KR100458511B1 - 시간식 유량 제어장치 및 방법 - Google Patents

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KR100458511B1 KR10-2001-0052398A KR20010052398A KR100458511B1 KR 100458511 B1 KR100458511 B1 KR 100458511B1 KR 20010052398 A KR20010052398 A KR 20010052398A KR 100458511 B1 KR100458511 B1 KR 100458511B1
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Abstract

본 발명은 체적 유량 또는 질량 유량을 시간에 기초하여 정확하게 제어할 수 있는 시간식 유량 제어장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 하나 이상의 저장조(1); 상기 저장조(1)의 유입부를 개폐하는 유입개폐수단(13); 상기 저장조(1)의 유출부를 개폐하는 유출개폐수단(3); 및 상기 유입개폐수단(13) 및 상기 유출개폐수단(3)의 단위 시간 당 개폐 횟수 및/또는 상기 유입개폐수단 및 유출개폐수단의 단위 개폐 당 상기 저장조(1)에 저장·방출되는 가스의 질량/부피를 제어함으로써 상기 저장조(1)로부터 유출공급되는 가스의 질량/부피 유량을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간식 유량 제어장치를 제공한다.

Description

시간식 유량 제어장치 및 방법{TIME-BASED FLOW CONTROLLER AND METHOD FOR CONTROLLING MASS FLOW USING IT}
본 발명은 체적 유량 또는 질량 유량을 시간에 기초하여 정확하게 제어할 수 있는 시간식 유량 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
유량 제어장치는 전자 장비, 유체 장비 등 다양한 분야에 사용되고 있다. 예컨대, 반도체 제조 공정은 증착장치, 확산장치, 에칭장치, 플라즈마장치, 스퍼터링장치 등으로 이루어져 각 공정마다 다양한 종류의 가스가 사용되는 바, 이들 장치는 모두, 공급되는 가스나 증기의 양을 정확히 조절할 것을 필요로 하며, 반도체의 집적도가 향상되어 내부 소자의 크기가 현격히 축소됨에 따라 공급가스유량의 정밀도는 더욱 중요시되고 있다.
그러나, 유량은 직접적으로 측정하기 아주 곤란한 물리량으로, 미국특허공보 제6,044,701호, 제5,279,154호, 제4,686,856호나 일본 공개특허공보 소59-88622호 등에 개시되어 있듯이, 현재 다양한 종류의 유량 측정 및 조절장치가 제안되어 사용되고 있으나 대부분 그 구조가 복잡할 뿐만 아니라 그 설치 및 유지비가 매우 많이 든다는 단점이 있었다. 즉, 종래의 유량 제어장치는 매우 전문화되어 있으며 고가의 장비이다.
종래의 유량 제어장치로는 크게, 유량차에 따른 열전달량의 차이를 검출하여 유량을 검출하거나 조절하는 열식 유량제어장치와 유량에 따른 관로내의 압력강하로부터 유량을 산출하고 조절하는 압력식 유량 제어장치로 나누어 볼 수 있다.
열식 유량 제어장치는 그 응답속도가 비교적 늦으며, 외부로의 열손실을 수반하므로 정밀도가 좋지 못하다는 문제점이 있다. 또한, 열식 유량 제어장치는 바이패스관의 제작으로 인하여 제작 요구 정밀도가 높고, 따라서 제작이 용이하지 않다는 단점이 있다. 또한, 열식 유량 제어장치는 열에 민감한 가스에 대해서는 사용할 수 없다는 큰 문제점이 있었다.
반면 압력식 유량 제어장치는 매우 고정밀도의 측정장비를 필요로하여 그 가격이 고가이며, 오리피스 또는 노즐과 같은 유동로에서의 막힘 현상을 야기하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 종래의 방식과는 전혀 다른 새로운 개념에 착안하여 측정 및 제어가 용이하면서도 정밀한 유량 제어장치를 제공하는데 있다. 예컨대, 시간은 수정진자(quartz crystal timing device) 등을 사용하여 어떠한 물리량보다도 정밀하게 측정하는 것이 가능하므로 본 발명에 의하면, 정밀한 기구적 구성을 사용하지 않고도 간단히 정밀한 유량 제어장치를 제공할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 신뢰성 및 내구성이 우수한 유량 제어장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 우수한 성능을 보이면서도 설치 및 유지비가 적게 드는 유량 제어장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다. 예컨대, 현재, 시간 계측은 매우 정밀(1/108초)하면서도 저가로 측정될 수 있는 영역이 되었다. 따라서, 본 발명은이러한 점에 기초하여, 유량을 시간에 기초하여 제어하도록 한 것에 특징이 있는 것이다.
도1은 시간식 유량 제어장치의 원리를 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도2a 내지 도2c는 유입 유량의 크기에 따른 도1의 저장조내의 압력-시간선도이다. 도2a는 중간 유량인 경우의 저장조내 압력-시간선도이고, 도2b는 대 유량인 경우의 저장조내 압력-시간선도이고, 도2c는 소 유량인 경우의 저장조내 압력-시간선도이다.
도3은 도1의 저장조의 압력-시간선도로서, δP/P가 충분히 작고 [dP/dt]감소가 클 때의 시간에 대한 압력 변화를 나타내는 도면이다.
도4는 완충조를 가지는 시간식 유량 제어장치의 원리를 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도5는 도4의 저장조의 압력-시간선도를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도6은 본 발명의 제1구체예에 따른 시간식 유량 제어장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도7은 본 발명의 제2구체예에 따른 시간식 유량 제어장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도8은 본 발명의 제3구체예에 따른 시간식 유량 제어장치를 개략적으로 보여주는 도면으로서, 다수개의 도6의 시간식 유량 제어장치가 병렬로 연결되어 사용될 수 있음을 보여준다.
도9는 본 발명의 제4구체예에 따른 시간식 유량제어장치를 보여주는 도면으로서, 완충조를 가지는 시간식 유량 제어장치를 보여준다.
도10은 도9의 시간식 유량 제어장치의 유입개폐수단 및 유출개폐수단의 개폐상태 및 저장조내 압력-시간 관계를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도11a 및 11b는 본 발명의 유량 제어의 기본 원리를 설명하기 위한 프로토타입(Prototype) 유량 제어장치의 실제 구성예를 개략적으로 보여주는 도면으로서, 도11a는 프로토타입 유량 제어장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이고, 도11b는 오실레이터 신호 및 이에 의하여 트리거되는 타이머딜레이 신호의 위상 관계를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도12는 도11a의 프로토타입 유량 제어장치를 이용하여, 시간에 대한 저장조를 통과하는 유체 부피의 관계를 보여주는 도면으로서, 90 루프/분 및 210 루프/분에 대하여 각각 실험하여 그 결과를 도시하였다.
도13은 도11a의 프로토타입 유량 제어장치를 이용하여, 시간에 대한 축적되는 유체 부피의 관계를 보여주는 도면으로서, 8 cm 길이의 저장조 및 24 cm 길이의 저장조에 대하여 각각 실험하여 그 결과를 도시하였다.
도14a는 본 발명의 바람직한 구체예에 따른 유량 제어장치의 실제 구성예를개략적으로 보여주는 도면이다.
도14b는 도14a의 유량 제어장치의 PC에서 실행되는 실행 프로그램의 플로우차트를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도15는 도14a의 유량 제어장치에서 A/D 컨버터에 의하여 변환된 디지털 값에 대한 저장조 내 압력의 관계를 보여주는 도면이다.
도16a는 도14a의 유량 제어장치에서 충전 과정이 진행되는 동안 시간에 대한 저장조 내 압력의 변화를 보여주는 도면이다.
도16b는 도14a의 유량 제어장치에서 방출 과정이 진행되는 동안 시간에 대한 저장조 내 압력의 변화를 보여주는 도면이다.
