(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁座とともに用いるための弁筐体であって、
弁筐体本体と、
前記弁筐体本体と一体の弁ダイヤフラムとを備え、前記弁ダイヤフラムは、第１の表面と、前記第１の表面に対向する第２の表面とを有し、前記第１の表面および前記第２の表面の一方は、凹形状を有する塑性変形された同心歪み硬化領域を有し、さらに
前記弁ダイヤフラムに装着される制御要素を備え、前記制御要素は、前記弁ダイヤフラムの前記第１の表面からオフセットされる制御面を有し、前記制御面は前記弁座を選択的に係合するように構成され、
前記塑性変形された同心歪み硬化領域は、前記弁ダイヤフラムの径方向の一部に形成され、前記弁座に向けて、または前記弁座から離れるように前記制御面を付勢する、弁筐体。
【請求項２】
前記弁ダイヤフラムの厚みは、前記弁ダイヤフラムの前記歪み硬化領域において５％から２０％だけ低減される、請求項１に記載の弁筐体。
【請求項３】
弁座とともに用いるための弁筐体であって、
弁筐体本体と、
弁ダイヤフラムの外周において前記弁筐体本体に封止係合する弁ダイヤフラムとを備え、前記弁ダイヤフラムは、第１の表面と、前記第１の表面に対向する第２の表面とを有し、前記第１の表面および前記第２の表面の一方は、凹形状を有する塑性変形された同心歪み硬化領域を有し、さらに
前記弁ダイヤフラムに装着される制御要素を備え、前記制御要素は、前記弁ダイヤフラムの前記第１の表面からオフセットされる制御面を有し、前記制御面は前記弁座を選択的に係合するように構成され、
前記塑性変形された同心歪み硬化領域は、前記弁ダイヤフラムの径方向の一部に形成され、前記弁座に向けて、または前記弁座から離れるように前記制御面を付勢し、
前記弁ダイヤフラムの前記塑性変形された同心歪み硬化領域における前記弁ダイヤフラムの厚みは、歪み硬化の間に５％から２０％だけ低減される、弁筐体。
【請求項４】
前記塑性変形された同心歪み硬化領域は、前記弁ダイヤフラムの隣接領域の厚みの５０％から２００％の間の径方向幅を有する、請求項１または３に記載の弁筐体。
【請求項５】
前記塑性変形された同心歪み硬化領域は前記弁ダイヤフラムの同心領域を含み、前記弁ダイヤフラムの同心領域は、前記弁ダイヤフラムの隣接領域の厚みの約１００％の径方向幅にわたって前記弁ダイヤフラムの前記隣接領域の前記厚みの約１０％の厚み低減によって塑性変形される、請求項１または３に記載の弁筐体。
【請求項６】
前記塑性変形された同心歪み硬化領域は、前記弁ダイヤフラムの内周と前記弁ダイヤフラムの外周との間の距離の１／３から２／３の間にある、請求項５に記載の弁筐体。
【請求項７】
前記制御要素は、前記弁ダイヤフラムの前記内周において前記弁ダイヤフラムに装着され、前記制御要素は制御軸を有する、請求項６に記載の弁筐体。
【請求項８】
前記塑性変形された同心歪み硬化領域は前記弁ダイヤフラムの同心領域を含み、前記弁ダイヤフラムの同心領域は、前記弁ダイヤフラムの隣接領域の厚みの約１００％の径方向幅にわたって前記弁ダイヤフラムの前記隣接領域の前記厚みの約１０％の厚み低減によって塑性変形され、
前記塑性変形された同心歪み硬化領域は、前記弁ダイヤフラムの内周と前記弁ダイヤフラムの外周との間の距離の１／３から２／３の間にあり、
前記制御要素は、前記弁ダイヤフラムの前記内周において前記弁ダイヤフラムに装着され、前記制御要素は制御軸を有し、
前記弁ダイヤフラム、および前記弁筐体本体は、単一片の材料から機械加工される、請求項１に記載の弁筐体。
【請求項９】
前記弁ダイヤフラムは耐食金属合金を備える、請求項１または３に記載の弁筐体。
【請求項１０】
前記弁ダイヤフラムおよび前記弁筐体本体は、単一片の材料から機械加工される、請求項１に記載の弁筐体。
【請求項１１】
制御弁であって、
流体入口オリフィスで終端する流体入口導管と、流体出口オリフィスで開始する流体出口導管とを有する弁本体と、
前記流体入口オリフィスおよび前記流体出口オリフィスのうち１つに規定される座部と、
前記弁本体に固着される弁筐体本体と、
前記弁筐体本体と一体の弁ダイヤフラムとを備え、前記弁ダイヤフラムは、第１の表面と前記第１の表面に対向する第２の表面とを有し、前記第１の表面および前記第２の表面の一方は、凹形状を有する塑性変形された同心歪み硬化領域を有し、さらに
前記弁ダイヤフラムに装着される制御要素を備え、前記制御要素は前記弁ダイヤフラムの前記第１の表面からオフセットされる制御面を有し、前記制御面は前記座部を選択的に係合するように構成され、前記弁本体、前記弁筐体本体、および前記弁ダイヤフラムは協働して弁チャンバを規定し、
前記塑性変形された同心歪み硬化領域は、前記弁ダイヤフラムの径方向の一部に形成され、前記座部との封止係合に向けて、または前記座部との封止係合から離れるように前記制御要素の前記制御面を付勢する、制御弁。
【請求項１２】
