KR100948824B1 - 핀치 밸브 - Google Patents

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KR100948824B1
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조셉 씨. 딜리
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에머슨 일렉트릭 컴파니
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Abstract

제어 밸브(100)는 탄성 중합체 유동 관(126), 제 1 및 제 2 단부를 갖는 플런저(124), 및 플런저(124)의 제 1 단부에 연결되는 핀치 부재(502)를 포함한다. 핀치 부재(502)는 유동 관에 인접하게 위치되어 있다. 기준 표면(128)은 탄성 중합체 관(126)이 유동 관을 통하는 유체 유동을 제어하기 위해서 핀치 부재(502)와 기준 표면(128) 사이에서 압착될 수 있도록 핀치 부재(502)와 대체로 대향하여 위치된다. 제 1 가이드 스프링(511)은 핀치 부재(502)와 플런저(124)의 제 1 단부 사이에 위치되며, 제 2 가이드 스프링(510)은 플런저(124)의 제 2 단부에 인접하게 위치된다. 댐퍼(552, 554, 556)는 플런저(124)에 연결될 수 있다. 게다가, 압력 가중 부재(130)는 유동 관의 적어도 일부의 둘레에 위치될 수 있다.

Description

핀치 밸브 {PINCH VALVE}
본 출원은 2002년 4월 1일 출원된 미국 특허 출원 제 60/369,493 호를 우선권으로 주장하며, 지정국을 미합중국으로 하는, 2003년 3월 28일 출원된 국제 특허 출원 PCT/US03/09381의 일부 계속 출원이다. 이들 출원은 본원에 참조되어 있다.
본 발명은 일반적으로, 유체 유동 및 제어에 관한 것이며, 특히, 감소된-마찰 가이드 메커니즘을 구비한 핀치 밸브에 관한 것이다.
유체 유동 제어 시스템은 일반적으로 세 개의 설비; 유동 센서, 제어 밸브 및 비례-적분-제어기(PID)와 같은 제어기로 구성되어 있다. 통상의 유체 유동 제어 시스템은 유동 센서에 의해 탐지된 유동이 바람직하거나 설정된 유동과 일치될 때까지 제어 밸브의 개방량을 변경시킴으로써 작용한다. 종종, 제어 밸브는 바람직한 폐쇄 제어를 달성하기 위해서 초소량으로 조절되어야만 한다.
반도체, 의약품, 및 생명-기술은 통상적으로 낮은 유동률, 연마용 화학 유체의 이용, 부식성 화학 유체의 이용, 및 오염물이 없고, 정확하며, 소형의 실시간 유체 제어 및 전달 시스템의 필요성으로 인한 유체 제어 문제점을 갖는다.
예를 들어, 화학-기계적 평탄화(CMP)는 웨이퍼 표면과 연마 패드 사이에 반응인자 및 부유물질 입자를 함유하는 초 고순도 유체를 가함으로써 반도체의 웨이퍼 표면을 평탄화하는 공정을 수반하는 반도체 산업에 있어 중요한 공정이다. 대부분의 분야에서, 연마 패드는 표면을 평탄화하기 위해서 반도체에 대해 제어된 속도로 회전한다. 웨이퍼를 과도하게 연마하는 것은 중요한 웨이퍼 구조를 변형하거나 제거하는 결과를 야기할 수 있다. 반대로, 웨이퍼의 불충분한 연마는 용인할 수 없는 웨이퍼를 야기할 수 있다. 웨이퍼의 연마율은 연마 작업 중에 유체의 전달률 및 전달되는 유체의 총량에 의해 거의 좌우된다.
유체 유동의 정확한 제어 및 오염물이 없는 환경을 요구하는 반도체 산업에 이용되는 다른 공정은 포토리소그래피 공정이다. 기술 분야에 공지된 바와 같이, 포토리소그래피는 레지스트 또는 포토 레지스트와 같이 공지된 감광성 폴리머를 웨이퍼 표면에 가하는 공정이다. 웨이퍼 표면에 제조될 구조의 패턴을 포함하는 포토마스크는 레지스트가 덮인 웨이퍼와 광원 사이에 위치된다. 빛은 레지스트 폴리머를 약화시키거나 강화시킴으로써 레지스트와 반응한다. 레지스트가 빛에 노출된 후에, 웨이퍼는 약화된 레지스트를 제거하는 유체 화학약품을 적용하여 현상된다. 정확하며 반복적인 레지스트 전달은 패턴을 적합하게 전달하기 위해서 중요하다. 레지스트는 최종 패턴의 결정을 야기할 수 있는 표면상의 임의의 "불순물"과 같은 오염물이 없어야만 한다.
이러한 공정의 변경은 최종 반도체의 절대적으로 필요한 부분이 될 필름을 생성하기 위해서 웨이퍼 표면에 많은 새로운 액체를 가한다. 이러한 필름의 주요 기능은 전기 전도 와이어 사이에서 절연체로서의 역할을 하는 것이다. 다양한 "스핀-온(spin-on) 재료는 광범위한 화학적 조성 및 물리적 특성으로 추정된다. 리소그래피 공정과 스핀-온 증착 사이의 주요 차이점은 필름 내의 (보이드(void), 기포 또는 입자와 같은) 임의의 결함이 반도체의 구조에 영구적으로 내장되어 장치가 역할 수행을 하지 못해 반도체 제조 업자의 경제적인 손실을 야기할 수 있다는 점이다.
