KR101330597B1

KR101330597B1 - 유체제어밸브

Info

Publication number: KR101330597B1
Application number: KR1020120009532A
Authority: KR
Inventors: 미츠히로 다케우치; 미치오 미야시타
Original assignee: 씨케이디 가부시키 가이샤
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2013-11-18
Also published as: US20120193564A1; JP2012159122A; KR20120088598A; JP5331831B2; US8770547B2

Abstract

(과제) 유로 면적을 크게 하고 유체의 흐름의 장애가 되는 부분을 없애는 것이다.
(해결 수단) 유체 제어 밸브는 제1 유로(21) 및 제2 유로(22)를 구비하는 수지제 밸브 본체(2), 수지제 밸브 본체(2)의 윗면에 연결되는 수지제 밸브 상체(3), 밸브 본체(2) 및 밸브 상체(3) 사이에 삽입되어, 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로 사이를 연통 또는 차단시키는 수지제의 다이어프램 밸브(4)를 구비하며, 상기 밸브 본체 내부에는 제1 유로와 제2 유로가 연통하는 밸브 구멍(16)이 설치되고, 제1 유로(21)는 상기 밸브 본체에 설치된 포트(23)에 연통하는 원통 형상의 포트 연통 유로(21a)와 밸브 구멍(16)에 연통하는 원통 형상의 밸브 구멍 연통 유로(21b)를 구비하며, 포트 연통 유로(21a)와 밸브 구멍 연통 유로(21b)가 소정 각도로 연통하고, 포트 연통 유로(21a)와 밸브 구멍 연통 유로(21b)와의 내각측의 연결부를 이루는 상기 밸브 본체의 일부에 테이퍼 곡면(21c)을 형성한다.

Description

유체제어밸브{FLUID CONTROL VALVE}

본 발명은 제1 유로와 제2 유로를 구비하는 수지제 밸브 본체, 수지제 밸브 본체의 윗면에 연결되는 수지제 밸브 상체와 그 밸브 본체와 밸브 상체와의 사이에 삽입된 수지제의 다이어프램 밸브를 구비하는 유체 제어 밸브에 관한 것이다.

종래, 이런 종류의 기술로서 도 11에 도시된 하기의 특허 문헌 1에 기재된 유체 제어 밸브(100)가 있다.

도 11에 도시된 것처럼, 유체 제어 밸브(100)에 밸브실(113)이 형성되고 있고, 밸브실(113)에는 제1 유로(121) 및 제2 유로(122)가 연통하고 있다. 제1 유로(121) 및 제2 유로(122)는 도시하지 않는 유체를 공급하는 튜브와 각각 연통하고 있다. 밸브실(113)과 제1 유로(121)가 연통하는 밸브 구멍 주변에는 밸브 시트(115)가 형성되고 있고, 밸브 시트(115)에 대하여 접하고 떨어질 수 있는 다이어프램 밸브(104)가 마련되어 있다. 제1 유로(121)는 포트 연통 유로(121a) 및 밸브 구멍 연통 유로(121b)를 갖는다. 제1 유로(121) 및 제2 유로(122)는 유체 제어 밸브(100) 내부에서 직각으로 연결되어 있다. 포트 연통 유로(121a)와 밸브 구멍 연통 유로(121b)와의 연결부 중, 밸브 시트(115)의 하부에는 밸브 시트 두께부(125)가 형성되어 있다.

튜브를 이용하여 제1 유로(121)에 유입한 유체는 밸브실(113)을 통과하고 제2 유로(122)로 흐른다.

일본특허공개 2006－153132호 공보

그렇지만, 종래 기술에는 이하의 과제가 있다. 즉, 유체 제어 밸브(100)의 상기 유로와 유체 제어 밸브(100)에 연통하는 튜브는 동일한 유로 내경을 가진다. 그럼에도 불구하고, 유체 제어 밸브(100)는 유로 구조가 복잡하기 때문에, 그 유체 제어 밸브(100)를 흐르는 유체의 압력 손실이 크다. 그 때문에, 유체의 흐름이 나빠져, Cv값이 저하되어, 유량이 적어지기 때문에 문제가 된다.

또한, 유체는 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 최단 거리를 흐르는 성질을 갖지만 제1 유로(121)로부터 제2 유로(122)를 향하는 중간의 유로에는 밸브 시트 두께부(125)가 형성되어 있기 때문에 유로가 구부러지고 길어져서, 흐름의 장애가 된다. 그에 의하여, 유체의 흐름이 나빠져, Cv값이 저하되어, 유량이 작아지는 것도 문제가 된다.

또한, 유체는 흐름의 장애가 되는 밸브 시트 두께부(125)에 부딪쳐서, 유체에 난류가 생긴다. 이와 같은 난류는 주류 이외의 그 밖의 유체의 흐름의 장애가 되어, Cv값을 저하시키는 원인이 되기 때문에 문제가 된다.

그러므로, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이고, 그 목적은 유로 면적을 크게 하고 유체의 흐름의 장애가 되는 부분을 없애며 흐름을 직선으로 하여 유체가 흐름의 용이성을 향상시키는 유체 제어 밸브를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 태양의 유체 제어 밸브는 이하의 구성을 갖는다.

