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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Durchflusssteuerung, die in der Lage ist, die Strömungsrate eines Fluides, das durch einen Durchgang strömt, zu erfassen und die Strömungsrate zu steuern.
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Stand der Technik
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Bisher wird, wie in der Beschreibung des
japanischen Patentes Nr. 2784154 offenbart, eine Durchflusssteuerung durch einen Durchflussratendetektor zum Messen der Strömungsrate eines Fluides und ein Proportionalventil gebildet, das parallel zu dem Durchflussratendetektor angeordnet ist. Ein Hauptströmungsdurchgang erstreckt sich durch das Innere des Durchflussratendetektors. An der Innenwand des Hauptströmungsdurchgangs öffnen sich ein Leitungseinlass und ein Leitungsauslass, die jeweils mit einer Leitung verbunden sind. Ein Paar hitzesensitiver Spulen ist um die Leitung gewickelt, die an einen Verstärker angeschlossen sind. Außerdem wird die Strömungsrate des Fluides, das durch die Leitung fließt, mit Hilfe der Differenz des Widerstandes abgeschätzt, die durch eine zwischen den hitzesensitiven Spulen generierte Temperaturdifferenz bewirkt wird.
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Außerdem ist in dem Proportionalventil eine Membran in dem Zentrum eines hohlen Proportionalventilkörpers vorgesehen. Der Umfang der Membran ist an dem Proportionalventilkörper befestigt. Ein Ventilstab, welcher die Membran mit dem Ventilkörper verbindet, ist mit dem Zentrum der Membran verbunden. Außerdem ist an einem oberen Abschnitt der Membran eine Rückführfeder vorgesehen. Die Membran wird durch die Rückführfeder normalerweise nach unten gedrückt. Gleichzeitig hiermit wird durch eine Schaltwirkung eines Zufuhrelektromagnetventils Luftdruck in eine Kammer unterhalb der Membran eingebracht. Alternativ wird der Luftdruck aus der Kammer durch die Schaltwirkung eines Ablasselektromagnetventils nach außen abgeführt.
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Die Membran wird entgegen der elastischen Kraft der Rückführfeder nach oben verschoben, wodurch der Ventilkörper von dem Ventilsitz abhebt, so dass das Fluid durchfließen kann. Zu dieser Zeit wird die Strömungsrate des Fluides durch den Durchflussratendetektor erfasst. Auf der Basis des Detektionsergebnisses, das durch den Durchflussratendetektor erfasst wird, wird die Strömungsrate durch Betätigung des Zufuhrelektromagnetventils und des Ablasselektromagnetventils geregelt.
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Da der Aufbau der oben beschriebenen Durchflusssteuerung komplex ist und die Vorrichtung relativ groß ausgestaltet ist, besteht in jüngerer Zeit das allgemeine Bedürfnis, eine Gestaltung zu schaffen, die einfacher aufgebaut und kleiner ist.
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Andererseits wird bei dem Stand der Technik gemäß dem
japanischen Patent Nr. 2784154 , obwohl bei dem oben genannten Durchflussratendetektor ein kapillares Heizsystem verwendet, bei welchem die hitzesensitiven Spulen um eine dünne Metallleitung gewickelt sind, die Antwortzeit verzögert, weil eine Zeitverzögerung in der Leitung generiert wird, wenn Hitze von dem hitzesensitiven Spulen übertragen wird. Da außerdem beim Zusammenbau des Durchflussratendetektors Arbeit erforderlich ist, um die hitzesensitiven Spulen um die Leitung zu wickeln und um die Leitung mit dem Körper zu verschweißen, ist der Montagevorgang komplex. Dies führt auch zu Befürchtungen im Hinblick auf eine Erhöhung der Herstellungskosten.
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Außerdem ist das Proportionalventil so aufgebaut, dass es das Öffnen und Schließen des Ventilkörpers durch eine Membran vornimmt. Um das Proportionalventil in einen Ventil-Geschlossen-Zustand zu versetzen, in welchem der Ventilkörper auf dem Ventilsitz aufsitzt, ist eine große elastische Kraft der Rückführfeder erforderlich. Daher ist es notwendig, die Rückführfeder groß auszugestalten, was zu dem Problem führt, dass die Produktgröße erhöht wird. In dem Fall, dass die elastische Kraft der Rückführfeder groß ist, muss außerdem der minimale Betriebsdruck ebenfalls groß sein. Daher tritt die Befürchtung auf, dass das Proportionalventil nicht mit geringem Druck betrieben werden kann.
