KR101416285B1

KR101416285B1 - 유량 제어기

Info

Publication number: KR101416285B1
Application number: KR1020127010022A
Authority: KR
Inventors: 타케시 사카세가와; 유타 오시마
Original assignee: 에스엠씨 가부시키 가이샤
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2014-07-08
Also published as: DE112010004226B4; KR20120085263A; BR112012009504A2; US8800593B2; TW201133171A; RU2012119820A; US20120204974A1; CN102576230A; TWI432931B; BR112012009504B1; JP2011090381A; CN102576230B; RU2515208C2; JP5250875B2; WO2011048896A1; DE112010004226T5

Abstract

유량 제어기(10)는, 유체의 유량을 검출하는 검출부(12)를 구비한 유량 검출 유닛(14)과, 이 유량 검출 유닛(14)에 연결되어 상기 유체의 유량을 조정할 수 있는 유량 제어 유닛(18)을 포함한다. 이 검출부(12)를 구성하는 검출 센서(38)는 MEMS 기술을 이용한 열식의 유량 센서로 이루어지며, 상기 검출 센서(38)로 검출된 유체의 유량이 제어부(24)로 출력된다. 또, 유량 제어 유닛(18)에서는, 공급챔버(84)로의 공기의 공급상태가 공급용 전자밸브(92) 및 배출용 전자밸브(94)에 의해서 각각 전환될 수 있고, 상기 공기의 공급상태에 근거하여 제어밸브(58)가 개폐동작된다.

Description

유량 제어기 {FLOW CONTROLLER}

본 발명은, 통로를 유동하는 유체의 유량을 검출하여, 유량을 제어하는 것이 가능한 유량 제어기에 관한 것이다.

종래부터, 예를 들면, 일본 특허 제2784154 호 명세서에 개시되어 있는 바와 같이, 유체의 유량을 측정하기 위한 유량 검출부와, 상기 유량 검출부와 병렬로 설치된 비례 밸브부로 구성되고, 상기 유량 검출부는, 내부에 메인 유로가 연장되고, 상기 메인 유로의 내벽에는 도관 유입구와 도관 유출구가 개구되어 도관이 각각 접속되어 있다. 도관에는, 1조의 감열 코일이 감겨지고 앰프에 접속되어 있다. 그리고, 감열 코일에 온도차가 생기는 것에 의한 저항차이를 이용해, 상기 도관을 유동하는 유량의 유량을 추측하고 있다.

또, 비례 밸브부는, 중공형상의 비례 밸브본체의 중심에 다이어프램이 설치되고, 그 주위가 상기 비례 밸브본체에 고정되는 동시에, 상기 다이어프램의 중앙에는 이 다이어프램과 밸브본체를 연결하는 밸브봉(valve stem)이 연결되어 있다. 그리고, 다이어프램의 상부에는 복귀 스프링이 설치되어 상기 다이어프램은 상기 복귀 스프링에 의해 항상 아래쪽으로 가압되는 동시에, 상기 다이어프램 아래쪽의 챔버에는 공급용 전자밸브의 전환 작용하에 공기압이 공급되고, 또는, 상기 챔버 내의 공기압이 배기용 전자밸브의 전환 작용하에 외부로 배출된다.

이것에 의해, 다이어프램이 복귀 스프링의 탄성력에 저항하여 위쪽으로 변위하고, 밸브본체가 밸브시트로부터 이격되어 유체가 유동한다. 이때, 유체의 유량이 유량 검출부에 의해 검출되고, 이 유량 검출부에서 검출된 검출 결과에 근거하여 공급용 전자밸브 및 배기용 전자밸브가 구동 제어됨으로써, 상기 유량이 피드백 제어된다.

일반적으로, 상술한 바와 같은 유량 제어기로는, 그 구조가 복잡하고 장치가 대형화되어 버리기 때문에, 근년, 그 구조의 간소화 및 소형화의 요청이 있다.

한편, 일본 특허 제2784154 호 명세서에 따른 종래 기술에서, 상술한 유량 검출부에는 금속제의 가는 도관에 대해서 감열 코일이 감겨진 캐필러리(capillary) 가열방식이 채용되어 있지만, 상기 도관은 상기 감열 코일로부터의 열이 전달될 때에 타임 래그가 생기기 때문에 응답 시간이 늦어지게 된다. 또한, 유량 검출부를 조립할 때, 도관에 감열 코일을 감아 돌리거나 상기 도관을 몸체에 대해서 용접하거나 하는 작업이 발생하기 때문에, 조립 작업이 번잡하게 되고, 그에 따라 제조 비용이 증가해 버릴 우려가 있다.

