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【発明の名称】 高性能ポペット弁体及び弁座の組立体
【発明者】 【氏名】トーマス ジェイ．シーバース

【氏名】マリオ フレゴソ
【要約】 【課題】高効率動作及びゼロ流体滞留をもたらす一方で、高い漏れ防止機構をもたらすこと。

【解決手段】ポペット弁体の外径終端縁を区画形成するフランジ１２８は、フランジから軸線方向に突出する舌部１３２を有している。ダイヤフラムは、ポペット弁体３２の頭部回りに半径方向に延在し、フランジに関するポペット弁体の頭部の動作ができるようにポペット弁体の頭部とフランジとの間に介在する。ポペット弁体の頭部とフランジとダイヤフラム３４とは一体構造部材で、本組立体は、ポペット弁体に隣接対向して位置する円形の弁座３６を具備している。弁座は、約２から３０度の範囲で弁座の放射軸線方向において半径内方向に向けて上方向に傾斜するポペット弁体接触表面４０を有し、ポペット弁体表面及び弁座表面は相互に作用して本組立体の着座及び非着座動作を行う。加えて、ポペット弁体及び弁座の接触表面は、不必要なものが一掃される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 流体を扱う装置に使用されるポペット弁体及び弁座の組立体であって、ポペット弁体と円形ポペット弁体弁座とを具備し、前記ポペット弁体は、一方のポペット弁体端部における円形無孔頭部及びポペット弁体アクチュエータとの接続に適した反対側端部と、８から２５度の範囲内の角度で前記頭部から半径外方向に向けて上方向に傾斜する前記頭部の外側表面に沿う弁座接触表面と、前記頭部回りに半径方向に延在して前記ポペット弁体の外径終端縁を区画形成するフランジであって、前記フランジから軸線方向に突出する舌部を有するフランジと、前記頭部回りに半径方向に延在して、前記フランジに関する前記頭部の動作を可能とするように前記頭部と前記フランジとの間に介在されたダイヤフラムであって、前記頭部と前記フランジと前記ダイヤフラムとは一体構造であるダイヤフラムとを具備し、前記弁座は、前記ポペット弁体に隣接して位置し、約２から３０度の範囲で前記弁座の放射軸線方向において半径内方向に向けて上方向に傾斜するポペット弁体接触表面を有し、前記ポペット弁体の作動は、前記弁座接触表面と前記ポペット弁体接触表面との間の漏れ防止シールを形成するように前記ポペット弁体が前記弁座の方向へ移動することを引き起こす組立体。
【請求項２】 前記ダイヤフラムは、前記頭部から軸線方向に延在するスリーブの形状であり、前記スリーブは、ロール動作及び非ロール動作によって前記ポペット弁体の動作を可能とするように、前記頭部と前記フランジとの間の半径方向所定距離より大きな長さを有する請求項１に記載の組立体。
【請求項３】 前記弁座は、流体の滞留を防止するために、凹凸のない表面を有している請求項１に記載の組立体。
【請求項４】 請求項１に記載のポペット弁体及び弁座の組立体を具備する弁装置であって、流体移送ハウジングと、ピストンハウジングと、ピストンとを具備し、前記流体移送ハウジングは、前記流体移送ハウジング内に配置された流体室を有し、前記弁座が前記流体移送ハウジングの断面を横断して位置し、前記ピストンハウジングは、前記流体移送ハウジングに接続されてピストン室を有し、前記ピストンは前記ピストン室内に配置され、前記ポペット弁体は、前記ピストンの端部に取り付けられ、前記頭部と前記弁座との間の流体流れを制御するために前記頭部が前記弁座と相互作用するように、前記流体室内に配置され、前記フランジは、前記流体移送ハウジングと前記ピストンハウジングとの間に挿入され、前記フランジの前記舌部は、前記流体移送ハウジングと前記ピストンハウジングとの間の漏れ防止シールを提供するために、前記弁座回りに同心的に延在する前記流体移送ハウジングの溝内に配置される弁装置。
【請求項５】 前記ダイヤフラムは、前記頭部から軸線方向に延在して薄壁構造を有するスリーブであり、前記スリーブは、前記頭部と前記フランジとの間の半径方向距離の少なくとも二倍の軸線方向長さを有し、前記スリーブは、内側表面と、前記弁装置内の前記ポペット弁体の動作の間において前記ピストン及び前記弁装置の各隣接表面に対してロールする外側表面とを有する請求項４に記載の弁装置。
【請求項６】 前記ポペット弁体は、フルオロポリマー材料から形成されている請求項４に記載の弁装置。
【請求項７】 流体移送装置に使用されるポペット弁体であって、円形断面を有する無孔頭部と、前記頭部の周囲縁から半径方向に延在して前記ポペット弁体の軸線方向動作を可能とするのに適した連続の薄壁構造を有するダイヤフラムと、前記ダイヤフラムから半径方向に延在して前記流体移送装置の隣接表面に対して漏れ防止適合を提供するのに適し、前記頭部と前記ダイヤフラムとで一体構造となるフランジとを具備し、前記頭部は、８から２５度の範囲内の角度で前記頭部から半径外方向に向けて上方向に傾斜する軸線方向端部に沿う弁座接触表面を有するポペット弁体。
【請求項８】 前記ダイヤフラムは、前記頭部と前記フランジとの間の半径方向距離の少なくとも二倍の距離だけ前記頭部と前記フランジとの間を軸線方向に延在するスリーブであり、前記スリーブは連続直径の一定壁厚を有する請求項７に記載のポペット弁体。
【請求項９】 前記頭部の裏側表面から軸線方向に突出して作動ピストンへ前記ポペット弁体を取り付けるための取付手段と、前記ピストンの端部を収容配置して前記スリーブの内側表面を支持するために、前記スリーブと前記取付手段との間に配置された環状空洞とをさらに具備するする請求項８に記載のポペット弁体。
【請求項１０】 前記フランジは、漏れ防止適合を提供するために前記流体移送装置の表面の相補的な溝内に適合するのに適した舌部を有する請求項７に記載のポペット弁体。
【請求項１１】 請求項７に記載のポペット弁体と共に使用される円形状の弁座であって、前記弁座の放射軸線方向において半径方向に向けて上方向に傾斜する唇部を有するポペット弁体接触表面を具備する弁座。
【請求項１２】 前記ポペット弁体接触表面の前記唇部は、２から３０度の範囲内で上方向に傾斜している請求項１１に記載の弁座。
