KR101683029B1 - 밸브 어셈블리 및 밸브 어셈블리를 현장 세척하는 방법 - Google Patents

밸브 어셈블리 및 밸브 어셈블리를 현장 세척하는 방법 Download PDF

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Abstract

밸브 어셈블리는, 제1 기체가 밸브 어셈블리를 통해 전송될 수 있는 통로를 포함하는 밸브 바디; 상기 밸브 바디에 대해 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동가능한 밸브 유동 제어 요소로서, 상기 개방 위치에서 상기 통로를 통과하는 유동이 최대 유동이고, 상기 폐쇄 위치에서 상기 통로를 통과하는 유동이 최소 유동이며, 상기 밸브 유동 제어 요소는 상기 밸브 바디와 밸브 유동 제어 요소 사이에 제어 간격이 구비되도록 성형되고, 상기 제어 간격을 통해 상기 제1 기체가 유동가능하고, 상기 제어 간격의 치수는 상기 밸브 바디에 대한 상기 밸브 유동 제어 요소의 위치에 따라 변하는, 밸브 유동 제어 요소; 및 상기 밸브 어셈블리가 상기 통로를 통과하는 상기 제1 기체의 유동을 제어하는데 사용될 때, 상기 제어 간격 내로 제2 기체를 선택적으로 주입하기 위한, 기체 인젝터 장치를 포함한다. 밸브 유동 제어 요소가 폐쇄 위치에 또는 근처에 있을 때 제2 기체를 주입하는 것은, 밸브의 폐쇄 컨덕턴스를 줄일 뿐만 아니라, 밸브 유동 제어 요소 상에 증착되는 응축액을 최소화하는 것을 돕는다.

Description

밸브 어셈블리 및 밸브 어셈블리를 현장 세척하는 방법{A VALVE ASSEMBLY AND A METHOD OF IN SITU CLEANING A VALVE ASSEMBLY}
본 출원은 2013년 1월 29일에 출원된 미국출원 제13/753,019호로부터 35 U.S.C §119에 따른 우선권의 이익을 주장하며, 이 미국출원 전체의 개시내용은 원용에 의해 본 명세서에 통합된다.
본 출원은 대체적으로 도관을 통과하는 유체 유동을 조절하기 위한 제어 밸브에 관한 것이고, 더 구체적으로는 밸브 유동 제어 요소와 밸브 바디, 및 그 인접 환경 사이에 어떠한 간격이 (a) 응축액으로부터 깨끗하게 남아있고, (b) 밸브 유동 제어 요소의 젖은 표면을 따른 응축을 방지하도록 상승된 온도에서 유지되는 것이 가능하도록, 사용 중에 밸브의 현장 세척(in-situ cleaning)을 허용하도록 구성된 밸브에 관한 것이다.
사용 시, "기체(gas)"라는 용어는 용어들이 서로 다른 것으로 간주되는 경우 "기체(gas)"와 "증기(vapor)" 모두를 말하는 것이다.
제어 밸브는 도관을 통과하는 기체의 유동 속도를 조절하기 위한 수단으로서 해당기술에서 잘 알려져 있다. 한 가지 유형의 제어 밸브는 "플래퍼(flapper)" 밸브(때로는 "스로틀(throttle)" 또는 "버터플라이(butterfly)" 밸브로도 지칭됨)이고, 이 밸브에는 "플래퍼" 또는 플레이트형 밸브 유동 제어 요소가 유체 통로 내부에 배치되고, 통로의 내부를 통해 측방향으로 통과하는 회전가능 샤프트 상에 중앙 또는 중앙에 가깝게 장착된다. 플래퍼 평면의 배향은 일반적으로 시계 및/또는 반시계 방향으로 샤프트를 회전시킴으로써 조정할 수 있다. 플래퍼는 통로를 폐쇄하여 거의 밀봉하도록 정확하게 치수가 정해져서, 플래퍼 평면이 0도 위치에서 기체 유동을 차단하도록 배향될 때 유체 유동을 정지시키거나 또는 최소 유동까지 감소시킨다. 대안적으로, 플래퍼 평면이 완전 폐쇄 위치로부터 완전 개방 위치로 이동하도록 샤프트와 플래퍼를 0도와 90도 사이에서 회전시키는 것은, 어떤 최소 또는 제로 유동과 최대 유동 사이에서 플래퍼의 위치를 제어함으로써 통로를 통과하는 기체의 유동 속도 제어하는 능력으로 이어진다. 그러한 플래퍼 밸브의 작동의 단순성과 편의성은 정확한 양으로 기체를 운반해야하는 제어 시스템에서 밸브를 기체 유동을 조절하는데 매우 적합하게 만든다.
기체 유동을 조절하는데 유용한 다른 유형의 밸브는 진자(pendulum) 또는 게이트 밸브이다. 진자 또는 게이트 밸브 어셈블리는 대체적으로 진자 또는 게이트 밸브 제어 요소를 수용하는 하우징, 내부 공간, 및 기체가 내부 공간으로 들어가고 나올수 있는 한 쌍의 개구를 포함한다.
