KR0148499B1 - 밸브 장치 - Google Patents

Abstract

밸브 본체의 밸브 시트에 다이어프램을 착좌가능하게 설치하는 동시에 이 다이어프렘을 가압하는 부하수단을 설치하고 다시 다이어프램을 가압하는 전자가 작동기를 설치한 밸브장치로서, 상기 부하수단을 가장자리가 고정된 박판원판과, 이 중심에 고정시킨 밸브봉에 의해 구성한다. 상기 다이어프램을 밸브 시트에 착좌시킨 상태에서 전자기 작동기를 구동하여 박판원판의 탄성 반발력에 대항하면서 밸브봉을 끌어올리고 이에따라 밸브의 개방도를 적절하고도 원활하게 제어한다. 따라서, 높은 깨끗한 정도 및 유량 제어성을 유지하면서 구조가 간단한 밸브 장치를 제공할 수 있다.

Description

밸브 장치

제1도는 본 발명에 따른 밸브 장치를 도시한 구성도.

제2도는 밸브의 완전 폐쇄시의 상태를 도시하는 요부 확대도.

제3도는 밸브의 개방 상태를 도시하는 요부 확대도.

제4도는 제1도에 도시하는 장치에 사용하는 탄성반발 부재를 도시하는 평면도.

제5도는 박판 원판의 변위량을 발생시키는 하중의 관계 및 다이어프램의 복원력을 조합한 그래프.

제6도는 제5도에 도시하는 특성에 전자기 작동기가 발생시키는 흡인력 특성을 중합한 그래프.

제7도는 종래의 밸브 장치를 사용한 유량 제어 장치를 도시하는 개략 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

24 : 밸브 장치 26 : 밸브 시트

28 : 밸브 본체 30 : 다이어프램

34 : 박판원판 48 : 케이싱

50 : 지지부재 52 : 나사

58 : 수용부재 64 : 관통구멍

[발명의 배경]

[기술분야]

본 발명은 가스 등의 비교적 유량이 적은 유체의 유량을 정밀하게 제어하는 정밀 가스 유량 제어용 밸브 장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 제품등을 제조하기 위해서는 예로서 미량의 처리가스를 고정확도로 제어하면서 유동시킬 필요가 있으며, 이 유량 제어를 행하기 위해 예를들어 정밀한 가스 유량 제어 장치가 사용되고 있다.

이런 종류의 가스 유량 제어 장치는 미량가스의 유량을 검출하는 센서부와, 밸브 장치와, 이를 제어하는 제어 회로부로 주로 구성되어 있다. 센서부는 전체 가스량의 약간의 비율의 양이 통과하는 가는관에 전기 가열 코일을 감아서 이루어지는 센서를 갖고 있고, 대부분의 가스는 바이패스를 흐르게 되어 있다. 그리고, 이 센서부에서의 검출치에 기초하여 제어 회로부는 밸브장치의 밸브 개방정도를 제어하여 가스의 유량을 제어한다. 이 경우 밸브 개방 정도를 제어하려면, 전체 가스 유량 자체가 현저히 작은 것으로부터 예를 들어 수십 ㎛의 스트로크 범위내에서 고정확도로 밸브 개방 정도를 제어해야하며, 이 때문에 작동기로서 적은 스트로크 범위내에서 큰 추력 변화를 발생시킬 수 있으므로 일반적으로 적층형 압전 소자체가 사용되고 있다.

여기서 종래의 가스 유량 제어 장치를 제7도에 기초하여 설명하면, 유체 통로(2)의 바이페스(4)의 양단에 전체 가스 유량의 비율의 미소 유량을 흘려보내면 예를 들어 직경 0.5㎜정도의 가는관(6)이 형성되고, 이에 센서부(8)의 한쌍의 전열 코일(10)이 권선되어 있다. 이 한쌍의 전열 코일(10)은 예로서 5000 PPM/도 정도의 높은 저항 온도 계수를 갖고, 이것과 두 개의 저항과 조합하여 브릿지가 형성되며 정(constant) 전류회로(12)로부터 전류를 흘려보내도록 되어 있다. 그리고, 가스 유동의 상류측 히터는 가스 유동에 의해 열이 빼앗겨져 온도가 하강하고 하류측 히터는 역으로 열이 상승하는 경향으로 되어 열이동이 생기면 평행 상태의 브릿지 회로가 불평형으로 되고 이때 발생하는 전위차가 유량 신호로 된다.

