KR100800088B1 - 비오염 본체를 가진, 화학적 불활성의 흐름 제어장치 - Google Patents

비오염 본체를 가진, 화학적 불활성의 흐름 제어장치 Download PDF

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Abstract

유체를 액체 상태나 기체 상태로 전달하는 화학적 부식성 또는 초순수 유체 흐름 회로 내에 직렬로 접속될 수 있는 유체 제어 모듈이다. 본 발명의 유체 제어 모듈은 흐름, 압력 또는 유체 흐름 순환로를 통해 흐르는 흐름의 용적을 제어하는 데 활용되며 모듈을 자동적으로 조정 또는 "측정"할 수 있어 유체 제어 모듈의 압력 센서들에 있어서의 대기압이나 드리프트의 변화를 보정하게 된다. 유체 제어 모듈은 바람직한 흐름 속도에 급속하게 도달하게 제어 밸브의 신속 또는 큰 조정을 또한 포함하고 있다.
유체 제어 모듈

Description

비오염 본체를 가진, 화학적 불활성의 흐름 제어장치 {CHEMICALLY INERT FLOW CONTROL WITH NON-CONTAMINATING BODY}
본 발명은 일반적으로 유량 제어장치에 관한 것이며, 더 상세하게는 액체나 가스 상태의 유체를 전달하는 화학적 부식성의 유체 흐름 회로 내에 직렬로 연결될 수도 있는 화학적 불활성의 유량 제어 모듈에 관한 것이다. 본 발명의 유체 제어 모듈은 흐름, 유체 흐름 회로를 통해 흐르는 유체의 압력 또는 용적을 제어하는 데 활용될 수도 있으며, 유체 제어 모듈의 압력 센서들에 있어서의 드리프트(drift)나 대기압에 있어서의 변화들을 보상하도록 모듈을 자동적으로 조정 또는 "보정(calibration)"할 수 있다.
부식성 유체는 민감한 재료들의 초순수 처리 중에 빈번히 사용되고 있다. 제조공정 중 민감한 재료들의 오염에 대한 민감성은 제조자들이 면하는 중대한 문제이다. 외부의 입자들 및 제조과정 중에 발생하는 증기들에 의한 민감한 재료들의 오염을 감소시키기 위해 각종의 제조장치들이 고안돼 왔다. 민감한 재료들의 처리는 흔히 부식성 유체와의 직접 접촉을 수반한다. 그러므로 비오염 상태로 외부의 미립자 없이 처리장소로 부식성 유체가 전달되는 것은 중대하다. 통상적으로 처리장비의 각종 구성요소들은 발생하는 입자의 양을 감소시키게 또한 처리 화학약품을 오염작용으로부터 격리시키게 고안된다.
전형적으로 처리장비는 펌핑 및 조정 장소들을 통해 그리고 처리장비 자신을 통해 공급탱크로부터 부식성 화학약품을 운반하는 액체 이송장치들을 포함하고 있다. 파이프들, 배관, 감시장치들, 감지장치들, 밸브들, 피팅들 및 관련장치들을 포함하고 있는 액체 화학약품 이송장치들은 흔히 부식성 화학약품의 유해한 영향에 견디는 플라스틱들로 제조된다. 상기 감시장치들에 종래 사용되는 금속은 장기간의 부식환경에 오래 갈 수가 없다. 그러므로, 감시 및 감지 장치들은 대용재료들을 사용하거나 부식성 유체로부터 격리되어 있어야 한다.
반도체 제조에 통상적으로 사용되는 처리장비는 하나 이상의 감시, 밸브 및 감지 장치들을 가지고 있다. 이들 장치들은 전형적으로 폐 루프 피드백 관계로 연결되어 장비를 감시하고 제어하는 데에 사용된다. 이들 감시 및 감지 장치들은 도입될 수도 있는 어떤 오염도 배제하기 위해 고안되어야 한다.
액체 이송장치 내의 흐름이나 압력을 제어하기 위하여, 이송장비는 각각의 감시, 밸브 및 감지 장치들로부터 획득되는 정보를 활용할 수도 있다. 각각의 장치들로부터 획득되는 정보의 정확도는 장치 내의 온도변화에 의하여 영향받기도 한다. 또한, 하나의 장치의 부정확은 그 장치로부터의 정보에 의존하는 다른 장치들의 부정확을 만들어 내기도 한다. 또한, 빈번한 독립적 교정은 각 개별 장치의 정확도를 유지함에 필요할 수도 있으나, 장치들의 독립적 교정은 어려움과 시간이 걸리기도 한다.
그러므로, 부식성 물질을 운반하는 유체흐름 회로 내에 직렬로 배치되는 비오염의 유체 제어 모듈이 필요하고, 이 모듈은 유체 흐름 회로 내에서 측정된 상이한 압력차이에 기초하여 흐름의 속도를 산정할 수 있으며, 흐름의 속도의 산정은 유체 흐름 회로 내의 열 변화에 의해 불리하게 영향받지 않으며, 유체 흐름 모듈의 압력 센서들의 교정은 밸브의 부수적이거나 독립적 교정을 필요로 하지 않는다. 입자, 바라지 않는 이온들, 또는 증기를 흐름 회로 내로 도입하는 것을 회피하는 유체 제어 모듈에 대한 필요가 또한 존재한다. 본 발명은 이들 및 다른 요구들을 충족시키며 본 발명의 명세서로부터 분명해질 것이다.
본 발명은 부식성 유체를 이송하는 유체 흐름 회로에 직렬로 결합되는 유체 제어 모듈을 제공하며, 유체 제어 모듈은 압력과 흐름 속도를 산정하여 유체 흐름 회로 내의 압력, 흐름 또는 용적을 제어할 수도 있다. 흐름의 속도는 흐름 회로 내에서 얻은 압력측정의 차이로부터 산정될 수도 있다. 유체 제어 모듈은 유체 흐름 회로 내의 온도의 변화를 보정하며, 유체가 정지하여 있을 때 압력에 있어서의 차이를 보상하며, 장치에 대한 밸브의 영향을 없도록 하는 영점화(zeroing) 기구를 제공한다. 우선의 실시예에 있어서, 유체 제어 모듈의 구성요소들은 화학적 불활성 유체 도관을 가진 하우징, 도관에 결합된 조정가능 제어 밸브, 도관에 결합된 압력 센서들 및 감소된 단면 구역을 갖도록 도관 내에 배치되어서 도관 내의 유체의 흐름을 제한하며 신뢰성 있는 흐름 측정을 허용하는 수축부(constriction)를 포함한다. 화학적 불활성 하우징은 제어 밸브와 압력 센서들을 둘러싸고 있다.