도16c는 도14a의 유량 제어장치에서 일련의 충전 및 방출 과정이 반복되는 동안 시간에 대한 저장조 내 압력의 변화를 보여주는 도면이다.
도17a는 도14a의 유량 제어장치에서, 1 mm 직경의 저장조에 대하여 충전 압력은 0.05 Bar가 되도록 설정하고, 방출 압력은 0.002 Bar가 되도록 설정한 후, 루프 속도에 대한 유량의 관계를 실험한 실험 결과를 보여주는 도면이다.
도17b는 도14a의 유량 제어장치에서, 2.5 mm 직경의 저장조에 대하여 충전 압력은 0.05 Bar가 되도록 설정하고, 방출 압력은 0.002 Bar가 되도록 설정한 후, 루프 속도에 대한 유량의 관계를 실험한 실험 결과를 보여주는 도면이다.
도17c는 도14a의 유량 제어장치에서, 4.0 mm 직경의 저장조에 대하여 충전 압력은 0.05 Bar가 되도록 설정하고, 방출 압력은 0.002 Bar가 되도록 설정한 후, 루프 속도에 대한 유량의 관계를 실험한 실험 결과를 보여주는 도면이다.
도17d는 도14a의 유량 제어장치에서, 5.5 mm 직경의 저장조에 대하여 충전 압력은 0.05 Bar가 되도록 설정하고, 방출 압력은 0.002 Bar가 되도록 설정한 후, 루프 속도에 대한 유량의 관계를 실험한 실험 결과를 보여주는 도면이다.
도18a는 도14a의 유량 제어장치에서 유입가스유량조절수단의 세팅 상태를 고정하고, 충전 압력의 크기에 대한 루프 속도의 변화를 실험한 결과를 보여주는 도면이다.
도18b는 도14a의 유량 제어장치에서 유입가스유량조절수단의 세팅 상태를 고정하고, 충전 압력의 크기에 대한 유량의 변화를 실험한 결과를 보여주는 도면이다.
도19는 도14a의 유량 제어장치에서 시스템 정상 작동 상태에서의 부피에 대한 시간의 관계와 유입개폐수단 및 유출개폐수단을 개방한 상태에서의 부피에 대한 시간의 관계를 보여주는 실험 결과를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 저장조 3: 유출개폐수단
5: 압력센서 11: 유입가스유량조절수단
13: 유입개폐수단 15: 완충조
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하나 이상의 저장조; 상기 저장조의 유입부를 개폐하는 유입개폐수단; 상기 저장조의 유출부를 개폐하는 유출개폐수단; 및 상기 유입개폐수단 및 상기 유출개폐수단의 단위 시간 당 개폐 횟수 및/또는 상기 유입개폐수단 및 유출개폐수단의 단위 개폐 당 상기 저장조에 저장·방출되는 가스의 질량/부피를 제어함으로써 상기 저장조로부터 유출공급되는 가스의 질량/부피 유량을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간식 유량 제어장치를 제공한다. 상기 제어부는, 상기 유출개폐수단이 폐쇄된 상태에서 상기 유입개폐수단이 상기 저장조의 유입부를 개방하고, 상기 유입개폐수단이 폐쇄된 상태에서 상기 유출개폐수단이 유출부를 개방하도록 제어한다.
상기 유입개폐수단 및 유출개폐수단은 개폐 시점에서 신속히 개폐를 달성할 수 있을 것이 요구되는데, 예컨대 고속 작동 밸브가 이에 해당된다. 또한 상기 유·출입개폐수단의 제어를 위하여 예컨대, 저장조 내 압력에 기초하여 고속 작동 밸브의 작동을 제어하는 전용 논리 디지털 머신이 사용될 수 있다.본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 저장조의 압력이 기준방출압력인 상태에서 상기 유입개폐수단을 개방하고, 상기 저장조의 압력이 기준충전압력인 상태에서 상기 유입개폐수단을 폐쇄하고, 상기 저장조의 압력이 기준방출압력인 상태에서 상기 유출개폐수단을 폐쇄하고, 상기 저장조의 압력이 기준충전압력인 상태에서 상기 유출개폐수단을 개방하되, 제어변수로서 상기 기준방출압력 또는 상기 기준충전압력의 크기를 제어함으로써, 상기 저장조로부터 유출공급되는 가스의 질량/부피 유량을 제어한다.본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 저장조의 압력이 기준방출압력인 상태에서 상기 유입개폐수단을 개방하고, 상기 저장조의 압력이 기준방출압력인 상태에서 상기 유출개폐수단을 폐쇄하되, 제어변수로서 상기 유입개폐수단의 개방으로부터 폐쇄까지의 소요 시간 및/또는 상기 유출개폐수단의 폐쇄로부터 개방까지의 소요 시간을 제어함으로써, 상기 저장조로부터 유출공급되는 가스의 질량/부피 유량을 제어한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 저장조의 압력이 기준충전압력인 상태에서 상기 유입개폐수단을 폐쇄하고, 상기 저장조의 압력이 기준충전압력인 상태에서 상기 유출개폐수단을 개방하되, 제어변수로서 상기 유입개폐수단의 폐쇄로부터 개방까지의 소요 시간 및/또는 상기 유출개폐수단의 개방으로부터 폐쇄까지의 소요 시간을 제어함으로써, 상기 저장조로부터 유출공급되는 가스의 질량/부피 유량을 제어한다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 상기 저장조는 가변 부피 저장조이고, 상기 제어부는 상기 저장조의 부피 제어를 수행한다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 상기 저장조는 피스톤-실린더형 저장조이고, 상기 제어부는 상기 저장조의 압력이 기준방출압력인 상태에서 상기 유입부를 개방하고 상기 저장조의 압력이 기준충전압력인 상태에서 상기 유입부를 폐쇄하도록, 상기 유입개폐수단을 제어하고, 상기 저장조의 압력이 기준방출압력인 상태에서 상기 유출부를 폐쇄하고 상기 저장조의 압력이 기준충전압력인 상태에서 상기 유출부를 개방하도록, 상기 유출개폐수단을 제어하고, 상기 피스톤의 변위를 제어하여 저장조의 부피를 제어함으로써 상기 저장조로부터 유출공급되는 가스의 질량/부피 유량을 제어한다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 상기 제어부는 상기 저장조의 유입부로 유입되는 가스의 상태량 제어를 수행하는데, 예컨대, 유입가스 온도, 압력 등을 제어하는 것이 그것이다. 이들은 유량 제어장치를 통과하는 유체가 요구되는 특성 값을 가지도록 한다. 상기 저장조의 유입부의 전단에 유입가스상태량조절수단을 설치하여, 상기 유입가스상태량조절수단은 상기 저장조 내로 유입되는 가스의 압력을 일정하게 유지하도록 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 상기 시간식 유량 제어장치는 유입가스유량조절수단을 추가적으로 포함하고, 상기 제어부는 상기 저장조의 압력이 기준방출압력인 상태에서 상기 유입부를 개방하고 상기 저장조의 압력이 기준충전압력인 상태에서 상기 유입부를 폐쇄하도록, 상기 유입개폐수단을 제어하고, 상기 저장조의 압력이 기준방출압력인 상태에서 상기 유출부를 폐쇄하고 상기 저장조의 압력이 기준충전압력인 상태에서 상기 유출부를 개방하도록, 상기 유출개폐수단을 제어하고, 상기 유입가스유량조절수단의 개폐정도를 제어하여 상기 저장조의 유입부로 유입되는 가스의 유량을 제어함으로써, 상기 저장조로부터 유출공급되는 가스의 질량/부피 유량을 제어한다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 상기 제어부는 상기 유입부의 폐쇄와 상기 유출부의 개방 사이 및 상기 유출부의 폐쇄와 상기 유입부의 개방 사이 중 어느 하나 이상에 타임 딜레이를 주고 그 타임 딜레이 양을 제어함으로써 상기 저장조로부터 유출공급되는 가스의 질량/부피 유량을 제어한다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 상기 저장조 내의 가스 온도를 계측하기 위한 온도센서를 추가적으로 포함한다. 여기서, 상기 제어부는 상기 온도센서에 의하여 계측된 상기 저장조 내의 가스 온도에 기초하여, 상기 유입개폐수단 및 상기 유출개폐수단의 단위 시간 당 개폐 횟수 및/또는 상기 유입개폐수단 및 유출개폐수단의 단위 개폐 당 상기 저장조에 저장·방출되는 가스의 질량/부피를 제어함으로써, 상기 저장조로부터 유출공급되는 가스의 질량/부피 유량을 제어한다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 상기 시간식 유량 제어장치는 병렬로 설치되는 둘 이상의 저장조를 구비하고, 상기 둘 이상의 저장조의 각각의 유입부 및 유출부의 개폐시점은 저장조마다 서로 다르다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 시간식 유량 제어장치가 병렬로 설치되는 둘 이상의 저장조를 구비하고, 각각의 상기 유출개폐수단으로부터 가스사용장비까지의 유로 길이는 서로 다르게 설치할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 상기 저장조의 유출부의 후단에는 완충조가 설치되고, 상기 완충조는 상기 저장조에 비하여 큰 체적을 가진다.
