CN1833133A - 具有可用户化性能的高分辨度比例阀的流动系统 - Google Patents

具有可用户化性能的高分辨度比例阀的流动系统 Download PDF

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Abstract

一种流动系统，包括化学惰性材料(聚四氟乙烯)制成的比例阀，可使包括惰性液体、高纯度液体、乃至高腐蚀性液体的流体流量变化。还可以对许多气体进行流量控制。对所要求的流体的各种流量，这种阀门可以手动或利用伺服电动机精确地进行远程或电子设定。通过将特定比例的流动参数编程到阀门结构和配置中，这种阀门能够对各种复杂的流动条件(压力、温度和粘度)提供精确和可重复的高分辨度的流量控制。

Description

具有可用户化性能的高分辨度比例阀的流动系统
技术领域
本发明涉及流量测量和控制系统以及比例阀，其可提供这种系统中流体的可编程的流量变化。
背景技术
如已知道的，现有的用于比例流量控制的液流控制阀装置具有某些缺点或不足之处。比例电磁阀或隔膜阀具有很快的工作速度。然而，在流动条件变化很大的情况下难以低成本地对电磁阀和隔膜阀进行编程以精确控制流量。
旋转控制阀一般具有良好的流量控制分辨度并能够保持流量设定点。然而，旋转控制阀的反应很慢。而且，旋转控制阀难以用较小的阀门尺寸在很大的流量范围内实现高分辨度。此外，其在许多种流动条件下通过编程以精确地控制流量往往也存在问题。
除旋转控制阀之外的阀设计包括用隔膜致动进行流量控制，而且通常使用更为昂贵的隔膜结构。如已经知道的，这些其它类型的阀门不具有可编程的致动特性。这些其他类型的阀门不具有流动条件变化很大情况下的可编程的流动特性，而且也不具有高分辨度和便宜的编程性能。
当流体是浆料形式，如半导体工业使用的抛光浆料时，会带来特殊的问题。这类浆料通常包括研磨材料。在使用寿命期间，必须调节阀门流量控制的设定值以补偿由于浆料中研磨材料作用而造成的部件磨损。
发明内容
概括地，本发明提供了一种新的改进的流体流动系统。这种流动系统包括新的改进的流量控制器，可以是一种流量测量系统或流量控制系统。本发明的流量测量装置包括壳体，壳体具有流体容腔，流体入口和流体出口；用于将流体供应给流体容腔。
沿流量测量装置的流体容腔的一部分设有可调隔膜件，而且还提供了控制可调隔膜件位置的致动器，以调节经过壳体的流体流量。该致动器具有电动机驱动凸轮的形式，并通过连杆机构连接至可调隔膜件，以控制隔膜件的位置，从而调节流体流量。
本发明的流动系统可以具有流量测量系统的形式，带有与流量传感装置一起工作的本发明的流量控制器。本发明的流动系统还可以采用流量控制系统的形式，带有与流量传感装置一起工作的流量控制器，和控制装置如计算机或处理器。
附图说明
图1是根据本发明的比例阀和流量测量系统的侧视截面图；
图2是图1中比例阀的标记2表示的圆圈部分的放大视图；
图3是沿图2中3-3剖面的截面图；
图4是沿图3中4-4剖面的截面图；
图5是本发明比例阀和流量测量系统的侧视截面图，其流体流动方向与图1所示不同；
图6是根据本发明的流量控制系统和控制计算机的示意图，控制系统基于图1的流量测量系统；
图7是图1比例阀的一部分结构的放大视图。
具体实施方式
在附图中，字母F(见图6)概括表示根据本发明的流量控制系统，其用于控制流体流量至所要求的流动参数。流量控制系统F包括比例阀形式的流量控制阀V(图1和2)、测量流体流量的流量测量装置或仪器M(见图1和2)、和流量控制装置或计算机C(图6)。图5示出了具有与图1类似结构的本发明的流量控制系统F，但其接收流动流体的方向与图1中的相反。流量控制系统F适用于包括液体和气体的流体。液体可以是惰性的或高纯度的，甚至可以是腐蚀性很强的液体，或者是包括任何上述类型液体的浆料。本发明的流量控制系统F还适用于各种气体，控制气体流量至要求的流动参数。
