KR100982705B1

KR100982705B1 - 다이렉트 터치형 메탈 다이어프램 밸브

Info

Publication number: KR100982705B1
Application number: KR1020077029374A
Authority: KR
Inventors: 츠요시 타니카와; 미치오 야마지; 타다유키 야쿠시진; 히로시 후쿠치
Original assignee: 가부시키가이샤 후지킨
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2006-05-10
Publication date: 2010-09-17
Also published as: JP2007064333A; TWI320519B; CN101233350A; IL187800A; WO2007026448A1; KR20080017038A; IL187800A0; EP1921358A1; JP5054904B2; US20100090151A1; US8256744B2; CN101233350B; TW200717209A

Abstract

다이렉트 터치형 메탈 다이어프램 밸브에 있어서, 적당한 유량 계수(Cv)를 유지한 상태하에서 밸브의 내구성, 즉 보증을 할 수 있는 밸브의 연속 개폐 작동 횟수를 대폭 증가시킴과 아울러 밸브 시트의 경시 변형을 억제하여 상기 Cv값의 경시 변동을 보다 적게 한다. 다이렉트 터치형 금속 다이어프램 밸브에 있어서, 상기 메탈 다이어프램을 복수매의 스테인레스강 박판과 니켈ㆍ코발트 합금 박판의 적층체에 의해 이루어지고, 또한 중앙부를 상방으로 팽출시킨 원형의 역접시형으로 형성함과 아울러 상기 메탈 다이어프램의 최대 팽출 높이(Δh)의 55∼70%의 거리를 밸브의 최대 밸브 스트로크로 규제한다.

다이렉트 터치형 메탈 다이어프램 밸브

Description

다이렉트 터치형 메탈 다이어프램 밸브{DIRECT-TOUCH TYPE METAL DIAPHRAGM VALVE}

본 발명은 주로 반도체 제조 설비의 가스 공급계 등에 있어서 사용되는 다이렉트 터치형 메탈 다이어프램 밸브에 관한 것이며, 밸브 개폐 횟수의 대폭적인 증가를 가능하게 함과 아울러 밸브의 유량 계수를 안정적으로 유지함으로써 유량 특성의 변동을 보다 적게 하는 것을 가능하게 한 고내구성의 다이렉트 터치형 메탈 다이어프램 밸브에 관한 것이다.

다이렉트 터치형 메탈 다이어프램 밸브(direct touch type metal diaphragm valve)(이하, 메탈 다이어프램 밸브로 약칭함)는 일반적으로 도 10에 도시된 바와 같은 구조를 구비하고 있고, 응답성이나 유체의 치환성이 우수할 뿐만 아니라 파티클 프리(particle free)에 가까운 특징을 가지고 있기 때문에 반도체 제조 설비나 화학 산업 설비, 식품 산업 설비 등의 분야에서 널리 실용적으로 제공되어 있다.

즉, 도 10에 있어서, 21은 바디, 22는 메탈 다이어프램, 23은 스톱퍼 기구, 24는 본네트, 25는 본네트 넛(bonnet nut), 26은 디스크, 27은 다이어프램 프레서(diaphragm presser), 28은 스템(stem), 29는 핸들, 30ㆍ31은 유체 입구ㆍ출구, 32는 밸브 챔버, 33은 밸브 시트이며, 다이어프램 프레서(27)를 통해 메탈 다이어 프램(22)을 상방으로부터 밸브 시트(33)로 가압함으로써 유체 통로가 폐쇄된다. 또한, 다이어프램 프레서(27)를 상방으로 상승시킴으로써 메탈 다이어프램(22)은 역접시형의 원형으로 복원되어 유체 통로가 개방된다.

또한, 이 종류의 메탈 다이어프램 밸브는 공지(예를 들면, 일본 특허 공개 평5-80858호 등)되어 있기 때문에 여기에서는 그 상세 설명을 생략한다.

상기 메탈 다이어프램(22)은 통상 두께 0.1∼0.2㎜의 스테인레스강 박판 2∼3매의 적층체로 형성되어 있고, 원형으로 절단된 적층체의 중앙부를 역접시형으로 팽출 성형함으로써 형성되어 있다.

또한, 역접시형의 메탈 다이어프램(22)의 팽출부의 최대 높이(Δh)는 상기 9.52㎜φ의 메탈 다이어프램(외경 약 26㎜φ)(22)에 있어서는 약 1.1∼1.3㎜로 설정되어 있다.

상기 밸브 시트(33)는 엔지니어링 플라스틱(예를 들면, PFA)을 소망하는 형상으로 성형함으로써 제작되어 있고, 밸브 바디(21)와 일체적으로 형성한 밸브 시트 유지홈내에 끼워 맞춰져서 유지홈의 일부를 클램핑함으로써 고정되어 있다.