또, 비례 밸브부는, 다이어프램에 의해 밸브본체의 개폐를 실시하는 구조로 되어 있어, 상기 밸브본체를 밸브시트에 착좌시킨 밸브 폐쇄상태로 하기 위해서 복귀 스프링에 큰 탄성력이 요구된다. 그 결과, 복귀 스프링을 크게 할 필요성이 있어 제품 사이즈가 대형화되어 버린다는 문제가 있다. 또, 복귀 스프링의 탄성력을 크게 설정했을 경우에는 최저 구동압력이 커지는 경우가 있어, 저압으로 구동할 수 없을 우려가 있다.

또한, 예를 들면, 비례 밸브부에 있어서, 공기압으로 구동하는 다이어프램 대신에 제어 신호로 구동하는 전자밸브를 설치하고, 이 전자밸브의 구동 작용하에 밸브본체를 개폐 동작시키는 구성으로 했을 경우에는, 소비 전력이 증가해 버리는 동시에, 상기 전자밸브의 솔레노이드부에서 발생한 열이 유량 검출부로 전달되어 정확한 검출 결과를 얻을 수 없는 경우가 생길 수 있다.

본 발명의 일반적인 목적은, 소형화 및 구성의 간소화를 도모할 수 있고, 게다가 유체의 유량을 제어할 때의 소비 전력을 저감시켜 저압으로 구동할 수 있는 동시에, 상기 유량을 신속히 제어하는 것이 가능한 유량 제어기를 제공하는 것에 있다.

본 발명은, 유체가 유동하는 상류측에 설치되는 제1 통로와, 상기 제1 통로에 대해서 하류측에 설치되는 제2 통로와, 이 제1 통로와 제2 통로와의 사이에 설치된 교축부(throttling section)를 가지는 몸체와,

상기 몸체에 설치되어 상기 제1 통로로부터 제2 통로로 유동하는 상기 유체의 유량을 검출할 수 있는 검출부를 가지는 유량 검출부와,

상기 유량 검출부와 병렬 설치되어 파일럿 에어의 공급 작용하에 변위하는 다이어프램 조립체와, 이 다이어프램 조립체에 스템(stem)을 통하여 연결된 밸브본체와, 상기 밸브본체를 상기 몸체에 형성된 밸브시트부에 착좌시키는 방향으로 가압하는 스프링을 가져, 상기 밸브본체의 유체의 유량을 제어하는 유량 제어부

를 구비하며,

상기 검출부는 MEMS 센서이고, 상기 유량 제어부에는 상기 밸브본체에 대해서 상기 다이어프램 조립체로부터 부여되는 가압력과, 상기 밸브본체에 대해서 상기 스프링으로부터 부여되는 가압력이 균형을 이루는 밸런스 구조를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 유체가 유동하는 제1 및 제2 통로, 교축부를 구비한 몸체에, 상기 유체의 유량을 검출할 수 있는 검출부를 가지는 유량 검출부를 설치하고, 상기 검출부에 MEMS 센서를 이용함으로써, 유체의 유량을 검출할 때의 검출 시간의 단축 및 소형화를 도모할 수 있는 동시에, 저전류로 구동할 수가 있기 때문에 전력 절약을 도모할 수 있다. 또, 다이어프램 조립체로부터 밸브본체에 대해서 부여되는 가압력과, 상기 스프링으로부터 상기 밸브본체에 대해서 부여되는 가압력이 균형을 이룬 밸런스 구조로 되어 있기 때문에, 상기 밸브본체를 저압의 파일럿 에어로 용이하게 구동시킬 수 있는 동시에, 탄성력이 작은 스프링을 설정하는 것이 가능해지고, 상기 밸브본체를 신속히 작동시키고, 게다가 유량 제어부의 소형화를 도모할 수 있어, 그에 따라 유량 제어기를 소형화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 유량 제어기의 전체 구성도이다.
도 2는 도 1의 유량 제어 유닛의 확대 단면도이다.
도 3은 도 1의 유량 제어기를 포함한 유량 제어 시스템의 개략 구성도이다.

본 발명에 따른 유량 제어기에 대하여 바람직한 실시형태를, 첨부의 도면을 참조하여 이하 상세하게 설명한다.

도 1에 있어서, 참조부호 10은, 본 발명의 실시형태에 따른 유량 제어기를 나타낸다.

이 유량 제어기(10)는, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 유체의 유량을 검출하는 검출부(12)를 구비한 유량 검출 유닛(유량 검출부)(14)과, 이 유량 검출 유닛(14)에 어댑터(16)를 통하여 연결되어 상기 유체의 유량을 조정할 수 있는 유량 제어 유닛(유량 제어부)(18)을 포함한다. 또한, 도시하지 않은 유체 공급원으로부터 공급되는 유체(예를 들면, 공기)는, 유량 검출 유닛(14)측으로부터 공급된 후, 유량 제어 유닛(18)으로 유동한다. 또한, 유량 검출 유닛(14)과 유량 제어 유닛(18)은, 상술한 어댑터(16)를 통하지 않고 직접 연결하도록 해도 괜찮다.