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Beispielsweise in dem Fall, dass anstelle einer durch Luftdruck betätigten Membran ein Elektromagnetventil, das durch ein Steuersignal betätigt wird, in dem Proportionalventil vorgesehen ist und wenn eine Struktur zum Öffnen und Schließen des Ventilkörpers durch Betätigung des Elektromagnetventils vorgesehen ist, wird außerdem der Stromverbrauch erhöht. Gleichzeitig besteht die Erwartung, dass keine genauen Detektionsergebnisse erhalten werden, da die an dem Elektromagnetabschnitt des Elektromagnetventils generierte Wärme auf den Durchflussratendetektor übertragen wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Durchflusssteuerung vorzuschlagen, die kleiner und mit einfacherem Aufbau ausgestaltet werden kann, und bei welcher der Stromverbrauch verringert wird. Außerdem soll sie mit geringen Drücken betrieben werden, wenn die Durchflussrate eines Fluides gesteuert wird, wobei die Strömungsrate schnell gesteuert werden kann.
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Die vorliegende Erfindung wird gekennzeichnet durch eine Durchflusssteuerung mit einem Körper, der einen an einer stromaufwärtsseitigen Seite vorgesehenen ersten Durchgang aufweist, durch welchen ein Fluid strömt, einen an einer stromabwärtsseitigen Seite relativ zu dem ersten Durchgang vorgesehenen zweiten Durchgang und einen Drosselabschnitt, der zwischen dem ersten Durchgang und dem zweiten Durchgang vorgesehen ist, einen an dem Körper vorgesehenen Durchflussratendetektor, der eine Detektionseinheit aufweist, welche die Strömungsrate des Fluides, das von dem ersten Durchgang zu dem zweiten Durchgang fließt, erfassen kann, eine Strömungsratensteuerung zur Steuerung einer Strömungsrate des Fluides durch den Ventilkörper, die parallel zu dem Durchflussratendetektor angeordnet ist, wobei die Durchflussratensteuerung eine Membrananordnung umfasst, die durch die Zufuhr von Pilot-Steuerluft verschoben wird, einen mit der Membrananordnung über einen Stab verbundenen Ventilkörper und eine Feder, welche den Ventilkörper in eine Richtung vorspannt, in welcher er auf einem in dem Körper ausgebildeten Ventilsitz aufsetzt, wobei die Detektionseinheit durch einen MEMS-Sensor gebildet wird, wobei die Durchflussratensteuerung außerdem eine Ausgleichsstruktur für den Ausgleich einer von der Membrananordnung auf den Ventilkörper aufgebrachten Druckkraft mit einer von der Feder auf den Ventilkörper aufgebrachten Druckkraft aufweist.
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Indem gemäß der vorliegenden Erfindung, die Durchflussratendetektionseinheit mit der Detektionseinheit, welche die Strömungsrate des Fluides erfassen kann, in dem Körper vorgesehen wird, welcher die ersten und zweiten Durchgänge und den Drosselabschnitt aufweist, durch welche das Fluid strömt, und indem der MEMS-Sensor in der Detektionseinheit eingesetzt wird, kann die Erfassungszeit beim Erfassen der Strömungsrate des Fluides verkürzt werden. Außerdem kann die Vorrichtung kleiner ausgestaltet werden. Da die Vorrichtung mit geringem Strom betrieben werden kann, kann gleichzeitig der Stromverbrauch verringert werden. Da eine Ausgleichsstruktur zum Ausgleich einer von der Membrananordnung auf den Ventilkörper aufgebrachten Druckkraft mit einer von der Feder auf den Ventilkörper aufgebrachten Druckkraft vorgesehen ist, kann der Ventilkörper einfach durch Niederdruck-Pilotluft betätigt werden. Gleichzeitig kann die Feder mit einer geringen Rückstellkraft vorgesehen werden, wodurch der Ventilkörper schnell betätigt werden und die Durchflussratensteuereinheit verkleinert werden kann. Hierdurch kann die Durchflusssteuerung insgesamt kleiner ausgestaltet werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Gesamtübersicht einer Durchflusssteuerung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist ein vergrößerter Schnitt durch eine Durchflussratensteuereinheit gemäß 1; und
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3 ist ein schematisches Aufbaudiagramm eines Durchflussratensteuersystems mit der Durchflusssteuerung gemäß 1.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Eine bevorzugte Ausführungsform einer Durchflusssteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
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In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine Durchflusssteuerung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Wie in den 1 bis 3 gezeigt ist, umfasst die Durchflusssteuerung 10 eine Durchflussratenerfassungseinheit (Strömungsratendetektor) 14, welche eine Detektionseinheit 12 zur Erfassung einer Strömungsrate eines Fluides aufweist, und eine Durchflussratensteuereinheit (Durchflussratensteuerung) 18, die über einen Adapter 16 mit der Durchflussratenerfassungseinheit 14 verbunden ist und in der Lage ist, die Strömungsrate des Fluides einzustellen. Ein Fluid (beispielsweise Luft), das von einer nicht dargestellten Fluidzufuhrquelle zugeführt wird, strömt, nachdem es von der Seite der Durchflussratenerfassungseinheit 14 zugeführt wurde, zu der Durchflussratensteuereinheit 18. Außerdem können die Durchflussratenerfassungseinheit 14 und die Durchflussratensteuereinheit 18 direkt miteinander verbunden sein, ohne dass der oben beschriebene Adapter 16 dazwischen vorgesehen ist.
