KR102079533B1

KR102079533B1 - 유량 제어 밸브 및 그것을 사용한 질량 유량 제어 장치

Info

Publication number: KR102079533B1
Application number: KR1020167007937A
Authority: KR
Inventors: 마모루 이시이; 류 사사키
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2020-02-21
Also published as: US20160245422A1; JPWO2015045987A1; WO2015045987A1; US9903497B2; CN105593587B; JP6380401B2; KR20160062015A; CN105593587A

Abstract

유로와 적층 압전 액추에이터의 중간에, 열전도율이 20W/mK 이하인 재료로 구성된 제1 열 실드와, 공간으로 구성된 제2 열 실드를 설치하고, 바람직하게는 열전도율이 20W/mK 이하인 제3 열 실드를 더 설치한다. 이에 의해, 고온의 프로세스 가스에 사용한 경우라도, 적층 압전 액추에이터의 온도가 내열 온도를 초과하지 않도록, 종래 기술에 관한 유량 제어 밸브보다도 단순하며 콤팩트한 구조를 사용하여 열의 전달이 효과적으로 차단된 유량 제어 밸브를 제공한다.

Description

유량 제어 밸브 및 그것을 사용한 질량 유량 제어 장치 {FLOW VOLUME CONTROL VALVE AND MASS FLOW CONTROLLER USING SAME}

본 발명은 유량 제어 밸브에 관한 발명이며, 이것에 한정되는 것은 아니지만, 고온의 유체에 사용할 수 있도록 개량된 유량 제어 밸브의 구조 및 그 유량 제어 밸브를 사용한 질량 유량 제어 장치에 관한 것이다.

질량 유량 제어 장치(매스 플로우 컨트롤러)는, 반도체의 제조 프로세스에 있어서 챔버 내에 공급되는 프로세스 가스의 공급량을 제어하는 목적으로 널리 사용되고 있다. 질량 유량 제어 장치는, 프로세스 가스의 질량 유량을 모니터링하는 질량 유량계, 질량 유량을 제어하는 유량 제어 밸브 및 제어 회로 등으로 구성되어 있다. 유량 제어 밸브는 또한, 프로세스 가스가 유동하는 유로, 유로를 소정의 개방도로 개방 또는 차단하는 밸브체 및 밸브체를 구동하는 액추에이터로 구성되어 있다.

반도체의 기술 분야에서는, 예를 들어 최신의 퍼스널 컴퓨터에 사용되는 마이크로프로세서의 경우, 배선 회로의 폭이 20㎚ 정도까지 미세화되거나, 1개의 마이크로칩에 복수의 코어가 실장되는 등, 미세화, 고집적화가 극한까지 진행되고 있다. 이러한 치밀하며 복잡한 구조를 갖는 반도체의 성막 프로세스나 가공 프로세스를 고정밀도로 행하기 위해, 종래는 사용되는 일이 없었던 다양한 종류의 프로세스 가스가 사용되어 왔다.

예를 들어, 어느 종류의 액체 재료의 기화 가스나 고체 재료의 승화 가스는, 증기압이 극히 낮으므로 상온의 배관 내에서 응결해 버릴 우려가 있지만, 챔버에 이르는 모든 배관계를 임계 온도 이상의 고온(예를 들어 300℃ 이상)으로 가열 유지함으로써, 이러한 응결성 가스를 응결시키는 일 없이 반도체 제조 장치에 도입하여, 반도체의 제조 프로세스에 사용하는 것이 시도되고 있다.

그러나, 유량 제어 밸브의 밸브체를 구동하는 액추에이터에 널리 사용되고 있는 적층 압전 액추에이터의 내열 온도는, 일반적으로는 120℃, 고온용의 경우라도 150℃이다. 이 내열 온도를 초과하면 단시간에 내부 전극의 절연 파괴가 발생하고, 밸브체를 구동할 수 없게 된다.

따라서, 질량 유량 제어 장치에 있어서 고온의 응결성 가스를 다루는 경우라도, 적층 압전 액추에이터의 온도를 상승시키지 않고 내열 온도 이하로 유지하기 위한 몇 개의 제안이 이루어져 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에는, 적층 압전 액추에이터와 밸브체 사이에 위치함으로써 적층 압전 액추에이터의 조작을 밸브체에 전달함과 함께, 밸브체측으로부터 전달한 열을 방열하는 스페이서가 설치된 유량 제어 밸브의 구성이 개시되어 있다. 이 유량 제어 밸브에 있어서, 제어 대상의 유체로부터 전달된 열의 대부분은 스페이서의 외주에 설치된 냉각 핀으로부터 외기로 방출되므로, 적층 압전 액추에이터의 승온이 억제된다.

또한, 예를 들어 특허문헌 2에는, 적층 압전 액추에이터를 유체의 유로로부터 멀어지게 하도록 들어올려 지지함과 함께, 유체로부터 적층 압전 액추에이터에 전해지는 열을 방열하기 위한 스페이서가 설치된 유량 제어 밸브의 구성이 개시되어 있다. 이 유량 제어 밸브에 있어서, 유체로부터 받은 열은 스페이서의 하단부로부터 상단부에 전해지는 동안에 방열되고, 스페이서의 길이(높이 치수)는, 스페이서가 적층 압전 액추에이터와 접하는 개소의 온도가 적층 압전 액추에이터의 내열 온도 이하로 되도록 조금 길게 설정되어 있다.

