KR20080037018A

KR20080037018A - 작동 방법 및 작동 장치

Info

Publication number: KR20080037018A
Application number: KR1020087003414A
Authority: KR
Inventors: 윌리엄 에이치 글라임
Original assignee: 스와겔로크 컴패니
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2006-07-12
Publication date: 2008-04-29
Also published as: US20100138051A1; JP2009501878A; WO2007009077A3; WO2007009077A2

Abstract

본 출원은, 예컨대 고출력의 출력힘과 저출력의 출력힘, 또는 사전에 결정된 시간 의존적 출력힘과 같은 복수의 출력힘을 선택적으로 제공하기 위한 장치와 관련된다. 한 가지 실시예에서, 제1 피스톤 조립체는 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동 가능하고 제2 피스톤 조립체는 제3 위치와 제4 위치 사이에서 이동 가능하다. 제1 피스톤 조립체가 제1 위치에 있을 때, 제2 피스톤 조립체는 제3 위치와 제4 위치 사이에서 선택적으로 이동 가능하다. 제1 피스톤 조립체가 제2 위치로 이동하면, 제1 피스톤 조립체는 제2 피스톤 조립체를 제4 위치로 이동시킨다.

Description

작동 방법 및 작동 장치{METHOD AND ARRANGEMENT FOR ACTUATION}

본 출원은 2005년 7월 13일자로 출원된 "듀얼 모드 엑츄에이터"라는 명칭의 미국 가특허 출원 제60/698,889호 및 2005년 12월 14일자로 출원된 "듀얼 모드 작동을 위한 방법 및 장치"라는 명칭의 미국 가특허 출원 제60/750,452호의 우선권을 주장하며, 이들 가출원 특허의 전체 개시내용은 인용함으로써 본 명세서에 모두 포함된다.

일부 공정은 높은 사이클 주파수로 작동하는 밸브를 필요로 할 수 있다. 다시 말하면, 상기 밸브는 열림과 닫힘 사이에서 비교적 짧은 시간에 걸쳐 개폐된다. 이들 용례에서는 밸브를 작동하기 위해 고주파수의 엑츄에이터를 주로 사용한다. 고주파수의 엑츄에이터를 사용하는 한 가지 공정은 원자층 증착(ALD)이다. ALD는, 기판의 표면에 다양한 반응성 재료 또는 화학물질의 매우 얇은 층을 증착하기 위해 밸브를 빠르게 열고 닫는 엑츄에이터를 사용하는 공정이다. 통상적인 ALD 공정은, 예컨대 최종적으로 증착된 층을 얻기까지 수 분의 과정에 걸쳐 수십 회 내지 수백 회의 작동 사이클을 필요로 할 수 있다. 일단 상기 층이 증착되면, 기판은 제거되고, 새로운 기판이 도입되며 공정은 반복된다.

일부 공정은 또한 고도로 완전한 기밀을 제공하는(즉, 밸브를 통한 누출이 적은) 밸브를 필요로 할 수 있다. 밸브를 통한 누출이란, 밸브가 닫혀있거나 또는 밀봉된 위치에 있을 때 밸브를 통과하는 유체(기체 또는 액체)의 양을 가리킨다. 다이아프램 밸브와 같이 2개의 시일 부재를 함께 압박함으로써 형성되는 기밀에 의해 닫히는 밸브에 있어서, 시일 부재를 함께 압박하는 힘의 크기를 증가시키면 일반적으로 밸브를 통한 누출은 감소한다. 따라서, 고도로 완전한 기밀이 요구되는 용례는 더 큰 시일 힘을 이용하도록 구성될 수 있다. 시스템 유지보수 동안 또는 시스템 파라메타를 바꾸기 위해 공정이 중단되는 때와 같이 비교적 긴 시간 동안 밸브가 닫힌 채로 유지되는 용례에서는 밸브를 통한 누출이 작은 것이 유리하며, 일반적으로 기밀을 유지하기 위해 더 큰 시일 힘을 필요로 한다. 그러나, 시일 부재는 더 큰 시일 힘이 사용되는 경우에, 특히 사이클 주파수가 높거나 장기 사이클 용례에서 더 쉽게 마모되거나 손상된다.

본 개시내용은 대체로 작동 방법 및 작동 장치에 관한 것이다. 본원에 개시된 발명의 한 가지 개념은, 예컨대 고출력 및 저출력의 작동력(actuation force) 또는 폐쇄력(closing force)과 같은 복수의 출력힘(output force)을 선택적으로 제공하기 위한 장치에 관한 것이다. 한 가지 실시예에서, 상기 장치는 예컨대 밸브와 같은 유동 제어 디바이스와 연결된 엑츄에이터를 포함할 수 있으며, 이때 엑츄에이터는 제1 출력으로서 고출력의 작동력 또는 폐쇄력을 제공할 수 있고, 제2 출력으로서 저출력의 작동력 또는 폐쇄력을 제공할 수 있다. 예를 들면, 사이클 도중에, 상기 장치는 밸브가 닫혀 있을 때 시일 부재 사이에 제1 크기의 힘을 제공할 수 있다. 그러나, 밸브가 닫힌 채로 유지되는 기간 동안 또는 저주파수 사이클 동안에, 상기 장치는 시일 부재 사이에 제2 크기의 힘을 제공할 수 있으며, 이때 제2 크기의 힘은 제1 크기의 힘보다 크다.

본원에 개시된 발명의 또 다른 개념은, 서로 독립적으로 작동될 수 있고 및/또는 또한 작동력을 제공하기 위해 함께 작동될 수 있는 다수의 엑츄에이터를 구비한 장치에 관한 것이다. 일실시예에서, 제1 엑츄에이터는 제1 제어 신호에 응답하여 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동 가능하며, 제2 엑츄에이터는 제2 제어 신호에 응답하여 제3 위치와 제4 위치 사이에서 이동 가능하다. 제1 엑츄에이터가 제1 위치에 있을 때, 제2 엑츄에이터는 제3 위치와 제4 위치 사이에서 선택적으로 이동 가능하다. 그러나, 제1 엑츄에이터가 제2 위치에 있을 때, 제1 엑츄에이터는 제2 엑츄에이터를 제4 위치로 이동시킨다. 보다 구체적인 실시예에서, 상기 장치는 작동 디바이스 또는 예컨대 밸브와 같은 유동 제어 디바이스에 연결된다. 따라서, 상기 디바이스를 통과하는 유체 유동은, 제2 엑츄에이터는 자유롭게 상기 디바이스를 열고 닫을 수 있는 소정 위치까지 제1 엑츄에이터를 이동시킴으로써 제어될 수 있다. 또한, 상기 디바이스를 통한 유체 유동은, 제2 엑츄에이터가 상기 디바이스를 열고 닫도록 강제하는 방식으로 제1 엑츄에이터를 이동시킴으로써 제어될 수 있다.

본원에 개시된 발명의 또 다른 개념은 시간 의존적인 예정된 출력힘을 제공하는 것에 관한 것이다. 일실시예에서, 제1 작동 모드에서는 제1 크기의 출력힘이 상기 장치에 의해 제공될 수 있다. 제2 작동 모드에서는 출력힘을 제2 크기까지 낮추기 위해 작동력을 오프셋시킬 수 있다. 예정된 시간 동안, 오프셋된 작동력은 제거될 수 있다. 보다 구체적인 실시예에서, 압력 구동식 엑츄에이터는 작동력을 제공하며, 상기 장치는 한 가지 모드 동안 엑츄에이터의 완전한 감압을 방지하지만, 다른 모드에서는 엑츄에이터로부터 천천히 압력을 배출시킬 수 있다.

본원에 개시된 발명의 또 다른 개념은 제1 사이클 주파수로 디바이스를 작동할 때에는 제1 크기의 출력힘을 제공하고, 제2 사이클 주파수로 디바이스를 작동할 때에는 제2 크기의 출력힘을 제공하는 것에 관한 것이다. 일실시예에서, 상기 장치는 고주파수의 사이클에서는 저출력의 출력힘을 제공하거나 허용하며, 저주파수의 사이클에서는 고출력의 출력힘을 제공한다.

추가적인 이점 및 이익은 첨부 도면과 함께 후술하는 설명 및 첨부된 청구범위를 고려함으로써 당업자에게 명확해질 것이다.

도 1은 예시적인 제1 실시예의 개략도이다.

