阀的低滞后隔膜的制作方法
相关申请的交叉引用
本申请根据35u.s.c.§119(e)和pct第8条要求享有于2015年6月17日提交的标题为“lowhysteresisdiaphragmforavalve”的序列号为62/180,867的美国临时申请的权益，出于所有目的，通过引用将其全部内容并入本文。
背景技术：
本发明的实施例涉及被设计用于控制制造半导体器件、药品、精细化学制品的工业过程和许多类似的流体输送系统内的流体输送的阀。被控制的流体可以是液体、气体、真空、蒸汽或者处于那些状态下的物质的组合。旨在用于操纵半导体制造设备内的工艺材料的流体输送装置通常需要注意维持所输送的反应物的高纯度。已知在填料(packing)型的密封布置内滑动或旋转的机械轴往往引起高纯度工艺材料的可检测的微粒污染。放射性的、有毒的、可燃的或者在其他方面危险的流体在具有填料型密封的装置中被处理时也可以被认为不太安全。第4,606,374号美国专利和第4,732,363号美国专利(两者均授予terrencej.kolenc等人)是使用金属隔膜(而不是填料型密封)将被控制的流体密封为与周围环境隔开的阀的两个示例。众所周知，各种致动器类型(包含手动的、气动的和电动的)可以与隔膜密封阀一起使用。还已知的是，旨在用于流体的简单开关控制的致动器以及在制造半导体器件的工业过程中的被设计用于流体输送的比例控制或调制控制的致动器可以与经适当设计的隔膜密封阀一起使用。
用于高纯度应用的阀的设计者一般知晓许多不同的方法来提供防漏阀室密封隔膜。在授予kolenc等人的第4,606,374号美国专利中，由三个片状金属盘组成的隔膜沿周边被夹紧在阀体中的阶梯状结构与阀帽(bonnet)之间。在授予nakazawa等人的第5,145,147号美国专利中，单层片状金属隔膜被焊接至阀组件的一部分。在授予ollivier的第5,755,428号美国专利中，由迫使隔膜抵靠阀体上的环形突出部的夹紧部件来将隔膜抵靠阀体静态地密封。
在隔膜领域中的各种其他进展涉及例如在授予yamaji等人的第5,820,105号美国专利中所描述的材料成分、在授予wu等人的第5,851,004号美国专利和授予beauvir的第5,201,492号美国专利中所描述的隔膜形状或接触致动器。一些设计者已经发现与致动器和隔膜本身的滞后(hysteresis)相关联的相当大的性能局限。授予bensaoula等人的第5,927,325号美国专利提供详细讨论滞后的示例情况。
技术实现要素：
本发明的实施例涉及被机械加工为阀套(valvehousing)的一体元件的密封隔膜。为了方便，本申请中的所有附图示出类似的一体地机械加工的阀密封隔膜，然而应当意识到，隔膜与阀套或阀体、元件的其他组合可以与本发明一起使用，并且一体隔膜不应当被解释为是限制性的。
根据本发明的多个方面，申请人已经实现一种改进旨在用于比例阀中的金属隔膜的性能的制造工艺。该改进产生冷加工区域(其针对圆形隔膜是环形的)，其导致不这样做就会是平坦的隔膜因此变形成近似圆锥的形式。变形隔膜在使圆锥形式塌平(collapse)的方向上的轴向加载(loading)促使在所有操作情形中，有应力的隔膜的弓形的横截面形状对隔膜材料施加压缩力。以前平坦的隔膜总是被加载，并且因此提供所期望的回弹力，同时由此避免在比例控制阀中可能是非常成问题的滞后。
在本申请的一个方面中，阀隔膜包括第一表面和与第一表面相对的第二表面，并且第一表面具有塑性变形的同心应变硬化区域，该塑性变形的同心应变硬化区域具有凹形形状。
在一些实施例中，阀隔膜的厚度在阀隔膜的应变硬化区域中减少5％与20％之间。
在一些实施例中，应变硬化区域具有阀隔膜的相邻区域的厚度的50％与200％之间的径向宽度。
在一些实施例中，应变硬化区域包括阀隔膜的同心区域，该同心区域跨越阀隔膜的相邻区域的厚度的大约100％的径向宽度按照阀隔膜的相邻区域的厚度的大约10％的厚度减少而塑性变形。
