KR100963937B1

KR100963937B1 - 유량 제어 밸브

Info

Publication number: KR100963937B1
Application number: KR1020087001264A
Authority: KR
Inventors: 아키히로 이토; 나오츠구 세코; 요시히로 마츠오카; 마나미 니와
Original assignee: 씨케이디 가부시키 가이샤
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2006-06-20
Publication date: 2010-06-17
Also published as: EP1898136A1; WO2006137404A1; EP1898136B1; US20090045366A1; DE602006011744D1; EP1898136A4; JPWO2006137404A1; US7748684B2; KR20080024204A; JP4971153B2

Abstract

본 발명은, 고정 철심과 가동 철심을 밀착시키지 않도록 함과 동시에 흡인력을 증대시키는 것에 의해 정확도 좋게 유량 제어를 행할 수 있는 유량 제어 밸브를 제공하기 위해 이루어진 것이며, 유량 제어 밸브(10)에 있어서, 코일 보빈(21) 상부에 제1 고정 철심(23a)을 고정하고, 코일 보빈(21) 하부에 제2 고정 철심(23b)을 고정하며, 가동 철심(24)의 하단부에 코일 보빈(21)의 내경보다도 큰 지름을 가지는 플랜지부(24a)를 형성함과 동시에, 제1 고정 철심(23a)과 가동 철심(24)과의 간격(D 1)이 플랜지부(24a)와 플레어 파이프(28)의 원반부(28b)와의 간격(D 2)보다도 크게 하도록, 플레어 파이프(28)의 원주부(28a) 안에 가동 철심(24)을 배치하였다.

고정 철심, 가동 철심, 코일 보빈, 플랜지부, 플레어 파이프

Description

유량 제어 밸브{FLOW CONTROL VALVE}

본 발명은 유량을 제어하기 위한 유량 제어 밸브에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 유량을 비례 제어하는 것이 가능한 유량 제어 밸브에 관한 것이다.

종래부터 유량을 제어하기 위하여 전자 밸브가 널리 사용되고 있다. 이와 같은 전자 밸브에서는, 고정 철심의 흡인력과 스프링의 복원력과의 균형에 의해 밸브체의 스트로크(stroke)를 제어하고 있다. 이런 종류의 유량 제어 밸브의 1개로서, 예를 들면 도 27에 도시된 것과 같은 것을 들 수 있다(특허문헌 1).

이 유량 제어 밸브(210)에서는, 바디(232)에 있어서, 입구 유로(234)와 출구 유로(235)가 형성되어 있고, 또한, 입구 유로(234)와 출구 유로(235)를 연통시키는 밸브실(233)이 형성되어 있다. 게다가, 밸브실(233)에 있어서, 출구 유로(235)의 단부인 부분에 밸브좌(236)가 형성되어 있다.

또한, 바디(232) 상방에는, 고정 철심(223)을 자기화하기 위한 코일(222)이 설치되어 있다. 코일(222)의 상부에 고정 철심(223)이 배설됨과 동시에, 코일(222)에는, 가동 철심(224)이 미끄러질 수 있게 삽입되어 있다. 그리고 가동 철심(224)의 단면에는, 밸브체(231)가 설치됨과 동시에, 스프링(225)이 설치되어 있다. 이 스프링(225)은, 가동 철심(224)을 하방으로 가세하고 있다.

그리고 유량 제어 밸브(210)에 있어서, 입구 유로(234)로 유체가 흐른 경우에, 유체를 입구 유로(234)에서 출구 유로(235)로 유출시키고 싶을 때에는, 코일(222)에 전기를 통하여, 고정 철심(223)을 자기화한다. 그러면, 자기화된 고정 철심(223)은, 스프링(225)의 가세력에 대항하여, 가동 철심(224)을 흡인이동시키기 때문에, 밸브체(231)가 밸브좌(236)에서 떨어진다. 이에 의해, 입구 유로(234)로 유입된 유체를, 밸브실(233)을 통하여, 출구 유로(235)에서 유출시키는 것이 가능하게 된다.

이때, 코일(222)에 흐르는 전류를 변화시키면, 고정 철심(223)의 흡인력이 변하여, 가동 철심(224)의 스트로크 양이 변화하고, 밸브좌(236)와 밸브체(231)과의 간격이 변한다. 이에 의해, 밸브 개도를 조정할 수 있기 때문에, 출구 유로(235)에서 유출되는 유체의 유량을 제어할 수 있게 된다.

그러나 상술한 유량 제어 밸브(210)에서는, 가동 철심(224)의 선형 스트로크 영역(코일에의 인가 전압과 가동 철심의 스트로크 량의 비례 영역)이 작기 때문에, 정확도가 양호하게 유량을 제어하는 것은 부적합하였다.

거기서, 도 28에 도시한 것처럼, 가동 철심의 선형 스트로크 영역(비례 영역)을 크게 하기 위해서, 고정 철심과 가동 철심의 대향 부분을 테이퍼 형상으로 형성한 것이 실용화되고 있다(특허문헌 2).

특허문헌 1: 일본 공개 실용신안 소63-180782호 공보

특허문헌 2: 일본 공개 특허 평7-19363호 공보

발명이 해결하고자 하는 과제

그러나 종래의 유량 제어 밸브에서는, 밸브 전개(全開) 상태에 있어서, 가동 철심이 고정 철심에 밀착하는 문제점이 있었다. 이와 같이 밸브 전개시에 가동 철심이 고정 철심에 밀착하면, 전개시에서 밸브 폐쇄 방향으로 밸브 개도를 제어할 때, 코일에 흐르는 전류가 소정 값이 될 때까지는 가동 철심이 고정 철심에서 떨어지지 않는다. 그리고 코일에 흐르는 전류가 소정 값이 됨과 동시에 가동 철심이 고정 철심에서 떨어지면, 가동 철심은 단번에 소정의 스트로크 위치까지 이동해 버린다. 결국, 코일에 흐르는 전류가 소정 값이 될 때까지는 비례 제어가 불가능하게 되기 때문에 비례 특성이 상당히 악화하고, 정확도가 양호하게 유량을 제어하는 것은 불가능하게 되었다(도 3의 파선 참조).

또한, 고정 철심과 가동 철심의 대향 부분을 테이퍼 형상으로 하면, 밸브 개방 동작에 필요한 고정 철심의 가동 철심에 대한 흡인력이 작아지는 문제점이 있었다(도 2의 일점 쇄선 참조). 이와 같이, 고정 철심의 가동 철심에 대한 흡인력이 작아지게 되면, 스프링에 의한 가동 철심의 가세력을 작게 하지 않으면, 가동 철심을 흡인하는 것이 불가능하게 된다. 이 때문에, 고정 철심의 가동 철심에 대한 흡인력이 작아지면, 필연적으로 스프링에 의한 가동 철심의 가세력이 작아져서, 밸브 폐쇄시의 실(seal) 성능이 저하되는 유량 제어에 악영향을 준다.

여기서, 흡인력을 상승시키기 위해서는, 코일에 흐르는 전류를 크게 하면 좋지만, 코일에 흐르는 전류를 크게 하면 코일의 발열량이 켜지는 문제점이 발생한다. 또한, 코일의 용량을 크게 하면 코일의 발열의 문제는 해소되지만, 코일이 대형화되는 문제가 발생한다.

거기서, 본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이고, 고정 철심과 가동 철심을 밀착시키지 않도록 함과 동시에 흡인력을 증대시키는 것에 의해 정확도가 양호하게 유량을 제어할 수 있는 유량 제어 밸브를 제공하는 것을 과제로 한다.

