KR101233633B1

KR101233633B1 - 전동진공밸브

Info

Publication number: KR101233633B1
Application number: KR1020110013963A
Authority: KR
Inventors: 마사히로 나이토; 카츠토모 요시야스; 신 이토; ?스케 우메자와
Original assignee: 씨케이디 가부시키 가이샤
Priority date: 2010-02-18
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2013-02-18
Also published as: JP2011169411A; TWI412678B; KR20110095203A; JP5053397B2; CN102162544B; TW201135109A; CN102162544A

Abstract

제1 포트(51)와 제2 포트(52)와 밸브실(53)과 밸브 시트(54)를 구비하는 밸브부(22)와 스텝핑 모터(27)에 접속한 이송 나사(34)와 샤프트(36)와 이송 나사(34)와 샤프트(36)에 의해 구성되는 이송 나사 기구와, 샤프트(36)의 회전을 정지시키는 회전방지수단과, 샤프트(36)의 선단에 설치된 밸브 요소(42)와 복귀 스프링(44)을 포함하는 전동진공밸브(21)에 있어서, 정전시에 스텝핑 모터(27)의 스테이터와 로터 사이의 디텐트 토크가 발생하는 것, 복귀 스프링(44)의 추력이 디텐트 토크를 이송 나사 기구에 의해 변환된 저항력보다 켜서 밸브가 폐쇄되는 것이 있다.

Description

전동진공밸브{ELECTRIC VACUUM VALVE}

본 발명은 제1 포트, 제2 포트, 제1 포트와 제2 포트를 연결하는 밸브실 및 밸브실에 형성된 밸브 시트를 포함하는 본체부, 스텝핑 모터에 접속한 이송 나사, 이송 나사와 나사 결합하는 샤프트, 나사와 샤프트에 의해 구성되는 이송 나사 기구와 밸브 요소와 밸브 시트가 접하는 방향으로 가세되는 복귀 스프링을 포함하는 전동진공밸브에 관한 것이다.

챔버를 진공 상태로 만들기 위한 진공 펌프를 이용하는 경우, 챔버와 진공 펌프 사이에는 챔버와 진공 펌프를 차단하기 위한 전동진공밸브가 이용되고 있다.

(순간 정전을 포함한) 정전이나 어떤 이상에 의해, 공급 전원이 단절되고, 진공 펌프가 정지한 경우나, 전동진공밸브의 전력 공급이 정지되는 경우에, 챔버 내의 진공도의 유지나 진공 펌프에서의 역확산 보호를 위해 밸브 폐쇄 동작을 실시해, 챔버와 진공펌프를 격리시킬 필요가 있다.

그러나, 공급 전원이 단절된 경우에는, 전기에 의해 개폐하는 전동진공밸브는 폐쇄될 수 없기 때문에, 챔버와 진공 펌프를 격리할 수 없는 문제가 있다.

종래, 정전시에 밸브를 폐쇄하는 것으로 이하의 것을 생각할 수 있다.

제1로서, 2차 전지, 전기 이중층 캐패시터 등의 보조 전원을 이용하여 밸브를 폐쇄 동작시키는 전동진공밸브가 있다. 제2로서, 유공압(油空壓) 등의 축압원(蓄壓原)에서 피스톤 등의 압력 해제에 의해 밸브를 폐쇄 동작시키는 전동진공밸브가 있다. 제3으로서, 직선동작의 경우는 원통 스프링을 내장하여, 동작과 동시에 압축 구동하여, 클러치·브레이크 기구 또는 동력을 해제시킬 때에 그 하중을 이용하여 밸브를 폐쇄 동작시키는 전동진공밸브가 있다.

그렇지만, 종래의 보조 전원, 축압원 및 원통 스프링을 이용하는 전동진공밸브에는, 다음과 같은 문제점이 있었다.

즉, 공급 전원이 차단된 경우에 밸브를 폐쇄하는 전동진공밸브에 있어서, 보조 전원을 포함하는 전동진공밸브는 전원 및 배선이 필요하다. 또한, 축압원을 포함하는 전동진공밸브는 압력을 비축할 탱크 및 배선이 필요하다. 또한, 원통 스프링을 포함하는 전동진공밸브는 구동부와의 연결 부재 및 스프링을 복원하는 기구가 필요하다.

따라서, 보조 전원, 축압원 및 원통 스프링을 포함하는 전동진공밸브에서는 기존의 전동진공밸브 이외의 부품이 별도로 필요하기 때문에, 비용이 증가하는 문제 및 대형화되는 문제가 있었다.

상기 문제를 해결하기 위한 것으로서, 정전시에 복귀 스프링만으로 밸브를 폐쇄시키는 진공밸브가 특허문헌 1 및 특허문헌 2에서 원리적으로 제안되어 있다.

특허문헌 1: 일본공개특허 2006-029426호 공보 특허문헌 2: 일본공개특허 평01-316581호 공보 특허문헌 3: 일본공개특허 2005-030439호 공보 특허문헌 4: 일본등록특허 2662312호 특허문헌 5: 일본공개특허 2003-139256호 공보

그렇지만, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에서 기재하는 전동진공밸브는 정전시에 복귀 스프링만으로 밸브를 폐쇄시키는 취지를 기재할 뿐, 추상적인 아이디어 및 원리적인 제안에 불과하다.

즉, 이하의 조건을 모두 만족하는 구체적인 수단을 찾아내지 않았다.

제1로서, 통상 동작시의 실링 성능과 내구성능을, 기존의 에어 구동 진공밸브와 동등 또는 거의 동등하게 하기 위해, 복귀 스프링의 힘이 기존의 에어 구동 진공밸브와 동일하거나 거의 동일하지 않으면 안 된다.

제2로서, 장기간에 걸쳐 밸브를 폐쇄한 상태로 방치하면 밸브 요소의 실링 부재와 밸브 시트가 고착하기 때문에, 밸브를 개방하기 위해서는 고착을 떼기 위한 힘이 모터 토크로 필요하다.

제3으로서, 진공 펌프가 정전으로 정지하면, 진공 펌프에서 챔버 쪽으로 윤활유 등의 확산(역류)이 시작되기 때문에, 정전시의 밸브 폐쇄는 신속해야 한다.

제4로서, 정전시에 밸브를 폐쇄하기 위해서는, 복귀 스프링의 추력이 스텝핑 모터의 스테이터(stator)와 로터(rotor)의 사이에 발생하는 디텐트 토크(detent torque)보다 켜야 한다.

특허문헌 1 및 특허문헌 2에서 기재하는 전동진공밸브는 상기 제1 내지 제4의 구체적인 수단에 관하여, 모두 기재되어 있지 않기 때문에, 추상적인 아이디어 및 원리적인 제안에 블과하다고 본다.

그래서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이고, 그 목적은 기존의 복귀 스프링을 이용하여, 정전시에 전원이 없는 경우에도 밸브를 폐쇄할 수 있는 전동진공밸브를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일태양의 전동진공밸브는 다음과 같은 구성을 가진다.

(1) 제1 포트, 제2 포트, 상기 제1 포트와 상기 제2 포트를 연결하는 밸브실 및 상기 밸브실에 형성된 밸브 시트를 포함하는 본체부; 스텝핑 모터에 접속하는 이송 나사; 상기 이송 나사와 나사 결합하는 샤프트; 상기 나사와 샤프트에 의해 구성되는 이송 나사 기구; 상기 샤프트의 회전을 정지시키는 회전방지수단; 상기 샤프트의 선단에 설치된 밸브 요소; 및 상기 밸브 요소와 상기 밸브 시트에 접하는 방향으로 가세되는 복귀 스프링;을 포함하는 전동진공밸브에 있어서, 정전시에 상기 스텝핑 모터의 스테이터와 로터 사이에서 디텐트 토크(detent torque)가 발생하고, 상기 복귀 스프링의 추력이 상기 디텐트 토크(detent torque)가 상기 이송 나사 기구에 의해 전환된 저항력보다 큰 것에 의해 밸브가 폐쇄하는 것이 바람직하다.

(2) (1)에 기재된 전동진공밸브에 있어서, 상기 샤프트와 상기 복귀 스프링은 벨로우즈로 덮여 있는 것이 바람직하다.