이러한 공정 모두는 "트랙(track)"이라 불리는 장치 내에서 일어난다. 트랙의 목적은 고정되거나 천천히 회전하는 웨이퍼의 표면에 정확하게 다량의 액체를 가하는 것이다. 부가적인 화학 공정 단계는 액체를 적합한 구조로 전환하기 위해 이용될 수 있다. 액체 적용 후에, 웨이퍼 회전 속도는 급속히 증가되며, 웨이퍼 표면상의 액체는 에지로 스핀-오프(spin-off)된다. 매우 얇고 일정한 두께의 액체는 웨이퍼의 중심으로부터 에지로 유지된다. 액체 두께에 영향을 미치는 소정의 변수는 레지스트 또는 유전체 점도, 레지스트 또는 유전체 내의 용매 농도, 분배된 레지스트/유전체의 양, 분배 속도, 등을 포함한다.
트랙은 필름 내의 임의의 용매를 제거하는 베이크 공정(bake process)을 이용하여 액체를 폴리머로 변경하기 위해 액체 적용 후에 부가적인 공정 단계를 제공할 것이다. 트랙은 필름의 수행에 영향을 미치는 화학적 오염물 및 습기로 변경을 방지하도록, 웨이퍼 둘레의 환경을 제어한다. 트랙 시스템 수행은 보이드, 기포 및 입자에 의해 야기되는 필름 내의 결점을 최소화하는 것 이외에 웨이퍼 표면에 전달되는 액체의 정확성 및 반복성에 의해 결정된다.
유체 제어 부품은 공정 유체의 적합한 전달을 보장하는 이러한 시스템의 중요한 설비이다. 핀치 밸브는 효율적이며, 치밀한, 고 순도 유체 제어 장치를 제공하기 위해서 이러한 시스템 내에서 유체 제어 밸브용으로 이용될 수 있다. 특히, 솔레노이드-가동 핀치 밸브는 정밀한 유체 제어를 제공하기 위해서 비용-효율적인 수단을 제공한다. 이러한 밸브는 통상적으로 서로에 대해 슬라이딩하는 부분을 통합하는 가이드 메커니즘을 갖는다. 임의의 슬라이딩 메커니즘으로 마찰의 양이 제한된다. 슬라이딩하는 부분은 낮은 마찰 재료로 구성된다 해도 여전히 소정의 마찰이 있을 것이다. 마찰은 핀치 밸브의 스틱-슬립 이동(stick-slip motion)을 야기할 수 있어서, 유동 제어의 정확성에 강한 영향을 미친다.
본 출원은 종래 기술과 관련된 결점을 기재하고 있다.
본 발명의 일면에 따라서, 제어 밸브는 탄성 중합체 유동 관, 제 1 및 제 2 단부를 구비한 플런저, 및 플런저의 제 1 단부에 연결되는 핀치 부재를 포함하고 있다. 핀치 부재는 유동 관에 인접하게 위치되어 있다. 기준 표면은 탄성 중합체 관이 유동 관을 통한 유체 유동을 제어하기 위해서 핀치 부재와 기준 표면 사이에서 압착될 수 있도록 핀치 부재와 대체로 대향하여 위치된다. 제 1 가이드 스프링은 핀치 부재와 플런저의 제 1 단부 사이에 위치되며, 제 2 가이드 스프링은 플런저의 제 2 단부에 인접하게 위치된다. 가이드 스프링은 관통하여 나선형 슬롯이 형성되어 있는 평면 디스크일 수 있다.
액츄에이터는 기준 표면에 대해 핀치 부재를 선택적으로 위치시키도록 조절하는 플런저를 수용하여, 정교하게 유동을 제어한다. 플런저 연장부는 플런저에 의해 수용되어 한 단부가 플런저로부터 연장하여 제 1 가이드 스프링에 접하게 된다. 플런저 연장부의 다른 단부는 플런저로부터 연장하여 제 2 가이드 스프링에 접하게 된다.
특정 예시적 실시예에서, 댐퍼는 플런저에 연결된다. 댐퍼는 내부에 개구가 형성된 제 1 부재 및 개구 내에 슬라이딩 가능하게 수용되는 제 2 부재를 구비하여 제 1 부재와 제 2 부재 사이에는 틈이 있어 공기 통로를 생성시킨다. 댐퍼의 제 2 부재는 스프링 컵 개구 옆에 위치되는 스프링 리테이너를 갖춘, 관통하는 개구가 형성되어 있는 스프링 컵일 수 있다. 예압 스프링은 스프링 컵의 개구를 통하여 연장하고 스프링 리테이너에 배치된다. 게다가, 압력 가중 부재는 유동 관의 적어도 일부의 둘레에 위치될 수 있다.
본 발명의 다른 일면에서, 유동 측정 및 제어 장치는 본 원에 기재된 바와 같이 제어 밸브를 이용한다. 예를 들어, 유동 측정 및 제어 장치는 인클로저 내에 위치되는 유동 측정 장치를 갖춘 인클로저를 포함한다. 탄성 중합체 유동 관은 유동 측정 장치와 유체 연통된다. 플런저는 유동 관에 인접하게 위치되며 이에 연결되는 핀치 부재를 갖는다. 기준 표면은 탄성 중합체 관이 유동 관을 통한 유체 유동을 제어하기 위해서 핀치 부재와 기준 표면 사이에서 압착될 수 있도록 핀치 부재와 대체로 대향하여 위치된다. 제 1 가이드 스프링은 핀치 부재와 플런저의 제 1 단부 사이에 위치되며, 제 2 가이드 스프링은 플런저의 제 2 단부와 인접하게 위치된다.
