TWI432931B - 流量控制器 - Google Patents

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TWI432931B
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Takeshi Sakasegawa
Yuta Oshima
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Smc Kk
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Description

流量控制器
本發明係關於可檢測在通路流通之流體的流量,且控制流量之流量控制器。
一直以來,如例如日本特許第2784154號的說明書中所揭示的,流量控制器係由用來測定流體的流量之流量檢測部、以及與前述流量檢測部並列設置之比例閥部所構成,且前述流量檢測部的內部有主流路延伸,前述主流路的內壁有導管流入口及導管流出口之開口,兩開口分別連接有導管。導管上捲繞有一組連接至放大器之感熱線圈。利用感熱線圈上產生溫度差所造成的電阻差,來推測在前述導管流通之流體的流量。
另外,比例閥部的中空狀的比例閥本體的中心設有膜片,此膜片的周圍固定至前述比例閥本體,而且該膜片的中央連結有用來將該膜片與閥體連結起來之閥棒。另外,膜片的上部設有復位彈簧,前述膜片受到前述復位彈簧的作用而一直被向下彈壓,並且在供給用電磁閥的切換作用下,將空氣壓供給至形成於前述膜片的下方之腔室內,或者,在排氣用電磁閥的切換作用下,使前述腔室內的空氣壓排出到外部。
藉此,使膜片抵抗復位彈簧的彈壓力而向上方變位,使得閥體離開閥座而讓流體流通。此時,係利用流量檢測部來檢測流體的流量,並根據該流量檢測部的檢測結果來驅動控制供給用電磁閥及排氣用電磁閥,而對於前述流量進行回授控制。
一般而言,如上所述的流量控制器,其構造複雜,且裝置顯得大型化,因而近年來有希望其構造簡單化及小型化之要求。
另一方面,日本特許(專利)第2784154號的說明書中揭示的先前技術,在上述的流量檢測部中,係採用對於金屬製的細導管捲繞感熱線圈之毛細管(capillary)加熱方式,然而前述導管在傳遞來自前述感熱線圈的熱之際會有時間延遲(time lag)情形,反應時間會因而變慢。此外,在組裝流量檢測部之際,要進行在導管上捲繞感熱線圈、或將前述導管熔接到主體(body)之作業,所以有組裝作業很繁雜,製造成本隨著繁雜的組裝作業而增加之憂慮。
另外,比例閥部係形成為藉由膜片而進行閥體的開閉之構造,且使前述閥體坐在閥座上而形成閉閥狀態,所以要求復位彈簧要有很大的彈壓力。因而,必須將復位彈簧做得很大,而有製品尺寸變得大型化之問題。而且,將復位彈簧的彈壓力設定得很大時,會有最低驅動壓力變大之情形,而有無法以低壓加以驅動之疑慮。
再者,舉例來說,若在比例閥部中,替換掉以空氣壓加以驅動之膜片,而設置以控制訊號加以驅動之電磁閥,來形成使閥體在該電磁閥的驅動作用下進行開閉動作之構成,則可想像得到會有消耗電力增加,以及前述電磁閥的螺線管(solenoid)部產生的熱傳遞到流量檢測部,而無法得到正確的檢測結果之情形。
本發明之一般的目的在提供:可做到小型化及構成的簡單化,而且,可減低控制流體的流量之際的消耗電力且能以低壓驅動,以及可迅速地控制前述流量之流量控制器。
本發明之流量控制器,係具備有:主體(body),具有:設於供流體流通的上游側之第一通路、相對於前述第一通路而設於下游側之第二通路、以及設於該第一通路與第二通路之間之節流部(throttle part);流量檢測部,設於前述主體,具有可檢測從前述第一通路往第二通路流通之前述流體的流量之檢測部;以及流量控制部,與前述流量檢測部並列設置,具有在引導空氣(pilot air)的供給作用下變位之膜片部、透過閥桿(stem)而連結至該膜片部之閥體、以及朝使前述閥體坐合在形成於前述主體的閥座部之方向彈壓之彈簧,而控制前述閥體之流體流量,而前述檢測部係為MEMS(Micro Electro Mechanical Systems;微機電系統)感測器,而且前述流量控制部具備有使由前述膜片部側給予前述閥體之推壓力、與由前述彈簧側給予前述閥體之推壓力兩者均衡之平衡構造。
