KR101940323B1

KR101940323B1 - 유체 제어 밸브

Info

Publication number: KR101940323B1
Application number: KR1020120093697A
Authority: KR
Inventors: 시게유키 하야시
Original assignee: 가부시키가이샤 호리바 에스텍
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2019-01-18
Also published as: US20130048898A1; CN102966741B; US9371930B2; JP5947505B2; CN102966741A; KR20130024806A; JP2013050158A

Abstract

[과제] 유체 제어 밸브를 통과하는 유체의 오염(contamination)을 방지함과 아울러, 밸브체가 이동 방향에 대해서 경사지거나 진동하거나 하는 것을 방지한다.
[해결 수단] 밸브실(52) 내에 해당 밸브실(52)의 내면에 소정의 간격을 두고 배치됨과 아울러, 상기 밸브실(52) 내에 마련된 밸브 시트(4)에 접촉 분리 가능하게 마련된 밸브체(6)와, 밸브체(6)를 밸브 개방 방향으로 가압하는 액추에이터(7)와, 밸브체(6)를 밸브 폐쇄 방향으로 가압하는 밸브체 리턴 스프링(8)과, 밸브체(6)의 개폐 방향에 대한 경사를 해소하는 방향을 향해 밸브체(6)를 가압하는 경사 억제 스프링(9)을 구비한다.

Description

유체 제어 밸브{FLUID CONTROL VALVE}

본 발명은, 예를 들면 가스의 유량을 제어하는 매스 플로우 컨트롤러 등에 이용되는 유체 제어 밸브에 관한 것이다.

유체 제어 밸브란, 상류측 유로와 하류측 유로와의 사이에 개재하여 이들에 흐르는 유체의 유량을 제어하거나, 개폐하거나 하는 것이다. 예를 들면, 반도체 프로세스에 이용되는 가스의 유량을 제어하는 유체 제어 밸브로서, 특허 문헌 1에 나타내는 바와 같은 구성의 것이 알려져 있다.

예를 들면 노멀 클로즈 타입(normal close type)의 유체 제어 밸브는, 특허 문헌 1의 도 7에 나타내는 바와 같이, 바디(body)에 형성된 밸브실 내에 배치됨과 아울러, 해당 밸브실 내에 마련된 밸브 시트에 접촉 분리 가능하게 마련된 밸브체와, 이 밸브체를 밸브 개방 방향으로 가압하는 액추에이터와, 상기 밸브체를 밸브 폐쇄 방향으로 가압하는 밸브체 리턴 스프링을 가지고 있다.

그리고 이 유체 제어 밸브는, 유체의 오염(contamination)을 막기 위해서, 밸브체와 해당 밸브체의 측면을 포위하는 포위면과의 사이에 틈을 형성하여, 윤활유를 불필요로 할 뿐만 아니라, 밸브체와 포위면이 마모하지 않는 구성으로 하고 있다.

[특허 문헌 1] 일본특허공개 2010－230159호 공보

그렇지만, 밸브체와 포위면과의 사이에 틈이 있기 때문에, 유체로부터 받는 압력 영향 등에 의해, 밸브체가 개폐 동작 중에 그 개폐 방향에 대해서 경사져, 또는 밸브체가 진동하여, 액추에이터에 의해 조정한 밸브 개도에 오차가 발생한다고 하는 문제가 있다. 또, 밸브체가 진동함으로써, 해당 밸브체와 주변 부재가 접촉하여 진동음이 발생하고, 주변 부재와의 접촉에 의해 밸브체 또는 주변 부재가 마모 또는 파손해 버린다는 문제가 있다.

이에 본 발명은, 상기 문제점을 일거(一擧)에 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 유체 제어 밸브를 통과하는 유체의 오염(contamination)을 방지함과 아울러, 밸브체가 이동 방향에 대해서 경사지거나 진동하거나 하는 것을 방지하는 것을 그 주된 소기(所期) 과제로 하는 것이다.