(1) 유체 제어 밸브에 있어, 제1 유로와 제2 유로를 구비하는 수지제 밸브 본체와 상기 수지제 밸브 본체의 윗면에 연결되는 수지제 밸브 상체와 상기 수지제 밸브 본체 및 상기 수지제 밸브 상체의 사이에 삽입되어, 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로와의 사이를 연통 또는 차단시키는 수지제의 다이어프램 밸브를 구비하며, 상기 밸브 본체내부에 제1 유로와 제2 유로가 연통하는 밸브 구멍이 설치되고, 상기 제1 유로가 상기 밸브 본체에 설치된 포트에 연통하는 원통 형상의 포트 연통 유로와 상기 밸브공에 연통하는 원통 형상의 밸브 구멍 연통 유로를 구비하고, 상기 포트 연통 유로와 상기 밸브공 연통 유로가 소정 각도로 연통하며, 상기 포트 연통 유로와 상기 밸브공 연통 유로와의 내각 측의 연결부를 이루는 상기 밸브 본체의 일부에 단면이 테이퍼 형상의 곡면이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 구성에 의하면, 유로 면적을 크게 하여, Cv값의 저하를 방지할 수 있고, 유량을 증대할 수 있다. 즉, 포트 연통 유로와 밸브 구멍 연통 유로와의 내각측(내주 측)에 위치하는 연결부(밸브 본체의 일부)에 단면이 테이퍼(경사) 형상의 곡면을 형성하여, 포트 연통 유로와 밸브 구멍 연통 유로와의 사이에 경사 형상의 유로가 추가로 형성된다. 이 경사 형상의 유로에 의하여 그만큼 유로 면적이 커지기 때문에 유량을 증대할 수 있다.

또한, 연결부에 테이퍼 형상의 곡면을 형성하여, 제1 유로 내에 유체의 흐름의 장애가 되는 부분이 없어진다. 그 때문에, 제1 유로로부터 제2 유로에의 유로가 직선에 가까워지고, 실질적인 유로 길이가 짧아지고, 유체가 순조롭게 흐른다. 그 때문에 Cv값의 저하를 방지할 수 있고, 유량을 증대시킬 수 있다. 또한, 제1 유로 내에 유체의 흐름의 장애가 되는 부분이 없어서, 상기 연결부를 이루는 밸브 시트 두께부에 유체가 적게 부딪치고, 그것에 의하여 발생하는 난류가 적어진다. 난류가 적어서, Cv값을 저하시키는 것을 방지할 수 있다.

또한, 테이퍼 형상의 곡면의 경사각도를 유체가 제1 유로로부터 제2 유로로 직접 흐르는 방향으로 되도록 적절히 설정하여, 제1 유로로부터 제2 유로로의 유로를 직선에 가까운 경로에 할 수 있다. 그 때문에, 제1 유로로부터 흐르는 유체의 세력을 그대로 제2 유로에 유체를 흐르게 할 수 있고, Cv값의 저하를 방지할 수 있다.

또한, 유체 제어 밸브를 종래보다 크게 하지 않고 유량을 증대시킬 수 있기 때문에, 에너지 절약에 연결된다.

(2) (1)에 기재한 유체 제어 밸브에 있어, 테이퍼 형상의 곡면은 회전 궤적이 원추 형상인　절삭 가공 공구에 의하여 형성되어, 연결부에 테이퍼 형상의 곡면을 형성할 수 있다.

또한, 테이퍼 형상의 곡면과 동일한 형상의 절삭 가공 공구를 사용하는 것에 의하여, 용이하게 연결부를 겨누었던 경사각도의 테이퍼 형상의 곡면을 형성할 수 있다. 즉, 수지제의 유체 제어 밸브에 테이퍼 형상의 곡면을 형성하기 위해 복잡한 추가 가공 등이 필요하지 않기 때문에 용이하게 연결부에 테이퍼 형상을 형성할 수 있다.

본 발명에 의하면, 유로 면적이 크고, 유체의 흐름의 장애가 되는 부분을 없애고, 유체의 흐름이 직선적이 된 유체 제어 밸브가 제공할 수 있다.

도 1은 본 실시 형태의 유체 제어 밸브(밸브폐쇄 시)의 단면도이다.
도 2는 본 실시 형태의 유체 제어 밸브(밸브개방 시)의 단면도이다.
도 3은 본 실시 형태의 유체 제어 밸브(I)의 유체 해석 결과의 이미지도이다.
도 4는 본 실시 형태의 유체 제어 밸브(Ⅱ)의 유체 해석 결과의 이미지도이다.
도 5는 종래 기술의 유체 제어 밸브의 유체 해석 결과의 이미지도이다.
도 6은 본 실시 형태의 수지제 밸브 본체의 제조 공정(1)의 단면 사시도이다.
도 7은 본 실시 형태의 수지제 밸브 본체의 제조 공정(2)의 단면 사시도이다.
도 8은 본 실시 형태의 수지제 밸브 본체의 제조 공정(3)의 단면 사시도이다.
도 9는 본 실시 형태의 수지제 밸브 본체의 제조 공정(4)의 단면 사시도이다.
도 10은 본 실시 형태의 절삭 가공 공구의 측면도이다.
도 11은 종래 기술의 유체 제어 밸브의 단면도이다.
도 12는 본 실시 형태의 절삭 가공 공구의 변형 실시 형태의 정면도이다.
도 13은 본 실시 형태의 도 12에 도시된 절삭 가공 공구의 변형 실시 형태의 하면도이다.

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

<유체 제어 밸브의 전체 구성>

도 1은 본 실시 형태에 관련된 유체 제어 밸브(1)의 단면도(밸브폐쇄 시)를 도시한다. 도 2는 본 실시 형태에 관련된 유체 제어 밸브(1)의 단면도(밸브개방 시)를 도시한다.

도 1 및 도 2에 도시된 유체 제어 밸브(1)는 종래 기술과 마찬가지로 반도체 제조 장치에 조립되어, 소정의 유체(예를 들면, 약액)를 공급한다. 유체 제어 밸브(1)는 노멀 클로즈 타입(nomally-closed)의 에어-오페레이트식 개폐 밸브이다. 유체 제어 밸브(1)는 수지제 밸브 본체(2)의 윗면에 수지제 밸브 상체(3)를 연결시키고, 그 밸브 본체(2) 및 그 밸브 상체(3)의 사이에 다이어프램 밸브(4)가 삽입되어 있다. 유체 제어 밸브(1)는 수지제 밸브 상체(3) 안의 피스톤(35)을 습동시켜서, 다이어프램 밸브(4)를 밸브 시트(15)에 접하게 하거나 떨어뜨린다. 유체 제어 밸브(1)에는 반도체 제조 장치에 설치하기 위한 설치판(5)이 수지제 밸브 본체(2)의 하면에 고정 설치되어 있다.

