Регулирующий клапан, устройство измерения и регулирования потока - RU2327074C2
Код документа: RU2327074C2
Чертежи
Описание
Перекрестная ссылка, на родственную заявку
Эта заявка является частичным продолжением Международной заявки PCT/US03/09381, поданной 28 марта 2003 г., имеющей приоритет предварительной заявки США №60/369,493, поданной 1 апреля 2002 г. Обе эти заявки включены посредством ссылки.
Уровень техники
1. Область изобретения
Настоящее изобретение относится в основном к регулированию потока текучей среды и более конкретно к регулирующему клапану, имеющему ведущий механизм с ослабленным трением.
2. Предпосылки изобретения
Система регулирования потока текучей среды обычно состоит из трех элементов: датчика потока, регулирующего клапана и контроллера, такого как пропорционально-интегрально-производный (PID) контроллер. Типичная система регулирования потока текучей среды функционирует путем изменения размера отверстия регулирующего клапана до тех пор, пока поток, определяемый датчиком потока, не достигнет необходимого или установленного значения потока. Регулирующий клапан часто нужно настраивать на очень малые значения, чтобы достигнуть требуемой точности регулирования.
Многие отрасли индустрии, например полупроводниковая, фармацевтическая и биотехнология, испытывают проблемы регулирования потока из-за обычно низких скоростей потока, использования абразивных химических текучих сред, использования корродирующих химических текучих сред и нуждаются в свободных от загрязнения, точных, компактных и работающих в реальном времени системах подачи текучей среды и регулирования потока.
Например, химико-механическая планаризация (СМР) является критическим процессом в производстве полупроводников, включающим процесс выравнивания поверхности пластины полупроводника с помощью сверхчистой текучей среды, содержащей взвешенные твердые частицы и реактивный агент между поверхностью пластины и шлифовальной панелью. В большинстве применений шлифовальная панель вращается по полупроводнику с регулируемой скоростью, выравнивая поверхность. Чрезмерная шлифовка пластины может привести к изменению или удалению критических структур пластины. И наоборот, недостаточная шлифовка пластины может привести к непригодности пластины. Скорость шлифовки пластины в основном зависит от скорости подачи текучей среды и общего количества текучей среды, поданной в процесс шлифовки. Другим процессом, используемым в полупроводниковой индустрии и требующим точного регулирования потоков текучей среды и свободной от загрязнения среды, является процесс фотолитографии. Как известно в технике, фотолитография - это процесс, в котором светочувствительный полимер, известный как резист, или фоторезист, наносится на поверхность пластины. Фотомаска, содержащая образец структур, которые необходимо изготовить на поверхности пластины, размещается между пластиной, покрытой резистом, и источником света. Свет реагирует с резистом, либо ослабляя, либо укрепляя полимер. После световой экспозиции резиста пластина обрабатывается жидкими химическими веществами, которые удаляют ослабленный резист. Аккуратная и повторяемая подача резиста необходима для правильного копирования образца. Резист должен быть свободен от загрязнения, так как любая "грязь" на поверхности вызовет дефект конечного образца. В модификации этого процесса применяется воздействие множества новых жидкостей на поверхность пластины, чтобы создать пленки, которые станут интегральной частью конечного полупроводника. Главная функция этих пленок состоит в том, чтобы они могли действовать как изолятор между электропроводящими проводами. Оценивается множество «наносимых с помощью вращения» материалов с широким спектром химических составов и физических свойств. Ключевое отличие между процессом литографии и нанесением с помощью вращения заключается в том, что любой дефект на пленке (как, например, пустота, пузырь или частица) оказывается необратимо включенным в структуру полупроводника и может привести к отказу устройств и финансовым потерям производителя полупроводников.
Оба этих процесса выполняются в устройстве, называемом "дорожкой". Цель дорожки состоит в том, чтобы нанести точный объем текучей среды на поверхность неподвижной или медленно вращающейся пластины. Дополнительные стадии химической обработки могут быть использованы, чтобы преобразовывать жидкость в соответствующую структуру. После нанесения жидкости скорость вращения пластины быстро возрастает, и жидкость сбрасывается с поверхности пластины за ее край. Тонкий, равномерный слой жидкости поддерживается от центра до края пластины. Некоторые факторы, влияющие на толщину слоя жидкости, включают вязкость резиста или диэлектрика, концентрацию раствора резиста или диэлектрика, количество распределенного резиста/диэлектрика, скорость распределения и т.д.
