KR101120349B1 - 압력제어밸브, 압력제어밸브의 제조방법, 및 압력제어밸브를 가진 연료전지시스템 - Google Patents

압력제어밸브, 압력제어밸브의 제조방법, 및 압력제어밸브를 가진 연료전지시스템 Download PDF

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Abstract

본원발명에 의하면, 밀봉 특성 및 내구성, 온도차단밸브로서의 기능도 가지고, 소형화를 꾀하는 것이 가능한 압력제어밸브; 압력제어밸브의 제조방법; 및 압력제어밸브를 탑재한 연료전지시스템을 제공한다. 상기 압력제어밸브는 차압에 의해 동작하는 가동부, 밸브부, 상기 가동부의 동작을 상기 밸브부에 전달하는 전달 기구를 가지고, 상기 가동부 또는 상기 밸브부의 어느 한 쪽이 전달기구와 분리되어 있다.

Description

압력제어밸브, 압력제어밸브의 제조방법, 및 압력제어밸브를 가진 연료전지시스템{PRESSURE CONTROL VALVE, PRODUCTION METHOD OF PRESSURE CONTROL VALVE, AND FUEL CELL SYSTEM WITH PRESSURE CONTROL VALVE}
본 발명은 압력제어밸브, 압력제어밸브의 제조방법, 및 압력제어밸브를 가진 연료전지시스템에 관한 것이다.
종래, 기계가공기술을 사용해서 여러 가지 감압밸브가 제작되어 왔다.
감압밸브는 주로 액티브구동형과 패시브구동형으로 분류된다.
액티브구동형 감압밸브는 압력센서, 밸브구동수단, 및 제어기구를 구비하고, 2차 압력이 설정압력으로 감압되도록 밸브를 구동한다.
한편, 패시브구동형 감압밸브는, 설정압력이 되면, 압력차를 이용해서 밸브가 자동적으로 개폐하도록 구성되어 있다.
또한, 패시브형 감압밸브는 주로 파일럿형과 직동형으로 분류된다. 파일럿형은 파일럿밸브를 가지고, 안정된 동작을 특징으로 하고 있다.
한편, 직동형은 고속 응답에 대해서 이점이 있다.
또, 기체를 작동유체로 사용하는 경우에는, 압축유체의 미소한 힘에 의해서도 밸브의 개폐를 확실히 행하기 위해서 차압감지기구로서 다이어프램이 일반적으 로 사용된다.
통상, 직동다이어프램형 감압밸브에 있어서는, 다이어프램, 다이어프램의 동작을 밸브본체에 전달하는 피스톤 등의 전달기구, 및 밸브본체는 나사 등에 의해 일체화되어 있다.
그러나, 일본국 특개평 10-268943호 공보에 나타내는 바와 같은 릴리프기구를 구비한 밸브에 있어서는, 릴리프동작 실현을 위해서 다이어프램(가동부)과 전달기구가 분리된 구조로 되어 있다.
이것은, 감압밸브의 2차 압력이 소정의 압력보다 높아졌을 경우, 다이어프램(가동부)이 대기 측으로 구부러져서 피스톤(전달기구)으로부터 멀어짐으로써, 이 다이어프램(가동부)에 형성된 포트를 통해서 과잉 압력을 해제하기 때문이다.
릴리프기구를 실현하기 위해서는, 밸브본체 및 전달기구는 다이어프램(가동부) 이외의 부재에 의해 지지되어 있을 필요가 있다.
통상, 지지는 밸브본체 또는 그 주위의 가이드를 구비함으로써 실현되고 또한 전달기구의 가동축 상에서 밸브본체에 대해서 전달기구와는 반대측에 코일스프링을 구비함으로써도 실현된다.
상기 일본국 특개평 10-268943호 공보에서는, 밸브를 폐쇄하기 위한 스프링이 피스톤(전달기구)의 축의 연장 상에서 밸브본체를 개재해서 이 피스톤(전달기구)의 반대측에 위치도록 배치되어 있다.
소형의 감압밸브에 관해서는, 예를 들면, 일본국 특개 2004-03199호 공보에 나타내는 바와 같이, 다이어프램, 밸브본체, 및 밸브본체와 다이어프램을 직결하는 밸브축을 구비한 밸브가 제안되어 있다.
이와 같은 구조의 감압밸브의 제조방법에는, A. Debray et al, J. Micromech. Microeng. 15, S202-S209 (2005)에 개시되어 있는 제조방법이 알려져 있다. 이 제조방법은 반도체가공기술을 사용해서 소형의 기계요소를 제작하고 있는 점에 특징을 가지고 있다.
반도체가공기술에서는, 재료로는 반도체 기판이 사용되고, 성막, 포토리소그래피, 및 에칭 등의 기술을 조합해서 구조를 형성한다.
따라서, 서브 미크론 오더의 미세 가공이 가능하고, 배치 프로세스에 의해 대량생산화도 용이하다고 하는 특징을 가진다.
특히, 감압밸브는 복잡한 3차원 구조를 가지기 때문에, 반도체 기판을 수직으로 에칭하기 위한 ICP-RIE(reactive ion etching)나, 2개 이상의 반도체 기판을 접합하기 위한 접합기술 등이 사용되고 있다.
또, 밸브본체와 밸브시트는 실리콘 산화물 등의 희생층을 개재해서 접합되고, 프로세스의 후반에서 희생층을 에칭함으로써 밸브시트로부터 밸브본체가 해방되고 있다.
한편, 소형의 전기기기에 탑재하는 에너지원으로서 소형의 연료전지가 주목되고 있다
연료전지가 소형 전기기기의 구동원으로서 유용한 이유에 체적당, 중량당의 공급가능한 에너지량이 종래의 리튬이온 2차 전지에 비해 수배로부터 10배 가까운 것을 들고 있다.
특히, 큰 출력을 얻기 위한 연료전지로는, 수소를 연료로 사용하는 것이 최적이다. 그러나, 수소는 상온에서 기체이기 때문에, 소형의 연료탱크 안에 고밀도로 수소를 저장하기 위한 기술이 필요하다.
이러한 수소를 저장하기 위한 기술로서 다음과 같은 방법이 알려져 있다.
제1의 방법은 수소를 압축해서, 고압가스로서 보존하는 방법이다.
탱크 내의 가스의 압력을 200기압으로 설정하면, 체적 수소 밀도는 18mg/cm3 정도가 된다.
제2의 방법은 수소를 저온으로 냉각해서, 액체로서 저장하는 방법이다.
이 방법은, 수소를 액화하기 위해서는, 큰 에너지가 필요한 것, 또 액체 수소가 자연 기화해서 누출된다고 하는 것이 문제이지만, 고밀도의 보존이 가능하다.
제3의 방법은 수소흡장합금을 사용해서 수소를 저장하는 방법이다. 이 방법에서는, 수소흡장합금의 비중이 크기 때문에, 중량 베이스에서는 2wt% 정도의 수소밖에 흡장하지 못해서, 연료탱크가 무거워지게 된다고 하는 문제점이 있지만, 체적 베이스에서의 흡장량은 크기 때문에, 소형화에는 유효하다.
한편, 고체고분자형 연료전지의 발전은 이하와 같이 해서 행해진다. 고분자 전해질막에는, 퍼플루오로술폰산계의 양이온교환수지가 자주 이용된다.
예를 들면, 이와 같은 막으로서는, 듀퐁사의 나피온 등이 잘 알려져 있다.
고체고분자전해질막을, 백금 등의 촉매를 지지한 한 쌍의 다공질 전극, 즉 연료극과 산화제극 사이에 끼움으로써 형성되는 막전극 복합체가 발전셀을 구성한다.
이 발전셀에 대해서, 산화제극에는 산화제를, 연료극에는 연료를 공급함으로써 고분자전해질막 중을 플로톤이 이동해서 발전이 행해진다.
고분자전해질막은 기계적 강도를 유지하고, 또한 연료가스가 투과하지 않게 하기 위해서 통상 50 내지 200㎛ 정도의 두께를 가진다. 이러한 고체고분자전해질막의 강도는 3 내지 5kg/cm2 정도이다.
따라서, 차압에 의한 막의 파단을 막기 위해서는, 연료전지의 산화제극실과 연료극실과의 차압이 평상시에는 O. 5kg/cm2 이하, 비상시라도 1kg/cm2 이하가 되도록 제어하는 것이 바람직하다.
연료탱크와 산화제극실과의 차압이 상기 압력보다 작은 경우, 감압할 필요없이 탱크와 연료극실을 서로 직결해도 된다.
그러나, 산화제극실이 대기에 개방되어 있고, 또한 보다 고밀도로 연료를 충전하는 경우에 있어서는, 연료탱크로부터 연료극실에 연료를 공급하는 과정에 있어서 감압하는 것이 필요하게 된다.
또, 발전의 기동/정지나, 발전 전력을 안정시키기 위해서도, 상기 기구는 필요하다. 일본국 특개 2004-31199호 공보에 있어서는, 소형밸브를 연료탱크와 연료전지셀 사이에 배치함으로써, 연료전지셀을 큰 압력차에 의한 파단으로부터 방지하고, 또 발전의 기동/정지를 제어해서 발전 전력을 안정하게 유지하고 있다.
특히, 연료공급로와 산화제공급로와의 경계에 다이어프램을 사용해서 밸브에 직결함으로써, 전기를 이용하지 않고 연료공급로와 산화제공급로의 차압에 의해 구 동해서, 연료전지셀에 공급하는 연료압을 최적으로 제어하는 감압밸브를 실현하고 있다.
그러나, 종래의 릴리프기구를 구비한 감압밸브에서는, 다음과 같은 문제를 가지고 있다.
예를 들면, 상기 일본국 특개평 10-268943호 공보의 감압밸브에서는, 다이어프램(가동부)과 피스톤(전달기구)이 분리되어 있지만, 밸브를 폐쇄하기 위한 스프링이 피스톤(전달기구)의 축의 연장 상에서 밸브본체의 이 피스톤(전달기구)의 반대측에 배치되어 있다.
따라서, 감압밸브의 층 구조의 층 수가 증가되어, 구조가 복잡하게 되어 있었다.
또, 이와 같은 구조에 있어서는, 밸브본체의 위치어긋남을 방지하기 위해서 상기 스프링과는 별도로 밸브본체 또는 피스톤(전달기구) 등에 가이드를 배치할 필요가 있다.