그 이름이 함축하는 바와 같이, 밸브 유동 제어 요소(대개 "게이트(gate)"라고 칭함)는 완전 개방 위치와 완전 폐쇄 위치 사이에서 이동가능하다. 대개 디스크 형태의 밸브 유동 제어 요소는 피벗 암에 의해 회전가능한 샤프트에 연결되어 있다. 완전 개방 위치에서, 진자 밸브의 디스크는 일반적으로 개구에 의해 형성된 유동 경로의 외부에 위치하여, 유체가 하우징의 내부 공간으로 들어가고 나올 수 있다. 완전 폐쇄 위치에서, 디스크는 개구 중 하나를 둘러싸는 밸브 시트와 접촉하는 밀봉 내로 이동되어, 유체가 밸브를 통과할 수 없다.
게이트의 운동은 대개 완전 개방 위치와 중간 위치 사이의 회전(즉, 선회 또는 측방향) 운동, 및 중간 위치로부터 게이트 디스크가 밸브와 접촉하여 밀봉되는 완전 폐쇄 위치로의 적어도 어느 정도의 종방향(즉, 병진, 직선, 또는 축방향) 운동을 필요로 한다. 회전 운동과 병진 운동의 이러한 조합을 얻기 위하여, 진자 밸브는 일반적으로 어떠한 유형의 회전-축방향 병진 메커니즘을 이용하여, 밸브 바디가 전체 운동 범위에서 움직임에 따라 밸브 바디를 원하는 방향으로 이동시킨다.
스로틀과 진자 밸브, 두 유형의 밸브는 CVD(화학 증기 증착) 시스템과 같은 처리-제어 시스템으로 운반되는 기체의 유동 속도를 제어하는데 사용될 수 있다. 처리-제어 시스템에 의해 수행되는 공정에서 사용되는 기체는 매우 많고 다양하다. 그러한 공정에 사용되는 수많은 중요한 산업 화학물질은 일반 실온 및 압력 또는 그 근처에서 액체상(liqud phase)으로 빠져나가지만, 상승된 온도에서는 일반 대기압 하에서 증기상(vapor phase)으로 전이된다. 많은 산업 애플리케이션에서, 이러한 화학물질을 증기상으로 처리하면서, 동시에 과도하고 불필요한 열에너지의 입력을 최소화하는 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 균형을 유지하는 것은 이러한 증기상 화학물질의 유동을 조절하기 위한 스로틀 및 진자 밸브의 경우에 특수한 문제점을 나타낸다. 밸브의 젖은 모든 표면이 조절되는 화학물질의 액체-증기 전이 온도보다 높은 온도에서 유지되지 않으면, 밸브의 가능한 부식, 유체 흐름의 오염, 및 밸브 작동에 악영향을 미치는 액체의 풀링(pooling)으로 이어지는 밸브 내부 표면 상의 응축의 위험이 존재한다. 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 플래퍼 밸브의 밸브 유동 제어 요소 주위의 기체 유동은 도면번호 18로 표시된 밸브 유동 제어 요소 상에서 뿐만 아니라, 도면번호 20으로 표시된 밸브 바디의 내부 통로 벽 상에서도 응측될 수 있다.
그 결과, 밸브 유동 제어 요소와 밸브 바디의 표면은 응축액으로 오염될 수 있어서, 밸브의 작동을 방해하고, 밸브가 서비스 및/또는 교체되어야 하는 수명을 단축시킨다. 밸브는 밸브 바디 주위 외부에서 종종 과열된다. 플래퍼를 따뜻하게 유지하기 위해 밸브 샤프트가 직접 과열될 수 있도록 설계된 밸브가 또한 이용가능하다. 유사하게는, 오염 물질로부터 플래퍼 바디를 깨끗하게 닦아내기 위한 플래퍼의 과회전(over rotation)이 또한 알려져 있다.
플래퍼 밸브의 경우, 공정 가스가 기체상으로 밸브를 통해 유동하도록 유지하기 위해 필요한 온도 이상으로 플래퍼를 가열하기 위해 밸브에 히터를 설치하는 것이 항상 문제점을 해결하는 것은 아니다. 이것은 비용이 많이 들고, 동력이 필요하며, 때로는 기체 유동에 의한 플래퍼의 냉각으로 인해 플래퍼를 완벽하게 보호할 수 없다. 기체 유동의 유체 역학(큰 압력 강하 및 잠재적 냉각)으로 인한 플래퍼의 리딩 에지의 하류에서 오염이 발생하는 경우도 존재한다. 과회전 방법은 반드시 모든 중요한 플래퍼 표면을 오염으로부터 보호하는 것은 아니다.
두 유형의 밸브의 경우, 밸브를 통한 누설을 최소화하기 위하여 밸브의 폐쇄 컨덕턴스(closed conductance)가 최소가 되도록 밸브를 설계하는 것이 중요하다. 이하 좀더 명백하게 되는 바와 같이, 밸브 유동 제어 요소와 밸브 바디 사이의 제어 간격은, 밸브 바디가 완전 폐쇄 위치에 있을 때 상대적으로 큰 컨덕턴스를 나타낸다. 폐쇄 컨덕턴스를 감소시키는 일반적인 방법은, 간격을 폐쇄하는 부드러운 밀봉 재료의 사용을 포함하는 여러 가지 기계적 방법에 의해 작은 간격을 생성(또는 간격의 길이를 연장)하는 것이다. 그러나, 어떠한 수단에 의해서든 작은 간격을 생성하는 것은 더 비싼 구성요소와 기계장치로 이어지고, 작은 간격은 오염되기 쉽다. 제어 간격이 어떠한 부드러운 밀봉으로 채워지면, 마모(주기적인 교체가 필요함), 입자 생성, 및 좋지 않은 움직임 제어(마찰과 이력(hysteresis)으로 인한)이 종종 발생한다. 기계적 부품을 사용하지 않고 제어 밸브의 폐쇄 컨덕턴스를 제어하고 감소시키는 것이 바람직하다. 또한, 밸브 유동 제어 요소의 오염을 감소시킴으로써, 서비스가 필요하기 전에 밸브의 수명을 연장하는 것이 바람직하다.
