KR20000057204A

KR20000057204A - 유체제어밸브 및 유체공급·배기시스템

Info

Publication number: KR20000057204A
Application number: KR1019990704536A
Authority: KR
Inventors: 타다히로 오오미; 미가쿠 다카하시; 미찌오 야마지; 타케시 타니가와; 노부카즈 이케다; 료스케 도이; 코오지 니시노; 나오후미 야스모토; 히로유끼 후쿠다; 토미오 우노; 야스유끼 야나이
Original assignee: 오가와 슈우헤이; 가부시키가이샤 후지킨; 토오호쿠 토쿠슈코오 가부시끼가이샤; 오미 다다히로; 다카하시 미가쿠
Priority date: 1996-12-01
Filing date: 1997-12-01
Publication date: 2000-09-15
Also published as: EP1486711A2; ATE292766T1; TW506498U; DE69737377D1; US6394415B1; EP0942214A1; ATE354048T1; WO1998025062A1; EP1486711A3; JP3845454B2; IL129792A; DE69735280D1; ATE318384T1; TW479773U; US6193212B1; EP1666780A1; DE69735280T2; DE69737841D1; EP1486711B1; DE69732976D1

Abstract

본 발명은 압력이 10㎏/㎠ 정도인 유체를 제어할 수 있으며, 밸브의 응답시간이 수 msec대로 밸브의 소형화도 꾀할 수 있을 뿐 아니라, 복수개의 밸브로 구축된 경우 가스의 역류가 적은 유체제어밸브 및 유체공급·배기시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 유체제어밸브는, 구동부를 이용하여 밸브시트와 밸브시트홀더 사이를 개폐시킴으로써 밸브몸체 속을 이동하는 유체를 제어하는 유체제어밸브에 있어서, 상기 구동부는 상기 밸브시트홀더 및 밸브봉을 사이에 두고 압력을 가하는 봉모양의 축과, 상기 봉모양의 축 주위에 고정된 부재a 로 구성되며, 상기 부재a 는 자성체 재료로서 상기 축과의 사이에 공간부를 가지며, 상기 축과 평행한 위치에 설치한 코일이 전자유도에 의해 상기 부재a 를 상하운동시킴과 동시에 스프링의 힘도 이용함으로써 밸브시트와 밸브시트홀더 사이를 개폐시키는 것을 특징으로 한다.

Description

유체제어밸브 및 유체공급·배기시스템{FLUID CONTROL VALVE AND FLUID SUPPLY/EXHAUST SYSTEM}

종래에는 구동부를 이용하여 밸브시트와 밸브시트홀더 사이를 개폐시킴으로써 밸브몸체 속을 이동하는 유체를 제어하는 유체제어밸브로, 예를들면 밸브시트홀더가 다이어프램과 다이어프램홀더로 구성된 다음과 같은 방식을 들 수 있다.

(1) 수동으로 조작하는 회전기구부를 가지며, 이 회전기구부의 회전운동을 이용하여 밸브봉을 상하운동시켜 밸브시트와 다이어프램 사이를 개폐시키는 방식(이후, 본 방식의 유체제어밸브를 수동밸브라 한다:도시하지 않음).

(2) 기체의 충전·방출기구를 가지며, 이 기체압력차를 이용하여 밸브봉을 상하운동시켜 밸브시트와 다이어프램 사이를 개폐시키는 방식(이후, 본 방식의 유체제어밸브를 공압(空壓)밸브라 한다:도 4).

(3) 코일이 전자유도되는 기구를 가지며, 이 기구를 이용하여 철심과 플런저 (plunger)가 분리설치되고, 그에 따라 플런저에 고정되어 있는 버블(bubble)디스크를 상하운동시켜 버블디스크와 밸브시트 사이를 개폐시키는 방식(이후, 본 방식의 유체제어밸브를 전자밸브라 한다:도 5).

다음으로 자동밸브라 불리는 공압밸브 및 전자밸브에 있어서의 밸브 개폐동작에 관하여 설명한다.

도 4는 밸브의 개폐상태가 노멀클로즈(normal close)형인 공압밸브의 모식적인 단면도로, 밸브가 닫혀있는 상태를 나타내고 있다. 밸브의 개폐동작은 다음과 같다.

(폐→개동작)

계장(計裝)용 가스전환용 스위치(도시하지 않음)에 의해 계장용 가스입구 (401)에 계장용 가스가 충전됨으로써 액츄에이터(actuator)(402)가 밀려올라감과 동시에 액츄에이터(402)에 고정되어 있는 밸브봉(403)이 밀려올라가기 때문에, 밸브봉(403)으로 누르고 있던 다이어프램(404)과 밸브시트(405)가 분리되어 유체가 유체입구(406)에서 유체출구(407)로 흐르게 된다.

(개→폐동작)

계장용 가스전환용 스위치(도시하지 않음)에 의해 계장용 가스입구(401)에 계장용 가스가 충전되지 않음으로써 액츄에이터(402)와 액츄에이터(402)에 고정되어 있는 밸브봉(403)이 스프링(408)의 힘에 의해 밀려내려가기 때문에 밸브봉(403)에 의해 다이어프램(404)이 눌려 다이어프램(404)과 밸브시트(405)가 접촉하게 되므로, 유체입구(406)에서 유체출구(407)로 흘러가는 유체의 흐름이 멈추게 된다.

도 5는 밸브의 개폐상태가 노멀클로즈형인 전자밸브의 모식적인 단면도로, 밸브가 닫혀있는 상태를 나타내고 있다. 밸브의 개폐동작은 다음과 같다.

(폐→개동작)

단자(501)로부터 전기가 입력되어 코일(502)에 전기가 흐르게 됨으로써 코일(502)이 전자유도되어 케이스에 고정된 철심(503)과 플런저(504)가 접촉되며, 그에 따라 플런저(504)에 고정되어 있는 버블디스크(505)가 밀려올라가기 때문에 버블디스크(505)와 밸브시트(506)가 분리되어 유체가 유체입구(507)에서 유체출구 (508)로 흐르게 된다.

(개→폐동작)

코일(502)로 전기가 통하는 것을 차단함으로써 코일(502)의 자계가 소멸되어 철심(503)에 접촉하고 있던 플런저(504)가 분리되며, 그에 따라 플런저(504)에 고정되어 있는 버블디스크(505)가 스프링(509)의 힘에 의해 밀려내려가기 때문에 버블디스크(505)와 밸브시트(506)가 접촉하게 되어, 유체입구(507)에서 유체출구 (508)로 유체가 흘러가는 유체의 흐름이 멈추게 된다.

그렇지만, 본 발명자는 이들 밸브가 그 응답시간(밸브가 폐 상태에서 개 상태로 되는데 필요한 시간)에 있어서 다음과 같은 문제점이 있다는 사실을 발견하였다.

① 수동밸브의 경우는, 손잡이를 돌리는 시간이 바로 응답시간이 되므로 조작하는 사람에 따라 개인차가 생기게 되는데, 예를들면 100msec 이하로 안정되게 밸브를 개폐조작하는 것은 매우 어려우며, 조작하는 밸브의 수가 늘어날 수록 시간을 필요로 할 뿐 아니라, 조작하는 순서를 틀려서 역류하는 상황이 벌어지는 등의 문제가 있다.

