KR101312379B1

KR101312379B1 - 유체제어밸브의 밸브시트 구조

Info

Publication number: KR101312379B1
Application number: KR1020110108429A
Authority: KR
Inventors: 타츠히토 아오야마
Original assignee: 씨케이디 가부시키 가이샤
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2013-09-27
Also published as: JP2012092861A; US20120097881A1; TWI448638B; KR20120042685A; US8960644B2; CN102454808B; TW201233928A; JP5243513B2; CN102454808A

Abstract

다이어프램 밸브체(60), 입구 포트(41) 및 출구 포트(42)가 형성된 바디(40), 및 바디(40)에 설치된 밸브시트 부재(50)를 포함하고, 밸브시트 부재(50)에 대하여, 다이어프램 밸브체(60)가 접하거나 떨어져서, 고온 가스의 흐름을 제어하는 가스제어밸브(1)의 밸브시트 구조에 있어서, 밸브시트 부재(50)는 링 형상으로 형성되며, 다이어프램 밸브체(60)가 접하는 밸브시트부(51)를 가지며, 밸브시트 부재(50)의 지름 방향 CR에 대한 밸브시트부(51)의 두께를 제1 두께 t1(0<t1)로 하면, 상기 가스제어밸브(1)의 축선 방향 AX을 따른 방향에 대하여, 밸브시트 부재(50)의 높이인 제2 두께 t2가 0.5t1≤t2≤1.5t1의 범위 내에서 형성되어 있다.

Description

유체제어밸브의 밸브시트 구조{VALVE SEAT STRUCTURE OF FLUID CONTROL VALVE}

본 발명은 유체의 흐름을 제어하는 유체제어밸브의 밸브시트 구조에 관한 것이다. 상세하게는, 예를 들면 반도체 제조장치 등에 있어서, 밸브시트에 대하여, 다이어프램(diaphragm) 밸브체가 접하거나 떨어지는 것에 의해 고온 가스 등의 유체의 흐름을 제어하는 다이어프램 밸브의 밸브시트 구조에 관한 것이다.

반도체 제조공정이나 액정패널 제조공정 등에서, 반도체 제조장치 등에 약 200℃까지 가열된 H₂ 가스, Ar 가스 등의 고온 가스를 공급 또는 차단하여, 그 고온 가스의 흐름을 제어하는 유체제어밸브로서, 예를 들면 특허문헌 1, 2에 개시되어 있는 것과 같은 금속 다이어프램 밸브가 이용되고 있다.

도 6 및 7에, 특허문헌 1의 금속 다이어프램 밸브를 설명하는 도면을 도시한다. 특허문헌 1은 도 6 및 7에 도시된 것처럼, 밸브 로드(valve rod; 230)에 의한 가압 또는 해제에 의해 밸브시트(250)에 대하여, 접하거나 떨어지는 금속 다이어프램(260)을 시효 경화 열처리(age-hardening heat treatment)에 의해 비커스 경도(Vickers hardness) 500Hv 이상으로 형성한 금속 다이어프램 밸브(201)에 관한 것이다. 이 금속 다이어프램 밸브(201)에서는 밸브 로드(230)의 가압을 해제한 때에, 금속 다이어프램(260)이 원래 형상으로 탄성 복귀한다.

특허문헌 1은 금속 다이어프램(260)을 비커스 경도 500Hv 이상으로 경화시켜서, 금속 다이어프램 밸브(201)가 고온으로 가열된 환경 하에서도, 밸브 폐쇄시에, 밸브시트(250)에서 금속 다이어프램(260)으로의 반력(reactive force)의 저하 및 밸브 개방시의 금속 다이어프램(260)에 발생하는 열팽창을 억제할 수 있다. 특허문헌 1에서는 밸브시트(250)의 형상, 재질 및 구조 등에 관하여는 어떠한 기재도 하지 않지만, 특허문헌 1에서 금속 다이어프램(260)을 딱딱하게 형성하여, 고온 가스의 흐름을 제어할 때 금속 다이어프램(260)과 밸브시트(250) 사이에 존재하는 갭 α이 일정하게 유지되도록 하고 있다.

도 8 및 9에, 특허문헌 2의 금속 다이어프램 밸브를 설명하는 도면을 도시한다. 특허문헌 2는 도 8 및 9에 도시한 것처럼, 다이어프램 홀딩 부재(365)를 통해 스템(366)에 의해 가압 또는 해제에 의해, 원형의 금속 다이어프램(360)을 밸브시트(350)에 대하여 접하거나 떨어뜨리는 금속 다이어프램 밸브(301)에 관한 것이다. 금속 다이어프램(360)은 스테인리스제의 박판과 니켈 코발트 합금제의 박판을 적층한 금속제 박판으로서, 중앙부에 상방으로 돌출시켜 거꾸로 된 접시 형상으로 형성되어 있다. 밸브시트(350)는 PFA 등의 합성 수지제로 형성되며, 코킹(caulking)에 의해 바디(340)의 밸브 부착 홈(valve attachment groove)에 고정되어 있다.

특허문헌 2에서는 도 9에 도시된 것처럼, 밸브시트(350)에 대한 다이어프램 홀딩 부재(365)의 갭 ΔS를, 금속 다이어프램(360) 중앙부에 밸브시트(350)에서의 최대 돌출 높이 Δh의 약 55~70%에 상당하는 높이로 설정하여, 금속 다이어프램 밸브(302)의 Cv값을 0.55~0.8로 하였다.

또한, 선행기술문헌으로 들지 않았지만, 특허문헌 2와 마찬가지로, PFA 등의 합성 수지제로 형성한 링 형상의 밸브시트 부재를, 바디의 밸브 부착 홈에 코킹(caulking)으로 고정한 금속 다이어프램 밸브가 있다. 도 10은 이 밸브시트 부재의 형상을 설명한 도면이고, 후술할 도 1의 A 부에 상당하는 확대도이다.

이 금속 다이어프램 밸브에서는 도 10에 도시한 것처럼, 밸브시트 부재(150)의 지름 방향 CR의, 밸브체가 접하고 떨어지는 밸브시트부(151)의 두께로서, 제1 두께를 t1이라 하고, 밸브시트 부재(150)는 그 높이 방향 AX의 제2 두께 t2를 제1 두께 t1의 2.7배 정도로 형성한 것이다. 이 금속 다이어프램 밸브에서는 밸브 폐쇄 상태가 되면, 밸브체(도시 생략)가 밸브시트 부재(150)에 의해 깊이 눌려서 확실하게 밀착시키고, 밸브체와 밸브시트 부재(150)와의 실링력을 높이고 있다.

특허문헌 1: 일본공개특허 2008-151270호 공보 특허문헌 2: 일본공개특허 2007-64333호 공보

그러나, 종래의 금속 다이어프램 밸브에서는, 이하의 문제가 있었다. 금속 다이어프램 밸브는, 밸브체가 밸브시트에 접하거나 떨어져서, 고온 가스 등의 유체의 흐름을 제어하는 밸브이고, 밸브 폐쇄 상태에서는 밸브체가 밸브시트를 눌려서 밸브체가 밸브시트와 밀착되어, 유체의 흐름이 차단된다. 또한, 밸브 개방 상태에서는, 밸브실을 흐르는 유체의 유량은 밸브시트와 밸브체가 떨어질 때의 스트로크(이간 거리)로 결정된다.

밸브체가 밸브시트에 접하여 밸브가 폐쇄될 때에는 밸브시트는 밸브체에서 압압력을 받아 밸브체와 접하는 밸브시트의 부분이 크게 압축된다. 한편, 이 상태에서 밸브가 개방되면, 밸브체에서의 압압력에 의한 반력이 밸브시트에 작용하여, 밸브시트의 압축된 부분이 압축되기 전의 형상으로 복원된다.

