JP3602138B2 - 流量レギュレータ - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、内部を流れる流体、特にガス流のレギュレータに関する。
背景技術
暖房、換気及び空気調和（HVAC）システム、並びに住宅の排気システムにおいて、空気流は、一般的に、抵抗体を用いて建物内の異なる位置間を流れる空気の流速を落としている。１つの抵抗体が調整されると、システム全体の圧力レベルが変化し、システム圧力の変化は他の抵抗体を通過する空気に影響する。従って、１つの位置において抵抗体を調整することは、他の位置の抵抗体に対して「クロストーク」を生ずる。
HVAC産業が直面するもっとも複雑な問題は、半導体集積回路チップを製造するクリーンルームのような処理室を流れる空気流を制御することである。処理装置、及び排気フードを備えるその他の作業ステーションを通って空気は処理室から排出される。そういった装置は、有毒ガスが処理装置は排気フードから漏れて近くにいる作業者に危険を与えるといったことがないように、通常は部分真空にされる。製造する集積回路チップに生じる欠陥を最小にするために、処理装置内を一定の部分真空に維持したり、一定流量に維持することがしばしば重要になる。何らかの処理装置から排出されるガス等は、処理装置と建物排気システムの間に設けられたレギュレータに蓄積されやすい。そういった状況で使用されるレギュレータはしょっちゅう清掃されて維持されなければならない。
発明の開示
本発明は、処理装置や排気フードのような箇所あるいは領域を部分真空に制御することに関する。部分真空は処理装置がおかれる環境（周囲）に関連し、従って、領域の圧力は環境（周囲）圧と、レギュレータが取り付けられてた真空源圧力との間の圧力値にある。
本発明のレギュレータは、基準圧にさらされた遠隔面と、コンジット壁の一部を形成する正面とを有し、枢動自在に設けられた板ピストン部材を含み、この板ピストン部材はヒンジ点回りに枢動自在に設けられている。好ましい実施例においては、遠隔面がこの部材の上側に位置し、正面は部材下側に位置する。この部材には流路内部まで延伸するゲートが取り付けられ、これにより流路を通過する流体を拘束位置で自在に遅くするように変える。このゲートは、前記枢軸の下流において前記部材に固着されたゲートとすることが好ましい。この可動部材のゲートに隣接して別の固定ゲートが設けられており、これら２つのゲートは複数の拘束点を形成する。ゲートの流体に対する抵抗は部材の正面及び遠隔面における圧力差の関数として変化する。ゲートと部材はそれぞれ流体が拘束点を通る方向に直交する方向に運動するように設けられる。
レギュレータは前記部材に対して枢軸点回りの復帰トルクを用いて流体の流れに対するゲートの抵抗を減少させる。故に、流路に流れがないとき、ゲートが遅くさせる流れの量は比較的少ない。復帰トルクは、枢軸点の上流の外部材の重量によって創成されることが好ましい。十分大きな復帰トルクを創成するためにカウンタウェイトを使用することができる。このカウンタウェイトは、復帰トルクを容易に変更できるようにするためレール上に設けることができる。
前記部材とゲートを容易に取り外し可能にするため、部材は好ましくは枢軸点において下方に向いた溝を有し、前記部材は枢軸点においてコンジットに固着されたロッドに回転自在に係合する。
前記部材が振動することを防止するため、レギュレータは、前記部材の一部と、該一部に近接する、前記コンジットの固定部分の一部に形成されたダシュポットを有することが好ましい。ダシュポットの前記可動部材の部分及びダシュポットの固定部分は流体のダシュポット容積を決定する。この容積は前記部材の位置が変化すると変化するが、拘束点と枢軸点との間のコンジット内の流体の容積よりも常に実質的に小さい。ダシュポットは好ましくは基準圧及びプレナムに通じている。
レギュレータの１つの実施態様においては、バイパスチャンネルが設けられ、前記ゲートが流れに対する最大の抵抗を与えるときでさえ、該ゲートはこのチャンネル内には延伸んせず、故に、流路を流れる流体の一部は前記固定された部分と可動部分によって形成される拘束点を迂回する。この実施形態は、抵抗手段の固定及び可動部分によって決定される拘束点を迂回する流れを自在に（可変に）制御する可変スロットルバルブを含むことが好ましい。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施形態のレギュレータの断面図であり、内部を流体が全く、又はほとんど流れていないレギュレータを示す。