【請求項１３】 流体流れを制御するための弁装置であって、弁本体とポペット弁体とを具備し、前記弁本体は、前記弁本体を通り軸線方向に延在する中央室を有し、前記中央室は、流体移送通路と、流体入口と、前記流体移送通路の反対側端部の流体出口とを有し、前記弁本体は、さらに、前記流体移送通路内に配置された弁座を具備し、前記ポペット弁体は、前記中央室内に配置され、一端部において前記中央室内を軸線方向に移動可能なピストンへ取り付けられ、前記ポペット弁体は、無孔頭部と、ダイヤフラムと、フランジとを具備して一体構造を有し、前記頭部は、円形断面を有して、前記ポペット弁体を通して流体流れを制御するように弁座と接触するために、８から２５度の範囲内で前記頭部から半径方向に向けて上方向に傾斜する前記頭部の軸線方向端部に沿う弁座接触表面を有し、前記ダイヤフラムは前記頭部の周囲縁から延在し、前記フランジは、前記ポペット弁体の周囲縁を区画形成するために前記ダイヤフラムから半径方向に延在し、前記弁本体との漏れ防止シールを提供するための手段を有し、前記ダイヤフラムは、前記フランジに関して前記中央室内の前記頭部の軸線方向移動を可能とする弁装置。
【請求項１４】 前記ダイヤフラムは、前記頭部から軸線方向に延在するスリーブであり、前記頭部と前記フランジとの間の半径方向距離の少なくとも二倍の軸線方向長さを有する請求項１３に記載の弁装置。
【請求項１５】 前記スリーブは、薄壁構造と連続直径とを有し、前記スリーブは、内側表面と外側表面とを有し、前記内側表面は、前記ポペット弁体が前記弁座との着座位置にある時に、前記ポペット弁体の一部に対して位置決めされ、前記外側表面は、前記ポペット弁体が非着座位置にある時に、前記弁本体の一部に対して位置決めされる請求項１４に記載の弁装置。
【請求項１６】 前記ポペット弁体は、さらに、前記頭部の裏側表面から軸線方向に突出してピストンへ前記ポペット弁体を取り付けるための取付手段と、前記取付手段と前記スリーブとの間に位置して、前記スリーブに沿って軸線方向に延在し、前記スリーブへ半径方向支持を提供するために前記ピストンの端部を収納配置するのに適した環状空洞とを具備する請求項１４に記載の弁装置。
【請求項１７】 前記弁本体との漏れ防止シールを提供するための前記手段は、前記フランジの回りを取り囲んで延在し、前記フランジから軸線方向に突出する舌部であり、前記舌部は、前記弁本体の相補的な溝内に配置される請求項１３に記載の弁装置。
【請求項１８】 前記ポペット弁体は、フルオロポリマー材料かた形成される請求項１３に記載の弁装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、液体及び／又は気体を扱う装置に使用されるポペット弁体及び弁座の組立体、さらに詳細には、高効率な開放／非着座動作及び閉鎖／着座動作を提供し、着座及び閉鎖位置において任意の望ましくない流体保留を防止する特別な形状のポペット弁体及び弁座の組立体に関する。
【０００２】
【従来の技術】ポペット弁体及び弁座の組立体は、一般的に、装置の入口部から出口部への液体又は気体の通過を調整するための弁のように、液体又は気体を扱う装置において使用される。ポペット弁体は、一般的に、弁座へ向けて移動するように、弁本体内を作動させられ、着座ポペット弁体状態を提供してポペット弁体の隣接表面と漏れ防止密閉接触をもたらし、非着座状態を提供するために着座状態から離されるような形状である。弁本体内部がどのような形状であるかに依存して、ポペット弁体の着座及び非着座状態が、弁を通る流体流れに影響を与える可能性がある。
【０００３】ポペット弁体は、一般的に、機械式手段、電気式手段、空気式手段、油圧式手段、又は、これらの組み合わせによって作動可能なスプリングを使用して弁本体内を作動させられる。ポペット弁体アクチュエータは、所望の着座又は非着座のポペット弁体及び弁座の状態を実現するために、一方向又は他方向にポペット弁体を移動させるように形成されている。ポペット弁体を着座及び非着座させ、こうして、弁本体内の所望の漏れ防止シールを実現及び非実現するのに必要な力の大きさは、弁座及びポペット弁体の接触表面の特定形状を含む多くの因子の関数である。
【０００４】ポペット弁体及び弁座の組立体は、技術的に公知であり、弁使用時において一般的に、弁本体の流路回りに位置する平らな又は実質的に平らなポペット弁体接触表面を有する弁座を具備している。このような弁座と共に使用されるポペット弁体は、しばしば、平らな弁座接触表面を有し、それにより、着座位置に設置される時に、所望の漏れ防止適合を提供するように弁座を覆う。選択的に、技術的に公知のポペット弁体及び弁座の組立体は、ポペット弁体又は弁座の一方又は他方が、所望の漏れ防止接触表面をもたらすために、傾いた接触表面を有する形状である。しかしながら、このような公知の実施形態における特定の弁座又はポペット弁体の接触形状は、ポペット弁体及び弁座の組立体の作動を最適化する形状ではなく、すなわち、それらは、着座又は非着座動作を実施するために、小さな力のポペット弁体動作を促進しない。
【０００５】加えて、一般的なポペット弁体及び弁座の形状は、ポペット弁体が着座又は非着座位置にある時に、弁座に隣接する流体の滞留の発生を最小限とする形状であはない。例えば、一般的な弁座は、それ内の容積を維持又は保持するように機能可能な周囲形状を有するように形成されている。ポペット弁体及び弁座が着座及び／又は非着座とされる時に、弁座の形状に依存して、流体滞留が発生する可能性がある。例えば、流体が水である時には藻等の移送される流体内の望ましくない汚れの蓄積に寄与するために、このような流体滞留は望ましくない。
