KR20220168147A - 유체 제어 밸브 및 유체 제어 장치 - Google Patents

Abstract

유체의 유동장의 외란을 억제함으로써, 불측의 스파이크 거동을 저감할 수 있도록, 상류측 유로(51(A)) 및 하류측 유로(51(B))의 사이에 마련되어 있고, 상류측 유로(51(A))에 접속되는 제1 내부 유로(411)와, 하류측 유로(51(B))에 접속되는 제2 내부 유로(412)를 가지는 밸브 시트 부재(4)와, 상류측 유로(51(A))로부터 제1 내부 유로(411)에 유입된 유체가 흘러들고, 제1 내부 유로(411)와는 흐름 방향이 다른 틈새(X)를, 밸브 시트 부재(4)와의 사이에서 형성하도록 배치된 다이어프램(721)을 구비한 유체 제어 밸브(3)에 있어서, 제2 내부 유로(422)가, 제1 내부 유로(421)를 형성하는 내측 둘레면(43)에 개구하고 있고, 밸브 시트 부재(4)가, 제1 내부 유로(411)와 틈새(X)와의 합류 개소(J)에 면하는 면취부(46)를 가지도록 하였다.

Description

유체 제어 밸브 및 유체 제어 장치{FLUID CONTROL VALVE AND FLUID CONTROL DEVICE}

본 발명은, 유체 제어 밸브 및 유체 제어 장치에 관한 것이다.

종래의 유체 제어 밸브로서는, 특허 문헌 1에 나타내는 것과 같이, 상류측 유로 및 하류측 유로의 사이에 마련되고, 이들 유로를 연통하는 내부 유로가 형성된 밸브 시트 부재와, 이 밸브 시트 부재로부터 이간(離間)되어 마련된 다이어프램을 구비하며, 상류측 유로로부터 내부 유로에 유입된 유체가, 그 흐름 방향을 바꾸면서 밸브 시트 부재와 다이어프램과의 틈새에 흘러들어 가도록 구성된 것이 있다.

이러한 구성에 있어서, 밸브 시트 부재와 다이어프램과의 틈새는, 다이어프램의 움직임에 수반하여 변동하는데, 예를 들면 설정 유량을 크게 하면 틈새는 넓어지고, 설정 유량을 작게 하면 틈새는 좁아지게 된다.

특허 문헌 1 : 일본 공개특허 제2017-190872호 공보

본원 발명자는, 앞서 설명한 유체 제어 밸브를 구비하는 유체 제어 장치의 성능 평가에 있어서, 도 13에 나타내는 것과 같이, 설정 유량을 단계적으로 변화 시켜 보았는데, 어떤 설정 유량으로 변화시킨 타이밍에 출력(측정 유량)이 마이너스측으로 떨어지는 스파이크 거동이 나타나는 것을 확인했다.

이 스파이크 거동의 원인을 예의 검토했는데, 밸브 시트 부재와 다이어프램과의 틈새가 어느 넓이가 되면, 내부 유로의 벽면 저항을 받아, 유체의 유동장(流動場)의 외란에 기인한 압력 손실이 생기고 있을 것이라고 추측되고, 이것이 원인이 되어, 증가해 나가야 할 유량이 순간적으로 저감되는 현상이 발생하고 있다고 생각했다.

그래서 본 발명은, 지금까지 주목되어 있지 않았던 스파이크 거동의 원인을, 본원 발명자가 예의 검토한 것에 의해 이루어진 것으로, 앞서 설명한 유체의 유동장의 외란을 억제함으로써, 불측(不測)의 스파이크 거동을 저감하는 것을 그 주된 과제로 하는 것이다.

즉, 본 발명에 따른 유체 제어 밸브는, 상류측 유로 및 하류측 유로의 사이에 마련되어 있고, 상기 상류측 유로에 접속되는 제1 내부 유로와, 상기 하류측 유로에 접속되는 제2 내부 유로를 가지는 밸브 시트 부재와, 상기 상류측 유로로부터 상기 제1 내부 유로에 유입된 유체가 흘러들고, 상기 제1 내부 유로와는 흐름 방향이 다른 틈새를, 상기 밸브 시트 부재와의 사이에서 형성하도록 배치된 다이어프램을 구비한 유체 제어 밸브에 있어서, 상기 틈새가 상기 다이어프램의 움직임에 수반하여 변동하도록 구성된 유체 제어 밸브에서, 상기 제2 내부 유로가, 상기 제1 내부 유로를 형성하는 내측 둘레면에 개구하고 있고, 상기 밸브 시트 부재가, 상기 제1 내부 유로와 상기 틈새와의 합류 개소에 면(臨)하는 면취부(面取部)를 가지는 것을 특징으로 하는 것이다.

