KR20190084868A - 유량제어용 이방밸브 및 이것을 이용한 온도제어장치 - Google Patents

Abstract

유출부에 정합하여 유로를 여는 연통 구멍을 밸브체에 간단히 개설하여 이루어지는 전환 밸브와 비교하여, 유체의 유량을 직선 형상으로 정밀도 있게 제어하는 것이 가능한 유량제어용 이방밸브 및 이것을 이용한 온도제어장치를 제공한다.
원기둥 형상의 빈 곳으로 이루어지는 밸브 시트(8)를 가지고, 밸브 시트(8)의 축방향을 따른 일단부에 유체가 유통하는 제1 밸브구(9)와 밸브 시트(8)의 둘레면에 상기 유체가 유통하는, 절단면이 직사각형상인 제2 밸브구(11)가 형성된 밸브 본체(6)와, 밸브 본체(6)의 밸브 시트(8) 내에 회전이 자유롭게 배치되고, 제2 밸브구(11)의 개구 면적을 직선 형상으로 변화시키도록 미리 정해진 중심각(α)을 가지는 원통 형상의 일부를 이루는 형상으로 형성된 밸브체(12)와, 밸브체(12)를 회전 구동하는 구동 수단(3)을 구비한다.

Description

유량제어용 이방밸브 및 이것을 이용한 온도제어장치

본 발명은 유량제어용 이방(二方)밸브 및 이것을 이용한 온도제어장치에 관한 것이다.

종래, 유량제어용 이방밸브에 관련된 기술로는 예를 들면, 특허문헌 1이나 특허문헌 2 등에 개시된 것이 이미 제안되고 있다.

특허문헌 1은, 일단(一端)이 개방된 통 형상의 밸브체를 본체 내에 회전 가능하게 마련하여 상기 밸브체의 개방단을 유입부로 하고, 상기 본체의 둘레벽에 복수개의 유출부를 마련하며, 더욱이 상기 밸브체에 상기 유출부에 정합하여 유로를 여는 연통 구멍을 개설하여 이루어지는 전환 밸브에 있어서, 상기 연통 구멍을 포함하는 상기 밸브체의 둘레벽에 상기 본체의 안둘레벽보다도 작아지도록 탄성소재의 밀봉재를 일체화하고, 또한 상기 연통 구멍의 개구 가장자리에 대응하는 부분의 상기 밀봉재에, 상기 본체의 안둘레벽 방향으로 돌출하는 돌기를 마련하도록 구성한 것이다.

특허문헌 2는, 원통 형상의 밸브체 수용 공간, 및 상기 밸브체 수용 공간에 반지름 방향으로 연통하는 복수개의 연통구를 구비하는 밸브 보디(body)와, 상기 밸브 보디의 복수개의 연통구에 각각 연통 가능한 복수개의 밸브구를 구비하고, 상기 밸브 보디의 밸브체 수용 공간에 수용된 상태로 구동 수단에 의해 회전되며, 상기 밸브 보디의 복수개의 연통구와 복수개의 밸브구가 각각 연통 또는 비연통 중 어느 하나로 전환되는 원통 형상의 밸브체와, 유체 유입구 및 유체 유출구를 구비하고, 상기 밸브 보디를 수용하는 케이스를 구비하며, 상기 밸브 보디의 외주면(外周面)과 케이스의 내주면(內周面) 사이에는 전체 둘레에 걸쳐 균압통로가 형성되고, 상기 균압통로는 상기 유체 유입구 또는 유체 유출구와 연통되어 있으며, 밸브 보디의 복수개의 연통구와 복수개의 밸브구가 각각 연통한 상태에서는 유체가 유체 유입구로부터 유체 유출구로 흐르고, 밸브 보디의 복수개의 연통구와 복수개의 밸브구가 각각 비연통인 상태에서는 유체의 압력이 밸브 보디의 복수개의 연통구를 통해 밸브체의 외주면에 작용하도록 구성한 것이다.

일본 공개특허공보 특개소64-6567호 일본 공개특허공보 특개2012-36925호

본 발명은, 유출부에 정합하여 유로를 여는 연통 구멍을 밸브체에 간단히 개설하여 이루어지는 전환 밸브와 비교하여, 유체의 유량을 직선 형상으로 정밀도 있게 제어하는 것이 가능한 유량제어용 이방밸브 및 이것을 이용한 온도제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

청구항 1에 기재된 발명은, 원기둥 형상의 빈 곳으로 이루어지는 밸브 시트를 가지고, 상기 밸브 시트의 축방향을 따른 일단부에 유체가 유통하는 제1 밸브구와 상기 밸브 시트의 둘레면에 상기 유체가 유통하는, 절단면이 직사각형상인 제2 밸브구가 형성된 밸브 본체와,

상기 밸브 본체의 상기 밸브 시트 내에 회전이 자유롭게 배치되고, 상기 제2 밸브구의 개구 면적을 직선 형상으로 변화시키도록 미리 정해진 중심각을 가지는 원통 형상의 일부를 이루는 형상으로 형성된 밸브체와,

상기 밸브체를 회전 구동하는 구동 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 유량제어용 이방밸브이다.

청구항 2에 기재된 발명은, 상기 청구항 1에 있어서, 상기 밸브체는, 외주면이 개구되어 미리 정해진 중심각을 가지는 반원통 형상으로 형성된 반원통부를 가지고, 축방향을 따른 일단면이 폐색되고 타단(他端)면이 개구된 원통체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유량제어용 이방밸브이다.

청구항 3에 기재된 발명은, 혼합비가 조정된 저온 측 유체 및 고온 측 유체로 이루어지는 온도제어용 유체가 흐르는 온도제어용 유로를 가지는 온도제어 수단과,

저온 측의 미리 정해진 제1 온도로 조정된 상기 저온 측 유체를 공급하는 제1 공급 수단과,

고온 측의 미리 정해진 제2 온도로 조정된 상기 고온 측 유체를 공급하는 제2 공급 수단과,

상기 제1 공급 수단으로부터 공급되는 상기 저온 측 유체와 상기 제2 공급 수단으로부터 공급되는 상기 고온 측 유체를 혼합하여 온도제어용 유로에 흘려 보내는 혼합부와,

상기 제1 공급 수단으로부터 공급되는 상기 저온 측 유체의 유량을 제어하는 제1 유량제어 밸브와,

상기 제2 공급 수단으로부터 공급되는 상기 고온 측 유체의 유량을 제어하는 제2 유량제어 밸브를 구비하고,

상기 제1 및 제2 유량제어 밸브로서 상기 청구항 1 또는 상기 청구항 2에 기재된 유량제어용 이방밸브를 이용한 것을 특징으로 하는 온도제어장치이다.

본 발명에 의하면, 유출부에 정합하여 유로를 여는 연통 구멍을 밸브체에 간단히 개설하여 이루어지는 전환 밸브와 비교하여, 유체의 유량을 직선 형상으로 정밀도 있게 제어하는 것이 가능한 유량제어용 이방밸브 및 이것을 이용한 온도제어장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태 1에 따른 유량제어용 이방밸브의 일례로서의 이방밸브형 모터밸브를 각각 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태 1에 따른 유량제어용 이방밸브의 일례로서의 이방밸브형 모터밸브를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태 1에 따른 유량제어용 이방밸브의 일례로서의 이방밸브형 모터밸브의 주요부를 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태 1에 따른 유량제어용 이방밸브의 일례로서의 이방밸브형 모터밸브를 나타내는 주요부의 단면 사시도이다.
도 5는 밸브축을 나타내는 구성도이다.
도 6은 밸브 작동부를 나타내는 단면 구성도이다.
도 7은 액추에이터부를 나타내는 구성도이다.
도 8은 각도 센서를 나타내는 구성도이다.
도 9는 회전축과 각도 센서의 장착 구조를 나타내는 분해 구성도이다.
도 10은 회전축과 각도 센서의 장착 구조를 나타내는 구성도이다.
도 11은 본 발명의 실시형태 1에 따른 유량제어 밸브의 제어 회로를 나타내는 블록도이다.
도 12는 본 발명의 실시형태 1에 따른 유량제어 밸브의 제어 회로를 나타내는 블록도이다.
도 13은 본 발명의 실시형태 1에 따른 유량제어 밸브의 동작을 나타내는 설명도이다.
도 14는 본 발명의 실시형태 1에 따른 유량제어 밸브의 동작을 나타내는 플로우 차트이다.
도 15는 본 발명의 실시형태 1에 따른 유량제어 밸브의 동작을 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시형태 1에 따른 유량제어 밸브의 동작을 나타내는 플로우 차트이다.
도 17은 본 발명의 실시형태 1에 따른 유량제어 밸브의 동작을 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 실시형태 1에 따른 유량제어 밸브의 동작을 나타내는 플로우 차트이다.
도 19는 본 발명의 실시형태 1에 따른 유량제어 밸브의 동작을 나타내는 구성도이다.
도 20은 본 발명의 실시형태 1에 따른 유량제어 밸브의 동작을 나타내는 구성도이다.
도 21은 본 발명의 실시형태 1에 따른 유량제어 밸브의 동작을 나타내는 플로우 차트이다.
도 22는 본 발명의 실시형태 1에 따른 유량제어 밸브의 동작을 나타내는 그래프이다.
도 23은 본 발명의 실시형태 1에 따른 유량제어 밸브의 동작을 나타내는 블록도이다.
도 24는 본 발명의 실시형태 1에 따른 유량제어 밸브의 동작을 나타내는 그래프이다.
도 25는 본 발명의 실시형태 1에 따른 유량제어 밸브의 동작을 나타내는 블록도이다.
도 26은 본 발명의 실시형태 1에 따른 유량제어 밸브의 동작을 나타내는 그래프이다.
도 27은 본 발명의 실시형태 1에 따른 유량제어 밸브의 동작을 나타내는 그래프이다.
도 28은 실험예 1의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 29는 본 발명의 실시형태 1에 따른 온도제어장치를 나타내는 구성도이다.
도 30은 본 발명의 실시형태 1에 따른 온도제어장치를 나타내는 블록도이다.
도 31은 실험예 2의 결과를 나타내는 그래프이다.