제어기는 측정된 유동과 설정된 유동 사이의 임의의 에러를 감소시킬 필요가 있기 때문에 유동 관을 통한 유체 유동을 제어하기 위해서 기준 표면과 관련하여 핀치 부재를 조절하도록 설정점 신호 및 측정 출력 신호에 응답하여 유동 측정 장치로부터 측정 출력 신호를 수용하여 핀치 밸브에 제어 출력 신호를 제공한다. 특정 실시예에서, 유동 측정 장치는 코리올리 질량 유량계이다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 이후의 상세한 설명 및 첨부된 도면을 참조하여 더 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 핀치 밸브를 개략적으로 도시한 도면이며,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 편조 슬리브 압력 가중 부재를 포함하는 핀치 밸브를 도시한 도면이며,
도 3은 제거된 편조 슬리브의 일부분을 갖춘, 도 1 및 도 2에 도시되는 핀치 밸브의 일부분을 구상하여 도시한 도면이며,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력 유지를 위해 핀치 관 둘레에 위치되는 링을 포함하는 핀치 밸브를 도시한 도면이며,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 클램쉘 압력 가중 부재를 포함하는 핀치 부재를 도시한 도면이며,
도 6은 도 5에 도시된 클램쉘 압력 가중 부재 일부분의 사시도이며,
도 7은 제거된 클램쉘 압력 가중 부재의 일부분을 갖춘, 도 5의 밸브를 도시한 도면이며,
도 8은 본 발명의 다른 예시적 실시예에 따른 핀치 밸브의 사시도이며,
도 9는 도 8에 도시된 핀치 밸브의 분해도이며,
도 10 및 도 11은 폐쇄 및 개방 위치의 밸브를 각각 도시하는 도 8 및 도 9에 도시된 핀치 밸브의 단면도이며,
도 12 및 도 13은 도 10 및 도 11에 각각 도시된 밸브의 상부를 도시하는 단면도이며,
도 14 및 도 15는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 핀치 밸브를 이용하는 유동 측정 및 제어 장치를 도시하는 도면이다.
본 발명은 다양한 변형 및 대안적인 형태가 가능할 수 있지만, 본 발명의 특정 실시예는 도면의 예에 의해 도시되며 상세히 기재된다. 그러나 본 발명의 특정 실시예의 설명은 기재된 특정 형태로 제한하려는 것은 아니며, 이에 반하여 모든 변형, 이에 상당한 대안적인 변형이 첨부된 청구 범위에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 사상 및 범위 내에서 이루어질 것이다.
본 발명의 실시예는 이후에 기재된다. 명확성을 위해서, 실제 실행되는 모든 특징이 본 명세서에 기재되지는 않는다. 임의의 실제 실시예, 다수의 실행-특정 결정은 한 실행에서 다른 실행으로 변할 수 있는 시스템-관련 및 비지니스-관련 제약에 따라서, 개발자의 특정 목적을 달성하도록 구성되어야만 한다. 게다가, 이러한 개발 성과는 복잡하며 시간 소비적일 수 있지만, 이러한 기재된 내용의 이점을 갖는 당업자들에게 보통 일상적인 조건이 될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 핀치 밸브(100)는 도 1에 개념적으로 도시되어 있다. 액츄에이터(122)는 탄성 중합체 관(126) 옆에 위치되어 있다. 피스톤 또는 램의 형태일 수 있는 밸브 플런저(124)는 기준 표면(128)에 대해 관(126)을 선택적으로 압착 또는 핀칭시키는 액츄에이터(122)에 의해 이동된다. 유동 관(126)은 상대적으로 연질인 재료로 형성되어서 플런저(124)와 기준 표면(128) 사이에서 유동을 제어하기 위해 압착될 수 있다. 몇몇의 경우에서, 연질 유동 관 재료는 낮은 강도로 인해 낮은 압력 등급을 가질 수 있다. 압력 가중 부재(130)는 관의 압력 등급을 개선하기 위해서 관(126)의 적어도 일부의 둘레에 위치된다.
반도체, 의약품, 및 생명 기술 산업과 관련된 많은 분야는 이용되는 화학약품의 순도를 보호하기 위해서 고순도, 화학적으로 불활성/내성, 재료로 구성되는 유체 전달 시스템의 유동 경로(모든 표면이 공정 유체에 의해 침지됨)를 요구한다. 반도체 웨이퍼 제조 공정에 이용되는 초고순도 화학약품은, 금속 이온이 다양한 기계 및 화학 공정으로 인해서 금속 유동 관으로부터 걸러지거나 제거된다면 오염될 수 있기 때문에 플라스틱 재료가 바람직하다. 플라스틱 재료는 넓은 범위의 공정 재료에 대해 내 부식성을 가진다. 고 순도 급의 플라스틱은 불필요한 이온이 공정 재료에 전달되는 것을 일반적으로 방지하기 때문에 이러한 산업에 이용된다. 게다가, 플라스틱 유동 관의 제조에서 타고난 매끄러운 표면 처리는 유기 재료로 유체를 오염시키며 관에 부착된 박테리아의 역량을 감소시킨다.
이러한 고 순도 분야에서, 관(126)은 바람직하게, 고 순도 탄성 중합체 또는 플라스틱으로 형성된다. 적합한 고 순도 탄성 중합체는 실리콘(가교 폴리실록산)이며 이는 화학적으로 내성이 있으며 적합한 화학적 특성을 가지고 있기 때문이다. 다른 적합한 관재료는 PVC(폴리비닐클로라이드, 타이곤(Tygon)), 폴리프로필렌 및 플루오르화카본 고무(바이톤(Viton))이다. PVDF 및 PTFE와 같은 다양한 플루오르화 폴리머도 적합할 수 있다. 예를 들어, PFA, PFA 재료를 포함하는 혼합물, 및 실리콘은 고 순도 분야에 있어 관(126)을 위한 적합한 재료이다. 게다가, 밸브(100)의 예시적인 실시예에서, 정체된 유체가 모일 수 있는 장소는 없으며, 유체 내에 입자를 생성시킬 수 있는 슬라이딩 부분 또는 마찰 부분이 없으며, 고 순도 분야를 위해 매우 적합한 전술된 설계를 기재하고 있다.