따라서, 이 종류의 메탈 다이어프램 밸브는, 도 10에 도시된 바와 같이, 역접시형의 메탈 다이어프램(22)을 사용하고 있기 때문에 유체 통로를 유통하는 가스의 유통량을 증가시키기 위해서는 필연적으로 밸브 스트로크(ΔS)[즉, 메탈 다이어프램(22)의 변형량]를 크게 할 필요가 있다. 따라서, 통상은 역접시형으로 팽출 변형시킨 메탈 다이어프램(22)의 최대 팽출 높이(Δh)를 크게 함과 아울러 이 높이(Δh)와 거의 같은 거리를 밸브의 풀 스트로크(ΔS)로 하도록 하고 있다.

그 결과, NO(상시 개방)형의 메탈 다이어프램 밸브에 있어서는 그 전개(全開)시에 메탈 다이어프램(22)이 팽출 높이(Δh)에 가까운 치수만큼 가압에 의해 변형되어 거의 평판상에 가까운 형태로 밸브 시트(33)로 가압되게 된다.

또한, 이것은 NC(상시 폐쇄)형의 메탈 다이어프램 밸브에 있어서도 마찬가지이고, 메탈 다이어프램(22)은 상시 최대 팽출 높이(Δh)에 가까운 치수만큼 가압변형됨으로써 거의 평판상으로 되어 있어서 밸브 개방시에는 이것이 메탈 다이어프램(22)의 탄성력이나 유체압에 의해 원래의 팽출된 역접시형의 형상으로 복원되게 된다.

한편, 이 종류의 메탈 다이어프램 밸브의 최대 유량은, 상기한 바와 같이, 주로 메탈 다이어프램(22)의 밸브 스트로크(ΔS)와 밀접한 관련이 있고, 밸브 스트로크(ΔS)를 크게 하면 유통 유량을 크게 선정할 수 있다.

그러나, 상기한 바와 같이, 메탈 다이어프램(22)의 탄성 변형량에는 자체적인 한계가 있고, 통상은 유체 통로의 내경이 9.52㎜φ인 밸브의 메탈 다이어프램(외경 26.㎜φ)(22)에서는 최대 팽출 높이(Δh)를 1.2∼1.3㎜로 제한하고 있다. 왜냐하면, 최대 팽출 높이(Δh)가 커질수록 메탈 다이어프램(22)의 변형에 의한 크랙 등이 발생하기 쉬워지기 때문이다.

또한, 상기 메탈 다이어프램 밸브의 밸브 스트로크(ΔS)와 유체 유량 등의 관계는 공지된 유량 계수(Cv값)를 가지고 일반적으로 표시되어 있다.

즉, 상기 밸브의 Cv값은 "밸브 출입구의 차압을 1psi로 유지하고 정수(精水)를 흘려보냈을 때의 유량을 gal/분으로 표시한 수치"로 정의되어 있고, 유체가 물 인 경우에는

[수 1]

으로서 구해진다.

Q'=유량(gal/분), P₁'=입구 압력(psi), P2'=출구 압력(psi), Gl'는 유체의 비중(물=1일 때)이다.

또한, 유체가 가스체인 경우에 있어서는 상기 유체가 유체인 경우와 동일한 아이디어에 의거하여 밸브의 Cv값은

[수2]

으로 구해진다. 단, (2)식에 있어서 Qg[m³/h(표준상태)]는 표준상태(15℃, 760㎜Hg abs)에 있어서의 기체의 유량, t[℃]는 가스의 온도, Gg은 가스의 비중(공기=1이라고 했을 때), P₁[MPa abs]은 일차측 절대압력, P₂[MPa abs]는 이차측 절대압력이다.

또한, 상기 Cv값은 통상, 도 8에 도시된 바와 같은 Cv값 측정 시험 장치를 이용해서 가스 유량(Qg) 등을 측정함과 아울러 그 측정 결과를 이용하여 (2)식에 의해 연산된다.

또한, 도 8에 있어서, N은 시험용 유체(질소 가스), B는 감압 밸브, C는 필 터, D는 질량유량계, E는 압력계, F는 공시 밸브(피시험 밸브)이며, 공시 밸브(F)의 2차측은 대기 개방이다.

또한, 시험은 질소 가스 온도(20℃ 실온), 일차측 압력(P1)=0.01MPa, 이차측 압력(대기 개방), 밸브의 개도(임의로 설정한 10∼100%의 밸브 개도)의 조건하에서 행해진다.

한편, 메탈 다이어프램 밸브에 요구되는 Cv값은 0.55∼0.8

이며, 9.52㎜φ 밸브인 경우, 메탈 다이어프램(22)의 최대 팽출 높이(Δh)=1.2㎜[풀 스트로크(ΔS) 1.0㎜]일 때의 Cv는 약 0.7

이 된다.

그런데, 종전의 이 종류의 메탈 다이어프램 밸브에는 메탈 다이어프램에 크랙이 발생하기 쉽다는 문제가 있다. 즉, 일반적으로 이 종류의 메탈 다이어프램 밸브의 연속 개폐 동작 횟수로 나타낸 밸브의 내구성은 유체 통로 9.52㎜φ인 밸브에서 약 150∼200만회, 6.35㎜φ인 밸브에서 약 800∼1000만회이며, 개폐 동작 횟수가 상기 횟수를 초과하면, 통상은 메탈 다이어프램(22)의 변위의 반복에 의한 파손이 발생하고, 결과로서 메탈 다이어프램 밸브의 변환의 빈도가 증가한다는 문제가 있다.

