CN114364907A - 流量控制阀和流量控制装置 - Google Patents

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CN114364907A CN202080060691.8A CN202080060691A CN114364907A CN 114364907 A CN114364907 A CN 114364907A CN 202080060691 A CN202080060691 A CN 202080060691A CN 114364907 A CN114364907 A CN 114364907A
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安德鲁·普莱斯
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Horiba Stec Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种流量控制阀，可提高差压式的流量控制装置中的流量控制的响应性，所述流量控制阀包括具有相互接触的座面(21，31)的一对阀构件(20，30)，在该阀构件(20，30)的至少任一者中设置有插通其内部而朝向所述座面(21，31)开口的内部流路(L)，并且构成为通过调节所述座面(21，31)的分离距离，来控制通过所述内部流路(L)而向外部流出的流体的流量，其中在所述内部流路(L)内形成有节流流路(R)，构成为在该节流流路(R)的上游侧及下游侧产生压差。

Description

流量控制阀和流量控制装置
技术领域
本发明涉及流量控制阀和流量控制装置。
背景技术
作为现有的流量控制装置，例如在专利文献1中有如下的差压式装置，其构成为，在供自流量控制阀向外部流出的流体流动的外部流路的中途形成有节流流路，基于该节流流路的上游侧及下游侧之间的压力差来测定自该流量控制阀流出的流体的流量。
但是，在所述差压式的流量控制装置中，由于在外部流路的中途形成有节流流路，因此由流量控制阀进行了流量控制的流体到达节流流路为止的流路长度变长，其流路容积(死体积(dead volume))变大。由此，在以使流量变小的方式对阀开度进行了控制的情况下，死体积内的压力自与变更前的阀开度对应的压力变化为与变更后的阀开度对应的压力需要时间，这成为使流量控制的响应性下降的主要原因。
现有技术文献
专利文献1：日本专利特开2016-57319号
发明内容
因此，本发明的主要课题在于获得一种可提高差压式的流量控制装置中的流量控制的响应性的流量控制阀。
即，本发明的流量控制阀包括具有相互接触的座面的一对阀构件，在所述阀构件的至少任一者中设置有插通其内部而朝向所述座面开口的内部流路，并且构成为通过调节所述座面的分离距离，来控制通过所述内部流路而向外部流出的流体的流量，所述流量控制阀的特征在于，在所述内部流路内形成有节流流路，构成为在所述节流流路的上游侧及下游侧产生压差。
根据此种构成，由于在设置于阀构件的内部流路中形成了节流流路，所以与具有现有结构的相比，自节流流路至形成有该节流流路的阀构件的座面为止的流路容积(死体积)变小。由此，在变更了阀开度的情况下，死体积内的压力在短时间内自与变更前的阀开度对应的压力变化为与变更后的阀开度对应的压力。结果，在将该流量控制阀用于差压式的流量控制装置的情况下，在变更阀开度之后，与所述现有结构相比，可在短时间内测定与该变更后的阀开度对应的流量，流量控制的响应性提高。
另外，亦可为：自所述内部流路的座面侧的开口起形成有所述节流流路。
根据此种构成，可将死体积的容量抑制为最小限度。由此，在将该流量控制阀用于差压式的流量控制装置的情况下，在变更阀开度之后，可在更短时间内测定与该变更后的阀开度对应的流量，流量控制的响应性进一步提高。
另外，亦可为：所述内部流路流出由所述一对阀构件控制流量后的流体。