즉, 본 발명에 관한 유체 제어 밸브는, 상류측 유로로부터의 유체를 제어하여 하류측 유로로 유출시키는 유체 제어 밸브로서, 밸브실 내에 해당 밸브실의 내면에 소정의 간격을 두고 배치됨과 아울러, 상기 밸브실 내에 마련된 밸브 시트에 접촉 분리 가능하게 마련된 밸브체와, 상기 밸브체를 밸브 개방 방향으로 가압하는 액추에이터와, 상기 밸브체를 밸브 폐쇄 방향으로 가압하는 밸브체 리턴 스프링과, 상기 밸브체의 개폐 방향에 대한 경사를 해소하는 방향을 향해 상기 밸브체를 가압하는 경사 억제 스프링을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관한 유량 제어 밸브는, 상류측 유로로부터의 유체를 제어하여 하류측 유로로 유출시키는 유체 제어 밸브로서, 밸브실 내에 해당 밸브실의 내면에 소정의 간격을 두고 배치됨과 아울러, 상기 밸브실 내에 마련된 밸브 시트에 접촉 분리 가능하게 마련된 밸브체와, 상기 밸브체를 밸브 폐쇄 방향으로 가압하는 액추에이터와, 상기 밸브체를 밸브 개방 방향으로 가압하는 밸브체 리턴 스프링과, 상기 밸브체의 개폐 방향에 대한 경사를 해소하는 방향을 향해 상기 밸브체를 가압하는 경사 억제 스프링을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 것이면, 경사 억제 스프링에 의해, 밸브체의 개폐 방향에 대한 경사를 해소하는 방향으로 가압하고 있으므로, 밸브체의 경사를 억제할 수 있고, 유체로부터 받는 압력 영향에 의해 발생하는 밸브체의 경사 또는 이 경사의 반동에 의해 반대측으로 경사진다고 하는 반복 동작에 의해서 발생하는 진동을 방지할 수 있다. 이것에 의해, 개폐 동작 중의 밸브체의 자세를 일정하게 유지할 수 있고, 액추에이터에 의해 조정된 밸브 개도의 오차를 저감할 수 있다. 또, 밸브체의 진동을 방지할 수 있으므로, 주변 부재와의 접촉에 의해 발생하는 이음(異音)이나 밸브체 또는 주변 부재의 마모나 파손을 막을 수 있다. 게다가, 밸브체 리턴 스프링과 경사 억제 스프링을 별체(別體)로서 마련하고 있으므로, 각 스프링의 고유 기능을 충분히 발휘할 수 있도록, 밸브체 리턴 스프링의 스프링 정수 및 경사 억제 스프링의 스프링 정수를 개별적으로 설계할 수 있다. 게다가, 밸브체 리턴 스프링 및 경사 억제 스프링을 이용함으로써 고유 진동수를 크게 할 수 있으므로, 밸브체의 공진을 막을 수 있다. 또, 밸브체가 밸브실을 형성하는 내면으로부터 소정의 간격을 두고 배치되어 있기 때문에, 밸브체와 밸브실과의 슬라이드에 의해 발생하는 마모 가루나 윤활유에 의한 유체에의 오염의 걱정도 없다.

경사 억제 스프링의 구체적인 실시 형태로서는, 상기 경사 억제 스프링이, 상기 밸브체측 또는 상기 밸브실의 내면측의 일방에 접촉하여 마련되는 고리 모양을 이루는 본체부와, 상기 본체부로부터 연장함과 아울러 상기 밸브체측 또는 상기 밸브실의 내면측의 타방에 접촉하여 마련되는 복수의 돌출부를 가지는 것이 바람직하다. 이것이라면, 경사 억제 스프링이 복수의 돌출부를 가지기 때문에, 각 돌출부를 탄성 변형하기 쉽게 하여 스프링 정수를 작게 할 수 있다. 또, 밸브체가 개폐 방향에 대해서 어느 방향으로 경사졌다 해도, 어느 하나의 돌출부가 밸브체에 대해서 가압력을 작용시킬 수 있어, 밸브체의 경사를 억제할 수 있다. 게다가, 고리 모양의 본체부 및 복수의 돌출부가 일체로 되어 있어, 부품수를 삭감할 수 있을 뿐만 아니라, 조립 공정수를 삭감할 수도 있다.

여기서 상기 복수의 돌출부가, 서로 동일 형상을 이루는 것이며, 둘레 방향으로 등간격으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이것이라면, 밸브체가 개폐 방향에 대해서 경사하고 있지 않은 상태에서, 각 돌출부로부터 밸브체에 부여하는 가압력을 균일하게 할 수 있다. 즉 밸브체가 경사진 경우에, 그 경사 방향에 있는 돌출부가 그 외의 돌출부 보다도 크게 탄성 변형하여, 밸브체에는, 경사를 해소하는 방향에 의해 보다 큰 가압력이 작용하게 되어, 경사가 해소된다.

밸브체 리턴 스프링에 의해 밸브체를 액추에이터에 의해 이동되기 전의 상태로 확실히 되돌리기 쉽게 함과 아울러, 경사 억제 스프링에 의해 밸브체에 작용하는 모멘트를 크게 하여 밸브체의 경사를 효율 좋게 해소하기 위해서는, 상기 밸브체 리턴 스프링이, 상기 밸브체의 중심축쪽의 중앙측으로 가압력을 작용시키는 것이며, 상기 경사 억제 스프링이, 상기 밸브체의 중심축으로 대해 상기 중앙측 보다도 외측의 주변측으로 가압력을 작용시키는 것이 바람직하다. 여기서 경사 억제 스프링에 의해 밸브체에 작용하는 모멘트를 가급적 크게 하기 위해서는, 상기 경사 억제 스프링이, 상기 밸브체의 최대 외경(外徑)을 가지는 부분의 외주부(外周部) 또는 그 근방에 가압력을 작용시키는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성한 본 발명에 의하면, 유체 제어 밸브를 통과하는 유체의 오염을 방지함과 아울러, 유체 제어 밸브의 밸브 개도를 정밀도 좋게 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 밸브체의 진동 등에 의해 발생하는 이음이나 밸브체와 주변 부재와의 접촉에 의해 발생하는 밸브체 등의 파손을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에서의 매스 플로우 컨트롤러의 전체 단면도.
도 2는 제1 실시 형태에서의 유체 제어 밸브의 단면도.
도 3은 제1 실시 형태에서의 밸브체 리턴 스프링의 평면도.
도 4는 제1 실시 형태에서의 경사 억제 스프링의 평면도.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에서의 유체 제어 밸브의 단면도.
도 6은 밸브 시트 부재를 착석면으로부터 본 평면도.

