具有流动流线元件以防止振荡流动效应的阀组件

摘要

一种用于控制流体流速的阀组件。该阀组件包括阀柱塞和防护件。该阀柱塞响应于所施加的致动器力，迫使具有流速的流体在入口与出口之间流动。将致动器力施加至第一侧，并且将流体施加至该阀柱塞的第二侧。该防护件最小化或消除通过该第二侧上的流体相互作用产生的由静压引起的不稳定力。该防护件联接至该阀柱塞、或形成在该阀柱塞中、或悬挂在该阀柱塞下方，并延伸一段长度到该出口中。该阀组件进一步包括该入口与该出口之间的孔口，其中，该孔口包括至少一个平面表面和至少一个非平面表面。该防护件防护该第二侧的区段免受该流体的影响。

说明书

本申请要求于2018年12月21日提交的美国临时申请号US 62/784,197和美国非临时申请号US 16/719,772的权益，其全部公开内容明确地通过引用并入本文。

背景技术

例如在质量流量控制器(MFC)中使用的阀组件被设计成以期望的速率传输流体，这可以取决于特定应用。使控制阀的功率消耗最小化以减少阀产生的热量并使MFC的总功率汲取最小化通常是有益的。然而，由于流体力可能成为作用在阀上的力的重要部分，因此低功率/低力阀会受到控制问题的影响。因此，低力阀与简化控制系统的组合对工程师提出了特殊的挑战，因为所产生的MFC必须仍然在可接受的标准内操作。

附图说明

为了更全面地理解本公开内容的特征和优点，现在参照具体实施方式以及附图，其中不同附图中的相应附图标记表示相应部分，并且其中：

图1是根据某些示例实施例的具有被设计成减轻或消除停滞流体和压力的形成的阀组件的MFC的图；

图2A是对于根据某些示例实施例的不包括防护件的MFC的阀，流速、绝对压力以及压差相对于时间的曲线图的图示；

图2B是根据某些示例实施例的柱塞、孔口以及入口下的静压(F

图3A和图3B展示了根据某些示例实施例的具有不同防护件构型的阀的剖视图；

图4是根据某些示例实施例的管系通道、柱塞、柱塞壳体、防护件以及孔口的等距视图的图示；

图5A是根据某些示例实施例的管系通道、柱塞以及孔口的截面剖视图的图示，其中，孔口具有至少一个非平面表面(NPS)；

图5B至图5C是根据某些示例实施例的管系通道、柱塞、防护件以及孔口的截面剖视图的图示，其中，孔口具有至少一个非平面表面(NPS)；

图6A至图6H是根据某些示例实施例的管系通道、柱塞、防护件以及孔口的多个不同的剖视图的图示，其中，柱塞以及在管系通道和孔口中的至少一个上的NPS具有多个不同的构型；

图7A是对于根据某些示例实施例的包括防护件的MFC的阀，流体流速、绝对压力以及压差相对于时间的曲线图的图示；

图7B是根据某些示例实施例的对应的模拟(例如CFD模拟)的图示，其中柱塞已被修改为包括防护件来以相对较大直径消散向内的径向射流；以及

图8A至图8B、图9A至图9B以及图10A至图10B是CFD(计算流体动力学)模拟生成的速度等值云图，其示出了在有和没有防护件的情况下柱塞下方的流体速度。

具体实施方式

尽管下面详细讨论了本公开内容的各种实施例的制造和使用，但是应当理解，本公开内容提供了许多可应用的发明构思，这些发明构思可以在很多具体背景中体现。本文讨论的具体实施例仅是说明性的，并不限制本公开内容的范围。为了清楚起见，在本公开内容中可能并未描述实际实施方式的所有特征。当然，应当理解，在任何这种实际实施例的开发中，必须做出许多专门针对实施方式的决策以实现开发人员的特定目标，比如遵守与系统有关的约束和与业务有关的约束条件，这将因实施方式而不同。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开内容的本领域普通技术人员而言将会是常规任务。

