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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-01-20
(54)【発明の名称】制御された弁流量のための構成及び方法
(51)【国際特許分類】
F16K 1/52 20060101AFI20230113BHJP
G05D 7/06 20060101ALI20230113BHJP
F16K 47/08 20060101ALI20230113BHJP
【ＦＩ】
F16K1/52 E
G05D7/06 Z
F16K47/08
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022528641
(86)(22)【出願日】2020-11-17
(85)【翻訳文提出日】2022-06-28
(86)【国際出願番号】 US2020060824
(87)【国際公開番号】W WO2021101855
(87)【国際公開日】2021-05-27
(31)【優先権主張番号】62/936,769
(32)【優先日】2019-11-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】518337784
【氏名又は名称】スウェージロック カンパニー
(74)【代理人】
【識別番号】100114775
【弁理士】
【氏名又は名称】高岡 亮一
(74)【代理人】
【識別番号】100121511
【弁理士】
【氏名又は名称】小田 直
(74)【代理人】
【識別番号】100202751
【弁理士】
【氏名又は名称】岩堀 明代
(74)【代理人】
【識別番号】100208580
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 玲奈
(74)【代理人】
【識別番号】100191086
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 香元
(72)【発明者】
【氏名】グリム，ウィリアム エイチ．サード
【テーマコード（参考）】
3H052
3H066
5H307
【Ｆターム（参考）】
3H052AA01
3H052BA11
3H052BA13
3H052CC02
3H052EA09
3H066AA01
3H066BA01
3H066BA04
3H066EA12
3H066EA33
5H307DD02
5H307EE02
(57)【要約】
作動弁アセンブリは、入口通路（１１１）と出口通路（１１３）の間に配置された弁座（１１２）、及び入口通路と出口通路の少なくとも一方に設けられた固定オリフィス（１１５）制限部を有する弁体（１１０）と、弁体と一緒に組み立てられ、閉位置と開位置の間で軸方向に移動可能な弁要素（１２０）と、弁体と一緒に組み立てられ、閉位置と開位置の間の弁要素の軸方向移動のために弁要素と接続されるアクチュエータ（１３０）とを含む。弁座と弁要素に関連する最大弁座環周流量係数対固定オリフィス制限部に関連するオリフィス流量係数の比は、約２：１～約８：１の間である。
【選択図】図６
【選択図】図６
【特許請求の範囲】
【請求項1】
入口通路と出口通路の間に配置された弁座、及び前記入口通路と出口通路の少なくとも一方に設けられた固定オリフィス制限部を含む弁体と、前記弁体と一緒に組み立てられた弁要素であって、前記弁座と密封係合し、前記入口通路と出口通路の間の流れを遮断する閉位置と、前記弁座から離間され、前記入口通路と出口通路の間の流れを許容する開位置との間で軸方向に移動可能な弁要素と、
前記弁体と一緒に組み立てられ、前記閉位置と開位置の間の前記弁要素の軸方向移動のために前記弁要素と接続されたアクチュエータとを備え、
前記弁座と弁要素に関連する最大弁座環周流量係数対前記固定オリフィス制限部に関連するオリフィス流量係数の比が約２：１から約８：１の間である、
作動弁アセンブリ。
【請求項2】
前記最大弁座環周流量係数対前記オリフィス流量係数の比が、約３：１から約５：１の間である、請求項１に記載の作動弁アセンブリ。
【請求項3】
入口通路と出口通路の間に配置された弁座、及び前記入口通路と出口通路の少なくとも一方に設けられた固定オリフィス制限部を含む弁体と、前記弁体と一緒に組み立てられた弁要素であって、前記弁座と密封係合し、前記入口通路と出口通路の間の流れを遮断する閉位置と、前記弁座から離間され、前記入口通路と出口通路の間の流れを許容する開位置との間で軸方向に移動可能な弁要素と、
前記弁体と一緒に組み立てられ、前記閉位置と開位置の間の前記弁要素の軸方向移動のために前記弁要素と接続されたアクチュエータとを備え、
前記弁座と弁要素に関連する最大弁座環周流れ面積対固定オリフィス制限部流れ面積の比が約２：１から約８：１の間である、
作動弁アセンブリ。
【請求項4】
前記最大弁座環周流れ面積対前記固定オリフィス制限部流れ面積の比が、約３：１から約５：１の間である、請求項３に記載の作動弁アセンブリ。