또한, 본 발명은 하나 이상의 저장조, 상기 저장조의 유입부를 개폐하는 유입개폐수단 및 상기 저장조의 유출부를 개폐하는 유출개폐수단을 구비하는 시간식유량 제어장치를 이용하여 질량/부피를 제어하는 방법으로서, 상기 유입개폐수단 및 상기 유출개폐수단의 단위 시간 당 개폐 횟수 및/또는 상기 유입개폐수단 및 유출개폐수단의 단위 개폐 당 상기 저장조에 저장·방출되는 가스의 질량/부피를 제어함으로써 상기 저장조로부터 유출공급되는 가스의 질량/부피 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 시간식 유량 제어방법을 제공한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 구체예를 상세히 설명한다.
도1은 시간식 유량 제어장치의 원리를 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
가스공급원으로부터 기지의 체적을 가지는 저장조(1)로 압축성 가스를 유입시켜, 그 내부압력을 기설정된 기준방출압력 P로부터 P+δP로 증가시키는데 소요되는 시간을 측정한다. 압력이 δP만큼 상승하는데 소요되는 시간을 소정의 시간 동안 계속적으로 반복 측정한다. 저장조(1)내의 압력변화는 압력센서(5)로부터의 전기적 신호를 바탕으로 컴퓨터 등에 의해 모니터링될 수 있으며, 컴퓨터에 내장되어 있는 클럭발생기를 이용하여 시간축의 정밀한 측정에 의해 유출개폐수단(3)의 개폐 작동시간을 검출해 낼 수 있다.
유출개폐수단(3), 예컨대 고속으로 작동하는 유출밸브는 저장조(1)내의 압력이 계속적으로 기준방출압력 P로 복귀되도록 한다. 유출개폐수단(3)은 전용 칩에 의하여 제어되는데, 압력센서(5)에 의하여 감지된 압력이 P+δP에 이르면 유출개폐수단(3)을 개방하여 가스사용장비로 가스를 방출시킨다. 그리고 나서, 압력이 기준방출압력 P로 떨어지면 유출개폐수단(3)은 폐쇄된다. 따라서, 특정 범위의 유량에 기지의 체적을 갖는 저장조(1)를 사용함으로써 특정 질량 유동 구간에 적합한 최적의 δP를 선정할 수 있다.
도2a 내지 도2c는 도1의 저장조(1)내의 유량의 크기에 따른 압력-시간선도로서, 도2a는 중간 유량인 경우의 저장조(1)내 압력-시간선도이고, 도2b는 대 유량인 경우의 저장조(1)내 압력-시간선도이고, 도2c는 소 유량인 경우의 저장조(1)내 압력-시간선도이다.
유량이 작은 경우에는 저장조(1)내 압력이 기설정 압력에 도달하는데 긴 시간 소요되고, 반면, 유량이 클 경우에는, 짧은 시간이 소요됨을 알 수 있다.
기준방출압력 P로부터 P+δP로 압력 상승되는데 소요되는 시간 τ는 다음과 같은 파라미터에 종속된다.
- 유체의 상태량과 관련된 파라미터, 예컨대 밀도 ρ, 점성계수 μ, 체적탄성계수 ζ, 온도 T. 이들은 기지이거나 또는 제어될 수 있다.
- 덕트 또는 캐버티(cavity)의 형태 (기하학적 형태, L 및 D). 이들 역시 기지이거나 또는 제어될 수 있다.
- 체적 유량 VF.
따라서,
τ = f1(μ, ρ, ζ, T, L, D, VF)
이를 다시 적어보면
VF = f2(μ, ρ, ζ, T, L, D, τ) = f3(μ, ρ, ζ, T, L, D)/τ
f3는 상수로 취급될 수 있다. 따라서,
VF = C/τ
위식은 얻고자 하는 체적 유량을 매우 쉬우면서도 정확하게 측정할 수 있는 시간 τ에 대한 함수로만 나타낼 수 있음을 보여준다.
압력-시간 곡선은 전압 V 및 V+δV 사이에서 충전 및 방전되는 커패시터의 전압-시간 곡선과 유사하게 나타난다. 압력-시간 곡선은 δP/P가 작아질수록 더욱 직선에 가깝게 된다. 이러한 시스템에서는, 시간에 대한 압력 변화가 거의 선형에 근접되게 되고, 트리거링 신호(triggering signal)로서 압력을 모니터하기만 하면 되며(즉, 정확한 절대 압력 P를 측정할 필요가 없다는 것을 의미한다), 정확한 τ 값을 얻기 위하여 시간을 측정하기만 하면 된다.
도3은 도1의 저장조(1)의 압력-시간선도로서, δP/P가 충분히 작고 [dP/dt]감소가 클 때의 시간에 대한 압력 변화를 나타내는 도면이다.
바람직한 유량 제어장치는 다음과 같은 조건을 만족하여야 한다.
첫 번째로는 저장조(1)내의 압력이 압력 구간 P 및 P+δP에서 작동되고, δP/P가 충분히 작아야 한다는 것이다. 이 경우, 압력 증가율 dP/dt는 일정한 값에 가까워지게 될 것이다.
두 번째로는 낮은 유동저항 및/또는 저장조(1) 및 가스사용장비간의 상대적으로 큰 압력 차이를 보여야 한다는 것이다. 이 경우, 저장조(1)내 압력이 P+δP로부터 기준방출압력 P로 감소되는 압력 감소율은 클 것이다. 즉,
위의 조건 1 및 2를 만족하는 경우, 압력-시간 관계는 도3과 같이 나타난다.
세 번째로는 사용 가능한 공급 가스 압력이 P에 비하여 커야 한다는 것이다. 이 경우, 유량 제어장치는 가스공급원에 독립적으로 작동될 수 있을 것이다.
도4는 완충조(15)를 가지는 시간식 유량 제어장치의 원리를 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
전술한 세 가지 조건에 더하여 바람직한 유량 제어장치는 저장조(1)와 가스사용장비간에 충분한 완충용량을 가질 것이 요구된다. 이러한 조건이 만족되는 경우, 압력 섭동(pressure fluctuation) δP 또는 저장조(1)내의 유동-비유동 상태에 의한 영향은 제거되고, 가스사용장비로 유입되는 가스는 일정 압력 및 매끈한 균일 유동 상태가 된다.