또한, 유체가 예시된 고온 가스이고, 금속 다이어프램 밸브에 의해 이 고온 가스의 흐름을 제어하는 경우, 금속 다이어프램 밸브의 밸브실에 있는 밸브체 및 밸브시트 등은 고온에 노출된다. 이 경우, 밸브 폐쇄 상태에서 밸브 개방 조작 후, 고온 가스가 장시간에 걸쳐 입력 포트에서 밸브실을 통과하여 출력 포트로 흐름과 동시에, 압축되어 있던 밸브시트는 압축 전의 형상으로 서서히 복원하게 된다. 또한, 이때의 밸브실의 온도는 고온 가스가 유통하고 있지 않은 밸브 폐쇄 상태의 때의 온도보다도 상승하여 이 온도 상승에 수반하여 밸브시트가 열 팽창한다.

금속 다이어프램 밸브에서는 밸브 개방 후, 유체가 흐르고 있는 동안, 반력에 의해 밸브체를 향한 복원량과, 밸브실의 온도 상승에 의해 밸브체를 향한 열 팽창량과의 합에 상당하는 만큼의 변형이, 밸브 개방 후, 시간이 경과함과 동시에 밸브시트에 발생하고, 밸브시트와 밸브체와의 실질적인 스트로크(이간 거리)가 변화한다.

즉, 밸브 개방 직후에서는 밸브시트는 압축된 상태이고, 또한 밸브시트는 고온 가스가 유통하기 전의 찬 온도이기 때문에, 밸브시트의 상면은 밸브체에서 더 떨어진 상태가 되고, 밸브시트와 밸브체와의 스트로크는 커지게 된다. 그 한편, 밸브 개방 후, 소정시간이 경과하면, 밸브시트가 복원하고 또한 밸브시트는 밸브실의 고온 가스가 유통하는 고온 가스의 온도까지 상승하기 때문에, 밸브시트는 팽창하며, 밸브시트의 상면은 압축된 상태보다도, 밸브체에 더 접근하여, 밸브시트와 밸브체와의 스트로크는 작아진다.

따라서, 밸브 개방 직후와, 밸브 개방 후 일정 시간이 경과한 후에, 밸브시트와 밸브체와의 스트로크가 변화하는 것에서, 밸브 개방시에 고온 가스가 밸브실을 유통하고 있는 동안, 고온 가스의 유량(Cv 값)은, 밸브 개방 직후와, 밸브 개방 후 소정시간 경과한 후에 변동한다.

특허문헌 1에서는 금속 다이어프램(260)의 개폐에 의해 변형이 크게 발생하는 밸브시트(250)의 재질 및 구조 등에 관하여는, 어떤 기재도 하고 있지 않지만, 만약 밸브시트(250)가 금속제인 경우, 밸브시트(250)는 변형하지 않고, 금속 다이어프램(260)와 밸브시트(250)가 접하여 밸브를 폐쇄한다.

그러나, 밸브 폐쇄시, 금속 다이어프램(260)과 밸브시트(250)가 금속끼리 접촉하기 때문에, 밸브시트(250)에 손상이 생기기 쉽고, 금속 다이어프램(260)과의 접촉 회수가 단지 5만 회 정도에서 실링력이 저하되기 시작하여 밸브시트(250)의 내구성에 문제가 생긴다.

한편, 밸브시트(250)가 금속제의 밸브시트보다 내구성이 높은 수지제이라고 해도, 고온 하에서 금속 다이어프램(260)의 개폐에 따라 변형이 크게 발생하기 쉬운 밸브시트(250)의 형상에 관하여 어떤 궁리도 하고 있지 않았다.

특허문헌 2는, 밸브시트(350)에 대한 다이어프램 홀딩 부재(365)의 갭 ΔS를 금속 다이어프램(360)의 중앙부에서 밸브시트(350)에서의 최대 돌출 높이 Δh의 약 55~70%에 상당하는 높이로 설정하여, Cv값이 0.55~0.8에 들어가도록 하고 있다.

그러나, 특허문헌 2는 밸브시트(350)를 금속보다 연화되기 쉬운 PFA 등의 합성 수지제로 형성하고 있는 것과 관계없이, 금속 다이어프램(360)의 개폐에 의해 변형이 크게 발생하기 쉬운 밸브시트(350)의 형상에 관하여 어떤 궁리도 하고 있지 않았다.

따라서, 특허문헌 1, 2에서는, 밸브 폐쇄 상태에서 밸브 개방 조작 후, 장시간에 걸쳐 고온 가스가 입력 포트에서 밸브실을 통과하여 출력 포트로 흐르면, 반력에 의해 금속 다이어프램(260, 360)을 향하는 복원량과 밸브실의 온도 상승에 의해 금속 다이어프램(260, 360)을 향하는 열 팽창량과의 합에 상당하는 만큼 변형이, 밸브 개방 후, 시간이 경과와 함께 밸브시트(250, 350)에 발생한다. 그 결과, 밸브시트(250, 350)와 금속 다이어프램(260, 360)과의 실질적인 스트로크는 변화하고, 밸브 개방 후, 시간의 경과와 함께 스트로크차이가 크게 발생해 버린다.

이와 같이, 밸브시트(250, 350)와 금속 다이어프램(260, 360)과의 스트로크 차이가 밸브 개방 후에 발생하면, 밸브 개방 상태에서 흐르는 유체의 유량에 불균형이 생겨서, 밸브의 유량 제어 정밀도로서, Cv값의 저하를, 최근 반도체제조 등의 정밀부품 제조분야에서 요구되고 있는 밸브 개방 후 0.2 이내로 억제할 수 없는 문제가 있었다.

또한, 제2 두께 t2를 제1 두께 t1의 2.7배 정도로 크게 형성한 종래의 금속 다이어프램 밸브에서는, 밸브체와 밸브시트 부재(150)와의 실링력이 금속제의 밸브시트보다 높게 되어 있으나, 특허문헌 1, 2와 마찬가지로, 밸브 개방 상태로 된 때에, 흐르는 유체의 유량에 불균형이 생겨, 안정한 유량으로 유체를 흐르게 할 수 없다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 문제로 되는 것은 밸브체와의 실링력을 확보한 채, 제어하는 유체를 계속 흐르게 하고, 그 유량변동을 작게 억제할 수 있는 유체제어밸브의 밸브시트 구조를 제공하는 것이다.

(1) 상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 태양에 관한 유체제어밸브의 밸브시트 구조는, 밸브체, 입구 포트 및 출구 포트가 형성된 바디 및 상기 바디에 설치된 밸브시트 부재를 포함하고, 상기 밸브시트 부재에 대하여, 상기 밸브체가 접하거나 떨어져서, 유체의 흐름을 제어하는 유체제어밸브의 밸브시트 구조에 있어서, 상기 밸브시트 부재는 링 형상으로 형성되며, 상기 밸브체가 접하는 밸브시트부를 가지며, 상기 밸브시트 부재의 지름 방향에 대한 상기 밸브시트부의 두께를 제1 두께 t1(0<t1)로 하면, 상기 유체제어밸브의 축선 방향을 따른 방향에 대하여, 상기 밸브시트 부재의 높이인 제2 두께 t2가 0.5t1≤t2≤1.5t1의 범위 내에서 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

(2) 상기 구성에 있어서, 상기 밸브시트 부재는 불소계 수지로 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 불소계 수지로서는 예를 들면 PFA(테트라플루오로에틸렌·퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체), PI(폴리이미드), PVDF(폴리비닐리덴플루오라이드)(2불화), PCTFE(폴리클로로트리플루오로에틸렌)(3불화), PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌)(4불화) 등을 들 수 있다.

(3) 상기 구성 (1) 또는 (2)에 있어서, 상기 밸브시트 부재는 상기 바디와 별도의 몸체이며, 상기 바디에 코킹에 의해서 고정되어 있는 것이 바람직하다.

