KR102384826B1

KR102384826B1 - 다이어프램 밸브

Info

Publication number: KR102384826B1
Application number: KR1020197015906A
Authority: KR
Inventors: 초쿠토 코우
Original assignee: 가부시키가이샤 깃츠 에스시티
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2022-04-11
Also published as: JP6914044B2; TW201829943A; US11002372B2; KR20190112713A; CN110199143B; JP2018123871A; CN110199143A; US20200173564A1; TWI739967B; WO2018142717A1

Abstract

매우 컴팩트하게 소형화된 밸브·보디이더라도 보디의 강도를 손상시키지 않고 소정의 Cv값에 따라 최적의 유로 공간을 형성가능하게 함으로써 하이 플로이고 안정적인 높은 Cv값을 발휘할 수 있는 다이어프램 밸브를 제공한다.
보디 내의 밸브실에 배치된 밸브 시트와, 밸브 시트의 외주 둘레에 형성된 환형상 홈과, 가압 수단을 통하여 밸브 시트에 접촉/분리 가능하게 설치된 다이어프램과, 밸브실과 연통된 1차측 유로를 구비한 다이어프램 밸브에 있어서, 환형상 홈에 연결설치한 2차측 유로의 내경은 환형상 홈의 홈 폭의 2.0~4.5배이고, 환형상 홈과 2차측 유로의 교차 단면적은 2차측 유로의 단면적보다 작고, 또한, 2차측 유로의 단면적에 대하여 교차 단면적을 35% 이상으로 구성하여 소정의 Cv값을 얻도록 한 다이어프램 밸브이다.

Description

다이어프램 밸브

본 발명은 다이어프램 밸브에 관한 것으로서, 특히, 매우 컴팩트하게 소형화된 것이면서 안정적인 하이 플로(고 Cv값)를 발휘할 수 있고, 예를 들면, 반도체 제조 장치의 가스공급계로의 사용에 매우 적합한 다이어프램 밸브에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 제조 프로세스에 있어서의 가스공급계의 제어 밸브 등으로서는, 소위 다이렉트 터치(direct touch)형 다이어프램 밸브의 사용이 주류이다. 다이렉트 다이어프램 밸브는, 외부에 대한 밀봉재로서 사용되는 금속 다이어프램으로 직접 시트의 폐지(閉止)도 행하고, 가스 접촉부에 여분의 부품을 가지지 않는 대단히 간소한 유로를 구성할 수 있으므로, 가스 접촉부 내에 금속끼리의 미끄럼운동 장소가 없고 유체의 클린화에 최적인 구조로 되어 있는 것 등이 그 이점으로 여겨진다. 다만, 확보할 수 있는 스트로크에 한도가 있어, 벨로우즈 밸브와 같은 다른 종류의 밸브와 비교하여, 구조적으로 큰 유량은 확보하기 어렵다.

또한, 반도체 소자 등의 고도로 정밀한 기기를 고품질로 제조하기 위해서는, 상기와 같은 가스공급계 등의 반도체 제조 프로세스 설비는, 소위 클린룸 내에 모두 수용되어 있을 필요가 있다. 클린룸은, 부유입자·미생물이 소정의 청정도 수준으로 관리(contamination control)됨과 아울러, 반입되는 재료, 약품, 물 등 외에, 입실하는 작업자에게도 소정 레벨의 청정도가 확보되어, 필요에 따라서 온도, 습도, 압력 등의 환경 조건도 관리가능한 밀봉 공간이며, 클린룸의 도입에 즈음해서는, 용적에 따라 증대하는 초기 설비비 외에, 유지 관리나 상시 운전을 위한 러닝 코스트가 필요해서, 생산 설비비로서 큰 부담이 된다. 이 때문에 클린룸의 도입에 있어서는 용도에 따라 최적이며 낭비를 발생하지 않는 용적·구성으로 설계되어야 한다.

이 때문에, 상기와 같은 다이어프램 밸브는 가능한 한 컴팩트하게 소형화되어 있는 것이 기본적인 요구로 되어 있다. 예를 들면, 집적화 가스 시스템에서는, 밸브 보디는 다른 기기류와 함께 이음매를 가지지 않는 콤팩트한 베이스 블록에 편입되어 집적화되어 있다. 특히 최근에는, 구체적으로는 예를 들면, 유로 직경이 수 밀리미터 정도이고, 또한, 한 변이 3cm 정도의 직육면체 형상으로 제한하는 정도까지 현저하게 컴팩트하게 소형화된 밸브 보디가 사용되는 것도 일반적인 것으로 되고 있다.

한편으로, 최근에는 스마트폰 등, 반도체를 탑재하는 기기의 한층 더 고성능화나 전력 절약화, 성능 향상 등에 대한 수요가 더욱 높아지고, 이에 수반하여 반도체 소자에는 더욱 미세화·고집적화가 요구됨과 동시에, 반도체 제조 프로세스의 다양화가 현저하게 진전되고 있다. 이 때문에, 제조 프로세스에 사용되는 각종의 프로세스 가스에 있어서도, 개개의 용도에 따라 고온화·고압화 등을 수반하는 것 이외에, 특히, 실리콘 웨이퍼의 대직경화나 액정 패널 등의 대형화, 혹은 생산 시스템의 대형화나 특별한 가스 공급 방식으로의 변경 등에 따라, 공급 유량의 한층 더 증가(하이 플로)가 기본적인 수요로 되고 있다. 이 때문에, 공급 가스의 제어 밸브로서 사용되는 상기한 바와 같은 다이어프램 밸브에도, 개개의 용도에 최적인 밸브 개발이 필요하게 되고, 컴팩트화의 요청에 반하여, 특히 대유량화(Cv값의 증대)에 대한 요구는 더욱 높아지고 있다.

밸브의 Cv값은, 유체 특성 등을 별도로 하면, 기본적으로는 유로 단면적의 크기나 유체 저항의 크기에 따라 정해지므로, 하이 플로(high flow)화를 위해서는, 밸브내에서, 유체 저항을 증가시키지 않거나, 감소시키도록 적절하게 유로 구조를 설계하면서, 유로 용적을 증대시키면 된다. 이 때문에, 기본적으로는 밸브 구조를 대형화(또는 대형의 대용량 밸브의 적용)해서 유로 설계의 자유도를 높인 다음에 적절하게 유로를 형성하면, 비교적 용이하게 필요 Cv값에 따른 하이 플로화를 실현할 수 있게 된다.

그런데, 다이어프램 밸브는 상기한 바와 같이 다른 기기류와 함께 가능한 한 데드 스페이스(dead space)를 없애도록 집적화되고, 게다가 통상은 복수 장소에 설치되므로, 이것을 대형화하면 점유 스페이스도 증대하기 때문에, 컴팩트화에 대한 기본적인 요구도 손상될 뿐만 아니라, 가스공급계 전체의 점유 스페이스의 최적화도 손상되어, 나아가서는 이것을 수용하는 클린룸의 용적도 대형화가 불가피하게 된다. 따라서, 반도체 제조 설비비의 증대를 초래하고, 반도체 제품의 제조 코스트가 악화되는 문제가 발생한다. 특히, 최근에는 제조 프로세스의 다양화·복잡화 에 따라, 여러 종류의 가스의 변환·제어가 필요한 경향이 높고, 따라서 설치해야 할 밸브의 수도 증가하는 경향이므로, 개개의 밸브의 푸트프린트를 감소시켜서 설치 면적의 증대를 억제해야 할 필요성이 더욱 높아지고 있다. 따라서, 반도체 제조 장치에 사용하는 밸브는, 그 사이즈를 유지하거나, 한층 더 소형화하고, 게다가, 유량의 안정화와 함께 유량의 증대를 도모하지 않으면 안 된다.