일본 특허 출원 공개 제2004-162733호 공보 일본 특허 출원 공개 제2011-117499호 공보

상기한 종래 기술에 관한 유량 제어 밸브는, 모두, 고온의 유체로부터 밸브체에 전해진 열이 또한 스페이서를 전달 경로로 하여 적층 압전 액추에이터에 전해지는 과정에서, 열이 스페이서의 외주 방향으로 방열되도록 구성함으로써, 적층 압전 액추에이터에 전달되는 열을 억제하려고 하고 있는 점에서, 일정한 효과를 발휘하는 것이다.

그러나, 상기한 종래 기술에 관한 유량 제어 밸브는, 열원인 유체로부터 스페이서에의 열의 전달을 차단한다고 하는 점에 관해 특단의 배려가 이루어져 있지 않으므로, 다양한 해결해야 할 과제를 안고 있다. 구체적으로는, 첫째로, 충분한 냉각 효과를 얻기 위해 스페이서의 길이를 길게 해야 하므로, 필연적으로, 질량 유량 제어 장치의 사이즈를 높이 방향으로 크게 하거나, 또는 종래의 장치와 동일한 높이로 하기 위해 적층 압전 액추에이터의 적층수를 줄여 길이를 짧게 할 수 밖에 없다. 질량 유량 제어 장치의 사이즈를 크게 하면, 설치 스페이스와의 관계에서 종래의 기기와의 교환이 곤란해진다. 또한, 적층 압전 액추에이터의 적층수를 줄이면, 최대 변위량이 감소하여 밸브 개방 시의 유량의 캐패시티가 작아져 버린다.

둘째로, 종래 기술에 관한 유량 제어 밸브는, 적층 압전 액추에이터의 승온 방지를 오로지 스페이서로부터의 방열에 의존하고 있으므로, 유로로부터 스페이서를 통과하여 질량 유량 제어 장치의 밖으로 무시할 수 없는 양의 열이 방출된다. 그렇게 하면, 유체의 온도 저하를 방지하기 위해 유로에 설치되어 있는 히터의 발열량을 증가시켜 상실된 열을 보충할 필요가 발생하고, 질량 유량 제어 장치 전체적으로의 소비 전력이 증대된다.

셋째로, 종래 기술에 관한 유량 제어 밸브는, 유체 유로와 적층 압전 액추에이터 사이에 비교적 긴 형상을 갖는 스페이서를 내장해야 하므로, 스페이서 자신의 열팽창의 문제가 부상된다. 스페이서의 열팽창에 의한 영향을 완화하기 위해, 예를 들어 일반재에 비해 고가의 인바 합금을 사용하여 스페이서를 구성해야 하는 등, 제조 비용의 증가를 피할 수 없다.

본 발명은 상기한 여러 과제에 비추어 이루어진 것이며, 종래 기술에 관한 유량 제어 밸브보다도 단순하며 콤팩트한 구조에 의해 적층 압전 액추에이터에의 열의 전달을 효율적으로 차단할 수 있는 단열성이 우수한 유량 제어 밸브의 제공을 목적으로 하고 있다.

본 발명자들은, 열원인 유체로부터 적층 압전 액추에이터에의 열의 전달을 효과적으로 차단하기 위해서는, 열원에 가능한 한 가까운 위치에 열의 전달을 차단하는 열 실드를 배치하는 것이 유효하다고 생각하였다. 유량 제어 밸브에 있어서 적층 압전 액추에이터에 가장 가까운 열원은 다이어프램이다. 따라서, 본 발명자들은, 우선, 다이어프램의 외주부를 유량 제어 밸브의 본체에 압박하여 고정하는 링 형상 부재와, 다이어프램의 중앙부를 밸브 시트의 방향으로 가역적으로 변위시켜 밸브 시트의 개구부의 개방도를 제어하는 다이어프램 스페이서를, 각각 열전도율이 20W/m·K를 초과하지 않는 세라믹스 재료로 이루어지는 제1 열 실드로서 구성하고, 유체로부터 다이어프램을 통해 액추에이터에 전해지는 열을 차단하는 것을 시도하였다.

그러나, 본 발명자들의 검토에 따르면, 링 형상 부재 및 다이어프램 스페이서에 전달된 열은, 실제로는 다른 부재를 전달 경로로 하여 적층 압전 액추에이터에 어느 정도 전달되므로, 상기한 구성만으로는 적층 압전 액추에이터의 승온을 유효하게 방지할 수 없는 것을 알 수 있었다.

따라서, 본 발명자들은, 또한, 상기한 제1 열 실드와, 적층 압전 액추에이터에서 발생하는 응력을 다이어프램 스페이서에 전달하는 응력 전달 수단으로 둘러싸인 공간을, 제2 열 실드로서 구성함으로써, 링 형상 부재 및 다이어프램 스페이서로부터 적층 압전 액추에이터에의 열의 전달이 극히 유효하게 차단되고, 적층 압전 액추에이터의 승온을 방지할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 완성시켰다.

즉, 본 발명은, 베이스와, 밸브 시트와, 다이어프램과, 링 형상 부재와, 다이어프램 스페이서와, 적층 압전 액추에이터와, 응력 전달 수단을 갖는 유량 제어 밸브이며, 링 형상 부재 및 다이어프램 스페이서는, 모두 열전도율이 20W/m·K를 초과하지 않는 세라믹스 재료로 이루어지는 제1 열 실드를 구성하고, 제1 열 실드와 응력 전달 수단으로 둘러싸인 공간은, 제2 열 실드를 구성하는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브의 발명이다.