그러나, 소형의 감압밸브에 있어서는, 소형의 베어링을 제작하는 것이 매우 곤란하다. 그 때문에, 가이드 부분에서의 마찰이 커서, 밸브를 구동하는 것이 어렵다고 하는 문제가 생긴다.
한편, 상기 일본국 특개 2004-31199호 공보와 같은 반도체 가공기술을 사용한 감압밸브에서는, 접합에 의해 다이어프램(가동부), 피스톤(전달기구), 및 밸브본체가 일체화되어 있다. 그 때문에, 감압밸브의 2차 압력이 과도하게 상승하면, 피스톤(전달기구)이나 밸브본체에 큰 응력이 걸려, 파손되어 버릴 우려가 있다.
특히, 강력한 접합강도가 요구되기 때문에, 접합강도 불량에 의한 불량품의 발생률이 높아질 우려가 있다.
또, 복수의 반도체 기판을 접합한 후, 희생층을 릴리스하는 공정을 가지는 경우에는, 밸브본체 또는 밸브시트 표면의 밀봉성을 높이기 위해서 탄성재료 등을 코팅하는 것은 가능하지만, 다음과 같은 문제를 가지고 있다.
즉, 제작 프로세스가 복잡할 뿐만 아니라, 충분한 두께의 밀봉층을 형성하는 것이 곤란하다. 또, 종래의 소형 감압밸브를 구비한 소형 연료전지에 있어서는, 밸브부분의 밀봉이 충분하지 않아, 누출에 의해 연료전지를 파손할 우려가 생긴다.
또, 소형 감압밸브가 고가이기 때문에, 연료전지의 코스트가 높아질 우려가 있었다.
본 발명은 상기 과제를 감안해서 밀봉특성, 내구성, 또는 온도차단밸브로서의 기능을 가지고; 소형화를 꾀할 수 있는 압력제어밸브; 압력제어밸브의 제조방법; 및 압력제어밸브를 탑재한 연료전지시스템의 제공을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서, 다음과 같은 구성을 가진 압력제어밸브, 압력제어밸브의 제조방법, 및 압력제어밸브를 탑재한 연료전지시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 압력제어밸브는,
차압에 의해 동작하는 가동부;
밸브부; 및
상기 가동부의 동작을 상기 밸브부에 전달하는 전달기구를 가지고,
상기 가동부 또는 상기 밸브부의 어느 한 쪽이 전달기구와 분리되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 압력제어밸브는, 상기 가동부가 다이어프램인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 압력제어밸브는, 상기 밸브부가 밸브시트부, 밸브체부, 및 상기 밸브체부를 지지하는 지지부를 구비하고, 상기 지지부가, 상기 전달기구에 의해 전달되는 상기 가동부의 동작에 따라 상기 밸브체부와 상기 밸브시트부 사이를 개폐가능하도록, 상기 밸브체부를 지지하고 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 압력제어밸브는, 상기 밸브체부를 지지하는 지지부가, 상기 전달기구의 동작 방향에 수직이고 또한 상기 밸브체부를 포함한 평면 상에 배치되어 있는 상기 밸브체부를 지지하는 탄성체에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 압력제어밸브는, 상기 밸브체부를 지지하는 지지부가, 그 일부로서, 한계치 이상의 온도에서 이 밸브부를 폐쇄하는 위치로 변위하는 온도변위부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 압력제어밸브는, 상기 온도 변위부가 형상기억합금으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 압력제어밸브는, 상기 온도변위부가 바이메탈로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 압력제어밸브는, 상기 밸브체부가 상기 밸브시트부와의 접촉부에 형성된 돌기부를 가지고 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 압력제어밸브는, 상기 밸브체부와 상기 밸브시트부와의 접촉부에 있어서 상기 밸브체부 또는 상기 밸브시트부의 어느 한 쪽에 형성된 밀봉재를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다
또, 본 발명의 압력제어밸브는, 상기 밸브부가 상기 전달기구의 동작방향에 수직이고 또한 상기 밸브부를 포함한 평면 상에 배치되어 있는 관통구멍을 가지는 탄성체를 구비하고, 상기 관통구멍이 상기 전달기구에 의해 전달되는 상기 가동부의 동작에 따라 상기 전달기구의 첨단부에 의해 개폐되는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 압력제어밸브는, 상기 전달기구가 상기 가동부 상에 배치된 복수의 돌기부에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 압력제어밸브는, 상기 전달기구가 상기 가동부와 상기 밸브부 사이에 배치된 표면에 요철을 가지는 시트에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 압력제어밸브는, 상기 밸브부, 가동부 및 전달기구의 각각이 시트형상부재 또는 판형상부재로 형성되고, 그것들을 적층해서 상기 압력제어밸브를 구성하고 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은, 상기 압력제어밸브가 감압밸브인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 압력제어밸브의 제조 방법은, 차압에 의해 동작하는 가동부, 밸브시트부, 밸브체부, 및 이 밸브체부를 지지하는 지지부를 포함하는 밸브부, 및 상기 가동부의 동작을 상기 밸브부에 전달하는 전달기구를 구비하고, 상기 가동부 또는 상기 밸브부의 어느 한 쪽이 전달기구와 분리된 구성을 가지는 압력제어밸브의 제조방법으로서,
가동부를 시트형상부재 또는 판형상부재를 사용해서 형성하는 공정;
전달기구를 시트형상부재 또는 판형상부재를 사용해서 형성하는 공정;
밸브시트부를 시트형상부재 또는 판형상부재를 사용해서 형성하는 공정;
밸브체부 및 지지부를 시트형상부재 또는 판형상부재를 사용해서 형성하는 공정; 및
상기 형성된 각 부를 서로 적층해서 압력제어밸브를 조립하는 공정을 가지는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 압력제어밸브의 제조방법은, 상기 시트형상부재 또는 판형상부재의 적어도 일부에 반도체 기판을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 압력제어밸브의 제조방법은, 상기 가동부, 전달기구, 밸브시트부, 밸브체부 및 지지부를 형성하는 각 공정에 있어서, 에칭가공, 프레스가공 또는 사출성형가공의 적어도 하나를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 압력제어밸브의 제조방법은,
상기 밸브체부 및 지지부를 형성하는 공정 또는 밸브시트부를 형성하는 공정의 후에, 이들 공정에 의해 형성된 상기 밸브체부 및 지지부 또는 상기 밸브시트부의 적어도 한 쪽에 밀봉재료를 코팅하는 공정; 및
상기 코팅하는 공정의 후에, 상기 밸브체부 및 지지부, 및 상기 밸브시트부를 조합하는 조립공정을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한 상기한 압력제어밸브의 어느 하나 또는 상기한 압력제어밸브의 제조방법의 어느 하나에 의해 얻어진 감압밸브를 탑재하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템을 제공한다.
본 발명에 의하면, 밀봉 특성, 내구성, 또는 온도차단밸브로서의 기능을 가지고; 소형화를 꾀할 수 있는 압력제어밸브; 압력제어밸브의 제조방법; 및 압력제어밸브를 탑재한 연료전지시스템을 실현할 수 있다.
본 발명의 다른 특징은 첨부도면을 참조한 예시적인 실시형태의 다음 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예1에 있어서의 소형 감압밸브의 제1구성예를 설명하기 위한 개략 단면도;
도 2A 및 도 2B는 본 발명의 실시예1의 소형 감압밸브의 제1구성예에 있어서의 지지부의 제1 및 제2형태를 설명하기 위한 개략 평면도;
도 3은 본 발명의 실시예1의 소형 감압밸브의 제1구성예에 있어서의 응용예를 설명하기 위한 개략 단면도;
도 4는 본 발명의 실시예1의 소형 감압밸브의 제1구성예에 있어서의 각 부의 압력 및 단면적을 설명하기 위한 (폐쇄상태) 개략 단면도;
도 5는 본 발명의 실시예1의 소형 감압밸브의 제1구성예에 있어서의 밸브의 개방상태를 설명하기 위한 개략 단면도;
도 6은 본 발명의 실시예1의 소형 감압밸브의 제1구성예에 있어서의 파생형을 설명하기 위한 개략 단면도;
도 7은 본 발명의 실시예1의 소형 감압밸브의 제1구성예를 설명하기 위한 분해사시도;
도 8A, 도 8B, 도 8C, 도 8D, 도 8E, 도 8F, 도 8F, 도 8G, 도 8H, 도 8I, 도 8J, 도 8K, 및 도 8L은 실시예2에 있어서의 실시예1의 구조를 가진 소형 감압밸브의 제1제법의 제작 순서를 설명하기 위한 개략 단면도;
도 9A, 도 9B, 도 9C, 도 9D, 도 9E, 도 9F, 도 9F, 도 9G, 도 9H, 도 9I, 도 9J, 도 9K, 및 도 9L은 실시예3에 있어서의 실시예1의 구조를 가진 소형 감압밸브의 제2제법의 제작 순서를 설명하기 위한 개략 단면도;
도 10A, 도 10B, 도 10C, 도 10D, 도 10E, 도 10F, 도 10F, 도 10G, 도 10H, 도 10I, 도 10J, 도 10K, 도 10L 및 도 10M은 실시예4에 있어서의 실시예1의 구조를 가진 소형 감압밸브의 제3제법의 제작 순서를 설명하기 위한 개략 단면도;
도 11은 본 발명의 실시예5에 있어서의 소형 감압밸브의 제2구성예를 설명하기 위한 개략 단면도;
도 12는 본 발명의 실시예5에 있어서의 소형 감압밸브의 제2구성예의 밸브 개방상태를 설명하기 위한 개략 단면도;
도 13은 본 발명의 실시예5에 있어서의 소형 감압밸브의 제2구성예의 전달기구의 다른 형태를 설명하기 위한 개략 단면도;
도 14는 본 발명의 실시예5에 있어서의 소형 감압밸브의 제2구성예를 설명하 기 위한 분해사시도;
도 15는 본 발명의 실시예6에 있어서의 소형 감압밸브의 제3구성예를 설명하기 위한 개략 단면도;
도 16은 본 발명의 실시예6에 있어서의 소형 감압밸브의 제4구성예를 설명하기 위한 개략 단면도;
도 17은 본 발명의 실시예7에 있어서의 소형 감압밸브의 제5구성예를 설명하기 위한 개략 단면도;
도 18은 본 발명의 실시예7에 있어서의 소형 감압밸브의 제5구성예를 설명하기 위한 개략 평면도;
도 19A 및 도 19B는 본 발명의 실시예7에 있어서의 소형 감압밸브의 제5구성예를 설명하기 위한 개략 단면도;
도 20은 본 발명의 실시예7에 있어서의 소형 감압밸브의 제5구성예를 설명하는 유량 대 온도특성을 나타내는 그래프;
도 21은 본 발명의 실시예8에 있어서의 연료전지를 설명하기 위한 개략 사시도;
도 22는 본 발명의 실시예8에 있어서의 연료전지시스템을 설명하기 위한 개략도;
도 23은 본 발명의 실시예8의 연료전지시스템에 있어서의 수소흡장합금 (LaNi5)의 해리압력을 설명하기 위한 표;
도 24는 본 발명의 실시예8의 연료전지에 있어서의 소형 감압밸브의 위치관계를 설명하기 위한 개략 단면도.
