KR100987466B1 - 진공개폐밸브 - Google Patents

Abstract

진공용기와 진공펌프와의 사이에서 접속하고, 밸브 시트(valve seat)에 대하여 밸브요소인 O링의 개도를 변화시켜서 진공용기 안의 진공압력을 제어하는 내구성을 가지는 진공개폐밸브에 있어서, 피스톤의 외주면과 실린더의 내주면과의 소정의 간격을, 피스톤의 동작과 함께 추종하는 벨로프램(bellofram)으로 밀폐하고, 유체에 의해 피스톤을 구동시켜서 개폐하는 진공개폐밸브에 있어, 벨로프램(bellofram)이 소정의 경사각도로 형성되어 있는 것, 피스톤의 외주가 소정의 경사각도로 형성되어 있는 것, 밸브요소가 밸브 시트(valve seat)에 접한 위치에 있을 때 피스톤과 접하는 벨로프램(bellofram)의 내주지름과 피스톤의 외주지름이 같다.

Description

진공개폐밸브{VACUUM OPENING/CLOSING VALVE}

본 발명은 진공개폐밸브에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 진공용기와 진공펌프와의 사이에서 접속가능하고 밸브 개도를 변화시키는 것에 의해 진공용기 내의 가스의 진공압력을 제어하는 진공밸브에 관한 것이다.

종래부터, 예를 들면, 반도체제조공정에 있어서, 웨이퍼를 배치한 진공 챔버 내에 프로세스 가스와 퍼지 가스를 교대로 공급 및 배출시키는 진공압력제어시스템 등이 제안되고 있다. 이와 같은 진공압력제어시스템에서, 진공 챔버와 진공펌프와의 사이에 진공개폐밸브가 접속되어 있다. 이 진공개폐밸브는 개도를 변화시켜서 진공 챔버 내로 공급한 프로세스 가스의 진공압력을 제어하고 있다(일본공개특허 평09-072458호 공보 참조).

종래의 진공개폐밸브에 관하여, 도 11~도 16을 이용하여 간단하게 설명한다. 도 11은 본 출원인이 제안한 일본공개특허 평09-072458호 공보의 진공압력제어시스템에 포함된 진공개폐밸브(100)를 도시한 단면도이다. 도 12는 도 11 중 R부의 확대도이며, 밸브폐쇄상태의 벨로프램(bellofram; 150)의 형태를 설명하기 위한 설명도이다. 도 13은 종래의 벨로프램(bellofram; 150)을 도시한 단면도이다. 도 14는 종래의 벨로프램(bellofram; 150) 중 기포(基布; base cloth; 151B)의 짜임새를 설명하기 위한 설명도이다.

진공개폐밸브(100)에서, 구동 에어가 에어 수용실(AS) 안으로 공급되고 피스톤(140)이 상승(도 11 중 상방)하면, 피스톤 로드(147)를 통해 피스톤(140)과 연결하는 포핏 밸브요소(poppet valve element; 176)가 피스톤(140)의 스트로크 방향으로 상승하고, 포핏 밸브요소(176)가 밸브 시트(valve seat; 173)에서 떨어져 밸브가 개방되도록 되어 있다. 이 피스톤(140)은 그 스틱-슬립(stick-slip)의 발생을 방지하기 위해, 단동공기압실린더(single-acting pneumatic cylinder; 130, 이하 "실린더(130)"라 한다) 안에서 실린더(130)와 비접촉상태로 구동한다. 피스톤(140)과 실린더(130)와의 간격(145)은 피스톤(140)의 동작과 함께 추종하는 벨로프램(bellofram; 150)에 의해 밀폐된다. 따라서 에어 수용실(AS) 안의 기밀성이 확보된다.

이 벨로프램(bellofram; 150)은 도 13에 도시한 것처럼, 피스톤(140)의 보어(bore) (또는 반지름) 방향에서 본 때의 단면형상이 약 사다리꼴 형상으로 되어 있다. 벨로프램(bellofram; 150)은 인서트 성형(insert molding)에 의해 고무로 폴리에스테르 등의 기포(151B)를 매설하여 성형한다. 도 14에 도시한 것처럼, 이 기포(151B)는 실을 종 방향 및 횡 방향으로 각각 1개씩 격자형상으로 교차한 평직의 그물눈을 가진 것이다. 벨로프램(bellofram; 150)은 중앙부(152)를 피스톤(140)의 수압면(142)에 고착시키고 플랜지부(153)를 실린더(130)의 플랜지 유지부(132)에 고정하고 있다. 이 밸로프램(150) 중, 플랜지부(153)에서 깊게 접히고 중앙부(152)를 향해 연장하는 환상의 단-테이퍼면(single-taperd surface; 154)은 축선(AX)을 따르는 가상선(N)과 이루는 각도가 단-테이퍼각(θp)인 단일의 경사면으로 되어 있다.

또한, 종래의 벨로프램(bellofram; 150)의 형상을 약 사다리꼴로 채용하는 이유로서는 다음의 이유를 들 수 있다.

(a) 벨로프램(bellofram; 150)을 구비한 진공개폐밸브(100)에서, 피스톤(140)의 외주면의 피스톤 외주지름(dp)이 소정의 간격(145)을 가진 부분만큼 실린더(130)의 내경보다 작고, 밸로프램(150)의 단 테이퍼면(154)이 피스톤(140)의 상사점의 위치까지 피스톤(140)의 구동에 수반하여 늘어날 수 있다.

(b) 진공개폐밸브(100)에서, 밸브가 개방하면, 벨로프램(bellofram; 150)의 중앙부(152)와 플랜지부(153)가 거의 같은 높이에 위치하고, 도 11 및 도 12에 도시된 것처럼, 단-테이퍼면(154)은 피스톤(140)과 실린더(130)와의 간격(145)의 안에서 습곡(mountain-folded) 형상으로 접혀 있다.

이것은 단-테이퍼면(154)을 피스톤(140)의 스트로크 방향을 따르는 축선(AX), 즉 가상선(N)에 대하여 소정의 단-테이퍼각(θp)으로 경사진 단일의 경사면으로 하는 것으로, 벨로프램(bellofram; 150)이 진공개폐밸브(100)의 개폐동작에 따라 신축하기 쉬어진다.

한편, 벨로프램(bellofram)으로 구동되는 진공개폐밸브에 관하여는, 일본공개특허 2002-132354호 공보의 도 1 및 일본공개특허 평07-150623호 공보의 도 2, 도 5, 도 6에 개시되어 있다. 또한, 벨로프램(bellofram)의 각도가 다른 경사면을 구비한 것에 관하여는 일본공개특허 소56-049462호 공보의 도 1 및 도 4, 일본공개실용신안 소61-140296호 공보의 도 3 및 일본공개실용신안 평61-172230호 공보의 도 1 및 도 5에 개시되어 있다.

또한, 트리코 조직(tricot weave)의 기포를 인서트 성형하는 것에 의해 벨브프램을 형성하는 것은 일본공개특허 평10-317262호 공보 및 일본공개특허 평10-132077호 공보에 개시되어 있다.

그러나, 진공개폐밸브(100)는 이하의 문제가 있다.

(1) 도 11 및 도 12는 진공개폐밸브가 닫힌 상태의 위치이다. 그 상태에서, 구동 에어가 에어 수용실(AS)로 공급되면, 구동 에어에 의한 가압력이 벨로프램(bellofram; 150)의 중앙부(152) 및 피스톤(140)과 실린더(130)와의 간격(145)의 중에서 접인 단-테이퍼면(154)에 가해져, 피스톤(140)을 상승시킨다.

이때, 단-테이퍼면(154)는 에어 수용실(AS) 안으로의 구동 에어의 공급에 의해, 도 12에 도시한 습곡된 형태에서 단 테이퍼면(154)의 일부가 피스톤(140)의 외주면과 실린더(130)의 내주면을 향해 팽창한 형태가 된다(도 15 참조).

벨로프램(bellofram; 150)의 형상은 약 사다리꼴이고, 단-테이퍼면(154)이 피스톤(140)의 외주면보다도 축선(AX)의 지름방향 바깥쪽에 있기 때문에, 벨로프램(bellofram; 150)의 축선(AX) 방향과 같은 위치에서는 이 위치의 지름방향의 벨로프램(bellofram; 150)의 피스톤(140)과 접촉하는 면의 테이퍼면 지름 길이(Dp)는 도 16에 2점 쇄선으로 나타낸 것처럼, 피스톤 외주지름(dp)보다도 크다. 벨로프램(bellofram; 150)은 테이퍼면을 구비하고 있지만, 피스톤(140)은 원통 형상이다, 따라서, 벨로프램(bellofram; 150)의 최단지름을 피스톤(140)의 지름을 따라 결정해야 하고, 이는 도 12의 πDp와 πdp와의 차이는 커지게 한다.