이 유량 검출 유닛(14)은, 유체가 유동하는 제1 통로(20)를 갖는 제1 몸체(22)와, 상기 제1 통로(20)를 향해 설치되어 상기 유체의 유량을 검출하는 검출부(12)와, 상기 검출부(12)의 상부에 설치되어 이 검출부(12)로 검출된 검출 결과가 출력되는 제어부(24)와, 상기 제어부(24)로 연산된 결과를 표시할 수 있는 표시부(26)로 이루어진다.

제1 몸체(22)는, 수평방향을 따라 관통하는 제1 통로(20)를 내부에 가지며, 이 제1 몸체(22)의 일단부에는 커플링 부재(28a)를 통하여 유체가 공급되는 배관(도시하지 않음)이 접속되고, 타단부에는 어댑터(16)를 개재시켜 유량 제어 유닛(18)을 구성하는 제2 몸체(30)가 연결되어 있다. 그리고, 도시하지 않은 배관으로부터 공급된 유체는, 제1 몸체(22)의 제1 통로(20)를 유동한 후, 어댑터(16)의 내부를 통과하여 유량 제어 유닛(18)으로 공급된다.

이 제1 통로(20)에는, 길이방향을 따라 중앙부 근방에 반경 내측방향으로 직경이 축소하는 교축부(32)를 가지며, 상기 교축부(32)를 향하도록 제1 통로(20)의 상부에는 검출부(12)가 설치되어 있다. 또, 제1 통로(20) 내에 있어서, 교축부(32)의 상류측, 즉 상기 교축부(32)에 대해서 제1 통로(20)의 일단부측이 되는 위치에는, 유체의 흐름을 정류(rectify)하는 복수의 정류자(flow rectifier)(34)가 설치된다(도 1 참조). 이 정류자(34)는 유체가 유동 가능한 구멍을 갖는 플레이트로 이루어지며, 상기 정류자(34)를 상기 유체의 유동방향을 따라 병렬로 설치함으로써, 상기 구멍을 통과한 유체가 정류되는 동시에, 상기 유체 중에 포함되는 먼지 등이 제거된다.

검출부(12)는, 제1 통로(20)에 있어서의 교축부(32)의 상류측과 하류측을 연통하여 이 제1 통로(20)를 우회하는 검출용 통로(36)와, 상기 검출용 통로(36)에 임하도록 설치되는 검출 센서(38)를 구비하며, 상기 검출 센서(38)가 제1 몸체(22)의 외주면에 설치된 오목부(40)에 장착된다.

검출 센서(38)는, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 이용한 열식의 플로우 센서(thermal flow sensor)로 이루어지며, 발열체를 중심으로 하여 배치된 1조의 온도측정소자를 구비하여, 상기 온도측정소자에 있어서의 저항값 변화에 근거해 상기 검출용 통로(36)를 유동하는 유체의 유량을 검출한다. 그리고, 검출 센서(38)에 접속된 센서 기판(42)을 통하여 유체의 유량이 검출 신호로서 제어부(24)로 출력된다.

제어부(24)는, 검출부(12)를 향하는 제1 몸체(22)의 상부에 장착되고, 검출 센서(38)에 대해서 전기적으로 접속되는 제어기판(44)이 제1 케이싱(46)의 내부에 수용된다. 또한, 제1 케이싱(46)의 측부에는, 외부로부터 커넥터가 접속될 수 있는 커넥터 접속부(48)가 설치되어 있다.

표시부(26)는, 제어부(24)를 구성하는 제1 케이싱(46)의 상부에 장착되고, 제어기판(44)에 대해서 리드 와이어(50)를 통하여 전기적으로 접속되는 표시 기판(52)과, 검출부(12)에서 검출된 유체의 유량 등을 표시할 수 있는 디스플레이(54)를 구비한다. 표시 기판(52) 및 디스플레이(54)는 제2 케이싱(56)의 내부에 수용되며, 이 디스플레이(54)는 외부에서 인식 가능하게 설치된다. 또한, 표시 기판(52)은 리드 와이어(50)를 통하여 커넥터 접속부(48)에도 전기적으로 접속되어 있다.

유량 제어 유닛(18)은, 유량 검출 유닛(14)에 연결되는 제2 몸체(30)와, 상기 제2 몸체(30)의 내부에 설치되어 이 제2 몸체(30)의 내부를 유동하는 유체의 유량을 조정할 수 있는 제어밸브(58)와, 상기 제2 몸체(30)의 상부에 설치되어 상기 제어밸브(58)의 개폐 상태를 전환시킬 수 있는 전환부(60)를 포함한다.