(4) 상기 구성 (3)에 있어서, 상기 밸브시트 부재는 상기 밸브시트부의 하방에 위치하는 고정부를 가지며, 고정부는 제1 두께 t1보다 큰 폭으로 형성되며, 상기 밸브시트 부재는 상기 고정부를 바디의 일부에 의해 상기 밸브시트 부재의 지름 방향으로 협지하여 고정되어 있는 것이 바람직하다.

상기 태양 (1)에 의하면, 예를 들면, 반도체 제조공정에 있어서, H₂ 가스, Ar 가스 등을 약 200℃까지 가열한 고온 가스의 흐름을, 상기 태양의 발명에 관한 유체제어밸브의 밸브시트 구조에 구성한 유체제어밸브에서 제어하는 경우, 밸브 폐쇄 상태에서 밸브 개방 조작 후, 고온 가스가 장시간에 걸쳐 입력 포트에서 밸브실을 통과하여 출력 포트로 계속 흐를 때에, 밸브시트 부재와 밸브체와의 스트로크(이간 거리)에서, 밸브 개방 직후와 밸브 개방 후 소정시간이 경과한 후와의 스트로크 차이를 작게 억제할 수 있게 되고, 유체제어밸브의 밸브실을 흐르는 유체(일례로서 고온 가스)의 유량 변동량을 작게 할 수 있다.

따라서, 밸브의 유체제어 정도로서, 밸브 개방 후의 Cv값의 저하를, 최근, 반도체제조 등의 정밀부품 제조분야에서 요구하고 있는 0.2 이내로 억제할 수 있고, 밸브 개방 상태에서 흐르는 유체의 유량의 불균형을 작게 억제할 수 있다. 그 한편으로, 밸브 폐쇄 상태가 된 때에는, 밸브체가 밸브시트 부재를 꽉 눌려서, 밸브시트 부재와 밀착하여 높은 실링력을 확보할 수 있고, 출력 포트를 향한 고온 가스 등의 유체의 흐름이 누출되지 않고 차단될 수 있다.

즉, 상기 태양의 발명에 관한 유체제어밸브의 밸브시트 구조에서, 밸브시트 부재는 링 형상으로 형성되고, 밸브체가 접하거나 떨어지는 밸브시트부를 가지며, 밸브시트 부재의 지름 방향에 대하여, 밸브시트부의 두께인 제1 두께 t1(0<t1)로 하면, 상기 유체제어밸브의 축선 방향을 따른 밸브시트 높이 방향에 대하여, 밸브시트 부재의 두께인 제2 두께 t2가 0.5t1≤t2≤1.5t1의 범위 내로 형성되어 있다.

밸브체에 의한 압압력이 밸브시트 부재의 밸브시트부에 작용할 때, 제2 두께를 제1 두께의 2.7배 정도로 형성한 종래의 금속 다이어프램 밸브의 밸브시트 구조에서는, 밸브시트부의 눌리는 양이 예를 들면 0.5㎜이다. 이에 대하여, 상기 태양에 관한 유체제어밸브의 밸브시트 구조에서는, 동일한 크기의 압압력을 가해도, 눌리는 양이 0.25㎜ 등으로, 절반 정도 등으로 작아진다. 또한, 밸브 개방 후, 반력에 의해 밸브체를 향한 밸브시트 부재의 복원량도 눌리는 양과 동일하게, 절반 정도 등이 된다.

또한, 밸브 폐쇄 상태에서 밸브 개방 조작 후, 예시한 것처럼, 고온 가스가 장시간에 걸쳐 입력 포트에서 밸브실을 통과해 출력 포트로 계속 흐를 때, 밸브실의 온도는, 고온 가스가 유통하고 있지 않은 밸브 폐쇄 상태의 온도보다도 상승하여, 밸브시트 부재(밸브시트부)가 열 팽창한다. 제2 두께가 제1 두께의 1.5배 이하로 형성된 상기 태양의 발명에 관한 유체제어밸브의 밸브시트 구조와, 제2 두께를 제1 두께의 2.7배 정도로 형성한 종래의 금속 다이어프램 밸브의 밸브시트 구조를 대비하여도, 밸브시트 부재의 밸브시트 높이에 비례하여 제2 두께가 작은 만큼, 상기 태양의 발명에 관한 유체제어밸브의 밸브시트 구조의 밸브시트 부재의 열 팽창량은 종래의 금속 다이어프램밸브의 밸브시트 구조보다 작아진다.

따라서, 상기 태양의 발명에 관한 유체제어밸브의 밸브시트 구조에서는 밸브 개방 후, 밸브시트 부재에 있어서, 반력에 의한 복원량과 밸브실의 온도 상승에 따른 열 팽창량의 합에 상당하는 변형량은 종래의 금속 다이어프램밸브의 밸브시트 구조의 경우보다 작게 억제할 수 있다.

즉, 상기 유체제어밸브에 의해, 예시된 고온 가스(유체)의 흐름을 제어하는 경우, 밸브 폐쇄 상태에서 밸브 개방 조작 후, 고온 가스가 장시간에 걸쳐 입력 포트에서 밸브실을 통과하여 출력 포트로 계속 흐를 때, 밸브시트 부재와 밸브체의 실제적인 스트로크에 관하여, 밸브 개방 직후와, 밸브 개방 후 소정시간이 경과한 후를 비교해도, 스트로크 차이가 작아진다.

그 결과, 밸브 개방시에 고온 가스가 밸브실을 계속 흐르고 있는 동안, 고온 가스의 유량의 변동을 더 작게 억제할 수 있고, 종래에서는 밸브 개방 후의 Cv값이 0.4 저하한 것이, 상기 태양의 발명에 관한 유체제어밸브의 밸브시트 구조에서는, 최근 반도체제조 등의 정밀부품 제조분야에서 요구되는 0.2 이내로 억제할 수 있다.

여기서, Cv값에 관하여 설명한다. Cv값은 유체제어밸브의 밸브체를 소정 개도로 밸브를 개방한 상태에 있어서, "입력 포트측과 출력 포트측과의 압력 차이를 1psi(6.895kPa)로 유지하고, 60℉(약 15.5℃)의 맑은 물이 흐른 경우의 맑은 물의 유량을 USgal/min(1USgal=3.785L)(gpm)으로 표현한 수치"로 정의된 무차원의 수치이다.

Cv값은 유체유량계나 유체압력계 등의 주지의 계측기구를 이용하여 실측하여 구하며, 밸브체의 밸브 개도를 전개한 때에, 약 15.5℃의 맑은 물이 차압 6.895kPa로, 유량 3.785L로 흐를 때를 Cv값=1로 한다. Cv값은 다음의 식에 의해 산출한다.

Cv값=Q·(G/ΔP)^(1/2)

Q(gpm): 유체의 유량, G: 유체의 비중, ΔP(psi): 유체의 압력차

Cv값이 큰 유체제어밸브일수록, 유체제어밸브를 유통하는 유체의 유로가 커진다. 상기 태양의 발명에 관한 유체제어밸브의 밸브시트 구조는 제어하는 유체를 주로 기체로 하고, 밸브체를 전개한 때에, 밸브시트 부재와 밸브체의 풀 스트로크(최대 이간 거리)가 1㎜ 정도의 유체제어밸브를 대상으로 하고 있다.

즉, 상기 구성 (1)에서는, 예를 들면, 밸브시트 부재와 밸브체의 스트로크가 0.9㎜, 밸브 개도를 전부 개방으로 밸브 개방 직후의 Cv값이 0.7 등이 유체제어밸브를 대상으로 하고 있다. 밸브 개방 후의 Cv값의 저하를 0.2 이내로 억제하고 싶은 요구는 반도체제조 등의 정밀부품 제조분야에서는, 상기와 같은 유체제어밸브가 많이 사용되고 있고, 시장이 요구하는 제품의 고정밀도화, 및 제품의 고품질화를, 정밀부품 제조업계가 실현하기 위해서, 정밀부품 제조업계에서 나온 것이다. 이 요구는 밸브 개방 후, 소정시간 경과 후에, 밸브 개방 직후의 Cv값 0.7의 30% 감소까지 상당하는 Cv값 0.5까지의 저하로 유지시키는 것으로, 정밀부품(제품)의 품질을 확보하는 기준이 된다고 여겨지고 있다.

