TWI733956B - 流道形成結構、流量測定裝置和流量控制裝置 - Google Patents

流道形成結構、流量測定裝置和流量控制裝置 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種流道形成結構，抑制向流道插入軸體時產生的軸體相對於流道的中心軸的軸偏擺。所述流道形成結構包括通過流體的主流道（10）、以及插入所述主流道（10）的軸體（40），其中，所述軸體（40）的上游側與所述主流道（10）的內周面在相位不同的多個位置接觸，所述軸體（40）的下游側與所述主流道（10）的內周面在相位不同的多個位置接觸，在所述軸體（40）和所述主流道（10）的內周面之間的間隙中流過所述流體，所述上游側或所述下游側中的一側的接觸位置的任意一方，與另一側的全部接觸位置相位不同。

Description

流道形成結構、流量測定裝置和流量控制裝置
本發明涉及流道形成結構、具備所述流道形成結構的流量測定裝置和流量控制裝置。
專利文獻1（日本專利公開公報特開平4-110617號）中公開了一種現有的流道形成結構，具備通過流體的流道和插入流道的軸體，使軸體的中途上設置的錐狀軸體的上游側和下游側與流道的內周面接觸，在流道和軸體之間形成的間隙中流過流體。
可是，在所述流道形成結構中，向流道插入軸體時產生軸偏擺，因為所述軸偏擺，每個產品中軸體的上游側和流道的內周面之間形成的流道、與軸體的錐狀軸體和流道的內周面之間形成的流道的壓差流量特性方面，存在線性被損害且產生波動的問題。
本發明的主要目的是在流道形成結構中，抑制向流道插入軸體時產生的軸體相對流道的中心軸的軸偏擺。
即，本發明的流道形成結構，具備通過流體的流道，以及插入所述流道的軸體，所述軸體的上游側與所述流道的內周面在相位不同的多個位置接觸，所述軸體的下游側與所述流道的內周面在相位不同的多個位置接觸，在所述軸體與所述流道的內周面之間的間隙中流過所述流體，其中，所述上游側或所述下游側中的一側的接觸位置的任意一方，與另一側的全部接觸位置相位不同。
按照這種構成，軸體的上游側或下游側中的一側以規定相位與流道的內周面接觸，另一側不以規定相位與流道的內周面接觸，這樣，在不以規定相位和流道的內周面接觸的另一側中產生的、軸體相對於流道的中心軸的向規定相位側的軸偏擺，在以規定相位和流道的內周面接觸的一側中被修正，軸體相對於流道的中心軸的軸偏擺得到抑制。因此，向流道插入軸體時的軸偏擺變小，每個產品的軸體與流道內周面之間形成的間隙的再現性提高，對於每個產品的壓差流量特性，不損害線性且波動也變小。
在所述流道形成結構中，優選所述上游側或所述下游側的任意一方或雙方的接觸位置，可以是相位間隔相等。
按照這種構成，通過使各接觸位置相位間隔相等，由所述各接觸位置產生的相對軸體的應力的偏置消除，可以進一步抑制軸體相對於流道的中心軸的軸偏擺。
在所述流道形成結構中，優選所述上游側和所述下游側的雙方的接觸位置，相位間隔相等且數量相同，所述上游側的接觸位置與所述下游側的接觸位置，相位偏移所述相位間隔的二分之一。
按照這種構成，在所述上游側和所述下游側的雙方的接觸位置相位間隔相等且數量相同的情況下，由軸體的上游側或下游側中的一側的無接觸位置的非接觸相位上產生的、相對於流道的中心軸的向所述非接觸相位側的軸偏擺，通過處於該非接觸相位的附近的相位的另一側的兩個接觸位置中軸體與流道的內周面的接觸被修正，且由於該非接觸相位位於所述另一側的兩個接觸位置的中央的相位上，因此能夠進一步抑制軸體相對於流道的中心軸的軸偏擺。
在上述任意一個流道形成結構中，優選所述軸體的上游側與所述流道的內周面、或所述軸體的下游側與所述流道的內周面的任意一方或雙方，通過設置在所述軸體或所述流道的內周面的接觸位置上的墊片接觸，此外，所述軸體的上游側或下游側的任意一方或雙方，呈各接觸位置上具有角的柱狀結構，且所述各角和所述流道的內周面接觸。按照後者的構造，軸體的加工性提高。此外，如果所述軸體的上游側或下游側的任意一方或雙方呈在各接觸位置上具有角的棱柱狀，軸體的加工性進一步提高。