즉, 단-테이퍼면(154)의 주변 방향의 길이(단-테이퍼면 주변길이) πDp는 피스톤(140)의 외주면의 주변 방향의 길이(피스톤 외주면 주변길이) πdp보다도 커지기 때문에, 벨로프램(bellofram; 150)의 일부에서, 피스톤(140)의 외주면에 접촉하지 않는 부분이 주름발생부(159)를 형성할 것이다.

단-테이퍼면 주변길이(πDp)와 피스톤 외주면 주변길이(πdp)와의 주변길이 차이가 커짐에 따라 이 주름발생부(159)가 커진다. 또한, 벨로프램(bellofram; 150)의 단-테이퍼면(154)을 따라 피스톤(140)의 외주면을 향해 가해진 가압력은 주름발생부(159)의 단-테이퍼면(154)과 피스톤(140)의 외주면과의 사이를 이루는 내부 공간 안의 압력보다도 크다.

이 때문에, 주름발생부(159)에서 단-테이퍼면(154)을 따라 가압력이 가해지면, 단-테이퍼면(154)의 일부는 가압력에 의해 서로 접하도록 또는 가까워지도록 누른 상태에서, 피스톤(140)의 외주면 부근에서 피스톤(140)의 지름방향 바깥쪽을 향하여 돌출한다. 따라서, 각 돌출된 부분이 지름방향의 가장 바깥쪽에 있는 굴곡부위(159B)에서 깊게 접힌다. 단-테이퍼면(154)이 지름방향의 가장 바깥쪽을 향하여 길게 돌출된 형태로 되면, 생성된 주름발생부(159)의 굴곡부위(159B)에서는 단-테이퍼면(154)은 예각으로 접힌 경사가 생기고, 굴곡부위(159B)에 과도한 굴곡 응력이 가해지는 경우도 있다.

도 16에 도시한 것처럼, 굴곡부위(159B)가 형성되어 있는 상태에서, 도 15에 도시한 피스톤(140)이 상승하면, 굴곡부위(159B)가 피스톤(140)에 접촉하는 쪽에서 실린더(130)의 내벽면으로 접촉하는 쪽으로 이동한다. 굴곡부위(159B)는 이 이동에 의해, 180도 방향으로 전화된다. 굴곡부위(159B)는 실린더(130)의 내벽면 쪽에서는 내벽면의 내경이 충분히 크기 때문에, 굴곡부위(159B)는 굴곡이 해소된다. 그러나, 굴곡부위(159B)가 180도 방향으로 전환된 때에, 굴곡부위(159B)가 집중응력을 받는다. 진공개폐밸브가 구동될 때마다, 이 집중 응력을 반복하여 받기 때문에, 벨로프램(bellofram; 150)에 종 방향의 균열을 발생시킨다.

본 출원인은 전세계에 본 발명에 관한 진공개폐밸브를 판매하고 있지만, 벨로프램(bellofram; 150)의 내구성에 관한 문제의 원인을 규명할 수 없었다. 마침내 본 출원인은 반복된 실험을 통해 그 원인을 규명하게 되었다.

(2) 게다가, 벨로프램(bellofram; 150)의 기포는 도 14에 도시한 평직의 그물눈으로 형성되고, 그물눈 방향의 가요성이 낮아, 벨로프램(bellofram; 150) 자체가 자유롭게 굴곡하기 어렵다. 따라서, 주름발생부(159)는 구동 에어의 공급 시에 단-테이퍼면(154)의 주변 위로 비교적 큰 주름을 이루어 국부적으로 존재한다(도 16 참조). 그러면, 밸브 폐쇄시에, 주름발생부(159)에서 접인 단-테이퍼면(154)의 기포가 서로 마찰하고, 꼭대기부(158)에서의 균열이 주름발생부(159)까지 경시적으로 성장하여, 벨로프램(bellofram; 150)의 기포가 파손된다.

이 (1) 및 (2)의 문제에 의해, 에어 수용실(AS) 안으로 공급된 구동 에어가 벨로프램(bellofram; 150)을 통과하여 누출되고, 진공개폐밸브(100)의 개도가 제어될 수 없게 되는 문제가 있었다. 이 때문에, 벨로프램(bellofram; 150)을 빈번하게 교환해야 하여, 내구성이 있는 진공개폐밸브가 요청되고 있었다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이며, 피스톤의 외주면과 실린더의 내주면과의 간격을 피스톤의 동작에 추종하는 벨로프램(bellofram)으로 밀폐하고, 유체에 의해 피스톤을 구동시켜서 개폐하는 진공개폐밸브에 있어서, 내구성이 있는 진공개폐밸브를 제공하는 것을 목적으로 한다.

(1) 본 발명의 목적을 성취하기 위해, 진공용기와 진공펌프의 사이에 접속가능한 진공개폐밸브를 제공한다. 밸브는 진공용기 또는 진공펌프의 일방에 접속가능한 포트가 형성된 밸브 시트(valve seat), 상기 밸브 시트(valve seat)에 접촉하고 떨어질 수 있는 밸브요소, 유체에 의해 구동되고 상기 밸브요소를 이동시키는 피스톤, 상기 피스톤이 수용되는 실린더 및 상기 피스톤의 외주면과 상기 실린더의 내주면과의 소정 간격을 피스톤의 동작과 함께 변형하여 밀폐하는 벨로프램(bellofram)을 구비한다. 진공개폐밸브는 상기 밸브 시트(valve seat)에 대하여 상기 밸브요소의 개도를 변화시켜서 상기 진공용기 내의 진공압력을 제어하도록 배열된다. 진공개폐밸브에서, 벨로프램(bellofram)은 상기 피스톤의 외주면과 접촉함과 동시에 소정의 경사각도로 형성된 주변 표면(peripheral surface)을 포함하며, 상기 피스톤의 외주면은 소정의 경사각도로 형성된 경사면을 포함하고, 상기 벨로프램(bellofram)과 상기 피스톤은 상기 밸브요소가 상기 밸브 시트(valve seat)와 접하는 위치에 있을 때 상기 벨로프램(bellofram)의 상기 피스톤과 접촉하는 주변 표면(peripheral surface) 부분의 내주지름과 상기 벨로프램(bellofram)과 접촉하는 상기 피스톤의 외주지름이 같아지도록 구성되고, 상기 벨로프램(bellofram)의 경사각도와, 상기 피스톤의 경사각도가 같아지도록 구성되며, 상기 벨로프램(bellofram)의 주변 표면(peripheral surface)은 중심축을 따른 단면에 있어, 상기 피스톤의 스트로크 방향을 따르는 축선과 이루는 각도가 다른 제1, 제2 경사면을 포함하고, 상기 벨로프램(bellofram)의 경사각도는 상기 제1, 제2 경사면 중, 각도가 작은 경사면의 경사각도이다. 진공개폐밸브는 상기 밸브요소와 상기 피스톤을 접속하는 로드를 더 포함하며, 상기 벨로프램(bellofram)은 상기 로드가 삽입되는 삽입구멍을 포함하며 상기 벨로프램(bellofram)이 상기 삽입구멍을 통해 상기 로드의 외주와 끼워 맞추는 것에 의해 위치결정되어 있다.

(2) (1)의 상기 진공개폐밸브에서, 바람직하게, 상기 벨로프램(bellofram)은 지름방향의 주연에 상기 실린더에 고정되는 고정부를 포함하며 상기 벨로프램(bellofram)은 상기 제1, 제2 경사면을 연결하는 변곡부를 더 포함하며, 상기 변곡부는 상기 벨로프램(bellofram)의 상기 축선방향 중앙 위치보다 상기 고정부 쪽에 위치한다.

(3) (1)의 상기 진공개폐밸브에서, 바람직하게, 상기 벨로프램(bellofram)은 인서트 성형에 의해, 고무에 기포를 매설한 고무 성형 부재로 이루어지며, 상기 기포는 상기 벨로프램(bellofram)의 중앙 축을 따르는 방향으로 가요성이 있는 짜임새를 가진다.

(4) (3)의 상기 진공개폐밸브에서, 바람직하게, 상기 기포의 상기 짜임새는 트리코 조직(tricot weave)이다.