【請求項5】
入口通路と出口通路の間に配置された弁座、及び前記入口通路と出口通路の一方に設けられ、第１の流れ面積を有する固定オリフィス制限部を含み、前記入口通路と出口通路の他方は第２の流れ面積を有する弁体と、前記弁体と一緒に組み立てられた弁要素であって、前記弁座と密封係合し、前記入口通路と出口通路の間の流れを遮断する閉位置と、前記弁座から離間され、前記入口通路と出口通路の間の流れを許容する開位置との間で軸方向に移動可能な弁要素と、
前記弁体と一緒に組み立てられ、前記閉位置と開位置の間の前記弁要素の軸方向移動のために前記弁要素と接続されているアクチュエータとを備え、
第２の流れ面積対前記第１の流れ面積の比が、約３：２と約５：１の間である、
作動弁アセンブリ。
【請求項6】
前記第２の流れ面積対前記第１の流れ面積の比が、約２：１と約４：１との間である、請求項５に記載の作動弁アセンブリ。
【請求項7】
前記第２の流れ面積対前記弁座と弁要素に関連する最大弁座環周流れ面積の比が、約２：３と約２：１の間である、請求項５に記載の作動弁アセンブリ。
【請求項8】
入口通路と出口通路の間に配置された弁座、及び前記入口通路と出口通路の一方に設けられ、第１の流れ面積を有する固定オリフィス制限部を含み、前記入口通路と出口通路の他方は第２の流れ面積を有する弁体と、前記弁体と一緒に組み立てられた弁要素であって、前記弁座と密封係合し、前記入口通路と出口通路の間の流れを遮断する閉位置と、前記弁座から離間され、前記入口通路と出口通路の間の流れを許容する開位置との間で軸方向に移動可能な弁要素と、
前記弁体と一緒に組み立てられ、前記閉位置と開位置の間の前記弁要素の軸方向移動のために前記弁要素と接続されているアクチュエータと
を備える作動弁アセンブリであって、
前記作動弁アセンブリは、前記固定オリフィス制限部なしで提供され、その結果前記入口通路と出口通路の両方が前記第２の流れ面積を有する場合、第１の最大流量係数を有し、前記固定オリフィス制限部を有する前記作動弁アセンブリは第２の最大流量係数を有し、前記第１の最大流量係数対前記第２の最大流量係数の比は約２：１と約５：１の間である、
作動弁アセンブリ。
【請求項9】
前記第１の最大流量係数対前記第２の最大流量係数の比が、約３：１と約４：１の間である、請求項８に記載の作動弁アセンブリ。
【請求項10】
前記アクチュエータが、前記閉位置に付勢された空気圧アクチュエータばねを含み、またアクチュエータポートを備え、前記アクチュエータポートは、前記開位置への前記弁要素の移動のための、アクチュエータハウジング内の、付勢ばねに抗するピストンの加圧移動のために加圧ガスを受け入れる、請求項１～９のいずれか一項に記載の作動弁アセンブリ。
【請求項11】
前記弁要素が、軸方向に移動可能なステムを含み、ステム先端が前記ステムの端部分と一緒に組み立てられ、前記ステム先端が、前記閉位置において前記弁座と密封係合するための環状シールを含む、請求項１～１０のいずれか一項に記載の作動弁アセンブリ。
【請求項12】
前記固定オリフィス制限部が前記弁体と一体的に形成されている、請求項１～１１のいずれか一項に記載の作動弁アセンブリ。
【請求項13】
前記固定オリフィス制限部が前記入口通路によって画定される、請求項１～１２のいずれか一項に記載の作動弁アセンブリ。
【請求項14】
ストローク調整機構が、前記アクチュエータのアクチュエータポートに設置されたアパーチャ付きセットスクリューを含み、前記アパーチャ付きセットスクリューは、前記弁要素の前記開位置を制限するためにアクチュエータピストンの停止位置を定めるように軸方向位置の範囲にねじ回し式に調整可能である、請求項１～１３のいずれかに記載の作動弁アセンブリ。
【請求項15】
前記弁アセンブリが、前記弁座及び弁要素に起因する弁流量係数公差と、前記固定オリフィス制限部に起因するオリフィス流量係数公差とに基づいて有効流量係数公差を示し、前記ストローク調整機構が、弁流量係数範囲の上半分内の部分的に開かれた弁流量係数に前記開位置を調整することによって前記有効流量係数公差を排除するように構成される、請求項１～１４のいずれか一項に記載の作動弁アセンブリ。
【請求項16】
前記弁流量係数公差が少なくとも約±３％であり、前記オリフィス流量係数公差が約±１％以内である、請求項１５に記載の作動弁アセンブリ。
【請求項17】
前記アクチュエータが、前記弁要素が前記開位置にあるときに、前記弁座と弁要素に関連する弁座環周流量係数を最大弁座環周流量係数から調整するべく前記弁要素の動きを制限するために前記開位置を調整するように動作可能なストローク調整機構を含む、請求項１～１６のいずれか一項に記載の作動弁アセンブリ。
【請求項18】
流体制御システムにおいて所定の流量係数を提供する方法であって、請求項１７に記載の作動弁アセンブリを提供すること、及び