首先研究比例流量控制阀V，其壳体10最好由耐腐蚀的有机聚合物如聚四氟乙烯(PTFE)制成，因此阀门V可以用于腐蚀性流体和非腐蚀性流体。流体入口12设置在壳体10，并通过通孔或管道14与流体容腔16连通。流体容腔16通过将靠近壳体10表面11a的一部分前壁11除去而形成。流体容腔16位于环状平表面17和密封接收凹槽或槽19之间。环状平表面17和前壁11处于共用平面并且可与可调隔膜件22接触。壳体10的前壁11设有一个或多个流道18，所公开的实施例中设有三个流道。流道18的数目和尺寸基于流量要求，将流体从流体容腔16传输到设置在壳体10下表面21的歧管或流体出口20。
流量控制阀V的可调隔膜件22(见图1和4)连同壳体10前壁11的表面部分11a一起构成流体容腔16的侧壁。可调隔膜件22最好也用聚四氟乙烯制成，使得腐蚀性流体能够流经流量控制系统F。可调隔膜件22可以在致动器组件A的作用下选择性地向内和向外移动，调节经过流体容腔16的流体流量，从而调节流经壳体10的流量。如下面将要介绍的，可调隔膜件22可以从经过流体容腔16和阀门V流量最大的全开位置移动到阻止流体流经阀门V的全闭位置。
流量测量装置M安装在流量控制阀V，并通过流体出口20与流体容腔16流体相通。如上面所提到的，图5的系统示出了与图1类似的流量控制系统，可用来测量流体流量。流量测量装置M可以是任何一种类型，具体取决于测量流体的类型、工作条件以及所要求的流动参数等。例如，所述流量测量装置可以是美国专利5,542,302、5,728,949或4,467,660介绍的涡轮式流量测量变送器，这些专利都由本专利申请的受让人所拥有。本发明引用参考这些专利的内容。对于涡轮式流量测量变送器，测量变送器的设置和安装可以根据通过测量系统的流体流量来调节。
但是应当认识到，其它类型的流量传感器或测量变送器也可以用于本发明，以代替上述涡轮式测量变送器。用于本发明的流量传感器的基于其它类型设计或技术的的示例包括下面的类型：叶轮或帕尔顿轮流量传感器；压差传感流量传感器；超声波流量传感器；热探测流量传感器；科里奥利效应流量传感器；旋涡分离流量传感器；以及其它种类的流量传感器。
流量测量装置或变送器M包括变送器主体28，通过连接件或中间部分30用开口销或其它适当的连接机构安装在流量控制阀V的壳体10。在壳体10和变送器主体28之间形成环形流体通道34，使得流体能够从流体出口20流到流量测量装置M的流体入口通道36。流量测量装置M的流量测量变送器，如涡轮38，感应并测量通过流量控制系统F的流体流量。变送器流体出口通孔40使得流体能够从测量变送器38流至出口栓塞或旋阀44中的输出端口或通孔42，栓塞或旋阀44安装在变送器主体28上或与之整体形成。如图1和图5所示，变送器M适合于沿任一流体流动方向测量流体流量。除了流量测量变送器38的设置外，图1和5中的结构是相同的，流量测量变送器38的设置是由待测量流体的流动方向决定。因此，图1和5使用相同的参考数字。
流量测量变送器M的测量值作为信息信号提供给流量控制装置或计算机C(图6)，与规定或确定的流动参数进行比较。计算机C中作为比较结果示出的流动参数的变化被检测到，用于形成校正信号，校正信号通过计算机C提供给致动器组件A，以调节流经阀门V的流量，流量控制系统F实现所规定或确定的流动参数。
现在研究流量控制阀V的结构，流道12与流体入口栓或外壳旋阀52的入口通道50相连，外壳旋阀52安装在壳体10上或与壳体10整体形成。流道50的直径与流道12相同，流道12在转变点54与流道14相连。流体进入流体容腔16，通过致动器A造成的可调隔膜22相对移动进行流量控制，其中致动器A由计算机C的控制信号或其它适当的输入信号，如设备操作人员手动输入的信号，来控制。输出流道18从流体容腔16通向弯头部分18a和延伸部分18b，从而到达流体出口20。
支承顶板60由适当间隔的一定数量的安装螺母62和垫圈64，如膜片式弹簧垫圈，安装在壳体10上。支承顶板60下面，支承块70通过连接螺丝72安装到壳体10的后壁或后表面26上。在支承块70和壳体10之间空间的内中心部分，流体容腔16由可调隔膜22形成。可调隔膜件22作为流体容腔16的侧壁，并通过O型圈76或其它适当的密封件接合到外表面部分22a的周围，密封件位于壳体10后表面26的密封件容纳凹槽78。
