CN105179799A - 压电驱动式阀和压电驱动式流量控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种提供即使是超过压电致动器的使用范围温度的温度的流体，也能够控制的压电驱动式阀和压电驱动式流体控制装置。本发明具备用于将流体流路(1b)开闭的阀体(2)、用于利用压电元件的伸长而对阀体(2)进行开闭驱动的压电致动器(10)以及用于将压电致动器(10)以从流体流路(1b)远离的方式举起并支撑且将从流动于流体流路(1b)的流体向压电致动器(10)传导的热散热的散热隔件(40)，而且，优选，具有容纳并支撑压电致动器(10)和散热隔件(40)的双方的支撑筒体(23A)，支撑筒体(23A)的至少容纳散热隔件(40)的部分由具有与散热隔件(40)相同的热膨胀系数的材料形成。

Description

压电驱动式阀和压电驱动式流量控制装置

本申请是于2012年5月31日提交的已进入中国国家阶段的PCT专利申请(中国国家申请号为201080054455.1，国际申请号为PCT/JP2010/006483，申请日为2010年11月4日，发明名称为“压电驱动式阀和压电驱动式流量控制装置”)的分案申请。

技术领域

本发明涉及利用压电致动器来对阀体进行开闭控制，从而控制流体流量的压电驱动式阀和具备该压电驱动式阀的压电驱动式流量控制装置。

背景技术

一直以来，广泛地已知这种压电驱动式阀和压电驱动式流量控制装置(例如，专利文献1、2等)。

以下，参照图2~图6，说明具备现有的压电驱动式阀的压电驱动式流量控制装置的一个示例。在图2中，1是阀本体，1a是设在阀本体的孔部，2是金属隔膜阀体，3是隔膜按压件，4是按压适配器，8a是球，9是下部承受台，10是压电致动器，11是上部承受台，12是定位用盖形螺母，13是锁紧螺母，14是保护外壳，15是连接器，18是碟形弹簧堆叠成的弹性部件。另外，23是压电致动器支撑筒体，24是筒体固定导向体，25是O形圈，26是拼合基座，27是安装用螺栓，28是轴承。

此外，在图2所示的示例中，将另外形成的球8a插入下部承受台9和压电致动器10之间，但有时候构成为在压电致动器10的下端面的中央一体地形成前端为球面状的突起体并以该突起体作为球8a而使该突起体向下部承受台9抵接。

阀本体1是不锈钢制，分别具备形成阀室的一部分的孔部1a和流体入口、流体出口、流体通路、阀室以及阀座等。另外，金属隔膜阀体2由镍铬合金钢的薄板形成，形成为中央部向上方稍微膨出的倒盘形。此外，金属隔膜阀体2的形状也可以是平板状，另外，材质也可以是不锈钢、镍铬铁耐热耐蚀合金或其他合金钢。而且，金属隔膜阀体2使用1片隔膜，或者，有时候也为2~3片隔膜层叠成的隔膜阀体。

金属隔膜阀体2，与上述阀座对置状地向阀室内配设，通过介入设置有按压适配器4、拼合基座26以及筒体固定导向体24并将安装螺栓27向阀本体1拧入，从而将金属隔膜阀体2的外周缘向阀本体1侧气密地保持固定。此外，上述按压适配器4、筒体固定导向体24、拼合基座26等是不锈钢等的金属制。

压电致动器(压电堆叠件)10的压电致动器支撑筒体23由热膨胀率小的殷钢材料形成为圆筒状，如图3和图4所示，上方部形成有收纳压电致动器10的粗径部23c，另外，下方部形成有收纳下部承受台9和弹性部件18等的缩径的圆筒状的缩径部23d。

另外，支撑筒体23的最下端部形成有用于嵌合安装隔膜按压件3的腔部23e，如图2所示，隔膜按压件3插入固定于该腔部23e。

图3是压电致动器支撑筒体23的纵剖面图，图4是图3的a-a视剖面图，在压电致动器支撑筒体23的粗径部23c和缩径部23d的边界附近，遍及一定的长度和深度而削除外壁部的两侧部，由此，形成用于将图5的拼合基座片26a从两侧插入组合成对置状的孔部23a。即，将形成后述的拼合基座26的对开状的拼合基座片26a从孔部23a的两侧组装成对置状，由筒体固定导向体24一体地保持固定为拼合基座26。此外，在组装拼合基座片26a之前，如图2所示，将弹性部件18向缩径部23d的底部23b插入安装。