위의 요구조건은 유량 제어장치가 저장조(1)와 조화되는 매끈한 유동 특성을 가지도록 함으로써 달성될 수 있다. 예컨대, 유출개폐수단(3)의 바로 하류에 완충조(15)를 설치하는 것이다. 이 경우, 완충조(15)의 체적을 저장조(1)의 체적에 비하여 크게 하고, 유출개폐수단(3) 개방시 유체 저항을 최소화함으로써 요구되는 특성은 만족되게 된다.
도5는 도4의 저장조(1)의 압력-시간선도를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도시한 바와 같이, 압력 섭동 및 완충조(15)로부터 유출되는 유량이 완충조(15)에 미치는 영향이 무시될 수 있도록, P1≒P2, P1》δP1및 δP1》δP2가 되게 한다.
유량 제어장치가 일정한 dP1/dt를 가지는 영역에서 작동되기 때문에, 저장조(1)의 압력은 τ에 정비례하는 양(즉, δP1)과 상수인 기준방출압력 P1의 합으로 나타난다. 이는 연속 유동 시스템에서 다른 유량 값의 유동을 달성하고자 하는 경우에는, 시간 τ를 변수로 하여 이를 변화시킴으로써 유량을 제어할 수 있음을 의미한다. τ가 클수록 유량 값도 커진다. 물론, 충전 압력 P1+ δP1을 변수로 하여 이를 제어함으로써 유량을 제어할 수도 있다. 그러나, 이는 본 발명이 기본적으로 달성하고자 하는 바와 부합되지 않는다. 왜냐하면, 본 발명은 단지 시간을 측정함으로써, 충전/방출의 속도(진동수)가 유량의 지표가 되도록 하는데 있기 때문이다.
도4의 유량 제어장치는 본 발명이 기본적으로 달성하고자 하는 바와는 부합되지 않는다. 왜냐하면, 유출개폐수단(3)이 개방된 상태에서, 저장조(1)에 축적된 가스뿐만 아니라 이와 더불어 가스공급원으로부터 저장조(1)를 거쳐 유출되는 가스 유동이 존재하기 때문이다. 이러한 문제점은 이하에서 보는 바와 같이, "버킷-앤드-스탑워치(bucket-and-stopwatch) 방법, 즉 원하는 속도로 버킷을 채우고 그리고 나서 비우는 방법으로써 해결될 수 있다.
도6은 본 발명의 제1구체예에 따른 시간식 유량 제어장치를 개략적으로 보여주는 도면이다. 도시한 바와 같이, 도6의 유량 제어장치는 유입개폐수단(13), 유출개폐수단(3) 및 유입가스유량조절수단(11)을 구비한다.
또한, 상기 시간식 유량 제어장치는 저장조 내의 가스 온도를 계측하기 위한온도센서를 추가적으로 구비할 수 있다. 예컨대, 써모커플 또는 반도체 온도계측 디바이스 등이 이에 해당된다. 저장조 내의 가스를 이상 기체로 가정하면 다음의 식을 만족하게 될 것이다.(설명의 편의를 위하여 이상 기체 방정식을 사용하였지만, 실제 유량 제어에서는 실제 기체 방정식을 사용하거나 적절한 보정을 필요로 함은 물론이다.)
(여기서 R은 일반 기체 상수)
위의 식에 의하여, 기지의 가스 온도 및 충전 및 방출 압력 상태에서의 비체적 및 밀도를 구할 수 있게 된다. 그리고, 밀도에 저장조 부피를 곱함으로써 충전 및 방출 압력 상태에서의 저장조에 저장된 가스의 질량을 알 수 있다. 한편, 유·출입개폐수단의 개폐 속도(단위 시간 당 개폐 횟수)는 단지 시간을 측정함으로써 손쉽게 구할 수 있다. 따라서, 질량/부피 유량을 손쉽게 알 수 있고, 이를 제어에 이용할 수 있다. 예컨대, 질량 유량이 얻고자 하는 값에 비하여 작은 경우에는 저장조의 부피를 증가시키는 등의 방법으로 질량 유량 값을 증가시키는 것이다.
유량 제어를 일정 부피 유량 모드에서 수행하는 경우를 예를 들면, 이는 온도에 관계없이 유·출입개폐수단의 개폐 속도를 일정하게 유지함으로써 달성할 수 있다. 일정 부피 유량 모드의 경우, 고온에서 질량 유량은 작은 값을 가지고, 저온에서 질량 유량은 큰 값을 가지게 된다.
반면, 유량 제어를 일정 질량 유량 모드에서 수행하는 경우를 예를 들면, 이는 유·출입개폐수단의 개폐 속도를 제어함으로써 달성할 수 있다. 일정 질량 유량모드의 경우, 온도가 증가하게 되면 부피 유량은 증가되게 되고, 온도가 감소하게 되면 부피 유량도 감소하게 된다.
저장조(1)의 압력이 단열적으로 1% 압력 상승하는 경우를 상정하면, 충전에 의하여 저장조(1) 내의 압력은 P1에서 1.01P1이 되고, 방출에 의하여 저장조(1) 내의 압력은 P1으로 복귀될 것이다. 1 루프 당 저장조(1)를 통과하는 가스의 체적은 이상 기체라 가정하면 식에 의하여 계산되어 질 수 있다. 예컨대 계산되어진 값이 저장조(1) 부피의 X%라 가정하고, 저장조(1) 부피가 1 ㎖라고 가정하면, 1 루프 당 저장조(1)를 통과하는 가스의 체적은 0.0X ㎖/loop가 될 것이다. 여기서, 얻고자 하는 체적 유량이 0.1 ㎖/min이라 하면, 루프 속도(단위 시간 당 유·출입 개폐수단의 개폐 횟수)는 체적 유량을 저장조(1) 부피로 나눈 값, 즉 0.1 ㎖/min ÷0.0X ㎖/loop가 된다. 한편, 얻고자 하는 체적 유량이 10 ㎖/min이라 하면, 루프 속도는 10 ㎖/min ÷O.OX ㎖/loop가 된다.
즉, 질량/부피 유량은 유입개폐수단 및 유출개폐수단의 단위 시간 당 개폐 횟수와 유입개폐수단 및 유출개폐수단의 단위 개폐 당 저장조에 저장·방출되는 가스의 질량/부피의 곱으로 나타나므로, 이들을 제어함으로써 유량을 제어할 수 있다.
유·출입개폐수단의 단위 시간 당 개폐 회수(또는 개폐주기) 및/또는 유·출입개폐수단의 단위 개폐 당 저장조에 저장·방출되는 가스의 질량/부피에 영향을 주는 인자는 다음과 같은 것이 있다. 그 첫 번째로는 저장조(1) 충전 시간(τ)을직접적으로 제어하여 유량을 제어할 수 있다. 두 번째로는 저장조(1)의 체적을 변수로 하여 이를 제어함으로써 유량을 제어할 수 있다. 세 번째로는 저장조(1)로 유입되는 가스의 유량의 변화를 주기 위하여 유입가스유량조절수단의 개폐정도를 변수로 하여 이를 제어함으로써 유량을 제어할 수 있다. 네 번째로는 소정의 타임 딜레이를 변수로 하여 이를 제어함으로써 유량을 제어할 수 있다.