따라서, 밸브 보디(특히 수 센티미터 정도의 콤팩트한 사이즈의 밸브 보디)의 사이즈를 유지하거나 더욱 소형화를 도모함과 동시에, 이러한 한정된 사이즈의 보디 내의 용적에 있어서, 대용량으로 고 Cv값을 달성할 수 있는 유로 공간을 적절하게 형성하는 것에 의해, 안정적인 하이 플로를 발휘되게 하는 수단을 생각할 수 있다. 이러한 유로 구조·형상의 최적화에 의하면, 밸브에 또 다른 부재를 사용하거나 과도하게 밸브의 구성이 복잡하게 되는 일이 없고, 부품수가 유지되고, 게다가 사용 유체를 선택하지 않고, 가장 간편하게 하이 플로화를 도모할 수 있어서, 밸브의 생산성이나 코스트성 등의 각 면에서도 최적이기 때문이다. 종래부터, 상기의 실정을 감안하여 각종의 다이어프램 밸브가 제안되고 있고, 그 예로서, 특허문헌 1, 2가 존재하고 있다.

특허문헌 1에는, 밸브실의 내부면 중의 밸브 시트의 주위에 형성된 홈부가 개시되어 있고, 이 홈부는 홈 폭을 직경으로 하는 원형보다도 넓은 면적으로 개방되는 홈 출입구를 구비하고 있다. 또한, 이 홈 출입구는 적어도 그 일부가 홈 측면으로 개방되어 있다. 또한, 홈부는, 소정의 홈 깊이 및 홈 바닥면을 가지고 있고, 이 홈 바닥면은 홈 출입구를 향해서 깊어지는 형상으로 되어 있다.

특허문헌 2에 개시된 메탈 다이어프램 밸브는 중앙부가 상방으로 볼록하게 돌출된 메탈 다이어프램을 구비하고 있고, 밸브실의 하방으로 형성되어서 유출로와 연통하는 환형상 홈과 유출로의 교차 단면적이 유출로의 단면적보다 큰 경우이며, 환형상 홈이 양 측면과 바닥면을 구비하고 유출로가 환형상 홈의 양 측면과 바닥면에 접속되어 유출로의 직경이 환형상 홈의 홈 폭보다 크게 한 것 같은 경우, 또는, 환형상 홈의 홈 폭보다 단면 원형상을 보이는 유출로의 직경을 1.5~2.5배 크게 한 구성이며, 이러한 구성에 의해 밸브실로부터 유출로에 이르는 유로 전체로서 큰 유량을 흘리는 것이 의도되어 있다.

WO 2005/066528 일본 특허 제4587419호 공보

그러나, 특허문헌 1은, 유량 증대를 도모한 것이지만, 기본적으로는 가스 용기 밸브로서 제안되어, 본 발명과 사용 상황이 다른 밸브를 상정한 것이며, 진공배기성·퍼지성 등의 가스 치환성에 주제가 놓여져 있다. 이 때문에, 가스공급계에 사용되는 밸브 사이즈를 가능한 한 컴팩트하게 유지한 채 안정적인 고 Cv값을 실현하려고 하는 밸브에는 전혀 맞지 않으며, 게다가 동 문헌은, 구체적인 유로 구조에 관해서, 지극히 단순한 형상을 나타내고 있는 것에 지나지 않는다.

특히, 동 문헌의 유로 구조는, 안정적인 고 Cv값의 발휘에 중요한 출구측이 되는 제2 유로의 구조에 관하여, 도면상에서 제시되어 있을 뿐이며, 구체적으로는, 제2 유로의 내경은 홈부의 홈 폭보다 약간 큰 정도로 형성되어 있지만, 한정된 보디 사이즈내에서 최대한으로 유로 공간을 확보하면서 고 Cv값을 실현하려고 하기 위해서는, 출구측의 유로 내경의 크기가 전적으로 부족하다. 이 때문에, 동 문헌은, 특히 가스공급계에 사용되는 것 같은 컴팩트하게 소형화된 밸브에 있어서, 보디 내의 용적을 최적·최대한으로 활용한다고 하는 관점이 전혀 고려되어 있지 않다.

특허문헌 2에서는, 환형상 홈과 유출로의 교차 단면적이 한정되어 있고, 이 교차 단면적은 유출로의 단면적보다 크게 형성되어 있다. 그러나, 이러한 큰 교차 단면적을 확보하려고 했을 경우, 환형상 홈을 향해서 상당히 깊게 교차하도록 2차측 유로를 보디에 형성하지 않으면 안 되고, 이 경우, 2차측 유로가 다이어프램 외주 둘레를 고정하는 고정부나 밸브 시트 등의 다른 부위에 접근하여 형성됨으로써 밸브 보디의 강도가 약해질 우려가 있음과 아울러, 보디 형상이나 밸브의 사용 상황에 따라서는, 보디에 형성가능한 2차측 유로의 위치나 방향이 한정된 것이 되는 문제가 있다.

또한, 동 문헌의 유로 구조에 있어서도, 단면 원형상의 유출로의 직경은 환형상 홈의 홈 폭보다 1.5~2.5배의 크기로 형성되어 있지만, 이 정도의 직경의 크기라도, 한정된 보디 내의 용적에 있어서 유로 공간의 점유 스페이스를 최대한으로 확보하는 관점에서는, 특히 최근의 컴팩트성과 안정적인 하이 플로성의 높은 양립 요구 수준을 충족시키지 않으면 안 되는 관점에서, 아직도 불충분하다고 하지 않을 수 없다.

또한, 특허문헌 1, 2는, 어느 것에 있어서도, 2차측 유로의 선단부(밸브의 최심부)는 환형상 홈의 내경 위치까지 도달하고 있거나, 이 내경보다 더 깊게 진입한 위치까지 형성되어 있다. 보통, 보디에 2차측 유로를 형성할 경우는 소정의 절삭날로 절삭가공 되지만, 이와 같이 환형상 홈 내경 이상의 깊이까지 보디에 2차측 유로를 형성한 경우, 절삭 가공 치수의 관리의 방법에 따라서는, 절삭날의 선단이 밸브 시트의 바로 아래 위치나 외측 코킹부 부근 등의 근방 위치까지 도달할 경우가 있다. 이와 같이 절삭이 밸브 시트에 대하여 너무 가까운 위치까지 도달해버리면, 외측 코킹부의 강도가 불균일하게 되어, 밸브 시트의 코킹 공정에서 코킹 상태가 불균일하게 되고, 밸브의 실링성에 악영향이 발생할 우려가 있다. 따라서, 2차측 유로의 깊이는 밸브 시트 근방 위치까지 도달하지 않게 하고 최적으로 유로 공간을 확보하지 않으면 안 된다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해서 개발된 것이며, 그 목적으로 하는 것은, 매우 컴팩트하게 소형화된 밸브라도 보디의 강도를 약화시키지 않고 소정의 Cv값에 따른 최적의 유로 공간을 형성가능하게 함으로써 하이 플로이고 안정적인 고 Cv값을 발휘할 수 있는 다이어프램 밸브를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 청구항 1에 관한 발명은, 보디 내의 밸브실에 배치된 밸브 시트와, 밸브 시트의 외주 둘레에 형성된 환형상 홈과, 가압 수단을 통하여 밸브 시트에 접촉/분리 가능하게 설치된 다이어프램과, 밸브실과 연통된 1차측 유로를 구비한 다이어프램 밸브에 있어서, 환형상 홈에 연결설치한 2차측 유로의 내경은 환형상 홈의 홈 폭의 2.0~4.5배이고, 환형상 홈과 2차측 유로의 교차 단면적은 2차측 유로의 단면적보다 작고, 또한, 2차측 유로의 단면적에 대하여 교차 단면적을 35% 이상으로 구성하여 소정의 Cv값을 얻도록 한 다이어프램 밸브이다.

청구항 2에 관한 발명은, 2차측 유로의 내경은 환형상 홈의 홈 폭의 2.8~4.5배인 다이어프램 밸브이다.