한편으로, 밸브시트 부재의 제2 두께를 제1 두께의 0.5배 이상으로 형성하고 있기 때문에, 밸브 폐쇄 상태로 된 때에, 밸브시트 부재는 밸브체가 더 깊이 누르기 위한 변형 허용치를 충분히 확보할 수 있기 때문에, 밸브시트 부재와 밸브체가 밀착하여 높은 실링력을 확보할 수 있고, 출력 포트를 향한 고온 가스 등의 유체의 흐름을 누출 없이 차단할 수 있다.

따라서, 상기 태양의 유체제어밸브의 밸브시트 구조에서는 밸브체와의 실링성을 확보한 채, 제어하는 유체가 계속 흐르는 동안, 그 유량 변동을 작게 억제할 수 있는 우수한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상기 구성 (2)에서는, 밸브시트 부재는 불소계 수지로 이루어지기 때문에, 예를 들면, 밸브체가 금속제 등으로 형성되어 있으면, 밸브 폐쇄 시에 밸브체가 밸브시트 부재에 적절히 눌려지는 적당한 경도를 얻을 수 있고, 밸브시트 부재와 밸브체가 밀착하기 쉬워진다. 또한, 부식성을 가지는 유체를 제어하는 경우에도, 밸브시트 부재는 이 유체에 의해 부식되지 않는다.

또한, 상기 구성 (3)에서는 밸브시트 부재는 바디와 별개의 몸체이고, 바디에 코킹에 의해 고정되어 있기 때문에, 밸브시트 부재를 바디에 부착하는 작업을 용이하게 할 수 있다.

또한, 상기 구성 (4)에서는 밸브시트 부재는 안정한 상태에서 고정될 수 있고, 밸브 폐쇄 시에, 밸브체의 동작 이상에 의해, 밸브체가 상기 유체제어밸브의 축선방향을 따라 밸브시트 부재에 접하지 않고, 이 축선에 대하여 기울어서 밸브시트 부재에 접하는 경우에도, 밸브시트 부재는 그 지름방향으로 어긋나지 않는다.

도 1은 실시형태에 관한 가스제어밸브를 도시하는 설명도이다.
도 2는 도 1의 A부의 확대도로, 실시예 1에 관한 가스제어밸브의 밸브시트 구조를 도시하는 설명도이다.
도 3은 실시예 2에 관한 가스제어밸브의 밸브시트 구조를 도시하는 설명도로, 도 1의 A부에 상당하는 확대도이다.
도 4는 변형예에 관한 가스제어밸브의 밸브시트 구조를 도시하는 설명도로, 도 1의 A부에 상당하는 확대도이다.
도 5는 밸브 개방 후의 시간과, 흐르는 고온 가스의 유량과의 관계에 관하여, 실시예 1과 비교예를 비교한 표이다.
도 6은 특허문헌 1에 개시된 금속 다이어프램 밸브를 설명하는 도면을 도시한다.
도 7은 도 6의 B부의 확대도이다.
도 8은 특허문헌 2에 개시된 금속 다이어프램 밸브를 설명하는 도면을 도시한다.
도 9는 도 8의 C부의 확대도이다.
도 10은 비교예에 관한 금속 다이어프램 밸브의 밸브시트 구조를 도시하는 설명도이다.

이하, 본 발명을 구체화한 최선의 형태에 관하여, 첨부 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

본 실시형태에 관한 유체제어밸브는 예를 들면 반도체 제조공정이나 액정패널 제조공정 등에 있어서, 약 200℃까지 가열한 H₂ 가스, Ar 가스 등의 고온 가스(유체)를, 반도체제조방치 등에 공급 또는 그 차단할 즘에, 이 고온 가스의 흐름을 제어하는 가스제어밸브(1)이다. 실시형태에서는 이와 같은 가스제어밸브(1)의 밸브시트 구조에 관하여 설명한다.

도 1은 실시형태 중, 실시예 1에 관한 가스제어밸브를 도시하는 설명도이고, 밸브 폐쇄 상태를 도시한다. 도 2는 도 1의 A부의 확대도로, 제1 실시예에 관한 가스제어밸브의 밸브시트 구조를 설명하는 설명도이다.

가스제어밸브(1)(유체제어밸브)는 다이어프램 밸브체(60)(밸브체)와 입력 포트(41)와 출력 포트(42)가 형성된 바디(40)와, 이 바디(40)에 설치된 밸브시트 부재(50)를 가지며, 밸브시트 부재(50)에 대하여, 다이어프램 밸브체(60)가 접하거나 떨어져서 고온 가스의 흐름을 제어한다.

가스제어밸브(1)는 도 1에 도시한 것처럼, 크게 나누어 에어 제어부(2)와 밸브 제어부(3)로 이루어진다.

먼저, 에어 제어부(2)에 관하여 설명한다. 에어 제어부(2)는 본 실시형태에서는, 2개의 제1 실린더(10), 제2 실린더(15)와, 2개의 제1 피스톤(21), 제2 피스톤(22)과, 구획 부재(23) 등을 가지며, 모두 스테인리스 재질의 금속으로 이루어진다. 제1 실린더(10)에는 조작 포트(11), 제1 호흡공(12) 및 제2 호흡공(13)이 형성되어 있다. 제1 실린더(10)와 제2 실린더(15)는, 나사 결합에 의해 일체화되어 있다. 제1 실린더(1)와 제2 실린더(15)의 사이에는, 구획 부재(23)가 삽입되며, 제1, 제2 실린더(10, 15)의 실린더 내부가 구획 부재(23)에 의해 제1 가압실(25) 및 제2 가압실(26)로 나누어져 있다. 제1 실린더(10)에는 제1 피스톤(21)을 위한 제1 호흡공(12)과 제2 피스톤(22)을 위한 제2 호흡공(13)이 각각 형성되어 있다.

제1 피스톤(21)은 제1 실린더(10)와 구획 부재(23)와의 사이에 배설되며, 제2 피스톤(22)은 제2 실린더(15)와 구획 부재(23)와의 사이에 배설되어 있다. 제1 실린더(10) 및 제2 실린더(15)의 실린더 내부에는 축선 방향 AX로 연장하는 피스톤 로드(30)의 상부가 배치되어 있다. 피스톤 로드(30)의 상부에는, 축선 방향 AX를 따르는 파일럿 홀(30H)이 천공되어 있고, 이 파일럿 홀(30H)과 교차하여 지름 방향 CR으로 연장하는 2개의 제1 관통공(31H), 제2 관통공(32H)이, 파일럿 홀(30H)과 연통하여 형성되어 있다. 피스톤 로드(30)의 하부는, 후술하는 밸브 제어부(3)에 배치되어 있다.

다음으로, 밸브 제어부(3)에 관하여 설명한다. 밸브 제어부(3)는 바디(40), 밸브시트 부재(50), 다이어프램 밸브체(60), 밸브체 홀딩 부재(65), 스템(66), 스프링(67), 가이드 부재(71), 스프링 지지 부재(72), 연결 부재(73) 및 고정 부재(74) 등을 가지며, 모두 스테인리스 등의 금속으로 이루어진다.

바디(40)는 도 1 및 도 2에 도시된 것처럼, 입력 포트(41)와 출력 포트(42)를 가지고 있다. 입력 포트(41)와 출력 포트(42)의 사이에는, 바디(40)와는 별개의 몸체인 밸브시트 부재(50)가 형성되어 있다. 또한, 바디(40)에는 밸브시트 부재(50)를 삽입 부착하는 공으로서, 파지부(grasping portion; 43, 43)가 축선 AX를 중심으로, 지름방향 CR의 외측과 내측에 각각 환상으로 형성되어 있다.