또한, 이 들은 단독으로 유량 제어에 이용될 수도 있고, 이들이 병행되어 유량 제어에 이용될 수도 있다. 상기한 네 가지 타입의 제어 방법을 실제적으로 수행함에 있어서, 제어 관리자는 기실험 데이터(또는 식)를 참조하여 해당 유량에 대응하는 설정 값을 주거나, 설정 후 유량 결과 값을 판단하여 설정 값 보정을 수행하거나, 또는 이 둘을 병행함으로써 유량 제어를 할 수 있다. 예컨대, 먼저 (기실험 데이터를 참조하여) 유입가스유량조절수단을 제어함으로써 소정 루프를 수행하여 유량 결과 값을 산출하고, 얻고자 하는 유량 값과의 미소 차가 존재하는 경우에는 유입가스유량조절수단을 추가적으로 미소 제어함으로써 이를 보정하게 된다. 또 하나의 예를 들자면, 기실험 데이터를 참조하여 저장조(1)의 부피를 제어하여 소정 루프의 가스 흐름을 수행한 후 유량 결과 값을 산출하고, 얻고자 하는 유량 값과의 미소 차가 존재하는 경우에는 예컨대 추가적으로 타임 딜레이 값을 줌으로써 미소 차를 보정하게 된다. 또한, 많은 실험과 실제어를 통하여 보정 테이블 또는 보정식을 개발하여 이를 다시 실제어에 반영할 수 있을 것이다. 실험 데이터 등의 작성을 위한 사전 실험에서는 온도 센서 등을 사용하여 방출압력 및 충전압력 하에서의 가스의 정확한 상태를 계측할 필요도 있을 것이다.
위의 첫 번째 타입의 유량 제어장치에 대하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 유입개폐수단(13)이 개방될 때마다, 유출개폐수단(3)은 폐쇄되도록 구성한다. 저장조(1)내의 압력은 기준방출압력 P1로부터 증가되기 시작하여, 설정시간 경과 후에 유입개폐수단(13)은 폐쇄되고, 유출개폐수단(3)은 개방되도록 한다. 유출개폐수단(3)은 저장조(1)내의 압력이 기준방출압력 P1으로 복귀될 때까지 개방상태를 유지한다. 따라서, 저장조(1)를 채우는 시간을 단순히 제어함으로써 유량을 제어할 수 있게 된다.
상기 첫 번째 타입의 유량 제어장치에서 유입개폐수단(13) 및 유출개폐수단(3)의 단위 개폐 당 저장조(1)에 저장·방출되는 가스의 질량/부피는 다음과 같이 구할 수 있다.
먼저, 사전 실험 단계로서, 기준방출압력 상태에서의 저장조 내의 가스 상태량, 예컨대 온도를 측정하여 기준방출압력 상태에서의 저장조 내의 가스 상태를 기지의 상태로 하여 둔다. 또한, 유입개폐수단(13)을 통하여 저장조(1)로 유입되는 가스의 상태량을 측정하여 기지의 상태로 하여 둔다. 첫 번째 타입의 유량제어장치는 설정시간(τ)을 제어함으로써 유량을 제어하는 것이므로, 기준방출압력 상태에서의 저장조 내의 가스의 상태와 유입개폐수단(13)을 통하여 저장조(1)로 유입되는 가스의 상태는 제어가 진행되는 동안 일정한 값을 갖도록 세팅되는 값이고, 따라서, 한 번의 측정으로 다양한 유량 값의 가스 유동 제어에 동일하게 적용될 수 있다.
다음으로 실제 제어 단계로서, 유입개폐수단(13)을 개방하고 설정시간(τ) 후 폐쇄하는 방식으로 유량 제어 루프를 수행한다. 이 경우, 1루프당 저장조에 저장·방출되는 가스의 양은 다음과 같이 구할 수 있다. [dP/dt]증가가 일정하다면, 설정시간 후 저장조 내의 가스 압력 상승은 [dP/dt]증가와 설정시간(τ)의 곱으로 나타나게 된다. 또한, 유입개폐수단(13)을 통하여 저장조(1)로 유입되는 가스의 질량 유량 값(공급 가스 압력이 P에 비하여 크므로 유입개폐수단(13)을 통하여 저장조(1)로 유입되는 질량 유량 값은 일정한 값을 가지게 된다)과 설정시간(τ)의 곱은 설정시간(τ) 동안 저장조(1)로 유입되는 가스의 질량 및 1루프 당 저장조에 저장·방출되는 가스의 질량 값에 해당된다.
그러나, 위의 산출된 가스의 질량 값은 적절한 가정을 통한 이론적인 값이므로, 보다 정밀한 제어를 위해서는 기준방출압력 상태 및 각 설정시간 후 저장조 내의 가스의 상태를 미리 측정하여, 각 설정시간에 대한 저장조에 저장·방출되는 가스의 질량 값의 표를 미리 만들어 두고, 그 표를 참조하여 설정시간을 제어함으로써 원하는 유량값의 유량제어를 할 수도 있을 것이다.
한편, 설정시간 후 저장조 내의 가스의 비체적은 다음과 같이 구할 수 있다. 질량 보존의 법칙(연속 방정식)에 의하여, 설정시간 후 저장조 내의 가스의 질량은 유입되는 가스의 질량과 기준방출압력상태에서의 가스의 질량의 합으로 나타난다. 따라서, 설정시간 후 저장조 내의 가스의 질량은 쉽게 구할 수 있게 된다. 기지의 저장조 체적을 설정시간 후 저장조 내의 가스의 질량값으로 나누어주면 가스의 비체적을 알 수 있다.
두 번째 타입의 유량 제어장치에 대하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
저장조(1)의 압력이 기준방출압력인 상태에서 유입부를 개방하고, 저장조(1)의 압력이 기준충전압력인 상태에서 유입부를 폐쇄하도록 유입개폐수단(13)을 제어한다. 또한, 저장조(1)의 압력이 기준방출압력인 상태에서 유출부를 폐쇄하고 저장조의 압력이 기준충전압력인 상태에서 유출부를 개방하도록 유출개폐수단(3)을 제어한다. 저장조(1)로서 가변 부피 저장조를 사용하여, 저장조(1)의 부피를 제어한다. 이 경우, 질량 유량을 증가시키고자 하는 경우에는 저장조의 부피를 증가시키고, 반대로 질량 유량을 감소시키고자 하는 경우에는 저장조의 부피를 감소시켜야 할 것이다.
이는 수도 꼭지로부터 유출되는 유량을 측정하기 위한 가장 정확하고도 단순한 방법은 기지의 체적을 가지는 버킷을 수도 꼭지 아래에 위치시키고, 단순히 그 버킷에 물이 가득 채워지는 시간을 측정하기만 하면 된다는 단순한 원리로부터 출발한다. 이 때, 체적 유량은 버킷을 채우는데 소요되는 시간에 대한 버킷의 체적의 비율로 나타날 것이다. 또한, 질량 유량은 체적 유량에 물의 밀도를 곱한 값과 같게 된다.
도7은 본 발명의 제2구체예에 따른 시간식 유량 제어장치로서, 가변 부피 저장조를 사용하는 시간식 유량 제어장치를 개략적으로 보여주는 도면이다. 도시한 바와 같이, 가변 부피 저장조를 위하여 실린더-피스톤형 저장조를 사용할 수 있음을 보여준다. 본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 피스톤 변위 제어에는 스테퍼모터(Stepper Motor)가 사용된다. 소유량 범위의 가스 흐름을 제어하고자 하는 경우에는 소체적의 저장조를 사용하고, 대유량 범위의 가스 흐름을 제어하고자 하는 경우에는 대체적의 저장조를 사용하는 것이 바람직할 것이다. 적절한 소프트웨어/하드웨어를 구축하여 최적의 저장조 부피를 선택함으로써, 최적의 정밀한 가스 흐름의 측정 및 제어를 할 수 있게 된다.
세 번째 타입의 유량 제어장치에 대하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 유입가스유량조절수단(11) 예컨대, 유입가스유량조절밸브는 저장조(1)내에 가스를 축적시키는 시간(P1및 δP1을 변경시키지 않더라도, 저장조(1) 내의 압력이 P1에서 δP1만큼 상승되는데 소요되는 시간은 변화된다)을 변경시킴으로써, 결과적으로 가스사용장비에 공급되는 가스 유량을 변경한다. 가스사용장비에 공급하고자 하는 유량이 큰 범위에서 유량 제어를 하고자 하는 경우에는 유입가스유량조절밸브의 개방량을 증가시키고, 반대로 가스사용장비에 공급하고자 하는 유량이 작은 범위에서 유량 제어를 하고자 하는 경우에는 유입가스유량조절밸브의 개방량을 작게 함으로써, 유량 제어장치의 전체적인 응답 특성을 변화시킨다.