관의 가요성은 단단한 밀봉을 제공하기 위해서 관 벽이 벽 내의 결점 또는 임의의 트랩핑된 입자 둘레를 따르게 한다. 유동 경로는 직선이며, 압력 강하 및 교류를 최소화한다. 유체는 다른 밸브 부분의 마모 및 부식을 방지하며, 반도체 연마 작업과 같은 고 순도 분야의 경우에서 공정 유체의 오염을 방지하는 유동 관(126)하고만 접촉한다.
도 2는 압력 가중 부재가 유동 관(126)을 둘러싸고 있는 편조 슬리브(230)를 포함하는, 본 발명의 실시예에 따른 핀치 밸브(200)를 도시하고 있다. 몇몇의 실시예에서, 편조 슬리브는 전체 유동 관(126)을 둘러싸고 있다. 도 3은 편조 슬리브(230)의 일 부분(232)이 제거된, 핀치 밸브(201)의 일부분을 개략적으로 도시하고 있다. 도 3에 도시된 실시예에서, 슬리브(230)의 제거된 부분(232)은 밸브 플런저(124)에 인접하여, 밸브 플런저(124)는 압력 가중 슬리브(230)보다는 유동 관(126)과 직접 접촉한다.
일반적으로, 편조 슬리브(230)는 밸브(201)의 작용을 방해하지 않는다. 그러나 편조 슬리브(230)를 위해 이용되는 특정 재료는 밸브 플런저(124)가 재료를 영구적으로 변형시키기에 충분히 긴 슬리브 재료를 밀어낸다면 영구적인 설정이 취해질 수 있다. 슬리브의 이러한 변형된 구성은 제어 문제를 야기할 수 있다. 이러한 형태의 변형은 플런저(124)가 긴 주기를 위해서 유동 관(126) 및 슬리브(230)를 압착하는 일반적으로 폐쇄된 구성을 갖는 밸브로 발생할 수 있다. 도시된 위치에 있어서 슬리브(230)의 일 부분(232)을 제거하는 것은 편조 슬리브(230)의 압력 가중 특성을 유지하면서, 플런저(124)가 유동 관(126)과 직접 접촉하게 한다. 슬리브 재료는 바람직한 개구 형상을 달성하기 위해서, 기계적 절단(가위, 칼 등), (재료의 언라벨링(unraveling)을 방지하기 위해서)열적 절단 등을 이용될 수 있다. 따라서 슬리브는 관(126)을 위한 "홀더(holder)"로서의 역할을 한다. 슬리브(230)는 유동 관(126)을 위한 격납을 제공하여, 핀치 밸브 바디 내에 포함된 유동 관(126) 일 부분의 증가된 압력 등급을 유지시킨다.
도 4는 본 발명의 다른 예시적 실시예에 따른 핀치 밸브(300)를 도시하고 있다. 핀치 밸브(300)에서, 압력 가중 부재는 유동 관(126) 둘레에 위치되는 복수의 링(330)을 포함하고 있다. 특정 실시예에서, 1 mm 폭 폴리프로필렌 링은 액츄에이터(122)의 각각의 측면 상의 유동 관(126) 상에 이격되어 있다.
다른 실시예에서, 압력 가중 부재는 유동 관(126) 둘레에 위치되는 하나 이상의 경질 부재를 포함하고 있다. 예를 들어, 유동 관(126)은 격납을 제공하는 이러한 경질 구조물에 의해 형성되는 보어를 통해 삽입될 수 있다. 이러한 실시예에서, 압력 가중 부재는 유동 관을 둘러싸고 있다. 그러나 전체관은 압력 가중 부재에 의해 수용되는 것이 필수적인 것은 아니다. 관의 반 이상이 둘러싸인다면 소정의 격납은 실행될 것이다.
도 5는 두 개의 부품을 포함하는 경질 부재를 이용하는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 핀치 밸브(400)를 도시하고 있다. 핀치 밸브(400)는 상부 및 하부 부재(431, 432)를 포함하는 "클램쉘(clamshell)" 압력 가중 부재(430)를 포함하고 있다. 도 6은 하부 부재(432)를 도시하고 있으며, 상부 부재(431)는 이와 유사하다. 도 7은 제자리에 압력 가중 부재(430)의 상부 부재(431)만을 갖춘 밸브(400)를 도시하고 있다. 상부 및 하부 부재(431, 432)는 각각 일반적으로, 유동 관(126)의 형상에 대응하는 홈(440)을 형성하여, 상부 및 하부 부재(431, 432)가 유동 관(126) 둘레에 끼워지는 경우에, 홈(440)은 격납을 제공하기 위해서 유동 관(126)을 수용한다.
도시된 실시예에서, 상부 및 하부 부재(431, 432)는 액츄에이터(122)의 하부 부분을 수용하는 개구(442)를 더 형성한다. 상부 및 하부 부재(431, 432)는 압력 가중 부재(430)를 형성하는 임의의 적합한 수단에 의해 서로 유지된다. 클램쉘 압력 가중 부재(430)를 갖춘 핀치 관(126)을 위한 0.25 인치 실리콘 관 재료를 이용하는 일 실시예로 구성된 실험에서, 핀치 관(126)은 압력이 200 psig를 초과할 때까지 파열되지 않는다. 전술된 바와 같이, 두 개-부품 클램쉘 배열은 예시적이며; 경질 압력 가중 부재는 단일 부재, 또는 몇몇의 부재를 포함할 수 있다.
공지된 핀치 밸브의 작용은 일반적으로 바이 스테이블(bi-stable)-온 및 오프로 작용한다. 몇몇의 공지된 핀치 밸브는 멀티-턴 핸들을 갖춘 수동 액츄에이터를 갖지만, 이러한 형태의 밸브는 폐루프 유동 제어에 도움이 되지 않는다. 다른 핀치 밸브는 분배된 재료의 양이 밸브가 온인 시간에 제어되는, 배치 공정의 분배 분야를 위해 이용된다. 이는 연속적인 방식으로 유동률을 역학적으로 제어하게 하지 않는다.