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Die Durchflussratenerfassungseinheit 14 besteht aus einem ersten Körper 22 mit einem ersten Durchgang 20, durch welchen ein Fluid strömt, der Erfassungseinheit 12, die so vorgesehen ist, dass sie dem ersten Durchgang gegenüberliegt, um die Strömungsrate des Fluides zu erfassen, einer Steuereinheit 24, die an einem oberen Teil der Detektionseinheit 12 vorgesehen ist und zu welcher ein von der Detektionseinheit 12 erfasstes Detektionsergebnis ausgegeben wird, und einer Anzeigeeinheit 26, welche ein durch die Steuereinheit 24 berechnetes Ergebnis anzeigen kann.
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Der erste Körper 22 umfasst den ersten Durchgang 20, der in einer horizontalen Richtung durch sein Inneres hindurchtritt. Ein Rohr (nicht dargestellt), dem über ein Anschlusselement 28a ein Fluid zugeführt wird, ist mit einem Ende des ersten Körpers 22 verbunden. Mit seinem anderen Ende ist ein zweiter Körper 30, welcher die Durchflussratensteuereinheit 18 bildet, unter Zwischenschaltung des Adapters 16 verbunden. Außerdem tritt das Fluid, das von dem nicht dargestellten Rohr zugeführt wird, nachdem es durch den ersten Durchgang 20 des ersten Körpers 22 geströmt ist, durch das Innere des Adapters 16 hindurch und wird der Strömungsratensteuereinheit 18 zugeführt.
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Ein Drosselabschnitt 32, dessen Durchmesser sich radial nach innen verringert, ist in dem ersten Durchgang 20 in der Nähe dessen Zentrums in der Längsrichtung vorgesehen. Die Detektionseinheit 12 ist an einem oberen Bereich des ersten Durchgangs 20 so vorgesehen, dass sie dem Drosselabschnitt 32 zugewandt ist. Außerdem ist in dem ersten Durchgang 20 an einer Seite stromaufwärts des Drosselabschnitts 32 oder genauer an einer Position an einer Endseite des ersten Durchgangs 20 relativ zu dem Drosselabschnitt 32 eine Mehrzahl von Strömungsgleichrichtern 34 vorgesehen, um die Strömung des Fluides auszurichten (vgl. 1). Die Strömungsgleichrichter 34 bestehen aus Platten, in denen Löcher vorgesehen sind, durch welche das Fluid strömen kann. Die Strömungsgleichrichter 34 sind parallel in der Strömungsrichtung des Fluides angeordnet, so dass das Fluid, das durch die Löcher hindurchtritt, ausgerichtet wird und Staub oder dergleichen, der in dem Fluid enthalten ist, entfernt wird.
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Die Detektionseinheit 12 umfasst einen Detektionsdurchgang 36, der eine stromaufwärtsseitige Seite und eine stromabwärtsseitige Seite des Drosselabschnitts 32 in dem ersten Durchgang 20 verbindet, um dadurch einen Bypass um den ersten Durchgang 20 zu bilden, und einen Detektionssensor 38, der so angeordnet ist, dass er dem Detektionsdurchgang 36 zugewandt ist. Der Detektionssensor 38 ist in einem Hohlraum 40 angeordnet, der an einer äußeren Umfangsfläche des ersten Körpers 22 ausgebildet ist.
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Der Detektionssensor 38 umfasst einen thermischen Strömungssensor, der eine MEMS (Micro Electronic Mechanical Systems)-Technologie verwendet, und umfasst ein Paar von Temperaturmesselementen, die um ein wärmegenerierendes Element angeordnet sind, wobei die Strömungsrate des Fluides, das durch den Detektionsdurchgang 36 strömt, auf der Basis der Änderung eines Widerstandswertes der Temperaturmesselemente erfasst wird. Außerdem wird die Strömungsrate des Fluides durch ein Sensorsubstrat 42, das mit dem Detektionssensor 38 verbunden ist, als ein Detektionssignal an die Steuereinheit 24 ausgegeben.
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Die Steuereinheit 24 ist an einem oberen Teil des ersten Körpers 22, welcher der Detektionseinheit 12 zugewandt ist, angebracht. Ein Steuerungssubstrat 44, das elektrisch an den Detektionssensor 38 angeschlossen ist, ist im Inneren des ersten Gehäuses 46 aufgenommen. Eine Anschlussverbindungseinheit 48, die von außen an einen Anschluss angeschlossen werden kann, ist an einem Seitenbereich des ersten Gehäuses 46 vorgesehen.
