KR20220080073A - 유체 유동 제어 디바이스 - Google Patents

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KR20220080073A
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샤야 마이젤스
아리크 밈란
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햄-릿 (이스라엘-캐나다) 엘티디.
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Abstract

입구, 출구, 작동 메카니즘 및 다이어프램을 포함하는 프로세스 유체 유동 제어 디바이스로서; 상기 다이어프램은 상기 출구 및/또는 상기 입구와 직접 작동 연통하고; 상기 메카니즘은 구동 압전 구성요소를 포함하고, 상기 디바이스는: 상기 다이어프램에 가해지는 힘을 조정하도록 상기 구동 압전 구성요소를 사용하여, 제 1 레이트 범위 내에서 상기 디바이스를 통한 프로세스 유체의 유동을 조절하도록 구성된다.

Description

유체 유동 제어 디바이스
질량 유동 제어기 (MFC) 는 액체 및 가스의 유동을 측정하고 제어하는데 사용되는 디바이스이다.
질량 유동 제어기는 특정 유량의 범위에서 특정 유형의 액체 또는 가스를 제어하도록 설계되고 보정된다. MFC 에는 그 전체 스케일 범위의 0 내지 100% 의 설정점이 주어질 수 있지만, 전형적으로 전체 스케일의 10 내지 90% 에서 작동되며, 여기서 최상의 정확도가 달성된다. 그 후, 디바이스는 주어진 설정점으로의 유량을 제어할 것이다. MFC 는 아날로그 또는 디지털일 수 있다. 디지털 유동 제어기는 통상적으로 하나 초과의 유형의 유체를 제어할 수 있는 반면, 아날로그 제어기는 보정된 유체로 제한된다.
모든 질량 유동 제어기들은 입구 포트, 출구 포트, 질량 유동 센서 및 비례 제어 밸브를 갖는다. MFC 에는, 질량 유동 센서로부터의 값과 비교하고 그에 따라 비례 밸브를 조정하여 필요한 유동을 달성하는 오퍼레이터 (또는 외부 회로/컴퓨터) 에 의해 입력 신호가 주어지는 폐루프 제어 시스템이 장착된다. 유량은 보정된 전체 스케일 유동의 백분율로서 지정되고 전압 신호로서 MFC 에 공급된다.
질량 유동 제어기들은 공급 가스 또는 액체가 특정 압력 범위 내에 있을 것을 요구한다. 저압은 유체의 MFC 를 고갈시키고 설정점에 도달하지 못하게 할 것이다. 고압은 불규칙한 유량을 유발할 수 있다.
일 양태에 따르면, 구동 압전 구성요소를 갖는 작동 메카니즘을 각각 포함하는 유체 유동 제어 디바이스들이 제공된다. 이러한 디바이스들은 예를 들어 MFC 이다.
신규한 디바이스들은 디바이스들을 통과하는 유체에 대한 유동을 변경하기 위한 명령을 완전히 수행하는 응답 시간을 상당히 개선시킬 수 있다.
이들 디바이스들은 또한 일부 상업적으로 이용가능한 MFC 에서, 온/오프 설정에 의해, 그 범위에 대한 단부점들만을 갖는 것보다는, 디바이스들을 통과하는 유체에 대해 미리 설정된 값들의 범위에서 임의의 유량을 정밀하게 설정하는 개선된 능력을 제공할 수 있다.
일부 디바이스 실시형태들은 복수의 작동 메카니즘들을 포함하고, 작동 메카니즘들 중 적어도 하나는 구동 압전 구성요소를 포함한다.
일 양태에 따르면, 입구, 출구, 작동 메카니즘 및 다이어프램을 포함하는 프로세스 유체 유동 제어 디바이스가 제공되고:
다이어프램은 출구 및/또는 입구와 직접 작동 연통하고;
메카니즘은 구동 압전 구성요소를 포함하고,
디바이스는:
다이어프램에 가해지는 힘을 조정하기 위해 구동 압전 구성요소를 사용하여, 제 1 유량 범위 내에서 디바이스를 통한 프로세스 유체의 유동을 조절하도록 구성된다.
예를 들어, 고순도 가스 라인은 디바이스를 포함할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 구동 압전 구성요소는 적층형 구동 압전 구성요소, 및 만곡형 (flexure-type) 구동 압전 구성요소로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
일부 실시형태들에서, 메카니즘은 다이어프램과 직접 작동 연통하는 적어도 하나의 비압전 구동 구성요소를 더 포함하고,
디바이스는:
비압전 구동 구성요소에 가해지는 힘을 조정하도록 구동 압전 구성요소를, 그리고 다이어프램에 힘을 인가하도록 적어도 하나의 비압전 구동 구성요소를 사용하여, 디바이스를 통한 프로세스 유체의 유동을 감소시키거나 차단하도록 더 구성된다.
일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 비압전 구동 구성요소는 피스톤을 포함한다.
일부 실시형태들에서, 디바이스가 정상 개방되고, 이 디바이스는 적어도 하나의 비압전 구동 구성요소에 힘을 인가하여 디바이스를 통한 유동을 차단하기 위한 공압 수단을 더 포함한다.
일부 실시형태들에서, 피스톤은 다이어프램과 접촉하는 제 1 단부 및 압전 구동 구성요소와 접촉하는 제 2 단부를 갖는다.
일부 실시형태들에서, 제 2 단부는 압전 구동 구성요소의 자유 단부와 접촉하고,
압전 구동 구성요소는 만곡형이다.
일부 실시형태들에서, 디바이스가 정상 폐쇄되고, 이 디바이스는 적어도 하나의 비압전 구동 구성요소에 힘을 인가하기 위한 공압 수단을 더 포함하고,
디바이스는 공압 수단을 통해 적어도 하나의 비압전 구동 구성요소로의 가압 공기의 유동을 허용하도록 압전 구성요소를 사용하여, 디바이스를 통한 프로세스 유체의 유동을 허용하도록 구성된다.