降低MFC模型的生产成本的特殊挑战是，如何开发一种阀组件，该阀组件可以在使用具有有限量的力(F

流动引起的阀力来自柱塞底部静压的变化。静压的变化通常是由柱塞附近流动模式的变化引起的，即随着柱塞的上下移动，流动附着点从柱塞移动到侧壁(反之亦然)。这些流动变化可能导致保持在相同位置的柱塞在不同时间受到作用于其上的不同的流体力的情况，从而导致振荡行为。

本文呈现的是一种阀组件，该阀组件被设计成通过提供使柱塞下方流体流线保持一致的流动路径、并且在一些实施例中将柱塞与柱塞下方的流体力加以隔绝来减轻或消除F

现在参考图1)，展示了具有被设计成减轻或消除柱塞下方F

在特定应用中，比如半导体制造中，基部平台10通过流动管线联接至上游流体源并联接至下游处理室。流体流过管系通道12并且MFC操作以维持所期望的流体流速。控制单元22可以使用来自多个温度传感器和压力传感器(未展示)的测量值来维持所期望的流体流速。行进穿过管系通道12的流体的流动动力学、柱塞壳体18C、20C的体积设计以及柱塞18B、20B的位置可能导致柱塞18B、20B下的流体集中。当响应于控制信号调整柱塞20A、22B时，由于柱塞底部上的静压产生的流体力(F

现在参考图2A，展示了对于根据某些示例实施例的不包括防护件的MFC的阀，流速、绝对压力以及压差相对于时间的曲线图。如所展示的，当打开或关闭阀时(即调节阀时)，引入例如呈振动或阀振荡形式的噪声，这使得响应阀变得不稳定，从而导致对所期望的流速的扰动。在实践中，对于敏感应用，例如，控制进入半导体处理室的流体流量(这需要非常精确的流速)，这会显著影响产品良率。如前所述，柱塞18B、20B下的流动变化(或更精确地，流动附着点的变化)导致F

图2A展示了当阀输入电压在60秒窗口内(从约30秒到约90秒)经由三角形斜坡从0.0到最大电压到0.0伏变化时，归一化N2流速(短虚线)、绝对压力(实线)和LFE(层流元件)压降(虚线)相对于时间的曲线图。在曲线中，流量值为1.0对应于50slpm N2的流量，绝对压力值为1.0对应于100psia的N2入口压力，并且dP值为1.0对应于给定N2(氮气)流量和入口压力条件下1.0psid的N2压降。如图2A所示，一旦阀打开，流量就会变得不稳定，并且流量保持不稳定直到大约50秒的时间。作为响应，假设以下振荡机制：当阀在低高度(即低流量)下操作时，由于射流朝向径向中心时面积减小，因此会出现径向射流加速。然后，由于速度必须改变方向，此射流在孔口中心处停滞，从而导致压力增大(停滞并向下转向导致柱塞下方的静压增大)。这种静压施加向上的力，这导致阀柱塞提升到更高的位置，即由静压形成的向上的流体力超过向下的力(弹簧力和其他力、比如柱塞上的致动器力之和)。当柱塞向上移动时，流与柱塞分离并且所产生的径向射流速度降低，从而降低静压。同时，这种移动(移位)导致弹簧力增大。静压的降低和弹簧力的增大(或其他力、例如致动器力的变化)减少了柱塞20上的总力。这使得总的向下的力现在大于向上的力，这导致柱塞向下往回移动。上述物理现象是引起柱塞移动的原因。随后的实验以及CFD模拟验证了基本假设，并且在柱塞20的底侧中心放置小实心圆柱体减小扰动力。图8A至图8B、图9A至图9B以及图10A至图10B是CFD(计算流体动力学)模拟生成的速度等值云图，其示出了在有和没有防护件的情况下柱塞下方的流体速度、清楚地示出了防护件消散径向射流。