<수지제 밸브 본체의 구성>

수지제 밸브 본체(2)는 PTFE(폴리테트라플루오르에틸렌: polytetra-fluoroethylene)나 PFA(테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬 비닐 에테르 공중합체: tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer) 등, 내부식성이나 내열성이 우수한 수지로 성형한 것이다.

도 1에 도시된 것처럼, 수지제 밸브 본체(2)의 윗면에는 밸브실(13)이 원통 형상으로 성형되어 있다. 밸브실(13)에는 제1 유로(21)의 일단과 제2 유로(22)의 일단이 연통하고 있다. 제1 유로(21)는 그 다른 단이 원형 모양의 제1 포트(23)와 연통하고, 제2 유로(22)는 그 다른 단이 원형 모양의 제2 포트(24)와 연통한다. 밸브 본체(2) 안에는 제1 유로(21)가 밸브실(13)로 개구하는 부분에 밸브 구멍(16)이 형성되어 있다. 밸브 구멍(16)의 주변부에는 밸브 시트(15)가 일체 형성되어 있다.

제1 유로(21)는 제1 포트(23)에 연통하는 원통 형상의 포트 연통 유로(21a)와 밸브실(13)에 연통하는 원통 형상의 밸브 구멍 연통 유로(21b)를 갖는다. 포트 연통 유로(21a)는 제1 포트(23)의 중심에 대하여 축 방향으로 형성되어 있다. 다른 한편, 제1 밸브 구멍 연통 유로(21b)는 밸브 구멍(16)의 축 방향으로 형성되어 있다. 포트 연통 유로(21a)와 밸브 구멍 연통 유로(21b)는 수지제 밸브 본체(2) 내부에서 소정 각도(본 실시 형태로는 직각)로 연결되어 있다. 도 1에 도시된, 포트 연통 유로(21a) 및 밸브 구멍 연통 유로(21b)와 밸브실(13)과의 사이에는 밸브 시트(15)를 지지하는 밸브 시트 두께부(25)가 형성되어 있다.

도 1에 도시된 것처럼, 포트 연통 유로(21a)와 밸브 구멍 연통 유로(21b)와의 내각측(내주 측)의 연결부를 이루는 밸브 시트 두께부(25)에는 유로(21a, 21b)를 마주보는 면으로서 단면이 테이퍼 형상의 곡면인　테이퍼 곡면(tapered curved surface; 21c)으로서 형성되어 있다(도 9 참조). 이 테이퍼 곡면(21c)은 단면에 있어, 밸브 시트 두께부(25) 중 제1 연결 코너(25a) 및 제2 연결 코너(25b)의 사이에 형성된다. 제1 연결 코너(25a)는 밸브 구멍 연통 유로(21b)의 내각측(내주 측)의 측벽면에 형성되어 있다. 제2 연결 코너(25b)는 포트 연통 유로(21a)의 내각측(내주 측)의 측벽면에 형성되어 있다.

<테이퍼 곡면의 형성 방법>

도 6 내지 도 9에 수지제 밸브 본체(2)의 테이퍼 곡면(21c)의 형성 공정(1)~(4)의 단면 사시도를 도시한다.

테이퍼 곡면(21c)의 형성 방법은 도 6에 도시한 테이퍼 곡면(21c)이 형성되고 있지 않은 상태의 수지제 밸브 본체(2)에 대하여 테이퍼 곡면(21c)을 형성하는 공정이다. 도 6에 도시한 테이퍼 곡면(21c)을 형성하기까지의 수지제 밸브 본체(2)의 형성 방법은 종래와 변한 점이 없기 때문에 설명을 생략한다.

도 7에 도시된 것처럼, 밸브(2)의 윗면으로 개구하는 밸브실(13)의 개구부(131)로부터 축(T) 방향으로 밸브 구멍 연통 유로(21b)에 삽입하도록 수직 중심 방향으로 절삭 가공 공구(50)를 하강시킨다. 절삭 가공 공구(50)의 테이퍼부(521)의 축 방향 중앙부가 연결 코너(21d)와 동일한 높이의 위치까지 하강하더라도, 공구(50)의 하강을 고정하여, 도 7의 위치에 위치시킨다. 본 실시 형태에 있어서는, 절삭 가공 공구(50)를 하강시킬 때 절삭 가공 공구(50)를 축(T)을 중심으로 시계방향으로 회전시키면서 하강시키고 있다. 또한, 본 실시 형태에서는 절삭 가공 공구(50)를 하강시킬 때에 회전시키고 있지만 예를 들면, 회전시키지 않고 하강시키는 것도 가능하다.

도 10에 절삭 가공 공구(50)의 측면도를 도시한다. 도 10에 도시된 것처럼, 절삭 가공 공구(50)는 샤프트(51)와 샤프트(51)의 선단부(도의 하단)에 고정 설치된 절삭부(52)를 갖는다. 절삭부(52)는 거의 원뿔 형상을 하고, 테이퍼부(521), 바닥면(522) 및 R 면(523)을 갖는다. 테이퍼부(521)는 절삭 가공이 가능한 칼 형상으로 되어 있다. 테이퍼부(521)의 경사각도(θ1)는 본 실시 형태에 있어서는 바닥면(522)에 대해 45도이다. 거의 원뿔 형상인 절삭부(52)의 지름은 샤프트(51)에 가까운 부분의 지름이 작은 지름 A, 지름이 가장 큰 지름 C, 지름 A와 지름 C의 중간인 지름 B가 있다. 지름 C는 밸브 구멍 연통 유로(21b)의 지름보다도 작은 지름으로 한다. 그에 의하여, 절삭 가공 공구(50)를 밸브 구멍 연통 유로(21b)에 삽입할 수 있다. 지름 A는 샤프트(51)의 지름과 동일한 지름이다.

