KR20170109062A - 다이어프램 밸브 - Google Patents

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다카시 후나코시
다다유키 야쿠시진
도모히로 나카타
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가부시키가이샤 후지킨
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Abstract

\다이어프램 프레서의 압박면의 곡률반경과 다이어프램의 곡률반경의 비에 주목함으로써, 다이어프램의 내구성의 향상이 도모된 다이어프램 밸브를 제공한다. 다이어프램(5)의 곡률반경을 SRa, 다이어프램 프레서(6)의 압박면의 곡률반경을 SRb라 할 때, SRb/SRa = 0.4∼0.6이다.

Description

다이어프램 밸브
본 발명은 다이어프램 밸브에 관한 것이며, 특히 다이렉트 터치형이라고 칭해지는 다이어프램 밸브에 관한 것이다.
다이어프램 밸브로서, 특허문헌 1에는, 유체 통로가 설치된 밸브 박스와, 유체 통로의 둘레 가장자리에 설치된 고리형의 밸브 시트와, 밸브 시트에 압박 또는 이격되어 유체 통로를 개폐하는 구면형의 금속제 다이어프램과, 하단부에 구면형의 압박면을 갖고 다이어프램을 압박하는 다이어프램 프레서와, 다이어프램을 상하 이동시키는 액츄에이터를 구비하고 있는 것이 개시되어 있다.
특허문헌 1 : 일본 실용 공개 평2-29361호 공보
개폐 조작을 반복하는 다이렉트 터치형의 다이어프램 밸브에 있어서, 다이어프램의 내구성의 향상이 중요한 과제이며, 특허문헌 1에서는, 다이어프램의 형상 및 다이어프램의 외측 둘레 가장자리를 지지하는 부분의 형상을 적정한 것으로 함으로써 다이어프램의 내구성의 향상이 도모되고 있다.
그러나, 다이어프램 프레서의 압박면의 곡률반경과 다이어프램의 곡률반경의 관계에 관해서는, 종래에는 고려되지 않았다.
본 발명의 목적은, 다이어프램 프레서의 압박면의 곡률반경과 다이어프램의 곡률반경의 비에 주목함으로써, 다이어프램의 내구성의 향상이 도모된 다이어프램 밸브를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의한 다이어프램 밸브는, 유체 통로가 설치되는 밸브 박스와, 유체 통로의 둘레 가장자리에 설치되는 밸브 시트와, 밸브 시트에 압박 또는 이격되어 유체 통로를 개폐하는 구면형의 다이어프램과, 하단부에 구면형의 압박면을 갖고 다이어프램을 압박하는 다이어프램 프레서와, 다이어프램을 상하 이동시키는 액츄에이터를 구비하는 다이어프램 밸브에 있어서, 다이어프램의 곡률반경을 SRa, 다이어프램 프레서의 압박면의 곡률반경을 SRb라 할 때, SRb/SRa = 0.4∼0.6인 것이다.
종래, 다이어프램 및 다이어프램 프레서에 관해서는, 우선 다이어프램의 곡률반경을 최적화하고, 이어서, 다이어프램 프레서의 압박면의 곡률반경을 다이어프램의 곡률반경과 동일하거나 그것보다 약간 작은 값으로 설정하는 순으로, 각각의 곡률반경이 설정되었다.
본 발명은, 종래에는 고려되지 않았던 SRb/SRa(다이어프램 프레서의 압박면의 곡률반경/다이어프램의 곡률반경)에 의해, 다이어프램에 발생하는 응력이 변동하는 것을 밝힘과 함께, SRb/SRa의 최적치로서 0.4∼0.6을 얻은 것이다.
이 다이어프램 밸브는, 주로 반도체 제조 설비의 가스 공급계 등에 있어서 사용되는 다이렉트 터치형의 메탈 다이어프램 밸브로서 사용하기에 적합하다.
다이어프램은, 금속제이며, 위로 볼록한 원호형이 자연 상태의 구면껍질(球殼)형으로 이루어진다. 다이어프램은, 복수층으로 이루어진 적층형이어도 좋다. 다이어프램의 곡률반경은, 내면(복수의 경우는 최하층(접액측)의 내면)의 곡률반경을 말하는 것으로 한다.
밸브 시트는, 밸브 박스에 일체로 설치되어도 좋고, 밸브 박스와 별도의 부재로 이루어져도 좋다.