② 자동밸브라고도 불리는 공압밸브는 기밀성이 높은 구조를 가지며, 유체압력이 10㎏/㎠ 이하에서는 용이하게 제어할 수 있다는 특징을 갖는다. 그렇지만, 공압밸브는 구동부로의 기체충전 및 방출에 필요한 시간이 응답시간의 90%정도를 차지하기 때문에, 밸브의 개폐동작이 수십 msec으로 느리며, 또한 기체를 공급하는 계장튜브의 길이 혹은 공급하는 기체의 압력에 따라 밸브의 응답시간이 다르다는 문제점이 있다. 그 결과, 밸브의 조작순서와 그 밸브들의 실제 동작순서에 차이가 생기기 때문에 역류가 일어나게 된다.

③ 상기 ②의 문제점을 해소하기 위한 수단으로서, 각 계장튜브의 길이와 각 계장튜브에 흘려보내는 기체압을 동일한 값으로 하는 방법이 이용되고 있다.

그렇지만, 예를들면 반도체 제조장치 등의 유체제어장치와 같이 많은 유체제어밸브를 이용하는 것으로는, 공압밸브의 구동부로 기체를 충전·방출시키기 위해 전자밸브 등을 이용하고 있는데, 전자밸브와 공압밸브의 거리가 각 계장튜브마다 각각 다르기 때문에 가장 거리가 멀리 떨어져 있는 유체제어밸브에 각 계장튜브의 길이를 맞출 필요가 생긴다. 따라서, 전자밸브로부터의 거리가 가까운 유체제어밸브에 있어서는 불필요한 계장튜브의 수납공간이 필요하게 되며, 유체제어장치 전체로서도 가장 응답시간이 느린 유체제어밸브에 속도를 맞춘 시스템만 구축할 수 있다는 문제점이 있다.

④ 전자밸브는 상술한 바와 같이, 예를들면 공압밸브의 구동부로 기체를 충전·방출시키는 용도로 바람직하게 이용되고 있다. 특히, 그 구조에서도 알 수 있듯이, 밸브를 수 msec대에서 고속으로 개폐동작할 수 있다는 특징을 갖는다. 그렇지만, 그 용도에서도 분명히 알 수 있듯이 가스누출이 허용되는 구조로 밸브 속에 많은 무용(無用)공간들을 갖는다. 따라서, 반도체 제조과정에 있어서 특수한 가스를 정밀제어하는 용도로는 적합하지 못하다.

본 발명은 압력이 10㎏/㎠ 정도인 유체를 안정하게 제어할 수 있으며, 밸브의 응답시간이 수 msec대로 고속이며, 밸브의 소형화 및 계장용 시스템이 불필요하기 때문에 유체공급·배기시스템의 소형화도 꾀할 수 있을 뿐 아니라 복수개의 밸브로 구축한 경우에 가스의 역류가 적은 유체제어밸브 및 유체공급·배기시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 유체제어밸브 및 유체공급·배기시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 밸브시트홀더에 압력을 가하는 봉모양의 축과 일체를 이루는 부재a 를, 코일이 전자유도에 의해 상하운동 시킴으로써 밸브시트와 밸브시트홀더 사이를 개폐시키는 유체제어밸브 및 유체공급·배기시스템에 관한 것이다. 본 발명의 유체제어밸브 및 유체공급·배기시스템은 주로 반도체 제조장치 등에 이용되고 있다.

도 1은 본 발명에 관한 유체제어밸브의 한 예를 나타내는 모식적인 단면도이다.

도 2는 부재a1 또는 부재a2 를 구성하는 자성체 재료의 포화자속밀도와 밸브의 개폐상태 및 응답시간과의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 3은 본 발명에 관한 유체공급·배기시스템의 한 예를 나타내는 계통도이다.

도 4는 종래의 공압밸브를 나타내는 모식적인 단면도이다.

도 5는 종래의 전자밸브를 나타내는 모식적인 단면도이다.

도 6은 유체제어밸브를 구성하는 부재a 의 포화자속밀도와, 밸브가 개폐동작을 할 수 있는 코일지름을 나타내는 그래프이다.

도 7은 본 발명에 관한 유체제어밸브의 코일에 흘려보내는 여자전류I 와 흡인력F 와 초기간극G 의 관계를 나타내는 선도(線圖)이다.

도 8은 제 1도의 유체제어밸브의 열림작동특성을 나타내는 그래프이다.

도 9는 제 1도의 유체제어밸브의 닫힘작동특성을 나타내는 그래프이다.

도 10은 본 발명에 관한 유체제어밸브를 이용한 유체공급·배기시스템의 다른 한 예를 나타내는 계통도이다.

도 11은 본 발명에 관한 유체제어밸브의 조작신호S 와 여자전류I 와 다이어프램(111)의 작동과 밸브의 움직임과의 시간관계를 나타내는 설명도이다.

도 12는 노멀오픈(normal open)형으로 한 본 발명에 관한 유체제어밸브의 한 예를 나타내는 모식적인 단면도이다.

도 13은 축과 평행한 위치에 설치한 코일(102)이 직렬모양으로 배치된 복수개의 코일로 구성된 본 발명에 관한 유체제어밸브의 한 예를 나타내는 모식적인 단면도이다.

도 14는 밸브시트홀더의 주위에 벨로우즈를 배치한 본 발명에 관한 유체제어밸브의 한 예를 나타내는 모식적인 단면도이다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

L --- 코일지름

G --- 부재a 와 부재b 또는 부재c 와의 간극

S --- 조작신호 P --- 작동상황신호

I --- 여자전류 F --- 자기흡인력

24 --- 제어용 컴퓨터 25 --- 유닛제어기

26 --- 전원부 27 --- 제어부

28 --- 구동부 29 --- 통신포트

30 --- 통신라인 31 --- 개폐검출기

101 --- 단자 102 --- 코일

103 --- 케이스 104 --- 부재a

105 --- 부재b 106 --- 부재c

107 --- 부재d 108 --- 축

109 --- 밸브봉 110 --- 다이어프램홀더

111 --- 다이어프램 112 --- 밸브시트

113 --- 유체입구 114 --- 유체출구

115 --- 스프링 116 --- 보닛(bonnet)

117 --- 보닛(116)과 케이스(103)를 고정하는 나사

118 --- 축(108)을 플런저(119)에 고정하는 나사

119 --- 플런저 120 --- 액츄에이터 몸체

121 --- 밸브몸체 122 --- 보닛너트

123 --- 벨로우즈 124 --- 부재e

125 --- 고정나사 126 --- 밸브시트홀더

401 --- 계장용 가스입구 402 --- 액츄에이터

403 --- 밸브봉 404 --- 다이어프램

405 --- 밸브시트 406 --- 유체입구

407 --- 유체출구 408 --- 스프링

409 --- 액츄에이터 간극 501 --- 단자

502 --- 코일 503 --- 철심

504 --- 플런저 505 --- 밸브디스크

506 --- 밸브시트 507 --- 유체입구

508 --- 유체출구 509 --- 스프링

본 발명의 유체제어밸브는, 구동부를 이용하여 밸브시트와 밸브시트홀더 사이를 개폐시킴으로써 밸브몸체 속을 이동하는 유체를 제어하는 유체제어밸브에 있어서, 상기 구동부는 상기 밸브시트홀더 및 밸브봉을 사이에 두고 압력을 가하는 봉모양의 축과 상기 봉모양의 축 주위에 고정된 부재a 로 구성되며, 상기 부재a 는 자성체 재료로서 상기 축과의 사이에 공간부를 가지며, 상기 축과 평행한 위치에 설치된 코일이 자성유도에 의해 상기 부재a 를 상하운동시킴과 동시에 스프링의 힘도 이용함으로써 밸브시트와 밸브시트홀더 사이를 개폐시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 특징에 의해 다음과 같은 작용을 갖는다.

