KR102179857B1

KR102179857B1 - 질량유량계

Info

Publication number: KR102179857B1
Application number: KR1020190073508A
Authority: KR
Inventors: 민병광
Original assignee: 엠케이프리시젼 주식회사
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2019-06-20
Publication date: 2020-11-17

Abstract

본 발명은 수분 센서와 유량 센서의 감지에 따라 플런져 장치를 제어하고, 수분의 유입 정도에 따른 유량을 제어하는 질량유량계에 관한 것으로, 수분 유입 정도에 따른 유량 값을 계산하여 유량 정확도를 향상시키고, 과도한 수분 유입을 방지하여 장치의 손상 및 고장을 방지할 수 있는 질량유량계를 제공한다.

Description

질량유량계{A mass flow meter}

본 발명은 질량유량계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수분센서로 수분을 감지하고, 유량센서로 유량을 감지해 제어부로 플런져 장치를 제어하여 수분의 유입 정도에 따른 유량을 제어하는 질량유량계에 관한 것이다.

일반적으로 알려진 질량유량계(MFC)는 반도체 장치의 제조, 특히 에칭 및 기상 증착 공정에 사용되는 인체에 유해하고 대기에 노출되었을 때 고반응성을 갖는 유독성 또는 고반응성 가스와 같은 유체의 질량 유동률을 제어하기 위한 반도체 공정의 정밀유량조절기로 주로 사용되었다.

최근에는 각 연구소, 실험실 및 산업 플랜트 등으로 확산되어, 산업 전분야에 걸쳐 공기, 산소 등을 비롯한 모든 가스 플랜트의 유량지시 및 유량제어의 목적으로 사용되고 있다.

이러한 질량유량계에는 일반적으로 가스와 같은 유체가 흐를 수 있는 유로가 형성되며, 상기 유로를 개폐시키는 밸브를 사용한다.

질량유량계에서 사용 가능한 여러 종류의 밸브 중 하나인 솔레노이드 밸브는 전기적 신호를 받아 유량이나 공기의 흐름을 제어하는 장치로서, 전자석코일에 펄스신호가 가해지면 플런져가 전자석코일에 흡입되면서, 이에 일체로 형성된 밸브가 개방되어 작동 유체의 흐름 경로를 개방시키게 되는 것이다.

이 때, 질량유량계에 사용되는 가스에 수분이 함유되거나, 사용되는 가스가 반응을 일으켜 수분이 발생할 수 있으며, 수분으로 인해 정확한 질량유량의 측정이 어렵고, 고가의 장치 내부로 수분이 유입되어 공정 불량, 장치의 손상 및 고장이 발생하는 문제가 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1308082호 (발명의 명칭: 질량유량계, 공고일: 2013.09.12.)

본 발명은 질량유량계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수분센서로 가스 공급부에서 유입되는 가스의 수분의 양을 감지하고, 유량센서로 가스의 유량을 감지해 제어부로 플런져 장치를 제어하여 수분 유입 정도에 따른 유량 값을 계산하여 유량 정확도를 향상시키고, 과도한 수분 유입을 방지하여 장치의 손상 및 고장을 방지할 수 있는 질량유량계를 제공하는 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 가스가 공급되는 가스 공급부와, 상기 가스 공급부와 연결되어 상기 가스가 이동하는 공급유로와, 상기 공급유로와 연결되어 상기 가스의 일부가 이동하는 제1 유로와, 상기 공급유로와 연결되어 상기 가스의 나머지가 이동하는 제2 유로와, 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로와 연결되어 상기 가스가 이동하는 노즐부와, 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로를 개폐하는 플런져 장치와, 상기 가스 공급부에 구비되어 상기 가스의 수분을 감지하는 수분 센서와, 상기 가스 공급부에 구비되어 상기 가스의 유량을 감지하는 유량 센서 및 상기 수분센서와 상기 유량센서의 감지에 따라 상기 플런져 장치를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 수분센서가 일정량 이상 수분을 감지하면 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로를 차단하고, 일정량 이하 수분을 감지하면 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로를 확대 또는 축소하는 것을 특징으로 하는 질량유량계를 제공한다.