밸브시트 부재(50)는 링 형상으로 형성되며, 다이어프램 밸브체(60)가 접하거나 떨어지는 밸브시트부(51)와, 밸브시트부(51)의 하방에 위치하는 고정부(52)를 가지고 있다. 밸브시트 부재(50)는 불소계 수지로 이루어지며, 본 실시형태에서는 PFA(테트라플루오로에틸렌·퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체)로 이루어져 있다.

밸브시트 부재(50)는 도 2에 도시된 것처럼, 고정부(52)를 파지부(43, 43)의 사이에 배치시키고, 지름 방향 CR의 지름 안쪽에 있는 파지부(43)와 지름 바깥쪽에 있는 파지부(43)를, 서로 마주보는 방향으로 변형시켜서, 지름 방향 CR로 협지하여 바디(40)에 고정되어 있다.

구체적으로는, 상기 고정부(52)는 밸브시트 부재(50)(밸브시트부(51))의 제1 두께 t1보다 큰 폭으로 형성되며, 바디(40)의 일부인 파지부(43, 43)에 의해, 밸브시트 부재(50)의 지름 방향 CR로 협지하여 고정되어 있다.

밸브시트 부재(50)에서는, 상기 밸브시트 부재(50)의 지름 방향 CR에 대한 밸브시트부(51)의 두께를 제1 두께 t1(0<t1)으로 하면, 가스제어밸브(1)의 축선 방향 AX를 따르는 방향에 대하여, 밸브시트 부재(50)의 높이인 제2 두께 t2가 0.5t1≤t2≤1.5t1의 범위 내로 형성되어 있다. 제1 두께 t1 및 제2 두께 t2와의 관계에 관하여는 다음에 상술한다.

다이어프램 밸브체(60)는 예를 들면 약 200℃의 고온 가스의 분위기 하에 있어서 열 변형(heat distortion) 등이 생기기 어렵도록 처리한 Ni. Co계 합금 등의 금속으로 이루어지며, 상방으로 돌출된 접시를 거꾸로 하는 형상으로 형성되며, 자체의 탄성력에 의해 축선 방향 AX 상방으로 원형 복원가능한 금속 다이어프램 밸브체이다. 다이어프램 밸브체(60)는 그 지름 방향 CR 중앙부를 밸브체 홀딩 부재(65)의 곡면 형상의 하면에 접하여, 가이드 부재(71)에 유지된 밸브체 홀딩 부재(65)와 일체화되어 있다.

또한, 이 다이어프램 밸브체(60)는 그 지름 방향 CR의 주변부를 바디(40)와 가이드 부재(71)와의 사이에 삽입하여 고정되어 있다. 가이드 부재(71)는 바디(40)와 연결 부재(73)와의 나사 결합에 의해 바디(40) 내에 고정되며, 이 연결 부재(73)와 고정 부재(74)와의 나사 결합에 의해, 스프링 지지 부재(72)가 연결 부재(73)와 일체화되어 있다.

피스톤 로드(30)의 하부 선단에는 스템(66)이 형성되어 있다. 밸브체 홀딩 부재(65)의 상면쪽에서 스템(66)이 밸브체 홀딩 부재(65)와 접하도록 되어 있다. 스템(66)과 스프링 지지 부재(72)와의 사이에는, 스템(66)을 하방으로 가세하는 금속제의 스프링(67)이 배설되어 있다.

여기서, Cv값의 개념에 관하여 설명한다. Cv값이란, 유체제어밸브의 밸브체를 소정 개도로 밸브를 개방한 상태에서, "입력 포트측과 출력 포트측과의 압력 차이를 1psi(6.895kPa)로 유지하고, 60℉(약 15.5℃)의 맑은 물이 흐른 경우의 맑은 물의 유량을 USgal/min(1USgal=3.785L)(gpm)으로 표현한 수치"로 정의된 무차원의 수치이다.

이 Cv값은 유체유량계나 유체압력계 등의 주지의 계측기구를 이용하여 실측하여 구하며, 밸브체의 밸브 개도를 전개한 때에, 약 15.5℃의 맑은 물이 차압 6.895kPa로, 유량 3.785L로 흐를 때를 Cv값=1로 한다. Cv값은 다음의 식에 의해 산출한다.

Cv값=Q·(G/ΔP)^(1/2)

Q(gpm): 유체의 유량, G: 유체의 비중, ΔP(psi): 유체의 압력차

Cv값이 큰 유체제어밸브일수록, 유체제어밸브를 유통하는 유체의 유로가 커진다. 본 실시형태의 가스제어밸브(1)의 밸브시트 구조는, 제어하는 유체를 주로 고온 가스(일례로서, H₂ 가스, Ar 가스) 등의 기체로 하고, 다이어프램 밸브체(60)를 전개한 때에, 밸브시트 부재(50)와 다이어프램 밸브체(60)의 풀 스트로크(최대 이간 거리)가 1㎜ 정도의 유체제어밸브를 대상으로 하고 있다.

즉, 본 실시형태에 관한 가스제어밸브(1)에서는, 전개시의 다이어프램 밸브체(60)와 밸브시트 부재(50)의 밸브시트부(51)와의 스트로크(이간 거리) St는, 200℃의 분위기 하, 밸브 개방 직후의 상태에서, St=0.9(㎜)가 되도록 설정되며, 이때의 Cv값은 0.7이 된다.

다음으로, 가스제어밸브(1)의 작용에 관하여 설명한다. 조작 포트(11)에 파일럿 에어가 공급되지 않으면, 스프링(67)의 가세력에 의해 스템(66)은 밸브체 홀딩 부재(65)와 접하고, 밸브체 홀딩 부재(65)를 통해 다이어프램 밸브체(60)의 지름 방향 CR 중앙부를 누른다. 이와 같이, 도 1에 도시된 것처럼, 다이어프램 밸브체(60)가 밸브시트 부재(50)의 밸브시트부(51)에 접하여 폐쇄되고, 입력 포트(41)에서 출력 포트(42)를 향하는 고온 가스의 흐름이 차단된다.

가스제어밸브(1)가 밸브 폐쇄 상태인 때에는, 제1 관통공(31H)이 제1 가압실(25)과 연통함과 동시에, 제2 관통공(32H)이 제2 가압실(26)과 연통한다.

한편, 조작 포트(11)에 파일럿 에어가 공급되면, 파일럿 에어는 파일럿 홀(30H)을 통과하여, 제1 관통공(31H)과 제2 관통공(32H)을 흐르고, 제1 가압실(25)과 제2 가압실(26)이 동시에 가압된다. 제1 피스톤(21)과 제2 피스톤(22)은 가압된 파일럿 에어에 의해, 스프링(67)의 가세력에 대항하여 상승한다.

이때, 제1 실린더(10) 및 제2 실린더(15) 내에서 제1 피스톤(21)의 상측 및 제2 피스톤(22)의 상측의 공기가, 제1 호흡공(12) 및 제2 호흡공(13)에서 각각 배출된다. 제1, 제2 피스톤(21, 22)이 상승하면, 피스톤 로드(30)를 통하여 스템(66)이 밸브체 홀딩 부재(65)에서 떨어져, 다이어프램 밸브체(60)의 지름 방향 CR 중앙부가, 자체의 탄성력으로 상방으로 복귀한다. 이것에 의해, 다이어프램 밸브체(60)가 밸브시트 부재(50)의 밸브시트부(51)와 떨어져 밸브가 개방되고, 고온 가스가 입력 포트(41)에서 출력 포트(42)를 향하여 흐른다.

밸브가 개방된 상태에서 다이어프램 밸브체(60)가 밸브를 폐쇄할 때에는, 제1 가압실(25) 및 제2 가압실(26)에서 가압된 파일럿 에어를 조작 포트(11)를 통해 배기한다.