(a) 밸브시트홀더 및 밸브봉을 사이에 두고 압력을 가하는 봉모양의 축과 일체를 이루는 부재a 를, 코일이 전자유도에 의해 상하운동시킴과 동시에 스프링의 힘도 이용함으로써 밸브시트와 밸브시트홀더 사이를 개폐시키기 때문에, 공압밸브의 경우 구동부로 기체를 충전·방출시키는 동작시간을 줄일 수 있어, 밸브개폐에 필요한 시간이 수 msec대인 큰 응답속도를 갖는 유체제어밸브를 얻을 수 있다.

(b) 공압밸브에 있어서 구동부로 기체를 충전·방출시키기 위하여 이용되었던 전자밸브를 설치할 필요가 없기 때문에, 공급하는 기체의 압력 또는 계장용 튜브의 길이에 따라 밸브의 응답시간이 다르다는 문제, 불필요한 계장튜브를 수납할 공간이 필요하다는 문제, 및 유체제어장치 전체로서도 가장 응답시간이 느린 유체제어밸브에 속도를 맞춘 시스템만 구축할 수 있다는 문제 등 이 모든 문제들을 해소할 수 있다.

(c) 상기부재a 는 자성체 재료로 형성되었기 때문에 포화자속밀도를 가지며, 따라서 코일이 발생시키는 전계(電界)에 의해 고속으로 부재a 를 코일방향으로 끌어당길 수 있다. 따라서, 부재a 와 일체를 이루는 축도 고속으로 상하운동할 수 있기 때문에 밸브시트와 밸브시트홀더 사이를 고속이면서 안정하게 개폐시킬 수 있다. 그 결과, 응답시간이 작은 유체제어밸브를 얻을 수 있다.

상기 특징에 있어서, 상기 밸브시트홀더가 다이어프램과 다이어프램홀더로 구성되어 있기 때문에 가스접촉부의 구조가 간단하며, 무용공간이 적어 가스교환특성이 우수한 유체제어밸브를 얻을 수 있다.

또한, 상기 밸브시트홀더의 주위에 벨로우즈(bellows)를 배치함으로써 밸브의 개폐에 있어서 내구성이 우수한 유체제어밸브를 얻을 수 있다.

또한, 부재a 로는 포화자속밀도가 2T(테슬러) 이상인 철·코발트계 합금으로 이루어진 자성체 재료, 또는 상기 부재a 를 포화자속밀도가 2T(테슬러) 이상인 철·니켈계 합금으로 이루어진 자성체 재료를 이용함으로써 부재a2 의 체적을 매우 작게 할 수 있기 때문에 유체제어밸브의 소형화 및 소경(徑)화를 꾀할 수 있다.

그리고, 상기 특징에 있어서 코일과 부재a 사이에 위치한 간극G 의 조정수단을 설치함으로써 밸브행정의 조정을 용이하게 할 수 있다.

상기 특징에 있어서, 축과 코일 사이에 위치하는 공간부에 부재a 와 동일한 자성체 재료로 이루어지는 부재b 를 설치함으로써 코일의 한쪽 끝에서 밖으로 퍼져나온 자계를 축과 코일 사이에 설치한 부재b 속을 통과시켜 코일의 다른쪽 끝으로 유도할 수 있다. 그 결과, 코일에서 발생한 자계를 유효하게 이용할 수 있기 때문에, 코일이 부재a 를 흡인하는 힘이 증가하며, 보다 응답시간이 작은 유체제어밸브를 얻을 수 있다. 또한, 코일에 흘려보내는 전류의 제어계 등에 악영향을 미치는 전자기적인 소음을 줄일 수도 있다.

또한, 상기 특징에 있어서 코일을 사이에 끼고 부재b 와 대향하는 위치로 부재a 와 동일한 자성체 재료로 이루어지는 부재c 를 설치함으로써 코일의 한쪽 끝에서 밖으로 퍼져나온 자계를 코일의 외측에 설치한 부재c 속을 통과시켜 코일의 다른쪽 끝으로 유도할 수 있다. 그 결과, 코일에서 발생한 자계를 유효하게 이용할 수 있기 때문에, 코일이 부재a 를 흡인하는 힘이 증가하며, 보다 응답시간이 작은 유체제어밸브를 얻을 수 있다. 또한, 유체제어밸브가 다른 외부기기에 악영향을 미치는 전자기적인 소음도 줄일 수 있다.

더우기, 상기 특징에 이어서 코일을 사이에 끼고 부재a 와 대향하는 위치에 부재a 와 동일한 자성체 재료로 이루어진 부재d 를 설치함으로써, 예를들면 부재d 측에 있는 코일의 한쪽 끝에서 밖으로 퍼져나온 자계를 상기 부재b 나 부재c 의 방향으로 유도할 수 있다. 반대로, 부재a 측에 있는 코일의 한쪽 끝에서 밖으로 퍼져나온 자계는 상기 부재b 나 부재c 속을 통과하여 코일의 다른쪽 끝으로 유도되는데, 부재d 를 설치함으로써 코일의 다른쪽 끝에서의 자계 수렴이 높아진다. 그 결과, 코일에서 발생한 자계를 유효하게 이용할 수 있기 때문에 코일이 부재a 를 흡인하는 힘이 증가하며, 보다 응답시간이 작은 유체제어밸브를 얻을 수 있다.

또한, 상기 축과 평행한 위치에 설치한 코일을 직렬모양으로 배치된 복수개의 코일로 구성함으로써 상술한 코일에서 발생하는 자계에 의해 고속으로 부재a 를 코일방향으로 끌어당기는 힘, 즉 구동력을 증가시킬 수 있다.

더우기, 상기 직렬모양으로 배치된 복수개의 코일간에 상기 부재a 와 동일한 자성체 재료로 이루어진 부재e 를 설치함으로써 상기 구동력, 즉 코일에서 발생하는 자계에 의해 고속으로 부재a 를 코일방향으로 끌어당기는 힘의 균일화를 꾀할 수 있어 바람직하다.

또한, 상기 특징에 있어서 상기 자성체 재료가 5중량% 이하인 바나듐을 함유하기 때문에 재료의 가공성이 향상된다. 따라서 유체제어밸브를 저렴한 비용으로 제조할 수 있다. 그리고, 상기 자성체 재료가 5중량% 이하인 바나듐을 함유한 경우 자성체 재료는 높은 포화자속밀도를 유지한 채 그 항자력을 작게할 수 있다. 따라서, 자성체 재료의 투자율(透磁率)(=포화자속밀도/항자력)이 증가하기 때문에 코일에서 밖으로 퍼져나온 자계를 더욱 강하게 유도할 수 있다.

그리고, 상기 코일에 공급하는 여자전류를 밸브가 열리기까지의 큰 초기구동전류와, 밸브가 열린 후에 열려있는 상태를 유지하기 위한 작은 유지전류로 나누어 공급함으로써, 상술한 코일에서 발생하는 전계에 의해 고속으로 부재a 를 코일방향으로 끌어당기는 동작을 수행하는 구동부에서의 소비전력을 제어할 수 있을 뿐 아니라 가열에 의해 코일이 손상되는 것을 방지할 수 있다.

