KR101726873B1 - 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크 및 이를 적용한 질량유량제어기 - Google Patents

유량제어밸브의 압입식 밸브디스크 및 이를 적용한 질량유량제어기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질량유량계에 적용되는 유량제어밸브의 밸브디스크에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 밸브디스크에 부착되는 실링층의 압입 구조를 개선함으로써 실링 성능을 향상시키고 적은 비용으로 쉽게 제조할 수 있도록 한 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크 및 이를 적용한 질량유량계에 관한 것이다.
본 발명은 유량제어밸브의 밸브디스크(50)에 있어서, 상기 밸브디스크(50)는 밸브디스크(50) 하부 제어면(130)의 타측에 실링안착홈(110)을 갖는 디스크본체(100); 및 상기 디스크본체(100)의 실링안착홈(110)에 강제 끼워맞춤되는 것으로 그 일부가 디스크본체(100)의 하부 제어면(130)까지 연장되는 실링부재(200)를 포함하는 것이 특징인 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크를 제공한다.

Description

유량제어밸브의 압입식 밸브디스크 및 이를 적용한 질량유량제어기{Press fit valve disk and mass flow controller using the same}
본 발명은 질량유량계에 적용되는 유량제어밸브의 밸브디스크에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 밸브디스크에 부착되는 실링층의 압입 구조를 개선함으로써 실링 성능을 향상시키고 적은 비용으로 쉽게 제조할 수 있도록 한 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크 및 이를 적용한 질량유량계에 관한 것이다.
일반적으로 가스나 기체의 유량을 측정하기 위한 유량계로서 오리피스를 이용한 차압 유량계, 볼텍스 유량계, 터빈 유량계, 초음파 유량계, 면적식 유량계 및 열식 질량유량계 등이 있다.
그 중에서도 열식 질량유량계는 흐르고 있는 유체 중에 가열된 물체를 놓으면 유체와 가열된 물체 사이에 열교환이 이루어져 가열된 물체가 냉각되고 그 냉각율이 유속의 함수가 된다는 원리를 이용하여 가열된 물체의 온도를 측정함으로써 유속과 그에 따른 유량을 구하는 유량계이다.
상기 열식 질량유량계는 고정밀도로 인해 반도체 제조 프로세스에 상당히 활발하게 이용되고 있으며, 최근에는 화학반응공정, 석유화학분야, 환경분야 및 빌딩공조분야에도 효과적으로 응용되고 있다.
도 1에 종래의 열식 질량유량계를 도시하였다.
종래의 열식 질량유량계는 유량을 측정하기 위한 유량검출부와 유량을 조절하기 위한 유량조절부로 구성되는 것이 통상적으로, 유량검출부는 유체가 유입구(1)로 유입되어 세관을 포함하는 바이패스(3)를 지나면서 층류화되고 중공부(11)로 빠져나가도록 구성된다.
바이패스(3)의 전후로 센서튜브(4)가 연결되어 유체의 일부가 우회하게 되며, 센서튜브(4)에는 히터(5)가 부착되어 우회하는 유체를 가열한다.
한편 히터(5)의 전후에는 저항온도계(6)가 배치되는데, 저항온도계(6)에 온도차가 발생함에 따른 저항 차이를 이용하여 유량검출부의 바이패스(3)를 통과하는 전체 유량을 추산하게 된다.
한편, 중공부(11)를 통과한 유체는 유량조절부를 통과하면서 유량이 조절된다.
종래의 열식 질량유량계의 유량조절부는 유량검출부의 중공부(11)와 유출구(2) 사이에 유량조절용 밸브시트(8)를 포함한다. 밸브시트(8)의 상부에는 밸브디스크(7)가 구비되며, 질량유량계 제어부(미도시)의 전기적 신호에 따라 온오프 작동되는 솔레노이드(9)에 의해 밸브디스크(7)가 이동간(10)과 함께 상하로 이동하며 밸브시트(8)에 형성된 노즐구멍(미도시)을 단속적으로 막아 유량을 조절한다.
도 2에 종래의 질량유량계의 밸브시트(8)와 밸브디스크(7)를 좀 더 자세하게 도시하였다.
밸브디스크(7)가 밸브시트(8)의 노즐(14)과 접촉하는 영역에는 유량의 단속을 좀 더 엄밀하게 제어하고 내화학성을 높이기 위한 실링재로서 통상 테프론층(13)이 포함된다. 테프론층(13)은 불소수지의 일종으로 약간의 신축성을 구비하므로 노즐(14)과의 사이에 면접촉량을 증가시켜 유량의 통과여부를 좀 더 정확하게 제어한다.