【０００６】それにより、ポペット弁体及び弁座は、最小限のスプリング力を使用して流体を扱う装置内で着座及び非着座動作をもらたすように、すなわち、高い動作効率を有するように構成されることが望まれる。さらに、このようなポペット弁体及び弁座は、着座位置又は非着座位置のいずれであっても、望ましくない流体滞留を防止するように構成されることが望まれる。このようなポペット弁体及び弁座が、このような高効率動作及びゼロ流体滞留をもたらす一方で、一般的なポペット弁体及び弁座の組立体から提供される以上の漏れ防止機能をもたらすことが望まれる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】流体を扱う装置への使用のために本発明の原理により構成されたポペット弁体及び弁座の組立体は、高効率のポペット弁体動作を提供すると共に、着座又は非着座のいずれの位置にある時においても望ましくない流体滞留を防止する相補的な接触表面を有するように形成されている。本組立体は、ポペット弁体一端部において円形無孔頭部を有して、ポペット弁体アクチュエータとの接続に適した反対側端部を有するポペット弁体を具備している。ポペット弁体の頭部は、８から２５度の範囲の角度で頭部の半径外方向に向かって上方向に傾斜する外側頭部表面に沿う弁座接触表面を有している。ポペット弁体は、頭部から半径方向に延在して、ポペット弁体の終端外径縁を区画形成するフランジを有する。このフランジは、フランジから軸線方向に突出する舌部を有する。ダイヤフラムが、ポペット弁体頭部回りを半径方向に延在し、フランジに関してのポペット弁体頭部の動作を可能にするように、ポペット弁体頭部とフランジとの間に介在されている。ポペット弁体頭部と、フランジと、ダイヤフラムとは、全て一体構造部材である。
【０００８】本組立体は、さらに、ポペット弁体の反対側に隣接して位置する円形ポペット弁体弁座を具備している。この弁座は、約２から３０度の範囲の角度で弁座の半径内方向に向かって上方向に傾斜するポペット弁体接触表面を有している。相互作用するポペット弁体及び弁座は、本組立体の着座及び非着座動作を提供するのに弁座に相対するポペット弁体の高効率動作を可能とするように、特別に形成されている。加えて、ポペット弁体及び弁座の接触表面は、不必要なものを一掃して、望ましくない流体滞留を引き起こす可能性のある任意の表面特徴を無くしている。
【０００９】本発明のこれらの及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の詳細な記述、請求の範囲、及び添付図面を考慮すると、さらに完全に理解される。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の実施により構成されたポペット弁体及び弁座の組立体は、高効率動作を容易にし、完全に不必要なものを一掃して、すなわち、流体滞留容積をもたらさないポペット弁体及び弁座の組立体を提供するために、突出弁座のポペット弁体接触表面と相互作用するように特に形成された弁座接触傾斜表面を有するポペット弁体を具備する。
【００１１】図１を参照すると、弁装置の形状の流体を扱う装置１０が図示されている。この弁装置１０は、全体的に、参照としてここに組み込む米国特許出願番号０９／８６８６３９に開示及び図示されたものと同様である。弁装置１０は、全体的に、基部１４と、基部１４の上側に配置された流体移送ハウジング（ＦＴＨ）１６と、ＦＴＨ１６の上側に配置されたピストンハウジング１８とから形成された（図面の下部から上方向へ向けて）バルブハウジング１２を具備している。ネジ又は他の適当な取り付け手段（図示せず）が、ピストンハウジング１８及びＦＴＨ１６を通り延在し、ピストンハウジング及びＦＴＨ１６を基部１４へ取り付けるために、基部へネジ込まれる。
【００１２】ＦＴＨ１６は、その一方の側壁を貫通する流体入口ポート２４と、反対の側壁を貫通する流体出口ポート２２とを有している。弁装置１０の空気又は気体作動実施形態において、ピストンハウジング１８は、その側壁を貫通する空気入口ポート２６及び空気出口ポート又は排気ポート２８を有している。ＦＴＨ１６は、さらに、弁装置内の任意の流体漏れの発生を監視するために、その一方の側壁を貫通して延在する漏れ検出ポート３０を有する形状としても良い。
【００１３】ポペット弁体組立体３２は、ピストンハウジング１８内に配置され、その一端部に取り付けられたダイヤフラム式ポペット弁体３４を有している。ダイヤフラム式ポペット弁体３４は、ポペット弁体組立体の作動時に、それを通る流体流れを制御するようにＦＴＨ１６内の弁座３６と相互作用し、外側雰囲気又はピストンハウジング１８のいずれへも流体漏れを防止するためにＦＴＨ１６との漏れ防止シールを提供するように形成されている。ダイヤフラム式ポペット弁体３４は、弁座３６の隣接ポペット弁体接触表面４０と接触するように特に形成された弁座接触表面３８を有し、このポペット弁体接触表面は、さらに、ポペット弁体と接触するように特に形成されている。ポペット弁体及び弁座の接触表面における特別な形状的特徴は、以下により詳細に説明される。
【００１４】弁装置１０は、気体作動式のポペット弁体組立体を具備する。しかしながら、例えば、機械式、電磁式、及び油圧式作動手段等の他のポペット弁体組立体の作動手段に適応するように、本発明の精神を変えないで、弁装置の形状は変更されても良いことは理解される。
【００１５】ＦＴＨ１６は、ＦＴＨを通り軸線上方向に流体入口ポート２４から延在する流体入口通路４２を有している。弁座３６は、流体入口通路４２の端部回りを取り囲み延在している。弁座のポペット弁体接触表面４０は、弁座の内径に沿って周囲に延在する唇形状であり、弁座の中心内方向へ向かって所定角度で上方向に突出している。弁座のポペット弁体接触表面４０は、弁座を横断して延在する水平面に関して約２から３０度の範囲内の角度で上方向に突出することが好ましい。約２度より小さな上方向の突出角度を有するポペット弁体接触表面は、弁座が自身中心位置決め機能を提供しないために、すなわち、ポペット弁体が弁座内に係合する時にポペット弁体を弁座内の中心に位置させないために好ましくない。こうして、弁部材の間の密閉係合は、望ましくない内部的弁漏れを引き起こさない。約３０度より大きな上方向の突出角度を有するポペット弁体接触表面は、大きなスプリング力が浪費され、こうして、より強いスプリングが同じ力を弁座へもたらすために使用されなければならないために、望ましくない。より強いスプリングの使用は、弁装置の大きさを増大させることも必要とするために、望ましくない。好適な実施形態において、ポペット弁体接触表面は、約１５度の上方向の突出角度を有している。
