CN104969136B - 流量控制阀及使用该流量控制阀的质量流量控制器 - Google Patents

流量控制阀及使用该流量控制阀的质量流量控制器 Download PDF

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Abstract

提供一种能够消除阀成为关闭状态后的隔膜间隔件的额外动作并缩短响应时间的流量控制阀。该流量控制阀具有：环状的阀座(115)；隔膜(116)，所述隔膜(116)由薄板状的弹性体构成且外周部被固定；以及隔膜间隔件(117)，所述隔膜间隔件(117)隔着该隔膜(116)位于与阀座(115)相反的一侧，环状的阀座(115)、隔膜(116)以及隔膜间隔件(117)配置在同轴上。而且，环状的阀座(115)设为如下结构：在其头顶部具有向内周侧倾斜的倾斜面(123)，利用隔膜间隔件(117)的推压力，隔膜(116)向阀座(115)的方向位移，阀座(115)的头顶部的倾斜面(123)与隔膜(116)无间隙地抵接。

Description

流量控制阀及使用该流量控制阀的质量流量控制器
技术领域
本发明涉及能够精密地控制气体等的质量流量的流量控制阀及使用该流量控制阀的质量流量控制器。
背景技术
以往，作为使用隔膜的流量控制阀，有记载在日本特开2010-159790号公报(专利文献1)中的流量控制阀。在专利文献1的流量控制阀中，隔膜间隔件的隔膜推压面形成为，比环状阀座的前端直径更靠内侧的中央部设为平面或平缓的曲面，外侧的周缘部设为相比延长了中央部而得到的假想面凹陷的锥面。环状阀座为将其前端部设为平坦面且以平坦面为边界在外周侧及内周侧具有锥面的形状，并具有通过隔膜间隔件的推压力使隔膜与环状阀座前端部的平坦面抵接的结构。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-159790号公报
发明内容
发明所要解决的问题
在上述专利文献1的结构中，由于与隔膜抵接的环状阀座的抵接面为平坦面，因此，在隔膜向上述环状阀座的平坦面接触时，隔膜的表面与上述平坦面不平行，需要进一步向隔膜间隔件施加载荷。而且，直至在隔膜与环状阀座的平坦面之间间隙消失为止，隔膜的局部变形加剧。由于该动作不限于流量控制阀的闭阀动作时产生，同样地在开阀动作时也会产生，因此，成为流量控制阀的响应时间产生延迟的主要原因。
本发明的目的在于提供一种能够缩短响应时间的流量控制阀及使用该流量控制阀的质量流量控制器。
用于解决问题的手段
为了解决上述问题，本发明的特征在于，构成一种流量控制阀，所述流量控制阀具有：环状的阀座；隔膜，所述隔膜由薄板状的弹性体构成且外周部被固定；以及隔膜间隔件，所述隔膜间隔件隔着所述隔膜位于与所述阀座相反的一侧，所述阀座、所述隔膜及所述隔膜间隔件配置在同轴上，所述阀座在头顶部具有向内周侧倾斜的倾斜面，利用所述隔膜间隔件的推压力，所述隔膜与所述阀座的倾斜面抵接。
发明效果
根据本发明，可以提供一种能够缩短响应时间的流量控制阀。另外，可以提供一种能够缩短针对设定流量的阀的开闭响应时间的质量流量控制器。
通过以下的实施方式的说明，明了上述以外的问题、构成和效果。
附图说明
图1是本发明的质量流量控制器的剖视图。
图2是质量流量控制器的流量控制阀的俯视透过图。
图3是本发明的流量控制阀的放大剖视图。
图4是比较例的流量控制阀的放大剖视图。
图5是隔膜间隔件的推入量与隔膜的位移及阀开度量的关系图。
图6是本发明的流量控制阀的放大剖视图。
图7是隔膜间隔件的推入量与阀开度量的关系图。
图8是本发明的流量控制阀的放大剖视图。