과제를 해결하기 위한 수단

상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 본 발명에 관한 유량 제어 밸브는, 입구 유로와, 출구 유로와, 상기 입구 유로와 상기 출구 유로를 연통시키는 밸브실과, 상기 밸브실과 상기 출구 유로와의 연통부에 형성된 밸브좌를 구비하는 밸브 바디와, 중공의 코일 보빈(bobbin)에 감긴 와이어(wire)를 포함하는 코일과, 상기 코일 보빈 상부에 고정된 제1 고정 철심과, 상기 코일 보빈 하부에 고정된 제2 고정 철심과, 상기 제1 고정 철심에 고정된 원주부와, 그 원주부의 하단 외주에 형성되고 일부분이 상기 제2 고정 철심과 상기 밸브 바디 사이에 끼워진 원반부를 구비하는 비자성체의 플레어 파이프(flared pipe)와, 상기 플레어 파이프의 원주부 내에 미끄러질 수 있게 설치됨과 동시에, 그 하단부에 밸브체가 설치된 가동 철심과, 상기 가동 철심을 상기 제1 고정 철심에서 떨어지는 방향에서 항상 가세하여 상기 밸브체를 상기 밸브좌에 접하게 하는 스프링을 가지며, 상기 가동 철심의 하단부에, 상기 코일 보빈의 내경보다도 큰 지름을 가지는 플랜지부(flange part)를 형성하고 상기 밸브실 내에 수용함과 동시에, 상기 밸브체가 상기 밸브좌에 접한 상태에서, 상기 제1 고정 철심과 상기 가동 철심과의 간격을, 상기 플랜지부와 상기 플레어 파이프의 원반부와의 간격보다도 크게 하는 것을 특징으로 한 것이다.

이 유량 제어 밸브에서는, 통상시(코일에 전류가 흐르지 않는 상태), 스프링에 의해 가동 철심이 제1 고정 철심에서 떨어지는 방향으로 가세되어 있기 때문에, 밸브체가 밸브좌에 접하여 밸브 폐쇄 상태로 되어 있다. 그리고 코일에 전류가 흐르면, 가동 철심이 제1 고정 철심 및 제2 고정 철심에 의해 흡인되어, 밸브체가 밸브좌에서 떨어져서 밸브 개방 상태가 된다. 이때, 코일에 흐르는 전류를 변화시키는 것에 의해, 제1 고정 철심 및 제2 고정 철심의 흡인력이 변하고, 가동 철심의 슬라이드 양이 변화하기 때문에, 밸브좌와 밸브체의 간격(밸브 개도)을 변하는 것이 가능하다. 이것에 의해, 출구 유로에서 유출되는 유체의 유량을 제어할 수 있다.

여기서, 본 발명의 유량 제어 밸브에서는, 가동 철심의 하단부에, 코일 보빈의 내경보다 큰 지름을 가지는 플랜지부를 형성하여 밸브실 내에 수용함과 동시에, 밸브체가 밸브좌에 접한 상태에서, 제1 고정 철심과 가동 철심과의 간격을, 플랜지부와 플레어 파이프의 원반부와의 간격보다도 크게 하고 있기 때문에, 밸브 전개시에는, 가동 철심이 제1 고정 철심에 접촉하기 전에 가동 철심은 플레어 파이프의 원반부에 접한다. 이 때문에, 가동 철심이 제1 고정 철심에 밀착하지 않는다. 또한, 제2 고정 철심과 가동 철심의 사이에는 비자성체의 플레어 파이프의 원반부가 개재하기 때문에, 제2 고정 철심과 가동 철심이 밀착하지 않는다. 이와 같이, 본 발명의 유량 제어 밸브에서는, 가동 철심이 고정 철심에 밀착하지 않기 때문에, 비례 특성이 악화하지 않는다. 따라서, 정확도가 양호하게 유량을 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 유량 제어 밸브에서는, 가동 철심의 하단부에 플랜지부를 형성하고 있기 때문에, 제2 고정 철심과 가동 철심과의 간극에 있어서 자속이 통하는 면적을 크게 할 수 있다. 이 때문에, 코일에 동일한 전류를 흐르게 한 경우, 자기 특성이 향상되기 때문에 흡인력을 증가시킬 수 있다.

본 발명에 관한 유량 제어 밸브에 있어서, 상기 가동 철심과 상기 고정 철심과의 대향 부분이 테이퍼 형상으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이렇게 하는 것에 의해, 가동 철심의 선형 스트로크 영역(비례 영역)을 크게 할 수 있기 때문이다. 그리고 본 발명의 유량 제어 밸브에서는, 가동 철심과 고정 철심과의 대향 부분이 테이퍼 형상으로 형성되어 있는 종래품에 비하여 흡인력이 증가하기 때문에, 더욱 정확도가 양호하게 유량을 제어할 수 있다.

또한, 본 발명에 관한 유량 제어 밸브에 있어서는, 상기 스프링의 상기 가동 철심에 대한 가세력을 조정하는 조정 기구를 가지는 것이 바람직하다.

이렇게 하는 것에 의해, 밸브 조립시에 스프링의 세트 하중(set load)을 조정할 수 있기 때문에, 스프링의 세트 하중이 일정하게 된다. 그 결과, 유량 제어 밸브의 제어성이 향상되기 때문에, 더욱 정확도가 양호하게 유량을 제어할 수 있다.

또한, 본 발명에 관한 유량 제어 밸브에 있어서, 상기 플레어 파이프와 상기 가동 철심과의 사이에 수지 부재를 개입시키고 있는 것이 바람직하다. 그리고 상기 수지 부재는 불소 수지 등에 의해 형성되면 좋다. 또한, 수지로서는, 예를 들면, 플루오르화 에틸렌 프로필렌(fluorinated ethylene propylene), 폴리아미드(polyamide) 또는 폴리프로필렌(polypropylene) 등을 사용할 수 있다.

이와 같은 수재 부재를 설치하는 것에 의해, 가동 철심의 미끄러짐 저항이 감소하기 때문에 가동 철심을 부드럽게 이동시킬 수 있다. 따라서, 유량 제어 밸브의 비례 특성이 향상하기 때문에, 안정하게 정확도가 양호하게 유량을 제어할 수 있다.

그리고 상기 수지 부재의 길이는, 상기 가동 철심 중 상기 플레어 파이프 안으로 미끄러지는 부분의 길이의 절반 이상으로 설정되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 가동 철심 중 상기 플레어 파이프 안으로 미끄러지는 부분이란, 가동 철심에 있어서 플랜지부를 제외한 부분에 상당하다.

수지 부재의 길이를 가동 철심 중 플레어 파이프 안으로 미끄러지는 부분의 길이의 절반보다 짧게 하면, 수지 부재가 개입되어 있지 않은 부분이 켜져서 가동 철심이 미소하지만 경사져서 이동하는 경우가 있기 때문이다. 그리고 가동 철심이 미소하게 경사져서 이동하면, 가동 철심이 부드럽게 이동하지 않고, 유량 제어 밸브의 제어성이 악화하기 때문이다(도 21 참조).

그리고 바람직하게는, 수지 부재의 길이는 상기 가동 철심 중 상기 플레어 파이프 안으로 미끄러지는 부분의 길이의 3/4 이상으로 설정되어 있는 것이 좋다. 이와 같이 수지 부재의 길이를 가동 철심 중 플레어 파이프 안으로 미끄러지는 부분의 길이의 3/4 이상으로 설정하면, 가동 철심을 부드럽게 이동시킬 수 있기 때문에, 유량 제어 밸브의 이력(履歷) 현상(hysteresis)을 작게 함과 동시에, 응답성 및 제어성을 향상시키는 것이 가능하기 때문이다(도 21, 도 22 참조).

여기서, 상기 수지 부재는, 상기 밸브체의 전개 상태에서, 상기 가동 철심의 상기 제1 고정 철심 측 외주 단부에 접촉하도록 배치되어 있는 것이 바람직하다.

즉, 수지 부재를 가동 철심에 설치한 경우라면, 수지 부재의 한 단부를 가동 철심의 제1 고정 철심 측 외주 단부에 나란히 배치하고, 수지 부재를 플레어 파이프 안쪽으로 설치한 경우라면, 수지 부재의 일단이 밸브 전개시의 가동 철심의 제1 고정 철심 측 외주 단부보다도 제1 고정 철심 쪽으로 위치하도록 배치하면 좋다.

이와 같이 수지 부재를 배치하는 것에 의해, 수지 부재가 같은 길이라면, 가동 철심이 미소하지만 경사져서 이동하는 것을 방지할 수 있고, 가동 철심을 더 부드럽게 이동시킬 수 있기 때문이다(도 23 참조). 그 결과, 유량 제어 밸브의 제어성을 더욱 향상시킬 수 있고, 더 안정하게 정확도 좋게 유량을 제어할 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 본 발명에 관한 유량 컨트롤러는 상술한 어느 하나의 유량 제어 밸브와, 유량을 측정하는 유량 센서와, 상기 유량 센서로 측정된 측정값이 목표 값이 되도록, 상기 유량 센서의 출력에 기초하여 상기 유량 제어 밸브의 개도를 제어하는 제어 수단을 가지는 것을 특징으로 한다.

