KR20200124225A - 고 유동 저압 제어 밸브 - Google Patents

고 유동 저압 제어 밸브 Download PDF

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KR20200124225A
KR20200124225A KR1020207023251A KR20207023251A KR20200124225A KR 20200124225 A KR20200124225 A KR 20200124225A KR 1020207023251 A KR1020207023251 A KR 1020207023251A KR 20207023251 A KR20207023251 A KR 20207023251A KR 20200124225 A KR20200124225 A KR 20200124225A
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KR1020207023251A
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라이언 존슨
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히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
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    • G05D7/0629—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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Abstract

질량 유동 제어기 및 제어 밸브가 개시된다. 제어 밸브는 복수의 수직 유동 채널을 포함하는 포핏을 포함하고, 제어 밸브는 또한 오리피스 요소의 저부 표면으로부터 오리피스 요소를 통해 오리피스 요소의 상부 표면까지 연장되는 복수의 수직 유동 채널을 포함하는 오리피스 요소를 포함한다. 오리피스 요소의 수직 유동 채널은 포핏의 상부 표면과 오리피스 요소의 저부 표면 사이의 간극이 폐쇄될 때 가스가 오리피스 요소를 통해 유동하는 것을 방지하기 위해서 포핏의 수직 유동 채널과 축방향으로 오정렬된다.

Description

고 유동 저압 제어 밸브
본 발명은 질량 유동 제어를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 질량 유동 제어기의 밸브에 관한 것이지만, 제한적인 것은 아니다.
질량 유동 제어기는 원하는 위치로의 유체(즉, 가스)의 질량 유량을 조절하기 위해 이용 가능하다. 예를 들어, 일부 질량 유동 제어기는 처리 가스가 매우 낮지만 정밀한 질량 유량으로 처리 용례(예를 들어, 플라즈마 처리)로 전달되는 환경에서 이용된다.
다른 질량 유동 제어기는, 예를 들어 100 표준 리터/분(standard liters per minute)(SLM) 초과의 유량과 같은 높은 유량으로 가스의 유동을 조절하기 위해 이용되지만, 기존의 질량 유동 제어기는 비교적 높은 입구 압력이 필요하고 큰 밸브 개방 또는 스팬이 필요하다. 현재 높은 유량 및 낮은 입구 압력(예를 들어, 가스를 원하는 위치로 운반하기 위함)으로 동작하는 질량 유동 제어기가 필요하다. 따라서, 기존의 질량 유동 제어기는 이러한 필요를 충족시키는 것이 불가능하다(또는 매우 비효율적이다).
일 양태에 따르면, 제어 밸브는 입구 포트 및 출구 포트를 포함하는 밸브 공동을 포함한다. 포핏이 밸브 공동 내에 배치되고, 포핏은 복수의 수직 유동 채널을 포함하고, 포핏의 저부 표면이 입구 포트와 대면한다. 오리피스 요소가 포핏과 출구 포트 사이에서 밸브 공동 내에 배치되고, 오리피스 요소는 포핏의 상부 표면과 오리피스 요소의 저부 표면 사이의 간극을 개방 및 폐쇄하기 위해서 푸시 로드가 오리피스 요소를 통해 연장되고 포핏에 접촉할 수 있게 하여 푸시 로드가 포핏을 오리피스 요소에 대해 이동시킬 수 있게 하기 위한 푸시 로드 슬롯을 포함한다. 오리피스 요소는 오리피스 요소의 저부 표면으로부터 오리피스 요소를 통해 오리피스 요소의 상부 표면까지 연장되는 복수의 수직 유동 채널을 또한 포함한다. 오리피스 요소의 수직 유동 채널은 포핏의 상부 표면과 오리피스 요소의 저부 표면 사이의 간극이 폐쇄될 때 가스가 오리피스 요소를 통해 유동하는 것을 방지하기 위해서 포핏의 수직 유동 채널과 축방향으로 오정렬된다.
다른 양태는 입구 포트 및 출구 포트를 포함하는 밸브 공동을 포함하는 제어 밸브로서 특징지어질 수 있다. 밸브 공동 내에 배치된 포핏은 복수의 수직 유동 채널을 포함하고, 포핏의 저부 표면이 입구 포트와 대면한다. 포핏과 출구 포트 사이에서 밸브 공동 내에 배치된 오리피스 요소는 오리피스 요소를 통해 수직으로 및 수평으로 가스를 이동시키는 수단; 오리피스 요소의 상부 표면을 따라 가스를 이동시키는 수단; 및 제어 밸브를 통한 가스의 유동을 제어하기 위해 포핏의 상부 표면과 오리피스 요소의 저부 표면 사이의 간극을 개방 및 폐쇄하도록 오리피스 요소에 대해서 포핏을 이동시키는 수단을 포함한다.