두개의 압력 센서가 마련되는 경우, 수축부는 유체 흐름 도관 내의 두 압력 센서들 사이에 배치된다. 아래에 상세하게 설명되는 바와 같이, 두 압력 센서들을 가진 본 발명의 유체 제어 모듈은 양방향 유체 흐름을 제공하며, 인접의 부수적인 장비에 직렬로 결합될 수도 있다. 또 다른 우선 실시예에 있어서, 유체 제어 모듈은 단지 하나의 압력 센서를 포함하고 있으며, 유체 도관 내의 수축부는 압력 센서와 밸브의 하류측에 배치되어야 한다. 또한, 단일의 압력 센서를 가진 유체 제어 모듈은 유체 흐름 회로에 직렬로 접속된 부수적인 장비로부터 소정의 거리로 떨어져 있어야 한다.
제어 밸브의 구동 또는 작동은 기지의 적당한 구성을 가진 드라이버에 의하여 기계적으로나, 전기적으로나 또는 공기적으로 구동될 수도 있고, 제어 밸브 내의 밸브 구성요소는 포핏, 다이어프램, 중복 다이어프램(redundant diaphram), 위어(weir) 밸브 및/또는 핀치 밸브를 제한 없이 포함하는 적당한 기지의 구성의 어느 것을 사용하여도 좋으며, 유체 흐름 회로의 유체와 직접 접촉하는 구성요소들은 화학적 불활성 재료로 구성되어 있다.
제어기 또는 집적회로가 제어 밸브와 압력 센서(들)에 전기적으로 결합되어도 좋다. 제어기는 유체 흐름 도관 내의 유체 흐름 속도에 비례하는 신호 및/또는 유체 도관 내의 압력에 비례하는 신호를 산출한다. 제어기는 바람직한 설정점이 유지되게 압력, 흐름의 속도, 또는 용적을 제어한다. 설정점은 사용자에 의해 규정될 수도 있고 또는 제어기에 의해(예를 들어, 제어 밸브의 매크로 조정 중) 자동적으로 산정될 수도 있다. 게다가, 제어기는 유체 흐름 속도 신호나 대기 또는 유체압의 변화에 의존하는 압력 신호를 조정하게 된다. 또한, 제어기는 내부 유체 또는 대기압의 변화에 응하여 제어 밸브의 매크로 또는 마이크로 조정을 위한 수단을 포함하기도 하며, 유체 흐름 회로 내의 흐름이 정지하는 경우 압력 센서들은 다시 영점화 하기도 한다.
제어 밸브와 압력 센서들을 둘러싸는 하우징은 하우징이 유체 흐름 회로에 직렬로 접속되는 경우, 유체가 흐르는 경로나 도관을 형성하는 관을 포함하고 있다. 압력 피팅들이 관의 대향하는 개방단부에 정렬되어 밀봉가능하게 연결된다.압력 피팅들은 화학적 불활성 재료로 구성돼 있어 매우 유용하며 당업자들에게 잘 알려져 있다.
본 발명의 실시예에 있어서 하우징은 그 외부 표면으로부터 연장하며 두 압력변환기를 수용하는 캐비티들을 가지고 있고, 각 상기 캐비티는 관과 독립적으로 연통하고 있다. 하나의 격리 부재가 압력변화를 수용하는 캐비티들과 유체 흐름의 접촉을 방지하게 된다. 격리 부재는 하우징과 일체로 성형되거나 제거가능하게 돼 있다. 관은 두 캐비티들 사이에 위치한 수축부로 테이퍼지어 있다. 단면감소 지역은 두 캐비티들에 인접한 지점들을 가로지르는 관 내의 압력강하로 귀착한다. 압력의 이 변화는 두 캐비티들의 각각에 놓여 있는 압력 센서 변환기들에 의해 검출될 수 있다. 흐름의 속도는 압력의 강하로부터 산정되게 된다. 두 압력 센서들을 이용하는 흐름 속도의 산정은 아래에 보다 상세하게 설명돼 있다.
혼성의 또는 하우징 내에 배치된 완전 일체형의 전자회로는 양 압력 센서 변환기들과 제어 밸브에 작동할 수 있게 결합돼 있다. 전자회로는 압력 센서에 의해 감지되는 정보로부터 흐름 회로 내의 흐름 속도의 측정 신호를 발생시킨다. 더구나, 전자회로는 유체 흐름 회로 내의 하류나 상류측 정압(static pressure)의 어느 하나에 상당하는 신호를 발생시킬 수 있으며, 흐름 회로 내의 유량계의 정위치는 교체될 수 있고 흐름의 방향은 각 압력 센서로부터 감지된 압력을 비교함에 의하여 나타낼 수 있다. 흐름 회로를 통해 흐르는 가스의 정압을 감지하는 경우, 가스 밀도와 압축성 차이와 그 영향들로 인한 흐름 속도 및 비선형성에 따른 감지된 압력에 따른 보정이 행해질 수 있다.
이 전자회로는 흐름 회로 내의 온도 변화를 토대로 각 캐비티와 관련된 압력측정을 조정하도록 온도에 민감한 구성요소들과 조합하여 사용될 수 있다. 더구나, 전자회로 또는 제어기는 압력 센서들 및 밸브 제어의 영점화를 고려하게 된다. 전자회로는 전기 리드들에 의해 전기 접속기에 결합되며, 전력은 외부의 전원에 접속된 전기 리드들을 통해 전자회로에 보내진다. 더구나, 표준의 4-20 밀리암페어 신호 따위의 아날로그 출력, 전압 출력, 또는 흐름의 계산된 속도에 비례하는 디지탈 프로토콜이 추가의 전기 리드들을 통해 디스플레이 또는 외부 제어기에 보내지게 된다.