此外，本發明的流量測定裝置，具備所述任意一個流道形成結構，還包括：與所述流道並列連接的流量測定流道、以及設置在所述流量測定流道上的流量感測器。
此外，本發明的流量控制裝置，具備所述任意一個流道形成結構，還包括：與所述流道並列連接的流量測定流道、設置在所述流量測定流道上的流量感測器、以及流量控制機構；所述流量控制機構設置在所述流道中的與所述流量測定流道的合流部位的下游側，根據所述流量感測器測定的流量，控制流過所述流道的流體的流量。
按照這樣結構的本發明，向流道插入軸體時軸體相對於流道的中心軸的軸偏擺得到抑制，能夠提高流道與軸體之間的間隙上形成的流道的再現性，不損害壓差流量特性的線性且其波動受到抑制。這樣，產品組裝時的精度提高。
以下，根據附圖說明具備本發明的流道形成結構的流量控制裝置。
如圖1所示，本實施方式的流量控制裝置100包括：主體30，具備將流體從一端導入並向另一端匯出的主流道10、和相對於主流道10並列連接的流量測定流道20；插入主流道10的中途的軸體40；設置在流量測定流道20上的流量感測器50；以及設置在主流道10的、軸體40的下游側上的流量控制閥60（流量控制機構）。另外，主體30劃分為多個模組件31、32、33，通過將上述的模組件31、32、33加以連接，形成主流道10、20，流量測定流道20的一部分，由與模組件32連接的毛細管34構成。另外，主流道10與技術方案中的流道對應。
主流道10具備：用於從主體30外向主流道10導入流體的導入口11、從導入口11向下游側延伸並連接流量測定流道20的分路流道12、從分路流道12向下游側延伸並供軸體40插入的分路流道13、從分路流道13向下游側延伸的流量控制流道14、以及從流量控制流道14向下游側延伸並用於向主體30外匯出流體的匯出口15。
如圖2所示，分路流道13具有：與分路流道12連通的上游側流道13a、與流量控制流道14連通的下游側流道13b、以及連通上游側流道13a和下游側流道13b的流量調整流道13c。另外，上游側流道13a，其上游側直徑相同，下游側成為朝向流量調整流道13c直徑逐漸縮小的錐狀。下游側流道13b直徑相同，且內徑小於上游側流道13a的下游端的內徑。流量調整流道13c以和上游側流道13a的下游端接續的方式成為朝向下游側流道13b的上游端直徑逐漸縮小的錐狀。
軸體40具有：位於分路流道13的上游側流道13a內的上游側軸體41、位於分路流道13的下游側流道13b內的下游側軸體42、以及位於分路流道13的流量調整流道13c內並連接上游側軸體41和下游側軸體42的流道調整軸體43。
上游側軸體41呈外徑小於上游側流道13a的內徑的圓柱狀，如圖3（a）或作為圖2的A-A截面的圖4（a）所示，其三個墊片41a分別隔開120度配置在上游側軸體41的外周面上，並沿軸體40的中心軸延伸。即，所述三個墊片41a沿軸體40的圓周方向分別等間隔配置。另外，各墊片41a的前端面，配置成直徑與上游側流道13a的內徑大體相同的同心圓狀，並形成為以和上游側流道13a的內周面進行面接觸的方式沿著所述內周面的圓弧面狀。因此，上游側軸體41在三個相位不同的位置與上游側流道13a的內周面接觸。此外，各墊片41a形成同一形狀，從上游側軸體41的上游端延伸到下游端。而且，各墊片41a的上游側，其以相對於上游側軸體41的外周面的高度為相同的高度接續，各墊片41a的下游側，其相對於上游側軸體41的外周面的高度隨著朝向下游端逐漸降低。這樣，各墊片41a的下游側，沿上游側流道13a的形成錐狀的下游側傾斜。此外，各墊片41a的與上游側流道13a的內周面接觸的部分（上游側），沿圓周方向使上游端和下游端一致並平行排列。
下游側軸體42呈從上游端延伸到下游端的三棱柱狀，如圖3或作為圖2的Ｂ-Ｂ截面的圖4（b）所示，其朝向下游側流道13b的內周面的三個角42a分別隔120度配置。即，所述三個角42a沿軸體40的圓周方向分別等間隔配置。因此，下游側軸體42以三個不同的相位和下游側流道13b接觸。另外，各角42a的前端面配置成直徑和下游側流道13b的內徑相同的同心圓狀，並形成為以和下游側流道13b的內周面接觸的方式沿著所述內周面的圓弧面狀。