유량조절 정확도를 높이기 위해 테프론층(13)과 노즐(14) 말단부 사이의 간격을 정밀하게 조정할 필요가 있는바, 테프론층(13)을 밸브디스크(7)의 하부 제어면과 일치시키는 것이 중요하다.
그러나 종래의 밸브디스크(7)에 포함되는 테프론층(13)은 면을 일치시켜 제작하는 데 상당한 시간과 노력이 소요된다는 문제점이 있다.
도 2에서 보는 바와 같이 통상 밸브디스크(7)의 요입부에 테프론 수지를 적당량으로 성형하고 일정한 온도에서 가열 소성하여 비활성의 단단한 테프론층(13)을 형성한 후에, 밸브디스크(7)의 하부 제어면과 일치하도록 마찰가공을 통해 제작하는 것이 일반적이나, 마찰가공을 하는 과정에서 장시간이 소요되고 정확히 밸브디스크(7)의 제어면과 일치시키는 것도 쉽지 않으며 마찰가공 중에 생기는 분쇄입자가 밸브디스크(7)와 테프론층(13) 사이에 잔존하다가 질량유량계를 조립하는 과정에서 타 정밀 부품에 스크래치를 일으키는 경우도 생긴다.
이에 따라, 일부 질량유량계 전문생산업체에서는 도 3에 도시한 바와 같이 테프론층(13)을 미리 기계가공 및 마찰가공한 후에 밸브디스크(7)의 요입부(15)에 끼우고 금속재질의 피팅링(16)으로 하부로부터 억지끼워맞춤하여 제작하는 방법을 제안하기도 하였다.
그러나, 도 3에 도시한 방법에 따라 제조된 밸브디스크(7)는 피팅링(16)으로 억지끼워맞춤 가공하는 과정에서 정밀하게 유지되어야 할 밸브디스크(7)의 제어면이 손상되는 문제점이 있으며, 테프론층(13)의 하단 제어면도 손상되어 불량이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 실링부재를 미리 기계가공하여 밸브디스크에 끼워 고정하되 밸브디스크 제어면의 타방으로부터 억지끼워맞춤된 압입식 밸브디스크를 제공함으로써 높은 정밀도로 질량유량계 유량조절부의 조절 성능을 향상시키고 적은 비용으로 쉽게 제조될 수 있도록 하고자 하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 유량제어밸브의 밸브디스크(50)에 있어서, 상기 밸브디스크(50)는 밸브디스크(50) 하부 제어면(130)의 타측에 실링안착홈(110)을 갖는 디스크본체(100); 및 상기 디스크본체(100)의 실링안착홈(110)에 강제 끼워맞춤되는 것으로 그 일부가 디스크본체(100)의 하부 제어면(130)까지 연장되는 실링부재(200)를 포함하는 것이 특징인 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크를 제공한다.
여기서, 상기 실링부재(200)는 고무, 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리스타이렌(polystyrene, PS), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET, 페트), 폴리아미드(polyamides, PA, 나일론), 폴리에스터(polyester, PES), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC), 폴리우레탄(polyurethanes, PU), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리염화비닐리덴(polyvinylidene chloride, PVDC, 사란) 중 어느 하나의 플라스틱 재질인 것이 바람직한다.
또한, 상기 실링부재(200)는 테프론 재질인 것이 바람직하다.
또한, 상기 실링부재(200)는 디스크본체(100)의 하부 제어면(130)까지 연장되는 실링돌기(220)를 포함하고, 상기 실링돌기(220)의 일단에는 실링면(230)이 형성되며, 상기 실링면(230)의 크기는 밸브시트(8)의 노즐(14) 접촉면보다는 큰 것이 유리하다.
이에 더해, 상기 실링돌기(220)는 밸브디스크(50)의 디스크본체(100)의 하부 제어면(130)보다 하방으로 더 돌출하여 형성되는 것이 더욱 유리하다.