(1)에 기재한 본 발명의 진공개폐밸브는 진공용기와 진공펌프와의 사이에서 접속하고, 밸브 시트(valve seat)에 대해 밸브요소의 개도를 변화시켜서 진공용기 내의 진공압력을 제어하는 진공개폐밸브이며, 피스톤의 외주면과 실린더의 내주면과의 소정 간격을 피스톤의 동작을 추종하는 벨로프램(bellofram)으로 밀폐하고 유체에 의해 피스톤을 구동시켜 개폐하는 진공개폐밸브이고, 벨로프램(bellofram)의 피스톤과 접촉하는 내주면이 소정의 경사각도로 형성되며, 피스톤의 외주면이 소정의 경사각도로 형성되어 있고, 밸브요소가 밸브 시트(valve seat)와 접하는 위치에 있을 때에, 피스톤과 접촉하는 밸로프램의 내주지름과 피스톤의 외부지름이 같기 때문에, 진공개폐밸브가 닫힌 상태에서 구동 에어가 실린더 안으로 들어가고, 밸로프램에 에어압이 가해진 때에, 밸로프램의 내주지름과 피스톤의 외주지름이 같기 때문에, 벨로프램(bellofram)에 굴곡이 전혀 발생하지 않는다.

종래는, 피스톤을 원통 형상을 하고 있었기 때문에, 피스톤 단면에 대응하는 위치의 벨로프램(bellofram)의 피스톤과 접촉하는 내주지름을 피스톤의 외주지름보다 크게 해야 했다. 본 발명에서는 피스톤의 외주에 경사면을 마련하는 것에 의해, 처음 진공개폐밸브가 닫혀 있는 위치에 있어서, 벨로프램(bellofram) 내주지름과 피스톤 외주지름을 같은 길이로 하는 것이 가능해졌다.

또한 (1)에 기재한 본 발명의 진공개폐밸브에서는 벨로프램(bellofram)의 경사각도와 피스톤의 경사각도를 같게 하고 있기 때문에, 피스톤이 어느 거리를 이동한 때에, 그 상태에서도 벨로프램(bellofram)의 내주지름과 피스톤의 외주지름이 같아지기 위해, 벨로프램(bellofram)이 굴곡이 발생하는 경우가 없다. 벨로프램(bellofram)의 경사각도가 피스톤의 경사각도보다 약간 커도, 밸브요소가 밸브 시트(valve seat)와 접하는 위치에 있을 때에, 피스톤과 접촉하는 벨로프램(bellofram)의 내주지름과 피스톤의 외주지름이 같다면, 벨로프램(bellofram)의 내구성이 현격하게 향상하는 것을, 본 출원인은 실험에 의해 확인하고 있다. 벨로프램(bellofram)의 경사각도와 피스톤의 경사각도를 같게 하면, 더욱 내구성이 향상되는 것을, 본 출원인은 실험에 의해 확인하고 있다.

(1)에 기재하는 본 발명의 진공개폐밸브에서, 벨로프램(bellofram)은 피스톤의 보어 방향에서 본 때의 단면형상에 있어서, 피스톤의 스트로크 방향을 따르는 축선과 이루는 각도가 다른 테이퍼면을 적어도 2개 구비한 형상으로 되어 있기 때문에, 예를 들면, 테이퍼면을 2개로 한 경우, 상기 각도에 관하여, 제1 테이퍼각(θ1)을 종래의 벨로프램(bellofram)의 단일의 단-테이퍼각(θp)보다도 크게 하는 것으로(θp<θ1), 제2 테이퍼각(θ2)보다도 작게 할 수 있다(θ2<θp).

이 경우 상기 축선에 대하여 제1 테이퍼각(θ1)으로 경사진 제1 테이퍼면을 실린더의 내주면 쪽으로, 상기 축선에 대하여 제2 테이퍼각(θ2)으로 경사진 제2 테이퍼면을 피스톤의 외주면 쪽으로, 각각 위치하는 형상으로 벨로프램(bellofram)을 형성하는 것에 의해, 특히 벨로프램(bellofram)의 제2 테이퍼면의 경사각도를 피스톤의 외주면의 테이퍼면의 경사각도와 같게 할 수 있다.

따라서 벨로프램(bellofram)은 각도가 다른 테이퍼면을 적어도 2개 구비하고 있기 때문에 진공개폐밸브의 개폐동작에 따르는 신축성을 유지할 수 있음과 동시에, 주름에 기인하여 발생하는 균열에 의해 벨로프램(bellofram)이 단기에 파손하는 것을 억제할 수 있다.

또한, (1)에 기재하는 진공개폐밸브에서 상기 벨로프램(bellofram)을 상기 밸브요소와 상기 피스톤을 접속하는 로드의 외주와 끼워 맞추는 것에 의해, 상기 벨로프램(bellofram)을 위치결정하는 삽입구멍을 구비한다.

이것에 의해 로드를 통해 피스톤과 벨로프램(bellofram)의 위치결정을 정확하게 행할 수 있다.

그런데 당해 진공개폐밸브가 개방 또는 폐쇄됨에 있어, 벨로프램(bellofram)의 테이퍼면이 습곡 형상으로 접힌 때, 테이퍼면이 접힌 부분은 피스톤의 구동에 따라 테이퍼면이 피스톤의 상사점 또는 하사점의 위치까지 늘어난 상태의 때의 스트로크 방향의 중앙 부근에 위치한다.

(2)에 기재하는 본 발명의 진공개폐밸브에서, 테이퍼면 사이를 연결하는 변곡부는 벨로프램(bellofram)의 축선방향 중앙의 위치보다 고정부 쪽으로 위치하기 때문에, 벨로프램(bellofram)의 테이퍼면이 습곡 형태로 접힌 때에도, 변곡부에서 접히는 경우가 없다.

당해 진공개폐밸브가 반복하여 개폐해도, 벨로프램(bellofram)의 테이퍼면 중, 다른 부분보다도 응력이 집중하기 쉬운 변곡부에서 반복하여 접히는 경우가 없기 때문에, 변곡부에서 반복하여 접히는 것에 기인한 벨로프램(bellofram)의 열화(벨로프램(bellofram)을 구성하는 재료의 피로)의 발생을 방지할 수 있다.

따라서 벨로프램(bellofram)이 조기에 손상되는 것을 억제할 수 있다.

또한, (3)에 기재하는 본 발명의 진공개폐밸브에서, 벨로프램(bellofram)은 고무로 벨로프램(bellofram)의 면을 따른 방향으로 가요성이 있는 짜임새를 가지는 기포를 인서트 성형한 고무 성형품으로 된다.

이것에 의해 고무에 의한 밀폐성 및 기포에 의한 유체의 가압력에 대항하는 강도를 벨로프램(bellofram)이 얻을 수 있다. 따라서 피스톤의 동작 및 피스톤의 형상에 대응하여 자유롭게 굴곡하기 쉬운 벨로프램(bellofram)이 된다.

또한, (4)에 기재하는 본 발명의 진공개폐밸브에서, 벨로프램(bellofram)의 기포의 짜임새가 트리코 조직(tricot weave)이기 때문에, 유체의 가압시에 벨로프램(bellofram)은 피스톤의 동작 및 피스톤의 형상에 대응하여 자유롭게 굴곡하기 쉬워진다.

특히 본 발명의 진공개폐밸브에서, 유체의 가압시에 벨로프램(bellofram)의 테이퍼면이 피스톤의 외주면 쪽으로 팽창한 때에는, 벨로프램(bellofram)이 피스톤의 외주면의 형상을 따르기 위해 자유롭게 굴곡하기 쉬워진다.

이 때문에, 본 발명의 진공개폐밸브의 벨로프램(bellofram)에서 피스톤의 스트로크 방향의 임의위치에서, 테이퍼면의 주변 방향의 길이와 피스톤의 외주면의 주변 방향의 길이와의 차이에 의해, 테이퍼면에 생기는 주름을, 종래의 진공개폐밸브의 벨로프램(bellofram)과 비교하여 작게 할 수 있다. 게다가, 이 주름은 종래의 진공개폐밸브의 벨로프램(bellofram)과 같이, 벨로프램(bellofram)의 단-테이퍼면의 주변 위에서 국부적으로 비교적 큰 주름이 존재하지 않고, 종래의 벨로프램(bellofram)에 생긴 주름보다도 작게 억제되어, 테이퍼면의 주변 위에 산재하도록 된다. 이 때문에, 당해 진공개폐밸브를 개방 또는 폐쇄할 때에, 주름으로 되는 부분에서의, 습곡이 된 테이퍼면 사이의 접촉을 회피하기 쉬워지고, 기포 사이에서 마찰이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

따라서, 만약 테이퍼면 중 습곡된 부분에서 균열이 발생하여도, 이 균열의 성장에 의해, 습곡된 테이퍼면의 기포 사이가 마찰하는 것에서 기인한, 벨로프램(bellofram)의 파손을 억제할 수 있다.