제2 몸체(30)는, 제1 몸체(22)와 대략 일직선상으로 접속되고, 그 내부에는 유체가 유동하는 제2 통로(62)가 형성된다. 이 제2 통로(62)의 도중에는, 후술하는 제어밸브(58)를 구성하는 밸브본체(64)가 착좌될 수 있는 밸브시트부(66)가 형성된다. 밸브시트부(66)는 하부를 향하도록 환형상으로 형성된다. 또, 제2 몸체(30)의 타단부에는 커플링 부재(28b)를 통하여 도시하지 않은 배관 등이 접속된다.

제어밸브(58)는, 제2 몸체(30)의 상부에 형성된 오목부(68)와, 이 오목부(68)를 덮는 커버부재(70)와의 사이에 형성된 공간에 설치되는 다이어프램 조립체(72)와, 상기 다이어프램 조립체(72)에 연결되어 제2 통로(62)와 직교하는 방향으로 변위 가능하게 설치되는 스템(74)과, 상기 스템(74)의 하단부에 연결되는 밸브본체(64)와, 상기 밸브본체(64)와 제2 몸체(30)의 하부에 연결된 플러그(76)와의 사이에 개재되는 스프링(78)을 구비한다.

다이어프램 조립체(72)는, 제2 몸체(30)와 커버부재(70)와의 사이에 끼워지고 가요성을 가지는 박막상의 다이어프램(80)과, 상기 다이어프램(80)의 중심부에 있어서 상면측과 하면측을 끼워 지지하는 유지부재(82a, 82b)로 구성된다. 그리고, 다이어프램 조립체(72)와 커버부재(70)와의 사이에 형성되는 공간은, 전환부(전환 밸브)(60)를 구성하는 공급용 전자밸브(공급용 밸브)(92)의 전환 작용하에 파일럿 에어가 공급되는 공급챔버(84)가 된다. 이 공급챔버(84)는, 제2 통로(62)에 있어서 제어밸브(58)가 설치되는 부위보다 상류측에 접속된 공급통로(86)와 연통하여, 상기 공급통로(86)를 통해서 유체가 제2 통로(62)로부터 공급챔버(84)로 공급된다.

스템(74)은, 유지부재(82a, 82b)의 중심으로부터 아래쪽을 향해 연장하도록 연결되고, 제2 몸체(30)에 형성된 가이드 구멍(88)을 따라 변위 가능하게 안내된다. 이 가이드 구멍(88)은, 밸브시트부(66)의 중심을 관통하도록 형성되어 있다.

밸브본체(64)는, 상부에 형성된 착좌부(90)와, 이 착좌부(90)에 대해서 직교 하도록 아래쪽을 향해 연장된 통부(91)를 가지는 단면이 대략 U자 모양으로 형성되고, 상기 착좌부(90)의 중심에서 스템(74)이 볼트(97)에 의해 연결되는 동시에, 통부(91)의 내부에는 스프링(78)이 삽입된다. 또, 착좌부(90)에는, 통부(91)에 대해서 반경 내측에 밸브본체(64)의 축선방향을 따라 관통한 복수의 연통구멍(93)이 형성되고, 상기 착좌부(90)의 상면측과 하면측이 상기 연통구멍(93)을 통해서 항상 연통하고 있다.

그리고, 밸브본체(64)는, 스프링(78)의 탄성력에 의해 항상 위쪽으로 가압되고, 이 가압력에 의해 상기 밸브본체(64)는 그 위쪽에 형성된 밸브시트부(66)에 대해서 착좌된다. 이것에 의해, 제어밸브(58)를 중심으로 한 제2 통로(62)의 상류측과 하류측의 연통이 차단된다. 이때, 연통구멍(93)을 통해서 밸브본체(64)에 대해서 하류측인 제2 통로(62)의 공기가 스프링(78)이 설치된 공간(95) 내로 도입되기 때문에, 상기 밸브본체(64)는 착좌부(90)의 상면측과 하면측에 대해 대략 동일한 압력이 부여되어 상하방향으로 균형잡힌 밸런스 상태가 된다.

그 때문에, 예를 들면, 밸브본체(64)를 밸브시트부(66)로부터 이격시켜 밸브 개방상태로 할 때, 이 밸브본체(64)에 대해서 스프링(78)의 탄성력을 극복하는 가압력만을 부여하면 되기 때문에, 상기 밸브본체(64)를 신속하게 또한 저압으로 작동시킬 수가 있다.