이러한 구성이면, 제2 내부 유로가 제1 내부 유로를 형성하는 내측 둘레면에 개구하고 있으므로, 상류측 유로로부터 제1 내부 유로에 흘러든 유체가, 제2 내부 유로를 거쳐, 하류측 유로로 흘러나온다. 그 결과, 제1 내부 유로를 형성하는 내측 둘레면에 제2 내부 유로를 개구시키지 않은 구성에 비하면, 밸브 시트 부재와 다이어프램과의 틈새에 흘러드는 유체의 유량을 억제할 수 있다.

게다가, 밸브 시트 부재가, 제1 내부 유로와 틈새와의 합류 개소에 면하는 면취부를 가지므로, 앞서 설명한 틈새에 유체가 흘러들기 쉬워진다.

이들 이유에 의해, 틈새에 흘러드는 유체에의 저항을 저감할 수 있고, 유체의 유동장의 외란을 억제할 수 있으며, 그 결과, 틈새를 단계적으로 변화시켰을 경우에 생길 수 있는 불측의 스파이크 거동을 저감시킬 수 있다.

또한, 이 작용 효과를 나타내는 구체적인 해석 데이터에 대해서는, 후술한다.

상기 제2 내부 유로가 직선 모양을 이루는 것이 바람직하다.

이것이라면, 제1 내부 유로로부터 제2 내부 유로에 흘러든 유체가 스무스하게 하류측 유로로 흘러나오므로, 틈새에 흘러드는 유체의 유량을 보다 확실히 억제할 수 있다.

또, 제2 내부 유로의 가공도 간단하다.

면취부의 가공성을 담보하기 위해서는, 상기 면취부의 적어도 일부가, 상기 합류 개소에 면하는 평탄면인 것이 바람직하다.

스파이크 거동의 보다 확실한 저감을 도모하기 위해서는, 상기 밸브 시트 부재가, 일단이 상기 틈새에 개구함과 아울러, 타단이 상기 제2 내부 유로에 개구하는 제3 내부 유로를 추가로 가지는 것이 바람직하다.

보다 구체적인 실시 형태로서는, 상기 밸브 시트에 대해서 이접(離接) 가능한 밸브체와, 상기 제1 내부 유로를 관통함과 아울러, 액츄에이터의 변위를 상기 밸브체에 전달하는 구동축을 구비하고, 상기 제1 내부 유로를 상기 구동축을 따라서 흐르는 유체의 흐름 방향이, 상기 틈새를 흐르는 유체의 흐름 방향과는 다른 양태를 들 수 있다.

상기 밸브 시트 부재가, 상기 틈새를 둘러싸는 환상(環狀) 볼록부를 가지고, 상기 환상 볼록부의 하나 또는 복수 개소에 절결부(切缺部)가 마련되어 있는 것이 바람직하다.

이러한 구성이면, 틈새에 흘러드는 유체가, 제2 내부 유로뿐만 아니라, 절결부를 통해서 틈새로부터 흘러나와 가므로, 유체의 유동장의 외란을 보다 확실히 억제할 수 있어, 불측의 스파이크 거동을 저감시킬 수 있다.

또, 본 발명에 따른 유체 제어 밸브는, 상류측 유로 및 하류측 유로의 사이에 마련되어 있고, 상기 상류측 유로에 접속되는 제1 내부 유로와, 상기 하류측 유로에 접속되는 제2 내부 유로를 가지는 밸브 시트 부재와, 상기 상류측 유로로부터 상기 제1 내부 유로에 유입된 유체가 흘러들고, 상기 제1 내부 유로와는 흐름 방향이 다른 틈새를, 상기 밸브 시트 부재와의 사이에서 형성하도록 배치된 다이어프램을 구비한 유체 제어 밸브에 있어서, 상기 틈새에 흘러드는 유체에의 저항을 저감하는 저항 저감부를 추가로 구비하고, 상기 저항 저감부가, 상기 제1 내부 유로를 형성하는 내측 둘레면에 상기 제2 내부 유로를 개구시켜서 이루어지는 관통 유로, 또는, 상기 밸브 시트 부재에 형성되고, 상기 제1 내부 유로와 상기 틈새와의 합류 개소에 면하는 면취부인 것을 특징으로 하는 것이다.

이와 같이 구성된 유체 제어 밸브이면, 밸브 시트 부재와 다이어프램과의 틈새에 흘러드는 유체에의 저항을 저감하는 저항 저감부를 구비하고 있으므로, 이 틈새를 유체가 흐르기 쉬워져, 유체의 유동장의 외란을 막을 수 있다.

이것에 의해, 앞서 설명한 틈새를 단계적으로 변화시켰을 경우에 생길 수 있는 불측의 스파이크 거동을 억제할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 유체 제어 장치는, 앞서 설명한 유체 제어 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.

이러한 유체 제어 장치이면, 앞서 설명한 유체 제어 밸브와 마찬가지의 작용 효과를 발휘할 수 있다.