일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 비압전 구동 구성요소는, 구동 압전 구성요소에 인접하고 배럴 내에 꼭 맞게 둘러싸인 상부 부분을 갖는 중공 피스톤을 포함하고;
구동 압전 구성요소가 사용되지 않을 때, 구동 압전 구성요소는 배럴을 차단하고, 따라서 피스톤을 통한 가압 공기의 통과를 방지한다.
일부 실시형태들에서, 구동 압전 구성요소가 사용될 때, 가압 공기는 다이어프램에 대하여 피스톤을 가압하는 스프링에 대하여 밀고, 따라서 디바이스를 통한 프로세스 유체의 유동을 허용한다.
일부 실시형태들은, 피스톤의 제 1 위치를 측정하고, 피스톤의 위치를 제 2 미리 결정된 위치로 조절하도록 측정된 위치에 따라서 구동 압전 구성요소를 사용하여, 디바이스를 통해 프로세스 유체의 유동을 미리 결정된 원하는 유동으로 조정하기 위한 수단을 더 포함한다.
다른 양태에 따르면, 전술한 임의의 디바이스들 및 교체 구동 압전 구성요소를 포함하는 적어도 하나의 교체 작동 메카니즘을 포함하는 키트가 제공되고,
상기 디바이스는 제 1 레이트 범위가 아닌 레이트 범위 내에서 디바이스를 통한 유체의 유동을 조절하기 위해 적어도 하나의 교체 구동 압전 구성요소를 사용하도록 구성된다.
또 다른 양태에 따르면, 입구에서부터 출구로의 유체 유동의 제어를 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음을 포함한다:
출구 및/또는 입구와 직접 작동 연통하는 다이어프램을 제공하는 단계;
구동 압전 구성요소를 제공하는 단계;
다이어프램에 가해지는 힘을 조정하도록 구동 압전 구성요소를 사용하여, 제 1 레이트 범위 내에서 디바이스를 통한 유체의 유동을 조절하는 단계.
일부 실시형태들은 다음을 더 포함한다:
다이어프램과 직접 작동 연통하는 적어도 하나의 비압전 구동 구성요소를 제공하는 단계;
비압전 구동 구성요소에 가해지는 힘을 조정하도록 구동 압전 구성요소를 사용하는 단계, 및
그 후에 적어도 하나의 비압전 구동 구성요소가 다이어프램에 힘을 인가하여 디바이스를 통한 유체의 유동을 감소시키거나 차단하는 단계.
일부 실시형태들은 다음을 더 포함한다:
적어도 하나의 비압전 구동 구성요소에 가압 공기를 인가하여, 입구에서부터 출구로의 유체 유동을 차단하는 단계.
일부 실시형태들은 다음을 더 포함한다:
적어도 하나의 비압전 구동 구성요소에 가압 공기를 인가하는 단계;
적어도 하나의 비압전 구동 구성요소로의 가압 공기의 유동을 허용하도록 압전 구성요소를 사용하여, 입구에서부터 출구로의 유체 유동을 허용하는 단계.
일부 실시형태들은 다음을 더 포함한다:
비압전 구동 구성요소의 제 1 위치를 측정하는 단계;
피스톤의 위치를 제 2 미리 결정된 위치로 조정하도록 측정된 위치에 따라 구동 압전 구성요소를 사용하여, 입구에서부터 출구로의 유체 유동을 미리 결정된 원하는 유동으로 조정하는 단계.
일부 실시형태들은 다음을 더 포함한다:
출구로부터 유체의 질량 유동을 측정하는 단계;
측정된 질량 유동을 출구로부터의 미리 결정된 원하는 질량 유동과 비교하는 단계, 및
다이어프램에 가해지는 힘을 조정하여 출구로부터의 유체 유동을 원하는 질량 유동으로 조정하도록 구동 압전 구성요소를 사용하는 단계.
이 요약은 이하 도면의 간단한 설명 및 상세한 설명에서 추가로 설명되는 개념들의 선택을 간략한 형태로 도입하기 위해 제공된다. 이 요약은, 청구된 요지의 핵심적인 특징들 또는 본질적인 특징들을 식별하도록 의도되지 않고, 청구된 요지의 범위를 제한하는데 사용되도록 의도되지 않는다.
도면들은 일반적으로 본 명세서에서 논의되는 다양한 실시형태들을 예를 들어 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
간단하고 명확한 설명을 위해, 도면에 도시된 요소들은 반드시 축척대로 도시된 것은 아니다. 예를 들어, 일부 요소들의 치수는 명확성을 위해 다른 요소들에 비해 과장될 수 있다. 추가로, 도면 부호들은 도면들 중에서 대응하거나 유사한 요소들을 표시하도록 반복될 수도 있다. 이하 도면을 나열한다.
도면들에 도시된 요소들의 수는 제한적인 것으로 해석되어서는 안되고 단지 예시적인 것이다.
도 1 은 선행 기술의 MFC 를 개략적으로 도시한다.
도 2 는 구동 압전 구성요소를 갖는 MFC 의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 3a 는 선행 기술의 적층형 구동 압전 구성요소를 사시도로 도시한다.
도 3b 는 적층형 구동 압전 구성요소를 포함하는 밸브의 사시도를 도시한다.
도 4a 는 탄성 커버를 가진, 통상적으로 상업적으로 입수가능한 선행 기술의 만곡형 구동 압전 구성요소를 사시도로 도시한다.
도 4b 는 커버가 제거된 구성요소를 사시도로 도시한다.
도 4c 는 표면에 고정된 선행 기술의 구동 압전 구성요소의 이동을 측면도로 도시한다.
도 5a 는 디바이스를 위한 작동 메카니즘의 일부인 구동 압전 만곡형 구성요소를 포함하는 MFC 디바이스를 측면도로 도시하며, 이 디바이스는 NO (정상 개방) 이고, 디바이스는 개방 상태에 있다.
도 5b 는 도 5a 에 표시된 디바이스가 폐쇄 상태를 도시한다.
