CN115479128A - 流体控制阀及流体控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供流体控制阀和流体控制装置，通过抑制流体的流场的紊乱来减小难以预料的尖峰举动，流体控制阀(3)具备：阀座构件(4)，设置在上游侧流道(51(A))与下游侧流道(51(B))之间，具有与上游侧流道(51(A))连接的第一内部流道(411)以及与下游侧流道(51(B))连接的第二内部流道(412)；隔膜(721)，配置成与阀座构件(4)之间形成有间隙(X)，从上游侧流道(51(A))流入了第一内部流道(411)的流体流入间隙(X)，流体在间隙(X)中的流动方向与在第一内部流道(411)中的流动方向不同，第二内部流道(422)在形成第一内部流道(421)的内侧周面(43)开口，阀座构件(4)具有面对第一内部流道(411)与间隙(X)的合流部位(J)的倒角部(46)。

Description

流体控制阀及流体控制装置

技术领域

本发明涉及流体控制阀以及流体控制装置。

背景技术

作为以往的流体控制阀，如专利文献1所示，有如下构成的流体控制阀，其具备：阀座构件，设置在上游侧流道与下游侧流道之间，形成有连通这些流道的内部流道；以及隔膜，从该阀座构件离开设置，从上游侧流道流入了内部流道的流体边改变其流动方向边流入阀座构件与隔膜的间隙。

在所述的构成中，当阀座构件与隔膜的间隙伴随隔膜的动作而变动时，例如如果使设定流量较大，则间隙扩大，如果使设定流量较小，则间隙变窄。

现有技术文献

专利文献1：日本专利公开公报特开2017-190872号

本发明人在具备上述的流体控制阀的流体控制装置的性能评价中，如图13所示，当使设定流量阶段性地变化时，确认到在变化为某一设定流量的时点出现了输出(测量流量)向负侧跌落的尖峰举动。

在对该尖峰举动的原因专心研究时，推测如果阀座构件与隔膜的间隙成为某个广度，则受到内部流道的壁面阻力，将会产生因流体的流场的紊乱而引起的压力损失，认为因此而产生应该增加的流量瞬间降低的现象。

发明内容

因此，本发明是基于本发明人对到此为止未被着眼的尖峰举动的原因进行专心研究而做出的发明，本发明的主要目的在于通过抑制上述的流体的流场的紊乱来减小难以预料的尖峰举动。

即，本发明的流体控制阀，其具备：阀座构件，设置在上游侧流道与下游侧流道之间，具有：第一内部流道，与所述上游侧流道连接；以及第二内部流道，与所述下游侧流道连接；以及隔膜，配置成与所述阀座构件之间形成有间隙，从所述上游侧流道流入了所述第一内部流道的流体流入所述间隙，所述流体在所述间隙中的流动方向与在所述第一内部流道中的流动方向不同，在构成为所述间隙伴随所述隔膜的动作而变动的流体控制阀中，所述第二内部流道在形成所述第一内部流道的内侧周面开口，所述阀座构件具有倒角部，所述倒角部面对所述第一内部流道与所述间隙的合流部位。

如果是这样的构成，则由于第二内部流道在形成第一内部流道的内侧周面开口，所以从上游侧流道流入了第一内部流道的流体经过第二内部流道流出到下游侧流道。其结果，如果与第二内部流道未在形成第一内部流道的内侧周面开口的构成相比，则能够抑制流入阀座构件与隔膜的间隙的流体的流量。

而且，由于阀座构件具有面对第一内部流道与间隙的合流部位的倒角部，所以流体容易流入上述的间隙。

根据这些理由，能够减小对流入间隙的流体的阻力，从而能够抑制流体的流场的紊乱，其结果，能够减小在使间隙阶段性地变化的情况下有可能产生的难以预料的尖峰举动。

另外，对于表示该作用效果的具体的分析数据将在后面叙述。

优选的是，所述第二内部流道呈直线状。

如果是这样，则由于从第一内部流道流入了第二内部流道的流体顺畅地向下游侧流道流出，所以能够更可靠地抑制流入间隙的流体的流量。

另外，第二内部流道的加工也是简单的。

为了担保倒角部的加工性，优选的是，所述倒角部的至少一部分是面对所述合流部位的平坦面。

为了实现更可靠地减小尖峰举动，优选的是，所述阀座构件还具有第三内部流道，所述第三内部流道的一端在所述间隙开口，并且另一端在所述第二内部流道开口。

作为更具体的实施方式，可以举出如下的方式：所述流体控制阀还具备：阀体，相对于所述阀座能够接触或分离；以及驱动轴，贯通所述第一内部流道，并且将致动器的位移传递给所述阀体，在所述第一内部流道中沿着所述驱动轴流动的流体的流动方向与在所述间隙中流动的流体的流动方向不同。