이하에, 본 발명에 관한 유체 제어 밸브의 일 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다.

＜제1 실시 형태＞

이하에, 본 발명에 관한 유체 제어 밸브를 편입시킨 매스 플로우 컨트롤러(100)의 일 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다.

본 실시 형태의 매스 플로우 컨트롤러(100)는, 반도체 제조 장치에 이용되는 것으로, 도 1에 나타내는 바와 같이, 측정 대상이 되는 예를 들면 반도체 프로세스에 이용되는 가스 등의 유체가 흐르는 유로(51)를 형성한 바디(body, 5)와, 이 바디(5)의 유로(51)를 흐르는 유체의 유량을 센싱하는 유량 검지 기구(2)와, 상기 유로(51)를 흐르는 유체의 유량을 제어하는 유체 제어 밸브(3)와, 상기 유량 검지 기구(2)가 출력하는 측정 유량을 미리 정한 설정 유량에 접근할 수 있도록 유체 제어 밸브(3)의 밸브 개도를 제어하는 제어부(도시하지 않음)를 구비한다. 이하에 각 부를 상술한다.

상기 바디(5)는, 상술한 유로(51)가 관통하는 블록 모양을 이루며, 해당 유로(51)의 상류단이, 상류측 포트(5A)로서 외부 유입 배관(도시하지 않음)에 접속됨과 아울러, 하류단이 하류측 포트(5B)로서 외부 유출 배관(도시하지 않음)에 접속되어 있다.

유량 검지 기구(2)로서는, 열식(熱式), 코리올리(Coriolis)식이나 초음파식 등 여러 가지 고려되지만, 여기에서는, 이른바 열식 유량 검지 기구를 채용하고 있다. 이 열식 유량 검지 기구(2)는, 상기 유로(51)를 흐르는 유체 중 소정 비율의 유체가 안내되도록 해당 유로(51)와 병렬 접속한 세관(細管, 21)과, 이 세관(21)에 마련한 히터(24) 및 그 전후에 마련한 한 쌍의 온도 센서(22, 23)를 구비한 것이다. 그리고, 상기 세관(21)에 유체가 흐르면, 두 개의 온도 센서(22, 23)의 사이에 그 질량 유량에 대응한 온도차가 발생하기 때문에, 이 온도차에 근거하여 유량을 측정하도록 구성하고 있다.

이 실시 형태에서는, 상기 세관(21), 히터(24), 온도 센서(22, 23) 및 그 주변의 전기 회로를 수용하는 길이가 긴 모양의 케이스(25)를 마련하는 한편, 바디(5)의 유로(51)로부터 한 쌍의 분기 유로(2a, 2b)를 마련하고, 이 케이스(25)를 상기 바디(5)에 장착하는 것에 의해서, 상기 세관(21)의 도입구(導入口)가 상류측 분기 유로(2a)에 접속되고, 해당 세관(21)의 도출구(導出口)가 하류측 분기 유로(2b)에 접속되도록 구성하고 있다. 또한, 유량 센서는 이 방식에 한정되는 것은 아니다.

유체 제어 밸브(3)는, 상기 유로(51) 상에 마련된 노멀 클로즈 타입의 것으로, 상기 바디(5) 내에 수용된 한 쌍의 밸브 부재인 밸브 시트 부재(4) 및 밸브체 부재(6)와, 상기 밸브체 부재(6)를 구동하여 밸브 개도, 즉 밸브 시트 부재(4)와 밸브체 부재(6)와의 이간(離間) 거리를 설정하는 액추에이터(7)를 구비한 것이다.

밸브 시트 부재(4)는, 밸브 시트가 되는 것이며, 도 2에 나타내는 바와 같이, 그 하면을 밸브 시트면(4a)으로 함과 아울러, 하면측을 소경(小徑), 상면측을 대경(大徑)으로 한 2단 원기둥 형상을 이루고, 그 내부에는, 일단이 밸브 시트면(4a)에 개구하고, 타단이 측둘레면에 개구하는 복수의 내부 유로(41)가 형성되어 있다. 이들 복수의 내부 유로(41)의 밸브 시트면(4a)에서의 개구는 동심원 모양으로 형성되어 있다.

이 밸브 시트 부재(4)는, 바디(5)에 마련한 원기둥 모양의 오목부(52)에 끼워 넣어져 있다. 이 오목부(52)는, 바디(5)의 유로(51)를 분단하도록 배치되어 있으며, 이 오목부(52)에 의해서 분단된 유로(51) 중, 상류측의 유로(이하, 상류측 유로라고도 말함, 51(A))가, 예를 들면 해당 오목부(52)의 저면에 개구하고, 이 오목부(52)보다 하류측의 유로(이하, 하류측 유로라고도 말함, 51(B))가, 예를 들면 이 오목부(52)의 측면에 개구하도록 구성되어 있다. 또한, 이 오목부(52)는, 밸브 시트가 되는 밸브 시트 부재(4) 및 후술하는 밸브체가 되는 밸브체 부재(6)가 배치되는 밸브실을 형성한다.