두 개의 상태만을 갖는 밸브는 밸브 액츄에이터에 다양한 전류 또는 전압을 가함으로써 제어될 수 있다. 일 실시예에서, 펄스 폭 변조(PWM)는 밸브를 제어하는데 이용된다. PWM은 밸브의 기계적 응답 주파수를 넘는 주파수에서 구형파 신호를 발생시킴으로써 달성된다. 신호의 듀티 사이클은 장치에 보내지는 적합한 전압 또는 전류를 결정하기 위해 변형된다. 예를 들어, PWM 신호가 0 내지 12 볼트 사이에서 작용한다면, 0% 듀티 사이클은 0 볼트, 50% 듀티 사이클은 6 볼트, 그리고 100 듀티 사이클은 12 볼트이다. 신호가 밸브의 기계적 응답 주파수보다 높은 주파수에서 발생하기 때문에 "평균(averaging)"이 생긴다. 밸브의 위치는 공급되는 평균 전류를 기초로한다. 이러한 결과로 초래된 공급 전압은 신호의 펄스 폭에 비례한다.
신호 주파수가 너무 낮다면, 밸브는 펄스화된 유동 출력을 생성하는, 온 및 오프 신호에 완전히 응답하는 시간을 가질 것이며, 이는 일반적으로 바람직하지 않다. 통상적인 핀치 밸브 액츄에이터는 솔레노이드이며, 솔레노이드를 닫기 위해서 요구되는 전류를 결정하는 예압을 갖춘 스프링 부품을 갖는다. 밸브 스프링에 있어 예압을 조절하는 것은 밸브의 제어 범위를 개선할 수 있다. 다른 실행에서, 솔레노이드 플런저 부품은 스프링이 걸린 플런저로 대체된다. 스프링이 걸린 플런저는 마찰로 인한 비-선형 밸브 응답을 최소화하며, 이용가능한 솔레노이드-가동된 핀치 밸브에 있어 이력 현상 및 부동대를 최소화한다.
PWM-제어되는 솔레노이드에 있어 대안적인 접근은 스테퍼 모터 액츄에이터를 이용하는 것이며, 이는 제어된, 결정적 각도 회전을 웜 기어 형태 배열에 의해 선 형 램 드라이브로 변환시킨다. 스테퍼 제어기는 아날로그 신호 출력에 비례하는 특정 수의 단계를 출력하기 위해서 설계될 수 있다. 백래쉬, 및 밸브 자기이력 현상은 백래쉬를 최소화하는 임의의 수의 적합한 웜 기어 설계에 의해 최소화될 수 있다. 스테퍼 모터는 핀치 관 내의 변화를 야기할 수 있는 온도 및 압력 변동에 일반적으로 내성을 제공한다. 스테퍼 모터는 위치를 제어하기 위한 수단이며, 스테퍼는 핀치 관 내의 변화에 영향을 미치지 않는다. 핀치 밸브를 갖춘, 핀치 관은 시스템의 전체 부분이며 - 전류는 밸브 액츄에이터에 가해지며, 핀치 관에 동력을 가하여, 관을 핀칭시킨다. 관 특성이 온도 또는 압력으로 인해 변형된다면, 관이 닫혀서 솔레노이드에 있어 유동률은 변한다. 게다가, 스테퍼 액츄에이터는 유체 전달 사이클의 시작에서 설정점을 달성하기 위해서 빠른 응답을 제공하도록 마지막 위치에서 유지할 수 있다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 제어 밸브(500)의 사시도가 도 8에 도시되어 있다. 예시적인 밸브(500)는 솔레노이드-가동 핀치 밸브이다. 본원에 기재되며 도시된 다른 밸브를 갖춘, 밸브(500)는 탄성 중합체 유동 관(126)에 인접하게 위치되며 핀치 부재(502)(도 8에 도시되지 않음)를 선택적으로 이동시키기 위해서 액츄에이터(122)에 의해 수용되는 플런저(124)(도 8에 도시되지 않음)를 포함한다. 기준 표면(128)은 탄성 중합체 관(126)이 유동 관(126)을 통한 유체 유동을 제어하기 위해서 핀치 부재와 기준 표면 사이에서 압착될 수 있도록 일반적으로 핀치 부재와 대향하여 위치된다. 유동 관(126)은 도 5 내지 도 7에 도시된 부재와 유사한 상부 및 하부 부재(431, 432)를 포함하는 압력 가중 부재(430) 내에 수용된다. 밸브(500)에서 상부 부재(431)는 밸브 바디(540)와 일체형이다. 기준 표면(128)은 하부 부재(432)에 의해 수용된다. 도 2 내지 도 4와 관련하여 기재되며 도시된 바와 같이 다른 압력 가중 구성이 이용될 수 있지만, 도 8에 도시된 예시적인 밸브(500)는 클램쉘 압력 유지 부재(430)를 이용한다.
도 9는 제어 밸브(500)의 분해도이며, 도 11 및 도 12는 폐쇄 및 개방 위치에 있는 밸브(500)를 각각 도시하고 있는 단면도이다. 액츄에이터(122)는 축선 보어(506)를 형성하는 솔레노이드 요크 및 코일 조립체(504)를 포함한다. 밸브(500)는 플런저(124)의 대향 단부에 위치되는 상부 및 하부 가이드 스프링(510, 511)을 포함한다.