도 8에 도시된 것처럼, 절삭 가공 공구(50)의 테이퍼부(521)를 (도 7에 도시한) 연결 코너(21d)에 누르도록, 절삭 가공 공구(50)를 예를 들면 축(T)을 중심으로 시계방향으로 회전시키면서 화살표 Q 방향으로 이동시킨다. 도 10에 도시된 것처럼, 연결 코너(21d)에 대하여 절삭부(52)의 축 방향에 있어서 중심의 지름 B를 갖는 부분이 수평으로 접합하도록, 절삭 가공 공구(50)를 수평 이동시킨다. 테이퍼부(521)는 절삭 가공이 가능한 칼 형상으로 되어 있기 때문에 뿔이 있는 연결 코너(21d)를 절삭할 수 있다. 연결 코너(21d)는 테이퍼부(521)에 의하여 절삭 가공된다. 그 때문에, 본 실시 형태에 있어서는, 연결 코너(21d)는 테이퍼부(521)의 경사각도(θ1)와 동일한 45도의 경사각도(θ2)(도 1 참조)를 갖는 테이퍼 곡면(21c)으로 절삭 가공된다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 연결 코너(21d)에 대하여, 절삭 가공 공구(50)의 절삭부(52)의 중심인　지름 B를 갖는 부분이 수평으로 접합하도록, 공구(50)를 이동시키고 있지만 연결 코너(21d)에 접합하는 절삭부(52)의 부분은 연결 코너(21d)에 대한 절삭 각도 등의 조건에 따라, 적절히 변경할 수 있다.

그 후, 도 8의 상태에서 절삭 가공 공구(50)를 화살표 Q 방향의 반대 방향으로 이동시키고, 도 7에 도시된 기초 위치로 되돌려, 다시 도면 중 축(T) 방향으로 상승시켜서, 절삭 가공 공정을 종료한다. 도 9에 도시된 것처럼, 절삭 가공 공구(50)에 의한 절삭 가공이 종료된 수지제 밸브 본체(2)에는 테이퍼 곡면(21c)이 형성되어 있다. 이 테이퍼 곡면(21)은 절삭 가공 공구(50)의 절삭부(52)의 테이퍼 면에 대응하는 형상을 갖는다.

<수지제 밸브 상체의 구성>

도 1에 도시한 수지제 밸브 상체(3)는 PPS(폴리페닐렌 설파이드: polyphenylene sulfide)나 PFA(tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer), PP(polypropylene), PVDF(Polyvinylidenefluoride) 등, 내부식성이나 강성을 갖는 수지를 재질로 한다. 수지제 밸브 상체(3)는 실린더(32)와 커버(33)로 이루어져, 피스톤실(34)을 형성한다. 수지제의 피스톤(35)은 피스톤실(34)에 습동 가능하게 장전되어, 커버(33)와의 사이에 축설된 복귀 용수철(31)에 의하여 밸브 폐쇄 방향으로 평상시 가세되어 있다. 피스톤(35)은 조작 포트(33a)로부터 피스톤실(34)로 공급되는 조작 에어의 압력과 복귀 용수철(31)의 반발력과의 밸런스에 따라, 피스톤실(34)을 도면 중 상하 방향으로 이동시킨다. 피스톤(35)에는 피스톤 로드(36)가 일체로 성형되어 있다. 피스톤(35)에 일체로 이루어진 피스톤 로드(36)는 실린더(32)에 습동 가능하게 편입되어, 다이어프램 밸브(4)에 연결되어 있다.

<다이어프램 밸브의 구성>

다이어프램 밸브(4)는 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌: polytetra-fluoroethylene) 등, 내부식성 및 내열성이 우수한 수지를 재질로 하여, 절삭하여 형성된다. 다이어프램 밸브(4)는 밸브 시트(15)에 접하거나 떨어지는 원주상의 밸브부(4a), 밸브부(4a)의 외주면에서 지름 방향 바깥쪽으로 길게 형성되는 박막부(4b) 및 박막부(4b)의 외부 가장자리에 따라, 박막부(4b)보다 두껍게 설치된 주연부(4c)로 이루어져 있다. 다이어프램 밸브(4)의 주연부(4c)가 수지제 밸브 본체(2) 및 수지제 밸브 상체(3)의 사이에서 삽입되고, 환상 홈(26)에 끼워져서 기밀하게 고정되어 있다. 밸브부(4a)에 그 바닥부로부터 돌출한 돌기부로서 실링부(41)가 형성되어, 이 실링부(41)가 밸브 폐쇄 시에 밸브 시트(15)와 접한다.

<유체 제어 밸브의 작용 효과>

(유체의 입력 출력)

도 1에 도시된 것처럼, 유체 제어 밸브(1)에서, 제1 유로(21)에 제1 포트(23)가 접속되고, 제2 유로(22)에 제2 포트(24)가 접속된다. 유체 제어 밸브(1)에 조작 포트(33a)를 통하여 조작 에어가 공급되지 않는 경우에는 복귀 용수철(31)의 가세력에 의하여 다이어프램 밸브(4)를 밸브 시트(15)에 접하게 하여, 제1 유로(21)와 제2 유로 사이를 차단하고 있다. 그 때문에, 제1 포트(23)로부터 제1 유로(21)를 통하여 밸브 구멍(16)으로 유입되는 유체(예를 들면, 약액)는 밸브 시트(15)에 있어 다이어프램 밸브(4)로 차단되어, 제2 유로(22)로부터 제2 포트(24)로 출력되지 않는다.