После нанесения жидкости дорожка также обеспечивает дополнительные стадии обработки с использованием процесса спекания для превращения жидкости в полимер, а также удаления любого растворителя в пленке. Дорожка также контролирует среду вокруг пластины с тем, чтобы предотвратить изменения влажности или температуры и химические загрязнения, влияющие на качество пленки. Работа системы дорожки определяется точностью и повторяемостью подачи жидкости на пластину, в дополнение к минимизации дефектов в пленке, вызванных пустотами, пузырями и частицами.
Элемент регулирования текучей среды является, таким образом, важнейшим элементом таких систем, обеспечивающим правильную подачу технологических текучих сред. Зажимающий клапан может быть использован в таких системах для клапана регулирования текучей среды, чтобы обеспечить эффективное, компактное и высокочистое устройство регулирования текучей среды. В частности, зажимающий клапан с приводом-соленоидом обеспечивает необходимые средства для обеспечения очень точного регулирования текучей среды. Такие клапаны обычно имеют ведущий механизм, включающий части, скользящие относительно друг друга. При любом механизме скольжения здесь возникает ограниченный объем трения. Некоторое трение будет все же возникать, даже если скользящие части будут изготовлены из материалов с низким коэффициентом трения. Это трение может приводить к скачкообразному движению зажимающего клапана, нарушая точность регулирования потока.
Настоящее изобретение устраняет недостатки, связанные с предшествующим уровнем техники.
Сущность изобретения
В соответствии с аспектами настоящего изобретения регулирующий клапан включает эластомерную трубку потока, плунжер, имеющий первый и второй концы, и зажимающий элемент, соединенный с первым концом плунжера. Зажимающий элемент примыкает к трубке потока. Эталонная поверхность в основном противоположна зажимающему элементу, так что эластомерная трубка может быть сжата между зажимающим элементом и эталонной поверхностью для регулирования потока текучей среды через трубку потока. Первая ведущая пружина расположена между зажимающим элементом и первым концом плунжера, а вторая ведущая пружина примыкает ко второму концу плунжера. Ведущие пружины могут быть плоскими дисками со спиральными щелями в них.
Привод соединен с плунжером таким образом, что последний может быть отрегулирован к избранной позиции зажимающего элемента относительно эталонной поверхности, обеспечивая очень точное регулирование потока. Один конец выступающей части плунжера проходит от первого конца плунжера и упирается в первую ведущую пружину. Другой конец выступающей части плунжера проходит от второго конца плунжера и упирается во вторую ведущую пружину.
В некоторых иллюстративных вариантах осуществления с плунжером соединен амортизатор. Амортизатор имеет первый элемент с отверстием в нем, в которое проходит второй элемент, скользящий в нем так, что образуется зазор между первым и вторым элементами, создающий проход для воздуха. Вторым элементом амортизатора может быть пружинный стакан со сквозным отверстием, за которым расположен держатель пружины. Пружина предварительного натяжения проходит через отверстие пружинного стакана и размещается в держателе пружины. Далее элемент сдерживания давления может быть расположен вокруг, по меньшей мере, участка трубки потока.
В других аспектах изобретения в устройстве измерения и регулирования потока используется контрольный клапан, подобный описанному здесь. Например, устройство измерения и регулирования потока включает кожух, в котором размещено устройство измерения потока. Эластомерная трубка потока находится в сообщении по текучей среде с устройством измерения потока. Зажимающий элемент соединен с плунжером и примыкает к трубке потока. Эталонная поверхность в основном расположена противоположно зажимающему элементу, так что эластомерная трубка может быть зажата между зажимающим элементом и эталонной поверхностью для регулирования потока текучей среды через трубку потока. Первая ведущая пружина расположена между зажимающим элементом и первым концом плунжера, а вторая ведущая пружина примыкает ко второму концу плунжера.