이와 같이 구성한 본 발명에 의하면, 다이어프램의 움직임에 수반하여 변동하는 틈새에 유체가 흘러들어 가도록 구성된 유체 제어 밸브에 있어서, 유체의 유동장의 외란을 억제할 수 있어, 불측의 스파이크 거동을 저감시키는 것이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에서의 유체 제어 장치의 전체 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에서의 유체 제어 밸브의 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에서의 밸브 시트 부재의 내부 구성을 나타내는 확대 단면도이다.
도 4는 비교 대상의 구성에서의 유체 제어 밸브의 종단면도이다.
도 5는 비교 대상의 구성의 성능을 평가한 평가 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태의 유체 제어 밸브의 성능을 평가한 평가 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 그 외의 실시 형태에서의 유체 제어 밸브의 종단면도이다.
도 8은 그 외의 실시 형태에서의 유체 제어 밸브의 종단면도이다.
도 9은 그 외의 실시 형태에서의 유체 제어 밸브의 사시도이다.
도 10은 그 외의 실시 형태에서의 유체 제어 밸브의 사시도이다.
도 11은 그 외의 실시 형태에서의 유체 제어 밸브를 평가한 평가 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 그 외의 실시 형태에서의 유체 제어 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 13은 종래 구성에서의 스파이크 거동을 설명하는 그래프이다.

이하에, 본 발명에 따른 유체 제어 밸브를 조립한 유체 제어 장치의 일 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다.

본 실시 형태의 유체 제어 장치(100)는, 도 1에 나타내는 것과 같이, 예를 들면 반도체 제조 장치에 이용되는 매스 플로우 컨트롤러로서, 반도체 프로세스용의 가스 등의 유체가 흐르는 유로(51)를 형성한 바디(5)와, 이 바디(5)의 유로(51)를 흐르는 유체의 유량을 센싱하는 유량 검지 기구(2)와, 유로(51)를 흐르는 유체의 유량을 제어하는 유체 제어 밸브(3)와, 유량 검지 기구(2)가 출력하는 측정 유량을 미리 정한 설정 유량에 근접시키도록 유체 제어 밸브(3)의 밸브 개도를 제어하는 제어부(C)를 구비한다. 이하에 각부를 상세하게 설명한다.

바디(5)는, 앞서 설명한 유로(51)이 관통하는 블록 모양을 이루는 것이고, 해당 유로(51)의 상류단에 외부 유입 배관(도시하지 않음)이 접속되는 것과 아울러, 하류단에 외부 유출 배관(도시하지 않음)이 접속된다.

유량 검지 기구(2)로서는, 열식, 차압식, 코리올리식이나 초음파식 등 여러 가지 생각할 수 있는데, 여기에서는, 이른바 열식 유량 검지 기구를 채용하고 있다. 이 열식의 유량 검지 기구(2)는, 유로(51)를 흐르는 유체 중 소정 비율의 유체가 안내되도록 해당 유로(51)와 병렬 접속한 세관(細管)(21)과, 이 세관(21)에 마련한 히터(24) 및 그 전후에 마련한 한쌍의 온도 센서(22, 23)를 구비한 것이다. 그리고, 세관(21)에 유체가 흐르면, 두 개의 온도 센서(22, 23)의 사이에 그 질량 유량에 대응한 온도차가 생기기 때문에, 이 온도차에 근거하여 유량을 측정하도록 구성되어 있다.

이 실시 형태에서는, 세관(21), 히터(24), 온도 센서(22, 23) 및 그 주변의 전기 회로를 수용하는 장척(長尺) 모양의 케이스(25)를 마련하는 한편, 바디(5)의 유로(51)로부터 한쌍의 분기 유로(2a, 2b)를 분기시키고, 이 케이스(25)를 바디(5)에 장착하는 의해서, 세관(21)의 도입구가 상류측의 분기 유로(2a)에 접속되고, 이 세관(21)의 도출구가 하류측의 분기 유로(2b)에 접속되도록 구성되어 있다. 또한 유량 센서는 이 방식으로 한정되는 것은 아니다.

유체 제어 밸브(3)는, 유로(51) 상에 마련된 노멀 클로우즈 타입인 것으로, 바디(5) 내에 수용된 밸브 시트 부재(4) 및 밸브체(6)와, 밸브체(6)를 구동하여 밸브 개도, 즉 밸브 시트 부재(4)와 밸브체(6)와의 이간 거리를 설정하는 구동 기구인 액츄에이터(7)를 구비한 것이다.

밸브 시트 부재(4)는, 밸브 시트로 이루어지는 것으로, 도 2에 나타내는 것과 같이, 그 하면에 밸브체(6)측으로 돌출한 밸브 시트면(4a)을 가지는 금속제(여기에서는, 스테인리스강을 소재로서 이용하고 있지만, 그 외 하스텔로이(Hastelloy) 등의 고내열내식 합금을 이용해도 괜찮음.)인 것이며, 그 내부에는 내부 유로(41)가 형성되어 있다. 또한 이 밸브 시트 부재(4)의 소재로서 하스텔로이 등의 고내열내식 합금을 이용해도 괜찮다.