制御弁であって、
流体入口オリフィスで終端する流体入口導管と、流体出口オリフィスで開始する流体出口導管とを有する弁本体と、
前記流体入口オリフィスおよび前記流体出口オリフィスのうち１つに規定される座部と、
前記弁本体に固着される弁筐体本体と、
弁ダイヤフラムの外周において前記弁筐体本体に封止係合する弁ダイヤフラムとを備え、前記弁ダイヤフラムは、第１の表面と前記第１の表面に対向する第２の表面とを有し、前記第１の表面および前記第２の表面の一方は、凹形状を有する塑性変形された同心歪み硬化領域を有し、さらに
前記弁ダイヤフラムに装着される制御要素を備え、前記制御要素は前記弁ダイヤフラムの前記第１の表面からオフセットされる制御面を有し、前記制御面は前記座部を選択的に係合するように構成され、前記弁本体、前記弁筐体本体、および前記弁ダイヤフラムは協働して弁チャンバを規定し、
前記塑性変形された同心歪み硬化領域は、前記弁ダイヤフラムの径方向の一部に形成され、前記座部との封止係合に向けて、または前記座部との封止係合から離れるように前記制御要素の前記制御面を付勢し、前記弁ダイヤフラムの前記塑性変形された同心歪み硬化領域における前記弁ダイヤフラムの厚みは、歪み硬化の間に５％から２０％だけ低減される、制御弁。
【請求項１３】
前記塑性変形された同心歪み硬化領域は前記弁ダイヤフラムの同心領域を含み、前記弁ダイヤフラムの同心領域は、前記弁ダイヤフラムの隣接領域の厚みの約１００％の径方向幅にわたって前記弁ダイヤフラムの前記隣接領域の前記厚みの約１０％の厚み低減によって塑性変形される、請求項１１または１２に記載の制御弁。
【請求項１４】
前記塑性変形された同心歪み硬化領域は、前記弁ダイヤフラムの内周と前記弁ダイヤフラムの外周との間の距離の１／３から２／３の間にある、請求項１１または１２に記載の制御弁。
【請求項１５】
前記弁ダイヤフラムの前記第２の表面から離れるように延在する制御軸をさらに備え、
前記制御弁は常時開制御弁であり、前記凹形状を有する前記塑性変形された同心歪み硬化領域は、前記弁ダイヤフラムの前記第１の表面に形成される、請求項１４に記載の制御弁。
【請求項１６】
前記弁ダイヤフラムの前記第２の表面から離れるように延在する制御軸をさらに備え、
前記制御弁は常時閉制御弁であり、前記凹形状を有する前記塑性変形された同心歪み硬化領域は、前記弁ダイヤフラムの前記第２の表面に形成される、請求項１４に記載の制御弁。
【請求項１７】
前記弁ダイヤフラムの厚みは、前記弁ダイヤフラムの前記塑性変形された同心歪み硬化領域において５％から２０％だけ低減され、前記塑性変形された同心歪み硬化領域は、前記弁ダイヤフラムの隣接領域の厚みの５０％から２００％の間の径方向幅を有する、請求項１１に記載の制御弁。
【請求項１８】
前記塑性変形された同心歪み硬化領域は、前記弁ダイヤフラムの隣接領域の厚みの５０％から２００％の間の径方向幅を有する、請求項１２に記載の制御弁。
【請求項１９】
前記弁ダイヤフラムおよび前記弁筐体本体は、溶接によって互いに装着される異なる片の材料から形成される、請求項１２に記載の制御弁。
【請求項２０】
弁ダイヤフラムであって、
第１の表面と、前記第１の表面に対向する第２の表面とを備え、前記第１の表面は、凹形状を有する塑性変形された同心歪み硬化領域を有し、
前記塑性変形された同心歪み硬化領域は、前記弁ダイヤフラムの径方向の一部に形成され、前記弁ダイヤフラムの内周と前記弁ダイヤフラムの外周との間の距離の１／３から２／３の間にあり、
前記弁ダイヤフラムの前記塑性変形された同心歪み硬化領域における前記弁ダイヤフラムの厚みは、歪み硬化の間に５％から２０％だけ低減される、弁ダイヤフラム。
【請求項２１】
前記塑性変形された同心歪み硬化領域は、前記弁ダイヤフラムの隣接領域の厚みの５０％から２００％の間の径方向幅を有する、請求項２０に記載の弁ダイヤフラム。
【請求項２２】
前記塑性変形された同心歪み硬化領域は前記弁ダイヤフラムの同心領域を含み、前記弁ダイヤフラムの同心領域は、前記弁ダイヤフラムの隣接領域の厚みの約１００％の径方向幅にわたって前記弁ダイヤフラムの前記隣接領域の前記厚みの約１０％の厚み低減によって塑性変形される、請求項２０に記載の弁ダイヤフラム。
【請求項２３】
前記弁ダイヤフラムの前記内周において前記弁ダイヤフラムに装着される制御要素をさらに備え、
前記制御要素は、前記弁ダイヤフラムの前記第１の表面および前記弁ダイヤフラムの前記第２の表面の一方から離れるように延在する制御軸と、前記弁ダイヤフラムの前記第２の表面および前記弁ダイヤフラムの前記第１の表面の他方からオフセットされる制御面とを有し、
前記制御面は弁座を選択的に係合するように構成される、請求項２０に記載の弁ダイヤフラム。
【請求項２４】
前記塑性変形された同心歪み硬化領域は前記弁ダイヤフラムの同心領域を含み、前記弁ダイヤフラムの同心領域は、前記弁ダイヤフラムの隣接領域の厚みの約１００％の径方向幅にわたって前記弁ダイヤフラムの前記隣接領域の前記厚みの約１０％の厚み低減によって塑性変形され、