이하에, 본 발명의 실시예에 대해 첨부도면을 참조해서 상세히 설명한다.
[실시예1]
실시예1에 있어서는, 본 발명의 압력제어밸브로서 감압밸브의 제1구성예에 대해 설명한다.
도 1은 본 실시예의 감압밸브의 구성을 설명하기 위한 개략 단면도이다.
도 1에 있어서, (1)은 다이어프램(가동부), (2)는 피스톤(전달기구), (3)은 밸브시트부, (4)는 밸브체부, (5)는 지지부이다.
본 실시예에 있어서의 감압밸브는, 가동부가 되는 다이어프램(1), 전달기구인 피스톤(2), 및 밸브부를 형성하는 밸브시트부(3), 밸브체부(4), 및 지지부(5)를 포함한다. 특히, 밸브체부(4)는 지지부(5)에 의해 주위에 지지되어 있다.
지지부(5)는 탄성을 가지는 빔에 의해 형성되어 있고, 도 2A나 도 2B에 나타내는 바와 같은 형상을 취할 수 있다.
밸브시트부(3) 또는 밸브체부(4)에 도 3과 같은 돌기부를 형성하면, 밸브가 폐쇄되었을 때에도 지지부의 스프링이 굽은 상태가 되어, 폐쇄방향으로 힘이 가해짐으로써, 밀봉성이 향상된다.
또, 밸브체부(4) 또는 밸브시트부(3)의 적어도 한쪽의 표면에 밸브의 밀봉재(6)를 코팅함으로써, 밀봉성을 향상시킬 수 있다. 여기서, 도 4를 참조해서, 본 감압밸브의 동작을 설명한다.
다이어프램(가동부)(1) 상부의 압력을 P0, 밸브 상류의 1차 압력을 P1, 밸브
하류의 압력을 P2로 하고, 밸브체부(4)의 면적을 S1, 다이어프램(가동부)(1)의 면적을 S2로 한다.
이 때, 압력의 균형에 의거해서 도 5와 같이 밸브가 개방되는 조건은 (P1-P2) S1 < (P0-P2) S2가 된다. P2가 이 조건을 만족하는 압력보다 높으면 밸브는 폐쇄되고, P2가 그 압력보다 낮으면 밸브는 개방된다.
이에 의해, P2를 일정하게 유지할 수 있다.
밸브체부(4)의 면적, 다이어프램(가동부)(1)의 면적, 피스톤(전달기구)(2)의 길이, 다이어프램(가동부)(1)의 두께, 지지부(5)의 빔의 형상을 조정함으로써 밸브가 개폐되는 압력이나 유량을 최적으로 설계할 수 있다.
특히, 다이어프램(가동부)(1)의 스프링 정수가 지지부(5)의 스프링 정수보다 큰 경우에는, 밸브가 개방될 때의 압력은 다이어프램(가동부)(1)에 의존한다. 반대로, 지지부(5)의 스프링 정수가 다이어프램(가동부)(1)의 스프링 정수보다 큰 경우에는, 밸브의 거동은 지지부(5)에 의존한다. 또, 도 3과 같이 돌기부(9)를 형성하는 경우에는, 돌기부(9)의 높이에 따라 밸브의 밀봉성이나 밸브가 동작하는 압력이 변화한다.
한편, 밸브 하류의 압력 P2가 설정압력보다 높아졌을 경우에는, 다이어프램
(가동부)(1)은 위쪽으로 휘어서, 밸브가 폐쇄된다.
이 때, 밸브체부(4)와 피스톤(전달기구)(2)이 접합되어 있지 않기 때문에, 밸브체부(4)는 밸브시트부(3)와 접했을 때 정지하고, 피스톤(전달기구)(2)만이 다이어프램(가동부)(1)과 함께 움직인다.
이에 의해, 압력 상승에 의해 밸브가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
또, 본 실시예의 감압밸브는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 전달기구(2)가 밸브체부(4)에 일체적으로 접합되고, 가동부(1)로부터 분리되도록 구성할 수 있다. 이 경우도 동작 원리는 도 1에 나타내는 구조와 같다.
본 실시예의 감압밸브는 기계가공기술을 사용해서, 예를 들면, 이하와 같이 제작할 수 있다.
도 7은 본 감압밸브를 밸브체부(4) 측에서 보았을 경우의 분해사시도이다. 이 사시도로부터 알 수 있는 바와 같이, 시트형상부재를 중첩시킴으로써 감압밸브를 제작한다.
각 부재의 사이즈는 8mm × 8mm이다.
다이어프램(가동부)(1)에는, 바이톤(상표명; 듀폰사제)고무나 실리콘고무 등의 탄성재료, 스테인레스강이나 알루미늄 등의 금속재료, 플라스틱 등을 사용할 수 있다. 스테인레스강을 다이어프램(1)의 재료로 사용했을 경우에는, 에칭이나 절삭 가공 등에 의해 피스톤을 다이어프램(1)과 일체적으로 제작할 수 있다.
본 실시예에서는, 다이어프램(1)으로는, 두께 50㎛의 PET기재에 두께 25㎛의 가스밀봉성이 있는 접착층을 가지는 핫멜트 시트(닛토 신코사제)를 사용했다.
또, 피스톤으로는, 다이어프램지지부(10)와 피스톤(전달기구)(2)을 일체 형성한 부재를 스테인레스강의 에칭가공에 의해 제작했다.
다이어프램지지부(10)의 두께는 50㎛, 피스톤(2)의 높이는 250㎛이다.
핫멜트 시트와 스테인레스강(SUS) 부재는 양 부재를 중첩시킨 상태에서 140℃ 정도로 가열하고, 수 초 간 유지함으로써 접착했다.
또, 다이어프램(가동부)(1)의 하부 공간이나 피스톤(전달기구)(2)이 통과하는 유로는 스테인레스강체의 기계가공이나 에칭가공으로 제작할 수 있다. 본 실시예에서는, 다이어프램(가동부)(1)의 하부 공간으로는, 두께 50㎛의 PET기재의 양면에 두께 25㎛의 가스밀봉성이 있는 접착층을 가지는 핫멜트 시트(닛토 신코사제)를 사용했다. 피스톤(전달기구)(2)이 통과하는 유로는 스테인레스강체의 기계가공이나 에칭가공으로 제작할 수 있다. 두께 250㎛의 스테인레스강판을 에칭해서, 밸브시트부(3)의 돌기부의 높이를 1OO㎛로 했다.
밸브시트부(3) 또는 밸브체부(4)에의 밀봉재료의 코팅은 파릴렌이나 테플론(상표명; 듀폰사제) 등을 증착해도 되고, 실리콘고무, 폴리이미드, 테플론 등을 스핀코팅이나 스프레이코팅에 의해 도포할 수도 있다.
본 실시예에서는, 밸브시트부를 가지는 부재에 실리콘고무를 스핀코팅 (3000RPM × 30초)에 의해 도포함으로써, 두께 40㎛ 정도의 균일한 밀봉층을 얻을 수 있었다. 다이어프램(가동부)(1)의 하부 공간을 형성하는 핫멜트 시트부재와 피스톤(전달기구)(2)이 통과하는 유로를 가지는 스테인레스강(SUS) 부재는 양 부재를 중첩시킨 상태에서 140℃ 정도로 가열해서, 수 초 간 유지함으로써 서로 접착했다.
지지부(5) 및 밸브체부(4)를 가지는 부재는 스테인레스강체의 기계가공이나 에칭가공으로 제작할 수 있다.
두께 200㎛의 스테인레스강(SUS)부재를 에칭함으로써 본 부재를 얻었다. 지지부(5)의 두께는 50㎛이었다.
상기 부재를 적층함으로써, 본 실시예의 감압밸브를 기계가공에 의해 실현할 수 있다.
본 감압밸브의 제작공정에서는, 스테인레스강체의 2단계 에칭을 다용하고 있지만, 표면과 이면에서 다른 마스크를 형성하고, 양면으로부터 에칭을 행함으로써, 정밀하고 간편하게 2단계 에칭을 행할 수 있다.
이상과 같이 해서 제작된 감압밸브에서는, 대기압이 1기압 정도인 때, 2차 압력은 0.8기압(절대압) 정도가 된다.
또한, 이상과 같이 해서 제작된 감압밸브는, 누출 특성은 0.1sccm 이하였고, 2차 압력이 5기압(절대압)에서도 파손되지 않았다.
본 실시예에서는, 접착에 핫멜트 시트를 사용하고 있다. 이 방법은 두께나 위치결정의 제어가 뛰어나지만, 이 방법 외에, 다른 접착제를 도포하는 방법이나, 금속간의 확산접합을 이용하는 방법도 유효하다.
또, 각 부재는 시트형상이므로, 금속부재의 가공에는 에칭이나 프레스가 적합하고, 수지부재의 가공에는 금형절삭이나 사출성형이 적합하다.
또, 본 실시예에서 설명한 각 부재 중 일부 또는 전부에 이하의 실시예에서 설명하는 반도체가공기술을 이용해서 제작된 부재를 사용하는 것도 가능하다.
[실시예2]
실시예2에 있어서는, 상기 실시예1의 구조를 가진 소형 감압밸브를, 반도체가공기술을 사용해서 제작하는 제1제조방법에 대해 설명한다.
본 실시예에 의해 제작되는 소형 감압밸브는, 도 6에 나타내는 바와 같은 피스톤(전달기구)이 밸브체부와 일체로 형성되어 있고, 가동부(다이어프램)와는 분리되어 있는 구성을 가지고 있다.
본 실시예에서 제작되는 소형 감압밸브의 각 부의 전형적인 치수는 이하와 같이 설정할 수 있지만, 이들 치수는 설계에 따라 변경가능하다.
다이어프램(가동부)은 직경 3.6mm, 두께 40㎛로 조정할 수 있다.