특히, 프로세스내에 ALD(atomic layer Deposition)법을 이용하는 최근의 반도체 제조 설비에 있어서는 가스 공급계내의 메탈 다이어프램 밸브의 개폐 횟수가 대폭 증가한다. 그 결과, 종전의 메탈 다이어프램 밸브에 있어서의 연속 개폐 동작의 내구성[외경 26㎜φ의 9.52㎜φ의 메탈 다이어프램(22)의 경우, 풀 스트로크(ΔS)=1.2㎜로 약 150만회, 스트로크(ΔS)=1.0㎜로 약 250만회 정도] 정도에서는 실용 상 여러가지 문제가 발생하게 된다.

또한, 종전의 이 종류의 메탈 다이어프램 밸브에는 유량 특성의 경년 변화(經年變化), 즉 Cv값의 경년 변화가 발생하기 쉽고, Cv값이 안정되기 어렵다는 문제가 남아 있다.

즉, 종전의 메탈 다이어프램 밸브에서는, 도 10에 도시된 바와 같이, 밸브 시트(33)에 합성 수지재(PFA)가 사용되어 있기 때문에 그 경년 변형을 피할 수 없고, 특히 유통하는 유체가 고온도인 경우에는 상기 경년 변형이 커지는 경향이 있다.

예를 들면, 종전의 9.52㎜φ의 밸브인 경우, 유체 온도가 20℃로부터 150℃로 상승함으로써 밸브 시트(33)가 팽창하고, 스템의 이동량(리프트 스트로크)을 일정하게 고정했을 경우에는 유체 유량이 약 18% 감소하게 된다. 또한, 고온 조건에서 개폐를 행하면 전개시의 유량이 경년 변화에 의해 증대한다. 그 결과, 전폐 또는 전개의 스위칭만을 행하는 메탈 다이어프램 밸브에게 있어서는 유량이 증대하고, 또한, 유량ㆍ압력 제어용의 메탈 다이어프램 밸브에서는 밸브 개도와 유량의 관계가 경년 변화됨으로써 고정밀도의 유량ㆍ압력의 제어를 할 수 없게 된다는 문제가 있다.

[특허문헌 1] 일본 특허 공개 평5-80858호

본 발명은 종전의 메탈 다이어프램 밸브에 있어서의 상기한 바와 같은 문제, 즉, (a) 원자층 증착법(ALD법) 등을 처리 프로세스에 이용하는 반도체 제조 설비 등에 있어서는 메탈 다이어프램 밸브의 개폐 빈도가 대폭 증가하기 때문에 종전의 연속 개폐 동작 횟수로 나타낸 내구성이 100만∼250만회 정도의 메탈 다이어프램 밸브에서는 밸브의 개폐 빈도가 증가하여 보수 비용이나 보수의 잔손질이 증가하는 것 및 (b) 밸브 시트형상의 경년 변화에 의해 Cv값이 변화되게 되고, 밸브의 유량 특성이 안정되지 않는 것 등의 문제를 해결하지 않는다고 하는 것이며, 종전과 동일한 구성의 메탈 다이어프램 밸브를 이용하여 밸브의 유량 특성의 저하를 초래하지 않고(즉, Cv값의 대폭적인 저하를 초래하지 않고), 연속 개폐 동작으로 나타낸 밸브의 내구성을 대폭 향상시킴과 아울러 유량 특성을 안정화시켜서 Cv값의 경년 변화를 보다 적게 하는 것을 가능하게 한 다이렉트 터치형 메탈 다이어프램 밸브를 제공하는 것을 발명의 주목적으로 하는 것이다.

본원 발명자 등은 메탈 다이어프램 밸브의 내구성(연속 개폐 동작 횟수)이 밸브 스트로크(ΔS)와 깊은 관계에 있고, 또한, 밸브 스트로크(ΔS)는 유량 계수(Cv)(Cv값)에 직접 관계되는 것에 착안하여 각종의 메탈 다이어프램 밸브에 대해서 내구성과 밸브 스트로크(ΔS)와 유량 계수(Cv)의 상관 관계의 조사 검토를 상기 도 8에 도시된 Cv값 측정 시험 장치를 이용해 행하였다.

후술하는 표 1, 도 6, 도 7, 및 표 2, 표 3, 도 9는 그 일례를 나타내는 것이며, 해당 각종의 시험을 통해 종전의 메탈 다이어프램 밸브에 있어서는 밸브 스트로크(ΔS)가 일정치를 초과하면, Cv값의 증가가 포화되기 때문에 소정의 Cv값을 얻기 위해서는 밸브 스트로크(ΔS)를 메탈 다이어프램(22)의 최대 팽출 높이(Δh)에 상당하는 풀 스트로크(ΔS)로 할 필요는 없고, 최대 높이(Δh)의 약 55∼70%의 치수의 밸브 스트로크(ΔS)에서도 0.55∼0.7

을 초과하는 Cv값이 얻어진다는 것을 지득하였다.