前記塑性変形された同心歪み硬化領域は、前記弁ダイヤフラムの内周と前記弁ダイヤフラムの前記外周との間の距離の１／３から２／３の間にあり、
前記制御要素は、前記弁ダイヤフラムの前記内周において前記弁ダイヤフラムに装着され、前記制御要素は制御軸を有し、
前記弁ダイヤフラムおよび前記弁筐体本体は、溶接によって互いに装着される異なる片の材料から形成される、請求項３に記載の弁筐体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
この出願は、２０１５年６月１７日に出願された、「弁用の低ヒステリシスダイヤフラム」と題された米国仮出願連続番号第６２／１８０，８６７号に対する、米国特許法第１１９条（ｅ）およびＰＣＴ第８条に基づく利益を主張し、あらゆる目的のためにその全体をここに引用により援用する。
【背景技術】
【０００２】
背景
本発明の実施形態は、半導体装置、薬剤、精製化学製品、および多数の同様の流体送達システムを作製する産業用プロセス内で流体送達の制御用に設計される弁に関する。被制御流体は、液体、気体、真空、蒸気、またはそれらの状態の物質の組合せであり得る。半導体製造機器内でプロセス材料を操作するよう意図される流体送達装置は通常、送達される反応物の高い純度の維持に対する注意を要件とする。梱包型封止配置内で摺動するまたは回転する機械軸は、粒子による、高純度のプロセス材料の検出可能な程度の汚染をしばしば生じさせることが公知である。放射性の、有毒の、自然発火性の、またはそれ以外の危険な流体も、梱包型封止の装置で扱われると、安全性がより低いと考えられ得る。両者ともがテレンス・ジェイ・コレンス（Terrence J. Kolenc）他に発行された米国特許第４，６０６，３７４号および米国特許第４，７３２，３６３号は、周囲の環境から被制御流体を封止するために（梱包型封止の代わりに）金属ダイヤフラムを用いる弁の２つの例である。周知のように、手動式、空気式、および電気式を含むさまざまな種類のアクチュエータをダイヤフラム封止弁とともに用いてもよい。単純な流体のオンオフ制御用のアクチュエータおよび半導体装置を作製する産業用プロセス内での流体送達の比例制御または変調制御用に設計されるアクチュエータを、適切に設計されるダイヤフラム封止弁とともに用いてもよいことも公知である。
【０００３】
高純度の適用例向けの弁の設計者は一般的に、漏れ止め弁チャンバ封止ダイヤフラムを設けることに対する多数の異なる方策を認識している。コレンス（Kolenc）他に発行された米国特許第４，６０６，３７４号では、３枚のシート状金属ディスクを備えるダイヤフラムは、弁本体および弁帽の中の段差構造同士の間で周辺がクランプ止めされる。ナカザワ（Nakazawa）他に発行された米国特許第５，１４５，１４７号では、単層のシート状金属ダイヤフラムが弁アセンブリの一部に溶接される。オリビエ（Ollivier）に発行された米国特許第５，７５５，４２８号では、ダイヤフラムはクランプ止め部材によって弁本体に静的に封止され、これにより弁本体上のトロイド状の突出部にダイヤフラムが押圧される。
【０００４】
ダイヤフラムの分野のさまざまな他の発展例は、たとえば、ヤマジ（Yamaji）他に発行された米国特許第５，８２０，１０５号に記載されるような材料組成、ウー（Wu）他に発行された米国特許第５，８５１，００４号に記載のようなダイヤフラム形状または接触アクチュエータ、およびボービール（Beauvir）に発行された米国特許第５，２０１，４９２号を扱っている。ある設計者は、アクチュエータおよびダイヤフラム自体のヒステリシスに関連付けられるかなりの性能の限界を見出している。ベンサウラ（Bensaoula）他に発行された米国特許第５，９２７，３２５号は、ヒステリシスを詳細に論じる例示的な事例を提供する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
要約
本発明の実施形態は、弁筐体の一体要素として機械加工される封止ダイヤフラムに向けられる。便宜上、この開示中の全図は、同様の一体に機械加工された弁封止ダイヤフラムを示すが、ダイヤフラムと弁筐体または弁本体の要素との他の組合せを本発明とともに用いることができることを認めるべきであり、一体型のダイヤフラムを限定的と解釈すべきではない。
【０００６】
本発明の局面に従い、出願人は、比例弁で用いるように意図される金属ダイヤフラムの性能を向上させる製造プロセスを実現した。この向上により、円形のダイヤフラム用の、形状がリング状である冷間加工領域ができる。この結果、そうしなければ平らなダイヤフラムはほぼ円錐の形態に変形する。変形されたダイヤフラムに対して円錐形態を潰す方向の軸方向負荷を付与することにより、応力付与されたダイヤフラムのアーチ型の断面形状が誘導される。これにより、すべての動作状況においてダイヤフラム材料に圧縮力が加わる。以前は平らであったダイヤフラムには常に負荷がかかり、したがって、所望の復帰ばね力を与える一方でヒステリシスを排除する結果になるが、これは比例制御弁では非常に問題になる可能性がある。