이 유량 컨트롤러에서는, 제어 수단에 따라, 유량 센서에서 측정되는 측정값이 목표 값이 되도록 유량 센서의 출력에 기초하여 유량 제어 밸브의 개도가 제어되는 것에 의해 유량이 조정된다. 그리고 이 유량 컨트롤러에서는 상술한 어느 하나의 유량 제어 밸브에 의해 유량이 조정되기 때문에, 높은 정확도로 유량 제어를 할 수 있다.

본 발명에 관한 유량 컨트롤러에 있어서, 상기 유량 센서는, 유량을 계측하기 위한 열선이 가설된 센서 유로와, 상기 센서 유로에 대한 바이패스(bypass) 유로와, 개구를 가지는 박판을 적층하여, 그 내부에서 유체를 상기 센서 유로와 상기 바이패스 유로로 분기시키는 적층체를 가지는 것이 바람직하다.

이것에 의해, 유량 컨트롤러에 설치된 유량 센서에서는, 유체가 적층체에서 센서 유로와 바이패스 유로로 분기 된다. 그리고 센서 유로에 흘러들어온 유체에 의해 생기는 센서 유로에 가설된 열선의 저항 변화를 검지하는(열선을 이용한 계측 원리를 이용하는) 것에 의해, 센서 유로를 흐르는 유체의 유량, 더 나아가서는, 유량 센서 바디의 내부를 흐르는 유체의 유량을 측정할 수 있다. 그리고 적층체를 구성하는 박판에 예를 들면 메쉬(mesh) 등을 사용하는 것으로 적층체에 정류(整流) 기구를 줄 수 있다. 그 결과, 센서 유로로 흘러들어온 피 측정 유체의 흐름을 조정하는 것이 가능하기 때문에 측정 출력을 안정화시킬 수 있다.

그리고 본 발명의 유량 컨트롤러에서는, 이와 같은 유량 센서에 의해 유량이 측정되어 상술한 어느 하나의 유량 제어 밸브에 의해 유량을 조정한다. 이 때문에, 상당히 높은 정확도로 유량을 제어할 수 있다.

여기서, 본 발명의 유량 컨트롤러에서는 상기 제어 수단은 PWM 제어에 의해 상기 유량 제어 밸브의 개도를 제어하는 것이 바람직하다.

PWM 제어에서는 항상 ON/OFF가 반복되기 때문에, 밸브 개도가 일정할 때, 가동 철심을 미소하게 진동시킬 수 있다. 이것에 의해, 가동 철심을 항상 동적 마찰 상태(dynamic friction state)로 하는 것이 가능하기 때문에, 가동 철심의 미소한 스트로크 양의 변동에 대하여 추종성(followability)을 양호하게 할 수 있다. 그 결과로서, 유량 제어 밸브의 이력 현상을 작게 할 수 있다.

그리고 상기 PWM 제어의 반송 주파수를 200Hz 보다 크게 설정하면 좋다. 반송 주파수를 200Hz보다 작게 설정하면, 유량 제어 밸브의 제어성 및 응답성이 크게 악화하기 때문이다(도 25, 도 26 참조). 또한, 반송 주파수의 상한은, 제어 수단의 성능에 따라 다르기 때문에, 제어 수단의 성능에 따라서 설정하면 좋다.

더욱 바람직하게는, PWM 제어의 반송 주파수를 500~1000Hz로 설정하는 것이 좋다. 이 범위에서 반송 주파수를 설정하는 것에 의해, 응답성을 향상시킴과 동시에 오버수트(overshoot)를 억제할 수 있고, 유량 제어 밸브의 제어성을 상당히 안정시킬 수 있기 때문이다(도 26 참조).

발명의 효과

본 발명에 관한 유량 제어 밸브에 의하면, 고정 철심과 가동 철심을 밀착시키지 않도록 함과 동시에 흡인력을 증대시키는 것에 의해 정확도 좋게 유량을 제어할 수 있다. 또한, 본 발명에 관한 유량 컨트롤러에 의하면, 본 발명에 관한 유량 제어 밸브를 이용하고 있기 때문에, 높은 정확도로 유량을 제어할 수 있다.

도 1은 실시의 형태에 관한 유량 제어 밸브의 개략 구성을 도시한 단면도이다.

도 2는 코일에 흐르는 전류와 유량과의 관계를 나타낸 도면이다.

도 3은 가동 철심의 스트로크 량과 고정 철심의 흡인력과의 관계를 나타낸 도면이다.

도 4는 실시의 형태에 관한 유량 컨트롤러의 개략 구성을 나타낸 단면도이다.

도 5는 도 4의 유량 컨트롤러의 제어계의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 6은 도 4의 유량 컨트롤러에 설치된 유량 센서의 개략 구성을 나타낸 단면도이다.

도 7은 도 6의 유량 센서에 구비된 적층 필터의 분해 사시도이다.

도 8은 정전류 제어 회로의 회로도이다.

도 9는 본 실시의 형태에 관한 유량 제어 밸브에 대한 통전 제어(energization control)를 행하는 PWM 제어 회로의 회로도이다.

도 10은 와이어 본딩(wire bonding)의 금 와이어의 텐션 컨트롤(tension control)에 본 실시의 형태에 관한 유량 컨트롤러를 사용한 용도예를 나타낸 도면이다.

도 11은 이온화 장치(ionizer)의 질소 가스의 유량을 조정하는데 본 실시의 형태에 관한 유량 컨트롤러를 사용한 용도예를 나타낸 도면이다.

도 12는 유리의 부상 반송 장치에 본 실시의 형태에 관한 유량 컨트롤러를 사용한 용도예를 나타낸 도면이다.

도 13은 식품 포장에 본 실시의 형태에 관한 유량 컨트롤러를 사용한 용도예를 나타낸 도면이다.

도 14는 질소 가스의 퍼지 량의 조정에 본 실시의 형태에 관한 유량 컨트롤러를 사용한 용도예를 나타낸 도면이다.

도 15는 용접용 아르곤 가스의 유량 관리에 본 실시의 형태에 관한 유량 컨트롤러를 사용한 용도예를 나타낸 도면이다.

도 16은 버너의 화력 제어의 유량 관리에 본 실시의 형태에 관한 유량 컨트롤러를 사용한 용도예를 나타낸 도면이다.

도 17은 코일에 흐르는 전류와 유량과의 관계를 나타낸 도면이다.

도 18은 제어시간과 센서 출력과의 관계를 나타낸 도면이다.

도 19는 개량된 유량 제어 밸브의 개략 구성을 나타낸 단면도이다.

도 20은 개량된 유량 제어 밸브를 설치한 유량 컨트롤러의 개략 구성을 나타낸 단면도이다.

도 21은 수지 튜브의 길이를 변경한 경우의 코일에 흐르는 전류와 유량과의 관계를 나타낸 도면이다.

도 22는 수지 튜브의 길이를 변경한 경우의 제어 시간과 센서 출력과의 관계를 나타낸 도면이다.

도 23은 수지 튜브의 설치 위치를 변경한 경우의 코일에 흐르는 전류와 유량과의 관계를 나타낸 도면이다.

도 24는 수지 튜브의 설치 위치를 변경한 경우의 제어 시간과 센서 출력과의 관계를 나타낸 도면이다.

도 25는 정전류 제어에서 PWM 제어로 변경한 경우의 코일에 흐르는 전류와 유량과의 관계를 나타낸 도면이다.

도 26은 PWM 제어의 반송 주파수를 변경한 경우의 제어 시간과 센서 출력과의 관계를 나타낸 도면이다.

도 27은 종래의 유량 제어 밸브를 나타낸 단면도이다.

도 28은 종래의 다른 유량 제어 밸브를 나타낸 단면도이다.

부호의 설명

10, 10a 유량 제어 밸브 21 코일 보빈

22 코일 23a 제1 고정 철심

23b 제2 고정 철심 24 가동 철심

24a 플랜지부 25 스프링

27 조정 나사 28 플레어 파이프

28a 원주부 28b 원반부

29 수지 튜브 31 밸브체

32 밸브바디 33 밸브실

34 입구 유로 35 출구 유로

36 밸브좌 100, 100a 유량 컨트롤러

이하, 본 발명의 유량 제어 밸브를 구체화한 가장 바람직한 실시의 형태에 관하여 도면에 기초하여 상세히 설명한다. 여기서, 먼저, 본 실시의 형태에 관한 유량 제어 밸브의 개략 구성을 도 1에 도시한다. 도 1은 유량 제어 밸브의 개략 구성을 도시한 단면도이다.