図２は、図１に示すレギュレータの断面図であり、十分な量の流れがピストン部材を下方に枢動させ、レギュレータを通る流れに対する抵抗を増大させる。
図3Aは、バイパススロットルバルブを備え、内部をほとんど、あるいは全く流れが流れていない別の実施形態のレギュレータの断面図であり、図3Bは図3Aの詳細図である。
図4Aは、図3Aのバイパススロットルバルブを備える実施形態の断面図であり、十分な量の流れが内部を流れる状態を示し、図4Bは、図4Bの詳細図である。
図５は、図１及び図３の実施形態においてどのように流体が流れるかを示すグラフ。
実施形態の説明
図１は本発明の好ましい実施形態を示す。図１のレギュレータは、多くの点に関し米国特許5,251,645の図１に示すレギュレータに類似する。この先行技術のレギュレータのように、板ピストン部材５が枢動自在に設けられ、該部材の前部及び背後、即ち、正面52と遠隔面51との間の差圧の変化によって部材５を枢軸点84回りに回動させる。遠隔面51は好ましくは室圧にさらされており、レギュレータは、室圧（その他選択された基準圧）とプレナム79との間に一定の差圧を維持する。プレナムの圧力は室圧（又は基準圧）よりも低い。
図１のレギュレータは処理装置内を部分真空に維持するために特に有用であり、これはレギュレータの入口81を処理装置に取り付け、出口82を真空源に取り付けることによって達成される。一般的な応用例では、空気は、処理装置が位置する環境から処理装置内へ流れ、次にレギュレータを流れ、最後に建物排気システムへながれる。環境の圧力（環境の空気は実質的に静的である）は前記部材の遠隔面51にさらされており、環境圧は基準圧となる。
板ピストン部材５はゲート96を有する。図１の実施形態では、ゲート96は、下方に延伸する一対のアーム967を有し（図１では１つのみ示す）、各アームは複数の上流クロスピース（横部材）961の端部を支持する。これらのクロスピース961は可動ゲートを形成する。各上流クロスピース961はこれに直接隣接する下流クロスピース964を有する。下流クロスピースはコンジットの側壁に連結されている。これらの下流クロスピース964は固定グレート（格子）94を形成し、このグレートは可動グレート96と協働し、流体が通過する拘束点を形成する。これらのクロスピースは、先に言及した米国特許5,251,645の図５、６、7A、7Bに示すエアフォイルセグメント、及び米国特許5,320,124の図１、５に示すグレートと同じ機能を果たす。これらはレギュレータを通じて流体に可変抵抗を与える。（グレートの異なる構成も可能である。例えば、固定グレート94を可動グレート96の上流に設けることもできる。しかし、図１に示すように、固定グレート96を下流側に設け、可動グレートを枢軸点84に近い位置に設けるほうが装置の組立・解体が簡単である。）
ピストン部材５の重量は、流体が全くあるいはほとんどレギュレータ内を流れないときはゲート96が図１に示すように持ち上げられており、従って、抵抗を与えないようになるようにされている。好ましい実施形態では、これはカウンタウェイト90をレール91上に設け、カウンタウェイト90がそのレール上を移動できるように構成することによって達成される。カウンタウェイト90は、ピストン部材５の枢軸点84の左側部分にゲート96が与える右側部分に与えるトルクよりも大きなトルクをその反対方向にピストン部材５を枢軸点84回りに回転させるトルクを与えるように設けられる。従って、ピストン部材５はそれをもっとも小さな抵抗を与える位置（ピストン部材のもっとも高い位置）へ回転させるトルクを有する。このトルクは復帰トルクと呼ばれる。図１のレギュレータは、また、枢軸点84の近くに位置するダシュポット25を有する。ダシュポット25については以下に詳しく説明する。