도 2는 예시적인 제2 실시예의 개략도이다.

도 3은 예시적인 제3 실시예의 단면도이다.

도 3a는 도 3의 실시예 중 시일의 대안례의 단면도이다.

도 4는 제1 폐쇄 위치에 있는 도 3의 실시예의 단면도이다.

도 5는 제2 폐쇄 위치에 있는 도 3의 실시예의 단면도이다.

도 6은 예시적인 제4 실시예의 개략도이다.

도 7은 예시적인 제5 실시예의 개략도이다.

도 8은 예시적인 제6 실시예의 개략도이다.

본 명세서에 포함되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면에서는, 전술한 본 발명의 일반적인 설명과 함께 본 발명의 실시예가 도시되며, 후술하는 상세한 설명은 본 발명의 실시예를 예시하는 역할을 한다.

본 명세서에서 설명하는 예시적인 실시예는 정상 폐쇄형 밸브(normally- closed valve)에 연결되는 엑츄에이터 또는 바이어스 부재 및 유체 압력에 의해 작동되는 엑츄에이터를 포함하는 장치의 관점에서 제공되지만, 당업자라면 본 발명이 다른 방식으로 구성될 수도 있음을 쉽게 이해할 것이다. 예를 들면, 상기 장치는 작동 디바이스에 연결되는 별도의 엑츄에이터를 사용하도록 구성될 수 있거나, 또는 작동 디바이스에 필수적인 작동 기능을 구비할 수 있다. 또한, 상기 장치는, 예컨대 유압 엑츄에이터와 같은 상이한 엑츄에이터, 예컨대 정상 개방형 밸브(normally-open valve)와 같은 상이한 작동 디바이스, 또는 밸브 이외의 디바이스를 포함하도록 구성될 수 있다. 이들 예와 개시된 예시적인 실시예는 본 발명의 광범위한 용례를 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

예시적인 실시예에서 함께 구체화된 바와 같은 본 발명의 다양한 진보된 양태, 개념 및 특징을 본 명세서에서 설명하고 도시할 것이지만, 이들 다양한 양태, 개념 및 특징은 개별적으로 또는 다양한 조합으로서 그리고 이들의 하위 조합으로서 다수의 다양한 대안예에서 사용될 수 있다. 본 명세서에서 명백히 배제하지 않는 한, 이러한 모든 조합과 하위 조합은 본 발명의 범주에 속하는 것으로 간주된 다. 또한, 본 발명의 다양한 양태, 개념 및 특징에 대한-대안적인 재료, 구조, 구성, 방법, 회로, 디바이스 및 구성요소, 소프트웨어, 하드웨어, 제어 로직, 그리고 형태, 조립 및 기능과 관련된 대안예 등과 같은-다양한 대안예를 본 명세서에서 설명할 것이지만, 이러한 설명은, 현재 공지되어 있는 것이든지 혹은 이후에 개발될 것이든지, 가능한 대안적인 실시예의 완전한 목록 또는 전부를 망라하는 목록을 제시하고자 하는 것은 아니다. 당업자라면, 본 명세서에서 명확히 개시되지 않은 실시예라고 하더라도, 본 발명의 양태, 개념 또는 특징 중 하나 이상을 선택하여 추가적인 실시예 및 본 발명의 범주에 속하는 용례에 쉽게 적용할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 일부 특징, 개념 또는 양태를 바람직한 장치 또는 방법으로서 본 명세서에서 설명하고 있지만, 이러한 설명은 명확히 언급되지 않는 한, 설명한 특징이 요구되거나 필요하다고 제안하려는 의도는 아니다. 또한, 예시적이거나 대표적인 값 또는 범위가 본 발명의 개시내용의 이해를 돕기 위해 포함될 수는 있지만, 이러한 값 및 범위를 한정하려는 의도로 해석하여서는 안 되며, 명시적으로 언급될 때에만 중요한 값 또는 범위로 이해되어야 한다. 또한, 다양한 양태, 특징 및 개념은 진보된 것으로서 또는 본 발명의 일부를 형성하는 것으로서 본 명세서에서 명백하게 규정될 수 있지만, 이를 배타적인 것으로 해석해서는 안 되고, 오히려 구체적인 발명 또는 발명의 일부로서 명백히 규정되지 않으면서도 본 명세서에서 충분히 설명되는 본 발명의 양태, 개념 및 특징이 있을 수 있으며, 대신 본 발명은 첨부된 청구범위에서 한정된다. 예시적인 방법 또는 공정에 대한 설명은 모든 경우에 있어서 요구되는 바와 같은 모든 단계를 포함하도록 한정되지 않으며, 명백히 언급되지 않은 한, 요구되거나 필요하다고 판단되는 단계들의 순서를 제시하지도 않는다.

상측, 하측, 상부, 하부, 위 및 아래와 같이 방향 및 배향을 나타내는 용어는, 도면을 참고할 때 단지 해설 상의 편의를 위해 본 명세서에서 사용되며, 본 발명의 구조적 제한 또는 사용상의 제한이나 기준을 형성하려는 의도는 아니다.

도 1을 참고하면, 일반적으로 장치(1)는 엑츄에이터(2)를 포함할 수 있으며, 이 엑츄에이터는 제어 함수(4)에 응답하여 선택적으로 제1 출력(6) 및 제2 출력(8)을 제공할 수 있거나 허용할 수 있다. 제1 출력(6) 및 제2 출력(8)은 예컨대 상이한 크기의 작동력일 수 있거나, 또는 밸브가 엑츄에이터(1)에 연결되어 있거나 일체로 되어 있는 경우라면 상이한 크기의 폐쇄력일 수 있다.

본 발명의 한 가지 양태에 따르면, 밸브를 통한 누출이 작아지도록 오래 밸브를 닫고 있는 동안 고출력의 작동력이 제공될 수 있으며, 작동 속도를 빠르게 하고 부품의 마모를 줄이며 입자 발생을 감소시키고 밸브 수명을 늘리기 위해 고주파수 작동 중에는 저출력의 작동력이 제공될 수 있다. 제1 모드에서는 저출력의 작동력 하에서 고주파수의 작동을 전달할 수 있고 제2 모드에서는 고출력의 작동력 하에서 밸브를 통한 누출을 줄일 수 있는 장치는, 2가지 모드로부터 모두 이익을 얻는 공정을 개선할 수 있다.

2가지 모드로부터 모두 이익을 얻을 수 있는 공정의 예로는 ALD가 있다. ALD 공정은 통상적으로, 시스템 유지보수 또는 공정 중 밸브를 통한 누출이 적은 것이 바람직한 스탠바이 모드에서보다 고주파수의 작동 중에 밸브를 통한 높은 레 벨의 누출을 견딜 수 있다. 따라서, 작은 작동력 하에서의 고주파수 작동 성능을 전달함과 동시에 큰 작동력 하에서의 밸브를 통한 누출을 줄일 수 있는 장치는 ALD 및 다른 용례에 대하여 개선된 해법을 제공한다. 그러나, ALD는 개시된 장치로부터 이익을 얻을 수 있는 공정의 구체적인 예일 뿐이다. 당업자라면 본 명세서에 개시된 장치가 다수의 다른 용례 및 공정에서 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

도 2는 본 발명의 원리에 따른 장치의 예시적인 실시예의 개략도를 도시하고 있다. 상기 장치는 고출력 엑츄에이터 조립체(12) 및 저출력 엑츄에이터 조립체(14)를 구비하는 엑츄에이터(10)로서 구현될 수 있다. 고출력 엑츄에이터 조립체(12)는 격실(18)을 한정하는 하우징(16), 상기 격실 내에 활주 가능하게 배치된 피스톤 조립체(20), 및 피스톤 조립체(20) 위에 배치된 바이어스 요소(22)를 포함할 수 있다. 바이어스 요소(22)는 피스톤(20)과 결합되어 피스톤을 하방으로 바이어스하기 위한 스프링 또는 다른 적절한 수단일 수 있다. 예컨대 O-링과 같은 시일 요소(24, 26)는 피스톤(20) 아래의 격실(18) 영역을 밀봉하기 위해 제공되어 가압 가능한 제1 챔버(28)를 형성할 수 있다. 유체 입구(30) 및 유체 경로(32)는 챔버(28)를 가압하기 위한 접근 수단을 제공한다.