具体实施方式
以下，使用附图说明本发明的实施方式。图1是本发明的质量流量控制器的剖视图。质量流量控制器100具有：流量传感部101、流量控制阀102、本体103、旁通流路104、放大电路部105、阀驱动电路部106以及控制电路部107。
流量传感部101检测从流入流路108的中途分支而流经传感流路109内的流体的质量流量。在传感流路109的上游侧和下游侧分别缠绕有线圈110、111，通过与未图示的其他电阻器的组合来构成桥接电路112。在线圈110与线圈111之间产生的温度差在桥接电路112的节点间作为电位差被检测，并基于该电位差的数据计算流量。
旁通流路104例如形成为将需要数量的与传感流路109相同的管道捆束而成的结构，从流入流路108流入的流体以规定的流量比分流至旁通流路104和传感流路109。通过了所述旁通流路104和传感流路109的流体在中间流路113的入口侧汇合，并朝向流量控制阀102流动。
流量控制阀102具备：设置在中间流路113与流出流路114之间的阀座115、外周缘被夹持并与阀座115接触离开的隔膜116、位于隔膜116的与阀座相反一侧并向阀座115推压隔膜116的隔膜间隔件(diaphragm spacer)117。
使流量控制阀102开闭的动力源例如使用由层叠型压电元件体118构成的促动器119。在未施加阀驱动电压的状态下，隔膜116由弹簧部件120推压至阀座115而处于闭阀状态，当施加阀驱动电压时，层叠型压电元件体118抵抗弹簧部件120而伸展。
其结果是，包入层叠型压电元件体118的壳体121向从隔膜116远离的方向移动，经由硬球122与壳体121连结的隔膜间隔件117的隔膜推压力减少，隔膜116恢复至平面形状，在隔膜116与阀座115之间产生间隙。从中间流路113向流量控制阀102流过来的流体通过上述间隙向流出流路114移动，并向质量流量控制器100的外部放出。
流量传感部101中的检测流量信号由放大电路部105放大后，被输入控制电路部107。在此，上述检测流量信号与从外部设定的设定流量信号进行比较，使这两个信号间的差成为0的驱动信号经由阀驱动电路部106输入促动器119，调节流量控制阀102的开度来控制流量。上述一连串的控制由控制电路部107进行。此外，在此，控制电路由未特意图示的CPU、RAM、ROM等构成，CPU读出存储于ROM的控制程序，并基于保存在RAM中的上述检测流量信号和设定流量信号算出上述驱动信号，从而执行上述一连串的控制。
图2是质量流量控制器的流量控制阀的俯视透过图。隔膜116、隔膜间隔件117及阀座115配置在同轴上。隔膜116是由具有弹性的大致圆形的金属薄板构成的板簧。当经由隔膜间隔件117向隔膜116逐渐施加载荷时，向隔膜116的曲率半径变小的方向弹性变形，隔膜116的中央部向阀座115侧凸起地位移。当弹性变形进一步推进而隔膜116与阀座115抵接时，阀座115与隔膜116的间隙消失，流量控制阀102成为关闭的状态。
相反，当经由隔膜间隔件117逐渐解除向隔膜116施加的载荷时，利用构成隔膜116的金属薄板的板簧的复原力，隔膜116向曲率半径变大的方向弹性变形，其中央部恢复至原来的平面形状。其结果是，在阀座115与隔膜116之间形成间隙，流量控制阀102成为打开的状态。
在本实施方式中，如图1的截面形状所示，阀座115以朝向隔膜116竖立设置的筒状体形成环状，在其头顶部具有倾斜面。该倾斜面成为如下形状：随着从外周侧朝向内周侧，与相向的隔膜116的间隔增大。而且，当利用隔膜间隔件117的推压力使隔膜116与形成于阀座115的头顶部的倾斜面抵接时，在隔膜116的抵接面与阀座115的倾斜面(与隔膜116抵接的抵接面)之间间隙消失，流量控制阀102成为闭阀状态。由此，能够避免在隔膜116与阀座115接触后由隔膜间隔件117对隔膜116进一步施加额外的推压力，从而能够缩短流量控制阀102的响应时间。