도 6a 는 피스톤을 포함하는 공압 수단, 및 피스톤의 위치를 조정하기 위한 구동 압전 만곡형 구성요소를 갖는 NC (정상 폐쇄) 디바이스를 부분적으로 절취하여 측면도로 도시하고, 디바이스를 통한 유체의 유동을 미리 결정된 원하는 유동으로 조정한다. 디바이스가 폐쇄된 상태에 있다.
도 6b 는 도 6a 에 도시된 디바이스를 개방 상태로 도시한다.
도 1 은 선행 기술 MFC (1000') 를 도시한다. MFC (1000') 는 전자장치 (100), 센서 (200), 선행 기술의 제어 밸브 (400') 및 바이패스 (500) 를 포함한다.
가스 유동의 제어를 위한 선행 기술의 제어 밸브 (400') 는 전형적으로 솔레노이드 작동 피스톤 (도시되지 않음) 이다. 전자장치 (100) 는 유동을 변경하기 위한 명령을 수신할 수 있다. 이러한 명령은 밸브 (400') 를 통한 유체의 현재 유동의 센서 판독과 비교될 수 있다. 전자장치 (100) 의 설정 및 비교의 결과에 따라, 이러한 밸브 (400') 는 피스톤의 완전한 수축 또는 확장을 허용하여, 유체의 유동을 변화시킨다. 그러나, 이러한 유동 조절은 2 개의 값들 사이에서 제한된다. 더욱이, 피스톤의 이동은 느리고 이에 따라서 원하는 설정점에 도달하는 것은 바람직하지 않게 길 수 있다. 상이한 유동이 요구되는 경우, 밸브 (400') 및 전자장치 (100) 둘 다는 교체를 필요로 하고, 아마도 센서 (200) 도 역시 교체를 필요로 하므로, 전체 MFC (1000') 의 교체를 수반한다.
일 목적은 향상된 응답성을 갖는 간단한 MFC 를 제공하는 것이다. 다른 목적은 가스 라인을 새로운 원하는 유동 설정들에 적응시키는 용이성을 향상시키는 것이다. 일 양태에 따르면, 입구, 출구, 작동 메카니즘 및 다이어프램을 포함하는 유체 유동 제어 디바이스가 제공되고;
다이어프램은 출구 및/또는 입구와 직접 작동 연통하고;
메카니즘은 구동 압전 구성요소를 포함하고,
디바이스는:
다이어프램에 가해지는 힘을 조정하기 위해 구동 압전 구성요소를 사용하여, 제 1 레이트 범위 내에서 디바이스를 통한 유체의 유동을 조절하도록 구성된다.
"직접 작동 연통" 은, 일부 실시형태들을 상세히 설명할 때 이하에 도시되고 설명되는 바와 같이, 다이어프램이, 일부 사용 상태에서, 입구 및/또는 출구와 직접 접촉하고 및/또는 그 사이에 있는 것을 의미한다.
JP H04370401 은 유체를 운반할 수 있는 디바이스에 관한 것이다. 이 디바이스는 입력 포트와 출력 포트 사이의 연통을 차단하기 위해 밸브 로드에 연결된 다이어프램 또는 피스톤에 작용하는 압력을 제어하는 노즐 플래퍼 구동 메카니즘을 포함한다. 출력 포트 측 상의 검출된 압력에 기초하여 노즐 플래퍼의 변위를 제어함으로써 출력 압력을 제어할 수 있는 전기공압식 조절기가 설명된다.
노즐 플래퍼 구동 메카니즘은 압전 구성요소를 포함한다. 그러나, JP H04370401 내의 다이어프램은 입구 (그 내부의 입력 포트(2)) 및/또는 출구 (그 내부의 출력 포트 (3)) 와 직접 연통하지 않는다. 오히려, 그 내부의 다이어프램은 입구 및 출구로부터 멀리 떨어진 제어 압력 챔버에 위치되고, 출력 압력을 조정하는 역할을 한다. 다이어프램의 사용은 다이어프램이 피스톤을 밀게 한다.
JP H04370401 에 설명된 디바이스는 질량 유동을 미세 조정하는 것을 허용하지 않는다. 개선된 유동 제어의 다른 목적을 위해 전반적으로 훨씬 더 간단한 디바이스를 발명하였다.
도 2 는 구동 압전 구성요소 (422") 를 포함하는 액추에이터 또는 작동 메카니즘 (420") 을 갖는 밸브 (400") 를 포함하는 MFC (1000") 의 개략적인 블록도를 도시한다. 출구 및/또는 입구 (도시되지 않음) 와 직접 작동 연통하는 다이어프램이 있다.
통상적으로 밸브 (400") 의 하류에 위치된 질량 유동의 센서 (200) 는 액추에이터 (420") 에 명령을 송신하는 PLC (프로그래밍가능한 로직 제어기) (300) 에 보고할 수 있다. 새로운 유동 체제를 위한 MFC (1000") 를 변경하는 것은, 구동 압전 구성요소 (422") 를 다른 상이한 범위의 용량들로 변경하는 것 (구동 압전 구성요소 (422") 로부터 액추에이터 (420") 로 2 개의 와이어를 분리하는 것), 그리고 PLC (300) 및 종종 센서 (200) 를 또한 정확하게 측정할 수 있는 질량 유동의 범위에 따라서 재사용하는것 만큼 쉽고 간단할 수 있다.
일반적으로 말하면, 3 가지 유형의 피에조 모터가 있다. 가장 일반적인 유형은 충격 구동식 스틱 슬립 피에조 모터이다. 제 2 범주는 워킹 피에조 모터라고도 불리는 스텝퍼 유형의 피에조 모터로 구성되고, 이는 높은 힘을 적용하는데 일반적으로 사용된다. 제 3 유형은 초음파 또는 공진형 피에조 모터이다. 3 가지 유형 모두 특정 장점과 용도를 가지고 있으며, 작동 원리를 보다 자세히 검토하여 설명할 수 있고, 예를 들어 https://xeryon.com/technology/how-do-piezo-motors-work/ 을 참조하면 된다.