根据此种构成，在以使流量变小的方式变更了阀开度的情况下，死体积内的压力在短时间内自与变更前的阀开度对应的压力变化为与变更后的阀开度对应的压力。
进而，亦可为：所述节流流路形成于作为与设置有所述内部流路的阀构件不同的构件的插入至所述内部流路的嵌插构件。
根据此种构成，无需变更现有的流量控制阀的结构，仅通过将嵌插构件插入至内部流路便可形成节流流路，因此可削减制造成本。
另外，亦可为：所述嵌插构件由陶瓷形成。
根据此种构成，例如当在嵌插构件中形成节流流路时，可利用陶瓷的煅烧步骤来简单地形成该节流流路。具体而言，使通过煅烧而熔解的棒体贯通煅烧前的成形体。之后，当煅烧该成形体时，棒体熔解，在煅烧后的成形体(嵌插构件)中形成节流流路。由此，不依靠于机械加工便可在嵌插构件中简单地形成节流流路。
另外，亦可为：所述节流流路形成于与设置有所述内部流路的阀构件相同的构件。
根据此种构成，由于在阀构件中直接形成节流流路，因此与在跟阀构件不同的构件中形成节流流路的情况相比，可省略另外形成嵌插构件的步骤、或将该嵌插构件插入至内部流路的步骤等，可简化制造步骤。
另外，本发明的流量控制装置的特征在于，包括：所述流量控制阀；流量计算部，基于所述节流流路的上游侧及下游侧的各压力，计算自所述流量控制阀流出的流体的流量；以及阀开度控制部，基于由所述流量计算部计算出的流量，以使自所述流量控制阀流出的流体的流量接近预先设定的设定流量的方式控制所述流量控制阀的阀开度。
根据此种构成，由于在设置于阀构件的内部流路中形成了节流流路，所以与在外部流路内设置有限流器(Restrictor)的现有的流量控制装置相比，死体积变小。由此，死体积内的压力在短时间内自与变更前的阀开度对应的压力变化为与变更后的阀开度对应的压力。结果，与现有的流量控制装置相比，可在短时间内测定与变更后的阀开度对应的流量，流量控制的响应性提高。
另外，在所述流量控制装置中，亦可在所述流量控制阀的上游侧还包括第二流量控制阀。
根据此种构成，由于在流量控制阀的一次侧设置有第二流量控制阀，所以可通过第二流量控制阀来降低流量控制阀的一次侧的压力。由此，在流量控制阀的上游侧与下游侧之间产生的压力差变小，通过流量控制阀，低流量的流体变得容易控制。
根据本发明的流量控制阀，由于在设置于阀构件的内部流路中形成了节流流路，所以与在外部流路内设置有限流器的现有结构相比，死体积变小。由此，在变更了阀开度的情况下，死体积内的压力在短时间内自与变更前的阀开度对应的压力变化为与变更后的阀开度对应的压力。结果，在将该流量控制阀用于差压式的流量控制装置的情况下，在变更阀开度之后，与所述现有的结构相比，可在短时间内测定与该变更后的阀开度对应的流量，流量控制的响应性提高。
附图说明
图1是表示第一实施方式的流量控制装置的整体示意图。
图2是表示第一实施方式的流量控制阀的局部放大剖面图。
图3是表示第一实施方式的流量控制阀的阀座构件的平面图。
图4是表示第一实施方式的流量控制阀的阀座构件的底面图。
图5是表示第一实施方式的流量控制阀的阀座构件的A-A剖面图。
图6是表示第一实施方式的流量控制阀的阀座构件的B-B剖面图。
图7是示意性表示第一实施方式的嵌插构件的图。
图8是表示其他实施方式的流量控制装置的整体示意图。
图9是表示其他实施方式的流量控制阀的示意图。
图10是表示其他实施方式的流量控制阀的示意图。
附图标记说明
MFC 流量控制装置
B 主体块体
11 外部流入路
12 外部流出路
V 流量控制阀
20 阀座构件(阀构件)
21 阀座面(座面)
L 内部流路
L1 上游侧内部流路
L2 下游侧内部流路
R 节流流路
30 阀体构件(阀构件)
31 落座面(座面)
50 嵌插构件
P1 第一压力传感器
P2 第二压力传感器
C 控制部
C1 流量计算部
C2 设定流量储存部
C3 阀开度控制部
V2 第二流量控制阀
具体实施方式
组装有本实施方式的流量控制阀的流量控制装置例如在半导体制造过程中被用于控制向成膜腔室供给的材料气体的流量。