저출력 엑츄에이터 조립체(14)는 고출력 엑츄에이터 조립체(12)에 연결될 수 있다. 본 실시예는 선형 구조의 엑츄에이터 조립체(12, 14)를 도시하고 있지만, 이러한 설명은 예시적인 것이며, 엑츄에이터 조립체는 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 저출력 엑츄에이터 조립체(14)는 격실(36)을 한정하는 하우징(34), 격실 내 에 활주 가능하게 배치된 피스톤(38), 및 피스톤(38) 아래에 배치된 바이어스 요소(40)를 포함한다. 시일 요소(26, 42)는 피스톤 위에 있는 격실(36) 영역을 밀봉하기 위해 제공되어 가압 가능한 제2 챔버(44)를 형성할 수 있다. 유체 입구(46) 및 유체 경로(48)는 제2 챔버(44)를 가압하기 위한 접근 수단을 제공한다.

저출력 엑츄에이터 조립체(14)는 보닛 너트(bonnet nut)(52)와 같은 적절한 수단에 의해 예컨대 밸브 또는 밸브 본체(50)와 같은 작동 디바이스에 연결될 수 있다. 밸브 본체(50)는 입구 포트(52) 및 출구 포트(54)를 포함한다. 밸브(50)를 통한 유체 유동은 시일 부재(56) 및 밸브 시트(seat)(58)를 포함하는 시일 장치에 의해 제어된다. 시일 부재(56)는 저출력 엑츄에이터 조립체(14)에 있는 피스톤(38)에 연결될 수 있으며, 입구 포트(52)에 근접하게 위치하는 밸브 시트(58) 위에 위치할 수 있다. 이러한 예시적인 실시예에서, 시일 부재(56)는 시일 블록이다. 그러나, 도 3 내지 도 5의 예시적인 실시예에 도시된 바와 같이 예컨대 다이아프램과 같은 다른 시일 부재가 사용될 수 있다.

엑츄에이터(10)는 2가지 모드로 작동될 수 있다. 제1 모드에서는, 고출력 엑츄에이터가 저출력 엑츄에이터(14)와 맞물리지 않도록 제1 위치로 이동하기 위해, 고출력 엑츄에이터(12)에 있는 가압 가능한 제1 챔버(28)가 가압될 수 있다. 이는 저출력 엑츄에이터에 있는 가압 가능한 제2 챔버(44)를 선택적으로 가압함으로써 저출력 엑츄에이터(14)가 밸브(50)를 열고 닫을 수 있도록 해준다. 따라서, 예시적인 실시예에 있어서, 가압 가능한 제1 챔버(28) 및 제2 챔버(44)에 대한 압력 신호는 서로 독립적일 수 있으므로, 저출력 엑츄에이터(14)가 제3 위치와 제4 위치 사이에서 사이클을 실시할 때 고출력 엑츄에이터(12)는 제1 위치에서 유지되도록 해준다.

제2 모드에서, 가압 가능한 제1 챔버(28)의 압력은 제거되어 바이어스 요소(22)가 고출력 피스톤 조립체(20)를 제2 위치까지 강제할 수 있도록 해주며, 고출력 피스톤 조립체는 저출력 피스톤 조립체(38)와 맞물린다. 고출력 엑츄에이터 조립체(12)의 바이어스 요소(22)에 의해 인가되는 힘은 저출력 엑츄에이터 조립체(14)의 바이어스 요소(40)에 의해 인가되는 힘보다 크기 때문에, 고출력 피스톤 조립체(20)는 저출력 피스톤 조립체(38)를 매개로 하여 선택적으로 밸브(50)를 열고 닫도록 작용할 수 있다. 따라서, 가압 가능한 제1 챔버(28)에 대한 압력 신호의 사이클을 실시하면 가압 가능한 제2 챔버(44)에 대한 임의의 압력 신호와는 상관없이 밸브(50)의 사이클을 실시할 수 있다. 그러나, 가압 가능한 제2 챔버(44)의 압력은 밸브(50)에 대해 추가적인 작용력을 제공하는 데 사용될 수 있다. 도 2에 도시된 장치(10)는 저출력 엑츄에이터가 제4 위치로 이동할 때 밸브(50)가 닫히도록 구성된다. 그러나, 상기 장치(10) 및/또는 밸브(50)는, 예컨대 엑츄에이터(12, 14)로부터의 출력힘을 받으면 밸브가 열리도록 하는 것과 같이 다른 방식으로 구성될 수 있다.

도 3 내지 도 5는 또 다른 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 엑츄에이터(100)는, 저출력 엑츄에이터 조립체(104)에 고출력 엑츄에이터 조립체(102)가 연결되어 있다는 점에서 도 2의 엑츄에이터(10)와 대체로 유사하며, 저출력 엑츄에이터 조립체는 밸브(106) 또는 다른 유동 제어 디바이스와 같은 작동 디바이스에 연 결된다. 2개의 엑츄에이터 조립체(102, 104)를 포함하는 엑츄에이터(100)를 도시하는 예시적인 실시예를 통해, 당업자는 제3의 조립체, 제4의 조립체 등과 같이 추가적인 조립체가 부가될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

도 3 내지 도 5의 예시적인 실시예에서 설명되는 고출력 엑츄에이터 조립체(102)는 2005년 6월 1일자로 출원된 "유체 엑츄에이터"라는 명칭의 미국 특허 출원 제11/143,411호에 상세히 개시되어 있으며, 이 출원의 전체 개시 내용은 인용함으로써 본 명세서에 완전히 포함된다. 따라서, 본 명세서에서는 고출력 엑츄에이터 조립체(102)를 대략적으로만 설명할 것이다. 고출력 엑츄에이터 조립체(102)는 하부 하우징(108), 상부 하우징(110) 및 캡(112)을 포함할 수 있다. 상부 하우징(110)은, 상부 하우징과 하부 하우징이 하부 격실(114)을 한정하도록 하부 하우징(108)과 조립될 수 있다. 캡(112)은, 상부 하우징과 캡이 상부 격실(116)을 한정하도록 상부 하우징(110)과 조립될 수 있다.

제1 피스톤(118)은 하부 격실(116) 내에서 이동 가능하도록 배치되고 제2 피스톤(120)은 바이어스 요소의 바이어스에 대해 이동 가능하도록 상부 격실(116) 내에 배치되며, 바이어스의 요소는 스프링(122)으로서 구현될 수 있다. 피스톤(118, 120)은 일체의 고출력 엑츄에이터 피스톤(124)으로서 이동할 수 있도록 결합된다.

유체 통로(126)는 캡(112)에 위치한 유체 입구(128)와 유체 연통되어 있다. 유체 통로(126)는 압축된 유체가 피스톤(120, 118) 아래의 하부 격실(114) 및/또는 상부 격실(116)로 포트(130 및 132)를 통해 이동하도록 해준다. 압축된 유체는 피스톤(118, 120)에 작용하여 피스톤이 제1 위치 또는 폐쇄 위치로부터 스프링(122) 의 힘에 대항하여 상방으로 제2 위치 또는 개방 위치로 향하도록 한다.

시일 부재(134)는 피스톤(118, 120) 상에 제공되어 피스톤과 하우징(108, 110) 사이에 활주식 시일을 형성할 수 있다. 활주식 시일은, 압축된 유체가 바람직하지 않은 영역으로 누출되는 것을 제한하고 엑츄에이터 성능에 악영향을 주는 것을 제한함으로써, 피스톤(118, 120) 아래의 격실(114, 116) 영역이 가압 가능한 챔버(135, 136)를 형성하도록 해준다.

저출력 엑츄에이터 조립체(104)는 예컨대 나사산 결합과 같은 적절한 수단에 의해 고출력 엑츄에이터 조립체(102)에 연결된다. 저출력 엑츄에이터 조립체(104)는 피스톤 격실(138)을 형성하는 하우징(137)을 포함한다. 저출력 엑츄에이터 피스톤(140)은 피스톤 격실(138) 내에 이동 가능한 방식으로 배치된다. 스프링으로서 구현될 수 있는 바이어스 요소(142)는 피스톤을 상방으로 바이어스하기 위해 피스톤(140) 아래에 배치된다.