도 3a 는 MFC 용 디바이스 (도시하지 않음) 에 사용될 수 있는 선행 기술의 적층형 구동 압전 구성요소 (422"') 를 도시한다. 도 3b 는 액추에이터 본체 (423"') 내에 위치하고 다이어프램 (도시되지 않음) 에 결합되어 다이어프램에 가해지는 힘을 조절하여 제 1 레이트 범위 내에서 디바이스를 통한 유체의 유동을 조절하는 적층형 구동 압전 구성요소 (도시되지 않음) 를 포함하는 밸브 (400"') 의 사시도를 도시한다.
질량 유량 제어의 사용을 위한 이러한 특정 유형의 구동 구성요소의 장점은, 통상적으로 수 마이크로초의 매우 빠른 응답 레이트이고, 비교적 강력하며, 따라서 일부 실시형태에서, 이러한 것이 필요할 때, 유동의 완전한 차단을 허용한다는 것이다.
일부 상업적으로 이용가능한 작동 메카니즘들이 또한 강력하고 빠르고 따라서 또한 양호한 차단 밸브들이지만, 그러한 상업적 디바이스들에는 임의의 적층형 구동 압전 구성요소가 없고, 따라서 유동은 그들에서 단지 제로 또는 특정 값으로 설정될 수 있는 반면, 이러한 적층형 구동 압전 구성요소를 갖는 본 발명의 디바이스는 최대 유량까지 불연속적인 값들로의 유동의 강력하고 빠른 차단 및 미세 조정 모두를 허용할 수 있다.
구성요소의 최대 이동 거리는 통상적으로 약 80 ㎛ 이고, 최대 구동력은 9600 N 이다. 구성요소에 인가된 전압이 중지되면, 구성요소는 이동하지 않는 위치로 복귀한다.
이러한 구성요소를 포함하는 유동 제어 디바이스들은 밸브에서 완전한 차단을 가능하게 함으로써 추가적인 차단 구성요소를 생략하는 것을 가능하게 할 수 있고, 질량 유량의 범위 (구성요소의 제로 내지 최대 확장) 가 미리 알려져 있기 때문에 MFC 에 대한 오프-더-쉘프 (off-the-shelf) 센서의 사용을 허용할 수 있다.
도 4a 는, 탄성 커버 (425) 를 가진, 통상적으로 상업적으로 입수가능한 선행 기술의 만곡형 구동 압전 구성요소 (422") 를 도시한다.
도 4b 는 커버 (425) 가 제거된 구성요소 (422") 를 사시도로 도시한다. 이러한 만곡형 구동 압전 구성요소 (422") 는 캔틸레버 형상, 즉 세장형 형상을 가지며, 자유 제 1 단부 (427b) 를 갖는다. 도 4c 는 제 2 단부 (427a) 에서 표면 (8) 에 고정된 선행 기술의 구동 압전 구성요소 (422") 의 이동을 측면도로 도시한다. 고정부는 자유 단부 (427b) 에서 편향될 수 있는 레버를 위한 거치대로서 작용한다.
또한 이 구성요소는 매우 빠른 응답을 가지며 완전한 차단을 가능하게 할 수 있다. 최대 이동 거리는 적층형 구동 압전 구성요소의 최대 이동 거리보다 상당히 길며, 통상적으로 400 마이크로미터이며, 이러한 점에서 많은 액추에이터에 더 적합할 수 있다. 한편으로는, 최대 구동력은 150 N 에서 작다. 따라서, 매우 높은 신뢰성을 요구하는 일부 적용에서, 차단을 완료하기 위해 추가적인 구성요소가 액추에이터에 추가될 수 있다. 구성요소에 인가된 전압이 중지되면, 구성요소는 이동하지 않는 위치로 복귀한다.
이러한 만곡-유도 레버 증폭 구성요소는 통상적으로 매우 컴팩트하고, 따라서 크기가 특히 중요한 고려사항일 수 있는 가스 캐비넷의 크기를 최소화하는 것을 돕는다. 만곡형 구성요소들은 통상적으로 서브-나노미터 범위의 해상도로 높은 위치결정 정확도를 갖고; 응답성과 함께 동적 및 정적 적용 둘 다에 적합하다.
이제 일부 실시형태들에 대해 보다 자세히 설명한다. 도 5a 는 디바이스 (400") 를 위한 작동 메카니즘 (420") 의 일부인, 도 4a ~ 도 4c 에 또한 도시된 바와 같은 구동 만곡형 압전 구성요소 (422") 를 포함하는 정상 개방된 [NO] MFC 디바이스 (400") 를 측면도로 도시한다. 디바이스 (400") 는 도 5a 에 개방 상태로 도시되어 있으며, 압전 구성요소 (422") 는 휴지 상태에 있다. 프로세스 유체-질량 유동 제어 디바이스 (400") 는 또한 입구 (412), 출구 (414), 및 다이어프램 (430) 을 포함한다. 다이어프램 (430) 은 출구 (414) 와 직접 작동 연통한다.
다른 실시형태들에서, 다이어프램은 입구 또는 입구 및 출구와 직접 연통할 수 있다는 점에 유의한다. 디바이스 (400") 는 다이어프램 (430) 에 가해지는 힘을 조절하기 위해 구동 압전 구성요소 (422") 를 사용할 수 있다. 이에 따라, 구동 압전 구성요소 (422") 는 제 1 레이트 범위 (423a) 내에서 디바이스 (400") 를 통한 프로세스 유체 (10) 의 유동을 조절한다.
디바이스 (400") 는 폐쇄된 상태로 도 5b 에 도시되어 있으며, 압전 구성요소 (422") 에 걸쳐 전압이 인가되고, 다이어프램은 출구 (414) 를 폐쇄한다.
