(57)【要約】  パイロット弁構造は、主流胴体を有し、入口および出口と、外周部、可動部、ならびに第１および第２の側を備えるダイヤフラムとを有する主弁を備えるものとして説明される。主流オリフィスは、入口および出口の間の主流胴体に位置する。主弁プラグは、ダイヤフラムの可動部に取り付けおよび／または配置され、ダイヤフラムの可動部が第１の位置にあるときに流オリフィスを開き、第２の位置にあるときに流オリフィスを閉じる。パイロット弁は、主流胴体の流路に接続するパイロット弁入口をさらに備える。パイロット弁出口／オリフィスは、主弁プラグ内に配置され、主弁プラグと同じ場所に位置する。パイロット弁は、パイロット弁オリフィスを開閉するために移動可能であるパイロット弁プラグを備える。このようなパイロット弁構造を備える、関連したマスフローコントローラがさらに説明される。
2017508119.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ｉ）流体用の流路を画定し、入口および出口を有する主流胴体と、（ｉｉ）外周部と、可動部と、第１および第２の側とを備えるダイヤフラムであって、前記ダイヤフラムの前記外周部は弁体に固定され、前記可動部は前記第１および第２の側の間に存在する差圧に応じて動くように機能するダイヤフラムと、（ｉｉｉ）前記入口および出口の間の前記主流胴体に位置する主流オリフィスと、（ｉｖ）前記ダイヤフラムの前記可動部に取り付けられ、前記ダイヤフラムの前記可動部が第１の位置にあるときに前記主流オリフィスを開き、第２の位置にあるときに前記主流オリフィスを閉じるように機能する主弁プラグとを有する主弁と、
（ｉ）流路を画定し、前記主流オリフィスの上流にある前記主流胴体の前記流路に接続するパイロット弁入口を有するパイロット弁流胴体と、（ｉｉ）前記主弁プラグ内に配置されるパイロット弁オリフィスを備えるパイロット弁出口であって、前記パイロット弁オリフィスは、断面積を有し、前記パイロット弁入口から前記主流オリフィスへ流体が流れるように構成されるパイロット弁出口と、（ｉｉｉ）第１から第２の位置にわたる位置の範囲に沿って移動可能で、第１の位置にあるときに前記パイロット弁流オリフィスを開き、第２の位置にあるときに前記パイロット弁流オリフィスを閉じるように機能するパイロット弁プラグとを有するパイロット弁と
を備えるパイロット弁組立体であって、
前記パイロット弁オリフィスは、前記主弁プラグと同じ場所に位置し、前記主弁プラグと一体化され、
パイロット弁ソレノイドが前記パイロット弁プラグに接続され、受信したコマンド信号に応じて、前記位置の範囲に沿って前記パイロット弁プラグの位置を制御するように機能する、パイロット弁組立体。
【請求項２】
前記パイロット弁入口は、前記パイロット弁オリフィスの断面積よりも小さい断面積を有する、請求項１に記載のパイロット弁構造。
【請求項３】
前記パイロット弁出口は、前記パイロット弁プラグにとっての近位端と前記パイロット弁プラグにとっての遠位端とを有する出口路を備え、前記出口路の前記近位端は、前記出口路の前記遠位端の断面積以下の断面積を有する、請求項１に記載のパイロット弁構造。
【請求項４】
前記出口路は円推形状の輪郭を有する、請求項３に記載のパイロット弁組立体。
【請求項５】
前記パイロット弁入口の断面積と前記パイロット弁オリフィスの断面積との比率は、前記パイロット弁により前記ダイヤフラムの前記第１および第２の側の間に差圧が生じるように選択される、請求項２に記載のパイロット弁組立体。
【請求項６】
前記比率は０.２〜０.７の範囲にある、請求項５に記載のパイロット弁組立体。
【請求項７】
前記入口側にかかる動作圧力の範囲は２２ｐｓｉａ〜５５ｐｓｉａである、請求項５に記載のパイロット弁組立体。
【請求項８】
パイロット弁を備えるマスフローコントローラであって、
（Ａ）導管を通る流量を検出するように機能し、前記検出された流量を示す信号を提供するマスフローセンサと、
（Ｂ）前記導管に接続し、（ｉ）流体用の流路を画定し、入口および出口を有する主流胴体と、（ｉｉ）外周部と、可動部と、第１および第２の側とを備えるダイヤフラムであって、前記ダイヤフラムの前記外周部は弁体に固定され、前記可動部は前記第１および第２の側の間に存在する差圧に応じて動くように機能するダイヤフラムと、（ｉｉｉ）前記入口および出口の間の前記主流胴体に位置する主流オリフィスと、（ｉｖ）前記ダイヤフラムの前記可動部に取り付けられ、前記ダイヤフラムの前記可動部が第１の位置にあるときに前記主流オリフィスを開き、第２の位置にあるときに前記主流オリフィスを閉じるように機能する主弁プラグとを有する主弁を有する制御弁と、