그리고, 밸브 시트 부재(4)를 오목부(52)에 끼워 넣은 상태에서는, 해당 밸브 시트 부재(4)의 대경 부분이 오목부(52)의 내측 둘레면에 대략 틈새 없이 끼워 맞추어지는 한편, 밸브 시트 부재(4)의 소경 부분은 오목부(52)의 내측 둘레면과의 사이에 틈새가 형성되고, 바디(5)의 하류측 유로(51(B))가 상기 내부 유로(41)에 오목부(52)의 측둘레면을 통하여 연통하게 된다.

밸브체 부재(6)는, 밸브체가 되는 것이며, 바디(5)의 오목부(52)에서 상기 밸브 시트 부재(4)에 대향 배치됨과 아울러, 오목부(52)의 내측 둘레면에 접촉하지 않고 해당 내측 둘레면으로부터 소정의 간격을 두고 배치되고, 그 상면이 착석면(着席面, 6a)으로 된 개략 원판(圓板) 모양을 이룬다. 그리고, 밸브체 부재(6)의 내부에는, 일단이 하면에 개구하고, 타단이 착석면(6a)에 개구하는 복수의 내부 유로(61)가 형성되어 있다. 이들 복수의 내부 유로(61)의 착석면(6a)에서의 개구는 동심원 모양으로 형성됨과 아울러, 전술한 복수의 내부 유로(41)의 밸브 시트면(4a)에서의 개구와는 서로 겹치지 않도록 형성되어 있다.

그리고, 이 밸브체 부재(6)는, 액추에이터(구동부, 7)에 의해 구동력을 받아 가압되어, 밸브 시트 부재(4)에 접촉하여 상류측 유로(51(A)) 및 하류측 유로(51(B))를 차단하는 폐쇄 상태로부터, 밸브 시트 부재(4)로부터 이간하여 상류측 유로(51(A)) 및 하류측 유로(51(B))를 연통시키는 개방 상태로 이동한다. 이와 같이 폐쇄 상태로부터 개방 상태를 향하는 방향, 즉, 밸브체 부재(6)에 대한 액추에이터(7)의 구동력의 작용 방향이 밸브 개방 방향이다. 한편, 개방 상태로부터 폐쇄 상태를 향하는 방향, 즉, 밸브체 부재(6)에 대한 액추에이터(7)의 구동력의 작용 방향과는 반대 방향이 밸브 폐쇄 방향이다.

액추에이터(7)는, 예를 들면, 피에조(piezo) 소자를 복수매 적층하여 형성되는 피에조스택(piezostack, 71)과, 해당 피에조스택의 신장에 의해 변위하는 작동체(72)를 구비한 것이다. 이 피에조스택(71)은, 상기 케이싱 부재(74) 내에 수용되어 있으며, 그 선단부가 중간 접속 부재(73)를 통하여 작동체(72)에 접속되어 있다. 본 실시 형태의 작동체(72)는, 다이어프램 부재(721)와, 해당 다이어프램 부재(721)의 중심에 마련되어, 상기 밸브 시트 부재(4)의 중심을 관통하여 밸브체 부재(6)에 맞닿는 접속봉(722)을 가진다. 그리고, 일정 전압이 인가되는 것에 의해서 피에조스택(71)이 신장함으로써 작동체(72)가 밸브체 부재(6)를 밸브 개방 방향으로 가압하여, 밸브 시트면(4a)이 착석면(6a)으로부터 이간하여 개방 상태가 된다. 또, 일정 전압을 하회(下回)하는 전압이면, 그 전압값에 대응한 거리만큼 밸브 시트면(4a)과 착석면(6a)이 이간한다. 그리고, 이 틈새를 통해서 상류측 유로(51(A))와 하류측 유로(B)가 연통한다.

또, 밸브체 부재(6)에는, 해당 밸브체 부재(6)를 밸브 폐쇄 방향으로 가압하는 밸브체 리턴 스프링(8)이 접촉하여 마련되어 있다. 이 밸브체 리턴 스프링(8)에 의해, 액추에이터(7)에 전압을 인가하지 않은 노멀 상태에서는, 밸브체 부재(6)가 폐쇄 상태로 된다.

이 밸브체 리턴 스프링(8)은, 바디(5)의 오목부(52) 내에 수용된 스프링 가이드 부재(10)에 지지되는 판 스프링이며, 도 3에 나타내는 바와 같이, 스프링 가이드 부재(10)에 접촉하여 마련되는 외측 고리부(81)와, 밸브체 부재(6)에 접촉하여 마련되는 내측 고리부(82)와, 상기 외측 고리부(81) 및 상기 내측 고리부(82)를 연결하는 복수의 스프링 요소부(83)를 가진다. 이들 복수의 스프링 요소부(83)는, 둘레 방향에서 등간격으로 배치됨과 아울러, 스프링 요소부(83)의 길이를 가급적 크게 취하기 때문에, 각 스프링 요소부(83)의 외측 고리측 접속 부분과 내측 고리측 접속 부분이 둘레 방향에서 다른 위치가 되도록 지름 방향으로 만곡(灣曲)한 구성으로 하고 있다. 또한, 밸브체 리턴 스프링(8)은, 밸브체 부재(6)를 가압하는 것이면 판 스프링 이외의 탄성체를 이용해도 좋다. 탄성체는 밸브체 부재(6)를 직접적 또는 간접적으로 가압해도 좋다.

