KR20160105801A - 유체-작동식 유량 제어 밸브 - Google Patents

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썬듀 테크놀로지스 엘엘씨
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Abstract

본 발명의 양태는 장치가 제어 유체의 공급원에 연결되는 동안 이를 통한 유체의 유량을 제어하기 위한 장치에 관한 것이다. 이 장치는 입력부, 밸브 시트, 격막, 출력부, 및 격막 제어 공간을 포함한다. 상기 격막 제어 공간은 격막에 의해 부분적으로 형성되며, 제어 유체의 공급원으로부터 제어 유체를 수용하도록 작용한다. 또한, 밸브 시트에 대한 격막의 편향은 격막 제어 공간 내의 제어 유체의 압력에 응답한다. 마지막으로, 밸브 시트에 대한 격막의 편향은 입력부와 출력부 사이의 유체 유동 저항을 제어하도록 작용한다.

Description

유체-작동식 유량 제어 밸브{FLUID-ACTUATED FLOW CONTROL VALVES}
본 발명은 유체 전달 분야에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 기체 및 액체의 유량-제어식 전달을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
유체(즉, 기체 및 액체)는 많은 제조 산업에 사용된다. 제조 공정에서, 유체는 통상 정밀한 유량, 타이밍 또는 둘 다로 분배된다. 일반적으로, 유체 분배 장치는 유량 제어 밸브에 의한 유량 조절 능력을 갖는다. 유량 제어 밸브는 필요한 유량을 맞추기 위해 유동 경로(즉, 오리피스)의 개방을 조절한다.
오리피스에 추가적으로, 유량은 또한 유체의 특성뿐 아니라 그 온도와 압력에 종속된다. 정상 온도 및 압력에 있는 특정 유체에 있어서, 안정적인 유량은 간단하게 유량 제어 밸브를 세팅함으로써 결정될 수 있다. 그러나, 많은 실제 유량 제어 시스템에서, 온도 및 압력 불안정성과 유량 제어 밸브의 유한한 정밀성 및 정확성의 조합은 적당히 안정적이고 및/또는 반복 가능한 유량의 달성을 저해할 수 있다. 또한, 유량 제어 밸브의 하류에서, 복수의 밸브, 센서 및 기타 요소들도 유량 안정성에 영향을 줄 수 있다. 이러한 예에서, 유량 제어 밸브는 소망 유량을 추구하기 위해 유량 센서 및 튜닝 가능한 유량 제어 밸브를 포함할 수 있다. 이를 위해, 유량 제어 시스템은 튜닝 가능한 유량 제어 밸브를 구동하여 실제 유량을 소망 유량과 동일하도록 조절한다. 이 자기-수정식 유체 전달 방법은 여러가지 각종 산업에서의 자동 제조에 성공적으로 적응되었다.
종래의 유량 제어 밸브는 다양한 가변적-오리피스 설계를 수행한다. 통상적으로, 오리피스는 두 개의 표면 사이에 국한된다. 이들 표면중 하나는 "밸브 시트"로 주지되어 있는 유체 유입구를 포함한다. 제 2 표면은 이들 표면 사이의 갭을 변경하고 오리피스를 조절하도록 기계적으로 작동된다. 제 2 표면은 대개 정밀 나사와 같은 정밀 제어되는 기계식 액추에이터, 비례 제어되는 솔레노이드 또는 비례 제어되는 압전식 액추에이터에 부착된다. 통상적으로, 유량에 대한 갭의 영향은 특히 작은 갭의 경우에 상당히 비선형적이다. 비선형성뿐 아니라 기계적 안정성 및 정밀성의 제한이 주어지면, 대부분의 수동 조작되는, 정밀 나사-기반의 밸브는 갭의 표면적을 증가시키는 설계에 종속된다. 이 증가된 면적은 비선형성의 영향 및 기계적 결함과 나사 백래시의 효과를 감소시키기 위해 다소 큰 갭에서 충분한 유동 저항을 제공하며, 따라서 유량 제어를 향상시킨다.
하나의 대중적 설계는, 예를 들어, 모션 제어식 테이퍼진 니들 및 매칭 공동을 수행한다. 이 "니들 밸브" 설계는 최대 유량의 약 2%에 이르기까지 확실하게 유량 제어할 수 있는 합리적으로 안정적이고 반복가능한 수동 제어식 밸브를 가능하게 하며, 최대 유량은 완전히 개방된 밸브의 유량을 의미한다. 그러나, 최고 성능의 "계측 니들 밸브"는 니들 공동 위에서 니들의 상당한 마모를 겪기 쉽다. 이 마모는 최대 유량의 5% 미만 낮은 유량을 제공하는 작은 갭을 제어할 때 특히 두드러진다. 이러한 마모는 결과적으로 밸브 성능의 저하와 입자의 발생을 둘 다 초래한다. 유량 제어 시스템에서 발생되고 이후 유체 스트림을 거쳐서 프로세스에 전달되는 입자는 많은 산업상 제조 용도의 품질에 해로우며 따라서 바람직하지 않다. 따라서, 니들 밸브는 빈번한 유량 조절을 요하지 않고 입자에 대해 그리 민감하지 않은 적용 분야에서 주로 수행된다. 더욱이, 니들 밸브는 유량을 그 전체 범위의 약 5% 미만으로 제어하도록 강요되지 않을 때 최선으로 사용된다.
수동 유량 제어 밸브의 정밀성은 온도 및 압력 불안정성뿐 아니라 하류 부품들의 잠재적 변동 효과에 의해 악영향을 받는다. 따라서, 이들은 정밀 제조에 점점 더 부적합해진다. 실제로, 유량 제어 밸브[질량 유량 제어 밸브(MFC: Mass Flow control valve)로도 공지됨]는 기계적 정밀성 및 안정성 한계에도 불구하고 소정 유량을 산출하기 위해 오리피스 갭을 능동적으로 및 제어 가능하게 조절할 수 있다. 마찬가지로, 이들은 온도 및 압력 변동 또는 하류 부품의 영향을 수정할 수 있다. 이들은 또한 공장 자동화 및 품질 제어 시스템과 완전히 호환되며, 따라서 그 대중성이 점점 확산된다. MFC 내에서, 갭 제어 액추에이터를 구비하는 유량 제어 밸브는 오리피스를 고정 평면과 액추에이터의 이동 단부 사이에서 조절하며, "밸브 시트"로 통칭되는 유체 진입구가 고정 평면 상에 형성된다. 따라서, 액추에이터는 잠재적 유체 오염, 액추에이터 부식, 재밍(jamming) 및 입자 발생과 더불어 유체에 침지된다. 이 문제를 해결하기 위해, 일부 설계는 액추에이터와 밸브 시트 사이에 배치되고 초고순도(Ultra High Purity: UHP) 기준에 부합하는 금속 격막을 제공한다. 예를 들어, 발명의 명칭이 "압전 구동 제어 밸브(Piezoelectric Driven Control Valve)"인 Sawada 등의 미국 특허 제8,162,286호는 압전 액추에이터 및 UHP 설계를 갖는 유량 제어 밸브를 개시하고 있다. 마찬가지로, 발명의 명칭이 "질량 유량 제어기, 작동 방법 및 전자기 밸브(Mass Flow Controller, Operating Method and Electromagnetic Valve)"인 Kazama 등의 미국 특허 제5,447,173호는 솔레노이드 액추에이터 및 UHP 설계를 갖는 유량 제어 밸브를 개시하고 있다.
도 1은 UHP-대응 유량 제어 밸브(100)를 도시한다. 돔형상 금속 격막(101)은 밸브 시트(103) 위에 완전-금속 밸브 챔버(102)를 생성한다. 밸브 시트(103)는 격막(101)의 오목한 중심으로부터 실질적으로 가로질러 위치한다. 오리피스(104)는 밸브 시트(103)와 격막(101) 사이에 형성된다. 밸브 챔버(102) 내에는 유체 배출구 포트(105)도 형성된다. 격막(101)은 유체-액추에이터 접촉을 방지하기 위해 유체를 밸브 챔버(102) 내에 밀봉시킨다. 격막(101)과 밸브 시트(103) 사이의 갭은 액추에이터(106)가 격막(101)을 밸브 시트(103) 쪽으로 변형시킬 때 감소된다. 마찬가지로, 상기 갭은 액추에이터(106)의 철회로 인해 격막(101)이 밸브 시트(103)로부터 탄성 복귀될 수 있을 때 증가된다. 도 1에는 또한 유량 센서(107), 제어기(108), 포위체(enclosure)(109), 입구 이음쇠(110) 및 출구 이음쇠(111)가 도시되어 있다.
통상적으로, 종래의 액추에이터는 일 방향으로는 전기적으로 구동되고, 다른 방향으로는 솔레노이드의 경우에 스프링에 의해 또는 압전 액추에이터의 경우에 변형 방출에 의해 기계적으로 복귀된다. 일반적으로, 잘 설계된 액추에이터는 전기 구동(솔레노이드의 경우에 전류, 압전 액추에이터의 경우에 전압) 마다 거의 선형적인 위치 변화를 제공할 수 있다. 그 결과, 선형 응답 액추에이터는 오리피스 갭을 선형적으로 튜닝할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 선형 갭 튜닝은 비선형 유동 변화를 산출한다. 이상적으로, 액추에이터는 실제 유량과 소망(세트 포인트) 유량 사이의 차이를 순간적으로 정확히 수정할 수 있어야 한다. 마찬가지로, 이들 액추에이터는 또한 세트 포인트 변화에 신속 정확하게 응답할 수 있어야 한다.