이하에, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

실시형태 1

도 1(a)(b)(c)는 본 발명의 실시형태 1에 따른 유량제어용 이방밸브의 일례로서의 이방밸브형 모터밸브를 나타내는 정면도, 우측면도 및 저면도, 도 2는 도 1(a)의 A-A선 단면도, 도 3(a)(b)는 같은 이방밸브형 모터밸브를 나타내는 주요부의 평면도 및 일부 파단의 정면도이다.

이방밸브형 모터밸브(1)는 회전형 2방향 밸브로서 구성되어 있다. 이방밸브형 모터밸브(1)는 도 1에 나타내는 바와 같이, 크게 구별하여 하부에 배치된 밸브부(2), 상부에 배치된 액추에이터부(3), 밸브부(2)와 액추에이터부(3) 사이에 배치된 밀봉부(4) 및 커플링부(5)로 구성되어 있다.

밸브부(2)는 도 1 내지 도 3에 나타내는 바와 같이, SUS 등의 금속에 의해 대략 직방체상으로 형성된 밸브 본체(6)를 구비하고 있다. 밸브 본체(6)의 바닥면에는, 유체를 유통(유입)시키는, 도시하지 않은 배관을 접속하기 위한 유입구(7)와, 원기둥 형상의 빈 곳으로 이루어지는 밸브 시트(8)에 연통된 제1 밸브구(9)가 각각 개구되어 있다. 제1 밸브구(9)는, 밸브 시트(8)보다 직경이 작은, 절단면이 원형상으로 형성되어 있다. 유입구(7)의 안둘레는 예를 들면, 그 구경(口徑)이 직경 약 24㎜의 테이퍼가 있는 암나사인 Rc3/4으로 설정되어 있다.

밸브 본체(6)에는, 그 한쪽의 측면(도시예에서는 정면)에 유체를 유출시키는 도시하지 않은 배관을 접속하기 위한 절단면이 원형상인 유출구(10)와, 원기둥 형상의 빈 곳으로 이루어지는 밸브 시트(8)에 연통된 제2 밸브구(11)가 각각 개구되어 있다. 제2 밸브구(11)는, 유출구(10)에 대략 내접하는 절단면이 직사각형(도시예에서는 절단면이 정방형) 형상으로 형성되어 있다. 제2 밸브구(11)는, 원기둥 형상의 빈 곳으로 이루어지는 밸브 시트(8)에 관통하도록 형성되어 있다. 밸브 시트(8)의 둘레면에는 도 4에 나타내는 바와 같이, 투영 형상이 정방형상이면서 원호상(圓弧狀)으로 만곡(彎曲)한 형상으로 제2 밸브구(11)가 개구되어 있다. 유출구(10)의 안둘레는 예를 들면, 그 구경이 직경 약 24㎜의 테이퍼가 있는 암나사인 Rc3/4으로 설정되어 있다.

여기서, 유체로는 물, 부식액, 약액 등의 액체나 기체를 들 수 있다. 유체는 예를 들면, 온도제어용에 사용되는 상대적으로 온도가 낮은 저온 측 유체나 상대적으로 온도가 높은 고온 측 유체 등으로서 사용된다. 저온 측 유체 및 고온 측 유체는 상대적인 것을 의미하고, 절대적으로 온도가 낮은 저온 유체 및 절대적으로 온도가 높은 고온 유체를 의미하는 것이 아니다. 저온 측 유체 및 고온 측 유체로는 예를 들면, 압력이 0~1㎫, 0~80℃ 정도의 온도범위에서 0~30℃ 정도의 온도로 조정된 물(순수(純水) 등), 및 50~80℃ 정도의 온도로 조정된 물(순수） 등이 알맞게 사용된다. 또한, 저온 측 유체 및 고온 측 유체로는 예를 들면, -20~+80℃ 정도의 온도범위에서, -20℃ 정도의 온도에서도 동결되지 않고, +80℃ 정도에서도 기화하지 않는 플루오리너트(등록상표) 등의 불소계 불활성 액체, 에틸렌글리콜 등의 유체가 사용된다.

밸브 본체(6)의 중앙에는 도 2 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 상기와 같은 세로 방향을 따라 원기둥 형상으로 형성된 빈 곳으로 이루어지는 밸브 시트(8)를 구비하고 있다. 밸브 시트(8)는 밸브 본체(6)의 상단면에 관통한 상태로 마련되어 있다. 밸브 본체(6)에 마련되는 제1 밸브구(7) 및 제2 밸브구(11)는, 원기둥 형상으로 형성된 밸브 시트(8)의 중심축(회전축)(C)에 대하여 직교하도록 배치되어 있다. 더 설명하면, 제1 밸브구(7)는, 원기둥 형상으로 형성된 밸브 시트(8)의 바닥부에 중심축(C)에 대하여 절단면이 원형상으로 개구되어 있다. 한편, 제2 밸브구(11)는 원기둥 형상으로 형성된 밸브 시트(8)의 둘레면에 중심축(C)에 대하여 직교하도록 개구되어 있다.

또한, 제2 밸브구(11)는 도 1(a)에 나타내는 바와 같이, 절단면이 정방형상 등의, 절단면이 직사각형상으로 형성된 개구부로 이루어진다. 제2 밸브구(11)는, 그 한 변의 길이가 유출구(10)의 직경보다 작게 설정되어 있고, 상기 유출구(11)에 대략 내접하는 절단면이 직사각형상을 이루고 있다.

밸브체의 일례로서의 밸브축(12)은 도 5에 나타내는 바와 같이, SUS 등의 금속에 의해 외형이 대략 원기둥 형상으로 형성되어 있다. 밸브축(12)은 크게 구별하여 밸브체로서 기능하는 밸브체부(13), 상기 밸브체부(13)의 하단에 마련되어 밸브축(12)을 회전이 자유롭게 지지하는 축지부(14), 밸브체부(13)의 상부에 마련된 밀봉부(15), 밀봉부(15)의 상부에 테이퍼부(16)를 통해 마련된 커플링부(17)를 일체적으로 구비하고 있다.

축지부(14)는 밸브체부(13)보다 외경이 작게 설정된 얇은 원통 형상으로 형성되어 있다. 축지부(14)는 도 2에 나타내는 바와 같이, 밸브 본체(6)에 마련된 밸브 시트(8)의 하단부(바닥부)가 PTFE 등으로 이루어지는 베어링(18)을 통해 회전이 자유롭게 지지되어 있다. 밸브 시트(8)의 하부에는, 베어링(18)을 지지하는 환상(環狀)의 지지부(19)가 안둘레를 향해 돌출하도록 마련되어 있다. 지지부(19)의 안둘레에는 상술한 바와 같이, 제1 밸브구(9)가 절단면이 원형상으로 개구되어 있다. 축지부(14)의 내경은 베어링(18)의 내경보다 작게 설정되어 있고, 유입구(7)로부터 유입된 유체는, 하단면이 테이퍼 형상으로 형성된 지지부(19)를 통해 유동 저항을 거의 발생시키지 않고 밸브축(12)의 내부에 유입되도록 구성되어 있다. 밸브체부(13)의 상단면에는 PTFE 등으로 이루어지는 스러스트 와셔(20)가 장착되어 있고, 밸브축(12)이 후술하는 밀봉 케이스(28)에 가압됨으로써 발생하는 부하를 저감시키고 있다.