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Die Anzeigeeinheit 26 umfasst ein Anzeigesubstrat 52, das an einem oberen Teil des ersten Gehäuses 4.6 der Steuereinheit 24 angebracht ist, und das über Leitungsdrähte 50 elektrisch an das Steuerungssubstrat 44 angeschlossen ist, und eine Anzeige (Display) 54, welche die Strömungsrate des Fluides, die durch die Detektionseinheit 12 oder dergleichen erfasst wurde, anzeigen kann. Das Anzeigesubstrat 52 und die Anzeige 54 sind im Inneren eines zweiten Gehäuses 56 aufgenommen, wobei die Anzeige 54 so angeordnet ist, dass sie es ermöglicht, von außen abgelesen zu werden. Das Anzeigesubstrat 52 ist außerdem über Leitungsdrähte 50 elektrisch an die Anschlussverbindungseinheit 48 angeschlossen.
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Die Strömungsratesteuerungseinheit 18 umfasst den zweiten Körper 30, der an die Strömungsratendetektionseinheit 14 angeschlossen ist, ein Steuerventil 58, das im Inneren des zweiten Körpers 30 vorgesehen ist und das die Strömungsrate des Fluides, welches durch das Innere des zweiten Körpers 30 strömt, einstellen kann, und eine Schalteinheit 60, die an einem oberen Teil des zweiten Körpers 30 vorgesehen ist, um zwischen geöffneten und geschlossenen Zuständen des Steuerventils 58 umzuschalten.
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Der zweite Körper 30 ist im Wesentlichen entlang einer geraden Linie mit dem ersten Körper 22 verbunden und weist in seinem Inneren einen zweiten Durchgang 62 auf, durch welchen das Fluid strömt. In der Mitte entlang des zweiten Durchgangs 62 ist ein Ventilsitz 66 ausgebildet, auf welchem ein Ventilkörper 64 des später beschriebenen Steuerventils 58 aufsetzen kann. Der Ventilsitz 66 weist eine Ringform auf, die nach unten gewandt ist. Außerdem ist ein nicht dargestelltes Rohr oder dergleichen über ein Anschlusselement 28b mit der anderen Seite des zweiten Körpers 30 verbunden.
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Das Steuerventil 58 umfasst ein Hohlraum 68, der an einem oberen Teil des zweiten Körpers 30 ausgebildet ist, eine Membrananordnung 72, die in einem Raum vorgesehen ist, welcher zwischen dem Hohlraum 68 und einem den Hohlraum 68 abdeckenden Abdeckelement 70 ausgebildet ist, einen Stab 74, welcher mit der Membrananordnung 72 verbunden und so vorgesehen ist, dass er sich in einer Richtung senkrecht zu dem zweiten Durchgang 62 verschieben kann, den Ventilkörper 64, welcher mit einem unteren Ende des Stabes 74 verbunden ist, und eine Feder 78, die zwischen dem Ventilkörper 64 und einem Stopfen 76, der mit einem unteren Teil des zweiten Körpers 30 verbunden ist, angeordnet ist.
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Die Membrananordnung 72 besteht aus einer flexiblen Dünnfilmmembran 80, die zwischen dem zweiten Körper 30 und dem Abdeckelement 70 gehalten ist, und Halteelementen 82a, 82b, welche eine obere Oberflächenseite und eine untere Oberflächenseite in einem zentralen Bereich der Membran 80 sandwichartig zwischen sich aufnehmen. Außerdem bildet der Raum, der zwischen der Membrananordnung 72 und dem Abdeckelement 70 ausgebildet ist, eine Zufuhrkammer 84, welcher Pilot- oder Steuerluft durch die Schaltwirkung eines Zufuhrelektromagnetventils (Zufuhrventil) 92 einer Schalteinheit (Schaltventil) 60 zugeführt wird. Die Zufuhrkammer 84 steht mit einem Zufuhrdurchgang 86 in Verbindung, der stromaufwärts einer Stelle, an welcher das Steuerventil 58 in dem zweiten Durchgang 62 angeordnet ist, angeschlossen ist, wodurch Fluid, das durch den Zufuhrdurchgang 86 hindurchtritt, von dem zweiten Durchgang 62 in die Zufuhrkammer 84 eingeführt wird.
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Der Stab 74 ist so angebracht, dass er sich von dem Zentrum der Halteelemente 82a, 82b nach unten erstreckt, und wird zur Verschiebung entlang einer Führungsöffnung 88 in dem zweiten Körper 30 geführt. Die Führungsöffnung 88 ist so gestaltet, dass sie durch das Zentrum des Ventilsitzes 66 hindurchtritt.
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Der Ventilkörper 64 weist einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt auf und umfasst einen Sitzabschnitt 90, der an seinem oberen Teil ausgebildet ist, und einen rohrförmigen Abschnitt 91, der sich senkrecht zu dem Sitzabschnitt 90 nach unten erstreckt. Der Stab 74 ist durch einen Bolzen 97 mit der Mitte des Sitzabschnittes 90 verbunden. Die Feder 78 ist in das Innere des rohrförmigen Abschnitts 91 eingesetzt. Außerdem sind mehrere Verbindungslöcher 93 in dem Sitzabschnitt 90 ausgebildet, die in der axialen Richtung des Ventilkörpers 64 zu einer radial inneren Seite des rohrförmigen Abschnitts 91 durchtreten, so dass die obere Oberflächenseite und die untere Oberflächenseite des Sitzabschnittes 90 durch die Verbindungslöcher 93 kontinuierlich in Verbindung gehalten werden.
