TWI422765B - Piezoelectric drive valve and piezoelectric drive type flow control device - Google Patents

Piezoelectric drive valve and piezoelectric drive type flow control device Download PDF

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TWI422765B
TWI422765B TW99139989A TW99139989A TWI422765B TW I422765 B TWI422765 B TW I422765B TW 99139989 A TW99139989 A TW 99139989A TW 99139989 A TW99139989 A TW 99139989A TW I422765 B TWI422765 B TW I422765B
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Atsushi Hidaka
Kaoru Hirata
Masaaki Nagase
Nobukazu Ikeda
Ryousuke Dohi
Kouji Nishino
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Fujikin Kk
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Description

壓電驅動式閥及壓電驅動式流量控制裝置
本發明是關於壓電驅動式閥及具備該的壓電驅動式閥的壓電驅動式流量控制裝置，藉著利用壓電致動器進行閥體的開合控制來控制流體流量。
以往，該種壓電驅動式閥及壓電驅動式流量控制裝置已廣為人知(例如，日本專利文獻1、2等)。
參閱第2圖~第6圖說明具備習知壓電驅動式閥的壓電驅動流量控制裝置的一例如下。第2圖中，1為閥主體、1a為設置在閥主體的孔部、2為金屬隔膜閥體、3為隔膜壓件、4為按壓配件、8a為滾珠、9為下部承台、10為壓電致動器、11為上部承台、12為定位用蓋型螺帽、13為緊固螺帽、14為保護殼體、15為連接器、18為層疊盤簧的彈性構件。又，23為壓電致動器支撐筒體、24為筒體固定暨引導、25為O型環、26為分割底座、27為安裝用螺栓、28為軸承。
再者，第2圖表示的例，雖是在下部承台9與壓電致動器10之間插設另外形成的滾珠8a，但是也可將前端呈球面狀的突起體一體形成在壓電致動器10下端面的中央，以此作為滾珠8a而抵接於下部承台9的構成。
閥主體1為不銹鋼製，分別具備形成閥室一部份的孔部1a及流體入口、流體出口、流體通路、閥室及閥座等。又，金屬隔膜閥體2是以鎳鉻合金鋼的薄板所形成，中央部是形成朝上方稍微***的逆盤形。此外，金屬隔膜閥體2的形狀也可以是平板狀，且材質也可以是不銹鋼或鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金或其他的合金鋼。另外，金屬隔膜閥體2是使用1片隔膜，也有使用層疊2~3片隔膜的隔膜閥體。
金屬隔膜閥體2是與上述閥座成對向配設在閥室內，隔設著按壓配件4、分割底座26及筒體固定暨引導24將安裝螺栓27栓入閥主體1，藉此將金屬隔膜閥體2的外圍緣氣密性保持固定於閥主體1側。另外，上述按壓配件4、筒體固定暨引導體24、分割底座26等為不銹鋼等的金屬製。