(3) (2)에 기재된 전동진공밸브에 있어서, 상기 벨로우즈의 상기 샤프트 쪽은 대기압이고, 상기 밸브실 안이 진공압력일 때, 상기 복귀 스프링의 추력과 상기 진공압력에 의해 상기 밸브 요소에서 발생하는 추력의 합은 상기 디텐트 토크를 상기 이송 나사 기구에 의해 변환된 저항력의 3배 이상인 것이 바람직하다.

(4) (1) 내지 (3)에 기재된 어느 한 전동진공밸브에 있어서, 상기 밸브 요소를 밸브를 개방하기 위한 상기 스텝핑 모더의 구동 토크를 상기 이송 나사 기구에 의해 변환된 추력은, 상기 복귀 스프링의 추력 및 상기 제1 포트 쪽이 진공압력이고 제2 포트가 대기압인 때에 상기 밸브 요소에서 발생하는 추력과의 합에 대하여 3배 이상인 것이 바람직하다.

상기 전동진공밸브의 작용 및 효과에 관하여 설명한다.

(1) 상기 구성 (1)에 의해, 정전시에 축전원(畜電源) 등의 복잡한 구성이 필요없고, 복귀 스프링의 추력이 스텝핑 모터의 디텐트 토크(detent torque)보다 크기 때문에 밸브를 폐쇄할 수 있다.

진공압 유체용이라는 복잡한 밸브에 있어서, 비용을 줄이고 대형화를 방지하지 않으면서, 복귀 스프링만으로 밸브를 폐쇄하기 위해서, 디텐트 토크의 조건을 찾을 필요가 있고, 당해 발견은 본 실험을 반복하여 본 출원인이 아니면 용이하게 상도(想到)할 수 없다.

(2) 상기 구성 (2)에 의해, 구동 기구부와 밸브실을 확실하게 분리할 수 있음과 동시에, 벨로우즈의 구동 샤프트 쪽은 대기압이기 때문에, 정전시에 밸브실 안이 진공압이면, 차압에 의해 발생 추력이 복귀 스프링의 힘에 가해져 더 신속하고 확실하게 밸브를 폐쇄할 수 있고, 진공 펌프의 유분 등의 확산을 방지할 수 있다. 또한, 이 확산 스피드는 진공압이 높은 만큼 빨라지지만, 정전시의 진공도가 높은 만큼, 밸브 폐쇄 속도도 빨라지기 때문에, 확실히 확산을 방지할 수 있다.

(3) 상기 구성 (3)에 의해, 정전시에 신속하고 확실하게 밸브를 폐새할 수 있고 진공 펌프의 유분 등의 확산을 방지할 수 있다.

(4) 상기 구성 (4)에 의해, 장기간 개폐밸브의 방치에 의한 환상 실링 부재와 밸브 시트와의 고착과, 유체의 압력 밸브 폐쇄 방향에서 가장 강하게 작용하는 경우에도, 신속하고 확실하게 밸브를 폐쇄할 수 있다.

또한, 복귀 스프링의 추력은 밸브 폐쇄 방향으로 작용하는 추력이고, 스텝핑 모터의 토크를 이송 나사 기구에 의해 변환된 추력은 밸브 개방 방향으로 작용하는 추력으로, 상반된다. 상반하는 관계에 있기 때문에, 필요한 복귀 스프링의 추력을 가진 채, 또한 스텝핑 모터의 토크를 이송 나사 기구에 의해 변환하는 추력을 유지하는 균형을 위하는 범위는 좁다. 균형을 취하는 적절한 리드(lead)를 본 출원인이 실험을 통해 발견할 수 있어서, 기존이 전동진공밸브의 부품인 복귀 스프링을 이용하여 정전시에 확실하게 밸브를 폐쇄할 수 있다.

도 1은 본 발명의 본 실시예 1에 관한 전동진공밸브의 폐쇄시의 단면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 본 실시예 1에 관한 전동진공밸브의 개방시의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 본 실시예 1에 관한 전동진공밸브를 포함하는 감압건조장치의 약식도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 본 실시예 1에 관한 전동진공밸브의 기종 1의 최적 조건을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 본 실시예 1에 관한 전동진공밸브의 기종 2의 최적 조건을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 본 실시예 1에 관한 전동진공밸브의 기종 3의 최적 조건을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 본 실시예 1에 관한 전동진공밸브 정전시의 기종 1의 발생추력과 압력의 관계를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 본 실시예 1에 관한 전동진공밸브 정전시의 기종 2의 발생추력과 압력의 관계를 나타낸다.
도 9은 본 발명의 본 실시예 1에 관한 전동진공밸브 정전시의 기종 3의 발생추력과 압력의 관계를 나타낸다.

이하에서, 본 발명에 관한 전동진공밸브의 일 실시형태에 관하여 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1에 전동진공밸브(21)의 밸브 폐쇄 상태의 단면도를 도시하고, 도 2에 전동진공밸브(21)의 밸브 개방 상태의 단면도를 도시한다. 도 3에는 전동진공밸브(21)를 포함하는 감압건조장치(1)를 도시한다.

<감압건조장치의 구성>

전동진공밸브(21)는 도 3에 도시한 감압건조장치(1)에 사용된다. 전동진공밸브(21)는 도 1에 도시하는, 구동부(23)에 의해 밸브부(22)의 밸브 개도를 다단으로 변화시켜, 챔버(10)에서 가스를 배기하는 배기속도를 제어한다.

도 3에 도시하는, 감압건조장치(1)에 있어서, 챔버(10) 안을 감압 상태, 즉 진공 상태로 유지하면서, 기판의 도막을 건조하지만, 대기압 상태에서 진공 상태가 될 때에는, 챔버(10) 안의 퇴적물이 상승하여, 기판에 부착되거나, 배기류에 의해 기판 그 자체를 손상시키지 않기 위해, 배기량을 조절할 필요가 있다. 그래서, 대구경 진공차단밸브(12)의 밸브를 열기 전에 전동진공밸브(21)로 서서히 밸브를 개방하여 배기량을 조절한다.

감압건조장치(1)는 대구경 진공차단밸브(12)와 전동진공밸브(21)를 복수 가지고 있다. 대구경 진공차단밸브(12)와 전동진공밸브(21)와 진공 펌프(11)의 수는 챔버(10)의 크기에 따라 증감한다.

<전동진공밸브의 구성>

도 1에 도시한 것처럼, 전동진공밸브(21)는 밸브 바디(24), 실린더 바디(25)가 볼트(55)로 일체화되고, 실린더 바디(25)와 커버(26)와 스텝핑 모터(27)가 볼트(28)로 일체화되어 외관을 형성하고 있다.

스텝핑 모터(27)는 하이브리드형 스텝핑 모터를 이용한다. 하이브리드형 스텝핑 모터는 PM형과 VR형을 일체화한 구조로, 미세각 구동·고토크를 특징으로 한다. 또한, 내장된 영구 자석에서 로터를 구속하는 힘은, 보유력으로서 발생하고, 에너지 절약 시스템의 구성에 기여하고 있다. 반면, 여자(勵磁)되지 않은 경우에도 영구 자석의 흡인·반발에 의해 낮은 레벨의 보유 토크가 발생한다. 이 토크를 디텐트 토크라 하고, 최대 정지 토크의 5~10퍼센트의 토크가 주기적으로 발생한다. 본 실시예에서는 스텝핑 모터(27)에 예를 들면 일본전산서보 주식회사 제품의 2상 하이브리드형 스텝핑 모터와 도시바 제품의 초퍼(chopper) 방식 바이폴러(bipolar) 구동 스텝핑 모터 컨트롤 드라이버 IC 등을 이용하고 있다.

밸브부(22)는 밸브 바디(24)로 개구하는 제1 포트(51)와 제2 포트(52)가 밸브실(53)을 통해 연결되어 있다. 밸브실(53) 안의 제1 포트(51)가 개구하는 개구부 외주에, 밸브 시트(54)가 평탄하게 형성되어 있다. 밸브실(53)에는 밸브 시트(54)에 접하거나 떨어지는 밸브 요소(42)가 수납되어 있다.

구동부(23)는 스텝핑 모터(27)의 회전운동을 직선운동으로 변환하여 밸브 요소(42)로 전달한다. 스텝핑 모터(27)의 출력축(30)은 커버(26)와 실린더 바디(25)와의 사이에 형성된 수납 공간부(31)로 돌출되어 있다. 커버(26)와 실린더 바디(25)의 사이에는 베어링(32)이 협지되며, 그 베어링(32)에 홀더(33)가 회전가능하게 유지되어 있다. 홀더(33)의 상단부에 출력축(30)이 커플링(58)에 연결되고, 하단부에 이송 나사 너트(34)가 복수의 고정 나사(35)로 고정되어 있어, 이송 나사 너트(34)의 회전량을 스텝핑 모터(27)의 회전량에 의해 제어할 수 있도록 되어 있다.