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Außerdem wird der Ventilkörper 64 normalerweise durch eine elastische Kraft der Feder 78 nach oben gepresst, so dass der Ventilkörper 64 durch die Presskraft auf den Ventilsitz 66, der oberhalb des Ventilkörpers 64 ausgebildet ist, aufgesetzt wird. Dadurch wird die Verbindung zwischen den Seiten stromaufwärts und stromabwärts des zweiten Durchgangs 62 zentral um das Steuerventil 58 blockiert. Zu dieser Zeit wird Luft aus dem zweiten Durchgang 62 stromabwärts des Ventilkörpers 64 durch die Verbindungslöcher 93 in das Innere des Raumes 94 eingeführt, in welchem die Feder 78 angeordnet ist. Dadurch wird der Ventilkörper 64 in einen ausbalancierten Zustand versetzt, in welchem im Wesentlichen der gleiche Druck nach oben und nach unten auf die obere Oberflächenseite und der unteren Oberflächenseite des Sitzabschnitts 90 ausgeübt wird.
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Dementsprechend kann beispielsweise dann, wenn der Ventilkörper 64 von dem Ventilsitz 66 abhebt, so dass der Ventil-Offen-Zustand herbeigeführt wird, weil eine Druckkraft auf den Ventilkörper 64 aufgebracht wird, die nur so groß sein muss, dass sie ausreicht, um die elastische Kraft der Feder 78 zu überwinden, der Ventilkörper 64 schnell und mit geringem Druck betätigt werden.
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Die Schalteinheit 60 umfasst das Zufuhrelektromagnetventil 92 für die Zufuhr von Fluid, das durch den zweiten Durchgang 62 zu der Zufuhrkammer 84 hindurchtritt, und ein Ablasselektromagnetventil (Ablassventil) 94 zum Abführen von Fluid, welches der Zufuhrkammer 84 zugeführt wurde, nach außen. Das Zufuhrelektromagnetventil 92 und das Ablasselektromagnetventil 94 werden auf der Basis von Steuersignalen, die von der Steuereinheit 24 der Durchflussratendetektionseinheit 14 zugeführt werden, eingeschaltet (erregt), wodurch das Umschalten zwischen Zufuhr- und Abfuhrzuständen des Fluides zu/von der Zufuhrkammer 84 durchgeführt wird.
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Im Einzelnen wird durch Betätigung des Zufuhrelektromagnetventils 92 Fluid, das von dem zweiten Durchgang 62 in den Zufuhrdurchgang 86 geströmt ist, in die Zufuhrkammer 84 eingeführt, wodurch die Membrananordnung 72 durch das Fluid mit Druck beaufschlagt und nach unten verschoben wird. Als Folge hiervon wird der Ventilkörper 64 über den Stab 74 entgegen der elastischen Kraft der Feder 78 nach unten verschoben, wodurch der Ventilkörper 64 von dem Ventilsitz 66 abhebt und eine Verbindung mit dem zweiten Durchgang 62 hergestellt wird. Umgekehrt wird durch Betätigung des Ablasselektromagnetventils 94 das Fluid aus der Zufuhrkammer 84 nach außen abgeführt, wodurch die nach unten gerichtete Druckkraft auf die Membrananordnung 72 abgebaut wird. Dementsprechend wird der Ventilkörper 64 durch die elastische Kraft der Feder 78 nach oben (in einer Richtung des Pfeils A) gepresst, und durch Aufsetzen des Ventilkörpers 64 auf dem Ventilsitz 66 wird der Verbindungszustand mit dem zweiten Durchgang 62 unterbrochen.
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Außerdem sind die Steuersignale, die zu dem oben genannten Zufuhrelektromagnetventil 92 und dem Ablasselektromagnetventil 94 ausgegeben werden, beispielsweise PWM (pulsweitenmodulierte) Signale oder PFM (pulsfrequenzmodulierte) Signale, wodurch das Zufuhrelektromagnetventil 92 und das Ablasselektromagnetventil 94 auf der Basis dieser Steuersignale periodisch betrieben werden. Im Einzelnen werden entsprechend der PWM-Steuerung oder der PFM-Steuerung das Zufuhrelektromagnetventil 92 und das Ablasselektromagnetventil 94 nicht kontinuierlich betätigt, so dass sie derart gesteuert werden können, dass die von ihnen ausgestrahlte Wärmemenge verringert wird.