在一些实施例中，应变硬化区域在阀隔膜的内周边与阀隔膜的外周边之间的距离的1/3与2/3之间。
在一些实施例中，阀隔膜包括耐腐蚀金属合金。
在一些实施例中，阀隔膜包括控制元件，该控制元件在阀隔膜的内周边处附接到阀隔膜，该控制元件具有远离阀隔膜的第一表面而延伸的控制轴，并且该控制元件具有从阀隔膜的第二表面偏移的控制表面。该控制表面被配置为选择性地啮合阀座。
在一些实施例中，阀隔膜包括阀套。阀隔膜在阀隔膜的外周边处与阀套密封啮合。
在一些实施例中，阀隔膜包括在阀隔膜的内周边处附接到阀隔膜的控制元件，该控制元件具有远离阀隔膜的第二表面而延伸的控制轴，并且控制元件具有从阀隔膜的第一表面偏移的控制表面。该控制表面被配置为选择性地啮合阀座。
在本申请的另一方面中，一种用于控制阀的阀套包括：阀套主体；以及在阀隔膜的外周边处与阀套主体密封啮合的阀隔膜。阀隔膜具有第一表面和与第一表面相对的第二表面。第一表面具有塑性变形的同心应变硬化区域，该塑性变形的同心应变硬化区域具有凹形形状。
在一些实施例中，阀隔膜的厚度在阀隔膜的应变硬化区域中减少5％与20％之间。
在一些实施例中，应变硬化区域具有阀隔膜的相邻区域的厚度的50％与200％之间的径向宽度。
在一些实施例中，应变硬化区域包括阀隔膜的同心区域，该同心区域跨越阀隔膜的相邻区域的厚度的大约100％的径向宽度按照阀隔膜的相邻区域的厚度的大约10％的厚度减少而塑性变形。
在一些实施例中，应变硬化区域在阀隔膜的内周边与阀隔膜的外周边之间的距离的1/3与2/3之间。
在一些实施例中，阀隔膜包括耐腐蚀金属合金。
在一些实施例中，阀套包括控制元件，该控制元件在阀隔膜的内周边处附接到阀隔膜，该控制元件具有远离阀隔膜的第一表面而延伸的控制轴和从阀隔膜的第二表面偏移的控制表面。该控制表面被配置为选择性地啮合阀座。
在一些实施例中，阀套包括控制元件，该控制元件在阀隔膜的内周边处附接到阀隔膜，该控制元件具有远离阀隔膜的第二表面而延伸的控制轴和从阀隔膜的第一表面偏移的控制表面。该控制表面被配置为选择性地啮合阀座。
在本申请的另一方面中，一种控制阀包括阀体，阀体具有在流体入口孔处终止的流体入口管道和在流体出口孔处开始的流体出口管道。座被界定在流体入口孔处或者流体出口孔处。阀套主体被固定在阀体上。阀隔膜在阀隔膜的外周边处与阀套主体密封啮合，并且阀隔膜具有第一表面和与第一表面相对的第二表面。第一表面或第二表面具有塑性变形的同心应变硬化区域，该塑性变形的同心应变硬化区域具有凹形形状。控制元件被附接到阀隔膜。控制元件具有从阀隔膜的第一表面偏移的控制表面。控制表面被配置为选择性地啮合座，并且阀体、阀套主体和阀隔膜协同以界定阀室。
在一些实施例中，阀隔膜的厚度在阀隔膜的应变硬化区域中减少5％与20％之间。
在一些实施例中，应变硬化区域具有阀隔膜的相邻区域的厚度的50％与200％之间的径向宽度。
在一些实施例中，应变硬化区域包括阀隔膜的同心区域，该同心区域跨越阀隔膜的相邻区域的厚度的大约100％的径向宽度按照阀隔膜的相邻区域的厚度的大约10％的厚度减少而塑性变形。
在一些实施例中，应变硬化区域在阀隔膜的内周边与阀隔膜的外周边之间的距离的1/3与2/3之间。
在一些实施例中，阀隔膜包括耐腐蚀金属合金。
在一些实施例中，控制轴远离阀隔膜的第二表面而延伸。
在一些实施例中，控制阀是常开控制阀，并且具有凹形形状的塑性变形的同心应变硬化区域形成在阀隔膜的第一表面中。
在一些实施例中，控制阀是常闭控制阀，并且具有凹形形状的塑性变形的同心应变硬化区域形成在阀隔膜的第二表面中。
在一个实施例中，通过对一个隔膜表面的小同心区域进行冷加工来处理阀隔膜。在另一个实施例中，冷加工工艺产生将隔膜厚度减少5％至20％之间的永久塑性变形。在另一个实施例中，冷加工区域的径向宽度在隔膜厚度的50％至200％之间。在另一个实施例中，用于常闭阀的阀隔膜具有在阀室外部的隔膜的同心区域，该同心区域跨越隔膜厚度的大约100％的径向宽度按照隔膜厚度的大约10％的厚度减少而塑性变形。在另一个实施例中，用于常开阀的阀隔膜具有暴露到阀室的隔膜的同心区域，该同心区域跨越隔膜厚度的大约100％的径向宽度按照隔膜厚度的大约10％的厚度减少而塑性变形。在各种实施例中，隔膜由诸如316型不锈钢、可从haynesinternational获得的