한편, 상기 밸브디스크(50)는 실링부재(200)를 디스크본체(100)의 실링안착홈(110)에 강제 끼워맞춤하기 위한 것으로, 밸브디스크(50) 하부 제어면(130)의 타측에서 실링안착홈(110)에 끼워져 하부 제어면(130) 방향으로 상기 실링부재(200)를 밀착하여 지지하는 피팅부재(300)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이에 더해, 상기 피팅부재(300)는 금속재질의 원판으로 상기 실링안착홈(110)의 외주지름보다 그 치수가 크게 제작되어 일단 실링안착홈(110)에 강제로 끼워지면 빠짐이 방지되는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 실링안착홈(110)의 입구는 실링부재(200)는 저항 없이 끼워지되 상기 피팅부재(300)가 일단 억지로 끼워지면 빠짐이 더욱 방지될 수 있도록 밖으로 갈수록 각도를 갖고 점점 더 그 지름이 작아지도록 형성되는 것이 유리하다.
또한, 밸브디스크(50)는 상기 피팅부재(300)를 외부에서 감싸도록 디스크본체(100)에 연결되는 지지부재(400)를 더 포함하는 것이 유리하다.
본 발명은 또 다른 일면으로 앞서 기재한 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크를 포함하는 것이 특징인 질량유량계를 제공한다.
또한, 본 발명은 또 다른 일면으로 유량제어밸브의 밸브디스크(50)를 제작하는 방법에 있어서, 밸브디스크(50)로 사용할 디스크본체(100)를 실링안착홈(110)을 갖도록 가공하는 제1단계(S100); 실링부재(200)를 가공하되, 실링부재(200)의 실링돌기(220)가 밸브디스크(50)의 하부 제어면(130)까지 연장되도록 가공하는 제2단계(S200); 실링부재(200)를 디스크본체(100)의 실링안착홈(110)에 삽입하는 제3단계(S300); 및 피팅부재(300)를 디스크본체(100)의 실링안착홈(110)의 외부로부터 압입하여 실링부재(200)를 고정하는 제4단계(S400)를 포함하는 것이 특징인 유량제어밸브의 밸브디스크(50) 제작방법을 제공한다.
본 발명에서 제공하는 실링부재가 밸브디스크 제어면의 타방으로부터 억지끼워맞춤된 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크는 밸브디스크의 제어면이 밸브시트의 노즐과의 사이에서 정밀하게 고정되므로 엄밀한 유량조절이 가능하다는 장점이 있다.
본 발명에서 제공하는 압입식 밸브디스크는 미리 실링부재를 정밀하게 기계가공하여 조립하게 되므로 제작이 용이하고 적은 비용으로 빠르게 대량 생산할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에서 제공하는 압입식 밸브디스크는 밸브디스크 제어면의 타방에서 압입식으로 조립하므로 밸브디스크의 제어면을 손상시킬 염려가 없으며 그에 따라 불량률도 낮출 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에서 제공하는 압입식 밸브디스크를 채용하는 질량유량계는 낮은 유량 하에서도 정밀한 유량제어가 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 질량유량계의 구조를 설명하기 위한 측단면도
도 2는 종래의 질량유량계에 적용되는 유량조절부의 확대 측단면도
도 3은 종래의 압입식 밸브디스크를 나타내는 확대 측단면도
도 4는 본 발명의 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크를 나타내는 측단면도
도 5는 본 발명의 압입식 밸브디스크의 제작 과정을 나타내는 순서도
본 발명의 구체적 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
도 3은 종래의 압입식 밸브디스크를 나타내는 확대 측단면도이고, 도 4는 본 발명의 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크를 나타내는 측단면도이며, 도 5는 본 발명의 압입식 밸브디스크의 제작 과정을 나타내는 순서도이다.
종래 기술과 다르지 않은 부분으로서 발명의 기술적 사상을 이해하는데 필요하지 않은 사항은 설명에서 제외하나, 본 발명의 기술적 사상과 그 보호범위가 이에 제한되는 것은 아니다.
먼저 도 4를 이용하여 본 발명의 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크 구조를 자세히 설명한다.
본 발명의 질량유량계에 적용되는 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크(50)는 원판형으로 밸브디스크(50) 하부 제어면(130)의 타측에 실링안착홈(110)을 갖는 디스크본체(100); 상기 디스크본체(100)의 실링안착홈(110)에 강제 끼워맞춤되는 것으로 그 일부가 디스크본체(100)의 하부 제어면(130)까지 연장되는 실링부재(200)를 포함한다.
상기 실링부재(200)는 실링안착홈(110)에 강제 끼워맞춤될 수 있도록 미리 기계 또는 화학적인 가공을 통해 제작된다.