이 신호는 증폭 회로(14)에 의해 증폭된 후, 비교 제어회로(16)에 입력되고, 여기에서 이 입력 신호와 기준 유량과 비교하여 소정의 유량을 유지하도록 밸브 장치(18)의 적층형 압전 소자체(20)를 신축시켜 밸브체, 즉 다이어프램(22)을 적정한 밸브 개방도로 되도록 상하 이동시킨다. 이와 같이, 밸브체로서 얇은 금속판으로 되는 다이아프램(22)을 사용하는 이유는 이하와 같다.

종래에 있어서는 가스 유로층에 스프링 등의 이동 부분을 수용한 밸브 장치도 존재했으나, 부식성 가스를 사용하는 경우에는 가스에 노출된 스프링등의 부식이나 마모에 의해 파티클이 발생하고 이것이 가스유동에 혼입되어 버리기 때문이다. 즉 반도체 제조공정에 있어서는 미세가공을 행하므로 고도의 깨끗함이 필요해지고 고무나 플라스틱 등을 밸브체로 사용하면 불량원인으로 되는 절삭가루등의 파티클이 발생하지만 금속제의 다이어프램에 의해 구조가 간단하고 고도로 깨끗한 밸브체가 실현될 수 있다.

그런데, 상술한 바와 같이 밸브체인 다이어프램(22)을 조작하기 위해 적층형 압전 소자체(20)를 사용하므로써, 예를들어 100㎛정도의 미소 스트로크 범위내에서 가스 유량의 제어를 행할 수 있지만, 이 종류의 적층형 압전 소자(20)는 스트로크가 미소하고 현저히 고가인 것이며, 그 때문에 밸브장치(18) 자체가 제어 유량 범위가 낮고 현저히 고가로 되어 버린다는 문제점이 있었다.

그래서, 상기 압전 소자체(20)나 다이어프램(22)을 대신하여 비교적 고온이고 안정하게 동작할 수 있는 전자기 밸브를 사용하는 것도 고려해 볼 수 있으나 종래 구조의 전자기 밸브의 경우에는 보빈이나 플런저가 전술한 바와 같이 가스 유동중에 노출되므로 파티클이 발생하고 높은 깨끗한 정도를 유지할 수 없다.

또한, 밸브체로서 금속 다이어프램을 사용하는 경우는 본질적으로 그 변위량이 적으므로, 전자기력만으로 안정하게 제어할 수는 없다. 즉, 압전 소자체(20)는 미소한 스트로크 범위내에서 큰 추력이 얻어지는 것에 비하여, 전자기식 작동기는 그와 같은 조작이 불가능하며, 전자기력을 사용하고 있기 때문에 추력은 갭의 2승에 반비례하여 변화하므로, 다이어프램에 의해 밸브 개방정도를 적정하게 제어할 수 없었다.

[발명의 개요]

본 발명의 목적은 고 클린 정도 및 유량 제어성을 유지하면서 구조가 간단하고 가격이 저렴한 밸브 장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은 박판 원판 스프링 특성을 이용하여 작동기의 급격한 흡인력 변동을 억제하므로써, 값싼 부재를 사용하여 고 클린 정도를 유지하면서 고 유량 제어성을 안정적으로 유지할 수 있는 밸브 장치를 제공하는 것에 있다.

결국, 본 발명은 유체 유입구와 유체 유출구 및 이들 사이의 밸브 시트를 갖는 밸브 본체와, 상기 밸브 시트에 대향하여 배치되고 가장자리가 고정된 다이어프램과, 이 다이어프램을 밸브 시트 방향으로 변위시키기 위해 상기 다이아프램에 관하여 상기 밸브 시트와는 반대측에 설치된 부하 수단과, 이 부하 수단에 대항하여 상기 다이어프램을 상기 밸브시트로부터 이격시키도록 작용하는 전자기 작동기를 갖고, 상기 부하 수단이 가장자리에서 고정된 박판원판과, 이 박판원판의 중심에 고정된 밸브 봉으로 구성한 것이다.

이상과 같이 구성했으므로, 밸브체로서의 다이어프램은, 부하 수단의 박판원판의 탄성 반발력에 의해 밸브 본체의 밸브시트 방향으로 밸브를 폐쇄하도록 항상 힘을 받고 있다. 밸브개방도를 조성할 때는 예를 들어 전자기 코일로 구성되는 전자기 작동기를 작동시키므로써 밸브 봉응ㄹ 흡인하여 다이어프램을 밸브 시트로부터 이격시켜 밸브 개방도를 조정한다. 이 경우, 전자기 작동기에 의한 흡인력은 갭의 2승에 반비례하여 커지지만, 박판원판의 탄성 반발력이 전자기 작동기의 흡인력에 적절히 대향하도록 작용하고, 밸브 개방도의 원활한 선형 제어가 가능해진다.