（Ｃ）（ｉ）流路を画定し、前記主流オリフィスの上流にある前記主流胴体の前記流路に接続するパイロット弁入口を有するパイロット弁流胴体と、（ｉｉ）前記主弁プラグ内に配置されるパイロット弁オリフィスを備えるパイロット弁出口であって、前記パイロット弁オリフィスは、断面積を有し、前記パイロット弁入口から前記主流オリフィスへ流体が流れるように構成されるパイロット弁出口と、（ｉｉｉ）第１から第２の位置にわたる位置の範囲に沿って移動可能で、第１の位置にあるときに前記パイロット弁流オリフィスを開き、第２の位置にあるときに前記パイロット弁流オリフィスを閉じるように機能するパイロット弁プラグと、（ｉｖ）前記パイロット弁プラグに接続され、受信したコマンド信号に応じて、前記位置の範囲に沿って前記パイロット弁プラグの位置を制御するように機能するパイロット弁ソレノイドであって、前記パイロット弁オリフィスは、前記主弁プラグと同じ場所に位置し、前記主弁プラグと一体化されるパイロット弁ソレノイドとを有するパイロット弁と、
（Ｄ）設定コマンド信号を受信し、前記マスフローセンサから質量流量を示す信号を受信し、前記パイロット弁プラグを動かすために前記パイロット弁ソレノイドを制御することで前記マスフローコントローラの質量流量出力を制御するように機能するコントローラと
を備える、マスフローコントローラ。
【請求項９】
前記パイロット弁入口は、前記パイロット弁オリフィスの断面積よりも小さい断面積を有する、請求項８に記載のマスフローコントローラ。
【請求項１０】
前記パイロット弁出口は、前記パイロット弁プラグの近位にある端部と前記パイロット弁プラグの遠位にある端部とを有する出口路を備え、前記出口路の前記近位端は、前記出口路の前記遠位端の断面積以下の断面積を有する、請求項８に記載のマスフローコントローラ。
【請求項１１】
前記出口路は円推形状の輪郭を有する、請求項１０に記載のマスフローコントローラ。
【請求項１２】
前記パイロット弁入口の断面積と前記パイロット弁オリフィスの断面積との比率は、前記パイロット弁により前記ダイヤフラムの第１および第２の側の間に差圧が生じるように選択される、請求項９に記載のマスフローコントローラ。
【請求項１３】
前記比率は０.２〜０.７の範囲にある、請求項１２に記載のマスフローコントローラ。
【請求項１４】
前記入口側にかかる動作圧力の範囲は２２ｐｓｉａ〜５５ｐｓｉａである、請求項１２に記載のマスフローコントローラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パイロット弁構造およびマスフローコントローラに関する。
【０００２】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０１４年２月２８日に出願された米国特許出願第１４／１９４，０９２号（発明の名称「パイロット弁構造およびマスフローコントローラ」、代理人整理番号０８６４００  ０２０１（ＭＫＳ  ２３８ＵＳ））に基づき、また、これに対する優先権を主張し、その全体を参照することによって援用する。
【背景技術】
【０００３】
バルブは多種多様な形状およびサイズで存在し、多数の目的を果たし、軽質ガスから重量のあるスラリーやほぼ固体に至る様々な特性を持つ材料の流れを扱う。バルブは、２つのうちどちらかの状態（すなわち、完全に開いた状態または完全に閉じた状態）で操作可能な遮断弁として構成できる。あるいは、バルブの開度に応じてバルブを通る流れを制御できるよう、完全閉位置と完全開位置との間を移動する比例制御弁であってもよい。バルブは、制御信号が適用されていないときに完全に開いた状態の常時開弁、または制御信号が適用されていないときに完全に閉じた状態の常時閉弁であってもよい。迅速に応答して、わずかな電力で精度良く流量を制御可能な比例制御弁は、半導体や集積回路の製造におけるガスおよび気体の流量制御等、特定の産業用処理において特に関心が高い。例えば、マスフローコントローラは、半導体製造でプロセスガスの供給を制御する際に広く使用されている。マスフローコントローラは、プロセスの実行中に非常に厳密な量のガスを供給するために、正確な制御弁を必要とする。
【０００４】
市販されているマスフローコントローラの多くには、電磁弁が使用されている傾向にある。電磁弁は正確で信頼性が高いからである。通常、電磁弁はプラグの形をしたプランジャを備える。プランジャは、ソレノイドコイルへの電流の印加に応じて移動し、弁座と接触したり弁座から離れたりする。その結果、磁気回路内に磁束が発生し、プラグを移動させる電機子に電磁力（ｅｍｆ）が発生する。電磁力は電機子の１方向にのみに加えられるので、電磁力が減少したりなくなったりした際に、他方向にプラグを移動させるスプリングを電磁弁は備える。電磁弁は、その簡素さ、低コスト、および高速応答により、マスフローコントローラの設計において優勢であった。