如圖2所示，就流道調整軸體43而言，其上游端具有和上游側流道13a的下游端的內徑大體相同的內徑，下游端具有和下游側流道13b的內徑大體相同的內徑，並形成為從上游端朝向下游端直徑逐漸縮小的錐狀。
而後，就上游側軸體41和上游側流道13a的內周面的接觸位置、與下游側軸體42和下游側流道13b的內周面的接觸位置而言，相位偏移60度，換句話說，偏移上游側軸體41及下游側軸體42的接觸位置的相位間隔（120度）的二分之一。此外，軸體40相對於從中心軸向上游側軸體41和下游側軸體42的任意一方的接觸位置延伸的平面呈面對稱。另外，相位示出以軸體40的中心軸（圖4中由×標記表示）為中心的該軸體40的向圓周方向的旋轉角度。而且，相位間隔示出相鄰的接觸位置之間的旋轉角度。
另外，上游側軸體41和上游側流道13a的內周面，通過使在上游側軸體41的所述周面的相位不同的三個位置上設置的墊片41a與上游側流道13a的內周面接觸，由此，如圖4（a）所示，在上游側軸體41和上游側流道13a的內周面之間，形成由墊片41a分割的三個截面為圓弧狀的間隙41b，所述間隙41b成為流體的流道。此外，下游側軸體42和下游側流道13b的內周面，通過使在下游側軸體42的相位不同的三個位置形成的角42a與下游側流道13b的內周面接觸，由此，如圖4（b）所示，在下游側軸體42和下游側流道13b的內周面之間，形成由角42a分割的三個截面為弓形的間隙42b，所述間隙42b成為流體的流道。
流量測定流道20如圖1所示，與分路流道12連接的上游側的一部分和與分路流道13的下游側流道13b連接的下游側的一部分，形成在構成主體30的模組件32上，構成為將所述上游側的一部分和下游側的一部分由模組件32上連接的毛細管34相連的結構。而且，毛細管34上設有用於對在流量測定流道20內流過的流體的流量進行測定的流量感測器50。
流量感測器50是熱式質量流量感測器，其具有：纏繞在毛細管34上的一對發熱電阻絲51；根據一對發熱電阻絲51上產生的溫度差來計算在流量測定流道20流過的流體的質量流量的計算部52。計算部52利用電橋電路，將因流過電流而被加熱的一對發熱電阻絲51經流過毛細管34的流體被冷卻而產生的溫度差轉換為電信號，並根據所述電信號計算流過流量測定流道20內的流體的質量流量。
流量控制流道14的一部分從模組件33露出，這裡設有流量控制閥60。流量控制閥60具備：以覆蓋流量控制流道14的露出部位的方式配置且對流量控制流道14的開度進行控制的隔板61、驅動隔板61的壓電致動器62、以及控制壓電致動器62的驅動的閥控制部63。另外，閥控制部63具有電腦，該電腦具備CPU、記憶體、A/D・D/A轉換器、輸入輸出機構等，通過執行所述記憶體中存儲的程式，各種設備進行協作，由此來實現所述各功能。具體而言，閥控制部63發揮的功能在於，比較把從流量感測器50的計算部52發送的一對發熱電阻絲51的溫度差轉換成的電信號與預先在記憶體中存儲的流量設定信號，計算信號差異，並根據所述信號差異驅動壓電致動器62。
通過調整軸體40相對於分路流道13的軸向的位置，使流道調整軸體43和流量調整流道13c的內周面之間形成圓環狀的間隙43a，由此，上游側的三個間隙41b、所述圓環狀的間隙43a和下游側的三個間隙42b連通而形成流過流體的流道。另外，如圖2所示，在主流道10的分路流道13流過的流體的流量，通過使軸體40相對於分路流道13的軸向的位置向上游側移動而增加，通過使軸體40相對於分路流道13的軸向的位置向下游側移動而減少。具體而言，通過使軸體40相對於分路流道13的軸向的位置向上游側移動，所述圓環狀的間隙43a的間隔擴大，在連通的流道流過的流體的流量增加，通過使軸體40相對於分路流道13的軸向的位置向下游側移動，所述圓環狀的間隙43a的間隔變窄，在連通的流道流過的流體的流量減少。