比例阀V的可调隔膜件22由耐蚀合成树脂薄片80(见图2和4)形成，这种耐蚀合成树脂最好是聚四氟乙烯，其形状大体上是矩形，并且根据流体流量条件、阀门响应度和精确度以及其它因素，具有适当的厚度。在一实施例中，聚四氟乙烯薄片80的厚度大约为0.015英寸。薄片80中有可穿过连接件或螺丝79的孔81，用以将隔膜件22安装在壳体10上。连接件容纳于壳体10前壁11的承座11b。
在可调隔膜件22的中心部分84中设有圆形凹入部分或凸缘82(见图2和4)，从聚四氟乙烯薄片80的前表面86向内朝壳体10的流体容腔16方向延伸。圆形凸缘82的典型直径是0.625英寸。凹入部分的深度使得可调隔膜件22的内表面88在圆形凹入部分82区域向内延伸其厚度，如箭头89(图2和7)所示，的大约三分之一或0.005英寸。可调隔膜件22在圆形凹入部分82内设有向内挠曲延伸的中心凸出区域90，其内表面88朝流体容腔16方向延伸。
可调隔膜件22是柔性的，且中心凸出区域90可以在致动器A的作用下相对流体容腔16向内和向外移动，从而可根据预期的流体流量和控制条件选择性地变化通过比例阀V的流量。根据下面将介绍的致动器A的凸轮100的尺寸，在附图所示实施例中，中心凸出区域90的移动的典型范围大约为薄片80的厚度，或者为0.028英寸。这样可提供足够的移动，使得中心凸出区90的最内部分90a在其最内位置时可与流体容腔16和最内行程位置处端口之间的环状平面17密封接合，以便封闭和阻止流体流过比例阀V。
在壳体10的密封件接收槽或凹槽19中设有O型密封图91形式的密封机构。O型密封圈91可以根据阀门V中的流体用适合的任何密封材料制成，以密封隔膜22和壳体10之间的表面。在隔膜件22和致动器组件A的推杆组件92之间设有支撑垫或垫圈93。垫圈93用适当的材料如含氟弹性材料制成，如杜邦DuPont Dow Elastomers公司销售的商标为Viton的含氟弹性材料。支撑垫圈93提供了在活塞杆92和隔膜22之间的柔软弹性材料。含氟弹性材料垫圈93起到弹簧的作用，而且还提供了防磨损保护和超程保护。
致动器组件A的推杆92具有内端92a，与可调隔膜件22的中心凸出区域90的后表面90b接触，使可调隔膜件22产生相对移动。推杆92容纳在套管件94内，可产生向内和向外的相对运动。套管件94安装在支承块70内，可作往复运动以改变可调隔膜件22的相对位置，从而改变流体容腔16的体积。
推杆92的与可调隔膜件22相对的端部具有弯曲后表面92b，以接合和响应可旋转的圆筒支承96的圆柱形外表面96a。圆筒支承96可旋转地安装在比例阀V内的支承滚轴98上，且圆筒支承96和滚轴98可响应致动器组件A的凸轮件100，在比例阀V内作相对运动。
凸轮件100最好是沿竖直方向作往复运动的凸轮，其具有锥形接触面102。凸轮件100在图1和2中处于最高位置，显示出处于全开位置。在电动机104的作用下凸轮件100可上下运动，电动机根据来自计算机C的控制信号，或操作人员或其它输入源的输入控制信号，使可伸长的轴杆105增量移动。在本发明优选实施例的适当电动机104是市场上能够买到的类型，如线性步进电动机。
凸轮件100(见图7)的两个表面，即接触面102和相对的后表面部分103，进行了打磨和抛光。接触面102具有初始的下平面部102a(图7)和向后逐渐缩小或倾斜的上部102b，平面部102a垂直向上延伸用D表示的适当距离，比如为0.100英寸。在所公开的实施例中，表面102b的锥度为1.124°的角度102c，或者从竖直的平面部102a向后偏离0.028英寸。根据具体的流量控制应用和要求，可以对表面102b的斜度进行不同的设计或选择。因此凸轮件100的接触面102的形状和尺寸应符合计算结果，计算结果规定了推杆92及可调隔膜件22的必要运动。应当认识到，表面102b的斜度的选择根据要求的通过比例阀V的流动参数，并根据通过比例阀V的流体的流量变化条件。