根據本發明,在具備有供流體流通之第一及第二通路、以及節流部之主體,設置具有可檢測前述流體的流量之檢測部之流量檢測部,並在前述檢測部使用MEMS感測器,故可做到檢測流體流量之際之檢測時間縮短以及小型化,而且因為能以低電流驅動而可做到省電力化。另外,因為形成為使由膜片部側給予閥體之推壓力、與由前述彈簧側給予前述閥體之推壓力兩者均衡之平衡構造,所以可使前述閥體能夠以低壓的引導空氣輕易地加以驅動,並且可設定為彈力小的彈簧,不僅可使前述閥體迅速作動,而且可做到流量控制部的小型化,並隨著此流量控制部的小型化而可使流量控制器小型化。
上述之目的及其他的目的、特徵及優點,在配合附圖之下文較佳實施形態例的說明下,會更加清楚明瞭。
以下,針對本發明之流量控制器舉出較佳實施形態,並參照附圖進行詳細說明。
第1圖中,元件符號10表示本發明實施形態之流量控制器。
此流量控制器10係如第1至3圖所示,包含:具備有用來檢測流體的流量之檢測部12之流量檢測單元(流量檢測部)14;以及透過配接器(adapter)16而連結至該流量檢測單元14的側部,可調整前述流體的流量之流量控制單元(流量控制部)18。從未圖示的流體供給源供給來的流體(例如空氣),從流量檢測單元14側供給過來後,流通至流量控制單元18。流量檢測單元14及流量控制單元18亦可不透過配接器16而直接連結。
該流量檢測單元14係由:具有流體流通的第一通路20之第一主體22;面對前述第一通路20而設置,用來檢測前述流體的流量之檢測部12;設於前述檢測部12的上部,將該檢測部12所檢測的檢測結果予以輸出之控制部24;以及可顯示前述控制部24所演算出的結果之顯示部26所構成。
第一主體22的內部具有沿著水平方向貫通之第一通路20。該第一主體22的一端部透過管接頭構件(coupler member)28a而連接上用於流體的供給之配管(未圖示),另一端部則透過配接器16而與構成流量控制單元18之第二主體30連結。從未圖示之配管供給來的流體,流通過第一主體22的第一通路20後,通過配接器16的內部而供給至流量控制單元18。
該第一通路20中,在沿著長度方向之中央部附近具有口徑在半徑方向內縮之節流部32,且檢測部12係以面臨該節流部32的方式設置在第一通路20的上部。此外,在第一通路20內,在節流部32的上游側,亦即相對於前述節流部32屬於第一通路20的一端部側之位置,設有整理流體的流動之複數個整流子34(參照第1圖)。此整流子34係由具有流體可流通的孔部之板所構成,將此整流子34沿著前述流體的流通方向並排設置,來對於通過前述孔部之流體進行整流,以及去除前述流體中所含的塵埃等。
檢測部12係具備有:連通第一通路20中之節流部32的上游側及下游側,而形成為該第一通路20的旁通路(bypass)之檢測用通路36;以及以面臨前述檢測用通路36之方式設置之檢測感測器38,此檢測感測器38安裝在設於第一主體22的外周面之凹部40內。
檢測感測器38係由採用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術之熱式流量感測器(thermal flow sensor)所構成,具備有以發熱體為中心而配置的一組測溫元件,並根據此測溫元件中的電阻值變化來檢測流通過前述檢測用通路36之流體的流量。然後,透過與檢測感測器38連接之感測器基板42,將檢測到的流體流量作為檢測訊號輸出至控制部24。
控制部24,係安裝於面臨檢測部12之第一主體22的上部,且其與檢測感測器38電性連接之控制基板44係收容於第一殼體46的內部。第一殼體46的側部,設有可與外部的連接器連接之連接器連接部48。
顯示部26具備有:安裝在構成控制部24之第一殼體46的上部,透過引線50而與控制基板44電性連接之顯示基板52;以及可顯示檢測部12所檢測出的流體的流量等之顯示器54。顯示基板52及顯示器54係收容於第二殼體56的內部,且該顯示器54係設成可從外部辨視之方式。另外,顯示基板52亦透過引線50而與連接器連接部48電性連接。