Контроллер принимает выходной сигнал измерения из устройства измерения потока и обеспечивает регулирующий выходной сигнал к зажимающему клапану в ответ на задающий сигнал и выходной сигнал измерения для регулирования зажимающего элемента относительно эталонной поверхности, чтобы регулировать поток текучей среды через трубку потока, если необходимо уменьшить какое-либо расхождение между измеренным потоком и заданным потоком. В определенных вариантах осуществления устройством измерения потока является масс-измеритель потока Кориолиса.
Краткое описание чертежей
Другие задачи и преимущества изобретения станут очевидны из следующего подробного описания со ссылкой на чертежи, на которых:
Фиг.1 - схематическая блок-диаграмма зажимающего клапана в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 - общий вид зажимающего клапана, включающего элемент сдерживания давления в виде плетеного рукава, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг.3 - отдельное изображение части зажимающего клапана на фиг.3 с удаленным участком плетеного рукава.
Фиг.4 - общий вид зажимающего клапана, включающего кольца, охватывающие зажимаемую трубку для сдерживания давления, в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
Фиг.5 - общий вид зажимающего клапана, включающего двустворчатый элемент сдерживания давления, в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
Фиг.6 - вид в перспективе одного участка двустворчатого элемента сдерживания давления, показанного на фиг.5.
Фиг.7 - клапан на фиг.5 с удаленным участком двустворчатого элемента сдерживания давления.
Фиг.8 - вид в перспективе зажимающего клапана в соответствии с другим иллюстративным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.9 - разобранный вид зажимающего клапана на фиг.8.
Фиг.10 и 11 - разрезы зажимающего клапана на фиг.8 и 9, показывающие клапан соответственно в открытом и закрытом положениях.
Фиг.12 и 13 - разрезы верхнего участка клапана на фиг.10 и 11 соответственно.
Фиг.14 и 15 - блок-диаграммы устройств измерения и регулирования потока, применяющих зажимающий клапан, в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления изобретения.
В то время как изобретение может включать различные модификации и альтернативные формы, его конкретные варианты осуществления показаны здесь посредством примеров на чертежах и подробно описаны. Тем не менее, следует понимать, что представленное описание конкретных вариантов осуществления не предполагает ограничивать изобретение показанными конкретными формами, но, напротив, подразумевается охват всех модификаций, эквивалентов и альтернатив, находящихся в пределах сущности и объема изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения.
Подробное описание изобретения
Иллюстративные варианты осуществления изобретения описаны ниже. В целях ясности не все признаки его фактической реализации раскрыты в этом описании. Конечно, будет считаться предпочтительным, если в разработке любого из этих реальных вариантов осуществления будут осуществлены многочисленные исполнительно-специфические решения, направленные на достижение конкретных задач разработчиков, как например, согласование с системными и деловыми ограничениями, которые будут меняться от одного варианта осуществления к другому. Кроме того, будет также оценено, что, несмотря на сложность и затраты времени такой конструкторской разработки, она является рутинной для обычных специалистов в данной области техники, заинтересованных в этом изобретении.
Зажимающий клапан 100 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения показан на фиг.1. Привод 122 расположен над эластомерной трубкой 126. Плунжер 124 клапана, который может быть в форме поршня или ударника, перемещается приводом 122, чтобы выборочно сдавливать или прижимать трубку 126 к эталонной поверхности 128, таким образом, изменяя размер отверстия, через которое проходит текучая среда 129. Трубка 126 потока выполнена из относительно мягкого материала, который может сжиматься между плунжером 124 и эталонной поверхностью 128, чтобы регулировать поток. В некоторых случаях мягкий материал трубки потока может иметь низкую устойчивость к давлению вследствие своей низкой прочности. Сдерживающий давление элемент 130 охватывает, по меньшей мере, участок трубки 126, чтобы повысить устойчивость трубки 126 к давлению.
