５００を配置することが望ましい。そうすると、圧力の変化及び変動から流量計１１２を保護する助けとなる。

上に開示した具体的な実施形態は説明のみを目的としており、本発明は、ここに述べた教示の恩恵を被る当業者には自明のように、異なるが等価な方法で修正し実施することができる。更に、特許請求の範囲に記載している以外に、ここに示している構造又は設計の詳細に限定する意図はない。従って、上に開示している具体的な実施形態には変更又は修正を加えることができ、そのような全ての変形例も本発明の範囲と精神の中にあると考えられるのは明らかである。従って、ここで求める保護は、特許請求の範囲に記載する通りである。

本発明の代表的な実施形態によるピンチ弁を概略的に示したブロック図である。 本発明の或る実施形態による、編組スリーブ圧力封入部材を含むピンチ弁を図示している。 図３に示すピンチ弁の一部を概念的に示しており、編組スリーブの一部が取り除かれている。 本発明の別の実施形態による、圧力保持のためピンチ管の周りに配置されたリングを含むピンチ弁を図示している。 本発明の別の実施形態による、クラムシェル型圧力封入部材を含むピンチ弁を図示している。 図５に示すクラムシェル型圧力封入部材の一部分の斜視図である。 図５の弁を、クラムシェル型圧力封入部材の一部を取り除いて示している。 本発明の別の代表的な実施形態によるピンチ弁の斜視図である。 図８に示すピンチ弁の分解図である。 図８と図９に示すピンチ弁の断面図であり、弁が開いた状態を示している。 図８と図９に示すピンチ弁の断面図であり、弁が閉じた状態を示している。 図１１に示す弁の上部を示す断面図である。 図１０に示す弁の上部を示す断面図である。 本発明の代表的な実施形態によるピンチ弁を使用している流れ測定及び制御装置を示すブロック図である。 本発明の別の代表的な実施形態によるピンチ弁を使用している流れ測定及び制御装置を示すブロック図である。

Claims (28)