유체 포트(146) 및 유체 통로(148)는 압축된 유체가 피스톤 조립체(140) 위에 있는 격실(138)로 향하도록 해준다. 예컨대 O-링과 같은 시일(144)은 저출력 피스톤(140)과 연관되어 피스톤과 하우징(136) 사이에 활주식 시일을 형성한다. 시일(144)은 고출력 피스톤 조립체(124) 상의 시일 요소와 협력하여 저출력 피스톤 조립체(140) 위에 있는 격실(138) 영역이 가압 가능한 챔버(141)를 형성하도록 해준다.

저출력 피스톤 조립체(140)의 상부(149)는 가압 가능한 챔버(141)의 대부분의 체적을 차지한다. 이는 챔버(141)의 압력이 급속히 상승될 수 있도록 하며, 결 과적으로 원할 때 저출력 피스톤 조립체(140)를 신속하게 작동시킬 수 있도록 해준다.

도 3a는 저출력 피스톤 조립체(140)에 대한 시일의 변형례이다. 도 3에서의 시일(144)은 O-링으로서 도시된다. 도 3a에서의 시일(144')은 스프링 작동식 시일(spring energized seal)로서 도시된다. 당업계에 공지된 바와 같이, 스프링 작동식 시일(144')은 예컨대 PTFE, 엘라스토머, 열가소성 플라스틱, 또는 다른 폴리머 부품과 같은 외측 시일 부재(150)를 포함할 수 있다. 외측 시일 부재(150)는 금속 스프링, 엘라스토머 재질의 O-링, 또는 다른 유사한 바이어스 수단(152)에 의해 작동될 수 있다. 시일(144')에는 O-링 또는 스프링 작동식 시일 이외의 시일이 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 6의 예시적인 실시예에서는, 벨로우즈 타입의 시일 요소가 채용된다.

밸브 본체(106)는 보닛 너트(154) 또는 다른 적절한 수단에 의해 저출력 엑츄에이터 조립체(104)에 조립될 수 있다. 밸브 본체(106)는 입구 포트(158) 및 출구 포트(159)와 함께 유동 경로(156)를 한정한다. 시일 부재(160) 및 밸브 시트(162)를 포함하는 시일 장치는 밸브 본체(106)를 통과하는 유체 유동을 제어한다. 도 3 내지 도 5의 예시적인 실시예에서의 시일 부재(160)는 다이아프램으로서 구현된다. 다이아프램(160)은 저출력 엑츄에이터 조립체(104)와 밸브 본체(106) 사이에서 당업계에 공지된 바와 같이 보닛 너트(154) 및 보닛(164)을 매개로 하여 클램핑될 수 있다. 버튼(166)은 저출력 엑츄에이터 조립체(140)에 연결될 수 있으므로, 다이아프램(160)을 이동시켜 밸브 시트(162)와 접촉하고 떨어지도록 한다. 피스톤 조립체(124, 140)는 일반적으로 도 2의 예시적인 실시예에서 설명한 바와 동일한 방식으로 이동한다. 그러나, 다이아프램(160)의 자연적인 형상은 돔 형상이기 때문에(도 3에 가장 잘 도시됨), 다이아프램(160)이 변형되어 밸브 시트(162)에 대해 밀봉할 때(도 4에 가장 잘 도시됨), 다이아프램(160)은 다이아프램(160)을 자연적인 돔 형상으로 바이어스시키는 탄성 특성을 나타낼 수 있다. 이러한 탄성 특성에 의해 저출력 엑츄에이터 피스톤(140)에서 소정의 힘이 발생될 수 있으며, 이 힘은 저출력 엑츄에이터 피스톤이 최상위 위치까지 이동하도록 돕는다. 저출력 엑츄에이터 피스톤(140) 상의 가압 가능한 챔버(141)가 감압될 때 다이아프램(160)에 의해 인가되는 힘은 저출력 엑츄에이터 피스톤을 이동시키는 데 있어서 빠른 응답 시간을 갖도록 할 수 있으므로, 이에 따라 밸브 유동 경로(156)가 신속하게 열릴 수 있다.

엑츄에이터 조립체(102, 104) 및 밸브 본체(106)가 보닛 너트에 의해 서로 연결되거나 조립되는 것처럼 설명하고 도시하였지만, 서로에 대해 부품을 연결시키는 임의의 방법도 사용 가능하다. 이는 직접적인 방법 및 간접적인 방법을 포함한다. 예를 들면, 엑츄에이터 조립체(102, 104) 사이에 위치하는 공통의 부품에 고출력 엑츄에이터 조립체(102) 및 저출력 엑츄에이터 조립체(104)가 각각 연결되어 있는 장치도 가능하다.

엑츄에이터(100)는 2가지 모드로 작동될 수 있으며, 피스톤 조립체(124, 140)는 두 위치 사이에서 이동할 수 있다. 고출력 엑츄에이터 피스톤 조립체(124)는 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동할 수 있다. 저출력 엑츄에이터 피스톤 조 립체(140)는 제3 위치와 제4 위치 사이에서 이동할 수 있다. 도 3은 최상위 위치에 있는 2개의 피스톤 조립체(124, 140)를 도시하고, 도 4는 최하위 위치에 있는 2개의 피스톤 조립체를 도시하며, 도 5는 최상위 위치에 있는 고출력 엑츄에이터 피스톤 조립체 및 최하위 위치에 있는 저출력 엑츄에이터 피스톤 조립체를 도시한다. 피스톤 조립체(124, 140)의 위치는 바이어스 요소(122, 142) 및 가압 가능한 챔버(135, 136 및 141) 내의 유체 압력에 의해 피스톤 조립체에 인가되는 힘에 의해 제어된다.

고출력 엑츄에이터 조립체(102)의 스프링(122)은 고출력 엑츄에이터 피스톤 조립체 상에서 최하위 위치를 향해 고출력 엑츄에이터 피스톤 조립체를 바이어스시키는 힘을 인가한다. 피스톤 조립체(124) 아래에 있는 가압 가능한 챔버(135, 136)는 스프링 힘에 반작용할 수 있다. 챔버에 가해지는 압력은 스프링(122)의 바이어스에 대항하여 최상위 위치를 향해 피스톤(124)을 바이어스시킨다. 가압 가능한 챔버(135, 136) 내부로 전달되는 유체는 공기일 수 있지만, 액체를 비롯한 임의의 유체일 수 있다. 저출력 엑츄에이터 조립체(104)는 유사한 방식으로 작동할 수 있다. 도시된 저출력 엑츄에이터 조립체(104)에 있어서, 스프링(142)은 저출력 피스톤(140) 아래에 위치하며, 이에 따라 최상위 위치를 향해 피스톤 조립체(140)를 바이어스시킨다. 저출력 엑츄에이터 피스톤 조립체(140) 위에 있는 챔버(141) 내의 유체 압력은 최하위 위치를 향해 피스톤 조립체를 바이어스시킨다.

특히 도 3을 참조하면, 2개의 피스톤 조립체(124, 140)는 최상위 위치에 도시되어 있다. 고출력 엑츄에이터 피스톤 조립체(124)는, 챔버(135, 136)를 가압함 으로써 고출력 엑츄에이터 피스톤 조립체에 인가되는 힘이 스프링(122)에 의해 인가되는 바이어스 힘보다 크기 때문에 이 위치에 있게 된다. 저출력 엑츄에이터 피스톤(140)은, 스프링(142)에 의해 피스톤 조립체(140) 상에 인가되는 힘이 감압될 수 있는 챔버(141) 내의 유체 압력에 의해 저출력 엑츄에이터 피스톤 조립체에 인가되는 힘보다 크기 때문에 이 위치에 있게 되다. 엑츄에이터(10)은 도 3에 도시된 위치에 있으며, 유동 경로(156)가 개방되고, 유체는 밸브 본체(106)를 통해 흐를 수 있다.