Во многих применениях, например, связанных с промышленностью полупроводников, фармацевтической и биотехнологией, требуется, чтобы канал потока (все поверхности которого смачиваются технологической текучей средой) систем подачи текучей среды был выполнен из высокочистых, химически инертных/устойчивых материалов, чтобы защитить чистоту используемых химических веществ. Желательны пластмассы, поскольку сверхчистые химические вещества, используемые в процессах изготовления полупроводниковых пластин, могут быть загрязнены, если ионы металла выщелачиваются или удаляются из металлических трубок потока вследствие разных механических и химических процессов. Пластмассы устойчивы к коррозии, вызываемой широким спектром технологических материалов. Таким образом, высокочистые пластмассы используются в этих производствах, поскольку они обычно предотвращают попадание нежелательных ионов в технологический материал. Кроме того, гладкая обработка поверхности, присущая производству пластмассовых трубок потока, уменьшает способность бактерий прикрепляться к трубке и загрязнять текучую среду органическими материалами.
В таких применениях высокой чистоты трубка 126 предпочтительно выполнена из высокочистого эластомера или пластмассы. Пригодным высокочистым эластомером является силикон (полисилоксан с перекрестными связями), поскольку он химически устойчив и имеет соответствующие химические свойства. Другие пригодные для трубок материалы - PVC (поливинилхлорид, тигон), полипропилен и фторуглеродная резина (витон). Также пригодны многие фторполимеры, такие как PVDF и PTFE. Например, в высокочистых применениях пригодными материалами для трубки 126 являются PFA, смесь, включающая вещества PFA, и силикон. Более того, в иллюстративных вариантах осуществления клапана 100 не существует мест, где могла бы застаиваться текучая среда, и нет скользящих или трущихся частей, которые могли бы создать частицы в текучей среде, что делает описанную структуру особенно удобной для применений высокой чистоты.
Гибкость трубки позволяет стенкам трубки соответствовать любым захваченным частицам или дефектам стенок, обеспечивая их плотную изоляцию. Канал потока является прямым по всей длине, снижая перепады давления и турбулентность. Текучая среда контактирует только с трубкой 126 потока, предотвращая износ или коррозию других частей клапана и предотвращая загрязнение технологической текучей среды в случае применений высокой чистоты, например шлифовальные операции полупроводников.
На фиг.2 показан зажимающий клапан 200 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, где элемент сдерживания давления содержит плетеный рукав 230, охватывающий трубку 126 потока. В некоторых вариантах осуществления плетеный рукав охватывает всю трубку 126 потока. На фиг.3 схематически изображены участки зажимающего клапана 201, где участок 232 плетеного рукава 230 удален. В варианте осуществления на фиг.3 удаленный участок 232 рукава 230 примыкает к плунжеру 124 клапана, так что трубка 126 потока непосредственно соприкасается с плунжером 124 клапана, а не с рукавом 230 сдерживания давления.
Обычно плетеный рукав 230 не создает помех в работе клапана 201. Тем не менее, определенные материалы, используемые для плетеного рукава 230, могут подвергаться остаточной деформации, если плунжер 124 клапана прижимает материал рукава достаточно долго для постоянной деформации материала. Такая деформированная конфигурация рукава может вызвать проблемы регулирования. Этот вид деформации может возникнуть, например, с клапанами, имеющими закрытую конфигурацию, в которых плунжер 124 сжимает трубку 126 потока и рукав 230 в течение длительных периодов времени. Удаление участка 232 рукава 230 в проиллюстрированном положении допускает непосредственный контакт плунжера 124 с трубкой 126 потока, поддерживая свойства плетеного рукава 230 сдерживать давление. Материал рукава может быть разрезан механически (ножницами, резцами и т.п.), разрезан термически (чтобы предотвратить расплетение материала) и т.д., чтобы достичь требуемой геометрии отверстия. Таким образом, рукав 230 действует как "держатель" трубки 126. Рукав 230 также ограничивает давление в трубке 126 потока и повышает устойчивость к давлению участка трубки 126 потока, расположенного в корпусе зажимающего клапана.
На фиг.4 показан зажимающий клапан 300 в соответствии с другим иллюстративным вариантом осуществления изобретения. В зажимающем клапане 300 элемент сдерживания давления содержит множество колец 330, охватывающих трубку 126 потока. В конкретном варианте осуществления полипропиленовые кольца с шириной 1 мм надеты на трубку 126 потока на обеих сторонах привода 122.