도 1a는 질량 유동 제어기의 정단면도이다.
도 1b는 도 1a의 질량 유동 제어기의 등각 단면도이다.
도 1c는 도 1a 및 도 1b의 질량 유동 제어기의 밸브 섹션의 분해 등각도이다.
도 2a는 오리피스 요소의 제1 실시예의 등각 단면도이다.
도 2b는 도 2a에 도시되는 오리피스 요소의 평면도이다.
도 2c는 도 2a 및 도 2b에 도시되는 오리피스 요소의 측면도이다.
도 2d는 도 2a, 도 2b 및 도 2c의 오리피스 요소의 저면도이다.
도 2e는 도 2c에 도시되는 섹션 F-F를 따른 도 2a 내지 도 2d에 도시된 오리피스 요소의 단면도이다.
도 3a는 포핏의 제1 실시예의 등각도이다.
도 3b는 도 3a의 포핏의 등각 단면도이다.
도 3c는 도 3a 및 도 3b에 도시되는 포핏의 평면도이다.
도 3d는 도 3a, 도 3b 및 도 3c에 도시되는 포핏의 측면도이다.
도 3e는 도 3a, 도 3b, 도 3c 및 도 3d에 도시되는 포핏의 저면도이다.
도 4는 도 2a 내지 도 2d의 오리피스 요소 및 도 3a 내지 도 3e의 포핏을 포함하는 밸브의 단면도이다.
도 5는 오리피스 요소의 제2 실시예 및 포핏의 제2 실시예를 포함하는 밸브의 등각 단면도이다.
도 6a는 도 5에 도시되는 오리피스 요소의 제2 실시예의 등각 단면도이다.
도 6b는 도 5 및 도 6a에 도시되는 오리피스 요소의 평면도이다.
도 6c는 도 5, 도 6a 및 도 6b에 도시되는 오리피스 요소의 측면도이다.
도 6d는 도 5 및 도 6a 내지 도 6c에 도시되는 오리피스 요소의 저면도이다.
도 6e는 도 6c에 도시되는 오리피스 요소의 섹션 B-B를 따른 도 6a 내지 도 6d에 도시된 오리피스 요소의 단면도이다.
도 7a는 도 5에 도시되는 포핏의 제2 실시예의 등각도이다.
도 7b는 도 5 및 도 7a의 포핏의 등각 단면도이다.
도 7c는 도 5, 도 7a 및 도 7b에 도시되는 포핏의 평면도이다.
도 7d는 도 5 및 도 7a 내지 도 7c에 도시되는 포핏의 측면도이다.
도 7e는 도 5 및 도 7a 내지 도 7d에 도시되는 포핏의 저면도이다.
도 8은 도 6a 내지 도 6d에 도시되는 오리피스 요소 및 도 7a 내지 도 7e에 도시되는 포핏을 포함하는 도 5에 도시되는 밸브의 단면도이다.
도 9a는 도 5에 도시되는 베이스의 등각 단면도이다.
도 9b는 도 5에 도시되는 베이스의 평면도이다.
본 발명의 양태는 비교적 낮은 입구 압력 및/또는 차압에서 높은 유량이 필요한 질량 유동 제어기에서 사용되는 고유 밸브 설계를 포함한다. 예를 들어, 본원에 개시된 설계는 종래 기술의 구현예보다 훨씬 더 낮은 입구 압력 및 밸브 스팬을 갖는 100 SLM 초과 및 약 500 SLM 이하의 유량을 허용한다. 다른 양태는, 더 높은 유동이 10 파운드-힘/제곱 인치(psi)(69 kPa) 미만의 차압에서 요구되는 초저 차압 용례에서의 사용을 가능하게 한다.
본원에 개시된 밸브의 다른 양태는 작은 풋프린트를 유지하면서도 유동을 위한 개방 면적을 증가시키는 것 및 종래의 설계보다 훨씬 더 작은 밸브 스팬을 허용하는 것이다. 예를 들어, 유입 및 유출 경로의 교번 패턴이 밸브 표면을 가로지르는 압력 강하를 감소시키고 일부 구현예에서 밸브의 유동 계수(Cv)를 1에 매우 가깝게 증가시키기 위해 사용된다.