피스톤(전달기구)은 직경 260㎛, 길이 200 내지 400㎛로 조정할 수 있다.
피스톤이 통과하는 유로는 직경 400㎛로 조정할 수 있다.
돌기부는 폭 20㎛, 높이 10㎛, 밀봉층은 두께 5㎛, 밸브체부는 직경 1000㎛, 두께 200㎛로 조정할 수 있다.
지지부는 길이 1000㎛, 폭 200㎛, 두께 10㎛로 조정할 수 있다.
다음에, 본 실시예에 있어서의 소형 감압밸브의 제조방법에 대해 설명한다.
도 8A, 도 8B, 도 8C, 도 8D, 도 8E, 도 8F, 도 8F, 도 8G, 도 8H, 도 8I, 도 8J, 도 8K, 및 도 8L은 소형 감압밸브를 제작하는 제1제법의 제작 순서의 각 공정을 나타낸다.
우선, 도 8A에 나타내는 제1스텝은 제1실리콘 웨이퍼(101)에 다이어프램(가동부)을 제작하는 공정이다.
웨이퍼에는, 한 면이 연마된 실리콘 웨이퍼도 사용가능하지만, 양면이 연마된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 이하의 에칭공정에 있어서, 에칭 깊이를 제어하기 위해서, SOI
(silicon-on-insulator)웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다.
실리콘 웨이퍼로는, 핸들층 두께 200㎛, 산화물층(BOX층) 두께 1㎛, 디바이스층 두께 40㎛의 것을 사용할 수 있다.
제1웨이퍼(101)에 에칭 마스크를 제작한다.
에칭은 ICP-RIE(reactive ion etching)를 사용해서 깊이 200㎛ 정도 행한다.
그 때, 마스크로는, 두께 1㎛ 이상의 두꺼운 포토레지스트막; 알루미늄 등의 금속막; 또는 웨이퍼 표면을 열산화해서 형성된 실리콘산화물층을 사용할 수 있다. 실리콘산화물층을 마스크로 사용하는 경우에는, 100O℃ 정도로 가열한 노 안에, 소정 유량의 수소 및 산소를 흐르게 함으로써, 웨이퍼 표면에 산화물층을 형성한다.
다음에, 웨이퍼 표면에 포토레지스트를 스핀 코트하고, 프리베이크 후, 노광을 행한다.
또한, 현상 및 포스트베이크를 행한다. 포토레지스트를 마스크로 사용해서 불화수소산에 의해 산화물층을 에칭한다.
이와 같이 해서 얻어진 마스크를 사용해서, 다이어프램(가동부)(111)을 ICP-RIE(reactive ion etching)에 의해 형성한다.
에칭 깊이는 에칭 시간을 조정함으로써 제어해도 되고, SOI 웨이퍼의 산화물층(BOX층)을 에치스톱층으로서 사용해도 된다.
에칭 후, 마스크로 사용한 실리콘산화물층을 불화수소산에 의해 제거한다.
도 8B에 나타내는 제2스텝은 웨이퍼의 다이렉트 본딩공정이다.
이 공정에서는, 우선, 다른 제2실리콘 웨이퍼(102)의 표면을 열산화한다.
제2실리콘 웨이퍼로는, 양면이 연마된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 이하의 에칭공정에 있어서, 밸브시트부(112)의 돌기부의 깊이를 제어하기 위해서 SOI(silicon-on-insulator)웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다.
실리콘 웨이퍼로는, 핸들층 두께 200㎛, 산화물층(BOX층) 두께 1㎛, 디바이스층 두께 5㎛의 것을 사용할 수 있다.
열산화공정은 제1공정과 같다.
다음에, 제1웨이퍼(101) 및 제2웨이퍼(102)를 SPM세정(80℃로 가열한 과산화수소수와 황산의 혼합액 중에서 세정) 후, 묽은 불화수소산으로 세정한다.
제1웨이퍼(101)와 제2웨이퍼(102)를 중첩시키고, 1500N 정도로 가압하면서 시료를 3시간 이내에 1100℃에 이르도록 가열하고, 이 온도로 4시간 유지 후, 자연 냉각에 의해 어닐링을 행한다.
도 8C에 나타내는 제3스텝은 피스톤(전달기구)이 통과하기 위한 유로를 형성하는 공정이다.
본 공정 및 다음 공정에서 2단계의 에칭을 행하기 위해서, 실리콘산화물층 및 포토레지스트층을 가진 2층 구조를 가지는 마스크를 제작한다.
우선, 배면에 포토레지스트를 스핀 코트하고, 프리베이크 후, 노광을 행하고, 밸브시트부(112) 제작을 위한 패터닝을 행한다.
또한, 현상 및 포스트베이크를 행한다.
포토레지스트를 마스크로 사용해서 불화수소산에 의해 산화물층을 에칭한다.
또한, 유로 형성을 위한 마스크를 패터닝한다. 즉, 배면에 포토레지스트를 스핀 코트하고, 프리베이크 후, 노광을 행하고, 현상 및 포스트베이크를 행한다.
그 후, ICP-RIE(reactive ion etching)에 의해 유로를 형성한다.
SOI 웨이퍼를 사용했을 경우에는, 중간의 산화물층까지 에칭을 행한 후, 불화수소산에 의해 산화물층을 제거한다. 마스크로 사용한 포토레지스트는 아세톤에 의해 제거한다.
도 8D에 나타내는 제4스텝은 전 공정에서 제작한 밸브시트부(112) 형성을 위한 마스크를 사용해서 ICP-RIE(reactive ion etching)에 의해 밸브시트부(112)를 형성하는 공정이다.
본 공정에 있어서, SOI 웨이퍼를 사용했을 경우에는, 중간의 산화물층을 에치스톱층으로서 사용할 수 있고, 밸브시트부의 돌기부의 높이를 정밀하게 제어할 수 있는 동시에, 에칭 후의 표면을 평탄하게 유지할 수 있다.
에칭 후, 마스크로 사용한 실리콘산화물층을 불화수소산에 의해 제거한다. 본 실시예에서는, 2단계의 마스크로서 포토레지스트와 실리콘산화물층을 사용했지만, 두께가 다른 실리콘산화물층을 사용하거나, 알루미늄층을 사용해서도 실행가능하다.
도 8E에 나타내는 제5스텝은, 제3웨이퍼(103)을 사용해서 밸브체부(113)를 형성하기 위한 마스크를 제작하는 공정이다.
웨이퍼로는 한 면이 연마된 실리콘 웨이퍼도 사용가능하지만, 양면이 연마된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 이하의 에칭공정에 있어서, 에칭 깊이를 제어하기 위해서, SOI (silicon-on-insulator)웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다.
실리콘 웨이퍼로는 핸들층 두께 200㎛, 산화물층(BOX층) 두께 1㎛, 디바이스층 두께 1O㎛의 것을 사용할 수 있다.
우선, 제3실리콘 웨이퍼(103)의 열산화를 행한다. 열산화는 1000℃ 정도로 가열한 노 안에 제3실리콘 웨이퍼(103)를 넣고, 소정 유량의 수소 및 산소를 흐르게 함으로써 행해진다.
다음에, 표면의 산화물층을 포토레지스트에 의해 보호한 후, 이면의 산화물층의 패터닝을 행한다.
웨이퍼 이면에 포토레지스트를 스핀 코트하고, 프리베이크 후, 노광을 행한다. 또, 현상 및 포스트베이크를 행한다. 포토레지스트를 마스크로 사용해서 불화수소산에 의해 산화물층을 에칭함으로써, 밸브시트부 형성을 위한 패터닝을 행한다.
패터닝 후, 아세톤에 의해 표면 및 이면의 포토레지스트를 제거한다.
도 8F에 나타내는 제6스텝은 지지부(114)를 형성하기 위한 마스크를 제작하는 공정이다.
우선, 이면의 산화물층을 포토레지스트로 보호한 후, 표면의 산화물층의 패터닝을 행한다.
웨이퍼 표면에 포토레지스트를 스핀 코트하고, 프리베이크 후, 노광을 행한다. 또, 현상 및 포스트베이크를 행한다. 포토레지스트를 마스크로 사용해서 불화수소산에 의해 산화물층을 에칭함으로써 지지부 형성을 위한 패터닝을 행한다.
패터닝 후, 아세톤에 의해 표면 및 이면의 포토레지스트를 제거한다.
도 8G에 나타내는 제7스텝은 밸브본체를 형성하는 공정이다.
ICP-RIE(reactive ion etching)에 의해 웨이퍼 배면의 에칭을 행한다.
에칭 깊이는 에칭 시간의 조정에 의해 제어해도 되고, SOI웨이퍼의 산화물층(B0X층)을 에치스톱층으로서 사용해도 된다.
도 8H에 나타내는 제8스텝은 지지부를 형성하는 공정이다.
ICP-RIE(reactive ion etching)에 의해 웨이퍼 표면의 에칭을 행한다.
SOI 웨이퍼를 사용하고 있는 경우에는, 이 때 지지부의 두께를 정밀하게 제어할 수 있기 때문에, 스프링 정수의 오차가 적은 지지부를 얻을 수 있다.
에칭 후, 마스크로 사용한 산화물층은 불화수소산에 의해 제거한다.
도 9I에 나타내는 제9스텝은 제3웨이퍼(103)에 제4웨이퍼(104)를 접합하는 공정이다.
웨이퍼로는 양면이 연마된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 웨이퍼의 두께는 피스톤(전달기구)의 높이에 따라서 선택되지만, 두께 400㎛의 피스톤을 사용할 수 있다.
제4웨이퍼(104)의 표면은 미리 열산화에 의해 산화된다.
다음에, 제3웨이퍼(103) 및 제4웨이퍼(104)를 SPM세정(80℃로 가열한 과산화 수소수와 황산의 혼합액 중에서 세정) 후, 묽은 불화수소산으로 세정한다.
제3웨이퍼(103)와 제4웨이퍼(104)를 중첩시키고, 1500N 정도로 가압하면서 시료를 3시간 이내에 1100℃에 이르도록 가열하고, 이 온도로 4시간 유지 후, 자연 냉각에 의해 어닐링을 행한다.
도 8J에 나타내는 제10스텝은 전달기구(115)를 형성하는 공정이다.
우선, 에칭용 마스크의 패터닝을 행한다. 마스크로는 웨이퍼 표면의 실리콘 산화물층을 사용한다.
다음에, ICP-RIE(reactive ion etching)에 의해 에칭을 행하고, 전달기구를 형성한다. 에칭은 본딩면의 실리콘산화물층에서 정지한다.