优选的是，所述阀座构件具有包围所述间隙的环状凸部，在所述环状凸部的一个或多个部位设置有切口部。

如果是这样的构成，则流入间隙的流体不仅通过第二内部流道溜出去，而且通过切口部从间隙流出去，因此能够更可靠地抑制流体的流场的紊乱，从而能够减小难以预料的尖峰举动。

另外，本发明的流体控制阀，其具备：阀座构件，设置在上游侧流道与下游侧流道之间，具有：第一内部流道，与所述上游侧流道连接；以及第二内部流道，与所述下游侧流道连接；以及隔膜，配置成与所述阀座构件之间形成有间隙，从所述上游侧流道流入了所述第一内部流道的流体流入所述间隙，所述流体在所述间隙中的流动方向与在所述第一内部流道中的流动方向不同，所述流体控制阀还具备阻力减小部，所述阻力减小部减小对流入所述间隙的流体的阻力，所述阻力减小部是所述第二内部流道在形成所述第一内部流道的内侧周面开口而形成的贯通流道，或者是形成在所述阀座构件且面对所述第一内部流道与所述间隙的合流部位的倒角部。

如果是这样构成的流体控制阀，则由于具备减小对流入阀座构件与隔膜的间隙的流体的阻力的阻力减小部，所以流体在该间隙中容易流动，从而能够防止流体的流场的紊乱。

由此，能够抑制在使上述的间隙阶段性地变化的情况下有可能产生的难以预料的尖峰举动。

此外，本发明的流体控制装置，具备上述的流体控制阀。

如果是这样的流体控制装置，则能够实现与上述的流体控制阀同样的作用效果。

按照这样构成的本发明，在流体流入伴随隔膜的动作而变动的间隙的流体控制阀中，能够抑制流体的流场的紊乱，从而能够减小难以预料的尖峰举动。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的流体控制装置的整体纵断面图。

图2是同实施方式的流体控制阀的纵断面图。

图3是表示同实施方式的阀座构件的内部构成的放大断面图。

图4是比较对象的构成的流体控制阀的纵断面图。

图5是表示对比较对象的构成的性能进行了评价的评价结果的图。

图6是表示对同实施方式的流体控制阀的性能进行了评价的评价结果的图。

图7是其它实施方式的流体控制阀的纵断面图。

图8是其它实施方式的流体控制阀的纵断面图。

图9是其它实施方式的流体控制阀的立体图。

图10是其它实施方式的流体控制阀的立体图。

图11是表示对其它实施方式的流体控制阀进行了评价的评价结果的图。

图12是表示其它实施方式的流体控制装置的构成的图。

图13是对以往构成的尖峰举动进行说明的图。

附图标记说明

100···流体控制装置

2···流量检测机构

3···流体控制阀

4···阀座构件

5···主体

6···阀体

7···致动器

721···隔膜

4a···阀座面

41···内部流道

411···第一内部流道

412···第二内部流道

413···第三内部流道

46···倒角部

P···阻力减小部

X···间隙

Z···弯曲部位

L···贯通流道

具体实施方式

在以下参照附图对内置有本发明的流体控制阀的流体控制装置的一个实施方式进行说明。

如图1所示，本实施方式的流体控制装置100例如是在半导体制造装置中使用的质量流量控制器，其具备：主体5，形成有半导体处理用的气体等流体流动的流道51；流量检测机构2，检测流过该主体5的流道51的流体的流量；流体控制阀3，控制流过流道51的流体的流量；以及控制部C，以使流量检测机构2输出的测量流量接近预先确定的设定流量的方式控制流体控制阀3的阀开度。在以下对各部进行详述。