또 다른 양태는 1.5 인치(3.8 센티미터) 풋프린트에서 구현될 수 있는 고 유량 밸브이다. 본 명세서에 개시된 일부 구현예는 1.5 인치(3.8 센티미터) 풋프린트 내에서 질소 유동의 200 SLM을 달성하기 위해 1 세트의 교번 입구/출구 유동 경로를 사용한다. 이러한 설계는 질소의 풀-스케일(full-scale) 유동을 15 psi(103kPa)의 차압으로 낮춘다. 더 높은 유량 또는 더 낮은 압력차를 위해, 유동 경로 및 채널의 수가 증가된다.
많은 구현예의 양태는 낮은 압력으로 가스의 높은 유동 레벨을 제공하기 위해서 종래의 설계보다 낮은 입구 압력을 가능하게 한다. 예를 들어, 공급자로부터 천연 가스를 수취하는 상황에서, 압력은 통상적으로 매우 낮으며(예를 들어, 5 psi(35 kPa) 또는 2.5 psi(17 kPa) 정도로 낮음), 100 SLM, 200 SLM, 또는 그 이상의 유량에 대한 요구가 존재한다.
먼저 도 1a, 도 1b 및 도 1c를 참조하면, 예시적인 질량 유동 제어기(MFC)(100)의 밸브 섹션의 정단면도; 등각 단면도; 및 분해 등각도가 각각 도시되어 있다. 동작시에, 가스는 질량 유동 제어기(100)의 가스 입구(102)로 유입되고, 가스 유동의 작은 부분이 센서(104)를 통해 유동하는 한편, 가스 유동의 대부분이 질량 유동 제어기(100)의 우회 부분(106)을 통과한다. 센서(104)를 통해 유동하는 가스는, 다중-코일 웨이브 스프링(110)이 오리피스 요소(114) 아래에 이동 가능하게 위치설정되는 포핏(112) 아래에 위치설정되는 밸브 부분의 바로 상류(108)의 우회 부분(106)을 통해 유동하는 가스와 재결합한다. 밸브가 개방될 때, 가스는 포핏(112), 오리피스 요소(114), 세장형 출구 채널(190), 및 이어서 출구 포트(103)를 통해 유동한다.
포핏-오리피스 세트의 2개의 상이한 실시예가 본원에 개시된다. 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명된 제1 실시예에서, 오리피스 요소(114) 및 포핏(112)은 단일 채널-링을 각각 포함하고, 포핏(112) 및 오리피스 요소(114)의 각각에서의 단일 채널-링은 대응하는 포핏(112) 및 오리피스 요소(114)의 중심으로부터 등거리에 있는 원형 패턴으로 배열된 채널로 구성된다. 도 5 내지 도 8을 참조하여 설명된 제2 실시예에서, 포핏(512) 및 오리피스 요소(514)의 각각은 다중 채널-링을 포함하고, 각각의 포핏(512) 및 오리피스 요소(514)의 각각의 채널-링은 대응하는 포핏(512) 및 오리피스 요소(514)의 중심으로부터 등거리에 있는 원형 패턴으로 배열된 채널로 구성된다. 도 1a 내지 도 1c에 도시되는 MFC(100)는 단일 채널-링 포핏(112) 및 오리피스 요소(114)를 포함하지만, 다중 채널-링 포핏(512) 및 오리피스 요소(514) 또한 대체로 단일 채널-링 포핏(112) 및 오리피스 요소(114)와 동일한 방식으로 MFC(100) 내에 끼워지고 동작한다는 것에 유의해야 한다.
또한, MFC(100)를 위한 베이스의 2개의 상이한 실시예가 본 명세서에 개시된다. 제1 출구 채널 실시예(도 1-c 및 도 9a 및 도 9b에 도시됨)에서, MFC(100)의 베이스는 MFC(100)의 저압 고 유동 양태를 더 향상시키기 위해 이용되는 확장된 출구 채널(190)을 포함한다. 제2 출구 채널 실시예(도 4 및 도 5에 도시됨)에서, MFC(100)의 베이스는 확장되지 않는 출구 채널(495)을 포함한다.