청구항 3에 관한 발명은, 2차측 유로의 내경을 환형상 홈에 대하여 직선 형상으로 교차시켜, 환형상 홈의 외경에 2차측 유로의 반원형 부위를 연결설치한 다이어프램 밸브이다.

청구항 4에 관한 발명은, 2차측 유로를 환형상 홈의 내경까지 도달하지 않고 그 앞 위치까지 연결설치되게 한 반원 절결홈을 형성하고, 이 반원 절결홈의 맞닿음면은 플랫 엔드 가공에 의해 평탄 형상으로 한 다이어프램 밸브이다.

청구항 5에 관한 발명은, 교차 단면적은 반원형 부위의 면적과 반원 절결홈의 연결설치면적(連設面積)을 가산한 면적인 다이어프램 밸브이다.

청구항 6에 관한 발명은, 소정의 Cv값은 0.75 이상인 다이어프램 밸브이다.

청구항 1에 기재된 발명에 의하면, 환형상 홈에 연결설치한 2차측 유로의 내경은 환형상 홈의 홈 폭의 2.0~4.5배이기 때문에, 충분히 큰 2차측 유로의 내경·용적이 확보되므로, 컴팩트하게 소형화된 밸브 보디 내의 용적에 있어서 충분한 효율로 유로의 점유 스페이스가 확보된다.

또한, 환형상 홈과 2차측 유로의 교차 단면적은, 2차측 유로 단면적보다 작은 면적이고 또한 35% 이상의 면적으로 하고 있기 때문에, 유체가 환형상 홈으로부터 2차측 유로로 유출할 때에, 유로 단면적이 완만하게 점차적으로 확대되어 좁아지는 일이 없고, 또한, 급격하게 변화하지도 않고, 게다가 2차측 유로는 매우 큰 유로 공간으로 형성된다. 이 때문에, 컴팩트하게 소형화된 밸브 보디 내의 용적에 있어서도, 밸브실측으로부터 2차측으로의 유체의 유량을 매우 크게 확보할 수 있고, 확실한 하이 플로화를 도모할 수 있음과 아울러, 유체의 흐름이 안정되기 쉽고 Cv값의 변동 폭도 작게 억제할 수 있어 흐트러지는 일이 없다.

또한, 2차측 유로의 가공에 있어서 큰 교차 단면적의 형성이 불필요하기 때문에, 환형상 홈으로 향하는 과도하게 깊은 절삭 가공이 불필요하게 되어 보디 강도가 약화되는 일이 없음과 아울러, 가공이 용이하기 때문에 여러가지 타입의 밸브 보디에 적용가능하다. 이 때문에, 광범위한 밸브 보디에 있어서 필요한 소정의 Cv값에 따른 최적의 유로 공간을 설계할 수 있게 되어, 그 가공 작업성도 매우 양호하다.

청구항 2에 기재된 발명에 의하면, 2차측 유로의 내경은 환형상 홈의 홈 폭의 2.8~4.5배이므로, 내경 사이즈가 적합하게 되어, 특히 최근의 반도체 제조 장치의 가스공급계 등에서 요구되는 높은 Cv값을 안정적으로 얻을 수 있다.

청구항 3에 기재된 발명에 의하면, 2차측 유로의 내경을 환형상 홈에 대하여 직선 형상으로 교차시켰기 때문에, 보디 내로의 2차측 유로의 가공이 매우 간소하게 됨과 아울러, 환형상 홈으로부터의 유체의 빠지기·유출도 양호하게 된다. 이와 함께, 환형상 홈의 외경에 2차측 유로의 반원형 부위를 연결설치하였기 때문에, 밸브실 내의 유체는 환형상 홈의 측면으로 크게 개방된 반원형 부위로부터 직접 2차측 유로로 유출가능하게 되고, 직선 형상의 2차측 유로 형상과 서로 어울려서 유출 효율이 매우 향상되고, 따라서, 밸브의 하이 플로와 안정적인 고 Cv값의 발휘가 가능하게 된다. 게다가, 반원형 부위는, 2차측 유로의 회전 절삭날을 그대로 환형상 홈에 침입시키는 것만으로 형성할 수 있기 때문에, 가공이 매우 용이하다.

청구항 4에 기재된 발명에 의하면, 2차측 유로를 환형상 홈의 내경까지 도달하지 않고 그 앞 위치까지 연결설치되게 한 반원 절결홈을 형성하고 있기 때문에, 2차측 유로의 선단부가 환형상 홈의 내경, 적어도 밸브 시트의 외경 위치 부근이 되는 깊은 위치까지 가공될 일이 없다. 따라서, 밸브 시트의 외측 코킹부의 강도가 불균일하게 되어서 코킹 공정에 악영향이 생길 우려가 없다. 또한, 반원형 부위의 맞닿음면은, 플랫 엔드 가공에 의해 평탄 형상으로 되어 있으므로, 상기 교차 단면적을 가장 크게 확보할 수 있다.

청구항 5에 기재된 발명에 의하면, 교차 단면적은, 반원형 부위의 면적과 반원 절결홈의 연결설치면적을 가산한 면적으로 하고 있기 때문에, 교차 단면적의 설계가 매우 간소하게 됨과 동시에, 고유량으로 안정적인 Cv값을 확실하게 얻는 것이 가능하게 된다.

청구항 6에 기재된 발명에 의하면, 소정의 Cv값은 0.75 이상이므로, 많은 사용 조건에 안정적으로 대응가능한 하이 플로 밸브의 제공이 가능하게 되어, 컴팩트화와 유량의 안정성과 하이 플로 등의 목적을 일거에 해결할 수 있다.

도 1은 본 예의 다이어프램 밸브의 단면도이다.
도 2는 도 1의 밸브의 전부 개방 상태에서의 밸브 보디를 확대하여 나타낸 요부 확대 단면도이다.
도 3은 모식적으로 나타낸 본 예의 밸브 보디의 입체적인 단면도를, 아래쪽으로부터 비스듬히 본 상태에서 요부를 확대한 요부 확대도이다.
도 4는 모식적으로 나타낸 본 예의 밸브 보디의 입체적인 단면도를, 위쪽으로부터 비스듬히 본 상태에서 요부를 확대한 요부 확대도이다.
도 5(a)는 모식적으로 나타낸 본 예의 밸브 보디의 측면도이고, 도 5(b)는 모식적으로 나타낸 본 예의 밸브 보디의 평면도이다.

이하, 본 발명의 한 실시형태의 구조를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.

도 1은, 본 실시형태(본 예)의 밸브용 액추에이터와, 이것을 구비한 상태의 본 예의 다이어프램 밸브의 단면도이며, 동 도면 중앙선의 좌측 반부분은 본 예의 밸브의 전부 폐쇄 상태를, 오른쪽 반부분은 본 예의 밸브의 전부 개방 상태를 각각 나타내고 있다. 도 2는 도 1에 있어서 밸브의 보디(50)의 부분을 확대하여 나타낸 요부 확대 단면도이다. 또한, 본 예의 밸브용 액추에이터의 구조와 작용은, 도 1을 이용하여 후술한다.

도 1 및 도 2에서, 본 예의 다이어프램 밸브는, 보디(50) 내의 밸브실(51)에 배치된 밸브 시트(52)와, 밸브 시트(52)의 외주 둘레에 형성된 환형상 홈(53)과, 가압 수단(54)을 통하여 밸브 시트(52)에 접촉/분리 가능하게 설치된 다이어프램(55)과, 밸브실(51)과 연통된 1차측 유로(56)를 구비하고 있다. 또한, 본 예의 가압 수단(54)은, 보디(50)에 공압의 액추에이터 본체(100)을 구비하고, 이것에 의해 공기 구동가능한 다이어프램 밸브(air-drivable diaphragm valve)를 구성하고 있지만, 가압 수단(54)으로는, 이 밖에, 핸들을 가진 수동기구 등이라도 되고, 다이어프램(55)을 누를 수 있는 수단이면 실시에 따라 임의로 선택 가능하다.