또한, 트리코 조직(tricot weave)이란, 예를 들면, 이랑(ridge)과 같이, 산부와 곡부가 소정방향으로 교대로 연속하여 배치한 형태의 실의 짜임새인 이랑지워 짠 직물(ribbed weave)이나, 메리야스(knitting)의 짜임새 등과 같은 형태의 직조방법이며, 직물이 유연성, 탄력성 및 신축성을 가지는 직조방법이다.

또한, 상기에 기재한 본 발명의 진공개폐밸브에서 벨로프램(bellofram)은 지름방향 중앙부에 그 두께 방향으로 돌출한 볼록부를 포함하며, 피스톤은 그 보어 방향의 수압면에 요설된 오목부를 포함하며, 벨로프램(bellofram)과 피스톤은 볼록부와 오목부가 끼워져서, 동심축 위에서 위치결정되어 고착되어 있다.

이것에 의해 벨로프램(bellofram)의 지름 방향 중앙부와 피스톤의 수압면과의 상대적인 위치 어긋남이 없기 때문에, 벨로프램(bellofram)의 테이터면은 피스톤의 동작에 따라 테이퍼면의 주변 방향에 있어서 균등하게 굴곡하거나 늘어날 수 있다. 그 때문에, 피스톤의 구동을 적절하게 행할 수 있다.

이하, 본 발명에 관한 진공개폐밸브를 구체화한 실시형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 도 10은 진공개폐밸브(10)를 포함하는 진공압력제어시스템(1)의 구성을 도시한 개략도이다.

진공압력제어시스템(1)은 반도체제조공정에서 웨이퍼(8)를 표면처리함에 있어 웨이퍼(8)를 배치한 진공챔버(2) 안으로 프로세스 가스와 퍼지 가스를 교태로 공급 및 배출시키는 압력제어시스템이다. 도 10에 도시한 것처럼, 이 진공압력제어시스템(1)은 진공챔버(2)(진공용기), 진공펌프(5), 구동 에어(AR)를 공급하는 에어 공급원(6), 진공개폐밸브(10), 이 진공개폐밸브(10)의 밸브 개도(VL)를 제어하는 서보밸브(미도시) 및 진공개폐밸브(10) 등과 전기적으로 접속하는 진공압력제어장치(7) 등을 포함한다.

진공챔버(2)의 가스 공급 포트(2a)는 진공챔버(2) 안에 배치된 웨이퍼(8)에 표면처리를 할 때에 이용하는 프로세스 가스의 공급원과, 진공챔버(2) 안의 프로세스 가스를 퍼지할 때 이용하는 질소 가스의 공급원과 병렬로 접속하고 있다.

한편, 진공챔버(2)의 가스 배출 포트(2b)는 진공개폐밸브(10)와 차단밸브(4)를 통해 챔버용 압력센서(3)와 병렬로 접속하고 있다. 챔버용 압력센서(3)는 진공압력제어장치(7)와 전기적으로 접속하고 있고, 진공챔버(2) 안의 프로세스 가스 등의 진공압력을 계측한다. 또한, 진공개폐밸브(10)는 진공펌프(5)와도 접속하고 있다.

진공개폐밸브(10)에 관하여, 도 1~ 도 6을 이용하여 설명한다.

도 1은 본 실시형태의 진공압력밸브(10)에 포함된 벨로프램(bellofram; 50)을 피스톤(40)의 보어 방향(BR)에서 본 때의 단면도로 나타낸 설명도이다. 도 2는 벨로프램(bellofram; 50)을 이루는 고무 성형부재(51)의 구성을 설명하기 위한 설명도이고, 도 1 중, X부를 확대하여 도시한 단면도이다. 도 3은 도 2에 도시한 고무 성형부재(51) 중, 기포(51B)의 짜임새를 설명하는 설명도이다. 도 4는 진공개폐밸브(10)의 구성을 설명하는 설명도로, 밸브폐쇄상태를 도시한 도면이다. 도 5는 도 1에 도시한 진공개폐밸브(10)의 밸브개방상태를 도시한 도면이다, 도 6은 도 4의 P부의 확대도이다.

본 실시형태의 진공개폐밸브(10)는 에어 공급원(6)에서 미도시한 서보밸브를 통과하고 에어 수용실(AS) 안으로 공급되는 구동 에어(AR)에 의해, 밸브 개도(VL)를 변화시켜, 진공챔버(2) 안의 프로세스 가스 등의 진공압력을 제어하는 진공개폐밸브로서 이용되고 있다.

이 진공개폐밸브(10)는, 그 축선(AX) 방향, 즉 포핏 밸브요소(76)가 개폐하 는 밸브 쉬프트(shift) 방향(도 4 및 도 5 중 상하방향) 중, 밸브개방 쪽(도 4 및 도 5 중, 상방)에 위치하는 파일럿 실린더부(pilot cylinder section; 20) 및 밸브폐쇄 쪽(도 4 및 도 5 중, 하방)에 위치하는 벨로즈식 포핏 밸브부(beloows-type poppet valve section; 70)를 포함한다.

파일럿 실린더부(20)는 단동 공기압 실린더(single-acting pneumatic cylinder; 30), 실린더 유지부(32), 에어 수용실(AS), 피스톤(40), 복귀 스프링(47) 및 벨로프램(bellofram; 50) 등을 포함한다.

진공개폐밸브(10)에서, 구동 에어(AR)가 에어 수용실(AS)로 공급되면, 피스톤(40)은 단동 공기압 실린더(30) 안을 그 실린더 내주면(31)과 비접촉상태로, 축선(AX) 방향을 따르는 스트로크 방향(ST)으로 구동하도록 되어 있다. 피스톤(40)의 외주면(41)의 피스톤 외주지름(dp)은 단동 공기압 실린더(30)의 실린더 내주면(31)의 지름보다 소정의 크기만큼 작다. 이 피스톤(40)의 수압면(43)에는 스트로크 방향(ST)에 환상의 오목부(44)가 요설되어 있다. 이 피스톤(40)의 외주면(41)과 단동 공기압 실린더(30)의 실린더 내주면(31)과의 사이에 어느 소정의 간격(45)은 후에 상술할 것처럼, 도 1에 도시한 벨로프램(bellofram; 50)에 의해 밀폐되어, 에어 수용실(AS) 안의 기밀성이 확보되도록 되어 있다.

또한, 피스톤(40)은 단동 공기압 실린더(30)의 실린더 내주면(31)과 비접촉 상태로 구동하기 때문에, 피스톤(40)의 스틱-슬립이 발생하지 않고, 피스톤(40)은 높은 응답성과 정확한 위치 정확도로 단동 공기압 실린더(30) 안을 구동할 수 있다.

이 피스톤(40)은 복귀 스프링(47)에 의해 밸브 쉬프트 방향의 밸브폐쇄 쪽으로 가세되어 있다. 구동 에어(AR)가 에어 수용실(AS)에 공급되지 않는 때, 피스톤(40)은 복귀 스프링(47)에 의한 가세력에 의해, 하상점에 위치한다(도 4 참조). 그 한편, 구동 에어(AR)가 에어 수용실(AS)에 공급되면, 피스톤(40)은 복귀 스프링(47)에 의한 가세력에 대항하여, 밸브 쉬프트 방향의 밸브개방 쪽으로 이동한다(도 5 참조).

또한, 진공개폐밸브(10)에서 피스톤(40)이 밸브 쉬프트 방향으로 이동한 때, 피스톤(40)이 하상점의 위치부터 상사점을 향하여 변위한 만큼의 피스톤(40)의 변위량, 즉 진공개폐밸브(10)의 밸브 개도(VL)를 비접촉 상태로 계측하는 변위센서(81)가 마련되어 있다(도 4 및 도 5 참조). 이 변위센서(81)는 진공압력제어장치(7)와 전기적으로 접속되어 있다.

벨로프램(bellofram; 50)은 고무(51A)에 트리코 조직(tricot weave)의 짜임새를 가지는 기포(51B)를 인서트 성형한 고무 성형부재(51)로 이루어진 벨로프램(bellofram)이다(도 1 및 도 2 참조). 또한, 트리코 조직(tricot weave)이란, 도 3에 도시한 것처럼, 예를 들면, 이랑과 같이, 산부와 곡부가 소정방향으로 교대로 연속하여 배치한 형상의 실의 짜임새인 이랑지워 짠 직물(ribbed weave)이나, 메리야스(knitting)의 짜임새 등과 같은 형태의 직조방법이며, 직물에 유연성, 탄력성 및 신축성을 주는 직조방법이다.