메카니즘 (420") 은 다이어프램 (430) 과 직접 작동 연통하는 비압전 구동 구성요소, 피스톤 (424) 을 더 포함한다. 따라서, 디바이스 (400") 는 비압전 구동 구성요소 (424) 에 가해지는 힘을 조절하기 위해 구동 압전 구성요소 (422") 를 사용할 수 있다. 비압전 구동 구성요소 (424) 는 그 후에 다이어프램 (430) 에 힘을 인가하여, 디바이스 (400") 를 통한 유체 (10) 의 유동을 감소시킨다.
다시 말해서, 압전 구성요소 (422") 상의 전압의 인가는 이 압전 구성요소가 피스톤 (424) 을 밀도록 구동시키고, 이 피스톤은 또한 다이어프램 (430) 을 밀게 된다. 이러한 사용 상태에서, 다이어프램 (430) 은 출구 (414) 와 직접 접촉한다.
또한, 디바이스 (400") 는 비압전 구동 구성요소 (424) 에 힘을 가하기 위한 공압 수단 (440) 을 더 포함하여, 디바이스 (400") 전체에 걸쳐 유동을 차단한다.
피스톤 (424) 은 다이어프램과 접촉하는 제 1 단부 (426a) 및 압전 구동 구성요소 (422") 와 접촉하는 제 2 단부 (426b) 를 가짐에 유의해야 한다.
특히, 제 2 단부 (426b) 는 압전 구동 구성요소 (422") 의 자유 단부 (427b) 와 접촉한다.
제 2 단부 (426b) 는 바람직하게는 구성요소 (422") 의 자유 단부 (427b) 의 팁 바로 아래에 만곡형 압전 구성요소 (422") 에 대해 위치된다. 피스톤의 길이 방향은 이동하도록 의도된 방향과 평행하며 또한 구성요소 (422") 의 일반적인 만곡 방향이다. 따라서, 압전 구성요소 (422") 로의 전압의 인가는 피스톤 (424) 의 최대 이동을 유발하고, 특히 빠르고 민감한 질량 유동 조절을 제공한다.
도 5a 및 도 5b 에 설명된 실시형태, 및 실제로 본원에 설명된 다른 실시형태들은 상당히 단순한 구조를 가지며 질량 유동의 조절에 사용된다. 구동 압전 구성요소 (422") 는, 예를 들어 컴팩트할 필요가 있는 MFC 시스템에서 질량 유동 조정을 구동하는데 사용하기에 특히 적합할 수 있는 만곡 유도 레버 증폭된다. 또한, 디바이스 (400") 는 다이어프램 (430) 이 공기압을 받아 유동을 차단하도록 구성된다. 다른 실시형태들에서, 차단 능력은 디바이스에 포함될 수 있는 전기적으로 활성화된 비압전 기계식 구성요소들에 의해 제공된다.
압전 구성요소 (422") 만의 사용은 디바이스 (400") 가 폐쇄 상태를 취하게 하지 않고 오히려 디바이스 (400") 를 통한 질량 유동이 압전 구성요소 (422") 에 인가되는 전압에 직접 비례하여 감소하게 할 수 있음에 유의해야 한다.
디바이스 (400") 는 피스톤 (424) 에 충돌하는 가압 공기 (11) 로부터의 공기 압력이 다이어프램 (430) 에 압력을 가하도록 구성된다. 압전 구성요소 (422") 와 가압 공기 (11) 의 조합된 힘은 프로세스 유체 (10) 의 유동을 차단하는데 사용될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 공압 수단 (440) 은 유동을 차단하기 위해서만 사용된다. 일부 실시형태들에서, 유동을 차단하기 위해 공압 수단 (440) 만이 사용된다.
현재, 이러한 실시형태들은 가장 잘 작동하지만, 다른 실시형태들 또한 만족스럽다고 여겨진다.
일부 다른 NO 실시형태들에서, 압전 구성요소는 다이어프램과 직접 연통하고, 즉 피스톤이 제거된다.
일부 실시형태들은 압전 구성요소가 가압 공기의 유동을 제한하고 그에 의해 디바이스를 통한 유체의 유동을 조절하도록 구성된다. 예를 들어, 공압 수단은 공기가 다이어프램의 표면에 공급되는 적어도 하나의 도관을 포함할 수 있고, 구동 압전 구성요소는 도관 내로 이동하여 그 내의 불용 부피/난류를 생성하여 다이어프램에 대한 압력을 감소시키고 유동을 증가시키도록 사용될 수 있다.
일부 디바이스 실시형태들은 정상 폐쇄된다 (NC). 이들 NC 디바이스들 중 일부는 (피스톤과 같은) 비압전 구동 구성요소 상에 힘을 인가하기 위한 공압 수단을 포함한다. 디바이스는 압전 구성요소를 사용하여 공압 수단을 통해 비압전 구동 구성요소로의 가압 공기의 유동을 허용하고, 이에 의해 디바이스를 통한 유체의 유동을 허용한다.
디바이스 실시형태들은 피스톤의 제 1 위치를 측정하기 위한 수단을 더 포함할 수 있다. 측정된 위치에 따라, 구동 압전 구성요소는 피스톤의 위치를 제 2 미리 결정된 위치로 조정하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 디바이스는 이 디바이스를 통한 유체의 유동을 미리 결정된 원하는 유동으로 조정한다.
이러한 실시형태의 예가 도 6a 에 도시되어 있다. 디바이스 (500) 는 도 6a 에 도시된 바와 같이 정상 폐쇄된다. 피스톤 (524) 은 중공형이고, 구동 압전 구성요소 (522) 에 인접한 상부 부분 (525) 을 가지며, 이는 배럴 (528) 내에 꼭 맞게 둘러싸인다. 구동 압전 구성요소 (522) 가 사용되지 않을 때, 즉 전압이 인가되지 않을 때, 구동 압전 구성요소 (522) 는 배럴 (528) 을 차단하여 피스톤 (524) 을 통한 가압 공기 (11) 의 통과를 방지한다.