스프링 가이드 부재(10)는, 상기 오목부(52) 내에 스프링(8)을 지지하기 위한, 단면이 오목형인 개략 회전체 형상을 이루며, 그 저벽(底壁)에는, 오목부(52)의 저면에 개구하는 상류측 유로(51(A))에 연통하는 개구부(10x)가 형성됨과 아울러, 그 측둘레벽의 상단부가 밸브 시트 부재(4)의 주연부(周緣部)에 접촉한다. 그리고, 그 내측 둘레면에 상기 밸브체 리턴 스프링(8)이 마련되어 있다. 이와 같이 본 실시 형태에서는, 밸브 시트 부재(4) 및 스프링 가이드 부재(10)에 의해 형성되는 공간 내에 밸브체 부재(6)가 수용되는 구성으로 하고 있다. 또, 밸브체 부재(6)는, 스프링 가이드 부재(10)의 내측 둘레면으로부터 소정의 간격을 두고 배치되어 있으며, 밸브체 부재(6)의 외측 둘레면은, 해당 외측 둘레면에 대향하는 스프링 가이드 부재(10)의 내측 둘레면으로부터 이간하고 있다.

게다가 본 실시 형태의 유체 제어 밸브(3)는, 밸브체 부재(6)의 개폐 방향에 대한 경사를 해소하는 방향을 향해 밸브체 부재(6)를 가압하여, 밸브체 부재(6)의 경사를 억제하는 경사 억제 스프링(9)을 구비하고 있다.

이 경사 억제 스프링(9)은, 상기 스프링 가이드 부재(10)에 지지되는 판 스프링이며, 도 4에 나타내는 바와 같이, 스프링 가이드 부재(10)에 접촉하여 마련되는 원(圓)고리판 모양을 이루는 본체부(91)와, 해당 본체부(91)의 내면으로부터 지름 방향 내측으로 연장하여 밸브체 부재(6)의 외주 부분에 접촉하여 탄성 변형하는 복수(도 4에서 4개)의 돌출부(92)를 가진다. 이 복수의 돌출부(92)는, 서로 동일 형상을 이루며, 둘레 방향으로 등간격으로 형성되어 있다. 또 각 돌출부(92)는 둘레 방향에서 동일한 돌출 길이(지름 방향 길이)를 가진다.

그리고 이 경사 억제 스프링(9)은, 밸브체 부재(6)가 폐쇄 상태로부터 개방 상태로 이동할 때에, 밸브체 부재(6)에 대해서 밸브 폐쇄 방향으로 가압한다. 즉, 밸브체 부재(6)는, 폐쇄 상태로부터 개방 상태로 이동할 때에, 밸브체 리턴 스프링(8) 및 경사 억제 스프링(9)의 양방 모두로부터 밸브 폐쇄 방향으로 가압된다. 또한, 경사 억제 스프링(9)은, 밸브체 부재(6)를 가압하는 것이면 판 스프링 이외의 탄성체를 이용해도 좋다. 탄성체는 밸브체 부재(6)를 직접적 또는 간접적으로 가압해도 좋다.

여기서, 도 2에 나타내는 바와 같이, 밸브체 리턴 스프링(8)이, 밸브체 부재(6)의 중심축쪽의 중앙측 하면에 가압력을 작용시켜, 경사 억제 스프링(9)이, 밸브체 부재(6)의 중심축에 대해 밸브체 리턴 스프링(8)이 작용하는 중앙측 보다도 외측의 주변측 하면에 가압력을 작용시키도록 구성되어 있다. 즉, 밸브체 부재(6)에서, 밸브체 리턴 스프링(8)의 내측 고리부(82)의 접촉 위치는 내경측이며, 경사 억제 스프링(9)의 돌출부(92)의 접촉 위치는 외경측이다. 보다 상세하게는, 밸브체 부재(6)의 하면측에 형성된 소경의 밸브체 리턴 스프링용 단부(62)에 밸브체 리턴 스프링(8)이 접촉하고, 밸브체 부재(6)에서 상기 밸브체 리턴 스프링용 단부(62) 보다도 상면측에 형성된 대경의 경사 억제 스프링용 계단부(63)에 경사 억제 스프링(9)이 접촉한다. 그리고, 밸브체 리턴 스프링(8) 및 경사 억제 스프링(9)이 동심(同心) 모양으로 배치됨과 아울러, 밸브체 리턴 스프링(8)이 하측, 경사 억제 스프링(9)이 상측이 되도록 스프링 가이드 부재(10)에 고정되어 있다. 이와 같이 밸브체 리턴 스프링(8) 및 경사 억제 스프링(9)을 스프링 가이드 부재(10)에 장착하고, 해당 스프링 가이드 부재(10)를 바디(5)의 오목부(52) 내에 수용하는 것만으로, 그들의 스프링(8, 9)을 배치할 수 있어, 조립 작업이 용이해진다. 또한, 밸브체 리턴 스프링(8) 및 경사 억제 스프링(9)을 밸브체 부재(6)에 장착하여, 그들의 스프링(8, 9)이 장착된 밸브체 부재(6)를 오목부(52) 내에 수용해도 좋다.