격리막, 압력 센서, 밀봉 부재, 스페이서 링 및 홀드 다운 링(hold down ring)이 하우징의 각 캐비티 내에 포함될 수 있다. 이들 구성요소들과 그의 변형들은 본 출원과 같은 양수인에게 양도된 미국특허들 제 5,869,766 호 및 제 5,852,244 호에 보다 상세하게 기재돼 있으며, 그 전 내용이 여기에 인용된다. 또 다른 실시예에 있어서는, 불활성 사파이어 압력 변환기가 각 캐비티들 내에 배치되며 유체 흐름과 직접 접촉하여서 격리막을 배제한다.
사용에 있어, 유체 제어 모듈은 유체 흐름 회로에 직렬로 결합된다. 압력 센서들은 사전 교정될 수도 있으나 유체 흐름 회로와 상호 접속 시에 교정될 수도 있다. 압력 센서들을 교정하는 경우, 밸브는 개방 및 폐쇄의 위치 사이에서 작동될 수도 있다. 압력 센서들이 흐름이 정지하였음을 가리키는 경우, 밸브 작동에 필요한 출력에 유의하여서 밸브의 개략적인 폐쇄 위치를 형성한다. 각종 설정점은 각종 압력, 온도 및 흐름 속도에서의 밸브 위치를 확인과 동일시될 수 있다. 단일 압력 센서의 보정은 아래에 보다 상세하게 기술될 것이다.
일단 유량계가 보정되면, 사용자는 유체 흐름 회로 내의 압력, 흐름 또는 용적을 제어할 것인지 선택할 수 있다. 압력이 제어되면, 흐름의 압력 및/또는 속도가 감시되며 따라서 밸브가 희망 설정점에 도달되기까지 조정된다. 흐름이 제어되면, 압력 및/또는 흐름이 감시되며 희망 설정점이 도달되기 까지 밸브가 작동된다. 유체 도관을 통해 흐르는 유체의 용적은 압력과 흐름의 속도 양자를 감시함으로써 제어될 수 있으며, 따라서 제어 밸브를 조정하여 유체 흐름의 희망하는 용적을 얻게 된다. 예를 들면, 사용자는 2 밀리리터의 유체가 필요하다는 결정을 할 수 있다. 밸브가 열리어 압력과 흐름 속도가 감시되고, 2 밀리리터의 유체가 모듈을 통과한 때가 결정되면 제어 밸브가 닫히어 유체 흐름을 종결한다.
흐름이 제어되는 경우, 제어기는 일정한 흐름을 획득함에 필요한 제어 밸브 구동기의 출력을 메모리에 저장하게 된다. 이런 식으로, 사용자가 원하는 흐름을 선택하는 경우, 제어기는 먼저 원하는 흐름 속도가 되는 출력과 대략 같은 드라이버의 출력을 설정한다(매크로 조정). 그 후 제어기는 정확한 원하는 흐름 속도를 획득하도록 제어 밸브를 조정(마이크로 조정), 즉 "미세 조정"을 한다. 모듈을 통하는 흐름이 제어 밸브를 닫아서 종결되는 경우, 제어기는 압력 센서들을 자동적으로 조정하거나 다시 영점화 하여 두 압력 센서들의 측정된 압력들 간의 차는 제로로 된다. 이런 식으로, 열 변화와 센서 드리프트로 인한 부정확이 피해진다. 또 다른 우선 실시예에 있어서는, 전용의 개/폐 밸브인 제 2의 밸브가 마련된다. 제어기 또는 전자회로의 출력은 외부의 제어기 또는 디스플레이로 전송되기도 한다.
본 발명의 장점들은 후술의 청구의 범위 및 첨부도면과 관련하여 바람직한 실시예의 상세한 설명을 참조하면 당업자에게 명료해질 것이다.
도 1은 본 발명의 유체 제어 모듈의 부분 단면 측면도이다;
도 2는 본 발명의 유체 제어 모듈의 또 다른 실시예의 부분 단면 측면도이다;
도 3은 공기 작동 밸브를 가진 본 발명의 유체 제어 모듈의 또 다른 실시예의 부분 단면 측면도이다;
도 4는 본 발명의 유체 제어 모듈의 또 다른 실시예의 부분 단면 측면도이다;
도 5는 본 발명의 유체 제어 모듈의 또 다른 실시예의 부분 단면 측면도이다;
도 6은 본 발명의 유체 제어 모듈의 또 다른 실시예의 부분 단면 측면도이다;
도 7은 단일 압력 센서를 가진 본 발명의 유체 제어 모듈의 또 다른 실시예의 부분 단면 측면도이다;
도 8은 단일 압력 센서를 가진 본 발명의 유체 제어 모듈의 또 다른 실시예의 부분 단면 측면도이며;
도 9는 제어기가 본 발명의 유체 제어 모듈을 제어하도록 실행하는 순서를 보이는 플로차트이다.
본 발명은 화학적 불활성 유체 제어장치에 광범하게 적용할 수 있는 개량부를 제공한다. 여기에 열거된 실시예들은 발명의 개량부들이 포함되는 것들의 대표적인 또는 예시적인 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 우선 도 1을 참조하면, 유체 제어 모듈은 참조번호 10으로 나타내었다. 유체 제어 모듈(10)은 하우징 보디(12)와 하우징 커버(14)로 이루어지는 장방형 하우징, 설치 판(16), 압력 입구/출구 피팅(18)들, 압력 변환기(20)들 및 제어 밸브(22)를 포함하고 있다. 하우징 보디(12)와 하우징 커버(14)는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 따위의 화학적 불활성의, 비오염의 폴리머로 제조되는 것이 바람직하다. 커버(14)는 적당한 스크루들로 하우징 보디(12)에 커버(14)를 설치하도록 커버를 통하여 연장하는 구멍(24)들을 가지고 있다. 기지의 적당한 구성으로 된 개스킷(26)이, 커버(14)가 하우징 보디(12)에 밀봉되게 하기 위하여, 커버와 하우징 보디 사이에 배치돼 있다. 의도된 어떤 제한도 없는, W.L.Gore & Assoc., Inc.,에 의해 GOR-TEX 상표로 판매되는, 다층 직물로 제조된 개스킷 또는 실(seal)은 하우징 보디(12)의 내부구역에 대해 대기압 기준으로 가스배출(venting)을 허용하는 한편 하우징 보디(12)의 내부구역으로의 액체의 흐름을 제한한다.