벨로프램(bellofram; 50)은 에어 수용실(AS) 안으로 구동 에어(AR)가 공급되면, 피스톤(40)의 수압면(43)의 유효 수압면적을 일정 불변하게 유지하도록 신축할 수 있다. 이 벨로프램(bellofram; 50)은 고무 성형부재(51)로 구성되는 것에 의해, 에어 수용실(AS)로 공급된 구동 에어(AR)에 의한 가압력에 대항하는 강도를 기포(51B)에, 기밀성을 고무(51A)에, 각각 부여하고 있다. 이 고무 성형부재(51)에 이용되는 고무(51A)로는, 예를 들면, 천연 고무 및, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(acrylonitrile-butadiene rubber), 스틸렌-부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber), 부타디엔 고무(butadiene rubber), 이소프렌 고무(isoprene subber), 프로필렌-부타디엔 고무(propylene-butadiene rubber), 아크릴로니트릴-이소프렌 고무(acrylonitrile-isoprene rubber), 클로로프렌 고무(chloroprene rubber), 이소부틸렌-이소프렌 고무(isobutylene-isoprene rubber)(부틸 고무(butyl rubber)), 에틸렌 프로필렌 고무(ethylene propylene subber), 아크릴 고무(acrylic rubber), 플루오로카본 고무(fluorocarbon rubber), 에테르-티오에테르 고무(ether-thioether rubber), 폴리설파이드 고무(polysulfide rubber), 우레탄 고무(urethane rubber), 실리콘 고무(silicone rubber)와 같은 합성 고무를 포함할 것이다. 또한, 기포(51B)를 위한 물질로서, 예를 들면, 폴리아미드(polyamide)(나일론(Nylon) 6, 나일론 66 등), 아라미드(aramid), 폴리에스테르(polyester) 또는 면 등의 실을 선택하고 벨로프램(bellofram; 50)(고무 성형부재(51))의 표면(51a, 51b)을 따른 방향으로 가요성을 가지도록 직조될 수 있다.

도 1에서 도시한 것처럼, 벨로프램(bellofram; 50)은 본 실시형태에서 피스톤(40)의 보어 방향(BR)(도 4 및 도 5 중, 좌우방향)에서 본 때의 단면형상에 있어서, 피스톤(40)의 스트로크 방향(ST)(도 4 및 도 5 중 상하방향)을 따르는 축선(AX)과 이루는 각도가 서로 다른 2 개의 제1 테이퍼면(55A), 제2 테이퍼면(55B)을 구비하고 있다. 또한, 이 벨로프램(bellofram; 50)은 지름 방향(피스톤(40)의 보어 방향(BR))의 외주연에 위치하는 환상의 플랜지부(54)(고정부) 및 이 플랜지부(54)와의 사이에서 제1, 제2 테이퍼면(55A, 55B)을 끼워 지름방향 중앙에 위치하는 중앙부(52)(지름방향 중앙부)를 더 포함한다.

제1 테이퍼면(55A)은 플랜지부(54)의 지름방향 안쪽의 경사기상부위(54S)보다 접힌 경사면에서 축선(AX)과 평행한 가상선(M)과 이루는 각도를 제1 경사각(θ1)(0<θ1<90°)으로 하는 환상의 경사면으로 되어 있다. 제2 테이퍼면(55B)은 이 가상선(M)과 이루는 각도를 제2 경사각(θ2)(0<θ2<θ1)으로 하는 환상의 경사면으로 되어 있다. 제1 테이퍼면(55A)과 제2 테이퍼면(55B)는 변곡부(56)로 연속하여 연결되고, 이 변곡부(56)는 도 1에 도시한 상태의 밸로프램(50)에 있어서, 그 축선(AX) 방향의 중앙위치보다 플랜지부(54) 쪽에 위치하고 있다. 이 변곡부(56)가 이와 같은 위치에 있는 이유로는 진공개폐밸브(10)가 폐쇄할 때에, 벨로프램(bellofram; 50)의 제2 테이퍼면(55B)은, 피스톤(40)이 상사점의 위치까지 이동하고 이 이동에 수반하여 제2 테이퍼면(55B)이 피스톤의 상사점의 위치까지 늘어난 상태로 된 때의, 스트로크 방향(ST)의 중앙부근의 위치에서, 습곡 형태로 접혀 있다.

또한, 중앙부(52)는 피스톤(40)의 보어 방향(BR)(도 4 및 도 5 중, 좌우방향)을 따르는 방향으로 제2 테이퍼면(55B)에서 연속하여 연결되어 있다. 이 중앙부(52)는 후술할 피스톤 로드(48)를 삽입하는 관통구멍(57)이 형성되어 있고, 중앙부(52)의 두께방향(도 1 중, 상하방향)으로 돌출하는 볼록부(53)가 관통구멍(57)의 주변에 환상으로 형성되어 있다. 관통구멍(57)의 크기는 피스톤 로드(48)의 외주와 끼워 맞추기 위해, 높은 정확도로 형성되어 있다.

도 6에 도시한 것처럼, 벨로프램(bellofram; 50)은 그 볼록부(53)를 피스톤(40)의 오목부(44) 안에 삽입하는 것으로, 피스톤(40)에 위치결정되어 있다. 이 벨로프램(bellofram; 50)은 그 중앙부(52)를 피스톤(40)의 수압면(43)에 맞닿게 한 상태에서, 이 중앙부(52)를 피스톤(40)과 판 형상의 고정구(46)와의 사이에 삽입하고, 피스톤(40)과 고정구(46)와의 나사 결합에 의해 고정되어 있다.

또한 이 벨로프램(bellofram; 50)의 플랜지부(54)는 단동 공기압 실린더(30) 및 플랜지 유지부(32)에 삽입되어 고착되어 있다.

진공개폐밸브(10)에서 피스톤(40)이 하사점의 위치에 있을 때, 즉 구동 에어(AR)가 에어 수용실(AS)에 공급되어 있지 않을 때, 벨로프램(bellofram; 50)의 플랜지부(54)와 중앙부(52)가 스트로크 방향(ST)과 거의 같은 위치가 된다(도 4 참조). 그러면, 도 4, 도 6 및 도 7에 도시한 것처럼, 제2 테이퍼면(55B)은 피스톤(40)과 실린더(30)과의 간격(45)에서, 꼭대기부(58)에서 습곡 형상으로 접힌다.

한편, 구동 에어(AR)가 에어 수용실(AS)에 공급되면, 도 6 및 도 7에서 도시한 것처럼, 제2 테이퍼면(55B)은 꼭대기부(58)에서 습곡된 상태로, 도 7에 2점 파선으로 도시한 것처럼 단동 공기압 실린더(30)의 실린더 내주면(31)과 피스톤(40)의 외주면(41)을 따르도록 팽창하고 나서, 피스톤(40)의 스트로크 방향(ST)의 상사점 쪽(도 6 및 도 7 중, 상방)을 향하여 늘어나서, 도 5에 도시한 상태까지 늘어난다.

이와 같이, 벨로프램(bellofram; 50)은 플랜지부(54)를 플랜지 유지부(32)에, 중앙부(52)를 피스톤(40)의 수압면(43)에, 각각 고착시킨 상태에서, 제1, 제2 테이퍼면(55A, 55B)을 피스톤(40)과 실린더(30)와의 간격(45)에 위치시키고, 피스톤(40)의 구동에 추종하여 접히거나 늘어나거나 하면서, 이 간격(45)을 밀폐시키고 있다.

도 6은 도 4의 P부의 확대도이고, 도 4는 O링(79)이 밸브 시트(valve seat)와 완전히 접한 밸브폐쇄상태를 도시하고 있다. 따라서, 도 6은 밸브폐쇄상태의 벨로프램(bellofram; 50)의 형상을 도시하고 있다.

O링(79)이 밸브 시트(valve seat; 73)에 완전히 접해 있는 밸브폐쇄상태에 있어서, 구동 에어(AR)를 공급하면, 벨로프램(bellofram; 50)은 도 7의 2점 쇄선으로 도시한 위치가 되며, 벨로프램(bellofram; 50)이 피스톤(40)과 접촉하는 점이 조금 변화한다. 본 발명에서는 밸로프램(50)이 피스톤(40)과 접촉하는 위치(높이(L1)로 나타낸 위치, 즉, 도 7의 2점 쇄선으로 나타낸 벨로프램(bellofram; 50)이 피스톤(40)과 접촉하는 상단 위치)의 벨로프램(bellofram; 50)의 내주지름을 W2로 하고 있다.