이 유량 제어 밸브(10)는, 도 1에 도시한 것처럼, 크게 나눠서 구동부(20)와 밸브부(30)를 구비하고 있다. 구동부(20)에서는, 원주 형상의 코일 보빈(21)에 도전성의 와이어가 감겨서 구성된 코일(22)이 설치되어 있다. 코일 보빈(21)의 상단 개구부에는, 중공 형상의 제1 고정 철심(23a)이 장착되며, 그 제1 고정 철심(23a)의 하방에 가동 철심(24)이 코일 보빈(21)의 하단 개구부에서 삽입되어 있다. 또한, 코일 보빈(21)의 하부에는 제2 고정 철심(23b)이 배설되어 있다. 그리고 제1 고정 철심(23a)과 가동 철심(24)과의 대향 부분이 테이퍼 형상(위로 볼록한 형상)으로 형성되어 있다.

코일 보빈(21)과 가동 철심(24)과의 사이에는, 비자성체의 플레어 파이프(28)가 배치되어 있다. 이 플레어 파이프(28)는, 원주부(28a)와 원주부(28a)의 하단 외주에 형성된 원반부(28b)를 구비하고 있다. 그리고 원주부(28a)의 상부가 제1 고정 철심(23a)에 용접되고, 원반부(28b)의 일부가 제2 고정 철심(23b)과 밸브 바디(32)에 끼워져 있다.

제1 고정 철심(23a) 내에는, 가동 철심(24)을 항상 도면 가운데 아래로 가세하기 위한 스프링(25) 및 스프링 리테이너(spring retainer; 26)가 배설되어 있다. 그리고 스프링 리테이너(26)의 상부에 조정 나사(27)가 설치되어 있다. 이것에 의해, 조정 나사(27)를 조작하는 것에 의해, 스프링 리테이너(26)의 위치를 조정하여 스프링(25)에 의한 가동 철심(24)의 가세력을 조정할 수 있도록 되어 있다. 따라 서, 밸브 조립시에 스프링(25)의 세트 부하를 항상 일정하게 할 수 있다.

또한, 가동 철심(24)의 하방 단에는, 코일 보빈(21)의 내경보다 큰 지름을 가지는 플랜지부(24a)가 형성되어 있다. 이것에 의해, 제2 고정 철심(23b)과 가동 철심(24)의 간극 사이에 있어서 자속이 통하는 면적을 크게 할 수 있다. 이 때문에, 제1 고정 철심(23a)과 가동 철심(24)과의 대향 부분을 테이퍼 형상으로 형성하고 있지만, 고정 철심(23a, 23b)에 의한 가동 철심(24)의 흡인력의 저하가 억제되도록 되어 있다.

한편, 밸브부(30)에는, 가동 철심(24)의 플랜지부(24a) 내에 설치된 밸브체(31)와 밸브 바디(32)가 구비되어 있다. 밸브 바디(32)에는, 밸브체(31)를 구비한 플랜지부(24a)가 배치되는 밸브실(33)이 형성되어 있다. 또한, 밸브 바디(32)에는, 입구 유로(34)와, 출구 유로(35)가 형성되어 있다. 이들 입구 유로(34)와 출구 유로(35)는, 밸브실(33)을 통해 연통되어 있다. 그리고 밸브실(33)과 출구 유로(35)의 연통부에 밸브좌(36)가 형성되어 있다.

여기서, 밸브체(31)가 밸브좌(36)에 접한 상태에 있어서, 제1 고정 철심(23a)과 가동 철심(24)과의 간격(D1)이, 플랜지부(24a)와 플레어 파이프(28)의 원반부(28b)와의 간격(D2)보다도 크게 되도록, 가동 철심(24)이 배치되어 있다. 이것에 의해, 밸브 전개시에, 가동 철심(24)이 제1 고정 철심(23a)에 밀착되지 않도록 되어 있다. 왜냐하면, 가동 철심(24)은, 제1 고정 철심(23a)에 접촉하기 전에 플랜지부(24a)의 상면이 플레어 파이프(28)의 원반부(28b)에 접하기 때문이다. 또한, 플랜지부(24a)의 상면이 플레어 파이프(28)의 원반부(28b)에 접하기 때문에, 가동 철심(24)이 제2 고정 철심(23b)에 밀착하지 않는다.

상술한 유량 제어 밸브(10)는, 통상시(코일(22)에 전류가 통하지 않은 상태)에는, 스프링(25)에 의해 가동 철심(24)이 하방으로 가세되어 있기 때문에, 가동 철심(24)의 하단에 배설되어 있는 밸브체(31)가 밸브좌(36)에 접해 있다. 이 때문에, 입구 유로(34)와 출구 유로(35)가 차단되어 있고 밸브 폐쇄 상태로 된다.

그리고 코일(22)에 전류가 통하면, 고정 철심(23a, 23b)이, 스프링(25)의 가세력에 대항하여, 가동 철심(24)을 도면 가운데 상방으로 흡인하여 유지한다. 이것에 의해, 밸브체(31)가 밸브좌(36)에서 떨어지고, 입구 유로(34)와 출구 유로(35)가 연통되어 밸브 개방 상태로 된다. 이때, 코일(22)에 흐르는 전류를 변화시키면, 고정 철심(23a, 23b)의 흡인력이 변한다. 코일(22)에 흐르는 전류를 증가시키면 흡인력이 증가하고, 코일(22)에 흐르는 전류를 감소시키면 흡인력이 감소한다. 그리고 이와 같이 흡인력을 변화시키는 것에 의해, 가동 철심(24)의 스트로크 양을 변화시키고, 밸브체(31)와 밸브좌(26)의 간격(즉 밸브 개도)을 제어할 수 있다. 이에 의해, 출구 유로(35)에서 유출되는 유체의 유량을 제어할 수 있다. 구체적으로는, 코일(22)에 흐르는 전류를 증가시키면 유량이 많아지고, 코일(22)에 흐르는 전류를 감소시키면 유량이 감소한다.

여기서, 유량 제어 밸브(10)에서는, 제1 고정 철심(23a)과 가동 철심(24)과의 대향 부분을 테이퍼 형상으로 형성하고 있기 때문에, 도 2에 도시한 것처럼, 종래품(A)(고정 철심과 가동 철심과의 대향 부분이 테이퍼 형상이 아닌 것: 도 27 참조)에 비해, 고정 철심(23a, 23b)의 흡인력과 가동 철심(24)의 스트로크 양과의 선 형 비례 영역이 켜서 비례 특성이 좋다.

또한, 유량 제어 밸브(10)에서는, 가동 철심(24)의 하방단에 코일 보빈(21)의 내경보다도 큰 지름을 가지는 플랜지부(24a)를 형성하고 있기 때문에, 도 2에 도시한 것처럼, 종래품(B)(고정 철심과 가동 철심과의 대향 부분이 테이퍼 형상인 것: 도 28 참조)에 비해, 고정 철심(23a, 23b)의 흡인력이 켜서 자기 특성이 향상되어 있다. 이에 의해, 유량 제어 밸브(10)에서는, 제1 고정 철심(23a)과 가동 철심(24)과의 대향 부분을 테이퍼 형상으로 형성한 것에 의한 고정 철심(23a, 23b)의 흡인력의 저하를 억제하고 있다.

또한, 유량 제어 밸브(10)에서는, 제1 고정 철심(23a)과 가동 철심(24)과의 간격(D1)이, 플랜지부(24a)와 플레어 파이프(28)의 원반부(28b)와의 간격(D2)보다도 크게 하도록, 가동 철심(24)이 배치되어 있기 때문에, 밸브 전개시에 있어서, 가동 철심(24)이 고정 철심(23a)에 밀착하지 않는다. 이 때문에, 유량 제어 밸브(10)에서는, 도 3에서 실선으로 표시한 것처럼, 밸브 폐쇄 방향으로 개도를 제어할 때에, 코일(22)에 흐르는 전류가 소정 값이 될 때까지는 가동 철심(24)이 고정 철심(23a)에서 떨어지지 않는 것이 방지되고 있다. 그리고 코일(22)에 흐르는 전류의 감소량에 비례하여 유량을 감소시킬 수 있다. 이와 같이, 유량 제어 밸브(10)에서는, 종래품에 있어서 생기고 있던 전개시에서 밸브 폐쇄 방향으로의 개도 제어시의 비례 특성의 악화를 방지할 수 있다.