＜第一实施方式＞如图1所示，本实施方式的流量控制装置MFC包括主体块体B、设置于主体块体B的一面的流量控制阀V、第一压力传感器P1及第二压力传感器P2、以及连接于这些设备的控制部C。
所述主体块体B具有上游侧连接口B1与下游侧连接口B2，并具有与上游侧连接口B1相连的外部流入路11(外部流路)、与下游侧连接口B2相连的外部流出路12(外部流路)、及设置于外部流入路11与外部流出路12之间的收容凹部13。
所述外部流入路11的下游端在收容凹部13的内表面开口，所述外部流出路12的上游端在收容凹部13的内表面开口。在本实施方式中，外部流入路11的下游端在收容凹部13的侧面开口，外部流出路12的上游端在收容凹部13的底面开口。
所述流量控制阀V构成为，包括具有阀座面21的阀座构件20(阀构件)、具有落座于阀座面21的落座面31的阀体构件30(阀构件)、及沿相对于阀座构件20接近或分离的方向驱动阀体构件30的致动器40，并且将这些构件依照该顺序串联状配置。并且，流量控制阀V构成为：通过由致动器40驱动阀体构件30，来调节阀座面21与落座面31的分离距离。本实施方式的流量控制阀V是所谓常开型的阀，被阀座构件20支撑的板簧50(参照图2)对阀体构件30向与阀座构件20分离的方向施力。
其次，基于图2～图6来详细叙述所述阀座构件20的构成。此处，图3是自阀座面21侧观察阀座构件20的平面图，虚线示出了后述的上游侧内部流路L1等。图4是自与阀座面21相反的一面侧观察阀座构件20的底面图。图5是图3的A-A剖面图。图6是图3的B-B剖面图。
所述阀座构件20呈大致旋转体形状，被收容于收容凹部13，朝向该收容凹部13的开口方向的一端面(图2中，上表面)成为阀座面21。并且，在阀座构件20中形成有插通其内部并朝向阀座面21开口的内部流路L。具体而言，在所述阀座构件20中分别形成有多个上游侧内部流路L1(内部流路L)与下游侧内部流路L2(内部流路L)，所述上游侧内部流路L1(内部流路L)是在阀座面21与落座面31分离的状态下使流体流入至形成于该阀座面21与该落座面31之间的空间(间隙)，所述下游侧内部流路L2(内部流路L)是使流体自该空间流出。
如图5及图6所示，所述各上游侧内部流路L1包括自阀座面21沿着轴向延伸至规定位置的局部路(垂直路)L1m、及与垂直路L1m连通并沿着径向延伸至侧周面22的局部路(水平路)L1n。另外，所述各下游侧内部流路L2自阀座面21沿着轴向直线状地延伸至底面23。
并且，如图2所示，在所述阀座构件20被收容于收容凹部13的状态下，通过阀座构件20的侧周面22与形成收容凹部13的侧壁，形成将外部流入路11与阀座构件20的上游侧内部流路L1相连的流路。另外，在所述阀座构件20被收容于收容凹部13的状态下，通过阀座构件20的底面23与形成收容凹部13的底壁，形成将外部流出路12与阀座构件20的下游侧内部流路L2相连的流路。
即，所述各上游侧内部流路L1的上游端朝向侧周面22开口，并且下游端朝向阀座面21开口。另外，所述各下游侧内部流路L2的上游端朝向阀座面21开口，并且下游端朝向底面23开口。
另外，在所述阀座面21上形成有：形成为同心圆状的多个环状凹槽21M、分隔凹槽21M的多个环状凸条21T。并且，阀座面21的各凸条21T的上表面与阀体构件30的落座面31接触。在本实施方式中，下游侧内部流路L2的上游端在阀座面21的中心开口，以与该开口呈同心圆状的方式形成有3个凹槽21M，并形成有3个凸条21T。
此处，所述各上游侧内部流路L1的下游端在凹槽21M的底面21s开口，所述各下游侧内部流路L2的上游端在与上游侧内部流路L1的下游端开口的凹槽21M不同的凹槽21M的底面21s开口。
并且，在所述阀座面21上，所述上游侧内部流路L1的下游端开口的凹槽21M与所述下游侧内部流路L2的上游端开口的凹槽21M分别交替地形成。由此构成为：在阀座面21与落座面31分离的状态下，上游侧内部流路L1与下游侧内部流路L2连通，另一方面，在阀座面21与落座面31接触的状态下，上游侧内部流路L1与下游侧内部流路L2不连通。