자동 유량 제어 밸브는 통상적으로 갭을 변경시키고 유량을 세트 포인트와 매칭되도록 조절하기 위해 폐루프, 비례-적분(proportional-integral: PI) 또는 비례-적분-미분(proportional-integral-derivative: PID) 알고리즘을 적용한다. 그러나, PI 또는 PID 제어 알고리즘뿐 아니라 관련 기술분야에 공지된 다른 제어 알고리즘은 비선형 시스템의 정확한 응답 제어에 적합하지 않다. 특히, 비선형성은 유량 제어 파라미터를 유량 종속적으로 만든다. 이것은, 특정 세트의 유량 제어 파라미터(즉, 특정 PI 또는 PID 정수)에 있어서, 제어기가 초기에 시스템을 튜닝하고 PI 또는 PID 정수를 추출하기 위해 선택되었던 단일 유량을 넘어서 세트 포인트를 매칭시키기 위해 실제 유량을 정확히 제어할 수 없음을 의미한다. 다른 유량을 제어하기 위해 이들 동일한 유량 제어 파라미터를 사용하는 것은 종종 잘못된 유량을 산출하고 때로는 변동성 유량을 산출할 뿐 아니라 실질적으로 더 느린 응답을 산출한다. 마찬가지로, 잘못된 변동성 유량은 온도 및 입구 압력 변화, 표류, 또는 기타 변동에 의해 구동될 수도 있다. 마찬가지로, 많은 적용은 여러가지의 유량-제어되는 각종 유체 공급원의 혼합을 요구한다. 일부 시스템은 또한 공정 중에 혼합비를 조작한다. 최근에, 많은 혼합 매니폴드는 유량 제어 밸브 하류의 압력을 증가시킨다. 이 증가된 하류 압력은 특정 오리피스마다의 유량을 감소시키도록 작용하여, 유량 제어 밸브가 오리피스를 증가시키고 실제 유량을 세트 포인트에 매칭시키도록 반응하게 만든다. 그러나, 이 반응은 전체 유량 종속 PI 또는 PID 파라미터를 재배치한다. 비선형성으로 인해, 갭에 대한 유량 시프트 종속성은 제어 시스템을 저성능화시키며, 이는 저조한 응답, 증가된 에러 및 진동 경향을 초래한다. 이 문제를 해결하기 위해, 유량 제어 밸브는 혼합 조건에서 이상적으로 튜닝되어야 한다. 이 튜닝은 모든 유량 제어 밸브를 정확하고 비진동적인 제어로 수렴시키기 위해 되풀이해서 반복되어야 한다. 공정이 혼합비 변화를 요구할 경우, 신규 제어 정수가 모든 유량 제어 밸브에 대해 바람직하게 추론되고 변화의 부분으로서 적용된다. 그렇다고 해도, 그러나, 혼합비는 그럼에도 불구하고 상이한 설정 사이의 이행 중에 불명확하고 불안정하다.
이들 근본적인 결점은 비선형성이 감소된 액추에이터 및 오리피스 설계를 발동시키고 폐-루프 제어의 부분으로서 유량 대 액추에이터 동작 수정("이득 스케줄링(gain scheduling)")을 위한 마이크로프로세서를 적용하는 제어기를 발동시킴으로써 부분적으로 해결될 수 있다. 마찬가지로, 온도 보상을 수행하고 입구 압력 제어를 통합하는 것은 변동하거나 표류하는 온도 및/또는 입구 압력의 악영향을 억제할 수 있다. 일부 경우에, 비교적 높은 입구 압력을 갖는 유체를 제어할 때, 매우 제한적인 출구 오리피스는 시스템 내의 하류 부품 및/또는 기타 유동의 불안정한 영향을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한 유량 제어 밸브는 오리피스의 크기가 유량 범위, 유체 형태, 온도 및 전체 프로세스 시스템을 고려하여 적용에 최적화될 때 최상으로 수행되는 것을 알아야 한다. 이들 개선이 주어지면, 복잡한 현대 유량 제어 밸브는 광범위한 적용 분야에서 최대 유량의 10-90% 정도의 유량 범위에 걸쳐서 적절하게 작동할 수 있다. 동시에, 이들 현대 유량 제어 밸브는 범위의 높은 20-30% 단부에서의 느리고 진동적인 응답을 감소시킬 수 있을 뿐 아니라, 가장 최적화된 유량의 매우 좁은 범위를 벗어나는 유량에서의 잘못된 과도 성능을 감소시킬 수 있다. 또한, 더 넓은 범위를 커버하기 위해서, 시스템은 상이한 범위를 갖는 다수의 상이한 유량 제어 밸브를 사용할 수 있다. 그렇다고는 해도, 범위 제한은 여전히 유량 제어 밸브의 여러가지 상이하고 개별적인 모델에 대한 필요를 낳고, 따라서 제조업자의 재고 수량 및 비용을 크게 증가시킨다.
유량 제어 밸브는 또한 전달 매니폴드 내의 압력을 제어하기 위해 적용되며, 유량 센서는 압력 센서를 대체하고 유량 제어 장치는 실제 압력을 세트 포인트 압력으로 튜닝하는 과제를 맡는다. 이들 압력 제어기는 원자층 증착(Atomic Layer Deposition: ALD) 시스템 내로의 유체 전달과 같은 다양한 적용에 사용된다. 이들 특정 적용에서, 압력 제어기는 ALD 프로세싱을 구동하는 유체 전달 밸브의 입구에서 압력-제어된 가스가 이용 가능해지게 할 수 있다. 이러한 ALD용 유체 전달 밸브는 예를 들어 발명의 명칭이 "신속한 시간 응답과 조절가능한 컨덕턴스를 갖는 안전-보장 공기압 작동식 밸브(Fail-safe Pneumatically Actuated Valve with Fast Time Response and Adjustable Conductance)"인 Sneh의 미국 특허 제7,744,060호에 논의되어 있으며, 이 문헌은 본 명세서에 참조로 원용된다. 유체 전달 밸브가 개방되면, 제어되는 입구 압력과 ALD 밸브의 컨덕턴스에 의해 결정되는 유량을 갖는 정밀하게 계량된 전달이 수립된다. 이 전달은 펄스 형상을 갖는다. 따라서, 압력 제어기의 유량 제어 밸브는 압력이 압력 세트 포인트에 있을 때의 제로 유량과 펄스 도중 및 펄스 직후에 압력을 세트 포인트로 복원하기에 충분히 높은 유량 사이를 본질적으로 이동하는 급속 유량 변화에 의해 정확히 응답해야 한다. 이 압력 제어의 정밀성은 반응 가스의 효과적인 사용을 위해서 매우 중요할 뿐 아니라, 본 명세서에 참조로 원용되고 발명의 명칭이 "ALD 장치 및 방법(ALD Apparatus and Method)"인 Sneh의 미국 특허 제6,911,092호에 논의되어 있는 SMFD(Synchronously Modulated Flow and Draw) ALC의 수행에 있어서도 매우 중요하다. SMFD ALD는 500 밀리초(ms) 미만의 사이클 시간과 150 ms를 하회하는 연속 펄스 사이의 회복 시간을 갖는 급속 ALD 공정을 수행한다. 종래의 압력 제어기는 이러한 요구 적용에 어려움을 겪는다.
하나의 다른 도전적 적용은 공정 히터에 대한 열 접촉을 개선하고 공정 폐수로부터의 그 격리를 개선하기 위해 사용되는 비활성 가스의 압력을 제어하기 위한 압력 제어기로서 유량 제어 밸브를 수행한다. 특히, 깨지기 쉬운 히터는 가열 척 내부에 배치될 수 있으며, 히터 대 척 접촉 및/또는 척 내부에서의 히터의 완전한 밀봉은 불가능하다. 따라서, 열전달을 보조하고 자극이 강한 공정 화학물질의 침투를 무효화하기 위한 척 공간 밖으로의 포지티브 유동을 제공하기 위해 헬륨 가스(He)가 적용된다. 이상적으로, 척 내부의 헬륨 압력은 안정적인 척 온도를 촉진하기 위해 아이들, 공정 및 아이들과 공정 사이의 이행 중에 동일한 값으로 유지되어야 한다. 아이들, 부품-핸들링, 아이들, 이행, 공정, 이행의 통상적인 시퀀스는 플로우-1, 노-플로우(no-flow), 플로우-1, 플로우-2로의 이행, 플로우-2, 플로우-1로의 이행의 시퀀스에 신속히 적응하도록 압력 제어기를 다그치며, 공정 압력의 영향이 주어지면 플로우-2는 플로우-1보다 작다. 부분 전달 중에, 셧오프 밸브는 통상적으로 턴오프되어, 헬륨의 유량을 제로로 떨어뜨린다. 유량 제어 밸브의 목적은 상당한 유량 변화의 영향을 견뎌내면서 전체 사이클 도중에 압력을 세트 포인트로 유지하기 위해 이들 변동 조건에 신속히 반응하는 것이다. 종래의 유량 제어 밸브는 이 적용에 어려움을 겪는다.