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Außerdem wird das Zufuhrelektromagnetventil 92 und das Ablasselektromagnetventil 94 durch Zweiwegeventile gebildet, die in der Lage sind, durch entsprechende elektrische Signale elektrisch geschaltet zu werden, so dass durch Eingabe der oben genannten Steuersignale die Zufuhrkammer 84 in einen Zustand versetzt wird, in dem sie mit dem Zufuhrdurchgang 68 oder alternativ mit der Umgebung verbunden wird.
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Das Zufuhrelektromagnetventil 92 und das Ablasselektromagnetventil 94 sind nicht darauf beschränkt, dass sie durch zwei Zweiwegeventile gebildet werden. Beispielsweise können anstelle der beiden Zweiwegeventile das Zufuhrelektromagnetventil 92 und das Ablasselektromagnetventil 94 auch durch ein einzelnes Dreiwegeventil oder ein einzelnes Fünfwegeventil gebildet werden.
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Die Durchflusssteuerung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung ist im Wesentlichen. wie oben beschrieben aufgebaut. Als nächstes werden die Betriebsweise und Vorteile der Durchflusssteuerung 10 erläutert. In der nachfolgenden Beschreibung wird, wie in den 1 und 2 dargestellt, ein Ventil-Geschlossen-Zustand als ein Ursprungszustand erläutert, in welchem der Ventilkörper 64 durch die elastische Kraft der Feder 78 auf dem Ventilsitz 66 aufsitzt, ohne dass irgendwelche Steuersignale von der Steuereinheit 24 zu dem Zufuhrelektromagnetventil 92 und dem Ablasselektromagnetventil 94 ausgegeben wurden. Hierbei ist die Verbindung zu dem zweiten Durchgang 62 blockiert.
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Zunächst wird Fluid (beispielsweise Luft) durch ein nicht dargestelltes Rohr dem ersten Durchgang 20 der Durchflussratendetektionseinheit 14 zugeführt. Das Fluid tritt durch die Löcher der mehreren Strömungsgleichrichtern 34 in dem ersten Durchgang 20 hindurch und fließt stromabwärts. Zu dieser Zeit wird der Staub, der in dem Fluid enthalten ist, durch die mehreren Strömungsgleichrichter 34 in dem ersten Durchgang 20 gefangen und entfernt, die Strömung des Fluides wird gleichgerichtet, und das Fluid strömt stromabwärts.
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Gleichzeitig wird von der Steuereinheit 24 ein Steuersignal zu dem Zufuhrelektromagnetventil 92 ausgegeben. Durch Erregen des Zufuhrelektromagnetventils 92 wird der Zufuhrdurchgang 86 in. einen Zustand versetzt, in dem er mit dem zweiten Durchgang 62 verbunden ist. Dementsprechend wird ein Teil des Fluides, das dem zweiten Durchgang 62 zugeführt wurde, als Pilot- oder Steuerluft in die Zufuhrkammer 84 eingeführt, und die Membrananordnung 72 wird durch die Pilotluft zusammen mit dem Stab 74 nach unten gepresst. Außerdem wird der Ventilkörper 64 entgegen der elastischen Kraft der Feder 78 nach unten verschoben, und als Folge des Abhebens des Ventilkörpers 64 von dem Ventilsitz 66, so dass der erste Durchgang 20 und der zweite Durchgang 62 miteinander verbunden werden, strömt Fluid von dem ersten Durchgang 20 der Durchflussratendetektionseinheit 14 in den zweiten Durchgang 62 der Durchflussratensteuereinheit 18.
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Weil zu dieser Zeit in dem Ventil-Geschlossen-Zustand der Ventilkörper 64 in. einem ausbalancierten Zustand ist, in welchem Luft stromabwärts des Ventilkörpers 64 im Gleichgewicht auf die obere Oberflächenseite und die untere Oberflächenseite des Sitzabschnitts 90 drückt, kann zu dieser Zeit die Membrananordnung 72 sofort nach unten verschoben werden, um den Ventil-Offen-Zustand herzustellen, auch wenn der Zufuhrkammer 84 Pilotluft mit geringem Druck zugeführt wird.
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Außerdem tritt bei der Strömungsratendetektionseinheit 14 das Fluid durch den Drosselabschnitt 32 mit verringertem Durchmesser hindurch und fließt zu dem zweiten Durchgang 62 der Strömungsratensteuereinheit 18. Gleichzeitig strömt ein Teil des Fluides von der Seite stromaufwärts des Drosselabschnitts 32 in den Detektionsdurchgang 36 und von der Seite stromabwärts des Drosselabschnitt 32 wiederrum in den ersten Durchgang 20 und vereint sich mit der dortigen Strömung. Im Hinblick auf das in dem Detektionsdurchgang 36 eingeführte Fluid wird die Strömungsrate durch den Detektionssensor 38 auf. der Basis einer Widerstandsdifferenz detektiert, die durch das Paar von Temperaturmesselementen generiert wird. Das Detektionsergebnis wird als ein Detektionssignal über das Sensorsubstrat 42 an das Steuerungssubstrat 44 ausgegeben. Außerdem wird die Strömungsrate des Fluides beispielsweise zu der Anzeige 54 der Anzeigeeinheit 26 ausgegeben und dort angezeigt.