[실시예]

이하에 본 발명에 따른 밸브 장치의 일 실시예를 첨부도면에 기초하여 상세히 기술한다.

제7도에 도시한 것과 마찬가지로 본 발명의 밸브 장치(24)는, 가스등의 유체를 흐르게 하는 유체 통로에 설치된 가스 유량 제어 장치의 일부로서 구성되고, 예를 들면 배관(25)에 전체로서 착탈가능하게 설치된다. 이 밸브 장치(24)는 밸브 시트(26)를 갖는 밸브 본체(28)와, 이 밸브 시트(26)에 대향하여 배치되어 가장자리부가 고정되고 밸브 시트(26)에 부착 가능하게 설치되는 박판 형상의 다이어프램(30)과, 이 다이어프램(30)을 밸브 시트 방향으로 변위시키기 위해 다이어프램에 관하여 밸브 시트(26)와 반대측에 설치된 부하 수단(29)과, 이 부하 수단에 대향하여 상기 다이어프램(30)을 밸브 시트(26)로부터 이격시키기 위해 작용하는 예를 들어 전자기 코일과 이동부재로 이루어지는 전자기 작동기(36)로 주로 구성되어 있다. 그리고 부하 수단(29)은 그 가장자리가 밸브 본체측에 고정된 박판원판(34)과 그 중심에 일단이 이를 관통하도록 고정된 가압 부재(54)로 주로 구성되어 있다.

구체적으로, 상기 밸브 본체(28)는 상기 유체통로로서의 배관(25) 도중에 착탈가능하게 설치되어 있고, 이 내부에서 유체 유입로(38)에 접속되는 원형으로 개구된 유체 유입구(40)와, 유체 유출로(42)에 접속되는 원형으로 개구된 유체 유출구(44)가 나란히 설치되어 있다. 이 유체 유입구(40)는 밸브 본체의 바닥으로부터 약간 윗쪽으로 돌출형성되어 있고, 이 유입구(40)의 개구 가장자리가 상기 밸브 시트(26)로서 구성된다. 그리고, 이 밸브 시트(26)의 윗쪽에는, 플랫일 때 예를 들어 100㎛정도의 거리만큼 이격되어 예로서 스테인레스 재질의 직경 22㎛정도의 원형판으로 이루어지는 밸브체로서의 다이어프램(30)이 그 가장자리를 다이어프램 고정부재(46)에 의해 고정하여 도면중 대략 수평방향, 즉 밸브봉(32)의 축방향과 직교하는 방향으로 설치되어 있다. 이 다이어프램(30)의 강성은 현저히 높고, 약간의 변형으로 큰 응력을 발생한다. 이 다이어프램(30)은 그 중심이 상기 밸브 시트(26)의 중심과 대응하도록 위치 설정되고, 밸브 개구를 완전히 폐쇄할 수 있도록 구성된다.

이 밸브 본체(28)의 도면중 상방에는, 원통체 형상의 밸브봉 케이싱(48)이 기립되어 있고, 그 하단부는 예를 들어 나사 조임에 의해 케이싱 지지부재(50)에 나사 결합되고, 이 지지부재(50)는 나사(52)에 의해 밸브 본체(28)측으로 고정된다. 이 케이싱(48)내에 도면중에서 상하 방향, 즉 밸브봉(32)의 축방향으로 이동가능하게 수용되는 대략 원주형상의 밸브봉(32)은 예로서 직경이 12㎜정도로 설정되는 동시에 그 하단부에는 가압부재(54)가 나사부(56)에 의해 착탈가능하게 나사 결합되어 있다. 그리고, 이 가압 부재(54)의 하부 중심부와 상기 다이어프램(30)의 상면 중심부에 설치되는 원주형상의 수용부재(58)와의 사이에는 강구(60)가 개재되어 있고, 강구(60)의 하부를 수용부재(58)의 상면에 형성한 원주형상의 요부(62)에 수용하므로써 강구(60)에 가해지는 힘에 편차가 생겨도 다이어프램(30)에 대하여 균등한 힘을 부여할 수 있도록 구성된다. 또한, 상기 가압부재(54)의 중심부에는 관통구멍(64)이 형성되고, 이 하단부에는 하부 선단이 상기 강구를 수용해야 하는 원추 형상으로 성형된 조정 수단으로서의 조정 나사(66)가 나사 결합되어 있다.