按照所述軸體40和所述分路流道13的這種結構，插入上游側流道13a的上游側軸體41，容易產生朝向上游側的接觸位置之間（中間）的相位側的軸偏擺，難以產生朝向上游側的接觸位置的相位側的軸偏擺，另一方面，插入下游側流道13b的下游側軸體42，容易產生朝向下游側的接觸位置之間（中間）的相位側的軸偏擺，難以產生朝向下游側的接觸位置的相位側的軸偏擺，由於上游側的接觸位置與下游側的接觸位置恰好偏離60度（即，所述相位間隔的二分之一的相位），所以在上游側和下游側，容易產生軸偏擺的相位與不易產生軸偏擺的相位反轉，軸偏擺在上游側和下游側得到相互修正，這樣，抑制了軸體40相對於分路流道13的中心軸的軸偏擺。
另外，作為流量控制裝置100的插入分路流道13的軸體，本實施方式的軸體40和比較軸體分別準備了三個，所述比較軸體的上游側的接觸位置與下游側的接觸位置的相位沒有偏移而是相同相位，除了變更軸體之外，其他條件一致，作成了六個流量控制裝置，進行了各流量控制裝置中的測定壓差流量特性的實驗。在各流量控制裝置中，用壓力感測器對位於軸體的上游側的分路流道的壓力和位於軸體的下游側的分路流道的壓力進行測定，在所述壓差成為同一壓力的狀態下以流體Ｎ2 流過相同流量的方式將軸體固定在分路流道中，形成了流道。而後，圖5表示了對得到的六個流量控制裝置的壓差流量特性進行測定的結果。圖5（a）是表示使用本實施方式的軸體40的流量控制裝置的壓差流量特性的圖形，圖5（b）是表示使用比較軸體的流量控制裝置的壓差流量特性的圖形，在兩圖形中，橫軸代表由所述兩壓力感測器測定的壓力的壓差ΔP（%），縱軸表示流量線性（%R.S.），針對每個流量控制裝置以不同的標記・線種（三角・虛線、菱形・實線、四角・單點劃線）顯示了測定結果。比較兩圖形時，和使用比較軸體的三個流量控制裝置相比，使用本實施方式的軸體40的三個流量控制裝置在各直線的波動方面明顯變小，此外可知，各直線的壓差為10%的線性的絕對值改善約1%R.S.左右。
另外，在本實施方式中，除了流量感測器50以外還具備流量控制機構60，由此構成流量控制裝置100，但是也可以在不設置流量控制機構60的情況下構成流量測定裝置。（另一實施方式）
圖6和圖7示出另一實施方式，圖6表示從軸向目視觀察軸體40的截面，左側的圖表示將上游側軸體41插入上游側流道13a的狀態，右側的圖表示將下游側軸體42插入下游側流道13b的狀態。
在圖6（a）所示的另一實施方式中，上游側軸體41在外周面上以分別間隔60度的方式設有六個墊片41a，下游側軸體42為三棱柱狀。而後，上游側軸體41和上游側流道13a的內周面借助六個墊片41a接觸，下游側軸體42和下游側流道13b的內周面通過三棱柱的三個角42a接觸。這樣，上游側軸體41與上游側流道13a的內周面在六個相位上接觸，下游側軸體42與下游側流道13b的內周面在三個相位上接觸，上游側的六個接觸位置與下游側的三個接觸位置，間隔120度相位一致。
在圖6（b）所示的另一實施方式中，上游側軸體41形成圓柱狀，上游側流道13a在內周面上分別隔開120度設有三個墊片13c，下游側軸體42成為六棱柱狀。而後，上游側軸體41和上游側流道13a的內周面借助三個墊片13c接觸，下游側軸體42和下游側流道13b的內周面通過六棱柱的六個角接觸。這樣，上游側軸體41與上游側流道13a的內周面在三個相位上接觸，下游側軸體42與下游側流道13b的內周面在六個相位上接觸，上游側的三個接觸位置與下游側的六個接觸位置，間隔120度相位一致。另外，在下游側軸體42設為多棱柱狀時，棱數越多，下游側軸體42與下游側流道13b之間的間隙42b的截面積越小，可以防止流過流道的流體的偏流。
在圖7所示的另一實施方式中，在上游側軸體41在外周面上以分別間隔90度的方式設有四個墊片41a，四個墊片41a是將軸體40的相對於軸向的位置交替向上游側或下游側偏移配置。在上述另一實施方式中，也可以抑制軸體40相對於分路流道13的軸偏擺。
另外，如所述實施方式中的下游側軸體這樣，可以將上游側軸體形成多棱柱狀，也可以如所述實施方式中的上游側軸體這樣，在下游側軸體的外周面上設置墊片。
此外，可以將上游側軸體或下游側軸體的任意一方或雙方設為各接觸位置上具有角的柱狀，例如設為具有星形截面形狀的柱狀等。此時，軸體與流道的內周面之間的間隙，不會形成上述實施方式這種截面圓弧狀和截面弓形狀，截面形狀是由軸體的形狀和流道的內周面的形狀決定。