主体5呈前述的流道51贯通的块状，外部流入配管(未图示)与该流道51的上游端连接，并且外部流出配管(未图示)与下游端连接。

作为流量检测机构2，可以考虑热式、差压式、科里奥利式、超声波式等各种各样的，但在此采用所谓的热式流量检测机构。该热式的流量检测机构2具备：细管21，以导入流过流道51的流体中的规定比例的流体的方式与该流道51并联连接；加热器24，设置在该细管21上；以及一对温度传感器22、23，设置在加热器24的前后。而且构成为：如果流体在细管21中流动，则在两个温度传感器22、23之间产生与流体的质量流量对应的温度差，因此根据该温度差，测量流量。

在该实施方式中构成为，设置有收容细管21、加热器24、温度传感器22、23及其周围的电路的长条状的壳体25，另一方面，使一对分支流道2a、2b从主体5的流道51分支，通过将该壳体25安装于主体5，细管21的导入口与上游侧的分支流道2a连接，该细管21的导出口与下游侧的分支流道2b连接。另外，流量传感器不限于该方式。

流体控制阀3是设置在流道51上的常闭型的流体控制阀，其具备：收容在主体5内的阀座构件4以及阀体6；以及致动器7，作为驱动阀体6并设定阀开度亦即阀座构件4与阀体6的分离距离的驱动机构。

如图2所示，阀座构件4成为阀座，是在其下表面具有向阀体6侧突出的阀座面4a的金属制(在此，使用不锈钢作为材料，但是也可以使用其它的哈氏合金等高耐热耐蚀合金)的构件，在其内部形成有内部流道41。另外，也可以使用哈氏合金等高耐热耐蚀合金作为该阀座构件4的材料。

该阀座构件4收容于设置在主体5的圆柱状的收容凹部52。该收容凹部52以切断主体5的流道51的方式配置，被该收容凹部52切断的流道51中的上游侧的流道(以下也称为上游侧流道)51(A)例如在收容凹部52的底面中央部开口，比该收容凹部52更靠下游侧的流道(以下也称为下游侧流道)51(B)例如在该收容凹部52的侧面或者底面开口。

而且，在将阀座构件4收容于收容凹部52的状态下，在该阀座构件4的外侧周面与收容凹部52的内侧周面之间形成有间隙，主体5的下游侧流道51(B)通过该间隙与内部流道41连通。

本实施方式的流体控制阀3由于在该阀座构件4的内部流道41及其周围结构具有特征，所以更详细的构成将在后面叙述。

如图2所示，阀体6在主体5的收容凹部52中与阀座构件4相对配置，并且在其表面(上表面)具有落座面6a，阀座构件4的阀座面4a落座于所述落座面6a。

该阀体6被致动器7驱动，从与阀座构件4接触而切断上游侧流道51(A)以及下游侧流道51(B)的关闭状态向从阀座构件4分离而使上游侧流道51(A)以及下游侧流道51(B)连通的打开状态移动。这样从关闭状态向打开状态的方向亦即针对阀体6的致动器7的驱动力的作用方向是开阀方向。另一方面，从打开状态向关闭状态的方向亦即与针对阀体6的致动器7的驱动力的作用方向相反的方向是闭阀方向。

如图1所示，致动器7例如具备：压电堆71，将多个压电元件层叠而形成；以及动作部72，通过该压电堆71的伸长而位移。

该压电堆71收容在壳体构件74内，其前端部与例如分开或一体地设置在动作部72的基端部的突起部73连接。

本实施方式的动作部72具有隔膜721以及驱动轴722，所述驱动轴722设置在该隔膜721的中心，贯通阀座构件4的中心，与阀体6的上表面抵接。而且，如果施加规定的完全打开电压，则压电堆71伸长，动作部72对阀体6施加朝向开阀方向的作用力，阀座面4a从落座面6a分离，从而成为打开状态。另外，如果是低于完全打开电压的电压，则阀座面4a与落座面6a仅分离与该电压值对应的距离。而且，上游侧流道51(A)与下游侧流道51(B)通过该间隙连通。