1. 弾性流管と、
   第１及び第２端部を有するプランジャと、
   前記プランジャの前記第１端部に接続され、前記流管に隣接して配置されているピンチ部材と、
   前記ピンチ部材のほぼ反対側に配置されている基準面であって、前記弾性管を前記ピンチ部材と前記基準面の間で絞り、前記流管を通る流体の流れを制御するようになっている基準面と、
   前記ピンチ部材と前記プランジャの前記第１端部の間に配置されている第１ガイドばねと、
   前記プランジャの前記第２端部に隣接して配置されている第２ガイドばねとを備えている、制御弁。
2. 前記プランジャを調整して、前記ピンチ部材を前記基準面に対して選択的に配置するため、前記プランジャを収容している作動器を更に備えている、請求項１に記載の制御弁。
3. 第１及び第２端部を有するプランジャ伸張部であって、前記プランジャに収容されており、前記プランジャ伸張部の前記第１端部は、前記プランジャの前記第１端部から伸張して、前記第１ガイドばねの第１の側に当接している、プランジャ伸張部を更に備えている、請求項１に記載の制御弁。
4. 前記ピンチ部材は、前記プランジャ伸張部の前記第１端部に取り付けられており、前記第１ガイドばねの、前記第１の側とは反対の第２の側に隣接して配置されている、請求項３に記載の制御弁。
5. 第１及び第２端部を有するプランジャ伸張部であって、前記プランジャに収容されており、前記プランジャ伸張部の前記第２端部は、前記プランジャの前記第２端部から伸張して、前記第２ガイドばねの第１の側に隣接している、プランジャ伸張部を更に備えている、請求項１に記載の制御弁。
6. 前記プランジャの前記第２端部に減衰器が接続されている、請求項１に記載の制御弁。
7. 前記減衰器は、中に開口部を画定している第１部材と、前記開口部に滑動可能に収容されている第２部材とを含んでおり、前記第１部材と前記第２部材の間に空気経路となる間隙ができるようになっている、請求項６に記載の制御弁。
8. 前記減衰器は、前記第２ガイドばねの、第１の側とは反対の第２の側に隣接して配置されている、請求項６に記載の制御弁。
9. 貫通する開口部を画定しているばねカップと、
   前記ばねカップの開口部の端部に隣接する第１の側と、第２の側とを有しており、前記第２ガイドばねの、前記第１の側とは反対の第２の側に当接しているばね保持器と、
   前記ばねカップ開口部に収容され、前記ばね保持器内に着座している予荷重ばねと、を更に備えている、請求項５に記載の制御弁。
10. 前記ばねカップは、前記プランジャ伸張部の前記第２端部に取り付けられている、請求項９に記載の制御弁。
11. 前記第１ガイドばねは、貫通する渦巻きスロットを画定している平坦な円板を備えている、請求項１に記載の制御弁。
12. 前記第２ガイドばねは、貫通する渦巻きスロットを画定している平坦な円板を備えている、請求項１に記載の制御弁。
13. 前記作動器は、前記プランジャを収容する弁ステムを含んでいる、請求項２に記載の制御弁。
14. 前記第１ガイドばねは、前記作動器の第１端部と前記弁ステムの第１端部の間にクランプされている、請求項１３に記載の制御弁。
15. 前記流管の少なくとも一部の周りに配置された圧力封入部材を更に備えている、請求項１に記載の制御弁。
16. 前記圧力封入部材は編組スリーブを備えている、請求項１５に記載の制御弁。
17. 前記圧力封入部材は複数のリングを備えている、請求項１５に記載の制御弁。
18. 前記圧力封入部材は、前記流管の少なくとも一部を収容する剛性部材を備えている、請求項１５に記載の制御弁。
19. 前記剛性部材は、前記流管の周りを挟んでいる第１及び第２部材を備えている、請求項１８に記載の制御弁。
20. 弾性流管と、
    第１及び第２端部を有するプランジャと、
    前記プランジャの前記第１端部に接続され、前記流管に隣接して配置されているピンチ部材と、
    前記ピンチ部材のほぼ反対側に配置されている基準面であって、前記弾性管を前記ピンチ部材と前記基準面の間で絞り、前記流管を通る流体の流れを制御するようになっている、基準面と、
    前記プランジャをガイドするために、前記プランジャの前記第１及び第２端部に配置されている手段とを備えている、制御弁。
21. 前記流管の圧力を封入するための手段を更に備えている、請求項２０に記載の制御弁。
22. 前記プランジャの振動を減衰するための手段を更に備えている、請求項２０に記載の制御弁。
23. 囲壁と、
    前記囲壁内に配置されている流れ測定装置と、
    前記流れ測定装置と流体連通している弾性流管と、
    第１及び第２端部を有するプランジャと、
    前記プランジャの前記第１端部に接続され、前記流管に隣接して配置されているピンチ部材と、
    前記ピンチ部材のほぼ反対側に配置されている基準面であって、前記弾性管を前記ピンチ部材と前記基準面の間で絞り、前記流管を通る流体の流れを制御するようになっている、基準面と、
    前記ピンチ部材と前記プランジャの前記第１端部の間に配置されている第１ガイドばねと、
    前記プランジャの前記第２端部に隣接して配置されている第２ガイドばねとを備えている、流れ測定及び制御装置。
24. 前記流れ測定装置はコリオリ質量流れ測定装置である、請求項２３に記載の流れ測定及び制御装置。
25. 前記プランジャを調整して、前記ピンチ部材を前記基準面に対して選択的に配置するために、前記プランジャを収容している作動器と、
    前記流れ測定装置から測定出力信号を受け取る制御器であって、設定値信号と前記測定出力信号に応じて制御出力信号を前記ピンチ弁作動器に提供する制御器と、を更に備えている、請求項２３に記載の流れ測定及び制御装置。
26. 前記弾性流管と、前記プランジャと、前記ピンチ部材と、前記基準面と、前記第１及び第２ガイド管は、前記囲壁内に配置されている、請求項２３に記載の流れ測定及び制御装置。
27. 前記プランジャの前記第２端部に接続されている減衰器を更に備えている、請求項２３に記載の流れ測定及び制御装置。
28. 前記流管の少なくとも一部の周りに配置されている圧力封入部材を更に備えている、請求項２３に記載の流れ測定及び制御装置。

Images