네 번째 타입의 유량 제어장치에 대하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 유입부의 폐쇄와 유출부의 개방 사이 및/또는 유출부의 폐쇄와 유입부의 개방 사이에 타임 딜레이를 주게 되면, 단위 개폐 당 저장조(1)에 저장되는 가스의 질량/부피에는 변화가 없으나 단위 루프 당 소요 시간이 변하게 되므로, 저장조(1)로부터 유출공급되는 가스의 질량/부피 유량은 변화하게 된다.
도8은 본 발명의 제3구체예에 따른 시간식 유량 제어장치를 개략적으로 보여주는 도면으로서, 다수개의 도6의 시간식 유량 제어장치가 병렬로 연결되어 사용될 수 있음을 보여준다.
또한, 각각의 저장조(1)에서 저장조(1)와 최종 가스사용장비까지의 유로 길이를 서로 다르게 설치함으로써, 가스사용장비로 유입되는 가스 유량의 섭동을 방지할 수 있다. 즉, 가스사용장비로의 가스 공급을 분할하여 각 시간대별로 분할량만큼 가스 공급을 수행함으로써 공급 가스 유량의 섭동 현상을 방지할 수 있게 된다.
보다 바람직한 구체예로는, 각각의 저장조(1)의 유입개폐수단(13)이 개폐되는 시점을 서로 다르게 조절함으로써, 가스사용장비로 공급되는 가스 유량의 섭동 현상을 방지할 수 있다.
도9는 본 발명의 제4구체예에 따른 시간식 유량제어장치를 보여주는 도면으로서, 완충조(15)를 가지는 시간식 유량 제어장치를 보여준다.
도시한 바와 같이, 도9는 가스사용장비로 공급되는 가스 유량의 섭동 현상을 방지하기 위한 또 다른 구체예를 보여준다. 도9의 유량 제어장치는 비교적 간단한 완충조(15) 설치 작업만으로 가스 유량 섭동 현상을 방지할 수 있는 장점이 있다.
도9의 유량 제어장치는 도8의 유량 제어장치와 유사하게 다수의 저장조(1) 및 완충조(15) 세트를 가지는 유량 제어장치의 형태로 사용될 수 있다.
도10은 도9의 시간식 유량 제어장치의 유입개폐수단 및 유출개폐수단의 개폐상태 및 저장조(1)내 압력-시간 관계를 개략적으로 보여주는 도면이다.
상기한 첫 번째 타입의 유량 제어방법의 관점에서 살펴본다면, τ를 결정함으로써 저장조(1)에 축적되는 가스 질량을 결정할 수 있게 된다. 이러한 질량값의 가스는 τ+ ξ의 주기로 가스사용장비로 공급된다. 따라서, 유체의 특성과 버킷의 체적이 일정하다면 τ를 조절함으로써 유량을 제어할 수 있게 된다. 여기서, 가장 중요한 점은 질량 유량이 시간만의 함수로 나타난다는 점이다.
도11a 및 11b는 본 발명의 유량 제어의 기본 원리를 설명하기 위한 프로토타입(Prototype) 유량 제어장치의 실제 구성예를 개략적으로 보여주는 도면으로서, 도11a는 프로토타입 유량 제어장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이고, 도11b는 오실레이터 신호 및 이에 의하여 트리거되는 타이머딜레이(25, 26) 신호의 위상 관계를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도시한 바와 같이, 프로토타입 유량 제어장치는 오실레이터(21), NOT 게이트(23), 두 개의 타이머딜레이(25, 26), 파워드라이버(27a), 두 개의 솔레노이드(29, 31), 및 유입개폐수단(13) 및 유출개폐수단(3)을 포함한다. 유입개폐수단(13) 및 유출개폐수단(3)으로는 레고 공기 밸브(LEGO Pneumatic valve)를 사용하였다. 레고 공기 튜브의 일부는 저장조(1)로서 기능한다. 가스 공급원으로는 플라스틱 레모네이드병을 사용하였다.
타이머딜레이(25, 26)는 오실레이터(21) 신호의 폴링 에지(Falling Edge)에 의하여 트리거 되기 때문에, 오실레이터(21)와 제2타이머딜레이(26) 사이에는 NOT 게이트(23)를 설치하여 제1타이머딜레이(25)와 제2타이머딜레이(26)가 교대로 트리거 되도록 한다.
본 발명자는 도11a 및 11b의 유량 제어장치를 사용하여 실험을 하였고, 도12 및 도13은 그 실험결과를 보여주는 도면이다.
도12는 도11a의 프로토타입 유량 제어장치를 이용하여, 시간에 대한 저장조(1)를 통과하는 유체 부피의 관계를 보여주는 도면으로서, 90 루프/분 및 210 루프/분에 대하여 각각 실험하여 그 결과를 도시하였다. 저장조(1)로는 길이 8 cm, 직경 4 mm의 튜브 타입 저장조(1)를 사용하였다.
도시한 바와 같이, 루프 속도가 90 루프/분에서 210 루프/분으로 증가함에 따라, 유량은 20 ml/min으로부터 350 ml/min으로 증가함을 알 수 있다.
도13은 11a의 프로토타입 유량 제어장치를 이용하여, 시간에 대한 축적되는 유체 부피의 관계를 보여주는 도면으로서, 직경은 4 mm이고, 길이는 각각 8 cm 및 24 cm의 저장조(1)에 대하여 실험하여 그 결과를 도시하였다.
도시한 바와 같이, 저장조(1)의 사이즈, 즉 저장조(1)의 길이가 8 cm에서 24 cm로 증가함에 따라, 유량도 증가함을 알 수 있다. 각 곡선의 기울기는 시간의 경과에 따라 점차 감소하여 기울기 0의 평탄역을 지나게 되는데, 이는 가스 공급원의 압력이 감소하기 때문이다.
도14a는 본 발명의 바람직한 구체예에 따른 유량 제어장치의 실제 구성예를 개략적으로 보여주는 도면이다.
상기 프로토타입 유량 제어장치는 본 발명의 기본 원리를 설명하는데 유용하기는 하나, 저장조(1)의 일정한 충전을 보장할 수 없는 등 본 발명을 구현하는데는 한계가 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 도14a에 도시한 바와 같이, 유량제어장치를 구성하였다.
도14a의 유량 제어장치는 유입가스유량조절밸브(34), 압력레귤레이터(35), 유입개폐수단(13), 저장조(1), 유출개폐수단(3), 트랜스듀서(5b), 증폭기(37), 아날로그/디지털 인터페이스(39), 파워드라이버(27b) 및 피씨 & A/D 카드(41)로 이루어진다.
트랜스듀서(5b)의 출력은 A/D 컨버터에 의하여 판독될 수 있도록 하기 위하여 증폭기(37)를 통하여 증폭을 한다.
도14b는 도14a의 유량 제어장치의 PC에서 실행되는 실행 프로그램의 플로우차트를 개략적으로 보여주는 도면이다.
압력 판독을 위하여는 비록 매우 짧은 시간이기는 하나 소정의 시간을 필요로 하기 때문에, 어레이(Array)가 완전한 충전/방출 데이터를 포함할 수 있도록 A/D 판독 딜레이를 가질 필요가 있다.