긴 통로 형태의 관(28)이 하우징 보디(12)를 통해 연장하여 도관을 형성하고 있다. 따라서 유체 제어 모듈(10)이 압력 피팅(18)들을 통해 유체 흐름 회로와 직렬로 접속되는 경우, 관(28)은 유체 흐름 회로 내의 유체 흐름 경로로서 작용한다. 유체 흐름 회로 내의 유체 제어 모듈(10)의 방향은 그 효과에 영향을 미침이 없이 역전될 수 있다. 수축부(constriction)(30)가 두 압력 센서(20) 사이의 관(28)에 형성되어 유체 흐름이 오리피스, 즉 수축부(30)를 통과하는 때에 압력강하를 창출하게 된다.
우선의 실시예에 있어서, 원통형 캐비티(32)들은 하우징 보디(12)의 외표면으로부터 관(28)으로 연장하고 있다. 기술에 숙련한 이들은 캐비티(32)들이 하우징 보디의 다른 측벽들로부터 하우징 보디 내로 연장할 수도 있다는 것을 알 것이다. 두 캐비티(32)들은 분할벽(34)에 의하여 소정의 거리로 격리되어 있다. 각 캐비티(32)들과 관(28)이 교차하는 하우징 보디 내의 지역 근방에 환상의 립(36)이 형성돼 있다. 각 립(36)은 캐비티를 에워싸고 있으며 관(28)으로부터 캐비티(32)로의 구멍을 형성하고 있다. 가요성의 폴리머 박막(38)이 각 캐버티(32)의 립(36)에 위치된다. 막은 0.001과 0.040인치 사이의 범위의 두께를 가지도록 구성돼 있다. 바람직하게, 가요성 막(38)은 플루오로카본 폴리머로 제조되어 있다. 상기 테트라플루오로에틸렌 폴리머와 같은 폴리머는 E.I. duPont Nemours에 의해 TEFLON 상표로 판매되고 있다. 또는, 가요성 막(38)이 하우징 보디(12)과 일체로 성형되어 캐비티(32)와 관(28)을 격리하는 얇은 벽을 형성하게 된다.
각 압력 변환기(20)는 스페이서 링(48)과 외부로 나사낸 홀드 다운 링(50)에 의하여 각 캐비티(32)들 내에 위치고정되어 있다. 격리막(38)들과 변환기(20)들은 화학적 불활성 O링 실(52)들에 의해 하우징 보디(12) 내에 밀봉돼 있다. O링(54)을 위치시킴에 의하여 중복하여 밀봉된다. 실(52 및 54)들은 기술에 숙련한 이들에게 쉽사리 사용가능하며 기지의 구성의 것이다.
드레인(40)이 중복의 실(52 및 54)들 사이의 각 캐비티(32)로 하우징 보디(12)를 통해 연장하게 형성되어, 중복의 실들 사이의 구역에서 배수하게 된다. 이런 식으로, 드레인은 유체 흐름 회로로부터 실(52)을 지나 유체가 누설하는 경우의 배수, 통로 또는 출구로서 작용한다. 센서(42)는 드레인(40) 내에 배치되어 집적회로 또는 제어기(46)에 (도시하지 않은 리드들에 의해) 전기적으로 접속돼 있다. 도전성 센서, 용량성 센서, 또는 비전기식 광섬유 센서가 드레인(40)의 유체의 존재를 감지하는 데 마찬가지로 사용된다는 것을 기술에 숙련한 이들은 알 것이다. 유체가 제 1의 실을 통해 누설하는 경우, 유체는 센서를 작동시키어 집적회로 또는 제어기(46)에 신호를 보내고, 집적회로는 누설 표시기를 작동시킨다. 중복 밀봉 배열은 압력 변환기(20)와 제어기(46)가 부식성 유체의 잠재적인 손상효과에 노출되는 것을 방지한다. 중복 실은 또한 유체 흐름을 더욱 격리하여 유체의 잠재적 오염을 감소시킨다.
압력 센서(20)는 당업계에 알려진 용량형 또는 압전형(piezoresistive type)이다. 압력 센서의 저부는 막(38)과 직접 접촉하고 있으며 막과 압력 접촉하거나 접착, 열용접 또는 다른 기지의 적당한 고착에 의하여 접촉되어도 좋다. 또 다른 실시예에 있어서는 알루미나 세라믹 압력 센서가 사용되는 데, 알루미나 세라믹 압력 센서는 보다 두껍고, 유연한 세라믹 시트 사이에 샌드위치된 절연 스페이서 링을 갖는 얇고, 유연한 세라믹 시트로 이루어져 있다. 제 1의 얇은 세라믹 시트 또는 다이어프램은 두께가 대략 0.005 내지 0.050인치이며 0.020인치의 두께가 전형적이다. 보다 두꺼운 세라믹 시트는 0.100 내지 0.400인치 사이의 범위의 두께이다. 스페이서 링은 유리, 폴리머 따위의 적당한 재료로 구성될 수 있으며 세라믹 시트들은 함께 납땜될(brazed) 수도 있다. 세라믹 디스크들의 반대면들은 금, 니켈 또는 크롬 따위의 금속들로 입히어 축전지 판들을 창출하게 된다. 유사한 용량성 압력 변환기가 벨등의 미국특허 4,177,496('496 특허)에 개시돼 있다. '496특허에 개시된 것과 유사한 다른 용량성 압력 변환기들이 사용가능하며 당업계에 알려져 있다. 만약 사용한 압력 센서가 사파이어 용량성 압력 변환기이면 가요성 막(38)은 배제될 수 있다고 생각된다. 사파이어 용량성 또는 사파이어 압전 형 변환기는 불활성이며, 부식성 유체에 노출되었을 때 내마모적이다. 유체 흐름과 직접 교통하는 사파이어 센서를 사용하면 각 변환기의 압력 측정을 더욱 향상할 수 있다.