상기 실링부재(200)는 고무 또는 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리스타이렌(polystyrene, PS), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET, 페트), 폴리아미드(polyamides, PA, 나일론), 폴리에스터(polyester, PES), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC), 폴리우레탄(polyurethanes, PU), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리염화비닐리덴(polyvinylidene chloride, PVDC, 사란) 등의 플라스틱 재질일 수 있다.
특히, 상기 실링부재(200)는 공업용 특수 플라스틱으로서 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE) 즉, 테프론 재질일 수 있다.
본 발명의 질량유량계에 적용되는 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크(50)에서 상기 디스크본체(100)에는 도 4에 도시한 바와 같이 실링부재(200)의 일부가 디스크본체(100)의 하부 제어면(130)까지 연장되도록 실링부재(200)의 실링돌기(220)가 끼워지는 요입구(120)가 포함한다.
본 발명의 실링부재(200)는 디스크본체(100)의 실링안착홈(110)에 재치되는 실링본체(210)와 상기 디스크본체(100)의 요입구(120)에 끼워져 디스크본체(100)의 하부 제어면(130)까지 연장되는 실링돌기(220)를 포함한다.
상기 실링돌기(220)는 실링본체(210)보다는 지름이 작은 원기둥형 돌기로 하부에 형성되는 실링면(230)의 크기는 통상적인 밸브시트(8, 도 2 및 도 3 참조)의 노즐(14) 접촉면의 단면적보다는 크게 형성하는 것이 바람직하다.
상기 실링면(230)은 기계적 마찰 가공 또는 화학적 가공에 의해 충분한 편평도를 유지할 수 있도록 정밀하게 가공된다.
상기 실링돌기(220)는 도 4에 도시한 바와 같이 밸브디스크(50) 디스크본체(100)의 하부 제어면(130)보다 하방으로 더 돌출하여 형성될 수 있다.
본 발명의 질량유량계에 적용되는 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크(50)는 실링부재(200)를 디스크본체(100)의 실링안착홈(110)에 강제 끼워맞춤하기 위한 것으로, 밸브디스크(50) 하부 제어면(130)의 타측에서 실링안착홈(110)에 끼워져 하부 제어면(130) 방향으로 상기 실링부재(200)를 밀착하여 지지하는 피팅부재(300)를 포함한다.
상기 피팅부재(300)는 도 4에 도시한 바와 같이 상기 실링안착홈(110)의 외주지름보다 그 치수가 일정량 크게 제작되어 일단 실링안착홈(110)에 강제로 끼워지면 빠짐이 방지된다.
상기 피팅부재(300)는 금속재질의 원판일 수 있다.
상기 실링안착홈(110)의 입구는 실링부재(200)는 저항 없이 끼워지되 상기 피팅부재(300)가 일단 억지로 끼워지면 빠짐이 더욱 방지될 수 있도록 밖으로 갈수록 각도를 갖고 점점 더 그 지름이 작아지는 형식으로 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 질량유량계에 적용되는 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크(50)를 온오프 상하 이동시키기 위해 디스크본체(100)를 보유 지지하는 지지부재(400)가 더 포함된다.
상기 지지부재(400)는 상기 피팅부재(300)를 외부에서 감싸도록 디스크본체(100)에 연결되어 피팅부재(300)를 더욱 확고하게 고정한다.
상기 지지부재(400)는 디스크본체(100)를 보유 지지하기 위해 필요에 따라 디스크본체(100)와의 사이에 용접부(420)를 더 포함할 수 있다.
다음으로 도 5를 이용하여 본 발명의 질량유량계에 적용되는 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크(50)의 제작 방법을 자세히 설명한다.
먼저, 밸브디스크(50)로 사용할 디스크본체(100)를 가공한다(S100). 디스크본체(100)에는 실링부재((200)가 삽입되는 실링안착홈(110)을 형성하고, 실링부재(200)의 실링돌기(220)가 밸브디스크(50)의 하부 제어면(130)까지 연장되어 삽입되도록 요입구(120)를 형성한다.
요입구(120)의 지름은 실링돌기(220)가 무리 없이 끼어지도록 적당한 정도의 공차를 유지한다.
한편, 실링안착홈(110)의 지름은 실링부재(200)의 실링본체(210)가 압입되어 끼워지도록 하되, 만약 피팅부재(300)를 적용하는 경우라면 무리 없이 끼워지도록 적당한 정도의 지름을 유지한다. 피팅부재(300)가 적용되는 경우, 실링안착홈(110)의 입구는 밖으로 갈수록 각도를 갖고 점점 더 그 지름이 작아지도록 하는 것이 유리하다.
