Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Strömungsmittel-Strömungssteuerung und insbesondere auf eine Ventilbaugruppe. Im einzelnen bezieht sich die vorliegende Erfindung insbesondere auf eine Ventilbaugruppe mit starren Sitzflächen.

Strömungsmittel-Ventile gibt es in einer großen Vielzahl von Formen und Größen, sie erfüllen eine Vielzahl von Zwecken, behandeln strömungsfähige Materialien, deren Charakteristiken von leichten gasförmigen Strömungsmedien bis zu schweren Schlämmen und nahezu Feststoffen reichen, und sie sind mit verschiedenen Geschwindigkeiten unter Steuerungen betreibbar, die sehr unterschiedlich sind und beispielsweise einfache binäre (Ein/Aus-), proportionale, direkte manuelle und elektrisch ferngesteuerte Steuerungen sein können. Diejenigen Ventile, die in der Lage sind, sehr schnell anzusprechen, um selbst relativ große Strömungen präzise zu regeln, und die nur wenig elektrischen Leistungsaufwand erfordern, sind von speziellem Interesse bei bestimmten industriellen Verarbeitungsvorgängen, wie zum Beispiel bei der automatischen Regelung von Gasen bei der Herstellung von Halbleitern und integrierten Schaltungen. Massenstrom-Steuerungen werden beispielsweise in großem Umfang bei der Herstellung von Halbleitern und integrierten Schaltungen verwendet, um die Zuführung von Prozessgasen zu steuern, und die Massenstrom-Steuerungen schließen derartige Ventile ein.

Die US-Patente 4796854, 5727769 und 6505812, die alle auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen wurden, zeigen Beispiele von durch Magnetspulen betätigten Proportionier-Ventilbaugruppen. Die beschriebenen Ventilbaugruppen schließen alle bewegliche Ventil-Elemente ein, die durch einen Anker betätigt werden, um eine Ventilöffnung zu öffnen und zu schließen.

Die Ventilbaugruppen können metallische Dichtungen oder elastomerische Dichtungen verwenden. Die Verwendung von metallischen Dichtungs- oder Sitzflächen beseitigt eine Permeation von der Atmosphäre und das Ausgasen und die Teilchen-Erzeugung, die elastomerischen Dichtungen eigen ist. Andere Materialien, wie zum Beispiel Glas, Saphir oder Keramik können als die Sitzflächen verwendet werden, um eine chemische Beeinträchtigung durch das spezielle Strömungsmittel, das durch die Ventilbaugruppe gesteuert wird, und/oder eine Beeinträchtigung aufgrund von beispielsweise Temperaturen und Drücken zu vermeiden.

Es ist in vielen Fällen vorzuziehen, Saphir anstelle von Metall in den Sitzflächen von Ventilbaugruppe zu verwenden. Bei eine hohe Genauigkeit aufweisenden Ventilbaugruppen, die für die präzise Lieferung von Gasen verwendet wird, können metallische Sitzflächen ein abschließendes manuelles Läppen erfordern, um Ventilöffnungsoberflächen anzupassen, damit sich eine geeignete Abdichtung ergibt. Derartige Läpp-Arbeitsvorgänge sind jedoch arbeitsintensiv und vergrößern die Herstellungskosten der Ventilbaugruppen. Zusätzlich können metallische geläppte Oberflächen bei hohen Temperaturen durch korrosive Strömungsmedien angegriffen werden, wodurch die Abdichtung mit der Zeit beeinträchtigt wird. Saphir ist ein sehr hartes Material, das eben und glatt ausgebildet werden kann und gegenüber einer derartigen Beeinträchtigung weniger empfindlich ist.

Andere Ventile können eine Keramikkugel beinhalten, die mit einem Sitz in einer konischen Edelstahl-Ventilöffnung zusammenwirkt. Eine derartige Anordnung kann jedoch keine gleichförmige Steuerung zwischen 2% und 100% der maximalen Strömung ergeben.

Was immer noch erwünscht ist, ist daher eine neue und verbesserte Ventilbaugruppe. Die Ventilbaugruppe ergibt vorzugsweise eine verbesserte Absperr-Dichtung, beseitigt die Notwendigkeit von handbearbeiteten Metallteilen und ermöglicht die Verwendung von undurchdringlichen nicht metallischem Material für die Sitzflächen, und sie ergibt eine stabile Langzeit-Steuerungs-Ventilabsperr-Fähigkeit. Die neue und verbesserte Ventilbaugruppe ergibt weiterhin vorzugsweise eine gleichförmige Steuerung zwischen 2% und 100% der maximalen Strömung über mehrfache Maximal-Bereiche.