图5是显示拼合基座26的组装状态的平面图，图6是图5的a-a视剖面图。如从图5和图6也显而易见的是，各拼合基座片26a是将在具备上壁26b的短圆筒体的下端外周形成有凸缘部26c并在上壁26b形成有插入贯通孔26d和嵌合部26e的部件从中央部分割成二个而形成的，将两个拼合基座片26a组装成对置状，由此，形成拼合基座26。

即，如图2所示，凸缘部26c起到从筒体固定导向体24的下端受到按压力而按压按压适配器4的作用，另外，上述插入贯通孔26d使压电致动器支撑筒体23的缩径部23d的壁体插入贯通，而且，上述嵌合部26e位于下部承受台9和支撑筒体23的壁体之间，起到进行3个部件9、23、26的定位的作用。

轴承28由轴承接受部28a和小球28b形成，配设于上部承受台11的上方，使定位用盖形螺母12的转动顺利化。

此外，由于图2所示的控制阀主要用作压力式流量控制装置用的控制阀，因而如图2所示，在阀本体1设有由孔导向部30a、垫片30b、孔30c等构成的孔安装部30，由压力传感器31a、垫片31b、连接器31c、按压凸缘31d、固定用螺栓31e等构成的压力传感器安装部31以及由连接导向部29a、垫片29b等构成的一次连接部29等。另外，32是用于设在保护外壳14内的压电致动器等的控制电路安装板。

压力式流量控制装置的基本原理在于，在将孔上游侧压力P1保持为下游侧压力P2的约2倍以上的状态下，由孔上游侧的控制阀调整上述压力P1，由此，根据Qc=KP1(但是，K是常数)而运算孔下游侧的流量Qc并将该流量Qc控制成规定的设定值，该压力式流量控制装置被日本特开平8-338546号等公开。

关于控制阀的装配，向阀本体1的孔部1a内按照金属隔膜阀体2、按压适配器4、固定有隔膜按压件3的压电致动器支撑筒体23、弹性部件18、拼合基座26、下部承受台9的顺序组装，经由筒体固定导向体24而向阀本体1插入安装压电致动器支撑筒体23。接着，向压电致动器支撑筒体23内按照球8a、压电致动器10、上部承受台11、轴承28的顺序插入安装，调整形成定位件的定位用盖形螺母12的拧入量，由此，将压电致动器10对金属隔膜阀体2的工作行程微调整为设定值。

通过拧入固定筒体固定导向体24，从而如前所述，拼合基座26、支撑筒体23、下部承受台9、弹性部件18、隔膜按压件3以及隔膜阀体2等均有条不紊地自动地固定于规定的位置，并且，通过拧入定位用盖形螺母12，使得球8a和压电致动器10、支撑筒体23等的轴芯极高精度地一致。

参照图2，如果从控制电路(图示省略)经由连接器15而输入(输入电压0~120v)开阀信号，那么，压电致动器10伸长设定值(0~45μm之间)。

由此，约40~80kgf的上推力作用于压电致动器支撑筒体23，在由筒体固定导向体24的O形圈25保持轴芯的状态下，压电致动器支撑筒体23抵抗弹性部件18的弹性力而上升上述设定值。结果，利用弹性力使隔膜阀体2从阀座离位，开阀。

相反，如果开阀输入成为off，那么，压电致动器10复位至原来的长度尺寸的状态，结果，弹性部件18的弹性力向下方向下推压电致动器支撑筒体23的底部，隔膜按压件3使金属隔膜阀体2向阀座就位，成为闭阀状态。

此外，在开阀行程为45μm且阀座的口径为1mmφ的情况下，从阀的全闭至全开的所需工作时间是约30msec以下。

专利文献1：日本专利第4119109号公报。

专利文献2：日本专利第4113425号公报。

发明内容

发明要解决的问题

内置于上述压电驱动式阀的压电致动器被称为所谓的金属密封型层叠压电致动器，层叠的压电元件(也称为压电堆叠件)密封于金属外壳内，容许温度范围是例如-20~120°C。因此，控制的流体的温度存在着限制。

于是，本发明的主要的目的在于，提供一种即使是超过压电致动器的容许温度范围的温度的流体，也能够控制的压电驱动式阀和压电驱动式流体控制装置。

用于解决问题的技术方案

为了达成上述目的，本发明的压电驱动式阀，具备：阀体，用于将流体流路开闭；压电致动器，用于利用压电元件的伸长而对所述阀体进行开闭驱动；以及散热隔件，用于将所述压电致动器以从所述流体流路远离的方式举起并支撑，并且，将从流动于所述流体流路的流体向所述压电致动器传导的热散热。