구동 샤프트(37)는 실린더 바디(25)에 고정 나사(39)로 고정된 회전방지 너트(38)에 연통되어 있다. 구동 샤프트(37)는 단면이 육각형 형상을 이루는 회전방지축부(37a)가 회전방지너트(38)에 형성된 육각형 형상의 회전방지공(38a)에 연통되며, 회전이 제한된 상태에서 축 방향으로 왕복 직선 운동을 한다. 이송 나사 샤프트(36)는 이송 나사 너트(34)에 나사 결합되어 구동 샤프트(37)의 상단부에 접합되고, 이송 나사 너트(34)의 회전 운동을 축 방향의 직선 운동으로 변환하여 구동 샤프트(37)로 전달한다.

구동 샤프트(37)의 하단부에는 밸브 요소(42)가 연결 부재(40)를 통하여 연결되어 있다. 밸브 요소(42)는 벨로우즈 디스크(47)와 밸브 디스크(48)와 스커트(49)를 구비하며, 이들을 적층하여 연결 너트(43)로 연결 부재(40)에 일체로 고정하여, 구성되어 있다. 환상 실링 부재(50)는 탄성 변형이 가능한 재질로 이루어지고, 벨로우즈 디스크(47)와 밸브 디스크(48)와의 사이에 형성되는 개미도랑에 장착되어 있다. 복귀 스프링(44)은 나사받이(45)의 사이에 축설되며, 밸브 요소(42)를 밸브 시트(54) 방향으로 항상 가세하고 있다. 연결 부재(40)는 구동 샤프트(37)에 대하여 축 방향의 반동을 가지며 연결 핀(41)에 연결되어 있고, 복귀 스프링(44)의 스프링력에 의해 실링 하중이 부여되도록 되어 있다. 벨로우즈(46)의 상단부가 실린더 바디(25)와 밸브 바디(24)에 협지되는 협지부(46a)에 용접되고, 하단부는 벨로우즈 디스크(47)에 용접되어 있다. 벨로우즈(46) 중 구동 샤프트(37) 측의 공간을 벨로우즈 내 공간(57)(청구항 중 "벨로우즈의 샤프트 측"에 상당함)이라 한다. 밸브 요소(42)의 상하 이동에 대응하여 밸브실(53) 안에서 신축하며 구동 샤프트(37)의 구동부 등에서 발생하는 파티클이 유로 내로 유출되지 않도록 한다.

벨로우즈(46)의 평균 외경은 환상 실링 부재(50)와 거의 동일한 지름이며, 벨로우즈(46)의 내부는 대기로 개방되어 있다.

여기서, 스텝핑 모터(27)에는 도시하지 않은 로터의 기계적 회전변위량을 측정하기 위한 인코더(29)가 고정되어 있다. 인코더(29)는 전용 컨트롤러에 통신가능하게 접속되고, 측정결과를 전용 컨트롤러로 출력한다. 스텝핑 모터(27)에는 도시하지 않은 스테이터가 있다.

(이송 나사 리드·스텝핑 모터·복귀 스프링의 조합 결정방법)

(순간 정전을 포함한) 정전이나 어떤 이상에 의해, 공급 전원이 차단되고, 진공 펌프가 정지한 때나, 본 제품을 탑재하는 시스템이 이상을 판단한 장치를 정지시키는 때에, 챔버의 진공도의 유지나, 진공 펌프에서의 역확산 보호를 위한 밸브 폐쇄 동작을 행하고, 챔버와 진공 펌프를 격리할 필요가 있다.

정전시 전동진공밸브에 발생하는 힘은 복귀 스프링(44)에 의한 폐지방향으로의 추력과, 스텝핑 모터의 디텐트 토크를 이송 나사 기구로 변환한 추력이 있다. 또한, 밸브실(53) 안이 진공압인 경우에는 벨로우즈 내 공간(57)이 대기압이므로, 진공압력에 의해 밸브 폐쇄 방향으로 발생하는 추력이 있다.

정전 등의 경우에는, 밸브 폐쇄 동작을 하기 위해, 복귀 스프링(44)에 의한 폐지 방향으로의 직선 추력을 이용하여 밸브를 폐쇄한다. 또한, 밸브실(53) 안이 진공압력인 때에는, 복귀 스프링(44)에 의한 폐지 방향의 추력 외에, 진공압력에 의한 밸브 폐쇄 방향으로 발생하는 추력을 이용하여 밸브를 폐쇄한다.

그리고, 본 출원인은 실험에 의해 이송 나사 리드·스텝핑 모터·복귀 스프링의 조합을 검토하였다. 실험방법은 도 4 내지 도 6에 도시한 것처럼, 기종 1, 기종 2, 및 기종 3에 대하여, 3개의 스텝핑 모터 A~C를 준비하고, 밸브실(53) 안을 대기압 상태로 하고, 직선 추력이 디텐트 토크를 이송 나사 기구에 의해 변환한 추력(청구항 중의 "디텐트 토크를 이송 나사 기구에 의해 변환한 저항력"에 상당)보다 크게 하는 조건을 이하의 실험에 의해 검토하였다. 또한, 밸브실(53) 안이 진공압(100Pa[abs])의 상태에서, 직선 추력이 디텐트 토크를 이송 나사 기구에 의해 변환한 추력보다 크게 하는 조건을 이하의 실험에 의해 검토하였다. 기종 1, 기종 2 및 기종 3의 접속 구경 NW 25, NW 40, NW 50이다.

당해 실험에 의해, 복귀 스프링(44)의 힘을 기존의 전동진공밸브와 동일하거나 대체로 동일한 것을 선택할 수 있다. 또한, 장기간에 걸쳐 밸브를 폐쇄한 상태에서 개방한 경우에, 밸브 요소(42)의 환상 실링 부재(50)이 밸브 시트(54)에 고착한 경우에도, 고착을 떼어낼 수 있는 만큼의 모터 토크를 가질 수 있다. 또한, 밸브실(53) 안이 대기압에서 정전된 경우에는, 복귀 스프링의 추력이 스텝핑 모터의 디텐트 토크보다도 크기 때문에 신속하고 확실하게 밸브를 폐쇄할 수 있는 이송 나사 리드·스텝핑 모터·복귀 스프링의 조합을 선택할 수 있었다. 또한, 밸브실(53) 안이 진공상태에서 정전된 경우에, 진공 펌프(11)에서 챔버(10)로 윤활유 등의 확산이 시작하기 전에, 신속하고 확실하게 밸브를 폐쇄할 수 있는 이송 나사 리드·스텝핑 모터·복귀 스프링의 조합을 선택할 수 있었다.

도 4 내지 도 6에 도시한 것처럼, 스텝핑 모터가 결정되면, 최대 정지 토크와 디텐트 토크는 자연스럽게 결정된다. 스텝핑 모터의 파워에 의해, 최대 정지 토크 및 디텐트 토크가 결정되기 때문이다.

예를 들면, 스텝핑 모터 A를 사용한 경우에는, 최대 정지 토크는 480Nmm이고, 디텐트 토크는 24Nmm이다. 스텝핑 모터 B를 사용한 경우에는, 최대 정지 토크는 570Nmm이고, 디텐트 토크는 30Nmm이다. 스텝핑 모터 C를 사용한 경우에는, 최대 정지 토크는 1373Nmm이고, 디텐트 토크는 69Nmm이다.

(밸브 개방시)

도 4 내지 도 6의 밸브 개방시의 필요추력 Fa은 다음의 수학식 1에 의하여 구한다.

[수학식 1]

Fa = F1 + Ff

여기서,

Fa는 밸브 개방시에 필요한 추력이다.

F1은 제1 포트(51)가 진공이고 제2 포트(52)가 대기압인 밸브 폐쇄상태에서 밸브를 개방할 때에 필요한 추력이다.

Ff는 마찰손실이다.

밸브 개방시의 필요 추력 Fa는 F1과 Ff의 합으로 구할 수 있다.

구체적으로는 도 4에 나타낸 스텝핑 모터 A의 나사 리드가 2mm인 경우에는 기종 1에서는 F1이 모터의 종류와 상관없이 186.14N이다. 또한, Ff는 4.80N이다.