보디(50)는, 금속제(SUS316L)로 한 변이 약 3.5 센티미터 정도의 대략 직육면체 형상을 취하고 있고, 양 측면에는 1차측 유로(56)와 2차측 유로(57)가 각각 대략 수평방향으로 뻗어 있다. 본 예의 1차측 유로의 내경은, 2차측 유로(57)의 내경과 대략 동일하고, 보디(50) 측면에 대략 수평방향으로부터 내부의 환형상 홈(53)의 축심 위치 방향을 향해서 선단이 구형상이 되도록 절삭가공되어, 이 구형상의 맞닿음면부터, 직선 형상으로 아래를 향하는 경사부(56a)와, 예각으로 연직상방으로 꺽여서 밸브실(51) 내로 개방된 종방향 구멍부(56b)로 형성되어 있다.

밸브 시트(52)는, 본 예에서는 PCTFE제이며, 내경이 대략 원형의 종방향 구멍부(56b)의 개구부(63)의 외주 둘레에 형성된 환형상의 장착홈(65)에, 코킹식 고정에 의해 고착되어 있고, 그 상면측은, 다이어프램(55)의 하면측이 유연하게 변형하여 밀착(착좌)가능하게 되어 있다. 본 예의 다이어프램(55)은, 대략 원형상으로 형성되어, 9장의 Co 합금제 다이어프램을 겹쳐서 구성되어 있다. 다이어프램(55)의 외주 둘레는, 환형상 홈(53)의 외측면(53a)의 외주 둘레에 형성된 볼록부(64)와 후술의 보닛(32)의 하면과의 사이에 끼워져 고정되어 있다.

환형상 홈(53)은, 밸브 시트(52)의 외주 둘레에 환형상으로 형성되어 있고, 본 예에서는, 외측면(53a), 내측면(53b), 바닥면(53c)을 가진 단면이 대략 ㄷ자 형상으로 되어 있다. 도 2에서, w는 환형상 홈(53)의 홈 폭(외측면(53a)의 직경과 내측면(53b)의 직경의 차이의 절반)을 나타내고 있고, h는 환형상 홈(53)의 홈 깊이(개구부(63)와 바닥면(53c)의 고저차(거리))이다.

환형상 홈(53)의 홈 폭(w)은, 하이 플로화를 위해서, 보디(50)의 구조가 허용하는 한 최대한 확보되어, 밸브실(51)의 용적의 최대화를 꾀한다. 즉, 외측면(53a)의 최대 직경은 환형상 볼록부(64)의 내경과 같은 정도까지 확보되고, 내측면(53b)의 최소 직경은 소정 직경을 가지고 있는 환형상의 밸브 시트(52)의 코킹 부 외측 정도까지 확보되는 것에 의해, 외측면(53a)과 내측면(53b)의 간극이 되는 홈 폭(w)이 최대한 확보된다.

도 2에서, 2차측 유로(57)의 내경은, 환형상 홈(53)에 대하여 직선 형상으로 교차하고 있다. 본 예에서는, 적어도 2차측 유로(57)의 상측 내주면(57a)이 스트레이트 형상이며 환형상 홈(53)의 축심 위치 방향을 향해서 형성되어 있음과 아울러, 이 내주면(57a)은 환형상 홈(53)의 외측면(53a)와 대략 직각 방향으로 교차하고 있다. 이와 같이 직선 형상으로 교차시키면, 환형상 홈(53)측으로부터 2차측 유로(57)측으로 유체의 빠지기(passage)가 좋아져 Cv값 향상에 기여할 수 있음과 아울러, 밸브의 가공성도 양호하다.

또한, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 환형상 홈(53)의 외경에는, 2차측 유로(57)의 반원형 부위(59)를 연결설치시키고 있다. 본 예에서는, 단면이 대략 원형상인 2차측 유로(57)의 상측 내주면(57a)이, 대략 원통 형상으로 형성되어 있는 환형상 홈(53)의 외측면(53a)(외경)과 교차했을 때에 형성되는 대략 원통면 내의 반원형상의 개구 부위가 반원형 부위(59)이고, 도 5(a)에 해칭을 한 영역으로 나타나 있는 바와 같이, 이 반원형 부위(59)의 면적을 S₁이라고 표시하고 있다. 이러한 반원형 부위(59)를 연결설치하도록 하면, 통상은, 환형상 홈(53)을 향해서 2차측 유로(57)를 천공하는 것만으로 밸브실(51) 내에 큰 개구 면적을 가지며 유체 저항이 적은 유로 공간을 확보할 수 있기 때문에 적합하다.

도 2와 도 4에서, 2차측 유로(57)를 환형상 홈(53)의 내경까지 도달하지 않고 그 앞 위치까지 연결설치되게 한 반원 절결홈(60)을 형성하고 있다. 본 예에서는, 2차측 유로(57)의 보디(50) 내부에 있어서의 가장 깊은 위치(선단부)는 반원 절결홈(60)의 맞닿음면(61)의 위치이지만, 이 맞닿음면(61)은 환형상 홈(53)의 내측면(53b)의 위치까지 도달하지 않고, 그 앞 위치까지로 되어 있고, 구체적으로는, 도 2에서, 외측면(53a)의 위치로부터 환형상 홈(53)의 축심 직경 방향으로의 침입 깊이(L)의 위치까지 연결설치되어 있다. 이와 같이 환형상 홈(53)의 내경까지 도달하지 않으므로, 과도한 절삭에 의해 밸브 시트(52) 등의 지지 구조의 강성·강도가 약해질 우려가 없다.

또한, 맞닿음면(61)은 플랫 엔드 가공에 의해 평탄 형상으로 되어 있다. 2차측 유로(57)는 보디(50)의 측면으로부터 대략 수평방향을 향해서 회전 절삭날에 의해 스트레이트로 새김(engraving) 가공되고, 이 새김 가공할 때의 맞닿음면의 형상은 1차측 유로(56)과 같은 구형상 외에, 원추 형상 등, 실시에 따라 임의로 선택가능하지만, 본 예에서는, 플랫 엔드 가공에 의한 평탄 형상으로 하고 있다. 이러한 평탄 형상의 경우, 후술의 연결설치면적(S₂)을 가장 크게 형성할 수 있고, 교차 단면적(S)도 최대한으로 확보 가능하게 된다.

도 5(b)에서는, 본 예의 반원 절결홈(60)의 연결설치면적(S₂)을 해칭을 한 영역으로 나타내고 있다. 이 면적(S₂)은, 도면에 나타나 있는 바와 같이, 보디(50)를 바로 위 방향으로부터 내려다 보아 평면도로 보았을 경우에, 2차측 유로(57)가 환형상 홈(53)과 교차하는 영역의 면적이며, 본 예의 면적(S₂)은, 대략 맞닿음면(61)과 외측면(53a)으로 둘러싸인 대략 활(弓) 형상의 영역으로 되어 있다.

본 발명의 교차 단면적은, 환형상 홈이 형성하는 공간 영역과 2차측 유로가 형성하는 공간 영역이 교차하는 경계면의 면적이며, 밸브실로부터 2차측에 이를 때의 유로 단면적이므로, 그 크기·형상은, 유체의 Cv값을 좌우한다. 기본적으로는 교차 단면적이 크면 큰 Cv값이 안정적으로 얻을 수 있지만, 밸브 보디의 구조적 제약 등으로부터 한계가 있기 때문에, 최적으로 설정할 필요가 있고, 이때, 2차측 유로 단면적과의 관계가 중요하다.