前記弁要素が開位置にあるときに、前記作動弁アセンブリにおいて前記所定の流量係数をもたらすのに有効な弁座環周流量係数に対応するために、前記弁要素の開位置を調整するように前記ストローク調整機構を調整すること、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、２０１９年１１月１８日に提出された、ＡＲＲＡＮＧＥＭＥＮＴＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＤ ＶＡＬＶＥ ＦＬＯＷ ＲＡＴＥと題する米国仮特許出願第６２／９３６，７６９号の優先権及びすべての利益を主張し、その開示内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【0002】
作動弁は、流体源から構成要素への流体の適用を制御するためにしばしば使用される。いくつかの適用では、処理された構成要素の特性が適格であることを保証するために、正確で一貫した流量が必要とされる。一例として、膜厚とエッチング深さが重要なパラメータである半導体ウェハへの成膜において、開位置で所望の流れ能力又は流量係数Ｃｖを有する作動弁が、制御された量の流体を供給するために使用される。このような弁の流量係数Ｃｖは、例えば、ＩＳＡ Ｓ７５．０２及びＣｖの測定及び計算のための他の従来の規格に記載されているように、流量試験及び方程式に基づいて流体システムパラメータ（例えば、流量、圧力損失、温度等）の測定値を使用して、又は流れをモデル化してＣｖを推定するために計算流体力学（ＣＦＤ）を採用することによって、算出することが可能である。
【0003】
従来の作動弁を通る流量は、たとえ（例えば、全開又は部分開弁状態で）所望の流量設定に作動可能であっても、例えば、流体圧力及び／又は温度の変化、弁座及び／又は弁シール部材の変形、又は弁及び／又は弁アクチュエータ内の作動に対する抵抗に起因する小さな変動にさらされることがある。このような流量の変動は、システム及び／又は生産された構成要素が要求仕様を満たさず、システムのダウンタイム（弁の修理及び／又は調整のための）及び／又は生産性の損失をもたらす可能性がある。また、複数のシステムが並行して動作し、同一の出力が求められる生産環境では、他のシステムの相当弁と同一の流量出力を持つ弁を有することは有益である。
【発明の概要】
【0004】
本開示の例示的な実施形態において、作動弁アセンブリは、入口通路と出口通路の間に配置された弁座、及び入口通路と出口通路の少なくとも一方に設けられた固定オリフィス制限部を有する弁体と、弁体と一緒に組み立てられ、閉位置と開位置の間で軸方向に移動可能な弁要素と、弁体と一緒に組み立てられ、弁要素の閉位置と開位置の間の軸方向移動のために弁要素と接続されているアクチュエータとを含む。アクチュエータは、弁要素が開位置にあるときの最大弁座環周流量（ｓｅａｔ ａｎｎｕｌｕｓ ｆｌｏｗ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）係数から弁座及び弁要素に関連する弁座環周流量係数を調整するために、弁要素の移動を制限するために開位置を調整するように動作可能なストローク調整機構を含む。最大弁座環周流量係数対固定オリフィス制限部に関連するオリフィス流量係数の比は、約２：１～約８：１の間、又は約３：１～約５：１の間である。
【0005】
本開示の別の例示的な実施形態において、作動弁アセンブリは、入口通路と出口通路の間に配置された弁座、及び入口通路と出口通路の少なくとも一方に設けられた固定オリフィス制限部を含む弁体と、弁体と一緒に組み立てられ、閉位置と開位置の間で軸方向に移動可能な弁要素と、弁体と一緒に組み立てられ、弁要素の閉位置と開位置の間の軸方向移動のために弁要素と接続されているアクチュエータとを含む。アクチュエータは、弁要素が開位置にあるときの最大弁座環周流れ面積（ｓｅａｔ ａｎｎｕｌｕｓ ｆｌｏｗ ａｒｅａ）から弁座及び弁要素に関連する弁座環周流れ面積を調整するために、弁要素の移動を制限するために開位置を調整するように動作可能なストローク調整機構を含む。最大弁座環周流れ面積対固定オリフィス制限部の流れ面積の比は、約２：１～約８：１の間、又は約３：１～約５：１の間である。
【0006】
本開示の別の例示的な実施形態において、作動弁アセンブリは、入口通路と出口通路の間に配置された弁座、及び入口通路と出口通路の一方に設けられ、第１の流れ面積を有する固定オリフィス制限部を有し、入口通路と出口通路の他方は第２の流れ面積を有する弁体と、弁体と一緒に組み立てられ、閉位置と開位置の間で軸方向に移動可能な弁要素と、弁体と一緒に組み立てられ、弁要素の閉位置と開位置の間の軸方向移動のために弁要素と接続されているアクチュエータとを含む。第２の流れ面積対第１の流れ面積の比は、約３：２と約５：１の間、又は約２：１と約４：１の間である。
【0007】