以下，使用附图说明实施例。此外，以下详细说明流量控制阀的结构，能够使用这些流量控制阀构成上述质量流量控制器。另外，对相同的结构标注相同的附图标记。
实施例1
图3是本发明的流量控制阀的放大剖视图。示出了经由隔膜间隔件117施加了载荷时的隔膜116的变形和流量控制阀102的开度的变化。在本实施例中，将形成于阀座115的头顶部的倾斜面123和隔膜间隔件117的隔膜推压面124的形状形成为球面的一部分，将隔膜间隔件的外径125构成为比阀座的外径126大。即，作为与隔膜116抵接的抵接面的倾斜面123成为将其形状近似为球面的一部分的形状。因此，倾斜面123、与倾斜面123的位置对应的隔膜推压面124，在利用隔膜间隔件117的推压力与隔膜116抵接时，成为经由隔膜116卡合的状态。
图3的(A)示出未向隔膜116施加载荷的状态(未施加推压力的状态)，隔膜116的中央部形成平面形状。在阀座115的倾斜面123与隔膜116之间存在间隙，流量控制阀102为打开的状态。
图3的(B)是从(A)的状态起向隔膜116施加了载荷的状态。隔膜116的中央部向阀座115的倾斜面123的方向凸起地弹性变形，阀座115的倾斜面123与隔膜116的间隙虽然变小但仍存在，流量控制阀102为打开的状态。
图3的(C)是从(B)的状态起进一步施加了载荷的状态，与(B)时相比，向隔膜整体的曲率半径变小的方向弹性变形，隔膜116的中央部进一步向阀座115的倾斜面123侧凸起地位移。阀座115的倾斜面123与隔膜116的间隙更加变小，但依然存在，流量控制阀102为打开的状态。
图3的(D)是从(C)的状态起进一步施加载荷使得隔膜116最初与阀座115的倾斜面123抵接的状态。与(C)的状态相比，隔膜116向曲率半径向进一步变小的方向弹性变形，存在于阀座115的倾斜面123与隔膜116之间的间隙消失，流量控制阀102在此最初成为关闭的状态。在该状态下，由于阀座115的头顶部的倾斜面123与隔膜116的表面平行，因此，隔膜116与阀座115的倾斜面123无间隙地抵接。另一方面，由于在(D)中隔膜间隔件117也与阀座115的倾斜面123无间隙地抵接，因此，不能进一步推入隔膜间隔件117。即，阀座115的倾斜面123(与隔膜抵接的抵接面)和与该倾斜面123对应的位置的隔膜间隔件117的隔膜推压面124(与隔膜抵接的抵接面)，成为经由隔膜116卡合的状态。上述动作在流量控制阀102打开时也可逆地发生。
图4是比较例的流量控制阀的放大剖视图。与图3同样地，用(A)、(B)、(C)、(D)依次示出经由隔膜间隔件117施加了载荷时的隔膜116的变形和流量控制阀402的开度的变化。隔膜间隔件117的隔膜推压面124形成平坦面，阀座115的头顶部的与隔膜116抵接的抵接面也形成平坦面123’。成为阀座115的外径126比隔膜间隔件117的外径125小的结构。
当向隔膜116逐渐施加载荷时，向隔膜整体的曲率半径变小的方向弹性变形，隔膜116的中央部向阀座115侧凸起地位移。然后，当进一步施加载荷时，隔膜116的弹性变形进一步推进，如(D)所述，隔膜116的中央部恢复至平面形状，弹性变形完成。上述动作在流量控制阀402打开时也可逆地发生。