그리고, 가압 부재(54)를 도면중 하방향, 즉 밸브 시트방향으로 밀어붙이는 박판 원판(34)은, 예로서 제4도에 도시하듯이 중심부에 삽입 관통 구멍(68)을 갖는 예를 들어 직경 22㎜ 정도의 원판 스프링으로서의 기능을 갖고 있으며, 이 삽입 관통 구멍(68)에 상기 가압부재(54)의 상부를 삽입 관통시켜 고정 링(71)에 의해 가압부재(54)에 고정하고, 박판원판(34)의 가장자리부를 케이싱 지지부재(50)측에 고정한다. 따라서, 이 박판원판(34)은 그 가장자리가 고정된 상태로 중심부가 밸브봉(32)과 일체적으로 탄성 변위하게 된다. 이 박판 원판은 예를 들어 두께 0.25㎜ 정도의 니켈 합금으로 구성되어 있고, 장착시에 내경(D1)은 예로서 7㎜로 설정되며, 외경(D2)은 16㎜로 설정되어 있다. 이와 같은 판 스프링 기능을 갖는 박판원판(34)의 변위와 하중과의 관계는 후술하듯이 제5도 및 제6도에 도시한 것처럼 나타나고, 이 스프링 특성은, 다이어프램(30)을 밸브 시트(26)에 맞닿을 때까지 변화시키는 초기 설정 범위에서의 평균 스프링 상수(K1)에 비해, 전자기 작동기(36)에 의해 다이어프램을 밸브 시트(26)로부터 이격시키는 동작 범위에서의 평균 스프링 정수(K2)가 1.2~3배의 범위로 되도록 선택된다. 그리고, 본 실시예에 있어서는 제2도에 도시하듯이 밸브의 완전 폐쇄시 예로서 다이어프램(30)의 변위량이 약 100㎛인 때에는 박판원판(34)의 중심부가 돌기 형상으로 변위하도록 설정하고, 다이어프램(30)에 예비 압력을 부여해둔다. 이 경우의 박판원판(34)의 변위량은 예비압력을 포함하여 약 110㎛정도로 된다. 따라서, 밸브 개방도를 조정하기 위해 제3도에 도시하듯이 전자기 작동기에 의해 당겨 올려져 박판원판(34)이 가상선으로 도시하는 완전 폐쇄시의 위치로부터 도면중 상방향으로 변형해도 이때의 평균 스프링 정수는 그 이전 변위시의 1.2~3배 범위에서 증가하고 있고, 거리의 변화에 따라 급격히 변화하는 전자기 작동기의 흡인력과 대향하게 되고, 원활한 변위, 즉 밸브 개방도의 원활한 변화를 보증할 수 있다.

이 경우, 박판원판(34)의 초기 설정(완전개방)을 행하려면, 가압부재(54)에 설치된 조정 나사(66)를 회전시켜 출몰시키고, 또한 박판원판(34)의 스프링 정수를 변경시키려면 이 박판원판 자체의 두께(t), 장착시의 내경(D1), 외경(D2)을 적절히 선택하므로써 행할 수 있다.

한편, 상기 밸브봉(32)의 상단은 케이싱 내측 천정부로부터도 약간의 거리(L1), 예를 들어 100㎛ 정도 짧게 설정되어 있고, 밸브봉(32)의 최대 가동 범위를 규정하고 있다. 그리고, 이 케이싱(48)의 천정부에는, 이를 관통하여 나사등으로 밸브봉의 종방향으로 출몰 가능하게 되어 있는 갭 조정부재(70)가 설치되어 있고, 이를 출몰시키므로써 밸브봉(32)의 가동범위를 규제하게 된다.

다음에, 이상과 같이 구성된 본 실시예의 동작에 대하여 설명한다.

먼저, 유체 통로(2)를 흐르는 가스 등의 유체는 그 대부분이 바이패스(4)를 지나고, 일정 분류비의 유체가 가는관(6)을 지난다(제7도 참조). 그리고, 여기를 통과한 유체는 밸브 장치(24)의 유체 유입로(38)를 거쳐 유체 유입구(40)에 도달하고 밸브 본체(28)내를 통과한후, 유체 유출구(44)로부터 유체 유출로(42)측으로 이동한다(제1도참조). 센서부(8)는 상기 가는관(6)내를 흐르는 유체로 전체 유량을 검출하고, 그 결과는, 비교 제어회로(16)에 입력되어 여기에서 외부로부터 입력되는 기준 유량과 비교된다(제6도 참조). 그리고, 이 제어회로(16)는 전체 유량이 기준 유량을 유지하도록 밸브장치(24)의 전자기 작동기(36)의 전자기 코일에 구동 전류를 흘려 밸브 개방도를 제어한다(제1도 참조).