또한, 밸브체부(13)는 도 2 및 도 5(b)에 나타내는 바와 같이, 제2 밸브구(11)의 개구 높이(H1)(도 3 참조)보다 대폭적으로 높이가 낮은 개구 높이(H2)를 가지는 반원통 형상의 개구부(21)가 마련된 원통 형상으로 형성되어 있다. 밸브체부(13)의 개구부(21)가 마련된 밸브 동작부(22)는 도 6에 나타내는 바와 같이, 미리 정해진 중심각(α)(예를 들면, 180도)을 가지는 반원통 형상(원통 형상의 부분 중 개구부(21)를 제외한 대략 반원통 형상)으로 형성되어 있다. 밸브 동작부(22)는 도 2에 나타내는 바와 같이, 개구부(21)의 상하에 위치하는 원통 형상의 밸브체부(13)를 포함하여 제2 밸브구(11)를 닫힘 상태에서 열림 상태 혹은 열림 상태에서 닫힘 상태로 전환하도록 밸브 시트(8) 내에, 또한 밸브 시트(8)의 내주면에 금속끼리의 갈림을 방지하기 위해 미소(微小)한 간극을 통해 비접촉 상태가 되도록 회전이 자유롭게 배치되어 있다. 개구부(21)는 제2 밸브구(11)에 대하여 상하방향을 따른 중앙에 위치하고 있다. 밸브 동작부(22)의 상부에 배치된 밸브축부(23)는 밸브 동작부(22)와 동일한 외경을 가지는 원통 형상으로 형성되어 있고, 밸브 시트(8)의 내주면에 미소한 간극을 통해 비접촉 상태로 회전이 자유롭게 되어 있다. 밸브 동작부(22)의 내부에는 원기둥 형상의 빈 곳(24)이 하단부를 향해 관통한 상태로 마련되어 있다. 또한, 빈 곳(24)의 천장부에는 밸브축(12)의 토크 측정(검사)을 실시하기 위한 2개의 작은 구멍(25, 26)이 중심선(C)에 대하여 대칭으로 형성되어 있다.

제2 밸브구(11)는 도 6에 나타내는 바와 같이, 밸브 시트(8)의 내주면에 대하여 소정의 개구 위치 및 개구 치수가 되도록 형성되어 있다. 이에 반하여, 밸브 동작부(22)의 개구부(21)는 예를 들면, 180도의 중심각(α)을 이루도록 설정되어 있다. 밸브 동작부(22)의 개구부(21)는, 제2 밸브구(11)를 완전 닫힘 상태에서 완전 열림 상태로 개폐 자유로운 것이면 되고, 개구부(21)의 중심각(α)을 제2 밸브구(11)에 대응하여 90도로 설정해도 된다. 또한, 밸브 동작부(22)의 개구부(21)의 개구 높이(H2)는 이방밸브형 모터밸브(1)의 유량계수(Cv)를 결정하는 하나의 파라미터이며, 유량계수(Cv)를 크게 설정하기 위해서는 예를 들면, 제2 밸브구(11)와 동일한 높이(H1)로 설정해도 된다.

또한, 밸브 동작부(22)는, 개구부(21)의 둘레방향(회전방향)을 따른 양 단면(端面)(21a, 21b)이 그 중심축(C)과 교차하는(직교하는) 방향을 따른 절단면 형상이 평면 형상으로 형성되어 있다. 개구부(21)의 양 단면(21a, 21b)은 밸브축(12)의 반경 방향을 따라 배치되어 있다. 한편, 밸브 동작부(22)는, 개구부(21)의 둘레방향을 따른 양 단면(21a, 21b)의 회전축(C)과 교차하는 절단면 형상이 평면 형상에 한정되는 것은 아니고, 원호형상 등의 곡면형상으로 형성해도 된다.

밸브 동작부(22)의 개구부(21)의 둘레방향을 따른 양 단부(21a, 21b)는 도 6에 나타내는 바와 같이, 밸브축(12)이 회전 구동되어 제2 밸브구(11)를 개폐할 때에, 유체의 흐름 속에서, 제2 밸브구(11)의 둘레방향을 따른 단부로부터 돌출하도록 또는 퇴피하도록 이동(회전)함으로써 제2 밸브구(11)를 열림 상태에서 닫힘 상태 혹은 닫힘 상태에서 열림 상태로 바뀌게 한다. 이때, 밸브 동작부(22)의 개구부(21)의 둘레방향을 따른 양 단면(21a, 21b)(주로 21a)은, 밸브축(12)의 회전 각도에 대한 제2 밸브구(11)의 개구 면적을 리니어(직선 형상)로 변화시키는 것이다.

밀봉부(4)는 도 2 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 밸브축(12)을 액밀 상태로 밀봉하는 것이다. 밀봉부(4)는, SUS 등의 금속에 의해 밸브축(12)을 삽입통과하는 삽입통과 구멍(27)을 가지는 원통 형상으로 형성된 밀봉 케이스(28)를 가지고 있다. 밀봉 케이스(28)는, 밸브 본체(6)의 상단면에 마련된 원기둥 형상의 오목부(29)에 밀봉제를 도포한 상태로 삽입 고정되거나, 바깥둘레에 마련된 도시하지 않은 수나사부에 의해 오목부(29)에 나사 결합되는 등의 수단에 의해 밸브 본체(6)에 밀봉된 상태로 장착된다. 밀봉 케이스(28)는 밸브 본체(6)와의 사이가 EPDM제의 O링(30)에 의해 밀봉되어 있다. 밀봉 케이스(28)의 내주면에는 밸브축(12)을 밀봉하는 2개의 환상의 밀봉 부재(31, 32)가 상하로 배치되어 있다. 밀봉 부재(31)로는 예를 들면, 내열성, 내유성, 내후성이 뛰어난 수소화된 아크릴로니트릴·부타디엔고무(H-NBR)제의 X링이나 O링이 이용된다. 또한, 밀봉 부재(32)로는 예를 들면, EPDM제의 O링이 이용된다. 밀봉 부재(32)는 부시(33)에 의해 밀봉 케이스(28)에 고정되어 있다. 밀봉 케이스(28)는 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 후술하는 어댑터 플레이트(36)의 오목부에 평행핀(34)에 의해 위치를 맞춰 장착되어 있다.

커플링부(5)는 도 2에 나타내는 바와 같이, 밀봉부(4)가 내장된 밸브 본체(6)와 액추에이터부(3) 사이에 배치되어 있다. 커플링부(5)는 밸브축(12)과 상기 밸브축(12)을 일체로 회전시키는 회전축(35)을 연결하기 위한 것이다. 커플링부(5)는, 밀봉부(4)와 액추에이터부(3) 사이에 배치된 어댑터 플레이트(36)와, 어댑터 플레이트(36)의 내부에 관통 상태로 형성된 원기둥 형상의 공간(37)에 수용되고, 밸브축(12)과 회전축(35)을 연결하는 커플링 부재(38)로 구성되어 있다. 어댑터 플레이트(36)는 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, AL합금이나 SUS 등의 금속에 의해 앞면 측(도면 중 아래쪽)이 평면 반원형이면서 배면 측(도면 중 윗쪽)이 평면사다리꼴인 두꺼운 판상(板狀)으로 형성되어 있다. 어댑터 플레이트(36)는, 4개의 육각 구멍이 있는 볼트(39)에 의해 밸브 본체(6)에 고정된 상태로 장착되어 있다.

커플링 부재(38)는 도 2에 나타내는 바와 같이, SUS 등의 금속에 의해 원통 형상으로 형성된 것이다. 밸브축(12)의 상단에는 수평방향을 따라 관통하도록 오목홈(40)(도 4 참조)이 마련되어 있다. 그리고 밸브축(12)은, 커플링 부재(38)에 중심축(C)과 직교하는 방향으로 관통하도록 마련된 연결핀(41)에 의해 오목홈(40)을 통해 상기 커플링 부재(38)에 연결 고정되어 있다. 한편, 회전축(35)의 하단부는, 커플링 부재(38) 및 회전축(35)에 관통하도록 마련된 연결핀(42)에 의해 상기 커플링 부재(38)에 연결 고정되어 있다. 어댑터 플레이트(36)는, 밀봉 부재(31, 32)로부터 액체가 누설됐을 때, 삽입통과 구멍(37)을 통해 누설된 액체를 검지하기 위한 개구부(43)를 측면에 가지고 있다. 개구부(43)는 예를 들면, 그 구경이 직경 약 10㎜의 테이퍼가 있는 암나사인 Rc1/8로 설정되어 있다.