유사한 적용에서, 비활성 가스는 공정 유체가 웨이퍼의 뒷면에 도달하는 것의 방지를 지향한다. 이 적용에서, 비활성 가스는 척과 웨이퍼 뒷면 사이의 갭에 적용된다. 공정 챔버 내의 압력을 취득하기 위해 제 1 압력 센서가 적용된다. 비활성 가스 전달 라인에서의 압력을 취득하기 위해 제 2 압력 센서가 적용된다. 이 경우에, 유량 제어 밸브는 설계에 의하거나 결함으로 인한 공정 압력 가변성과 무관하게 갭 내로의 공정 화학물질 유동을 무효화하기 위해 세트 포인트 압력차가 항상 존재하도록 보장하기 위해 제 2 압력 센서와 제 1 압력 센서 사이의 압력차를 주어진 압력차 세트 포인트로 제어하는 임무를 맡는다. 여기에서도, 종래의 유량 제어 밸브는 이러한 엄혹한 적용에 어려움을 겪는다.
일부 다른 보편적 적용에 있어서, 공압식 또는 유압식 액추에이터의 정밀 제어된 동작은 부품 핸들링, 로봇 동작, 스탬핑 등을 추진하기 위해 사용된다. 이들 적용에서, 유량-제어된 유체(예를 들면, 공기 또는 유압식 유체)는 이들 동작의 속도를 결정한다. 보통 로봇 아암 및 부품 핸들링의 속도는 명확한 가속도 및 감속도 프로파일을 갖는 복잡하고 복합적인 프로파일을 따라야 한다. 또한, 이들 동작의 일부는 상이하거나 시간-가변적인 하중 조건 하에서 그 임무를 수행할 수 있어야 한다. 이들 요건을 수용하기 위해서는, 광범위한 유량에 걸쳐서 적당한 정밀성과 신속한 응답을 가지며 광범위한 부하를 수용할 수 있는 유량 제어 밸브가 요구된다. 기존 시스템은 이들 적용의 대다수에 있어서, 특히 속도가 가장 중요할 때 어려움을 겪는다.
종래의 유량 제어 밸브는 또한 고온에서 확실한 작동을 제공하고, 확실한 저유량 및 제로 유량 성능을 제공하고, 안전 보장 기구, 즉 예기치 않은 시스템 조건에 마주칠 때 자동으로 셧오프하기 위한 기구를 제공하는 것에 어려움을 겪을 수 있다. 거의 예외 없이, 종래의 유량 제어 밸브는 유체 오염, 밸브 부식, 입자 발생 및 재밍에 대해 적절한 내성을 갖는 UHP 구조를 제공하지 못한다. 액추에이터가 유체에 침지되는 이들 유량 제어 밸브는 대부분의 액체의 유량을 제어하기에 적합하지 않다. 대부분의 유량 제어 밸브는 비교적 높은 입구 압력으로부터 비교적 낮은 유량을 제어할 수 있는 수단의 부분으로서 매우 작은 오리피스를 포함한다. 이들 영구적 유량 제한기는 부품 교체 및/또는 정비 수행 이전에 유량 및 압력 제어기와 그 매니폴드를 청소 및 오염제거하는 속도를 불리하게 저하시켰다.
최근 수십년 동안에, 많은 제조 공정은 효율을 개선하고, 품질을 향상시키며 비용 및 폐기물을 절감하기 위해 노력해 왔다. 이 추세는 확실하고 정밀한 자동화뿐 아니라 광범위한 각종 공정에 걸쳐서 제조 설비를 가능한 한 많이 사용하는 능력을 점점 더 중요시한다. 그 추세 내에서, 광범위한 유량, 입구 압력 및 대기 조건에 걸쳐서 속도와 정밀성이 개선된 유량 및 압력 제어기는 최적의, 저 폐기물 및 반복 가능한 처리를 위해서 필수적이다.
이상의 이유로 인해, 상기 결점을 해결하는 유량 제어 밸브를 위한 새로운 설계가 요구된다.
본 발명의 양태에 따른 실시예는 상기 요구를 해결하는 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 양태는 장치가 제어 유체의 공급원에 연결되는 동안 이를 통한 유체의 유량을 제어하기 위한 장치에 관한 것이다. 이 장치는 입력부, 밸브 시트, 격막, 출력부, 및 격막 제어 공간을 포함한다. 격막 제어 공간은 격막에 의해 부분적으로 형성되며, 제어 유체의 공급원으로부터 제어 유체를 수용하도록 작용한다. 더욱이, 밸브 시트에 대한 격막의 편향은 격막 제어 공간 내의 제어 유체의 압력에 응답한다. 마지막으로, 밸브 시트에 대한 격막의 편향은 입력부와 출력부 사이의 유체 유동 저항을 제어하도록 작용한다.
본 발명의 추가 양태는 유체의 유량을 제어하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은 입력부, 밸브 시트, 격막, 출력부, 및 격막 제어 공간을 제공하는 단계를 포함한다. 격막 제어 공간은 격막에 의해 부분적으로 형성되며, 제어 유체의 공급원으로부터 제어 유체를 수용하도록 작용한다. 더욱이, 밸브 시트에 대한 격막의 편향은 격막 제어 공간 내의 제어 유체의 압력에 응답한다. 마지막으로, 밸브 시트에 대한 격막의 편향은 입력부와 출력부 사이의 유체 유동 저항을 제어하도록 작용한다.
상기 실시예는 여러가지 장점을 제공할 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 양태에 따른 유량 제어 밸브는 몇 가지 예로서,
- 수동 및 자동 유량 및 압력 제어를 제공할 수 있고;
- 기체 및 액체 유체를 모두 제어할 수 있으며;
- 광범위한 유량, 입구 압력, 및 온도 조건에 걸쳐서 확실하게 수행할 수 있고;
- 유량 또는 압력 세트 포인트 변화에 대한 신속 정확한 응답뿐 아니라 공정-구동되는 하류 압력, 온도 및 입구-압력의 변화에 대한 신속 정확한 응답을 제공할 수 있으며;
- 바람직하지 않은 시스템 조건에 마주칠 때 확실한 셧오프를 갖는 안전보장 응답을 제공할 수 있고;
- 영구적 유량 제한기를 요구하지 않으며, 신속하고 효과적인 오염방지를 가능하게 할 수 있고;
- UHP 구조를 제공할 수 있으며, 따라서 부식성 및 반응성 유체뿐 아니라 용해 고형물, 콜로이드(colloidal) 용액, 오일 및 연료를 함유하는 액체를 포함하는 유체의 광범위한 선택과 더불어 작동하기에 적합할 수 있고;
- 입자 발생을 회피하도록 작동할 수 있으며;
- 유량 및 압력 제어 적용의 거의 전체 범위에 걸쳐서 유량 및 압력 제어를 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 및 기타 특징, 양태 및 장점은 하기 설명과, 청구범위 및 첨부도면을 참조하여 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 종래 기술의 유량 제어 밸브의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 예시적 실시예에 따른 유량 제어 밸브의 단면도이다.
도 3은 그 솔레노이드 밸브가 개략적으로 도시된, 도 2의 유량 제어 밸브의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 2 예시적 실시예에 따른 유량 제어 밸브의 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 것과 유사한 기본형(prototype) 유량 제어 밸브에서의 유량 대 제어 유체 압력의 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제 3 예시적 실시예에 따른 유량 제어 밸브의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제 4 예시적 실시예에 따른 유량 제어 밸브의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제 5 예시적 실시예에 따른 유량 제어 밸브의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제 6 예시적 실시예에 따른 유량 제어 밸브의 단면도이다.
도 10a는 본 발명의 예시적 실시예에 따른, 통합 고속 유량 측정 센서를 구비하는 유량 제어 밸브의 사시도이다.
도 10b는 도 10a 유량 제어 밸브의 단면도이다.
종래의 유량 및 압력 제어 밸브는 오리피스 기하구조에 영향을 미치기 위해 격막을 밸브 시트에 대해 편향하기 위한 기계적 수단을 사용하지만, 본 발명의 양태는 대신에 유사한 효과를 산출하기 위해 격막에 대한 제어 유체의 압력을 사용한다. 도 2는 본 발명의 제 1 예시적 실시예에 따른 유량 제어 밸브(300)의 단면도이다. 유량 제어 밸브(300)는 밸브 시트(303)와 유체 출구 포트(305) 사이의 유동 경로를 밀봉하기 위해 배치되는 금속 격막(301)을 포함한다. 따라서 격막(301)과 밸브 시트(303) 사이에 오리피스(304)가 형성된다. 밀봉된 격막 제어 공간(302)은 격막(301) 위에 형성되고 격막(301)에 의해 부분적으로 규정된다. 격막 제어 공간(302)은 제어 유체 입구(323) 및 제어 유체 출구(333)를 포함한다. 유량 제어 밸브(300)는 또한 유량 또는 압력 센서(307), 입구 이음쇠(310), 출구 이음쇠(311), 제어 유체 입구(312), 솔레노이드 밸브(320), 솔레노이드 밸브(330), 제어기(308) 및 포위체(309)를 구비한다. 제어 유체 입구(312)로부터의 제어 유체(예를 들면, 압축 공기)가 솔레노이드(320)에 공급된다.