【００１６】弁座３６及び弁座のポペット弁体接触表面４０は、さらに、それらと接触して位置する流体を保持又は滞留させないように特に形成されている。これは、表面加工のない、例えば、ポペット弁体が着座又は非着座のいずれかとされる時に流体を滞留又は保持するように機能する隆起又は溝等を有しない弁座の横断表面を提供することによって実現される。全体的に滑らかに隆起する表面を有するポペット弁体接触表面４０の形状は、それに接触して位置する流体が、この表面に対して保持又は滞留されることを防止する。以下に説明するように、ポペット弁体３４及び弁座３８が密閉位置に配置される時に、二つの部材の間の接触は、流体保持表面加工のない薄いリング状領域に沿って実現される。
【００１７】ダイヤフラム式ポペット弁体の弁座接触表面３８は、弁座のポペット弁体接触表面４０との高効率作動接触を提供するように特に形成されている。ポペット弁体作動効率は、ポペット弁体を弁座に着座させるか又は弁座からポペット弁体を非着座させるための弁装置内におけるポペット弁体の移動に必要な力の大きさとして測定される。ポペット弁体の作動力測定（半径方向成分及び軸線方向成分の両方）は、多数の異なる弁座接触表面角度を有するポペット弁体形状にとって行われた。予測に反して、４５度より小さなポペット弁体の弁座接触表面角度が最高のポペット弁体作動効率を提供することが発見された。一般的なポペット弁体の形状は、理論的にｘ又は半径方向及びｙ又は軸線方向の力成分の両方を最小限とするような約４５度の角度を有する弁座接触表面を備えるポペット弁体の形状である。慎重な解析及びモデル化によって、この一般的な実施例が約７０パーセントの効率だけしかならないポペット弁体の作動効率を提供することが発見された。本出願人は、９０から９９パーセントの範囲の効率となる、すなわち、一般的なポペット弁体形状を使用して実現するより少なくとも２８パーセント大きな効率となるポペット弁体の効率を提供するのにポペット弁体の形状をどのようにするかを発見した。
【００１８】ポペット弁体の弁座接触表面３８は、ポペット弁体の鼻部４４に沿って延在する水平面に関して特定角度方向を有するように形成されている。ポペット弁体の弁座接触表面３８は、ポペット弁体の側部からポペット弁体の鼻部４４へ半径内方向に向かって下方向に突出している。ポペット弁体の弁座接触表面３８は約８から２５度の範囲の下方向の突出方向を有していることが好ましい。前述したように、この範囲内の角度方向を有する形状の弁座接触表面は９０から９９パーセントの範囲内にあるポペット弁体作動効率を提供することが発見されている。約８度より小さい下方向突出角度を有する弁座接触表面３８は、ポペット弁体が弁座内の中心位置決め能力を失い始めて、それにより、ポペット弁体及び弁座の密閉性を危うくするために、好ましくない。約２５度より大きな下方向突出角度を有する弁座接触表面は、ポペット弁体作動効率が９０パーセントより下に減少するために好ましくなく、例えば、４５度のポペット弁体の弁座接触表面角度は、７０パーセントの作動効率しか有さないポペット弁体をもたらす。好適な実施形態において、ポペット弁体の接触表面は、約１６度の下方向突出角度を有し、これは、ポペット弁体の中心位置決めの問題なしに、約９６パーセントのポペット弁体作動効率を提供する。
【００１９】ピストンハウジング１８に対向するＦＴＨの端部へ向けて弁座３６から上方向に延在して、ＦＴＨ１６は、流体入口通路４２内の弁座３６を通過する流体を流体出口ポート２４を介してＦＴＨ外へ導くように形成された流体室４６を有している。ＦＴＨは、流体室の周囲縁回りを取り囲み配置された流体室４６内の溝４８を有している。この溝４８は、ＦＴＨに対して漏れ防止シールを提供するために、以下に詳細に説明するように、ポペット弁体３４の外側周囲縁から延在する相補的な舌部を収納するように形成されている。
【００２０】ピストンハウジング１８は、ＦＴＨ１６の端部に取り付けられている。ピストンハウジングは、ＦＴＨと接触する開口端部５２からピストンハウジングを通りピストンハウジングの反対側の閉鎖端部５４へ軸線方向に延在するピストン室５０を有している。前述したように、ピストンハウジング１８は、気体作動のポペット弁体組立体の動作を提供するのに適している時には、ピストンハウジング側壁を通りそれぞれ延在する入口空気ポート２６と出口空気ポート２８とを有している。加えて、ピストンハウジングは、側壁を通り延在する漏れ検出ポート３０を介して漏れ検出を提供する形状とすることができる。
【００２１】好適な実施形態におけるピストン室５０は、円形断面を有し、開口端部５２から軸線方向に所定距離だけ延在する第一直径部分５６と、ピストンハウジングの閉鎖端部５４へ第一直径部分５６から軸線方向に延在する小さな第二直径部分５８との両方を有している。ピストン室５０は、不動又は静止配置のピストンシール押さえ６０を収納するように構成されている。このピストンシール押さえ６０は、空気作動のポペット弁体組立体３２がピストン室内に気密加圧室を形成することを必要とする場合の適用において使用される。ピストンシール押さえ６０は、ポペット弁体組立体のピストン６４の収納配置のために、軸線方向に貫通して延在する中央穴６２を備えるドーナツ形状の環状構造を有している。
【００２２】このシール押さえ６０は、ピストン室の第一直径部分５６内に配置される大きさの第一直径部分６４と、ピストン室の第二直径部分５８内に配置される大きさの第二直径部分６６とを有する外壁表面を有している。ピストン室５０の開口端部５２内に載置される時に、シール押さえの軸線方向最大位置は、ピストン室及びシール押さえそれぞれの第一及び第二直径部分が当接する位置において、ピストン室内に形成された相補的な肩部とシール押さえとの間の相互作用によって制限される。シール押さえ６０は、ピストン室内へ載置される時に開口端部５２を越えて延在しないような軸線方向の大きさである。