특히 도 4를 참고하면, 2개의 피스톤 조립체(124, 140)는 최하위 위치에 도시되어 있다. 고출력 엑츄에이터 피스톤 조립체(124)는, 스프링(122)에 의해 인가되는 힘이 감압될 수 있는 가압 가능한 챔버(135, 136) 내의 유체 압력에 의해 조립체에 인가되는 힘보다 크기 때문에 이 위치에 있게 된다. 저출력 엑츄에이터 피스톤 조립체(140)는, 고출력 엑츄에이터 피스톤 조립체(124)가 스프링(142)에 의해 바이어스되어 저출력 엑츄에이터 조립체와 맞물리고 고출력 엑츄에이터 피스톤 조립체의 최하위 위치로 이동하기 때문에 이 위치에 있게 된다. 따라서, 스프링(122)에 의해 인가되는 바이어스 힘은 스프링(142)에 의해 인가되는 바이어스 힘보다 크다. 저출력 엑츄에이터 피스톤 조립체(140) 위에 있는 가압 가능한 챔버가 가압되면, 저출력 엑츄에이터 피스톤 조립체(140)는 챔버(141) 내의 압력에 의해 최하위 위치까지 추가로 이동될 것이다. 듀얼 모드 엑츄에이터(100)가 도 4에 도시된 위치에 있을 때, 시일 부재(160)는 밸브 시트(162)와 맞물리도록 이동하며 밸브 본체(106)를 통한 유동은 종료된다. 고출력 엑츄에이터(102)는 더 큰 시일 힘 을 발생시키기 위해 저출력 엑츄에이터(104)를 매개로 하여 또는 저출력 엑츄에이터와 협동하여 작동하기 때문에, 다이아프램(160)과 밸브 시트(162) 사이에 형성되는 밀봉은 밸브를 통한 누출을 줄일 수 있게 된다.

도 5를 참고하면, 고출력 엑츄에이터 피스톤 조립체(124)는 최상위 위치에 있고, 저출력 엑츄에이터 피스톤 조립체(140)는 최하위 위치에 있다. 고출력 엑츄에이터 피스톤 조립체(124)는, 챔버(135, 136) 내의 압력에 의해 최상위 위치에 유지되는 경우 저출력 엑츄에이터 피스톤(140)의 이동을 방해하거나 이러한 이동과 상호작용하지 않는다. 따라서, 저출력 엑츄에이터 피스톤 조립체(140)는 저출력 엑츄에이터 피스톤 조립체 위에 있는 챔버(141)가 가압되거나 감압될 때 선택적으로 시일 부재(160) 및 밸브 시트(162)와 맞물릴 수 있고 떨어질 수 있다. 따라서, 가압 가능한 챔버(141)로부터 저출력 엑츄에이터 피스톤 조립체(140)에 인가되는 압력은 다이아프램(160)을 이동시켜 고출력 엑츄에이터(102)와는 상관없이 밸브 시트(162)와 접촉하도록 한다. 스프링(142)의 비교적 작은 스프링 힘 및 저출력 피스톤 조립체(140)의 구조는, 저출력 엑츄에이터 피스톤 위에 있는 챔버(141)가 가압되고 감압될 때 조립체의 신속한 이동을 용이하게 한다.

예시적인 실시예에 있어서, 챔버(141)는 가압될 수 있고 감압될 수 있으므로 밸브는 예컨대 명령 신호가 발생된 후 약 20 밀리초 이내에 열리고 닫히게 된다. 이는 듀얼 모드 엑츄에이터(100)가 고주파수의 엑츄에이터로서 작동할 수 있도록 해주며, 또한 듀얼 모드 엑츄에이터가 ALD 공정 및 유사한 공정을 수행하도록 해준다. 압력은 비교적 작고 압력이 작용하는 공기 피스톤의 면적은 비교적 작기 때문 에, 작은 시일 힘이 발생된다. 신속한 사이클링 덕분에 밸브 요소들의 온도는 상승할 수 있지만, 작은 시일 힘은 시일 부재(160) 또는 밸브 시트(162)와 같은 요소에 대한 손상 및 변형을 최소화하며, 이에 따라 밸브의 수명을 연장시킬 수 있다. 또한, 작은 시일 힘은 시일 부재(160) 및 밸브 시트(162)와 같은 밸브 요소 상에서의 마모에 의해 입자가 발생한 가능성을 줄여줄 것이다.

더 강력한 시일이 필요한 경우에는, 고출력 엑츄에이터 피스톤 조립체(124)가 최하위 위치까지 이동할 수 있으며 저출력 엑츄에이터 피스톤 조립체(140)를 매개로 하여 시일 부재(160)와 맞물려 시일 부재(160)와 밸브 시트(162) 사이에 더 강력한 시일을 형성하는데, 이로써 밸브를 통한 누출을 줄일 수 있다. 고출력 엑츄에이터 피스톤 조립체(124)는 피스톤(118, 120) 아래에 있는 챔버(135, 136)의 공기 압력을 줄이거나 없앰으로써 최하위 위치까지 이동할 수 있다. 이는 스프링(122)이 고출력 엑츄에이터 피스톤 조립체(124)를 이동시켜 시일 부재(160)와 밸브 시트(162) 사이에 더 강력한 시일을 형성하도록 해준다.

엑츄에이터는 고출력 엑츄에이터 및 저출력 엑츄에이터로서 특징지워진다. 예컨대, 한정하려는 것은 아니지만, 고출력 엑츄에이터는 약 50 lbs 이상의 힘을 밸브 시트에 전달할 수 있는 반면, 저출력 엑츄에이터는 약 50 lbs 이하의 힘을 밸브 시트에 전달할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 고출력 엑츄에이터는 약 70 lbs의 힘을 밸브 시트에 전달하며, 저출력 엑츄에이터는 약 20 lbs의 힘을 밸브 시트에 전달한다.

도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같은 장치의 또 다른 특징은, 듀얼 모드 엑츄 에이터(100)의 정상 위치 또는 기준 위치에서는 유동 경로(156)가 닫힌다는 점이다. 공기 공급이 이루어지지 않는 경우, 고출력 엑츄에이터 조립체(102)의 스프링(122)은 고출력 엑츄에이터 피스톤 조립체(124)를 최하위 위치까지 이동시키는 힘을 인가하며, 이 힘은 밸브 본체(106)를 통과하는 유동 경로(156)를 밀봉하거나 닫게 된다. 이는 시스템 고장에 따라 밸브 본체(106)를 통해 원치 않는 유동이 발생할 가능성을 줄여준다.

도 6은 듀얼 모드 엑츄에이터(170)로서 구현된 상기 장치의 또 다른 예시적인 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 엑츄에이터(170)는, 밸브 본체(176)에 연결된 저출력 엑츄에이터(174)에 연결된 고출력 엑츄에이터(172)를 포함한다는 점에서 도 2의 엑츄에이터(10)와 실질적으로 유사하다. 저출력 엑츄에이터(174)는 피스톤 격실(180) 내에 활주 가능하게 배치된 피스톤 조립체(178)를 포함한다.

그러나, 이러한 실시예에서, 시일 요소(42)(도 2에 도시된 바와 같은 시일 요소)는 벨로우즈(182)로서 구현된다. 벨로우즈(182)는 피스톤 조립체(178) 위에 있는 격실(180) 영역을 밀봉하며 피스톤(178)의 상부 아래로 연장된다. 벨로우즈(182)의 주목적은 피스톤(178) 위에 있는 격실(180) 영역을 밀봉하는 것이지만, 벨로우즈(182)는, 피스톤이 피스톤의 최상위 위치로부터 피스톤의 최하위 위치까지 이동할 때 피스톤을 압착시키기 위해 피스톤에 부착된다. 벨로우즈(182)는 탄성이 있어서 통상적으로 본래의 위치로 복귀하도록 벨로우즈를 압박한다. 탄성에 의해 저출력 엑츄에이터 피스톤 조립체(178) 상에 상방으로의 힘이 발생하여 피스톤 조립체를 피스톤 조립체의 최상위 위치까지 이동시킨다. 따라서, 도 3 내지 도 5의 다이아프램(160)과 유사하게 벨로우즈(182)는 밸브(176)를 여는 데 있어서 보다 빠른 응답 시간을 얻을 수 있다. 또한, 벨로우즈(182)는 금속으로 제작될 수 있으며, 이는 고주파수 작동 중에 발생되는 열에 의해 손상을 입거나 변형될 가능성을 줄여준다.