优选，还具有容纳并支撑所述压电致动器和所述散热隔件的双方的支撑筒体，该支撑筒体的至少容纳所述散热隔件的部分由具有与该散热隔件相同的热膨胀系数的材料形成。

优选，所述支撑筒体具有容纳所述压电致动器的第1筒部和容纳所述散热隔件的第2筒部，所述第1筒部和第2筒部可联接地构成，从而形成共同的容纳空间，所述第2筒部由具有与所述散热隔件相同的热膨胀系数的材料形成。

优选，所述阀体由自身弹性复位型的金属隔膜形成，所述支撑筒体以能够上下运动的方式被支撑，具有：弹性部件，对所述支撑筒体施力，使得所述阀体将所述流体流路闭锁；以及支撑部，通过所述支撑筒体的侧壁而延伸至所述散热隔件的下部，支撑所述散热隔件，从而在所述压电致动器伸长时，抵抗所述弹性部件的弹性力而将所述支撑筒体举起，所述阀体使所述流体流路开通。

优选，所述散热隔件由殷钢材料形成。

优选，所述散热隔件具有与所述压电致动器相同的形状和尺寸。

优选，将所述散热隔件的下端部和上端部之间的长度设定成通过从流动于所述流体流路的流体受到的热从该散热隔件的所述下端部向所述上端部传热的期间的散热，使得该上端部的温度成为所述压电致动器的耐热温度以下。

另外，为了达成上述目的，本发明的压电驱动式流量控制装置具备上述的本发明的压电驱动式阀。

本发明的压电驱动式流量控制装置，优选，还具有介入所述阀体的下游侧的流体流路的孔、配设于该孔和所述阀体之间的流体流路的压力传感器以及基于该压力传感器的检测值而控制所述压电致动器的控制部。

本发明的压电驱动式流量控制装置，也可以构成为，基于配置于所述阀体的上游侧的热式的流量传感器的检测值而控制所述压电致动器。

附图说明

图1是显示本发明的压电驱动式流量控制装置的一个实施方式的中央纵剖面图。

图2是现有的压电驱动式流量控制装置的纵剖面图。

图3是显示作为图2的压电驱动式流量控制装置的构成零件的支撑筒体的纵剖面图。

图4是图3的a-a视剖面图。

图5是放大显示压电驱动式流量控制装置的构成零件的平面图。

图6是图5的a-a视剖面图。

符号说明：

1b流体流路

10压电致动器

23A支撑筒体

23U第1筒部

23L第2筒部

18弹性部件

40散热隔件。

具体实施方式

以下，参照图1，对具备本发明的压电驱动式阀的压电驱动式流量控制装置的实施方式进行说明。此外，在以下的说明中，有时候对与使用图2~图6已说明的现有的压电驱动式流量控制装置相同或类似的构成部分标记相同符号，并省略重复说明。

如图1所示，压电驱动式流量控制装置具有：阀体2，用于将流体流路1b开闭；压电致动器10，用于对阀体2进行开闭驱动；以及散热隔件40，用于将压电致动器10以从流体流路1b远离的方式举起支撑，并且，将从流动于流体流路1b的流体向压电致动器10传导的热散热。

压电驱动式流量控制装置还能够具备容纳并支撑压电致动器10和散热隔件40的双方的支撑筒体23A，支撑筒体23A的至少容纳散热隔件40的部分由与散热隔件40相同的材料形成。

在图示的示例中，阀体2采用自身弹性复位型的金属隔膜。金属隔膜由镍铬合金钢等的薄板形成，形成为中央部向上方稍微膨出的倒盘形，这点与现有技术相同。

压电致动器10能够使用将压电元件层叠成的压电堆叠件密封于金属容器内的金属密封型层叠压电致动器，这种金属密封型层叠压电致动器能够使用例如从日本Ceratech股份有限公司等销售的压电致动器。

如图示的示例那样，支撑筒体23A能够具有容纳压电致动器10的第1筒部23U和容纳散热隔件40的第2筒部23L，第1筒部23U和第2筒部23L可联接地构成，从而形成共同的容纳空间。在图示的示例中，第1筒部23U和第2筒部23L互相螺纹结合。另外，在图示的示例中，第2筒部23L为与图2所示的现有的压电致动器支撑筒体23相同的形状，也能够利用现有的压电致动器支撑筒体23。此外，支撑筒体23A还能够不像图示的示例那样将第1筒部23U和第2筒部23L分体，而是作为一体构造。