이 밸브 시트 부재(4)는, 바디(5)에 마련한 원기둥 모양의 수용 오목부(52)에 수용되어 있다. 이 수용 오목부(52)는, 바디(5)의 유로(51)를 분단하도록 배치되어 있고, 이 수용 오목부(52)에 의해서 분단된 유로(51) 중, 상류측의 유로(이하, '상류측 유로'라고도 함)(51(A))가, 예를 들면 수용 오목부(52)의 저면 중앙부에 개구하고, 이 수용 오목부(52)보다 하류측의 유로(이하, '하류측 유로'라고도 함)(51(B))가, 예를 들면 이 수용 오목부(52)의 측면 또는 저면에 개구한다.

그리고, 밸브 시트 부재(4)를 수용 오목부(52)에 수용한 상태에서는, 해당 밸브 시트 부재(4)의 외측 둘레면과 수용 오목부(52)의 내측 둘레면과의 사이에 틈새가 형성되고, 이 틈새를 통해서 바디(5)의 하류측 유로(51(B))가 내부 유로(41)에 연통하게 된다.

본 실시 형태의 유체 제어 밸브(3)는, 이 밸브 시트 부재(4)의 내부 유로(41)나 그 주변 구조에 특징이 있으므로, 보다 상세한 구성은 후술한다.

밸브체(6)는, 도 2에 나타내는 것과 같이, 바디(5)의 수용 오목부(52)에서 밸브 시트 부재(4)에 대향 배치됨과 아울러, 그 표면(상면)에 밸브 시트 부재(4)의 밸브 시트면(4a)에 착좌(着座)되는 착좌면(6a)을 가지는 것이다.

이 밸브체(6)는, 액츄에이터(7)에 의해 구동되어, 밸브 시트 부재(4)에 접촉하여 상류측 유로(51(A)) 및 하류측 유로(51(B))를 차단하는 닫힘 상태로부터, 밸브 시트 부재(4)로부터 이간하여 상류측 유로(51(A)) 및 하류측 유로(51(B))를 연통시키는 열림 상태로 이동한다. 이와 같이 닫힘 상태로부터 열림 상태로 향하는 방향, 즉, 밸브체(6)에 대한 액츄에이터(7)의 구동력의 작용 방향이 밸브 열림 방향이다. 한편, 열림 상태로부터 닫힘 상태로 향하는 방향, 즉, 밸브체(6)에 대한 액츄에이터(7)의 구동력의 작용 방향과는 반대 방향이 밸브 닫힘 방향이다.

액츄에이터(7)는, 도 1에 나타내는 것과 같이, 예를 들면, 피에조 소자를 복수매 적층하여 형성되는 피에조 스택(71)과, 해당 피에조 스택(71)의 신장에 의해 변위하는 작동체(72)를 구비한 것이다.

이 피에조 스택(71)은, 케이싱 부재(74) 내에 수용되어 있고, 그 선단부가 작동체(72)의 기단부에 예를 들면 별체로 또는 일체적으로 마련된 돌기부(73)에 접속되어 있다.

본 실시 형태의 작동체(72)는, 다이어프램(721)과, 해당 다이어프램(721)의 중심에 마련되고, 밸브 시트 부재(4)의 중심을 관통하여 밸브체(6)의 상면에 맞닿는 구동축(722)를 가진다. 그리고, 소정의 전개(全開) 전압이 인가되면 피에조 스택(71)이 신장하고, 작동체(72)가 밸브체(6)를 밸브 열림 방향으로 가압하여, 밸브 시트면(4a)이 착좌면(6a)으로부터 이간하여 열림 상태가 된다. 또, 전개 전압을 하회(下回)하는 전압이면, 그 전압값에 따른 거리만큼 밸브 시트면(4a)과 착좌면(6a)이 이간된다. 그리고, 이 틈새를 통해서 상류측 유로(51(A))와 하류측 유로(51(B))가 연통된다.

또, 밸브체(6)에는, 도 2에 나타내는 것과 같이, 해당 밸브체(6)를 밸브 닫힘 방향으로 가압하는 밸브체 리턴 스프링(8)이 접촉하여 마련되어 있다. 이 밸브체 리턴 스프링(8)에 의해, 액츄에이터(7)에 전압을 인가하지 않는 노멀 상태에서는, 밸브체(6)가 닫힘 상태가 된다. 또한 밸브체 리턴 스프링(8)은, 환상(環狀)을 이루는 것으로, 예를 들면 판 스프링 등의 탄성체이다. 여기서의 밸브체 리턴 스프링(8)은, 바디(5)의 수용 오목부(52) 내에 수용된 스프링 가이드 부재(10)에 지지되어 있지만, 이 스프링 가이드 부재(10)는 반드시 마련하고 있을 필요는 없다.

이어서, 앞서 설명한 밸브 시트 부재(4)의 상세한 구성에 대해 설명한다.