流量控制單元18包含:連結至流量檢測單元14之第二主體30;設於前述第二主體30的內部,可調整流通過該第二主體30的內部之流體的流量之控制閥58;以及設於前述第二主體30的上部,用來切換前述控制閥58的開閉狀態之切換部60。
第二主體30,係與第一主體22連接在大致一直線上,其內部形成有供流體流通之第二通路62。此第二通路62的中途,形成有可供後述的構成該控制閥58之閥體64坐合之閥座部66。閥座部66係以面向下方之方式形成為環狀。另外,第二主體30的另一端部可透過管接頭構件28b而連接上未圖示的配管等。
控制閥58具備有:形成於第二主體30的上部之凹部68;設於形成在該凹部68與覆蓋該凹部68之蓋構件70間的空間中之膜片部72;連結至前述膜片部72,且設成可在與第二通路62正交的方向自由變位之閥桿74;連結至前述閥桿74的下端部之閥體64;以及安裝在前述閥體64與連結至第二主體30的下部之插塞(plug)76之間之彈簧78。
膜片部72係由:夾在第二主體30與蓋構件70之間,且具有可撓性之薄膜狀的膜片80;以及在前述膜片80的中心部夾持該膜片80的上面側及下面側之保持構件82a,82b所構成。而且,膜片部72與蓋構件70之間形成的空間,係作為在構成切換部(切換閥)60之供給用電磁閥(供給用閥)92的切換作用下供給引導空氣到其中之供給室84。此供給室84係與供給通路86連通(此供給通路86係連接於在第二通路62中比設置有控制閥58的部位更上游側),流體通過此供給通路86而從第二通路62供給到供給室84。
閥桿74係連結成從保持構件82a,82b的中心向下方延伸,且受到形成於第二主體30之導引孔88的導引而可沿著該導引孔88自由變位。該導引孔88係貫通閥座部66的中心而形成。
閥體64係形成為具有形成於上部的就座部90、及與該就座部90正交而向下方延伸的筒部91之斷面大致為U形之形狀,而且,前述閥桿74係藉由螺栓97而連結至該就座部90的中心,前述彈簧78係***該筒部91的內部。另外,該就座部90形成有在相對於筒部91而言之半徑內側沿著閥體64的軸線方向貫通之複數個連通孔93,該就座部90的上面側及下面側通過前述連通孔93而恆保持連通狀態。
閥體64係由於彈簧78的彈壓力而一直受到往上方作用的推壓力,並由此推壓力使閥體64坐合在形成於其上方的閥座部66上。藉此,將以控制閥58為中心之第二通路62的上游側與下游測之連通予以切斷。此時,相對於閥體64而言屬於下游側之第二通路62的空氣會通過連通孔93而進入到設置彈簧78的空間95內,所以該閥體64會處於有大致相同的壓力作用在就座部90的上面側及下面側而在上下方向保持均衡之平衡狀態。
因此,例如,要使閥體64離開閥座部66以形成開閥狀態之際,只需給予該閥體64能對抗彈簧78的彈壓力之推壓力即可,所以可迅速地且以低壓使前述閥體64作動。
切換部60具備有用來使流通過第二通路62之流體供給至供給室84之供給用電磁閥92、以及用來使供給至前述供給室84之前述流體排出到外部之排出用電磁閥(排出用閥)94,且供給用電磁閥92及排出用電磁閥94係根據從流量檢測單元14之控制部24輸出的控制訊號而激磁,來切換對於前述供給室84之流體的供給/排出狀態。
亦即,藉由供給用電磁閥92之驅動使從第二通路62流通到供給通路86之流體供給至供給室84,藉由前述流體推壓膜片部72使之往下方變位。藉此,透過閥桿74使閥體64抵抗彈簧78的彈壓力而往下方變位,且離開閥座部66而使第二通路62連通。相反的,藉由排出用電磁閥94之驅動使供給室84之流體排出到外部,解除對於膜片部72之向下方的推壓力。如此一來,彈簧78的彈壓力會將閥體64往上方(箭號A方向)頂,使之坐合在閥座部66上而將第二通路62的連通狀態予以切斷。
上述之輸出至供給用電磁閥92及排出用電磁閥94之控制訊號,係為例如PWM(脈衝寬度調變)訊號或PFM(脈衝頻率調變)訊號,且供給用電磁閥92及排出用電磁閥94係根據前述控制訊號而間歇地動作。亦即,供給用電磁閥92及排出用電磁閥94係接受PWM控制或PFM控制而並不進行連續動作,因而可抑制發熱量。