Die vorliegende Erfindung ergibt entsprechend eine Ventilbaugruppe, die einen Ventilkörper mit einer Bohrung und einem Anschluss aufweist, der sich zu einem Ende der Bohrung erstreckt, um eine Strömungsmittel-Verbindung mit der Bohrung zu schaffen. Ein Öffnungselement wird in der Bohrung aufgenommen und schließt eine Endwand, die auf dem Ende der Bohrung aufgenommen wird, sowie eine Seitenwand ein, die sich von der Endwand aus erstreckt. Die Endwand des Öffnungselementes begrenzt eine Öffnung, die eine Strömungsmittel-Verbindung mit dem Anschluss des Ventilkörpers ergibt. Ein Ventilbauteil wird in dem Öffnungselement aufgenommen und ist entlang einer Achse gegenüber der Öffnung beweglich.

Die Ventilbaugruppe schließt weiterhin eine flache Feder ein, die auf einem Ende der Seitenwand des Öffnungselementes befestigt ist und Arme aufweist, die sich in Radialrichtung nach innen erstrecken und an dem Ventilelement befestigt sind. Die ebene Feder bewirkt eine Vorspannung des Ventilelementes gegenüber der Öffnung. Ein Ventilsitz ist an der Endwand des Öffnungselementes befestigt und begrenzt eine Ventilöffnung, die eine Strömungsmittel-Verbindung mit der Öffnung ergibt, und ein Stopfen ist an einem Ende des Ventilelementes entgegengesetzt zu dem Ventilsitz derart befestigt, dass wenn das Ventilelement entlang der Achse in Richtung auf die Öffnung bewegt wird, der Stopfen mit dem Ventilsitz in Eingriff kommt, um die Ventilöffnung des Ventilsitzes abzudichten und eine Strömungsmittel-Strömung durch die Öffnung und den Anschluss des Körpers zu verhindern.

Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sind der Ventilsitz und der Stopfen beide aus einem starren undurchdringlichen nicht metallischem Material hergestellt, das Saphir umfasst, und sie weisen ebene Sitzflächen auf, die sich senkrecht zur Achse des Ventilelementes erstrecken. Neben anderen Merkmalen und Vorteilen ermöglicht die neuartige Konstruktion der Ventilbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung die Herstellung der planaren Sitzflächen in paralleler Weise während der Herstellung, sodass der Saphir-Stopfen und Ventilsitz eine verbesserte Absperr-Dichtung ergeben können.

Zusätzlich beseitigt die Verwendung von Saphir-Sitzflächen weiterhin die Notwendigkeit von handbearbeiteten Metallteilen und ergibt eine stabile Langzeit-Steuerventil-Abschalt-Fähigkeit. Weiterhin ergibt die Verwendung von ebenen Sitzflächen eine gleichförmige Steuerung zwischen 2% und 100% der maximalen Strömung über mehrere Skalenendwert-Bereiche.

Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei einem Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen weiter ersichtlich.

Die folgenden und andere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden besser aus der ausführlichen Beschreibung und den Zeichnungen verständlich, in denen:

1 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Ventilbaugruppe ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;

2 eine vergrößerte auseinandergezogene perspektivische Ansicht der Ventilbaugruppe nach 1 ist, wie sie in dem von einem Kreis umgebenen Teil „2" nach 1 enthalten ist;

3 eine Schnittansicht eines Teils der Ventilbaugruppe nach 1 ist;

4 eine vergrößerte Schnittansicht der Ventilbaugruppe nach 1 ist, wie sie in dem mit dem Kreis mit der Bezeichnung „4" enthaltenen Teil nach 3 enthalten ist;

5 eine vergrößerte Querschnittsansicht der Ventilbaugruppe nach 1 ist, wie sie in dem von einem Kreis „5" umgebenen Teil der 4 enthalten ist.

Gleiche Bezugsziffern bezeichnen identische oder entsprechende Bauteile und Einheiten in den verschiedenen Ansichten.