现在参考图3A、图3B，展示了根据某些示例实施例的具有不同防护件20D构型的阀20的剖视图。防护件20D被设计成具有半径和长度，其中，该半径小于柱塞的半径，并且该长度延伸到管系通道12的区段中。防护件20D的长度和半径可以基于图2B中用于特定MFC应用的阀组件的模拟来确定。在图3A中，防护件20D联接至柱塞20B或与之一起形成(例如柱塞20B的实际制造)。在图3B中，柱塞20B包括配置成接纳防护件20D的腔26。防护件20D可以被附接至腔26的壁。尽管如此，腔26是可选的，即防护件20D可以与管系通道12联接并悬挂在柱塞20B下。柱塞20B与防护件20D之间的空间可以例如约为0.010英寸。防护件20D通过用作流体引导件来保护柱塞20C的底侧，使得柱塞20D下流体流线的变化最小化。

现在参考图4，展示了根据某些示例实施例的管系通道12、柱塞20B、柱塞壳体20C、防护件20D以及孔口24的等距视图。如所展示的，防护件20D保护柱塞20B下方的区域(即柱塞20B下方的表面区域)并用作引导流体沿管系通道12向下并且防止流体在柱塞20B下停滞的引导件。图5A是用于受振荡影响的标准阀实施例的管系通道12、柱塞20B以及孔口24的截面剖视图。图5B是根据某些示例实施例的管系通道12、柱塞20B、防护件20D以及孔口24的截面剖视图，其中，孔口具有至少一个非平面表面(NPS)。NPS使流动路径流线化并且在柱塞下提供更加恒定的流动附着点，从而减少F

图7A是根据图7B和7C所示的某些示例实施例的包括防护件的MFC的阀的流体流速、绝对压力以及压差相对于时间的曲线图的图示。相对于图2B和2C，图7B和7C所示的流动附着点在整个柱塞冲程中更加恒定。图2B的曲线图中存在的噪声被消除或可忽略并且干净噪声(即无噪声)被输送到下游处理。柱的使用消除或最小化了F

如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。应当进一步理解的是，在本说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”指定所陈述特征、整合物、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或加入一种或多种其他特征、整合物、步骤、操作、元件、部件、和/或其集合。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个项目的任何和所有组合。如本文所使用的，比如“在X与Y之间”和“在约X与Y之间”等短语应当被解释为包括X和Y。如本文所使用的，比如“在约X与Y之间”等短语是指“在约X与Y约之间”。如本文所使用的，比如“从约X到Y”等短语是指“从约X到约Y”。

已经出于说明的目的并且为了使本领域的普通技术人员能够实践本公开内容而给出了以上公开内容的实施例，但是本公开内容并不旨在是穷举的或局限于所公开的形式。在不脱离本公开内容的范围和精神的情况下，许多非实质性的修改和变化对于本领域普通技术人员将是明显的。权利要求的范围旨在广泛地覆盖所公开的实施例和任何这样的修改。此外，以下条款表示了本公开内容的附加实施例，并且应视为在本公开内容的范围内：

条款1，一种用于控制流体流速的阀组件，该阀组件包括：阀柱塞，该阀柱塞被配置成迫使具有流速的流体在入口与出口之间流动，该阀柱塞使得致动器力施加于第一侧并使得该流体与第二侧处于流体连通；以及防护件，该防护件被配置成最小化或消除由静压引起的不稳定力，该静压通过该第二侧上的流体相互作用而产生；

条款2，如条款1所述的阀组件，其中，该阀柱塞进一步包括该第二侧上的凹陷区段，该凹陷区段被配置成接纳该防护件；

条款3，如条款2所述的阀组件，其中，该防护件联接至该阀柱塞、或形成在该阀柱塞中、或悬挂在该阀柱塞下方，并延伸一段长度到该出口中；

条款4，如条款1所述的阀组件，其中，该阀组件进一步包括该入口与该出口之间的孔口，其中，该孔口包括至少一个平面表面和至少一个非平面表面；

条款5，如条款1所述的阀组件，其中，该防护件防护该第二侧的区段免受该流体影响；

条款6，如条款1所述的阀组件，其中，该防护件输送来自该第二侧的区段的流体并将其输送到该出口中；

条款7，如条款1所述的阀组件，其中，该入口是多个入口；其中，该阀柱塞进一步包括该多个入口与该出口之间的孔口，其中，该孔口包括至少一个平面表面和至少一个非平面表面；其中，该防护件防护该第二侧的一部分免受该流体影响；并且其中，该防护件输送来自该第二侧的第一区段和该第二侧的第二区段的流体并将其输送到该出口中；其中，该防护件由该柱塞形成、或联接至该柱塞、或放置在该柱塞下的流动路径中；