또한, 본 발명은, 상기한 유량 제어 밸브를 갖는 질량 유량 제어 장치의 발명이다.

본 발명의 구성에 따르면, 열원이 되는 유체에 가까운 위치에 열 실드를 복수 갖고 있으므로, 종래 기술에 비해 단순하고 콤팩트한 구조임에도 불구하고, 적층 압전 액추에이터의 온도를 그 내열 온도 이하로 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 질량 유량 제어 장치의 모식도이다.
도 2는 도 1의 질량 유량 제어 장치의 유량 제어 밸브의 부분 확대도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 유량 제어 밸브의 부분 확대도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 질량 유량 제어 장치의 모식도이다.

본 발명을 실시하기 위한 형태를, 도면을 사용하여 상세하게 설명한다.

또한, 여기에서 설명하는 실시 형태는 본 발명의 실시 형태를 예시하는 것에 지나지 않고, 본 발명의 실시 형태는 여기에 예시하는 형태에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명에 관한 질량 유량 제어 장치(1)의 전체 구조를 도시한 모식도이다. 제어 대상인 유체는 베이스(4)에 설치된 유로를 도면의 좌측으로부터 우측을 향해 유동한다. 유로를 유동하는 유체의 단위 시간당 질량 유량(유속)은, 질량 유량계(2)에 의해 순차적으로 계측된다. 유로를 유동하는 유체의 질량 유량은, 사각의 포위로 표시된 유량 제어 밸브(3)에 의해 조작자가 희망하는 값으로 제어된다. 유량 제어 밸브(3)의 밸브의 개방도는 적층 압전 액추에이터(11)에 의해 제어된다. 적층 압전 액추에이터(11)의 변위량은, 도시하지 않은 제어 회로에 의해 조정된다. 또한, 유로는, 응결성 가스의 유로 내에서의 응결을 방지하기 위해, 도시하지 않은 히터로 가열할 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 유량 제어 밸브(3)의 부분 확대도이다. 유량 제어 밸브의 베이스(4)에 설치된 유로에 연통되어 환상의 밸브 시트(5)가 설치되어 있다. 밸브 시트(5)의 개구부는 베이스(4)의 하나의 표면에 면하고 있다. 밸브 시트(5)의 개구부를 덮도록 다이어프램(6)이 배치되어 있다. 다이어프램(6)은 박판 형상의 탄성체로 이루어진다. 다이어프램(6)의 외주부는, 링 형상 부재(7b)에 의해 베이스(4)에 압박되어 고정되어 있다. 링 형상 부재(7b)는, 다이어프램(6)을 사이에 두고 밸브 시트(5)와 반대측에 위치하고 있다. 다이어프램(6)의 중앙부는, 다이어프램 스페이서(7a)에 의해 밸브 시트의 방향 또는 그 역의 방향으로 변위하고, 밸브 시트의 개구부의 개방도가 제어된다. 다이어프램 스페이서(7a)는, 다이어프램(6)을 사이에 두고 밸브 시트(5)와 반대측에 위치하고 있다. 응력 전달 수단(10)은, 밸브 막대(10a), 케이싱(10b) 및 구상 부재(10c)로 이루어진다.

적층 압전 액추에이터(11)의 팽창에 의해 발생한 응력은, 밸브 막대(10a)와 구상 부재(10c)를 통해 다이어프램 스페이서(7a)에 전달되고, 다이어프램(6)이 밸브 시트(5)의 방향으로 변위하여 유량 제어 밸브(3)가 폐쇄된다. 적층 압전 액추에이터(11)가 수축하면, 다이어프램(6)을 밸브 시트(5)에 압박하고 있었던 응력이 해제되고, 다이어프램(6) 자신이 갖는 복원력에 의해 다이어프램(6)의 중앙부는 밸브 시트(5)의 역의 방향으로 변위하여 유량 제어 밸브(3)가 개방된다. 또한, 도 2는 소위 노멀 오픈형의 유량 제어 밸브의 구조를 나타내고 있지만, 본 발명에 관한 유량 제어 밸브는 노멀 오픈형에 한정되지 않고, 소위 노멀 클로즈형이어도 된다.

다음으로, 본 발명에 관한 제1 열 실드에 대해 설명한다.