另外，如图2所示，在阀体6接触设置有阀体复位弹簧8，该阀体复位弹簧8对该阀体6施加朝向闭阀方向的作用力。通过该阀体复位弹簧8，在不对致动器7施加电压的通常状态下，阀体6成为关闭状态。另外，阀体复位弹簧8呈环状，例如是板簧等弹性体。在此的阀体复位弹簧8被弹簧引导构件10支承，所述弹簧引导构件10收容在主体5的收容凹部52内，但是无需一定设置该弹簧引导构件10。

接着，对上述的阀座构件4的详细的构成进行说明。

如图2所示，阀座构件4介于上游侧流道51(A)与下游侧流道51(B)之间，至少具有与上游侧流道51(A)连接的第一内部流道411、以及与下游侧流道51(B)连接的第二内部流道412，作为内部流道41的一部分。

第一内部流道411的一端在阀座面4a开口，并且另一端在阀座构件4的上表面42开口。该第一内部流道411中插入有将致动器7的位移传递给阀体6的驱动轴722。即，第一内部流道411中形成沿着驱动轴722(沿着阀体6的闭阀方向)的流体流。

第二内部流道412的一端在形成第一内部流道411的内侧周面43开口，并且另一端在阀座构件4的外侧周面44开口。即，该第二内部流道412是从阀座构件4的外侧周面44延续到第一内部流道411的贯通阀座构件4的贯通流道L，呈直线状。在此的第二内部流道412与第一内部流道411正交。换句话说，该第二内部流道412形成与第一内部流道411正交的流体流。另外，作为第二内部流道412，也可以相对于与第一内部流道411正交的方向倾斜形成。

如图3所示，在本实施方式的阀座构件4中，作为内部流道41还具有第三内部流道413，所述第三内部流道413的一端在阀座构件4的上表面42开口，并且另一端在形成第二内部流道412的内侧周面45开口。

如果更具体地进行说明，则在阀座构件4的上表面42形成有凹部，该凹部被上述的隔膜721封闭。由此，在阀座构件4与隔膜721之间产生间隙X，第三内部流道413在该间隙X开口。即，第一内部流道411与第三内部流道413通过间隙X连通。

该间隙X是伴随隔膜721的动作而变动的空间。具体地说，伴随隔膜721的动作，阀座构件4与隔膜721的分离距离变动，所以伴随于此，间隙X的窄度(幅度)变动。该间隙X沿着隔膜721形成，是从上述的驱动轴722向径向外侧扩展的空间。

而且，第一内部流道与该间隙X合流。更具体地说，如上所述，第一内部流道411在阀座构件4的上表面42开口，因此第一内部流道411与间隙X的合流部位J成为在该上表面42形成的开口(参照图3)。

根据所述的构成，从上述的上游侧流道51(A)流入了第一内部流道411的流体边改变流动方向边流入该间隙X。即，沿着驱动轴722在第一内部流道411中流动的流体的流动方向与在间隙X中流动的流体的流动方向彼此不同，具体地说这些流动方向彼此大致正交。

这样，流体的流动方向改变的弯曲部位Z介于第一内部流道411与间隙X之间。当然，虽然无法明确地表现弯曲部位Z与第一内部流道411的边界、以及弯曲部位Z与间隙X的边界，但是至少面对隔膜721与驱动轴722的接合部Y的区域(图3中打上网格线的区域)成为弯曲部位Z。

在此，如图3所示，本实施方式的阀座构件4具有面对上述的合流部位J的倒角部46。

通过对由阀座构件4的上表面42以及内侧周面43形成的角部进行倒角加工来形成该倒角部46，由此，上表面42以及内侧周面43通过倒角部46连续地形成。即，倒角部46是形成在上表面42的内缘421与内侧周面43的上端431之间的面，以面对上述的弯曲部位Z的方式形成。

倒角部46的至少一部分是形成在面对合流部位J的位置的平坦面，是与隔膜721和驱动轴722的接合部Y面对的呈截头圆锥形状的面。

在这样构成的阀座构件4中，上述的第二内部流道412作为从下游侧流道51(B)贯通到第一内部流道411的贯通流道L形成，因此在第一内部流道411中流动的流体的一部分流入第二内部流道412。