한편, 피스톤(40)의 단면도를 도 8에 도시한다. 피스톤(40)의 외형은 선단부가 θ의 각도를 가지는 끝으로 갈수록 가늘어지는 피스톤 테이퍼면(40a)을 형성하고 있다. 이 각도(θ)는 벨로프램(bellofram; 50)의 제2 테이퍼각(θ2)과 같다. 피스톤 테이퍼면(40a)은 피스톤(40)의 하부 절반에 제공된다. 상부 절반은 벨로프램(bellofram; 50)과 접촉하지 않으므로 끝으로 갈수록 가늘어질 필요가 없다.

즉, W1은 O링(97)이 밸브 시트(valve seat; 73)에 접한 밸브폐쇄상태에 있어서, 구동 에어(AR)를 공급한 때의, 피스톤의 외주가 벨로프램(bellofram; 50)과 접촉하고 있는 상단에서의 피스톤의 외주지름이다.

W2는 O링(97)이 밸브 시트(valve seat; 73)에 접한 밸브폐쇄상태에 있어서, 구동 에어(AR)를 공급한 때의, 벨로프램(bellofram; 50)이 피스톤(40)과 접촉하고 있는 상단에서의 벨로프램(bellofram; 50)의 피스톤(40)과 접촉하고 있는 내주지름이다.

도 7에 도시한 것처럼, 피스톤 선단에서 L1의 거리의 위치의, 피스톤(40)의 외주지름을 W1으로 하고 있다. 피스톤 선단에서 L1의 거리는 도 7의 2점 파선으로 나타낸 벨로프램(bellofram; 50)에 있어서, 벨로프램(bellofram; 50)이 피스톤(40)과 접촉하고 있는 상단위치이다.

여기서, 도 4에 도시한 밸브폐쇄상태에 있어서 밸로프램(50)의 W2와 피스톤(40)의 W1을 같은 길이로 하고 있다.

다음으로 벨로우즈식 포핏 밸브부(70)에 관하여 설명한다.

이 벨로우즈식 포핏 밸브부(70)는, 밸브 본체(71), 벨로우즈(75), 포핏 밸브요소(76), O링 유지 부재(77) 및 O링(79) 등을 포함한다.

피스톤(40)의 지름방향 중앙부에는 피스톤 로드(48)가 연결되어 있고, 이 피스톤 로드(48)와 피스톤(40)과의 사이에는 O링(49)으로 봉인되어 있다. 이 피스톤 로드(48)는 벨로우즈식 포핏 밸브부(70)를 향하여 연장하여 피스톤 로드(48)의 밸브개방측 단부에서 포핏 밸브요소(76)와 연결되어 있고, 포핏 밸브요소(76)는 피스톤 로드(40)의 스트로크 방향(ST)의 구동에 수반하며, 피스톤(40)과 함께 밸브 쉬프트 방향으로 움직이도록 되어 있다. 벨로우즈(75)는 축선(AX) 방향의 일단 쪽(도 4 및 도 5 중, 상방)에 있는 단부를 고정하고, 타단 쪽을 포핏 밸브요소(76)에 설치하여, 피스톤 로드(48)의 지름방향 바깥쪽을 덮는 형태로, 포핏 밸브요소(76)의 밸브 쉬프트 방향의 구동에 수반하여 신축하도록 설치되어 있다.

포핏 밸브요소(76)의 O링 유지 부재(77)는 포핏 밸브요소(76)의 밸브폐쇄 쪽(도 4 및 도 5 중, 하방)에서 고착되며, 포핏 밸브요소(76) 및 O링 유지 부재(77)에 의해 형성된 환상의 O링 설치부(78)가 마련되어 있다. O링(79)은 O링 설치부(78)에 배설되고, 밸브 본체(71)의 밸브 시트(valve seat; 73)와 접촉가능하게 되어 있다. 이 밸브 본체(71)는 진공펌프(5)에 접속하는 제1 포트(72) 및 진공챔버(2)의 가스 배출 포트(2b)에 접속하는 제2 포트(74)를 포함한다.

진공개폐밸브(10)에서 구동 에어(AR)가 에어 수용실(AS)에 공급되지 않을 때에, 피스톤(40)은 복귀 스프링(47)에 의한 가세력에 의해 하사점에 위치하기 때문에, 피스톤(40)과 연결하는 포핏 밸브요소(76)는 O링(79)을 이용하여 밸브 시트(valve seat; 73)를 누른다. 이것에 의해, 포핏 밸브요소(76)로 제1 포트(72)를 막아 진공개폐밸브(10)는 폐쇄된다(밸브 개도(VL)=0).

한편, 구동 에어(AR)가 에어 수용실(AS)로 공급되면, 피스톤(40)은 복귀 스프링(47)에 의한 가세력에 대항하여, 밸브 쉬프트 방향의 밸브개방 쪽으로 이동하기 위해, O 링(79)과 함께 포핏 밸브요소(76)도 밸브개방 쪽으로 이동하여 밸브 시트(valve seat; 73)에서 떨어진다. 이것에 의해, 진공개폐밸브(10)는 개방되고(밸브개도(VL)>0), 제1 포트(72)와 제2 포트(74)가 연통한다. 진공개폐밸브(10)가 개방되면, 진공펌프(5)는 진공챔버(2) 안에 있는 프로세스 가스 또는 질소 가스를 흡인할 수 있도록 된다.

본 실시형태의 진공개폐밸브(10)에서 벨로프램(bellofram; 50)은 피스톤(40)의 보어 방향(BR)에서 본 때의 단면형상에 있어서, 축선(AX)과 이루는 각도가 제1 경사각(θ1)인 제1 테이퍼면(55A) 및 제2 경사각(θ2)인 제2 테이퍼면(55B)을 구비한 형상으로 되어 있다.

여기서 벨로프램(bellofram; 50)의 축선(AX)에 따르는 가상선(M)과 제1, 제2 테이퍼면(55A, 55B)과의 사이의 제1, 제2 경사각(θ1, θ2)에 관하여, 본 실시형태의 진공개폐밸브(10)의 벨로프램(bellofram; 50)과 종래의 진공개폐밸브(100)의 벨로프램(bellofram; 150)을 비교하여 고찰한다.

전술한 것처럼, 진공개폐밸브(10)에서 제1 테이퍼면(55A)과 축선(AX)(가상선(M))이 이루는 각은 제1 경사각(θ1)(0<θ1<90°)이다. 또한 제2 테이퍼면(55B)과 축선(AX)(가상선(M))이 이루는 각은 제2 경사각(θ2)(0<θ2<θ1)이기 때문에, 제2 테이퍼면(55B)에 있어서, 축선(AX)을 따르는 방향의 임의위치의 지름방향의 길이를 제2 테이퍼면 지름 길이(D2), 이 위치의 주변 방향의 길이는 제2 테이퍼 주변 길이(πD2)가 된다.

한편, 종래의 진공개폐밸브(100)에서 벨로프램(bellofram; 150)의 단-테이퍼면(154)은 하나이기 때문에, 이 단-테이퍼면(154)과 벨로프램(bellofram; 150)의 축선(AX)을 따르는 가상선(N)이 이루는 각은 단-테이퍼각(θp)(0<θp<90°)이다(도 13 참조). 이것에 의해, 단-테이퍼면(154)에 있어서, 피스톤의 스트로크 방향의 임의위치의 지름 방향의 길이는 단-테이퍼면 지름 길이(Dp), 이 위치의 주변 방향의 길이는 단-테이퍼면 주변 길이(πDp)가 된다(도 16 참조).

본 실시형태의 진공개폐밸브(10)에서 제1 경사각(θ1)을 단-테이퍼각(θp)보 다도 크게 하는 것으로(θp<θ1), 제2 경사각(θ2)은 단-테이퍼각(θp)보다 작게 할 수 있다(θ2<θp). 결국, 제1 경사각(θ1), 제2 경사각(θ2) 및 단-테이퍼각(θp)의 크기에 관하여,

θ2<θp<θ1 식(1)

의 관계가 성립한다. 이 진공개폐밸브(10)의 벨로프램(bellofram; 50)은 이 식(1)에 기초하여, 축선(AX)에 대하여 제1 경사각(θ1)으로 경사진 제1 테이퍼면(55A)을 단동 공기압 실린더(30)의 실린더 내주면(31) 쪽으로, 축선(AX)에 대하여 제2 경사각(θ2)으로 경사진 제2 테이퍼면(55B)을 피스톤(40)의 외주면(41) 쪽으로, 각각 위치한 형태로 성형되어 있다.