도시된 실시예에서, 핀치 부재(502)는 플런저 연장부(512)를 통해 플런저(124)의 한 단부에 연결된다. 이는 충분한 직경을 갖는 가이드 스프링(510, 511) 모두를 변형 없이 핀치 밸브의 요구되는 이동을 따르게 한다. 가이드 스프링(510, 511)은 반경 방향에서의 높은 강성도 및 축선 방향에서의 낮은 강성도를 갖는 스프링을 형성하기 위해 내부에 형성된 일련의 나선형 슬롯을 갖춘 평면 디스크이다. 하부 가이드 스프링(511)은 솔레노이드 축선과 같은 축을 갖는 밸브 바디(540) 내의 카운터보어 내측에 정합된다. 하부 가이드 스프링(511)의 외측부는 밸브 바디(540)와 스페이서 링(542) 사이에서 클램핑되며, 이는 코일 및 요크 조립체 보어(506)에 의해 수용되는 밸브 스템(544)에 의해 차례로 유지된다. 조정 핀(546)은 조립 중에 핀치 관(126)에 수직인 핀치 부재 바(502)를 유지시킨다. 가이드 스프링은 밸브 스템(544)의 중심에 플런저(124)를 유지시키며, 플런저(124)와 밸브 스템(544) 사이의 슬라이딩 마찰을 제거한다.
도시된 실시예에서, 핀치 부재(502)는 하부 가이드 스프링(511)의 한 측면 상에 위치되며 하부 가이드 스프링(511)의 대향 측면 상에 위치되는 플런저 연장부(512)에 부착된다. 플런저 연장부(512)는 플런저(124)에 의해 수용되어 플런저(124)와 플런저 연장부(512)는 경질의 조립체가 된다. 플런저(124) 및 플런저 연장부(512)는 밸브 스템(544)에 의해 수용되어 플런저 연장부(512)는 밸브 스템(544)의 중심을 통과한다. 밸브 스템(544)은 요크 리테이너(548) 및 스페이서 링(550)을 통해 요크 조립체 보어(506)와 코일로 유지된다. 요크 리테이너(548)는 요크 리테이너(548)와 상부 리테이너(552) 사이에 상부 가이드 스프링(510)을 클램핑하기 위해 평편한 표면도 제공한다.
스프링 리테이너(554) 및 스프링 컵(556)은 상기 가이드 스프링(510)의 한 측면 상에 위치된다. 플런저 연장부(512)의 상부 단부는 상부 가이드 스프링(510)의 대향 측면 상에 위치되며, 상기 가이드 스프링(510)을 플런저 연장부(512)에 고정시키기 위해서 스프링 리테이너(554)에 연결된다. 윤활제 와셔(558)는 조립 중에 트위스팅을 방지하기 위해서 탑 리테이너(552)와 상부 가이드 스프링(510) 사이에 삽입된다. 예압 스프링(560)은 탑 리테이너(552) 내의 보어를 통해 삽입되며 스프링 컵(556) 내에 위치된다. 예압 스프링(560)에 의해 압력이 가해지는 인장력의 양은 조절 나사(562)를 통해 조절된다.
연장되는 플런저(124, 512)의 각각의 단부 상에 위치되는 두 개의 가이드 스프링(510, 511)을 구비한 효과는 밸브 스템(544)의 축선상에서의 이동을 제한하여, 가동 부품들 사이의 임의의 슬라이딩 접촉을 방지한다.
길고, 가느다란 예압 스프링은 일반적으로, 통상적인 핀치 밸브 설계를 갖춘다. 이러한 스프링은 표준 하중 하에서 가끔 버클링할 것이다. 스프링의 이러한 버클링을 방지하기 위해서, 이는 일반적으로 홀 내에 속박된다. 그러나, 스프링은 마찰을 야기하여 홀 상에서 마찰을 일으킬 것이며, 이는 밸브 작동에 있어 바람직하지 않다. 도시된 밸브(500) 내의 예압 스프링(560)은 버클링되지 않으며 홀 내에서 지지될 필요가 없는 상대적으로 짧은 스프링이다. 이는 이러한 부품으로부터의 바람직하지 않은 마찰을 제거한다.
종래 기술 밸브와 관련된 다수의 마찰 원인이 도시된 밸브(500) 내에서 제거되기 때문에, 밸브는 유체 유동으로부터 야기되는 자기-유도 진동의 경향이 있을 수 있다. 솔레노이드 이동의 마찰은 이러한 진동을 감소시킬 수 있다. 예시적인 밸브(500)는 시스템에 마찰을 부가하지 않고 이러한 진동을 멈추게 하는 댐퍼를 포함한다.
도 12 및 도 13은 폐쇄 및 개방 위치 내의 밸브(500)의 상부 부분을 각각 도시하고 있다. 스프링 컵(556)은 탑 리테이너(552) 내에 수용되며 이들 사이에는 작은 틈이 있다(스프링 컵(556)의 직경은 스프링 컵(556)을 수용하는 탑 리테이너(552) 내의 보어의 직경보다 작다). 탑 리테이너(552), 스프링 컵(556) 및 스프링 리테이너(554)는 진동을 감소시키거나 방지하는 댐퍼로서의 기능을 한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 공기는 스프링 컵(556) 위의 공간(570)에 트래핑된다. 밸브 스템(544)이 이동하는 경우에, 스프링 컵(556)은 탑 리테이너(552) 내에서 슬라이딩 한다. 스프링 컵(556)이 도 12에 도시된 위치로부터 도 13에 도시된 위치로부터 위로 향하여, 슬라이딩하는 경우에, 공간(570)의 영역은 감소되어, 트래핑되는 공기는 이러한 작은 틈을 통과해야만 하며, 밸브 스템(544)의 이동에 저항하는 압력 차이를 생성시킨다. 저항력은 밸브 스템(544)이 이동하는 경우에만 존재하며, 이는 상대적으로 천천히 (약 1 ㎐)이동되는 것이 요구되기 때문에, 밸브(500)의 정교한 제어 특성에 영향을 미치지 않는다. 저항력은 이동의 속도와 함께 급격하게 올라가며, (10 ㎐보다 큰)높은 속도에서 효과적인 댐퍼이다.