전환부(60)는, 제2 통로(62)를 유동하는 유체를 공급챔버(84)로 공급하기 위한 공급용 전자밸브(92)와, 상기 공급챔버(84)에 공급된 상기 유체를 외부로 배출하기 위한 배출용 전자밸브(배출용 밸브)(94)를 구비하며, 유량 검출 유닛(14)의 제어부(24)로부터 출력되는 제어 신호에 근거해 공급용 전자밸브(92) 및 배출용 전자밸브(94)가 여자되어, 상기 공급챔버(84)에 대한 유체의 공급 및 배출상태를 전환한다.

즉, 공급용 전자밸브(92)가 구동함으로써 제2 통로(62)로부터 공급통로(86)로 유동한 유체가 공급챔버(84)로 공급되고, 다이어프램 조립체(72)가 상기 유체에 의해 가압되어 아래쪽으로 변위한다. 이것에 의해, 스템(74)을 통하여 밸브본체(64)가 스프링(78)의 탄성력에 저항하여 아래쪽으로 변위하고, 밸브시트부(66)로부터 이격되어 제2 통로(62)가 연통된다. 반대로, 배출용 전자밸브(94)가 구동함으로써 공급챔버(84)의 유체가 외부로 배출되어 다이어프램 조립체(72)에 대한 아래쪽으로의 가압력이 소멸된다. 이것에 의해, 밸브본체(64)가 스프링(78)의 탄성력에 의해 위쪽(화살표 A방향)으로 밀어올려지고, 밸브시트부(66)에 착좌됨으로써 제2 통로(62)의 연통 상태가 차단된다.

또, 상술한 공급용 전자밸브(92) 및 배출용 전자밸브(94)로 출력되는 제어 신호는, 예를 들면, PWM(펄스 폭 변조) 신호나 PFM(펄스 주파수 변조) 신호이며, 상기 공급용 전자밸브(92) 및 배출용 전자밸브(94)는 상기 제어 신호에 근거해 간헐적으로 동작한다. 즉, 공급용 전자밸브(92) 및 배출용 전자밸브(94)는, PWM 제어 또는 PFM 제어됨으로써, 연속 동작하지 않기 때문에 발열량을 억제할 수 있다.

또한, 공급용 전자밸브(92) 및 배출용 전자밸브(94)는 각각 제어 신호에 의해 전기적으로 변환되는 2방밸브이며, 상기 제어 신호가 입력됨으로써 공급챔버(84)와 공급통로(86) 또는 외부가 연통 상태가 된다.

또한, 공급용 전자밸브(92) 및 배출용 전자밸브(94)는, 2개의 2방밸브로 구성되는 경우로 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 2방밸브를 2개 마련하는 대신에, 단일의 3방밸브로 구성하도록 하여도 좋고, 5방밸브로 하여도 좋다.

본 발명의 실시형태에 따른 유량 제어기(10)는, 기본적으로는 이상과 같이 구성되는 것이며, 다음에 그 동작 및 작용 효과에 대해 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제어부(24)로부터 공급용 전자밸브(92) 및 배출용 전자밸브(94)에 대해서 어떠한 제어 신호도 출력되지 않고, 밸브본체(64)가 스프링(78)의 탄성력에 의해 밸브시트부(66)에 착좌하여, 제2 통로(62)의 연통 상태가 차단된 밸브 폐쇄상태를 초기 상태로서 설명한다.

먼저, 유량 검출 유닛(14)의 제1 통로(20)에 대해서 도시하지 않은 배관을 통하여 유체(예를 들면, 공기)가 공급되고, 상기 유체는 상기 제1 통로(20) 내에 있어서 복수의 정류자(34)의 구멍을 통과하여 하류측으로 유동한다. 이때, 유체 중에 함유된 먼지 등이 이 제1 통로(20) 내에 있어서의 복수의 정류자(34)에 의해 포착되어 제거되는 동시에, 상기 유체의 흐름이 정류되어 하류측으로 유동한다.

동시에, 제어부(24)로부터 공급용 전자밸브(92)에 대해서 제어 신호가 출력되고, 이 공급용 전자밸브(92)가 여자됨으로써 공급통로(86)는 제2 통로(62)와 연통 상태가 된다. 이것에 의해, 제2 통로(62)에 도입된 유체의 일부가 공급챔버(84)에 공급되어, 이 파일럿 에어에 의해 다이어프램 조립체(72)와 함께 스템(74)이 아래쪽으로 가압된다. 그리고, 밸브본체(64)가 스프링(78)의 탄성력에 저항하여 아래쪽으로 변위하고 밸브시트부(66)로부터 이격됨으로써 제2 통로(62)는 연통상태가 되어, 유량 검출 유닛(14)의 제1 통로(20)로부터 유량 제어 유닛(18)의 제2 통로(62)로 유체가 유동한다.

