[发明专利]自对准轴向约束调节器阀组件

说明书

相关申请

本申请要求2009年5月7日提交的美国临时专利申请序列号61/176,184的权益，其整体地通过引用结合到本文中。

技术领域

本发明涉及气流压力调节器，并且更特别地涉及自对准、轴向约束的调节器蕈形阀芯（valve poppet）以及包括该自对准轴向约束调节器蕈形阀芯的相关调节器阀组件和调节器。本发明被特别地应用于在相对低流量的系统中使用的压力调节器，例如在制造半导体器件时使用的调节器。

背景技术

气流压力调节器是将相对高的输入压力减小至可调整的相对恒定的较低出口压力的器件。图1描绘了常规压力调节器100。压力调节器100可以包括上或范围组件10和下组件20、以及位于上和下组件之间的隔膜30。范围组件10是相当普通的，并且如本领域中已知的，可以包括范围弹簧12及关联的支撑体和外壳结构。

下组件20包括进口22、出口24以及用于调节从进口到出口的气流压力的阀组件40。阀组件40可以包括用于作用在阀44上的阀弹簧42。阀44包括蕈形阀芯46，蕈形阀芯46与压靠隔膜30的阀杆47邻接。作为对气流进行控制的一部分，阀44被阀弹簧42抵靠着阀座48偏置。如本领域中已知的，下组件20可以包括附加关联支撑结构。

压力调节器如下操作以控制从进口22、通过阀组件40到出口24的流动气体的压力。阀弹簧42抵靠着阀座48对阀44进行加载以停止气体的流动。例如，在用于半导体制造中的示例性调节器中，阀弹簧可以用约三磅的力抵靠着阀座对阀44进行加载以在没有范围弹簧负载的情况下实现防漏密封。借助于螺纹杆16来压缩范围弹簧12的上端14以产生向下负载。这向下驱动隔膜30以驱动阀40远离阀座48，这允许气体流入隔膜30下面的室49中。隔膜40通常是具有与阀杆47连通的相对平坦表面的弹性构件。隔膜用于防止气体逸出到大气，同时足够柔软而将来自范围弹簧12的负载传送至阀组件40。可以由用户来转动上组件10中的旋钮11以向范围弹簧12施加力。范围弹簧的此力被隔膜30传送至阀组件40以使阀44从阀座48移动以允许气体通过阀的流动。当作用在隔膜区域上的压力产生等于范围弹簧力的力时，系统是平衡的，并且设备将保持该压力以提供到出口的恒压气流。

图2在包含范围弹簧12、隔膜30和阀组件40的部分中示出了压力调节器100的更近视图。图2的图例示出了此常规压力调节器用来进行操作的压力和力的关系，如本领域的技术人员所理解的。作为此类关系的结果，相对高的压力输入气流可以被转换成跨越调节器阀的恒定且较低的输出气流。

图2所描绘的力平衡关系导致可以表示为曲线的基本性能特性。在图3中示出了示例性性能特性曲线，图3示出作为力量的函数的出口压力。如从图3可以看到的，随着流量增加，阀必须进一步打开，导致更低的范围弹簧力向下按在隔膜上。其结果是耕地的出口压力。

随着流量接近零，即阀接近闭合，图3的曲线显示出向上斜率的急剧增加。此急剧的斜率增加指示抵靠着阀座48密封阀44所需的力。在流动条件下，在隔膜30的任一侧的力被平衡而使得阀位于与阀座间隔开的位置以允许气流通过阀。随着气流减小而接近终止流动（即，阀正在闭合），出口压力将上升以减小阀上的向下负载，直至在阀与阀座之间存在足以产生密封的力为止。在本领域中将发生而产生阀与阀座之间的密封的压力增加称为“蠕变”。

如上所述的常规压力调节器具有在图4和图5中描绘的缺陷。如前所述，通过使用弹簧逐渐产生最终确定调节器出口压力的力平衡。理想调节器将使所有部件相对于彼此而言完美地居中，并且所有弹簧负载沿着蕈形阀芯行进的轴线居中。在实际执行中，部件通常不是完美地居中，并且来自弹簧的力不是完美地沿着蕈形阀芯行进的轴线。

通常在压力调节器的构造中使用的常规螺旋弹簧（诸如图1和图2中描绘的那些）被制造为具有打磨的端部，其位于离垂直于蕈形阀芯行进方向一至两度的平面中。另外，端部随着弹簧被压缩而变得甚至更加不垂直。部件失准和非轴向弹簧负载的结果是蕈形阀芯抵靠着阀座的横向负载。在图4中示出了此非轴向、不对称弹簧负载和结果得到的横向负载。阀抵靠着阀座的横向负载增加与阀的移动相关联的摩擦，促使阀抵抗运动。因此，用于打开阀的力必须最初在阀能够移动之前克服增加的摩擦力。