도시된 바와 같이, 액추에이터(압전 액추에이터로서 도시됨)(116)는 모션 부스터(motion booster)(118)를 통해 푸시 로드(120)에 결합되고, 푸시 로드(120)는 포핏(112)의 중심의 오목부와 정합된다. 가스가 밸브를 통해 유동하게 하기 위해서, 액추에이터(116)의 압전 부분은 수직축(121)을 따라 하방으로 확장되고, 수직축(121)을 따른 액추에이터(116)의 변위가 포핏(112)을 하향으로 가압하고 따라서 스프링(110)을 가압하여 압축시키기 위해 푸시 로드(120) 상에 증가된 양의 변위를 부여하는 모션 부스터(118)에 의해 증가된다. 예를 들어, 모션 부스터(114)는 액추에이터(116)의 100 마이크로미터의 변위를 푸시 로드(120) 및 포핏(112)에서 400 마이크로미터의 변위로 변환할 수 있다. 하향으로 가압될 때, 포핏(112)은 가스가 포핏(112) 내의 유동 채널 및 포핏(112)의 에지 주위에 형성된 유동 채널을 통해 유동할 수 있도록 하기 위해서 포핏(112)과 오리피스 요소(114) 사이의 간극을 개방하도록 (많은 실시예에서 MFC(100)의 본체에 대해 제 위치에 고정되는) 오리피스 요소(114)로부터 분리된다.
밸브가 폐쇄될 때(도 1a, 도 1b, 도 1c에 도시되는 바와 같음), 포핏(112)의 상부 표면은 오리피스 요소(114)의 저부 표면과 연계되고, 이는 가스가 밸브를 통해 유동하는 것을 방지하는 시일을 생성한다. 더 구체적으로, 포핏(112) 및 오리피스 요소(114) 각각은 유동 채널을 갖지만, 유동 채널은 포핏(112) 및 오리피스 요소(114)가 함께 결합될 때 포핏(112)과 오리피스 요소(114) 사이의 유동 채널이 폐쇄되도록 축방향으로 오정렬된다. 본 명세서에 추가로 논의되는 바와 같이, 일부 실시예에서, 포핏(112)의 상부 표면과 오리피스 요소(114)의 저부 표면은 평면(예를 들어, 일부 실시예에서, 포핏(112)의 상부 표면 또는 오리피스 요소(114)의 저부 표면이 홈을 포함하지 않음)이고, 이는 일부 종래 기술 설계보다 제조하기에 더 용이하다.
도시되는 바와 같이, 스프링(110)은 포핏(112)과 대략 동일한 직경을 갖는 코일 스프링일 수 있고; 따라서 포핏(112)이 기울어지는 것을 방지하도록 포핏(112)의 외측 부분에 지지를 제공하고, 스프링(110)은 진동을 감소시키는 것을 돕기 위해 비교적 강성일 수 있다. 출원인은, 낮은 입구 압력(예를 들어, 2.5 psi(17 kPa))에서는, 입구 압력이 높은 용례보다 진동의 우려가 적다는 것을 발견하였다.
도 1c에 도시되는 바와 같이, 오리피스 요소(114) 자체는 MFC(100)의 상위 본체 부분(122)을 위한 지지부로서 작용한다. 더 구체적으로는, 오리피스 요소(114)는 MFC(100)의 상위 본체 부분(122)과 하위 본체 부분(124) 사이에 배치되고, 도 2a 내지 도 2c 및 도 6a 내지 도 6c를 참조하여 설명된 바와 같이, 오리피스 요소(114)는 가스가 오리피스 요소(114) 위를 유동하도록 하기 위한 표면 유동 통로를 형성하기 위해 오리피스 요소(114)의 표면 위로 연장되며 인접해 있지 않은 구조 부재로서의 지지 리지(230, 630)를 포함하며; 따라서 유량을 향상시키는 추가적인 체적을 제공하는 한편 MFC(100)를 가로지른 압력차를 감소시킨다.
본원에 개시된 포핏(112, 512, 712)은 또한 구조적 목적을 제공하면서 가스 유동을 허용하도록 인접하지 않게 구성되는 구조적 양태를 갖는다. 더 구체적으로, 도 3a 내지 도 3e 및 도 7a 내지 도 7e를 참조하여 논의된 바와 같이, 2개의 포핏(112) 실시예들은 포핏(112, 512, 712)이 수직 상하로 이동하는 MFC(100)의 밸브 측벽들 사이에 포핏(112, 512, 712)을 위치설정하는 것을 돕는 측면 리지(360, 760)를 각각 포함한다.