【０００５】
電磁弁は、圧力平衡機能を考慮して設計されてきた。この機能は、摩擦力を克服するのに必要な制御力を加えて大口径流路の流れを正確に制御する際、とりわけバルブを常時閉状態から開放する際に、バルブ内のガス圧力による力を中立化する上で特に有用である。バルブの性能に対するこのような悪影響を低減するべく設計された圧力平衡型電磁比例制御弁の一例として、米国マサチューセッツ州アンドーバーに所在するＭＫＳ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社に譲渡された米国特許第４，７９６，８５４号（Ｅｗｉｎｇ）を参照されたい（特許文献１）。
【０００６】
いわゆるパイロット弁は、連結された２つの弁構造を有する。一方は一般に小さなバルブであり、もう一方の大きなバルブを制御するのに使用される。パイロット弁は一般に、高圧や高流量（Ｑ）の用途で使用されてきた。図１Ａおよび図１Ｂは、２つの動作条件（ＡおよびＢ）における先行技術のパイロット弁１００を示す。
【０００７】
パイロット弁１００は、ソレノイド１０４がプランジャ１０６を動かすことにより開閉するパイロットオリフィス１０２を備える。ソレノイド１０４は、外部コマンド／信号（例えば、コンピュータやその他の装置を使用するユーザ）により制御されてもよい。動作時、プランジャ１０６は、ソレノイド１０４が励磁状態か非励磁状態かに応じて、パイロットオリフィス１０２を開閉するように作用し、付随するパイロットチャンバ１１０を加圧または除圧する。パイロット弁は、「操作される」バルブを制御するように作動し、そのバルブは、プラグ１１３を保持またはこれに接続したダイヤフラム１１２を備える。プラグ１１３は、ダイヤフラム１１２と共に動きながら主オリフィス１１４を開閉する。ブリードオリフィス１１６は、パイロット弁プランジャ１０６と連結して、主オリフィス１１４を開閉するようにダイヤフラム１１２の動きを引き起こす圧力を制御する。主オリフィス１１４が開くと、（導管１１８に沿った流路で示す）主流路に沿って、例えば加圧された媒質（反応ガスやその他の流体等）が流入可能となる。動作時、ソレノイド１０４が励磁されているときは、プランジャ１０６が移動し、パイロットオリフィス１０２が開くことにより、パイロットチャンバ１１０から圧力が放出される。この結果、ダイヤフラム１１２底部により高い圧力がかかり、流路圧力によりダイヤフラム１１２が持ち上げられ、主オリフィス１１４が開く。ソレノイド１０４が励磁されていないときは、パイロットオリフィス１０２が閉じられ、ブリードオリフィス１１６からパイロットチャンバ１１０内に全流路圧力がかかることにより、密閉性を確保する着座力がもたらされる。このように、小さなソレノイド、プランジャ、およびパイロットオリフィスが作動して、大きな主弁の構造を効果的に制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第４，７９６，８５４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
既存の設計は所望の動作性能を提供するかもしれないが、やはり一部の用途にとって過度に複雑で高価となり得る。例えば、そのような設計は、比較的低レベルの電力を用いて比較的大量および高速の流体の流れさえも、（バルブがベローズ形継手を使用することで得られる力の平衡を受けているので）迅速かつ正確に調整できる優れた電磁比例制御弁や、大口径弁部材が摩擦のない浮遊状態および圧力応答型相関継手による望ましくない圧力発生力の平衡作用による、高感度かつ高精度の弁動作を提供できる一方で、一部の用途にとっては、このようなバルブに用いられるベローズおよびスプリングにより、コストと複雑性が法外に増大し得る。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本技術に係る簡素化されたパイロット弁構造または組立体は、プラグ内に一体的に形成されたパイロット弁オリフィスを有する主弁プラグを備える。このような構造では、可動部、全体的な部品点数、および部品の複雑性が減少し、パイロット弁の製造にかかるコストが削減され得る。
【００１１】