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본 발명에 따른 질량유량계는 수분센서로 가스 내 수분의 양을 감지하고, 일정량 이상의 수분을 감지하면 제어부로 플런져 장치를 제어하여 가스 공급을 차단해 수분으로 인한 장치의 손상 및 고장을 방지할 수 있고, 수분의 유입에 따른 유량의 보정값을 적용하여 유량 정확도를 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 질량유량계는 플런져 장치의 플런져 몸체 상면이 평평하지 않아 코어와의 접촉면적을 최대로 하여 솔레노이드 자성을 극대화 할 수 있는 이점이 있다.

본 발명에 따른 질량유량계는 플런져 장치의 플런져 몸체 하면에 스템이 구비되어 공급되는 유량이 복수의 유로에 나누어 흐를 수 있어 저압 상태에서도 유량을 많이 내보낼 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 질량유량계를 도시한 도면이다.
도 2은 본 발명에 따른 질량유량계의 플런져 장치의 이동에 따른 가스의 흐름을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 질량유량계의 수분 유입에 따른 제어방법을 설명하는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시한 수분센서의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.

이하, 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며, 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.

도 1은 본 발명에 따른 질량유량계를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 질량유량계의 플런져 장치의 이동에 따른 가스의 흐름을 설명하는 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 질량유량계의 수분 유입에 따른 제어방법을 설명하는 도면이고, 도 4는 도 1에 도시한 수분센서의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 상기 질량유량계는 플런져장치(10), 가스공급부(20), 노즐부(30), 수분센서(40), 유량센서(50) 및 제어부(60)를 포함한다.

상기 플런져 장치(10)는 하우징(100)에 수용되며 상기 하우징(100)에는 상기 플런져 장치(10)가 이동하는 공간이 형성되며, 상기 가스공급부(20) 및 노즐부(30)와 연결되어 가스가 외부로 유출되지 않도록 한다.

상기 가스공급부(20)는 가스가 이동하는 공급유로(210)와 연결되어 있고, 상기 노즐부(30)는 상기 가스가 이동하는 제1 유로(310) 및 제2 유로(320)와 연결되어 있으며, 상기 공급유로(210)를 통해 공급되는 유체가 상기 하우징(100) 내부에서 상기 제1 유로(310) 및 상기 제2 유로(320)를 따라 나누어 흐르다가, 상기 노즐부(30)에서는 하나로 합쳐져 흐르게 된다.

즉, 상기 공급유로(210)를 이동한 가스는 상기 하우징(100)의 내부 공간을 거쳐 상기 제1 유로(310) 또는 상기 제2 유로(320)로 이동한다. 따라서, 상기 질량유량계(1)의 플런져 장치(10)가 상기 하우징(100) 내부에서 이동할 때, 상기 공급유로(210)와 상기 제1 유로(310) 또는 제2 유로(320)는 개방 및 폐쇄되어 가스의 흐름을 조절하고, 상기 플런져 장치(10)에 의한 가스 흐름 조절은 후술하기로 한다.

상기 수분센서(40)는 상기 가스공급부(20)에 위치하여 유입되는 수분의 양을 감지하고, 상기 유량센서(50)는 상기 가스공급부(20)에 위치하여 흐르고 있는 가스량을 감지하며, 상기 제어부(60)는 상기 수분센서(40)와 유량센서(50)가 감지하는 수분의 양 및 가스량에 따라 상기 플런져 장치(10)를 제어하여 가스 흐름을 조절 할 수 있고, 이는 후술하기로 한다.

다시, 도 1을 참조하여, 상기 플런져 장치(10)의 실시예를 설명하면, 상기 플런져 장치(10)는 코어(400), 플런져 몸체(500), 플런져 스프링(600), 스템(700) 및 밸브 스프링(800)을 포함한다.

상기 코어(400)는 상기 하우징(100) 내부에 구비된 보빈에 전기를 통과시킬 때 전자석이 되어, 자력을 이용해 상기 하우징(100) 내부의 공간에서 본 발명에 따른 질량유량계의 플런져 장치를 상측으로 들어올리는 역할을 한다.