제어기(46)는 전용상태의 장치 또는 코드가 있는 마이크로프로세서를 포함하는 수종의 형태들 중의 어떤 것일 수도 있으며, 제어기에 의해 실행될 프로그램을 저장하기 위한 메모리(ROM) 및 제어기에 의해 계산을 실시함에 사용되는 셈수(operands)를 저장하기 위한 기억장치(RAM)를 포함할 수도 있다. 제어기(46)는 전원에 전기적으로 결합돼 있으며, 압력의 감지와 제어 밸브의 작동을 제어하기 위한 전기회로를 조작하여 흐름, 압력 및/또는 용적을 제어할 수 있다.
제어기(46)를 이용하여 두 개의 압력 변환기로부터의 압력 판독(pressure readings) 또는 하류측 압력 변환기의 압력 판독을 흐름의 아날로그 또는 디지털 표시로 변환한다. 상류측 변환기로부터의 원 아날로그 신호(raw analog signal)는 입력단자에 공급되며, 마찬가지로 하류측 변환기로부터의 원 아날로그 변환기 출력 신호도 입력단자에 공급된다. 제어기(46)는 상류와 하류측 변환기에 의해 얻어지고 있는 순간의 압력차를 계산하여 필요한 영점 조정과 크기 조정(scaling)을 실행한다.
정상상태의 흐름에 있어서, 흐름 속도는 어떤 점에서도 같다고 알려져 있다. 흐름 속도(I)는 Im=ρｖA 로 표현될 수가 있다. ρ는 유체의 비중이고, ｖ는 유체의 속도이며, A는 유체가 통과하는 면적이다. 연속 방정식 A 1 v 1 =A 2 v 2 를 이용하면, 유체 제어 모듈(10) 내의 유체의 속도는
Figure 112007021754011-pct00001
로 곱한 상수와 같음을 알게 된다. 제어기(46)는 따라서 두 압력 센서들로부터 수신한 데이터로부터 흐름의 압력과 속도를 계산한다. 기술에 숙련한 이들은 층류인 경우 흐름의 속도는 P1-P2 를 곱한 상수와 더욱 근접하게 된다는 것을 알게 될 것이다. 그러므로 저흐름 한계가 장치 내에 수립될 수도 있어, "레이놀즈 수"가 일정한 역치 아래에 있으면, 유량계는 흐름 속도를 제로로 확인한다. 제어기(46)는 이때 계산된 흐름의 속도를 현존 제어장치에 이용하기 위해 4mA로부터 20mA의 범위에 떨어지는 디지털 신호나 아날로그 신호로 변환한다.
유체가 흐름 회로를 통해 흐를 때, 두 캐비티들의 각각에 인접한 압력은 제어기(46)에 의해 탐지되며, 흐름의 속도는 두 탐지된 압력으로부터 계산된다. 게이지 압력 또는 절대 압력이 사용될 수 있다. 기술에 숙련한 이들은 최소의 출력치는 최소의 압력과 관련되며 최대의 출력치는 최대의 압력과 관련되도록 흐름 속도가 교정될 수 있다는 것을 알 것이다. 예를 들면, 0 내지 100psig(평방 인치당 게이지 파운드)를 측정할 의도의 압력 센서는 0 psig에서 4mA와 100 psig에서 20mA에 해당하도록 보정될 수가 있다.
관(28)은 제어 밸브(22)와 상호접속되고, 밸브 시트(60)는 유체 관 내에 형성돼 있다. 겹 다이어프램(62)은 앞뒤로 작동되며, 다이어프램이 밸브 시트(60)와의 교합(engagement)상태로 작동되는 경우, 밸브 시트를 지나는 유체 흐름은 종결된다. 또는, 단일 다이어프램(64)이 밸브 시트(60)를 유체의 흐름을 제어하는 데 활용될 수 있다(도 2 참조). 기술에 숙련한 이들은, 중복 다이어프램(62)이 대기압의 변화에 의하여 영향받지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 다이어프램(62)을 작동하는 데 사용되는, 도 1에 보인 드라이버(66)는 전동모터 형이다. 기술에 숙련한 이들은 개 및 폐 위치 사이의 밸브의 작동은 수종의 기계식 전기식 또는 공기식 드라이버의 기지의 적당한 구성의 어느 것으로도 달성된다는 것을 알 것이다. 더구나, 흐름을 열고 닫는 기구는 예를 들어 다이어프램, 포펫, 위어 밸브, 또는 다이어프램과 밸브 시트를 가진 핀치 밸브로 이루어질 수 있다.
도 3은 공기식 드라이버(66)의 또 다른 실시예를 예시하고 있다. 피스톤(68)이 밀봉 체임버(70) 내에 밀봉돼 있어, 압축 스프링(72)의 기계적 힘은 피스톤(68)을 하향 또는 처음의 방향으로 강제하며, 가압 에어 라인(74)이 피스톤의 하단(76)의 압력을 증대시키어 피스톤(68)을 상향으로 밀게 되어 스프링(72)을 압축한다. 이런 식으로, 체임버(70) 내의 에어 압력은 제어된 양을 증대 또는 감소시키어 피스톤(68), 따라서 피스톤(68)에 부착된 다어어프램(64)을 열리고 닫히는 위치 간을 작동시키게 된다. 다이어프램(64)의 하단이 이로부터 연장하는 원추형 부재(78)를 포함할 수도 있으며, 이는 밸브 시트(60)와 다이어프램(64) 사이의 밀봉을 증진시킨다(도 4 참조). 또한, 피스톤(68)으로부터 연장하는 밸브 스템(80)이 에어 체임버(70)를 밀폐하는 실(84)을 가진 구멍(82)을 통해 체임버 벽을 관통하여 연장하고 있어서 구멍(82) 내의 밸브 스템(80)의 전후 운동에 대비하도록 할 수 있다(도 5 참조). 밸브 스템(80)의 하단(86)은 닫힌 위치에 있는 경우, 밸브 시트(60)와 직접 밀봉한다. 하단(86)은, 닫힌 위치에 있는 경우 밸브 스템(80)과 밸브 시트(86) 사이의 밀봉을 더욱 향상시키도록 테이퍼져 있다(도 6 참조).