다음으로, 밸브시트 부재(50)의 구체적인 형상으로서, 제1 두께 t1 및 제2 두께 t2와의 관계를 실시예 1, 2에 관한 밸브시트 부재(50)의 형상에 관하여, 도 2 및 도 3을 이용하여 설명한다. 도 3은 실시예 2에 관한 가스제어밸브의 밸브시트 구조를 도시하는 설명도로서, 도 1의 A부에 상당한 확대도이다.

(실시예 1)

실시예 1은 제2 두께 t2가 도 2에 도시된 밸브시트 부재(50)의 형상과 같이, t2=1.25t1의 경우이며, 구체적으로는 예를 들면 밸브시트부(51)의 두께(제1 두께)를 t1=1.2(㎜), 밸브시트 부재(50)의 높이(제2 두께) t2=1.5(㎜)의 경우이다.

실시예 1에서는 가스제어밸브(1)가 밸브 폐쇄 상태에서, 밸브 개방 조작 후, 고온 가스가 장시간에 걸쳐 입력 포트(41)에서 밸브실을 통과하여 출력 포트(42)로 계속 흘려, 밸브 개방 후 소정 시간 경과한 때에, 밸브 전개시의 다이어프램 밸브체(60)와 밸브시트 부재(50)의 밸브시트부(51)와의 스트로크 St와, 이때의 Cv값을 측정하였다.

도 5에, 밸브 개방 후의 시간과, 흐르는 고온 가스의 유량과의 관계에 관하여, 실시예 1에 관한 가스제어밸브의 밸브시트 구조와, 비교예로서, 종래의 가스제어밸브의 밸브시트 구조를 비교한 표를 나타낸다.

실시예 1에서는, 200℃의 분위기 하, 도 5에 도시한 것처럼, 밸브 개방 직후의 스트로크 St는, St=0.9(㎜)이고, 밸브 개방 후 소정시간 경과한 후의 스트로크 St는, St=0.7(㎜)이었다. 또한, 밸브 개방 직후, 스트로크 St가, St=0.9(㎜)인 때의 Cv값은 0.7이고, 밸브 개방 후 소정시간 경과한 후의 스트로크 St가 St=0.7(㎜)인 때의 Cv값은 0.5이었다. 결국, 밸브 개방 직후와 밸브 개방 후 소정시간 경과 후는 스트로크 차이가 ΔSt=0.2(㎜)로 감소하고, Cv값의 차가 0.2로 저하되었다.

이에 대하여, 비교예에서는 밸브 개방 직후의 스트로크 St는, St=0.9(㎜)이고, 밸브 개방 후 소정시간 경과한 후의 스트로크 St는, St=0.5(㎜)이었다. 또한, 밸브 개방 직후, 스트로크 St가, St=0.9(㎜)인 때의 Cv값은 0.7이고, 밸브 개방 후 소정시간 경과한 후의 스트로크 St가 St=0.5(㎜)인 때의 Cv값은 0.3이었다. 결국, 밸브 개방 직후와 밸브 개방 후 소정시간 경과 후는 스트로크 차이가 ΔSt=0.4(㎜)로 감소하고, Cv값의 차가 0.4로 저하되었다.

다음으로, 실시예 1과 비교예와의 결과에 관하여 고찰한다.

가스제어밸브(1)는 다이어프램 밸브체(60)가 밸브시트 부재(50)에 접하거나 떨어져서, 고온 가스 등의 유체의 흐름을 제어하는 밸브이며, 밸브 폐쇄 상태에서는 다이어프램 밸브체(60)가 밸브시트 부재(50)의 밸브시트부(51)에 눌려서 밸브시트부(51)와 밀착하는 것으로, 고온 가스 등의 흐름이 차단된다. 또한, 밸브가 개방되면, 밸브실을 흐르는 고온 가스 등의 유량은 밸브시트 부재(50)와 다이어프램 밸브체(60)가 떨어진 때의 스트로크 St로 결정된다.

다이어프램 밸브체(60)가 밸브시트 부재(50)의 밸브시트부(51)에 접하여 밸브가 폐쇄된 때에는, 밸브시트부(51)는 다이어프램 밸브체(60)에서 압압력을 받아서, 다이어프램 밸브체(60)와 접하는 부분만큼 많이 눌린다. 한편, 이런 상태에서 밸브가 개방되면, 다이어프램 밸브체(60)에서의 압압력에 의한 반력이 밸브시트 부재(50)에 작용하여, 밸브시트 부재(50)의 눌리는 부분이, 눌리기 전의 형상으로 복원되게 된다.

또한, 본 실시형태와 같이, 유체가 예시된 고온 가스로, 가스제어밸브(1)에 의해 이 고온 가스의 흐름을 제어하는 경우, 가스제어밸브(1)의 밸브실에 있는 다이어프램 밸브체(60) 및 밸브시트 부재(50)는 약 200℃라는 고온 하에 노출된다. 이 경우, 밸브 폐쇄 상태에서 밸브 개방 조작 후, 고온 가스가 장시간에 걸쳐서 입력 포트(41)에서 밸브실을 통과하여 출력 포트(42)로 계속 흐를 때에, 밸브 개방 후, 눌려 있던 밸브시트 부재(50)의 밸브시트부(51)는 눌리기 전이 형상으로 서서히 복원된다. 또한, 이때, 밸브실의 온도는 고온 가스가 유통하지 않은 밸브 폐쇄 상태 때의 온도보다도 상승하기 때문에, 이 온도 상승에 따라서, 밸브시트 부재(50)는 열 팽창한다.

가스제어밸브(1)에서는 밸브 개방 후, 고온 가스가 흐르고 있는 동안, 반력에 의해 다이어프램 밸브체(60)를 향하는 복원량과, 밸브실의 온도 상승에 의해 다이어프램 밸브체(60)를 향하는 열 팽창량과의 합에 상당하는 만큼의 변형이, 밸브 개방 후, 시간이 경과함과 동시에 밸브시트부(51)(밸브시트 부재(50))에 발생하여, 밸브시트 부재(50)의 밸브시트부(51)와 다이어프램 밸브체(60)와의 실질적인 스트로크 St가 변화한다.

즉, 밸브 개방 직후에는, 밸브시트부(51)가 눌린 상태이고, 또한 밸브시트부(51)는 고온 가스가 유통하기 전의 찬 온도이기 때문에, 밸브시트부(51)의 상면은 눌리기 전보다도 다이어프램 밸브체(60)에서 더 떨어진 상태가 되고, 밸브시트부(51)와 다이어프램 밸브체(60)와의 스트로크 St는 커지게 된다.

그 한편, 개방 후 소정시간이 경과하면, 밸브시트부(51)가 탄성적으로 복원하고, 또한 밸브시트부(51)는 밸브실의 온도가 유통하는 고온 가스의 온도까지 상승하기 때문에, 팽창하며, 밸브시트부(51)의 상면은 눌린 상태에 비하여, 다이어프램 밸브체(60)에 더 가까운 상태가 되고, 밸브시트부(51)와 다이어프램 밸브체(60)와의 스트로크 St는 작아진다. 따라서, 밸브 개방 직후와 밸브 개방 후 소정 시간이 경과한 후에, 밸브시트부(51)와 다이어프램 밸브체(60)와의 스트로크 St가 변화하는 것에서, 밸브 개방 시에 고온 가스가 밸브실을 유통하고 있는 동안, 고온 가스의 유량(Cv값)은 밸브 개방 직후와 밸브 개방 후 소정시간이 경과한 후에서 변동한다.

본 실시형태에서는 밸브시트 부재(50)가 링 형상으로 형성되고, 다이어프램 밸브체(60)에 접하는 밸브시트부(51)를 가지며, 밸브시트 부재(50)의 지름방향 CR에 대하여, 밸브시트부(51)의 두께를 제1 두께 t1(0<t1)으로 하면, 상기 가스제어밸브(1)의 축선 방향 AX을 따르는 밸브시트 높이 방향에 대하여 밸브시트 부재(50)의 두께인 제2 두께 t2가 0.5t1≤t2≤1.5t1의 범위 내인 t2=1.25t1배로 형성되어 있다.