루프 속도 산출은 다음과 같이 이루어진다. 프로그램이 충전 및 방출의 사이클을 완료할 때마다, 각 루프의 소요 시간을 저장한다. 수행된 루프의 총 회수 및 각 루프의 소요 시간을 총합하여, 루프 속도를 구할 수 있게 된다. 충전 및 방출 과정을 반복 수행하는 동안 다소 불규칙적인 충전/방출 과정이 포함될 수 있다. 즉, 어떠한 충전/방출 과정은 평균 루프 속도에 비하여 매우 짧을 수 있다. 이는 루프 딜레이를 소정의 루프 횟수(예컨대 20 루프)로 증가시킴으로써 어느 정도 범위 내에서는 해결할 수 있다. 따라서, 실제로 판독되는 값이 이전 값이 아닌 현재 값이 될 수 있도록 보장된다.
본 발명자는 도14a 및 14b의 유량 제어장치를 사용하여 실험을 하였고, 도15 내지 19는 그 실험 결과를 보여주는 도면이다.
도15는 A/D 컨버터에 의하여 변환된 디지털 값에 대한 저장조(1) 내 압력의 관계를 보여주는 도면이다.
A/D 컨버터에 의하여 아날로그 전압 신호는 디지털 신호로 변환되는데, 입력되는 -10V ~ 10V 범위의 전압을 4096 불연속 디지털 값으로 변환한다. 4095 디지털 값은 10V 전압에 해당되며, 2047 디지털 값은 0V 전압에 해당되고, 이들 사이에는 선형 관계가 있다. 그러나, 이들 값을 압력 값으로 환산할 필요는 없다. 왜냐하면, 본 실험에서는 비록 시스템 내의 거동을 알고 이를 시스템 설계에 응용하기 위하여, 압력 트랜스듀서 측정이 이루어지기는 하지만, 본 발명에서 중요한 것은 압력이 아닌 반복 속도이기 때문이다.
도16a는 충전 과정이 진행되는 동안 시간에 대한 저장조(1) 내 압력의 변화를 보여주는 도면이다. 저장조(1)로는 2 mm 직경의 저장조(1)를 사용하였다.
도시한 바와 같이, 저장조(1)의 최초 충전시에는 상당한 시간이 소요되는데, 이는 저장조(1) 내의 압력이 0 Bar로부터 0.05 Bar까지 상승되어야 하기 때문이다. 그러나, 일단 저장조(1)가 최초로 충전된 이후에는, 충전은 단시간 내에 이루어지게 된다.
도16b는 방출 과정이 진행되는 동안 시간에 대한 저장조(1) 내 압력의 변화를 보여주는 도면이다.
도16c는 일련의 충전 및 방출 과정이 반복되는 동안 시간에 대한 저장조(1)내 압력의 변화를 보여주는 도면이다.
도시한 바와 같이, 충전/방출 곡선은 처음에는 15 Bar/s의 매우 가파른 상승 기울기를 가진다. 이는 저장조(1)의 방출이 진행되는 동안 유입개폐수단(13), 예컨대 유입밸브의 직전에서 형성 내지는 축적되는 상승 압력에 기인한다. 또한, 유입밸브가 폐쇄되기 직전에 비록 일정하기는 하나 다소 가파른 압력 상승 기울기를 가진다.
도17a는 1 mm 직경의 저장조(1)에 대하여 충전 압력은 0.05 Bar가 되도록 설정하고, 방출 압력은 0.002 Bar가 되도록 설정한 후, 루프 속도에 대한 유량의 관계를 실험한 실험 결과를 보여주는 도면이다.
본 발명자는 다양한 유량에 대처하기 위하여, 다양한 부피를 가지는 저장조(1)를 사용하였고, 이를 위하여 먼저 1.0 mm의 직경의 저장조(1)를 제조하여 실험하였다. 도시한 바와 같이, 루프 속도와 유량은 상호 선형적인 관계를 가지고, 그 기울기는 0.0112인 것으로 나타났다.
도17b는 2.5 mm 직경의 저장조(1)에 대하여 충전 압력은 0.05 Bar가 되도록 설정하고, 방출 압력은 0.002 Bar가 되도록 설정한 후, 루프 속도에 대한 유량의 관계를 실험한 실험 결과를 보여주는 도면이다. 도시한 바와 같이, 기울기는 0.009인 것으로 나타났다.
도17c는 4.0 mm 직경의 저장조(1)에 대하여 충전 압력은 0.05 Bar가 되도록 설정하고, 방출 압력은 0.002 Bar가 되도록 설정한 후, 루프 속도에 대한 유량의 관계를 실험한 실험 결과를 보여주는 도면이다. 도시한 바와 같이, 기울기는 0.011인 것으로 나타났다.
도17d는 5.5 mm 직경의 저장조(1)에 대하여 충전 압력은 0.05 Bar가 되도록 설정하고, 방출 압력은 0.002 Bar가 되도록 설정한 후, 루프 속도에 대한 유량의 관계를 실험한 실험 결과를 보여주는 도면이다. 도시한 바와 같이, 기울기는 0.0152인 것으로 나타났다.
도17a 내지 도17d의 실험 결과로부터, 저장조(1)의 부피를 변화시킴으로써 저장조(1)를 통과하는 유량을 제어할 수 있음을 알 수 있다. 1 mm 직경의 저장조(1)가 2.5 mm 직경의 저장조(1)에 비하여 비정상적으로 가파른 기울기를 가지는 것은 센서가 저장조(1)에 설치되는 상태에 기인하는 것으로 판단된다.
도18a는 유입가스유량조절수단(11)의 세팅 상태를 고정하고, 충전 압력의 크기에 대한 루프 속도의 변화를 실험한 결과를 보여주는 도면이다.
도시한 바와 같이, 의도하는 유량에 부합되는 충전 압력을 결정하기 위하여 다양한 충전 압력을 대상으로 실험을 하였다. 실험을 위하여, 유입가스유량조절수단(11)의 세팅 상태는 일정하게 고정되고, 다양한 충전 압력 값을 테스트 프로그램에 입력하여 실험을 하였다. 정상 유량에 대한 루프 속도는 도시한 바와 같이, 충전 압력이 0.025 Bar인 경우 375 루프/분의 루프 속도를 나타내고, 충전 압력이 0.125 Bar인 경우 75 루프/분의 루프 속도를 나타내는 등, 충전 압력이 클수록 일정한 유량 값을 얻기 위한 루프 속도는 작아지는 것으로 나타났다.
도18b는 유입가스유량조절수단(34)의 세팅 상태를 고정하고, 충전 압력의 크기에 대한 유량의 변화를 실험한 결과를 보여주는 도면이다.
도시한 바와 같이, 충전 압력이 커질수록 유량도 함께 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 상기 도18b의 그릇 형상 곡선에서 알 수 있는 바와 같이, 너무 낮은 압력(도18b에서는 예컨대 충전 압력이 0.025 Bar인 경우)에서는 너무 쉽게 저장조(1) 내의 압력이 요구되는 충전 압력을 초과하게 되면서 시스템의 과충전이 야기된다. 그러므로, 시스템 설계자는 시스템의 충전 압력을 선택할 때 이를 고려하여야 한다. 도18b의 실험 조건에 따르면, 0.05 Bar가 사용 가능한 충전 압력, 0.002 Bar가 사용 가능한 방출 압력으로 선택되어 질 수 있을 것이다.
도19는 시스템 정상 작동 상태에서의 부피에 대한 시간의 관계와 유입개폐수단(13) 및 유출개폐수단(3)을 개방한 상태에서의 부피에 대한 시간의 관계를 보여주는 실험 결과를 나타낸 도면이다.