다이어프램 밸브는, 상하 이동 수단이 개폐 핸들 등의 수동 밸브이어도 좋고, 상하 이동 수단이 적절한 액츄에이터로 이루어지는 자동 밸브이어도 좋으며, 자동 밸브인 경우의 액츄에이터는, 유체(공기)압에 의한 것이어도 좋고, 전자력에 의한 것이어도 좋다.
또한, 이 명세서에 있어서, 다이어프램 밸브의 스템의 이동 방향을 상하 방향으로 하고 있지만, 이 방향은 편의적인 것이며, 실제의 부착에서는, 상하 방향이 수직 방향뿐만 아니라 수평 방향이 되는 경우도 있다.
본 발명의 다이어프램 밸브에 의하면, 다이어프램 프레서의 압박면의 곡률반경 SRb/다이어프램의 곡률반경 SRa = 0.4∼0.6으로 됨으로써 응력이 균일화되고, 이에 따라, 다이어프램에 국부적으로 과대한 응력이 작용하는 것이 방지되어 다이어프램의 내구성이 대폭 향상된다.
도 1은, 본 발명에 의한 다이어프램 밸브의 전체 구성을 나타내는 종단면도이다.
도 2는, 본 발명에 의한 다이어프램 밸브의 특징 부분을 나타내는 확대 종단면도이다.
도 3은, SRb/SRa가 0.4보다 작을 때의 해석 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는, SRb/SRa가 0.6보다 클 때의 해석 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는, SRb/SRa가 0.5일 때의 해석 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은, 다이어프램의 직경이 15 φ인 경우에, SRb/SRa를 변경했을 때에, 중앙부의 최대 응력과 가장자리부의 최대 응력이 어떻게 변화하는지를 나타내는 그래프이다.
도 7은, 다이어프램의 직경이 20 φ인 경우에, SRb/SRa를 변경했을 때에, 중앙부의 최대 응력과 가장자리부의 최대 응력이 어떻게 변화하는지를 나타내는 그래프이다.
도 8은, 다이어프램의 직경이 26 φ인 경우에, SRb/SRa를 변경했을 때에, 중앙부의 최대 응력과 가장자리부의 최대 응력이 어떻게 변화하는지를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 실시형태를 이하 도면을 참조하여 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 상하 및 좌우는, 도 1의 상하 및 좌우를 말하는 것으로 한다.
도 1은, 본 발명에 의한 다이어프램 밸브(1)의 기본 형상을 나타내고, 다이어프램 밸브(1)는, 유체 유입 통로(2a), 유체 유출 통로(2b) 및 상측을 향해 개구되는 요부(2c)를 갖는 블록형의 밸브 박스(2)와, 밸브 박스(2)의 요부(2c) 상부에 하단부가 나사 결합되어 상측으로 신장되는 원통형 본네트(3)와, 유체 유입 통로(2a)의 둘레 가장자리에 설치되는 고리형의 밸브 시트(4)와, 밸브 시트(4)에 압박 또는 이격되어 유체 유입 통로(2a)를 개폐하는 다이어프램(5)과, 다이어프램(5)의 중앙부를 압박하는 다이어프램 프레서(6)와, 본네트(3) 내에 상하 이동 가능하게 삽입되어 다이어프램 프레서(6)를 통해 다이어프램(5)을 밸브 시트(4)에 압박ㆍ이격시키는 스템(7)과, 본네트(3) 하단부면과 밸브 박스(2)의 요부(2c) 저면 사이에 배치되어 다이어프램(5)의 외측 둘레 가장자리를 밸브 박스(2)의 요부(2c) 저면과의 사이에서 유지하는 프레서 어댑터(8)와, 정상벽(9a)을 갖고 본네트(3)에 나사 결합되는 케이싱(9)과, 스템(7)을 상하 이동시키는 액츄에이터(10)를 구비한다.
액츄에이터(10)는, 스템(7)에 일체화되는 피스톤(11)과, 피스톤(11)을 하측으로 압박하는 압축 코일 스프링(압박 부재)(12)과, 피스톤(11) 하면에 설치된 조작 에어 도입실(13)과, 스템(7)을 관통하도록 설치되어 조작 에어 도입실(13) 내에 조작 에어를 도입하는 조작 에어 도입 통로(7a)를 구비한다.
도 1에 나타내는 통로 개방의 상태에 있어서는, 유체 유입 통로(2a)로부터 유입되는 유체는, 밸브 박스(2)의 요부(2c)의 저면과 다이어프램(5)에 의해 둘러싸인 공간 내로 유입되고, 유체 유출 통로(2b)를 거쳐서 외부로 유출된다.