상기 플런져 몸체(500)는 상기 하우징(100) 내부에 수용되어 상기 코어(400) 하부에 위치하며, 상기 코어(400)의 자력에 의하여 상하로 이동하고, 상기 플런져 몸체(500)의 상면은 중심부가 가장자리부보다 위쪽 방향으로 더 돌출되도록 형성되며, 상기 코어(400)의 하면은 상기 플런져 몸체(500)의 상면과 맞물리게 형성되어 접촉면적을 최대로 하여 솔레노이드 자성을 극대화 할 수 있다.

이때, 상기 플런져 몸체(500)가 수용되는 상기 하우징(100)은 제1 공간부(110)와 제2 공간부(120)를 포함한다.

상기 제1 공간부(110)는 상기 플런져 몸체(500)의 적어도 일부분 및 후술하게 될 상기 플런져 스프링(600)이 수용되며, 상기 제2 공간부(120)는 상기 제1 공간부(110)의 하부와 연결되되, 상기 제1 공간부(110)의 직경보다 큰 직경으로 형성되고, 상기 플런져 몸체(500)의 타부분과 후술하게 될 상기 밸브 스프링(800) 및 상기 스템(700)의 일부분이 수용되며, 상기 제1 공간부(110)와 상기 제2 공간부(120)에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.

상기 플런져 스프링(600)은 상기 플런져 몸체(500)의 상면 가장자리부에 복수개 결합되어 상기 제1 공간부(110)에 수용되며, 본 실시예에 따른 질량유량계의 플런져 장치에서 상기 플런져 스프링(600)은 바람직하게는 압축 스프링일 수 있다.

상기 스템(700)은 수직의 봉과 수평의 판으로 구성되며, 상기 수직의 봉은 일단이 상기 플런져 몸체(500) 하면 중심에 결합되고, 타단은 상기 수평의 판 상면 중심에 결합되며, 상기 수평의 판은 상기 제1 유로(310)의 직경보다 큰 직경으로 형성되어 상기 제1 유로(310)를 개폐할 수 있다.

상기 밸브 스프링(800)은 판 스프링으로 구성되어 상기 플런져 몸체(500) 하부에 결합되며, 상기 제2 공간부(120)에 수용되고, 상기 공급유로(210) 및 상기 제2 유로(320)를 개폐한다. 이때, 상기 밸브 스프링(800)의 직경은 상기 제1 공간부(110)의 직경보다 큰 직경으로 형성된다.

도 2를 참조하여 상기 수분 센서(40) 및 유량 센서(50)의 감지에 따른 상기 제어부(60)의 상기 플런져 장치(10)의 제어를 설명한다.

먼저, 도 2의 (a)를 참조하면, 상기 수분 센서(40)가 상기 가스 공급부(20)에서 일정량 이하의 수분을 감지하는 경우, 상기 제어부(60)는 이를 인식하여 수분량에 따른 최적의 유량값을 계산하고, 상기 플런져 장치(10)에 전기를 통과시켜 유량을 제어하며, 상기 유량 센서(50)가 유량을 감지해 상기 제어부(60)가 이를 인식함으로써 최적의 유량값으로 제어할 수 있다. 이 때, 상기 플런져 장치(10)에 전기를 통과시키면, 상기 코어(400)는 전자석이 되어 자력에 의해 상기 플런져 몸체(500)가 상측으로 이동하고, 상기 플런져 몸체(500)의 하면 중심에 결합된 상기 스템(700)과 상기 플런져 몸체(500) 하부에 결합된 상기 밸브 스프링(800)이 함께 상측으로 이동하여 상기 제1 유로(310) 및 제2 유로(320)가 동시에 개방되며, 상기 공급유로(210)에서 공급된 가스가 상기 하우징(100)의 내부에서 상기 제1 유로(310) 및 상기 제2 유로(320)를 나누어 흐르다가, 상기 노즐부(30)에서는 하나로 합쳐져 흐름으로써 저압상태에서도 유량을 많이 내보낼 수 있어 유량 정확도를 향상 시킬 수 있다. 또한, 일정량 이하의 수분을 포함한 가스를 공급하게 되어 수분 유입으로 인한 장치의 손상 및 고장을 방지할 수 있고, 유량 정확도를 향상시켜 가스의 낭비 또는 손실을 방지하고 효율적으로 이용할 수 있다.