배경기술 참조문헌
원용에 의해 본 명세서에 통합되고 본 양수인에게 양도된 미국 특허 제5485542호; 제5564679호; 제6089537호; 제6439255호; 제6776394호; 및
미국 특허 제5462080호; 제5827370호; 제6090206호; 및
미국 특허출원공개공보 제2002/0185067호.
개시된 기술의 일양태에 따르면, 밸브 어셈블리가 통로를 포함하는 밸브 바디를 포함하고, 상기 통로를 통해 제1 기체가 밸브 어셈블리를 통해 전송될 수 있다. 밸브 유동 제어 요소가 밸브 바디에 대해 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동가능하고, 상기 개방 위치에서 통로를 통과하는 유동이 최대 유동이 되고, 상기 폐쇄 위치에서 통로를 통과하는 유동이 최소 유동이 된다. 밸브 유동 제어 요소는 밸브 바디와 밸브 유동 제어 요소 사이에 제어 간격이 구비되도록 형성되고, 상기 제어 간격을 통해 제1 기체가 유동가능하다. 제어 간격의 치수는 밸브 바디에 대한 밸브 유동 제어 요소의 위치에 따라 변한다. 밸브 어셈블리가 통로를 통과하는 제1 기체의 유동을 제어하는데 사용될 때, 제어 간격 내로 제2 기체를 선택적으로 주입하기 위하여 기체 인젝터 장치가 제공된다.
본 주제 기술의 제2 양태에 따르면, 밸브 바디 및 밸브 어셈블리를 통과하는 제1 기체의 유동을 제어하는데 사용되는 밸브 유동 제어 요소를 포함하는 밸브 어셈블리를 현장 세척(in situ cleaning)하는 방법으로서, 밸브 어셈블리가 통로를 통과하는 제1 기체의 유동을 제어하는데 사용될 때, 밸브 바디와 밸브 유동 제어 요소 사이의 제어 간격 내로 제2 기체를 선택적으로 주입하는 단계를 포함하고,, 상기 제어 간격을 통해 제1 기체가 유동할 수 있다.
도 1 및 2는 본 명세서에 설명된 실시예에 의해 해결되는 하나의 문제점을 도시하고 있는, 부분적으로 잘려나간 스로틀 밸브의 단순화된 측면도이다.
도 3은 밸브가 완전 폐쇄 위치에 있는 본 주제 기술을 포함하는 플래퍼 밸브의 실시예의 상면도이다.
도 4는 밸브가 완전 개방 위치에 있는 도 3의 플래퍼 밸브 실시예의 상면도이다.
도 5는 플래퍼가 부분적으로 잘려나간 도 3의 플래퍼 밸브 실시예의 상면도이다.
도 6 내지 8은 도 3 실시예의 플래퍼의 구성요소의 사시도이다.
도 9는 도 3 실시예의 밸브 바디에 위치한 플래퍼의 부분적으로 잘려나간 측면도를 도시하고 있다.
도 10 내지 13은 플래퍼의 구조 및 가열된 기체의 유동 제어의 다양한 예시의 잘려나간 측면도를 도시하고 있다.
도 14는 본 주제 기술을 포함하는 진자 밸브의 일실시예의 사시도로서, 밸브 유동 제어 요소가 완전 개방 위치와 완전 폐쇄 위치 사이의 위치에 있다.
도 15는 도 14에 도시된 진자 밸브의 측단면도이다.
도 16은 도 14에 도시된 진자 밸브 일부분의 측단면도이다.
도 17은 본 명세서에서 설명된 유형의 유체 제어 밸브를 이용하는 CVD 시스템의 단순화된 측면도이다.
도 3 및 4에서, 전체적으로 도면번호 30으로 표시되어 도시된 플래퍼 밸브는 각각 폐쇄 및 개방 위치로 나타나 있다. 플래퍼(32)는 밸브 하우징(38)의 측벽(36)에 의해 형성된 유체 통로(34)에 배치된다. 플래퍼는 적절한 체결 장치(42)에 의해 회전가능한 샤프트(40) 상에 장착된다. 플래퍼(32), 측벽(36)을 포함하는 하우징(38), 회전가능한 샤프트(40), 및 체결 장치(42)는 바람직하게는(필수적인 것은 아니지만), (a) 상대적으로 높은 열전도도를 가지고, (b) 스테인리스 스틸과 같은 내부식성 금속 또는 금속 합금의 형태인 하나 이상의 재료를 포함한다. 밸브 하우징(38)은 유입구(48)가 구비된 적어도 하나의 기체 도관(44)을 더 포함한다. 플래퍼는 가열된 기체가 유입구(48)에 도입될 수 있어서 기체 도관을 통해 플래퍼(32)의 내부로 유동하도록 내부가 구성되어 있다. 도시된 바와 같이 도관(44)은 플래퍼의 내부(46)로 직접 밸브 하우징(38)을 통해 연장될 수 있다. 유입구를 제공하는 것과 같은 다른 장치가 샤프트(40)의 단부에 제공될 수 있고, 도관은 플래퍼(32)의 내부로 직접 샤프트(40)를 통해 연결된다.