本開示の別の例示的な実施形態において、作動弁アセンブリは、入口通路と出口通路の間に配置された弁座、及び入口通路と出口通路の少なくとも一方に設けられた固定オリフィス制限部を含む弁体と、弁体と一緒に組み立てられ、閉位置と開位置の間で軸方向に移動可能な弁要素と、弁体と一緒に組み立てられ、弁要素の閉位置と開位置の間の軸方向移動のために弁要素と接続されているアクチュエータとを含む。作動弁アセンブリは、固定オリフィス制限部なしで提供され、その結果入口通路と出口通路の両方が第２の流れ面積を有する場合、第１の最大流量係数を有し、固定オリフィス制限部を有する作動弁アセンブリは第２の最大流量係数を有し、第１の最大流量係数対第２の最大流量係数の比は約２：１と約５：１の間、又は約３：１と約４：１の間である。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】オリフィス直径の関数として、０．０００５インチ又は０．００１インチの直径公差を有するオリフィスの有効流量変動を示すグラフである。
【図2】弁対オリフィス流量係数（Ｃｖ）比の範囲に対する流量性能特性を示すグラフである。
【図3】１％のオリフィスＣｖ変動を排除するために必要な弁Ｃｖ調整を、弁対オリフィスＣｖ比の関数として示すグラフである。
【図4】閉（無流量）状態からのストロークの関数としての流量係数を示すグラフである。
【図5】固定オリフィス制限部を有する弁体と、ストローク調整機構を含むアクチュエータとを含む例示的な作動弁を概略的に示る。
【図6】固定オリフィス制限部を有する弁体と、ストローク調整機構を含むアクチュエータとを含む例示的な作動弁を示す。
【図7】固定オリフィス制限部を含む弁アセンブリに対する弁流れドリフトの影響を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0009】
本発明の様々な発明的態様、概念、及び特徴は、例示的な実施形態において組み合わせて具体化されるものとして本明細書に記載及び示され得るが、これらの様々な態様、概念及び特徴は、個別に又はそれらの様々な組み合わせ及び下位組み合わせにおいて、多くの代替の実施形態において使用することができる。本明細書で明示的に除外されない限り、すべてのそのような組み合わせ及び下位組み合わせは、本発明の範囲内にあることが意図される。さらに、本発明の様々な態様、概念及び特徴に関する様々な代替実施形態－例えば、代替材料、構造、構成、方法、回路、装置及び構成要素、形態、適合性及び機能に関する代替など－が本明細書に記載され得るが、かかる記載は、現在知られているか後に開発されるかどうかにかかわらず、利用可能な代替実施形態の完全又は網羅的なリストであることを意図するものではない。当業者は、本発明の態様、概念又は特徴の１つ又は複数を、たとえそのような実施形態が本明細書に明示的に開示されていなくても、本発明の範囲内で追加の実施形態及び用途に容易に採用し得る。さらに、本発明のいくつかの特徴、概念又は態様が好ましい配置又は方法であるとして本明細書に記載されることがあっても、そのような記載は、明示的にそう記載されない限り、そのような特徴が必要又は不可欠であることを示唆することを意図するものではない。さらに、本開示の理解を助けるために、例示的又は代表的な値及び範囲が含まれる場合があるが、そのような値及び範囲は、限定的な意味で解釈されるものではなく、そのように明示的に記載されている場合にのみ、重要な値又は範囲であることが意図される。「およそ」又は「約」付きの指定された値として識別されるパラメータは、明示的に別段の記載がない限り、指定された値、指定された値の５％以内の値、及び指定された値の１０％以内の値を含むように意図されている。さらに、本開示に付随する図面は、一体の縮尺であり得るが、そうである必要はなく、したがって、図面に明らかな様々な比率及び割合を教示するものとして理解され得ることが理解されよう。さらに、様々な態様、特徴及び概念は、発明的であるか又は発明の一部を形成するものとして本明細書に明示的に特定され得るが、かかる特定は排他的であることを意図しておらず、むしろ、そのように又は特定の発明の一部として明示的に特定されずに本明細書に完全に記載されている発明的態様、概念及び特徴が存在し得、発明は代わりに添付の請求項に規定されている。例示的な方法又はプロセスの記載は、すべての場合に必要であるとしてすべてのステップを含めることに限定されず、また、ステップを提示する順序は、明示的にそう記載されない限り、必要又は不可欠であるものとして解釈されるものではない。
【0010】
本開示は、弁要素の限定的な作動によって流量を調整可能にしながら、例えば、弁を通る流れの一貫性及び均一性を確立し、時間の経過とともに流れの偏差を最小にする、作動式遮断弁を通る流量を制御する配置及び方法を企図する。
【0011】