このようなパイロット弁構造または組立体の例は、流体用の流路を画定する主流胴体を有し、入口および出口と、外周部、可動部、ならびに第１（上流）および第２（下流）の側を備えるダイヤフラムとを有する主弁を備え得る。ダイヤフラムの外周部は弁体に固定され、可動部は第１および第２の側の間に存在する差圧に応じて動くように機能する。主流オリフィスは、入口および出口の間の主流胴体に位置する。主弁プラグは、ダイヤフラムの可動部に取り付けおよび／または配置され、ダイヤフラムの可動部が第１の位置（「開」）にあるとき流オリフィスを開き、第２の位置（「閉」）にあるとき、流オリフィスを閉じるように機能する。パイロット弁は、流路を画定するパイロット弁流胴体を有し得る。パイロット弁は、例えば主流オリフィスの上流にある、主流胴体の流路と流体的に接続するパイロット弁入口をさらに備える。パイロット弁は、主弁プラグ内に配置（例えば、一体化）され、主弁プラグと同じ場所に位置するオリフィスを備えるパイロット弁出口をさらに備える。パイロット弁オリフィスは、好適な断面積を有し、パイロット入口から主流オリフィスへ流体が流れるように構成される。パイロット弁はパイロット弁プラグを備える。パイロット弁プラグは、パイロット弁オリフィスを開閉するために位置の範囲（例えば、第１から第２の位置）に沿って移動可能である。パイロット弁ソレノイド（例えば、電機子およびコイルを備える）がパイロット弁プラグに接続され、例えば、ユーザ入力装置やプロセッサから受信したコマンド信号に応じて、位置の範囲に沿ってパイロット弁プラグの位置を制御できる。
【００１２】
このようなパイロット弁構造は、例えば、質量流量検証装置やマスフローコントローラ等、その他の装置に組み込まれてもよいし、あるいはその一部を形成してもよい。
【００１３】
一例では、パイロット弁組立体は、流体用の流路を画定する主流胴体を有し、入口および出口と、ダイヤフラムとを有する主弁を備え得る。ダイヤフラムは、外周部、可動部、ならびに第１および第２の側を備える。ダイヤフラムの外周部は弁体に固定され、可動部は第１および第２の側の間に存在する差圧に応じて動くように機能できる。主流オリフィスは、入口および出口の間の主流胴体に位置または配置され得る。主弁プラグは、ダイヤフラムの可動部に取り付けられ、ダイヤフラムの可動部が第１の位置にあるときに流オリフィスを開き、第２の位置にあるときに流オリフィスを閉じるように機能できる。
【００１４】
パイロット弁組立体は、（ｉ）流路を画定し、主流オリフィスの上流にある主流胴体の流路に接続するパイロット弁入口を有するパイロット弁流胴体と、（ｉｉ）主弁プラグ内に配置されるオリフィスを備えるパイロット弁出口であって、パイロット弁オリフィスは、断面積を有し、パイロット入口から主流オリフィスへ流体が流れるように構成されるパイロット弁出口と、（ｉｉｉ）第１から第２の位置にわたる位置の範囲に沿って移動可能で、第１の位置にあるときにパイロット弁流オリフィスを開き、第２の位置にあるときにパイロット弁流オリフィスを閉じるように機能するパイロット弁プラグと、（ｉｖ）パイロット弁プラグに接続され、受信したコマンド信号に応じて、位置の範囲に沿ってパイロット弁プラグの位置を制御するように機能するパイロット弁ソレノイドとを有するパイロット弁をさらに備え得る。パイロット弁オリフィスは、主弁プラグと同じ場所に位置し、前記主弁プラグと一体化（例えば、主弁プラグ内の開口として形成）していることができる。
【００１５】
パイロット弁組立体は、（個別に、または任意の組み合わせで提示され得る）以下の特徴を有してもよい。パイロット弁入口は、パイロット弁オリフィスの断面積よりも小さい断面積を有するとし得る。パイロット弁出口は、パイロット弁プラグにとっての近位部とパイロット弁プラグにとっての遠位部とを有する出口路を備え、出口路の近位端は、出口路の遠位端の断面積以下の断面積を有するとし得る。出口路は円推形状の輪郭を有するとし得る。パイロット弁入口の断面積とパイロット弁オリフィスの断面積との比率は、パイロット弁によりダイヤフラムの第１および第２の側の間に差圧が生じるように選択できる。当然ながら他の比率も可能であるが、比率は、例えば０.２〜０.７の範囲であり得る。当然ながら他の圧力値も可能であるが、パイロット弁組立体の入口側にかかる動作圧力の範囲は、例えば２２ｐｓｉａ〜５５ｐｓｉａであり得る。
【００１６】
一例では、パイロット弁を備えるマスフローコントローラは以下の（Ａ）〜（Ｄ）を備えることができる。
【００１７】
（Ａ）バイパスと、熱フローセンサを備えたセンサ管とを有するフローセンサ。
【００１８】
（Ｂ）（ｉ）流体用の流路を画定し、入口および出口を有する主流胴体と、（ｉｉ）外周部と、可動部と、第１および第２の側とを備えるダイヤフラムであって、ダイヤフラムの外周部は弁体に固定され、可動部は第１および第２の側の間に存在する差圧に応じて動くように機能するダイヤフラムと、（ｉｉｉ）入口および出口の間の主流胴体に位置する主流オリフィスと、（ｉｖ）ダイヤフラムの可動部に取り付けられ、ダイヤフラムの可動部が第１の位置にあるときに流オリフィスを開き、ダイヤフラムの可動部が第２の位置にあるときに流オリフィスを閉じるように機能する主弁プラグとを有する主弁を有する制御弁。