이때, 밸브본체(64)는, 밸브 폐쇄상태에 있어서, 이 밸브본체(64)의 하류측의 공기가 착좌부(90)의 상면측과 하면측을 각각 가압하여 균형잡힌 밸런스 상태에 있기 때문에, 공급챔버(84)에 공급되는 파일럿 에어가 낮은 압력으로도 다이어프램 조립체(72)를 아래쪽으로 즉석에서 변위시켜 밸브 개방상태로 할 수 있다.

그리고, 유체는, 유량 검출 유닛(14)에 있어서, 직경이 축소하는 교축부(32)를 통해서 유량 제어 유닛(18)의 제2 통로(62)로 유동하는 동시에, 그 일부가 상기 교축부(32)의 상류측으로부터 검출용 통로(36)로 유동하여 이 교축부(32)의 하류측으로부터 다시 제1 통로(20)로 합류한다. 이 검출용 통로(36) 내에 도입된 유체는, 1조의 온도측정소자에 의해 발생된 저항차이에 근거하여 검출 센서(38)로 상기 유체의 유량이 검출되고, 그 검출결과가 검출신호로서 센서 기판(42)을 통하여 제어기판(44)에 출력된다. 그리고, 유체의 유량이, 예를 들면, 표시부(26)의 디스플레이(54)에 출력되어 표시된다.

또, 검출부(12)로 검출된 유체의 유량이, 제어부(24)에 있어서 미리 설정된 설정 유량과 비교하여, 이 설정 유량과 동등한가 아닌가가 판단된다. 예를 들면, 유체의 유량이 설정 유량에 비해서 적은 경우에는, 상기 유량을 증가시킬 필요가 있기 때문에, 공급용 전자밸브(92)에 대해서 제어부(24)로부터 제어 신호가 출력되어 공급챔버(84)에 공급되는 유체의 공급량을 증가시킨다. 이것에 의해, 다이어프램 조립체(72)가 더욱 아래쪽으로 변위하고, 제2 통로(62)를 유동하는 유체의 유량이 증가해, 유체의 유량이 설정 유량이 되도록 제어된다.

한편, 유체의 유량이 설정 유량에 비해서 많은 경우에는, 제어밸브(58)의 개폐량을 작게 하여 유량을 감소시키도록 제어를 실시한다. 이 경우, 제어부(24)로부터 공급용 전자밸브(92) 및 배출용 전자밸브(94)에 대해서 각각 별개로 제어 신호가 출력된다. 그리고, 공급용 전자밸브(92)가 오프 상태가 되어, 이 공급용 전자밸브(92)의 전환에 의해 공급챔버(84)로의 유체의 공급이 정지됨과 함께, 배출용 전자밸브(94)의 전환에 의해 상기 공급챔버(84) 내의 유체가 외부로 배출된다. 이것에 의해, 다이어프램 조립체(72)를 아래쪽으로 가압하고 있던 가압력이 소멸되어, 밸브본체(64), 스템(74) 및 다이어프램 조립체(72)가 스프링(78)의 탄성력에 의해 위쪽으로 변위하고, 상기 밸브본체(64)와 밸브시트부(66)와의 사이를 유동하는 유체의 유량이 줄어든다.

그 결과, 제2 통로(62)를 유동하는 유체의 유량이 감소하여 유체의 유량이 설정 유량으로 되도록 제어된다.

또한, 상술한 실시형태에서는, 유체를 공급챔버(84)로 도입하기 위한 공급통로(86)를, 유량 검출 유닛(14)의 하류측에 설치하는 구성으로 하고 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 상기 유량 검출 유닛(14)의 상류측에 설치하고, 제1 통로(20)를 유동하는 유체를 상기 공급챔버(84)로 공급하도록 하여도 좋다. 이 경우에는, 유량 제어 유닛(18)을 구동시키기 위한 파일럿 에어인 유체가 유량 검출 유닛(14)에 대해 유량으로서 검출되지 않기 때문에, 상기 유량 제어 유닛(18)의 하류측으로 유동하는 유체의 유량과 유량 검출 유닛(14)으로 검출된 유량을 높은 정밀도로 일치시킬 수 있다.

또, 유량 제어 유닛(18)은, 유량 검출 유닛(14)의 하류측에 설치되는 경우로 한정되는 것은 아니고, 이 유량 검출 유닛(14)의 상류측에 설치하도록 하여도 좋다.

또한, 전환부(60)를 구성하는 공급용 전자밸브(92) 및 배출용 전자밸브(94)를 유량 제어 유닛(18)의 제2 몸체(30)에 대해서 직접 설치하는 대신에, 상기 유량 제어 유닛(18)으로부터 이격된 위치에 배치하고, 상기 유량 제어 유닛(18)을 원격 조작하여 유체의 유량을 제어하도록 하여도 좋다.