한편, 도 1 중 부호 44는 전원 및 알람 측의 케이블을, 45는 아날로그 측의 케이블을 각각 나타내고 있다. 이들 전원 및 알람 측의 케이블(44)과 아날로그 측의 케이블(45)은 이방밸브형 모터밸브(1)를 제어하는, 후술하는 제어장치(84)에 각각 접속된다.

액추에이터부(3)는 도 2에 나타내는 바와 같이, 상단면이 전체면에 걸쳐 개구된 평면 직사각형의 높이가 상대적으로 낮은 상자체 형상으로 형성된 케이스(46)와, 하단면이 케이스(46)와 동일 형상으로 개구된 평면 직사각형의 높이가 상대적으로 높은 상자체 형상으로 형성된 뚜껑체(47)를 구비하고 있다. 액추에이터부(3)의 케이스(46)는 SUS 등의 금속으로 이루어지고, 도 3에 나타내는 바와 같이, 2개의 육각 구멍이 있는 볼트(48)에 의해 커플링부(5)의 어댑터 플레이트(36)에 고정된 상태로 장착되어 있다. 액추에이터부(3)의 케이스(46)에는, 상기 케이스(46)의 바닥벽(50)에 일체적으로 마련된 축받이부(51) 및 축받이 부재(52)를 통해 회전축(35)의 하단부가 회전이 자유롭게 유지되어 있다. 회전축(35)은, 어댑터 플레이트(36)를 통해 밸브 본체(6)에 케이스(46)를 장착할 때에 기준이 되는 상기 케이스(46)의 바닥면(54)에 대하여 직교하도록 배치되어 있다.

액추에이터부(3)의 케이스(46)에는, 그 상단의 개구부에 위치하도록 제1 장착용 기판(53)이 마련되어 있다. 제1 장착용 기판(53)의 표면은 기준면을 구성하고 있다. 한편, 기준면은 제1 장착용 기판(53)의 표면으로 구성하지 않고, 케이스(46)의 개구부의 안둘레에 마련된 플랜지부 등으로 구성해도 된다. 제1 장착용 기판(53)은, 케이스(46)의 바닥벽(50) 또는 케이스(46)의 개구부에 마련된 도시하지 않은 플랜지부에 도시하지 않은 나사 고정 등의 수단으로 고정되어 있다. 또한, 제1 장착용 기판(53)은 케이스(46)의 외측의 바닥면(54)에 평행하게 배치되어 있다. 제1 장착용 기판(53)에는 회전축(35)이 축받이 부재(55)를 통해 회전이 자유롭게 지지되어 있다. 그 결과, 제1 장착용 기판(53)은 회전축(35)에 대하여 직교하도록 배치되어 있다. 회전축(35)에는, 그 축방향을 따른 중간위치에 외경이 약간 크게 형성된 플랜지부(56)가 마련되어 있다. 플랜지부(56)는 축받이 부재(55)의 하단면에 접촉하고 있다.

제1 장착용 기판(53)에는 회전축(35)을 회전 구동하는 구동 수단의 일례로서의 구동 모터(57)가 장착되어 있다. 구동 모터(57)로는 스테핑 모터를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 케이스(46)의 바닥벽(50)과 제1 장착용 기판(53) 사이에는, 구동 모터(57)의 회전 구동력을 감속함과 함께 토크를 증가시켜 회전축(35)에 전달하는 감속기(58)가 배치되어 있다. 감속기(58)는 도 7에 나타내는 바와 같이, 구동 모터(57)의 출력축에 고정된 출력 기어(59), 출력 기어(59)와 맞물리는 제1 감속 기어(60), 제1 감속 기어(60)와 같은 축에 마련된 제2 감속 기어(61), 제2 감속 기어(61)와 맞물리는 직경이 큰 제3 감속 기어(62), 제3 감속 기어(62)와 같은 축에 마련된 직경이 작은 제4 감속 기어(63), 제4 감속 기어(63)와 맞물리는 직경이 큰 제5 감속 기어(64), 제5 감속 기어(64)와 같은 축에 마련된 직경이 작은 제6 감속 기어(65), 제6 감속 기어(65)와 맞물리는 직경이 큰 제7 감속 기어(66), 제7 감속 기어(66)와 같은 축에 마련된 직경이 작은 제8 감속 기어(67), 제8 종동 기어(67)와 맞물리는 회전축(35)에 장착된 구동 기어(68)로 구성되어 있다. 감속기(58)는 구동 모터(57)의 회전에 대하여 소정의 감속비(약 1/600)에 따라 회전축(35)을 회전 구동한다. 제1 내지 제8 감속 기어(60~67)의 회전축은 축받이 부재(69)를 통해 케이스(46)의 바닥벽(50) 및 제1 장착용 기판(53)에 각각 회전이 자유롭게 지지되어 있다. 한편, 도 7(b)는 제1 내지 제8 감속 기어(60~67)의 맞물림을 구동력의 전달 방향인 알파벳 a~d의 순에 따라 전개하여 도시한 것이다.

제1 장착용 기판(53)의 상부에는 도 2에 나타내는 바와 같이, 지주 부재의 일례로서의 한 쌍의 지주 블록(71, 72)을 통해 제2 장착용 기판(73)이 제1 장착용 기판(53)과 평행하게 마련되어 있다. 제2 장착용 기판(73)에는, 회전축(35)의 회전각을 검출하는 각도 검출 수단의 일례로서의 각도 센서(74)가 장착되어 있다. 각도 센서(74)는 도 8(a)에 나타내는 바와 같이, 그 중앙에 회전축(35)의 상단부가 직접 접속되는 평면 원형상의 작동부(75)를 구비하고 있다. 각도 센서(74)의 작동부(75)에는, D커트(D-cut)면이나 더블 D커트면 등이 마련된 회전축(35)의 상단부를 삽입함으로써 직접 접속되도록 구성되어 있다. 한편, 각도 센서(74)로는 비접촉식인 것이어도 된다. 본 실시형태에서의 직접 접속이라는 문언은 회전축(35)의 상단부가 각도 센서(74)의 작동부(75)에 비접촉 상태로 삽입되는 경우도 포함하는 것이다(각도 센서가 변형될 우려를 가지기 때문에 회전축(35)의 상단부는 통상 접촉시키지 않음). 각도 센서(74)는 3개의 단자(#1, #2, #3)를 가지고 있고, 제1 및 제3 단자(#1, #3) 사이에 소정 전압을 인가함으로써, 도 8(b)에 나타내는 바와 같이, 제2 단자(#2)로부터 출력되는 출력전압이 회전축(35)의 회전각에 따라 리니어(직선 형상)로 변화됨으로써, 회전축(35)의 회전각(θ)을 검출한다.

각도 센서(74)는 도 8(a)에 나타내는 바와 같이, 그 기준이 되는 장착면(76)이 제2 기판(73)의 표면에 접촉하도록 장착 구멍(77)을 통해 나사 고정 등의 수단에 의해 제2 기판(73)에 고정되어 있다. 각도 센서(74)로는, 그 검출 정밀도가 예를 들면 10~60분(0.1~0.6°) 정도의 것이 사용되지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 각도 센서(74)로는 다양한 방식의 것이 사용 가능하다.

한 쌍의 지주 블록(71, 72)은 도 9에 나타내는 바와 같이, SUS 등의 금속으로 이루어지고, 동일한 높이(H3)를 가지면서 상단면(71a, 72a)과 하단면(71b, 72b)이 평행하게 형성된 직방체 형상의 부재로 이루어진다. 한 쌍의 지주 블록(71, 72)의 상단면(71a, 72a) 및 하단면(71b, 72b)과 제1 및 제2 장착용 기판(53, 73)에는, 도 10에 나타내는 바와 같이, 회전축(35)과 평행해지도록, 상기 회전축(35)으로부터 동일한 거리만큼 떨어진 위치에 위치결정핀(78, 79)을 삽입하는 삽입 구멍(71c, 72c, 71d, 72d 및 80, 81)이 각각 개구되어 있다. 그리고 제1 및 제2 장착용 기판(53, 73)은 삽입 구멍(71c, 72c, 71d, 72d 및 80, 81)에 각각 삽입되는 위치결정핀(78, 79)에 의해 위치 결정됨으로써 서로 평행하게 배치된다. 또한, 한 쌍의 지주 블록(71, 72)은, 상기 지주 블록(71, 72)에 매설된 장척(長尺)인 제1 장착 나사(82)에 의해 제1 장착용 기판(53)에 고정되어 있다. 또한, 한 쌍의 지주 블록(71, 72)은, 상기 지주 블록(71, 72)에 삽입통과된 장척인 제2 장착 나사(83)에 의해 제1 장착용 기판(53) 및 제2 장착용 기판(73)의 쌍방에 고정되어 있다.