이들 실시예에 대해 제공된 설명 및 도면은 시일 부재로서 시일 블록(56) 및 다이아프램(160)을 포함하는 시일 장치를 도시하고 있지만, 밸브를 열거나 닫을 수 있는 임의의 부품 또는 방법도 본 발명의 범주에서의 시일 장치로 고려된다. 또한, 스프링 힘 및 공기의 힘이 피스톤의 이동을 제어하는 상기 장치(10, 100 및 170)가 도시되어 있다. 피스톤을 이동시키는 이들 방법은 예시적일 뿐이며 본 발명을 어떠한 방식으로든 한정하지 않는다. 2개의 위치 사이에서 피스톤을 이동시키는 임의의 구조 또는 방법은 본 명세서에 포함된다. 예를 들면, 스프링은 피스톤에 힘을 가하는 추가적인 가압 가능한 챔버로 대체될 수 있다. 또 다른 예에서, 스프링은 고출력 엑츄에이터 피스톤 아래에 배치될 수 있으며, 가압 가능한 챔버는 피스톤 위에 배치될 수 있다. 유사하게, 스프링은 저출력 엑츄에이터 피스톤 위에 위치할 수 있으며, 가압 가능한 챔버는 피스톤 아래에 배치될 수 있다. 또한, 상기 장치(10, 100, 170)의 실시예는 엑츄에이터와 작동 디바이스 사이에서 선형적으로 힘을 전달하기 위해 저출력 엑츄에이터에 선형적으로 연결되는 고출력 엑츄에이터를 포함한다. 그러나, 상기 장치는 비선형 방식으로 구성될 수 있거나, 또는 예컨대 회전 이동 또는 전달되는 회전력을 포함하는 방식에서와 같이 비선형적으로 힘을 전달할 수 있다.

도 7은 본 발명의 원리에 따른 장치의 또 다른 예시적인 실시예의 개략도를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 장치(200)는 입력(206)에 응답하여 디바이스(204)를 작동하기 위해 작동 디바이스(204)에 연결된 엑츄에이터(202)를 포함할 수 있다. 작동 디바이스(204)는 예컨대 도 3 내지 도 5에서의 밸브(106)와 유사한 정상 폐쇄형 다이어프램 밸브일 수 있다. 그러나, 작동 디바이스(204)는, 예컨대 밸브의 시일 부재들 사이에서 시간 의존적 시일 힘 또는 엑츄에이터로부터의 시간 의존적 작동력과 같은 시간 의존적 힘을 가해야 할 필요가 있는 경우에 엑츄에이터(202)에 의해 작동되는 임의의 디바이스일 수 있다. 엑츄에이터(202)는 예컨대 도 3 내지 도 5에서의 고출력 엑츄에이터 조립체(102)와 유사한 듀얼 피스톤 엑츄에이터일 수 있다. 그러나, 엑츄에이터(202)는 시간 의존적 작동력을 전달할 수 있거나, 이 힘을 전달하도록 제어될 수 있는 임의의 디바이스일 수 있다.

입력(206)은 작동 디바이스(204)를 작동시키기 위해 필수적인 압력 신호를 제공하도록 엑츄에이터(202)에 유체 연결된 압력 공급원으로서 구현될 수 있다. 예컨대 솔레노이드 파일럿 밸브와 같은 스위칭 디바이스(208)는 압력 공급원(206)과 엑츄에이터(202) 사이에 정렬되어 위치한다. 스위칭 디바이스(208)는, 압력 공급원(208)이 엑츄에이터(202)와 유체 연통 상태로 위치하는 제1 위치(210)와, 압력 공급원(206)이 엑츄에이터(202)로부터 유체 고립되고 엑츄에이터는 배기 경로(214)와 유체 연통 상태로 위치하는 제2 위치(212) 사이에서 전환될 수 있다.

예컨대 사전에 조절되거나 사용자가 조절 가능한 파열 압력(cracking pressure)을 갖는 릴리프 밸브 또는 체크 밸브와 같은 압력 유지용 디바이스(216) 는 배기 경로(214)에 포함된다. 또한, 누출 경로 또는 바이패스 경로(218)도 상기 장치에 포함된다. 도 7의 예시적인 실시예에 있어서, 압력 유지용 디바이스(218)는 체크 밸브 구조를 포함할 수 있고, 누출 경로(218)는 체크 밸브의 시일 부재에서 조정된 누출부 또는 체크 밸브 주위로 우회하는 라인을 포함할 수 있으며, 상기 누출부와 라인은 모두 엑츄에이터(202) 내부로부터 압력을 서서히 소산시킬 수 있다.

압력 유지용 디바이스(216)는 다양한 구조를 가질 수 있으며, 다양한 장소에 위치할 수 있다. 예를 들면, 압력 유지용 디바이스(216)는 엑츄에이터(202)에 통합되거나, 스위칭 디바이스(208)에 통합되거나, 또는 개별적인 부품으로서 설치될 수 있으며, 개별적인 부품으로 설치되는 경우 스위칭 디바이스(208)와 엑츄에이터(202) 사이에, 스위칭 디바이스(208) 뒤에, 또는 소정의 다른 적절한 위치에 위치한다. 도 7의 예시적인 실시예에 있어서, 압력 유지용 디바이스(216)는 스위칭 디바이스(208)의 하류에 있는 배기 경로(214)에 설치된다. 이러한 실시예는 추가적인 부품을 필요로 하지 않으면서도 원하는 결과를 달성한다.

도 7의 예시적인 실시예에 있어서, 작동 중에 스위칭 디바이스(208)가 제1 위치(210)에 있으면, 압력 공급원(206)은 엑츄에이터(202)와 유체 연통 상태가 된다. 결과적으로, 압력 공급원(206)으로부터의 압력 신호는, 예컨대 스프링(220)과 같은 바이어스 요소의 바이어스에 대항하여 엑츄에이터(202)가 밸브(204)를 열도록 해줄 수 있다. 스위칭 디바이스(208)가 제2 위치(212)로 전환되는 경우, 압력 공급원은 더 이상 엑츄에이터(202)와 유체 연통 상태에 있지 않다. 대신, 엑츄에이 터(202)는 배기 경로(214)와 유체 연통 상태에 있게 되어 압력 신호로부터 엑츄에이터에서의 압력은 배기 경로를 통해 배출될 수 있다. 엑츄에이터(202)에서 압력을 배출하는 것은, 바이어스 요소(220)의 바이어스 하에서 밸브(204)가 닫힘 위치까지 이동하도록 해준다. 따라서, 제1 위치(210)와 제2 위치(212) 사이에서 스위칭 디바이스(208)를 이동하면 밸브(204)는 열림 위치와 닫힘 위치 사이에서 각각 사이클을 실시한다. ALD와 같이 사이클 주파수가 큰 작업 중에 밸브(204)는 예컨대 분당 20 사이클과 같은 사이클로 빈번하게 사이클을 실시한다.

사이클 중에, 배기 경로(214)에 있는 압력 유지용 디바이스(216)는 엑츄에이터(202)로부터 배출되는 압력의 크기를 제한한다. 예로서, 압력 공급원(206)이 약 70 psi의 압력을 엑츄에이터(202)에 공급하고 압력 유지용 디바이스(216)는 약 30 psi의 파열 압력을 갖는 체크 밸브를 포함하는 경우, 이후에 스위칭 디바이스(208)가 제2 위치(212)로 이동하면, 압력 유지용 디바이스(216)는 엑츄에이터(202)의 압력인 약 70 psi의 압력에 노출된다. 엑츄에이터(202)에서의 압력은 압력 유지용 디바이스(216)를 개방하여 압력이 배출되도록 해준다. 그러나, 압력이 약 30 psi까지 떨어지면 압력 유지용 디바이스(216)는 폐쇄되고 압력 유지용 디바이스를 통해 임의의 추가적인 압력이 배출되지 못하도록 한다. 결과적으로, 엑츄에이터(202)에서는 약 30 psi의 압력이 유지된다. 엑츄에이터(202)에서 유지되는 압력은 바이어스 요소로부터의 바이어스 또는 폐쇄력 중 일부에 대항하거나 상쇄되므로, 밸브(204)의 시일 부재 상의 시일 힘은 바이어스 요소가 전달할 수 있는 최대 시일 힘보다 작다. 바이어스 부재 및 엑츄에이터로부터의 실제 힘의 크기는 사용 자가 임의로 결정하며, 예컨대 압력 유지용 디바이스(216)의 파열 압력 또는 바이어스 요소의 바이어스 힘을 바꿈으로써 조절될 수 있고 맞춰질 수 있다.

따라서, 밸브(204)가 빠르게 사이클을 실시할 때(예컨대, 초당 1 사이클), 시일 힘은 비교적 작다(예컨대, 20 lbs). 결과적으로, 엑츄에이터(202)에서 유지되는 압력은 시일 부재들 사이에 전달되는 시일 힘을 감소시키고, 이는 고속 작동 및 큰 시일 힘과 관련된 시일 손상 및 입자 발생의 가능성을 감소시켜 밸브의 수명을 연장시킨다.