도 8K에 나타내는 제11스텝은 밀봉면의 코팅을 행하는 공정이다. 코팅은 도 8K에 도시한 바와 같이 밸브본체 측에 행해도 되고, 밸브시트부 측에 행해도 된다.
코팅재료의 예로서는, 파릴렌, 사이톱(상표명; 아사히 글라스사제), PTFE(폴리 테트라플루오로에틸렌), 폴리이미드 등이 있다.
파릴렌 및 PTFE는 증착에 의해, 사이톱(상표명; 아사히 글라스사제) 및 폴리이미드는 스핀 코팅에 의해 도포가능하다. 그 외, 스프레이에 의한 코팅도 사용가능하다.
도 8L에 나타내는 제11스텝은 조립공정이다.
제1 내지 제4스텝에 의해 제작된 다이어프램(가동부)(111) 및 밸브시트부 (112)를 가지는 부재와 제5 내지 제11공정에 의해 제작된 전달기구(115) 및 밸브체부(113)를 가지는 부재를 중첩시킴으로써 소형 감압밸브가 완성된다.
본 실시예에 있어서, 본딩은 실리콘의 확산접합기술을 사용하고 있지만, 본 실시예에서 제작되는 감압밸브는 피스톤(전달기구)의 접합에 큰 강도를 필요로 하지 않는다.
그 때문에, 접합면에 금속막을 형성한 후, 금속들을 서로 접합하는 방법이나, 접착제 등을 사용하는 방법도 가능하다.
[실시예3]
실시예3에 있어서는, 상기 실시예1의 구조를 가진 소형 감압밸브를, 반도체가공기술을 사용해서 제작하는 제2제조방법에 대해 설명한다.
본 실시예에 의해 제작되는 소형 감압밸브는 도 1에 나타내는 바와 같은 피스톤(전달기구)이 다이어프램(가동부)과 일체적으로 형성되고, 밸브체부와는 분리되어 있는 구성을 가진다.
실시예2에 비해 접합공정의 수가 2에서 1로 감소되기 때문에, 수율 및 드루풋을 향상시킬 수 있다.
또한, 웨이퍼의 수를 4매에서 3매로 줄일 수 있으므로, 코스트도 저감할 수 있다.
또, 이하에 설명하는 바와 같이, 다이어프램(가동부)의 형상을 중앙부에 지지부를 가지는 도너츠형상으로 함으로써, 다이어프램(가동부)의 강성을 최적화할 수 있는 점에서도 유리하다.
본 실시예에서 제작되는 소형 감압밸브의 각 부의 전형적인 치수는 이하와 같이 할 수 있지만, 이들 치수는 설계에 따라 변경가능하다.
다이어프램(가동부)은 직경 3.6mm, 두께 40㎛로 조정할 수 있다.
피스톤(전달기구)은 직경 260㎛, 길이 200 ~ 400㎛로 조정할 수 있다.
피스톤이 통과하는 유로는 직경 400㎛로 조정할 수 있다.
돌기부는 폭 20㎛, 높이 10㎛, 밀봉층 두께 5㎛로, 밸브체부는 직경 1000㎛, 두께 200㎛로 조정할 수 있다.
지지부는 길이 1000㎛, 폭 200㎛, 두께 10㎛로 조정할 수 있다.
다음에, 본 실시예에 있어서의 소형 감압밸브의 제조방법에 대해 설명한다.
도 9A, 도 9B, 도 9C, 도 9D, 도 9E, 도 9F, 도 9F, 도 9G, 도 9H, 도 9I, 도 9J, 도 9K, 및 도 9L은 상기 제조방법에서 소형 감압밸브를 제작하는 제2제법의 제작순서의 공정을 나타낸다.
우선, 도 9A에 나타내는 제1스텝은 에칭을 위한 마스크패터닝공정이다.
제1실리콘 웨이퍼(101)로는 한 면이 연마된 실리콘 웨이퍼도 사용가능하지만, 양면이 연마된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
이하에 설명된 에칭공정에 있어서, 에칭 깊이를 제어하기 위해서, SOI (silicon-on-insulator)웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다.
실리콘 웨이퍼로는 핸들층 두께 300㎛, 산화물층(BOX층) 두께 1㎛, 디바이스층 두께 5㎛의 실리콘 웨이퍼를 뒤집어서, 도면에서 핸들층이 위가 되도록 해서 사용한다.
에칭용 마스크로 사용하기 위해서 제1웨이퍼(101)의 표면의 열산화를 행한다.
제1웨이퍼(101)를 100O℃ 정도로 가열한 노 안에 넣고, 소정 유량의 수소 및 산소를 흐르게 함으로써, 웨이퍼 표면에 산화물층을 형성한다.
다음에, 본 공정과 다음 공정에서 2단계의 에칭을 행하기 위해서 실리콘 산화물층 및 포토레지스트층을 가진 2층 구조를 가지는 마스크를 제작한다.
포토레지스트를 스핀 코트하고, 프리베이크 후, 노광을 행하고, 다이어프램(가동부) 하면의 유로 제작을 위한 패터닝을 행한다.
또한, 현상 및 포스트베이크를 행한다. 포토레지스트를 마스크로 사용해서 불화수소산에 의해 산화물층을 에칭한다. 또한, 전달기구(115) 형성을 위한 마스크를 패터닝한다.
더 구체적으로는, 포토레지스트를 스핀 코트하고, 프리베이크 후, 노광을 행하고, 현상, 포스트베이크를 행한다.
본 실시예에서는, 2단계의 마스크로서 포토레지스트와 실리콘산화물층을 사용했지만, 두께가 다른 실리콘산화물층을 사용하거나, 알루미늄층을 사용해서도 실행가능하다.
도 9B에 나타내는 제2스텝은 ICP-RIE(reactive ion etching)에 의해 피스톤(전달기구)을 형성하는 공정이다.
에칭 깊이는 에칭 시간의 조정에 의해 제어하지만, 150㎛ 정도의 에칭을 행한다. 마지막으로 포토레지스트 마스크를 아세톤에 의해 제거한다.
도 9C에 나타내는 제3스텝은 다이어프램(가동부) 하부의 유로를 제작하는 공정이다.
ICP-RIE(reactive ion etching)에 의해 웨이퍼를 에칭한다.
에칭 깊이는 에칭 시간의 조정에 의해 제어해도 되고, 도면과 같이 SOI 웨이퍼의 산화물층(BOX층)을 에치스톱층으로서 사용해도 된다. 마스크로서 사용한 실리콘산화물층을 불화수소산에 의해 제거한다.
도 9D에 나타내는 제4스텝은 웨이퍼의 다이렉트 본딩공정이다. 제2실리콘 웨이퍼로는 양면이 연마된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 이하의 에칭공정에 있어서, 밸브시트부(112)의 높이를 제어하기 위해서 SOI(silicon-on-insulator)웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다. 실리콘 웨이퍼의 예로는 핸들층 두께 200㎛, 산화물층(BOX층) 두께 1㎛, 디바이스층 두께 40㎛의 것이 있으며, 디바이스층을 다이어프램(가동부)으로서 사용한다. 이후의 에칭에서 실리콘산화물을 에칭용 마스크로서 사용하는 경우에는, 제1공정과 마찬가지로 열산화를 행한다.
다음에, 제1웨이퍼(101) 및 제2웨이퍼(102)를 SPM 세정(80℃로 가열한 과산화수소수와 황산의 혼합액 중에서 세정) 후, 묽은 불화수소산으로 세정한다.
제1웨이퍼(101)와 제2웨이퍼(102)를 중첩시키고, 1500N 정도로 가압하면서 시료를 3시간 이내에 1100℃에 이르도록 가열하고, 이 온도로 4시간 유지 후, 자연 냉각에 의해 어닐링을 행한다.
도 9E에 나타내는 제5스텝은 다이어프램(가동부)을 제작하는 공정이다.
ICP-RIE(reactive ion etching)에 의해 웨이퍼를 에칭한다.
에칭 깊이는 에칭 시간의 조정에 의해 제어해도 되고, 또는 도면과 같이 SOI 웨이퍼의 산화물층(BOX층)을 에치스톱층으로서 사용해도 된다.
다이어프램(가동부)의 형상은 원형이어도 된다. 또는, 도면과 같이, 도너츠형상의 다이어프램이나, 빔을 가지는 다이어프램이어도 된다.
도 9F에 나타내는 제6스텝은 밸브시트부(112)를 형성하는 공정이다.
마스크로는 후막 포토레지스트 외에, 실리콘산화물층, 알루미늄 등을 사용할 수 있다.
웨이퍼 표면에 포토레지스트를 스핀 코트하고, 프리베이크 후, 노광을 행한다. 마스크를 포토레지스트 이외의 것을 사용하는 경우에는, 에칭액으로 마스크층을 패터닝한다.
ICP-RIE(reactive ion etching)에 의해 에칭해서 밸브시트부(112)를 형성한다.
제1웨이퍼(101)로 SOI 웨이퍼를 사용했을 경우에는, 중간의 산화물층을 에치스톱층으로서 사용할 수 있고, 밸브시트부의 돌기부의 높이를 정밀하게 제어할 수 있는 동시에, 에칭 후의 표면을 평탄하게 유지할 수 있다.
에칭 후, 마스크를 제거한다.
도 9G에 나타내는 제7스텝은 제3실리콘 웨이퍼(103)를 사용한 에칭을 위한 마스크패터닝공정이다.
제3실리콘 웨이퍼(103)로는 한 면이 연마된 실리콘 웨이퍼도 사용가능하지만, 양면이 연마된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 이하의 에칭공정에 있어서, 에칭 깊이를 제어하기 위해서 SOI (silicon-on-insulator)웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다.
실리콘 웨이퍼로는 핸들층 두께 200㎛, 산화물층(BOX층) 두께 1㎛, 디바이스층 두께 1O㎛의 것을 사용할 수 있다.
에칭용 마스크로 사용하기 위해서 제3웨이퍼(103)의 표면의 열산화를 행한다. 이 제3웨이퍼(103)를 100O℃ 정도로 가열한 노 안에 넣고, 소정 유량의 수소 및 산소를 흐르게 함으로써 웨이퍼 표면에 산화물층을 형성한다.
다음에, 웨이퍼의 표면을 포토레지스트에 의해 보호하고, 웨이퍼의 이면에 밸브체부의 형성을 위한 패터닝을 행한다. 포토레지스트를 스핀 코트하고, 프리베이크 후, 노광을 행한다.