따라서,

Fa=186.14+4.80=190.94

가 된다.

본 실시예에서는 스텝핑 모터 A의 나사 리드가 2mm인 경우를 들어 설명하였지만, 그 외의 스텝핑 모터 및 나사 리드도 동일하게 계산하여 Fa를 구할 수 있다.

도 4 내지 도 6의 밸브 개방시의 발생 추력 Fb를 다음의 수학식 2에 의하여 구한다.

[수학식 2]

Fb=F2-Ff

Fb는 밸브 개방시의 발생 추력이다.

F2는 이송 나사 작동력이다.

Ff는 마찰 손실이다.

밸브 개방시의 발생 추력 Fb는 F2와 Ff의 차이로 구할 수 있다.

구체적으로는, 도 4에 도시한 스텝핑 모터 A의 나사 리드가 2mm인 경우에서, F2는 1333.56N이고, Ff는 4.80N이다.

따라서,

Fb=1338.56-4.80=1333.76

이 된다.

본 실시예에서는, 스텝핑 모터 A의 나사 리드가 2mm인 경우를 들어 설명하였지만, 그 외의 스텝핑 모터 및 나사 리드에도 동일하게 계산하여 Fb를 구할 수 있다.

수학식 2에 삽입되는 밸브 개방시의 이송 나사 작동력 F2를 구하는 법은 다음의 수학식 3에 의해 구한다.

[수학식 3]

F2=2π·η1·T1/Ph

η1은 이송 나사의 정효율이다. 정효율은 회전 운동이 직선 운동으로 변할 때의 효율이다.

T1은 최대 정지 토크이다.

Ph는 이송 나사 리드이다.

밸브 개방시의 이송 나사 작동력 F2은 2π와 η1와 T1의 곱을 Ph로 나누어 구할 수 있다.

구체적으로는 도 4에 도시한 스텝핑 모터 A의 나사 리드가 2mm인 경우는 η1이 0.888이고, T1이 480이며, Ph가 2이다.

따라서,

F2= 2π·0.888·480/2=1338.56

이 된다.

본 실시예에서는 스텝핑 모터 A의 나사 리드가 2mm인 경우를 들어 설명하였지만, 그 외의 스텝핑 모터 및 나사 리드에서도 동일하게 계산하여 F2를 구할 수 있다.

수학식 3에 삽입되는 밸브 개방시의 이송 나사 정효율 η1은 다음의 수학식 4를 이용하여 구한다.

[수학식 4]

η1=1-μtanβ/1+(μ/tanβ)

μ는 이송 나사의 마찰 계수이다.

tanβ는 이송 나사 리드각이다. tanβ는 일주기의 360도를 리드의 길이로 나누어 구할 수 있다.

구체적으로는 도 4에 나타낸 스텝핑 모터 A의 나사 리드가 2mm인 경우에는 μ가 0.01이고, tanβ가 0.080이다.

따라서,

η1=1-0.01·0.080/1+(0.01/0.080)=0.888

이 된다.

본 실시예에서는 스텝핑 모터 A의 나사 리드가 2mm의 경우를 들어 설명하였지만, 그 외의 스텝핑 모터 및 이송 나사 리드에서도 동일하게 계산하여 η1을 구할 수 있다.

(밸브 폐쇄시)

도 4 내지 도 6의 밸브 폐쇄시의 발생 추력 Fd는 다음의 수학식 5에 의하여 구한다.

[수학식 5]

Fd=F3-Ff

F3은 복귀 스프링(44)의 추력과 진공압력에 의해 밸브 요소에서 발생하는 추력을 합한 발생 추력이다.

Ff는 마찰손실이다.

Fd는 F3과 Ff의 차이다.

밸브 폐쇄시의 발생 추력 Fd는 F3과 Ff의 차로 구할 수 있다.

구체적으로는, 도 4에 나타낸 스텝핑 모터 A의 나사 리드가 2mm인 경우에는 F3이 154.2N이고, Ff는 0.40N이다.

따라서,

Fd=154.2-0.40=153.8

이 된다.

본 실시예에서는 스텝핑 모터 A의 나사 리드가 2mm인 경우를 들어 설명하였지만, 그 외의 스텝핑 모터 및 나사 리드도 동일하게 계산하여 Fd를 구할 수 있다.

도 7은 기종 1 정전시의 밸브 폐쇄 방향의 발생 추력과 밸브실 압력 및 제1 포트 압력 및 제2 포트 압력과의 관계를 나타낸다.

도 7 중 선 그래프 O는 도 4의 모터 A의 경우를 나타내고, 선 그래프 P는 도 4의 모터 B의 경우를 나타낸다.

도 7에 나타낸 것처럼, 선 그래프 O로 나타낸 도 4의 모터 A의 경우는 밸브실(53) 안의 압력이 대기압인 때에, 대기압인 벨로우즈 내 공간(57)과의 사이에는 압력차가 없기 때문에, 복귀 스프링(44)의 추력이 발생 추력이 된다. 따라서, 복귀 스프링(44)의 발생 추력 H는 81.7N이 된다. 밸브실(53) 내 압력이 100Pa[abs]인 경우에는 대기압인 벨로우즈 내 공간(57)과의 사이의 차압에 의해 추력이 발생하고, 복귀 스프링(44)의 추력이 가해져서, 발생 추력이 153.8N보다 커진다. 즉, 72.1N만큼, 진공압력에 의한 추력이 발생하고 있다.

도 7에 나타낸, 밸브실 내 압력이 S1인 때, 선 그래프 O로 나타낸 도 4의 모터 A의 경우의 발생 추력은 O1이 된다. 밸브실 내 압력이 S1인 경우에는 O1과 복귀 스프링(44)의 발생 추력 81.7N과의 차의 진공압력에 의해 추력이 발생한다.

도 7에 나타낸 것처럼, 선 그래프 P로 나타낸 도 4의 모터 B의 경우는 밸브실(53) 내 압력이 대기압인 때에는 대기압인 벨로우즈 내 공간(57)과의 사이에는 압력차가 없기 때문에, 복귀 스프링(44)의 추력이 발생 추력이 된다. 따라서, 복귀 스프링(44)의 발생 추력 H는 81.6N이 된다. 밸브실(53) 내 압력이 100Pa[abs]인 경우에는 대기압인 벨로우즈 내 공간(57)과의 사이의 차압에 의해 추력이 발생하고, 복귀 스프링(44)의 추력이 가해져서, 발생 추력이 153.7N보다 커진다. 즉, 72.1N만큼, 진공압력에 의한 추력이 발생하고 있다.

도 7에 나타낸, 밸브실 내 압력이 S1인 때, 선 그래프 P로 나타낸 도 4의 모터 B의 경우의 발생 추력은 P1이 된다. 밸브실 내 압력이 S1인 경우에는 P1과 복귀 스프링(44)의 발생 추력 81.6N과의 차의 진공압력에 의한 추력이 발생한다.

도 8은 기종 2의 발생 추력과 압력과의 관계를 나타낸다.

도 8 중 선 그래프 Q는 도 5의 모터 C의 경우를 나타낸다.

선 그래프 Q로 나타낸 도 5의 모터 C의 경우는 밸브실(53) 내 압력이 대기압인 때에, 대기압인 벨로우즈 내 공간(57)과의 사이에는 압력차가 없기 때문에, 복귀 스프링(44)의 추력이 발생 추력이 된다. 따라서, 복귀 스프링(44)의 발생 추력 H는 145.4N이 된다. 밸브실(53) 내 압력이 100Pa[abs]인 경우에는 대기압인 벨로우즈 내 공간(57)과의 사이의 차압에 의해 추력이 발생하고, 복귀 스프링(44)의 추력이 가해져서, 발생 추력이 286.8N보다 커진다. 즉, 141.4N만큼, 진공압력에 의한 추력이 발생하고 있다.

도 8에 나타낸, 밸브실 내 압력이 S2인 때, 선 그래프 Q로 나타낸 도 5의 모터 C의 경우의 발생 추력은 Q1이 된다. 밸브실 내 압력이 S2인 경우에는 Q1과 복귀 스프링(44)의 발생 추력 145.4N과의 차의 진공압력에 의한 추력이 발생한다.

도 9는 기종 3의 발생 추력과 압력과의 관계를 나타낸다.

도 9 중 선 그래프 R은 도 6의 모터 C의 경우를 나타낸다.