另一方面，当着眼于阀的开度时，在隔膜116与阀座115的头顶部的平坦面123’无间隙地抵接的(D)之前的(C)的状态下，隔膜116与阀座115的平坦面123’的内周侧最初抵接，流量控制阀402成为关闭的状态。这时，隔膜116的中央部与阀座的头顶部的平坦面123’相比稍向中间流路113侧位移。在(C)中，仅阀座115的平坦面123’的内周侧和隔膜间隔件117的隔膜推压面124的外周侧与隔膜116抵接，在未抵接的侧、即隔膜推压面124的内周侧及阀座115的平坦面123’的外周侧，与隔膜116之间存在间隙，因此，隔膜116的弹性变形在(C)的状态下未完成，并推进到(D)的状态。这时，隔膜116的中央部返回到阀座的头顶部的平坦面123’的位置。而且，在该状态下，阀座115的头顶部的平坦面123’和与平坦面123’对应的位置处的隔膜推压面124，成为经由隔膜116卡合的状态，不能进一步向阀座115侧推入隔膜间隔件117而机械地停止。
在关闭流量控制阀402的动作中，难以重复再现(C)的状态，为了安全可靠地关闭流量控制阀402，需要使隔膜116弹性变形直至(D)的状态。也就是说，在比较例的流量控制阀402中，存在(C)与(D)之间的隔膜间隔件117的额外动作，闭阀动作产生延迟。
与之相对，在本实施例中，当隔膜116与阀座115的头顶部的倾斜面123最初抵接时，隔膜116与阀座的倾斜面123无间隙地抵接。
图5是隔膜间隔件的推入量与隔膜的位移及阀开度量的关系图。该关系图示出了表示隔膜间隔件的推入量与隔膜的中央部的位移及流量控制阀的阀开度量的关系的模拟结果。该模拟结果是使用了有限元法的通用的结构分析工具ANSYS(ANSYS公司(美国)制工具)的隔膜的接触/大变形分析的结果，分析条件为：隔膜与隔膜间隔件均为杨氏模量21000kgf/mm2，接触部的摩擦系数设为0。隔膜的中央部位移以将离开阀座的方向设为正方向、将接近阀座的方向设为负方向来表现，将载荷未施加于隔膜的状态设为0。阀开度量是阀座的头顶部的内周侧与隔膜之间的、与阀座及隔膜的中心轴平行的方向上的距离。
在比较例中，推入量为0.125mm时隔膜的中央部最接近阀座，在该状态下阀开度量为0。当进一步使推入量增加到最大的0.140mm时，隔膜的中央部向离开阀座的方向位移，但阀开度量保持为0而不变化。也就是说，在隔膜间隔件的推入量从0.125mm到0.140mm的区域中，再现了图3中的(C)至(D)的状态的变化。
与之相对，在本实施例中，隔膜间隔件的推入量为最大的0.140mm时隔膜的中央部最接近阀座，在该状态下阀开度量为0。即，由此可知，与比较例不同，不存在阀成为关闭状态后的隔膜间隔件的额外动作，消除了由此导致的开阀动作的延迟。由此，根据本实施例，能够实现可缩短响应时间的流量控制阀。
在本实施例中，说明了将隔膜间隔件117的隔膜推压面124的形状和作为与隔膜116抵接的抵接面的阀座115的头顶部的倾斜面123的形状形成为近似为相同的球面的一部分的形状，具体而言，将阀座的头顶部的倾斜面123和隔膜间隔件117的隔膜推压面124的曲率半径设为相同，并形成为使该假想圆的中心存在于共用的中心轴上。
此外，在本实施例中，与阀座的头顶部的倾斜面123对应的位置处的、隔膜间隔件117的隔膜推压面124的形状也与阀座的倾斜面123同样地设为近似为相同的球体的一部分的形状，但不限于此，即使是其他形状也能够得到同样的效果。
实施例2
图6是本发明的流量控制阀的放大剖视图。与实施例1不同之处在于，将阀座115的头顶部的倾斜面123和隔膜间隔件117的隔膜推压面124设为近似为圆锥面的一部分的形状。即，将隔膜间隔件117的隔膜推压面124的前端部的外径128的区域设为平坦面，将从该外径128到推压面124的外周侧的区域设为作为上述圆锥的一部分而被限定的锥形。在此，在以下说明隔膜间隔件117与阀座115的各部分的直径的大小关系。满足以下关系：阀座115的内径127比隔膜间隔件117的隔膜推压面124的前端部的外径128大，阀座115的头顶部的倾斜面123的外径126比隔膜推压面124的外径125小。