【００２３】漏れ検出が望まれる場合の適用において、シール押さえ６０は、中央穴６２から第一直径部分５８へ半径方向に貫通して延在する漏れ通路６８を有している。ピストン室５０内へ載置される時に、漏れ通路６８は、第一直径部分６４における環状溝と流体的連通状態であり、この溝は、流体室４６を通過してピストン室へ漏れる流体が発生する場合において、漏れポートへの流体流れを容易にするために、ピストンハウジングの漏れポートと流体的連通状態である。このような形状の弁を使用する漏れ検出は、侵入式及び非侵入式の漏れセンサ、又は、視覚検出のような一般的な漏れ検出を使用することによって、実施可能である。
【００２４】ピストンシール押さえ６０は、隣接するピストン室の壁面と漏れ防止シールを形成するために、外径表面回りに一つ以上の環状シール部材を有している。好適な実施形態において、シール押さえは、溝７２内に配置されて第一直径部分６４回りを取り囲んで延在する第一環状シール部材７０と、溝７６内に配置されて第二直径部分６６を取り囲んで延在する第二環状シール部材７４とを有している。第一及び第二環状シール部材７０及び７４は、漏れ通路６８がそれらの間に位置するように、シール押さえに沿って軸線方向に配置されている。シール押さえは、さらに、溝８０内に中央穴５６の表面回りを取り囲んで延在する第三環状シール部材７８を有している。この第三環状シール部材７８は、流体室４６からシール押さえを越えてピストン室内へ漏れる流路形成を防止すると共に漏れ検出のための漏れ通路６８へ漏れ流体を向けるために、漏れ通路６８に対して第二環状シール部材７４と同じ側においてシール押さえに沿って軸線方向に配置されている。この第三環状シール部材７８は、さらに、空気作動ピストンの動作を提供するために、ピストンに対しての気密シールを形成する。第一、第二、及び第三環状シール部材は、好ましくは、所望の弾性特性を有する材料から形成されたＯリング状シール部材である。化学的耐性も望まれる場合には、Ｏリングシール部材は、Ｖｉｔｏｎ又は他の種類のフッ素弾性材料から形成されても良い。
【００２５】ポペット弁体組立体３２は、ピストン室５０内に軸線方向に配置されている。ポペット弁体組立体３２は、軸線方向の一端部における頭部８２及び軸線方向の反対側端部における後部８４を有するピストン６４と、この頭部へ取り付けられたダイヤフラム式ポペット弁体３４とを具備している。ピストン６４は、全体的に、筒形状であり、頭部８２から軸線方向の所定距離だけピストン内へ延在する中空孔８６を有している。この中空孔８６は、ポペット弁体３４の軸部８８を収納してその取り付けを提供する形状である。ピストン６４の外表面は、頭部から所定距離だけ軸線方向に延在する第一直径部分９０と、第一直径部分から所定距離だけ軸線方向に延在して第一直径部分より僅かに大きい第二直径部分９２とを有している。ピストン６４の第二直径部分９２は、ピストンシール押さえ６０の中央穴６２内に適合する大きさであり、それにより、漏れ防止シールがピストンと第三環状シール部材７８との間に形成される。ピストンの第一直径部分９０がピストンの第二直径部分９２より小さい大きさである理由は、ポペット弁体３４を参照して以下に説明する。
【００２６】ピストン６４は、第二直径部分９２から半径方向に延在してピストン室５０内の第二直径部分５８に適合する大きさの外径を有する拡がり部分９４を有している。この拡がり部分９４は、ピストンの中央近傍に軸線方向に位置し、ピストン室の壁面に対向して位置する外側表面回りを取り囲んで位置する溝９６を有している。環状シール部材９８が、この溝内に配置され、ピストンとピストン室との間の漏れ防止シールを提供する。環状シール部材９８は、第一、第二、及び第三環状シール部材のために前述したと同種の材料から形成可能である。拡がり部分９４の裏側表面１００、すなわち、軸線方向においてピストンの後部へ向いた拡がり部分の表面は、弁スプリング１０２の一端部を収納するのに適している。
【００２７】ピストンは、後部８４へ向けて拡がり部分９４から所定距離だけ軸線方向に延在する第三直径部分１０４を有している。この第三直径部分１０４は、ポペット弁体組立体が作動させられる時にスプリングとの固着を防止するために、弁スプリング１０２のコイル内に適合する大きさである。好適な実施形態において、ピストンの第三直径部分１０２は、第二直径部分９２より僅かに小さい大きさである。ピストン８０の後部８４は、ピストンの端部を形成するために、第三直径部分１０４から所定距離だけ軸線方向に延在している。この後部８４は、第三直径部分１０４より小さな大きさの直径を有し、それにより、変移位置において肩部１０６を形成する。
【００２８】ピストン６４は、後部８４がピストンハウジング１８の閉鎖端部５４を通る開口１０８内に配置されるように、ピストン室５０内へ載置されている。後部は、外側表面回りを取り囲んで延在する溝１１０と、ピストンの後部と開口１０８との間の漏れ防止シールを提供するために溝１１０内に配置された環状シール部材とを有している。弁スプリング１０２は、ピストンハウジング１８の閉鎖端部５４と、ピストンの拡がり部分９４の裏側表面１００との間において、第三直径部分１０４とピストンの後部８４の一部との回りに同心状に挿入されている。ピストンシール押さえ６０はピストン回りに配置され、それにより、漏れ防止シールがシール押さえの中央穴６２とピストンの第二直径部分９２との間に形成される。
【００２９】ポペット弁体３４を再び参照すると、ポペット弁体軸８８は、頭部３８の裏側表面から軸線方向に突出し、ピストン６４の中空孔８６との取り付け適合を提供するのに適している。一実施形態において、ポペット弁体軸８８は、ピストンの中空孔８６内の相補的ネジとの螺合を提供するようにネジを切られている。選択的に、ポペット弁体軸８８は、取り付けを提供するために、ピストンの頭部の相補的な中空孔８６へのスナップ式接触適合等を提供するような形状とすることができる。
【００３０】必要ならば、軸線方向における増強された剛性を有するピストンを形成するために、ピストンの中空孔８６は、ピストンインサート（図示せず）を収納するために、ポペット弁体軸８８より深い形状とすることができる。ピストンインサートは、ピストンへの構造的な補強を提供可能なセラミック材料等のような不活性材料から形成することができる。ピストンインサートの使用が望ましい例は、弁装置が高温又は高圧の流体を扱うのに使用される場合であり、すなわち、増強されたピストン剛性が望まれる場合である。