선 그래프 R로 나타낸 도 6의 모터 C의 경우는 밸브실(53) 내 압력이 대기압인 때에, 대기압인 벨로우즈 내 공간(57)과의 사이에는 압력차가 없기 때문에, 복귀 스프링(44)의 추력이 발생 추력이 된다. 따라서, 복귀 스프링(44)의 발생 추력 H는 182.5N이 된다. 밸브실(53) 내 압력이 100Pa[abs]인 경우에는 대기압인 벨로우즈 내 공간(57)과의 사이의 차압에 의해 추력이 발생하고, 복귀 스프링(44)의 추력이 가해져서, 발생 추력이 371.2N보다 커진다. 즉, 188.7N만큼, 진공압력에 의한 추력이 발생하고 있다.

도 9에 나타낸, 밸브실 내 압력이 S3인 때, 선 그래프 R로 나타낸 도 6의 모터 C의 경우의 발생 추력은 R1이 된다. 밸브실 내 압력이 S3인 경우에는 R1과 복귀 스프링(44)의 발생 추력 182.5N과의 차의 진공압력에 의한 추력이 발생한다.

도 4 내지 도 6의 밸브 폐쇄시의 필요 추력 Fc는 다음의 수학식 6에 의하여 구한다.

[수학식 6]

Fc=2π·Fe/η2·Ph

Fc는, 밸브 폐쇄시의 필요 추력이며, 복귀 스프링의 힘만으로 로드 및 밸브 요소를 밸브 폐쇄 방향으로 이동시키는 힘이다. 발생 추력은 나사 리드에 관계없이, 거의 일정하다.

Fe는 디텐트 토크이다.

η2는 이송 나사의 역효율이다.

Ph는 이송 나사 리드이다.

밸브 폐쇄시의 필요 추력 Fc는 2π와 Fe의 곱을 η2과 Ph의 곱으로 나누어 구할 수 있다.

구체적으로는 도 4에 도시한 스텝핑 모터 A의 나사 리드가 2mm인 경우는 η2가 0.874이고, Fe가 24이며, Ph가 2이다.

따라서,

Fc= 2π·24/0.874·2=86.30

이 된다.

본 실시예에서는 스텝핑 모터 A의 나사 리드가 2mm인 경우를 들어 설명하였지만, 그 외의 스텝핑 모터 및 나사 리드에서도 동일하게 계산하여 Fc를 구할 수 있다.

수학식 6에 삽입되는 밸브 폐쇄시의 이송 나사 역효율 η2는 다음의 수학식 7를 이용하여 구한다.

[수학식 7]

η2=1-(μ/tanβ)/1+μtanβ

μ는 이송 나사의 마찰 계수이다.

tanβ는 이송 나사 리드각이다.

밸브 폐쇄시의 이송 나사 역효율 η2는 1과, μ를 tanβ로 나눈 값의 차를, 1과 μtanβ의 합으로 나누어 구할 수 있다.

따라서,

η2=1-(0.01/0.080)/1+0.01·0.080=0.874

가 된다.

본 실시예에서는 스텝핑 모터 A의 나사 리드가 2mm의 경우를 들어 설명하였지만, 그 외의 스텝핑 모터 및 이송 나사 리드에서도 동일하게 계산하여 η2를 구할 수 있다.

(기종 1)

(스텝핑 모터 A에 관하여)

밸브 개방시의 필요 추력 Fa는 190.94N이고, 밸브 폐쇄시의 발생 추력 Fd는 153.8N으로 일정하다.

스텝팅 모터 A를 이용한 경우에는 나사 리드를 2mm로 하면, 밸브 개방시의 발생 추력 Fb는 1333.76N이고, 발생 추력 Fb를 필요 추력 Fa의 190.94N으로 나누어 산출된 추력비는 7.0배이고, 3.0배 이상이기 때문에 문제가 없다.

추력비란, 발생 추력 Fb을 필요 추력 Fa으로 나눈 값이다. 여기서 발생 추력 Fb는 스텝핑 모터의 토크를 이송 나사 기구로 변환한 추력이다. 필요 추력 Fa은 밸브 폐쇄시에 제1 포트(51) 쪽이 진공이고, 제2 포트(52) 쪽이 대기압인 경우 차압에 의한 최대 하중이 밸브 폐쇄 방향으로 작용하는 상태와 그때의 복귀 스프링 하중의 합을 상정하고 있다. 또한, 추력비 K를 3.0배 이상으로 하는 것은, 전동진공밸브를 가지는 라인이 장기간에 걸쳐 정지하여, 밸브 시트와 환상 실링 부재가 고착하여 재가동할 때에 밸브가 개방되면, 필요 추력 Fa가 상승한 경우에 있어서도, 확실하게 밸브 시트와 환상 실링 부재를 떨어뜨려 밸브를 개방하는 상태를 상정하고 있기 때문이다.

그러나, 밸브실(53)이 진공상태의 밸브 폐쇄시에는, 필요 추력 Fc은 86.30N이고, 필요 추력 Fc으로 발생 추력 Fd의 153.8N을 나누어 산출된, 추력비는 1.8배로, 3.0배 미만이다.

또한, 밸브실(53)이 대기압인 경우에는, 발생 추력 H은 81.7N으로, 필요 추력 Fc의 86.30N을 하회하기 때문에, 밸브가 폐쇄될 수 없다.

따라서, 밸브 폐쇄시에 추력비가 3.0배 미만이 되기 때문에 스탭핑 모터 A에서, 나사 리드를 2mm로 할 수 없다. 또한, 밸브실(53)이 대기압인 경우에는 복귀 스프링(44)만으로 밸브를 폐쇄할 수 없다.

스텝핑 모터 A를 이용한 경우에는 나사 리드를 4mm으로 하면, 밸브 개방시의 발생 추력 Fb는 703.48N이 되고, 발생 추력 Fb를, 필요 추력 Fa의 190.94N으로 나누어 산출되는 추력비는 3.7배이고, 3.0배 이상이기 때문에 문제없다.

또한, 밸브 폐쇄시에, 필요 추력 Fc는 40.29N이고, 필요 추력 Fc으로 발생 추력 Fd의 153.8N을 나누어 산출된 추력비는 3.8배로서, 3.0배 이상이 되어 문제없다.

밸브 폐쇄시의 추력비는 발생 추력 Fd를 밸브 폐쇄 필요 추력 Fc로 나눈 값이고, 여기서 발생 추력 Fd는 복귀 스프링(44)의 추력이 최저에 가까운 상태인 복귀 스프링이 늘어난 상태와, 밸브가 개방되는 것에 의해 밸브실(53)의 내부가 진공이 되고, 밸로우즈 내 공간(57)이 대기압인 것의 차압에 의해 밸브 요소(42)의 수압면에서 발생하는 추력과의 합을 상정하고 있다. 또한, 추력비 L은 3.0배 이상으로 하는 것은 정전시에 바로 밸브를 폐쇄할 수 있기 때문이다. 그 외의 스텝핑 모터에 관해서도 동일하다.

따라서, 스텝핑 모터 A에서, 나사 리드를 4mm으로 할 수 있다. 또한, 밸브실(53)이 대기압인 경우에, 발생 추력 H은 81.7N이고, 필요 추력 Fc의 40.29N을 상회하기 때문에, 복귀 스프링(44)의 추력에 의해 밸브를 폐쇄할 수 있다.

스텝핑 모터 A를 이용한 경우에, 나사 리드를 5mm으로 하면, 밸브 개방시의 발생 추력 Fb는 568.37N이 되고, 발생 추력 Fb를 필요 추력 Fa의 190.94N으로 나누어 산출된 추력비는 3.0배이고, 3.0배 이상이기 때문에 문제없다.

또한 밸브 폐쇄시에, 발생 추력 Fc은 31.82N이고, 필요 추력 Fc으로 필요 추력 Fd의 153.8N을 나누어 산출되는 추력비는 4.8배로서, 3.0배 이상으로 문제없다.

따라서, 스텝핑 모터 A에서, 나사 리드를 5mm으로 할 수 있다. 또한, 밸브실(53)이 대기압인 경우에, 발생 추력 H는 81.7N이고, 필요 추력 Fc의 31.82N을 상회하기 때문에, 복귀 스프링(44)의 추력에 의해 밸브를 폐쇄할 수 있다.

