KR101749957B1 - 질량유량계 유량제어밸브의 노즐 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질량유량계에 적용되는 유량제어밸브의 노즐 구조에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 밸브디스크와 압착되어 유량을 실질적으로 조절하는 밸브시트의 노즐 구조를 개선함으로써 면압을 증가시켜 실링 성능이 향상되면서도 유량제어 응답성이 우수한 질량유량계 유량제어밸브의 노즐 구조에 관한 것이다.
본 발명은 밸브디스크(7)가 노즐(12)의 노즐면(14)에 단속적으로 압착되어 유량을 조절하는 질량유량계 유량제어밸브의 노즐 구조에 있어서, 상기 노즐(12)의 노즐면(14)에는 노즐홈(15)이 형성되어 밸브디스크(7)와 접하는 노즐면(14)이 제1노즐제어면(14a)과 제2노즐제어면(14b)으로 구분되는 것이 특징인 질량유량계 유량제어밸브의 노즐 구조를 제공한다.

Description

질량유량계 유량제어밸브의 노즐 구조{Nozzle structure of flow control valve}

본 발명은 질량유량계에 적용되는 유량제어밸브의 노즐 구조에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 밸브디스크와 압착되어 유량을 실질적으로 조절하는 밸브시트의 노즐 구조를 개선함으로써 면압을 증가시켜 실링 성능이 향상되면서도 유량제어 응답성이 우수한 질량유량계 유량제어밸브의 노즐 구조에 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 2(a)에 종래의 질량유량계의 밸브시트(8)와 밸브디스크(7)를 좀 더 자세하게 도시하였다.

밸브디스크(7)가 밸브시트(8)의 노즐(12)과 접촉하는 영역에는 유량의 단속을 좀 더 엄밀하게 제어하고 내화학성을 높이기 위한 실링재로서 통상 고무 또는 테프론층(13)이 포함된다. 테프론층(13)은 불소수지의 일종으로 약간의 신축성을 구비하므로 노즐(12)과의 사이에 면접촉량을 증가시켜 유량의 통과여부를 좀 더 정확하게 제어한다.

유량제어 정확도는 실질적으로 밸브디스크(7)가 노즐(12) 방향으로 밀어서 발생하는 면압에 의해 영향을 받는데, 면압이 F/A(여기서 F는 밸브디스크(7)가 노즐을 미는 힘이며 A는 노즐면(14)의 면적을 나타낸다)로 정의되므로, 도 2(b)에 보인 바와 같이 노즐면(14) A가 작으면 작을수록 면압이 증가해 실링 성능이 향상되고 유량제어가 훨씬 유리하게 된다.

이에 따라, 질량유량계 제조업체에서는 면압 증가를 위해 노즐면(14)의 면적을 극도로 작게 설정하기도 하나, 너무 작아지면 가공이 어렵고 잘 마모될 뿐만 아니라 고무 또는 테프론층(13)이 작은 노즐면(14)으로 인해 과도하게 변형되어 오히려 일정 사용 시간 후에는 유량제어 성능이 급격히 떨어지는 문제가 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 밸브디스크와 압착되는 밸브시트의 노즐면을 줄여 면압을 높이면서도 가공성은 우수하고 밸브디스크의 테프론층도 적게 변형시키는 유량제어밸브의 노즐 구조를 제공함으로써 유량제어밸브의 실링 성능과 제어 응답성을 향상시키고자 하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 밸브디스크(7)가 노즐(12)의 노즐면(14)에 단속적으로 압착되어 유량을 조절하는 질량유량계 유량제어밸브의 노즐 구조에 있어서, 상기 노즐(12)의 노즐면(14)에는 노즐홈(15)이 형성되어 밸브디스크(7)와 접하는 노즐면(14)이 제1노즐제어면(14a)과 제2노즐제어면(14b)으로 구분되는 것이 특징인 질량유량계 유량제어밸브의 노즐 구조를 제공한다.

여기서, 상기 밸브디스크(7)의 압착을 위한 하면에 형성되는 테프론층(13)의 최 외곽은 테프론층(13)이 노즐면(14)에 접할 때 상기 노즐홈(15)에 대응하여 접하도록 정해지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 노즐면(14) 중 노즐홈(15)으로 구분되어 바깥쪽에 위치하는 제2노즐제어면(14b)의 높이가 안쪽에 위치하는 제1노즐제어면(14a)보다 낮은 것이 바람직하다.

또한, 상기 노즐면(14) 중 노즐홈(15)으로 구분되어 안쪽에 위치하는 제1노즐제어면(14b)이 바깥쪽으로 갈수록 낮아지는 경사각(B)을 갖도록 형성되는 것이 유리하다.

또 다른 일측면으로 본 발명은 위에 기재된 어느 하나의 노즐구조를 갖는 유량제어밸브를 포함하는 것이 특징인 질량유량계를 제공한다.