누출 경로(218)는, 심지어 압력 유지용 디바이스(216)가 폐쇄되어 압력 유지용 디바이스를 통해 압력이 배출되지 못하는 경우에도 비록 느린 속도로나마 누출 경로(218)를 통해 압력이 배출될 수 있도록 구성된다. 결과적으로, 밸브(204)가 고주파수 사이클의 작동 중에, 예컨대 30 초와 같이 예상보다 긴 시간 동안 닫힌 위치에서 유지되면, 압력 유지용 디바이스(216)에 의해 엑츄에이터(202)에 유지되는 압력은 누출 경로(218)를 통해 배출된다. 압력 배출 속도는 누출 경로(218)의 구조에 기초하여 맞춰지거나 조절될 수 있다. 예를 들어, 누출 경로(218)가 대기로 개방된 경로로서 구성되는 경우, 경로의 상대적인 크기는 압력 배출 속도를 결정할 수 있다.

따라서, 상기 장치(200)는 서서히, 공압식 엑츄에이터(202)가 유지된 모든 압력을 배출하도록 해주고, 밸브(204)를 닫기 위해 최대 바이어스 힘을 인가하도록 해주며, 밸브를 통한 누출이 작은 시일을 형성하도록 해준다. 이러한 방식으로, 상기 장치(200)는 매우 완전한 밀봉을 제공하면서도, 고주파수 사이클 동안 더 큰 시일 힘을 사용하지는 않는다.

도 8은 상기 장치의 또 다른 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한다. 이러한 실시예에서, 상기 장치(230)는 엑츄에이터(232), 작동 디바이스(234), 압력 공급원(236), 스위칭 디바이스(238), 압력 유지용 디바이스(240), 및 도 7에서 설명한 실시예와 구조면에서 유사할 수 있는 배기 경로(242)를 포함한다. 또한, 상기 장치(230)는 도 7의 장치(200)와 실질적으로 유사하게 작동한다. 그러나, 이러한 실시예에서, 압력 유지용 디바이스(240)는 스위칭 디바이스(238)와 엑츄에이터(232) 사이에 위치하며, 누출 경로(244)는 압력 유지용 디바이스(240) 주위의 바이패스로서 도시되어 있다. 또한, 상기 장치는 엑츄에이터(246) 내의 압력이 체크 밸브(246)를 통해 배출되지 못하도록 하는 체크 밸브(246)를 포함할 수 있다. 체크 밸브(246)는 또한 예컨대 5 psi와 같은, 사전에 설정되거나 사용자가 조절 가능한 파열 압력을 가질 수 있다.

도 7 및 도 8의 예에 의해 도시된 바와 같이, 본 발명은, 예컨대 작동력 또는 폐쇄력과 같은 제1 크기의 힘을 제공하거나 이러한 힘을 가하도록 허용하면서, 동시에 상이한 크기의 힘을 제공하거나 이러한 힘을 가하도록 허용함으로써 2가지 이상의 출력을 제공할 수 있다. 도 7 및 도 8의 예는 입력 조건이 변하면 제1 레벨의 출력힘을 제공하고, 입력 조건이 변한 이후에 소정 시간 경과 후 제2 레벨의 출력힘을 제공한다.

도 7 및 도 8의 예에서, 출력 사이의 변화는 시간 의존적이다. 도 7 및 도 8의 예에서는, 상기 디바이스가 사전에 결정된 시간 동안 제2 위치에서 유지되는 경우 상이한 힘이 가해진다. 이는, 예컨대 디바이스가 제1 작동 모드에서 사이클을 실시하고 또 다른 작동 모드에서는 정지될 때, 또는 디바이스가 제1 모드 중에 제1 사이클 주파수에서 작동하고 제2 모드 중에 제2 사이클 주파수에서 작동할 때 행해질 수 있다.

바람직한 실시예를 참고하여 본 발명을 설명하였다. 본 명세서를 읽고 이해하면 다른 실시예에 대한 변형 및 변경을 행할 수 있다. 본 발명은, 이러한 변형 및 변경이 첨부된 청구범위 및 이러한 청구범위의 등가물의 범주에 속하는 한, 이들을 모두 포함하려는 의도로 해석되어야 한다.

Claims

제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동 가능한 제1 피스톤 조립체 및

제3 위치와 제4 위치 사이에서 이동 가능한 제2 피스톤 조립체를 포함하는 엑츄에이터 장치로서,

제1 피스톤 조립체가 제1 위치에 있을 때 제2 피스톤 조립체는 제3 위치와 제4 위치 사이에서 선택적으로 이동 가능하고, 제1 피스톤 조립체가 제2 위치로 이동할 때 제1 피스톤 조립체는 제2 피스톤 조립체를 제4 위치로 이동시키는 것인 엑츄에이터 장치.
제1항에 있어서, 제1 피스톤 조립체를 제2 위치를 향해 바이어스하기 위한 제1 바이어스 부재 및 제2 피스톤 조립체를 제3 위치를 향해 바이어스하기 위한 제2 바이어스 부재를 더 포함하는 것인 엑츄에이터 장치.
제2항에 있어서, 제1 바이어스 부재의 바이어스 힘은 제2 바이어스 부재의 바이어스 힘보다 큰 것인 엑츄에이터 장치.
제1항에 있어서, 가압될 때 제1 피스톤 조립체를 제1 위치를 향해 바이어스하도록 제1 피스톤 조립체에 근접하게 위치하는 하나 이상의 가압 가능한 챔버를 더 포함하는 것인 엑츄에이터 장치.
제1항에 있어서, 가압될 때 제2 피스톤 조립체를 제4 위치를 향해 바이어스하도록 제2 피스톤 조립체에 근접하게 위치하는 하나 이상의 가압 가능한 챔버를 더 포함하는 것인 엑츄에이터 장치.
제1항에 있어서, 제2 피스톤 조립체는 제4 위치에 있을 때 밸브를 닫도록 되어 있는 것인 엑츄에이터 장치.
제1 엑츄에이터 및

제1 엑츄에이터에 의해 맞물릴 수 있는 제2 엑츄에이터를 포함하는 엑츄에이터 장치로서,

제2 엑츄에이터는 제1 엑츄에이터와 상관없이 제2 크기의 힘을 공급할 수 있고, 제2 엑츄에이터를 매개로 하여 작용하는 제1 엑츄에이터는 제1 힘보다 큰 제2 힘을 선택적으로 공급할 수 있는 것인 엑츄에이터 장치.
제7항에 있어서, 하나 이상의 가압 가능한 챔버를 더 포함하며, 이러한 하나 이상의 가압 가능한 챔버를 가압하여 제2 크기의 힘을 선택적으로 공급하는 것인 엑츄에이터 조립체.
제7항에 있어서, 제1 엑츄에이터는, 제2 엑츄에이터 내에 있는 제2 피스톤 조립체와 선택적으로 맞물리고 떨어지도록 제1 피스톤 격실 내에서 이동 가능한 제1 피스톤 조립체를 포함하는 것인 밸브 조립체.
제9항에 있어서, 유체 압력은, 제1 모드에서 제2 피스톤 조립체와 맞물리지 않도록 제1 피스톤 조립체를 이동시키는 것인 밸브 조립체.
제9항에 있어서, 제2 피스톤 조립체와 맞물리도록 제1 피스톤 조립체를 바이어스하기 위해 제1 피스톤 조립체에 근접하게 배치되는 제1 바이어스 부재를 더 포함하는 것인 밸브 조립체.
제11항에 있어서, 시일 부재와 맞물리지 않도록 제2 피스톤 조립체를 바이어스하기 위해 제2 피스톤 조립체에 근접하게 배치되는 제2 바이어스 부재를 더 포함하는 것인 밸브 조립체.
제1 격실을 한정하는 제1 하우징 부분 및

제1 격실 내에 활주 가능하게 배치된 제1 피스톤 조립체

를 포함하는 제1 엑츄에이터;

제1 하우징 부분에 연결되며 제2 격실을 한정하는 제2 하우징 부분 및

제2 격실 내에 활주 가능하게 배치된 제2 피스톤 조립체

를 포함하고 제1 엑츄에이터에 의해 맞물릴 수 있는 제2 엑츄에이터;