【００３１】図２は、本発明の原理により構成された弁装置のもう一つの実施形態１２０を図示しており、図１に示すダイヤフラム式ポペット弁体とは異なるロールダイヤフラム式ポペット弁体１２２を具備している。望ましい高効率動作の表面及び完全に不必要なものを一掃した表面の両方を提供するために、前述及び図１に示したように、ロールダイヤフラム式ポペット弁体１２２は同様な弁座接触表面３８を有することが理解され、弁座３６は同様なポペット弁体接触表面４０を有することが理解される。このロールダイヤフラム式ポペット弁体１２２は、ポペット弁体の頭部１２６と一体で頭部からポペット弁体フランジ１２８へ軸線方向に延在するスリーブ１２４を具備している。このスリーブ１２４は、ピストンシール押さえの中央穴６２に対するロール及び非ロール動作によって、ポペット弁体の頭部１２６が流体室４６内で軸線方向に移動することを可能とするポペット弁体の筒状側壁表面を形成する。
【００３２】円形空洞１２５が、ポペット弁体軸１２７とスリーブ１２４との間においてポペット弁体の頭部１２６の裏側表面回りに延在し、この空洞は、スリーブを軸から離間させ、ピストンの頭部８２を収納する。ピストンの頭部８２は、ポペット弁体軸１２７がピストンの中空孔８６内に設置されて取り付けられる時に、空洞１２５に適合して完全に装填される。
【００３３】ダイヤフラム式ポペット弁体の二つの種類の重要な特徴は、それらが一体の孔無し構造として形成されることである。このような一体のポペット弁体構造は、弁を通る多数の漏れ流路を最小限とし、それにより、ピストン室５０への流体室４６からの流体漏れの可能性を最小限とするために、非常に望ましい。一般的なダイヤフラム式弁は、ダイヤフラムの穴又は開口を通して設置された弁軸を有している。このような多数部材構造は、弁軸とダイヤフラムとの間の内在的な漏れ流路を提供し、これを通して、扱う流体が弁から漏れる可能性がある。本発明のロールダイヤフラム式ポペット弁体の一体構造は、この漏れ流路を無くし、それにより、弁を通しての又は弁からの望ましくない流体漏れの可能性を低減する。
【００３４】スリーブ１２４は、頭部１２６とフランジ１２８との間に延在する連続した薄壁構造の形状であり、軸線方向におけるスリーブのロール及び非ロール動作を介して頭部がフランジに関して軸線方向に移動させられることを可能とする。スリーブが非ベローズ形状を有することを注記することは重要である。好ましくは、スリーブは、筒状又は円錐形状を有する、すなわち、一定又は徐々に変化する直径を有するように形成されている。さらに、スリーブは、一定の壁厚を有することが望ましい。スリーブは、ベローズ形状のスリーブによって提供可能なアコーディオン状の積み重ね動作ではなく、軸線方向のロール動作によって軸線方向のポペット弁体頭部の動作を容易にする。以下に説明するように、この形状の重要な特徴は、スリーブがピストンとピストンシール押さえの中央穴のそれぞれによって内面に沿って常に支持されていることである。この特定のポペット弁体形状は、弾性変形よりむしろ、支持されたロール及び非ロール動作（ダイヤフラム式スリーブの一方の表面が常に支持されている場合）によるポペット弁体の動作を提供し、それにより、このような弾性変形のために裂ける又は他の破損の危険を最小限とする。スリーブのこのように支持されたロール動作は、一般的なダイヤフラム式弁を使用する他の実施例より高い扱い流体の温度及び圧力において、ポペット弁体が機能することを可能とする。
【００３５】図３は、ポペット弁体１２２が弁座に非着座の開放位置における図２のロールダイヤフラム式ポペット弁体１２２を具備する弁装置１２０を図示している。弁座から離間する弁装置内のポペット弁体の上方向動作は、シール押さえの中央穴６２の半径方向隣接表面上におけるピストンの隣接する第一直径側壁表面１３０からのポペット弁体のスリーブ１２０の非ロールによって提供される。
【００３６】図１から３のそれぞれに図示した弁装置において使用される前述のポペット弁体は、ポペット弁体の外径回りを取り囲んで延在するフランジ１２８を具備している。参考のために図１を参照すると、フランジ１２８は、ＦＴＨ１６とピストンハウジング１８との間、より詳細には、空気作動弁の実施形態のためにＦＴＨとピストンシール押さえ６０との間の取り付け構造を提供する。このフランジ１２８は、軸線下方向に突出して流体室４６の溝４８内の接触適合を提供する大きさの舌部１３２を有する前側表面を有している。この舌部１２８が、ＦＴＨ内の任意の流体滞留容積を無くして舌部と溝４８との間の漏れ防止シールを提供するために、流体室４６の溝に完全に装填される半径方向幅及び軸線方向長さを有する大きさであることは、ポペット弁体のフランジの重要な特徴である。好ましくは、舌部１３２は、ポペット弁体３４がピストンハウジング１８とＦＴＨ１６との間に挟持される時に、ＦＴＨ１６上におけるフランジ１２８の配置を安定化する段付形状を有している。フランジ１２８は、フランジの裏側表面１３６へ舌部１２５から軸線方向に延在して、ＦＴＨとピストンハウジングの第一直径部分５６との両方内に適合する大きさの直径を有する平らな外径側壁表面１３４を有している。
【００３７】ポペット弁体のフランジ１２８の裏側表面１３６は、空気作動弁の実施形態の場合にはピストンシール押さえ６０の軸線方向端部又はピストンハウジングとの相互作用のための相補的表面を提供するために平らである。
【００３８】ロールダイヤフラム式ポペット弁体を具備する図２及び３に図示したような一実施形態において、約１７７ミリメータの高さ（基部の底面からピストンハウジングの上面までの測定時）と、約６０ミリメータの幅（流体入口及出口ポートの端面の測定時）とを有する弁装置内に適合するように構成されたポペット弁体３２は、約３３ミリメータのフランジ１２８直径と、約７ミリメータの半径方向フランジ幅と、約６ミリメータの軸線方向フランジ長さと、約１４ミリメータの頭部直径と、約０．４ミリメータのスリーブ１２４壁厚と、約６ミリメータのスリーブ長さと、約９ミリメータの軸直径と、約２０ミリメータの軸長さと、約２ミリメータの半径方向空洞１２７幅とを有している。