그리고, 경사 억제 스프링(9)은, 밸브체 부재(6)가 개폐 방향에 대해 경사한 경우에, 그 경사 방향에 있는 돌출부(예를 들면 도 4에서 92a)가 다른 돌출부(92, 예를 들면 도 4에서 92b ~ 92d) 보다도 크게 변형함으로써, 그 돌출부(92a)의 탄성 복귀력이 다른 돌출부(92b ~ 92d)의 탄성 복귀력 보다도 크게 되고, 밸브체 부재(6) 전체로서, 그 경사를 해소하는 방향으로 가압력(경사 방향과는 역방향의 회전 모멘트)이 작용하여, 밸브체 부재(6)의 경사가 해소된다.

또, 경사 억제 스프링(9)의 판두께는, 밸브체 리턴 스프링(8)의 판두께 보다도 얇게 구성되어 있다. 경사 억제 스프링(9)은, 밸브체 부재(6)의 경사를 해소하는 것을 의도하고 있고, 밸브체 부재(6)의 중심축으로부터 가능한 한 떨어진 부위(주연부)에 가압력을 작용시킬 필요가 있으며, 돌출부(92)의 지름 방향 길이를 짧게 할 필요가 있다. 그렇다면 돌출부(92)를 탄성 변형하기 쉽게 하기 위해서 얇게 할 필요가 있다. 한편, 밸브체 리턴 스프링(8)은, 밸브체 부재(6)를 밸브 폐쇄 방향으로 되돌리는 것을 의도하고 있고, 기계적 강도를 크게 함과 아울러, 밸브체 부재(6)를 확실히 밸브 폐쇄 방향으로 가압하기 위해서 두껍게 할 필요가 있다. 또, 밸브체 리턴 스프링(8)은 판두께를 두껍게 해도, 밸브체 부재(6)를 가압하는 부위가 특별히 한정되지 않기 때문에, 스프링 요소부(83)의 길이를 크게 취하고 탄성변형을 소정의 크기로 할 수 있으며, 액추에이터(7)에 의한 밸브체 부재(6)의 동작에 지장을 초래하지 않는다. 또한, 밸브체 리턴 스프링(8)은, 기계적 강도 및 스프링 정수를 크게 하기 위해서 스프링 요소부(83)를 길게 할 필요가 있기 때문에, 내측 고리부(82)를 밸브체 부재(6)의 중앙쪽에 마련할 필요가 있다.

이와 같이 구성한 본 실시 형태의 매스 플로우 컨트롤러(100)에 의하면, 밸브체 부재(6)의 경사를 해소하는 방향을 향해 밸브체 부재(6)를 가압하고 있으므로, 밸브체 부재(6)의 경사를 억제할 수 있으므로, 유체로부터 받는 압력 영향에 의해 발생하는 밸브체 부재(6)의 경사 또는 진동을 방지할 수 있다. 이것에 의해, 개폐 동작 중의 밸브체 부재(6)의 자세를 일정하게 유지할 수 있고, 액추에이터(7)에 의한 밸브 개도의 조정을 정밀도 좋게 행할 수 있으며, 유체의 유량 제어를 정밀도 좋게 행할 수 있다. 또, 밸브체 부재(6)의 진동을 방지할 수 있으므로, 주변 부재와 접촉하여 진동음이 발생하거나, 주변 부재와의 접촉에 의해 밸브체 부재(6) 또는 주변 부재가 마모나 파손하거나 하는 것을 막을 수 있다. 게다가, 밸브체 리턴 스프링(8)과 경사 억제 스프링(9)을 별체로서 마련하고 있으므로, 각 스프링(8, 9)의 기능을 충분히 발휘할 수 있도록, 밸브체 리턴 스프링(8)의 스프링 정수 및 경사 억제 스프링(9)의 스프링 정수를 개별적으로 설계할 수 있다. 게다가, 밸브체 리턴 스프링(8) 및 경사 억제 스프링(9)을 이용함으로써 고유 진동수를 크게 할 수 있어, 밸브체 부재(6)의 공진을 막을 수 있다. 게다가, 밸브체 부재(6)가 밸브실을 형성하는 내면으로부터 소정의 간격을 두고 배치되어 있기 때문에, 밸브체 부재(6)와 밸브실과의 슬라이드에 의해 발생하는 마모 가루나 윤활유에 의한 유체에의 오염의 걱정도 없다.