【００１９】
（Ｃ）（ｉ）流路を画定し、主流オリフィスの上流にある主流胴体の流路に接続するパイロット弁入口を有するパイロット弁流胴体と、（ｉｉ）主弁プラグ内に配置されるオリフィスを備えるパイロット弁出口であって、パイロット弁オリフィスは、断面積を有し、パイロット入口から主流オリフィスへ流体が流れるように構成されるパイロット弁出口と、（ｉｉｉ）第１から第２の位置にわたる位置の範囲に沿って移動可能で、第１の位置にあるときにパイロット弁流オリフィスを開き、第２の位置にあるときにパイロット弁流オリフィスを閉じるように機能するパイロット弁プラグと、（ｉｖ）パイロット弁プラグに接続され、受信したコマンド信号に応じて、位置の範囲に沿ってパイロット弁プラグの位置を制御するように機能することができるパイロット弁ソレノイドとを有し、パイロット弁オリフィスは、主弁プラグと同じ場所に位置し、主弁プラグと一体化していることが可能であり、またこれが好ましい、パイロット弁。
【００２０】
（Ｄ）設定コマンド信号を受信し、マスフローセンサから質量流量を示す信号を受信し、パイロット弁プラグを動かすためにパイロット弁ソレノイドを制御することでマスフローコントローラの質量流量出力を制御するように機能するコントローラ。
【００２１】
マスフローコントローラは、（個別に、または任意の組み合わせで提示され得る）以下の特徴を有してもよい。パイロット弁入口は、パイロット弁オリフィスの断面積よりも小さい断面積を有するとし得る。パイロット弁出口は、パイロット弁プラグに対する近位端とパイロット弁プラグにとっての遠位端とを有する出口路を備えることができ、出口路の近位端は、出口路の遠位端の断面積以下の断面積を有する。出口路は円推形状の輪郭を有するとし得る。パイロット弁入口の断面積とパイロット弁オリフィスの断面積との比率は、パイロット弁によりダイヤフラムの第１および第２の側の間に差圧が生じるように選択してもよい。比率は、所望の値の範囲（例えば、０.２〜０.７の範囲）であり得る。入口側にかかる動作圧力の範囲は、例えば２２ｐｓｉａ〜５５ｐｓｉａであり得る。
【００２２】
上記の態様ならびに本開示の他の構成要素、ステップ、特徴、利益、および利点は、後述する発明を実施するための形態、添付図面、および特許請求の範囲を検討することによって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】図１Ａは、動作条件Ａにおける先行技術のパイロット弁構造の例の断面図を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、動作条件Ｂにおける先行技術のパイロット弁構造の例の断面図を示す。
【図２】図２は、本開示に係るパイロット弁構造の断面図を示す。
【図３】図３は、本開示に係るパイロット弁構造を備えるマスフローコントローラの例の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下の説明を添付の図面と共に読むと、より完全に本開示の態様を理解することができるが、これらは本質的に例示を目的とするもので、限定するものではないと理解されるべきである。図面は必ずしも縮尺通りではなく、本開示の本質的なものを強調している。
【００２５】
図面に例示的な実施形態を開示するが、これらの図面は全ての実施形態を示しているわけではない。他の実施形態を追加してもよく、代わりに他の実施形態を用いてもよい。明白であるか不要な詳細は、スペースの節約のため、またはより効果的な説明のために省略することがある。逆に実施形態によっては、開示された詳細の全てを含まなくても実施することができる。同じ参照符号が異なる図面にある場合、同一または同様の構成要素またはステップを示す。
【００２６】
特定の実施形態について図面で示したが、ここに描写した実施形態は例示的なものであり、本開示の範囲内で、図示したものの変形物や本明細書に記載の他の実施形態を想像でき実施できることは、当業者にとって明らかである。
【００２７】
次に、本技術の例示的な実施形態を説明する。他の実施形態を追加してもよく、代わりに他の実施形態を用いたり実施したりしてもよい。明白であるか不要な詳細は、スペースの節約のため、またはより効果的な提示のために省略することがある。逆に実施形態によっては、開示された全ての詳細を含まなくても実施することができる。