通过此种构成，自外部流入路11流入至收容凹部13的流体在经由多个上游侧内部流路L1而分支后，经由多个下游侧内部流路L2再次合流而向外部流出路12流出。
另外，在所述内部流路L内形成有节流流路R，在该节流流路R的上游侧与下游侧之间产生压差。在本实施方式中，在下游侧内部流路L2内形成有节流流路R。即，在本实施方式中，在内部流路L内的、供由阀座构件20及阀体构件30控制流量后的流体流动的部分，形成有节流流路R。节流流路R具有至少比内部流路L的内径小的内径。
本实施方式的节流流路R形成于插入至下游侧内部流路L2内的图7所示的嵌插构件60。具体而言，嵌插构件60为圆柱状，形成有在被插入至下游侧内部流路L2的状态下，自朝向上游侧的一端面60a(图5～图7中，上表面)贯通至朝向下游侧的另一端面60b(图5～图7中，下表面)的多个节流流路R。另外，嵌插构件60具有在被插入至下游侧内部流路L2的状态下与下游侧内部流路L2的内周面密接的外周面60c。并且，多个节流流路R自嵌插构件60的一端面60a向另一端面60b直线状延伸。另外，自嵌插构件60的一端面60a侧观察，多个节流流路R以呈包围该嵌插构件60的中心轴的环状的队列的方式排列。另外，自嵌插构件60的一端面60a侧观察，多个节流流路R沿着周向等间隔地配置。在本实施方式中，多个节流流路R以呈包围嵌插构件60的中心轴的多重环状(具体而言为双重环状)的队列的方式排列。
另外，如图5所示，所述嵌插构件60以朝向下游侧内部流路L2的阀座面21侧的一端面60a与凹槽21M的底面21s成为同一平面的方式插入。由此，节流流路R形成为自下游侧内部流路L2(内部流路)的朝向阀座面21(座面)侧的开口朝向该下游侧内部流路L2的另一开口延伸。通过如此构成，可将自节流流路R至形成有该节流流路R的阀座构件20(阀构件)的阀座面21(座面)为止的流路容积(以下亦称为死体积D)抑制为最小限度。
另外，本实施方式的嵌插构件60由陶瓷形成。具体而言，首先，使通过煅烧而熔解的棒体贯通煅烧前的成形体。之后，当煅烧该成形体时，棒体熔解，在煅烧后的成形体(嵌插构件60)的内部形成成为节流流路R的贯通孔。
如图1及图2所示，所述致动器40包括：压电堆(piezo stack)41，积层多枚在施加了电压的状态下会膨胀变形的压电组件而形成；以及连接机构42，将压电堆41连接于阀体构件30。并且，致动器40构成为：将压电堆41的伸长经由连接机构42传递至阀体构件30，将该阀体构件30朝阀座构件20按压。另外，致动器40与阀体构件30一起收容在设置于主体块体B的一面的收容壳体70内。
所述连接机构42包括：与阀体构件30的落座面31的相反面接触的隔膜(diaphragm)42a、自隔膜42a朝向压电堆41延伸的柱塞(plunger)42b、介于柱塞42b与压电堆41之间的圆球43c。另外，连接机构42在被按压至压电堆41的状态下，通过支撑在收容壳体70内的螺旋弹簧71向压电堆41侧施力。
如图1所示，所述第一压力传感器P1设置于主体块体B的一面，连接于形成在主体块体B的内部的外部流入路11。由此，第一压力传感器P1测定比节流流路R靠上游侧的压力。
所述第二压力传感器P2与第一压力传感器P1同样地设置于主体块体B的一面，连接于形成在主体块体B的内部的外部流出路12。由此，第二压力传感器P2测定比节流流路R靠下游侧的压力。
所述控制部C分别连接于流量控制阀V、第一压力传感器P1、第二压力传感器P2。具体而言，控制部C包括具有中央处理单元(center process unit，CPU)、内存、输入输出单元等的所谓计算机，执行所述内存中所保存的程序，从而实现作为图1所示的流量计算部C1、设定流量储存部C2、阀开度控制部C3等的功能。
所述流量计算部C1基于由第一压力传感器P1及第二压力传感器P2所测定的各压力，计算自流量控制阀V流出的流体的流量。