【００３９】本発明の弁装置の全体構造及び動作を説明するために図１を参照すると、ポペット弁体３２は、ピストン及び弁スプリング１０２がピストンハウジング１８内に載置され、ピストンシール押さえ６０がピストン上に配置されてピストン室５０内に配置された後に、ピストン６４へ取り付けられる。ポペット弁体組立体３２を具備するピストンハウジング１８は、次いで、ＦＴＨ１６上へ取り付けられ、それにより、フランジの舌部１３２は流体室の溝４８へ適合する。ポペット弁体組立体３２は、流体入口通路４２内の流体が流体室４６へ流入することを防止するために、ポペット弁体の頭部４４が弁座３４のポペット弁体接触表面４０に対して着座する弁座接触表面３８を有するように配置されている閉鎖位置において図示されている。ポペット弁体組立体は、弁スプリング１０２によって提供されたスプリング力のために、このような閉鎖位置に維持され、すなわち、本弁装置は、常時閉動作を提供するように構成されている。選択的に、弁装置は、常時開動作を提供するために、ピストンの拡がり部分の前側表面と、シール押さえ６０の裏側表面との間に挿入された弁スプリング１０２を有するように構成可能である。
【００４０】図２に示すように、ロールダイヤフラム式ポペット弁体１２２が閉鎖又は着座位置である時に、ポペット弁体のスリーブ１２４は流体室４６へ軸線方向に延在し、ピストンの頭部８２の壁表面はスリーブ１２４の内側表面を支持する。ポペット弁体１２２が閉鎖位置にある時にスリーブ１２４の内側表面を支持するような頭部８２の形状は、比較的薄いスリーブが扱う流体の高い圧力及び／又は温度のために変形することを防止するために、重要な形状的特徴である。
【００４１】図１を再び参照すると、十分な大きさの気体圧力が、空気入口ポート２６を介して、弁スプリング１０２によって提供されるスプリング力と等しく又は打ち勝つように、ピストンの拡がり部分９４とピストンシール押さえ６０との間のピストン室における空気室１３８へ導かれる時に、ピストン６４は、閉鎖端部５４の方向へピストン室５０内を軸線方向に移動させられる。ピストン６４は、ピストンの肩部１０６が、ピストン方向へピストンハウジングの閉鎖端部４８から所定距離だけ軸線方向に突出する隆起部１４０に当接するまで、ピストン室５０内において軸線方向に移動させられる。ピストンがピストン室内を軸線方向に移動すると、ピストンの拡がり部分９４とピストンハウジングの閉鎖端部４８との間に存在するピストン室内の空気は、空気出口ポート２８を介してそこから移動させられ又は排出される。
【００４２】ピストン室内におけるピストン６４の軸線方向の移動は、ポペット弁体の頭部が弁座３６から離れることを引き起こし、それにより、流体入口通路４２内の流体が流体室４６へ流入し、流体出口ポート２２を介してＦＴＨ１６を通過することを可能とする。図３に示すように、ピストン室内のピストンの軸線方向の移動は、さらに、ポペット弁体のスリーブ１２４が、ピストンから離間する軸線方向に、ピストンシール押さえの中央穴６２の隣接同心内側表面上にロールすることを引き起こす。
【００４３】隣接弁部材表面の間、例えば、ピストンとピストンシール押さえとの間におけるスリーブのこのようなロール動作及び移動を可能とするためには、スリーブのロール直径を収納するように、表面の間には十分な隙間が存在することが重要である。例えば、図２に示すような好適な弁装置の実施形態において、ピストンの第一直径側壁表面１３０は、ピストンシール押さえの中央穴６２より小さな大きさであり、両者の間には約１．２ミリメータの隙間を提供する。このような隙間は、約０．４ミリメータの壁厚を有するポペット弁体のスリーブのロールを許容するのに十分である。
【００４４】前述したように、本発明の弁装置の重要な特徴は、（１）高効率のポペット弁体動作を提供するように角度を付けて配向された弁座及びポペット弁体の接触表面をそれぞれに有するポペット弁体及び弁座の形状、及び、流体滞留を無くすために完全に不必要なものを一掃した表面を提供するようなポペット弁体及び弁座の接触表面の形状と、（２）（ａ）一体構造を有し、（ｂ）弁座に対する漏れ防止シールを提供し、（ｃ）ＦＴＨ１６との漏れ防止シールを提供し、（ｄ）裂ける又は他の関連変形の破損の危険無しに、軸線方向のロール動作によって比較的長いポペット弁体のストローク長さを可能とするロールダイヤフラム式ポペット弁体の形状とである。本発明のロール式ポペット弁体のもう一つの望ましい特徴は、構造の形状及び材料の両方のために、その使用が可動部材（すなわち、スリーブ）の劣化から引き起こされる微粒子問題の発生を防止することである。
【００４５】ロールダイヤフラム式ポペット弁体の重要な特徴は、比較的小さなポペット弁体の直径を有する一方で、流体室内における比較的長いポペット弁体のストローク長を可能とする能力である。一般的なダイヤフラム式弁は、増大されたポペット弁体又は弁軸のストローク長を実現するために、大きな直径のダイヤフラムを使用することを必要とする。これは、ダイヤフラムが裂ける可能性を最小限とするために、弁軸の動作中におけるダイヤフラムの変形量を制御する必要がある。本発明のポペット弁体は、ダイヤフラムの変形よりむしろスリーブの軸線方向のロールによってポペット弁体の動作を可能とするために、ポペット弁体の直径を増加させることなく、ポペット弁体のスリーブの軸線方向長さを変化させることによって長いストローク長さを許容するのに適合可能である。この形状的な特徴は、このようなポペット弁体を組み込む弁装置が、一般的なダイヤフラム技術を使用して可能な他の方法より小型の大きさを有して構成されることを可能とする。