다이어프램(5)은, 구면껍질형으로 이루어지고, 위로 볼록한 원호형이 자연 상태로 이루어진다. 다이어프램(5)은, 예컨대 니켈 합금 박판으로 이루어진 것이며, 원형으로 펀칭되어, 중앙부를 상측으로 팽창시킨 구면껍질형으로 형성된다. 다이어프램(5)은, 스테인리스강 박판으로 이루어진 것, 또는, 스테인리스강 박판과 니켈ㆍ코발트 합금 박판의 적층체로 이루어진 것인 경우가 있다.
프레서 어댑터(8)는, 그 하면(8a) 전체가 소정의 경사 각도로 이루어지는 테이퍼형 또는 원호형으로 이루어진다. 또한, 밸브 박스(2)의 요부(2c)의 저면(14)은, 원형의 평탄부(14a)와, 평탄부(14a)의 외측 둘레로 이어지며 평탄부(14a)에 대하여 움푹 패여 있는 고리형의 오목부(14b)를 갖는다.
프레서 어댑터(8)는, 본네트(3)가 밸브 박스(2)에 나사 결합됨으로써, 다이어프램(5)의 외측 둘레 가장자리에 상면으로부터 접촉한 상태로 고정된다. 이 때, 프레서 어댑터(8)의 하면(8a) 전체가 테이퍼형으로 이루어지는 것에 의해, 다이어프램(5)은, 구면껍질형(위로 볼록한 원호형)에서 거의 변형되지 않고, 그 외측 둘레 가장자리의 상면이 프레서 어댑터(8)의 테이퍼형 하면(8a)과 면접촉(넓은 범위에서 접촉)된 상태로, 프레서 어댑터(8)와 밸브 박스(2)의 요부(2c)의 저면(14) 사이에 유지된다. 또한, 밸브 박스(2)의 요부(2c)의 저면(14)의 외측 둘레 가장자리에 오목부(14b)가 설치되는 것에 의해, 다이어프램(5)의 외측 둘레 가장자리는 오목부(14b) 내에 수용된다. 따라서, 다이어프램(5)의 외측 둘레 가장자리는, 밸브 박스(2)의 요부(2c)의 저면(14)을 따르는 것 같은 변형을 받지는 않고, 그 하면이 요부(2c)의 저면(14)의 평탄부(14a)의 외측 둘레(다이어프램 지지부)(14c)와 선접촉한다.
종래, 다이어프램(5) 및 다이어프램 프레서(6)에 관해서는, 우선 다이어프램(5)의 곡률반경을 최적화하고, 이어서, 다이어프램 프레서(6)의 압박면의 곡률반경을 다이어프램(5)의 곡률반경과 동일하거나 그것보다 약간 작은 값으로 설정하는 순으로 각각의 곡률반경이 설정되었다.
본 발명에서는, 다이어프램(5)의 곡률반경을 SRa, 다이어프램 프레서(6)의 압박면의 곡률반경을 SRb라 할 때, SRb/SRa와 다이어프램(5)에 발생하는 응력의 관계를 유한 요소법을 이용하여 해석함으로써, 다이어프램(5) 및 다이어프램 프레서(6) 각각의 곡률반경이 설정된다.
다이어프램 밸브(1)의 폐쇄 상태에 있어서, 다이어프램 프레서(6)에 의해 압박되었을 때의 다이어프램(5)의 변형 모습을 도 3~도 5에 나타낸다. 도 3은, SRb/SRa가 0.4보다 작을 때의 것을, 도 4는, SRb/SRa가 0.6보다 클 때의 것을, 도 5는, SRb/SRa가 0.5일 때의 것을 각각 나타낸다. 또, 각 도면의 응력 분포에 관해서는, 응력치가 큰 부분을 원으로 둘러쌈으로써 간략화하여 나타낸다.
도 3에 나타내는 해석 결과에 의하면, 도 3에 A로 나타내는 다이어프램(5)의 중앙부에 있어서 응력이 최대가 되고, 그 값이 1400 MPa 정도였다.
도 4에 나타내는 해석 결과에 의하면, 도 4에 B로 나타내는 다이어프램(5)의 가장자리부에 있어서 응력이 최대가 되고, 그 값이 1100 MPa 정도였다.
도 5에 나타내는 해석 결과에 의하면, 다이어프램(5)의 중앙부 및 가장자리부에 있어서 응력이 균일화되고, 응력의 최대치가 1000 MPa 정도였다.