더우기, 상기 코일에 공급하는 여자전류를 차단한 후, 극히 짧은시간t 를 두어 단시간 동안 다시 여자전류를 그 코일에 공급함으로써 밸브시트홀더의 연(軟)착륙을 제어할 수 있다. 즉, 상기 스프링에 의한 밸브시트 방향으로의 압력이 줄어들기 때문에 밸브의 닫히는 속도가 느려지면서 밸브시트홀더가 밸브시트에 닿을 때의 충격이 완화되어, 밸브시트나 밸브시트홀더에 손상이 생길 우려가 거의 없어진다.

또한, 상기 코일과 상기 부재a, 상기 부재b 또는/및 상기 부재c 사이에 위치하는 간극G 내로 자성유체를 유입·유출이 자유롭게 가득채운 구성을 취함으로써 밸브몸체 행정에 상당하는 간극G 부분의 자기저항을 내릴 수 있다. 그 결과, 상술한 코일에서 발생되는 전계에 의하여 고속으로 부재a 를 코일방향으로 끌어당기는 동작을 수행하는 구동부의 소형화를 꾀할 수 있다.

또한, 상기 부재a 와, 상기 부재b 또는/및 상기 부재c 사이에 소정의 두께의 수지피막을 개재시킨 구성을 취함으로써 밸브를 열 때에 부재a 가 상기 부재b 또는/및 상기 부재c 의 단면에 충돌함으로써 발생할 우려가 있는 충돌음을 감소시킬 수 있다.

상술한 유체제어밸브를 이용하여 구성한 본 발명의 유체공급·배기시스템은, 조작하는 사람의 개인차에 따라 또는 계장용 튜브길이나 기체압에 따라 응답시간의 차이가 발생되지 않으며, 또한 전기신호에 의해 고속이면서 일정한 개폐조작을 수행할 수 있을 뿐 아니라 소형이면서 신뢰성이 높은 유체공급·배기시스템을 제공할 수 있게 된다.

또한, 상기 유체제어밸브와, 전원부 및 제어부 및 복수의 구동부를 갖춘 유닛제어기와, 원격중앙제어소에 설치한 제어용 컴퓨터와, 상기 제어용 컴퓨터와 상기 유닛제어기 사이를 연결하는 통신라인으로 구성되며, 상기 제어용 컴퓨터에서 나오는 조작신호S 에 의해 각 유체제어밸브의 작동을 제어함으로써 통신라인의 간소화를 꾀할 수 있을 뿐 아니라, 유닛제어기를 사이에 두고 다수의 유체제어밸브를 동시에 신속, 정확하게 제어할 수 있어, 유체공급·배기시스템의 소형화와 제어성능의 향상을 이룰 수 있다.

더우기, 상기 유체제어밸브의 각각에 개폐검출기를 설치하여 그 개폐검출기에서 나오는 신호P 에 의해 상기 유닛제어기를 통해 상기 제어용 컴퓨터로 개·폐상태를 송신하는 구성을 취함으로써 외란(外亂) 등의 소음에 의한 오동작이나 유체제어밸브 자체의 오동작 또는 불량상태 등을 검출할 수 있게 되어 바람직하다.

발명을 실시하기 위한 최적의 형태

도 1은 본 발명에 관한 유체제어밸브의 한 예를 나타내는 모식적인 단면도이다. 도 1에 있어서, 101은 단자, 102는 코일, 103은 케이스, 104는 부재a, 105는 부재b, 106는 부재c, 107은 부재d, 108은 축, 109는 밸브봉, 110은 다이어프램홀더, 111은 다이어프램, 112는 밸브시트, 113은 유체입구, 114는 유체출구, 115는 스프링, 116은 보닛, 117은 보닛(116)과 케이스(103)를 고정시키는 나사, 118은 축(108)을 플런저(119)에 고정시키는 나사이다.

상술한 다이어프램홀더(110)와 다이어프램(111)은 도 14에 나타낸 바와 같이, 밸브시트홀더로서 일체화된 것이라도 무방하며, 밸브시트홀더의 주위에 벨로우즈를 배치하여도 좋다.

본 발명에 관한 유체제어밸브에 있어서, 밸브시트(112)와 다이어프램(111) 사이를 개폐시키기 위하여 사용되는 구동부는 다이어프램(111)에 다이어프램홀더 (110) 및 밸브봉(109)을 사이에 두고 압력을 가하는 봉모양의 축(108)과 상기 봉모양의 축(108)의 주위에 고정된 부재a(104)로 구성된다.

부재a(104)는 포화자속밀도가 2T(테슬러) 이상의 철·코발트계 합금 또는 철·니켈계 합금으로 이루어진 자성체 재료가 바람직하다.

코일(102)은 축(108)과의 사이에 공간부를 가지면서 축(108)과 평행한 위치에 설치하였다. 코일(102)이 전자유도에 의해 부재a(104)를 상하운동시킴과 동시에, 스프링(115)의 힘도 이용함으로써 밸브시트(112)와 다이어프램(111) 사이를 개폐시킬 수 있다.

또한, 코일(102)의 주위에 부재a(104)와 동일한 자성체 재료로 이루어진 부재b(105), 부재c(106), 부재d(107)를 적절하게 배치함으로써 코일(102)의 한쪽 끝에서 밖으로 퍼져나온 자계를 각 부재b,c,d 의 속을 통과시켜 코일의 다른쪽 끝으로 유도할 수 있다. 따라서, 코일(102)에서 발생된 자계를 유효하게 이용할 수 있기 때문에 코일(102)이 부재a 를 흡인하는 힘이 증가하여 보다 응답시간이 작은 유체제어밸브를 얻을 수 있다.

또한, 직렬모양으로 배치된 복수개의 코일을 사용하여 그 복수개의 코일 사이에 상기 부재a 와 동일한 자성체 재료로 이루어진 부재e 를 설치함으로써 구동력의 증가를 꾀할 수 있다.

더구나, 부재a(104) 를 구성하는 자성체 재료에 5중량% 이하의 바나듐을 함유시킨 경우에는 재료의 가공성이 개선되어진다. 또한, 자성체 재료의 투자율도 증가하기 때문에 코일에서 밖으로 퍼져나온 자계를 더욱 강하게 유도할 수 있는 이점도 있다.

또한, 상기 코일에 공급하는 여자전류를, 밸브가 열릴 때까지의 큰 초기구동전류와 열린 후에 그 상태를 유지하기 위한 작은 유지전류로 나누어 공급함으로써 상술한 코일에서 발생되는 전계에 의해 고속으로 부재a 를 코일방향으로 끌어당기는 동작을 수행하는 구동부에 있어서의 소비전력을 억제할 수 있음과 동시에, 가열로 인해 코일이 손상되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 코일에 공급하는 여자전류를 차단한 후, 극히 짧은시간t 를 두어 단시간 동안 다시 여자전류를 그 코일에 공급함으로써 밸브시트홀더의 연착륙을 제어할 수 있게 된다. 즉, 상기 스프링에 의한 밸브시트방향으로의 압력이 줄어들기 때문에 밸브의 닫히는 속도가 느려짐으로써 밸브시트홀더가 밸브시트에 닿을 때의 충격이 완화되어 밸브시트나 밸브시트홀더를 손상시킬 우려가 거의 없다.

그리고, 상기 코일과, 상기 부재a, 상기 부재b 또는/및 상기 부재c 와의 사이에 위치하는 간극G 내로 자성유체를 유입·유출이 자유롭게 가득채운 구성을 취함으로써 밸브몸체 행정에 상당하는 간극G 부분의 자기저항을 내릴 수 있다. 그 결과, 상술한 코일에서 발생되는 전계에 의하여 고속으로 부재a 를 코일방향으로 끌어당시는 동작을 수행하는 구동부의 소형화를 꾀할 수 있다.