壓電致動器10(壓電棧)10的壓電致動器支撐筒體23是以熱膨脹率小的鐵鎳合金材形成筒體狀，如第3圖及第4圖表示，上方部是在收納壓電致動器10的粗徑部23c，或其下方部形成有收納下部承台9及彈性構件18等已縮徑的圓筒狀縮徑部23d。
又，支撐筒體23的最下端部形成有嵌著隔膜壓件3用的腔部23e，在此如第2圖表示***固定有隔膜壓件3。
第3圖為壓電致動器支撐筒體23的縱剖視圖、第4圖為第3圖的方向剖視圖，壓電致動器支撐筒體23的粗徑部23C與縮徑部23D的邊界附近，跨一定長度及深度削除其外壁部的兩側部，藉此形成從兩側呈對向狀***組合第5圖的分割底座26A用的孔部23a。亦即，從孔部23a的兩側，呈對向狀組裝形成後述的分割底座26之半分割狀的分割底座片26a，藉筒體固定暨引導體24一體保持固定作為分割底座26。並且，在組裝分割底座片26之前，對縮徑部23d的底部23b如第2圖表示插接彈性構件18。
第5圖是表示分割底座26的組裝狀態的上視圖，第6圖為第5圖的方向剖視圖。如第5圖及第6圖明確表示，各分割底座片26a是在具備上壁26b的短圓筒體的下端外圍形成突緣部26c，並在上壁26b將形成插穿孔26d與嵌合部26e之物從中央部分割為二，將兩分割底座片26a成對向狀組裝以形成分割底座26。
亦即，如第2圖表示，突緣部26c是受到來自筒體固定暨引導體24下端的推壓力推壓按壓配件4而作用，又，上述插穿孔26d為插穿壓電致動器支撐筒體23的縮徑部23d的壁體，並且上述嵌合部26e是位在下部承台9與支撐筒體23的壁體間，具有進行3個構件9、23、26的定位的作用。
軸承28是由軸承座28a與小球28b所形成，配設於上部承台11的上方，使定位用蓋型螺帽12的旋轉平順化。
此外，第2圖表示的控制閥主要是使用於壓力式流量控制裝置用的控制閥，如第2圖表示，閥主體1，設有：孔口導件30a、墊圈30b、孔口30c等所成的孔口安裝部30；壓力感測器31a、墊圈31b、連接器31c、按壓突緣31d、固定用螺栓31e等所成的壓力感測器安裝部31；及連接導件29a、墊圈29b等所成的一次連接部29等。又，32為設於保護殼體14內的壓電致動器等之用的控制電路安裝板。
壓力式流量控制裝置係揭示於日本專利特開平8-338546號等，將孔口上游側壓力P1保持為下游側壓力P2的約2倍以上的狀態下藉著孔口上游側的控制閥來調整上述壓力P1，藉此以Qc=KP1(但是，K為常數)運算孔口下游側的流量Qc並控制於預定的設定值為基本原理。
控制閥的組裝是對閥主體1的孔部1a內，依據金屬隔膜閥體2、按壓配件4、固定隔膜壓件3的壓電致動器支撐筒體23、彈性構件18、分割底座26、下部承台9的順序組裝，透過筒體固定暨引導體24將壓電致動器支撐筒體23插設於閥主體1。接著，並對壓電致動器支撐筒體23內依據滾珠8a、壓電致動器10、上部承台11、軸承28的順序插設，調整形成定位材的定位用蓋型螺帽12的栓緊量，藉此以壓電致動器10將金屬隔膜閥體2的動作升程微調至設定值。
藉著筒體固定暨引導體24的鎖緊固定，如上述將分割底座26、支撐筒體23、下部承台9、彈性構件18、隔膜壓件3及隔膜閥體2等全部整齊地自動固定在預定的位置，並藉著定位材12的鎖緊可以極高精度地使滾珠8a及壓電致動器10、支撐筒體23等的軸心一致。
參閱第2圖，從控制電路(省略圖示透過連接器15輸入開閥訊號(輸入電壓0~120v)時，壓電致動器10僅伸長設定值(0~45μm之間)。