본 발명은 상기 지견에 의거하여 창작된 것이며, 청구항 1의 발명은 유체 입구(10) 및 유체 출구(10)에 연통하는 오목 형상의 밸브 챔버(12)의 저면에 밸브 시트(13)를 설치한 바디와, 밸브 시트(13)의 상방에 설치되고, 밸브 챔버(12)의 기밀을 유지함과 아울러 그 중앙부가 상하 이동하여 직접 밸브 시트(13)에 접하는 메탈 다이어프램(2)과, 메탈 다이어프램(2)의 상방에 승강 가능하게 설치되고, 메탈 다이어프램(2)의 중앙부를 하방으로 하강시키는 스템(8)과, 스템(8)을 하강 또는 상승시키는 액추에이터(9)와, 메탈 다이어프램(2)의 외주 가장자리부의 상방에 설치되고, 밸브 챔버(12)의 저면과의 사이에서 메탈 다이어프램(2)을 기밀 상태로 가압함과 아울러 밸브 전폐시의 스템(8)의 하강을 규제하는 프레스 어댑터(3)로 구성한 다이렉트 터치형 메탈 다이어프램 밸브에 있어서, 상기 메탈 다이어프램(2)을 복수매의 스테인레스강 박판과, 니켈ㆍ코발트 합금 박판의 적층체에 의해 이루어지고, 또한 중앙부를 상방으로 팽출시킨 원형의 역접시형으로 형성함과 아울러 상기 메탈 다이어프램(2)의 최대 팽출 높이(Δh)의 55∼70%의 거리를 밸브의 최대 밸브 스트로크(ΔS)로 규제한 것을 발명의 기본 구성으로 하는 것이다.

청구항 2의 발명은 청구항 1의 발명에 있어서, 최대 밸브 스트로크(ΔS)시의 밸브의 Cv값이 0.55∼0.8

이 되도록 한 것이다.

청구항 3의 발명은 청구항 1 또는 청구항 2의 발명에 있어서, 메탈 다이어프램(2)을 외경이 15㎜φ로 팽출 곡률반경이 66∼65㎜, 또는 외경이 18∼20㎜φ에서 팽출 곡률반경이 62∼63㎜, 또는 외경이 24∼26㎜φ에서 팽출 곡률반경이 59∼61㎜가 되도록 한 것이다.

청구항 4의 발명은 청구항 1의 발명에 있어서, 메탈 다이어프램(2)을 3매의 스테인레스강 박판과 1매의 니켈ㆍ코발트 합금 박판의 원형 적층체로 함과 아울러 그 외경을 24∼26㎜φ로, 최대 팽출 높이(Δh)를 1.2∼1.3㎜로, 그리고 최대 밸브 스트로크(ΔS)를 0.65∼0.8㎜로 하도록 한 것이다.

청구항 5의 발명은 청구항 1, 청구항 2 또는 청구항 4의 발명에 있어서, 밸브 시트(13)를 PFA제의 밸브 시트로 함과 아울러 스템(8)에 밸브 스트로크의 조정 기구(16)를 설치하고, 밸브를 3000∼10000회 연속 개폐 작동시킨 후 상기 스트로크 조정 기구(16)에 의해 밸브 스트로크(ΔS)를 소정의 설정값으로 조정 고정하도록 한 것이다.

[발명의 효과]

본 발명에 있어서는 메탈 다이어프램의 최대 팽출 높이(Δh)를 밸브의 풀 스트로크(ΔS)로 하지 않고, 소망하는 유량 계수(Cv)를 얻는데 최저한 필요한 최대 팽출 높이(Δh)의 55∼70%의 치수(거리)를 최대 밸브 스트로크(ΔS)로 하도록 하고 있기 때문에 밸브의 개폐 동작시에 메탈 다이어프램에 가해지는 왜곡량이나 왜곡 응력을 보다 작게 할 수 있는 동시에 필요로 하는 소정의 유량 계수(Cv값)를 완전히 확보할 수 있다. 그 결과, 메탈 다이어프램 밸브의 내구성을 나타내는 연속 개폐 동작의 가능 횟수를 종전 가능 횟수의 약 20∼30배로 향상시키는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 발명에 있어서는 스트로크 조정 기구를 설치함과 아울러 밸브의 출하전에 약 3000∼10000회의 연속 개폐 동작을 행해서 합성 수지제 밸브 시트의 침입을 행하고, 그 형태를 보다 안정화시키도록 하고 있다.

그 결과, 소위 밸브 시트의 경시 변화가 대폭 감소하게 되고, 이에 따라 유량 계수(Cv)(Cv값)도 보다 안정된 값이 된다.

도 1은 본 발명에 의한 다이렉트 터치형 메탈 다이어프램 밸브를 NC(상시 폐쇄)형으로 했을 경우의 단면 개요도이다.

도 2는 도 1의 밸브의 스트로크(ΔS)=1.5㎜에 있어서의 밸브 폐쇄시의 메탈 다이어프램의 변형 상태를 나타내는 설명도이다.

도 3은 도 1의 밸브의 스트로크(ΔS)=1.5㎜에 있어서의 밸브 개방시의 메탈 다이어프램의 변형 상태를 나타내는 설명도이다.