도 7 및 8을 참조하면, 유체 제어 모듈(10)의 또 다른 실시예를 도시하며, 유체 흐름 회로 내의 흐름 속도를 산정하기 위한 단일의 압력 센서를 가지고 있다. 도 7에 보인 제어 밸브(22)는 전술한 바와 같이 공기작용으로 구동된다. 도 8에 보인 제어 밸브(22)는 전술한 바와 같이 모터(66)에 의해 작동된다. 도 7 및 8에 보인 형식의 유체 제어 모듈로 흐름 속도를 산정하는 경우, 수축부(30)는 압력 센서(20)와 제어 밸브(22)의 하류측에 있어야 하며, 유체 제어 모듈(10)의 출력단(90)은 그 안의 압력이 대기압(기지의 상수)인 도관, 배관, 공간, 또는 다른 통로에 접속돼 있어야 한다. 이런 식으로 흐름의 속도는 위에 설명된 바와 같이 산정되며, 수축부의 하류측의 압력(P)은 상수이다. 더하여, 기지의 길이와 직경의 배관이 유체 제어 모듈(10)의 출력단(90)에 접속될 수 있으며, 이렇게 하여 출력단(90)에 있어서의 압력과 배관 내의 압력 간의 압력차는 상수이다. 사용에 있어, 배관은 유체로 채워지고 다음에는 제어 밸브(22)는 닫힌다. 다음에는 압력 센서가 보정되어 제로 압력을 가리키게 된다. 제어 밸브가 열리면, 그때 압력 센서는 압력의 변화를 지시하게 된다.
본 발명의 구조상의 특징을 설명하였으므로, 다음은 작동방식을 도 9를 사용하여 설명한다. 제어기(46)는 자동적으로 또는 사용자가 작동시키는 경우 압력 센서(20)들과 제어 밸브(22)를 보정한다(블록 100 참조). 보정과정 중, 제어기는 밸브 위치, 흐름 속도 및 소정의 설정점에 대한 내외 압력에 상응하는 메모리 값 등을 설정하여 저장한다. 일단 밸브 위치, 흐름 및 압력이 원하는 설정점으로 설정되면, 제어기는 소정의 흐름 압력이나 외부 프로세스의 요구를 토대로 하여 밸브 위치를 자동적으로 설정한다. 또는, 사용자가 설정점을 선택하면 제어기는 측정된 압력과 흐름 속도를 토대로 밸브 위치를 조정할 수도 있다(블록 102 참조). 다음에 제어기는 압력을 제어하기를 원하는지 어떤지를 결정한다(결정 블록 104 참조). 압력이 제어되게 되면, 제어기는 압력 및/또는 흐름 속도를 감시하여 제어된 양으로 압력을 유지하도록 밸브를 조정한다(블록 106 참조), 만약 압력을 제어하는 것이 필요치 않으면, 다음에 제어기는 흐름을 제어하기를 원하는지 어떤지를 결정한다(결정 블록 108 참조). 흐름이 제어되게 되면, 제어기는 압력 및/또는 흐름을 감시하여 제한된 양의 흐름 속도를 유지하도록 밸브를 조정한다(블록 110 참조).
제어는 제어 밸브의 매크로 및 마이크로 조정을 포함하고, 제어기는 설정점에 대한 흐름 속도, 압력, 온도 및 밸브 위치와 관련된 값을 저장한다. 예를 들면, 흐름이 제어되는 경우, 제어기는 대략적으로 밸브를 원하는 흐름이 되도록 앞서 측정된 압력, 온도 및 밸브 위치로 접근하게 조정한다(매크로 조정). 따라서 흐름 속도는 신속하게 접근되며, 다음으로 제어는 흐름의 더 정확한 제어를 얻기위해 밸브 위치에 대한 미세 조정을 할 수도 있다(블록 112 참조). 만약 용적이 제어되게 되면(결정 블록 114 참조), 그때는 흐름 속도와 압력이 감시되어 밸브가 유체의 제어된 용적이 제어 밸브(22)를 지나 통과를 허용하기에 충분한 시간동안 열린다(블록 116 참조). 만약 압력, 흐름 또는 용적의 어느 쪽도 제어되지 않게 되면 그때 제어기는 입력 수신을 기다린다(루프 118 및 블록 102 참조).
유체 처리 중, 제어기(46)는 제어 밸브(22)가 닫히는 경우 자동적으로 다시 영점화 하거나 압력 센서들을 보정한다(블록 120 참조). 또는, 열린 위치나 닫힌 위치로 작동가능한 제 2의 전용 밸브가 마련될 수도 있다. 제어기는 제 2의 전용 밸브가 닫힌 상태에 있는 경우 압력 센서들을 다시 영점화하도록 프로그램될 수도 있다. 처리 중, 흐름 도관 내의 압력은 중대한 변화를 받게 되어서 흐름 속도를, 예를 들어, 일정하게 유지하도록 밸브 위치의 변화를 필요로 한다(블록 122 참조). 제어기(46)는 다음의 입력 수신을 기다린다(루프 124 및 블록 102 참조).
따라서, 본 발명의 제어 모듈은 추가의 구성요소와, 개별 압력 센서들 및 개별 제어 밸브들을 상호 접속시키는 결점을 배제한다.

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  13. 프로세스 유체를 운반하는 유체 흐름 회로와 접속되도록 된 화학적 불활성의 유체 제어 모듈로서,
    이 모듈이 :
    프로세스 유체가 유체 제어 모듈을 통과하도록 하는 화학적 불활성의 유체 관(28)을 갖는, 하우징 보디(12)와 하우징 커버(14)로 된 화학적 불활성의 하우징;
    하우징 내에 위치되며 유체 관(28)에 유체가 흐르도록 결합하는 제어 밸브로서, 프로세스 유체에 노출되는 제어 밸브 부분이 화학적 불활성인 제어 밸브(22);
    하우징 내에 위치되며 유체 관(28)에 유체가 흐르도록 결합하는 압력 변환기로서, 프로세스 유체에 노출되는 압력 변환기 부분이 화학적 불활성인 제1 압력 센서(20); 및
    유체 제어 모듈을 지나 전달되는 모든 프로세스 유체들이 통과하도록 유체 관(28) 내에 배치되되 단면적이 감소되어 있어서 관(28) 내의 유체의 흐름을 제한하는 수축부(30);로 이루어지며,
    상기 제어 밸브(22)는 선택된 유체 압력, 유체 흐름 속도, 또는 유체 용적을 원하는 값으로 설정하도록 제어가능하며, 제1 압력 센서(20)에 의해 감지된 압력에 응답하도록 되어 있으며,
    유체 관에 결합하는 제 2의 압력 센서(20)를 더 포함하되, 상기 수축부(30)가 상기 제 1 및 제 2 압력 센서(20)의 사이에 배치돼 있으며,
    상기 제어 밸브(22)에 그리고 상기 제 1 및 제 2의 압력 센서(20)들에 결합된 제어기(46)를 더 포함하며,
    상기 제어기(46)는 상기 유체 관(28) 내의 흐름이 정지하는 경우 상기 제 1 및 제2 압력 센서(20)들을 영점화 시키는 유체 제어 모듈.