밸브 시트 부재(4)는, 도 2에 나타내는 것과 같이, 상류측 유로(51(A)) 및 하류측 유로(51(B))의 사이에 개재하고 있고, 상류측 유로(51(A))에 접속되는 제1 내부 유로(411)와 하류측 유로(51(B))에 접속되는 제2 내부 유로(412)를 적어도 내부 유로(41)의 일부로서 가지고 있다.

제1 내부 유로(411)는, 일단이 밸브 시트면(4a)에 개구함과 아울러, 타단이 밸브 시트 부재(4)의 상면(42)에 개구하고 있다. 이 제1 내부 유로(411)는, 액츄에이터(7)의 변위를 밸브체(6)에 전달하는 구동축(722)이 삽입되어 있다. 즉, 제1 내부 유로(411)는, 구동축(722)을 따른(밸브체(6)의 밸브 닫힘 방향을 따른) 유체의 흐름을 형성하는 것이다.

제2 내부 유로(412)는, 일단이 제1 내부 유로(411)를 형성하는 내측 둘레면(43)에 개구함과 아울러, 타단이 밸브 시트 부재(4)의 외측 둘레면(44)에 개구하고 있다. 즉, 이 제2 내부 유로(412)는, 밸브 시트 부재(4)의 외측 둘레면(44)으로부터 제1 내부 유로(411)에 걸쳐지고 밸브 시트 부재(4)를 관통시켜서 이루어지는 관통 유로(L)이며, 직선 모양을 이룬다. 여기서의 제2 내부 유로(412)는, 제1 내부 유로(411)으로 직교한다. 바꾸어 말하면, 이 제2 내부 유로(412)는, 제1 내부 유로(411)와는 직교하는 유체의 흐름을 형성하는 것이다. 또한 제2 내부 유로(412)로서는, 제1 내부 유로(411)와 직교하는 방향에 대해서 기울어져 형성되어 있어도 괜찮다.

본 실시 형태의 밸브 시트 부재(4)는, 도 3에 나타내는 것과 같이, 내부 유로(41)로서 일단이 밸브 시트 부재(4)의 상면(42)에 개구함과 아울러, 타단이 제2 내부 유로(412)를 형성하는 내측 둘레면(45)에 개구하는 제3 내부 유로(413)를 추가로 가진다.

보다 구체적으로 설명하면, 밸브 시트 부재(4)의 상면(42)에는 오목부가 형성되어 있고, 이 오목부가 앞서 설명한 다이어프램(721)에 의해 막혀 있다. 이것에 의해, 밸브 시트 부재(4)와 다이어프램(721)과의 사이에는 틈새(X)가 생겨져 있고, 이 틈새(X)에 제3 내부 유로(413)가 개구하고 있다. 즉, 제1 내부 유로(411)와 제3 내부 유로(413)는, 틈새(X)를 통해서 연통하고 있다.

이 틈새(X)는, 다이어프램(721)의 움직임에 수반하여 변동하는 공간이다. 구체적으로는, 다이어프램(721)의 움직임에 수반하여 밸브 시트 부재(4)와 다이어프램(721)과의 이간 거리가 변동하므로, 이것에 수반하여 틈새(X)의 좁은 정도(폭)가 변동한다. 이 틈새(X)는, 다이어프램(721)을 따라서 형성되어 있고, 앞서 설명한 구동축(722)으로부터 지름 방향 외측으로 넓어지는 공간이다.

그리고, 이 틈새(X)에 제1 내부 유로가 합류하고 있다. 보다 구체적으로는, 앞서 설명한 것과 같이 제1 내부 유로(411)가 밸브 시트 부재(4)의 상면(42)에 개구하고 있기 때문에, 제1 내부 유로(411)와 틈새(X)와의 합류 개소(J)는, 이 상면(42)에 형성된 개구가 된다(도 3 참조).

이러한 구성에 의해, 앞서 설명한 상류측 유로(51(A))로부터 제1 내부 유로(411)에 유입된 유체는, 흐름 방향을 바꾸면서 이 틈새(X)에 흘러들게 된다. 즉, 제1 내부 유로(411)를 구동축(722)을 따라서 흐르는 유체의 흐름 방향과 틈새(X)를 흐르는 유체의 흐름 방향은 서로 다르고, 구체적으로는 이들의 흐름 방향은 서로 대략 직교한다.

이와 같이, 제1 내부 유로(411)와 틈새(X)와의 사이에는, 유체의 흐름 방향이 바뀌는 꺽임 개소(Z)가 개재한다. 물론, 꺽임 개소(Z)와 제1 내부 유로(411)와의 경계나, 꺽임 개소(Z)와 틈새(X)와의 경계는 명확하게 표현할 수 있는 것은 아니지만, 적어도 다이어프램(721)과 구동축(722)과의 접합부(Y)에 면(面)하는 영역(도 3에서 그물 모양으로 해칭되어 있는 영역)이 꺽임 개소(Z)가 된다.