도 6b 에 도시된 바와 같이, 구동 압전 구성요소 (522) 가 사용될 때, 구동 압전 구성요소 (522) 는 휘어져서 배럴은 더 이상 차단되지 않고 가압 공기 (11) 가 배럴 (528) 에 진입하여 중공 피스톤 (524) 전체를 통과할 수 있다. 그 후, 가압 공기 (11) 는 스프링 (527) 에 대하여 밀고, 스프링은 다이어프램 (530) 에 대하여 피스톤 (524) 을 가압하여, 디바이스 (500) 를 통한 프로세스 유체의 유동을 허용한다.
피스톤 (524) 은 그를 따라 표시된 눈금 (gradations; 529) 을 가지며, 이는 특정 눈금을 특정 유동으로 변환할 수 있는 인코더 (550) 에 의해 판독된다.
눈금의 판독에 따라, 인코더 (550) 는 배럴 (528) 내로의 가압 공기 (11) 의 유입을 증가 또는 감소시키도록 구동 압전 구성요소 (522) 에 명령한다. 이러한 피드백 제어는 구동 압전 구성요소 (522) 의 매우 빠른 응답성으로 인해 정확한 원하는 유동을 달성하기 위해 여러 번 수행될 수 있다.
전술한 실시형태들은 이진 제어 (binary control) 보다는 유동의 연속적인 제어를 허용하고, 유동 차단 및 유동 조정 모두를 허용하는데 훨씬 더 효과적일 수 있다.
일부 고순도 가스 라인 실시형태들은 전술한 바와 같은 디바이스들을 포함한다.
구동 압전 구성요소는, 예를 들어 적층형 구동 압전 구성요소; 만곡형 구동 압전 구성요소, 및 모터형 구동 압전 구동요소로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
이들 디바이스들 중 임의의 것은 일부 실시형태들에서 비압전 구동 구성요소를 더 포함할 수 있고, 디바이스는 구동 비압전 구성요소가 다이어프램에 힘을 인가하여 디바이스를 통한 유체의 유동을 차단하도록 더 구성된다.
다른 양태에 따르면, 상기 디바이스들 중 임의의 디바이스, 및 복수의 교환가능한 작동 메카니즘들을 포함하는 키트가 제공되며, 복수의 교환가능한 메카니즘들 중 적어도 하나는 구동 압전 구성요소를 포함한다.
용어에 대한 설명
설명에서, 달리 언급되지 않는 한, 본 발명의 실시형태의 특징 또는 특징들의 조건 또는 관계 특성을 수정하는 "실질적으로" 및 "약" 과 같은 형용사들은, 조건 또는 특성이 그것이 의도되는 적용을 위한 실시형태의 작동에 대해 허용가능한 오차 내로 규정된다는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본원에 사용된 "아이템" 이라는 용어는 포장되거나 포장되지 않은 상품 또는 상품들의 임의의 물리적으로 알 수 있고 개별적으로 식별가능한 유닛을 의미함에 유의해야 한다. "상부", "하부", "우측", "좌측", "바닥", "아래", "하강된", "낮은", "상단", "위", "승강된", "높은", "수직" 및 "수평" 과 같은 위치 용어 뿐만 아니라 본원에 사용될 수 있는 바와 같은 이들의 문법적 변형은, 반드시 예를 들어 "바닥" 구성요소가 "상단" 구성요소 아래에 있다는 것, 또는 "아래" 에 있는 구성요소가 실제로 다른 구성요소 "아래" 에 있다는 것, 또는 "위" 에 있는 구성요소가 실제로 다른 구성요소 "위" 에 있다는 것을 의미하지는 않으며, 예를 들어 방향, 구성요소 또는 둘 다는 뒤집히거나, 회전하거나, 공간에서 이동하거나, 대각선 방향 또는 위치에 배치되거나, 수평으로 또는 수직으로 배치되거나, 또는 유사하게 수정될 수 있다. 따라서, "바닥", "아래", "상단" 및 "위" 라는 용어는 단지 예시적인 목적들을 위해, 특정 구성요소들의 상대적인 위치결정 또는 배치를 설명하기 위해, 제 1 구성요소 및 제 2 구성요소를 표시하기 위해 또는 둘다를 표시하기 위해 본원에서 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
"~와 연결" 은 간접적으로 또는 직접적으로 "~와 연결" 을 의미한다.
전술한 방법들이 대응하는 설명에 한정되지 않는 것은 중요하다. 예를 들어, 본 방법은 본원에서 그리고/또는 첨부된 도면들에 설명된 바와 비교하여 추가 또는 심지어 더 적은 프로세스들 또는 작동들을 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법의 실시형태들은 반드시 본원에 설명되고 도시된 바와 같이 시간순으로 제한되는 것은 아니다.
청구범위 또는 명세서가 하나의 요소 또는 특징을 지칭하는 경우, 그러한 참조는 그 요소 중 하나만이 있는 것으로 해석되지 않아야 한다. 따라서, 예를 들어 "요소" 또는 "적어도 하나의 요소" 에 대한 언급은 "하나 이상의 요소들" 을 포함할 수도 있다.
달리 언급되지 않는 한, 선택을 위한 옵션 목록의 마지막 2 개의 부재들 사이의 "및/또는" 표현의 사용은 나열된 옵션 중 하나 이상의 선택이 적절하고 수행될 수 있음을 나타낸다.
본원에 사용되는 "사시도" 라는 용어는 또한 "등축도" 를 지칭할 수 있고 그 반대도 가능하다는 점에 유의해야 한다.