또한, 현상 및 포스트베이크를 행한다. 포토레지스트를 마스크로 사용해서 불화수소산에 의해 산화물층을 에칭한다.
표면 및 이면의 포토레지스트를 아세톤에 의해 제거한다. 본 공정에 있어서, 마스크로는 실리콘산화물 외에 포토레지스트나 알루미늄을 사용하는 것이 가능하다.
도 9H에 나타내는 제8스텝은 지지부(114)를 형성하기 위한 마스크를 패터닝하는 공정이다.
웨이퍼의 이면을 포토레지스트에 의해 보호하고, 웨이퍼의 표면에 지지부의 형성을 위한 패터닝을 행한다. 포토레지스트를 스핀 코트하고, 프리베이크 후, 노광을 행한다. 또한, 현상 및 포스트베이크를 행한다. 포토레지스트를 마스크로 사용해서 불화수소산에 의해 산화물층을 에칭한다. 표면 및 이면의 포토레지스트를 아세톤에 의해 제거한다.
도 9I에 나타내는 제9스텝은 밸브체부(113)를 형성하는 공정이다.
ICP-RIE(reactive ion etching)에 의해 웨이퍼 배면의 에칭을 행한다. 에칭 깊이는 에칭 시간의 조정에 의해 제어해도 되고, 또는 SOI 웨이퍼의 산화물층(BOX층)을 에치스톱층으로서 사용해도 된다.
도 9J에 나타내는 제1스텝은 지지부를 형성하는 공정이다.
ICP-RIE(reactive ion etching)에 의해 웨이퍼 표면의 에칭을 행한다.
SOI 웨이퍼를 사용하고 있는 경우에는, 이 때에 지지부의 두께를 정밀하게 제어할 수 있기 때문에, 스프링 정수의 오차가 적은 지지부를 얻을 수 있다.
에칭 후, 마스크로 사용한 산화물층은 불화수소산에 의해 제거한다.
도 9K에 나타내는 제11스텝은 밀봉면의 코팅을 행하는 공정이다.
코팅은, 도9K와 같이, 밸브체부 측에 행해도 되고, 밸브시트부 측에 행해도 된다. 코팅재료로서는, 파릴렌, 사이톱(상표명; 아사히 글라스사제), PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌), 폴리이미드 등이 있다.
파릴렌, PTFE는, 증착에 의해, 사이톱(상표명; 아사히 글라스사제), 폴리이미드는 스핀 코트에 의해 도포가능하다. 그 외, 스프레이 코팅도 가능하다.
도 9L에 나타내는 제1스텝은 조립공정이다.
제1 내지 제6스텝에 의해 제작된 다이어프램(가동부)(111) 및 밸브시트부 (112)를 가지는 부재와 제7 내지 제11스텝에 의해 제작된 밸브체부(113)를 가지는 부재를 중첩시킴으로써, 소형 감압밸브가 완성된다.
본 실시예에 있어서, 본딩은 실리콘의 확산접합기술을 사용해서 행해지고 있지만, 본 실시예에서 제작되는 감압밸브에서는 피스톤(전달기구)의 접합에 큰 강도를 필요로 하지 않는다.
그 때문에, 접합면에 금속막을 형성한 후, 금속들을 서로 접합하는 방법이나, 접착제 등을 사용하는 방법도 가능하다.
[실시예4]
실시예4에 있어서는, 상기 실시예1의 구조를 가진 소형 감압밸브를, 반도체가공기술을 사용해서 제작하는 제3제조방법에 대해 설명한다.
본 실시예에 의해 제작되는 소형 감압밸브는 도 1에 나타내는 바와 같은 전달기구(피스톤)가 다이어프램(가동부)과 일체적으로 형성되고, 밸브체부와는 분리되어 있는 구성을 가진다.
실시예2 및 실시예3과 비교했을 경우, 제3제조방법은 접합공정을 필요로 하지 않는다. 제3제조방법에서는 3개의 부품을 개별적으로 제작해서, 마지막에 조합하는 방식이다.
이 때문에, 각 제작프로세스를 개별적으로 진행할 수 있는 동시에, 불량품이 발생했을 때에 불량 부품만의 교환이 가능하다. 따라서, 제3제조방법은 제품 수율을 향상시킬 수 있다고 하는 이점이 있다.
본 실시예에서 제작되는 소형 감압밸브의 각 부의 전형적인 치수는 이하와 같이 설정할 수 있지만, 이들의 치수는 설계에 따라 변경가능하다.
다이어프램(가동부)은 직경 3.6mm, 두께 40㎛로 조정할 수 있다.
피스톤(전달기구)은 직경 260㎛, 길이 200 내지 400㎛로 조정할 수 있다.
피스톤 통과 유로는 직경 400㎛로 조정할 수 있다.
돌기부는 폭 20㎛, 높이 10㎛, 밀봉층 두께 5㎛로, 밸브체부는 직경 1000㎛, 두께 200㎛로 조정할 수 있다.
지지부는 길이 1000㎛, 폭 200㎛, 두께 10㎛로 조정할 수 있다.
다음에, 본 실시예에 있어서의 소형 감압밸브의 제조방법에 대해 설명한다.
도 10A, 도 10B, 도 10C, 도 10D, 도 10E, 도 10F, 도 10F, 도 10G, 도 10H, 도 10I, 도 10J, 도 10K, 도 10L 및 도 10M은 본 실시예에서 소형 감압밸브를 제작하는 제 3 제법의 제작순서의 공정을 나타낸다.
도 10A에 나타내는 제1스텝은 에칭을 위한 마스크패터닝공정이다. 제1실리콘 웨이퍼(101)로는 한 면이 연마된 실리콘 웨이퍼도 사용가능하지만, 양면이 연마된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 이하의 에칭공정에 있어서, 에칭 깊이를 제어하기 위해서 SOI
(silicon-on-insulator)웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다.
실리콘 웨이퍼로는 핸들층 두께 50O㎛, 산화물층(BOX층) 두께 1㎛, 디바이스층 두께 40㎛의 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있다.
에칭용 마스크에 사용하기 위해서 제1실리콘 웨이퍼(101)의 표면의 열산화를 행한다. 100O℃ 정도로 가열한 노 안에 이 실리콘 웨이퍼를 넣고, 소정 유량의 수소 및 산소를 흐르게 함으로써, 웨이퍼 표면에 산화물층을 형성한다.
다음에, 본 공정 및 다음 공정에서 2단계의 에칭을 행하기 위해서 실리콘산 화물층 및 포토레지스트층을 가진 2층 구조를 가지는 마스크를 제작한다.
우선, 포토레지스트에 의해 웨이퍼의 표면을 보호한다. 다음에, 웨이퍼의 이면에 포토레지스트를 스핀 코트하고, 프리베이크 후, 노광을 행하고, 다이어프램(가동부) 하면의 유로 제작을 위한 패터닝을 행한다.
또한, 현상 및 포스트베이크를 행한다. 포토레지스트를 마스크로 사용해서 불화수소산에 의해 산화물층을 에칭한다.
또한, 전달기구(115)와 가동부(111) 사이의 지지부 형성을 위한 마스크를 패터닝한다.
더 구체적으로는, 포토레지스트를 스핀 코트하고, 프리베이크 후, 노광을 행하고, 현상, 포스트베이크를 행한다. 본 실시예에서는, 2단계의 마스크로서 포토레지스트와 실리콘산화물층을 사용했지만, 두께가 다른 실리콘산화물층을 사용하거나, 알루미늄층을 사용해서도 실행가능하다.
도 10B에 나타내는 제2스텝은 ICP-RIE(reactive ion etching)에 의해 전달기구의 지지부를 형성하는 공정이다.
에칭 깊이는 에칭 시간의 조정에 의해 제어하고, 150㎛ 정도의 에칭을 행한다. 마지막에 포토레지스트 마스크를 아세톤에 의해 제거한다.
도 10C에 나타내는 제3스텝은 다이어프램(가동부)(111) 및 전달기구(115)를 제작하는 공정이다.
CP-RlE(reactive ion etching)에 의해 웨이퍼를 에칭한다.
에칭 깊이는 에칭 시간의 조정에 의해 제어해도 되고, 또는 도면과 같이 SOI 웨이퍼의 산화물층(BOX층)을 에치스톱층으로서 사용해도 된다. 마스크로 사용한 실리콘산화물층을 불화수소산에 의해 제거한다.
이상과 같이, 본 실시예에서는 전달기구와 다이어프램(가동부) 사이에 지지부를 형성하기 위해서, 2단 마스크를 사용한 2단계 에칭을 행했다.
그러나, 필요한 스프링 정수에 따라서는, 상기 지지부는 필요없다. 그 경우, 본 실시예에 사용되는 마스크는 단일 층의 마스크로 충분하고, 제2공정도 불필요해진다.
도 10D에 나타내는 제4스텝은 에칭을 위한 마스크패터닝공정이다.
제2실리콘 웨이퍼(102)로는 양면이 연마된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 이하의 에칭공정에 있어서, 에칭 깊이를 제어하기 위해서 SOI(silicon-on-insulator)웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다.
실리콘 웨이퍼로는 핸들층 두께 50O㎛, 산화물층(BOX층) 두께 1㎛, 디바이스층 두께 5㎛의 것을 뒤집어서, 도면에서 핸들층이 위가 되도록 한다. 에칭용 마스크로 사용하기 위해서 제2웨이퍼(102)의 표면의 열산화를 행한다. 100O℃ 정도로 가열한 노 안에 제2웨이퍼(102)를 넣고, 소정 유량의 수소 및 산소를 흐르게 함으로써 이 웨이퍼 표면에 산화물층을 형성한다.
다음에, 본공정 및 다음 공정에서 2단계의 에칭을 행하기 위해서 실리콘산화물층 및 포토레지스트을 가진 2층 구조를 가지는 마스크를 제작한다.
우선, 포토레지스트에 의해 웨이퍼의 이면을 보호한다.
다음에, 웨이퍼의 표면에 포토레지스트를 스핀 코트하고, 프리베이크 후, 노 광을 행한다. 그 후, 다이어프램(가동부) 하면의 유로 제작을 위한 패터닝을 행한다.
또한, 현상 및 포스트베이크를 행한다. 포토레지스트를 마스크로 사용해서 불화수소산에 의해 산화물층을 에칭한다.