이어서 도 2a, 도 2b, 도 2c, 도 2d, 및 도 2e를 참조하면, 단일 채널-링 오리피스 요소(214)가 각각 등각 단면도; 평면도; 측면도; 저면도; 및 단면도로 도시되어 있다. 단일 채널-링 오리피스 요소(214)의 양태는 지지 리지(230), 수직 유동 채널(232) 및 수평 유동 채널(234)을 포함한다. 도 2a는 오리피스 요소(214)의 저부로부터 수직 유동 채널(232)을 통해 상향으로 그리고 이어서 수평 유동 채널(234)을 통해 또는 오리피스 요소(214)의 지지 리지(230)들 사이의 표면 유동 통로(236)를 따라 수평으로 가는 유동의 방향을 나타내는 화살표로 도시된다.
또한, 단일 채널-링 오리피스 요소(214)의 중심을 통해서, 푸시 로드(120)가 통과하는 푸시 로드 슬롯(238)이 도시되어 있다. 또한, 오리피스 요소(214) 내에 형성된 푸시 로드 공동(239)이 도시되어 있다. 푸시 로드 공동(239)은 푸시 로드(120) 주위에서 가스가 유동할 수 있게 하는 체적을 형성하는 푸시 로드 슬롯(238)보다 큰 직경을 갖는다. 도시되는 바와 같이, 수평 유동 채널(234)은 푸시 로드 공동(239)에서 교차할 수 있다. 또한, 도 2e에 도시되는 바와 같이, 수평 유동 채널의 분포는 비대칭일 수 있다. 더 구체적으로는, 오리피스 요소(214)의 제2 180도 섹터보다 오리피스 요소(214)의 원형 섹션의 제1 180도 섹터에 더 많은 수평 유동 채널(234)이 존재할 수 있다. 도 2e의 오리피스 요소(214)의 도시에서, 오리피스 요소(214)의 상위 절반은 제1 180도 섹터의 일례이고, 오리피스 요소(214)의 하위 절반은 제2 180도 섹터의 일례이다. 도시되는 바와 같이, 수평 유동 채널(234)은 대체로 45도 이격될 수 있고, 오리피스 요소(214)의 상위 절반에는 인접한 수평 유동 채널(234)로부터 22.5도 이격된 추가의 수평 유동 채널(235)이 있을 수 있다. 질량 유동 제어기(100)의 밸브 공동 내에서 구현될 때, (수평 유동 채널(234)의 더 높은 집중도를 갖는) 오리피스 요소(214)의 제1 180도 섹터는 출구 포트(103)의 방향으로 추가 유동 채널 체적을 제공하도록 출구 포트(103)와 대면할 수 있다. 다른 구현예에서, 수평 유동 채널(234)의 분포는 대칭적일 수 있고 오리피스 요소(214) 주위로 균등하게 이격될 수 있다.
이어서 도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 3d 및 도 3e를 참조하면, 단일 채널-링 포핏(312)이 각각 등각도; 등각 단면도; 평면도; 측면도; 및 저면도로 도시되어 있다. 단일 채널-링 포핏(312)의 양태는 수직 유동 채널(350) 및 (푸시 로드(120)를 수용하기 위한) 포핏(312)의 중심의 오목부(352) - 포핏(312)을 통해 저부까지 연장되지 않음 - 를 포함한다.
단일 채널-링 포핏(312)의 다른 양태는 홈이 없는 매끄러운 상부 표면(354) 및 매끄러운 저부 표면(356)을 포함한다. 도시되는 바와 같이, 단일 채널-링 포핏(312) 내의 수직 유동 채널(350)은 포핏(312)의 오목부(352)(포핏(312)의 상부 표면(354)의 중심)로부터 등거리인 원형 패턴으로 배열된다. 그리고, 위에서 논의된 바와 같이, 수직 유동 채널(350)은 오리피스 요소(214)의 저부가 포핏(312)의 상부와 연계되어 배치될 때 가스의 유동을 방지하기 위해 오리피스 요소(214)의 수직 유동 채널(232)로부터 축방향으로 오프셋되도록 배치된다.
도 3a는 또한 단일 채널-링 포핏(312)의 측면 리지(360)들 사이에 형성되는 에지 유동 경로(358)를 도시한다. 위에서 논의된 바와 같이, 측면 리지(360)는 밸브 채널 벽(160)들 사이에 포핏(312)을 위치설정하고, 측면 리지(360)들 사이의 간극은 가스가 밸브 채널 벽(160)과 포핏(312) 사이에서 유동하는 것을 허용하도록 에지 유동 경로(358)를 형성한다.