条款8，一种用于控制流体流速的质量流量控制器，该质量流量控制器包括：电控致动器，该电控致动器响应于用于产生致动器力的设定流速中的变化而可控；可通信地联接至该电控致动器的阀组件，该阀组件包括阀柱塞，该阀柱塞被配置成迫使具有流速的流体在入口与出口之间流动，该阀柱塞使得致动器力施加于第一侧并使得该流体与第二侧处于流体连通；以及防护件，该防护件被配置成最小化或消除由静压引起的不稳定力，该静压通过该第二侧上的流体相互作用而产生；

条款9，如条款8所述的质量流量控制器，其中，该阀柱塞进一步包括该第二侧上的凹陷区段，该凹陷区段被配置成接纳该防护件；

条款10，如条款8所述的质量流量控制器，其中，该防护件联接至该阀柱塞、或形成在该阀柱塞中、或悬挂在该阀柱塞下方，并延伸一段长度到该出口中；

条款11，如条款8所述的质量流量控制器，其中，该阀组件进一步包括该入口与该出口之间的孔口，其中，该孔口包括至少一个平面表面和至少一个非平面表面；

条款12，如条款8所述的质量流量控制器，其中，该防护件防护该第二侧的区段免受该流体影响；

条款13，如条款8所述的质量流量控制器，其中，该防护件输送来自该第二侧的区段的流体并将其输送到该出口中；

条款14，如条款8所述的质量流量控制器，其中，该入口是多个入口；其中，该阀柱塞进一步包括该多个入口与该出口之间的孔口，其中，该孔口包括至少一个平面表面和至少一个非平面表面；其中，该防护件防护该第二侧的一部分免受该流体影响；并且其中，该防护件输送来自该第二侧的第一区段和该第二侧的第二区段的流体并将其输送到该出口中；其中，该防护件由该柱塞形成、或联接至该柱塞、或放置在该柱塞下的流动路径中；

条款15，一种用于控制流体流速的方法，该方法包括：产生致动器力；将该致动器力可通信地联接至阀组件；使用该阀组件的阀柱塞迫使具有流速的流体在入口与出口之间流动，其中，该迫使进一步包括：向该阀柱塞的第一侧施加该致动器力；用该阀柱塞的第二侧施加该流体；并且使用防护件最小化或消除由静压引起的不稳定力，该静压通过该第二侧上的流体相互作用而产生；

条款16，如条款15所述的方法，其中，该阀柱塞进一步包括该第二侧上的凹陷区段，该凹陷区段被配置成接纳该防护件；

条款17，如条款15所述的方法，其中，该防护件联接至该阀柱塞、或形成在该阀柱塞中、或悬挂在该阀柱塞下方，并延伸一段长度到该出口中；

条款18，如条款15所述的方法，其中，该阀柱塞进一步包括该入口与该出口之间的孔口，其中，该孔口包括至少一个平面表面和至少一个非平面表面；

条款19，如条款15所述的方法，其中，该防护件防护该第二侧的区段免受该流体影响；并且其中，该防护件输送来自该第二侧的区段的流体并将其输送到该出口中；以及

条款20，如条款15所述的方法，其中，该入口是多个入口；其中，该阀柱塞进一步包括该多个入口与该出口之间的孔口，其中，该孔口包括至少一个平面表面和至少一个非平面表面；其中，该防护件防护该第二侧的一部分免受该流体影响；并且其中，该防护件输送来自该第二侧的第一区段和该第二侧的第二区段的流体并将其输送到该出口中；其中，该防护件由该柱塞形成、或联接至该柱塞、或放置在该柱塞下的流动路径中。