또한, 전달기구(115) 주위의 유로를 형성하기 위한 마스크를 패터닝한다. 더 구체적으로는, 포토레지스트를 스핀 코트하고, 프리베이크 후, 노광을 행하고, 현상, 및 포스트베이크를 행한다. 본 실시예에서는, 2단계의 마스크로서 포토레지스트와 실리콘산화물층을 사용했지만, 두께가 다른 실리콘산화물층을 사용하거나, 알루미늄층을 사용해서도 실행가능하다.
도 10E에 나타내는 제5스텝은 ICP-RIE(reactive ion etching)에 의해 피스톤(전달기구)을 형성하는 공정이다.
에칭 깊이는 에칭 에칭 시간의 조정에 의해 제어하고, 200㎛ 정도의 에칭을 행한다. 마지막으로 포토레지스트 마스크를 아세톤에 의해 제거한다.
도 10F에 나타내는 제6스텝은 다이어프램(가동부) 하부의 유로를 제작하는 공정이다.
ICP-RIE(reactive ion etching)에 의해 웨이퍼를 에칭한다. 에칭 깊이는 에칭 시간의 조정에 의해 제어해도 되고, 또는 도면에 도시된 바와 같이 SOI 웨이퍼의 산화물층(BOX층)을 에치스톱층으로서 사용해도 된다.
도 10G에 나타내는 제7스텝은 밸브시트부(112)를 형성하는 공정이다.
웨이퍼의 이면에 포토레지스트를 스핀 코트하고, 프리베이크 후, 노광을 행 한다. 불화수소산에 의해 실리콘 산화물층을 에칭하고 패터닝한다.
ICP-RIE(reactive ion etching)에 의해 에칭해서, 밸브시트부(112)를 형성한다.
제1웨이퍼(101)로 SOI 웨이퍼를 사용했을 경우에는, 중간의 산화물층을 에치스톱층으로서 사용할 수 있고, 밸브시트부의 돌기부의 높이를 정밀하게 제어할 수 있는 동시에, 에칭 후의 표면을 평탄하게 유지할 수 있다. 에칭 후, 불화수소산에 의해 마스크를 제거한다.
도 10H에 나타내는 제8스텝으로부터 도 10M에 나타내는 제13스텝까지의 공정은 실시예3에 있어서의 제7스텝으로부터 제12스텝까지의 공정과 같다.
[실시예5]
실시예5에 있어서는, 본 발명의 압력제어밸브로서 감압밸브의 제2구성예에 대해 설명한다.
도 11은 본 실시예에 있어서의 소형 감압밸브의 제2구성예를 설명하기 위한 개략 단면도이다.
본 실시예의 압력기구는 가동부가 되는 다이어프램(201), 전달기구인 피스톤 (202), 및 밸브부(200)를 포함한다. 밸브부(200)는 탄성체로 이루어지고, 관통구멍(204)이 형성되어 있다.
관통구멍(204)은 통상은 폐쇄되어 있고, 전달기구(202)의 첨단이 이 관통구멍을 확대할 때, 밸브가 개방된다.
전달기구의 첨단의 형상은 도 11과 같은 원추형이어도 되지만, 도 13과 같이 노치(205)와 같은 홈부를 그 측면에 가지는 것이어도 된다.
다음에, 본 실시예에 있어서의 감압밸브의 동작을 설명한다.
다이어프램(가동부)(201)의 상부의 압력을 P0, 밸브 상류의 1차 압력을 P1, 밸브 하류의 압력을 P2로 한다.
P2가 P0보다 높으면, 다이어프램(가동부)(201)이 위쪽으로 휘고, 관통구멍(204)은 밸브부(200)의 탄성에 의해 폐쇄되므로, 밸브는 폐쇄된다.
한편, P2가 P0보다 낮으면, 다이어프램(가동부)(201)이 아래쪽으로 휘고, 전달기구(202)가 밸브부(200)의 관통구멍(204)을 확대하므로, 도 12에 나타내는 바와 같이, 밸브는 개방된다.
이에 의해, 압력 P2를 일정하게 유지할 수 있다. 다이어프램(가동부)(201)의 면적 및 두께, 전달기구(202)의 길이, 밸브부(200)의 두께나 탄성을 조정함으로써, 밸브가 개폐하는 압력이나 유량을 최적으로 조정할 수 있다.
본 실시예의 감압밸브는 기계가공기술을 사용해서 이하와 같이 제작할 수 있다.
도 14는 본 감압밸브를 관통구멍측에서 보았을 경우의 분해사시도이다.
우선, 다이어프램(가동부)(201)으로는 바이톤(상표명; 듀폰사제)고무, 실리콘 고무 등의 탄성재료 외에 스테인레스강이나 알루미늄 등의 금속재료를 사용할 수 있다.
스테인레스강을 다이어프램(가동부)(201)의 재료로 사용했을 경우에는, 에칭, 절삭가공 등에 의해 전달기구를 일체적으로 형성할 수 있다.
밸브부(200)의 재료로는 바이톤(상표명; 듀폰사제)고무, 실리콘고무 등의 탄성재료를 사용할 수 있다.
[실시예6]
실시예6에 있어서는, 본 발명의 압력제어밸브로서의 감압밸브의 제3구성예에 대해 설명한다.
도 15는 본 실시예에 있어서의 소형 감압밸브의 제3구성예를 설명하기 위한 개략 단면도이다.
본 실시예의 압력기구는 가동부가 되는 다이어프램(301), 전달기구인 피스톤 (302) 및 밸브부(300)를 포함한다. 밸브부(300)는 탄성체로 이루어지고, 관통구멍(304)이 형성되어 있다.
관통구멍(304)은 통상 폐쇄되어 있으며, 전달기구(302)의 첨단이 관통구멍을 확대할 때, 밸브가 개방된다.
전달기구(302)는 복수의 돌기부를 포함한다. 이 전달기구는 다이어프램(가동부)의 표면을 거칠게 가공함으로써 제작해도 된다.
본 실시예에 있어서의 다른 형태를 도 16에 나타낸다.
이 구성예에 있어서는, 전달기구(402)는 표면에 요철 형상을 가지는 시트로 이루어진다.
이 전달기구는 가동부(401)와 분리되어 있어도 된다.
다음에, 본 실시예에 있어서의 감압밸브의 동작에 대해 설명한다.
다이어프램(가동부)(301), (401)의 상부의 압력을 P0, 밸브 상류의 1차 압력 을 P1, 밸브 하류의 압력을 P2로 한다. P2가 P0보다 높으면, 다이어프램(가동부) (301), (401)이 위쪽으로 휘고, 관통구멍(304), (404)은 밸브부(300), (400)의 탄성에 의해 폐쇄되므로, 밸브는 폐쇄된다.
한편, P2가 P0보다 낮으면, 다이어프램(가동부)(301), (401)이 아래쪽으로 휘고, 전달기구(302), (402)가 밸브부(300), (400)의 탄성체(303), (403) 또는 관통구멍(304), (404)을 누른다.
이것에 의해 왜곡이 생겨, 관통구멍(304), (404)이 확대되므로, 밸브는 개방된다. 이에 의해, 압력 P2를 일정하게 유지할 수 있다.
다이어프램(가동부)(301), (401)의 면적, 두께, 전달기구(302), (402)의 길이, 밸브부(300), (400)의 두께 및 탄성을 조정함으로써, 밸브가 개폐하는 압력 및 유량을 최적으로 설계할 수 있다.
[실시예7]
실시예7에 있어서는, 본 발명의 압력제어밸브로서의 감압밸브의 제5구성예에 대해 설명한다.
본 실시예에 의한 감압밸브는 실시예1과 마찬가지로 제작할 수 있다.
본 실시예의 감압밸브의 제5구성에 대해 설명한다.
도 17은 본 실시예의 감압밸브의 제5구성예를 설명하는는 개략 단면도이다.
본 실시예의 감압밸브는 가동부가 되는 다이어프램(501), 전달기구인 피스톤 (502), 밸브부를 형성하는 밸브시트부(503), 밸브체부(504), 지지부(505), 및 온도변위부(510)를 포함한다.
특히, 밸브체부(504)는, 도 17 및 도 18에 나타내는 바와 같이, 지지부(505) 및 온도변위부(510)에 의해 주위에 지지되어 있다.
도 18에 나타내는 바와 같이, 지지부(505)는 탄성을 가지는 빔에 의해 형성되어 있다.
온도변위부(510)는 티탄-니켈합금 등의 형상기억합금에 의해 형성되어 있다
티탄-닉켈합금의 형상기억합금은 스퍼터링을 사용해서 형성하는 것도 가능하며, 실시예1의 반도체가공프로세스에 합체시킬 수 있다.
온도변위부(510)는 통상온도에서는 소성변형을 하고, 상기한 지지부(505)의 스프링성에는 영향을 주지 않기 때문에, 통상의 감압밸브로서 기능한다(온도가 한계온도 미만인 상태에서; 도 19A).
감압밸브의 주위의 온도가 이상 상승해서 미리 설정한 온도(한계온도) 이상이 되면, 도 19B에 나타내는 바와 같이, 온도변위부(510)의 형상기억합금이 밸브시트부(503) 방향(도 19B에서는 위쪽)으로 뒤쪽으로 휘도록 변위하고, 밸브체부(504)가 밸브시트부(503)에 눌려서 밸브가 폐쇄된 상태가 된다.
이 때의 감압밸브의 유량은, 도 20에 나타내는 바와 같이, 변동된다.
온도가 점선으로 표시된 한계치보다 작은 영역에서는 온도변위부(510)는 기능하지 않기 때문에 통상의 감압밸브와 마찬가지로 2차압을 유지하면서 유량이 발 생한다.
또한, 온도가 상승해서 한계치를 넘으면, 온도변위부(510)의 형상기억합금이 기능해서 밸브체부(504)를 들어 올리기 때문에 밸브가 폐쇄된다. 또, 온도가 한계치를 밑돌면 통상의 감압밸브로서 기능하기 때문에, 가역적으로 이용가능하다.
이와 같이 감압밸브에 형상기억합금으로 형성된 온도변위부(510)를 배치함으로써, 한계치 온도보다 아래에서는 감압밸브, 그 이상에서는 차단밸브로서 기능시킬 수 있어, 보다 안전성이 높은 밸브기구를 제공할 수 있다.
본 실시예에서는 온도변위부(510)로서 형상기억합금을 이용한 예를 나타냈지만, 바이메탈 등의, 온도에 따라 변위하는 재료를 사용하는 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또, 본 실시예에서는 지지부(505)와 온도변위부(510)가 개별적으로 배치된 예를 나타냈지만, 지지부(505)로 스프링성을 가지는 금속재료 등을 이용한 온도변위재료를 이용해도 된다.