由此，如果与第二内部流道412未贯通到第一内部流道411的构成相比，则能够抑制流入阀座构件4与隔膜721的间隙X的流体的流量。

即，第二内部流道412发挥作为减小对流入间隙X的流体的阻力的阻力减小部P的功能。

此外，本实施方式的阀座构件4由于具有与流体的流动方向改变的弯曲部位Z面对的倒角部46，所以流体容易流入间隙X。

即，关于该倒角部46，也发挥作为减小对流入间隙X的流体的阻力的阻力减小部P的功能。

在此，为了评价流体控制装置100的性能，对于对使设定流量阶段性地变化时的输出(测量流量)的举动进行确认的结果进行叙述。

首先，在对本实施方式的流体控制装置100的评价结果进行说明前，作为比较对象，对使用了图4所示的构成的情况的结果进行叙述。另外，图4所示的构成如果与本实施方式的流体控制装置100比较，不同点在于，第二内部流道412未贯通到第一内部流道411，并且未形成有倒角部46。

在成为该比较对象的构成中，如果使阀电压(设定流量)阶段性地变化，则如图5所示，能够看到在变化到某个设定流量的时点出现了输出(测量流量)向负侧跌落的尖峰举动。

而且，在产生该尖峰举动的时点(图5中的b的时点)，根据同图5所示的模拟结果可知，在流体的流场产生了紊乱，推测是因该紊乱而引起的压力损失的产生导致了尖峰举动。

与此相对，在图6中表示了在本实施方式的流体控制装置100中使阀电压(设定流量)阶段性地变化时的输出(测量流量)的举动。根据该图6可知，在本实施方式的流体控制装置100中没有发生上述的难以预料的尖峰举动。

推测其要因之一在于，根据同图6中的模拟结果可知，抑制了流体的流场的紊乱。另外，在该模拟结果中，示出了用白线表示的流体一方与用黑线表示的流体相比，压力更低。

这样，按照本实施方式的流体控制装置100，由于第二内部流道412以及倒角部46发挥作为减小对流入阀座构件4与隔膜721的间隙X的流体的阻力的阻力减小部P的功能，所以变成流体容易流入间隙X，从而能够抑制流体的流场的紊乱。

其结果，能够减小在使间隙X阶段性地变化的情况下有可能发生的难以预料的尖峰举动。

另外，本发明不限于所述实施方式。

例如，所述实施方式的阀座构件4具有将第二内部流道412与间隙X连通的第三内部流道413，但是如图7所示，作为阀座构件4，也可以不形成第三内部流道413。在该构成中，间隙X的与合流部位J相反侧的前端部被封闭。但是，也可以与所述实施方式的第三内部流道413不同地在阀座构件4等形成将间隙X与下游侧流道51(B)连接的流道。

即使是这样的构成，如果假设未形成倒角部46，则在使设定流量阶段性地变化时出现了难以预料的尖峰举动，但是如果是图7所示的构成，则倒角部46发挥作为减小对流入间隙X的流体的阻力的阻力减小部P的功能，因此与所述实施方式同样地，能够抑制流体的流场的紊乱，从而能够减小难以预料的尖峰举动。

另外，倒角部46在所述实施方式中是平坦面，但是例如也可以是以向弯曲部位Z或离开弯曲部位Z的方式弯曲的弯曲面。

此外，第二内部流道412在所述实施方式中是直线状，但是只要是将下游侧流道51(B)与第一内部流道411连接的流道，则例如也可以是流道方向改变一次或多次的弯曲形状等。

此外，在所述实施方式中，对第二内部流道412向第一内部流道411贯通形成的贯通流道L与倒角部46双方作为阻力减小部P而形成的方式进行了说明，但是在贯通流道L或倒角部46的一方充分地发挥作为阻力减小部P的功能的情况下，不一定形成有另一方。

即，作为阀座构件4，只要第二内部流道412在形成第一内部流道411的内侧周面43开口的贯通流道L和面对流体的流动方向改变的弯曲部位Z的倒角部46的至少一方作为阻力减小部P形成即可。

另外，如图8以及图9所示，作为阀座构件4，也可以设置将包围间隙X的环状凸部47切去而得到的切口部48。该切口部48构成间隙X的一部分，具体地说，可以设置在环状凸部47的一个部位或例如等间隔的多个部位。通过该构成，间隙X的一部分成为其前端部延伸到阀座构件4的外侧周面。