한편, 코일(22)로 전류의 공급이 정지되면, 가동 철심(24)이 고정 철심(23a, 23b)에 흡인되지 않기 때문에, 스프링(25)의 가세력에 의해 가동 철심(24)이 하방으로 이동하고, 밸브체(31)가 밸브좌(36)에 접한다. 이에 의해, 입구 유로(34)와 출구 유로(35)가 차단되어 밸브 폐쇄 상태로 된다.

다음으로, 상기의 유량 제어 밸브(10)를 설치한 유량 컨트롤러에 관하여, 도 4 및 도 5를 참조하면서 설명한다. 도 4는, 유량 컨트롤러의 개략 구성을 나타낸 단면도이다. 도 5는, 유량 컨트롤러의 제어계를 도시한 블록도이다.

이 유량 컨트롤러(100)는, 도 4 및 도 5에 도시한 것처럼, 상술한 유량 제어 밸브(10)와, 유량 센서(101)와, 제어 기판부(102)와, 유량 설정부(103)를 구비하고 있다. 그리고 유량 센서(101)의 검출 값에 기초하여 유량 제어 밸브(10)의 밸브 개도를 변화시키는 것에 의해 목표 유량을 얻도록 되어 있다.

여기서, 유량 센서(101)는, 도 6에 도시한 것처럼, 바디(141)와, 센서 기판(121)과, 적층 필터(150)를 구비하고 있다. 그리고 적층 필터(150)가 바디(141)의 유로 공간(144)에 장착된 상태로, 센서 기판(121)이 실 개스킷(seal gasket; 148)을 이용하여 바디(141)에 나사로 고정되어 밀착되어 있다. 이에 의해, 센서 유로(S) 및 센서 유로(S)에 대한 바이패스 유로인 주유로(M)가 형성되어 있다.

적층 필터(150)는, 도 7에 도시된 것처럼, 4종류의 박판을 합계 11매로 적층한 것이다. 즉, 밑에서 순서대로, 메쉬판(mesh plate; 151), 제1 차폐판(first shielding plate; 152, 152, 152, 152), 메쉬판(151), 제2 차폐판(153), 메쉬판(151), 제2 차폐판(153), 메쉬판(151) 및 제3 차단판(154)이 적층되어 접착된 것이다. 이들의 각 박판(151~154)은, 모두 두께가 0.5㎜ 이하이며, 에칭에 의해 각 형상의 가공(마이크로머쉬닝 가공(micromachining process))가 이루어진 것이다.

한편, 센서 기판(121)에는, 복수의 측정용 열선이 설치된 측정 팁(maesuring chip; 111)이 실장(mount)되며, 그 이면에 전기 소자(131, 132, 133, 134) 등으로 구성되는 전기 회로가 설치되어 있다. 이 전기 회로는, 기판 제어부(102)와 접속되어 있다. 그리고 센서 기판(121) 및 측정 팁(111)에는, 실장 시에 서로 겹쳐지는 홈이 형성되어 있다. 이에 의해, 측정 팁(111)이 실장된 센서 기판(121)을 바디(141)에 실 개스킷(148)을 이용하여 밀착하면, 바디(141)의 유로 공간(144)에 있어서, 센서 기판(121)과 측정 팁(111)과의 사이에 센서 유로(S)가 형성됨과 동시에, 센서 유로(S)에 측정용 열선이 다리를 놓도록 설치된다.

이와 같은 유량 센서(101)에서는, 피 측정 유체가 메쉬판(151)을 포함한 적층 필터(150)를 통과한 후에 센서 유로(S)로 흘러들어간다. 이에 의해, 센서 유로(S)에 흘러들어간 피 측정 유체의 흐름이 조절되기 때문에 안정한 측정 출력을 얻을 수 있다.

그리고 상술한 유량 컨트롤러(100)를 사용하여 목표 유량을 얻은 경우에는, 먼저, 유량 설정부(103)에서 목표 유량을 설정한다. 그렇게 하면, 그 목표 유량 데이터가 제어 기판부(102)에 입력된다. 또한, 제어 기판부(102)에는, 유량 센서(101)에서 검출된 유량 데이터가 입력된다. 그리고 제어 기판부(102)에는, 목표 유량 데이터와 유량 데이터를 비교하여 양자가 같게 되도록, 유량 제어 밸브(10)의 밸브 개도를 피드백 제어한다. 이 피드백 제어에 의해, 유량 제어 밸브(10)의 밸브 개도가 조정되어 목표 유량을 얻을 수 있다. 그리고 유량 컨트롤러(100)에 있어서는, 우수한 비례 제어 특성이 있는 유량 제어 밸브(10)와 안정한 측정 출력을 얻을 수 있는 유량 센서(101)를 이용하고 있기 때문에, 상당히 높은 정확도로 유량을 제어할 수 있다.

여기서, 제어 기판부(102)에 있어서, 종래와 같이 도 8에 도시한 정전류 회로를 이용하여 정전류 제어에 의해, 유량 제어 밸브(10)에 대한 통전 제어를 행하면, 트랜지스터에서의 발열량이 많아지는 문제가 있었다. 이것은, 정전류 회로에 있어서 트랜지스터가 저항으로서 기능을 하기 때문이다. 또한, 정전류 제어에서는, 가동 철심(24)의 미소한 스트로크 양의 변동에 대한 추종성이 악화하는 문제도 있었다. 왜냐하면, 정전류 제어에서는 밸브 개도가 일정할 때, 가동 철심(24)은 정지 상태(OFF 상태)에 있고 정적 마찰 상태(static friction state)이며, 가동시에 동적 마찰 상태(dynamic friction state)로 변하기 때문이다. 또한, 도 8은, 정전류 제어 회로의 회로도이다.

거기서, 본 실시의 형태에서는, 유량 제어 밸브(10)에 대한 통전 제어는 PWM 제어에 의해 행한다. 구체적으로는, 도 9에 도시한 PWM 제어 회로에 의해 유량 제어 밸브(10)의 개폐동작을 제어한다. 즉, 듀티 비(duty ratio)를 변화시켜서 유량 제어 밸브(10)의 밸브 개도를 제어하는 것이다. 도 9는, 본 실시의 형태에 관한 유량 제어 밸브에 대한 통전 제어를 행하는 PWM 제어 회로의 회로도이다. 또한, 반송 주파수는, 200~5000Hz 정도로 설정하면 좋다.

이와 같이 PWM 제어로서 유량 제어 밸브(10)의 밸브 개도를 제어하는 것에 의해, 트랜지스터에서의 발열량을 억제할 수 있다. 왜냐하면, PWM 제어 회로에 있어서 트랜지스터는 ON/OFF 스위치로서 기능을 하므로 발열량이 작기 때문이다. 그 리고 트랜지스터에서의 발열량이 작아지기 때문에, 소형의 트랜지스터를 사용할 수 있는 결과, 유량 컨트롤러(100)의 소형화를 도모할 수 있다.

또한, 디더 효과(dither effect)에 의해 유량 제어 밸브(10)의 밸브 개도의 제어성이 안정된다. 즉, PWM 제어에서는 항상 ON/OFF가 반복되고 있기 때문에, 밸브 개도가 일정할 때, 가동 철심(24)은 미소하게 진동하고 있다(그러나, 정지하고 있는 것처럼 보인다). 이 때문에, 가동 철심(24)은 항상 동적 마찰 상태에 있으므로, 가동 철심(24)의 미소한 스트로크 양의 변동에 대해서도 추종성이 양호한 것이다.

다음으로, 상술한 유량 컨트롤러(100)는, 예를 들면, 와이어 본딩, 이온화 장치, 유리 부상 반송, 식품 포장, 반도체 제조 장치 등의 퍼지 가스 유량 관리, 용접용 아르곤 가스의 유량 관리, 버너의 화력 제어의 유량 관리 등 다양한 용도로 이용할 수 있다. 그리고 유량 컨트롤러(100)를 이용하는 것에 의해, 각 용도에서의 문제점을 해소할 수 있다.