【０００７】
本開示の１つの局面では、弁ダイヤフラムは、第１の表面と第１の表面に対向する第２の表面とを含み、第１の表面は、凹形状を有する塑性変形された同心歪み硬化領域を有する。
【０００８】
ある実施形態では、弁ダイヤフラムの厚みは弁ダイヤフラムの歪み硬化領域において５％から２０％だけ低減される。
【０００９】
ある実施形態では、歪み硬化領域は、弁ダイヤフラムの隣接領域の厚みの５０％から２００％の間の径方向幅を有する。
【００１０】
ある実施形態では、歪み硬化領域は弁ダイヤフラムの同心領域を含み、弁ダイヤフラムの同心領域は、弁ダイヤフラムの隣接領域の厚みの約１００％の径方向幅にわたって弁ダイヤフラムの隣接領域の厚みの約１０％の厚み低減によって塑性変形される。
【００１１】
ある実施形態では、歪み硬化領域は、弁ダイヤフラムの内周と弁ダイヤフラムの外周との間の距離の１／３から２／３の間である。
【００１２】
ある実施形態では、弁ダイヤフラムは耐食金属合金を含む。
ある実施形態では、弁ダイヤフラムは、弁ダイヤフラムの内周において弁ダイヤフラムに装着される制御要素を含み、制御要素は、弁ダイヤフラムの第１の表面から離れるように延在する制御軸を有し、制御要素は、弁ダイヤフラムの第２の表面からオフセットされる制御面を有する。制御面は弁座を選択的に係合するように構成される。
【００１３】
ある実施形態では、弁ダイヤフラムは弁筐体を含む。弁ダイヤフラムは、弁ダイヤフラムの外周において弁筐体に封止係合している。
【００１４】
ある実施形態では、弁ダイヤフラムは、弁ダイヤフラムの内周において弁ダイヤフラムに装着される制御要素を含み、制御要素は、弁ダイヤフラムの第２の表面から離れるように延在する制御軸を有し、制御要素は、弁ダイヤフラムの第１の表面からオフセットされる制御面を有する。制御面は弁座を選択的に係合するように構成される。
【００１５】
本発明の別の局面では、制御弁のための弁筐体は、弁筐体本体と、弁ダイヤフラムの外周において弁筐体本体に封止係合する弁ダイヤフラムとを含む。弁ダイヤフラムは、第１の表面と第１の表面に対向する第２の表面とを有する。第１の表面は、凹形状を有する塑性変形された同心歪み硬化領域を有する。
【００１６】
ある実施形態では、弁ダイヤフラムの厚みは弁ダイヤフラムの歪み硬化領域において５％から２０％だけ低減される。
【００１７】
ある実施形態では、歪み硬化領域は、弁ダイヤフラムの隣接領域の厚みの５０％から２００％の間の径方向幅を有する。
【００１８】
ある実施形態では、歪み硬化領域は弁ダイヤフラムの同心領域を含み、弁ダイヤフラムの同心領域は、弁ダイヤフラムの隣接領域の厚みの約１００％の径方向幅にわたって弁ダイヤフラムの隣接領域の厚みの約１０％の厚み低減によって塑性変形される。
【００１９】
ある実施形態では、歪み硬化領域は、弁ダイヤフラムの内周と弁ダイヤフラムの外周との間の距離の１／３から２／３の間である。
【００２０】
ある実施形態では、弁ダイヤフラムは耐食金属合金を含む。
ある実施形態では、弁筐体は、弁ダイヤフラムの内周において弁ダイヤフラムに装着される制御要素を含み、制御要素は、弁ダイヤフラムの第１の表面から離れるように延在する制御軸と、弁ダイヤフラムの第２の表面からオフセットされる制御面とを有する。制御面は弁座を選択的に係合するように構成される。
【００２１】
ある実施形態では、弁筐体は、弁ダイヤフラムの内周において弁ダイヤフラムに装着される制御要素を含み、制御要素は、弁ダイヤフラムの第２の表面から離れるように延在する制御軸と、弁ダイヤフラムの第１の表面からオフセットされる制御面とを有する。制御面は弁座を選択的に係合するように構成される。
【００２２】
本発明の別の局面では、制御弁は、流体入口オリフィスで終端する流体入口導管と、流体出口オリフィスで開始する流体出口導管とを有する弁本体を含む。流体入口オリフィスまたは流体出口オリフィスのいずれかに座部が規定される。弁筐体本体は弁本体に固着される。弁ダイヤフラムは、弁ダイヤフラムの外周において弁筐体本体に封止係合し、弁ダイヤフラムは、第１の表面と第１の表面に対向する第２の表面とを有する。第１の表面または第２の表面は、凹形状を有する塑性変形された同心歪み硬化領域を有する。制御要素が弁ダイヤフラムに装着される。制御要素は、弁ダイヤフラムの第１の表面からオフセットされる制御面を有する。制御面は、座部を選択的に係合するように構成され、弁本体、弁筐体本体、および弁ダイヤフラムは協働して弁チャンバを規定する。
【００２３】
ある実施形態では、弁ダイヤフラムの厚みは弁ダイヤフラムの歪み硬化領域において５％から２０％だけ低減される。