所述设定流量储存部C2储存作为目标流量的设定流量。另外，设定流量储存部C2连接于未图标的输入单元，可由该输入单元进行输入。
所述阀开度控制部C3以使由流量计算部C1所计算出的测定流量接近设定流量储存部C2中所储存的设定流量的方式控制流量控制阀V的阀开度。具体而言，阀开度控制部C3通过基于测定流量与设定流量而导出的开度控制信号来驱动致动器40，控制为与该开度控制信号的值对应的阀开度来控制流体的流量。
其次，对本实施方式的流量控制阀V的动作进行说明。
本实施方式的流量控制阀V为常开型，在未对致动器40的压电堆41施加驱动电压的状态下，成为阀座面21与落座面31分离的状态。由此，成为上游侧内部流路L1与下游侧内部流路L2连通的状态。并且，在外部流入路11中流动的流体经由内部流路L而流向外部流出路12。
另一方面，在对致动器40的压电堆41施加了规定值以上的驱动电压的状态下，成为阀座面21与落座面31接触的状态。由此，成为上游侧内部流路L1与下游侧内部流路L2不连通的状态。并且，在外部流入路11中流动的流体被一对阀构件20、30阻断。
另外，在本实施方式中，由于死体积D的容积小，因此作为使阀开度的变化所伴随的死体积D内的压力变动延迟的主要原因的该死体积D内的流体少。因此，在以使流量变小的方式变更了阀开度的情况下，死体积D内的压力在短时间内变化为与变更后的阀开度对应的压力，在变更了阀开度之后，至由流量计算部C1计算出与变更后的阀开度对应的流量为止的时间变短。结果，流量控制装置MFC中的流量控制的响应性提高。
根据此种构成的本实施方式的流量控制装置MFC，由于在下游侧内部流路L2中形成了节流流路R，所以死体积D的容积变小。由此，在以使流量变小的方式对阀开度进行了控制的情况下，死体积D内的压力在短时间内自与变更前的阀开度对应的压力变化为与变更后的阀开度对应的压力。结果，可在短时间内测定与该变更后的阀开度对应的流量，流量控制的响应性提高。另外，由于在被插入至下游侧内部流路L2的嵌插构件60中形成了节流流路R，所以无需变更现有的流量控制阀V的构造便可在内部流路L中形成节流流路R。进而，由于嵌插构件60由陶瓷形成，所以可简单地形成节流流路R。
＜其他实施方式＞作为其他实施方式，可列举具有如图8所示的构成的流量控制装置MFC。图8所示的流量控制装置MFC构成为，在比所述实施方式的流量控制装置MFC的第一压力传感器P1靠上游侧的位置还设置上游侧流量控制阀V0。另外，该上游侧流量控制阀V0相当于权利要求中的第二流量控制阀。
根据此种构成，由于在流量控制阀V的一次侧设置有上游侧流量控制阀V0，所以可通过上游侧流量控制阀V0来降低流量控制阀V的一次侧的压力。由此，在流量控制阀V的上游侧与下游侧之间产生的压力差变小，相对于流量控制阀V的阀开度而言的流量的范围(range)下降。伴随于此，通过流量控制阀V来控制低流量的流体时的分辨率上升，通过流量控制阀V，低流量的流体变得容易控制。
在所述实施方式中，作为流量控制阀V，例示了常开型的阀，但本发明亦可应用于常闭型的阀。
另外，在所述实施方式中，在节流流路R的上游侧及下游侧分别设置了压力传感器(第一压力传感器P1及第二压力传感器P2)，但例如在已知节流流路R的上游侧或下游侧中的一者的压力的情况下，只对另一者设置压力传感器即可。另外，亦可设置检测节流流路R的上游侧与下游侧的压力差的压差计。
另外，在所述实施方式中，插入至在阀构件中所形成的内部流路L的嵌插构件60中形成有节流流路R，但亦可在阀构件上直接形成节流流路R。即，亦可将节流流路R形成于与设置有内部流路的阀构件相同的构件。
另外，在所述现有的流量控制装置中，为了测定自流量控制阀流出的流体的流量，有时在比流量控制阀靠上游侧的外部流路中设置节流孔。在该情况下，当以增大流量的方式对阀开度进行控制时，死体积D内的压力自与变更前的阀开度对应的压力变化为与变更后的阀开度对应的压力需要时间。因此，在该情况下，将节流流路R形成于内部流路L中的、供由一对阀构件20、30控制流量之前的流体流动的部分(上游侧内部流路L1)即可。另外，若节流流路R形成为自内部流路L的朝向座面侧的开口向该内部流路L的另一开口延伸，则可将死体积D的容量抑制为最小限度。