여기서, 상기 플런져 스프링(600)은 자력에 의해 상기 코어(400)를 향해 상승하는 상기 플런져 몸체(500) 상면을 지지하여 상기 플런져 몸체(500)와 상기 코어(400)의 충돌을 방지하고, 상기 제1 공간부(110)의 직경보다 큰 직경으로 형성된 상기 밸브 스프링(800)은 상기 제2 공간부(120)의 단부와 접촉함으로써 상기 플런져 몸체(500)의 이동을 제한할 수 있다.

이때, 상기 플런져 몸체(500)의 상면에 결합된 상기 플런져 스프링(600)이 상기 코어(400)의 하면의 가장자리부에 먼저 접촉하고, 이후 상기 플런져 몸체(500)가 상기 제1 공간부(110) 내측으로 이동함에 따라 상기 밸브 스프링(800)이 상기 제2 공간부(120)의 상면에 접촉하게 된다.

따라서, 상기 플런져 몸체(500)의 하면과 결합된 상기 밸브 스프링(800)과 상기 하우징(100)의 충돌에 의하여 발생하는 상기 밸브 스프링(800)의 충격을 완화시킴으로써 상기 밸브 스프링(800)이 손상되어 파손되는 것을 방지할 수 있게 되므로, 상기 밸브 스프링(800)의 내구성을 극대화할 수 있게 된다.

도 2의 (b)를 참조하면, 상기 수분 센서(40)가 상기 가스 공급부(20)에서 일정량 이상의 수분을 감지하는 경우, 상기 제어부(60)는 이를 인식하고, 상기 플런져 장치(10)에 전기를 통과시키지 않으며, 상기 플런져 장치(10)에 전기가 통과하지 않아 상기 코어(400)가 자력을 잃으면, 상기 플런져 몸체(500)와 상기 스템(700)이 중력에 의하여 하측으로 이동하거나, 또는 상기 밸브 스프링(800)의 복원력(탄성력)에 의하여 하측으로 이동하여 상기 제1 유로(310)와 상기 제2 유로(310)를 폐쇄함으로써 가스의 이동을 제한할 수 있어 가스의 낭비 또는 손실을 방지하고, 수분을 포함한 가스 공급을 완전히 차단하여 수분 유입으로 인한 장치의 손상 및 고장을 미연에 방지 할 수 있다.

상기 플런져 스프링(600)은 상기 플런져 몸체(500)의 상면 가장자리부에 복수개 결합되어 상기 제1 공간부(210)에 수용되며, 본 실시예에 따른 질량유량계의 플런져 장치에서 상기 플런져 스프링(600)은 바람직하게는 압축 스프링일 수 있다.

한편, 상기 플런져 몸체(500)가 상기 코일(100)의 자력에 의하여 상기 하우징(100) 내부에서 상측으로 이동할 때, 상기 플런져 몸체(500)는 정확하게 수직방향으로 이동하지 않고, 좌우로 진동하며 상측으로 이동하게 된다.

이때, 상기 플런져 몸체(500) 상면의 가장자리부와 결합된 상기 플런져 스프링(600)이 상기 코어(400) 하면의 가장자리부에 먼저 접촉하게 된다. 즉, 상기 코어(400)의 자력에 의하여 상기 플런져 몸체(500)가 상측으로 이동해 상기 제1 유로(310) 및 상기 제2 유로(320)를 개방할 때, 상기 플런져 스프링(600)과 상기 코어(400) 하면의 가장자리부가 먼저 접촉함으로써 좌우로 진동하는 상기 플런져 몸체(500)를 지지하여 진동을 완화시키고, 안정적으로 상기 제1 유로(310) 및 제2 유로(320)를 개방하여 가스가 방해 없이 흐름으로써 저압상태에서 유량을 많이 내보낼 수 있다.