한편, 도 2에 도시된 것처럼, 유체 제어 밸브(1)에 조작 포트(33a)를 통하여 조작 에어가 공급되면 피스톤(35)이 상승하고, 다이어프램 밸브(4)가 밸브 시트(15)로부터 떨어져, 제1 유로(21) 및 제2 유로 사이를 연통시킨다. 그 때문에, 제1 포트(23)로부터 제1 유로(21)로 유입되는 유체는 밸브 구멍(16)을 통하여, 밸브실(13), 제2 유로(22)로 공급되어, 제2 포트(24)로 출력된다.

(테이퍼 곡면이 형성되어 있는 효과)

도 3에 유체 제어 밸브(I)의 유체 해석 결과의 이미지도를 도시한다. 도 4에 유체 제어 밸브(Ⅱ)의 유체 해석 결과의 이미지도를 도시한다. 도 5에 종래 기술에 관한 유체 제어 밸브의 유체 해석 결과의 이미지도를 도시한다.

도 3 내지 도 5의 이미지도는 각각의 유체 제어 밸브에 대하여 유체를 흐르게 한 경우의 유속의 변화를 조사한 시뮬레이션(모의 실험) 결과이다. 유속의 변화는 유속 R1∼R11으로서 점묘(点描)로 도시한다. 유속이 빠른 유속 R1에 가까울수록 점묘의 밀도가 높고, 유속이 느린 유속 R11에 가까울수록 점묘의 밀도가 낮아지도록 도시한다.

(종래 기술에 관한 유체 제어 밸브의 유체 해석 결과)

도 5에 종래 기술에 관련된 유체 제어 밸브(100)의 유체 해석 결과의 유속 변화의 분포도를 도시한다. 도 5에 도시된 것처럼, 유체 제어 밸브(100)는 밸브실(113)이 형성되고 있고, 밸브실(113)에는 제1 유로(121) 및 제2 유로(122)가 연통되어 있다. 제1 유로(121)는 포트 연통 유로(121a) 및 밸브 구멍 연통 유로(121b)를 갖는다. 제1 유로(121) 및 제2 유로(122)는 유체 제어 밸브(100) 내부에서 직각으로 연결되어 있다. 도 5에 도시된, 포트 연통 유로(121a)와 밸브 구멍 연통 유로(121b)와의 내각측(내주 측)의 연결부를 이루는 밸브 시트 두께부(125)에는 연결 곡면(121d)이 형성되어 있다.

유체는 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 최단 거리를 흐르는 성질을 갖는다. 그 때문에, 도 5에 도시된 유체 제어 밸브(100)에서 제1 유로(121)로부터 제2 유로(122)로 유체가 흐를 때에 제1 유로(121)로부터 제2 유로(122)를 향하는 최단 거리를 유체가 흐른다. 제1 유로(121)로부터 제2 유로(122)로 유입하는 최단 거리의 경로에 있는 밸브 시트(115)와 다이어프램 밸브(104)와의 사이의 영역에 유체가 집중한다. 그 때문에, 밸브 시트(115)와 다이어프램 밸브(104)의 사이의 영역 P1에 있어, 유체는 유속 R1로 나타난 빠른 유속으로 흐른다.

또한, 포트 연통 유로(121a)로부터 밸브 구멍 연통 유로(121b)로 흐를 때에는 제2 유로(122)를 향하는 최단 거리의 경로 상에 있는 연결 곡면(121d) 부근에 유체가 집중한다. 연결 곡면(121d) 부근에서 유체의 유속이 가장 빠른 부분이 영역 P2이다. 영역 P2로는 유속 R3로 나타난 빠른 유속으로 유체가 흐른다. 영역 P2로부터 영역 P3 내지 P6로 됨에 따라, 유속도 유속 R4 내지 R7로 늦어진다. 또 연결 곡면(121d) 부근에서 제2 유로(122)를 향하여 흐르는 유체 중, 영역 P5로 나타난 넓은 영역을 흐르고 있는 유체는 유속 R6로 이동한다.

(유체 제어 밸브(I)의 유체 해석 결과)

도 3에 도시된 실시 형태에 관한 유체 제어 밸브(1)의 유체 해석 결과의 유속 변화의 분포도를 도시한다. 도 3에 도시된 것처럼, 유체 제어 밸브(1)는 포트 연통 유로(21a)와 밸브 구멍 연통 유로(21b)와의 연결부를 이루는 밸브 시트 두께부(25)에 단면이 테이퍼 형상인 경사각도 45도의 테이퍼 곡면(21c)이 형성되고 있는 점에 특징을 갖는다. 유체 제어 밸브(1)에 있어서 그 밖의 구성은 상기 구성에 있어 상세히 설명했기 때문에 설명을 생략한다.

상술한 것처럼, 유체는 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 최단 거리를 흐르는 성질을 갖는다. 그 때문에, 도 3에 도시된 유체 제어 밸브(1)에서는 제1 유로(21)로부터 제2 유로(22)로 유체가 흐를 때에 제1 유로(21)로부터 제2 유로(22)를 향한 최단 거리로 유체가 흐른다. 이때, 제1 유로(21)로부터 제2 유로(22)로 유입된 최단 거리의 경로 상에 있는 밸브 시트(15) 및 다이어프램 밸브(4) 사이의 영역에 유체가 집중한다. 그 때문에, 밸브 시트(15)와 다이어프램 밸브(4) 사이의 영역 Q1에서는 유속 R1로 나타난 빠른 유속으로 유체가 흐른다.

또한, 포트 연통 유로(21a)로부터 밸브 구멍 연통 유로(21b)로 흐를 때에는 제2 유로(22)로의 최단 거리의 경로 상에 있는 테이퍼 곡면(21c) 부근에 유체가 집중한다. 테이퍼 곡면(21c) 부근에서 유체의 유속이 가장 빠른 부분은 영역 Q2이다. 영역 Q2에서는 유속 R2로 나타난 빠른 유속으로 유체가 흐른다. 도 3에 도시된 유체 제어 밸브(1)에 있어서는, 종래 기술과 달리, 제1 유로(21) 안에 테이퍼 곡면(21c)이 형성되어 있다. 테이퍼 곡면(21c)이 형성된 것에 의하여, 종래 기술과 비교하여, 제1 유로(21)의 유로 면적이 커진다. 따라서 유속이 종래 기술과 비교하여 빨라진다. 또한, 유량이 많아지기 때문에 Cv값의 저하를 방지할 수 있다.