도 5 내지 8에 도시된 예시적 실시예에서, 플래퍼(32)의 내부(46)에는 유입구(48)에 도입된 가열 기체의 유동을 플래퍼의 외주에 또는 인접하여 제공된 애퍼처로 지향시키기 위한 적절한 구조물이 제공된다. 도 6 및 7에 가장 잘 도시된 바와 같이, 도시된 플래퍼(32)는 중공의 내부를 형성하도록 서로 꼭 맞춰지는 2개의 상대적으로 평평한 원형 플레이트(60, 62)를 포함하도록 형성될 수 있다. 각각의 플레이트는 외주 가장자리(64, 66)를 가지도록 각각 구성되고, 도 4 및 5에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이 2개의 플레이트가 반경방향으로 지향된 개구(72)를 형성하도록 서로 결합될 때 서로 정렬되는 반경방향으로 지향된 구멍(70)이 각각의 가장자리에 제공된다. 플레이트와 구멍은, 플레이트가 일단 조립되면 개구(72)의 위치가 플래퍼 폭에 대해 중앙에 올 수 있도록(플래퍼의 앞면과 뒷면 사이를 지나가고 거기에 평행하며 플래퍼의 앞면과 뒷면을 형성하는 플레이트로부터 동일하게 이격된 중앙 평면에 놓이도록 위치되도록) 구성될 수 있다. 대안적으로, 구멍(70)의 일부 또는 전부가 조립된 밸브의 원하는 기체 유동 역학에 따라 중앙 평면의 일측 또는 타측 상에 위치될 수 있다. 플래퍼 플레이트는 장착 구멍(74)(도 4 및 5에서 플레이트(62, 64) 각각에 3개가 도시됨)을 또한 포함할 수 있다.
플래퍼의 내부(46) 내의 가열 기체의 유동을 개구(72)로 더 지향시키기 위한 추가적인 구조물이 제공될 수 있다. 이러한 구조물은 플래퍼(32)의 내부(46)의 내주 주위의 예컨대 토로이드(toroid)와 같은 형상의 매니폴드(도 5 및 8에서 58로 표시됨)일 수 있다. 매니폴드는 플레이트(62, 64) 사이에 꼭 끼워지도록 설계된다. 매니폴드(58)는 플레이트가 조립되기 전에 플레이트 사이에 위치하여 지지되는 개별적 부품으로서 플레이트 중 하나와 함께 형성될 수 있거나, 또는 플레이트(예컨대, 도 8에서 58로 표시됨)와 같은 추가적 지지 구조물에 고정되고 2개의 플레이트(62, 64) 사이에 고정될 수 있다. 매니폴드는 내부(46)와 플래퍼의 개구(72) 사이에 유체 연결을 제공하기 위한 하나 이상의 통로 또는 기체 분배 유동 채널을 포함한다. 유동 채널은 개구(72)를 통과하는 실질적으로 일정한 유동을 제공하도록 배치된다. 도시된 예시에서, 토로이드 형상의 매니폴드(58)는, 내부(46)로부터 매니폴드의 유동 채널 내로 지향되는 가열 기체를 받아들이기 위하여 내부(46)와 유체 연통하는 적어도 하나의 유입 애퍼처(도 8에서 80으로 표시된 것과 같은)를 포함한다. 매니폴드는 또한, 플래퍼가 조립되었을 때 플래퍼에 있는 개구(72)와 정렬되는 복수의 애퍼처(82)를 포함한다. 이러한 방식으로, 48로 도입된 기체는 플래퍼의 내부(46) 내로 통과한다. 내부로부터 기체는 매니폴드의 기체 분배 유동 채널을 통해, 그리고 매니폴드의 애퍼처(82)를 통해 유입구 애퍼처(80) 내로 유동하고 플래퍼의 개구(72) 외부로 유동한다.
도시된 실시예에서, 작은 제어 간격(56)(도 9 및 10에 도시된 바와 같이)이 플래퍼(32)의 외주와 측벽(36) 사이에 제공되어, 밸브가 완전히 폐쇄된 경우에도 가열 기체가 개구(72)로부터 나와 제어 간격(56)(플래퍼의 외부와 내부 측벽(36) 사이에 있는) 내로 유동한다. 제어 간격(56)의 치수는 측벽(36)에 대한 플래퍼(32)의 위치에 따라 변한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 밀봉 대신에 개구(72)는, 밸브 어셈블리가 밸브를 통한 제1 기체의 유동을 제어하는데 사용될 때 플래퍼의 외측 부분 주위의 선택된 위치에서 제2 기체를 제어 간격(56) 내로 선택적으로 주입하기 위한 기체 인젝터 장치를 제공한다. 개구(72)는 가열된 기체가 플래퍼의 전체 둘레 주위에 실질적으로 균등하게 제공되도록 하기 위하여 반경방향으로 서로 인접해야 한다. 이하 명백해지는 바와 같이, 제2 기체 유동은 밸브의 폐쇄 컨덕턴스를 감소시키는 것을 도와준다.