【００２４】
ある実施形態では、歪み硬化領域は、弁ダイヤフラムの隣接領域の厚みの５０％から２００％の間の径方向幅を有する。
【００２５】
ある実施形態では、歪み硬化領域は弁ダイヤフラムの同心領域を含み、弁ダイヤフラムの同心領域は、弁ダイヤフラムの隣接領域の厚みの約１００％の径方向幅にわたって弁ダイヤフラムの隣接領域の厚みの約１０％の厚み低減によって塑性変形される。
【００２６】
ある実施形態では、歪み硬化領域は、弁ダイヤフラムの内周と弁ダイヤフラムの外周との間の距離の１／３から２／３の間である。
【００２７】
ある実施形態では、弁ダイヤフラムは耐食金属合金を備える。
ある実施形態では、制御軸は、弁ダイヤフラムの第２の表面から離れるように延在する。
【００２８】
ある実施形態では、制御弁は常時開制御弁であり、凹形状を有する塑性変形された同心歪み硬化領域は弁ダイヤフラムの第１の表面に形成される。
【００２９】
ある実施形態では、制御弁は常時閉制御弁であり、凹形状を有する塑性変形された同心歪み硬化領域は弁ダイヤフラムの第２の表面に形成される。
【００３０】
１つの実施形態では、弁ダイヤフラムは、１つのダイヤフラム面の小さな同心領域を冷間加工することによって加工される。別の実施形態では、冷間加工プロセスは、ダイヤフラムの厚みを５％から２０％だけ低減する永久的塑性変形を作り出す。別の実施形態では、冷間加工された領域の径方向幅はダイヤフラムの厚みの５０％から２００％の間である。別の実施形態では、常時閉弁に用いるための弁ダイヤフラムは、ダイヤフラムの厚みの約１００％の径方向幅にわたるダイヤフラムの厚みの約１０％の厚み低減によって塑性変形されるダイヤフラムの同心領域を弁チャンバの外に有する。別の実施形態では、常時開弁に用いるための弁ダイヤフラムは、ダイヤフラムの厚みの約１００％の径方向幅にわたるダイヤフラムの厚みの約１０％の厚み低減によって塑性変形される、弁チャンバに露出されるダイヤフラムの同心領域を有する。さまざまな実施形態では、ダイヤフラムは、３１６型ステンレス鋼、ヘインズインターナショナル（Haynes International）から入手可能なハステロイ（登録商標）商標のニッケル−クロム合金、エルジロイスペシャルティメタルズ（Elgiloy Specialty Metals）から入手可能なエルジロイ（登録商標）商標のコバルト−クロム合金などの耐食金属合金から形成される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】代表的な常時閉ダイヤフラム封止弁の透視断面図である。
【図２Ａ】常時閉弁向けのダイヤフラムをアクチュエータ側から見た平面図である。
【図２Ｂ】常時閉弁向けの図２Ａのダイヤフラムを通して見た断面図である。
【図３】代表的な常時開ダイヤフラム封止弁の透視断面図である。
【図４Ａ】常時開弁向けのダイヤフラムを座部側から見た平面図である。
【図４Ｂ】常時開弁向けの図４Ａのダイヤフラムを通して見た断面図である。
【図５】本発明の実施形態に従う常時閉弁のダイヤフラムの変形を誇張して描いた図である。
【図６】本発明の別の実施形態に従う常時開弁のダイヤフラムの変形を誇張して描いた図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
詳細な説明
この発明は、その適用例について、以下の説明に述べるまたは図面に示す構成の詳細および構成要素の配置に限定されない。発明は、他の実施形態が可能であり、かつさまざまなやり方での実践または実行が可能である。また、本明細書中で用いる言い回しおよび術語は、説明の目的のためのものであり、限定的とみなされるべきではない。「含む」、「備える」、または「有する」、「含有する」、「係る」、およびその変形の本明細書中での使用は、以下に列挙する項目およびその均等物ならびに付加的な項目を包含することを意味する。方向を示す形容詞である「内側」、「外側」、「上側」、「下側」などの用語の使用は、設計要素同士の間の相対的な関係の理解を助けることを意味し、空間の中での絶対的な方向を意味すると解釈されるべきではなく、限定的とみなされるべきでもない。
【００３３】
高純度流体送達適用例で用いるためのダイヤフラム封止弁の代表例を図１に透視断面で示す。この弁は、弁本体９０と、その両方が流体を弁チャンバ５０へまたは弁チャンバ５０から連通させる入口導管１０および出口導管１４と、弁筐体本体６２を有しかつチャンバ封止ダイヤフラム７０を含み、金属ガスケット６５によって弁本体９０に対して封止される弁筐体６０と、ダイヤフラム７０の撓みによって可動の制御要素８０とを備える。図１では、制御要素８０は、弁ダイヤフラムの第１の表面から下向きにオフセットされる制御面８１を有する。制御面は、少なくとも座部２０を封止係合する領域では平らであることが好ましい。チャンバ封止ダイヤフラムは、封止ダイヤフラム７０の外径７１で弁筐体６０に封止係合している。