또, 밸브 시트면(4a)에는 내부 유로(41)의 개구가 복수 형성되어 있으며, 또 착석면(6a)에는 내부 유로(61)의 개구가 복수 형성되어 있기 때문에, 각 개구로 유입하는 유체 유량의 차이 또는 각 개구로부터 유출하는 유체 유량의 차이에 의해, 착석면(6a) 또는 밸브 시트면(4a)에 걸리는 유체 압력이 불균일하게 된다. 이것에 의해, 밸브체 부재(6)의 경사 또는 진동이 유발되는 것이 고려되지만, 경사 억제 스프링(9)을 마련하고 있기 때문에, 이것을 매우 적합하게 해소할 수 있다.

＜제2 실시 형태＞

이 제2 실시 형태에 관한 유체 제어 밸브(3)는, 노멀 오픈 타입(normal open type)의 것이며, 상기 제1 실시 형태와는 달리, 밸브 시트 부재(4)와 밸브체 부재(6)의 배치가 역으로 되어 있다. 또한, 상기 제1 실시 형태에 대응하는 부재에는 동일한 부호를 부여하고 있다.

즉, 도 5에 나타내는 바와 같이, 액추에이터(7)측에 해당 액추에이터(7)에 의해 이동하는 밸브체 부재(6)가 마련되어 있으며, 이 밸브체 부재(6)의 반(反) 액추에이터(7)측, 즉 바디(5)측에 밸브 시트 부재(4)가 마련되어 있다. 또, 이들 밸브 시트 부재(4) 및 밸브체 부재(6)는, 바디(5)에 마련한 오목부(52)에 끼워 넣어져 있다. 이 오목부(52)는 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 바디(5)의 유로(51)를 분단하도록 배치되어 있다.

그리고, 액추에이터(7)에 전압을 인가하지 않은 노멀 상태에서는, 밸브체 부재(6)가 주위의 탄성체(여기에서는 판 스프링)에 의해서 가압되고, 밸브 시트 부재(4)로부터 이간한 개방 상태이며, 액추에이터(7)에 전압을 인가하여 이것을 신장 시키면, 밸브체 부재(6)가 밸브 폐쇄 방향으로 이동하고, 밸브체 부재(6)가 밸브 시트 부재(4)에 밀착하여 폐쇄 상태가 된다.

이와 같이 구성한 본 실시 형태의 유체 제어 밸브(3)에 의하면, 상기 실시 형태의 효과에 더하여, 액추에이터(7)의 작동체(72)인 다이어프램 부재(721)를 소경화(小徑化)하면서도, 해당 다이어프램 부재(721)의 변위를 밸브체 부재(6)에 전할 수 있고, 종래와 같이 다이어프램 부재(721)를 밸브체 부재로서 사용하고 있는 노멀 오픈 타입의 유량 제어 밸브의 문제점을 해결하며, 밸브 시트 부재(4)를 대경화(大徑化)할 수 있으므로, 대유량화(大流量化)가 가능해진다.

또, 상기 제1 및 제2 실시 형태의 밸브 시트 부재(4)의 밸브 시트면(4a)에, 도 6에 나타내는 바와 같이, 동심원 모양으로 복수겹(도 6에서는 4겹)의 둥근 고리 모양의 바닥구비홈(4M)이 형성되어 있다. 해당 홈(4M)을 나누는 볼록한 부분의 상면이 밸브체 부재(6)와 접촉한다. 그리고, 홈(4M)의 저면에 내부 유로(41)의 개구가 형성되어 있다.

밸브 시트면(4a)에 형성된 볼록한 부분의 상면이 착석면(6a)과 접촉하므로, 밸브 시트면(4a)과 착석면(6a)과의 접촉 면적을 작게 할 수 있고, 액추에이터(7)의 가압력이 작아도 폐지성(閉止性)을 향상시킬 수 있다. 또, 접촉 면적이 작음으로써 압력 손실을 저감할 수 있다.

이와 같이, 동심원 모양으로 형성한 오목홈(4M)마다 내부 유로의 개구를 형성하고 있으므로, 실질적으로 오목홈(4M)의 외경과 동일한 지름을 가지는 개구로부터 유체가 유입하면 동일시할 수 있고, 압력 손실을 저감함과 아울러, 대유량의 유체를 흘릴 수 있다. 또한, 착석면(6a)에도 마찬가지로, 동심원 모양으로 복수겹의 둥근 고리 모양의 바닥구비홈을 형성해도 좋다.

또한, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 각 실시 형태에서는 유량 제어 밸브였지만, ON／OFF 개폐 밸브에도 본 발명을 적용할 수 있다. 또, 액추에이터는 피에조식으로 한정하지 않고, 전자 코일 등을 이용해도 괜찮다. 게다가, 유체 제어 밸브를 편입한 매스 플로우 컨트롤러에 한정되지 않고, 유체 제어 밸브 단일체로 구성해도 좋다. 그 외, 유체 제어 밸브로서, 유체의 압력을 제어하는 압력 제어 밸브로 해도 좋다.

또, 상기 실시 형태의 경사 억제 스프링은, 밸브체 부재에 대해서, 밸브체 리턴 스프링과 마찬가지로, 액추에이터의 구동력과는 반대측(밸브 개방 방향 또는 밸브 폐쇄 방향)으로 가압력을 작용하는 것이었지만, 밸브체 부재의 측둘레면에 접촉하여 밸브체 부재의 개폐 방향에 직교하는 방향으로부터 가압력을 작용하는 것이라도 좋다. 이 경우, 축방향의 상하 2개소에 경사 억제 스프링을 배치하는 것이 바람직하다.