더욱이, 제2 장착용 기판(73)의 상부에는 도 2에 나타내는 바와 같이, 이방밸브형 모터밸브(1)를 제어하는 제어 기판(84)이 마련되어 있다. 제어 기판(84)은, 제2 장착용 기판(73)에 나사(85, 86) 등에 의해 세워 설치된 복수개의 지지 파이프(87, 88) 등을 통해 장착되어 있다.

도 11은 제어 기판을 나타내는 블록도이다.

제어 기판(84)은 도 11에 나타내는 바와 같이, 각도 센서(74)로부터의 검출 신호가 입력되는 각도 센서 입력부(89), 구동 모터(57)를 구동하는 모터 출력부(90), 이방밸브형 모터밸브(1)를 사용하는 사용자가 조작하는 외부장치(91)의 전원(92)으로부터 소요 전력이 공급되는 전원 입력부(93), 외부장치(91)의 조절계(94)로부터 기준전류 등이 입력되는 조절계 입력부(95), 이방밸브형 모터밸브(1)의 개도(開度)에 따른 개도 출력전류를 출력하는 개도 출력부(96), 이방밸브형 모터밸브(1)가 정상인 상태인지 여부를 나타내는 신호를 출력하는 오픈 콜렉터 출력부(97)를 구비하고 있다. 또한, 각도 센서 입력부(89)는, 각도 센서(74)로부터 출력되는 출력전압을 디지털 신호로 변환하는, 도시하지 않은 A/D 변환기를 가지고 있다.

또한, 제어 기판(84)은, 도 12에 나타내는 바와 같이, 외부장치(91)의 조절계(94)로부터의 지시에 기초하여 후술하는 바와 같이, 설정 모드 및 동작 모드를 실행하는 제어 수단으로서의 CPU(Central Processing Unit)(101)와, CPU(101)로 실행하는 설정 모드 및 동작 모드의 프로그램을 미리 기억한 ROM(Read Only Memory)(102)과, CPU(101)로 실행된 파라미터 등을 기억하는 RAM(Random Access Memory)(103)과, 이들 CPU(101)나 ROM(102) 등을 접속하는 버스(104)와, CPU(101)와 각도 센서 입력부(89), 모터 출력부(90), 조정계 입력부(95), 개도 출력부(96) 및 오픈 콜렉터 출력부(97)를 도시하지 않은 전환 회로 등을 통해 접속하는 인터페이스부(105) 등을 구비하고 있다. 한편, CPU(101)는 도시하지 않은 컨트롤러에 의해 제어된다.

<이방밸브형 모터밸브의 동작>

본 실시형태에 따른 이방밸브형 모터밸브(1)에서는 다음과 같이 하여 유체의 유량이 제어된다.

이방밸브형 모터밸브(1)는 도 6(a)에 나타내는 바와 같이, 조립 시, 밸브부(2)의 제2 밸브구(11)의 개구 면적이 가능한 한 최소가 되도록 기계적으로 조정하는 조작이 실시된다. 구체적으로는, 이방밸브형 모터밸브(1)에 외부장치(91)의 전원(92)으로부터 전원 입력부(93)를 통해 전력을 공급하기 이전에, 도 2에 나타내는 바와 같이, 밸브부(2)의 밸브축(12)이 제2 밸브구(11)를 폐색한 완전 닫힘 위치에 위치하도록 조정된다. 이 조작은 도 2에 나타내는 바와 같이, 연결핀(41)의 위치를 지그에 의해 고정하고, 그 상태로 밸브부(2)를 조합함으로써 밸브축(12)이 제2 밸브구(11)를 폐색한 위치가 되도록 조정함으로써 실행된다. 이때, 밸브축(12)의 완전 닫힘 위치는 도 6(c)에 나타내는 바와 같이, 유체의 유량이 최소가 되는 위치임과 함께, 밸브축(12)이 소정 방향(열림 방향)으로 회전을 시작했을 때에 유체의 유량이 증가하는 시작점이 되는 위치이며, 정밀도 있게 위치 맞춤될 필요가 있다.

다음으로, 이방밸브형 모터밸브(1)에서는 도 13에 나타내는 바와 같이, 설정 모드가 실행되어 각종 값이 RAM(103)에 기억된 후, 상기 유량제어용 모터밸브(1)에 의해 유체의 유량을 제어하는 실동작 모드가 실행된다. 설정 모드는 각도 센서(50)의 min/max 설정, 조절계(94)의 min/max 설정, D/A 출력의 min/max 설정으로 이루어진다. 또한, 실동작 모드는 클로즈드 루프(closed-loop) 제어 또는 오픈 루프(open-loop) 제어 중 어느 하나로 이루어진다.

각도 센서(74)의 min/max 설정은 도 14에 나타내는 바와 같이, CPU(101)가 제어 기판(84)의 전원 투입 직후에서의 각도 센서(74)의 출력전압의 값을 각도 센서 입력부(89)를 통해 읽어내고, 읽어낸 각도 센서(74)의 원점 위치인 출력전압값(디지털값)을 RAM(103)에 기억한다(단계(101)). 다음으로, CPU(101)는, 모터 출력부(90)로부터 구동 모터(57)에 대하여 소정 수의 구동 펄스를 출력하고, 감속기(58)를 통해 회전축(35)을 회전 구동시킨다. 그 후, CPU(101)는, 회전 후의 각도 센서(74)의 출력전압값을 읽어내고, 읽어낸 출력전압값을 RAM(103)에 완전 열림 위치의 값으로서 기억하며(단계(103)), 상기 각도 센서의 min/max 설정 동작을 종료한다.

이와 같이, 이방밸브형 모터밸브(1)에서는 각도 센서(74)의 min/max 설정 동작을 실행함으로써, 도 15에 나타내는 바와 같이, 구동 모터(57)에 대한 출력 펄스가 제로일 때, 밸브축(12)이 완전 닫힘 위치(원점 위치)에 위치하고, 원점 위치에서의 각도 센서(74)의 출력값이 기억됨과 함께, 구동 모터(57)에 대한 출력 펄스가 고정된 소정 수(최대값)일 때, 밸브축(12)이 완전 열림 위치에 위치하고, 완전 열림 위치에서의 각도 센서(74)의 출력값이 기억됨으로써 교정된다. 그 때문에, 이방밸브형 모터밸브(1)의 밸브축(12)의 위치나 각도 센서(74)의 장착 위치 등에 오차가 존재하는 경우라도, 도 8(b)에 나타내는 바와 같이, 구동 모터(57)에 대한 출력 펄스가 제로일 때의 각도 센서(74)의 출력값과, 구동 모터(57)에 대한 출력 펄스가 최대값일 때의 각도 센서(74)의 출력값이, 항상 일대일로 대응하고, 밸브축(12)에 일체적으로 장착된 회전축(35)의 회전각이 정밀도 있게 검출 가능해진다.

조절계(94)의 min/max 설정은 도 16에 나타내는 바와 같이, 외부장치(91)의 조절계(94)로부터 조절계 입력부(95)를 통해 미리 정해진 최소값의 입력전류를 제어 기판(84)에 입력하고, CPU(101)는 상기 전류값을 RAM(103)에 기억한다(단계(201)). 다음으로, 외부장치(77)의 조절계(94)로부터 조절계 입력부(95)를 통해 미리 정해진 최대값의 입력전류를 제어 기판(84)에 입력하고, CPU(101)는 상기 전류값을 RAM(103)에 기억한다(단계(202)). 이 조절계(94)의 min/max 설정은 도 17에 나타내는 바와 같이, 외부장치(91)의 조절계(94)로부터 입력하는 입력전류를 밸브축(12)의 완전 닫힘 위치와 완전 열림 위치에 일치시키기 위한 동작이다. 즉, 외부장치(91)의 조절계(94)로부터 입력하는 입력전류가 최소값일 때, 밸브축(12)이 완전 닫힘 위치가 되고, 외부장치(91)의 조절계(94)로부터 입력하는 입력전류가 최대값일 때, 밸브축(12)이 완전 열림 위치가 되도록 교정된다.