본 발명에 있어서, 다이어프램 스페이서 및 링 형상 부재는, 모두 열전도율이 20W/m·K 이하인 재료로 이루어지고, 양자로 제1 열 실드(7)를 구성한다. 본 발명에서 말하는 열전도율은, 실온에서의 값으로 대표시킬 수 있다. 열전도율이 20W/m·K 이하인 재료에는, 예를 들어 이트리아(열전도율:14W/m·K), 질화규소(열전도율:13W/m·K), 지르코니아(열전도율:3.0W/m·K) 등이 있다. 제1 열 실드를 이들의 열전도율이 20W/m·K 이하인 재료로 구성함으로써, 열원인 유체로부터 다이어프램을 통해 공급되는 열이 적층 압전 액추에이터에 전도되는 것을 억제할 수 있다. 제1 열 실드를 구성하는 재료의 열전도율의 값은 10W/m·K 이하가 더 바람직하고, 5.0W/m·K 이하가 더욱 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서, 제1 열 실드를 구성하는 재료는 마코르(등록 상표)(「마코르」는 코닝·인코포레이티드의 등록 상표임) 및 지르코니아로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 세라믹스 재료이다. 금속 재료나 합금 재료는 일반적으로 열전도율이 높으므로, 다이어프램 스페이서 및 링 형상 부재에는 세라믹스 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 실온에 있어서의 열전도율의 값은 마코르에서는 1.7W/m·K, 지르코니아에서는 3.0W/m·K이며, 모두 단열 효과가 극히 높다. 또한, 지르코니아는 마코르에 비해 기계적 강도가 높으므로, 부재의 강도가 요구되는 경우에는 지르코니아가 더 바람직하다. 본 발명의 열전도율이 20W/m·K 이하인 재료는 모든 부재에 대해 동일한 재료를 사용할 필요는 없고, 개개의 부재에 대해 적절한 재료를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서, 다이어프램 스페이서 및 링 형상 부재의 두께는 모두 20㎜를 초과하지 않는 범위이다. 이들 부재는 열전도율이 낮은 재료로 이루어지므로, 20㎜를 초과하지 않는 범위로 두께를 한정해도 충분한 단열 효과를 얻을 수 있다. 20㎜를 초과하는 두께로 하면, 단열 효과는 두께가 20㎜를 초과하지 않는 경우에 비해 그다지 바뀌지 않을 뿐만 아니라, 오히려 유량 제어 밸브의 높이가 불필요하게 높아져 버리므로, 바람직하지 않다. 두께의 상한값은 15㎜가 더 바람직하고, 10㎜가 더욱 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서, 링 형상 부재의 내경은 다이어프램 스페이서의 외경보다도 크고, 또한 양자의 간극은 2.0㎜를 초과하지 않는다. 링 형상 부재의 내경을 다이어프램 스페이서의 외경보다도 크게 함으로써, 다이어프램 스페이서를 링 형상 부재의 내경의 내측에 수납할 수 있다. 또한, 양자의 간극이 2.0㎜를 초과하지 않도록 함으로써, 양자의 간극으로부터 열이 누설되어 적층 압전 액추에이터에 전해지는 것을 저감시킬 수 있다. 즉, 링 형상 부재와 다이어프램 스페이서는, 열적으로는 양자가 일체로 되어 제1 열 실드를 구성하고, 다이어프램으로부터 전달되는 열을 차단하여 적층 압전 액추에이터에 전해지지 않도록 하는 효과를 발휘한다.

또한, 본 발명의 다이어프램 스페이서 및 링 형상 부재는 그 자체가 열용량을 갖고 있으므로, 단순히 열을 차단할 뿐만 아니라 보온재로서도 기능한다. 즉, 링 형상 부재와 다이어프램 스페이서는, 다이어프램의 온도가 유체의 온도보다도 낮아져 유체가 다이어프램의 내측에 응결하는 일이 없도록, 다이어프램의 온도를 유체의 온도와 동일한 온도로 유지하는 작용이 있다.

다이어프램 스페이서의 외경이 밸브 시트의 내경보다도 작으면, 다이어프램의 다이어프램 스페이서의 외경보다도 외측이며 또한 밸브 시트의 내경보다도 내측의 영역에 있어서, 유체와 직접 접촉하는 다이어프램이 제2 열 실드를 구성하는 공간에 노출되게 된다. 그 결과, 이 노출되어 있는 영역에 있어서는, 다이어프램 스페이서를 개재하는 일 없이 적층 압전 액추에이터측에 열이 용이하게 전해지게 된다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서, 다이어프램 스페이서의 외경은 밸브 시트의 외경과 동일하거나, 그보다 조금 큰 외경을 갖는 것이 바람직하다. 이에 의해, 다이어프램에 의한 밸브체의 개폐 동작을 확실하게 실행할 수 있음과 함께, 상기한 바와 같이 다이어프램이 노출되어 있는 영역을 통해 열이 용이하게 누설되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 유체로부터 다이어프램에 전해지는 열을 유효하게 차단할 수 있다.

다이어프램에는 스프링 탄성을 높이기 위해 환상의 요철부가 형성되는 경우가 있다. 이 경우에는, 다이어프램 스페이서의 외경을 요철부의 직경보다도 작게 하여, 다이어프램 스페이서의 압박면이 요철부에 접촉하지 않도록 해 둘 필요가 있다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서, 링 형상 부재의 외경은 다이어프램의 외경과 거의 동등하게 해 두는 것이 바람직하다. 이에 의해, 유체로부터 다이어프램에 전해진 열을 확실하게 차단할 수 있다. 상기한 바와 같이 다이어프램에 환상의 요철부가 형성되는 경우에는, 링 형상 부재의 내경 중 다이어프램에 접하는 측은, 상기한 요철부에 접촉하지 않도록 모따기부 등을 설치해 두는 것이 바람직하다.

다음으로, 본 발명에 관한 제2 열 실드에 대해 설명한다.