Gemäß den 1 bis 5 ergibt die vorliegende Erfindung allgemein eine Ventilbaugruppe 10, die Saphir-Sitzflächen 12, 14 einschließt, wie dies am besten in 5 gezeigt ist. Die neuartige Konstruktion der Ventilbaugruppe 10 der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, das die Sitzflächen 12, 14, die eben sind, während der Herstellung parallel ausgeführt werden können, sodass die Sitzflächen 12, 14 eine verbesserte Abschalt-Dichtung ergeben. Zusätzlich beseitigt die Verwendung von Saphir-Sitzflächen 12, 14 auch die Notwendigkeit von manuell bearbeiteten Metallteilen und ergibt eine stabile Langzeit-Steuerungs-Ventil-Absperrfähigkeit (das heißt keine Beeinträchtigung der Sitzflächen 12, 14). Weiterhin ergibt die Verwendung von ebenen Sitzflächen 12, 14 eine gleichförmige Ventilsteuerung zwischen 2% und 100% der Maximal-Strömung über mehrfache Gesamt-Strömungsbereiche.

Gemäß den 1 bis 5 schließt die Ventilbaugruppe 10 einen Ventilkörper 16 mit einer Bohrung 18 und einem Anschluss 20 ein, der sich zu einem Ende der Bohrung 18 erstreckt. Ein Öffnungselement 22 wird in der Bohrung 18 des Körpers 16 aufgenommen und schließt eine Endwand 24, die auf dem Ende der Bohrung 18 aufgenommen wird, und eine Seitenwand 26 ein, die sich von der Endwand 24 aus erstreckt. Die Endwand 24 des Öffnungselementes 22 umgrenzt eine Öffnung 28, die eine Strömungsmittel-Verbindung mit dem Anschluss 20 des Körpers 16 ergibt.

Die Ventilbaugruppe 10 schließt weiterhin ein Ventilelement 30 ein, das in dem Öffnungselement 22 aufgenommen wird und entlang einer Achse 32 gegenüber der Öffnung 28 beweglich ist. Eine ebene Feder 34 ist auf einem Ende 36 der Seitenwand 26 des Öffnungselementes 22 befestigt und schließt Arme ein, die sich in Radialrichtung nach innen erstrecken und an dem Ventilelement 30 befestigt sind. Die ebene Feder 34 bewirkt eine Vorspannung des Ventilelementes 30 gegenüber der Öffnung 28 derart, dass sich das Ventilelement 30 normalerweise in einer geschlossenen oder einer geöffneten Stellung befindet.

Die Ventilbaugruppe 10 schließt weiterhin einen Ventilsitz 38, der an der Endwand 24 des Öffnungselementes 22 befestigt ist und eine Ventilöffnung 40 begrenzt, die eine Strömungsmittel-Verbindung mit der Öffnung 28 ergibt, sowie einen Stopfen 42 ein, der an einem Ende des Ventilelementes 30 gegenüberliegend zu dem Ventilsitz 38 befestigt ist, derart, dass wenn das Ventilelement 30 entlang der Achse 32 in Richtung auf die Öffnung bewegt wird, der Stopfen 42 mit dem Ventilsitz 38 in Kontakt kommt, um die Ventilöffnung 40 des Ventilsitzes 38 abzudichten und eine Strömungsmittel-Strömung durch die Öffnung 28 und den Anschluss 20 des Körpers 16 zu verhindern.

Der Ventilsitz 38 und der Stopfen 42 sind aus einem starren undurchdringlichen nicht metallischem Material hergestellt, das Saphir umfasst. Der Ventilsitz 38 und der Stopfen 42 bilden die ebenen Sitzflächen 12, 14, die sich senkrecht zur Achse 32 des Ventilelementes 30 erstrecken. Die Sitzflächen 12, 14 sind glatt poliert.

Die Endwand 24 des Öffnungselementes 22 schließt eine Fassung 44 ein, und der Ventilsitz 38 ist mit Press-Sitz in die Fassung 44 der Endwand 24 eingesetzt. Das Ende des Ventilelementes 30 schließt eine Fassung 46 ein, und der Stopfen 42 it mit Press-Sitz in die Fassung 46 des Ventilelementes 30 eingesetzt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind das Öffnungselement 22 und das Ventilelement 30 aus Edelstahl hergestellt.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Anschluss 20 in dem Körper 16 einen Einlass-Anschluss und die ebene Feder 34 spannt das Ventilelement 30 in Richtung auf den Einlass-Anschluss 20 vor, um normalerweise zu bewirken, dass der Stopfen 42 die Dichtung 40 des Ventilsitzes 38 abdichtet. Der Körper 16 schließt weiterhin einen Auslass-Anschluss 50 in der gezeigten Weise ein.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Öffnungselement 22 schalenförmig, und die Seitenwand 26 des Öffnungselementes 22 ist kontinuierlich. Die ebene Feder 34 ist an dem Öffnungselement 22 mit Hilfe eines Klemmringes 52 befestigt, der seinerseits an dem Öffnungselement 22 mit Hilfe von Schrauben 54 befestigt ist. Das Ende 36 der Seitenwand 26 des Öffnungselementes 22 schließt einen kontinuierlichen Wulst 56 ein, der die ebene Feder 34 aufnimmt, und der Klemmring 52 schließt einen kontinuierlichen Wulst 58 ein, der die ebene Feder 34 gegen den kontinuierlichen Wulst der Seitenwand 26 befestigt.