본 예의 교차 단면적(S)은 도 5(a)에 나타낸 반원형 부위(59)의 면적(S₁)과 도 5(b)에 나타낸 반원 절결홈(60)의 연결설치면적(S₂)을 가산한 면적(S=S₁+S₂)이다. 교차 단면적의 정의는 엄밀하게는 폭이 있고, 복잡한 영역으로 한 경우에는 면적의 계산이 복잡해지지만, 본 예와 같이 정의한 경우, 그 의의를 유지하면서 교차 단면적(S)의 계산이 단순하게 되고, 밸브 보디의 간소하고 최적인 설계에 기여한다.

도 2에서, 환형상 홈(53)에 연결설치한 2차측 유로(57)의 내경(R)은 환형상 홈(53)의 홈 폭(w)의 2.0~4.5배, 바람직하게는, 2.8~4.5배로 설정하고 있다. 동 도면에서, 2차측 유로(57)의 중심축(X)의 위치를 고정한 다음에, 이 중심축(X)으로부터 반경 방향으로 2차측 유로(57)의 내경(R)의 크기를 설정하도록 하고 있다. 또한, 2차측 유로(57)의 단면적(T)은, 본 예의 경우, 단면이 대략 원형이므로, 내경(R)으로부터 산출한 원의 면적과 대략 같다. 또한, 동 도면에서는, 후술하는 높이(H)를 나타내고 있고, 본 예의 높이(H)는, 2차측 유로(57)의 상측 내주면(57a)의 최고점 위치와 환형상 홈(53)의 바닥면(53c)의 위치의 고저차(거리)이다. 이 높이(H)의 조정은, 상측 내주면(57a)의 위치를 고정하고 바닥면(53c)의 위치를 변화시켜서 설정하도록 하고 있다.

또한, 환형상 홈(53)과 2차측 유로(57)의 교차 단면적(S)은 2차측 유로(57)의 단면적(T)보다 작고, 또한, 2차측 유로(57)의 단면적(T)에 대하여 교차 단면적(S)을 35% 이상으로 구성하여 소정의 Cv값을 얻도록 하고 있다. 이와 같이 교차 단면적(S)을 2차측 유로(57)의 단면적(T)에 대하여 조정하므로써, 환형상 홈(53)측으로부터 교차 영역(교차 단면적(S))을 거쳐서 단면적(T)의 2차측 유로(57)에 이를 때에, 유로 단면적이 과도하게 좁혀지지 않고 점차 확대하여 흐름·빠지기가 양호가 되고, 안정적인 고 Cv값을 얻을 수 있다.

본 발명의 밸브는, 적절하게 밸브를 하이 플로화하기 위해서, 미리 소정의 Cv값을 설정하고, 이것을 충족시킬 수 있는 보디(50)의 유로 구조의 허용 범위를 소정의 유체 해석 수단에 기초하여 해석해서 설정하도록 하고 있다. 구체적으로는, 환형상 홈(53)의 홈 폭(w)이 미리 보디(50)의 구조적 제한의 범위 내에서 최대한으로 확보되어 있는 것을 전제로 하여, 2차측 유로(57)의 내경(R)의 상한은, 외부 실링부가 남는 정도까지, 즉, 보디(50)의 강도나 실링성 등에 지장이 생기지 않는 한도까지 대직경화되고, 더욱 구체적으로는, 홈 폭(w)에 대하여 4.5배 정도의 크기까지이면, 최근에 있어서의 반도체 제조 프로세스 환경의 사용에 요청되는 많은 밸브가 충족시키는 조건으로 충분하다.

한편, 2차측 유로(57)의 내경(R)의 하한은, 내경(R)의 변동이 밸브의 Cv값의 변동과 대소동순(大小同順)으로 변동하는 것을 전제로 하여, 적절하게 설정된 목표 Cv값에 대하여, 이 Cv값 이상을 충족시킬 수 있는 직경 이상의 직경으로 설정되고, 구체적으로는, 홈 폭(w)에 대하여 2.0배 이상, 더욱 바람직하게는, 2.8배 이상으로 설정되어 있으면, 최근의 반도체 제조 프로세스에 있어서의 고순도 가스공급계에 사용되는 다이어프램 밸브에 요구되는 성능(하이 플로이고 컴팩트한 것)을 비롯하여 많은 사용 환경에 사용할 수 있는 밸브의 특성으로서 충분하다. 2차측 유로(57)의 단면적(T)에 대한 교차 단면적(S)의 하한도, 상기와 마찬가지이고, 구체적으로는, 단면적(T)에 대하여 35% 이상으로 설정되어 있으면 충분하다.

또한, 본 발명에서는, 소정의 Cv값은 0.75 이상으로 하고 있다. Cv값 0.75 이상이라고 하는 수치는, 최근에 필요로 하는 것 같은 하이 플로화에 대하여, 여러가지 밸브 종류나 사용 환경에 있어서 공통적으로 요구조건을 충족시키는 표준적인 수치이며, 특히 반도체 제조 장치에 사용되는 컴팩트하게 소형화된 밸브에 있어서, 달성 목표 수치로서 적합하기 때문이다.

[실시예]

계속해서, 본 예의 다이어프램 밸브의 유체 해석을 설명한다. 이 유체 해석에서는, 목표 Cv값으로서 0.75를 설정하고, 이 조건을 충족시키는 보디(50)에 형성되는 유로 구조의 각 구성요소의 치수의 적합한 수치 범위를, 소정의 3D-CAD 유체 해석 소프트웨어를 사용한 해석에 기초하여 찾아낸 것이다.

우선, 환형상 홈(53)의 치수에 관해서 검토하면, 당연히 단면적이 큰 것이 밸브의 Cv값을 향상시킬 수 있으므로, 밸브의 대형화를 회피하면서 하이 플로화하려고 한 경우에는 환형상 홈(53)의 단면적을 증가시키면 좋겠지만, 보디(50)의 구조상 제약이 있다. 예를 들면 외측면(53a)의 직경은, 다이어프램(55)의 외주 둘레를 협착 고정하고 있는 볼록부(64)의 직경보다 크게 하는 것도 불가능하지는 않지만, 가공이 어렵게 되므로 회피하지 않으면 안 되고, 이 때문에, 최대에서도 볼록부(64)의 직경과 동일한 정도로 채택할 필요가 있다. 또한, 본 예에서는, 약 Φ25mm의 다이어프램(55)을 사용하고 있으므로, 외측면(53a)의 직경은 이 다이어프램(55)의 직경보다 다소 작은 직경인 Φ22.2mm로 하고 있다.

내측면(53b)의 직경은, 1차측 유로(56)의 종방향 구멍부(56b)의 내경을 될 수 있는 한 크게 확보하지 않으면 안 되기 때문에, 밸브 시트 코킹부 외측이 되는 장착홈(65) 외측보다 작은 직경으로 하는 것도 불가능하지는 않지만, 가공이 어렵게 되기 때문에 회피할 필요가 있다. 본 예에서는, 종방향 구멍부(56b) 내경을 약 Φ7mm로 하고 있고, 그 외경측에 밸브 시트(52)을 설치하고 있으므로, 내측면(53b)의 직경은, 최소에서도 약 Φ15mm으로 하고 있다. 따라서, 본 예에 있어서의 홈 폭(w)은 (외측면(53a)의 직경 - 내측면(53b)의 직경)/2=3.6mm로 설정된다.

환형상 홈(53)의 홈 깊이(h)는, 지나치게 얕게 설정하면 환형상 홈(53)과 2차측 유로(57)의 교차 단면적(S)이 작아지고, 반대로, 지나치게 깊게 설정하면 환형상 홈(53)의 바닥부가 1차측 유로(56)와 간섭한다. 따라서, 본 예에서는, 홈 깊이(h)를 약 8.0mm로 설정함과 아울러, 이 다소 깊게 설정된 환형상 홈(53)의 하측으로 빠져나가도록, 1차측 유로(56)의 구조를 상기한 바와 같이 경사부(56a)와 종방향 구멍부(56b)로 구성하고, 양자의 간섭을 회피하고 있다.