한편, 피스톤(40)의 피스톤 테이퍼면(40a)은 벨로프램(bellofram; 50)의 제2 경사면(55B)과 같은 경사각도로 형성되어 있다. 도 7에 도시된 것처럼, O 링(79)이 밸브 시트(valve seat; 73)에 완전히 접하고 있는 밸브폐쇄상태에 있어서, 구동 에어(AR)를 공급한 때에, 벨로프램(bellofram; 50)은 도 7의 2점 파선으로 도시한 것 같은 위치가 된다. 이때, 벨로프램(bellofram; 50)과 피스톤(40)이 접촉하는 상단에 있어서, 벨로프램(bellofram; 50)의 피스톤(40)과 접촉하는 내주지름(W2)과, 벨로프램(bellofram; 50)과 접촉하는 피스톤(40)의 외주지름(W1)을 같게 하고 있기 때문에, 구동 에어(AR)를 흘려보낸 때에, 벨로프램(bellofram; 50)과 피스톤(40)은 도 9에 도시한 것처럼, 밀착한 상태가 되어, 굴곡이 전혀 발생하지 않는다.

그 후, 벨로프램(bellofram; 50)이 피스톤(40)과 접촉하는 점이 변화하지만, 피스톤(40)의 피스톤 테이퍼면(40a)은 벨로프램(bellofram; 50)의 제2 테이퍼면(55B)과 같은 경사각도로 형성되어 있기 때문에, 당연히 벨로프램(bellofram; 50)과 피스톤(40)이 밀착된 상태를 유지한다.

종래의 밸로프램(150)에 생긴 주름 발생부(159)와 비교하여, 이와 같은 주름 발생부(59)가 전혀 발생하지 않기 때문에, 피스톤(40)이 이동한 때에, 응력집중이 발생하지 않고, 어떤 정도로 반복하여도, 종래와 같은 피스톤(40)의 이동방향으로 균열이 발행하지 않는다. 본 출원인은 반복하여 테스트로 확인하였지만, 종래의 수십배 반복한 회수로 실험하여도, 종래와 같은 균열이 전혀 발생하지 않음을 확인하였다.

이상, 상세히 설명한 것처럼, 본 실시형태의 진공개폐밸브에 의하면, 진공용기(2)와 진공펌프(5) 사이에 접속하고, 밸브 시트(valve seat; 73)에 대하여 밸브요소인 O링(79)의 개도를 변화시켜서 진공용기(2) 안의 진공압력을 제어하는 진공개폐밸브(10)로서, 피스톤(40)의 외주면과 실린더(30)의 내주면(31)과의 소정의 간격을, 피스톤(40)의 동작에 추종하는 벨로프램(bellofram; 50)으로 밀폐하고, 유체에 의해 피스톤(40)을 구동시켜서 개폐하는 진공개폐밸브(10)이고, 벨로프램(bellofram; 50)이 소정의 경사각도(θ2)로 형성되어 있는 것, 피스톤(40)의 외주가 소정의 경사각도(θ)로 형성되어 있는 것, 밸브요소가 밸브 시트(valve seat)와 접한 위치에 있을 때 피스톤과 접촉하는 벨로프램(bellofram)의 내주지름과 피스톤의 외주지름이 같은 것을 특징으로 하기 때문에, 진공개폐밸브가 닫힌 상태에서 구동 에어가 실린더 안으로 들어오고, 벨로프램(bellofram)에 에어압이 가해진 때에, 벨로프램(bellofram)의 내주지름과 피스톤의 외주지름이 같기 때문에, 벨로프램(bellofram)에 굴곡이 전혀 발생하지 않는다.

종래는 피스톤을 원통 형상으로 하고 있었기 때문에, 피스톤 단면에 대응하는 위치의 벨로프램(bellofram)의 피스톤과 접촉하는 내주지름을 피스톤의 외주지름보다 크게 하지 않을 수 없었다. 본 발명에서는 피스톤의 외주에 경사면을 마련하는 것에 의해 처음으로 진공개폐밸브가 닫혀 있는 위치에 있어서, 벨로프램(bellofram) 내주지름과 피스톤의 외주지름을 같은 길이로 하는 것이 가능해졌다.

또한, 벨로프램(bellofram; 50)의 피스톤(40)과 접촉하는 내주면의 경사각도(θ2)와, 피스톤(40)의 경사각도(θ)를 같게 하고 있기 때문에, 피스톤(40)이 어떤 거리로 이동한 때에도, 벨로프램(bellofram; 50)이 피스톤(40)과 접촉하는 내주지름과 피스톤(40)의 외주지름이 같아지기 때문에, 벨로프램(bellofram; 50)에 굴곡이 생기지 않는다.

벨로프램(bellofram; 50)의 경사각도(θ2)가 피스톤(40)의 경사각도(θ)보다 조금 커도, 밸브요소인 O링(79)이 밸브 시트(valve seat; 73)와 접한 위치에 있는 때에, 피스톤(40)과 접촉하는 벨로프램(bellofram; 50)의 내주지름과, 피스톤(40)의 외주지름이 같다면, 벨로프램(bellofram; 50)의 내구성은 현저히 향상하는 것을, 본 출원인은 실험에 의해 확인하고 있다. 벨로프램(bellofram; 50)의 경사각도(θ2)와 피스톤(40)의 경사각도(θ)를 같게 하면, 더욱 내구성이 향상하는 것을, 본 출원인은 실험에 의해 확인하고 있다.

또한, 벨로프램(bellofram; 50)은 제1 테이퍼면(55A) 및 제2 테이퍼면(55B)의 2개를 구비하고 있기 때문에, 진공개폐밸브(10)의 개폐동작에 수반하는 신축성을 유지할 수 있음과 동시에, 주름에 기인하여 발생하는 균열에 의해 벨로프램(bellofram; 50)이 단기에 파손되는 것을 억제할 수 있다.

또한, 진공개폐밸브(10)에서 제1 테이퍼면(55A) 및 제2 테이퍼면(55B) 사이를 연결하는 변곡부(56)는 벨로프램(bellofram; 50)의 축선(AX)의 중앙위치보다, 플랜지부(54) 쪽에 위치하기 때문에, 벨로프램(bellofram; 50)의 제2 테이퍼면(55B)이 습곡 형상으로 접힌 때에도, 변곡부(56)에서 접히는 경우가 없다.

당해 진공개폐밸브(10)가 반복하여 개폐해도, 벨로프램(bellofram; 50)의 제1, 제2 테이퍼면(55A< 55B) 중 다른 부분보다도 응력이 집중되지 쉬운 변곡부(56)에 제2 테이퍼면(55B)의 접힘이 반복하여 행해지지 않기 때문에, 변곡부(56)에서 반복하여 접히는 것에 의해 기인한 벨로프램(bellofram; 50)의 열화(고무 성형부재(51)의 재료 피로)의 발생이 방지될 수 있다.

따라서, 벨로프램(bellofram; 50)이 조기에 파손되는 것을 억제할 수 있다.

또한, 본 실시형태의 진공개폐밸브(10)에서, 벨로프램(bellofram; 50)이 밸브요소인 O링(79)을 유지하는 포핏 밸브요소(76)와 피스톤(40)을 접속하는 피스톤 로드(48)의 외주와 끼워 맞는 것에 의해, 벨로프램(bellofram; 50)을 피스톤(40)에 대하여 위치결정하는 관통구멍(57)을 구비하고 있기 때문에, 벨로프램(bellofram; 50)을 용이 또한 정확하게 피스톤(40)에 위치결정할 수 있다.

또한, 진공개폐밸브(10)에서, 벨로프램(bellofram; 50)은 인서트 성형에 의해, 고무(51A)에 벨로프램(bellofram; 50)의 표면(51a)을 따른 방향으로 가요성이 있는 트리코 조직(tricot weave)의 짜임새를 가지는 기포(51B)를 매설한 고무 성형부재(51)를 포함한다.

이것에 의해, 고무(51A)로 기밀성을, 구동 에어(AR)의 가압력에 대항하는 강도를 기포(51B)에 부여함과 동시에, 피스톤(40)의 동작 및 피스톤(40)의 외주면(41)의 형상에 맞춰서 자유롭게 굴곡하기 쉬운 벨로프램(bellofram)이 된다.