図２は、図１のレギュレータの出口82を十分に真空にしてピストン部材５を下方に回転させ、上流及び下流クロスピース961,964による拘束点80を狭め、コンジットを流れる流れに対する抵抗を増加させる。カウンタウェイト90によって与えられるトルクは実質的に一定であり、また、可動クロスピース961は拘束点80を通る流れを横切る方向に移動するため、いったん十分な真空が出口82に与えられてピストン部材を下方に回転させると、ピストン部材５がさらに下方に回転することができなくなるように出口82の真空が大きくなるまでは、レギュレータは、ピストン部材の遠隔面51に作用する基準圧とプレナム79との間の差圧を一定に維持する可動クロスピース961の拘束点80を横切る運動はピストン部材５の運動が真空源の圧力によって直接影響されることを防止し、従って、真空源の強さの変化にも関わらず、レギュレータが一定の部分真空をプレナム79内に維持することができる。
カウンタウェイト90によって創成されるトルクは、カウンタウェイト90の位置をレール91に沿って変えることで変化させることができる。（もとろん、カウンタウェイトを複数個用いることができ、そして各カウンタウェイトを別個のレールに設けることができる。）カウンタウェイトの位置が枢軸点848から遠ざかるほど、部材５を上方に回転させるトルクは大きくなり、かつ、レギュレータによって維持させる基準圧／プレナム圧差は大きくなる。プレナム79と部材の遠隔面51における一定差圧は、流入口81が取り付けられている処理装置内を実質的に一定の部分真空に維持するため、あるいは、装置全体を一定流量に維持するために使用される。
部材５は上方及び下方に回動し、真空源圧の変化のみならず、遠隔面51に対する基準圧の変化及び環境（ここに処理装置が存する）からプレナムへと流れる流れに与える拘束の変化を補償する。（環境からプレナムへと流れる流れに与える拘束の変化の一例は、処理装置のドアが開閉されたときに生じる。ドアを開いたときは、環境から装置及びプレナムへ流入する流れに対する拘束は減少し、ドアを閉じたときは環境から装置及びプレナムへ流入する流れに対する拘束は大きくなる。）部材５は上方及び下方に回動して調和振動を行い、故に、好ましい実施形態においては、レギュレータは、高周波振動を減少させるダシュポット25を含む。ダシュポット25は、部材５の一部かつコンジットの固定部分で構成することができる。同様なダシュポットを図3A及び4Aに示す。図4Bに示すように、部材５の部分92と、コンジットの固定部分の部分42はダシュポット容積29を形成する。この容積29はプレナム79の容積の小さいな部分であり、部材５の正面52の下に位置する。ダシュポット容積29のサイズは小さいので、基準圧／プレナム圧差の素早くかつ大きな変化から生じる部材５の位置の素早い大きな変化が容積29内のガス圧に大きな変化をもたらす。従って、ダシュポット25は部材５のどのような素早く大きな動作を遅く（ゆっくりに）する。基準圧／プレナム圧差のゆっくりとした変化から生じる、部材５の位置のゆっくりとした変化はダッシュポット25によって妨げられない。なぜなら、ダシュポット容積29内のガスはダシュポット容積29からゆっくり逃げだし、あるいは、ダシュポット容積29内へゆっくり流入することができるからである。ダシュポット25は好ましくは２カ所を介して基準圧及びプレナム圧に連通され、一方の位置26は部材の遠隔面52の上の基準チャンバ内へ導かれ、もう１つの位置27はプレナム79内へ導かれている。ダシュポット容積29を基準圧及びプレナム圧にさらすことにより、一定圧力差を維持するというレギュレータの能力に与えるダシュポット25の影響は最小にされる。（例えば、もしもダシュポット容積がゲートの下流の圧力、即ち、真空源圧にさらされるならば、部材位置は真空減圧に直接的に影響される。）ダシュポット容積29に対する流出入が大きくならないように、かつ、ダシュポット容積29に対する流出入を妨げることがない程度にダシュポットに対する連通部分26,27は非常に狭くされている。
２つの実施形態（１つは図１及び２に示すもの、もう１つは図3A及び4Aに示すもの）は、「湿式」処理装置、すなわち、レギュレータ内で有毒ガスが蓄積する装置に用いられると利点がある。ピストン部材５をレギュレータの上部に設けることで、レギュレータの底部を中実にすることができ、蓄積物をすべてレギュレータの底部で捕捉してそれを排出することができる。（もしも部材５がレギュレータの底部に設けられているならば、蓄積物は部材５とその他のコンジット壁との間の隙間から滲み出す。）