또한, 영역 Q2에 있어서 유체의 유속이 유속 R2로 빨라지는 이유로서는, 테이퍼 곡면(21c)이 형성되어, 종래 기술의 제1 유로 내에 있어 유체의 흐름의 장애가 되는 도 5에 도시된 연결 곡면(121d)이 없어진다. 그 때문에, 제1 유로(21)로부터 제2 유로(22)로 연결되는 유로가 직선에 가까워지고, 실질적인 유로 길이가 짧아지며, 유체가 순조롭게 흐른다. 그 때문에 Cv값의 저하를 방지할 수 있고, 유량을 증대시킬 수 있다. 또한, 유로가 직선에 가까워져서, 유체의 최단 거리를 흐르는 성질을 이용하여 유량을 증대시킬 수 있다.

또한, 도 3에 도시된 실시 형태에 있어서는, 테이퍼 곡면(21c)의 경사각도가 45도로 설정되어 있다. 경사각도가 45도인 것에 의하여, 테이퍼 곡면(21c) 부근을 흐르는 유체의 진행 방향은 직접 영역 Q1으로 향한다. 유체가 영역 Q1으로 직접 향하는 것에 의하여, 제1 유로(21)를 흐르는 유체의 세력을 그대로 제2 유로로 흐르게 할 수 있기 때문에, Cv값의 저하를 방지할 수 있다.

따라서 유체가 순조롭게 흐르기 때문에 유속이 빨라지고, Cv값의 저하를 방지할 수 있다.

또한, 테이퍼 곡면(21c)이 형성되어, 종래 기술의 제1 유로 내에 있어 유체의 흐름의 장애가 되는 도 5에 도시된 연결 곡면(121d)이 없어져서, 유체가 연결 곡면(121d)에 부딪쳐서 발생하는 난류가 생기지 않는다. 난류가 생기지 않아서, 유체가 순조로운 흐름을 저해하는 것이 없어지고, Cv값의 저하를 방지할 수 있다. 난류가 생기지 않고 유체가 순조롭게 흐르기 때문에 영역 Q2에 있어서 유체의 유속이 유속 R2로 빨라진다.

또한, 영역 Q2로부터 영역 Q3 내지 Q6로 됨에 따라, 유체의 유속도 유속 R3 내지 R6로 늦어진다. 또 연결 곡면(21c) 부근에서 제2 유로(22)를 향하여 흐르는 유체 중, 영역 Q6로 도시된 넓은 영역을 흐르고 있는 유체는 유속 R6로 이동한다. 따라서 영역 Q1 외에서 가장 유속이 빠른 영역인　영역 Q2에서는 유속 R2이다. 또한, 가장 넓은 영역에서 유체가 흐르는 영역 Q6에서는 유속 R6이다. 도 5에 도시된 영역 P5와 도 3에 도시된 영역 Q6이 모두 유속 R6을 포함한 영역인　점에서는 동일하지만, 도 3에 나타내는 유속 R6을 포함한 영역 Q6은 도 5에 도시된 유속 R6을 포함한 영역 P5와 비교하여, 큰 면적을 갖는다. 즉, 유속 R6을 포함한 영역 Q6은 포트 연통 유로(21a)의 전역에 걸친 부분까지 넓어진다. 제1 유로(21)에 테이퍼 곡면(21c)이 형성되는 것에 의하여, 유체의 전체의 흐름이 좋아지고, 유속이 빨라지기 때문이다.

또한, 거의 원추 형상의 절삭 가공 공구(50)에 의하여 형성된 테이퍼 곡면(21c)은 절삭 가공 공구(50)의 형상과 마찬가지로, 바닥면(522)에 가까울수록 절삭 면적이 크고, 샤프트(51)에 가까울수록 절삭 면적이 작다. 그 때문에, 테이퍼 곡면(21c)은 포트 연통 유로(21a)에 가까운 쪽의 절삭 면적이 크고, 밸브 구멍 연통 유로(21b)에 가까운 쪽의 절삭 면적이 작다. 유체는 면적이 큰 쪽에서 작은 쪽으로 흐를 때, 유속이 상승한다.

(유체 제어 밸브(Ⅱ)의 유체 해석 결과)

도 4에 도시된 실시 형태에 관한 유체 제어 밸브(1)의 테이퍼 곡면(21c)의 경사각도를 60도로 한 테이퍼 곡면(221c)을 갖는 유체 제어 밸브(200)의 유체 해석 결과의 유속 변화의 분포도를 도시한다. 도 4에 도시된 것처럼, 유체 제어 밸브(200)는 유체 제어 밸브(1)와 비교하여, 테이퍼 곡면(221c)의 경사각도가 60도인 것 이외는 다른 점이 없기 때문에, 자세한 내용한 설명을 생략한다.

유체는 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 최단 거리를 흐르는 성질을 갖는다. 그 때문에, 도 4에 도시된 유체 제어 밸브(200)에서는 제1 유로(221)로부터 제2 유로(222)로 유체가 흐를 때에 제1 유로(221)로부터 제2 유로(222)를 향하는 최단 거리로 유체가 흐른다. 이때, 제1 유로(221)로부터 제2 유로(222)로 유입된 최단 거리의 경로 상에 있는 밸브 시트(215) 및 다이어프램 밸브(204) 사이의 영역에 유체가 집중한다. 그 때문에, 밸브 시트(215) 및 다이어프램 밸브(204) 사이의 영역 S1에서는 유속 R1로 나타난 빠른 유속으로 유체가 흐른다. 영역 S1에 유체가 집중하고 유속이 유속 R1로 빨라지는 것은 상기 종래 기술과 마찬가지이다.