与图3同样地，用(A)、(B)、(C)、(D)依次示出经由隔膜间隔件117施加了载荷时的隔膜116的变形和流量控制阀202的开度的变化。对于与图3的流量控制阀102中的、标注了已经说明过的图3所示的相同附图标记的结构具有相同功能的部分，省略说明。
当向隔膜116逐渐施加载荷时，向隔膜整体的曲率半径变小的方向弹性变形，隔膜116的中央部向阀座115侧凸起地位移。然后，在(C)的状态下，隔膜116与阀座115的头顶部的倾斜面123最初抵接，流量控制阀202成为关闭的状态。
这时，由于阀座115的头顶部的倾斜面123与隔膜116的表面不平行，因此，在隔膜116与阀座的头顶部的倾斜面123之间存在间隙。
其结果是，隔膜116的弹性变形在(C)的状态下未完成而推进到(D)的状态，但(C)的状态下的间隙与比较例的流量控制阀402中的(C)的状态下存在的间隙相比较小。
图7是隔膜间隔件的推入量与阀开度量的关系图。该关系图示出模拟结果，由于模拟条件与图5相同，因此省略说明。阀开度量成为0的推入量在比较例中为0.125mm，相比之下，在本实施例中为0.135mm。由此可知，与比较例相比，流量控制阀成为关闭状态后的隔膜间隔件的额外动作变少，能够缩短针对设定流量的开阀时的响应时间。该动作在流量控制阀202打开时也可逆地发生。由此，在本实施例中，也能够实现可缩短响应时间的流量控制阀。此外，在实施例1中，将隔膜间隔件117的隔膜推压面设为近似为球面的一部分的形状。与之相对，在本实施例中，通过近似为圆锥的一部分而将推压面的中央部(前端部)设为平坦面，并设为从该平坦面向外周侧具有锥形的形状，因此，在制造以及加工方面与实施例1相比具有优点。
实施例3
图8是本发明的流量控制阀的放大剖视图。本实施例与上述实施例1及实施例2的不同之处在于：构成流量控制阀302的隔膜间隔件117的隔膜推压面124设为平坦的形状，并将隔膜间隔件117的外径125设为比阀座115的头顶部的倾斜面123的外径126小。
与图3同样地，用(A)、(B)、(C)、(D)依次示出经由隔膜间隔件117施加了载荷时的隔膜116的变形和流量控制阀302的开度的变化。对于与图3的流量控制阀102中的、标注了已经说明过的图3所示的相同附图标记的结构具有相同功能的部分，省略说明。
当向隔膜116逐渐施加载荷时，向隔膜整体的曲率半径变小的方向弹性变形，隔膜116的中央部向阀座115侧凸起地位移。而且，在(D)的状态下，存在于阀座115的头顶部的倾斜面123与隔膜116之间的间隙消失，流量控制阀302在此最初成为关闭的状态。
在该状态下，由于阀座的头顶部的倾斜面123与隔膜116的表面平行，因此，隔膜116与阀座115无间隙地抵接。
另一方面，在隔膜间隔件117侧，与隔膜116之间存在间隙，但由于隔膜116与阀座115无间隙地抵接，因此不能进一步推入隔膜间隔件117。其结果是，不存在在比较例中看到的阀成为关闭状态后的隔膜间隔件的额外动作，能够缩短针对设定流量的响应时间。该动作在流量控制阀302打开时也可逆地发生。由此，根据本实施例，能够实现可缩短响应时间的流量控制阀。
如本实施例这样，优选将隔膜间隔件的外径125构成为比阀座的内径127大，在与阀座的头顶部的倾斜面123对应的位置，存在隔膜间隔件的隔膜推压面124的至少一部分。通过该结构，能够限定隔膜116的变形，并进行流量控制阀302的可靠的关闭动作。