일반적인 작동 시, 밸브는, CVD 시스템과 같은 다양한 처리-제어 시스템에서 수행되는 공정 동안 기체의 유동 속도를 제어하는데 사용된다. 이러한 공정에서 사용되는 기체는 매우 많고 다양하다. 사용되는 수많은 중요한 산업 화학물질은 일반 실온 및 압력에서 또는 그 이상에서 액체상으로 존재하지만, 약 250도까지 상승된 온도에서는 일반 대기압 하에서 증기상으로 전이된다. 많은 산업 애플리케이션에서, 이러한 화학물질을 증기상으로 처리하면서, 동시에 과도하고 불필요한 열에너지의 입력을 최소화하는 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 균형을 유지하는 것은 이러한 증기상 화학물질의 유동을 조절하기 위한 스로틀 및 진자 밸브의 경우에 특수한 문제점을 나타낸다. 밸브의 젖은 모든 표면이 조절되는 화학물질의 액체-증기 전이 온도보다 높은 온도에서 유지되지 않으면, 밸브의 가능한 부식, 유체 흐름의 오염, 및 밸브 작동에 악영향을 미치는 액체의 풀링으로 이어지는 밸브 내부 표면상의 응축의 위험이 존재한다. 이와 관련하여, 플래퍼로부터 주입된 제2 기체는, 제어된 기체가 증기상으로 남아있도록, 밸브를 통해 유동하는 제어된 기체가 응축될 온도보다 높은 온도에 있어야 한다. 일반적으로, 이것은 제어된 기체가 증기상으로 남아있는 것을 보장하기 위하여, 제2 기체의 온도가 제어된 기체의 온도보다 높은 온도까지 가열되는 것을 필요로 한다. 또한, 제2 기체는 제어된 기체와 반응하지 않고, 제어된 기체가 사용되는 제어된 공정을 간섭하지 않도록, 비활성이어야 한다.
도시되어 있는 가열된 플래퍼 밸브의 구조와 일반적 작동은 도 3, 4, 5, 및 9-13을 더 참조하면 더 잘 이해될 수 있다. 플래퍼(32)는 도 3에서 완전 "폐쇄" 위치로 나타나 있고, 도 4에서 완전 "개방" 위치로 나타나 있다. 플래퍼(32)는 2개의 위치 사이에서 샤프트(40)를 대략 90도 회전시킴으로써 2개의 위치 사이에서 회전된다. 개방 위치에서 플래퍼(32)의 중앙 평면은 통로(34)의 종축과 대체적으로 평행하다. 도 3에 도시된 바와 같이 플래퍼(32)를 폐쇄 위치로 회전시키는 것은, 구멍(72)이 측벽(36)의 표면에 인접하고, 제어 간격(56)이 그 사이에 있도록 한다. 이것은 가열된 비활성 기체가 측벽(36)을 향해 주입되어 그 영역을 어떠한 응축으로부터 깨끗하게 유지하게 해준다. 일반적으로, 가열된 기체는 밸브를 통한 기체의 유동을 제어할 때 제공되기 때문에, 차폐 가스(shield gas)로서 기능할 수 있다. 제어된 기체는 예컨대 제어된 공정 동안 밸브를 통해 유동하는 공정 가스일 수 있지만, 또한 다양한 증착 공정 동안 사용되는 퍼지 가스(purge gas)일 수도 있다. 대안적으로, 가열된 기체는 공정 운행 사이에 제공될 수 있다.
도 3 내지 8로부터 플래퍼의 내부(36), 매니폴드를 통과하여 개구(72)를 빠져나가는 가열된 기체에 의해 생성된 열에너지가 플래퍼(32)와 측벽(36)을 통한 전도에 의해 효율적으로 전달된다는 것이 명백해질 것이다.
개구(72)는 임의의 방향으로 가열된 기체의 유동을 주입하도록 형성될 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 제어된 기체는 플래퍼(32)와 측벽(36) 사이에 형성된 간격(56)을 통해 플래퍼(32) 주위로 유동한다. 도시된 예시에서, 개구(72)는, 응축액이 가장 축적되기 쉬운 측벽(36)으로 지향되도록 가열된 기체를 좀 더 하류방향으로 주입하도록 형성된다. 대안적으로, 개구(72)는 좀 더 상류방향으로 또는 측벽(36)에 수직하게 가열된 기체를 주입하도록 형성될 수 있다.
다양한 수정예가 플래퍼에 대해 만들어질 수 있고, 여전히 원하는 결과를 얻을 수 있다. 예컨대, 도 12에 도시된 바와 같이, 플래퍼는 3개의 주요 부품으로 구성되고, 플래퍼의 플레이트는 서로 다른 외측 치수를 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 도 12의 플래퍼 디자인은 플래퍼(90)의 상류 플레이트(92)와 하류 플레이트(94)를 포함한다. 상류 플레이트(92)는 하류 플레이트(94)보다 더 큰 외부 직경을 가질 수 있다. 2개의 플레이트(92, 94)는, 기체가 주입되는 개구(102)를 형성하기 위하여 반경방향으로 에칭된 채널을 가진 스페이서 링(96)에 의해 분리되어 있다. 이 구조의 결과, 상류 플레이트(92)와 측벽(36) 사이에 형성된 제어 간격(98)은 하류 플레이트(94)와 측벽 사이에 형성된 제어 간격(100)보다 더 작다. 이러한 구조는, 밸브로부터 상류에 있는 공정 시스템으로 차폐 가스가 이동할 가능성을 줄이는 것을 도와줄 것이다.