【００４６】本発明の原理により構成されたダイヤフラム式ポペット弁体、弁座、及びこれらを具備する弁装置は、特に前述及び図１から３に示すようなものと異なって具体化可能であることが理解される。例えば、本発明のポペット弁体及び弁座は、手動又は電磁操作による作動の流体流れ制御弁に使用されても良い。このような実施形態において、ピストンハウジングは、図１に示すものとは異なる形状とされても良い。例えば、このような非空気作動の実施形態において、ピストン室は、ピストンシール押さえを有することはなく（空気室を形成する又は有する必要がないために）、ピストンは拡がり部分を有することはない（ピストン室内の気密シールを形成する又は有する必要がないために）。このような実施形態において、ピストン室は、（１）設置を許容するためにピストンより僅かに大きな大きさの内径を有し、（２）ポペット弁体が開放位置へ移動させられる時にポペット弁体のスリーブのための支持を提供し（例えば、ロールダイヤフラムの使用時）、（３）ポペット弁体のフランジの裏側表面に当接する。
【００４７】本発明により構成されたポペット弁体及び弁座は、弁装置以外の流体を扱う装置に使用可能でもある。例えば、本発明のダイヤフラム式ポペット弁体及び弁座は、流体供給における正確な制御を提供するように形成された針状弁又は栓状弁の構造に使用されても良い。
【００４８】本発明の原理により構成されたポペット弁体、弁座、及び弁装置は、全ての種類の流体流れの移送及び調整への使用に良好に適している。このような弁装置のための特別な適用は、例えば、半導体産業において使用される化学処理剤の流量制御である。このような適用において、ＦＴＨ及びポペット弁体、すなわち、濡れる弁部材は、好ましくは、良好な化学的及び熱的耐性を示す材料から形成されることが望ましい。もし、弁装置が、半導体製造産業において、又は、腐食性化学物質が弁装置を通過するような又は弁装置を通過する化学処理剤の高い化学的純度が維持されることが望まれるような他の産業において、使用されるならば、このような特性は望ましい。半導体製造産業において、強い無機酸、強い無機塩、強い溶剤、及び過酸化物のような高い腐食性の化学処理剤が、エッチング作業中に使用され、しばしば、化学的なエッチング反応を高めるために加熱され、こうして、エッチング作業の効率を高める。それにより、このような化学処理剤の流れを制御するための弁装置及びそれに収納されるポペット弁体は、弁装置の故障の可能性を無くして信頼性の高い作業を提供するために、化学的及び熱的耐性であることが重要であり、弁装置の故障は、環境への危険及び／又は近くの作業者への危険を引き起こす可能性がある場合において、弁装置から腐食性化学物質及び関連する蒸気の漏れを結果として生じるかもしれない。
【００４９】加えて、弁装置が化学的耐性であることは重要であり、それにより、弁装置は、化学処理剤との接触時に劣化せず、化学的に純粋な処理液体へ汚染物を導入しない。このような汚染物の導入は、このような化学処理剤での処理を受ける一定数の半導体へ１０万ドルの損害を引き起こすかもしれない。
【００５０】このような適用において、ＦＴＨ及びポペット弁体は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、パーフルオロアルコキシフルオロカーボン樹脂（ＰＦＡ）、ポリクロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレン−クロロトリトリフルオロエチレンコポリマー（ＥＣＴＦＥ）、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー（ＥＴＦＥ）、フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）、及び、フッ化ポリビニル（ＰＶＦ）等の一団から選択されたフルオロポリマ合成物から形成されることが望ましい。特に好適な材料は、テフロン（登録商標）ＰＦＡ又はテフロン（登録商標）ＰＴＦＥであり、これらは、デラウェア州ウィルミングトンのデュポン社によって提供されている。このような材料は、腐食性、酸性、又は苛性の液体による被害を受けることなく、化学的に純粋な液体へ汚染物を導入することはない。濡れることのない弁部材、例えば、ピストンハウジング及びピストンは、任意の適当な材料から形成可能である。これらの弁装置における部材は、扱う液体によって濡れることがないために、特定の適用のために適度な構造的強さを提供可能なポリプロピレン等のようなプラスチックから形成することができる。化学的な耐性が弁装置全体のために望まれる場合には、濡れることのない部材は、前述同様なフルオロポリマーから形成可能であり、好適な化学的耐性材料は、デュポン社からのテフゼル（登録商標）ＥＴＦＥである。
【００５１】ＦＴＨを構成する弁装置における各部材、ピストンハウジング、ピストン、及びポペット弁体は、選択された材料の種類及び予算の両方に依存して、型成形又は機械加工のいずれかによって形成可能である。例えば、好適な実施形態において、ポペット弁体は、選択された材料の特性のために、機械加工によってテフロン（登録商標）ＰＴＦＥから形成される。テフロン（登録商標）ＰＴＦＥは、その優れた耐久性のために、ポペット弁体のために好適な材料である。しかしながら、ロールダイヤフラム式ポペット弁体は、この材料の異なる特性のために、型成形によって形成する場合においては、テフロン（登録商標）ＰＦＡからも形成可能である。
【００５２】図１から３に図示したようなポペット弁体及び弁座の構造を具備する弁装置は、約１８０°Ｃに匹敵する温度状態及び１０３４ｋＰａ（１５０ｐｓｉｇ）に匹敵する圧力状態において、ＦＴＨを通る液体又は気体のいずれかの分配制御に信頼性高く作動させるのに使用可能である。
【００５３】こうして、請求の範囲内において、本発明の原理によって構成されたダイヤフラム式ポペット弁体、弁座、及びこれらを具備する弁装置が、特にここで開示された以外に具体化されても良いことは理解される。
【出願人】 【識別番号】５００１４９２２３
【氏名又は名称】サン−ゴバン パフォーマンス プラスティックス コーポレイション
【出願日】 平成１２年４月７日（２０００．４．７）
【代理人】 【識別番号】１０００７７５１７
【弁理士】
【氏名又は名称】石田 敬 （外３名）
【公開番号】 特開２００１−１７３８１１（Ｐ２００１−１７３８１１Ａ）
【公開日】 平成１３年６月２９日（２００１．６．２９）
【出願番号】 特願２０００−１１１９３４（Ｐ２０００−１１１９３４）