[실시예8]
실시예8에 있어서는, 본 발명의 압력제어밸브로서 소형 감압밸브를 탑재한 발전량이 수밀리 와트로부터 수백 와트까지의 소형 고체고분자형 연료전지에 대해 설명한다.
도 21은 본 실시예의 연료전지를 설명하기 위한 개략 사시도를 나타낸다.
또, 도 22는 본 실시예의 연료전지의 시스템의 개략도를 나타낸다.
연료전지의 외부 치수는 50mm × 30mm × 10mm이며, 통상 콤팩트 디지털 카 메라에서 사용되고 있는 리튬 이온 배터리의 크기와 거의 같다.
이상과 같이, 본 실시예의 연료전지는 소형이고 일체화되어 있기 때문에, 휴대 기기에 내장하기 쉬운 형상으로 되어 있다.
본 실시예의 연료전지는 산화제로서 반응에 사용하는 산소를 외부 공기로부터 받아들이기 때문에, 상면, 하면, 및 측면으로 외부 공기를 받아들이기 위한 환기구멍(1013)을 가진다.
또, 이 환기구멍은 생성한 물을 수증기로서 방출하거나, 반응에 의해 발생한 열을 외부로 방출하는 기능도 하고 있다.
또, 연료전지 내부는 산화제극(1016), 고분자전해질막(1017), 연료극( 1018)을 포함하는 연료전지셀(1011); 연료를 저장하는 연료탱크(1014); 연료탱크와 각 셀의 연료극을 연결해서, 연료의 유량을 제어하는 소형 감압밸브(1015)에 의해 구성되어 있다.
다음에 본 실시예의 연료탱크(1014)에 대해서 설명한다.
상기 탱크의 내부는 수노를 흡장하는 것이 가능한 수소흡장 합금이 충전되어 있다. 연료전지용으로 사용되는 고분자 전해질막의 내압 0.3 ~ 0.5MPa인 사실에 의거하여, 외부 공기와 탱크의 내부와의 차압이 0.1MPa 이내일 필요가 있다.
수소의 해방압이 상온에서 0.2MPa인 수소흡장합금으로서 LaNi5 등을 사용한다.
연료탱크의 용적을 연료전지 전체의 반으로 하고; 탱크 벽 두께를 1mm; 탱크 의 재질을 티타늄으로 하면, 연료탱크의 중량은 50g 정도가 되고, 또, 연료탱크의 체적은 5.2cm3가 된다.
본 탱크 내에 수소의 해방압이 상온에서 0.2MPa를 넘는 수소흡장재료를 넣는 경우에는, 연료탱크(1014)와 연료극(1018) 사이에 감압을 위한 소형 감압밸브(1015를 배치할 필요가 있다.
LaNi5는 중량당 1.1wt%의 수소를 흡탈착가능하다. LaNi5의 각 온도에 있어서의 해리압은 도 23에 표시되어 있다.
탱크에 저장된 수소는 소형 감압밸브(1015)에 의해 감압되어, 연료극(1018)에 공급된다. 또, 산화제극(1016)에는 환기구멍(1013)으로부터 외부 공기가 공급된다. 연료전지셀에 의해 발전된 전기는 전극(1012)을 통해서 소형 전기기기에 공급된다.
도 24는 본 실시예의 소형 감압밸브를 연료전지에 탑재했을 경우의 위치관계를 나타내는 개략 단면도이다.
소형 감압밸브의 1차측은 연료탱크(1014)와 연결되어 있다.
출구 유로는 연료극과 연결되어 있고, 다이어프램(가동부)의 출구 유로와 반대쪽은 산화제극(외부 공기)과 연결되어 있다.
밸브 전체의 사이즈는 1Omm × 1Omm × 1mm 정도이다. 이와 같이, 작은 밸브 기구를 실현함으로써, 소형 연료전지에 연료 유량을 제어하는 기구를 내장하는 것이 가능하다.
다음에, 연료전지의 발전에 수반하는 밸브의 개폐동작을 설명한다.
발전 정지 중에는 소형 감압밸브(1015)는 폐쇄되어 있다. 발전이 시작되면, 연료극실의 연료는 소비되어, 연료극실의 연료의 압력은 내려간다.
다이어프램(가동부)은 외부 공기압과 연료극실의 압력의 차압에 의해 연료극실쪽으로 휨으로써, 밸브축에 의해 다이어프램(가동부)과 직결된 밸브시트부를 아래쪽으로 가압해서 밸브는 개방된다.
따라서, 연료탱크(1014)에 의해 연료극실에 연료가 공급된다. 연료극실의 압력이 회복되면, 다이어프램(가동부)은 위로 밀어 올려져서, 소형 감압밸브 (1015)를 폐쇄한다.
이상의 각 실시예에 있어서의 구성 및 제법에 의하면, 감압밸브의 소형화를 꾀할 수 있고, 또 밀봉 특성 및 내구성이 뛰어난 감압밸브를 실현할 수 있다.
또, 이와 같은 소형 감압밸브를 소형 연료전지의 제어에 사용함으로써 연료전지시스템을 소형화할 수 있다.
또, 상기 실시예7에 의하면, 통상의 감압밸브의 기능에 부가해서, 온도 상태에 따라 변위하는 부재의 병용에 의해 온도차단밸브로서의 기능도 갖게 할 수 있다.
본 발명을 예시적인 실시형태를 참조해서 설명했지만, 본 발명은 개시된 예시적인 실시형태에 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 다음의 청구의 범위는 이러한 모든 변형예 및 동등한 구성 및 기능을 망라하도록 최광의로 해석되어야 한다.
본 출원은 전체로서 참조함으로써 여기에 포함되는, 2006년 8월 29일자로 출원된 일본국 특허출원 제 2006-232754호의 이익을 주장한다.

Claims (19)

  1. 압력제어밸브로서,
    차압에 의해 동작하는 가동부;
    밸브부; 및
    상기 가동부의 동작을 상기 밸브부에 전달하는 전달기구를 가지고,
    상기 가동부 또는 상기 밸브부의 어느 한 쪽이 전달기구와 분리되어 있고,
    상기 가동부가 다이어프램이고,
    상기 밸브부가 밸브시트부, 밸브체부, 및 상기 밸브체부를 지지하는 지지부를 구비하고,
    상기 지지부가 상기 전달기구에 의해 전달되는 상기 가동부의 동작에 따라 상기 밸브체부와 상기 밸브시트부 사이에 갭을 형성하거나 또는 제거하도록 상기 밸브체부를 지지하고 있고,
    상기 밸브체부를 지지하는 지지부가, 상기 전달기구의 동작방향에 수직이고 또한 상기 밸브체부를 포함한 평면 상에 배치되어 있는, 상기 밸브체부를 지지하는 탄성체를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력제어밸브.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 밸브체부를 지지하는 지지부가, 그 일부로서, 한계치 이상의 온도에서 상기 밸브부를 폐쇄하는 위치로 변위하는 온도변위부를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력제어밸브.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 온도변위부가 형상기억합금으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력제어밸브.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 온도변위부가 바이메탈로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력제어밸브.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 밸브체부는 상기 밸브시트부와의 접촉부에 형성되어 있는 돌기부를 가지는 것을 특징으로 하는 압력제어밸브.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 밸브체부와 상기 밸브시트의 접촉부에 있어서 상기 밸브체부 또는 상기 밸브시트부의 어느 한 쪽에 형성된 밀봉재를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 압력제어밸브.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 밸브부가, 상기 전달기구의 동작방향에 수직이고 또한 상기 밸브부를 포함한 평면 상에 배치되어 있는, 관통구멍을 가지는 탄성체를 구비하고, 상기 전달기구에 의해 전달되는 상기 가동부의 동작에 따라 상기 전달기구의 첨단부는 상기 관통구멍을 확대해서, 상기 관통구멍을 개방하는 것을 특징으로 하는 압력제어밸브.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전달기구가 상기 가동부 상에 배치된 복수의 돌기부에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력제어밸브.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 전달기구가 상기 가동부와 상기 밸브부 사이에 배치된 표면에 요철을 가지는 시트에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력제어밸브.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 밸브부, 가동부, 및 전달기구의 각각이 시트형상 부재 또는 판형상 부재로 형성되고, 이들 부재를 적층해서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력제어밸브.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 압력제어밸브가 감압밸브인 것을 특징으로 하는 압력제어밸브.
  15. 차압에 의해 동작하는 가동부, 밸브시트부, 밸브체부, 및 이 밸브체부를 지지하는 지지부로 이루어진 밸브부, 및 상기 가동부의 동작을 상기 밸브부에게 전달하는 전달기구를 구비하고, 상기 가동부 또는 상기 밸브부의 어느 한 쪽이 상기 전달기구와 분리된 구성을 가지는 압력제어밸브의 제조방법으로서,
    가동부를 시트형상 부재 또는 판형상 부재를 사용해서 형성하는 공정;
    전달기구를 시트형상 부재 또는 판형상 부재를 사용해서 형성하는 공정;
    밸브시트부를 시트형상 부재 또는 판형상 부재를 사용해서 형성하는 공정;
    밸브체부 및 지지부를 시트형상 부재 또는 판형상 부재를 사용해서 형성하는 공정; 및
    상기 형성된 각 부를 서로 적층해서 압력제어밸브를 조립하는 공정을 가지고,
    상기 밸브체부와 상기 지지부는 동일한 시트형상 부재 또는 판형상 부재로 형성되는 것을 특징으로 하는 압력제어밸브의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 시트형상 부재 또는 상기 판형상 부재의 적어도 일부에 반도체 기판을 사용하는 것을 특징으로 하는 압력제어밸브의 제조방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 가동부, 전달기구, 밸브시트부, 밸브체부, 및 지지부를 형성하는 각 공정에 있어서, 에칭가공, 프레스가공, 및 사출성형가공 중의 적어도 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 압력제어밸브의 제조방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 밸브체부 및 지지부를 형성하는 공정 또는 밸브시트부를 형성하는 공정의 후에, 이들 공정에 의해 형성된 상기 밸브체부 및 지지부 또는 상기 밸브시트부의 적어도 한 쪽에 밀봉재료를 코팅하는 공정; 및
    상기 코팅하는 공정의 후에, 상기 밸브체부 및 지지부, 및 상기 밸브시트부를 조립하는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 압력제어밸브의 제조방법.
  19. 제1항에 기재된 압력제어밸브를 탑재하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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