다음에는, 환형상 홈(53)의 높이(H)의 적절한 수치 범위를 설명한다. 이 유체 해석에 있어서는, 환형상 홈(53)의 홈 폭(w)을 3.6mm, 2차측 유로(57)의 내경(R)을 Φ10.2mm(이 때 단면적(T)은 81.7mm²), 침입 깊이(L)를 2.6mm에 고정한 상태에서, 환형상 홈(53)의 높이(H)를 변경하여 Cv값 해석을 행하고, 목표 Cv값 이상을 충족시키는 높이(H)의 하한값을 얻은 것이다. 이 높이(H)의 변동에 따라, 홈 깊이(h), 교차 단면적(S)도 변동하게 된다.

그 결과, 목표 Cv값 0.75 이상에 대한 높이(H)의 하한값은 1.9mm인 것이 밝혀지고, 이 값을 홈 깊이(h)로 환산하면 약 6.0mm가 되고, 이것이 홈 깊이(h)의 하한값이 된다. 또한, 환형상 홈(53)의 바닥면(53c)의 위치가, 도 2에서 중심축(X)보다 하측으로 된 경우에는, 1차측 유로(56)와의 간섭이 발생하기 때문에, 홈 깊이(h)의 상한은, 이 중심축(X)의 위치로 되는 대략 9.0mm 정도가 된다. 따라서, 본 예에서, 홈 깊이(h)의 수치 범위는 6.0mm~9.0mm 정도가 적절하다. 또한, 홈 폭(w)과의 관계에서는, h/w는 약 1.8~2.5 정도가 적합하게 된다. 또한, 이 높이(H)가 상기 하한값으로 될 때, 교차 단면적(S)은 27.3mm²이었다.

다음에는, 홈 폭(w)와 내경(R)의 관계의 적절한 수치 범위를 설명한다. 이 유체 해석에서도, 환형상 홈(53)의 홈 폭(w)을 3.6mm, 홈 깊이(h)를 8.0mm, 2차측 유로(57)의 침입 깊이(L)을 2.6mm에 고정한 상태에서, 2차측 유로(57)의 내경(R)을 변경하여 Cv값 해석을 행하고, 목표 Cv값 이상을 충족시키는 내경(R)의 하한값을 얻은 것이다. 이 내경(R)의 변동에 따라, 높이(H)나 단면적(T, S)도 변동하게 된다.

그 결과, 목표 Cv값 0.75 이상에 대한 내경(R)의 하한값은 Φ7.5mm인 것으로 밝혀졌다. 또한, 내경(R)의 상한값은 유체 해석하지 않았지만, 본 예의 보디(50)의 구조에서 보면, 외부 실링부가 남는 정도까지는 대직경화할 수 있으므로 약 Φ16mm 정도가 된다. 따라서, 본 예에서, 2차측 유로(57)의 내경(R)의 수치 범위는 Φ7.5mm~Φ16mm 정도가 적합하다. 이 때문에, 홈 폭(w)과의 관계에서는, R/w은 약 2.0~4.5배 정도가 적합하게 된다. 또한, 이 내경(R)이 상기 하한값으로 될 때, 교차 단면적(S)은 28.7mm²이었다.

또한, 목표 Cv값으로서 보다 바람직한 0.86 이상으로 설정한 경우에는, 내경(R)의 하한값은 Φ10.2mm이었다. 따라서, 이것에 대응하는 R/w의 수치 범위로서 약 2.8~4.5을 설정하면 더욱 적합하다.

다음에는 교차 단면적(S)과 단면적(T)의 관계의 적합한 수치 범위를 설명한다. 이 유체 해석에서도, 환형상 홈(53)의 홈 폭(w)을 3.6mm, 홈 깊이(h)를 8.0mm(이때 높이(H)는 3.9mm), 2차측 유로(57)의 내경(R)을 Φ10.2mm(이때 단면적(T)은 81.7mm²)에 고정한 상태에서, 2차측 유로(57)의 침입 깊이(L)를 변경하여 Cv값 해석을 행하고, 목표 Cv값 이상을 충족시키는 침입 깊이(L)의 하한값을 얻은 것이다. 이 침입 깊이(L)의 변동에 따라, 교차 단면적(S)도 변동하게 된다.

그 결과, 목표 Cv값 0.75 이상에 대한 침입 깊이(L)의 하한값은 0.6mm인 것으로 밝혀졌다. 또한, 이 하한값의 경우, 교차 단면적(S)은 25.2mm²이었다.

이상의 유체 해석 결과를 정리하면, 이하의 표 1이 된다.

	H의 하한값 해석	R의 하한값 해석	L의 하한값 해석
높이(H)	하한값 1.9mm	하한값 2.55mm	3.9mm
침입 깊이(L)	2.6mm	2.6mm	하한값 0.6mm
2차측 유로 내경(R)	Φ10.2mm	하한값 Φ7.5mm	Φ10.2mm
2차측 유로 단면적(T)	81.7mm²	하한값 44.2mm²	81.7mm²
홈 폭(w)	3.6mm	3.6mm	3.6mm
홈깊이(h)	하한값 6.0mm	8.0mm	8.0mm
교차 단면적(S)	하한값 27.3mm²	하한값 28.7mm²	하한값 25.2mm²

또한, 상기의 내용에서, 교차 단면적(S)의 값에 관해서는, 목표 Cv값 0.75 이상의 설정에 대하여 가장 수치가 높았던 28.7mm²이상으로 설정하는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 이 경우, 2차측 유로(57)의 단면적(T)과의 관계에서는, T가 가장 큰 값 81.7mm²을 이용하여, S/T= 약 35% 정도 이상을 확보하면 충분하다고 생각된다. 이 때문에, 종래 기술에 제안되어 있는 것 같은 S>T로 설정할 필요가 없고, 보디의 가공성이나 유체의 저항성의 향상에 기여하는 것이다.

이어서, 본 예의 밸브용 액추에이터(가압 수단(54))의 구조를 설명한다. 도 1에서, 본 예의 밸브용 액추에이터는 액추에이터 본체(100) 내에 설치한 탄발부재(8)(스프링(8))에 의해 가압된 피스톤(2)과, 공기압에 의해 피스톤(2)을 움직이기 위한 적어도 2개의 공기실(3)(3a, 3b)을 배치함과 아울러, 밸브 폐쇄 방향으로 증폭된 힘을 발휘시키기 위한 배력 기구(1)를, 어느 하나의 공기실(3)에 수납한 공기 구동 액추에이터이다.

커버(4)는 외관이 대략 원통 형상을 나타내고, 축심 위치에는, 외부에 설치된 도면에 나타나 있지 않은 공기 공급원과 접속하기 위한 접속부(5)가 설치되어, 이것에 연결되는 유로(5a)가 형성되어 있고, 또한, 이것에 연결되는 피스톤(2)과 끼워맞춤가능한 끼워맞춤부(10)가 마련되어 있다. 커버(4)의 하단부에는, 케이싱(6)의 암나사부(7)와 나사결합가능한 수나사부(9)가 마련되어 있다. 또한, 커버(4)의 내부에는, 스프링(8)을 가압하기 위한 받이부(11)가 오목하게 형성되어 있다.

케이싱(6)은 커버(4)와 대략 동일한 직경의 원통 형상의 외관으로 형성되어 있고, 상단부에 상기한 암나사부(7)가 형성되어 있고, 하단부에는, 베이스(12)의 암나사부(13)와 나사결합가능한 수나사부(14)가 형성되어 있다. 암나사부(13)와 수나사부(14)의 사이를 밀봉하기 위해서, O링(15)이 개재되어 있다. 또한, 케이싱(6)의 내주면에는, 서브 베이스(16)와 걸어맞춤하는 계단부(17)가 형성되어 있다.