또한, 포트 연통 유로(221a)로부터 밸브 구멍 연통 유로(221b)로 흐를 때에는 최단 거리의 경로 상에 있는 테이퍼 곡면(221c) 부근에 유체가 집중한다. 테이퍼 곡면(221c) 부근에서 유체의 유속이 가장 빠른 부분이 영역 S2이다. 영역 S2에서는 유속 R3로 나타난 빠른 유속으로 유체가 흐른다. 도 4에 도시된 유체 제어 밸브(200)에 있어서는, 종래 기술과 달리, 제1 유로(221) 안에 테이퍼 곡면(221c)이 형성되어 있다. 테이퍼 곡면(221c)이 형성되고 있는 것에 의하여, 제1 유로(221)의 유로 면적이 커진다. 또한, 유로 면적이 커지는 부분이 종래 기술에 있어서 도 5에 도시된 유체가 집중하는 밸브 구멍 연통 유로(121b) 및 포트 연통 유로(121a)의 연결부에 즈음한 밸브 구멍 연통 유로(221b)와 포트 연통 유로(221a)의 연결부이기 때문에 유체의 흐름이 좋아진다. 따라서 유속이 종래 기술과 비교하여 유속 R3로 빠른 영역의 면적이 종래 기술에 있어서 도 5와 비교하여 큰 면적을 갖는다.

또한, 영역 S2로부터 영역 S3 내지 S6로 됨에 따라, 유속도 유속 R4 내지 R7로 늦어진다. 또 연결 곡면(221c) 부근에서 제2 유로(222)를 향하는 유체 중, 영역 S5로 나타난 넓은 영역에서 흐르는 유체는 유속 R6로 이동한다. 따라서 영역 S1 이외에서 가장 유속이 빠른 영역인 영역 S2에서는 유속 R2이다. 또한, 가장 넓은 영역에서 유체가 흐르는 영역 S5에서는 유속 R6이다. 가장 넓은 영역에서 유체가 흐르는 영역 S5에서 유속 R6을 포함한 점에서는, 도 5에 도시된 종래 기술에 관한 유체 제어 밸브(100)의 영역 P5와 동일하지만, 도 4에 도시된 유속 R6을 포함한 영역 S5는 도 5에 도시된 유속 R6을 포함한 영역 P5와 비교하여 크다. 즉, 제1 유로(221)에 테이퍼 곡면(221c)이 형성되는 것에 의하여, 유체의 전체의 흐름이 좋아지고, 유속이 빨라지기 때문이다. 또한, 영역 S5가 유속 R6을 포함한 점에서, 도 3에 도시된 테이퍼 곡면의 경사각도 45도의 유체 제어 밸브(1)의 영역 Q6과 동일하지만 영역 S5는 도 3에 나타내는 영역 Q6과 비교하여 작다. 그 이유는 테이퍼 곡면(221c)의 경사각도가 60도이고, 경사각도 45도의 경우와 비교하여 유로 면적이 좁아지기 때문이다. 따라서 경사각도 60도이어도, 테이퍼 곡면(221c)이 형성된 것에 의하여, 본 실시 형태와 동일한 효과를 얻을 수 있지만 경사각도가 45도인 쪽이 유로 면적이 더 크고, Cv값의 저하 방지의 효과가 크다.

이상 상세히 설명한 본 실시 형태에 있어서는 이하의 작용 효과를 갖는다.

포트 연통 유로(21a)와 밸브 구멍 연통 유로(21b)와의 연결부에 테이퍼 형상의 테이퍼 곡면(21c)이 형성된 것에 의하여, 제1 유로(21)의 유로 면적을 크게 할 수 있다. 유로 면적을 크게 하는 것에 의하여, Cv값의 저하를 방지할 수 있고, 유량을 증대할 수 있다. 즉, 연결부에 테이퍼 곡면(21c)이 형성되는 것에 의하여, 포트 연통 유로(21a)와 밸브 구멍 연통 유로(21b)와의 사이에 경사 형상의 유로가 추가로 형성된다. 경사 형상의 유로가 추가 형성되는 것에 의하여, 그만큼 유로 면적이 커지기 때문에 유량이 증대할 수 있다.

또한, 연결부에 테이퍼 곡면(21c)이 형성되는 것에 의하여, 제1 유로(21) 안에서 유체의 흐름의 장애가 되는 부분이 없어진다. 그 때문에, 제1 유로(21)로부터 제2 유로(22)로 연결되는 유로가 직선에 가까워지고, 실질적인 유로 길이가 짧아지기 때문에 유체가 순조롭게 흐르고, Cv값의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 제1 유로(21) 안에 유체의 흐름의 장애가 되는 부분이 없어서, 유체에 난류가 생기지 않는다. 난류가 생기지 않는 것에 의하여, 유체가 순조로운 흐름을 저해하지 않기 때문에, Cv값의 저하를 방지할 수 있다.

또한, 연결부에 테이퍼 곡면(21c)의 경사각도를 조정하여, 제2 유로(22)에 직접 흐르는 방향을 형성하는 것에 의하여, 제1 유로(21)로부터 흐르는 유체의 세력을 그대로 제2 유로(22)에서 유체를 흐르게 할 수 있고, Cv값의 저하를 방지할 수 있다.

또한, 유체 제어 밸브(1)를 크게 하지 않고 작은 채로 유량을 늘릴 수 있기 때문에, 에너지 절약에 연결된다.