게다가, 상기 실시 형태의 경사 억제 스프링은, 본체부가 밸브실측(구체적으로는 스프링 가이드 부재)에 접촉하여 마련되고, 돌출부가 밸브체 부재에 접촉하여 마련되어 있지만, 역(逆)이라도 좋다. 또 복수의 경사 억제 스프링을 둘레 방향으로 배치하는 것이라도 좋다. 게다가, 스프링 가이드 부재를 이용하지 않고, 바디에 형성된 오목부에 밸브체 리턴 스프링 또는 경사 억제 스프링을 접촉하여 마련해도 좋다.

게다가, 밸브체 부재의 개폐 방향에 대한 경사를 해소하는 관점에 주목하면, 밸브체 리턴 스프링을 가지지 않는 것이라도 좋다. 이 경우, 경사 억제 스프링이, 밸브체 부재의 최대 외경을 가지는 부분의 외주부 또는 그 근방에 가압력을 작용시키는 것으로 하는 것이 바람직하다. 이것이라면, 밸브체 부재에 작용하는 모멘트를 가급적 크게 할 수 있어, 밸브체 부재의 개폐 방향에 대한 경사를 매우 적합하게 해소할 수 있다.

그 외, 전술한 실시 형태나 변형 실시 형태의 일부 또는 전부를 적절히 조합해도 좋고, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변형이 가능한 것은 말할 필요도 없다.

3 … 유체 제어 밸브 4 … 밸브 시트 부재
5 … 바디 51(A) … 상류측 유로
51(B) … 하류측 유로 6 … 밸브체 부재
7 … 액추에이터 8 … 밸브체 리턴 스프링
9 … 경사 억제 스프링 91 … 본체부
92 … 돌출부

Claims

상류측 유로로부터의 유체를 제어하여 하류측 유로로 유출시키는 유체 제어 밸브로서,
밸브실 내에 해당 밸브실의 내면에 소정의 간격을 두고 배치됨과 아울러, 상기 밸브실 내에 마련된 밸브 시트에 접촉 분리 가능하게 마련된 밸브체와,
상기 밸브체를 밸브 개방 방향으로 가압하는 액추에이터와,
상기 밸브체를 밸브 폐쇄 방향으로 가압하는 밸브체 리턴 스프링과,
상기 밸브체의 개폐 방향에 대한 경사를 해소하는 방향을 향해 상기 밸브체를 가압하는 경사 억제 스프링을 구비하며,
상기 밸브체 리턴 스프링이 판 스프링이며,
상기 경사 억제 스프링이 판 스프링이며,
상기 밸브체 리턴 스프링 및 상기 경사 억제 스프링이 상기 밸브체의 외측 둘레면의 측방에 마련되며, 상기 밸브체의 외주 부분에 접촉하여 상기 밸브체를 지지하는 것인 유체 제어 밸브.
상류측 유로로부터의 유체를 제어하여 하류측 유로로 유출시키는 유체 제어 밸브로서,
밸브실 내에 해당 밸브실의 내면에 소정의 간격을 두고 배치됨과 아울러, 상기 밸브실 내에 마련된 밸브 시트에 접촉 분리 가능하게 마련된 밸브체와,
상기 밸브체를 밸브 폐쇄 방향으로 가압하는 액추에이터와,
상기 밸브체를 밸브 개방 방향으로 가압하는 밸브체 리턴 스프링과,
상기 밸브체의 개폐 방향에 대한 경사를 해소하는 방향을 향해 상기 밸브체를 가압하는 경사 억제 스프링을 구비하며,
상기 밸브체 리턴 스프링이 판 스프링이며,
상기 경사 억제 스프링이 판 스프링이며,
상기 밸브체 리턴 스프링 및 상기 경사 억제 스프링이 상기 밸브체의 외측 둘레면의 측방에 마련되며, 상기 밸브체의 외주 부분에 접촉하여 상기 밸브체를 지지하는 것인 유체 제어 밸브.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 경사 억제 스프링이, 상기 밸브체측 또는 상기 밸브실의 내면측의 일방에 접촉하여 마련되는 고리 모양을 이루는 본체부와, 상기 본체부로부터 연장함과 아울러 상기 밸브체측 또는 상기 밸브실의 내면측의 타방에 접촉하여 마련되는 복수의 돌출부를 가지는 것인 유체 제어 밸브.
청구항 3에 있어서,
상기 복수의 돌출부가, 서로 동일 형상을 이루는 것이며, 둘레 방향으로 등간격으로 형성되어 있는 유체 제어 밸브.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 밸브체 리턴 스프링이, 상기 밸브체의 중심축쪽의 중앙측으로 가압력을 작용시키는 것이며,
상기 경사 억제 스프링이, 상기 밸브체의 중심축에 대하여 상기 중앙측 보다도 외측의 주변측으로 가압력을 작용시키는 것인 유체 제어 밸브.