다음으로 실링부재(200)를 가공한다(S200). 실링부재(200)는 실링본체(210)와 실링돌기(220)를 갖도록 하되, 실링돌기(220)의 하부 말단부로 밸브시트(8)의 노즐(14)과 맞닿아 유량을 실질적으로 조절하는 실링면(230)은 정밀한 접촉이 가능하도록 정밀 가공한다.
다음으로 실링부재(200)를 디스크본체(100)에 삽입한다(S300). 피팅부재(300)를 적용하지 않는 경우에는 실링부재(200)를 디스크본체(100)에 조심스럽게 압입한다.
한편, 피팅부재(300)가 적용되는 경우라면 피팅부재(300)를 디스크본체(100)의 실링안착홈(110)의 외부로부터 압입하여 실링부재(200)를 고정한다(S400).
마지막으로 밸브디스크(50)를 질량유량계의 유량조절부에 마련된 지지부재(400)와 접합한다(S500). 필요에 따라 용접부(420)를 두어 엄밀한 고정이 되도록 한다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용 범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
50 : 밸브디스크 100 : 디스크본체
110 : 실링안착부 120 : 요입구
130 : 하부 제어면 200 : 실링부재
210 : 실링본체 220 : 실링돌기
230 : 실링면 300 : 피팅부재
400 : 지지부재 420 : 용접부

Claims (11)

  1. 유량제어밸브의 밸브디스크(50)에 있어서, 상기 밸브디스크(50)는 밸브디스크(50) 하부 제어면(130)의 타측에 실링안착홈(110)을 갖는 디스크본체(100); 및 상기 디스크본체(100)의 실링안착홈(110)에 강제 끼워맞춤되는 것으로 그 일부가 디스크본체(100)의 하부 제어면(130)까지 연장되는 실링부재(200)를 포함하고, 상기 밸브디스크(50)는 실링부재(200)를 디스크본체(100)의 실링안착홈(110)에 강제 끼워맞춤하기 위한 것으로, 밸브디스크(50) 하부 제어면(130)의 타측에서 실링안착홈(110)에 끼워져 하부 제어면(130) 방향으로 상기 실링부재(200)를 밀착하여 지지하는 피팅부재(300)를 더 포함하며, 상기 피팅부재(300)는 금속재질의 원판으로 상기 실링안착홈(110)의 외주지름보다 그 치수가 크게 제작되어 일단 실링안착홈(110)에 강제로 끼워지면 빠짐이 방지되는 것이 특징인 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 실링부재(200)는 고무, 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리스타이렌(polystyrene, PS), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET, 페트), 폴리아미드(polyamides, PA, 나일론), 폴리에스터(polyester, PES), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC), 폴리우레탄(polyurethanes, PU), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리염화비닐리덴(polyvinylidene chloride, PVDC, 사란) 중 어느 하나의 플라스틱 재질인 것이 특징인 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 실링부재(200)는 테프론 재질인 것이 특징인 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 실링부재(200)는 디스크본체(100)의 하부 제어면(130)까지 연장되는 실링돌기(220)를 포함하고, 상기 실링돌기(220)의 일단에는 실링면(230)이 형성되며, 상기 실링면(230)의 크기는 밸브시트(8)의 노즐(14) 접촉면보다는 큰 것이 특징인 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 실링돌기(220)는 밸브디스크(50)의 디스크본체(100)의 하부 제어면(130)보다 하방으로 더 돌출하여 형성되는 것이 특징인 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 실링안착홈(110)의 입구는 실링부재(200)는 저항 없이 끼워지되 상기 피팅부재(300)가 일단 억지로 끼워지면 빠짐이 더욱 방지될 수 있도록 밖으로 갈수록 각도를 갖고 점점 더 그 지름이 작아지도록 형성되는 것이 특징인 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크
  9. 제 1 항에 있어서, 밸브디스크(50)는 상기 피팅부재(300)를 외부에서 감싸도록 디스크본체(100)에 연결되는 지지부재(400)를 더 포함하는 것이 특징인 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크
  10. 제 1 항 내지 제 5 항, 제 8 항 또는 제 9 항 중 어느 하나의 항에 기재된 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크를 포함하는 것이 특징인 질량유량계
  11. 삭제
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