藉此，使大約40~80kgf的上推力作用於壓電致動器支撐筒體23，藉筒體固定暨引導體24的O型環25保持著軸心的狀態使壓電致動器支撐筒體23抵抗彈性構件18的彈力僅上升上述設定值。其結果，隔膜閥體2藉其彈力而從閥座離開暨開閥。
相反地，開閥輸入為off時，使壓電致動器10恢復到原來長度尺寸的狀態，其結果，藉彈性構件18的彈力將壓電致動器支撐筒體23的底部朝向下方推壓，藉著隔膜壓件3使金屬隔膜閥體2座落於閥座，形成閉閥狀態。
再者，開閥升程為45μm閥座的口徑1mmΦ 的場合，從閥的全閉到全開所需動作時間為大約30msec以下。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特許第4119109號公報
專利文獻2：日本特許第4113425號公報
內設於上述壓電驅動式閥的壓電致動器，即所謂的金屬密封型層疊壓電致動器，將層疊的壓電元件(也稱壓電棧)密封於金屬殼體內，容許溫度範圍是例如-20~120℃。所以控制的流體溫度有所限制。
因此，本發明是以提供即使溫度超過壓電致動器的使用範圍溫度的流體仍可進行控制的壓電驅動式閥及壓電驅動式流量控制裝置為主要目的。
為了達成上述目的，本發明相關的壓電驅動式閥，其特徵為，具備：用於流體流路開合的閥體；利用壓電元件的伸長使上述閥體開合驅動用的壓電致動器；及支撐上述壓電致動器使其上升而從上述流體流路遠離，並且對流動於上述流體流路的流體傳至上述壓電致動器的熱進行散熱用的散熱隔件。
另外，具有收容上述壓電致動器及上述散熱隔件的雙方並予支撐的支撐筒體，該支撐筒體的至少收容上述散熱隔件的部份是以具有和該散熱隔件相同熱膨脹係數的材料所形成。
上述支撐筒體，具有：收容上述壓電致動器的第1筒部，及收容上述散熱隔件的第2筒部，可連結地構成上述第1筒部與第2筒部以形成共同的收容空間，上述第2筒部是以具有和上述散熱隔件的相同熱膨脹係數的材料形成為佳。
上述閥體，以具有：藉著自彈性恢復型的金屬隔膜形成，可上下移動地支撐上述支撐筒體，並彈推上述支撐筒體使上述閥體封閉上述流體流路的彈性構件，及通過上述支撐筒體的側壁朝著上述散熱隔件的下部延伸，使上述壓電致動器伸長時抵抗上述彈性構件的彈力而使上述支撐筒體上升，並支撐上述散熱隔件使上述閥體可開通上述流體流路的支撐部為佳。
上述散熱隔件是以鐵鎳合金材形成為佳。
上述散熱隔件是以具有和上述壓電致動器相同形狀及尺寸為佳。
上述散熱隔件以設定上述下端部和上端部之間的長度，藉著將來自流動於上述流體流路之流體的熱從該散熱隔件的下端部傳熱到上端部之間進行散熱，使得該上端部的溫度形成上述壓電致動器的耐熱溫度以下為佳。
又，為了達成上述目的，本發明相關的壓電驅動式流量控制裝置，其特徵為：具備上述本發明相關的壓電驅動式閥。
本發明相關的壓電驅動式流量控制裝置，更以具備：設於上述閥體下游側之流體流路的孔口；配設在該孔口與上述閥體之間的流體流路的壓力感測器；及根據該壓力感測器的檢測值來控制上述壓電致動器的控制部為佳。
本發明相關的壓電驅動式流量控制裝置也可以構成根據配置在上述閥體上游側的熱式流量感測器的檢測值來控制上述壓電致動器。
以下，針對具備本發明相關之壓電驅動式閥的壓電驅動式流量控制裝置的實施形態，參閱第1圖加以說明。並且，以下的說明中，對於和使用第2圖~第6圖說明的習知壓電驅動式流量控制裝置相同或類似的構成部份，有賦予相同符號並省略重複說明的場合。
壓電驅動式流量控制裝置是如第1圖表示，具有：用於流體流路1b開合的閥體2；使閥體2開合驅動用的壓電致動器10；及支撐壓電致動器10使其上升而從流體流路1b遠離，並且對流動於流體流路1b的流體傳至壓電致動器10的熱進行散熱用的散熱隔件40。