본 발명에서 제공하는 유량제어밸브의 노즐 구조는 노즐면의 면적이 종전보다 작아 면압이 증가하므로 실링 성능이 우수할 뿐만 아니라 제어 응답성도 뛰어나다는 장점이 있다.

본 발명에서 제공하는 유량제어밸브의 노즐 구조는 과도한 마모를 방지할 수 있는 구조를 채택하고 있으므로 가공하기도 쉬울 뿐만 아니라 장기간 사용하더라도 실링 성능이 그대로 유지된다는 장점이 있다.

본 발명에서 유량제어밸브의 노즐 구조는 노즐과 접촉하는 밸브디스크의 고무 또는 테프론층을 크게 변형시키지 않는 구조로 되어 있어 밸브디스크의 유지보수가 특별히 필요하지 않다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 질량유량계의 구조를 설명하기 위한 측단면도
도 2는 종래의 질량유량계 유량제어밸브 구조를 설명하기 위한 측단면도
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 질량유량계 유량제어밸브의 노즐 구조를 나타내는 측단면도
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 질량유량계 유량제어밸브의 노즐 구조를 나타내는 측단면도
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 질량유량계 유량제어밸브의 노즐 구조를 나타내는 측단면도

본 발명의 구체적 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 자세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 질량유량계 유량제어밸브의 노즐 구조를 나타내는 측단면도이고, 도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 질량유량계 유량제어밸브의 노즐 구조를 나타내는 측단면도이며, 도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 질량유량계 유량제어밸브의 노즐 구조를 나타내는 측단면도이다.

종래 기술과 다르지 않은 부분으로서 발명의 기술적 사상을 이해하는데 필요하지 않은 사항은 설명에서 제외하나, 본 발명의 기술적 사상과 그 보호범위가 이에 제한되는 것은 아니다.

(제1실시예)

먼저 도 3를 이용하여 본 발명의 제1실시예에 따른 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크 구조를 자세히 설명한다.

본 발명의 질량유량계 유량제어밸브의 노즐 구조는 밸브디스크(7)가 노즐(12)의 노즐면(14)에 단속적으로 압착되어 유량을 조절하는 노즐 구조에 있어서, 상기 노즐면(14)에는 노즐홈(15)이 포함되어 밸브디스크(7)와 접하는 노즐면(14)이 제1노즐제어면(14a)과 제2노즐제어면(14b)으로 구분되는 것이 특징이다.

상기 노즐면(14)은 중앙에 유체가 통과하는 노즐구멍(16)을 포함하는 원판 형상이므로 상기 노즐홈(15)을 노즐면(14)의 원주방향을 따라 형성하면, 제1노즐제어면(14a) 및 제2노즐제어면(14b) 또한 원판 형태가 된다.

노즐홈(15)은 도 3에서 보는 바와 같이 단면이 원호형으로 오목한 홈인 것이 가공에 유리하다.

본 발명의 제1실시예에서 상기 밸브디스크(7)에 형성되는 테프론층(13)의 최 외곽은 도 3에 도시한 바와 같이 테프론층(13)이 노즐면(14)에 접할 때 노즐홈(15)에 대응하여 접하도록 정해지는 것이 바람직하다.

본 발명의 제1실시예에서 노즐면(14)에 노즐홈(15)이 형성됨에 따라 노즐 면적이 자연스럽게 작아지므로 면압이 증가하여 실링 성능이 증가하며 유량제어 응답성 또한 커지게 된다.

본 발명의 제1실시예에서는 노즐홈(15)을 형성하는 것만으로 노즐면(14)의 면적을 줄일 수 있으므로 과도하게 노즐면(14) 자체를 작게 하는 종전의 제작 방식에 비해 훨씬 작업성이 좋고, 오래 사용해도 노즐면(14)의 마모가 적다는 장점이 생긴다.

또한, 본 발명의 제1실시예에서는 밸브디스크(7)의 테프론층(13) 최 외곽이 노즐홈(15)에 대응하여 접하게 되므로, 제1노즐제어면(14a)은 테프론층(13)과 접하여 유량을 정밀하게 제어하고, 제2노즐제어면(14b)은 밸브디스크(7)의 외측 하면과 접하여 밸브디스크(7)가 일정량 이상 아래로 이동하는 것을 방지하게 된다.

이에 따라, 테프론층(13)이 과도하게 변형되는 것을 방지할 수 있어 내구성이 증대되며 또한, 제2노즐제어면(14b)에 의해 한 번 더 막아 주는 이중 폐쇄가 가능해진다.

(제2실시예)

다음으로 도 4를 이용하여 본 발명의 제2실시예에 따른 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크 구조를 자세히 설명한다.

본 발명의 제2실시예는 제1실시예와 밸브디스크(7) 및 노즐(12) 구조는 기본적으로 같으나, 노즐면(14) 중 노즐홈(15)으로 분리되어 바깥쪽에 위치하는 제2노즐제어면(14b)의 높이가 안쪽에 위치하는 제1노즐제어면(14a)보다 낮은 것이 특징이다.