도 4를 참조하면, 단일 채널-링 포핏(312) 및 단일 채널-링 오리피스 요소(214)에 의해 실현될 때의 밸브의 단면도가 도시되어 있다. 도 4에 도시되는 밸브의 상태는 포핏(312)과 오리피스 요소(214) 사이 및 포핏(312)의 에지를 따르는 가스를 위한 유동 경로를 나타내기 위해 개방되어 있다. 도시되는 바와 같이, 밸브 본체는 밸브 채널 벽(460) 및 상위 본체(462)를 포함한다. 본 실시예에서, (오리피스 요소(214)와 출구 포트 사이에 경로를 제공하는) 출구 채널(495)은 확장되지 않고; 따라서, 출구 채널(495)은 도 1을 참조하여 설명된 확장된 출구 채널(190)과는 상이하다. 그러나, 단일 채널-링 포핏(312) 및 단일 채널-링 오리피스 요소(214)는 도 1a 내지 도 1c에 도시되는 베이스 및 도 4에 도시되는 베이스 모두 내에 끼워질 수 있다.
도 5를 참조하면, 포핏-오리피스 세트: 다중 채널-링 포핏(512) 및 다중 채널-링 오리피스 요소(514)의 제2 실시예에 의해 실현되는 밸브의 등각 단면도가 도시되어 있다. 도시되는 바와 같이, 도 5에 도시되는 밸브 본체(밸브 채널 벽(460) 및 상위 본체(462)를 포함)는 단일 채널-링 포핏-오리피스 세트가 도시되어 있는 도 4에 도시되는 밸브 본체와 실질적으로 동일하다. 따라서, 다중 채널-링 포핏(512) 및 오리피스 요소(514)는 단일 채널-링 포핏-오리피스 세트와 실질적으로 동일한 구조적 경계 내에서 동작할 수 있다.
이어서 도 6a, 도 6b, 도 6c 및 도 6d를 참조하면, 다중 채널-링 오리피스 요소(614)가 각각 등각 단면도; 평면도; 측면도; 및 저면도로 도시되어 있다. 다중 채널-링 오리피스 요소(614)의 양태는 지지 리지(630), 수직 유동 채널(632) 및 수평 유동 채널(634)을 포함한다. 도 6a는 오리피스 요소(614)의 저부로부터 수직 유동 채널(632)을 통해 상향으로 그리고 이어서 수평 유동 채널(634)을 통해 또는 오리피스 요소(614)의 지지 리지(630)들 사이의 표면 유동 통로(636)를 따라 수평으로 가는 유동의 방향을 나타내는 화살표로 도시된다. 푸시 로드 슬롯(638) 및 푸시 로드 공동(639)이 또한 도시되어 있다.
도 6e에 도시되는 바와 같이, 오리피스 요소(614)의 수평 유동 채널(634)의 분포는, 추가적인 수평 유동 채널(635)이 오리피스 요소(614)의 제2 180도 섹터보다 출구 포트(103)와 대면하는 오리피스 요소(614)의 원형 섹션의 제1 180도 섹터에 더 많은 수평 유동 채널(634)이 제공되는 결과를 가져오도록 (도 2a 내지 도 2e를 참조하여 이전에 설명된 오리피스 요소(214)와 대체로 동일한 방식으로) 비대칭일 수 있다. 도 6e의 오리피스 요소(614)의 도시에서, 오리피스 요소(614)의 상위 절반은 제1 180도 섹터의 일례이고, 오리피스 요소(614)의 하위 절반은 제2 180도 섹터의 일례이다. 도시되는 바와 같이, 수평 유동 채널(634)은 대체로 45도 이격될 수 있고, 오리피스 요소(614)의 상위 절반에서, 추가적인 수평 유동 채널(635)은 인접한 수평 유동 채널(634)로부터 22.5도 이격될 수 있다. 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 설명된 오리피스 요소(214)와 대조적으로, 오리피스 요소(614)는 오리피스 요소(214)보다 더 많은 수평 유동 채널(634)을 갖는다. 또한, 오리피스 요소(614)는 오리피스 요소(214)보다 더 많은 수직 유동 채널(632)을 포함하고, 오리피스 요소(614)의 각각의 수평 유동 채널(634)은 적어도 2개의 수직 유동 채널(632)에 의해 교차된다. 오리피스 요소(614)의 다른 구현예에서, 수평 유동 채널(634)의 분포는 대칭이고 오리피스 요소(614) 주위에 균등하게 이격될 수 있다.