특히, 본 실시형태의 진공개폐밸브(10)에서, 벨로프램(bellofram; 50)의 기포(51B)의 조직감은 트리코 조직(tricot weave)이기 때문에, 구동 에어(AR)의 공급시에 벨로프램(bellofram; 50)의 제2 테이퍼면(55B)이 피스톤(40)의 외주면(41)을 따라 팽창한 때에, 벨로프팸(50)은 피스톤(40)의 외주면(41)의 형상을 따르도록 굴곡하기 쉬워진다.

또한, 진공개폐밸브(10)에서 벨로프램(bellofram; 50)과 피스톤(40)은 볼록부(53)와 오목부(44)와의 삽입으로, 동심축 상에 위치결정되어 고착되어 있다.

이것에 의해, 밸로프램(50)의 중앙부(52)와 피스톤(40)의 수압면(43)과의 상대적인 위치 어긋남이 생기지 않기 때문에, 벨로프램(bellofram; 50)의 제1, 제2 테이퍼면(55A, 55B)은 피스톤(40)의 동작에 맞추고, 제1, 제2 테이퍼면(55A, 55B)의 주변 방향에 있어서 균등하게 굴곡하거나 늘어나거나 할 수 있다. 이 때문에, 피스톤(40)의 구동을 적절히 행할 수 있고, 벨로프램(bellofram; 50)으로 피스톤(40)의 외주면(41)과 단동 공기압 실린더(30)의 실린더 내주면(31)과의 간격(45)을 적절한 상태로 밀폐할 수 있다.

이상에 있어서, 본 발명을 실시형태에 입각하여 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되는 것이 아니며, 그 요지를 벗어나지 않는 범위에서 적절하게 변경하여 적용할 수 있음은 당연하다.

예를 들면, 본 실시형태에서는 피스톤(40)의 오목부(44)를 수압면(43)에, 그리고 밸로프램(50)의 볼록부(53)을 중앙부(52)에, 모두 환상의 형상으로 마련하였다. 그러나, 피스톤의 오목부 및 벨로프램(bellofram)의 볼록부는 피스톤의 오목부와 벨로프램(bellofram)의 볼록부와의 삽입에 의해 양자가 위치결정되는 형상이면 좋고, 피스톤에 오목부를 벨로프램(bellofram)에 볼록부를 배설하는 위치나, 오목부 및 볼록부의 형태는 적절하게 변경할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서 벨로프램(bellofram; 50)에 있어서, 경사기점부위(54S)와 변곡부(56)와의 사이를, 가상선(M)과 이루는 각도를 제1 경사각(θ1)으로 하는 환상의 제1 테이퍼면(55A)으로 하였다. 그러나 벨로프램(bellofram) 중 고정부와 테이퍼면과의 사이에 있는 면 형상을 피스톤의 보어 방향에서 본 때의 단면 형상으로 원호 형상으로 하여도 좋다.

본 발명이 실시형태를 기술하는 명세서에 통합되고 일부를 구성하는, 첨부된 도면은 발명의 목적, 이점 및 원리를 설명하는 역할을 한다.

도 1은 본 실시형태의 진공개폐밸브에 포함된 벨로프램(bellofram)을 도시한 단면도이다.

도 2는 본 실시형태의 벨로프램(bellofram)을 이루는 고무 성형부재를 설명하기 위한 설명도이고, 도 1에 도시한 부의 확대도이다.

도 3은 본 실시형태의 벨로프램(bellofram) 중, 기포의 짜임새를 설명하는 설명도이다.

도 4는 본 실시형태의 진공개폐밸브의 구성을 설명하는 설명도로서, 밸브폐쇄상태를 도시한다.

도 5는 본 실시형태의 진공개폐밸브의 구성을 설명하는 설명도로서, 밸브개방상태를 도시한다.

도 6은 도 4에 도시한, P부의 확대도이다.

도 7은 도 6에 도시한, Q부를 도시한 것이며, 피스톤의 외주면과 실린더의 내주면과의 간격의 태양을 확대하여 도시한 설명도이다.

도 8은 피스톤(40)의 형상을 도시한 단면도이다.

도 9는 도 6의 A-A 선에서 본 단면도이며, 가압시의 벨로프램(bellofram)의 형태를 설명하기 위한 설명도이다.

도 10은 본 실시형태의 진공개폐밸브를 포함하는 진공압력제어시스템의 구성을 설명하는 설명도이다.

도 11은 종래의 진공개폐밸브의 구성을 설명한 설명도이다.

도 12는 도 11에 도시한, R부의 확대도이다.

도 13은 종래의 벨로프램(bellofram)을 도시한 단면도이다.

도 14는 종래의 벨로프램(bellofram) 중, 기포의 짜임새를 설명하기 위한 설명도이다.

도 15는 종래의 벨로프램(bellofram)을 도시한 단면도이며, 가압시의 벨로프램(bellofram)의 형상을 설명하기 위한 설명도이다.

도 16은 도 15의 B-B 선에서 본 단면도이다.

Claims (4)

1. 진공용기와 진공펌프와의 사이에서 접속가능한 진공개폐밸브에 있어,

   상기 진공용기 또는 상기 진공펌프의 한쪽에 접속가능한 포트가 형성된 밸브 시트(valve seat),

   상기 밸브 시트(valve seat)에 접하고 떨어질 수 있는 밸브요소,

   유체에 의해 구동되고, 상기 밸브요소를 이동시키는 피스톤,

   상기 피스톤이 수용되는 실린더, 및

   상기 피스톤의 외주면과 상기 실린더의 내주면과의 소정 간격을 상기 피스톤의 동작과 함께 변형하여 밀폐하는 벨로프램(bellofram)을 포함하며,

   상기 밸브 시트(valve seat)에 대하여 상기 밸브요소의 개도를 변화시켜서 상기 진공용기 안의 진공압력을 제어하는 진공개폐밸브에 있어서,

   상기 벨로프램(bellofram)은 상기 피스톤의 외주면과 접속함과 동시에 소정의 경사각도로 형성된 주변 표면(peripheral surface)을 포함하고,

   상기 피스톤의 외주면은 소정의 경사각도로 형성된 경사면을 포함하며,

   상기 벨로프램(bellofram)과 상기 피스톤은 상기 밸브요소가 상기 밸브 시트(valve seat)에 접한 위치에 있을 때에 상기 벨로프램(bellofram)의 상기 피스톤과 접촉하는 주변 표면(peripheral surface) 부분의 내주지름과 상기 벨로프램(bellofram)과 접촉하는 상기 피스톤의 외주지름이 같도록 형성되고,

   상기 벨로프램(bellofram)의 경사각도와 상기 피스톤의 경사각도가 같도록 형성되며,

   상기 벨로프램(bellofram)의 주변 표면(peripheral surface)은 중심축을 따른 단면에 있어서, 상기 피스톤의 스트로크 방향을 따르는 축선과 이루는 각도가 다른 제1, 제2 경사면을 포함하고,

   상기 벨로프램(bellofram)의 경사각도는 상기 제1, 제2 경사면 중, 각도가 작은 경사면의 경사각도이며,

   상기 밸브요소와 상기 피스톤을 접속하는 로드를 더 포함하며,

   상기 벨로프램(bellofram)에 상기 로드가 삽입되는 삽입구멍이 형성되고,

   상기 벨로프램(bellofram)이 상기 삽입구멍을 이용하여 상기 로드의 외주와 끼워 맞추는 것에 의해 위치결정되는 것을 특징으로 하는 진공개폐밸브.
2. 제1항에 있어서,

   상기 벨로프램(bellofram)은 지름 방향의 주연에 상기 실린더에 고정되는 고정부를 포함하며,

   상기 벨로프램(bellofram)은 상기 제1, 2 경사면 사이를 연결하는 변곡부를 더 포함하고, 상기 변곡부는 상기 벨로프램(bellofram)의 상기 축선 방향 중앙의 위치보다, 상기 고정부 쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 진공개폐밸브.
3. 제1항에 있어서,

   상기 벨로프램(bellofram)은 인서트 성형에 의해, 고무에 기포를 매설한 고무 성형 부재로 이루어지며, 상기 기포는 상기 벨로프램(bellofram)의 중앙 축을 따르는 방향으로 가요성이 있는 짜임새를 가지는 것을 특징으로 하는 진공개폐밸브.
4. 제3항에 있어서,

   상기 기포의 상기 짜임새는 트리코 조직(tricot weave)인 것을 특징으로 하는 진공개폐밸브.

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