다른 예시에서, 플래퍼(110)는 도 13에 도시된 바와 같이 2개의 주요 플레이트로 구성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 상류 및 하류 플레이트(112, 114)는 스페이서를 필요로 하지 않고 서로 꼭 맞는다. 이러한 예시에서, 하류 플레이트(114)에는, 2개의 플레이트가 서로 끼워질 때 분배 채널을 형성하기 위하여 플레이트의 외주에 인접하여 그 주위로 환형 홈(116)이 제공된다. 이와 관련하여, 플레이트 중 하나의 가장자리(118)는 기체 주입 구멍(120)을 생성하기 위하여 얇게 만들어질 수 있다. 또한, 상류 플레이트(112)에는 하류 플레이트(114)의 외부 직경보다 더 큰 외부 직경을 가질 수 있다.
전술한 개선점은 플래퍼 밸브에 대해 설명되었지만, 이 개선점은 다른 유형의 밸브에 적용될 수 있다는 것이 명백하다. 예컨대, 도 14 내지 16을 참조하면, 본 명세서에서 설명된 원리는 진자 또는 게이트 밸브에 적용된다.
도시된 예시에서, 진자 또는 게이트 밸브 어셈블리(120)는 내부 공간(124) 및 한 쌍의 개구(126)를 포함하는 하우징(122)을 포함하고, 상기 개구를 통해 유체가 내부 공간(124)으로 들어가고 나올 수 있다. 밸브 시트(130)는 개구(128)의 에지 주위에서 내부 공간에 배치된다. 디스크(132) 형태의 게이트는, 디스크가 완전 개방 위치와 완전 폐쇄 위치 사이에서 내부 공간(124) 내에서 이동가능하도록 하우징(122)에 대해 장착된다. 디스크(132)는, 디스크가 폐쇄 위치로 이동되었을 때 가열된 기체가 간격 내로 주입될 수 있도록 간격(142)을 제공하기 위하여 디스크가 밸브 시트(130)로부터 이격되도록 구성되어 있다. 종축(138)을 정의하는 종방향 샤프트(도 15에서 134로 표시됨)는 피벗 암(136)과 디스크(132)에 고정 연결되고, 적어도 부분적으로 하우징(122) 내부에 장착된다. 회전-병진 장치(140)(도 15에 도시됨)가, (a) 샤프트(134)와 디스크(132)가 제1 각위치(디스크가 완전 개방 위치에 있음)와 제2 각위치(디스크가 개구(128)와 실질적으로 축방향으로 정렬되어 있지만, 밸브 시트(130)로부터 이격되어 있음) 사이에서 종축(138)에 대하여 회전할 수 있고, (b) 샤프트와 디스크가 종축에 실질적으로 평행한 방향으로 종방향으로 이동할 수 있어서, 샤프트(134)가 계속 회전함에 따라 디스크가 제2 각위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동할 있도록 제공된다. 회전-병진 장치(140)는 샤프트와 하우징을 연결하는데 사용되고, 제1 각위치와 제2 각위치 사이의 샤프트와 디스크의 회전 운동, 및 제2 각위치와 폐쇄 위치(디스크(132)가 제어 간격(142)에 의해 시트(130)로부터 이격되어 있음) 사이의 샤프트와 디스크의 종방향 운동과 계속된 회전 운동을 제어하도록 배치된다. 예컨대, 미국 특허 제6,089,537호를 참조하고, 이 특허의 내용은 원용에 의해 본 명세서에 통합된다.
도 16에 도시된 바와 같이, 디스크(132)는 디스크(132)의 둘레 주위에 환형 기체 분배 유동 채널(144)을 포함한다. 가열된 기체는, 유동 채널과 유체 연통하는 샤프트(134)에 있는 통로(146)를 통해 내부 분배 유동 채널(144)로 도입될 수 있다. 일단 폐쇄 위치가 되면 차폐 가스가 제어 간격(142) 내로 주입될 수 있다. 밸브 시트(130)와 접촉하지 않는 디스크의 외주에는 개구(148)가 제공되어, 각각의 기체는 디스크가 폐쇄 위치에 있을 때 또는 폐쇄 위치 근처에 있을 때 밸브 시트(130)에 주입될 수 있다.
상승된 온도에서 증기 상태인 액체상 물질의 유동을 조절하기 위하여 특별히 설계되었지만, 가열된 밸브 어셈블리는 기체상 및 액체상 유체 유동 모두에 사용되도록 조정될 수 있다. 밸브는 또한 서로 다른 유체 유동 속도를 수용하도록 더 작게 또는 더 크게 만들어질 수도 있다.