여기서, 예를 들어 전자기 작동기(36)에 의해 밸브봉(32)을 흡인하여 이를 점차 끌어올리므로써 밸브 개방도를 서서히 크게 하는 상황을 예로 들어 설명한다.

제5도는 박판원판의 변위량과 발생하는 하중(탄성 반발력)의 관계 및 다이어프램의 복원력을 조합한 그래프이고, 제6도는 제5도에 도시하는 특성에 전자기 작동기(36)가 발생시키는 흡인력 특성을 더한 그래프이다.

다음에 이 밸브 장치의 초기 조정 설정 및 동작을 간단히 설명한다.

먼저, 초기 조정 설명을 행하려면, 밸브 봉 케이싱(48), 전자기 작동기(36) 및 밸브봉(30)을 각각 케이싱 지지부체(50) 및 가압부재(54)에서 떼어낸 상태에서, 조정 나사(66)를 회전시키므로써 이를 다이어프램(30)측에 서서히 조여붙여 압출하고, 제2도에 도시하듯이 다이어프램(30)을 밸브시트(26)측으로, 즉 도면중 하방향으로 굴곡시킨다. 이때 다이어프램(30)의 복원력에 의해 박판원판(34)은 그 중심부가 도면중 상방으로 돌기 형상으로 굴곡되어 있다. 그리고, 다이어프램(30)이 밸브 시트와 접촉한 시점(완전폐쇄 상태)에서 다시 예를들어 2Kgf 정도의 예비 압력을 걸어 누설되지 않도록 확실히 폐쇄한다.

이같이 하여 초기 조정 설정이 완료되었으면, 밸브봉(32), 밸브봉 케이싱(48) 및, 전자기 작동기(36)를 조립 부착하여 밸브 장치의 동작을 개시한다.

미소한 가스유량의 제어를 행하기 위해 전자기 작동기(36)에 관통하여 흡인력을 발생시키면 통전량에 따라 밸브봉(32)은 상승하고, 이것과 갭 조정부재(70)의 갭은 점차 작아진다. 이 경우, 전자기 흡인력은 거리의 대략 2승에 반비례하여 커지므로 밸브봉(32)이 상승함에 따라 흡입력은 예를 들어 2차 곡선적으로 급격히 커진다.

그러나, 본 실시예에 있어서 이때 변형하는 박판원판(34)의 평균 스프링 정수는, 앞의 초기 조정 범위에서의 변위의 평균 스프링 정수의 1.2 내지 3배 정도 커지도록 설정되어 있으므로, 상술한 바와 같은 전자기 작동기(36)에 의한 흡인력의 급격한 증가는 상기한 박판원판(34)의 평균 스프링 정수의 증가에 따라 상쇄되어 버리고, 결과적으로 전자기 작동기(36)에 흐르는 구동 전류에 거의 비례한 개방 정도를 얻을 수 있으며, 미소한 가스유량을 적정하게 제어할 수 있다. 또한, 밸브봉(32)이 강하하여 밸브 개방도가 적어지는 경우에도 상술과 마찬가지로 동작하고, 미소한 가스 유량을 적정하게 제어할 수 있다.

이와 같이, 전자기 흡인력이 거리의 2승으로 변화하는 전자기 작동기를 미소한 변위량, 예를 들어 전체 스트로크가 100㎛정도밖에 변위하지 않는 다이어프램의 변위량을 제어하기 위해서는 상당한 곤란이 수반되지만 상술과 같은 특성을 갖는 박판원판(34)을 적절히 사용하므로써, 즉 다이어프램을 밸브시트에 맞닿을 때까지 변화시키는 초기 조정범위에서의 평균 스프링 정수(K1)에 비해, 전자기 작동기에 의해 다이어프램을 밸브 시트에서 이격시키는 동작 범위에서의 평균 스프링 정수(K2)를 1.2~3배의 범위로 설정하므로써 미소 가스 유량을 적정하게 제어할 수 있다.

상기 동작 설명은, 비교적 안정적인 설명이므로, 여기서는 제5도 및 제6도 또한 참조하여 정량적으로 설명한다. 전술한 바와같이 제5도는 박판원판의 변위량과 발생하는 하중(탄성반발력)과의 관계 및 다이어프램의 복원력을 조합한 그래프이며, 제6도는 제5도에 도시하는 특성에 전자기 작동기가 발생하는 흡인력 특성을 중합한 그래프이다.