도 4는 도 1의 밸브의 스트로크(ΔS)=0.7㎜에 있어서의 밸브 폐쇄시의 메탈 다이어프램의 변형 상태를 나타내는 설명도이다.

도 5는 도 1의 밸브의 스트로크(ΔS)=0.7㎜에 있어서의 밸브 개방시의 메탈 다이어프램의 변형 상태를 나타내는 설명도이다.

도 6은 도 1의 밸브에 있어서의 밸브 스트로크(ΔS) (밸브 리프트)과 유량의 관계를 나타내는 선도이다.

도 7은 도 1의 밸브 밸브 스트로크(ΔS) (밸브 리프트)과 Cv값의 관계를 나타내는 선도이다.

도 8은 본 발명에서 사용한 Cv값 측정 시험 장치의 블록 계통도이다.

도 9는 표 2의 결과를 도시한 것이다.

도 10은 종전의 다이렉트 터치형 메탈 다이어프램 밸브의 단면 개요도이다.

[부호의 설명]

A : 구동용 유체(공기) Δh : 팽출부의 최대 팽출 높이

ΔS : 밸브 스트로크(밸브 리프트) G : 간극

N : 질소 가스원 B : 감압 밸브

C : 필터 D : 유량계

E : 압력계 F : 공시 밸브

P₁ : 일차측 압력 1 : 바디

2 : 메탈 다이어프램 3 : 프레스 어댑터(SUS630)

4 : 본네트 5 : 나사부

6 : 스프링 7 : 다이어프램 프레서(폴리이미드)

8 : 스템 8a : 에지부

9 : 액추에이터 9a : 지지용 통부

9b : 나사 9c : 피스톤

10 : 유체 입구 11 : 유체 출구

12 : 밸브 챔버 13 : 밸브 시트

14 : 구동축 15 : 스트로크 조정 기구

15a : 로크 너트 16 : 전자 밸브

17 : 근접 센서

이하, 도면에 의거하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 도 1은 본 발명에 의한 다이렉트 터치형 메탈 다이어프램 밸브(이하, 메탈 다이어프램 밸브라 함)를 NC(상시 폐쇄)형으로 했을 경우의 단면 개요도이다.

또한, 도 2 및 도 3은 도 1의 밸브에 있어서, 밸브 스트로크(ΔS)=1.5㎜로 했을 경우의 메탈 다이어프램의 밸브 폐쇄시와 밸브 개방시의 변형 상태를 나타내는 확대도이다.

또한, 도 4 및 도 5는 도 1의 밸브에 있어서, 밸브 스트로크(ΔS)를 0.7㎜로 했을 경우의 메탈 다이어프램의 밸브 폐쇄시와 밸브 개방시의 변형 상태를 나타내는 확대도이다.

도 1에 있어서, 1은 바디, 2는 메탈 다이어프램, 3은 프레스 어댑터, 4는 본네트, 5는 나사부, 6은 스프링, 7은 다이어프램 프레서, 8은 스템, 9는 액추에이터, 10은 유체 입구, 11은 유체 출구, 12는 밸브 챔버, 13은 밸브 시트, 14는 구동축, 15는 스트로크 조정 기구, 16은 전자 밸브, 17은 근접 센서이다.

상기 바디(1)는 스테인레스강에 의해 거의 십자형으로 형성되어 있고, 양측에 유체 입구(10) 및 유체 출구(11)가, 상부에 유체 입구(10) 및 유체 출구(11)에 연통하는 상방이 개방된 오목 형상의 밸브 챔버(12)가 형성되어 있다. 또한, 밸브 챔버(12)의 저면에는 합성 수지(PFA, PA, PI, PCTFE 등)제의 밸브 시트(13)가 삽입 고정되어 있다.

또한, 본 실시예에서는 소위 클램핑 가공에 의해 밸브 시트(13)가 밸브 끼워맞춤홈내에 고정되어 있다.

상기 메탈 다이어프램(2)은 밸브 시트(13)의 상방에 설치되어 있고, 밸브 챔버(12)의 기밀을 유지함과 아울러 그 중앙부가 상하 이동하여 밸브 시트(13)에 근접하거나 멀리 이동한다. 본 실시예에서는 메탈 다이어프램(2)은 특수 스테인레스강(인코넬이나 스프론ㆍ상표명) 등의 금속제 박판(두께 0.1∼0.2㎜) 및 니켈ㆍ코발트 합금 박판(두께 0.1∼0.2㎜)의 중앙부를 상방으로 팽출시킴으로써 원형의 역접시형으로 형성하고, 이 역접시형의 특수 스테인레스강 박판 3매와 니켈ㆍ코발트 합금 박판 1매를 밀착상으로 적층함으로써 역접시형으로 형성되어 있다.

또한, 이 메탈 다이어프램(2)은 그 주변부가 밸브 챔버(12)의 내주면의 돌출부상에 탑재되고, 밸브 챔버(12)내에 삽입된 본네트(4)의 하단부를 바디(1)의 나사부(5)에 나사 결합시킴으로써 스테인레스강제의 프레스 어댑터(3)를 통해 바디(1)의 돌부측에 가압되어 기밀 상태로 삽입 고정되어 있다. 또한, 니켈ㆍ코발트 합금 박막은 가스 접촉측에 배치되어 있다.