개선된 밸브 어셈블리의 적용예가 도 17에 도시되어 있다. 도시된 시스템은 도 13 내지 16과 함께 설명되고 도시된 유형의 진자 밸브 어셈블리를 이용하는 고순도 가스 전달 시스템이다. 도 17에 도시된 진자 밸브 어셈블리(120)는 완전 개방 위치와 완전 폐쇄 위치 사이에서 디스크(132)의 위치를 제어함으로써 공정 챔버(150)와 진공 펌프(152) 사이의 기체 유동을 제어하는 것을 도와준다. 폐쇄 위치에 있을 때, 디스크(132)는 제어 간격(142)에 의해 밸브 시트(130)로부터 이격되어 있어서, 차폐 가스가 그 공간 내로 주입될 수 있다.
따라서, 밸브 제어 바디가 폐쇄 위치에 또는 근처에 있을 때 주입되는 가열된 기체를 제공하는 것은, 밸브 바디의 오염을 줄임으로써, 서비스가 필요하기 전에 밸브의 수명을 연장시킨다. 일정 수준의 오염 이후에, 유동 특성이 영향을 받고(반복 불가능한 공정 파라미터가 생김), 결국에는 밸브 유동 제어 요소는 제대로 위치할 수 없어서 밸브의 서비스 및 세척이 요구된다. 세척 접근법은 간단하고 상대적으로 비용이 저렴하다. 히터가 밸브 어셈블리에 제공될 필요가 없다. 큰 모터 토크가 밸브 유동 제어 요소와 밸브 바디를 세척하기 위해 요구되지 않아서 비용을 줄인다. 가열이 필요하면, 필요한 유동 영역으로 (가열된 기체에 의해) 전달될 것이다.
또한, 컨덕턴스 제어 간격(플래퍼와 진자 밸브 모두에서)에 주입된 기체 유동을 도입하는 것은, 밀봉과 전기적 히터와 같은 추가적 기계적 및/도는 전기적 장치의 사용 없이, 밸브의 폐쇄 컨덕턴스를 제어하고 감소시키는 테크닉을 제공한다. 주입되는 가열 기체는 공정 가스 유동에 더해져서, 제어 간격에서 전체 질량 유동을 증가시킨다. 이러한 증가된 질량 유동은 제거 간격 양단에 더 큰 ΔP(차압)를 생성함으로써, 공정 챔버에 명백하게 더 낮은 폐쇄 컨덕턴스를 나타낸다. 밸브 어셈블리가 배기 라인에서 사용되면, 기체가 밸브에서, 배기 라인에 도입될 수 있기 때문에, 기체가 공정 챔버에 거의 도달하지 않을 것으로 추정된다(밸브의 상류에 있는 유동 체제에 따라). 가열된 기체는 밸브가 폐쇄되거나 또는 거의 폐쇄되었을 때만 제공되어야 한다는 것에 유의해야 한다. 밸브가 높은 컨덕턴스를 형성하기 위하여(챔버가 펌프 다운(pump down)되었을 때와 같이) 개방되었을 때, 기체 유동은 정지될 수 있다.
다른 변형 및 수정이 본 명세서에 포함된 발명의 범위를 벗어나지 않고 전술한 장치 및 공정에 만들어질 수 있기 때문에, 전술한 설명에 포함된 모든 내용은 예시적인 것으로 해석되고 한정하는 의미로 해석되지 않는 것으로 의도된다.

Claims (23)

  1. 밸브 어셈블리로서,
    제1 기체가 밸브 어셈블리를 통해 전송될 수 있는 통로를 포함하는 밸브 바디;
    상기 밸브 바디에 대해 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동가능한 밸브 유동 제어 요소로서, 상기 개방 위치에서 상기 통로를 통과하는 유동이 최대 유동이고, 상기 폐쇄 위치에서 상기 통로를 통과하는 유동이 최소 유동이며, 상기 밸브 유동 제어 요소는 상기 밸브 바디와 밸브 유동 제어 요소 사이에 제어 간격이 구비되도록 형성되고, 상기 제어 간격을 통해 상기 제1 기체가 유동가능하고, 상기 제어 간격의 치수는 상기 밸브 바디에 대한 상기 밸브 유동 제어 요소의 위치에 따라 변하는, 밸브 유동 제어 요소; 및
    상기 밸브 어셈블리가 상기 통로를 통과하는 상기 제1 기체의 유동을 제어하는데 사용될 때, 상기 제어 간격 내로 제2 기체를 선택적으로 주입하기 위한 기체 인젝터 장치를 포함하고,
    상기 밸브 어셈블리는 상기 밸브 바디에 대한 상기 밸브 유동 제어 요소의 위치에 따른 밸브 컨덕턴스(conductance)를 가지고, 상기 기체 인젝터 장치는 상기 밸브 유동 제어 요소가 상기 폐쇄 위치에 있을 때 또는 상기 폐쇄 위치에 인접하여 있을 때 밸브의 밸브 컨덕턴스를 감소시키기 위하여 상기 제2 기체를 상기 제어 간격 내로 주입하고, 상기 기체 인젝터 장치는 상기 제2 기체를 상기 제어 간격으로 지향시키기 위하여 상기 밸브 유동 제어 요소 내에 2차 통로를 포함하고,
    상기 기체 인젝터 장치는 상기 밸브 유동 제어 요소의 모든 위치에 대해 상기 제2 기체를 상기 제어 간격 내로 주입하도록 작동하는, 밸브 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 어셈블리는 버터플라이 밸브(butterfly valve)이고, 상기 밸브 유동 제어 요소는 이동가능한 플래퍼(flapper)인, 밸브 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 어셈블리는 진자 밸브(pendulum valve)이고, 상기 밸브 유동 제어 요소는 이동가능한 디스크인, 밸브 어셈블리.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기체와 상기 제2 기체가 상기 제1 기체의 응축 온도보다 높은 온도에서 혼합되도록, 상기 제2 기체의 온도가 상기 제1 기체의 온도보다 더 높은, 밸브 어셈블리.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 유동 제어 요소는 상기 기체 인젝터 장치의 2차 통로의 적어도 일부분을 형성하도록 구성되고 배치된 적어도 2개의 플레이트를 포함하는, 밸브 어셈블리.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 2개의 플레이트 사이에 배치된 스페이서를 더 포함하는, 밸브 어셈블리.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기체 인젝터 장치는 상기 제2 기체를 상기 제어 간격 내로 지향시키기 위하여 상기 밸브 유동 제어 요소에 애퍼처(aperture)를 포함하는, 밸브 어셈블리.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 밸브 유동 제어 요소의 애퍼처는 상기 제2 기체를 상기 밸브 유동 제어 요소로부터 반경 외측 방향으로 지향시키도록 배치되어 있는, 밸브 어셈블리.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 밸브 유동 제어 요소의 애퍼처는 상기 제2 기체를 상기 제1 기체의 유동에 대하여 동일한 하류 방향으로 지향시키도록 배치되어 있는, 밸브 어셈블리.