또한, 상기 부재a 와, 상기 부재b 또는/및 상기 부재c 사이에 두께 0.05mm 인 수지피막을 개재시킨 구성을 취함으로써 밸브를 열 때에 부재a 가 상기 부재b 또는/및 상기 부재c 의 단면에 충돌함으로써 발생할 우려가 있는 충돌음을 감소시킬 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 관한 유체제어밸브의 밸브개폐동작을 도 1에 기초하여 상세하게 설명한다. 단, 도 1은 밸브의 개폐상태가 노멀클로즈형인 모식적 단면도로서 밸브가 닫혀있는 상태를 나타내고 있다.

(폐→개동작)

단자(101)에서 전기가 입력되어 코일(102)에 전기가 통하게 됨으로써 코일(102)이 전자유도되고, 코일(102) 및 케이스(103)에 고정된 부재b(105) 및 부재c(106)와, 부재a1 또는 부재a2(104) 가 접촉하여, 그에 따라 부재a1 또는 부재a2(104)가 고정되어 있는 봉모양의 축(108)을 밀어올리기 위하여 축(108)으로 누르고 있던 다이어프램(111)과 밸브시트(112)가 분리되면서 유체입구(113)에서 유체출구 (114)로 유체가 흐르게 된다.

(개→폐동작)

코일(102)에 전기가 통하는 것을 차단함으로써 코일(102)의 자계가 소멸되어 코일(102) 및 케이스(103)에 고정된 부재b(105) 및 부재c(106)에 접촉하고 있던 부재a1 또는 부재a2(104)가 분리되며, 그에 따라 부재a1 또는 부재a2(104)가 고정되어 있는 봉모양의 축(108)이 스프링(115)의 힘에 의해 밀려내려가기 때문에 축 (108)은 다이어프램(111)을 눌러 다이어프램(111)과 밸브시트(112)가 접촉하게 되어 유체입구 (113)에서 유체출구(114)로 흐르는 유체의 흐름이 멈추게 된다.

본 발명의 유체제어밸브는 전기신호에 의해 고속이면서 일정한 개폐조작을 수행할 수 있을 뿐 아니라 소형이면서 신뢰성이 높은 전자제어형 유체제어밸브이며, 더욱 신뢰성을 높이기 위해서는 가스접촉부 전체표면에 건조특성, 내식성, 비촉매성이 우수한 산화크롬 부동태처리, 불화물이 우수한 내식성을 갖는 불화 부동태처리를 하는 것이 바람직하다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 관한 유체제어밸브 및 유체공급·배기시스템을 설명하겠지만, 본 발명이 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

본 예에서는 도 1에 나타낸 유체제어밸브를 구성하는 부재a 로서 포화자속밀도Bs 가 0.5∼2.3테슬러인 각종재료(Fe, Fe-Co계 합금, Fe-Ni계 합금 등)를 이용하여 밸브를 개폐동작시킬 수 있는 코일지름:L을 조사하였다. 코일지름:L은 코일 (102)의 감긴수를 750∼1500T(0.3mΦ, 12.6Ω·20℃)의 범위에서 변화시킴으로써 변하게 하였다. 그 때, 코일의 축방향의 길이는 소정의 값으로 고정시켰다.

도 6은 유체제어밸브를 구성하는 부재a 의 포화자속밀도와 밸브가 개폐동작할 수 있는 코일지름을 나타내는 그래프이다.

도 6에서 다음과 같은 점들이 밝혀졌다.

(1) Bs가 증가함에 따라 밸브를 개폐동작시킬 수 있는 코일지름의 소형화를 꾀할 수 있다.

(2) 현재 상품화되어 있는 유체제어밸브의 액츄에이터의 몸체내경(약 30mm)과 동등이하인 코일지름:L로 하기 위해서는, 부재a 로서 포화자속밀도Bs 가 2.0테슬러 이상인 재료를 사용할 필요가 있다.

(3) 또한, 통상적인 유체제어밸브의 액츄에이터 몸체내경(약 30mm)과 동등이하인 코일지름:L로 하였을 경우, 시공할 때(밸브에 설치되어 있는 커플링을 다른 부재와 접속시킬 때)에 큰 코일지름이 원인이 되어 밸브몸체로 커플링을 접속시키는 것이 어려워지는 문제를 피할 수 있다.

실시예 2

본 예에서는 도 1에 나타낸 유체제어밸브를 구성하는 부재a 로서, 2종류의 부재a1(철·코발트계 합금으로 이루어진 자성체 재료) 및 부재a2(철·니켈계 합금으로 이루어진 자성체 재료)를 사용하고, 또한 이 2종류의 부재의 포화자속밀도를 변화시켜 밸브의 응답시간(즉, 밸브가 닫힘상태에서 열림상태로 되는데에 필요한 시간)을 측정하였다. 서로다른 포화자속밀도의 부재를 갖는 부재a1 및 부재a2 는 각 합금의 조성비를 달리하여 제조하였다.

단, 본 예에서는, 도 1에 나타낸 부재b, c, d는 배치하지 않고 이들 3개의 부재를 설치할 장소를 공간영역으로 남겨두었다.

코일지름은 30mm로 고정시키고, 그 밖의 다른 사항들은 실시예 1과 동일하게 하였다.

도 2는 부재a1 및 부재a2 의 포화자속밀도와 밸브의 응답시간의 관계를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 2에는 유체입구부터 압력이 10㎏/㎠ 인 가스(질소)를 충전시키고, 스프링의 힘을 이용하여 다이어프램을 밸브시트에 눌러댐으로써 가스의 흐름을 막고 있는 상태에서 코일에 일정한 전압으로 전기를 통하게 하여 전자유도에 의해 스프링의 힘보다 강한 힘으로 부재a1 또는 부재a2 를 끌어올리고, 유체입구에 충전되어 있는 가스를 유체출구로 공급하고자 하였을 때의 밸브의 개폐상태도 나타내었다.

도 2의 결과로부터 다음과 같은 점들이 밝혀졌다.

(1) 부재a1 및 부재a2 의 포화자속밀도가 2T(테슬러)미만인 경우 밸브는 작동하지 않았다(밸브가 닫힘상태에서 열림상태로 되지 않았다).

(2) 부재a1 및 부재a2 의 포화자속밀도가 2T(테슬러)이상인 경우 밸브가 작동하였다(밸브가 닫힘상태에서 열림상태로 되었다).

(3) 밸브가 작동하는 영역(즉, 부재a1 및 부재a2 의 포화자속밀도가 2T(테슬러)이상인 영역)에서는 10msec 이하의 응답시간을 얻을 수 있었다.

보다 구체적인 측정결과를 도 8 및 도 9에 나타내었다. 도 8 및 도 9는, 도 1에 나타낸 유체제어밸브가 열리고 닫힐 때의 작동특성을 나타내는 것으로, 밸브가 열릴 때에는 조작신호S 가 on으로 된 후 약 0.007sec 가 지나면 밸브가 완전히 열리게 된다(밸브몸체 리프트 약 0.3mm). 또한, 밸브가 닫힐 때에는 조작신호 S 를 off로 한 후 약 0.0031sec 가 지나면 밸브가 완전히 닫히게 된다.