작동 시에, 솔레노이드(320, 330)는 밀봉된 격막 제어 공간(302) 내부의 제어 유체의 압력을 변조하고 따라서 격막(301)의 편향 정도를 제어하도록 협력한다. 보다 구체적으로, 솔레노이드(320)가 작동되면, 상시-폐쇄형(normally-closed) 플런저(321)는 시일(322)을 위쪽으로 견인하여 입구(323)를 통한 유동 경로를 개방하고 격막 제어 공간(302) 내부의 압력을 상승시킨다. 이것은 격막(301)을 밸브 시트(303) 쪽으로 편향시키고 오리피스(304)를 감소시키는 경향이 있다. 따라서 유량 제어 밸브(300)를 통한 유량이 저하된다. 역으로, 솔레노이드(330)가 작동되면, 상시-폐쇄형 플런저(331)는 시일(332)을 위쪽으로 견인하여 출구(333)를 통한 유동 경로를 개방하고 제어 유체가 배출구(335)로부터 유출될 수 있게 함으로써 격막 제어 공간(302) 내부의 압력을 감소시킨다. 격막(301)은 오리피스(304)를 증가시키고 유량을 증가시키도록 밸브 시트(303)로부터 편향됨으로써 감소된 압력에 응답한다. 바람직하게, 격막(301)은 비선형 스프링 정수를 산출하도록 형상화된다. 이 비선형 응답은 격막 제어 공간(302) 내의 제어 유체의 압력과 유량 사이에 유리한 관계를 형성하도록 설계된다. 예를 들어, 하나 이상의 비제한적 실시예에서, 비선형 응답은 200 sccm(standard cubic centimeters per minute: 분당 표준 입방 센티미터)보다 높은 광범위한 유량에 걸쳐서 선형 관계를 형성할 수 있으며, 이는 하위 0-200 sccm 범위에서 점차 약해지는 종속성으로 전환된다.
도 3은 솔레노이드 밸브(320, 330)가 개략적 기호로 도시되어 있는, 유량 제어 밸브(300)의 도시도이다. 센서 판독 케이블(350) 및 솔레노이드 작동 케이블(351, 352)도 개략적으로 도시되어 있다. 케이블(350, 351, 352)은 센서(307)를 제어기(308)와 인터페이스 연결하고, 제어기(308)를 솔레노이드(320, 330)와 인터페이스 연결한다.
유량 제어 밸브(300)는 유량 또는 압력을 제어하도록 기능할 수 있다. 보다 구체적으로, 유량 제어 밸브(300)는 센서(307)가 유량 센서로서 작용하는 동안 유량을 제어하도록 구성되며, 유량 제어 밸브(300)는 센서(307)가 압력 센서로서 작용할 때 압력을 제어하도록 구성된다. 실제 유량(또는 압력) 신호는 제어기(308)에 의해 판독되며 세트 포인트 값과 비교된다. 판독값과 세트 포인트 사이의 오차는 이후 솔레노이드(320, 330)를 거쳐서 격막 제어 공간(302) 내부의 제어 유체의 압력을 조절하기 위해 적용된다. 오차가 포지티브(세트 포인트가 실제 판독치를 초과)일 때, 솔레노이드(330)는 격막 제어 공간(302) 내의 제어 유체 압력을 감소시키고 오리피스(304)를 증가시키도록 작동된다. 역으로, 오차가 네거티브일 때, 솔레노이드(320)는 제어 유체 압력을 증가시켜 오리피스(304)를 감소시키도록 작동된다. 유량(또는 압력)이 세트 포인트와 매치되도록 제어되면, 제어 유체 압력은 본질적으로 격막 제어 공간(302) 내부에 래칭된다. 유량 제어 밸브(300)와 유사한 기본형의 테스트는 정상 입구 압력 및 대기 온도에서 유량(또는 압력)이 이러한 래칭된 조건 하에서(즉, 솔레노이드의 작동 없이) 여러 시간 동안 ±0.2% 이상으로 일정하게 유지될 수 있음을 보여주었다. 또한, 본 발명의 유량 제어 밸브는 "적분 시스템"이다. 따라서, 제어 알고리즘은 적분 항을 요구하지 않는다.
제어기(308)는 관련 메모리를 갖는 하나 이상의 마이크로프로세서를 포함할 수 있으며, 상기 마이크로프로세서는 유량 또는 압력 센서(307)로부터 수신되는 유량 또는 압력 신호에 적어도 부분적으로 응답하여 솔레노이드(320, 330)를 시그널링하도록 집합적으로 작동한다. 하나 이상의 실시예에서, 제어기(308)는 예를 들어, 비례-미분(proportional-derivative: PD) 결정된 듀티 사이클을 거쳐서 솔레노이드(320, 330)를 작동시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 솔레노이드(320, 330)는 사용자-선택가능한 주파수에서 작동될 수 있으며, "ON" 대 "OFF"의 분율(fraction)은 PD 파라미터를 통한 오차의 함수이다. 대체 실시예에서, 제어기(308)는 비례 제어된 솔레노이드(320, 330)를 PD-결정된 전류에 의해 비례적으로 작동시킬 수 있다. 제어기(308)는 동일한 PD 파라미터를 양 솔레노이드(320, 330)의 제어에 적용할 수 있다. 그러나, 일부 경우에, 제어기(308)는 상이한 PD 파라미터를 각각의 솔레노이드(320, 330)를 최적 성능을 위해 제어하는데 적용할 수도 있다. 본 명세서의 교시 내용이 주어지면, P-기초 및 PD-기초의 제어 계획뿐 아니라, 본 발명의 범위 내에 역시 포함되는 다른 동등하게 적합한 제어 방법은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 이미 익숙할 것이다. J-P Corriou, 공정 제어: 이론 및 적용(Process Control: Theory and Applications), Springer 2004; 및 C. Smith, 실제 공정 제어: 튜닝 및 문제해결(Practical Process Control: Tuning and Troubleshooting), John Wiley & Sons, 2009도 참조되며, 이들은 모두 본 명세서에 참조로 원용된다.
도 4는 본 발명의 제 2 예시적 실시예에 따른 유량 제어 밸브(500)의 단면도이다. 유량 제어 밸브(500)가 안전보장 금속 밀봉된 셧오프 밸브를 포함한다는 점에서 유량 제어 밸브(500)는 유량 제어 밸브(300)와 다르다. 그러나, 유량 제어 밸브(300)와 마찬가지로, 유량 제어 밸브(500)는 센서(507)가 유량 센서일 때 유량을 제어하기 위해 사용될 수 있거나, 센서(507)가 압력 센서일 때 압력을 제어하기 위해 사용될 수 있다.
유량 제어 밸브(500) 내에서, 금속 격막(501)은 밸브 시트(503)와 유체 출구 포트(505) 사이의 유동 경로를 밀봉하기 위해 작동하도록 배치된다. 격막(501)과 밸브 시트(503) 사이에 오리피스(504)가 형성된다. 밀봉된 격막 제어 공간(502)이 격막(501) 위에 형성된다. 격막 제어 공간은 제어 유체 입구(523) 및 제어 유체 출구(533)를 포함한다. 유량 제어 밸브(500)는 또한 입구 이음쇠(510), 출구 이음쇠(511), 제어 유체 입구(512), 솔레노이드 밸브(520), 솔레노이드 밸브(530), 제어기(508) 및 포위체(509)를 구비한다. 입구(526)로부터의 유체(예를 들면, 압축 공기)가 솔레노이드(520)에 공급된다. 솔레노이드(520)가 작동되면, 플런저(521)는 입구(523)를 통한 유동 경로를 개방하여 격막 제어 공간(502) 내부의 압력을 상승시키고 격막(501)을 밸브 시트(503) 쪽으로 편향시켜 오리피스(504)를 감소시킨다. 따라서 유량이 감소된다. 역으로, 솔레노이드(530)가 작동되면, 상시-폐쇄형 플런저(531)는 출구(533)를 통한 유동 경로를 개방하고 제어 유체가 배출구(535)로부터 유출될 수 있게 함으로써 격막 제어 공간(502) 내부의 압력을 감소시킨다. 격막(501)은 오리피스(504)를 증가시키고 유량을 증가시키도록 밸브 시트(503)로부터 편향됨으로써 감소된 압력에 응답한다.