另外，在所述实施方式中，在阀座构件20中形成了上游侧内部流路L1及下游侧内部流路L2，亦可在阀体构件30中形成上游侧内部流路L1及下游侧内部流路L2。另外，亦可在一对阀构件20、30中的一者中形成上游侧内部流路L1，在另一者中形成下游侧内部流路L2。在这些情况下，在上游侧内部流路L1或下游侧内部流路L2的任一者中形成节流流路R即可。进而，亦可采用如下构成，即：在一对阀构件20、30的任一者中仅形成上游侧内部流路L1或下游侧内部流路L2中的任一者。
例如，在应用于常闭型的流量控制阀V的情况下，如图9所示，在阀座构件20中形成与形成于主体块体B的外部流入路11连通的上游侧内部流路L1，在阀体构件30中形成连通于形成于主体块体B的外部流出路12的下游侧内部流路L2。并且，将节流流路R形成于阀体构件30的下游侧内部流路L2即可。另外，该流量控制阀V中，阀体构件30被向阀座构件20侧施力，通过贯通阀座构件20的致动器40按压阀体构件30，由此调节阀座面21与落座面31的分离距离。
另外，本发明的流量控制阀V例如如图10所示，成为如下结构，即：包括收容阀座构件20与阀体构件30的收容块体b，在收容块体b中形成使流体流入至形成于阀座面21与落座面31之间的空间的上游侧流路L3，在阀体构件30中形成使流体自该空间流出的下游侧内部流路L2。并且，节流流路R形成于下游侧内部流路L2。亦可为此种方式。
另外，在所述实施方式中，将节流流路R形成为自内部流路L的座面侧的开口向该内部流路L的另一开口延伸，但亦可形成为自比内部流路L的座面侧的开口靠内侧的位置向该内部流路L的另一开口延伸。
此外，本发明并不限定于所述各实施方式，当然可在不脱离其主旨的范围内进行各种变形。
工业实用性
能够得到可提高差压式的流量控制装置中的流量控制的响应性的流量控制阀。

Claims (8)

1.一种流量控制阀，包括具有相互接触的座面的一对阀构件，在所述阀构件的至少任一者中设置有插通其内部而朝向所述座面开口的内部流路，并且构成为通过调节所述座面的分离距离，来控制通过所述内部流路而向外部流出的流体的流量，所述流量控制阀的特征在于，
在所述内部流路内形成有节流流路，构成为在所述节流流路的上游侧及下游侧产生压差。
2.根据权利要求1所述的流量控制阀，其特征在于，自所述内部流路的座面侧的开口起形成有所述节流流路。
3.根据权利要求1或2所述的流量控制阀，其特征在于，所述内部流路流出由所述一对阀构件控制流量后的流体。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的流量控制阀，其特征在于，所述节流流路形成于作为与设置有所述内部流路的阀构件不同的构件的插入至所述内部流路的嵌插构件。
5.根据权利要求3所述的流量控制阀，其特征在于，所述嵌插构件由陶瓷形成。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的流量控制阀，其特征在于，所述节流流路形成于与设置有所述内部流路的阀构件相同的构件。
7.一种流量控制装置，其特征在于，包括：
如所述权利要求1至6中任一项所述的流量控制阀；
流量计算部，基于所述节流流路的上游侧及下游侧的各压力，计算自所述流量控制阀流出的流体的流量；以及
阀开度控制部，基于由所述流量计算部计算出的流量，以使自所述流量控制阀流出的流体的流量接近预先设定的设定流量的方式控制所述流量控制阀的阀开度。
8.根据权利要求7所述的流量控制装置，其特征在于，在所述流量控制阀的上游侧还包括第二流量控制阀。
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