스텝핑 모터 A를 이용한 경우에 나사 리드를 6mm으로 하면, 밸브 개방시의 발생 추력 Fb는 496.65N이 되고, 발생 추력 Fb를 필요 추력 Fa의 190.94N으로 나누어 산출된 추력비는 2.6배이고, 3.0배 미만이기 때문에 문제가 된다.

밸브 폐쇄시에, 필요 추력 Fc은 26.29N이고, 필요 추력 Fc으로 발생 추력 Fd의 153.8N을 나누어 산출되는 추력비는 5.8배로서, 3.0배 이상이 된다.

따라서, 밸브 개방시에 추력비가 3.0배 미만이기 때문에 스텝핑 모터 A에서, 나사 리드를 6mm으로 할 수 없다.

또한, 밸브 개방시에 추력비가 3.0배 미만이 되기 때문에 동일하게 나사 리드를 8mm으로 할 수 없다.

(스텝핑 모터 B에 관하여)

스텝핑 모터 B는 나사 리드에 관계없이 밸브 개방시의 필요 추력 Fa는 191.84N이고, 밸브 폐쇄시의 발생 추력 Fd는 153.7N으로 일정하다.

스텝팅 모터 B를 이용한 경우에는 나사 리드를 2mm로 하면, 밸브 개방시의 발생 추력 Fb는 1583.84N이고, 발생 추력 Fb를 필요 추력 Fa의 191.84N으로 나누어 산출된 추력비는 8.3배이고, 3.0배 이상이기 때문에 문제없다.

그러나, 밸브 폐쇄시에는, 필요 추력 Fc은 107.88N이고, 필요 추력 Fc으로 발생 추력 Fd의 153.7N을 나누어 산출된, 추력비는 1.4배로, 3.0배 미만이다.

따라서, 밸브 폐쇄시에 추력비가 3.0배 미만이 되기 때문에 스탭핑 모터 B에서 나사 리드를 2mm로 할 수 없다. 또한, 밸브실(53)이 대기압인 경우에는 필요 추력 Fc가 107.88N에 대하여, 발생 추력 H가 81.6N이기 때문에, 복귀 스프링(44)만의 힘으로 밸브를 폐쇄할 수 없다.

스텝핑 모터 B를 이용한 경우에는 나사 리드를 4mm으로 하면, 밸브 개방시의 발생 추력 Fb는 835.38N이 되고, 발생 추력 Fb를, 필요 추력 Fa의 191.84N으로 나누어 산출되는 추력비는 4.4배이고, 3.0배 이상이기 때문에 문제없다.

또한, 밸브 폐쇄시에, 필요 추력 Fc는 50.36N이고, 필요 추력 Fc으로 발생 추력 Fd의 153.7N을 나누어 산출된 추력비는 3.1배로서, 3.0배 이상이 되어 문제없다. 또한, 밸브실(53)이 대기압인 경우에 발생 추력 H은 81.6N이고, 필요 추력 Fc의 50.36N을 상회하기 때문에, 복귀 스프링(44)의 추력에 의해 밸브를 폐쇄할 수 있다.

따라서, 스텝핑 모터 B에서, 나사 리드를 4mm으로 할 수 있다.

스텝핑 모터 B를 이용한 경우에, 나사 리드를 5mm으로 하면, 밸브 개방시의 발생 추력 Fb는 674.95N이 되고, 발생 추력 Fb를 필요 추력 Fa의 191.84N으로 나누어 산출된 추력비는 3.5배이고, 3.0배 이상이기 때문에 문제없다.

또한 밸브 폐쇄시에, 발생 추력 Fc은 39.77N이고, 필요 추력 Fc으로 필요 추력 Fd의 153.7N을 나누어 산출되는 추력비는 3.9배로서, 3.0배 이상으로 문제없다. 또한, 밸브실(53)이 대기압인 경우에, 발생 추력 H는 81.7N로, 필요 추력 Fc의 39.77N을 상회하기 때문에, 복귀 스프링(44)의 추력에 의해 밸브를 폐쇄할 수 있다.

따라서, 스텝핑 모터 B에서, 나사 리드를 5mm으로 할 수 있다.

스텝핑 모터 B를 이용한 경우에 나사 리드를 6mm으로 하면, 밸브 개방시의 발생 추력 Fb는 565.84N이 되고, 발생 추력 Fb를 필요 추력 Fa의 191.84N으로 나누어 산출된 추력비는 2.9배이고, 3.0배 미만이기 때문에 문제가 된다.

밸브 폐쇄시에, 필요 추력 Fc은 32.87N이고, 필요 추력 Fc으로 발생 추력 Fd의 153.7N을 나누어 산출되는 추력비는 4.7배로서, 3.0배 이상이 된다.

따라서, 밸브 개방시에 추력비가 3.0배 미만이기 때문에, 스텝핑 모터 B에서 나사 리드를 6mm으로 할 수 없다.

상기와 동일한 계산에 의하면, 도 4에 나타낸 것처럼, 밸브 개방시에 추력비가 3.0배 미만이기 때문에 나사 리드를 8mm으로 할 수 없다.

(기종 2)

(스텝핑 모터 C에 관하여)

스텝핑 모터 C는 나사 리드에 관계없이 밸브 개방시의 필요 추력 Fa는 463.53N이고, 밸브 폐쇄시의 발생 추력 Fd는 286.6N으로 일정하다.

스텝팅 모터 C를 이용한 경우에는 나사 리드를 4mm로 하면, 밸브 개방시의 발생 추력 Fb는 1974.22N이고, 발생 추력 Fb를 필요 추력 Fa의 463.53N으로 나누어 산출된 추력비는 4.3배이고, 3.0배 이상이기 때문에 문제없다.

그러나, 밸브 폐쇄시에는, 필요 추력 Fc은 117.77N이고, 필요 추력 Fc로 발생 추력 Fd의 286.8N을 나누어 산출된, 추력비는 2.4배로, 3.0배 미만이다.

따라서, 밸브 폐쇄시에 추력비가 3.0배 미만이 되기 때문에, 스탭핑 모터 C에서 나사 리드를 4mm로 할 수 없다.

스텝핑 모터 C를 이용한 경우에는 나사 리드를 5mm으로 하면, 밸브 개방시의 발생 추력 Fb는 1597.90N이 되고, 발생 추력 Fb를, 필요 추력 Fa의 463.53N으로 나누어 산출되는 추력비는 3.4배이고, 3.0배 이상이기 때문에 문제없다.

또한, 밸브 폐쇄시에, 필요 추력 Fc는 92.67N이고, 필요 추력 Fc으로 발생 추력 Fd의 286.8N을 나누어 산출된 추력비는 3.1배로서, 3.0배 이상이 되어 문제없다. 또한, 밸브실(53)이 대기압인 경우에 발생 추력 H은 145.4N이고, 필요 추력 Fc의 117.77N을 상회하기 때문에, 복귀 스프링(44)의 추력에 의해 밸브를 폐쇄할 수 있다.

따라서, 스텝핑 모터 C에서, 나사 리드를 5mm으로 할 수 있다.

스텝핑 모터 C를 이용한 경우에, 나사 리드를 6mm으로 하면, 밸브 개방시의 발생 추력 Fb는 1340.77N이 되고, 발생 추력 Fb를 필요 추력 Fa의 463.53N으로 나누어 산출된 추력비는 2.9배이고, 3.0배 미만으로 문제가 된다.

또한 밸브 폐쇄시에, 발생 추력 Fc은 76.39N이고, 필요 추력 Fc으로 발생 추력 Fd의 286.8N을 나누어 산출되는 추력비는 3.8배로서, 3.0배 이상으로 문제없다.

따라서, 밸브 개방시에 추력비가 3.0배 미만이기 때문에, 스텝핑 모터 C에서 나사 리드를 6mm으로 할 수 없다.

도 5에 나타낸 것처럼, 밸브 개방시에 추력비가 3.0배 미만이 되기 때문에 스텝핑 모터 C를 이용한 경우, 나사 리드를 8mm으로 할 수 없다.

(기종 3)

(스텝핑 모터 C에 관하여)

스텝핑 모터 C는 나사 리드에 관계없이 밸브 개방시의 필요 추력 Fa는 546.26N이고, 밸브 폐쇄시의 발생 추력 Fd는 371.2N으로 일정하다.

스텝팅 모터 C를 이용한 경우에 나사 리드를 2mm로 하면, 밸브 개방시의 발생 추력 Fb는 4287.78N이고, 발생 추력 Fb를 필요 추력 Fa의 526.26N으로 나누어 산출된 추력비는 7.8배이고, 3.0배 이상이기 때문에 문제없다.