壓電驅動式流量控制裝置，更具備收容壓電致動器10及散熱隔件40的雙方並予支撐的支撐筒體23A，且支撐筒體23A是以具有和散熱隔件40相同熱膨脹係數的材料形成至少可收容散熱隔件40的部份。
閥體2在圖示例中，採用自彈性恢復型的金屬隔膜。金屬隔膜是以鎳鉻合金鋼等的薄板所形成，中央部形成朝上方稍微***逆盤型的點是和以往相同。
壓電致動器10可以使用將層疊壓電元件後的壓電棧密封於金屬容器內的金屬密封型層疊壓電致動器，該種的金屬密封型層疊壓電致動器，例如可使用(股)日本CERATEC等所販售的致動器。
支撐筒體23A是如圖示例，具有：收容壓電致動器10的第1筒部23U，及收容散熱隔件40的第2筒部23L，可連結構成使第1筒部23U和第2筒部23L形成共同的收容空間。圖示例中，第1筒部23U和第2筒部23L是彼此以螺絲連結。又，圖示例中，第2筒部23L是和第2圖表示的習知壓電致動器支撐筒體23相同形狀，也可以利用習知的壓電致動器支撐筒體23。再者，支撐筒體23A也可以是一體構造，而非如圖示例的第1筒部23U和第2筒部23L。
第2筒部23L是以和散熱隔件40相同的材料所形成。第2筒部23L則是如鐵鎳合金、超鐵鎳合金、不銹鋼鐵鎳合金等的鐵鎳合金材以熱膨脹係數小的材料(以2×10-6 /K以下為佳)形成為佳。第1筒部23U也是以熱膨脹係數小的材料形成為佳，可以和第2筒部23L相同的材料形成。再者，散熱隔件40從散熱效率的觀點來看，以金屬、合金等的高熱傳導性材料為佳，該點鐵鎳合金材也同樣適用。
散熱隔件40是設定散熱隔件40的長度(高度尺寸)，將來自流動於流體流路之流體的熱在從散熱隔件40的下端部傳至上端部的期間進行散熱，藉以使散熱隔件40上端部的溫度，即圖示例中，散熱隔件40與壓電置動器10接觸處的溫度形成壓電致動器10的耐熱溫度以下。
較佳為散熱隔件40是如圖示例，形成與壓電致動器10的高度及直徑相同的圓柱形。如此一來，第2筒部23L可以利用以往收容壓電致動器10所使用之壓電致動器支撐筒體。圖示例的散熱隔件40雖是相當於第2圖表示習知的下部承台9的部份，但也可一體形成於散熱隔件40的下部。
支撐筒體23A被支撐成可上下移動。分割底座26的上壁26b是通過形成在支撐筒體23A側壁下部的孔部23a而朝向散熱隔件40的下部延伸，構成支撐散熱隔件40的支撐部。又圖示例中，彈性構件18被收容在構成上述支撐部之分割底座26的上壁26b的下部。因此，彈性構件18藉著來自構成上述支撐部之分割底座26的上壁26b的抵抗力，將支撐筒體23A朝著圖的下方彈推，使得閥體2封閉流體流路1b。另一方面，壓電致動器10藉著通電的伸長，利用來自構成上述支撐部的分割底座26的上壁26b及支撐於上壁26b的散熱隔件40的抵抗力，抵抗彈性構件18的彈力而將支撐筒體23A朝著圖的上方上升。支撐筒體23A一旦上升時，使形成閥體2的金屬隔膜恢復彈性而使得流體流路1b開通。
與第2圖表示的習知裝置同樣，第1圖表示的本發明裝置例中，也在閥體2下游側的流體流路1b設置孔口30c。在孔口30c與閥體2之間的流體流路1b配設有壓力感測器31a。設置在壓電驅動式流量控制裝置外部的控制部(未圖示)是根據壓力感測器31a的檢測值來控制壓電致動器10。未圖示的上述控制部是例如將孔口上游側壓力P1(壓力感測器31a的檢測值)保持在下游側壓力P2(根據未圖示之壓力檢測器的檢測值)的大約2倍以上的狀態下藉著孔口上游側的控制閥(應控制的閥體2)調整上述壓力P1，藉此以Qc=kP1(但是，k為常數)運算孔口下游側的流量Qc控制壓電致動器10以形成預定的設定值。