【００２８】
図２は、本開示に係るパイロット弁組立体または構造２００の断面図を示す。構造２００は、「操作される」主弁（括弧２００‐１で表される）と、主弁２００‐１の制御に使用される「パイロット」副弁（括弧２００‐２で表される）とを備える。構造２００において、ダイヤフラム２０２が存在し、主弁２００‐１を動作させるために主流オリフィス２０４を開閉するように機能する。ダイヤフラム２０２は、（ｉ）主流オリフィス２０４を封止するように機能し、（ｉｉ）パイロット弁２００‐２の一部として機能する流路／オリフィスを備えるプラグ２０６を保持しても、あるいは備えてもよい。パイロット弁構造２００は、高流量の条件に固有となり得る大きな力に対応するべく高流量を経験する用途に用いられてもよい。
【００２９】
弁構造２００は、可撓性ダイヤフラム２０２の両側に形成される、異なる圧力領域を備える。図示された構成において、次のような３つの圧力領域が考えられる。（ｉ）ダイヤフラムの底部の上流領域（「Ｐ１」で表される）、（ｉｉ）ダイヤフラムの「上」面の領域（「Ｐ２」で表される）、および（ｉｉｉ）バルブの下流領域（「Ｐ３」で表される）。パイロット弁２００‐２が閉じられると、Ｐ１＝Ｐ２であり、パイロット弁２００‐２が開くと、Ｐ１＞Ｐ２である。動作時、Ｐ１およびＰ２は通常、Ｐ３より大きくなる。パイロット弁２００‐２の動作により、ダイヤフラム２０２の両側における差圧が制御される。この差圧が原因でダイヤフラム２０２が湾曲し、「操作される」主弁２００‐１が差圧に比例して開閉されるようになる。
【００３０】
図２に示すように、パイロット弁構造２００は、流体用の流路（主弁流路が「ＭＦ」で表される）を画定する主流胴体２１８を有し、入口（「Ｉ」で表される）および出口（「Ｏ」で表される）と、外周部２０２ａ、可動部２０２ｂ、ならびに第１および第２の側を備えるダイヤフラム２０２とを有する主弁２００‐１を備え得る。ダイヤフラム２０２の外周部２０２ａは弁体２１８に固定され、可動部２０２ｂは第１および第２の側の間に存在する差圧に応じて動くように機能する。主流オリフィス２０４は、入口（Ｉ）および出口（０）の間の主流胴体２１８に位置する。主弁プラグ２０６は、ダイヤフラム２０２の可動部２０２ｂに取り付けおよび／または配置され、ダイヤフラムの可動部２０２ｂが第１の位置（「開」）にあるときに流オリフィス２０４を開き、第２の位置（「閉」）にあるときに流オリフィス２０４を閉じるように機能する。
【００３１】
パイロット弁２００‐２は、例えば胴体２１６で示される、流路（パイロット弁流路が「ＰＦ」で表される）を画定するパイロット弁流胴体を有する。パイロット弁２００‐２は、主流オリフィス２０４の上流にある主流胴体２１８の流路と流体的に接続するパイロット弁入口２０８をさらに備える。パイロット弁２００‐２は、主弁プラグ２０６内に配置（例えば、一体化）され、主弁プラグ２０６と同じ場所に位置するオリフィス２１０を備えるパイロット弁出口をさらに備える。パイロット弁オリフィス２１０は、好適な断面積を有し、パイロット入口２０８から主流オリフィス２０４へ流体が流れるように構成される。パイロット弁２００‐２はパイロット弁プラグ２１４を備える。パイロット弁プラグ２１４は、パイロット弁オリフィス２１０を開閉するために位置の範囲（例えば、第１から第２の位置）に沿って移動可能である。図示するように、パイロット弁ソレノイド２２０（例えば、電機子およびコイルを備える）は、パイロット弁プラグ２１４に接続され、例えば、ユーザ入力装置や、プロセッサまたはその他のコントローラ／制御装置から受信したコマンド信号に応じて、位置の範囲に沿ってパイロット弁プラグ２１４の位置を制御するように機能することができる。この配置により、ダイヤフラム２０２の移動／変位に沿った所与の線状の範囲における主弁２００‐１の行程（変位または移動）が効果的に減少し得る。また、その範囲はパイロットプラグおよび／または付随するソレノイドの移動に対応する。部品点数の減少と、それに対応する機械における節減は、サイズ／実装構成のいかなる欠点をも補って余りある。他のサイズパラメータ（例えば、主流オリフィス２０４の断面積）は、行程の減少を埋め合わせるように調節可能である。
【００３２】