  12. 밸브 바디 및 밸브 어셈블리를 통과하는 제1 기체의 유동을 제어하는데 사용되는 밸브 유동 제어 요소를 포함하는 밸브 어셈블리를 현장 세척(in situ cleaning)하는 방법으로서,
    상기 밸브 어셈블리가 상기 밸브 바디에 있는 통로를 통과하는 상기 제1 기체의 유동을 제어하는데 사용될 때, 상기 밸브 바디와 상기 밸브 유동 제어 요소 사이의 제어 간격 내로 제2 기체를 선택적으로 주입하는 단계로서, 상기 제어 간격을 통해 상기 제1 기체가 유동할 수 있는, 제어 간격 내로 제2 기체를 선택적으로 주입하는 단계; 및
    상기 제2 기체를 상기 제어 간격으로 지향시키기 위하여 상기 밸브 유동 제어 요소 내의 2차 통로를 통해 기체를 전송하는 단계를 포함하고,
    상기 밸브 어셈블리는 상기 밸브 바디에 대한 상기 밸브 유동 제어 요소의 위치에 따르는 밸브 컨덕턴스를 가지고,
    상기 제2 기체를 선택적으로 주입하는 단계는, 상기 밸브 유동 제어 요소가 폐쇄 위치에 있을 때 또는 폐쇄 위치에 인접하여 있을 때 밸브의 밸브 컨덕턴스를 감소시키기 위하여 상기 제어 간격 내로 상기 제2 기체를 주입하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 기체를 선택적으로 주입하는 단계는 상기 밸브 유동 제어 요소의 모든 위치에 대해 수행될 수 있는, 밸브 어셈블리를 현장 세척하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 기체는 상기 제1 기체와 반응하지 않는 기체인, 밸브 어셈블리를 현장 세척하는 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 밸브 어셈블리는 버터플라이 밸브이고, 상기 밸브 유동 제어 요소는 이동가능한 플래퍼인, 밸브 어셈블리를 현장 세척하는 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 밸브 어셈블리는 진자 밸브인, 밸브 어셈블리를 현장 세척하는 방법.
  16. 삭제
  17. 제12항에 있어서,
    상기 제1 기체와 상기 제2 기체가 상기 제1 기체의 응축 온도보다 높은 온도에서 혼합되도록, 상기 제2 기체의 온도가 상기 제1 기체의 온도보다 더 높은, 밸브 어셈블리를 현장 세척하는 방법.
  18. 삭제
  19. 제12항에 있어서,
    상기 밸브 유동 제어 요소는 상기 2차 통로의 적어도 일부분을 형성하도록 구성되고 배치된 적어도 2개의 플레이트를 포함하는, 밸브 어셈블리를 현장 세척하는 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 2개의 플레이트 사이에 스페이서를 배치하는 단계를 더 포함하는, 밸브 어셈블리를 현장 세척하는 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 제어 간격 내로 상기 제2 기체를 주입하는 단계는, 상기 제2 기체를 상기 밸브 유동 제어 요소의 애퍼처를 통해 상기 제어 간격 내로 지향시키는 단계를 포함하는, 밸브 어셈블리를 현장 세척하는 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제2 기체를 주입하는 단계는, 상기 밸브 유동 제어 요소로부터 반경 외측 방향으로 상기 애퍼처를 통해 상기 제2 기체를 지향시키는 단계를 포함하는, 밸브 어셈블리를 현장 세척하는 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 제2 기체를 주입하는 단계는, 상기 제1 기체의 유동에 대하여 동일한 하류 방향으로 상기 애퍼처를 통해 상기 제2 기체를 지향시키는 단계를 포함하는, 밸브 어셈블리를 현장 세척하는 방법.
KR1020157014151A 2013-01-29 2014-01-17 밸브 어셈블리 및 밸브 어셈블리를 현장 세척하는 방법 KR101683029B1 (ko)

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