다이어프램 밸브체(60)에 의한 압압력이 밸브시트 부재(50)의 밸브시트부(51)에 작용할 때, 제2 두께를 제1 두께의 2.7배 정도로 형성한 종래의 다이어프램 밸브(비교예)의 밸브시트 구조에서는, 예를 들면, 밸브시트부의 눌리는 양이 0.5㎜, 밸브시트부의 복원량이 0.3㎜이었다.

이에 대하여, 본 실시형태에 관한 가스제어밸브(1)의 밸브시트 구조에서는, 동일한 크기의 압압력이여도, 밸브시트부(51)의 눌리는 양이 0.25㎜ 등으로, 절반 정도 등으로 작아진다. 또한, 밸브 개방 후, 반력에 의해 다이어프램 밸브체(60)를 향한 밸브시트 부재(50)의 밸브시트부(51)의 복원량도 0.15㎜로, 눌리는 양과 동일하게, 절반 정도가 된다.

또한, 밸브 폐쇄 상태에서 밸브 개방 조작 후, 고온 가스가 장시간에 걸쳐 입력 포트(41)에서 밸브실을 통과하여 출력 포트(42)로 계속 흐를 때, 밸브실의 온도는 고온 가스가 유통하지 않은 밸브 폐쇄 상태 때의 온도보다 상승하고, 밸브시트 부재(50)(밸브시트부(51))가 열 팽창한다. 제2 두께 t2가 제1 두께 t1의 1.5배 이하로 형성된 본 실시형태의 가스제어밸브(1)의 밸브시트 구조와, 제2 두께 t2를 제1 두께 t1의 2.7배 정도로 형성한 종래의 금속 다이어프램 밸브의 밸브시트 구조를 비교하여도, 밸브시트 부재(50)의 밸브시트 높이에 비례하여 제2 두께 t2가 작은 만큼, 본 실시형태에 관한 가스제어밸브(1)의 밸브시트 구조에 있어서, 밸브시트 부재(50)(밸브시트부(51))의 열 팽창량(예를 들면, 0.05㎜)은 종래의 금속 다이어프램 밸브의 밸브시트 구조의 경우의 열 팽창량(예를 들면, 0.1㎜)보다 작아진다.

따라서, 본 실시형태의 가스제어밸브(1)의 밸브시트 구조에서는, 밸브 개방 후, 밸브시트 부재(50)에 있어서, 반력에 의한 복원량과, 밸브실의 온도 상승에 따른 열 팽창량과의 합에 상당하는 변형량은 종래의 금속 다이어프램 밸브의 밸브시트 구조의 경우보다 작게 억제할 수 있다.

즉, 가스제어밸브(1)에 의해, 예시된 고온 가스(유체)의 흐름을 제어하는 경우, 밸브 폐쇄 상태에서 밸브 개방 조작 후, 고온 가스가 장시간에 걸쳐 입력 포트(41)에서 밸브실을 통과하여 출력 포트(42)로 계속 흐른 때, 밸브시트 부재(50)와 다이어프램 밸브체(60)와의 실질적인 스트로크 St에 관하여, 밸브 개방 직후와 밸브 개방 후 소정 시간 경과 후를 비교하여도, 스트로크 차이가 종래의 밸브시트 구조의 경우보다 작아지게 된다. 그 결과, 밸브 개방시에 고온 가스가 밸브실을 계속 흐르는 사이, 고온 가스의 유량의 변동에 의해 작게 억제될 수 있고, 종래에서는 밸브 개방 후의 Cv값이 0.4로 저하되었던 것이, 본 실시형태의 가스제어밸브(1)의 밸브시트 구조에서는 최근, 반도체제조 등의 정밀부품 제조분야에서 요구되는 0.2 이내로 억제할 수 있다.

반도체 제조 등의 정밀부품 제조분야에서는 가스제어밸브(1)와 같은 유체제어밸브가 많이 사용되고 있고, 밸브 개방 후의 Cv값의 저하를 0.2 이내로 억제하라는 요구는 시장이 요구하는 제품의 고정밀도화, 및 제품의 고품질화를, 정밀부품 제조업계가 실현하기 위해, 정밀부품 제조업계에서 나온 것이다. 이 요구는 밸브 개방 후 소정시간이 경과한 후에, 밸브 개방 직후의 Cv 값 0.7의 30% 감소까지에 상당하는 Cv값 0.5까지로 유지하는 것에서, 정밀부품(제품)의 품질을 확보하는 기준이 된다고 여겨지고 있다.

그 한편으로, 본 실시형태의 가스제어밸브(1)의 밸브시트 구조에서는, 밸브시트 부재(50)가 제2 두께 t2를 제1 두께 t1의 0.5배 이상으로 형성하고 있기 때문에, 밸브가 폐쇄된 때에, 밸브시트 부재(50)는 다이어프램 밸브체(60)가 더 깊이 누르는 변형 범위를 충분히 확보할 수 있는 것에서, 밸브시트 부재(50)와 다이어프램 밸브체(60)가 밀착하여 높은 실링성을 확보할 수 있고, 출력 포트(42)를 향하는 고온 가스 등의 유체의 흐름이 누출 없이 차단될 수 있다.

(실시예 2)

실시예 2의 밸브시트 부재(50A)는 실시예 1과 동일하며, 도 3에 도시된 것처럼, 고정부(52A)를 파지부(43, 43)의 사이에 배치시키고, 지름 방향 CR의 지름 안쪽에 있는 파지부(43)와 지름 바깥쪽에 있는 파지부(43)를 서로 마주보는 방향으로 집는 것(pinching)에 의해, 지름방향 CR으로 협지되어 바디(40)에 고정되어 있다.

본 실시형태에서는 제2 두께 t2가 도 3에 도시한 밸브시트 부재(50A)의 형상과 같이, t2=0.63t1의 경우이고, 구체적으로는 예를 들면 밸브시트부(51A)의 두께를 t1=2.2(㎜), 밸브시트 부재(50A)의 높이를 t2=1.5(㎜)로 한다. 이 경우, 밸브시트부(51A)의 눌린 양이 0.13㎜, 밸브시트부(51A)의 복원량이 0.10㎜이였다.

또한, 실시예 2의 변형례로서, 도 4에 실시예 2의 변형례에 관한 가스제어밸브의 밸브시트 구조의 설명도를 도시한다. 변형례에서는 밸브시트 부재(50B)는 도 4에 도시한 것처럼, 고정부(52Bi, 52Bo)를 파지부(43, 43)의 사이에 배치시키고, 지름 방향 CR의 지름 안쪽에 있는 파지부(43)와 지름 바깥쪽에 있는 파지부(43)를 서로 마주보는 방향으로 집는 것에 의해, 지름 방향 CR으로 협지하여 바디(40)에 고정되어 있다.

구체적으로는 바디(40)에 있어서, 지름 방향 CR에 대하여, 파지부(43, 43)의 사이에 중간 돌기부(44)가 설치되며, 이 중간 돌기부(44)를 사이에 두고 지름 방향 CR의 지름 안쪽에 위치하는 고정부(52Bi)와 지름 바깥쪽에 위치하는 고정부(52Bo)가 배치되어 있다. 밸브시트 부재(50B)는 그 고정부(52Bi, 52Bo)와 중간 돌기부(44)에 의해 위치결정되며, 파지부(43, 43) 및 중간 돌기부(44)에서 꽉 삽입되어 고정될 수 있다.

실시예 2 및 변형예에 관해서도, 전술한 실시예 1과 동일한 고찰이 있기 때문에, 고찰의 설명은 생략한다.

전술한 구성을 가지는 본 실시형태에 관한 가스제어밸브(1)의 밸브시트 구조의 작용 효과에 관하여 설명한다.