보다 구체적으로는 메탈 다이어프램(2)은 유체 통로 내경 9.52㎜φ의 밸브용인 경우에는 외경 26㎜, 팽출부의 곡률반경 60㎜로 형성되어 있고, 상기 팽출부의 최대 팽출 높이(Δh)(후술하는 도 3의 Δh)는 1.2㎜가 된다.

또한, 메탈 다이어프램(2)의 실시예로서는 6.35㎜φ의 밸브용인 외경 20㎜, 곡률반경 62.6㎜인 것, 및 6.35㎜φ의 소형 밸브용인 외경 15㎜, 곡률반경 62.6㎜인 것 등이 존재한다.

상기 본네트(4)는 통형상으로 형성되어 있고, 바디(1)의 밸브 챔버(12)내에 삽입되고, 밸브 챔버(12)의 내주면에 설치된 나사부(5)로 체결됨으로써 바디(1)측에 고정되어 있다.

상기 스템(8)은 본네트(4)의 하단부내로 승강 가능하게 삽입되어 있고, 하단면에는 메탈 다이어프램(2)의 중앙부 상면에 접하는 합성 수지제의 다이어프램 프레서(7)가 끼워 맞춰져 있다.

보다 구체적으로는 스템(8)은 하단면에 부착된 폴리이미드제의 다이어프램 프레서(7)가 메탈 다이어프램(2)에 접하도록 본네트(4)내에 승강 가능하게 끼워 맞춰져 있고, 스프링(6)의 탄성력으로 다이어프램 프레서(7)를 통해 하방으로 가압되어 메탈 다이어프램(2)의 중앙부를 밸브 시트(13)에 안착시킨다. 또한, 스템(8)의 상단부에는 스템 조작용 액추에이터(9)의 구동축(14)이 고정되어 있다.

또한, 상기 스템(8)의 하방부에는 에지부(8a)가 형성되어 있고, 밸브의 전개시[메탈 다이어프램(2)의 중앙부가 밸브 시트(13)에 접했을 때]에는 이 에지부(8a)가 상기 프레스 어댑터(3)의 상면에 접함으로써 스템(8)의 무리한 하강이 규제되어 있다.

상기 스트로크 조정 기구(15)는 본네트(4)의 상면에 나사 결합으로 고정된 액추에이터(9)의 지지용 통부(9a)에 나사 결합된 로크 너트(locknut)(15a)와, 지지용 통부(9a)의 외주면에 설치된 로크 너트(15a)의 나사 결합용 나사(9b) 등으로 구성되어 있고, 지지용 통부(9a)의 본네트(4)내로의 나사 결합 높이 위치를 조정함으 로써 밸브 스트로크(ΔS)의 크기를 조정한다.

상기 전자 밸브(16)는 액추에이터(9)의 상면에 직접 고정되어 있고, 액추에이터(9)내로 공급되는 구동용 유체(공기)(A)의 유통을 제어한다. 또한, 전자 밸브(16)에 액추에이터(9)를 직접 부착하는 것은, 후술하는 바와 같이, 구동용 유체 통로의 공간부를 보다 적게 하고, 밸브 개폐 작동의 응답성을 높이기 위함이다(개폐 작동 시간의 단축).

또한, 상기 근접 센서(17)는 밸브 개폐 작동시의 밸브 스트로크(ΔS)의 변화 상태나 밸브 스트로크(ΔS) 자체를 검출하기 위한 것이고, 액추에이터(9)의 상면측에 고정되어 있어서 피스톤(9c)과의 간극(ΔG)을 측정함으로써 상기 스트로크(ΔS)를 검출한다.

이어서, 본 발명에 의한 메탈 다이어프램 밸브의 작동에 대해서 설명한다.

도 1에 도시된 밸브는 소위 NC(상시 폐쇄)형으로 구성되어 있고, 상시는 스프링(6)의 탄력에 의해 스템(8)을 통해 메탈 다이어프램(2)이 하방으로 가압되어 그 하측면(가스 접촉면)의 니켈ㆍ코발트 합금 박판이 밸브 시트(3)에 접하고 있다. 또한, 스템(8)의 압력은 스프링(6)에 의해 조정되고, 또한 스템(8)의 하강량은 프레스 어댑터(3)에 의해 규제되어 있다.

액추에이터(9)에 구동용 에어(A)가 공급되면 피스톤(9c)을 통해 구동축(14)이 상방으로 밸브 스트로크(ΔS)만큼 인상될 수 있다. 이에 따라, 메탈 다이어프램(2)은 그 탄성력에 의해 원래의 중앙부가 상방으로 팽출된 형태로 복원되고, 밸브가 밸브 개방된다.