그러나, 밸브 폐쇄시에는, 밸브실(53)이 대기압인 경우에, 필요 추력 Fc은 257.33N에 대하여, 발생 추력 H가 182.5N이기 때문에, 복귀 스프링(44) 만의 힘으로 밸브를 폐쇄할 수 없다.

스텝팅 모터 C를 이용한 경우에는 나사 리드를 4mm로 하면, 밸브 개방시의 발생 추력 Fb는 2131.07N이고, 발생 추력 Fb를 필요 추력 Fa의 546.26N으로 나누어 산출된 추력비는 3.9배이고, 3.0배 이상이기 때문에 문제없다.

또한, 밸브 폐쇄시에는, 필요 추력 Fc은 117.77N이고, 필요 추력 Fc으로 발생 추력 Fd의 371.2N을 나누어 산출된, 추력비는 3.2배로, 3.0배 이상으로 문제없다. 또한, 밸브실(53)이 대기압인 경우, 발생 추력 H는 182.5N이고, 필요 추력 Fc의 117.77N을 상회하기 때문에, 복귀 스프링(44) 만의 힘으로 밸브를 폐쇄할 수 있다.

따라서, 스탭핑 모터 C에서, 나사 리드를 4mm로 할 수 있다.

스텝핑 모터 C를 이용한 경우에는 나사 리드를 5mm으로 하면, 밸브 개방시의 발생 추력 Fb는 1699.73N이 되고, 발생 추력 Fb를, 필요 추력 Fa의 546.26N으로 나누어 산출되는 추력비는 3.1배이고, 3.0배 이상이기 때문에 문제없다.

또한, 밸브 폐쇄시에, 필요 추력 Fc는 92.67N이고, 필요 추력 Fc으로 발생 추력 Fd의 371.2N을 나누어 산출된 추력비는 4.0배로서, 3.0배 이상이 되어 문제없다. 또한, 밸브실(53)이 대기압인 경우에 발생 추력 H은 182.5N으로, 필요 추력 Fc의 92.67N을 상회하기 때문에, 복귀 스프링(44)의 추력에 의해 밸브를 폐쇄할 수 있다.

따라서, 스텝핑 모터 C에서, 나사 리드를 5mm으로 할 수 있다.

스텝핑 모터 C를 이용한 경우에, 나사 리드를 6mm으로 하면, 밸브 개방시의 발생 추력 Fb는 1412.17N이 되고, 발생 추력 Fb를 필요 추력 Fa의 546.26N으로 나누어 산출된 추력비는 2.6배이고, 3.0배 미만으로 문제가 된다.

또한 밸브 폐쇄시에, 발생 추력 Fc은 76.39N이고, 필요 추력 Fc으로 발생 추력 Fd의 371.2N을 나누어 산출되는 추력비는 4.9배로서, 3.0배 이상으로 문제없다. 또한, 밸브실(53)이 대기압인 경우에 발생 추력 H은 182.5N이고, 필요 추력 Fc의 117.77N을 상회하기 때문에, 복귀 스프링(44)의 추력에 의해 밸브를 폐쇄할 수 있다.

밸브 개방시에 추력비가 3.0배 미만이 되기 때문에, 스텝핑 모터 C를 이용한 경우, 나사 리드를 8mm으로 할 수 없다.

이상의 실험에 의해, 예를 들면, 도 4에 나타난, 기종 1의 스텝핑 모터 A에서, 나사 리드를 4mm, 또는 5mm로, 스텝핑 모터 B에서 나사 리드를 4mm 또는 5mm로 판단할 수 있다.

또한, 도 5에 나타난, 기종 2의 스텝핑 모터 C에서 나사 리드를 5mm로 판단할 수 있다.

또한, 도 6에 나타난, 기종 3의 스텝핑 모터 C에서 나사 리드를 4mm 또는 5mm로 판단할 수 있다.

이상의 실험에 의해, 스텝핑 모터, 이송 나사 리드, 복귀 스프링을 결정할 수 있다. 밸브를 폐쇄하기 위한 복귀 스프링(44)은 스텝핑 모터의 디텐트 토크를 극복하여 확실하게 밸브를 폐쇄할 수 있는 추력이 필요하며, 밸브를 개방하기 위한 스텝핑 모터는 복귀 스프링을 극복하는 토크를 가진 채, 밸브 폐쇄를 방해하지 않는 디텐트 토크가 없으면 안 되어, 상반한다. 상반하는 관계에 있기 때문에, 필요한 회전 토크에 의한 추력을 가진 채, 또한, 필요한 발생 추력을 유지하기 위한, 균형을 취하는 범위가 좁고, 적정한 리드를 본 출원인이 상기 실험에 의해 발견할 수 있었기 때문에, 기존의 에어 구동 진공 밸브의 부품인 복귀 스프링을 사용하여 정전시에 확실하게 밸브를 폐쇄할 수 있다.

또한, 밸브실(53)이 진공 상태인 경우, 벨로우즈 내 공간(57)이 대기압이고, 그 차압에 의한 추력을 이용하여 복귀 스프링(44)의 추력을 약하게 할 수 있다. 그 때문에, 스텝핑 모터를 소형화할 수 있어, 기구를 소형화할 수 있다.

또한, 기존의 에어 구동 진공 밸브의 부품인 환상 실링 부재(50), 복귀 스프링(44), 벨로우즈(46), 밸브 시트(54) 등을 사용할 수 있기 때문에, 기존의 에어 구동 진공 밸브와 동일한 리크량, 내구성을 얻을 수 있고, 비용 절감을 도모할 수 있다.

또한, 상기 조건으로 나사 리드를 결정하여, 복귀 스프링의 추력을 이송 나사 기구에 의해 발생하는 회전 토크에 의한 추력이 스텝핑 모터의 스테이터 및 로터 사이에 발생하는 디텐트 토크에 의한 추력의 3.0배 이상으로 하여, 정전시에 전력을 사용하지 않고, 바로 밸브를 폐쇄할 수 있다.

또한, 밸브 개방 동작시에, 스텝핑 모터에 의한 추력이 회전 토크에 의한 추력의 3.0배 이상이므로, 확실하게 밸브를 개방할 수 있다. 구체적으로, 전동 진공 밸브를 가지는 라인이 장기간에 걸쳐 정치한 후, 재가동할 때, 전동진공밸브는 부분적으로 고착하고, 큰 기계적 손실을 가진 경우가 있다. 그런 경우에도, 스텝핑 모터에 의한 추력이 회전 토크에 의한 추력의 3.0배 이상이면, 확실하게 밸브를 개방할 수 있다.

또한, 밸브실(53) 안과 벨로우즈 내 공간(57)이 대기압인 경우에 있어서도, 추력비가 1.0배 이상이 되기 때문에, 복귀 스프링(44)의 추력에 의해 밸브를 폐쇄할 수 있다.

<전동진공밸브의 작용>

(폐쇄에서 개방)

도 1에 전동진공밸브(21)의 폐쇄상태의 단면도를 도시하며, 도 2에 전동진공밸브(21)의 개방상태의 단면도를 도시한다.

도 1에 도시한 것처럼, 전동진공밸브(21)는 통상 밸브 요소(42)가 밸브 시트(54)에 접하여 제1 포트(51)와 제2 포트(52)의 사이를 차단한다. 이 상태에서, 스텝핑 모터(27)가 정방향과 역방향으로 회전하면, 이송 나사 너트(34)가 홀더(33)와 커플링(58)을 이용하여 출력축(30)과 일체로 회전하고, 그 회전 운동이 도면 중 상방 방향(밸브 개방 방향)으로의 직선 운동으로 변환되어, 이송 나사 샤프트(36)로 전달된다. 구동 샤프트(37)는 이송 나사 샤프트(36)와 일체로 상승하고, 도 2에 도시한 것처럼 연결 부재(40)를 통해 밸브 요소(42)를 올린다.

이것에 의해, 밸브 요소(42)가 밸브 시트(54)에서 떨어져 제1 및 제2 포트(51, 52)를 연통시킨다. 전동진공밸브(21)는 환상 실링 부재(50)의 탄성 변형량을 변화시키는 영역에서, 유체 누출에 위한 미세 유량을 제어할 수 있고, 또한, 밸브 요소(42)가 밸브 시트(54)에서 떨어지는 영역에서는, 떨어지는 양에 대응하여 배기유량이 제어된다. 이 밸브 개도는 스텝핑 모터(27)의 도시하지 않은 로터의 회전량에 의해 제어된다.