이어서 도 7a, 도 7b, 도 7c, 도 7d 및 도 7e를 참조하면, 다중 채널-링 포핏(712)이 각각 등각도; 등각 단면도; 평면도; 측면도; 및 저면도로 도시되어 있다. 다중 채널-링 포핏(712)의 양태는 수직 유동 채널(750) 및 (푸시 로드(120)를 수용하기 위한) 포핏(712)의 중심의 오목부(752) - 포핏(712)을 통해 저부까지 연장되지 않음 - 를 포함한다.
다중 채널-링 포핏(712)의 다른 양태는 홈이 없는 매끄러운 상부 표면(754) 및 매끄러운 저부 표면(756)을 포함한다. 도시되는 바와 같이, 다중 채널-링 포핏(712)의 수직 유동 채널(750)의 다중 링 각각은 포핏(712)의 오목부(752)(포핏(712)의 상부 표면(754)의 중심)로부터 등거리인 원형 패턴으로 배열된다. 그리고, 위에서 논의된 바와 같이, 수직 유동 채널(750)은, 다중 채널-링 오리피스 요소(614)의 저부 표면이 다중 채널-링 포핏(712)의 상부와 연계되어 배치될 때 유동을 방지하기 위해서 다중 채널-링 오리피스 요소(614)의 수직 유동 채널(632)로부터 축방향으로 오프셋되도록 배치된다.
이어서 도 8을 참조하면, 다중 채널-링 포핏(712) 및 다중 채널-링 오리피스 요소(614)에 의해 실현될 때의 밸브의 단면도가 도시되어 있다. 도 8에 도시되는 밸브의 상태는, 다중 채널-링 포핏(712)과 다중 채널-링 오리피스 요소(614) 사이 및 다중 채널-링 포핏(712)의 에지를 따르는 간극(870)을 포함하는 가스를 위한 유동 경로를 나타내기 위해 개방되어 있다.
이어서 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 오리피스 요소(214, 614) 및 포핏(312, 712)이 제거되어 있는 질량 유동 제어기(MFC)(100)의 베이스의 등각 단면도 및 평면도가 각각 도시되어 있다. 높은 유량 동안의 MFC(100)의 낮은 압력 강하에 기여하는 다른 양태는 도 9a 및 도 9b에 도시되는 베이스의 밸브 공동(992)의 확장된 출구 채널(190)이다. 도시되는 바와 같이, 오리피스 요소(214, 614)가 MFC 본체 내에 놓이는 레벨에서, 확장된 출구 채널(190)의 증가된 크기는 밸브 공동(992)의 세장형 연장부(994)를 형성한다. 확장을 수용하기 위해, (o-링을 이용하는 종래 기술의 구현예와 대조적으로) 세장형 시일 링을 수용하도록 시일 홈(996)이 또한 확장된다.
또한, 도 9a 및 도 9b에는 o-링이 배치되는 o-링 시일 홈(998)이 도시되어 있으며, 오리피스 요소(214, 614)의 에지가 시일을 형성하기 위해 o-링의 상부에 놓인다. 세장형 링 및 o-링 모두는 스테인리스강일 수 있고, 따라서 상당한 양의 힘이 오리피스 요소(214, 614) 상에 배치되어 o-링 상에 시일을 생성한다.
확장된 출구 채널(190)은 밸브 공동(992)의 크기를 증가시키지만, 표준 크기 피팅의 나사산을 위해 본체에는 충분한 깊이가 남아 있다. 일부 용례에서, MFC(100)의 단부-대-단부 크기는(MFC(100) 크기의 표준화로 인해) 제약되고; 따라서 도 9a 및 도 9b에 도시되는 본체는 MFC(100)를 가로질러 낮은 압력차를 갖는 높은 유동을 제공하면서 MFC(100)가 표준 MFC 크기 내에 유지될 수 있게 한다. 일례로서, MFC(100)가 도 9a 및 도 9b에 도시되는 베이스, 도 6a 내지 도 6e를 참조하여 설명된 오리피스 요소(614), 및 도 7a 내지 도 7e를 참조하여 설명된 포핏(712)으로 실현될 때, 2.5 PSI(17 kPa)의 MFC(100)를 가로지른 차압에서의 200 표준 리터/분의 유량은 MFC(100)가 55 밀리미터의 폭 및 192 밀리미터의 길이로 실현될 때 달성가능하다.