附图说明
图1是代表性的常闭隔膜密封阀的透视横截面。
图2a是从旨在用于常闭阀的隔膜的致动器侧所看到的平面图。
图2b是穿过旨在用于常闭阀的图2a的隔膜的横截面。
图3是代表性的常开隔膜密封阀的透视横截面。
图4a是从旨在用于常开阀的隔膜的座侧所看到的平面图。
图4b是穿过旨在用于常开阀的图4a的隔膜的横截面。
图5是根据本发明的实施例的常闭阀的隔膜中的变形的放大图形描绘。
图6是根据本发明另一实施例的常开阀的隔膜中的变形的放大图形描绘。
具体实施方式
本发明在其应用中不限于在下面的描述中所阐述的或者在附图中所例示的组件的结构和布置的细节。本发明可以有其他实施例，并且能够以各种方式实践或实施。此外，在本文中所采用的措词和术语是用于描述的目的，并且不应当被视为是限制性的。在本文中使用的“包含”、“包括”或“具有”、“含有”、“涉及”及它们的变型意味着涵盖随后列出的项目及其等效物以及另外的项目。方向性形容词“内”、“外”、“上”、“下”和类似术语的使用意味着帮助理解设计元件之间的相对关系，而不应当被解释为表示空间中的绝对方向，也不应当被视为是限制性的。
图1以透视横截面例示用于高纯度流体输送应用中的隔膜密封阀的代表性示例。该阀包括：阀体90；入口管道10和出口管道14，这两者传送去往或来自阀室50的流体；阀套60，具有阀套主体62并且包括室密封隔膜70，该阀套60通过金属垫圈65抵靠阀体90而密封；以及通过隔膜70的挠曲而可移动的控制元件80。在图1中，控制元件80具有控制表面81，控制表面81从阀隔膜的第一表面向下偏移。控制表面优选是平坦的，至少在其密封地啮合座20的区域中是平坦的。室密封隔膜在密封隔膜70的外径71处与阀套60密封啮合。可以通过考虑孔12和座20来进一步理解控制流体流动的方式，入口管道10通过孔12将流体排放到阀室50中，座20包围孔12，从而定义相对于控制元件80的小空隙控制间隙，控制元件80通过被施加给控制元件80的控制轴82的提升力而可改变地定位，并且流体可以通过该控制间隙流动。图1中的控制轴82从隔膜70的上表面(或第二表面)73向上延伸。应当理解，图1的例示示出在未致动的完全关闭的不流动流体的状态下的常闭阀，并且因此在所例示的结构中未示出控制间隙本身。
如在本文中所使用的那样，术语“冷加工”(也被称为“加工硬化”或“应变硬化”)指通过塑性变形来强化材料，典型地，金属或金属合金。在本文中可互换地使用术语“冷加工”、“加工硬化”和“应变硬化”。
申请人发现，对一个隔膜表面的小同心区域进行冷加工将导致隔膜的永久变形。然后，可以以引起隔膜材料的连续弹性压缩加载的方式来使用变形隔膜。变形隔膜的加载提供所需的阀恢复弹力，同时阻止任何的朝向呈现滞后的隔膜倾向。由隔膜提供的恢复力还可以减少致动器滞后。可以对作为被机械加工为较大阀元件的一体部分的片状金属坯体或隔膜的隔膜进行塑性变形冷加工工艺。应当理解，隔膜不需要在阀套主体62中与阀套60一体地形成，因为本申请的实施例涵盖从一件片状金属冲压、冲孔或切割出的隔膜，该片状金属随后被附接到阀套主体62以形成阀套。隔膜70与阀套60的内径密封啮合，以防止流体从阀室50向上泄漏。
对金属隔膜的同心区域进行冷加工产生合金的局部加工硬化和屈服强度有关的增加。材料强度研究教导在一侧的加工区域内给予压应力，同时隔膜的另一侧的材料承受张应力。足以造成隔膜表面的永久塑性变形的冷加工将因此使压缩力成为存储在加工表面内，而扩张性的张力成为存储在相对的表面内。这些力的组合使经冷加工的隔膜轴对称地弯曲，使冷加工区域位于所得到的杯形的凹侧的内部。可以通过选择要处理隔膜的哪一侧来选取对隔膜的一个区域进行冷加工所形成的杯形，以增强常闭阀或常开阀的性能。