본 실시예에서는 상기 실험에 의해 스텝핑 모터, 이송 나사 리드, 복귀 스프링을 결정하기 때문에, 밸브 개방시에, 복귀 스프링의 힘이 너무 강하지 않고, 에너지 절감 상태로 밸브를 개방할 수 있다. 절감된 전력으로 족하기 때문에 스텝핑 모터(27)를 소형화할 수 있고, 결과로서 전동진공밸브(21)를 소형화할 수 있다.

(통상시의 개방에서 폐쇄)

챔버(10)의 진공압력이 목표압력에 도달하면, 도 2에 도시한, 스텝핑 모터(27)가 정방향으로 회전한다. 이송 나사 너트(34)가 출력축(30)과 일체로 정방향으로 회전하면, 도 1에 도시한 이송 나사 샤프트(36)가 하강한다. 구동 샤프트(37)는 이송 나사 너트(36)와 일체로 하강하고, 연결 부재(40)를 통해 밸브 요소(42)가 밸브 시트(54)에 접하게 한다. 구동 샤프트(37)의 결합 핀(41)이 통과하는 구멍은 결합 핀(41)의 외경보다도 크며, 구동 샤프트(37)와 결합 핀(41)과의 사이에 반동을 남겨 정지한 후, 복귀 스프링(44)의 추력만큼 밸브 요소(42)를 밸브 시트(54) 쪽으로 밀어, 환상 실링 부재(50)를 밸브 시트(54)에 밀착시켜 실링한다.

(정전시의 개방에서 폐쇄)

(순간 정전을 포함한) 정전이나 어떤 이상에 의해, 공급 전원이 차단되고, 진공 펌프가 정지한 때나, 본 제품을 탑재하는 시스템이 이상을 판단한 장치를 정지시킬 때에, 챔버의 진공도를 유지하거나 진공 펌프에서의 역확산 보호를 위해 밸브를 폐쇄시키고, 챔버와 진공 펌프를 격리할 필요가 있다.

정전시의 경우에 전동진공밸브에 발생하는 힘은 복귀 스프링(44)에 의해 폐지 방향으로의 추력과, 모터의 디텐트 토크를 이송 나사 기구에 의해 변환한 밸브 폐쇄를 방해하는 힘이다. 또한, 밸브실(53) 내가 전동진공압력인 경우에는 벨로우즈 내 공간(57)이 대기압이면, 밸브 폐쇄 방향으로 발생하는 추력이 있다.

정전 등의 경우에는 밸브 폐쇄 동작을 하기 위해, 복귀 스프링(44)에 의한 폐지 방향으로의 직선 추력을 이용하여 밸브를 폐쇄한다. 또한, 밸브실(53) 안이 진공압인 경우, 복귀 스프링(44)에 의한 폐지 방향의 추력 외에, 진공압력에 의한 밸브 요소 방향으로 발생하는 추력을 이용하여 밸브를 폐쇄한다.

즉, 정전 등의 경우에, 상기 실험에 의해 나타낸 도 4 내지 도 6에서, 밸브 폐쇄시에 추력비가 3.0배 이상의 조건을 만족하고, 이송 나사·모터·복귀 스프링을 조합하여, 전력을 사용하지 않고 전동진공밸브를 신속하고 확실하게 폐쇄할 수 있다.

또한, 전력을 사용하지 않고 밸브를 폐쇄하는 에어 오퍼레이트 밸브를 복귀 스프링만으로 폐쇄할 때의 밸브 폐쇄 스피드와 동일한 스피드로 밸브를 폐쇄할 수 있는 것을 확인할 수 있다.

게다가, 에어 오페레이트 밸브와 동일한 환상 실링 부재와 복귀 스프링과 벨로우즈와 밸브 시트를 가지기 때문에, 동등한 리크량이나 내구성을 가질 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 스텝핑 모터가 대형화되지 않기 때문에, 에어 오퍼레이트 밸브와 동일한 설치성을 가지는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 본 발명은 상기 실시의 형태에 한정되는 것이 아니고, 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 응용이 가능하다.

예를 들면, 벨로우즈(46)의 평균 지름은 환상 실링 부재(50)의 지름에 대하여 큰 경우도 작은 경우도 있고, 그 대소에 관계없이, 벨로우즈(46) 자체의 평균 지름을 수압면적으로 하여 차압에 의한 밸브 폐쇄 방향으로의 추력이 발생한다.

예를 들면, 모터의 종류가 바뀌었다 해도, 본 실시예와 같이, 복귀 스프링의 추력이 디텐트 토크를 이송 나사 기구에 의해 변환된 추력의 추력비로의 3.0배 이상이 되도록 하여, 밸브 폐쇄 동작시에 스텝핑 모터의 이송 나사 기수에 의해 변환된 추력이 복구 스프링의 추력의 추력비로 3.0배 이상이 되도록 하는 것에 의해, 정전시에는 복귀 스프링의 힘으로 바로 밸브 폐쇄를 할 수 있다. 또한, 통상시에는 절감된 전력으로 밸브를 개방할 수 있다.

21 전동진공밸브
27 스텝핑 모터
34 이송 나사
36 샤프트
38 회전방지수단
42 밸브 요소
44 복귀 스프링
51 제1 포트
52 제2 포트
53 밸브실
54 밸브 시트

Claims

제1 포트, 제2 포트 및 상기 제1 포트와 상기 제2 포트를 연결하는 밸브실 및 상기 밸브실에 형성된 밸브 시트를 포함하는 본체부;
스텝핑 모터에 접속하는 이송 나사, 상기 이송 나사와 나사 결합하는 샤프트 및 상기 이송 나사와 상기 샤프트에 의해 구성되는 이송 나사 기구;
상기 샤프트의 회전을 정지시키는 회전방지수단;
상기 샤프트의 선단에 설치된 밸브 요소; 및
상기 밸브 요소와 상기 밸브 시트에 접하는 방향으로 가세되는 복귀 스프링;을 포함하는 전동진공밸브에 있어서,
정전시에 상기 스텝핑 모터의 스테이터와 로터 사이에서 디텐트 토크(detent torque)가 발생하고,
상기 복귀 스프링의 추력이 상기 디텐트 토크(detent torque)가 상기 이송 나사 기구에 의해 전환된 저항력보다 큰 것에 의해 밸브가 폐쇄하며,
상기 샤프트와 상기 복귀 스프링은 벨로우즈로 덮여 있고,
상기 벨로우즈의 상기 샤프트 쪽은 대기압이고, 상기 밸브실 안이 진공압력일 때,
상기 복귀 스프링의 추력과 상기 진공압력에 의해 상기 밸브 요소에서 발생하는 추력의 합은 상기 디텐트 토크를 상기 이송 나사 기구에 의해 변환된 저항력의 3배 이상인 것을 특징으로 하는 전동진공밸브.
제1 포트, 제2 포트 및 상기 제1 포트와 상기 제2 포트를 연결하는 밸브실 및 상기 밸브실에 형성된 밸브 시트를 포함하는 본체부;
스텝핑 모터에 접속하는 이송 나사, 상기 이송 나사와 나사 결합하는 샤프트 및 상기 이송 나사와 상기 샤프트에 의해 구성되는 이송 나사 기구;
상기 샤프트의 회전을 정지시키는 회전방지수단;
상기 샤프트의 선단에 설치된 밸브 요소; 및
상기 밸브 요소와 상기 밸브 시트에 접하는 방향으로 가세되는 복귀 스프링;을 포함하는 전동진공밸브에 있어서,
정전시에 상기 스텝핑 모터의 스테이터와 로터 사이에서 디텐트 토크(detent torque)가 발생하고,
상기 복귀 스프링의 추력이 상기 디텐트 토크(detent torque)가 상기 이송 나사 기구에 의해 전환된 저항력보다 큰 것에 의해 밸브가 폐쇄하며,
상기 밸브 요소를 밸브를 개방하기 위한 상기 스텝핑 모더의 구동 토크를 상기 이송 나사 기구에 의해 변환된 추력은, 상기 복귀 스프링의 추력 및 상기 제1 포트 쪽이 진공압력이고 제2 포트가 대기압인 때에 상기 밸브 요소에서 발생하는 추력과의 합에 대하여 3배 이상인 것을 특징으로 하는 전동진공밸브.
삭제
삭제