도 3을 참조하여 상기 제어부(60)가 수분의 유입 정도에 따라 유량을 제어하는 방법을 설명한다.

먼저, 상기 질량유량계(1)는 공정 또는 가스의 종류에 따라 허용할 수 있는 수분량을 설정할 수 있다.

상기 가스공급부(20)에서 상기 수분 센서(40)가 설정값 이상의 수분을 감지하는 경우, 상기 제어부(60)가 이를 인식하고, 상기 플런져 장치(10)에 공급되는 전기를 차단하여 상기 제1 유로(310) 및 제2 유로(320)를 폐쇄하며, 상기 노즐부(30)로 흐르는 가스를 차단하여 수분 유입으로 인한 장비의 손상 및 고장을 방지할 수 있다.

예를 들면, 상기 수분 센서(40)가 20% 이상의 수분을 감지하는 경우, 상기 제어부(60)가 상기 플런져 장치(10)의 전기를 차단하여 장비로의 수분 유입을 방지할 수 있다.

또는, 상기 수분 센서(40)가 일정 설정값 이하의 수분을 감지하는 경우, 상기 유량 센서(50)가 유량을 감지하고, 상기 제어부(60)가 이를 인식하며, 출력해야 하는 최적의 유량을 계산하여 상기 플런져 장치(10)에 공급되는 전기를 제어하여 상기 제1 유로(310) 및 제2 유로(320)를 확대 또는 축소시켜 유량을 제어하여 정확한 유량을 공급할 수 있다.

예를 들면, 상기 수분 센서(40)가 20% 이하의 수분을 감지하는 경우, 상기 유량 센서(50)가 유량을 감지하여 상기 제어부(60)가 이를 인식하고, 수분값을 고려한 최적의 유량을 계산하여 상기 플런져 장치(10)에 공급되는 전기를 제어하여 정확한 유량을 공급할 수 있다.

도 4를 참조하면, 상기 수분센서(40)는 상기 가스공급부(20)가 아닌 상기 노즐부(30)에 위치할 수 있다.

상기 수분센서(40)는 상기 노즐부(30)에 위치하여 상기 플런져 장치(10)를 통과한 가스에 유입된 수분의 양을 감지하고, 상기 제어부(60)는 상기 수분센서(40)가 감지하는 수분의 양에 따라 상기 플런져 장치(10)를 제어하여 가스의 흐름을 조절 할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정한 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형의 실시가 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

1: 질량유량계
10: 플런져 장치
100: 하우징
110: 제1 공간부
120: 제2 공간부
20: 가스 공급부
210: 공급유로
30: 노즐부
310: 제1 유로
320: 제2 유로
400: 코어
500: 플런져 몸체
510: 스프링홈
600: 플런져 스프링
700: 스템
800: 밸브 스프링
40: 수분센서
50: 유량센서
60: 제어부

Claims

가스가 공급되는 가스 공급부;
상기 가스 공급부와 연결되어 상기 가스가 이동하는 공급유로;
상기 공급유로와 연결되어 상기 가스의 일부가 이동하는 제1 유로;
상기 공급유로와 연결되어 상기 가스의 나머지가 이동하는 제2 유로;
상기 제1 유로 및 상기 제2 유로와 연결되어 상기 가스가 이동하는 노즐부;
상기 제1 유로 및 상기 제2 유로를 개폐하는 플런져 장치;
상기 가스 공급부에 구비되어 상기 가스의 수분을 감지하는 수분 센서;
상기 가스 공급부에 구비되어 상기 가스의 유량을 감지하는 유량 센서; 및
상기 수분 센서와 상기 유량 센서의 감지에 따라 상기 플런져 장치를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는 상기 수분 센서가 일정량 이상 수분을 감지하면 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로를 차단하고, 일정량 이하 수분을 감지하면 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로를 확대 또는 축소하는 것을 특징으로 하는 질량유량계.
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