再者,供給用電磁閥92及排出用電磁閥94分別為藉由控制訊號使之做電性的切換之二通閥(two-way valve),藉由前述控制訊號之輸入而使供給室84與供給通路86或外部成為連通狀態。
不過,並不限定於利用兩個二通閥來構成供給用電磁閥92及排出用電磁閥94,亦可取代設置兩個二通閥之作法,而以例如單一個三通閥,或五通閥來構成。
本發明實施形態之流量控制器10,基本上係為如以上所述之構成者,接著針對其動作及作用效果進行說明。在以下的說明中,以如第1及2圖所示之控制部24並未對供給用電磁閥92及排出用電磁閥94輸出任何控制訊號,閥體64受到彈簧78的彈壓力而坐合於閥座部66上,切斷第二通路62的連通狀態之閉閥狀態作為初期狀態而進行說明。
首先,流體(例如空氣)通過未圖示的配管而供給至流量檢測單元14的第一通路20,前述流體在前述第一通路20內通過複數個整流子34的孔部而往下游側流通。此時,流體中所含有的塵埃等會為該第一通路20內的複數個整流子34所捕捉去除,前述流體的流動也會受到整流然後往下游側流通。
在此同時,從控制部24將控制訊號輸出至供給用電磁閥92,使該供給用電磁閥92激磁以形成供給通路86與第二通路62連通之狀態。如此一來,導入至第二通路62之流體的一部份就會供給至供給室84,此引導空氣會將膜片部72連同閥桿74往下方推壓。於是,閥體64會抵抗彈簧78的彈壓力而向下方變位,離開閥座部66而使第二通路62成為連通狀態,流體即可從流量檢測單元14的第一通路20流通至流量控制單元18的第二通路62。
其間,由於閥體64在閉閥狀態係處於該閥體64的下游側的空氣分別在就座部90的上面側及下面側推壓而保持均衡之平衡狀態,因此即使供給至供給室84的引導空氣為低壓,也可使膜片部72立即往下方變位而促成開閥狀態。
流體在流量檢測單元14中通過縮徑的節流部32而後往流量控制單元18的第二通路62流通,且其中的一部份會從前述節流部32的上游側流通至檢測用通路36再在該節流部32的下游側匯流入第一通路20。導入至該檢測用通路36內之流體,其流體的流量係由檢測感測器38根據一組測溫元件中產生的電阻差來檢測出,並將其檢測結果做成檢測訊號後透過感測器基板42輸出至控制基板44。然後,將流體的流量輸出並顯示於例如顯示部26的顯示器54。
此外,在檢測部12中檢測出之流體的流量,會在控制部24中與預先設定的設定流量進行比較,判斷是否與該設定流量相同。例如,流體的流量比設定流量小時,必須使前述流量增大,所以從控制部24將控制訊號輸出至供給用電磁閥92,使供給至供給室84之流體的供給量增加。藉此進行控制,使膜片部72更往下方變位,使流通過第二通路62之流體的流量增加,使流體的流量成為設定流量。
另一方面,流體的流量比設定流量大時,則進行使控制閥58的開閉量變小以使流量減小之控制。此情況,係從控制部24分別輸出個別的控制訊號給供給用電磁閥92及排出用電磁閥94。其中,使供給用電磁閥92成為關閉(off)狀態,藉由此供給用電磁閥92之切換使對於供給室84之流體的供給停止,同時藉由排出用電磁閥94之切換使前述供給室84內之流體排出到外部。藉此,使將膜片部72往下方推壓之推壓力減弱,讓閥體64、閥桿74及膜片部72在彈簧78的彈壓力作用下往上方變位,使流通於前述閥體64與閥座部66之間的流體的流量變小。
如此進行控制,使流通過第二通路62之流體的流量減小,使流體的流量成為設定流量。
在上述的實施形態中,雖形成為將用來使流體導入供給室84之供給通路86設置在流量檢測單元14的下游側之構成,但並不限於此,亦可例如設置在前述流量檢測單元14的上游側,並使流通於第一通路20之流體供給至前述供給室84。在此情況,作為用來驅動流量控制單元18之引導空氣之流體,並未在流量檢測單元14中作為流量而接受檢測,所以可高精度地使流通到前述流量控制單元18的下游側之流體流量、與流量檢測單元14中檢測出的流量一致。
再者,流量控制單元18並不限於設置在流量檢測單元14的下游側,亦可設置在該流量檢測單元14的上游側。