도 14 및 도 15는 본 명세서에 기재되며 도시된 핀치 밸브(500)와 같은 핀치 밸브를 이용하는 유동 측정 및 제어 장치(110)를 개략적으로 도시하고 있다. 측정 및 제어 장치(110)는 유체 입구 및 출구(102, 103)를 갖는 인클로저(101)를 포함한다. 유동 측정 장치(112)는 인클로저(101) 내에 위치된다. 예시적인 실시예에서, 유동 측정 장치(112)는 코리올리 질량 유량계(Coriolis mass flowmeter)를 포함하고 있다.
고 순도 분야에서, 유량계(112)는 바람직하게, 불필요한 이온(예를 들어, 금속)을 공정 재료에 전달함으로써 야기될 수 있는 공정 유체의 오염을 방지하기 위해서 고-순도 플라스틱 재료로 형성된 유동-관을 갖는다. 적합한 고순도 플라스틱 재료는 PFA, PVDF 및 PTFE를 포함한다. 전술된 바와 같이, 핀치 밸브(500)는 이온을 공정 재료에 전달하는 것을 방지하기 위해서 고 순도 플라스틱 재료로 형성되는 부품을 포함할 수도 있다. 도 14의 도면에서, 밸브(500)는 인클로저(101) 내에 완전히 위치되는 것처럼 도시되어 있다. 몇몇의 실시예에서, 밸브의 일부분, 또는 전체 밸브는 도 2, 도 4 및 도 5에 도시된 실시예와 같이, 인클로저(101)의 외측 표면에 부착된다.
제어기(114)는 유량계(112)로부터 설정점 신호 및 출력 신호를 수용한다. 제어기(114)는 유량계로부터 신호를 조절하여 처리하며, 설정점 및 측정된 유동률과 비교하여 공정 재료의 유동율을 변경하기 위해서 핀치 밸브(500)에 제어 신호를 출력한다. 제어기(114)에 입력된 설정점은 0 내지 5 V, 4 내지 20 mA 신호 또는 디지털 신호와 같은 전자 신호이다. 공압 설정점 접속기가 이용될 수도 있다. 적합한 설정점 발생기는 펜실베니아에 소재하고 있는, 요크의 레드 라이온 컨트롤(Red Lion Controls of York)로부터 입수가능한 모델 P48 공정 제어기이다.
제어기(114)는 부가적인 신호가 제어기(114)에 보내지는 경우에, 일반적으로 밸브 오버라이드(valve override)로서 공지된 특징을 가질 수도 있다. 이 오버라이드 신호는 제어기(114)가 설정점을 무시하게 하여 밸브(500)를 완전히 개방시키거나 폐쇄시킨다. 이러한 특징은 플로우-오프(flow-off)를 막거나 시스템을 퍼징시킨다. 도 14에서, 제어기(114)는 인클로저(101) 내측에 위치되어 도시되어 있으며, 완전히 통합된 유동 제어 시스템을 제공한다. 그러나 다른 실시예에서, 제어기(114)는 인클로저(101) 외부에 있다.
핀치 밸브(500)는 장치(110)를 통해 유동을 조절하며, 라인 압력 내의 변화에 대한 완충을 제공한다. 밸브(500)는 도 14에 도시된 바와 같이 질량 유량계(112)의 상류 부분에, 또는 도 14에 도시된 실시예에서와 같이 하류 부분에 위치될 수 있다. 일반적으로, 측면 상에 밸브(500)를 갖는 것이 바람직하며, 사용 중에 보다 큰 압력 변동을 보일 것이다. 이는 유량계(112)를 압력 변경 및 변동으로부터 피하게 해준다.
전술된 특정 실시예는, 본 발명이 변경될 수도 있으며 달리 실행될 수도 있지만 본 발명의 사상의 이점을 갖는 당업자들에게 명백하게 동일한 방식으로 실행될 수 있기 때문에, 단지 예시적이다. 게다가, 도시된 구성 및 설계의 상세한 설명을 이후의 청구 범위와 다르게 제한하려는 것은 아니다. 전술된 특정 실시예는 변경될 수도 있거나 수정될 수도 있는 것이 명백하며 이러한 모든 변경은 본 발명의 범위 및 사상 내에서 고려된다. 따라서, 본 발명이 추구하는 보호범위는 이후의 청구 범위에 기재된 바와 같다.

Claims (28)

  1. 탄성 중합체 유동 관;
    제 1 단부 및 제 2 단부를 구비한 플런저;
    상기 플런저의 제 1 단부에 연결되며, 상기 탄성 중합체 유동 관에 인접하게 위치된 핀치 부재;
    상기 핀치 부재와 대체로 대향하여 위치되는 기준 표면;
    상기 핀치 부재와 상기 플런저의 제 1 단부 사이에 위치되는 제 1 가이드 스프링; 및
    상기 플런저의 상기 제 2 단부에 인접하게 위치되는 제 2 가이드 스프링을 포함하며,
    상기 탄성 중합체 유동 관은 상기 탄성 중합체 유동 관을 통한 유체 유동을 제어하기 위해서 상기 핀치 부재와 상기 기준 표면 사이에서 압착될 수 있는
    제어 밸브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플런저가 상기 핀치 부재를 상기 기준 표면에 대해 선택적으로 위치시키도록 조절하는 상기 플런저를 수용하는 액츄에이터를 더 포함하는
    제어 밸브.
  3. 청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항에 있어서,
    상기 제어 밸브는 플런저 연장부를 더 포함하며,
    상기 플런저 연장부는 제 1 단부 및 제 2 단부를 구비하며 상기 플런저에 의해 수용되며,
    상기 플런저 연장부의 제 1 단부는 상기 플런저의 제 1 단부로부터 연장하며, 상기 제 1 가이드 스프링의 제 1 측면에 접하고 있는
    제어 밸브.