유량 제어 밸브(500)는 예를 들어 제어 유체의 압력이 시스템 고장으로 인해 손실될 때 스템(552)을 통해서 격막(501)의 안전보장 셧오프를 제공하기 위해 셧오프 밸브(550)를 포함한다. 스템(552)은 개구(557)를 거쳐서 제어 공간(502)으로 슬라이딩될 수 있다. 동시에, 시일(558)은 제어 공간(502)의 전체 유체 밀폐성을 유지한다. 스템(552)은 스템(552)을 격막(501) 쪽으로 가압하도록 구성된 스프링(553)의 힘에 의해 셧오프 밸브(550)에 보유된다. 셧오프 밸브(550)는 피스톤(551)을 스프링(553)에 대항하여 격막(501)으로부터 멀리 이동시키기 위해 가압 제어 유체(예를 들면 압축 공기)가 액추에이터 공간(559)에 분사될 때 개방 작동된다. 피스톤(551)에는 슬라이딩 시일(554)이 구비된다. 셧오프 밸브(550)가 개방 작동되면, 액추에이터 공간(559)으로부터의 제어 유체가 입구(526)를 거쳐서 솔레노이드(520)에 공급되며, 격막(501)의 위치를 변조하는데 이용될 수 있다. 바람직하게, 사용 시에, 스템(552)의 철회는 격막(501)이 조절 나사(555)에 의해 설정되는, 플런저(556)에 의한 전체 동작 범위를 허용하기 위해 필요한 최소로 조절된다. 상기 제한된 동작은 제어 유체 압력이 손실될 때의 스템(552)의 가속도 및 스템(552)이 밸브 시트(503) 위의 격막(501) 내로 이동할 때의 결과적인 영향을 최소화하기 위해서 바람직하다. 이 영향은 입구(512)에서의 공기 공급이 정지될 때 액추에이터 공간(559)로부터의 공기 배출을 제한함으로써 더 감소된다. 실제 감소의 실행에 있어서, 양 대책은 안전보장 셧오프 밸브(550)에 의해 입자 발생을 방지하는데 있어서 매우 효과적인 것으로 밝혀졌다.
기본형 유량 제어 밸브 내부의 제어 유체 압력["압력" PSIA(per square inch absolute)로 표시] 및 기본형 격막의 내리누름에 대한 기본형 유량 제어 밸브를 통한 유량("유량" sccm으로 표시)의 종속성을 결정하기 위해 도 4에 도시된 것과 설계상 유사한 기본형 유량 제어 밸브가 사용되었다. 도 5는 상이한 질소 가스 입구 압력에서, 즉 20, 30, 40, 200, 380, 760 및 1,370 토르(Torr)에서의 이들 종속성을 표시한다. 제어 유체로서 압축 가스를 사용하여 질소 가스의 유량을 제어하기 위해 실온에서 데이터가 취득되었다. 모든 흔적이 약 200 sccm 보다 높은 유량에서 압력에 대한 유량의 실질적으로 선형 종속을 갖는 영역을 나타내는 것을 알 것이다. 낮은 입구 압력(약 20-200 토르)에서, 흔적들은 결국 수평하게 되기 시작하고 완전-개방 유량 제어 밸브 및 테스트 시스템의 유한 컨덕턴스에 의해 제한되는 최대 유량(이 특정한 경우에, 800 내지 1,000 sccm)으로 수렴된다. 기본형 유량 제어 밸브가 영구적 유량 제한을 갖지 않는다면 이 컨덕턴스는 이러한 낮은 입구 압력에서 꽤 높다. 380, 760 및 1,370 토르와 같은 더 높은 입구 압력에서, 선형 영역은 전체 측정 동안 연장되었으며, 컨덕턴스의 영향은 무시할 수 있었다.
가장 광범위한 성능을 위해서는, PD 파라미터가 유량 대 제어 압력의 선형 부분 내에서, 예를 들어 도 5의 예에서 300 토르보다 높은 입구 압력에 대한 200 sccm보다 높은 유량에서 튜닝되는 것이 바람직하다. 이들 파라미터는 유량 범위의 정밀도를 200 sccm 이하로 저하시키지 않을 것인데, 그 이유는 종래의 유량 제어 밸브와 대조적으로 제어 유체 압력에 대한 유량 종속성이 적절할 것이기(즉, 압력에 대해 덜 민감하기) 때문이다. 그러나, 그 낮은 유량 범위에서, 선형 범위에서 얻어지는 PD 파라미터는 응답 시간 감소를 초래할 것이며 동시에 정밀도를 필요한 것 이상으로 유지할 것이다. 경우에 따라서, 이 경우에 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있는 비교적 간단한 "이득 스케줄링"에 의해 개선이 이루어질 수 있다. 예를 들어, PD 파라미터는 여러 개의 유량에 대해서 추출될 수 있으며 간단한 파라미터 대 유량 공식에 맞게 사용될 수 있다. 이후 실제 유량은 PD 파라미터 및 관련 솔레노이드 듀티 사이클(또는 전류)을 연속적으로 추론하기 위해 사용될 것이다.
0-200 sccm 범위에서의 점차 약해지는 종속성은 낮은 세트 포인트에서의 기교를 점점 향상시킨다. 이 특징은 종래의 행동과 정확히 반대되며, 비선형성은 낮은 세트 포인트에서 점점 악화되는 기교를 의미한다. 수백 sccm(도 5의 예에서 약 200 sccm)을 넘어서, 선형 종속성은 넓은 제어 범위에 적당한 것 이상의 기교를 제공한다. 더욱이, 필요할 경우, 선형 종속성과 약해지는 종속성 양자의 기울기는 격막의 강성에 의해 그 두께, 기계적 특성 및 형상을 통해서 쉽게 제어될 수 있다. 하나 이상의 대체 실시예는 또한 유동-경로와 격막 제어 공간 사이에 적층되는 다수의 격막을 사용할 수도 있다. 따라서, 본 발명의 양태에 따른 유량 제어 밸브는 유량을 3-4 자릿수에 걸쳐서 제어할 수 있고 200℃ 연속 작동 온도까지 5 내지 3,000 토르 입구 압력 범위를 수용할 수 있다. 더욱이, 이들 유량 제어 밸브는 상류 및 하류 매니폴드의 신속하고 효과적인 오염제거를 위해 높은 유량에서 쉽게 청소된다.
300 토르 이상에서, PD 파라미터에 대한 입구 압력의 영향은 또한 비례 정수를 약 40% 감소시킴으로써 보상될 수 있다. 동시에, 200℃까지의 대기 온도의 영향은 무시할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 즉, 기본형 유량 제어 밸브는 입구 압력 및/또는 온도 변동을 수정할 수 있었다. 상당한 입구 압력 변동, 표류 또는 가변성이 예상되는 적용에서는, 최악의 조건 하에서 유량의 정밀성 및 안정성이 손상되지 않도록 보장하기 위해 비례 정수를 35%까지 감소시키는 것이 바람직하다. 일부 경우에 이 수정은 35%까지 느린 응답을 초래할 것이다. 그럼에도 불구하고, 입구 압력의 신속하고 상당한 변동 및/또는 혼합비의 신속하고 상당한 변동이 보편적인 몇몇 적용 및 시스템을 제외하고, 파생 정수의 영향은 최저한이며 알고리즘은 비례 제어만 적용하도록 단순화될 수 있다.
도 5에 추가로 제시되어 있듯이, 낮은 입구 압력에서, 유량은 완전 개방 밸브 컨덕턴스의 한계에 놓일 수 있다. 따라서, 제어 유체 압력의 영향은 높은 유량 범위에서 크게 둔화된다. 그러나, 기본형 유량 제어 밸브는 여전히 가장 높은 가능한 유량까지 유량을 정확하게 제어할 수 있었다. 즉, 유량 대 제어 압력 종속성의 선형 부분으로부터의 PD 파라미터를 적용하는 것은 정확한 제어를 초래하였다. 그러나, 응답 시간은 유량이 증가할수록 느려졌다. 예를 들어, 20 토르 입구 압력에서, 기본형 유량 제어 밸브의 순수 응답 시간은 세트 포인트가 150에서 350 sccm으로 200 sccm 증가한 후에 20 ms였지만, 세트 포인트가 500에서 700 sccm으로 200 sccm 증가하기 위해 요구되는 것은 80 ms였다. 대부분의 적용에서, 이 느린 응답 시간은 여전히 적절하며, 통상적으로 센서, 매니폴드 또는 그 조합의 응답 시간보다 빠르다.