另外，在这样地在阀座构件4设置切口部48的构成中，如图10所示，不一定形成有第三内部流道413。

按照该构成，如图11中的上图所示，能够减小难以预料的尖峰举动。

而且，如同图11中的下图的模拟结果所示，可知：流入间隙X的流体不仅通过第二内部流道412流出去，而且通过切口部48从间隙X流出去，因此能够抑制流体的流场的紊乱。另外，在该模拟结果中示出了用白线表示的流体一方与用黑线表示的流体相比，压力更低。

另外，在所述实施方式的流体控制装置100中，作为流量检测机构2使用了热式的，但是如在所述实施方式中所述，也可以使用差压式的流量检测机构2。

即，作为流体控制装置100，如图12所示，可以是如下质量流量控制器，其包括：流量检测机构2，设置在流体流动的流道51上；流体控制阀3，设置在比该流量检测机构2更靠上游侧；以及控制部C，以使由流量检测机构2检测到的测量流量成为预先确定的目标流量的方式控制流体控制阀3。

而且，该流量检测机构2包括：阻力流道R，设置在流道51上；一对压力传感器P1、P2，测量该阻力流道R的上游侧以及下游侧的流道51内的流体压力。而且，根据由压力传感器P1、P2测量的压力测量值以及阻力流道R的阻力值，能够测量流过流道51的流体的流量。

此外，可以适当地组合前述的实施方式、变形实施方式的一部分或者全部，本发明不限于所述实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内当然可以进行各种各样的变形、实施方式的组合。

Claims (8)

1.一种流体控制阀，其特征在于，

所述流体控制阀具备：

阀座构件，设置在上游侧流道与下游侧流道之间，具有：第一内部流道，与所述上游侧流道连接；以及第二内部流道，与所述下游侧流道连接；以及

隔膜，配置成与所述阀座构件之间形成有间隙，从所述上游侧流道流入了所述第一内部流道的流体流入所述间隙，所述流体在所述间隙中的流动方向与在所述第一内部流道中的流动方向不同，

所述第二内部流道在形成所述第一内部流道的内侧周面开口，

所述阀座构件具有倒角部，所述倒角部面对所述第一内部流道与所述间隙的合流部位。

2.根据权利要求1所述的流体控制阀，其特征在于，

所述第二内部流道呈直线状。

3.根据权利要求1所述的流体控制阀，其特征在于，

所述倒角部的至少一部分是面对所述合流部位的平坦面。

4.根据权利要求1所述的流体控制阀，其特征在于，

所述阀座构件还具有第三内部流道，所述第三内部流道的一端在所述间隙开口，并且另一端在所述第二内部流道开口。

5.根据权利要求1所述的流体控制阀，其特征在于，

所述流体控制阀还具备：

阀体，相对于所述阀座能够接触或分离；以及

驱动轴，贯通所述第一内部流道，并且将致动器的位移传递给所述阀体，

在所述第一内部流道中沿着所述驱动轴流动的流体的流动方向与在所述间隙中流动的流体的流动方向不同。

6.根据权利要求1所述的流体控制阀，其特征在于，

所述阀座构件具有包围所述间隙的环状凸部，在所述环状凸部的一个或多个部位设置有切口部。

7.一种流体控制阀，其特征在于，

所述流体控制阀具备：

阀座构件，设置在上游侧流道与下游侧流道之间，具有：第一内部流道，与所述上游侧流道连接；以及第二内部流道，与所述下游侧流道连接；以及

隔膜，配置成与所述阀座构件之间形成有间隙，从所述上游侧流道流入了所述第一内部流道的流体流入所述间隙，所述流体在所述间隙中的流动方向与在所述第一内部流道中的流动方向不同，

所述流体控制阀还具备阻力减小部，所述阻力减小部减小对流入所述间隙的流体的阻力，

所述阻力减小部是所述第二内部流道在形成所述第一内部流道的内侧周面开口而形成的贯通流道，或者是形成在所述阀座构件且面对所述第一内部流道与所述间隙的合流部位的倒角部。

8.一种流体控制装置，其特征在于，

具备如权利要求1所述的流体控制阀。

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