이상과 같이, 본 실시형태에서는, 유량 검출 유닛(14)을 구성하는 검출부(12)로서 MEMS 기술을 이용한 열식의 플로우 센서가 이용되고 있기 때문에, 유체의 유량을 검출할 때 그 검출 시간을 단축할 수 있는 동시에, 저전류로 구동할 수가 있기 때문에 전력 절약화를 도모하는 것이 가능해진다.

또, 유체의 유량을 제어할 수 있는 유량 제어 유닛(18)에 있어서, 제어밸브(58)는 유체의 공급 작용하에 변위하고, 밸브본체(64)에 대해서 다이어프램 조립체(72)로부터 부여되는 가압력과, 이 밸브본체(64)에 대해서 스프링(78)으로부터 부여되는 가압력이 균형을 이룬 밸런스 구조로 되어 있기 때문에, 상기 다이어프램 조립체(72)를 가압할 때에 저압의 파일럿 에어로 변위시키는 것이 가능하고, 상기 밸브본체(64)를 신속히 작동시킬 수가 있기 때문에 저압으로 구동 가능한 유량 제어기(10)를 구성할 수 있다. 또한, 작은 스프링(78)을 설정하는 것이 가능해지기 때문에, 이 스프링(78)을 포함한 유량 제어 유닛(18)의 소형화를 도모할 수 있고, 그에 따라 유량 제어기(10)의 소형화를 촉진하는 것도 가능해진다.

또한, 상술한 바와 같은 유량 제어기에 있어서, 예를 들면, 1000리터/분 이상이 되는 대유량 제어를 실시하는 경우에는 상기 대유량의 유동에 대응시켜 제2 통로(62)의 유효 단면적을 증가시키고, 그에 따라 수압면적이 큰 밸브본체를 설정 하는 동시에, 상기 밸브본체를 상기 유체로부터 부여되는 가압력을 극복하여 밸브시트부에 착좌시키기 위해서 탄성력이 큰 스프링을 채용할 필요가 생긴다. 이 경우에는, 스프링의 대형화를 초래하는 동시에, 이 스프링의 탄성력이 커짐으로써, 이 탄성력에 저항해 밸브본체를 변위시킬 때의 구동력을 크게 할 필요가 있어 저압에서의 구동이 곤란해진다.

이것에 비해서, 본원발명의 구성에서는, 상술한 바와 같은 밸런스 구조를 갖춘 제어밸브(58)를 채용하여, 항상 상기 밸브본체(64)의 상면측과 하면측에 각각 부여되는 가압력이 균형을 이루고 있기 때문에, 제2 통로(62)의 유효 단면적 및 밸브본체(64)의 수압면적을 증가시켜, 대유량의 제어를 실시하는 경우에서도 스프링(78)을 대형화시킬 필요가 없고, 게다가, 저압으로 신속히 작동시킬 수가 있다.

즉, 밸런스 구조를 가지지 않은 유량 제어 유닛을 포함한 유량 제어기와 비교하여, 예를 들면, 1000리터/분 이상이 되는 대유량의 제어를 실시하는 것이 가능하게 된다.

또한, 전환부(60)를 구성하는 공급용 전자밸브(92) 및 배출용 전자밸브(94)에 출력되는 제어 신호는, 예를 들면, PWM(펄스폭변조) 신호나 PFM(펄스 주파수변조) 신호로 하고, 상기 공급용 전자밸브(92) 및 배출용 전자밸브(94)를 상기 제어 신호에 근거하여 간헐적으로 동작시키고 있기 때문에, 이 공급용 전자밸브(92) 및 배출용 전자밸브(94)를 연속 동작시켰을 경우와 비교해 그 발열량을 억제하는 것이 가능해져, 이 전환부(60)에 의해 발생한 열이 유량 검출 유닛(14)에 전달되는 것에 의한 검출 정밀도의 저하를 회피할 수 있다. 또, 거기에 더해, 전환부(60)에 있어서의 소비 전력의 저감을 도모하는 것도 가능해진다.

또한, 유량 제어 유닛(18)에 있어서, 공급용 전자밸브(92) 및 배출용 전자밸브(94)는 유체의 유량이 안정되어 있을 때에 구동시킬 필요가 없기 때문에, 그 내구성을 향상시킬 수가 있는 동시에, 소비 전력의 저감을 도모하는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명에 따른 유량 제어기는, 상술한 실시형태로 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하는 일 없이 여러 가지의 구성을 채택할 수 있음은 물론이다.