즉, 본 발명의 유체제어밸브의 경우, 적어도 약 0.01초 이하의 고속으로 밸브가 완전히 닫힌 상태에서 완전히 열린 상태로 만들 수 있으며, 또한 약 0.005초 이하로 밸브가 완전히 열린 상태에서 완전히 닫힌 상태로 바꿀 수가 있다. 다시 말하면, 본 발명의 유체제어밸브는 종전의 공압밸브에 비해 구동부의 외형치수는 높이, 가로폭, 세로폭 모두 거의 동일한 사이즈로 유지한 채 밸브의 작동속도를 약 10배 정도로 고속화시킬 수 있다는 것을 의미한다.

따라서, 본 발명의 청구항 1 또는 청구항 2에 관한 밸브구조를 가지며, 부재a1 및 부재a2 의 포화자속밀도를 2T(테슬러)이상으로 함으로써 압력이 10㎏/㎠ 이하인 가스를 수 msec대의 응답시간으로 안정하게 제어할 수 있다는 사실을 알았다.

실시예 3

본 예에서는 상기 코일과 상기 부재a 사이에 위치하는 간극G 를 조정하는 수단을 설치하는 경우에 대하여 설명한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 통모양의 플런저(119)의 내측에는 밸브축(109) 상단에 일체적으로 형성된 비자성재로 만든 축(SUS316)(108)이 관통되어 있으며, 그 축(108)의 상단에 설치된 나사부에 플런저(119)의 상단에 고정시킨 고정나사(118)를 결합시킴으로써 상·하 위치조정이 가능하도록 플런저(119)가 축(108)에 지지고정되었다. 이와 같은 구성에 의해 코일(102)과 부재a(104) 사이에 위치하는 간극G 를 조정하는 수단으로 되었다.

즉, 축(108)은 스프링(115)에 의해 아래쪽으로 약 17kgf의 힘F 가 부세되어 있으며, 나사(118)를 조이는 정도를 조정함으로써 플런저(119)가 상·하 방향으로 이동되고, 이에 따라 부재a(104)와 코일(102)의 하단면과의 간극G, 작동행정G 를 예를들면 0.4mm 로 조정하였다.

도 7은 초기간극G 를 변화시켜 도 1의 구동부에 있어서의 여자전류와 흡인력의 관계를 조사한 그래프이다.

도 7에서, G = 0.4mm 로 하였을 때 약 2.3A 의 여자전류로 20kgf 의 흡인력을 얻을 수 있다는 사실을 알았다.

본 예에서는 구동부의 플런저 흡인력을 약 20kgf(플런저 작동행정 약 0.4mm 일 때)로 설정하였는데, 스프링(115)의 힘F 의 값에 따라 적절히 조정하여도 무방하다.

또한, 본 예에서는 밸브봉(109)과 축(108)을 일체적으로 형성하였지만, 양자를 각각 따로 형성하여도 좋다.

실시예 4

본 예에서는, 도 1에 나타낸 유체제어밸브에 부재b, c, d 를 배치시킨 것이 실시예 1과 다른 점이다. 부재a1 으로는 포화자속밀도 2.2T(테슬러)인 철·코발트계 합금으로 이루어진 자성체 재료를 사용하였다. 부재b, c, d 로는 부재a1 과 동일한 자성체 재료를 사용하였다. 또한, 부재b, c, d 의 배치는 표 1과 같이 구성하였다.

그 밖의 다른 점들은 실시예 2와 동일하게 하였다.

표 1은 실시예 2와 동일한 조건에서 밸브의 응답시간을 측정한 결과를 나타내었다. 단, 표 1에 나타낸 응답시간은 부재a1 만을 사용한(즉, 부재b, c, d 를 사용하지 않음) 실시예 1에서 얻어진 응답시간으로 각 부재를 조합하였을 때 얻어진 응답시간을 나누어 규격화한 값이다.

[ 표 1 ]

부재의 조 합	부 재 의 명 칭	규격화응답시간
부재의 조 합	a1	규격화응답시간	b	c	d
1	유	무	무	무	1
2	유	유	무	무	0.97
3	유	유	유	무	0.94
4	유	유	유	유	0.92

표 1에서 코일(102)의 주위에 부재a1(104)과 동일한 자성체 재료로 이루어진 부재b(105), 부재c(106), 부재d(107)를 적절히 배치함으로써 코일(102)의 한쪽 끝에서 밖으로 퍼져나온 자계를 각 부재b, d, c 속을 통과하여 코일의 다른쪽 끝으로 유도하기 위하여, 코일(102)에서 발생한 자계를 유효하게 이용할 수 있다. 그 결과, 코일(102)이 부재a1 을 흡인하는 힘이 증가하여 보다 응답시간이 작은 유체제어밸브를 얻을 수 있었다.

상술한 결과는, 밸브를 닫힘상태에서 열림상태로 변환시키는데 필요한 시간이지만, 반대로 밸브를 열림상태에서 닫힘상태로 변환시키는데 필요한 시간도 마찬가지 결과를 보였다.

본 예에서는 부재a1(철·코발트계 합금으로 이루어진 자성체 재료) 을 이용한 결과를 나타내었는데, 부재a1 대신에 부재a2(철·니켈계 합금으로 이루어진 자성체 재료) 를 이용하고, 부재b, c, d 를 부재a2 와 동일한 자성체 재료로 하여도 본 예와 동일한 결과를 얻을 수 있다는 사실이 확인되었다.

본 예에서는, 부재a, b, c, d 및 액츄에이터 몸체(120)를 원통형으로 하고 있는데, 이를 각진 통모양으로 하여도 무방하다.

실시예 5

본 예에서는 도 13에 나타낸 바와 같이, 축과 평행한 위치에 설치한 코일 (102)이 직렬모양으로 배치된 복수개의 코일로 구성되어 있는 유체제어밸브애 대하여 설명한다. 도 13의 유체제어밸브는, 도 1의 유체제어밸브에 있어서 부재b, c, d 를 모두 배치시킨 구성(실시예 3의 부재조합 4)을 가지며, 그 밖의 다른 점들은 실시예 3과 동일하게 하였다.

보다 구체적으로는, 액츄에이터 몸체(120)의 외경이 28mm 및 내경이 23.6mmΦ, 액츄에이터 몸체(120)의 상단면에서 밸브몸체(121)의 축심선까지의 높이는 약 102mm, 부재d(107)의 상단면에서 부재a(104)의 하단면(전기가 통하지 않을 시)까지의 거리는 50.4mm, 코일(102)의 감은수는 940T(0.3mψ, 12.6Ω·20℃), 플런저 (119)의 외경은 6mm, 축(108)의 외경은 3mm로 각각 설정하였다.

코일(102)은 직렬상태로 조합시킨 2개의 코일(102)a, b 로 하고, 이들 사이에는 부재a 와 동일한 자성체 재료로 이루어진 부재e(124)를 설치하였다.

그 결과, 코일(102)을 직렬상태로 조합시킨 2개의 코일로 하였을 경우에는, 코일(102)을 1개의 코일로 한 경우에 비해 코일이 발생시키는 전계에 의하여 고속으로 부재a1(104)을 코일방향으로 끌어당기는 힘, 즉 구동력을 증가시킬 수 있다. 또한, 부재e(124)를 설치함으로써 끌어당기는 힘, 즉 구동력의 균일화를 꾀할 수 있다.

실시예 6

본 예에서는 본 발명의 유체제어밸브를 사용하여 구성된 유체공급·배기시스템으로서 도 3에 나타낸 한 예를 들어 그 결과를 설명한다.

도 3은 봄베, 유량제한기, 밸브로 이루어진 유체공급·배기시스템과 이 시스템에서 유체가 도입되는 장치를 나타내는 모식도이다.