또한, 상기 밸브 스트로크(ΔS)는 스트로크 조정 기구(15)의 로크 너트(15a)에 의해 소정의 값으로 조정된다. 구체적으로는, 후술하는 바와 같이, 9.52φ용 밸브의 메탈 다이어프램(2)[외경 26㎜φ, 곡률반경 60㎜, 팽출부의 최대 높이(Δh)=1.2㎜, 0.15㎜ 특수 스테인레스 강판 3매와 0.15㎜ 니켈ㆍ코발트 합금 박판 1매ㆍ이하, 제 1 실시예의 금속 다이어프램이라 함]의 경우에는 밸브 스트로크(ΔS)는 0.65∼0.8㎜(바람직하게는 0.7㎜)로 설정된다.

이어서, 본 발명에 있어서의 메탈 다이어프램(2)의 밸브 스트로크(ΔS)의 결정에 대해서 설명한다.

[구체예 1]

도 2를 참조하면, 도 2는 상기 제 1 실시예의 메탈 다이어프램(2)을 이용한 밸브의 밸브 폐쇄 상태를 나타내는 부분 확대도이며, 도 3은 밸브 스트로크(ΔS)를 1.5㎜로 했을 때의 제 1 실시예의 메탈 다이어프램(2)을 이용한 밸브의 밸브 개방 상태를 나타내는 부분 확대도이다.

도 2 및 도 3에 있어서는 밸브 스트로크(ΔS)가 1.5㎜로 선정되어 있고, 메탈 다이어프램(2)의 팽출부의 최대 높이(Δh)=1.2㎜보다 밸브 스트로크(ΔS)쪽이 크기 때문에 금속 다이어프램(2)은 원래의 형태로 완전히 복원되게 된다.

[구체예 2]

이에 대하여, 도 4 및 도 5는 제 1 실시예의 메탈 다이어프램(2)을 이용한 도 1의 밸브에 있어서, 밸브 스트로크(ΔS)를 0.7㎜로 했을 경우의 밸브 폐쇄 상태(도 4) 및 밸브 개방(도 5)상태를 나타내는 부분 확대도이며, 밸브 폐쇄시에 있 어서도 메탈 다이어프램(2)은 도 3과 마찬가지로 완전한 원상태로 복원되지 않고, 약간 변형된 상태가 된다.

즉, 밸브 스트로크(ΔS)를 작게 했을 경우에는 메탈 다이어프램(2)의 변형량이 작아져서 메탈 다이어프램(2)에 가해지는 왜곡 응력이 상대적으로 작아진다.

그런데, 밸브 스트로크(ΔS)=1.5㎜로 했을 경우와 ΔS=0.7㎜로 했을 경우에서는 메탈 다이어프램(2)의 형태에는, 상기한 바와 같이, 큰 차이가 나타나지만 밸브 시트(3)와 메탈 다이어프램(2)의 내표면의 간극(G)쪽은 그다지 큰 변화를 나타내지 않고 있는 것으로 판명된다.

[구체예 3]

도 6 및 도 7은 상기 제 1 실시예의 메탈 다이어프램(2)을 이용한 도 1의 메탈 다이어프램 밸브에 있어서, 상기 도 8의 Cv값 측정 시험 장치를 이용해서 유량측정을 행함과 아울러 상기 (2)식을 이용해서 Cv값을 구한 결과를 나타내는 것이며, 또한, 표 1은 상기 리프트와 유량과 Cv값의 일람표이다.

단, 시험은 작동용 공기압 0.55MPa, 밸브 시트의 돌출 높이 0.128㎜(80℃ 베이킹후의 높이)의 조건하에서 행해진 것이다.

[표 1]

도 6 및 도 7로부터도 명확한 바와 같이, 밸브 스트로크(ΔS)=0.65∼0.8에서 해당 밸브에 필요로 하는 Cv값=0.55∼0.6

이 달성되는 것으로 판명된다. 즉, 바람직하게는 밸브 스트로크(ΔS)=0.7㎜로 함으로써 Cv값 0.6

을 달성하는 것이 가능하게 되고, 밸브 스트로크(ΔS)=1.3㎜(최대치)까지 해서 메탈 다이어프램(2)을 최대한으로 변형시킬 필요가 없는 것으로 판명된다.

[구체예 4]

표 2는 상기 제 1 실시예의 메탈 다이어프램(2)에 있어서의 표 1과 마찬가지의 다이어프램 사양에서 유체 입구(10)로 접속하는 배관로의 직경을 6.35㎜φ로 한 밸브에 있어서, 표 1과 마찬가지 시험을 행한 결과를 나타내는 것이다.

단, 공시 밸브로서 3종의 밸브를 제작하고, No.1 밸브는 밸브 시트(3)의 돌출 높이 0.174㎜, No.2 밸브는 0.176㎜, No.3 밸브는 0.068㎜로 했다. 즉, No.3 밸브에 있어서는 미리 밸브의 개폐 동작을 10000회 행하고, 밸브 시트면을 스트라이 킹한 것이다. 또한, 작동용 공기압은 0.55MPa(상한치)로 했다.

[표 2]

도 9는 표 2의 결과를 도시한 것이며, 제 1 실시예의 메탈 다이어프램의 경우와 마찬가지로 밸브 스트로크(ΔS)=0.65∼0.7로 필요한 Cv값 0.5∼0.6

을 얻을 수 있는 것으로 판명된다.