この設計はまた部材／ゲート構造を容易に取り外すことを可能にする。部材５は枢軸点位置で溝849を有する。この溝849はロッド848（好ましくは、摩擦を低減するためテフロンコーティングを施したもの）にまたがっており、従って、部材は枢軸点回りに回動することが可能であり、また、部材／ゲート構造をロッド848から用意に取り外すことができる。この構成はレギュレータ内部へのアクセスを容易にし、レギュレータの内部、特に、可動クロスピース961の掃除を容易にする。（ここに示す好ましい実施形態においては、ゲート96は部材に固着され、あるいは、一体的にされているが、これに代えて、ゲートをヒンジを介して部材に取り付けることとしても良い。しかしながら、こういった代替構造は、その取り外しや掃除に関しレギュレータを多少複雑にする。）
図3A及び4Aに示す実施形態はまた固定クロスピース964、枢軸ロッド848及びダンパ92固定部分42の取り外しを可能にするので、これらの要素の掃除が簡単になる。コンジットの固定部分は取り外し可能部分40を含む。この部分40はレギュレータの残りの部分から容易に取り外される。この実施形態は、装置の自己調整部全体、（即ち、部材５、カウンタウェイト90及びそのレール91）、可動ゲート96（固定クロスピース961及びゲートアーム967を含む）、固定ゲート96（可動クロスゲート964及びこれらのゲートが取り付けられる側壁968を含む）及び枢軸点84の取り外し交換を可能にする。図１乃至４に示す実施形態の簡易取り外し特質はレギュレータの重要パーツの取り替えを可能にし、処理装置の長期間にわたる運転停止を行うことなく、これらのパーツの修理や掃除をすることができる。
図3A,4Aに示す実施形態は、図１の実施形態には示されないバイパスチャネル60を含む。このバイパスチャネル60は、好ましくはバイパスチャネル60を可変拘束する調整可能なスロットルバルブ65を有する。このバイパスチャネル60は、レギュレータを流れる流体の一部を固定ゲート94及び可動ゲート96によって形成された拘束点80を迂回させる。バイパススロットルバルブ65を開くことにより、所望のプレナム圧（基準圧に対するもの）をより素早く達成する。バイパススロットルバルブ65を（図3Aに示すように）閉じることにより、図3A、図4Aのレギュレータを図１及び２のバイパス無しレギュレータのように作動させることができる。
図５は、バイパスを有するレギュレータやバイパスの無いレギュレータ内で相対プレナム真空度（例えば、負の水柱高さ）が排出真空度（例えば、負の水柱高さ）に対してどのように変化するかを示す。どちらのケースも排出部が真空にされて真空度が大きくなる（即ち、排出圧が下がる）ので、プレナム真空度もまた大きくなる（即ち、プレナム圧は下がる）。プレナム圧は、部材５に与えられるカウンタウェイト90のトルクをプレナム79内の真空度が上回り、部材５が下側に回転して拘束点80を狭くするまで下がる。拘束点80が狭くなると、プレナム79から排出部（排出口82）へ流れる流体の抵抗は大きくなる。拘束点が狭くなり始めた、この点において、一定のプレナム真空度（基準圧と比較したもの）が維持される。バイパスを有するレギュレータは、プレナム79と排出部との間で小さな抵抗を有するので、バイパス無しのレギュレータに比べてより早く所望のプレナム真空度を達成する。
そうして、排出部真空度が大きくなり、ゲート96がもうこれ以上流れに対する抵抗を増すことがなくなるまで部材５は下方へ目一杯下がる。この点は、バイパス無しのレギュレータに比べバイパスを有するレギュレータのほうがより早く達成される（即ち、低い排出部真空度において）。部材５が可能な限り下がったならば、排出部真空に対するプレナム真空度が大きくなり始める。従って、バイパススロットルバルブ65を開くと、レギュレータが一定圧を維持する領域（図５に示す平らな部分）が低い排出部真空度側に移動し、バイパススロットルバルブ65を閉じると、高い排出部真空度側に移動することが理解される。スロットルバルブ65はこのように（増大する排出真空度の軸上の）もっとも好適な一定真空度の領域を設定するために調整される。上記したように、カウンタウェイト90の位置（又は重量）は所望の一定圧を調整するために調整される。カウンタウェイト90によるトルクが大きいほど、部材の遠隔面51に対して作用するプレナム79と基準圧との差圧は大きくなる。