본 발명에 있어서, 다이어프램 스페이서 및 링 형상 부재로 구성되는 제1 열 실드와, 응력 전달 수단으로 둘러싸인 공간은, 제2 열 실드를 구성한다. 제2 열 실드를 구성하는 공간은, 제1 열 실드와 응력 전달 수단으로 둘러싸인 공간, 즉, 제1 열 실드와 응력 전달 수단 사이에 존재하는 공간이다. 구체적으로는, 유량 제어 밸브를 설계하는 단계에서, 부재의 표면에 오목부를 형성하거나, 부재간에 공극을 형성함으로써, 이러한 공간을 실현할 수 있다. 예를 들어, 도 2의 예에서는, 다이어프램 스페이서(7a)와 밸브 막대(10a) 사이에 구상 부재(10c)를 설치함으로써, 다이어프램 스페이서(7a)와 밸브 막대(10a)로 사이에 끼인 제2 열 실드(8)를 구성하는 공간을 실현하고 있다. 또한, 다이어프램 스페이서(7a)와 케이싱(10b)으로 사이에 끼인 공간도, 상술한 공간과 일체로 되어 제2 열 실드를 구성하고 있다. 이 예에서는, 구상 부재(10c)의 크기를 크게 하면, 그 자체가 열의 전달 경로가 되어 제2 열 실드의 효과가 억제되므로, 구상 부재(10c)의 크기는 응력을 전달하는 데 필요한 최소한의 크기로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서, 제2 열 실드를 구성하는 공간은 공기로 채워진다. 공기는 기체이므로 세라믹스 재료에 비해 단위 체적당 열용량은 작지만, 열전도율은 2.4W/m·K로 마코르나 지르코니아의 열전도율에 필적하는 낮은 값을 가지므로, 열의 전달을 차단하는 효과가 높다. 이로 인해, 제1 열 실드로부터 응력 전달 수단이나 적층 압전 액추에이터에 열이 전해지는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 제2 열 실드에 존재하는 공기는, 예를 들어 유량 제어 밸브(3)를 조립하는 과정에 있어서 제2 실드 내에 잔류하는 공기로 구성된다. 이 공기의 성분은 조립 시의 분위기에 의해 규정되지만, 청정하며 수증기가 가능한 한 적은 공기인 것이 바람직하다.

제2 열 실드를 기밀 구조로 하는 것이 가능한 경우에는, 열전도율이 극히 낮은 크세논이나 크립톤 등의 희가스를 봉입함으로써, 열의 차단 효과를 더 높일 수 있으므로, 더 바람직하다. 또한, 가능한 경우에는, 제2 열 실드의 공간을 진공으로 함으로써, 전도 및 대류에 의한 열전도를 없앨 수 있으므로, 더욱 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서, 다이어프램의 압박 방향(변이 방향)에 직교하는 단면에 있어서의 제2 열 실드를 구성하는 공간의 크기(단면)는, 다이어프램과 동등한 면적을 갖고, 상기 공간의 높이(다이어프램의 압박 방향에 있어서의 크기)는 0.5㎜ 이상인 것이 바람직하다. 상기 공간의 단면이 다이어프램과 동등한 면적을 가짐으로써, 열원이 되는 유체로부터 다이어프램을 통과하여 전달되는 열을 효과적으로 차단할 수 있다. 또한, 상기 공간의 높이가 0.5㎜ 이상임으로써, 제2 열 실드 내에서 열이 전달되는 거리를 길게 하여 열을 효과적으로 차단할 수 있다. 제2 열 실드를 구성하는 공간의 높이의 더 바람직한 범위는 1.0㎜ 이상이다. 또한, 상기 공간의 높이가 10㎜를 초과하면 유량 제어 밸브의 높이가 높아져 버리므로, 상기 공간의 상한값은 10㎜로 하는 것이 바람직하다.

다음으로, 본 발명에 관한 제3 열 실드에 대해 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 형태에 관한 유량 제어 밸브의 부분 확대도이다. 이 바람직한 실시 형태에 있어서, 제2 열 실드(8)와 응력 전달 수단(10)의 중간에, 열전도율이 20W/m·K를 초과하지 않는 재료로 이루어지는 제3 열 실드(9)가 설치되어 있다. 제3 열 실드를 설치함으로써, 제2 열 실드로부터 응력 전달 수단에의 열의 전달이 방해되고, 적층 압전 액추에이터의 승온 방지 효과가 더욱 높아진다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서, 제3 열 실드는, 중앙에 위치하는 원반 형상 부재(9a)와, 원반 형상 부재(9a)의 주위에 필요에 따라 배치되는 링 형상 부재(9b)로 구성된다. 원반 형상 부재(9a) 및 링 형상 부재(9b)의 바람직한 재질 및 형상은, 다이어프램 스페이서(7a) 및 링 형상 부재(7b)의 바람직한 재질 및 형상과 마찬가지이다.

제3 열 실드(9)는, 상술한 바와 같이, 제2 열 실드(8)와 응력 전달 수단(10)의 중간에 설치되는 것이지만, 제1 열 실드(7)와 제3 열 실드(9)의 중간에 응력 전달 수단이 존재하지 않고 공간만으로 구성되면, 적층 압전 액추에이터(11)로부터의 응력을 다이어프램(6)에 전달할 수 없다. 따라서, 이 구성의 경우에는, 제1 열 실드(7)와 제3 열 실드(9) 사이에 응력을 전달하는 수단을 더 설치할 필요가 있다. 이 부가적인 응력 전달 수단은, 예를 들어 도 2에 도시된 구상 부재(10c)와 동등한 것이어도 되고, 또한 도 3에 도시된 증폭 기구(일본 특허 출원 공개 평10-148248호 공보에 개시된 증폭 기구와 동일한 것)여도 된다. 여기서, 증폭 기구라 함은, 지레의 원리를 이용하여 적층 압전 액추에이터의 변위량을 증폭하여 전달하는 기능을 갖는 기계적 기구를 말한다.