В других вариантах осуществления элемент сдерживания давления содержит один или более жесткий элемент, охватывающий трубку 126 потока. Например, трубка 126 потока может быть вставлена через отверстие, определенное такой жесткой структурой, чтобы обеспечить сдерживание давления. В таком варианте осуществления элемент сдерживания давления окружает трубку потока. Однако является несущественным, чтобы вся трубка была охвачена элементом сдерживания давления. Некоторое сдерживание давления будет осуществляться, если более половины трубки будет окружено.
На фиг.5 показан зажимающий клапан 400 в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления настоящего изобретения, где используется жесткий элемент, включающий две части. Зажимающий клапан 400 включает двустворчатый элемент 430 сдерживания давления, включающий верхнюю и нижнюю части 431, 432. На фиг.6 показана нижняя часть 432; верхняя часть 431 является аналогичной нижней части. На фиг.7 показан клапан 400 с верхней частью 431 элемента 430 сдерживания давления. Как верхняя, так и нижняя части 431, 432 определяют желобок 440, который в общем соответствует форме трубки 126 потока, так что, когда верхняя и нижняя части 431, 432 сложены в виде бутерброда вокруг трубки 126 потока, в бороздки 440 проходит трубка 126 потока, обеспечивая сдерживание давления.
В проиллюстрированном варианте осуществления верхняя и нижняя части 431, 432 далее определяют отверстие 442, в которое проходит нижний участок привода 122. Верхняя и нижняя части 431, 432 удерживаются вместе любыми подходящими средствами, чтобы образовать элемент 430 сдерживания давления. В тестах, проведенных с одним вариантом осуществления, где использовался 0.25 дюймовый силиконовый тюбинг для зажимаемой трубки 126 с двустворчатым элементом 430 сдерживания давления, зажимаемая трубка 126 не разрывалась, пока давление не превышало 200 psig. Как упоминалось выше, двустворчатый элемент из двух частей является примером, жесткий элемент сдерживания давления может содержать только один элемент или несколько элементов.
Привод известных зажимающих клапанов обычно имеет два положения - включено и выключено. Некоторые известные зажимающие клапаны имеют ручной привод с ручкой управления, имеющей много положений, но этот тип клапана может быть неприемлемым для регулирования потока в замкнутом цикле. Другие зажимающие клапаны использовались для распределительных применений в пакетных процессах, в которых количество распределенного материала контролируется временем, когда клапан включен. При этом не допускается постоянный динамический контроль скорости потока.
Клапан, имеющий только два положения, может управляться посредством изменяющегося тока или напряжения привода клапана. В одном варианте осуществления для управления клапаном использовалась широтно-импульсная модуляция (PWM). PWM достигается генерированием квадратного волнового сигнала с частотой, выше механической ответной частоты клапана. Рабочий цикл сигнала меняется для определения подходящего напряжения или тока, поданного на устройство. Например, если сигнал PWM действует между 0-12 вольт, 0% рабочего цикла = 0 вольт, 50% рабочего цикла=6 вольт и 100% рабочего цикла = 12 вольт. "Усреднение" происходит, поскольку частота сигнала будет выше механической ответной частоты клапана. Позиция клапана определяется средним подаваемым током. Результирующее напряжение питания пропорционально ширине импульса сигнала.
Если частота сигнала слишком низкая, клапан будет иметь время, чтобы полностью реагировать на сигналы включения и выключения, создавая импульсный выход потока, который обычно нежелателен. Типичным приводом зажимающего клапана является соленоид, имеющий пружинный элемент с установкой предварительного регулирования, которое определяет ток, необходимый для закрытия соленоида. Предварительное регулирование пружины клапана может улучшить диапазон управления клапана. В других вариантах осуществления соленоид как элемент плунжера заменен плунжером с приостанавливающей пружиной. Плунжер с приостанавливающей пружиной минимизирует нелинейные движения клапана за счет трения, которое минимизирует гистерезиз и мертвую зону, которые являются обычными в доступных зажимающих клапанах с приводом-соленоидом.