발명의 명칭이 "신속한 시간 응답과 조절가능한 컨덕턴스를 갖는 안전-보장 공기압 작동식 밸브(Fail-safe Pneumatically Actuated Valve with Fast Time Response and Adjustable Conductance)"인 Sneh의 미국 특허 제7,744,060호는 안전보장 상시-폐쇄(failsafe normally-closed: FSNC) 공기압 밸브를 개시하고 있으며 여기에서 격막은 그것에 대한 제어 유체 압력 인가에 응답하여 편향된다. 이 밸브에서, 격막 편향의 타이밍과 격막 위의 격막 제어 공간에 대한 공기의 출입 이동은 통상적으로 0.1 ms 미만이었다(예를 들어 '060 특허의 도 1d 참조). 이 신속한 응답 시간은 본 명세서에 논의된 것과 같은 격막이 제어 유체 압력의 변화에 대해 실제로 순간적으로 응답할 것임을 제시한다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 유량 제어 밸브의 응답은 솔레노이드의 속도와 컨덕턴스뿐 아니라 공급 압력, 제어 압력 및 배출 압력에 의해 결정될 것 같다. 맞춤 제조된 솔레노이드는 0.5 ms 미만의 ON/OFF 응답 시간을 가질 수 있다. 더욱이, ON/OFF 작동 시간은 갭 제어 나사[도 2에서의 나사(324, 334)와 같은]에 의해 조절될 수 있으며, 빠른 속도는 컨덕턴스 상충을 초래한다. 예를 들어, 기본형 유량 제어 밸브의 솔레노이드에서의 0.4 ms 솔레노이드 응답 시간은 45 PSIA 제어 유체 입구 압력이 솔레노이드에 공급되는 상태에서 이를 통한 약 10 sLm(standard liters per minute)의 유량에 대응했다. 그 유량에서, ∼1 밀리리터 체적 격막 제어 공간 내에서의 5 PSIA의 압력 변화는 약 2 ms 걸린다. 이 압력 변화는 예를 들어 300-3,000 토르 범위의 입구 압력에 대한 200-2,500 sccm 범위의 유량 변화에 대응할 것이다(도 5). 시판되는 고속 솔레노이드 밸브는 1-3 ms 범위의 응답 시간을 가지며 약 50 sLm 까지의 유량을 45 PSIA에서 지원한다. 이들 특징은 1.5 내지 4 ms의 범위에서 격막 제어 공간에서의 5 PSIA 제어 압력 변화를 초래한다. 비례 제어, 커스텀 또는 시판 솔레노이드 밸브는 통상적으로 유량을 0-5 sLm의 범위에서 45 PSIA의 유량을 변경시킬 수 있으며, 격막 제어 공간 내에서의 5 PSIA 압력 변화는 4 ms로 빠를 수 있다. 이들 근본적으로 빠른 응답 시간은 광범위한 유량, 입구 압력 및 온도에 걸쳐서 20-50 ms 응답 시간을 갖는 잘 튜닝된 PD 제어를 가능하게 한다.
고품위 유량 센서의 응답 시간은 통상적으로 2 내지 500 ms에서 변동한다. 고품위 압력 센서의 응답 시간은 통상적으로 0.1 내지 20 ms에서 변동한다. 일부 경우에, 센서 응답 시간은 매니폴드에 따라서 5 내지 1,000 ms의 넓은 범위에서 변경될 수 있는 유체 체류 시간에 의해 영향받는다. 따라서, 많은 경우에, 본 발명의 양태에 따른 유량 제어 밸브는 때로는 중요하게, 가장 빠른 부품이 될 것이다. 그러나, 튜닝 공정의 부분으로서, 비례 알고리즘 정수는 느린 센서 응답 및 시스템 내의 기타 잠재적 지연을 책임지기 위해 유량 제어 밸브의 반응을 늦추고, 따라서 오차가 제로에 근접할 때까지 센서가 충분한 시간을 "만회(catch up)"할 수 있게 하도록 만들어질 수 있다. 따라서, 대부분의 실시예에서는, 실제 관심 시스템에서 유량 제어 밸브에 대한 PD 파라미터를 결정하는 것이 바람직하다.
액추에이터 내로의 액체 유동을 제어하는 시스템과 같은 상당히 느린 응답 시스템을 수용하기 위해, 솔레노이드 밸브의 응답 시간은 솔레노이드 스위칭을 속도 증가시킬 목적 보다는 시스템의 시간스케일과 잘 매치되도록 조절될 수 있다. 예를 들어, 솔레노이드(320)의 응답 시간은 나사(324)가 플런저(321)의 동작을 제한하고 입구(323)를 통한 제어 유체의 유량을 감소시키기 위해 시계방향으로 조절될 때 연장될 수 있다. 마찬가지로, 솔레노이드(330)의 응답 시간은 나사(334)가 플런저(331)의 동작을 제한하고 입구(333)를 통한 제어 유체의 유량을 감소시키기 위해 시계방향으로 조절될 때 연장될 수 있다.
유량 제어 밸브(300, 500)뿐 아니라 본 발명의 범위에 포함되는 다른 실시예는 격막/밸브-시트 영역에서 입자의 발생을 효과적으로 방지한다. 이 특징은 격막의 작은 질량과 그 감속되는 스프링 력이 제공될 경우 밸브 시트에 대한 격막의 영향이 극히 작기 때문이다. 마찬가지로, 격막에 대한 제어 유체의 영향은 무시할 수 있다. 따라서 본 발명의 양태에 따른 유량 밸브는 안정적인 성능 및 수명에 대한 새로운 기준을 설정할 수 있다. 다수의 기본형은 예를 들어 20 헤르츠(Hz)에서 1×108 사이클 이후에 그 성능을 유지하기 위해 테스트되었으며, 각각의 사이클 내에서 제어 유체는 격막의 최대 편향 및 철회를 행사하기 위해 0 내지 100 PSIA에서 순환되었다.
본 발명의 양태에 따른 유사한 실시예가 도 6에 단면도로 도시되어 있다. 전과 같이, 유량 제어 밸브(500')는 센서(507)가 유량 센서일 때 유량을 제어하기 위해 사용될 수 있고, 센서(507)가 압력 센서일 때 압력을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 유량 제어 밸브(500') 내에는, 폴리머 밸브 시트(503')와 유체 출구 포트(505) 사이의 유동 경로를 밀봉하기 위해 금속 격막(501)이 배치된다. 다른 모든 부품과 특징부는 도 4에서의 유량 제어 밸브(500)와 유사하다. 유량 제어 밸브(500')와 유사한 기본형 유량 제어 밸브는 금속 밸브 시트를 갖는 기본형보다 낮은 누설 속도를 나타냈다. 보다 구체적으로, 폴리머 밸브 시트를 갖는 기본형은 밸브 셧오프 상태에서 10-8 mBar×L/초 미만의 누설 속도를 나타냈으며[즉, 입구(512)에서의 제어 유체 압력이 배출됨], 금속 시트를 갖는 기본형은 약 10-6 mBar×L/초의 누설 속도를 나타냈다. 폴리머 시트를 갖는 기본형의 유량 제어 모드에서의 누설 속도는, 셧오프 스템이 작동되면, 제어 유체 압력이 70 PSIG를 초과했을 때 5×10-9 mBar×L/초 미만이었다. 그럼에도 불구하고, 궁극적으로, 밸브 시트 재료에 대한 선택은 작동 온도 범위에 종속될 수 있다. 예를 들어, PFA 450HP["Teflon"; DuPont(Fayetteville, NC, USA 소재)으로부터 입수 가능]는 200℃까지의 넓은 온도 범위에 적합할 수 있다. 85℃ 미만의 적용에서는 폴리클로로트리플루오로에텐["Kel-F"; Aetna Plastics(Valley View, OH, USA 소재)로부터 입수 가능]이 적합할 수 있다.
본 발명의 양태에 따른 유량 제어 밸브는 ALD 처리의 요구에 특히 적합할 수 있다. 유량 제어 밸브(500')와 유사한 기본형 유량 제어 밸브(압력 제어기로서 작용)는 ALD 전달 매니폴드 내의 압력을 제어하기 위해 적용되었다. 이를 위해서, 50-100 밀리리터 ALD 공급 탱크가 유량 제어 밸브 하류에 설치되었다. 전달 압력은 통상적으로 100 내지 5,000 sccm의 유량 범위 내의 전달과 더불어 5 내지 50 토르의 압력 범위 내에서 제어되었다. 통상적으로, 공급 탱크는 ALD 펄스 중에 가스 인출(draw)의 10% 미만, 바람직하게 5% 미만을 수용하도록 크기형성되었다. 예를 들어, 각각의 사이클마다 약 250 sccm에서 10 ms 동안 맥동되는 10 토르 제어된 반응 가스에 대해 75 밀리리터 탱크가 사용되었으며, 이는 4.3% 미만의 인출을 초래한다. PD 파라미터가 200 sccm을 초과하는 유량 및 300 토르를 초과하는 입구 압력의 선형 범위에서 튜닝되는 상태에서, 제어 유체 압력에 대한 유량 종속성의 선형 부분에서의 유량에 대해 25 ms 미만의 응답 시간이 달성되었다. 이들 PD 파라미터를 적용하면, 0 내지 200 sccm 범위의 유량에 대해서 뿐만 아니라 5 내지 300 토르 범위의 입구 압력에 대해서 100 ms 미만의 응답 시간이 달성되었다. 따라서, 본 발명의 양태에 따른 유량 제어 밸브는 하나의 부품 번호를 갖고 이득 스케줄링이 없는 전체 폭넓은 범위의 ALD 전달 사양을 수용하는 것으로 나타났다. 동시에, 통합 셧오프 밸브는 고도로 반응성인 ALD 전구체의 전달을 파워 또는 제어 유체 압력(이 경우, 공기 압력)의 손실뿐 아니라 여러가지 다른 잠재적으로 유해한 상황에 대항하여 인터로크시키기 위한 안전 보장을 제공하였다.