다음으로, 응력 전달 수단에 포함되는 부재를 구성하는 재료에 대해 설명한다.

밸브 막대(10a)는, 적층 압전 액추에이터(11)의 팽창 또는 압축에 의해 발생하는 응력을 제3 열 실드(9)에 전달하는 기능을 갖고 있다. 이로 인해, 밸브 막대(10a)는, 충분한 강도 및 내식성을 구비한 재료(예를 들어, 스테인리스강 등)로 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 밸브 막대(10a)는 압박 방향(변위 방향)에 직교하는 단면이 크므로, 제2 열 실드(8) 또는 제3 열 실드(9)로 완전히 차폐되지 않은 열이 적층 압전 액추에이터(11)에 전달되는 경로가 되는 경우가 있다. 이로 인해, 밸브 막대(10a)에 대해서도, 20W/m·K 이하의 열전도율을 갖는 재료(예를 들어, 지르코니아 등)로 구성하는 것이 더 바람직하다.

케이싱(10b)은, 밸브 막대(10a) 및 적층 압전 액추에이터(11)를 수납하고, 적층 압전 액추에이터(11)의 상단부의 위치를 고정하는 기능을 갖고 있다. 이로 인해, 케이싱(10b)은, 열팽창 계수가 낮은 재료[예를 들어, 42합금(42질량％의 Ni를 포함하는 Fe 합금) 등]로 구성하는 것이 바람직하다. 구상 부재(10c)의 재료로서는, 예를 들어 베어링용 강구 등을 사용할 수 있다.

다음으로, 본 발명에 관한 냉각 수단에 대해 설명한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 형태에 관한 질량 유량 제어 장치의 모식도이다. 이 바람직한 실시 형태에 있어서, 적층 압전 액추에이터(11)는 그 측면 전체가 냉각 후드(12b)로 덮여 있고, 냉각 가스 입구(12a)로부터 냉각 가스를 송입함으로써 냉각 가스와 적층 압전 액추에이터(11)의 측면 사이에서 열교환이 일어나고, 적층 압전 액추에이터(11)가 냉각된다. 적층 압전 액추에이터(11)의 열로 데워진 냉각 가스는, 냉각 가스 출구(12c)로부터 외부로 배출된다. 냉각 후드(12b)의 외측에는, 방열 부재(12d)를 설치할 수 있다. 또한, 적층 압전 액추에이터(11)와 냉각 후드(12b)의 간극에, 적층 압전 액추에이터(11)에 접하는 냉각용 핀을 더 설치할 수 있다.

이들 구성으로 이루어지는 냉각 수단(12)을 적층 압전 액추에이터(11)의 주위에 설치함으로써, 적층 압전 액추에이터(11)가 가령 승온된 경우라도, 외부로부터 능동적으로 냉각됨으로써 내열 온도 이상으로 승온되는 것이 보다 확실하게 방지된다. 냉각 후드(12b)에 흘리는 냉각 가스는, 적층 압전 액추에이터(11)의 내열 온도보다도 낮은 온도의 가스이면 되고, 공지의 수단에 의해 냉각한 후에 냉각 가스 입구(12a)로부터 냉각 후드(12b)의 내부에 주입된다.

또한, 상기한 구성 대신에, 또는, 상기한 구성과 병존시켜, 냉각 수단으로서 펠체 소자를 사용할 수 있다. 이 경우도, 냉각 수단으로서의 펠체 소자를 적층 압전 액추에이터의 주위에 설치함으로써, 적층 압전 액추에이터가 내열 온도 이상으로 승온되는 것을 방지할 수 있다.

다음으로, 본 발명에 의한 효과에 대해 설명한다.

본 발명의 구성에 관한 유량 제어 밸브는, 복수의 열 실드에 의해 열원인 유체로부터 전달되는 열을 차단하여 적층 압전 액추에이터에 전해지는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 본 명세서에 개시된 구성에 따라 복수의 열 실드를 설치하면, 예를 들어 유로를 흐르는 유체의 온도가 250℃일 때, 적층 압전 액추에이터의 하단부의 온도를 110℃ 이하로 할 수 있다. 적층 압전 액추에이터의 온도 분포는 통상 열원에 가장 가까운 하단부의 온도가 가장 높아지므로, 하단부의 온도가 110℃ 이하이면, 적층 압전 액추에이터 전체의 온도도 110℃ 이하가 되고, 내열 온도를 초과하는 일은 없다. 따라서, 본 발명의 구성에 관한 유량 제어 밸브에 따르면, 250℃로 가열된 응결성 가스의 유량을 확실하게 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 구성에 관한 유량 제어 밸브는, 각각의 열 실드의 길이를 크게 취하지 않아도 열을 차단하는 효과가 충분히 얻어지므로, 열 실드 전체의 길이를 콤팩트하게 할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들어 적층 압전 액추에이터의 길이를 La, 상기 다이어프램으로부터 상기 적층 압전 액추에이터의 하단부까지의 거리를 Ls로 하였을 때, La/(La＋Ls)의 값이 0.65 이상 0.95 이하로 하는 것이 가능하다. 이에 의해, 유량 제어 밸브 전체의 길이에 차지하는 적층 압전 액추에이터의 길이를 크게 취할 수 있으므로, 유량 제어 밸브의 길이를 종래품보다도 길게 할 필요가 없고, 종래품과의 교환이 용이해진다. 또한, 길이의 제한으로부터 적층 압전 액추에이터의 적층수를 줄일 필요도 없으므로, 최대 변위량이 감소하여 밸브 개방 시의 유량의 캐패시티가 작아진다고 하는 종래 기술에 있어서의 과제를 해결할 수 있다. La/(La＋Ls)의 값의 더 바람직한 범위는 0.70 이상 0.90 이하이다.