ここで開示される新たな特質、特に、ダシュポット26及びバイパスチャネルは、米国特許5,255,709の図５に示すような流体源から環境へと流れる流体を制御するレギュレータに適用されうる。例えば、図3Aの実施形態の右側を１つのHVAC又は空気源に接続し、部材５（特に部材５のダンパ25）を部材／ゲート構造が下では上に回転できるように設け、復帰トルクを逆にして、レギュレータ内を流体が流れないときに部材５あっとも低い位置（この位置では最小の抵抗となる）となるようにすることによってなされる。そういったレギュレータはそのプレナム内を基準又は環境圧よりも大きな一定値（図3Aの実施形態においては小さくなるのと対照的である）に維持する。もちろん、ダシュポット25の固定部42は部材５を適当に回転させるためにダシュポットの可動部92の上に配置されなければならないし、ダッシュポットは上記したように部材の振動を減少させることが可能である。同様に、バイパススロットルバルブ65は調整され、レギュレータが維持する一定圧領域を移動させる。
本発明をいくつかの実施形態を参照して説明したが、以下に記載した請求の範囲の発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく種々の変形が当業者にとって可能であることが理解される。

Claims (20)

1. 流路内を流れる流体を制御する装置であって、
   装置内に流路を形成する壁を有するコンジットと、
   基準圧にさらされる上面と、前記コンジット壁の一部を形成する底面とを有し、枢軸点回りに回動自在な部材と、
   前記枢軸点の下流位置において前記部材に取り付けられ前記流路内へ延伸して前記流路内を流れる流体に対して拘束点において可変抵抗を与えるゲートであって、前記可変抵抗は前記部材の上面と底面にわたる圧力差の関数として変化し、前記ゲートは前記部材と共に、前記拘束点を通過する流体の流れ方向を横切る方向に移動するように設けたゲートと、
   前記ゲートが前記流体に対する抵抗を減少させ、前記流路内を流体が流れないときに前記ゲートの前記流体に対する抵抗が比較的小さくなるように前記部材に対して前記枢軸点回りのトルクを与える復帰手段であって、前記枢軸点の上流側にウェイトを有する復帰手段とを、
   含んでなる装置。
2. 請求項１の装置であって、前記部材は、該部材に作用するトルクを調整するため前記枢軸点に対して移動自在に前記部材上に設けたカウンタウェイトを有する装置。
3. 請求項１又は２の装置であって、前記ゲートは、前記部材と共に移動するように前記部材に取り付けた可動ゲート含み、前記コンジットは、該コンジットに対して動かないように該コンジットに固着された固定ゲートを有し、前記固定ゲート及び可動ゲートは互いに隣接して複数の拘束点を形成し、前記各拘束点のサイズは前記部材が移動することにより変化する装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つの装置であって、前記ゲートは前記部材に固着された装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つの装置であって、前記部材は前記枢軸点において下方に向いた溝を有し、これにより、前記部材が前記枢軸点において前記コンジットに固着されたロッド上に起動自在に設けられた装置。
6. 流路内を流れる流体を制御する装置であって、
   装置内に流路を形成する壁を有するコンジットと、
   前記コンジット壁の可動部分を形成する正面を有する部材であって、前記コンジットはさらに固定部分を有し、前記部材は枢軸点において回動自在に枢着されて拘束点における通路を狭めて前記流路を流れる流体に対して可変抵抗を与え、前記拘束点は前記枢軸点から離間している部材と、