도 7에 도시된 다른 예시적 실시예는 안전보장 폴리머 시트 유량 제어 및 셧오프 밸브(500")를 포함한다. 그러나, 유량 제어 밸브(500, 500')의 방식으로 국소 압력 센서를 사용하는 대신에, 유량 제어 밸브(500")는 하나 이상의 원격-설치된 압력 센서에 응답하여 압력을 제어하도록 구성된다. 따라서 유량 제어 밸브(500")는 케이블(도시되지 않음)을 거쳐서 원격 압력 센서와 통신할 수 있는 센서 입력 커넥터(540)를 구비한다. 이러한 원격 감지 능력은 가열 척 내부에 배치된 깨지기 쉬운 히터를 보호하는 비활성 가스의 압력 제어와 같은 적용에 적합할 수 있으며, 여기에서 히터-대-척 접촉 및/또는 척 내부에서의 히터의 완전한 밀봉은 불가능하다. 그 적용에 있어서, 유량 제어 밸브(500")는 척에서 나오는 시간 변화적 유동에 관계없이 압력을 설정값으로 유지하도록 조절하기 위해 신속히 반응할 수 있다. 물론, 대체 실시예에서, 원격-설치된 유량 센서는 압력 보다는 하류 유량을 조절하기 위해 유사한 방식으로 사용될 수 있다.
본 발명의 양태에 따른 다른 예시적 적용에서, 두 개의 유량 제어 밸브(500"), 두 개의 원격 설치된 유량 센서[그 센서 입력 커넥터(540)를 거쳐서 두 개의 유량 제어 밸브와 인터페이스 연결됨], 및 두 개의 셧오프 밸브를 포함하는 매니폴드는 유압식 액추에이터에 대한 방향 및 속도 제어를 제공한다. 매니폴드는 제 1 유량 제어 밸브(500")와 제 2 셧오프 밸브를 액추에이터의 일 측에 연결하며, 제 2 유량 제어 밸브(500")와 제 1 셧오프 밸브를 액추에이터의 제 2 측에 연결한다. 유압식 액추에이터는 두 개의 대향 방향으로 이동할 수 있다. 제 1 방향으로의 속도 제어된 동작은 제 1 유량 제어 밸브(500")의 셧오프 밸브를 작동시키며 유량 제어 밸브에 유량 세트 포인트를 제공한다. 동시에 제 1 셧오프 밸브는 개방 작동된다. 그 결과, 유량 제어된 유체는 액추에이터를 특정 속도로 추진하기 위해 적용되며 상기 유체는 제 1 셧오프 밸브를 거쳐서 액추에이터의 다른 쪽으로부터 배출된다. 액추에이터의 속도는 유량에 정확히 관련된다. 대안적으로, 유량 센서가 선형 속도 센서로 대체될 때 유량 제어 밸브(500")는 액추에이터의 선형 속도를 직접 제어할 수 있다. 동작을 멈추기 위해서, 유압식 액추에이터는 유동을 즉시 정지시키기 위해 제 1 유량 제어 밸브(500")와 제 1 셧오프 밸브 양자의 동시 셧오프에 의해 "제동"된다. 제 2 방향으로 이동하기 위해, 제 2 유량 제어 밸브(500")의 셧오프 밸브가 작동되며 유량 세트 포인트가 유량 제어 밸브에 제공된다. 동시에 제 2 셧오프 밸브는 개방 작동된다. 그 결과, 유량 제어된 유체는 액추에이터를 특정 속도로 추진하기 위해 적용되며 상기 유체는 제 2 셧오프 밸브를 거쳐서 액추에이터의 다른 쪽으로부터 배출된다. 이 특정 적용에서, 유량 제어 밸브(500")뿐 아니라 통합 셧오프 밸브의 신속한 응답과 넓은 범위는 개선된 처리, 스탬핑, 부품 핸들링, 로봇 동작 등을 위해 유압 시스템에 신속하고 정확한 동작 제어를 제공한다.
도 8은 본 발명의 제 5 예시적 실시예에 따른 유량 제어 밸브(800)의 단면도이다. 이 유량 제어 밸브(800)에서, 금속 격막(801)은 밸브 시트(803)와 유체 출구 포트(805) 사이의 유동 경로를 밀봉하기 위해 배치된다. 격막(801)과 밸브 시트(803) 사이에 오리피스(804)가 형성된다. 밀봉된 격막 제어 공간(802)이 격막(801) 위에 형성된다. 격막 제어 공간은 제어 유체 입구(823)를 포함한다. 유량 제어 밸브(800)는 또한 입구 이음쇠(810), 출구 이음쇠(811) 및 제어 유체 입구(812)를 구비한다.
앞서 논의한 몇 가지의 유량 제어 밸브와 대조적으로, 유량 제어 밸브(800)는 격막 제어 공간(802) 내의 유체 압력을 조절하기 위해 솔레노이드와 반대로 압력 조절기(860)를 사용한다. 사용 시에, 입구(812)로부터의 제어 유체(예를 들면, 압축 공기)가 압력 조절기(860)에 공급된다. 압력 조절기(860)는 이후 조절된 압력의 제어 유체를 감지 격막(862)을 지나서 유동 경로(823)를 거쳐서 격막 제어 공간(802) 내로 전달하기 위해 노브(861)에 의해 수동으로 조절된다. 제어 공간(802) 내에 삽입되는 압력 조절된 제어 유체는 격막(801)을 편향시키며, 따라서 안정적인 온도와 입구 압력에서 유량을 수립하는 오리피스(804)를 형성한다. 종래의 수동 "니들 밸브" 유량 제어 밸브와 달리, 유량 제어 밸브(800)는 낮은 유량에서의 개선된 감도, 입자 발생의 전무함, 및 긴 내용 수명과 더불어 광범위한 유량 조절을 제공한다. 또한, 종래의 기계적 니들 밸브와 달리, 유량 제어 밸브(800)는 입구(812)에서 제어 유체를 ON/OFF 스위칭함으로써 정확한 오리피스와 완전히 개방된 높은 유동 경로 사이에서 반복적으로 스위칭될 수 있다.
본 발명의 양태에 따른 추가 개선이, 안전보장 셧오프 밸브(950)를 포함하는 예시적인 수동 유량 제어 밸브(900)를 도시하는 도 9의 단면도에 추가로 도시되어 있다. 이 특정 비제한적 실시예에서, 금속 격막(901)은 밸브 시트(903)와 유체 출구 포트(905) 사이의 유동 경로를 밀봉하기 위해 배치된다. 밸브 시트(903)는 폴리머 시일을 포함한다. 격막(901)과 시트(903) 사이에 오리피스(904)가 형성된다. 밀봉된 격막 제어 공간(902)이 격막(901) 위에 형성된다. 격막 제어 공간(902)은 제어 유체 입구(923)를 포함한다. 유량 제어 밸브(900)는 또한 입구 이음쇠(910), 출구 이음쇠(911), 제어 유체 입구(912) 및 압력 조절기(960)를 구비한다.
유량 제어 밸브(900)는 스템(952)을 통해서 격막(901)의 안전보장 셧오프를 제공하기 위해 셧오프 밸브(950)를 포함한다. 스템(952)은 개구(957)를 거쳐서 제어 공간(902)으로 슬라이딩될 수 있으며 시일(958)은 격막 제어 공간(902)의 전체 유체 밀폐성을 유지한다. 스템(952)은 스프링(953)의 힘에 의해 격막(901) 쪽으로 가압된다. 셧오프 밸브(950)는 피스톤(951)을 작동시키기 위해 가압 제어 유체(예를 들면 압축 공기)가 액추에이터 공간(959)에 분사될 때 개방된다. 피스톤(951)에는 슬라이딩 시일(954)이 구비된다. 셧오프 밸브(950)가 개방 작동되면, 액추에이터 공간(959)으로부터의 제어 유체(예를 들면 압축 공기)가 입구(926)를 거쳐서 압력 조절기(960)에 공급되며, 제어 유체는 유량 제어 밸브(900)를 위해서 이용될 수 있다. 스템(952)의 철회는 격막(901)이 조절 나사(955)에 의해 설정되는, 플런저(956)에 의한 전체 동작 범위를 허용하기 위해 필요한 최소로 조절될 수 있다. 상기 제한된 동작은 스템(952)이 밸브 시트(903)에 대항하여 격막(901)에 충돌할 때의 스템(952)의 가속도 및 결과적인 영향을 최소화하기 위해서 바람직하다. 이 영향은 입구(912)에서의 제어 유체 공급이 정지될 때 액추에이터 공간(959)로부터의 제어 유체의 배출을 제한함으로써 더 감소될 수 있다. 실제 감소의 실행에 있어서, 양 대책은 안전보장 기구에 의해 입자 발생을 방지하는데 있어서 매우 효과적인 것으로 밝혀졌다.