D/A 출력의 min/max 설정은 도 18 및 도 19에 나타내는 바와 같이, 제어 기판(84)의 개도 출력부(96)로부터의 출력전류를 조정계 입력부(95)에 직접 입력하고, 제어 기판(84)의 개도 출력부(96)로부터의 출력전류가 조정계 입력부(95)에 설정된 입력전류와 동일해지도록 설정하는 것이다. 제어 기판(84)의 개도 출력부(96)는, 각도 센서 입력부(89)에 입력하는 각도 센서(74)로부터의 출력전압에 따라, 밸브축(12)의 개도(회전각)에 따른 출력전류를 외부장치(91)에 출력하고, 외부장치(91)에서 피드백 제어 등을 실행할 때에 사용된다.

CPU(101)는 도 18에 나타내는 바와 같이, 개도 출력부(96)로부터의 소정의 출력전류를 출력하고(단계(301)), 개도 출력부(96)로부터의 조정계 입력부(95)에 입력되는 출력전류가 미리 설정된 최소값 및 최대값에 각각 동일한지 여부를 판정하며(단계(302)), 개도 출력부(96)로부터의 출력전류와 조정계 입력부(95)에 입력되고 ROM(103)에 기억된 최소값 및 최대값의 차가 허용 범위 이내가 될 때까지, 개도 출력부(96)로부터의 출력전류를 조정하는 동작을 반복하고, 양자가 동일해진(오차가 허용 범위 이내가 된) 시점에서 상기 D/A 출력의 min/max 설정 동작을 종료한다. 이 D/A 출력의 min/max 설정은, 상술한 조절계(94)의 min/max 설정과 합침으로써, 외부장치(91)의 조절계(94)로부터 입력하는 입력전류와, 상기 입력전류에 따라 구동 모터(57)를 구동한 경우에서의 각도 센서(74)로부터의 출력전압에 대응한 개도 출력부(96)로부터의 소정의 출력전류를 항상 일대일로 정밀도 있게 대응시키는 것이 가능해진다.

그 후, 이방밸브형 모터밸브(1)에서는 도 13에 나타내는 바와 같이, 실동작 모드가 실행된다. 실동작 모드는 오픈 루프 제어 또는 클로즈드 루프 제어 중 어느 하나가 실행된다.

이방밸브형 모터밸브(1)는, 오픈 루프 제어 또는 클로즈드 루프 제어 중 어느 것에서도 도 20에 나타내는 바와 같이, 스테핑 모터(57)에 의해 감속기(58) 및 커플링부(5)를 통해 밸브축(12)을 구동함과 함께, 회전축(35)의 회전각이 각도 센서(74)에 의해 검출된다. 또한, 이방밸브형 모터밸브(1)는 도 21에 나타내는 바와 같이, 조절계(94)로부터의 신호를 제어 기판(84)이 받고(단계(401)), 제어 기판(84)으로부터 모터 출력부(90)를 통해 구동 모터(57)에 구동 펄스 신호를 출력한다(단계(402)). 이에 따라, 구동 모터(57)가 회전하고, 감속기(58)에 구동력이 전달되며(단계(403)), 각도 센서(74)의 회전축(35)과 밸브축(12)이 회전한다(단계(404)).

그 후, 이방밸브형 모터밸브(1)에서는, 밸브축(12)의 회전에 따라 개구부인 제2 밸브구(11)의 개구 면적이 변화되고(단계(405)), 도 22(a)에 나타내는 바와 같이, 조절계(94)로부터 출력되는 출력전류를 조절함으로써 제2 밸브구(11)의 개구 면적에 따라 유량계수 Cv 값이 변화된다(단계(406)). 이때, 조절계(94)로부터 출력되는 출력전류가 최소값인 경우, 유량계수 Cv 값이 제로가 되는 것이 이상적이지만, 유량계수 Cv 값이 완전히 제로가 되지 않고 약 5% 정도의 값에 머무르는 경우가 있다. 이와 같이, 유량계수 Cv 값의 최소값이 약 5% 정도의 값에 머무르는 경우라도 허용된다.

또한, 이방밸브형 모터밸브(1)에서는 도 21에 나타내는 바와 같이, 각도 센서(74)의 회전축(35)의 회전각에 따라 각도 센서(74)의 출력전압이 변화되고(단계(407)), 도 22(b)에 나타내는 바와 같이, 제어 기판(84)의 개도 출력부(96)로부터 출력되는 출력전류의 값이 변화된다(단계(408)).

실동작 모드를 오픈 루프 제어로 실행하는 경우에는 도 23에 나타내는 바와 같이, 유량제어용 모터밸브(1)에 외부장치(91)의 조절계(94)로부터 유량을 제어하기 위해 출력전류가 입력된다. 외부장치(91)의 조절계(94)로부터 입력된 전류에 기초하여 제어 기판(84)으로부터 구동 모터(57)에 구동 펄스가 출력되고, 도 24(a)(b)에 나타내는 바와 같이, 입력전류에 따른 모터 펄스 수의 위치에 밸브축(12)이 회전하며, 조절계(94)로부터의 입력전류에 따른 유량계수 Cv 값으로 제어된다. 또한, 이방밸브형 모터밸브(1)는, 밸브축(12)의 위치에서의 각도 센서(74)의 전압에 따라 개도 출력부(96)로부터 출력전류가 출력된다.

그때, 이방밸브형 모터밸브(1)가 미조정 상태인 경우에는 외부장치(91)의 조절계(94)로부터 출력되는 출력전류와, 제어 기판(84)의 조절계 입력부(95)에 입력되어 상기 제어 기판(84)으로 검출되는 입력전류 사이에 편차가 존재하면, 외부장치(91)의 조절계(94)로부터 예를 들면 밸브축(12)의 완전 닫힘 위치에 상당하는 전류를 출력해도, 제어 기판(84)의 조절계 입력부(95)로 검출되는 입력전류가 밸브축(12)의 완전 닫힘 위치에 상당하는 전류와 동일해지지 않는 경우가 생긴다.

이에 반하여, 본 실시형태에서는 도 17에 나타내는 바와 같이, 외부장치(91)의 조절계(94)로부터 출력되는 최소값의 출력전류 및 최대값의 출력전류가 제어 기판(84)의 ROM(103)에 미리 기억되어 있다. 그 때문에, 외부장치(91)의 조절계(94)로부터 최소값의 출력전류를 출력함으로써, 제어 기판(84)은 밸브축(12)의 완전 닫힘 위치인 것을 검출하고, 구동 모터(57)에 출력하는 구동 펄스를 제로의 위치로 설정한다. 또한, 외부장치(91)의 조정계(94)로부터 최대값의 출력전류를 출력함으로써, 제어 기판(84)은 밸브축(12)의 완전 열림 위치인 것을 검출하고, 구동 모터(57)에 출력하는 구동 펄스를 최대값의 위치로 설정한다. 더욱이, 외부장치(91)의 조절계(94)로부터 소정의 출력전류를 출력함으로써, 제어 기판(84)은 도 24(a)에 나타내는 바와 같이, 상기 소정의 출력전류에 따른 수의 구동 펄스를 구동 모터(57)에 출력한다.

따라서, 본 실시형태에 따른 이방밸브형 모터밸브(1)에서는 오픈 루프 제어로 동작되는 경우, 도 24(b)에 나타내는 바와 같이, 외부장치(91)의 조정계(94)로부터 출력되는 출력전류에 따른 위치에 밸브축(12)을 회전시킬 수 있고, 상기 밸브축(12)의 회전각에 따라 결정되는 유량계수 Cv 값에 기초하여 유체의 유량이 제어된다.

이때, 오픈 루프 제어에서는 도 24(a)에 나타내는 바와 같이, 조절계(94)의 출력전류에 따라 구동 모터(57)에 출력되는 구동 펄스가 직선 형상으로 제어되고, 구동 모터(57)에 의해 감속기(58)를 통해 회전축(35)이 안정적으로 구동된다. 또한, 오픈 루프 제어에서는 도 24(b)에 나타내는 바와 같이, 각도 센서(57)의 출력이 구동 모터(54)의 구동에 피드백되지 않기 때문에, 밸브축(12)의 개방 위치로의 구동과, 개폐 위치로부터 폐색 위치로의 구동에서 유량계수 Cv 값이 다르다는 히스테리시스 현상이 나타난다.

<클로즈드 루프 제어>

본 실시형태에 따른 이방밸브형 모터밸브(1)에서는, 실동작 모드를 클로즈드 루프 제어로 실행하는 경우, 도 25에 나타내는 바와 같이, 조절계(94)로부터 입력전류가 제어 기판(84)의 조절계 입력부(95)에 입력된다.