본 발명에 관한 유량 제어 밸브는, 유체가 갖는 열을 가능한 한 유로 내에 가둔다고 하는 기술 사상에 기초하여 구성되어 있다. 예를 들어, 제1 열 실드는 다이어프램으로부터 유로의 밖을 향해 전달되는 열을 효과적으로 차단할 수 있으므로, 종래 기술에 관한 유량 제어 밸브에 비해 열의 손실이 적고, 질량 유량 제어 장치에 내장한 경우의 소비 전력도 적어지게 된다. 상술한 바와 같이 유로를 히터로 능동적으로 가열하는 경우에는, 예를 들어 유로 전체를 히터마다 단열재로 덮음으로써, 열의 손실을 더욱 적게 할 수 있다.

본 발명에 관한 유량 제어 밸브에서는, 상기한 바와 같이, 유량 제어 밸브 전체의 길이에 차지하는 적층 압전 액추에이터의 길이를 크게 취할 수 있다. 바꾸어 말하면, 실드의 높이를 작게 할 수 있으므로, 길이가 긴 방열용의 스페이서를 채용한 종래 기술에 관한 유량 제어 밸브에 비해 열팽창의 문제가 완화된다.

다음으로, 본 발명에 관한 질량 유량 제어 장치에 대해 설명한다.

본 발명에 관한 질량 유량 제어 장치(1)는, 본 발명에 관한 유량 제어 밸브(3)를 사용하고, 이것에 질량 유량계(2)나 그 밖의 부재를 조합함으로써 구성된다. 본 발명에 관한 질량 유량 제어 장치에 채용하는 질량 유량계는, 열식 질량 유량계, 압력식 질량 유량계, 그 밖의 공지의 질량 유량계를 채용할 수 있다. 본 발명에 관한 유량 제어 밸브를 내장함으로써, 본 발명의 효과를 그대로 실현한 질량 유량 제어 장치를 구성할 수 있다.

질량 유량 제어 장치에 있어서는, 제어용이나 통신용의 전기 회로가 장치에 내장되는 경우가 많다. 그러나, 본 발명에 관한 질량 유량 제어 장치에 있어서는, 전기 회로가 가열되어 오동작을 일으킬 우려가 있으므로, 예를 들어 도 4에 도시하는 바와 같이, 질량 유량 제어 장치로부터의 전기 신호를 외부에 취출하거나, 전기 신호를 질량 유량 제어 장치에 송입하기 위한 커넥터(13)를 설치하고, 전기 회로는 모두 장치의 밖에 설치하는 것이 바람직하다.

실시예 1

도 1에 도시하는 질량 유량 제어 장치(La/(La＋Ls)＝0.85)의 유로(4)의 주위에 카트리지 히터(정격 전압 120V, 출력 50W)를 2개 설치하고, 카트리지 히터의 주위를 보호 케이스로 덮고, 카트리지 히터와 보호 케이스 사이에 단열재를 충전하였다. 또한, 온도 계측용의 열전대를 카트리지 히터, 유로 및 적층 압전 액추에이터 하부에 각각 세트하였다.

다음으로, 카트리지 히터를 목표 온도 250℃까지 가열하고, 각 부의 온도를 계측하면서, 온도가 안정될 때까지 방치하였다. 20분 후에 각 부의 온도는 안정되었다. 이때의 각 부의 온도는, 카트리지 히터가 250℃, 유로가 245℃, 적층 압전 액추에이터 하부가 135℃였다. 적층 압전 액추에이터 하부의 온도는, 고온용 적층 압전 액추에이터의 내열 온도인 150℃보다도 낮았다.

실시예 2

도 4에 도시하는 냉각 수단(12)을 갖는 질량 유량 제어 장치(La/(La＋Ls)＝0.72)를 사용하여, 실시예 1과 동일한 조건에서 각 부의 온도 계측을 행하였다. 단, 온도 계측용의 열전대는 카트리지 히터, 다이어프램 중앙부, 적층 압전 액추에이터 하부 및 냉각 후드 외측에 각각 세트하였다.

다음으로, 냉각 가스 입구로부터 실온의 공기를 20slm(표준 리터 매분)만큼 흘리면서 카트리지 히터를 목표 온도 250℃까지 가열하고, 각 부의 온도를 계측하면서, 온도가 안정될 때까지 방치하였다. 20분 후에 각 부의 온도는 안정되었다. 이때의 각 부의 온도는, 카트리지 히터가 250℃, 다이어프램 중앙부가 228℃, 적층 압전 액추에이터 하부가 110℃, 냉각 후드 외측이 80℃였다. 적층 압전 액추에이터 하부의 온도는, 일반적인 적층 압전 액추에이터의 내열 온도인 120℃보다도 낮았다.