システム内の弁は、しばしば、本質的に３つのタイプの流量偏差にさらされる。寸法に基づく流量偏差は、弁構成要素の幾何学的／寸法公差に起因し得る。この結果、「箱から出してすぐ」、あるいは弁が使用される前に、弁間で±１０％以上の流量係数の偏差が発生する可能性がある。サイクルに基づく流量偏差（又は「弁ドリフト」）は、弁座やシール要素の摩耗や変形、弁やアクチュエータの作動に対する抵抗、又は他のそのような条件に起因し得る。システムに基づく流量偏差（又は「弁シフト」）は、例えば、温度変化（例えば、弁座の熱膨張をもたらす）や圧力変化（例えば、ダイヤフラム／ベローズの高さの変化をもたらす）を含む、システム条件の変化に起因し得る。いくつかの用途では、例えば、多くの半導体ウェハ処理用途のように、並行して使用される複数の弁が、各弁を通じて正確で一貫した（又は「整合した」）流れを提供することが求められるシステムにおいてなど、小さな流量の偏差でさえも重要である場合がある。システム内の弁は、同じ割合で弁ドリフト及び／又は弁シフトを経験することを当てにできないので、当初は適切に一貫した流量を提供するシステム内の弁は、時間の経過とともに、より大きく許容できない程度に互いに逸脱する可能性がある。
【0012】
従来の弁は、例えば、弁要素の開位置を手動又は自動で調整することにより（例えば、閉位置からの弁要素のストローク量を変えることにより）、弁の開位置における弁要素（例えば、ステム先端、ダイヤフラム）と弁座との間の流れ面積（「弁座環周流れ面積」）を最大弁座環周流れ面積から調整し、弁の対応する流れ能力又は流量係数を最大流れ能力又は流量係数から調整するように、流量偏差を補償するように調整可能である。このような調整により、（弁製造業者による、又は初期設置時の）弁間の「箱から出してすぐ」の流量偏差を効果的に補正することができる。しかしながら、これらの調整は、一般に、使用中の弁の弁ドリフト又は弁シフトを補正する際に反応的であり、弁流量が許容範囲又は公差から外れるまで実施されない。その結果、廃棄又は再加工しなければならない流体処理された製品、及び／又は必要な弁調整を行うためのシステムのダウンタイムが生じることがある。ある用途では、ドリフトを補正するための弁の調整は、装置の停止を必要とし、そのような中断はコストと時間のかかるものとなり得る。
【0013】
本開示の例示的な態様によれば、（例えば、上述の要因のために）必要以上の流れ能力と所望以上の流量公差とを有する弁は、流れ能力の低下を必要な流れ能力に制限するのに十分大きい一方、流量偏差を許容できる流量公差に低減するのに十分小さい、精密成形（例えば、リーミング）された固定オリフィス制限部を有する流路（例えば、弁座から上流及び／又は下流）を有するように適合されることができる。固定オリフィス制限部は、弁サイクル又はシステム条件の変化によって著しく影響を受ける構成要素を含まないので、固定オリフィス制限部に起因する流れの偏差は、オリフィスの寸法公差に実質的に制限され、弁ドリフト又は弁シフトによって（オリフィス規定材料の最小熱膨張を超えて）著しく影響を受けない。
【0014】
固定オリフィス制限部は、一体的に形成されたものであれ、挿入された構成要素に設けられたものであれ、オリフィス制限に起因する流量係数（Ｃｖ）公差を（オリフィス直径上で約±０．００５インチ以内の従来の弁オリフィス公差と比較して）最小限に抑えるのに十分な高い精度（例えば、オリフィス直径上で約±０．００１インチ以内又は約±０．０００５インチ以内の公差）を有するように形成することができる。例示的な実施形態では、精密成形されたオリフィス制限に関連するＣｖ公差は、既知の製造技術を使用して、±１％に制限され得る。図１は、オリフィス直径の関数として、０．０００５インチ又は０．００１インチの直径公差を有するオリフィスの有効流量変動を示すグラフである。
【0015】
固定オリフィス制限部を有する弁アセンブリにおいて、オリフィス流量係数Ｃｖ２が小さい（又は弁対オリフィス流量係数比Ｃｖ１／Ｃｖ２が大きい）ほど、有効流量係数Ｃｖに対する影響が大きくなり、その公差／変動性を含む非制限弁流量係数Ｃｖ１が有効流量係数に及ぼす影響が小さくなる。非制限流量係数Ｃｖ１を有する弁の有効流量係数Ｃｖは、低減オリフィス流量係数Ｃｖ２を有する固定オリフィス制限部を備える場合、次式で表すことができる：
【化1】
【0016】
一例として、２：１の弁対オリフィスＣｖ比（例えば、１．０の非制限流量係数Ｃｖ１及び０．５のオリフィス流量係数Ｃｖ２）を有する弁は、弁流量係数Ｃｖ１の約４５％の有効流量係数Ｃｖをもたらす。３：１の弁対オリフィスＣｖ比を有する弁は、弁流量係数Ｃｖ１の約３２％の有効流量係数Ｃｖをもたらす。４：１の弁対オリフィスＣｖ比を有する弁は、弁流量係数Ｃｖ１の約２４％の有効流量係数Ｃｖをもたらす。図２は、弁対オリフィスＣｖ比の範囲に関する流量性能特性を示すグラフを示す。
【0017】
弁Ｃｖ公差が±３％、オリフィスＣｖ公差が±１％の場合、２：１の弁対オリフィスＣｖ比（例えば、０．９７～１．０３の非制限流量係数Ｃｖ１及び０．４９５～０．５０５のオリフィス流量係数Ｃｖ２）を有する弁は、約±１．４％の有効Ｃｖ公差をもたらす。同様に、３：１の弁対オリフィスＣｖ比は、約±１．２％の有効Ｃｖ公差をもたらし、４：１の弁対オリフィスＣｖ比は、約±１．１％の有効Ｃｖ公差をもたらす。