종래, 와이어 본딩의 금 와이어의 텐션 컨트롤은, 금 와이어에 에어를 불어넣는 것에 의해 행해졌다. 그리고 최근, 전자 부품의 소형화가 진행되고, 와이어 본딩의 금 와이어가 점점 얇아지고 있기 때문에, 섬세한 유량 컨트롤러가 필요하다. 구체적으로는, 유량 센서로 유량을 모니터하면서, 정량 밸브(metering valve)(니들 밸브(needle valve))로 유량을 조정할 필요가 있다. 그러나 이 방법에는, 원래 압력이 변동한 경우, 유량이 변화하고, 텐션이 일정하게 유지되지 않는 문제점이 있었다.

이에 대하여, 도 10에 도시한 것 같이, 와이어 본딩의 금 와이어의 텐션 컨트롤에 유량 컨트롤러(100)를 사용하는 것에 의해, 본 발명의 유량 컨트롤러는, 마이크로 가공한 센서 팁으로 유량을 검출하고 있기 때문에, 고속으로 제어할 수 있고, 원래 압력이 변동한 경우에도, 즉석에서 유량을 제어하여, 상기 문제점을 해결할 수 있다.

또한, 이온화 장치는, 정전기 방지(액정 등의 제조 공정에서 먼지, 쓰레기 등의 부착 방지) 등의 목적으로 사용되고 있지만, 작업이 변하면 질소 가스의 유량이 변할 필요가 있고, 종래는 정량 밸브(니들 밸브)로 질소 가스의 유량을 조정하고 있었다. 그러나 이런 방법에서는, 원래 압력이 변동하면 유량이 변하고, 안정한 정전기 방지가 불가능한 문제점이 있었다. 또한, 작업자는, 작업이 변할 때마다, 질소 가스의 유량을 조정할 필요가 있었다.

이에 대하여, 도 11에 도시한 것처럼, 이온화 장치의 질소 가스의 유량 조정을 유량 컨트롤러(100)로 행하는 것에 의해, 원래 압력이 변동한 경우에도, 즉석에서 질소 가스의 유량을 자동으로 제어하여, 상술한 문제점을 해결할 수 있다. 또한, 작업이 변했어도, 질소 가스의 유량은 자동으로 제어되기 때문에, 작업이 변할 때마다, 작업자가 질소 가스의 유량을 조정할 필요가 없게 된다.

또한, 액정 등의 유리의 부상 반송에 있어서는, 종래에는 부상량을 정량 밸브(니들 밸브)로 유량을 조정하는 것에 의해 행했다. 그러나 이 방법에서는, 원래 압력이 변동하면 부상량이 변화하고, 안정한 부상량 제어가 불가능하게 되는 문제가 있었다. 또한, 작업자가 작업을 변경할 때마다, 부상량을 조정할 필요가 있었 다.

이에 대하여, 도 12에서 도시한 것처럼, 액정 등의 유리의 부상 반송 장치에 유량 컨트롤러(100)를 사용하면, 원래 압력이 변동한 경우에도, 즉석에서 유량이 제어되어 부상량이 자동으로 조정되기 때문에, 상술한 문제점을 해결할 수 있다. 또한, 작업이 변했어도, 부상량이 자동으로 제어되지 때문에, 작업이 변할 때마다, 작업자가 조정할 필요가 없게 된다.

또한, 종래, 식품 포장에서는, 불활성 기체의 충전에 종래는 압력 센서를 이용하여, 포장 내부의 압력이 규정 압력에 도달하면 충전을 완료하였다. 그러나 이 방법에서는, 대기압이 변동하면, 충전량이 변화하고, 안정한 충전이 불가능한 문제점이 있었다.

이에 대하여, 도 13에 도시한 것처럼, 식품 포장에 있어서 유량 컨트롤러(100)를 사용하면, 대기압이 변동하여도, 충전 유체의 유량은 변화하지 않기 때문에, 상술한 문제점을 해결할 수 있다.

또한, 반도체 레이저, 스탭퍼(stepper) 등의 광학 기구의 거울이나 렌즈는, 어느 일정량의 질소 가스를 퍼지하지 않으면 흐려지는 문제점이 있었다. 이 때문에, 종래는, 질소 가스의 퍼지량을 정량 밸브(니들 밸브)로 조정하고 있었다. 그러나 이 방법에서는, 원래 압력이 변동하면 퍼지량이 변화하는 문제를 유발하였다. 또한, 작업자는, 작업이 변할 때마다, 퍼지량을 조정할 필요가 있었다.

이에 대하여, 도 14에 도시한 것처럼, 반도체 레이저나 반도체 제조 장치의 질소 가스의 퍼지량의 조정을 유량 컨트롤러(100)로 향하는 것에 의해, 원래 압력 이 변동한 경우에도, 즉석에서 질소 가스의 퍼지량이 자동으로 제어되기 때문에, 상술한 문제를 해결할 수 있다. 또한, 작업이 변했어도, 질소 가스의 퍼지량이 자동으로 제어되기 때문에, 작업이 변할 때마다, 작업자가 조정할 필요가 없게 된다.

또한, 종래, 용접용 아르곤 가스의 유량 관리에도, 니들 밸브 부착 면적식 유량계가 이용될 수 있었다. 그러나 이 방법에서는 원래 압력이 변동하면 유량이 변화하는 유량 관리를 제대로 행할 수 없는 문제점이 있었다. 또한, 작업자가 작업이 변할 때마다, 유량 조정을 행할 필요가 있었다.

이에 대하여, 도 15에서 도시한 것처럼, 용접용 아르곤 가스의 유량 관리에 유량 컨트롤러(100)를 사용하면, 원래 압력이 변동한 경우에도, 즉석에서 유량이 자동으로 제어되기 때문에, 상술한 문제점을 해결할 수 있다. 또한, 작업이 변했어도, 유량이 자동으로 제어되기 때문에, 작업이 변할 때마다, 작업자가 유량 조정을 행할 필요가 없게 된다.

또한, 종래, 버너의 화력 제어의 유량관리에는, 니들 밸브 부착의 면적식 유량게를 이용할 수 있었다. 그러나 이 방법에서는, 원래 압력이 변동하면 유량이 변화하여 버너의 화력 제어를 제대로 행할 수 없는 문제점이 있었다. 또한, 작업자가 작업이 변할 때마다, 유량 조정을 행할 필요가 있었다.

이에 대하여, 도 16에 도시한 것처럼, 버너의 화력 제어의 유량 관리에 유량 컨트롤러(100)를 사용하면, 원래 압력이 변동한 경우에도, 즉석에서 유량이 자동으로 제어되기 때문에, 상술한 문제점을 해결할 수 있다. 또한, 작업이 변했어도, 유량이 자동으로 제어되기 때문에, 작업이 변할 때마다, 작업자가 유량 조정을 행할 필요가 없게 된다.

여기서, 유량 제어 밸브(10)에 있어서, 제1 고정 철심(23a)과 가동 철심(24)과의 대향 부분을, 아래로 볼록하게 된 테이퍼 형상으로 형성하면, 가동 철심(24)과 플레어 파이프(28)의 원주부(28a)와의 미끄러짐 저항이 커져서, 가동 철심(24)이 부드럽게 이동하지 않는 것이 판명되었다. 거기서, 이와 같은 유량 제어 밸브의 비례 특성과 제어성을 조사하였다. 그 결과를 도 17 및 도 18에 도시한다. 도 17은, 코일에 흐르는 전류와 유량과의 관계를 도시한 도면이다. 도 18은, 제어시간과 센서 출력과의 관계를 도시한 도면이다.

도 17에서 알 수 있는 것처럼, 제1 고정 철심(23a)과 가동 철심(24)과의 대향 부분을, 아래로 볼록하게 된 테이퍼 형상으로 형성하면, 유량 제어 밸브의 비례 특성이 크게 악화하는 것을 알 수 있다. 또한, 도 18에서 알 수 있는 것처럼, 목표 유량에 도달할 때까지의 시간(일정 오차 범위 내에 포함될 때까지의 시간)이 길어지고, 제어성이 악화하고 있는 것을 알 수 있다.