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  16. 프로세스 유체를 운반하는 유체 흐름 회로와 접속되도록 된 화학적 불활성의 유체 제어 모듈로서,
    이 모듈이 :
    프로세스 유체가 유체 제어 모듈을 통과하도록 하는 화학적 불활성의 유체 관(28)을 갖는, 하우징 보디(12)와 하우징 커버(14)로 된 화학적 불활성의 하우징;
    하우징 내에 위치되며 유체 관(28)에 유체가 흐르도록 결합하는 제어 밸브로서, 프로세스 유체에 노출되는 제어 밸브 부분이 화학적 불활성인 제어 밸브(22);
    하우징 내에 위치되며 유체 관(28)에 유체가 흐르도록 결합하는 압력 변환기로서, 프로세스 유체에 노출되는 압력 변환기 부분이 화학적 불활성인 제1 압력 센서(20); 및
    유체 제어 모듈을 지나 전달되는 모든 프로세스 유체들이 통과하도록 유체 관(28) 내에 배치되되 단면적이 감소되어 있어서 관(28) 내의 유체의 흐름을 제한하는 수축부(30);로 이루어지며,
    상기 제어 밸브(22)는 선택된 유체 압력, 유체 흐름 속도, 또는 유체 용적을 원하는 값으로 설정하도록 제어가능하며, 제1 압력 센서(20)에 의해 감지된 압력에 응답하도록 되어 있으며,
    유체 관에 결합하는 제 2의 압력 센서(20)를 더 포함하되, 상기 수축부(30)가 상기 제 1 및 제 2 압력 센서(20)의 사이에 배치돼 있으며,
    상기 제어 밸브(22)에 그리고 상기 제 1 및 제 2의 압력 센서(20)들에 결합된 제어기(46)를 더 포함하며,
    상기 제어기(46)는 유체 관(28) 내의 흐름 속도를 산정하며,
    상기 제어기(46)는 흐름의 속도가 제로인 경우 존재하는 압력차를 보정하도록 신호를 조정하는 유체 제어 모듈.
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  18. 프로세스 유체를 운반하는 유체 흐름 회로와 접속되도록 된 화학적 불활성의 유체 제어 모듈로서,
    이 모듈이 :
    프로세스 유체가 유체 제어 모듈을 통과하도록 하는 화학적 불활성의 유체 관(28)을 갖는, 하우징 보디(12)와 하우징 커버(14)로 된 화학적 불활성의 하우징;
    하우징 내에 위치되며 유체 관(28)에 유체가 흐르도록 결합하는 제어 밸브로서, 프로세스 유체에 노출되는 제어 밸브 부분이 화학적 불활성인 제어 밸브(22);
    하우징 내에 위치되며 유체 관(28)에 유체가 흐르도록 결합하는 압력 변환기로서, 프로세스 유체에 노출되는 압력 변환기 부분이 화학적 불활성인 제1 압력 센서(20); 및
    유체 제어 모듈을 지나 전달되는 모든 프로세스 유체들이 통과하도록 유체 관(28) 내에 배치되되 단면적이 감소되어 있어서 관(28) 내의 유체의 흐름을 제한하는 수축부(30);로 이루어지며,
    상기 제어 밸브(22)는 선택된 유체 압력, 유체 흐름 속도, 또는 유체 용적을 원하는 값으로 설정하도록 제어가능하며, 제1 압력 센서(20)에 의해 감지된 압력에 응답하도록 되어 있으며,
    상기 제어 밸브(22)와 상기 압력 센서(20)에 결합된 제어기(46)를 더 포함하며
    상기 제어기(46)는 흐름의 속도가 제로인 경우 존재하는 압력차를 보정하도록 신호를 조정하는 유체 제어 모듈.
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  30. 유체 흐름 회로 내에 접속되도록 된 화학적 불활성의 유체 제어 모듈로서,
    이 모듈이:
    하우징을 관통하여 연장되는 유체 관(28)을 갖는, 하우징 보디(12)와 하우징 커버(14)로 된 화학적 불활성의 하우징으로서, 상기 관(28)은 이 관(28) 내에 배치되고 관(28)을 지나는 모든 유체들이 통과하는 수축부(30)를 가지며, 상기 수축부(30)는 단면적이 감소되어 있어서 관(28) 내의 흐름을 제한하도록 된 하우징;
    유체 관(28) 내의 압력을 감지하되, 유체에 노출되는 부분이 화학적으로 불활성인 압력 감지 수단(20); 및
    상기 유체 관(28) 내에 밸브(22)가 배치되며 이 밸브의 개방 치수를 제어하는 수단(62)으로서, 상기 밸브(22)는 선택된 유체 압력, 유체 흐름 속도, 또는 유체 용적을 설정하도록 제어할 수 있고 감지 수단(20)에 의해 감지된 압력에 응답하며, 유체에 노출되는 제어 수단 부분이 화학적으로 불활성인 제어 수단(62);을 구비하며,
    상기 감지수단(20)과 상기 제어 수단(62)은 상기 하우징 내에 일체적으로 포함되어 있으며,
    상기 감지 수단은 관(28)에 결합된 제 1 및 제 2의 압력 센서(20)들이고, 상기 수축부(30)는 상기 제 1 및 제 2의 압력 센서(20)들 사이에 배치되며,
    상기 제어하는 수단(62)과 상기 감지하는 수단(20)에 결합된 제어기(46)를 더 포함하며,
    상기 제어기(46)는 유체 관(28) 내의 흐름이 정지하는 경우 상기 감지하는 수단(20)을 재설정하는 유체 제어 모듈.