只要在满足上述构成的范围内，阀座的头顶部的倾斜面123的外径和内径、隔膜间隔件的隔膜推压面124也可以倒圆角加工或倒直角加工，从而具有提高流量控制阀302的耐久性的效果。
此外，本发明不限定于上述实施例，包含各种变形例。
例如，为了容易理解地说明本发明而详细说明了上述实施例，但并不限定于具有说明的全部结构。另外，也可将某实施例的结构的一部分替换成其他实施例的结构，另外，也可在某实施例的结构中加上其他实施例的结构。
另外，作为发明的实施方式，说明了在未施加阀驱动电压时流量控制阀成为闭阀状态的常闭型质量流量控制器，但也可以替换成变更了弹簧部件120等结构而成的常开型质量流量控制器。
附图标记说明
100 质量流量控制器，102 实施例1的流量控制阀，115 阀座，116 隔膜，117 隔膜间隔件，123 阀座的头顶部的倾斜面，124 隔膜间隔件的隔膜推压面，125 隔膜推压面的外径，126 阀座的头顶部的倾斜面的外径，127 阀座的头顶部的倾斜面的内径，202 实施例2的流量控制阀，302 实施例3的流量控制阀，402 比较例的流量控制阀。

Claims (7)

1.一种流量控制阀，其特征在于，具有：
阀座，所述阀座以朝向隔膜竖立设置的筒状体形成环状；
隔膜，所述隔膜由具有弹性的金属薄板构成且外周部被固定；以及
隔膜间隔件，所述隔膜间隔件隔着所述隔膜位于与所述阀座相反的一侧，
所述阀座、所述隔膜及所述隔膜间隔件配置在同轴上，
所述阀座在头顶部具有向内周侧倾斜的倾斜面，将所述隔膜间隔件的隔膜推压面的形状和所述阀座的倾斜面的形状形成为近似于相同的球面的一部分的形状，将所述阀座的倾斜面作为与所述隔膜抵接的抵接面，利用所述隔膜间隔件的推压力，所述隔膜与所述阀座的倾斜面无间隙地抵接。
2.根据权利要求1所述的流量控制阀，其特征在于，
所述隔膜间隔件的隔膜推压面的外径比所述阀座的倾斜面的内径大，且比所述阀座的倾斜面的外径小。
3.根据权利要求1所述的流量控制阀，其特征在于，
在闭阀状态下，所述阀座的倾斜面和与该倾斜面的位置对应的所述隔膜间隔件的推压面经由所述隔膜卡合。
4.根据权利要求1所述的流量控制阀，其特征在于，
所述隔膜间隔件的隔膜推压面的外径比所述阀座的倾斜面的外径大。
5.一种质量流量控制器，其特征在于，具有：
流体的流入流路；被设定为规定的流量比的旁通流路；分流规定的流量的传感流路；检测流经所述传感流路内的流体的质量流量的流量传感部；流经所述传感流路和所述旁通流路的流体汇合的中间流路；位于所述中间流路与流出流路之间的流量控制阀；以及控制所述流量传感部及流量控制阀的控制电路部，
所述流量控制阀具有：阀座，所述阀座以朝向隔膜竖立设置的筒状体形成环状；隔膜，所述隔膜由具有弹性的金属薄板构成且外周部被固定；以及隔膜间隔件，所述隔膜间隔件隔着所述隔膜位于与所述阀座相反的一侧，所述阀座在头顶部具有向内周侧倾斜的倾斜面，将所述隔膜间隔件的隔膜推压面的形状和所述阀座的倾斜面的形状形成为近似于相同的球面的一部分的形状，将所述阀座的倾斜面作为与所述隔膜抵接的抵接面，利用所述隔膜间隔件的推压力，所述隔膜与所述阀座的倾斜面无间隙地抵接。
6.根据权利要求5所述的质量流量控制器，其特征在于，
所述隔膜间隔件的隔膜推压面的外径比所述阀座的倾斜面的内径大，且比所述阀座的倾斜面的外径小。
7.根据权利要求5所述的质量流量控制器，其特征在于，
在闭阀状态下，所述阀座的倾斜面和与该倾斜面的位置对应的所述隔膜间隔件的推压面经由所述隔膜卡合。
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