이 때문에 본 출원인은, 유량 제어 밸브(10)를 개선하여, 도 19에 도시한 유량 제어 밸브(10a), 및 도 20에 도시한 유량 컨트롤러(100a)를 개발하였다. 또한, 도 19는, 개량한 유량 제어 밸브의 개략 구성을 도시한 단면도이다. 도 20은, 개량한 유량 제어 밸브를 설치한 유량 컨트롤러의 개략 구성을 도시한 단면도이다. 이 유량 제어 밸브(10a)는, 도 19에 도시한 것처럼, 유량 제어 밸브(10)와 기본적 구성은 거의 동일하지만, 가동 철심(24)에 수지 튜브(29)를 설치하고 있는 점, 제1 고정 철심(23a)과 가동 철심(24)과의 대향 부분을, 아래로 볼록하게 한 테이퍼 형 상으로 형성되어 있는 점이 다르다. 또한, 본 실시의 형태에서는, 수지 튜브로서 플루오르화 에틸렌 프로필렌(fluorinated ethylene propylene; FEP) 열 수축 튜브를 사용하고 있다.

이 유량 제어 밸브(10a)에서는, 수지 튜브(29)를 가동 철심(24)에 설치한 것에 의해, 가동 철심(24)이 수지 튜브(29)를 통하여 플레어 파이프(28)의 원주부(28a) 안을 미끄러지기 때문에, 가동 철심(24)의 미끄러짐 저항을 작게 할 수 있다. 이에 의해, 가동 철심(24)을 부드럽게 이동시키는 것이 가능하게 되었다.

그리고 도 20에서 도시한 것처럼, 이와 같은 유량 제어 밸브(10a)를 이용하여, 유량 컨트롤러(100a)를 개발하였다. 또한, 유량 컨트롤러(100a)에 사용하고 있는 유량 센서(101)는, 유량 컨트롤러(100)에서 사용한 유량 센서와 동일한 것이다. 이 유량 컨트롤러(100a)에서도, 상술한 유량 컨트롤러(100)와 동일한 효과를 얻을 수 있었다.

여기서, 유량 제어 밸브(10a)에 있어서 추가한 수지 튜브의 길이 및 설치 위치에 관하여 검토한 것으로서 그 결과를 나타낸다. 먼저, 수지 튜브(29)의 길이와 유량 제어 밸브(10a)의 비례 특성과의 관계를 조사한 결과를 도 21에 도시한다. 또한, 수지 튜브(29)의 길이와 유량 컨트롤러(100a)의 제어성과의 관계를 조사한 결과를 도 22에 도시한다. 도 21은, 코일에 흐르는 전류와 유량과의 관계를 도시한 도면이다. 도 22는, 제어 시간과 센서 출력과의 관계를 도시한 도면이다. 이들 실험에서는, 플랜지부(24a)를 제외한 길이가 약 22㎜의 가동 철심(24)에 대하여, 길이가 9.5㎜, 16.5㎜, 19㎜, 22㎜의 수지 튜브를 설치한 경우의 비례 특성 및 제어 성을 조사하였다. 또한, 수지 튜브는, 그 하단을 플랜지부(24a)의 상단에 나란히 배치하고 있다. 이 때문에, 수지 튜브의 길이가 짧아짐에 따라, 가동 철심(24)의 상단 쪽에서 튜브가 개재되지 않은 부분이 커지게 된다.

도 17과 도 21의 비교를 통해 알 수 있는 것처럼, 수지 튜브(29)를 가동 철심(24)에 설치하는 것에 의해, 유량 제어 밸브(10a)의 비례 특성이 향상하고 있다. 다만, 수지 튜브(29)의 길이가 9.5㎜로 되면, 유량 제어 밸브(10a)의 비례특성의 향상이 보이지 않는다. 또한, 도 22에서 알 수 있는 것처럼, 수지 튜브(29)의 길이가 9.5㎜로 되면, 유량 컨트롤러(100a)의 제어성이 나쁘고, 안정하게 목표 유량으로 제어할 수 없다. 이 때문에, 수지 튜브(29)는 9.5㎜보다 길고, 즉 가동 철심(24) 중 플레어 파이프(28) 안으로 미끄러지는 부분(플랜지부(24a)를 제외한 부분)의 길이의 절반보다 길게 설정하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.

또한, 도 21에서 알 수 있는 것처럼, 수지 튜브(29)의 길이를 길게 함에 따라서 유량 제어 밸브(10a)의 이력 현상이 작아진다. 또한, 도 22에서 알 수 있는 것처럼, 유량 컨트롤러(100a)의 제어성, 즉 목표 유량으로 제어할 수 있을 때까지의 시간이, 수지 튜브(29)의 길이를 길게 함에 따라 짧아지고 있다. 그리고 수지 튜브(29)의 길이가 16.5㎜ 이상이면, 유량 제어 밸브(10a)의 이력 현상이 작아짐과 동시에, 유량 컨트롤러(100a)의 응답성 및 제어성이 향상함을 알 수 있다. 따라서, 유량 제어 밸브(10a)의 이력 현상을 작게 함과 동시에, 유량 컨트롤러(100a)의 응답성 및 제어성을 향상시키기 위해서는, 수지 튜브(29)의 길이를 가동 철심(24) 중 플레어 파이프(28) 안으로 미끄러지는 부분의 길이(플랜지부(24a)를 제외한 부분) 의 3/4 이상으로 설정하면 좋다.

다음으로, 수지 튜브(29)의 설치 위치와 유량 제어 밸브(10a)의 비례 특성과의 관계를 조사한 결과를 도 23에 도시한다. 또한, 수지 튜브(29)의 설치 위치와 유량 컨트롤러(100a)의 제어성과의 관계를 조사한 결과를 도 24에 도시하다. 도 23은, 코일에 흐르는 전류와 유량과의 관계를 나타낸 도면이다. 도 24는, 제어 시간과 센서 출력과의 관계를 나타낸 도면이다. 이들 실험에서는, 9.5㎜의 수지 튜브를 사용하고, 가동 철심(24)의 하부 절반에 수지 튜브(29)를 설치(튜브(29)의 하단을 가동 철심(24)의 하단(플랜지부(24a)의 상단)에 나란히 설치)한 경우와, 가동 철심(24)의 상부 절반에 튜브를 설치(튜브(29)의 상단을 가동 철심(24)의 상단에 나란히 설치)한 경우에 관하여, 각각 비례 특성 및 제어성을 조사하였다.

도 23 및 도 24에서 알 수 있는 것처럼, 가동 철심(24)의 하부 절반에 수지 튜브(29)를 설치한 경우, 유량 제어 밸브(10a)의 비례특성이 나쁘고, 유량 컨트롤러(100a)의 제어성이 나쁜 것을 알 수 있다. 이에 대하여, 가동 철심(24)의 상부 절반에 수지 튜브(29)를 설치한 경우, 유량 제어 밸브(10a)의 비례 특성이 좋고, 게다가 이력 현상도 적고, 유량 컨트롤러(100a)의 제어성도 좋은 것을 알 수 있다. 이 실험결과에서, 수지 튜브(29)의 상단을 가동 철심(24)의 상단에 나란히 설치한 것이 바람직함을 알 수 있다.

계속해서, 유량 제어 밸브(10a)의 밸브 개도 제어를 PWM 제어로 향한 경우와 정전류 제어로 행한 경우의 제어 특성에 관하여 조사한 결과를 도 25에 도시한다. 도 25는, 코일에 흐르는 전류와 유량과의 관계를 도시한 도면이다. 도 26은, 제어 시간과 센서 출력과의 관계를 도시한 도면이다.

도 25에서 알 수 있듯이, 유량 제어 밸브(10a)의 밸브 개도 제어를 정전류 제어에서 PWM 제어로 변경하는 것에 의해, 유량 제어 밸브(10a)의 이력 현상을 작게 할 수 있다. 그리고 PWM 제어를 행한 경우에는, PWM 제어의 반송 주파수를 크게 하면, 유량 제어 밸브(10a)의 이력 현상이 커진다. 따라서, 유량 제어 밸브(10a)의 이력 현상을 작게 하기 위해서는, 유량 제어 밸브(10a)의 개도 제어를 PWM 제어로 행하고, 그 반송 주파수를 작게 하는 것이 좋음을 알 수 있다.