オリフィス１２と、当該オリフィス１２を取囲むことで制御要素８０に対するクリアランスが小さい制御空隙を規定する座部２０とを考察することによって、流体の流れを制御する態様をさらに理解し得る。当該オリフィス１２は、その中を通って入口導管１０が流体を弁チャンバ５０の中へ吐出するものである。座部２０は、制御要素８０の制御軸８２に加わる持上げ力によって変更可能に位置決めされ得るものであり、かつそれを通って制御空隙流体が流れ得るものである。図１の制御軸８２は、ダイヤフラム７０の上面（または第２の表面）７３から上向きに延在する。図１の例示は、作動されていない全閉止流体非流通条件下の常時閉弁を示し、したがって、そのため、示す構成に制御空隙は現われない。
【００３４】
本明細書中で用いるように、「加工硬化」または「歪み硬化」としても公知の「冷間加工」という用語は、典型的には金属または金属合金である材料の塑性変形による強化を指す。本明細書中では、「冷間加工」、「加工硬化」、および「歪み硬化」という用語を相互交換可能に用いる。
【００３５】
出願人は、１つのダイヤフラム面の小さな同心領域を冷間加工することによってダイヤフラムが永久的に変形することを発見した。次に、変形したダイヤフラムをダイヤフラム材料の継続的な弾性圧縮負荷付与を生じさせる態様で用いることができる。変形されたダイヤフラムに対する負荷の付与は、必要な弁復帰ばね力を与え、同時にヒステリシスの呈示に向かう任意のダイヤフラムの傾向に勝る。ダイヤフラムが与える復帰力もアクチュエータのヒステリシスを小さくすることができる。塑性変形冷間加工プロセスは、シート状の地金であるダイヤフラムまたはより大きな弁要素の一体部分として機械加工されるダイヤフラムに対して行なうことができる。ダイヤフラムを弁筐体本体６２中の弁筐体６０とともに一体に形成する必要はないことを認めるべきである。というのも、本開示の実施形態は、後で弁筐体本体６２に装着されて弁筐体を形成する１片のシート状金属から打抜かれる、パンチで打抜かれる、または切取られるダイヤフラムを包含するからである。ダイヤフラム７０は、弁筐体６０の内径に封止係合して、流体が弁チャンバ５０から上向きに漏れないようにする。
【００３６】
金属ダイヤフラムの同心領域を冷間加工することにより、合金が局所的に加工硬化され、かつ関連の降伏強さが増す。材料の強さを考えると、一方側の加工された領域内で圧縮応力が付与される一方で、ダイヤフラムの他方側の材料が引張り応力を受けることが教示される。ダイヤフラム面の永久的な塑性変形を生じさせるのに十分な冷間加工の結果、加工された面内に圧縮力が蓄積し、拡張的な引張り力が反対の面内に蓄積する。これらの力の合成により、冷間加工されたダイヤフラムは線対称に曲がって、結果的に得られるカップ形状の凹んだ側の内部に冷間加工された領域ができる。常時閉弁または常時開弁の性能を向上させるように、ダイヤフラムのどちら側を加工すべきかを選択することにより、ダイヤフラムの領域を冷間加工することによってできるカップ形状を選んでもよい。
【００３７】
図２Ａおよび図２Ｂは、ダイヤフラム７０のアクチュエータ側の領域７５をどのように冷間加工すれば、ダイヤフラムが弁座２０に向けて同時に付勢されつつアクチュエータに向けて凹状になるかを示す。弁チャンバ５０の外に冷間加工された領域を置くこの配置は常時閉弁の設計に有用である。図２Ａは、封止ダイヤフラム７０をアクチュエータ側から見た弁筐体６０の平面図である。図２Ｂは、冷間加工プロセス後の弁筐体６０を通して見た断面図であり、制御要素８０の制御面８１の結果的に生じる未付勢の場所が以前は同一平面上にあった弁筐体６０の底部６１の下にどのように延在するかを示す。弁筐体６０を弁本体９０に装着することにより、制御要素８０の制御面８１は弁座２０に対して静止し、こうしてダイヤフラム７０を曲げる。ダイヤフラム７０は結果的に、常時閉弁が閉じられたときですら、継続的な弾性圧縮負荷付与を受ける。制御軸８２に持上げ力を付与して流体が流れるように弁を開くことによってダイヤフラム７０はさらに撓み、ダイヤフラム材料内の圧縮が増大する。
【００３８】
高純度流体送達適用例で用いるためのダイヤフラム封止弁の別の代表例を図３に透視断面で示す。この典型的な弁は、弁本体３９０と、その両者が流体を弁チャンバ３５０にまたは弁チャンバ３５０から連通させる入口導管３１０および出口導管３１４と、弁筐体本体３６２を有しかつチャンバ封止ダイヤフラム３７０を含み、金属ガスケット３６５によって弁本体３９０に対して封止される弁筐体３６０と、ダイヤフラム３７０の撓みによって可動の制御要素３８０とを備える。オリフィス３１２と、当該オリフィス３１２を取囲むことによって制御要素３８０に対するクリアランスが小さい制御空隙を規定する座部３２０とを考察することによって、流体の流れを制御する態様をさらに理解し得る。当該オリフィス３１２は、それを通って入口導管３１０が弁チャンバ３５０の中に流体を吐出するものである。座部３２０は、制御軸３８２に加えられる下向きの力によって変更可能に位置決めされ得、かつそれを通って制御空隙流体が流れ得るものである。図３の例示は、作動されていない流通自在条件の常時開弁を示し、したがって、示される構成では制御空隙が最大であることを認めるべきである。