パイロット弁入口２０８およびパイロット弁オリフィス（出口）２１０の断面積は、構造２００の１以上の所望の性能特性を容易に得られるよう、（例えば、所望の比率を達成するように）互いに相関して設計またはサイズ調整可能である。例えば、実施形態によっては、パイロット弁入口２０８は、パイロット弁オリフィス２１０の断面積よりも小さい断面積を有するとし得る。これ（比率が１以下）により、ダイヤフラム２０２より上方の圧力がダイヤフラム２０２より下方の圧力よりも小さくなりやすくなる。さらに、あるいは加えて、パイロット弁入口２０８の断面積とパイロット弁オリフィス２１０の断面積との比率は、パイロット弁が（例えば、入口側における）動作圧力の所与（例えば、見込み）の範囲にとって望ましい応答時間を有するように選択してもよい。例えば、実施形態によっては、パイロット弁入口の断面積とパイロット弁オリフィスの断面積との比率は、パイロット弁によりダイヤフラムの第１および第２の側の間に差圧が生じるように選択してもよい。比率の好適な例は、０.２〜０.７（例えば、０.５）の範囲にある。
【００３３】
加えて、パイロット弁出口２１０は、パイロット弁プラグ２１４にとっての近位端とパイロット弁プラグ２１４にとっての遠位端とを有する出口路を備えてもよく、出口路の近位端は、出口路の遠位端の断面積以下の断面積を有する。このような構成により、バルブの迅速な動作が促進され得る。加えて、パイロット弁オリフィスの断面積を最大化および／またはダイヤフラムの第２の側における体積を最小化することで、バルブの応答時間を最適化できる。
【００３４】
上述したように、一般に従来のパイロット弁の設計においては、パイロット弁プラグおよびオリフィスは、操作される弁プラグおよびオリフィスとは独自に異なる構造であり、互いに独立している。この方法は、部品点数を増やし、設計の全体的な複雑性を高める。このように設計された従来のパイロット弁では、パイロット弁の出口は一般に、主弁の出口の下流にあるため、その流路を形成するには主流胴体内に追加の機械加工を必要とする。したがって、本開示に係るパイロット弁は、主弁プラグ内に配置（例えば、一体化）され、主弁プラグと同じ場所に位置するオリフィスを備えるパイロット弁出口を使用するため、より簡素な設計（例えば、少ない部品点数）や、より安価な構成（例えば、安価な機械加工）という利点をもたらすことができる。
【００３５】
構造２００の動作時、パイロット弁が閉じられると、ダイヤフラム２０２の両側にかかる圧力は等しくなり、主弁が閉じられる。パイロット弁プラグ２１４が持ち上がると、流体（例えば、ガス）がパイロット弁出口路２１０を流れ、プラグとオリフィスとの組み合わせ２０６の中央を通る。パイロット弁入口２０８のサイズはパイロット弁出口よりも小さくなるように調整してもよいため、ダイヤフラムより上方の圧力がダイヤフラムより下方よりも小さくなりやすくなる。さらに、この差圧により、プラグとオリフィスとの組み合わせが持ち上がり、ガスが主弁を流れるようになる。
【００３６】
用途によっては、パイロット弁構造２００は、例えば０〜１４.７ｐｓｉａ（ｐｏｕｎｄ  ｐｅｒ  ｓｑｕａｒｅ  ｉｎｃｈ  ａｂｓｏｌｕｔｅ；重量ポンド毎平方インチ絶対圧）の真空／大気圧の出口条件に対しては、２２〜５５ｐｓｉａの範囲内でダイヤフラムの入口（すなわち第１の）側にかかる圧力または圧力範囲を考慮してもよい。出口圧力は真空／大気圧よりも大きくなり得るが、例示的な実施形態において、目標または動作上の仕様は、入口圧力と出口圧力との差圧が３０〜６０ｐｓｉｄ（ｐｓｉ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ；ｐｓｉ差圧）の場合、最高１５０ｐｓｉｇ（ｐｓｉ  ｇａｕｇｅ；ｐｓｉゲージ圧）の入口圧力となってもよい。このような実施形態において、１５０ｐｓｉｇの入口圧力に対して９０〜１２０ｐｓｉｇの出口圧力は、動作条件の一例となり得る。他の例において、一般に、入口と出口との動作差圧は、例えば２０〜６０ｐｓｉｄとしてもよい。さらなる実施形態において、入口範囲は２０〜１６５ｐｓｉａに拡大可能である。このような圧力範囲は例示であり、当然ながら、他の実施形態や用途において他の圧力を考慮してもよい。
【００３７】
このようなパイロット弁構造は、例えば図３を参照して以下に説明するように、質量流量検証装置やマスフローコントローラ（これらに限定されない）等、その他の装置の一部またはサブシステムに組み込まれてもよいし、あるいはその一部またはサブシステムを形成してもよい。
【００３８】