【0018】
上に示したように、弁の有効Ｃｖ公差は、低い（例えば、±１％）Ｃｖ公差を有する精密形成された固定オリフィス制限部によって低減されるが、無制限弁と固定オリフィス制限部の組み合わせられたＣｖ公差から生じる流量偏差をさらに低減することが望ましい場合がある。本開示の別の態様によれば、「箱から出してすぐ」の弁の有効Ｃｖ公差をさらに低減又は排除するために、弁の作動ストロークを調整して、有効流量係数Ｃｖを所望の範囲内に増加又は減少させて、所望の「箱から出してすぐ」の流量係数Ｃｖに対応させてもよい。流量調整を行うために多くの異なる流量設定機構を利用することができ、その例は、米国特許第７，３３７，８０５号明細書（「’８０５特許」）、米国特許出願公開第２０１９／０２５７４４０号明細書（「’４４０出願」）、及び２０２０年１０月８日に提出された米国特許出願第１７／０６５，７８４号明細書（「’７８４出願」）に記載されており、これらのそれぞれの開示内容全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
【0019】
固定オリフィス制限部を含む調整可能なストローク作動弁において、Ｃｖを調整するために（例えば、望ましい値からのＣｖの偏差を排除又は最小化するために）必要な弁ストロークの調整は、最大の弁対オリフィスＣｖ比率に比例している（すなわち、この際ストローク調整機構を用いて弁Ｃｖを低減しない）。より大きな弁対オリフィスＣｖ比（すなわち、より小さい固定オリフィス制限部）の場合、弁の有効Ｃｖを調整するために、より大きな弁ストロークの調整が必要となる。図３は、１％のオリフィスＣｖ変動を排除するために必要な弁Ｃｖ調整を、弁対オリフィスＣｖ比の関数として示すグラフを示す。
【0020】
多くの弁（例えば、ダイヤフラム弁）の弁ストローク－Ｃｖ曲線は、流量範囲の下端（例えば、閉状態と１／２最大流量状態の間）で比較的急であるので、低流量範囲への調整は、かかる弁状態が、より大きな程度の流量変動及び減少した流量安定性をもたらすので望ましくない可能性がある。弁ストローク調整を流量範囲の上限に制限することにより（例えば、１／２最大流量状態と最大流量状態との間）、流れの一貫性及び安定性が最大化され得る。図４は、閉（無流量）状態からのストロークの関数としての流量係数を示すグラフを示す。
【0021】
このように、いくつかの用途では、最大の弁対オリフィスＣｖ比を、使用中の弁ドリフト及び弁シフトを十分に最小化することと、「箱から出してすぐの」Ｃｖ公差から生じるあらゆるＣｖ偏差を最小化できるように有効Ｃｖを十分に調整できることの両方をもたらす範囲に制限することが望ましい場合がある。一実施形態では、弁は、３：２と５：１の間、又は２：１と５：１の間、又は５：２と４：１の間、又は３：１と４：１の間の最大の弁対オリフィスＣｖ比を備えている。例えば、最大の弁対オリフィスＣｖ比が２：１の弁は、弁Ｃｖ範囲の上半分内で、±１３％の有効Ｃｖのアクチュエータストローク調整（又は最大流量状態から２６％の減少）を提供し得る。最大の弁対オリフィスＣｖ比が３：１の弁は、弁Ｃｖ範囲の上半分の範囲内で、約±７％の有効Ｃｖのアクチュエータストローク調整（又は最大流量状態から１４％の減少）を提供し得る。最大の弁対オリフィスＣｖ比が４：１の弁は、弁Ｃｖ範囲の上半分の範囲内で、約±４％の有効Ｃｖのアクチュエータストローク調整（又は最大流量状態から８％の減少）を提供し得る。この流量調整の変動は、図２のグラフの破線曲線で示されるように、調整された弁Ｃｖが減少するにつれて増大する。
【0022】
一旦、作動弁が、弁におけるあらゆる箱から出してすぐのＣｖ偏差を最小化又は排除するように調整されると、弁ドリフト及び弁シフトに関連するＣｖ偏差は、固定オリフィス制限部によって著しく低減され得、その結果、許容できる精密かつ一貫したＣｖを維持するために弁使用中に弁流量設定の調整（例えば、作動ストローク調整）に対する要求が最小化又は排除され得る。例えば、最大の弁対オリフィスＣｖ比が２：１の場合、弁ドリフト／シフトに起因するＣｖ偏差（対応する無制限弁の場合）は約８３％減少し、ほぼ６％の弁ドリフト／シフトを１％未満の偏差に減らすのに十分である。最大の弁対オリフィスＣｖ比が３：１の場合、弁のドリフト／シフトに起因するＣｖ偏差は約９１％減少し、１０％の弁ドリフト／シフトを１％未満の偏差に減少させるに十分である。最大の弁対オリフィスＣｖ比が４：１の場合、弁ドリフト／シフトに起因するＣｖ偏差は約９５％低減され、ほぼ２０％の弁ドリフト／シフトを１％未満の偏差に低減するのに十分である。
【0023】