【００３９】
図４Ａおよび図４Ｂは、ダイヤフラム３７０の弁チャンバ側の領域３７５をどのように冷間加工すればダイヤフラムが弁座３２０から離れるように同時に付勢されつつ弁チャンバ３５０に向けて凹状になるかを示す。冷間加工された領域を弁チャンバ内に置くこの配置は常時開弁の設計に有用である。図４Ａは、封止ダイヤフラム３７０を弁チャンバ側から見た弁筐体３６０の平面図である。図４Ｂは、冷間加工プロセス後の弁筐体３６０を通して見た断面図であり、制御要素３８０の制御面３８１の結果的に生じる未付勢の場所が以前は同一平面にあった弁筐体３６０の底部３６１の上にどのように延在するかを示す。弁本体３９０に弁筐体３６０を装着する結果、弁座３２０の上に大きな空隙ができるような状態で制御要素３８０の制御面３８１が位置決めされる。この未付勢の状態での空隙は、作動されていない全開流通条件向けに意図されるよりも大きい。好適なアクチュエータアセンブリ（図示せず）を制御軸３８２に結合して、制御要素３８０の制御面３８１と座部３２０との間の空隙を所望の全開空隙距離まで小さくするように下向きの付勢力を付与してもよい。結果的に、ダイヤフラム３７０は常時開弁の全条件について継続的な弾性圧縮負荷付与を受ける。制御要素３８０の制御軸３８２に付加的な下向きの力を加えて部分的に弁を閉じて流体の流れを減らすことによってダイヤフラム３７０はさらに撓み、ダイヤフラム材料内の圧縮が増大する。
【００４０】
ダイヤフラムの同心領域の冷間加工（または代替的に加工硬化または歪み硬化）をさまざまなプロセスによって行なってもよい。弁筐体本体の中に形成される関連の一体型ダイヤフラムを有する弁筐体を旋盤の中で回転させて、研磨工具を対象領域に適用してもよい。これに代えて、機械スピンドル（たとえばフライス盤）によってローラ研磨工具に動力を付与して、ダイヤフラムの所望の領域に押付けてもよい。または、好適なリング状突出面を含む成型工具をダイヤフラムに押圧して所望の冷間加工領域を鋳造してもよい。成型工具を用いた鋳造を、シート状金属の単純な平らな円板として開始するダイヤフラムに対しても行なってもよく、これを後に、たとえば溶接によって弁筐体本体に装着して弁筐体を形成してもよい。
【００４１】
出願人は、５％から２０％だけダイヤフラムの厚みを低減する永久的な塑性変形を作り出す冷間加工が有用であると判断した。冷間加工された領域の典型的な幅は、ダイヤフラムの厚みの５０％から２００％の間である。冷間加工後は、以前は平らであったダイヤフラムが１対の円錐形状に曲がり、これらは冷間加工された領域で出会って、径を横切るように見ると「Ｗ」形状−または半径のみを横切る形状を考慮すると「Ｖ」形状−を形成する。冷間加工された領域は好ましくは、ダイヤフラムの内側の径７２とダイヤフラムの外側の径７１（図１に示す）との間の距離の１/３から２／３の間に径方向に位置決めされる。冷間加工されたダイヤフラムの最大の負荷なし変形は、冷間加工された領域がダイヤフラムの中心に最も近い場合に生じる。
【００４２】
図５は、常時閉弁向けに領域を冷間加工した後の代表的なダイヤフラムの断面を誇張した縮尺でプロットしている。冷間加工プロセスを行なった後、ダイヤフラム７０は広がり、流れ制御要素８０は過度に延ばされている。流れ制御要素８０をその通常の位置に戻す結果、冷間加工された領域７５とダイヤフラムの周との間のダイヤフラムの部分に圧縮負荷が加わる。常時閉弁（図２Ａおよび図２Ｂ）の場合、この圧縮負荷は、弁を閉じようとするダイヤフラムが導出するばね力に対応する。常時閉弁が開状態に動かされると、ダイヤフラムに加わる圧縮負荷がさらに増す。設計者は、ダイヤフラムの圧縮が増すと同時に増大したアクチュエータ力が必要になることを認めるであろう。
【００４３】
図６は、常時開弁向けに領域を冷間加工した後の代表的なダイヤフラムの断面を誇張した縮尺でプロットしている。冷間加工プロセスを行なった後、ダイヤフラム３７０は広がり、流れ制御要素３８０は過度に後退している。流れ制御要素３８０をその通常の位置に戻した結果、冷間加工された領域３７５とダイヤフラムの周との間のダイヤフラムの部分に圧縮負荷が加わる。常時開弁（図４Ａおよび図４Ｂ）の場合、この圧縮負荷は、弁を開こうとするダイヤフラムが導出するばね力に対応する。示される常時開弁の最大の通常の開き方は、広がったダイヤフラムが与えるよりも小さく、したがってダイヤフラムの通常の位置は実際には、広がった状態と比較して部分的に閉じていることに留意されたい。常時開弁が閉じた状態に動かされると、ダイヤフラムに付与される圧縮負荷がさらに増す。