   前記部材の一部及び前記コンジット固定部の一部を形成するダシュポットであって、前記２つの一部は互いに隣接して流体のダシュポット容積を形成し、前記ダシュポット容積は前記部材の位置が変化するときに変化するが、前記拘束点と前記枢軸点との間における前記コンジット内の流体の容積よりも常に、実質的に小さく、これにより前記ダシュポットが前記部材の振動を妨げるように設けたダシュポットとを、
   含んでなる装置。
7. 請求項６の装置であって、前記部材は基準圧にさらされた遠隔面を有し、前記ダシュポットは前記基準圧に通じている装置。
8. 請求項６又は７の装置であって、前記ダシュポットは、また、前記部材正面に隣接する前記流体に通じている装置。
9. 請求項２乃至８のいずれかの装置であって、前記枢軸点から下流方向へ離間した点において前記部材に取り付けられたゲートをさらに有してなり、前記ゲートは前記流路内に延伸して前記流路内を流れる流体に可変抵抗を与え、前記ゲート及び前記部材は前記拘束点を通過する流体の流れを横切る方向に運動する装置。
10. 請求項９の装置であって、前記ゲートは前記部材に固着された装置。
11. 請求項９又は10の装置であって、前記ゲートは前記部材と共に運動するように前記部材に取り付けられた可動ゲートを有し、前記コンジットは前記コンジットに対して移動しないように前記コンジットに固着された固定ゲートを有し、前記固定及び可動ゲートは互いに隣接して配設されて複数の拘束点を形成し、前記各拘束点のサイズは前記部材の移動によって変化する装置。
12. 流体の流れを制御する装置であって、
    内部を前記流体が流れるコンジットと、
    前記コンジット内の流体にさらされる正面と、基準圧にさらされる遠隔面とを有し、枢軸点回りに動自在にする枢着された部材と、
    拘束点において前記コンジットを流れる流体に可変抵抗を与える抵抗手段であって、前記拘束点のサイズは前記部材が移動することによって変化し、前記抵抗手段は前記流路の一部分にのみわたって延伸し、これにより前記流路を流れる前記流体の一部は前記拘束点を迂回するように設けた抵抗手段と、
    前記部材に前記枢軸点回りのトルクを与えて前記流体に対する抵抗を低減する復帰手段であって、前記コンジット内を流体が流れないときに前記抵抗手段によって与えられる抵抗が比較的低くなるように設けた復帰手段とを、
    含んでなる装置。
13. 請求項12の装置であって、前記抵抗手段は可動部分及び固定部分を含み、前記固定部分は前記コンジットに固着され前記コンジットに対しては運動せず、前記可動部分は前記枢軸点以外の点において前記部材に取り付けられ前記可動部分は前記部材が運動する際に運動し、前記固定及び可動部分は複数の拘束点を形成し、前記各拘束点のサイズは前記部材が運動すると変化し、前記抵抗手段は前記流路の一部分にわたってのみ延伸し、前記流路内を流れる流体の一部は前記固定及び可動部分によって形成された拘束点を迂回するように設けた装置。
14. 請求項13の装置であって、前記抵抗手段の前記固定及び可動部分によって形成される前記拘束部分を迂回する流れを可変拘束する可変スロットルバルブをさらに含んでなる装置。
15. 請求項13または14の装置であって、前記可動部分は前記部材に固着されている装置。
16. 請求項13乃至15のいずれか１つの装置であって、前記抵抗手段の前記可動部分は前記枢軸点から下流方向に離間した点において前記部材に取り付けられ、前記復帰手段は前記枢軸点の下流において前記部材のウェイトを含んでいる装置。
17. 請求項13乃至16のいずれか１つ装置であって、前記部材は前記枢軸点に対して移動自在に前記部材に設けたカウンタウェイトを有して前記部材に与えるトルクの調整を可能にした装置。
18. 請求項12の装置であって、前記拘束点を迂回する流れを可変拘束する可変拘束バルブをさらに含んでなる装置。
19. 請求項18の装置であって、前記抵抗手段は前記枢軸点の下流において前記部材に取り付けられ、前記復帰手段は前記枢軸点の上流に設けられた前記部材カウンタウェイトを含んでなる装置。
20. 請求項19の装置であって、前記部材は前記枢軸点に対して移動自在に前記部材に設けられたカウンタウェイトを有して前記部材に与えるトルクの調整を可能にした装置。

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