Альтернативой PWM-управляемому соленоиду является привод с шаговым двигателем, который преобразует контролируемое, детерминистическое угловое вращение в линейное движение ударника посредством червячной передачи. Для получения определенного количества шагов, пропорционального входу аналогового сигнала, могут быть спроектированы шаговые контроллеры. Мертвый ход и гистерезиз клапана, таким образом, могут быть снижены любым количеством подходящих разработок червячной передачи, уменьшающих мертвый ход. Шаговый двигатель обычно обеспечивает устойчивость к колебаниям температуры и давления, которые могут вызвать изменения в зажимаемой трубке. Шаговый двигатель является средством регулирования места размещения, так что он предохраняет от изменений в зажимаемой трубке. Зажимаемая трубка с зажимающим клапаном являются интегральной частью системы - ток подается к приводу клапана, который прилагает зажимающее усилие к зажимаемой трубке. Если свойства трубки изменяются из-за температуры или давления, объем трубки закрывается, и, таким образом, скорость потока с соленоидом меняется. Более того, шаговый привод может остаться в последнем месте размещения, обеспечивая быстрый ответ на достижение заданного значения в начале цикла подачи текучей среды.
На фиг.8 показан вид в перспективе регулирующего клапана 500 в соответствии с другим иллюстративным вариантом осуществления настоящего изобретения. Регулирующий клапан 500 является зажимающим клапаном с приводом-соленоидом. Как и другие клапаны, раскрытые и изображенные здесь, клапан 500 включает плунжер 124 (не показан), соединенный с приводом 122 для избирательного перемещения зажимающего элемента 502 (не показан), который примыкает к эластомерной трубке 126 потока. Эталонная поверхность 128 расположена в основном противоположно зажимающему элементу, так что эластомерная трубка 126 может быть зажата между зажимающим элементом и эталонной поверхностью 128 для регулирования потока текучей среды по трубке 126 потока. Трубка 126 потока проходит в элемент 430 сдерживания давления, включающий верхнюю и нижнюю части 431, 432, сходные с изображенными на фиг.5-7. В клапане 500 верхняя часть 431 является единым целым с корпусом клапана 540. Эталонная поверхность 128 проходит в нижнюю часть 432. В иллюстративном клапане 500, показанном на фиг.8, используется двустворчатый элемент 430 сдерживания давления, хотя могут использоваться и другие устройства сдерживания давления, например, такие как показаны и описаны здесь в связи с фиг.2-4.
На фиг.9 показан вид регулирующего клапана 500 в разобранном состоянии, а на фиг.11 и 12 показаны разрезы клапана 500 соответственно в закрытом и открытом положениях. Привод 122 включает ярмо соленоида и узел катушки, определяющий сквозной осевой канал 506. Клапан 500 включает верхнюю и нижнюю ведущие пружины 510, 511, расположенные на противоположных концах плунжера 124.
В изображенном варианте осуществления зажимающий элемент 502 соединен с одним концом плунжера 124 посредством выступающей части 512 плунжера. Это позволяет иметь одинаковый диаметр обеих ведущих пружин 510, 511, чтобы обеспечивать требующееся необходимое перемещение зажимающего клапана без деформации. Ведущие пружины 510, 511 являются плоскими дисками с рядом спиральных отверстий в них, чтобы пружина имела высокую жесткость в радиальном направлении и низкую жесткость в осевом направлении. Нижняя ведущая пружина 511 установлена в противоположном отверстии в корпусе 540 клапана, которое концентрично с осью соленоида. Внешний участок нижней ведущей пружины 511 зажат между корпусом 540 клапана разделительным кольцом 542, которое в ходе перемещения удерживается штоком 544 клапана, входящим в отверстие 506 узла катушки и ярма соленоида. Выравнивающий штифт 546 поддерживает блок 502 зажимающего элемента перпендикулярно к зажимаемой трубке 126 потока во время сборки. Ведущие пружины удерживают плунжер 124 в центре штока 544 клапана, тем самым устраняя трение скольжения между плунжером 124 и штоком 544 клапана.