第2筒部23L由与散热隔件40相同的材料形成。第2筒部23L优选由像殷钢、超殷钢、不锈殷钢等殷钢材料那样热膨胀系数小的材料(优选，2×10^-6/K以下)形成。第1筒部23U也优选由热膨胀系数小的材料形成，能够由与第2筒部23L相同的材料形成。此外，出于散热效率的观点，散热隔件40优选金属、合金等高热传导性材料，在这点上，殷钢材料也适合。

关于散热隔件40，将散热隔件40的长度(高度尺寸)设定成通过在将从流动于流体流路1b的流体受到的热从散热隔件40的下端部向上端部传导的期间散热，使得散热隔件40的上端部的温度，即，在图示的示例中，散热隔件40和压电致动器10抵接之处的温度成为压电致动器10的耐热温度以下。

优选，散热隔件40像图示的示例那样形成为高度和直径与压电致动器10相同的圆柱状。于是，第2筒部23L能够同样地利用在现有技术中为了容纳压电致动器10而使用的压电致动器支撑筒体。图示的示例的散热隔件40的相当于图2所示的现有的下部承受台9的部分一体地形成于散热隔件40的下部。

支撑筒体23A可上下运动地被支撑。拼合基座26的上壁26b构成通过形成于支撑筒体23A的侧壁下部的孔部23a而延伸至散热隔件40的下部并支撑散热隔件40的支撑部。另外，在图示的示例中，弹性部件18容纳于构成上述支撑部的拼合基座26的上壁26b的下部。所以，弹性部件18利用来自构成上述支撑部的拼合基座26的上壁26b的抗力来对支撑筒体23A向图的下方施力，使得阀体2将流体流路1b闭锁。另一方面，压电致动器10由于通电而伸长，由此，利用来自构成上述支撑部的拼合基座26的上壁26b和由上壁26b支撑的散热隔件40的抗力来抵抗弹性部件18的弹性力，将支撑筒体23A向图的上方举起。如果将支撑筒体23A举起，那么，形成阀体2的金属隔膜弹性复位而使流体流路1b开通。

与图2所示的现有装置同样地，在图1所示的本发明的装置示例中，也将孔30c介入阀体2的下游侧的流体流路1b。在孔30c和阀体2之间的流体流路1b，配设有压力传感器31a。设在压电驱动式流量控制装置的外部的控制部(图中未显示)，基于压力传感器31a的检测值而控制压电致动器10。图中未显示的上述控制部，通过在例如将孔上游侧压力P1(压力传感器31a的检测值)保持为下游侧压力P2(图中未显示的压力检测器的检测值)的约2倍以上的状态下，利用孔上游侧的控制阀(应当被控制的阀体2)调整上述压力P1，从而以根据Qc=KP1(但是，K是常数)而运算孔下游侧的流量Qc，成为规定的设定值的方式控制压电致动器10。

关于具有上述构成的压电驱动式流量控制装置，由于散热隔件40举起并支撑压电致动器10，因而压电致动器10配置于对阀体2进行开闭驱动的驱动路径上。即，散热隔件40形成实质上延长压电致动器10的伸长方向，即压电元件层叠方向的长度尺寸的延长构造。

另外，散热隔件将压电致动器10以从流体流路1b远离的方式支撑于升起的位置，因而流动于流体流路1b的高温流体的热的一部分，在传热至压电致动器10之前，被散热隔件40散热。结果，即使流动于流体流路1b的流体的温度超过压电致动器的容许温度范围，也能够将压电致动器10的温度抑制在容许温度范围内。

所以，散热隔件40起到确保压电致动器10对阀体2的开闭驱动，同时，将压电致动器10从成为热源的流体流路远离的作用。

再者，容纳并支撑散热隔件40和压电致动器10的支撑筒体23A的至少容纳散热隔件40的部分，由与散热隔件40相同的材料形成，因而能够使散热隔件40的热所导致的伸展和包围散热隔件40的周围的部分的支撑筒体23A的热所导致的伸展相等或几乎相等。结果，即使在控制例如50μm以下的微小升程的阀升程的情况下，也能够精度良好地控制。