図３は、本開示に係るパイロット弁構造を組み込んだマスフローコントローラ３００を示す。該パイロット弁構造は、図２に示し説明した構造におおむね類似している（該当する場合、参照符号は共用）。構造３００は、主弁３００‐１、パイロット弁３００‐２、およびマスフローセンサ３００‐３を備える。マスフローセンサ３００‐３は、いかなる好適な種類のものであってもよいが、例として、熱式フローセンサ、直接浸漬型熱センサ、圧力式ノズルフローセンサ、およびその他の同様のフローセンサ技術が挙げられる（これらに限定されない）。当然ながら、他の好適なマスフローセンサも本開示の範囲内で利用してもよい。図示するように、例示的なマスフローセンサ３００‐３は、ハウジング３５６内にバイパス３５２（例えば、層流要素を備えた流路または導管）と、熱フローセンサ（例えば、図示しない複数の抵抗素子）を備えたセンサ管３５４とを有する熱式マスフローセンサを備えてもよい。入口（「Ｉ」）および出口（「０」）が示されている。パイロット弁ソレノイド２２０は、例えば、プロセッサまたはコントローラ／制御装置からコマンドを受信して、（熱フローセンサを介して）マスフローセンサ３００‐３から検出した質量流量信号やその他の信号に基づいて、主流オリフィス２０４を開閉することができる。したがって、マスフローセンサ３００‐３により検出または測定される、バルブ（例えば、導管）を通る流量が、プロセッサまたはコントローラ／制御装置により受信される設定コマンド信号（すなわち、セットポイント）に一致する、これに適合する、あるいはこれに有効に近づくように、プロセッサまたはコントローラ／制御装置は、主流オリフィス２０４を通る流量を制御できる。
【００３９】
したがって、本開示に係る簡素化されたパイロット弁構造は、より簡素かつ安価な構成といった様々な利点をもたらし得る。
【００４０】
論じた構成要素、ステップ、特徴、利益、および利点は単なる例示であり、そのいずれも、またそれらに関するいずれの議論も、いかなる方法においても保護の範囲を限定するものではない。他にも多くの実施形態が想定される。そのような実施形態には、構成要素、ステップ、特徴、目的、利益、および利点がより少なかったり多かったり、異なったりするものが含まれる。また、構成要素やステップが、異なる方法で配置されたり順序づけられたりするものも含まれる。
【００４１】
本開示を読むと、本開示の実施形態をハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、およびこれらの任意の組み合わせで、あるいは１以上のネットワーク上で実装できることは当業者にとって明らかである。好適なソフトウェアは、データ収集および／またはデータ操作の実施を設計および／または制御する方法および技術（ならびにその一部）を実行するためのコンピュータ可読命令または機械可読命令を含むことができる。任意の好適なソフトウェア言語（機械依存または機械独立性）を利用してもよい。さらに、本開示の実施形態は、例えば、無線周波数（Radio  Frequency：ＲＦ）または赤外線（Infrared：ＩＲ）通信のリンクで送信される、またはインターネットからダウンロードされる様々な信号に含まれたり載せられたりすることができる。
【００４２】
特に明記しない限り、本明細書および添付する特許請求の範囲に記載する全ての計測値、値、定格、位置、大きさ、サイズなどの仕様はおおよそのものであり、厳密なものではない。これらの仕様は、その仕様が関連する機能に適合し、また、その仕様が関連する技術分野において慣例的なものと適合する合理的な範囲を有するものとする。
【００４３】
本開示には、引用した全ての論文、特許、特許出願、およびその他の出版物を参照することによって援用する。
【００４４】
「〜の手段」という表現は、請求項で使用される場合、記載された対応する構造および材料、ならびにそれらと均等なものを包含するものとし、また、そのように解釈されるべきである。同様に、「〜のステップ」という表現は、請求項で使用される場合、記載された対応する行為、およびそれらと均等なものを包含する。これらの表現がない場合、その請求項は、対応する構造、材料、もしくは行為のいずれか、またはそれらと均等なものに限定されないものとし、また、限定されるように解釈されるべきではない。
【００４５】
記載または図示された内容は、特許請求の範囲に記載されているかどうかに関わらず、いかなる構成要素、ステップ、特徴、利益、もしくは利点、またはそれらと均等なものを公共の用に供するものではなく、また、供するものと解釈されるべきではない。保護の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。その範囲は、本明細書および付随する出願経過に鑑みて解釈された場合、特許請求の範囲において使用される文言の通常の意味と一致する限り広く、かつ構造的および機能的に均等なもの全てを包含するものとし、また、そのように解釈されるべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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