그리고 제어 기판(84)의 CPU(101)는, 조절계(94)로부터 RAM(103)에 기억시킨 입력전류의 최소값 및 최대값의 디지털값과, 각도 센서(74)로부터 RAM(103)에 기억시킨 원점 위치의 출력전압 및 완전 열림 위치의 출력전압의 디지털값에 기초하여 리니어인 보정식을 작성하고, 도 26에 나타내는 바와 같이, 조절계(94)로부터의 입력전류에 따라 각도 센서(74)의 출력전압이 불감대 내에 들어가도록 구동 모터(57)를 회전시킨다. 여기서, 불감대란, 출력값의 변화로서 감지할 수 있는 변화를 전혀 발생시키지 않는 입력 변화의 유한범위를 말한다.

이와 같이, 클로즈드 루프 제어에서는 구동 모터(57)의 구동에 기인한 회전축(35)의 회전각을 각도 센서(74)에 의해 검출하고, 상기 각도 센서(74)의 출력전압을 피드백시켜 구동 모터(57)의 구동량을 제어할 수 있기 때문에, 밸브축(12)의 회전각을 정밀도 있게 조정하는 것이 가능해진다.

또한, 본 실시형태에 따른 이방밸브형 모터밸브(1)에서는 도 27에 나타내는 바와 같이, 구동 모터(57)의 구동을 시작할 때에 출력하는 단위시간당 구동 펄스를 감소시켜 저속으로 구동하도록 구성되어 있다. 그 후, 구동 모터(57)의 구동을 시작한 후는 통상의 속도로 단위시간당 구동 펄스가 출력된다. 마찬가지로, 본 실시형태에 따른 이방밸브형 모터밸브(1)에서는 구동 모터(57)의 구동을 정지할 때에 출력하는 단위시간당 구동 펄스를 감소시켜 저속으로 구동하도록 구성되어 있다.

이와 같이 구성함으로써, 원점 위치 직전에서는, 단위시간당 출력하는 구동 펄스의 수를 다시 감소시킴으로써 저속으로 동작이 실시됨으로써, 원점 위치에서 밸브축(12)을 정지시킴에 있어, 조정계(94)로부터의 입력전류에 따른 구동 펄스를 구동 모터(57)에 출력하고, 구동 모터(57)에 의해 밸브축(12)을 회전시킴과 함께, 상기 밸브축(12)의 위치에 따라 각도 센서(74)로부터의 출력전압을 피드백시킬 때에, 각도 센서(74)로부터의 출력전압에 기초하여 구동 모터(57)가 과잉으로 회전하는 오버슈트(overshoot)와, 과잉으로 회전한 구동 모터(57)를 역방향으로 회동시키는 언더슈트(undershoot)가 반복되어 헌팅이 발생하는 것을 억제하는 것이 가능해진다.

이와 같이, 상기 실시형태 1에 따른 이방밸브형 모터밸브(1)에서는 밸브축(12)의 회전 각도를 정밀도 있게 제어하는 것이 가능해진다.

이방밸브형 모터밸브(1)는 도 6(c)에 나타내는 바와 같이, 예를 들면, 동작을 시작하기 전의 초기 상태에서, 밸브축(12)의 밸브 동작부(23)가 제1 밸브구(11)를 폐색(완전 닫힘)한 상태가 된다.

이방밸브형 모터밸브(1)는 도 2에 나타내는 바와 같이, 액추에이터부(3)에 마련된 스테핑 모터(54)를 소정량만큼 회전 구동시키면, 스테핑 모터(54)의 회전량에 따라 회전축(35)이 회전 구동된다. 이방밸브형 모터밸브(1)는, 회전축(35)이 회전 구동되면, 상기 회전축(35)에 연결 고정된 밸브축(12)이 회전축(35)의 회전량(회전각)과 동일한 각도만큼 회전한다. 밸브축(12)의 회전에 따라 밸브 동작부(23)가 밸브 시트(8)의 내부에서 회전하고, 도 6에 나타내는 바와 같이, 밸브 동작부(23)의 둘레방향을 따른 일단부(21a)가 제2 밸브구(11)를 서서히 개방하고, 제1 유입구(7)를 통해 유입되는 유체가 제1 밸브구(9)로부터 밸브 시트(8)의 내부에 유입된다.

이방밸브형 모터밸브(1)에 유입된 유체는 밸브축(12)의 회전각에 따라 제2 밸브구(11)를 통해 유출구(10)로부터 외부에 공급된다.

이방밸브형 모터밸브(1)는 밸브 동작부(23)의 둘레방향을 따른 양 단부(21a, 21b)가 평면 형상으로 형성되어 있고, 밸브축(12)의 회전 각도에 대하여 제2 밸브구(11)의 개구 면적을 리니어(직선 형상)로 변화시키는 것이 가능해진다.

실험예 1

본 발명자들은 도 1 내지 도 3에 나타내는 바와 같은 밸브축(12)을 구비한 이방밸브형 모터밸브(1)를 시험제작하고, 밸브축(12)의 회전에 따르는 제2 밸브구(11)의 개도에 따라, 유체의 유량계수 Cv 값이 어떻게 변화되는지를 확인하는 실험을 실시했다.

도 28(a)(b)는 상기 실험예의 결과를 각각 나타내는 그래프이다. 도 28(a)는 외부기기(91)로부터 출력되는 출력전류값을 나타내고, 같은 도면 (b)는 이방밸브형 모터밸브(1)의 유량계수 Cv 값을 나타내고 있다.

그 결과, 도 28(a)(b)에 나타내는 그래프로부터 분명한 바와 같이, 밸브축(12)의 회전각에 따라 유체가 대략 직선 형상으로 유량계수를 나타내는 Cv값이 증가함과 함께 감소하고, 유체의 유량을 정밀도 있게 제어할 수 있는 것을 알 수 있었다. 한편, 도 28의 그래프에서는 이방밸브형 모터밸브(1)를 완전 닫힘 상태에서 완전 열림 상태로 변화시킨 경우와, 완전 열림 상태에서 완전 닫힘 상태로 변화시킨 경우의 쌍방을 나타내고 있다.

실시예 1

도 29는 본 발명의 실시형태 1에 따른 유량제어용 이방밸브를 적용한 온도제어장치의 일례로서의 항온유지장치(칠러 장치)를 나타내는 개념도이다.

이 칠러 장치(200)는 예를 들면, 플라스마 에칭 처리 등을 수반하는 반도체 제조 장치에 사용되고, 온도제어 대상(W)의 일례로서의 반도체 웨이퍼 등의 온도를 일정 온도로 유지하는 것이다. 반도체 웨이퍼 등의 온도제어 대상(W)은 플라스마 에칭 처리 등을 받으면, 플라스마의 생성이나 방전 등에 따라 온도가 상승하는 경우가 있다.

칠러 장치(200)는, 온도제어 대상(W)과 접촉하도록 배치되는 온도제어 수단의 일례로서의 테이블 형상으로 구성된 온도제어부(201)를 구비한다. 온도제어부(201)는, 혼합비가 조정된 저온 측 유체 및 고온 측 유체로 이루어지는 온도제어용 유체가 흐르는 온도제어용 유로(202)를 내부에 가지고 있다.

온도제어부(201)의 온도제어용 유로(202)에는 미리 정해진 저온 측의 설정 온도로 조정된 저온 측 유체를 저장한 저온 측 항온조(203)와, 미리 정해진 고온 측의 설정 온도로 조정된 고온 측 유체를 저장한 고온 측 항온조(204)가 접속되어 있다. 저온 측 항온조(203)로부터 공급되는 저온 측 유체와, 고온 측 항온조(204)로부터 공급되는 고온 측 유체는, 혼합부(205)에서 혼합된 후, 온도제어부(201)의 온도제어용 유로(202)에 보내진다. 저온 측 항온조(203)로부터 공급되는 저온 측 유체는, 유량제어용 이방밸브의 일례로서의 제1 이방밸브형 모터밸브(207)를 통해 혼합부(205)에 보내진다. 또한, 고온 측 항온조(204)로부터 공급되는 고온 측 유체는, 유량제어용 이방밸브의 일례로서의 제2 이방밸브형 모터밸브(208)를 통해 혼합부(205)에 보내진다. 온도제어부(201)의 온도제어용 유로(202)를 유통한 온도제어용 유체는 펌프(206)에 의해 저온 측 항온조(203) 및 고온 측 항온조(204)에 순환된다. 한편, 저온 측 항온조(203) 및 고온 측 항온조(204)는 반드시 저온 측 유체 및 고온 측 유체를 저장하고 있을 필요는 없고, 유체를 소요 온도로 조정하여 공급가능한 것이면 된다. 이 경우, 저온 측 항온조(203) 및 고온 측 항온조(204)는 저온 측 유체 및 고온 측 유체가 흐르는 응축기나 증발기 등으로 구성할 수 있다.