요약하면, 높은 유량에서 MFC(100)를 가로지른 낮은 압력 강하를 가능하게 하는 많은 양태가 본 명세서에 개시되어 있다. 통상의 기술자는, 명세서에 기재된 실시예에 의해 달성되는 것과 실질적으로 동일한 결과를 달성하기 위해 본 발명, 그 사용 및 그 구성에 수많은 변형 및 치환이 이루어질 수 있다는 것을 용이하게 인식할 수 있다. 따라서, 본 발명을 개시된 예시적인 형태로 제한하려는 의도는 없다. 많은 변형, 수정 및 대안적인 구성이 본 명세서에서 표현되는 개시된 발명의 범주 및 사상 내에 속한다.

Claims (9)

  1. 제어 밸브이며,
    입구 포트 및 출구 포트를 포함하는 밸브 공동과;
    밸브 공동 내에 배치된 포핏으로서, 포핏은,
    복수의 수직 유동 채널을 포함하고, 포핏의 저부 표면이 입구 포트와 대면하는,
    포핏과;
    포핏과 출구 포트 사이에서 밸브 공동 내에 배치되는 오리피스 요소로서, 오리피스 요소는,
    포핏의 상부 표면과 오리피스 요소의 저부 표면 사이의 간극을 개방 및 폐쇄하기 위해서 푸시 로드가 오리피스 요소를 통해 연장되고 포핏에 접촉할 수 있게 하여 푸시 로드가 포핏을 오리피스 요소에 대해 이동시킬 수 있게 하기 위한 푸시 로드 슬롯, 및
    오리피스 요소의 저부 표면으로부터 오리피스 요소를 통해 오리피스 요소의 상부 표면까지 연장되는 복수의 수직 유동 채널을 포함하며,
    오리피스 요소의 수직 유동 채널은, 포핏의 상부 표면과 오리피스 요소의 저부 표면 사이의 간극이 폐쇄될 때 가스가 오리피스 요소를 통해 유동하는 것을 방지하기 위해서 포핏의 수직 유동 채널과 축방향으로 오정렬되는,
    오리피스 요소를 포함하는 제어 밸브.
  2. 제1항에 있어서, 오리피스 요소는 복수의 수평 유동 채널을 포함하는 제어 밸브.
  3. 제2항에 있어서, 수평 유동 채널 각각은 오리피스 요소의 수직 유동 채널 중 적어도 하나와 교차하는 제어 밸브.
  4. 제1항에 있어서, 포핏 및 오리피스 요소 각각은 다중 채널-링을 포함하고, 각각의 포핏 및 오리피스 요소의 각각의 채널-링은 대응하는 포핏 및 오리피스 요소의 중심으로부터 등거리에 있는 수직 채널로 구성되는 제어 밸브.
  5. 제1항에 있어서, 오리피스 요소는 오리피스 요소의 상부 표면 상의 표면 유동 통로를 형성하는 지지 리지를 포함하는 제어 밸브.
  6. 제1항에 있어서, 포핏은 푸시 로드를 수용하는 오목부를 포함하는 제어 밸브.
  7. 제2항에 있어서, 수평 유동 채널 각각은 푸시 로드 공동의 다른 수평 유동 채널과 교차하는 제어 밸브.
  8. 제1항에 있어서, 오리피스 요소는 출구 포트로부터 멀어지는 방향을 향하는 오리피스 요소의 제2 180도 섹터보다 출구 포트와 대면하는 오리피스 요소의 제1 180도 섹터에 더 많은 수의 수평 유동 채널을 포함하는 제어 밸브.
  9. 제어 밸브이며,
    입구 포트 및 출구 포트를 포함하는 밸브 공동과;
    밸브 공동 내에 배치되는 포핏으로서, 포핏은 복수의 수직 유동 채널을 포함하고, 포핏의 저부 표면이 입구 포트와 대면하는, 포핏과;
    포핏과 출구 포트 사이에서 밸브 공동 내에 배치되는 오리피스 요소로서, 오리피스 요소는,
    오리피스 요소를 통해서 수직 및 수평으로 가스를 이동시키는 수단,
    오리피스 요소의 상부 표면을 따라 가스를 이동시키는 수단, 및
    제어 밸브를 통한 가스의 유동을 제어하기 위해 포핏의 상부 표면과 오리피스 요소의 저부 표면 사이의 간극을 개방 및 폐쇄하도록 오리피스 요소에 대해서 포핏을 이동시키는 수단을 포함하는,
    오리피스 요소를 포함하는 제어 밸브.
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