此外,亦可將構成切換部60之供給用電磁閥92及排出用電磁閥94直接相對於流量控制單元18的第二主體30而設置之構成,取代成為將兩者配置在離開前述流量控制單元18的位置,對前述流量控制單元18進行遠隔操作來控制流體的流量之構成。
如上所述,本實施形態中,在構成流量檢測單元14之檢測部12方面,係使用採用MEMS技術之熱式流量感測器,因此在檢測流體的流量之際,可縮短其檢測時間,而且因為能以低電流加以驅動所以可做到省電力化。
另外,在可控制流體的流量之流量控制單元18中,控制閥58係形成為在流體的供給作用下變位,且使由膜片部72側給予閥體64之推壓力、與由彈簧78側給予該閥體64之推壓力兩者均衡之平衡構造,所以在推壓前述膜片部72之際,能以低壓的引導空氣使之變位,可迅速地使前述閥體64作動,因而可構成能以低壓加以驅動之流量控制器10。而且,可設定較小的彈簧78,所以可做到包含該彈簧78之流量控制單元18的小型化,隨之,亦可促進流量控制器10的小型化。
另外,在如前述之以往的流量控制器進行例如1000公升/分鐘以上的大流量之控制,必須對應於前述大流量的流通而使第二通路62的有效斷面積增加,並相應地設定受壓面積較大的閥體,以及為了使前述閥體能勝過前述流體所施加的推壓力而坐合在閥座部也必須採用彈壓力較大的彈簧。在此情況,由於會招致彈簧的大型化,且該彈簧的彈壓力也會變大,所以必須加大使閥體對抗該彈壓力而變位之際的驅動力,使得以低壓進行驅動這件事變得困難。
相對於此,本發明之構成,係採用具備有如上述的平衡構造之控制閥58,分別施加於前述閥體64的上面側及下面側之推壓力會一直保持均衡,所以即使在使第二通路62的有效斷面積及閥體64的受壓面積增大,以進行大流量的控制之情況,也無須使彈簧78大型化,即能以低壓且迅速地使閥體64作動。
亦即,與包含不具有平衡構造的流量控制單元之流量控制器相比較,可進行例如1000公升/分鐘以上的大流量之控制。
此外,輸出至構成切換部60之供給用電磁閥92及排出用電磁閥94的控制訊號,係為例如PWM(脈衝寬度調變)訊號或PFM(脈衝頻率調變)訊號,且根據前述控制訊號使前述供給用電磁閥92及排出用電磁閥94間歇地動作,因此與使該供給用電磁閥92及排出用電磁閥94連續地動作之情況相比較,可抑制其發熱量,可避免該切換部60產生的熱傳遞至流量檢測單元14所造成之檢測精度的降低。除此之外,也可做到切換部60之消耗電力的減低。
再者,在流量控制單元18中,供給用電磁閥92及排出用電磁閥94在流體的流量穩定之際便無須加以驅動,可提高其耐久性,且可做到消耗電力的減低。
本發明之流量控制器,毋庸說,並不限於上述的實施形態,可在不脫離本發明的要旨之情況下採用各種構成。
10...流量控制器
12...檢測部
14...流量檢測單元
16...配接器
18...流量控制單元
20...第一通路
22...第一主體
24...控制部
26...顯示部
28a、28b...管接頭構件
30...第二主體
32...節流部
34...整流子
36...檢測用通路
38...檢測感測器
40...凹部
42...感測器基板
44...控制基板
46...第一殼體
48...連接器連接部
50...引線
52...顯示基板
54...顯示器
56...第二殼體
58...控制閥
60...切換部
62...第二通路
64...閥體
66...閥座部
68...凹部
70...蓋構件
72...膜片部
74...閥桿
76...插塞
78...彈簧
80...膜片
82a、82b...保持構件
84...供給室
86...供給通路
88...導引孔
90...就座部
91...筒部
92...供給用電磁閥
93...連通孔
94...排出用電磁閥
95...空間
97...螺栓
第1圖係本發明實施形態之流量控制器的全體構成圖。
第2圖係第1圖之流量控制單元的擴大剖面圖。
第3圖係包含第1圖的流量控制器之流量控制系統的概略構成圖。
10...流量控制器
12...檢測部
14...流量檢測單元
16...配接器