베이스(12)는 상부가 케이싱(6)과 대략 동일한 직경의 통 형상으로 형성되어 있고, 하부는 상부보다 계단식으로 직경축소하도록 형성되어 있음과 아울러, 보디(50)의 암나사부(62)와 나사결합가능한 수나사부(20)가 형성되어 있다. 또한, 중앙의 축심 위치에는, 출력 부재(21)(디스크 부재(21))와 끼워맞춤하여 부착가능한 부착구멍(22)이 개방되어 있고, 이 부착구멍(22)의 내주면에는, O링(23)이 설치되어 있다.

보닛(32)은 대략 통 형상으로 형성되어 있고, 본 예의 밸브의 조립시에는, 베이스(12)와 보디(50)의 사이에 설치되어서, 암나사부(62)를 수나사부(20)에 나사결합할 때의 조임력에 의해 베이스(12)의 하단면이 보닛(32)을 누르고, 이 누름력에 의해 보닛(32)의 하면과 볼록부(64)의 사이에 다이어프램(55)의 가장자리부가 끼여서 밸브실 내에 고정된다. 또한, 보닛(32)의 내주면은 대략 동일 직경으로 형성된 통 형상 공간으로 되어 있고, 이 내주면에는, 대략 원기둥 형상의 다이어프램 피스(33)가 이 내주면과 거의 저항없이 미끄럼운동가능하게 끼워맞추어져 있다. 또한, 다이어프램 피스(33)의 상면은, 부착구멍(22)에 끼워맞추어진 디스크 부재(21)의 하단면이 맞닿을 수 있게 설치되어 있다.

피스톤(2)은 피스톤부(2a)와 연장부(2d) 및 피스톤부(2b)와 연장부(2c)를 각각 일체로 형성하고, 이들 2개의 부재를 조합시켜서 구성하도록 하고 있다. 구체적으로는, 피스톤부(2a)와 연장부(2c)의 경우에는, 원반 형상의 피스톤부(2a)와 내부에 유로(36)를 가지고 있는 원기둥 형상의 연장부(2d)를 우산 형상으로 일체로 형성하고, 연장부(2d)의 원형 단면(端面)에 중심 위치가 되는 유로(36)의 개구부를 지나도록 홈을 절결하여 유로(35)를 형성하고 있고, 피스톤부(2b)과 내부에 유로(34)를 가지고 있는 연장부(2c)도 마찬가지로 우산 형상으로 일체로 형성된다. 그 후에, 유로(35)를 절결한 연장부(2d)의 단면(端面)을 유로(34, 35)가 서로 연통하도록 피스톤부(2b)의 중심 위치에 조합시켜서, 2개의 부재로 피스톤(2)을 구성하도록 하고 있지만, 단일의 부재로 피스톤(2) 전체를 일체로 구성하도록 하여도 된다.

또한, 피스톤부(2a, 2b)의 외측 가장자리부에는, O링(37, 38)이 각각 설치되어, 케이싱(6)의 내주면과의 사이를 미끄럼이동하면서 밀봉가능하게 되어 있다. 피스톤부(2a, 2b)의 외경은, 케이싱(6)의 계단부(17)보다 상측의 내경과 하측의 내경에 각각 적합하고, 후술과 같이, 공기의 공급/배출에 따라, 공기실(3a, 3b) 내의 밀봉성을 유지한 채 피스톤(2)의 액추에이터 본체(100) 내에서의 밸브 스트로크 동작을 가능하게 하고 있다.

상기의 구조에 의해, 본 예의 액추에이터의 조립을 완료했을 때는, 피스톤부(2a)의 하면측과 베이스(12)의 내주면의 사이에 형성되는 밀봉 공간은, 유로(36)로부터의 공급 공기가 도입되는 제1 공기실(3a)이 되고, 피스톤부(2b)의 하면측과 서브 베이스(16)의 상면측의 사이에 형성되는 밀봉 공간은, 유로(35)로부터의 공급 공기가 도입되는 제2 공기실(3b)이 된다. 이렇게 하여, 본 예에서는 공기실(3)을 제1 공기실(3a)과 제2 공기실(3b)의 2개로 증설하고 있다. 이러한 피스톤(2)과 케이싱(6)의 구성에 의해 컴팩트하게 복수의 공기실을 설치했기 때문에, 본 예에서는, 액추에이터 본체(100)의 과도한 대형화나 부품수의 증가를 회피하면서, 확실한 공기 구동력이 확보 가능하게 된다. 또한, 액추에이터 본체(100)의 높이가 조건에 허용되는 범위에서, 예를 들면 케이싱(6)을 길게 설치해서 피스톤(2)을 3단 이상의 구성으로 해도 된다.

디스크 부재(21)는, 후술의 캠 부재(42, 43)의 캠면(42b, 43b)과 각각 맞닿는 대략 원판 형상의 대직경부(39)와, 액추에이터 하부의 베이스(12)에 형성된 부착구멍(22)에 끼워맞춤가능한 대략 원통 형상의 소직경부(40)로 이루어지고, 본 예에서는 이들을 일체로 형성하고 있다. 구체적으로는, 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 본 예의 액추에이터에 내장된 디스크 부재(21)는, 소직경부(40)가 부착구멍(22)에 상하로 미끄럼이동가능하게 끼워맞춤하고 있고, 대직경부(39)의 가장자리부는, 베이스(12)의 내부 바닥면에 형성되어 대직경부(39)의 형상과 적합하도록 형성된 계단부면(41)에, 상하로 이동가능하게 걸어맞춤하고 있다. 또한, 본 예의 디스크 부재(21)의 재질은, 기계구조용 강(S45C-H HRC40)에 MoS2 코팅처리(막 두께 약 10㎛)를 한 소재를 사용하고 있다.

부착구멍(22) 내주면에는, O링(23)을 장착해서 소직경부(40)와의 사이를 밀봉하도록 하고 있다. 본 예의 작용에 있어서 후술과 같이, 베이스(12)는 정지측 부재(靜止側部材)가 됨과 아울러 디스크 부재(21)는 가동측 부재가 되므로, 시일 부재를 베이스(12)측에 설치하면 베이스(12)의 바닥부의 두께를 줄일 수 있으므로, 밸브의 소형화에 적합하다.

도 1에서, 본 예의 배력 기구(1)는, 한 쌍의 캠 부재(42, 43)를 공통의 1개의 요동 축(44)(캠 샤프트)에 피봇운동가능하게 부착함과 아울러, 이 한 쌍의 캠 부재(42, 43)를 제1 공기실(3a)에 수납하도록 해서 구성하고, 이들 캠 부재(42, 43)는, 상단부에는 피스톤(2)과 맞닿는 맞닿음부(42a, 43a)가 각각 마련되고, 한편, 하단부에는 디스크 부재(21)와 맞닿는 볼록한 형상의 캠면(42b, 43b)이 각각 형성되어 있다. 또한, 47a는 홀더(47)의 환형상부이고, 47b는 홀더(47)의 지지부이다. 본 예의 홀더(47)는, 베이스(12)의 저측면에 적합하도록 환형상으로 형성된 환형상부(47a)와, 이 환형상부(47a)의 내주측에 각각 일체로 형성되어 대향 배치된 2개의 지지부(47b)로 이루어진다.

맞닿음부(42a, 43a)에는 롤러부(45, 46)가 각각 설치되어 있다. 롤러부(45, 46)는 롤러(45a, 46a)가 각각 롤러 샤프트(45b, 46b)에 회전운동가능하게 설치되어 있고, 본 예에서는, 이들 롤러(45a, 46a)가 피스톤부(2a)의 하면에 대하여 롤링운동가능하게 맞닿아 있는 것에 의해, 맞닿음부(42a, 43a)가 구성되어 있다. 또한, 맞닿음부는, 상기와 같은 롤러부를 설치하지 않고, 예를 들면 후술의 도 4에 모식적으로 도시되어 있는 바와 같이, 캠 부재의 상단부에 대략 원호 형상의 원호부를 형성하고, 이 원호부가 직접 피스톤의 하면에 맞닿음·미끄럼운동하도록 구성해도 되고, 이러한 경우에는, 액추에이터의 부품수를 삭감하여 간이하게 구성할 수 있다.