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Außerdem wird die durch die Detektionseinheit 12 erfasste Strömungsrate mit einer vorab in der Steuereinheit 24 eingestellten Strömungsrate verglichen, und es wird beurteilt, ob die Strömungsrate der voreingestellten Strömungsrate entspricht oder nicht. Ist beispielsweise die Strömungsrate des Fluides geringer als die eingestellte Strömungsrate, wird, weil es dann notwendig ist, die Strömungsrate zu erhöhen, ein Steuersignal von der Steuereinheit 24 an das Zufuhrelektromagnetventil 92 ausgegeben und die zugeführte Menge des der Zufuhrkammer 84 zugeführten Fluides erhöht. Als Folge hiervon wird die Membrananordnung 72 weiter nach unten verschoben, um die Strömungsrate des Fluides, das durch den zweiten Durchgang 62 strömt, zu erhöhen, so dass die Strömungsrate des Fluides so gesteuert wird, dass sie die eingestellte Strömungsrate erreicht.
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Andererseits wird in dem Fall, dass die Strömungsrate des Fluides größer ist als die eingestellte Strömungsrate, eine Steuerung durchgeführt, um den Öffnungsgrad des Steuerventils zu verringern und dadurch die Strömungsrate zu reduzieren. In diesem Fall werden von der Steuereinheit 24 individuell Steuersignale an das Zufuhrelektromagnetventil 92 und das Ablasselektromagnetventil 94 ausgegeben. Außerdem wird das Zufuhrelektromagnetventil 92 in einen AUS-Zustand versetzt, wodurch die Zufuhr von Fluid zu der Zufuhrkammer 84 durch Umschalten des Zufuhrelektromagnetventils 92 unterbrochen wird. Gleichzeitig wird durch Umschalten des Ablasselektromagnetventils 94 Fluid aus der Zufuhrkammer 84 nach außen abgeführt. Als Folge hiervon wird die Druckkraft, welche die Membrananordnung 72 nach unten presst, abgebaut, wodurch der Ventilkörper 64, der Stab 74 und die Membrananordnung 72 durch die elastische Kraft der Feder 78 nach oben verschoben werden. Die Strömungsrate des Fluides, das zwischen dem Ventilkörper 64 und dem Ventilsitz 66 strömt, wird gedrosselt und verringert.
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Als Folge hiervon wird die Strömungsrate des Fluides, das durch den zweiten Durchgang 62 strömt, verringert, und die Strömungsrate des Fluides wird so gesteuert, dass sie die eingestellte Strömungsrate erreicht.
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Obwohl bei der oben beschriebenen Ausführungsform eine Gestaltung vorgesehen ist, bei welcher der Zufuhrdurchgang 86 für die Zufuhr von Fluid in die Zufuhrkammer 84 stromabwärts der Durchflussratendetektionseinheit 14 vorgesehen ist, wird die Erfindung durch dieses Merkmal nicht eingeschränkt. Beispielsweise kann der Zufuhrdurchgang 86 auch stromaufwärts der Durchflussratendetektionseinheit 14 vorgesehen sein, wodurch Fluid, das durch den ersten Durchgang 20 strömt, der Zufuhrkammer 84 zugeführt wird. Da in diesem Fall das Fluid, das als Pilotluft zur Betätigung der Durchflussratensteuereinheit 18 dient, nicht in der Durchflussratendetektionseinheit 14 erfasst wird, können die Strömungsrate des Fluides, welches stromabwärts der Durchflussratensteuereinheit 18 fließt, und die Strömungsrate, die durch die Durchflussratendetektionseinheit 14 erfasst wird, mit hoher Genauigkeit übereinstimmen.
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Außerdem ist die Durchflussratensteuereinheit 18 nicht darauf eingeschränkt, stromabwärts der Durchflussratendetektionseinheit 14 angeordnet zu sein und kann stattdessen auch stromaufwärts der Durchflussratendetektionseinheit 14 vorgesehen sein.
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Statt das Zufuhrelektromagnetventil 92 und das Ablasselektromagnetventil 94 der Schalteinheit 60 direkt an dem zweiten Körper 30 der Durchflussratensteuereinheit 18 vorzusehen, können sie außerdem auch an Positionen angeordnet sein, die von der Durchflussratensteuereinheit 18 getrennt sind, und die Durchflussratensteuereinheit 18 kann ferngesteuert betrieben werden, um die Fluiddurchflussrate zu steuern.
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Auf die oben beschriebene Weise kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform in der Detektionseinheit 12 der Durchflussratendetektionseinheit 14 die Detektionszeit verkürzt werden, da ein thermischer Strömungssensor, welcher MEMS-Technologie einsetzt, verwendet wird, wenn die Durchflussrate des Fluids erfasst wird. Da die Detektionseinheit 12 mit geringem Strom betrieben werden kann, kann der Stromverbrauch reduziert werden.