예를들면, 장치내부가 감압상태인 경우,

일반적으로 봄베에서 공급되고 있는 가스를 교환할 때는 일단 밸브E 를 잠그고, 다음으로 밸브D 를 잠근 후, 밸브C 를 열고나서 B, A의 순으로 밸브를 바꾼다(일반적으로 봄베가스가 퍼지가스(purge gas)보다 압력이 높기 때문). 그런데, 종래의 공압식 밸브와 같이 응답속도가 느린 밸브를 사용한 경우, 각 밸브의 동작시간에 큰 차이가 발생하기 때문에, 배기로부터 혼입(밸브C 가 밸브E, D 가 닫히기 전에 열렸을 경우)되거나, 유체(퍼지가스 혹은 봄베가스를 말한다)가 혼입(밸브A, B의 개폐순서가 서로 교대되는 경우)되는 현상이 일어난다. 또한, 봄베가스의 가스종류를 바꿀 때에도 동일한 현상이 일어날 것이다.

종래의 공압식 밸브를 사용한 시스템에서는, 상술한 문제점을 극복하기 위하여 계장용 튜브의 길이를 적절하게 바꾸어 배치함으로써 각 밸브의 동작시간에 차가 발생하는 것을 조정하고 있었다.

그러나, 이와 같은 시스템에 본 발명의 유체제어밸브를 적용시킨 경우, 본 발명의 유체제어밸브로는 수 msec대로 응답시간이 빠른 가스교환이 가능하게 되었기 때문에 종래의 시스템에서 발생하던 역류나 역확산과 같은 문제점 등을 극복할 수 있을 뿐 아니라, 종래에 필요하였던 계장용 시스템이 필요없게 되었기 때문에 기존의 가스시스템에 필요한 점유용적을 대폭 삭감시킬 수 있다.

실시예 7

본 예에서는, 도 10을 참조로 본 발명의 유체제어밸브를 사용하여 구성된 유체공급·배기시스템을 더욱 구체적으로 설명한다.

본 유체공급·배기시스템은 중앙제어 등에 설치한 제어용 컴퓨터(24)에서 나오는 조작신호S 에 의해 복수개(최대 약 20개 정도)의 유체제어밸브를 그 근방에 설치한 유닛제어기(25)를 사이에 두고 개폐를 제어하도록 구성되어 있다.

상기 유닛제어기(25)는 전원부(26), 제어부(27), 구동부(28a)∼(28n), 통신포트(29)를 각각 구비하고 있으며, 또한 각 유체제어밸브에는 필요에 따라 밸브개폐검출기(31)가 설치되어 있다.

또한, 상기 제어컴퓨터(24)와 유닛제어기(25) 사이는 직렬통신방식에 의해 전용 프로토콜로 접속되어 있으며, 각 유체제어밸브에 대한 조작신호S 가 통신라인 (30)을 통하여 얻어진다.

즉, 통신라인(30)을 통하여 조작신호S 가 유닛제어기(25)로 입력되면, 제어부(27)를 사이에 두고 구동부(28a)∼(28n)가 작동되어, 각 유체제어밸브의 여자전류가 on·off로 된다.

또한, 필요에 따라 각 유체제어밸브의 개폐검출기(31)에서 제어부(27)로 각 유체제어밸브의 밸브작동상태를 나타내는 신호P 가 입력되어 제어컴퓨터(24)로 반신(返信)된다.

상기 유닛제어기(25)의 제어부(27)에서는 필요에 따라서 여자전류I 의 조정제어나 밸브가 닫힐 때의 다이어프램(111)의 연착륙제어가 이루어진다.

즉, 각 유체제어밸브의 구동부는 큰 흡인력하에서 고속작동을 가능하게 하기 때문에 기동할 때의 초기에는 큰 여자전류I 가 필요하게 된다. 그러나, 밸브가 열림으로써 간극G 가 작아짐에 따라 소요되는 여자전류I 는 작아지며, 소비전력이나 코일(102)의 과열을 방지하기 위해서는 밸브가 열린 후에 여자전류를 순차적으로 감소시키는 것이 바람직하다.

또한, 다이어프램(111)은 코일(102)의 여자전류I 가 off 로 되면 스프링 (115)의 탄성력에 의해 밸브시트(112)쪽으로 빠르고 충격적인 압력을 받기 때문에 충격음이 발생하거나 혹은 다이어프램(111)이나 밸브시트(112)에 손상이 생기게 된다.

따라서, 제어부(27)는 도 11에 나타낸 바와 같이, 밸브를 열기위해 기동을 시작하는 초기(약 10msec 동안)에는 여자전류I 를 최대치로 하고, 밸브가 열린 후에는 여자전류I 를 스프링(115)의 탄성반력에 대항할 수 있을 정도만 흡인력을 발생시키는 전류값으로 감소시킨다.

그 결과, 각 유체제어밸브의 구동부에 있어서의 소비전력이 감소함과 동시에, 코일(102)의 과열로 인한 손상을 방지할 수 있다.

예를들면, 온도상승치를 30℃로 제한하면, 초기에 전기가 통하는 시간(최대여자전류의 상태)이 0.1초인 경우에는 유체제어밸브의 반복개폐주기를 약 3.6초 이하로는 할 수가 없으며, 개폐주기를 3.6초 이하로 하면 온도상승이 30℃를 넘게 된다.

이에 대해, 도 11에 나타낸 바와 같이 초기에 전기가 통하는 시간을 0.01초로 하면 온도상승치를 30℃로 하였을 때의 최소 반복개폐주기를 약 1.5초로 까지 단축시킬 수 있다는 사실을 확인하였다.

또한, 상기 다이어프램(111)의 연착륙을 제어하기 위해, 제어부(27)는 도 11에 나타낸 바와 같이 여자전류I 를 off로 한 후에 t msec 가 경과된 후 단시간 동안 다시 전기를 통하게 하였다. 따라서, 스프링(115)에 의한 아래쪽 방향으로의 압력이 줄어들어 밸브가 닫히는 속도가 느려짐에 따라 다이어프램(111)의 밸브시트 (112)에 대한 충격적인 접촉을 방지할 수 있다.

또한, 도 11의 여자전류I 가 다시 흐르게 되는 시기는 조작신호S 가 off 로 된 후 전기가 통하기 시작할 때까지의 시간t(도 11 참조)를 미리 설정해 두는 방법이 좋지만, 그 외에 유체제어밸브측에 설치된 스위치 기구나 퍼텐셔센서 (potentio sensor)의 작동에 따라 재통전(再通電)용의 소위 트리거(trigger)신호를 얻도록 한 방법 등이라도 좋다.

또한, 상기 연착륙의 제어로는, 전기적 제어에 대신하여 기계적 제어방법 예를들면, 액츄에이터 몸체(120)의 내부 아래부분에 겔상태의 반유동성 물질을 충전시키고, 이에 따라 밸브가 닫힐 때의 밸브봉(109)이 하강할 때 소위 댐핑 (damp ing)작용을 부여하는 방법이라도 좋다.

또한, 상기 도 1의 실시태양에서는 도시되어 있지 않지만, 유체제어밸브의 구동부를 소형화하기 위해서는 필수적으로 밸브몸체 행정에 상당하는 간극G 부분의 자기저항을 줄이는 것이 필요하다. 따라서, 상기 간극G 내부에 자성유체를 유입·유출이 자유롭게 충전시키고, 부재a(104)의 흡착작동시에는 자성유체를 간극G 의 내부에서 외부로 배출시켜 부재a(104)의 이동을 방해하지 않도록 하는 방법 등을 채용하여도 좋다. 이에 따라 유체제어밸브의 구동부는 도 1의 약 10∼20VOL% 정도로 소형화할 수 있게 된다.