제5도에서 횡축에는 박판원판의 변위량과 함께 이와 대응되어 다이어프램의 변위량이 기재되어 있다. 이는 박판원판과 다이어프램의 변위량은, 초기 조정범위에 있어서는 별개의 독립적으로 변화하지만, 일단 초기 설정이 종료한 후의 동작 범위에서는 이들 양부재는 일체적으로 변위하므로 이때의 탄성 반발력의 관계의 설명을 용이하게 하기 위해서이다.

이 설명에서는, 밸브 시트(26)와, 플랫일 때 즉 무부하시의 다이어프램(30)과의 사이 거리(X1), 즉 스트로크를 100㎛로 하고(제3도 참조), 박판원판(34)의 두께(t)가 0.20㎜, 0.25㎜, 0.30㎜인 3종류에 대하여 스프링 특성이 나타나고, 각각 곡선 A1, A2, A3로서 표시된다. 이 경우, 횡축에는 박판원판의 변위량(Z)(제3도 참조)이 표시된다. 다이어프램(30)의 복원력은 B1으로 표시되고, 완전 폐쇄 상태일 때에는 변위량이 최대인 100㎛로 되며, 다이어프램(30)의 복원력도 최대로 되고, 밸브가 개방됨에 따라 변위량이 점차 감소하며, 완전 페쇄시에는 변위량이 제로로 되고 다이어프램(30)의 복원력도 제로로 된다. 즉 동작 범위에서 이 다이어프램은 항상 작동기의 흡인력과 동일방향, 즉 박판원판(34)의 탄성 반발력의 방향과 반대 방향으로 작용하게 된다.

그리고, 상기 세 종류의 각 박판원판(34)의 스프링 특성은 변위량이 변화함에 따라 약간이지만 그 스프링 정수(곡선의 기울기)가 점차 증가하는 것에 주의해야 할 것이다. 이같은 특성을 갖는 박판원판(34)을 밸브 장치에 조립하여 전술한 바와 같이, 먼저 초기 조정 조작을 행한다. 이 조작은 조정 나사(66)를 조임으로써 행해지지만, 이러한 조임에 따라 박판원판(36)의 변위는 위로 돌기 형상으로 되어 그래프중의 곡선 A1, A2, A3상을 좌우 방향으로 이동하고, 이에 대하여 다이어프램(30)은 아래로 돌기 형상으로 변위하여 곡선 B1 상을 왼쪽으로 이동하고, 이들 힘이 균형잡힌 상태에서 각각 변위하게 된다.

여기서, 박판원판(34)의 두께가 0.25㎜인 곡선 A2에 주목하면, 변위량이 90㎛로 되었을때에 다이어프램은 100㎛ 변위하고 있고, 즉 완전 개방 상태로 되어 있고, 동시에 약 6.5kgf의 하중이 발생하고 있다. 결국 가스 흐름을 확실히 정지시키기 위해 다시 박판원판(36)의 변위량을 110㎛까지 다시 20㎛ 증가시켜 예비 압력을 부여한다. 이때의 박판원판(34)의 탄성 반발력은 약 8.5kgf로 되고, 따라서 예비압력은 약 2.0kgf로 된다. 이같이 해서 초기 조정 조작이 종료하게 된다.

다음에, 통상의 가스 유량 제어를 위한 동작으로 이행한다.

먼저, 전술한 바와 같이 전자기 작동기(36)에 구동전류를 흘려보내므로써 밸브봉(32)을 서서히 끌어올린다. 이때 박판원판(34)의 탄성 반발력은 전자기 흡인력에 대항하기 위해 작용하지만 이에 대하여 다이어프램(30)의 복원력은 전자기 흡인력과 동방향으로, 즉 이를 보조하는 방향으로 작용한다. 즉 곡선 B1 상을 좌에서 우로 이동하도록 작용한다.

이때, 동작 범위에서 조정나사(66)는 조금도 조작되지 않으므로 다이어프램과 박판원판은, 앞의 초기 조정범위의 경우와 달라지고, 일체적으로 동일 변위량씩 변화하게 된다.

따라서, 전자기 작동기(36)에 요구되는 전자기 흡인력은, 박판원판의 탄성 반발력 곡선(A2)으로부터 다이어프램의 탄성 반발력 곡선(B1)을 뺀 값, 즉 곡선 C로 표시된다.

또한, 도면중 곡선 D 는 통상의 코일 스프링의 스프링 특성을 참조하기 위해 도시한 것이고, 변위량에 대하여 탄성반발력이 선형으로 변화하고 있다.