명료함을 위해, 별도의 실시형태들과 관련하여 설명되는 특정 특징은 또한 단일 실시형태의 조합으로 제공될 수 있는 것으로 이해된다. 반대로, 간결화를 위해, 단일의 실시형태, 실시예 및/또는 옵션과 관련하여 설명되는 다양한 특징들은 또한 별도로 또는 임의의 적절한 서브-조합으로 또는 임의의 다른 설명된 실시형태에서 적절하게 제공될 수도 있다. 다양한 실시형태들과 관련하여 설명된 특정 특징들은, 실시형태, 실시예 및/또는 옵션이 그 요소들없이 작동하지 못하지 않으면, 그 실시형태들의 본질적인 특징들로 고려되지 않아야 한다. 따라서, 명확성을 위해, 별개의 실시예들과 관련하여 설명되는, 본원에 개시된 특징들, 구조들, 특성들, 스테이지들, 방법들, 모듈들, 요소들, 엔티티들 또는 시스템들은, 또한 단일 실시예에서 조합하여 제공될 수 있다. 반대로, 명확성을 위해, 단일 실시예들과 관련하여 설명되는, 본원에 개시된 다양한 특징들, 구조들, 특성들, 스테이지들, 방법들, 모듈들, 요소들, 엔티티들 또는 시스템들은, 또한 별개로 또는 임의의 적절한 서브-조합으로 제공될 수 있다.
"예시적인" 이라는 용어는 본원에서 구현예들 및/또는 실시형태들의 예들을 지칭하는데 사용되며, 보다 바람직한 사용-케이스를 반드시 전달하려는 것을 의미하지는 않음에 유의해야 한다.
대안적인 및/또는 다른 실시형태들에서, 추가적인, 더 적은, 및/또는 상이한 요소들이 사용될 수 있다.
이러한 설명을 통하여, 다양한 실시형태들은 범위 형식으로 제공될 수 있다. 범위 형식의 설명은 단지 편의성 및 간결성을 위한 것이며 본 발명의 범주에 대한 확고한 제한으로 해석해서는 안된다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 범위의 설명은 그 범위 내 개별 수치 값 뿐만 아니라 모든 가능한 하위범위를 특별히 개시하는 것으로 간주되어야 한다. 예를 들어, 1 내지 6 과 같은 범위의 설명은 그 범위 내 개별 수치, 예를 들어 1, 2, 3, 4, 5 및 6 뿐만 아니라 특별히 개시된 하위범위 예컨대 1 내지 3, 1 내지 4, 1 내지 5, 2 내지 4, 2 내지 6, 3 내지 6 등을 가지는 것으로 간주되어야 한다. 이는 범위의 폭과 관계없이 적용된다.
본원에 수치 범위가 표시될 때마다, 표시된 범위 내에서 해당된다면 임의의 인용된 수치 (분수 (fractional) 또는 정수 (integral)) 를 포함하는 것을 의미한다. 제 1 표시 숫자와 제 2 표시 숫자 "사이의 범위/범위들" 및 제 1 표시 숫자 "내지" 제 2 표시 숫자의 "범위/범위들" 의 문구는 본원에서 상호교환적으로 사용되고, 제 1 표시 숫자 및 제 2 표시 숫자 및 이들 사이의 모든 분수 및 정수 숫자를 포함하는 것을 의미한다.
양태들은 제한된 수의 실시형태들에 대해 설명되었지만, 이들은 범위 제한들로 해석되어서는 안 되고, 오히려 실시형태들 중 일부의 예들로서 해석되어야 한다.

Claims (15)

  1. 입구, 출구, 작동 메카니즘 및 다이어프램을 포함하는 프로세스 유체 유동 제어 디바이스로서,
    상기 다이어프램은 상기 출구 및/또는 상기 입구와 직접 작동 연통하고,
    상기 작동 메카니즘은 구동 압전 구성요소를 포함하고,
    상기 디바이스는,
    상기 다이어프램에 가해지는 힘을 조정하기 위해 상기 구동 압전 구성요소를 사용하여, 제 1 레이트 범위 (rate range) 내에서 상기 디바이스를 통한 프로세스 유체의 유동을 조절하도록 구성되고,
    상기 작동 메카니즘은 상기 다이어프램과 직접 작동 연통하는 적어도 하나의 비압전 구동 구성요소를 더 포함하고,
    상기 디바이스는,
    상기 비압전 구동 구성요소에 가해지는 힘을 조정하도록 상기 구동 압전 구성요소를, 그리고 상기 다이어프램에 힘을 인가하도록 상기 적어도 하나의 비압전 구동 구성요소를 사용하여, 상기 디바이스를 통한 상기 프로세스 유체의 유동을 감소시키거나 차단하도록 더 구성되며,
    상기 디바이스는 정상 폐쇄되고,
    상기 디바이스는 상기 적어도 하나의 비압전 구동 구성요소에 힘을 인가하기 위한 공압 수단을 더 포함하고,
    상기 디바이스는 공압 수단을 통해 상기 적어도 하나의 비압전 구동 구성요소로의 가압 공기의 유동을 허용하도록 상기 압전 구성요소를 사용하여, 상기 디바이스를 통한 상기 프로세스 유체의 유동을 허용하도록 구성되는, 프로세스 유체 유동 제어 디바이스.
  2. 제 1 항의 디바이스를 포함하는, 고순도 가스 라인.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 압전 구성요소는 적층형 구동 압전 구성요소, 및 만곡형 구동 압전 구성요소로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 프로세스 유체 유동 제어 디바이스.