더우기, 도 1의 유체제어밸브에서는 밸브열림조작시에 부재a(104)가 부재b (105) 또는 부재c(106) 의 단면에 충돌함으로써 충돌음을 발생시킬 우려가 있다. 따라서, 부재a(104)와 부재b(105) 또는 부재c(106)의 단면사이에 두께가 약 0.05mm 정도인 4불화에틸렌수지로 이루어진 시트를 삽입함으로써 흡착력F 에 큰 영향을 미치지 않으면서 상기 충돌음을 감소시킬 수 있다는 사실을 확인하였다. 4불화에틸렌수지 이외에도 예를들면, 3불화에틸렌수지, 실리콘수지 등으로 구성된 수지피막이라면 동일한 효과를 기대할 수 있다. 또한, 본 예에서는 수지피막의 두께를 약 0.05mm 로 하였지만, 이 두께는 밸브행정의 크기에 따라 적절하게 정할 수 있는 수치이다.

도 12는 본 발명에 관한 유체제어밸브의 다른 한 예를 나타낸 것으로, 밸브의 개폐를 노멀오픈형으로 한 것이다.

도 12의 유체제어밸브에서는 스프링(115)에 의해 축(108)이 항상 상방향으로 부세되어 있으며, 다이어프램(111)은 밸브시트(112)에서 분리되어 유체입구(113)에서 유체출구(114)쪽으로 유체가 항상 흐를 수 있는 상태(밸브가 개방되어진 상태)로 되어있다.

그러나, 코일(102)이 여자되면 부재a(104)가 흡착되어 플런저(119) 및 축 (108)이 하방향으로 압력을 받아 다이어프램(111)이 밸브시트(112)에 접촉됨으로써 유체입구(113)에서 유체출구(114)를 향한 유체의 흐름이 저지당한다(밸브가 폐쇄된 상태로 된다).

또한, 도 12의 유체제어밸브 그 자체의 구성은 상기 도 1의 경우와 완전히 동일하다.

도 14는 본 발명에 관한 유체제어밸브의 다른 한 예를 나타내는 것으로, 밸브시트홀더의 주위에 벨로우즈를 배치시킨 것이다. 그 밖의 다른 사항들은 그림 1에 나타낸 유체제어밸브 그 자체의 구성과 완전히 동일하다.

밸브시트홀더의 주위에 벨로우즈를 배치시킴으로써, 밸브개폐에 있어서의 내구성이 우수한 유체제어밸브를 얻을 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 압력이 10㎏/㎠ 정도인 유체를 안정하게 제어할 수 있으며, 밸브의 응답시간이 수 msec대로 고속이면서 밸브의 소형화도 꾀할 수 있을 뿐 아니라, 복수개의 밸브로 구축된 경우에 가스의 역류가 적은 유체제어밸브 및 유체공급·배기시스템을 얻을 수 있다.

Claims

구동부를 사용하여 밸브시트와 밸브시트홀더 사이를 개폐시킴으로써 밸브몸체속을 이동하는 유체를 제어하는 유체제어밸브에 있어서,

상기 구동부는 상기 밸브시트홀더 및 밸브봉을 사이에 두고 압력을 가하는 봉모양의 축과, 상기 봉모양의 축주위에 고정된 부재a 로 구성되며,

상기 부재a 는 자성체 재료이며,

상기 축과의 사이에 공간부를 가지며, 상기 축과 평행한 위치에 설치된 코일이 전자유도에 의해 상기 부재a 를 상하운동 시킴과 동시에 스프링의 힘도 이용하여 밸브시트와 밸브시트홀더 사이를 개폐시키는 것을 특징으로 하는 유체제어밸브.
제 1항에 있어서, 상기 밸브시트홀더가 다이어프램과 다이어프램홀더로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 유체제어밸브.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 밸브시트홀더의 주위에 벨러스가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 유체제어밸브.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부재a 는 포화자속밀도가 2T(테슬러) 이상인 철·코발트계 합금으로 이루어진 자성체 재료인 것을 특징으로 하는 유체제어밸브.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부재a 는 포화자속밀도가 2T(테슬러) 이상인 철·니켈계 합금으로 이루어진 자성체 재료인 것을 특징으로 하는 유체제어밸브.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,상기 코일과 상기 부재a 사이에 위치하는 간극G 를 조정하는 수단을 설치한 것을 특징으로 하는 유체제어밸브.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 축과 상기 코일 사이에 위치하는 상기 공간부에 상기 부재a 와 동일한 자성체 재료로 이루어진 부재b 를 설치한 것을 특징으로 하는 유체제어밸브.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코일을 사이에 끼고 상기 부재b 와 대향하는 위치에 상기 부재a 와 동일한 자성체 재료로 이루어진 부재c 를 설치한 것을 특징으로 하는 유체제어밸브.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코일을 사이에 끼고 상기 부재a 와 대향하는 위치에 상기 부재a 와 동일한 자성체 재로로 이루어진 부재d 를 설치한 것을 특징으로 하는 유체제어밸브.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 축과 평행한 위치에 설치한 코일이 직렬상태로 배치된 복수개의 코일로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 유체제어밸브.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 직렬상태로 배치된 복수개의 코일사이에 상기 부재a 와 동일한 자성체 재료로 이루어진 부재e 를 설치한 것을 특징으로 하는 유체제어밸브.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자성체 재료가 5중량% 이하인 바나듐을 함유하는 것을 특징으로 하는 유체제어밸브.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코일에 공급하는 여자전류를 밸브가 열릴 때까지의 큰 초기구동전류와, 밸브가 열린 후에 그 열린상태를 유지하기 위한 작은 유지전류로 나누어 공급하는 것을 특징으로 하는 유체제어밸브.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코일에 공급하고 있는 여자전류를 차단한 후, 극히 짧은 시간t 를 두고 단시간 동안 다시 여자전류를 그 코일에 공급하는 것을 특징으로 하는 유체제어밸브.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코일과 상기 부재a, 상기 부재b 또는/및 상기 부재c 사이에 위치하는 간극G 내로 자성유체를 유입·유출이 자유롭게 가득채운 구성을 취한 것을 특징으로 하는 유체제어밸브.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부재a 와 상기 부재b 또는/및 상기 부재c 사이에 소정의 두께를 갖는 수지피막을 개재시킨 구성을 취한 것을 특징으로 하는 유체제어밸브.
제 1항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 따른 유체제어밸브를 이용하여 구성된 것을 특징으로 하는 유체공급·배기시스템.
제 17항에 있어서, 상기 유체제어밸브와, 전원부 및 제어부 및 복수의 구동부를 갖춘 유닛제어기와, 원격중앙제어소에 설치된 제어용 컴퓨터와, 상기 제어용 컴퓨터와 상기 유닛제어기 사이를 연결하는 통신라인으로 구성되며, 상기 제어용 컴퓨터에서 나오는 조작신호S 에 의해 각 유체제어밸브의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 유체공급·배기시스템.
제 18항에 있어서, 상기 유체제어밸브의 각각에 개폐검출기를 설치하고, 그 개폐검출기에서 나오는 신호P 에 의해 상기 유닛제어기를 통해서 상기 제어용 컴퓨터로 개·폐상태를 송신하는 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 유체공급·배기시스템.