실험 결과, 도시한 바와 같이, 시스템 정상 작동 상태, 즉 충전 및 방출이 반복되는 동안 저장조(1)를 통과한 유량은 유입개폐수단(13) 및 유출개폐수단(3)을 계속적으로 개방한 상태에서 저장조(1)를 통과한 유량에 비하여 작은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 압력 손실 및 존재할 수 있는 압력 누설에 기인하는 것으로 판단된다. 유입개폐수단(13) 및 유출개폐수단(3)이 계속적으로 개방된 상태에서는, 공급 압력이 가스를 압송하게 되고, 압력 누설은 불균일하게 커지게 된다.
상기한 구성의 본 발명에 따르면, 본 발명은 측정 및 제어가 용이하면서도 정밀한 유량 제어장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 신뢰성 및 내구성이 우수한 유량 제어장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 우수한 성능을 보이면서도 설치 및 유지비가 적게드는 유량 제어장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 하나 이상의 저장조;
    상기 저장조의 유입부를 개폐하는 유입개폐수단;
    상기 저장조의 유출부를 개폐하는 유출개폐수단;
    상기 저장조의 압력을 검출하기 위한 압력센서; 및
    상기 유입개폐수단 및 상기 유출개폐수단의 단위 시간 당 개폐 횟수 및/또는 상기 유입개폐수단 및 유출개폐수단의 단위 개폐 당 상기 저장조에 저장·방출되는 가스의 질량/부피를 제어하되, 상기 유출개폐수단이 폐쇄된 상태에서 가스가 상기 저장조 내로 유입되도록 상기 유입개폐수단을 개방하고, 상기 유입개폐수단이 폐쇄된 상태에서 가스가 상기 저장조로부터 유출되도록 상기 유출개폐수단을 개방함으로써, 상기 저장조로부터 유출공급되는 가스의 질량/부피 유량을 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 저장조는 가변 부피 저장조이고,
    상기 제어부는 제어변수로서 상기 저장조의 부피를 제어함으로써 상기 저장조로부터 유출공급되는 가스의 질량/부피 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 시간식 유량 제어장치.
  2. 하나 이상의 저장조;
    상기 저장조의 유입부를 개폐하는 유입개폐수단;
    상기 저장조의 유출부를 개폐하는 유출개폐수단;
    상기 저장조의 압력을 검출하기 위한 압력센서; 및
    상기 유입개폐수단 및 상기 유출개폐수단의 단위 시간 당 개폐 횟수 및/또는 상기 유입개폐수단 및 유출개폐수단의 단위 개폐 당 상기 저장조에 저장·방출되는 가스의 질량/부피를 제어하되, 상기 유출개폐수단이 폐쇄된 상태에서 가스가 상기 저장조 내로 유입되도록 상기 유입개폐수단을 개방하고, 상기 유입개폐수단이 폐쇄된 상태에서 가스가 상기 저장조로부터 유출되도록 상기 유출개폐수단을 개방함으로써, 상기 저장조로부터 유출공급되는 가스의 질량/부피 유량을 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 유입개폐수단의 폐쇄와 상기 유출개폐수단의 개방 사이 및 상기 유출개폐수단의 폐쇄와 상기 유입개폐수단의 개방 사이 중 어느 하나 이상에 타임 딜레이를 주고,
    제어변수로서 그 타임 딜레이 양을 제어함으로써 상기 저장조로부터 유출공급되는 가스의 질량/부피 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 시간식 유량 제어장치.
  3. 하나 이상의 저장조;
    상기 저장조의 유입부를 개폐하는 유입개폐수단;
    상기 저장조의 유출부를 개폐하는 유출개폐수단;
    상기 저장조의 압력을 검출하기 위한 압력센서; 및
    상기 유입개폐수단 및 상기 유출개폐수단의 단위 시간 당 개폐 횟수 및/또는 상기 유입개폐수단 및 유출개폐수단의 단위 개폐 당 상기 저장조에 저장·방출되는 가스의 질량/부피를 제어하되, 상기 유출개폐수단이 폐쇄된 상태에서 가스가 상기 저장조 내로 유입되도록 상기 유입개폐수단을 개방하고, 상기 유입개폐수단이 폐쇄된 상태에서 가스가 상기 저장조로부터 유출되도록 상기 유출개폐수단을 개방함으로써, 상기 저장조로부터 유출공급되는 가스의 질량/부피 유량을 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 저장조의 유출부의 후단에는 상기 저장조로부터 유출공급되는 가스 유량의 섭동을 완충하기 위한 완충조가 설치되는 것을 특징으로 하는 시간식 유량 제어장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 완충조는 상기 저장조에 비하여 큰 체적을 가지는 것을 특징으로 하는 시간식 유량 제어장치.
  5. 병렬로 설치되는 둘 이상의 저장조;
    상기 저장조의 유입부를 개폐하는 유입개폐수단;
    상기 저장조의 유출부를 개폐하는 유출개폐수단;
    상기 저장조의 압력을 검출하기 위한 압력센서; 및
    상기 유입개폐수단 및 상기 유출개폐수단의 단위 시간 당 개폐 횟수 및/또는 상기 유입개폐수단 및 유출개폐수단의 단위 개폐 당 상기 저장조에 저장·방출되는 가스의 질량/부피를 제어하되, 상기 유출개폐수단이 폐쇄된 상태에서 가스가 상기 저장조 내로 유입되도록 상기 유입개폐수단을 개방하고, 상기 유입개폐수단이 폐쇄된 상태에서 가스가 상기 저장조로부터 유출되도록 상기 유출개폐수단을 개방함으로써, 상기 저장조로부터 유출공급되는 가스의 질량/부피 유량을 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 둘 이상의 저장조의 각각의 유입부 및 유출부의 개폐시점은 저장조마다 서로 다른 것을 특징으로 하는 시간식 유량 제어장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 저장조의 압력이 기준방출압력인 상태에서 상기 유입개폐수단을 개방하고, 상기 저장조의 압력이 기준충전압력인 상태에서 상기 유입개폐수단을 폐쇄하고, 상기 저장조의 압력이 기준방출압력인 상태에서 상기 유출개폐수단을 폐쇄하고, 상기 저장조의 압력이 기준충전압력인 상태에서 상기 유출개폐수단을 개방하되,
    제어변수로서 상기 기준방출압력 또는 상기 기준충전압력의 크기를 제어함으로써, 상기 저장조로부터 유출공급되는 가스의 질량/부피 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 시간식 유량 제어장치.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 저장조의 압력이 기준방출압력인 상태에서 상기 유입개폐수단을 개방하고, 상기 저장조의 압력이 기준방출압력인 상태에서 상기 유출개폐수단을 폐쇄하되,
    제어변수로서 상기 유입개폐수단의 개방으로부터 폐쇄까지의 소요 시간 및/또는 상기 유출개폐수단의 폐쇄로부터 개방까지의 소요 시간을 제어함으로써, 상기 저장조로부터 유출공급되는 가스의 질량/부피 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 시간식 유량 제어장치.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 저장조의 압력이 기준충전압력인 상태에서 상기 유입개폐수단을 폐쇄하고, 상기 저장조의 압력이 기준충전압력인 상태에서 상기 유출개폐수단을 개방하되,
    제어변수로서 상기 유입개폐수단의 폐쇄로부터 개방까지의 소요 시간 및/또는 상기 유출개폐수단의 개방으로부터 폐쇄까지의 소요 시간을 제어함으로써, 상기 저장조로부터 유출공급되는 가스의 질량/부피 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 시간식 유량 제어장치.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저장조 내의 가스 온도를 계측하기 위한 온도센서를 추가적으로 포함하고,
    상기 제어부는 상기 온도센서에 의하여 계측된 상기 저장조 내의 가스 온도에 기초하여, 제어변수의 크기를 결정하는 것을 특징으로 하는 시간식 유량 제어장치.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저장조의 유입부의 전단에 유입가스상태량조절수단을 추가적으로 구비하고, 상기 유입가스상태량조절수단은 상기 저장조 내로 유입되는 가스의 압력을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 시간식 유량 제어장치.
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