凸轮件100可以通过固定螺钉106安装在电动机104的轴105上。轴105从电动机104的电动机轴外壳108延伸，可在电动机104驱动下向前或向后运动。阀门V的电动机104最好还具有静态特性，可保持目前所处位置(从而保持致动器A的凸轮100的流量设定点)，无需施加动力或外力于轴105。因此致动器A可保持其最后状态而无需使用人员进行干涉，这方面与在停电时失位的弹簧加载电磁阀不同。这对于具有主要进程中断后需快速返回前面流量设定的步骤的行程尤其有益。
电动机104通过限位或安装螺钉114安装在与电动机安装壳体或固定底板112隔开的电动机支承板110上。电动机安装壳体或固定底板112通过安装螺钉或限位螺钉118安装在阀门V的下底板或底座116上。首先调整电动机底板112的相对位置以设定阀门V的关闭位置并使电动机104及其轴105的轴线与推杆92的运动轴线正交。如果需要的话，下底板116和支承顶板60通过一组限位安装螺钉121或其它适当的结构如后壁相连。
与推杆92接触的支承96及致动器组件A的后支承120安装在支承顶板60下面的支承板122。支承板122通过台肩螺栓124及相连的膜片式弹簧垫圈126连接到支承顶板60。调整块130通过调整螺丝132安装在支承顶板60，并通过调整螺丝134安装在支承板122。
阀门V的调整结构用于进行初步设定和校正。起初，凸轮件100移动到其向上完全伸出的位置，于是平表面102a与致动器杆92的后端接合。隔膜22处于阻流位置，与壳体10的环状平面17接触。调整块130的调整螺丝134的位置移动，使得后支承120接合并支承凸轮件100。
因此可以看出，阀门V包括外部致动推杆或轴92，推杆92通过定制形状的凸轮接触面102以机械方式移动。致动杆92压在柔性合成树脂(一般是聚四氟乙烯)制成的可调隔膜件22上。凸轮接触面102设置成可移动到这样的位置，可使得隔膜件22关闭/开启流体容腔16中位于隔膜22和聚四氟乙烯壳体10之间的聚四氟乙烯流径。流体从通道14流向隔膜22。通过致动器A导致的隔膜22的相对位置来控制流量。来自流体容腔16的回流通过始自输出流道18的出口流径。
壳体10中入口通道14和出口通道18的相对尺寸和位置是可定制的，以符合特定的流动参数。当致动器杆92压在隔膜22上时，通过流体容腔16的流量逐渐受到限制。当到达致动器杆92行程的最里端，经过流体容腔16的流体通道关闭，使流体停止流过阀门V。
当致动器杆92从隔膜22离开时，流量逐渐增大直至最大流量，隔膜22完全缩回时可得到通过阀门V的最大流量。在致动器杆92的移动过程中，流量根据确切流体的特定流动参数如压力、温度和粘度并按照成形凸轮面102的预先编程的特征发生变化。
比例阀V还允许通过设置致动凸轮100的行程来调整由致动器A引起的隔膜22的运动。这种调整能够补偿阀门流量控制区域中隔膜22或其在壳体10中的配合表面26的任何磨损。随着时间推移，尤其是当使用抛光浆料时，某些部件表面可能发生磨损。如果不进行调整，当出现磨损时，阀门的全闭位置最终将允许一定量的流体流出。另外，如果不进行调整，部件磨损将损害凸轮100的运动精度，从而不能在规定的允许流量范围内精确地进行比例流量控制。
因此根据本发明的阀门V具有可编程的流动特性，使其能够在变化很大的流动条件或流动参数下进行更加精确的流量控制，而且适用于对大多数流体，包括腐蚀性很强的液体，进行比例流量控制。因而能够用较小尺寸的阀门以高分辨度在几毫升/分钟到几升/分钟的的流量范围进行流量控制。
由于能够在制造/生产环境中方便和经济地将流动特性编程到阀门，所以本发明提供了一种低成本的解决方法。如上面所介绍的，本发明的流动系统F由于具有长期使用中的磨损补偿功能而能够用于抛光浆料。这是十分有利的，因为某些工业生产过程如半导体加工过程需要使用这些包括研磨材料的浆料。如上所述，流动系统F的其它用途包括：气体或水蒸气流量控制、蒸汽流量控制、或气液混合物的流量控制。