В изображенном варианте осуществления зажимающий элемент 502 расположен на одном конце нижней ведущей пружины и прикреплен к выступающей части 512 плунжера, расположенного на противоположном конце нижней ведущей пружины 511. Выступающая часть 512 плунжера является частью плунжера, так что плунжер 124 и его выступающая часть 512 являются жесткой конструкцией. Плунжер 124 и выступающая часть 512 плунжера проходят в шток 544 клапана, так что выступающая часть 512 плунжера проходит через центр штока 544 клапана. Шток 544 клапана удерживается отверстием 506 узла катушки и ярма соленоида посредством держателя 548 ярма и разделительного кольца 550. Держатель 548 ярма также имеет плоскую поверхность для зажима верхней ведущей пружины 510 между держателем 548 ярма и верхним держателем 552.
Держатель 554 пружины и пружинный стакан 556 расположены на одном конце верхней ведущей пружины 510. Верхний конец выступающей части 512 плунжера расположен на противоположной стороне верхней ведущей пружины 510 и соединен с держателем 554 пружины, чтобы соединить верхнюю ведущую пружину 510 с выступающей частью 512 плунжера. Предохраняющая от трения шайба 558 вставлена между верхним держателем 552 и верхней ведущей пружиной 510, чтобы предотвратить скручивание во время сборки. Пружина 560 предварительной нагрузки вставлена в отверстие верхнего держателя 552 и размещена в пружинном стакане 556. Величина закрывающей силы, создаваемой пружиной 560 предварительной нагрузки, регулируется посредством регулирующего винта 562.
Эффект наличия двух ведущих пружин 510, 511, расположенных на каждом конце выступающей части плунжера 124, 512, состоит в ограничении его движения только по оси со штоком 544 клапана, тем самым предотвращая любой скользящий контакт между движущимися частями.
Длинная тонкая пружина предварительной нагрузки обычно включена в традиционные проекты зажимающего клапана. Такие пружины часто изгибаются при нормальной нагрузке. Чтобы предотвратить такое изгибание пружины, она обычно размещается в отверстии. Тем не менее, пружина может соприкасаться с краями отверстия, вызывая трение, которое нежелательно при работе клапана. Пружина 560 предварительной нагрузки в изображенном клапане 500 является сравнительно короткой пружиной, которая не изгибается и не должна поддерживаться отверстием. Это устраняет нежелательное трение этого элемента.
Поскольку в раскрытом клапане 500 удалены многие источники трения, связанные с клапанами предшествующего уровня техники, клапан может быть более подвержен автоколебаниям, возникающим вследствие потока текучей среды. Трение движения соленоида обычно подавляет такие колебания. Иллюстративный клапан 500 включает амортизатор, который останавливает такие колебания без добавления трения в систему.
На фиг.12 и 13 показан верхний участок клапана 500 в закрытом и открытом положениях соответственно. Пружинный стакан 556 проходит в верхний держатель 552 так, что между ними создается небольшой зазор (диаметр пружинного стакана 556 меньше, чем диаметр отверстия в верхнем держателе 552, в который проходит пружинный стакан). Верхний держатель 552, пружинный стакан 556 и держатель 554 пружины, таким образом, действуют как амортизатор для уменьшения или предотвращения колебаний. Как показано на фиг.12, в пространство 570 над пружинным стаканом 556 захватывается воздух. Когда шток 544 клапана перемещается, пружинный стакан 556 скользит в верхнем держателе 552. Когда пружинный стакан 556 скользит вверх из положения, показанного на фиг.12, к положению, показанному на фиг.13, объем пространства 570 уменьшается, так что захваченный воздух должен проходить через этот небольшой зазор, создавая разницу давлений, предотвращающую перемещения штока 544 клапана. Сопротивление присутствует только когда шток 544 клапана перемещается, и это не влияет на точные регулирующие свойства клапана 500, кроме того, что теперь требуется его относительно более медленное перемещение (около 1 Hz). Сопротивление также резко возрастает вместе со скоростью движения и является эффективным амортизатором на высоких скоростях (>10 Hz).
На фиг.14 и 15 схематически показано устройство 110 измерения и регулирования потока, использованное в зажимающем клапане, таком как зажимающий клапан 500, раскрытый и изображенный здесь. Устройство 110 измерения и регулирования потока включает кожух 101, имеющий вход и выход 102, 103 для текучей среды. Устройство 112 измерения потока расположено в кожухе 101. В иллюстративном варианте осуществления устройство 112 измерения потока включает масс-измеритель потока Кориолиса.