다음에는, 본 예의 액추에이터의 작용을 설명한다. 우선, 공기를 충전한 상태의 공기실(3)로부터 공기를 빼내 가면, 소정의 압력으로 되어 있던 제1 공기실(3a), 제2 공기실(3b)의 내압은 외기압까지 내려가고, 피스톤(2)이 공기실(3)로부터 받는 압력이 감소해 감에 따라, 스프링(8)의 가압력에 의해 아래쪽으로 밀려 내려간다. 밀려 내려간 피스톤(2)의 하면은 배력 기구(1)의 맞닿음부(42a, 43a)에 맞닿으면서 누르고 캠 부재(42, 43)를 각각 요동 축(44)의 주위로 회전시키고, 이 회전에 따라, 캠면(42b, 43b)이 디스크 부재(21)의 대직경부(39)를 눌러서 디스크 부재(21)를 아래쪽으로 밀어 내린다.

디스크 부재(21)의 소직경부(40) 하단부는, 다이어프램 피스(33)의 상면에 맞닿아 있으므로, 디스크 부재(21)의 밀어 내리기에 따라 다이어프램 피스(33)도 밀어 내려진다. 다이어프램 피스(33)의 하면은 다이어프램(55)에 맞닿아 있으므로, 다이어프램 피스(33)가 하강하면, 그 하면에 의해 다이어프램(55)의 상면이 눌려서 유연하게 변형된다. 다이어프램 피스(33)의 하면이 다이어프램(55)을 하측을 향해서 오목하게 되도록 변형시키고, 다이어프램(55)의 하면이 밸브 시트(52)의 상면에 소정의 압력으로 압착하는 것에 의해, 다이어프램 피스(33)가 밸브 스트로크의 하한 위치에서 맞물리는 것과 함께, 밸브실의 1차측 유로(56)와 환형상 홈(53)이 격리되어서 밸브가 전부 폐쇄 상태로 된다.

다음에는, 이 전부 폐쇄 상태에서, 공기실(3)에 공기를 충전하여 전부 개방 상태로 되어 가는 경우의 작용을 설명한다. 공기실(3)에 공기를 도입할 때는, 도면에 나타나 있지 않은 공기 공급원으로부터 압입되는 공기는, 피스톤(2)의 연장부(2c)에 마련된 유로(34)를 통과하고, 이어서 연장부(2d)에 마련된 유로(35)를 통과하여 제2 공기실(3b)로 압입된다. 동시에, 연장부(2d)에 마련된 유로(36)를 통과하여 제1 공기실(3a)로도 압입된다.

피스톤(2)은 스프링(8)에 의해 아래쪽을 향해서 가압되어 있지만, 제1 공기실(3a)에서는 가동부재는, 후술의 디스크 부재(21)를 제외하고, 피스톤부(2a)뿐이기 때문에, 공기실(3a)의 공기압이 상승하여 스프링(8)의 가압력을 상회하면, 이 공기압은 피스톤부(2a)를 위로 밀어 올리도록 작용한다. 마찬가지로, 제2 공기실(3b)에서도, 서브 베이스(16)는 케이싱(6)의 내주면에 고정되어 있기 때문에, 가동부재는 피스톤부(2b)뿐이고, 공기실(3b) 내의 공기압이 상승하여 스프링(8)의 가압력을 상회하면, 피스톤부(2b)가 위로 밀어 올려진다. 따라서, 피스톤(2) 전체가 케이싱(6)의 내주면과의 사이의 밀봉 시일을 유지한 채 미끄럼이동하여 상방으로 밀어 올려지게 된다.

여기에서, 피스톤(2)에 작용하는 공기압은 피스톤(2)의 공기실(3) 내측으로 향한 면적에 비례하지만, 본 예에서는 공기실(3)을, 제1 공기실(3a)에 더해서, 동일한 케이싱(6) 내부에 얇게 형성한 서브 베이스(16)를 통하여 컴팩트하게 제2 공기실(3b)을 2단으로 구성하고 있는 것에 의해, 액추에이터의 대형화를 회피하면서 충분한 피스톤 면적을 확보하고 있다.

한편으로, 다이어프램(55)은, 형상 자기 복귀력을 가지고 있으므로, 상기한 바와 같이 공기실(3a, 3b) 내의 승압에 따라, 캠 부재(42, 43)의 맞닿음부(42a, 43a)가, 피스톤(2)에 의한 밀어 내리기 가압으로부터 해제되어 가면, 다이어프램(55)은 자기 복귀 반력에 의해, 자연 상태인 위쪽으로 완만하게 만곡된 볼록한 형상으로 복귀하는 것이 가능하게 되고, 이 자기 복귀에 의해 밸브 시트(52)로부터 떨어져서 밸브가 전부 개방 상태가 된다. 보다 구체적으로는, 이 반력에 의해 다이어프램 피스(33)가 밀어 올려지고, 이것에 의해 디스크 부재(21)도 밀어 올려지고, 이것에 의해 디스크 부재(21)은 캠면(42b, 43b)을 밀어 올리고, 이것에 의해 캠 부재(42, 43)가 요동 축(44)에 대해서 회전하게 된다.

또한, 본 발명은 상기 실시형태의 기재에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 특허청구범위에 기재되어 있는 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변경을 할 수 있는 것이다.

50 보디
51 밸브실
52 밸브 시트
53 환형상 홈
54 가압 수단
55 다이어프램
56 1차측 유로
57 2차측 유로
59 반원형 부위
60 반원 절결홈
61 맞닿음면
R 내경
w 홈 폭
S 교차 단면적
S₁ 반원형 부위의 면적
S₂ 반원 절결홈의 연결설치면적(連設面積)
T 2차측 유로의 단면적

Claims

보디 내의 밸브실에 배치된 밸브 시트와, 밸브 시트의 외주 둘레에 형성된 환형상 홈과, 가압 수단을 통하여 밸브 시트에 접촉/분리 가능하게 설치된 다이어프램과, 밸브실과 연통된 1차측 유로를 구비한 다이어프램 밸브에 있어서, 상기 환형상 홈에 연결설치한 2차측 유로의 내경은 상기 환형상 홈의 홈 폭의 2.0~4.5배이고, 상기 환형상 홈과 상기 2차측 유로의 교차 단면적은 2차측 유로의 단면적보다 작고, 또한, 2차측 유로의 단면적에 대하여 상기 교차 단면적을 35% 이상으로 구성하여 소정의 Cv값을 얻도록 한 것을 특징으로 하는 다이어프램 밸브.
제1항에 있어서, 상기 2차측 유로의 내경은 상기 환형상 홈의 홈 폭의 2.8~4.5배인 것을 특징으로 하는 다이어프램 밸브.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 2차측 유로의 내경을 상기 환형상 홈에 대하여 직선 형상으로 교차시켜, 상기 환형상 홈의 외경에 상기 2차측 유로의 반원형 부위를 연결설치한 것을 특징으로 하는 다이어프램 밸브.
제3항에 있어서, 상기 2차측 유로를 상기 환형상 홈의 내경까지 도달하지 않고 그 앞 위치까지 연결설치되게 한 반원 절결홈을 형성하고, 이 반원 절결홈의 맞닿음면은 플랫 엔드 가공에 의해 평탄 형상으로 한 것을 특징으로 하는 다이어프램 밸브.
제4항에 있어서, 상기 교차 단면적은 상기 반원형 부위의 면적과 상기 반원 절결홈의 연결설치면적을 가산한 면적인 것을 특징으로 하는 다이어프램 밸브.
제1항에 있어서, 상기 소정의 Cv값은 0.75 이상인 것을 특징으로 하는 다이어프램 밸브.