본 실시형태에서는 다이어프램 밸브체(60)와, 입력 포트(41) 및 출력 포트(42)가 형성된 바디(40), 상기 바디(40)에 설치된 밸브시트 부재(50)를 가지며, 밸브시트 부재(50)에 대하여, 다이어프램 밸브체(60)가 접하거나 떨어져서, 고온 가스의 흐름을 제어하는 가스제어밸브(1)의 밸브구조에 있어서, 밸브시트 부재(50)는 링 형상으로 형성되며, 다이어프램 밸브체(60)가 접하는 밸브시트부(51)를 가지며, 밸브시트 부재(50)의 지름 방향 CR에 대한 밸브시트부(51)의 두께를 제1 두께 t1(0<t1)로 하면, 상기 가스제어밸브(1)의 축선 방향 AX을 따른 방향에 대하여, 밸브시트 부재(50)의 높이인 제2 두께 t2가 0.5t1≤t2≤1.5t1의 범위 내에서 형성되어 있다. 따라서, 예를 들면 반도체제조공정에서, H₂ 가스, Ar 가스 등을 약 200℃ 까지 가열한 고온 가스의 흐름을, 본 실시형태의 가스제어밸브(1)의 밸브시트 구조로 구성한 가스제어밸브(1)로 제어하는 경우, 밸브 폐쇄 상태에서 밸브 개방 조작 후, 고온 가스가 장시간에 걸쳐 입력 포트(41)에서 밸브실을 통과하여 출력 포트(42)로 계속 흐른 때, 밸브시트 부재(50)의 밸브시트부(51)와 다이어프램 밸브체(60)와의 스트로크 St로, 밸브 개방 직후와 밸브 개방 후 소정 시간 경과 후의 스트로크 차이를 작게 억제할 수 있도록 되어, 가스제어밸브(1)의 밸브실을 흐르는 고온 가스(유체)의 유량 변동을 작게 할 수 있다.

따라서, 밸브의 유량제어 정밀도로서, 밸브 개방 후의 Cv값의 저하를, 최근, 반도체제조 등의 정밀부품 제조분야에서 요구되는 0.2 이내로 억제할 수 있고, 밸브 개방 상태에서 흐르는 유체의 유량의 불균형을 작게 억제할 수 있다. 그 한편으로, 밸브가 폐쇄된 때에, 다이어프램 밸브체(60)가 밸브시트 부재(50)의 밸브시트부(51)를 꽉 눌려서, 밸브시트 부재(50)의 밸브시트부(51)와 밀착하여 높은 실링성을 확보할 수 있고, 출력 포트(42)를 향하는 고온 가스 등의 유체의 흐름이 누출 없이 차단될 수 있다.

따라서, 본 실시형태에 관한 가스제어밸브(1)에서는 다이어프램 밸브체(60)와의 실링성을 확보하면서, 제어하는 고온 가스를 계속 흐르게 하는 사이, 그 유량 변동을 작게 억제할 수 있는 우수한 효과를 가진다.

또한, 본 실시형태에 관한 가스제어밸브(1)에서는 밸브시트 부재(50)는 PFA(테트라플루오로에틸렌·퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체) 등의 불소계 수지로 이루어지기 때문에, 예를 들면 다이어프램 밸브체(60)가 금속제 등으로 형성되어 있으면, 밸브 폐쇄 시에 다이어프램 밸브체(60)가 밸브시트 부재(50)의 밸브시트부(51)에 적절하게 눌리는 적당한 경도가 얻어지며, 밸브시트 부재(50)의 밸브시트부(51)와 다이어프램 밸브체(60)가 밀착하기 쉬어진다. 또한, 부식성을 가지는 유체를 제어하는 경우에도, 밸브시트 부재(50)는 이 유체에 의해 부식되지 않는다.

또한, 불소계 수지로서는 PFA(테트라플루오로에틸렌·퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체) 이외에, 예를 들면 PI(폴리이미드), PVDF(폴리비닐리덴플루오라이드)(2불화), PCTFE(폴리클로로트리플루오로에틸렌)(3불화), PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌)(4불화) 등을 들 수 있다.

또한, 본 실시형태에 관한 가스제어밸브(1)에서는 밸브시트 부재(50)는 밸브시트부(51)의 하방에 위치하는 고정부(52)를 가지며, 고정부(52)는 제1 두께 t1보다 큰 폭으로 형성되며, 밸브시트 부재(50)는 고정부(52)를 바디(40)의 일부인 파지부(43, 43)에 의해, 밸브시트 부재(50)의 지름 방향 CR으로 협지되어 고정되어 있다. 또한, 밸브 폐쇄 시에, 다이어프램 밸브체(60)의 작동 이상에 의해, 다이어프램 밸브체(60)가 상기 가스제어밸브(1)의 축선 방향 AX을 따라서 밸브시트 부재(50)의 밸브시트부(51)에 접하지 않고, 이 축선 AX에 대하여 기울어져서 밸브시트 부재(50)의 밸브시트부(51)에 접한 경우에도, 밸브시트 부재(50)는 그 지름 방향 CR으로 어긋나지 않는다.

또한, 상기 형태는 단순한 예시에 지나지 않고, 본 발명을 한정하지 않으며, 본 발명은 그 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 개선, 변형이 가능하다.

(1) 예를 들면, 상기 실시형태에서는 에어 제어부(2)에, 2개의 제1, 제2 실린더(10, 15)와 제1, 제2 피스톤(21, 22)을 형성하며, 스프링(67)의 가세력에 대항하는 가압력을 발생시겼지만, 에어 제어부(2)에 배설하는 실린더 및 피스톤의 수량은 적절히 변경할 수 있다.

(2) 또한, 상기 실시형태에서는 조작 포트(11)에서 파일럿 에어를 공급한 때에 밸브를 개방하는 노말 클로오즈 타입(nomal close type)의 가스제어밸브(1)를 예시하였지만, 조작 포트에서 파일럿 에어를 공급한 때에 밸브를 폐쇄하는 노말 오픈 타입(normal open typr)의 유체제어밸브여도 좋다.

1 가스제어밸브(유체제어밸브)
40 바디
41 입력 포트
42 출력 포트
50 밸브시트 부재
51 밸브시트부
52 고정부
60 다이어프램 밸브체
AX 축선 방향
CR 지름 방향

Claims

밸브체; 입구 포트 및 출구 포트가 형성된 바디; 및 상기 바디에 설치된 밸브시트 부재;를 포함하고, 상기 밸브시트 부재에 대하여, 상기 밸브체가 접하거나 떨어져서, 고온 가스의 흐름을 제어하는 유체제어밸브의 밸브시트 구조에 있어서,
상기 밸브시트 부재는 불소계 수지로 이루어지고, 링 형상으로 형성되며, 상기 밸브체가 접하는 밸브시트부를 가지며,
상기 밸브시트 부재의 지름 방향에 대한 상기 밸브시트부의 두께를 제1 두께 t1(0<t1)라 하면,
상기 유체제어밸브의 축선 방향을 따른 방향에 대하여, 상기 밸브시트 부재의 높이인 제2 두께 t2는 제1 두께 t1의 0.5배 이상 1.5배 이하의 범위 내에서 형성되어 있고,
상기 고온 가스가 계속 흐르는 동안, C_V값의 변동이 0.2 이내인 것을 특징으로 하는 유체제어밸브의 밸브시트 구조.
제1항에 있어서,
상기 밸브시트 부재는 상기 바디와 별도의 몸체이며, 상기 바디에 코킹에 의해서 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 유체제어밸브의 밸브시트 구조.
제2항에 있어서,
상기 밸브시트 부재는 상기 밸브시트부의 하방에 위치하는 고정부를 가지며,
상기 고정부는 제1 두께 t1보다 큰 폭으로 형성되고,
상기 밸브시트 부재는 상기 고정부를 바디의 일부에 의해 상기 밸브시트 부재의 지름 방향으로 협지하여 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 유체제어밸브의 밸브시트 구조.
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