온도제어부(201)의 온도제어용 유로(202)에는 그 유입 측 및 유출 측에 제1 및 제2 온도 센서(T1, T2)가 각각 마련되어 있다. 또한, 제1 이방밸브형 모터밸브(207)의 하류 측에는 저온 측 유체의 유량을 계측하는 제1 유량계(209)와, 저온 측 유체의 온도를 계측하는 제3 온도 센서(T3)가 배치되어 있다. 한편, 제2 이방밸브형 모터밸브(208)의 하류 측에는 고온 측 유체의 유량을 계측하는 제2 유량계(210)와, 고온 측 유체의 온도를 계측하는 제4 온도 센서(T4)가 배치되어 있다. 더욱이, 혼합부(206)의 하류 측에는 온도제어용 유체의 유량을 계측하는 제3 유량계(211)가 배치되어 있다. 제1 및 제2 온도 센서(T1, T2), 제1 및 제2 유량계(209, 210) 및 제3 및 제4 온도 센서(T3, T4)는 컨트롤러(212)에 접속되어 있다. 컨트롤러(212)는 제1 이방밸브형 모터밸브(207) 및 제2 이방밸브형 모터밸브(208)를 제어한다.

도 30은 컨트롤러의 제어계를 나타내는 블록도이다.

컨트롤러(212)는, 온도제어 대상(W)의 발열량(Q) 및 제3 유량계(211)에 의해 계측되는 온도제어용 유체의 유량, 더욱이, 제1 및 제2 온도 센서(T1, T2)의 계측값, 온도제어 대상(W)의 가중 평균 온도 목표값에 기초하여, 제1 및 제2 이방밸브형 모터밸브(207, 208)의 개도를 조절하고, 온도제어 대상(W)의 온도변화를 소정의 관계식에 기초하여 예측하여 저온 측 유체 및 고온 측 유체의 유량을 FF(feed forward) 제어한다. 한편, 온도제어 대상(W)의 발열량(Q)은 온도제어 대상(W)을 가공할 때의 전력 등에 의해 수치화된다.

또한, 컨트롤러(212)는 도 30에 나타내는 바와 같이, 제3 유량계(211)에 의해 계측되는 온도제어용 유체의 유량에 기초하여, PI 컨트롤러에 의해 PI 연산 등을 실시함으로써 제1 및 제2 이방밸브형 모터밸브(207, 208)의 개도를 조절하고, 저온 측 유체 및 고온 측 유체의 유량을 FB(feed back) 제어한다. 더욱이, 컨트롤러(212)는, 제1 및 제2 온도 센서(T1, T2)의 계측값에 기초하여, PI 컨트롤러에 의해 PI 연산 등을 실시함으로써 제1 및 제2 이방밸브형 모터밸브(207, 208)의 개도를 조절하고, 저온 측 유체 및 고온 측 유체가 혼합된 온도제어용 유체의 온도를 FB(feed back) 제어한다.

제1 및 제2 이방밸브형 모터밸브(207, 208)는, 컨트롤러(212)로부터 출력되는 제어 신호에 기초하여 스테핑 모터(57)에 의해 밸브축(12)을 회전 구동함으로써, 저온 측 항온조(203)로부터 공급되는 저온 측 유체와, 고온 측 항온조(204)로부터 공급되는 고온 측 유체의 유량을 각각 제어하고, 혼합부(206)를 통해 온도제어부(201)의 온도제어용 유로(202)에 공급하는 저온 측 유체와 고온 측 유체가 혼합된 온도제어용 유체의 온도를 제어한다.

이때, 제1 및 제2 이방밸브형 모터밸브(207, 208)는, 도 28에 나타내는 바와 같이, 밸브축(12)의 회전각에 따라 저온 측 유체와 고온 측 유체의 유량을 높은 정밀도로 제어할 수 있고, 온도제어용 유체의 온도를 미(微)조정하는 것이 가능해진다. 그 때문에, 본 실시형태에 따른 이방밸브형 모터밸브(207, 208)를 사용한 칠러 장치(200)는, 저온 측 유체와 고온 측 유체의 혼합비가 제어된 소정 온도로 조정된 온도제어용 유체를 온도제어부(201)의 온도제어용 유로(202)에 흘려 보냄으로써, 온도제어부(201)가 접촉하는 온도제어 대상(W)의 온도를 원하는 온도로 제어할 수 있다.

실험예 2

본 발명자들은 도 29에 나타내는 바와 같은 칠러 장치(200)을 시험제작하고, 온도제어부(201)의 온도제어용 유로(202)에 흐르는 유체의 온도 및 유량이 어떻게 변화하는지를 확인하는 실험을 실시했다.

도 31은 상기 실험예 2의 결과를 나타내는 그래프이다.

도 31로부터 분명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 칠러 장치(200)에 의하면, 온도제어 대상(W)의 발열량(Q)이 변화된 경우이어도 온도제어부(201)의 온도제어용 유로(202)에 흐르는 유체의 온도 및 유량을 설정값으로 대략 동일하게 제어할 수 있는 것을 알 수 있다.

한편, 상기 실시형태에서는 제1 밸브구를 유입 측, 제2 밸브구를 유출 측으로 한 경우에 대해 설명했지만, 제2 밸브구를 유입 측, 제1 밸브구를 유출 측으로 하여 구성해도 된다. 단, 제1 밸브구를 유입 측으로 하여 구성한 경우에는 유체의 압력이 밸브축(12)에 균등하게 작용하기 때문에, 밸브축(12)의 동작상 바람직하다.

유체의 유량을 직선 형상으로 정밀도 있게 제어할 수 있고, 온도제어장치에 사용함으로써 온도제어 대상의 온도를 정밀도 있게 제어하는 것이 가능해진다.

1: 이방밸브형 모터밸브 2: 밸브부
3: 액추에이터부 4: 밀봉부
5: 커플링부 6: 밸브 본체
7: 유입구 8: 밸브 시트
9: 제1 밸브구 10: 유출구
11: 제2 밸브구 12: 밸브축

Claims (3)

1. 원기둥 형상의 빈 곳으로 이루어지는 밸브 시트를 가지고, 상기 밸브 시트의 축방향을 따른 일단(一端)부에 유체가 유통하는 제1 밸브구와 상기 밸브 시트의 둘레면에 상기 유체가 유통하는, 절단면이 직사각형상인 제2 밸브구가 형성된 밸브 본체와,
   상기 밸브 본체의 상기 밸브 시트 내에 회전이 자유롭게 배치되고, 상기 제2 밸브구의 개구 면적을 직선 형상으로 변화시키도록 미리 정해진 중심각을 가지는 반원통 형상의 개구부를 가지는 원통 형상으로 형성된 밸브체와,
   상기 밸브체를 회전 구동하는 구동 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 유량제어용 이방(二方)밸브.
2. 제1항에 있어서,
   상기 밸브체는, 외주면(外周面)이 개구되어 미리 정해진 중심각을 가지는 반원통 형상으로 형성된 반원통부를 가지며, 축방향을 따른 일단면이 폐색되고 타단(他端)면이 개구된 원통체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유량제어용 이방밸브.
3. 혼합비가 조정된 저온 측 유체 및 고온 측 유체로 이루어지는 온도제어용 유체가 흐르는 온도제어용 유로를 가지는 온도제어 수단과,
   저온 측의 미리 정해진 제1 온도로 조정된 상기 저온 측 유체를 공급하는 제1 공급 수단과,
   고온 측의 미리 정해진 제2 온도로 조정된 상기 고온 측 유체를 공급하는 제2 공급 수단과,
   상기 제1 공급 수단으로부터 공급되는 상기 저온 측 유체와 상기 제2 공급 수단으로부터 공급되는 상기 고온 측 유체를 혼합하여 온도제어용 유로에 흘려 보내는 혼합부와,
   상기 제1 공급 수단으로부터 공급되는 상기 저온 측 유체의 유량을 제어하는 제1 유량제어 밸브와,
   상기 제2 공급 수단으로부터 공급되는 상기 고온 측 유체의 유량을 제어하는 제2 유량제어 밸브를 구비하고,
   상기 제1 및 제2 유량제어 밸브로서 제1항 또는 제2항에 기재된 유량제어용 이방밸브를 이용한 것을 특징으로 하는 온도제어장치.
   

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