한편, 도 26에 도시한 것처럼, PWM 제어의 반송 주파수를 작게 하면, 유량 컨트롤러(100a)의 응답성이 나빠진다. 따라서, 유량 컨트롤러(100a)의 응답성을 좋게 하기 위해서는, 반송 주파수를 크게 하면 좋다는 것을 알 수 있다. 그런데 반송 주파수를 크게 하면, 오버수트 양이 많아지는 경향이 있다.

상기 결과에서, 유량 제어 밸브(10a)의 이력 현상을 작게 하고, 오버수트 양을 억제하면서 응답성을 좋게 하기 위해서는, 반송 주파수를 500~1000Hz 정도로 설정하면 좋다는 것을 알 수 있다.

이상, 상세히 설명한 것처럼 본 실시의 형태에 관한 유량 제어 밸브(10)에서는, 가동 철심(24)의 하방단에 코일 보빈(21)의 내경보다도 큰 지름을 가지는 플랜지부(24a)를 형성함과 동시에, 제1 고정 철심(23a)과 가동 철심(24)과의 간격(D1)이, 플랜지부(24a)와 플레어 파이프(28)의 원반부(28b)와의 간격(D2)보다도 크게 되도록 가동 철심(24)을 배치하고 있기 때문에, 밸브 전개시에 있어서, 가동 철 심(24)이 고정 철심(23a)에 밀착하지 않는다. 이 때문에, 유량 제어 밸브(10)에서는, 종래품에 있어서 발생하고 있던 전개시에서 밸브 폐쇄 방향으로의 개도 제어시의 비례 특성의 악화를 방지할 수 있다.

또한, 유량 제어 밸브(10)에서는, 제1 고정 철심(23a)과 가동 철심(24)과의 대향 부분을 테이퍼 형상으로 형성하고 있지만, 가동 철심(24)의 하방단에 코일 보빈(21)의 내경보다도 큰 지름을 가지는 플랜지부(24a)를 형성하고 있기 때문에, 고정 철심(23a, 23b)의 흡인력을 크게 하여 자기 특성을 향상시킬 수 있다. 이것에 의해, 유량 제어 밸브(10)에서는, 제1 고정 철심(23a)과 가동 철심(24)과의 대향 부분을 테이퍼 형상으로 형성하고 있는 것에 의한 고정 철심(23a, 23b)의 흡인력의 저하를 억제할 수 있다.

그리고 유량 제어 밸브(10a)에서는, 가동 철심(24)에 수지 튜브(29)를 설치하고 있기 때문에, 가동 철심(24)의 미끄러짐 저항을 감소할 수 있으므로, 가동 철심(24)을 더 부드럽게 이동시킬 수 있다. 그 결과, 유량 제어 밸브(10a)의 비례 특성을 향상시킬 수 있고, 유량 컨트롤러(100a)에서는 안정하고 정확도 좋게 유량 제어를 행할 수 있다. 특히, 유량 컨트롤러(100a)에 있어서, 유량 제어 밸브(10a)를 PWM 제어하고, 그 반송 주파수를 500~1000Hz 정도로 설정하는 것에 의해, 오버 슈트 양을 억제하면서 응답성을 좋게 할 수 있다.

또한, 상술한 실시의 형태는 단수한 예시에 지나지 않고, 본 발명을 전혀 한정한 것이 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 개량, 변형이 가능한 것은 물론이다. 예를 들면, 상술한 실시의 형태에 있어서, 유량 제어 밸 브(10a)에서는, 제1 고정 철심(23a)과 가동 철심(24)과의 대향 부분을 아래 방향으로 볼록하게 한 테이퍼 형상으로 형성하고 있지만, 윗 방향으로 볼록하게 한 테이퍼 형상으로 형성할 수도 있다. 환언하면, 유량 제어 밸브(10)의 가동 철심에 수지 튜브를 설치할 수도 있다.

또한, 유량 제어 밸브(10a)에서는, 수지 튜브(29)를 가동 철심(24)에 설치하고 있지만, 수지 튜브(29)를 플레어 파이프(28)의 원주부(28a) 안쪽에 설치하여도 좋다. 또한, 수지 튜브(29)의 재질로서, 상술한 실시의 형태에서는, 플루오르화 에틸렌 프로필렌을 사용하고 있지만, 폴리아미드 또는 폴리프로필렌 등을 사용할 수도 있다.

Claims

입구 유로와, 출구 유로, 상기 입구 유로와 상기 출구 유로를 연통시키는 밸브실과, 상기 밸브실과 상기 출구 유로와의 연통부에 형성된 밸브좌를 구비하는 밸브 바디와,

중공의 코일 보빈에 감긴 와이어를 포함하는 코일과,

상기 코일 보빈 상부에 고정된 제1 고정 철심과,

상기 코일 보빈 하부에 고정된 제2 고정 철심과,

상기 제1 고정 철심에 고정된 원주부와, 그 원주부의 하단 외부에 형성되고 일부가 상기 제2 고정 철심과 상기 밸브 바디에 끼여 있는 원반부를 구비한 비자성체의 플레어 파이프와,

상기 플레어 파이프의 원주부 내에 미끄러질 수 있게 설치됨과 동시에, 그 하단부에 밸브체가 설치된 가동 철심과.

상기 가동 철심을 상기 제1 고정 철심에서 떨어지는 방향으로 항상 가세되어 상기 밸브체를 상기 밸브좌에 접하게 하기 위한 스프링을 가지며,

상기 가동 철심의 하단부에, 상기 코일 보빈의 내경보다도 큰 지름을 가지는 플랜지부를 형성하여 상기 밸브실 내로 수용함과 동시에,

상기 밸브체가 상기 밸브좌에 접한 상태로서, 상기 제1 고정 철심과 상기 가동 철심과의 거리가, 상기 플랜지부와 상기 플레어 파이프의 원반부의 거리보다도 크게 하며,

상기 플레어 파이프가 상기 코일 보빈 및 상기 가동 철심 사이에 끼여 있고,

상기 가동 철심 및 상기 제1 고정 철심은 테이퍼 형상의 대향하는 부분으로 형성되며, 상기 가동 철심의 테이퍼 형상의 대향하는 부분은 돌출부 형상이며, 상기 제1 고정 철심의 테이퍼 형상의 대향하는 부분은 오목부 형상이고,

상기 제1 고정 철심은 상기 가동 철심 쪽의 단면을 향하여 구멍의 지름이 커지는 테이퍼면이 형성되어 있으며,

상기 가동 철심은 상기 제1 고정 철심 쪽의 단면을 향하여 외경이 작아지는 테어퍼면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
삭제
제1항에 있어서,

상기 스프링의 상기 가동 철심에 대한 가세력을 조정하는 조정 기구를 가지는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
제1항에 있어서,

상기 플레어 파이프와 상기 가동 철심과의 사이에 수지 부재를 개재하고 있는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
제4항에 있어서,

상기 수지 부재의 길이는, 상기 가동 철심 중 상기 플레어 파이프 안으로 미끄러지는 부분의 길이의 절반 이상으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
제4항에 있어서,

상기 수지 부재는, 상기 밸브체의 전개 상태에서, 상기 가동 철심의 상기 제1 고정 철심 측 외주 단부에 접촉하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
제4항에 있어서,

상기 수지 부재가 불소 수지에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
제1항에 기재된 어느 하나의 유량 제어 밸브와,

유량을 측정하는 유량 센서와.

상기 유량 센서로 측정한 측정값이 목표 값으로 되도록, 상기 유량 센서의 출력에 기초하여 상기 유량 제어 밸브의 개도를 제어하는 제어 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 유량 컨트롤러.
제8항에 있어서,

상기 유량 센서는,

유량을 측정하기 위한 열선이 가설된 센서 유로와,

상기 센서 유로에 대한 바이패스 유로와,

개구를 가지는 박판을 적층하고, 그 내부로 유체가 상기 센서 유로와 상기 바이패스 유로를 분기시키는 적층체를 가지는 것을 특징으로 하는 유량 컨트롤러.
제8항에 있어서,

상기 제어 수단은, PWM 제어에 의해 상기 유량 제어 밸브의 개도를 제어하는 것을 특징으로 하는 유량 컨트롤러.
제10항에 있어서,

상기 PWM 제어의 반송 주파수가 200Hz 이상으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 유량 컨트롤러.