設計者は、ダイヤフラムの圧縮が増すと同時に増大したアクチュエータ力が必要となることを認めるであろう。常時開のダイヤフラムを有する弁では、冷間加工された領域は、入口導管から弁チャンバを通って出口導管に移動する流体の流路内にある。常時閉のダイヤフラムを有する弁では、冷間加工された領域は、入口導管から弁チャンバを通って出口導管に移動する流体の流路の外にある。さまざまな実施形態では、ダイヤフラムは、３１６型ステンレス鋼、ニッケル系超合金、コバルト系超合金、ニッケル−クロム合金、またはコバルト−クロム合金などの耐食金属合金から形成される。尤も、流体の種類に依存して他の好適な材料を用いてもよい。ある実施形態では、ダイヤフラムは、ヘインズインターナショナル（Haynes International）から入手可能なハステロイ（登録商標）商標のニッケル−クロム合金から選択される合金から形成される、またはエルジロイスペシャルティメタルズ（Elgiloy Specialty Metals）から入手可能なエルジロイ（登録商標）商標のコバルト−クロム合金から選択される合金から形成される。ある実施形態では、ダイヤフラムを、熱可塑性物質などのポリマー材料から形成することができる。そのような実施形態では、ダイヤフラムおよび関連の弁筐体を射出成型プロセスで形成することができ、これにより、局所化されて保存された応力は、リビングヒンジを形成するのに用いられるのと同様の態様で射出成型設計によって冷間加工領域の中に誘導される。
【００４４】
ある実施形態では、ダイヤフラムは、円形以外の形状に形成される。たとえば、ある実施形態では、ダイヤフラムは、楕円形または長円などの非円形の滑らかにカーブした形状に形成される。そのような実施形態では、冷間加工された領域は、ダイヤフラムの外周から均一に離間した、上または下から見た場合に閉じたループ（または回路）を形成する。非円形の実施形態では、ダイヤフラムは、外径および内径よりもむしろ外周および内周を有する。ダイヤフラムの外周は弁筐体に封止係合するように構成される。
【００４５】
ある実施形態では、弁筐体６０，３６０、制御要素８０，３８０、および関連のダイヤフラム７０，３７０は、弁筐体本体６２，３６２に対応する１片の開始材料から機械加工される。機械加工の後、ダイヤフラム７０，３７０に対して冷間加工が行なわれる。このように１片の開始材料から制御要素、関連のダイヤフラム、および弁筐体を形成することにより、制御面８１，３８１と弁筐体６０，３６０の底部との間の同一面性の達成を助けることができる。冷間加工の後、制御面は、弛緩した状態でかつ弁本体９０，３９０上に未設置の場合に、その平面から出ていく。
【００４６】
他の実施形態では、ダイヤフラム７０，３７０および／または弁筐体本体６２，３６２とは別に制御要素８０，３８０を形成してもよい。たとえば、図１を参照して、ダイヤフラム７０、制御面８１を有する制御要素８０の部分８４、および制御軸８２を別個の片としてまず作って、次に溶接によってともに接合してもよい。次に、ダイヤフラムと制御要素との組合せ構造を、たとえば溶接によって弁筐体本体６２，３６２に装着して弁筐体６０，３６０を形成してもよい。ある実施形態では、弁チャンバ５０から外への（またはその中への）漏れを防止する好適な手段を用いて、制御要素８０の部分８４を、ダイヤフラム７０の中心の好適な穴を通る制御軸８２から下向きに突出する短い突出部上に通すことができる。他の実施形態では、制御要素８０を１片の材料から機械加工してもよく、ダイヤフラム７０を別のものから形成してもよく、制御要素８０をダイヤフラムの中心の好適な穴を通って嵌合しかつ溶接して一体構造を形成しかつ漏れを防止してもよい。次に、ダイヤフラム７０と制御要素８０との組合せ構造を弁筐体本体に装着して弁筐体を形成してもよい。
【００４７】
同様に、図３に描かれるものなどの常時開弁の実施形態では、弁筐体３６０、制御要素３８０、およびダイヤフラム３７０を単一片の開始材料から形成してもよく、または上述の態様で組立てられる別々の片の開始材料から形成してもよい。
【００４８】
入口導管１０および３１０が流体出口導管として動作し、かつ流体出口導管１４および３１４が流体入口導管として動作するように、制御弁を通る流れを逆転させることができることを認めるべきである。
【００４９】
この発明の少なくとも１つの実施形態のいくつかの局面をこのように説明したが、さまざまな変更例、修正例、および改良例が当業者には容易に想到されることを認めるべきである。そのような変更例、修正例、および改良例はこの開示の一部であることが意図され、発明の範囲内にあることが意図される。したがって、以上の説明および図面は例示のみのためのものである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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