여기서 제6도를 참조하여, 앞서 구한 전자기 작동기에 요구되는 자기 흡인력과 이 작동기에 흐르는 구동 전류 AT(암페어 턴)와의 관계에 대해 고찰한다. 도면중 곡선 E1, E2, E3, E4, E5은 각까 50AT, 100AT, 150AT, 200AT, 250AT의 특성을 표시하고, 박판원판(34)의 변위량이 커짐에 따라, 즉 갭 조정 부재(70)와 밸브봉(32)의 거리가 짧아짐에 따라 흡인력은 급격히 커지고 있다.

여기서 전자기 작동기에 요구되는 흡인력을 나타내는 곡선 C에 주목하면, 50AT의 곡선(E1)을 빼고, 다른 모든 곡선(E2~E5)과 각각 한 점에서 크로스하고 있는 것이 판명된다. 이것이 의미하는 바는, 곡선 E1을 뺀 다른 모든 곡선(E2~E5)과의 크로스 지점에서 각각 대응하는 AT(암페어 턴)에 의해 밸브 개방도가 안정적으로 유지된다고 하는 점이다. 즉, 전자기 작동기에 흐르는 구동 전류(AT)를, 50AT를 빼고 적절히 변화시키므로써 이에 대응한 밸브 개방도를 설정할 수 있고, 밸브 개방도를 자유로 안정적으로 제어할 수 있다.

이 경우, 만일 앞서 얻어진 곡선 C의 기울기가 너무 작아서, 이 곡선(C)이 하나의 AT(암페어 턴) 곡선과 두 군데에서 교차점을 갖는 경우에는 밸브 개방도의 설정 위치가 한 종류의 AT에 대하여 두군데 존재하게 되고, 밸브 개방도가 안정하지 않게 되어 이 제어가 불가능하게 된다.

또한, 이 곡선(C)의 기울기가 상기와 같이 너무 작아서 동작에 필요한 AT곡선내의 1 부분의 곡선외의 것과는 크로스하지 않는 경우(예를 들어 원판 두께 0.20㎜인 곡선 A1 또는 코일 스프링의 곡선 D에 대한, 전자기 작동기에 요구되는 자기(磁氣) 흡인력 곡선(비도시)의 경우)에는 약간의 구동 전류의 변화로 박판 원판의 변화량이 크게 변동하고, 마찬가지로 밸브 개방도를 안정하게 제어할 수 없다. 또한 이 경우에는 박판원판의 변화량은 과도하게 커지므로 박판원판의 허용 변위량을 넘어 파손될 우려가 생긴다.

이에 대하여, 곡선 C의 기울기가 너무 커서 즉 너무 급격하여 모든 AT곡선과 약간의 변위량의 범위에서 크로스 하는 경우(예로서 원판의 두께 0.30㎜의 곡선 A3에 대한 전자기 작동기에 요구되는 자기 흡인력 곡선(비도시)의 경우)에는 필요해지는 구동 전류 AT의 범위가 현저히 지나치게 커지고, 실제적이지 못하다. 따라서, 밸브 개방도를 적절히 제어할 수 있기에 적절한 박판원판(34)의 스프링 특성에는 한계가 있고, 그와 같은 스프링 특성은 전술했듯이, 다이어프램을 밸브 시트에 맞닿을 때까지 변화시키는, 소위 초기 조정 범위에서의 평균 스프링 정수(K1)에 비해, 전자기 작동기에 의해 다이어프램을 밸브 시트로부터 이격시키는 동작 범위에서의 평균 스프링 정수(K2)가 1.2~3배의 범위내에 들어가는 것이고, 스프링 정수가 1.2를 하회하면 예를 들어 곡선 A1으로 도시되는 경향으로 되어 전술한 바와 같이 밸브 개방도의 제어가 불가능해지며, 역으로 스프링 정수가 3을 넘어서면 예를 들어 곡선 A3로 도시되는 경향으로 되어 구동 전류의 범위가 과대해져 지나치게 되어 버리고, 도시예에 있어서는 박판원판의 두께로서 0.25㎜ 정도가 가장 우수한 특성을 나타내고 있다.

즉, 박판원판의 스프링 특성으로서 다이어프램이 무부하 상태로 플랫인 상태로부터 이것이 굴곡되어 완전폐쇄상태(예비압력을 포함)로 되기까지의 필요한 변위량과 하중의 관계를 도시하는 곡선의 평균 기울기에 대하여, 예비 가압된 후부터 완전 개방 상태로 되기 까지의 스트로크 사이의 변화를 도시하는 평균 기울기가 어느 정도 이상, 서있을 필요가 있다.