本发明的上述公开和介绍是例证性和说明性的，在不脱离本发明精神的情况下可以对尺寸、形状和材料、部件、以及所示结构的细节作出各种改动。

Claims (18)

1.一种流体流量控制器，包括：
壳体；
所述壳体上的流体入口；
所述壳体上的流体出口；
流体容腔，位于所述壳体的所述流体入口和所述流体出口之间；
沿所述流体容腔一部分的可调隔膜件；和
控制所述可调隔膜件位置的致动器，以调节经过所述壳体的流体流量。
2.根据权利要求1所述的流量控制器，其特征在于，所述致动器包括：移动所述可调隔膜件的电动机，以控制所述可调隔膜位置。
3.根据权利要求2所述的流量控制器，其特征在于，所述电动机包括：线性步进电动机。
4.根据权利要求1所述的流量控制器，其特征在于，所述致动器包括：移动所述可调隔膜件的凸轮，以控制所述可调隔膜件位置。
5.根据权利要求4所述的流量控制器，其特征在于，所述凸轮包括：连接至所述可调隔膜件的凸轮，可使所述可调隔膜件相对所述流体容腔增量移动，以调节流体流量。
6.根据权利要求4所述的流量控制器，其特征在于，所述凸轮包括：具有锥形表面的凸轮，可相对所述可调隔膜件移动，使所述可调隔膜件增量移动。
7.根据权利要求1所述的流量控制器，其特征在于，所述致动器包括：
移动所述可调隔膜件的电动机，以控制可调隔膜件的位置；和
凸轮，可对所述电动机作出响应，移动所述可调隔膜件以控制可调隔膜件的位置。
8.根据权利要求7所述的流量控制器，其特征在于，所述致动器包括：连杆机构，可将所述凸轮的移动传递给所述可调隔膜件，使所述可调隔膜件增量移动。
9.根据权利要求7所述的流量控制器，其特征在于，还包括：位于所述致动器和所述可调隔膜件之间的弹性垫。
10.根据权利要求1所述的流量控制器，其特征在于，还包括：将所述可调隔膜件密封到所述壳体的密封件。
11.根据权利要求1所述的流量控制器，其特征在于，还包括：位于所述致动器和所述可调隔膜件之间的弹性垫。
12.根据权利要求1所述的流量控制器，其特征在于，所述可调隔膜件包括：弹性隔膜，可选择性地相对所述流体容腔向内和向外移动，以调节经过所述壳体的流体流量。
13.根据权利要求1所述的流量控制器，其特征在于，所述可调隔膜件包括：弹性隔膜件，可选择性地向内移动至闭合位置，以阻止流体流经所述壳体。
14.根据权利要求1所述的流量控制器，其特征在于，所述流体是腐蚀性流体，所述可调隔膜件是用耐腐蚀有机聚合物制成。
15.根据权利要求1所述的流量控制器，其特征在于，所述流体是腐蚀性流体，所述壳体是用耐腐蚀有机聚合物制成。
16.根据权利要求1所述的流量控制器，其特征在于，所述流体是研磨浆料，可导致所述流量控制器在使用过程中部件磨损，且所述致动器包括：
致动器，可根据因部件磨损引起的流量变化，控制所述可调隔膜件的位置，将所述流体流量调节至要求的流量。
17.一种流量测量系统，可测量并控制流体流量至要求的流量，包括：
流量测量装置，用于测量流体流量；
流量控制器，可将流体流量控制到要求的流量，所述流量控制器包括：
壳体；
在所述壳体上的流体入口；
在所述壳体上的流体出口；
流体容腔，位于所述壳体的所述流体入口和所述流体出口之间；
沿所述流体容腔一部分的可调隔膜件；和
控制所述可调隔膜件位置的致动器，可调节经过所述壳体的流体流量。
18.一种流量控制系统，可控制流体流量至要求的流量，包括：
流量测量装置，用于测量流体流量；
控制装置，将测得的流量与规定流量比较；
流量控制器，可将流体流量控制到要求的流量，所述流量控制器包括：
壳体；
控制装置，可将测得的流量与规定流量比较；
所述壳体上的流体入口；
所述壳体上的流体出口；
流体容腔，位于所述壳体的所述流体入口和流体出口之间；
沿所述流体容腔一部分的可调隔膜件；
控制所述可调隔膜件位置的致动器，可调节经过所述壳体的流体流量；和
所述控制装置驱动所述致动器，将流经所述壳体的流体流量调节至规定流量。
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