  4. 입구, 출구, 작동 메카니즘 및 다이어프램을 포함하는 프로세스 유체 유동 제어 디바이스로서,
    상기 다이어프램은 상기 출구 및/또는 상기 입구와 직접 작동 연통하고,
    상기 작동 메카니즘은 구동 압전 구성요소를 포함하고,
    상기 디바이스는,
    상기 다이어프램에 가해지는 힘을 조정하기 위해 상기 구동 압전 구성요소를 사용하여, 제 1 레이트 범위 내에서 상기 디바이스를 통한 프로세스 유체의 유동을 조절하도록 구성되며,
    상기 작동 메카니즘은 상기 다이어프램과 접촉하는 제 1 단부 및 상기 압전 구동 구성요소와 접촉하는 제 2 단부를 갖는 적어도 하나의 피스톤을 더 포함하고,
    상기 디바이스는,
    상기 적어도 하나의 피스톤에 가해지는 힘을 조정하도록 상기 구동 압전 구성요소를, 그리고 상기 다이어프램에 힘을 인가하도록 상기 적어도 하나의 피스톤을 사용하여, 상기 디바이스를 통한 상기 프로세스 유체의 유동을 감소시키거나 차단하도록 더 구성되는, 프로세스 유체 유동 제어 디바이스.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 디바이스는 정상 개방되고,
    상기 디바이스는 상기 적어도 하나의 피스톤에 힘을 인가하여, 상기 디바이스를 통한 유동을 차단하기 위한 공압 수단을 더 포함하는, 프로세스 유체 유동 제어 디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 단부는 상기 압전 구동 구성요소의 자유 단부와 접촉하고,
    상기 압전 구동 구성요소는 만곡형인, 프로세스 유체 유동 제어 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 비압전 구동 구성요소는, 중공 피스톤을 포함하고, 상기 구동 압전 구성요소에 인접하고 배럴 내에 꼭 맞게 둘러싸인 상부 부분을 가지며,
    상기 구동 압전 구성요소가 사용되지 않을 때, 상기 구동 압전 구성요소는 상기 배럴을 차단하고, 따라서 상기 피스톤을 통한 가압 공기의 통과를 방지하는, 프로세스 유체 유동 제어 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 구동 압전 구성요소가 사용될 때, 상기 가압 공기는 상기 다이어프램에 대하여 상기 피스톤을 가압하는 스프링에 대하여 밀고, 따라서 상기 디바이스를 통한 상기 프로세스 유체의 유동을 허용하는, 프로세스 유체 유동 제어 디바이스.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 피스톤의 제 1 위치를 측정하고, 측정된 위치에 따라서 상기 피스톤의 위치를 제 2 미리 결정된 위치로 조절하도록 상기 구동 압전 구성요소를 사용하여, 상기 디바이스를 통해 상기 프로세스 유체의 유동을 미리 결정된 원하는 유동으로 조정하기 위한 수단을 더 포함하는, 프로세스 유체 유동 제어 디바이스.
  10. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 디바이스 또는 제 1 항의 디바이스를 포함하는 고순도 가스 라인 및 교체 구동 압전 구성요소를 포함하는 적어도 하나의 교체 작동 메카니즘을 포함하는 키트로서,
    상기 디바이스는 상기 제 1 레이트 범위가 아닌 레이트 범위 내에서 상기 디바이스를 통한 유체의 유동을 조절하기 위해 적어도 하나의 교체 구동 압전 구성요소를 사용하도록 구성되는, 키트.
  11. 입구에서부터 출구로의 유체 유동을 제어하기 위한 방법으로서,
    상기 출구 및/또는 상기 입구와 직접 작동 연통하는 다이어프램을 제공하는 단계,
    구동 압전 구성요소를 제공하는 단계,
    상기 다이어프램에 가해지는 힘을 조정하도록 상기 구동 압전 구성요소를 사용하여, 제 1 레이트 범위 내에서 디바이스를 통한 유체의 유동을 조절하는 단계,
    상기 다이어프램과 접촉하는 제 1 단부 및 상기 압전 구동 구성요소와 접촉하는 제 2 단부를 갖는 적어도 하나의 피스톤을 제공하는 단계,
    상기 적어도 하나의 피스톤에 가해지는 힘을 조정하도록 상기 구동 압전 구성요소를 사용하는 단계,
    그 후에, 상기 적어도 하나의 피스톤이 상기 다이어프램에 힘을 인가하여 상기 디바이스를 통한 유체의 유동을 감소시키거나 차단하는 단계
    를 포함하는, 유체 유동을 제어하기 위한 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    적어도 하나의 비압전 구동 구성요소에 가압 공기를 인가하여, 상기 입구에서부터 출구로의 유체 유동을 차단하는 단계
    를 더 포함하는, 유체 유동을 제어하기 위한 방법.
  13. 입구에서부터 출구로의 유체 유동을 제어하기 위한 방법으로서,
    상기 출구 및/또는 상기 입구와 직접 작동 연통하는 다이어프램을 제공하는 단계,
    구동 압전 구성요소를 제공하는 단계,
    상기 다이어프램에 가해지는 힘을 조정하도록 상기 구동 압전 구성요소를 사용하여, 제 1 레이트 범위 내에서 디바이스를 통한 유체의 유동을 조절하는 단계,
    상기 다이어프램과 직접 작동 연통하는 적어도 하나의 비압전 구동 구성요소를 제공하는 단계,
    적어도 하나의 비압전 구동 구성요소에 가압 공기를 인가하는 단계,
    상기 비압전 구동 구성요소에 가해지는 힘을 조정하도록 상기 구동 압전 구성요소를 사용하는 단계,
    그 후에, 상기 적어도 하나의 비압전 구동 구성요소가 상기 다이어프램에 힘을 인가하여, 상기 디바이스를 통한 유체의 유동을 감소시키거나 차단하는 단계 및
    상기 적어도 하나의 비압전 구동 구성요소로의 가압 공기의 유동을 허용하도록 상기 압전 구성요소를 사용하여, 상기 입구에서부터 상기 출구로의 유체 유동을 허용하는 단계
    를 포함하는, 유체 유동을 제어하기 위한 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    비압전 구동 구성요소의 제 1 위치를 측정하는 단계,
    상기 피스톤의 위치를 제 2 미리 결정된 위치로 조정하도록 측정된 위치에 따라 상기 구동 압전 구성요소를 사용하여, 상기 입구에서부터 상기 출구로의 유체 유동을 미리 결정된 원하는 유동으로 조정하는 단계
    를 더 포함하는, 유체 유동을 제어하기 위한 방법.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출구로부터 유체의 질량 유동을 측정하는 단계,
    측정된 질량 유동을 상기 출구로부터의 미리 결정된 원하는 질량 유동과 비교하는 단계, 및
    상기 다이어프램에 가해지는 힘을 조정하여 상기 출구로부터의 유체 유동을 원하는 질량 유동으로 조정하도록 상기 구동 압전 구성요소를 사용하는 단계
    를 더 포함하는, 유체 유동을 제어하기 위한 방법.
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