18...流量控制單元
20...第一通路
22...第一主體
24...控制部
26...顯示部
28a、28b...管接頭構件
30...第二主體
32...節流部
34...整流子
36...檢測用通路
38...檢測感測器
40...凹部
42...感測器基板
44...控制基板
46...第一殼體
48...連接器連接部
50...引線
52...顯示基板
54...顯示器
56...第二殼體
58...控制閥
60...切換部
62...第二通路
64...閥體
66...閥座部
68...凹部
70...蓋構件
72...膜片部
74...閥桿
76...插塞
78...彈簧
80...膜片
82a、82b...保持構件
84...供給室
86...供給通路
88...導引孔
90...就座部
91...筒部
92...供給用電磁閥
93...連通孔
94...排出用電磁閥
95...空間
97...螺栓

Claims (7)

  1. 一種流量控制器,具備有:主體(22,30),具有:設於供流體流通的上游側之第一通路(20)、相對於前述第一通路(20)而設於下游側之第二通路(62)、以及設於該第一通路(20)與第二通路(62)之間之節流部(32);流量檢測部(14),設於前述主體(22,30),具有可檢測從前述第一通路(20)往第二通路(62)流通之前述流體的流量之檢測部(12);以及流量控制部(18),與前述流量檢測部(14)並列設置,具有:在引導空氣的供給作用下變位之膜片部(72)、透過閥桿(74)而連結至該膜片部(72)之閥體(64)、以及朝使前述閥體(64)坐合在形成於前述主體(22,30)的閥座部(66)之方向彈壓之彈簧(78),而控制前述閥體(64)之流體的流量,而前述檢測部(12)係為MEMS感測器,而且前述流量控制部(18)具備有使由前述膜片部(72)側給予前述閥體(64)之推壓力、與由前述彈簧(78)側給予前述閥體(64)之推壓力兩者均衡之平衡構造;前述第一通路(20)係在前述節流部(32)的上游側設有用以整理前述流體的流動之整流子(34)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之流量控制器,其中,前述流量控制部(18)具備有切換前述引導空氣的供給狀態之切換閥(60),前述切換閥(60)係藉由控制部(24)所輸 出之控制訊號加以驅動,前述控制訊號係PWM訊號或PFM訊號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之流量控制器,其中,前述切換閥(60)係由供給前述引導空氣而驅動前述膜片部(72)之供給用閥(92)、及使前述引導空氣排出而使前述膜片部(72)復位之排出用閥(94)所構成,前述供給用閥(92)及排出用閥(94)係藉由前述控制訊號加以驅動之二通閥。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之流量控制器,其中,前述彈簧(78)的彈壓力係朝與前述流體的流動方向相同之方向彈壓前述閥體(64)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之流量控制器,其中,前述引導空氣係從前述流量檢測部(14)的上游側往前述膜片部(72)而供給。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之流量控制器,其中,前述檢測部(12)具備有:連通前述節流部(32)的上游側及下游側,形成為該第一通路(20)的旁通路之檢測用通路(36);以及面對前述檢測用通路(36)而設置之檢測感測器(38)。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之流量控制器,其中,前述供給用閥(92)及排出用閥(94)分別為藉由控制訊號做電性切換之二通閥。
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