上述のように、本明細書で企図される固定オリフィス制限部は、流量制限の流れ能力又は流量係数Ｃｖに対する無制限弁の流れ能力又は流量係数Ｃｖの最大比の観点から定義することができる。本明細書で使用する場合、「無制限弁」は、実質的に等しい断面積又は流れ面積を有する上流（又は入口）及び下流（又は出口）通路を有し、固定オリフィス制限部がなく、通路は、弁の流れ能力が弁座環周流れ面積、又は弁が開状態にあるときの弁座と弁要素（例えば、ステム先端、ダイヤフラム）の間の領域によって主に制限又は制御されるようにサイズ決定されているものとみなされる。流量制限弁、又は本明細書で企図される固定オリフィス制限部を有する弁は、上流及び下流通路のいずれか又は両方に固定オリフィス制限部を有し、弁の流れ能力が固定オリフィス制限部によって主に制限又は制御されるようにサイズ決定されている一方、寸法公差、弁シフト、及び／又は弁ドリフトの結果として生じる流量偏差を補正するのに十分な流れ能力又は流量係数調整が依然として可能であるものとみなされる。
【0024】
したがって、流量制限は、追加的又は代替的に、固定オリフィス制限部に関連する流れ能力又は流量係数Ｃｖに対する弁座環状体に関連する流れ能力又は流量係数Ｃｖの比という観点から定義されてもよい。１つのそのような実施形態では、弁座環状体の流れ能力又は流量係数Ｃｖ対固定オリフィス制限部の流れ能力又は流量係数Ｃｖの比は、約２：１と約８：１の間、又は約３：１と約５：１の間である。
【0025】
別の例として、流量制限は、追加的又は代替的に、固定オリフィス制限部の流れ面積に対する弁座環状体の流れ面積の比の観点から定義することができる。１つのそのような実施形態では、弁座環状体の流れ面積対固定オリフィス制限部の流れ面積の比は、約２：１と約８：１の間、又は約３：１と約５：１の間である。
【0026】
別の例として、流量制限は、追加的又は代替的に、固定オリフィス制限部の流れ面積に対する無制限弁の通路の流れ面積の比の観点から定義されてもよい。例示的な実施形態では、無制限弁の通路の流れ面積対固定オリフィス制限部の流れ面積の比は、約３：２と約５：１の間、又は約２：１と約４：１の間であり得る。いくつかのそのような実施形態では、無制限弁の通路の流れ面積対最大の弁座環状体の流れ面積の比は、約１：２と約５：１の間、又は約２：３と約２：１の間であり得る。
【0027】
図５は、弁体１０、弁要素２０、及びアクチュエータ３０を含む例示的な作動弁アセンブリ５を示す。弁体１０は、入口及び出口通路１１、１３の間に配置された弁座１２を含む。弁要素２０は、弁体１０と一緒に組み立てられ、弁座１２と密封係合して入口及び出口通路１１、１３間の流れを遮断する閉位置と、弁座から離間して入口及び出口通路間の流れを許容する開位置との間で移動可能である。例えば、弁座１２に対してシールを形成するシール面を有する軸方向に可動なステム、ポペット、又はダイヤフラムなど、多くの異なるタイプの弁要素を利用することができる。
【0028】
アクチュエータ３０は、弁体１０と一緒に組み立てられており、閉位置と開位置との間の弁要素の軸方向移動のために弁要素２０と動作可能に接続されている。多くの異なるタイプのアクチュエータを利用することができるが、図示の実施形態では、アクチュエータ３０は、弁要素２０を開位置へ移動させるために、付勢ばね３４に抗してアクチュエータハウジング３１内でピストン３３を加圧移動するための加圧ガスを受け入れるアクチュエータポート３２を備える、閉位置（「通常閉」）に付勢された空気圧アクチュエータばねである。
【0029】
弁体１０は、上述したように、弁座１２と直列に低減されたＣｖ制限を提供するように選択された固定オリフィス制限部１５を含む。固定オリフィス制限部１５は、弁座１２から上流に（例えば、入口通路１１に）、弁座から下流に（例えば、出口通路１３に）、又は弁座から上流及び下流の両方に（例えば、入口及び出口通路の両方に）配置されてもよい。固定オリフィス制限部１５は、例えば、入口通路１１及び／又は出口通路１３と連続して、又はそこから延びて、弁体１０に一体的に形成（例えば、機械加工）されてもよく、又は、例えば、ねじ接続、溶接接続、ガスケットシールインサート、又は他のそのような組立品として、弁体１０と組み立てられる構成要素（例えば、ディスク、プラグ、取り付け部品）に設けられてもよい。固定オリフィス制限部１５は、流路の全体に沿って、流路の一部に沿って、又は流路の離散的な位置で、減少した流れ面積を提供し得る。
【0030】
アクチュエータ３０は、例えば、上述のように、箱から出してすぐの弁間の流量変動を補正するために開放弁アセンブリのＣｖを調整するために、閉位置と開位置との間のアクチュエータによる弁ストロークの工場及び／又は現場調整のための、３５で概略的に示すストローク調整機構を備えてもよい。多くの異なるタイプの流量調整機構が利用されてもよく、例えば、上記の組み込まれた’８０５特許、’４４０出願、及び’７８４出願に記載された機構が挙げられる。
【0031】
図６は、弁体１１０、弁要素１２０、及びアクチュエータ１３０を含む例示的な作動弁アセンブリ１００を示す。弁体１１０は、入口及び出口通路１１１、１１３の間に配置された弁座１１２を含む。弁要素１２０は、弁体１１０と一緒に組み立てられ、弁座１１２と密封係合して、入口及び出口通路１１１、１１３間の流れを遮断する閉位置と、弁座から離間され、入口及び出口通路間の流れを許容する開位置との間で移動可能である。多くの異なるタイプの弁要素を利用することができるが、図示の実施形態では、弁要素１２０は、ステムの端部分と一緒に組み立てられたステム先端１２４を有する軸方向に可動のステム１２２を含み、ステム先端は、閉位置で弁座１１２と密封係合するための環状シール１２５（例えば、プラスチックシート）を含んでいる。