제2 엑츄에이터에 조립되며 유동 경로를 한정하는 밸브 본체; 및

유동 경로를 밀봉하기 위해 밸브 본체와 맞물릴 수 있는 시일 부재

를 포함하는 밸브 조립체로서,

제2 엑츄에이터는 제1 엑츄에이터와는 상관없이 유동 경로를 밀봉하기 위한 시일 부재에 제1 크기의 힘을 선택적으로 인가할 수 있으며,

제1 엑츄에이터는 제2 엑츄에이터를 매개로 하여 유동 경로를 밀봉하기 위한 시일 부재에 제2 크기의 힘을 선택적으로 인가할 수 있는 것인 밸브 조립체.
제13항에 있어서, 제1 피스톤 조립체는 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동 가능하며, 제1 바이어스 부재는 제1 피스톤 조립체를 제2 위치로 바이어스하도록 제1 격실 내에 배치되는 것인 밸브 조립체.
제14항에 있어서, 제2 크기의 힘은 제1 피스톤 조립체를 제2 위치로 바이어스하는 제1 바이어스 부재에 의해 발생되는 것인 밸브 조립체.
제13항에 있어서, 제2 피스톤 조립체는 제3 위치와 제4 위치 사이에서 이동 가능하며, 제2 바이어스 부재는 제2 피스톤 조립체를 제3 위치로 바이어스하도록 제2 격실 내에 배치되는 것인 밸브 조립체.
제13항에 있어서, 제1 피스톤 조립체에 근접하게 위치하는 하나 이상의 가압 가능한 챔버의 유체 압력을 증가시킴으로써 제2 크기의 힘이 작아지는 것인 밸브 조립체.
제13항에 있어서, 제2 피스톤 조립체에 근접하게 위치하는 하나 이상의 가압 가능한 챔버의 유체 압력을 증가시킴으로써 제1 크기의 힘이 커지는 것인 밸브 조립체.
제13항에 있어서, 시일 부재는 다이아프램인 것인 밸브 조립체.
제13항에 있어서, 제2 크기의 힘은 제1 크기의 힘보다 큰 것인 밸브 조립체.
밸브를 통과하는 유체 유동을 제어하도록 밸브를 닫기 위해 제1 크기의 작동력(actuation force)을 사용하는 단계 및

밸브를 닫힌 상태로 유지하기 위해 제2 크기의 작동력을 사용하는 단계

를 포함하는 밸브 제어 방법으로서,

제1 크기의 작동력은 제2 크기의 작동력보다 큰 것인 밸브 제어 방법.
제21항에 있어서, 제1 크기의 작동력은 열림 위치와 닫힘 위치 사이에서 밸브의 사이클을 실시하기 위해 사용되는 것인 밸브 제어 방법.
제22항에 있어서, 제1 엑츄에이터 가동 부재는 약 20 밀리초 미만의 시간 동안 열림 위치와 닫힘 위치 사이에서 밸브의 사이클을 실시할 수 있는 것인 밸브 제어 방법.
엑츄에이터로부터 출력힘(output force)을 공급하는 방법으로서,

제1 엑츄에이터 가동 부재를 제2 엑츄에이터 가동 부재와 맞물리지 않도록 이동시키는 단계;

제1 엑츄에이터 가동 부재와는 상관없이 제1 크기의 힘을 공급하기 위해 제2 엑츄에이터 가동 부재를 이동시키는 단계; 및

제1 엑츄에이터 가동 부재 및 제2 엑츄에이터 가동 부재 모두를 이동시켜 제2 크기의 힘을 제공하도록, 제1 엑츄에이터 가동 부재가 제2 엑츄에이터 가동 부재와 맞물리도록 이동시키는 단계

를 포함하는 것인 출력힘을 공급하는 방법.
제23항에 있어서, 제1 크기의 힘은 제2 크기의 힘보다 작은 것인 출력힘을 공급하는 방법.
제23항에 있어서, 제1 엑츄에이터 가동 부재는 스프링의 바이어스 힘에 의해 제2 엑츄에이터 가동 부재와 맞물리도록 이동되는 것인 출력힘을 공급하는 방법.
제23항에 있어서, 제1 엑츄에이터 가동 부재는 제1 엑츄에이터 가동 부재에 근접하게 위치하는 가압 가능한 챔버의 유체 압력에 의해 제2 엑츄에이터 가동 부재와 맞물리지 않도록 이동되는 것인 출력힘을 공급하는 방법.
제1 입력 신호에 응답하여 엑츄에이터로부터 제1 크기의 출력힘을 제공하는 단계 및

제1 입력 신호를 수신한 후에 사전에 결정된 시간이 경과된 후 엑츄에이터로부터 제2 크기의 출력힘을 제공하는 단계

를 포함하는 것인 엑츄에이터 제어 방법.
제28항에 있어서, 엑츄에이터로부터의 제2 크기의 출력힘은 제1 크기의 출력힘보다 큰 것인 엑츄에이터 제어 방법.
제28항에 있어서, 입력 신호는, 엑츄에이터에 공급되는 유체 압력이 제1 크기로부터 제2 크기까지 감소되는 것인 엑츄에이터 제어 방법.
제28항에 있어서, 사전에 결정된 시간이 경과된 후에 엑츄에이터로부터 제2 크기의 출력힘을 제공하는 단계는, 제2 크기로부터 제3 크기로 엑츄에이터의 압력을 감소시키는 단계를 포함하는 것인 엑츄에이터 제어 방법.
제31항에 있어서, 제3 크기는 거의 0인 것인 엑츄에이터 제어 방법.
압력 구동식 디바이스가 제1 위치까지 이동하도록 엑츄에이터에 제1 크기의 압력을 공급하는 단계;

압력 구동식 디바이스가 제2 위치까지 이동하도록 제1 크기의 압력을 제2 크기까지 감소시키는 단계; 및

압력 구동식 디바이스가 대체로 제2 위치에서 유지되는 동안 제2 크기로부터 제3 크기까지 압력을 감소시키는 단계

를 포함하는 것인 압력 작동식 디바이스의 조작 방법.
제33항에 있어서, 제3 크기의 압력은 거의 0인 것인 압력 구동식 디바이스의 조작 방법.
제33항에 있어서, 작동 디바이스는 밸브를 포함하며, 제1 위치는 밸브의 열림에 해당하고 제2 위치는 밸브의 닫힘에 해당하는 것인 압력 구동식 디바이스의 조작 방법.
제1 위치와 제2 위치 사이에서 사이클을 실시하도록 되어 있는 압력 구동식 엑츄에이터;

압력 구동식 엑츄에이터가 제2 위치에 있을 때 엑츄에이터의 압력을 유지하 기 위한 압력 유지용 디바이스; 및

압력 구동식 엑츄에이터가 제2 위치에 있는 동안에 압력 유지용 디바이스에 의해 유지되는 엑츄에이터로부터의 압력을 배출할 수 있는 배기 경로

를 포함하는 것인 작동 디바이스를 조작하기 위한 장치.
제36항에 있어서, 바이어스 요소는 압력 구동식 엑츄에이터를 제1 위치를 향해 바이어스하는 것인 작동 디바이스를 조작하기 위한 장치.
제36항에 있어서, 작동 디바이스는 밸브이며, 제1 위치는 밸브의 열림에 해당하고 제2 위치는 밸브의 닫힘에 해당하는 것인 작동 디바이스를 조작하기 위한 장치.
제36항에 있어서, 압력 유지용 디바이스는 체크 밸브를 포함하는 것인 작동 디바이스를 조작하기 위한 장치.
사이클 주파수가 큰 밸브와 함께 사용하기 위한 장치로서,

엑츄에이터;

엑츄에이터를 가압할 수 있는 압력 공급원;

엑츄에이터로부터 압력을 배출할 수 있는 배기 경로;

엑츄에이터가 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동하도록, 압력 공급원 및 배 기 경로와 유체 연통된 상태에 있는 엑츄에이터를 선택적으로 위치 설정하기 위한 스위칭 디바이스;

배기 경로를 통해 엑츄에이터로부터 배출되는 압력의 크기를 제한하기 위한 압력 유지용 디바이스; 및

압력 유지용 디바이스에 의해 엑츄에이터에서 유지되는 압력을 배출하기 위한 누출 경로

를 포함하는 것인 장치.