12 : 검출부
14 : 유량 검출부
18 : 유량 제어부
20 : 제1 통로
22, 30 : 몸체
32 : 교축부
34 : 정류자(flow rectifier)
36 : 검출용 통로
38 : 검출 센서
60 : 전환 밸브
62 : 제2 통로
64 : 밸브본체
66 : 밸브시트부
72 : 다이어프램 조립체
74 : 스템
78 : 스프링
92 : 공급용 밸브
94 : 배출용 밸브

Claims

유체가 유동하는 상류측에 설치되는 제1 통로(20)와, 상기 제1 통로(20)에 대해서 하류측에 설치되는 제2 통로(62)와, 상기 제1 통로(20)와 제2 통로(62)와의 사이에 설치된 교축부(32)를 가지는 몸체(22, 30)와,
상기 제1 통로(20)로부터 제2 통로(62)로 유동하는 상기 유체의 유량을 검출할 수 있는 검출부(12)를 가지며, 상기 몸체(22, 30)에 설치되는 유량 검출부(14)와,
상기 유량 검출부(14)와 병렬설치되어 상기 몸체(22, 30)에 설치되고, 유체의 유량을 제어하는 유량 제어부(18)
를 구비하는 유량 제어기로서,
상기 검출부(12)는 MEMS 센서이고,
상기 유량 제어부(18)는,
파일럿 에어의 공급 작용하에 변위하는 다이어프램 조립체(72)와,
상기 다이어프램 조립체(72)에 스템(74)을 통하여 연결된 밸브본체(64)와,
상기 밸브본체(64)를 사이에 두고 상기 다이어프램 조립체(72)와 대향하는 위치에 배치되어, 상기 밸브본체(64)를 상기 몸체(22, 30)에 형성된 밸브시트부(66)에 착좌시키는 방향으로 가압하는 스프링(78)
을 가지며,
상기 밸브본체(64)는,
상기 밸브시트부(66)에 착좌하고, 상기 스템(74)과 상기 스프링(78)이 부착되는 착좌부(90)와,
상기 스프링(78)이 삽입되는 통부(91)와,
상기 착좌부(90)에 설치되는 연통구멍(93)
을 가지며,
밸브폐쇄 상태일 때, 상기 밸브본체(64)의 하류측의 대기가, 상기 연통구멍(93)을 통하여 상기 통부(91) 내부에 도입되는 것에 의해, 상기 밸브본체(64)의 하류측의 대기가 상기 밸브본체(64)의 상기 다이어프램 조립체(72) 측의 수압면을 가압하는 가압력과, 상기 통부(91) 내부의 대기가 상기 밸브본체(64)의 상기 스프링(78) 측의 수압면을 가압하는 가압력이 균형을 이루는 밸런스 구조를 구비하며,
상기 파일럿 에어는 상기 유체의 일부인
것을 특징으로 하는 유량 제어기.
청구항 1에 있어서,
상기 유량 제어부(18)는 상기 파일럿 에어의 공급상태를 전환하는 전환 밸브(60)를 포함하며, 상기 전환 밸브(60)는 제어부(24)로부터 출력되는 제어 신호에 의해 구동하며, 상기 제어 신호는 PWM 신호 또는 PFM 신호인 것을 특징으로 하는 유량 제어기.
청구항 2에 있어서,
상기 전환 밸브(60)는, 상기 다이어프램 조립체(72)와 상기 몸체(30)와의 사이에 형성된 공급챔버(84)에 상기 파일럿 에어를 공급하여 상기 다이어프램 조립체(72)를 구동시키는 공급용 밸브(92)와, 상기 공급챔버(84)로부터 상기 파일럿 에어를 상기 공급챔버(84)의 외부로 배출하여 상기 다이어프램 조립체(72)를 복귀시키는 배출용 밸브(94)로 이루어지며, 상기 공급용 밸브(92) 및 배출용 밸브(94)는 상기 제어 신호에 의해 구동하는 2방 밸브인 것을 특징으로 하는 유량 제어기.
청구항 1에 있어서,
상기 스프링(78)의 탄성력은 상기 밸브본체(64)에 대해서 상기 유체의 유동방향과 동일 방향으로 가해지는 것을 특징으로 하는 유량 제어기.
청구항 1에 있어서,
상기 파일럿 에어는 상기 유량 검출부(14)의 상류측으로부터 상기 다이어프램 조립체(72)에 대해서 공급되는 것을 특징으로 하는 유량 제어기.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 통로(20)에는 상기 교축부(32)의 상류측에 상기 유체의 흐름을 정류하는 정류자(34)가 설치되는 것을 특징으로 하는 유량 제어기.
청구항 1에 있어서,
상기 검출부(12)는, 상기 교축부(32)의 상류측과 하류측을 연통하여 상기 제1 통로(20)를 우회하는 검출용 통로(36)와, 상기 검출용 통로(36)에 임하도록 설치되는 검출 센서(38)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 제어기.
청구항 3에 있어서,
각각의 상기 공급용 밸브(92) 및 배출용 밸브(94)는 제어 신호에 의해 전기적으로 변환되는 2방 밸브인 것을 특징으로 하는 유량 제어기.