  4. 청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 3 항에 있어서,
    상기 핀치 부재는 상기 플런저 연장부의 제 1 단부에 부착되며, 상기 제 1 측면에 대향하는 상기 제 1 가이드 스프링의 제 2 측면에 인접하게 위치되는
    제어 밸브.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 밸브는 플런저 연장부를 더 포함하며,
    상기 플런저 연장부는 제 1 단부 및 제 2 단부를 구비하며 상기 플런저에 의해 수용되며,
    상기 플런저 연장부의 제 2 단부는 상기 플런저의 제 2 단부로부터 연장하며, 상기 제 2 가이드 스프링의 제 1 측면에 접하고 있는
    제어 밸브.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 플런저의 제 2 단부에는 댐퍼가 연결되는
    제어 밸브.
  7. 청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 6 항에 있어서,
    상기 댐퍼는 내부에 개구가 형성된 제 1 부재 및 상기 개구 내에 슬라이딩 가능하게 수용되는 제 2 부재를 포함하며, 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재 사이에는 틈이 있어 공기 통로를 생성시키는
    제어 밸브.
  8. 청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 6 항에 있어서,
    상기 댐퍼는 상기 제 2 가이드 스프링의 제 1 측면에 대향하는 상기 제 2 가이드 스프링의 제 2 측면에 인접하게 위치되는
    제어 밸브.
  9. 제 5 항에 있어서,
    관통하는 개구가 형성되어 있는 스프링 컵;
    상기 스프링 컵의 상기 개구의 단부에 인접한 제 1 측면 및 제 2 측면을 구비하며 상기 제 2 가이드 스프링의 제 1 측면에 대향하는 상기 제 2 가이드 스프링의 제 2측면에 접하고 있는 스프링 리테이너; 및
    상기 스프링 컵의 개구에 의해 수용되며 상기 스프링 리테이너 내에 위치되는 예압 스프링을 더 포함하는
    제어 밸브.
  10. 청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 9 항에 있어서,
    상기 스프링 컵은 상기 플런저 연장부의 제 2 단부에 부착되는
    제어 밸브.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 가이드 스프링은 관통하여 나선형 슬롯이 형성되어 있는 평면 디스크를 포함하는
    제어 밸브.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 가이드 스프링은 관통하여 나선형 슬롯이 형성되어 있는 평면 디스크를 포함하는
    제어 밸브.
  13. 청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 2 항에 있어서,
    상기 액츄에이터는 상기 플런저를 수용하는 밸브 스템을 포함하는
    제어 밸브.
  14. 청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 가이드 스프링은 상기 액츄에이터의 제 1 단부와 상기 밸브 스템의 제 1 단부 사이에서 클램핑되는
    제어 밸브.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성 중합체 유동 관의 적어도 일부의 둘레에 위치되는 압력 가중 부재를 더 포함하는
    제어 밸브.
  16. 청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 15 항에 있어서,
    상기 압력 가중 부재는 편조 슬리브(braided sleeve)를 포함하는
    제어 밸브.
  17. 청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 15 항에 있어서,
    상기 압력 가중 부재는 복수의 링을 포함하는
    제어 밸브.
  18. 청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 15 항에 있어서,
    상기 압력 가중 부재는 상기 탄성 중합체 유동 관의 적어도 일부를 수용하는 경질 부재를 포함하는
    제어 밸브.
  19. 청구항 19은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 18 항에 있어서,
    상기 경질 부재는 상기 탄성 중합체 유동 관 둘레에 끼워지는 제 1 부재 및 제 2 부재를 포함하는
    제어 밸브.
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 인클로저;
    상기 인클로저 내에 위치되는 유동 측정 장치;
    상기 유동 측정 장치와 유체 연통되는 탄성 중합체 유동 관;
    제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 플런저;
    상기 플런저의 제 1 단부에 연결되며, 상기 유동 관에 인접하게 위치되는 핀치 부재;
    상기 핀치 부재와 대체로 대향하여 위치되는 기준 표면;
    상기 핀치 부재와 상기 플런저의 제 1 단부 사이에 위치되는 제 1 가이드 스프링; 및
    상기 플런저의 제 2 단부에 인접하게 위치되는 제 2 가이드 스프링을 포함하며,
    상기 탄성 중합체 유동 관이 상기 탄성 중합체 유동 관을 통한 유체 유동을 제어하도록 상기 핀치 부재와 상기 기준 표면 사이에서 압착될 수 있는
    유동 측정 및 제어 장치.
  24. 청구항 24은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 23 항에 있어서,
    상기 유동 측정 장치는 코리올리 질량 유량계인
    유동 측정 및 제어 장치.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 플런저가 상기 핀치 부재를 상기 기준 표면에 대해 선택적으로 위치시키도록 조절하는 상기 플런저를 수용하는 액츄에이터; 및
    상기 유동 측정 장치로부터 측정 출력 신호를 수용하며, 설정점 신호 및 상기 측정 출력 신호에 응답하여 상기 핀치 밸브 액츄에이터에 제어 출력 신호를 제공하는 제어기를 더 포함하는
    유동 측정 및 제어 장치.
  26. 청구항 26은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 23 항에 있어서,
    상기 탄성 중합체 유동 관, 상기 플런저, 상기 핀치 부재, 상기 기준 표면, 및 상기 제 1 가이드 스프링 및 상기 제 2 가이드 스프링이 상기 인클로저 내에 위치되는
    유동 측정 및 제어 장치.
  27. 청구항 27은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 23 항에 있어서,
    상기 플런저의 제 2 단부에 연결되는 댐퍼를 더 포함하는
    유동 측정 및 제어 장치.
  28. 청구항 28은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 23 항에 있어서,
    상기 유동 관의 적어도 일부의 둘레에 위치되는 압력 가중 부재를 더 포함하는
    유동 측정 및 제어 장치.
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