상기 제1노즐제어면(14a)와 제2노즐제어면(14b)간의 단차(G)는 0.1mm 이내인 것이 바람직하다.

제2노즐제어면(14b)이 제1노즐제어면(14a)보다 낮아짐에 따라 밸브디스크(7)가 유량을 단속하기 위해 하방으로 이동하면 테프론층(13)이 먼저 제1노즐제어면(14a)과 맞닿아 노즐구멍(16)이 폐색되고 밸브디스크(7)가 하방으로 조금 더 이동한 후에 밸브디스크(7)의 외측 하면이 제2노즐제어면(14b)과 맞닿아 비로소 밸브디스크(7)의 이동이 멈춘다.

이런 기작은 테프론층(13)의 탄성에서 비롯되는 것으로 제2실시예와 같이 구성함에 따라 실링 성능이 좀 더 향상되고, 장기간의 사용에 의해 제1노즐제어면(14a)이 마모되더라도 유량제어 성능이 지속적으로 유지되는 효과를 갖는다.

(제3실시예)

다음으로 도 5를 이용하여 본 발명의 제3실시예에 따른 유량제어밸브의 압입식 밸브디스크 구조를 자세히 설명한다.

본 발명의 제3실시예는 제1실시예와 밸브디스크(7) 및 노즐(12) 구조는 기본적으로 같으나, 노즐면(14) 중 노즐홈(15)으로 분리되어 안쪽에 위치하는 제1노즐제어면(14b)이 바깥쪽으로 갈수록 낮아지는 경사각(B)을 갖도록 형성되는 것이 특징이다.

상기 경사각(B)은 제1노즐제어면(14a)의 가장 높은 부분이 제2노즐제어면(14b)보다는 높도록 정해지면 충분하다.

제1노즐제어면(14a)이 경사를 가짐에 따라 밸브디스크(7)가 유량을 단속하기 위해 하방으로 이동하면 테프론층(13)이 제1노즐제어면(14a)의 가장 높은 부분과 먼저 맞닿아 노즐구멍(16)이 폐색되고, 밸브디스크(7)가 하방으로 조금 더 이동한 후에 밸브디스크(7)의 외측 하면이 제2노즐제어면(14b)과 맞닿아 비로소 밸브디스크(7)의 이동이 멈춘다.

제2실시예와 같이 제1노즐제어면(14a)의 경사와 테프론층(13)의 탄성에 의해 점진적으로 유량의 단속이 일어남에 따라 실링 성능이 향상되고, 장기간 사용하여 제1노즐제어면(14a)의 일부가 마모되더라도 유량제어가 지속적으로 가능하다는 장점이 있다.

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.

7 : 밸브디스크 12 : 노즐
13 : 테프론층 14 : 노즐면
14a : 제1노즐제어면 14b : 제2노즐제어면
15 : 노즐홀 16 : 노즐 구멍

Claims (5)

1. 밸브디스크(7)가 노즐(12)의 노즐면(14)에 단속적으로 압착되어 유량을 조절하는 질량유량계 유량제어밸브의 노즐 구조에 있어서,
   상기 노즐(12)의 노즐면(14)에는 노즐홈(15)이 형성되어 밸브디스크(7)와 접하는 노즐면(14)이 제1노즐제어면(14a)과 제2노즐제어면(14b)으로 구분되고, 상기 밸브디스크(7)의 압착을 위한 하면에 형성되는 테프론층(13)의 최 외곽은 테프론층(13)이 노즐면(14)에 접할 때 상기 노즐홈(15)에 대응하여 접하도록 정해지며, 상기 노즐면(14) 중 노즐홈(15)으로 구분되어 바깥쪽에 위치하는 제2노즐제어면(14b)의 높이가 안쪽에 위치하는 제1노즐제어면(14a)보다 낮은 것이 특징인 질량유량계 유량제어밸브의 노즐 구조
   
2. 삭제
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4. 밸브디스크(7)가 노즐(12)의 노즐면(14)에 단속적으로 압착되어 유량을 조절하는 질량유량계 유량제어밸브의 노즐 구조에 있어서,
   상기 노즐(12)의 노즐면(14)에는 노즐홈(15)이 형성되어 밸브디스크(7)와 접하는 노즐면(14)이 제1노즐제어면(14a)과 제2노즐제어면(14b)으로 구분되고, 상기 밸브디스크(7)의 압착을 위한 하면에 형성되는 테프론층(13)의 최 외곽은 테프론층(13)이 노즐면(14)에 접할 때 상기 노즐홈(15)에 대응하여 접하도록 정해지며, 상기 노즐면(14) 중 노즐홈(15)으로 구분되어 안쪽에 위치하는 제1노즐제어면(14a)이 바깥쪽으로 갈수록 낮아지는 경사각(B)을 갖도록 형성되는 것이 특징인 질량유량계 유량제어밸브의 노즐 구조
   
5. 제 1 항 또는 제 4 항에 기재된 노즐구조를 갖는 유량제어밸브를 포함하는 것이 특징인 질량유량계.

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