[구체예 5]

표 3 및 표 4는 밸브 시트 형태의 경년 변화에 의한 Cv값의 변화를 나타내는 것이며, 미리 200℃의 고온 조건하에서 밸브의 개폐 작동을 행해서 밸브 시트를 스트라이킹한 경우의 개폐 작동 횟수와 Cv값의 관계를 나타내는 데이터이다. 또한, 표 3은 200℃의 고온 사용 조건하에서, 또한, 표 4는 상온하에서 Cv값의 측정을 행한 것이다.

[표 3]

[표 4]

상기 표 3 및 표 4의 결과로부터, 밸브를 약 10,000회 이상 미리 연속 개폐 작동시킴으로써 밸브 시트(13) 형상의 변화가 정지되고, Cv값이 상승함과 아울러 Cv값의 상승이 거의 포화하게 된다.

[구체예 6]

표 5는 상기 제 1 실시예의 메탈 다이어프램(2)을 이용한 밸브를 이용해서 연속적으로 개폐 작동을 행했을 경우의 스트로크(ΔS)와, 메탈 다이어프램에 파손이 발생할 때까지의 개폐 작동 횟수(내구 개폐 작동 횟수)의 관계를 나타내는 것이다. 단, 밸브의 개폐 작동 속도는 3회/초∼4회/초이다.

[표 5]

상기 표 5로부터도 명확한 바와 같이, 최대 팽출 높이(Δh)가 1.2 전후의 외경 20∼26㎜φ의 메탈 다이어프램을 이용한 다이렉트 터치형 메탈 다이어프램 밸브에 있어서는 밸브 스트로크(ΔS)를 최대 팽출 높이(Δh)의 55∼70%의 값으로 함으로써 필요한 Cv값을 유지하면서 또한 내구 연속 개폐 동작 횟수를 대폭 증가시킬 수 있는 것으로 판명된다.

본 발명은 반도체 제조 설비 관계뿐만 아니라, 화학 산업 분야나 약품 산업 분야, 식품 산업분야 등에도 적용 가능한 것이다.

Claims

유체 입구 및 유체 출구에 연통하는 오목 형상의 밸브 챔버의 저면에 밸브 시트를 설치한 바디와, 밸브 시트의 상방에 설치되고, 밸브 챔버의 기밀을 유지함과 아울러 그 중앙부가 상하 이동하여 직접 밸브 시트에 접하는 메탈 다이어프램과, 메탈 다이어프램의 상방에 승강 가능하게 설치되고, 메탈 다이어프램의 중앙부를 하방으로 하강시키는 스템과, 상기 스템을 하강 또는 상승시키는 액추에이터와, 메탈 다이어프램의 외주 가장자리부의 상방에 설치되고, 밸브 챔버의 저면과의 사이에서 메탈 다이어프램을 기밀 상태로 가압함과 아울러 밸브 전폐시의 스템의 하강을 규제하는 프레스 어댑터로 구성된 다이렉트 터치형 메탈 다이어프램 밸브에 있어서: 상기 메탈 다이어프램을 복수매의 스테인레스강 박판과, 니켈ㆍ코발트 합금 박판의 적층체에 의해 이루어지고, 또한 중앙부를 상방으로 팽출시킨 원형의 역접시형으로 형성함과 아울러 상기 메탈 다이어프램의 최대 팽출 높이(Δh)의 55∼70%의 거리를 밸브의 최대 밸브 스트로크(ΔS)로 규제한 것을 특징으로 하는 다이렉트 터치형 메탈 다이어프램 밸브.
제 1 항에 있어서,

최대 밸브 스트로크(ΔS)시의 밸브의 Cv값이 0.55∼0.8
이 되도록 한 것을 특징으로 하는 다이렉트 터치형 메탈 다이어프램 밸브.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 메탈 다이어프램을 외경이 15㎜φ에서 팽출 곡률반경이 66∼65㎜, 또는 외경이 18∼20㎜φ에서 팽출 곡률반경이 62∼63㎜ 또는 외경이 24∼26㎜φ에서 팽출 곡률반경이 59∼61㎜로 하도록 한 것을 특징으로 하는 다이렉트 터치형 메탈 다이어프램 밸브.
제 1 항에 있어서,

상기 메탈 다이어프램을 3매의 스테인레스강 박판과 1매의 니켈ㆍ코발트 합금 박판의 원형 적층체로 함과 아울러 그 외경을 24∼26㎜φ로 최대 팽출 높이(Δh)를 1.2∼1.3㎜로 그리고 최대 밸브 스트로크(ΔS)를 0.65∼0.8㎜로 하도록 한 것을 특징으로 하는 다이렉트 터치형 메탈 다이어프램 밸브.
제 1 항, 제 2 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 밸브 시트를 PFA제의 밸브 시트로 함과 아울러 상기 스템에 밸브 스트로크의 조정 기구를 설치하고, 상기 밸브를 3000∼10000회 연속 개폐 작동시킨 후 상기 스트로크 조정 기구에 의해 밸브 스트로크(ΔS)를 소정의 설정값으로 조정 고정하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 다이렉트 터치형 메탈 다이어프램 밸브.