接着，作为实施例，在表1中显示了测量温度下降的实验结果。在实验中使用的压电驱动式流量控制装置为与图1所示的装置相同的构造。所使用的压电致动器是日本Ceratech股份有限公司制的金属密封型层叠压电致动器PRB3060，直径13mm，高度尺寸47.4mm，规格说明书的使用温度范围是-20~120°C。所使用的散热隔件由殷钢(Fe-36%Ni)形成。关于支撑筒体，上部筒体、下部筒体均为殷钢(Fe-36%Ni)制。弹性部件(碟形弹簧)为SUS631制。将流动于流体流路的流体的温度调整为250°C，由热电偶温度计测量图1所示的各测量点A点~D点。

[表1]

从上述表1的结果得知，与金属隔膜部的温度相比，压电致动器下部的温度相当低。即，即使所控制的流体的温度是250°C，压电致动器下部的温度也成为90°C，处于所保障的使用温度范围内。

接着，作为比较例，关于图2所示的形式的现有的压电驱动式流量控制装置，在下表2中显示了通过测量图2所示的各测量点E点~H点，从而实施同样的温度下降测量试验的结果。此外，比较例的实验装置使用与上述实施例相同的金属密封型层叠压电致动器，构成材料也使用相同的材料。流动于流体流路的流体温度设定为150°C。

[表2]

从上述表2的结果得知，与流体温度(150°C)相比，压电致动器下部的温度不太下降。在比较例中，在所控制的流体的温度是150°C的情况下，压电致动器下部的温度是130°C，超过使用保证温度范围。

本发明不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的要旨的范围内，能够进行变更。例如，在上述实施方式中，对压力控制式的流量控制装置进行了说明，但本发明也能够适用于压力控制式以外的控制方式，例如利用热式传感器的热式的流量控制装置(所谓质量流量控制器，MFC)。另外，在上述实施方式中，对具备利用自身弹性的弹性复位型的金属隔膜阀体的流体控制装置进行了说明，但是，只要是本领域的技术人员，就能够明白，本发明也能够对金属隔膜以外的阀体适用。

Claims (7)

1.一种压电驱动式阀，具有：

阀本体，其具备流体流路；

阀体，其用于将流体流路开闭；

压电致动器，其用于利用压电元件的伸长而对所述阀体进行开闭驱动；

散热隔件，其用于将所述压电致动器以从所述流体流路远离的方式举起并支撑，并且将从流动于所述流体流路的流体向所述压电致动器传导的热散热；以及

支撑筒体，其容纳并支撑所述压电致动器和所述散热隔件双方，并且以能够相对于所述阀本体上下运动的方式被支撑，

该支撑筒体由具有与该散热隔件相同的热膨胀系数的材料形成，

所述阀体由自身弹性复位型的金属隔膜形成，

具有：弹性部件，其对所述支撑筒体施力，使得所述阀体将所述流体流路闭锁；以及支撑部，其通过所述支撑筒体的侧壁而延伸至所述散热隔件的下部，支撑所述散热隔件，从而在所述压电致动器伸长时，抵抗所述弹性部件的弹性力而将所述支撑筒体举起，所述阀体使所述流体流路开通，

所述散热隔件的下端部和上端部之间的长度被设定成，通过从流动于所述流体流路的流体受到的热从该散热隔件的所述下端部向所述上端部传热期间的散热，使得该上端部的温度成为所述压电致动器的耐热温度以下。

2.根据权利要求1所述的压电驱动式阀，其特征在于，所述支撑筒体具有容纳所述压电致动器的第1筒部和容纳所述散热隔件的第2筒部，所述第1筒部和第2筒部可联接地构成，从而形成共同的容纳空间，所述第1筒部和所述第2筒部由具有与所述散热隔件相同的热膨胀系数的材料形成。

3.根据权利要求1所述的压电驱动式阀，其特征在于，所述散热隔件由殷钢材料形成。

4.根据权利要求1所述的压电驱动式阀，其特征在于，所述散热隔件具有与所述压电致动器相同的形状和尺寸。

5.一种压电驱动式流量控制装置，具备根据权利要求1至4中的任一项所述的压电驱动式阀。

6.根据权利要求5所述的压电驱动式流量控制装置，其特征在于，还具有介入所述阀体的下游侧的流体流路的孔、配设于该孔和所述阀体之间的流体流路的压力传感器、以及基于该压力传感器的检测值而控制所述压电致动器的控制部。

7.根据权利要求5所述的压电驱动式流量控制装置，其特征在于，通过配置于所述阀体的上游侧的热式的流量传感器来控制所述压电致动器。