입구(926)로부터의 제어 유체는 압력 조절기(960)에 공급된다. 압력 조절기(960)는 조절된 압력의 제어 유체를 유동 경로(923)를 거쳐서 격막 제어 공간(902) 내로 전달하기 위해 노브(961)에 의해 수동으로 조절될 수 있다. 격막 제어 공간(902)에 분사되는 압력-조절된 제어 유체는 주어진 온도 및 입구 압력에서 유량을 수립하는 오리피스(904)를 형성한다. 여기에서 다시, 종래의 수동 "니들 밸브" 유량 제어 밸브와 대조적으로, 유량 제어 밸브(900)는 낮은 유량에서의 개선된 감도, 입자 발생의 전무함, 및 긴 내용 수명과 더불어 광범위한 유량 조절을 제공한다. 추가되는 통합 안전보장 셧오프 밸브(950)에 의해, 유량 제어 밸브(900)는 통상적으로 사용되는 2-부품 셧오프-밸브/니들-밸브 조합에 대해 단일 부품 대안을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 유량 제어 밸브는 또한 통합된 고속 유량 측정 센서에 의해 실시될 수 있다. 도 10a 및 도 10b는 이러한 유량 제어 밸브(1000)를 도시하고, 도 10a는 측벽이 제거된 유량 제어 밸브(1000)의 사시도이며 도 10b는 단면도이다. 유량 제어 밸브(1000)는 많은 요소를 도 6의 유량 제어 밸브(500')와 공유하며, 이들 요소에는 유사한 참조 부호가 병기된다. 동시에, 유량 제어 밸브(1000)는 상류 압력 센서(507'), 하류 압력 센서(507"), 및 오리피스(560)를 포함하는 통합 고속 유량 측정 센서를 구비한다. 이들 추가 요소는 유체 출구 포트(505)와 출구 이음쇠(511) 사이에 배치된다. 오리피스(560)는 수정된 유량을 제공하기 위해 주어진 크기를 갖는다. 압력 센서(507', 507")는 오리피스(560)의 양족에서 압력을 측정한다. 보다 구체적으로, 상류 압력 센서(507')는 유량 제어 밸브(1000) 내의 제 1 공간에서의 압력을 측정하도록 작동하며, 하류 압력 센서(507")는 제 2 공간에서의 압력을 측정하도록 작동한다. 제 2 공간은 오리피스(560)를 통해서 제 1 공간과 유체 연통한다.
도 10a 및 도 10b에 도시된 것과 매치되는 작동 기본형 유량 제어 밸브에 있어서, 고속 유량 측정 센서는 Measurement Specialties(Hampton VA, USA 소재)로부터의 두 개의 모델 85-005A-0C 압력 센서에 의해 실시되었다. 이들 압력 센서는 1 msec 미만의 응답 시간을 가졌으며, ALD 처리 중에 맥동 유량 변조를 충실하게 반영하였다. 기본형은 각각의 펄스의 적분 값을 세트 포인트로 유지함으로써 ALD 처리 중에 전구체의 전달을 정확히 제어하기 위해 사용되었다. 이를 위해서, 유량은 제로-유량에서 다음 제로 유량까지 통상 2-5 msec의 범위에서 설정 인터벌로 적분되었다. 이 특징은 ALD 처리 도중에 전구체-전달의 정밀성을 증진시켰으며, 이는 다시 공정의 효율을 향상시켰다. 또한, 이는 하류 ALD 밸브 및 부품의 실시간 모니터링을 가능하게 하였다.
하류 ALD 밸브 및 부품을 모니터링하는 추가 능력은 하류 압력 센서(507")의 압력이 그 압력에 의해서 뿐만 아니라 하류 ALD 밸브와 매니폴드의 컨덕턴스에 의해서 제어되는 전구체의 전달에 관련있다는 사실의 결과이다. 따라서 처리 도중의 이 압력의 증가는 ALD 밸브의 컨덕턴스가 고장, 장애, 매니폴드 온도 상승 등의 잠재적 문제로 인해 감소됨을 나타낼 수 있다. 마찬가지로, 처리 도중의 그 압력의 감소는 매니폴드 온도가 저하될 수 있음을 나타낼 수 있거나, 또는 ALD 매니폴드가 누설을 발전시켰음을 나타낼 수 있다. 잠재적 고장의 조기 경고를 달성하는 이 능력은 펄스형 밸브의 종종 복잡한 집합체의 성능의 실시간 모니터링을 처음으로 가능하게 하며, 이 모니터링은 문제의 조기 검출을 위해 사용될 수 있다. 이러한 문제의 조기 검출은 고수율 제조를 보장하기 위해 제조 ALD 설비를 궁극 성능으로 유지하는 능력에 있어서 중요하다.
마지막으로, 본 발명의 상기 실시예들은 단지 예시적이도록 의도되는 것이 다시 강조되어야 한다. 다른 실시예는 상기 기능을 실시하기 위해 다양한 형태 및 구성의 요소를 사용할 수 있다. 본 발명의 범위 내의 이들 수많은 대체 실시예는 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
본 명세서에 개시된 모든 특징부는 달리 명시되지 않는 한 동일하거나, 동등하거나 유사한 목적을 수행하는 대체 특징부로 대체될 수 있다. 따라서, 달리 명시되지 않는 한, 각각의 개시된 특징부는 보편적인 일련의 등가의 또는 유사한 특징부의 일 예일 뿐이다.

Claims (21)

  1. 장치가 제어 유체의 공급원에 연결되는 동안 장치를 통한 유체의 유량을 제어하기 위한 장치에 있어서,
    입력부;
    밸브 시트;
    격막(diaphragm);
    출력부; 및
    상기 격막에 의해 부분적으로 형성되고 상기 제어 유체의 공급원으로부터 제어 유체를 수용하도록 작용하는 격막 제어 공간을 포함하며,
    상기 밸브 시트에 대한 격막의 편향(deflection)은 상기 격막 제어 공간 내의 제어 유체의 압력에 응답하며,
    상기 밸브 시트에 대한 격막의 상기 편향은 상기 입력부와 상기 출력부 사이의 유체 유동 저항을 제어하도록 작용하는
    유량 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 격막 제어 공간 내로의 제어 유체의 유량을 조절하도록 작용하는 제어 유체 공급 밸브를 추가로 포함하는
    유량 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 격막을 향해서 및 상기 격막으로부터 멀리 슬라이딩하도록 작용하는 스템;
    상기 스템에 대해 상기 격막 쪽으로 스프링 가압력을 인가하는 스프링; 및
    상기 제어 유체의 공급원으로부터 제어 유체를 수용하도록 작용하는 스템 제어 공간을 추가로 포함하고,
    상기 스템 제어 공간 내의 제어 유체의 압력은 상기 스템을 상기 스프링 가압력과 반대되는 방향으로 가압하는
    유량 제어 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 스템 제어 공간은 상기 제어 유체 공급 밸브와 직렬 유체 연통하고, 상기 제어 유체 공급 밸브는 상기 격막 제어 공간과 직렬 유체 연통하는
    유량 제어 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 스템은 상기 격막 제어 공간의 벽을 통과하는
    유량 제어 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 유체 공급 밸브는 압력 조절기를 포함하는
    유량 제어 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 격막 제어 공간 밖으로의 제어 유체의 유량을 조절하도록 작용하는 제어 유체 릴리프(relief) 밸브를 추가로 포함하는
    유량 제어 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어 유체 공급 밸브는 솔레노이드 밸브를 포함하는
    유량 제어 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어 유체 릴리프 밸브는 솔레노이드 밸브를 포함하는
    유량 제어 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어 유체 공급 밸브 및 상기 제어 유체 릴리프 밸브를 작동시키도록 작용하는 제어기를 추가로 포함하는
    유량 제어 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어기와 데이터 통신하는 센서를 추가로 포함하는
    유량 제어 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 센서는 유량과 압력 중 적어도 하나를 측정하도록 작용하는
    유량 제어 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 센서로부터 수신된 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 제어 유체 공급 밸브와 상기 제어 유체 릴리프 밸브를 작동시키도록 작용하는
    유량 제어 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 센서 상의 센서 세트 포인트(sensor set point)를 달성하기 위해 상기 센서로부터 수신된 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 제어 유체 공급 밸브와 상기 제어 유체 릴리프 밸브를 작동시키도록 작용하는
    유량 제어 장치.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어기는 센서로부터 수신된 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 제어 유체 공급 밸브와 상기 제어 유체 릴리프 밸브를 작동시키도록 작용하며, 상기 센서는 상기 장치와 별개이며 유량과 압력 중 적어도 하나를 측정하도록 작용하는
    유량 제어 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브 시트는 금속을 포함하는
    유량 제어 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브 시트는 폴리머를 포함하는
    유량 제어 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 유체는 기체를 포함하는
    유량 제어 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 유체는 액체를 포함하는
    유량 제어 장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치 내의 제 1 공간에서 압력을 측정하도록 작용하는 상류 압력 센서;
    상기 장치 내의 제 2 공간에서 압력을 측정하도록 작용하는 하류 압력 센서; 및
    오리피스를 추가로 포함하며,
    상기 제 2 공간은 상기 오리피스를 통해서 상기 제 1 공간과 유체 연통하는
    유량 제어 장치.
  21. 유체의 유량을 제어하는 방법에 있어서,
    입력부를 제공하는 단계;
    밸브 시트를 제공하는 단계;
    격막을 제공하는 단계;
    출력부를 제공하는 단계; 및
    상기 격막에 의해 부분적으로 형성되고 제어 유체의 공급원으로부터 제어 유체를 수용하도록 작용하는 격막 제어 공간을 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 밸브 시트에 대한 격막의 편향은 상기 격막 제어 공간 내의 제어 유체의 압력에 응답하고,
    상기 밸브 시트에 대한 격막의 상기 편향은 상기 입력부와 상기 출력부 사이의 유체 유동 저항을 제어하도록 작용하는
    유량 제어 방법.
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