此外，在所述實施方式中，上游側和下游側雙方的軸體和流道每隔相等相位接觸，但是如果間歇性地在相位不同的位置接觸，則不必每隔相等相位接觸。
此外，在上述實施方式中，由劃分為多個的模組件構成主體30，但是可以由一個模組件構成。流過本發明流道形成結構的流道的流體，不僅是氣體，還可以是包含液體和粉末等的混合物。
10、20‧‧‧主流道11‧‧‧導入口12‧‧‧分路流道13‧‧‧分路流道13a‧‧‧上游側流道13b‧‧‧下游側流道13c‧‧‧墊片、流量調整流道14‧‧‧流量控制流道15‧‧‧匯出口20‧‧‧流量測定流道30‧‧‧主體31、32、33‧‧‧模組件34‧‧‧毛細管40‧‧‧軸體41‧‧‧上游側軸體41a‧‧‧墊片41b‧‧‧間隙42‧‧‧下游側軸體42a‧‧‧角42b‧‧‧間隙43‧‧‧流道調整軸體43a‧‧‧間隙50‧‧‧流量感測器51、51‧‧‧發熱電阻絲52‧‧‧計算部60‧‧‧流量控制機構、流量控制閥61‧‧‧隔板62‧‧‧壓電致動器63‧‧‧閥控制部100‧‧‧流量控制裝置
圖1是示意性表示第1實施方式中的流量控制裝置的結構的截面示意圖。 圖2是表示第1實施方式中的將軸體插入分路流道的狀態的截面圖。 圖3是表示第1實施方式中的軸體的立體圖。 圖4是表示從軸向目視觀察第1實施方式中的將軸體插入分路流道的狀態的截面圖。 圖5是表示由使用第1實施方式中的軸體和比較軸體的實驗得到的壓差流量特性的圖形。 圖6是表示從軸向目視觀察另一實施方式中的將軸體插入分路流道的狀態的截面圖。 圖7是表示另一實施方式中的軸體的側視圖。
12‧‧‧分路流道
13‧‧‧分路流道
13a‧‧‧上游側流道
13b‧‧‧下游側流道
13c‧‧‧流量調整流道
40‧‧‧軸體
41‧‧‧上游側軸體
41a‧‧‧墊片
42‧‧‧下游側軸體
42a‧‧‧角
43‧‧‧流道調整軸體
43a‧‧‧間隙

Claims (8)

  1. 一種流道形成結構，其特徵在於，包括：通過一流體的一流道；以及插入所述流道的一軸體；所述軸體的一上游側與所述流道的一內周面在相位不同的多個位置接觸；所述軸體的一下游側與所述流道的所述內周面在相位不同的多個位置接觸；在所述軸體與所述流道的所述內周面之間的一間隙中流過所述流體；以及所述上游側或所述下游側中的一側的接觸位置的任意一方，與另一側的全部接觸位置相位不同。
  2. 如請求項1所述的流道形成結構，其中所述上游側的多個所述接觸位置的相位間隔相等或所述下游側的多個所述接觸位置的相位間隔相等。
  3. 如請求項1所述的流道形成結構，其中所述上游側的所述接觸位置的相位間隔相等，所述下游側的所述接觸位置的相位間隔相等，且所述上游側的所述接觸位置與所述下游側的所述接觸位置數量相同，所述上游側的所述接觸位置的相位間隔與所述下游側的所述接觸位置的相位間隔之間的相位偏移為所述上游側的所述接觸位置的相位間隔的二分之一。
  4. 如請求項1所述的流道形成結構，其中所述軸體的所述上游側與所述流道的所述內周面或所述軸體的所述下游側與所述流道的所述內周面的任意一方或雙方，通過設置在所述軸體或所述流道的所述內周面的所述接觸位置上的一墊片接觸。
  5. 如請求項1所述的流道形成結構，其中所述軸體的所述上游側或所述下游側的任意一方或雙方，各所述接觸位置上具有一角的一柱狀結構；以及所述各角和所述流道的所述內周面接觸。
  6. 如請求項5所述的流道形成結構，其中所述軸體的所述上游側或所述下游側的任意一方或雙方，在各所述接觸位置上具有所述角的一棱柱狀。
  7. 一種流量測定裝置，其特徵在於：包括請求項1所述的流道形成結構，還包括：與所述流道並列連接的一流量測定流道；以及設置在所述流量測定流道上的一流量感測器。
  8. 一種流量控制裝置，其特徵在於：包括請求項1所述的流道形成結構，還包括：與所述流道並列連接的一流量測定流道；設置在所述流量測定流道上的一流量感測器；以及一流量控制機構，其設置在所述流道中的與所述流量測定流道的一合流部位的一下游側，根據所述流量感測器測定的一流量，控制流過所述流道的一流體的一流量。
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