여기서, 본 실시 형태의 밸브 시트 부재(4)는, 도 3에 나타내는 것과 같이, 앞서 설명한 합류 개소(J)에 면하는 면취부(面取部)(46)를 가지고 있다.

이 면취부(46)는, 밸브 시트 부재(4)의 상면(42)과 내측 둘레면(43)에 의해 형성되는 모서리부를 면취 가공(모따기 가공)하는 것에 의해 형성되어 있고, 이것에 의해 상면(42) 및 내측 둘레면(43)이 면취부(46)를 통해서 연속적으로 형성되어 있다. 즉, 면취부(46)는, 상면(42)의 내연(內緣)(421)과 내측 둘레면(43)의 상단(431)과의 사이에 형성된 면이고, 앞서 설명한 꺽임 개소(Z)에 면하도록 형성되어 있다.

면취부(46)의 적어도 일부는, 합류 개소(J)에 면하는 위치에 형성된 평탄면이며, 다이어프램(721)과 구동축(722)과의 접합부(Y)에 대면하는 원뿔대 형상을 이루는 면이다.

이와 같이 구성된 밸브 시트 부재(4)에서, 앞서 설명한 제2 내부 유로(412)가, 하류측 유로(51(B))로부터 제1 내부 유로(411)까지 관통하는 관통 유로(L)로서 형성되어 있으므로, 제1 내부 유로(411)를 흐르는 유체의 일부가 제2 내부 유로(412)에 유입하게 된다.

이것에 의해, 제2 내부 유로(412)를 제1 내부 유로(411)까지 관통시키고 있지 않은 구성에 비하면, 밸브 시트 부재(4)와 다이어프램(721)과의 틈새(X)에 흘러드는 유체의 유량을 억제할 수 있다.

즉, 제2 내부 유로(412)는, 틈새(X)에 흘러드는 유체에의 저항을 저감하는 저항 저감부(P)로서의 기능을 발휘한다.

또한, 본 실시 형태의 밸브 시트 부재(4)는, 유체의 흐름 방향이 바뀌는 꺽임 개소(Z)에 면하는 면취부(46)를 가지므로, 틈새(X)에 유체가 흘러들기 쉬워진다.

즉, 이 면취부(46)에 관해서도, 틈새(X)에 흘러드는 유체에 대한 저항을 저감하는 저항 저감부(P)로서의 기능을 발휘한다.

여기서, 유체 제어 장치(100)의 성능을 평가할 수 있도록, 설정 유량을 단계적으로 변화시켰을 때의 출력(측정 유량)의 거동을 확인한 결과에 대해 설명한다.

먼저, 본 실시 형태의 유체 제어 장치(100)의 평가 결과를 설명하기 전에, 비교 대상으로서, 도 4에 나타내는 구성을 이용했을 경우의 결과에 대해 설명한다. 또한 도 4에 나타내는 구성은, 본 실시 형태의 유체 제어 장치(100)와 비교하면, 제2 내부 유로(412)가 제1 내부 유로(411)까지 관통하고 있지 않고, 또한, 면취부(46)가 형성되어 있지 않은 점에서 서로 다르다.

이 비교 대상이 되는 구성에서 밸브 전압(설정 유량)을 단계적으로 변화시키면, 도 5에 나타내는 것과 같이, 어느 설정 유량으로 변화시킨 타이밍에 출력(측정 유량)이 마이너스측으로 떨어지는 스파이크 거동이 나타나고 있는 것을 알 수 있다.

그리고, 이 스파이크 거동이 생기고 있는 타이밍(도 5에서의 b의 타이밍)에서는, 도 5에 나타내는 시뮬레이션 결과로부터 알 수 있듯이, 유체의 유동장에 혼란이 생기고 있고, 이 외란에 기인한 압력 손실이 생기고 있을 것이라는 것이 스파이크 거동의 원인이라고 추측된다.

이것에 대해서, 본 실시 형태의 유체 제어 장치(100)에서 밸브 전압(설정 유량)을 단계적으로 변화시켰을 때의 출력(측정 유량)의 거동을 도 6에 나타낸다. 이 도 6으로부터 알 수 있듯이, 본 실시 형태의 유체 제어 장치(100)에서는, 앞서 설명한 불측의 스파이크 거동은 일어나고 있지 않는 것을 알 수 있다.

이 요인의 하나가, 도 6에 시뮬레이션 결과로부터 알 수 있듯이, 유체의 유동장의 외란이 억제되고 있는 것에 있다고 추측된다. 또한 이 시뮬레이션 결과에서, 흰 선으로 나타내는 유체가 검은 선으로 나타내는 유체보다도 압력이 낮은 것을 나타내고 있다.

이와 같이 본 실시 형태의 유체 제어 장치(100)에 의하면, 제2 내부 유로(412) 및 면취부(46)가, 밸브 시트 부재(4)와 다이어프램(721)과의 틈새(X)에 흘러드는 유체에의 저항을 저감하는 저항 저감부(P)로서의 기능을 발휘하므로, 유체가 틈새(X)에 흘러들기 쉬워져, 유체의 유동장의 외란을 억제할 수 있다.