테이퍼 곡면(21c)은 절삭 가공 공구(50)의 원뿔 형상(테이퍼)을 갖는 부분에 의하여 절삭 가공되어, 연결부에 그 원추 형상 부분에 대응하는 형상(테이퍼)으로 형성할 수 있다. 또한, 테이퍼 곡면(21c)과 동일한 형상의 절삭 가공 공구(50)를 사용하여, 용이하게 연결부(밸브 시트 두께부(25))를 겨누는 경사각도의 테이퍼 곡면(21c)을 절삭 가공할 수 있다. 즉, 수지제의 유체 제어 밸브(1)에 테이퍼 곡면(21c)을 절삭 가공하기 위해 복잡한 추가 가공 등을 필요하지 않기 때문에 용이하게 연결부에 테이퍼 곡면(21c)을 형성할 수 있다.

이상, 본 발명은 상기 실시의 형태로 한정되지 않고, 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 응용이 가능하다.

예를 들면, 본 실시 형태에 있어서는 테이퍼 곡면의 경사각도를 45도라고 했지만 그 밖의 각도로 테이퍼 곡면이 형성되어 있으면 경사각도 45도인 경우보다 유체의 흐름은 나빠지지만 종래 기술의 테이퍼 곡면이 형성되고 있지 않은 유체 제어 밸브와 비교하여, 유체의 흐름이 좋아진다. 따라서, 경사각도는 45도 이상이어도, 또 45도 이하이어도 좋다.

예를 들면, 본 실시 형태에 있어서는 테이퍼 곡면의 경사각도를 45도로 하여, 포트 연통 유로(21a)로부터 밸브 구멍 연통 유로(21b)로 유체가 흐를 때에 유체의 세력이 좋아지고, Cv값의 저하를 방지할 수 있는 취지의 설명을 하였다. 그 밖에, 테이퍼 곡면이 밸브 시트(15)와 다이어프램 밸브(4)와의 사이의 도 3에 도시된 영역 Q1에서 유체를 직접 향하게 하는 형상이라면, 그 경사각도는 45도가 아니고도 좋다. 유체를 영역 Q1를 직접 향하게 하는 형상이라면, 유체의 세력을 지지하고, Cv값의 저하를 방지할 수 있기 때문이다.

예를 들면, 본 실시 형태에 있어서는 유체 제어 밸브(1)를 노멀 클로즈(normally-closed) 타입의 에어-오페레이트식 개폐 밸브라고 했지만 노멀 오픈(normally-open) 타입, 노멀 클로즈의 복동 타입, 노멀 오픈의 복동 타입의 에어-오페레이트식 개폐 밸브에 대해서도, 본 발명을 적용 가능하다.

예를 들면, 도 12 및 도 13에 본 실시 형태에 있어서 절삭 가공 공구의 변형례를 나타낸다. 도 12에 도시된 것처럼, 절삭 가공 공구(300)는 샤프트(310)와 샤프트(310)의 선단부(도의 하단)에 고정 설치되었거나 또는 일체로 설치된 절삭부(320)를 갖는다. 또한, 절삭부(320)는 정면 직각 삼각형상을 하고, 테이퍼부 (321)와 바닥면(322)을 갖는다. 절삭부(320)는 하면에서 보면 도 13에 도시된 것처럼, 샤프트(310)에서 먼 선단부(323)에 내측에 커브 한 절삭부(324)가 형성되어 있다.

도시되어 있지 않지만 절삭 가공 공구(300)의 샤프트(310)의 근원에는 모터 등의 회전기구가 갖춰지고, 회전기구가 회전하는 것에 의하여 샤프트(310)도 회전한다. 샤프트(310)가 회전하면, 샤프트(310)에 고정 설치된 절삭부(320)도 마찬가지로 회전한다. 테이퍼 곡면을 형성할 때에는 절삭 가공 공구(300)는 테이퍼 면을 형성한 위치까지 하강하고, 그 후 절삭한 방향으로 회전 횡이동을 한다. 회전 횡이동을 하는 것에 의하여, 절삭 가공 공구(300)의 회전 궤적이 원추 형상이 되어, 테이퍼면을 형성할 수 있다.

1 유체 제어 밸브
16 밸브 구멍
2 수지제 밸브 본체
21 제1 유로
21a 포트 연통 유로
21b 밸브 구멍 연통 유로
21c 테이퍼 곡면
22 제2 유로
23 제1 포트
24 제2 포트
25 밸브 시트 두께부
25a 제1 연결 코너
25b 제2 연결 코너
3 수지제 밸브 상체
4 다이어프램 밸브
50 절삭 가공 공구

Claims

제1 유로 및 제2 유로가 밸브실을 통하여 연통하는 수지제 밸브 본체; 상기 수지제 밸브 본체의 윗면에 연결되는 수지제 밸브 상체; 및 상기 수지제 밸브 본체 및 상기 수지제 밸브 상체와의 사이에 삽입되어, 상기 제1 유로와 상기 제2 유로와의 사이를 연통 또는 차단시키는 수지제의 다이어프램 밸브;를 구비하며,
상기 밸브 본체 내부에는 제1 유로가 상기 밸브실의 저면으로 개구하는 부분에 밸브 구멍이 설치되고, 상기 다이어프램 밸브가 접하거나 떨어지는 밸브 시트를 상기 밸브 구멍의 주변부에 설치되고,
상기 제1 유로는 상기 밸브 본체에 설치된 제1 포트에 연통하는 원통 형상의 포트 연통 유로 및 상기 밸브 구멍에 연통하는 원통 형상의 밸브 구멍 연통 유로를 구비하며, 상기 포트 연통 유로와 상기 밸브 구멍 연통 유로가 직각으로 연통하고,
상기 포트 연통 유로 및 상기 밸브 구멍 연통 유로와의 연결부의 내측에 오목 형상의 곡면을 형성하여 경사를 형성하고,
상기 제2 유로가 상기 포트 연통 유로에 대하여 단이 다르면서 평행하게 형성되어 있고, 일단이 제2 포트와 연통되며, 다른 단이 상기 밸브실의 측벽으로 개구하는 것을 특징으로 하는 유체 제어 밸브.
제1항에 있어서,
상기 곡면은 회전 궤적이 원추 형상인 절삭 가공 공구에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 유체 제어 밸브.