图2a和图2b例示对隔膜70的致动器侧上的区域75进行冷加工将如何使隔膜朝向致动器成为凹形并同时朝向阀座20地被偏置。将冷加工区域放置在阀室50外部的这种布置对于常闭阀设计是有用的。图2a是从密封隔膜70的致动器侧所看到的阀套60的平面图。图2b是在冷加工工艺之后的穿过阀套60的横截面，并且示出控制元件80的控制表面81的所得到的无偏置位置如何在阀套60的先前共面的底部61的下方延伸。将阀套60附接到阀体90将使控制元件80的控制表面81靠在阀座20上并且因此使隔膜70弯曲。因此，即使在常闭阀关闭时，隔膜70也承受连续的弹性压缩加载。对控制轴82施加提升力以打开阀以便流体流动将进一步使隔膜70挠曲并且增加隔膜材料内的压缩。
图3以透视横截面例示用于高纯度流体输送应用中的隔膜密封阀的代表性示例。该典型的阀包括：阀体390；入口管道310和出口管道314，这两者传送去往或来自阀室350的流体；阀套360，具有阀套主体362并且包括室密封隔膜370，该阀套60通过金属垫圈365抵靠阀体390而密封；以及通过隔膜370的挠曲而可移动的控制元件380。可以通过考虑孔312和座320来进一步理解用于控制流体流动的方式，入口管道310通过孔312将流体排放到阀室350中，座320包围孔312，从而定义相对于控制元件380的小空隙控制间隙，控制元件380通过被施加给控制轴382的向下力而可改变地定位，并且流体可以通过该控制间隙流动。应当理解，图3的例示示出在未致动的打开的流动流体的状态下的常开阀，并且因此在所例示的结构中控制间隙处于最大。
图4a和图4b例示对隔膜370的阀室侧上的区域375进行冷加工将如何使隔膜朝向阀室350成为凹形并同时远离阀座320地被偏置。将冷加工区域放置在阀室内的这种布置对于常开阀设计是有用的。图4a是从密封隔膜370的阀室侧所看到的阀套360的平面图。图4b是在冷加工工艺之后的穿过阀套360的横截面，并且示出控制元件380的控制表面381的所得到的无偏置位置如何在阀套360的先前共面的底部361的上方延伸。将阀套360附接到阀体390将因此以大的间隙将控制元件380的控制表面381定位在阀座320的上方。该无偏置的间隙比旨在用于未致动的完全打开的流动流体状态的更大。适当的致动器组件(未示出)可以耦接到控制轴382，控制轴382以将控制元件380的控制表面381与座320之间的间隙减小到所期望的完全打开的间隙距离的方式施加向下的偏置力。因此，对于常开阀的所有状态，隔膜370将承受连续的弹性压缩加载。对控制元件380的控制轴382施加额外的向下力以部分地关闭阀以便减少流体流动将进一步使隔膜370挠曲并且增加隔膜材料内的压缩。
对隔膜的同心区域进行冷加工(或者替代地，加工硬化或应变硬化)可以通过各种工艺完成。带有在阀套主体中形成的相关联的一体隔膜的阀套可以在应用于该区域的车床和抛光工具中旋转。替代地，辊抛光工具可以由施加在隔膜的期望区域上的机器主轴(例如铣床)提供动力。或者，可以抵靠隔膜按压包括适合的环状突出面的成形工具以冲制(coin)期望的冷加工区域。对于熟练的设计人员显而易见的是，使用成形工具进行冲制也可以对开始作为片状金属的简单平坦盘片的隔膜进行，其稍后可以例如通过焊接而附接到阀套主体以形成阀套。
申请人已确定创建将隔膜厚度减少5％与20％之间的永久塑性变形的冷加工是有用的。冷加工区域的典型宽度是在隔膜厚度的50％与200％之间。在冷加工之后，以前平坦的隔膜弯曲成一对圆锥形状，该对圆锥形状在冷加工区域接触，形成所看到的跨越直径的“w”形状，或者在考虑仅跨越半径的形状时的“v”形状。冷加工区域优选径向地位于隔膜内径72与隔膜外径71之间的距离的1/3与2/3之间(图1中所示)。当冷加工区域最接近隔膜的中心时，得到冷加工隔膜的最大非加载变形。