이들 실시예가 나타내는 바와 같이, 본 발명의 구성에 관한 유량 제어 밸브는, 스페이서를 사용하지 않는 단순하며 콤팩트한 구조이면서, 고온의 프로세스 가스를 사용하기 위해 유로를 가열한 경우라도 유로로부터 적층 압전 액추에이터에의 열의 전도가 방해되고, 적층 압전 액추에이터의 승온을 방지할 수 있으므로, 고온의 프로세스 가스에서의 사용에 유효하다.

1 : 질량 유량 제어 장치
2 : 질량 유량계
3 : 유량 제어 밸브
4 : 베이스
5 : 밸브 시트
6 : 다이어프램
7 : 제1 열 실드
7a : 다이어프램 스페이서
7b : 링 형상 부재
8 : 제2 열 실드(공간)
9 : 제3 열 실드
9a : 원반 형상 부재
9b : 링 형상 부재
10 : 응력 전달 수단
10a : 밸브 막대
10b : 케이싱
10c : 구상 부재
11 : 적층 압전 액추에이터
12 : 냉각 수단
12a : 냉각 가스 입구
12b : 냉각 후드
12c : 냉각 가스 출구
12d : 방열 부재
13 : 커넥터

Claims

유체의 유로가 설치된 베이스와,
상기 유로와 연통되고, 상기 베이스의 하나의 표면에 개구부를 갖는 환상의 밸브 시트와,
상기 밸브 시트의 개구부를 덮도록 배치된 박판 형상의 탄성체로 이루어지는 다이어프램과,
상기 다이어프램을 사이에 두고 상기 밸브 시트와 반대측에 위치하고, 상기 다이어프램의 외주부를 상기 베이스에 압박하여 고정하는 링 형상 부재와,
상기 다이어프램을 사이에 두고 상기 밸브 시트와 반대측에 위치하고, 상기 다이어프램의 중앙부를 상기 밸브 시트의 방향 또는 그 역의 방향으로 변위시켜 상기 밸브 시트의 개구부의 개방도를 제어하는 다이어프램 스페이서와,
복수의 압전 소자가 적층된 적층 압전 액추에이터와,
상기 적층 압전 액추에이터의 팽창에 의해 발생하는 응력을 상기 다이어프램 스페이서에 전달하는 응력 전달 수단을 갖는 유량 제어 밸브이며,
상기 링 형상 부재 및 상기 다이어프램 스페이서는, 모두 열전도율이 20W/m·K 이하인 재료로 이루어지는 제1 열 실드를 구성하고,
상기 링 형상 부재의 내경은 상기 다이어프램 스페이서의 외경보다도 크고, 또한 상기 링 형상 부재와 상기 다이어프램 스페이서의 간극은 2.0㎜를 초과하지 않으며,
상기 제1 열 실드와 상기 응력 전달 수단으로 둘러싸인 공간은, 제2 열 실드를 구성하는 것을 특징으로 하는, 유량 제어 밸브.
제1항에 있어서,
상기 제2 열 실드와 상기 응력 전달 수단의 중간에, 열전도율이 20W/m·K 이하인 재료로 이루어지는 제3 열 실드를 갖는 것을 특징으로 하는, 유량 제어 밸브.
제1항에 있어서,
상기 적층 압전 액추에이터의 주위에 냉각 수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 유량 제어 밸브.
제2항에 있어서,
상기 적층 압전 액추에이터의 주위에 냉각 수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 유량 제어 밸브.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
열전도율이 20W/m·K 이하인 상기 재료가 마코르(등록 상표) 및 지르코니아로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 세라믹스 재료인 것을 특징으로 하는, 유량 제어 밸브.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유로를 흐르는 유체의 온도가 250℃일 때, 상기 적층 압전 액추에이터의 하단부의 온도가 110℃ 이하이며, 또한,
상기 적층 압전 액추에이터의 길이를 La, 상기 다이어프램으로부터 상기 적층 압전 액추에이터의 하단부까지의 거리를 Ls로 하였을 때, La/(La＋Ls)의 값이 0.65 이상 0.95 이하인 것을 특징으로 하는, 유량 제어 밸브.
제5항에 있어서,
상기 유로를 흐르는 유체의 온도가 250℃일 때, 상기 적층 압전 액추에이터의 하단부의 온도가 110℃ 이하이며, 또한,
상기 적층 압전 액추에이터의 길이를 La, 상기 다이어프램으로부터 상기 적층 압전 액추에이터의 하단부까지의 거리를 Ls로 하였을 때, La/(La＋Ls)의 값이 0.65 이상 0.95 이하인 것을 특징으로 하는, 유량 제어 밸브.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 유량 제어 밸브와,
상기 유로에 설치되고, 유체의 질량 유량을 측정하는 질량 유량계를 갖는, 질량 유량 제어 장치.
제5항에 기재된 유량 제어 밸브와,
상기 유로에 설치되고, 유체의 질량 유량을 측정하는 질량 유량계를 갖는, 질량 유량 제어 장치.
제6항에 기재된 유량 제어 밸브와,
상기 유로에 설치되고, 유체의 질량 유량을 측정하는 질량 유량계를 갖는, 질량 유량 제어 장치.
제7항에 기재된 유량 제어 밸브와,
상기 유로에 설치되고, 유체의 질량 유량을 측정하는 질량 유량계를 갖는, 질량 유량 제어 장치.