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  33. 유체 흐름 회로 내에 접속되도록 된 화학적 불활성의 유체 제어 모듈로서,
    이 모듈이:
    하우징을 관통하여 연장되는 유체 관(28)을 갖는, 하우징 보디(12)와 하우징 커버(14)로 된 화학적 불활성의 하우징으로서, 상기 관(28)은 이 관(28) 내에 배치되고 관(28)을 지나는 모든 유체들이 통과하는 수축부(30)를 가지며, 상기 수축부(30)는 단면적이 감소되어 있어서 관(28) 내의 흐름을 제한하도록 된 하우징;
    유체 관(28) 내의 압력을 감지하되, 유체에 노출되는 부분이 화학적으로 불활성인 압력 감지 수단(20); 및
    상기 유체 관(28) 내에 밸브(22)가 배치되며 이 밸브의 개방 치수를 제어하는 수단(62)으로서, 상기 밸브(22)는 선택된 유체 압력, 유체 흐름 속도, 또는 유체 용적을 설정하도록 제어할 수 있고 감지 수단(20)에 의해 감지된 압력에 응답하며, 유체에 노출되는 제어 수단 부분이 화학적으로 불활성인 제어 수단(62);을 구비하며,
    상기 감지수단(20)과 상기 제어 수단(62)은 상기 하우징 내에 일체적으로 포함되어 있으며,
    상기 감지 수단은 관(28)에 결합된 제 1 및 제 2의 압력 센서(20)들이고, 상기 수축부(30)는 상기 제 1 및 제 2의 압력 센서(20)들 사이에 배치되며,
    상기 제어하는 수단(62)과 상기 감지하는 수단(20)에 결합된 제어기(46)를 더 포함하며,
    상기 제어기(46)는 흐름의 속도가 제로인 경우 존재하는 압력차를 보정하도록 신호를 조정하는 유체 제어 모듈.
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  44. 유체 흐름 회로와 접속되도록 된 화학적 불활성의 유체 제어 모듈로서,
    이 모듈이:
    프로세스 유체가 유체 제어 모듈을 통과하도록 하우징을 관통하여 연장되는 유체 관(28)을 갖는, 하우징 보디(12)와 하우징 커버(14)로 된 화학적 불활성의 하우징;
    하우징 내에 위치되며 유체 관(28) 내에 유체가 흐르도록 연결되는 제어 밸브로(22)서, 이 밸브(22)는 선택된 유체 압력, 유체 흐름 속도, 또는 유체 용적을 원하는 값으로 설정하도록 제어가능하고 유체 관(28) 내의 감지된 압력에 응답하며, 유체에 노출된 제어 밸브 부분이 화학적 불활성인 제어 밸브(22);
    하우징 내에 위치하며 관(28)과 제어 밸브(22)에 유체가 흐르도록 연결되는 제1 압력센서로서, 유체에 노출되는 압력 센서 부분이 화학적 불활성인 제1의 압력 센서(20);
    하우징 내에 위치하며 관(28)과 제어 밸브(22)에 유체가 흐르도록 연결되는 제2 압력센서로서, 유체에 노출되는 압력 센서 부분이 화학적 불활성인 제2의 압력 센서(20); 및
    유체 제어 모듈을 통과하는 모든 프로세스 유체가 통과하도록 상기 제 1 및 제 2의 압력 센서(20) 사이의 상기 관(28) 내에 배치되는 수축부로서, 이 수축부(30)는 단면적이 감소되어 있어서 관(28) 내의 유체의 흐름을 제한하며, 제 1 및 제 2의 압력 센서(20)들이 수축부의 각 측부의 관(28) 내의 압력을 감지하도록 된 수축부(30);로 이루어지며,
    상기 제어 밸브(22)와 상기 압력 센서(20)에 결합되는 제어기(46)를 더 포함하며,
    상기 제어기(46)는 관(28) 내의 흐름이 정지하는 경우 상기 제 1 및 제 2의 압력 센서(20)들을 재설정하는 유체 제어 모듈.
  45. 유체 흐름 회로와 접속되도록 된 화학적 불활성의 유체 제어 모듈로서,
    이 모듈이:
    프로세스 유체가 유체 제어 모듈을 통과하도록 하우징을 관통하여 연장되는 유체 관(28)을 갖는, 하우징 보디(12)와 하우징 커버(14)로 된 화학적 불활성의 하우징;
    하우징 내에 위치되며 유체 관(28) 내에 유체가 흐르도록 연결되는 제어 밸브로(22)서, 이 밸브(22)는 선택된 유체 압력, 유체 흐름 속도, 또는 유체 용적을 원하는 값으로 설정하도록 제어가능하고 유체 관(28) 내의 감지된 압력에 응답하며, 유체에 노출된 제어 밸브 부분이 화학적 불활성인 제어 밸브(22);
    하우징 내에 위치하며 관(28)과 제어 밸브(22)에 유체가 흐르도록 연결되는 제1 압력센서로서, 유체에 노출되는 압력 센서 부분이 화학적 불활성인 제1의 압력 센서(20);
    하우징 내에 위치하며 관(28)과 제어 밸브(22)에 유체가 흐르도록 연결되는 제2 압력센서로서, 유체에 노출되는 압력 센서 부분이 화학적 불활성인 제2의 압력 센서(20); 및
    유체 제어 모듈을 통과하는 모든 프로세스 유체가 통과하도록 상기 제 1 및 제 2의 압력 센서(20) 사이의 상기 관(28) 내에 배치되는 수축부로서, 이 수축부(30)는 단면적이 감소되어 있어서 관(28) 내의 유체의 흐름을 제한하며, 제 1 및 제 2의 압력 센서(20)들이 수축부의 각 측부의 관(28) 내의 압력을 감지하도록 된 수축부(30);로 이루어지며,
    상기 제어 밸브(22)와 상기 압력 센서(20)에 결합되는 제어기(46)를 더 포함하며,
    상기 제어기(46)는 흐름의 속도가 제로인 경우 존재하는 압력차를 보정하도록 신호를 조정하는 유체 제어 모듈.
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