【0032】
アクチュエータ１３０は、弁体１１０と一緒に組み立てられ、閉位置と開位置との間の弁要素の軸方向移動のために弁要素１２０と接続されている。多くの異なるタイプのアクチュエータが利用され得るが、図示された実施形態では、アクチュエータ１３０は、弁要素１２０を開位置に移動させるために、付勢ばね１３４に抗してアクチュエータハウジング１３１内でピストン１３３を加圧移動するための加圧ガスを受け入れるアクチュエータポート１３２を備える、閉位置（「通常閉」）に付勢された空気圧アクチュエータばねである。
【0033】
弁体１１０は、上述したように、弁座１１２と直列に低減されたＣｖ制限を提供するように選択された固定オリフィス制限部１１５を含む。図示された実施形態では、固定オリフィス制限部１１５は、弁座１１２の上流にある。他の実施形態では、固定オリフィス制限部は、弁座の下流に設けられてもよい。図示された実施形態では、固定オリフィス制限部１１５は、弁体１１０に一体的に形成（例えば、機械加工）されており、例えば、入口通路１１１と連続しているか、又は入口通路１１１から延びている。他の実施形態では、固定オリフィス制限部は、例えば、ねじ接続、溶接接続、ガスケットシールインサート、又は他のそのような組立品として、弁体と一緒に組み立てられた構成要素（例えば、ディスク、プラグ、取り付け部品）に設けられてもよい。
【0034】
アクチュエータ１３０は、例えば、上述のように、箱から出してすぐの弁間の流量変動を補正するために開放弁アセンブリのＣｖを調整するために、閉位置と開位置との間のアクチュエータによる弁ストロークの工場及び／又は現場調整のためのストローク調整機構１３５をさらに含む。多くの異なるタイプの流量調整機構が利用され得るが、図示された実施形態では、ストローク調整機構１３５は、アクチュエータポート１３２に設置され、弁要素１２０の開位置を制限するためにピストン１３３の停止位置を定めるために軸方向位置の範囲にねじ回し式に調整可能なアパーチャ付きセットスクリューを含む。
【0035】
例示的な実施形態では、入口及び出口通路１１１、１１３、弁座１１２、及び約１．７のＣｖを有する弁要素１２０構成を有する弁１００は、約０．６０のＣｖを有する弁アセンブリを提供するために、流路１１１、１１３の一方に約０．６４のＣｖを有するオリフィス制限部１１５を設けるように適合されることができる。弁座／要素の流量変動が±３％、オリフィス制限部の変動が±１％であるこのような弁アセンブリに対して、±０．４％の低減した変動が期待され得る。図６は、１．７Ｃｖの弁構成及び０．６４Ｃｖのオリフィス制限部を含む弁アセンブリに対する弁流れドリフトの影響を示すグラフを示す。
【0036】
１つのこのような構成において、無制限弁は、一緒になって約３のＣｖをもたらす０．３８インチ径（０．１１３平方インチ断面積）の入口及び出口通路と、約０．０８８平方インチの弁座環周流れ面積（すなわち、全開弁位置における弁座とステム先端との間の環状面積）及び約２のＣｖを提供する０．４インチの流れ環状体直径及び０．０７インチの全開弁座流れギャップを有する弁座及びステム先端とを含み、約１．７のＣｖを有する弁を提供する。このような構成において、０．１５０インチ径（０．０１８平方インチ断面積）を入口通路に設けると、オリフィスを低減し、０．６４Ｃｖの流量制限部と約０．６０の有効Ｃｖを弁に提供する。
【0037】
別の例示的な構成では、無制限弁は、一緒になって約０．６のＣｖをもたらす０．２３インチ径（０．０４１平方インチ断面積）の入口及び出口通路と、約０．０２１平方インチの弁座環周流れ面積（すなわち、全開弁位置における弁座とステム先端との間の環状面積）及び約０．７のＣｖを提供する０．３３インチの流れ環状体直径及び０．０２インチの全開弁座流れギャップを有するダイヤフラムとを含み、約０．６のＣｖを有する弁を提供する。このような構成において、０．１インチ径（０．００８平方インチ断面積）の縮小オリフィスを入口通路に設けると、０．２５Ｃｖの流量制限部と約０．２３の有効Ｃｖを弁に提供する。
【0038】
本発明を、特定の例示的な実施形態に関連して開示し、記載してきたが、本明細書を読むと、当業者は特定の変形及び修正を思い付くであろう。そのような変形及び修正は、添付の特許請求の範囲及びその均等物の定義的な制限にかかわらず、本発明の範囲内である。したがって、本出願人の一般的な発明概念の趣旨及び範囲から逸脱することなく、そのような詳細から逸脱することができる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【国際調査報告】