In dem in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine elektrische Magnetspulen-Baugruppe dazu verwendet, das Ventilelement 30 zu bewegen, um die Strömungsmittel-Strömung zwischen dem Einlass- und Auslass-Anschlüssen 20, 50 zu steuern. Die Magnetspulen-Baugruppe schließt einen Anker 60 aus magnetischem Material, der an dem Ventilelement 30 befestigt ist, und eine elektrische Magnetspulen-Wicklung 62 ein, die koaxial über dem Anker 60 aufgenommen wird, um den Anker 60 und das Ventilelement 30 bei Anlegen eines elektrischen Stromes an die Wicklung 62 entlang der Achse 32 zu bewegen, sodass das Ventilelement 30 die Ventilöffnung 40 des Ventilsitzes 38 öffnet und schließt und die Strömungsmittel-Strömung zwischen dem Einlass- und Auslass-Ports steuert.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Ventilbaugruppe 10 so konfiguriert, dass wenn elektrische Steuerströme an die Magnetspulen-Wicklung 62 von einer geeigneten Quelle, wie zum Beispiel einer Ausgangsverstärkerstufe einer Steuerung eines Strömungsmessgerätes angelegt werden, das die tatsächliche oder Ist-Strömungsrate misst, die von dem Ventil zu regeln ist, der Anker 60 von dem Ventilsitz 38 fort bewegt wird, um die Öffnung 40 des Ventilsitzes 38 zu öffnen und um die Strömung zwischen dem Einlass- und Auslass-Anschlüssen 20, 50 zu vergrößern. Die Ventilbaugruppe 10 ist weiterhin so konfiguriert, dass wenn die Magnetspulen-Wicklung 62 nicht angesteuert wird, dass Ventil 34 das Ventilelement 30 auf seine Ausgangsstellung bewegt, in der das Ventilelement 30 gegen den Ventilsitz 38 vorgespannt ist, um die durch diesen hindurchgehende Ventilöffnung 40 zu verschließen.

Die Ventilbaugruppe 10 schließt weiterhin ein Gehäuse 64 ein, das über der Magnetspulen-Wicklung 62 angeordnet ist und einen ringförmigen Flansch 66 zur Befestigung des Gehäuses 64 an dem Ventilkörper 16 aufweist. Eine ringförmige Dichtung 68 ist zwischen dem Flansch 66 des Gehäuses 64 und dem Ventilkörper 16 angeordnet. Ein Magnetspulen-Kern 70 ist in der Magnetspulen-Wicklung 62 oberhalb des Ankers 60 angeordnet, die alle aus einem geeigneten magnetischem Material sind. Eine nichtmagnetische Hülse 72 ist über dem unteren Ende des Magnetspulen-Kern 70 befestigt und weist eine ausreichend große mittlere axiale Öffnung auf, um gerade freie Bewegungen des Ankers 60 entlang der Achse 32 zu ermöglichen. Ein ringförmiges nichtmagnetisches Abstandstück 74 ist unter der Magnetspulen-Wicklung 62 angeordnet.

Wie dies in 1 gezeigt ist, befestigt ein ringförmiges Befestigungselement 76 den Magnetspulen-Kern 70 in einstellbarer Weise durch eine Endwand 78 des Gehäuses 64 hindurch, wodurch ein Drehen des Befestigungselementes 76 die Position des Kerns 70 entlang der Achse 32 einstellt, sodass die Ausgangsstellung des Ventilelementes 30 gegenüber dem Ventilsitz 38 durch Drehen des Befestigungselementes 76 eingestellt werden kann. Eine mit Gewinde versehene Mutter 80 wird zur einstellbaren Blockierung des Befestigungselementes gegen die Endwand verwendet.

Im Wesentlichen müssen lediglich die kleinen Zentrierkräfte der ebenen Feder 34 überwunden werden, wenn die Magnetspulen-Wicklung 64 mit Energie versorgt wird. Es sollte verständlich sein, dass lediglich eine sehr kleine Axialbewegung des Ventilelementes 30 erforderlich ist, um eine volle Strömung durch die Öffnung 40 zu erzielen.