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Außerdem wird bei der Durchflussratensteuereinheit 18, welche die Fluiddurchflussrate steuern kann, das Steuerventil 48 durch die Zufuhr eines Fluides verschoben. Da eine ausbalancierte Gestaltung vorgesehen ist, bei welcher die von der Membrananordnung 72 auf den Ventilkörper 64 ausgeübte Druckkraft und die von der Feder 78 auf den Ventilkörper 64 ausgeübte Druckkraft in Gleichgewicht stehen, wenn die Membrananordnung 72 gepresst wird, kann die Membrananordnung 72 mit Pilotluft mit geringen Druck verschoben werden, und der Ventilkörper 64 kann schnell betätigt werden. Somit kann eine Durchflusssteuerung 10 erreicht werden, die mit geringen Drücken betätigt werden kann. Da eine kleine Feder 78 eingesetzt werden kann, kann außerdem die Durchflussratensteuereinheit 18 mit der oben genannten Feder 78 kleiner ausgestaltet werden und gleichzeitig eine Verkleinerung der gesamten Durchflusssteuerung 10 erleichtert werden.
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Außerdem ist es bei der oben beschriebenen Durchflusssteuerung beispielsweise in dem Fall, dass die Steuerung einer großen Durchflussrate in der Größenordnung von 1.000 l/min durchgeführt wird, notwendig, die effektive Fläche des zweiten Durchgangs 72 entsprechend dieser durchfließenden großen Strömungsrate zu vergrößern. Dies ist verbunden mit der Wahl einer großen Kolbenfläche für den Ventilkörper. Außerdem muss eine Feder vorgesehen werden, die eine große elastische Kraft aufweist, um die von dem Fluid aufgebrachte Druckkraft zu überwinden und den Ventilkörper auf den Ventilsitz aufzusetzen. Dies ist mit einer Vergrößerung der Feder verbunden, und aufgrund der großen elastischen Kraft der Feder muss auch die Betätigungskraft, wenn der Ventilkörper entgegen der elastischen Kraft verschoben wird, groß sein. Es ist schwierig, den Ventilkörper mit geringen Drücken zu betätigen.
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Im Gegensatz dazu wird bei der Konfiguration der vorliegenden Erfindung das Steuerventil 58 mit dem oben beschriebenen ausbalancierten Aufbau eingesetzt. Da die jeweiligen Druckkräfte normalerweise gleichmäßig auf die obere Oberflächenseite und die untere Oberflächenseite des Ventilkörpers 64 aufgebracht werden, ist es selbst in einem Fall, in dem die effektive Fläche des zweiten Durchgangs 62 und die Kolbenfläche des Ventilkörpers 64 vergrößert werden, so dass die Steuerung einer großen Strömungsrate durchgeführt wird, nicht notwendig, die Größe der Feder 78 zu erhöhen. Die Betätigung, kann schnell und mit geringen Drücken erfolgen.
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Im Einzelnen kann im Vergleich zu einer Durchflusssteuerung, die eine Durchflussratensteuereinheit ohne einen solchen ausbalancierten Aufbau aufweist, mit der vorliegenden Durchflusssteuerung beispielsweise die Steuerung einer großen Strömungsrate von 1.000 l/min oder mehr durchgeführt werden.
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Da die Steuersignale, die zu dem Zufuhrelektromagnetventil 92 und dem Ablasselektromagnetventil 94 der Schalteinheit 60 ausgegeben werden, PWM (pulsweitenmodulierte) Signale oder PFM (pulsfrequenzmodulierte) Signale sind und das Zufuhrelektromagnetventil 92 und das Ablasselektromagnetventil 94 intermittierend (periodisch) auf der Basis dieser Steuersignale betätigt werden, kann weiterhin im Vergleich zu einem Fall, bei welchem das Zufuhrelektromagnetventil 92 und das Ablasselektromagnetventil 94 kontinuierlich betrieben werden, die erzeugte Wärmemenge verringert werden. Eine Verschlechterung der Detektionsgenauigkeit durch die von der Schalteinheit 60 emittierte Wärme, die auf die Durchflussratendetektionseinheit 14 übertragen wird, kann vermieden werden. Außerdem kann der Stromverbrauch in der Schalteinheit 60 reduziert werden.
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Da bei der Durchflussratensteuereinheit 18 keine Notwendigkeit besteht, das Zufuhrelektromagnetventil 92 und das Ablasselektromagnetventil 94 zu betätigen, wenn die Durchflussrate des Fluides stabil ist, kann außerdem ihre Lebensdauer erhöht werden, und der Stromverbrauch kann verringert werden.
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Die Durchflusssteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt. Es versteht sich, dass verschiedene modifizierte oder zusätzliche Gestaltungen vorgesehen werden können, ohne den Kern und die Idee der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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