图5提供在对常闭阀的区域进行冷加工之后的代表性的隔膜的经放大比例绘制的横截面。在执行冷加工工艺之后，隔膜70变得扩张并且流动控制元件80过度地延伸。使流动控制元件80返回到其通常位置导致施加给冷加工区域75与隔膜周边之间的隔膜部分的压缩负载。在常闭阀(图2a和图2b)的情况下，该压缩负载对应于倾向于关闭阀的隔膜导致的弹力。当常闭阀移动到打开状态时，施加给隔膜的压缩负载进一步增加。设计者将理解，在增加隔膜压缩的同时需要增加的致动器力。
图6提供在对常开阀的区域进行冷加工之后的代表性的隔膜的经放大比例绘制的横截面。在执行冷加工工艺之后，隔膜370变得扩张并且流动控制元件380过度地收缩。使流动控制元件380返回到其通常位置导致施加给冷加工区域375与隔膜周边之间的隔膜部分的压缩负载。在常开阀(图4b和图4b)的情况下，该压缩负载对应于倾向于打开阀的隔膜导致的弹力。注意，所例示的常开阀的最大通常开口将小于扩张的隔膜所提供的，因此当与扩张状态相比时，隔膜通常位置实际上是部分关闭的。当常开阀移动到关闭状态时，施加给隔膜的压缩负载进一步增加。设计者将理解，在增加隔膜压缩的同时需要增加的致动器力。在具有常开隔膜的阀中，冷加工区域在流体从入口管道移动通过阀室并移动到出口管道的流动路径内。在具有常闭隔膜的阀中，冷加工区域在流体从入口管道移动通过阀室并移动到出口管道的流动路径之外。
在各种实施例中，隔膜由诸如316型不锈钢、镍基超级合金、钴基超级合金、镍铬合金或钴铬合金这样的耐腐蚀金属合金形成，但是取决于流体的类型，可以使用其他适合的材料。在一些实施例中，隔膜由选自可从haynesinternational获得的
在一些实施例中，将隔膜形成为圆形以外的形状。例如，在一些实施例中，将隔膜形成为诸如椭圆形或卵形这样的非圆形的平滑曲线的形状。在这样的实施例中，当从上方或下方观察时，冷加工区域形成闭合环路(或回路)，其与隔膜的外周边均匀地间隔开。在非圆形的实施例中，隔膜具有外周边和内周边，而不是外径和内径。隔膜的外周边被配置为与阀套密封啮合。
在一些实施例中，阀套60、360、控制元件80、380和相关联的隔膜70、370由与阀套主体62、362相对应的单件原材料经机械加工而成。在机械加工之后，对隔膜70、370执行冷加工。以这种方式由单件原材料形成控制元件、相关联的隔膜和阀套能够有助于实现控制表面81、381与阀套主体60、360的底部之间的共面。在冷加工之后，控制表面在处于松弛状态并且尚未安装到阀体90、390上时移动出该平面。
在其他实施例中，控制元件80、380可以与隔膜70、370和/或阀套主体62、362分开地形成。例如，参照图1，可以首先将隔膜70、具有控制表面81的控制元件80的部分84以及控制轴82制成分开的多件，然后通过焊接接合到一起。然后，可以例如通过焊接将隔膜和控制元件的组合结构附接到阀套主体62、362以形成阀套60、360。在一些实施例中，可以通过适合的手段将控制元件80的部分84拧到穿过隔膜70的中心上适合的孔洞并从控制轴82向下突出的桩上，以防止从阀室50泄漏出去或者泄漏到阀室50中。在其他实施例中，控制元件80可以由一件材料经机械加工而成，隔膜70可以由另一件材料形成，并且控制元件80可以装配穿过隔膜中心的适合的孔洞并且被焊接以形成单一结构并防止泄漏。然后，隔膜70和控制元件80的组合结构可以附接到阀套主体以形成阀套。
类似地，在诸如图3所示的常开阀那样的常开阀的实施例中，阀套360、控制元件380和隔膜370可以由单件原材料形成，或者可以由以上述方式组装的分开的多件原材料形成。
应当理解，通过控制阀的流动可以反转，使得入口管道10和310作为流体出口管道操作，而流体出口管道14和314作为流体入口管道操作。
这样，已经描述了本发明的至少一个实施例的若干方面，应当意识到，本领域技术人员将容易想到各种替代、修改和改进。这样的替代、修改和改进旨在是本发明的一部分，并且旨在落入本发明的范围内。相应地，前文的描述和附图仅作为示例。
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