그 결과, 틈새(X)를 단계적으로 변화시켰을 경우에 생길 수 있는 불측의 스파이크 거동을 저감시킬 수 있다.

또한 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않는다.

예를 들면, 상기 실시 형태의 밸브 시트 부재(4)는, 제2 내부 유로(412)와 틈새(X)를 연통하는 제3 내부 유로(413)를 가지고 있었지만, 도 7에 나타내는 것과 같이, 밸브 시트 부재(4)로서는, 제3 내부 유로(413)가 형성되어 있지 않은 것이라도 괜찮다. 이러한 구성에서는, 틈새(X)에서의 합류 개소(J)와는 반대측의 선단부는 닫혀져 있게 된다. 다만, 상기 실시 형태의 제3 내부 유로(413)와는 별도로, 틈새(X)와 하류측 유로(51(B))를 접속하는 유로가, 밸브 시트 부재(4) 등에 형성되어 있어도 괜찮다.

이러한 구성이라도, 만약 면취부(46)가 형성되어 있지 않으면, 설정 유량을 단계적으로 변화시켰을 때의 불측의 스파이크 거동이 나타나는데, 도 7에 나타내는 구성이면, 면취부(46)가, 틈새(X)에 흘러드는 유체에의 저항을 저감하는 저항 저감부(P)로서의 기능을 발휘하므로, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 유체의 유동장의 외란을 억제할 수 있어 불측의 스파이크 거동을 저감시킬 수 있다.

또, 면취부(46)는, 상기 실시 형태에서는 평탄면이었지만, 예를 들면 꺽임 개소(Z)를 향하도록 혹은 꺽임 개소(Z)로부터 멀어지도록 만곡한 만곡면이라도 괜찮다.

또한, 제2 내부 유로(412)는, 상기 실시 형태에서는 직선 모양이었지만, 하류측 유로(51(B))와 제1 내부 유로(411)를 접속하는 것이면, 예를 들면 유로 방향이 하나 또는 복수회 바뀌도록 절곡한 형상 등이라도 괜찮다.

이에 더하여, 상기 실시 형태에서는, 제2 내부 유로(412)를 제1 내부 유로(411)에 관통시켜서 이루어지는 관통 유로(L)와 면취부(46) 쌍방이 저항 저감부(P)로서 형성되어 있는 양태를 설명했지만, 관통 유로(L) 또는 면취부(46) 중 일방이 저항 저감부(P)로서의 기능을 충분히 발휘하는 경우는, 타방은 반드시 형성되어 있을 필요는 없다.

즉, 밸브 시트 부재(4)로서는, 제1 내부 유로(411)를 형성하는 내측 둘레면(43)에 제2 내부 유로(412)를 개구시켜서 이루어지는 관통 유로(L) 또는 유체의 흐름 방향이 바뀌는 꺽임 개소(Z)에 면하는 면취부(46) 중 적어도 일방이 저항 저감부(P)로서 형성되어 있으면 괜찮다.

또, 밸브 시트 부재(4)로서는, 도 8 및 도 9에 나타내는 것과 같이, 틈새(X)를 둘러싸는 환상 볼록부(47)을 잘라낸 절결부(切缺部)(48)가 마련되어 있어도 괜찮다. 이 절결부(48)는, 틈새(X)의 일부를 구성하고 있고, 구체적으로는 환상 볼록부(47)의 하나 또는 복수 개소에 예를 들면 등간격으로 마련되어 있어도 괜찮다. 이 구성에 의해, 틈새(X)의 일부는, 그 선단부가 밸브 시트 부재(4)의 외측 둘레면까지 연장되어 있게 된다.

또, 이와 같이 밸브 시트 부재(4)에 절결부(48)를 마련하는 구성에서는, 도 10에 나타내는 것과 같이, 제3 내부 유로(413)는 반드시 형성되어 있을 필요는 없다.

이 구성에 의하면, 도 11 상단에 나타내는 것과 같이, 불측의 스파이크 거동을 저감시킬 수 있다.

그리고, 도 11 하단의 시뮬레이션 결과에 나타내는 것과 같이, 틈새(X)에 흘러드는 유체가, 제2 내부 유로(412)뿐만 아니라, 절결부(48)를 통해서 틈새(X)로부터 흘러나오게 되므로, 유체의 유동장의 외란을 억제할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한 이 시뮬레이션 결과에서, 흰 선으로 나타내는 유체가 검은 선으로 나타내는 유체보다도 압력이 낮은 것을 나타내고 있다.

또, 상기 실시 형태의 유체 제어 장치(100)는, 유량 검지 기구(2)로서 열식인 것을 이용하고 있었지만, 상기 실시 형태에서도 설명한 바와 같이, 차압식의 유량 검지 기구(2)를 이용해도 상관없다.