具有上述構成的壓電驅動式流量控制裝置中，由於散熱隔件40上舉支撐著壓電致動器10，所以壓電致動器10是配置在閥體2開合驅動的驅動路徑上。亦即，散熱隔件40是形成朝著壓電致動器10的伸長方向，即使得壓電元件層疊方向的長度尺寸實質延長的延伸構造。
又，散熱隔件是支撐壓電致動器10使其從流體流路1b遠離的上升位置，因此流動於流體流路1b之高溫流體的熱的一部份在傳熱到壓電致動器10之前，可藉著散熱隔件40散熱，其結果，即使流動於流體流路1b的流體溫度超過壓電致動器的容許溫度範圍時，仍可將壓電致動器10的溫度抑制在容許溫度範圍內。
因此，散熱隔片40可一邊確保壓電致動器10對閥體20的開合驅動，一邊進行從形成熱源的流體流路遠離的作用。
此外，收容支撐著散熱隔件40與壓電致動器10的支撐筒體23A，至少收容散熱隔件40的部份是以和散熱隔件40相同的材料所形成，因此可使起因於散熱隔件40之熱的延伸和起因於包圍散熱隔件40的周圍部份的支撐筒體23A之熱的延伸形成相同或大致相同。其結果，例如即使控制50μm以下為小的升程的閥升程的場合，仍可精度良好加以控制。
接著，作為實施例，將測定溫度下降的實驗結果顯示於表1。實驗所使用的壓電驅動式流量控制裝置是和第1圖表示的裝置為相同構造。使用的壓電致動器為(股)日本CERATEC公司製金屬密封型層疊壓電致動器PRB3060，直徑13mm、高度尺寸47.4mm、說明書的使用溫度範圍為-20~120℃。使用的散熱隔件是以鐵鎳合金(Fe-36%Ni)形成。支撐筒體與上部筒體、下部筒體同樣為鐵鎳合金(Fe-36%Ni)製。彈性構件(盤簧)為SUS631製，將流動於流體流路的流體溫度調整至25℃，藉熱電偶溫度計測量第1圖表示的各測量點A點~D點。
從上述表1的結果，可得知壓電致動器下部的溫度和金屬隔膜部的溫度比較，相當的低。亦即，即使控制的流體的溫度為250℃，壓電致動器下部的溫度形成90℃，仍在所保障的使用溫度範圍內。
接著，作為比較例，針對第2圖表示的形式之習知的壓電驅動式流量控制裝置，進行第2圖表示之各測量點E點~H點的測量，藉此將實施同樣之溫度下降測量試驗的結果表示在以下的表2。並且，比較例的實驗裝置是使用與上述實施例相同的金屬密封型層疊壓電致動器，並使用相同的構成材料，流動於流體流路的流體溫度是設定為150℃。
從上述表2的結果，可得知壓電致動器下部的溫度和流體溫度(150℃)比較，並未明顯降低。比較例中，控制的流體的溫度為150℃的場合，壓電致動器下部的溫度為130℃，已超過使用保證溫度範圍。
本發明並非僅限定於上述實施形態，在不脫離本發明的主旨範圍內可進行變更。例如，上述實施形態中針對壓力式的流量控制裝置已作說明，但是本發明同樣可運用於壓力控制式以外的控制方式，例如熱式感測器的熱式流量控制裝置(所謂質量流控制器、MFC)。並在上述實施形態中針對具備自彈性的彈性恢復型金屬隔膜閥體的流體控制裝置已作說明，但是，本發明對於金屬隔膜以外的閥體當然也可運用已為該業者所明瞭。
1b．．．流體流路
10．．．壓電致動器
23A．．．支撐筒體
23U．．．第1筒部
23L．．．第2筒部
18．．．彈性構件
40．．．散熱隔件
第1圖是表示本發明相關的壓電驅動式流量控制裝置之一實施形態的中央縱剖視圖。
第2圖為習知的壓電驅動式流量控制裝置的縱剖視圖。
第3圖是表示第2圖的壓電驅動式流量控制裝置的構成組件的支撐筒的縱剖視圖。
第4圖為第3圖的方向剖視圖。