В применениях высокой чистоты измеритель потока 112 предпочтительно имеет трубку потока из пластмассы высокой чистоты, чтобы предотвратить загрязнение технологической текучей среды, вызванное передачей нежелательных ионов (например, металла) в технологический материал. Пригодные пластмассы высокой чистоты включают PFA, PVDF и PTFE. Как было отмечено выше, зажимающий клапан 500 может также включать элементы, выполненные из пластмассы высокой чистоты, чтобы предотвращать переход ионов в технологический материал. На блок-диаграмме фиг.14 клапан 500 показан целиком размещенным в кожухе 101. В некоторых вариантах осуществления участки клапана или весь клапан прикреплены к внешней поверхности кожуха 101, как в вариантах осуществления, показанных на фиг.2, 4 и 5.
Контроллер 114 принимает командный сигнал и выходной сигнал от измерителя потока 112. Контроллер 114 определяет и обрабатывает сигнал от измерителя потока и посылает управляющий сигнал на зажимающий клапан 500, чтобы изменить скорость потока технологического материала на основе сравнения заданной и измеренной скорости потока. Командный входящий сигнал контроллеру 114 обычно является электронным сигналом, например, сигналом 0-5 В, 4-20 мА, или цифровым сигналом. Также может быть использован пневматический командный интерфейс. Пригодным командным генератором является модель Р48 технологического контроллера, доступная в Red Lion Controls of York, Pennsylvania.
Контроллер 114 может также иметь элемент, обычно известный как клапан перегрузки, где контроллеру 114 посылается дополнительный сигнал. Этот сигнал перегрузки заставляет контроллер 114 игнорировать командный сигнал и полностью открыть или закрыть клапан 500. Этот элемент часто используется для перекрытия потока или очистки системы. На фиг.8 контроллер 114 показан расположенным в кожухе 101, что обеспечивает полностью интегрированную систему контроля потока. Тем не менее, в других вариантах осуществления контроллер 114 является внешним по отношению к кожуху 101.
Зажимающий клапан 500 регулирует поток через устройство 110, и это также обеспечивает буфер против изменений давления на линии. Клапан 500 может быть расположен как выше по потоку от масс-измерителя 112 потока, как показано на фиг.14, так и ниже по потоку, как в варианте осуществления на фиг.15. Обычно предпочтительно иметь клапан 500 на стороне, которая будет испытывать наибольшие изменения давления во время использования. Это помогает предохранить измеритель потока 112 от изменений и колебаний давления.
Конкретные варианты осуществления, показанные выше, являются лишь иллюстративными, так как изобретение может быть модифицировано и осуществлено иными, но эквивалентными способами, очевидными для специалистов в данной области техники, заинтересованных в преимуществах изобретения. Кроме того, в элементах конструкции или дизайна, описанных выше, не подразумеваются никакие ограничения, кроме тех, что заявлены ниже в формуле изобретения. Следовательно, очевидно, что конкретные варианты осуществления, раскрытые выше, могут быть изменены или модифицированы, и все такие изменения признаются в пределах объема и сущности изобретения. Соответственно, объем защиты изложен ниже в формуле изобретения.
Реферат
Изобретение относится к арматуростроению, в частности к регулирующим клапанам, имеющим ведущий механизм с ослабленным трением, и предназначено для регулирования потока текущей среды в различных областях индустрии, например, полупроводниковой, фармацевтической и в биотехнологии. Регулирующий клапан включает эластомерную трубку потока, плунжер (124), имеющий первый и второй концы. Зажимающий элемент (502) соединен с первым концом плунжера и примыкает к трубке потока. Эталонная поверхность (128) расположена в основном напротив зажимающего элемента (502), так что эластомерная трубка зажимается между зажимающим элементом (502) и эталонной поверхностью (128) для регулирования потока жидкой среды по трубке потока. Первая ведущая пружина (511) расположена между зажимающим элементом (502) и первым концом плунжера (124). Вторая ведущая пружина (510) примыкает ко второму концу плунжера (124). Устройство измерения и регулирования потока представляет собой регулирующий клапан, снабженный кожухом (101) и устройством измерения потока (112). Изобретение направлено на повышение точности регулирования. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 15 ил.