즉, 유체 제어 장치(100)로서는, 도 12에 나타내는 것과 같이, 유체가 흐르는 유로(51)에 마련된 유량 검지 기구(2)와, 이 유량 검지 기구(2)보다도 상류측에 마련된 유체 제어 밸브(3)와, 유량 검지 기구(2)에 의한 측정 유량이 미리 정한 목표 유량이 되도록 유체 제어 밸브(3)을 제어하는 제어부(C)로 구성된 매스 플로우 컨트롤러라도 괜찮다.

그리고, 이 유량 검지 기구(2)는, 유로(51) 상에 마련한 저항 유로(R)와, 이 저항 유로(R)의 상류측 및 하류측에서의 유로(51) 내의 유체 압력을 계측하는 한쌍의 압력 센서(P1, P2)로 이루어지는 것이다. 그리고, 압력 센서(P1, P2)에 의한 압력 계측값과 저항 유로(R)의 저항값에 근거하여, 유로(51)를 흐르는 유체의 유량을 측정할 수 있게 구성되어 있다.

그 외, 앞서 설명한 실시 형태나 변형 실시 형태의 일부 또는 전부를 적절히 조합해도 괜찮고, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않으며, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변형이나 실시 형태의 조합이 가능하다는 것은 말할 필요도 없다.

100 : 유체 제어 장치 2 : 유량 검지 기구
3 : 유체 제어 밸브 4 : 밸브 시트 부재
5 : 바디 6 : 밸브체
7 : 액츄에이터 721 : 다이어프램
4a : 밸브 시트면 41 : 내부 유로
411 : 제1 내부 유로 412 : 제2 내부 유로
413 : 제3 내부 유로 46 : 면취부
P : 저항 저감부 X : 틈새
Z : 꺽임 개소 L : 관통 유로

Claims (8)

1. 상류측 유로 및 하류측 유로의 사이에 마련되어 있고, 상기 상류측 유로에 접속되는 제1 내부 유로와, 상기 하류측 유로에 접속되는 제2 내부 유로를 가지는 밸브 시트 부재와,
   상기 상류측 유로로부터 상기 제1 내부 유로에 유입된 유체가 흘러들고, 상기 제1 내부 유로와는 흐름 방향이 다른 틈새를, 상기 밸브 시트 부재와의 사이에서 형성하도록 배치된 다이어프램을 구비한 유체 제어 밸브에 있어서,
   상기 제2 내부 유로가, 상기 제1 내부 유로를 형성하는 내측 둘레면에 개구하고 있고,
   상기 밸브 시트 부재가, 상기 제1 내부 유로와 상기 틈새와의 합류 개소에 면(面)하는 면취부(面取部)를 가지는 유체 제어 밸브.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 내부 유로가 직선 모양을 이루는 유체 제어 밸브.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 면취부의 적어도 일부가, 상기 합류 개소에 면하는 평탄면인 유체 제어 밸브.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 밸브 시트 부재가, 일단이 상기 틈새에 개구함과 아울러, 타단이 상기 제2 내부 유로에 개구하는 제3 내부 유로를 추가로 가지는 유체 제어 밸브.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 밸브 시트에 대해서 이접(離接) 가능한 밸브체와,
   상기 제1 내부 유로를 관통함과 아울러, 액츄에이터의 변위를 상기 밸브체에 전달하는 구동축을 구비하고,
   상기 제1 내부 유로를 상기 구동축을 따라서 흐르는 유체의 흐름 방향이, 상기 틈새를 흐르는 유체의 흐름 방향과는 다른 유체 제어 밸브.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 밸브 시트 부재가, 상기 틈새를 둘러싸는 환상(環狀) 볼록부를 가지고, 상기 환상 볼록부의 하나 또는 복수 개소에 절결부(切缺部)가 마련되어 있는 유체 제어 밸브.
7. 상류측 유로 및 하류측 유로의 사이에 마련되어 있고, 상기 상류측 유로에 접속되는 제1 내부 유로와, 상기 하류측 유로에 접속되는 제2 내부 유로를 가지는 밸브 시트 부재와,
   상기 상류측 유로로부터 상기 제1 내부 유로에 유입된 유체가 흘러들고, 상기 제1 내부 유로와는 흐름 방향이 다른 틈새를, 상기 밸브 시트 부재와의 사이에서 형성하도록 배치된 다이어프램을 구비한 유체 제어 밸브에 있어서,
   상기 틈새에 흘러드는 유체에의 저항을 저감하는 저항 저감부를 추가로 구비하고,
   상기 저항 저감부가, 상기 제1 내부 유로를 형성하는 내측 둘레면에 상기 제2 내부 유로를 개구시켜서 이루어지는 관통 유로, 또는, 상기 밸브 시트 부재에 형성되어, 상기 제1 내부 유로와 상기 틈새와의 합류 개소에 면하는 면취부인 유체 제어 밸브.
8. 청구항 1에 기재된 유체 제어 밸브를 구비하는 유체 제어 장치.

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