Als ein Beispiel einer Anwendung kann eine Ventilbaugruppe 10, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, in eine Massenstrom-Steuerung (MFC) eingefügt werden. Wie dies bekannt ist, dient eine MFC zur Steuerung der Strömungsrate eines Gases von einer Quelle, und sie kann beispielsweise in der Halbleiter-Fertigungsindustrie dazu verwendet werden, präzise einen Prozessdampf zu einer Prozesskammer zur Herstellung einer Halbleiter-Scheibe zuzuführen. Die MFC kann eine Temperatur-basierte MFC oder eine Druck-basierte MFC sein, oder sie kann irgendeine andere Art von Strömungs-Steuereinrichtung sein. Eine geeignete MFC ist beispielsweise in dem US-Patent 6505812 gezeigt, die auf den Inhaber der vorliegenden Erfindung übertragen wurde und deren Inhalt durch diese Bezugnahme hier mit aufgenommen wird.

Eine MFC schließt einen Strömungspfad, der mit dem Einlass-Anschluss 20 der Ventilbaugruppe 10 verbunden ist, eine Strömungssensor-Baugruppe zur Messung der Strömung durch den Strömungspfad und eine Steuereinrichtung ein, die zum Empfang einer vorgegebenen Soll-Strömungsrate von einem Benutzer, zum Empfang einer Anzeige der Strömung von der Strömungssensor-Baugruppe und zur Bestimmung einer Ist-Strömungsrate durch den Strömungspfad programmiert ist. Die Steuereinrichtung ist weiterhin so programmiert, dass sie eine ansteigende elektrische Leistung an die Wicklung 62 liefert, um die Strömung zu vergrößern, wenn die Ist-Strömungsrate kleiner als die Soll-Strömungsrate ist, und die elektrische Leistung verringert, um die Strömung zu verringern, wenn die Ist-Strömungsrate größer als die Soll-Strömungsrate ist. Unter „Steuereinrichtung" wird hier eine Einrichtung oder ein Mechanismus verstanden, der zum Regeln oder Führen der Betriebsweise der MFC verwendet wird. Die Steuereinrichtung umfasst vorzugsweise eine Computer-Prozessor-Einheit (CPU), die zumindest einen Prozessor, Speicher und einen Takt einschließt, die auf einer Leiterplatte befestigt sind. Die Steuereinrichtung arbeitet in einer Regelschleife zur Aufrechterhaltung der Soll-Strömung zu allen Zeiten. Information über die Strömungsrate als eine Funktion des Steuerstromes der Magnetspulen-Wicklung 62 wird vorzugsweise in der Steuereinrichtung gespeichert, um die Ansprechzeit der MFC zu verringern.

Die Ausführungsform und die in dieser Beschreibung beschriebenen Praktiken wurden lediglich zu Erläuterungszwecken und nicht als Beschränkung geliefert, und verschiedene Modifikationen, Kombinationen und Austauschmaßnahmen können von dem Fachmann durchgeführt werden, ohne von dem Grundgedanken oder dem Schutzumfang dieser Erfindung in ihren breiteren Gesichtspunkten abzuweichen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen angegeben ist.

Eine Ventilbaugruppe schließt einen Ventilkörper mit einer Bohrung (18) und einem Anschluss (20), der sich zu der Bohrung erstreckt, und ein Öffnungselement (22) ein, das in der Bohrung aufgenommen wird und eine Endwand (24) und eine Seitenwand (26) aufweist, und in dem eine Öffnung (28) eine Strömungsmittel-Verbindung mit dem Anschluss des Körpers ergibt. Ein Ventilelement (30) wird in dem Öffnungselement aufgenommen und ist entlang einer Achse bezüglich der Öffnung beweglich, und eine ebene Feder (34) ist an der Seitenwand des Öffnungselementes befestigt und weist Arme auf, die an dem Ventilelement befestigt sind. Ein Ventilsitz (38) ist an der Endwand befestigt und bildet eine Ventilöffnung über dem Öffnungsteil, und ein Stopfen (42) ist an einem Ende des Ventilelementes entgegengesetzt zu dem Ventilsitz derart befestigt, dass wenn das Ventilelement entlang der Achse in Richtung auf die Öffnung bewegt wird, der Stopfen mit dem Sitz in Berührung kommt, um die Ventilöffnung abzudichten.