第5圖為壓電驅動式流量控制裝置的構成組件放大表示的上視圖。
第6圖為第5圖的方向剖視圖。
1．．．閥主體
1a．．．孔部
1b．．．流體流路
2．．．金屬隔膜閥體
3．．．隔膜壓件
4．．．按壓配件
8a．．．滾珠
10．．．壓電致動器
11．．．上部承台
12．．．定位用蓋型螺帽
13．．．緊固螺帽
14．．．保護殼體
15．．．連接器
18．．．層疊盤簧的彈性構件
23A．．．壓電致動器支撐筒體
23L．．．第2筒部
23U．．．第1筒部
24．．．筒體固定暨引導
26．．．分割底座
27．．．安裝用螺栓
28．．．軸承
28a．．．軸承座
28b．．．小球
29．．．一次連接部
29a．．．連接導件
29b．．．墊圈
30．．．孔口安裝部
30a．．．孔口導件
30b．．．墊圈
30c．．．孔口
31．．．壓力感測器安裝部
31a．．．壓力感測器
31b．．．墊圈
31c．．．連接器
31d．．．按壓突緣
31e．．．固定用螺栓
32．．．控制電路安裝板
40．．．散熱隔件
A．．．壓電致動器上部
B．．．壓電致動器下部
C．．．散熱隔件下部
D．．．金屬隔膜部

Claims (9)

  1. 一種壓電驅動式閥，具備：用於流體流路開合的閥體；利用壓電元件的伸長使上述閥體開合驅動用的壓電致動器；及支撐上述壓電致動器使其上升而從上述流體流路遠離，並且對流動於上述流體流路的流體傳至上述壓電致動器的熱進行散熱用的散熱隔件，其特徵為：設置收容上述壓電致動器及上述散熱隔件雙方並予支撐的支撐筒體，並構成以具有和上述散熱隔件相同熱膨脹係數的材料形成該支撐筒體的至少收容上述散熱隔件的部份。
  2. 如申請專利範圍第1項記載的壓電驅動式閥，其中，上述支撐筒體，具有：收容上述壓電致動器的第1筒部，及收容上述散熱隔件的第2筒部，可連結地構成上述第1筒部與第2筒部以形成共同的收容空間，上述第2筒部是以具有和上述散熱隔件的相同熱膨脹係數的材料形成。
  3. 如申請專利範圍第1項記載的壓電驅動式閥，其中，上述閥體，係藉著自彈性恢復型的金屬隔膜所形成，上述支撐筒體係可上下移動地支撐，具有：彈推上述支撐筒體使上述閥體封閉上述流體流路的彈性構件，及通過上述支撐筒體的側壁朝著上述散熱隔件的下部延伸，使上述壓電致動器伸長時抵抗上述彈性構件的彈力而 使上述支撐筒體上升，並支撐上述散熱隔件使上述閥體可開通上述流體流路的支撐部。
  4. 如申請專利範圍第1項記載的壓電驅動式閥，其中，上述散熱隔件是以鐵鎳合金材形成。
  5. 如申請專利範圍第1項記載的壓電驅動式閥，其中，上述散熱隔件具有和上述壓電致動器相同的形狀及尺寸。
  6. 如申請專利範圍第1項記載的壓電驅動式閥，其中，上述散熱隔件是設定上述下端部和上端部之間的長度，藉著將來自流動於上述流體流路之流體的熱從該散熱隔件的下端部傳熱到上端部之間進行散熱，使得該上端部的溫度形成上述壓電致動器的耐熱溫度以下。
  7. 一種壓電驅動式流量控制裝置，其特徵為：具備申請專利範圍第1至6項中任一項記載的壓電驅動式閥。
  8. 如申請專利範圍第7項記載的壓電驅動式流量控制裝置，其中，更具備：設於上述閥體下游側之流體流路的孔口；配設在該孔口與上述閥體之間的流體流路的壓力感測器；及根據該壓力感測器的檢測值來控制上述壓電致動器的控制部。
  9. 如申請專利範圍第7項記載的壓電驅動式流量控制裝置，其中，根據配置在上述閥體上游側的熱式流量感測器的檢測值來控制上述壓電致動器。
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