이상 기술한 바와 같은 적절한 스프링 특성을 갖는 박판원판을 사용하므로써, 예를 들어, 완전 스트로크가 겨우 100㎛정도의 변위량밖에 갖지 않는 다이어프램의 변위량을, 흡인력이 거리의 2승으로 급격히 변화하는 전자기 작동기를 사용해도 적절히 대략 선형으로 제어할 수 있게 된다.

또한, 상기 실시예에서는, 한 장의 박판원판만을 사용한 경우에 대하여 설명했으나, 예를 들어 제5도중의 곡선 A2에 도시한 바와 같은 스프링 특성을 발휘할 수 있는 구성이 되면 여러장, 예를 들어 두장의 박판원판을 사용해도 좋다.

또한, 상기 실시예에서는 다이어프램(30)의 상방에는 강구(60)가 개재되어 있으므로 밸브봉(32)측으로부터의 미는 힘에 편차가 발생해도 이 강구(60)의 작용에 의해 다이어프램(30)에 대하여 균등하게 미는 힘을 부가하는 것이 가능해진다.

또한, 밸브 본체(28)의 가스 유체가 흐르는 부분은, 단지 다이어프램(30)에 의해 구획지어질 뿐이고 단순 구조로 되어 있으며, 가스 유체에 파티클등이 혼입할 우려도 없고 높은 깨끗한 정도를 유지할 수 있다.

전자기 작동기로서 전자기 코일 대시에 다른 값싼 작용수단, 예로서 쿠울롬력(coulomb force)을 이용한 작동기를 사용하도록 해도 좋다.

다시, 상기 실시예에 있어서는 플랫 형상의 다이어프램을 사용하였으나 이것에 한정되지 않고 다이어프램에 예를 들자면 파형으로 굴곡된 주름부를 설치하도록 하여도 좋다. 이에 의하면 허용 응력을 낮게 억제할 수 있게 된다.

이상으로 설명을 한바와 같이 본 발명의 밸브 장치에 의하면 다음과 같은 뛰어난 작용효과를 발휘할 수 있다.

박판원판의 스프링 특성을 사용해서 작동기의 급격한 흡인력 변동을 억제하도록 하였으므로 값싼 부재를 사용해서 높은 깨끗한 정도를 유지하면서 높은 유량 제어성을 안정적으로 유지할 수 있다.

본 발명은 그 취지나 필수적 특성에서 벗어나지 않는 상태에서 다른 형태로 구체화될 수 있다. 또한 본 발명의 범위는 전술한 기재내용이 아닌 첨부되는 모든 청구항에 의해 서술되며, 따라서, 청구범위의 균등한 범위 및 의미에 부합되는 모든 변경이 청구범위에 포함되는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims (4)

1. 유체 유입구와 유체 유출구 및 이들 사이의 밸브 시트를 갖는 밸브 본체와, 상기 밸브 시트와 대향하여 설치되고 가장자리가 고정된 다이어프램과, 상기 다이어프램을 밸브 시트 방향으로 변위시키기 위해 상기 다이어프램에 관해서 상기 밸브 시트와 반대쪽에 설치된 부하 수단과, 상기 부하 수단에 대항해서 상기 다이어프램을 상기 밸브 시트로부터 이격시키도록 작용하는 전자기 작동기와, 상기 부하 수단이 가장자리에 고정된 박판원판과, 이 박판원판의 중심에 고정된 밸브봉을 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 부하 수단은 상기 다이어프램을 밸브 시트에 착좌시키기 위한 조정수단을 갖는 것을 특징으로 하는 밸브 장치.
3. 유체 유입구와 유체 유출구 및 이들 사이의 밸브 시트를 갖는 밸브 본체와, 상기 밸브 시트에 대향하여 설치되고 가장자리가 고정된 다이어프램과, 상기 다이어프램을 밸브 시트 방향으로 변위시키기 위해 상기 다이어프램에 관해서 상기 밸브 시트와 반대쪽에 설치된 부하 수단과, 상기 부하 수단에 대항해서 상기 다이어프램을 상기 밸브 시트로부터 이격시키도록 작용하는 전자기 작동기를 포함하고, 상기 부하 수단에서의 스프링 특성을 상기 다이어프램을 밸브 시트에 맞닿을 때까지 변위시키는 초기 조정범위에서의 평균 스프링 정수에 비해, 상기 전자기 작동기에 의해 상기 다이어프램을 밸브 시트로부터 이격시키는 동작범위에서의 평균 스프링 정수가 1.2 내지 3 배의 범위내인 것을 특징으로 하는 밸브 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 부하 수단은 상기 다이어프램을 상기 밸브 시트에 착좌시키기 위한 조정 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 밸브 장치.