도 6~도 8에, 다이어프램(5)이 받는 응력을 유한 요소법을 이용하여 계산한 결과에 관해, SRb/SRa를 변경했을 때에, 다이어프램(5)의 중앙부의 최대 응력 및 가장자리부의 최대 응력이 어떻게 변화하는지를 나타내고 있다.
도 6은, 다이어프램(5)의 직경이 15 φ인 경우, 도 7은, 다이어프램(5)의 직경이 20 φ인 경우, 도 8은, 다이어프램(5)의 직경이 26 φ인 경우를 각각 나타내고 있다.
도 6~도 8의 어느 것에 있어서도, 중앙부의 최대 응력은 SRb/SRa의 증가에 따라서 감소하는 경향이 있고, 또한 가장자리부의 최대 응력은 SRb/SRa의 증가에 따라서 증가하는 경향이 있다. 그리고, SRb/SRa가 0.4보다 작으면, 중앙부의 최대 응력이 1000 MPa를 초과하고, SRb/SRa가 0.6보다 크면, 가장자리부의 최대 응력이 1000 MPa를 초과하며, SRb/SRa = 0.4∼0.6에서는, 가장자리부 및 중앙부의 최대 응력이 모두 겨우 1000 MPa 정도 이하였다.
실제의 내구성 시험에 의하면, SRb/SRa가 0.7∼1 정도인 것(종래부터 사용되고 있는 것)에서는, 다이어프램(5)의 가장자리부 주변으로부터 파단이 발생했다. 그리고, SRb/SRa가 0.5 정도인 것에서는, 종래 수십만회의 개폐 조작으로 다이어프램(5)이 파단되었던 것이, 개폐 조작을 100만회 이상 행하더라도 다이어프램(5)이 파단되지 않았다. 또한, SRb/SRa를 0.4 미만으로 하면, 다이어프램(5)의 중앙부로부터 조기에 파단되는 현상이 보였다.
상기 해석 결과 및 내구 시험 결과로부터, 다이어프램(5)의 직경에 상관없이, SRb/SRa = 0.4∼0.6으로 설정함으로써, 다이어프램(5)의 응력이 균일화되어 과대한 응력을 경감할 수 있고, 내구성이 대폭 향상되는 것을 알 수 있다.
또, 상기 다이어프램 밸브에 있어서, 피스톤(11), 압축 코일 스프링(압박 부재)(12), 조작 에어 도입실(13), 조작 에어 도입 통로(7a) 등은, 다이어프램 프레서(6)를 상하 이동시키는 스템(7)을 상하 이동시키는 액츄에이터(10)를 구성하고 있지만, 액츄에이터의 구성은, 도 1에 나타낸 것에 한정되지 않는다.
SRb/SRa = 0.4∼0.6으로 설정함으로써 다이어프램(5)의 응력이 균일화되는 상기 기술 사상은, 다이어프램 밸브(1)의 개개의 형상에 상관없이 적용할 수 있고, 특히, 다이렉트 터치형의 메탈 다이어프램 밸브에 적용함으로써, 반도체 제조 설비의 가스 공급계 등에서의 신뢰성 향상에 기여할 수 있다.
본 발명은, 반도체 제조 설비의 가스 공급계 등에 있어서 사용되는 다이렉트 터치형의 메탈 다이어프램 밸브로서 적합하며, 그 다이어프램의 내구성이 향상되기 때문에 반도체 제조 설비 등의 성능 향상에 기여할 수 있다.
1: 다이어프램 밸브 2: 밸브 박스
2a: 유체 유입 통로 2b: 유체 유출 통로
4: 밸브 시트 5: 다이어프램
6: 다이어프램 프레서

Claims (1)

  1. 유체 통로가 설치되는 밸브 박스와, 유체 통로의 둘레 가장자리에 설치되는 밸브 시트와, 밸브 시트에 압박 또는 이격되어 유체 통로를 개폐하는 구면형의 다이어프램과, 하단부에 구면형의 압박면을 갖고 다이어프램을 압박하는 다이어프램 프레서와, 다이어프램을 상하 이동시키는 액츄에이터를 구비하는 다이어프램 밸브에 있어서,
    다이어프램의 곡률반경을 SRa, 다이어프램 프레서의 압박면의 곡률반경을 SRb라 할 때, SRb/SRa = 0.4∼0.6인 것인, 다이어프램 밸브.
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